專利名稱：：用于照明裝置的光外部耦合結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明總體上涉及光學。具體地，本發(fā)明關(guān)于利用衍射光4冊效應的光外部津禺合(outcoupling)及導引結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
：衍射光柵結(jié)構(gòu)是具有基于包括衍射效應的物理光學來調(diào)節(jié)光^各的表面的精細結(jié)構(gòu)(例如，橫截面輪廓5為微米)。許多已知的"微型棱鏡"結(jié)構(gòu)并不是真正的衍射結(jié)構(gòu)，因為它們是相對大的(例如，橫截面輪廓為5(H效米)，由此，4又基于其中的折射效應(即4又應用幾4可光學的原理)來改變光^各。通常，光在兩種介質(zhì)之間的界面處的折射用斯涅耳定律來描述<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>且對于反射，《《其中，《、^和《分別是界面的法向矢量與入射光束、反射光束和折射光束之間的入射角、反射角和折射角。n和v分別是指第一介質(zhì)和第二介質(zhì)的折射系數(shù)(refractionindex)和光在所述介質(zhì)中的速度。為了可視化，參見圖1。當來自相對于第二材料具有更高折射系數(shù)的材料的光以比關(guān)于表面法線的臨界角大的角與介質(zhì)邊界相交時，可能產(chǎn)生全內(nèi)反射。衍射現(xiàn)象經(jīng)?？赏ㄟ^衍射光柵觀察到，衍射光柵是指用來使光分散成光譜的由大量平行線(即，光柵溝槽或"狹縫")形成的透明或反射表面圖案。透射光柵在透明材料上具有溝槽。反射光柵在表面上的反射涂層上具有溝槽。穿過這種表面或從這種表面反射的光線由于衍射而彎曲。根據(jù)下列的(平面內(nèi))光柵方程，衍射角取決于光波長度人和所謂的溝槽"間隔"或溝槽"周期"d(有時也稱作"節(jié)距")。wA=d(sina;+sin/m)，(2)其中，角a和卩分別是指入射角和衍射角。本實例中的角度從光柵法線測得。"m"是指書f射級，其是一個整數(shù)。鑒于方程2，對于所選波長X，符合卜AA/卜2的m的值顯然是可物理地實現(xiàn)的。等衍射級m=0對應于直接透射或鏡面反射。光柵的每個溝槽均引入一個衍射圖案，從而干涉多個溝槽的許多衍射圖案。參見圖1，為了示意性地示出反射光柵，其中，光柵溝槽垂直于頁面，并且單色光束在表面平面內(nèi)傳播。對于最常見的衍射，衍射光柵的溝槽具有矩形的橫截面，即它們是二元溝槽(binarygroove)，但梯形或三角形的形態(tài)也是可4亍的。精確且有效的光管理的重要性正不斷增長。能量消耗和光污染是所有光學應用中的兩個實際問題。目前，光學解決方案中的主要焦點是光耦合及導引結(jié)構(gòu)。波導件是尤其適于其中載有波的元件。在光學中，波導件常被稱為光導件(lightguide)，并且它們典型地包括具有相對高的折射系數(shù)的介質(zhì)材料。當波導件被置于具有較低折射系數(shù)的環(huán)境中時，有利地，導向件根據(jù)全內(nèi)反射的原理來栽波。光導件包括光纖、玻璃以及例如不同的薄膜。圖2公開了一種示出細長型光導件202的橫截面的情形，諸如LED(發(fā)光二極管)204的光源已附設至該光導件。當光關(guān)于介質(zhì)界面法線的入射角比臨界角小時，光的大部分從光導件頂面在非優(yōu)選且不適當?shù)姆较蛏贤獠烤?。?人干涉圖(conoscopefigure)中所看到的，從光導件202發(fā)出的光輸出206既不是特別均勻的也不是定向的。這種lt出可以通過i殳置在光導〗牛底面或頂面以改變光路的多個微結(jié)構(gòu)而獲得，從而使之前在光導件中以全反射方式傳播的一部分光改變其方向和入射角，由此4吏這部分光在4妄觸介質(zhì)界面時在光導件外部傳輸。圖3^^開了一種對應的情況，其中，大量單獨的(即單個的)閃耀光4冊溝槽302已被置于光導件底面304上，以用于外部耦合光。柵溝槽的定向耦合效率與光的入射角密切相關(guān)，對于圓錐角(即入射光與平行于光柵法線的圖3的平面(XY)之間的角度)也是這樣。因此，僅對于非常有限范圍的入射角實現(xiàn)了定向外部耦合，以實現(xiàn)較窄的垂直外部耦合角并且具有仍然合理的波導輸出系數(shù)(即可從入射光與合適的外部耦合光之間的關(guān)系確定的優(yōu)選效率參數(shù))。對于其他入射角，光穿過閃耀光4冊結(jié)構(gòu)并進一步例如在光導件內(nèi)部或外部傳纟番。該光的大部分最終乂人光導件漏出或以非優(yōu)選的角度外部耦合，從而產(chǎn)生非定向的輸出光，因此，在許多應用中，產(chǎn)生4交差的照明效果和較低的光耦合效率。EP1260853中公開了一種使用單獨閃耀光柵溝槽的現(xiàn)有技術(shù)解決方案，其中，連續(xù)溝槽之間的距離至少是幾十個微米。盡管存在各種現(xiàn)有技術(shù)解決方案，然而發(fā)現(xiàn)從光導件或其他照性。外部耦合光或多或少是朗伯式的(Lambertian)和不均勻的。為了進一步分析衍射光柵溝槽的性能，進行了多次關(guān)于單獨的微棱鏡型光柵溝槽的性能以及當光柵溝槽位于如圖3所示的光導件底部時電磁(物理光學)方法與光線跟蹤方法之間的差異的試驗和模擬。分析之后得出下列結(jié)論以45。閃耀角入射到單個光柵溝槽或孩i棱4竟上的光的相互作用因而具有等邊三角形的形狀。在試-驗中，設定的光以從60°到90。的角度a入射到微棱鏡型溝槽上，其中角度a是入射光在XY平面中相對于垂直線的角度。角度0是圓錐角，即入射到XZ平面中的光的角度。當0=0°時，光垂直于溝槽在XY平面中傳播。如果角度a處于范圍87。<a<132°(與關(guān)于溝槽法線的入射角42。<丫<87。對應)內(nèi)，上述微棱鏡型溝槽通常適合于穿過光導件頂面的輸出光。對于較小的角度，光將穿過這些溝槽而離開光導件，僅有小部分的光能到達光導件的頂面。最優(yōu)的角度a是90。。當角度a在80。到100。之間時，從光導件的輸出角基本上不大于15。。還發(fā)現(xiàn)，對于相對窄范圍的角度a,例如，乂人87°到100°,雖然考慮到對于小于87。的角度，部分光會穿過衍射溝槽，當光導件輸出系數(shù)被定義為溝槽的反射比與光導件頂面的透光率的乘積時，該系數(shù)明顯大于0.90。e偏差零導致輸出角cp的絕對值的增大。對于大于10°的e,實際上不可能獲得從光導件頂部以小于15。的角度外部耦合的光。因此，單個溝槽尤其不適于具有垂直于出射表面的較大入射角的外部耦合光。通過將結(jié)合有例如極化現(xiàn)象的電磁建模與光線跟蹤建模(幾何光學)作比較，可以發(fā)現(xiàn)，當角度e不是特別大(例如，<30°)時，兩種方法可以提供關(guān)于光的傳播方向和光輸出系數(shù)的相當?shù)韧慕Y(jié)果。然而，電磁建模由于衍射現(xiàn)象而提供了更高的光輸出系數(shù)，尤其是結(jié)合較小和較大的入射角。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的實施例的目的是至少減輕上述明顯存在于現(xiàn)有技術(shù)裝置中的缺陷。此目的通過本發(fā)明的技術(shù)方案來實現(xiàn)，本技術(shù)方案包括衍射表面浮雕(relief)結(jié)構(gòu)，該衍射表面浮雕結(jié)構(gòu)對耦合光的方向性提供了改進的、有效的控制并且典型地可^f'務改、復制及并入到其他實體中，以形成照明裝置的衍射外部耦合系統(tǒng)的至少一部分。因此，在本發(fā)明的一個方面中，一種彩f射光外部井禺合單元，用于形成包括多個衍射外部耦合單元的照明裝置的定向光外部耦合系統(tǒng)的一部分，包^fe:-載體元件，用于提供衍射表面浮雕圖案；以及-衍射表面浮雕圖案，包括在載體元件的表面區(qū)域上定義的多個連續(xù)衍射表面浮雕形態(tài)，其中，形態(tài)周期優(yōu)選地是約10微米或更短，這多個連續(xù)衍射表面浮雕形態(tài)被布置成通過涉及所述衍射表面浮雕圖案的所述多個連續(xù)衍射表面浮雕形態(tài)中的至少兩個表面浮雕形態(tài)的相互作用而在載體元件外部耦合入射到所述衍射表面浮雕圖案上的光，從而增強耦合光的方向性。在一個實施例中，這多個連續(xù)衍射耦合單元在表面區(qū)域上定義出多個閃耀或傾斜光柵溝槽、凹槽或凸起輪廓。這些閃耀溝槽輪廊也可被稱為微棱鏡型、三角形或鋸齒形輪廓。傾斜溝槽輪廓可包括例平4于四邊形和4弟形的形態(tài)。本發(fā)明的一個實施例使外部耦合單元的連續(xù)衍射表面浮雕形態(tài)之間的相互作用相結(jié)合，從而可以增加關(guān)于包括多個外部耦合單元的外部耦合系統(tǒng)在預定方向上的總井禹合歲丈率(即光的方向性)，而非僅關(guān)于單個外部耦合單元及其方向性。每個光學設計通常均可以包^括多個相似的或不同的外部井禺合單元。典型地，根據(jù)實施例，期望的外部耦合角相對于入射角更窄，從而通過利用上述表面浮雕形態(tài)的相互作用而可將較寬范圍的入射角有效地外部耦合成較窄范圍的外部耦合角。外部耦合單元的效率可才艮據(jù)所選標準而定，該標準涉及在關(guān)于入射光的期望的外部耦合角內(nèi)外部耦合的光的量(例如，光通量/光強度)。因此，入射光至少部分i也3口所期望的那沖羊外部井馬合，而一些泄漏或不期望的外部壽禺合角仍然可能發(fā)生。上述單元可以復制，可選地改變其大小和形狀等，并可i殳置在光導件或另一實體的多個預定位置中，以形成其外部耦合系統(tǒng)的至少一部分，并將內(nèi)部耦合的入射光朝著預定方向?qū)б焦鈱Ъ蚱渌麑嶓w中。系統(tǒng)的載體元件或者"載體介質(zhì)"(基^^)能夠傳輸光，并可包括外部耦合單元的多個較小的、光學透明的載體元件，所述些載體元件上。當具有衍射表面浮雕圖案的載體元件或整個外部耦合系統(tǒng)的載體元件不被用作光導件時，其仍然應包括適于承載衍射情況下外部耦合。因此，上述外部耦合單元的實施例可凈皮看作是整個外部耦合系統(tǒng)的功能性構(gòu)造塊。纟艮據(jù)具體應用，光外部耦合單元的衍射表面浮雕圖案(即衍射結(jié)構(gòu))中的連續(xù)衍射表面浮雕形態(tài)的總量可從幾個(例如，2-5個)形態(tài)變化至幾十個形態(tài)。下文中將結(jié)合對實施例的詳細描述更詳細;也分對斤可以如4可確定該lt量。從總體上考慮衍射外部耦合單元在載體基板上的物理定位和外觀，該單元典型地包括乂人功能上可區(qū)分的表面區(qū)域，通過包含的表面浮雕形態(tài)相對于周圍的載體元件材料及其可選的表面浮雕形態(tài)的邊界而使該表面區(qū)域從視覺上也是可與載體元件的剩余表面區(qū)別和一個衍射表面浮雕圖案，該衍射表面浮雕圖案包括至少兩個連續(xù)衍射表面浮雕形態(tài)。這至少兩個連續(xù)形態(tài)優(yōu)選地;帔定位且對準，以通過所述相互作用來有效地耦合光。例如，這種4是供相互作用的對準可以涉及兩個基本平行的形態(tài)，例如兩個具有閃耀輪廓的光柵溝槽。在一些實施例中，衍射光外部耦合單元的衍射表面浮雕圖案的至少兩個連續(xù)形態(tài)可以通過不同的方式對準，例如，與絕對平行的形態(tài)相比，在對準時具有五度或十度的差。上述衍射外部耦合單元的可區(qū)分表面區(qū)域也可以從功能上和/或視覺上分成多個子區(qū)域，例如第一表面區(qū)域和第二表面區(qū)域，每個子區(qū)域均包括不同的或至少以不同方式對準的表面浮雕圖案。然而，并非所有這些表面浮雕圖案都必須包括衍射表面浮雕形態(tài)，其他形態(tài)也是可4亍的。表面區(qū)域(子區(qū)域)也可以基本沒有表面浮雕形態(tài)。在多個表面浮雕圖案或至少多個表面區(qū)域構(gòu)成功能性外部耦合實體的情況下，已產(chǎn)生聚合的外部耦合單元。這些外部耦合單元的大小、對準、表面浮雕形態(tài)、形狀和位置可基于期望的系統(tǒng)在一個或多個預定方向上的總效率來調(diào)整；實際上，一個外部耦合系統(tǒng)也可包括多個至少從功能上可區(qū)分的、帶有衍射形態(tài)的表面區(qū)域，所述區(qū)域具有不同的、預定的耦合方向。因此，這種聚合的外部耦合系統(tǒng)可以:帔看作是由多個光外部耦合子系統(tǒng)構(gòu)成。因此，在一個實施例中，所述載體元件可以包括第一表面區(qū)域和鄰近第一表面區(qū)i或的第二表面區(qū)i或，其中，所述第一表面區(qū)i成包括上述衍射表面浮雕圖案，而所述第二表面區(qū)域沒有衍射元件，或者包括一個或多個與第一表面區(qū)域的第一衍射結(jié)構(gòu)的浮雕形態(tài)不同(形狀、大小等)或至少以不同方式對準的書f射元件。因此，可以形成不同類的聚合單元。例如，第二表面區(qū)域可以用來支撐、調(diào)整和/或微調(diào)從第一表面區(qū)域的外部耦合。第二表面區(qū)域的衍射元件也可以利用表面浮雕形態(tài)來形成。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，衍射光外部耦合系統(tǒng)包括-載體元件，包括多個衍射外部耦合單元，其中，每個單元均包括衍射表面浮雕圖案，該衍射表面浮雕圖案包括多個連續(xù)衍射表面浮雕形態(tài)，例如在載體元件的表面區(qū)域上定義的閃耀或傾斜光柵輪廓，其中，形態(tài)周期優(yōu)選地為約IO微米或更小，并且這多個連續(xù)衍射表面浮雕形態(tài)被布置成通過涉及所述多個連續(xù)衍射表面浮雕形態(tài)中的至少兩個表面浮雕形態(tài)的相互作用而在載體元件外部耦合入射到所述衍射表面浮雕圖案上的光，從而增強通過外部耦合系統(tǒng)的所述多個書于射光外部耦合單元耦合的光的方向性。從總體上考慮外部耦合系統(tǒng)的i殳計，設計需求可失見定例如載體元件的許用形狀和大小。此外，如果將〗吏用或者可能^f吏用多個光源，則i殳計需求可以限定所用光源的類型、光源的位置和對準、以及光源的總量。一個或多個這種設計參數(shù)在最初可以是不固定的，因此，在i殳計過程中是可調(diào)節(jié)的。這些需求可以i殳定預定方向上的目標外部耦合效率，這使得可以通過一個或多個可替代的設計選項來實現(xiàn)這種效率，其中，所選外部耦合單元的衍射結(jié)構(gòu)的位置、形態(tài)、對準和光學形態(tài)可在可替代的設計之間改變，甚至在這些i殳計內(nèi)改變，所有的設計仍滿足預定的要求。當然，可接受設計的最終性能仍然可以？文變。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，光導件包括-內(nèi)部耦合系統(tǒng)，用于耦合從光源進入光導件的光；-光學上基本透明的載體元件，用于傳輸光；以及-外部耦合系統(tǒng)，包括多個衍射外部耦合單元，其中，每個單元均包括衍射表面浮雕圖案，該衍射表面浮雕圖案包括多個連續(xù)衍射表面浮雕形態(tài)，例如在載體元件上定義的閃耀或傾斜光才冊4侖廓，其中，形態(tài)周期優(yōu)選地為約l(M效米或更小，并且這多個連續(xù)衍射表面浮雕形態(tài)被布置成通過涉及所述衍射表面浮雕圖案的所述多個表面浮雕形態(tài)中的所述一個表面浮雕形態(tài)與至少另一個表面浮雕形態(tài)的相互作用而在載體元件外部耦合入射到所述衍射表面浮雕圖案上的光，從而增強通過外部耦合系統(tǒng)的所述多個衍射光外部耦合單元井禹合的光的方向性。在一個實施例中，光導件被布置成耦合入射到所述衍射表面浮雕圖案上的光，從而使在預定的入射角和預定的圓錐角內(nèi)入射到多個衍射表面浮雕圖案中的一個上的至少某些光線穿過期望的出射區(qū)域至少部分地耦合，以i更通過涉及所述多個》f射表面浮雕形態(tài)中的至少兩個衍射表面浮雕形態(tài)的相互作用而在關(guān)于預定方向的預定外部耦合角內(nèi)離開載體元件，從而增強對光的方向性的有效控制。在一個實施例中，外部耦合系統(tǒng):故構(gòu)造成在其上方延伸的表面區(qū)域還包括這樣的位置，即這些位置沒有書f射元件或者包括與所述衍射表面浮雕圖案的衍射表面浮雕形態(tài)不同或至少以不同方式對準的一個或多個衍射元件。因此，優(yōu)選i也，上述光導件的外部井禺合系統(tǒng)可以在其上方延伸100%的密度覆蓋，因為該區(qū)域內(nèi)可以有其他結(jié)構(gòu)、以不同方式對準的結(jié)構(gòu)或沒有結(jié)構(gòu)的區(qū)域。優(yōu)選地，其他結(jié)構(gòu)也包括衍射表面浮雕圖案。因此，可獲得進一步的可控性，而非僅是例如用最大密度的光柵來填充整個延伸區(qū)域。根據(jù)具體實施例，預定出射區(qū)域(例如，光導件頂面)和外部區(qū)域。內(nèi)部耦合系統(tǒng)可以包括用于將光從光源傳送至光導件的裝置，諸如光一冊結(jié)構(gòu)、配光體、散射體等。其還可包4舌光源本身，諸如LED或熒光燈或白熾燈或多個那些燈。本發(fā)明的效用源于根據(jù)每個具體實施例的多個問題。一般而言，具體的耦合解決方案可適合于多種類型的光學應用，以精確且有效地控制光。上述單元的衍射圖案優(yōu)選地較小，例如20(im(長度)x20|im(寬度)，周期和深度(或高度)為5pm，并提供高度的調(diào)制性。例如，溝槽的閃耀角可以改變，以控制相關(guān)照明裝置(諸如光導件)的光外部耦合角和光分布(即，輻射圖案)，并且具有較小的損失和泄漏。所提出的外部耦合解決方案有利地提供了比單個溝槽解決方案更高的光外部耦合效率和更好的光的方向性，因為在特殊外部耦合單元("相互作用，，)的幫助下能夠控制并有效地外部耦合更大范圍的入射角。在許多應用中，例如，在筆記本電腦和移動終端的顯示照明中，由于例如安全性和隱私性的問題，良好效率和方向性的光優(yōu)于朗伯燈；利用本發(fā)明，外部耦合的光線能夠被校準至期望的方向，從而使外部觀察者僅能在預定的角度內(nèi)看到待照亮的目標。由于單個外部耦合單元是有效的，對應于多個外部耦合單元的較大已調(diào)制照明表面也是有效的。根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施例的衍射結(jié)構(gòu)也可以用在各種光電應用中。相比，對入射角和波長的變化不是那么敏感，然而，對于較寬范圍的入射角和波長，它們是更有效的外部耦合器，并且它們還可以對外部耦合也與不同波長有關(guān)的光(例如，準單色光)的方向性提供增強的控制性。外部耦合單元可用來形成例如前照明裝置和/或后照明裝置。在前照明應用中，典型地有益的是，照明本身對于》見察方向并不產(chǎn)生可—見的偽4象；本發(fā)明的外部耦合單元沖是供了構(gòu)造4青確、內(nèi)部密集、但整體上幾乎覺察不到的局部衍射元件，乂人而朝著照明目標有效地外部耦合光。此外，在許多應用中，由于使用了才艮據(jù)本發(fā)明實施例的有效的衍射結(jié)構(gòu)，可方便地省去后反射體。本發(fā)明還能夠避免使用傳統(tǒng)的棱鏡BEF(增亮膜)薄片，這些薄片是用于使光聚集到期望的方向中的昂貴、相對較厚且在耦合上有損失的元件。在本發(fā)明的上下文中，各種另外的衍射結(jié)構(gòu)(諸如散射體)可并入到載體元件中。因此，根據(jù)本發(fā)明實施例的外部耦合單元已增強了對光的方向性的可控性，但是可選地，能夠使用其他的表面浮雕圖案來進^f亍額外的控制，以1更形成例如圓形或橢圓形的照明圖案。表面浮雕圖案(諸如光柵溝槽)的長度可從小凹槽變化至較大的(例如，20^im到甚至幾毫米之間)連續(xù)溝槽。外部耦合單元內(nèi)的形態(tài)可具有不同的長度，-f旦以這樣的方式組織起來，即這些形態(tài)仍然產(chǎn)生了功能性的光外部耦合單元，例如像素。例如，可以控制形態(tài)的橫截面形狀(即輪廓)，以如所期望的那樣聚集衍射能量。除了載體元件表面上筆直延展的溝槽以外或者代替這些溝槽，可以使用彎曲的溝槽或其他形態(tài)，這耳又決于光源的數(shù)量和布局。根據(jù)本發(fā)明的外部耦合單元的實施例的照明元件可被制得較薄且是電學/光學地生效的，因此可應用在低功率的解決方案中，諸如手表、便攜式計算機、移動終端和個人數(shù)字助理(PDA),以用于顯示和/或鍵區(qū)/鍵盤照明。對照明元件的光的方向性的有效控制也可用在街燈、交通標志、信號燈、自動照明、光電子和普通照明應用中。1在此所用的措詞"多個，，是指從1開始的任意正整數(shù)，即1、2、3等。措詞"形態(tài)周期"是指從形態(tài)(輪廓)，例如光柵溝槽的開始處到連續(xù)形態(tài)(輪廓)的開始處的距離。對于光柵溝槽，經(jīng)常使用對應的術(shù)語"溝槽周期"。下文中，不管相關(guān)的衍射表面浮雕形態(tài)的實際性質(zhì)如何，即，不管其例如是否是載體元件上的凹槽或凸起，措詞"深度"和"高度"都等同地-使用。所附獨立權(quán)利要求中公開了本發(fā)明的各種實施例。圖la示出了斯涅耳定^:和光的折射。圖lb示出了衍射光柵。圖2是細長型光導件的截面圖，其中，光源已連接至該光導件。圖3示出了從光導件底部上定義的多個單獨光柵溝槽外部耦合的光。圖4a公開了具有多個外部耦合單元的光導件的實施例的平面圖。圖4b是才艮據(jù)本發(fā)明一個實施例的衍射外部耦合單元的截面圖。圖4c是作為4艮據(jù)本發(fā)明一個實施例的外部耦合系統(tǒng)的一部分的衍射外部耦合單元的三維視圖。圖4d7>開了相對于外部耦合光和載體元件定位書亍射外部耦合單元的實例。圖5a示出了衍射外部耦合單元的實施例，其中，閃耀角在光柵溝槽之間改變。圖5b示出了衍射外部耦合單元內(nèi)的溝槽輪廓構(gòu)造的各種可能實施例。圖6a是光外部耦合系統(tǒng)的平面圖，該光外部耦合系統(tǒng)具有以偽隨才幾方式定義于其上的外部l禹合單元。圖6b是用顯微鏡獲得的、載體元件表面上由根據(jù)本發(fā)明實施例的多個外部耦合單元的衍射結(jié)構(gòu)形成的規(guī)則表面圖案的平面圖。圖6c是衍射元件形狀的兩個實施例的平面圖。圖6d是用顯微鏡獲得的、載體元件表面上根據(jù)本發(fā)明實施例的外部耦合單元的表面浮雕圖案的平面圖。圖6e是用顯微鏡獲得的、載體元件表面上根據(jù)本發(fā)明實施例的外部耦合單元的書f射結(jié)構(gòu)的另一平面圖。圖7a示出了外部耦合單元布置的其他實施例。圖7b示出了外部耦合單元布置的其他實施例。圖8圖示了整個光導件上的聚合外部耦合單元的一個實例。圖9a圖示了表面浮雕圖案中具有三個衍射表面浮雕形態(tài)的實施例。圖9b圖示了用于外部耦合效率確定的一種可能布置。圖9c示出了才艮據(jù)本發(fā)明一個實施例中的外部耦合的效果。圖9d圖示了一個示意性的情形，其中，分析了入射光的圓錐角的影響。圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的一種可能光導件布置的性能的實驗結(jié)果。具體實施例方式圖4a1"義以實例的方式圖示了光導件布置的一個實施例，其中，透明的光導件表面區(qū)域401上構(gòu)造有多個不同的外部耦合單元404，并且，鄰近該導向件的一端i殳有一個或多個光源402,^者如焚光燈或LED。在此具體實施例中，單元404內(nèi)的線代表衍射表面浮雕形態(tài)，諸如光柵溝槽(或其"頂峰")。外部耦合單元402在大小、形狀、對準、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料等方面可以不同。并且，可利用包括不同類的子結(jié)構(gòu)(諸如線性、彎曲或波狀的形態(tài))的聚合單元來有效地導引入射到其上的光。相鄰的外部耦合單元之間的距離可基于預定才莫式而改變。例如，隨著進一步遠離光源402移動時光的強度趨向于下降，外部耦合單元的密度可作為距離光源和/或光內(nèi)部耦合裝置的距離的函凄t分別縱向地和/或沖黃向地增加，從而補償損失。外部耦合單元404可朝著預定光源單獨或成組地(group-wise)對準；注意，例如右上方的兩個單元404是旋轉(zhuǎn)的，從而〗吏溝槽的峰線基本垂直于來自包括在用402標識出的實體中的多個光源的特定點光源(來自該光源的假想光線圖示為兩條虛線)。光導件的材料可以是塑料，例如聚合物、晶族(class)、或硅。圖4b公開了根據(jù)本發(fā)明的外部耦合單元(在矩形內(nèi))的一個實施例的橫截面。一般來說，這種衍射光外部耦合單元可以形成包括多個衍射外部耦合單元的照明裝置的光外部耦合系統(tǒng)的一部分，并包括用于傳輸光的基本透明的載體元件以及衍射結(jié)構(gòu)，該衍射結(jié)構(gòu)包括在載體元件的表面區(qū)域上定義的多個連續(xù)衍射表面浮雕形態(tài)，其中，這些形態(tài)具有基本上閃耀或傾斜的溝槽輪廓，并且輪廓周期為15微米或更小，優(yōu)選地在0到10微米之間，最優(yōu)選地在0到5微米之間，例如3微米，并且這多個連續(xù)衍射表面浮雕形態(tài)被布置成通過屬于這多個浮雕形態(tài)中的一個或多個浮雕形態(tài)朝著預定方向和/或載體元件上的出射區(qū)域而耦合入射到衍射結(jié)構(gòu)上的光，從而使在預定的入射角和預定的圓錐角內(nèi)入射到多個光4冊溝槽中的一個上的至少一些光線，通過涉及所述多個浮雕形態(tài)的所述一個浮雕形態(tài)與至少另一個浮雕形態(tài)的相互作用而朝著期望的方向和/或出射區(qū)域至少部分地耦合。某些適當耦合的光線可以與光4冊結(jié)構(gòu)的每個浮雕形態(tài)(即，外部耦合單元的表面浮雕圖案)相配合。仍然參考圖4b，在此具體實施例中，具有作為書于射表面浮雕圖案的表面浮雕形態(tài)的閃耀溝槽406，其中該衍射表面浮雕圖案定義在可選地由反射體408覆蓋的載體元件底面上；例如，能夠由諸如光柵的表面浮雕圖案來l是供4竟面反射體，該光柵被布置成4是供預定類的反射性并在整個照明作業(yè)中支撐表面浮雕圖案406的溝槽，從而獲得期望的照明效果。在此實施例中，表面浮雕圖案406的溝槽具有5微米的周期和高度，但是在其他實施例中，可以采用不同的尺寸，例如l、2、3、4或10樣t米的周期和/或高度。該實施例的載體元件與一種合成聚合物PMMA(丙烯酸類的透明塑料)相比具有1.49的折射系數(shù)，而與對應于例如真空或在實際情況中最常為空氣的周圍介質(zhì)相比具有1.0的折射系數(shù)。相對于光柵法線的入射角用Y標識出。期望的外部耦合方向是這樣的預定方向，即在此實例中該預定方向可以是光導件頂面的法線方向，即外部耦合角將相對于外部耦合頂面(即期望的出射表面)的法線來定義。在圖中，外部耦合角用cp標識出。并且，可4吏用其他用于定義外部耦合角的可替代方式；例如，該角度可基于所選光柵表面來定義。所有示出的光線至少部分地穿透第一光柵溝槽，并從第二光柵溝槽或第三光柵溝槽朝著載體元件的頂面反射和散射。一些可見光線已通過沒有可選的反射體408的底面而離開載體元件?？蓪χ辽俨糠值酌孢M行處理，以擴大入射角y，入射光仍然將在該入射角內(nèi)離開預定的、期望的出射表面和/或方向，優(yōu)選地還在預定的、期望的出射角(例如，十a(chǎn)(p)內(nèi)。在此具體實施例中，出射表面(即頂面)可包括衍射元件，優(yōu)選地呈浮雕結(jié)構(gòu)410的形式，例如，包括例如二元、正弦或旋轉(zhuǎn)("橫向")閃耀的散射體(圓形/橢圓形與角關(guān)聯(lián))以微調(diào)外部耦合光的散射。散射體可用來可控地散射這樣的光，即例如對于特定的應用，由于外部耦合單元的主表面浮雕圖案的效率^是高，該光可^皮過^f分i也才交準。因此，可在應用基礎(chǔ)上靈活地使用各種衍射表面結(jié)構(gòu)(優(yōu)選地是浮雕圖案但也可以是額外的薄膜、薄片、疊片等)，以微調(diào)外部耦合單元的下層浮雕圖案所提供的可能更固定的外部耦合角。通常，光的外部耦合角(范圍)cp可通過如下方式來調(diào)節(jié)選擇外部耦合單元的閃耀角、形態(tài)輪廓(例如，閃耀的、傾斜的、高度、周期)和對準(水平的和/或垂直的，例如，相對于載體表面傾斜)，引入另外的表面結(jié)構(gòu)或?qū)?頂面和底面功能元件，諸如(鏡面)反射體、散射體等)，以及根據(jù)預定設置將單元自身安置在載體元件基板上。除了僅反射/散射或傳輸/折射的光線以外，衍射元件還對外部耦合光進行排序，并且通過仔細地選擇所用構(gòu)造(諸如表面浮雕周期、形態(tài)、對準等)，仍可完全控制外部耦合光，以便根據(jù)所選的效率標準將至少預定的、足夠部分的外部耦合光的保持在預定的目才示角cp內(nèi)。圖4c公開了作為4艮據(jù)本發(fā)明實施例的外部耦合系統(tǒng)的一部分的圖4b的外部耦合單元404的三維一見圖。在此具體實例中，單元404示出為基本從載體元件(例如，光導件)401底部延伸至頂部的立方體，但也可使用其他構(gòu)造和外部耦合單元形式。在整個外部耦合系統(tǒng)中可利用一個或多個相似或不同的外部耦合單元404,以控制入射光朝著期望的方向和/或載體元件上的期望出射表面區(qū)域的耦合。不管所用單元404的形狀和大小如何，它們都可被看作是三維實體，由于相關(guān)的表面浮雕形態(tài)(例如，光柵溝槽)的確具有寬乂復、長度和高度。光源402被構(gòu)造成射出待由光導件401傳輸?shù)墓?箭頭)，由此，外部耦合通過許多外部耦合單元404、通過光導件401頂面上以虛線矩形412示出的出射區(qū)域來執(zhí)行。因此，在另一實施例中，光導件401的一個預定表面(例如頂面)可形成出射區(qū)域。在又一實施例中，出射區(qū)域可由光導件401的若干表面中的至少一部分構(gòu)成。另外，在又一實施例中，載體元件上具有多個期望的出射區(qū)域。相同的方案應用于由每個外部耦合單元404發(fā)生的外部耦合，即，根據(jù)外部耦合系統(tǒng)中的具體外部耦合單元404相對于系統(tǒng)的聚合出射區(qū)域的位置和形狀，單元404的出射區(qū)域典型地包括單元404的一個或多個表面區(qū)域中的至少一部分?？梢赃x擇單元404的衍射結(jié)構(gòu)的設計和定位，以便耦合在預定的入射角范圍內(nèi)入射的光的至少預定部分，從而在預定的效率需求下在預定的出射角內(nèi)(即，在期望的方向上)離開期望的單元表面。本領(lǐng)域的才支術(shù)人員應理解的是，在本文的上下文中，該出射區(qū)域顯然是期望的出射區(qū)域，但是在實際情況中，典型地也存在一些通過其他區(qū)域的泄漏。浮雕結(jié)構(gòu)410(諸如散射體)還可存在于頂面上，但為了清楚起見，圖中省去了該浮雕結(jié)構(gòu)。光導件上可以設置各種另外的頂面/底面/側(cè)面元件(諸如反射體408),以覆蓋期望表面的至少一部分。所示單元404在載體元件(即光導件401)的底面上包4舌作為表面浮雕圖案的多個連續(xù)的閃耀微棱鏡型溝槽406。此外，單元404還可包括另外的衍射元件，諸如光柵(例如，多個二元溝槽)，這些額外的衍射元件位于表面的空白區(qū)域上且在溝槽406之后或之前，并相^j"于溝—曹406平4于或者垂直地^j"準。圖4d示意性地公開了根據(jù)本發(fā)明的表面浮雕圖案和載體元件的各種實施例。圖中，僅出于例證的目的而已呈現(xiàn)出衍射表面浮雕形態(tài)和入射/外部耦合光，并且所用角度或其他尺寸通常不應凈皮認為是特定的有利設計。在橫截面圖420中，載體元件包括透明材料，從而<吏光能夠在介質(zhì)中向前4亍進，并通過表面浮雕圖案414、416外部耦合，這些表面浮雕圖案是在介質(zhì)表面上定義的凸起414和/或凹4曹/溝纟曹416。一見圖422圖示了一個實施例，其中，表面浮雕圖案414、416被定義為透明的光傳輸載體元件的、且與載體元件的期望出射區(qū)域分開(例如，相對)的預定表面區(qū)域上的凸起和/或凹槽。視圖424公開了一個實施例，其中，載體元件本身未被構(gòu)造成傳輸光，而只是作為表面浮雕圖案(例如，凸起和/或凹槽/溝槽)的載體。相似的設置選項應用于另外的衍射元件418(例如，反射體和散射體)，這些另外的衍射元件可實施為表面浮雕圖案(例如，載體元件上的凸起或凹槽/溝槽)，或者可替代地或另外地，這些另外的衍射元件可被設置為載體元件的期望表面頂部上的薄片、層或薄膜。這些元件418可以i殳置在表面浮雕圖案414、416的頂部上或與之緊鄰。有經(jīng)驗的讀者應認識到，雖然圖中公開了衍射元件418的可能位置的各種實例，但主要從例證的角度選擇圖示的位置和元件厚度。在本發(fā)明的一個實施例中，衍射外部耦合單元可包括位于載體元件的相對側(cè)上的兩個表面區(qū)域，其中，這兩個區(qū)域都包括布于射表面浮雕圖案，以1更在載體元件外部共同協(xié)作地耦合光。橫截面。該實施例的衍射結(jié)構(gòu)包括四個閃耀溝槽，這些閃耀溝槽定義出具有可變閃耀角的輪廓，第一閃耀溝槽和第三閃耀溝槽相對于入射光具有約45。的閃耀角，而第二閃耀溝槽和第四閃耀溝槽具有約41。的4交小的閃耀角?？梢愿淖冞@些閃耀角，以針對預定的波長提供期望的衍射效率，或例如以優(yōu)選的方式調(diào)節(jié)相對于入射角的外部l禺合角。圖5b示出了表面浮雕圖案的另一示意性實施例。在構(gòu)造502中，大量表面浮雕形態(tài)(例如，具有相似的閃耀角的溝槽)被小的沒有溝槽的區(qū)域分開。在另一實施例中，閃耀角可在各個溝槽之間改變。在504處，僅是以期望的閃耀角彼此連續(xù)地設有四個相同的溝槽。在構(gòu)造506中，連續(xù)溝槽之間的閃耀角逐漸改變。在構(gòu)造508中，溝槽的閃耀角改變。在510處，溝槽是傾斜的矩形，即傾斜的二元溝槽。例如，圖5b的圖案可實施為從載體元件表面延伸的凸起或者可實施為載體元件中的凹槽。在本發(fā)明的外部耦合單元的不同實施例中，表面浮雕圖案的一個或多個連續(xù)形態(tài)可基本恰好位于彼此之后(參見504),或分開，從而使這些形態(tài)之間的距離保持足夠得短，即，形態(tài)周期處于預定界限內(nèi)，以便足夠有效地4丸行本發(fā)明的交互性特征。通過對后一實施例的橫截面進行觀察(參見502)，這些形態(tài)的輪廓沒有彼此直接相連，而是在它們之間具有較小的物理間隔。形態(tài)周期仍優(yōu)選i也為15微米或更小，更優(yōu)選地為IO微米或更小，最優(yōu)選地為5微米或更小。圖6a公開了一種外部耦合系統(tǒng)的實施例，其中，作為載體元件基板上已以半隨才幾方式組織有多個外部耦合單元。在半隨才幾化中，仍從分析上考慮來自載體元件的光的外部耦合，但還應注意到不要將這些單元彼此完全對準從而形成規(guī)則的網(wǎng)格。在一個實施例中，基板的預定表面區(qū)域一皮分成多個局部建才莫區(qū)域，由此，每個局部建模區(qū)域應仍滿足多個條件，例如該區(qū)域內(nèi)的外部耦合單元之間的最大距離或外部耦合單元的預定密度等。圖中以小方形表示的、單獨地或形成為各種形狀的組地設置的單元可相對于彼此和光源旋轉(zhuǎn)和/或傾斜。例如，可以利用這種半隨機化來避免莫阿干涉效應(Moireeffect),或者相對于不同的光源對準這些單元。圖6b公開了基板上由多個衍射結(jié)構(gòu)(例如，外部耦合單元的衍射表面浮雕圖案)形成的相對密集的規(guī)則圖案的實施例。圖6c圖示了能夠用在外部耦合單元中的兩個更加示意性的衍射結(jié)構(gòu)。參考標號602是指一種六條曲線的單元，而604處的聚合結(jié)構(gòu)包括溝槽，這些溝槽在以某些預定物理間隔隔開的三個以不同方式對準的組中是分段線性的。圖6d公開了用顯微鏡獲得的具有三個平行的連續(xù)溝槽的衍射表面浮雕圖案的實施例的一見圖。圖6e公開了用共焦顯微鏡獲得的衍射結(jié)構(gòu)(例如，結(jié)合有兩個和四個具有不同長度的平行溝槽的衍射表面浮雕圖案)的視圖。輪廓測量值代表溝槽周期和高度。圖7a是基板上具有方形輪廓及相同大小的三個衍射結(jié)構(gòu)的實施例702、704、706的另一顯微鏡視圖。在單元之間和/或單元內(nèi)，溝槽的對準和長度不同。圖7b是基板上具有不同方形輪廓的多個衍射結(jié)構(gòu)的實施例的顯孩t鏡一見圖。圖8公開了已調(diào)制光導圖案的衍射表面浮雕結(jié)構(gòu)的三個部分的實施例，該已調(diào)制光導圖案包括可^皮看作是包括鄰近的和內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)的聚合外部耦合單元和/或支撐結(jié)構(gòu)的不同實體。較大的方形實體可選地包括以不同方式對準的較小的方形806(用虛線突出并放大)，這些4交小的方形還包括將這些4交小的方形分成三個可分開的子區(qū)域的分叉浮雕形態(tài)，例如，分叉溝槽。在另一實施例中，這些溝槽是平行但不連續(xù)的，即，將較小的方形806進一步分成子區(qū)域的溝槽具有移位。這些子區(qū)域可被看作是其自身為細長的矩形形狀的外部耦合單元，或者可被看作是單個外部耦合單元的不同部分。浮雕形態(tài)的角度位移可與光導件和顯示器相結(jié)合而用來避免莫阿干涉效應。因此，得到的整個結(jié)構(gòu)是完全可測量的。一些包含衍射形態(tài)的區(qū)i或可^皮構(gòu)造成作為主外部壽禹合部ff而工作，而其〗也區(qū)i或凈皮構(gòu)造為微調(diào)或調(diào)節(jié)主要由主外部耦合部件設定的外部耦合角。例如，較小的方形806可作為主外部庫禹合單元而布置，而周圍的4交大方形部分包括支撐元件，例如部分散射。聚合結(jié)構(gòu)中的示意性溝槽組合包括閃耀溝槽+二元溝槽、閃耀溝槽+(90。或x。)旋轉(zhuǎn)溝槽、閃耀溝槽+頂部/底部散射體實體等。代替溝槽，對應的凸起形態(tài)也是可應用的，或者根據(jù)實施例甚至是優(yōu)選的。下文中評述了幾種有利于根據(jù)本發(fā)明實施例的期望衍射外部耦合單元和系統(tǒng)設置的設計的示例性情形。圖9a公開了一種設置，其中，光在XY平面內(nèi)以角度a、且在YZ平面內(nèi)以角度0落到三個微棱鏡型閃耀光柵溝槽上。參考標號908表示可選的反射體，例如鏡子。5x5微米的光柵溝槽彼此靠近地設置。光導件折射系數(shù)例如是11=1.49。讓我們首先考慮沒有反射體908的情況。并且假設在光導件中沒有角度-45°<a<42°的光線存在。相繼的三個一組的棱4竟的區(qū)別性特4i在于，以角度42°<01<87。入射到第一溝槽上的光線將幾乎全部通過表面A。注意一部分到達側(cè)面A的底部的光將在從光導件出來進入空間之后損失，而剩下的落到側(cè)面B上的光重新進入光導4牛中。然而，在通過側(cè)面B重新進入光導件中之后，角度a將增大。在通過一個或兩個溝槽之后，作為增大的角度的結(jié)果，光線可使其自身處在入射角范圍87。<a<132°，并且/人具有第三溝槽的光導件^T出?，F(xiàn)在，我們應考慮從光導件的頂面(即期望的出射區(qū)域)輸出的能量與從沒有反射體的底面損失的能量之間的關(guān)系，從而評估該布置的性能。表l給出了針對不同入射角a的損失能量的估計值Pm^d以及有用的輸出能量與溝槽處損失的能量的比值P。ut/Pmissed。數(shù)據(jù)適于非偏振光。表l0=0°時，針對不同角度a的能量輸出<table>tableseeoriginaldocumentpage28</column></row><table>當P。ut/Pmissed二00時，整個能量從光導件的頂部輸出。當P。ut/Pmissed—0時，大部分能量從光導件的底部輸出從而損失。從表l可以看出，角度a越小，損失越大，故有用輸出越小。表2給出了針對不同角度e的能量輸出的數(shù)據(jù)。表2#0°時，針對不同角度a的從光導件的輸出能量<table>tableseeoriginaldocumentpage29</column></row><table>SL在我們可以;得出一些結(jié)i侖角度0越大，光導件輸出處的角度(p越大。比值P。ut/Pmissed越大，有用輸出能量的比例越大。當比值是1時，乂人光導件的頂部和底部輸出相同量的能量。試驗已表明，上述比值隨著角度(X的增大而增大。接下來，分析結(jié)合有反射體卯8的對應情形，但是棱鏡型溝槽的數(shù)量在1至5之間改變，以獲得全面的比專交^:據(jù)。角度p描述了特定的光線偏離角度01=90°(即，從水平方向)。因為光導件的折射系數(shù)是n-1.49(例如，PMMA)，所以，在全內(nèi)反射的情況下，處于范圍42°<a<90。(相反地，0°<|3<48。)內(nèi)的光線將在光導件中傳播。負的角度-48。<卩<0°(90。<a<138°)將與正的角度一起考慮，因為由于反射來自光導件的頂面和底面，因此角度+P和-p同時存在。因此，所考慮的角度范圍是0〈IP卜48。。技術(shù)人員應理解的是，在范圍-45。<3<-42。內(nèi)的入射光落到溝槽的第一側(cè)上并從其上反射。因此，此范圍的角度將不增加有用角度處的光能量輸出，即使增加閃耀光柵溝槽的數(shù)量。以給定角度cp導引的光的效率能夠通過多種方式來評估，參見針對一個示例性實施例的圖9b。讓輻射能量P落到溝槽上。然后，效率可被定義為7=尸'/尸，其中，P，是由滿足施加于光輸出角的一個可能條件的溝槽輸出的輻射0<|cp|<20。。如果a=90。，理論上，所有入射光都將從光導件輸出，即；/=尸27尸2=100%。當入射角a不等于90。時，輸出效率較小^^尸i，/P51000/0。因此，基于上述評估，我們可，ii殳在這種情況下溝槽表現(xiàn)出較差的性能。然而，因為考慮到入射光束的均勻密度(能量與光束的橫截面的比值)，我們有當/7,〉/22時尸!〉尸2(/V/2嚴iV/22),所以輸出功率的絕對值可小于p2，。因此，可以斷定的是，上述效率評估可能是不充分的，因為光柵溝槽上的入射能量在不同的角度a(或P)時是不同的。由于此，假設以所有角度a入射到溝槽上的入射光的密度均勻(尸//2=常數(shù))，我們？1入對衍射元件輔助的光輸出效率的不同評估l=尸〗、,其中，42。<a<90°,Pm是在角度a為當前值的情況下在方向0<|cp|<20°上從光導件輸出的能量，而max(PeJ是對于任意數(shù)量的閃耀光柵溝槽在角度a滿足條件42。<01<90。的情況下輸出能量的最大值。因此，值x代表針對各種凄史量的光沖冊溝槽和入射角凈皮標準化成最大導出輸出能量的輸出光的相對能量，并且僅在入射角參數(shù)和這多個光柵溝槽相組合的情況下，相當于％=100(在相對單元中)。表3至表7顯示出對于1-5個閃耀光柵溝槽以每次5。改變的入射角a和(3以及對應的從光導件輸出的光的角度cp。有用的輸出角:故加4且0<|cp|<20。。效率ti(百分比)和X(在相對單元中)的4直具有如上所述的物理意義。表3至表7中負的角度cp表明光線朝著半平面-XY(朝著圖9a的左側(cè))前進，正的角度表明光線朝著半平面XY前進。在表4至表7中，在深色背景上示出了新的光輸出角cp;如果這些新的角度cp處于有用的范圍內(nèi)，在此實例中0<|cp|<20。，ri和5C的對應值也以深色背景示出。在a和(3值的兩欄中，對于ri>50%的a和(3值在深色背景上印出。所有表中的最后一行都示出了閃耀光柵溝槽在所有角度下的估計性能。最后一行中的T|的值顯示出當均勻的光按照所有以上所考慮的入射角同時落到溝槽上時光輸出的平均效率。對于每種數(shù)量的光柵溝槽，所有表的最后一行中的5C的值都與有用方向上的輸出能量成比例，通過五個溝槽輸出的輻射對應于100%。表3對于單個溝槽，角度p和光輸出效率與角度a(")<table>tableseeoriginaldocumentpage31</column></row><table>表4對于兩個溝槽，角度p和光輸出效率與角度a(P)<table>tableseeoriginaldocumentpage31</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage32</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage33</column></row><table>鑒于這些表格，我們可認識到，增加新的光柵溝槽會導致新的光輸出角cp出現(xiàn)。還應注意的是，對于任意額外的閃耀溝槽，較少數(shù)量的新的角度會出現(xiàn)，并且這些新的角度處于入射角P的較大值(角度(x的較小值)的范圍內(nèi)。光輸出的平均效率ri隨著閃耀光才冊溝槽數(shù)量的增加而增加，并且光柵溝槽的數(shù)量越大，增加率越低。相應地，閃耀光柵溝槽的數(shù)量越大，輸出能量在有用方向上的比例越大。我們可以推斷出，兩個溝槽能夠輸出比一個溝槽多89%的能量，三個溝槽能夠輸出比兩個溝槽多48%的能量，四個溝槽能夠輸出比三個溝槽多28%的能量，以及五個溝槽能夠輸出比四個溝槽多22%的能量。注意，上述結(jié)論支持以所有考慮的角度均勻入射的光的情況。我們還可斷定，當使用3個、4個和5個溝槽時，輻射將以所有考慮的入射角輸出，而當使用1個或2個溝槽時，較大比例的折射光將繼續(xù)在光導件中傳播。因此，在許多要求改善外部耦合方向性的應用中，例如，將較寬的入射角范圍外部耦合成較窄的輸出角范圍，僅使用一個閃耀光柵溝槽不是足夠有效的，而增加幾個閃耀光柵溝槽可從根本上提高效率且不會使輸出角增大得過多。圖9c還示出了包括三個閃耀溝槽和反射體且入射光以角度01=60。的實施例。有利地，超過50%的光線從光導件頂面以相對于光導件的表面法線的小角度外部耦合。少于50%的光線將繼續(xù)在光導件內(nèi)傳播。此圖示出了反射體如何防止部分光線穿過其底部而離開光導件。圖9d圖示了一個實施例，其中，角度e不是零。在此實例中，圓錐角e決定溝槽偏離所示的yz平面。光以角度eb=o落到光柵上。從溝槽輸出的光線將轉(zhuǎn)過角度eb。在到達溝槽之前，入射光處于xy平面內(nèi)。在落到第一溝槽的表面上時，光線被反射(反向散射)或折射，而到達另一表面。增加與溝槽相互作用(通過折射或反向散射)的次量，增加輸出光線轉(zhuǎn)過的角度eb。光線i以接近180°的角度(X從傾斜的溝槽表面反射。如果光線以這樣的方式到達溝槽，即其在經(jīng)過一個或兩個溝槽之后不會離開光導件，則光線以非零的角度eb繼續(xù)在光導件內(nèi)傳播(光線2)。在這種情況下，光線將以較小的入射角到達下一個平行溝槽(溝槽組)e-eb，其中，o<eb<e。因此，假若與不同溝槽組的相互作用為多次連續(xù)的動作，轉(zhuǎn)過角度e時，光線獲得這樣的角度eb,即eb—oo(如果eb-o。且e=o°，那么eb將補償角度e)。這僅在繼續(xù)在光導件中傳播的光線將經(jīng)過溝槽時才會發(fā)生。如果光線在從溝槽表面反射之后繼續(xù)在光導件中傳播，那么其偏離eb將在相反的方向上。然而，這種光線在光導件中的比例相當小。接下來，研究從光導件的輸出角(即角度cp)滿足條件|9|<15°時角度e的值。表8給出了當01=90°時作為角度0的函數(shù)的輸出角(p。表801=90°時，角度cp與角度e<table>tableseeoriginaldocumentpage35</column></row><table>表8示出了對于固定的光入射角度a=90°，范圍0<0<10°內(nèi)的所有角度都提供了合理的外部耦合結(jié)果(|cp|<15。)。在所考慮的實例中，單束光線在從這些溝槽(即，行中的第一溝槽)反射時形成。對于固定的角度e，減小角度a,增大光線的輸出角cp,然而，隨之出現(xiàn)了新的光線組。當出現(xiàn)新的光線組時，一部分光將再次以可4妾受的角度離開光導件。因此，當光以角度時0。入射到溝槽上時，在與這些溝槽相互作用之后繼續(xù)在光導件中傳播的光的最大部分將以這樣的角度eb傳播，即，使得當這部分光落到后續(xù)的溝槽上時，此角度將部分地補償角度e。輸出光線與棱鏡之間相互作用的動作次量越多，角度eb越大，并且角度a將越接近180°。當對于適當?shù)慕嵌萢，0<10°時，基本滿足示例性的條件|9|<15°;參考表8。然而，在光入射到溝槽上的實際情況中，針對角度e的條件可不是那么嚴格，因為溝槽組可擴展，因此，應仔細選擇每個外部耦合單元的溝槽的數(shù)量，或通常地表面浮雕形態(tài)的數(shù)量。圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的光導件所提供的性能的試驗結(jié)果。在得到了極高效率的同時，也得到了非常高的光方向性因數(shù)。上部的顯微鏡圖代表徑向?qū)实木哂袕澢鈻艤喜鄣亩鄠€外部耦合單元。下部的錐光鏡圖代表較窄的外部耦合角士5。。由于更高的衍射效率，尤其是對于較小和較大的入射角，實際光導件的性能可能甚至超過理論上確定的性能。例如，對于平版制作工藝和/或用于母版制作和注射模塑的微加工，可以4吏用-袞動條式壓花(roll-to-roll)或平面壓花。在上述分析中，衍射單元常常包括作為衍射表面浮雕輪廊的閃耀溝槽，但是根據(jù)應用，閃耀凸起或其他圖案(例如，傾斜輪廓)也可以是完全可行的選項。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。技術(shù)人員應理解以下事實，即明確公開的實施例應被解釋為僅出于例證的目的，本范圍將覆蓋更適合本發(fā)明的每種具體使用情況的其他實施例和等同物。權(quán)利要求1.一種衍射光外部耦合單元，用于形成包括多個衍射外部耦合單元的照明裝置的定向光外部耦合系統(tǒng)的一部分，其中，所述衍射光外部耦合單元包括載體元件，用于提供衍射表面浮雕圖案；以及衍射表面浮雕圖案，包括在所述載體元件的表面區(qū)域上定義的多個連續(xù)衍射表面浮雕形態(tài)，其中，形態(tài)周期優(yōu)選地是約10微米或更小，所述多個連續(xù)衍射表面浮雕形態(tài)被布置成通過涉及所述衍射表面浮雕圖案的所述多個連續(xù)衍射表面浮雕形態(tài)中的至少兩個表面浮雕形態(tài)的相互作用而在所述載體元件外部耦合入射到所述衍射表面浮雕圖案上的光，從而增強耦合光的方向性。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衍射光外部耦合單元，其中，所述多個連續(xù)衍射外部耦合單元在所述表面區(qū)域上定義出多個閃耀或傾存+光4冊溝4曹、凹沖曹或凸起4侖廓。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衍射光外部耦合單元，其中，屬于所述多個連續(xù)衍射表面浮雕形態(tài)的至少兩個連續(xù)衍射表面浮雕形態(tài)具有基本相同的高度。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衍射光外部耦合單元，其中，所述形態(tài)周期等于或小于7微米，優(yōu)選地等于或小于5微米。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衍射光外部耦合單元，其中，在預定的入射角和預定的圓雄角內(nèi)入射到所述多個連續(xù)書f射表面浮雕形態(tài)中的一個上的至少一部分光線，通過涉及所述衍射表面浮雕圖案的所述多個表面浮雕形態(tài)中的所述一個表面浮雕形態(tài)與至少另一個表面浮雕形態(tài)的相互作用而在預定的外部津禺合角內(nèi)朝著預定的出射方向至少部分地耦合。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衍射光外部耦合單元，包括第一表面區(qū)域和鄰近所述第一表面區(qū)域的第二表面區(qū)域，其中，所述第一表面區(qū)域包括所述衍射表面浮雕圖案，而所述第二表面區(qū)域沒有衍射元件或者包括與所述第一表面區(qū)域的第一衍射結(jié)構(gòu)的浮雕形態(tài)不同或至少以不同方式對準的一個或多個衍射元件。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衍射光外部耦合單元，其中，所述多個表面浮雕形態(tài)中的至少一個布于射表面浮雕形態(tài)定義出由以下各項構(gòu)成的組中選出的4侖廓三角形形態(tài)、梯形形態(tài)、平4亍四邊形、及等邊三角形。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衍射光外部耦合單元，其中，所述多個衍射表面浮雕形態(tài)包括直的、彎曲的、波狀的、或點狀的形態(tài)。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衍射光外部耦合單元，其中，所述表面浮雕圖案包括至少兩個基本平行的衍射表面浮雕形態(tài)。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衍射光外部耦合單元，其中，所述多個連續(xù)衍射表面浮雕形態(tài)的聚合周期等于或小于30微米。11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衍射光外部耦合單元，其中，所述載體元件基本上是光學透明的，并被構(gòu)造成能夠通過全內(nèi)反射進行光傳輸。12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衍射光外部耦合單元，被構(gòu)造成對在外部耦合的光進行外部耦合。13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衍射光外部耦合單元，其中，所述多個連續(xù)衍射表面浮雕形態(tài)包括具有基本上為45°的閃耀角的一個或多個閃耀4侖廓。14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衍射光外部耦合單元，其中，所述多個連續(xù)衍射表面浮雕形態(tài)包括具有在各形態(tài)之間可變的閃耀角的一個或多個閃耀輪廓。15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衍射光外部耦合單元，其中，所述多個連續(xù)衍射表面浮雕形態(tài)包括閃耀輪廓，所述閃耀輪廓的閃耀角在各形態(tài)之間逐沐斤改變。16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衍射光外部耦合單元，包括位于所述載體元件的表面上的光斥冊元件、反射體、或散射體。17.才艮據(jù)權(quán)利要求1所述的書f射光外部耦合單元，其中，所述書亍射表面浮雕圖案是第一衍射表面浮雕圖案，所述衍射光外部耦合單元還包括第二衍射表面圖案，所述第二衍射表面圖案包括在所述載體元件的第二表面區(qū)域上定義的第二多個連續(xù)衍射表面浮雕形態(tài)，所述第二多個連續(xù)衍射表面浮雕形態(tài)被布置成在所述載體元件外部與所述第一衍射表面浮雕圖案共同協(xié)作地耦合入射到所述第一衍射表面浮雕圖案上的光。18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衍射光外部耦合單元，其中，所述表面浮雕圖案包括具有閃耀輪廓的五個衍射形態(tài)，所述衍射形態(tài)被布置成外部耦合多個入射光線，所述入射光線的入射角相對于所述載體元件的表面法線在45度到90度之間均勻地擴展，從而使光在相對于所述表面法線的外部耦合角為20度的范圍內(nèi)外部耦合，并且所述入射光線與在所述外部耦合角內(nèi)外部耦合的光之間的耦合效率至少為百分之三十。19.一種書卞射光外部耦合系統(tǒng)，包括載體元件，包括多個AT射外部耦合單元，其中，每個單元均包括衍射表面浮雕圖案，所述衍射表面浮雕圖案包括在所述載體元件的表面區(qū)域上定義的多個連續(xù)衍射表面浮雕形態(tài)，諸如閃耀或傾斜光^H侖廓，其中，形態(tài)周期優(yōu)選地是約IO微米或更小，所述多個連續(xù)衍射表面浮雕形態(tài)被布置成通過涉及所述多個連續(xù)衍射表面浮雕形態(tài)中的至少兩個表面浮雕形態(tài)的相互作用而在所述載體元件外部耦合入射到所述衍射表面浮雕圖案上的光，從而增強通過所述外部耦合系統(tǒng)的所述多個衍射光外部耦合單元耦合的光的方向性。20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的衍射光外部耦合系統(tǒng)，被構(gòu)造成在所述載體元件的預定表面區(qū)域上延伸，所述預定表面區(qū)域包括所述多個彩f射外部耦合單元，并且還包4舌這樣的位置，即這些位置沒有衍射元件或者包括與所述衍射表面浮雕圖案的衍射表面浮雕形態(tài)不同或至少以不同方式對準的一個或多個衍射元件。21.—種光導件，包括內(nèi)部耦合系統(tǒng)，用于耦合乂人光源進入所述光導件的光；光學上基本透明的載體元件，用于傳輸光；以及外部耦合系統(tǒng)，包括多個衍射外部耦合單元，其中，每個單元均包括衍射表面浮雕圖案，所述衍射表面浮雕圖案包括在所述載體元件上定義的多個連續(xù)衍射表面浮雕形態(tài)，諸如閃耀或傾斜光柵-輪廓，其中，形態(tài)周期優(yōu)選地為約IO微米或更小，所述多個連續(xù)衍射表面浮雕形態(tài)被布置成通過涉及所述書f射表面浮雕圖案的所述多個表面浮雕形態(tài)中的所述一個表面浮雕形態(tài)與至少另一個表面浮雕形態(tài)的相互作用而在所述載體元件外部耦合入射到所述衍射表面浮雕圖案上的光，從而增強通過所述外部耦合系統(tǒng)的所述多個衍射光外部耦合單元耦合的光的方向性。22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的光導件，其中，所述外部耦合系統(tǒng)被構(gòu)造成在所述載體元件的包括多個衍射外部耦合單元的預定表面區(qū)域上延伸，其中，所述預定表面區(qū)域還包括這樣的位置，即這些位置沒有衍射元件或者包括與所述衍射表面浮雕圖案的衍射表面浮雕形態(tài)不同或至少以不同方式對準的一個或多個衍射元件。23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的光導件，包括光源，諸如發(fā)光二極管。24.才艮據(jù)權(quán)利要求21所述的光導件，其中，所述內(nèi)部耦合系統(tǒng)包括配光體或散射體。25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的光導件，其中，所述載體元件上半隨才幾地組織有多個4汙射外部耦合單元，以避免莫阿干涉效應。26.根據(jù)權(quán)利要求21所述的光導件，其中，屬于所述多個衍射外部耦合單元的多個衍射外部耦合單元相對于一個或多個光源單獨地或成組地對準。27.根據(jù)權(quán)利要求21所述的光導件，其中，衍射表面浮雕圖案的密度^皮布置成在所述載體元件上作為距離所述光源的距離的函凄t而增加。全文摘要一種衍射光外部耦合單元(404)，用于形成包括多個衍射外部耦合單元的照明裝置的定向光外部耦合系統(tǒng)的一部分，其中，所述衍射光外部耦合單元包括載體元件(401)，用于提供衍射表面浮雕圖案(406)；以及衍射表面浮雕圖案，包括在載體元件的表面區(qū)域上定義的多個連續(xù)衍射表面浮雕形態(tài)，其中，形狀周期優(yōu)選地是約10微米或更小，并且這多個連續(xù)衍射表面浮雕形態(tài)被布置成通過涉及所述衍射表面浮雕圖案的所述多個表面浮雕形態(tài)中的至少兩個表面浮雕形態(tài)的相互作用而在載體元件外部耦合入射到所述衍射表面浮雕圖案上的光，以增強耦合光的方向性。另外，一種包括多個衍射光外部耦合單元的衍射光外部耦合系統(tǒng)、以及一種包括該外部耦合系統(tǒng)的光導件。文檔編號F21V8/00GK101595409SQ200780044344公開日2009年12月2日申請日期2007年10月31日優(yōu)先權(quán)日2006年10月31日發(fā)明者卡里·林科申請人:莫迪尼斯有限公司