具有小透镜和棱镜簇的双面光学膜的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明整体涉及微结构化光学膜，具体涉及其中相背对的主表面均被结构化的此类膜，以及结合有此类膜的制品和系统和有关此类膜的方法。
【背景技术】
[0002]在其相背对的主表面上具有结构化表面的光学膜是已知的，在本文中将其称作双面光学膜。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结构，并且另一个结构化表面具有形成于其中的棱镜特征结构。棱镜特征结构与透镜特征结构之间存在一一对应关系，并且单独的棱镜特征结构是延伸的并且平行于彼此且平行于单独的透镜特征结构延伸，该单独的透镜特征结构也是延伸的。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(8抑《等人)和8，068，187(他4丨叫&等人)，以及专利申请公布US 2005/0052750(King等人)、US 2011/0149391 (Brott等人)和US2012/0236403(Sykora等人)。
【发明内容】
[0003]已开发出一类新型双面光学膜，其中第一结构化表面具有形成于其中的延伸的小透镜，并且与第一结构化表面相背对的第二结构化表面具有形成于其中的延伸的棱镜。小透镜平行于彼此并平行于大致平行于膜平面的延伸轴进行延伸，并且棱镜也平行于彼此并平行于延伸轴进行延伸。棱镜被分组成相邻透镜的多个独立的簇。每个棱镜簇与小透镜中的对应的一个小透镜相关联并且具有至少3个棱镜。每个小透镜限定焦点和焦面。棱镜簇中的棱镜的顶点被设置在相关联的小透镜的焦面处或焦面附近。例如，焦区可被限定为如下空间，其包含焦面并且具有以差分距离DD与焦面分开的边界，该差分距离DD等于小透镜的轴向焦距的20%，并且与小透镜相关联的棱镜簇中的棱镜的棱镜顶点被设置在小透镜的焦区中。当被斜光照明时，每个小透镜/棱镜簇对以及任选地作为整体的光学膜能够产生N条成角度分离的光束，N为每个棱镜簇中的棱镜的数量。
[0004]因此，除了其他方面，本申请公布了具有相背对的第一结构化表面和第二结构化表面的光学膜，其中第一结构化表面具有形成于其上的多个延伸的小透镜，并且第二结构化表面具有形成于其上的多个延伸的棱镜。多个小透镜沿平行于延伸轴的相应小透镜轴延伸，并且延伸的棱镜具有同样平行于延伸轴的相应延伸的棱镜顶点。棱镜被分组成彼此分开的多个棱镜簇，每个棱镜簇具有至少三个棱镜，并且每个棱镜簇与小透镜中的对应的一个小透镜相关联;每个小透镜限定焦面，并且对于每个小透镜来说，与小透镜相关联的棱镜簇中的棱镜的棱镜顶点被设置在小透镜的焦面处或焦面附近。例如，对于每个小透镜来说，小透镜可具有轴向焦距，并且焦区包含焦面并具有以差分距离DD与焦面分开的边界，该差分距离DD等于轴向焦距的20%，并且与小透镜相关联的棱镜簇中的棱镜的棱镜顶点可被设置在小透镜的焦区中。在一些情况下，对于每个小透镜来说，与小透镜相关联的棱镜簇中的棱镜的棱镜顶点可被设置在介于焦面和小透镜之间的焦区的一部分中。
[0005]对于每个小透镜来说，与小透镜相关联的棱镜簇中的棱镜的棱镜顶点可处于平面中。对于每个小透镜来说，焦面在垂直于延伸轴的横截面中可具有第一弯曲形状。与每个小透镜相关联的棱镜簇中的棱镜的棱镜顶点可沿横截面中的第二弯曲形状布置，并且第一弯曲形状和第二弯曲形状可具有相同的归向，例如，均可为凹形或均可为凸形。每个棱镜簇可包括5个棱镜或10个棱镜。棱镜簇可各自包含相同数量N的棱镜，其中N为至少3，或至少5，或至少10。
[0006]对于每个小透镜来说，相关联的棱镜簇可具有N个棱镜，并且小透镜可与其相关联的棱镜簇相结合，以在第二结构化表面被来自第一光源的斜光照明时提供限定N条成角度分离的光束的第一小透镜输出光，并且N可为至少3。该膜可结合设置的漫射膜以接收第一小透镜输出光以将N条成角度分离的光束转换为一条光束。
[0007]该光学膜可限定膜平面和垂直于该膜平面的厚度轴，并且小透镜中的至少一些小透镜在垂直于延伸轴的横截面中可具有复合曲率。此类小透镜还可在该横截面中具有相应的对称小透镜轴，并且该对称小透镜轴中的至少一些对称小透镜轴可相对于厚度轴倾斜。相似地，棱镜可在该横截面中具有相应的对称棱镜轴，并且该对称棱镜轴中的至少一些对称棱镜轴可相对于厚度轴倾斜。
[0008]小透镜可按照小透镜间距间隔开，并且棱镜簇可按照簇间距间隔开，并且小透镜间距可以等于簇间距。另选地，小透镜间距可以不等于簇间距。光学膜可以与被设置成靠近第一结构化表面的漫射膜相结合。
[0009]还公开了光学系统，其中双面光学膜与光导相结合，其中光导具有适于优先地以斜角发射光的主表面，并且该光学膜可被设置成靠近光导并被取向成使得从光导的主表面发射的光穿过光学膜的第二结构化表面进入光学膜。该系统还可包括被设置成靠近光导的相应的相背对的第一端部和第二端部的第一光源和第二光源，第一光源和第二光源提供从光导的主表面发射的不同的相应第一斜光束和第二斜光束。光学膜和光导可为非平面的。光学膜和光导可为柔性的。光学膜可附接到光导。
[0010]本文还讨论了相关的方法、系统和制品。
[0011 ]从下面的详细描述，本申请的这些和其他方面将显而易见。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，该主题仅由如在审查期间可以进行修改的所附权利要求书限定。
【附图说明】
[0012]结合附图可有助于更全面地理解本发明的创造性方面，其中:
[0013]图1A是包括双面光学膜的例示性照明系统的示意性侧视图；
[0014]图1B是图1A的照明系统的一些部件的示意透视图；
[0015]图2是光导的示意性透视图，其以放大的方式示出在光导的两个主表面上的示例性表面结构；
[0016]图2A是与平行光源结合的图2的光导的视图，其示出光导如何能够被有效地细分或划分，其中在光导的给定侧上的光源随所述细分或划分的变化而被打开；
[0017]图3是图1A的照明系统的示意性侧视图，其中一个光源被通电，该光源产生从双面光学膜发射的第一组输出光束；
[0018]图4是类似于图3的示意性侧视图，但相对的光源被通电，该光源产生从双面光学膜发射的第二组输出光束；
[0019]图5是双面光学膜的一部分的示意性侧视图或剖视图；
[0020]图5A是图5的小透镜中的一个小透镜的示意性侧视图或剖视图，并且图5B是图5的棱镜簇中的一个棱镜簇的示意性侧视图或剖视图，并且图5C是限定N条成角度分离的光束的假想小透镜输出光的理想化图，这些光束可在斜光照明图5中膜的第二结构化表面时产生；
[0021]图6是类似于图5的双面光学膜的一部分的示意性侧视图或剖视图，但是其中每个棱镜簇中的棱镜顶点是非共面的，并且图6A是图6的棱镜簇中的一个棱镜簇的示意性侧视图或剖视图；
[0022]图7是类似于图5的双面光学膜的一部分的示意性侧视图或剖视图，但是其中相邻棱镜簇被平坦表面而非深V型槽分开；
[0023]图8是类似于图6的双面光学膜的一部分的示意性侧视图或剖视图，但是其中相邻棱镜簇被平坦表面而非深V型槽分开；
[0024]图9是示例性双面光学膜的示意性侧视图或剖视图，其中小透镜与其相应的棱镜簇对准，并且小透镜的间距与棱镜簇的间距相同；
[0025]图10是示例性双面光学膜的示意性侧视图或剖视图，其中小透镜的间距与棱镜簇的间距不同；
[0026]图10A是图10的膜的另一个示意性侧视图或剖视图，其中示出了小透镜/棱镜簇对的光轴如何彼此不平行以及它们与膜的光轴的关系；
[0027]图11是示例性膜的小透镜的示意性侧视图或剖视图，该小透镜具有复合曲率和对称轴或光轴；
[0028]图12是小透镜/棱镜簇对的示意性侧视图或剖视图，该小透镜/棱镜簇对的光轴相对于膜的厚度轴倾斜，其中小透镜具有相对于厚度轴倾斜的对称小透镜轴，并且其中单个棱镜对称棱镜轴也相对于厚度轴倾斜；
[0029]图13是双面光学膜的示意透视图；
[0030]图13A是图13的膜在第二结构化表面被来自第一光源的斜入射光照明时小透镜输出光的模拟亮度的图，而图13B是类似的图，但第二结构化表面被来自与第一光源相对的第二光源的斜入射光照明；
[0031]图13C是图13A和图13B的迹线叠加到彼此上的图，并且图13D是示出那些迹线的组合的图；
[0032]图14是双面光学膜的示意性侧视图或剖视图，并且图14A是该膜在第二结构化表面被斜入射光照明时模拟膜输出光的图；
[0033]图15是另一种双面光学膜的示意性侧视图或剖视图，并且图15A是该膜在第二结构化表面被斜入射光照明时模拟膜输出光的图；
[0034]图16是另一种双面光学膜的示意性侧视图或剖视图，并且图16A是该膜在第二结构化表面被斜入射光照明时模拟膜输出光的图；
[0035]图17是另一种双面光学膜的示意性侧视图或剖视图，并且图17A是该膜在第二结构化表面被斜入射光照明时模拟膜输出光的图；
[0036]图18是图17的膜与漫射膜相结合的示意性侧视图或剖视图，并且图18A是示出漫射体能够如何修改或平滑图17A的膜输出光的图；并且
[0037]图19A至图19E是光学系统的示意透视图，其中展示了双面光学膜和/或其相关联的光导可能具有的若干平面和非平面形状。
[0038]本文示出的示意图未必按比例绘制，然而除非另外指明，否则假定本文的图具有准确的尺寸。附图中使用的类似附图标号是指类似等元件。
【具体实施方式】
[0039]图1A示出了能够利用本发明所公开的双面光学膜的独特性质的光学系统100。光学系统100可作为显示系统的一部分，但也可以想到其他设备和应用，包括诸如灯具、工作灯和静态背光标牌等环境照明设备。相对于笛卡尔x-y-z坐标系示出系统100，使得可以更容易地讨论所选特征结构的方向和取向。系统100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。系统100还包括双面光学膜140，其更多细节将在下文予以讨论。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。
[0040]光源132，134被设置在光导的相反的两端上，并且从相反的方向将光注入到光导中。每个光源可以发射名义上的白光以及具有期望的色调或色温的光。另选地，每个光源可以发射有色光，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/或可以发射紫外和/或红外(包括近红外)光。光源还可以是或者包括单独的光发射装置的群集，其中一些或全部群集可以发射非白色的有色光，但来自单独装置的光的组合可以产生标称白色光，例如来自红光、绿光和蓝光的总和。光导的相反的两端处的光源可以发射不同的白光或非白色的光，或者它们可以发射相同颜色的光。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包括冷阴极荧光灯(CCFL)，并且一者或两者可以是或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包括一种或多种有机固态光源诸如有机发光二极管(0LED)。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，或任何其他合适类型的光源。光源132，134优选是可电子控制的，使得任一个光源可被通电至打开状态(产生最大或其他显著的光输出)，同时使另一个光源处于关闭状态(产生很少或没有光输出)，或如果需要，两者可以同时处于打开状态，并且在非使用期间两者均可关闭。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中的任一者或两者可以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，但是此类能力在许多实施例中是不必要的。(对于无闪烁操作，转变速率可以在50Hz至70Hz或更大的范围内；对于两边操作，用于显示面板(如果存在的话)和光源的转变速率可以在100Hz至140Hz(或更大)的范围内。)因此，也可以使用在打开状态和关闭状态之间具有慢的多的特征转变时间的光源。
[0041 ] 光导150包括与第一光源134相邻的第一光输入侧150c和与第二光源132相邻的相背对的第二光输入侧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相背对的第二光导主表面150a也在第一侧面150c和第二侧面150d之间延伸。光导150的主表面150b，150a可以基本上彼此平行，或者它们可以是非平行的，使得光导150为楔形的。光可以从光导150的表面150b, 150a中的任一者反射或发射，但通常光从表面150a发射并从表面150b反射。在一些情况下，可以在第一表面150b上或与第一表面150b相邻地提供高度反射表面，以有助于将光重定向通过第二表面150a离开。光提取特征结构诸如浅棱镜结构152，或其他光提取特征结构诸如透镜特征结构、白点、雾度涂层和/或其他特征结构可被设置在光导150的主表面150b，150a中的一者或两者上。下面结合图2讨论光导的示例性光提取特征结构。光提取特征结构通常被选择为使得从主表面150a发射的光优先地以高度倾斜的角度传播到空气中(如在x-z平面上测量)，而非以平行于或仅略偏离z轴的法线或近法线传播方向(同样在x-z平面上测量)进行传播。例如，从表面150a发射进入到空气中的光可以具有使相对于表面法线(z轴)的角度为60度或更大、或者70度或更大、或者80度或更大的峰强度方向，其中峰强度方向是指输出光束在x-z平面中沿其的强度分布是最大的方向。
[0042]光导150可以具有实心形式，即，其在第一主表面150a和第二主表面150b之间可以具有完全实心的内部。固体材料可以是或包括任何合适的透光性材料，诸如玻璃、丙烯酸类树脂、聚酯或其他合适的聚合物或非聚合物材料。另选地，光导150可以是中空的，S卩，其内部可以是空气或另一种气体或真空。如果是中空的，则光导150在其相背对的两侧上具有光学膜或类似组件，以提供第一主表面150a和第二主表面150b。中空光导还可以被划分或细分为多个光导。无论是实心还是中空的，光导150可以是基本上平面的，或者其可以是非平面的，例如波浪形的或弯曲的，并且曲率可以微小的(接近平面的)或极大的，包括其中光导自身向内弯曲以形成完整或部分的管的情况。此类管可以具有任何所需的横截面形状，包括弯曲形状诸如圆形或椭圆形，或多边形形状诸如正方形、矩形或三角形，或任何此类形状的组合。就这一点而言，中空管状光导可由自身向内弯曲以形成中空管的单块光学膜或类似的一个或多个部件制成，在这种情况下，光导的第一主表面和第二主表面均可理解为由此类光学膜或一个或多个部件提供。曲率可以仅在x-z平面内，或仅在y-z平面内，或在这两个平面内。尽管光导和双面膜可以为非平面的，为简单起见，图中将它们示出为平面的；在前一种情况下，可以将附图解释为示出光导和/或光学膜的足够小的部分，使得其看起来为平面的。无论是实心还是中空的，根据构造的一种或多种材料和它们各自的厚度，光导可以是在物理上刚性的，或者其可以是柔性的。柔性光导或光学膜可以被弯曲或以其他方式操纵以将其形状从平面形状改为弯曲形状或者反之亦然，或者从在一个平面内弯曲改变为在正交平面内弯曲。
[0043]双面光学膜140被假定为位于或限定大致平行于x-y平面的膜平面，该双面光学膜被设置成接收由光导150倾斜发射的光。膜140具有第一结构化表面140a和与第一结构化表面相背对的第二结构化表面140b。延伸的小透镜144形成于结构化表面140a，其大致背离光导150取向。
[0044]延伸的棱镜(更好地示出于后面的附图中)形成于第二结构化表面140b，其大致朝向光导150取向。在这一取向中，由光导150的主表面150a发射的光入射到棱镜上，这有助于偏转入射光。入射光被膜140偏转并穿过膜140，以提供来自膜140的膜输出光。如下文进一步所述，膜输出光的特性受到光源132，134中的哪个光源处于打开状态的影响，并且受到小透镜和棱镜之间的空间关系的影响。当一个光源打开时，第一膜输出光可包括第一组N条成角度分离的光束。当相对的光源打开时，第二膜输出光可包括第二组N条成角度分离的光束，该光束可基本上与第一组光束对齐或不对齐。如下文其他附图更好地示出，棱镜被分组成相邻棱镜的多个簇，该簇彼此分开，并且每个棱镜簇与小透镜中的对应的一个小透镜相关联。这些棱镜具有尖锐顶点，以便提供光束边缘，该边缘从例如强度对角度曲线图中测量为尖锐的。
[0045]棱镜和小透镜144两者通常是线性的，或者，在其中一者或两者不是精确线性(例如不直)的情况下，它们以其他方式沿着特定平面内轴延伸或延伸。因此，小透镜144可以沿着彼此平行的小透镜轴延伸。一个此类轴在图1B中被示为轴145，其被假设为平行于y轴。棱镜可以沿着彼此平行的相应棱镜轴延伸。延伸的小透镜轴通常