專利名稱：抗刮痕光導膜的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光導膜。具體地，本發(fā)明涉及一種具有變化高度結構化表面的光導膜。
背景技術：
光導膜用來在與顯示器表面正交或者“在軸向(同軸)”的方向上，增加從光學顯示器出射的光的強度。一種光導膜具有大致平坦的表面和相對的結構化表面，該結構化表面具有直線狀棱鏡元件的陣列。增加同軸光的量，減少產(chǎn)生所需同軸亮度需要的能量。對于使用電池供電光源的光學顯示器，諸如用于膝上型計算機(便攜式計算機)、計算器、數(shù)字式手表、便攜式電話、以及個人數(shù)字助理(掌上電腦)的光學顯示器，這尤其重要。
本領域已知，在棱鏡元件相互以接近90°相交的情況下，將兩層光導膜彼此緊密相鄰放置，以進一步增加同軸光的量。然而，使用這種結構的光學顯示器，會表現(xiàn)出可見的明顯亮點、條紋、或者線條。這種“wet-out”情形是由相鄰薄膜的接觸表面或者接近接觸表面之間的光耦合所引起的。為了消除這種情形，可以將棱鏡元件排列成較高棱鏡元件和較矮棱鏡元件的區(qū)段，以限制薄膜之間的接觸。在轉讓給3M公司的美國專利No.5,771,328中，描述了抗光耦合(antiwet-out)結構的典型實施方式。
各棱鏡元件的側面相交以形成峰或者頂。棱鏡元件的峰通常是尖的，這種尖形在增加從背光源出射的同軸光量上最為有效。然而，在各棱鏡元件上形成的尖峰相對易損，使得薄膜易于產(chǎn)生刮痕。當在制造如上所列出的設備期間處理光導膜時，這一點尤為棘手，使得有必要在光導膜制造出來之后給其加上使用前保護膜(pre mask)。使用前保護膜可保護薄膜免于刮痕，但隨后在安裝到光學顯示器之前必須將使用前保護膜取下。所以，需要一種光導膜，抗刮痕而且基本不損失薄膜的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種具有結構化表面的光導膜，該結構化表面具有較高的第一棱鏡元件和較矮的第二棱鏡元件。較高的第一棱鏡元件具有鈍頂。


圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術的光導膜的典型實施方式的軸側圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明光導膜的一種實施方式的剖視圖。
圖3a和圖3b是圖示鈍頂寬度與同軸光增益之間關系的曲線。
圖4是根據(jù)本發(fā)明光導膜的另一種實施方式的剖視圖。
圖5是包括根據(jù)本發(fā)明光導膜的光導制品的剖視圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明光導膜的又一種實施方式的剖視圖。
圖7是包括根據(jù)本發(fā)明光導膜的光學顯示器的剖視圖。
具體實施例方式
圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術的光導膜10的典型實例。薄膜10包括平滑表面12、結構化表面14、以及帶有峰18的棱鏡元件16。平滑表面12與結構化表面14在薄膜10的相對側面上。棱鏡元件16線性方式排列以形成結構化表面14。峰18形成于各棱鏡元件16的頂部。如圖1所示，峰18是尖頂。
在操作中，以相對高入射角入射到平滑表面12上的光，在平滑表面12和結構化表面14處折射，并且改變方向，使光基本同軸，或者基本與平滑表面12垂直。以大于臨界角的角度入射到結構化表面14上的光，經(jīng)過從棱鏡元件16兩側面的全內(nèi)反射，并且被改變方向回到并穿過平滑表面12，在該處，通過位于平滑表面12下方的反射面，使返回的光再循環(huán)。折射和全內(nèi)反射的結合增加了同軸光的量，并減少了離軸光的量。
圖2、圖4、圖5、圖6和圖7是本發(fā)明的典型實施方式。這些圖未按實測繪制。具體而言，為了示例說明的目的，很大程度地增大了結構化表面的尺寸。
圖2是本發(fā)明典型實施方式剖視圖的一部分。圖2包括帶有平滑表面22、結構化表面24和基準平面26的光導膜20。結構化表面24進一步包括帶鈍頂30的第一棱鏡元件28、以及帶尖頂34的第二棱鏡元件32。圖2還包括高度變化Δ。
此外，平滑表面22與結構化表面24位于薄膜20的相對側面上。基準平面26位于表面22與表面24之間。基準平面26的位置是任意的，而且，位置選擇在這里無關緊要。第一棱鏡元件28與第二棱鏡元件32沿著結構化表面24交替，而鈍頂30與尖頂34則分別位于第一棱鏡元件28與第二棱鏡元件32的頂部。高度變化Δ表示從基準平面26分別到鈍頂30與尖頂34測量得到的第一棱鏡元件28與第二棱鏡元件32高度之間的差。
鈍頂30不是尖頂，而是相對平坦的頂。鈍頂不易損壞，但與使用尖頂棱鏡元件相比，使用鈍頂棱鏡元件所產(chǎn)生的同軸光增益有所降低。同軸光增益是采用光導膜時亮度與無薄膜時亮度之比。雖然尖頂34更易損壞，但使同軸光增益最大化。第一棱鏡元件28比第二棱鏡元件32高。所以，這樣排列薄膜20，使得尖頂34處在鈍頂30平面之下，并且不易損壞。這樣得到的薄膜是耐刮痕的，并且比起全部使用鈍頂?shù)那闆r，可最小化所發(fā)生的同軸光增益降低。
第一棱鏡元件和第二棱鏡元件的實際尺寸根據(jù)薄膜的應用不同而不同。在第一棱鏡元件與第二棱鏡元件之間，棱鏡元件基底的寬度或者間距(頂部到頂部的距離)可不同。另外，在同一薄膜的第一棱鏡元件和/或第二棱鏡元件內(nèi)，這些尺寸可不同。在同一薄膜的第一棱鏡元件和/或第二棱鏡元件內(nèi)，凹槽的深度或者棱鏡元件的高度也可不同。例如，薄膜可以具有一些在基底測量為50μm而高為25μm的第一棱鏡元件，而在同一薄膜中具有一些在基底測量為40μm且高為20μm的第一棱鏡元件。這些第一棱鏡元件都具有比薄膜上尖頂棱鏡元件高的鈍頂。這些尺寸假定凹槽角度為90°，然而，凹槽角度可不同，而且在一個薄膜內(nèi)可以有多種不同的凹槽角度。
典型棱鏡元件的高度測得為約24μm至約100μm。在這個高度范圍內(nèi)，高度變化Δ優(yōu)選為大約2μm至約10μm，但可以大至20μm。在有些應用中，棱鏡元件的高度可以更高，因而，高度變化Δ增加。對于各棱鏡元件高度，通過改變凹槽的深度和/或間距而變化，由試驗確定優(yōu)化的高度變化Δ值。
鈍頂30表面的寬度，可以根據(jù)薄膜的應用而不同。此外，一個薄膜內(nèi)，可以有鈍頂30寬度的多種組合。圖3a和圖3b圖示適用于具有50μm間距的棱鏡元件的鈍頂30表面寬度與同軸光增益之間的關系。圖3a圖示，對于一個光導膜而言，在所有棱鏡元件的鈍頂寬度從0μm(尖頂)至50μm(基本沒有棱鏡元件)時，同軸光的增益。在使用不同的增益檢測器和背光腔(cavity)之間，同軸光增益的實際值將有少許變化，但線性關系是相同的。圖3b是圖3a的放大，以更佳的分辨率圖示0μm至10μm之間的線性關系。根據(jù)圖3a和圖3b，很明顯，隨著鈍頂30寬度的增大，同軸光的增益減小。對于在基底測量為大約50μm帶有約90°至約100°頂角的棱鏡元件而言，鈍頂30的寬度優(yōu)選為大約1μm至大約20μm，或者達到基底寬度的大約40％。此外，通過對同軸光增益的損失與抗擦痕水平之間進行平衡，可以試驗方式確定適用于不同尺寸棱鏡元件的最佳值。
如果在較高的鈍頂棱鏡元件之間交替有多個較矮的尖頂棱鏡元件，也能減少同軸光增益的降低。在圖4中示出一種作為光導膜38的典型實施方式。薄膜38包括結構化表面40，結構化表面具有帶鈍頂30的第一棱鏡元件28，以及帶尖頂34的第二棱鏡元件32。這里，在第一棱鏡元件28之間，插入有三個第二棱鏡元件32。得到的薄膜仍是抗刮痕的，但同軸光增益的降低要小于圖2中所示的實施方式。
同軸光增益的降低與插入在各對較高鈍頂棱鏡元件之間的較矮尖頂棱鏡元件的數(shù)量成比例。例如，參照圖3b，當所有棱鏡元件具有尖頂時同軸光增益為1.6，而當所有棱鏡元件具有5μm寬的鈍頂時增益為1.54。當使用鈍頂棱鏡元件時，使同軸光增益降低0.06。如果一半棱鏡元件形成有尖頂，如圖2中所示的薄膜20，使同軸光增益的降低減少50％，得到的增益為1.57(與全是鈍頂棱鏡元件的1.54相比)。因此，如果四分之三的棱鏡元件有尖頂，如圖4中所示薄膜38，使降低減少了75％，得到的增益為大約1.59。尖頂棱鏡元件與鈍頂棱鏡元件的數(shù)量比取決于視覺外觀、光學性能(同軸光增益)、支撐在鈍頂之間橫條的機械硬挺性、以及保持抗刮痕的能力。這些是限制可以交叉在各對較高鈍頂棱鏡元件之間的較矮尖頂棱鏡元件數(shù)量的全部因素?？梢允褂美忡R元件的任何重復樣式，包括具有由較高鈍頂棱鏡元件接著多個較小尖頂棱鏡元件組成的分區(qū)等等。
為此目的，圖5圖示一種光導制品39，其中將本發(fā)明應用于抗光耦合結構。圖5表示將光導膜10(圖1)放置在光導膜38(圖4)上。使各薄膜棱鏡元件的線性陣列按90°取向。使光耦合最小化的較高棱鏡元件形成有鈍頂。可選擇地，其他的薄膜如薄膜38或者圖6的薄膜42也可以進行層疊，以形成兩種薄膜都是抗刮痕的光導制品。
圖6中示出一種可替代的實施方式。圖6表示具有結構化表面44的光導膜42。結構化表面44包括帶有尖頂34的第二棱鏡元件32，以及帶有鈍頂48的第三棱鏡元件46。第二棱鏡元件32和第三棱鏡元件46沿著結構化表面44交替。
這里，取代圖2和圖4中所示的具有基本平坦的頂部的較高棱鏡元件，較高的棱鏡元件具有彎曲的或者成圓角的頂部。除了鈍頂48的弦寬(第三棱鏡元件46直邊與曲邊交會點之間的距離)與同軸光增益之間的關系不是完全線性之外，鈍頂48的功能與鈍頂30的基本相同。其與圖3a和圖3b中所示的關系相似(數(shù)據(jù)未示出)。因此，采用本發(fā)明可以使用任何形式的鈍頂。
圖7是結合了本發(fā)明光導膜的光學顯示器50的典型實施方式的剖視圖。顯示器50包括外殼52、光源54、光導膜56、光閘裝置58、以及蓋板60。
如圖7所示，光源54是電致發(fā)光板，但也可使用其他光源，諸如膝上型計算機中普遍使用的熒光背光源組件，或者在有些計算機中普遍使用的無源反射顯示器，這些都包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。另外，盡管光閘裝置58優(yōu)選為液晶裝置，但其他光閘裝置也包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。盡管在圖7中有所夸大，但可以看出光導膜56的鈍頂棱鏡元件比光導膜56的尖頂棱鏡元件高。因此，即使當組裝成光學顯示器時，尖頂棱鏡元件也受到更多保護而不易損壞。
使用本發(fā)明的光導膜抑制了薄膜從一側向另一側拉出時出現(xiàn)的刮痕。因此，取決于生產(chǎn)過程，本發(fā)明可以免去給薄膜施加使用前保護膜的需要。
可以用于薄膜的材料有多種。材料充分透明以保證較高的光學透射是必要的。可用可市購的聚合材料實例包括丙烯酸樹脂和聚碳酸酯，分別具有大約1.493和1.586的標稱折射率。其他可用的聚合物包括聚丙烯、聚氨酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯和其他材料。盡管對具體材料沒有嚴格限制，但具有較高折射率的材料是優(yōu)選的。
根據(jù)本發(fā)明的薄膜可以通過多種方法制造。常規(guī)的方法包括使用精密工具，如金剛石車刀，在可加工的基材上切削出模具，并利用壓印或者UV固化加工復制模具。取決于制造工藝，這些薄膜的厚度典型地在大約4密耳至大約20密耳之間。
權利要求
1.一種光導膜，包括第一表面；與所述第一表面相對的結構化表面，所述結構化表面具有棱鏡元件陣列，所述棱鏡元件陣列進一步包括具有鈍頂?shù)牡谝焕忡R元件，所述鈍頂布置在距離基準平面第一距離處，所述基準平面布置在所述第一表面與所述結構化表面之間；以及具有尖頂?shù)牡诙忡R元件，所述尖頂布置在距離所述基準平面第二距離處，所述第二距離測量值小于所述第一距離。
2.根據(jù)權利要求1所述的光導膜，其中，所述鈍頂是基本平坦的。
3.根據(jù)權利要求1所述的光導膜，其中，所述鈍頂是彎曲的。
4.根據(jù)權利要求1所述的光導膜，其中，所述第一棱鏡元件構成不超過50％的所述陣列。
5.根據(jù)權利要求1所述的光導膜，其中，在一對第一棱鏡元件之間，插入有至少一個第二棱鏡元件。
6.根據(jù)權利要求1所述的光導膜，其中，所述鈍頂?shù)膶挾葹榇笥谒龅谝焕忡R元件基底寬度的0％到小于該寬度的約40％。
7.根據(jù)權利要求1所述的光導膜，其中，所述鈍頂?shù)膶挾葴y量為約1μm至約20μm。
8.根據(jù)權利要求1所述的光導膜，其中，所述第二距離測量值比所述第一距離小約2μm至約5μm。
9.一種光導膜，包括第一表面；與所述第一表面相對的結構化表面，所述結構化表面具有第一棱鏡元件與第二棱鏡元件交替的陣列，所述第一棱鏡元件具有限定外平面的鈍頂，所述第二棱鏡元件具有相對所述外平面凹進的尖頂。
10.根據(jù)權利要求9所述的光導膜，其中，使所述尖頂從所述外平面凹進約2μm至約5μm。
11.根據(jù)權利要求9所述的光導膜，其中，所述鈍頂相對平坦。
12.根據(jù)權利要求9所述的光導膜，其中，所述鈍頂是彎曲的。
13.根據(jù)權利要求9所述的光導膜，其中，所述第一棱鏡元件構成最多達約50％的所述陣列。
14.根據(jù)權利要求9所述的光導膜，其中，在一對第一棱鏡元件之間，插入至少一個第二棱鏡元件。
15.根據(jù)權利要求9所述的光導膜，其中，所述鈍頂?shù)膶挾葟拇笥谒龅谝焕忡R元件基底寬度的0％到小于該寬度的約40％。
16.一種光導膜，包括第一表面；以及與所述第一表面相對的結構化表面，所述結構化表面具有第一棱鏡元件與第二棱鏡元件交替的陣列，所述第一棱鏡元件具有限定至少一個外平面的鈍頂，所述第二棱鏡元件具有限定至少一個內(nèi)平面的尖頂。
17.一種光導膜，包括第一表面；以及與所述第一表面相對的結構化表面，所述結構化表面具有第一棱鏡元件與第二棱鏡元件交替的陣列，所述第一棱鏡元件具有限定多個外平面的鈍頂，所述第二棱鏡元件具有限定多個內(nèi)平面的尖頂，所述內(nèi)平面相對所述外平面凹進。
18.一種光導制品，包括第一光導膜，具有第一表面、與所述第一表面相對的第一結構化表面、以及在所述第一表面與所述第一結構化表面之間的基準平面，所述第一結構化表面具有沿第一主軸取向的第一棱鏡元件和第二棱鏡元件的直線狀陣列，所述第一棱鏡元件與所述第二棱鏡元件排列成重復樣式，其中在至少一對第一所述棱鏡元件之間，插入至少一個第二棱鏡元件，所述第一棱鏡元件具有鈍頂，該鈍頂布置在距離所述基準平面第一距離處，而所述第二棱鏡元件具有尖頂，該尖頂布置在距離所述基準平面第二距離處，所述第二距離小于所述第一距離；第二光導膜，具有基本平坦的表面，相鄰于所述第一光導膜的所述第一結構化表面布置，所述第二光導膜具有與所述基本平坦的表面相對的第二結構化表面，所述第二結構化表面具有沿第二主軸取向的棱鏡元件的直線狀陣列；以及其中，以最小化光耦合的角度使所述第一主軸與所述第二主軸相交。
19.一種光學顯示器，包括光源；觀看屏；以及光傳導裝置，用于將光從所述光源引導到所述屏幕，所述光傳導裝置包括至少第一光導膜，所述光導膜具有第一表面、與所述第一表面相對的結構化表面、以及在所述第一表面與所述結構化表面之間的基準平面，所述結構化表面具有第一棱鏡元件和第二棱鏡元件的陣列，所述第一棱鏡元件具有鈍頂，而所述第二棱鏡元件具有尖頂，所述鈍頂布置在距離所述基準平面第一距離處，而所述尖頂布置在距離所述基準平面第二距離處，所述第二距離小于所述第一距離。
20.根據(jù)權利要求19所述的光學顯示器，其中，在一對所述第一棱鏡元件之間，插入至少一個第二棱鏡元件。
21.根據(jù)權利要求19所述的光學顯示器，其中，所述鈍頂是基本平坦的。
22.根據(jù)權利要求19所述的光學顯示器，其中，所述鈍頂是彎曲的。
全文摘要
一種具有結構化表面的抗刮痕光導膜，結構化表面帶有第一棱鏡元件和第二棱鏡元件。第一棱鏡元件比第二棱鏡元件高并具有鈍頂。第二棱鏡元件較矮并具有尖頂。所得到的薄膜是抗刮痕的，而且同軸光增益沒有較大的損失。
文檔編號G02B5/04GK1902511SQ200480039396
公開日2007年1月24日 申請日期2004年11月9日 優(yōu)先權日2003年12月31日
發(fā)明者馬克·E·加迪納 申請人:3M創(chuàng)新有限公司