使用微光學(xué)元件以用于由點(diǎn)源照射的發(fā)光形象結(jié)構(gòu)中的深度感知的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種包括光源和透射光學(xué)板的照明單元，其中光源包括用于光源光的光出射表面，其中透射光學(xué)板包括導(dǎo)向光源的光出射表面的上游面和布置成遠(yuǎn)離光源的光出射表面的下游面，其中所述光學(xué)板包括微光學(xué)元件的2D陣列以用于將所述光源光折射在離開下游面的方向上，其中從光出射表面到透射光學(xué)板的幾何路徑長度是至少20cm。
【專利說明】使用微光學(xué)元件以用于由點(diǎn)源照射的發(fā)光形象結(jié)構(gòu)中的深 度感知

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及包括光源和光學(xué)板的照明單元，以及這種照明單元的用途。

【背景技術(shù)】
[0002] 本領(lǐng)域已知利用光來產(chǎn)生3D圖像。例如，W0/2005/117458描述了一種用于顯示 3D圖像的設(shè)備和方法。該設(shè)備包括：a)屏幕，其具有依賴于角度的漫射特性以用于方向選 擇性地轉(zhuǎn)遞（forward)光；b)屏幕照射系統(tǒng)，該屏幕照射系統(tǒng)包括：用于產(chǎn)生入射于屏幕 的各個(gè)點(diǎn)上的多個(gè)光束的多個(gè)模塊，所述模塊被布置成使得屏幕的每個(gè)點(diǎn)被多個(gè)模塊所照 射，并且由一個(gè)模塊產(chǎn)生的入射光束被投影到從該模塊朝向屏幕的多個(gè)不同點(diǎn)的多個(gè)不同 的方向上，并且進(jìn)一步地，由一個(gè)模塊產(chǎn)生的不同入射光束從屏幕朝向不同的發(fā)射方向被 轉(zhuǎn)遞；以及用于利用模塊中的單個(gè)圖像點(diǎn)的圖像信息編碼每個(gè)入射光束的裝置，其中由觀 察者感知到的3D圖像由多個(gè)模塊產(chǎn)生；c)用來控制模塊的控制系統(tǒng)；和d)用于將出射發(fā) 散性賦予透射穿過屏幕或從屏幕反射的出射光束的裝置，該出射發(fā)散性的度量基本上對(duì)應(yīng) 于與光學(xué)相鄰的模塊相關(guān)聯(lián)的相鄰發(fā)射方向之間的角度，以便提供由觀察者感知到的3D 圖像中的基本上連續(xù)的運(yùn)動(dòng)視差。
[0003] W0/2005/117458中描述的設(shè)備包括用于產(chǎn)生具有基本上朝向屏幕點(diǎn)會(huì)聚的會(huì)聚 部分的入射光束的成像裝置，其中所述入射光束的會(huì)聚性基本上等于從屏幕出射的光束的 出射發(fā)散性。所述模塊可以是視頻投影儀、LED投影儀、這些儀器的光學(xué)引擎等等，其按周 期性地偏移方式布置，優(yōu)選地在水平方向上進(jìn)行布置，并且漫射器屏幕被實(shí)現(xiàn)為全息屏幕、 衍射或折射元件的陣列、回復(fù)反射表面、或其任意組合，以用于沿至少一個(gè)方向（優(yōu)選地堅(jiān) 直方向上）將較大的發(fā)散性賦予出射光束，同時(shí)在其他方向上由屏幕提供的發(fā)散角度小于 與光學(xué)相鄰的模塊相關(guān)聯(lián)的相鄰發(fā)射方向之間的角度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 除產(chǎn)生3D圖像之外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可能關(guān)注產(chǎn)生虛擬3D燈或照明器。這種虛擬3D照 明器可以顯示視覺上吸引人且出人意料的3D狀照明效果。深度感知可能起因于各種深度 線索（cue)，這些線索可以分類成單眼和雙眼線索。3D顯示器中的一個(gè)潛在光學(xué)技術(shù)可以 是基于類屬于折射微光學(xué)元件的雙凸透鏡（lenticular)?；陔p凸透鏡的3D顯示器使用 立體視覺(雙眼線索)，其根據(jù)到兩只眼睛的視網(wǎng)膜上的兩個(gè)略有不同的投影來創(chuàng)建深度的 感知。這些折射光學(xué)元件能夠創(chuàng)建立體視覺。另一方面，衍射光學(xué)元件（D0E)(全息圖）也 創(chuàng)建深度感知。D0E依賴于諸如透視、聚焦和運(yùn)動(dòng)視差的(單眼）線索。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)中的系統(tǒng)常常要承受大量光損耗和/或具有復(fù)雜的構(gòu)造。因此，本發(fā)明 的一個(gè)方面是提供一種用于具有運(yùn)動(dòng)視差的虛擬3D光投影的替代照明單元，其（因此)能夠 創(chuàng)建包括深度的空間延展印象。優(yōu)選地這種替代照明單元還至少部分地消除了上述缺陷中 的一個(gè)或多個(gè)。
[0006] 對(duì)于虛擬3D照明器的投影，光損耗最小的3D效果的創(chuàng)建(意指光學(xué)效率應(yīng)為 ~70%)被定義為是至關(guān)重要的。這促成折射元件的使用，因?yàn)橹T如PMMA結(jié)構(gòu)的透明結(jié)構(gòu)相 比于在全息圖中使用的光敏鹵化銀膜而言光吸收少。使用單眼線索的優(yōu)點(diǎn)另一方面在于觀 察者的位置和方位并不像立體視覺情形將會(huì)的那樣需要延展的尋址。
[0007] 目前，出人意料地，看起來例如可以通過使用低損耗的折射光學(xué)結(jié)構(gòu)經(jīng)由LED點(diǎn) 源的集合的單眼線索(透視、聚焦和運(yùn)動(dòng)視差）創(chuàng)建包括深度的空間延展印象(例如環(huán)、球或 8-形狀)。在一個(gè)實(shí)施例中，LED光源被放置在距微錐體陣列元件相當(dāng)一段距離(例如至少 20cm，尤其是至少彡25cm)處，以便創(chuàng)建具有感知到的深度的圓形結(jié)構(gòu)。
[0008] 因此，在第一方面，本發(fā)明提供包括光源和透射光學(xué)板(這里也被稱作"光學(xué)板"或 "板"）的照明單元，其中所述光源包括用于光源光的光出射表面，其中所述透射光學(xué)板包括 導(dǎo)向所述光源的所述光出射表面的上游面和布置成遠(yuǎn)離（背離）所述光源的所述光出射表 面的下游面，其中所述光學(xué)板包括至少錐形微光學(xué)元件(這里也被稱作"光學(xué)元件"）的2D 陣列以用于將所述光源光折射在離開下游面的方向上，其中光源光從所述光出射表面到所 述透射光學(xué)板的幾何路徑長度是至少20cm，并且其中所述光源被設(shè)計(jì)成發(fā)出朝向上游面 的、作為有意義的（meaningful) 2D圖案化成形光束的光源光。在另一方面，本發(fā)明還提供 這種照明單元的用途，其中所述照明單元包括多個(gè)光出射表面，以提供具有運(yùn)動(dòng)視差的虛 擬3D光投影。
[0009] 在該方面，有意義的2D圖案化成形光意指作為形象、符號(hào)、或基本形狀(例如圓、 多邊形、星形、字符、數(shù)字等）可被識(shí)別的任何2D圖案。
[0010] 利用上述照明單元，以相對(duì)簡單的方式為虛擬3D光源提供有運(yùn)動(dòng)視差。視差是 沿著兩條不同視線觀察的物體的表觀位置的位移或差值。對(duì)于運(yùn)動(dòng)視差，其指示在相對(duì)于 照明單元移動(dòng)時(shí)(尤其是在沿著照明單元移動(dòng)時(shí)）被感知到的視差。對(duì)于所述照明單元，點(diǎn) 狀光源(更精確地，具有點(diǎn)狀光出射表面的光源(亦參見下文)）可以被轉(zhuǎn)化成虛擬圓線狀光 源，以及具有圓形幾何形狀的光源可以被轉(zhuǎn)化成虛擬球狀光源。為了獲得運(yùn)動(dòng)視差的可感 知效果，優(yōu)選地所述幾何路徑長度比單個(gè)光出射表面的線性尺寸大至少一個(gè)量級(jí)，例如至 少大10倍或40倍。當(dāng)所述幾何路徑長度比所述光出射表面的所述線性尺寸大至少100倍、 500倍或甚至多于500倍時(shí)，獲得運(yùn)動(dòng)視差的顯著效果。
[0011] (LED)光源和觀察者之間的微光學(xué)陣列（微光學(xué)元件的2D陣列）能夠?qū)Ⅻc(diǎn)源蘭伯 特（Lambertian)發(fā)射器改變成空間延展結(jié)構(gòu)。該延展結(jié)構(gòu)的大小可以與點(diǎn)源和微陣列之 間的距離線性地相關(guān)(亦參見下文)。觀察者的焦點(diǎn)在于將LED光引導(dǎo)到視網(wǎng)膜中的微元件 組與那些并非如此的微元件之間的對(duì)比。對(duì)于運(yùn)動(dòng)視差，隨著觀察者改變位置，光源(諸如 (多個(gè)）LED)-微元件陣列-觀察者的幾何形狀改變。對(duì)于觀察者而言看起來發(fā)光的微 元件組相應(yīng)地發(fā)生變化。因此，對(duì)于觀察者而言，圓形形象看起來是來自微元件陣列后方。 透視線索經(jīng)由微元件的發(fā)光強(qiáng)度的變化而被創(chuàng)建：LED源與觀察者之間的光學(xué)路徑可以確 定發(fā)光強(qiáng)度。隨著距離縮短(觀察者靠近光源)，所述3D光投影(諸如圓形形象)看起來比對(duì) 應(yīng)于真實(shí)發(fā)光光源的情況更明亮。
[0012] 所指示的光源具有光出射表面。燈的光出射表面例如是熒光燈的燈罩、LED (發(fā)光 二極管）管芯、或者波導(dǎo)表面處的光耦出特征。
[0013] 有關(guān)的參數(shù)是光出射表面與光學(xué)板之間的距離。該距離也被指示為幾何路徑長 度，這是因?yàn)樵谄渲泄庠匆蚤g接方式照射光學(xué)板的實(shí)施例中，必須采取所述幾何路徑長度 (即，光線在光出射表面和光學(xué)板之間行進(jìn)的長度)。因此，在一個(gè)實(shí)施例中，光源被配置成 以間接方式（即，包含(鏡面）反射）照射上游面，以及在另一個(gè)實(shí)施例中，光源被配置成以直 接方式（即，沒有反射）照射上游面。因此，所述幾何路徑長度是當(dāng)光源（的光出射表面）被 配置成或以直接方式或以間接方式(諸如經(jīng)由反射鏡等；亦參見下文）照射透射光學(xué)板時(shí)光 線將從光出射表面行進(jìn)到透射光學(xué)板的長度。
[0014] 另一個(gè)有利的參數(shù)可以是上游面利用所述成形光束來照射。上游面上的光的2D 圖案被光學(xué)板轉(zhuǎn)化并且由于光出射表面與光學(xué)板之間的所述距離而被轉(zhuǎn)化成虛擬3D圖像 (具有運(yùn)動(dòng)視差)。因此，光源具有光出射表面，其尤其被配置成利用所述成形光束照射所述 上游面。
[0015] 術(shù)語"上游"和"下游"涉及項(xiàng)或特征相對(duì)于來自光產(chǎn)生裝置(這里尤其是所述光 源）的光的傳播的布置，其中相對(duì)于來自所述光產(chǎn)生裝置的光束內(nèi)的第一位置，在所述光束 內(nèi)的靠近所述光產(chǎn)生裝置的第二位置是"上游"，而在所述光束內(nèi)的離所述光產(chǎn)生裝置較遠(yuǎn) 的第三位置是"下游"。
[0016] 光學(xué)元件的2D陣列總體包括規(guī)則地布置的多個(gè)光學(xué)元件。光學(xué)元件被配置成具 有折射屬性。進(jìn)入上游面的光源光從光學(xué)板的下游面離開同時(shí)被所述光學(xué)元件折射。光學(xué) 元件可以例如包括圓錐體或棱錐體（pyramid)。如四面體的其他形狀也可以是可能的。在 本文中，還可以使用頂端截去的圓錐體、四面體或棱錐體。而且，還可以使用其他形狀，諸如 五角形棱錐體、三角形穹頂塔、方形穹頂塔、五角形穹頂塔、五角形圓頂圓狀體、或者這些形 狀的細(xì)長型，如細(xì)長型圓錐體、細(xì)長型方形棱錐體、細(xì)長型四面體、細(xì)長型五角形棱錐體、細(xì) 長型三角形穹頂塔、細(xì)長型方形穹頂塔、細(xì)長型五角形穹頂塔、細(xì)長型五角形圓頂圓狀體。 光學(xué)元件可以是規(guī)則地成形的，但也可以是不規(guī)則地或不對(duì)稱地成形的。所有這些光學(xué)元 件具有錐形的形狀，它們遠(yuǎn)離照明單元指向（或者遠(yuǎn)離下游面指向、或者遠(yuǎn)離（多個(gè)）出射表 面導(dǎo)向）。在一個(gè)實(shí)施例中，選擇這樣的光學(xué)元件：其在底座處具有呈六邊形、矩形或圓形形 狀的截面?？蛇x地也可以應(yīng)用不同類型光學(xué)元件的組合。
[0017] 下游面可以包括例如25-1. 106個(gè)微光學(xué)元件，如100-1. 104 (S卩，例如 5x5-1，000x1，000 (如10x10-100x100)個(gè)微光學(xué)元件)。短語"至少微光學(xué)元件的2D陣列" 還可以涉及多個(gè)這樣的陣列，比如微光學(xué)元件的兩組或多組2D陣列。在一個(gè)實(shí)施例中，其 中應(yīng)用微光學(xué)元件的多組2D陣列，這些可以被包括在單個(gè)光學(xué)板中。然而，照明單元也可 以包括多個(gè)光學(xué)板，每一個(gè)光學(xué)板包括微光學(xué)元件的一組或多組2D陣列，從而包括微光學(xué) 元件的3D布置。光學(xué)板可以鄰近于彼此布置，并且可以被布置在同一個(gè)平面中。然而，它 們還可以被布置成彼此間具有角度。在一個(gè)實(shí)施例中，所述2D陣列可以被布置成彼此間成 角度，或者在另一個(gè)實(shí)施例中，它們可以被布置成彼此平行。2D布置還可以通過微光學(xué)元件 的1D布置的線的組合而獲得。在特定實(shí)施例中，2D陣列包括曲度（S卩，所述光學(xué)元件被布 置在曲面中）。因此，在特定實(shí)施例中，光學(xué)板可以包括2D陣列平面中的曲度。在又一個(gè)實(shí) 施例中，2D陣列被布置在平坦的平面中（S卩，微光學(xué)元件的底座或底部被布置在平坦的平面 中）。尤其地，光學(xué)板是平板(其一面包括微光學(xué)元件)。而且，在一個(gè)實(shí)施例中，單個(gè)(平坦 的）光學(xué)板被應(yīng)用有2D陣列。
[0018] 光學(xué)元件底座處的尺寸可以例如是在0. 05-10mm的范圍內(nèi)，尤其是0. l-5mm (如 0.2-2_)。術(shù)語微光學(xué)元件用來指示光學(xué)元件是小的。這里的尺寸指的是長度或?qū)挾?，?者在如圓錐體的具有圓形截面的光學(xué)元件的情形中指的是直徑。光學(xué)元件的（多個(gè)）頂角 (在圓錐體的情形中是圓錐角）尤其是在90-150°的范圍內(nèi)，甚至更尤其是在100-145°的 范圍內(nèi)，還更尤其是108-140°。所述多個(gè)微光學(xué)元件可以全部具有相同的頂角，但頂角也 可以是不同的，它們規(guī)則地或不規(guī)則地分布于光學(xué)板之上。
[0019] 在特定實(shí)施例中，微光學(xué)兀件具有遠(yuǎn)離出射表面導(dǎo)向的、具有在100-145°的范圍 內(nèi)的圓錐角（α )的圓錐體形狀，并且其中圓錐體在圓錐體底座處具有0. 1-5_的范圍內(nèi)的 直徑(《)。利用更大或更小的頂角（或在圓錐體的情形中是圓錐角)，可能不會(huì)獲得所需的屬 性。例如，太多的光可能由于全內(nèi)反射而被損耗。在另一特定實(shí)施例中，微光學(xué)元件具有遠(yuǎn) 離出射表面導(dǎo)向的、具有在108-140°的范圍內(nèi)的圓錐角（α)的圓錐體形狀。在又一實(shí)施 例中，光學(xué)板包括棱鏡光學(xué)兀件，比如微棱鏡陣列板。
[0020] 光學(xué)板是透射的。這暗示著光源光中的至少部分光進(jìn)入上游面且在下游面處離開 光學(xué)板(作為照明單元光，即，創(chuàng)建虛擬3D效果的光)。尤其地，對(duì)于由光源產(chǎn)生的且具有選 自可見波長范圍的波長的光，光學(xué)板具有在50-100%、尤其在70-100%的范圍內(nèi)的光透射。 以這種方式，光學(xué)板透射來自照明單元的可見光。在本文中，術(shù)語"可見光"尤其涉及具有選 自380-780nm的范圍的波長的光。透射或光滲透可通過對(duì)材料提供具有第一強(qiáng)度的特定波 長的光并且將在通過該材料透射后測量到的該波長的光的強(qiáng)度與對(duì)該材料所提供的所述 特定波長的光的所述第一強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)來確定(亦參見"CRC Handbook of Chemistry and Physics" 第 69 版中的 E-208 和 E-406,1088-1989)。
[0021] 尤其地，光源包括被布置成有意義的2D圖案的多個(gè)光出射表面。例如，光源可以 包括多個(gè)發(fā)光設(shè)備（LED)。術(shù)語光源也可以涉及多個(gè)光源?？蛇x地，該多個(gè)發(fā)光設(shè)備具有以 不同波長發(fā)射的兩個(gè)或多個(gè)子集。以這種方式，還可以創(chuàng)建一種彩色效果。在又一個(gè)實(shí)施 例中，所述多個(gè)光出射表面包括多個(gè)光耦出結(jié)構(gòu)。以這種方式，可以創(chuàng)建光的（2D)特征（即， 在上游面上的光的2D圖案)，其在光學(xué)板的上游面處可見。
[0022] 所述多個(gè)光出射表面可以例如涉及3-1. 106個(gè)光出射表面，比如6-1. 104個(gè)光出射 表面(如10-1000個(gè)光出射表面)。
[0023] 在特定實(shí)施例中，光出射表面具有在0. l_25mm2的范圍內(nèi)的表面面積，比如在 0. 5-4_2的量級(jí)，尤其是0. 5-1_2。出射表面因而尤其是點(diǎn)光源，其具有等于或少于25_2 的出射表面面積，尤其是等于或少于4mm2,甚至更多地等于或少于mm2。因此，優(yōu)選地應(yīng)用點(diǎn) 光源，比如LED或(小的）耦出特征。
[0024] 因此，可應(yīng)用例如呈圓形的具有(提取式）（蘭伯特）散射圓點(diǎn)圖案的導(dǎo)光板。LED 光被耦合到其內(nèi)的光發(fā)射管可作為一種替代方案。光可經(jīng)由管的背側(cè)上的散射圓點(diǎn)而被提 取，以使得出射光線經(jīng)由光學(xué)板（比如微棱鏡陣列板）朝向觀察者行進(jìn)。
[0025] 優(yōu)選地，光源被配置成提供具有蘭伯特分布的光(從光出射表面逸散)?？商鎿Q 地，光源具有單個(gè)光出射表面，其發(fā)出呈現(xiàn)成形的、特定的、有意義的2D圖案(例如方形）的 光束，該光束例如可經(jīng)由G0B0獲得。G0B0從"在中間（Go Between)"，遮擋（GO BlackOut)" 或"在光學(xué)器件之前（Goes Before Optics)"（原本用于膠片設(shè)備上）推得，其是以狹縫 嵌入發(fā)光源內(nèi)部或置于發(fā)光源前面的物理模板、用來控制所發(fā)射的光的形狀，例如以標(biāo)識(shí) (logo)的邊緣分明的圖案。然而，進(jìn)一步可替換地，例如具有蘭伯特分布的LED或多個(gè)LED 的光源具有多個(gè)光出射表面，其被布置成有意義的2D圖案，以用于朝向透射光學(xué)板發(fā)出所 述成形的、有意義的2D圖案。
[0026] 在一個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)光出射表面被布置成圓形或橢圓形。以這種方式，上游 面上的光的2D圖案可以是圓形或橢圓形(光)。在又一個(gè)實(shí)施例中，光源被配置成產(chǎn)生（中 空）方形或中空六角形形狀，等等。
[0027] 當(dāng)（多個(gè)）光源被配置成在光學(xué)板的上游面處產(chǎn)生圓形或橢圓形光時(shí)，并且尤其當(dāng) 使用圓錐體成形的光學(xué)元件時(shí)，創(chuàng)建虛擬的3D球形或球狀物體。因此，例如尤其是當(dāng)照明 單元包括被布置成圓形或橢圓形的多個(gè)光出射表面并且包括圓錐體成形的光學(xué)元件時(shí)，該 照明單元可以被用來提供具有運(yùn)動(dòng)視差的虛擬3D球形光投影。
[0028] 在一個(gè)實(shí)施例中，光源被配置成以間接方式照射上游面。例如，一個(gè)或多個(gè)反射鏡 可以被用來將光源的光反射在光學(xué)板（即，其上游面）的方向上。這樣的實(shí)施例可以被用來 減小照明單元的厚度或?qū)挾?。因此，為了進(jìn)一步減小組件的總體高度，可應(yīng)用一個(gè)或多個(gè)鏡 面反射鏡。在此方式下，虛擬地創(chuàng)建例如約25cm的距離?？蛇x地，鏡面反射器的曲度可以 幫助增加組件的光學(xué)效率，這是因?yàn)榇怪庇诠鈱W(xué)板的光線的透射效率更高。
[0029] 而且，應(yīng)用準(zhǔn)直器看起來是有利的。因此，在一個(gè)實(shí)施例中，照明單元進(jìn)一步包括 準(zhǔn)直器，其被配置成準(zhǔn)直光源光并且被配置在光出射表面與光學(xué)板之間。為了防止在關(guān)于 上游面的法線所成的入射角超出7度時(shí)光學(xué)元件(諸如棱鏡圓錐體等）中的全內(nèi)反射，可能 尤其需要在光出射表面(諸如LED封裝的管芯）前面的準(zhǔn)直器。因此，準(zhǔn)直元件有利地被應(yīng) 用于盡可能多地準(zhǔn)直到優(yōu)選14°的全角（full angle)內(nèi)。更少的準(zhǔn)直將仍然可行，但依據(jù) 說明，這可能降低從棱鏡板出射的光通量的光學(xué)效率。
[0030] 在本文中，比如在"基本上所有發(fā)射"或"基本上構(gòu)成"中的術(shù)語"基本上"將被本 領(lǐng)域技術(shù)人員所理解。術(shù)語"基本上"也可以包含具有"整體地"、"完全地"、"全部"等的實(shí) 施例。因此，在實(shí)施例中修飾性的"基本上"也可以被省去。在可應(yīng)用的情形下，術(shù)語"基本 上"也可以涉及90%或更高，比如95%或更高，尤其是99%或更高，甚至更特殊地是99. 5%或 更高，包含100%。術(shù)語"包括"也包含其中術(shù)語"包括"意指"由……構(gòu)成"的實(shí)施例。
[0031] 而且，本說明書和權(quán)利要求書中的術(shù)語第一、第二、第三等被用于區(qū)分相似的元件 并且不一定被用于描述先后或時(shí)間順序。要理解的是如此使用的術(shù)語在適當(dāng)?shù)那榫诚驴苫?換并且在本文中所描述的本發(fā)明的實(shí)施例能夠以不同于本文所描述或闡明的其它次序進(jìn) 行操作。
[0032] 本文中的設(shè)備與其它設(shè)備相比是跟隨操作過程描述的。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)明 白，本發(fā)明不限于操作方法或操作中的設(shè)備。
[0033] 應(yīng)當(dāng)注意，上述實(shí)施例用以闡明而非限定本發(fā)明，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠不 脫離所附權(quán)利要求的范圍而設(shè)計(jì)許多替代實(shí)施例。在權(quán)利要求書中，置于括號(hào)內(nèi)的任何附 圖標(biāo)記不應(yīng)當(dāng)被解釋為限制權(quán)利要求。動(dòng)詞"包括"及其變位的使用并不排除不同于權(quán)利要 求所述的其它元件或步驟的存在。元件前的冠詞"一"或"一個(gè)"并不排除多個(gè)這種元件的 存在。本發(fā)明可以通過包括若干不同元件的硬件、以及通過合適編程的計(jì)算機(jī)來實(shí)施。在 列舉了若干裝置的設(shè)備權(quán)利要求中，這些裝置中的一些可以通過一個(gè)且相同的硬件項(xiàng)來體 現(xiàn)。某些措施被記載于相互不同的從屬權(quán)利要求中的單純事實(shí)并不指示這些措施的組合不 能被有利地使用。
[0034] 本發(fā)明進(jìn)一步應(yīng)用于包括在本說明書中所描述的和/或在所附附圖中所示的特 點(diǎn)特征中的一個(gè)或多個(gè)的設(shè)備。本發(fā)明進(jìn)一步涉及包括在本說明書中所描述的和/或在所 附附圖中所示的特點(diǎn)特征中的一個(gè)或多個(gè)的方法或過程。
[0035] 本專利所討論的各個(gè)方面可被組合以便提供附加的優(yōu)勢。此外，所述特征中的一 些可形成一個(gè)或多個(gè)分案申請(qǐng)的基礎(chǔ)。
[0036] DE102008017234A1公開了一種包括透射光學(xué)板的照明單元，在該透射光學(xué)板的 下游面上布置有錐形微光學(xué)元件的2D陣列以用于將光源光折射在遠(yuǎn)離所述下游面的方向 上。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0037] 現(xiàn)在將僅通過示例參照隨附的示意圖來描述本發(fā)明的實(shí)施例，在圖中，對(duì)應(yīng)的附 圖標(biāo)記指示對(duì)應(yīng)的部件，并且其中： 圖la-ld示意性地描繪本發(fā)明一些方面和實(shí)施例； 圖2a_2c示意性地描繪實(shí)施例的一些變化； 圖3a_3d示意性地描繪本發(fā)明的一些方面； 所述附圖未必按比例繪制。
[0038] 圖4a_4b示出利用本發(fā)明的照明單元?jiǎng)?chuàng)建的虛擬3D照明器的一些相片。

【具體實(shí)施方式】
[0039] 圖la示意性地描繪了照明單元100。照明單元100包括光源10和透射光學(xué)板20。 光源10包括用于光源光12的光出射表面11。總體而言，光源將包括多個(gè)光源和/或多個(gè) 光出射表面11 (亦參見圖2a-2c)。
[0040] 透射光學(xué)板20包括導(dǎo)向光源10的光出射表面11的上游面23和背向所述光源的 光出射表面11的下游面24。上游面23在光源10的下游，但在下游面24的上游；下游面 24在上游面23的下游并且在光源10的下游。光源10的光12在從上游面23到下游面24 的方向上透射穿過光學(xué)板20。從下游面24逸散的光被指示為照明單元光102。該光可以 被觀察者所感知。
[0041] 光學(xué)板20包括微光學(xué)兀件21的2D陣列，其用于將光源光12折射在遠(yuǎn)離下游面 24的方向上(在可被解釋為截面的該示意圖中，僅通過示例示意性地描繪包含4個(gè)光學(xué)元 件的一個(gè)陣列)。這里的光學(xué)元件指向遠(yuǎn)離光源10和光出射表面11的方向，并且指向遠(yuǎn)離 下游面24的方向。從光出射表面11到透射光學(xué)板（20)的(光線將行進(jìn)的）幾何路徑長度 d至少是20cm。在此，該距離與光出射表面11到上游面23之間的距離相同。在該實(shí)施例 中，光學(xué)板20基本上是平板，其下游面處包括有微光學(xué)元件21。
[0042] 標(biāo)記dl指示照明單元100的整體厚度。該厚度dl可以例如是在50-400mm的范 圍內(nèi)，但也可以更小或更大。角α指示微光學(xué)元件21的頂角。微光學(xué)元件指向遠(yuǎn)離(多個(gè)） 光出射表面11的方向。標(biāo)記22指不微光學(xué)兀件的（多個(gè)）表面。這些表面形成錐形結(jié)構(gòu) (即，光學(xué)元件21 )，其如上文所指示的尤其指向遠(yuǎn)離光出射表面11的方向。標(biāo)記wl指示光 學(xué)板20 (包含微光學(xué)元件21)的寬度。而且，標(biāo)記w指示光學(xué)元件21底部處的寬度(或可 應(yīng)用的情形下，指示直徑）(亦參見圖3c-3d)。在附圖中示意性地描繪的光學(xué)板20是平板。
[0043] 圖lb示意性地描繪了從下方看的光學(xué)板的透視圖，其示出了若干微光學(xué)元件21 (在下游面24處）提供光102。這可以提供3D感知；光102源自虛擬3D源。
[0044] 圖lc示出光學(xué)板20的頂部(事實(shí)上是底部視圖的頂部)，其中下游面24可見(從 下方看；即，由照明單元下游的并觀察所述照明單元的下游面的觀察者可見)。7x7的微光 學(xué)元件21的陣列通過示例被示出。板20的尺寸(在此為長度1和寬度b，但在圓形板的情 況下為直徑）可以例如是在5-1，000cm的范圍內(nèi)，比如10-500cm (如20-200cm)。
[0045] 圖Id示意性地描繪了光學(xué)板20的上游面23未被均勻照射。存在(基本上）被照 射的區(qū)域212和(基本上)不被照射的區(qū)域213。光源(在該圖中未示出）被配置成利用成形 的、有意義的2D圖案化光束照射上游面23。在此，在示意性地描繪的實(shí)施例中，由所述成形 光束照射的上游面的區(qū)域具有中空的圓形形狀(亦參見圖2a)。
[0046] 圖2a不意性地不出了包括多個(gè)光出射表面11的光源10的實(shí)施例。例如，光源10 可以包括多個(gè)LED 110。示意性地描繪的光源10在被應(yīng)用于本發(fā)明的照明單元中時(shí)可以 提供具有運(yùn)動(dòng)視差的球形3D狀虛擬照明器。圖2a的光源10可以例如提供在光學(xué)板20的 上游面23上的中空?qǐng)A形照射區(qū)域212 (如在圖Id中示意性地描繪的）。每一個(gè)光出射表面 11可以具有〇.1-25_2的面積。特別地，面積等于或小于4_ 2。光出射表面11優(yōu)選地提供 具有蘭伯特分布的光。
[0047] 圖2b示意性地描繪了包括例如LED光源110的光源10的實(shí)施例，該光源被配置 成將LED光源110的光耦合到波導(dǎo)45內(nèi)。波導(dǎo)45包括多個(gè)光耦出結(jié)構(gòu)111，它們具有光 出射表面11的功能。在此，光學(xué)板具有厚度wl，同時(shí)《2指示光學(xué)元件21在該情形下被布 置于其上的光學(xué)板的部分。總體而言，總寬度將是幾毫米或更少。板的寬度(不含光學(xué) 元件21)被指示為w2。因此，在該示意性地描繪的實(shí)施例中，光學(xué)元件21的高度是wl-w2。 照明單元100的整體厚度再次用標(biāo)記dl指示。
[0048] 圖2c示意性地描繪了具有一個(gè)或多個(gè)反射鏡(鏡面反射器)50的照明單元。反射 鏡可以是平坦的或彎曲的。在此方式下，虛擬地創(chuàng)建至少約20cm (尤其至少約25cm)的距 離。鏡面反射器中的曲度(未示出）可以幫助增加組件的光學(xué)效率，這是因?yàn)榇怪庇诶忡R板 的光線的透射效率更高。為了創(chuàng)建環(huán)形結(jié)構(gòu)，LED (加上可選的準(zhǔn)直器，亦參見下文)可以被 組裝成環(huán)形結(jié)構(gòu)。替代地，LED源被定位在沿棱鏡板邊緣的線中，并且它們的準(zhǔn)直元件的取 向可稍作傾斜以將光斑環(huán)投影到鏡面反射器上(參見圖2b)。圖2c中從光出射表面11到 光學(xué)板20的幾何路徑長度（d ;未繪出）是光出射表面11與反射鏡50之間的光線21'的長 度以及反射鏡與光學(xué)板20之間的長度22'（其是由反射鏡50反射在光學(xué)板20的方向上 的反射光線21'的長度)。優(yōu)選地最短距離（也就是最短的幾何路徑長度）為至少20cm，尤 其至少25cm (比如30cm)。厚度dl可以例如是在50-400mm的范圍內(nèi)，但也可以更小，比如 10-200mm ;然而，dl也可以更大。
[0049] 圖3a示意性地描繪了對(duì)來自光源10的光源光12進(jìn)行準(zhǔn)直的準(zhǔn)直器或準(zhǔn)直元件 30的使用。在LED封裝或另一光源前面的準(zhǔn)直元件30可以減少或防止在關(guān)于(光學(xué)板的上 游面23的）法線所成的入射角超出7度時(shí)棱鏡圓錐體中的全內(nèi)反射。因此，優(yōu)選地準(zhǔn)直元 件盡可能多地準(zhǔn)直到優(yōu)選14度的全角內(nèi)。較少的準(zhǔn)直仍然將可行，但依據(jù)說明，這會(huì)降低 從棱鏡板出射的光通量的光學(xué)效率。
[0050] 圖3b示意性地描繪了光出射面的尺寸d2。標(biāo)記d2反映寬度和長度(它們?cè)瓌t上 可能不同)、或可選地直徑。長度/寬度d2將總體上在約1mm的范圍內(nèi)，從而創(chuàng)建約1mm2的 光出射表面。
[0051] 圖3c_3d示意性地示出了錐形結(jié)構(gòu)(諸如棱錐體或圓錐體(在此為圓錐體)）的頂 角。盡管圓錐體可以被應(yīng)用，但還可以應(yīng)用棱錐體等。光學(xué)元件21底部處的尺寸用標(biāo)記w 指示。該尺寸也可以是長度和寬度、或直徑。對(duì)于具有非方形、矩形或圓形的底部(或底部 處的截面）的光學(xué)元件21，w也可以指有效長度，即光學(xué)元件21底部處的面積的平方根。
[0052] 圖4a和4b示出了當(dāng)從下游側(cè)看向照明單元100的下游面24時(shí)(亦參見例如圖 la)，由環(huán)形結(jié)構(gòu)上的LED集合所創(chuàng)建的發(fā)光球形形象，所述LED集合如在圖2a中示意性地 描繪的(如在圖Id中示意性地描繪的，它可以創(chuàng)建光學(xué)板的不均勻照射)。因此，圖4a示出 了當(dāng)看進(jìn)微光學(xué)元件的2D陣列內(nèi)時(shí)從下方看到的發(fā)光球形形象。當(dāng)觀察者靠近微光學(xué)陣 列的邊沿時(shí)，該球形形象看起來消失于其后方：運(yùn)動(dòng)視差。圖4b示出了當(dāng)觀察的人在另一 位置時(shí)所觀察到的情況。當(dāng)位置發(fā)生改變時(shí)3D投影逐漸改變，由此感知到與看向真實(shí)3D 源時(shí)相當(dāng)?shù)淖匀坏母淖?。因此，利用本發(fā)明的照明單元可提供深度感知。
【權(quán)利要求】
1. 一種包括光源（10)和透射光學(xué)板（20)的照明單元（100)，其中所述光源（10)包括用 于光源光（12)的光出射表面（11)，其中所述透射光學(xué)板（20)包括導(dǎo)向所述光源（10)的所 述光出射表面（11)的上游面（23)和布置成遠(yuǎn)離所述光源的所述光出射表面（11)的下游面 (24)，其中所述透射光學(xué)板（20)包括至少錐形微光學(xué)元件（21)的2D陣列以用于將所述光 源光（12)折射在離開所述下游面（24)的方向上，其中光源光（12)從所述光出射表面（11) 到所述透射光學(xué)板（20)的幾何路徑長度（d)是至少20cm，并且其中所述光源被設(shè)計(jì)成發(fā)出 朝向所述上游面的、作為有意義的2D圖案化成形光束的光源光。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的照明單元（100)，其中所述幾何路徑長度（d)是至少25cm。
3. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的照明單元（100)，其中所述光源（10)具有被配置成用 所述成形光束來照射所述上游面（23)的光出射表面。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的照明單元（100)，其中所述微光學(xué)元件（21)具有遠(yuǎn)離 所述出射表面（11)導(dǎo)向的、具有在100-145°的范圍內(nèi)的圓錐角（α )的圓錐體形狀，并且 其中所述圓錐體在圓錐體的底座處具有〇. l_5mm的范圍內(nèi)的直徑(w)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的照明單元（100)，其中所述微光學(xué)元件（21)具有遠(yuǎn)離所述出射表 面（11)導(dǎo)向的、具有在108-140°的范圍內(nèi)的圓錐角（α )的圓錐體形狀。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的照明單元（100)，其中所述光源包括被布置成有意義 的2D圖案的多個(gè)光出射表面（11)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的照明單元（100)，其中所述多個(gè)光出射表面（11)被布置成圓形或 橢圓形。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6-7中任一項(xiàng)的照明單元，其中所述光源（10)包括多個(gè)發(fā)光設(shè)備 (LED)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6-7中任一項(xiàng)的照明單元，其中所述多個(gè)光出射表面（11)包括多個(gè)光 耦出結(jié)構(gòu)（111)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6-7中任一項(xiàng)的照明單元，其中所述光源（10)被配置成以間接方式 照射所述上游面（23)。
11. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的照明單元（100)，進(jìn)一步包括準(zhǔn)直器（30)，其被配置 成對(duì)所述光源光（12 )進(jìn)行準(zhǔn)直并且被配置在所述光出射表面（11)與所述透射光學(xué)板（20 ) 之間。
12. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的照明單元（100)，其中所述光出射表面（11)具有在 0. l_25mm2的范圍內(nèi)的表面面積。
13. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的照明單元（100)的用途，包括被布置成有意義的2D 圖案的多個(gè)光出射表面（11)以便提供具有運(yùn)動(dòng)視差的虛擬3D光投影。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的照明單元（100)的用途，包括被布置成圓形或橢圓形的多個(gè)光 出射表面（11)并且包括圓錐體成形的光學(xué)元件（21)以便提供具有運(yùn)動(dòng)視差的虛擬3D球形 光投影。
【文檔編號(hào)】G02B5/02GK104105996SQ201380009651
【公開日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2013年2月12日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月16日
【發(fā)明者】H.H.P.戈姆曼斯 申請(qǐng)人:皇家飛利浦有限公司