CN101395509B - 利用内全反射的偏振转向膜 - Google Patents

Abstract

一种光重新定向制品，用来将光朝向目标角重新定向。所述光重新定向制品具有入射面和出射面，所述入射面用来在一定的入射角范围接收入射光照，所述出射面具有大量的光重新定向结构，每个光重新定向结构包括内反射面和出射表面，所述内反射面相对于入射面平面以第一角度取向，所述出射表面用来以发射光角度发射出射光，所述出射表面相对于入射面平面以第二角度取向。对于以与法线夹角大于60度的主角入射的入射光照，光从内反射面反射，以与目标角度相差5度以内的发射光角度从出射表面发射。

Description

利用内全反射的偏振转向膜

发明领域

本发明一般涉及用来提高来自表面的亮度的显示器照明制件，更具体来说涉及一种转向(turning)膜，用来使来自光导板的光重新定向，并提供偏振光输出。

发明背景

液晶显示器(LCD)在成本和性能方面一直在获得改进，成为许多计算机、仪器和娱乐应用优选的显示器种类。用于常规的膝上型计算机显示器的透射LCD是一种背光(backlit)显示器，具有设置在LCD后面的将光朝外射向LCD的表面。提供具有足够均匀的亮度、同时仍保持紧凑性和低成本的合适的背光设备问题，已经通过以下两种基本方法中的一种得以解决。在第一种方法中，使用提供光的表面提供在很宽角度范围上具有基本恒定亮度的高度散射的光，光的散射基本上是朗伯光分布。按照所述第一种方法，为了增大轴上和轴附近的亮度，人们提出了许多种亮度提高膜，用来使得所述具有朗伯光分布的光的一部分重新定向，以提供更加准直的光照。人们提出的关于亮度提高膜的解决方案可参见例如美国专利第5,592,332号(Nishio等)；美国专利第6,111,696号(Allen等)；以及美国专利第6,280,063号(Fong等)。以上提到专利中描述的亮度提高膜(BEF)之类的解决方案提供了在宽视角内提高亮度的一些方法。但是即使在使用BEF的时候，总对比度仍然较差。

第二种提供背光光照的方法使用光导板(LGP)，所述光导板接收来自设置在该侧的灯或其它光源的入射光，通过内全反射(TIR)内部引导所述的光，使得光在狭窄的角度范围内从LGP发射。从LGP出射的光通常相对于法线呈相当陡的角度，例如等于或大于70度。在第二种方法中，随后使用转向膜(一类光重新定向制品)使得从LGP射出的发射光朝向法线重新定向。转向膜泛指光重新定向制品或光重新定向膜，例如装有购自美国纽约州宝德温的克拉瑞科斯有限公司(Clarex，Inc.，Baldwin，NY)的HSOT(高度散射光学透射)光导板的膜，提供了一种用来提供这类均匀的背光的改进的解决方案，其不需要漫射膜(diffusion film)或者在制造中进行点打印(dot printing)。HSOT光导板和其它种类的转向膜使用各种组合的棱柱结构阵列，使得光从光导板朝向法线重新定向，或者朝向一些其它合适的目标角重新定向，所述其它合适的目标角通常相对于二维表面、位于法线附近。作为一个例子，美国专利第6,746,130号(Ohkawa)描述了一种光控片，其作为用于LGP光照的转向膜。

参见图1，图中显示了显示器设备100中光导板10的总体功能。来自光源12的光在入射面18入射，通入光导板10，所述光导板10通常如图所示是楔形的。光在光导板10中传播，直到不满足内全反射(TIR)条件，然后可能会从反射面142反射，在出射面16离开光导板。然后该光线射向转向膜122，被定向而对光选通(light-gating)器件120进行光照，所述光选通器件120是例如LCD或其它种类的空间光调制器或其它调制光的二维背光部件。为了在大多数条件下优化观察，发射的光应当在绕法线N较窄的角度范围内提供。需要在光照路径上设置偏振器124以便为光选通器件120提供适于调制的偏振光。但是，因为通过转向膜122之后的光是基本非偏振的，或者最多具有一些很小程度的偏振，所以偏振器124必须吸收约一半的光。为了克服这个问题，人们经常在吸收偏振器124和转向膜122之间提供反射偏振器125。

Koike等在题为“具有偏振功能的表面光源器件”的美国专利第5,982,540号和第6,172,809号中揭示了一种反射偏振器。Koike等在′540和′809中显示了一种表面光源器件，该器件具有光导板、一个或多个偏振分离板(polarization separating plate)，光方向调节器(主要是转向膜)，偏振转换器。所述偏振分离板是一类反射偏振器125。Koike等在′540中描述的偏振分离板利用布儒斯特角进行光照的S偏振和P偏振分量的分离。尽管该方法提供了光的一些偏振，但是其仅仅提供了对更常规的反射偏振膜的一种替代。该解决方案仍需要另外使用独立的一个或多个偏振膜。另外，Koike等在′540和′809中的方法要求用于偏振分离板的材料的折射率n在很窄的范围内，该范围是基于来自光导板的光的入射角。

很明显，如果能够在不降低图像质量和性能的前提下、减少提供偏振光照所需的部件的总数，将会是有益的。考虑到这个目标，人们提出了许多解决方案，用来简化偏振器125的结构，或者通过合并功能而省去作为单独单元的该部件。在一种合并功能的尝试中，Arai的题为″输出偏振的正面光照光的表面光源器件(Surface Light Source Device Outputting PolarizedFrontal Illumination Light)″的美国专利第6,027,220号揭示了一种能够产生至少部分偏振的光照的表面光源器件。如Arai在′220中所述，从光导板10发射的光本身有一定程度的偏振(图1)。另外，所述转向膜本身对该光进行了进一步的偏振。在使用一对转向膜的构造中，甚至还可进一步略微地获得偏振。依照Arai在′220中揭示的方法，可以设计一种表面光源，该表面光源能够仅仅通过对各种转向膜使用合适的材料、根据它们的折射率n使这些材料与来自光导板的光的倾斜角度相匹配，从而提供一定程度的偏振。尽管该方法有益地提供了一些偏振的方法，但是，对于仅仅依靠指定折射率n能够获得多大的改进尚存在实际的限制。另外，使用多个转向膜的实施方式会增加光照系统设计的成本、厚度和复杂性。

在另一个方法中，Suzuki的题为″用于增加偏振分量的设备、光导单元、液晶显示器和偏振方法(Apparatus for Increasing a Polarization Component，Light Guide Unit，Liquid Crystal Display and Polarization Method)″的美国专利第6,079,841号提供了一种光导板，其自身设计用来输送偏振光。Suzuki的′841的光导板使用层叠在一起的一叠光导，这些光导通过取向提供对光的布儒斯特角调整，以达到优选的偏振态。尽管这方法的优点是能够将偏振部件结合入光导本身当中，但是这类方法仍存在缺陷。光导板的复杂性以及附加的对半波长板或四分之一波长板和反射器的要求都抵消了由于省去作为光照路径中独立部件的偏振器所获得的优点。

因此，可以看到，尽管人们已经尝试通过将偏振功能与其它部件相结合来提供偏振光照，但是这些尝试不够灵活、成本不够低、解决方案不够有效。因此，人们需要能够以减少的部件数量提供偏振的光照的低成本转向膜的解决方案。

发明内容

本发明提供了一种用来将光朝向目标角度重新定向的光重新定向制品，所述光重新定向制品包括：

(a)入射面，用来在一个入射角范围内接收入射光照；

(b)出射面(output surface)，其包括大量光重新定向结构，每个光重新定向结构包括

(i)与所述入射面的平面成第一角度取向的内反射面；

(ii)用来以发射光角度发射出射光的出射表面(exit surface)，所述出射表面相对于入射面的平面以第二角度取向，

因此对于以与法线夹角大于60度的主角(principle angle)入射的光照，光线从内反射面反射，以与目标角相差5度以内的发射光角度从出射表面发射。还提供了一种显示器设备，其包括：光照源，用来在一定范围的角度内发射光照；上文所述的光重新定向制品；光选通器件，用来通过对来自光重新定向制品的出射光进行调制，形成图像。

本发明的一个优点在于其提供了单一部件，对于在主角一定范围内入射的光照，该部件结合了转向膜的功能和偏振器功能。

附图简述

尽管说明书以特别指出和明确要求保护本发明的主题的权利要求书来下结论，但是我们相信结合附图，通过以下描述可以更好地理解本发明，附图中：

图1是常规显示设备的部件的截面图；

图2A是具有朝下、朝向光导板的棱柱结构的转向膜的截面示意图；

图2B是显示具有朝上的棱柱结构的转向膜的截面示意图；

图3A是显示用于偏振转向膜的工作原理的截面示意图，其中在主光线的光路中存在接近布儒斯特角的角度；

图3B是显示用于第一光导板的偏振转向膜的截面示意图，该偏振转向膜能够产生接近膜的法线的出射光，在所述转向膜的入射面和远表面具有接近布儒斯特角的角度；

图3C是图3B的偏振转向膜绕膜的法线旋转180度后得到的截面示意图，该膜用于第二光导板，能够产生接近膜的法线的出射光，所述转向膜的入射面和远表面具有接近布儒斯特角的角度；

图4是用于第一光导板的偏振转向膜的截面示意图，该膜能够产生膜法线附近的出射光，其中在所述转向膜的平坦表面和近表面处具有接近布儒斯特角的角度；

图5A是图3B的偏振转向膜的截面示意图，其中基片和棱柱具有不同的折射率；

图5B是图4的偏振转向膜的截面示意图，其中基片和棱柱具有不同的折射率；

图5C是图5A的偏振转向膜的截面示意图，其中棱柱的尖端是截顶的，并且/或者使凹槽角变圆；

图5D是图5B的偏振转向膜的截面示意图，其中棱柱的尖端是截顶的，并且/或者使凹槽角变圆；

图5E是图5A的偏振转向膜的截面示意图，其中棱柱的尖端具有较小的倾角；

图5F是图5B的偏振转向膜的截面示意图，其中棱柱的尖端具有较小的倾角；

图6是LCD显示系统的偏振转向膜的截面示意图；

图7A是具有相对于转向膜棱柱的凹槽成45度取向的一对偏振器的LCD的顶视示意图；

图7B是具有相对于转向膜棱柱的凹槽平行或垂直取向的一对偏振器的LCD的顶视示意图；

图7C是具有弓形凹槽的偏振转向膜的顶视示意图；

图8A是等值曲线图，显示了对于入射角θ_in＝63°，满足|θ_in-θ_b|＜5°和|θ_in-θ_b|＜10°的远端底角和折射率的参数空间；

图8B是等值曲线图，显示了对于入射角θ_in＝63°，满足|θ₄-θ_b|＜5°和|θ₄-θ_b|＜10°的远端底角和折射率的参数空间；

图8C是等值曲线图，显示了对于入射角θ_in＝63°，满足|θ_out|＜5°和|θ_out|＜10°的远端底角和折射率的参数空间；

图8D是等值曲线图，显示对于入射角θ_in＝63°，满足|θ_in-θ_b|＜5°、|θ₄-θ_b|＜5°、|θ_out|＜5°以及|θ_in-θ_b|＜10°、|θ₄-θ_b |＜10°、|θ_out|＜10°的远端底角和折射率的参数空间；

图9A是等值曲线图，显示了对于入射角θ_in＝70°，满足|θ_in-θ_b|＜10°和|θ_in-θ_b|＜15°的远端底角和折射率的参数空间；

图9B是等值曲线图，显示了对于入射角θ_in＝70°，满足|θ₄-θ_b|＜5°和|θ₄-θ_b|＜10°的远端底角和折射率的参数空间；

图9C是等值曲线图，显示了对于入射角θ_in＝70°，满足|θ_out|＜5°和|θ_out|＜10°的远端底角和折射率的参数空间；

图9D是等值曲线图，显示对于入射角θ_in＝70°，满足|θ_in-θ_b|＜10°、|θ₄-θ_b|＜5°、|θ_out|＜5°以及|θ_in-θ_b|＜15°、|θ₄-θ_b|＜10°、|θ_out|＜10°的远端底角和折射率的参数空间；

图10A是等值曲线图，显示了对于入射角θ_in＝75°，满足|θ_in-θ_b|＜15°的远端底角和折射率的参数空间；

图10B是等值曲线图，显示了对于入射角θ_in＝75°，满足|θ₄-θ_b|＜5°和|θ₄-θ_b|＜10°的远端底角和折射率的参数空间；

图10C是等值曲线图，显示了对于入射角θ_in＝75°，满足|θ_out|＜5°和|θ_out|＜10°的远端底角和折射率的参数空间；

图10D是等值曲线图，显示对于入射角θ_in＝75°，满足|θ_in-θ_b|＜15°、|θ₄-θ_b|＜5°、|θ_out|＜5°以及|θ_in-θ_b|＜15°、|θ₄-θ_b|＜10°、|θ_out|＜10°的远端底角和折射率的参数空间；

图11-19是显示具有各种折射率和几何结构的实施方式的实施例数据的表格；

图20A和20B是根据一个实施方式、可用于两种位置中的任一种的转向膜的透视图。

发明详述

该描述具体涉及形成根据本发明的设备的一部分、或者与根据本发明的设备更直接协同工作的元件。应当理解未具体显示或描述的元件可为本领域技术人员众所周知的各种形式。

如上文的背景部分所述，人们已经进行了尝试，通过将偏振功能结合入光照光路中的其它部件中，减小光照设备的总体复杂性。本发明的方法是将偏振功能结合入转向膜内，或者更概括来说，结合入显示器的光重新定向元件中。与上文所述的常规方法不同，本发明的方法在光重新定向制品的几何结构和组成的设计中采用布儒斯特角，从而在单一部件中同时进行光重新定向和偏振。

本发明的设备使用一般为棱柱形状的光重新定向结构。正棱柱具有至少两个平坦的面。但是因为所述光重新定向结构的一个或多个表面不需要在所有的实施方式中都是平坦的，而是可以为弯曲的或具有多个区段，所以在此说明书中使用更一般性的术语“光重新定向结构”。

如之前的背景材料所述，常规的转向膜使得以斜入射角(通常与法线夹角等于或大于60度)接收的来自光导板或类似的提供光的部件的光重新定向。所述转向膜通常使用折射结构(通常具有棱柱形状和各种尺寸)的阵列，使得来自光导板的光朝向法线重新定向。因为它们以膜的形式提供，所以法线是相对于膜的二维平面考虑的。

从图1可以看出，光源12置于光导板10的旁边。光导板10的定位和设计规定了转向膜所需的角度特点和设计布局。对于一定的光导板10操作条件范围，本发明的光重新定向制品可用来代替图1布置中的常规的转向膜122，以提供足够的偏振，从而消除对偏振器124和反射偏振器125中任一种或两种的性能需求，或者至少使这种需求最小。

参见图2A，图中显示了与光导板10一起使用的常规转向膜122的截面示意图，显示了关键角(key angle)和几何关系。转向膜122具有大量向下朝向光导板10的棱柱形结构，每个结构具有近表面24(相对接近光源12，如图1的实施方式所示)和远表面26，两个侧面都倾斜偏离膜的法线方向V，其倾斜情况由顶角α以及相对于水平面H的底角β1和β2决定。来自光导板10的光在中心入射角θ_in附近的一个小的范围的角度内入射。在转向膜122的平坦表面22投射到LC显示器元件的光的出射角θ_out是由一些因素决定的，这些因素包括中心入射角θ_in，转向膜122的折射率n，以及远表面26倾斜的底角β1。在大多数实施方式中，发射光线的出射角θ_out优选相对垂直于转向膜122，但是更一般出射角θ_out可看作是目标角，对于一些应用，其实际上可相对于法线稍微倾斜。一般来说目标角是法线方向±20°。

图2B显示了转向膜20的一种不同的布置，其中棱柱结构面朝上，朝向LC器件或其它光调制器。现在平坦表面22是入射面；有结构的表面是出射面(output surface)。在此结构中(用于本发明的基本图案)，出射面上的各个光重新定向结构也具有近表面24(相对靠近光源12，如图1的实施方式所示)和远表面26，两个面都倾斜偏离膜法线方向V，倾斜程度是由顶角α、相对于标为H的参考线的底角β1和β2决定的，所述参考线平行于入射面的平面，在图2A、2B和以后的图中具有水平的取向。来自光导板10的光在中心主入射角θ_in附近的很小范围内入射。从转向膜20的有结构的出射面投射到LC显示器元件的光的出射角θ_out由一些因素决定，这些因素包括中心主入射角θ_in，转向膜20的折射率n，以及远表面26以相对于平坦表面22的倾斜角倾斜的底角β1。

参见图3A和3B，它们显示了本发明改进的转向膜20的关键特征。光重新定向结构又是朝上的(更一般来说，面朝外，朝向观察者，朝向LC器件或其它光调制器)。各个光重新定向结构具有近表面24和远表面26(相对于光源12的位置(图1))。远表面26是图2B所示的光发射或出射表面。通过给予远表面26合适的倾斜方向(相对于平坦表面22)，在平坦表面22上的中心光照光线R1(也被称为主光线)附近的入射光被适当地朝向目标角(膜法线方向V)重新定向。在一个实施方式中，光重新定向结构沿着转向膜20的表面直线延长，使得各个光重新定向结构沿着一条直线从出射面的一条边向另一条边延伸。关于图3A和3B所示的截面图，直线延长方向垂直于页面。可以理解这种结构有利于制造转向膜20。但是，并不要求光重新定向结构以这样的延伸的直线形式设置。重要的是如图3A和3B的截面侧视图所示，光重新定向结构的各个表面相对于来自光导板10的入射光角度的角度关系。

在本发明的实施方式中，出射角θ_out是如公式(equation)(1)所述，由入射角θ_in，光重新定向结构的折射率和远端底角β₁确定的

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{out}}={\mathrm{\β}}_1-{\sin }^{-1}\left\{n\sin \right[{\mathrm{\β}}_1-{\sin }^{-1}\left(\frac{\sin \left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{in}}\right)}{n}\right)\left]\right\}$ 公式(1)

来自光导板的入射光是在以主角为中心的一组角度下入射的，使得大多数入射光在主角±10度的范围内。公式(1)和随后的公式使用入射角θ_in作为主角。

指导性地指出，公式(1)显示了一般用于使用图3A-3C所示的面向上或向外的光重新定向结构类型的转向膜的θ_out与θ_in的关系(与任意偏振的考虑无关)。作为一个例子，使用上文中背景部分描述的Arai的′220中的图8的数值，当θ_in＝75°，n＝1.58，β₁＝75.5°，根据公式(1)的出射角为θ_out＝-0.12°。类似地，根据Arai的′220的图9，当θ_in＝63°，n＝1.58，β₁＝71.1°，根据公式(1)的出射角为θ_out＝0.04°。但是必须强调，公式(1)仅显示了光的重新定向，其中具有这种结构的转向膜使得光从特定的入射角θ_in转到出射角θ_out。但是，一旦光根据公式(1)重新定向，其偏振特征通常仍无法令人满意。作为一个例子，Arai的′220中揭示的转向膜结构表现出很差的偏振，对P偏振的透光率T_p不足。在不采取进一步的措施的情况下，需要使用另外的偏振部件或第二个转向膜来提高偏振。

本发明通过使用布儒斯特角获得的偏振分离原理，用转向膜完成了对轻微的偏振的改进。当光从折射率n₁的材料传播到折射率n₂的材料时，在具有不同折射率n₁和n₂的两种材料的界面，会根据各自的折射率和入射角而发生偏振分离现象。大体来说，折射率为n₁的材料中的布儒斯特角可通过下式来确定：

公式(2)

折射率为n₂的材料中的布儒斯特角可通过下式来确定：

公式(3)

布儒斯特角偏振器件利用S偏振光和P偏振光在布儒斯特角或布儒斯特角附近不同的透射比率和反射比率来分离这些偏振态。

图3A，3B和3C显示了根据本发明的转向膜20的一个实施方式的变化和关键几何关系。根据本发明，入射平面22的所有入射角和折射角θ_in和θ₂以及远表面26的θ₃和θ₄接近于相应的布儒斯特角。为了便于以下讨论中的比较，仅计算了各表面处空气中的布儒斯特角。实际上，在空气中(n_空气＝1)，在入射平面22的布儒斯特角(θ_b1)和远平面26的布儒斯特角(θ_b2)是相同的，其为：

当n＝1.58的时候，θ_b＝tan^-1(n)θ_b2＝57.7°公式(4)

根据斯奈尔定律(Snell′s law)，

${\mathrm{\θ}}_2={\sin }^{-1}\left(\frac{\sin \left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{in}}\right)}{n}\right)$ 公式(5)

当n＝1.58且θ_in＝75°，则θ₂＝37.7°公式(6)

当n＝1.58且θ_in＝63°，则θ₂＝34.3°公式(7)

θ₄＝sin-1[nsin(β₁-θ₂)]公式(8)

如公式(8)所示，角θ₄取决于折射率n，远端底角β₁，以及折射角θ₂，而折射角θ₂又取决于折射率n和入射角θ_in。所以总体来说，角θ₄取决于折射率n，远端底角β₁，以及入射角θ_in。

在理想的情况下，将会满足以下的条件，以便利用布儒斯特角效应获得最大的出射P偏振和较小的出射S偏振：

|θ_out|＝0°，|θ_in-θ_b|＝0°，且|θ₄-θ_b|＝0°，公式(9)。

但是，本发明人发现，公式(9)中所列的条件对于所有合理的折射率n(1-2.5)、所有远端底角β₁(0-90°)和具有特定主入射角θ_in(40-90°)的光源无法正好满足。必须进行一定的权衡。

鉴于这一难题，本发明的目标是设计一种膜，使得对于特定的入射角θ_in，该膜具有最小的|θ_out|，|θ_in-θ_b|和|θ₄-θ_b|的值。有很多方法根据使|θ_out|，|θ_in-θ_b|和|θ₄-θ_b|的值的最小选择加权的品质函数(weighted merit function)。作为更实际的目标，对于特定入射角θ_in的光源，最好设法通过选择具有合适的折射率n的材料、以及提供合适的远端底角β₁，以尽可能多地满足以下条件：

|θ_out|＜5°，公式(10.1)

|θ_in-θ_b|＜5°，公式(10.2)

|θ₄-θ_b|＜5°，公式(10.3)

满足公式(10.1)意味着出射光重新定向到法线方向附近。公式(10.2)和(10.3)确保在表面22入射并从表面26出射的光近似满足对所需偏振具有高透光率、对不需要的偏振具有低透光率的布儒斯特角条件。作为下文将会给出的模拟结果，在任意一种设计中可能都很难满足公式10.1-10.3中给出的所有的关系。其主要功能是作为转向膜，通常需要满足公式(10.1)。但是在实际的设计中，即使是将|θ_in-θ_b|和|θ₄-θ_b|各自的数值限制在10度以内也可能是不可行的。采用本发明的方法获得这种程度的性能既允许转向膜具有其功能又改进背光照明的偏振。但是，即使公式(10.2)和(10.3)的必要条件无法完全满足，当采用本发明的设计技术的时候，它们仍能提供有用的最优化的目标。

作为首要的考虑，为了使光首先射到远表面26，而不是射到近表面24，必须满足以下条件：

β₂≥90°-θ₂，公式(11)

为了使得光通过远表面26射出而不发生内全反射，必须满足以下关系。

${\mathrm{\&theta;}}_3<{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{TIR}}={\sin }^{-1}\left(\frac{1}{n}\right),$ 公式(12)

其中

${\mathrm{\&theta;}}_3={\mathrm{\&beta;}}_1-{\mathrm{\&theta;}}_2={\mathrm{\&beta;}}_1-{\sin }^{-1}\left(\frac{\sin \left({\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{in}}\right)}{n}\right)$ 公式(13)

实施例1

参见图8A-8D的等值曲线，入射角θ_in＝63°。在这些图中，横坐标(x-轴)显示了远端底角；纵坐标(y-轴)显示了折射率n。图8A至8D按照对于图3A所述的顺序编排。图8A显示了在第一界面、即光从光导板10入射到平坦表面22上时的响应曲线。图8B显示了在第二界面、即转向膜20内的光入射到远表面26上时的响应曲线。图8C显示了出射角响应，θ_out。图8D是复合等值曲线图，显示了图8A、8B和8C中所示的条件组合之后的叠加结果。该图8D的复合等值曲线显示了可供提供最佳偏振分离的转向膜20设计的“工作空间”。

图8A是具有区域1和2的等值曲线，这两个区域分别显示了远端底角β1和折射率满足|θ_in-θ_b|＜5°(区域1)和|θ_in-θ_b|＜10°(区域2)的参数空间。图8B是显示远端底角β1和折射率满足|θ₄-θ_b|＜5°(区域1)和|θ₄-θ_b|＜10°(区域2)的参数空间的等值曲线。图8C是显示远端底角β1和折射率满足|θ_out|＜5°(区域1)和|θ_out|＜10°(区域2)的参数空间的等值曲线。图8D是显示远端底角β1和折射率满足以下条件的参数空间的等值曲线：|θ_in-θ_b|＜5°，|θ₄-θ_b|＜5°，|θ_out|＜5°(区域1)和|θ_in-θ_b|＜10°，|θ₄-θ_b|＜10°，|θ_out|＜10°(区域2)。

图8D显示了在参数组(n，β1)的两维空间的区域1中，上面公式(10.1)-(10.3)中给出的条件都得以满足，即|θ_out|＜5°，|θ_in-θ_b|＜5°，|θ₄-θ_b|＜5°。在区域2中，|θ_out|＜10°，|θ_in-θ_b|＜10°，|θ₄-θ_b|＜10°。在区域1和区域2以外的区域内，|θ_out|＞10°，|θ_in-θ_b|＞10°或|θ₄-θ_b |＞10°。可以看到对于区域1，折射率n约为1.64-1.90，远端底角β₁约为55-66°。

为了更好地理解这些结果的重要性，在图8A-8C中分别显示了|θ_out|，|θ_in-θ_b|和|θ₄-θ_b|中的每一个。图8A显示了在区域1中(0°＜β₁＜90°且1.62＜n)，始终满足条件|θ_in-θ_b|＜5°。参见图8B，在区域1中，|θ₄-θ_b|＜5°，在区域2中，|θ₄-θ_b|＜10°。参见图8C，在区域1中，|θ_out|＜5°。在区域2中，|θ_out|＜10°。

很容易看到，公式(10.2)的|θ_in-θ_b|＜5°可以相当容易地获得满足。对于|θ₄-θ_b|＜5°，对于任意约大于54°且约低于74°的远端底角，对于1.5＜n＜2.0的折射率都有解。对于|θ_out|＜5°，对于约大于43°且约小于78°的任意远端底角β₁，对于1.5＜n＜2.0的折射率都有解。另外，|θ_out|＜5°和|θ₄-θ_b|＜5°的图形是不同的。首先，它们占据不同的空间。其次，区域1|θ₄-θ_b|＜5°在低折射率条件下较宽，而区域1|θ_out|＜5°在低折射率条件下较窄。较窄的图形意味着对折射率n和远端底角β₁变化的容许偏差较小。

当公式(10.1)，(10.2)和(10.3)的所有的条件必须获得满足的时候，存在图8D的区域1所示的最佳工作空间。

进一步的研究显示，|θ_out|＜1°，|θ_in-θ_b|＜1°和|θ₄-θ_b|＜1°的范围没有重叠。这意味着在实际中不可能达到″完美的″性能；必须进行一些权衡以达到最佳的可能的效果。

实施例2

图9A-9D所示顺序与图8A-8D类似，使用与图8A-8D相同的光重新定向结构和材料，但是主入射角θ_in＝70°。通过与图8A相比较，发现对于1.5＜n＜2.0的范围，图9A中的|θ_in-θ_b|＜5°的区域1并不存在。在此等值曲线中出现了区域2|θ_in-θ_b|＜10°和区域3|θ_in-θ_b|＜15°。图9B和9C的等值曲线中所示的其它性质与实施例1的类似。在图9D中，不存在重叠区域1|θ_out|＜5°，|θ_in-θ_b|＜5°，|θ₄-θ_b|＜5°。图9D显示了重叠区域3，其中|θ_out|＜5°，|θ_in-θ_b|＜10°，|θ₄-θ_b|＜5°，以及重叠区域4，其满足|θ_out|＜10°，|θ_in-θ_b|＜15°，|θ₄-θ_b|＜10°。

实施例3

图10A-10D所示顺序与图9A-9D类似，其使用相同的结构和材料，但是主入射角θ_in＝75°。在图10A中，在1.5＜n＜2.0的范围内，既不存在区域1|θ_in-θ_b|＜5°也不存在区域2|θ_in-θ_b|＜10°。图10A中的区域3满足|θ_in-θ_b|＜15°。图10B和10C中的其它特征与实施例2中的图9B和图9C的类似。在图10D中，区域3满足|θ_out|＜5°，|θ_in-θ_b|＜15°，|θ₄-θ_b|＜5°，重叠区域4满足|θ_out|＜10°，|θ_in-θ_b|＜15°，|θ₄-θ_b|＜10°。

作为本发明的一个优点，偏振转向膜20可以作为光重新定向制品形成，其能够适于在一个以上的主角或一定范围的主角接收光。再来看图3A，用第一范围的主角来确定当转向膜20设定在第一位置时远表面26的相对倾斜。另一方面，转向膜20还可以一种取向使用，在此情况下，该转向膜20在相同的平面内相对于其初始位置旋转180°。如图20A和20B所示，当入射光主角为θ_in1的时候，转向膜20设置在一个位置，当入射光主角为θ_in2的时候，转向膜20在相同的入射平面内旋转180度。当进行这种旋转的时候，需要近表面24(图3A)成为希望在等于或接近布儒斯特角入射的表面。也就是说，近表面24(其斜率由底角β2决定)现在执行远表面26的功能。这将对于不同主入射角θ_in使转向膜20能比处于初始位置的转向膜20优化。这样，可将转向膜20制成可适应的，使得同一片转向膜20可以根据光导板10的输出特征而以两种位置中的任一种取向。图3C显示了以这种方式旋转的与图3A相同的转向膜20。此处，实际的远表面标为24′，实际的近表面标为26′，以表示该相反的取向。关于性能，图3C的表面24′依照上面图3A中表面26所述相同的方式与光相互作用。对于此实施例，表面22的入射光的主入射角标为入射角θ′_in。

采用上文关于图3A、3B和3C所述的方法，可以用以下步骤通过转向膜20获得高度偏振的光照：

(i)以主角θ_in从光导板10引导入射光，所述主角θ_in接近转向膜20基片的布儒斯特角；

(ii)对转向膜20的光重新定向结构的远表面26进行定向，使得来自转向膜20内的入射光的角度θ₃接近布儒斯特角。

从图8A-8D，9A-9D以及10A-10D的等值曲线可以很明显地看出，为了提供所需的偏振性质，转向膜20基片的折射率n必须较大，通常至少约等于或大于1.6。通过进行两次偏振分离，图3A，3B和3C的方法得到具有高度P偏振的光照。

图3A，3B和3C中的设置显示了如何利用两个依次的布儒斯特角界面在转向膜20内得到良好的偏振光。具有类似的向上取向的(即相对于观察者向上取向的)棱柱结构的常规转向膜可能会在其第一界面无意地接收来自光导板的入射光，其入射角度允许在转向膜内以等于或接近于布儒斯特角的角度折射。但是，常规的转向膜内的光的第二个界面通常会以某一任意角度折射而使光线重新定向，而没有利用布儒斯特角进行进一步的偏振分离。本发明的设备和方法利用第二个界面，利用另外的机会使得光线在布儒斯特角第二次折射。最终的结果提供的出射光线不仅以θ_out朝向法线重新定向，而且还表现出高度的偏振。

三界面转向膜

接下来来看图4，图中显示了本发明的另一个实施方式，其利用直线延长的光重新定向结构在转向膜20中为光提供第三个界面。此处，入射到远表面26(在此实施方式中也被称为内反射面)上的光通过内全反射(TIR)反射，然后以角度θ₆入射到近表面24(在此实施方式中也被称为出射表面)上，此处的折射角θ₇接近布儒斯特角。通过图4的结构，转向膜20内的光路包括三个界面。第二个界面不使用布儒斯特角。而是，在第二个界面发生TIR。

沿着图4的光路，来自光导板10的入射角为θ_in的入射光以布儒斯特角θ₂折射。在远表面26，入射角θ₃导致以θ₅内全反射。反射的光在近表面24入射，以布儒斯特角θ₇折射。

作为首要的考虑，为了使得光首先入射在在远表面26上，必须满足以下的条件。

β₂≥90°-θ₂，公式(11)

为了使得光通过近表面24而不发生内全反射，必须满足以下条件。

${\mathrm{\&theta;}}_7<{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{TIR}}={\sin }^{-1}\left(\frac{1}{n}\right),$ 公式(14)

其中

公式(15)

对于图4的实施方式，棱柱元件本身可以相对于其上形成这些元件的膜或片材的平面显著向外延伸。它们可以是独立制造的部件，例如安装或固定在基片上。其它可能的改良包括对远表面26施涂涂层，以便以一些方式调节光的性质。例如，可能宜用反射涂层来代替内全反射。或者，可以形成远表面26来对光(例如具有不希望有的偏振态的光)进行再循环。

添加到基片的结构

图3A，3B，3C和图4显示了由单独的基片形成的转向膜20。但是使用一种以上的材料制造转向膜20可能更加实用，包括所用材料的折射率相同或不同的情况。图5A是图3B的偏振转向膜20的截面图，其中基片28和光重新定向结构34具有不同的折射率n和n1。此处，基片28提供在其上连接光重新定向结构34的表面。光重新定向结构34可以形成于透明介质形成的独立片材上，然后该片材固定于基片28之上。或者光重新定向结构34可以单独地制造，固定在基片28上。图5B显示了类似的用于图4的转向膜20的结构。

图5A或5B的实施方式可具有成本以及制造上的优势。例如，较低折射率的材料(1.45-1.55)容易得到，可能最适于基片28。较高折射率的材料(高于1.6)通常更为昂贵，但是能够更好地适用于提供光重新定向结构34。如之前的描述和公式(4)所述，可能需要较高的折射率以便提供在θ₄的布儒斯特角折射(图3A)。通过使用双重材料设计，可以同时达到降低成本和高光学性能。光学设计领域的技术人员可以很容易地理解，当使用具有不同折射率的两种或更多种材料的时候，在平坦表面22以及近表面或远表面24或26的两种布儒斯特角略微不同。可以很容易地看出，可以很容易地进行很小的修改，以达成最佳的光学性能。

对光重新定向结构的基本形状的改良可能有助于简化制造过程或者改变光路的特征。例如，图5C是图5A所示偏振转向膜的截面示意图，其中光重新定向结构34的尖端或顶点被截顶(至显示截顶表面29的水平虚线)，并且/或者使这些结构之间的凹槽角γ变圆。类似地，图5D是图5B的偏振转向膜的截面示意图，其中棱柱的顶点被截顶，并且/或者使凹槽角γ变圆。这是可能因为在图5C中棱柱的尖端没有被用于主射线(primary ray)31、32和33，在图5D中没有用于主射线41，42和43。

图5E是显示图5A的偏振转向膜的截面示意图，其中光重新定向结构的尖端在某些位点上方具有较小的倾斜角，以便对次要射线(secondary ray)35重新定向。图5F是显示图5B的偏振转向膜的截面示意图，其中棱柱的尖端在某些位点上方具有较小的倾斜角，以便对次要射线45进行重新定向。图5E中的主射线31，32与次要射线35之间的差别、或者图5F中的主射线41，42与次要射线45之间的差别在于，主射线可以携带更多的光通量，次要射线携带较少的光通量。由于具有倾斜角较小的尖端表面25或27，次要射线31近似满足布儒斯特角条件，被转向法线方向，因此使得迎面(head on)光照最大。如这些实施例所示，因此光重新定向结构提供的出射表面可具有一种以上的斜率。将这个理念进一步延伸，出射表面可在整个表面上或仅在表面的一部分之上具有一定量的曲率。另外，所述凹槽可以并非完全互相平行。凹槽的高度可以沿长度方向发生变化。

显示器设备和偏振器的取向

本发明的设备和方法允许支承部件有大量可能的结构来提供偏振光。图6是显示根据本发明使用偏振转向膜20的显示器设备60的截面示意图。LC空间光调制器70对从光导板10和转向膜20接收的偏振光进行调制。半波板80是任选的。为LC空间光调制器70自身提供了后偏振器72和前偏振器73；但是，这些内装式偏振器是吸收型的，是LC调制器操作所必需的，这与不通过吸收光进行操作的本发明的偏振转向膜20不同。图7A是LC空间光调制器70的偏振光透射轴172和173的顶视示意图，该调制器使用一对相对于光重新定向结构75以及在图7A中垂直延伸的转向膜20的凹槽呈45度取向的偏振器。在此情况下，在转向膜20和LC空间光调制器70之间提供了半波板80以将偏振光的偏振方向从平行于横截面改变为平行于后偏振器72。半波板80的光轴的取向相对于后偏振器72以22.5度取向。

图7B是显示LC空间光调节器70的偏振光透射轴172和173的顶视示意图，其使用一对其取向平行或垂直于转向膜20的凹槽和光重新定向结构75的偏振器。在此情况下，LC空间光调制器70可使用垂直对准的(VA)LCD或IPS LC元件。后偏振器透射轴172平行于横截面，因此不需要半波板80。

如图7A所示，光重新定向结构75可以沿直线方向延长，并基本平行地延伸。图7C是另一个实施方式中，具有弓形延长的光重新定向结构75的偏振转向膜20的顶视示意图。这种结构有益于在光导板10的一个或多个角上使用点光源(例如发光二极管(LED))，以具有更紧凑的设计。所述后偏振器透射轴172或多或少平行于横截面，因此不需要半波板80。

用来形成转向膜20的材料

本发明的转向膜20可以用较高折射率的材料制造，所述材料包括含硫聚合物，特别是聚硫氨酯、聚硫醚等。具有高折射率的材料还包括聚碳二亚胺共聚物，其具有极佳的热稳定性，具有高度的可加工性和模塑性，参见2004年8月12日公开的Sadayori等的题为《具有高折射率的聚碳二亚胺及其制备方法(Polycarbodiimide having high index of refraction and productionmethod thereof)》的美国专利申请公开第2004/0158021号。这些材料在589纳米的折射率在1.738-1.757的范围变化。具有掺杂的高折射率材料(例如二氧化钛、氧化锆和氧化钡)的微球或珠粒的材料也会表现出高折射率，其折射率可能小于或大于1.7，如Chisholm等的题为《高折射率涂覆的光控膜(HIGH INDEX COATED LIGHT MANAGEMENT FILMS)》的美国专利申请公开第2004/0109305号所公开的。高折射率的材料还包括许多聚酯，例如聚萘二甲酸乙二酯(PEN)和聚2，6-萘二甲酸丁二酯(PBN)。这些材料的折射率从约1.64至高达约1.9的范围内变化，见Hebrink等的题为《制备共聚PEN/PMMA多层光学膜的方法(Method for making coPEN/PMMA multilayeroptical films)》的美国专利第6,830,713号的讨论。其它已知的具有高折射率的材料也可使用。

示例性实施方式的结果

图11的表1显示了本发明的实施例和比较实施例，表中显示了本发明的转向膜20如何在各种条件下和使用各种材料进行工作。对于这些示例性实施方式，膜设计用远端底角β₁，近端底角β₂，以及折射率n来详细说明。膜性能通过出射角θ_out，P偏振的透光率T_p以及S偏振的透光率T_s来给出。在入射面和出射表面的两种布儒斯特角条件分别通过θ_in-θ_b和θ₄-θ_b给出。最右侧列中的Y表示令人满意的结果。总体来说，转向膜的目标是确保θ_out≤5°，同时使得T_p最大，并保持低的T_s。但是，使T_p最大比保持低的T_s更重要。当|θ_in-θ_b|＜16°(或者|θ₄-θ_b|＜16°)的时候，认为对入射面(或出射表面(exit surface))近似满足布儒斯特角的条件。

为了比较，建议观察表1中的实施例1使用与前文所述Arai的′220的图8中给出相同的数值。具有实施例1所示的特征的膜对于θ_in＝75°的条件有效，得到可接受的结果，θ_out＝-0.12°，T_p＝79.7％，T_s＝31.5％。但是，这仅提供了75度主入射角θ_in的解，当主入射角θ_in＝70°或θ_in＝63°的时候，这种膜效果不好，这是因为当θ_in＝70°的时候，出射角数值θ_out＝-8.46°，显著偏离了法线方向或目标方向。另外，即使当达到θ_out＝-0.12°的时候，透光率数值T_p＝79.7％也是较低的。

注意对于主入射角θ_in＝63°，θ_out的数值为NA(不可得)，这意味着光无法如图2A所示、通过在远表面26的内全反射通过膜。因此，θ₄-θ_b的出射表面界面数值也是不可得的。该标记也应用于实施例3.4，3.5，3.7和4.6的θ_in＝63°的情况。发生这种情况是因为未满足公式(12)规定的条件。

从公式(13)，

其大于

类似地，表1中的实施例2使用与上文所述Arai的′220的图9给出相同的数值。具有实施例2所示特征的膜对于主入射角θ_in＝63°的情况有效，所得结果为θ_out＝0.04°，T_p＝94.7％，T_s＝49.8％。但是，这仅提供了主角θ_in＝63度的解。这种膜在主角θ_in＝70°或θ_in＝75°的时候效果不好，这是因为出射角数值θ_out＝7.29°和θ_out＝10.63°显著偏离了法线方向。

对于实施例3.1-3.8，使用较大的折射率n，在各种情况下，n＝1.68，对于该实施例的分组，改变远端底角β₁和近端底角β₂，显示对于不同主入射角θ_in的结果。在实施例3.1中，β₁＝β₂＝64.5°。就出射角θ_out性能而言，该膜在θ_in＝63°时是有效的，但是在θ_in＝70°或θ_in＝75°的时候无法令人满意。这种膜的T_p＝99.2％，比常规设计(实施例1和实施例2)高得多。透光率T_s很低，T_s＝52.5％。注意对于全部三种入射角θ_in＝63°，θ_in＝70°，和θ_in＝75°，这两种布儒斯特角条件都近似满足(入射角θ_in和θ₄在布儒斯特角+/-16度范围之内)，但是仅当主角θ_in＝63°的时候，同时满足这三种条件。

在实施例3.2中，底角β₁＝β₂＝66.0°。就出射角θ_out性能而言，这种膜在主角θ_in＝63°和θ_in＝70°的时候的效果是可以接受的，而在θ_in＝75°的时候则无法接受。这种膜的T_p＝96.5-96.6％，高于之前的设计。透光率T_s＝46.5-46.6％，低于常规的器件。注意该单独的膜，当以相同的取向设置的时候，对于两种不同的主入射角θ_in以及这两个不同的主角之间的角度，其效果都是可接受的。

在实施例3.3中，底角β₁＝β₂＝67.5°。就出射角θ_out性能而言，该膜在主入射角θ_in＝75°和θ_in＝70°的时候有效，而对于θ_in＝63°则不行。对于θ_in＝75°，该膜的透光率T_p＝90.2％，远高于之前的方法提供的结果，但是T_s＝38.3％的值则略高于常规的结果T_s＝31.5％。而且，这种单独的膜在当以相同的取向定位的时候，其对于两种不同的入射角θ_in以及这两种不同的入射角之间的角度的效果都是可以接受的。

在实施例3.4中，底角β₁＝β₂＝69.5°。就出射角θ_out性能而言，该膜在主入射角θ_in＝75°的时候有效，而对于θ_in＝70°或θ_in＝63°则不行。对于主角θ_in＝75°，该膜的透光率T_p＝86.32％，远高于之前的方法提供的结果T_p＝79.7％。低的T_s＝32.2％的值则略高于之前的方法提供的结果T_s＝31.5％。

在实施例3.5中，底角β₁＝β₂＝70.0°。就出射角θ_out性能而言，该膜在主入射角θ_in＝75°的时候有效，而对于θ_in＝70°或θ_in＝63°则不行。对于主角_in＝75°，该膜的透光率T_p＝83.6％，高于之前的方法提供的结果T_p＝79.7％，T_s＝29.6％的值则略低于之前的方法提供的结果T_s＝31.5％。

在实施例3.6中，底角β₁＝64.5°，β₂＝67.5°。这种膜在一种取向下对于主角θ_in＝63°是有效的，当其围绕膜的法线旋转180度的时候，对于θ_in＝70°和θ_in＝75°的情况(在第二种旋转取向中，底角改变了，这样β₂＝67.5°，β₂＝64.5°)是有效的。这样，就出射角θ_out性能而言，单独的膜对于三种主入射角均有效，具有上文关于实施例3.1和3.3所列的所有的优点。

实施例3.7和3.8显示了其它可能的组合，但是没有得到令人满意的结果。在实施例3.7中，底角β₁-β₂＝70.5°。就出射角θ_out性能而言，该膜对于任意被测的主入射角θ_in＝63°，θ_in＝70°，或θ_in＝75°的效果均不好。在实施例3.8中，底角β₁＝β₂＝61.5°。尽管能够满足两个布儒斯特角条件，但是就出射角θ_out的性能而言，这种膜对于主角θ_in＝63°，θ_in＝70°，或θ_in＝75°的效果均不好。

在以上的实施例3.1-3.8中，底角的范围满足：

61.5°＜β₁，β₂≤70.5°

始终满足以下β₂和θ₂的关系：β₂≥90°-θ₂，公式(11)

因为对于θ_in＝63°，90°-θ₂＝58.0°，对于θ_in＝70°，90°-θ₂＝56.0°，对于θ_in＝75°，90°-θ₂＝54.9°。

参见图12中的表2，其显示了另外的实施例，在此情况下折射率为n＝1.78。对于这些实施例，满足以下条件：

对于θ_in＝63°，β₂＞90°-θ₂＝59.96°

对于θ_in＝70°，β₂≥90°-θ₂＝58.1°

对于θ_in＝75°，β₂≥90°-θ₂＝57.1°。

在实施例4.1中，底角β₁＝59.0°，β₂＝60.0°。就出射角θ_out的性能而言，这种膜对于主角θ_in＝63°和θ_in＝70°的效果良好，当θ_in＝75°的时候则不行。对于全部三种入射角，这两种布儒斯特角条件都得到满足。

在实施例4.2中，底角β₁＝β₂＝60.0°。就出射角θ_out的性能而言，这种膜对于主角θ_in＝63°和θ_in＝70°的效果良好，当θ_in＝75°的时候则不行。

在实施例4.3中，底角β₁＝β₂＝60.5°。就在相同的取向下出射角θ_out的性能而言，这种膜对于主角θ_in＝63°、θ_in＝70°和θ_in＝75°的效果良好。透射值T_p远高于之前的解，而T_s值相对较低。

在实施例4.4中，底角β₁＝β₂＝62.0°。就在相同取向下的出射角θ_out的性能而言，这种膜对于主角θ_in＝70°和θ_in＝75°的效果良好，当θ_in＝63°的时候则不行。

在实施例4.5中，底角β₁＝60.0°，β₂＝62.0°。该膜结合了实施例4.2和4.4的特征。这种膜在一种取向下对于主角θ_in＝63°和θ_in＝70°的效果良好。当其旋转180度至第二种取向的时候，该转向膜对主角θ_in＝70°和θ_in＝75°的效果良好。注意该膜在任意一种取向下对于主角θ_in＝70°均有效。但是，在出射方面有很小的不同。当β₁＝60.0°，β₂＝62.0°，T_p＝97.1％，T_s＝46.0％，θ_out＝2.93°。当β₁＝62.0°，β₂＝60.0°，T_p＝97.1％，T_s＝42.1％，θ_out＝-1.33°。当考虑其它的因素的时候，这类膜提供灵活性。

在实施例4.6中，底角β₁＝β₂＝65.0°。就出射角θ_out性能而言，这种膜对于θ_in＝63°，θ_in＝70°，或θ_in＝75°的效果均不好。

在实施例4.7中，底角β₁＝55°，β₂＝60.0°。就出射角θ_out性能而言，这种膜对于θ_in＝63°，θ_in＝70°，或θ_in＝75°的效果均不好。

参见图13中的表3，其显示了另外的实施例，其中折射率n＝1.88。对于这些实施例，满足以下条件：

当θ_in＝63°，β₂≥90°-θ₂＝61.7°

当θ_in＝70°，β₂≥90°-θ₂＝60.01°

当θ_in＝75°，β₂≥90°-θ₂＝59.08

在实施例5.1中，底角β₁＝55.0°，β₂＝61.7°。就出射角θ_out性能而言，这种膜对于θ_in＝63°，θ_in＝70°，或θ_in＝75°的效果均良好。对于全部三种入射角θ_in，两种布儒斯特角条件可以满足。

在实施例5.2中，底角β₁＝55.5°，β₂＝61.7°。就出射角θ_out性能而言，这种膜对于θ_in＝63°，θ_in＝70°，或θ_in＝75°的效果均良好。对于全部三种入射角θ_in，两种布儒斯特角条件可以满足。

在实施例5.3中，底角β₁＝56.0°，β₂＝61.7°。就出射角θ_out性能而言，这种膜对于θ_in＝63°，θ_in＝70°，或θ_in＝75°的效果均良好。对于全部三种入射角θ_in，两种布儒斯特角条件可以满足。

在实施例5.4中，底角β₁＝60.0°，β₂＝61.7°。就出射角θ_out性能而言，这种膜对于θ_in＝63°，θ_in＝70°，或θ_in＝75°的效果均不好。

在实施例5.5中，底角β₁＝50.5°，β₂＝61.7°。就出射角θ_out性能而言，这种膜对于θ_in＝63°，θ_in＝70°，或θ_in＝75°的效果均不好。

总之，使用图13中表3所示的参数，必须满足以下条件：

51.0°≤β₁≤59.5°

以便对于三种主角θ_in＝63°，θ_in＝70°和θ_in＝75°中的一种有效。然而，对于θ_in＝63°，底角β₂必须不小于61.7°。给定这些关系，则不宜旋转膜以获得可接受的性能。

参见图14中的表4，其显示了另外的实施例，其中折射率n＝1.98。对于这些实施例，满足以下条件：

当θ_in＝63°，β₂≥90°-θ₂＝63.3°

当θ_in＝70°，β₂≥90°-θ₂＝61.7°

当θ_in＝75°，β₂≥90°-θ₂＝60.8

在实施例6.1中，底角β₁＝50.5°，β₂＝63.2°。就出射角θ_out性能而言，这种膜对于θ_in＝63°，θ_in＝70°，或θ_in＝75°的效果均良好。

在实施例6.2中，底角β₁＝51.5°，β₂＝63.2°。就出射角θ_out性能而言，这种膜对于θ_in＝63°，θ_in＝70°，或θ_in＝75°的效果均良好。

在实施例6.3中，底角β₁＝55.5°，β₂＝63.2°。就出射角θ_out性能而言，这种膜对于θ_in＝63°，θ_in＝70°，或θ_in＝75°的效果均不好。

在实施例6.4中，底角β₁＝46.0°，β₂＝63.2°。就出射角θ_out性能而言，这种膜对于θ_in＝63°，θ_in＝70°，或θ_in＝75°的效果均不好。

总之，使用图14中表4所示的参数，必须满足以下条件：

46.5°≤β₁≤55.0°

以便对于三种主角θ_in＝63°，θ_in＝70°和θ_in＝75°中的一种有效。然而，对于θ_in＝63°，底角β₂必须不小于63.3°。给定这些关系，则不宜旋转膜以获得可接受的性能。

参见图15中的表5，其显示了另外的实施例，其中折射率n＝2.38。对于这些实施例，满足以下条件：

当θ_in＝63°，β₂≥90°-θ₂＝68.0°

当θ_in＝70°，β₂≥90°-θ₂＝66.7°

当θ_in＝75°，β₂≥90°-θ₂＝66.0

在实施例7.1中，底角β₁＝37.0°，β₂＝68.0°。就出射角θ_out性能而言，这种膜对于θ_in＝63°，θ_in＝70°，或θ_in＝75°均有效。但是因为两个布儒斯特角条件得不到满足，T_p小于90％。

在实施例7.2中，底角β₁＝38.5°，β₂＝68.0°。就出射角θ_out性能而言，这种膜对于θ_in＝63°，θ_in＝70°，或θ_in＝75°的效果均良好。但是因为两个布儒斯特角条件得不到满足，T_p小于91％。

在实施例7.3中，底角β₁＝42.0°，β₂＝68.0°。就出射角θ_out性能而言，这种膜对于θ_in＝63°，θ_in＝70°，或θ_in＝75°的效果均不好。

在实施例7.4中，底角β₁＝33.5°，β₂＝68.0°。就出射角θ_out性能而言，这种膜对于θ_in＝63°，θ_in＝70°，或θ_in＝75°的效果均不好。

总之，使用图15中表5所示的参数，必须满足以下条件：

34.0°≤β₁≤41.5°

以便对于三种主角θ_in＝63°，θ_in＝70°和θ_in＝75°中的一种能够将光线重新定向至相对于膜法线5度之内。然而，对于θ_in＝63°，底角β₂必须不小于68°。给定这些关系，则不宜旋转膜以获得可接受的性能。

注意在实施例7.1和7.2中，由于θ₄-θ_b相对较大的绝对值(大于24°)，透光率T_p仅最高为90.9％，一般来说小于实施例3.1-3.6，4.1-4.5，5.1-5.3和6.1-6.2的值。尽管实施例7.1和7.2的膜是可以接受的，但是与实施例3.1-3.6，4.1-4.5，5.1-5.3和6.1-6.2的膜相比，它们不是优选的。

三界面转向膜实施方式

图16的表6显示了发明实施例和比较实施例，这些实施例说明了本发明的转向膜20如何在各种条件下、使用各种材料进行工作。

在实施例3.2B中，底角β₁＝90.0°，β₂＝66.0°。这种膜与实施例3.2类似，不同之处在于用β₁＝90.0°代替β₁＝66.0°。性能也是类似的，只是θ_in的符号发生变化，说明光方向相对于膜的法线发生变化，但是绝对值保持相同。就出射角(output angle)θ_out性能而言，这种膜对于主角θ_in＝63°和θ_in＝70°的效果是可以接受的，但是对于θ_in＝75°则不行。

实施例3.7B与实施例3.7类似，实施例3.8B与实施例3.8类似，实施例4.3B与实施例7类似，只是底角β₁＝90.0°。近端底角β₂与其对应实施例的近端底角β₂保持相同。性能是相同的，只是θ_out的符号改变。

注意对于主角θ_in＝63°，θ_out的数值是NA(不可得)，这意味着光线由于在近表面24内全反射而无法如图4所示通过膜。因此，θ₇-θ_b的数值也是不可得的。分别参见图18和19的表8和9，这种情况也用于实施例9.3的主角θ_in＝63°和θ_in＝70°的情况，以及实施例10.3的θ_in＝63°的情况。

对于实施例3.7B，对于θ_in＝63°：

这大于

因此，公式(15)规定的条件未得到满足。因此，在近表面24发生内全反射。

这些实施例显示了当折射率较小(n＝1.68，1.78)的时候，三界面转向膜20如何与两界面转向膜20相关，使得在两界面转向膜中β₁≥β₂。

图17的表7显示了实施例8.1-8.3，n＝1.68或n＝1.78，其中β₁＜90°，这不同于表6中的实施例。

实施例8.1与实施例3.7B相同，只是β₁具有不同的数值。在实施例8.1中，β₁＝89°，而在实施例3.7B中，β₁＝90°。就出射角θ_out性能而言，实施例8.1的膜对于θ_in＝75°和θ_in＝70°的效果是可以接受的，而实施例3.7B的膜对于主角θ_in＝63°、θ_in＝70°或θ_in＝75°的效果均是不可接受的。

实施例8.2与实施例8.1相同，不同之处在于β₂具有不同的数值。在实施例8.1中，β₂＝70.5°，而在实施例8.2中，β₂＝68.5°。就出射角θ_out性能而言，实施例8.2的膜对于主角θ_in＝63°和θ_in＝70°的效果是可以接受的。其还可提供高T_p和低T_s。

在实施例8.3中，n＝1.78，β₁＝89°且β₂＝63.5°。就出射角θ_out性能而言，这种膜对主角θ_in＝63°，θ_in＝70°和θ_in＝75°的效果均是可以接受的。其还可提供高T_p和低T_s。

当棱柱的折射率较高(例如n＝1.88，1.98)的时候，在二界面转向膜中β₁＜β₂(见图13的表3和图14的表4)，相应的三界面转向膜不可能具有β₁＝90°。

图18的表8显示了实施例9.1-9.5，其中n＝1.88。在实施例9.1中，β₁＝85°且β₂＝68.5°。就出射角θ_out性能而言，这种膜对主角θ_in＝63°和θ_in＝70°的效果是可以接受的。其还能提供高的T_p和低的T_s。

在实施例9.2中，β₁＝85°，β₂＝70.0°。就出射角θ_out性能而言，这种膜对主角θ_in＝75°和θ_in＝70°的效果是可以接受的。其还能提供高的T_p和低的T_s。

实施例9.3和实施例9.4与实施例9.1相同，不同之处在于实施例9.3具有较大的β₂(β₂＝72.5°)，实施例9.4具有较小的β₂(β₂＝66.0°)。就出射角θ_out性能而言，这种实施方式对主角θ_in＝63°、θ_in＝70°或θ_in＝75°的效果均是不可接受的。在实施例9.5中，β₁＝85.5°，β₂＝62.0°。就出射角θ_out性能而言，这种膜对主角θ_in＝75°和θ_in＝70°的效果是可以接受的。其还可提供高的T_p(～92.4％)和低的T_s(～32.6％)。对比T_p/T_s几乎为3∶1。这可能是因为θ_in-θ_b随着折射率n减小，θ₇-θ_b可以变为略大于0。

图19的表9显示了实施例10.1-10.4，其中n＝1.98。在所有的实施例中，β₂＝63.2°。在实施例10.1中，β₁＝85.5°。就出射角θ_out性能而言，这种膜对主角θ_in＝63°和θ_in＝70°的效果是可以接受的。其还提供了高T_p和低T_s。在实施例10.2中，β₁＝86°。就出射角θ_out性能而言，这种膜对主角θ_in＝75°和θ_in＝70°的效果是可以接受的。其还可提供高T_p和低T_s。在实施例10.3中，β₁＝87°，在实施例10.4中，β₁＝84°。就出射角θ_out性能而言，后两个实施例对主角θ_in＝63°、θ_in＝70°或θ_in＝75°的效果均是不可接受的。当n过大的时候，例如当n＝2.38的时候，找不到合适的膜设计来提供可以接受的出射角θ_out性能以及提供高T_p和低T_s。

作为图11-19中表1-9所示的实施例，在给定合适的底角β₁和β₂的条件下，可以在一定的主入射角θ_in和折射率n的范围内得到合适的θ_out、T_p、T_s数值。但是，转向膜20的一些设计和材料参数必须在正确的范围之内，以便同时提供合适的转向膜性能以及改进的光照光线的偏振。

如图所示(图11中的表1)，一些较早的解决方案无意地利用Arai′220中描述的效果提供了一些对偏振的很小的偶然性的改进。但是，利用常规方法获得的任意的这些收获都非常的小，至少在某种程度上是任意转向膜本身固有的。另一方面，本发明的设备和方法使得转向膜20的设计几何结构和材料构建优化，以在入射界面和出射界面都利用了布儒斯特角效应。这样，可以用背光照明系统中的单个光重新定向制品同时获得接近法线的(或者更一般性地来说，是接近目标的)角度重新定向和改进的偏振态。与那些偶然提供一些在某一个特定的主角入射的入射光偏振改进的措施的早期转向膜设计不同，本发明的设备能够在更宽的主角范围内同时使光重新定向和改进偏振。如示例性的实施方式所示，能够对本发明的转向膜设计进行优化，以主角相差高达5度或更多对光改进偏振和提供合适的光重新定向。

对于在与法线夹角大于60度的主角入射的光照，本发明的光重新定向制品提供的光从所述内反射面反射，以与目标角相差在5度之内的发射光角度从出射表面发射。这对于以至少两种不同的主角中的任一种入射的入射光照是特别有用的，各个所述主角与法线夹角大于60度，所述主角相差等于或大于5度。这对于在至少三种不同的主角入射的入射光照也是特别有用的，每种主角与法线夹角大于60度，所述主角相差等于或大于5度。在一个实施方式中，所述主角是63度，70度和75度。

在本发明的一个实施方式中，对于所述主角的出射光的一种偏振的透光率超过85％，优选一种偏振的透光率超过90％。在另一个实施方式中，对于所述主角的出射光的正交偏振的透光率小于55％，优选对于该主角的出射光的正交偏振的透光率小于50％。优选对于所述主角的出射光的一种偏振的透光率超过85％，而且对于该主角的出射光的正交(或相反)偏振的透光率小于55％。更优选对于所述主角的出射光的一种偏振的透光率超过90％，对于该主角的出射光的正交(或相反)偏振的透光率小于50％。

在一个优选的实施方式中，所述光重新定向制品用于主角等于或小于70度的入射光照，使所述光照定向，在入射面处入射角在布儒斯特角的+/-11度以内，在出射表面所述光以在布儒斯特角的+/-11度以内的角度入射到出射表面。在另一个实施方式中，所述光重新定向制品用于主角等于或大于70度的入射光照，使所述光照定向，在入射面处入射角在布儒斯特角的+/-16度以内，在出射表面所述光以在布儒斯特角的+/-16度以内的入射角入射到出射表面。

因此，本发明提供了一种低成本的转向膜解决方案，其使用减少数量的部件提供偏振的光照。

编号说明列表

1，2，3，4.区域

10.光导板

12.光源

14.端面

16.出射面

18.入射面

20.转向膜

22.平坦表面

24，24′.近表面

26，26′.远表面

28.基片

29.截顶表面

31，32，33，35.射线

34.光重新定向结构

41，42，43，45.射线

52.反射面

60.显示器设备

70.LC空间光调制器

72.后偏振器

73.前偏振器

75.光重新定向结构

80.半波片

82.点光源

100.显示器设备

120.光选通器件

122.转向膜

124.偏振器

125.反射偏振器

142.反射面

172，173.透射轴

α.顶角

β1.底角

β2.底角

γ.凹槽角

n.折射率

θ_in1.第一光导板的入射角

θ_in2，.第二光导板的入射角

θ_out-出射角

θ2.在平坦表面的折射角

θ3.在远表面的入射角

θ4.在远表面的折射角

θ5.在远表面的反射角

θ6.在近表面的入射角

θ7.在近表面的折射角

V.膜法线方向

V1.远表面上的法线方向

V2.近表面上的法线方向

H.水平方向

R1.中心光照光线

Claims (18)

1.一种用来使光朝向目标角度重新定向的光重新定向制品，所述光重新定向制品包括：

(a)入射面，用来在一个入射角范围内接收入射光照；

(b)出射面，其包括大量光重新定向结构，每个光重新定向结构包括

(i)与所述入射面的平面成第一角度取向的内反射面；

(ii)用来以发射光角度发射出射光的出射表面，所述出射表面相对于入射面的平面以第二角度取向，

因此对于以与法线夹角大于60度的主角入射的光照，光线从内反射面反射，以与目标角相差5度以内的发射光角度从出射表面发射；

其中，所述目标角垂直于光重新定向制品的平面。

2.如权利要求1所述的光重新定向制品，该制品包括折射率大于1.6的材料。

3.如权利要求1所述的光重新定向制品，其特征在于，对于在至少两种不同主角中的任一种入射的入射光照，每个主角与法线夹角大于60度，且所述主角相差等于或大于5度，发射光的角度在目标角的5度以内。

4.如权利要求1所述的光重新定向制品，其特征在于，对应于所述主角的出射光的一种偏振的透光率超过95％。

5.如权利要求1所述的光重新定向制品，其特征在于，对应于所述主角的出射光还具有以下性质：一种偏振的透光率超过90％。

6.如权利要求5所述的光重新定向制品，其特征在于，对应于所述主角的出射光的正交偏振的透光率小于55％。

7.如权利要求5所述的光重新定向制品，其特征在于，对应于所述主角的出射光的正交偏振的透光率小于50％。

8.如权利要求1所述的光重新定向制品，其特征在于，对于在至少三种不同的主角中的各个角度入射的入射光照，每个主角与法线夹角大于60度，所述主角相差等于或大于5度，发射光角度在目标角的5度以内。

9.如权利要求1所述的光重新定向制品，其特征在于，大量光重新定向结构是基本平行的，从出射面的一条边延伸到另一条边。

10.如权利要求1所述的光重新定向制品，该制品包含至少两种材料，所述材料具有不同的折射率。

11.如权利要求1所述的光重新定向制品，其特征在于，对于主角等于或小于70度的入射光照，使所述入射光照定向，在入射面处入射角在布儒斯特角的+/-11度以内，在出射表面所述光以在布儒斯特角的+/-11度以内的角度入射在出射表面。

12.如权利要求1所述的光重新定向制品，其特征在于，对于主角等于或大于70度的入射光照，使所述入射光照定向，在入射面处入射角在布儒斯特角的+/-16度以内，在出射表面所述光以在布儒斯特角的+/-16度以内的入射角入射在出射表面。

13.如权利要求1所述的光重新定向制品，其特征在于，所述内反射面具有弯曲的部分。

14.如权利要求1所述的光重新定向制品，其特征在于，所述出射表面具有弯曲的部分。

15.如权利要求1所述的光重新定向制品，其特征在于，所述出射表面包括一种以上的斜率。

16.如权利要求1所述的光重新定向制品，其特征在于，所述光重新定向结构是截顶的。

17.如权利要求1所述的光重新定向制品，其特征在于，所述光重新定向结构以弓形图案延伸。

18.一种显示器设备，其包括：

(a)光照源，用来在一定范围的角度内发射光照；

(b)光重新定向制品，用来使光朝向目标角重新定向，所述光重新定向制品包括：

(i)入射面，用来在一个入射角范围内接收入射光照；

(ii)出射面，其包括大量光重新定向结构，每个光重新定向结构包括：与所述入射面的平面成第一角度取向的内反射面；用来以发射光角度发射出射光的出射表面，所述出射表面相对于入射面的平面以第二角度取向，因此对于以与法线夹角大于60度的主角入射的光照，光线从内反射面反射，以与目标角相差5度以内的发射光角度从出射表面发射；

(c)光选通器件，用来通过对来自光重新定向制品的出射光进行调制，形成图像；

其中，所述目标角垂直于光重新定向制品的平面。

Images