使用陈列微棱镜的背面照明装置的制作方法

专利名称：使用陈列微棱镜的背面照明装置的制作方法
发明的背景a.发明的领域总的说来，本发明涉及平板电子显示器，更确切地说，涉及便于用作背面照明器的光准直装置，以为液晶显示器或诸如此类显示器提供比较高的透射光。b.相关技术描述对于提供并不依赖于传统性阴极射线管的大屏幕全色显示系统，已经有正在进行的大范围尝试。例如可以参见“平板显示器”一文，《科学美国人》，1993.3，pp.90-97。在诸如电视接收机、计算机监视器、航空电子设备显示器、航天显示器和与军事有关的显示器这类系统中，淘汰阴极射线管生产技术是合乎需要的。参阅美国专利Nos.4,843,381、5,128,783以及5,161,041对于阴极射线管工艺缺陷的讨论。
例如象投影显示装置、画外显示装置和直接观察显示器之类的显示设备是已知的。例如可以参见EPO 0525755A1、美国专利Nos.4,659,185、5,132,830和5,159,478以及日本公开Nos.245106和42241。这些显示器被用在广泛的应用范围内，其中包括电视、计算机监视器、航空电子设备显示器、航天显示器、汽车仪表面板，以及其它能够提供文本、图表或者视频信息的装置。这些类型的显示器能够替代传统的阴极射线管显示器，并且具有如外形降低、重量减轻和电能消耗下降等优点。
能够排除阴极射线管缺陷的一种显示器，是平板液晶显示器(LCD)。LCD通常不是反射型就是透射型的。反射型的显示器，是一种取决于背景光条件以观察该显示的显示器。透射型的LCD则要求照明装置或者背面照明，以保证所显示的图像尽可能亮。LCD因许多固有的缺点而受到损害。例如在大的观察角(距离显示器表面的法线方向为大的角度)时，LCD表现出低的对比度，而且视觉色度随观察角变化而变化。
背面照明装置的特性，对于由LCD的矩阵像素阵列显示出来的图像质量和显示器的外形是非常重要的。参阅美国专利Nos.5,128,783以及5,161,041对于已往背面照明结构中缺陷的论述。
此外，在诸如膝上计算机之类的应用中，现行的背面照明系统，其观察者所能看到的光量相对于光源产生的光是低效率的。一端朝上的光源所产生的光，仅有百分之十至二十被有效地透过计算机的显示器。光产出能力的任何增加均将必然影响到电能消耗，并且终究要提高便携计算机中电池的寿命。
因此，在平板电子显示技术中，需要提供一种背面照明组件，在保持有限的外形(profile)的同时，能为该电子显示提供节能而且均匀的光源。
发明概述本发明的目的在于直接观察的平板显示器，特别是液晶显示器，带有改进了的背面照明组件，能够提供节能和均匀的光源。此外，本发明的目的还在于任何要求低外形的基本上为准直的光源应用于照明。
此平板电子显示器包括能将图像投影在位于远处的观察者的调制装置，该调制装置与改进了的背面照明组件相隔一定距离配置，且此背面照明组件包括有紧靠着光传送装置的光源，该光源被定位在让光线沿着基本上平行于调制装置平面的方向传播，通过光传送装置；以及用于将光源发出的光线进行准直的反射装置，所述反射装置可操作地靠紧上述光发送装置而被定位在上述光发送装置和上述调制装置之间。由于使用本发明而在显示器上的改进是，该反射装置能够提供节能、明亮而且均匀的光分布，并且是在低外形的组件上提供的。
在一优选实施例中，光源靠近光发送装置的光接收表面定位，以使该光源发出的光线沿着基本上平行于调制装置平面的方向传播。光发送装置可以是能将光线经过反射发送出去的任意结构，诸如光管、光楔、板状波导，或者本领域普通技术人员已知的其它任何结构。此光发送装置最好由板状波导组成，以接收光源产生的光并通过完全内反射(TIR)将此光传送出去。固定在此板状波导一表面上的有列阵的微棱镜。该微棱镜包括有与此板状波导邻近的光输入表面，以及平行于光输入表面并与其隔开的光输出表面。该微棱镜最好进一步包括有以一定方式成角度倾斜的侧壁，以使由此板状波导透射的光线能够通过TIR经过微棱镜反射，并且沿着基本上垂直于调制装置的方向，作为实质上被准直的光源从微棱镜中射出。
在另一优选实施例中，有两个光源，被定位在与光发送装置相反配置的两个光接收表面邻近。该光发送装置包括能够接收此两个光源产生的光线的板状波导，并且通过TIR将此光线传送出去。固定在此板状波导一表面上的有列阵的微棱镜。该微棱镜包括按一定方式成角度相反配置的倾斜侧壁，以使沿着两个方向传播的光线能够沿此板状波导透射出去，而且通过TIR经过微棱镜反射，并且沿着基本上垂直于调制装置的方向，作为实质上被准直的光源从微棱镜中射出。
在更进一步的实施例中，有四个光源，被定位在与板状波导分立的光接收表面邻近，而由此波导接收四个光源产生的光线，并且通过TIR将此光线传送出去。固定在此板状波导一表面上的有列阵的微棱镜。该微棱镜包括按一定方式成角度倾斜的四个侧壁，以使沿着四个方向传播的光线能够沿此板状波导透射出去，而且经过微棱镜反射，并且沿着基本垂直于调制装置的方向，作为实质上被准直的光源射出。
在又一优选实施例中，本发明进一步包括配置在微棱镜和调制装置之间的微透镜。这些微透镜以适当的焦距加工及定位，以及基本上被准直的光能从每个微棱镜发出，射在对应的微透镜上。该光透过微透镜，并且实质上作为调制装置更为准直的光源射出。
本发明的额外目的、优点和新的特点，部分地将在以下描述中提出，而且对于本领域的普通技术人员来说，根据下面的审查或者通过本发明的实践获悉，均将部分地变成显而易见。本发明的目的和优点，通过在权利要求书中详细指出的手段和组合，可以实现和获得。
附图的简要描述本发明的上述以及其它一些目的和优点，根据以下结合附图所作的详细描述将会明白，其中相同的参考号码，是指完全相同的部分，其中

图1为根据本发明构成的液晶显示器实施例的剖面图；图2根据本发明的背面照明组件一种实施例的部件分解正视图；图3A为本发明一种实施例的透视图；图3B为按矩形排列在板状波导上的微棱镜的平面图3C为按六角形排列在板状波导上的微棱镜的平面图；图3D为更进一步交错排列在板状波导上的微棱镜的平面图；图4为本发明另一种实施例的部件分解正视图；图5为单块微棱镜的透视图；图6为用来表示光线通过板状波导传播方向的单块微棱镜在板状波导上的展示图；图7为带有阵列微透镜的反射装置另一实施例的剖视图；图8为图7所示另一实施例的透视图；图9为单块微透镜的剖面图；图10为使用两个光源的本发明另一实施例的剖面图；图11为图10所示实施例的透视图；图12为图10所示实施例的另一种实施方案；图13为带有两上倾斜边的单块微棱镜的剖面图；图14为使用四个光源的本发明另一实施例的透视图；图15为图14所示实施例的另一种实施方案；图16为带有四个倾斜边的单块微棱镜的透视图；图17为图16所示单块微棱镜的剖面图；图18为图16所示单块微棱镜的另一剖面图；图19A表示用于制做图1至5实施例的方法；图19B表示用于制做图10至13实施例的方法，以及图19C表示用于制做图14至18实施例的方法。
优选实施例的详细描述参照以上附图，本发明的优选实施例将能为本领域的普通技术人员更好地加以理解。图中表示的本发明这些实施例，并非用来穷举或者将本发明局限在所公开的确切形式。它们被挑选来对本发明的原理及其所适合的和实际的应用进行描述，或者作最好的解释，从而使本领域的其它技术人员能够最好地利用本发明。
本发明的优先应用，是作为平板显示器如图1中以数字2表示的液晶显示器的背面照明装置。该显示器包括光发生装置4、带有光接收表面7的板状波导6、与板状波导6相接触的透明的反射装置8、可选的输入光偏振装置10、调制装置12、可选的输出光偏振装置14和显示装置16。应当理解，在图1及其全部表示的本发明，只是为了说明的目的，并不打算通报规格或者限制该微棱镜的可能性结构。
光发生装置4、调制装置12、偏振装置10和14以及显示装置16的准确性能并非关键，并可广泛地变化，而且通常用在平板显示器技术中的任何这些元件，均可应用在本发明实践中。作为实用的光发生装置4的例证，乃是激光器、荧光灯管、发光二极管、白炽灯、阳光以及诸如此类。用于本发明实际中的优选的调制装置12是液晶元件。液晶元件12中的液晶材料可以广泛地变化，并可为若干类型的液晶材料中的一种而又不局限于此，其中包括扭转向列(TN)材料、超扭转向列(STN)材料，以及聚合物弥散的液晶(PDLC)材料。这些液晶材料作为已知技术被安排在行和列的矩阵阵列中。实用的输入光偏振装置10和输出光偏振装置14的例子，乃是塑料片的偏振片材料以及诸如此类。优选的显示装置16，乃是转让给本申请受让人的共同未决的美国专利申请08/086,414中公开的显示装置，其公开在此被引用作为参数。
在图1中，光发生装置4是紧靠着板状波导6的，而且反射装置8是紧靠着偏振装置10的，且此偏振装置10本身又紧靠着调制装置12。如在此使用的那样，“贴近”一词意指紧密的物理接触或者靠近定位，最好在约1英寸之内，在约0.75英寸范围内更好，在约0.5英寸之内最为可取，而且在所选择的实施例中约在0.25英寸之内，以使光不必从一个元件“投射”到下一个元件中。
图2表示板状波导6和反射装置8的展示图。板状波导6是由任何透明的材料制成的，例如玻璃或者聚合物。反射装置8则包括增粘层22、基片24、第二个增粘层26以及列阵的微棱镜波导28。微棱镜28的构造是形成一六面的几何形状，带有平行于光输出表面32的光输入表面30以及侧面33和34。只有侧面33在反射通过波导6传播的光线方面是起作用的。最好使侧面33与基片24或者其上的粘合层26的相交，能够形成一条与光线的平均方向垂直的直线。例如图3A中表示的那样，对于矩形的板状波导6来说，侧面33与基片24的相交，形成了一条平行于光接收表面7的直线，因而便与通过板状波导24传播的光线的平均方向垂直。虽然侧面34被表示为平行于侧面33，然而侧面34的取向并非关键。这些微棱镜28之间是由折射率比微棱镜折射率低的填隙区域36隔开的。经过TIR反射后通过波导6的光线，经由光输入表面30进入每一块微棱镜28，尔后经反射离开侧面33，并且沿着基本上垂直于调制装置的方向通过光输出表面32射出微棱镜28。
板状波导6和基片24，对于波长约在400至700nm范围内的光是透明的。在如下所述优选的制造方法中，该基片24对于波长约在250至400nm范围内的紫外光也是透明的。此波长范围允许这些微棱镜能够通过由紫外光激发的活性单体的光致聚合作用来形成。两者的折射率相等或者大体上相等，而且可以在约1.45到1.60之间变化。最为可取的折射率约从1.50至1.60。此板状波导6和基片24可以由任何透明的固体材料制成。优选的材料包括透明的聚合物、玻璃和熔融石英。这些材料所需要的特性，包括在该装典型工作温度下的机械和光学稳定性。最为可取的材料是玻璃、丙烯酸类、聚碳酸酯和聚酯。
微棱镜28可以由任何固体的透明聚合物材料构成。优选的材料具有折射率等于或大体上等于基片24的约在1.45和1.65之间的折射率，并且包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酯、聚苯乙烯，以及由丙烯酸酯单体的光致聚合作用形成的聚合物。更为可取的材料具有约在1.50和1.60之间的折射率，并且包括丙烯酸酯单体的混合物的光致聚合作用形成的聚合物，此丙烯酸酯单体的混合物则包括氨基甲酸乙酯丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯、酯化(ester)丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯、(聚)丙烯酸乙二醇酯和甲基丙烯酸酯以及含有机单体的乙烯基的混合物。实用的单体包括甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸2-乙己酯、丙烯酸异癸酸、丙烯酸2-羟乙酯、丙烯酸2-羟丙酯、丙烯酸环己酯、1，4-丁二醇丙烯酸酯、乙氧基化双酚A二丙烯酸酯、新戊二醇二丙烯酸酯、二甘醇二丙烯酸酯、二甘醇二甲基丙烯酸酯、1.6-已二醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯，以及季戊四醇四丙烯酸酯。特别实用的是其混合物，其中至少有一个单体是多功能的单体，如二丙烯酸酯或三丙烯酸酯，由于其在反应的光聚合物中将产生出交联网络。用于本发明方法中的最为可取的材料，是由乙氧基化双酚A二丙烯酸酯和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯的光致聚合混合物形成的交联的聚合物。此最为可取的材料的折射率约在1.53至1.56之间变化。
为了使调制装置12和显示装置16(图1)具有更高的总的光输出，最好使所有微棱镜波导输入表面30的面积之和大于基片24总面积的20％。所有微棱镜波导输入表面30的面积之和大于基片24总面积的35％更好。所有微棱镜波导输入表面30的面积之和大于基片24总面积的50％，则更为可取。
位于微棱镜波导28之间填隙区域36的折射率，必须小于微棱镜波导28的折射率。作为填隙区的优选材料，包括折射率为1.00的空气以及折射率约在1.16至1.35范围内的含氟的聚合物材料。最好的材料是空气。
图2表示的增粘层22和26是一种可透过光的有机材料，能够使波导28，特别是使由聚合物如光致交联的丙烯酸酯单体材料制成的波导牢固地粘在基片24上面。对于本领域的普通技术人员来说，这种材料是公知的。增粘层22的厚度并非关键，且可广播变化。在本发明的最佳实施例中，增粘层22和26的厚度约小于10微米。
图3A表示光发生装置4、板状波导6、基片24、增粘层22和26以及阵列微棱镜28的分解透视图。在此实例中，微棱镜28按照方形或者矩形阵列配置，如图3B所示，虽然其它一些配置象六角形图案也是能可的，如图3C所示。这些微棱镜之间沿着垂直于光发生装置4的方向具有重复距离38，在平行于光发生装置4的方向上具有重复距离40。重复距离38和40可以相等或不相等，并且可以根据显示器的分辨本领和规格作广泛的变化。此外，重复距离38和40可以跨越光反射装置8的表面变化，以对波导6内由于距离光发生装置4距离增加带来的光强度下降进行补偿。这种光强度下降，是由于阵列中的其它微棱镜提取了光的缘故。理想的重复距离38和40值，约从10微米至40毫米。更为可取的重复距离38及40值，约从50微米至10毫米。重复距离38及40的最为可选的的值，约从100微米至2毫米。
图4表示图2及3所示本发明的另一种实施例。微棱镜28的光输入表面30，通过粘合层46固定在板状波导6上面。固定在微棱镜光输出表面32上的，是通过粘合层44固定的基片层42。
单块的微棱镜波导28，表示在图5中。倾斜角度72的理想值，约从25°至40°。此倾斜角72更为可取的值，约从28°至37°。此倾斜角72最为可取的值，约从30°至35°。估算倾斜角度72理想值的方法，将在下面讨论。
在图5中，微棱镜波导28的高度尺寸为50。此高度50可以根据显示器的规格和分辨本领广泛地变化。就是说，比较小的显示器如膝上计算机的显示器和航空电子设备显示器，与较大的显示器如大屏幕平板型电视相比，将具有大大减小的尺寸。尺寸50的理想值，约从10微米至40毫米。尺寸50更为可取的值，约从50微米至10毫米。尺寸50最为可取的值，约从100微米至2毫米。微棱镜波导28的长度尺寸为52。此长度52可根据显示器的规格和分辨本领广泛地变化。此外，该长度52可以跨越光反射装置8的表面进行变化，以对波导6内部由于距离光发生装置4距离增大带来的光强度下降进行补偿。这种光强度下降，是由于阵列中的其它微棱镜提取了光的缘故。作为长度52的最大值，比重复距离38要小。尺寸52的理想值，约从10微米到小于40毫米。尺寸52更为可取的值，约从50微米到小于10毫米。尺寸52最为可取的值，约从100微米到小于2毫米。微棱镜28的宽度尺寸为54。此宽度54可根据显示器的规格和分辨本领广泛地变化。此外，该宽度54可以跨越光反射装置8的表面进行变化，以对波导6内部由于距离光发生装置4距离增加带来的光强度下降进行补偿。这种光强度下降，是由于阵列中的其它微棱镜提取了光的缘故。作为宽度54的最大值是重复距离40。这就是说，当宽度54等于重复距离40时，微棱镜跨越基片宽度为彼此邻接的，如图4D所示。尺寸54的理想值，约从10微米至40毫米。尺寸54更为可取的值，约从50微米至10毫米。尺寸54最为可取的值，约从100微米至2毫米。
用以近似地确定微棱镜28角度72的方法，表示在图6中。为简单起见，我们将假定微棱镜28的折射率等于板状波导6的折射率。斯涅耳折射定律用来确定光在波导6中传播时的角度分散。对于波导6来说，如果象由斯湟耳定律算出来的那样角度56和58等于临界角θC，那么对于能在波导6中传播的光来说，其总的角度分散乃是角度60和62之和，其中角度60和62中的每一个都等于90°-θC。以角度范围约从零(平行于板状波导的平面)直到角度60传播的光线，仅有50％的光有机会通过碰撞微棱镜28的光输入表面30而从板状波导中提取。以角度约从零到角度62传播的光线，通过完全内反射将被反射后离开波导6的下表面，随后射向波导6的上表面，且在此处有机会被沿波导进一步往下的其它微棱镜28从波导6中提取。
对于微棱镜28的最佳功能来说，表面33应处在角度72，以使由角度60表示的光分布的中点，将以垂直于波导6平面的角度通过微棱镜28的输出表面32射出。角度60的中点为角度64，可被表示为(90°-θC)/2或者(45°-θC/2)。于是角度66等于(90°-角度64)或者(45°+θC/2)。如果角度72等于角度70，而且角度70依次又等于角度66的一半，则在微棱镜28中对于光的正确定向将会发生。其结果是角度72等于(22.5°+θC/4)。例如，假如波导6和微棱镜28的折射率为1.55，而且此波导和微棱镜为折射率为1.00的空气所环绕，则θC＝40°，而且角度72为32.5°。
本发明进一步的实施例，表示在图7和8中。反射装置8进一步包括有阵列的微透镜80。在此实施例中，微透镜80被配置在微棱镜28和调制装置12(未表示)之间并紧靠着它们。微透镜80最好由前面针对微棱镜28公开的同样的一些单体制成，且其折射率等于或者基本上等于微棱镜28的折射率。然而任何透明的材料都可以使用，例如前面讨论过的那些材料。
在图7中，作为微透镜80的基片82，还用作微透镜80和微棱镜28之间的隔板。基片82的厚度被最优化，以使来自微棱镜28的光能够被微透镜80准直。基片82可以由任何透明的固体材料制成。优选的材料包括透明的聚合物、玻璃和熔融石英。这些材料的理想特性，包括在该装置典型工作温度下的机械和光学稳定性。最为可取的材料是玻璃、丙烯酸类、聚碳酸酯和聚酯。
微棱镜阵列和微透镜阵列80分解了的透视图，表示在图8中。此微透镜阵列被表示为方形或者矩形的阵列，虽然其它如六边形的排列也是可能的。微透镜间中心至中心的距离，直接与微棱镜28的重复距离38及40相关联。就是说，对于每个微棱镜28来说，都存在一个与其输出表面32对准的相应的微透镜80。在工作状态下，由微棱镜28发出的大体上准直的光线，进一步被微透镜80准直，以为调制装置12提供实质上更加准直的光源。
单块的微透镜80表示在图9中。该微透镜可以是球面透镜或者非球面透镜。微透镜80的宽度86，约可从20微米变化到80毫米。宽度86更为可取的值，其范围约从100微米至20毫米。宽度86最为可取值的范围，约从200微米至4毫米。高度88的理想值范围，约为宽度86的0.05倍至3.0倍。高度88更为可取值的范围，约为宽度86的0.1倍至2.0倍。高度88最为可取值的范围，约为宽度86的0.2倍至1.0倍。如果微透镜80为球面透镜，则此透镜将具有一个曲率半径为84的弯曲表面。该曲率半径可以根据相应微棱镜阵列的重复距离38及40广泛地变化。该曲率半径的优选值范围，约从10微米至80毫米。曲率半径84更为可取值的范围，约从50微米至20毫米。曲率半径84最为可取值的范围，约从100微米至4毫米。为了使微透镜80基本上能够收集到通过微棱镜28射出波导6的所有光，微透镜80的f-数应当比较小。作为微透镜80的f-数，其范围约从0.5至4.0。作为其f-数更为可取值的范围，约从0.6至3.0。此f-数最为可取值的范围，约从0.7至2.0。
本发明另外可选的实施例表示在图10及11中。在此优选实施例中，两个光发生装置4及4A，被定位在与板状波导6按相反配置的两个光接收表面7及7A邻近。一阵列的微棱镜90，按照以下公开的类似方式固定在板状波导6上面。此微棱镜90包括与光输出表面94平行的光输入表面92，其中光输出表面94的表面积大于光输入表面92的表面积。此微棱镜90还包括按相反配置的两个倾斜的侧面96和98。侧面96及98中的每一个，都与板状波导6表面的法线构成一定角度。每一倾斜的侧面与平的基片24或者其上的粘合层26的交线，均与相反配置的光接收表面7及7A平行，因而与通过板状波导6传播的光线的平均方向垂直。最佳的倾斜角度与光在板状波导6中传播角度之间的关系，与图6中描述的相同。每一块微棱镜90均能收集沿着板状波导6在两个相反方向上传播的光线。从微棱镜90射出的光，实质上作为调制装置12被准直了的光源。微棱镜90的优选材料，与针对微棱镜28公开的材料相同。
为了使调制装置12和显示装置16(图1)能够具有更高的总的光输出，最好使所有微棱镜90的输入表面92面积之和大于基片24总面积的20％。更为可取地，是使所有微棱镜90输入表面92面积之和大于基片24的35％。最为可取地，是使所有微棱镜90输入表面92面积之和大于基片24总面积的50％。
图12表示图10及11中表示的本发明的另一实施例。微棱镜90的光输入表面92，通过粘合层114固定在板状波导6上。通过粘合层112固定在光输出表面94上的是基片层110。
单块的微棱镜波导90，表示在图13中。倾斜角度126和128的理想值范围，约从25°至40°。对此倾斜角126和128来说，更为可取值的范围约从28°至37°。其最为可取值的范围约从30°至35°。此倾斜角126和128是逼近的，使用的是前面针对倾角72公开的同样方法。
微棱镜90高度的尺寸为124。此高度124可根据显示器的规格和分辨本领广泛地变化。尺寸124理想值的范围，约从10微米至40毫米。尺寸124更为可取值的范围，约从50微米至10毫米。尺寸124最为可取值的范围，约从100微米至2毫米。微棱镜波导90的长度尺寸为120和122。长度122是长度120和倾斜角度126及128的函数。长度120可以根据显示器的规格和分辨本领广泛地变化。此外，长度120可以跨越光反射装置8的表面变化，以便对波导6中由于距光发生装置4及4A距离的增加带来的光强度下降进行补偿。这种光强度下降，是由于阵列中的其它微棱镜提取了光的缘故。作为长度120的最大值，小于图11中表示的重复距离100。尺寸120的理想值范围，约从10微米至小于40毫米，其更为可取值的范围约从50微米至小于10毫米，且其最佳值的取值范围约从100微米至小于2毫米。微棱镜90的宽度尺寸为121(未表示)。此宽度121可以根据显示器的规格和分辨本领广泛地变化。此外，该宽度121可以跨越光反射装置8的表面变化，以便对波导6内由于距光发生装置4及4A距离增加带来的光强度下降进行补偿。这种光强度下降，是由于阵列中其它微棱镜提取了光的缘故。宽度121的最大值为图11中表示的重复距离102。就是说，当宽度121等于重复距离102时，微棱镜跨越基片宽度为邻接的，如图3D所示。尺寸121的理想值范围为约10微米至40毫米，其更为可取值的范围为约50微米至10毫米，其最为可取值的范围则为约100微米至2毫米。
图10及11中公开的本发明进一步实施例还包括有如前公开的阵列微透镜80。在此实施例中，微透镜80被配置在微棱镜90和调制装置12之间。微透镜80被固定在基片82上，且此基片82是由作为基片24所公开的同种基片材料制成的。基片82的厚度被优化，以使来自微棱镜90的光能被微透镜80准直。微透镜之间中心至中心的距离，直接与微棱镜90的重复距离100及102相关联。就是说，对于每个微棱镜90来说，存在一与每个微棱镜90的输出表面94对准的相应的微透镜80。由微棱镜90发出的大体上准直的光线，被微透80进一步准直，以提供实质上更加准直的光模式。
本发明更进一步的实施例表示在图14中，且图15表示图14所示本发明的替代实例。在这些优选实施例中，四个光发生装置4、4A、4B及4C，被定位在与板状波导6的四个光接收表面7、7A、7B及7C之一邻近。阵列微棱镜130，按照上面公开的类似方式被固定在板状波导6上。单块微棱镜波导130的透视图，表示在图16中。图17为沿图16所示平面17所取微棱镜130的剖面图，而且图18为沿图16所示平面18所取微棱镜130的剖面图。如图17和18所示，微棱镜130包括平行于光输出表面163的光输入表面161，其中光输出表面163的表面积大于光输入表面161的表面积。微棱镜130还包括四个倾斜的侧面166、168、176和178。这些倾斜的侧面被定位在使其与板状波导相交构成的线，平行于光接收表面中的两个，并且与这通过板状波导6从两个光接收表面传播来的光线的平均方向垂直。每块微棱镜130均能收集板状波导中沿四个方向传播来的光线，并且通过TIR将其传送给光输出表面163。来自四个光发生装置的光，将作为调制装置12基本上被准直的光源从微棱镜130中射出。对于高度164、长度160、162、170和172、倾斜角度167、169、177和179以及重复尺寸134和132来说，其理想值与上述实施例中公开的那些相同。
在图15中，微棱镜130的光输入表面161是通过粘合层154固定在板状波导6上的。通过粘合层152固定在光输出表面163上的是基片层150。
公开在图14及15中的本发明另一实施例还包括有阵列的微透镜80。在此实施例中，微透镜80配置在微棱镜130和调制装置12之间。微透镜80固定在基片82上，且此基片82是由作为基片24公开的同样基片材料制成的。基片82的厚度被优化，以使来自微棱镜130的光被微透镜80准直。微透镜之间中心至中心的距离，与微棱镜130的重复距离134和132直接关联。就是说，对于每块微棱镜130来说，存在一块与每块微棱镜130的输出表面163对准的相应的微透镜80。由微棱镜130出来的大体上准直的光线，被此微透镜80进一步准直，以提供实质上更加准直的光模式。
阵列的微棱镜28和微透镜80，可以通过各种技术制做，其中包括注模方法、压模方法、热辊压力铸造、模具之中的光致聚合，以及并不使用模具的光致聚合工艺。优选的技术是在上述提到的美国专利申请中公开和说明的光致聚合工艺。该工艺的一些简单变换表示在图19中。
图19A表示用于生产图5所示类型的微棱镜28的工艺，其中微棱镜的一条边33是以角度72倾斜的。光掩模180与带有粘合层26的基片24处在实际接触状态，其中的光掩模具有不透明和透明的两种区域。由单体和光致引发剂组成的基本上为均匀厚度的可以光致聚合的混合物182，被放在带有粘合层26的基片24和带有脱模层184的垫板186之间。通过光掩模180的透明区域，将可以光致聚合的混合物182对基本上被准直了的紫外光188曝光一段时间，并处在足以使此单体混合物区域光致聚合的条件下，以形成一阵列微棱镜28。为使微棱镜28能够形成带倾斜角72的侧面，此紫外光必须按一定角度入射到掩模之上，该角度或者可以使用斯涅耳折射定律计算出来，或者用实验方法确定。在进行紫外光曝光之后，掩模180、带有脱模层184的垫板186和未曝光的可光致聚合的混合物182被除去，剩下的是由粘合层26固定在基片24上的阵列微棱镜28。
图19B表示用于生产图13所示类型微棱镜90的工艺，其中微棱镜90的边96是以角度126倾斜的，且其另一边98是以角度128倾斜的。光掩模180被放在与带有粘合层26的基片24实际接触，其中的光掩模带有不透明和透明两种区域。由单体和光致引发剂组成的基本上为均匀厚度的可光致聚合混合物182，被放在带有粘合层26的基片24和带有脱模层184的垫板186之间。穿过光掩模180的透明区域，使可光致聚合的混合物182对基本上被准直了的紫外光190曝光一段时间，并处在足以使此单体混合物区域光致聚合的条件下，以形成一阵列微棱镜90。为了使微棱镜90能够形成以带有倾斜角126和128的两个侧面，此紫外光190必须从两个不同的方向入射到掩模180上，该方向或者可通过使用斯涅耳折射定律计算出来，或者用实验方法确定。从两种不同的方向进行紫外曝光，不是同时做到，就是顺序地进行。在紫外光曝光之后，光掩模180、带脱模层184的垫板186和未曝光的可光致聚合的混合物182被除掉，剩下来由粘合层26固定在基片24上的阵列微棱镜90。
与图19B中表示的形成带有两个倾斜的侧面的微棱镜90类似的工艺(未表示)，还可用来形成图16所示类型的带有四个倾斜侧面的微棱镜130。如果所有四个侧面都是倾斜的，那么紫外光必须从四个不同的方向通过掩模180，不是同时就是顺序地。对于紫外光要求的四个方向，可以用实验方法确定，或者由斯涅耳定律计算出来。
图19C表示用于生产图15及16所示类型微棱镜130的另一工艺过程，它带有四个倾斜的侧面。光掩模180被放在与带有粘合层152的基片150实际接触，而且其中的光掩模具有不透明和透明两种区域。由单体和光致引发剂组成的基本上为均匀厚度的可光致聚合的混合物182，被放在带有粘合层152的基片150和带有脱模层184的垫板186之间。光致引发剂必须以足够的量存在，以将显著份额的紫外光吸收在可光致聚合混合物层中。光散射器194被放在光掩模180和紫外光源192之间，以使该紫外光在一定的角度范围内被发散。为使图15及16所示类型的微棱镜130能被形成，该光散射器应能使光在约20°的全部角度(在光强度为50％点上测得的)范围内发散。穿过光散射器194和光掩模180的透光区域，使可光致聚合的混合物182对紫外光192曝光一段时间，并处在足以使该单体混合物区域光致聚合的条件下，以形成一阵列微棱镜130。虽然散射器194能使紫外光通过可光致聚合的混合物182时被发散，然而令人意外地是该棱镜的形成以其大的表面与粘合层152相接触，小的表面与脱模层184相接触。此令人意外的结果，乃是由于散射器194对于光的发散以及可光致聚合混合物182中光致引发剂对紫外光的吸收，而使可光致聚合层182中靠近脱模层184的紫外光强相对粘合层152处降低的影响。较低的光强度，会使光致聚合过程更容易被可光致聚合混合物182中存在的氧遏止，造成光致聚合过程放慢以及较小的微棱镜面与脱模层184邻接。在经紫外曝光之后，光掩模180、带有脱模层184的垫板186和未曝光的可光致聚合混合物182被除掉，剩下来由粘合层152固定在基片150上的阵列微棱镜130。此阵列微棱镜被形成为可按图15所示方式固定在适合的板状波导上。
类似图19C所示用以形成带有四个侧面的微棱镜130的工艺过程，还可用来形成图9所示类型微透镜80。为了形成微透镜，必须存在足够量的光致引发剂，以在可光致聚合的混合物层中吸收显著份额的紫外光。光散射器194被放在光掩模180和紫外光源192之间，以使该紫外光在一定角度范围内发散。为了使图9所示类型的微透镜80能够形成，此散射器应能将光在约40°至100°的全部角度(在光强度为50％点测得的)范围内发散。穿过散射器194和光掩模180的透光区域，将可光致聚合的混合物182对紫外光192曝光一段时间，并且处在足以使此单体混合物区域光致聚合的条件下，以形成阵列的微透镜80。在光致聚合的区域触及脱模层184之前，将紫外光断开。通过控制穿过散射器194的光的发散角，通过控制基片层150的厚度，便可以形成或者球面或者非球面的微透镜。
本发明可以用于需要背面照明的那些应用。这些应用的例证是计算机的终端，电视，飞机座舱显示器，机动车仪表面板，可以提供文本、图表或视频信息的其它装置，以及需要低外形的光源准直装置的其它一些透射光应用。
下面的一些具体实例被提供来详细地说明本发明，而且不应当构成对其的限制。
实例I使用图19A表示的方法，在厚度为0.004″的聚酯薄膜上面，形成如图1-5所示形状近似为平行四边形的、带有0.025″×0.025″的正方形底面和两个面的微棱镜。光掩模为5″×5″的玻璃掩模，带有许多按照方形款式排列并由0.025″的暗线隔开的0.025″×0.025″的正方形透光区域。相邻的开口正方形间中心至中心的距离为0.050″。微棱镜的基片是由Hoechst Celanese生产的厚度为0.004″的Hostaphan-4500聚酯薄膜。此Hostaphan-4500薄膜的两侧涂以溶剂粘合层。通过在掩膜和此基片薄膜之间放置少许毫升甲醇及使用橡皮辊将两块压在一起，将基片放在与掩模密切接触。曝光时使用的垫板，乃是涂以市场上买得到的材料Raim-X薄膜的0.25″厚的玻璃板。此垫板被放在水平的表面上，约5毫升的液态的可光致聚合的混合物，用滴管吸移到垫板中心。可光致聚合的混合物，是由约65.1％的乙氧基化双酚A二丙烯酸酯、32.6％的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、0.3％的季戊四醇四双(3.5-二叔丁基-4-羟基苯基)(商业名称为Irganox 1010)抗氧剂、0.67％的α，α-二甲氧基-α羟基乙酮(Darocur 1173)光致引发剂、0.67％的联苯二甲基缩酮(Irgacure 651)光致引发剂，以及0.67％的Irgacure 500光致引发剂组成的。光致引发剂的总百分比为2.0％。4″×0.5″×0.016″厚的金属隔板，被放在垫板边缘外围。基片一侧朝下，将光掩模/基片组件放在可光致聚合混合物的顶部。5″×5″×0.25″厚的清晰玻璃板，被放在此整体制作的组件顶部，并且使用金属夹板和螺钉将这些板整体而且均匀地压紧在一起，从而在垫板和聚酯薄膜的基片之间得到0.016″厚的可光致聚合层。
整体制作的组件大约以60°的角度相对于水平表面倾斜，且被放到紫外光曝光系统的准直透镜下面。此紫外曝光系统包含1000瓦的水银-氙气弧光灯，并且将强度约为70毫瓦/平方厘米的波长为280-350nm的基本上被准直的均匀光，提供整个5″×5″的倾斜的制作组件。此样品被照射8秒钟。随后将此制作组件拆开，而且带有微棱镜的阵列薄膜现在便形成，但在微棱镜之间的填隙区同仍散布有未反应的可光致聚合材料，然后将其放在异丙醇的搅动浴槽内，搁置10分钟。在去除剩余的单体之后，将此微棱镜放在带石英窗的氮气驱气箱内的氮气流中进行干燥，且在紫外光下面外加20秒的硬固化。
利用光学显微镜来对此微棱镜作出评价。单独的微棱镜具有六个面，即四个侧面以及上面和下面。处在微棱镜相反两侧的两个侧面，看上去具有接近平行四边形的形状。微棱镜的上面和下面，约为尺寸0.025″×0.025″的正方形。棱镜的高度约为0.016″，即制作组件中使用的金属隔板的厚度。形状为平行四边形的两侧面的边缘，相对于垂直基片表面所作假想线构成约30°的角度。微棱镜间分开以约为0.025″的距离。
为了检验微棱镜的工作情况，将聚酯基片上列阵的微棱镜放到尺寸约为12″×6″×0.25″厚的清晰的聚丙烯塑料平板上。在此聚酯基片和聚丙烯平板之间放一水薄膜，以使光能很容易地在平板和微棱镜阵列的基片之间耦合。来自1瓦荧光灯泡的光，被耦合到0.25″厚的聚丙烯平板一侧。让聚酯基片上列阵的微棱镜按顺序旋转，以使微棱镜4个面中的每一个面向荧光灯。在四方向之一的图2所示的取向时，来自聚丙烯平板的光，在复盖约50°角分布方向的范围内(以50％光强度点来作为角分布的全宽度测得的)，被耦合后从微棱镜顶部射出。来自微棱镜的光分布的中心，处在约与聚丙烯平板表面垂直的方向上。换句话说，此光分布可被描述为相对垂直于基片平面所作假想线任何一侧以±25°扩展。在微棱镜其它三个方向上，只能观察到非常少的光沿垂直于聚丙烯平板表面的方向射出。
实例II使用图19A和实例I表示的方法，在厚度为0.002″的聚酯薄膜上面，形成如图1-5所示形状近似为平行四边形、带有35微米×35微米的正方形底面和两个面的微棱镜。光掩模为5″×5″的玻璃掩模，带有许多按方形款式排列并由15微米的暗线隔开的35×35微米2的正方形透光区域。相邻的开口正方形之间中心至中心的距离为50微米。微棱镜的基片是由Hoechst Celanese生产的厚度为0.002″的Hostaphan-4500聚酯薄膜。垫板被放在水平的表面上，约1毫升的液态的可光致聚合的混合物，用滴管吸移到垫板中心。可光致聚合的混合物，是由约65.1％的乙氧基化双酚A二丙烯酸酯、32.6％的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、0.3％的季戊四醇四双(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)(商业名称为Irganox 1010)抗氧剂、0.67％的α，α-二甲氧基-α-羟基乙酮(Darocur 1173)光致引发剂、0.67％的联苯二甲基缩酮(Irgacure 651)光致引发剂，以及0.67％的Irgacare 500光致引发剂组成的。光致引发剂的总百分比为2.0％。直径25微米的两金属丝隔离物，沿着垫板的两个边缘放置。基片的一侧朝下，将光掩模/基片组件放在可光致聚合混合物的顶部。5″×5″×0.25″厚的清晰玻璃板，被放在此整体制作的组件顶部，并且使用金属夹板和螺钉将这些板整体而且均匀地压紧在一起，从而在垫板和聚酯薄膜的基片之间得到约25微米厚的可光致聚合层。
整体制作的组件大约以60°的角度相对于水平表面倾斜，且被放到实例I所述紫外光曝光系统的准直透镜下面。此样品被照射4秒钟。随后将此制作组件拆开，而且带有微棱镜的阵列薄膜现在便形成，但在微棱镜之间的填隙区内仍撒布有未反应的可光致聚合材料，然后将其放在异丙醇的搅动浴槽内，搁置10分钟。在去除剩余的单体之后，将此微棱镜放在带石英窗的氮气驱气箱内于氮气流中进行干燥，且在紫外光下面外加20秒的硬固化。
利用光学显微镜来对微棱镜作出评价。单独的微棱镜具有六个面，即四个测面以及上面和下面。处在微棱镜相两侧的两个侧面，看上去具有接近平行四边形的形状。微棱镜的上面和下面，约为尺寸35×35微米2的正方形。棱镜的高度约为30微米，比制作组件中使用的金属丝隔离物厚度略大。形状为平行四边形的两侧面的边缘，相对于垂直基片表面所作假想线构成约30°的角度。微棱镜间分开以约15微米的距离。
为检验微棱镜的工作情况，可将聚酯基片上列阵的微棱镜放在尺寸约为12″×6″×0.25″厚的清晰的聚丙烯塑料平板上。在此聚酯基片和聚丙烯平板之间放一薄膜水，以使光能够容易地在平板和微棱镜阵列的基片之间耦合。来自1瓦荧光灯泡的光，被耦合到0.25″厚的聚丙烯平板一侧。让聚酯基片上列阵的微棱镜按顺序旋转，以使微棱镜4个面中的每一个面向荧光灯。在四方向之一的图2所示取向时，来自聚丙烯平板的光，在复盖约50°角分布方向的范围内(以50％光强度点作为角分布全部宽度而测得的)，被耦合后由微棱镜顶部射出。来自微棱镜的光分布的中心，处在约与聚丙烯平板表面垂直的方向上。换句话说，该光分布可被描述为相对垂直于基片平面所作假想线任何一侧以±25°扩展。在微棱镜其它三个方向上，只能观察到非常少的光沿垂直于聚丙烯平板表面的方向射出。
实例III使用图19B所示的方法，在厚度为0.004″的聚酯薄膜上面，形成如图10-13所示形状为梯形的带有0.025″×0.025″正方形底面和两个面的微棱镜。光掩模为5″×5″的玻璃掩模，带有许多按方形款式排列并由0.025″的暗线隔开的0.025″×0.025″的正方形透光区域。相邻的开口正方形之间中心至中心的距离为0.050″。微棱镜的基片是由Hoechst Celanese生产的厚度为0.004″的Hostaphan-4500聚酯薄膜。此Hostaphan-4500薄膜的两侧涂以溶剂粘合层。通过在掩膜和此基片薄膜之间放置少许毫升甲醇及使用橡皮辊将两块压在一起，将基片放在与掩模密切接触。曝光时使用的垫板一乃是涂以市场上买得到的材料Rain-X薄膜的0.25″厚的玻璃板。此垫板被放在水平的表面上，约5毫升的液态的可光致聚合的混合物，用滴管吸移到垫板中心。可光致聚合的混合物，是由约65.1％的乙氧基化双酚A二丙烯酸酯、32.6％的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、0.3％的季戊四醇四双(3.5-二叔丁基-4-羟基苯基)(商业名称为Irganox1010)抗氧化剂、0.07％的α，α-二甲氧基-α-羟基乙酮(Darocur1173)光致引发剂、0.67％的苯并二甲基缩酮(Irgacure 651)光致引发剂，以及0.67％的Irgacure 500光致引发剂组成的。光致引发剂的总百分比为2.0％。4″×0.5″×0.016″厚的金属隔板，被放在垫板边缘周围。基片一侧朝下，将光掩模/基片组件放在可光致聚合混合物的顶部。5″×5″×0.25″厚的清晰玻璃板，被放在该整体制作的组件顶部，并使用金属夹板和螺钉将这些板整体而且均匀地压紧在一起，从而在垫板和聚酯薄膜的基片之间得到0.016″厚的可光致聚合层。
为了形成梯形形状的带两个面的微棱镜，将此整体制作的组件放到紫外光曝光系统(如实例I的同样系统)的准直透镜下面，而且首先以相对于水平表面约为+60°的角度倾斜。该样品在此位置上照射2秒钟。其次，随后将此整体制作的组件旋转-120°至相对同一水平表面约为-60°的新的方向。再将此样品照射2秒钟。此第一和第二个曝光步骤每个多重复3次，在两个方向中的每一方向上总共曝光8秒钟。随后将此制作组件拆开，而且带有微棱镜的阵列薄膜现在便形成，但在微棱镜之间的填隙区内仍撒布着未反应的可光致聚合材料，然后被放在异丙醇的搅动浴槽内，搁置10分钟。在去除剩余的单体之后，将此微棱镜放在带石英窗的氮气驱气箱内于氮气流中进行干燥，且在紫外光下面附加20秒钟的硬固化。
利用光学显微镜来对此微棱镜作出评价。单独的微棱镜具有六个面，即四个侧面以及上面的下面。处在微棱镜相反两侧的两个侧面，看上去具有约为梯形的形状。邻接在基片上的微棱镜面(如图19B所示)，约为尺寸0.025″×0.025″的正方形。与此基片相对的微棱镜面(如图19B所示)，约为尺寸0.025″×0.045″的矩形形状。棱镜的高度约为0.016″，即制作组件中使用的金属隔板的厚度。微棱镜两梯形面的互不平行的边缘，相对于垂直基片表面所作假想线构成约30°的角度。
为检验微棱镜的工作情况，可将聚酯基片上列阵的微棱镜放到尺寸约为12″×6″×0.25″厚的清晰的聚丙烯塑料平板上。在此聚酯基片和聚丙烯平板之间放一水薄膜，以使光能容易地在平板和微棱镜阵列的基片之间耦合。来自1瓦荧光灯泡的光，被耦合到0.25″厚的聚丙烯平板的一侧。让聚酯基片上列阵的微棱镜按顺序旋转，以使微棱镜4个面中的每个面向荧光灯。在四个方向之二的图10所示的取向时，来自聚丙烯平板的光，在复盖约50°角分布方向的范围内(以50％光强度点作为角分布全部宽度测得的)，被耦合后从微棱镜顶部射出。来自微棱镜的光分布的中心，处在约与聚丙烯平板表面垂直的方向上。换句话说，此光分布可被描述为相对垂直于基片表面所作假想线任何一侧以±25°扩展。在微棱镜的其它两个方向上，只能观察到非常少的光沿垂直于聚丙烯平板表面的方向射出。
实例IV使用图19C所示的方法，在厚度为0.004″的聚酯薄膜上面，形成如图14-18所示带有0.050″×0.050″的方形顶部的形状为截棱锥的微棱镜。光掩模为5″×5″的玻璃掩模，带有许多按照方形款式排列并由0.025″的暗线隔开的0.025″×0.025″的正方形透光区域。相邻的开口正方形之间中心至中心的距离为0.050″。微棱镜的基片是由Hoechst Celanese生产的厚度为0.004″的Hostaphan-4500聚酯薄膜。此Hostaphan-4500薄膜的两侧涂以溶剂粘合层。0.032″厚的透明的聚酯片作为隔离薄膜，被放在微棱镜基片和光掩模之间。将此基片、隔离薄膜和光掩模叠层在一起，是通过在基片和隔离薄膜之间以及在隔离薄膜和掩模之间分别放入少许毫升甲醇，然后使用橡皮辊将此三块压在一起。曝光时使用的垫板，乃是涂以市售的材料Rain-X薄膜的0.25″厚的玻璃板。此垫板被放在水平的表面上，约10毫升的液态的可光致聚合的混合物，用滴管吸移到垫板中心。可光致聚合的混合物，是由约64％的乙氧基化双酚A二丙烯酸酯、32％的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、2％的α，α-二甲氧基-α-羟基乙酮(Darocur 1173)光致引发剂、2％的苯并二甲基缩酮(Irgacure 651)光致引发剂，以及2％的Irgacure 500光致引发剂组成的。光致引发剂的总百分比为6％。0.040″厚的塑料隔板，被放在垫板边缘外围。基片一侧朝下，将此光掩模/隔离器/基片组件放在可光致聚合混合物的顶部。5″×5″×0.25″厚的清晰玻璃板，被放在此整体制作的组件顶部，并且使用金属夹板和螺钉将这些板整体而且均匀地压紧在一起，从而在垫板和聚酯薄膜的基片之间得到0.040″厚的可光致聚合层。
为了形成形状为截棱锥的微棱镜，将此整体制作的组件放到紫外光曝光系统(如实例I的同样系统)的准直透镜下面。将半透明塑料片的光散射器放在光掩模和紫外曝光系统的准直透镜之间，以使该紫外光能在一定角度范围内被发散。为了形成截棱锥形状的微棱镜，此散射器的挑选是使紫外光能在约20°(在50％强度点上测出的)的整个角度范围内被发散。制做的组件用紫外光照射10秒钟。随后将此制作组件拆开，而且带有微棱镜的阵列薄膜现在便形成，但在微棱镜之间的填隙区内仍撒布着未反应的可光致聚合材料，然后将其放在异丙醇的搅动浴槽内，搁置10分钟。在去除剩余的单体之后，将此微棱镜放在带石英窗的氮气驱气箱内的氮气流中进行干燥，且在紫外光下面附加20秒钟的硬固化。
利用光学显微镜来对此微棱镜作出评价。单独的微棱镜具有六个面，即四个侧面以及上面和下面。在本实例中制出的上面是邻接在聚酯基片上的，约为0.050″×0.050″的方形。与此聚酯基片相反的底面，约为0.015″×0.015″的方形。微棱镜的高度约为0.040″。微棱镜相同的四个侧面中的每一个具有梯形形状，而且以大约30°的角度相对于垂直基片表面所作假想线倾斜。
为了检验微棱镜工作情况，将此阵列微棱镜暴露出来的0.015″×0.015″的底面，压到尺寸约为12″×6″×0.25″厚的清晰的聚丙烯塑料平板上，该平板上涂有用于制造微棱镜的同样的可光致聚合混合物的薄膜。对此结构进行约20秒的紫外曝光，以将微棱镜的底面粘结在聚丙烯平板上。此可光致聚合混合物的薄膜被用作图15所示的粘合层154。来自1瓦荧光灯泡的光，按顺序被耦合在聚丙烯平板的每一个0.25″厚的边中。对于荧光灯泡四种位置的每一位置来说，来自聚丙烯平板的光，在覆盖约50°的角度分布(以光强度50％的点作为角度分布的全宽度测得的)的方向范围内，被耦合后从微棱镜顶部射出。来自微棱镜的光分布的中心，处在约与聚丙烯平板表面垂直的方向上。换句话说，此光分布可被描述为相对垂直于基片平面所作假想线任何一侧以±25°扩展。
实例V使用图19C表示的曝光装置，在0.004″厚的聚酯薄膜上面，形成如图7-9所示中心至中心分开0.050″的阵列微透镜。光掩模为5″×5″的玻璃掩模，带有许多按方形款式排列并由0.025″的暗线隔开的0.025″×0.025″的正方形透光区域。相邻的开口正方形之间中心至中心的距离为0.050″。微透镜的基片是由HoechstCelanese生产的厚度为0.004″的Hostaphan-4500聚酯薄膜。此聚酯薄膜的两侧涂以溶剂粘合层。厚度0.013″透明聚酯片作隔离薄膜，被放在微透镜的基片和光掩模之间。将此基片、隔离薄膜和光掩模叠层在一起，是通过在基片和隔离薄膜之间以及在隔离薄膜和掩模之间分别放入少许毫升甲醇，然后使用橡皮辊将三块压在一起。曝光时使用的垫板，乃是涂以市售的材料Rain-X薄膜的0.25″厚的玻璃板。此垫板被放在水平的表面上，约10毫升的液态的可光致聚合的混合物，用滴管吸移到垫板中心。可光致聚合的混合物，是由约64％的乙氧基化双酚A二丙烯酸酯、32％的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、2％的α，α-二甲氧基-α-羟基乙酮(Darocur 1173)光致引发剂、2％的苯并二甲基缩酮(Irgacure 651)光致引发剂，以及2％的Irgacure 500光致引发剂组成的.光致引发剂的总百分比为6％。厚度为0.050″的隔离器，被放在垫板边缘的外围。基片一侧朝下，将此光掩模/隔离器/基片组件放在可光致聚合混合物的顶部。5″×5″×0.25″厚的清晰玻璃板，被放在此整体制作的组件顶部，并且使用金属夹板和螺钉将这些板整体而且均匀地压紧在一起，从而在垫板和聚酯薄膜的基片之间得到0.050″厚的可光致聚合层。
为了形成微透镜列阵，将此整体制作的组件放到紫外曝光系统(如实例I的同样系统)的准直透镜下面。乳白色的光散射器(Oriel公司产品)被放在光掩模和紫外曝光系统的准直透镜之间，以使紫外光在一定的角度范围内被发散。为了形成微透镜，该散射器的挑选，是使光能在约90°的整个角度范围内(在强度为50％点上测得的)被发散。此制作组件用紫外光照射25秒钟。光致聚合的区域并不与垫板相接触。然后将此制作的组件拆开，于是带有微透镜的阵列薄膜现在便形成，但在微透镜之间的填隙区内仍撒布着未反应的可光致聚合材料，然后将其放在异丙醇的搅动浴槽内，搁置10分钟。在去除剩余的单体之后，将此微透镜放在带石英窗的氮气驱气箱内的氮气流中进行干燥，且在紫外光下面附加20秒钟的硬固化。
利用光学显微镜来对此微透镜作出评价。单独的微透镜为直径约0.050″的圆形，其高度约为0.025″。
此微透镜阵列连同实例I描述的微棱镜阵列一起进行检验。例I的微棱镜阵列被放在尺寸约为12″×6″×0.25″厚的清晰的聚丙烯塑料平板上。在聚酯基片和聚丙烯平板之间放一薄膜的水，以使光能够容易地在平板和微棱镜阵列的基片间耦合。来自1瓦荧光灯泡的光，被耦合到聚丙烯平板0.25″厚的边之一中。将微棱镜阵列旋转，以使最大量的光能被耦合后离开微棱镜上表面。这就是图所示的取向。光被耦合离开微棱顶部，是在覆盖约50°的角度分布的方向范围之内(以50％强度点作为角分布全宽度测出的)。一0.008″厚的聚酯隔离层，被放在此微棱镜阵列的顶部。然后将微透镜阵列放在此隔离薄膜的上部并对准，以使最大量的光能够垂直于聚丙烯平板的平面发出。由于微透镜阵列是在微棱镜阵列上方安装好的，故光发射角度分布的宽度，约从仅仅使用微棱镜时的50°减小到约25°(距离聚丙烯平板平面的垂线为±12.5°)。此微透镜阵列能够使耦合后离开微棱镜阵列的部分准直光，进一步被准直。
应当理解，以上描述的特定实施例只是用来说明本发明的原理，而且各种变换均可由本领域的普通技术人员作出，并不离开本发明的范围和精神，而仅受以下的权利要求的限制。
权利要求
1.一种用在平板电子显示器中的背面照明组件，所述电子显示器带有调制装置，能将图像提供给位于远处的观察者，而且上述背面照明组件包括(a)用于产生出第一个光线源的光发生装置；(b)光传送装置，带有紧靠着所述光发生装置的第一个光接收表面，其中所述的光发送装置，能将所述光发生装置发出的光线沿着基本上平行于上述调制装置的观察平面的方向传送；(c)用于使上述光线准直的反射装置，所述反射装置被配置在所述光发送装置和上述调制装置之间，并且包括列阵的微棱镜，而且每一微棱镜又包括(i)与所述光发送装置光学耦合的光输入表面；(ii)远离上述光输入表面且与其平行的光输出表面，以及(iii)位于所述光输入表面和光输出表面之间且与其相连接的第一个侧面，该侧面相对于上述光发送装置表面的法线构成一定的倾斜角，而且被进一步定位，以实现对所述输入表面接收的所述光线的全反射，从而使由所述侧面内反射的上述光线，能够沿着基本上垂直于所述调制装置的方向通过所述光输出表面射出。
2.如权利要求1的背面照明组件，其中所述的倾斜角约在25°至40°之间。
3.如权利要求1的背面照明组件，进一步包括有与所述第一个侧面相对分开配置的第二个侧面，而且其中所述光输出表面的表面积，大于所述光输入表面的表面积；第一和第二两个侧面均相对于所述光发送装置表面的法线构成所述的倾斜角，且被进一步定位，以实现对上所述输入表面接收的所述光线的全反射。
4.如权利要求3的背面照明组件，其中所述的光发生装置进一步包括有第二个光源，紧靠着与所述第一个光接收表面相对配置的第二个光接收表面。
5.如权利要求4的背面照明组件，其中所述的光发生装置，进一步包括有紧靠着第三个光接收表面的第三个光源以及紧靠着第四个光接收表面的第四个光源，所述第三和第四个光接收表面通常垂直于所述第一和第二个光接收表面；而且所述微棱镜进一步包括有第三和第四个侧面，通常垂直于所述第一和第二个侧面，并且与所述光发送装置表面法线方向成一定角度倾斜，其中所述光输出表面面积大于所述光输入表面面积。
6.如权利要求5的背面照明组件，其中所述每一角度约在25°至40°之间。
7.如权利要求1的背面照明组件，进一步包括有紧靠在所述反射装置和所述调制装置之间的列阵微透镜，其中每一微棱镜输出的光被射在相应的微透镜上，而且透过所述微透镜传送的光，实质上作为所述调制装置更加准直的光源射出去。
8.如权利要求7的背面照明组件，其中所述微棱镜、微透镜和光发送装置，具有的折射率约在1.45和1.65之间。
9.如权利要求8的背面照明组件，进一步包括有在所述微棱镜之间的填隙区域，其所具有的折射率小于所述微棱镜的折射率。
10.一种用于从光源中提供基本上被准直光的组件，包括(a)紧靠着所述光源的光发送装置，其中所述的光发送装置能将所述光源发出的光线传送出去；(b)用于使所述光线准直的反射装置，它包括列阵的微棱镜，而且每一微棱镜具有与所述光发送装置光学耦合的光输入表面和远离所述光输入表面且与其平行的光输出表面，以及至少一个侧面，被定位来实现所述光输入表面接收的所述光线的全反射；其中所述的通过所述光发送装置反射的光线，穿过所述光输入表面进入所述微棱镜，并且沿着基本上垂直于所述光输出表面的方向通过此光输出表面射出去。
全文摘要
一种改进了的背面照明装置，包括有平板波导，能够接收光源产生的光线，并且通过完全内反射将其发送出去。固定在该平板波导一面上的是列阵的微棱镜，而且每一微棱镜带有与光输出表面平行的光输入表面，以及至少一个与此波导表面法线方向成一定角度倾斜的侧面，以使透过平板波导的光线被此倾斜的侧面反射后离开，并且作为基本上垂直于光输出表面的光源从微棱镜中射出去。列阵的微透镜可被定位来接收微棱镜的输出光，以使微透镜出来的光实质上更加垂直。此背面照明装置能被有效地用作平板电子显示器的背面照明装置。
文档编号F21V5/00GK1136349SQ94194324
公开日1996年11月20日 申请日期1994年11月2日 优先权日1993年11月5日
发明者K·W·贝森, S·M·兹姆尔曼, P·M·弗姆 申请人:联合讯号公司