具有复合棱镜的双面的膜的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明整体涉及微结构化光学膜，具体涉及其中背对的主表面均为结构化的此类膜，以及包含此类膜的制品与系统和有关此类膜的方法。
【背景技术】
[0002]已知的是在背对的主表面上具有结构化表面的光学膜，其在本文中称为双面的光学膜。在一些此类膜中，一个结构化表面具有形成于其中的透镜特征部，并且另一个结构化表面具有形成于其中的棱镜特征部。棱镜特征部与透镜特征部之间存在一一对应关系，并且各个棱镜特征部是伸长的，并且彼此平行并平行于各个透镜特征部延伸，所述各个透镜特征部也是伸长的。已公开此类膜在三维自动立体显示系统中用作光学光重定向膜。参见例如美国专利8，035，771 (Brott等人)和8，068，187 (Huizinga等人)，以及专利申请公开 US 2005/0052750 (King 等人)、US 2011/0149391 (Brott 等人)和 US2012/0236403 (Sykora 等人)。
【发明内容】
[0003]我们已经研发出新型双面的光学膜，在这种新型双面的光学膜中，延伸的棱镜和延伸的小透镜在膜的背对主表面中形成并且彼此处于一一对应关系中，并且这些元件被构造成产生输出光束，所述输出光束通过观察平面来表征，所述观察平面通过在光束的两侧的尖锐过渡或边缘并且通过有限的角扩展或宽度而垂直于棱镜。所述膜可由具有适于优先在斜角处发出光的至少一个主表面的光导来操作，并且双面的膜设置在光导近侧并取向成使得从光导的主表面发出的斜光透过棱镜进入光学膜，并且双面的膜将斜光转换为具有尖锐边缘的输出光束。光源可以设置在光导的相对两端处，以在两个不同方向上发出斜光，使得在一个方向上的斜光(源自一个光源)通过双面的膜转换为第一此类锐缘输出光束，并且在另一个方向上的斜光(源自另一个光源)通过双面的膜转换为第二此类锐缘输出光束。第一锐缘输出光束和第二锐缘输出光束可以重叠(包括其中第一输出光束和第二输出光束的最近光束边缘重合的极限情况)，或者可以不重叠。所述新型双面的膜可在系统中用于提供薄型(薄的)照明装置，所述照明装置的输出光束具有清晰、尖锐的光束边缘，例如将通过常规的聚光灯提供的，但其侧面更薄，而无需笨重的透镜或挡板诸如在聚光灯中使用的透镜或挡板，并且具有(通常)较大且在平面内更为延伸的发光表面。
[0004]在双面的膜上的棱镜中的一些或全部是复合棱镜，其中每个复合棱镜的两个倾斜表面各自包括顶端部分、基部部分、以及设置在顶端部分和基部部分之间的中间部分。每个复合棱镜还具有尖锐顶点。给定复合棱镜的每个倾斜表面的中间部分与顶端部分形成第一侧面形状并与基部部分形成第二侧面形状。第一侧面形状是凹形并且第二侧面形状是凸形，或者第一侧面形状是凸形并且第二侧面形状是凹形。在一些情况下，中间部分具有比顶端部分和基部部分的倾斜角小的倾斜角，使得第一侧面形状是凹形并且第二侧面形状是凸形。在其它情况下，中间部分具有比顶端部分和基部部分的倾斜角大的倾斜角，使得第一侧面形状是凸形并且第二侧面形状是凹形。当倾斜入射的光入射在膜的棱镜侧时，输出光束从膜的小透镜侧出现。在垂直于棱镜的伸长轴的观察平面内，输出光束的强度分布具有尖锐的左光束边缘和尖锐的右光束边缘，这些光束边缘具有不超过7度、或6度、或5度、或4度、或3度、或2度的10%到90%的过渡角。
[0005]本申请进一步公开特别是具有背对的第一结构化表面和第二结构化表面的光学膜，所述光学膜包括在第一结构化表面中形成的多个延伸的棱镜，以及在第二结构化表面中形成的多个延伸的小透镜，棱镜和小透镜被布置成处于小透镜与棱镜的--对应关系中。至少一些棱镜是复合棱镜，每个复合棱镜具有复合的两个倾斜表面，每个复合棱镜的每个此类复合倾斜表面具有顶端部分、基部部分、以及设置在顶端部分和基部部分之间的中间部分。复合棱镜还各自具有尖锐顶点。中间部分与顶端部分形成第一侧面形状并与基部部分形成第二侧面形状。第一侧面形状是凹形并且第二侧面形状是凸形，或者第一侧面形状是凸形并且第二侧面形状是凹形。
[0006]对于每个复合棱镜的每个复合倾斜表面，顶端部分、基部部分和中间部分中的至少一者可以是平面的。此外，顶端部分、基部部分和中间部分可以都是平面的。对于每个复合棱镜的每个复合倾斜表面，顶端部分、基部部分和中间部分中的至少一者可以是弯曲的。此外，顶端部分、基部部分和中间部分可以都是弯曲的。每个复合棱镜的复合倾斜表面可以是连续弯曲的。
[0007]对于每个复合棱镜，其两个倾斜表面的顶端部分可以相交以形成尖锐顶点，并且顶点可以具有不超过3微米、或不超过2微米、或不超过I微米的曲率半径。
[0008]棱镜可以沿彼此平行的各自的第一伸长轴延伸，并且小透镜可以沿彼此平行的各自的第二伸长轴延伸。第一轴可以平行于第二轴。
[0009]棱镜可以具有各自的棱镜光轴，并且至少一些复合棱镜相对于棱镜光轴可以是对称成形的。然而，至少一些复合棱镜相对于它们各自的棱镜光轴可以不是对称成形的。对于每个棱镜-小透镜对，小透镜可以具有焦点，并且棱镜可以具有设置在所述焦点处或所述焦点附近的顶点。
[0010]中间部分可以具有比顶端部分和基部部分的倾斜角小的倾斜角，使得第一侧面形状是凹形，并且第二廓形状是凸形。另选地，中间部分可以具有比顶端部分和基部部分的倾斜角大的倾斜角，使得第一侧面形状是凸形并且第二侧面形状是凹形。
[0011]我们还公开了光学系统，所述光学系统包括与光导结合的此类光学膜，所述光导具有适于优先在斜角处发出光的主表面，并且光学膜可以设置在光导近侧并取向成使得从光导的主表面发出的光透过第一结构化表面进入光学膜。在一些情况下，光学膜和光导可以是非平面的。在一些情况下，光学膜和光导可以是柔性的。在一些情况下，系统还可以包括附接到光导的一个或多个光源。在一些情况下，系统可以是或可包括显示器、背光源、照明设备、工作灯或通用照明模块。
[0012]我们还公开了包括光导、第一光源和光学膜的光学系统。光导具有适于发出光的主表面。第一光源被构造成沿第一方向将光注入到光导中。光学膜具有背对的第一结构化表面和第二结构化表面，所述第一结构化表面具有形成于其中的多个延伸的棱镜，并且所述第二结构化表面具有形成于其中的多个延伸的小透镜，并且棱镜和小透镜被布置成处于小透镜与棱镜的一一对应关系中。光学膜设置在光导近侧并取向成使得从光导的主表面发出的光透过第一结构化表面进入光学膜并离开光学膜的第二结构化表面，当第一光源被通电时离开光学膜的光形成第一输出光束。第一输出光束具有作为角度Θ的函数的第一强度分布，该第一强度分布通过在角度Θ U1处的第一左光束边缘、在角度Θ RE1处的第一右光束边缘、第一基线强度Ibaselinel、以及在第一左光束边缘和第一右光束边缘之间的第一最大强度Imaxl和第一最小强度Iminl来表征。第一左光束边缘具有通过过渡角Δ Θ m来表征的锐度，并且第一右光束边缘具有通过过渡角△ Θ RE1来表征的锐度，其中Δ Θ LE1和Δ Θ RE1根据介于Imaxl和Ibaselinel之间的10%到90%的强度水平来测量。过渡角△ 9 m不超过7度(或不超过6度、或5度、或5度、或4度、或3度、或2度)，过渡角A Θ RE1不超过7度(或不超过6度、或5度、或4度、或3度、或2度)，Iminl为至少Ibaselinel+20% *(Imaxl -1baselinel)，并且等于 θ RE1- Θ LE1 的第一光束宽度为至少 10度。
[0013]在光学膜中的至少一些棱镜可以是复合棱镜，所述复合棱镜的两个倾斜表面是复合的并且它们的顶点是尖锐的。每个此类复合棱镜的每个复合倾斜表面具有顶端部分、基部部分、以及设置在顶端部分和基部部分之间的中间部分。中间部分与顶端部分形成第一侧面形状并与基部部分形成第二侧面形状，并且第一侧面形状是凹形且第二侧面形状是凸形，或者第一侧面形状是凸形且第二侧面形状是凹形。系统还可包括第二光源，其被构造成沿与第一方向不同的第二方向将光注入到光导中，并且当第二光源被通电时离开光学膜的光形成第二输出光束。第二输出光束具有作为角度Θ的函数的第二强度分布，该第二强度分布通过在角度Θ m处的第二左光束边缘、在角度Θ RE2处的第二右光束边缘、第二基线强度Ibaseline2，以及在第二左光束边缘和第二右光束边缘之间的第二最大强度Imax2和第二最小强度Imin2来表征。第二左光束边缘具有通过过渡角△ Θ m来表征的锐度，并且第二右光束边缘具有通过过渡角A ΘΚΕ2来表征的锐度，其中Δ Θ m和Δ Θ RE2根据介于Imax2和Ibaseline2之间的10%到90%的强度水平来测量。过渡角Δ θ ?Ε2不超过7度(或不超过6度、或5度、或4度、或3度、或2度)，过渡角△ ΘΚΕ2不超过7度(或不超过6度、或5 度、或 4 度、或 3 度、或 2 度)，Imin2 为至少 Ibaseline2+20% * (Imax2 -1baseline2)，并且等于Θ RE2- Θ LE2的第二光束宽度为至少10度。
[0014]过渡角Δ θ?Ε1、Δ ΘΚΕ1、Δ θ?Ε2和Δ θ RE2可各自不超过5度、或不超过4度、或不超过3度、或不超过2度，并且它们可各自为至少I度或2度。第一最小强度Iminl 可为至少 Ibaselinel+30 % *(Imaxl -1baselinel)，或至少 Ibaselinel+40 %*(Imaxl-1baselinel)，并且第二最小强度 Imin2 可为至少 Ibaseline2+30 %* (Imax2_Ibaseline2)，或至少 Ibaseline2+40% * (Imax2_Ibaseline2)。第一光束宽度和第二光束宽度可各自为至少20度、或至少30度、或在10度到40度的范围内。角度θ ?Ε2可在9^到Θ RE1的范围内，使得第一输出光束和第二输出光束重叠。第一输出光束和第二输出光束可彼此间隔开，并且可具有相距至少3度的最近光束边缘。
[0015]光学膜和光导可以是非平面的。光学膜和光导可以是柔性的。第一光源可附接到光导。光学膜可附接到光导。系统可以是或可包括显示器、背光源、照明设备、工作灯或通用照明模块。
[0016]本文还讨论了相关方法、系统和制品。
[0017]通过下面的详细描述，本申请的这些方面和其它方面将显而易见。然而，在任何情况下都不应将上述
【发明内容】
理解为是对要求保护的主题的限制，该主题仅由所附权利要求限定，并且在审查期间可进行修改。
[0018]附图简沐
[0019]图1A是包括双面的光学膜的例示性显示系统的示意性侧视图；
[0020]图1B是可在图1A的显示系统中充当背光源或者可用于其它应用的照明系统的示意性透视图；
[0021]图2是光导的示意性透视图，该视图以夸张的方式示出在光导两个主表面上的示例性表面结构；
[0022]图2A是图2的光导与平行光源结合的视图，其示出光导如何能够根据光导的给定侧上的哪个光源被打开而被有效地细分或划分；
[0023]图3是照明系统诸如图1B的照明系统的示意性侧视图，其中一个光源被通电，该光源产生从双面的光学膜出现的具有两个尖锐过渡或边缘的第一输出光束；
[0024]图4A是图3的照明系统的示意性侧视图，但其中相对的光源被通电，该光源产生从双面的光学膜出现的同样具有两个尖锐过渡或边缘的第二输出光束；
[0025]图4B是类似于图4A的照明系统的示意性侧视图，但在该系统中，双面的光学膜被修改为产生除尖锐边缘之外还具有光束腰的经修改的第二输出光束；
[0026]图5是已知3D光重定向膜的示意性侧视图或剖面图；
[0027]图5A是模拟辐射率对观察角的曲线图，该观察角用于从已知光重定向膜部分的一部分发出的光，所述光重定向膜部分包括具有复合曲率的相同透镜特征部并且还具有对应的相同棱镜特征部，所述透镜特征部不具有倾斜(α =0)并且棱镜特征部也不具有倾斜(β = O)；
[0028]图6是包括伸长小透镜和伸长复合棱镜的双面的光学膜的一部分的示意性侧视图或剖面图；
[0029]图6Α是可由光学膜诸如图6的光学膜产生的两个假设输出光束的角分布图，所述角分布与特定的观察平面相关联；
[0030]图7是类似于图6的角分布图但针对可由所公开的光学膜中的任一个产生的一个假设输出光束的角分布图，该图示出角度相关的光束特征诸如光束边缘锐度和光束(角)宽度；
[0031]图8是具有与图6相同或类似的设计的双面的光学膜的一部分的示意性侧视图或剖面图，该视图示出一个复合棱镜/小透镜对；
[0032]图9是类似于图8的复合棱镜/小透镜对的示意性侧视图或剖面图，但其中添加光线以示出进入棱镜的第一倾斜表面的一些斜光线如何由膜改变方向以提供具有两个尖锐边缘的输出光束；
[0033]图10是适用于所公开的双面的光学膜的另一个复合棱镜/小透镜对的示意性侧视图或剖面图；
[0034]图11是具有复合棱镜/小透镜对的另一个双面的光学膜的一部分的示意性侧视图或剖面图；
[0035]图12Α是绘出图11的复合棱镜的复合倾斜表面中的一个的形状或侧面的图；
[0036]图12Β是图12Α的函数的一阶导数图，即作为图11的复合棱镜的复合倾斜表面中的一个倾斜表面的位置的函数的斜率的图；
[0037]图12C是图12A的函数的二阶导数图；
[0038]图13A是由系统产生的输出光束的模拟或计算亮度的极性等光强图(类似于锥光图)，其中图11的双面的膜用第一方向的斜光(例如来自光导诸如图2的光导，其中一个光源被打开)照明，并且图13B是沿特定观察平面的图13A的亮度的图；
[0039]图14A是由系统产生的输出光束的模拟或计算亮度的极性等光强图，其中图11的双面的膜用第一方向和第二方向两者的斜光(例如来自光导诸如图2的光导，其中在其相对的两侧的光源被打开)照明，并且图14B是沿特定观察平面的图14A的亮度的图；
[0040]图15是示例性双面的光学膜或其部分的示意性侧视图，其中小透镜与它们各自的棱镜对齐并且小透镜的间距与棱镜的间距相同；
[0041]图16是示例性双面的光学膜或其部分的示意性侧视图，其中小透镜的间距与棱镜的间距不同；
[0042]图17是棱镜/小透镜对的示意性侧视图，其中元件互相平移地且旋转地错开并以不同的量倾斜；
[0043]图18A是光学系统的示意性侧视图或剖面图，其中提供了两个不同的输出光束，每个具有尖锐光束边缘，第一光源和第二光源根据尖锐光束边缘而被通电，光学系统包括所公开的双面的光学膜，并且图18B是以简化形式示出的两个输出光束的角分布图；
[0044]图19、图20和图21是其它光学系统的示意图，其中提供了两个不同的输出光束，每个具有尖锐光束边缘，第一光源和第二光源根据尖锐光束边缘而被通电，每个光学系统包括所公开的双面的光学膜；
[0045]图22是薄型照明组件耦接到延伸的安装构件的光学系统的示意性透视图，照明组件包括所公开的双面的光学膜；并且
[0046]图23A至23E是展示双面的光学膜和/或光导可具有的一些平面形状和非平面形状的光学系统的示意性透视图。
[0047]在附图中，类似的附图标号指示类似的元件。
[0048]示例性实施例的
【具体实施方式】
[0049]在图1A中示出能够利用所公开的双面的光学膜的独特属性的光学系统100。在这种情况下，光学系统100是显示系统，但是也可想到其它装置和应用，包括环境照明装置诸如照明设备或工作灯。相对于Cartesian x_y_z坐标系示出系统100，使得可更容易地进行讨论所选择的特征部的方向和取向。系统100包括显示面板120例如液晶显示(LCD)面板和被定位成为显不面板120提供光的背光源130。背光源130包括一个或多个光导150、一个或多个第一光源134以及一个或多个第二光源132。背光源130还包括双面的光学膜140，其细节在下面进一步讨论。坐标系的X-Y平面被假设为平行于膜140的平面，其通常还平行于光导150的平面和显示面板120。
[0050]光源132、134被设置在光导的相对两端上，并且从相反方向将光注入到光导中。光源中的每个可发出标称白色的且是期望色调或色温的光。另选地，每个光源可发出有色光，例如被认为是红色、绿色、蓝色或另一种已知的非白色的光，和/或可发出紫外和/或红外(包括近红外)光。光源还可以是或者可包括单独的光发射装置的群集，其中一些或全部群集可发出非白色的有色光，但来自单独装置的光的组合可产生标称白光，例如来自红光、绿光和蓝光的总和。在光导的相对两端上的光源可发出不同的白色或非白色的光，或者它们发出相同颜色的光。光源132、134可以是任何已知设计或类型的，例如，一者或两者可以是或可包括冷阴极荧光灯(CCFL)，并且一者或两者可以是或可包括一种或多种无机固态光源诸如发光二极管(LED)或激光二极管，并且一者或两者可以是或可包括一种或多种有机固态光源诸如有机发光二极管(OLED)。用于在附图中表示光源的圆形形状仅仅是示意性的，而不应理解为排除LED，或任何其它合适类型的光源。光源132、134优选是电子可控制的，使得任一个所述光源均可被通电至打开状态(产生最大或其它显著的光输出)，同时使另一个所述光源处于关闭状态(产生很少或没有光输出)，或如果需要，那么两者可同时处于打开状态，并且在非使用期间两者都可关闭。在许多情况下，光源132、134不必满足关于切换速度的任何特定要求。例如，尽管光源132、134中的任何一者或两者均能够在关闭状态和打开状态之间以人眼难以察觉的速率(例如，至少30Hz或60Hz)重复转变，但是这样的能力在许多实施例中是不必要的。(对于无闪烁操作，转变速率可在50Hz至70Hz或更大的范围内；对于两侧操作，用于显示面板(如果有的话)和光源的转变速率可在10Hz至140Hz(或更大)的范围内。)因此，还可使用在打开状态和关闭状态之间具有慢得多的特征转变时间的光源。
[0051]光导150包括与第一像光源134相邻的第一光输入侧150c和与第二光源132相邻的相对的第二光输入侧150d。第一光导主表面150b在第一侧面150c和第二侧面150d之间延伸。与第一主表面150b背对的第二光导主表面150a在第一侧面150c和第二侧面150d之间延伸。光导150的主表面150b、150a可基本上彼此平行，或者它们可以