光410。第二膜输出光410来源于由每个小透镜144发射并穿过膜140的单个输出光的总和，其单个输出是指小透镜输出光。为简单起见，假设膜140被构造成使得单个小透镜输出光具有彼此相同并且与第二膜输出光410相同的角分布。在其他实施例中，单个小透镜输出光的角分布可以彼此不同，其然后加到一起以提供不同于每个小透镜输出光的总体膜输出光。
[0063]现在我们将讨论使膜产生输出光的示例性双面光学膜的设计细节，诸如图3和图4所述的那些，其在特定观测平面中的角分布在分布的相对侧面或边缘上具有尖锐的过渡或边缘，并且其快速波动并且基本上为角度的函数，以限定不同的光瓣或光束。一般来讲，此类膜具有相背对的第一结构化表面和第二结构化表面，第一结构化表面具有多个形成于其中的延伸的小透镜，并且第二结构化表面具有多个形成于其中的延伸的棱镜。棱镜被分组成相邻棱镜的多个簇，这些簇彼此分开，并且每个棱镜簇具有至少三个单独的棱镜。小透镜和棱镜簇被布置成小透镜与棱镜簇一一对应的方式。单独棱镜中的大多数或基本上全部均具有尖锐顶点，该顶点由其倾斜侧表面的尖端部分形成。膜被构造成使得给定棱镜簇的棱镜顶点位于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。
[0064]膜的结构化表面可使用任何已知的微再现技术(例如，通过压印或热成形聚合物膜)或使用连续浇铸-固化方法制成。在后一种情况下，可固化的聚合物材料或聚合物前体材料可以被施加在透明载体膜和适当配置的结构化表面工具之间。该材料然后被固化并从工具分离以提供结合到载体膜并且具有所需微结构化外形的层。一个该层可以被施加在载体膜的一侧以形成小透镜(参见例如图3中的第一结构化表面140a)，并且另一个该层可以被施加在载体膜的相对侧以形成棱镜和棱镜簇(参见例如图3中的第二结构化表面140b)。至于用于制造该膜的微再现技术，它们预期以这样一种方式应用，即可以控制膜的相对结构化表面上元件(例如，给定小透镜和给定棱镜)的相对位置，并且使得这些元件之间的距离也可得到控制，例如，通过适当地选择膜厚度和涂层厚度来控制。参考专利申请公布US2005/0052750(King等人)，其描述微再现结构如何可在制品的相对两侧上对齐等。双面光学膜可使用由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯或任何其他合适的透光性聚合物或其他材料制成的载体膜制成。
[0065]本发明所公开的双面光学膜的结构化表面以及本发明所公开的光导的结构化表面可另选地或除此之外使用已知的添加剂制造技术(有时也称为三维打印或3D打印)来制成。
[0066]图5是一种示例性双面光学膜540的一部分的示意图。该膜具有相背对的第一结构化表面540a和第二结构化表面540b。尽管示出的膜540具有单层材料构造，其在应用中通常浸入空气或真空中，或将一个或两个主表面处附接到其他部件，但是也可以设想其他的膜构造。例如，膜540可具有中心载体膜，其他材料层附接到该载体膜，如下文例如图13所示。相对于与前面附图中的坐标系一致的笛卡尔x-y-z坐标系示出膜540。因此，膜540位于或限定大致平行于x-y平面的膜表面，并且具有平行于z轴的厚度轴。
[0067]第一结构化表面540a具有形成于其中的多个小透镜544。这些小透镜544中的每个沿着平行于y轴的延伸轴延伸。小透镜544可具有单个、一致的曲率，S卩，每个小透镜的弯曲表面可以为直圆柱体的一部分，或者它们可具有不一致的曲率，例如，具有连续变化的曲率，其中心部分的曲率半径较小，而边缘附近的曲率半径较大，或者反之亦然。具有不一致的曲率的小透镜被称为具有复合曲率。每个小透镜544还可具有顶点，该顶点被标记为V。无论小透镜544具有复合曲率还是具有简单(一致)的曲率，小透镜544在其顶点V处的曲率的特征可在于曲率中心，该曲率中心在图5中被标记为C。需注意，每个小透镜544的顶点V和曲率中心C位于轴525上，如下文所进一步讨论的。因此，可以说每个小透镜544的顶点V和曲率中心C位于沿轴向525方向。在图5的实施例中，轴525平行于z轴和膜540的厚度轴。每个小透镜544的另一个特征在于小透镜的焦点，其也与小透镜的焦面和焦区有关。为避免过度杂乱，图5中略去了小透镜544的这些特征结构，但在下文图5A中示出。小透镜544的共同特征可在于间距P1，如下文图14所示。间距可以从小透镜的中心到中心(例如，顶点到顶点)来测量，如图所示，或从边缘到边缘来测量。间距通常在结构化表面540a的区域内是一致的，但在一些情况下可以不是一致的。
[0068]第二结构化表面540b具有形成于其中的多个棱镜541。类似于小透镜544，棱镜541各自沿着平行于y轴的延伸轴延伸。每个棱镜541具有两个倾斜侧表面，其在棱镜的尖锐峰顶或顶点处交汇，被标记为V棱镜。每个棱镜541在其顶点处的夹角被称为顶角，其通常在50度至90的范围内，例如63.5度，但这一数值不应理解为过度限制性的。无论顶角多大，顶点均预期为比截顶或倒圆更尖锐，例如，具有不超过3微米、或不超过2微米、或不超过1微米或更小的曲率半径。就这一点而言，棱镜顶点可以被描述为绝对锐缘(dead sharp)。棱镜541不占据整个第二结构化表面540b，但是组成相邻棱镜541的组或簇543，该簇543被不包括延伸的棱镜的一个或多个特征结构分开。在图5的实施例中，簇543在结构化表面540b上被较大的各个V型槽520分开。
[0069]小透镜544与棱镜簇543之间存在一一对应的关系。对于给定的小透镜544来说，棱镜簇543中的一个主要与小透镜进行光学交互(并且通常最靠近小透镜)，因此，小透镜544以及以这种方式与该小透镜相关联的棱镜簇543可以被称为形成小透镜/棱镜簇对548。两个此类完整对548如图5所示。图5中将相邻对548之间的边界标记为550。通常，边界550不表示任何物理结构、界面或阻隔，因此，穿过膜540的光线可以自由地从一个小透镜/棱镜簇对548传播至另一个。
[0070]在描述本发明所公开的双面膜的构造和设计时，为每个棱镜簇指定一个代表性特征结构很有用，该特征结构居中位于构成棱镜簇的单个棱镜的组内。最相关的此类代表性特征结构为针对居中位于棱镜簇内(例如，簇中位于中心棱镜相对侧的其余棱镜的数量相等)的棱镜的棱镜顶点V棱镜。如果没有棱镜位于中心，则簇的代表性特征结构可取为最接近居中位于棱镜簇内棱镜的棱镜顶点V棱镜。在图5的实施例中，每个棱镜簇543具有11个棱镜541，因此，存在居中棱镜，并且对于每个棱镜簇543来说，该棱镜的棱镜轴V棱镜还被标记为V簇。其他数量N的棱镜541也可用于另选的实施例中，例如，N = 3或5或10或更大。我们将轴V簇称作棱镜簇的中心顶点，或者简称为簇顶点。在以相同的方式定义膜中的所有棱镜簇时，簇顶点V簇可被用于表征簇相对于其相关联的小透镜以及相对于其他棱镜簇的位置。棱镜簇相对于彼此的位置的特征在于间距P2，如例如下文图14所示。间距可以从相邻棱镜簇543的簇顶点到簇顶点来测量。间距通常在结构化表面540b的区域内是一致的，但在一些情况下可以不是一致的。间距P2可以等于P1，于是小透镜544与棱镜簇543的对准程度在沿X轴的膜540的相关区域上保持不变或基本不变。另选地，P2可以略大于或小于P1，于是小透镜544与棱镜541的对准程度在沿X轴的膜540的相关区域上改变。相背对的结构化表面540a上的棱镜簇相对于其相关联的小透镜的位置的特征可在于(对于每个小透镜/棱镜簇对548来说)，连接小透镜548的中心特征结构(例如，小透镜顶点V)与其相关联的棱镜簇的中心特征结构(例如，簇顶点V簇)的光轴。此类光轴如上文所介绍并且在图5中被标记为525。
[0071]现在参见图5A，我们看到图5的结构化表面540a的孤立的一部分，其中示出了代表性小透镜544。小透镜544具有顶点V、曲率中心C和光轴525，如上文所述。小透镜544还具有焦点f。焦点f可根据平行光束511进行定义，该平行光束的传播方向平行于光轴525。特别地，在尽管存在偏离但将其忽略的情况下，小透镜544将此类光线511聚焦于焦点f。然后，如果我们考虑小透镜544和以各种其他方向传播的平行光束之间的交互作用，将会看到焦点f为小透镜544的焦面上的一点。例如，平行光束511 ’具有平行于轴525 ’的传播方向，其相对于轴525旋转或倾斜一定的角度Θ。小透镜544将此类光线511’聚焦于新的点，该点被标记为f’。通过清除包含小透镜544的极限的范围内的掠角Θ，所有点f’的轨迹限定了焦面552。焦面552包括在焦面552与光轴525交汇处的焦点f。
[0072]对于每个小透镜544来说，限定邻近小透镜的焦面552的空间区域或范围是很有用的，我们将其称作焦区。我们从标识小透镜544的轴向焦距开始，轴向焦距从小透镜的顶点V沿光轴525测量到焦点f。在图5A中，该轴向焦距被标记为D。然后，我们可采用这一距离的分数作为标准，通过该标准来描述焦区相对于焦面552的边界。具体地，我们将差分距离DD定义为等于D的20%，并且我们将表面552a定义为与焦面552相同，但沿光轴525朝向小透镜544平移距离DD，并且我们还将表面552b定义为与焦面552相同，但沿光轴525背离小透镜544平移距离DD。侧表面550a，550b被定义为小透镜/棱镜簇对548之间的边界550(参见图5)的延伸，其将表面552a连接至表面552b，以便形成封闭空间。所得的小透镜544的焦区555包含小透镜的焦面552，并且由表面552a，552b，550a和550b界定。
[0073]该焦区555的放大视图如图5B所示，其中连同示出了与小透镜544相关联的棱镜簇543。为了在小透镜和/或膜的输出光的角分布中提供锐边缘或过渡，棱镜簇543中的棱镜541的顶点V棱镜被设置在小透镜的焦面552处或该焦面附近。设置在焦面附近的一个措施是规定所考虑的一个或多个顶点被设置在上述焦区555中。因此，如图5B所示，簇543中的所有棱镜顶点V棱镜均被设置在焦区555中。在这一具体实施例中，棱镜顶点为共面的，并且由于焦面552为非平面的，因此顶点V棱镜与焦面552相距不同的距离。如果需要，可增加或减小膜540的总体厚度，以使棱镜簇543分别偏移远离小透镜544(并更靠近表面552b)或朝向小透镜544(并且更靠近表面552a)，同时确保顶点V棱镜始终处于焦区555内。为保持输出光的角分布的锐边缘，同时减小输出光瓣之间波动的数量(例如，以试图在强度对角度曲线图中获得最接近平坦“顶帽”分布的角分布，该顶帽分布也将属于更宽泛的扇形分布类别)，并同时保持较小的膜厚度以降低材料成本并提高柔韧性和降低刚度，在某些情况下控制诸如膜厚度、小透镜曲率、折射率等膜的设计参数可能是有利的，使得顶点V棱镜的一部分或全部被设置在介于焦面和小透镜之间的焦区的一部分中，即，设置在介于表面552，552a，550a和550b之间的区域中。
[0074]由于图5B的放大视图，示出了图5中未示出的棱镜的一些细节。特别地，每个棱镜541具有介于其倾斜侧表面形成顶点V棱镜的夹角0inc，g卩，顶角。在典型实施例中，簇543中所有棱镜以及第二结构化表面上其他棱镜簇的棱镜的顶角是相同的。如上所述，该角度通常在50度至90度的范围内，例如，为63.5度。棱镜轴PA将每个顶角0inc对分。因此，棱镜轴PA可被视作给定棱镜541的光轴。在图5和图5B的实施例中，棱镜轴PA平行于膜的厚度轴，并且平行于小透镜/棱镜簇对的光轴525。棱镜541可以沿X轴具有一致的间距，该间距符合相邻棱镜顶点V棱镜之间的棱镜间距P3。
[0075]图5C是限定N条成角度分离的光瓣或光束的假想小透镜输出光510的理想化图，所述光瓣或光束可在斜光照明图5中膜的第二结构化表面时产生。由于我们不规定斜光的性质，因此它可以为单侧斜光，例如，来源于光导一侧的第一光源(例如，图1A中的光源134)或光导相背对侧的第二光源(例如，图1A中的光源132)，但非两者兼有，或者它可以为双侧光，例如，来源于第一光源和第二光源两者。在任何一种情况下，输出510的相对强度作为角度Θ(在X-Z平面上相对于Z轴测得)的函数进行波动，以产生相对最大值Imax和相对最小值Imin的交替序列。这些最大值和最小值限定了 11个光瓣510a, 510b，…510k。最外侧光瓣510a,510k具有最外侧边缘或过渡，其可以被视作输出光510的外边缘或外侧，其(在x-y平面内绘图时)呈扇形分布。根据相对最大值Imax之间的波动的数量以及相邻最大值之间的相对最小值，光瓣510a，510b等的一部分或全部可被视作独立的光束。出于本专利申请的目的，在下列情况下将输出光的角分布中的两个相邻光瓣视作不同的独立光束，即如果此类光瓣之间的相对最小值Imin小于此类光瓣的两个相对最大值Imax中较小者的一半。如果两个相邻光瓣之间的相对最小值Imin为此类光瓣的两个相对最大值Imax中较小者的50%或更多，则光瓣被视作单一光束的一部分而非独立光束。需注意，该独立光束的条件是参考输出光的角分布而非空间分布给定。为此，使用该测试方法得到的不同光束可能在空间上彼此重叠，特别是在靠近双面光学膜的位置处或观测平面中。特别地，对于图5C所描述的假想输出光510，示出相对最小值和相对最大值，使得N个光瓣(N= 11 )510a，510b等被视作N条独立光束。
[0076]现在参见图6，我们看到类似于图5的膜540的双面光学膜640的一部分的示意性侧视图或剖视图，但是其中每个棱镜簇的棱镜顶点为非共面的。膜640具有相背对的第一结构化表面640a和第二结构化表面640b。示出的膜640具有单层材料构造，但是也可以设想其他膜构造，如本文中其他地方所述。相对于与前面附图中的坐标系一致的笛卡尔x-y-z坐标系示出膜640。
[0077]第一结构化表面640a具有形成于其中的多个小透镜644。每个小透镜644沿着平行于y轴的延伸轴延伸。小透镜644可具有单个、一致的曲率，或者它们可具有复合曲率。每个小透镜644还具有顶点V。小透镜644在其顶点V处的曲率的特征在于曲率中心，其标记为C。每个小透镜644的顶点V和曲率中心C位于轴625上，该轴类似于图5的轴525。轴625平行于z轴和膜640的厚度轴。每个小透镜644的另一个特征在于小透镜的焦点，其也与小透镜的焦面和焦区有关，如上文结合图5A所述。小透镜644的共同特征可在于间距P1 (参见例如图14)，其通常在结构化表面640a的范围内为一致的，但是在一些情况下可以是不一致的。
[0078]第二结构化表面640b具有形成于其中的多个棱镜641。类似于小透镜644，棱镜641各自沿着平行于y轴的延伸轴延伸。每个棱镜641具有两个倾斜侧表面，其在棱镜的锐峰顶或顶点V棱镜处交汇。棱镜顶点的细节在本文的其他地方有所描述。
[0079]棱镜641组成相邻棱镜641的组或簇643，该组或簇被不包括延伸的棱镜的一个或多个特征结构分开。在图6的实施例中，簇643在结构化表面640b上被较大的各个V型槽620分开。小透镜644与棱镜簇643之间存在一一对应的关系。对于给定的小透镜644来说，棱镜簇643中的一个主要与小透镜进行光学交互并且通常最靠近小透镜，因此，小透镜644以及以这种方式与该小透镜相关联的棱镜簇643可以被称为形成小透镜/棱镜簇对648。两个此类完整对648如图6所示。相邻对648之间的边界650与图5的对应边界相同或相似。
[0080]膜640和膜540之间的一个差异在于在膜640中，给定棱镜簇643中的棱镜顶点V棱镜并非位于共用平面中，与棱镜簇543中的棱镜顶点不同。在膜640中，给定簇643中的棱镜顶点沿弯曲路径分布，如下文结合图6A所述。
[0081]棱镜簇643的特征在于居中棱镜顶点，其被称作簇顶点并标记为V簇，与图5中一样。在图6的实施例中，每个棱镜簇643具有11个棱镜641，因此，存在居中棱镜，并且对于每个棱镜簇643来说，该棱镜的棱镜轴V棱镜还被标记为V簇。其他数量N的棱镜641也可用于另选的实施例中，例如，N = 3或5或10或更大。棱镜簇相对于彼此的位置的特征在于间距P2，如例如下文图14所示。间距通常是一致的，但是在一些情况下可以是不一致的。间距P2可以等于P1，或P2可以略大于或小于P1，如上文所述。光轴625将小透镜648的中心特征结构(例如，小透镜顶点V)与其相关联的棱镜簇的中心特征结构(例如，簇顶点V簇)相连接。
[0082]在图6A中，我们看到图6的棱镜簇643中的一个的放大不意图。不出相对于其相关联的小透镜644的焦区655的棱镜簇643。焦区655的定义方式与上文所述的焦区555的定义方式相同。因此，焦区655包含小透镜644的焦点f和焦面652，并且其由表面652a，652b，650a和650b界定。所有这些元件具有与图5A中对应元件相同或相似的属性和特征。为了在小透镜和/或膜的输出光的角分布