光学片材、凹凸结构及在基板上形成凹凸结构的方法
【专利说明】
[00011本申请是申请号201110147076.3、发明名称为"具有光准直和散射结构的光学基 板"的专利申请的分案申请，原始母案的申请日是2011年03月28日。
技术领域
[0002] 本发明涉及具有结构化表面的光学基板，特别涉及用于亮度提高和散射的光学基 板，更特别地涉及在具有平面光源的平板显示器中使用的亮度提高和散射基板。
【背景技术】
[0003] 平板显示技术在电视显示、电脑显示以及手持电子设备（例如，手机、个人数字助 理(PDAs)、数码照相机、输入板等）的显示器中广泛应用。液晶显示器(IXD)是一种平板显示 器，其应用具有像素阵列的液晶(LC)模块来提供图像。
[0004] 图1示出了 LCD显示器的一个示例。背光LCD 10包括液晶（LC)显示模块12、背光模 块14形式的平面光源以及设置在LC模块12和背光模块14之间的许多光学膜。LC模块12包括 夹在两个透明基板之间的液晶以及定义二维像素阵列的控制电路。背光模块14提供平面光 分布，是其中光源沿平面延伸的后背照亮型，或者是如图1所示的边缘照亮型，在其中线性 光源16设置在光导18的一边。设置反射器20以引导光从线性光源16穿过光导18的该边进入 光导18。光导18被结构化(例如具有减缩板以及定义在远离LC模块12的下表面上的光反射 和/或散射表面30)以分散并引导光穿过面向LC模块12的顶平面。光学膜可以包括上散射膜 22和下散射膜24,将来自光导18的平面的光进行散射。光学膜进一步包括上结构化表面和 下结构化表面、光学基板26和28,其将穿过的光重新分布，使得从膜射出的光的分布被引导 为更加沿着膜表面的法线。光学基板26和28在本领域通常指照度或亮度提高膜、光重定向 膜以及定向散射膜。穿过上述光学膜组合进入LC模块12的光在LC模块12的平面上是空间均 匀的，且具有较强的法向光强度。
[0005] 亮度提高膜26和28的主要功能是提高整个背光模块的亮度。亮度提高膜的效果是 通过减小相对于显示器的轴以大角度出射的光量来提高以小角度出射的光量。从而，当相 对于所述轴以增加的角度来观看显示器时，感知到的亮度会降低。在35度至45度之间，感知 到的亮度的将会急剧下降。这种效果被称为锐截止。
[0006] 在背光LCD 10中，亮度提高膜26和28使用纵向棱镜结构来引导光沿着观看轴（BP， 法向于显示器），这提高了显示器的使用者所看到的光的亮度，并使得系统使用较少的能量 来产生所需的轴向照度等级。亮度提高膜26和28具有光滑或平滑的输入光表面，来自背光 模块的光从其中穿过。迄今为止，很多LCD使用两个亮度提高膜层(如图1所示的LCD中），其 绕着垂直于膜平面的轴旋转，各自膜层的纵向顶峰或凹槽相对于彼此呈90度，从而沿着与 光出射表面正交的两个平面对光进行准直。
[0007] 当亮度提高膜26的平滑底面在另一个亮度提高膜28的结构化表面上方时，实验证 明，上方亮度提高膜26的平滑面与下方亮度提高膜28的结构化表面和/或平滑面之间的光 学相互作用在显示图像上产生了干涉条纹（即，亮暗重复图案）形式的不期望的可见伪影， 其能在显示图像上观察到。这些亮暗图案还可能在不设置上方散射膜22(图1)的情况下在 上方亮度提高膜26与LC模块12的相邻表面之间产生。由缺陷和不均匀性产生的不期望的图 像影响效果，例如干涉条纹、截止效果(彩虹）、物理缺陷、流动、污点，能够通过使用上方散 射膜(例如，图1中亮度提高膜26上方的散射膜22)来进行掩盖。
[0008] 在不牺牲LCD显示质量的情况下对于降低LCD的功耗、厚度和重量的需要逐渐增 加。因此，需要降低背光模块的能量消耗、重量和厚度以及各种光学膜的厚度。为此，发展了 很多光引导技术以降低功耗而不牺牲显示亮度。一些进展针对背光模块的设计（即，设计图 1中背光模块14的部件的结构，包括光源16、反射器20和光导18)，来提高整体的光输出性 能。另外，其他发展针对散射膜22和24、以及照度/亮度提高膜26和28。
[0009] 迄今为止，为了减小LCD的光学膜的整体厚度，针对减少光学膜的数量已经作出了 很多努力，从4个膜(例如图1中的光学膜22、24、26和28)减少到3个膜。在这方面，一种方法 是保持下方散射膜24和下方亮度提高膜28作为分离的结构，但是上方散射膜22和上方亮度 提高膜26的功能被结合且合并为一个单一的混合膜结构。这种三层膜类型的显示器已经在 手持电子设备和笔记本电脑中广泛应用，特别需要推动发展以降低这些设备的整体尺寸。
[0010] 在发展混合亮度提高膜方面也作出了各种努力。参考图2，美国专利No. 5，995，288 公开了在光学基板的下侧，也即基板的与上侧的结构化表面相反的一侧设置的颗粒涂层。 在光学基板的下侧不再出现平滑表面。附加的颗粒实现散射光的效果，用于光散射。参考图 3,美国专利No. 5,598,280公开了一种在光学基板的下侧形成小突起的方法来通过光散射 提高照度的均匀性。这种散射处理将隐藏很多干涉条纹，使它们对于使用者来说不可见。这 些方法的其中一个缺点是光散射降低了轴上增益。另外，混合亮度提高膜在所需视角范围 内引导光的作用更小。
[0011] 其他人对改进光学基板的结构化表面的棱镜表面结构进行了研究。例如，参考图 4A和4B，美国专利No. 6，798，574提供了光学基板的结构化表面的棱镜表面上的微小突起， 用来在更广的角度范围内沿特定方向扩散光。
[0012] 因此，所有上述混合亮度提高膜都涉及降低光输出方向性。另外，上述膜的整体亮 度或照度都显著降低了。此外，所有上述混合亮度提高膜都涉及相对复杂的结构，需要更高 生产成本。
[0013] 仍需要一种具有提高亮度且提供有效散射的结构以及克服现有技术中多功能光 学膜的缺点的光学基板。
【发明内容】
[0014] 本发明涉及一种同时具有光准直和光散射功能的散射棱镜基板。更特别地，本发 明针对一种具有结构化表面的光学基板，该结构化避免通过准直光提高了亮度或照度并改 善了光的散射。
[0015] 在本发明的一个方面中，光学基板是膜、片、板等类似物的形式，其可以是柔性的 或刚性的，具有结构化棱镜表面和相反的结构化透镜表面。在一个实施例中，结构化透镜表 面包括浅弯曲透镜结构(例如凸透镜）。相邻的浅弯曲透镜结构可以是连续的或连接的，或 者间隔开固定的或可变的距离。透镜结构可以具有带有一致的或可变的截面的纵向结构。 透镜化镜片可以具有横向弯曲的结构。相邻的直或弯曲的透镜化镜片的截面可以相互交 叉，或者部分地或全部地相互重叠。在另一个实施例中，透镜化镜片可以是透镜片段而不是 在光学基板的相对边之间的连续结构。透镜片段可以具有规则的、对称的形状或者具有不 规则的、非对称的形状，其可以是交叉或重叠的。透镜化镜片的表面，包括透镜片段，可以被 纹理化以进一步影响散射。
[0016] 在本发明的另一个方面中，浅弯曲透镜结构提供有单一结点或一系列结点形式的 独立波纹。
[0017] 根据本发明，结构化的表面同时提供了光准直和光散射的特性，可以减少特定的 不期望的光学效应，例如光耦合、牛顿环、干涉条纹和截止效应(彩虹），而不明显降低整体 亮度。
【附图说明】
[0018] 为了更全面地理解本发明的本质和优点以及使用的优选方式，需参考以下结合附 图理解的详细的描述。在以下附图中，类似的附图标记指定了所有附图中类似的或相似的 部分。
[0019 ]图1示意地示出了现有技术中的IXD的结构。
[0020] 图2至4示出了现有技术中混合的亮度提高光学和散射基板。
[0021] 图5示意地示出了 LCD的结构，其并入了根据本发明的一个实施例的光学基板。
[0022] 图6a是根据本发明的一个实施例的具有结构化的光输入和输出表面的光学基板 的示意透视图。
[0023]图6b至6d是图6a中光学基板的截面图。
[0024] 图7(a)至(f)示出了对于入射到具有不同的光输入和输出表面的光学基板的朗伯 光源的坎德拉分布曲线的比较参数研究。
[0025] 图8示出了透镜状表面结构的示意截面图。
[0026] 图9a和9b示意地示出了根据本发明的实施例的透镜表面结构。
[0027]图10a和10b不意地不出了根据本发明的另一个实施例的透镜表面结构。
[0028]图11a和lib不意地不出了根据本发明的另一个实施例的透镜表面结构。
[0029]图12a和12b示意地示出了根据本发明的又一个实施例的透镜表面结构。
[0030]图13a和13b不意地不出了根据本发明的又一个实施例的透镜表面结构。
[0031] 图14a至14f示意地示出了根据本发明的又一个实施例的透镜表面结构。
[0032] 图15a至15f示意地示出了根据本发明的又一个实施例的透镜表面结构。
[0033]图16a和16b不意地不出了根据本发明的又一个实施例的透镜表面结构。
[0034]图17是根据本发明的一个实施例的透镜状片段的示意图。
[0035] 图18a至18d是根据本发明的另一个实施例的透镜状片段的示意图。
[0036] 图19a至19d是根据本发明的又一个实施例的透镜状片段的示意图。
[0037]图20a至20d是根据本发明的又一个实施例的透镜状片段的示意图。
[0038] 图21a是根据本发明的又一个实施例的透镜片段的示意图；图21b是图21中的透镜 状片段的SEM照片。
[0039] 图22a至22d示出了根据本发明的一个实施例的结点状透镜结构。
[0040] 图23a至23c示出了根据本发明的一个实施例的波纹状透镜结构。
[0041] 图24a和24b是光学基板的比较截止效果的照片。
[0042] 图25示出了包括LCD面板的电子装置，该LCD面板并入了根据本发明的一个实施例 的本发明的光学基板。
【具体实施方式】
[0043] 本说明书是目前想到的实现本发明的最佳方式。此处参考各实施例和附图来描述 本发明。本说明书的目的是阐述本发明的总体原则，不应理解为限制的含义。对于本领域的 技术人员来说，在不偏离本发明的范围和精神的前提下，可以根据这些教导来实现变型和 改进。本发明的范围可参考权利要求来确定。
[0044] 本发明涉及同时具有光准直和光散射功能的散射棱镜基板。更特别地，本发明针 对一种具有通过对光进行准直来提高亮度或照度并改善光散射的结构化表面的光学基板。 在本发明的一个方面中，光学基板是膜、片、板等类似物的形式，其可以是柔性的或刚性的， 具有棱镜结构化表面（prismatic structured surface)和相反的透镜结构化表面 (lenticular structured surface)。根据本发明，结构化的表面提供了光散射特性，其可 以减少特定的不期望的光学效应，例如光耦合(wet-out)、牛顿环或干涉条纹，而不明显降 低整体亮度。
[0045]在本发明的上下文中，发明的光学基板可以用在具有包括显示像素阵列并且可以 是平坦或弯曲以及刚性或柔性的显示面板的显示设备中。平面光源指的是提供覆盖显示像 素阵列的区域的照明的光源。因此，对于具有显示像素的弯曲图像平面的显示面板(这种面 板可以是刚性或柔性的）来说，背光可以覆盖弯曲平面的显示像素阵列，以有效地提供覆盖 弯曲图像平面的照明。
[0046]本发明将结合示意的实施例来进一步描述。
[0047] 图5示意地示出了平板显示器的一个例子。背光LCD 110,根据本发明的一个实施 例，包括液晶(LC)显示模块112、背光模块114形式的平面光源以及设置在LC模块112和背光 模