CN102301272A - 具有增强的光提取的光导 - Google Patents

具有增强的光提取的光导 Download PDF

Info

Publication number
CN102301272A
CN102301272A CN2009801556144A CN200980155614A CN102301272A CN 102301272 A CN102301272 A CN 102301272A CN 2009801556144 A CN2009801556144 A CN 2009801556144A CN 200980155614 A CN200980155614 A CN 200980155614A CN 102301272 A CN102301272 A CN 102301272A
Authority
CN
China
Prior art keywords
photoconduction
instrument
prism
area
light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2009801556144A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102301272B (zh
Inventor
李子成
戴维·A·恩代尔
毛国平
张俊颖
贾米·B·威洛比
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
3M Innovative Properties Co
Original Assignee
3M Innovative Properties Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 3M Innovative Properties Co filed Critical 3M Innovative Properties Co
Publication of CN102301272A publication Critical patent/CN102301272A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102301272B publication Critical patent/CN102301272B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/04—Prisms
    • G02B5/045—Prism arrays
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
    • G02B6/0035—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
    • G02B6/0036—2-D arrangement of prisms, protrusions, indentations or roughened surfaces
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
    • G02B6/0058—Means for improving the coupling-out of light from the light guide varying in density, size, shape or depth along the light guide
    • G02B6/0061—Means for improving the coupling-out of light from the light guide varying in density, size, shape or depth along the light guide to provide homogeneous light output intensity
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0065—Manufacturing aspects; Material aspects
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/13—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method
    • G02B6/136—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method by etching
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/1336—Illuminating devices
    • G02F1/133615—Edge-illuminating devices, i.e. illuminating from the side

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Light Guides In General And Applications Therefor (AREA)
  • Planar Illumination Modules (AREA)

Abstract

本发明描述了光导、包括光导的装置、用于制备光导的方法、以及用于制备光导的工具。光导包括光提取器，所述光提取器设置在位于所述光导的表面上的多个区域中。每个区域中的光提取器的取向被设置成可提高所述光导的整个表面上的均匀性和亮度，以及提供增强的缺陷隐匿。所述光提取器的效率受制于给定光提取器面相对于照射所述光导的光源的角度。

Description

具有增强的光提取的光导
技术领域
本发明涉及光导、包括光导的装置、用于制备光导和其他结构的工具以及制备光导的工序和光导制备工具。
背景技术
许多电子设备使用背光源来为显示器和其它部件提供照明。背光源常常使用自光源沿着背光源范围透射的光导。理想的是，背光源在观看区域形成基本上均匀的亮度，几乎没有可见的缺陷，并具有高的光提取率。要削弱或掩饰亮度的不均匀性和其它缺陷，可以使用光散射元件(例如，扩散片)。然而，这样的散射元件通常对光进行导向使光远离优选的视轴，并且需要更高的功率输出来实现同一水平的亮度。
用于对键盘和显示器进行照明的光的有效利用在用电池提供动力的便携式设备中尤为重要，这是因为设备的照明消耗较大比率的功率开支。已经使用光提取器从光导提取光，并用来提高光导亮度的均匀性。
需要可以提高照明度、减少可见缺陷和/或减小各种设备的功率需求的光导。另外需要用于制造这种光导的有效工具。本发明满足这些需求和其它需求，并且提供优于现有技术的其它优点。
发明内容
本发明的一个实施例涉及用于制备背光源的工具。该工具包括多个区域。工具的各区域均包括棱镜阵列。每个棱镜具有大致面向工具的前边缘的第一底边。第一区域中的棱镜的第一底边不平行于第二区域中的棱镜的第一底边。
本发明的另一个实施例涉及光导。光导包括离散区域的阵列。各离散区域包括多个多面体光提取器。各区域中的光提取器均具有最靠近光输入位置的底边。每个底边大致面向光输入位置。
本发明的另一个实施例涉及包括光源和光导的背光源。光导包括多个区域。光导的多个区域中的每一个均包括多个光提取棱镜。每个棱镜的光提取棱镜均具有一个大致面向光源的边缘。不同区域中的光提取棱镜取向为不同方向。
本发明的另一个实施例涉及包括LED和对应于移动电话按键的键盘光导的手机背光源。光导被构造为使得每个手机键对应于光导上的光提取元件阵列。第一阵列的光提取元件各自具有矩形底，矩形底具有前边缘，前边缘被取向在第一角度使得底边面向LED以产生最大光提取。第二阵列的光提取元件各自具有矩形底，矩形底具有前边缘，前边缘被取向在第二角度使得底边面向LED以产生最大光提取。第一和第二角度不相同。
本发明的另一个实施例涉及用于制造光导工具的方法。该方法涉及将多个锥体结构蚀刻到基片的第一区域中。这些结构被蚀刻成使得第一区域内各结构的底取向为相对光导工具的前边缘成第一角度。该方法还包括将多个锥体结构蚀刻到基片的第二区域中。这些结构被蚀刻成使得第二区域内各结构的底取向为相对光导工具的前边缘成第二角度，第二角度不同于出自第一区域的第一角度。
附图说明
图1为光导的俯视图；
图1a为光导上一部分的近视图；
图2示出了光提取器；
图3为光导的侧视图；
图4为一种光导制备工具的俯视图；
图5a-5c示出了用于制备光导的工具的各种组件；
图6示出了用于蚀刻光导制备工具的区域的掩模；
图7示出了蚀刻工序中的光导制备工具；
图8为光导制备工具的剖视图；
多个图中使用的相同附图标记指代具有相同或相似性能和功能的相同或相似元件。
虽然本发明顺应各种修改和替代形式，但其具体细节已通过附图以举例方式示出并作了详尽描述。然而，应当理解，其目的不在于将本发明局限于所述具体实施例。相反，其目的在于涵盖由所附权利要求书限定的本发明范围内的所有修改形式、等同形式和替代形式。
具体实施方式
在下面对图示实施例的说明中，参考了形成其一部分的附图，并且附图中以举例的方式示出可以实施本发明的多个实施例。应当理解，在不脱离本发明范围的前提下，可以利用其它实施例，并且可以进行结构性和功能性方面的修改。
图1为光导组件100的俯视图，该光导组件包括相对光导101设置在相应光输入位置110a、110b、和110c的多个光源105a、105b、和105c。侧光式光导可在光导的一个或多个边缘或拐角处设置一个或多个光源。光源105可为发光二极管(LED)、荧光灯、或其他类型的灯。来自光源105的输出光可为朗伯型或其他形状的光输出。当光远离光源向光导的远边缘传播时，来自耦接在光输入位置处的接收侧面内的光源的光通过全内反射(TIR)而被约束在光导中。可使用任何合适数量的光源105和对应的光输入位置110。例如，除了使用三个光源105和光输入位置110，光导可仅耦接一个光源105。在一些情况下，可以有沿光导的一个侧面的一个或多个光源以及沿光导的不同侧面的一个或多个光源。
光导在很多情况下被用在对显示器(例如液晶显示器(LCD))进行照明的背光源中。在显示应用中，通常需要在连续的显示表面上方保持光导的均匀的光输出。光导还可用于对键盘(例如移动电话或其它便携式设备的键盘)进行照明。在键盘应用中，理想的是，输出光主要出现在对应于按键的区域，这是因为其它区域的光输出被浪费或者仅提供不很有效的键盘照明。通常也认为理想的是，键与键之间以及每个键区内的键盘照明是均匀的(没有任何键看起来比另一个键亮)。光导可由任何合适数量的材料制成。一种此类材料可为共混聚合物。
图1所示的实施例中的光导包括离散区域150、151、152、153、和154的阵列。光导区域150-154可以规则或不规则地间隔开。这些区域可以全部为一个尺寸，或者可在整个光导上具有变化的尺寸。尤为有利的是，将光导的区域定位成对应于可使用光导的背光式电子键，其中这些区域可称为键区。
离散区域150-154中的每一个分别具有多个光提取器160、161、162、163、和164。光提取结构从光导提取光，并可被配置成提高光导的整个表面上光输出的均匀性。此实施例中的光提取器160、161、162、163、和164为多面体形状并且被分组为对应于给定区域的阵列。可以按照多种尺寸、几何形状和表面轮廓(包括例如突出结构和凹陷结构两者)形成本文所述的光提取器。每个区域中的光提取器图案在面密度上可不均匀，其中面密度可通过单位面积内提取器的数量或单位面积内提取器的尺寸来确定。
用于光提取器的其他合适形状为棱锥。这种提取器示于图2中。棱锥光提取器可具有任意数量的小平面201。本发明的某些实施例将具有含四个小平面的棱锥光提取器，例如如图2所示。这些小平面中的两个示为小平面201a和201b。光提取器可形成为使得至少一个形状因素(例如高度和/或倾斜角210)的改变控制光提取器的光提取效率。提取器的高度为沿提取器主轴线203从提取器底204的中心202到提取器顶端或顶点205的中心的高度。倾斜角210为主轴线203与底204之间的角度。应当理解，不同的倾斜角将导致提取器的某些小平面201以不同的角度与底204接合。
应当理解，在图1中每个光提取器具有底(在此实施例中为矩形底)，底包括最靠近光输入位置105的底边165、166、167、168、或169。特意取向底边165-169以使其大致面向光输入位置105。通过选择性地倾斜提取器底取向，如154的区域能够具有提取更多光的光提取器164，从而导致更高光输出并因而导致整个光导上更高的光均匀性。
应当理解，考虑到光提取器区域151、152、和153相对于光源105a、105b、和105c的不同位置，一个区域内的提取器大致面向不同的最近光输入位置。例如，第一区域151中的提取器161能够大致面向第一光输入位置110a。第二区域152中的提取器162能够大致面向第二光输入位置110b。类似地，第三区域153中的提取器163能够大致面向第三光输入位置110c。因此应当理解，第一区域151的底边166、第二区域152的底边167和第三区域153的底边168全都不平行。按区域布置光提取特征的取向可便于整个光导上的更均匀提取。这可通过示于图1a中的近视图得到更好地理解。通过给定光提取器底边168相对从相应光输入位置(如110c)到光提取器(如163)延伸的直线180的角度(如170)来控制光提取器的效率。理想的是，底边165-169能接近垂直于光输入位置110和光提取器的连线。底边相对该直线的理想角度可为90°±10°、更优选地90°±5°、更优选地90°±3°、还更优选地90°±1°。
图1中的组件100可为背光源提取器，并且更具体地讲可为移动电话背光源提取器。
图3为光导301的侧视图，说明光导的区域(如380、384、382)和光的动作。在此模型中光沿穿入纸面的方向进入光导301。每个提取器具有面向对应光源的底边。此外，提取器设计成使得提取光传播至所需位置，例如观看者393。如果光提取器通过底边和小平面角度得到恰当取向，则其按区域380、384和382而不同的侧向位置将不会导致提取光的巨大不均匀性。由于提取器的面被最佳地对齐，与提取器381、385、和383相互作用的光应作为较高亮度的离开光而被提取(与底边未进行选择性对齐的情况相比)。每个区域由于该区域中的光提取器的最佳定向而变得更亮。因此光390、391、和392可能全部以接近相等亮度到达观看者393，从而对观看者393均匀显示。
图4为用于制备光导的工具400的示意图。光导工具可由任何合适数量的材料(如硅)构成。该工具按照与图1中的光导相同的方式，由多个区域430、431、432、433、434组成。该工具的每个区域430-434包括棱镜(如440、441、442、443、444)的阵列。图4中的工具可用作制造多个光导和/或光导模具的母模。因此，应当理解，工具400中的棱镜440对应于光导中的提取器的反向等同物。与光导区域相同，工具区域430-434中的多个的取向可对应于电子设备(例如移动电话)上的按键。每个棱镜则按照相同的方式将具有底边465-469，底边最靠近或面向工具的前边缘409，具体地讲面向点412a、412b或412c。因为该工具用于制造光导(类似于实施于图1中的光导)，因此必须对棱镜进行取向以便最终产生正确取向的光提取器。因此，第一区域431中的棱镜441的第一底边466将不平行于第二区域432内的棱镜442的第一底边467。此外第三区域433中的棱镜443的第一底边468将不平行于第一区域431内的棱镜441的第一底边466，并且不平行于第二区域432内的棱镜442的第一底边467。在此实施例中，底边465-469均被取向成面向中心点412b。
由于工具400的棱镜被用来形成具有被定向成可增强光输出的提取器的光导，因此它们也将相对工具的前边缘409上的点412a-c进行取向，其中这些点一般对应于光导的光输入位置。因此，在用于产生具有一个光源的光导的工具中，第一区域431内的棱镜441的第一底边466将大致垂直于从区域431的中心延伸至工具的前边缘上的第一点412b的直线。第二区域432内的棱镜442的第一底边467则大致垂直于从区域432的中心延伸至工具的前边缘上的相同的第一点412b的直线。
假设(尽管未以精确角度示出)对于用于产生具有多个光源的光导，第一区域431内的棱镜441的第一底边466将大致垂直于从区域431的中心延伸至工具的前边缘上的第一点412a的直线。然而，第二区域432内的棱镜442的第一底边467此刻将大致垂直于从区域432的中心延伸至工具的前边缘上的第二点412b(其此刻将对应于第二光输入位置)的直线，第二点不同于提取器底466大致面向的第一点。类似地，第三区域433内的棱镜443的第一底边468将大致垂直于从区域433的中心延伸至工具的前边缘上的第三点412c的直线。这些底边应最佳地倾斜以形成具有增强的光提取的光导。
光导工具400的棱镜440可具有任何的尺寸、几何形状和表面轮廓(包括(例如)突出结构和凹陷结构)。凹陷结构可被优选，因为其具有更强的提取较多光的能力、具有稳健性并且对于诸如移动电话按键盘之类的装置而言其比突出结构具有更为适应的几何形状。每个区域中的棱镜图案在面密度上可不均匀，其中面密度可由单位面积内的棱镜数或单位面积内的棱镜面积来确定。可选择棱镜形状因素(例如高度和/或倾斜角(如此前所述))的其他变化来产生具有最佳光提取的光导。
工具棱镜可具有任何合适数量的形状。实际上，该形状一般与待制造光导中的光提取器的选定形状反向地对应。棱镜中的至少一个可为斜截棱柱。用于棱镜提取器的其他合适形状为棱锥。棱锥棱镜可具有任意数量的小平面。本发明的某些实施例可以有包括四个小平面的工具棱锥。在其中用于制备光导的工具400由某些种类的晶体材料(例如硅)制成的实施例中，棱锥的小平面可以对应于材料晶体结构的角度来形成。例如，再来看图2，小平面210和210b可对应于给定晶面，而底204可位于不同的晶面内。
图4所示的实施例对应于图5c所示的实施例。该实施例为示出使用多个晶片的实施例。可通过将晶片拼接在一起来将晶片接合到一个通用基片内。可使用多种方式实现拼接，包括使用粘合剂。例如，在晶片块438上可找到区域433。该晶片被取向为使得在假定将产生单光源波导的情况下，区域433的提取器443面向下述方向：该方向接近垂直于将进入对应区域433的光导区域的光。另外也对于倾斜提取器边缘取向的板块439示出了比提取器443具有更小角度的提取器444。相同种类的关系适用于晶片块436和435以及它们各自的提取器441和440。由于区域432与对应于光主轴的区域同轴，因此晶片块437上的提取器不需要选择角度。因此，可将多个区域(包括区域432)设置在一个晶片块上而不使性能受损。这可通过参照图5a-5c而更好地理解。
图5a-5c示出了用于制备光导的工具的各种组件。图5a为第一实施例的视图，其中工具500a由一个通用晶片或基片506构成。晶片可由多种合适材料构成，包括(例如)硅。考虑到其对于简化的蚀刻工艺的适用性，晶体结构可能尤为理想。区域520a、521a、和522a为其中将由通用晶片形成光提取器母模的区域。图5b示出了其中所述工具由三个在(例如)通用基片上彼此粘附的晶片块507、508、和509构成的实施例。此实施例中示出，第一区域520b形成于晶片块507上，第二区域521b形成于晶片块508上，并且第三区域522b形成于晶片块509上。考虑到在将提取器模具蚀刻到工具内的潜在晶体结构，用于图5b的结构可为理想的。如下文所论述，诸如硅之类的晶体结构易于根据结构的给定“平面区”进行蚀刻。平面区就是其位置和倾斜角度固有地取决于晶体结构的平面层。该平面区为在工具内形成的提取器的底边规定方向。因此，可取的方式是在面向三个不同方向的区域中形成提取器。这种选择的倾斜角度将增强整个光导的一致性和提取能力。
图5c提供了另一个由多个晶片块(如508、510、511、512、和513)构成的实例。应当理解，位于晶片块508内的区域521c和其他区域不需要多个晶片块，因为所有的区域均落在将成为所产生光导的同轴部分的范围内。然而，区域520c和522c可设置在晶片块510和511上，这两个晶片块显著地倾斜以增强提取能力和一致性。此外，区域514和515可分别设置在晶片块512和513上，其中这两个晶片块需要的倾斜较小，并且这两个区域可更佳地调准以适于光提取。
当使用晶体材料时，经蚀刻的晶片最可能产生倒置的棱锥结构。这是因为某些蚀刻方法能产生对应于晶片的晶体结构的蚀刻。于是，棱锥小平面能对应于结构的晶面。例如，当使用硅时，倒置的提取器模具将为棱锥形的并且将具有四个小平面。
可利用多种方式产生用于制备光导的工具。用于制造光导工具的一种尤其可用的方法涉及将倒置棱锥结构蚀刻到构成工具的基片内。蚀刻可通过多个步骤进行。第一步骤可涉及将棱锥结构蚀刻到基片的第一区域内。第二步骤可涉及将多个棱锥结构蚀刻到基片的第二区域内。第三步骤可涉及将多个棱锥结构蚀刻到基片的第三区域内。在一个步骤中可蚀刻基片的不止一个区域。
结构应蚀刻到三个区域中以使得第一区域内的结构的底被取向为相对于光导工具的前边缘的第一角度，并且第二区域内的结构的底被取向为相对于光导工具的前边缘的第二角度，第二角度不同于第一角度。第三区域内的结构的底应被取向为相对于光导工具的前边缘的第三角度，第三角度不同于第一和第二角度。
工具基片可由多种合适的材料构成。尤其合适的基片可为具有晶体结构的材料。一种此类材料为硅。可通过多种合适的方法在基片中实现图案化，包括标准光刻术或其他光刻术、双光子加工、金刚石车削、跳跃燃烧EDM(skip burn EDM)、干法蚀刻和湿法蚀刻(如，各向异性湿法蚀刻)。湿法蚀刻工艺的一个实例可涉及将蚀刻掩模层(如准金属氮化物，例如氮化硅(Si3N4))沉积到硅晶片的顶面，随后沉积聚合物光刻胶。然后可将光掩模涂覆到光刻胶层的顶面。这种光掩模的实例示于图6中。这里，光掩模600涂覆至不止一个区域。光掩模选择性地掩盖光刻胶上的某些区域。然后通过商用光刻胶显影剂使光刻胶显影，从而产生光刻胶中的图案。在将反应离子束施加到带掩模的晶片块时，已被图案化的晶片块的无掩模区域的氮化硅会按光掩模图案被蚀刻掉。先前加了掩模的区域仍将在其硅层上具有氮化硅层。
一旦硅晶片块的所需区域已被暴露，就可将晶片块暴露于各向异性化学蚀刻剂。图7示出了一例可能的蚀刻结果。先前加了掩模的区域770可得到保护而不被免蚀刻到硅结构内，因为氮化硅残余物仍保护着硅表面。区域771会有化学蚀刻剂进入硅，从而按照硅的晶体几何学而形成结构。在图7中，该结构示为倒置的棱锥。参照图8可更好地理解这些棱锥的产生方式。
图8为用于制备光导的工具(此处由晶体结构构成)的一部分的剖视图。如此前所述，在这种特定的各向异性蚀刻工艺中，结构形成物对应于材料晶体结构的几何形状。图8中，构成要素875代表称为晶体结构的(100)面的平面。构成要素876代表称为晶体结构的(111)面的平面。使用的各向异性化学蚀刻剂对于(100)面具有比(111)面快的蚀刻速率。因此蚀刻剂将导致具有沿(111)面876的小平面的棱锥。此例中的晶体结构将导致70.52度的(111)面间夹角。因此该面距面875的法线的角度877可等于35.26度。
可通过测量暴露区域的宽度和被部分蚀刻的棱锥的宽度计算出完整棱锥的蚀刻高度879。这归因于棱锥的几何关系。此处暴露宽度(或棱锥的底)895可称为W。部分蚀刻点的宽度896可称为W’。仍有待蚀刻的高度878可称为H’。由于此结构和已知角度，则下述关系适用：
Figure BPA00001408092000112
特别可取的方式还有，在形成棱锥的顶点之前停止蚀刻。换句话讲，可取的方式是产生具有多个截棱锥的工具，其中该形成了小平面的结构在棱锥的顶部或底部(无论观察角度如何)还具有平面区。在光导中提供截头结构可在光导的区域中导致更加理想的光均匀性和输出。
不同区域中的棱锥结构被取向为相对光导工具的前边缘成不同角度。在此特定工艺中，这或许要求基片由多个拼接在一起的独立晶体晶片构成。拼接可在蚀刻之后进行。可通过多种方式实现拼接，例如在(例如)通用基片上利用粘合剂将晶片块粘合在一起。应当理解，使用多个晶片以便选择性地倾斜晶体材料，倾斜成使得在工具制成时材料的晶面得以暴露并且面向所需方向。
如果使用其他蚀刻工艺，则通用晶片可能就足以实现所需的提取器工具倾斜。因此可使用通用晶片。这类工艺可涉及选择性地倾斜光掩模并且使用较低浓度的蚀刻剂与晶体材料的其他晶面相互作用。使用较低浓度的蚀刻剂(如10重量％的KOH蚀刻剂)以及倾斜的光掩模可导致相对于平面区倾斜的多面体结构。这类结构可按晶体晶片的不同晶面(不同于上文所述的那些)来形成，并且可形成线而非顶点。使用恰当浓度的化学蚀刻剂可导致多面体结构的底的角度偏离常规晶片的平面区多达15度。
任何这样的加工过程的产物都可用作制造光导的工具。本文所述的工具通称为母模。制成多个由金属或聚合物制成的子模，很可能是理想的。这些复制的子模将具有较低成本，可在使用了所需次数之后弃置。可用于产生子模或后代模具的一种特定聚合物为硅树脂。可用于产生子模的一种特定金属为镍，其比硅树脂模具更强固，但需要比硅树脂复制物长的制备时间。为了形成镍模具，可将金属籽晶层设置在光导工具上。然后可将镍电铸到金属籽晶层的顶面，从而导致镍模具的形成。然后可通过多种方式将模具与母模分离，包括(例如)在电解质溶液中剥离。然后可使用子模来复制光导。光导可由任意数量的合适材料制成。一种尤其合适的材料可为某些种类的共混聚合物，其具有用于实现高保真性的适当粘度。在经紫外光固化后，光导部件需要具有理想的光学清晰度和机械性能。
其他所用的适当金属籽晶层可由银(Ag)、铝(Al)、钛(Ti)、镍(Ni)、钯(Pd)、铬(Cr)、铜(Cu)、以及其他金属构成。
通过所述工艺产生的工具在多种其他应用中也可具有特定用途。一种此类应用为产生用于制造热塑性微针阵列的工具。蚀刻工艺的精密程度考虑到亚微米级结构的制备。在形成所需的硅工具之后，可继续进行硅插入模具塑性成形的工序。一旦从工具产生金属模具，就将金属模具与注模机械连接并且制备塑料部件。所得的塑料部件可为实心的或中空的，这取决于注塑工艺。微针基底可为25至250微米，但优选地小于150微米。微针高度可为50至400微米，但优选地小于275微米。针间节距可为50至400微米，但优选地小于300微米。
实例
下述为用于根据本发明来产生光导工具的实施例的一个可能过程。
在该过程中使用4英寸直径的硅(100)晶片。在500-1000℃之间的温度下，通过低压气相沉积(LPCVD)在硅晶片的两个侧面涂布500至2000埃的氮化硅。
接着，使用标准光刻工艺将氮化硅晶片图案化。负性光刻胶(Futurrex NR7-1000P)以3000rpm的速度和1分钟的时间旋涂到晶片上。旋涂之后，将晶片在80℃下的热板上预焙5分钟。然后将其用紫外灯曝光，总剂量为约240mJ/cm2。在其上设置第一光掩模，使键盘框架边缘平行于晶片平面区。然后在130℃下进行曝后烤6分钟。最后，将光刻胶在市售的RD6中显影大约30秒，以在Si3N4/Si晶片上形成小孔的圆阵列图案。
然后，CF4/O2反应性离子蚀刻(RIE)被用于蚀刻掉Si3N4小孔。其他区域仍由光刻胶保护。蚀刻在反应性离子蚀刻系统(如得自OxfordInstruments(Yatton，UK)的Model PlasmaLabTM System 100)中进行，蚀刻条件示于表1中。
表1.用于反应性离子蚀刻的材料/条件
Figure BPA00001408092000131
接着，施加各向异性KOH蚀刻剂。所用的典型的各向异性蚀刻剂为在25-100℃、优选80℃温度下的KOH和水的混合物(KOH在水中的浓度为10-50重量％、优选35％)。搅动蚀刻剂以改善相对较大面积上的均匀蚀刻速率。
硅晶片因晶格结构而在不同方向上具有不同的化学特征，即在(100)、(110)和(111)方向上，其原子密度依此排序递增。对于方向依赖性蚀刻剂(如水中的10-50重量％的KOH)，(111)方向的蚀刻速率远小于(100)和(110)的蚀刻速率，使得硅晶片在(100)方向上通过方向依赖性蚀刻剂导致v形沟槽。
接着，用丙酮来移除Futurrex光刻胶。然后，通过活性过氧硫酸蚀刻剂(H2O2在H2SO4的～30体积％的混合物)来清洁晶片，以除去光刻胶的任何残余物。然后将晶片浸于加热的KOH/H2O浴(～80℃)中以用于向下蚀刻至所需深度。通过蚀刻时间和～1.55μm/min的蚀刻速率来控制深度。
一段时间之后，由于这种KOH/H2O蚀刻剂对于(100)平面(相比(111)面)具有较快的蚀刻速率、以及钻蚀作用，则在硅的表面上形成方形开口。基于晶面几何形状，两个(111)面间的角度为70.52°。

Claims (41)

1.一种用于制备光导的工具，包括：
多个区域；和
位于每个区域内的棱镜阵列，每个棱镜具有面向所述工具的前边缘的第一底边；第一区域内的棱镜的第一底边不平行于第二区域内的棱镜的第一底边。
2.根据权利要求1所述的工具，其中所述工具由硅构成。
3.根据权利要求1所述的工具，还包括第三区域内的棱镜的第一底边，所述第三区域内的棱镜的第一底边不平行于所述第一区域内的棱镜的第一底边和所述第二区域内的棱镜的第一底边。
4.根据权利要求1所述的工具，其中所述第一区域内的棱镜的第一底边被取向为大致垂直于连接所述第一区域和所述工具的前边缘上的第一点的直线。
5.根据权利要求4所述的工具，其中所述第二区域内的棱镜的第一底边被取向为大致垂直于连接所述第二区域和所述工具的前边缘上的第一点的直线。
6.根据权利要求4所述的工具，其中所述第二区域内的棱镜的第一底边被取向为大致垂直于连接所述第二区域和所述工具的前边缘上的第二点的直线，所述工具的前边缘上的第二点不同于所述工具的前边缘上的第一点。
7.根据权利要求2所述的工具，其中至少一个棱镜由四面棱锥构成。
8.根据权利要求7所述的工具，其中所述棱锥的面以对应于所述硅的晶体结构的角度形成。
9.根据权利要求1所述的工具，其中所述第一区域内的棱镜的第一底边和所述第二区域内的棱镜的第一底边被最优地倾斜以形成具有增强的光提取的光导。
10.根据权利要求1所述的工具，其中所述多个区域对应于电子设备上的按键。
11.根据权利要求10所述的工具，其中所述电子设备包括移动电话。
12.根据权利要求1所述的工具，其中至少一个棱镜为截头的。
13.一种光导，包括：
离散区域的阵列，每个区域包括多个多面体光提取器，每个区域中的每个提取器具有最靠近并且大致面向光输入位置的底边。
14.根据权利要求13所述的光导，包括仅一个光输入位置。
15.根据权利要求13所述的光导，包括多个光输入位置，其中第一区域中的提取器能够大致面向第一光输入位置，并且第二区域中的提取器能够大致面向第二光输入位置。
16.根据权利要求13所述的光导，其中所述光导由共混聚合物构成。
17.根据权利要求13所述的光导，其中所述多面体光提取器为棱锥。
18.根据权利要求16所述的光导，其中所述棱锥为四面棱锥。
19.根据权利要求13所述的光导，其中所述底边被取向为提供增强的光提取。
20.根据权利要求13所述的光导，其中所述离散区域的阵列与电子设备的按键大致匹配。
21.根据权利要求20所述的光导，其中所述电子设备包括移动电话。
22.一种背光源，包括：
光源；和
光导，包括多个区域，每个区域包括多个光提取棱镜，每个区域中的所述光提取棱镜具有一个大致面向光源的边缘，使得不同区域中的光提取棱镜被取向为不同方向。
23.根据权利要求22所述的背光源，其中至少一个光源包括LED。
24.根据权利要求22所述的背光源，其中所述光提取棱镜由棱锥构成。
25.根据权利要求24所述的背光源，其中所述光提取棱锥由四个小平面构成。
26.根据权利要求22所述的背光源，其中所述多个区域对应于电子设备的键盘。
27.根据权利要求22所述的背光源，其中所述光导由共混聚合物构成。
28.根据权利要求22所述的背光源，其中所述棱锥被倾斜到增强的光提取的取向。
29.一种移动电话背光源，包括：
LED；和
对应于移动电话按键的键盘光导，每个移动电话按键在所述光导中具有对应的光提取元件的阵列，第一阵列中的提取元件具有矩形底，所述矩形底具有前边缘，所述前边缘被取向在第一角度并且面向所述LED以产生最大光提取，第二阵列中的提取元件具有矩形底，所述矩形底具有前边缘，所述前边缘被取向在第二角度并且面向所述LED以产生最大光提取；所述第一和第二角度不同。
30.根据权利要求29所述的移动电话背光源，其中所述光提取元件为棱锥。
31.根据权利要求30所述的移动电话背光源，其中所述棱锥为四面棱锥。
32.一种用于制造光导工具的方法，包括：
将多个棱锥结构蚀刻到基片的第一区域内，所述结构的取向使得所述第一区域内每个结构的底被取向在相对于所述光导工具的前边缘的第一角度；
将多个棱锥结构蚀刻到基片的第二区域内，所述结构的取向使得所述第二区域内每个结构的底被取向在相对于所述光导工具的前边缘的第二角度，所述第二角度不同于所述第一角度。
33.根据权利要求32所述的方法，还包括将多个棱锥结构蚀刻到基片的第三区域内，所述结构的取向使得所述第三区域内每个结构的底被取向在相对于所述光导工具的前边缘的第三角度，所述第三角度不同于所述第一角度和第二角度。
34.根据权利要求32所述的方法，其中所述基片由通用晶片构成。
35.根据权利要求34所述的方法，其中所述通用晶片由硅构成。
36.根据权利要求32所述的方法，其中所述基片由多个晶体晶片构成。
37.根据权利要求32所述的方法，其中进行的所述蚀刻为各向异性湿法蚀刻。
38.根据权利要求32所述的方法，其中进行的所述蚀刻为干法蚀刻。
39.根据权利要求36所述的方法，其中所述多个晶片使用粘合剂拼接在一起。
40.根据权利要求36所述的方法，其中所述晶体晶片由硅构成。
41.一种用于制造光导模具的方法，包括：将金属籽晶层沉积在光导母模上；将镍电铸在所述金属籽晶层的顶面以产生镍模具；以及将所述光导母模浸入在电解质溶液中，使所述金属籽晶层剥离，从而分离镍光导模具。
CN200980155614.4A 2008-12-18 2009-12-08 具有增强的光提取的光导 Expired - Fee Related CN102301272B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13864908P 2008-12-18 2008-12-18
US61/138,649 2008-12-18
PCT/US2009/067067 WO2010080289A2 (en) 2008-12-18 2009-12-08 Lightguides having enhanced light extraction

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102301272A true CN102301272A (zh) 2011-12-28
CN102301272B CN102301272B (zh) 2015-06-24

Family

ID=42317050

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN200980155614.4A Expired - Fee Related CN102301272B (zh) 2008-12-18 2009-12-08 具有增强的光提取的光导

Country Status (5)

Country Link
US (2) US8909009B2 (zh)
EP (1) EP2370854B1 (zh)
JP (1) JP5667077B2 (zh)
CN (1) CN102301272B (zh)
WO (1) WO2010080289A2 (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104614802A (zh) * 2015-03-02 2015-05-13 深圳市华星光电技术有限公司 一种背光模组及其导光板
TWI507786B (zh) * 2013-05-09 2015-11-11 Chi Lin Optoelectronics Co Ltd 顯示裝置及其側光式背光模組
US20220308350A1 (en) * 2021-03-29 2022-09-29 Optinvent 2d- pupil expansion light guide assembly
US12019241B2 (en) * 2021-03-29 2024-06-25 Optinvent 2D-pupil expansion light guide assembly

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5667077B2 (ja) 2008-12-18 2015-02-12 スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー 向上した光抽出を有するライトガイド
US20120170310A1 (en) * 2011-01-05 2012-07-05 Qualcomm Mems Technologies, Inc. Light guide with uniform light distribution
US9739927B2 (en) * 2013-05-28 2017-08-22 Sakai Display Products Corporation Light source device and display apparatus
WO2015103188A1 (en) * 2013-12-31 2015-07-09 3M Innovative Properties Company Lightguide including extractors with directionally dependent extraction efficiency
US10585230B2 (en) * 2016-03-23 2020-03-10 Microsoft Technology Licensing, Llc Light-steering layer for electronic display
CN110579834B (zh) * 2018-06-08 2021-07-30 芝奇国际实业股份有限公司 导光组件及具有导光组件的电子装置
US10598841B1 (en) * 2018-11-20 2020-03-24 G. Skill International Enterprise Co., Ltd. Light guide device
FR3136045B1 (fr) * 2022-05-31 2024-05-24 Valeo Vision Affichage de motifs lumineux sur nappe de guidage flexible

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5718497A (en) * 1991-11-28 1998-02-17 Enplas Corporation Surface light source device
JP2004226863A (ja) * 2003-01-27 2004-08-12 Towa Corp 導光板成形用金型の加工方法及び金型と導光板
WO2006109921A1 (en) * 2005-04-15 2006-10-19 Korea Institute Of Industrial Technology Manufacturing method of slanted-pyramid microlens and its application to light guide plate
CN1932555A (zh) * 2005-09-12 2007-03-21 金炯俊 键盘背光面板的导光板及其制造方法

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6712481B2 (en) * 1995-06-27 2004-03-30 Solid State Opto Limited Light emitting panel assemblies
US5896119A (en) 1995-06-27 1999-04-20 Silicon Graphics, Inc. Removable backlighting assembly for flat panel display subsystem
US5895115A (en) 1996-01-16 1999-04-20 Lumitex, Inc. Light emitting panel assemblies for use in automotive applications and the like
JPH10235748A (ja) * 1997-02-27 1998-09-08 Seiko Epson Corp 導光体の製造方法
JP3527961B2 (ja) * 1999-04-30 2004-05-17 株式会社日立製作所 フロントライト型反射液晶表示装置
JP2001281654A (ja) 2000-03-29 2001-10-10 Mitsubishi Chemicals Corp 液晶表示素子用バックライト
JP4035998B2 (ja) * 2002-01-23 2008-01-23 オムロン株式会社 面光源装置、拡散板及び液晶表示装置
JP4243129B2 (ja) * 2003-04-18 2009-03-25 Ｔｏｗａ株式会社 導光板成形用金型の加工方法
JP4125198B2 (ja) 2003-07-23 2008-07-30 シャープ株式会社 液晶表示素子
KR100689392B1 (ko) 2005-05-19 2007-03-02 삼성전자주식회사 키 패드와 그를 이용한 키 패드 어셈블리
KR100658951B1 (ko) 2005-07-12 2006-12-19 주식회사 엘에스텍 유연성을 가지는 입력장치 키 후면조광용 백라이트 장치
US7545569B2 (en) 2006-01-13 2009-06-09 Avery Dennison Corporation Optical apparatus with flipped compound prism structures
JP2009537870A (ja) 2006-05-18 2009-10-29 スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー 抽出構造体を備えた導光体の製造方法及びその方法で製造された導光体
KR20080006311A (ko) 2006-07-12 2008-01-16 최우근 도광판 및 이를 갖는 백라이트 어셈블리
JP2008041295A (ja) 2006-08-02 2008-02-21 Seiko Instruments Inc 照明装置、及び、これを用いた表示装置
KR100827175B1 (ko) * 2007-02-23 2008-05-02 삼성전자주식회사 도파로 시트 및 그 제조방법
JP2008235141A (ja) 2007-03-23 2008-10-02 Epson Imaging Devices Corp 照明装置、液晶装置及び電子機器
JP2009048847A (ja) * 2007-08-20 2009-03-05 Seiko Instruments Inc 照明装置及びこれを用いた表示装置
CN101796443A (zh) 2007-09-06 2010-08-04 3M创新有限公司 具有提供输出光区域控制的光提取结构的光导装置
JP2009176562A (ja) * 2008-01-24 2009-08-06 Harison Toshiba Lighting Corp バックライトユニット
JP5667077B2 (ja) 2008-12-18 2015-02-12 スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー 向上した光抽出を有するライトガイド

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5718497A (en) * 1991-11-28 1998-02-17 Enplas Corporation Surface light source device
JP2004226863A (ja) * 2003-01-27 2004-08-12 Towa Corp 導光板成形用金型の加工方法及び金型と導光板
WO2006109921A1 (en) * 2005-04-15 2006-10-19 Korea Institute Of Industrial Technology Manufacturing method of slanted-pyramid microlens and its application to light guide plate
CN1932555A (zh) * 2005-09-12 2007-03-21 金炯俊 键盘背光面板的导光板及其制造方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI507786B (zh) * 2013-05-09 2015-11-11 Chi Lin Optoelectronics Co Ltd 顯示裝置及其側光式背光模組
CN104614802A (zh) * 2015-03-02 2015-05-13 深圳市华星光电技术有限公司 一种背光模组及其导光板
CN104614802B (zh) * 2015-03-02 2018-03-20 深圳市华星光电技术有限公司 一种背光模组及其导光板
US20220308350A1 (en) * 2021-03-29 2022-09-29 Optinvent 2d- pupil expansion light guide assembly
US12019241B2 (en) * 2021-03-29 2024-06-25 Optinvent 2D-pupil expansion light guide assembly

Also Published As

Publication number Publication date
JP5667077B2 (ja) 2015-02-12
EP2370854A4 (en) 2013-07-03
US20110243500A1 (en) 2011-10-06
US20150009586A1 (en) 2015-01-08
WO2010080289A3 (en) 2010-09-16
WO2010080289A2 (en) 2010-07-15
EP2370854A2 (en) 2011-10-05
US9429691B2 (en) 2016-08-30
CN102301272B (zh) 2015-06-24
JP2012513090A (ja) 2012-06-07
US8909009B2 (en) 2014-12-09
EP2370854B1 (en) 2016-09-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102301272B (zh) 具有增强的光提取的光导
JPH0682661A (ja) 自動整合光部品
US20080316601A1 (en) Method for Manufacturing a Hybrid Microlens
JP2006159883A (ja) 導光板製造用スタンパの製造方法
CN101571246B (zh) 光源模块、光学板、光学板与其母模及子模的制造方法
WO2007140206A2 (en) Diffusers and methods of manufacture
JP2000231007A (ja) 凹型微細形状のアレイ状パターン形成方法及びその形成方法を用いて製作される平板型レンズアレイ及び液晶表示素子及び平板型オイルトラップ
KR20030048342A (ko) 마이크로 코너 큐브 어레이, 이를 제조하는 방법 및디스플레이 장치
WO2006109921A1 (en) Manufacturing method of slanted-pyramid microlens and its application to light guide plate
KR100990074B1 (ko) 경사 노광 리소그래피 시스템
US6663253B2 (en) Molded optical panel and mold therefore
KR100921903B1 (ko) 도광판의 제조방법
Lee et al. Mass-producible structural design and fabrication method for a slim light-guide plate having inverse-trapezoidal light out-couplers
JP2001033634A (ja) スタンパの製造方法
US7258966B2 (en) Method for manufacturing a diffuser for a backlight module
KR20050007828A (ko) 측면 광원에 대향된 하나의 음각뿔 모서리를 하부면에포함하는 도광판 및 이를 이용한 시스템
JP2002022911A (ja) マイクロプリズムアレイの製造方法および型材
JP2004157430A (ja) 光拡散板の製造方法
US9086545B2 (en) Silicon-based optical fiber clamp and methods of fabricating the same
CN1307476C (zh) 导光板模仁的制造方法
KR20020060325A (ko) 면광원 장치의 도광판과 이의 제조방법
TW200925683A (en) Light guide plate, manufacturing method and application thereof
JP2003202567A (ja) 三次元ｍｅｍｓ集光体、その製造方法、及び液晶表示装置
KR20050008097A (ko) 광도파로 소자 제조방법
KR970048787A (ko) 확산기가 장착된 미소 구조의 조명 장치를 가진 투명 디스플레이 장치 및 그 제조 방법

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20150624

Termination date: 20201208