CN105917165A - 具有光漫射器的照明器 - Google Patents

Abstract

一种照明器，包括：光源（10）；用于来自光源的光的出射窗（20）；以及位于出射窗处用于漫射光的漫射器（25；200a；200b；200c；200d）。漫射器包括多个微光学元件（203a；203b；204，205；206，207）。每个微光学元件适于重定向来自光源的光，使得来自每个元件的经重新定向的光以相应的预定的极角（Θ）从漫射器射出。多个微光学元件包括第一微光学元件，其将来自光源的光重新定向到极角的第一范围，其中第一光学元件在第一邻域中比在第二邻域中占据漫射器的面积的更大的比例，并且其中第一邻域比第二邻域接收更少的来自光源的光。还提供了一种设计和制造用于这样的照明器的漫射器的方法。

Description

具有光漫射器的照明器

技术领域

本发明大体上涉及照明器，并且特别地涉及用于照明器的漫射器。它尤其与设计成安装在天花板上、基本垂直向下取向的照明器相关。

背景技术

在照明应用中，要求照明器提供某角度的光分布。另外，经常期望的是，照明器出射窗呈现均匀地点亮。即，出射窗的发光度应是空间均匀的。这意味着在出射窗的角度θ₀和处的发光度M_v( , θ₀, )应该不取决于在该出射窗内的位置。在角度θ₀和处的发光度通过将出射窗的亮度L_v(, θ₀, )在立体角上积分而获得。该立体角对应于距出射窗的一定典型距离的人眼瞳孔尺寸。因为角瞳孔（angular pupil）尺寸ΔΩ(θ₀)很小，作为在出射窗内的坐标的函数，从倾斜角（极角）θ₀和方位角观察到的发光度可以被如下表示：

(1)

（在所有角度上积分的）总发光度 或者简单地发光度由下述给出：

(2)

提供特定角度的光分布的要求是照明的主要光学问题。与均匀性要求相结合，它变成重大挑战。由于利用发光二极管（LED）替换其它光源的趋势使得此挑战更加困难。尽管LED照明器可以提供在能量消耗方面的显著降低，但是它们的出射窗可以呈现出视觉上的不寻常并且与传统照明器相比较小的吸引力。原因是LED光源的几何形状因数：它们相对较小，创建照明器的出射窗的高度不均匀的发光度（典型地被观察为“多斑点的”或“有斑点的”图案）。这甚至可以造成讨厌的炫目效果。

期望的是提供少斑点的照明器。迄今为止，实现这一点的许多尝试已经涉及从出射窗将光反射回照明器中。该反射伴与光学损耗和更低的光学效率相关联，这与节能的期望相冲突。

发明内容

本发明由权利要求限定。

依据本发明一方面，提供一种照明器，包含：

光源；

用于来自该光源的光的出射窗；以及

在该出射窗处的用于漫射光的漫射器，

其中该漫射器包括多个微光学元件，每个微光学元件适于重定向来自该光源的光，使得来自每个元件的经重定向的光以相应的预定极角从该漫射器射出，

其中该多个微光学元件包括第一类型的微光学元件，其将来自该光源的光重定向到极角的第一范围中，

其中该第一光学元件在第一邻域中比在第二邻域中占据该漫射器的面积的更大比例，

其中第一邻域比第二邻域接收更少的来自光源的光。

该多个光学元件可以进一步包括第二类型的微光学元件，其将来自该光源的光重定向到极角的第二范围，其中第一范围的极角大于第二范围的极角。

微光学元件是具有在0.00007 mm²到0.2 mm²的范围之中的尺寸的光学元件。为了简略，微光学元件在此也简单地称为“光学元件”。

通过选择如上面定义的极角，漫射器呈现为当从第一极角观察时具有均匀的发光度，并且呈现为当从第二极角观察时具有不均匀的发光度。本发明的实施例因此可以使得设计者能够通过在其它极视角处牺牲均匀性而在某些极视角处实现均匀的外观。优选地，漫射器在第一极角处输出的发光度在漫射器上的所有位置的邻域中是均匀的。

在不同角度处的发光度可以在每个邻域中改变，但是来自该邻域的（在所有角度上的）总发光度保持相同。因此，漫射器改变光的方向，而不改变从每个邻域发射的光的量。到达漫射器的每个邻域的光和离开该邻域的光的总发光度是相同的。

优选地，光学元件的极角被选择成使得在极角的第一范围中由漫射器输出的发光度在邻域之中是均匀的；并且在极角的第二范围中由漫射器输出的发光度在所述邻域之中是不均匀的。第一和第二范围不重叠。然后，当从处于极角的第一范围中的任何角度观察时，照明器将呈现均匀。

对于在漫射器上的多个位置的每一个，由第一类型的微光学元件占据的漫射器的面积的比例乘以从光源接收的光的量是基本相同的，以在极角的所述第一范围内产生空间均匀发光度U>0.5，U被定义为

其中l_max和l_min分别是在出射窗中的不同位置之上测量的发光度的最大和最小值。均匀度，U，使用上面的等式确定。如果U>0.5，或者更优选地如果U>0.6，在给定角度处（或者在角度的给定范围中）的发光度是均匀的。如果U<0.5，那么发光度是不均匀的。

“邻域”的尺寸小于人眼在正常观察距离处可辨别的分辨率。这意味着，观察者没有感知到邻域内的亮度的变化。换句话说，观察者不能感知到属于邻域的单独的光学元件的亮度--相反，观察者只感知到邻域上元件的平均亮度。通过示例的方式，邻域可以具有1mm²到2mm²的面积。邻域的形状应该是紧凑的，不是怪异的。为了测量的目的，优选地，邻域在形状上是正方形或圆形的，并且都是相同的尺寸。

由每个元件重定向的光以预定的极角在微光学元件的位置处从漫射器射出。因此，微光学元件的极角指光以此从微光学元件射出的极角。极角相对于照明器的预期取向而定义。例如，如果照明器被设计成安装在天花板上、垂直地向下指向，那么极角相对于垂直轴（即，天花板的法线）而定义。许多照明器是旋转地对称的。在这种情况中，极角的参考方向平行于对称轴。

一般地，光将不以单个唯一的角度而是以小角度扩展从每个微光学元件进入和/或射出。“预定的极角”指在此扩展的中心处的标称角度。关于预定的极角的光线的角度扩展可以例如多达5°。

光学元件在漫射器上扩展。漫射器典型地是具有近似均匀厚度的平面或者壳状的，使得在漫射器内的每个光学元件的位置可以唯一地用两个坐标表征。

每个微光学元件可以包括一个或多个小面（facet）。小面是具有不同的折射率的两个物理介质之间的平的（二维）界面。该小面优选地形成于漫射器的表面上，其中物理介质之一是漫射器的材料，并且另外的物理介质是空气。

漫射器优选地由诸如聚碳酸酯之类的透明的固体材料形成。

每个微光学元件优选地包括下面的微光学结构中的至少一个：自由形状的微光学透镜、平坦的小面、弯曲的表面和棱柱形的微结构。

第一极角优选地大于第二极角。

该配置对于被设计成安装在水平天花板上、垂直地向下面对的照明器而言可能是特别地有利的。这样的照明器典型地从大的极角观看（即，与水平天花板形成浅的角度）。照明器的所有部分将对从大极角观看的用户呈现均匀明亮。照明器对于从小极角观看的用户将不呈现均匀。然而当用户处于安装在天花板上的照明器的正下方时，用户不可能直接向上看向照明器。因此，在小极角处给出均匀发光度的印象不是必要的。

多个微光学元件可以包括第一微光学元件，其将来自光源的光重定向到极角的第一范围中，其中第一微光学元件在第一邻域中比在第二邻域中占据漫射器的面积的更大比例，其中第一邻域比第二邻域从光源接收更少的光。

出射窗的发光度在第二邻域中比在第一邻域中更大。换句话说，更多的光落在第二邻域上（每单位面积）。第一光学元件通过在第一邻域中比在第二邻域中覆盖漫射器的更多部分而被分布，以使得它们补偿这一点。在第一邻域中，这导致到达漫射器的光的更大比例被重定向到极角的第一范围中。同时，在第二邻域中，更少比例的到达光被重定向到此角度范围中。这帮助（在极角的第一范围内）补偿在出射窗处的发光度中的不均匀性。

在一些实施例中，第二邻域可以比第一邻域接收更多的来自光源的光，因为第二邻域更靠近光源。如果光从光源直接行进到漫射器或者如果光被（菲涅尔）透镜准直，这将典型地就是这种情况。在其它的实施例中，由于照明器中其它光学部件创建的图案--例如TIR准直器可以在中间的某个地方展现暗环的缘故，第二邻域可以接收更多的光。

上面提及的第一极角优选地在极角的第一范围之中。

第一和第二邻域可以是相同的尺寸。操作参数是每个邻域中漫射器（同样地，出射窗）的每单位面积被第一光学元件占据的漫射器的（并且因此出射窗的）总面积。为了物理测量的目的，可以考虑具有1mm²到2mm²的尺寸的邻域。

在一些实施例中，在位于离光源更远处的出射窗上的位置处，发光度将小于在靠近光源的位置处。为了帮助出射窗的发光度（在极角的第一范围内）呈现均匀，由第一光学元件占据的总面积从光源进一步得到增加，以便（至少部分地）补偿减少的发光度。

在其它的实施例中，因为不同的原因，发光度可能在第一邻域中比在第二邻域中更低。例如，第一邻域可以接收更少的光，因为它位于由TIR准直器造成的暗带中。一般地，由第一光学元件占据的总面积在光的量（发光度）更低的邻域中增加，以便补偿差异并且在极角的第一范围中创建均匀的发光度。

第二类型的微光学元件在第二邻域中比在第一邻域中可以占据漫射器的面积的更大的比例。

第二光学元件在更靠近法线方向的极角的第二范围中提供光照。它们可以布置成占据没有被第一光学元件占据的剩下的面积。在这种情况中，当从极角的第二范围内的角度观看时，出射窗（漫射器）将呈现不均匀明亮，因为发光度在第二邻域中更大并且同时第二光学元件占据该邻域中的面积的更大比例。换句话说，由不均匀的发光度造成的不均匀性被第二光学元件的分布进一步强调。

上面提及的第二极角优选地处在极角的第二范围内。

极角的第二范围可以是从0°到角阿尔法，并且极角的第一范围可以是从该角阿尔法到60°或者更大，其中阿尔法小于或等于30°。

阿尔法优选地小于或等于25°。角的第一范围的上端优选为70°或更大。一般地，对于角的第一范围优选的是尽可能大（使得出射窗在尽可能大的角的范围上呈现均匀）。

与在第二邻域中相比，第一微光学元件可以在第一邻域中以更大的空间密度提供。

即，在第一邻域中的漫射器的每单位面积的第一光学元件的数量比在第二邻域中的大。这是确保第一光学元件在第一邻域中覆盖漫射器（并且因此出射窗）的面积的更大比例的一种方式。

（所有）光学元件的总空间密度可以在每平方毫米（/mm²）5个元件到每平方毫米13000个元件的范围中。第一光学元件的空间密度可以在1到该总空间密度的范围中。

相比于第二邻域，可以在第一邻域中提供更大面积的第一微光学元件。

即，单独的第一光学元件的尺寸在第一邻域中可以比在第二邻域中更大。这是确保第一光学元件覆盖第一邻域中的面积的更大比例的另一方式。

单独的光学元件的尺寸（即，其占据的漫射器的面积）可以处于0.00007mm²到0.2mm²的范围中。

一般地，在给定局部邻域中的光学元件可以具有相似的尺寸或不同的尺寸。

可选地，第一光学元件在第一邻域中既是更大的又被更密集地填充（见上文）。

对于在漫射器上的多个位置中的每一个，由第一微光学元件覆盖的漫射器的局部面积的比例优选地与在此位置处的发光度成反比。

在一些实施例中，漫射器的每单位面积的第一光学元件的密度与发光度成反比。

在其它实施例中，单独的第一光学元件的尺寸与发光度成反比。

在另外的其它实施例中，单独的第一光学元件的尺寸和它们的空间密度二者被调适成使得由第一光学元件占据的漫射器的局部面积的比例与发光度成反比。

发光度可以在出射窗处计算（即理论地推导）或测量。

在每个微光学元件中，可以存在至少一个小面，其适于通过折射和全内反射中的至少一个重定向光。

漫射器可以被布置成使得来自光源的光在基本垂直于漫射器的方向上到达漫射器。

光中的小角度的扩展典型地是不可避免的--并且可能甚至是期望的。因此，在实践中，如果光线偏离法线方向5°或更小的角度从，光线可以被认为“基本垂直”于漫射器。漫射器的法线方向相对于光线到达的邻域中的漫射器的局部取向而定义。它是该邻域中漫射器的切面的法线。

漫射器优选是平面的；并且照明器优选地进一步包括准直器，其适于准直来自光源的光并且将经准直的光传输到漫射器。

在这种情况中，漫射器定义二维（2D）平面，并且它在第三维度上基本不延伸。换一种方式来说，漫射器中的光学元件被布置在二维平面上，使得它们在第三维度中具有（基本）相同的坐标。法线方向在漫射器的所有位置处都是相同的--其是2D平面的法线。

来自准直器的经准直的光基本垂直于漫射器的平面到达漫射器。在实践中，在法线方向周围的大约5°的角度扩展可以被预料。对于当前目的，这被认为是“基本垂直的”。

微光学元件可以在面对光源的漫射器的表面上提供。

优选地，每个微光学元件包括至少一个小面。此小面可以在面对光源的漫射器的表面上提供。在这种情况中，小面的角度可以依据下面的等式（6）确定。

微光学元件可以提供到背对光源的漫射器的表面上。

优选地，每个微光学元件包括至少一个小面。此小面可以在背对光源的漫射器的表面上提供。在这种情况中，小面的角度可以依据下面的等式（7）而确定。

经重定向的光可以以预定的方位角从每个微光学元件射出，其中光在方位角的预定范围上的分布对于漫射器上的所有位置处的邻域是基本相同的。

换句话说，多个光学元件的方位角被优选地选择成使得当从预定的范围中（或者从极角的某范围内）的方位角观看时，发光度在漫射器的面积上呈现均匀。

优选地，光在所有方位角上的分布对于漫射器上的所有位置处的邻域是基本相同的。于是，当从任何方位角观看时，发光度将呈现均匀。

可选地，方位角被选择成使得在每个单独邻域中光的分布在方位角上是基本均匀的。即，漫射器的每个邻域将相等量的光定向到每个方位角。在方位上的该均匀性意味着漫射器的每个部分呈现为从所有方位角看（具有相同的亮度。即，当观察者围绕照明器走时，照明器的每个部分的感知的亮度保持不变。

在一些实施例中，来自给定光学元件的经重定向的光的方位角可以依据均匀分布随机地选择。这意味着在方位角之间不存在偏好--对于给定光学元件，每个方位角都等可能地被选择。

一般地，微光学元件可以具有相同的形状或不同的形状。这些元件的一些或全部可以是多边形-例如正方形、矩形或六边形。

光源可以优选地近似为点光源。例如，光源可以包括发光二极管（LED）。

依据本发明的另一方面，提供一种设计和制造用于照明器的漫射器的方法，该照明器包括光源；以及用于来自该光源的光的出射窗，该漫射器适合用于在该出射窗处漫射光，

其中该漫射器包括多个微光学元件，每个微光学元件适于重定向来自该光源的光，使得来自每个元件的经重定向的光以相应的预定极角从漫射器射出，

该方法包括：

选择微光学元件的极角以使得由该漫射器在第一极角处输出的发光度在漫射器上的不同位置的邻域中是均匀的；并且使得由漫射器在第二极角处输出的发光度在所述邻域中是不均匀的；以及

制造如此设计的漫射器。

依据本发明的另一方面，提供一种设计和制造用于照明器的漫射器的方法，该照明器包括光源；以及用于来自该光源的光的出射窗，该漫射器适合用于在该出射窗处漫射光，

其中该漫射器包括多个微光学元件，每个微光学元件适于重定向来自光源的光，使得来自每个元件的经重定向的光以相应的预定极角从漫射器射出，

该方法包括：

将多个微光学元件中的至少一些分配为第一微光学元件，其将来自光源的光重定向到极角的第一范围中，

其中，第一微光学元件在第一邻域中比在第二邻域中占据漫射器的面积的更大的比例，

其中第一邻域比第二邻域接收更少的来自光源的光。

依据本发明的另一方面，提供一种设计和制造用于照明器的漫射器的方法，该照明器包括光源；以及用于来自该光源的光的出射窗，该漫射器适合用于在该出射窗处漫射光，

其中该漫射器包括多个微光学元件，每个微光学元件适于重定向来自该光源的光，使得来自每个元件的经重定向的光以相应的预定极角从漫射器射出，

该方法包括：

确定在出射窗处的发光度；

将多个微光学元件的至少一些分配为第一微光学元件，其将来自光源的光重定向到极角的第一范围中；

分布该第一微光学元件，使得对于漫射器上的多个位置中的每一个，由第一微光学元件覆盖的漫射器的局部面积比例与在该位置处的发光度成反比；以及

制造如此设计的漫射器。

该方法可以另外包括将该多个微光学元件中的其它微光学元件分配为第二微光学元件，其将来自光源的光重定向到不同于第一范围的极角的第二范围中。

通过如上面限定地分布第一光学元件，漫射器在从极角的第一范围中的极角被观察时可以呈现为具有均匀的发光度，并且在从极角的第二范围中的极角被观察时可以呈现为具有不均匀的发光度。

附图说明

现在将参考附图详细描述本发明的示例，在附图中：

图1示意地图示依据本发明的实施例的照明器的几何结构；

图2示出具有图1中示出的几何结构的照明器，其在出射窗处具有漫射器；

图3是图示用于图2的照明器的出射窗的发光度的曲线图；

图4示出依据本发明的实施例的两类光学元件空间分布；

图5示出由依据本发明的实施例的照明器生成的光束的两个部分的角度范围；

图6示出依据三个不同的照明器的光的远场角分布；

图7示意地图示依据本发明的实施例的在漫射器的内表面上形成的折射光学元件；

图8示意地图示依据另一实施例的在漫射器的外表面上形成的折射光学元件；

图9示意地图示依据又一实施例的使用全内反射的光学元件；以及

图10示意地图示依据再一实施例的使用全内反射的光学元件。

具体实施方式

本发明的实施例使用定制的光学结构，其使得初始不均匀的出射窗在极角的范围内呈现均匀。这样的结构可以通过具有小面的光学元件实现--例如使用激光烧蚀或3D打印以光学板的形式制成的微结构。这可以潜在地提供相对低成本的解决方案。

如在前言部分解释的，当前LED照明***的主要缺点是它们的有斑点性。有斑点性起源于LED光源的几何形状因数。本发明使照明器出射窗在对于降低有斑点性最有利的角度的某范围内呈现均匀。本发明的实施例可以直接重定向（漫射）光--而不将其发送回照明器。这可以允许实现高得多的光学效率。

在本发明的实施例中，漫射器包括由许多小的光学元件制成的板。每个光学元件具有一个或多个小面，其将到达该光学元件的光发送到特定角度。在一些光学元件中，单个小面通过折射重定向光。在其它光学元件中，一个小面通过全内反射重定向光（可选地其中另一个小面另外通过折射重定向光）。因此，光学元件漫射光，创建光束。光以特殊方式漫射，其中光被漫射的角度取决于在出射窗内的位置。这允许在某些角度内创建空间均匀的发光度，因为出射窗的初始的不均匀性通过光在某些方向上的优先重定向而被补偿。

在一个实施例中，将光重定向到给定方向的光学元件的密度与出射窗的原始发光度分布的倒数成比例。当从该给定的方向观察时，这导致均匀的发光度。在另一实施例中，将光重定向到给定方向上的光学元件的尺寸与出射窗的初始的发光度分布的倒数成比例。这也导致在给定方向上的均匀发光度。如果期望的话，这些实施例可以组合。

优选地，漫射器使发光度在一定方向范围中--即用于给定的方位角或者全部方位角的极角的范围中--呈现均匀。

将在下面描述实施例，其将详细地解释当前的发明创建均匀的发光度的方式。

在示例性实施例中，照明器具有图1中图示的几何结构。这示出包括单个光源10和半径为D、置于距光源距离d处的圆形出射窗20的照明器。光源10是LED。如果在提供出射窗20的开口处不存在光学结构，出射窗的发光度是高度不均匀的。确实，观察者可以直接看见光源10。

尝试使出射窗更均匀的已知方式是首先（例如使用透镜或准直器）准直来自光源的光并且然后使用漫射器漫射光，以产生具有期望角度扩展的光束。这样的方案在图2中示出。这是制作角宽为2θ的光束的照明器的示意图。为了阻止观察者直接看到光源10--并且因此改善出射窗20的发光度的表观空间均匀性，***利用漫射器25和透镜30。透镜30置于光源10和漫射器25之间。漫射器置于出射窗20处。透镜30准直光，使得它在基本垂直于窗口--即基本垂直于窗口的平面的方向上到达平面出射窗20。在实践中，准直将不是完美的--多达5°的角度扩展对于实践的目的是可接受的。再者，角度扩展可以在出射窗内不同的位置处变化。然而，该变化在重定向光时可以忽略或被考虑在内。

漫射器25在出射窗的每个位置处漫射经准直的光，创建具有开度角2θ的光笔。出射窗25内的三个位置被标记以供稍后引用。位置A是出射窗的中间；位置B是出射窗的中间与外边缘之间的半途；并且位置C是出射窗的外边缘。为了简单起见，几何结构被假定是旋转对称的。因此，径向坐标完全地表征照明器每个部分--特别是在出射窗20处的漫射器25。（当然，本领域技术人员将领会，本发明不限制于旋转对称的几何结构。）。

当具有此几何结构的照明器被从大于θ的倾斜（极）角观察时，出射窗的表观发光度为零。当它被从小于θ的倾斜（极）角观察时，发光度观察者呈现为比不具有漫射器的裸光源更均匀。然而，尽管光源10不能直接通过漫射器25被看到，但是出射窗的发光度尚且不是完全均匀的。假设光源10可以近似为朗伯发射体(Lambertian emitter)，发光度可以作为在出射窗内的径向坐标的的函数而被计算。该函数在图3中示出。在该曲线图中，发光度通过由光源发射的总通量被归一化。更详细地，图3示出每单位面积dB的归一化的流量，作为出射窗内的径向坐标ρ的函数。两条曲线以对应于出射窗20的半径D与出射窗20和光源10之间的距离d的两个不同比率的任意单位示出。半径D是出射窗的平面中的尺度。距离d是垂直于出射窗的尺度。通量通过由光源10发射的总通量Φ₀被归一化。如图3示出的，出射窗越宽和/或出射窗离光源越近，发光度变得越不均匀--即从出射窗20的中心到它的***边缘的变化越大。

图3中的发光度图由下面的等式描述，其是从图2的几何结构导出的：

(3)

这里，变量D隐含地包含在ρ中。即，D是ρ的极限。此等式可以以无量纲的ρ'=ρ/D重写。于是，ρ'≤1并且该等式将明确地包含比率D/d。

依据本发明的一个实施例，在漫射器中采用定制的有小面的光学器件。此实施例的操作原理现在将被描述。在此实施例中，照明器的几何结构与在图2中示出的照明器的几何结构相同。来自光源10的光由准直器30准直。然而，图2的漫射器25由漫射器200取代。在当前实施例中，准直器30由菲涅尔透镜实现。

漫射器200包括覆盖着有小面的光学元件覆盖的圆板。即，每个光学元件包括用于重定向来自光源10的光的至少一个小面。板200包括两种不同类的元件，其以两种相应类型的小面为特征。这些类型由小面的取向区分。第一类型的小面将来自光源的光重定向到极角的第一范围中；并且第二类型的小面将来自光源的光重定向到极角的第二范围中。小面的取向与经重定向的光线的角度之间的关系取决于有关介质的折射率。稍后（在下文）这将被更加详细地解释。

第一类型的小面被分布，以便确保漫射器的表观发光度在角度的第一范围中是均匀的。第二类型的小面用于在角度的第二范围--即，其余的期望射束的角度--上分布剩余部分。

（在期望的第一范围的角度内）空间均匀的发光度通过在出射窗的表面之上分布第一类的小面以使得小面的局部密度与在出射窗处的发光度的倒数成比例来实现。换句话说，第一类的密度是图3中图示的函数的倒数，并且由等式（3）表达。这种形式的分布在图4中的左手图中示意地图示。

图4图示每类的小面的局部密度在漫射器200的面积之上如何空间地变化。更暗的区域指示更高密度的小面；更亮的区域指示更低密度的小面。左手图示出第一类的小面的分布并且右手图示出第二类的小面的分布。第一类的小面在--离光源10最远的--漫射器200的***以最高密度出现。它们在--最靠近光源的--漫射器的中心以最低密度出现。第二类的小面的空间分布补充第一类的分布。特别地，未被第一类的小面覆盖的出射窗的剩余面积被第二类的小面占据。因此，第二类的小面在--离光源10最远的--漫射器200的***以最低密度出现。它们在--最靠近光源的--漫射器的中心以最高密度出现。局部密度是在1mm²到2mm²的邻域尺寸之上测量的密度。

每类小面的空间分布可以允许漫射器完全补偿发光度中的不均匀性，并且因此确保（由第一类的小面产生的）极角的第一范围内的发光度是空间均匀的。基于所需的密度分布，将每类小面分配到漫射器上的特定的空间位置，每个小面的具体取向然后可以被选择。对于第一类的小面，取向在极角方面被随机化，使得期望的极角的第一范围被由它们重定向的光填充。取向在方位角方面也被随机化，使得它们在全部360°的范围的方位角方向上是均匀地扩展的。对于第二类的小面，取向在极角方面被随机化，使得极角的第二范围被由它们重定向的光填充。取向在方位角方面也被随机化，使得它们在全部360°的范围的方位角方向上是均匀地扩展的（与第一类的相同）。

在当前的实施例中，随机化包括将经重定向的射线的极角随机地分配到量化的角度的离散集合之一。这以均匀的方式完成，使得为每个离散角度提供近似相同数量的小面。因此，近似相同量的光将被重定向到每个（量化的）角度。如果离散极角的数量是N并且离散的方位角的数量是M，那么取等式（3）的倒数并且除以角度的数量，将光重定向到每个特定角度的（第一类）小面的密度由下面的表达式给出：

（4）

这里，S_element是光学元件的表面积。这表达了每平方毫米(/mm²)小面中的密度。项1/S_element给出最大元件密度。从这个最大密度，我们取由最小发光度（即当ρ=D时）和当前发光度之间的比率给出的分数。因此，如果发光度是最小的，在我们想要将光束的均匀部分最大化的情况下，我们需要将所有面积用于射束的均匀部分；而当发光度比其最小值大时，更小的面积可以用于射束的均匀部分。

在实践中，角度的离散量化对于观察者将不会是显然的，因为准直不是完美的并且因此在到达并离开每个光学元件的光中存在小的角度扩展（例如5°）。这将有助于“模糊”连续的量化角度之间的区别。

由两类小面生成的所得到的射束在图5-6中图示。如在图5所示，全（半）射束宽度是θ。极角α（阿尔法）内的光线由第二类的小面产生。对于在该角度内的观察者，出射窗的发光度呈现不均匀。θ与α之间的角度内的光由第一类的小面产生。对于在该角度范围内的观察者，出射窗的发光度呈现均匀。

注意到，我们没有在观察者的视角与光线从出射窗发射的极角之间进行区分。严格地，对于正在从有限的距离看出射窗20的观察者，从出射窗的不同部分到达观察者的眼睛的光将以不同的极角离开出射窗。然而，对于与出射窗的尺寸相比相对大的观看距离，此变化可以忽略。取而代之，假设从出射窗中的不同位置到达观察者的眼睛的所有光，以单个、唯一的极角从出射窗发出。假如照明器对向观察者的眼睛处不大于1°到5°的角度，那么在实践中做出这个近似是安全的。

图6描绘从出射窗20上的三个不同位置发出的射束的远场角分布。这些是在图2中标记为A、B和C的位置。（y轴上的）发光强度相对于（x轴上的）极角而描绘。图6(a)示出在没有使用漫射器并且射束扩展尽可能小的情况下的分布。图6(b)示出在使用常规漫射器的情况下的分布，如关于图2在上面讨论的。图6(c)示出用于本发明的当前的实施例的分布。这对应于在图5中图示的光束。在图6(c)中，可以看到的是，在位置A、B和C处的角分布收敛于θ与α之间的角度的范围中。因此，该实施例已经实现空间均匀性--漫射器的位置A、B、C对于从θ与α之间的任何极角观看照明器的观察者，呈现同样明亮。对于小于α的倾斜角，发光度呈现不均匀。

在实践的照明情况中，人们很少以小的倾斜（极）角看照明器，因为照明器通常放置在天花板上和/或因为它们看起来是不舒适地明亮的。因此，为了使得照明器呈现均匀，使其在θ与α之间角度的范围内呈现均匀就足够了。在当前的示例中，θ为60°并且α为30°。

值得注意的是，其中光笔的开度角随着位置变化的特殊漫射器将不能产生如由本发明的实施例产生的均匀的发光度。这样的“特殊漫射器”将控制经漫射的光的扩展，而不控制光被漫射所朝的方向。这不足以实现期望的外观均匀性。

均匀性可以使用下面的度量U评估：

(5)

在此等式中l_max和l_min分别是在出射窗中的不同的位置上测量的发光度的最大和最小值。当U=1时，发光度是完美地均匀的（即，均一的）。当U=0时，发光度是高度地不均匀的。在实践中，如果U>0.5，出射窗将对观察者呈现均匀。更优选地，U>0.6。

给定角度处的发光度可以使用从该角度在照明器处取向的亮度计物理地测量。可替代地，可以使用成像型亮度计。这可以认为是具有小孔径的相机，其从合适的观看距离（典型地2m到5m）瞄准照明器。相机记录的最大像素值代表上面的等式(5)中的最大发光度，并且最小像素值代表最小发光度。

对于上面描述的实施例，（两类的）光学元件由在漫射器的表面上的折射小面实现。这些的结构现在将参考图7-8被更详细地描述。

图7是漫射器200a的部分的示意性图示。漫射器200a具有从照明器面向外的一个表面201a和朝向光源10面向内的另一表面202a。为了简单起见，只有包括折射小面203a的单个光学元件被图示，并且漫射器的其余部分是平坦的。在实践中，光学元件203a可以直接邻近提供其它光学元件的其它小面。在此示例中，折射小面203a在面向内的表面202a中形成。一般地，从光源10到达漫射器200a的经准直的光当其进入漫射器时首先在小面203a处折射，并且当其离开漫射器时在面向外的表面201a处再次折射。小面以极角γ取向。小面取向是该小面的法线的取向。漫射器的材料具有折射率n₁。照明器外面的空气具有折射率n₂。光源与漫射器200a之间的介质具有折射率n₀。在当前的示例中，此介质也是空气，在这种情况下n₀=n₂。为了使光学元件具有期望的输出极角（即，为了使光学元件将光重定向到极角），小面角γ由下面的等式确定：

(6)

此等式用于确定小面的角度。在上面早前描述的实施例中，漫射器被设计成对于从0°到30°的极角呈现不均匀，并且被设计成对于从30°到60°的极角呈现均匀。假设漫射器由具有折射率n₁=1.585的聚碳酸酯制造并且在漫射器两侧的介质都是具有折射率n₀=n₂=1的空气，则第一类的小面将具有在44.8°和69.3°之间的极取向γ。第二类的小面将具有在0°和44.8°之间的极取向γ。

图8示出漫射器200b的对应的几何结构，其中小面203b在面向外的表面201b上提供。面向光源的向内面对的表面202b是平坦的。在该示例中，因为经准直的光在垂直于表面202b的方向上到达该表面，所以它在此表面出不被折射。它只在输出表面201b中的小面203b处折射。在这种情况下，用于选择适当的极小面角γ的等式为：

(7)。

图9示出在其它实施例中可能有用的不同种类的光学元件。此漫射器200c中的光学元件使用全内反射（TIR）重定向光。来自光源10的光在垂直于表面的方向上经由面向内的表面202c进入漫射器。在此界面处不存在折射。楔形突出物在面向外的表面201c中形成。这包括TIR小面204和折射小面205。光在TIR小面204内部地反射并且随后在输出小面205折射。经重定向的光从漫射器200c射出的极角取决于两个小面的角度。这为设计者提供两个自由度。它也可以使得光能够被重定向到比单独使用折射可能的极角更大的极角。再次参考图5，使用TIR光学元件的实施例可以能够在更大的极角处或者在极角的更大范围之上实现均匀的发光度。例如，可以可能的是在角度α=25°和θ=70°之间提供均匀的发光度。

图10示出又一种类的光学元件。此漫射器200d中的光学元件使用TIR和折射两者来重定向光。两个小面，折射小面206和反射小面207，在漫射器的面向内的表面202d上形成。面向外的表面201d是平坦的。两个光线210和211在图10中图示。两个射线在垂直于漫射器的方向上到达漫射器200d并且在它们进入漫射器的折射小面206处相似地折射。第一射线210直接行进到面向外的表面201d并且第二次折射。第二射线211从折射小面206行进到它在其中经历全内反射的TIR小面207。从这里，它行进到漫射器的面向外的表面，当它射出进入空气时它在此表面再次折射。因为第二射线211遵循不同的路径并且（在TIR小面207处）经历反射，它以不同的角度从漫射器射出。因此，这些是两个光学元件（两个小面）并且存在与两者相互作用的射线。这同样适用于图9，其中一些射线将不与TIR小面204相互作用并且将从面向内的表面202c直接行进到折射小面。

不必要的是，漫射器中的所有光学元件具有相同的结构。在一些实施例中，漫射器可以包括包含图7-9中图示的两个种类或更多种类的混合的光学元件。

在典型的实施例中，（两类）小面的密度在5个小面/mm²到13000个小面/mm²的范围中。对于上面描述的实施例，该总密度在漫射器的整个面积之上是均匀的。然而，在任何给定的邻域中第一和第二类的小面的比例在漫射器之上变化。平均小面尺寸在0.0067mm²到0.2mm²的范围中。

用于制造包括具有小面的光学元件的光学设备的生产技术在本领域中是已知的。根据前面的描述，将对本领域技术人员而言显然的是，如何设计依据本发明的实施例的漫射器。一旦被设计，这些可以使用相似于那些用于已知的微光学设备的方法制造，例如激光烧蚀或3D打印。依据本发明的实施例的漫射器可以由各种材料制成。优选地，材料是透明的。例如，漫射器可以由透明的聚碳酸酯材料形成。

在上面描述的实施例中，小面的尺寸（即，被每个小面覆盖的漫射器的面积）保持近似恒定，并且第一类的小面的空间密度依据发光度的倒数而变化。作为替代，密度可以维持近似恒定，并且每个小面的尺寸可以依据发光度的倒数变化。假如每个小面的尺寸保持足够小以致其不能被人眼从合适的观看距离分辨，那么表观发光度保持均匀。

在上面描述的实施例中，菲涅尔透镜被用作准直器。然而如本领域技术人员到目前为止将领会的，本发明不限制于特定类型的准直器。其它合适的准直器包括但不限制于：TIR准直器；以及例如复合抛物面聚光器(CPC)之类的聚光器。

在上面的实施例中，假设的是第一范围中的所有角度接收相等量的光。这可以是期望的，但是这不是必要的。最重要的均匀性要求是，重定向到给定极角的光的量对于漫射器上的每个局部邻域是相同的。这确保当从该极角观察时，出射窗呈现空间均匀。可选地，除此之外，重定向到每个角度的光的量（对于漫射器上的每个局部邻域）可以是相同的。对上面描述的示例情况就是这样--针对在角度的第一范围中的每个角度以及针对漫射器上的每个位置输出相同量的光。

在上面描述的实施例中，微光学元件包括一个或多个小面。然而在其它实施例中，微光学元件可以包括自由形状的微光学透镜、平坦的小面、弯曲的表面或棱柱型的微结构。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时，可以理解和达成对所公开实施例的其它变型。在权利要求中，词语“包括/包含”不排除其它元素或步骤，并且不定冠词“一”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中列举某些措施的纯粹事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应当被解释成限制范围。

Claims (15)

1.一种照明器，包括：

光源；

用于来自所述光源的光的出射窗；以及

在所述出射窗处的用于漫射所述光的漫射器，

其中所述漫射器包括多个微光学元件，每个微光学元件适于重定向来自所述光源的光，使得来自每个元件的经重新定向的光以相应的预定极角从所述漫射器射出，

其中所述多个微光学元件包括第一微光学元件，其将来自所述光源的光重新定向到极角的第一范围中，

其中第一光学元件在第一邻域中比在第二邻域中占据所述漫射器的面积的更大比例，

其中所述第一邻域比所述第二邻域接收更少的来自所述光源的光。

2.权利要求1的照明器，其中所述多个微光学元件进一步包括第二微光学元件，其将来自所述光源的光重新定向到极角的第二范围中，

其中所述第一范围的极角大于所述第二范围的极角。

3.权利要求2的照明器，其中所述第二微光学元件在所述第二邻域中比在所述第一邻域中占据所述漫射器的面积的更大比例。

4.权利要求1、2或3的照明器，其中每个微光学元件包括下述微光学结构的至少一个：自由形状的微光学透镜、平坦的小面、弯曲的表面和棱柱形的微结构。

5.权利要求1至3中的任意一项的照明器，其中对于所述漫射器上的多个位置中的每一个，由所述第一微光学元件覆盖的所述漫射器的局部面积的比例与在此位置处的发光度成反比。

6.权利要求2至权利要求5中的任意一项的照明器，其中所述极角的第二范围是从0°到角阿尔法，并且所述极角的第一范围是从所述角阿尔法到60°或者更大，其中阿尔法小于或等于30°。

7.权利要求1至6中的任意一项的照明器，其中与所述第二邻域相比，所述第一微光学元件在所述第一邻域中以更大的空间密度提供。

8.权利要求1至7中的任意一项的照明器，其中与所述第二邻域相比，更大面积的第一微光学元件在所述第一邻域中提供。

9.权利要求1至8中的任意一项的照明器，对于所述漫射器上的多个位置中的每一个，比例U：

其中l_max和l_min分别是在所述出射窗中的不同位置上测量的发光度的最大和最小值。

10.前述权利要求中任一项的照明器，其中，在每个微光学元件中，存在至少一个小面，其适于通过折射和全内反射中的至少一个重定向所述光。

11.前述权利要求中任一项的照明器，其中所述漫射器被布置成使得来自所述光源的光在基本垂直于所述漫射器的方向上到达所述漫射器。

12.前述权利要求中任一项的照明器，其中所述微光学元件在面向所述光源的所述漫射器的表面上提供。

13.前述权利要求中任一项的照明器，其中所述微光学元件在背对所述光源的所述漫射器的表面上提供。

14.前述权利要求中任一项的照明器，其中经重新定向的光以预定的方位角从每个微光学元件射出，其中光在方位角的预定范围上的分布对于所述漫射器上的不同位置处的邻域是基本相同的。

15.一种设计和制造用于照明器的漫射器的方法，所述照明器包括光源；以及用于来自所述光源的光的出射窗，所述漫射器适合用于在所述出射窗处漫射光，

其中所述漫射器包括多个微光学元件，每个微光学元件适于重定向来自所述光源的光，使得来自每个元件的经重定向的光以相应的预定极角从所述漫射器射出，

所述方法包括：

确定在所述出射窗处的发光度；

将所述多个微光学元件中的至少一些分配为第一微光学元件，其将来自所述光源的光重定向到极角的第一范围中；

分布所述第一微光学元件，使得对于所述漫射器上的多个位置中的每一个，由所述第一微光学元件覆盖的所述漫射器的局部面积的比例与在此位置处的发光度成反比；以及

生产如此设计的所述漫射器。