專利名稱：含微復制結構的光學膜及其制造方法
該案是申請日為2002年7月25日、申請?zhí)枮?2815246.8、發(fā)明名稱為“含微復制結構的光學膜及其制造方法”的母案的分案申請。
本發(fā)明涉及光學膜及其制造方法。具體地說，本發(fā)明涉及含微復制結構層的光學膜。
背景技術：
反射成象裝置，又名特殊光調制器，通過局部改變光的反射產生可視圖象.這種類型一個有用裝置是液晶顯示屏或者LCD，在LCD中進入顯示屏的光通過夾在兩個偏振器之間液晶材料電子編址的象素，以成象的方式發(fā)生透射、反射或者阻擋，于是在顯示屏形成了可視圖象。
通常照射LCD的光進入LCD的一個主表面，也稱為背面，而從另一主表面，即而對觀察者的前面離開。也可能通過合適的反射器對LCD從前面也就是觀察面給予照明，通過通常稱為背面反射器的反射器所反射的周圍的光線，而產生發(fā)光的圖象。以這種方式照明的LCD通常叫做反射LCD或RLCD。
使用了反射式和漫射式的背面反射器，但是它們都有不足之處。反射式背面反射器會產生金屬質的圖象外貌，會反射位于觀察者背后或者上面的物體的圖象，會提供不可接受的有限視角，而該視角會隨著具體環(huán)境光線情況的變化而變化。此外，反射式反射器以這樣的方式反射入射光，以致觀察者的頭可能擋住最佳視線的入射光。另一方面，漫射式反射器的缺點在于光的利用率不高，觀察者不太可能處在漫射光到達的位置，這樣就減少了更為有利的可視位置。這些缺點在美國專利4,298,249號中獲得了消除，在這個專利中提供了具有傾斜式反射表面帶的背面反射器，還提供了一些漫射表面結構，這樣使得入射光的反射角能讓觀察者從更合適的位置上看到顯示屏。類似地，美國專利6,204,903號揭示了具有許多結構形體的反射和部分反射表面，能將反射光投向一些特定方向。為了適應各種各樣的照明條件，美國專利5,128,787號揭示了一種有不同角度結構的反射器，可以將光從許多光源反射到合乎需要的一些位置。這些揭示的結構由于使得圖象能在從顯示屏的不同表面和分界面接收到不需要的反射光的區(qū)域之外的位置被看到，所以也具有減弱眩光效應的好處。
發(fā)明概述本發(fā)明提供能反射預定角度的入射光，并產生反射光的特定方向分布的微結構反射表面，所述微結構表面具有一定總體外形，其表面上有一些小的傾斜的反射微結構。所述傾斜的微結構具有在高度上的縱向變化，它由一預定的周期性高度變化來定義。高度可按一固定周期、可變但可定的周期、隨機周期或者上述各周期的組合變化。
根據(jù)本發(fā)明，產生微結構表面的合適模具可用金剛石在硬銅等合適的金屬制成的圓柱形的坯料上切削成合適的式樣，再用所述圓柱體作為注塑模具在背襯膜上涂敷形成可固化液相組合物的微結構層來制造。切削深度作用可通過結合在金剛石刀具支架上的壓電裝置施加于金剛石切削過程。這種類型的刀具支架通常稱為快速刀具伺服器，即FTS，通常也稱為快速伺服刀具。用來驅動FTS的信號可能包括單頻或多頻波、噪聲發(fā)生器發(fā)出的信號以及別的可用的信號。信號宜進行過濾，這樣可以限制不同高度的頻率范圍和譜分布。通常，用來產生切削深度作用的信號僅通過適宜制造有用的微結構特定信號來限制。由于本發(fā)明中使用的信號發(fā)生比較簡單，因此也可能通過經驗方法找到能產生適宜光學效應的不同高度的信號發(fā)生方法。
在這里使用的術語反射光學表面，包括高度反射表面如鏡子和只部分反射而透過大部分光線的光學表面。這種類型的部分反射層通常稱為透射反射光學表面，本發(fā)明中的反射表面可通過敷銀等合適的金屬來制造?？赡苓€包括保護性的以及別的表面修飾涂層。
本發(fā)明具有反射表面的光學膜，由于能設計用來在一個有用的方向范圍內對光反射，并能產生嚴格控制的光分布，更有效利用能得到的光，避免眩光效應，因而在LCD的背面反射器中有用。
除了傾斜角、深度功能為特征的微結構之外，對模具的化學腐蝕等附加表面處理也可用來對反射光分布產生漫射或其他的方向性成分。對模具的電鍍在提高模具的耐久性和微結構產品的表面質量方面都有用。
具體地說，本發(fā)明的一個方面在于具有x-軸、y-軸和z-軸的光指向膜，所述膜具有第一結構表面和一個背面。所述結構表面上具有許多長的棱柱形結構，所述長的棱柱形結構通常沿著x-軸和y-軸延伸，沿著y-軸相鄰棱柱形結構之間有一定間距。所述結構沿著z-軸有一定高度棱柱形結構的高度沿著x-軸以一重復周期變化。
另一方面，本發(fā)明涉及含微復制的光指向膜的光學裝置，所述膜包含許多具有一定長度的棱柱形結構，這些棱柱形結構的每一個都具有沿著長度以一個重復周期變化的高度。在所述膜上可以有一層金屬膜。
本發(fā)明也涉及用程序控制的切削工具制造的制品，所述制品具有x-軸、y-軸和z-軸，這個制品含許多沿著x-軸延伸的結構，這許多結構沿著y-軸在相鄰棱柱形結構之間有一定間距，該結構沿著z-軸有一定高度，所述結構的高度沿著x-軸以一重復式樣變化。
根據(jù)本發(fā)明制造反射結構膜的方法，包括用切削工具由坯料進行切削加工成基礎模具，所述切削工具在x-軸、y-軸和z-軸上都可移動。所述切削加工包括使坯料和切削工具接觸；在x-軸方向上使坯料和切削工具中的至少一個相互移動用以切削坯料；在y-軸方向上使坯料和切削工具中的至少一個相互移動用以切削坯料；在z-軸方向上使坯料和切削工具中的至少一個相互移動用以切削坯料。在這個加工好的基礎模具上形成結構膜；然后在所述結構膜上敷上一層反射涂層。
相對于化學蝕刻、噴砂以及別的隨機表面加工技術，本發(fā)明方法能使加工的結構更為精密準確。例如化學腐蝕、噴砂以及其他隨機的表面加工方法不能夠嚴格地從一個棱柱結構復制到下一個棱柱結構的，例如精確到0.001微米甚至小于0.0001微米。
附圖的簡單描述本發(fā)明可以通過許多實例的詳細描述而更全面地認識，這些實例與這些附圖有關。


圖1A是含光指向結構層的顯示裝置的示意截面圖。
圖1B是圖1A的顯示裝置的光指向結構層一部分的放大示意截面圖。
圖2A是用來定量描述在一光顯示裝置上看到的光分布的坐標系的示意圖。
圖2B是光指向膜的示意透視圖，顯示了該結構的相對坐標。
圖2C是用來制造光指向膜的圓柱形模具的示意平面圖。
圖3是有常規(guī)結構層的常規(guī)光指向結構的示意截面圖。
圖4是圖3顯示的對比例1中光指向膜的反射光強度的圖解表示，所述光強是用34度入射準直光以反射模式使用的ELDIM EZ對照模型160R測定的。
圖5是按本發(fā)明的第一方面的光指向結構層的第一個實例的示意截面圖。
圖6是按本發(fā)明的光指向結構層的另一個實例的示意截面圖。
圖7是圖6顯示的實施例3A中光指向膜的反射光強度的圖解表示，所述光強是通過34度入射準直光的反射模式中使用的ELDIM EZ對照模型160R測定的。
圖8是圖6顯示的實施例3B中光指向膜的反射光強度的圖解表示，所述光強是用34度入射準直光以反射模式使用的ELDIM EZ對照模型160R測定的。
圖9是按本發(fā)明的光指向結構層的第三個實例的示意截面圖。
圖10A是按本發(fā)明的光指向結構層的第四個實例的示意截面圖。
圖10B是按本發(fā)明的光指向結構層的第五個實例的示意截面圖。
圖11是實施例5中光指向膜的反射光強度的圖解表示，所述光強是用34度入射準直光以反射模式使用的ELDIM EZ對照模型160R測定的。
圖12是實施例6中光指向膜的反射光強度的圖解表示，所述光強是用34度入射準直光以反射模式使用的ELDIM EZ對照模型160R測定的。
圖13是實施例7中光指向膜的反射光強度的圖解表示，所述光強是用34度入射準直光以反射模式使用的ELDIM EZ對照模型160R測定的。
圖14是按本發(fā)明的光指向結構層的第六個實例的示意截面圖。
圖15是實施例8中光指向膜的反射光強度的圖解表示，所述光強是用34度入射準直光以反射模式使用的ELDIM EZ對照模型160R測定的。
圖16是實施例9中光指向膜的反射光強度的圖解表示，所述光強是用34度入射準直光以反射模式使用的ELDIM EZ對照模型160R測定的。
圖17是按本發(fā)明的光指向結構層的第七個實例的示意截面圖。
圖18是按本發(fā)明的光指向結構層的第八個實例的示意截面圖。
圖19是按本發(fā)明的光指向膜的第九個實例在掃描電子顯微鏡下的示意透視圖。
圖20是按本發(fā)明的光指向膜的第十個實例在掃描電子顯微鏡下的示意透視圖。
圖21是按本發(fā)明另一個方面的光指向膜的示意頂視平面圖。
圖22是實施例1、5和17中光指向膜的反射光強度的截面圖的圖解表示，所述光強是用34度入射準直光以反射模式使用的ELDIM EZ對照模型160R測定的。
圖23A是按本發(fā)明的光指向膜的第十一個實例的示意透視圖。
圖23B是實施例18中光指向膜的反射光強度的示意圖解表示，所述照射光是垂直平行入射光。
圖24A是按本發(fā)明的光指向膜的第十二個實例的示意透視圖。
圖24B是實施例19中光指向膜的反射光強度的示意圖解表示，所述照射光是垂直平行入射光。
圖25A是由本發(fā)明的光指向膜的第十三個實例的示意透視圖。
圖25B是實施例20中光指向膜的反射光強度的示意圖解表示，所述照射光是垂直平行入射光。
圖26A是按本發(fā)明的光指向膜的第十四個實例的示意透視圖。
圖26B是實施例21中光指向膜的反射光強度的示意圖解表示，所述照射光是垂直平行入射光。
圖27A是按本發(fā)明的光指向膜的第十五個實例的示意透視圖。
圖27B是實施例22中光指向膜的反射光強度的示意圖解表示，所述照射光是垂直平行入射光。
圖28A是按本發(fā)明的光指向膜的第十六個實例的示意透視圖。
圖28B是實施例23中光指向膜的反射光強度的示意圖解表示，所述照射光是垂直平行入射光。
圖29A是按本發(fā)明的光指向膜的第十七個實例的示意透視圖。
圖29B是實施例24中光指向膜的反射光強度的示意圖解表示，所述照射光是垂直平行入射光。
圖30A是由本發(fā)明的光指向膜的第十八個實例的示意透視圖。
圖30B是實施例25中光指向膜的反射光強度的示意圖解表示，所述照射光是垂直平行入射光。
圖30C是實施例26中光指向膜的反射光強度的示意圖解表示，所述照射光是垂直平行入射光。
圖31A是由本發(fā)明的光指向結構層的第十九個實例的示意透視圖。
圖31B是實施例27中光指向膜的反射光強度的示意圖解表示，所述照射光是垂直平行入射光。
圖31C是實施例28中光指向膜的反射光強度的示意圖解表示，所述照射光是垂直平行入射光。
圖32A是按本發(fā)明的光指向膜的第二十個實例的示意透視圖。
圖32B是實施例29中光指向膜的反射光強度的示意圖解表示，所述照射光是垂直平行入射光。
詳細說明本發(fā)明涉及一種光學膜，它通過精確調整RLCD漫反射的光的模式改進了反射液晶顯示器中光的利用。具體言之，通過設計RLCD背面反射器的表面形貌，使其在一些特定方向上反射，反射光的分布能按需要更均勻、更明亮地分布。
這里使用的光學膜是指具有結構的或者棱柱形的表面的膜，所述表面上具有能使光相對于RLCD按合乎需要的角度進行反射的結構。
圖1A顯示的RLCD等反射顯示裝置10。顯示裝置10使用環(huán)境光線照亮通過附加的可用部件14可觀察到的顯示信息，所述部件14可以是顯示裝置10的透鏡、觸摸屏或其他類似部件。部件14可以賦予顯示屏特別的光學性能，也可以接收到顯示屏使用者的輸入信息。顯示裝置10還包括光調制層20，它包括頂端起偏層22、液晶層24、底部起偏層26。此外，還有個含光指向膜的光指向結構層28置于底部起偏層26的相鄰部位。在一些實例中已經發(fā)現(xiàn)光指示結構層28連接到底部起偏層26上是有用而方便的。本發(fā)明的光指向膜也可以結合到只含一個起偏層或者不含起偏層(如客基質(guest)-主基質(host)LCD)的顯示裝置中，它更常用于具有夾著液晶層的兩個起偏層的裝置中。
下面描述具有許多層的典型顯示裝置10。已經知道改變或者去掉其中的任一層后，顯示裝置10還是可以使用；還能添加另一些層?？梢栽陲@示裝置中加入補償層或者膜，它是各向異性的光學折射膜。所述各層可以重新排列、重新組織，以制造具有可用顯示功能的另一種結構。在一些實例中，一個單層能發(fā)揮上述兩層的功能。此外，可以粘合或者層壓多層，以提供較少的各個層。例如，可將光指向膜層壓到起偏層上或者補償膜上。下面揭示含有本發(fā)明所述的光指向膜的顯示裝置10，各層的所有排列組合。
再轉向圖1A，環(huán)境光源30產生了入射環(huán)境光線32。在這些圖中，來自光源30的光線32以偏離法線的角度a入射到顯示裝置上。法線指的是垂直于顯示表面的方向。入射光的一部分作為眩光被顯示裝置10的頂表面和內部界面所反射，顯示為圖1A的眩光線34。所述眩光線34有個偏離法線的眩光角b。如果光線32所遇到的分界面是鏡面反射面，眩光角b將和入射角a相同。由于角a可能包含一系列值，代表來自許多可能存在的光源的光，眩光也將在一系列可視角度上看見，但是通常有一個或者多個明亮的峰，例如在眩光角b上。
入射光的大部分將穿過光調制層20，被光指向結構層28反射，這樣就照亮了顯示信息或者圖象e，以圖象線38射出。光指向結構層28的目的是指引圖象線38，這樣它將以顯著不同于眩光角b的角度偏離法線而從顯示裝置射出。這通常稱為“光引導”。在數(shù)值上，圖象線38的特定角度通常由斯涅爾折射定律和光指向結構層28的特性來決定。
關于圖1B，它是圖1A的一個放大圖，顯示為結構層的光指向結構層28，是用來促使光調制層20所產生的圖象到合乎需要的，與顯示裝置10的眩光角顯著不同的視角上。光指向結構層28也可稱為光調整膜或者傾斜鏡膜。
在圖1B中，入射光線32以偏離法線角度a入射到顯示裝置32上，以線33代表。所述法線指的是垂直于顯示表面的方向。入射光線32被顯示裝置10的許多部件所折射，使光線32產生彎曲，形成光線32’。不作為眩光反射的入射光線部分將穿過光調制層20，被光指向結構層28反射。這樣照亮了光調制層20，產生圖象線38。光指向結構層的特定反射角度取決于角d所示的面36的角度。雖然圖1B描繪的面36是具有單角d的平面時，可以使用別的一些不平的面，并且在一些情況下還是優(yōu)先使用的，這取決于具體的照明條件和所需的視角。再要指明的是，圖象線38穿過顯示裝置10時，該光線被折射，使圖象線38形成彎曲，這樣它以偏離法線c的角度射出。
圖象能被看到的視角范圍以及峰值亮度出現(xiàn)的視角范圍，可以通過具體設計光指向結構層28來控制。
在圖1A中，峰值圖象角或者最優(yōu)視角接近垂直于顯示屏，如圖象線38所示。結果，顯示裝置10的觀察者在位置44，能清晰地不受來自與圖像光線38呈角度為b的眩光圖象的干擾，觀察到顯示圖象。更一般地，在圖1B中，峰值圖象角或者最優(yōu)視角在偏離顯示屏法線角度c的位置上，以圖象線38表示。結果，顯示裝置10的觀察者能清晰地，不受來自偏離顯示屏法線的不同角度為b的眩光圖象的干擾，觀察到顯示圖象。
從圖1B中可以看到的光指向結構層28是有結構的、棱柱形的光指向結構層，它具有光滑表面31和有結構表面33，在下文中將參考附圖對這兩個表面更加詳細地描述。光滑表面31位于遠離顯示裝置10的背面，有結構表面位于靠近光調制層20，面對著光源30。在一些實例中，有結構表面可能位于遠離顯示裝置10的位置上。盡管這里描述的表面31是平滑的，但是應當知道這個表面可能是粗糙、波狀、有紋理的，可能具有棱柱形的結構。光指向結構層28上的變化及其操作將在下文中更加詳細地描述。
本發(fā)明在于設計一種光指向結構層，在合乎需要的角度范圍內提供合乎需要的圖像光線強度分布。反射光線的方向和角度范圍可以隨著棱柱形光指向膜的具體結構而不同。RLCD的觀察者看到的用來定量描述光分布的坐標系顯示在圖2A上。在圖2A中，點“P”為觀察者、測定亮度的光度計、光源或者別的有關物體。點“P”具有稱為方位角或簡單稱為方位的球面坐標θ、極坐標角Φ、徑向角ρ。在圖2A中，點29是在顯示裝置25上的一個點，邊緣23位于顯示裝置的頂部、能被觀察者看到。反射光分布的測定通常用在極坐標角Φ為34度、方位角為0度的入射的準直光測定。
當這些物理實例以ELDIM EZ對比模型160R光度計一種錐光光度計以34度入射的準直光用于反射模式表進行表征時，可觀察到所述光導引的特定效果。所述ELDIM儀器測定的反射亮度是隨θ和Φ的變化。在0度(膜的法線)到80度(偏離膜表面10度)的極坐標角范圍，全部360度的方位角范圍內測定數(shù)據(jù)。將相同條件下的樣品亮度相對于白光朗伯標準的亮度進行歸一化，就得到光學增益。采取這種坐標系測繪的圖在圖4、7、8、11、12、13、15和16上可以看到，其中θ代表從圖的頂部開始逆時針旋轉沿著環(huán)形圖的度數(shù)，φ代表從圖的中心開始的徑向距離。
圖2B是一般顯示棱柱形結構的光指向結構層的透視圖。下面敘述的實施例中將使用圖2B中顯示的兩個軸?！皒-軸”或者“x-方向”，也稱為所述結構的縱向方向，是脊的方向或稱微結構?！皔-軸”或者“y-方向”是對x-軸垂直的方向、在結構表面的橫向上，這樣x和y軸定義了參考平面29，它規(guī)定了光指向結構層28的總體形狀?！皕-軸”或者“z-方向”垂直于x和y軸形成的平面，從光指向結構層28的背部延伸到前部。
具有結構33的光指向結構層可用圓筒形注塑工具方便地生產，圖2C描繪了它的樣式。在圖2C中，具有中心軸42的圓筒形工具40通過在圓筒形坯料中切割許多回旋槽43而得。在合適的可變形的材料置于槽43和例如柔韌的聚合物膜之間時，所述槽的外形適于生產結構33。述及這種工具時，相對于這種工具的圖2C顯示的x和y方向與圖2B顯示的光指向膜上的x和y軸一致。
本發(fā)明的光指向膜可以是任何可成形材料，一般是透明的。UV可聚合材料包括丙烯酸類塑料、聚碳酸酯，是適宜的材料。通常，用來制造用來制造光指向膜的UV可聚合組合物，包括乙烯單體，例如，甲基苯乙烯等烷基苯乙烯單體、以及許多共聚單體和/或低聚物。在一個實例中，所述組合物包括，雙酚A環(huán)氧二丙烯酯、可溶酚醛清漆環(huán)氧丙烯酸酯、及乙烯單體中的一種，包括烷基苯乙烯(例如，甲基苯乙烯)；這種組合物被認為是環(huán)氧丙烯酸酯。可以加入引發(fā)劑產生自由基源，從而引發(fā)所述組合物的聚合反應，獲得聚合物結構。
用在光指向膜中的適宜的UV可聚合環(huán)氧丙烯酯組合物的一個實例。包括下面各組分用一定范圍的質量百分數(shù)來表示雙酚A環(huán)氧二丙烯酸酯(50％-80％)，丙烯酸環(huán)氧化(1-10％)、甲基苯乙烯(5-25％)，光引發(fā)劑(0.25-5％)(例如“Lucirin”TPO)、含氟表面活性劑(0.1-0.3％)。此外，所述組合物可以包括另一種光敏引發(fā)劑，例如“Irgacure 184”，其質量百分數(shù)約為5％。
關于這些適宜的UV-可固化組合物的別的詳細信息可在1999年10月22日提交的美國專利申請09/425,270(Fong)中找到，在這里參考結合之。
可在結構膜上制造一層反射性涂層，這個反射性涂層可以半透明的，或者是銀、鉻、鎳、鋁、鈦、鋁/鈦合金、金、鋯、白金、鈀、鋁/鉻合金、銠、或者它們的混合物等金屬。適宜的反射性金屬涂層是銀，所述反射性涂層可以是連續(xù)的或者不連續(xù)的涂層?？梢赃M行不連續(xù)涂敷或者除去連續(xù)涂層的一部分來獲得不連續(xù)涂層。
粘合促進層、漫射阻礙層及抗腐蝕層等附加層也可用來提高反射性金屬涂層的性能和耐久性。適宜的抗腐蝕層的一個實例，在PCT申請發(fā)表WO01/31393(Gardneretal。)中有敘述，這里參考結合之。
宜在結構膜上涂覆一層漫射層，以隱藏膜缺陷、消除波紋效應。本發(fā)明的光指向膜由于具有棱柱形結構而能實現(xiàn)足夠的光漫射，這樣就不需要漫射層來實現(xiàn)反射光的漫射。漫射層的一個實例是在聚甲基-丙烯酸酯聚合物上添加許多聚合的或者玻璃小球。
聚合物基質或載體的折射率通常為1.4-1.5，但可以大一些，也可以小一些。所述小球，聚合物的或者玻璃的折射率通常為1.35-1.7，所述小球和基質或載體聚合物之間的折射率之差，是選擇小球和聚合物的決定性因素。在大多數(shù)申請中，所述折射率之差宜為0.01-0.2，更適宜為0.02-0.1。
小球的平均直徑通常為0.5-20微米，當用于手持顯示裝置時，2-5微米是適宜小球的直徑。加入到聚合物中小球的數(shù)量決定于小球的平均直徑，小直徑的小球導致較小的球體積負荷，大直徑的小球則導致較大體積負荷。作為一個實例，折射率之差大約為0.05，小球直徑大約為5微米，有用的負荷水平在1-10％之間。
當漫射層上足夠致密地裝填有小球時，漫射層能將來自遠處光源的光進行漫射，形成均亮的反射，光源的圖象不可辨別、缺陷和假相也被掩蔽了。PCT申請WO97/01610(Goetz等人)講述了一種光漫射粘合劑，這里參考結合之，可利用它和本發(fā)明的膜一同使用來掩蔽缺陷和別的假相。
另一種產生亂漫射的技術是在模具中加工了槽之后，在工具上產生無光光潔度，可以是對有結構的銅模具進行酸蝕刻、離子鍍或噴砂而獲得。
可以對組合物或光指向結構層內其它的層上加入吸收性染料或顏料來改變顯示的顏色。例如，銀金屬膜在環(huán)境光線下觀察通常顯示略帶黃色。可在結構中加入吸收性染料，抵消黃色而得到顏色中性的反射層。
光指向膜可以通過本工藝中的許多不同方法來制造，例如可在底物和具有許多與棱柱形形狀反相的許多空穴的模子之間施加可聚合組合物，然后在UV輻射下聚合這個組合物，隨后從工具中分離得到薄片。形成棱柱形結構的別的已知方法在本發(fā)明中也可應用。由于棱柱的尺寸小，生產三維結構的工藝通常也稱為“微復制”。關于微復制三維結構的別的信息，可以參見美國專利5,183,597(Lu)，這里參考結合之。
用來形成許多棱柱的工具可以通過已知的金剛石切削技術來制造，例如共同轉讓的公開PCT申請WO00/48037中揭示的，這里參考結合之。典型的，基礎模具是由金剛石切削圓柱形坯料而制造的，該坯料稱為滾筒。這個滾筒的表面通常為硬銅，但也可以是其 它材料。棱柱結構通常以連續(xù)的方式在滾筒的周面上形成。在一個適宜的實例中，槽由螺紋切削等已知的技術來形成。在螺紋切削中，在滾筒上(X方向上)切削出單一連續(xù)的槽，而金剛石刀片在切削滾筒的橫向方向(Y方向)上移動。鄰近切削之間的距離被稱為“間距”。為了生產恒定間距的結構，金剛石刀片以恒定速率移動。
一般金剛石切削技術在本工藝中通常是已知的；例如可看PCT申請WO00/48037。特別是圖7和9以及有關的敘述。這個發(fā)表的申請敘述了用來從一個滾筒或鼓制造基礎模具的許多設備和方法，這里參考結合之。
用來制造本發(fā)明光指向膜的方法中使用的裝置包括快速伺服工具。如WO00/48037中所揭示的，快速伺服工具(FTS)是一個是固態(tài)壓電設備，它能迅速地調節(jié)切削工具的位置。FTS的一個類型稱為PZT。所述FTS允許切削工具移動的主軸在Y方向或者Z方向，也能在Y方向或者Z方向上提供振蕩或別的微小調制。X方向的移動由工件的旋轉提供，在此情況下，圓柱形工件被切削。振蕩如果有的話，一般疊加在切削工具的主運動上。附加的或者可選擇地，在加工過程中，切削工具可以相對于X軸搖動或轉動，提供另一種表面形貌。
在一個可選擇的實例中，金剛石切削工具沿著Z方向移動可以用來形成一些脊，例如。此時用由周期性斜坡函數(shù)生成的信號來驅動FTS，從而形成一系列小面。由于FTS頻率響應的限制，一個脊的頂部和相鄰邊沿的底部的轉變可能有一定程度的倒圓的。這種斜坡函數(shù)會生成能在反射光方向上提供凈變化的邊沿狀結構。當切削在這種方式下進行時，棱柱的縱向方向將和要切削的膜具的旋轉軸準直，而不是和它垂直。此外，由于所述斜坡函數(shù)無需從圓筒的一次旋轉到下一個旋轉同步，所以邊沿在整個膜具上可以不連續(xù)，也可以不同步；即邊沿可以是不同步的。結果，觀察者看到的顯示裝置上的照明外觀改進了。注塑模具的倒圓轉變區(qū)域也可以提高RLCD的外觀。為了得到附加的光指向性表面形貌，所述金剛石切削工具宜具有弧形的或者別的適宜的切削輪廓，以進一步修飾反射光的分布。
所述棱柱結構可通過上述方法以外的方法來制造。例如，基礎模具的結構可以轉移到其它介質上，例如轉移到一個聚合材料帶上，通過注塑和固化工藝從基礎模具轉移到生產模具；然后，這個生產模具用來制造棱柱結構。電鑄等別的方法也可以用來復制基礎模具。別的可選擇用的制造光指向膜的方法可以是直接切削透明材料而形成棱柱結構。
本發(fā)明的棱柱結構和方法，只受能產生的信號、電子設備的頻率響應、FTS調節(jié)器、膜具表面的機械性質的限制。
化學腐蝕，噴砂或別的隨機表面修飾技術，通常不能形成用切削工具使用本發(fā)明的方法達到的光漫射特性所需要的精準的棱柱結構，零件的寬度。由于化學腐蝕，噴砂或別的隨機表面修飾技術本身所具有不精確和不可重復性，這些不可接受的方法不能生產發(fā)明要求的的高準確重復性的結構。
本發(fā)明將在下面的實施例中進一步描述和解釋，這些實施例僅是本發(fā)明的解釋，不應該局限于它們的細節(jié)范圍。應當知道，這些實施例及本申請的其余內容中，術語“微米”和“μm”是互換使用的。
實施例實施的光指向膜的制造，是在用金剛石刀或者刀片進行了切削以得到小面輪廓的膜具中，對UV敏化的環(huán)氧丙烯酸酯樹脂進行微復制。當環(huán)氧丙烯酸酯樹脂在膜具上時，用5密耳(127微米)PET底物粘合到樹脂的外表面上。在環(huán)氧丙烯酸酯樹脂通過UV輻射聚合后，將得到的光指向膜從膜具中取出。
每個實施例的基礎模具的制造，是用金剛石刀片的切削工具加工銅板坯料(常呈滾筒形)進行切削。開始切削時，將切削工具放下在Z方向上對著銅坯料繞著它的中軸旋轉，從而在X方向上移動著切削工具。切削工具沿著滾筒的表面在Y方向上連續(xù)移動，這樣就在滾筒表面上得到了螺旋槽，在一些實施例中，金剛石切削工具由FTS(“快速伺服工具”)控制沿著Z方向移動，將所加工的銅板從滾筒上取下，用來制造光指向膜。
實施例1-對比例圖3是光指向結構層100的第一個實施例的放大截面圖，包括常規(guī)的光指向膜110。這種膜的一個實例可從Minnesota Mining and Manufacturing company(3M)得到，商品名為“Tilted Mirror Film 6.3”。光指向膜110的圖，類似于圖1B所顯示的，Y軸從圖的左邊延伸到圖的右邊，Z軸從圖的頂部延伸到底部，X軸穿透頁面。光指向膜110具有光滑的表面112和結構表面114。結構表面114包括許多三角棱柱140，每個棱柱都有第一棱柱面142和第二棱柱面144，交替地有谷143和峰145。第一棱柱面142和第二棱柱面144，一起決定了光導向性膜的110的間距或周期。在這個實例中，光導向性膜110由三角棱柱140的重復陣列所決定。從谷143到谷143、或者從峰145到峰145測定的重復棱柱的140間距通常在10微米到100個微米之間，更適合的30-80微米之間。在這個實施例中，光指向膜間距為50微米，也就是說Y方向上重復峰145之間的長度為50微米。
第一棱柱面142通常稱為“小面”或“反射小面”，因為由光指向結構層110反射的光的大部分是由第一棱柱面142反射的。在這個實施例中，第一棱柱面142與Y方向的傾斜角為6度，也稱為鏡面角。不言而喻，6度以外的角度也可以使用，通常使用0-30度，更適宜的是5-9度。
每個棱柱140有峰角和夾角，是第一棱柱面142和第二棱柱面144之間的夾角。每個峰45有相同的峰角，大約為86度。
由上述工藝生產的光指向膜110置于底物120上；具體地是，光指向膜110的光滑表面112置于底物120的一個面上。一種膠粘劑可以用來將光指向膜110固定在底物120上，或者光指向膜110可由形成棱柱140的相同材料粘合到底物120上。在一些實例中，底物120是微復制工藝中使用的底物。
罩在棱柱140上的是反射性金屬涂層130，它位于光指向膜110的結構表面114上的。反射金屬涂層可以是銀或者別的任何有用涂層。
罩在金屬涂層130上的是漫射層135，例如敷有聚合的或者玻璃的小球的聚甲基-甲基丙烯酸酯聚合物。由漫射層135導致的漫射對于光指向膜110所反射的光的峰是旋轉的對稱。這樣，YZ平面上的漫射寬度和XZ平面上的寬度相同。
對比例1的具體棱柱和小面尺寸列于下表1和2；所有的數(shù)值以微米表示。對比例1的光反射是以34度入射準直光按反射模式使用ELDIM EZ對照模型160R測定的。圖4是得到的圖象。圖4顯示了在34度的鮮明眩光峰和以14度為中心的較寬背反射峰。總體而言，反射光呈陡峭的峰，在中央強度最大，逐漸減弱直到測不出反射光。
本發(fā)明的含光指向膜的光指向結構層和對比例1的樣品不同，在于其光的反射由棱柱結構操縱和調整得到合乎需要的光分布。在大多數(shù)情況下，光強的平坦或頂蓋式分布而不是集中于峰的或鐘罩狀分布是合乎需要的；當準直光被表面散射在一特定角度范圍內的恒定亮度，該角度范圍集中的方向也由棱柱形貌所決定，這樣就能達到上述的要求。光調整性能可以使反射角偏離眩光的方向，偏離的角度可以是任何合理的角度，例如從0-45度。
YZ平面方向上反射可以使用許多技術來得到合乎需要的棱柱結構。例如，可以形成這些結構，每個結構和相鄰結構的小面的角都不相同。連續(xù)地改變小面角或者一行一行地改變小面角，光指向膜的光的反射就可以改變，在寬范圍角度上得到YZ平面上的漫射反射。
實施例2-不同小面或棱柱角根據(jù)本發(fā)明的一個方面，圖5是光指向結構層200的一個截面圖，其中包括光指向膜210。所述光指向膜210類似于圖2顯示的，Y軸從圖的左邊一致延伸到右邊，Z軸從圖的頂部延伸到底部，X軸穿透頁面。
光指向膜210具有光滑的表面212和結構表面214。結構表面214上有許多棱柱240，每個都有第一棱柱面242和第二棱柱面244，它們交替形成谷243和峰245。第一棱柱面242和第二棱柱面244，構成了一個復合體。通常，第一棱柱242用來反射光，第二棱柱面244不參加光的反射或指向。膜210的光滑表面212與底物220相鄰。罩著光指向膜210的是金屬涂層230和漫射層235。
不像圖3中的光指向膜110的棱柱140，這里的棱柱240不完全相同；看棱柱251、252、253、254。棱柱251不同于棱柱252，棱柱252不同于棱柱253，等等。不言而喻，并非光指向膜210的所有棱柱互不相同。然而，需要的是每個棱柱要和與它相鄰的棱柱不同。關于圖5，棱柱252不同于相鄰棱柱251，也不同于相鄰棱柱253。最好在兩個類似棱柱之間至少有兩個棱柱，更適宜的是，在兩個類似棱柱有4個棱柱。在一個特定的模式或次序里集中一組棱柱，以優(yōu)化掩蔽可視模式，這是有利的。
各棱柱至少在反射小面上不同，例如，第一棱柱242，有相異的斜度，所以增眩光的漫射；第一棱柱面242的斜度通常是其與光滑表面212的夾角。不同棱柱的第一棱柱面242通常相對于其斜角在長度上改變。在大多數(shù)情況下，各棱柱的峰245與光滑表面212的距離相同，然而，在某些情況下，如圖5所示，相鄰峰245可能有不同的高度。
漫射層235用的是低密度漫射材料，如聚甲基-甲基丙烯酸酯聚合物，并載有聚合物或玻璃的小球。漫射層235上比光指向結構層100的漫射層135的小球量少，掩蔽了瑕點和假象，因為它將不同棱柱角產生的許多反射峰的作用整合了起來。
YZ平面上的不同角的形成，可以用高頻率周期性的或者隨機的運動來搖動，用來制造基礎模具的金剛石切割刀片，生產一個光學上更漫射的表面?？勺兊睦庵窃赮Z平面上產生漫射。這個漫射疊加到來自體積漫射層235的漫射，提供另外一個自由度，從而區(qū)別了在XZ和YZ平面上的漫射寬度。
在另外一個實例中，基礎模具能用一種一定形狀的金剛石切割刀片切割，導致了刀片形狀的非平面性或者非線性。也可以是或者另加，這模具能多道切削，切割刀片的位置與角度與前一道切削不同。形成的非平面性小面提供了在YZ面上的一個光線控制效果和受控光漫射，它能增加漫射層的隨機漫射。金剛石刀片或切削刀的彎曲或非線性邊緣提供光漫射所需要的可變斜度。更進一步，切割刀口的精確形狀決定了漫射輪廓。
實施例3A和3B-彎曲非線性平面根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，圖6是光指向結構層300的截面圖，其中包括光指向膜310，類似于圖2顯示的，Y軸從圖的左邊一致延伸到右邊，Z軸從圖的頂部延伸到底部，X軸穿透頁面。
光指向膜300包括具有光滑表面312和結構表面314的光指向膜310，結構表面314包括許多棱柱340，每個都有第一棱柱面342和第二棱柱面344，形成谷343和峰345。光滑表面312與底物相鄰，罩著光指向膜310的是金屬涂層310和有少量玻璃和的聚合物的小球336并掩蔽假象和缺陷的漫射層315。
不像圖3所示的面142和圖5表示的面242是線性表面，第一棱柱面342有一定弧度。在平均平面角上有幾度表面角。也就是說第一棱柱面342的切線和光滑表面312之間的角度為0-30度，典型的是4-8度。所述彎曲的第一棱柱面342形成一個可以用來將反射光加權形成圓凸形狀的反射小面。也可以是，此彎曲的第一棱柱面342的結構可以用來提供正方的反射光形狀。
實施例3A只有光指向膜310。實施例3B在光指向膜310上涂覆了具有6％體積濃度的聚合物小球的漫射層335。實施例3A和3B的具體棱柱和其小面的尺寸表示在下面的表1和2中。
實施例3A和3B用ELDIM EZ對照模型160R用34度入射準直光的反射模式來表示其特征，結果分別顯示于圖7和8中。類似上述實施例2，實施例3A的非線性小面形成在YZ平面上的漫射，如圖7所示。在圖8中可以看到，此漫射與來自體積漫射層335的漫射合起來，提供了又一個自由度，能區(qū)別在XZ和YZ平面的漫射寬度。
實施例4-具有多個線性或彎曲片段的小面根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，圖9是光指向結構層400的截面圖，其中包括光指向膜410，所述光指向膜410類似于圖2顯示的，Y軸從圖的左邊一致延伸到右邊，Z軸從圖的頂部延伸到底部，X軸穿透頁面。
光指向膜410上包括許多具有第一棱柱面442和第二棱柱面444的棱柱440，那形成著谷444和峰445。光滑表面412與底物420相鄰，罩著光指向膜410的是金屬涂層410和有少量玻璃和的聚合物的小球436并掩蔽假象和缺陷的漫射層435。
第一棱柱面442至少包括兩個相鄰部分，如果線性，具有不同斜度，如果彎曲，則具有不同曲率或者不同曲率中心?？梢栽诓煌手行纳暇哂袃蓚€不同的曲率，這樣使得曲線平滑連接，而在它們的連接點上沒有第一導數(shù)的不連續(xù)性。
第一棱柱面442的許多部分可以通過在金剛石具有許多表面或者片段的金剛石刀片來切削制成。所述片段可以是混合弧形片段、直的片段、或者兩者兼?zhèn)?。只具有單個片段的金剛石刀片也可以進行多次切削，或者可以用多個有相同或不同形狀的金剛石刀片來切削。形成有多個片段的棱柱面442的至少兩個部分，將入射準直光反射形成兩個或者更多個分離的峰，取決于這些部分的數(shù)目。
在光指向結構層440中，漫射層435不僅掩蔽了假象和缺陷，也混合了至少平化了由有多個片段的第一棱柱面442形成的一個個反射光的峰。
類似于實施例2和3，實施例4中的有片段的小面提供了YZ平面上的漫射。此散射與來自體積漫射層435的漫射合在一起產生了另一個自由度，可以用來區(qū)別XZ和YZ平面中的漫射寬度。
XZ平面上的漫射在本發(fā)明的另一個方面，在正交方向上(XZ平面上)的光漫射可以設計成振蕩地改變，沿著結構長度或X方向上的各行的結構高度(Z軸或Z方向上)來設計。所述結構高度可在制造基礎模具時改變，通過控制金剛石刀片在模具在X方向運動時進入和離開基礎模具表面的協(xié)調運動。所述運動是小丘形式，從而形成能反射光的不同斜度的表面。小丘的精確形狀決定了具體的漫射輪廓。小丘或別的具有一定形狀的結構波長通常在10-1000微米。幅度一般在0.1-10微米，通常在大約1微米-8微米。
在本發(fā)明的一個方法中，可以在模具在X方向運動時，可以用快速伺服工具(FTS)調節(jié)器來使金剛石刀片的刀尖在Z方向上移動。YZ平面上的結構的截面形狀或區(qū)域，例如圖3-9表示的實施例1-4顯示的取向，可以是任意的取向，不管它在實施例中有否說明。
具有結構高度沿著X方向上結構的長度而變化的光指向膜的示意圖，如圖10A和10B所示。在圖10A中，YZ平面上的結構的截面區(qū)域類似于圖6顯示的光指向膜310的截面，只是在圖10A中，所述結構由X方向上的正弦圖樣所決定。在圖10B中，這個結構也沿著X方向以正弦樣式改變。
實施例5，6和7-帶有規(guī)則周期運動的Z軸上的振蕩實施例5，6和7是在一定溫度和壓力下，在有結構的銅模具上對250微米厚的(10個密耳)丙烯酸酯膜進行熱成形制得的。如上所述銅模具用弧形刀口的金剛石刀片制成了圖案。所述金剛石刀片的彎曲刀口已被研磨和刨光形成一單弧形部分，其曲率半徑為430微米。在每個實施例中，所述金剛石刀片的取向都用來切削成螺線形小面，該螺線形小面在與相鄰螺線的邊界上具有斜角6(+/- 1-3)度，還具有6度的鏡面角(又稱為標稱中心斜角)。
金剛石刀片和銅模具表面之間所截取的弧的長度決定了邊界的斜度。因此，間距和金剛石切削刀口的曲率決定了邊界的斜度。沿著切削或者x方向上的表面起伏高度定義為Z＝Asin(2πx/λ)，其中A和λ為單位為微米的振幅和波長?！皒”是沿x軸的位置。
實施例5，6和7的具體棱柱和其小面尺寸顯示在下表1和2中，所有的尺寸以微米為單位。
這樣制造的具有棱柱形結構的丙烯酸酯膜為光指向膜。這個光指向膜涂覆上一層半透明的銀(例如圖6顯示的金屬涂層330)。然后在銀的一面壓上一層透明的PSA，將樣品切割下來，層壓到玻璃的顯微鏡載片上。
所述樣品用ELDIM EZ對照模型160R用34度入射準直光以反射模式中進行表征，結果分別顯示于圖11、12和13中。
圖11、12和13顯示的漫射輪廓，在極坐標圖上通常是矩形的；也就是說，漫射圖樣有相對直的邊。理論上說，所述圖能提供水平視角(HAOV)上相對恒定(在一特定水平視角范圍內)的漫射輪廓。也就是說在水平圖面上形成頂蓋式或正方的漫射輪廓。類似的，所述漫射輪廓在以特定垂直視角(VAOV)范圍也是相對恒定的，也是在垂直圖上顯示一頂蓋式或者正方的漫射輪廓。實施例5的水平視角窄，如圖11所示，實施例6的水平視角中等，如圖12所示，實施例7的水平視角寬，如圖13所示。
所述水平視角上的特定反射方式可以通過正弦振幅和波長的比例來控制，如實施例5、7和7的比較所看到的。
實施例8和9-基本結構上疊加有混亂Z軸振蕩圖14描述了具有光滑表面812和結構表面814的原生光指向膜810。結構表面814具有一個規(guī)則周期的表面，其上面疊加有噪聲、混亂或隨機的微結構。疊加的混亂微結構可以是隨機的或者準隨機的。所述混亂微結構形成漫射效應，掩蔽可視缺陷；在一些情況下，所述混亂微結構可能給裝有光指向膜810的顯示屏上提供無光光潔度。所述混亂微結構還提供粒狀外觀，從小到大，從暗淡到粗糙，取決于噪聲的頻率和振幅。
波形、波長和振幅決定于需要的漫射角和觀看的顯示屏或反射層的距離。反射層表面上的結構應該比視線距離內肉眼分辨力更小。例如，在一個手持顯示裝置上，該結構的最有用的尺寸在40cm距離上應該小于2弧度分，或小于300微米。對于前投式屏幕，在5米的距離處觀察，該結構的最大尺寸應該在大約3-4mm；在近眼應用中，距離更小，允許的結構尺寸也應更小。
對手持顯示裝置來說，疊加的混亂或隨機結構通常具有2.5微米-250微米的尺寸或波長，典型的大約在5-100微米。其平均振幅通常不大于約0.5微米，通常不小于約0.005微米。
所述光指向膜810的取向是X軸從圖中由左延伸到右邊，Z軸從圖的頂部延伸到底部，Y軸穿透員面。因此，圖14顯示的結構行從左延伸到右。
形成混亂微結構的信號疊加到或電子地添加到給予形成規(guī)則周期結構的切削工具的信號中。
實施例8和9是按實施例5所揭示的制造的，只是在實施例8中還包括在實施例5的基礎結構上沿X方向的復合行的長度的混亂振蕩。實施例9也是為此。實施例8和9的具體棱柱和其小面的尺寸，如下表1和2所示。
實施例8和9用ELDIM EZ對照模型160R用34度入射準直光以反射模式中來進行了表征，結果的圖分別顯示于圖15和16中。這些圖形清楚地顯示了在34度的鮮明眩光峰和寬反射光。實施例9垂直視角寬于實施例8，重心角也不同。
表1水平觀察參數(shù)
“NA”表示不適用“*”表示不能得到該值。
表2垂直觀察參數(shù)
“NA”表示不適用表1中“A”代表沿著X軸的復合高度變化的振幅。“λ”代表沿著X軸的復合高度變化的重復波長?！霸肼曊穹笔侵敢?guī)則結構上的混亂、隨機結構的振幅的均方根。“HAOV”代表“水平視角”；“T”代表“理論的”而“M”代表“實測的”?！癏AOV”是通過水平方向上極大的亮度峰上的半極大全寬。
表2中“間距”代表棱柱結構的相鄰兩行間Y方向上的距離。“半徑”指金剛石刀片刀口的半徑。“VAOV”代表“垂直視角”；“T”代表“理論的”而“M”代表“實測的”?！癡AOV”是通過垂直方向上的亮度峰上的半極大全寬；“峰值增益”指最大增益?！扮R角”代表小面在Y軸三角的角度?！爸匦摹被颉爸匦慕恰贝矸瓷鋱D樣中心的極角。
表2顯示螺距、半徑和鏡角，預計了VOAV-M和測出的重心角。
實施例10和11-一般周期性形狀前面的實施例描述了XZ平面上的正弦周期運動。本發(fā)明可以應用任何能在計算機上編程的基礎波形。此種波形可以用人們熟知的數(shù)學函數(shù)的形式表達也可以作為重復設定值(X、Z)來編程。可能需要尋找一個優(yōu)化的或針對用途的漫射圖樣，選擇Z(X)波形，以提供合乎需要的漫射圖樣。
圖17顯示了實施例10中的光指向結構層500的截面圖。所述包括光指向膜510的光指向結構層500的取向是X軸從圖中結構的左邊延伸到右邊，Z軸從圖的頂部延伸到底部，Y軸穿透頁面。因此，圖17顯示的結構行從左延伸到右。
光指向膜510具有光滑的表面512和結構表面514。結構表面514上包括許多棱柱540，每個棱柱都有前面542和背面544。前面542和背面544在谷543和峰545交匯。在這個實施例中，前面542和背面544是相同的；也就是說背面544是前面的542的鏡像。前面542和背面544由描述直立拋物線的一套點規(guī)定。結構表面514包括許多連著的相鄰拋物面，這里拋物面提供具有折痕外觀的表面。
膜510的光滑表面512與底物520相鄰。罩著光指向膜510上的是金屬涂層530和漫射層535，后者可體積漫射，使漫射輪廓變得柔和并掩蔽假象和缺陷。
褶痕結構表面514，具體是表面542、544，通過在加工基礎模具時改變金剛石切削刀片的刀口深度而形成?？焖偎欧ぞ?FTS)調節(jié)器用來在模具在X方向行進時，在Z方向上移動金剛石切削刀片的尖端。在這個實施例中，深度調制是周期性的但也包括混亂性疊加。
實施例10和圖17將入射準直光反射成為頂蓋式或者正方型的反射光分布的入射光。這歸因于給予了前面542和背面544的相同的空間權重。前面542和相鄰的背面544形成了一個拋物面，它由方程Y＝CX2限定，其斜率是2CX，谷543是X為0。對棱柱用這個方程，反射光的角度等于入射光角度加上4CX。對atan(2CX)的小值，在HAOV內在每一方向上的反射光的強度都是相等的。因此，強度與角度的關系呈頂蓋形狀。在一些情況下，圓弧或正弦可能形成接近于平的頂蓋形狀。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，圖18是實施例11中的光指向結構層600的示意截面圖。光指向結構層600的取向類似于圖17顯示的光指向結構層500，其中X軸從圖左邊延伸到右邊，Z軸從圖的頂部延伸到底部，Y軸穿透頁面。因此，圖18顯示的結構行從左延伸到右。
光指向結構層600包括一個光指向膜610，該膜具有光滑的表面612和結構表面614。結構表面614上包括一個棱柱結構640，它具有前面642和背面644。前面642和背面644在拱形峰頂645交匯。前面642和背面644是相同的；也就是說背面644是前面642的鏡像。每個前面642和背面644都由一個凹段和一個凸段組成。附加的或可選擇的，整個結構表面614具有凹段和凸段交替的形式。
結構表面614由用來形成圖17的實施例10的結構表面514的相同技術制造，只是在實施例11中，一組周期性點描述了一套兩個拋物面，其中一個拋物面對于另一個拋物面是倒置的，并且相交點是相混的。這個結構也可以通過使用快速伺服工具(FTS)調節(jié)器用來在基礎模具加工時，使金剛石切削刀片的頂尖在Z軸上移動。結構表面614的反射光圖樣與實施例10相同。
類似于前述一些實施例，光滑表面612與底物620相鄰，罩在光指向膜610上的是金屬涂層630和漫射層635，后者用來掩蔽缺陷。
實施例12和13圖19和20分別顯示了實施例12和13。這兩個圖表示了光指向膜以30度傾斜放置為的是顯示結構表面上的不同形貌。X方向上的結構行與水平線呈30度，如圖所示。實施例12和/或13都通過下面的工藝來制備，這兩個實施例在結構的高度(即Z方向)的調制上不同。實施例12和13之間，具體的振幅、間距和波長相同，但是應當知道這些特性可以根據(jù)需要改變。
實施例12和13中，相鄰結構行(Y方向上測定)的間距為61微米，小面呈6度傾斜，正弦表面的波長(X方向上測定)為71微米；正弦表面的不同角度可通過圖中可見的結構的條紋表面而看到。實施例12和13的差別是圖19表示的實施例12中，在Z方向上的調制是同步的。也就是說實施例12中相鄰結構的Z方向調制是同向排列的。同步排列的一個實例顯示在圖10A中。圖20表示的實施例13，其相鄰結構的調制錯開80度，產生了反同步的式樣。因此在第一個結構中具有峰時，相鄰結構就有個谷，反之亦然。反同步式樣取消或至少掩蔽或隱藏了結構中的缺陷。盡管實施例13中錯開180度，應當知道，也可以錯開90度、45度及別的度數(shù)，也可使用隨機變化的錯開度數(shù)。
形成異步波形的一個方法為FTS波形的數(shù)字操縱。波形的形成，例如近乎完美的正弦波形的生成，可由計算機算法的多點的數(shù)字表示得到。一個近乎完美的正弦波形可由不連續(xù)的許多點“n”生成，異步波形可以將波中一個(或多個)“n”步驟隨機消除而得。進行這種隨機消除，波中的最合乎邏輯的點是實際波形斜坡改變的點最小。
進行段的消除，可以預先計算所產生波形的總數(shù)(“m”)，然后使用計算機隨機數(shù)字生成器形成1(生成的第一個波)至“m”(生成的最后一個波)的隨機數(shù)字的表。所述表的大小決定于消除過程中要處理的波的數(shù)目。不連續(xù)點的消除導致波長的小變化，結果是隨機反同步的波。按上述方法得到的波的形式可以是另一種掩蔽小的點狀缺陷并從具有像素元件的規(guī)則干擾中減少或消除波紋邊紋的方法。
減少波紋干擾在本發(fā)明的另一個方面，可以將結構間隔設計來縮小具有LCD的像素間距的波紋干擾。在大多數(shù)光指向膜在顯示裝置的應用中，X方向的結構行水平位于顯示屏上；Y方向則垂直于顯示屏。例如，在手持計算機裝置中，結構行可從左邊延伸到右邊，由于結構與像素在X方向或者Y方向對齊，就會產生波紋干擾。
實施例14-非線性行圖21中的實施例14是具有許多棱柱形結構940的光指向膜910。不像前述實施例，這些結構940不是線性的，而是在XY平面上遵循波形的途徑。結構940在X方向上延伸，但也包括Y方向上的成分。結構940的振蕩線，通過縮小，最好是消除帶顯示像素的結構940的對齊來減少波紋干擾。
結構940可在基礎模具的加工時在Y方向上振蕩切削工具而形成。在另一個方法中，結構940可在基礎模具的加工時，將切削工具繞它的中心軸或別的軸旋轉而形成。
實施例15-不同行距在減少波紋干擾的一個選擇中，復合體的行距可以改變。例如，復合體行的峰之間在Y方向上的距離可以變化。當采用圓柱形加工技術制造時，這可以產生不準直的槽。
實施例16-旋轉取向也可以將光指向膜旋轉或者取向，使得這樣沿著X軸的復合體的行與顯示裝置中的像素行不準直。典型的，像素的行水平于顯示裝置平面。復合體行的旋轉可以與像素行的取向偏離1-45度，適宜5-20度，更適宜5-10度。
實施例17-體積漫射層效應實施例17顯示了在光指向膜上的體積漫射層效應，它能減少和/或消除波紋干擾。將12微米厚8％體積漫射層(裝填有8％聚合物球的PSA)層壓在實施例5的結構上形成實施例17的結構。
下面的表3對比了實施例17和對比例1，它有小面和25微米厚8％裝填的漫射層，和實施例5，它不含體積漫射層。
表3
在表3中“HAOV”代表水平視角，“VAOV”代表垂直視角?！癏AOC”代表濺模的水平視角，是在XZ平面上最大亮度的90％和10％之間的角度距離?！癏AOC”代表濺模的垂直視角，與“HAOC”同樣方法測量，只是在YZ平面上，濺模的角度決定了當在照亮的情況下旋轉LCD時，反射光圖形突然出現(xiàn)時的角度。
周期性重復結構可會使光衍射稱為重復性的色帶。對于具有50-100微米波長的結構來說，衍射色帶暗淡，但由于它只發(fā)出更高級的衍射效應，所以仍然明顯可見。
“可見結構”指的是肉眼是否可見棱柱形結構。對實施例5來說，觀察到133微米間距的暗淡槽子。對于對比例1和實施例17來說，由于至少部分因為體積漫射層的存在，看不到槽子。
圖22顯示了實施例1、5和17的光反射的截面視圖，實施例1、5和17用ELDIMEZ對照模型160R用34度入射準直光以反射模式來進行表征。該圖顯示，對于對比例1來說，有一中等強度的光源的像，在ELDTM圖中顯示為尖峰。實施例5中，它有結構XZ平面衍射設計在結構中，在視角范圍表現(xiàn)為不均勻和不平的增益，可能是由于金剛石切削刀片的圓角不完善產生的；這將導致顯示裝置的照明不均勻，有亮點和暗點。實施例17是在實施例5的結構上加有體積漫射層而能得的更為平整均勻的分布。
如實施例17，具有更寬視角大約30度的樣品，由于采用體積漫射層，其增益損失相對較小，通常在30％或更小。具有窄視角的樣品，大約小于10度，在加入漫射層時，其增益損失大得多，典型在大約60％。
上述實施例5-17表明，使用單一金剛石刀片的切削工具和FTS，可以得到新穎的漫射反射圖樣。所述金剛石切削工具表面提供了YZ平面截面上可見的，具有主彎曲反射性小平面和第二豎小平面的棱柱形槽。YZ平面上的平面曲率提供YZ反射平面上的受控、漫射角度范圍。XZ平面上的曲率或斜度提供了XZ反射平面上的受控、漫射角度范圍。在極坐標圖上的反射式樣是連續(xù)的，有一個峰和半寬。
所述膜具表面的“重復單元”是能復制整個膜具表面的反射光式樣的膜具的最小區(qū)域。在實施例5-17中，在極坐標圖上的反射式樣是連續(xù)的，因為在彎曲小面形狀斜度FTS波形上沒有不連續(xù)。
上述實施例屬于微復制結構的兩個顯著不同的類型、實施例2和3，為圖5和6所示，一般具有第一反射平面和一般不用的平面(叫做豎面)，這兩個平面的連接點處斜率是不連續(xù)的；示于圖14和18的實施例8、9和11是通過FTS而形成的具有一般連續(xù)的斜率的棱柱。這些條件導致反射光的單一區(qū)域，也就是說，在反射光的極坐標圖上的亮度的單一連續(xù)區(qū)域。例如，圖4、8、11-13和15-16所顯示的。
圖9的實施例4有含許多小面的第一反射平面，兩個小面之間的邊界由一個斜率不連續(xù)的點形成。已經發(fā)現(xiàn)在反射平面上的單一小面在反射光的極坐標圖上形成反射光的單一區(qū)域，而反射平面上的許多小面通常形成反射光的許多分離的或者重疊的區(qū)域。加入漫射層能使得區(qū)域間的邊界變得模糊。
實施例18-29-多反射區(qū)域下面的實施例18-29表示了許多多小面的微復制結構，它能產生光反射的許多區(qū)域。為了形成光反射許多區(qū)域，光指向性微復制結構形成具有許多小面的弧形表面，這許多小面有不連續(xù)的斜率。每個小面的表面決定了最終光反射的單個區(qū)域的式樣或形狀，而所有的小面合起來完成整體的反射樣式。
實施例1-17中的大多數(shù)實施例，提供了具有光反射單一區(qū)域的反射式樣；也就是說其光指向性微復制結構的重復單元具有單一平坦或者弧形的小面。
實施例18，如圖23A所示，顯示了具有含許多三角棱柱1040的結構表面1014的光指向膜1010。三角棱柱1040是等腰三角棱柱具有第一棱柱面1042和第二棱柱面1044。棱柱面1042、1044的每一個和Y軸形成α角。這些棱柱面也被稱為小面或反射小面。第一棱柱面1042和第二棱柱面1044是平的或直的，這意味著第一面1042和第二面1044都不存在曲率。棱柱1040，以及因此面1042、1044，沿著膜1010的X方向延伸。每個棱柱1040的高度，也就是說棱柱1040在Z方向上的尺寸，沿著X方向是不變的。
當在垂直入射準直光照射下，實施例18的來自膜1010的預期光反射，如圖23B所示。反射光形成具有在0-180方位平面上兩個對稱的反射的圖樣，其極角大約為2nα，其中α是棱柱面1042、1044的傾斜角，n是任意保護性聚合物涂層的折射率。光線1052反射出第一棱柱面1042，形成一個反射；光線1054反射出第二棱柱面1044，形成第二反射。
如果光線反向，可以看到從由反射樣式決定的方向入射的光將在垂直方向上反射，它是極坐標圖的原點(圖23B)。這一點顯示，一些源自這些傾斜區(qū)域的光將被反射，并到達在通常位置并垂直于表面進行觀察的觀察者。
實施例19和20，分別如圖24A和25A所示，是具有彎曲棱柱形表面或小面的光指向膜。實施例19，如24A所示，其為光指向膜1100具有包含許多棱柱面1140的結構表面1114，該棱鏡1140有一個棱柱面。棱柱面1142是光滑連續(xù)的弧，沒有不連續(xù)的尖或點。實施例20，如圖25A所示，其光指向膜1200具有含棱柱1240的結構表面，所述棱柱1240含第一棱柱面1242和第二棱柱面1244。谷1243分隔著一個個棱柱1240。棱柱1140、1240，因此面1142、1242、1244沿著膜1100和1200的X方向延伸。每個棱柱1140、1240的高度，也就是說棱柱1140、1240在Z方向上的尺寸，沿著X方向是不變的。
每個棱柱面1142、1242、1244是曲面的，由一個具有彎曲切割表面的金剛石刀片制成。棱柱面1242和1244可以用雙金剛石刀片同時切削，每個金剛石刀片切削一個棱柱面。即棱柱面1242用第一金剛石刀片形成，棱柱面1244用第二金剛石刀片形成。這兩個刀片可以相互連接，也可以相隔一個等于多棱柱間距的距離。
對于從膜1100、1220射出的垂直入射準直光，所得預期的光式樣如圖24B和25B所示。在這兩個實施例中，光式樣是沿著0-180度方位角平面上通過極角2nθ的一些線，其中θ是對棱柱面1142、1242、1244的切線的角，n是任意保護性聚合物涂層的折射率。在圖24B中具有一個單的膜1100顯示為將光對稱于圖的中心進行散布。對于膜1200，圖25B顯示了兩個小面的結構，形成對于圖的中心對稱的兩個光反射的不連續(xù)線。兩個不連續(xù)反射之間的間距決定于小面1242和1244之間的斜率的不連續(xù)性。具體言之，它等于2nΔθ，其中Δθ是沿著垂直于小面1242和1244的交線的途徑的平面角之差。
實施例21、22和23顯示了具有由FTS運動和用平金剛石切削刀片產生的表面的膜。實施例21，如圖26A所示，是具有含棱柱1340的結構表面1314的膜1300。棱柱1340具有第一棱柱面第二棱柱面1344。膜1300類似于圖23A的膜1000，不同的是在膜1300中，棱柱1340以及因此面1342、1344沿著膜1300的Y方向延伸。每個棱柱1340的高度也就是棱柱1340在Z方向上尺寸，在Y方向是相同的，而在X方向是不同的。在這個方面，實施例22和23的膜1400和1500類似于實施例21。
實施例22，如圖27A所示的膜1400，具有含棱柱1440的結構表面1414。棱柱1440具有棱柱面1442，棱柱1440，因此其面1442沿著Y方向延伸。棱柱面1442形成連續(xù)的正弦或余弦曲面。
實施例23，如圖28A所示的膜1500，具有含棱柱1540的結構表面1514。棱柱1540具有第一棱柱面1542和第二棱柱1540。棱柱1540和其面沿著膜1500的Y方向延伸。棱柱面1542、1544類似于圖25A實施例20的膜1200，它們都是彎曲的圓弧狀。表面1542和1544一起形成兩弧裝置。
實施例21、22和23的預期光反射式樣分別示于圖26B、27B和28B中。
實施例21中，當在垂直入射準直光照射下，反射光形成具有在90-270方位角平面上兩個對稱的反射的圖樣，如圖26B所示，其極角大約為2nα，其中α是棱柱面1342、1344的傾斜角，n是任意保護性聚合物涂層的折射率。類似于圖23A和23B表示的實施例18，第一棱柱面1342反射的光線產生區(qū)域中的一個，第二棱柱面1344反射的光線形成另一個區(qū)域。
如果光線反向，可以看到從由反射樣式決定的方向入射的光將在垂直的方向上反射，它是極坐標圖的原點。這顯示了一些源自這些傾斜區(qū)域的光將被反射，并到達在通常位置并垂直于表面進行觀察的觀察者。
垂直入射準直的光將如圖27B所示的實施例22的樣式反射。垂直入射準直的光將如圖28B所示的實施例23的樣式反射。在實施例22和23中，反射光式樣是沿著90-270度方位角平面上通過極角2nθ的一些線，其中θ是對棱柱面1442、1542、1544的切線的角，n是任意保護性聚合物涂層的折射率。在27B中具有一個單弧的膜1400顯示為將光對稱于圖的中心進行散布。對于膜1500，圖28B顯示了兩個小面的結構，形成對于圖的中心對稱的兩個光反射的不連續(xù)線。這些式樣類似于實施例19和20(圖24B和25B)，只是這些式樣旋轉了90度。
實施例24-29是含許多錐狀棱柱的膜，其中Z方向上的棱柱高度隨著X方向和Y方向變化。實施例24和25，分別示于29A和30A，為膜1600和1700。實施例27示于31A，為膜1800。膜1600、1700、1800都具有含許多錐狀棱柱1640、1740、1840的結構表面1614、1714、1814。
對于實施例24，棱柱1640是在XZ和YZ平面上都具有直面的對稱的等腰棱柱。每個棱柱1640都有第一面1641、第二面1642、第三面1643和第四面1644。這四個面在頂點1645相交。預期得到的反射光的式樣如圖29B所示。當膜1600暴露在垂直的準直入射光下時，所述光將分裂成四個方向，形成四個不連續(xù)的反射區(qū)域分別處于極坐標圖的四個象限內。由于來自光源的光垂直準直入射的，這四束反射光的強度都相當大，顯示為極坐標圖上的點。
對于圖30A表示的實施例25，棱柱1740是對稱的，四面棱柱在XZ和YZ平面上都具有彎曲的或弧形的面。棱柱1740具有4個面1741、1742、1743、1744。它們在頂點1745會合。頂點1745不是個像實施例24的膜1600的頂點1645，那樣尖的，頂點1745卻具有相當圓的表面，由X方向和Y方向延伸的弧形曲面交線形成。當準直的垂直入射光入射到膜1700上時，光分裂成4個方向，形成4個不連續(xù)的反射區(qū)域，每個都近似方形；看圖30B。所述方形或矩形的反射光區(qū)域由4個不同的，彎曲的形成重復單元的棱柱面1741、1742、1743、1744產生。
如果光線反向，可以看到從由反射樣式決定的方向入射的光將在垂直的方向上反射，它是極坐標圖的原點。這顯示了一些源自傾斜表面的光將被反射并到達觀察者，通常位于表面的法線方向。
實施例26包括一個位于實施例25的光指向膜上的體積漫射層。預期得到的光反射式樣示于圖30C中，包括體積漫射層的實施例26具有更寬的光發(fā)射，邊緣比不含體積漫射層的實施例25的銳性小些。比實施例25的反射，其光反射更為分散，但是仍然保持4重對稱性。
當制造實施例25和26的光指向膜時，錐狀棱柱，交錯地切線進入從表面或者從表面凸出，可以沿著X方向切削來制造。兩個錐狀棱柱的交線具有一個連續(xù)的斜率。“切削進入”意思是棱錐變成正凸起棱錐的一個反形。
實施例27的膜1800，如圖31A所示，類似于30A的膜1700，該膜1800具有對稱性，四角棱柱在XZ和YZ平面上有彎曲的或弧形的面。棱柱1840具有4個面1841、1842、1843、1844。它們在頂點1845相交。頂點1845不是尖的，而是具有相當圓滑的表面，由X方向和Y方向延伸的弧面相交形成。棱柱1840由余弦曲面、單弧形曲面和雙弧形曲面相交而成。沿著Y方向(在YZ平面上)延伸，棱柱1840由交替的單弧部分和雙弧部分組成的曲面形成。雙弧部分是兩個單弧在頂點相會形成不連續(xù)的斜率。交替的單弧和雙弧部分形成了Y軸截面，它們可以使用兩個金剛石刀片進行兩道切削，或者單道切削加上由不同的波形所驅動的兩極FTS進行切削形成。余弦曲面和雙弧部分曲面都在沿著X軸的X方向上以交替的方式延伸。也就是說，如圖31A所示，余弦曲面是最前面的曲面；下一個彎曲上坡是雙弧部分；第三個彎曲上坡又是余弦曲面，等等。Y方向復合曲面的峰或頂點為X方向復合曲面的峰或頂點，這樣這些峰和頂點就形成了棱柱1840的頂點1845，X方向上交替的錐棱可以切削進入模具或者由模具表面凸出，如上述實施例25和26所述。從“進”或“出”棱柱的反射光式樣是相同的。圖31A顯示了4個重復單元。
在實施例27中，雙弧部分可以用在峰上具有不連續(xù)的斜率的曲面取代。這種曲面的一個實例是個余弦曲面，一個對稱部分(例如，在0度的左右各20度)從它除去。同樣的，連續(xù)的FTS余弦曲面可以用另一個連續(xù)的曲面來取代，例如，圖18的可交替的里/外圓弧。
當準直垂直入射光在膜1800上反射時，光分裂成4個方向，得到4個反射的矩形區(qū)域，如圖31B所示，這些區(qū)域形成一個中空或者環(huán)形的四方反射圖形，它在4個象限是連續(xù)的，形成4重旋轉對稱。
如果光線反向，可以看到從由反射樣式決定的方向入射的光將在垂直的方向上反射，它是極坐標圖的原點。這顯示了一些源自傾斜表面的光將被反射并到達觀察者，通常位于表面的法線方向。
實施例28包括一個在實施例27的光指向膜上的體積漫射層，預期得到的光反射式樣示于圖31C中。包括體積漫射層的實施例28具有更寬的光反射，其邊緣不如不含體積漫射層的實施例27那樣尖銳。實施例28的反射比實施例27更加分散，但是保持了旋轉對稱。
旋轉對稱光指向膜，例如膜1800是合乎需要的，不管其是否具有體積漫射層，因為它在光指向顯示器膜取向的敏感性很小。例如，光指向膜1800可以在光指向顯示器上從最優(yōu)取向角旋轉(或錯開)，例如20度，而不影響光的質量，且附加的4重取向對稱具有彈性。
在實施例27和28中，反射光式樣的中空或環(huán)形形狀及其4重旋轉對稱性，是由于特定選擇性使用了連續(xù)或不連續(xù)的斜度的緣故。只要有更為復雜的膜具結構，更為復雜的式樣，例如n重旋轉對稱或者許多封閉的暗區(qū)都可以設想獲得。
關于圖32A，實施例29顯示了其光指向膜1900。膜1900具有由空隙1950分隔的許多棱柱1940組成的結構表面1914。棱柱1940具有第一面1942和第二面1944。面1942和面1944在脊峰1945上相交。
實施例29的反射光式樣類似于圖23A和23B顯示的實施例18，在0-180度方位角平面上具有兩個對稱性反射。但是實施例29也包含位于圖中心的中央反射區(qū)域，它是由空隙1950反射形成的?？梢杂^察一系列的由實施例29等的3小面結構為基礎而形成的復雜圖樣，如同實施例28由實施例18(圖23A和23B)的二小面結構形成的一樣。
不言而喻，實施例18-29中的每一個可以包括疊加在基本棱柱結構上的FTS噪聲，這樣就得到了修飾性的缺陷隱蔽以及附加的漫射。
不應該把本發(fā)明局限于上述具體的實施例，而應當知道在下述權利要求中所覆蓋的所有方面。許多修改、等效的工藝以及許多結構，凡本發(fā)明可以應用的，對于熟知本工藝的人來說，在考查本發(fā)明的詳細論述后是很清楚的。權利要求的意圖是覆蓋這些修改及裝置。
權利要求
1.一種光指向膜，它包含結構表面，并具有x軸和y軸，該結構表面具有許多沿x、y兩軸的反射結構，所述許多的反射結構沿x、y每軸的剖面具有交替的單弧和雙弧部分。
全文摘要
用于透明顯示裝置如反射LCD的光學膜。所述光學膜為三維棱柱形結構，能反射入射光。成形為棱柱形結構是為了使得反射小面能使反射光取向成為合乎需要的反射光的式樣。所述反射光式樣的形狀和強度可以通過不同反射面的形貌和尺寸來控制。作為一個實例，所述棱柱形結構的高度沿著結構的兩個尺寸而變化。
文檔編號G02B5/02GK1963567SQ20061011090
公開日2007年5月16日 申請日期2002年7月25日 優(yōu)先權日2001年8月3日
發(fā)明者K·A·艾普斯坦, R·F·格里非斯, A·B·坎普貝爾 申請人:3M創(chuàng)新有限公司