專(zhuān)利名稱(chēng)：與背光照明顯示器一起使用的光導(dǎo)向件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及例如光導(dǎo)向件的光學(xué)裝置。更具體地，本發(fā)明涉及與背光照明顯示器一起使用的光導(dǎo)向件。
背景技術(shù)：
已提出了許多裝置用于照明電子顯示器。這些裝置包括背光照明板、前方照明板、聚光器、反射鏡、表面結(jié)構(gòu)薄膜和用于改方向、準(zhǔn)直、分配或另外控制光線(xiàn)的其它光學(xué)裝置。
在電池供電的電子顯示器中有效的利用光線(xiàn)特別重要，例如用于移動(dòng)電話(huà)、個(gè)人數(shù)字輔助設(shè)備和膝上計(jì)算機(jī)中的那些顯示器。通過(guò)改進(jìn)照明效率，能夠延長(zhǎng)電池使用壽命和/或能夠縮小電池尺寸。通常使用棱柱形薄膜改進(jìn)照明效率和提高一背光照明液晶顯示器的外觀(guān)亮度。
在電子顯示器中顯示質(zhì)量也是一重要的考慮的事項(xiàng)。關(guān)于一背光照明顯示器的顯示質(zhì)量的一個(gè)量度是亮度均勻性。因?yàn)橥ǔ?duì)顯示器進(jìn)行研究和顯示器用于較長(zhǎng)時(shí)期，所以能夠易于發(fā)覺(jué)亮度方面的較小差異。亮度方面的這些類(lèi)型的變化對(duì)一使用者可能是令人煩擾和討厭的。為了緩和或掩蓋不均勻性，有時(shí)可使用一散射件(例如一漫散體)。但是，這散射件能夠負(fù)面地影響一顯示器的總亮度。
發(fā)明概要雖然已提供了許多背光照明設(shè)計(jì)，仍然需要更有效的設(shè)計(jì)和降低功率消耗。本發(fā)明總地涉及一種有效利用光線(xiàn)和同時(shí)能夠提供較高程度的亮度均勻性的背光照明顯示器。
本發(fā)明的一方面涉及包括一光導(dǎo)向件本體的一光導(dǎo)向件，該本體具有與一光輸出側(cè)相對(duì)定位的一光改變方向側(cè)(light re-directing side)。許多細(xì)長(zhǎng)的棱柱位于光導(dǎo)向件本體的光輸出側(cè)附近。諸棱柱相互并排地沿著長(zhǎng)度方向延伸。棱柱包括限定棱柱高度的上邊緣。上邊緣沿著棱柱的長(zhǎng)度延伸。每個(gè)上邊緣包括許多具有不同傾斜角度的邊緣段。光導(dǎo)向件還包括許多位于導(dǎo)向件本體的光改變方向側(cè)附近的小平面，用于朝光輸出側(cè)反射光線(xiàn)。在諸小平面之間為大體平的表面，用于通過(guò)全內(nèi)反射沿著光導(dǎo)向件的長(zhǎng)度反射光線(xiàn)。在某些實(shí)施例中，光導(dǎo)向件的光改變方向側(cè)可包括位于諸高臺(tái)部分之間的諸凹入表面。在這些實(shí)施例中，第一和第二小平面從高臺(tái)部分朝凹入表面延伸。
本發(fā)明的另一方面涉及一種具有一光源和一光選通(gating)裝置(例如，一液晶顯示器(LCD))的一背光照明顯示器。如以上所述的一光導(dǎo)向件位于光選通裝置的后面，用于將來(lái)自光源的光線(xiàn)指向光選通裝置。在另外的實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)光元件(例如，傳送漫射器、偏振薄膜、反射偏振薄膜、棱柱提高亮度薄膜等)可以位于光導(dǎo)向件與光選通裝置之間。在另一些實(shí)施例中，一反射件(例如，一反射漫射器、一偏振倒像鏡等)可以位于光導(dǎo)向件之后。
本發(fā)明的許多方面特別能應(yīng)用于再循環(huán)背光照明顯示器(recycling backlitdisplay)。一典型的再循環(huán)背光照明顯示器包括一光導(dǎo)向件、位于光導(dǎo)向件之后的一反射鏡以及位于光導(dǎo)向件之前的一個(gè)或多個(gè)光再循環(huán)結(jié)構(gòu)。光再循環(huán)結(jié)構(gòu)反射一所選類(lèi)型的光(例如，沒(méi)有一所選的偏振化作用的光或在一預(yù)先視角之外的光)，回到光導(dǎo)向件，從而允許再利用所反射的光。本發(fā)明的許多方面還可應(yīng)用于一次通過(guò)背光照明顯示器(one-pass backlit display)。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是按照本發(fā)明原理的一背光照明顯示器的一示意圖，該顯示器包括一光源、一光導(dǎo)向件和一光選通裝置；圖2是圖1的光導(dǎo)向件的一示意圖；圖3是帶有位于在光導(dǎo)向件與光選通裝置之間的一漫射橫彎折薄膜(diffusetransflective film)的圖1的背光照明顯示器的一示意圖；圖4是按照本發(fā)明的原理的一光導(dǎo)向件的下方立體圖；圖5是圖4的光導(dǎo)向件的部分側(cè)視圖；圖6是按照本發(fā)明原理的一第二光導(dǎo)向件的一俯視圖；圖7是按照本發(fā)明原理的一第三光導(dǎo)向件的一俯視圖；
圖8是按照本發(fā)明原理的一第四光導(dǎo)向件的一側(cè)向外形。
圖9是按照本發(fā)明原理的一第五光導(dǎo)向件的一側(cè)向外形。
圖10是按照本發(fā)明原理的一第六光導(dǎo)向件的一側(cè)向外形。
圖11是按照本發(fā)明原理的一第七光導(dǎo)向件的一示意側(cè)向外形。
圖12是圖4的光導(dǎo)向件的一上、前和側(cè)向立體圖；圖13是圖12的光導(dǎo)向件的一上、前方立體圖；圖14是圖12的光導(dǎo)向件的一側(cè)向外形圖；圖15是按照本發(fā)明原理的一再循環(huán)顯示器的示意圖；圖16是按照本發(fā)明原理的一個(gè)一次通過(guò)顯示器的示意圖；圖17示出了適用于制造按照本發(fā)明原理的光導(dǎo)向件的一金剛石切削工具。
詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明總地涉及與背光照明顯示器一起使用的一光導(dǎo)向件或引出器。本發(fā)明的光導(dǎo)向件具體地用作為點(diǎn)到面或線(xiàn)到面背光光導(dǎo)向件，它用于由小電池供電的用發(fā)光二極管(LEDs)照明的超小型或微型顯示器裝置。適當(dāng)?shù)娘@示器裝置包括用于移動(dòng)電話(huà)、電話(huà)呼叫機(jī)、個(gè)人數(shù)字式輔助設(shè)備、鐘、表、計(jì)算器、膝上計(jì)算機(jī)、車(chē)輛顯示器等的彩色或單色LCD(液品顯示器)裝置。其它顯示裝置包括例如膝上計(jì)算機(jī)顯示器的平板顯示器或臺(tái)式平板顯示器。除了LEDs之外，其它合適的照明源包括熒光燈(例如，冷陰極熒光燈)、白熾燈、電致發(fā)光燈等。
I.通常的背光照明的顯示器圖1示意地示出按照本發(fā)明的原理構(gòu)造的一背光照明顯示器10。該顯示器包括一光源12(例如一熒光管或多個(gè)發(fā)光二極管的一個(gè)線(xiàn)光源)、一光導(dǎo)向件14和一光選通裝置(例如一LCD)。光導(dǎo)向件14位于光選通裝置16之后和起到將線(xiàn)光源12轉(zhuǎn)換成一面光源的作用。光導(dǎo)向件14包括位于光源12附近的一光輸入側(cè)18、面對(duì)光選通裝置16的一光輸出側(cè)20和與光輸出側(cè)20相對(duì)的一光改向側(cè)22。如詳細(xì)敘述的第二節(jié)和第三節(jié)所述，光改向側(cè)22較佳地包括用于從光導(dǎo)向件14引出光線(xiàn)的諸引出結(jié)構(gòu)(例如微結(jié)構(gòu))，光輸出側(cè)20包括用于離開(kāi)光導(dǎo)向件14的至少某些光線(xiàn)的輸出角的改變的結(jié)構(gòu)。
在顯示器10的使用中，來(lái)自光源12的一光線(xiàn)24通過(guò)光輸入側(cè)18進(jìn)入光導(dǎo)向件14和經(jīng)過(guò)光導(dǎo)向件、通過(guò)全內(nèi)反射(TIQ)傳播。光線(xiàn)24在光導(dǎo)向件14中連續(xù)的被內(nèi)反射，直至光線(xiàn)被設(shè)置在光改向側(cè)22的一引出結(jié)構(gòu)(如圖4中所示的凸起50)所反射。引出結(jié)構(gòu)以阻止全內(nèi)反射的一角度向上反射光線(xiàn)24，引起光線(xiàn)24經(jīng)光輸出側(cè)20的折射離開(kāi)光導(dǎo)向件14。在經(jīng)光輸出側(cè)20折射之后，光線(xiàn)24通過(guò)光選通裝置16(假定選通裝置被適當(dāng)?shù)卣{(diào)制從而傳送光線(xiàn))射向一觀(guān)察者19。
參閱圖2，光導(dǎo)向件14較佳地具有一楔形。術(shù)語(yǔ)“楔形”將被理解為意味著光導(dǎo)向件14的一第一端44(即一近端或最靠近光源的一端)比導(dǎo)向件14的一第二端(即一遠(yuǎn)端或離開(kāi)光源最遠(yuǎn)的一端)厚。如圖2所示，導(dǎo)向件14的厚度從第一端44處的一增大厚度t1到第二端46處的一縮小厚度t2逐漸變薄。以非限制性例子的方式，關(guān)于例如膝上計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，光導(dǎo)向件14能夠具有1至3毫米的一名義厚度t3和2.5°至1.5°的一變薄角度θ。將可理解的是該厚度能夠與顯示器的所需要的觀(guān)察面積成比例地變化(即較大的顯示器與較小的顯示器比較通常將有較厚的光導(dǎo)向件)。雖然一楔形是較佳時(shí)，也能夠使用具有其它形狀(例如，相對(duì)不變厚度的一平板形)的光導(dǎo)向件。
光導(dǎo)向件14較佳地具有一實(shí)心結(jié)構(gòu)和由例如聚碳酸酯，例如聚甲基丙烯酸甲酯的聚丙烯酸酯、聚苯乙烯、玻璃或具有較高折射率(例如折射率在1.45至1.7范圍內(nèi))的許多不同塑性材料的一適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)材料制成。
參閱圖3，顯示器10的選通裝置16可包括具有橫彎折鏡電極(transflectivemirror electrodes)的一液晶顯示器，該鏡電極為了在良好照明條件下觀(guān)看而反射環(huán)境光線(xiàn)，以及為了在日光條件下觀(guān)看而傳送來(lái)自光源的光線(xiàn)?；蛘撸壕э@示器能夠嚴(yán)格地是能透射的，以致為了觀(guān)看始終要求光源。在另一實(shí)施例中，一擴(kuò)散的橫彎折薄膜形式的一光學(xué)元件(例如由3M公司以TDF商標(biāo)出售一產(chǎn)品)可以安裝在選通裝置16的后面(見(jiàn)圖3)。這些形式的薄膜允許在使用環(huán)境光線(xiàn)作為一光源的一良好照明條件下觀(guān)看，而不要求在選通裝置16中有局部發(fā)射極。
按照本發(fā)明原理的一光源能夠尤其用于一再循環(huán)顯示裝置。在圖15中顯示了一示范性再循環(huán)顯示裝置。按照本發(fā)明的原理的一光導(dǎo)向件還能夠使用在一次通過(guò)的顯示器裝置中。在圖16中示出了一示范性的一次通過(guò)的顯示器裝置。
II.光導(dǎo)向件的光改向側(cè)參閱圖4，光導(dǎo)向件14的光改向側(cè)22包括許多平行地和相互并排地定位的細(xì)長(zhǎng)凸起50。諸凸起50由諸凹入表面52分開(kāi)。各凸起50包括一高臺(tái)部分54、一前導(dǎo)小平面56(即較靠近光源的一小平面)和一尾隨小平面58(即離光源較遠(yuǎn)的一小平面)。諸凹入表面52較佳地相對(duì)高臺(tái)部分54凹入(即插入)。小平面56和58從高臺(tái)部分54向凹入表面52延伸和也沿著凸起50的長(zhǎng)度方向延伸。術(shù)語(yǔ)“高臺(tái)部分”將被理解為意味著由較深的偏置部分(例如小平面56和58)離開(kāi)相鄰的凹入表面(即在高臺(tái)部分的諸相對(duì)側(cè)上的大致平的部分)偏置的一大致平的部分。術(shù)語(yǔ)“大致平的部分”包括具有稍許曲率(例如改變平的部分的傾斜度小于10％的曲率)的諸部分。較佳地，凹入表面的大致平的部分基本上沒(méi)有引出結(jié)構(gòu)并充分地平坦，以致通過(guò)全內(nèi)反射促使光線(xiàn)經(jīng)過(guò)光導(dǎo)向件傳播。術(shù)語(yǔ)“較陡的”將被理解為意味著小平面56和58具有一傾斜度，該傾斜度比較高臺(tái)部分54和凹入表面52的傾斜度更陡。
如圖所示，高臺(tái)部分54朝下離開(kāi)凹入表面52偏置。在某些實(shí)施例中，高臺(tái)部分54的面積大于相鄰凹入表面52的面積。由此，在光改向側(cè)22處，諸高臺(tái)部分54的總面積大于諸相鄰凹入表面52的總面積。在某些實(shí)施例中，諸高臺(tái)部分54的總面積可是諸凹入表面52的總面積的至少八倍。當(dāng)然，在其它實(shí)施例中，諸凹入表面52的面積能夠大于高臺(tái)部分54的面積。
圖5示出了帶有通過(guò)在前導(dǎo)小平面56和高臺(tái)部分54的諸相交處形成的諸頂點(diǎn)所劃的一假想線(xiàn)60的光導(dǎo)向件14。假想線(xiàn)60與通過(guò)由光導(dǎo)向件14的光輸出側(cè)20所形成的面(例如垂直于光導(dǎo)向件14的名義觀(guān)察角的平面)所劃的一直線(xiàn)37形成一角度θ。如圖5所示，高臺(tái)部分54、凹入表面52和小平面56、58都較佳地是平面的。小平面56、58相對(duì)凹入表面62和高臺(tái)部分54形成傾斜角度。凹入表面52和高臺(tái)部分54較佳地基本平行于假想線(xiàn)37。尾隨小平面58包括較它們的相應(yīng)前導(dǎo)小平面56更高而向上延伸的主反射部分70。在圖5的實(shí)施例中，通過(guò)將尾隨小平面58構(gòu)造成較前導(dǎo)小平面56較長(zhǎng)(即較高)提供主反射部分。如圖5所示，尾隨小平面58形成相對(duì)于凹入表面52和基準(zhǔn)平面37的一角度α。對(duì)于再循環(huán)顯示器，角度α較佳地在20°-40°的范圍內(nèi)，更較佳地在25°-35°的范圍內(nèi)和最較佳地在25°-30°的范圍內(nèi)。對(duì)于一次通過(guò)顯示器，角度α較佳地小于20°，更較佳地小于15°，最較佳地小于10°。
圖5還示出了兩光線(xiàn)91a和93a通過(guò)光導(dǎo)向件14所經(jīng)過(guò)的光路。光線(xiàn)91a撞擊凹入表面52，以及朝光導(dǎo)向件14的遠(yuǎn)端(圖5中未出)被反射，如光線(xiàn)91b所示。光線(xiàn)93a撞擊尾隨小平面58的主反射部分70和被反射，向上通過(guò)輸出表面20，朝向選通裝置16(在圖1中示出)，如光線(xiàn)93b所示。如果選通裝置16被適當(dāng)?shù)卣{(diào)制，那么光波93b將通過(guò)選通裝置16朝向一觀(guān)看者。
如圖5所示，在前導(dǎo)小平面與高臺(tái)之間的諸頂點(diǎn)可位于一直線(xiàn)上。如果諸頂點(diǎn)位于一直線(xiàn)上，以及如果名義光線(xiàn)輸出表面被定為一基準(zhǔn)表面，那么在基準(zhǔn)表面與該直線(xiàn)之間的角度θ較佳地是約0.1°至約6°，或更較佳地約0.25°至1.5°。在這一實(shí)施例中，諸尾隨小平面的高度沿著光導(dǎo)向件是恒定的。在這另一實(shí)施例中，諸尾隨小平面高度從光導(dǎo)向件的輸入端朝遠(yuǎn)端或窄端減小。在又一實(shí)施例中，尾隨小平面高度從光導(dǎo)向件的輸入端朝遠(yuǎn)端或窄端減小，高臺(tái)部分長(zhǎng)度沿著光導(dǎo)向件的長(zhǎng)度恒定，前導(dǎo)小平面高度從光導(dǎo)向件的遠(yuǎn)端朝輸入端減小一充分的數(shù)量，前導(dǎo)小平面一高臺(tái)頂點(diǎn)位于一直線(xiàn)上。
如果需要，在諸前導(dǎo)小平面與諸高臺(tái)之間的諸頂點(diǎn)可位于一曲線(xiàn)上。在這一實(shí)施例中，尾隨小平面高度從光導(dǎo)向件的輸入端朝遠(yuǎn)端或窄端變化，凹入部分長(zhǎng)度沿著光導(dǎo)件的長(zhǎng)度保持恒定。在另一實(shí)施例中，從光導(dǎo)向件的輸入端朝遠(yuǎn)端或窄端尾隨小平面高度是恒定的而凹入部分長(zhǎng)度則減小。在任何情況下，應(yīng)該通過(guò)計(jì)算(在光導(dǎo)件的輸入端厚度與遠(yuǎn)端厚度之間的差值被光導(dǎo)件長(zhǎng)度除)的反正切值近似地確定關(guān)于其前導(dǎo)小平面高臺(tái)頂點(diǎn)位于一曲線(xiàn)上的一光導(dǎo)向件的角度θ，如以下公式所示θ＝arc tan((輸入端厚度-遠(yuǎn)端厚度)/光導(dǎo)件長(zhǎng)度)。
諸各個(gè)凸起不需要全部相同和不需要有相同的角度方位、形狀和尺寸。但是，為了易于制造，通常較佳的是形成諸凸起，這些凸起的高臺(tái)和小平面部分具有相同的角度方位和相同的各部分的長(zhǎng)度。如果需要，凹入部分還能夠是在角度方位和部分長(zhǎng)度之間相互是類(lèi)似的。在某些實(shí)施例中，在光導(dǎo)件的光輸入端附近諸凸起能夠分開(kāi)一較大的節(jié)距，并朝向最窄的部分分開(kāi)一較小的節(jié)距。這間距的變化能夠方便地通過(guò)逐漸縮小從光導(dǎo)件的輸入端至遠(yuǎn)端(或最窄部分)的凹入部分的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)。
每個(gè)前導(dǎo)小平面較佳地是平面的，不過(guò)如果需要?jiǎng)t可采用例如凸起或凹入形狀的其它形狀。前導(dǎo)小平面通常不反射光線(xiàn)或從光導(dǎo)向件內(nèi)部傳送光線(xiàn)，從而可以具有較差一些的光學(xué)平滑表面。但是，應(yīng)該當(dāng)心避免過(guò)分的表面粗度。這將有助于避免幻影或其它可見(jiàn)的贗象，幻影或贗象是由于光導(dǎo)件內(nèi)的光線(xiàn)反向擴(kuò)散和因此使反向擴(kuò)散光通過(guò)前導(dǎo)小平面的傳送變得較弱而產(chǎn)生的。前導(dǎo)小平面的高度較佳地是約0.001至約0.5毫米，更較佳地是約0.002至約0.02毫米。在基準(zhǔn)平面37與一前導(dǎo)小平面之間的角度較佳地是約90°至約45°，更較佳地是約85°至約65°。
較佳地，高臺(tái)具有通常平的光學(xué)光滑表面，以致不引起光線(xiàn)引出。高臺(tái)部分長(zhǎng)度較佳地是約0.001至約1.5毫米，更較佳地約0.004至約0.12毫米。在基準(zhǔn)平面37與一高臺(tái)之間的角度θ較佳地是約0°至約10°，更較佳地是約0°至2°，并且高臺(tái)部分更較佳地平行于基準(zhǔn)平面37(或換句話(huà)說(shuō)，θ最較佳地是零)。
諸尾隨小平面部分將光線(xiàn)引向選通裝置10。較佳地，尾隨小平面是平面的，不過(guò)如果需要它們可具有例如凸起或凹入形狀的其它形狀。較佳地，尾隨小平面通常具有平的光學(xué)光滑的表面，從而不會(huì)引起反射光線(xiàn)的擴(kuò)散。尾隨小平面的高度較佳地高于前導(dǎo)小平面高度，更較佳地是約0.001至約1.5毫米，最較佳于約0.002至約0.12毫米。
光改向側(cè)的凹入表面部分通過(guò)全內(nèi)反射朝光導(dǎo)件的窄部或遠(yuǎn)端反射光線(xiàn)。較佳地凹入部分通常具有平的光學(xué)光滑表面，從而不會(huì)引起反射光的擴(kuò)散。如以上指出，凹入部分較佳地能夠沿著光導(dǎo)向件的長(zhǎng)度縮短長(zhǎng)度。一較佳的節(jié)距是從在光線(xiàn)輸入端每毫米約0.06-12凸起至在光導(dǎo)向件的遠(yuǎn)端或最窄部每毫米約1-250凸起。一較佳的凹入部面部分長(zhǎng)度是約0.003至約15毫米，更較佳地約0.003至約1.2毫米。在基準(zhǔn)平面37與一凹入表面之間的角度能夠是約0°至約5°，或者約0.5°至約2°。在某些實(shí)施例中，凹入部分以與該楔形相反的方向傾斜。
諸凸起能夠延伸越過(guò)光改向側(cè)的整個(gè)寬度或是較短的、短于整個(gè)寬度部分的形式，它們可相互在排或列中對(duì)齊或在排之間交錯(cuò)。諸凸起的諸排能夠被設(shè)置成平行于光輸入表面或相對(duì)該表面有一角度。較佳地，諸凸起延伸越過(guò)光改向側(cè)的全部寬度和大體與光輸入表面平行。但是，圖6是示出帶有相對(duì)于光輸入表面以一傾斜角度延伸的諸凸起50a和凹入表面52a的一光導(dǎo)向件的一平面圖。諸凸起的這傾斜角度使諸凸起相對(duì)于選通裝置內(nèi)的像素結(jié)構(gòu)傾斜，用于減少產(chǎn)生一波紋圖案的可能性。圖7示出了具有呈一彎曲圖案的曲線(xiàn)的諸凸起50b和凹入表面52b的一光導(dǎo)向件14b，用于避免帶狀化影響和較好地使照明隨機(jī)化。諸凸起50a和50b可具有如圖5的凸起50相同的外形。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過(guò)相對(duì)于凹入表面尺寸增加高臺(tái)尺寸可以增加通過(guò)諸小平面逃逸的、被相鄰的諸小平面再收回的光線(xiàn)的比例。圖8示出了利用這發(fā)現(xiàn)的一光導(dǎo)向件120。該光導(dǎo)向件120具有例如引出結(jié)構(gòu)(extraction structure)122和引出結(jié)構(gòu)124的引出結(jié)構(gòu)。引出結(jié)構(gòu)122具有一前導(dǎo)小平面126、一尾隨小平面128和高臺(tái)130。凹入表面132將引出結(jié)構(gòu)122和124分開(kāi)。通常需要在一光導(dǎo)向件上的諸高臺(tái)的總面積大于諸凹入表面的總面積。換句話(huà)說(shuō)，大多數(shù)高臺(tái)應(yīng)該具有比相鄰凹入表面中的任一個(gè)的面積更大的一面積。
圖9示出了按照本發(fā)明進(jìn)一步增加一光導(dǎo)向件的效率的另一結(jié)構(gòu)。在圖9的實(shí)施例中，一光導(dǎo)向件140具有例如引出結(jié)構(gòu)142的引出結(jié)構(gòu)。該引出結(jié)構(gòu)142具有一前導(dǎo)小平面144、一尾隨小平面146和一高臺(tái)148。由多個(gè)例如凹入表面150的凹入表面將相鄰的引出結(jié)構(gòu)分開(kāi)。此外，引出結(jié)構(gòu)142具有在與前導(dǎo)小平面144為相同側(cè)上的一凸起152。光線(xiàn)158以小于臨界角度的一角度撞擊小平面160，從而被傳送出光導(dǎo)向件140。然后，它撞擊凸起152的前導(dǎo)小平面和再進(jìn)入光導(dǎo)向件140。然后，光線(xiàn)158將以大于臨界角度的一角度撞擊凸起152的尾隨小平面，并經(jīng)歷全反面和從光導(dǎo)向件的底部出來(lái)。如此，未撞擊前導(dǎo)小平面144和在沒(méi)有凸起152的光導(dǎo)向件140的頂部上發(fā)射的光線(xiàn)被改向到所需方向。較佳地，多個(gè)例如凸起52的凸起的前導(dǎo)小平面應(yīng)該具有相關(guān)的引出結(jié)構(gòu)的前導(dǎo)小平面高度的至少百分之十的高度。雖然沒(méi)有在一凸起的升起部分的最大高度方面的限制，實(shí)用的限制是大致為相關(guān)引出結(jié)構(gòu)的升起部分的高度的百分之一百。
圖10示出了在圖9的實(shí)施例上的一輕微的變化。在圖10的實(shí)施例中，一光導(dǎo)向件140′具有一引出結(jié)構(gòu)142′。該引出結(jié)構(gòu)142′具有一凸起152′，該凸起152′具有一前導(dǎo)小平面154′和一尾隨小平面156′。凸起152′還具有一高臺(tái)162。
圖11示出了按照本發(fā)明原理的一光導(dǎo)向件14′，其中前導(dǎo)向小平面被減小至零，從而沒(méi)有形成高臺(tái)，而這實(shí)施例包括由諸小平面58′造成相互偏置的許多大體平的表面52′。諸表面52′的作用是通過(guò)全內(nèi)反射沿著光導(dǎo)向件的長(zhǎng)度引導(dǎo)光線(xiàn)。諸小平面58′的作用是通過(guò)朝向光導(dǎo)向件的光輸出側(cè)反射光線(xiàn)以致防止全內(nèi)反射將光線(xiàn)從光導(dǎo)向件14′引出。
在2000年9月26日提交、標(biāo)題為“具有引出結(jié)構(gòu)的光導(dǎo)向件”、代理人登錄號(hào)為55244USA1B、申請(qǐng)?zhí)枮?9/669,932的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)中可查到適合于實(shí)踐本發(fā)明的其它引出結(jié)構(gòu)。
III.光導(dǎo)向件的光輸出側(cè)如圖12所示，光導(dǎo)向件14的光輸出側(cè)20包括許多細(xì)長(zhǎng)的棱柱200。術(shù)語(yǔ)“棱柱”將被理解為意味著兩個(gè)或多個(gè)小平面界定用于偏離或分散一束光線(xiàn)的一光學(xué)傳送體。光導(dǎo)向件的諸棱柱200相互并排地沿著長(zhǎng)度L延伸。諸三角形溝槽201將諸棱柱200分開(kāi)。
各棱柱200包括較佳地在一上棱204相交的兩小平面202。在某些實(shí)施例中可以將上棱204弄圓。上棱204限定了棱柱200的高度H(如圖13所示)。各上棱204包括許多具有不同垂直斜度的棱段204a-204o。對(duì)于各棱柱200的諸棱段204a-204o垂直斜度(即斜度的數(shù)值和方向)較佳地隨機(jī)變化。例如，能夠從斜度的分布隨機(jī)選擇斜度(例如對(duì)于某些應(yīng)用情況32,000或更大斜度值)。將會(huì)理解斜度值的分布可以是平的或被加重的(weighted)(例如鐘形)。在其它實(shí)施例中，能夠以一非隨機(jī)方式選擇斜度。例如，對(duì)于某些應(yīng)用情況，可以希望沿著一棱柱的長(zhǎng)度逐漸減小斜度值，從而具有最陡斜度的諸段位于光源附近。將會(huì)理解的是自由度的總設(shè)計(jì)允許對(duì)應(yīng)于所需的引出效率選擇斜度。
參閱圖12，諸棱柱200的諸棱204形成許多峰206和谷208。形成峰206和谷208的位置處相鄰的棱段具有相反的垂直斜度方向(例如，見(jiàn)形成峰206的棱段204a和204b以及形成谷208的棱段204b和204c)。相鄰的棱段能夠具有垂直斜度的不同數(shù)值和相同方向(例如，見(jiàn)棱段204e和204f)。如圖13最清楚地所示，各上棱204還能夠沿著各棱柱200的長(zhǎng)度L在水平方向彎曲(即從一側(cè)移動(dòng)至另一側(cè)，從而偏離一單個(gè)垂直平面)。在另一實(shí)施例中，諸谷208也可以在一水平方向彎曲。
如圖12所示，諸峰206和諸谷的高度沿著各棱柱200的長(zhǎng)度變化。較佳地，諸峰206和諸谷208的高度隨機(jī)變化。
在一非限制性實(shí)施例中，諸棱柱可以具有約25微米的一名義高度，同時(shí)棱柱高度從15微米至35微米變化。諸棱柱200的節(jié)距P(圖13所示)的較佳范圍是10-100微米。節(jié)距的更較佳范圍是24至50微米。一最佳節(jié)距是50微米。因此，各棱柱200的諸小平面202所形成的所夾角度較佳地是在70°-120°的范圍內(nèi)，更較佳地在80°-100°范圍內(nèi)。最較佳地，諸小平面的所夾角度是90°。
參照?qǐng)D12，所示的諸上棱段204a-204o的各段具有相同的水平長(zhǎng)度部分Y(例如150微米)。各上邊緣段的水平長(zhǎng)度部分Y較佳地在約10-500微米的范圍內(nèi)。雖然較佳的是諸邊緣段具有相等的水平長(zhǎng)度部分Y，但是對(duì)于上邊緣段的水平長(zhǎng)度部分Y在各段之間也可以變化。
如圖12和13示意地所示，上棱204包括由直線(xiàn)相連的分離的峰106谷208。實(shí)際上，如圖14所示，邊緣204包括由大致直線(xiàn)段互連的諸弄圓的峰206和谷208。在其它一些實(shí)施例中，直線(xiàn)段可以由曲線(xiàn)段代替。
在圖14中，標(biāo)注了一上棱段204p的一水平長(zhǎng)度部分Y和一垂直長(zhǎng)度部分X。將會(huì)理解邊緣段204p的斜度數(shù)值通過(guò)垂直長(zhǎng)度部分X除以水平長(zhǎng)度部分Y得到。斜度的方向(即正或負(fù))根據(jù)棱段是上升或下降來(lái)確定。在一典型的實(shí)施例中，某一棱段的斜度的數(shù)值較佳地不超過(guò)10°。當(dāng)然，也可以采用較大的斜度數(shù)值。
仍舊參閱圖14，還示出了其中一個(gè)溝槽201的一深度210。由一下棱212(見(jiàn)圖13)形成深度210。與上棱204類(lèi)似。下棱212較佳地具有許多帶不同斜度的棱段。
在使用中，光導(dǎo)向件14的棱柱200的功能是＿＿＿＿＿＿＿＿。沿著棱柱200的長(zhǎng)度的斜度的變化有助于＿＿＿＿＿＿＿＿。
IV.說(shuō)明性的顯示器圖15示出了按照本發(fā)明原理的一說(shuō)明性的再循環(huán)背光照明的顯示器10a。顯示器10a包括位于光導(dǎo)向件14與光選通裝置16之間一光學(xué)層疊組件30。根據(jù)所述的顯示器照明特性，光學(xué)層疊組件30可包括任何數(shù)量的不同的光學(xué)元件。例如，所示的層疊組件包括一微棱柱薄膜32，例如一提高亮度薄膜(例如，從明尼蘇達(dá)州、圣保羅市、3M公司可購(gòu)得的提高亮度薄膜產(chǎn)品，例如BEFIII)。通常將提高亮度薄膜設(shè)計(jì)成再循環(huán)/反射從在某一角度范圍之外的光導(dǎo)向件14發(fā)出的光線(xiàn)(例如，見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利號(hào)4,906,070，該專(zhuān)利全文已被結(jié)合在此供參考)。薄膜32具有面朝上的和沿平行于諸凸起50方向的一方向延伸的諸棱柱。層疊組件30還包括一反射偏振薄膜34(即，反射一偏振狀態(tài)和傳送偏振的正交狀態(tài)的一薄膜)，例如3M公司以DBEF商標(biāo)出售的一鏡面的反射偏振器薄膜。反射的偏振薄膜34較佳地具有與選通裝置16的一相應(yīng)傳送軸線(xiàn)對(duì)齊的一傳送軸線(xiàn)。不與該傳送軸線(xiàn)對(duì)齊的光線(xiàn)被向后反射到光導(dǎo)向件14和再循環(huán)。還可采用具有與反射偏振薄膜34和選通裝置16對(duì)齊的一傳送軸線(xiàn)的一“收拾干凈(clean-up)”偏振薄膜36。如以上所述，對(duì)于這類(lèi)應(yīng)用情況，諸尾隨小平面58較佳地形成在20°-40°范圍內(nèi)的一角度。
所示的一反射元件38位于光導(dǎo)向件14之后，用于接受通過(guò)光導(dǎo)向件的光改向側(cè)22逃逸出的光線(xiàn)。反射元件38較佳地是一擴(kuò)散鏡。還可以添加諸薄膜，用于提供偏振轉(zhuǎn)換(例如，一四分之一波片)。在這類(lèi)實(shí)施例中，凹入表面和高臺(tái)52和54起到用于允許由層疊組件30反射的光線(xiàn)通過(guò)光導(dǎo)向件的光改向側(cè)22到達(dá)反射元件38的“窗口”的作用。然后凹入表面52和高臺(tái)54在光線(xiàn)被反射元件30反射之后允許光線(xiàn)再進(jìn)入光導(dǎo)向件14。
圖16示出了按照本發(fā)明原理的一說(shuō)明性的一次通過(guò)的背光照明的顯示器10b。該顯示器10b包括位于光導(dǎo)向件14與選通裝置16之間的一棱柱轉(zhuǎn)向薄膜41。由3M公司以商標(biāo)＿＿＿＿＿＿＿＿出售的這轉(zhuǎn)向薄膜用于將光線(xiàn)改向到對(duì)于觀(guān)察是較佳的一角度范圍(例如，一轉(zhuǎn)向薄膜能夠?qū)⒐饩€(xiàn)引導(dǎo)至較垂直地入射選通裝置10)。較佳地，該轉(zhuǎn)向薄膜具有面朝下和沿平行于諸凸起50的一方向延伸的諸棱柱43。所示的反射元件38(例如，一鏡面反射鏡)位于光導(dǎo)向件14之后，用于接受通過(guò)光導(dǎo)向件的光改向側(cè)22逃逸的光線(xiàn)。如上所述，對(duì)于這類(lèi)應(yīng)用情況，尾隨小平面58較佳地形成小于20°的一角度α。
V.制造方法較佳地，按照本發(fā)明的光導(dǎo)向件可通過(guò)模制、壓紋、固化方法，或相對(duì)于一車(chē)床轉(zhuǎn)動(dòng)刀具形成一注射可模制的樹(shù)脂或其它成形表面的其它方法，用帶有所需結(jié)構(gòu)表面的復(fù)制陰模的金屬或其它耐用材料而制造。關(guān)于制造這樣的形成表面和關(guān)于模制、壓紋或固化光導(dǎo)向件的方法對(duì)于本領(lǐng)域的那些熟練人員來(lái)說(shuō)是很熟悉的。較佳地，諸棱柱200與光導(dǎo)向件14的光輸出側(cè)20整體形成(即成形為一整塊件)，以及諸凸起50與光導(dǎo)向件14的光改向側(cè)22整體形成。在另一些實(shí)施例中，諸棱柱200或諸凸起50可以形成在通過(guò)傳統(tǒng)方法(例如一層疊加工)安裝在光導(dǎo)向件14上的諸薄膜上。
能夠通過(guò)金剛石車(chē)削加工制成關(guān)于用來(lái)形成在光導(dǎo)向件14的光輸出側(cè)20中的諸棱柱200的一工具的一靠模。典型地，該靠模將具有與所需棱柱結(jié)構(gòu)圖案相同的外形，以及將用于制造具有所需棱柱結(jié)構(gòu)的一復(fù)制陰模的一成形工具。舉例來(lái)說(shuō)，通過(guò)在稱(chēng)為一輥的一圓柱形坯料上進(jìn)行金剛石車(chē)削可以制成用于該工具的一靠模。該輥的表面通常為硬銅，不過(guò)可以使用其它材料。用一金剛石切削刀具300(如圖17所示)切削進(jìn)入該輥的、具有一三角形橫剖面的一溝槽。較佳地，切削進(jìn)入該輥的一連續(xù)溝槽，同時(shí)金剛石刀具300沿橫向于轉(zhuǎn)動(dòng)輥的方向(即在平行于該輥的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)的一方向)移動(dòng)。如果希望在該棱柱之間為恒定節(jié)距，那么刀具300以一等速運(yùn)動(dòng)。在切削過(guò)程中，將刀具300徑向切入該輥和徑向從該輥拉出，用于提供具有不同斜度的諸棱柱。在一較佳實(shí)施例中，切入深度范圍為15-35微米。在該輥以一等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過(guò)改變刀具300切入和拉出的速度，產(chǎn)生不同的斜度。
對(duì)于本領(lǐng)域的那些熟練的人員來(lái)說(shuō)本發(fā)明的許多修改和變化將是明顯的，而且不脫離本發(fā)明的范圍和原理。應(yīng)該理解本發(fā)明不局限于以上所述的說(shuō)明性的諸實(shí)施例。還應(yīng)該理解在詳細(xì)說(shuō)明中所提到的全部附圖是示意地和不按比例畫(huà)出的。
權(quán)利要求
1.一種光導(dǎo)向件包括一光導(dǎo)向件，它包括與一光輸出側(cè)相對(duì)定位的一光改向側(cè)；多個(gè)細(xì)長(zhǎng)棱柱，它們與光導(dǎo)向件的光輸出側(cè)鄰近，諸棱柱相互并排地沿著長(zhǎng)度延伸，棱柱包括限定棱柱高度的上棱，上棱沿著棱柱的長(zhǎng)度延伸，以及各上棱包括許多具有不同斜度數(shù)值的棱段；以及多個(gè)光引出結(jié)構(gòu)，它們靠近光導(dǎo)向件，用于朝光輸出側(cè)反射光線(xiàn)，光引出結(jié)構(gòu)包括各具一高臺(tái)部分以及第一和第二小平面的諸細(xì)長(zhǎng)凸起，諸細(xì)長(zhǎng)凸起由相對(duì)于高臺(tái)部分是凹入的諸凹入表面分開(kāi)，第一和第二小平面從高臺(tái)部分延伸到凹入表面。
2.如權(quán)利要求1的光導(dǎo)向件，其特征在于諸高臺(tái)部分的總面積大于該凹入表面部分的總面積。
3.如權(quán)利要求1的光導(dǎo)向件，其特征在于至少某些高臺(tái)部分形成的面積超過(guò)相鄰凹入表面部分所形成的面積。
4.如權(quán)利要求1的光導(dǎo)向件，其特征在于還包括從諸高臺(tái)部分向外突出的諸凸起。
5.如權(quán)利要求1的光導(dǎo)向件，其特征在于光導(dǎo)向體通常為楔形。
6.如權(quán)利要求1的光導(dǎo)向件，其特征在于高臺(tái)部分、小平面部分和凹入表面部分大體是平面的。
7.如權(quán)利要求2的光導(dǎo)向件，其特征在于諸高臺(tái)部分的面積至少是諸凹入表面的面積的八倍。
8.如權(quán)利要求1的光導(dǎo)向件，其特征在于諸上棱段的斜度數(shù)值是隨機(jī)變化的。
9.如權(quán)利要求1的光導(dǎo)向件，其特征在于諸棱段形成諸峰，其中各棱柱的至少某些峰具有不同高度。
10.如權(quán)利要求9的光導(dǎo)向件，其特征在于諸峰的高度是隨機(jī)變化的。
11.如權(quán)利要求1的光導(dǎo)向件，其特征在于諸棱段形成諸谷，以及其中各棱柱的至少某些谷具有不同的深度。
12.如權(quán)利要求11的光導(dǎo)向件，其特征在于諸谷的深度是隨機(jī)變化的。
13.如權(quán)利要求1的光導(dǎo)向件，其特征在于諸棱柱與光導(dǎo)向體的光輸出側(cè)為一整體。
14.如權(quán)利要求1的光導(dǎo)向件，其特征在于諸光引出結(jié)構(gòu)與光導(dǎo)向體的光改向側(cè)為一整體。
15.如權(quán)利要求1的光導(dǎo)向件，其特征在于諸光引出結(jié)構(gòu)和諸棱柱與光導(dǎo)向體為一整體。
16.如權(quán)利要求1的光導(dǎo)向件，其特征在于諸光引出結(jié)構(gòu)在大體橫向于諸棱柱的長(zhǎng)度的一方向是細(xì)長(zhǎng)的。
17.如權(quán)利要求1的光導(dǎo)向件，其特征在于諸光引出結(jié)構(gòu)為一彎彎曲曲的圖案形狀。
18.如權(quán)利要求1的光導(dǎo)向件，其特征在于光導(dǎo)向體包括在光輸出側(cè)與光改向側(cè)之間延伸的一光輸入側(cè)，其中諸光引出結(jié)構(gòu)在一方向是細(xì)長(zhǎng)的，并與光輸入側(cè)形成一傾斜角度。
19.一種光導(dǎo)向件包括一楔形光導(dǎo)向體，它從一第一端至一第二端厚度變小，該光導(dǎo)向體包括與一光輸出側(cè)相對(duì)定位的一光改向側(cè)，光改向側(cè)和光輸出側(cè)在第一與第二端之間延伸，光導(dǎo)向件還包括位于第一端的一光輸入表面，光輸入表面在光改向側(cè)與光輸出側(cè)之間延伸；多個(gè)細(xì)長(zhǎng)棱柱，它們與光導(dǎo)向體的光輸出側(cè)成為一整體，諸棱柱相互并排地沿著長(zhǎng)度延伸，棱柱包括限定棱柱的高度的上棱，上棱沿著棱柱的長(zhǎng)度延伸，各上棱包括許多具有不同斜度數(shù)值的棱段，斜度數(shù)值在諸棱段之間隨機(jī)變化；以及多個(gè)光引出結(jié)構(gòu)，它們與光導(dǎo)向體的光改向側(cè)為一整體，用于向光輸出側(cè)反射光線(xiàn)，光引出結(jié)構(gòu)包括各具有一高臺(tái)部分以及第一和第二小平面的諸細(xì)長(zhǎng)凸起，諸細(xì)長(zhǎng)凸起由相對(duì)于諸高臺(tái)部分凹入的諸凹入表面分開(kāi)，第一和第二小平面從高臺(tái)延伸到凹入表面。
20.一種顯示器包括一光源；一光選通裝置；用于將來(lái)自光源的光線(xiàn)導(dǎo)向光選通裝置的一光導(dǎo)向件，該光導(dǎo)向件包括一光導(dǎo)向體，它包括面對(duì)光選通裝置的一光輸出側(cè)和與光輸出側(cè)相對(duì)的一光改向側(cè)，該光導(dǎo)向體還包括在光改向側(cè)與光輸出側(cè)之間延伸的一光輸入側(cè)，該光輸入側(cè)靠近光源；多個(gè)細(xì)長(zhǎng)棱柱，它們靠近光導(dǎo)向體的光輸出側(cè)，諸棱柱相互并排地沿著長(zhǎng)度延伸，棱柱包括限定棱柱高度的上棱，上棱沿著棱柱的長(zhǎng)度延伸，以及各上棱包括具有不同斜度數(shù)值的許多上棱段；以及多個(gè)光引出結(jié)構(gòu)，它們靠近光導(dǎo)向體的光改向側(cè)，用于朝光輸出側(cè)反射光線(xiàn)，光引出結(jié)構(gòu)包括各具有一高臺(tái)部分以及第一和第二小平面的多個(gè)細(xì)長(zhǎng)凸起，諸細(xì)長(zhǎng)凸起由相對(duì)諸高臺(tái)部分凹入的諸凹入表面分開(kāi)，第一和第二小平面從高臺(tái)部分延伸到凹入表面。
21.如權(quán)利要求20的顯示器，其特征在于光導(dǎo)向體呈楔形。
22.如權(quán)利要求20的顯示器，其特征在于還包括位于光導(dǎo)向件的光改向側(cè)之后的一反射元件。
23.如權(quán)利要求20的顯示器，其特征在于還包括位于光通裝置與光導(dǎo)向體的光輸出側(cè)之間的一反射偏振薄膜。
24.如權(quán)利要求20的顯示器，其特征在于還包括位于光選通裝置與光導(dǎo)向體的光輸出側(cè)之間的一棱柱光亮薄膜。
全文摘要
一種光導(dǎo)向件(14)包括具有與一光輸出側(cè)(20)相對(duì)的一光改向側(cè)(22)的一光導(dǎo)向體。許多細(xì)長(zhǎng)棱柱靠近光導(dǎo)向體的光輸出側(cè)。諸棱柱相互并排地沿著長(zhǎng)度延伸。棱柱包括限定棱柱高度的上棱。上棱沿著棱柱的長(zhǎng)度延伸。各上棱包括具有不同斜度數(shù)值的許多上棱段。光導(dǎo)向件(14)還包括靠近光導(dǎo)向體的光改向側(cè)(22)的許多光引出結(jié)構(gòu)，用于朝光輸出側(cè)(20)反射光線(xiàn)。光引出結(jié)構(gòu)包括各具有一高臺(tái)部分(54)以及第一和第二小平面(56，58)的許多細(xì)長(zhǎng)凸起(50)。諸細(xì)長(zhǎng)凸起(50)由相對(duì)于諸高臺(tái)部分(54)凹入的諸凹入表面(52)分開(kāi)。第一和第二小平面(56，58)從高臺(tái)部分(54)延伸到凹入表面(52)。
文檔編號(hào)F21V8/00GK1555472SQ02818264
公開(kāi)日2004年12月15日 申請(qǐng)日期2002年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月15日
發(fā)明者L·R·懷特尼, L R 懷特尼, G·T·包伊德, 包伊德, K·M·科齊克, 科齊克, K·A·埃普斯特因, 埃普斯特因, S·小科布, 撇, P·E·瓦特森, 瓦特森, D·J·拉姆布, 拉姆布, M·E·加笛納, 加笛納 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司