專(zhuān)利名稱(chēng)：具有帶凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)化表面的光學(xué)薄膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明整體涉及具有多個(gè)凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)的透光光學(xué)薄膜，以及結(jié)合這種光學(xué)薄膜的光學(xué)設(shè)備。
背景技術(shù)：
液晶顯示器(“LCD”)用于多種不同應(yīng)用，包括例如電視、手持設(shè)備、數(shù)字照相機(jī)、攝像機(jī)以及計(jì)算機(jī)監(jiān)視器。與傳統(tǒng)陰極射線管(“CRT”)顯示器相比，LCD提供了一些優(yōu)點(diǎn)，例如降低了重量、單元尺寸和功率消耗，并且增加了亮度。然而，LCD不能自我照明，因此，在一些應(yīng)用中，需要背光照明組件或“背光源”。背光源通常將來(lái)自基本上線性的光源(例如冷陰極熒光管(“CCFT”))或發(fā)光二級(jí)管(“LED”)的光與基本上平面的輸出耦合。然后使平面的輸出與LCD耦合。
LCD的性能常常由其亮度評(píng)價(jià)?？梢酝ㄟ^(guò)使用更多光源和更亮光源來(lái)提高LCD的亮度。在大面積顯示器中，常常需要使用直接照明式LCD背光源來(lái)保持亮度，因?yàn)楣庠吹目捎每臻g隨著周長(zhǎng)線性增加，而照明面積隨著周長(zhǎng)的平方的增加。因此，LCD電視通常使用直接照明式背光源而不是導(dǎo)光板邊緣照明式LCD背光源。附加光源和/或更亮光源會(huì)消耗更多能量，這削弱了減少顯示設(shè)備功率分配的能力。對(duì)于便攜設(shè)備來(lái)說(shuō)，這可能關(guān)系到電池壽命的減少。此外，將光源添加到顯示設(shè)備會(huì)增加產(chǎn)品成本，有時(shí)還會(huì)引起顯示設(shè)備可靠性的降低。
也可以通過(guò)有效利用可從LCD內(nèi)部獲得的光來(lái)提高LCD的亮度(例如，沿著優(yōu)選的視軸方向引導(dǎo)更多的可從顯示設(shè)備內(nèi)部獲得的光)。例如，購(gòu)自3M Corporation的VikuitiTMBrightness EnhancementFilm(“BEF”)具有棱柱形表面結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將觀看范圍以外的一些光變向，以使其基本上沿著視軸方向，并且經(jīng)過(guò)多重反射回收在BEF與背光源之間的一些光。這導(dǎo)致了基本上沿著視軸方向的光增益，還提高了LCD照明的空間均勻性。因此，BEF是有利的，因?yàn)樗鰪?qiáng)了亮度并提高了空間均勻性。對(duì)于電池供電的便攜設(shè)備來(lái)說(shuō)，這可轉(zhuǎn)變?yōu)楦L(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間或更小的電池尺寸，以及提供更好觀看體驗(yàn)的顯示器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方式涉及光學(xué)設(shè)備，這種光學(xué)設(shè)備包括光源和光學(xué)薄膜，所述光學(xué)薄膜具有用于接收來(lái)自所述光源的光的第一表面和背向所述光源的結(jié)構(gòu)化表面。所述結(jié)構(gòu)化表面包括多個(gè)凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)，每個(gè)結(jié)構(gòu)都具有包括至少兩條第一邊和至少兩條第二邊的底部。
在另一個(gè)示例性實(shí)施方式中，本發(fā)明涉及具有第一表面和結(jié)構(gòu)化表面的光學(xué)薄膜。所述結(jié)構(gòu)化表面包括多個(gè)凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)，每個(gè)結(jié)構(gòu)都具有包括至少兩條第一邊和至少兩條第二邊的底部。至少一個(gè)凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)的第一邊和第二邊中至少之一相對(duì)于至少另一個(gè)凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)的第一邊和第二邊中至少之一偏移。
在另一個(gè)示例性實(shí)施方式中，本發(fā)明涉及具有第一表面和結(jié)構(gòu)化表面的光學(xué)薄膜。所述結(jié)構(gòu)化表面包括多個(gè)凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)，每個(gè)結(jié)構(gòu)都具有包括至少兩條沿著第一方向彼此相對(duì)的第一邊和至少兩條沿著第二總體方向彼此相對(duì)的第二邊的底部。至少一個(gè)凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)的第一方向和第二方向中至少之一與至少另一個(gè)凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)的相應(yīng)方向不同。


下面，參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例，以使本發(fā)明所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能更容易理解如何制造和使用本發(fā)明，附圖中圖1A示意性示出了平面的導(dǎo)光板邊緣照明式背光源；
圖1B示意性示出了楔形的導(dǎo)光板邊緣照明式背光源；圖1C示意性示出了利用擴(kuò)展光源的背光源；圖1D示意性示出了直接照明式背光源；圖2示意性示出了根據(jù)本發(fā)明設(shè)置在背光源之上的光學(xué)薄膜的示例性實(shí)施例；圖3A示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)薄膜的示例性實(shí)施例的等軸測(cè)視圖；圖3B示意性示出了圖3A所示的光學(xué)薄膜的側(cè)視圖；圖4A示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)薄膜的另一示例性實(shí)施例的等軸測(cè)視圖；圖4B示意性示出了圖4A所示的光學(xué)薄膜的側(cè)視圖；圖5A示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)薄膜的另一示例性實(shí)施例的等軸測(cè)視圖；圖5B示意性示出了圖5A所示的示例性光學(xué)薄膜的側(cè)視圖；圖6A示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性光學(xué)薄膜的單個(gè)棱錐形凹入結(jié)構(gòu)的俯視圖；圖6B示意性示出了圖6A所示的棱錐形凹入結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖6C示意性示出了圖6A所示的棱錐形凹入結(jié)構(gòu)的另一橫截面圖；圖7A示意性示出了根據(jù)本發(fā)明設(shè)置在背光源之上的示例性光學(xué)薄膜的棱錐形凹入結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖7B示意性示出了圖7A所示的棱錐形凹入結(jié)構(gòu)的另一橫截面圖；圖8A示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性光學(xué)薄膜的基本上為棱錐形的凹入結(jié)構(gòu)的俯視圖；圖8B示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性光學(xué)薄膜的另一基本上為棱錐形的凹入結(jié)構(gòu)的俯視圖；圖8C示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性光學(xué)薄膜的另一基本上為棱錐形的凹入結(jié)構(gòu)的俯視圖；圖9A示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)薄膜的另一示例性實(shí)施例的等軸測(cè)視圖；圖9B示出了圖9A所示的光學(xué)薄膜的極坐標(biāo)坎德拉圖；以及圖9C示出了圖9A所示的光學(xué)薄膜的直角坐標(biāo)坎德拉分布圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及一種光學(xué)薄膜，該光學(xué)薄膜能夠控制來(lái)自光源的光的分布，并且在一些示例性實(shí)施例中，該光學(xué)薄膜能夠控制沿著兩個(gè)不同方向的光分布。根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)薄膜可以用于控制LCD背光源(例如，圖1A-1D所示的背光源)的光分布。
圖1A-1D示出了光學(xué)設(shè)備(例如可以用于LCD的背光源)的幾個(gè)例子。圖1A示出了背光源2a。背光源2a包括光源4a(例如一個(gè)或多個(gè)冷陰極熒光管(“CCFT”)或LED陣列)，其提供來(lái)自背光源不同側(cè)面或邊緣的光；燈光反射鏡4a′，其布置在光源4a周?chē)?；?dǎo)光板3a，其顯示為基本上平面的導(dǎo)光板；背面反射鏡3a′；以及光學(xué)薄膜3a″，其可以是任何適當(dāng)光學(xué)薄膜。圖1B示出了背光源2b，該背光源包括光源4b(例如一個(gè)或多個(gè)CCFT或LED陣列)；燈光反射鏡4b′，其布置在光源4b周?chē)?；?dǎo)光板3b，其顯示為楔形的導(dǎo)光板；背面反射鏡3b′；以及光學(xué)薄膜3b″，其可以是任何適當(dāng)光學(xué)薄膜。圖1C示出了背光源2c，該背光源包括擴(kuò)展光源4c。示例性的適當(dāng)擴(kuò)展光源包括表面發(fā)光型光源。圖1D示出了LCD背光源2d，該背光源包括3個(gè)或更多光源4d(例如CCFT或LED)、背面反射鏡5a、擴(kuò)散板4d′以及可以是任何適當(dāng)光學(xué)薄膜的光學(xué)薄膜4d″。
這種背光源可以用于多種光學(xué)設(shè)備，尤其用于顯示設(shè)備，例如LCD設(shè)備(例如電視、監(jiān)視器等)。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解，顯示設(shè)備可以包括具有窗口的外殼、位于外殼中的背光源、根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)薄膜以及位于光學(xué)薄膜與光學(xué)窗口之間的光閥裝置(例如LCD面板)。根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)薄膜還可以與本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知的任何其他光源一起使用，并且顯示設(shè)備可以包括任何其他的適當(dāng)元件。
圖2示出了背光源和根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)薄膜6a的橫截面圖。背光源2e可以包括光源4e、導(dǎo)光板3c和背面反射鏡5b。光學(xué)薄膜6a可以布置在背光源2e之上。根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)薄膜6a包括可以基本上為平坦表面的第一表面14a、結(jié)構(gòu)化表面10a以及在一些示例性實(shí)施例中的基板部分12a。光學(xué)薄膜6a的特征可以通過(guò)軸表示，在一些實(shí)施例中，該軸與第一表面或基板部分12a基本上垂直，在其他示例性實(shí)施例中，該軸與第一表面或基板部分12a形成不同的角度。軸相對(duì)于第一表面或基板部分的角度將由相對(duì)于顯示器面板的顯示器主視方向決定。
結(jié)構(gòu)化表面10a包括多個(gè)棱錐形凹入結(jié)構(gòu)8a，例如倒置棱錐形，在一些示例性實(shí)施例中，該結(jié)構(gòu)為矩形底部的倒置棱錐形。在其他示例性實(shí)施例中，棱錐形凹入結(jié)構(gòu)8a可以為正方形底部的倒置棱錐形。結(jié)構(gòu)8a可以相互接近地布置在結(jié)構(gòu)化表面10a上，并且在一些示例性實(shí)施例中，可以基本上相互接觸地布置(例如，直接相鄰)在該結(jié)構(gòu)化表面上。結(jié)構(gòu)8a可以在二維上彼此對(duì)齊，(斜向、橫向、或斜向且橫向地)相對(duì)偏移，或者按隨機(jī)分布布置。在與本申請(qǐng)同時(shí)提交的、代理人卷號(hào)為No.59547US002的、名稱(chēng)為“Optical Film Having aStructured Surface With Offset Prismatic Structures”的共有美國(guó)申請(qǐng)中描述了結(jié)構(gòu)8a的適當(dāng)?shù)钠撇贾梅绞?，該美?guó)申請(qǐng)通過(guò)引用并入本文。
在一些示例性實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)8a可以以任何適當(dāng)距離相互分開(kāi)，只要光學(xué)薄膜6a的增益至少約1.1即可。例如，結(jié)構(gòu)8a可以分開(kāi)，使得該結(jié)構(gòu)占據(jù)結(jié)構(gòu)化表面10a的至少約50％的給定有用區(qū)域，或者，在其他示例性實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)8a可以進(jìn)一步分開(kāi)，使得該結(jié)構(gòu)占據(jù)結(jié)構(gòu)化表面10a的不少于約18％的給定有用區(qū)域。本發(fā)明的一些示例性實(shí)施例的預(yù)期光增益至少約1.2、至少約1.3或至少約1.5。
對(duì)于本發(fā)明的目的來(lái)說(shuō)，術(shù)語(yǔ)“增益”指的是帶有根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的光學(xué)薄膜的光學(xué)系統(tǒng)的軸向輸出光亮度與沒(méi)有這種光學(xué)薄膜的相同光學(xué)系統(tǒng)的軸向輸光出亮度之比。在本發(fā)明的典型實(shí)施例中，選擇凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀和角度以提供至少1.1的光增益。另外，可以基于所需的光輸出分布選擇凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)的間距、尺寸、形狀和角度，但是該結(jié)構(gòu)不應(yīng)當(dāng)小到產(chǎn)生衍射，并且至少一個(gè)結(jié)構(gòu)的尺寸不應(yīng)當(dāng)大到被肉眼看到。后者通常出現(xiàn)在尺寸約100或150微米或者更大的凹入的結(jié)構(gòu)中。在一些尤其適合用于直接照明式背光源的示例性實(shí)施例中，可以選擇棱錐形凹入結(jié)構(gòu)的間距、尺寸、形狀和角度，以使得本發(fā)明的光學(xué)薄膜有助于隱藏光源，從而使觀看者看不到光源。
在圖2所示的根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)化表面10a布置在基板部分12a之上。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解，光學(xué)薄膜6a可以用于改變由背光源2e發(fā)射的光的方向，或者在一些示例性實(shí)施例中，用于改變由背光源2e發(fā)射的光的其他特征。例如，本發(fā)明的一些實(shí)施例可以利用光學(xué)薄膜6a的棱錐形凹入結(jié)構(gòu)8a控制光的角展度。
在本發(fā)明的一些示例性實(shí)施例中，基板部分12a可以包括具有與結(jié)構(gòu)化表面10a的光學(xué)特性不同的附加光學(xué)特性的光學(xué)薄膜。例如，光學(xué)薄膜控制光的方式不同于結(jié)構(gòu)化表面10a控制光的方式。這種控制可以包括對(duì)進(jìn)入本發(fā)明光學(xué)薄膜的光進(jìn)行偏振、擴(kuò)散或附加變向。具有這種附加特性的示例性適當(dāng)薄膜包括但不限于偏振片薄膜、擴(kuò)散薄膜、增亮薄膜(例如BEF)、轉(zhuǎn)向薄膜以及它們的組合。例如，轉(zhuǎn)向薄膜可以是反向棱鏡薄膜(例如，倒置的BEF)，或者以與反向棱鏡薄膜基本相似的方式改變光方向的其它結(jié)構(gòu)。在一些示例性實(shí)施例中，基板部分12a可以包括線性反射偏振片或具有連續(xù)相和分散相的漫反射偏振片，其中，線性反射偏振片可以為例如多層反射偏振片，例如VikuityTMDual Brightness Enhancement Film(“DBEF”)；漫反射偏振片可以為VikuityTMDiffuse Reflective Polarizer Film(“DRPF”)，它們都可以購(gòu)自3M Company。在其他示例性實(shí)施例中，基板部分可以包括聚碳酸酯層(“PC”)、聚甲基丙烯酸甲酯層(“PMMA”)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(“PET”)或者本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的任何其他適當(dāng)?shù)谋∧せ虿牧稀?br> 圖3A和圖3B示出了根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)薄膜6c的一個(gè)示例性實(shí)施例。結(jié)構(gòu)化表面10c和基板部分12c可以是圖3A和圖3B所示的單塊薄膜的組成部分。結(jié)構(gòu)化表面可以包括多個(gè)棱錐形凹入結(jié)構(gòu)8c，這些結(jié)構(gòu)彼此斜向和橫向偏移。在一些這樣的示例性光學(xué)薄膜中，凹入的結(jié)構(gòu)8c可以以隨機(jī)分布形式布置。在該示例性實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)8c為帶有矩形底部的倒置棱錐形狀。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解，結(jié)構(gòu)化表面10c和基板部分12c可以作為單個(gè)部分形成以制成光學(xué)薄膜6c，或者它們可以分開(kāi)形成并隨后連接在一起，以制成單個(gè)部分。光學(xué)薄膜6c可以由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的任何方法制造，包括但不限于壓花、鑄造、壓縮成型和成批處理。
在制造根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)薄膜的示例性方法中，可以用微結(jié)構(gòu)化成形工具以及可選中間成形工具形成光學(xué)薄膜(例如光學(xué)薄膜6c、6d或6e)。例如，可以通過(guò)在適當(dāng)基板上沿著兩個(gè)方向切出凹槽制成微結(jié)構(gòu)化成形工具。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解，形成的微結(jié)構(gòu)化成形工具將包括多個(gè)類(lèi)似于所需光學(xué)薄膜的棱錐形結(jié)構(gòu)?？梢愿鶕?jù)是否需要帶有尖銳的點(diǎn)、平面或沿著尖頂?shù)募怃J的線的結(jié)構(gòu)，并且根據(jù)其他有關(guān)參數(shù)，來(lái)調(diào)節(jié)切口深度和每個(gè)切口之間的間隔。
例如，可以使用電鍍方法或聚合物復(fù)制，由微結(jié)構(gòu)化成形工具制成具有與該微結(jié)構(gòu)化成形工具相反或相對(duì)的結(jié)構(gòu)(例如，凸起棱錐形結(jié)構(gòu))的中間成形工具。中間成形工具可以由聚合物構(gòu)成，該聚合物例如包括聚氨酯、聚丙烯、丙烯酸樹(shù)脂、聚碳酸酯、聚苯乙烯、UV固化的樹(shù)脂等。可以用脫模層涂覆該中間成形工具，以便于最終光學(xué)薄膜脫模。
如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解，可以用中間成形工具通過(guò)直接復(fù)制或成批處理來(lái)制造光學(xué)薄膜(例如，光學(xué)薄膜6c、6d或6e)。例如，可以用中間成形工具通過(guò)如注塑成型、UV固化或熱塑成型(例如壓縮成型)等方法成批處理光學(xué)薄膜6c。根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)薄膜可以由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的任何適當(dāng)材料形成或者包括這些材料，例如，這些材料包括無(wú)機(jī)材料，例如基于二氧化硅的聚合物；有機(jī)材料，例如聚合材料，包括單體、共聚物、接枝聚合物以及它們的混合物或共混物。在一些示例性實(shí)施例中，帶有結(jié)構(gòu)化表面的部分可以由折射率低于基板部分的材料形成。在這種示例性實(shí)施例中，對(duì)于折射率約1.66的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯的基板部分來(lái)說(shuō)，帶有結(jié)構(gòu)化表面部分的折射率的優(yōu)選范圍為約1.55～約1.65，例如折射率約1.58的丙烯酸樹(shù)脂。
圖4A和圖4B示出了根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)薄膜6d的示例性實(shí)施例，圖4A為示意性透視圖，圖4B為示意性側(cè)視圖。光學(xué)薄膜6d的示例性實(shí)施例包括在結(jié)構(gòu)化表面10d上的多個(gè)凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)8d。在該示例性實(shí)施例中，凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)8d具有矩形底部并且包括附加的平坦表面26a。這些示例性結(jié)構(gòu)8d基本上平行，并且彼此基本上接觸(例如，直接相鄰)。圖5A和圖5B示出了光學(xué)薄膜6e的另一示例性實(shí)施例，這種薄膜包括偏移分布的多個(gè)凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)8e。每個(gè)示例性結(jié)構(gòu)8e都具有正方形底部并且彼此基本上接觸(例如，直接相鄰)。在本發(fā)明的其他示例性實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)8d/8e可以彼此分開(kāi)，只要光學(xué)薄膜的增益不小于1.1即可。
如圖4A和圖4B示意性所示，光學(xué)薄膜6d可以由兩個(gè)獨(dú)立部分形成具有結(jié)構(gòu)化表面10d的部分和基板部分12d。例如，可以通過(guò)如下方式制造這種結(jié)構(gòu)用可固化材料涂布該基板部分；可固化材料中形成結(jié)構(gòu)化表面；然后使光學(xué)薄膜6d固化。作為選擇的是，例如，如圖5A和圖5B所示，光學(xué)薄膜6e的具有結(jié)構(gòu)化表面10e的部分和基板部分12e可以是使用適當(dāng)?shù)恼澈蟿?8接合在一起的兩個(gè)獨(dú)立的薄膜。粘合劑28可以包括但不限于壓敏粘合劑(PSA)或可紫外(UV)光固化的粘合劑。
圖6A-圖6C示出了根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)薄膜6f的單個(gè)凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)8f。圖6A示出了凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)8f的俯視圖。結(jié)構(gòu)8f的底部可以為帶有兩條第一邊A1和兩條第二邊B1的四邊形，其中兩條第一邊沿著Y方向大致彼此相對(duì)地布置，兩條第二邊沿著X方向大致彼此相對(duì)地布置。在本發(fā)明的典型實(shí)施例中，兩條第一邊A1基本上相互平行，兩條第二邊B1也基本上相互平行。在一些示例性實(shí)施例中，第一邊A1基本上與第二邊B1垂直。因此，凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)8f的底部基本上為矩形。如圖6B和圖6C所示，結(jié)構(gòu)8f的特征還在于頂角a和頂角b。頂角之一或兩個(gè)頂角可以約90度，約80～100度或約60～120度。
圖6B示出了凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)8f沿著平面6B-6B的橫截面圖。結(jié)構(gòu)8f包括兩個(gè)表面16a和在表面16a之一與平行于光學(xué)薄膜的平面之間測(cè)量的角α1(alpha)。圖6C示出了凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)8f的示例性實(shí)施例沿著平面6C-6C的橫截面圖。結(jié)構(gòu)8f包括兩個(gè)表面14a和在表面14a之一與與平行于光學(xué)薄膜的平面之間測(cè)量的角β1(beta)。在一些示例性實(shí)施例中，角α1至少等于角β1，并且在其他示例性實(shí)施例中，角α1可以大于角β1。在一些示例性實(shí)施例中，角α1和角β1之一或兩個(gè)角都可以在約30～60度的范圍內(nèi)。
圖6B和圖6C示出了在光學(xué)薄膜6f中傳播的光18。根據(jù)光18相對(duì)于表面16a或表面14a的法線的入射角δ1或δ2，表面16a和表面14a可以反射或折射光18。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員從本發(fā)明中所理解，選擇不同的角α1和角β1可以控制穿過(guò)光學(xué)薄膜6(例如，光學(xué)薄膜6a-6e)的凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)8f傳播的光的角展度。在一些示例性實(shí)施例中，反向成對(duì)表面與平行于光學(xué)薄膜的平面之間的角度互不相等，這在視軸相對(duì)于光學(xué)薄膜的法線傾斜的情況中是有利的。
圖7A示出了光學(xué)薄膜6g的示例性實(shí)施例的橫截面圖，并示出了與圖6B所示的凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)8f類(lèi)似的示例性凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)8g。由背光源2g發(fā)射的光線20a、光線22a和光線24a在光學(xué)薄膜6g中傳播。與圖6C所示的結(jié)構(gòu)8f的橫截面圖類(lèi)似，圖7B示出了光學(xué)薄膜6g和結(jié)構(gòu)8g的示例性實(shí)施例的橫截面圖。分別與光線20a、光線22a和光線24a相同方向的光線20b、光線22b和光線24b源自背光源2g。
下面將描述源自背光源2g的各個(gè)光20-24通過(guò)光學(xué)薄膜6g的傳播。圖7A和圖7B示出了根據(jù)光是否首先入射到凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)8g的表面16b之一或表面14b之一上，光表現(xiàn)如何不同，以及如何通過(guò)選擇表面16b的角α2和表面14b的角β2來(lái)在兩個(gè)不同方向上控制光的角展度。應(yīng)當(dāng)注意，所示光線20-24沒(méi)有精確地表現(xiàn)光線20-24的反射角和折射角。所示光線20-24僅示意性表現(xiàn)光穿過(guò)光學(xué)薄膜6g的大致傳播方向。
在圖7A中，在光學(xué)薄膜6g中，源自背光源2g的光線20a沿與表面16b垂直的方向朝凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)8g傳播。這樣，光線20a沿與表面16b垂直(或正交)的方向遇到表面16b，光線20a相對(duì)于表面16b的法線的入射角δ等于0度。
例如，光學(xué)薄膜6g和凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)8g的表面16b和14b上方的介質(zhì)可以基本上由空氣組成。然而，光學(xué)薄膜6g和表面16b和14b上方的介質(zhì)可以由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的任何介質(zhì)、材料或薄膜組成。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員或其他人員所理解，空氣的折射率小于大多數(shù)已知材料的折射率。根據(jù)斯涅耳定律(Snell′s Law)的原理，當(dāng)光線遇到或入射到較小折射率的介質(zhì)上時(shí)，光線以相對(duì)于法線的出射角θ遠(yuǎn)離法線彎曲，該出射角大于入射角δ。然而，如圖7A所示，當(dāng)光線遇到材料-空氣界面表面并與該表面正交(例如，光線20a)時(shí)，光線不發(fā)生彎曲，并且繼續(xù)直線傳播。斯涅耳定律可以由以下公式表示ni*sinδ＝nt*sinθ，其中，ni＝入射光側(cè)的材料折射率，δ＝入射角，nt＝透射光側(cè)的材料折射率，以及θ＝出射角如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解，一定量的入射光還將被反射回到光學(xué)薄膜6g內(nèi)。
圖7B示出了沿與光線20a基本上相同的方向傳播的光線20b。光線20b以相對(duì)于表面14b的法線的入射角δ3遇到表面14b。如上所述，表面14b的角β2可以等于或小于表面16b的角α2。在圖7A和圖7B所示的示例性實(shí)施例中，角β2小于角α2。因此，如圖7B所示，光線20b的入射角δ3不等于0，并且光線20b不是與表面14b垂直地遇到材料-空氣界面。根據(jù)斯涅耳定律的公式，光線20b以不同于入射角δ3的出射角θ3折射，其中，光線20b以入射角δ3遇到表面14b。
如圖7A所示，光線22a在光學(xué)薄膜6g中傳播，并且以相對(duì)于表面16b的法線的入射角δ4遇到表面16b。光線22a的入射角δ4大于表面16b的臨界角δc。光線22a不會(huì)穿過(guò)表面16b射出，并且反射回到光學(xué)薄膜6g內(nèi)。這稱(chēng)為“全內(nèi)反射”。如上所述，當(dāng)光線從較高折射率的材料傳播到較低折射率的材料時(shí)，該光線將根據(jù)前述折射公式傳播。根據(jù)公式，隨著入射角增加，出射角θ將逼近90度。然而，在臨界角δc以及所有大于臨界角δc的角度下，將產(chǎn)生全內(nèi)反射(例如，光線將反射回到結(jié)構(gòu)8g，而不是穿過(guò)表面折射和透射)。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解，可以根據(jù)(上述)斯涅耳定律按如下方式確定臨界角δc將出射角(例如，折射角)設(shè)為九十(90)度，然后求解出入射角δ。
如圖7B所示，沿與光線22a基本上相同的方向傳播的光線22b遇到表面14b。因?yàn)楸砻?4b的角β2小于表面16b的角α2，所以光線22b以入射角δ5遇到表面14b，該入射角不同于光線22a遇到表面16b的入射角δ4。光線22b的入射角小于臨界角δc，因此光線22b在表面14b上發(fā)生折射并透射穿過(guò)表面14b。
圖7A和圖7B分別示出的光線24a和光線24b在光學(xué)薄膜6g中沿與光學(xué)薄膜的平面垂直的方向傳播。光線24a和光線24b分別以小于臨界角δc的入射角δ遇到表面16b和表面14b。然而，光線24a相對(duì)于表面16b的法線的入射角δ6大于光線24b相對(duì)于表面14b的法線的入射角δ7。因此，根據(jù)斯涅耳定律，光線24a相對(duì)于表面16b的法線的出射角θ6將不同于光線24b相對(duì)于表面14b的法線的出射角θ7。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解，光線24a相對(duì)于表面16b的法線的出射角θ6一般將大于光線24b相對(duì)于表面14b的法線的出射角θ7。然而，在角β2等于角α2的示例性實(shí)施例中，出射角θ6與出射角θ7也相等。
因此，所述的帶有凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)8(例如，結(jié)構(gòu)8a-8g)的光學(xué)薄膜6(例如，光學(xué)薄膜6a-6g)的一些實(shí)施例可以允許沿著一個(gè)方向光的角展度較大，并且沿著另一個(gè)方向光的角展度較小。例如，本發(fā)明的光學(xué)薄膜6可以用于LCD電視中，以便在第一方向(例如水平方向)上提供更大的光角展度，而在第二方向(例如垂直方向)上提供更小但仍然相當(dāng)大的光角展度。有利的是，在水平方向(例如，在電視機(jī)任何一側(cè)的觀看者)上提供的視野通常比在垂直方向(例如，站著或坐著的觀看者)上提供的視野更寬。在一些示例性實(shí)施例中，例如當(dāng)觀看者可能坐在地板上時(shí)，視軸可以向下傾斜。通過(guò)減小垂直方向上的光角展度，可以在所需的視角范圍內(nèi)獲得綜合的光增益。在光學(xué)薄膜6的其他示例性實(shí)施例中，在第一方向上和在第二方向上的光角展度可以相等。
圖8A-圖8C還圖示了根據(jù)本發(fā)明的凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)之一的示例性實(shí)施例。圖8A示出了具有兩條相對(duì)的第一邊A3和兩條相對(duì)的第二邊B3的凹入的結(jié)構(gòu)8h；A3的長(zhǎng)度小于B3的長(zhǎng)度。凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)8h還包括兩個(gè)表面14c和兩個(gè)表面16c。在本示例性實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)8h還包括基本上平坦表面26b，該表面占據(jù)足夠小的面積以維持至少1.1的光增益。平坦表面26b可以幫助在與顯示器垂直的方向(即，沿著觀看者最可能觀看屏幕的方向)上透射更多光。表面26b可以是突起的，或者也可以是凹陷的。在一些示例性實(shí)施例中，表面26b可以是圓的。
圖8B示出了具有兩條相對(duì)的第一邊A4和兩條相對(duì)的第二邊B4的凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)8i。在本示例性實(shí)施例中，兩個(gè)表面14d基本上呈三角形，兩個(gè)表面16d基本上呈梯形?？梢韵氲?，凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)8i可以是帶有兩條相對(duì)的第一邊A4和兩條相對(duì)的第二邊B4、以及表面14d和16d的任何其他的一般結(jié)構(gòu)。
圖8C示出了具有兩條相對(duì)的第一邊A5和兩條相對(duì)的第二邊B5的另一個(gè)凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)8p；A5的長(zhǎng)度與B5的長(zhǎng)度相等。結(jié)構(gòu)8p還包括兩個(gè)表面14e和兩個(gè)表面16e。凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)8p還包括表面26c，該表面可以是平的或圓的。
圖9A示出了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)示例性光學(xué)薄膜6j。示例性光學(xué)薄膜6j包括折射率約1.58的具有結(jié)構(gòu)化表面10j的部分，和折射率約1.66的基板部分12j。結(jié)構(gòu)化表面10j包括多個(gè)凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)8j。每個(gè)結(jié)構(gòu)8j的底部都做成帶有沿著Y方向大致彼此相對(duì)布置的兩條第一邊A9和沿著X方向大致彼此相對(duì)布置的兩條第二邊B9的四邊形。在本示例性實(shí)施例中，所有邊的長(zhǎng)度都相等并且設(shè)為50微米。每個(gè)結(jié)構(gòu)8j還包括兩個(gè)表面14j和兩個(gè)表面16j。表面14j與表面16j之間的頂角都設(shè)為約90度。如圖9A所示，每個(gè)表面14j都與第一邊A9之一相接，每個(gè)表面16j都與第一邊B9之一相接。示例性實(shí)施例中所示的表面16j和表面14j與平行于光學(xué)薄膜的平面成四十五(45)度的表面角，使得每個(gè)凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)的深度為邊長(zhǎng)的一半。然而，在其他示例性實(shí)施例中，可能需要其他深度-邊長(zhǎng)比和其他角度。
圖9B示出了圖9A所示的光學(xué)薄膜8j的模擬極坐標(biāo)坎德拉分布圖。利用以下模型計(jì)算出該分布在穿過(guò)光學(xué)薄膜的第一光程上使用擴(kuò)展的Lambertian光源，然后利用反射率約77.4％的Lambertian反射鏡回收剩余光。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解，極坐標(biāo)坎德拉分布圖示出了探測(cè)到的穿過(guò)光學(xué)薄膜的入射光的三百六十(360)度模型。如圖9B所示，透射穿過(guò)光學(xué)薄膜的光沿著Y方向的分布與沿著X方向的分布相似。如果第一邊的長(zhǎng)度與第二邊的長(zhǎng)度的差別足夠大，那么該分布將會(huì)不同。在后面的情況中，該分布(和視角)通常沿著與較長(zhǎng)邊基本上平行的方向加寬。
圖9C示出了與圖9B所示的極坐標(biāo)圖相對(duì)應(yīng)的直角坐標(biāo)坎德拉分布圖。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解，直角坐標(biāo)坎德拉分布圖示出了以不同角度透射穿過(guò)光學(xué)薄膜6j的光的分布。直角坐標(biāo)分布圖上的每條曲線都與極坐標(biāo)的不同橫截面相對(duì)應(yīng)。例如，標(biāo)為0度的曲線表示沿著連接0度與180度的通過(guò)中心點(diǎn)的線的極坐標(biāo)圖橫截面，標(biāo)為45度的曲線表示沿著連接45度與225度的通過(guò)中心點(diǎn)的線的極坐標(biāo)圖橫截面，標(biāo)為90度的曲線表示沿著連接90度與270度的通過(guò)中心點(diǎn)的線的極坐標(biāo)圖橫截面，以及標(biāo)為135度的曲線表示沿著連接135度與315度的通過(guò)中心點(diǎn)的線的極坐標(biāo)圖橫截面。顯然，直角坐標(biāo)坎德拉圖也顯示了沿著與圖9A中X和Y方向相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)垂直方向的類(lèi)似光分布性質(zhì)。此外，對(duì)于具有不同邊長(zhǎng)的凹入的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，在一些示例性實(shí)施例中，該分布會(huì)沿著與較長(zhǎng)邊基本上平行的方向加寬。
顯然，在未背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和方法進(jìn)行各種修改和變型。因此，本發(fā)明包括落入在所附權(quán)利要求書(shū)及其等同內(nèi)容范圍內(nèi)的上述示意性實(shí)施例的任何修改或變型。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)設(shè)備，包括光源；光學(xué)薄膜，所述光學(xué)薄膜具有用于接收來(lái)自所述光源的光的第一表面和背向所述光源的結(jié)構(gòu)化表面，所述結(jié)構(gòu)化表面包括多個(gè)凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)，每個(gè)結(jié)構(gòu)都具有包括至少兩條第一邊和至少兩條第二邊的底部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)設(shè)備，其中所述兩條第一邊沿著第一總體方向彼此相對(duì)地布置，所述兩條第二邊沿著第二總體方向彼此相對(duì)地布置，其中，當(dāng)相對(duì)于與第一表面成角度布置的軸的入射角在第一角度以?xún)?nèi)時(shí)，所述光學(xué)薄膜透射大部分沿著所述第一總體方向入射在其上的光，并且當(dāng)入射角在第一角度以外時(shí)，所述光學(xué)薄膜反射大部分光，以及其中，當(dāng)相對(duì)于所述軸的入射角在第二角度以?xún)?nèi)時(shí)，所述光學(xué)薄膜透射大部分沿著所述第二總體方向入射在其上的光，并且當(dāng)入射角在第二角度以外時(shí)，所述光學(xué)薄膜反射大部分光。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)設(shè)備，其中，所述軸與所述第一表面大致垂直。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)設(shè)備，其中，所述第一角度與所述第二角度不同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)設(shè)備，其中，所述底部具有大致矩形形狀或大致正方形形狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)設(shè)備，其中，所述多個(gè)凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)結(jié)構(gòu)的特征還在于頂角，所述頂角處于約60～約120度的范圍以?xún)?nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)設(shè)備，其中，每一個(gè)凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)都與至少一個(gè)其他的凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)基本上接觸。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)設(shè)備，其中，所述多個(gè)凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)的底部布置為這樣即，至少所述第一邊和第二邊之一基本上相互平行。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)設(shè)備，其中，所述光學(xué)薄膜還包括布置在所述光源與所述結(jié)構(gòu)化表面之間的基板部分，所述基板部分具有與所述結(jié)構(gòu)化表面的光學(xué)特性不同的附加光學(xué)特性。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光學(xué)設(shè)備，其中，所述基板部分包括下列元件中至少之一偏振片、擴(kuò)散片、增亮薄膜、轉(zhuǎn)向薄膜及其任何組合。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)設(shè)備，其中，所述多個(gè)凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)結(jié)構(gòu)包括至少四個(gè)表面，并且所述至少四個(gè)表面中的至少兩個(gè)表面相接。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)設(shè)備，其中，所述多個(gè)凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)結(jié)構(gòu)包括五個(gè)表面，其中的四個(gè)表面與底部連接，第五個(gè)表面與所述四個(gè)表面相鄰。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)設(shè)備，還包括用于接收透射穿過(guò)所述光學(xué)薄膜的光的光閥裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)設(shè)備，還包括與所述光源光學(xué)連接并且設(shè)置在所述光源與所述光學(xué)薄膜之間的導(dǎo)光板。
15.一種光學(xué)薄膜，其具有第一表面和結(jié)構(gòu)化表面，所述結(jié)構(gòu)化表面包括多個(gè)凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)，每個(gè)結(jié)構(gòu)都具有包括至少兩條第一邊和至少兩條第二邊的底部；其中，至少一個(gè)凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)的至少第一邊和第二邊之一相對(duì)于至少另一個(gè)凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)的至少第一邊和第二邊之一偏移。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的光學(xué)薄膜，其中，所述底部具有大致矩形形狀或大致正方形形狀。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的光學(xué)薄膜，其中，所述光學(xué)薄膜還包括布置在所述光源與所述結(jié)構(gòu)化表面之間的基板部分，所述基板部分具有與所述結(jié)構(gòu)化表面的光學(xué)特性不同的附加光學(xué)特性。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的光學(xué)薄膜，其中，所述多個(gè)凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)結(jié)構(gòu)包括五個(gè)表面，其中的四個(gè)表面與底部連接，第五個(gè)表面與所述四個(gè)表面相鄰。
19.一種光學(xué)薄膜，其具有第一表面和結(jié)構(gòu)化表面，所述結(jié)構(gòu)化表面包括多個(gè)凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)，每個(gè)結(jié)構(gòu)都具有包括至少兩條沿著第一總體方向彼此相對(duì)的第一邊和至少兩條沿著第二總體方向彼此相對(duì)的第二邊的底部；其中，至少一個(gè)凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)的第一方向和第二方向中至少之一與至少另一個(gè)凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)的相應(yīng)方向不同。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的光學(xué)薄膜，其中，所述底部具有大致矩形形狀或大致正方形形狀。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的光學(xué)薄膜，其中，所述光學(xué)薄膜還包括布置在所述光源與所述結(jié)構(gòu)化表面之間的基板部分，所述基板部分具有與所述結(jié)構(gòu)化表面的光學(xué)特性不同的附加光學(xué)特性。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的光學(xué)薄膜，其中，所述多個(gè)凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)結(jié)構(gòu)包括五個(gè)表面，其中的四個(gè)表面與底部連接，第五個(gè)表面與所述四個(gè)表面相鄰。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種光學(xué)薄膜(6c)，該光學(xué)薄膜具有包括多個(gè)凹入的棱錐形結(jié)構(gòu)(8c)的結(jié)構(gòu)化表面(10c)，每個(gè)結(jié)構(gòu)都具有包括至少兩條第一邊和至少兩條第二邊的底部。另外，本發(fā)明公開(kāi)了結(jié)合有這種光學(xué)薄膜的光學(xué)設(shè)備，例如，使得該光學(xué)薄膜的第一表面設(shè)置為接收來(lái)自光源的光，并且所述結(jié)構(gòu)化表面背向光源。
文檔編號(hào)F21V5/02GK101095077SQ200580045700
公開(kāi)日2007年12月26日 申請(qǐng)日期2005年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月30日
發(fā)明者高秉秀, 利蘭·R·惠特尼, 馬克·E·加迪納, 蔡?hào)|沅 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司