CN101151582B - 光学薄膜上的长曲形光楔 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种将光线重新导向的高分子薄膜，包括多个单独的高分子光学元件，其中各个元件包括在薄膜平面上的各个弯曲楔形零件(光楔)，其长度在800-4000微米范围内。

Description

光学薄膜上的长曲形光楔
技术领域
本发明涉及包括多个单独的高分子光学元件的光重新导向高分子薄膜的形成。特别是，所述各个光学元件包括在所述薄膜平面里的、长度在800-4000微米范围内的弯曲楔形零件。
背景技术
光重新导向薄膜通常为薄而透明的光学薄膜或基板，它们改变通过薄膜的光的分布，使得从薄膜出射的光的方向较为垂直于薄膜表面。通常，在光重新导向薄膜的出光面配备了有序排列的棱镜槽、凸透镜槽、或棱锥体，以改变薄膜/空气界面处光线从薄膜出射的角度，使得在垂直于各槽沟的折射面的平面内传播的入射光分布的那些分量重新分布到更接近薄膜表面的法向。这类光重新导向薄膜可用来改进显示器的亮度，例如用于液晶显示器(LCD)、手提电脑、文字处理器、航空电子显示设备、手机、PDA等，使显示增亮。
在用于液晶或别的显示器时，先前的光重新导向薄膜受到可见的莫尔图形的限制。光重新导向薄膜的表面零件跟用在背投光组件的别的光学薄膜相互作用，印出的点的图形或在光导板背面的三维特征，或在显示器的液晶部分里的像素图形，就产生莫尔图形，这种效应是不希望有的。现有技术里已知的减弱莫尔图形的办法是将光重新导向薄膜模切得使其凸透镜阵列与薄膜的任一边都不平行，从而让凸透镜阵列相对于另一个光重新导向薄膜或相对于显示器电子设备成一定角度。采用的办法还包括：沿线形阵列各元件的宽度使线形阵列不规则分布，变动线形阵列各槽沟的高度，在薄膜跟线形阵 列相对一边添加漫散射表面，对整个系统添加漫散薄膜，或者磨圆线形阵列的突出边缘。上述这些减弱莫尔图形的技术也使得沿轴向光亮度的减小，而且并未恰当地解决莫尔图形的问题。莫尔图形和轴向光亮度两方面倾向于相互关联，这意味轴向光增益高的薄膜的系统内会有较明显的莫尔图形。如果能减弱莫尔图形同时又维持较高的轴向光增益，就比较有利。
美国专利号5919551(Cobb，Jr.等人)披露了一个线形阵列薄膜，其突出边缘和/或槽沟的间距可变，来减弱莫尔干涉图形的可见度。这既可为各组相邻突出边缘和/或低谷的间距变动，也可是临近各对突出边缘和/或低谷之间的间距变动。虽然线形阵列元件间距的这一变化减弱了莫尔图形，但薄膜上的线形元件仍然与背投光光导上的点图形和显示器的液晶区内的电子设备发生相互作用。最好是能破坏各元件的该线形阵列，以便减弱或者消除这种相互作用。
美国专利号6354709披露了一种薄膜，它的线形阵列沿突出边缘线的高度可变，而各突出边缘线也伴随着移动。虽然该薄膜可重新导向光而且沿其突出边缘线的高度变化也略微减弱了莫尔图形，但最好有一种薄膜用在系统中时能明显地减弱薄膜的莫尔图形，还能够维持相当高的轴向光增益。
美国专利号6583936(Kaminsky等人)披露了一种用作高分子光漫射透镜的微型拷贝的成型的辊子。该成型辊子的制作，先用多种大小的粒子喷丸清理辊子表面，然后用镀铬工艺在其面上形成微型瘤结节。这种辊子制造法很适合用来制作光漫射透镜，以便将入射的光能漫散射出去。
发明要解决的技术问题
本发明所解决的技术问题：存在对于一种将光重新导向的薄膜的需求，这种薄膜让沿轴向通过的光有高的亮度，同时能减弱莫尔图形，使得从显示器件上观察图像时看不出干扰的莫尔图形。此外，还存在对于一种将光重新导向的薄膜的需求，这种薄膜让可见光有高的透射度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种将光重新导向的薄膜，它可减弱莫尔图形，又可保持(对轴向光的)高的增益。
另一个目的在于提供一种将光重新导向的薄膜，它不容易被曲折或被擦伤。
还有一个目的在于提供一种将光重新导向的薄膜，它能够按照显示器背投光的配置和输出的要求来定制。
本发明的这些以及其它的目的是通过一种将光重新导向的高分子薄膜来实现的，这种薄膜包括多个处在高分子薄膜或基板的上面或里面的单独的高分子光学组件，其中所述各个光学元件具有至少两个表面，这两个表面至少有一个为弯曲的，上述弯曲表面的曲率半径在0.8-20毫米范围内，其长度在800-4000微米范围内。
本发明的有益效果
本发明提供一种由各个单独的楔形光学元件做成的将光重新导向的薄膜，当它用在液晶系统时能明显减弱莫尔图形，同时能保持相对较高的轴向光增益。
附图说明
图1为一个单独的弯曲楔形光学元件的示意图，它有一个弯曲面和一个平面。
图2显示当弯曲为一段圆弧时的曲率半径。
图3为本发明一个实施方案的SEM成像，其中各个单独的光学元件彼此相对映射。
图4为本发明一个实施方案的SEM成像，其中各个单独的光学元件彼此错开重叠。
图5为两个单独的弯曲楔形零件的示意图，它们有相同的长度和宽度，却有不同的曲率半径，导致元件表面为曲面或者平面的百分比不同。
图6为本发明的光操控薄膜的截面的示意图。
图7为包括了所述光重新导向高分子薄膜的液晶显示器的示意图。
图8为包括了两个所述光重新导向高分子薄膜的液晶显示器的示意图。
图9的示意图中的显示系统包括显示器和光重新导向薄膜，后者的楔形元件置于光重新导向薄膜的相对光源较远的一面。
图10的示意图中的显示系统包括显示器和光重新导向薄膜，后者的楔形元件置于光重新导向薄膜的相对光源较近的一面。
图11为光学优化曲线。
图12为本发明的实施例中相对照度跟角度的关系曲线。
具体实施方式
跟现有的光重新导向薄膜相比本发明有许许多多优点。本薄膜的楔形的单独光学元件(光楔)的大小和在薄膜上的布置在减弱莫尔图形和轴向光增益两方面权衡协调，从而在得到相对较高的轴向光增益的同时又明显减弱了莫尔图形。当两个或更多个相同而且重复的直线、点、或圆形排列得不够完善而重叠时，或者当不相同但相关的图形重叠时，就会产生莫尔图形。所生成的莫尔图形是一种重复光跟暗线或散乱干涉条纹的图形。这种线条的尺寸和频率取决于相互作用的两个图形。在LCD显示器之类的显示器件上，观看人能观察到的莫尔图形是有害的，因为它们干扰了被显示信息的质量。本发明的光重新导向薄膜，比起现有技术的光重新导向薄膜，不但能减弱莫尔图形，还能保持轴向光的高的增益。当所述光学元件的长度方向的尺寸加长，该图形成为一维的，莫尔图形会增长。当所述光学元件的长度方向的尺寸被缩短，屏幕的增益会降低。因为薄膜是单一整体性的高分子结构，所以它受曲折的可能性小。当薄膜为双层结构时，它较易曲折，因为对不同的环境条件(例如，热量和湿度)这两层通常有不同的反应(胀或缩)。LCD里的光重新导向薄膜是不可有曲折的，因为这会造成显示器薄膜的皱折，从显示器上可以看见。此外，光学薄膜的皱折改变了入射光能的角度，导致光学效率 损失。跟现有技术采用UV固化了的聚丙烯酸酯做成的光学薄膜相比，本发明采用的高分子薄膜更能抗划擦，显示出更强的机械性能。
此光重新导向薄膜由于采用的各个单独的光学元件为弯曲楔形零件(光楔)，可以将平行于各元件的突出边缘线的平面内传播的光的一部分重新导向。此外，本发明的光重新导向薄膜还可按照光源和光导板的光输出的要求来定制，以便更有效地重新导向光。采用单独的光学元件让薄膜的设计很灵活，这样就可在薄膜表面各处采用不同的单独光学元件或者采用不同的尺寸或取向，以便最有效地处理进入薄膜的光。例如，对于光导板上所有各点如果已知光输出跟角度的函数关系，就可采用在薄膜上具有不同形状、尺寸、或取向的弯曲楔形零件的光重新导向薄膜，来有效地处理从光导板出射的光。从以下详细的描述中将会明了本发明的这些和其它的优点。
这里的术语中，“透明”指的是没有明显偏转或吸收的通过辐射的能力。本发明中，“透明”材料定义为具有90％以上的光谱透射度的材料。术语“光”指可见光。术语“高分子薄膜”指包含聚合物的薄膜。术语“高分子材料”指均聚物、共聚物和混聚物。
术语“光学增益”、“轴向增益”、或“增益”指输出光强度除以入射光强度的比值。增益用作重新导向薄膜的效率的量度，可用来比较各种光重新导向薄膜的性能。
就光学薄膜的场合，单独的光学元件指的是在光学薄膜上突起的或凹进的、具有确定形状的元件。相对于光学薄膜的长度和宽度，单独的光学元件都是小的。术语“弯曲表面”指的是一种薄膜上的三维特征，该薄膜至少有一个平面有弯曲。“楔形零件(光楔)”用来指一种元件，它包括一个或更多的斜面，而这些面可以是平面和曲面的组合。楔形零件(光楔)可包括至少两个曲面，也可有平面或者没有平面。曲面可以是不对称的或者非圆形的。从图1可见楔形零件的一个例子。
术语“光学薄膜”用来指能够改变透过的入射光的性质的、薄的高分子薄膜。例如，一种重新导向光学薄膜可提供大于1.0的光学轴向增益(输出/ 输入)。
一个实施方案中，所述弯曲楔形零件具有一个弯曲面和一个平面。该曲面可有一个、两个、或三个轴用来将光线重新导向到多个方向。在图1中，这个弯曲楔形单独光学元件1具有一个曲面3和一个平面5。在两个面接合处形成突出边缘7。所述突出边缘是元件的各个边交会处形成的峰脊。
另一个实施方案中，所述弯曲楔形零件具有至少两个曲面。这使得光重新导向薄膜可以把光重新导向到多个方向。此外，曲面还可为不对称形状。
一个实施方案中，本发明的弯曲楔形元件可以无规则地放置而且互相平行。这使得突出边缘一般沿同一方向排列。具有一般取向的突出边缘线的薄膜相比别的薄膜能将光的更多部分重新导向到一个方向，从而在用于液晶背投光系统时产生较高轴向增益。在图1中，突出边缘7是弯曲的。这种弯曲可处于薄膜平面中，可垂直于薄膜平面，或二者兼有之，如在图1的情况(例如，该薄膜可包含在宽度的方向和在长度的方向有弯曲的元件)。最好是包含在薄膜平面内有弯曲的元件，以使元件可以把光重新导向到多个方向。
突出边缘的弯曲是平滑的弧形曲线，例如为圆或椭圆的一部分。当该曲线为圆的一部分，该弯曲的曲率半径示于图2。该单个弯曲楔形元件11如图示具有曲率半径13。用一个圆来拟合该元件的弯曲，这个圆的半径就是该元件的曲率半径。曲率半径会影响被重新导向到各个方向的光的多少，以及该薄膜会给出的莫尔图形的强度和轴向光的亮度。已经发现，当用于相同的显示系统中时，跟含有顺序排列的棱镜结构的光重新导向薄膜相比，这里所述曲率半径在0.8-20mm范围内时能够提供相对高的轴向光增益同时明显减弱莫尔图形。当曲率半径减小，轴向光增益会降低。
弯曲楔形元件在薄膜上的配置可有多种方式，而且可按照光导板的光输出的要求来定制。一个实施方案中，有一半弯曲楔形零件相互做180°转动。如果用的是不对称的元件，这就会在垂直于各元件的突出边缘并且跟基板表面成法向的平面内产生相等量的重新导向的光。图3显示了这种弯曲零件的排列。
该弯曲楔形零件可在光重新导向薄膜上有多种方式的取向。一个实施方案中，弯曲楔形零件彼此交错排列。这种交错保证了光重新导向薄膜上的各零件的表面彼此覆盖得很好，从而减弱了系统中的莫尔图形。图4显示了一个这种实施方案的扫描电镜(SEM)成像。让各元件(其一显示为27)彼此交错并且重叠，就使得各零件能够紧密堆砌装填，从而几乎不存在未包括在图形里的区域。
在另一个实施方案中，弯曲楔形零件彼此相对排列如镜像配置。在这种镜子般配置中，各对零件安排成彼此为对方的镜像。图3显示了本发明这个实施方案将弯曲楔形零件相对排列如镜子配置的扫描电镜成像SEM。这种镜像对可跟它们自己或者别的对交叉和重叠。这种对如此排列使得在光重新导向薄膜上没有不包括在这种图形里的区域。对于那些具有一个弯曲面和一个平面的零件的情况，将这些零件排列成镜像对有助于选择性地调节轴向光增益和莫尔图形减弱两方面的数量。其平面一面对轴向光增益有更多贡献，而弯曲一面则对莫尔图形的减弱有更多贡献。
图5示意了两个具有相同长度和宽度的单独的弯曲楔形零件，可是它们的曲率半径的不同导致了元件表面是弯曲还是平面的百分比的不同。两个零件31和37具有不同的曲率半径，零件37的曲率半径比零件31的大。所以，零件37的平的一面39，比起零件31的平的一面35来，占有零件表面积的百分比大。而零件37的弯曲面38，比起零件31的弯曲面33来，占有零件表面积的百分比小。通过调整该曲率半径也就调整了该零件表面积中平面部分和弯曲部分的百分比，也就能控制系统中轴向光亮度和莫尔图形强度。
这种单独的光学元件的宽度优选在20-300μm范围内。当元件宽度大于450μm时，它们就变得足够大使观察者能从液晶显示器上看得见，就损失了显示器的质量。元件宽度更好在15-60μm范围内。业已得知这个范围能给出好的光线成形特性，同时也不会让观察者从显示器上看出来。显示器件设计中选用的具体宽度，将部分地由液晶显示器的像素间距来决定。该元件宽度可选得使莫尔图形的干扰最小化。
该弯曲楔形零件的零件突出边缘的高度的最大值优选在10-150μm。当元件该高度大于190μm，它们变得足够大使观察者能从液晶显示器上看得见，这是不希望有的。当元件该高度小于5μm，薄膜的轴向光增益会下降。业已得知，楔形元件高度的这个范围提供了能明显减弱莫尔图形的设计。该元件高度也取决于薄膜厚度；薄膜的厚度要足够来支持楔形零件。在一些实施方案中，优选地让光重新导向薄膜的厚度至少为该楔形零件高度的两倍。光重新导向薄膜的厚度可根据应用选择在50-500μm范围内，尺寸大的LCD显示器用较厚的薄膜，小的手持显示器则选用较薄的薄膜。对某些应用，该薄膜厚度可超出这个范围。相对于薄膜厚度可改变零件形状尺寸和密度。
一个实施方案中，弯曲楔形零件在零件的最高点处具有坡口角度在80-110°的截面。业已得知，这种突出边缘角度使得光重新导向薄膜给出了高的轴向光亮度。当该突出边缘角度小于75°或者大于115°时，光重新导向薄膜的轴向光亮度就会下降。
这些弯曲楔形零件的平均间距在10-100μm范围。该平均间距是相邻二零件的最高点之间的距离。该平均间距不同于零件宽度，因为各零件的尺寸在变，它们重叠、交叉，而且无规则地布置在薄膜表面以减弱莫尔图形，还要保证薄膜上不存在未包括进图形的区域。在一些实施方案中，优选地让薄膜上未包括在图形中的区域小于0.1％，因为未包括在图形中的区域不具有与楔形元件相同的光学性能，会导致轴向光增益下降。
图6为本发明的光操控薄膜的截面41的示意图。在薄膜上各零件跟其相邻零件的间距在变。例如，各间距43、44、45和46的长度不同。各零件的平均间距可以这样计算：选取薄膜截面的一段47，将它的长度除以该段中的突出边缘个数即可。
在一个实施方案中，薄膜的折射率在1.4-2.0之间。业已得知，薄膜的折射率越高，该薄膜具有的使光重新导向的能力越强。薄膜通过将光重新循环和折射光来重新导向光。在重新循环光的过程中，入射到光重新导向薄膜的光的一部分被反射回去通过显示器模件的较低级元件(例如漫散射片和光 导)。这些光然后又被背反射片或者别的显示器组件反射回光重新导向薄膜。这些光的一部分现在才能被薄膜重新导向并以低损失率通过显示器，而其余部分的光就得再次重新循环。
在一个实施方案中，各单独的光学元件包括聚碳酸酯。聚碳酸酯具有高的光学投射度，也足够强而耐磨。聚碳酸酯的耐磨性使得本发明的光重新导向薄膜，相比用诸如UV固化了的聚丙烯酸酯之类较脆而易碎材料制成的其它种类的常见的光重新导向薄膜，较不易擦伤。可以用不同级别的聚碳酸酯来适应不同的应用，其中有一些形成了抗高温的性质，优良的外形稳定性，增加了的环境稳定性，和较低的融化粘滞性。
在一个实施方案中，该高分子薄膜为一整体结构，零件和承载零件的薄膜或基板为一体化结构，在零件和薄膜上没有零件的部分之间没有过渡点。让零件和薄膜本体为一整体有几个优点。首先，因为薄膜完全是同一高分子材料，不会有折射率的变化，而如果零件是覆盖或敷贴在基板上就不然。没有折射率变化意味着不会有内部界面的反射损失，从而有较高的光透射效率。第二，因为薄膜是一体结构，就不容易曲折。当薄膜由两层做成，因为两层对不同的环境条件(例如热量和湿度)通常有不同反应(胀或缩)，就会有曲折的倾向。用在LCD显示器上的光重新导向薄膜是不应有曲折的，因为它造成显示器上薄膜的皱折，会被从显示器上看出来，并且当光能入射角在该弯曲面上改变时会引起光学效率的损失。
此外，光重新导向薄膜的或者单独的光学元件的一个或多个表面可以加以以下的一种或几种处理：一种组织纹理、覆层、染色、光发射层、无光抹光、漫散抹光、镜面抹光、和光学平滑抹光，以便使薄膜的光输出的分布产生所需要的效果。此处所谓光学平滑抹光用来描述这种表面抹光，它使得光能够透过该表面而几乎没有散射。
在一个实施方案中，优选地要使得薄膜表面上或表面里的单独的光学元件如此地无规化，来消除跟液晶显示器的像素间隔的任何干涉。这种无规化可实施于光学元件的尺寸、形状、位置、深度、取向排列、角度或分布密度。 这有可能消除用漫散射层来抑制莫尔图形或类似效应的需要。而且，至少可将一些单独的光学元件分组排列到薄膜的出射表面上，在各组里至少有一些光学元件具有不同的尺寸或形状特征以便集体地产生每个组的平均尺寸或形状特征，这在整个薄膜上的各组间是不同的，从而得到超过任何单个光学元件的加工精度的平均特征值，并且抑制莫尔图形和跟液晶显示器的像素间隔的干涉效应。此外，至少一些单独的光学元件可相对彼此在不同角度上取向排列，以便裁制薄膜的沿两个不同的轴重新排列/重新导向光的能力。在将零件无规化时，对于薄膜的增益性能而言，重要的是要避免平坦的、缺乏小侧面的表面各区域。有一些算法可用来伪无规化配置这些零件，以便避免将各区域不留小侧面或平坦化。
各单独光学元件的光重新导向表面跟薄膜的光出射面之间的角度可在液晶显示器的整个显示区域上变化，以便按照光输入的分布，其在光源的整个表面上是不均匀的，来定制薄膜的光重新导向功能。
光重新导向薄膜的各单独的光学元件也可彼此重叠成交错、交联和/或交叉的配置，产生一种优良的表面区域覆盖的光学结构。此外，各单独的光学元件可以分组排列，使得一些单独的光学元件沿一个轴取向排列，而别的单独的光学元件则沿另一个轴取向排列。也可以，在每个组里使单独的光学元件的取向排列变化。而且，光重新导向薄膜的各单独的光学元件的尺寸、形状、位置和/或取向排列都可变化，来应对光源所发出的光的分布的变化。
也可定制光重新导向薄膜的各单独的光学元件的性质和图形，来针对发射不同光分布的不同类型的光源而优化光重新导向薄膜，例如，对单管手提式电脑用一种图形，而对双管平板显示器、CCFL光源、LED光源等等则用另一种图形。
而且，可以提供这样的光重新导向薄膜系统，按照背投光或别的光源的光输出分布来定制光重新导向薄膜的各单独的光学元件的取向排列、尺寸、位置和/或形状，以便在希望的观察角内得以重新排列或重新导向更多的来自背投光源的入射光。背投光源也可包括将光沿一个轴重新导向的各单独的光 学缺陷，而光重新导向薄膜可包括将光沿跟所述那个轴垂直的另一个轴重新导向的各单独的光学元件。
图7显示了显示器101的一个例子，其中的光重新导向高分子薄膜111是包含在一个液晶显示器内。光从光源103输出进入光导107。光源103通常是冷荧光管或LED之类，也可为任何能发光的光源。光导107可为锥台形或扁平板，且在其一边有一个背反射片105。光从跟背反射片105相对的一边射出光导，可以经过漫散射片109。漫散射片109用来使光导107在整个显示器上的光输出均匀化，掩饰有时印射到或浮现在光导里的任何特征，并减弱莫尔图形。下一步光通过光重新导向薄膜111，跟进入薄膜的光相比，从光重新导向薄膜111出射的光处于一个较窄的圆锥内。优选地将光重新导向薄膜111如此取向排列使各单独的光学元件处于它的背向光导107的表面上。光然后进入液晶显示器模件113。在光重新导向薄膜跟液晶部分之间还可有别的薄膜，例如顶漫射片或者反射偏振片。相对于像素或别的重复元件的尺寸、间距或者角度取向，在光重新导向薄膜111上的各楔形元件的间距或角度取向可变化或无规化，以便使得莫尔图形从LCD屏上看不见。
图8所示显示器121在液晶显示器里包含两个光重新导向高分子薄膜131和133。该设置类似图7，这里由光源123输出的光进入光导127。光源123通常是冷荧光管或LED之类，也可是任何能发光的源。光导127可为锥台形或扁平板，且在其一边有一个背反射片125。光从跟背反射片125相对的一边射出光导，可以经过漫散射片129。漫散射片129用来使光导127在整个显示器上的光输出均匀化，掩饰有时印射到或浮现在光导里的任何特征，并减弱莫尔图形。下一步光通过光重新导向薄膜131和光重新导向薄膜133。这两个光重新导向薄膜如此交叉，使得两个薄膜上的楔形元件的长度方向彼此所成角度在80°-100°之间，优选地让彼此成90°角。两个光重新导向薄膜131和133的布置优选地让它们的单独楔形光学元件处在背向光导127的一面，但在某些应用中也有让重新导向薄膜的楔形元件面向光导的。在别的实施方案中，可让光重新导向薄膜的两个面上都具有楔形元件，或者 让薄膜的跟楔形元件相反的一面有不同的纹理，例如一种漫散的纹理。光然后进入液晶显示器模件135。在光重新导向薄膜跟液晶部分之间还可有别的薄膜，例如顶漫射片或者反射偏振片。优选地，相对于像素或别的重复元件的尺寸、间距或者角度取向，在光重新导向薄膜131和133上的各楔形元件的间距或角度取向做变化或无规化，以便使得莫尔图形从LCD屏上不被看见。
图9所示的显示系统171包括光源173、光重新导向薄膜175跟楔形元件177、和显示器179。显示器179可为任何类型的显示器，包括液晶显示器或有机发光二极管显示器(OLED)。显示器179可为有源、无源、或静电式。光重新导向薄膜175的楔形零件177处于光重新导向薄膜175的离光源173远的表面上。该显示系统171也可有第二个光重新导向薄膜(未画出)，它跟光重新导向薄膜175的楔形元件的长度方向之间交叉的角度优选在80°-100°范围内。
图10所示的显示系统181类似显示系统171，差别仅在光重新导向薄膜185的楔形零件187处于光重新导向薄膜185的离光源183近的表面上。显示系统181包括光源183、光重新导向薄膜185跟楔形零件187、和显示器189。显示器189可为任何类型的显示器，包括液晶显示器或有机发光二极管显示器(OLED)。该显示系统181也可有第二个光重新导向薄膜(未画出)，它跟光重新导向薄膜185的楔形元件的长度方向之间交叉的角度较好在80°-100°。
优选地，本发明的光重新导向薄膜用在液晶显示系统中时至少有1.3的轴向光增益。本发明的光重新导向薄膜平衡了高的轴向光增益和减弱的莫尔图形两个方面。业已得知，LCD制造商偏爱至少1.3轴向光增益，以便明显增加显示器的亮度。
就观察而言，莫尔图形效应指的是两个相似的空间图形的几何干涉。该干涉在具有相同或接近相同的周期性或谐波的两个图形间发生时最为明显。莫尔图形是由二屏幕的周期分量的和与差而形成的。这样生成而观察到的莫 尔图形，它的频率比两个原始图形的都低，它的振幅取决于发生差拍的两个谐波分量的强度，而它的取向排列则取决于二原始图形的相对的取向排列。例如，两个方波透射光栅具有相同周期为p、在竖直方向彼此成θ角排列，所产生的莫尔图形将取水平方向排列而具有周期近似等于p/θ，而其线形为二单独光栅线形的卷积。显然当交角θ趋于0，形成的周期变成无穷宽。然而，如果该二屏完全顺排，当它们的周期接近一致，还是可观察到莫尔图形。这样形成的莫尔图形的周期等于p1*p2/(p1-p2)，其中p1和p2为两个屏的周期。例如，如果光栅1具有周期p1＝0.05mm而光栅2具有周期p2＝0.0501mm，则形成的莫尔图形的周期将是25mm。
周期显然有很大差别的两个光栅，如果它们的谐波的频率接近，也可产生莫尔图形。具有周期为p1的方波屏，具有的n倍频谐波为1/p1的n倍，就是n/p1。这些谐波跟周期为p2的第二屏的基波的差拍，会产生周期＝p1*p2/(n*p2-p1)的拍频。考虑周期为p1＝0.25mm的屏的第五次谐波(n＝5)，跟周期为p2＝0.0501mm的另一个屏。则它们形成的莫尔图形的周期为25mm。
这样形成的莫尔图形实际上是否被观察到取决于形成的周期和调制情况。这些参数对于观察的综合影响被包含在对比调制阈的Van Nes Bouman曲线里。该曲线表示观察者要观察到一个图形所需的最低对比度，该对比度是用周数/度做单位的图形的空间频率的函数。眼睛一般对2-10周/度的频率特别敏感，峰值在5周/度。在此范围观察阈值约为0.1％调制。要把空间周期转换为以周/度为单位的空间频率，需要引进观察者的观察距离。在18英寸的观察距离每度约8mm。于是将8mm除以莫尔图形的以mm为单位的空间周期，就得出它的以周/度为单位的空间频率。上面的例子中，25mm的莫尔图形周期对应于约0.32周/度。在这个空间频率，观察阈值约为1％调制。根据傅立叶分析，二纯粹方波屏大约有1.8％调制，所以上述莫尔图形勉强可被观察者看出来。
莫尔图形的可观察度的关键参数为以周/度为单位的空间频率和它的调 制情况。因为这些特性是来自形成莫尔图形的两个屏，这两个屏的结构参数就是关键。如在上面的例子中的讨论，直线屏或者只在一个方向变化的屏会产生直线的莫尔图形。如象楔形零件那样将弯曲结构引进图形，就使得图形成为二维的。周期性排布就导致二维谐波分量。正由于这种周期性分量跟薄膜三极管(TFT)黑矩阵结构的周期性发生差拍，就潜在了产生莫尔图形的可能。这种二维图形看起来像重叠的钻石或正弦波。当楔形零件的较长的维度伸长，图形变成一维，莫尔图形会如上面描述的那样演化。当楔形零件的较长维度缩短，屏幕增益降低，那时的情况就没有意义。楔形零件的这个区间的长度能导致上述的莫尔图形。这类似于由TFT跟一个线形屏建立的莫尔图形，差别仅在楔形元件的弯曲结构产生的莫尔图形的对比度较低。对各楔形零件的安排所引进的无规化也有助于去除周期性，进一步降低莫尔图形的可观察度。
图11是一个光学优选法图。该图显示光重新导向薄膜的轴向增益跟莫尔图形的减弱之间的关系(轴向增益数越高则轴向显示越亮，莫尔图形(相对)数越高则系统内莫尔图形的量越多)。理想地，完善的光重新导向薄膜将处于图中左上角，即有高的轴向增益而没有莫尔图形。现实中，莫尔图形跟轴向增益是直接相关的，用来减弱莫尔图形的方法也会对轴向亮度有负面影响。液晶显示器工业中，清晰度提高时(也使莫尔图形更明显)，制造商们期望有一个折中位置，该处莫尔图形明显减弱，而轴向亮度的损失则最小。为了发明满足这一判据的薄膜现有技术的努力都失败了，所制成的薄膜可以很好地减弱莫尔图形，但是其轴向亮度对于许多用途而言却较低。
本发明所用的制造光重新导向薄膜的一种工艺将高分子材料融化后从缝隙模子中挤压出来而成。一般采用T缝模或挂衣架形缝模。该工艺包括将高分子或其混合物(融化后)挤压出模子的缝隙，让挤出的箔坯迅速淬冷到一个辊筒表面，该辊筒表面预先已精密加工成所需的几何图形，高温度的箔坯在辊筒面上骤冷到材料的玻璃化温度之下，从而依照辊筒表面图形形成了透明膜上的表面特征，留下了所需的光学元件的形状。
本发明的薄膜的制造也可采用按照模型来真空成形，采用可被紫外光固化的材料注塑表面零件，覆盖到箔坯面上，然后UV固化，浮雕成高分子箔坯上的表面零件。
本发明可以用于任何液晶显示器件，以下描述常用的安排。液晶(LC)广泛用于各种电子显示器。在这些显示器系统中，置于偏振层和分析层之间的LC层具有一种导向器(作用)，相对于其法向轴，在液晶层中展示出方位角的扭转。分析层的取向排列使得它的吸收轴垂直于偏振层的吸收轴。经过偏振层起偏振的入射光通过液晶室时受到了液晶里的分子取向排列的影响，在液晶室上加电压可改变液晶分子取向。利用这个原理可以控制从外源，包括周边光，射入的光的透过。进行这种控制所需的能量一般远小于其它类型的显示器，例如阴极射线管，所用发光材料所需的(控制)能量。所以，LC技术就有了这样一些用途，包括但不限于数字表、计算器、手提电脑、和游戏机等，其中，重量轻、功耗低、使用寿命长是其重要的特征。
实施例
以下的例子说明本发明的实施。它们并无意于穷举本发明所有可能的变化。各部件和百分数是就其重量而言，除非另外说明。
发明例1
按照本发明的发明例1是制成为一体结构(单层)，材料为通用电器公司出品的薄板光学级聚碳酸酯。采用挤压辊模制成薄膜，其中融化的聚碳酸酯在约为315℃的温度被挤压进入两个辊筒的隙缝，一个辊筒表面是有图形的，另一个辊筒表面光滑起施压作用。这样制成的薄膜厚度约125μm，一面形成了图形，另一面平滑。图形包括弯曲楔形零件。
发明例1(薄膜上)的单独零件平均长1360μm，宽50μm，高24μm，带90°内夹角。这些零件被无规地、有重叠和交叉地布置在薄膜的整个表面，并且使得两个相邻零件的最高点的平均间距约为35μm。
发明例2
用跟发明例1相同的方式以及相同的材料、工艺和厚度来制备发明例2 (的薄膜)。发明例2(薄膜上)的单独零件平均长950μm，宽44μm，高22μm，带90°内夹角。这些零件被无规地、有重叠和交叉地布置在薄膜的整个表面，并且使得两个相邻零件的最高点的平均间距约为22μm。
对比例1
采用3M公司出品市售的BEF II型光亮度增进的薄膜作为对比例1。该BEF II型是双层结构(可以有夹在双层内起粘结作用的第三层)的有取向的聚乙烯(厚度约为100μm)(薄膜)，带有的光亮度增进的零件是用聚丙烯(厚度约为25μm)材料覆盖上去然后用UV固化的。这些零件是连续的线形棱柱体，其平均间距50μm，高度25μm，和内夹角90°。
对比例2
采用3M公司出品市售的BEF III-T型光亮度增进的薄膜作为对比例2。该BEF III-T型的结构类似BEF II型，但是表面零件有些不同。其零件为连续的线形棱柱体，具有平均间距50μm，内夹角90°，且可变高度。沿棱柱体长度方向其高度变化使这些棱柱体形成了“波浪形”外观。这些棱柱体的突出边缘线高度也在变，但在跟薄膜平面平行的平面内却不变。这种薄膜设计成减弱系统内的莫尔图形。
对比例3
对比例3采用跟发明例1和2相似结构，但带有不同的零件。这里的单独的零件平均长400μm，宽58μm，高29μm，带90°内夹角。这些零件被无规地、有重叠和交叉地布置在薄膜的整个表面，并且使得两个相邻零件的最高点的平均间距约为35μm。
对这些薄膜的光重新导向性能的检验，将薄膜有图形的一面远离光源，采用漫散的Lambertian光源。用相对照度跟角度关系在0°方位角的曲线，来比较光亮度的增加。图12显示比较的结果，其中151(曲线)对应于Lambertian光源的相对照度跟角度的关系。将本发明和对比薄膜的相对照度跟角度关系的其它曲线，按轴向光增益递减顺序排列为：153-比较例1，155-比较例2，157-发明例1，159-发明例2，161-比较例3。
本发明的光重新导向薄膜跟上面列出的各比较例对于莫尔图形的性能是用观察来评价的。在高度漫散的Lambertian白光源下检视各薄膜。每个薄膜放置得使它的各元件在薄膜上的分布让其长轴平行顺排于液晶显示器的RGB阵列。偏离轴线做观察，这样可看见莫尔图形的最差的情况。用各个光重新导向薄膜来做手提式显示器的通常清晰度范围的检测，用观察来评估莫尔图形，然后彼此比较来评级。液晶屏的清晰度(分辨率)为：0.3075mm，0.298mm，0.279mm，0.264mm，0.2250mm，0.2175mm，和0.2055mm。将各薄膜评为0-5级，0为没有莫尔图形，5指莫尔图形最强。观察评级按照下表：
  评估级别   莫尔图形出现状况界定
  5   很差
  4   差
  3   中等
  2   少许
  1   很少
  0   无
对得到的数据作了归一。下图显示评级数据，本发明和对比例的莫尔图形的相对评级结果：
Figure S05845752920070705D000171
尽管莫尔图形和轴向光亮度分别都对液晶显示器系统中薄膜性能很重 要，但平衡处理莫尔图形减弱和轴向光增益对于液晶显示器的总体性能是关键性的。市售的(薄膜)没能充分满足既减弱莫尔图形又不明显减弱轴向光亮度这种要求的挑战，现有技术的尝试也未取得成功。图11显示了光重新导向薄膜的轴向光增益跟莫尔图形减弱的光学优选法图(轴向增益数越高则轴向显示越亮，莫尔图形数越高则系统内莫尔图形的量越多)。理想地，完善的光重新导向薄膜将处于图中左上角，即有高的轴向增益而没有莫尔图形。现实中，莫尔图形跟轴向增益是负相关的，用来减弱莫尔图形的方法也会对轴向亮度有负面影响。液晶显示器工业中，清晰度提高时(也使莫尔图形更明显)，制造商们期望有一个折中位置，该处莫尔图形明显减弱，而轴向亮度的损失则最小，该位置示于图11的包含点145和147的方框内，分别代表发明例1和例2。现有技术没能得出满足这一判据的薄膜，所得的薄膜要么减小了光增益却没能明显减弱莫尔图形，要么很好减弱了莫尔图形但对许多用途来说光增益较低。对应比较例2的点143减弱了莫尔图形，但是如图11所示，它相比点141(对比例1)减弱了轴向光增益，而且减弱莫尔图形不明显。另外的尝试，对比例3的点149，生产的薄膜有很低的莫尔图形，但是对某些应用，对比例3的薄膜缺乏足够的轴向光亮度。
因为本发明的薄膜用聚碳酸酯高分子材料制成，所得到的光重新导向薄膜，相比用UV固化的较脆弱的棱柱体结构所制成的控制材料，是牢固、抗擦伤和抗磨损的。并且，业已得知聚碳酸酯高分子材料，能够满足LCD背投光组件需求的条件，提供可靠的光学性能。
以上特别参照几个较佳的实施方案详细描述了本发明，但是应该理解，在本发明的精神和范围内各种变化和修改都是可能的。
元件列表
1；单个弯曲楔形单独光学元件
3；弯曲表面
5；平面表面
7；突出边缘
11；单个弯曲楔形单独光学元件
13；曲率半径
23；弯曲光楔元件
27；元件
31；零件
33；弯曲边
35；平直边
37；零件
38；弯曲边
39；平直边
41；光操控薄膜的截面
43；间距
44；间距
45；间距
46；间距
47；薄膜截面的一部分
100；显示器
101；光源
103；背反射片
105；光导
107；漫散射片
109；光重新导向高分子薄膜
111；液晶显示器模件
121；显示器
123；光源
125；背反射片
127；光导
129；漫散射片
131；光重新导向薄膜
133；光重新导向薄膜
135；液晶显示器模件
141；对比例1
143；对比例2
145；发明例1
147；发明例2
149；对比例3
151；光源的相对照度跟角度的关系图
153；对比例1的相对照度跟角度的关系图
155；对比例2的相对照度跟角度的关系图
157；发明例1的相对照度跟角度的关系图
159；发明例2的相对照度跟角度的关系图
161；对比例3的相对照度跟角度的关系图
171；显示器系统
173；光源
175；光重新导向薄膜
177；楔形零件
179；显示器
181；显示器系统
183；光源
185；光重新导向薄膜
187；楔形零件
189；显示器

Claims (9)

1.一种将光线重新导向的薄膜，包括在高分子薄膜或基板的至少一个表面的上面或里面的多个单独的高分子光学元件，所述各个光学元件具有至少两个表面，这两个表面至少有一个为弯曲的，其特征在于，上述弯曲表面的曲率半径在0.8-20毫米范围内，所述光学元件具有的长度在800-4000微米范围内。
2.如权利要求1的薄膜，其中所述各个光学元件的宽度在15-60微米范围内。
3.如权利要求1的薄膜，其中所述各个光学元件彼此相对转动。
4.如权利要求1的薄膜，其中所述各个光学元件彼此相对错开，并且彼此交叉。
5.如权利要求1的薄膜，其中所述各个光学元件位置无规则地放置。
6.如权利要求1的薄膜，其中所述各个光学元件在它们的最高点处具有内夹角在80°-110°的截面。
7.一个显示系统，包括一个背投光组件，它含有至少一个光源和至少一个使得从所述背投光组件接收到的光重新导向的光重新导向薄膜，所述那个光重新导向薄膜包括一个高分子薄膜或基板，在该高分子薄膜或基板的至少一个表面的上面或里面具有多个单独的高分子光学元件，这些光学元件具有至少两个表面，这两个表面至少有一个为弯曲的，其特征在于，上述弯曲表面的曲率半径在0.8-20毫米范围内，所述光学元件具有的长度在800-4000微米范围。
8.如权利要求7的显示系统，还包括第二个光重新导向薄膜，其相对于所述那个光重新导向薄膜被旋转，使得该两个光重新导向薄膜上的光学元件的长度方向彼此所成角度在80°-100°之间。
9.如权利要求7的显示系统，其中所述各个光学元件的宽度在15-60微米范围内。
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