[发明专利]步阶式流线聚光器和准直器

说明书

相关申请的交叉参考

本申请主张2009年8月20日申请的美国临时专利申请No.61/274,735的权益，其全部内容并入于此作为参考。

背景技术

在本世纪初首先开发了步阶式流线光学器件（SFL）[参考文献1-3]并且快速地发现了背光灯设计中的应用[参考文献4、5]，用于组合光源或者有效地将光分布到不同位置的光学器件[参考文献6-10]。

这些光学器件的特征在于具有下部光学器件（光分配器），其从源收集光并且将光分配到给定的底面。来自光源并由光分配器重新导向的光束在底面上生成了流线场。然后设计过程继续遵守流线（flow－line），然后在流线上移动，接下来是另一个流线，然后在流线上移动，等等。在之后是该步阶性结构的两个连续的流线之间包含的集光率的每个部分由分开的（小的）光学器件管理。然后该设计方法的特征在于将在底面上进入的光束“打破”为小的部分，每个部分由分开的（小的）光学器件控制。这个过程使得能够后来重新组合所有这些部分，无缝地重建整个光束的连续性。已经提出了其中发生和不发生重新组合过程的光学器件的例子[参考文献3]。例如，这个重新组合过程在将来自不同光源的光组合到单个出口孔径的光学器件中不发生。通常，支撑表面可以是平坦的或者弯曲的，开放的或闭合的（例如圆柱体）[参考文献2、3]。

在这里公开的某些配置中，总是发生光束无缝地重新组合。这些设备的一个元件是光分配器（下部光学器件），其将来自源的光分频道底面。其他元件由构成上光学器件（微结构）的许多小的光学器件组成。每个小的光学器件是微结构元件。

每个微结构元件的光学表面可以闭合在一起或可以分开，产生不同类型的结构。在第一种情况下，微结构的厚度与光学器件的整个厚度相比非常薄。在第二种情况下，每个微结构元件的表面之间的距离比它们的尺寸大得多，一组表面跟随底面，并且另一组表面跟随另一个表面，例如入口孔径。

本说明书中提出的光学设备的实施例的目的在于使得设计过程能够在光束中引入多个不连续，并然后在光学器件向下去除这些不连续。相反地，今天的非球面设计方法仅允许在生成的表面上引入单个不连续[参考文献11]。

发明内容

本发明的一个方面提高了一种光学系统，顺序地包括：第一光学表面；具有小面的第二光学表面；和具有小面的第三光学表面；其中光学系统可操作将第一光线束转换为第二光线束，第一光线束在第一光学表面外部的相空间中是连续的，第二光线束在第三光学表面之外的相空间中是连续的；其中在第二和第三光学表面之间，形成第一和第二束的光线形成离散的子束，每个子束从第二光学表面的小面行进到第三光学表面的小面，并且子束不形成相空间中的连续束；其中相空间具有表示光线跨越光线束的横截表面的位置和角度的尺寸。

从下面的具体实施方式可以看到，许多实施例实质上是可逆的。大多数描述的实施例在一个方向用作聚光器，在另一个方法用作准直器。在许多这样的实施例中，当用作准直器的时候，第一光学表面用于分配表面，向第二表面提供光，第二表面然后形成分开的小面结构或微结构，并且第三表面然后形成组成小面结构或微结构。然而，当相同的光学系统用作聚光器时，分开和组合结构的功能互换，并且“分配表面”实际上用作聚集表面。由此，通常在涉及特定方向光流动的说明书中使用的术语应当被广泛地理解为在相对方向流动的光的相反功能。

本发明的另一个方面提供一种光学系统，顺序包括第一光学表面和具有小面的第二光学表面；其中光学系统可操作将第一光线束转换为第二光线束，第一光线束在第一光学表面外部的相空间中是连续的，第二光线束在第二光学表面之外的相空间中是连续的；其中在第一和第二光学表面之间，形成第一和第二束的光线形成离散的子束，每个子束从第二光学表面的小面行进到第一光学表面的小面，并且子束不形成相空间中的连续束。

本发明的另一个方面提供一种光学系统，包括具有小面的第一光学表面和第二光学表面；其中光学系统可操作将第一光线束转换为第二光线束，第一光线束在第一光学表面外部的相空间中是连续的，第二光线束在第二光学表面之外的相空间中是连续的；其中具有小面的第一光学表面被配置使得从预定光源进入系统的光完全闪现系统的出口孔径。

本发明的另一个方面提供一种光学系统，包括源或接收器、具有小面的分光光学表面、引导源或接收器和具有小面的分光光学表面之间的光的分配光学表面以及可选地远离源或接收器的分光光学表面的侧面上的出口孔径，其中来自源或接收器由分配和分光光学表面导向的光线完全闪现出口孔径，并且在出口孔径形成具有来自两个波阵面的边缘光线的光线束。