CN101095071A - 具有球形结构表面的光学薄膜 - Google Patents

具有球形结构表面的光学薄膜 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种光学装置，该光学装置包括：光源；以及光学薄膜，其具有第一表面以及背向所述光源的第二表面，所述第一表面设置成接收来自所述光源的光。所述第二表面包括密排的基本为半球形结构的二维阵列。在本发明的一些实施例中，所述光学薄膜还包括基底部分，所述基底部分的光学特性不同于包括所述二维阵列的所述第二表面的光学特性。

Description

具有球形结构表面的光学薄膜
技术领域
本发明涉及包括基本为半球形表面结构的光学薄膜，以及结合有该光学薄膜的光学装置。
背景技术
诸如液晶显示(“LCD”)装置等的显示装置已经用于各种应用中，包括，例如：电视机、手持式装置、数码相机、摄像机以及计算机显示器。与传统的阴极射线管(“CRT”)显示器相比，LCD提供下述一些优点，诸如：减轻的重量、减小的单位体积、低功耗、以及增加的亮度。但是，LCD面板不是自照明的，因此，有时需要背光组件或者“背光源”。背光源一般将来自一个或多个光源(例如冷阴极荧光管(“CCFT”)或者发光二极管(“LED”))的光耦合成基本上为平面的光输出。该基本上为平面的光输出随后耦合到LCD面板。
通常通过LCD的亮度评价LCD的性能。可以通过使用大量的光源或者更亮的光源来增强LCD的亮度。在大面积显示器中，通常需要使用直接照明式LCD背光源以保持亮度，这是因为下述缘故：即，光源的可利用空间随着周长线性增长，而照明面积随着周长的平方增长。因此，LCD电视机一般使用直接照明式背光源而不是使用光导边缘照明式LCD背光源。附加光源和/或更亮的光源可能会消耗更多的能量，这与降低分配给显示装置的能量的能力相违背。对于便携式装置，这可能与减少电池寿命相关。此外，给显示装置附加光源可能增加制造成本和重量，并且有时会导致降低显示装置的可靠性。
还可以通过有效地利用LCD装置中的可利用光而提高LCD的亮度(例如，沿优选观察轴引导更多的显示装置内的可利用光)。例如，可以从3M公司得到的VikuitiTM增亮膜(“BEF”)具有棱柱表面结构，该结构使一些在观察范围之外射出背光源的光改向为基本上沿着观察轴。通过使一些光在BEF和背光源的反射部件(例如其背反射器)之间进行多次反射，来回收至少一些剩余光。这导致基本上沿观察轴的光学增益，并且还导致LCD的照明的空间均匀度的改进。从而，BEF是有利的，例如，这是因为其提高了亮度并且改进了空间均匀度的缘故。对于用电池供电的便携式装置，这可以获得更长的运行时间或者更小的电池尺寸，和提供更好的视觉感受的显示器。
发明内容
在一个实施方案中，本发明涉及一种光学装置，包括：光源；以及光学薄膜，其具有：第一表面，其设置成接收来自所述光源的光；以及第二表面，其背向所述光源，所述第二表面包括密排的基本为半球形结构的二维阵列。在一些示例性实施例中，所述光学薄膜还包括偏振器。
在另一个实施方案中，本发明涉及一种光学装置，包括：光源；以及光学薄膜，其具有：第一表面，其设置成接收来自所述光源的光；以及第二表面，其背向所述光源，所述第二表面包括二维阵列，所述二维阵列具有：具有第一半径的第一多个基本为半球形结构；以及具有第二半径的第二多个基本为半球形结构。所述第二半径不同于所述第一半径。所述第一和第二多个基本为半球形结构是密排的。
在又一个实施方案中，本发明涉及一种光学装置，包括：光源；以及光学薄膜，其具有：第一表面，其设置成接收来自所述光源的光；以及第二表面，其背向所述光源，所述第二表面包括二维阵列，所述二维阵列包括具有基本上相同半径的密排的多个基本为半球形结构；在一些示例性实施例中，所述光学薄膜还包括基底部分，所述基底部分的光学特性不同于包括所述二维阵列的第二表面的光学特性。
通过下列结合附图的详细描述，本领域普通技术人员将更容易理解本发明的光学薄膜和光学装置的这些和其它方面。
附图说明
为使本发明所述领域的普通技术人员可以更容易地理解如何制造和使用本发明，以下将参照附图详细描述本发明示例性实施例，其中：
图1A示意地示出平面光导边缘照明式背光源；
图1B示意地示出楔形光导边缘照明式背光源；
图1C示意地示出使用扩展光源的背光源；
图1D示意地示出直接照明式背光源；
图2示意地示出设置在背光源上的根据本发明的光学薄膜的示例性实施例；
图3A是根据本发明构造的示例性光学薄膜的局部透视示意图；
图3B是图3A所示的示例性光学薄膜的极坐标坎德拉图；
图3C包含直角坐标分布图，代表图3B所示的数据在0度、45度、90度和135度角的横截面；
图4A是根据本发明构造的另一示意性光学薄膜的局部透视示意图；
图4B是图4A所示的示例性光学薄膜的极坐标坎德拉图；
图4C包含直角坐标分布图，代表图4B所示的数据在0度、45度、90度和135度角的横截面；
图5A是根据本发明构造的另一示意性光学薄膜的局部透视示意图；
图5B是图5A所示的示例性光学薄膜的极坐标坎德拉图；以及
图5C包含直角坐标分布图，代表图5B所示的数据在0度、45度、90度和135度角的横截面。
具体实施方式
本发明涉及能够控制光的角分布的光学薄膜以及结合有该光学薄膜的光学装置。特别地，根据本发明的光学薄膜能够控制来自背光源(例如LCD背光源)的光的角输出分布。
图1A到图1D示出了光学装置的几个实例，例如与LCD面板一起使用的背光源。图1A示出背光源2a。该背光源2a包括：光导3a，其示出为基本为平面的光导；光源4a，其设置在光导3a的一侧、两侧或者多侧，例如CCFT或者LED阵列；灯光反射器4a′，其设置成围绕光源4a；背反射器3a′；以及一个或多个光学薄膜3a″，其可以是任意适合的薄膜。图1B示出背光源2b，包括：光导3b，其示出为楔形光导；光源4b，其设置在光导3b的一侧，例如一个或多个CCFT或者LED阵列；灯光反射器4b′，其设置成围绕光源4b；背反射器3b′；以及一个或多个光学薄膜3b″，其可以是任意适合的薄膜。图1C示出背光源2c，该背光源2c包括：扩展光源4c，其可以是表面发光型光源；以及一个或多个光学薄膜4c″，其设置在扩展光源4c上方。图1D示意地示出直接照明式背光源2d的局部视图，该背光源2d包括：三个或更多个诸如CCFT或者LED阵列等的光源4d；背反射器5a；扩散板4d′；以及一个或多个光学薄膜4d″，其可以是任意适合的薄膜。
这些背光源可以用于各种其他光学装置，例如使用LCD的显示装置(例如：电视机、监控器等)。如本领域普通技术人员可以理解的，显示装置可以包括壳体，该壳体具有：窗口；可以包括至少一个光源的背光源；诸如光导等的光分布元件；根据本发明的光学薄膜；其它适合的光学薄膜以及光选通装置，诸如LCD面板，其位于光学薄膜和光学窗口之间并设置成接收通过光学薄膜透射的光。根据本发明的光学薄膜可以与本领域普通技术人员所公知的任何适合的光源一起使用，并且该显示装置可以包括其它任何适合的元件。
图2示出根据本发明的背光源20和光学薄膜6的横截面图，该光学薄膜6设置在背光源20上方，以使光学薄膜6的表面14(例如，第一表面)接收来自背光源的光。背光源20可以包括：光源24；诸如光导等的光分布元件23以及背反射器25。根据本发明的光学薄膜6具有结构化表面10(例如，第二表面)，该表面承载密排的基本为半球形结构8的二维阵列。在本发明的典型实施例中，结构化表面10背向背光源20。光学薄膜6还可以包括基底部分12。如本领域普通技术人员可以理解的，密排的基本为半球形结构8的二维阵列和基底部分12可以形成为单个部件，并且在一些情况下可以用同样的材料形成，以制造光学薄膜6，或者可以分别制造然后使用例如适合的粘结剂将它们结合在一起以制造成单个部件。在一些示例性实施例中，密排的基本为半球形结构8的阵列可以形成在基底部分12上。
光学薄膜6的密排的基本为半球形结构8的二维阵列可以用于控制通过光学薄膜6透射的光的方向，特别是输出光的角展度。密排的基本为半球形结构8可以并排地并且彼此接近地布置在表面10上，并且，在一些示例性实施例中，这些结构8是基本上接触或者彼此直接邻接的。在其它实施例中，基本为半球形结构8可以彼此间隔开，只要光学薄膜6的增益为至少约1.1即可。例如，结构8可以这样间隔：即，使该结构占据结构化表面10的给定有用面积的至少约50％，或者，在其它示例性实施例中，该结构8可以间隔更大的距离，以使该结构占据结构化表面10的给定有用面积的不少于约20％。
根据本发明构造的典型示例性光学薄膜通常能够提供至少约1.1到约1.5的光学增益。一些示例性的光学增益值包括约1.2、1.4和1.5。为本发明的目的，将“增益”定义为：具有根据本发明构造的光学薄膜的光学系统的轴向输出亮度和不具有该光学薄膜的同样的光学系统的轴向输出亮度的比值。在本发明的典型实施例中，选择基本为半球形结构8的尺寸、形状和间隔(或者由该结构覆盖的给定的有用面积)以提供至少为大约1.1的光学增益。
一般而言，由于具有密排的基本为半球形结构的二维阵列的结构化表面的示例性光学薄膜而提供的光学增益将随着球形结构的形状(如凸起和凹陷)偏离半球形而减小。本发明的典型实施例包括高度或深度在该结构的半径的约60％之内的凸起或凹陷。更优选的是，本发明的实施例包括高度或深度在该结构的半径的约40％之内的凸起或凹陷，并且最优选的是，本发明的实施例包括高度或深度在该结构的半径的约20％之内的凸起或凹陷。具有高度或深度至少在该结构的半径的60％之内的这些凸起或凹陷被称作“基本为半球形”。结构间更大的间隔(更小的表面覆盖率)也可能导致增益的减小。
基本为半球形结构8的合适的示例性半径包括：大约5、8、10、12.5、15、17.5、20、25、37.5、45、50、60、70和80微米，并且该半径包括这些示例值之间的任意范围。在一些示例性实施例中，基本为半球形结构8可以更小，但不能太小以导致衍射效应，或者可以更大，例如半径为约100μm或者150μm。基本为半球形结构8的尺寸一般应足够小，以便不容易被包含该光学薄膜的显示装置的观看者察觉。在一些特别适用于直接照明式背光源的示例性实施例中，可以选择基本为半球形结构8的间距、尺寸和外形，以使本发明的光学薄膜有助于向观看者隐藏在背光源中所使用的光源。
根据光学薄膜6所需的特性，基本为半球形结构8可以是相同的形状和/或尺寸，或者其可以具有至少两种或更多种的明显不同的形状和尺寸。例如，根据本发明构造的光学薄膜可以包括较大尺寸的基本为半球形结构以及设置在较大尺寸的结构之间的较小尺寸的基本为半球形结构，以覆盖表面10的大部分。在该示例性实施例中，较小结构的半径可以是相邻的较大结构半径的大约40％，或者可以是另一个适合的半径，该半径对于较小结构足够小，以使其可以密排在较大结构的二维阵列中。在其它示例性实施例中，基本为半球形结构8可以具有至少三种基本上不同的半径。
基本为半球形结构8可以用诸如低折射率或者高折射率等透明可固化材料制成，在一些实施例中，至少基底部分12(包括表面10)的相邻部分也可以用该透明可固化材料制成。用高折射率材料，以较窄的视角为代价可以获得高光学增益，而用低折射率材料，以低光学增益为代价可以获得较宽的视角。示例性的适合的高折射率树脂包括诸如美国专利No.5,254,390和No.4,576,850所公开的电离辐射可固化树脂，这些专利的内容以引用的方式并入本文中。
在一些示例性实施例中，基本为半球形结构8的折射率高于基底部分的至少一层的折射率。适合形成该基本为半球形结构8的材料具有大约1.6、1.65、1.7或更高的折射率。在另一些示例性实施例中，基本为半球形结构8可以由低折射率材料制成，例如折射率为大约1.58的丙烯酸树脂。在一些这样的示例性实施例中，对于具有折射率为约1.66的聚对苯二甲酸乙二醇酯基底，结构8(可能还包括薄膜的相邻部分)的折射率的优选范围是从大约1.55到大约1.65。
基底部分12可以具有不同于密排的基本为半球形结构8的二维阵列的光学特性的附加光学特性，使得该基底部分可以以与设置在表面10上的二维阵列对光进行控制的方式不同的方式控制光。这样的控制包括：使通过本发明的光学薄膜传输的光偏振、扩散或者附加的改向。可以通过这样的方法来实现上述控制：例如，通过使基底部分包含具有这种附加光学特性的光学薄膜，或者通过构造基底部分本身以赋予这种附加光学特性。具有这种附加光学特性的示例性的适合的薄膜包括但不限于：偏振膜、扩散膜、诸如BEF等的增亮膜、转向薄膜及其任意组合。转向薄膜可以是，例如逆棱镜膜(例如，反向BEF)或者以基本上类似于逆棱镜膜的方式使光改向的另一种结构。在一些示例性实施例中，基底部分12可以包括：线性反射偏振器(例如多层反射偏振器)，例如可以从3M公司获得的VikuitiTM双重增亮膜(“DBEF”)；或者具有连续相和分散相的漫反射偏振器，例如，可以从3M公司获得的VikuitiTM漫反射偏振膜(“DRPF”)。另外/或者，基底部分可以包括聚碳酸酯(“PC”)层、聚甲基丙烯酸甲酯(“PMMA”)层、聚对苯二甲酸乙二醇酯(“PET”)层或者本领域普通技术人员所公知的任意其它的适合薄膜或者材料。示例性的适合的基底部分的厚度包括：对于PET为大约125μm，对于PC为大约130μm。
一些显示装置应用可以受益于获得更为圆柱对称的输出，和/或获得具有更宽视角的输出，该更为圆柱对称的输出可以用更为圆柱对称的极坐标坎德拉图表示，该具有更宽视角的输出可以用相应直角坐标分布图的相对较大的半峰半宽度来表示。本发明的典型实施例可以具有大于大约33度(例如从35度到大约40度或者更大的角度)的直角坐标分布图的半峰半宽度。
扩散片在传统上用于扩宽显示装置的视野。与大多数传统的扩散片不同，本发明的光学薄膜不是主要依靠散射入射光或者由于扩散片的本体内折射率的不同而使该散射入射光改向。本发明而是提供这样一种光学薄膜：该光学薄膜可以由于其结构化表面的几何构造而产生入射光的角展度，并且还提供至少大约1.1的增益。
实例
本发明将参照下列实例进一步说明，这些实例代表根据本发明构造的示例性光学薄膜的典型特性。
实例1
图3A示出根据本发明的示例性典型光学薄膜106的示意性局部透视图。该示例性光学薄膜106包括：基底部分112；以及结构化表面110，其承载密排的基本为半球形凸起108的二维阵列。在该示例性实施例中，凸起108彼此直接地相邻。该示例性实施例的各凸起具有大约25微米的半径和大约1.58的折射率。基底部分被模制成折射率为大约1.66的基本上为平面的薄膜。
图3B代表计算出的从具有基本上如图3A所示的结构的光学薄膜中出射的光的极坐标坎德拉分布图，其中该薄膜放置在背光源上方，密排的基本为半球形凸起108的二维阵列背向光源。所有实例的分布图均使用下列模型计算：在光第一次通过光学薄膜时使用朗伯扩展光源，并且使用反射率为大约77.4％的朗伯反射器回收剩余的光。如本领域的普通技术人员可以理解的，该极坐标坎德拉分布图示出所检测到的已通过光学薄膜的入射光线的三百六十度的图案。如可以从图3B中明显看出的，该示例性实施例的输出光分布具有相对高的圆柱对称度，并且光强度相对地单调递减，而不在大角度处形成第二个峰值。
图3C示出直角坐标坎德拉分布图。如本领域的普通技术人员可以理解的，在该直角坐标坎德拉分布图上的各段曲线对应于极坐标图中的不同的横截面。例如，标示为0度的曲线代表极坐标图中沿穿过中心的连接0度和180度的线的横截面，标示为45度的曲线代表极坐标图中沿穿过中心的连接45度和225度的线的横截面，标示为90度的曲线代表极坐标图中沿穿过中心的连接90度和270度的线的横截面，标示为135度的曲线代表极坐标图中沿穿过中心的连接135度和315度的线的横截面。图3C还示出该示例性实施例的输出光分布的相对高的圆柱对称度，以及没有在大角度处出现第二个峰值的相对地单调递减的光强度。该结论可以由不同角度的直角坐标光强度图之间的相对小的差别来说明。直角坐标图还示出在大约40度的平均半峰半宽度的曲线的明显的宽度，其指示出扩散的增量和加宽的视角。根据图3A构造的示例性增益扩散片的典型光学增益是大约1.48。
实例2
图4A示出根据本发明构造的示例性光学薄膜206的示意性局部透视图。该示例性光学薄膜206包括：基底部分212；以及结构化表面210，其承载密排的基本为半球形凸起208a和208b的二维阵列。该示例性实施例的密排的基本为半球形凸起的二维阵列包括：较大凸起208a，其具有大致相同的尺寸；以及较小凸起208b，其具有大致相同的尺寸，该较大凸起和较小凸起彼此直接相邻，使得较小凸起208b位于较大凸起208a空出的区域中。该构造有助于高密度地填充表面210。较大凸起208a模制成半径大约是25微米的半球，并且各较小凸起208b的尺寸构造成适合于设置在其周围的较大凸起208a之间并且直接与这些较大凸起208a相邻，并且半径是大约10微米。本示例性实施例的各凸起的折射率是大约1.58。基底部分模制成折射率是大约1.66的基本为平面的薄膜。
图4B代表计算出的从具有基本上如图4A所示的结构的光学薄膜中出射的光的极坐标坎德拉分布图，其中该薄膜放置在背光源上方，密排的基本为半球形凸起208a和208b的二维阵列背向光源。如可以从图4B中清楚看出的，该示例性实施例的输出光分布具有相对高的圆柱对称度，并且光强度相对地单调递减，而不在大角度处形成第二个峰值。
图4C示出对应于极坐标图中0度、45度、90度和135度的不同横截面的直角坐标坎德拉分布图。图4C还示出该示例性实施例的输出光分布的相对高的圆柱对称度，以及没有在大角度处出现第二个峰值的相对地单调递减的光强度。该结论可以由不同角度的直角坐标坎德拉图之间的小差别来说明。直角坐标图还示出在大约37度的平均半峰半宽度的曲线的明显的宽度，其指示出加宽的视角。根据图4A构造的示例性光学薄膜的典型光学增益是大约1.50。
实例3
图5A示出根据本发明构造的示例性光学薄膜306的示意性局部透视图。该示例性光学薄膜306包括：基底部分312；以及结构化表面310，其承载密排的基本为半球形凹陷308的二维阵列。在该示例性实施例中，凹陷308彼此直接相邻。该示例性实施例的各凹陷的半径大约是25微米，并且设置在折射率为大约1.58的薄膜部分中。基底部分模制成折射率是大约1.66的基本为平面的薄膜。
图5B代表计算出的从具有基本上如图5A所示的结构的光学薄膜中出射的光的极坐标坎德拉分布图，其中该薄膜放置在背光源上方，密排的基本为半球形凹陷308的二维阵列背向光源。如可以从图5B中清楚看出的，该示例性实施例的输出光分布具有相对高的圆柱对称度，并且光强度相对地单调递减，而不在大角度处形成第二个峰值。
图5C示出对应于极坐标图中0度、45度、90度和135度的不同横截面的直角坐标坎德拉分布图。图5C还示出该示例性实施例的输出光分布的相对高的圆柱对称度，以及没有在大角度处出现第二个峰值的相对地单调递减的光强度。该结论可以由不同角度的直角坐标坎德拉图之间的可忽略的差别来说明。直角坐标图还示出在大约43度的平均半峰半宽度的曲线的明显的宽度，其指示出扩散的增量和加宽的视角。根据图5A构造的示例性光学薄膜的典型光学增益是大约1.21。
根据本发明的示例性光学薄膜可以通过模具的微复制、喷涂、喷墨印刷或者本领域普通技术人员所公知的其它方法来制造。
从而，本发明提供这样一种光学薄膜：其可以构造成表现出在观看侧的光的特定可控制的角展度和光的更加圆柱对称的输出分布，而没有透射损失。另外，本发明的光学薄膜表现出光学增益。增益和角展度的量取决于表面结构的具体构造，并且可以改变以获得特定应用所需的性能。另外，本发明的实施例的结构可以具有增强的坚固性，因为其表面特征是球形的。
尽管已经参照具体的示例性实施例描述了本发明的光学薄膜和装置，但是本领域的普通技术人员将容易理解，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以做出变化和修改。

Claims (20)

1.一种光学装置，包括：
光源；以及
光学薄膜，其具有第一表面，所述第一表面设置成接收来自所述光源的光，所述光学薄膜还包括偏振器和背向所述光源的第二表面，所述第二表面包括密排的基本为半球形结构的二维阵列。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其中，
所述光学薄膜包括线性反射偏振器。
3.根据权利要求1所述的光学装置，其中，
所述光学薄膜还包括基底部分，并且所述密排的基本为半球形结构的折射率小于所述基底部分的折射率。
4.根据权利要求1所述的光学装置，其中，
所述第二表面包括多个密排的基本为半球形凹陷。
5.根据权利要求1所述的光学装置，其中，
所述第二表面包括多个密排的基本为半球形凸起。
6.根据权利要求1所述的光学装置，其中，
所述第二表面包括半径为至少大约5μm的多个密排的基本为半球形结构。
7.根据权利要求1所述的光学装置，其中，
所述第二表面包括半径为至少10μm到50μm的多个密排的基本为半球形结构。
8.根据权利要求1所述的光学装置，其中，
所述第二表面包括至少两种不同半径的多个密排的基本为半球形结构。
9.根据权利要求1所述的光学装置，还包括：
光分布元件，其与所述光源光学耦合，并且设置成向所述光学薄膜提供光。
10.根据权利要求9所述的光学装置，其中，
所述光分布元件是光导。
11.根据权利要求1所述的光学装置，还包括：
LCD面板，其设置成接收由所述光学薄膜透射的光。
12.一种光学装置，包括：
光源；以及
光学薄膜，其具有：
第一表面，其设置成接收来自所述光源的光；以及
第二表面，其背向所述光源，所述第二表面包括二维阵列，所述二维阵列包括：具有第一半径的第一多个基本为半球形结构；以及具有第二半径的第二多个基本为半球形结构，所述第二半径不同于所述第一半径，其中，所述第一和第二多个基本为半球形结构是密排的。
13.根据权利要求12所述的光学装置，其中，
所述光学薄膜还包括基底部分，所述基底部分的光学特性不同于包括所述二维阵列的第二表面的光学特性。
14.根据权利要求13所述的光学装置，其中，
所述基底部分包括下述薄膜中至少一个：偏振膜、扩散膜、增亮膜、转向薄膜或其组合。
15.根据权利要求12所述的光学装置，其中，
所述光学薄膜还包括基底部分，并且所述密排的基本为半球形结构的折射率小于所述基底部分的折射率。
16.根据权利要求12所述的光学装置，其中，
所述密排的基本为半球形结构的平均半径是至少大约5μm。
17.根据权利要求12所述的光学装置，还包括：
光分布元件，其与所述光源光学耦合，并且设置成向所述光学薄膜提供光。
18.根据权利要求17所述的光学装置，其中，
所述光分布元件是光导。
19.根据权利要求12所述的光学装置，还包括：
LCD面板，其设置成接收由所述光学薄膜透射的光。
20.一种光学装置，包括：
光源；以及
光学薄膜，其具有：
第一表面，其设置成接收来自所述光源的光；以及
第二表面，其背向所述光源，所述第二表面包括二维阵列，所述二维阵列包括具有基本上相同半径的多个密排的基本为半球形结构；
其中，所述光学薄膜还包括基底部分，所述基底部分的光学特性不同于包括所述二维阵列的第二表面的光学特性。
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