變形光導(dǎo)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明描述了一種用于顯示器的背光系統(tǒng)。所述系統(tǒng)可包括變形光導(dǎo)，該變形光導(dǎo)包括光接收部分、光轉(zhuǎn)向部分和光輸出部分。所述光接收部分接收具有照亮第一縱橫比的區(qū)域的光，并且所述光輸出部分輸出具有照亮第二縱橫比的區(qū)域的光，所述第二縱橫比比所述第一縱橫比大至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。所述光輸入面基本上垂直于光輸出面。所述光的展度被基本上保留。
【專利說(shuō)明】變形光導(dǎo)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明整體涉及一種照明系統(tǒng)，更具體地涉及一種具有變形光導(dǎo)的背光系統(tǒng)，該背光系統(tǒng)為顯示器提供有效的照明系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]光導(dǎo)與光源(諸如發(fā)光二極管(LED)) —起使用以用于各種各樣的照明應(yīng)用。在一個(gè)特定應(yīng)用中，光導(dǎo)常常用于為IXD顯示器提供照明。一個(gè)或多個(gè)光源通常將光發(fā)射到光導(dǎo)中，特別是在需要非常薄外形的背光源的情況下，如在膝上型計(jì)算機(jī)顯示器中。光導(dǎo)為透光的、固態(tài)的、并且相對(duì)薄的板，其長(zhǎng)度和寬度尺寸為大約背光源輸出區(qū)域的尺寸。光導(dǎo)使用全內(nèi)反射(TIR)以使從安裝在邊緣的燈發(fā)出的光穿過(guò)整個(gè)光導(dǎo)的長(zhǎng)度或?qū)挾葌魉突驅(qū)蛑帘彻庠吹南鄬?duì)邊緣，并且在光導(dǎo)的表面上提供有局部提取結(jié)構(gòu)的不均勻的圖案，以將此經(jīng)導(dǎo)向的光中的其中一些朝背光源的輸出區(qū)域從光導(dǎo)中重新導(dǎo)出。此類背光源通常也包括光控制膜，諸如設(shè)置于光導(dǎo)后方或下方的反射材料以及設(shè)置于光導(dǎo)前方或上方的反射偏振膜和一個(gè)或多個(gè)棱柱增亮膜(BEF)，以增加軸向亮度。
[0003]由于最常用的光源(諸如LED)具有相對(duì)大的高度和發(fā)射角范圍，所以光導(dǎo)的厚度通常相當(dāng)厚以有效地耦合光。用于液晶顯示器的常規(guī)照明裝置在美國(guó)專利公布N0.2009/0316431中有所描述。常規(guī)照明裝置將來(lái)自光源的光耦合至平面光導(dǎo)。光導(dǎo)通常具有與光源大致相同的高度，因?yàn)闇p小光導(dǎo)的高度將降低從光源至光導(dǎo)的耦合效率。
[0004]然而，典型的膜光導(dǎo)或板光導(dǎo)的顯著缺點(diǎn)是LED的小的縱橫比與光導(dǎo)的非常高的縱橫比之間的不匹配。LED具有約1:1至約4:1的典型縱橫比，而邊緣光導(dǎo)具有約20:1至高達(dá)約100:1或更高的縱橫比。這種不匹配通常導(dǎo)致光導(dǎo)中的光的展度(etendue)(也稱為通過(guò)量)遠(yuǎn)高于從LED發(fā)射的光。這種高展度繼而導(dǎo)致光導(dǎo)所需的厚度的增加，以及光導(dǎo)在一個(gè)或多個(gè)面上需要空氣界面。因此，光導(dǎo)可能比液晶顯示模塊更厚，并且空氣界面可能限制某些應(yīng)用，諸如觸摸和觸覺(jué)應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]在本發(fā)明的一個(gè)示例性方面中，一種變形光導(dǎo)包括:光接收部分；光轉(zhuǎn)向部分；和光輸出部分。光接收部分接收具有照亮第一縱橫比的區(qū)域的光，并且光輸出部分輸出具有照亮第二縱橫比的區(qū)域的光，第二縱橫比是第一縱橫比的至少四倍大。光輸入面基本上垂直于光輸出面。
[0006]在一個(gè)方面，光的展度被基本上保留。
[0007]在本發(fā)明的另一方面，一種變形光導(dǎo)包括具有光輸入面的主體、光輸出部分以及設(shè)置在光輸入面和光輸出部分之間的光轉(zhuǎn)向部分。該光轉(zhuǎn)向部分包括空間分離的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的陣列。多個(gè)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)在至少一個(gè)主表面上由設(shè)置在轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)和光導(dǎo)的主體之間的低折射率層來(lái)界走。
[0008]在本發(fā)明的另一方面，一種變形光導(dǎo)包括具有光接收部分的主體、光輸出部分以及設(shè)置在光接收部分和光輸出部分之間的光轉(zhuǎn)向部分。光轉(zhuǎn)向部分包括將來(lái)自光接收部分的光朝光輸出部分導(dǎo)向的多個(gè)彎曲平面通道，每個(gè)彎曲的平面通道在至少一個(gè)主表面上由設(shè)置在光轉(zhuǎn)向部分和光導(dǎo)的主體之間的低折射率層來(lái)界定。
[0009]在本發(fā)明的另一方面，一種光學(xué)系統(tǒng)包括發(fā)射光的光源、基本上準(zhǔn)直光的準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)、接收基本上準(zhǔn)直的光的如上所述的變形光導(dǎo)以及背光光導(dǎo)。
[0010]在本發(fā)明的另一方面，一種背光光導(dǎo)包括大體平面的結(jié)構(gòu)，其具有:光導(dǎo)層，其具有包括間隔開(kāi)的提取器陣列的表面；后側(cè)反射層；設(shè)置在光導(dǎo)層的相對(duì)主表面上的低折射率耦合層；以及提供未使用的光的循環(huán)利用的反射偏振片。
[0011]在本發(fā)明的另一方面，一種形成照明系統(tǒng)的方法包括提供具有至少第一光學(xué)元件的第一陣列和形狀不同于第一陣列的第二光學(xué)元件的第二陣列的腔體。所述腔體用可固化的樹(shù)脂來(lái)填充。輔助光學(xué)元件以與第一光學(xué)陣列對(duì)準(zhǔn)的方式施加到可固化的樹(shù)脂。樹(shù)脂被固化以形成固化的組件。隨后，將固化的組件從腔體中去除。
[0012]在本發(fā)明的另一方面，一種形成具有提取特征的提取器光學(xué)元件的方法包括提供基底材料，該基底材料具有平面，該平面具有成在其上的溝槽陣列。所述溝槽用聚合物來(lái)填充。使用圖案化的輻射和蝕刻工藝限定該聚合物。所述基底材料被電鑄以形成具有溝槽的所選擇部分的表面的復(fù)制品，溝槽的側(cè)面可相對(duì)于光導(dǎo)的平面具有至少45度的角度。隨后，將基底從電鑄去除。
[0013]在另一方面，用于耦合至少兩個(gè)光導(dǎo)的光學(xué)光導(dǎo)耦合器包括輸入面和輸出面，其中光學(xué)光導(dǎo)耦合被構(gòu)造成從具有階梯式輸出外形的第一光導(dǎo)接收光，并被構(gòu)造成將該光透射到具有非階梯式外形的第二光導(dǎo)，光導(dǎo)耦合器的輸入面與第一光導(dǎo)的階梯式輸出外形配準(zhǔn)，并且光導(dǎo)耦合器的輸出面為直線的或?yàn)閺澢?。在另一方面，光?dǎo)耦合器包括從輸入面到輸出面的漸縮的結(jié)構(gòu)。
[0014]本發(fā)明的上述
【發(fā)明內(nèi)容】
并非意圖描述本發(fā)明的每個(gè)例示的實(shí)施例或每種實(shí)施方式。附圖以及隨后的【具體實(shí)施方式】更具體地舉例說(shuō)明了這些實(shí)施例。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]結(jié)合以下附圖可更好地理解本發(fā)明的實(shí)施例。附圖中的元件未必相對(duì)于彼此按比例繪制。
[0016]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的示例性背光系統(tǒng)的等軸視圖。
[0017]圖2A是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的背光系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器單元的等軸局部視圖。
[0018]圖2B是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的背光系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器單元的轉(zhuǎn)向段的等軸局部視圖。
[0019]圖2C是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的背光系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器單元的轉(zhuǎn)向段的另一等軸視圖。
[0020]圖2D是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的背光系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器單元的變形光導(dǎo)段的等軸視圖。
[0021]圖2E是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的背光系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器單元的變形光導(dǎo)段的另一等軸(底側(cè)面)視圖。
[0022]圖2F是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的背光系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器單元的變形光導(dǎo)段的側(cè)視圖。
[0023]圖2G是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的背光系統(tǒng)的耦合元件部分的等軸視圖。
[0024]圖2H是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的背光系統(tǒng)的耦合元件部分的另一等軸視圖。
[0025]圖21是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的背光系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器單元的另一等軸視圖。
[0026]圖2J是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的背光系統(tǒng)的替代轉(zhuǎn)換器單元的等軸視圖。
[0027]圖2K是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的背光系統(tǒng)的另一替代轉(zhuǎn)換器單元的輸入面的前視圖。
[0028]圖2L是圖2K的替代轉(zhuǎn)換器單元的輸出面的前視圖。
[0029]圖3A是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的進(jìn)入轉(zhuǎn)換器單元、具有約1:1至約2:1的縱橫比(Χ:γ)的示例性光束的橫截面的圖示。
[0030]圖3Β是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的從轉(zhuǎn)換器單元發(fā)射、具有約50:1的縱橫比(Χ:Υ)的示例性光束的橫截面的圖示。
[0031]圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的示例性光源單元的等軸視圖。
[0032]圖5Α是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的示例性背光光導(dǎo)的等軸局部視圖。
[0033]圖5Β是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的示例性背光光導(dǎo)單元的示意圖。
[0034]圖6Α是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的示例性提取元件的等軸視圖。
[0035]圖6Β是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的背光光導(dǎo)單元的示例性提取器層的俯視圖。
[0036]圖7Α- 7F是示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的形成背光系統(tǒng)和/或其部件的示例性工藝的若干視圖。
[0037]圖8是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的用于形成具有提取特征的背光光導(dǎo)的模具的等軸視圖。
[0038]圖9A-9F是示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的形成具有提取特征的模具的示例性工藝的若干視圖。
[0039]雖然本發(fā)明接受各種修改形式和替代形式，但其細(xì)節(jié)已在附圖中以舉例的方式示出，并且將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)描述。然而，應(yīng)當(dāng)理解，其目的并非在于將本發(fā)明限制到所描述的具體實(shí)施例。相反，其目的在于涵蓋落在由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明范圍內(nèi)的所有修改形式、等同形式和替代形式。

【具體實(shí)施方式】
[0040]在以下【具體實(shí)施方式】中，將引用構(gòu)成本文一部分的附圖，并且在這些附圖中以舉例說(shuō)明其中本發(fā)明可能被實(shí)踐的具體實(shí)施例的方式被示出。就這一點(diǎn)而言，諸如“頂部”、“底部”、“前部”、“后部”、“頭部”、“向前”和“尾部”等方向性術(shù)語(yǔ)應(yīng)結(jié)合所描述的一個(gè)或多個(gè)圖的取向被使用。因?yàn)楸景l(fā)明的實(shí)施例的部件可以定位成多個(gè)不同的取向，所以方向性術(shù)語(yǔ)用于說(shuō)明的目的，而決不進(jìn)行限制。應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明的范圍的前提下，可以利用其他實(shí)施例，并且可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)性或邏輯性的改變。因此，并不限于采用以下【具體實(shí)施方式】，并且本發(fā)明的范圍由隨附權(quán)利要求書來(lái)限定。
[0041]本發(fā)明涉及一種照明系統(tǒng)，并且更具體地，涉及一種具有變形光導(dǎo)的背光系統(tǒng)，該背光系統(tǒng)為顯示器提供有效的照明系統(tǒng)。背光系統(tǒng)及其部件(合在一起或單獨(dú)地)被設(shè)計(jì)為提供具有低展度的高效的照明系統(tǒng)。這樣，總體部件的數(shù)量可減少，并且可不再需要?dú)庀?，從而為壓力感測(cè)觸摸顯示器和觸覺(jué)技術(shù)(haptics)提供了機(jī)會(huì)。背光系統(tǒng)具有包括更薄在內(nèi)的若干優(yōu)點(diǎn)，從而允許與光學(xué)透明的粘合劑(OCA)層合，并且消除或減少對(duì)角增強(qiáng)膜的需求。
[0042]圖1示出可用于對(duì)諸如IXD的顯示器(未示出)進(jìn)行照明的示例性背光系統(tǒng)10的等軸視圖。背光系統(tǒng)10包括光源單元100、轉(zhuǎn)換器單元200和背光光導(dǎo)單元300。光源單元100 (在圖4中更詳細(xì)地示出)為背光系統(tǒng)10提供光源。轉(zhuǎn)換器單元200 (在圖2A - 21中更詳細(xì)地示出)包括將光從光源單元100導(dǎo)向至背光光導(dǎo)單元300中的變形光導(dǎo)。背光光導(dǎo)單元300 (在圖5A-5B中更詳細(xì)地示出)包括背光光導(dǎo)，所述背光光導(dǎo)具有多個(gè)提取特征以為顯示器(諸如LCD顯示器)提供輸出光。此輸出光具有良好的均勻度。另外，系統(tǒng)將光有效地從光源耦合至顯示器，并且提供可在至少一個(gè)軸線上部分準(zhǔn)直的輸出光。同樣，示例性背光系統(tǒng)10可被用作大量裝置和應(yīng)用的一部分，諸如透射型、半透反射型和反射型IXD (膝上型電腦、平板電腦、移動(dòng)電話、電子閱讀器等)、膽留型、MEMS和涂改液裝置、標(biāo)記和可適形圖形、以及指示器(諸如車載顯示器)。
[0043]現(xiàn)在將更為詳細(xì)地描述這些部件中的每一個(gè)。需要注意的是，這些部件100、200，和300中的每一個(gè)可與圖1的示例性背光系統(tǒng)的其它部件或者與常規(guī)背光系統(tǒng)部件一起被利用。
[0044]關(guān)于轉(zhuǎn)換器單元200，如圖2A - 21所示，轉(zhuǎn)換器單元200包括具有輸入面212的變形光導(dǎo)210、轉(zhuǎn)向段250以及對(duì)應(yīng)于離開(kāi)轉(zhuǎn)換器單元200的光的發(fā)射平面的正交的光約束面214。轉(zhuǎn)換器單元200將離開(kāi)光源100的光(具有小于約10:1的縱橫比，諸如約1:1至約1:2)轉(zhuǎn)換為線形輸出光束(具有大于10:1的縱橫比，諸如約至少20:1，優(yōu)選地約至少50:1，或者優(yōu)選地約至少100:1的縱橫比)。圖3A示出進(jìn)入轉(zhuǎn)換器單元200的示例性光束262(具有約1:1的縱橫比(X:Y))的橫截面的圖示。圖3Β示出從轉(zhuǎn)換器單元200發(fā)射的示例性光束264(具有約50:1的縱橫比(Χ:Υ))的橫截面。在一個(gè)優(yōu)選方面，轉(zhuǎn)換器單元將從光源發(fā)射的光轉(zhuǎn)換為所縱橫比是光源縱橫比的至少四倍大的線形輸出光束。
[0045]輸入面212接收來(lái)自光源單元100的光(在下面更詳細(xì)地描述)。光穿過(guò)轉(zhuǎn)換器單元200進(jìn)入耦合器280 (其可與轉(zhuǎn)換器單元200分離或是其一部分)(也在下面更詳細(xì)地描述)，或者作為另外一種選擇，直接進(jìn)入背光光導(dǎo)單元300中。在一個(gè)方面，諸如在圖2D、圖2Ε和圖2F中所示，光導(dǎo)210是大體直線的結(jié)構(gòu)，其具有輸入表面212、頂部表面213、正交表面214、相背的正交表面216、底部表面215和端面217。表面215包括階梯式表面，使得光導(dǎo)210的高度沿著從表面212(高度=hi)至相對(duì)的端面217(高度=h2, h2?hl)的長(zhǎng)度L減小。在一個(gè)例子中，對(duì)于移動(dòng)單元背光源應(yīng)用，hi可為約1_，寬度可為約2_，以及L可為約50mm至約150mm。在另一例子中，對(duì)于電視和更大尺寸的顯示器應(yīng)用，hi可為約5mm，寬度可為約10mm，以及L可為約500_至約1000mm。
[0046]在一個(gè)方面，頂部表面213相對(duì)于輸入表面212近似正交，并且底部表面215包括多個(gè)傾斜階梯，每個(gè)傾斜階梯平行于頂部表面213。因此，光導(dǎo)210可為大體直線的、階梯形的和傾斜的結(jié)構(gòu)，并且可由諸如聚合物(例如，聚碳酸酯)或玻璃的光學(xué)透明的材料形成。
[0047]另外，光導(dǎo)210可包括轉(zhuǎn)向段250，該轉(zhuǎn)向段可包括多個(gè)轉(zhuǎn)向元件(本文也稱作轉(zhuǎn)向器)251a、251b等(參見(jiàn)圖2B和圖2C)，每個(gè)轉(zhuǎn)向部分將光的方向改變大約90°。根據(jù)背光光導(dǎo)單元300的尺寸，轉(zhuǎn)向器元件的數(shù)量可在幾個(gè)(3個(gè)或4個(gè))至20個(gè)或更多的范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)向元件251a、251b等可被一體化形成為光導(dǎo)210的一部分，或者它們單獨(dú)形成隨后使用合適的粘合劑或粘結(jié)材料(諸如光學(xué)透明的粘合劑)附接到光導(dǎo)210的底部表面215 (參見(jiàn)例如圖2E)。
[0048]在一個(gè)方面，各個(gè)轉(zhuǎn)向器包括耦合或解耦合的輸入面252、將光的方向改變大約90°的反射面256 (例如，圖2B所示的面256a、256b等)、以及耦合或解耦合至耦合元件280或背光光導(dǎo)單元300的輸出面254。各個(gè)轉(zhuǎn)向部分較薄(相對(duì)于輸入面212的尺寸)，使得各個(gè)轉(zhuǎn)向器輸入面僅捕獲入射光的一個(gè)片段，并將該光片段朝耦合器280/背光光導(dǎo)單元300反射。例如，每個(gè)轉(zhuǎn)向器元件可具有約30 μπι至200 μπι(優(yōu)選地約50 μπι)的厚度。因此，在一個(gè)方面，每個(gè)轉(zhuǎn)向元件被構(gòu)造為大體平面的直角棱鏡。同樣，在一個(gè)方面，輸入表面212的高度近似等于所有轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的高度之和。
[0049]每個(gè)轉(zhuǎn)向元件251a、251b等可具有將入射光反射約90°角的反射鏡式或TIR45°小平面。光被捕獲在每個(gè)轉(zhuǎn)向器內(nèi)，因?yàn)檗D(zhuǎn)向器的主面(頂面258和底面259)各由較低折射率的材料來(lái)界定。例如，底面259由空氣來(lái)界定，而頂面258可由具有比光導(dǎo)210的折射率低的折射率(例如，1.49)的光學(xué)透明的粘合劑來(lái)界定。作為另外一種選擇，可存在施加到表面215或表面258或其二者的低折射率涂層，所述表面彼此聯(lián)接。類似地，表面213和259可涂覆有低折射率材料以允許所述材料粘結(jié)到顯示器中的其它元件。合適的低折射率涂層包括二氧化硅和氟化鎂。在另一替代方面，變形光導(dǎo)210可由具有比用于形成轉(zhuǎn)向器250的材料低的折射率的材料形成。在另一替代方面，變形光導(dǎo)的折射率可類似于轉(zhuǎn)向元件的折射率，兩者間沒(méi)有設(shè)置低折射率材料，并且光導(dǎo)可具有小于變形光導(dǎo)的輸入面的高度hi的厚度，但大于轉(zhuǎn)向段250的厚度。
[0050]如圖2B所示，通過(guò)轉(zhuǎn)向元件251a捕獲第一輸入光片段262a。該輸入光片段在轉(zhuǎn)向元件251a內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射，并且被成角度的反射表面256a朝輸出面254引導(dǎo)。輸入光片段262a作為輸出光片段264a從轉(zhuǎn)向元件出現(xiàn)。類似地，通過(guò)轉(zhuǎn)向元件251b捕獲第二光片段262b，該轉(zhuǎn)向元件在轉(zhuǎn)向元件251a的高度以上的略微升高的高度處在軸向上與轉(zhuǎn)向元件251a在下游間隔開(kāi)。該輸入光片段在轉(zhuǎn)向元件251b內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射，并且被成角度的反射表面256b朝輸出面254引導(dǎo)。輸入光片段262b作為輸出光片段264b從轉(zhuǎn)向元件出現(xiàn)。以類似方式，后續(xù)的每個(gè)轉(zhuǎn)向元件捕獲一個(gè)輸入光片段，并且將該光片段朝耦合器280/背光光導(dǎo)單元300重新引導(dǎo)。因此，光輸出部分264a、264b等形成具有至少20:1或更高的高縱橫比的線形光束。
[0051]反射表面256a、256b等可為平坦或彎曲的表面。另外，在一些方面，反射表面256a、256b等可涂覆有反射性涂層。例如，反射表面256a、256b等可涂覆有金屬或帶介電層的涂層。作為另外一種選擇，反射表面256a、256b等可只是被拋光以使光發(fā)生全內(nèi)反射(TIR)。
[0052]在構(gòu)造上，對(duì)于包括單獨(dú)形成的光導(dǎo)和轉(zhuǎn)向段的轉(zhuǎn)換器單元，可使用光學(xué)透明的粘合劑或低折射率粘結(jié)材料在底部表面215上將轉(zhuǎn)向段250配合到光導(dǎo)210。在這一方面，轉(zhuǎn)向元件輸入表面252a(參見(jiàn)圖2B)可與底部階梯表面215a(參見(jiàn)圖2E)配對(duì)，下一個(gè)轉(zhuǎn)向元件輸入表面252b可與下一個(gè)底部階梯表面215b配對(duì)，以此類推。根據(jù)替代方面，一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)向器250的一個(gè)或多個(gè)輸入面可相對(duì)于光導(dǎo)210是光學(xué)耦合的或解耦合的。轉(zhuǎn)向器的光學(xué)耦合可由于減少菲涅耳反射而更有效，但對(duì)于具有45°小平面的轉(zhuǎn)向器可能由于光束的錯(cuò)誤路徑而導(dǎo)致?lián)p耗。因此，作為另外一種選擇，當(dāng)利用具有45°小平面的轉(zhuǎn)向元件時(shí)，輸入面可相對(duì)于光導(dǎo)210是解耦合的。類似地，轉(zhuǎn)向器元件的輸出面(例如，面254(示出于圖2B))可相對(duì)于耦合器280/背光光導(dǎo)單元300的輸入面為耦合的或解耦合的。
[0053]在本發(fā)明的替代方面，轉(zhuǎn)換器單元200可具有替代構(gòu)造。例如，如圖2J所示，轉(zhuǎn)換器單元200’可包括膜205a-205g的疊堆。膜可以一個(gè)在另一個(gè)上面的方式被疊堆，具有光學(xué)透明的粘合劑或低折射率涂層的居間層(未示出)。每個(gè)膜可具有反射器表面(諸如表面264g)，該反射器表面包括反射鏡式或TIR 45°小平面，其將經(jīng)由輸入面212’進(jìn)入轉(zhuǎn)換器單元200’的入射光(例如，光線262a- 262g)反射約90°角，使得作為光線264a_264g被轉(zhuǎn)向和輸出。如圖2J所示，反射表面在軸向上彼此依次間隔開(kāi)。作為另外一種選擇，每個(gè)膜層可包括形成于其中的一系列蝕刻的線(諸如倒圓拐角)，其在每個(gè)膜層內(nèi)創(chuàng)建轉(zhuǎn)向通道以將入射光朝耦合器280/背光光導(dǎo)單元300輸送。另外，可通過(guò)將轉(zhuǎn)向段250的輸出面光學(xué)耦合至耦合器280/背光光導(dǎo)單元300的輸入面來(lái)增加彎曲光導(dǎo)的效率。
[0054]這一替代構(gòu)造至少在一個(gè)方向上保持了源的均勻度-光源可在照亮光導(dǎo)時(shí)具有不均勻強(qiáng)度的光，并且膜的疊堆保持分布在一個(gè)軸線上。膜還允許光分布于另一軸線上，以提升照亮背光光導(dǎo)單元300的光的均勻度。如前面所提及的，低折射率涂層可介于膜層之間，以保持一個(gè)膜層與另一個(gè)膜層的光隔離。根據(jù)總顯示系統(tǒng)的要求，這一構(gòu)造可增加總體厚度并且可降低耦合效率。
[0055]在另一替代實(shí)施例中，如圖2K和圖2L所示，替代轉(zhuǎn)換器單元可包括光纖陣列。在此例子中，輸入面212”被示出在圖2K中包括NXM光纖陣列。此輸入面212”被構(gòu)造成接收來(lái)自具有約1:1的縱橫比的光源單元的光。輸出面254”包括單行NXM光纖，因此提供約至少20:1的縱橫比的輸出光。
[0056]因此，轉(zhuǎn)換器單元200可包括具有漸縮的或非漸縮的形狀的剛性或柔性主體，其可將源的縱橫比轉(zhuǎn)換超過(guò)一個(gè)數(shù)量級(jí)。
[0057]上述轉(zhuǎn)換器單元被構(gòu)造成將入射光源的格式或縱橫比轉(zhuǎn)換為線。這種構(gòu)造還基本上保留了光源的展度。
[0058]可通過(guò)任何數(shù)量的光源類型來(lái)提供源光，但更優(yōu)選的源是LED光源。
[0059]圖4示出示例性光源單元100。根據(jù)被照明的顯示器的類型，光源單元100可包括單個(gè)LED (諸如LED 110)、兩個(gè)LED、或更多個(gè)LED?？墒褂靡粋€(gè)或多個(gè)復(fù)合拋物面聚光器105、透鏡(未示出)或它們的組合來(lái)將一個(gè)或多個(gè)LED 110的輸出耦合至轉(zhuǎn)換器單元200。當(dāng)然，在替代實(shí)施例中，可利用透鏡或多個(gè)透鏡系統(tǒng)來(lái)收集并準(zhǔn)直一個(gè)或多個(gè)LED的輸出。
[0060]如圖4所示，一個(gè)或多個(gè)LED 110可被安裝在一個(gè)或多個(gè)入射孔徑102a_102d上。盡管圖4示出被構(gòu)造成收集并會(huì)聚來(lái)自四個(gè)LED的光的復(fù)合拋物面聚光器(CPC) 105，但在本發(fā)明的另一方面，CPC 105可收集并會(huì)聚來(lái)自更少或更多數(shù)量的LED的光。CPC 105的內(nèi)部可為中空的，并且以與常規(guī)CPC的方式相同的方式構(gòu)造。LED光從出射孔徑104輸出。
[0061]就這一點(diǎn)而言，“發(fā)光二極管”或“LED”是指發(fā)射光(不管是可見(jiàn)光、紫外光還是紅外光)的二極管，所發(fā)射的光將具有約430至700nm范圍內(nèi)的峰值波長(zhǎng)。術(shù)語(yǔ)LED包括作為“LED”(不論是常規(guī)型還是超輻射型)銷售的非相干的光源(其為封閉或封裝的半導(dǎo)體器件)、以及相干半導(dǎo)體器件(諸如激光二極管，包括但不限于垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL))。“LED晶?！睘樘幱谄渥罨镜男螒B(tài)的LED，即處于通過(guò)半導(dǎo)體加工程序制成的單個(gè)部件或芯片的形式。例如，LED晶?？捎梢环N或多種III族元素和一種或多種V族元素的組合形成(II1-V半導(dǎo)體)。合適的II1-V半導(dǎo)體材料的例子包括氮化物(諸如氮化鎵)和磷化物(諸如磷化鎵銦)。還可使用其它類型的II1-V材料以及元素周期表中其它族的材料。部件或芯片可包括適用于施加電力以使裝置通電的電觸點(diǎn)。例子包括引線結(jié)合、卷帶式自動(dòng)接合(TAB)或倒裝焊接。部件或芯片的各個(gè)層和其他功能元件通常以晶片級(jí)形成，并且隨后可以將加工好的晶片切成單個(gè)元件，以生產(chǎn)大量的LED晶粒。LED晶?？杀粯?gòu)造以用于表面安裝、芯片直接貼裝或其他已知的安裝配置。一些封裝的LED通過(guò)在LED晶粒和相關(guān)聯(lián)的反射杯之上形成聚合物密封劑而制成。LED可在若干種基底中的一種基底上生長(zhǎng)。例如，GaN LED可通過(guò)在藍(lán)寶石、硅、和氮化鎵上外延而生長(zhǎng)。就本專利申請(qǐng)而言，“LED”還應(yīng)視為包括通常被稱為OLED的有機(jī)發(fā)光二極管。
[0062]在本發(fā)明的一個(gè)方面，一個(gè)或多個(gè)LED 110可由兩種或更多種不同顏色的LED的陣列制成，例如，紅-綠-藍(lán)(RGB) LED (例如，紅色LED與綠色LED組合與藍(lán)色LED組合)，或者作為另外一種選擇，紅色LED與青色LED的組合。在另一方面，一個(gè)或多個(gè)LED 110可包括一個(gè)或多個(gè)遠(yuǎn)程熒光粉LED，諸如在US 7，091，653中所描述的那些。這樣，藍(lán)光和黃光的適當(dāng)平衡可向背光光導(dǎo)單元300創(chuàng)建白光輸出。
[0063]在另一方面，藍(lán)色GaN LED、YAG熒光粉和準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)(諸如透鏡和復(fù)合拋物面聚光器)可用作光源單元100。具有不同顏色輸出的附加的照明器也可組合使用。
[0064]通過(guò)本發(fā)明的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，光源100可利用非常高的亮度和有效的LED，混合并匹配不同的離散的顏色，并利用基于遠(yuǎn)程熒光粉的LED。同時(shí)，通過(guò)保留展度，光的有效轉(zhuǎn)換可不再需要利用大量的LED。
[0065]光源可生成均一化的顏色(諸如來(lái)自熒光粉轉(zhuǎn)換的LED的顏色)，或者可為顏色的組合。例如，LED可以是藍(lán)色LED與發(fā)射綠光的熒光粉和發(fā)射紅光的AlInGaP LED的組合。已發(fā)現(xiàn)變形光導(dǎo)和轉(zhuǎn)向器的組合能夠以為從LED發(fā)射的光提供足夠的路徑長(zhǎng)度以在進(jìn)入背光光導(dǎo)單元之前有效地混合顏色。
[0066]重新參見(jiàn)圖2A-2C，在本發(fā)明的一個(gè)示例性方面，離開(kāi)變形光導(dǎo)210的光可被聯(lián)結(jié)轉(zhuǎn)換器單元200和背光光導(dǎo)單元300的耦合器280接收。耦合器280可以是轉(zhuǎn)換器單元200的一部分或可與其分離。在此例子中，耦合器280將被描述為是轉(zhuǎn)換器單元200的一部分。例如，如圖2B和圖2C所示，耦合器280可以單件構(gòu)造與轉(zhuǎn)向元件250 —體化形成。
[0067]如圖2G和圖2H中更詳細(xì)地示出，耦合器280包括大體直線的主體，所述主體沿著一側(cè)(例如，輸入面282)具有局部階梯式外形以接收變形光導(dǎo)的輸出，并沿著相對(duì)側(cè)(例如，輸出面284)具有線形外形以將光耦合到大體平面的背光光導(dǎo)單元300中。具體地，耦合器280的局部階梯式輸入面282可包括與轉(zhuǎn)向元件250的輸出面254的布置方式對(duì)應(yīng)并配準(zhǔn)的一系列面(例如，面282a - 282e，每個(gè)面在高度上以與每個(gè)轉(zhuǎn)向元件的厚度對(duì)應(yīng)的量呈階梯形)。在耦合器280的相對(duì)側(cè)，輸出面284具有基本上線形的面以及厚度或高度(h3)以基本匹配背光光導(dǎo)單元300的背光光導(dǎo)部分(參見(jiàn)圖5A的光導(dǎo)310)的厚度。光經(jīng)由TIR在耦合器280內(nèi)導(dǎo)向。因此，耦合器280被構(gòu)造成基本上保留變形光導(dǎo)的展度，同時(shí)校正從薄外形的階梯式面至大體線形的面的形狀差異。
[0068]如上所述，在本發(fā)明的一個(gè)方面，親合器280與轉(zhuǎn)向器250 —體化形成。在這一方面，轉(zhuǎn)向器250和耦合器280可由連續(xù)模塑制品制成。構(gòu)造的合適的材料包括丙烯酸類樹(shù)月旨，包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、可固化的丙烯酸類樹(shù)脂、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酯和硅氧烷。作為另外一種選擇，耦合器280可使用聚合物膜的切割條或者通過(guò)澆注和固化工藝來(lái)形成。
[0069]在一些情況下，平面光導(dǎo)的輸入?yún)^(qū)域可顯著大于變形光導(dǎo)的輸出(大近似2X)，因此平面光導(dǎo)的厚度將比從展度的角度所需的厚度更厚。
[0070]可通過(guò)使背光光導(dǎo)的區(qū)域與耦合器280的輸出匹配來(lái)保留系統(tǒng)的展度。這種匹配可通過(guò)以下手段中的任一個(gè)或其它們的組合來(lái)實(shí)現(xiàn):減小背光光導(dǎo)的厚度使其比常規(guī)背光光導(dǎo)更薄，或者通過(guò)使耦合器280的外形漸縮，使得輸出面284的厚度比局部階梯式輸入面282的厚度更大。在一些替代方面，漸縮可為線性的，或者漸縮可在至少一個(gè)軸線上為非線性的。合適的非線性外形可包括拋物線。
[0071]低折射率層可被設(shè)置在變形光導(dǎo)210和轉(zhuǎn)向器250之間。低折射率層可包括聚合物涂層或者通過(guò)物理氣相沉積或化學(xué)氣相沉積施加的涂層。在優(yōu)選方面，低折射率涂層將具有低散射。合適的涂層可包括二氧化硅、S1jP MgF 2。
[0072]在本發(fā)明的一個(gè)方面，離開(kāi)親合器280的光進(jìn)入背光光導(dǎo)單兀300，該背光光導(dǎo)單元300將光朝顯示器進(jìn)一步引導(dǎo)。如圖5A所示，背光光導(dǎo)單元300包括具有一個(gè)或多個(gè)層的大體平面的結(jié)構(gòu)。在一個(gè)方面，背光光導(dǎo)單元300包括設(shè)置在層330和層320之間的主層或第一(中央)層310。第一(中央)層310可包括作為主背光光導(dǎo)的高折射率聚合物層，例如，聚碳酸酯、聚苯乙烯或固化的丙烯酸苯酯。將光朝裝置的觀察側(cè)(在此例子中，朝顯不面板)引導(dǎo)的提取器陣列315 (參見(jiàn)例如圖6A,圖6B)可被設(shè)置在層310的底部表面上。第二層330可包含較低折射率的材料，諸如光學(xué)透明的粘合劑(0CA)。作為粘合劑，在一些方面，層330可附接到LCD模塊或中間膜(諸如增亮膜)。層320可包括反射表面以充當(dāng)后側(cè)反射鏡。
[0073]輸入光在箭頭305的方向上進(jìn)入背光光導(dǎo)單元300的第一(中央)層310。在一些方面，層310可具有約1.55的折射率。光可被提取器在箭頭307的方向上偏轉(zhuǎn)以為顯示面板(未示出)提供照明。由于離開(kāi)轉(zhuǎn)換器單元200的光具有低展度(例如，小于5)，該光良好準(zhǔn)直地進(jìn)入層310。因此，層330的折射率不需要顯著低于層310的折射率以保持有效波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)。例如，在本發(fā)明的一方面，層330具有約1.49的折射率。換句話說(shuō)，通過(guò)本文所述的光導(dǎo)設(shè)計(jì)，不需要層310的任一側(cè)上的空氣分界以實(shí)現(xiàn)有效波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)。另外，層310的厚度可顯著減小(與常規(guī)背光系統(tǒng)相比)。
[0074]在一個(gè)方面，第一(中央)層310包括具有約50 μ m至約500 μ m的厚度的材料。優(yōu)選的厚度可基于光源中所使用的準(zhǔn)直光學(xué)器件(例如，CPC)的高度，層310的厚度可為準(zhǔn)直光學(xué)器件的高度的約1/2。層310優(yōu)選具有大致矩形的形狀，但在替代方面，層310可為楔形。層310的厚度減小表示優(yōu)于常規(guī)背光系統(tǒng)的顯著改進(jìn)，并且在尺寸(厚度)方面比LED光源的尺寸(例如，高度)小約一個(gè)數(shù)量級(jí)。在常規(guī)背光系統(tǒng)中，由于通常在空氣充當(dāng)光導(dǎo)鍍層時(shí)發(fā)生最寬范圍的TIR，所以主背光光導(dǎo)通常在兩個(gè)主側(cè)被空氣表面或界面圍繞。然而，當(dāng)在背光光導(dǎo)的一個(gè)或兩個(gè)主側(cè)上光導(dǎo)將與結(jié)構(gòu)元件物理接觸時(shí)，空氣鍍層是不可接受的。先前對(duì)這種配置的方法不是最佳的。這些先前的方法包括接受由于較差的TIR收集角的范圍引起的更大的光損耗以及增加背光光導(dǎo)的厚度以接受準(zhǔn)直光束的增加的高度。這些方法未能滿足改善的光效率和更緊湊的系統(tǒng)的要求。
[0075]上述光源單元100和轉(zhuǎn)換器單元200基本上保留了展度并生成具有高縱橫比(20:1或更大)和良好準(zhǔn)直性的光。在一個(gè)優(yōu)選方面，由LED發(fā)射的光被準(zhǔn)直使得由LED發(fā)射的光的至少25%被包含在具有不超過(guò)約15°的半角的圓錐內(nèi)(更優(yōu)選地，被包含在不超過(guò)約10°的圓錐內(nèi))。因此，背光光導(dǎo)單元300的厚度可為顯著減小的(例如，約2X或更多)。另外，入射光的低散射意味著不需要空氣鍍層，甚至可進(jìn)一步減小總體裝置厚度。
[0076]在另一方面(諸如圖5B所示)，背光光導(dǎo)單元300包括具有以下層的大體平面的結(jié)構(gòu):光導(dǎo)層310，其具有包括間隔開(kāi)的提取器陣列的表面；后側(cè)反射層320 ;低折射率耦合層330，其設(shè)置在層310的相對(duì)主表面之上；四分之一波長(zhǎng)膜層340，其使入射光的偏振偏移四分之一波長(zhǎng)；反射偏振片350，以提供未使用的光的循環(huán)利用。
[0077]LCD透射一種偏振光。由于大多數(shù)光源是非偏振的，所以常規(guī)LCD中的偏振透射導(dǎo)致光學(xué)效率的顯著損耗并且增加顯示器的功率使用。相比之下，通過(guò)本設(shè)計(jì)(諸如圖5B所示)，反射偏振片350可通過(guò)將光偏振反射回背光源中，允許一些光被四分之一波長(zhǎng)膜層340轉(zhuǎn)換為可用偏振態(tài)來(lái)增加顯示效率。
[0078]根據(jù)本發(fā)明的替代方面，可使用兩類方法來(lái)將反射的偏振光轉(zhuǎn)換為期望的透射偏振。一種方法是在背光源中使用使光的偏振隨機(jī)化的部件。使用具有散射的、朗伯型反射器作為后側(cè)反射器的反射偏振片往往會(huì)使光發(fā)生偏振。合適的偏振隨機(jī)化反射材料包括光學(xué)上厚的雙折射聚合物(諸如聚萘二甲酸乙二醇酯和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET))上的金屬涂層、二向色涂層以及它們的組合。半鏡面反射器也可為合適的(包括取向的有空隙的PET膜)。這一配置在循環(huán)腔內(nèi)創(chuàng)建更多反射，并且可能降低效率。此類型的反射器的優(yōu)點(diǎn)是減少了光學(xué)元件的數(shù)量(諸如四分之一波長(zhǎng)延遲器)。
[0079]第二種方法(諸如圖5B中的本發(fā)明的所述方面中所示)是使用鏡面(偏振-保留)后側(cè)反射層，四分之一波長(zhǎng)延遲器設(shè)置在后側(cè)反射層與反射偏振片之間。此第二系統(tǒng)方法可比使偏振態(tài)隨機(jī)化的第一方法更有效。在此第二方法中，設(shè)置在后側(cè)反射器層與反射偏振片層之間的光學(xué)元件應(yīng)該具有非常低的光學(xué)雙折射以使輸出效率最大化。合適的偏振-保留反射器包括設(shè)置在低雙折射材料(諸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)以及其它非晶態(tài)聚合物)上的金屬化的和無(wú)機(jī)的二向色反射器以及它們的組合。
[0080]另外，由于光源單元100和轉(zhuǎn)換器單元200的低展度，穿過(guò)四分之一波長(zhǎng)膜的光通常具有很窄的角度范圍，這不再需要昂貴的、具有寬泛的使用角度范圍的四分之一波長(zhǎng)膜。
[0081]用于低折射率層330的合適的材料包括Si02、MgF2、硅氧烷聚合物、含氟聚合物、丙烯酸類樹(shù)脂以及它們的混合物。
[0082]執(zhí)行將利用朗伯型散射后側(cè)反射層的常規(guī)背光系統(tǒng)(1)與背光系統(tǒng)(2)(諸如圖5B所示)進(jìn)行比較的模擬，層520包括90% (反射)鏡面反射器，層310由具有提取器陣列的透明材料形成、低折射率OCA層330、四分之一波長(zhǎng)延遲層340和反射偏振片層350 (由APF形成，可得自3M公司(3M Company))。反射器被粘結(jié)到光導(dǎo)的后側(cè)，對(duì)于此例子，可將薄的低折射率涂層施加到光導(dǎo)的后側(cè)和提取器陣列(例如，物理氣相沉積的18&或二氧化硅涂層，之后是銀或鋁的涂層)。背光系統(tǒng)(2)導(dǎo)致比背光系統(tǒng)(1)更有效的系統(tǒng)(根據(jù)角增益膜的使用，更有效30%至100%)。當(dāng)參考顯示器使用角增益膜(諸如BEF膜，可得自3M公司(3M Company))時(shí)，實(shí)現(xiàn)效率的最大提高。在此例子中，角增益膜通常被定位在光導(dǎo)的頂部表面與反射偏振片的下方之間。使用Lighttools軟件(可得自Synopsis公司(Synopsis Corp))計(jì)算模擬的效率差異。
[0083]圖6A示出示例性提取特征或提取器312。提取器312具有側(cè)面成角度的截棱錐或齒形形狀，其被設(shè)計(jì)為提取光線并將它們以大致90°角朝顯示單元(未示出)偏轉(zhuǎn)。盡管圖6A中將內(nèi)角示出為45°角，但根據(jù)在背光光導(dǎo)300內(nèi)導(dǎo)向的光的特性，這些內(nèi)角可為更小或更大的角度。提取器形成在光導(dǎo)中，并且可使用全內(nèi)反射(TIR)以提高反射，使用空氣界面并且可選地與電介質(zhì)薄膜涂層(諸如二氧化硅或氟化鎂)組合。提取器可通過(guò)微復(fù)制形成在光導(dǎo)中，(例如)輻射固化樹(shù)脂將金屬工具表面上的圖案復(fù)制到光導(dǎo)膜上。作為另外一種選擇，光導(dǎo)可包括玻璃層。提取器可包括在光導(dǎo)板上的紋理區(qū)域，所述紋理可控制地散射穿過(guò)光導(dǎo)板的光。作為另外一種選擇，提取器可包括諸如棱鏡的幾何特征。示例性提取特征是分布于光導(dǎo)的表面上的棱鏡陣列。所述分布為光導(dǎo)提供期望的光輸出均勻度。所述棱鏡可被布置成(例如)凹面直角棱鏡的一維陣列，每個(gè)棱鏡的高度為約1.5 μ m，長(zhǎng)度為3 μπι，并且為光導(dǎo)的寬度，使得從光導(dǎo)提取光。棱鏡還可被布置成二維陣列，每個(gè)棱鏡的長(zhǎng)度為(例如)約10 μπι。
[0084]圖6Β示出了提取器層315的俯視圖，其示出每個(gè)提取單元的相對(duì)廣泛延伸的間距。這樣，提取器圖案的每個(gè)提取器覆蓋背光單元的極小區(qū)域，因此提高朝顯示面板的反射光線的均勻度。在本發(fā)明的一個(gè)方面，提取器的密度為約小于光導(dǎo)的區(qū)域的密度的20%。在另一方面，提取器的密度為約小于光導(dǎo)的區(qū)域的密度的10%。因此，由于本文所述的背光系統(tǒng)的低展度設(shè)計(jì)以及提取器的使用，由背光系統(tǒng)發(fā)射的光線在相對(duì)小的角度范圍內(nèi)。提取器的這一低密度允許圖5Β的實(shí)施例的循環(huán)利用偏振片的布置方式更有效地操作，因?yàn)檩^少的提取器導(dǎo)致光偏振的較少的隨機(jī)化。下面更詳細(xì)地描述用于形成提取器層315的示例性工藝。
[0085]根據(jù)由研宄人員執(zhí)行的模擬，將反射偏振片添加到常規(guī)背光源通常使亮度增加50%至70%。使用LightTools版本7.2 (可得自美國(guó)加利福尼亞州山景城的Synopys公司(Synopys Inc., Mountain View, CA, USA))中的示例性模型系統(tǒng)，通過(guò)增加模擬的APF膜，常規(guī)的BacklightSystems3LEDBacklight顯示出亮度增加72%。對(duì)于與諸如圖513所示的實(shí)施例類似來(lái)進(jìn)行配置的系統(tǒng)，層320包括90%的鏡面反射器，層310由其中折射率為1.58并具有提取器陣列的聚合物材料形成，低折射率OCA層330和四分之一波長(zhǎng)延遲層340，添加反射偏振片層350 (由APF形成，可得自3M公司)導(dǎo)致效率增加93%。
[0086]因此，盡管常規(guī)LCD背光源使用反射偏振片具有相對(duì)低的60-70%的增益，但是根據(jù)本發(fā)明的示例性方面，本文所述的背光系統(tǒng)可提供80-90%的增益。根據(jù)其它方面，背光光導(dǎo)可具有低密度的提取特征、高度反射性后表面和反射偏振片。背光光導(dǎo)可使用棱鏡提取特征，并且可包括四分之一波長(zhǎng)延遲量的膜。背光源還可包含非去偏振的擴(kuò)散器。
[0087]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，可使用以下工藝形成本文所述的背光單元的若干部件(包括轉(zhuǎn)換器單元200和背光光導(dǎo)單元300的元件)。圖7A - 7F用于幫助示出這一工藝。
[0088]總的來(lái)說(shuō)，示例性工藝包括提供具有至少第一光學(xué)元件的第一陣列和形狀不同于第一陣列的第二光學(xué)元件的第二陣列的腔體。例如，在一個(gè)方面，光學(xué)元件的第一陣列可包括轉(zhuǎn)向器，并且光學(xué)元件的第二陣列可包括具有提取器的背光光導(dǎo)單元。在另一方面，光學(xué)元件的第二陣列可包括耦合元件。所述工藝還包括用可固化的樹(shù)脂來(lái)填充腔體。另一光學(xué)元件或輔助光學(xué)元件(諸如變形光導(dǎo))可與第一光學(xué)陣列對(duì)準(zhǔn)地施加到可固化的樹(shù)脂。隨后，樹(shù)脂可被固化。隨后，可將固化的組件從腔體去除。在替代方面，模塑工具(諸如耦合元件的表面)可被施加到第一陣列與變形光導(dǎo)的同一側(cè)。示例性工藝可使用在帶或圓筒上的模具而為連續(xù)的、為半連續(xù)的或成批的。
[0089]更詳細(xì)地，在圖7A中，(在局部視圖中)示出模塑表面或模具400具有凹陷區(qū)域(例如，腔體)，該凹陷區(qū)域具有期望的光學(xué)元件形狀的負(fù)像。期望的光學(xué)元件形狀的負(fù)像可以是任何鋸齒狀或凸起的形狀，或者這兩者的組合。光學(xué)元件可以是隨機(jī)形狀的陣列，并且可包括(例如)非球形、球形形狀、棱鏡、環(huán)面形狀和槽。模具400可通過(guò)對(duì)靠模進(jìn)行金剛石車削或快速切削并對(duì)模具進(jìn)行電鑄來(lái)制備。模具400包括段420，該段被構(gòu)造成包括背光光導(dǎo)的轉(zhuǎn)換器單元(例如，轉(zhuǎn)向器、變形光導(dǎo))。例如，段420可包括三角形形狀的凹槽。段450被構(gòu)造成包括背光光導(dǎo)。例如，段450可具有諸如圖8所示的構(gòu)造(以夸大比例示出)，其具有形成在模具的底部表面411上的提取器陣列或提取器層415 (類似于上述提取器層315)。下面更詳細(xì)地描述可用于形成具有提取器陣列415的模具的工藝。
[0090]在一個(gè)方面，模具400可被構(gòu)造成為移動(dòng)或手持裝置形成背光光導(dǎo)。在其它方面，本文所述的工藝可用于為較大的顯示器(諸如平板電腦、計(jì)算機(jī)或電視顯示器)形成背光系統(tǒng)。
[0091]任選地，模塑表面可涂覆有脫模劑或者具有期望的光學(xué)特性(諸如比可固化的樹(shù)脂低的折射率)的材料。該涂層一旦固化就可留在模具內(nèi)或附著到可固化的樹(shù)脂。此類合適的涂層的例子包括類金剛石涂層、硅氧烷、丙烯酸酯、含氟聚合物和物理氣相沉積材料。
[0092]在圖7B中，模具400用可固化的樹(shù)脂455來(lái)填充?？晒袒臉?shù)脂可通過(guò)浸涂、線棒涂、刮刀涂、噴墨涂、輥涂、絲網(wǎng)涂、或任何其它涂覆工藝來(lái)施加?？晒袒臉?shù)脂可以是單一組合物，或者可按照模塑表面上的區(qū)域而變化。合適的樹(shù)脂包括丙烯酸酯、硅氧烷、環(huán)氧樹(shù)脂、酯、乙烯化合物，并且可包括(例如)丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、其它一官能丙烯酸酯、多官能丙烯酸酯、二甲基硅氧烷、甲基苯基硅氧烷、含氟丙烯酸酯以及它們的混合物。
[0093]在圖7C中，輔助光學(xué)元件(諸如變形光導(dǎo)210)可與光學(xué)元件(例如，轉(zhuǎn)向器)陣列配準(zhǔn)地放置到在段420處的可固化的樹(shù)脂上。輔助光學(xué)元件可在大氣環(huán)境或者在惰性氣體環(huán)境(諸如氮?dú)?、氦氣、氬氣或二氧化?下被施加到樹(shù)脂表面。光學(xué)元件或樹(shù)脂或這二者可被加熱以降低樹(shù)脂粘度，并降低夾帶氣體的趨勢(shì)。大氣下的壓力也可用于降低氣體夾帶。輔助光學(xué)元件可與基準(zhǔn)或者模具上的特征對(duì)準(zhǔn)，或者可被動(dòng)地與模具上的特征對(duì)準(zhǔn)，或者通過(guò)兩個(gè)或更多個(gè)工藝的組合來(lái)對(duì)準(zhǔn)?？烧{(diào)節(jié)高度以降低光學(xué)元件與樹(shù)脂之間的彎月面。輔助光學(xué)元件可與輔助模塑結(jié)構(gòu)同時(shí)施加，或者可單獨(dú)地施加。
[0094]在圖7D中，一個(gè)或多個(gè)可移除的輔助模具被施加到模具400的表面。在此例子中，輔助模具422被施加到模具400的段420。輔助模具422優(yōu)選對(duì)固化輻射(諸如電子束輻射)是透明的。可選的可移除輔助模具可被施加到樹(shù)脂表面的一些或所有。輔助模塑表面可與基準(zhǔn)或者模具上的特征對(duì)準(zhǔn)，或者可被動(dòng)地與模具上的特征對(duì)準(zhǔn)，或者通過(guò)兩個(gè)或更多個(gè)工藝的組合來(lái)對(duì)準(zhǔn)。可調(diào)節(jié)高度以降低模塑表面與樹(shù)脂之間的彎月面。在此例子中，模具422可被成形以便在固化之后形成耦合元件(諸如耦合元件280)。另外，任選地，膜可被施加到模具400的表面以在固化之后幫助移除一個(gè)或多個(gè)輔助模具。
[0095]在放置可移除輔助模具之后，樹(shù)脂455被固化。樹(shù)脂可使用熱引發(fā)劑或催化劑、通過(guò)熱驅(qū)動(dòng)的縮合、光引發(fā)劑、或者通過(guò)其它光化輻射(包括電子束)、或者這些工藝中的一種或多種的組合來(lái)固化。在一個(gè)方面，樹(shù)脂455使用常規(guī)固化工藝通過(guò)輻射(諸如電子束輻射)來(lái)固化。同時(shí)可采用UV和/或其它光束固化方法。與UV固化工藝相反，使用電子束輻射可減少潛在的光吸收問(wèn)題。
[0096]在圖7E中，模具400在固化之后被示出，輔助模具422被移除。
[0097]在圖7F中，帶襯片的光學(xué)透明的粘合劑膜可被施加到固化結(jié)構(gòu)的頂部表面。隨后，可將包括背光光導(dǎo)、耦合元件、轉(zhuǎn)向器和變形光導(dǎo)的組件從模具400移除。
[0098]另外，固化的樹(shù)脂結(jié)構(gòu)和輔助光學(xué)元件的一個(gè)或多個(gè)表面可被后處理。合適的后處理包括用電介質(zhì)材料(諸如MgF2、5102或八1 203)或者包括鋁或銀的金屬、或者電介質(zhì)與金屬的組合來(lái)被物理氣相涂覆。在一個(gè)方面，合適的組合包括涂覆低折射率的電介質(zhì)材料(諸如18&或S1 2)，隨后涂覆鋁或銀。低折射率電介質(zhì)涂層增加了高角度下的反射率，并且在允許金屬有效地反射光的更高角度下為透明的。
[0099]在移除和/或后處理之后，隨后可將組件粘結(jié)到上顯示表面或下顯示表面(未示出)。
[0100]因此，上述工藝可用于生成圖1所示的背光光導(dǎo)系統(tǒng)10的一個(gè)或多個(gè)元件。
[0101]如上所述，背光光導(dǎo)包括以均勻方式將光朝顯示器重新引導(dǎo)的提取器陣列或提取器層。下面的圖9A-9F示出可利用的示例性工藝。在此示例性工藝中，提供表面，在該表面上形成溝槽陣列。用聚合物來(lái)填充溝槽，所述聚合物可被平面化?？赏ㄟ^(guò)圖案化的輻射和蝕刻的組合來(lái)進(jìn)一步限定聚合物。電鑄可用于形成具有溝槽的所選擇部分的表面的復(fù)制品，溝槽的側(cè)面相對(duì)于光導(dǎo)的平面可具有至少45度的角度。所得的光導(dǎo)可具有主表面，該主表面具有稀疏(低密度)的提取特征(即，提取器)，提取特征占的區(qū)域小于主表面的區(qū)域的10%o
[0102]圖9A示出在其上表面402中形成具有一系列溝槽403的基底401的等軸視圖?；?01可由金屬(諸如銅或鎳或其合金)形成。溝槽403可使用常規(guī)切割工藝(諸如金剛石切割工藝)形成。
[0103]圖9B示出涂覆有聚合物層404的基底401，所述聚合物層填充形成在上表面402中的溝槽。聚合物層404可包括材料中的任一種或材料的混合物。在一個(gè)方面，聚合物層404包括光致抗蝕劑。作為另外一種選擇，聚合物層404可包括可蝕刻(諸如通過(guò)常規(guī)電子束、反應(yīng)離子或類似蝕刻工藝蝕刻)的聚合物。
[0104]任選地，聚合物涂覆的基底隨后可被平面化，如圖9C所示。通過(guò)這一步驟，聚合物/抗蝕劑可留在先前形成的溝槽中，而剩余聚合物/抗蝕劑從上表面402被移除。合適的常規(guī)平面化工藝包括(例如)磨料拋光和化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)。平面化可增加已完成的光導(dǎo)的光滑度。在一些應(yīng)用中可能不需要平面化。
[0105]隨后，可將聚合物/抗蝕劑(無(wú)論是否被平面化)層404暴露于圖案化的輻射。作為另外一種選擇，可用圖案化的蝕刻屏障來(lái)覆蓋聚合物層404，并且可通過(guò)反應(yīng)離子蝕刻將聚合物層圖案化。圖9D不出蝕刻步驟完成之后的基底401。
[0106]在一些方面，與光導(dǎo)的主表面相交的提取器特征的蝕刻面可具有高角度，并且可幾乎垂直于主表面。在一些方面可利用相對(duì)于法向的小角度偏離以有利于電鑄之后的工具表面的脫模。蝕刻表面407還優(yōu)選為平滑的，并且基本上不散射光。在一些應(yīng)用中，可能優(yōu)選的是使蝕刻面垂直或甚至底切。在一些方面，蝕刻面相對(duì)于主表面具有介于90和60度之間的角度，更有效地，相對(duì)于主表面，該角度介于85和60度之間，并且最優(yōu)選地，該角度介于80和70度之間。
[0107]隨后，蝕刻的基底可用金屬層涂覆，并用另一金屬(諸如鎳、銅或者包含鎳或銅或二者的合金)電鑄。圖9E示出形成在基底401上方的電鑄408。
[0108]圖9F示出與基底分離之后的電鑄408。基底401或第一電鑄408可用于后續(xù)電鑄步驟以形成用于澆鑄和固化或者注塑操作的附加工具。
[0109]因此，上述背光系統(tǒng)及其部件提供一種用于顯示器的有效照明系統(tǒng)。該背光系統(tǒng)及其部件合在一起或單獨(dú)地提供具有低展度并且總體部件的數(shù)量減少的高效照明系統(tǒng)。通過(guò)本文所述的背光系統(tǒng)，可不再需要?dú)庀?，從而為壓力感測(cè)觸摸顯示器和觸覺(jué)技術(shù)提供了機(jī)會(huì)。背光系統(tǒng)可比常規(guī)背光源更薄，從而允許與光學(xué)透明的粘合劑層合。另外，不再需要角增強(qiáng)膜。
[0110]盡管已在本文中為描述優(yōu)選實(shí)施例的目的舉例說(shuō)明并描述了具體實(shí)施例，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，在不脫離本發(fā)明的范圍的前提下，存在多種替代或等同的具體實(shí)施可被所示出的和所述的具體實(shí)施例取代。本領(lǐng)域中的那些技術(shù)人員將容易理解，可以通過(guò)眾多實(shí)施例來(lái)實(shí)施本發(fā)明。本應(yīng)用旨在涵蓋本文中所述的實(shí)施例的任何改型或變型。
【權(quán)利要求】
1.一種變形光導(dǎo)，包括: 光接收部分； 光轉(zhuǎn)向部分；和 光輸出部分，其中所述光接收部分接收具有照亮第一縱橫比的區(qū)域的光，并且所述光輸出部分輸出具有照亮第二縱橫比的區(qū)域的光，所述第二縱橫比是所述第一縱橫比的至少四倍大，并且光輸入面基本上垂直于光輸出面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變形光導(dǎo)，其中進(jìn)入所述光輸入面的光大致具有從約I比I到約I比4的縱橫比，并且離開(kāi)所述光輸出面的光具有至少I比50的縱橫比。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變形光導(dǎo)，其中所述光轉(zhuǎn)向部分包括空間分離的轉(zhuǎn)向元件的陣列。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的變形光導(dǎo)，其中每個(gè)轉(zhuǎn)向元件包括基本上將來(lái)自所述光接收部分的光朝所述光輸出部分反射的基本上反射的小平面。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的變形光導(dǎo)，其中每個(gè)轉(zhuǎn)向元件包括將入射光反射約90°角的反射鏡式或TIR 45°小平面。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的變形光導(dǎo)，其中每個(gè)轉(zhuǎn)向元件包括大體平面的直角棱鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的變形光導(dǎo)，其中每個(gè)轉(zhuǎn)向元件具有約40μπι至約60 μ m的厚度。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的變形光導(dǎo)，其中每個(gè)空間分離的轉(zhuǎn)向元件具有由較低折射率的材料所界定的上主表面和下主表面。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變形光導(dǎo)，其中所述光轉(zhuǎn)向部分包括將來(lái)自所述光接收部分的光朝所述光輸出部分導(dǎo)向的多個(gè)彎曲的平面通道。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的變形光導(dǎo)，其中所述轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)被微復(fù)制到載體上。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變形光導(dǎo)，其中所述變形光導(dǎo)由大體直線的結(jié)構(gòu)形成，所述大體直線的結(jié)構(gòu)具有第一主表面和第二主表面，所述主表面中的至少一個(gè)是階梯式表面。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的變形光導(dǎo)，其中階梯式表面包括多個(gè)階梯結(jié)構(gòu)，每個(gè)階梯結(jié)構(gòu)具有約20 μ m至約80 μ m，優(yōu)選約50 μ m的階梯高度。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的變形光導(dǎo)，其中所述第一主表面相對(duì)于所述光接收部分傾斜，所述第二主表面包括多個(gè)傾斜階梯，每個(gè)傾斜階梯平行于所述第一主表面。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的變形光導(dǎo)，其中所述光轉(zhuǎn)向部分包括與所述階梯式表面配對(duì)的空間分離的轉(zhuǎn)向元件的陣列。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的變形光導(dǎo)，其中光學(xué)透明的粘合劑設(shè)置在所述階梯式表面和所述光轉(zhuǎn)向部分之間。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的變形光導(dǎo)，其中所述大體直線的結(jié)構(gòu)包括模塑塑料或玻璃。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變形光導(dǎo)，其中所述光導(dǎo)包括膜的疊堆，所述膜的疊堆中的每個(gè)膜包括相對(duì)于所述光輸入面成約45°角的小平面，所述小平面在所述疊堆中空間分離。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的變形光導(dǎo)，其中每個(gè)膜具有約30μ m至約100 μ m的厚度。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的變形光導(dǎo)，還包括設(shè)置在所述疊堆的相鄰膜之間的涂層，所述涂層的折射率不同于所述膜的折射率。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的變形光導(dǎo)，其中所述涂層包含光學(xué)透明的粘合劑。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的變形光導(dǎo)，其中所述膜包含聚碳酸酯材料。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變形光導(dǎo)，其中所述光導(dǎo)包括膜的疊堆，所述膜的疊堆中的每個(gè)膜被蝕刻有多個(gè)轉(zhuǎn)向通道以將光朝所述光輸出面導(dǎo)向。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變形光導(dǎo)，其中所述光導(dǎo)包括光纖的陣列。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的變形光導(dǎo)，其中所述光接收部分包括高度為m個(gè)光纖且寬度為η個(gè)光纖的mXn光纖陣列，m和η大于1，并且所述光輸出面的高度對(duì)應(yīng)于單個(gè)光纖，并且所述光輸出面的寬度對(duì)應(yīng)于mXn個(gè)光纖。
25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變形光導(dǎo)，其中所述光輸出部分包括具有大體直線形狀的耦合器，所述耦合器沿著第一側(cè)具有局部階梯式外形以接收來(lái)自所述轉(zhuǎn)向元件的光輸出，并且沿著與所述第一側(cè)相對(duì)的第二側(cè)具有線形外形以將光耦合到背光光導(dǎo)中。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的變形光導(dǎo)，其中所述耦合器以單件構(gòu)造的形式與所述轉(zhuǎn)向元件一體化形成。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的變形光導(dǎo)，其中所述耦合器的局部階梯式輸入側(cè)包括與所述轉(zhuǎn)向元件的輸出面對(duì)應(yīng)并與所述轉(zhuǎn)向元件的輸出面配準(zhǔn)的一系列面。
28.根據(jù)權(quán)利要求25所述的變形光導(dǎo)，其中所述耦合器基本上保留了所述變形光導(dǎo)的展度，并同時(shí)校正輸入所述耦合器的光和離開(kāi)所述耦合器的線形光的形狀差異。
29.根據(jù)權(quán)利要求26所述的變形光導(dǎo)，其中所述單件構(gòu)造包括連續(xù)模塑制品。
30.根據(jù)權(quán)利要求26所述的變形光導(dǎo)，其中所述單件構(gòu)造包括丙烯酸類樹(shù)脂、可固化的丙烯酸類樹(shù)脂、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酯和有機(jī)硅中的一種。
31.根據(jù)權(quán)利要求26所述的變形光導(dǎo)，其中所述耦合器漸縮，使得第二側(cè)的厚度大于所述第一側(cè)的所述局部階梯式輸入面的厚度。
32.根據(jù)前述權(quán)利要求1中任一項(xiàng)所述的變形光導(dǎo)，其中所述光的展度被基本上保留。
33.一種變形光導(dǎo)，包括: 具有光輸入面的主體； 光輸出部分；和 光轉(zhuǎn)向部分，所述光轉(zhuǎn)向部分設(shè)置在所述光輸入面和所述光輸出部分之間，其中所述光轉(zhuǎn)向部分包括空間分離的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的陣列，并且多個(gè)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)在至少一個(gè)主表面上由設(shè)置在所述轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)和所述光導(dǎo)的所述主體之間的低折射率層來(lái)界定。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的光導(dǎo)，其中所述轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)各自包括基本上將來(lái)自所述光輸入面的光朝所述光輸出部分反射的基本上反射的小平面。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的光導(dǎo)，其中每個(gè)反射的小平面相對(duì)于所述光輸入面成約30度至約60度角。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的光導(dǎo)，其中每個(gè)反射的小平面相對(duì)于所述光輸入面成約45度角。
37.根據(jù)權(quán)利要求33所述的光導(dǎo)，其中每個(gè)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)包括平面直角棱鏡。
38.根據(jù)權(quán)利要求33所述的光導(dǎo)，其中所述轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)被微復(fù)制到載體上。
39.根據(jù)權(quán)利要求33所述的光導(dǎo)，其中每個(gè)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的高度顯著小于所述光輸入面的高度。
40.根據(jù)權(quán)利要求33所述的光導(dǎo)，其中所述主體包括模塑塑料或玻璃材料。
41.根據(jù)權(quán)利要求33所述的光導(dǎo)，其中所述主體包括大體直線的結(jié)構(gòu)。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的光導(dǎo)，其中所述直線的結(jié)構(gòu)包括第一主表面和第二主表面，所述主表面中的至少一個(gè)包括階梯式結(jié)構(gòu)。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的光導(dǎo)，其中所述階梯結(jié)構(gòu)具有約20μ m至約80 μ m的階梯高度。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的光導(dǎo)，其中所述階梯結(jié)構(gòu)具有約40μ m至約60 μ m的階梯高度。
45.根據(jù)權(quán)利要求42所述的光導(dǎo)，其中所述第一主表面和所述第二主表面基本上平行。
46.根據(jù)權(quán)利要求42所述的光導(dǎo)，其中所述光輸入面的高度近似等于所述轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的高度之和。
47.一種變形光導(dǎo)，包括: 具有光接收部分的主體； 光輸出部分；和 光轉(zhuǎn)向部分，所述光轉(zhuǎn)向部分設(shè)置在所述光接收部分和所述光輸出部分之間，其中所述光轉(zhuǎn)向部分包括將來(lái)自所述光接收部分的光朝所述光輸出部分導(dǎo)向的多個(gè)彎曲的平面通道，并且每個(gè)彎曲的平面通道在至少一個(gè)主表面上由設(shè)置在所述光轉(zhuǎn)向部分和所述光導(dǎo)的所述主體之間的低折射率層來(lái)界定。
【文檔編號(hào)】F21V8/00GK104471469SQ201380009480
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2013年1月24日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月17日
【發(fā)明者】安德魯·J·歐德科克, 李詩(shī)穎, 拉維·帕蘭伊斯瓦米, 阿羅嘉瑞·杰蘇道斯, 凱利·里德·英厄姆 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司