具有图案化印刷的衍射提取特征的照明装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明整体涉及照明装置，尤其适用于包含光导和衍射元件以将导模光从光导中耦合出来的照明装置。本发明还涉及相关联的制品、系统和方法。
【背景技术】
[0002]已知的扩展区域照明装置使用光导将来自边缘安装的离散CCFL光源或LED光源的光分散在光导的扩展区域上。液晶显示器(LCD)中使用的侧光式背光源是此类照明装置的主要示例。通常，重要的是使得此类照明装置具有随着扩展区域输出表面上的位置的变化而均匀、或至少缓慢变化的颜色和亮度。通常，还重要的是使得此类照明装置发出实质上白色的光，使得液晶面板的滤波作用可产生范围从蓝色到红色的全彩像素和图片。
[0003]为了从光导中提取出导模光，侧光式背光源常常将光导的主表面构造成具有漫射涂料或其它散射材料的印刷图案，或具有例如由一系列沟槽或棱镜所提供的结构化表面，该沟槽或棱镜的小平面被设计成通过折射或反射来改变光的方向。在主表面上使用衍射沟槽或棱镜来将导模光从光导中提取出来并不是普遍的，因为衍射具有强大的波长依赖性，这种强大的波长依赖性可容易产生高度着色的外观，并且高度着色的外观在大多数的最终用途应用中是不合格的。
【发明内容】
[0004]我们已开发出一系列新型扩展区域照明装置，这些扩展区域照明装置使用光导的主表面上的衍射表面特征来从扩展的光导提取光。来自一个或多个光源的光被注入到光导中，并且衍射表面特征中的至少一些与所注入的光进行交互，以将导模光从光导中耦合出来。衍射表面特征包括设置在主表面的相应的第一部分和第二部分上的第一衍射表面特征和第二衍射表面特征。包括第二透光介质的图案化透光层与第二衍射特征光学接触，但不与第一衍射特征光学接触。第一透光介质与第一衍射特征光学接触，但不与第二衍射特征光学接触。第一部分和第二部分可限定标记，标记可为装饰性的、实用性的、或这两者。第一衍射表面特征和第二衍射表面特征针对传播通过光导的非导模光提供低失真，以允许通过光导来观察对象。当导模光不在光导内传播时，低失真可用来确保标记对于用户不是显而易见的。然而，当将光源打开或通电以提供导模光时，标记对于照明装置的使用者可成为显而易见的。因此，照明装置可提供这样的徽标或其它标记:当照明装置处于“关闭”状态时，其为透明的或隐藏的，但当照明装置处于“打开”状态时，其变亮、被照明并被显示出来。照明装置可被用作用于一般照明或装饰照明的照明设备。
[0005]我们还开发了适于附接到基板以形成如以上所概述的光导的光学膜。光学膜包括具有以上所概述的衍射表面特征的第一主表面以及用于附接到基板诸如透明板的第二主表面。
[0006]本文中尤其描述包括光导和图案化透光层的照明装置。光导具有第一主表面。第一衍射表面特征和第二衍射表面特征形成于该第一主表面的相应的第一部分和第二部分中，并且第一衍射表面特征和第二衍射表面特征中的至少一个适于将导模光从光导中耦合出来。包括第二透光介质的图案化透光层与第二衍射表面特征光学接触，但不与第一衍射表面特征光学接触。照明装置还包括第一透光介质，第一透光介质与第一衍射表面特征光学接触，但不与第二衍射表面特征光学接触。第一透光介质和第二透光介质在可见波长下可分别具有不同的第一折射率和第二折射率。
[0007]第一折射率和第二折射率可相差至少0.05、或相差至少0.1。第一主表面的第一部分和第二部分可限定标记。第一折射率和第二折射率可充分不同，使得在第一部分和第二部分之间耦合出来的光的差异致使:当导模光在光导内传播时，标记对于照明装置的使用者是显而易见的。光导可在第一部分和第二部分两者中在通过所述光导来观察对象时表现出低失真。当导模光未在光导内传播时，标记对于照明装置的使用者可能不是显而易见的。
[0008]装置还可包括邻近光导设置的一个或多个光源，以便提供光导中的导模光。第一透光介质可为空气。第二透光介质可为或包括粘合剂。第一透光介质和第二透光介质均可为聚合物组合物。第一透光介质和第二透光介质均可为实质上透明的且无色的。
[0009]第一衍射表面特征和第二衍射表面特征可具有衍射表面特征折射率，该衍射表面特征折射率与第一折射率相差第一差值dnl并且与第二折射率相差第二差值dn2，dn2的量值为实质上小于dnl的量值，使得第二衍射表面特征相对于第一衍射表面特征将极少导模光或不将导模光从光导中耦合出来。在一些情况下，在光的可见波长下，dn2可具有小于dnl的量值的一半的量值。或者，dnl和dn2可具有相当于彼此的量值，使得大量的导模光由第一衍射表面特征和第二衍射表面特征两者从光导中耦合出来。
[0010]照明装置还可包括图案化低折射率次表面层，该图案化低折射率次表面层被构造成选择性地阻止一些导模光到达衍射表面特征。图案化低折射率次表面层在一些情况下可包括第一层部分和第二层部分，第一层部分包括纳米空隙聚合物材料，并且第二层部分包括纳米空隙聚合物材料和另外的材料。
[0011]我们还公开了适于附接到基板以形成光导的光学膜，此类光学膜包括第一主表面，第一主表面具有分别形成于第一主表面的第一部分和第二部分中的第一衍射表面特征和第二衍射表面特征。第一衍射表面特征和第二衍射表面特征中的至少一个适于将导模光从光导中耦合出来。光学膜还包括图案化透光层，图案化透光层与第二衍射表面特征光学接触，但不与第一衍射表面特征光学接触，该图案化层包括第二透光介质。光学膜还包括第一透光介质，第一透光介质与第一衍射表面特征光学接触，但不与第二衍射表面特征光学接触，并且第一透光介质和第二透光介质在可见波长下分别具有不同的第一折射率和第二折射率。
[0012]光学膜可在第一部分和第二部分两者中在通过所述光导来观察对象时表现出低失真。第一主表面的第一部分和第二部分可限定标记。在将膜附接到基板之前，标记对于该膜的使用者可能不是显而易见的。
[0013]该膜还可包括与第一主表面相背对的第二主表面，并且透光粘合剂层设置在第二主表面处以促进该膜到基板的附接。该膜还可包括柔性载体膜和浇铸在该载体膜上的棱镜层，并且光学膜的第一主表面可为棱镜层的外表面。
[0014]本发明所公开的照明装置还可适于用作安全制品，例如，旨在用于作为真实性的指示器施加到产品、封装、或文档的制品，这是因为其视觉特征难以复制或伪造。因此，此类制品优选包括光导和图案化透光层。光导具有第一主表面。第一衍射表面特征和第二衍射表面特征形成于该第一主表面的相应的第一部分和第二部分中，并且第一衍射表面特征和第二衍射表面特征中的至少一个适于将导模光从光导中耦合出来。包括第二透光介质的图案化透光层与第二衍射表面特征光学接触，但不与第一衍射表面特征光学接触。照明装置还包括第一透光介质，第一透光介质与第一衍射表面特征光学接触，但不与第二衍射表面特征光学接触。第一透光介质和第二透光介质在可见波长下可分别具有不同的第一折射率和第二折射率。光导可在第一部分和第二部分两者中在通过所述光导来观察对象时表现出低失真。
[0015]还讨论了相关方法、系统和制品。
[0016]本申请的这些和其它方面根据以下详细描述将是显而易见的。然而，在任何情况下，都不应将以上概述理解为对要求保护的主题的限制，本主题仅仅由所附权利要求书来限定，权利要求书在审查期间可以进行修改。
【附图说明】
[0017]图1为利用光导主表面上的衍射表面特征的照明装置的示意性侧视图或剖面图；
[0018]图2为光导的示意性侧视图或剖面图，其中离散光源将光注入到光导中并且衍射表面特征将导模光从光导中耦合出来；
[0019]图3为使用线性衍射表面特征从光导提取出来的光的集成光功率密度的强度对极角的曲线图；
[0020]图4为可用于从光导进行光提取的复制型衍射表面的显微图；
[0021]图5为使用如图4所示衍射表面结构的照明装置的随着极角和方位角的变化所测量的强度的锥光图；
[0022]图5a为针对图5的锥光图沿特定基准平面所测量的亮度对极角的曲线图；
[0023]图6为具有不对称或闪耀式衍射表面结构的光导的不意性侧视图或剖面图；
[0024]图7为针对图6的表面结构计算得出的提取效率的曲线图；
[0025]图8为包括呈堆叠或分层布置的多个光导的照明装置的示意性侧视图或剖面图；
[0026]图9为包括设置在光导的相背对的主表面上并针对不同的着色光源进行调控的不同衍射表面特征的照明装置的示意性透视图；
[0027]图10和图11为具有衍射表面特征的光导的示意性侧视图或剖面图，衍射表面特征包括具有不同间距的表面特征组；
[0028]图12-14是照明装置的示意性侧视图或剖面图，在照明装置中，使用图案化印刷来使光导的主表面的部分与图案化透光层进行光学接触；
[0029]图15是其中图案化印刷形成徽标形状中的标记的实施例的示意性前视图或平面图；
[0030]图16和图17是带有图案化印刷的另外的光导的示意性侧视图或剖面图，这些光导还具有图案化低折射率次表面层；
[0031]图16a是示例性图案化低折射率次表面层的示意性剖面图；
[0032]图18a是使用具有弯曲衍射表面特征的圆形光导以及与衍射表面特征接触的呈美国地图形状的图案化印刷构造成的照明装置的照片，照明装置是大致沿该装置的光轴拍摄的，并且其中环境光线是打开的，而照明装置的离散光源是关闭的；
[0033]图18b是从大致相同的视角拍摄的图18a的照明装置的照片，但其中环境光线是关闭的，并且照明装置的离散光源是打开的；
[0034]图18c是图18a和图18b的照明装置的照片，但该照片是以更倾斜的视角并从照明装置的相对侧拍摄的；
[0035]图19是具有与衍射表面特征接触的呈美国地图形状的图案化印刷的另一个照明装置的照片，照明装置是大致沿该装置的光轴拍摄的，并且其中环境光线是关闭的，并且照明装置的离散光源是打开的；
[0036]图20是与用于形成照明装置的图案化低折射率次表面层的图案类似的随机梯度光点图案的照片(带有放大的示意性插图)；
[0037]图21a是具有矩形光导、弯曲衍射表面特征和图案化低折射率次表面层(类似图20所示的)的照明装置的照片，该装置还能够结合有与衍射表面特征接触的图案化印刷；并且
[0038]图21b是在倾斜视角下的图21a的照明装置的照片。
[0039]在这些附图中，类似的参考标号指示类似的元件。
【具体实施方式】
[0040]我们已发现，照明装置诸如照明设备可使用扩展区域光导、衍射表面特征和一个或多个光源制成，以便在这样的装置中提供通用照明:由于为了具有独特和有趣的视觉外观而由空间上不均一的(即，图案化的)衍射表面特征进行的导模光提取，这个装置还可以是美观的或以其它方式具有另外的功能性。图案化可通过以下方式完成:无论通过选择性印刷或通过其它合适的技术，施加透光介质(我们可以将其称为第二透光介质)以与光导的主表面上的一些衍射表面特征(我们可将其称为第二衍射表面特征)进行光学接触，但不与其它衍射表面特征(我们可将其称为第一衍射表面特征)进行光学接触。第一衍射表面特征可替代地与不同的透光介质(我们可将其称为第一透光介质)光学接触，这些透光介质在可见波长下的折射率与第二透光介质在可见波长下的折射率不同。根据包括第一透光介质和第二透光介质的照明装置的设计细节，图案化、以及与图案化相关联的任何标记在照明装置处于“关闭”状态时可为实质上隐藏的或透明的，但在照明装置处于“打开”状态、具有由光源提供的导模光时，其为明亮的、被照明的、和显露出的。
[0041]照明装置还可包括其它视觉特征，诸如具有3维外观的一个或多个带或带组，例如，这些带可随着观察几何形状(观察位置和/或视角)的变化而改变形状，和/或多个带可形成从至少一些观察几何形状来观察具有3维外观的图案。形状上的改变通常与这些带中的一个或多个的曲率改变相关联，例如，从直的改变为弯曲的或反之亦然，或从平缓弯曲的改变为更强烈地弯曲的或反之亦然。
[0042]图1以示意性侧视图或剖面图示出示例性照明装置110。照明装置110包括扩展区域光导112和离散光源114a、114b。照明装置110可以任何期望的配置来安装，但是在这种情况下，其被示出为例如在房间或建筑物的顶篷中或其附近，物理地安装在使用者120上方。装置110可在诸如桌面或地板的表面122上提供实质上白色的光照明。然而，当使用者120直视装置110时，该使用者可看到横跨装置110的发射区域的各色图案。使用者还有利地看到该装置的发射区域中的由本文其它地方所讨论的图案化印刷造成的标记或其它空间图案。该图案化印刷提供与光导的至少一个主表面上的一些衍射表面特征光学接触的第二透光介质。同一个主表面上的其它衍射表面特征是与不同的第一透光介质光学接触。
[0043]当直视装置110时，使用者还可在该装置的发射区域中看到具有3维外观的一个或多个带。给定的带是从离散光源之一发射的光与光导的一个或两个主表面上的衍射表面特征进行交互的结果。另选地，给定的带可为沿光导的侧表面延伸的非均一反射结构中的具有高反射率或低反射率的局部区域所反射或吸收的光的交互作用的结果。这些带的细节在与本文同一天提交的共同转让的美国专利申请序列号13/480，674(代理人案卷号69596US002) “Diffractive Lighting Devices With 3-Dimens1nal Appearance (具有 3维外观的衍射照明装置)”中有所描述。
[0044]除了装置发射区域中的各色图案、标记和带之外，使用者120还可通过光导112观察到具有极少或无光学失真的对象，诸如对象124。此类对象所发射或反射的光能够作为非导模光传播通过光导，仅少量的光被衍射表面特征偏转。
[0045]光导112是沿在图1中示出为笛卡尔坐标系的X轴和y轴的两个平面内方向延伸，使得光导具有相背对的主表面112a、112b以及侧表面112c、112d。衍射表面特征113设置在光导112的主表面中的至少一个上，诸如如图所不的表面112a、或在其它实施例中表面112b、或表面112a和112b两者上。在任何情况下，衍射表面特征均受到调控以通过衍射将导模光从光导中耦合出来。图中将导模光示出为光116，并且将从光导发射的耦合出来的光示出为光117a、117b。光117a在使用者120或表面122的总体方向上穿过表面112a，并且光117b在远离使用者120或表面122的总体方向上穿过表面112b。在一些情况下，可将照明装置110安装成使得光117b提供对房间的间接照明，例如，通过从顶篷或从另一个反射构件反射来将光117b重新定向回到该房间中。
[0046]就这一点而言，可将反射膜或反射层施加到表面112b的全部或一部分，或可将它定位在表面112b附近，以便将光117b重新定向，使得光从表面112a发出。反射膜可以漫射方式、镜面反射方式、或半镜面反射方式来反射光，并且可随着波长的变化而均匀或不均匀地反射光，并且它可随着偏振的变化而均匀或不均匀地反射垂直入射光。反射膜例如可为或可包括:白色涂料或任何其它颜色的涂料；高反射率镜膜，例如，带有金属涂层诸如铝、银、镍等的膜、或非金属镜膜诸如3M? Vikuiti? ESR;具有有机(例如聚合物的)或无机组分光学层的多层光学膜，这些光学层带有的层厚度轮廓受到调控，以在一些或所有可见光谱范围内以垂直入射角度或另一个期望的入射角度来反射光；带有漫射涂层的ESR膜；具有光滑表面的白色反射器；带有刷制金属表面的反射器，包括带有金属涂层的膜，该膜的表面被粗糙化以提供半镜面或漫射反射率；具有结构化表面的反射器；微空腔化PET膜；3M?光增亮膜；和/或反射性偏振膜，包括但不限于Vikuiti "^漫反射性偏振膜(DRPF)、Vikuiti?双倍增亮膜(DBEF)、Vikuiti ?双倍增亮膜II (DBEF II)、和多层光学膜，该多层光学膜在一些或所有的可见光谱范围内对具有不同偏振的垂直入射光具有不同的反射率，但对这种垂直入射光具有大于50%的平均反射率。还可参见以下文献中所公开的光学膜:US 2008/0037127 (Weber)，“Wide Angle Mirror System(广角反射镜系统)” ;US2010/0165660 (Weber 等人)，“Backlight and Display System Using Same (背光源以及使用背光源的显示系统)”;US 2010/0238686 (Weber 等人)，“Recycling Backlights WithSem1-Specular Components (具有半镜面部件的循环背光源)” ;US 2011/0222295 (Weber等人)，“Multilayer Optical Film with Output Confinement in Both Polar andAzimuthal Direct1ns and Related Construct1ns (在极方向和方位角方向上均具有输出限制的多层光学膜以及相关构造)”;US 2011/0279997 (Weber等人)，“Reflective FilmCombinat1ns with Output Confinement in Both Polar and Azimuthal Direct1nsand Related Construct1ns (在极方向和方位角方向上均具有输出限制的反射膜组合以及相关构造)，，；W0 2008/144644 (Weber 等人)，“Sem1-Specular Components in HollowCavity Light Recycling Backlights (中空腔体光循环背光源中的半镜面部件)”；以及 WO 2008/144656(Weber 等人)，“Light Recycling Hollow Cavity Type DisplayBacklight (光循环中空腔体型显示器背光源)”。
[0047]光导112可为物理上厚或薄的，但其优选为厚至足以支持大量导模并且此外厚至足以有效地耦合至离散光源的发射区域。光导例如可具有在从0.2到20mm或从2到1mm范围内的物理厚度。厚度可为恒定且均匀的，或其可随着位置的变化而改变，如同渐缩的或楔形光导。如果是渐缩的，那么光导可仅沿一个平面内方向例如X轴或I轴渐缩，或其可沿两个主要平面内方向渐缩。
[0048]忽略与例如衍射表面结构相关联的小幅度表面变化，光导可以是实质上平坦的或平面的。然而，在一些情况下，光导可为不平坦的，包括简单弯曲的，即，仅沿一个主要平面内方向弯曲；或复杂弯曲的，即，沿两个主要平面内方向弯曲。光导可以是完全平坦的、完全不平坦的、或在一些区域平坦而在其它区域不平坦的。对于沿特定平面内方向不平坦的光导，沿此类方向的横截面轮廓例如可为简单弧形或更复杂的不直的轮廓。在一些情况下，光导可大大偏离平坦结构，例如，光导可呈实心或空心的截头空心圆锥体的形式，其中根据需要，光注入可发生在截头圆锥体的大端或小端处。
[0049]无论光导112是否平坦，光导都可具有外边界或边缘，当以平面图形式来观察光导时，外边界或边缘的形状是弯曲的、或分段平坦的(多边形)或分段平坦和弯曲的组合。弯曲形状的实例是带有连续弧形的形状诸如圆形、卵形和椭圆形，以及带有不连续的或波状弧形的形状诸如正弦形或正弦状轮廓。分段平坦形状的实例是三角形、四边形(例如，正方形、矩形、菱形、平行四边形、梯形)、五边形、六边形、八边形等。分段平坦形状可提供直的或平坦的侧表面或边缘以用于来自离散光源的光注入，而弯曲形状提供弯曲的侧表面以用于光注入。
[0050]光导通常是相对刚性和自支承的，使得光导在其自身重量下实质上不弯曲或不变形，但也可使用柔性光导并且根据需要可使用例如支撑结构或框架将柔性光导保持在适当的位置。光导可具有一体构造，或其可由彼此附接而无显著居间气隙的多个部件来制成，例如，使用透明的光学粘合剂将薄型表面结构化的膜附接到较厚板的平坦、平滑的主表面。
[0051]光导可由任何合适的低损耗的透光材料诸如玻璃、塑料、或它们的组合制成。低损耗的例如在可见波