CN101324726A - 双面转向膜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双面转向膜。用于显示器的背光装置包括(1)侧光光源，(2)导光板和(3)转向膜，该转向膜包括入射和出射表面，包括出射表面上的透镜元件和在入射表面上的棱镜结构，其中选择各特征参数以及膜厚度的平均值以向导光板出射表面提供相对法线±10°的峰输出角度以及至少1.25的光增益。还公开了制造该转向膜的方法以及含有该背光的显示器。

Description

双面转向膜
技术领域
本发明一般涉及由转向膜(turning film)、尤其是在两个表面上都具有微结构的转向膜增强发光强度的显示照明。
背景技术
用于膝上型电脑和其他个人计算和通信装置的便携式液晶显示器(LCD)需要紧凑且相对高效的背光单元。在许多单个观众使用的LCD显示器中，仅需要较窄的视角。提供主要朝向观众即法线方向上的照明的有效背光单元符合这种要求并需要较少的能量，从而节省了电池能量。另外，窄视角LCD保护了隐私，这在公共场所使用LCD是很重要的。
提供所需类型照明的一种方案是利用直接进入导光板(LGP)的灯光，导光板一般与一种或多种使光线改向和调整的膜相组合。为此目的，已经研发了不同类型的LGP。一些类型的LGP利用印刷圆点或是其他散射表面机构提供具有宽角度范围的散射、发散光。其他种类LGP是锥形或楔形的，并利用全反射(TIR)提供基本准直的输出光，主光线相对于法线有相对较大的角度。利用这两种方法，由位于纽约鲍德温的阿斯特拉(Astra Products，Baldwin，NY)提供的
Figure A20081014467200051
HSOT(Highly Scattering Optical Transmission高散射光透射)导光板，利用一种使用前向散射(forward scattering)的LGP来提供基本均匀的背光，并且LGP同时是锥形的，从而提供与法线有角度偏离的照明。为了将光改向至观看者，HSOT导光板使用了方向转向膜。
在利用传统转向膜的照明装置中，一般面散射体或体散射体与楔形角组合使用，以引出(extract)光，所述光已经在平行于管状冷阴极荧光(CCFL)光源的方向上稍微准直。使用无效破坏的(frustrated)全反射(TIR)机构，楔形光导以相对于光导表面的闪烁角为转向膜提供光。HSOT导光板以及类似的方向转向膜利用不同组合排列的棱镜结构阵列，以使来自导光板的光改向朝向法线，即，相对于二维表面的0度方向。
参照图1，其示出了导光板10在显示装置30中的全部作用。来自光源12的光入射在输入表面18上并进入锥形导光板10。光在导光板10中传播直到全反射(TIR)条件被破坏，然后可能从反射表面42反射，在输出表面16上离开导光板10。相对于法线N，从导光板10离开的光出射角度相当大，一般在约40至88度的范围内。此光然后进入转向膜22并朝向法线改向以照射诸如LCD或其他二维背光组件的光选通(light-gating)器件20。
为了沿二维表面散布光，导光板10和其支持组件一般被设计为既提供改向光线又提供减小光束角度发散的校直量。例如，授予Tai的美国专利US5,854,872，题为“发散角旋转体系统及校直光束的方法”，其公开了一种导光板，该导光板利用伸长(elongated)的微棱镜阵列改向并校直来自一个或多个光源的光。在Tai的‘872专利公开的装置中，导光板在光射输出面上具有第一组棱镜结构，其在一个方向上伸长，以提供校直，所述导光板在相对面上具有第二组棱镜结构，其在正交方向上伸长，并提供校直和TIR反射。现存在若干种运用该基本布置的变型。例如，授予Whitney等人的题为“与背光显示器一同使用的光导”的美国专利US 6,576,887，其公开了一种均匀性优化的光导，其中转向膜22的输出表面上的各结构可无规分布以提供更均匀的输出。授予Gardiner等人的题为“具有可变角度棱镜的光学膜”的美国专利US 6,707,611，其公开了一种光转向膜的变型，其具有减少可感觉到的波纹的排列。
已经描述了一些转向膜，例如，授予Higuchi等人的题为“面光源器件及不对称棱镜片”的美国专利US 6,222,689；授予Oe等人的题为“平面光源单元”的美国专利US 5,126,882；以及授予Ohkawa的题为“光控制片，面光源器件及液晶显示器”的美国专利US 6,746,130。在专利文献中描述了多种优化定向2-D转向膜设计的方法。例如，在Gardiner等人的’611文献中描述了在转向膜的入射表面上棱镜表面的优化几何排列。授予Yamashita等人的题为“平面光源系统及其光偏转器件”的美国专利US6,669,350公开了一种在入射光表面上的伸长棱镜结构的拱形分布。授予Suzuki等人的题为“光学膜及利用该膜的液晶显示装置”的美国专利US 5,600,462公开了一种典型的排列，其中转向膜在入射光表面上具有伸长的棱镜结构并且在发光表面上具有散射元件。然而，为了提高发光强度，这种在同一光学膜上同时使用了散射和光定向元件的设置需要有些折中。
传统的转向膜将来自导光板10的入射光朝向法线改向，与法线成较小角度范围。在此范围之外的光以接近法线的角度被改向。一种用于扩展改向光角度范围的优化方法涉及转向膜22的输入面上的棱镜几何排列。图2A示出了转向膜22的一小部分，其中棱镜结构24在横截面上具有基本等腰(isosceles)形状。即，在转向膜22的输入面上，峰半角α等于峰半角β。就此附图以及随后的各附图而言，如图所示，对于从转向膜22出射的光，光线C的角度相对法线N而言。
图2B的曲线图示出了具有这种排列的转向膜22，其相对于法线(0度)的发光强度响应。针对从LGP输出并入射进转向膜22的光，入射光发光强度曲线45标绘了发光强度对角度的关系。如该曲线所示，入射到转向膜22的光具有较高的方向性并且其峰值光强在离法线(0度)约70度左右。输出光发光强度曲线46示出在转向膜22的输出获得的效果。此处，强度基本上与LGP的输出光相同，但角度改变了，现在集中在0度左右。这种朝向法线的有利角度移动有助于最大化背光照明系统的总效率。
授予Higuchi等人的题为“面光源器件及不对称棱镜片”的美国专利US6,222,689公开了一种转向膜，其中峰半角α和峰半角β的相对大小是不相等的。当与入射光的角度正确匹配时，此种类型的膜可提供改进的性能。图3A示出了转向膜22的一小部分的横截面图，其中棱镜结构24的峰半角α小于峰半角β。图3B示出了针对利用图3A的已变几何形状，0度法线观测角每一侧的光的发光强度曲线48。如图所示，利用这种角度调整获得的发光强度约增长了大于10％左右。通过改变棱镜结构形状以改进转向膜性能的其他努力，例如，授予Yamashita等人的题为“平面光源系统及其光偏转器件”的美国专利US6,669,350，在发光强度方面已达到中等水平。
对于双面光学膜的制造，包括一些转向膜和各种亮度增强元件，已经提出了多种方法。许多方法都是施加一种或多种涂层材料到作为载体的移动腹板上，利用图案化辊子形成所需表面特征。例如，Ookawa等人的美国专利US6,628,460“透镜片及其制造方法”公开了一种双面透镜(lenticular)荧光屏，其中，在屏的入射和出射这两个相对表面上的各透镜结构的各行在基本平行的方向上延伸。对于膜的每一面，将可固化树脂施加到透明基底载体上，然后定型并固化形成光改向元件。还有将可固化聚合物施加到透明载体上的其他方法，例如，在Nelson等人的题为“具有瑕疵减少表面的微褶皱元件”的美国专利申请US2006/0210770；Huizinga等人的题为“用于在对准中产生双面图案腹板(web)的装置和方法”的国际申请公开WO2005/025837；以及Dobbs等人的题为“具有莫尔条纹减少表面地微褶皱元件”的美国专利申请US 2006/0209428。
已经有用于制造双面光学膜的许多其他方法，包括层叠方法。形成分开的各片，每片具有膜的相对面所需的特征。然后这些片层叠在一个载体上或是彼此直接层叠以形成一完整的元件。也可使用模压技术在移动腹板上形成双面光学膜。
然而，每一种传统方法都存在一些问题，尤其是，必须获得形成在光学膜相对各面上的各结构的精确对准。对于使用图案化辊子的方法，例如Ookawa等人的’460和Dobbs等人的’9428所公开的，在各对图案化辊子之间必须维持近距离光线(close radial)的同步，从而确保形成在每个表面上的功能元件(feature)精确对准。可证实层叠方案是复杂的，因为在叠层转移过程中产生的热可影响所使用的塑料片材料的尺寸精度。
由于增强了对电子显示装置更紧凑封装以及提高亮度效率方面的需要，以及没有希望明显改进现有的用于背光传输的光散射方法，因此，对提供高校直度的光改向方案就有了非常强烈的需要，以便在显示器观测方向上显著提高亮度。对于这些方案的实施，还需要改进的制造技术。尤其是，希望产生带有转向膜的背光，其可使来自侧光源的光具有从法线至LC单元±10°的峰输出角度和至少1.25的光学增益。
发明内容
本发明提供一种用于显示器的背光装置，包括(1)侧光光源，(2)导光板，和(3)包括光入射和光出射表面的转向膜，在出射表面上具有透镜元件，并在入射表面上具有棱镜结构，其中选择各功能元件的参数平均值和膜厚度，以提供相对于导光板光出射表面法线的±10°的峰输出角度，以及至少1.25的光学增益。本发明还公开了背光、制造转向膜的方法以及含有该背光的显示器的实施例。
本发明的优点在于，对于显示器来说，本发明相比传统的亮度增强膜可提供更紧凑的解决方案，并由一个元件提供光校直和光改向两个组合作用。
本发明的另一优点在于，其对于光选通器件提供了改进的轴上亮度水平。
对本领域的技术人员来说，通过参照附图阅读下面的详细描述，本发明这些和其他的目的、特征和优点将显而易见。其中附图示出并描述了本发明的示意性实施例。
附图简要说明
虽然说明书以特别指出并清楚要求本发明主题的权利要求结束，但可以相信，结合附图可更好地理解下面的描述，其中：
图1是侧视简图，其示出了具有单独校直和改向机构的现有导光板的基本改向作用；
图2A是示出转向膜一部分的侧视横截面图；
图2B是示出图2A实施例的发光强度响应的图表；
图3A是示出转向膜一部分的侧视横截面图；
图3B是示出图3A实施例的发光强度响应的图表；
图4A是示出根据本发明的不具有偏移尺寸的双面转向膜一部分的侧视横截面图；
图4B是示出图4A实施例的发光强度响应的图表；
图5A是示出根据本发明的具有较佳偏移尺寸的双面转向膜一部分的侧视横截面图；
图5B是示出图5A实施例的发光强度响应的图表；
图6是示出根据本发明的包括具有较佳偏移尺寸的双面转向膜的显示装置的侧视图；
图7是示出在一实施例中引起串扰(crosstalk)的光路径的侧视图；
图8是示出在另一实施例中，对于位移了的透镜结构的光路径的侧视图；
图9是示出在另一实施例中，对于位移了的透镜结构的光路径的侧视图；
图10是示出图9实施例的发光强度响应的图表；
图11A是示出本发明一实施例中转向膜的侧视图；
图11B是示出图11A实施例的发光强度响应的图表；
图12是根据本发明的转向膜一部分的透视图；
图13是示出本发明的具有变化的功能元件的双面转向膜的侧视图；
图14A是示出本发明的利用离散微结构的另一实施例的透视图；
图14B和14C是图14A转向膜的横截面图；
图14D是示出图14A转向膜一小部分的透视图；
图15A和15B是具有不同偏移尺寸的双面转向膜一部分的侧视图；
图16示出了用在本发明转向膜制造中的控制环路；
图17示出了本发明的层叠步骤；
图18示出了本发明的用于同时形成两个图案的无载体挤出步骤；
图19示出了用在本发明一个实施例中的功能化(featured)辊；
图20A是示出在一个实施例中利用功能化鼓制造本发明转向膜的透视图；
图20B是图20A的功能化鼓排列的横截面图；
图20C是图20A的装置的界面部分的放大图；
图20D和20E是部分放大图，分别示出了如图20A所示的功能化辊之间的辊隙界面；
图21示出了本发明利用挤出和压花(embossing)阶段的两步骤方法；
图22示出了分别形成每个图案侧面的本发明的两步骤方法；
图23示出了形成本发明转向膜的利用挤出和光刻蚀步骤结合的两步骤方法；以及
图24A，24B，24C，24D示出了根据本发明制造的双面转向膜的显微照片。
具体实施方式
本说明书是指导性的，尤其对那些成为根据本发明装置的一部分的元件或是较直接地与本发明的装置共同工作的元件。可以理解的是，不特别示出或是描述的这些元件可以采用本领域的技术人员公知的各种形式。
至少以下面的模式示出本发明。
I用于显示器的背光装置包括(1)侧光光源，(2)导光板，(3)转向膜，其包括可熔融挤出和可热成形聚合体材料，该转向膜包括在膜的入射表面上的棱镜结构和在膜的出射表面上的透镜元件，其中：
(a)各棱镜结构由平均顶角(α+β)和平均节距(Q)定义；
(b)各透镜元件由平均节距(P)和平均曲率半径(R)定义；
(c)各棱镜结构和各透镜元件以平均量X偏离对准，以及
(d)膜具有平均厚度T；
条件是选择各平均值以提供入射到LC单元的相对法线±10°的峰输出角度以及至少1.25的光增益。
II.用于显示器的背光装置包括(1)侧光光源，(2)导光板，(3)包括光入射表面和出射表面的转向膜，透镜元件在出射表面上，棱镜结构在入射表面上，其中：
(a)各棱镜结构由平均顶角(α+β)和平均节距(Q)定义；
(b)各透镜元件由平均节距(P)和平均曲率半径(R)定义；
(c)各棱镜结构和各透镜元件对准偏离平均量(X)，以及
(d)膜具有平均厚度(T)；
条件是选择各平均值以提供相对法线的±10°的峰输出角度以及至少1.25的光增益。
III.制造在每一面都具有图案的腹板的无载体方法，包括下面的步骤：
(a)加热材料形成腹板；
(b)以受控制的速度将材料注入第一腔体；
(c)在第一腔体的整个槽的长度上分布原材料；
(d)将所述材料压入由第一外平台表面、第二外平台表面和第一辊子表面形成的第二腔体，以通过在高压下部分固化所述原材料在腹板的第一表面上形成第一图案；以及
(e)使所述部分固化的原材料通过在所述第一辊子和第二辊子之间形成的辊隙，从而利用第一和第二辊子之间的压力形成腹板第二表面上的第二图案。
IV.在腹板的相对面上具有对准图案的光学元件的腹板或片的制造方法，包括以下步骤：
(a)利用或不利用载体板，在腹板的每一侧形成彼此对准并以纵向取向的光学元件图案；
(b)对完成的腹板取样，确定在腹板宽度的不同点上各光学元件图案的特性；
(c)根据取样结果调整腹板上的各光学元件的图案的对准。
V.在每个侧面上都具有图案的腹板的制造方法，包括：
(a)利用固化方法形成一个表面上具有第一图案的腹板，其中第一图案平行于纵向；
(b)熔化聚合材料，形成第二图案表面；
(c)以受控速度泵送材料使其通过挤出模具形成熔融幕帘(curtain)；
(d)将所述材料引导进入由第一辊子和腹板形成的辊隙，第二辊子在高压下部分固化所述材料以在该腹板的相对表面上形成第二图案，其中第二图案平行于纵向；以及
(e)当腹板大约到达聚合材料的玻璃化转变温度时，在冷却和剥离腹板的同时沿着辊子之一的表面引导腹板。
VI.每个面上都具有图案的腹板的制造方法，包括：
(a)利用固化方法形成一个表面上具有第一图案的腹板，，其中第一图案平行于纵向；
(b)利用固化方法在相对表面上形成第二图案，其中第二图案平行于第一表面。
VII.每个面上都具有图案的腹板的无载体制造方法，包括以下步骤：
(a)加热材料以形成腹板；
(b)以受控制的速度将材料泵送入第一腔体；
(c)沿槽的长度将材料分布在第一腔体内；
(d)将所述材料压入由第一外平台表面、第二外平台表面和第一辊子的表面形成的第二腔体，以通过在高压条件下部分固化所述材料在腹板的第一表面上形成第一图案；以及
(e)使所述部分固化的原材料进入在所述第一辊子和第二辊子之间形成的辊隙，从而利用第一和第二辊子之间的压力在腹板第二表面上形成第二图案。
VIII.每一面上都具有图案的腹板的无载体制造方法，包括以下步骤：
(a)熔化聚合材料，形成腹板；
(b)以受控制的速度将材料泵送通过挤出模具形成熔融幕帘；
(c)将所述材料引导进入由第一辊子、第二辊子形成的辊隙；并在高压下部分固化所述材料，以在该腹板每侧形成平行于纵向的图案；以及
(d)当腹板大约到达聚合材料的玻璃化转变温度时，在冷却和剥离腹板的同时沿着辊子之一的表面引导腹板。
IX.具有前述背光的显示器
本说明书提供的各附图示出了全部的结构形状以及操作及制造的原理，并没有考虑到比例。在许多情况中，为了更好的描述本发明的装置和方法，相对比例可能被放大了。在本文中通过实施例提供了典型的尺寸数据，但这些数据是非限定性的。本领域的技术人员将认识到可提供某些尺寸变化，并且其在本发明的范围内。
许多传统的转向膜，例如上述背景技术部分中Higuchi等人的’689号专利所公开的，在膜的入射光侧上使用了棱镜表面结构，并在相对侧上具有平坦表面。如上述背景技术部分提到的，这种基本设计的变型包括改变膜的输出侧，包括相对入射侧上的棱镜结构正交设置的第二棱镜表面，或是在输出表面上使用散射结构。
本发明对传统改向元件设计采用逆向直观方法，提供一种具有各结构组合的转向膜以提高发光强度，所述结构对来自导光板的入射光同时起到TIR和折射作用。参照图4A，示出了转向膜36一小部分的横截面图。在该实施例中，在改向输入表面或是光进入表面上的棱镜结构24在入射光表面上的峰半角α基本上等于峰半角β；然而，通常，角度α和β无需相同。在图4A的视图中，棱镜结构24是线性伸长的，排列成行的棱镜结构24在垂直于纸面的方向上延伸。在相对的光发射表面或是光射出表面上，透镜元件26在与棱镜结构24相同的方向上线性伸长，即，也垂直于纸面。根据此横截面图，各棱镜结构24以节距Q隔开。各透镜元件26以节距P隔开。在图4A的例子中，节距P＝Q。在一个实施例中这些结构的典型尺寸值如下：
R＝75μm
P＝Q＝50μm
d＝150μm
α＝β＝33°
所示的各值适于某些实施例，仅是示意性的；其他尺寸值可更适于转向膜36的特定应用。峰半角α和β可以不相等，并在28°至38°的范围内。膜芯厚度d可在50μm至350μm的范围内。棱镜结构的高度也可在5微米内变化，以便与导光板产生距离(stand-off)。通常，优选使节距P在制造方法所允许的范围内经可能的小，一般在约15至约100微米的范围内。膜可包括一种、两种或三种材料，即，棱镜结构24，芯层25和透镜元件26可以是或可以不是同一种材料。通常，棱镜结构具有较低的折射率，透镜元件26最好具有较高的折射率。一般，适用于该转向膜的材料的折射率在约1.2至1.9的范围内。
图4B示出了图4A实施例的发光强度曲线50。发光强度曲线50的特征在于在法线方向附近(约-8.5度)与传统转向膜相比提高了发光强度增益(约1.50)。然而，如图4A所示，存在一个以约+8.5度为中心的附加串扰部分51。这将有利于减少串扰部分51中的发光强度总量并以更接近法线的角度改向该光。
通常，光串扰效应易于使光偏离所需的法线输出方向。为了理解本发明所选择的方案如何校正这种类型的串扰，理解串扰机理本身是首要的。参照图7，示出了来自导光板10的两入射光线A和B的路径。在光线A的角度处的光被棱镜结构24a的一侧面32反射，并因此以几乎垂直的出射角θa被通过透镜元件26a。然而，在光线B的角度处的光与侧面32的角度稍稍不同，与角度A的光相比更远离法线。该光被棱镜结构24a的侧面32反射，并由此通过透镜元件26b。光线B的出射光相对于法线倾斜角度θb，其中，平均起来，角θb＞＞角θa。这至少引起了一些光串扰量。由于这种现象导致的串扰量可以较小，但一般是可测量的，如图4B的图表中示出的串扰部分51。
参照图5A，示出了转向膜36a的一小部分的横截面图，其特征是本发明所述的较好偏离尺寸X。通过比较转向膜36a和示于图4A中的转向膜36，可以观察到，这些实施例中当节距尺寸P和Q保持相同并基本相等时，透镜元件26和与它们成对的棱镜结构24之间的空间对准偏移偏离尺寸X，对于此实施例：
X＝10μm(周期P的20％)
偏离尺寸X可被认为是延伸的棱镜结构24和延伸的透镜元件26的对准偏离(out of registration)的范围。从图5A的横截面透视图可以看出，对准偏离距离X是在光传播方向上棱镜结构24的峰角56空间离开最近的透镜元件26的光轴O的距离；从图5A或图8的横截面透视图可以看出，对准偏离距离X或者是在主光的光传播方向上棱镜结构24的沟槽离开最近的透镜元件26的最近沟槽的距离。每个棱镜结构24因此与一个相应的透镜元件26成对，在它们之间存在对应的偏离位移X。偏离尺寸X可在一尺寸范围内变化；对于给定节距的排列，最佳对准偏离可根据来自导光板10的光的角度特征计算出来，或可凭经验确定。通常，以节距P的分数设定的下述范围可为许多应用中偏离尺寸X的实际范围：
.08P＜X＜.65P
X/P比值更优选的范围在约0.1和0.3之间。
应注意的是，具有偏离尺寸X/P的转向膜与具有偏离尺寸为-X/P或是1-X/P的转向膜物理上相同。它们彼此之间的区别仅在于围绕膜法线N作了180°旋转。然而，因为从导光板10输出的光的方向性，对于给定的具有特定光传播方向的导光板，具有偏离尺寸值X的转向膜不同于具有-X/P或是1-X/P偏离尺寸的转向膜。在所有的相关附图中，包括图1，2A，3A，4A，5A，6，7，8，9，11A和13A，光一般从左侧向右侧传播，而不是从右侧向左侧传播。
参照图8，示出了透镜元件26偏移偏离尺寸X的重要影响。通过比较图7中画出的光路，光线A和B现在都被导向到同一透镜元件26a。因此，光线A和B基本上都被改向到法线方向上。线段(ray segment)28示出了改向光线；线段29示出了基本上校直的光线。因为棱镜结构24a和透镜元件26a成对共同工作以朝向目标角度改向并校直光线A和B，在特定情况中是靠近法线的，偏离尺寸X由一对相应的棱镜结构24a和透镜元件26a限定。同样的，偏离尺寸X也可由另一对相应棱镜结构24b和透镜元件26b限定。
图5B示出了图5A的偏离排列的发光强度曲线54。通过与图4B所示的发光强度曲线50相比较，发光强度曲线54示出了图5A实施例的发光强度的一个额外增长，增益约2.38，而图4B中的增益约为1.50。然而，比较图4B的曲线50，图5B的发光强度曲线54在约8.5度处显示出可测量的减小的串扰效应，并且峰角偏移至更靠近法线方向(大致集中在约0.5°).
在图4A和图5A示出的实施例中，节距尺寸P和Q基本上相等，在峰角获得高发光强度(在图4B中，峰角在约-8.5度)。在一些情况中，节距值Q作为节距值P的整数倍，有可能增强0度发光强度。即，当P和Q之间存在整数倍数关系时，即当Q＝nP时，n为整数时可增强0度发光强度。此处，整数n最大为5。当n为2或更大时，每个棱镜结构24与两个或多个透镜元件26合作。优选的是，整数n不大于3；最优选的例子是n＝1，因此P＝Q，如图4A和5A所示，并且每个棱镜结构24与相应的透镜元件26成对。
必须注意到，在一些情况中，P和Q之间的整数倍关系(其中n为2或更大时)不会相对于法线增强发光强度(即0度发光强度)。作为一般的惯例，当节距Q不等于节距P或是节距P的某些整数倍时，倾斜方向上的至少一些部分的光线存在分离和折射，而不是朝向法线。例如，参照图11A，示出了P和Q节距值不相等的转向膜36c。图11B的图表示出了由此不相等的P和Q节距形成的发光强度曲线56，增益约1.30，且峰角为约0.5度。
对于此一般惯例也有一些例外，当节距Q不是节距P的整数倍时，串扰是最小的。然而，在实践中，为了使本发明的转向膜36c具有改进的改向和校直、增强轴上0度照明，基本的整数倍关系Q＝nP是必要条件。
根据不同的因素，例如棱镜结构24的峰角，结构组件的尺寸，基底类型，和来自导光板10的入射光的角发光强度分布，透镜元件26的形状可以是对称的或是不对称的。在对称的情况中，透镜元件26的透镜形状可以是球面或是非球面。
透镜元件26还可包含散射元件。散射元件可包括粗糙涂层、整合成透镜元件的较小的微透镜或是包含在透镜元件结构中以提高输出角、柔和分离点并掩饰缺陷的散射附加物(addenda)。
如图5A所述，透镜元件26偏移偏离尺寸X在相对于入射角的适当方向应用时是有利的。在一些特定的应用中，需要一些实验值来确认最佳偏离尺寸X，这取决于一些因素，例如转向膜36a结构的其他尺寸及入射光的角度。如图9所示，具有任意偏离尺寸X的转向膜36b无益于增强光学串扰并因此降低了轴上均匀性。图10针对这种如图9所示不当使用偏离尺寸X的情况示出了发光强度曲线58。
图12示出了转向膜36d一部分的透视图(图12并不意欲按比例画出，但意在示出主要特征)。在入射光表面38上，各行线性伸长的棱镜结构24在方向D上沿着片状转向膜36d延伸。在校直输出表面40上，各行线性伸长的透镜元件26也在相同的方向D上延伸。
在图12所示的实施例中，都为线性伸长的棱镜结构24和透镜元件26沿着直线排列成行。这种排列易于制造，但是，在任一面或是两面上的这些行可以替换为具有更蜿蜒或是更迂回的路径，其可减小例如莫尔效应。即使是蜿蜒的路径，棱镜结构24和透镜元件26的各行也基本上是平行的。因此，如果使用了蜿蜒路径，节距P和Q也会保持相同的数值。
非常有益的是，注意到转向膜36d的结构明显不同于用于调节照明的其他类型的光学膜，例如由3M(明尼苏达州的圣保罗(St.Paul，MN))提供的亮度增强膜(BEF)。从图12可以看出，在BEF顶层和底层的光调节结构具有不同的尺寸、取向和作用。在大多数BEF实施例中，在同一膜或是相邻膜上的棱镜结构彼此垂直取向，以相对于x和y方向都调节光路。当特定的BEF实施例使用透镜元件时，使用一些折射组件以反射一部分光并透射一部分光。反射部分的光然后通过这些折射元件循环。这些组件通常与散射背光结合使用，而不是用于不涉及光循环的改善校直，如本发明。同样的，例如上述Suzuki等人的’462专利所公开的，转向膜的方案为了解决光散射而使用了透镜输出表面排列，而非为了光校直。区分图12所示膜与传统BEF和转向膜实例的另一显著差别在于入射光表面38及校直输出表面40上的各结构的相对尺寸，如下所描述。在两侧面上都具有微结构的膜(如Nelson等人的美国专利申请US 2006/0210770及Dobbs等人的US 2006/0209428，Huizinga等人的WO2005/025837，及King等人的WO2005/025845所公开的)都用于减少缺陷或莫尔效应。如Sasagawa等人的美国专利申请US 2005/0276071公开的双面具有微结构的膜用于在两个不同方向上形成图像，而不是在同一方向上提供高发光强度。
模型结果的概要
已经针对各种转向膜设计完成了模型，这些转向膜设计在面对导光板的表面上设置棱镜并在输出表面上设置透镜元件，模型对于改进转向膜设计展现出相当大的希望。与传统的解决方案相比，其已经获得了许多改进，不仅包括提高了强度，还包括获得了相对更好导向的光。下面的描述给出了当调整转向膜特征的不同尺寸参数时获得的结果数据。
下面的例子示出如何利用本发明选择角度、节距、曲率、对准偏离范围和厚度值以提供相对法线±15°的峰输出角以及至少1.25的光增益。简而言之，假设透镜元件紧密封装，则用在模型中的芯层25的厚度d与如下所述的膜总厚度T，峰半角α、β，节距P、Q及透镜元件的半径R相关：
T = d + Q cos ( α ) cos ( β ) sin ( α + β ) + ( R - R 2 - P 2 4 )
转向膜的光增益和峰角
通常，光分布由空间和角度分布表示。通过在导光板的顶侧面和/或底侧面谨慎地布置微功能元件可使光的空间分布十分均匀。光的角分布由作为极角θ和方位角的函数的发光强度I表示。光的角分布用EZ Contrast 160(由法国的埃尔迪姆公司(Eldim)提供)的测量。极角θ是在光方向和导光板的法线N之间的角度，与图2A和3A中示出的相同。方位角是投射到与法线方向N垂直的平板上的光与平行于导光板长度方向的方向之间的夹角。如图1中所示，导光板的长度方向垂直于光源12和法线方向N。光的角分布也可由作为极角θ和方位角的函数的亮度L表示。亮度L与发光强度I之间的关系为L＝I/cos(θ)。当极角θ接近90度时，亮度L变得与0度时的亮度显著不同，使L通常不适合于描述从导光板以较大极角出射的光。
简而言之，图2B、3B、4B、5B、10和11B所示的发光强度曲线示出了方位角为0度和180度时，作为极角θ的函数的发光强度。正极角θ对应于0度方位角，负极角θ对应于180度方位角。光分布的峰值强度与最大发光强度对应。光分布的峰角由产生峰值发光强度的极角限定。在图2B、3B、4B、5B、10和11B，发光强度曲线45的峰角约为70度，并且其峰值发光强度被归一化为1，其中发光强度曲线对应于与转向膜组合使用的导光板的输出发光强度分布。发光强度曲线46、48、50、54、56和58对应于透射过各种转向膜实例的光的输出发光强度分布。每个发光强度曲线限定了峰值发光强度和峰角。
转向膜的光增益由透射经过该转向膜的光的峰值发光强度与由导光板出射的光的峰值强度的比值确定。因此，转向膜的光增益并不取决于光源的绝对水平，而相当大部分取决于该转向膜的自身设计。
已经发现，可以根据两个临界值比较各种转向膜设计：透射过该转向膜的光的光增益(或简单的称为增益)和峰角。
角α和β的影响
根据本发明的一个实施例，如图5A所示，转向膜在两个侧面上都具有微结构，并且如表1A中列出的，预设折射率n＝1.50，d＝120μm，R＝75μm，X/P＝0.2，以及P＝Q＝49.995μm。如表1B所述，角α和β都选择在29°和37°之间，或是(α+β)之和在58°和74°之间。在表1B的每列标题示出的根据本发明实施例1.2至1.10，全部提供至少1.42的增益并且峰角在±6°之内。在比较例1.1中，α和β都等于38°，恰在所选择的范围29°至37°之外。在这种情况中，转向膜具有较低的1.17的增益。另外，当使用这些参数时，峰角为27.5°。恰在优选的范围±10°之外。在比较例1.11中，α和β都等于28°，也在所选择的范围29°至37°之外。此时尽管转向膜具有相对较高的1.83的增益，峰角为-21.5°，也恰在优选的范围±10°之外。
表1A
  曲线   角α   β  折射率n  厚度d(μm)   曲线曲率R(μm)   对准偏离比例X/P
  双   变化的   变化的  1.50  120   75   0.2
表1B-结果
  例子   类型   α＝β   增益   峰角
  1.1   比较例   38°   1.17   27.5°
  1.2   本发明   37°   1.42   4.5°
  1.3   本发明   36°   1.75   3.5°
  1.4   本发明   35°   2.01   2.5°
  1.5   本发明   34°   2.23   2.5°
  1.6   本发明   33°   2.39   0.5°
  1.7   本发明   32°   2.44   -2.5°
  1.8   本发明   31°   2.16   -2.5°
  1.9   本发明   30°   1.80   -3.5°
  1.10   本发明   29°   1.51   -5.5°
  1.11   比较例   28°   1.83   -21.5°
角α的影响
根据本发明的另一实施例，如图5A所示，转向膜在两个侧面上都具有微结构，并且如表2A中列出的，预设折射率n＝1.50，d＝120μm，R＝75μm，X/P＝0.2，以及P＝Q＝49.995μm，β＝33°。如表2B中的数据示出的，角α选择在38°和28°之间。根据本发明的例子2.3至2.10，全部提供至少1.49的增益，并且峰角在±6.5°之内.在所有的比较例2.1，2.2和2.11中，α在所选择的范围38°和28°之外。在比较例2.1中，转向膜峰角为28.5°，恰在优选的范围±10°之外。在比较例2.11中，转向膜峰角为-23.5°，也在优选的范围±10°之外。在比较例2.2中，转向膜峰角为7.5°，在优选的范围±10°之内，然而，其增益为1.23，低于优选的大于1.25的增益。
表2A
  曲线   角α   β  折射率n   厚度d(μm)   曲线曲率R(μm)   对准偏离比例X/P
  双   变化的   33°  1.50   120   75   0.2
表2B-结果
  例子   类型   α   增益   峰角
  2.1   比较例   40°   1.41   28.5°
  2.2   比较例   39°   1.23   7.5°
  2.3   本发明   38°   1.49   6.5°
  2.4   本发明   37°   1.74   5.5°
  2.5   本发明   36°   1.91   4.5°
  2.6   本发明   35°   2.19   3.5°
  2.7   本发明   33°   2.39   0.5°
  2.8   本发明   32°   2.38   -2.5°
  2.9   本发明   30°   1.94   -4.5°
  2.10   本发明   28°   1.49   -6.5°
  2.11   比较例   27°   1.61   -23.5°
透镜元件的曲率R的影响
根据本发明的另一实施例，如图5A所示，转向膜在两个侧面上都具有微结构，并且如表3A中列出的，预设折射率n＝1.50，d＝120μm，X/P＝0.2，P＝Q＝49.995μm，以及α＝β＝33°。半径R选择在45μm至250μm之间，或是在0.9P至5P之间，如表3B中所示。根据本发明的例子3.3至3.9，全部提供至少1.29的增益并且峰角在±2.5°之内。在所有的比较例3.1，3.2，3.10，3.11，3.12和3.13中，R在所选择的范围45μm至250μm之外，并且增益小于1.25。
表3A
  曲线   角α   β  折射率n  厚度d(μm)   曲线曲率R(μm)   对准偏离比例X/P
  双   33°   33°  1.50  120   变化的   0.2
表3B-结果
  例子   类型   R   增益   峰角
  3.1   比较例   30   0.69   -0.5°
  3.2   比较例   40   1.19   2.5°
  3.3   本发明   45   1.52   2.5°
  3.4   本发明   50   1.85   2.5°
  3.5   本发明   75   2.39   0.5°
  3.6   本发明   100   2.52   -0.5°
  3.7   本发明   150   1.62   0.5°
  3.8   本发明   200   1.37   1.5°
  3.9   本发明   250   1.29   1.5°
  3.10   比较例   300   1.23   -0.5°
  3.11   比较例   500   1.10   1.5°
  3.12   比较例   700   1.08   -4.5°
  3.13   比较例   900   1.06   0.5°
膜总厚度T或芯层厚度d的影响
根据本发明的另一实施例，如图5A所示，转向膜在两个侧面上都具有微结构，并且如表4A中列出的，预设折射率n＝1.50，R＝75μm，X/P＝0.2，P＝Q＝49.995μm，以及α＝β＝33°。如表4B中所示，芯层厚度选择在1μm至275μm之间，或是约在0P至5.5P之间。根据本发明的例子4.1至4.5，全部提供至少1.40的增益并且峰角在±1.5°之内。在所有的比较例4.6，4.7，4.8和4.9中，d在所选择的范围1μm至275μm之外，并且增益小于1.25。
应注意的是，膜总厚度与芯层厚度d，峰半角α、β，节距P、Q及透镜元件的半径R相关。假设透镜元件是紧密排列，可获得：
T = d + Q cos ( α ) cos ( β ) sin ( α + β ) + ( R - R 2 - P 2 4 )
若P＝Q，且 α = β = α + β 2 , 则 d p = T p - cos 2 ( α + β 2 ) sin ( α + β ) - ( R P - ( R P ) 2 - 1 4 ) 最好在0至5.5的范围内。
假设0.9≤R/P≤5且58°≤α+β≤74°，则
Figure A20081014467200224
优选在0.7至6.6的范围内。
表4A
  曲线   角α   角β  折射率n   厚度d(μm)   曲线曲率R(μm)   对准偏离比例X/P
  双   33°   33°  1.50   变化的   75   0.2
表4B-结果
  例子   类型 d(μm)   增益   峰角
  4.1   本发明 1   1.40   0.5°
  4.2   本发明 25   1.63   -0.5°
  4.3   本发明 120   2.39   0.5°
  4.4   本发明 225   2.25   1.5°
4.5 本发明 275 1.54 1.5°
  4.6   比较例 325   1.12   1.5°
  4.7   比较例 375   1.00   0.5°
  4.8   比较例 425   0.89   4.5°
  4.9   比较例 625   0.87   0.5°
折射率n的影响
根据本发明的另一实施例，如图5A所示，转向膜在两个侧面上都具有微结构，并且如表5A中列出的，预设折射率d＝120μm，R＝75μm，X/P＝0.2，P＝Q＝49.995μm，以及α＝β＝33°。如表5B中所示，折射率n在1.2至1.9之间选择。根据本发明的例子5.1至5.9，全部提供至少1.42的增益并且峰角在±3.5°之内。在所有的比较例5.10和5.11中，折射率n在所选择的范围1.2至1.9之外，并且增益小于1.25。
表5A
  曲线   角α   角β  折射率N  厚度d(μm)   曲线曲率R(μm)   对准偏离比例X/P
  双   33°   33°  变化的  120   75   0.2
表5B-结果
  例子   类型   N   增益   峰角
  5.0   比较例   1.15   0.85   3.5°
  5.1   本发明   1.20   1.50   1.5°
  5.2   本发明   1.30   2.29   -0.5°
  5.3   本发明   1.34   2.63   -0.5°
  5.4   本发明   1.40   2.66   -1.5°
  5.5   本发明   1.50   2.39   0.5°
  5.6   本发明   1.60   2.13   2.5°
  5.7   本发明   1.70   1.84   3.5°
  5.8   本发明   1.80   1.59   3.5°
  5.9   本发明   1.90   1.42   3.5°
  5.10   比较例   2.0   1.22   2.5°
  5.11   比较例   2.1   1.13   3.5°
表6A比率X/P和值(1-X/P)的影响
  曲线   角α   角β  折射率n  厚度d(μm)   曲线曲率R(μm)   对准偏离比例X/P
  双   33°   33°  1.60  120   75   变化的
表6B-结果
  例子   类型   X/P   增益   峰角
  6.1   本发明   1.0   1.9   -1.5°
  6.2   本发明   0.9   1.67   -4.5°
  6.3   本发明   0.8   1.49   -6.5°
  6.4   比较例   0.7   1.24   10.5°
  6.5   本发明   0.6   1.61   8.5°
  6.6   本发明   0.5   1.77   6.5°
  6.7   本发明   0.4   2.05   4.5°
  6.8   本发明   0.3   2.11   2.5°
  6.9   本发明   0.2   2.11   2.5°
  6.10   本发明   0.1   1.96   -0.5°
  6.11   本发明   0.0   1.9   -1.5°
根据本发明的另一实施例，如图5A所示，转向膜在两个侧面上都具有微结构，并且如表6A中列出的，预设折射率n＝1.60，d＝120μm，R＝75μm，P＝Q＝49.995μm，以及α＝β＝33°。如表6B中所示，比率X/P选择在0.8至1.0之间以及0.0至0.6之间。根据本发明的例子6.1至6.3以及例子6.5至6.11，全部提供至少1.49的增益并且峰角在±6.5°之内。在比较例6.4中，增益小于1.25，并且峰角在±10°范围之外。此外，X/P最优选在0.1至0.4之间。例子6.7至6.10的增益至少为1.96，比其他例子的增益更高。
图15A、15B是双面转向膜一部分的侧视图，示出了各种偏离尺寸。值X/P和(1-X/P)得到了相同的结果。提供比率X/P的膜可被水平旋转180度以得到提供比率(1-X/P)的膜的性能。
如表7A所示，例子7.1至7.11与例子6.1至6.11相同，除了以折射率n＝1.52取代1.60。在这种情况中，在0.0至1.0之间的任何比率X/P都可以得到至少1.44的增益，并且峰角在±8.5°之内。然而，再次说明，如表7B中所示，比率X/P最优选在0.1至0.4之间。例子6.7至6.10的增益比其他例子的增益更高。
表7A
  曲线   角α   角β  折射率n   厚度d(μm)   曲线曲率R(μm)   对准偏离比例X/P
  双   33°   33°  1.52   120   75   变化的
表7B-结果
  例子   类型   X/P   增益   峰角
  7.1   本发明   1.0   2.14   -2.5°
  7.2   本发明   0.9   1.93   -4.5°
  7.3   本发明   0.8   1.63   -6.5°
  7.4   本发明   0.7   1.44   -8.5°
  7.5   本发明   0.6   1.53   6.5°
  7.6   本发明   0.5   1.84   4.5°
  7.7   本发明   0.4   2.17   3.5°
  7.8   本发明   0.3   2.37   1.5°
7.9 本发明 0.2 2.35 1.5°
  7.10   本发明   0.1   2.23   -1.5°
  7.11   本发明   0.0   2.14   -2.5°
表8A峰半径的影响
  曲线   角α   角β  折射率n  厚度d(μm)   曲线曲率R(μm)   对准偏离比例X/P   峰半径(μm)
  双   33°   33°   1.52  120   75   0.2   变化的
表8B-结果
  例子   类型   峰半径(μm)   增益   峰角
  8.1   本发明   0   2.39   0.5°
  8.2   本发明   1   2.40   0.5°
  8.3   本发明   3   2.39   -0.5°
  8.4   本发明   5   2.23   -1.5°
  8.5   本发明   9   1.85   -3.5°
  8.6   本发明   11   1.59   -4.5°
  8.7   本发明   12   1.45   -5.5°
  8.8   本发明   13   1.32   -5.5°
  8.9   比较例   14   1.09   -5.5°
  8.10   比较例   15   0.97   -6.5°
根据本发明的另一实施例，如图5A所示，转向膜在两个侧面上都具有微结构，并且如表8A中列出的，预设折射率n＝1.50，d＝120μm，R＝75μm，P＝Q＝49.995μm，X/P＝0.8，以及α＝β＝33°。如表8B中所示，峰半径r选择在0.0至13.0μm之间，或0.0至0.26P之间。根据本发明的例子8.1至8.8，全部提供至少1.32的增益并且峰角在±5.5°之内。在比较例8.9和8.10中，增益小于1.25。应注意的是，图13中参照峰56a示出了峰半径r。当r为0时，峰是成锐角的。
转向膜特征的变化
对给定的应用，除了确定有助于优化转向膜性能的各尺寸参数的组合，本发明的方法还提供了转向膜表面特征的变化。图13示出了根据本发明的双面转向膜36e的各种变化。与示于图5A中的转向膜36a相比，转向膜36e具有如下所述一个或多个附加的或改变的特征。
适当的一个特征变化涉及面对导光板表面上的棱镜结构24的峰角。在更早描述的实施例中，已经示出了相对锋利的尖角。然而，更一般的是，如图13示出的例子，顶角56可具有一个特性形状的范围。顶点56可以是锐角，或可以是如峰56a示出的圆形的或曲线，或可以是钝角或是平坦的(未示出)。
通常，已证明锐角峰对于最大化光效率是最有益的，但是难于制造。在组装过程中，锐角峰表面甚至有擦划破坏导光板底面的危险。另一方面，圆的峰56a显示出许多实际的优点。圆形减少了潜在的划伤问题并易于制造。圆峰的曲率可在0.0至约13.0微米或是0至约0.26P的范围内变化。因此，棱镜结构24a的高度是可变化的。在此范围内，当与更优化的锐角峰角比较时，发光强度输出有些降低，然而，发光强度仍高于不使用透镜元件的传统转向膜。
转向膜设计的另一变化涉及沟槽57和57a，它们位于两棱镜结构24或24a之间。图13示出了形成锐角点的沟槽57和另一更圆的沟槽57a，其曲率在0至约13微米或是0至约0.26P的范围内变化。透镜元件26之间的沟槽可类似地变化为尖锐或是更圆。在透镜弯曲表面之间也可形成圆的或是平坦表面58。
可变化的棱镜结构、峰形状和沟槽形状的混合是可能的，包括在同一转向膜36e中不同结构和形状的混合。如图13所示，在同一膜中，在至少一个横截面维度中，各棱镜结构和各透镜元件26也可彼此不同。在所示的例子中，棱镜结构具有变化的节距Q和Q1。透镜元件26和26a也具有变化的节距P和P1以及变化的曲率R和R1。从而，偏离尺寸X也可从一成对的棱镜结构24和与其关联的透镜元件26或26a变化到下一个。然而，如图7、8和9所示，对于每个棱镜结构-透镜元件对(例如24a和26a，24b和26b)，其中棱镜结构和透镜元件对共同工作以改向并校直光线，相应的偏离尺寸X优选在0.08P至0.65P的范围内。应注意参考模型结果的示例范围及前述的P、Q、R、X值应理解为它们的相对平均值，这是指导性的。
棱镜结构24的一表面或是两表面都可具有相当数量的弯曲。尽管转向膜36的改向输入表面的主要作用是改向光，但其也可具有某些程度的校直效应。
对于在先描述的实施例，透镜元件26已经由其曲率半径R表征，已经示出该值基本上是一恒定值。然而，实验和模型显示出对于非球面的实施例是有利的，因此，例如，图13中在同一透镜元件26中的半径R2和R3彼此不同。例如在一实施例中，曲线R2，R3的半径可从45μm至250μm或是从0.9P至5P变化。透镜元件的透镜形状(在横截面中)可为非球面或是基本上的球面。
微结构的离散对
在一些实施例中，转向膜的入射光表面上的棱镜结构24在长度方向上延伸以横越转向膜的整个宽度或是长度。相应的透镜元件26从转向膜的一个边缘至另一个边缘同样的延伸。虽然这种布置对制造可能带来一些有利条件，但其他结构也是可行的。另一实施例利用了离散的微结构，在一个横截面中其呈现出与延伸的结构相同的，用于增强转向膜性能的形状及相对空间几何排列，在经过膜的垂直横截面上，不同于前述实施例的延伸结构。
参照图14A，从垂直面对LGP的入射光侧观察到的透视图，其示出了利用成对微结构的转向膜36f的一部分。棱镜结构70不再沿着转向膜36f的整个尺寸延伸，但彼此分离，具有使相邻的独立棱镜结构70彼此分离的中间缝隙，在长度和宽度方向上都有这些缝隙。
图14B和图14C分别是沿着参考线A-A和B-B的图14A所示转向膜36f的正交截面图。虚线框示出了离散微结构的代表离散对74，其中每一对74都具有一个独立的棱镜结构70和与其对应的透镜元件72。如另一实施例中的进一步变型，图14C中示出的离散对74还可具有非球面的透镜元件26，或是弯曲的或是本身具有曲率半径的独立棱镜结构70，如前参照图13所描述的。
图14D再次从B-B角度示出了转向膜36f的一小部分的透视图，并且转向膜36f稍稍倾斜以示出光发射侧面。在虚线框中描画出了对74。可以看到，离散的透镜结构72a和72b可被看作是转向膜36f表面上升起的“凸起”。如图14C中示出的截面图以及图14D的相应视图所示，离散结构对74可以以各种方式沿着转向膜36f的表面分布。在所示的例子中，当考虑纵向方向时，这些结构对74成相邻的行，但彼此间有些交错排列。因此，例如，图14D的视图示出了通过透镜结构72a的中间部分的截面片段，但片段通过相邻的透镜结构72b的末端部分。采用这种布置，转向膜36f可有利地减少不期望的图案问题，例如莫尔图形及其他表面缺陷，仅有较小的光效率损耗。
其他的变型也是可行的，例如使离散对74随机排列，以随机的方式规定离散微结构的尺寸或是伸长离散微结构的长度，或是沿着光转向膜的表面以各种角度使离散微结构取向。
离散对74可以以线性方式排列，沿着转向膜地宽度方向延伸排列为平行的各行。或者，离散对74可沿着更一般地蜿蜒的路径排列。
显示装置
参照图6，其示出了利用根据本发明转向膜36a作为照明子系统一部分的显示装置64。来自导光板10的入射光由每个棱镜结构24改向形成改向光，然后通过使用透镜元件26的校直表面校直，从而为例如LCD或其他类型的空间光调制器的光选通器件20提供基本校直的照明。
本发明的转向膜36a是一种改向制品，其在一个单一的组件中不仅同时具有校直和改向的作用，而且与传统类型的亮度增强解决方案相比提供了改进的轴上亮度。转向膜36a设计为与导光板一起使用，导光板一般提供相对一正交轴校直并且以相对较大的入射角引导的光。转向膜36a接收与法线成约40至约88度倾斜角的入射光。棱镜结构24提供在转向膜36a内一般以与法线成+10至-10度角度之间的改向的光。输出表面40的校直结构然后提供基本准直的输出光，其主光线或是中心光线优选在法线上或是靠近法线，或是其他优选角度，例如在与法线方向成20度的范围内。提供的基本校直的输出照明具有相对较窄的锥角，一般在与中心光线或是主光线成约+/-10度的范围内。
应注意的是，在本公开文本使用的术语“棱镜结构”泛指在一个截面上具有基本棱镜形状的任何结构。例如，参照图13示出的棱镜结构24、24a。在图14C中，示出了独立的棱镜结构70。
表9
经验数据
 实施例   峰角   增益
 比较例1   市售产品   -2°   1.15
 比较例2   市售产品   26°   0.74
 比较例3   66度TF，单面   -1°   1.05
 比较例4   66度TF，单面   23°   1.55
 本发明1   样品1   10°   1.92
 本发明2   旋转的样品1   4°   1.51
 本发明3   样品2   10°   1.62
 本发明4   样品3   -5°   1.48
 本发明5   样品4   4°   1.73
比较例1：
选择一市售的转向膜Diaart(位于美国纽约的三菱雷昂美国公司(MitsubishiRayonAmerica，Inc.，New York，NY))，其具有朝下的棱镜结构(更接近导光板)。Diaare膜仅在一个侧面上具有棱镜结构(单面)，每个棱镜的一侧上具有弯曲。其峰角约为66°，节距约为50μm，总厚度约为260μm。
比较例2：
与比较例1相同，除了将膜翻转过来，棱镜结构朝上。
比较例3：
选择由聚碳酸酯制成的单面转向膜，其峰角约为66°，棱镜结构朝下。该转向膜的每个棱镜的侧部都是直的。
比较例4：
与比较例3相同，除了将膜翻转过来，棱镜结构朝上。
发明1-5
选择由聚碳酸酯(n约为1.58)制成的不同的双面转向膜。双面转向膜的峰角一般为约68°±5°。曲率半径R＝75±30μm，P＝Q＝50±2μm。X/P从0.1至0.5变化。膜厚度T从200至240μm变化。各膜还具有圆的峰角，其峰半径r在2至10μm之间。
制造双面转向膜的方法
如上述背景技术中提到的，制造双面光学膜具有特殊的挑战，尤其是当在膜的相对侧面上的各功能元件必须精确对准时。如前参照图8和9所示，本发明的转向膜36的设计需要不大于几微米范围内的尺寸精度。正如光学膜制造领域的技术人员所意识到的，腹板为基底的制造方法(尽管对于形成转向膜36并不是必须的)具有许多优点，尤其是成本和速度方面。
本发明的方法和装置针对传统的双面膜制造方法(如本申请在前面的背景技术部分中给出的例子)采用了替换方法。利用图案化滚筒进行双面制造的传统方案面临的问题在于难于获得角度同步，角度同步是两个图案对准所必须的。例如，在先引用的Nelson等人的‘0770号申请中所披露的光学膜制造装置需要对要施加到透明载体上的每一聚合物层的辊子角度精确同步。为了在获得图案化滚筒的滚筒角度过程中达到所需的精度水平，Nelson等人的‘0770号申请披露每个马达使用两个编码器：一个安装在马达本身上，另一个沿着驱动马达轴安装在外侧。这需要相当复杂的布置，因为光学膜中的各沟槽沿着与图案化滚筒的轴相同的方向延伸。
本发明的方法与Nelson等人的‘0770号申请所公开的传统方法有许多不同点。通过将用Nelson等人的‘0770号申请中的装置形成的沟槽方向旋转90度，本发明消除了对精度编码器系统的需要，从而获得了微结构对准。当利用Nelson等人的‘0770号申请的方法时滚筒旋转的角度同步是十分重要的，而对于本申请的方法，滚筒旋转的角度同步重要性较低或者并不重要。取而代之的是，可通过在平行于滚筒轴方向上稍稍平移(translation)滚筒来校正补偿棱镜和透镜组件对的对准偏离。
制造本发明的转向膜36的特殊挑战涉及棱镜结构24的外形。通过传统的方法，例如压花，难于获得这些功能元件的相对尖锐的倾斜和高度需要。然而，如下所述，各方法的各种组合可用于膜制造。
参照图16的简图，其示出了用在转向膜36制造的各种实施例中的控制环路100。下面的描述显示了各种制造系统，它们可使用控制环路100来监测并校正棱镜和透镜结构的对准偏离。通过图案化辊子108和固定的反向(opposing)辊110之间形成的辊隙输送腹板106，以在相对的侧面上形成图案，在此腹板106是一面上形成有图案的的连续长度的基底。以这种形式形成了双面转向膜36，其可进一步被涂覆，或是对其进行其他的处理，或是沿着图16中箭头G给出的方向将其卷起以便运输和使用。沟槽57(图13)也在箭头G的方向延伸。
在控制回路100中，光源102引导光经过转向膜36，被光传感器104探测。光传感器104根据不同入射角的强度探测确定转向膜36是否正确地对准了各功能元件。再回到图5B，例如，以适当的角度设置光源102，对于给定光源102，当传感器104处的入射光具有一定范围内的峰值发光强度，并且在与法线成几度的范围内时，可正确地形成转向膜。当发光强度不在正确的范围中或是在特定的角度不具备足够的发光强度时，通过在轴方向F上位移图案化滚筒，或是通常位移腹板106来进行调节。控制逻辑处理器120(一般是专用的微处理器，但是任选多种类型的计算工作站装置的任意一种)都提供用来操作控制环路100的逻辑和控制组件，并且通过轴移位器(translator)114作微小的调整。这导致在转向膜36上的成对的透镜和棱镜结构对准中相应的变化。
传感器104可以是用于传感区域发光强度的多种类型的光传感器件中的任一种。例如，传感器104可以是日本托普康公司(Topcon)提供的亮度计BM-7，或是照相研究公司(Photo Research)提供的辐射分光计PR-650。或者，传感器104可传感材料厚度或是其他属性。
轴移位器114可以是多种类型的马达或是致动器中的任一种。例如，轴移位器114可以是由丹娜赫精密系统公司(Danaher Precision Systems)提供的BAZ-5电动机械定位器件，或是由德国卡尔斯鲁厄的PI(Physik Instrumente)有限公司提供的N215压电高负载致动器，或是定制设计的热机械致动器，该热机械致动器由金属环或块(block)组成，所述金属环或块受到限制以响应受控地温度增加，在平行于辊轴的方向伸长。可包括一个具有亚微米分辨率地增量式内衬编码器例如由伊力诺斯州谢姆堡的海德汉公司(Heidenhain，Schaumburg，IL )提供的LF481型号的编码器，以确认位置变化并向控制系统提供反馈。
在下面描述的制造实施例中，为了校正棱镜和透镜微结构的对准偏离，提供控制环路100监测转向膜36的光处理行为并实现轴调整。
参照图17，示出了一实施例，所述实施例使用加热辊子122进行层叠，以用两个分离的腹板116，118形成转向膜36。单独形成每块腹板116、118，以在一面上都具有微结构。粘合剂施涂器124为层叠施加必要的粘合剂。此处，控制环路100再次测量所制造的转向膜36的性能，并当需要校正对准偏离时引起一个或多个辊子的轴调整。在特写中，片段H示出从转向膜36的末端观看到的棱镜和透镜结构。在此实施例中，为了实现对准，轴移位器114在轴方向F上使辊子124发生位移。或者，轴移位器114可使层叠辊子122或一些其他辊子发生位移，所述其它辊子能够使腹板116的水平位置发生位移。
在另一实施例中，利用了图16的基本排列，腹板106的一个表面已经是特征化了的，例如已经例如通过压花，固化或是其他技术形成了透镜元件26。然后在挤出或是压花步骤中，通过图案化辊子108使腹板106的相对侧特征化。对于其他实施例，控制环路100监测转向膜36的光处理行为，并使用轴移位器114，以沿着其轴位移图案化滚筒108。
在又一实施例中，挤出步骤用于同时提供透镜和棱镜功能元件。其优势在于不需要单独的载体材料，因为在此步骤中腹板基底是自身形成的。参照图18，该步骤以简化示意的形式示出。来自挤出模132的熔融材料送入对置的图案化辊子108和130之间的辊隙中，以受控的速度形成熔融幕帘。如所示出的，一个图案化辊子130的轴上位置是固定的，另一图案化管子108沿轴方向F是可移动的。在每一面上形成的图案在纵向(即，在膜行进的方向，G方向)上延伸。当材料冷却到至少在其玻璃化转变温度附近时，从图案化辊子108和130上剥离。图18的实施例也可使用载体材料，从而载体基底被送入辊子130和108之间形成的辊隙中，并将熔融材料施加到每一面上。
图19是放大了的顶视图，放大部分J中为图案化辊子108和130之间的辊隙156。在该例子中，图案化辊子130形成透镜元件26。图案化辊子108形成棱镜结构24。
图20A至图20E示出了利用径向接触挤出模具的实施例的不同视图，如在共同转让的在审美国专利申请US2004786858A所披露的。该实施例遵循了图18所示的同步形成功能元件的相同的基本图案，并增加了包括改进速度并适合于在形成具有陡峭棱镜结构中使用的这些优点。图20A示出了半径模具(radiusdie)134的立体图，该模具将熔融材料提供到图案化滚筒108上，其图案化功能元件围绕滚筒108柱面沿圆周方向延伸，而不是像传统系统一样平行于滚筒轴延伸。同样的，图案化滚筒130上的各功能元件也是沿圆周方向延伸，而不是轴向延伸。
参照图20B中的截面图以及图20C中的放大区域E1，半径模具134将熔融材料导向通过腔体150，该腔体沿着大致对应于腹板宽度的狭缝长度延伸。被压过第一和第二平台区域152和154的熔融材料被压入图案化滚筒108的表面，图案化滚筒在此实施例中形成棱镜结构24。当材料仍旧柔软时，图案化滚筒130(如图20D的部分剖面图以及图20E的放大区域E2中详细示出的，其与图案化滚筒108形成辊隙156)接着在此材料的相对侧面上形成透镜结构。当来自辊隙的材料移动时，冷却并以无载体形式形成转向膜36。
图20A至图20E的实施例具有以下优点：结构紧凑，并能够形成由图案化辊子108复制的棱镜结构24的相对确切的特征。该实施例形成连续的腹板，其无需提供载体基板。控制环路100也被用于图20的实施例中；然而仅示出轴移位器104，以虚线轮廓表示。
在另一个实施例中，如图21所示，挤出和压花步骤被分别采用。作为第一阶段，挤出使用了与相对辊子110成对的图案化辊子108。这形成了在一面上具有棱镜结构24的膜。该膜然后由加热元件138加热并转到压花辊子136，该压花辊子还具有一相对的辊子111。这种设置提供了分段制造加工的优势，使其易于提供所需的调整。定位轴移位器114以位移压花辊子136，或者，轴移位器114可位移图案化辊子108。
图22示出了另一无载体实施例，其利用了两步挤出步骤。来自挤出模具132的熔融材料被送入图案化辊子108和相对辊子110之间的辊隙中。这样就形成了腹板106，在膜的一面上具有图案。腹板106然后沿方向G向前行进至位于图案化辊子130和相对辊子111之间的辊隙处的另一挤出模具132。这样在腹板106的相对面上形成了图案，由此形成了转向膜36。由控制环路140控制的轴移位器114，用于沿轴方向F移动图案化辊子130。或者，可在到达辊子130和111之间的辊隙之前移动腹板106的位置。
参照图23，示出了转向膜36制造的另一实施例，其结合了挤出和光刻胶技术。来自挤出模具132的熔融材料被送入图案化辊子108和相对辊子110之间的辊隙中。这就形成了腹板106，在膜的一面上具有图案；而膜的另一面是光滑的。腹板106接着行进至光刻胶施涂器140，以光学膜制造领域技术人员熟知的方式将光刻胶材料涂布到腹板106的光滑面上。然后在曝光台142上曝光涂层面上的图案。清洗台144用于最后的显影以及去除材料，作为光刻步骤的最后一部分。由控制环路100控制的轴移位器114可用于在垂直于腹板方向G的方向上移动曝光台142的相对位置。任选的是，控制环路100可发送信号，该信号引起曝光过程中沿F方向移动。
可以意识到，利用紫外光或是其他适当的辐射实现图案化和固化也可获得一个或两个图案化表面，并且也可用于以适当的顺序与其他技术结合，例如挤出。例如，对于图23中的布置，曝光台142可置于挤出模具132之前，以便首先形成UV图案化面。
转向膜36可由多种厚度在一定范围内并且具有不同柔韧性的透明材料制造。
制造实例
与图18中所示相同的制造装置用于制备转向膜36。对于此装置，每个直径为5英寸、宽度为41/4的两个钢辊用作图案化辊子108和130。每个图案化辊子都进行雕刻(engrave)，用以形成参照图5A描述的各功能元件，即R＝75μm，P＝Q＝50μm，α＝β＝34°。一个辊子具有棱镜结构，另一个辊子具有透镜结构。两个辊子都具有冷却(或加热)油进入通过的内沟槽，以便辊子表面温度可被控制在理想范围内。流入到辊子或从辊子流出的油经过与每个辊子的两端连接的旋转接头。
图案化辊子108和130被安装在一机器上。用于形成棱镜结构的图案化辊子108被安装在预固定驱动轴上。用于形成透镜结构的图案化辊子130被安装在一轴上，该轴在由两个液压缸提供的压力之下位移，液压缸被安装在轴的每一侧。这两个辊子齐平(level)并形成垂直的层叠辊隙(nip)。如图18所示，挤出机及其模具安装在叠层辊隙之上。
于310摄氏度时将聚碳酸酯从挤出机模具中挤出。挤出机模具移动到叠层辊隙之上2英寸。调节熔融幕帘的位置，以使幕帘直接落入叠层辊隙中。辊子108及130上的温度被设置在116℃。铸造轮速度设置为8英尺每分钟。
当辊隙辊子液压为2.76MPa(等于每个单元辊隙的压力为57617N/m)时，在棱镜面获得的复制深度为28.3um。图24A示出了这些结构。
当辊隙辊子液压为4.14Mpa(等于每个单元辊隙的压力为86513N/m)时，在棱镜面获得更深的复制深度，33.5um，如图24B所示。
当辊隙辊子液压为5.52MPa(等于每个单元辊隙的压力为115049N/m)时，在棱镜面获得的复制深度为29.0um，如图24C所示。前和后功能元件之间获得了良好对准。
当辊隙辊子液压为6.89MPa(等于每个单元辊隙的压力为144305N/m)时，在棱镜面获得的复制深度为31.6um，如图24D所示。
总之，在使用的所有液压下，获得了极好的透镜功能元件复制。复制质量看来取决于各参数的适当设置，例如速度、压力及温度，以及其他各参数。这些参数的不良选择会产生令人失望的结果。
在更进一步的测试中，以与图24A至图24D描述的各例子相同的方式制造出更多的样品，不同的是棱镜加热油温度设置为107摄氏度，且透镜辊子加热油温度设置在110摄氏度。下面的列表示出了所获得的液压设置以及由此得到的棱镜功能元件复制深度：
液压为2.76MPa→21.6um
液压为5.52MPa→27.6um
液压为4.14MPa→25.9um
腹板制造在加工中提供了很多优点，可替换的是，本发明的转向膜可利用注入成型形成。
材料
可通过熔融挤出步骤高效地加工本发明的双面光学转向膜。聚合体材料被通过模具熔融挤出并被导向到形成表面上，形成表面对于膜的两面都具有必不可少的微图案。最适合本申请的材料必须是可熔融挤出的，即适合熔融挤出和加热成型，也就是说，在拥有必要的光学、机械和尺寸性能时适于在适当的温度下热成型。这些材料的例子包括但不限于聚碳酸脂、聚酯、聚砜、聚醚砜以及聚(环-烯烃)。通常需要聚合材料的玻璃化转变温度超过80摄氏度以确保膜在一般使用温度下尺寸稳定。在标称的形成温度下，非晶状材料产生良好的透光性，这尽管不是必须的，但也是有用的。根据制造转向膜的一些独创性步骤，使用不同材料形成透镜结构、棱镜结构和芯层也是很有用的。尤其是，棱镜结构的材料最好具有比透镜结构材料更低的折射率，从而可减少光反射离开棱镜结构并增强通过转向膜的光透射。另外，棱镜结构的硬度最好基本上等于导光板的硬度以减少磨损。
特别参照本发明的一些优选实施例详细的描述了本发明，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的范围的情况下应理解，各种改变和变型在前文所述以及在所附的权利要求中示出的本发明范围内是有效的。
因此，提供了一种在两微结构之间离轴对准预设的双面转向膜，使用该转向膜的显示装置，以及制造这种转向膜地方法。
部件列表
10.导光板
12.光源
16.输出表面
18.输入表面
20.光选通器件
22.转向膜
24，24a，24b棱镜结构
25.芯层
26，26a，26b透镜元件
28.改向光线
29.校直光线
30.显示装置
32.侧面
36，36a，36b，36c，36d，36e，36f转向膜
38.入射光表面
40.输出表面
42.反射表面
45，46，48，50，54，56，58.发光强度曲线
51.串扰部分
56，56a.顶角
57，57a.沟槽
58.平坦表面
64.显示装置
70.棱镜结构
72，72a，72b.透镜元件
74.对
100.控制环路
102.光源
104.光传感器
106.腹板
108.图案化辊子
110，111.反向辊子
114.轴移位器
116，118.腹板
120.控制逻辑处理器
122，124.辊子
128.粘合剂施涂器
130.图案化辊子
132.挤出模具
134.半径模具
136.压花辊子
138.加热元件
140.施涂器
142.曝光台
144.清洗台
150.腔体
152，154.平台区域
156.辊隙
A，B，C光线
D方向
E1，E2放大区域
F轴向方向
G箭头
H部分
J放大部分
d 芯层的厚度
α，β峰半角
N导光板10或转向膜的法线
P，Q节距
O光轴
R，R1，R2，R3透镜元件的曲线半径
r峰半径
T总厚度
X对准偏离尺寸

Claims (20)

1.一种用于显示器的背光装置，所述背光装置包括(1)侧光光源，(2)导光板，(3)转向膜，所述转向膜包括可熔融挤出和可热成形聚合材料，该转向膜包括在膜的入射表面上的棱镜结构和在膜的出射表面上的透镜元件，其中：
(a)各棱镜结构由平均顶角(α+β)和平均节距(Q)定义；
(b)各透镜元件由平均节距(P)和平均曲率半径(R)定义；
(c)各棱镜结构和各透镜元件以平均量X偏离对准，以及
(d)膜具有平均厚度T；
条件是选择各平均值以向导光板出射表面提供相对法线±10°的峰输出角度以及至少1.25的光增益。
2.权利要求1的装置，其中转向膜包括选自碳酸酯、酯、砜、醚砜以及环-烯烃的聚合物。
3.权利要求1的装置，其中棱镜结构的至少一个侧面是弯曲的。
4.权利要求1的装置，其中透镜元件的透镜形状在横截面上是拱形的。
5.权利要求1的装置，其中棱镜结构的高度发生变化。
6.权利要求1的装置，其中该转向膜具有相等的平均节距值P和Q。
7.权利要求1的装置，其中该转向膜峰角是圆的，并且该顶角具有小于约0.26P半径。
8.权利要求1的装置，其中该转向膜棱镜结构沿光进入表面上的蜿蜒路径延伸。
9.权利要求1的装置，其中该转向膜透镜元件沿光出射表面上的蜿蜒路径延伸。
10.权利要求1的装置，其中由下式导出的转向膜的值在0至约5.5的范围内， T p - cos 2 ( α + β 2 ) sin ( α + β ) - ( R P - ( R P ) 2 - 1 4 ) .
11.权利要求1的装置，其中形成该转向膜的材料的折射率在1.2至1.9的范围内。
12.权利要求1的装置，其中平均比值X/P在约0.05至0.30之间。
13.一种每一面都具有图案的腹板的无载体制造方法，所述方法包括下面的步骤：
(a)加热材料形成腹板；
(b)以受控制的速度将材料泵送入第一腔体；
(c)在第一腔体中的整个槽的长度上分布材料；
(d)将所述材料压入由第一外平台表面、第二外平台表面和第一辊子表面形成的第二腔体，通过在高压条件下部分固化所述材料在腹板的第一表面上形成第一图案；以及
(e)使所述部分固化的材料通过所述第一辊子和第二辊子之间形成的辊隙，从而利用第一和第二辊子之间的压力形成腹板第二表面上的第二图案。
14.权利要求13的方法，其中第一和第二图案之一包括由平均峰角(α+β)和平均节距(Q)定义的棱镜结构；
另一图案包括由平均节距(P)和平均曲率半径(R)定义的透镜元件；
其中各棱镜结构和透镜元件以平均量(X)偏离对准，以及
其中膜的平均厚度为(T)；
条件是选择各平均值以提供相对法线±10°的峰输出角度以及至少1.25的光增益。
15.权利要求13的方法，还包括：
(i)对完成的腹板取样，确定在腹板宽度的不同点上各光学元件的第一和第二图案的特性；
(ii)根据取样结果调整腹板上的各光学元件的图案对准。
16.权利要求13的方法，其中形成的图案包括由平均峰角(α+β)和平均节距(Q)定义的棱镜结构，以及由平均节距(P)和平均曲率半径(R)定义的透镜元件；
其中两面上各棱镜结构和透镜元件以平均量(X)偏离对准，
其中膜的平均厚度为(T)；
并且其中选择各平均值以提供相对法线±10°的峰输出角度以及至少1.25的光增益。
17.一种腹板或片的制造方法，所述腹板或片在腹板的相对面上具有光学元件的对准图案，所述方法包括以下步骤：
(a)利用或不利用载体板，在腹板的每一侧形成彼此对准并以纵向取向的光学元件图案；
(b)对完成的腹板取样，确定在腹板宽度的不同点上各光学元件图案的特性；
(c)根据取样结果调整腹板上各光学元件的对准图案。
18.权利要求17的方法，其中形成的图案包括由平均峰角(α+β)和平均节距(Q)定义的棱镜结构，以及由平均节距(P)和平均曲率半径(R)定义的透镜元件；
其中两面上各棱镜结构和透镜元件以平均量X偏离对准，
其中膜的平均厚度为T；
并且其中选择各平均值以提供相对法线±10°的峰输出角度以及至少1.25的光增益。
19.一种每个侧面上都具有图案的腹板的制造方法，包括：
(a)利用固化方法形成一个表面上具有第一图案的腹板，其中第一图案平行于纵向；
(b)熔化聚合材料以形成第二图案表面；
(c)以受控制的速度泵送材料使其通过挤出模具形成熔融幕帘；
(d)将所述材料引导进入第一辊子和腹板形成的辊隙；第二辊子在高压条件下部分固化所述材料以在该腹板的相对表面上形成第二图案，其中第二图案平行于纵向；以及
(e)当腹板大约到达聚合材料的玻璃化转变温度时，在冷却和剥离腹板的同时沿着辊子之一的表面引导腹板。
20.权利要求19的方法，其中形成的图案包括由平均峰角(α+β)和平均节距(Q)定义的棱镜结构，以及由平均节距(P)和平均曲率半径(R)定义的在相对表面的透镜元件；
其中在两被图案化表面上棱镜结构和透镜元件以平均量X偏离对准，以及
其中膜的平均厚度为T；
并且其中选择各平均值以提供相对法线±10°的峰输出角度以及至少1.25的光增益。
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