CN101449187A - 柔性光导装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性光导装置和采用所述柔性光导装置的显示系统。所述光导装置包括第一柔性层和第二柔性层。每个柔性层均具有第一主表面和第二主表面。所述第一柔性层的第二主表面与所述第二柔性层的第一主表面接触。所述第一柔性层的第一主表面具有多个分立光提取器，所述分立光提取器能够提取在所述光导装置内传播的光，从而在所述第一柔性层的整个第一主表面上均匀地提取光。

Description

柔性光导装置
技术领域
本发明整体涉及光导装置和采用该光导装置的显示器。具体地讲，本发明涉及多层柔性光导装置。
背景技术
光学显示器(例如，液晶显示器(LCD))正日益普及，并应用于(例如)移动电话、从手持式个人数字助理(PDA)到膝上型计算机等便携式计算机装置、便携式数码音乐播放器、LCD桌面计算机监视器和LCD电视机。除了越来越普及之外，LCD还变得越来越薄，这是因为采用LCD的电子装置的制造商力图实现更小的封装尺寸的缘故。
许多LCD使用背光源来照明LCD的显示区域。这些背光源通常包括平板或楔形式的光导装置，这些平板或楔通常为通过(例如)注射成型法制备的光学透明聚合物材料。在许多应用中，背光源包括使光从光导装置的一个或多个边缘耦合到光导装置中的一个或多个光源。在平板波导装置中，耦合光通常通过在光导装置的上表面和底面上的全内反射而在光导装置内传播，直到遇到使得光的一部分离开该光导装置的某些特征为止。这些特征通常是由光散射材料制成的印刷点。这些印刷点通常是通过丝网印刷技术制造的。
发明内容
本发明整体涉及光导装置。本发明还涉及采用光导装置的显示器。
在本发明的一个实施例中，一种光导装置包括第一柔性层和第二柔性层。每个柔性层均具有第一主表面和第二主表面。第一柔性层的第二主表面与第二柔性层的第一主表面接触。第一柔性层的第一主表面具有多个分立光提取器，这些光提取器能够提取在光导装置中传播的光。在第一柔性层的第一主表面上均匀地提取光。
在本发明的另一个实施例中，一种柔性光导装置包括设置在第二柔性层的整个主表面上并且与所述整个主表面接触的第一柔性层。第一柔性层具有多个分立光提取器。经全内反射在所述柔性层中传播的光由所述多个分立光提取器提取。提取的光在整个光导装置上的强度分布是均匀的。
在本发明的另一个实施例中，一种光导装置包括连接到第二柔性层并且覆盖第二柔性层的第一柔性层。在第一柔性层的整个主表面上散布有多个分立光提取器。这些光提取器能够提取在光导装置内传播的光。
附图说明
结合附图对本发明的各种实施例所做的以下详细描述将有利于更完整地理解和领会本发明，其中：
图1为背光源系统的示意性侧视图；
图2A为具有分立光提取器的背光源系统的示意性俯视图；
图2B为具有对准凸块的背光源系统的示意性三维视图，该对准凸块用于与板对准；
图3为具有分立光提取器的背光源系统的示意性俯视图；
图4为显示系统的示意性侧视图；以及
图5为另一种背光源系统的示意性侧视图。
具体实施方式
本发明整体适用于这样的背光源：该背光源采用用于在显示系统中提供所需照明的光导装置。本发明尤其适用于可以容易并且经济地制造的薄柔性光导装置。
本发明公开了用于背光源的多层薄柔性光导装置。可以使用连续卷对卷工艺(continuous roll-to-roll process)，例如，连续浇注和固化工艺制造该光导装置。本发明的一个优点是使显示器厚度得以减小。本发明的另一个优点是降低成本。
图1为背光源系统100的示意性侧视图。背光源系统100包括光导装置110、靠近光导装置110的边缘111布置的光源150、以及有助于将来自光源150的光耦合到光导装置110中的光学耦合器160。在图1所示的示例性实施例中，光学耦合器160与光导装置110分离。在某些应用中，例如，通过向光导装置110的边缘111提供适当的曲率，可以使光学耦合器160成为光导装置110的一体部分。
光导装置110包括具有第一主表面121和第二主表面122的第一柔性层120、以及具有第一主表面131和第二主表面132的第二柔性层130。第二主表面122与第一主表面131接触。在一些实施例中，基本上整个第二主表面122与基本上整个第一主表面131接触。
光源150发出的光经过主表面121和132反射后大体沿着z方向在光导装置110中传播，如果需要，在这两个主表面上的反射可以主要为全内反射。例如，光线173在第一主表面121上的点173A处以及在第二主表面132上的点173B处发生全内反射。
第一主表面121包括多个分立光提取器140，这些光提取器能够提取在光导装置110中传播的光。例如，光提取器140提取出在光导装置110中传播并且入射到光提取器140上的光线171的至少一部分。又如，光提取器140A提取出在光导装置110中传播并且入射到光提取器140A上的光线173的至少一部分。一般来讲，在第一主表面121的不同位置上的相邻光提取器之间的间距可以不同。此外，不同的光提取器可以具有不同的形状、各自的高度和/或尺寸。可以利用这些差异来控制在第一主表面121的不同位置上提取的光量。
如果需要，可以沿着第一主表面121设计和布置光提取器140，以便在基本上整个第一主表面121上均匀地提取光。
此外，可以通过平均厚度为“d”的大致平坦的平台区域180来使相邻的光提取器间隔开。在一些实施例中，平台区域180的平均厚度不大于20微米、或15微米、或10微米、或5微米、或2微米。
在图1所示的示例性实施例中，光提取器140形成多个分立光提取器。在某些应用中，光提取器140可以形成连续的轮廓，例如可以形成沿(例如)y轴和z轴延伸的正弦轮廓。
光提取器140和/或平台区域180可以具有光漫射特征141以用于使在光导装置110内传播时入射到漫射特征上的光的一部分(例如，一小部分)发生散射。漫射特征141可以帮助从光导装置中提取光。此外，漫射特征141通过(例如)沿着y轴横向散射光，可以提高在光导装置110内传播的光的强度的均匀性。
漫射特征141可以是(例如)通过涂布而设置在第一主表面121上的光漫射层。又如，在制备光提取器140时，可以通过用于同时或依次形成光提取器140和漫射特征141的任何合适的工艺(例如，微复制、压花)或其它任何方法来形成漫射特征141。
柔性层120和130中的至少一者可以为体扩散片，成为体扩散片的实现方法为(例如)嵌入分散在主体材料中的由客体材料制成的小颗粒，其中客体材料和主体材料具有不同的折射率。
第一柔性层120具有第一折射率n1，第二柔性层130具有第二折射率n2，其中n1和n2可以(例如)是在电磁波谱的可见光范围内的折射率。在本发明的一个实施例中，n1大于或等于n2。在一些应用中，对于S偏振和P偏振的入射光，n1均大于或等于n2。
在一些实施例中，第一柔性层120和第二柔性层130中的至少一者具有各向同性的折射率。在一些应用中，这两个层都是各向同性的。
光源150可以是诸如荧光灯或发光二极管(LED)之类的任何合适类型的光源。此外，光源150可以包括多个分立光源，例如多个分立LED。
在图1所示的示例性实施例中，靠近光导装置110的一个边缘布置光源150。一般来讲，可以靠近光导装置110的一个或多个边缘布置一个或多个光源。例如，在图1中，可以在光导装置110的边缘112附近布置附加的光源。
柔性层120和130优选地由大致光学透明的材料形成。示例性材料包括玻璃材料或聚合物材料，诸如环烯烃共聚物(COC)、聚酯(例如，聚萘二酸乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等等)、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)或其它任何合适的聚合物材料。
在一些实施例中，第一柔性层120和/或第二柔性层130足够薄，以致于能够在不受损的情况下弯曲至低达约100mm、或50mm、或30mm、或15mm、或10mm、或5mm的曲率半径。
在一些实施例中，第二柔性层的平均厚度为第一柔性层的最大厚度的至少5倍、或10倍、或20倍、或40倍。
在一些实施例中，第二柔性层的平均厚度不大于1000微米、或700微米、或500微米、或400微米、或250微米、或200微米。
在一些实施例中，第一柔性层的最大厚度不大于100微米、或50微米、或15微米。
在一些实施例中，第二柔性层130为自支承的，而第一柔性层120不为自支承的。本文中的“自支承”是指这样一种的薄膜：其能够支撑和支承自身重量而不会断裂、撕裂或以其它方式损坏成不适用于其预期用途。
第二柔性层130可以采用如图1示意性地示出的厚度均匀的平板形式，在这种情况下，第一主表面131和第二主表面132大致平行。然而，在一些应用中，第二柔性层可以采用楔或厚度不均匀的其它层的形式。
图1的示例性实施例示出作为光提取器140的小凸透镜，这意味着每个小凸透镜均在第一表面121上形成突出部。一般来讲，光提取器140可以具有能够实现所需光提取性能的任何形状。例如，光提取器140可以包括在表面121上形成凹陷部的凹面结构、诸如半球状小凸透镜之类的凸面结构、棱柱结构、正弦结构，或具有线性或非线性小面或面的其它任何形状，其中这些小面或面适合提供(例如)所需的光提取图案。
可以选择光提取器140的分布和密度以提供所需的光提取性能，这些分布和密度可以取决于诸如光源150的形状之类的多种因素。例如，图2A示出了背光源系统200，该系统包括靠近光导装置110的整个边缘111布置的扩展光源250，例如，线光源。在这个实例中，多个分立光提取器140沿着多条互相平行的直线布置，这些直线包括(诸如)平行直线210和平行直线211，其中每条直线均包括至少两个分立光提取器。
一般来讲，对于沿着第一主表面121在不同位置上的光提取器140，其密度、形状和尺寸可以各不相同，以提供提取的光的所需光分布。
光导装置110可以具有对准特征，用于使光导装置与采用该光导装置的系统中的其它组件对准。例如，光导装置110可以具有至少一个对准凸块和/或对准凹口和/或对准孔，用于将光导装置110与系统中的其它层对准。例如，图2A中的光导装置110具有：配有对应通孔252的圆形对准凸块251、配有对应通孔254的方形对准凸块253、沿着光导装置110的边缘切入该光导装置的侧凹口或边缘凹口255、位于光导装置拐角处的拐角凹口256、以及布置在光导装置内部位置的对准孔257。
图2B示出了具有对准凸块258(配有对应孔259)的光导装置110的示意性三维视图，其中对准凸块用于将光导装置110与(例如)包括柱265的板260对准，柱265能够配合到孔259中。板260还包括用于向光导装置110提供光的光源270。将柱265插入孔259中可以帮助将光源270与光导装置110的边缘111对准。
一般来讲，希望以例如非对称的方式来布置光导装置110中的对准特征，以使得对准特征与板260中的对应特征之间存在唯一的匹配关系。这种布置方式将降低或消除(例如)将光导装置的错误一侧面向板260进行布置的可能性。
又如，图3示出了背光源系统300，该系统包括大致点光源350，例如LED。在这个实例中，多个分立光提取器140沿着以光源为中心的同心弧，例如，弧310布置，其中每条弧均包括至少两个分立光提取器。
光提取器140的密度在整个第一主表面121上可以是变化的。例如，该密度可以沿z轴随距离增大而增大。这种布置方式可以(例如)使从光导装置110中提取的光在整个第一主表面121上具有均匀的辐照度。
图1示出了分立光提取器140，其中相邻的光提取器由平坦的平台区域180间隔开。在一些应用中，光提取器140可以在整个第一主表面121的一部分上形成连续的图案。在一些情况下，光提取器140可以在整个第一主表面121上形成连续的图案。例如，光提取器140可以在整个表面121上形成正弦图案。
可以使用任何合适的制造方法，例如，紫外光浇注和固化法、诸如挤压铸造之类的挤出法、共挤法或其它已知方法，来制造光导装置110。例如，光导装置110可以通过以下过程来制造：共挤出柔性层120和130，然后经过压缩成型步骤，在该步骤中，在第一主表面121中形成提取器140。
图4示出了根据本发明的一个实施例的显示系统400的示意性侧视图。显示系统400包括光导装置110、扩散片420、第一光偏转层430、第二光偏转层440、以及诸如液晶面板之类的显示面板450。显示系统400还包括通过粘合剂401连接到光导装置110上的反射器410。扩散片420通过粘合剂402和403分别连接到光导装置110和第一光偏转层430上。此外，第一光偏转层430和第二光偏转层440通过粘合剂404连接。
图4示出了沿显示系统400的相对边缘施加的粘合剂401-404。一般来讲，可以将每种粘合剂施加在一个或多个位置上以在相邻层之间提供足够的粘合。例如，可以沿着相邻层的所有边缘施加粘合剂。在一些应用中，可以沿着相邻层的周边在分立位置上施加粘合剂。在其它一些应用中，可以将粘合剂覆盖在相邻层的整个表面上。例如，粘合剂401可以覆盖反射器410的基本上整个表面411、和光导装置110的基本上整个表面412。
光偏转层430包括设置在基底432上的微结构化层431。相似地，光偏转层440包括设置在基底442上的微结构化层441。光偏转层430和440可以是例如，先前在美国专利No.4,906,070(Cobb)和No.5,056,892(Cobb)中公开的常规棱柱光引导层。例如，微结构化层431可以包括沿y轴直线延伸的线性棱镜，并且微结构化层441可以包括沿z轴直线延伸的线性棱镜。
此前，例如，在美国专利No.5,056,892(Cobb)中已经描述了常规光偏转层的操作。概括地说，以大于临界角的入射角入射到微结构化层431和441中的结构上的光线被反射器410全内反射回去并循环利用。另一方面，以小于临界角的角度入射到这些结构上的光线被部分透射和部分反射。最终结果是，光偏转层430和440可以通过对被全内反射的光进行循环利用来增强显示亮度。
图4所示的示例性实施例包括(诸如)粘合剂层402和403之类的多个粘合剂层。在一些应用中，还可以取消显示系统400中的一个或多个粘合剂层。例如，在一些应用中，如果可以通过(诸如)将层的边缘对准或通过包括对准凸块等其它方式将剩余的层互相对准，则可以取消粘合剂层402、403和404。
图5为背光源系统500的示意性侧视图。背光源系统500包括光导装置510、靠近光导装置510的边缘511布置的光源514、以及靠近该光导装置的另一个边缘512布置的光源515。
光导装置510包括：具有第一主表面551和第二主表面552的第一柔性层520、具有第一主表面531和第二主表面532的第二柔性层530、以及具有第一主表面541和第二主表面542的第三柔性层540。第二主表面552与第一主表面531接触，第一主表面541与第二主表面532接触。在一些情况下，基本上整个第二主表面552与基本上整个第一主表面531接触。在一些情况下，基本上整个第一主表面541与基本上整个第二主表面532接触。
第一主表面551包括多个分立光提取器540(与图1中的光提取器140相似)，这些光提取器540能够提取在光导装置510中传播的光。此外，第二主表面542包括多个分立光提取器560(与图1中的光提取器140相似)，这些光提取器560能够提取在光导装置510中传播的光。在示例性实施例中，整个光导装置510是柔性的。
在一些情况下，第一柔性层520、第二柔性层530和第三柔性层540中的至少一者具有各向同性的折射率。在一些情况下，这三层均为各向同性的。
以上引用的所有的专利、专利申请以及其它出版物均以如同全文复制的方式并入本文以供参考。虽然为了有助于说明本发明的各个方面而在上文中详细描述了本发明的具体实例，但是应当理解，其目的并不是将本发明限制于实例中所给出的具体内容。相反，其目的在于涵盖落在由附带的权利要求书限定的本发明的精神和范围内的所有变化形式、实施例和可供选择的形式。

Claims (32)

1.一种光导装置，包括第一柔性层和第二柔性层，每一层均具有第一主表面和第二主表面，所述第一柔性层的第二主表面与所述第二柔性层的第一主表面接触，所述第一柔性层的第一主表面具有多个分立光提取器，所述分立光提取器能够提取在所述光导装置内传播的光，从而在所述第一柔性层的基本上整个第一主表面上均匀地提取光。
2.根据权利要求1所述的光导装置，其中所述第二柔性层的平均厚度为所述第一柔性层的最大厚度的至少10倍。
3.根据权利要求1所述的光导装置，其中所述第二柔性层的平均厚度为所述第一柔性层的最大厚度的至少20倍。
4.根据权利要求1所述的光导装置，其中所述第二柔性层的平均厚度为所述第一柔性层的最大厚度的至少40倍。
5.根据权利要求1所述的光导装置，其中所述第二柔性层的平均厚度不大于700微米。
6.根据权利要求1所述的光导装置，其中所述第二柔性层的平均厚度不大于400微米。
7.根据权利要求1所述的光导装置，其中所述第二柔性层的平均厚度不大于250微米。
8.根据权利要求1所述的光导装置，其中所述第一柔性层的平均厚度不大于50微米。
9.根据权利要求1所述的光导装置，其中所述第一柔性层的平均厚度不大于20微米。
10.根据权利要求1所述的光导装置，其中所述第一柔性层的平均厚度不大于15微米。
11.根据权利要求1所述的光导装置，其中所述第一柔性层具有基本上平坦的平台区域，所述平台区域将所述多个分立光提取器间隔开，所述平台区域的平均厚度不大于10微米。
12.根据权利要求11所述的光导装置，其中所述平台区域的平均厚度不大于5微米。
13.根据权利要求1所述的光导装置，其中所述第一柔性层和所述第二柔性层中的至少一者能够在不受损的情况下弯曲至低达15mm的曲率半径。
14.根据权利要求1所述的光导装置，其中所述第一柔性层和所述第二柔性层中的至少一者能够在不受损的情况下弯曲至低达5mm的曲率半径。
15.根据权利要求1所述的光导装置，其中所述第二柔性层的第一主表面和第二主表面大致平行。
16.根据权利要求1所述的光导装置，其中所述多个分立光提取器中的至少一些包括凹面结构。
17.根据权利要求1所述的光导装置，其中所述多个分立光提取器中的至少一些包括凸面结构。
18.根据权利要求1所述的光导装置，其中所述多个分立光提取器中的每一个均为大致半球状小凸透镜。
19.根据权利要求1所述的光导装置还包括靠近所述第二柔性层的边缘布置的光源。
20.根据权利要求19所述的光导装置，其中所述多个分立光提取器沿着以所述光源为中心的同心弧布置，每条弧均包括至少两个分立光提取器。
21.根据权利要求1所述的光导装置，其中所述多个分立光提取器沿着互相平行的直线布置，每条直线均包括至少两个分立光提取器。
22.根据权利要求1所述的光导装置，其中所述第一柔性层的基本上整个第二主表面与所述第二柔性层的基本上整个第一主表面接触。
23.根据权利要求1所述的光导装置，其中所述第二柔性层包括紫外光固化的聚合物。
24.根据权利要求1所述的光导装置是柔性的。
25.根据权利要求1所述的光导装置还包括至少一个对准凸块或凹口。
26.根据权利要求1所述的光导装置，其中所述第一柔性层和所述第二柔性层中的至少一者为体扩散片。
27.根据权利要求1所述的光导装置，其中所述第一柔性层和所述第二柔性层是各向同性的。
28.根据权利要求1所述的光导装置，还包括具有第一主表面和第二主表面的第三柔性层，所述第三柔性层的第一主表面与所述第二柔性层的第二主表面接触，所述第三柔性层的第二主表面具有多个分立光提取器，所述分立光提取器能够提取在所述光导装置内传播的光。
29.根据权利要求28所述的光导装置，其中所述第三柔性层是各向同性的。
30.一种柔性光导装置，包括设置在第二柔性层的基本上整个主表面上并且与所述第二柔性层的基本上整个主表面接触的第一柔性层，所述第一柔性层具有多个分立光提取器，其中经过全内反射在所述柔性层中传播的光被所述多个分立光提取器提取，提取的光的强度分布在基本上整个所述光导装置上是均匀的。
31.一种光导装置，包括连接到并覆盖第二柔性层的第一柔性层，多个分立光提取器散布在所述第一柔性层的整个主表面上，所述光提取器能够提取在所述光导装置内传播的光。
32.根据权利要求31所述的光导装置是柔性的。
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