[发明专利]提供来自光源的特定光分布的多小面漫射器

说明书

所设计和制造的光学或光漫射器(或简称“漫射器”)包括以单元或集合来布置的许多小面，其中平坦面或朝外表面具有取向和透射角(可由法线的方向余弦定义)，以将接收到的光重定向到预定义光分布的一区域或部分。还提供了设计或定义漫射器的小面的方法，以及制造漫射器和包括新漫射器的装置或产品(诸如微显示器和照明组件)的方法。漫射器在光学上被设计成产生用户指定的光分布。漫射器可以通过其前表面或外表面(光透射表面)上的小面的配置来进行工程设计，以产生几乎任何类型的光分布或形状，并且漫射器设计便于它们使用挤塑工艺以及其他制造技术进行制造。

相关申请的引用

本申请要求于2019年7月13日提交的美国临时专利申请号62/880,776号的优先权，该美国临时专利申请通过援引整体纳入于此。

背景

技术领域

本说明书总体上涉及光透射、投影和在照明显示器中的使用并涉及相关设备或产品。更具体而言，本说明书涉及一种光学漫射器，其被设计成通过使用多个面(或微结构或透镜)在空间中产生特定或预定义的光分布，从而将光瞄准所需方向。本说明书还涉及用于创建新光学漫射器的设计和生产方法，以及包括或利用该光学漫射器的装置(产品或设备)，诸如微显示器(诸如发光二极管(LED)屏幕)、许多类型的照明设备(例如，汽车工业中使用的灯、室内和室外照明应用等)、投影屏幕等。

2.相关背景。

对于光学漫射器(或光漫射器，或更简单地说，“漫射器”)的需求仍然很大，以漫射或散射光，从而以所需的方式(诸如软化光或将光向外传播使其看起来不是来自点光源)透射光。由于越来越多地依赖诸如LED、激光器等光源作为光源，以及越来越多包括微显示器的设备对漫射光的需求，未来几年对漫射光或软光的需求将可能增长。

微型显示器(诸如智能手机、紧凑型计算和游戏设备等中的那些)中使用的典型漫射光通常由紧凑型光学系统提供，该光学系统具有由半透明材料(诸如磨砂玻璃、聚酯膜、聚碳酸酯基板、蛋白石玻璃、灰色玻璃等)形成的漫射器。传统漫射器是使用光散射材料制成的，这种材料可以产生在所有方向和角度上的光分布。这些类型的漫射器包括由蛋白石或牛奶玻璃形成的漫射器，且还可以包括由磨砂玻璃和喷砂玻璃形成的漫射器，以形成随机表面来散射穿过漫射器的透射光。虽然这些漫射器可有用于软化来自光源的相干或非相干光，但它们无法控制角光分布或透射，而且由于这些漫射器通常会产生全内反射(TIR)，因此光透射效率往往相对较低。

因此，已经创建了其他类型的漫射器，以尝试解决与灯丝、电弧、LED、光纤、激光光源和其他光源相关联的热点和不均匀光分布问题。这些替代设计的漫射器在平滑和均质化光源方面相对成功，同时也在其他应用中提供了均匀的光，诸如用于液晶显示器(LCD)背光、LED显示器、机器视觉、汽车照明、观察屏等。这种漫射器可以通过操纵透明材料中的横截面形状以主要在给定的XZ或YZ平面上分布光来制作，但在其他情况下，在漫射器中使用简单的透镜设计。其他更复杂的漫射器(其可称为光成形漫射器)可使用衍射光学元件(DOE)并可与激光光源一起使用。这些漫射器通常使用基板中产生的相位差来使用DOE将光线衍射到特定方向，并且DOE可以是可提高光透射效率(例如，达到80％或更高)、提供光束定形、并使输出光均匀化的，全息记录的随机化表面结构。

虽然解决了传统漫射器的一些问题，但使用这些更复杂的光学漫射器仍然存在一些问题。例如，与高度工程化的全息漫射器相关联的一个问题是，它们很昂贵且记录起来很麻烦。另一问题是，它们的结构(或DOE)非常精细，以致于它们不能被挤塑(这是首选的低成本制造方法)，因为由于结构大小较小，材料在挤压压花时往往会“松弛”。因此，全息漫射器通常在紫外线(UV)浇铸和固化环境中制造，或在比挤塑更昂贵的工艺中制造。全息漫射器的另一问题是，由于结构非常小(例如，小于5微米)，以致于它们对灰尘、用户手上的油等特别敏感，这可能会使它们无用或者至少在所需的散射中效率较低且较不有效。