CN113196113A - 用于在水平平面中增强视图的具有转向膜和透镜状扩散片的光控膜 - Google Patents

用于在水平平面中增强视图的具有转向膜和透镜状扩散片的光控膜 Download PDF

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肯尼斯·A·爱泼斯坦
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Abstract

本发明提供了一种光学***，所述光学***包括转向膜和透镜状扩散片。所述透镜状扩散片包括结构化表面，所述结构化表面包括多个微观结构，所述多个微观结构各自包括透镜状棱镜，所述透镜状棱镜具有通过共混节段连接起来的直线端部节段，所述透镜状棱镜由基本平坦的接触区域分隔开，其中所述共混节段形状为椭圆形或第2阶、第4阶或第6阶多项式的区段。

Description

用于在水平平面中增强视图的具有转向膜和透镜状扩散片的 光控膜
技术领域
本发明涉及包括光控膜的光学***。此类光学***可用于例如汽车显示器中。
背景技术
光学***广泛用于手提电脑、手提式计算器、数字手表、汽车触摸屏显示器等。熟悉的液晶显示器(LCD)就是此类光学***的常见示例。在LCD显示器中，液晶的部分通过应用电场来使它们的光学状态改变。该工艺生成显示信息的像素所需的对比度。在一些示例中，LCD显示器可包括各种光控膜(LCF)的组合，以改变光学***的光特性，包括例如亮度或光输出分布。
发明内容
包括转向膜和透镜状扩散片的所述光学***可用于改善对LCD显示器输出分布的控制并增强显示器亮度。
简而言之，本发明提供了包括转向膜和透镜状扩散片的光学***。转向膜包括第一基本平滑的表面，其中第一基本平滑的表面限定垂直于第一基本平滑的表面延伸的显示轴线；以及第一结构化表面，该第一结构化表面包括多个第一微观结构，该多个第一微观结构限定多个基本平行的第一凹槽，其中转向膜输出在第一平面中基本准直的光。透镜状扩散片包括基本垂直于显示轴线的第二基本平滑的表面；以及第二结构化表面，该第二结构化表面包括多个第二微观结构，该多个第二微观结构限定多个基本平行的第二凹槽，该多个基本平行的第二凹槽沿着基本垂直于显示轴线的平面延伸。第二结构化表面包括多个第二微观结构，该多个第二微观结构各自包括透镜状棱镜，该透镜状棱镜具有通过共混节段连接起来的直线端部节段，该透镜状棱镜由基本平坦的接触表面分隔开，其中共混节段形状为椭圆形或第2阶、第4阶或第6阶多项式的区段。每个透镜状棱镜的横截面沿从第二基本平滑的表面至顶点的方向沿着基本平行于显示轴线的平面延伸。透镜状扩散片光学耦合到转向膜，并且其中透镜状扩散片使在第一平面中基本准直的光朝向基本垂直于第一平面的第二平面折射。多个基本平行的第一凹槽基本垂直于所述多个基本平行的第二凹槽。第一基本平滑的表面与第二结构化表面相邻。
附图说明
当结合附图阅读时，本发明的前述方面和其他方面在下列具体实施方式中更加明显。
图1为示例性光学***的概念性和示意性横向剖视图。
图2A为YZ平面内示例性光学***的概念性和示意性横向剖视图。
图2B为XZ平面内示例性光学***的概念性和示意性横向剖视图。
图3为示例性透镜状棱镜的概念性和示意性横向剖视图。
图4A为示例性光学显示器***的概念性和示意性横向剖视图。
图4B为示例性光学显示器***的概念性和示意性横向剖视图。
图5为锥光曲线图。
图6为亮度剖视图。
图7为亮度剖视图。
图8为分布器结构的几何轮廓。
图9为分布器结构的几何轮廓。
图10为亮度分布的曲线图。
图11为亮度分布的曲线图。
图12为亮度分布的曲线图。
图13为亮度分布的曲线图。
图14为亮度分布的曲线图。
图15为亮度分布的曲线图。
图16为亮度分布的曲线图。
图17为亮度分布的曲线图。
图18为亮度分布的曲线图。
图19为亮度分布的曲线图。
图20为亮度分布的曲线图。
应当理解，本公开的某些图的标的物未必按比例绘制，并且图呈现本文所公开的光控膜和光学***的非排它性示例。
具体实施方式
本公开描述了光控膜(LCF)和包括该光控膜的光学***。光学***，诸如：显示器组件，在同轴位置(即，显示法线的方向)可更亮，并且在离轴位置(例如，相对于显示法线，某个角度大于零的方向)更暗。在一些光学***应用中，可能要求控制水平光输出分布并减少垂直方向上的离轴照明，以在水平方向上为观看者提供在同轴位置和多个离轴位置为明亮的或几乎为明亮的显示器，同时在垂直方向提供较低的离轴光。例如，可能要求控制汽车显示器应用中的水平光输出分布，在所述汽车显示器应用中，仪表显示器可能位于司机前方(例如，相对于司机为同轴，相对于前座乘客为离轴)，或控制台显示器位于司机和前座乘客中间(例如，相对于司机和前座乘客为离轴)，以为司机和前座乘客提供为明亮的或几乎为明亮的显示器，并减少垂直方向的离轴光。
在一些光学***应用中，LCF可用于控制光输出分布。所述LCF和光学***可包括转向膜(例如，类似棱镜的转向结构)和透镜状扩散片(例如，弯曲的漫射结构)，以调节光输出分布并增强亮度特性。例如，所述LCF可在水平方向传播输出分布，以增强在同轴位置和离轴位置上的显示器亮度特性。与没有转向膜和透镜状扩散片的LCF相比，具有转向膜和透镜状扩散片的本发明所公开的LCF可改善对显示器输出分布的控制并增强水平方向上的显示器亮度，同时减少垂直方向上的离轴光。因此，本发明提供了示例性LCF和具有水平输出分布的光学***，所述水平输出分布在水平方向上增强显示器亮度，并且相对于显示器表面在垂直方向上减少离轴光。
本文所述的转向膜和透镜状扩散片各自可包括多个微观结构(例如，棱镜)。在一些示例中，转向膜的多个微观结构可至少有两个面被配置为准直、折射和/或反射光。在一些示例中，透镜状扩散片的多个微观结构可包括被配置为反射和/或折射光的多面棱镜。例如，图1为示例性光学***10的概念性和示意性横向剖视图。在图1的示例中，光学***10可包括背光光导12、转向膜14、基片30、透镜状扩散片34和液晶显示器(LCD)50。在一些示例中，光学***10的LCF可包括转向膜14和透镜状扩散片34。
为了进行图解说明，图1示出了转向膜14的微观结构，以及透镜状扩散片34的微观结构。然而，在实施过程中，光学***10的剖视图通常仅示出转向膜14的微观结构或仅示出透镜状扩散片34的微观结构，因为转向膜14中的凹槽通常基本垂直于透镜状扩散片34中的凹槽。在一些示例中，透镜状扩散片34可被配置为接收来自转向膜14的在第一平面中准直的光(例如，光线56)，并且优先地使准直的光朝向与第一平面正交的第二平面反射和/或折射(例如，光线58)。例如，透镜状扩散片34可接收来自转向膜型光导、或楔形或伪楔形光导等的准直光输出。在一些示例中，透镜状扩散片34可被配置为在与显示器表面呈水平的平面内，从转向膜14扩散准直的光。例如，所述的LCF包括转向膜14和透镜状扩散片34，LCF可具有通过折射和/或反射光操作的特征。
在一些示例中，透镜状扩散片34可限定基本平滑的表面38(例如，非结构化的)和结构化表面40。在一些示例中，结构化表面40可包括多个微观结构44，该多个微观结构各自具有多面的面48和打圆的尖端46。在一些示例中，微观结构44可限定具有基本平坦的接触区域33的凹槽42。在一些示例中，微观结构44可光学耦合至转向膜14(即透镜状扩散片34和转向膜14之间没有空气或其他明显间隙，这些空气或间隙可能允许相邻层的表面存在显著反射)。
在一些示例中，基本平滑的表面38可限定基本垂直于基本平滑的表面38延伸的显示轴线52。在一些示例中，基本平滑的表面38无需是完全平滑的，并且如果表面不包括微观结构(例如，非结构化表面)，则可限定为基本平滑的表面。例如，在基本平滑的表面38的表面上可包括或掺入防浸润或防炫光珠状涂层，此类表面仍然可被认为是基本平滑的。换句话讲，术语“平滑的”不用于指示表面是不粗糙的或完全平面的，而是用于指示表面是非结构化的。
在一些示例中，结构化表面40可包括棱镜状微观结构44。在其他示例中，结构化表面40可包括多于一个微观结构44，例如，曲面或直面微观结构、弓形微观结构、角微观结构和/或多面微观结构。在一些示例中，微观结构44中的每个微观结构可为直线微观结构，即，微观结构44可沿着垂直于显示轴线52的平面延伸，并具有基本相同(例如，相同或几乎相同)的横截面形状(例如，如图1的剖视图所示，并且沿着页面内/外的平面延伸)。在其他示例中，微观结构44可为沿着平行于页面的平面延伸的直线微观结构(图1中未示出)。
在一些示例中，微观结构44中的每个微观结构可为具有多面的面48和打圆的尖端46的棱镜。在一些示例中，微观结构44可在棱镜之间具有平坦的接触区域33。在一些示例中，多面的面48可被配置为优先使水平方向上的光折射和/或反射，例如，朝向基本垂直于显示轴线的平面。例如，如图3所示，透镜状微观结构440具有多面的面480，该多面的面具有通过多项式共混节段483连接起来的直线底部节段481和直线尖端节段482。在一些示例中，多面的面480可被成形为具有控制参数以覆盖具有输出光分布所需宽度和均匀度的空间。在一些示例中，每个微观结构的横截面可基本平行于显示轴线从基本平滑的表面延伸至顶点。
透镜状扩散片34可具有任何合适的厚度并且可由任何合适的材料制成。在一些示例中，透镜状扩散片34的微观结构44可由聚合物材料，诸如聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)以及它们的共聚物和共混物形成。其他适当的材料包括丙烯酸类、聚苯乙烯、甲基苯乙烯、丙烯酸酯、聚丙烯、聚氯乙烯等。在一些示例中，透镜状扩散片34可为光学透明的或具有低雾度和高清晰度以避免不期望地散射入射光。在一些示例中，形成透镜状扩散片34的微观结构44的材料可具有足够高的折射率，诸如，约1.45至约1.75，以有利于在足够宽的角度范围内反射和/或折射。在一些示例中，为了达到所需的高折射率，特别合适的材料为含有锆颗粒的可紫外光固化复合材料，如美国专利7,833,662中所述。在一些示例中，可选择透镜状扩散片34的材料、尺寸或两者以便制备柔性膜。
微观结构44可为任何适当的尺寸。微观结构45的节距可从两个连续凹槽44的平坦的接触区域33的端点进行测量。平滑的表面38上的微观结构44的总体布置在相邻微观结构之间可具有任何合适的节距。在一些示例中，微观结构44可采用毫米或微米尺度，例如，微观结构44的节距可介于约10微米和200微米之间或约14微米到约80微米之间。对于透镜状扩散片34的结构化表面40的全部或部分，微观结构44的节距或尺寸可增大、减小、都增大和减小或保持不变。在一些示例中，微观结构44可全部基本相同(例如，相同或几乎相同)或可包括不同形状或尺寸的微观结构的组合。
微观结构44，并且更具体地，结构化表面40可通过任何合适的工艺，诸如微复制工艺形成。例如，平滑的表面38可通过切割(飞刀切割、螺纹切割、金刚石车削等等)、或抵靠合适的工压制柔顺但可固化或可硬化材料而形成，其中表面限定所需结构的负像表面。例如，微观结构44可形成为具有如图3所示的“直线-共混-直线”部分。图3示出了微观结构440，其具有直线端部节段481a/481b、共混节段483、节距(P)、底长(B)、共混节段长度(b)、底角(θ1和θ2)、平坦的接触区域的宽度(w)、填充率(B/P)、共混率(b/B)、高宽比(h/B)。共混节段483横跨直线底部节段481a和481b之间的区域。共混节段483具有椭圆形或第2阶、第4阶或第6阶多项式的区段的形状。
微观结构44或440可用棱镜设计工具形成，该棱镜设计工具可包括例如以下参数：共混节段的椭圆形节段的椭圆度、底角、填充率、共混率和Δn。Δn为微观结构的透镜形表面处的折射率差值。
在一些示例中，可改变棱镜设计工具参数，以便为结构化表面40提供所需的光输出分布，例如适合宽度和平滑的输出光分布。在一些示例中，微观结构形成工艺可利用多参数搜索和优化矩阵自动操作，例如，确定全宽、半峰或半宽、半峰，并改变亮度对极性视角的二阶导数，以实现所需的光输出分布。也可以采用形成透镜状扩散片34的其他工艺，包括例如使用光刻法，诸如结合浇铸和固化工艺的工具的双光子原模制作或甚至直接机加工或增材三维打印工艺，用经过电镀的、激光切割或蚀刻的工具进行浇铸和固化。随后可硬化或固化材料(例如，通过暴露于光诸如紫外线)，从而使结构化表面40具有所需微观结构44。
在一些示例中，结构化表面40可限定多个基本平行的凹槽42。在一些示例中，凹槽42中的每个凹槽可为直线凹槽，即凹槽42可沿基本垂直于显示轴线52的平面延伸，并具有基本相同(例如，相同或几乎相同)的横截面形状(例如，如图1的剖视图中所示，并且沿页面内/外的平面延伸)。在其他示例中，凹槽4可为沿平行于页面的平面延伸的直线凹槽(图1中未示出)。在一些示例中，凹槽42可具有任何合适的厚度。
在一些示例中，凹槽42可完全填充有材料，使得透镜状扩散片34可包括基本平滑的表面36。在一些示例中，凹槽42可部分地填充有材料，使得凹槽42中的材料与结构化表面40的至少一部分相邻。在一些示例中，凹槽42中的材料可为任何合适的材料。例如，凹槽42中的材料可为低折射率材料、空气、光学粘合剂，硅树脂、氟化聚合物和共聚物、夹带超低折射率材料的纳米孔隙空气等等。在其他示例中，凹槽42中的材料可包括多于一种材料，例如，空气和光学粘合剂等。
在一些示例中，凹槽42中的材料折射率可小于微观结构44的材料的折射率。在一些示例中，填充凹槽42的材料可具有足够低的折射率，诸如介于约1.3和约1.55之间的折射率，以有利于在足够宽的角度范围内的全内反射。在一些示例中，形成微观结构44的材料折射率与填充凹槽42的材料折射率之间的差值可介于0.05和0.6之间，或介于约0.1和0.3之间，或介于约0.15和0.25之间。
光学***10的水平输出分布可被描述为亮度随视角变化。亮度随视角变化可被描述为具有半峰半宽(HWHM)，即，同轴位置的任意一个侧面的视角位置，在该位置的亮度为最大亮度的一半(例如，在同轴位置的亮度)。在一些示例中，透镜状扩散片34可被配置为从小于约±30度HWHM的输入光束提供大于约±40度的HWHM。例如，可选择微观结构44的形状、尺寸和节距以从小于约±30度HWHM的输入光束提供大于约±40度的HWHM。在其他示例中，透镜状扩散片34可被配置为从小于约±20度HWHM的输入光束提供大于约±50度的HWHM。例如，可选择微观结构44的形状、尺寸和节距以从小于约±20度HWHM的输入光束提供大于约±50度的HWHM。
亮度随视角变化可被描述为在80％峰值具有半宽(HW80)，即，同轴位置的任意一个侧面的视角位置，在该位置的亮度为最大亮度的80％(例如，在同轴位置的亮度)。在一些示例中，透镜状扩散片34可被配置为从小于约±30度HWHM的输入光束提供大于约±35度的HW80。例如，可选择微观结构44的形状、尺寸和节距以从小于约±30度HWHM的输入光束提供大于约±35度的HW80。在其他示例中，透镜状扩散片34可被配置为从小于约±20度HWHM的输入光束提供大于约±40度的HW80。例如，可选择微观结构44的形状、尺寸和节距以从小于约±20度HWHM的输入光束提供大于约±40度的HW80。
在一些示例中，转向膜14可包括基本平表面16(例如非结构化表面)和结构化表面18。在一些示例中，基本平滑的表面18可限定基本垂直于基本平滑的表面16延伸的显示轴线52。在一些示例中，结构化表面18可包括多个微观结构19，每个微观结构具有在顶点26处相交的第一侧面24和第二侧面28。在其他示例中，结构化表面18可包括多于两个表面，例如，多面微观结构。在一些示例中，结构化表面18的微观结构19可限定凹槽22。在一些示例中，凹槽22可为基本平行的。在一些示例中，转向膜14可光学耦合到背光光导12。在一些示例中，转向膜14可输出在第一平面中基本准直的光。
在一些示例中，转向膜14可被配置为从背光光导12(例如：光线54)接收基本准直的光并输出在第一平面中基本准直的光(例如，光线56)。例如，转向膜14可接收来自转向膜型光导，或楔形或伪楔形光导等的基本准直光输出。
在一些示例中，基本平滑的表面16无需在所有实施方案中是完全平滑的，并且只要表面不包括微观结构(例如，非结构化表面)，则可限定为基本平滑的表面。例如，在基本平滑的表面16的表面上可包括或掺入防浸润或防炫光珠状涂层，此类表面仍然可被认为是基本平滑的。换句话讲，术语“平滑的”不用于指示表面是不粗糙的或完全平面的，而是用于指示表面是非结构化的。
在一些示例中，结构化表面18可包括棱镜微观结构19。在其他示例中，结构化表面18可包括多于一个微观结构19，例如，角微观结构、多面微观结构等等。在一些示例中，微观结构19中的每一个微观结构可为直线微观结构，即，微观结构19可沿着垂直于显示轴线52的平面延伸，并具有基本相同(例如，相同或几乎相同)的横截面形状(例如，如图1的剖视图所示，并且沿页面内/外的轴线延伸)。在其他示例中，微观结构44可为在平行于页面的平面内延伸的直线微观结构(图1中未示出)。
在一些示例中，微观结构19中的每个可具有第一侧面24和第二侧面28。在一些示例中，第一侧面24和第二侧面28可为相似的。例如，第一侧面24和第二侧面28中的每个可具有单个直面、曲面等。在其他示例中，第一侧面24和第二侧面28可为不相似的。例如，第一侧面24和第二侧面28中的每个可具有不同数量的小平面，或可为多面的等等。在其他示例中，第一侧面24或第二侧面28可为弯曲的或弓形的，以从基本准直的输入分布形成合适的光输出分布。在这个意义上，第一侧面24可优先在第一方向反射光，第二侧面28可优先在第二方向反射光。结构化表面18上的微观结构19的总体布置可具有任何合适的节距并且在相邻微观结构之间可具有或可不具有接触区域(平坦区域(未示出))。在一些示例中，微观结构18可彼此直接相邻，使得微观结构在相邻微观结构上产生阴影效果。
微观结构19可为任何适当的尺寸。在一些示例中，微观结构19可采用毫米或微米尺度，例如，微观结构19的节距在约10和约200微米左右之间，或在约10和约100微米左右之间。对于转向膜14的结构化表面18的所有或部分，不对称微观结构19的节距或尺寸可增大、减小、都增大和减小或保持不变。在一些示例中，微观结构19可全部基本相同(例如，相同或几乎相同)或可包括不同形状或尺寸的微观结构的组合。
转向膜14可为任何合适的厚度并且可由任何合适的材料制成。在一些示例中，转向膜14的微观结构19可由聚合物材料形成，诸如聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)以及它们的共聚物和共混物。其他适当的材料包括丙烯酸类、聚苯乙烯、甲基苯乙烯、丙烯酸酯、聚丙烯、聚氯乙烯等。在一些示例中，转向膜14可为光学透明的或具有低雾度和高清晰度以避免不期望地散射的入射光。在一些示例中，形成转向膜14的微观结构19的材料可具有足够高的折射率，例如，约1.5至约1.75，以有利于在足够宽的角度范围内的全内反射。在一些示例中，可选择转向膜14的材料、尺寸或两者以便制备柔性膜。在一些示例中，用于转向膜14的微观结构的可用材料为美国专利9,360,592中所述的那些。
微观结构19，并且更具体地，结构化表面18可通过任何合适的工艺，诸如微复制工艺形成。例如，结构化表面18可以通过切割(飞刀切割、螺纹切割、金刚石车削等等)，或抵靠合适的工具压制柔顺但可固化或可硬化材料而形成，其中表面限定所需结构的负像表面。随后可硬化或固化材料(例如，通过暴露于光诸如紫外线)，从而使结构化表面18具有所需微观结构19。形成转向膜14的其他工艺也可以采用，包括使用光刻法，诸如结合浇铸和固化工艺的工具的双光子原模制作或甚至直接机加工或附加三维打印工艺，用经过电镀的、激光切割或蚀刻的工具进行浇铸和固化。
在一些示例中，背光光导12可包括任意适合光源中的一个或多个光源，或光源的组合(未示出)。在一些示例中，光源可包括一个或多个发光二极管(LED)。在一些示例中，光源可分别包括单一光源或可包括多个光源(例如，一组或一系列光源)。在一些示例中，光源可包括冷阴极荧光管(CCFL)或白炽光源。可选择光源和任一对应的注入、准直或其他光学器件以提供任一合适的波长或波长、偏振、点扩散分布和准直度的组合。
在一些示例中，背光光导12可被配置为输出基本准直的光，例如，基本准直的光输出可包括具有小于约40度的半高全宽(FWHM)的光输出。例如，背光光导12可包括转向膜光导，该转向膜光导包括楔形光导，以通过全内反射的渐进式折返来提取光，使得光可以高角度在向下引导方向上沿显示轴线52从背光光导12输出。又如，背光光导12可包括伪楔形件，该伪楔形件包括具有浅斜面提取器形状的平面光导，以弱视全内反射，使得提取的光可以高角度从在向下引导方向上基本平行于显示轴线52的背光光导12准直。在此类示例中，此类提取器的密度和面积比(即，提取器的表面积与背光光导的总面积的比例)被布置成均匀发光，并且基本从背光光导14沿其长度提取光。另外，在此类示例中，背光光导12可在沿光传播方向的一个侧面上包括透镜和/或棱镜凹槽或结构，以散射传播光，破坏源图像伪影，或者在交叉波导方向上基本准直光(即，光可在向下引导方向和交叉波导方向上基本准直)。
在一些示例中，基片30可设置在转向膜14和透镜状扩散片34之间。在一些示例中，光学***10可不包括基片30，例如，转向膜14可直接邻近并光学耦合到透镜状扩散片34。在一些示例中，基片30可为光学粘合剂、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯等。在一些示例中，转向膜14和透镜状扩散片34可设置在并光学耦合到基片30的相对的侧面上。在其他示例中，转向膜14和透镜状扩散片34可设置在并光学耦合到两个单独的基片上，其中两个基片层压在一起或以其他方式光学耦合。
在一些示例中，液晶显示器(LCD)50可邻近透镜状扩散片34设置。在一些示例中，LCD 50可邻近透镜状扩散片34设置并与其光学耦合。在一些示例中，其他层(未示出)可设置在LCD 50和透镜状扩散片34之间，每个层光学耦合到每个相邻层。其他层可包括例如光学粘合剂、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯等。
在一些示例中，光学***10、11可安装在交通工具中。例如，交通工具显示器***可包括背光光导12、转向膜14、透镜状扩散片34和LCD50。在其他示例中，交通工具显示器***可包括转向膜14和透镜状扩散片34。
图2A和图2B为YZ平面(图2A)和XZ平面(图2B)内示例性光学***20的概念性和示意性横向剖视图。图2A和图2B的光学***20可与图1的光学***10基本相同，并且包括与图1相关的上述元件的描述。在图2A和图2B的示例中，光学***20可包括背光光导12、转向膜14、基片30、透镜状扩散片34和液晶显示器(LCD)50。
如图2A和图2B所示，光学***20可设置在XY平面中，其中X轴表示相对于光学***20表面的水平轴线，Y轴表示相对于光学***20表面的垂直轴线，并且Z轴表示显示法线。如图2A中所示，转向膜14的凹槽22可基本垂直于YZ平面设置(即，基本平行于X轴)。如图2B中所示，透镜状扩散片34的凹槽42可基本垂直于XZ平面设置(即，基本平行于Y轴)。在一些示例中，转向膜14的凹槽22可基本垂直于透镜状扩散片34的凹槽42。
在一些示例中，转向膜14可输出在YZ平面内准直的光。在一些示例中，透镜状扩散片34远离Z轴线，使来自转向膜14的准直光朝向X轴线平面反射或折射。在一些示例中，透镜状扩散片34的凹槽42相对于转向膜14的凹槽22的位置可在相对于显示器表面的水平方向上扩散光。
根据本发明提供的示例性LCF以及包括LCF的光学***将通过以下非限制性实施例示出。
实施例
以下实施例进一步说明了本发明的目的和优点，但这些实施例中列举的具体材料及其量以及其他条件和细节不应被解释为是对本发明的不当限制。
一般来讲，以下实施例中所示的混合透镜具有高高宽比、多面形状，其被设计成产生具有可视输出的显示器***，该可视输出同时满足(1)宽视角、(2)在整个可视范围内的平坦显示强度以及(3)在视角范围的任一个侧面上的锐截止。对于显示器***的其他元件，利用基线假设来计算来自不同透镜状结构的示例性输出，以便限定最适于产生宽、平坦且边界清楚的可视范围的分布器结构。这些结构因具有特征性形状，故通常被称为“顶帽”轮廓。
模型假设
用于本研究的非顺序光学光线跟踪包在功能上等同于可购自加利福尼亚州帕萨迪纳市的LightTools公司(LightTools,Pasadena,CA)的商业包，该商业包使用如本行业中常见的反向光线跟踪和蒙特卡罗***的标准方法。本发明的具体光学***在图4A中示出。其为转向膜***，其中转向膜具有朝向光导组件的棱镜238和位于第二基片271上并且面向第一基片239的一组正交折射分布器特征240。尚未发现转向膜的确切性质对分布器的性能特别重要，但对于这些实施例，模型使用具有65.0度的输入面角、66.15的底角、50.19的尖端角、0.1525的底部分率、0.03422的尖端分率和1.419的曲率因数的转向棱镜。假设转向棱镜在550nm波长下具有1.565的实际折射率和9.104E-7的虚部。假设第一基片239具有1.61的折射率、每毫米0.0191的吸收系数和127微米的厚度。
分布器特征直接形成于折射率为1.61、吸收系数为0.0191 1/mm且厚度为50.8微米的第二基片271(示于图4B中)上。具有分布器特征的第二基片可经由直接施加于分布器元件的结构化侧面的粘合剂直接附接到第一基片。对于其中模型假定粘合剂填充该结构的情况，假定粘合剂具有1.486的光学折射率和25.4微米的厚度加上分布器元件的深度。在这些情况下，分布器元件的深度在40微米至60微米的范围内(适用于44.4微米节距分布器)。
作为另选的情况，分布器结构可被建模为填充有不同折射率的材料以及(例如)附接到该填充层的粘合剂。在这种情况下，填充材料(粘合剂或另一种填充材料)形成分布器的低折射率部分。假设分布器特征240具有比填充材料更高的折射率，例如1.681的折射率，并且在实施例中的一些实施例中使用每毫米0.0104的吸收系数。第二基片的另一个侧面用折射率为1.486且厚度为25.4微米的粘合剂241粘结到显示器的后偏振器。
在粘合剂填充和另选填充的两种情况中，假定粘合剂或另选的填充材料完全填充分布器特征。
显示模块242的简化模型如下所述。假设后偏振器在透光状态时的透射率为0.95，且在遮光状态时的透射率为0.001，并且内部模块的背反射为0.001，材料指数为1.5，并且从现有空气边界9度的表面偏差产生散射。该9度偏差的实际斜率分布可类似于局部球面表面偏差的斜率分布。显示模块242仅是示例性的，并且可被省略或可具有其他值。
关于图4A，***性能可取决于来自光导组件234的输出分布，并且这可根据该组件的各种部件的设计而变化。在实施过程中，竖直角输出(以及因此转向膜设计目标)可随来源分布而显著变化，而水平角属性(以及因此分布器设计)通常不太敏感。此类光导组件例如可由多种部件构成，包括一个或多个源237、具有输出耦合装置235的合适光导以及后反射器236。出于本讨论的目的，我们考虑光导组件234的输出分布201。输出分布201示于图5中。该输出分布的向下引导横截面示于图6中。交叉波导横截面示于图7中。此处的建模假设光导组件具有选定的分布和0.965镜面反射率和0.02朗伯反射率的反射光学特性(往回看组件)。这些值和分布仅用于示例目的，并且以下设计方法可与其他反射率值和其他光分布一起使用。
具体地讲，分布201来源于使用RiGO光电测角计***(德国Technoteam公司)对物理样品(得自实际Dell XPS膝上型电脑)的测量。RiGO***用于测量空间亮度数据和角度亮度数据两者，该空间亮度数据和角度亮度数据随后被转换成合适的光源以用于分布器结构的建模实施例比较。
建模结果
为所述实施例中的每一个实施例提供建模输出，其具有共同的***假设以便绘制比较曲线图。在图5中的锥光曲线图中使用的坐标系具有朝向90度方位角的向下引导方向，并且源边缘(例如LED边缘)朝向270度方位角。对于亮度横截面曲线图(例如，图6)，向下引导方向为正，并且源边缘为负。当在实际交通工具显示***中使用时，舱坐标系通常具有+向上和-向下，并且可以匹配或可以不匹配亮度横截面曲线图中所示的方向。事实上，对于转向膜产生的顶帽分布，这些顶帽分布通常在分布的负侧面上具有更锐利的截止，这意味着向下引导亮度分布中的负方向优选地朝向舱坐标中的正方向(即，向上)。对于水平横截面曲线图，如果向下引导被认为是向上的，则+方向通常在显示器的右侧面。事实上，以下水平横截面曲线图中的大多数曲线图是相当对称的，因此方向不那么重要。对于比较而言，曲线图例如通常包括参考曲线，该参考曲线具有+/-40度角度可视宽度的平坦顶部和30度宽的过渡区。本文的这些实施例中所述的用于扩展功能的嵌入式折射结构可在高达40度宽度的设计可视宽度下很好地起作用。
可制造分布器结构的另一种约束涉及结构的高宽比和结构所需的最大角度。如果高宽比和/或角度过高，则模具和膜两者将难以制造。此处讨论的结构是简单的、相对低高宽比(在0.8:1至1.5:1的范围内)的透镜状元件，其具有两个直线部分和在这些部分之间的合适的共混区域。已表明，对于在+/-30度-45度范围内的一些照明角度目标，可以选择参数来获得具有平坦顶部连同适当锐截止斜率的水平光分布。结果还显示，这些结构具有比先前已知的分布器结构更低的高宽比和更低的最大斜率两者。
一般折射透镜状分布器
这些例示性分布器结构的形状由椭圆形共混节段的任一个边缘上的直线区段构成，该椭圆形共混节段具有高于1.5的椭圆度；通常将椭圆函数的截面选择成匹配结构底部处的所需角度。当涵盖到整体***模型中时，透镜状表面被取向成凸面形状面向光导并且高折射率侧面离光导最远。
每个实施例的设计参数示于下表中。
实施例和比较例
实施例 底角(度) 共混椭圆度 填充率 共混率 高宽比 结构索引 填充指数
CE1 70 1 100％ 100％ 0.35 1.715 1.484
CE2 70 2 100％ 100％ 0.51 1.715 1.484
CE3 70 4 100％ 100％ 0.62 1.715 1.484
CE4 80 2 100％ 100％ 0.71 1.715 1.484
CE5 80 3 90％ 100％ 0.90 1.715 1.484
实施例1 80 2.5 100％ 100％ 0.82 1.715 1.484
实施例2 80 3 100％ 100％ 0.90 1.715 1.484
实施例3 80 3 90％ 90％ 1.10 1.715 1.484
实施例4 84 3 90％ 93％ 1.30 1.681 1.486
表1：实施例和比较例结构的概述
比较例CE1至CE5全部被建模为在折射结构的底部处不具有直线区段(即，共混率为100％)。这些比较例的折射结构假定结构化的第一层具有1.7151的折射率并且填充有折射率为1.4837的材料，这些材料类型代表可用材料。
实施例1被设计成具有80度的最大底角、2.5的共混椭圆度、100％填充因数(即，没有居间的平坦部分)、100％共混率(即，没有直线底部部分)，导致折射结构高宽比为0.82。实施例1还假定第一结构化层具有1.7151的折射率并且填充有折射率为1.4837的材料。
实施例2被设计成具有80度的最大底角、3.0的共混椭圆度、100％填充因数(即，没有居间的平坦部分)、100％共混率(即，没有直线底部部分)，导致折射结构高宽比为0.90。实施例2还假定第一结构化层具有1.7151的折射率并且填充有折射率为1.4837的材料。
实施例3被设计成具有80度的最大底角、3.0的共混椭圆度、90％填充因数(即，10％的居间平坦部分)、90％共混率(即，10％结构化部分为直线底部部分)，导致折射结构高宽比为1.10。实施例3还假定第一结构化层具有1的折射率并且填充有折射率为1.4837的材料。实施例3的设计轮廓示于图8中。
实施例4被设计成具有84度的最大底角、3.0的共混椭圆度、90％填充因数(即，10％的居间平坦部分)、93％共混率(即，7％结构化部分为直线底部部分)，导致折射结构高宽比为1.30。实施例4还假定第一结构化层具有1.681的折射率并且填充有折射率为1.486的材料。实施例4的设计轮廓示于图9中。
模型输出结果
比较例和实施例的模型化输出显示提供所需平坦顶部输出同时保持具有可制造高宽比和最大斜率的结构的设计进展到功能范围。比较例CE1表明CE1的简单圆形透镜(椭圆度1.0)效果不太好，因为其在所观察的亮度与视角关系曲线中不提供平坦顶部(参见图10)。最大角/底角为70的其他比较例显示，虽然可以使用大于2.0的椭圆度获得相当平坦的顶部，但边缘仍然太过缓慢地滚降(参见图11和图12)。通过将底角增加到80度，结果提供更宽的角度可视范围，而滚降更加缓慢(参见图13和图14)。
实施例1至4的输出曲线图分别在图15至图19中示出，并且示出最佳的顶帽形状。实施例1和实施例2显示，具有100％填充因数的模型结构(即，所有结构并且没有居间的平坦区域)提供良好的计算性能，然而，这些结构往往难以制造。针对<0.95填充率的主要驱动器是为了提供可制造的结构。实施例3和实施例4示出了在结构的底部上添加直线部分如何以更宽的视角给出优选的更尖锐边缘。
分别对比图19和图20示出了改变直线部分角度和不同折射率材料的效果。图19示出了针对折射率等于1.715的结构材料针对80度至88度的角度范围计算的亮度曲线。图20示出了针对折射率等于1.681的结构材料针对80度至88度的角度范围计算的亮度曲线。较高的材料折射率允许结构和填充材料之间的折射率差值(Δn)较高，并因此显示出较宽的顶帽宽度。
本文所引述的专利公开的全部公开内容以引用方式全文并入本文，如同每种专利公开单独并入本文。在不脱离本发明的范围和实质的前提下，本发明的各种变型和更改对本领域的技术人员而言将显而易见。应当理解，本发明并非意图不当地限制于本文所示出的示例性实施方案和实施例，并且上述实施例和实施方案仅以举例的方式提出，而且本发明的范围旨在仅受下面本文所示出的权利要求书的限制。

Claims (19)

1.一种光学***，所述光学***包括：
(a)转向膜，所述转向膜包括：
第一基本平滑的表面，其中所述第一基本平滑的表面限定垂直于所述第一基本平滑的表面延伸的显示轴线；和
第一结构化表面，所述第一结构化表面包括多个第一微观结构，所述多个第一微观结构限定多个基本平行的第一凹槽，
其中所述转向膜输出在第一平面中基本准直的光；和
(b)透镜状扩散片，所述透镜状扩散片包括：
第二基本平滑的表面，所述第二基本平滑的表面基本垂直于所述显示轴线；和
第二结构化表面，所述第二结构化表面包括多个第二微观结构，所述多个第二微观结构限定多个基本平行的第二凹槽，所述多个基本平行的第二凹槽沿着基本垂直于所述显示轴线的平面延伸，
其中所述第二结构化表面包括多个第二微观结构，所述多个第二微观结构各自包括透镜状棱镜，所述透镜状棱镜具有通过共混节段连接起来的直线端部节段，所述透镜状棱镜由基本平坦的接触区域分隔开，其中所述共混节段形状为椭圆形或第2阶、第4阶或第6阶多项式的区段；
其中每个透镜状棱镜的横截面沿从所述第二基本平滑的表面至顶点的方向沿着基本平行于所述显示轴线的平面延伸，
其中所述透镜状扩散片光学耦合到所述转向膜，并且其中所述透镜状扩散片使在所述第一平面中基本准直的光朝向基本垂直于所述第一平面的第二平面折射，
其中所述多个基本平行的第一凹槽基本垂直于所述多个基本平行的第二凹槽，并且
其中所述第一基本平滑的表面与所述第二结构化表面相邻。
2.根据权利要求1所述的光学***，其中所述透镜状扩散片包括具有第一折射率的第一材料和具有第二折射率的第二材料，其中所述第一材料形成所述多个透镜状棱镜，并且所述第二材料与所述第一材料相邻，并且其中所述第一折射率大于所述第二折射率。
3.根据权利要求2所述的光学***，其中所述第一折射率和所述第二折射率之间的差值为至少约0.15。
4.根据权利要求3所述的光学***，其中所述第一折射率和所述第二折射率之间的差值为约0.2至约0.25。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光学***，其中所述透镜状棱镜具有约60度至约90度的直线节段底角。
6.根据权利要求5所述的光学***，其中所述透镜状棱镜具有约70度至约85度的直线节段底角。
7.根据权利要求6所述的光学***，其中所述透镜状棱镜具有约75度至约85度的直线节段底角。
8.根据前述权利要求中任一项所述的光学***，其中所述透镜状棱镜具有约0.75至约1.5的高宽比。
9.根据前述权利要求中任一项所述的光学***，其中所述第二结构化表面具有约0.8至约1.0的填充率。
10.根据权利要求9所述的光学***，其中所述第二结构化表面具有约0.85至约0.95的填充率。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光学***，其中所述共混节段形状为椭圆形的区段。
12.根据权利要求11所述的光学***，其中所述共混节段形状为椭圆度为约1.5至约4.0的椭圆形的区段。
13.根据权利要求12所述的光学***，其中所述共混节段形状为椭圆度为约1.8至约3.5的椭圆形的区段。
14.根据权利要求12或13所述的光学***，其中所述透镜状棱镜具有大于约0.8的共混率。
15.根据权利要求14所述的光学***，其中所述透镜状棱镜具有约0.85至约0.95的共混率。
16.根据前述权利要求中任一项所述的光学***，其中所述多个第一微观结构包括多个两侧直面棱镜。
17.根据前述权利要求中任一项所述的光学***，所述光学***还包括邻近所述转向膜的背光光导，其中所述背光光导输出基本准直的光。
18.一种液晶显示器***，所述液晶显示器***包括：
(a)液晶显示器，
(b)背光光导，和
(c)光控膜，所述光控膜设置在所述背光光导和所述液晶显示器之间，所述光控膜包括根据权利要求1至16中任一项所述的光学***。
19.一种光学***，所述光学***安装在交通工具中，所述光学***包括：
(a)交通工具，和
(b)安装在所述交通工具中的根据权利要求18所述的液晶显示器***。
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