專(zhuān)利名稱(chēng)：具有帶矩形底面棱柱的結(jié)構(gòu)化表面的光學(xué)膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體來(lái)說(shuō)涉及透光式光學(xué)膜，具體來(lái)說(shuō)，涉及具有矩形底面棱柱的光學(xué)膜。
背景技術(shù)：
諸如液晶顯示(“LCD”)裝置之類(lèi)的顯示裝置用于各種裝備中，所述裝備包括，例如，電視、手持裝置、數(shù)字靜物相機(jī)、攝像機(jī)以及計(jì)算機(jī)監(jiān)視器。與常規(guī)的陰極射線管(“CRT”)顯示相比較，LCD具有若干優(yōu)點(diǎn)，例如，重量減輕、裝置尺寸減小、功耗降低以及亮度增大。然而，LCD面板不是自照明的，所以，需要背光組件或“背光源”。背光源通常將來(lái)自大致線狀源(例如，冷陰極熒光管(“CCFT”))或者發(fā)光二極管(“LED”)的光與大致平面的輸出耦合。然后，該平面的輸出與LCD面板耦合。
LCD的性能常常由其亮度來(lái)判斷?？梢酝ㄟ^(guò)使用更多的光源或更亮的光源來(lái)增強(qiáng)LCD的亮度。在大面積的顯示器中，常常需要使用直接照明型LCD背光源來(lái)保持亮度，因?yàn)榭捎糜诠庠吹目臻g隨著周長(zhǎng)線性地增長(zhǎng)，而被照明的面積隨著周長(zhǎng)的平方增長(zhǎng)。因此，LCD電視通常使用直接照明式背光源，而不是光導(dǎo)式邊緣照明型LCD背光源。附加的光源和/或較亮的光源會(huì)消耗更多的能量，這與降低顯示裝置功率分配的性能要求相悖。對(duì)于便攜式裝置，這會(huì)導(dǎo)致電池壽命縮短。此外，向顯示裝置中增加光源，會(huì)增加產(chǎn)品成本，有時(shí)可以導(dǎo)致顯示裝置可靠性的降低。
通過(guò)有效地利用在LCD裝置內(nèi)可用的光(例如，將顯示裝置內(nèi)的更多的可用光改向?yàn)閮?yōu)選沿著觀看軸的方向)，也可以增強(qiáng)LCD的亮度。例如，可得自3M公司的VikuitiTM增亮膜(“BEF”)具有棱形表面結(jié)構(gòu)體，這些棱形表面結(jié)構(gòu)體將從背光源發(fā)出在觀看范圍外的一些光改向?yàn)榛旧涎刂^看軸的方向。其余光中的至少一些通過(guò)一些光在BEF和背光源的反射部件(例如其背后的反射體)之間的多次反射來(lái)循環(huán)使用。這導(dǎo)致基本上沿著觀看軸的光學(xué)增益，并且還導(dǎo)致LCD照明的空間均勻性提高。因此，BEF是有益的，例如，因?yàn)樗鰪?qiáng)亮度并提高空間均勻性。關(guān)于電池供電的便攜式裝置，這可以轉(zhuǎn)變?yōu)檩^長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間或較小的電池尺寸、以及提供更好的觀看感的顯示器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種光學(xué)膜，光學(xué)膜包括具有軸和結(jié)構(gòu)化表面的主體，該結(jié)構(gòu)化表面包括多個(gè)棱形結(jié)構(gòu)體，每個(gè)棱形結(jié)構(gòu)體具有底面，該底面包括沿著第一總體方向彼此相對(duì)布置的至少兩個(gè)較長(zhǎng)邊和沿著第二總體方向彼此相對(duì)布置的至少兩個(gè)較短邊。沿著所述第一總體方向，當(dāng)入射角在相對(duì)于所述軸的第一預(yù)定角度范圍內(nèi)時(shí)，所述主體將入射在該主體上的大部分光透射，并且當(dāng)所述入射角在所述第一預(yù)定角度范圍之外時(shí)，反射大部分光。沿著所述第二總體方向，當(dāng)入射角在相對(duì)于所述軸的第二預(yù)定角度范圍內(nèi)時(shí)，所述主體還將入射在該主體上的大部分光透射，并且當(dāng)所述入射角在所述第二預(yù)定角度范圍之外時(shí)，反射大部分光。所述光學(xué)膜還包括基底部分，該基底部分具有與所述結(jié)構(gòu)化表面的光學(xué)特性不同的附加光學(xué)特性。
本發(fā)明還涉及一種顯示裝置，該顯示裝置包括具有窗的外殼；位于該外殼中的背光源，位于該背光源和所述窗之間的光學(xué)膜；以及位于該光學(xué)膜和所述光學(xué)窗之間的光閥裝置。所述光學(xué)膜包括主體，該主體具有軸和結(jié)構(gòu)化表面，該結(jié)構(gòu)化表面包括多個(gè)棱形結(jié)構(gòu)體，各棱形結(jié)構(gòu)體具有底面，該底面包括沿著第一總體方向彼此相對(duì)布置的兩個(gè)較長(zhǎng)邊和沿著第二總體方向彼此相對(duì)布置的兩個(gè)較短邊。沿著所述第一總體方向，當(dāng)入射角在相對(duì)于所述軸的第一預(yù)定角度范圍內(nèi)時(shí)，所述主體將入射在該主體上的大部分光透射，并且當(dāng)所述入射角在所述第一預(yù)定角度范圍之外時(shí)，反射大部分光。沿著所述第二總體方向，當(dāng)入射角在相對(duì)于所述軸的第二預(yù)定角度范圍內(nèi)時(shí)，所述主體還將入射在該主體上的大部分光透射，并且當(dāng)所述入射角在所述第二預(yù)定角度范圍之外時(shí)，反射大部分光。所述光學(xué)膜還包括基底部分，該基底部分具有與所述結(jié)構(gòu)化表面的光學(xué)特性不同的附加光學(xué)特性。


為了使本發(fā)明所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更容易理解如何制造本發(fā)明和使用本發(fā)明，下面將參照附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例，其中圖1A示意性地示出平板形光導(dǎo)邊緣照明式LCD背光源；圖1B示意性地示出楔形光導(dǎo)邊緣照明式LCD背光源；圖1C示意性地示出使用擴(kuò)展光源的LCD背光源；圖1D示意性地示出直接照明型LCD背光源；圖2A示意性地示出置于LCD背光源上方的根據(jù)本發(fā)明光學(xué)膜的示例性實(shí)施例；圖3A示意性地示出根據(jù)本發(fā)明光學(xué)膜的示例性實(shí)施例的等軸測(cè)圖；圖3B示意性地示出圖3A所示光學(xué)膜的剖視圖；圖4A示意性地示出根據(jù)本發(fā)明光學(xué)膜的另一示例性實(shí)施例的等軸測(cè)圖；圖4B示意性地示出圖4A所示光學(xué)膜的剖視圖；圖5A示意性地示出根據(jù)本發(fā)明光學(xué)膜的又一示例性實(shí)施例的等軸測(cè)圖；圖5B示意性地示出圖5A所示光學(xué)膜的剖視圖；圖6A示意性示出根據(jù)本發(fā)明的示例性光學(xué)膜的矩形底面棱柱的俯視圖；圖6B示意性地示出圖6A所示的棱柱的剖視圖；圖6C示意性地示出圖6A所示的棱柱的另一剖視圖；圖7A示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的示例性光學(xué)膜的矩形底面棱柱(置于LCD背光源的上方)的剖視圖；圖7B示意性地示出圖7A所示的棱柱的另一剖視圖；圖8A示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的示例性光學(xué)膜的矩形底面棱柱的俯視圖；圖8B示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的示例性光學(xué)膜的另一矩形底面棱柱的俯視圖；圖9A示意性地示出根據(jù)本發(fā)明光學(xué)膜的另一示例性實(shí)施例的等軸測(cè)圖；圖9B示出圖9A所示光學(xué)膜的等坎德拉極坐標(biāo)圖；圖9C示出圖9A所示光學(xué)膜的矩形坎德拉分布圖；圖10A示意性地示出根據(jù)本發(fā)明光學(xué)膜的又一示例性實(shí)施例的等軸測(cè)圖；圖10B示出圖10A所示光學(xué)膜的等坎德拉極坐標(biāo)圖；圖10C示出圖10A所示光學(xué)膜的矩形坎德拉分布圖；圖11A示意性地示出根據(jù)本發(fā)明光學(xué)膜的又一示例性實(shí)施例的等軸測(cè)圖；圖11B示出圖11A所示光學(xué)膜的等坎德拉極坐標(biāo)圖；圖11C示出圖11A所示光學(xué)膜的矩形坎德拉分布圖；具體實(shí)施方式
本發(fā)明涉及用于控制來(lái)自光源的光的分布的光學(xué)膜，具體來(lái)說(shuō)，涉及用于控制沿著兩個(gè)不同方向的光分布的光學(xué)膜。根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)膜可以用于控制LCD背光源(例如，圖1A至圖1D所示的LCD背光源)的光分布。
圖1A至圖1D示出可以用于LCD中的背光源的幾個(gè)實(shí)例。圖1A示出背光源2a。該背光源2a包括兩個(gè)光源4a，例如兩個(gè)冷陰極熒光管(“CCFT”)，這兩個(gè)光源從背光源的兩個(gè)相對(duì)側(cè)或邊緣提供光；燈反射體4a’，布置在光源4a周?chē)?；?dǎo)光片3a，其示出為大致平面狀的導(dǎo)光片；背反射體3a’和光學(xué)膜3a”，該光學(xué)膜可以是任何合適的光學(xué)膜。圖1B示出背光源2b，該背光源2b包括單個(gè)光源4b，例如CCFT；燈反射體4b’，布置在光源4b的周?chē)?；?dǎo)光片3b，其示出為楔形的導(dǎo)光片；背反射體3b’和光學(xué)膜3b”，該光學(xué)膜可以是任何合適的光學(xué)膜。圖1C示出背光源2c，該背光源包括擴(kuò)展光源4c。示例性的合適的擴(kuò)展光源包括表面發(fā)光型光源。圖1D示意性地示出背光源2d的局部視圖，該背光源包括三個(gè)或更多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的線狀光源(例如，CCFT)4d；背反射體5a、擴(kuò)散板4d’和光學(xué)膜4d”，該光學(xué)膜可以是任何合適的光學(xué)膜。
這種背光源可以用于各種顯示裝置例如LCD裝置(例如，電視、監(jiān)視器等)中。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的那樣，顯示裝置可以包括具有窗的外殼；位于該外殼中的背光源；根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)膜；其它合適的光學(xué)膜；以及位于光學(xué)膜和光學(xué)窗之間的光閥裝置，例如，LCD面板。根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)膜也可以與本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知的任何其它光源結(jié)合使用，并且可以包括任何其它合適的元件。
圖2A示出根據(jù)本發(fā)明的背光源2e和光學(xué)膜6a的剖視圖。背光源2e可以包括光源4e、導(dǎo)光片3c和背反射體5b。光學(xué)膜6a可以位于背光源2e的上方。根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)膜6a具有包括結(jié)構(gòu)化表面10a和基底部分12a的主體。光學(xué)膜6a的主體可以用軸表征，在一些示例性實(shí)施例中，該軸與基底部分12a基本上垂直，在其它的示例性實(shí)施例中，該軸相對(duì)于基底部分12a構(gòu)成不同的角度。
在本發(fā)明的典型實(shí)施例中，主體軸與顯示裝置(其中可以使用本發(fā)明的光學(xué)膜)的觀看方向基本上共線。結(jié)構(gòu)化表面10a包括多個(gè)棱形結(jié)構(gòu)體8a，例如棱錐，在一些示例性實(shí)施例中，該棱形結(jié)構(gòu)體是矩形底面棱柱。棱形結(jié)構(gòu)體8a布置在結(jié)構(gòu)化表面10a上，各棱形結(jié)構(gòu)體8a彼此十分接近，在一些示例性實(shí)施例中，棱形結(jié)構(gòu)體彼此基本上接觸或直接相鄰。然而，在其它示例性實(shí)施例中，只要光學(xué)膜6a的增益為至少約1.1，則棱形結(jié)構(gòu)體8a可以彼此間隔任何合適的距離(例如，約十(10)微米或更大)。
用于本發(fā)明的目的時(shí)，“增益”定義為具有根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的光學(xué)膜的光學(xué)系統(tǒng)的軸向輸出光亮度和沒(méi)有這種光學(xué)膜的相同光學(xué)系統(tǒng)的軸向輸出光亮度之比。在本發(fā)明的典型實(shí)施例中，對(duì)棱形結(jié)構(gòu)體的尺寸、形狀和角度進(jìn)行選擇，以提供至少約1.1的光學(xué)增益。另外，可以根據(jù)所需的光的輸出分布來(lái)選擇棱形結(jié)構(gòu)體的間距、尺寸、形狀和角度。然而，棱形結(jié)構(gòu)體不應(yīng)當(dāng)過(guò)小以至于發(fā)生衍射，并且不應(yīng)當(dāng)過(guò)大以至于可以被肉眼看見(jiàn)。對(duì)于尺寸為約100微米的結(jié)構(gòu)，通常會(huì)出現(xiàn)后一種情況。在尤其適用于直接照明式背光源的一些示例性實(shí)施例中，棱形結(jié)構(gòu)體的間距、尺寸、形狀和角度可以選擇成這樣，使得本發(fā)明的光學(xué)膜有助于使得直接照明式背光源中所用的光源對(duì)于觀看者來(lái)說(shuō)為隱藏的。在圖2A所示的示例性實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)化表面10a布置在基底部分12a上。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知的那樣，光學(xué)膜6a可以用來(lái)改變從背光源2e發(fā)出的光線的方向，并且，在一些情況下，可以用來(lái)改變從背光源2e發(fā)出的光線的其它特性。例如，本發(fā)明的一些實(shí)施例可以使用光學(xué)膜6a的棱形結(jié)構(gòu)體8a來(lái)控制光的角展度。
基底部分12a具有與結(jié)構(gòu)化表面10a的光學(xué)特性不同的附加光學(xué)特性，從而，該基底部分以這樣一種方式控制光，該方式與結(jié)構(gòu)化表面10a控制光的方式不同。這種控制可以包括使進(jìn)入本發(fā)明的光學(xué)膜中的光偏振、擴(kuò)散或附加改變方向。這可以例如通過(guò)下述方式來(lái)實(shí)現(xiàn)在基底部分中包括具有這種附加的光學(xué)特性的光學(xué)膜，或者，將該基底部分自身構(gòu)造成具有這種附加的光學(xué)特性。具有這種附加的光學(xué)特性的示例性的合適的膜包括，但不限于，偏振膜、擴(kuò)散膜、增亮膜例如BEF、轉(zhuǎn)向膜、及其組合。轉(zhuǎn)向膜可以是例如反轉(zhuǎn)棱鏡膜(reversedprism film)(例如，倒置的BEF)、或者以與反轉(zhuǎn)棱鏡膜大致相似的方式改變光的方向的其它結(jié)構(gòu)。在一些示例性實(shí)施例中，基底部分12a可以包括多層反射偏振片，例如，VikuitiTM反射式偏光增亮膜(“DBEF”)；或者漫反射偏振片，其具有連續(xù)相和分散相，例如，VikuitiTM漫反射偏振膜(“DRPF”)，其中，VikuitiTM反射式偏光增亮膜和VikuitiTM漫反射偏振膜二者可得自3M公司。在其它示例性實(shí)施例中，基底部分可以包括聚碳酸酯層(“PC”)、聚甲基丙烯酸甲酯層(“PMMA”)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(“PET”)、或者本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知的任何合適的膜或材料。
圖3A和圖3B示出根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)膜6c的示例性實(shí)施例。結(jié)構(gòu)化表面10c和基底部分12c可以是單個(gè)膜中的部件，如圖3A和圖3B所示。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的那樣，結(jié)構(gòu)化表面10c和基底部分12c可以形成為單個(gè)部件(在一些情況下可以由相同的材料形成)以產(chǎn)生光學(xué)膜6c，或者，它們可以分開(kāi)形成，然后，例如使用合適的粘合劑，將它們連接在一起，以形成為單個(gè)部件。光學(xué)膜6c可以用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知的任何方法制造，所述方法包括，但不限于，壓花法、鑄型法、壓制法和分批法。
在根據(jù)本發(fā)明制造光學(xué)膜的示例性方法中，可以用微結(jié)構(gòu)化成形工具以及可任選的中間成形工具來(lái)形成光學(xué)膜(例如，光學(xué)膜6c)。例如，通過(guò)在合適的基底上在兩個(gè)方向上切割凹槽，可以制造微結(jié)構(gòu)化成形工具。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的那樣，所得到的微結(jié)構(gòu)化成形工具包括多個(gè)棱形結(jié)構(gòu)體，類(lèi)似于所需的光學(xué)膜?？梢愿鶕?jù)是否需要具有尖點(diǎn)、平臺(tái)或沿著峰部的尖線條的棱形結(jié)構(gòu)體以及根據(jù)其它相關(guān)的參數(shù)，調(diào)節(jié)切割的深度以及每次平行切割間的間距。
例如，使用電鍍法和聚合物復(fù)制，可以用微結(jié)構(gòu)化成形工具制造中間成形工具，該中間成形工具具有與微結(jié)構(gòu)化成形工具反轉(zhuǎn)或相反的結(jié)構(gòu)(例如，倒置的棱形結(jié)構(gòu)體)。中間成形工具可以由聚合物制成，所述聚合物包括，例如，聚氨酯、聚丙烯、丙烯酸、聚碳酸酯、聚苯乙烯、UV固化樹(shù)脂等。為了便于剝離最終的光學(xué)膜，還可以用脫模層涂布中間工具。
如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知的那樣，可以使用中間成形工具通過(guò)直接復(fù)制或分批法來(lái)制造光學(xué)膜(例如，光學(xué)膜6c)。例如，通過(guò)諸如注射成型法、UV固化法或熱塑模制法例如壓縮模制法，可以使用中間成形工具分批加工光學(xué)膜6c。根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)膜可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的任何合適材料形成，或者可以包括本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知的任何合適材料，所述材料包括，例如，無(wú)機(jī)材料，例如二氧化硅基聚合物；以及有機(jī)材料，例如聚合物材料，包括單體、共聚物、接枝聚合物及其混合物或共混物。
圖4A和圖4B示出根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)膜6d的另一示例性實(shí)施例。具體來(lái)說(shuō)，光學(xué)膜6d可以由兩個(gè)單獨(dú)的部分形成具有結(jié)構(gòu)化表面的部分10d和基底部分12d。例如，可以通過(guò)如下方式來(lái)制造這種示例性實(shí)施例用可固化的材料涂布基底部分；使可固化的材料具有結(jié)構(gòu)化表面；以及固化該光學(xué)膜?；蛘?，光學(xué)膜6e中具有結(jié)構(gòu)化表面的部分10e和基底部分12e可以是用合適的粘合劑28粘結(jié)在一起的兩個(gè)單獨(dú)的膜，例如，如圖5A和圖5B所示。粘合劑28可以包括，但不限于，壓敏粘合劑(PSA)或者紫外(UV)光可固化的粘合劑。在這種示例性實(shí)施例中，有時(shí)有益的是，用折射率低于基底部分折射率的材料制造具有結(jié)構(gòu)化表面的部分。
圖6A至圖6C示出根據(jù)本發(fā)明的棱形結(jié)構(gòu)體8f的示例性實(shí)施例。圖6A示出棱形結(jié)構(gòu)體8f的俯視圖。棱形結(jié)構(gòu)體8f的底面可以是四邊形狀，其中的兩個(gè)第一邊A1沿著圖6C所示的方向彼此大致相對(duì)地布置，兩個(gè)第二邊B1沿著圖6B所示的方向彼此大致相對(duì)地布置。在本發(fā)明的典型實(shí)施例中，A1的長(zhǎng)度小于B1的長(zhǎng)度，兩個(gè)第一邊A1彼此基本上平行，兩個(gè)第二邊B1彼此基本上平行。在一些示例性實(shí)施例中，第一邊A1與第二邊B1基本上垂直。因此，棱形結(jié)構(gòu)體8f的底面可以大致為矩形。
圖6B示出在圖6A所示的6B-6B平面內(nèi)棱形結(jié)構(gòu)體8f的示例性實(shí)施例的剖視圖。棱形結(jié)構(gòu)體8f包括兩個(gè)表面16a。棱形結(jié)構(gòu)體8f還包括角度α1(α)，該角度α1是在表面16a之一和與基底部分12f平行的平面之間測(cè)得的。圖6C示出在圖6A所示的6C-6C平面內(nèi)棱形結(jié)構(gòu)體8f的示例性實(shí)施例的剖視圖。棱形結(jié)構(gòu)體8f包括兩個(gè)表面14a。棱形結(jié)構(gòu)體8f還包括角度β1(β)，該角度β1是在表面14a之一和與基底部分12f平行的平面之間測(cè)得的。角度α1優(yōu)選至少與角度β1一樣大，通常比角度β1大。
圖6B和圖6C示出在棱形結(jié)構(gòu)體8f內(nèi)傳播的光線18。根據(jù)光線18相對(duì)于表面16a或表面14a的法線的入射角δ1(δ)或δ2，表面16a和表面14a可以使光線18反射或折射。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員從本發(fā)明所知的那樣，選擇不同的角度α1和β1，可以使人們控制透過(guò)光學(xué)膜6(例如，光學(xué)膜6a至6e)中棱形結(jié)構(gòu)體8f的光的角展度。在一些示例性實(shí)施例中，使相對(duì)的表面對(duì)和與基底部分平行的平面之間分別形成的角度彼此不相等，有益于希望觀看軸相對(duì)于基底部分的法線傾斜的情況。
圖7A示出與圖6B所示的棱形結(jié)構(gòu)體8f相似的棱形結(jié)構(gòu)體8g的示例性實(shí)施例的剖視圖。從背光源2g發(fā)出的光線20a、光線22a和光線24a在棱形結(jié)構(gòu)體8g中傳播。圖7B示出與圖6C所示的棱形結(jié)構(gòu)體8f相似的棱形結(jié)構(gòu)體8g的示例性實(shí)施例的剖視圖。光線20b、光線22b和光線24b分別與圖7A中所示的光線20a、22a和24a具有相同的方向，從背光源2g發(fā)出，并且在棱形結(jié)構(gòu)體8g中傳播。
下面描述從LCD背光源2g發(fā)出的光線20至24中各光線傳播通過(guò)本發(fā)明的光學(xué)膜6(例如，光學(xué)膜6a至6e)的棱形結(jié)構(gòu)體8g。圖7A和圖7B示出根據(jù)光線是首先入射在表面16b之一上還是入射在表面14b之一上而該光線可能會(huì)如何表現(xiàn)出不同的行為，以及，通過(guò)選擇表面16b的角度δ2和表面14b的角度δ2，可以如何在兩個(gè)不同方向上控制光的角展度。應(yīng)該注意，光線20至24沒(méi)有繪制成精確地示出光線20至24的反射角和折射角。光線20至24僅僅說(shuō)明示意性地示出光線傳播通過(guò)棱形結(jié)構(gòu)體8g的大致方向。
在圖7A中，從背光源顯示器2g發(fā)出的光線20a在棱形結(jié)構(gòu)體8g中以與表面16b垂直的方向傳播。因此。光線20a以與表面16b垂直的方向(或法線方向)進(jìn)入表面16b，并且，光線20a相對(duì)于表面16b法線的入射角等于零(0)度。
在光學(xué)膜6(例如，光學(xué)膜6a至6e)和表面16b及14b之上的介質(zhì)可以例如基本上由空氣構(gòu)成。然而，在光學(xué)膜6和表面16b及14b之上的介質(zhì)可以由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知的任何介質(zhì)、材料或膜構(gòu)成。如本領(lǐng)域技術(shù)人員或者普通技術(shù)人員所知的那樣，空氣具有比大多數(shù)已知材料低的折射率?；谒鼓傻脑?，當(dāng)光進(jìn)入或者入射在具有較低折射率的介質(zhì)上時(shí)，光線以相對(duì)于法線的出射角θ轉(zhuǎn)向離開(kāi)法線，其中，出射角θ大于入射角δ。然而，當(dāng)光線以垂直于表面的方式進(jìn)入表面處的材料-空氣界面時(shí)，該光線(例如，光線20a)不會(huì)轉(zhuǎn)向，并且繼續(xù)直線傳播，如圖7A所示。斯涅耳定律可以用下述公式表示ni*sinδ＝nt*sinθ，其中，ni＝在入射光側(cè)上的材料的折射率；
δ＝入射角；nt＝透射光側(cè)上的材料的折射率；以及θ＝出射角。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，一定量的入射光還將被反射回棱形結(jié)構(gòu)體8g中。
圖7B示出光線20b以與光線20a基本上相同的方向傳播。光線20b以相對(duì)于表面14b法線的入射角δ3進(jìn)入表面14b。如上所述，表面14b的角度β2優(yōu)選小于表面16b的角度α2。因此，光線20b的入射角δ3不等于光線20a的入射角δ。光線20b的入射角δ3不等于零(0)，如圖7B所示，并且，光線20b不會(huì)以垂直于表面14b的角度進(jìn)入材料-空氣界面。根據(jù)斯涅耳定律的公式，光線20b在入射于表面14b處以不同于入射角δ3的出射角θ3折射。
如圖7A所示，光線22a傳播入棱形結(jié)構(gòu)體8g中，以相對(duì)于表面16b法線的入射角δ4進(jìn)入表面16b。光線22a的入射角δ4大于在表面16b處的臨界角δc。光線22a不會(huì)從棱形結(jié)構(gòu)體8g中射出，而是反射回到棱形結(jié)構(gòu)體8g中。這稱(chēng)為“全內(nèi)反射”。如上所述，當(dāng)光線從具有較高折射率的材料傳播到具有較低折射率的材料時(shí)，該光線將根據(jù)上面闡述的折射公式表現(xiàn)。根據(jù)公式，隨著入射角增大，出射角θ將接近90度。然而，在臨界角δc以及大于臨界角δc的所有角度處，將發(fā)生全內(nèi)反射(例如，光線將反射回到棱形結(jié)構(gòu)體8g中，而不是折射和透過(guò)表面)。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的那樣，可以根據(jù)斯涅耳定律(上面所述的)，通過(guò)設(shè)定出射角(例如，折射角)為九十度(90)并求解入射角δ，以確定臨界角δc。
如圖7B所示，光線22b以與光線22a基本上相同的方向傳播，進(jìn)入表面14b。因?yàn)楸砻?4b的角度β2小于表面16b的角度α2，所以在光線22a進(jìn)入表面16b處，光線22b以與入射角δ4不同的入射角δ5進(jìn)入表面14b。光線22b的入射角小于臨界角δc，所以光線22b在表面14b處發(fā)生折射，并且透過(guò)表面14b。
圖7A和圖7B分別所示的光線24a和光線24b以與基底部分12g垂直的方向在棱形結(jié)構(gòu)體8g中傳播。分別地，光線24a和光線24b以小于臨界角δc的入射角δ進(jìn)入表面16b和表面14b。然而，光線24a相對(duì)于表面16b法線的入射角δ6大于光線24b相對(duì)于表面14b法線的入射角δ7。因此，根據(jù)斯涅耳定律，光線24a相對(duì)于表面16b法線的出射角θ6與光線24b相對(duì)于表面14b法線的出射角θ7不同。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的那樣，光線24a相對(duì)于表面16b法線的出射角θ6將大于光線24b相對(duì)于表面14b法線的出射角θ7。
如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的那樣，與具有較大角度α2的表面16b相比，具有較小角度β2的表面14b通?？梢詫⒏嗟墓狻熬劢埂毕蚺c背光源2g垂直的方向。因此，所述的具有棱形結(jié)構(gòu)體8(例如，棱形結(jié)構(gòu)體8a至8g)的光學(xué)膜6(例如，光學(xué)膜6a至6e)可以允許光沿一個(gè)方向的角展度較大而光沿另一個(gè)方向的角展度較小。例如，本發(fā)明的光學(xué)膜6可以用于LCD電視中，以使光在第一方向例如水平方向上的角展度較寬，以及，使光在第二方向例如垂直方向上的角展度較小但仍足夠大。通常，為了適應(yīng)下述情況，水平方向(例如，在電視的任一側(cè)上的觀看者)的視場(chǎng)比垂直方向(例如，站著或坐著的觀看者)的視場(chǎng)寬，上述做法是有益的。在一些示例性實(shí)施例中，觀看軸可以朝下傾斜，例如，當(dāng)觀看者可以坐在地板上時(shí)。通過(guò)降低光在垂直方向上的角展度，所得到的光學(xué)增益可以應(yīng)用在所需的觀看角度范圍內(nèi)。
圖8A和圖8B示出根據(jù)本發(fā)明的棱形結(jié)構(gòu)體8的另一示例性實(shí)施例。圖8A示出具有兩個(gè)相對(duì)的第一邊A3和兩個(gè)相對(duì)第二邊B3的棱形結(jié)構(gòu)體8h；A3的長(zhǎng)度小于B3的長(zhǎng)度。棱形結(jié)構(gòu)體8h還包括兩個(gè)表面14c和兩個(gè)表面16c。在該示例性實(shí)施例中，棱形結(jié)構(gòu)體8h還包括大致平坦的表面26a，該平坦表面26a優(yōu)選為凹槽間距的5％或更小，以使增益損耗最小化。平坦表面26a在這樣的情況下是有用的，例如，當(dāng)將基底部分12(例如，基底部分12a至12g)或者另外的膜粘結(jié)在結(jié)構(gòu)化表面10(例如，結(jié)構(gòu)化表面10a至10e)的棱形結(jié)構(gòu)體8h的上面時(shí)。此外，平坦表面可以有助于使更多的光以與顯示器垂直的方向(即，觀看者很可能沿該方向觀看屏幕)透射。表面26a可以是升起的，或者，表面26a可以是壓下的。在一些示例性實(shí)施例中，表面26a可以是圓形的。
圖8B示出具有兩個(gè)相對(duì)的第一邊A4和兩個(gè)相對(duì)的第二邊B4的棱形結(jié)構(gòu)體8i。在該示例性實(shí)施例中，兩個(gè)表面14d大致為三角形，而兩個(gè)表面16d大致梯形?？梢灶A(yù)期，棱形結(jié)構(gòu)體8i可以是具有兩個(gè)相對(duì)的第一邊A4和兩個(gè)相對(duì)的第二邊B4的任何其它結(jié)構(gòu)。
圖9A、圖10A和圖11A分別示出根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)膜6j、6k和6l的三個(gè)附加示例性實(shí)施例的示意性局部軸側(cè)圖。示例性光學(xué)膜6j/6k/6l包括折射率約為1.58的具有結(jié)構(gòu)化表面10j/10k/10l的部分，和折射率約為1.66的基底部分12j/12k/12l。結(jié)構(gòu)化表面10j/10k/10l包括多個(gè)棱形結(jié)構(gòu)體8j/8k/8l。棱形結(jié)構(gòu)體8j/8k/8l的底面可以是具有四邊的形狀，其中的兩個(gè)第一邊A9/A10/A11沿著方向Y彼此大致相對(duì)地布置，兩個(gè)第二邊B9/B10/B11沿著方向X彼此大致相對(duì)地布置。各棱形結(jié)構(gòu)體8j/8k/8l還可以包括兩個(gè)表面14j/14k/14l和兩個(gè)表面16j/16k/16l。如圖9A、圖10A和圖11A所示，表面14j/14k/14l中的每個(gè)均與第一邊A9/A10/A11中的一個(gè)相交，表面16j/16k/16l中的每個(gè)均與第二邊B9/B10/B11中的一個(gè)相交。在示例性實(shí)施例中的表面14j/14k/14l和16j/16k/16l可以位于約四十五(45)度的表面角處。在表1中進(jìn)一步描述示例性光學(xué)膜6j/6k/6l和棱形結(jié)構(gòu)體8j/8k/8l。
表1光學(xué)膜6j，6k，6l

如表1所示，光學(xué)膜6j、6k和6l之間的不同是每個(gè)棱形結(jié)構(gòu)體8j/8k/8l中底面的第二邊B9/B10/B11的長(zhǎng)度。表1中的棱柱比是底面長(zhǎng)度(例如，B9/B10/B11)與底面寬度(例如，A9/A10/A11)之比。表1中所示的每個(gè)光學(xué)膜6j/6k/6l的增益是具有光學(xué)膜6j/6k/6l的光峰值軸向光亮度除以沒(méi)有光學(xué)膜6j/6k/6l的光峰值軸向光亮度之比。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員從表1中所理解的那樣，棱形比的不同不會(huì)明顯地影響光學(xué)膜6j/6k/6l的示例性實(shí)施例的軸向增益，但棱形比可以導(dǎo)致從本發(fā)明的光學(xué)膜中射出的光在沿著兩個(gè)不同方向的角度分布不同。
圖9B、圖10B和圖11B分別示出棱形結(jié)構(gòu)體8j、8k和8l的等坎德拉分布極坐標(biāo)圖。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的那樣，坎德拉分布圖示出檢測(cè)的入射光線已經(jīng)通過(guò)包括棱形結(jié)構(gòu)體(例如光學(xué)膜6j/6k/6l的棱形結(jié)構(gòu)體8j/8k/8l)的光學(xué)膜的三百六十(360)度圖案。在每個(gè)坎德拉分布圖上示出示例性棱形結(jié)構(gòu)體8j/8k/8l，用于方向參照。如圖9B、圖10B和圖11B所示，對(duì)于光學(xué)膜6j/6k/6l中的每一個(gè)，光分布不同。例如，光學(xué)膜6j具有最小的棱柱比，它的標(biāo)繪圖示于圖9B中，顯示更對(duì)稱(chēng)的分布(即，與圖10B和圖11B的情況相比較，在圖9B中，光沿著X方向的分布與沿著Y方向的分布更相似)。光學(xué)膜6l在所示的三個(gè)實(shí)施例中具有最大的棱柱比，它的標(biāo)繪圖示于圖11B中，顯示在三個(gè)實(shí)施例中最不對(duì)稱(chēng)的分布(即，光沿著X方向的分布小于光沿著Y方向的分布)。
如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的那樣，圖9B、圖10B和圖11B所示的等坎德拉分布極坐標(biāo)圖表明示例性實(shí)施例能夠控制光沿著兩個(gè)不同方向的分布。如上所述，這可用來(lái)在諸如LCD TV或監(jiān)視器之類(lèi)的裝置中以連續(xù)的方式在一個(gè)方向上提供擴(kuò)展的視角。
圖9C、圖10C和圖11C分別示出棱形結(jié)構(gòu)體8j/8k/8l的矩形坎德拉分布圖，其中各矩形坎德拉分布圖與圖9B、圖10B和圖11B所示的極坐標(biāo)圖對(duì)應(yīng)。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的那樣，矩形坎德拉分布圖示出在不同角度通過(guò)光學(xué)膜6j/6k/6l的光強(qiáng)度。矩形分布圖上的每條曲線與各極坐標(biāo)圖的不同橫截面對(duì)應(yīng)。例如，標(biāo)記為0度的曲線表示沿著經(jīng)過(guò)中心的0度和180度連接線的極坐標(biāo)圖的橫截面，標(biāo)記為90度的曲線表示沿著經(jīng)過(guò)中心的90度和180度連接線的極坐標(biāo)圖的橫截面，以及，標(biāo)記為135度的曲線表示沿著經(jīng)過(guò)中心的135度和315度連接線的極坐標(biāo)圖的橫截面。如前一組曲線圖所示，光學(xué)膜6l具有所示的三個(gè)實(shí)施例中的最大的棱柱比，它的圖示于圖11C中，顯示三個(gè)實(shí)施例中的最不對(duì)稱(chēng)的分布(即，光沿著0度方向的分布小于光沿著90度方向的分布)。
對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和方法進(jìn)行多種修改和改變，對(duì)本文所述示例性實(shí)施例的修改和改變都在所附權(quán)利要求及其等效置換的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)膜，包括主體，其具有軸和包括多個(gè)棱形結(jié)構(gòu)體的結(jié)構(gòu)化表面，每個(gè)棱形結(jié)構(gòu)體具有底面，該底面包括沿著第一總體方向彼此相對(duì)布置的至少兩個(gè)較長(zhǎng)邊和沿著第二總體方向彼此相對(duì)布置的至少兩個(gè)較短邊，其中，沿著所述第一總體方向，當(dāng)入射角在相對(duì)于所述軸的第一預(yù)定角度范圍內(nèi)時(shí)，所述主體將入射在該主體上的大部分光透射，以及當(dāng)所述入射角在所述第一預(yù)定角度范圍之外時(shí)，所述主體將入射在該主體上的大部分光反射，以及，其中，沿著所述第二總體方向，當(dāng)入射角在相對(duì)于所述軸的第二預(yù)定角度范圍內(nèi)時(shí)，所述主體將入射在該主體上的大部分光透射，以及，當(dāng)所述入射角在所述第二預(yù)定角度范圍之外時(shí)，所述主體將入射在該主體上的大部分光反射；以及所述主體包括基底部分，該基底部分具有與所述結(jié)構(gòu)化表面的光學(xué)特性不同的附加光學(xué)特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)膜，其中，所述底面具有大致矩形的形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)膜，其中，各棱形結(jié)構(gòu)體布置成與至少一個(gè)其它的棱形結(jié)構(gòu)體基本上接觸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)膜，其中，所述多個(gè)棱形結(jié)構(gòu)體的底面排列成這樣，即，沿著所述第一總體方向各底面的兩個(gè)較長(zhǎng)邊基本上彼此平行地延伸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)膜，其中，所述基底部分包括至少下述之一偏振膜、擴(kuò)散膜、增亮膜和轉(zhuǎn)向膜中的至少一個(gè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)膜，其中，所述結(jié)構(gòu)化表面布置在與所述基底部分不同的主體部分上，所述的基底部分和所述主體部分相互連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學(xué)膜，其中，所述主體部分和所述基底部分均具有折射率，所述主體部分的折射率低于所述基底部分的折射率。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)膜，其中，所述結(jié)構(gòu)化表面布置在所述基底部分上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)膜，其中，所述各棱形結(jié)構(gòu)體包括至少四個(gè)表面，各所述四個(gè)表面均連接所述底面。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光學(xué)膜，其中，至少四個(gè)表面相交。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光學(xué)膜，其中，所述至少四個(gè)表面中的兩個(gè)相交。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)膜，其中，所述各所述棱形結(jié)構(gòu)體包括五個(gè)表面，四個(gè)表面連接所述底面，第五個(gè)表面與所述四個(gè)表面相鄰，并且其位置與所述底面基本上平行。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背光照明顯示裝置，其中，所述第一預(yù)定角度范圍大于所述第二預(yù)定角度范圍。
14.一種顯示裝置，包括具有窗的外殼；位于所述外殼中的背光源，位于所述背光源和所述窗之間的光學(xué)膜，以及位于所述光學(xué)膜和所述光學(xué)窗之間的光閥裝置；其中，所述光學(xué)膜包括主體，該主體具有軸和包括多個(gè)棱形結(jié)構(gòu)體的結(jié)構(gòu)化表面，每個(gè)棱形結(jié)構(gòu)體具有底面，該底面包括沿著第一總體方向彼此相對(duì)布置的兩個(gè)較長(zhǎng)邊和沿著第二總體方向彼此相對(duì)布置的兩個(gè)較短邊，其中，沿著所述第一總體方向，當(dāng)入射角在相對(duì)于所述軸的第一預(yù)定角度范圍內(nèi)時(shí)，所述主體將入射在該主體上的大部分光透射，以及，當(dāng)所述入射角在所述第一預(yù)定角度范圍之外時(shí)，反射大部分光，其中，沿著所述第二總體方向，當(dāng)入射角在相對(duì)于所述軸的第二預(yù)定角度范圍內(nèi)時(shí)，所述主體將入射在該主體上的大部分光透射，以及，當(dāng)所述入射角在所述第二預(yù)定角度范圍之外時(shí)，所述主體將入射在該主體上的大部分光反射，以及其中所述主體還包括基底部分，該基底部分具有與所述結(jié)構(gòu)化表面的光學(xué)特性不同的附加光學(xué)特性。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的背光照明顯示裝置，其中，所述背光面板是側(cè)面照明的。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的背光照明顯示裝置，其中，所述背光面板是直接照明的。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的背光照明顯示裝置，其中，所述光閥裝置是液晶顯示面板。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的背光照明顯示裝置，其中，所述棱形結(jié)構(gòu)體的所述底面具有大致矩形的形狀。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的背光照明顯示裝置，其中，各棱形結(jié)構(gòu)體布置成彼此基本上接觸。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的背光照明顯示裝置，其中，所述多個(gè)棱形結(jié)構(gòu)體的矩形底面排列成這樣，即，各底面的兩個(gè)較長(zhǎng)邊沿著所述第一總體方向基本上彼此平行地延伸。
21.根據(jù)權(quán)利要求14所述的背光照明顯示裝置，其中，所述基底部分包括至少下述之一偏振膜、擴(kuò)散膜、增亮膜和轉(zhuǎn)向膜。
22.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光學(xué)膜，其中，所述結(jié)構(gòu)化表面布置在與所述基底部分不同的主體部分上，所述的基底部分和所述主體部分彼此連接。
23.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光學(xué)膜，其中，所述主體部分和所述基底部分均具有折射率，所述主體部分的折射率低于所述基底部分的折射率。
24.根據(jù)權(quán)利要求14所述的背光照明顯示裝置，其中，所述結(jié)構(gòu)化表面布置在所述基底部分上。
25.根據(jù)權(quán)利要求14所述的背光照明顯示裝置，其中，所述第一預(yù)定角度范圍大于所述第二預(yù)定角度范圍。
26.一種光學(xué)膜，包括基底部分；以及包括多個(gè)棱形結(jié)構(gòu)體的結(jié)構(gòu)化表面，各棱形結(jié)構(gòu)體具有大致矩形底面、第一表面和第二表面，所述第一表面沿著其寬度方向與所述矩形底面相交，所述第二表面沿著其長(zhǎng)度方向與所述矩形底面相交，其中，當(dāng)入射角在第一預(yù)定角度和平行于該表面的第一軸之間時(shí)，所述表面中的至少一個(gè)將入射在該表面上的光反射，以及，當(dāng)所述入射角在所述第一預(yù)定角度和垂直于該表面的第二軸之間時(shí)，所述表面中的至少一個(gè)透射從其通過(guò)的光，其中，各所述矩形底面中底面的長(zhǎng)度大于其寬度，以相對(duì)于所述第一表面的所述基底部分選擇第一定向并相對(duì)于所述第二表面的所述基底部分選擇第二定向，以及其中，所述基底部分具有與所述結(jié)構(gòu)化表面的光學(xué)特性不同的附加光學(xué)特性。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的光學(xué)膜，其中，選擇所述第一定向和所述第二定向，以沿著所述基底部分的第一維度實(shí)現(xiàn)第一光反射/改向特性，以及，沿著所述基底部分的第二維度實(shí)現(xiàn)第二光反射/改向特性。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的光學(xué)膜，其中，選擇所述第一光反射/改向特性，以沿著第一方向產(chǎn)生更多反射，以及沿著第二方向產(chǎn)生更多改向，所述第一方向沿著所述底面的寬度，所述第二方向沿著所述底面的長(zhǎng)度。
29.根據(jù)權(quán)利要求26所述的光學(xué)膜，其中，所述多個(gè)棱形結(jié)構(gòu)體的矩形底面排列成這樣，即，各矩形底面的長(zhǎng)度沿著所述基底部分基本上彼此平行地延伸。
30.根據(jù)權(quán)利要求26所述的光學(xué)膜，其中，所述矩形底面的長(zhǎng)度基本上彼此相等，以及，其中，所述矩形底面的寬度基本上彼此相等。
31.根據(jù)權(quán)利要求26所述的光學(xué)膜，其中，所述基底部分包括至少下述之一偏振膜、擴(kuò)散膜、增亮膜和轉(zhuǎn)向膜。
全文摘要
本發(fā)明描述一種光學(xué)膜，該光學(xué)膜具有包括多個(gè)棱形結(jié)構(gòu)體的結(jié)構(gòu)化表面。各棱形結(jié)構(gòu)體具有底面，該底面包括沿第一總體方向彼此相對(duì)布置的至少兩個(gè)較長(zhǎng)邊和沿第二總體方向彼此相對(duì)布置的至少兩個(gè)較短邊。沿第一總體方向，當(dāng)入射角在相對(duì)于所述軸的第一預(yù)定角度范圍內(nèi)時(shí)，主體透射入射在該主體上的大部分光，并且當(dāng)入射角在第一預(yù)定角度范圍之外時(shí)，反射大部分光。沿第二總體方向，當(dāng)入射角在相對(duì)于所述軸的第二預(yù)定角度范圍內(nèi)時(shí)，主體透射入射在該主體上的大部分光，并且當(dāng)入射角在所述第二預(yù)定角度范圍之外時(shí)，反射大部分光。光學(xué)膜還包括基底部分，該基底部分具有與所述結(jié)構(gòu)化表面的光學(xué)特性不同的附加光學(xué)特性。本發(fā)明還公開(kāi)了包括這種光學(xué)膜的顯示裝置。
文檔編號(hào)F21V5/02GK101057168SQ200580039051
公開(kāi)日2007年10月17日 申請(qǐng)日期2005年10月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月15日
發(fā)明者高秉秀, 蔡?hào)|沅, 利蘭·R·惠特尼, 馬克·E·加迪納 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司