CN111801603A - 光学器件、照明器以及制造光学器件的方法 - Google Patents

Abstract

一种使光源所发射的入射光变换以在投影面上形成辐照图案的光学器件具有由非球面透镜与笛卡尔卵形线集合的并集形成的自由形式表面。各个笛卡尔卵形线是将入射光聚焦到点的透镜，并且笛卡尔卵形线集合将入射光引导到形成辐照图案的边界的点集合。非球面透镜是折射透镜的引导入射光以形成辐照图案的内部的部分。非球面透镜与笛卡尔卵形线集合组合以形成所述并集，使得各个笛卡尔卵形线共享折射透镜的辐射焦点并且在单个点处与非球面透镜的表面切向接触。

Description

光学器件、照明器以及制造光学器件的方法

技术领域

本发明涉及光学器件，更具体地，涉及具有变换入射光以生成照明图案的自由形式光学表面的光学器件。

背景技术

非成像光学器件领域一直在寻求一种方法来设计将光源所发射的入射光变换成任意照明图案的光学表面。在过去的二十年中，对于零光学扩展量情况，光线完全平行或完全从单个点发散的理想化，已取得实质性进展。该理想化允许所发射的光中的光线与目标照明图案中的光线之间一一对应。这种一一对应减少了设计问题，判定光学表面的反射或折射实现所发射的光的横截面中的光线的空间密度与目标照明图案中的光线的空间密度之间的一对一映射。如果初始密度与目标密度之间可进行平滑映射(零光学扩展量***几乎总是如此)，则可使用借自最优质量输送领域的方法来找到该映射。所得光学器件可生成详细照明图案(例如，投影拍摄图像)。这些光学表面通常被称为自由形式光学表面，仅仅是因为其形状比通常与透镜和反射镜关联的任何简单代数表面更复杂。

事实上，零光学扩展量光源是不存在的。实际光源(例如，发光二极管(LED))具有空间范围，即，光线是从区域而非点发射的，并且这些光线在其传播期间交叉，使得一对一映射是不可能的，并且使问题超出最优质量输送可解决的范围之外。如果自由形式光学表面由空间扩展的光源照明，则所得照明图案显著模糊，就像阴天的影子变得柔和且不清晰一样。根据热力学第二定律，这种模糊是不可避免的。

因此，当针对空间扩展的光源设计自由形式光学器件时，光学工程师的目标温和得多——通常仅在圆形或多边形边界区域中实现近似均匀的照明。此外，通常认为在该区域之外将存在非受控照明衰减的模糊光晕，即使在一些应用中这可为不可取的。一些研究者还试图控制该光晕并实现急剧衰减。同时多曲面(SMS)方法通过路由从光源的边缘到预定目标的光线来对边界提供一些控制；与近似去模糊组合的最优质量输送有时可在辐照图案中实现锐利边缘。然而，在两种方法中，最终辐照图案均遭受模糊边缘与辐照图案内的不可取纹理伪影之间的非受控取舍。

自大功率LED出现以来，从朗伯光源获得均匀辐照度的问题已受到广泛关注。到目前为止，所有设计方法均是近似的。此外，为设计自由形式表面而提出的许多方法依赖于简化关于光源的假设，最常见的是其通过透镜提供均匀光通量。大多数现代光源是朗伯光源，其沿着任何光线的光通量强度与该光线与光轴之间的角度的余弦成比例。这必须在优化时非常小心地建模，否则辐照度图像将具有相当明显的伪影。

因此，需要可将来自空间扩展的光源的入射光变换为具有锐利边缘的目标照明图案的方法。这些方法可有益于许多光学应用，例如用于标识照明和专用照明的光学器件。

发明内容

一些实施方式的目的是提供一种可生成具有锐利边界并且在那些边界之外的背景中没有溢出的复杂辐照图案的光学器件。一些实施方式的另一目的是提供一种可生成内部均匀照亮的复杂辐照图案的光学器件。

一些实施方式基于这样的认识：一种特殊类型的透镜(本文中称为笛卡尔卵形线)将入射光聚焦到点，在该点之外没有任何光污染。为此，笛卡尔卵形线的集合可将入射光引导到点集合。当使用扩展光源时，点也扩展，但其保留锐利边界并且点集合可类似地形成具有锐利边界的扩展形状。例如，这种点集合可形成辐照图案和/或辐照图案的边界。这种辐照图案可具有复杂形式以包括字形、形成单词的字母和/或标识。

一些实施方式基于另一认识：折射透镜使入射光变换以照射投影面。典型的折射透镜将入射光引导到期望的辐照图案(类似字形)内部和外部。折射透镜的将光引导到期望的辐照图案上的部分对于形成辐照图案有用。折射透镜的其余部分将投影面照射在期望的辐照图案外部，对于形成辐照图案无用。

一些实施方式基于这样的认识：折射透镜的“无用”部分可由将先前由折射透镜的“无用”部分收集的光引导到辐照图案的边界上的点的笛卡尔卵形线集合代替。以这种方式，可由折射透镜的“有用”部分所形成的内部和被笛卡尔卵形线集合折射的入射光所照明的边界形成双色调图像。

一些实施方式基于这样的认识：许多光源(例如，LED发光二极管(LED))是根据朗伯发射定律发射光线的朗伯光源，该定律说的是从理想漫反射面或理想漫射辐射体观测的辐射强度或发光强度与入射光的方向与表面法线之间的角度θ的余弦成正比。为此，由朗伯光源照明的投影面显示出强度从明亮中心消散的辐照。因此，成形为引导朗伯光源所发射的入射光以形成特定辐照图案(类似字形或标识)的典型透镜生成该辐照图案，使得在辐照图案内部具有不均匀辐照和/或背景被溢出到期望的辐照图案之外的光污染。

一些实施方式基于这样的认识：可设计具有这样的折射面的透镜，其响应于朗伯光源的照明均匀地照射盘。这种透镜在本文中称为朗伯均匀点透镜。为此，当折射透镜是朗伯均匀点透镜时，具有均匀内部、明亮边界和黑暗外部的双色调图像可显示在由朗伯光源照射的投影面上。

在几何学中，以RenéDescartes命名的笛卡尔卵形线是平面曲线，距两个固定点(称为焦点)的距离的线性组合相同的点集。在光学中，笛卡尔卵形线是具有通过使笛卡尔卵形曲线绕穿过其两个焦点的轴线旋转而形成的折射面的透镜。来自任一焦点的光线被折射聚焦到另一焦点。一些实施方式基于这样的认识：可使用笛卡尔卵形线集合来将发射的光远离期望的辐照图案的外部重定向到所述辐照图案的边界上。

以这种方式，用于将发射的入射光变换为双色调辐照图案的光学器件可由朗伯均匀点透镜的生成辐照图案的内部的部分与将来自朗伯光源的剩余光沿着辐照图案的边界聚焦的笛卡尔卵形线集合的并集形成。在生成这种双色调辐照图案的光学器件中，各个笛卡尔卵形线共享朗伯均匀透镜的辐射焦点，并且各个笛卡尔卵形线在单个点处与朗伯均匀透镜的表面切向接触。

值得注意的是，朗伯均匀点透镜和笛卡尔卵形线集合的形状可通过解析确定。以这种方式，用于生成双色调图像的所得光学器件也可通过解析确定。

因此，一个实施方式公开了一种使光源所发射的入射光变换以在投影面上形成辐照图案的光学器件，其中，该光学器件具有由非球面透镜与笛卡尔卵形线集合的并集形成的自由形式表面(freeform surface)，其中，各个笛卡尔卵形线是将入射光聚焦到点的透镜，并且其中，笛卡尔卵形线集合将入射光引导到形成辐照图案的边界的点集合，并且其中，非球面透镜是折射透镜的引导入射光以形成辐照图案的内部的部分，其中，非球面透镜与笛卡尔卵形线集合组合以形成所述并集，使得各个笛卡尔卵形线共享折射透镜的辐射焦点并且在单个点处与非球面透镜的表面切向接触。

另一实施方式公开了一种用于制造光学器件的方法，该方法包括以下步骤：确定将朗伯光源所发射的入射光变换为投影面上的照明图案的自由形式光学表面，其中，光学器件的自由形式光学表面由朗伯均匀点透镜的响应于朗伯光源的照明而在投影面上生成形成辐照图案的内部的均匀辐照的部分与将来自朗伯光源的光沿着辐照图案的边界聚焦的笛卡尔卵形线集合的并集形成；以及制造具有所述自由形式光学表面的光学器件。

另一实施方式公开了一种光学器件，该光学器件包括：由朗伯均匀点透镜的将朗伯光源所发射的入射光变换为均匀辐照的部分形成的非球面透镜；以及笛卡尔卵形线的并集，其中，各个笛卡尔卵形线是将入射光聚焦到点的透镜，其中，各个笛卡尔卵形线共享朗伯均匀透镜的辐射焦点并在单个独特点处与非球面透镜的表面切向接触。

附图说明

[图1A]

图1A是示出一些实施方式所使用的原理的辐照图案的示意图。

[图1B]

图1B是具有由一些实施方式使用关于图1A所公开的原理设计的自由形式光学表面的光学器件的示意图。

[图2A]

图2A是一些实施方式用来折射光线的笛卡尔卵形线透镜的示意图。

[图2B]

图2B是根据一个实施方式的形成将光从辐照图案的外部引导到辐照图案的边界的笛卡尔卵形线集合的示意图。

[图3]

图3是根据一个实施方式的由折射透镜和笛卡尔卵形线集合的组合形成的透镜的横截面。

[图4A]

图4A是形成根据一些实施方式的光学器件的示意图。

[图4B]

图4B是示出一些实施方式所采用的朗伯均匀原理的示例性示意图。

[图5]

图5是根据一个实施方式的制造将图形投影到投影面上的光学器件的方法的框图。

[图6A]

图6A是具有根据本发明的各种实施方式确定的光学器件的照明器的示例。

[图6B]

图6B是具有根据本发明的各种实施方式确定的光学器件的照明器的示例。

[图6C]

图6C是具有根据本发明的各种实施方式确定的光学器件的照明器的示例。

[图7A]

图7A是由一些实施方式生成的各种目标照明图案的不同非限制性示例。

[图7B]

图7B是由一些实施方式生成的各种目标照明图案的不同非限制性示例。

[图7C]

图7C是由一些实施方式生成的各种目标照明图案的不同非限制性示例。

[图8]

图8是根据一些实施方式的目标照明图案的锐边边界的光强度曲线图。

具体实施方式

图1A示出例示了一些实施方式所使用的原理的辐照图案的示意图。一些实施方式基于这样的认识：典型的折射透镜将入射光变换为投影在投影面上的辐照盘110。然而，一些实施方式的目的是修改折射透镜以将入射光变换为特定辐照图案，类似轮廓130内的图案。一些实施方式基于这样的认识：典型的折射透镜将入射光引导在辐照图案130内部140和外部120。折射透镜的将光引导在辐照图案130内部140的部分对于形成辐照图案有用。折射透镜的其余部分将投影面照射在期望的辐照图案的外部120(即，轮廓130的外部)，对于形成辐照图案无用。

一些实施方式基于这样的认识：折射透镜的“无用”部分可由将先前由折射透镜的“无用”部分收集的光引导到辐照图案的边界150上的点的笛卡尔卵形线集合代替。以这种方式，可由折射透镜的“有用”部分所形成的内部与被笛卡尔卵形线集合折射的入射光所照明的边界形成双色调图像。

一些实施方式基于这样的认识：许多光源(例如，LED发光二极管(LED))是根据朗伯发射定律发射光线的朗伯光源，该定律说的是从理想漫反射面或理想漫射辐射体观测的辐射强度或发光强度与入射光的方向与表面法线之间的角度θ的余弦成正比。为此，由朗伯光源照明的投影面显示出强度从明亮中心155消散的辐照。

一些实施方式基于这样的认识：可设计具有这样的折射面的透镜，其响应于朗伯光源的照明均匀地照射160投影面。这种透镜在本文中称为朗伯均匀点透镜。为此，一些实施方式设计一种光学器件以使入射光变换以形成具有限制在辐照图案的边界150内的均匀内部160的辐照图案。

图1B示出具有由一些实施方式使用关于图1A所公开的原理设计的自由形式光学表面的光学器件的示意图。根据一些实施方式，光学器件170使光源175所发射的入射光变换以形成辐照图案180。光学器件具有由笛卡尔卵形线集合和折射朗伯均匀点透镜的一部分的并集形成的自由形式表面。

笛卡尔卵形线是将入射光聚焦到点的透镜，使得笛卡尔卵形线集合将入射光反射到至少形成辐照图案的边界190的点集合。折射透镜的该部分引导入射光以形成由边界190包围的辐照图案的内部195。在一些实现方式中，当折射透镜是朗伯均匀点透镜时，具有均匀内部、明亮边界和黑暗外部的双色调图像可显示在由朗伯光源照明的投影面上。

图2A示出一些实施方式用来将光线从辐射焦点F₀ 205折射到辐射焦点F₁ 215的笛卡尔卵形线透镜210的示意图。其定义性质在于，不管路径如何，光花费相同的时间从F₀传播到F₁。这可能是因为在透镜内部光按因子n减慢。因此，顶部220和底部225路径的传播时间为np+q＝nv+r，其中p,v和q,r分别是对于两个不同路径，在透镜内部和外部传播的直线传播距离。值得注意的是，从透镜的焦点到顶点的中心光线的长度v、两个焦点F₀、F₁的位置以及传播时间不变量足以完全确定笛卡尔卵形线210的形状。

图2B示出根据一个实施方式的形成将光从辐照图案的外部引导到辐照图案的边界的笛卡尔卵形线集合的示意图。如果实施方式绕其光轴230旋转地扫掠2D笛卡尔卵形线210，则所得3D笛卡尔卵形线将来自点F0 205的光聚焦到F1 215处的点。如果实施方式然后绕穿过焦点F0的另一条线240旋转地扫掠3D笛卡尔卵形线，则实施方式获得笛卡尔卵形线250的并集。在此示例中，笛卡尔卵形线250的并集将来自焦点F0的光聚焦到投影表面上的完美圆环。在构造该扫掠体时，3D笛卡尔卵形线的中心轴线跟踪投影的圆的路径。

值得注意的是，所得笛卡尔卵形线集合的并集的正面包括缺块(divot)260。该缺块将穿过其的任何光线远离环的内部传送，从而保持该区域黑暗。各种实施方式使用该原理来形成通过穿过由辐照图案的形状控制的不规则路径扫掠笛卡尔卵形线而形成的不规则缺块，并使用这些缺块来保持投影平面的不规则区域黑暗。

图3示出根据一个实施方式的由折射透镜和笛卡尔卵形线集合的并集的组合形成的透镜的横截面。在此例示性示例中，具有缺块345(灰色)的折射透镜340(粗曲线)的横截面，该缺块345使投影平面350上的辐照度图像355的部分处于黑暗。在此示例中，期望的辐照图案是具有黑暗字母“I”的照射盘。为此，透镜340的将入射光折射到期望的辐照图案内部(即，期望的黑暗字母I外部)的部分342被视为“有用”部分，透镜340的将入射光折射到期望的黑暗字母I内部的部分345被视为“无用”部分。折射透镜340的有用部分在本文中称为非球面透镜。为此，非球面透镜是折射透镜的引导入射光以形成辐照图案的照明内部的部分。

暗直线315和317是从光源310到投影平面350的射线。两个笛卡尔卵形线320和330(以细曲线描绘)叠加在透镜340上。各个卵形线在到“I”的边界的一条射线离开透镜的地方与非球面透镜相切，并且该笛卡尔卵形线被缩放并取向以将光聚焦在该射线的端点处。这意味着笛卡尔卵形线的中心轴线325和335指向对应端点。这两个卵形线是焦点跟踪“I”的边界的类似构造的卵形线的扫掠的一部分。使得透镜的表面遵循通过该扫掠形成的缺块345。

一些实施方式将折射透镜340的将入射光引导在辐照图案内部的有用部分(即，非球面透镜)与将入射光引导到辐照图案的边界的笛卡尔卵形线集合组合。这种组合得到自由形式的透镜，该透镜具有与折射透镜340共享辐射焦点310的各个笛卡尔卵形线320和330。光被置于辐射焦点310处。以这种方式，折射透镜和笛卡尔卵形线二者将光投影到同一投影面350上。另外，在一些实施方式中，各个笛卡尔卵形线在单个和/或独特点处与折射透镜的有用部分切向接触。例如，笛卡尔卵形线320在点327处与非球面透镜切向接触。类似地，笛卡尔卵形线330在点337处与非球面透镜切向接触。以这种方式，组合的光学器件保持平滑并且易于制造。

可在图3上看到，至少部分地由将笛卡尔卵形线集合合并在一起的笛卡尔卵形线集合的并集形成光学器件。笛卡尔卵形线集合的并集保证了进入至少一个笛卡尔卵形线的入射光被引导在期望的辐照图案的轮廓或边界上。在各种实施方式中，相对于折射透镜的几何形状的集合中的各个笛卡尔卵形线的几何形状由焦点310、光轴325和/或335的方向以及切点327和/或337的位置独特地定义。不同的笛卡尔卵形线可具有不同的几何参数。在各种实施方式中，笛卡尔卵形线连续地跟踪辐照图案的边界的形状以确保边界锐利、连续且明亮地照亮。

图4A示出形成根据一些实施方式的光学器件的示意图。在那些实施方式中，折射透镜的有用部分(即，非球面透镜410)与笛卡尔卵形线集合420组合430。在各种实现方式中，笛卡尔卵形线集合420具有由笛卡尔卵形线集合420的并集形成的表面以确保辐照图案的边界的连续性。非球面透镜410是表面轮廓不是球体或圆柱体的部分的透镜。这是因为非球面透镜410仅是折射透镜的一部分。执行非球面透镜410与笛卡尔卵形线集合420的组合430，使得各个笛卡尔卵形线共享折射透镜的辐射焦点并在单个点处与非球面透镜的表面切向接触，如图3所示。

在一些实施方式中，入射光的强度遵循朗伯余弦定律，使得光源是朗伯光源并且折射透镜被实现为逆朗伯余弦定律的朗伯均匀点透镜。在各种实施方式中，朗伯均匀点透镜响应于朗伯光源的照明而在投影面上生成形成辐照图案的内部的均匀辐照。

图4B示出例示了一些实施方式所采用的朗伯均匀原理的示例性示意图。在此示例中，具有折射器表面R(φ)460的朗伯均匀点透镜将原点处的朗伯点光源450所发射的光转换为距离r480处半径p的均匀照射的盘470。

一些实施方式使用朗伯光源的发射率与盘的表面积之间的关系来设计朗伯均匀点透镜。具体地，朗伯光源以与cosφ成比例的强度沿着倾角φ451辐射，因此离开半角φ圆锥的总光通量为

一些实施方式基于这样的认识：可利用光学器件均匀地照射盘，该光学器件对于直至某一有限极限的所有半径按某一固定比例q维持该关系。为此，适当成形的透镜应该折射以倾角φ发射的光线，以使得它们相对于光轴以q sinφ单位入射到投影平面。为了使用所发射的半角β452的光锥生成半径p的均匀照射的盘，上述关系暗指q＝p/sin β。例如，一个实施方式确定角度β，以使得边缘光线在折射面处的入射角接近布鲁斯特角。以这种方式，实施方式可忽略由于菲涅耳反射引起的损耗。

应对球坐标的透镜表面和极坐标的投影平面，透镜点与平面点之间的对应关系为

其中R(φ)是相对于光轴倾角φ的透镜表面的径向范围，θ是透镜上的方位角和投影面上的极角。

为了推导透镜表面，一些实施方式首先使用2D笛卡尔坐标，其中光在原点(0,0)处，光轴在方向{+1,0}上延伸，并且垂直投影平面穿过(r,0)。一个实现方式将该透镜(在2D中)参数化为(x，y)＝(R(φ)cosφ，R(φ)sinφ)并使用折射定律的余弦形式来将入射光线I＝(x，y)-(0，0)、出射光线E＝(s，t)-(x，y)＝(r，p csc β sinφ)-(x，y)和表面切线

的向量关联起来：

n cos∠IT＝cos∠ET

其中n是透镜表面的任一侧的折射率之比。

将结果以向量形式写为

一个实施方式假设透镜相对于盘半径p和投影距离r非常小，以使得x＝s，|y|＝|t|，并且出射光线的场由表面法线确定，表面范围的作用可忽略。在极限情况下，是这样的：lin_{R(φ)/min(r，p)→0}E＝(s，t)。代入射线和切线定义并简化，实施方式获得

扩展为常微分方程(ODE)

其中q＝p csc β。解的形式为

其中p₁，p₂是在四次方程的根上求和的超验多项式。

替代实施方式没有小透镜假设，并且通过在出射光线E中将出射表面近似为球体来设计朗伯均匀点透镜，从而得到可解ODE。值得注意的是，仿真确认，即使当透镜具有非平凡尺寸并且存在扩展光源(假如其相对于透镜较小)时，该表面也提供良好的均匀性。

以这种方式，一些实施方式基于这样的理解：朗伯均匀点透镜和笛卡尔卵形线集合的形状可通过解析确定。因此，用于生成双色调图像的所得光学器件也可通过解析确定。

图5示出根据一个实施方式的制造将图形投影到投影面上的光学器件的方法的框图。实施方式针对预定义的参数515确定510朗伯均匀点透镜。例如，预定义的参数515可包括期望的焦距r、光斑半径p、透镜尺寸s，并且实施方式求解ODE(2)。

另外，实施方式根据通过朗伯均匀点透镜照射的盘内的期望的图形525的预定义的位置和边界来建立520图形的边界与透镜表面之间的对应关系。例如，实施方式将图形置于投影面(例如，投影平面)上，并识别朗伯均匀点透镜表面的将光引导到图形边界之外的部分。这些部分然后被下沉并成为缺块，以使得它们将光引导到边界。

在一些实现方式中，使用对应关系(1)将图形从投影平面反投影到透镜表面。设G为图形所占据的投影平面的子集，B为通过透镜的发射角的对应集合，即，

G具有边界

类似地，B具有边界

接下来，沿着投影在朗伯均匀点透镜上的图形的边界迹线的扫掠530，实施方式确定笛卡尔卵形线集合的并集。例如，一些实现方式构造使透镜将光折射到G之外的透镜表面下沉的新函数：

其中C_R(g，φ，θ)是将光聚焦到点g并且其表面在原始透镜表面上的对应点

处与R(·)相切的笛卡尔卵形线的(φ，θ)处的径向范围。笛卡尔卵形线的径向函数为

其中v是从光到卵形线的顶点的距离，p＝r_g(c-n)+(n-1)v，并且c是沿着(φ，θ)的射线与卵形线的轴线之间的角度的余弦，其将距离r_g处的目标点g连接到原点处的光。

在所有这些卵形线上取最大值生成与笛卡尔卵形线集合的并集对应的聚焦表面，其中每一个点由笛卡尔卵形线贡献。该聚焦表面利用将光传输到图形的边界的折射来代替540朗伯均匀点透镜的原始表面上的任何不想要的折射，以生成自由形式光学表面545。在一些实施方式中，聚焦表面上的点具有与其贡献卵形线不同的表面法线，通常这些法线适度倾斜，使得局部光线折射沿着边界的切线非常轻微地移位。

不同的实施方式以不同的方式计算max函数。在边界

简单的一些情况下，可通过解析来推导聚焦表面。更一般地，由于最终将表面作为数值样本指定给制造机器，所以这些样本可这样计算：将边界分段表示为简单的线和圆弧片段，通过解析沿着这些片段扫掠卵形线，并使用所得表达式计算附近下沉点的径向范围。

接下来，实施方式制造550具有自由形式光学表面545的光学器件。例如，一个实施方式通过对塑料光学器件进行注塑成型来制造光学器件。电火花加工(EDM)的发展已提供了在模具金属中制造光学质量自由形式表面的手段。EDM继而依赖于五轴和六轴加工以作为尺寸与要生产的零件相同的碳电极生成期望的自由形式表面。该电极用于在金属中电烧灼出与自身形状匹配的凹度，从而提供赋予熔融塑料期望的形状的模腔。除了注塑成型的复制方法之外，可利用多轴加工技术在一些光学材料(例如，丙烯酸)中直接生成自由形式表面，虽然每零件费用比注塑成型更大，因此通常用于原型。存在许多其它自由形式原型制作技术，包括光学聚合物的3D打印以及金属板的机器人变形。

对于入射光被准直的情况，在保持透镜至目标距离恒定的同时随着光源向(-∞,0)移动，一些实施方式取上述方程的极限。在该极限下，透镜和投影平面面对无限小的光束锥，因此从其角度，朗伯点发射器变为均匀准直光束，均匀透镜表面变得平坦，卵形线变为双曲面，并且切点始终是双曲面顶点。因此，整个构造简化为高度场在

内为零并在

之外为-∞的双曲面的最大卷积(也称为灰度膨胀)。

具有准直光的实施方式的一个优点在于，透镜和透镜模具可利用很少的加工从扁平坯料切割。具体地，可使用具有平端和双曲线侧面轮廓的钻头在3轴铣床上使用标准装袋技术切割高保真模具。

图6A、图6B和图6C示出具有根据各种实施方式确定的光学器件的照明器以及布置在照明器中以将光发射到自由形式光学表面上的光源620的示例。例如，光源620可被布置在距自由形式光学表面的距离640处，在确定自由形式光学表面时考虑这种距离。例如，在一些实施方式中，自由形式光学表面的形状是扩展光源的发射区域的形状和光源相对于自由形式光学表面的布置方式的函数。

在不同的实施方式中，自由形式光学表面可以是单侧或双侧的。例如，在示例照明器611中，光学器件631具有单侧自由形式光学表面。光学器件631的自由形式表面是距光源620最远的表面，并且最近表面是平坦的。在示例照明器612中，光学器件632的自由形式光学表面是双侧的，即，光学器件的两侧均是自由形式光学表面。在示例照明器613中，光学器件633最接近光源620的表面具有自由形式。

在一些实施方式中，照明器将目标照明图案投影在照明器外部的屏幕上。这种屏幕的示例包括墙壁或任何其它平坦表面。在替代实施方式中，照明器本身的光学器件可用作屏幕。例如，在一个实施方式中，光学器件633的与自由形式光学表面相对的表面650被磨砂，使得照明图案形成在磨砂表面上。另外，或者另选地，照明器可具有用于成像和显示目的的辅助光学器件。

图7A、图7B和图7C示出由一些实施方式生成的各种照明图案的不同非限制性示例。为了清晰，照明的图案使用黑线示出。实际上，那些示例图像可被反转。例如，在一些实施方式中，照明图案包括字形710或艺术图像720。例如，照明图案可包括形成单词730的字母。在一些实施方式中，照明图案是不对称图案。照明图案还可具有亮度梯度。

图8示出根据本发明的一些实施方式的目标照明图案的锐边边界的光强度的曲线图820。边界810分离照明/辐照图案的外部与内部。如在该曲线图上看到的，光强度的变化率导致在距边界810预定距离830内光强度从最小值改变为最大值。这种距离830在聚焦的图像中找到并由热力学第二定律控制。

本发明的上述实施方式可按众多方式中的任一种来实现。例如，实施方式可使用硬件、软件或其组合来实现。当以软件实现时，软件代码可在任何合适的处理器或处理器集合(无论设置在单个计算机中还是分布于多个计算机)上执行。这些处理器可被实现为集成电路，在集成电路组件中具有一个或更多个处理器。但是，处理器可使用任何合适格式的电路来实现。

另外，本发明的实施方式可被具体实现为一种方法，已提供该方法的示例。作为该方法的一部分执行的动作可按照任何合适的方式排序。因此，可构造以与所示不同的次序执行动作的实施方式，其可包括同时执行一些动作，尽管在例示性实施方式中作为顺序动作示出。

在权利要求中使用诸如“第一”、“第二”的序数词修饰权利要求元素本身并不暗示一个权利要求元素相比于另一权利要求元素的任何优先或次序或者方法动作执行的时间次序，而是仅用作标签以将具有特定名称的一个权利要求元素与具有相同名称(但使用序数词)的另一元素相区分，以区分权利要求元素。

Claims (18)

1.一种使光源所发射的入射光变换以在投影面上形成辐照图案的光学器件，其中，该光学器件具有由非球面透镜与笛卡尔卵形线集合的并集形成的自由形式表面，其中，各个笛卡尔卵形线是将所述入射光聚焦到点的透镜，并且其中，所述笛卡尔卵形线集合将所述入射光引导到形成所述辐照图案的边界的点集合，并且其中，所述非球面透镜是折射透镜的引导所述入射光以形成所述辐照图案的内部的部分，其中，所述非球面透镜与所述笛卡尔卵形线集合组合以形成所述并集，使得各个笛卡尔卵形线共享所述折射透镜的辐射焦点并且在单个点处与所述非球面透镜的表面切向接触。

2.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述入射光的强度遵循朗伯余弦定律，使得所述光源是朗伯光源，其中，所述折射透镜是逆朗伯余弦定律的朗伯均匀点透镜，以响应于所述朗伯光源的照明而在所述投影面上生成形成所述辐照图案的内部的均匀辐照。

3.根据权利要求2所述的光学器件，其中，各个笛卡尔卵形线共享所述朗伯均匀透镜的所述辐射焦点，其中，各个笛卡尔卵形线在由所述笛卡尔卵形线的光轴限定的所述辐照图案的所述边界上具有独特焦点，并且其中，各个笛卡尔卵形线在独特点处与所述非球面透镜的表面切向接触。

4.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述笛卡尔卵形线集合中的至少一些笛卡尔卵形线具有由在所述辐照图案的所述边界上的所述笛卡尔卵形线的焦点和与所述折射透镜切向接触的位置限定的不同几何参数。

5.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述透镜的由所述非球面透镜和所述笛卡尔卵形线集合的所述并集形成的所述自由形式表面是所述折射透镜的具有缺块的表面，所述缺块将所述入射光的穿过所述缺块的光线从所述辐照图案的外部传送至所述辐照图案的所述边界。

6.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述入射光被准直，所述折射透镜具有平坦表面，各个所述笛卡尔卵形线包括双曲面形状并在双曲面顶点处与所述非球面透镜的表面切向接触。

7.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述辐照图案包括字形。

8.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述辐照图案包括形成单词的字母。

9.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述辐照图案包括双色调图像。

10.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述光学器件的与所述自由形式光学表面相对的表面被磨砂，使得所述辐照图案形成在经磨砂的表面上。

11.一种照明器，该照明器包括：

根据权利要求1所述的光学器件；以及

光源，该光源被布置在所述照明器中以将光发射到所述自由形式光学表面上以生成所述辐照图案。

12.根据权利要求11所述的照明器，其中，所述光源包括发光二极管LED。

13.根据权利要求12所述的照明器，其中，所述自由形式光学表面的形状是所述LED相对于所述自由形式光学表面的布置方式的函数。

14.一种用于制造光学器件的方法，该方法包括以下步骤：

确定将朗伯光源所发射的入射光变换为投影面上的辐照图案的自由形式光学表面，其中，所述光学器件的所述自由形式光学表面由朗伯均匀点透镜的响应于所述朗伯光源的照明而在投影面上生成形成所述辐照图案的内部的均匀辐照的部分与将来自所述朗伯光源的光沿着所述辐照图案的边界聚焦的笛卡尔卵形线集合的并集形成；以及

制造具有所述自由形式光学表面的所述光学器件。

15.根据权利要求14所述的方法，该方法还包括以下步骤：

确定将所述朗伯光源所发射的所述入射光变换为所述投影面的均匀辐照的所述朗伯均匀点透镜；

确定所述朗伯均匀点透镜的对所述辐照图案的内部的辐照有贡献的部分；

确定由将来自所述朗伯光源的光沿着所述辐照图案的所述边界聚焦的所述笛卡尔卵形线集合形成的体积；以及

将所述朗伯均匀点透镜的所述部分与所述体积组合以形成所述光学器件的所述自由形式光学表面，使得各个笛卡尔卵形线在单个独特点处与所述朗伯均匀透镜的所述部分切向接触。

16.一种光学器件，该光学器件包括：

非球面透镜，该非球面透镜由朗伯均匀点透镜的将朗伯光源所发射的入射光变换为均匀辐照的部分形成；以及

笛卡尔卵形线的并集，其中，各个笛卡尔卵形线是将入射光聚焦到点的透镜，其中，各个笛卡尔卵形线共享所述朗伯均匀透镜的辐射焦点并在单个独特点处与所述非球面透镜的表面切向接触。

17.一种照明器，该照明器包括：

根据权利要求16所述的光学器件；以及

朗伯光源，该朗伯光源布置在所述照明器中以将光发射到所述光学器件上，其中，所述朗伯均匀点透镜将所述朗伯光源所发射的所述入射光变换为形成辐照图案的内部的均匀辐照，并且其中，各个笛卡尔卵形线将所述朗伯光源所发射的所述入射光变换到辐照图案的边界处的对应点上。

18.根据权利要求17所述的照明器，其中，所述辐照图案包括字母，使得所述笛卡尔卵形线的并集引导所述入射光以形成所述字母的轮廓并且所述朗伯均匀点透镜将所述入射光引导到所述轮廓内部。

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