照明设备、透镜、系统和方法
阅读：610发布：2020-09-20
专利汇可以提供照明设备、透镜、系统和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且包括至少4个光学设备的照明设备。每个光学设备具有相关联的 光源 并且包括具有多个微小尺寸的刻面的第一表面。每个刻面具有相应的取向，并且所述多个刻面具有平行于所有所述相应的取向的平均取向的法线矢量延伸的光轴。光学设备被分成超过至少2个光学设备的集合，所述光学设备的集合被设计成在操作期间相互发出不同的图案，因为不同集合的光学设备以相互交替的方式被布置。，下面是照明设备、透镜、系统和方法专利的具体信息内容。
1.包括至少4个光学设备的照明设备（1），每个光学设备具有相关联的光源，并且每个光学设备包括具有多个微小尺寸的刻面的第一表面，所述刻面具有25μm到250μm之间的尺寸，每个刻面具有相应的取向，所述多个刻面具有平行于所有所述相应的取向的平均取向的法线矢量延伸的光轴，
其特征在于所述光学设备被分成超过至少2个光学设备的集合，其中所述光学设备的集合由于其相应的取向而沿着相应的光轴对来自相关联的光源的光线进行重定向以在操作期间相互发出不同的图案，并且其中以相互交替方式布置不同集合的光学设备，并且其中对于所有的光学设备，相邻光学设备的取向是不同的。
2.如权利要求1中要求保护的照明设备，其特征在于每个光学设备的集合被布置成在所述照明设备的操作期间显示所显示的图案中的子图案。
3.如权利要求1或2中要求保护的照明设备，其特征在于所述至少2个光学设备的集合具有相同的尺寸和/或形状。
4.如权利要求1或2中要求保护的照明设备，其特征在于所述至少2个光学设备的集合包括光学设备的第一集合和第二集合，并且其中所述第一集合中的相应的光学设备的数目和所述第二集合中的光学设备的数目之间的比值在1：1至1:10的范围内。
5.如权利要求1或2中要求保护的照明设备，其特征在于所述至少两个光学设备的集合被制成整块。
6.如权利要求5中要求保护的照明设备，其特征在于所述至少两个光学设备的集合由箔制成。
7.如权利要求5中要求保护的照明设备，其特征在于所述至少两个光学设备的集合由板制成。
8.如权利要求1或2中要求保护的照明设备（1），其特征在于所述照明设备是发光体，其中通过至少光学设备的第一集合发出窄束，并且通过至少光学设备的第二集合发出宽束。
9.如权利要求1或2中要求保护的照明设备（1），其特征在于所述照明设备是机车头灯，其中通过至少光学设备的第一集合发出弱束，并且通过至少光学设备的第二集合或者通过至少光学设备的第一集合和第二集合发出高束。
10.如权利要求1或2中要求保护的照明设备（1），其特征在于所述照明设备是灯/反射器单元，其可在通过至少光学设备的第一集合发出的第一方向上的至少第一束和通过至少光学设备的第二集合在不同于第一方向的第二方向上发出的第二束之间切换。
11.如权利要求1或2中要求保护的照明设备（1），其特征在于在操作期间所述光源（3）充当点光源或者平行光束（11）的生成器。
12.一种包括至少两个光学设备（13）的集合的透镜（43），每个光学设备具有相关联的光源，并且每个光学设备包括具有多个微小尺寸的刻面的第一表面，所述刻面具有25μm到
250μm之间的尺寸，每个刻面具有相应的取向，所述多个刻面具有平行于所有所述相应的取向的平均取向的法线矢量延伸的光轴，
所述光学设备的集合由于其相应的取向而沿着相应的光轴对来自相关联的光源的光线进行重定向以在操作期间相互发出不同的图案，并且不同集合的光学设备以相互交替的方式被布置，并且
对于所有的光学设备，相邻光学设备的取向是不同的。
13.一种系统，包括多个如权利要求1至11中任一项要求保护的照明设备（1）或者如权利要求12中要求保护的透镜（43）。
14.制作如权利要求1中要求保护的照明设备的方法，所述方法包括如下步骤：
（1）选择要被显示的期望图案（21），
（2）将所述图案分成具有具体的位置的子图案（39），
（3）确定光学设备的集合和针对刻面（27）的配置，所述刻面用于将束部分定向或重定向到子图案位置，考虑到：
光学设备被分成超过至少两个光学设备的集合，其中所述光学设备的集合由于其相应的取向而沿着相应的光轴对来自相关联的光源的光线进行重定向以在操作期间相互发出不同的图案，其中以相互交替的方式布置不同集合的光学设备，并且其中相邻刻面的取向是不同的，
（4）根据所确定的配置生成多个刻面（15）。
15.制作如权利要求12中要求保护的透镜（43）的方法，所述方法包括如下步骤：
（1）选择要被显示的期望图案（21），
（2）将所述图案分成具有具体的位置的子图案（39），
（3）确定光学设备的集合和针对刻面（27）的配置，所述刻面用于将束部分定向或重定向到子图案位置，考虑到：
光学设备被分成超过至少两个光学设备的集合，其中所述光学设备的集合由于其相应的取向而沿着相应的光轴对来自相关联的光源的光线进行重定向以在操作期间相互发出不同的图案，其中以相互交替的方式布置不同集合的光学设备，并且其中相邻刻面的取向是不同的，
（4）根据所确定的配置生成多个刻面（15）。
照明设备、透镜、系统和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及具有微小尺寸的刻面（facet）的照明设备。
背景技术
[0002] 用于使光均匀的常规技术使用阵列化的微透镜、衍射漫射器、毛玻璃漫射器和全息生成的（holographically -generated）漫射器。微透镜阵列通过创建重叠的光发散锥体的阵列使光均匀。每个锥体源自相应的微透镜并且发散到透镜的焦点之外。在常规的阵列中，各个透镜彼此相同。通过用磨料对玻璃进行研磨以生成玻璃表面中的光散射结构来形成毛玻璃漫射器。
[0003] 微透镜阵列、毛玻璃漫射器和全息漫射器都具有不能控制均匀化的发散光的角扩展的缺点。光一般具有在期望的角域（angular region）上相当均匀的角扩展，但是角域的边界是模糊的。利用常规的漫射器方法，在期望的角扩展的边缘处的能量滚降（roll-off）能够很好地延伸到该域之外。
[0004] 衍射漫射器可被用来控制输出光的角扩展，但是这样的漫射器在它们能够给予输出光的扩展的量的方面受限制。由于针对可见或其以下的短波长源的制作限制、以及针对较长波长的结构的物理方面的限制，最大的角扩展受限制。另外，以其传统的二元形式（binary form）使用的衍射漫射器可包能括大量背景能量，并且图案必须是关于光轴对称的。
[0005] 为了克服这些常规设备的所述缺点，US20070223095公开了具有由多个光学元件形成的多个正方形刻面的光学设备。这些刻面被用来在预定的相应方向上定向入射光束的部分。这些刻面在二维阵列中彼此相邻地形成。这些刻面在阵列中的位置关于对应的光束部分的方向是随机的。已知的照明设备的缺点是其具有相对差的性能和/或其是相对大的。
发明内容
[0006] 本发明的一个目的是提供具有改进的性能的如在开始段落中描述的类型的照明设备。本发明的另一目的是提供做出改进的照明设备的方法。该目的是通过包括至少4个光学设备的如在开始段落中描述的类型的照明设备来达成，每个光学设备具有相关联的光源，并且每个光学设备包括具有多个微小尺寸的刻面的第一表面，所述刻面具有25μm到250μm之间的尺寸，每个刻面具有相应的取向，所述多个刻面具有平行于所有所述相应的取向的平均取向的法线矢量延伸的光轴，光学设备被分成超过至少两个光学设备的集合，光学设备的集合由于其相应的取向而沿着相应的光轴对来自相关联的光源的光线进行重定向以在操作期间相互发出不同的图案，并且不同集合的光学设备以相互交替的方式布置，并且其中对于基本上所有的光学设备，相邻刻面的取向是不同的。照明设备包括包含同样地布置的多个刻面的光学设备的第一集合，以及包含同样地布置的多个刻面的类似光学设备的第二集合，然而，第二集合的光学设备不同于其它集合的光学设备。两个集合都是混合式布置，即以交替的、互相交叉的方式或其它配置中的类似布置，并且第一集合和第二集合中的光学设备的数目之比例如是1:2或1:3。LED及相关联的光学设备的两个组合的这种基本上相互交叉（或者或多或少交替的）的布置特别适用于发光体中，从而使得其能够发出窄光束（点状的）、宽光束（泛光）（例如，蝙蝠翼状的光束）、或者窄光束和宽光束的组合。然而，所有操作状况下的发光体具有实际上恒定的外观并且以均匀的方式从其整个光发射窗发射光。照明设备可以很好地包括3、4、5或高达10个集合的但是基本上不同的光学设备，所有光学设备都交替地布置。LED及它们相应的相关联的光学设备的数目共计例如25、50或100个LED以及一个照明设备上25、50或100个基本上同样的光学设备。由于光学设备的集合的交替布置的缘故，照明设备是相对紧凑的。
[0007] 在这一点上，紧凑地布置意味着在刻面的组内，刻面不是广泛地布置的而是在一起被紧密地布置为一个，例如，其中至少50%的刻面由同一组的刻面完全地环绕或邻接，或者例如其中刻面的组具有表面S和周界P，并且P与√S的比值至多是6。在这一点上，相邻意味着在刻面的组内，基本上组中的所有刻面经由它们的组的刻面直接连接到彼此。
[0008] 光学设备由刻面的组的分片式（tiled）阵列形成，其中每个组具有多个刻面，例如（伪）随机布置的刻面，可通过单独匹配由一个或多个相应组的贡献发出的子图案来形成图案。刻面是通过具有具体的取向的刻面表面可确定的，刻面表面由周界约束，并且一般地以非连续的方式邻接相邻刻面，即相邻刻面表面的取向是不同的。由于相邻刻面表面相互不同的取向的缘故，在它们的周界处连接相邻刻面的过渡表面可具有显著的高度。所述过渡表面可能不是优选地形成的，并且因此可能不是完美地陡峭地延伸，然而，这些过渡表面将不被认为是分离的刻面。根据本发明的光学设备的实施例的特征在于每个刻面组与相应的子图案相关联，其中在光学设备的操作期间，光学设备上的刻面组的相对位置基本上等同于所显示的图案中的子图案的相对位置。在本发明的光学设备中，光线的重定向是按组方式（groups-wise）完成的，而不是在预定的相应方向中随机地重定向入射光束的光线。在一种描述光学设备的光线的所述重定向的原理的方式中，将考虑具有垂直于光轴的x-y轴的笛卡尔坐标系统，其中x=0及y=0处于光轴上，并且朝下游看，即在从光源朝向所显示的图案的方向上沿着光轴。入射到具有所述第一组光轴（并且该组例如位于光学设备的坐标系统的第一象限中）的第一组刻面上的光线将主要（例如，至少75%）在所述第一组光轴的方向上被（伪）随机地重定向到所显示的图案的对应的第一象限，余下的25%可被（伪）随机地投影在其它象限中的一个或多个中。类似的推论适用于分别位于第二、第三和第四象限中的第二、第三和第四组刻面，第二、第三和第四组刻面分别沿着它们相应的组光轴将光线重定向到所显示的图案的第二、第三和第四象限。如果所显示的图案要求通过光学设备在相对于光轴相对大的角度之上的光扩展（比如在具有大的顶角的锥体之上的扩展），则每个象限和组光学可以仍被进一步细分为例如两半或者四个子象限，每个子象限具有其相应的相关联的刻面的组光学。然后，可维持光学设备中的子象限和所显示的图案之间的类似关系。因而，光束的相对大（或甚至过大）的折射被抵消或者甚至被避免，并且相比于完全随机布置的刻面，刻面的倾斜可被减小。这样，由于所述刻面表面上的光线的入射角的平均更加靠近所述刻面表面的法线，所以在刻面表面处发生较少的反射，光学设备的效率得以改进。为了进一步减少光学设备对光的非期望的反射，如由点状光源发出的光的方向关于所述发出的光入射到其上的刻面组的组光轴是处于相对小的角度。换言之，平均来说，似乎光在穿过本发明的光学设备之前和之后比通过已知光学设备传播的光的情形稍微更多地在同一方向上传播。此外，每个刻面具有周界边缘，每个刻面通过周界边缘邻接其相邻刻面，所述周界边缘是针对所显示的图案的变形的源。作为上面提到的发明的技术特征的结果，由周界边缘引起的所显示的图案/图像的变形被减少，因为周界边缘的平均高度低于不具有所述组光学分割而是具有完全随机化的刻面取向的已知光学设备中的周界边缘的平均高度，因此改进了图像的质量。
[0009] 当与刻面组相关联的图像的部分将通过所述刻面组以期望的分辨率/清晰度构造时，光学设备的实施例的特征在于包括在刻面组中的刻面的数目至少是100。包括在组中的刻面的期望最小数目取决于由所述组构造的图像的部分的尺寸、复杂性和期望的清晰度，因此组中的刻面的所述数目可以容易地共达1000或者甚至10000。
[0010] 光学设备的实施例的特征在于至少第一和第二刻面组基本上具有相同的尺寸和/或相同的形状。这样，能够获得组中的光学设备的第一表面的相对简单的分割。可选地，所述组通过小的间隔相互分离，或者组形成超级结构，例如其中每个组形成第一表面的超级刻面。此外，相对于光的重分布/重定向，具有基本上相同尺寸和/或形状的组的光学设备更加均衡。在这一点上，当第一刻面组中的刻面的相应数目与第二刻面组中的刻面的相应数目在1:1至1:10的范围中时，其似乎是利好的。此外，当所述组通过间隔分离时，它们相对简单地彼此可区分，因而能够实现具体组的容易的操纵/校正。如果刻面组在光学设备上不是直接可区分或可确定的，则（事实上）将第一表面上的多个刻面分成刻面组的方法要考虑一个所选刻面，优选地不是处于第一表面的边界处的刻面。至少能够在相邻/邻接的刻面之上以三步到达的所有刻面或者在距所述所选一个刻面<=3*平均刻面尺寸的距离内的所有刻面被认为是所述刻面组的部分。该方法自动地致使刻面组被紧凑地布置并且具有或多或少相同的尺寸和形状。注意，对于组光轴以及所述组光轴之间的角度β的确定而言，刻面不能是多于一个的刻面组的部分。
[0011] 光学设备的实施例的特征在于基本上组内的每个刻面具有关于相应组光轴的倾斜角αt，其中所述倾斜角αt 在由以下等式确定的范围内：
[0012] αt <= 0.8 * αc , 优选地 αt <= 0.6 * αc,
[0013] 其中 αc = arcsin(n2/n1)并且αc是针对全内反射的临界角，其中n1是较高的折射率并且n2是较低的折射率。
[0014] 特别地，该标准在折射光学设备上可适用，但是在某种程度上，也在反射光学设备上可适用。将倾斜角的上限范围仅限制到显著低于α（c 即，小于0.8*αc）的角度将具有以下效果：相比于没有倾斜角中的所述限制的已知类似光学设备，周界边缘具有针对其最大高度的绝对较低的上限。这一般将导致周界边缘的平均较低高度并且因此导致周界边缘表面与刻面表面的较低比值以及因此导致优于已知光学设备的光学设备的改进的性能。此外，以高于针对TIR的临界角的角度入射到表面上的光束总是被部分地反射和部分地透射。因此，由于在本发明的光学设备中，刻面比已知光学设备中的刻面一般更加横向于入射光束进行取向，所以较少的光将被反射并且更多的光将被透射，因而提高了优于已知光学设备的发明的光学设备的效率。此外，如果光学设备的特征在于αt <= 0.6*αc，则刻面相对于光轴的倾斜因而被限制到相对低的值，然而，该倾斜仍足以在期望的方向上对源自发出平行束的光源的光进行重定向。通过该措施，在效率、眩光（glare）和光学设备的厚度的减小方面，进一步改进光学设备的性能。源自点源的光作为发散光束以相对宽的角范围冲击在光学设备上。因此，对于该发散光在期望的方向上的完全随机的折射，在已知设备中一般要求具有较大倾斜角的刻面。然而，在根据本发明的光学设备中，不利的较大倾斜角的发生却被所述刻面组中的第一表面的细分抵消。将倾斜角限制为 αt <= 0.8 * αc 可以被认为是发明本身。
[0016] 为了通过光学设备获得足够随机化的效果，优选地，刻面组内的相邻第一和第二刻面一般具有取向中的最小相互差异，并且因而以显著不同的方向定向入射光束。所述最小相互不同的取向可以被定义为所述第一和第二刻面表面的法线矢量之间的角度，该角度至少为3。。然而，并不是所有相邻的刻面都需要具有不同的取向，例如当利用具有相同取向的相邻刻面时，水印图案可以被提供给光学设备。
[0017] 光学设备可以由透明的或者反射的材料形成。各个刻面表面和/或组合的多个刻面表面可以是平坦的和平面的或者它们可以是弯曲的和非平面的。根据本发明的另一方面，光学设备可被用来形成角图案。光学设备可被布置成将进入的束分裂为子束。一般地，光学设备包括至少100个刻面，通常5000或10000个刻面，甚至高达100000、1000000个刻面或更多。正如在现有技术中已知的，合适的相皮重（phase tare）表面可被用来将刻面表面分成阶梯式或台阶式刻面表面，由此减小光学设备的总厚度。此外，被定义为Pf : √Sf 比值的周界边缘（Pf）和刻面表面 (Sf)之间的比值优选地至多为4.6，以抵消如可能由相比于刻面表面相对大量的周界边缘所引起的非期望的显示图案变形效应。
[0018] 优选地，对于至少85%的相邻刻面表面，相邻刻面的所述刻面表面是不连续的，更优选地，法线矢量以至少3。、优选地至少5。或者至少7。相互成角度。因而，通过相邻刻面获得被重定向的光的更加发散的方向，这通常提高了光学设备的期望的均匀化效果。
[0019] 光学设备的实施例的特征在于高折射率材料的高折射率n1至少是1.45，则对于相同的折射，相比于具有小于1.45的折射率的材料，其要求刻面的较小倾斜，（具有小于1.45的折射率的材料的示例是含氟聚合物，例如PVDF（=聚偏氟乙烯，n1=1.41）,ETFE（=乙烯四氟乙烯共聚物，n1=1.40）或者Cytop（=环化透明光学聚合物，n1=1.34））。所述较小倾斜一般减小边缘高度并且因此改进光学设备的性能。针对 λ = 589 nm具有相对于空气的至少1.45的折射率的适当材料是SiO2（熔凝硅石或石英玻璃，n1=1.45）、各种类型的玻璃（n1的范围从大约1.45至1.9）、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯，n1=1.49)、PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯，n1=1.57）、以及聚碳酸酯（n1=1.59）。
[0020] 光学设备的实施例的特征在于其被制成整块。优选地，由箔或板制成，因为这些材料处理起来相对容易，并且在形状和尺寸上相对容易地可适配于衬底和/或照明设备，作为整块的优点在于避免了如在一些已知光学设备中完成的那样的多个微楔形的麻烦的相互附接并且多个微楔形作为对应于本发明的多个刻面的部分。特别地，具有高折射率的材料的使用和刻面的倾斜角中的限制能够实现将相对薄的箔用作光学设备。在片、板或箔材料中经由激光剥离容易地可获得所述刻面，由此多个刻面形成在制成整块的片、板或箔材料中。所述整块材料可以容易地被成形为期望的形状，例如作为抛物线或椭圆的分支的回转体，替代性地，其可以是稍微波状的、弯曲的或者平坦的。
[0021] 光学设备的实施例的特征在于其包括多个刻面中的形成图案的刻面的子集合，子集合中的所有刻面相互具有基本上相等的取向，即相等的倾斜角和方位角，优选地子集合包括多个刻面的数目中的1%至15%。因而，刻面的子集合形成一种有意义的图案，例如，光学设备的水印图案，其可充当辨识标记和/或提供关于光学设备的容易可读取的信息。为此，可以以不引人注目的方式提供水印，例如通过将其限制为包括多个刻面中的至多5%。如果子集合的数目高于15%，则它不再是不引人注目的并且更可能表现出光学设备的质量的可见降级。如果子集合的数目少于1%，则难以识别水印并且检测是不太明显的，此外，关于规避的风险增加，因为不再要求针对透镜的基本上新的设计并且只是相对低数目的刻面必须被改变以破碎水印。创建水印的替代方式是通过提供刻面之间的间隙或间隔，或者通过做出刻面上的小刻痕、有肋刻面、无光泽刻面，或者通过对刻面进行着色，然而不会在可观察的程度（由普通用户）上影响光学设备的性能。根据上面提到的措施为光学设备提供水印可被认为是发明本身。
[0022] 本发明进一步涉及包括根据本发明的至少一个光学设备的透镜。透镜在显示设备、投影设备以及比如例如发光体或者汽车头灯系统的照明设备中找到广泛应用。所述透镜极其适合于控制由所述设备发出的光束。透镜可包括多个相互等同的光学设备，如子设备。根据本发明的这方面，光学设备由子设备的分片式阵列形成，其中每个子设备具有（伪）随机布置的刻面。这样的分片式光学设备可例如被用来处理大直径输入束或处理多个分离的（发散）束。因而，例如通过叠加由每个子设备和相关联的LED生成的束而使用多个LED，能够实现生成相对非常均匀的光束或者在暗区和亮区之间具有相对非常尖的边缘的束图案，这对于如由汽车头灯系统发出的通常的弱光束的要求是特别相关的。然后每个子设备（贴片（tile））以基本上相同的方式生成整个图案，对于n个子设备，图案则以基本上全重叠被投影n次。因而，能够实现不使用一个非常亮的光源，而是不太亮的光源的矩阵来设计汽车头灯设备，并且还获得满足关于这样的弱汽车头灯束提出的要求的具体弱头灯束光图案。
[0023] 透镜的替代的实施例的特征在于其包括多个相互不同的光学设备作为子设备。虽然在前述的实施例中，每个子设备（贴片）可生成整个图案，但是现在它是以相互不同的方式。对于n个子设备，则以基本上全重叠投影图案n次，通常n在4至100的范围内，例如49或60，但是例如其可共达400。分片式设备可例如被用来处理大直径输入束或者处理如由多个LED发出的多个分离的（发散）束。类似于之前的实施例，该实施例也非常适合于机车头灯系统。此外，在这样的设备中，以及之前的设备中，由于子设备中可能存在缺陷而导致的光束中可能存在的小的变形得到平衡。这对于所显示的图像的暗区和亮区的图像边缘是相关的。如存在于光学设备/透镜上的每个刻面的形状（可以说在所显示的图像中被显示为所述形状）通常例如为诸如正方形、矩形或六边形的多边形，从而导致所述边缘的阶梯式轮廓。
由于所述束的叠加的相互轻微的位移，所以能够实现所述边缘显得不太为阶梯式的而是显得更加流畅/光滑，因而提高了所显示的图像的实际分辨率。所述位移的幅度依赖于所显示的图像的期望的尺寸和期望的分辨率/清晰度来选取。关于本发明的光学设备/透镜的该叠加的原理可以被认为是发明本身。每个贴片的尺寸可以稍微不同于相邻贴片，以消除可能以其它方式由重复图案引起的干涉效应。透射通过每个贴片的光的强度可以是不同的，这可能引起给予图案中的每个子图案位置的能量的量中的轻微变化。然而，通过每个贴片内的刻面的随机放置，这种效应被减小。替代性地，每个子设备可生成图案的相应部分，即子图案，这些子图案一起形成整个图案。如果图案中的子图案的数目少于期望被布置在光学设备中的刻面的数目，则一些刻面表面可具有相同的倾斜角、方位角以及可选地甚至相同的尺寸。然后，类似的刻面将光定向到相同的位置或者子图案区域或位置。然而，具有类似的倾斜角和方位角的刻面表面优选地不被定位成彼此相邻。
由于所述束的叠加的相互轻微的位移，所以能够实现所述边缘显得不太为阶梯式的而是显得更加流畅/光滑，因而提高了所显示的图像的实际分辨率。所述位移的幅度依赖于所显示的图像的期望的尺寸和期望的分辨率/清晰度来选取。关于本发明的光学设备/透镜的该叠加的原理可以被认为是发明本身。每个贴片的尺寸可以稍微不同于相邻贴片，以消除可能以其它方式由重复图案引起的干涉效应。透射通过每个贴片的光的强度可以是不同的，这可能引起给予图案中的每个子图案位置的能量的量中的轻微变化。然而，通过每个贴片内的刻面的随机放置，这种效应被减小。替代性地，每个子设备可生成图案的相应部分，即子图案，这些子图案一起形成整个图案。如果图案中的子图案的数目少于期望被布置在光学设备中的刻面的数目，则一些刻面表面可具有相同的倾斜角、方位角以及可选地甚至相同的尺寸。然后，类似的刻面将光定向到相同的位置或者子图案区域或位置。然而，具有类似的倾斜角和方位角的刻面表面优选地不被定位成彼此相邻。
[0024] 本发明进一步涉及包括至少一个光源和根据本发明的至少一个光学设备的照明设备。照明设备可以例如是灯/反射器单元、发光体或显示设备。在灯/反射器单元的情况下，发光元件在内部被提供于抛物面反射器的焦点处，并且所述反射器由包括光学设备的（优选地可交换的）板闭合。发光元件和反射器的组合形成可充当入射到板上的平行光束的生成器的光源。因此，通过板的简单选择/交换，由灯/反射器单元发出的光是容易可控制的。通过用于显示设备的、发出到光学设备上的平行光束的发光体和直光式或侧光式背光，可获得类似的构造。替代性地，照明设备的特征在于照明设备是包括LED染料以及具有作为主要光学器件的光学设备/透镜的LED。一般地，LED染料具备圆顶透镜作为第一主要光学器件。当光学设备是LED的主要光学器件时，各个LED可以被给予由各个LED发出的期望的束图案。光学设备的设计取决于LED染料和圆顶的尺寸的比值。例如，如果染料（=发光元件）的尺寸相比于圆顶（=光学设备）是小的，例如半球状圆顶具有至少10倍大的直径，则当LED管芯位于（半）球圆顶的中央时，发光元件粗略地被光学设备当作点光源。然后，通过对发光元件所发出的光束的子束进行重定向的相关联的刻面组形成图案的子图案。替代性地，如果例如管芯（=发光元件）以及圆顶（=光学设备）的尺寸是大约相同的尺寸，例如半球状圆顶具有至多2倍大的直径，则发光元件可被看作是发出平行光束的源。在该情形下，光学设备是优选地仅由仅具有一个单元的一个光学设备和有限数目（例如，2、3或4个）的刻面组构成的透镜。在2至10的比值中，从点源到发出平行束的光源的过渡区适用，并且因此在光学设备的设计中，必须考虑发光元件的具体尺度。
[0025] 本发明还涉及具有多个光源和至少一个光学设备的光学系统。替代性地，提供多个光学设备，甚至到达这样的程度：每个光源与相应光学设备相关联。多个光源可相互配合以通过重叠由各个光源发出的图案来生成单个图案，因此能够实现照明图案的容易调光。替代性地，可通过匹配各个光源发出的子图案的单独贡献来形成图案，因而通过独立地切换至少一个单独的光源或多个光源的子集合能够实现图案的容易的改变。在本发明的优选实施例中，相邻刻面可形成有不同的三维配置（conjuration）。
[0026] 本发明还涉及做出多刻面光学设备的方法。该方法包括如下步骤：
[0027] （1）选择要被显示的期望的图案，
[0028] （2）将图案分成具有具体位置的子图案，
[0029] （3）确定刻面组以及针对刻面的配置，其包括用于将束部分（重）定向到子图案位置的组光轴，考虑到
[0030] 对于第一组刻面的相应第一组光轴与第二组刻面的相应第二组光轴的至少一个。组合，所述第一组光轴和所述第二组光轴以至少5的角度β相互成角度，
[0031] （4）根据所确定的配置，生成多个刻面。
[0032] 可选地，对于本发明的又一方面，由编程通用计算机基于期望的图案中的相应子图案位置的位置来计算刻面组、针对刻面表面的倾斜角以及方位角。例如，对于刻面组的各个刻面的布置就是这种情形。开发了将期望的光图案转换成针对对应的刻面阵列的设计的具体算法和软件。使用该技术，已经实现了具有被雕刻到其中的刻面的薄透明箔的原型。该技术要求借助脉冲激光束以及掩膜和透明塑料层之间的投影透镜来将具有刻面的布局的掩膜成像到透明塑料层上。在激光束撞击塑料的位置处，从透明塑料移除材料，从而创建刻面表面的具体倾斜角和方位角。激光能量密度越高，更多的材料通过（激光）剥离被移除。刻面被设计成使得将平行束或点源状束变换成壁上的远场中的光图案。
[0033] 因而，本发明提供了用于控制光束的方法和设备。本发明使用在多个刻面的表面之上分割的微结构，其中实际上每个光学元件或刻面表面在尺寸、旋转取向和倾斜角（斜率）上与其相邻邻居是不同的。被分割的不同刻面可以控制（例如，均匀化）由光源发出的光束，而没有现有技术的缺点。被分割的刻面的各种组合和变更可包括：向刻面添加相位偏置以进一步扰乱（scramble）进入的光束和/或向光学设备的包括多个刻面表面的第一表面或向与第一表面相对地定位的背表面添加透镜功能。
[0034] 越过刻面的光的角扩展越小，可投影到壁上的特征越尖。优选的是小于20。FWHM（半最大全宽）的角扩展。更优选的是小于10。的角扩展。甚至更优选的是小于5。的扩展。
[0035] 刻面表面的尺寸和倾斜（斜率）越大，刻面高度越大。优选的是不超过100μｍ的最大高度。有限高度的优点是使用（热）模压作为用于以低成本大量制造的技术的可能性。对于低成本的大量制造，其还能够实现卷对卷制程。最低成本的解决方案被预期为基于箔状光学器件的那些解决方案：预见的是具备专用微结构化表面的薄透明光学箔能够满足对由LED发射的光束进行成形的光学功能。能够实现这样的低成本解决方案的制造是本发明的益处。
[0036] 优选的是具有小于250μｍ的尺寸的刻面：有限的刻面尺寸暗示有限的刻面高度以及在不具有大刻面高度的情况下具有大刻面斜率的可能性。大刻面斜率暗示能够将光重定向到大角度。优选的最小刻面尺寸是大约25μｍ。在低成本解决方案中，较小的刻面更加难以制作并且可导致越过它们的光的非期望衍射。
[0037] 本发明可被用来实行束分裂操作，使光源均匀和/或在给定方向上对光进行重定向，例如，在贡献于预定图案的部分的第一和第二方向上离开的光束。光学设备可被提供到衬底（例如，板或片）上，衬底包括与光学设备的刻面表面相对的光滑的规则形状的外表面。
附图说明
[0039] 图1A示出了根据本发明的第一实施例的照明设备的示意性透视图；
[0040] 图1B更详细示出了图1A的光学设备；
[0041] 图2示出了根据本发明的第二实施例的照明设备的示意性侧视图；
[0042] 图3示意性地示出了适于构建靠近其显示的图案的根据本发明的光学设备的平面图；
[0043] 图4A-4B示出了根据本发明的照明设备的两个实施例，图4A中的实施例示出了提供在LED的TIR准直器上的光学设备，图4B中的实施例示出了作为具有直接相关联的光学设备的点光源的LED；
[0044] 图5A-5B示出了根据现有技术的光学设备的实施例中的刻面的位置，该位置与它们在所显示/生成的图案中相关联的位置有关。
[0045] 图6A-6B示出了根据本发明的光学设备的实施例中的刻面的位置，该位置与它们在所显示/生成的图案中相关联的位置有关，其中细分成刻面/象限的组；
[0046] 图7A-7B示出了根据本发明的包括4个光学设备的透镜和如由所述透镜生成的图案；
[0047] 图7C-7D示出了根据本发明的照明设备和如由照明设备生成的典型束图案；
[0048] 图8示出了通过根据本发明的各种光学设备可获得的图案的一些示例；
[0049] 图9A示出了根据本发明的具有刻面的阵列的光学设备的3D绘图，所述刻面具有规则的六边形形状；
[0051] 图10A-B示出了如倒角、倾斜角、方位角和取向角的物理参数的抽象（数学）表示；
[0052] 图11示出了如由根据本发明的方法获得的根据本发明的光学设备的第一表面的泰森多边形（Voronoi）表面分割；
[0053] 图12示出了具有图11的光学设备的n个节点的刻面数量的柱状图；
[0054] 图13A-B示出了如何确定刻面的组的示例。
具体实施方式
[0055] 现在，参照绘图，其中相同的附图标记指定相同的元件，在图1A中示出了根据本发明的第一实施例的照明设备1的示意性透视图。照明设备包括灯/反射器单元35作为带有发光元件5（优选地是点状光）的光源3，例如LED、或者诸如定位在反射器本体9的焦点7中的UHP-灯的高压气体放电灯。在操作期间，灯/反射器单元生成随后入射在透明光学设备13上的平行光束11。所述光学设备被定位为横向于平行束并且包括多个刻面15，多个刻面15被细分成至少第一刻面组16a和第二刻面组16b以及另外的刻面组16c-16g，为了简单起见，这些刻面被示出为正方形，刻面表面的平均取向定义了光轴17。每个刻面组具有相应周界53。每个刻面经由其刻面表面处的折射将入射在所述刻面上的光束（或光线）重定向在朝显示屏19的具体方向中，利用包括x和y轴的笛卡尔坐标系统示出。所述具体方向取决于相对于所述刻面表面的正向y轴测量的倾斜角和方位角，并且如果期望的话，则被选取为使得可获得所显示的图案21的光强度中的均匀化，或者替代性地，使得可获得具有预定色荫（shade）值和/或带有预定（不同）光强度值的部分的图案。在图中，每个刻面组16a-g与所显示的图案21的相应子图案39相关联。刻面组在光学设备上的相对位置与所显示的图案中的子图案的“同一”相对位置相关联。因此，如在图中示出的示例那样，第一刻面组16a位于第一表面的第一象限I中并且与位于图案的第一象限I中的子图案39相关联。在图中，光学设备由PMMA制成。
[0056] 图1B更加详细地示出了图1A的光学设备13。光学设备稍微朝光源（未示出）凹形弯曲，具有光轴17，并且包括具有多个刻面15的第一表面25。所述第一表面被细分成刻面组16a-16g，其中每个刻面组具有其相应周界53。刻面组之间的分隔通过表示小间隔的粗线指示。如图中所示，每个组形成第一表面25的超级刻面（superfacet）61。每个刻面组具有如通过属于相应刻面组的刻面27的平均取向的法线定义的相应组光轴17a-17g（示出的仅是
17a-17c）。每个刻面具有相应的周界边缘51。组光轴是以相应角度ß相互成角度的，如图中针对相应地具有轴17b和17的刻面组16b和16c所示出的。轴17b和17c之间的角度ß大约是
10。，其它对组光轴之间的相应角度ß不需要都具有相同的值而是可具有不同的值。
17a-17c）。每个刻面具有相应的周界边缘51。组光轴是以相应角度ß相互成角度的，如图中针对相应地具有轴17b和17的刻面组16b和16c所示出的。轴17b和17c之间的角度ß大约是
10。，其它对组光轴之间的相应角度ß不需要都具有相同的值而是可具有不同的值。
[0057] 图2示出了根据本发明的第二实施例的照明设备1的示意性侧视图。照明设备包括作为光源3的灯/反射器单元35，光源3具有定位于反射器本体9中的发光元件5。在操作期间，灯/反射器单元生成随后入射到反射光学设备13上的会聚光束11。所述光学设备包括多个刻面，这些刻面的平均取向定义了光轴17。多个刻面被细分成第一刻面组16a、第二刻面组16b、第三刻面组16c和第四刻面组16d。每个刻面组具有相应的组光轴17a-17d，所述轴中的至少一对以至少5。的角度ß、ß，相互成角度，在图中，组光轴17a-17b之间ß=15。，并且组光， 。轴17c-17d之间ß=10。每个刻面经由反射将入射到所述刻面上光束（或光线）重定向在朝显示屏19的具体方向中，所述具体方向取决于所述刻面的倾斜角和方位角。在图中，光学设备是由涂覆有镜面反射铝层23的玻璃制成。注意，在反射光学设备的情况下，TIR的限制要求（如对折射光学设备适用的）不适用。然而，为了将周界壁和刻面表面的比值限制到4.6以下的合理值，相邻刻面之间的倾斜角和角度可被类似地限制。对于折射光学设备的周界/表面面积比值的要求仍同等地适用于反射光学设备。如从图1A-B和2明显看出的，第一表面可以是基本上平坦的，或者朝光源凹形弯曲或凸形弯曲。
[0058] 图3示意性地示出了适于生成如靠近光学设备所示出的图案21的根据本发明的光学设备13的第一表面25的平面图（的一部分）。第一表面被细分成第一刻面组16a和第二刻面组16b，第一刻面组随机地建立了图案“PHILIPS”中的部分“PHILI”，并且第二刻面组随机地建立了图案“PHILIPS”中的部分“ILIPS”。第一表面被规则的六边形刻面（六边形）27分割，相应的六边形的光荫（shading）指示所述六边形的刻面表面相对于垂直于绘图的平面取向的光轴17的倾斜角α和方位角φ。入射到所述光学设备上的光通过所述光学设备传播并且随后被所述经分割的表面上的刻面折射以构建如图3的右边部分中示出的图案“PHILIPS”。原则上，通过根据本发明的各种光学设备可以生成实际上无限数目的任意图案。在图8中示出了一些说明性示例。注意，不需要投影透镜。结果，不需要手动地聚焦投影到壁上的光的图案。只要壁到具有刻面的光学设备的距离相比于通过光学设备传播的光束的直径是大的，它就将会对焦，而不论壁到具有刻面的光学设备的距离如何。此外，光学设备包括水印55，即标记“®”，为了清楚起见并且作为示例，其通过黑颜色的刻面表示。
[0059] 图4A-4B示出了根据本发明的照明设备1的两个实施例。为了清楚起见，以相对于光学设备的尺度过大的尺度绘出了这些刻面。图4A中的照明设备1示出了具有雕刻的刻面27的透明箔29，其被提供为作为光源3的LED 37的TIR准直器33的出射表面31上的光学设备
13。这些刻面也可以直接浮雕到准直器或另一光学元件的出射表面中。TIR准直器具有旋转对称的形状并且依赖针对束的外部部分的全内反射并且依赖针对内部部分的折射。TIR准直器的功能是收集由LED发射的大部分的光线并且将它们整形为平行束，其在线越过具有。
雕刻的刻面的箔的每个位置处不具有或仅有小的角扩展，即，在图中扩展小于5。
13。这些刻面也可以直接浮雕到准直器或另一光学元件的出射表面中。TIR准直器具有旋转对称的形状并且依赖针对束的外部部分的全内反射并且依赖针对内部部分的折射。TIR准直器的功能是收集由LED发射的大部分的光线并且将它们整形为平行束，其在线越过具有。
雕刻的刻面的箔的每个位置处不具有或仅有小的角扩展，即，在图中扩展小于5。
[0060] 图4B中的照明设备1的实施例包括作为点光源3的LED 37，点光源3容纳在具有作为第一主要光学器件的直接相关联的板状光学设备13的反射盒38中。盒的壁38a可以是吸光的，或者替代性地可以被设计为使得来自LED的光被反射在朝光学设备13的期望方向上。通常，LED管芯的直径d和光学设备的直径D的比值大约为10或者更大，例如25，则LED管芯相比于光学设备被视为点光源。正如将通过下面的示例说明的，让光源具有发散束可能是有利的：假定人想要将矩形光图案投影到壁上。在该情况下，准直器和壁之间的距离以及光源（和可选的发散准直器）的散度（可选地，借助附加发散准直器）可以被选取为使得（准直器和）LED独自在具有等于意图的矩形图案的面积的面积的壁上投影圆形光图案。现在，具有刻面的板状光学设备的功能是简单地将圆形图案整形为矩形图案，其中仅在小角度之上折射光，并且因此仅要求具有相对小的倾斜角的刻面，因而改进了光学设备的性能。与此相反，在准直器将平行束投影成为壁上的小斑点的情形中，不得不仅借助板状光学设备来实现发散束，即光学设备不得不将该小斑点整形为相对大的矩形并且因此在大角度之上折射，尤其是对于矩形图案的拐角。这要求具有相对大的倾斜角和更精确的形状的刻面，这是不利的。
[0061] 图5A-5B示出了根据现有技术的光学设备的实施例中的刻面27的位置，即与在所显示/生成的图案21中与其相关联的位置随机地相关。尽管为了清楚起见，仅示出了分布在4个由4个刻面构成的组16a-d（每个组具有周界53）之上的16个刻面，但是光学设备13可具有一万个或者更多的刻面。本发明的一个目的是能够实现在没有GOBO的情况下任何期望的光图案在距这些多个刻面15一定距离的壁上的投影。图5A示出了周期性刻面阵列，其中每个刻面被编号，作为示例，对于刻面编号“2”，以粗线指示周界边缘51。本发明的另一目的是做出远场中（即，在距带有雕刻的刻面的箔的相对大的距离处）的光图案，例如，被整形为如图5B中示出的字符“A”的图案。该图案被分成许多子图案39；子图案的数量与刻面的数量相同。这些子图案中的每个被给予编号。现在，具有某个编号的每个刻面链接到具有对应编号的光图案中的子图案或者与其相关联。现在，由于针对壁上的光图案中的每个部分的坐标是已知的，所以在给定图10A-B处所描述的公式的情况下，随后可能计算对应刻面的斜率和取向。本实施例的可选特征是刻面阵列内的每个刻面的位置被随机化，这在图5A和5B中示出。
[0062] 图6A-6B示出了根据本发明的光学设备13的实施例中的刻面27的位置，该位置与其在所显示/生成的图案21中的相关联的位置相关。与图5A和5B中所示出的相反，在图6A和6B中，多个刻面15内的每个刻面的位置不是完全随机化的，而是伪随机相关联的。特别地，具有光学设备的刻面的第一表面（图6A）和图案（图6B）二者被分成4个象限41，在光学设备和图案二者上应用相同的x、y笛卡尔坐标系统。光学设备的每个象限形成刻面组，该刻面组与图案中的相同对应的象限相关联，并且在这点上刻面与图案的关联不是随机的。然而，在每个刻面组内，刻面与对应象限中的子图案39的关联再次是完全随机的。因而，获得了刻面位置与其在所显示/生成的图案中的相关联的位置的伪随机关系。对于每个刻面组，指示了周界53。
[0063] 图7A示出了根据本发明的包括4个光学设备13的透镜43，每个光学设备包括同样地布置的多个刻面27，虽然实际上每个光学设备可能容易地包括几千个（例如5000个）刻面，然而为了简单起见，这里仅给予16个。而且为了简单起见，给予了包括4个光学设备的透镜，透镜一般同样可包括十至百个同样的或者些微地而基本上不同的光学设备。由于图7A中的透镜具有带有相互同样的刻面布置的4个光学设备，所以当用平行光束11照射时，通过透镜构建了4次如图7B中示出的图案/图像21。图7B示出了如由图7A的透镜构建的4次重叠图案。作为有目的地完成的小的相互位移/偏移δ的结果，叠加的图像的重叠不是100%，以抵消所显示的图像的亮区和暗区处的阶梯式边缘的可见性。该偏移可以在一个方向上，但是也可以在更多的方向上完成（如图7B中所示）并且导致边缘更加流畅/平滑，当然δ的幅度取决于所显示的图像的复杂性和/或细节（例如参见图8），但是一般每个刻面的叠加图像的重叠大约是50%至95%，例如80%。
[0064] 图7C示出了包括透镜43和作为示例的50个光学设备13a、b的根据本发明的照明设备1，光学设备13a形成包括同样地布置的多个刻面的光学设备的第一集合，类似地光学设备13b形成包括同样地布置的多个刻面的光学设备的第二集合，其不同于光学设备13a的集合。LED和它们相应的相关联的光学设备的数目例如共计25、50或100个LED以及一个透镜上的25、50或100个基本上同样的光学设备。图7C中的透镜具有与带有相互同样的刻面布置的26个LED 37a的第一集合相关联的26个光学设备13a的第一集合，当由LED 37a的第一集合照射时，通过透镜构建26次如图7D中示出的图案/图像部分82。图案/图像部分88和90将通过24个LED 37b的第二集合以及它们相关联的24个光学设备13b的集合来构建。在图7C-D中示出的实施例中，两个集合的组合13a-37a以及13b-37b一起在二者组合的操作期间构建机车头灯设备的高束。替代性地，可能的是一个组合（例如13b-37b）发出弱光束，而另一组合（例如13a-37a）本身发出高束，组合13b-37b然后被关断。LED和相关联的光学设备的两个组合的这种基本上相互交叉（或者或多或少交替）的布置特别适合于能够让其发出窄光束（类似斑点）、宽光束（泛光）（例如，蝙蝠翼状的光束）或者窄和宽光束的组合的发光体中。然而，在所有操作状况下，发光体具有事实上恒定的外观并且以均匀方式从其整个光发射窗发射光。这样的设备/发光体可以被认为是发明本身。
[0065] 图7D示出了根据如图7A和7C中示出的原理构造的机车头灯设备发出的弱光束图案，因此没有如在常规的机车头灯中通常的情形那样屏蔽光束的部分。测量屏80在图7D中被布置在头灯前方的距离处，并且被头灯所发射的光照射。测量屏80的水平中央平面被标识为HH并且竖直中央屏为标识为VV。水平中央平面HH和竖直中央平面VV在点HV处彼此相交。由光源发射的光照射区域82中的测量屏80。区域82从上方由通过透镜的具体的重定向属性总体产生的暗光界限限定，即通过如由每个相应LED结合其相关联的相应光学设备发出的所有光束的叠加来限定。所示出的实施例，头灯被确定用于右边通行并且亮-暗界限在相反通行侧上或者在测量屏80的左侧处具有在水平中央平面HH下面基本上水平地延伸的部分84。在通行侧，或者换言之，在测量屏80的右侧，亮-暗界限具有从水平部分84向外延伸到测量屏80的右边缘或者水平中央平面HH的扬起部分86。替代性地，通行侧处的亮-暗界限可以具有被布置为比部分84更高并且也是水平的部分。区域82中的光照强度的分布通过法定理由（legal consideration）提供，并且在点HH下面的区中，可得到最高光照强度。如由LED 13a发出并且由透镜43的光学设备37a重定向的光不照射或者欠佳地照射亮-暗界限84、86上方的测量屏80。例如，鉴于执行ECE规范，定义其中光照强度总计最大到0.4勒克斯（lux）的测量点92，以避免相反通行的失光（blinding）。光照强度分布可以例如被选择为使得在位于测量屏80上的亮-暗界限84、86正上方的区域90中，如由头灯发出的光仅欠佳地照射，区域90例如在水平中央平面HH上方延伸高达大致2。以及在竖直中央平面VV的两侧处延伸到基本上4。以下。位于区域90上方并且横向地在区域90之上的下降（falling）区域88在水平中央平面HH上例如竖直地延伸高达4。并且在竖直中央平面VV的两侧处横向地延伸高。
达基本上80并且在区域90中被更强地排除。
达基本上80并且在区域90中被更强地排除。
[0066] 本实施例的可选特征是光学设备中的每个内的每个刻面的位置是随机化的。在具有雕刻在其中的许多这种刻面并且用窄光束照射的透明箔的情形中，这具有优点，光将仅仅越过几个刻面。这导致只获得期望的光图案的矫形（fair）表示。在束被拓宽的情形中，光束将越过更多刻面并且光图案的表示改进。换言之，随机化刻面阵列内的每个刻面的位置使得具有刻面的箔以可预测方式运转：被照射的刻面越多，壁上的光图案的质量就越佳。在这一点上，发明的光学设备具有与全息术的特性的强烈相似性。然而，与全息术相反，发明的光学对于白光（即，宽光谱）也很好地工作，但是不限于此，并且似乎是独立于波长的。由于衍射漫射器被调谐至特定波长并且在不同波长处具有降低的效率，所以这是优于衍射漫射器的优点。同样在束不均匀的情形中，刻面的位置的随机化注意到仍获得壁上的光图案的良好表示。
[0067] 图9A示出根据本发明的具有多个刻面15的光学设备13的计算机计算的3D绘图45，多个刻面具有规则的六边形形状刻面表面。图9B示出了如在图9A中示出的根据本发明的物理光学设备的一部分的扫描电子显微镜图像。在图9A-B中清楚地示出了刻面27的刻面表面27a、27b的特点“倾斜”、“方位”和“取向”的含义。图10A中示出了沿着线X---X的图9B的物理光学设备的截面。
[0068] 如图10A中所示，从光学角度来看，每个刻面27的功能是对由该刻面所透射的光线进行重定向。每个刻面27具有相应的刻面表面27a、27b。所述刻面表面27a、27b具有相应的。法线矢量28a、28b，对于相邻的刻面表面，这些法线矢量优选地以至少γ=3相互成角度。在图中示出的示例中，对于相邻的刻面表面27a、27b的法线矢量28a、28b，γ=45。。
[0069] 假定由多个发光元件或光源（未示出）发出的平行光束11被定向为垂直于包括具有第一表面25的薄透明箔29的光学设备，第一表面25具有雕刻于其中的刻面27。各个刻面将截取平行光束的同等部分并且对其进行重定向。
[0070] 给定矢量n=(x,y,z)，刻面的法线，该刻面的斜率（倾斜角α）和旋转取向（方位角 ）（还参见图10B）：
[0071] 。
[0072] 由该刻面截取的光将被重定向到的角度θ从以下关系式产生：
[0073] 。
[0074] 在该关系式中，n是制成透明衬底的材料的折射率。给定θ、Φ二者以及到截取由该刻面重定向的光的壁的距离z，，光碰撞壁的位置（x,,y,）从以下关系式简单地产生：
[0075]
[0076] 因此，描述了雕刻在透明衬底中的刻面集及其对光束的效应。
[0077] 图11示出了如通过根据本发明的方法获得的根据本发明的光学设备13的第一表面25的泰森多边形表面分割47。作为将第一表面分割成正方形网格的替代，优选的是将其分割为具有平均多于4个节点的多边形，更优选地多边形是凸面的。为了获得n个刻面27，首先在平面中绘出n个点。如果期望或多或少恒定的尺寸的刻面，则点被绘成使得它们或多或少是同等间隔的。另一方面，如果想要变化的尺寸，则改变点之间的距离。大密度的顶点将导致小的刻面，小密度的点导致大的刻面。随后，应用Fortune算法以获得针对节点的泰森多边形图。该图可以被解释为刻面板：泰森多边形图的每个元胞（cell）与刻面相对应。最终，这样获得的刻面中的每个刻面的取向不得不依赖于将被显示的总图案和将由相应刻面显示的子图案来确定。图11给出了泰森多边形图的示例。图12示出了针对该图的柱状图49，其中多边形中的节点数目在x轴上并且与所述节点数目一起发生的分数（或百分数）在y轴上。其显示出从泰森多边形图产生的刻面具有以下有利属性：它们中的许多具有许多节点，即至少5个。
[0078] 图13A-B示出如何（实际上）将第一表面25上的多个刻面15分成刻面组16a的一些示例是考虑一个所选刻面59，优选地不在第一表面的边界处。至少如图13B中通过编号1、2、3示出的能够在相邻/邻接刻面之上以三步到达的所有刻面，或者在距所述所选一个刻面<=
3*平均刻面尺寸的距离（如图13A中示出的并且指示为R）内的所有刻面被认为是所述刻面组的部分。该方法自动地致使刻面组被紧凑地布置并且具有或多或少相同的尺寸和形状。
3*平均刻面尺寸的距离（如图13A中示出的并且指示为R）内的所有刻面被认为是所述刻面组的部分。该方法自动地致使刻面组被紧凑地布置并且具有或多或少相同的尺寸和形状。
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