光学器件、用于形成光学器件的材料、用于显示器的背光、显示器和制造器件或材料的方法

摘要

提供了一种光学器件以例如用作显示器中的增亮膜。所述器件包括承载多个具有棱镜状结构(171)形式的片(31)。通过例如折弯或弯曲，使所述片(31)沿一方向是非平坦的。每个棱镜状结构(171)具有第一和第二表面(34，35)，第一和第二表面(34，35)从片(31)开始延伸并相交于线(33)。与观察方向平行并且通过交线(33)的线(32)将其与膜(31)相交(38)的相对表面(36)一分为二。当用在显示器中时，这样的器件在弯曲或其他非平坦形状的显示器上提供改进了的且均匀的显示器亮度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于对光进行会聚的光学器件以及一种形成这样的光学器件的材料。本发明还涉及一种包括这样的器件在内的显示器的背光以及一种包括这样的背光或这样的器件的显示器。本发明还涉及制造这样的器件和这样的材料的方法。

背景技术

美国专利US 6,091,547(3M，2000)公开了棱镜膜的用途，所述棱镜膜采集来自“轴外”的光，并将该光重定向至“轴上”，并且所述棱镜膜以增亮膜(BEF)著称。附图中的图1A示出了该膜的示意。光源产生的光可以被高效地导向至观察者，从而导致较亮的显示器。该膜无法有效地与弯曲背光一起使用，这是由于当该膜弯曲时无法保持均匀性。特别地，当该膜弯曲时，增亮方向变为不同。典型地，BEF被用作背光内的正交对，以在两个方向上对光进行会聚。

日本专利JP 2004/288570(Toshiba)公开了曲面显示器，其中光导中提取特征的分布被修改为允许轴上均匀性，但是其未详细描述散射点或它们的分布。

美国专利US 5,940,215(Ericsson，1998)公开了一种柔性光导，借以将微观结构作为散射体形成在表面上，使得来自光导的发射更加均匀和宽广。然而，该显示器对于轴上观察者相对较暗。

美国专利US 7,221,847(3M)公开了一种以预定的、计划好的形式的光学结构形成的平坦的光学元件(如光导或光学膜)。所述光学结构可以被配置为选择性地校正光导输出中的非均匀性，或者可以被配置为增强显示器的性能。

美国专利US 6,752,505(Solid State Opto Limited)公开了光重定向膜，该膜包括：位于膜的出光面上的、具有明确定义的形状的独立光学元件的图样，用于将从背光进入膜的入射面的光折射至与出射面正交的方向。所述独立光学元件彼此重叠和交叉。此外，可以调整光学元件的取向、尺寸和/或形状，以将来自平坦背光的入射光中更多的光重定向在期望视角内。附图中的图1B示出了这样的配置的示例。

美国专利申请no.2005/0024754(3M)公开了一种膜，其中，为了在期望的反射光图样中反射入射光，对棱镜结构进行金属化和再成形。这样的膜被设计为对反射性的平板显示器的光进行重定向，并且在附图中图1C中示出了一个示例。

美国专利申请no.11/301995公开了一种用于增强轴上亮度并去除汽车中挡风玻璃反射的微结构光学膜。这样的膜是针对平坦背光设计的。

英国专利申请no.2443849公开了光导中的楔形提取特征，用于在来自弯曲光导的弯曲中校正方向。

附图中的图2示出了用于常见的液晶显示器中的已知类型的典型显示器。该显示器由平坦透射的空间光调制器(SLM)构成，所述空间光调制器(SLM)具有位于偏振器3和4间的液晶显示器(LCD)面板2的形式。该面板配备了背光12，背光12的主要组件是：散射体5和6；一对BEF 1，以正交方式配置以形成水平和垂直BEF；带有提取特征9(在该图中进行了放大)的光导8；一个或多个发光器件10以及后反射膜11。来自光源的光被耦合至光导8中，在光导8中发生全内反射(TIR)，使得如果光导中不存在散射结构则光沿光导传播直到到达远端。然而，在光导8内存在许多提取特征9，提取特征9干扰TIR并将光耦合出光导从而照亮LCD面板。光导8下方的后反射膜11提高了出耦合效率。在光导8和LCD面板2间还存在一些光学膜。散射体5、6和BEF 1的存在实现了更好的照明均匀性并且提高了特定视角范围内的亮度。

还可以对这样的背光应用其他的膜(未示出)，如DBEF。

附图中的图3示出了弯曲的并且包括曲面LCD 13和背光14的图2的显示器。在这种情况下，曲率半径远远小于显示器观察者的观察距离。

当使用如附图中图4A中所示的标准弯曲背光时，如附图中图4B所示，沿背光单元观察到角分布22的偏移。这是由于观察者观看显示器上的点20的观看角度此时相对于局部显示器法线21发生了改变。作为结果，观看该背光的观察者将观看到明显的非均匀背光24，如附图中的图4C所示具有较亮和较暗的部分。

BEF对光进行会聚，以增强特定角范围内的光，但当BEF被弯曲时，如附图中图5中所示棱镜状结构沿该弯曲改变方向。

由于BEF沿局部法线21而不是沿观察者方向20对光进行增强，同平坦情况相比显示器的视亮度也会降低。

过去，依照三种主要方式来解决非均匀性的这一问题。

一种方式包括改变提取特征9的分布。通过改变该分布，由光导提取的光的总量变为非均匀的。然而，采用这样的方法，可以使光导的某些部分更亮，某些其他部分更暗，允许一定程度地控制预定方向内的均匀性，而沿其他方向不均匀。然而，这无法解决在这种类型的显示器中方向和观察自由度受限(在较低的弯曲半径下尤其如此)的基本问题。

所依照的第二方式包括使用强散射体，通过对光进行散布来给出均匀背光单元。然而，这不能增强沿任意特定方向的亮度，并且同现有的平板显示器相比显示器看上去较暗。

第三方式通过使提取特征9适于控制光的输出方向来保持均匀性和观察自由度。这些方法需要针对每个不同的弯曲设计完整的光导。此外，提取特征可能难以制造。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于沿第一方向对光进行会聚的光学器件，包括承载多个第一聚光元件的片，所述片在与轴垂直的第一平面中是非平坦的，使得包含所述轴并且与所述片相交的每个第二平面与所述片相交于与所述轴基本平行的至少一条基本直的线，所述第一聚光元件中的每一个基本是棱镜形的，具有第一和第二表面，所述第一和第二表面从所述片开始延伸并相交于与所述轴基本平行的基本直的交线，并且所述片处的第三表面与第一和第二表面的交角正对着，对所述第一聚光元件中的每一个进行配置，以使得基本平行于所述轴和所述第一方向并且通过所述交线的第三平面将所述第三表面分为具有基本相同的宽度的垂直于所述轴的两个部分。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于形成沿第一方向对光进行会聚的光学器件的材料，所述光学器件包括承载多个第一聚光元件的片，所述片被配置为形成预定义的形状，所述形状在与轴垂直的第一平面中是非平坦的，使得包含所述轴并且与所述片相交的每个第二平面与所述片相交于与所述轴基本平行的至少一条基本直的线，所述第一聚光元件中的每一个基本是棱镜形的，具有第一和第二表面，所述第一和第二表面从所述片开始延伸并相交于与所述轴基本平行的基本直的交线，并且所述片处的第三表面与第一和第二表面的交角正对着，对所述第一聚光元件中的每一个进行配置，以使得当所述片被形成为预定义的形状时，基本平行于所述轴和所述第一方向并且通过所述交线的第三平面将所述第三表面分为具有基本相同的宽度的垂直于所述轴的两个部分。

所述第一聚光元件可以基本延伸至所述片的整个长度。

所述片可以承载多个用于沿第二方向对光进行会聚的第二聚光元件，所述第二聚光元件的每一个基本是棱镜形的，具有第一和第二表面，所述第一和第二表面从所述片开始延伸并相交于与所述轴基本平行的基本上直的交线，并且所述片处的第三表面与第一和第二表面的交角正对着，对所述第二聚光元件中的每一个进行配置，以使得当所述片被形成为预定义的形状时，基本平行于所述轴和所述第二方向并且通过所述交线的另一个第三平面将所述第三表面分为具有基本相同的宽度的两个部分。所述第一和第二聚光元件可以沿平行和垂直于所述轴的方向彼此交替。

所述交角可以基本等于90°

所述第三表面可以具有基本相等的宽度。

所述聚光元件可以与所述片是一个整体。

所述聚光元件中至少某些聚光元件中的每一个的第一和第二表面之一可以是至少部分反射的。所述第一和第二表面之一是两者中较宽的一个。所述第一和第二表面之一可以将光反射离开所述片。所述第一和第二表面之一向所述片反射光。

所述片的至少部分可以具有圆柱形的一部分的形状。

在本发明第二方面的情况下，所述片可以是平坦的。所述片能够被弯曲以形成预定义的形状。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于显示器的背光，包括根据本发明第一方面的器件，该器件被部署于形状基本符合所述器件的形状的光导之前。

所述器件被部署在所述光导和另一器件之间，所述另一器件用于对光进行会聚并且其形状基本符合所述器件的形状。所述另一器件可以包括：基本垂直于聚光元件取向的棱镜的一维阵列。

根据本发明的第四方面，提供了一种显示器，包括：根据本发明第三方面的背光或根据本发明第一方面的器件。

所述显示器可以包括液晶器件。

根据本发明的第五方面，提供了一种制造根据本发明第一方面的器件或根据本发明第二方面的材料的方法，所述方法包括以下步骤：

i)提供承载所述聚光元件的片；

ii)用屏蔽来覆盖所述片的第一部分以避免所述片的第一覆盖部分蒸汽金属化，从而暴露所述片的第二部分；

iii)相对于金属蒸汽源来部署被部分覆盖的片，使得所述片的第二部分的第一和第二表面中将被金属化的表面朝向所述金属蒸汽源，并且将所述片的第二部分的第一和第二表面中不要进行金属化的其他表面与所述金属蒸汽源遮蔽开来；

iv)用所述金属蒸汽源对所述片的第二部分的第一和第二表面中将被金属化的表面进行金属化；

v)用屏蔽来覆盖所述片的第二部分，以避免对第二覆盖部分进行另一蒸汽金属化；

vi)相对于金属蒸汽源来部署被部分覆盖的片，使得所述片的第一部分的第一和第二表面中将要金属化的表面朝向所述金属蒸汽源，并且将所述片的第一部分的第一和第二表面中不要进行金属化的其他表面与所述金属蒸汽源遮蔽开来；以及

vii)用所述金属蒸汽源对所述片的第一部分的第一和第二表面中将要金属化的表面进行金属化。

所述步骤i)可以包括：将所述片弯曲。

所述步骤v)可以包括：将所述片旋转180度。

所述步骤i)可以包括：形成在所述交线处或所述交线附近具有阻塞特征的聚光元件。所述方法可以包括以下步骤：在所述步骤vii)后，基本去除所述阻塞特征。

根据本发明的第六方面，提供了一种制造根据本发明第一方面的器件或根据本发明的第二方面的材料的方法，包括以下步骤：

i)制备片，以在所述片的一侧中提供第一和第二表面之一；

ii)对所述片的所述一侧进行金属化；以及

iii)将材料从所述片的所述一侧去除，以提供所述第一和第二表面中的另一表面。

所述步骤ii)可以包括：用金属蒸汽源对所述片的所述一侧进行金属化。

所述步骤i)可以包括：在所述片中形成交替的倾斜表面，包括第一和第二表面之一，以及在所述形成步骤前形成相对于所述片的所述一侧基本垂直地延伸的垂直表面。

因此，可以提供一种配置，该配置能够校正光的方向，使得例如当背光被弯曲为曲率半径远远小于观察距离时，保持与平坦背光类似的中央亮度、视均匀性和观察自由度。可以使用现有的光导和提取特征，并且仅需替换单个片以适应不同的弯曲形状。不必改变背光的厚度。

通过考虑结合附图的本发明的以下详细说明，可以更容易地理解本发明的前述以及其他目的、特征和优势。

附图说明

图1A至1C示出了本领域的现有技术；

图2示出了典型的已知背光系统液晶显示器(LCD)模块；

图3示出了已知类型的弯曲LCD；

图4A至4C示出了已知类型的弯曲背光的非均匀性的缘由；

图5示出了特征放大了的弯曲的增亮膜(BEF)；

图6示出了弯曲的背光系统液晶显示器，其中典型的已知BEF被构成本发明实施例的层替换；

图7A至7I示出了用于凹和凸背光的、构成本发明实施例的增亮膜及其细节；

图8A至8C示出了BEF中光线的折射/反射；

图9A和9B示出了BEF中第一次透射后的反射和再循环光线；

图10示出了无任何部分或全反射、部分或全透射分界面的BEF；

图11示出了具有多个弯曲的BEF；

图12示出了用于增强轴外光的BEF；

图13A和13B示出了被设计为将光重定向至两个不同方向中的BEF；

图14是示意了制造图7所示类型的BEF的方法中的步骤的图；

图15A是与图14类似的图，示意了经修改的步骤；

图15B以放大的比例示出了图15A的细节；以及

图16A至16C是示意了制造图7所示类型的BEF的另一方法中的步骤的图。

具体实施方式

实施例1

图6示出了一显示器，其与图3中的显示器的主要不同在于，在其背光30中，标准水平条纹BEF 1被水平条纹BEF 31所替换。在该实施例中，保留垂直BEF 1。图7A中示出了水平条纹BEF 31。这是由具有棱镜状结构171形式的聚光元件组成的，并且所述聚光元件基本延伸至膜的整个长度，并且对轴外光进行重定向以对轴上光进行增强。膜31被部署在光导8的前面，并且在光导8和BEF 1之间，光导8的形状基本符合膜的形状，BEF 1的形状也基本符合膜31的形状。BEF 1构成了以基本垂直于棱镜状结构171取向的棱镜的一维阵列。

棱镜状结构171根据该弯曲沿膜改变，使光的提取中心保持与膜平行。

图7B示出了角72和73，为了保持光的提取中心，角72和73(针对圆形弯曲)相对于曲率半径和它们的位置(例如，图7C中与参考方向77相对的位于曲率中心78的角74)线性改变。

这样的膜可以是凹膜(图7A)或凸膜(图7D)。

该层还由位于棱镜状结构的分界面之一上的反射分界面75、76组成。

图7E结合从膜31输出的光的期望方向31，更详细地示意了膜31的一部分以及棱镜状结构171之一。图7F示意了该实施例的膜31的几何形状。

膜31在第一平面中是弯曲或非平坦的，第一平面是图6至13A的图面，并且与轴51垂直。轴51可以是任意的，用于定义膜31的几何形状。可选地，轴51可与几何形状有关。例如，在膜31的至少部分具有圆柱形的一部分的形状的实施例中，轴51可以是圆柱形的轴。

在一维中(在第一平面中)膜31是弯曲的，使得每个第二平面(如52a和52b)基本以直线(分别如53a和53b)与膜31相交，所述第二平面包含轴51并且与膜31相交，所述直线基本与轴51平行。每个棱镜状结构171基本是棱柱形的，这是由于其具有相同形状的三角形端面，三角形端面的顶点由与轴51平行的线连接在一起并且端面与轴51垂直。

每个棱镜状结构171包括第一表面34和第二表面35，第一表面34和第二表面35从膜31开始延伸，并且在交叉或顶点线33相交从而形成角37，角37基本等于90°。

顶点线33基本是直的并且基本与轴51平行。棱镜状结构171具有与角37相对并且虽然弯曲但接近于平坦的第三表面36，这是由于同膜31的曲率相比棱镜状结构171相对较小。实际上，棱镜状结构171可以与膜31形成为一个整体，使得表面36不作为“实体”表面存在。然而，其仍然作为至少假象的表面存在，并且应当以适当方式理解对“表面36”的引用。

第三平面基本平行于轴51，并且平行于(局部)光输出(第一)方向32。在该实施例中，第三平面包含32。因此，方向32代表通过棱镜状结构171的顶点线33、并且在线38处与该结构的第三表面36相交的第三平面，线38同表面34和35与膜31相交的线39和40间隔相等。因此，平面32将第三表面36划分为两个基本相同宽度的部分(与轴51垂直)。该条件适用于所有棱镜状结构171。换言之，仅仅考虑图7E的该平面，其与棱镜状结构171的三角形或基本三角形的截面相交的光输出方向32或显示器观察方向将对边36一分为二。该条件足以使来自光导的光在图7E的该平面内沿或关于观察方向32会聚。在这样的膜的典型应用中，线39和40间的距离是20至30微米。

图7G和7H以放大的比例示出了针对凹和凸膜31的这一条件，观察方向与膜的中部正交并且与其平行。上述条件适用于所有棱镜状结构171，光输出或观察方向32基本彼此平行。

图7I示意了针对凹膜31的稍加修改的配置，其中显示器具有预期观察距离并且观察方向32以该观察距离会聚于一点或线。同膜的曲率中心相比，该观察距离离膜31更远。但是针对沿膜31变化从而以所预期或所设计的观察距离会聚的观察方向32，保持借以使得通过每个棱镜状结构171的顶点的方向32将对边一分为二的条件。

棱镜状结构171可以都具有相同的对边36或膜31处表面的宽度，使角37都基本等于90°。虽然棱镜状结构171被示意为表面36是可识别的，但实际上该结构可以与膜31是一体的，并且可以用单片材料(例如通过模塑或冲压)来形成。该材料可以在平坦状态下制造，并且可以随后加以弯曲或形成为用于特定应用的期望形状。棱镜状结构171被制造为，当针对材料打算被用于的特定显示器将材料形成为预定义形状时，满足上述要求。

虽然每个棱镜状结构171的第一和第二表面34和35可以是透光的，可选地，这些表面之一可以是反射或部分反射的。如果提供反射或部分反射层，该层在处于棱镜状结构171的特定位置的第一和第二表面34和35中较宽的表面上。可以通过涂敷覆层来形成反射或部分反射表面，并且反射或部分反射表面可以是出膜31反射的或者出膜31和入膜31反射的。

在这样的配置中，来自光导8的光提取被第一散射体6扩散，并且光81透过层31的底部分界面。接着，抵达棱镜状结构171。根据该分界面是镜面反射70还是非镜面反射80，如果分界面是非镜面反射的，如折射光82所示，光线将服从斯涅耳-笛卡尔定律(图8A)。接着，镜面反射分界面70的反射光83被该层底部表面全反射(图8B)或者透射回至光导(如光84)以进行再循环(图8C)。

在经过层31处的反射和/或折射后，光将透过垂直条纹BEF 1，并且将受其水平会聚机制的作用，使光透过棱镜状分界面，并且光线被反射回来。接着，层31可以以不同的角度反射这些反射光线(图9B)或者对这些光线进行再循环(图9B)。

这些机制提供了对光输出的控制，增强了一定角范围内的光，并保持了均匀性。

以下描述了其他实施例。这些实施例不限于它们自身的范畴，还可以被使用或组合为各种变型并被应用于凹或凸背光。

实施例2

该实施例类似于第一实施例，镜面反射分界面被部分反射、部分透射分界面所替代，允许对光亮增强进行一定程度的控制。

实施例3

该实施例包括简化层，如在第一实施例中那样对简化层进行再成形，但棱镜特征100没有任何反射、半反射或半透射分界面。图10示出了该实施例。

实施例4

该实施例类似于第一实施例，针对如图11所示并且具有凹部101和凸部102的多弯曲显示器重新设计了BEF。

实施例5

图12中示出的该实施例包括具有再成形棱镜结构112、113的层111。该棱镜结构被设计为，沿并非与显示器的对称中心正交的方向增强光的方向性，并且可以沿任意所选方向增强光的方向性。

实施例6

该实施例包括层121，通过对棱镜结构122、123进行再成形来沿两个不同的方向增强从背光发射的光。图13A示出了该实施例。棱镜结构根据发射光的方向被划分为两组124和125，各组依照实施例4。一组将光重定向在第一角内，第二组将光重定向在第二角内。这些组被混合于如图13B所示的阵列内，使得第一和第二组的棱镜结构沿平行和垂直于轴51的方向(在图13B中分别为垂直和水平地)彼此交替。

实施例7

图14示出了用于制造片31的方法中的步骤。利用已知技术(如奈米压印或鼓钻切割)将形成聚光元件的棱镜结构切割为塑料(例如PET或“聚对苯二甲酸乙二醇酯”)片。接着，如图14所示将如此提供的片供应给金属化工艺。将片31置于真空下的蒸发器中，金属蒸汽源140以定向方式(如作为蒸汽束)发射蒸汽141。片31以取决于最终或预期曲率半径和金属蒸汽源距离片的距离的曲率半径，在圆形模具中弯曲。例如，对于距片的距离与所设计的观察距离基本相同的源，金属化步骤期间的曲率半径可以与预期曲率半径相同。曲率半径可以被调整或改变为偏离标称值，以补偿有限尺寸的源，例如以避免或减小非反射表面的金属化。

用屏蔽142覆盖诸如片的一半的第一部分。覆盖位置使得，所要进行金属化以形成镜面反射分界面70的侧面完全暴露于金属蒸汽源下而非金属化侧71被遮住。蒸汽束141辐射最大面积的镜面反射分界面70，同时基本不在非金属化侧71上形成金属层。通过将片转向180度，对隐蔽侧重复该工艺。

实施例8

实施例7的一个可能的问题在于，由于未对准或源尺寸有限(如上所述)的缘故，可能存在一定程度的对非金属区域的金属化。图15A和15B示出了用于减少或避免该问题的技术，此技术包括：向位于镜面反射分界面70和非金属化侧71相交的交线处或交线附近的片特征的顶点添加“块”特征150。这些特征改进了对非金属化侧71遮蔽，从而减小了对该侧的金属化。特征150的尺寸需要进行控制，这是由于其还将减小以金属覆盖的镜面反射分界面70的面积。可以通过金属化工艺后的另一切割或重叠工艺来去除特征150。

实施例9

实施例7的另一潜在问题在于，由于上述问题以及由于非定向金属蒸汽的缘故，可能存在一定程度的对非金属区域的金属化。图16A至16C示出了涉及三段切割的改进的制造方法。

在第一阶段中(图16A)，利用工具156对片152进行切割以对片进行制备。所述工具仅仅具有在片上生成所要金属化的斜面副本70的斜面。所述工具具有立面151，并且在第一阶段期间不切割非金属侧而是在切割前形成基本相对于片的该侧垂直延伸、并且与斜面交替的表面158。

在第二阶段中(图16B)，用蒸汽束141将整个表面153涂上金属。没有必要对片进行屏蔽或弯曲。在第三阶段中(图16C)，用不同的工具154由片切割出非金属化侧71，以从片的该侧将材料去除。此时，这些表面不具有金属层。

可以通过提高制造反射表面的精度(例如如上所述)和/或通过提高反射表面的反射率来改进显示器亮度。例如，反射表面可由能够从3M公司购得的干扰滤波器或增强型镜面反射器或ESR膜形成。

虽然本发明是如此描述的，但显而易见可以以多种方式改变同一方式。这样的变化不应被看作背离于本发明的精神和范围，并且所有对于所属领域技术人员显而易见的这样的修改都意在包含于以下权利要求的范围内。