校准显微透镜阵列的制作方法

专利名称：校准显微透镜阵列的制作方法
校准显微透镜阵列相关申请本申请要求申请于2005年6月29日，申请号为60/694,838 的美国临时申请的利益。以上申请的全部内容在此作为参考被并 入本文。
背景技术：
平板显示器在从桌上和膝上电脑，到电视屏幕等广泛的各类应用中，通常#:作为阴才及射线管的优选。通过比如液晶显示器(LCD)重显的图象所感知到的质量，主要取决于它提供高亮度和高对比度的能力。这类显示器通常使用背光照明阵列，其中一个光扩散板，^皮i文置在光源和液晶面板之间。通常会在光扩散4反 上或附近，放置一个或多个校准薄膜片。校准薄膜起到提高显示 器最重要的性能一一亮度的作用。一种类型的校准薄膜结合了在薄膜底片的一个面上塑造的 或浇铸的棱镜的线性阵列。通常所述的棱镜包含90。的内角，通 过折射和TIR (全内反射)的过程，重复使用轴上的光，改变不 在轴上的或者倾斜的光的传播方向，使之沿轴方向发射。此外， 由于成型过程和铸造生产(即加工)过程都相对简单，这种4交准 薄膜相对容易制造。最后，由于TIR和折射过程都是无损的(即 无吸收)，这种校准薄膜具有高流明效率。然而，这种基于棱镜 的^f交准薄膜具有两个显著的缺点。第一，纟皮;欧准的光的发射剖面 相当宽，发射包络半角达到±30° ,通常比大多数应用的理想包络宽度要宽。第二，发射包络的形状，无法被制作或定形以适应已有背光应用所期望的形状。这是由于，90°棱镜在几何学上已 经固定，以达到最大化的才交准。没有多余的几<可参凄史可以用来调 整，以更改包络的形状。另一种校准薄膜，包括一个在感光底片一面上的显微透镜阵 列，感光底片的另一面有一个反射表面，其上有置于显微透镜相 应位置的洞或者孔。反射表面朝向背光或者光源，光源来的光或 者4皮反射表面反射，或者通过孔。通常，当光通过一个孔后，它 会通过相应的透镜折射进入被校准后的方向。相比于基于棱镜的 校准薄膜，这种校准薄膜有一些优点。特别是，发射包络的宽度 可以远远小于土30。，下降到士5。或者更小。此外，由于发射 角度的减小，光浓缩现象加剧，使得使用基于显微透镜的校准元 件的背光照明的亮度显著改善。然而事实证明，尽管有这些优点，基于显微透镜的校准薄膜 难以制造。通常，显微透镜的倾斜度是50jum量级，孑L的宽度是 15jum量级，并且为了起到作用，孔必须^艮好的与透镜的光轴较 直或者呈圆心对称。已经发现在反射层制造一个直径几孩i米的孔 是有困难的，而与此同时，还要与透4竟阵列对齐则才及其困难，特 别是面积4交大的时4矣。能够克服至少部分困难的方法，是使用照相平板印刷技术。 根据这一多步骤技术，如美国专利6,633,351所述，普通的照相 平板印刷包括如下步骤1 )提供保护层在显孩史透镜的对面)，2) 暴光(通过显微透镜)，3)发展暴光过的保护层，4)蚀刻，5) 移除保护层，最后6)反射薄膜形成。此外，步骤3, 4和5包括 浸湿过程，需要消耗时间和材料才能完成。因此，所得到的才交准 薄膜制造成本很高，最终的生产将因为昂贵而无法适用于任何对 称本敏感的背光照明设备。更多关于这些类型薄膜以及背光显示系统的信息，请参见美国专矛J 5,453,876, 5,598,281, 5,870,224, 6,327,091， 6,421,103， 6,633,351, 6,697,042以及6,876,408。发明内容本发明的目标是提供一种具有高输出亮度的校准薄膜，其输 出校准包络很小，可达±5° ，其输出发射剖面可调节，并且具 有高流明效率，具有最少的制造步骤，易于制造且成本低。本发明的另一个目标是创造一个有效的，低成本的校准薄 膜，其输出光分开小于土30。，可与大多数现有的背光源兼容。另 一个目标是提供一个具有相对薄的反射层的校准薄膜，使 得以倾斜角度进入的光，更有可能无衰减地通过。此外另 一个目标是提供一个光循环使用性得到改进的校准 薄膜。进一步的目标是提供一个易于制造，比现有薄膜成本低的薄膜。另 一 个目标是提供 一 个能够被调整形成所期望的光剖面的薄膜。根据本发明的一个方面，校准薄膜包括感光底片，多个位于 感光底片输出面的显微透镜，位于感光底片显微棱镜相反面的镜 面反射层，以及多个位于反射层上的、与透镜阵列中的显微透镜 直接对应的孔。镜面反射层会比漫反射层薄很多，使得光能够更 容易地通过。在其他的实施方案中，在一个或多个反射材料层上，放置一 个或多个绝缘层。这将经 一 步改善所得到的薄膜的整体反射率。另一种实施方案中，该薄膜包含感光底片，位于感光底片输 出面的显孩史透镜阵列，位于感光底片输入面的光吸收层，以及位 于光吸收层输入面的反射层。采用激光消融工艺将孔〗故在光吸收 层以及反射层上，其中激光光束照射在该薄膜的输出面上。激光 光束被透镜阵列中的透镜聚焦，照射到光吸收层，就会在光吸收层和反射层上消融形成一个洞或者孔。采用这种方法，孔与透镇: 自动较直。选择感光底片的厚度使得消融形成的孔位于透镜的焦 平面，这意味着任何穿过某一孔的光可以充分地被与它相对应的 透镜校准。


下面对本发明具体实施方案作更详细的描述，附图中提供图 解，其中相同的参数在不同的图中代表相同的对象，将使以上内 容更加清晰。这些图不需要量化，其重点是给本发明的实施例作 图解。图i是本4交准薄膜的一个实施方案的侧-现图。图2是本校准薄膜的顶视图，其中显微透镜按六角形阵列排列。图3是本校准薄膜的顶视图，其中显微透镜按矩形阵列排列。图4A是从输入端看进去的，圆形孔组成阵列的特写图。 图4B是从输入端看进去的，非圆形孔组成阵列的特写图。图4C是从车餘入端看进去的，由两个部分交叠的孔构成的非 圆形孔组成阵列的特写图。图5A是J求面显樣t透4竟的特写图。图5B是非球面显孩i透镜的特写图。图6A是球面透镜实施方案。图6B是非球面透镜实施方案。图7是描述如何通过激光消融形成孔的相克图。图8A是具有平滑表面的孔的特写图。图8B是具有粗糙表面孔的特写图。图8C是表面有光能的孔的特写图。图9是安置在孔内的抗反射材料。图10A是部分^皮i真充的孔的特写图。图IOB是完全被填充的孔的特写图。图11是一条光路，显示来自一个孔的光如^T到达一个相邻 的显孩史透镜充分^皮吸收。图12是给出了孔率的概念。图13是不同孔尺寸情况下的相对强度输出图。图14给出了校准薄膜如何应用在显示器中的边缘照明背光 系统中。图15给出了4交准薄膜如何应用在显示器中的直接照明背光 系统中。图16和17分别是一台激光消融设备的概图和等比例的细节图。图18A， 18B， 19A和19B分别是激光消融设备用来塑造孔 时的垂直和水平平移的侧#见图和顶#见图。图20A和20B分别是消融前和消融后的金属/绝缘层的视图。图21A到21C是形成反射层的可能工艺步骤序列的图示。图22A到22E是一种形成反射层的备选方法。
具体实施方式
以下，是本发明优选的实施方案的描述在一个实施方案中，本发明包括薄膜，此薄膜具有感光底片， 位于薄膜输出面的透镜阵列，位于薄膜输入面的、在透镜阵列中 的透镜的焦点位置或者附近有孔的4竟面反射层。此外，带有相似 的孔的光吸收层可能》欠置在感光底片和反射层之间以促进孔的 形成，以及杂散光的吸收。此外，镜面反射层可能包括几层绝缘 体和/或分层的金属材料。本发明的其他实施方案是关于薄膜的制造方法。具体的方法 包含应用激光消融校准薄膜上的孔。根据图1， 4交准薄膜1由感光底片4、包括多个独立的透镜2 的透镜阵列3、可选的光吸收层5以及反射层6构成。图中还给 出了输入面9和输出面10，它们是薄膜最终使用时的输入端和输 出端(而不是在制造中，制造中输入和输出端是反的)。孔7穿 过反射层6和可选的光吸收层5,并与独立透镜2的光轴8实质上是对齐的。但是孔7和可以与光轴8完全不对齐，甚至随4几的 不对齐，这取决于所期望的校准薄膜的性能。感光底片4通常由PET构成，也可以采用聚石灰酸脂和丙烯酸。 通常感光底片4的折射指数需要高于1.5，使得感光底片4中的 光锥的角宽度最小化。感光底片4厚度通过穿过所使用的感光底 片4的光的临界角，与透镜2的直径相联系。透镜2越大，感光 底片4越厚。通常，透镜2的直径，或者中心到中心的距离小于 100樣i米(jum)是，见众不可辨别的，这通常意p未着感光底片4 的厚度应该小于约70jum，尽管也可以〗吏用直径更大的透4竟2和 更厚的感光底片4。然而，透镜直径以及中心到中心距离大于100 um,在观众与显示器距离很远时是可以接受的。反射层6要尽可能的薄，最好小于25jum,使其容易移除， 且成本尽可能低。反射层6最好是镜面反射，由金属构成，比如 铝或者银，或者由多层堆叠电介质材料构成。镜面反射层作为优 选，因为它比可比的漫反射层要薄，使得更多的入射光能够通过 孔7。不过，反射层也可以选择漫反射，其主要组成成分为聚四 氟乙烯(PTFE),酒石酸钡或者二氧化钬。不论反射层6是镜面 反射还是漫反射，从效率的观点，它的反射率必须尽量高，最小 反射率为80%,最好是90%或者高达95%以上。然而，如果反射层6的反射率过高，就4艮难利用下面所述的 激光消融工艺切除位于孔位置的反射层。在这种情况下，光吸收 层5净皮;改置在感光底片4和反射层6之间，用来改进孔形成工艺， 同时吸收不希望的位于校准薄膜输出端的杂散光。与反射层6 — 样，可选的光吸收层也应该尽量薄，最好薄于25jum。这一层可 用的材料包括铬，以及其他包含碳黑粒子的材料。图2描述了本校准薄膜1 一部分的前视图，其中透镜2封装 成六角形阵列，例如每个透镜2具有6个紧邻的互相接触的透镜。 透镜2也可以封装成其他形式，比如正方形或者矩形，(如图3 所示)而且他们可以互相交叠(这使得交叉线上的透镜被截短)， 或者他们4艮本不需要互相接触。通常，透镜在可实现的情况下，应该排列得尽可能紧密以保 i正系统效率和光吞吐量。填充系凄t最好至少达到50%，其中50 %以上的输出表面积#皮透镜阵列3中的透镜2占据。图2还给出 了与透镜阵列3呈同中心位置关系的孔7，尽管他们不必一定同 中心。对于图3中矩形透4竟的情况，透镜2和孔11可以也是矩 形，或者接近矩形，尽管其他形状也是可能的。回到图1，来自光源或者光混合腔或者4殳影管(图1中没有 给出，而是在后面结合图14和15给出并讨论)的输入光线11， 进入校准薄膜1的输入面9上的孔7。光11接下来被折射进入感 光底片4，并到达与所进入的孔7相应的透4竟。*接下来，光线一皮 这个透镜折射，使得输出光线12与光轴8充分平行。然而，如 果孔7的尺寸与透镜2的尺寸相比不够小，输出光线12将不会 与光轴8平行。孔7比较大的好处是，它能够允许更多的光穿过 冲吏准薄膜，4旦坏处是4交准效果下降。如果孔7与他们各自相应的 透镜2不对齐，传输光12仍然能够被充分校准，但是将沿着与 光轴8不平4于的方向传输。在一些应用中，希望一个轴向的才交准程度与另一个不同。如 果孔7是圆的，如图4A所示，输出光具有圆形对称剖面，并且 垂直轴方向的光线与水平轴方向光线具有相同的才交准程度。然 而，如果孔20被作成椭圓形，如图4B所示，那么输出剖面将不 对称，且一个轴向的校准程度比另一个小。LCD平板通常期望这 种情况，它的优点是能够使水平方向的显示视角比垂直方向更宽。这种不对称在汽车仪表显示应用中更加需要，其中大量的光 线应该导向司才几和乘客坐位方向，l交少的光导向他们中间，没有光3皮导向棚顶或地面。图4C中的孔形状可以实现这种椭圆形剖 面。注意，图4C中的孑L21可以通过多个偏移的圆形孔组合而成。包含透镜阵列3的透镜2可以是球形的，如图5A所示。在 这种情况下，透4竟2曲率半径为R,曲率中心为C。曲率中心C 通常位于棱4竟2的光轴8上。棱4竟也可以是非J求面的，比如图5B 中所示的，两轴椭圓规格相同的椭圆形透镜(透镜2)是对称的， 无论哪个截面都是椭圆形。除了椭圓形，截面也可以是任意度数 的组合。透4竟2不一定对称，截面可以随所选择的可组合的光轴 变化，而且透4竟不必关于光轴8对称。受限的是，透镜可能自然是两面凸的，其中透镜阵列是简单 的一维透镜两面凸的阵列，如图6A和图6B所示。在这种情况 下，与透镜相应的孔在反射层6以及光吸收层5上呈直线。对于 二维透镜阵列，透镜的截面可能是圓形82或者非圓形85。不考 虑透镜2是否是两面凸的，透镜通常具有F弁的光学上牢固(optical fast),其F/辨定义为透镜的焦距被宽度除)小于1.0。不过在一些 情况下，比如反射层6和可选的光吸收层5的厚度产生了天窗效 应，限制了入射到透镜2的光的锥形的角宽度，就不需要光学牢 固的透镜2了。透4竟2的F/弁值可以大于1.0。此外，透镜阵列3 中的透镜2不需要都有相同的规格。透镜2之间的规格可以是随 机的，伪随机的，或者沿透镜阵列3的长或宽变化。可以用激光消融方法制造孔7。如图7所示(并将在下文中 详细描述)，校准薄膜1被高能激光(27,例如来自YAG激光器) 从输出面照射，此激光具有波阵面29,延方向28传播，使得透 镜阵列3被激光27照射。当透镜2被激光消融光27照射时，透 镜将消融光27聚焦在可选光吸收层5或者反射层6上的一个小面积上，位于透镜2的焦点处。透镜阵列3中的透镜2的聚焦特 性将激光消融光27在焦点位置的功率密度放大，使之超过可选 光吸收层5或者反射层6的消融阈值。可选光吸收层5或者反射 层6在焦点位置被蒸发或者切除，形成穿过可选光吸收层5和反 射层6的孑L 7。这一激光消融工艺的变化，是将高功率激光27沿与透镜阵 列中的透镜的光轴8相关的角度导向校准薄膜。这样喉文使得孔7 的位置与光轴8有一定偏移。当高功率激光27沿与光轴8成另 一个角度的方向导向^f交准薄膜时，可以重复这个偏移角消融过 程，这才羊就得到了第二个孔，这个孔可以部分地与第一个孔重叠， 如图4C所示。通过高功率激光27沿与光轴8成其他角度导向才交 准薄膜，可以产生其他消融路径，得到所期望的几乎任意形状的 孔7。如图7所示，激光27是固定的，校准薄膜沿横向移动，使 得透4竟阵列中所有的透4免都4皮充分照射。在图7中，给出了孔形 成的过程，其中 一皮暴露在激光消融光下时间最长的孔7已经完成， 而相应的透镜暴露在激光消融光27下时间较短的孔33还没有完 成。此外，孔32、 31和30处于4交早的成型阶^殳。作为替代的激光消融设备中，包括用激光束扫描固定的薄 膜，或者薄膜和激光束都动，或者薄膜和激光束都不动等类型， 激光束的性能参数，比如直径和能量，保证整个薄膜能够一次完 全充分暴光。优选的激光消融方法应该考虑到有角度的输出光发散剖面 取决于反射层6上的孔7， 20, 21的尺寸和形状。控制孔尺寸和 形状的能力的确能够大大改善薄膜对更宽范围的市场的适应性，例如航空和汽车显示市场。因此优选的消融方法能够提供按照几 乎任何期望的尺寸和形状塑造孔的方法。联系图7进行解释，孔最好通过激光消融工艺产生，其中来 自高功率激光器的光束照射在薄膜的微透镜2—面，且其中激光 光束通过透镜2聚焦在反射层6 (或者潜在的吸收层，如果采用 的话)上的一个小点处，在这一点反射层6被消融，留下一个清 晰的孔7^f吏得光通过。通常激光光束直径为lmm或者更小，或 者使激光光束扫描或扫描栅整个加工件，或者光束必须固定，移 动加工件使得整个薄膜都被照射。在优选方法中，采用固定激光光束可以得到更好的结果，其 中薄膜加工件;波縛在一个可转动可移动的鼓上，如图16所示。 注意在这个消融步骤中激光光束101与^皮消融的加工件成90° 角入射，这能够将一个充分圆的孔7置于显微透镜的光轴上。如 图17所示，鼓102可以沿路径104围绕中心轴110转动，提供 垂直布局；激光光束和/或鼓102也可以沿水平面105移动。激光 器100因此可以;陂导向加工件上4壬何位置的所选4壬意点。为了将孔塑造成任意的形状，激光光束101与被消融的薄膜 之间的入射角必须是可变的。为了进一步改变垂直平面的入射 角，整个鼓102可以通过一个垂直移动台112升高或降低。为了 改变水平面的入射角，可以采用一个转动或者^:转台113。图17 描述了这一概念。由于垂直或者水平移动可以是简单的线性移 动，使得激光器101入射在鼓102的圓形横界面的不同位置，从 而改变垂直平面的入射角。比4支图18A中给出的设备的位置与图 18B中传统位置的不同，入射光119在垂直平面上的角度改变了。 图19A描述了位于第一种位置130的设备，其水平面入射角为 90° 。图19B是位于另一个位置131的设备，其水平入射角不同。为了改变水平面的角度，鼓102可以通过水平S走转台113围绕包含消融的标称点的垂直轴111 :旋转。为了消融一个某种程度上形状任意的孔，可以实行多个循环或者多个过程的消融，每个消融循环中，激光与加工件103之间 的入射角不同，由垂直传送台112和旋转台113的方向确定。对 于每一个循环整个加工件103必须经过、激光光束101，可以通过 围绕其水平轴110以及其水平;5走转移动台113转动鼓来实现。在 不同入射角的几个消融周期之后，将形成孔7， 20或者21，其形 状是每个周期形成的所有独立的子孔的重叠。这个基本概念有几个变化，包括1) 加工件103并不是绑定到绑定在鼓结构上的套管上，{旦 是薄膜生成的尺寸，确实需要保证他自己能够变成套管从而直摘「 绑定到鼓结构上。这样作能够节约尺寸2) 只采用垂直移动台112 (不4吏用;5走转台113 )3) 只使用旋转台113 (不使用垂直移动台112) 4 )所有4个(或3个)运动轴受计算机控制5) 力口工件103可以固定，可佳:激光束101在多个周期^黄穿 (光斥册)加工件103，每个周期入射角不同。注意，仍然有4(或 3)个运动轴6) 每个透镜可以制造两个或更多个孔，每个孔可塑或不可塑。这种方式的激光消融的好处是1)制造发散剖面可塑的定 制校准薄膜的(重复)成本低；2)对比平板技术，更是容易实 现自动化。激光消融工艺可能的困难之一，是高精度的孔的制造。特别 是，当金属反射层6厚度超过20nm时，在孔7的周围会形成金 属环，因此降低校准薄膜的效率和性能。此外，厚度小于20nm 的金属反射层，比如铬，铝，银，传输性太强，反射性很弱。第一种解决方案(这里称作实施方案1)是使用一个厚度大 约20nm的金属层，然后在其上放置一个绝缘叠层13来获得期望 的反射率。对绝缘叠层13进一步的要求是在消融过程中，它必 须与薄膜彻底分离。这一概念的概述见图20A和20B。第二种解决方案(实施方案2)采用了一个厚度约20nm的 金属层6,孔在金属层中消融，然后在金属层上放置一个绝缘体 薄膜叠层14以获得期望的反射率。在这一实施方案中，绝缘体 薄膜叠层在孔的位置必须穿透性强。图21A和21C是对实施方 案2的描述。这一问题的第三种解决方案(实施方案3)，如图22A-22E 所示，首先》文置一个厚度约为20nm的金属层6,在其上消融孔 76，然后再放置第二个厚度也是20nm的金属层15,在其上消融 孔77。重复这一过程，直到金属层6， 15的总厚度能够实现好的 反射率。可以选择最后安》文一个绝缘体层或者绝缘体叠层14,这 样可以达到更高的反射率，但是绝缘体层或者叠层14必须在孔 位置保证4艮好的穿透性。在上述实施方案中，描述了两个金属和 消融周期，其后是绝缘体薄膜叠层的放置。消融过考呈的变4匕和^卜充包4舌a) (实施方案l， 2， 3)如上所述，第一金属层6厚度接近 20nm;然而，第一层金属可以有另 一种实^见方法，包4舌两层，比 如一个作为固定座的ionm的铬层，^妾着一个反射率比4各大的10nm的铝层。b) (实施方案1， 2, 3)金属层6 (和/或15)的总厚度可以 在10nm到IOOO腦之间。c) (实施方案l, 2, 3)绝缘体薄膜叠层(13, 14)的总厚 度可以在20nm到2000nm之间。d) (实施方案l, 2， 3)绝缘体材料可以包括Si02, SiO和 Ti02中的一种或多种。e) (实施方案1， 2， 3)金属材料可以包4舌Cr， Ag和Al 中的一种或几种。f) (实施方案3洽属沉积或者消融的循环可以有l到20个。才艮据激光消融的指示，感光底片4位于孔7的位置的表面应 具有不同的特性参数，例如，激光消融过程可以令感光底片4的 表面保持原状，在这种情况下，图8A中的表面40在光学上是平 滑无紋理的。除此之外〖敫光消融过程还可以产生 一个有紋理的表 面磨光41,如图8B所示。最后， 一个更有岁文i也的'激光消融过禾呈 可以产生一个在孔位置具有光能的感光底片表面42,如图8C所 示。通常透4竟表面42也会添加紋理孔7完成之后，不考虑孔处的感光底片4的紋理或形状，那 么可以填充或者部分填充孔7,为进入感光底片4并随后离开才交准薄膜1的光提供另一种程度的控制。如图IOA所示，孔7被材 料45部分填充，材料可以是非扩散的，透明的，以减少厚度非 零的光吸收和反射层5， 6带来的天窗效应。或者材料45可能具 有散布其中的散射粒子，或者具有较高的模糊值。同时，材料45的输入表面可能是光学平滑的，有紋理的或者有光能的。如图10B 所示，材料46 (与材料45特性参数相同)填充了整个孔7。填充材料45或46成液态，很容易利用橡胶滚轴或者其他机 才戒手法漫过校准薄膜的输入面9,从而充满孔7。从输入表面9 移走多余的材料45或46，或者留在原处(特别是如果材料是非 吸收的)作为反射层6的保护层。下一步材料45或46可以千燥， 愈合，聚合或凝固。通常，填充材料45会在凝固过程中收缩， 留下一个部分填充的孔7。填充材并牛46可能不会收缩，留下一个 完全填充的孔7，如图10A所示。填充材料45或46可以改善完成后的41准薄膜1的光学性能， 但是如果填充材料45或46是扩散性的就会引入不良后果。其一 是输入光11在感光底片4中不能够被限制在以边界角为约束的 光锥内，这样的光可能会撞击到临近的透镜，而不止是与这个孔 相应的透镜。这种情况，在没有填充材料45或46的情况下也可 能发生，但是当感光底片4表面具有光功率42或者是扩散性的 41， 4晉误的光就变成了游离光，可能以无4交准的角度离开薄膜。 光吸收层5能够帮助消除游离光，如图ll所示。在图11中，#r 入光11被孔7的特性发散的分开， 一些光到达了临近的透镜， 大多数到达临近透镜的光从相邻透镜的表面完全内部反射(TIR， 50),:故重新导向光吸收层上的一个交叉点51，并在那里#:充分 吸收。注意，在孔7处被发散成较小的角度的光仅到达相应的透 4竟，射出的光12可#:充分才交准。进一步地，注意溢出透4竟阵列3的透镜2的光的同时，必须 注意确保透镜没有不必要的未充满。例如，未充满可能由可选光 吸收层5和反射层6的非零厚度造成的天窗效应导致。这些层的 厚度可能导致输入光11 (如图1所示)倾斜(也就是，相对于光 轴8的角度很大)，从而被可选吸收层5和反射层6阻挡，这样 光就入射在了孔的傍边，不能通过孔7进入感光底片4。因此， 可选吸收层5和反射层6的总厚度最好尽量小。天窗效应的一个度量标准是孔率，利用图12所示的结构定 义。在图12中，透镜中心到中心之间的空间p是关键，露在孔 外面的表面的大小定义为p，。从透镜阵列3中透镜的顶点到感光 底片的输入面的距离为d,可选吸收层5和反射层6的总厚度为 d，。光轴8和从透镜在光轴上的顶点到孔在感光底片4上的边缘 之间的连线间的夹角为e。相似的，光轴8和从透4竟在光轴上的 顶点到孔在输入表面9上的边沿之间的连线间的夹角为6，才艮据三角法，可以得到e-tan一[(尸-尸V2/)] (1)以及^tan一[(尸-"/2(D + Z)1)] (2)由jt匕孑L率(ar)定义为 合寸^口， ^口果6 =50 , 6 ，=40 ，下，d，非常小，意味着e接近e，(3)那么孔率是20%。理想状况 ，孑L率接近0，在这种情况下天窗效应最小化。孔率期望低于20%，更好的情况低于10%, 最好低于5%。假定(同时也是现实的)，设定光迹来估计上述才爻准薄膜的 期望性能。对于这个薄膜，P-68um，感光底片4是2mil ( 50.8um ) 厚的PET，透镜阵列3中的透镜2是非球面的，用多项式建模， 最大凹陷为27.9jum，折射率和感光底片4相同。可选光吸收层 5被排除，反射层的厚度保证AR远小于5%。在图13中，给出 了从光迹得出的三条归一化的曲线。第一条曲线，"无校准薄膜" 本质上说是背光或光源的输出，并且是朗柏曲线标度的，所以它 的峰值是100% 。第二条曲线'R(ap)=59% x R (lens )是在背光/ 光源相同的情况下，上述薄膜的一个光迹的输出，其中孔的半径 是透4竟半径的59%,为20jam。注意，峰值光强度现在是没有才史 准薄膜时的165%，视角被限制为接近20度。最后的光迹图， "R(ap)=35% x R (lens )"，其中孔半径是透4竟半径的35 % ,为12 jum。注意，峰值光强度现在超过了没有4交准薄膜时的250%, 视角进一步被限制到将近15度。可增加的另 一 个能够改善校准薄膜性能的作法，是增加 一 个 抗反射外涂层，或者在透镜2的输出表面增加一个亚波长显樣吏结 构。A/R外涂层98也可以力文置在感光底片4中孑L 7的位置上， 如图9所示。同时，抗反射亚波长显微结构可以覆盖在感光底片 4的整个输入表面，位于可选光吸收层5或者反射层6之前。不 论使用的是A/R外涂层还是抗反射亚波长显微结构，也不考虑放 置在哪个(些)表面上，这些处理能够降低菲而反射，这种反射 中4%或者更多的入射到表面的光被反射回去，因此增强校准薄 膜的能见度和效率。也就是，增加这些表面处理能够改善系统能 见度达8% 。上述校准薄膜可以应用在任何光发散剖面很宽的光源，尽管 希望光源的发散剖面很窄。这种光源的例子包括发射器和光源电 容器，广告和信号应用，闪光灯，室内照明，以及液晶显示器背光源等。光源可以是LED,OLED,荧光灯(CCFL或者HCFL)， 白炽灯甚至弧光灯。值得特别注意的是LCD应用中的边纟彖照射背光源，如图14 所示。在这个应用中，来自光源64的光，被导入一个光导63的 边缘，光导63可以具有扩散性。它的前表面62，或者它的后表 面64可以是有紋理的或者有樣0见结构的，能够沿光导63的长方 向均一地萃取光。在光导63的前面是一个可选反射偏光器61， 它允许从光导63中发射出的光中的一路优选的偏振光通过，并 将非优选的光反射回去(即再利用)。 一个镜子65被放置在光导 63之后，用来将一皮反射偏光器61反射回来的光向前反射。在可 选反射偏光器61的输出端放置本发明中的校准薄膜1。通过校准 薄膜1中的孔7的光，以上述校准后方式，从透镜阵列中的透镜 2射出。没有照射到孔7上的光到达反射层6，然后纟皮反射回到 光导63，最终回到光导65背面的4竟子65 ^皮再次利用。4竟子65 改变再利用光的方向，使其向前射向校准薄膜1,在那里光线有 再一次射到孔7并且通过校准薄膜1的机会。在光通过校准薄膜 之后，它照射到显示平面60的后表面上。同时需要关注的还有图15所描述的直接照射背光源。在这 个应用中，/人一个或多个光源74来的光^皮置于显示平面60之后 的一个光穴或者一个混合腔71中。混合腔71具有反射面72和 73，以及一个允许光通过的开ii的前表面70。 一个可选反射偏振 器61被置于前表面70,它使具有优选的偏振的光通过，并将具 有非优选偏振的光返回再利用，如前文所述。在可选反射偏振器 61的输出端是本发明的校准薄膜1,其中透镜2才交准成功通过孔7的光，并将4殳射到反射层9的光反射回去，,皮反射回去的光回 到混合腔71,在腔中光4皮再利用，并最终重新定向回到可选反射 偏振器61以及校准薄膜1。光通过校准薄膜1之后，投射到显示 平;f反60的后表面。在此已经根据优选的实施方案对本发明进行了详尽地展示 和描述，本领域技术人员应该理解，各种形式和细节上所作的变 化，都不会超出所附权利要求中所包括的本发明的范围。
权利要求
1.一种校准薄膜，包括具有光学输入面和光学输出面的光传送感光底片；多个位于感光底片输出面的显微透镜；位于感光底片输入面的镜面反射层；以及多个位于镜面反射层内的孔，所述的孔相对于相应显微透镜光轴具有预先制定的空间关系。
2. 根据权利要求1中所述的校准薄膜 上是圓的。
3. 根据权利要求1中所述的校准薄膜 多專交小的、至少部分重叠的孔构成
4. 根据权利要求1中所述的校准薄膜 上是球形的剖面。
5. 根据权利要求1中所述的校准薄膜 上是非^求形的剖面。
6. 根据权利要求1中所述的校准薄膜 的。
7. 根据权利要求6中所述的校准薄膜，其中两面凸的显微透镜 具有实质上圓的横截面。
8. 根据权利要求6中所述的校准薄膜，其中两面凸的显微透镜 具有实质上非圓的才黄截面,其中反射层上的孔实质 ，其中每个《L由两个或更 ，其中显微透镜具有实质 ，其中显樣i透4竟具有实质 ,其中显孩i透4竟是两面凸
9. 根据权利要求1中所述的校准薄膜，其中包括透镜阵列的显 微透镜按照预先制定的二维重复的形状被包装，所述的二维 重复形状选自由六角形或者矩形所组成的组。
10. 根据权利要求6中所述的校准薄膜，其中显微透镜的填充系 凄史大于约50%。
11. 根据权利要求1中所述的校准薄膜，其中感光底片由选自 PET,丙烯酸或者PC中的材并+构成。
12. 根据权利要求1中所述的校准薄膜，其中孔率，定义为 v4/ ,-汐V0， 小于约20%。
13. 根据权利要求1中所述的校准薄膜，其中孔被一种材料部分 填充。
14. 根据权利要求1中所述的校准薄膜，其中孔被一种材料完全 填充。
15. 根据权利要求1中所述的校准薄膜，其中反射层的反射率大 于约85%。
16. 根据权利要求1中所述的校准薄膜，其中反射层由铝构成
17. 根据权利要求1中所述的校准薄膜，其中反射层由多层绝缘 材料构成。
18. 根据权利要求1中所述的校准薄膜，其中透明绝缘层被安置 在反射层上。
19. 根据权利要求1中所述的校准薄膜，其中抗反射涂层被安置 在透镜阵列的显微透镜的输出表面上。
20. 根据权利要求1中所述的校准薄膜，其中亚波长抗反射显微 结构安置在透镜阵列的显微透镜的输出表面上。
21. 根据权利要求1中所述的校准薄膜，其中抗反射涂层安置在 感光底片上孔的位置上。
22. 根据权利要求1中所述的校准薄膜，与具有高反射率背面的 背光照明系统一起4吏用。
23. 根据权利要求22中所述的校准薄膜，其中背光照明系统为 边缘照射。
24. 根据权利要求1中所述的校准薄膜，其中不同的显微透镜规 格至少应用于两个显孩i透镜。。
25. 根据权利要求1中所述的校准薄膜，还包括;改置在感光底片和反射层之间的光吸收层，其中光吸收 层上的多个孔按照相对于透镜阵列中显孩吏透镜的光轴预先 制定的空间关系祐:;改置。
26. 根据权利要求1中所述的校准薄膜，其中反射层由金属层以 及一层或多层绝缘薄膜构成。
27. 根据权利要求26中所述的校准薄膜，其中反射层上有消融 得到的孔，绝缘薄膜堆叠放置在被消融的金属层之上，绝缘 薄膜至少在孔上或者孔附近是高度透明的。
28. 根据权利要求27中所述的校准薄膜，还包括至少一个有消 融孔的第二金属层。
29. 根据权利要求28中所述的校准薄膜，其中安置附加的绝缘 层来提高反射率。
30. —种背光照明显示设备，包括权利要求1到权利要求29中 的任意校准薄膜。
全文摘要
一个校准薄膜，用于背光照明显示器以及类似系统。此校准薄膜包括一个感光底片，多个位于感光底片输出面的显微透镜，一个位于感光底片上的显微透镜反面的镜面反射层，多个位于反射层内与透镜阵列中的显微透镜直接对应的孔。镜面反射层可以比漫反射层更薄，使得光更容易通过。可以在一层或多层反射材料层上，放置一层或多层绝缘层，从而进一步改善整体反射率。孔最好利用激光消融工艺制作在光吸收层和反射层上，其中激光照射在薄膜输出面上。激光通过透镜阵列中的透镜聚焦，照射到光吸收层，此后在光吸收和反射层内消融形成一个洞或者孔。利用这种方法，孔通过透镜自动较直。
文档编号G02B27/10GK101405637SQ200680026911
公开日2009年4月8日 申请日期2006年6月29日 优先权日2005年6月29日
发明者詹姆斯·F·蒙罗 申请人:瑞弗莱克塞特公司