平行于光導的平面的第一基準平面(參見圖2中的x-y平面)中以朗伯分布將波長λ的偏振光發(fā)射到空氣中，該光隨后被折射在光導的側表面處。模擬僅假設在垂直于第一基準平面的第二基準平面(參見圖2中的χ-ζ平面)中的光的一個傳播角度，α =5度，如圖2中所參考的。假設光導的折射率為1.5。初始選擇光學波長λ和光柵間距P，以使得針對第一級衍射(m= I)，正交于光導表面來提取所耦合出的光，從而得出λ ^ 520nm并且ρ ^ 350nm。那么，光柵高度h在從50到500nm的范圍內變化，而間距P在350nm處保持恒定。對于與光柵高度的特定值相關聯(lián)的每個實施例，以下量由計算機模擬軟件計算出:
[0081].從第一主表面612a提取的橫向磁性(TM)偏振光的提取效率，在此稱為TM頂部提取效率；
[0082].從第一主表面612a提取的橫向電性(TE)偏振光的提取效率，在此稱為TE頂部提取效率；
[0083].從第二主表面612b提取的橫向磁性(TM)偏振光的提取效率，在此稱為TM底部提取效率；和
[0084].從第二主表面612b提取的橫向電性(TE)偏振光的提取效率，在此稱為TE底部提取效率。
[0085]就這一點而言，“提取效率”是指針對單個交互作用從指定的主表面(612a或612b)提取的指定光(TM或TE)的量除以緊接在光束與提取表面的交互作用之前在光導內傳播的這種指定光的量(表示為百分比)。
[0086]所計算出的量在圖7中繪出，其中曲線710是TM底部提取效率，曲線712是TE底部提取效率，曲線714是TM頂部提取效率，并且曲線716是TE頂部提取效率。這些結果展示，可優(yōu)先地通過光導的一個主表面來提取導模光，其方法是使得單獨衍射特征(例如棱鏡)的形狀不對稱。這些結果還展示，優(yōu)先地從一個主表面提取光的程度取決于衍射特征的特定形狀的細節(jié)。在直角棱鏡特征的情況下，可通過選擇近似等于間距P的高度h來使優(yōu)先提取最大化。
[0087]可對衍射表面特征進行調控，使得從光導的一個主表面發(fā)射的光(例如，圖2中的所耦合出的光217a)與從光導的對置主表面發(fā)射的光(例如，圖2中的所耦合出的光217b)是相同或類似的。從對置的表面發(fā)射的光關于所耦合出的光的顏色、強度、和/或顏色和/或強度的角度分布可以是相同的。在一種方法中，可將衍射表面特征設置在兩個對置的主表面上，并且這些衍射表面特征可相對于設置在對置的主表面之間并與它們等距的基準平面而為彼此的鏡像，以使得照明裝置相對于這樣的基準平面具有徑向對稱性。在替代的實施例中，可對衍射表面特征進行調控，使得從光導的一個主表面發(fā)射的光實質上不同于從光導的對置的主表面發(fā)射的光。從對置的表面發(fā)射的光關于所耦合出的光的顏色、強度、和/或顏色和/或強度的角度分布可以是不同的。例如，觀察者可感知到一種顏色的光從一個主表面發(fā)射，而實質上不同顏色的光從對置的主表面發(fā)射。在水平安裝的照明裝置中，可將白色光源與適當調控的衍射表面特征一起使用，以使得具有相對冷的色溫(帶藍色的色調)的白光被向上引導朝向頂篷，并且具有相對更暖的色溫(帶紅色的色調)的白光被向下引導朝向地板，或反之亦然。
[0088]在不期望不同顏色的光由于衍射而發(fā)生角度分離的應用中，可使用若干設計方法來克服顏色分離問題。在圖8所示的一種方法中，兩個或更多個光導可堆疊在一起。在圖9所示的另一種方法中，不同的衍射表面特征被設置在給定光導的對置的主表面上，并且針對不同著色的光源進行調控。在圖10和圖11所示的另一種方法中，光導的給定主表面上的衍射表面特征可包括具有不同間距的表面特征組。需注意，盡管這些方法是結合處理顏色分離問題而呈現的，但它們還可用于其它目的，包括仍然發(fā)生顏色分離的實用和/或美觀目的，或在僅采用具有給定期望的(非白色的)顏色的光源的單色實施例中使用。還需注意，盡管單獨描述了各種方法，但這些方法中的任何兩種或更多種可組合在一起并且用在單個實施例中。
[0089]隨后轉向圖8，在該圖中我們看到包括呈堆疊或分層布置的多個光導812、832、852的照明裝置810的不意圖。每個光導具有一對對置的主表面，即，光導812具有主表面812a、812b，光導832具有主表面832a、832b，并且光導852具有主表面852a、852b。每個光導的至少一個主表面優(yōu)選包括衍射表面特征，例如，主表面812a可包括衍射表面特征813，主表面832a可包括衍射表面特征833，主表面852a可包括衍射表面特征853。裝置810還包括光源814a、814b、834a、834b、854a、854b，如圖所示，它們被布置成例如穿過它們的相應側表面將光注入到相應光導中，以便在光導中提供導模光。優(yōu)選地，這些光導(包括它們的衍射表面特征)中的每一個均具有低光學失真，以使得非導模光可相對不受干擾地穿過光導。以這種方式，通過衍射表面特征833而從光導832提取的光可穿過光導812以到達用戶820和/或表面822，并且通過衍射表面特征853而從光導852提取的光可穿過光導812和光導832兩者以到達用戶820和/或表面822。此外，用戶820還可透過光導812、832、852的堆疊以極少或無光學失真來觀察對象，諸如對象824，其可與以上討論的對象124相同或類似。
[0090]如果期望克服顏色分離問題，那么可對裝置810中的各種光導、光源和衍射表面特征進行調控，以向用戶820和/或表面822提供不同顏色的耦合出的光，使得所有這種光的總和提供實質上白色的光照明。例如，光源854a、854b可發(fā)射紅光并且衍射表面特征853可沿裝置的光軸(例如，平行于z軸的軸線)最佳地提取這樣的光，并且光源834a、834b可發(fā)射綠光并且衍射表面特征833可沿同一個光軸最佳地提取綠光，并且光源814a、814b可發(fā)射藍光并且衍射表面特征813可沿同一個光軸最佳地提取藍光。當然，按次序來描述的紅色、綠色和藍色僅僅為示例，并且讀者應當理解，還設想了多個替代的組合。此外，雖然在圖8的堆疊中示出三個光導，但也可以使用其它數量的光導，包括兩個、四個或更多個。堆疊內的每個層的構成組分都可具有相同或類似的設計，例如，相同的光導維度和特性、相同的衍射表面結構的維度和特性、及相同數量、顏色和布置的LED。另選地，每個層的構成組分在這些方面中的任一方面可不同于其它層中的對應組分。類似于照明裝置110，裝置810可在表面822上提供實質上白色的光照明，而在用戶820直接觀看裝置810時提供著色的外觀。另外，用戶有利地在裝置810的發(fā)射區(qū)域中看到具有3維外觀的一個或多個帶，這些帶可起始于堆疊內的層中的任何一個、或一些、或所有層。
[0091]轉向圖9，在該圖中我們看到照明裝置910的示意圖，照明裝置910包括光導912和設置成將光注入到光導的不同(例如，正交的)側表面中的光源914a、914b。光導912具有一對對置的主表面912a、912b。在裝置910中，每個主表面均具有其自己的衍射表面特征:表面912a具有衍射表面特征913a，并且表面912b具有衍射表面特征913b。衍射表面特征在圖中僅示意性地表示，但指示:特征913a大致平行于一個平面內軸線(例如，y軸)延伸，并且特征913b大致平行于正交的平面內軸線(例如，X軸)延伸。光源同樣被定位并配置成大致沿正交的平面內方向將光注入，其中源914a被設置成大致沿X軸將光注入，并且源914b被設置成大致沿y軸將光注入。在此使用術語“大致”是因為光源無需(并在大多數情況下優(yōu)選無需)準直，但在x-y平面中以一個角度分布來發(fā)射光。另外，雖然源914a、914b各自被示出為離散點源(諸如單個LED發(fā)射器)，但另選地它們各自可為此類離散源沿光導的相應側表面延伸的線性陣列、或線性或條形擴展源。然而，來自源914a的光主要沿平面內X軸傳播，以使得其與衍射表面特征913a強烈地交互作用并與衍射表面特征913b較弱地交互作用，并且來自源914b的光主要沿平面內I軸傳播，以使得其與特征913a較弱地交互作用并與特征913b強烈地交互作用。
[0092]如果需要，使用幾何形狀或方向性實現的光源到光導上的不同相應衍射表面特征的這種選擇性耦合可用于解決顏色分離問題。例如，光源在它們的發(fā)射光譜內可以是實質上互補的，例如，源914a可發(fā)射藍光，并且源914b可發(fā)射黃光,在這種情況下,衍射表面特征913a可被配置成沿給定方向諸如照明裝置910的光軸(例如，正z軸)來提取藍光，而衍射表面特征913b可被配置成沿相同方向來提取黃光，以便沿該光軸提供實質上白光照明。藍光或黃光與相反顏色的衍射表面特征(光提取光柵)之間存在極少交互作用，因為如上所解釋的，用于藍光提取的溝槽大致沿黃光的光路延伸，用于黃光提取的溝槽大致沿藍光的光路延伸。因此，在同一個光導中，獨立引導并提取不同顏色的光束。所耦合出的藍光和黃光的組合視覺效果使觀察者或用戶感覺到白光。然而，在這個實例中，白光的顯色指數(CRI)可為相對低的，因為光導912僅組合了兩種顏色。
[0093]圖9所示的方法可擴展到許多其它實施例，包括使用其它顏色的光源的實施例，這些其它顏色包括不同的互補顏色、和不互補的顏色的組合，另外包括可為相同的顏色(例如，對于兩個源914a和914b是發(fā)綠色的光，或對于兩個源是發(fā)紅色的光)。另外，照明裝置諸如裝置910可與具有類似或不同設計(例如，呈堆疊布置，如結合圖8所述)的其它照明裝置組合。在這種情況下，可將每個光導配置成發(fā)射兩種不同顏色的組合，并且如果需要，可對從該堆疊共同發(fā)射出的這些顏色進行選擇以產生具有更高CRI的白光。
[0094]可用于解決顏色分離問題的另一種方法是圖10和圖11中大致所示方法。這些圖中，示出光導1012、1112，其中給定的主表面上的衍射表面特征包括具有不同間距的表面特征組或分組。多個不同間距一般可被用來提供從光導提取的光的各種波長的期望分布，假設具有此類波長的光由一個或多個光源(未示出)注入到光導中。
[0095]如在其它地方所提及，本文所公開的光導可具有多種不同的構造，包括一體構造、或分層構造，在分層構造中，兩個或更多個部件彼此附接而無顯著的居間氣隙。就這一點而言，光導1012、1112被示出為具有分層構造，但如果需要，它們可容易地被修改成具有一體構造。相反地，在其它圖中示出為一體的光導可容易地被修改成具有分層構造。參考圖10，光導1012包括相對厚的板或其它基底1011a，由載體膜1llb制成的膜附接到該板或其它基底1011a，棱鏡層1llc已在該膜上進行澆鑄并固化?；?01 la、載體膜1llb和棱鏡層1llc優(yōu)選具有相同或類似的折射率，并且優(yōu)選全部對可見光而言是高度透射的，具有極少或無散射或吸收，但在一些情況下，受控量的吸收和/或散射可為可接受的、或甚至是所需的。參考圖11，光導1112可具有與光導1012類似的構造，并且因此可包括相對厚的板或其它基底1111a，由載體膜Illlb制成的膜附接到該板或其它基底1111a，棱鏡層Illlc已在該膜上進行澆鑄并固化。
[0096]可通過任何合適的技術來完成棱鏡的或表面結構化的膜到板或其它基底的用以提供分層光導的附接。例如，附接可使用合適的粘合劑(諸如透光的壓敏粘合劑)來實現。附接還可使用注塑工藝(包括插入注塑工藝)來實現?；瘜W鍵也可用于附接，例如，當將可固化的樹脂澆鑄并固化在諸如載體膜的合適基底上時。另選地，在一體構造情況下，衍射表面特征可例如通過壓印或模塑(包括例如注塑工藝)而形成在諸如膜或板的一體基底的至少一個表面上。壓塑、擠出復制和直接切割是可用于形成衍射表面特征的另外的技術。無論衍射結構是否是在膜、板或其它基底的表面上形成的，衍射表面特征都可使用現在已知或以后發(fā)展的任何合適技術來制造。可用于制造合適的衍射表面特征的另外的方法在以下文獻中的一個或多個中進行討論:WO 2011/088161(沃克(Wolk)等人)；US2012/0098421 (湯普森(Thompson));和 US 2012/0099323 (湯普森)。
[0097]光導1012、1112具有:相應的第一主表面1012a、1112a ;和與第一主表面對置的相應的第二主表面1012b、1112b ;及側表面(未不出)。類似于本文所描述的其它光導，第一主表面1012a、1112a被配置成分別具有衍射表面特征1013、1113。表面特征可被稱為溝槽或棱鏡。溝槽/棱鏡被示出為在橫截面中具有不對稱的90度鋸齒輪廓，但根據需要也可以使用其它輪廓，包括其它不對稱輪廓和對稱(例如，V形)輪廓。在平面圖中，溝槽/棱鏡可沿循直的、彎曲的或這兩種(例如，在一些地方是直的而在其它地方是彎曲的)路徑。顯著地，衍射表面特征1013、1113被布置成多個組或分組，任何給定分組中的棱鏡或溝槽都具有均勻的間距，但相鄰分組具有不同的間距。在一些情況下，分組可被布置成在光導的表面上重復的圖案，最小重復組的分組在此被稱為分組的“集合”。例如，光導1012(圖10)具有衍射表面特征1013，這些衍射表面特征1013被分成溝槽或棱鏡分組1030、1031和1032，這些分組是按照重復序列布置的，從而限定集合1040。分組1030、1031、1032中的每一個中的棱鏡或溝槽都具有均勻的間距，但分組1030中的間距小于分組1031中的間距，分組1031中的間距繼而小于分組1032中的間距。光導1112(圖11)具有衍射表面特征1113，這些衍射表面特征1113被分成溝槽或棱鏡分組1130、1131、1132、1133、1134、和1135。這些分組也可按照重復序列布置，以便限定集合1140。分組1130、1131、1132、1133、1134和1135中的每一個中的棱鏡或溝槽都具有均勻的間距，但該間距隨著其從分組1130向分組1135移動而逐漸變得更大。需注意，盡管圖10和圖11所示的各種分組中使用了不同間距，但優(yōu)選地，這些間距中的每一個都在適于通過衍射原理來將一些可見導模光從光導中耦合出來的范圍中。
[0098]當在平面圖中看光導時，分組的寬度(平面內橫向維度)和分組的集合的寬度可足夠小，使得普通觀察者在視覺上感知不到它們。另選地，分組的寬度和/或分組的集合的寬度可足夠大，使得它們可作為標記或美觀圖案而被普通觀察者感知到。
[0099]多間距式提取設計，諸如圖10和圖11中所描繪的那些，可用于進行顏色混合。一般來講，可使用至少兩個不同的分組(通過兩個不同的間距來表征)，但是在許多情況下，期望至少三個不同的分組(通過三個不同的間距pl、p2、p3來表征)。對間距維度的選擇是隨著光導的折射率(η)而變化，并且隨著我們期望從具有給定分組的光導提取的光的波長(λ )而變化。在示例性情況下，我們可選擇Pl = λ 1/η，其中λ I是在從400到600nm的范圍內，并且ρ2= λ2/η，其中入2是在從500到70011111的范圍內，并且？3= λ3/η，其中λ 3是在從600到900nm的范圍內。在由丙烯酸類樹脂(n ^ 1.49)或類似材料制成的光導的情況下，這些條件對應于在從約268到403nm的范圍內的間距p1、在從約336到370nm的范圍內的間距p2、和在從約403到604nm的范圍內的間距p3。在光導內傳播的多色光諸如白光與多個間距分組相交，使得不同顏色的光針對每個給定分組以不同的角度衍射(從波導耦合出或提取)，對于不同的分組，針對任何給定顏色的提取角度也是不同的。因此，可將各種顏色的光混合或組合，以便為在距光導一個合適距離處的用戶或設置在該處的對象提供具有實質的顏色均勻度的照明，例如，實質上白色的光。
[0100]在示例性實施例中，照明裝置可利用具有不同光譜輸出的多個光源，并且可以使用控制器來獨立控制不同光源，以便主動或動態(tài)地控制照明裝置所發(fā)射的光的感知顏色。這種主動控制可用于調節(jié)或以其它方式改變輸出光的色溫、相關色溫和/或顯色指數(CRI)。出于這個目的，發(fā)射紅色、綠色和藍色的LED (RGB)與發(fā)射紅色、綠色、藍色和白色的LED(RGBff)的結合或組合具有特定益處。另外，包含有多間距式提取設計的光導同樣具有特定益處。優(yōu)選地，多間距式設計針對每個窄帶發(fā)射光源包含給定間距的至少一個衍射特征分組，例如，間距針對紅光進行調控的一個或多個分組、間距針對綠光進行調控的一個或多個分組、間距針對藍光進行調控的一個或多個分組、等等。需注意，單獨的窄帶顏色并不限于紅色、綠色和藍色，并且發(fā)射其它非白色(諸如黃色或琥珀色)的光源也可用于擴展本發(fā)明所公開的照明裝置的色域。
[0101]多間距式光柵設計及本發(fā)明所公開的其它衍射表面特征設計的相關設計參數是有效提取效率。提取效率以上已討論，在此將不再重復。“有效”提取效率是在單個交互作用時從指定的主表面(612a或612b)提取的指定光的量除以緊接在與提取表面的交互作用之前在光導內傳播的這種指定光的量的百分比?？蓪o定間距的衍射表面特征(溝槽或棱鏡)的有效提取效率進行評估并將其與其它間距的有效提取效率進行比較。一般來講，在給定系統(tǒng)參數的情況下，給定間距的有效提取效率:是具有該間距的衍射特征的平面圖區(qū)域覆蓋范圍(例如，對于圖10中的最小間距，表面上的三個分組1030的平面圖區(qū)域的總和)的線性函數(即，與該平面圖區(qū)域覆蓋范圍成正比)；并且還取決于其它因素，包括衍射特征間距和衍射特征(溝槽/棱鏡)橫截面輪廓形狀。為了獲得實質的顏色均勻度，期望確保針對不同間距的有效提取效率可彼此相當，例如，任何兩個不同間距的有效提取效率的比率優(yōu)選處于從約0.3到3的范圍內。
[0102]當我們結合圖4、圖5和圖5a來看時，用于將光注入到