CN101419306A - 具有多种斜率的转向膜 - Google Patents

Abstract

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：入射面，其包括多个光重新定向结构，每个光重新定向结构包括：具有两种斜率的近表面，其沿某一方向倾斜偏离法线，所述倾斜方向通过第一倾斜底角β₁、第二倾斜角β₂以及第一半顶角α₂限定，所述近表面用来接收来自一定入射角范围的入射光；远表面，其沿着与入射面相反的方向倾斜偏离法线，所述方向由第二底角γ₁和第二半顶角α₁确定。本发明还提供了出射面，其与入射面相对，其中近表面和远表面以60－70度范围内的角度(α₁+α₂)相对，底角β₁为82－87度。

Description

具有多种斜率的转向膜

发明领域

本发明一般涉及用来提高来自某个表面的照度的显示器照明制品，更具体来说涉及具有多种斜率的转向(turning)膜，用来对来自光导板的光进行重新定向。

背景技术

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。用于常规的膝上计算机显示器的透射LCD是一种背光显示器，具有设置在LCD后面的提供光的表面，用来使光向外投射，射向LCD。如何提供亮度足够均匀的合适背光设备、同时仍保持紧凑性和低成本的难题，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，使用提供光的表面在很宽角度范围内提供照度基本恒定的高度散射的光，光的散射基本上是朗伯光分布。在所述第一种方法之后，为了增大轴上和轴附近的照度，人们提出了许多种增亮膜，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。

第二种提供背光光照的方法是使用光导板(light guarding plate)(LGP)，所述光导板接收来自设置在侧面的灯或其它光源的入射光，通过全内反射(TIR)在内部导引所述的光，使光在狭窄的角度范围内从LGP射出。从LGP出射的光通常相对于法线具有相当陡的角度，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)使从LGP射出的出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，例如为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，提供了一种用来提供这类均匀的背光的改进的方案，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镜结构阵列，使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度重新定向，所述其它合适的目标角度通常接近垂直于二维表面。作为一个例子，美国专利第6,746,130号(Ohkawa)描述了一种光控制片，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，进入光导板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，直到不满足全内反射(TIR)条件，然后可能会经反射面142反射，从出射面16离开光导板。然后该光线射向转向膜20，被定向而对光选通装置(light gating device)120进行光照，所述光选通装置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获得最优化的观察效果，发射的光应当在法线V附近较窄的角度范围内提供。通常在光照路径上设置偏振器124以便为光选通装置120(例如液晶单元)提供适于调制的偏振光。经常在吸收偏振器124和转向膜20之间提供反射偏振器125。

参见图2，图中显示了用于光导板10的常规转向膜20a的截面示意图，图中显示了关键角(key angle)和几何关系。转向膜20a具有多个向下朝向光导板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的实施例所示)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S的底角β1和β2决定。来自光导板10的光在中心入射角θ_in附近的一个小范围内的角度入射。在转向膜20a的平坦表面22投射到LC显示器元件的光的出射角θ_out是由多个因素决定的，这些因素包括中心入射角θ_in，转向膜20a的折射率n，以及远表面26的倾斜底角β1。发射光线的出射角θ_out优选垂直于转向膜20a，但是出射角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略微倾斜。对于大多数常规的转向膜，所述目标角是法线方向。在一种常规的设置中，底角β1和β2约为56度，顶角α＝68度。入射角约为θ_in≈70°的原射线50a被重新定向至接近法线方向。但是，一些入射角为θ_in<70°附近的二次射线50c，50c1可以沿图2所示的路径传播。二次射线50c1朝向与法线方向成较大角度的方向重新定向。另外，二次射线50c被光出射表面(light exitingsurface)92全反射回来。因此，该现有转向膜的光利用情况无法令人满意。

因此，尽管人们提出了适用于一些种类的显示器设备和应用的转向膜方案，但是人们仍然需要改进的转向膜。

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(input surface)，其包括多个光重新定向结构，每个光重新定向结构包括：

(i)具有两种斜率的近表面(near surface)，其沿某一方向倾斜偏离法线，所述倾斜方向通过第一倾斜底角β₁、第二倾斜角β₂以及第一半顶角(halfapex angle)α₂限定，所述近表面用来接收来自一定入射角范围的入射光；

(ii)远表面(far surface)，其沿着与入射面相反的方向倾斜偏离法线，所述方向由第二底角γ₁和第二半顶角α₁确定。

(b)出射面(output surface)，其与入射面相对，其中近表面和远表面以60-70度范围的角度(α₁+α₂)相对，底角β₁为82-87度。

本发明还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，其包括多个光重新定向结构，每个光重新定向结构包括：

(i)具有两种斜率的近表面，其沿某一方向倾斜偏离法线，所述倾斜方向通过第一倾斜底角β₁、第二倾斜角β₂以及第一半顶角α₂限定，所述近表面用来接收一定入射角范围的入射光，所述第一倾斜底角β₁是最接近膜的基材的角度，第二倾斜角β₂是最远离膜的基材的角度。

(ii)远表面，其沿着与入射面相反的方向倾斜偏离法线，所述方向由第二底角γ₁和第二半顶角α₁确定；

(b)出射面，其中β₁—β₂至少为20度。

本发明还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，其包括具有节距P的多个光重新定向结构，每个光重新定向结构包括：

(i)具有两种斜率的近表面，其沿某一方向倾斜偏离法线，所述倾斜方向通过第一倾斜底角β₁、第二倾斜角β₂、基材上的长度为L₁的第一投影段(first projection segment)、基材上的长度为L₂的第二投影段(secondprojection segment)以及第一半顶角α₂限定，所述近表面用来接收一定入射角范围的入射光，所述第一倾斜底角β₁是最接近膜的基材的角度，第二倾斜角β₂是最远离膜的基材的角度；

(ii)远表面，其沿着与入射面相反的方向倾斜偏离法线，所述方向由第二底角γ₁和第二半顶角α₁确定；

(b)出射面，其中L₁/P之比例为0.06-0.08，L₂/P之比例为0.152-0.238。

附图简述

图1是常规显示器设备的部件的横截面图；

图2是具有向下朝向所述光导板的棱柱形结构的转向膜的截面示意图；

图3A是根据本发明的棱柱形结构近表面上具有两种斜率的转向膜的单个单元的截面示意图；

图3B是根据本发明的棱柱形结构近表面上具有四种斜率的转向膜的单个单元的截面示意图；

图3C是根据本发明的棱柱形结构近表面上具有弯曲表面和两种斜率的转向膜的单个单元的截面示意图；

图3D是根据本发明的棱柱形结构近表面上具有两种斜率、远表面上具有两种斜率的转向膜的单个单元的截面示意图；

图4显示了比较例和本发明实施例的数据；

图5是LCD显示器系统中本发明转向膜的截面示意图；

图6A是LCD的俯视示意图，该LCD具有一对偏振器，该偏振器的取向相对于转向膜的光重新定向结构的凹槽成45度角；

图6B是LCD的俯视示意图，该LCD具有一对偏振器，该偏振器的取向相对于转向膜的光重新定向结构的凹槽成平行或垂直方向；

图6C是具有弧形凹槽的转向膜的俯视示意图。

具体实施方式

本发明的设备使用大体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”。

参见图3A-3D，图中显示了本发明改进的转向膜的关键特征。图3A显示了根据本发明的转向膜90a的一个单元，其包括具有光入射表面94和光出射表面92的基材。所述膜90a的光入射表面94侧是一种棱柱形结构，其通过点P1，P2，P3和P4限定，特征是具有近表面24和远表面26，所述近表面至少由第一平坦段24a和第二平坦段24b组成，第一平坦段24a和水平方向S之间的夹角β₂小于第二平坦段24b和水平方向S之间的夹角β₁。所述棱柱形结构还可进一步用两个半顶角α₁和α₂，节距P和高度H，以及三个投影尺寸L₁，L₂和L₃来描述。所述棱柱形结构由折射率为n的材料制成，所述基材的折射率可以大于、等于或小于n。对所述棱柱形结构的形状和折射率n进行选择，使得光导板10射出的原射线50a、入射角大于所述原射线50a的二次射线50b以及入射角小于原射线50a的二次射线50c具有以下特征：所述原射线50a被近表面24的第一段24a折射，然后在远表面26由于全内反射而反射，最后朝向目标角度射出(通常与膜法线方向相差在5度之内)；二次射线50b也被近表面24的第一段24a折射，然后在远表面26由于全内反射而反射，最后沿特定的方向射出，该方向相对于其初始方向的弯曲变化大于所述原射线50a；二次射线50c被近表面24的第二段24b折射，然后在远表面26由于全内反射而反射，最后沿某一特定方向射出，相对于第二段24b与第一段24a具有相同斜率的情况，该特定方向更接近目标方向。

在表1-5中显示了转向膜90a的发明实施例(显示为“I”)和比较例(显示为“C”)。在所有的这些实施例中，折射率n保持固定为1.5，棱柱的节距P约为50微米，但是节距可以为15-150微米，优选为20-75微米，更优选为25-50微米。当n和P保持固定的时候，存在四个独立的参数来限定转向膜90a的形状，这些参数即为L₁/P，L₂/P，β₁和β₂。高度H和角度可通过下式进行计算。

H＝P[l₁ tan(β₁)+l₂ tan(β₂)]，

${\mathrm{\&alpha;}}_1={\tan }^{-1}\left(\frac{1-l_1-l_2}{h}\right),$

α₂＝90°-β₂

α≡α₁+α₂

γ₁＝90°-α₁，

其中 $l_1\&equiv;\frac{L_1}{P},$ $l_2\&equiv;\frac{L_2}{P},$ $h\&equiv;\frac{H}{P}.$

当α₁＝α₂时，则 $l_2=\frac{1-l_1}{2}-\frac{l_1}{2}\frac{\tan \left({\mathrm{\&beta;}}_1\right)}{\tan \left({\mathrm{\&beta;}}_2\right)},$ 或者 $l_1=\frac{1-2l_2}{1+\frac{\tan \left({\mathrm{\&beta;}}_1\right)}{\tan \left({\mathrm{\&beta;}}_2\right)}}.$

在表1-4中，列L₁/P，β₁和β₂是独立的参数。 $L_2/P=l_2=\frac{1-l_1}{2}-\frac{l_1}{2}\frac{\tan \left({\mathrm{\&beta;}}_1\right)}{\tan \left({\mathrm{\&beta;}}_2\right)}$ 以确保α₁＝α₂＝90°-β₂，且α≡2α₁。最右边的四列表示转向膜的出射结果：总功率，最大强度比，最大强度角，和轴上强度比(on-axis intensity ratio)。本发明的转向膜具有以下特征：功率≥85％，最大强度比≥1.1，最大强度角等于或小于-5°。

β ₁ 的影响

表1

                      β₁   β₂   α₁   α₂   α           最大强度最大强度轴上强度

实施例L₁/P   L₂/P                              功率

                     (°) (°) (°) (°) (°)         比        角(°)     比

C1.1  0.077  0.31422  80    56   34   34  68   0.856  0.967      3.5        0.940

C1.2  0.077  0.27672  82    56   34   34  68   0.872  1.035      4.5        0.920

C1.3  0.077  0.25000  83    56   34   34  68   0.882  1.094      3.5        0.997

I1.1  0.077  0.21443  84    56   34   34  68   0.888  1.154      2.5        1.074

I1.2  0.077  0.16633  85    56   34   34  68   0.892  1.195      0.5        1.172

C1.4  0.077  0.09013  86    56   34   34  68   0.896  1.034      -4.5       0.961

在表1中，实施例C1.1-C1.4和I1.1-I1.2显示了在L₁/P＝0.077，β₂＝56°的条件下，β₁的影响。本发明实施例I1.1和I1.2的转向膜符合以下标准：功率高(>0.88)，最大峰值强度比高(>1.15)，最大强度角(与法线的夹角)小(≤±3°)。当β₁在优选范围83.5°-85.5°以外，其它参数都相等，只有L₂/P通过式 $L_2/P=\frac{1-L_1/P}{2}-\frac{L_1/P}{2}\frac{\tan \left({\mathrm{\&beta;}}_1\right)}{\tan \left({\mathrm{\&beta;}}_2\right)}$ 决定，以保持α₁＝α₂＝α/2，则比较例C1.1-C1.4的出射结果无法满足上面所有的标准，即满足功率(>0.85)，最大强度比(>1.10)和最大强度角(≤±5°)，说明性能很差。

L ₁ /P的影响

表2

                     β₁   β₂   α₁   α₂   α                 最大强最大强轴上强

实施例L₁/P  L₂/P                                  功率

                     (°) (°) (°) (°) (°)              度比   度角(°)  度比

C2.1  0.04  0.32581   85   56   34    34   68    0.860     0.988  2.5       0.911

C2.2  0.05  0.28226   85   56   34    34   68    0.874     1.075  4.5       0.934

I2.1  0.06  0.23871   85   56   34    34   68    0.886     1.133  3.5       1.010

I2.2  0.062 0.23000   85   56   34    34   68    0.887     1.113  4.5       1.043

I2.3  0.064 0.22129   85   56   34    34   68    0.888     1.133  2.5       1.051

I2.4  0.066 0.21258   85   56   34    34   68    0.889     1.157  2.5       1.069

I2.5  0.068 0.20387   85   56   34    34   68    0.890     1.164  3.5       1.093

I2.6  0.07  0.19516   85   56   34    34   68    0.891     1.185  2.5       1.100

I2.7  0.072 0.18645   85   56   34    34   68    0.892     1.218  2.5       1.134

I2.8  0.074 0.17774   85   56   34    34   68    0.892     1.180  1.5       1.152

I2.9  0.075 0.17339   85   56   34    34   68    0.892     1.204  1.5       1.158

I2.10 0.076 0.16903   85   56   34    34   68    0.892     1.198  0.5       1.165

I2.11 0.077 0.16468   85   56   34    34   68    0.892     1.184  0.5       1.174

I2.12 0.078 0.16032   85   56   34    34   68    0.892     1.188  0.5       1.184

I2.13 0.079 0.15597   85   56   34    34   68    0.893     1.192  -0.5      1.175

I2.14 0.08  0.15161   85   56   34    34   68    0.893     1.171  -0.5      1.167

C2.5  0.09  0.10806   85   56   34    34   68    0.895     1.096  -2.5      1.024

C2.6  0.1   0.06452   85   56   34    34   68    0.898     0.982  -5.5      0.883

C2.7  0.114 0.00355   85   56   34    34   68    0.900     1.089  2.5       1.036

I2.15 0.075 0.22184   84   56   34    34   68    0.888     1.150  3.5       1.056

I2.16 0.076 0.21813   84   56   34    34   68    0.888     1.142  2.5       1.053

I2.17 0.077 0.21443   84   56   34    34   68    0.888     1.154  2.5       1.074

I2.18 0.078 0.21072   84   56   34    34   68    0.888     1.145  2.5       1.071

I2.19 0.079 0.20701   84   56   34    34   68    0.889     1.163  4.5       1.082

I2.20 0.08  0.20330   84   56   34    34   68    0.890     1.165  2.5       1.127

在表2中，比较例C2.1-C2.7和发明实施例I2.1-I2.14显示了当β₁＝85°，β₂＝56°时L₁/P的影响。当L₁/P在优选范围0.06-0.08以外，其它参数都相等，只有L₂/P通过式 $L_2/P=\frac{1-L_1/P}{2}-\frac{L_1/P}{2}\frac{\tan \left({\mathrm{\&beta;}}_1\right)}{\tan \left({\mathrm{\&beta;}}_2\right)}$ 确定，以保持α₁＝α₂＝α/2，则按照功率(>0.85)，最大强度比(≥1.10)和最大强度角(≤±5°)来看，出射结果是无法接受的。表2还包括当β₁＝84°，β₂＝56°时的本发明实施例I2.15-I2.20。

β ₂ 的影响

表3

                       β₁   β₂   α₁  α₂   α            最大强最大强轴上强

实施例L₁/P  L₂/P                                功率

                      (°) (°) (°) (°) (°)         度比  度角(°)  度比

C3.1  0.076  0.21123  85    60    30   30   60  0.895  1.081   -9.5    0.655

C3.2  0.076  0.20102  85    59    31   31   62  0.894  1.124   -7.5    0.859

I3.1  0.076  0.19059  85    58    32   32   64  0.893  1.144   -2.5    1.026

I3.2  0.076  0.17994  85    57    33   33   66  0.892  1.183   -1.5    1.140

I3.3  0.076  0.16903  85    56    34   34   68  0.892  1.198   0.5     1.165

I3.4  0.076  0.15787  85    55    35   35   70  0.893  1.194   2.5     1.027

I3.5  0.076  0.14643  85    54    36   36   72  0.893  1.138   4.5     0.830

C3.3  0.076  0.13470  85    53    37   37   74  0.890  1.075   7.5     0.601

C3.4  0.076  0.12265  85    52    38   38   76  0.888  1.042   9.5     0.421

在表3中，比较例C3.1-C3.4和发明实施例I3.1-I3.5显示了当L₁/P＝0.076，β₁＝85°时β₂的影响。当L₁/P在优选范围58.5-53.5以外，其它参数都相等，只有L₂/P通过式 $L_2/P=\frac{1-L_1/P}{2}-\frac{L_1/P}{2}\frac{\tan \left({\mathrm{\&beta;}}_1\right)}{\tan \left({\mathrm{\&beta;}}_2\right)}$ 确定，以保持α₁＝α₂＝α/2，则按照功率(>0.85)，最大强度比(≥1.10)和最大强度角(≤°5°)来看，出射结果是无法接受的。

满足α ₁ ≠α ₂ 的不对称转向膜

表4

                   β₁    β₂    α₁    α₂                  最大强度最大强度轴上强度

实施例L₁/P   L₂/P                        α(°)   功率

                 (°)   (°)  (°)  (°)                 比         角(°)      比

C4.1  0.01  0.17  85     56   65.93 34   99.93   0.732   0.874      27.5        0.031

C4.2  0.03  0.17  85     56   53.36 34   87.36   0.715   0.640      15.5        0.063

C4.3  0.05  0.17  85     56   43.44 34   77.44   0.858   0.983      29.5        0.146

C4.4  0.07  0.17  85     56   35.84 34   69.84   0.891   1.177      6.5         0.837

C4.5  0.09  0.17  85     56   30.02 34   64.02   0.897   1.179      -9.5        0.628

C4.6  0.11  0.17  85     56   25.50 34   59.50   0.898   0.822      -18.5       0.171

C4.7  0.13  0.17  85     56   21.94 34   55.94   0.886   1.011      23.5        0.064

C4.8  0.15  0.17  85     56   19.07 34   53.07   0.878   1.055      28.5        0.038

C4.9  0.17  0.17  85     56   16.73 34   50.73   0.872   1.062      30.5        0.033

C4.10 0.19  0.17  85     56   14.79 34   48.79   0.864   1.038      35.5        0.109

C4.11 0.01  0.19 85      56   63.67 34   97.67   0.687   0.764      23.5        0.035

C4.12 0.03  0.19 85      56   51.31 34   85.31   0.751   0.544      8.5         0.086

C4.13 0.05  0.19 85      56   41.69 34   75.69   0.864   1.033      24.5        0.170

I4.1  0.07  0.19 85      56   34.37 34   68.37   0.891   1.175      3.5         1.075

C4.14 0.09  0.19 85      56   28.79 34   62.79   0.898   1.165      -12.5       0.464

C4.15 0.11  0.19 85      56   24.46 34   58.46   0.898   0.768      15.5        0.131

C4.16 0.13  0.19 85      56   21.04 34   55.04   0.887   1.013      23.5        0.054

C4.17 0.15  0.19 85      56   18.30 34   52.30   0.878   1.111      29.5        0.036

C4.18 0.17  0.19 85      56   16.05 34   50.05   0.870   1.109      33.5        0.039

C4.19 0.19  0.19 85      56   14.18 34   48.18   0.864   1.024      36.5        0.134

I4.2  0.076 0.16985      50   35.2  40   75.2    0.892   1.124      4.5         0.809

I4.3  0.076 0.16985      51   35    39   74      0.892   1.131      3.5         0.866

I4.4  0.076 0.16985      52   34.8  38   72.8    0.893   1.138      3.5         0.940

I4.5  0.076 0.16985      53   34.6  37   71.6    0.893   1.135      3.5         1.031

I4.6  0.076 0.16985      54   34.4  36   70.4    0.893   1.159      2.5         1.083

I4.7  0.076 0.16985      55   34.2  35   69.2    0.892   1.166      1.5         1.135

I4.8  0.076 0.16985      56   34    34   68      0.892   1.190      0.5         1.168

I4.9  0.076 0.16985      57   33.8  33   66.8    0.892   1.192      0.5         1.173

I4.10 0.076 0.16985      58   33.5  32   65.5    0.892   1.191      0.5         1.179

I4.11 0.076 0.16985      59   33.3  31   64.3    0.892   1.187      -2.5        1.156

I4.12 0.076 0.16985      60   33    30   63      0.893   1.172      -1.5        1.113

C4.20 0.076 0.1  85      56   39    34   73      0.889   1.045      11.5        0.339

C4.21 0.076 0.12 85      56   37.5  34   71.5    0.891   1.112      7.5         0.616

C4.22 0.076 0.14 85      56   36.1  34   70.1    0.893   1.156      5.5         0.887

I4.13 0.076 0.16 85      56   34.6  34   68.6    0.892   1.179      1.5         1.112

I4.14 0.076 0.18 85      56   33.2  34   67.2    0.891   1.180      0.5         1.177

I4.15 0.076 0.2  85      56   31.9  34   65.9    0.892   1.156      -3.5        1.054

C4.23  0.076  0.22  85     56   30.5  34     64.5        0.894   1.125     -7.5     0.861

C4.24  0.076  0.24  85     56   29.2  34     63.2        0.895   1.092     -9.5     0.631

C4.25  0.076  0.26  85     56   27.9  34     61.9        0.895   1.050     -12.5    0.465

C4.26  0.076  0.28  85     56   26.6  34     60.6        0.895   1.005     -16.5    0.352

C4.27  0.076  0.3   85     56   25.4  34     59.4        0.894   0.968     -22.5    0.261

C4.28  0.076  0.32  85     56   24.2  34     58.2        0.893   0.928     -24.5    0.184

C4.29  0.076  0.34  85     56   23    34     57          0.890   0.902     -25.5    0.127

表4说明可以采用本发明实施例I4.1-I4.15所示的不对称转向膜来提供可以接受的出射结果，即功率(≥0.85)，最大强度比(≥1.10)，以及最大强度角(≤±5°)，而如比较例C4.1-C4.29所示，随机选择的参数无法提供令人满意的结果。一般来说，α₁和α₂之差优选在5°以内。

折射率n的影响

表5

                         最大强度最大强度轴上强度

实施例n        功率

                         比      角(°)      比

C5.1   1.13    0.881     1.053   7.5         0.119

I5.1   1.14    0.880     1.202   6.5         0.147

I5.2   1.15    0.879     1.383   5.5         0.2

I5.3   1.16    0.877     1.482   4.5         0.262

I5.4   1.17    0.877     1.523   4.5         0.297

I5.5   1.18    0.879     1.491   3.5         0.413

I5.6   1.19    0.883     1.633   2.5         0.541

I5.7   1.2     0.887     1.467   1.5         0.938

I5.8   1.21    0.894     1.601   0.5         1.401

I5.9   1.22    0.901     1.690   0.5         1.612

I5.10  1.23    0.909     1.567   -1.5        1.431

I5.11  1.24    0.912     1.528   0.5         1.468

I5.12  1.25    0.915     1.476   0.5         1.427

I5.13  1.26    0.917     1.485   -1.5        1.359

I5.14  1.27    0.921     1.403   0.5         1.399

I5.15  1.28    0.921     1.335   -1.5        1.293

I5.16  1.29    0.923     1.326   -0.5        1.292

I5.17  1.3     0.923     1.269   -0.5        1.243

I5.18  1.31    0.924     1.302   -1.5        1.231

I5.19  1.32    0.924     1.257   -2.5        1.238

I5.20   1.33    0.923     1.287   -1.5         1.243

I5.21   1.34    0.922     1.254   -0.5         1.251

I5.22   1.35    0.921     1.240   0.5          1.238

I5.23   1.36    0.920     1.223   1.5          1.212

I5.24   1.37    0.918     1.227   0.5          1.222

I5.25   1.38    0.917     1.231   -0.5         1.22

I5.26   1.39    0.914     1.219   -0.5         1.204

I5.27   1.4     0.912     1.216   0.5          1.215

I5.28   1.41    0.910     1.231   0.5          1.224

I5.29   1.42    0.909     1.242   0.5          1.226

I5.30   1.43    0.906     1.213   0.5          1.202

I5.31   1.44    0.905     1.238   0.5          1.202

I5.32   1.45    0.903     1.227   0.5          1.199

I5.33   1.46    0.900     1.224   0.5          1.193

I5.34   1.47    0.898     1.205   0.5          1.188

I5.35   1.48    0.896     1.202   1.5          1.179

I5.36   1.49    0.894     1.196   1.5          1.179

I5.37   1.50    0.892     1.204   1.5          1.158

I5.38   1.51    0.889     1.191   1.5          1.140

I5.39   1.52    0.887     1.157   0.5          1.139

I5.40   1.53    0.885     1.155   2.5          1.132

I5.41   1.54    0.884     1.192   1.5          1.120

I5.42   1.55    0.881     1.149   2.5          1.091

I5.43   1.66    0.861     1.113   3.5          1.022

C5.2    1.67    0.860     1.074   4.5          0.991

表5显示了当L₁/P＝0.075，β₁＝85°，β₂＝56°且 $L_2/P=\frac{1-L_1/P}{2}-\frac{L_1/P}{2}\frac{\tan \left({\mathrm{\&beta;}}_1\right)}{\tan \left({\mathrm{\&beta;}}_2\right)}=0.17339,$ α₁＝α₂＝α/2＝34°的时候，折射率n的影响。发明实施例I5.1-I5.43表明，要实现功率高、最大强度比高，同时将最大强度角保持在与法线夹角5度以内，折射率n优选为1.15-1.66，更优选为1.18-1.55，最优选为1.19-1.31。当n为1.15-1.28，最大强度比大于1.3，有时候大于1.6，这显著大于当n＝1.5时的最大强度比(约1.2)。对于比较例C5.1和C5.2，最大强度低于1.1。

对于根据本发明的转向膜90a，一个最接近光出射表面的平坦表面的倾斜角为β₁＝85°，另一个最远离光出射表面的平坦表面的倾斜角为β₂＝56°。

现有技术实施例与本发明实施例之间的比较

                    β₁   β₂   α₁   α₂   α          最大强度最大强度轴上强度

实施例L₁/P   L₂/P                            功率

                    (°) (°) (°) (°) (°)        比    角(°)   比

C1   0.5     0       56    56   34   34   68   0.786  1.072  0.5      1.047

C2   0.122   0.0     84.4  84.4 35.2 5.6  40.8 0.902  1.174  -1.5     1.157

I1.1 0.077   0.21443 84    56   34   34   68   0.888  1.154  2.5      1.074

I1.2 0.077   0.16633 85    56   34   34   68   0.892  1.195  0.5      1.172

比较例C1与本发明实施例I1.1相同，不同之处在于，比较例C1仅包括一种斜率。比较例C1具有低得多的功率，约为0.79，低得多的最大强度比，约1.07，而相比之下，本发明实施例I1.1的功率约为0.89，最大强度比约为1.15。

比较例C2的功率和最大强度比几乎与本发明实施例I1.1和I1.2相等。但是，相对于本发明实施例I1.1和I1.2的顶角(约68°)，比较例C2的顶角小得多(约41°)，这意味着本发明的转向膜更容易制造。

本发明转向膜的优点在于，最大强度比(光学增益)高，以及顶角大，使其易于制造。

近表面上具有四种斜率的转向膜

图3B显示根据本发明的转向膜90b的另一种实施方式。一个实施例为：

实施L₁/P     L₂/P    L₃/P    L₄/P     β₁   β₂     β₃    β₄   α₁   α₂   α (°)

例                                   (°) (°)   (°)  (°) (°) (°)

I6  0.06535  0.02678 0.05680 0.09402 85    77.76 63.25 56    34    34   68

当n＝1.5，

功率     最大强度比   最大强度角(°)      轴上强度比

0.893     1.271         -2.5              1.214

最靠近光出射表面的一个平坦表面的倾斜角为β₁＝85°，最远离光出射表面的另一个平坦表面的倾斜角为β₄＝56°。因此，它们的差为29°。另外两个倾斜角之差为β₂-β₃＝14.51°，这大于β₁-β₂＝7.24°，β₃-β₄＝7.25°。而且，β₂-β₃约为β₁-β₂和β₃-β₄的两倍。

近表面上具有两种斜率和弯曲表面的转向膜

图3C显示根据本发明的转向膜90c的另一种实施方式。现在图3A中的点P2用半径为R2的弯曲表面代替(N＝1.5)。

L₁/P     L₂/P      β₁   β₂    α₁    α₂  α(°)

                  (°) (°)  (°)  (°)

0.076    0.16903   85  56    34   34   68

                      最大强最大强度

实施例R₂/P    功率                     轴上强度比

                      度比    角(°)

I7.1  0.1     0.892   1.234   -0.5      1.227

I7.2  0.2     0.893   1.259   0.5       1.240

I7.3  0.3     0.893   1.272   -2.5      1.240

I7.4  0.4     0.894   1.292   -1.5      1.232

I7.5  0.5     0.895   1.312   -1.5      1.221

I7.6  0.6     0.895   1.300   -1.5      1.217

I7.7  0.8     0.897   1.274   -1.5      1.226

I7.8  1.0     0.898   1.216   0.5       1.207

I7.9  1.16882 0.899   1.175   -1.5      1.128

尽管上面所有的本发明实施例I7.1-I7.9都能够满足所述标准，但是发现R₂/P优选为0.1-1.16882，更优选为0.3-0.8，最优选为0.4-0.6，以进一步提高最大强度比。

点P3还可以是弯曲的，曲率半径为R₃。R₃/P优选小于0.2。

近表面上具有两种斜率，并且远表面上具有两个弯曲表面或两个区段 的转向膜。

图3D显示根据本发明的转向膜90d的另一种实施方式。转向膜90d在近表面24上的特征与转向膜90a，90b，90c之一相同，转向膜90d还具有另一个表面26a，该表面26a是斜率不同于26的其它部分的平坦区段，或者是凸起或凹陷的弯曲表面。

实施例实施方式的光强分布

图4显示了通过本发明实施例I1.1和比较例C1的转向膜的光的最大光强比-极角(polar angle)曲线。图中还显示了从光导板射出的光的光强分布，该光线随后入射到转向膜上。可以清楚地看出，本发明实施例I1.1的转向膜几乎在所有角度上都得到比比较例C1的转向膜更高的光强。

显示器设备和偏振器的取向

本发明的设备和方法允许支持部件有多个可能的结构，从而为LCD提供光线。图5是显示根据本发明使用转向膜90的显示器设备60的截面示意图，所述转向膜90可以是90a，90b，90c，90d中的任一种。LC空间光调制器70对从光导板10和转向膜90接收的光进行调制。为LC空间光调制器70提供了后偏振器72和前偏振器73。

图6A是LC空间光调制器70的偏振光透射轴172和173的俯视示意图，其使用一对偏振器，它们相对于光重新定向结构75以及在图6A中垂直延伸的转向膜90的凹槽呈45度取向。在此情况下，LC空间光调制器70可以是扭转向列(TN)LCD，其为用于笔记本电脑和监视器显示器的主要模式。

图6B是显示LC空间光调制器70的偏振光透射轴172和173的俯视示意图，其使用一对偏振器，所述偏振器的取向平行或垂直于转向膜90的凹槽和光重新定向结构75。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。

在一个实施方式中，显示器设备包括一对正交偏振器，其中所述光重新定向结构沿伸长方向伸长，所述正交偏振器各自沿着基本平行于或垂直于光重新定向制品的伸长方向的方向取向。在另一个实施方式中，所述显示器设备包括一对正交偏振器，所述光重新定向结构沿伸长方向伸长，所述偏振器基本沿与所述光重新定向制品的伸长方向成+/-45°的方向取向。

图6C是另一个实施方式中，具有弧形伸长的光重新定向结构75的转向膜90的俯视示意图。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。后偏振器透射轴172或多或少平行于横截面。

用来形成转向膜90a-90d的材料

本发明的转向膜90a-90d可以用折射率通常约为1.40-1.66的聚合物材料制造。可能的聚合物组合物包括，但不限于：聚(甲基丙烯酸甲酯)，聚(环烯烃)，聚碳酸酯，聚砜以及包含以下物质的组合的各种共聚物：丙烯酸酯、丙烯酸脂环烷酯，碳酸酯，苯乙烯类，砜和已知能够提供所需光学性质、特别是在可见光范围具有高透射率和低浊度的其它部分。上述聚合物的各种相容性混合物也可用作本发明的材料组合。聚合物组合物可以是热塑性或热固性的。前者可通过需要良好熔融加工性能的合适的熔融工艺制造，后者可通过合适的紫外浇铸和固化法或热固化法来制造。

本发明的转向膜90a-90d可使用折射率为1.12-1.40的材料制造。示例性的材料为无机材料，例如MgF。另外，材料包括形成于折射率为1.48-1.59的常规聚合物材料和空气(n＝1)之间的光栅。另外，还可使用低折射率材料(n<1.4)和折射率约为1.40-1.50的材料的混合物。

转向膜的最大强度比(即光学增益)、最大强度角(即峰值角)和功率。

一般来说，光分布用空间和角度分布来限定。通过在光导板的顶面和/或底面上小心地设置微型元件，光的空间分布可以变得非常均匀。光的角度分布用光强I随极角θ和方位角的变化关系来限定。光的角度分布用EZContrast 160测定(得自法国埃尔丁(Eldim，France))。极角θ是光线方向与光导板法线方向V之间的夹角。方位角是光在垂直于法线方向V的平面上的投影与平行于光导板长度方向的方向之间的夹角。光导板的长度方向垂直于光源12和垂直方向V。光的角度分布用照度L随极角θ和方位角的变化关系来限定。照度L和光强I之间的关系为L＝I/cos(θ)。

所述最大强度角也被称为光分布的峰值角，定义为出现最大光强的极角。随后各光强分布限定了最大(或峰值)光强和最大强度(或峰值)角。

转向膜的最大强度比(也称为光学增益)或者归一化的峰值强度定义为透射过转向膜的光的最大光强与从光导板发射的光的最大光强之比。结果，转向膜的最大强度比并不取决于光源的绝对水平，而是主要取决于转向膜自身的设计。

转向膜的功率是通过转向膜的光的总量与入射到转向膜上的光的总量之比。因此，可以根据以下两个关键量来比较各种转向膜设计：透射过转向膜的光的最大强度比(或光学增益)和最大强度角。

部件列表

10.光导板

12.光源

14.端面

16.出射面

18.入射面

20，20a.转向膜

22.平坦表面

24.近表面

24a.近表面上的第一平坦段

24b.近表面上的第二平坦段

26.远表面

50a.原射线

50b.二次射线

50c，50c1.二次射线

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

82.点光源

90，90a，90b，90c，90d转向膜

92.光出射表面

94.光入射表面

96.基材

100.显示器设备

120.光选通装置

124.偏振器

125.反射偏振器

142.反射面

172，173.透射轴

α.顶角

α₁.半顶角

α₂.半顶角

β₁.倾斜底角

β₂，β₃，β₄.倾斜角

γ₁.倾斜底角

n.折射率

θ_in.第一光导板的入射角

θ_out.出射角

V.膜法线方向

S.水平方向

Claims (10)

1.一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，其包括多个光重新定向结构，每个光重新定向结构包括：

(i)具有两种斜率的近表面，其沿某一方向倾斜偏离法线，所述倾斜方向通过第一倾斜底角β₁、第二倾斜角β₂以及第一半顶角α₂限定，所述近表面用来接收来自一定入射角范围的入射光；

(ii)远表面，其沿着与入射面相反的方向倾斜偏离法线，所述方向由第二底角γ₁和第二半顶角α₁确定；

(b)出射面，其与入射面相对，其中近表面和远表面以60-70度范围内的角度(α₁+α₂)相对，底角β₁为82-87度。

2.如权利要求1所述的光重新定向制品，其特征在于，所述近表面具有四种斜率，沿一种方向倾斜偏离法线，所述方向通过第一倾斜底角β₁，第二倾斜角β₂，第三倾斜角β₃，第四倾斜角β₄，以及第一半顶角α₂限定，所述近表面用来接收来自一定入射角范围的入射光。

3.如权利要求1所述的光重新定向制品，其特征在于，所述近表面具有弯曲的表面。

4.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由折射率为1.15-1.46的材料形成。

5.如权利要求1所述的光重新定向制品，其特征在于，α₁和α₂之差小于5度。

6.一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，其包括多个光重新定向结构，每个光重新定向结构包括：

(i)具有两种斜率的近表面，其沿某一方向倾斜偏离法线，所述倾斜方向通过第一倾斜底角β₁、第二倾斜角β₂以及第一半顶角α₂限定，所述近表面用来接收一定入射角范围的入射光，所述第一倾斜底角β₁是最接近膜的基材的角度，第二倾斜角β₂是最远离膜的基材的角度；

(ii)远表面，其沿着与入射面相反的方向倾斜偏离法线，所述方向由第二底角γ₁和第二半顶角α₁确定；

(b)出射面，其中β₁—β₂至少为20度。

7.如权利要求6所述的光重新定向制品，其特征在于，β₁-β₂为25-35度。

8.如权利要求6所述的光重新定向制品，其特征在于，所述近表面还包括两个倾斜角β₃和β₄，满足β₁>β₃>β₄>β₂，并且β₃-β₄约为β₁-β₃或β₄-β₂的两倍。

9.如权利要求10所述的光重新定向制品，其特征在于，所述近表面还具有弯曲的表面。

10.一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，其包括具有节距P的多个光重新定向结构，每个光重新定向结构包括：

(i)具有两种斜率的近表面，其沿某一方向倾斜偏离法线，所述倾斜方向通过第一倾斜底角β₁、第二倾斜角β₂、基材上的长度为L₁的第一投影段、基材上的长度为L₂的第二投影段以及第一半顶角α₂限定，所述近表面用来接收一定入射角范围的入射光，所述第一倾斜底角β₁是最接近膜的基材的角度，第二倾斜角β₂是最远离膜的基材的角度；

(ii)远表面，其沿着与入射面相反的方向倾斜偏离法线，所述方向由第二底角γ₁和第二半顶角α₁确定；

(b)出射面，其中L₁/P之比例为0.06-0.08，L₂/P之比例为0.152-0.238。

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