06] 比较例1 :参考照明组件
[0207] 使用标准建模技术对参考照明组件作了模拟。所述组件包括具有输入表面的光 导，以及被设置成将光导引进光导的光源（如图IA-B的照明组件100)。光导的折射率为 1. 51。对于这个和其他模拟实例，将耦合效率限定为由光源发出的到达光导的最远离输入 表面的边缘的光线的百分比。为表征光导平面内的耦合光线的角展度，将检测器布置在模 型中远离输入表面1.5_距离处。检测器跨越光导的宽度（IOmm)。该检测器测量了在平行 于输入表面的平面内整个光导的亮度分布。均匀度被定义为L 4/>X 100%，其中L为 亮度。图6为平行于沿着y轴线（参见图1B)的输入表面的平面内的光导中的亮度（cd/ m2)与位置（mm)的关系曲线图。
[0208] 该参考组件不包括结构化表面层。耦合效率等于93. 2%，并且均匀度等于34%。
[0209] 实例1 :具有其h有延伸持梓结构的结构化表而层的照明组件
[0210] 用位于光导输入表面上的结构化表面层再次对比较例1的参考照明组件作了模 拟。结构化表面层包括多个结构体，所述结构体包括线性棱柱，所述棱柱取向为使得棱柱方 向与光导的平面正交。棱柱具有90度顶角。棱柱面向远离光导的方向，并且棱柱顶端面向 LED光源。棱柱表面还包括抗反射涂层。图7为平行于沿着y轴线的输入表面的平面内的 光导中的亮度（cd/m2)与位置（mm)的关系曲线图。
[0211] 由LED光源发出的光的耦合效率从比较例1的耦合效率93. 2%增加到97%。结 构化表面层有助于使以掠射角入射到输入表面上的光线数量成为最少。均匀度从比较例1 的均匀度34%提高到69%。
[0212] 比较例2 :参考照明组件
[0213] 使用标准建模技术对具有折射率为I. 49的标准PMM光导的参考照明组件的亮度 均勾性作了模拟。LED设置在距光导的输入表面Imm处。LED发射表面的尺寸为1mmX 2mm， LED间隔等于10_，并且光导的厚度为4_。图8为在平行于输入表面的平面内测得的光导 沿平行于输入表面的方向（如图IB的y轴线）的亮度（cd/m 2)与位置的关系曲线图。
[0214] 亮度均匀性等于4. 1%，并且耦合效率等于94. 5%。
[0215] 实例2 :包括结构化表而层的照明组件
[0216] 使用标准建模技术对在LED光源和光导的输入表面之间设置有结构化表面层的 比较例2的照明组件作了模拟。结构化表面层的折射率与光导（n = 1. 49)匹配。结构化 表面层的平坦侧面光学耦合于光导。图9示出了在光导内平行于输入表面的平面内测得的 亮度分布。
[0217] 在光导平面内，折射引起的光锥已显著变宽，导致在检测器处与来自相邻LED的 光线的重叠显著加大。该模拟实例的亮度均匀性从比较例2的4. 1%增加到17. 3%，而耦 合效率几乎同为95. 5%。
[0218] 图20A以贝塞尔曲线示出了实例2的结构化表面层的多个结构体的形状。结构体 为垂直于光导平面（即沿着z轴）对齐的非球面棱柱。结构化表面层平移不变，并且不需要 将层与光源对准。图20A的形状的表面法线的分布示于图20B中。分布包括在结构体的法 线的+/-65度之间的所有角度，这可使得进入光导的光在光导平面内实现更宽的光扩展。
[0219] 由结构化表面层产生的附加的光扩展可用于增加光导设计中的LED间隔。根据具 体应用，可针对光源之间的给定距离和光源与光导的输入表面之间的给定距离确定所需的 均匀度阈值。例如，图IOA为使用标准建模技术模拟的照明组件的均匀度与光源间距的关 系曲线图。照明组件包括多个光源（如图IA-B的光源120)，所述光源设置在距光导（如 光导110)的输入表面（如输入表面114) Imm距离处。针对各种光源间距对组件作了模拟。 曲线1002a代表不包括结构化表面层的照明组件，并且曲线1004a代表包括如本文所述的 结构化表面层（如结构化表面层130)的照明组件。
[0220] 另外，图IOB为不包括结构化表面层的照明组件的均匀度与光源间距的关系曲线 图（即曲线1002b)和包括结构化表面层的照明组件的均匀度与光源间距的关系曲线图 (即曲线1004b)。对各种光源间距作了模拟。在该模拟方式中，光源设置在距光导的输入 表面5mm的距离处。
[0221] 如图IOB中可见，对于所需的输出光通量分布，结构化表面层可使LED间隔为之前 的两倍，因此使得系统设计能够更为自由。例如，使用本发明所公开的结构化表面层可允许 使用较低成本的LED，如大芯片LED。这种设计的自由还允许LED之间存在更大间隔以改善 热管理，从而有助于提高系统效能。最后，由所述结构化表面层实现的光扩展可有助于解决 较大宽厚比（薄型）系统中的亮度均匀性问题，其方式是使具有相同数量LED的两侧照明 结构能够成为单侧照明结构，从而降低组件的有效宽厚比。
[0222] 实例3 :线件非球而持梓结构化表而层的微复制
[0223] 用微复制工具制备具有参考图20A-B所述的线性棱柱结构的结构化表面层。用 于制备所述层的工具为改进的金刚石车制的金属圆柱形工具，使用包括图11所示金刚石 刀的精密金刚石车削机将图案切削到工具的铜表面内。通过采用粗切金刚石刀并用聚 焦离子束铣削成形，使得金刚石刀的形状与图20A所示结构轮廓（由图11中的虚线表 示）匹配，从而制成金刚石刀。对所得的具有精切特征的铜柱镀镍，然后使用如美国专利 No. 5, 183, 597 (Lu)中所述的工艺进行处理以使其可脱模。
[0224] 使用浇铸到有底涂层的PET支撑膜（厚度为2密耳）上的包含丙烯酸酯单体和光 引发剂的一系列丙烯酸酯树脂制备结构化表面层，然后使用紫外光将其紧贴精密圆柱形工 具而固化。第一树脂为CN120(环氧丙烯酸酯低聚物，得自美国宾夕法尼亚州埃克斯顿的 沙多玛公司（Sartomer Company, Exton, PA))和丙稀酸苯氧乙醋（以商品名SR3339得自 沙多玛公司（Sartomer))的75/25混合物（按重量计），其具有由0· 25重量％的Darocur 1173和0.1 重量％的〇81'〇(3111' TPO(均得自汽巴精化有限公司（Ciba Specialty Chemicals Inc.))构成的光引发剂套件。该第一树脂被固化时提供折射率为I. 57的固体聚合物材料。 实例2中，第二树脂为可光致固化的丙烯酸酯制剂，按PCT专利公布No. WO 2010/074862 中描述的方式制备。固化的第二树脂被固化时提供折射率为1.65的固体聚合物材料。用 于制备具有微结构的制品的浇铸和固化技术在美国专利No. 5, 183, 597 (Lu)和美国专利 No. 5, 175, 030 (Lu等人）中有所描述。
[0225] 使用膜微复制装置在连续膜基底上制备线性非球面结构。该装置包括用于施加涂 层溶液的一系列针模和齿轮泵；圆柱形微复制工具；紧贴工具的橡胶压料辊；Fusion UV公 司的紫外固化光源，其以最大功率的60%运行，并邻近微复制工具的表面布置；以及提供、 张紧和收卷连续膜的卷材处理系统。该装置被构造成用于控制多个涂布参数，包括工具温 度、工具旋转、卷材速度、橡胶压料辊/工具压力、涂层溶液流速，以及紫外辐照度。使用包 含丙烯酸酯单体和光引发剂的一系列丙烯酸酯树脂制备结构化表面层。将可光致固化的 丙烯酸酯树脂浇铸到有底涂层的PET支撑膜（厚度为2密耳）上，然后使用紫外光使其在 PET支撑膜与精密圆柱形工具之间固化。对于两种树脂中的第一种，即固化折射率为1.57 的那一种，使用以下条件进行浇铸和固化：线速度为70英尺/分钟；工具温度为135 °F ;辊 隙压力在15至50psi的范围内；并且Fusion UV公司的紫外固化光源以最大功率的60% 运行。对于两种树脂中的第二种，即固化折射率为1. 65的那一种，使用以下条件进行浇铸 和固化：线速度为50英尺/分钟；工具温度为125 °F ;辊隙压力为15psi ;并且Fusion UV 公司的紫外固化光源以最大功率的60%运行。
[0226] 为表征所得的微复制膜，将具有不同折射率棱柱结构的两个膜片灌封在 Scotchcast 5(得自3M公司）中，然后截取横截面，使得横截面与线性非球面棱柱的方向正 交。图12A示出了用丙烯酸酯树脂制成的固化折射率为1. 57的微复制型层的横截面，并且 图12B示出了折射率为1. 65的填充氧化锆的固化丙烯酸酯树脂的横截面。
[0227] 用光学透明的压敏粘合剂8172-CL(两片衬膜之间的2密耳压敏粘合剂（得自3M 公司））层合两种微复制膜，即η = 1. 57线性非球面膜和η = 1. 65线性非球面膜。该层合 膜然后通过如下方式转变：正交于线性非球面方向切割3mm宽的膜带，使得结构化表面层 包括3mm长的重复线性非球面微结构，并且带长为54英寸长。
[0228] 为评估结构化表面层的性能，选择了显示器测试台。显示器为具有16:9纵横比的 Lenovo ThinkVision L2251xwD 22英寸（对角）显示器。该显示器包括具有白色反射器 的背光源腔体、位于在其后方具有白色反射器的背光源腔体中的丙烯酸树脂光导、在其表 面上印有白色梯度提取点图案的丙烯酸树脂光导、从光导/显示器的底部边缘照明波导管 的一行LED、增亮膜（包括漫射膜、微透镜膜和DBEF D-280)的标准叠堆、LCD面板以及位于 IXD面板上方的挡板。
[0229] LED灯带由54个LED组成，这些LED作为6个分离的串进行驱动，其中每串上具 有9个经串联方式提供电力的LED。LED串布置在灯带上，使得它们交错，即每六个LED为 相同的串（所述LED串按以下重复方式进行组织：sl-s2-s3-s4-s5-s6-sl-s2-s3-s4-s5_s6 等）。该布置方式便于简单的重新布线，以便于通过独立地控制每个LED串而改变背光源 中的LED间隔（中心至中心间距）。布线修改形式考虑到以下配置；所有LED均开启（LED 中心至中心间距为9mm)，每间隔一个LED开启（中心至中心间距为18mm)，每间隔两个LED 开启（中心至中心间距为27mm)，以及每间隔五个LED开启（中心至中心间距为54mm)。为 使LED间隔加倍，可每隔一个LED激活LED串（sl+s3+s5或s2+s4+s6)。为使LED间隔成三 倍，可每隔两个LED激活LED串（sl+s4、s2+s5或s3+s6)。最后，为达到6倍间距，只能激 活LED串中的一个LED。
[0230] 显示器具有以下关键尺寸：原始的LED中心至中心间距为9mm(所有LED均开启）， 从LED表面到光导的输入表面的距离小于0. 25mm，从LED到提取图案的起点的距离为约 2mm，并且从LED表面到完全组装好的显示器中的挡板边缘的距离为约5mm。LED为在单个封 装中具有两个芯片的荧光粉转换型白光LED，并具有约2mmX4. 5mm的发射表面。给定LED 的尺寸，对应9mm、18mm、27mm和54mm的LED中心至中心间距，相邻LED的发射区域之间的 间距（图IB中的距离e)将分别对应于5mm、14mm、23mm和50mm。一个值得注意的特征是光 导提取图案在光导的输入表面边缘处具有不同尺寸或密度。该特征用来为初始的9mm LED 间距构型提供更佳的均匀度。
[0231] 为评估结构化表面层的效率，通过手动层合方法对光导的输入表面施加长条的层 或胶带。光学透明的粘合剂在施用时是润湿的，并且适形于光导输入表面的表面粗糙度，使 得微结构化层光学耦合到输入表面，且粘合剂和输入表面之间不保留任何空气。
[0232] 图13A-1、B-1和C-I示出了来自不具有结构化表面层并且中心至中心LED间隔为 27mm的显示器的Prometric图的发光强度线扫描情况。图13A-2、B-2和C-2示出了照明组 件的Prometric图，其中黑线指示图13A-1、B-I和C-I中所示线扫描的位置。图14A-C示 出了来自具有折射率为1. 57的结构化表面层膜并且组件的中心至中心LED间隔为27mm的 显示器的Prometric图的发光强度线扫描情况和照明组件图像。图15A-C示出了具有折射 率为1. 65的结构化表面层并且组件的中心至中心LED间隔为27mm的显示器的照明组件的 发光强度线扫描情况和Pometric图。对于每个参数化图像，线扫描均覆盖显示器左下角的 相同范围的3个LED。每种情况的线扫描在与挡板相距5像素或2. 4mm、与挡板相距16像 素或7. 6mm，以及与挡板相距30像素或14. 3mm的距离处进行。每次线扫描与光导边缘的距 离为 7. 4mm、12. 6mm 和 19. 3mm。
[0233] 对每种情况的均匀度数据汇总于表1中，并且该数据汇总证实：包括结构化表面 层的组件在27mm的中心至中心间距（相邻LED的发射区域之间的间距为23mm)时比不包 括结构化表面层的组件更均匀。
[0234] 表1 :测得的均匀度与到显示器挡板的距离的关系
[0235]
【主权项】
1. 一种照明组件，包括： 光导，所述光导包括输出表面和沿着所述光导的至少一个边缘的垂直于所述输出表面 的输入表面； 多个光源，其被设置成可将光对准而通过所述输入表面进入所述光导；以及 设置在所述多个光源和所述光导的所述输入表面之间的结构化表面层，其中所述结构 化表面层包括基底和所述基底的第一表面上的面向所述多个光源的多个结构体； 其中所述多个结构体中的至少一个结构体包括由三次贝塞尔曲线限定的形状，所述三 次贝塞尔曲线具有两个端点（Xc^ytl)和（x3, y3)以及两个控制点（X^y1)和（x2, y2)，其中所 述曲线连接以下两个端点： x(t) =axt3+bxt2+cxt+x 0，y(t) =ayt3+byt2+cyt+y 0,此处 tG [01]， 其中： Cx -3 (xJ-Xg)bx= 3(x 2-x^-^ ax= x 3_X0_Cx_bx cy= 3 (y f y0)by= 3(y 2_yi)_cy ay= y 3-y〇-cy-by〇
2. 根据权利要求1所述的组件，其中y Q在0. 75〈y Q〈l. 25的范围内，七在0. l〈x '0. 6的 范围内，&在0. l〈x 2〈0. 6的范围内，并且72在0. 5〈y 2〈1. 0的范围内。
3. 根据权利要求1所述的组件，其中所述结构化表面层的所述多个结构体中的至少一 个结构体的表面法线概率分布针对小于10度的表面法线为小于50%，针对大于70度的表 面法线为小于15%，并且针对大于15度并小于65度的表面法线为大于40%。
【专利摘要】本发明公开了一种照明组件，所述照明组件包括光导和多个光源，所述多个光源用以导引光进入所述光导。所述光源的中心至中心间距为至少15mm，并且所述多个光源中的至少一个光源的主要发射表面与所述输入表面之间的距离不大于1mm。所述组件还包括设置在所述多个光源与所述输入表面之间的结构化表面层。所述结构化表面层包括基底和所述基底的第一表面上的面向所述多个光源的多个结构体。所述组件还包括多个提取特征，所述多个提取特征用以导引来自所述光导的光透过所述光导的输出表面。
【IPC分类】G02F1-13357, G02B5-02
【公开号】CN104808270
【申请号】CN201510200960
【发明人】大卫·斯科特·汤普森, 约翰·A·惠特利, 吉勒·J·伯努瓦
【申请人】3M创新有限公司
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2011年12月2日
【公告号】CN103238092A, EP2646861A2, US20130258709, WO2012075384A2, WO2012075384A3