CN102687043A - 光漫射器和包括光漫射器的显示器 - Google Patents

Abstract

一种光漫射器（20，46）包括以二维阵列布置在填充物（26）中的多个纤维状特征（24）。所述特征（24）具有纵轴并且基本上彼此平行。所述特征（24）的折射率不同于所述填充物（26）的折射率。所述特征（24）是聚合固体或液体。当特征（24）是液体时，所述填充物（26）基本上是固体。当所述特征（24）是聚合固体时，所述多个特征中的至少一个特征（24）包括在纵向剖面维度和水平剖面维度之一或这二者上的至少一个预定变化。

Description

光漫射器和包括光漫射器的显示器

相关申请的交叉引用

N/A。

关于联邦资助的研究或开发的声明

N/A。

背景技术

将光纤面板与液晶显示器（LCD）系统相组合在现有技术中是已知的。这样的组合的实例在Hoffman等人的美国专利No. 4,349,817（Hoffman）和Hubby的美国专利No. 5,035,490中被描述。采用液晶层的显示器的主要优点包括其紧凑、坚固的构造以及其作为用于便携式个人计算机的显示屏的便携性。

反射式显示器使用环境光而不是背光来照明图像。所述显示器由反射器之上的一个或多个电光层构成。如果反射器是镜面式的，则难以获得清晰的图像；观看者或者看到其自己或者看到来自前表面的强烈眩光反射。为了解决这一问题，所述显示器应当具有漫射器元件以在一个入射角范围内发散光，并且从而加宽观看角。所述漫射器可以在显示器的后方、紧接在反射器前方或者是其一部分；或者所述漫射器可以在前表面上。

如上所解释的那样，显示器通常需要漫射器以给出具有宽观看角的明亮图像。对于反射式显示器，一种方法是在显示器的前表面上具有漫射器。Hoffman教导了应用由纤维构成的纤维板，每条纤维具有尽可能低的数值孔径并且借助于黑色填隙材料尽可能多地限制观看角，以便抑制尽可能多的杂散光。与此对比，Hubby教导了应用具有尽可能高的数值孔径并且允许尽可能宽的观看角的纤维板，以便收集尽可能多的环境光以照明显示器。然而，玻璃纤维面板制造起来不容易也不便宜。

附图说明

在这里提供的附图不是按比例的，而是为了便于理解本发明的特定实施例而提供的，并且被提供来作为说明而非限制所附权利要求书的范围。

图1A是常规漫射器的光散射模式的二维描绘。

图1B是常规漫射器的与图1A中所示的相同的光散射模式的三维描绘。

图2A是根据本发明实施例的光漫射器的光散射模式的二维描绘。

图2B是根据本发明实施例的光漫射器的与图2A中所示的相同的光散射模式的三维描绘。

图3是根据本发明实施例的纤维状特征（fiber-like feature）的一个实施例的三维描绘。

图4是根据本发明实施例的纤维状特征的一个实施例的剖视图。

图5A以宏观尺度示出根据本发明一个实施例的漫射器的一个实施例的示意图。

图5B以宏观尺度示出描绘根据图5A中所示的本发明一个实施例的支持层的一个实施例的示意图，所述支持层在漫射器的制备的初始步骤中具有在其上布置的纤维状特征以及所述特征之间的空隙。

图5C以宏观尺度示出描绘根据图5A中所示的本发明一个实施例的支持层的一个实施例的示意图，所述支持层在漫射器的制备的初始步骤中具有在其上布置的基本上为固体的填充物以及所述填充物之间的空隙，其中随后利用液体填充所述空隙以形成纤维状特征。

图6示出根据本发明一个实施例的反射式显示器的一个实施例的示意图。

图7示出根据本发明一个实施例的反射式显示器的另一实施例的示意图。

图8是示出根据本发明一个实施例的方法的一个实施例的流程图。

具体实施方式

本发明的一些实施例是针对一种光漫射器，其包括以基本上二维阵列布置在填充物中的多个纤维状特征。所述特征具有纵轴并且基本上彼此平行。所述特征的折射率不同于所述填充物的折射率。特征是聚合固体或液体。当所述特征是液体时，所述填充物基本上是固体；以及当所述特征是聚合固体时，所述多个特征中的至少一个特征包括在纵向剖面维度（dimension）和水平剖面维度之一或这二者上的至少一个预定变化。

本发明的一些实施例是针对一种光漫射器，其包括透明非偏振支持层。所述支持层具有在该支持层的表面上布置的多个纤维状特征，所述纤维状特征从该表面上延伸并且被布置成二维阵列。所述特征分别具有基本上彼此平行的纵轴，以及存在在至少一个特征的纵向或水平剖面维度或这二者上的至少一个预定变化。在所述特征之间布置填充物，其中所述填充物具有的折射率不同于聚合物特征的折射率。在一些实施例中，所述特征和所述填充物位于透明基板与支持层之间。

本发明的一些实施例是针对一种包括如上所述的光漫射器的视觉图像显示设备。在一些实施例中，所述视觉图像显示设备还包括电光层和反射器，所述反射器把从该电光层的背面接收的光反射回去通过所述电光层。在一些实施例中，所述光漫射器被布置在所述电光层的前方。

本发明的一些实施例是针对一种视觉图像显示设备，其包括：具有前表面和后表面的液晶层；与液晶层的前表面邻近的前方取向层；与液晶层的后表面邻近的后方取向层；与前方取向层邻近的前方透明电极；与背面取向层邻近的背面透明电极；把从液晶层的背面接收的光反射回去通过液晶层的反射器；以及在所述电光层前方的光漫射器。所述光漫射器包括透明非偏振支持层和透明基板，所述透明基板在一些实施例中是非偏振的。所述支持层具有在该支持层的表面上以二维阵列布置的多个纤维状特征，所述纤维状特征从所述表面延伸。所述纤维状特征是聚合固体或液体。所述特征分别具有基本上彼此平行的纵轴。当所述特征是聚合固体时，存在在至少一个特征的纵向或横向剖面维度或这二者上的至少一个预定变化。在所述特征之间布置填充物，其中所述填充物具有的折射率不同于聚合物特征的折射率。当所述特征是液体时，所述填充物基本上是固体。所述特征具有的形状和长度使得，以一个角度照射在光漫射器上的光被漫射到以光漫射器的法线为中心的中空锥体中。所述特征和所述填充物被布置在所述透明基板与所述支持层之间。

本发明的一些实施例是针对制造上述的光漫射器的方法。在一些实施例中，所述方法包括：（a）制备母版（master）结构，其中所述母版结构具有从基板的表面延伸的多个纤维状母版特征，所述特征具有纵轴并且基本上彼此平行，所述多个特征中的至少一个特征包括在纵向剖面维度和水平剖面维度之一或这二者上的至少一个预定变化；（b）制备所述母版结构的反拷贝（inverse copy）；（c）向透明非偏振支持层的表面施加液体聚合物前驱体材料；（d）把所述母版结构的反拷贝按压到所述液体聚合物前驱体材料中；（e）对所述液体聚合物前驱体材料进行聚合以形成纤维状特征的固体聚合物；（f）从所述固体聚合物中移除所述母版结构的反拷贝，以产生所述纤维状特征之间的空隙；（g）施加填充物材料以填充所述空隙；以及（h）附着透明基板以覆盖所述填充物和所述纤维状特征。在其中所述填充物材料是可硬化的一些实施例中，所述方法还包括：（i）硬化所述填充物材料以形成所述填充物。

与例如在Hubby中所公开的已知光漫射器相比，根据本发明实施例的布置在支持层上的纤维状特征更容易制造。本光漫射器的实施例的纤维状特征可以被制造在相对较大的区域上，并且实现了对于光漫射器的光学性质的更多控制。各个特征的形状可以在其剖面维度中被控制以实现特定的有利性质，比如所述特征与所述填充物之间的折射率梯度的效果。在一些实施例中，所述填充物可以具有的折射率梯度使得，失配指数在填充物层的一侧大于在填充物层的另一侧。这样的情形提供了调整所述层的散射性质的机会，并且可以帮助减少来自漫射器的后向散射。

电光层是可以通过施加电压来调制其光学性质的层。作为说明而非限制，电光层可以包括的材料的实例包括：液晶材料、电泳颜料的悬浮液、胆甾型材料、微机电（MEMS）材料以及二色宾主液晶。所述电光层的性质决定显示器的类型，例如液晶显示器、电泳显示器、胆甾型显示器、基于MEMS的显示器、二色宾主显示器以及电润湿显示器。

在一些实施例中，本发明的光漫射器是与反射式显示器一起采用的前方漫射器。前方漫射器对在进入显示器的途中以及在返回到观看者的途中的光进行漫射。因此，它给出了控制由光在全部两次经过所述电光层时所采取的路径的机会。这一特性允许优化显示器的亮度。本光漫射器的实施例允许基本上前向散射照射光。这可能是有利的，因为任何后向散射都导致在其已由（一个或多个）电光层层调制之前将入射光的一部分散射回到观看者。所述基本上前向散射避免了对比度降低以及对于后向散射观察到的褪色。在本光漫射器的实施例中，光散射可以被保持在相对于包括本光漫射器的视觉显示器的壁所测量的入射极角的受控范围内。如果光被散射到所述受控范围之外，则它可能超出全内反射的临界角，并且因此不会逃逸到观看者。这降低显示器的亮度。在受控范围内的角度下的散射还减小显示器中的路径长度，这可以显著增强显示器的亮度。前述的考虑对于染料宾主显示器特别具有相关性。

本发明的实施例应用于打算用于便携式系统的LCD。这样的系统应当是反射式类型，以便利用可用的环境光来照明而不是招致主动背光照明所特有的重量、大体积以及功耗。这样的显示器包括夹在透明的前方与后方电极之间的液晶层、以及放置在显示器后方的镜面或半镜面（即镜状的）表面。所述系统具有关断状态，即在前方与后方电极之间不施加电压，以及接通状态，即在前方与后方电极之间施加电压。本发明的实施例还提供光学效率高得足以仅仅利用环境照明来给出明亮而生动的图像的显示器。

如上所述，根据本发明的光漫射器的实施例包括透明且非偏振的支持层。透明意味着所述支持层具有令光线透射穿过其物质的性质，从而可以看穿所述支持层；所述术语包括半透明。术语“透明”意味着例如允许可见波长范围内的至少50%、或至少55%、或至少60%、或至少65%、或至少70%、或至少75%、或至少80%、或至少85%、或至少90%、或至少95%、或至少99%的入射光被透射。

非偏振意味着所述支持层不表现出任何显著程度的偏振器性质，即光穿过所述支持层的透射对于光的任何偏振都基本上相同。短语“基本上相同”意味着，光穿过所述支持层的透射对于光的任何偏振的差异例如不超出大约10%、或不超出大约5%、或不超出大约4%、或不超出大约3%、或不超出大约2%、或不超出大约1%、或不超出大约0.5%、或不超出大约0.1%。

所述支持层的成分可以是有机的或无机的、不溶水固体材料。所述支持层例如可以是单独的或者与其他材料相结合的玻璃、自然或合成聚合物。所述聚合物例如包括聚氯乙烯、聚丙烯酰胺、交联右旋糖酐、琼脂糖、聚丙烯酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚4-甲基丁烯（poly(4-methylbutene)）、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙、聚乙烯醇缩丁醛、硝化纤维以及醋酸纤维素。

在一些实施例中，所述支持层基本上是平面的，其厚度为大约0.02到大约1mm，或者大约0.02到大约0.8mm，或者大约0.02到大约0.6mm，或者大约0.02到大约0.4mm，或者大约0.02到大约0.2mm，或者大约0.02到大约0.1mm，或者大约0.05到大约1mm，或者大约0.05到大约0.5mm，或者大约0.05到大约0.2mm，或者大约0.05到大约0.1mm。

所述支持层的表面包括多个纤维状特征。如在这里使用的“纤维状”是指像引导光信号的光纤那样起作用的细长结构。在一些实施例中，包括所述特征的表面位于所述支持层的对应于其最大维度的平面内，并且所述特征以二维阵列从所述表面延伸。术语“阵列”是指对象的布置；在一些实施例中是对象的系统性布置；在一些实施例中是对象以行和列的系统性布置。

在一些实施例中，所述特征分别具有基本上彼此平行的纵轴。短语“基本上平行”是指例如所述特征的纵轴与平行布置的偏离不超过大约20度，或者不超过大约15度，或者不超过大约10度，或者不超过大约5度，或者不超过大约4度，或者不超过大约3度，或者不超过大约2度，或者不超过大约1度。在一些实施例中，所述特征基本上垂直于所述支持层的表面。在一些实施例中，所述特征从所述表面以一个角度倾斜。在一些实施例中，所述角度例如是大约60到大约85度，或者是大约60到大约80度，或者是大约60到大约75度，或者是大约60到大约70度，或者是大约70到大约85度，或者是大约75到大约85度，或者是大约80到大约85度。

如上所述，在本光漫射器的实施例中，存在在至少一个特征的纵向或水平剖面维度或这二者上的至少一个预定变化。术语“预定”意味着所述变化是设计的，而不是例如人工产物或制造过程的缺陷。如在这里使用的短语“在纵向剖面维度上的变化”指的是在沿着纵轴的两个不同位置处延伸穿过所述特征的至少两条假想线之间的长度差异，其中所述假想线垂直于特征的纵轴而延伸穿过所述特征。该变化可以是周期性的或者具有周期性分量。所述变化中的周期性分量的间距将小于光在任一种介质中的波长（常常小于大约一半波长），并且通常接近介质中的波长的大约四分之一。重复的数目将可能小于20并且大于1。变化的数目例如是至少2个，或者至少3个，或者至少4个，或者至少5个，或者至少6个，或者至少7个，或者至少8个，或者至少9个，或者至少10个。变化的数目处在大约2个到大约15个、或者大约2个到大约10个、或者大约2个到大约5个的范围内。

如在这里使用的短语“在水平剖面维度上的变化”指的是在沿着纵轴的相同位置处延伸穿过所述特征的至少两条假想线之间的长度差异，其中所述假想线垂直于特征的纵轴而延伸穿过所述特征。所述变化的数目被用来调整指数匹配和光散射。在一些实施例中，变化的数目例如是少于大约50个变化，或者少于大约40个，或者少于大约30个，或者少于大约20个，或者少于大约15个，或者少于大约10个。在一些实施例中，变化的数目例如是至少2个，或者至少3个，或者至少4个，或者至少5个，或者至少6个，或者至少7个，或者至少8个，或者至少9个，或者至少10个。在一些实施例中，变化的数目处在大约2个到大约15个、或者大约2个到大约10个、或者大约2个到大约5个的范围内。

在一些实施例中，所述特征的剖面形状可以是圆形的，其具有在纵向剖面维度上的至少一个变化。在其中存在在水平剖面维度上的变化的一些实施例中，所述剖面形状例如可以是多边形（比如三角形、正方形、四边形、六边形）、或椭圆形、圆齿形、椭球形、波纹形或者具有不同数目的顶点的星形。一般来说，纤维状特征的剖面形状和维度取决于许多因素，其例如包括对于出射光的引导和散射的优化。

在一些实施例中，所述特征可以被定形以优化对于出射光的引导和散射。例如，通过略微锥化所述纤维状特征，出射光将在较窄的锥角内出来。在一些实施例中，所述纤维状特征的纵向剖面维度可以进行变化，使得所述特征被锥化，从而产生例如是金字塔形、沙漏形、球形、锥形的形状。举例来说，在到支持层的附着点处的特征的纵向剖面维度可以大于或小于在所述特征的相对端处或其附近以及/或者在两端之间的等距点处或其附近的剖面维度。

在一些实施例中，所述纤维状特征的剖面维度可以在沿着该特征的多于一个位置处进行变化。在一些实施例中，特征的剖面维度可以例如变化大约5%到大约50%，或者大约5%到大约40%，或者大约5%到大约30%，或者大约5%到大约25%，或者大约5%到大约20%，或者大约10%到大约50%，或者大约10%到大约40%，或者大约10%到大约30%，或者大约10%到大约25%，或者大约10%到大约20%。在一些实施例中，对于在所述纵向剖面维度上的变化，所述特征的壁在沿着所述壁的至少一个位置处的斜率与纵轴的偏离例如不超过10度，或者不超过9度，或者不超过8度，或者不超过7度，或者不超过6度，或者不超过5度，或者不超过4度，或者不超过3度，或者不超过2度，或者不超过1度。在一些实施例中，至少两个纵向剖面维度基本上是相同的。

作为说明而非限制，在图3中描绘了根据表现出纵向剖面形状中的变化的特征的一个实施例的纤维状特征的一个实例。纤维状特征30包括4个圆柱形子特征32，其具有的纵向剖面维度32a大于4个圆柱形子特征34的纵向剖面维度34a。在所示的实施例中，如果每个子特征的厚度等于照射在特征30上的光的波长的四分之一，则所述特征将优先反射并散射该波长的光。这样，可以把颜色引入到包括特征30的光漫射器中，这例如在涉及显示器的应用中可能是有用的。

作为说明而非限制，在图4中描绘了根据表现出在水平剖面维度上的变化的特征的一个实施例的纤维状特征的一个实例。圆齿形的纤维状特征35包括在一个水平剖面维度36a上等长的8个变化36以及在另一水平剖面维度38a上等长的8个变化38，其中变化36的长度大于变化38的长度。在所示的实施例中，取决于各圆齿的大小（变化36的长度对比变化38的长度），可以增加光散射。如果剖面中的圆齿化/波纹是亚波长的，则所述圆齿化还可以被采用以给出特征与填充物之间的折射率梯度的效果。正如从光纤技术中所知，这样的折射率梯度有利于控制光穿过所述特征的引导。

还可以通过利用反射金属的薄层涂覆聚合物特征来增强从光漫射器出射的光的引导。作为说明而非限制，合适的反射金属的实例包括镍、银和铝。金属涂层的厚度应当足以增强反射率但是不至于大到导致孔径的显著减小。在一些实施例中，金属涂层的厚度例如是大约20到大约300nm，或者大约20到大约250nm，或者大约20到大约200nm，或者大约50到大约300nm，或者大约50到大约250nm，或者大约50到大约200nm，或者大约100到大约200nm。可以通过诸如溅射涂覆、电镀以及蒸发之类的方法把所述金属施加到所述特征的外表面。

在一些实施例中，所述纤维状特征的剖面维度的每个变型的剖面维度例如可以小于大约100微米，或者小于大约50微米，或者小于大约30微米，或者小于大约20微米，并且例如大于大约1微米，或者大于大约5微米。在一些实施例中，所述特征的剖面维度的每个变型的剖面维度例如可以处在大约1到大约100微米、或者大约1到大约50微米、或者大约1到大约30微米、或者大约1到大约20微米、或者大约1到大约10微米、或者大约5到大约100微米、或者大约5到大约50微米、或者大约5到大约30微米、或者大约5到大约20微米、或者大约5到大约10微米、或者大约10到大约100微米、或者大约10到大约50微米、或者大约10到大约30微米、或者大约10到大约20微米、或者大约8到大约12微米的范围内。

在一些实施例中，所述纤维状特征的长度例如可以处在大约1到大约100微米、或者大约1到大约50微米、或者大约1到大约30微米、或者大约1到大约20微米、或者大约1到大约10微米、或者大约5到大约100微米、或者大约5到大约50微米、或者大约5到大约30微米、或者大约5到大约20微米、或者大约5到大约10微米、或者大约10到大约100微米、或者大约10到大约50微米、或者大约10到大约30微米、或者大约10到大约20微米的范围内。

在一些实施例中，所述纤维状特征的成分是聚合固体，其包括半固体或准固体。合适的聚合物例如包括聚氯乙烯、聚丙烯酰胺、交联右旋糖酐、琼脂糖、聚丙烯酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚4-甲基丁烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙、聚乙烯醇缩丁醛、硝化纤维以及醋酸纤维素或者上述中的两种或更多种的组合。与所述支持层一样，所述特征是透明的。从上面显然的是，术语“聚合固体”不包括玻璃或仅有玻璃的材料（比如玻璃纤维），尽管在一些实施例中可以采用玻璃-聚合固体组合。

在一些实施例中，所述纤维状特征的成分是液体，其可以是非聚合或聚合的。合适的液体是表现出相对较高的折射率的液体，比如大约1.6到大约1.8、或者大约1.6到大约1.7、或者大约1.7到大约1.8的折射率。用于纤维状特征的合适的液体例如应当是稳定的（包括良好的光稳定性）和无色的。作为说明而非限制，合适的液体的实例是碘化甲烷（例如二碘甲烷）、由Cargille Labs（Cedar Grove NJ）出售的大约1.6到大约1.8的折射率范围内的折射率液体。玻璃不被包括在这里使用的术语“液体”的定义内。

所述支持层的表面上的纤维状特征的间隔例如取决于所述纤维状特征的宽度。在一些实施例中，该间隔例如处于所述纤维状特征的宽度的大约10%到大约200%、或者大约10%到大约150%、或者大约10%到大约125%、或者大约50%到大约200%、或者大约50%到大约150%、或者大约50%到大约125%、或者大约75%到大约200%、或者大约75%到大约150%、或者大约75%到大约125%、或者大约90%到大约110%的范围内，或者是大约100%。

图1A和1B示出常规漫射器的光散射模式。正如可以看到的那样，常规漫射器散射照射在表面11上的光10，使得其能量被分布在以镜面光束15的方向13为中心的锥体内。因此，常规漫射器在以镜面方向为中心的锥体内散射光。这样的漫射器包括粗糙表面或者具有随机包括的不同折射率的膜。结果，在高极角下入射的光可能在高角下被充分地散射，并且被丢失而不是到达观看者。另外，反射光将只在窄的观看方向集合内可见。这可以通过调整漫射器在更宽角度范围内散射光来加宽，但是这也往往会增加后向散射的量。

根据本实施例的光漫射器中的纤维状特征具有形状和长度以及总数和倾斜角，使得在一个角度下照射在光漫射器上的光被漫射到以光漫射器的法线为中心的中空锥体中。在图2A和2B中描绘了根据本实施例的光漫射器的光漫射模式。参照附图可以看出，在特定角度下照射到本光漫射器的实施例的表面12上的光10被漫射到以光漫射器的表面的法线16为中心的中空锥体14中，而不是以镜面方向18为中心。

常规漫射器与图2A中示出的二维情形和图2B中示出的三维情形之间存在至少一个差异。代表在给定角度下散射的光强度的体积现在是围绕显示器表面的法线的旋转产物，而不是围绕镜面反射的方向。这意味着与常规漫射器的情况相比，来自给定环境源的光被发散在大得多的远场角内，并且与常规漫射器的情况相比，来自更大方向范围的环境光也可以贡献于给定观看者可见的照明。此外，为了看到明亮照明的显示器，观看者不需要靠近将导致在镜面方向上反射的光落入其眼中的位置。

如上所述，具有纤维状特征的表面包括所述特征之间的填充物。所述填充物具有的折射率不同于纤维状特征的折射率。可以理解，填充物的数量例如取决于特征的数目、特征的剖面维度。与所述支持层一样，填充物也是透明的。在一些实施例中，所述填充物可以是固体、液体（包括油）或气体。诸如油和气体之类的一些填充物材料是不可硬化材料，而一些液体填充物材料是可硬化的并且需要硬化步骤。可以采用的填充物的实例例如包括树脂、油和气体。合适的树脂可以是合成的或者自然发生的，并且例如可以包括热塑性材料（比如乙烯聚合物、聚苯乙烯、聚乙烯）、热固性材料（比如聚酯、环氧树脂、硅酮）、UV可硬化聚合物（比如丙烯酸酯）。可被作为填充物采用的油例如包括硅酮油。可被采用的气体例如包括空气、氮气、惰性气体（氩、氖、氦等等）。

如上所述，当所述纤维状特征是液体时，所述填充物基本上是固体。术语“基本上是固体”包括固体和准固体（半固体）材料，并且意味着填充物在一定程度上是固体，从而保持作为液体的所述特征的结构和形状，并且/或者意味着固体或准固体填充物可以保持其自身的尺寸和形状，并且在使用包括本光漫射器的器件的温度下并且在适度应力下几乎没有或者完全没有流动的趋势。

对于固体填充物，折射率例如可以处于大约1.3到大约1.8、或者大约1.3到大约1.7、或者大约1.3到大约1.6、或者大约1.3到大约1.5、或者大约1.4到大约1.7、或者大约1.4到大约1.6的范围内。对于液体填充物，折射率例如可以处于大约1.2到大约1.8、或者大约1.2到大约1.7、或者大约1.2到大约1.6、或者大约1.2到大约1.5、或者大约1.2到大约1.4、或者大约1.3到大约1.7、或者大约1.3到大约1.6、或者大约1.3到大约1.5、或者大约1.4到大约1.7、或者大约1.4到大约1.6的范围内。对于气体填充物，折射率例如大约是1。

如上所述，所述纤维状特征和填充物的折射率不同。折射率差的大小取决于许多因素，例如包括特征的成分和填充物的成分。折射率之间的差应当足以在光照射在漫射器上时获得合适的光散射。所述纤维状特征的折射率例如可以处于大约1.4到大约1.6的范围内。在一些实施例中，折射率之间的数值差例如是大约0.02到大约0.8（其中例如空气是填充物），或者大约0.02到大约0.5，或者大约0.02到大约0.1，或者大约0.05到大约0.8，或者大约0.05到大约0.5，或者大约0.05到大约0.1，或者大约0.08到大约0.5，或者大约0.08到大约0.1。在一些实施例中，所述纤维状特征的折射率大于填充物的折射率。

如上所述，在一些实施例中，所述特征和填充物被布置在透明的基板与支持层之间。在一些实施例中，透明基板具有诸如成分、维度、热膨胀系数、刚度、抗张强度之类的特性，其基本上类似于支持层的特性。在一些实施例中，所述透明基板是非偏振的。透明基板的成分可以是有机的或无机的、不溶水固体材料。透明基板例如可以是单独的或者与其他材料相结合的玻璃、自然或合成聚合物。所述聚合物例如包括聚氯乙烯、聚丙烯酰胺、交联右旋糖酐、琼脂糖、聚丙烯酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚4-甲基丁烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙、聚乙烯醇缩丁醛、硝化纤维以及醋酸纤维素。

在一些实施例中，所述透明基板基本上是平面的，其厚度为大约0.02到大约1mm，或者大约0.02到大约0.8mm，或者大约0.02到大约0.6mm，或者大约0.02到大约0.4mm，或者大约0.02到大约0.2mm，或者大约0.02到大约0.1mm，或者大约0.05到大约1mm，或者大约0.05到大约0.5mm，或者大约0.05到大约0.2mm，或者大约0.05到大约0.1mm。

在一些实施例中，所述支持层被附着到透明支持物。所述透明支持物的成分可以选自从中选择透明基板的成分的相同材料。所述透明支持物和透明基板可以具有相同或不同的成分。与透明基板一样，透明支持物是非偏振的。所述支持层可以通过诸如层压之类的技术被附着到透明支持物上。可以在把纤维状特征附着到支持层的表面之前或之后把支持层附着到透明支持物的表面上。

图5A作为说明而非限制以宏观尺度描绘了根据本发明一个实施例的光漫射器的一个实施例的一部分。光漫射器20包括支持层22，其在其表面23上具有纤维状特征24。在特征24之间是填充物26，其具有的折射率与特征24的折射率不同。透明基板28的位置横截特征24。

可以通过许多方式制造根据本发明实施例的光漫射器。举例来说，可以通过已知过程来制造纤维状特征本身，比如光刻、模压、模塑、铸造、印刻、浮雕以及电子束光刻中的一种或多种。在一些实施例中，可以采用光刻来从支持层到支持层快速地复制纤维状特征的图案（pattern）。光刻系统例如包括曝光工具、掩模和抗蚀剂，以用于把图案从掩模转移到抗蚀剂再然后到支持层。所述过程类似于在电子工业中采用来利用薄膜技术制备芯片、晶片、集成电路等等的过程。在一些实施例中，例如通过下述将从中形成纤维状特征的聚合物前驱体材料施加到支持层的表面：旋涂、印刷、铸造、狭缝挤压（slot die）涂覆、凹版涂覆、逆转辊涂覆、间隙涂覆、使用计量杆、浸渍涂覆、帘幕式涂覆。所述聚合物前驱体材料是通过施加光或热而聚合的单体材料或低聚材料，并且因此还可以被称作可硬化材料。在一些实施例中，所述聚合物前驱体材料可以是光致抗蚀剂材料，例如正性或负性光致抗蚀剂。所得到的聚合物膜的厚度对应于所得到的纤维状特征的长度。随后对聚合物膜的表面进行处理以产生所述特征。在一些实施例中，利用印刻来产生所述特征。在这样的实施例中，例如可以通过暴露于UV光、辐射源来实现印刻。

根据一些实施例，在漫射器20的制造中，将聚合物前驱体材料的薄层或薄膜粘附到支持层22的表面23。所述聚合物前驱体材料可以是光致抗蚀剂材料，其在该实施例中是负性光致抗蚀剂并且可以受到UV硬化。将掩模覆盖在所述光致抗蚀剂上；该掩模对UV透明并且包括由对应于空隙的不透明区域围绕的透明区域的图案。UV光照射在掩模的所暴露的表面上。UV光硬化对应于纤维状特征24的光致抗蚀剂，但是不硬化对应于空隙的光致抗蚀剂。在UV硬化之后，对支持层22进行处理以移除未暴露的光致抗蚀剂材料。图5B示出根据一些实施例的在光漫射器的制造中支持层22的表面23上的纤维状特征24以及特征24之间的空隙。在所述制造过程期间，可以在所述过程的各种阶段采用各种加热步骤。举例来说，可以在施加光致抗蚀剂之后、在UV硬化步骤之后、在移除了未被硬化的光致抗蚀剂之后采用加热步骤。每个阶段的加热的温度和持续时间例如取决于光致抗蚀剂的性质。这样的参数通常由聚合材料的制造商提供，如上所述，所述聚合材料在上面讨论的示例性实施例中是光致抗蚀剂。

在支持层22上产生了纤维状特征24和空隙25之后，把合适的填充物26或者将变成填充物26的填充物前驱体材料引入到空隙25中。引入的方式例如取决于填充物的性质。在一些实施例中，填充物前驱体是诸如树脂之类的可硬化填充物材料。将树脂引入到空隙25中，并且将透明基板28放置在树脂上方，随后在用于硬化树脂的条件下对其进行处理。所述条件例如取决于树脂的性质。其他填充物前驱体的实例例如包括丙烯酸酯或环氧树脂单体。

在一些实施例中，作为说明而非限制，制造光漫射器的一些实施例的方法（80）涉及下列过程。参照图8的流程图，制备（82）母版结构，其中所述母版结构具有从基板的表面突出的纤维状特征。该母版结构的纤维状特征可以被制备成包括在纵向剖面维度和水平剖面维度之一或这二者上的变化。这样的特征例如可以通过掩模的设计和/或利用反射性基板和正性抗蚀剂来制备。举例来说，在一些实施例中，可以通过使用反射性基板（例如硅）和正性抗蚀剂来制造如图3中所描绘的特征。通过与所述抗蚀剂相接触的掩模暴露于UV使得所暴露的区域可溶于显影剂。UV从基板反射并且与入射光发生干涉。所述干涉给出驻波，从而在抗蚀剂中产生高和低UV曝光的层。在对抗蚀剂进行显影之后，可以制造具有类似于图3的轮廓的轮廓的特征。在一些实施例中，例如可以通过掩模的设计来定义例如图4中所描绘的特征。

例如参见Applied Physics Letters, 92, 223109（2008），其描述了采用光刻驻波波纹作为纳米尺度的模板。正如作者所描述的过程，在对于光致抗蚀剂膜的单色、法线入射照射期间建立光学驻波，并且光学驻波是入射波与其来自基板表面的反射之间的干涉的产物。干涉图案在光致抗蚀剂内将光能分布到具有交替的高和低能量的垂直层叠的各平面中，一旦光致抗蚀剂被显影，其用来沿着基板法线、与所转移的图案的平面正交地添加规则结构。这些波纹通常与减小的线宽分辨率相关联，并且结果是例行地受到抗反射涂层和曝光后烘培的抑制。

利用硬化的树脂制备（84）前述的母版结构的反拷贝。在一些实施例中，将诸如聚二甲硅氧烷（PDMS）之类的液体树脂倾倒在母版结构的表面上，并且令其硬化以形成母版结构的柔性反拷贝，其可以被称作印模。可以从该印模制备本光漫射器的实施例。在一些实施例中，向透明支持层的表面施加（86）液体树脂层，并且把所述印模按压（88）到所述表面上的液体树脂中。所述树脂填充所述印模的空隙，并且随后通过合适的技术将其硬化以实现聚合（90），所述技术比如是施加辐射（例如UV光）或者施加热。随后移除（92）所述印模以留下原始母版结构的拷贝。将填充物施加（94）到支持层以填充纤维状特征之间的空隙。将透明基板附着（96）到组件上以覆盖填充物和纤维状特征。取决于填充物的性质，例如在液体树脂的情况下可以采用用于硬化（98）填充物的过程。在一些实施例中，根据本发明的光漫射器包括：透明并且非偏振的支持层；在支持层的表面上以二维阵列布置的多个纤维状特征；以及布置在特征之间的填充物，所述填充物具有的折射率不同于所述特征的折射率。所述特征是聚合固体或液体，具有纵轴并且基本上彼此平行。当所述特征是聚合固体时，所述多个特征中的至少一个特征包括在纵向剖面维度和水平剖面维度之一或这二者上的至少一个预定变化。当所述特征是液体时，填充物基本上是固体。在上述中的一些实施例中，光漫射器还包括透明基板，其中所述特征和填充物被夹在支持层与透明基板之间。在一些实施例中，所述透明基板是非偏振的。

在一些实施例中，漫射器20的制造如图5C中所示。在这些实施例中，首先形成在填充物之间具有空隙的填充物结构。可以通过对光致抗蚀剂进行构图来形成填充物结构，以获得具有壁的结构，所述壁具有在壁之间的腔或空隙。随后利用液体材料填充所述空隙，从而形成液体的纤维状特征。下面在实例2中讨论形成具有六边形壁的填充物结构的一个实施例。将液体材料添加到空隙以形成纤维状特征。图5C示出支持层22的表面23上的固体填充物壁26，其中在填充物壁26之间具有空隙25。在产生填充物壁26之后，将合适的液体引入到空隙中以在支持层22上形成纤维状特征24。随后，将透明基板28放置在填充物壁上方以完成制备。在一些实施例中，所述液体可以是可硬化材料，在这种情况下，硬化产生固体聚合特征。

在一些实施例中，光漫射器包括透明并且非偏振的支持层、以二维阵列布置的多个纤维状特征（其中所述特征从支持层的表面延伸）、以及布置在特征之间的填充物。填充物具有的折射率不同于所述特征的折射率。所述特征具有纵轴并且基本上彼此平行。所述多个特征中的至少一个特征包括在纵向剖面维度和水平剖面维度之一或这二者上的至少一个预定变化。

根据本实施例的光漫射器可以被采用在视觉图像显示设备中。在一些实施例中，所述光漫射器被采用在反射式显示器中。反射式显示器例如包括吸收模式反射式显示器、散射反射式显示器、选择性反射反射式显示器。在一些实施例中，所述显示设备是宾主液晶反射式显示器。所述显示设备包括电光层、把从所述电光层的背面接收的光反射回去通过该电光层的反射器以及所述电光层的前方的本光漫射器的一个实施例。宾主液晶反射式显示器的实施例中的电光层可以包括包含染料或颜料（例如二色染料）的液晶材料，其光学吸收性质取决于其取向而变化。当对器件施加电场时，液晶材料的取向改变，光由染料吸收，并且所显示的颜色改变。

作为说明而非限制，在图6中描绘了作为反射式显示器并且包括根据本发明一个实施例的光漫射器的一个实施例的视觉图像显示设备的一个实施例。视觉图像显示设备40包括反射器42，所述反射器上在其上布置有电光层44和光漫射器46，所述光漫射器可以是在这里描述的光漫射器的实施例中的任何一个。所述反射器把从电光层的背面接收的光反射回去通过该电光层。光漫射器46被定位在电光层44的前方。

包括本光漫射器的一个实施例的视觉图像显示设备除了反射器和电光层之外还可以包括其他元件。其他元件的实例例如包括一个或多个电极、一个或多个取向层、液晶、光学波片、滤光器。

参照图7，在包括根据本发明一个实施例的光漫射器的一个实施例的视觉图像显示设备50的另一实施例中，所述电光层是具有第一表面（或前表面）52a和第二表面（或后表面）52b的液晶层52。第一（或前方）取向层54被布置成邻近液晶层52的前表面52a，并且第二（或后方）取向层56被布置成邻近液晶层52的后表面52b。第一（或前方）透明电极58邻近前方取向54层，并且第二（或后方）透明电极60邻近后方取向层56。所述设备还包括反射器62，其把从液晶层的后方接收的光反射回去通过该液晶层。本光漫射器46的一个实施例被布置在液晶层的前方。电极58和60中的每个分别通过线路66和68被连接到电源64。电源64被设计成单独地激活电极58和电极60。反射器62被布置在支持物70上。

定义：

下文提供上面所使用的、先前未定义的术语和短语中的一些的定义。

如在这里使用的短语“至少”意味着，规定项目的数目可以等于或大于所陈述的数目。如在这里所使用的短语“大约”意味着，所陈述的数目可以相差正或负10%；举例来说，“大约是5”意味着4.5到5.5的范围。如在这里所使用的标识“第一”和“第二”不意味着任何重要性顺序或任何特定序列。如在这里所使用的标识“前方”和“后方”表示一个项目相对于另一个项目的相对位置，比如观看者的位置相对于显示器的位置，其中显示器的前方将被观看者观看到，或者所述标识表示参照观看者位置而言的显示器的一个项目相对于显示器的另一项目的位置。此外，在这里的实例意图仅仅是说明性，并且给出所述实例是为了进行讨论而非进行限制。

实例

实例1

利用光刻制备母版结构。使用旋涂，利用SU-8光致抗蚀剂（Microchem Corp.，Newton MA，USA）来涂覆玻璃基板。膜的厚度控制最终特征的厚度。在该实例中，通过在4000rpm下旋涂SU-8 2025来实现25微米长的特征。按照制造商的指示对抗蚀剂进行处理。在通过掩模将抗蚀剂暴露于UV光以定义特征之前，在95℃下实施软烘培达5-6分钟。曝光剂量是在365nm波长下的150-160mJ/cm²。掩模是由具有不透明金属特征的透明基板制成的。由于SU-8是负性抗蚀剂，因此所述掩模是具有对应于纤维状特征的透明区域的不透明体。经曝光的抗蚀剂保留，并且因此所述掩模具有通光孔径的阵列，其直径决定纤维状特征的直径。

在曝光之后，在95℃下在热板上烘培抗蚀剂达5-6分钟，并且随后利用诸如乳酸乙酯之类的溶剂中的浸渍显影对抗蚀剂进行显影。显影时间是4-5分钟。随后在异丙醇（IPA）中冲洗表面，并且利用经过滤的压缩空气使其变干。随后在150到250℃下将所述结构硬烘培达5与30分钟之间。这一过程形成鲁棒的母版结构，从所述母版结构可以制造印模。

诸如Sylgard 184（Dow Corning）之类的PDMS硅酮弹性体被用来制造印模。这是一种两部分树脂，通常是10份基础树脂与1份硬化剂混合。它被倾倒在SU-8表面上，并且被留下以在70℃烤炉中硬化17小时。在这一时间之后，将它从母版剥离。母版被使得未受损坏并且可以被多次使用。

所述印模包含SU-8纤维状特征的反印记，并且被用来通过在UV可硬化树脂中进行印刻而形成母版的复制品。液体树脂被散布在透明支持层的表面上，并且印模被轻轻地按压到所述表面中，从而排出多余树脂。随后将印模暴露于足够剂量的UV辐射，以便完全硬化树脂，从而产生固体聚合物。随后可以把印模从硬化的树脂中轻轻地移除，从而在支持层的表面上留下所述纤维状特征的拷贝，其中在所述纤维状特征之间具有空隙。所述印模可以被多次使用。所采用的UV可硬化树脂包含丙烯酸酯成分，其配方被设计成给出所需的折射率和物理性质。一个典型的实例由Se-Jin Choi等人在J. Am. Chem. Soc. 2004, vol 126, 第7744-7745页和相关联的支持信息中给出。

为了制造本漫射器的一个实施例，将填充物施加到纤维状特征的表面，以及施加最终的透明基板，并且所述填充物填充纤维状特征之间的空隙。所述填充物是另一种UV可硬化的基于丙烯酸酯的树脂，其被配制成具有不同于上面所采用的折射率的折射率。可替换地，所述填充物是在商业上可得到的UV光学粘合剂，可以获得具有明确定义的折射率的所述UV光学粘合剂的实例，比如来自Norland Products Inc.（Cranbury NJ，USA）的那些。向纤维状特征施加树脂层，并且把透明基板层压在上面。随后将所述结构暴露于UV以硬化树脂，其随后也粘附到漫射器组件之上的基板。

实例2

聚合填充物基板的制备：为玻璃基板旋涂厚度为100nm的铬层。将薄抗蚀剂（Shipley s1805，Shipley Company，Marlborough MA）的涂层施加到所述铬层上。通过掩模将所述抗蚀剂层暴露于光，以留下抗蚀剂六边形的规则阵列。利用液体铬蚀刻溶液将暴露出的铬蚀刻掉，以留下铬六边形的阵列。随后利用标准的抗蚀剂剥离剂或溶剂（例如丙酮）去除抗蚀剂。为所述铬的表面涂覆一层在1000rpm下旋转的SU8-2010光致抗蚀剂（Microchem，USA），以获得大约30微米的厚度。通过基板的背面、利用铬作为与SU8-2010相接触的掩模暴露所述层，并且根据标准技术对其进行显影。获得在其间具有空隙的六边形聚合物壁的阵列（参见图5C）。

制备光漫射器：利用高指数液体（二碘甲烷）填充上面的阵列中的六边形聚合物壁之间的空隙以形成纤维状特征，以及把透明基板固定在所述结构之上，并且利用粘合剂密封各边沿。

虽然为了理解清楚的目的、通过说明和实例的方式相当详细地描述了前述发明，但是按照本发明的教导对于本领域普通技术人员而言下述将容易是显然的，在不背离所附权利要求书的精神或范围的情况下可以对其做出特定改变和修改。此外，为了解释的目的，前述的描述使用了特定命名法以提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员而言下述将是显然的，为了实践本发明，所述特定细节不是必需的。因此，对于本发明的特定实施例的前述描述是出于说明和描述的目的而给出的；它们不打算是穷举的或者把本发明限制到所公开的确切形式。鉴于上面的教导，许多修改和变化是可能的。选择并描述所述实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，并且从而使本领域技术人员能够利用本发明。

Claims (15)

1. 一种光漫射器（20，46），包括以二维阵列布置在填充物（26）中的多个纤维状特征（24），其中所述特征（24）具有纵轴并且基本上彼此平行，以及其中所述特征（24）的折射率不同于所述填充物（26）的折射率，以及其中所述特征（24）是：

（i）聚合固体，其中所述多个特征中的至少一个特征（24）包括在纵向剖面维度和水平剖面维度之一或这二者上的至少一个预定变化；或者

（ii）液体，其中所述填充物（26）基本上是固体。

2. 根据权利要求1所述的光漫射器（20，46），还包括支持层（22），所述纤维状特征（24）被布置在所述支持层（22）上，其中所述特征（24）的纵轴基本上垂直于所述支持层（22）的表面（23）。

3. 根据权利要求1所述的光漫射器（20，46），其中，所述填充物（26）是从包括树脂、空气和油的组中选择的。

4. 根据权利要求1所述的光漫射器（20，46），其中，所述纤维状特征（24）具有的形状和长度使得，在一个角度下照射在所述光漫射器（20，46）上的光被漫射到以所述光漫射器（20，46）的法线为中心的中空锥体中。

5. 根据权利要求1所述的光漫射器（20，46），其中，所述至少一个预定变化处在纵向剖面维度中，并且所述特征（24）的剖面形状是圆形。

6. 根据权利要求1所述的光漫射器（20，46），其中，所述至少一个预定变化处在水平剖面维度中，并且所述特征的剖面形状是三角形、正方形、四边形、六边形、椭圆形、圆齿形、波纹形、椭球形、或者具有不同数目的顶点的星形。

7. 一种包括光漫射器（46）的视觉图像显示设备（40），所述光漫射器（46）包括：

透明非偏振支持层（22），在其表面（23）上以二维阵列布置从该表面（23）延伸的多个纤维状特征（24），其中所述特征（24）具有纵轴并且基本上彼此平行；

布置在所述特征（24）之间的填充物（26），所述填充物（26）具有的折射率不同于所述特征（24）的折射率；以及

透明基板（28），其中所述特征（24）和所述填充物（26）被布置在所述透明基板（28）与所述支持层（22）之间，

其中，所述特征（24）是聚合固体或液体，其条件是当所述特征（24）是液体时，所述填充物基本上是固体，并且其条件是当所述特征（24）是聚合固体时，所述多个特征中的至少一个特征（24）包括在纵向剖面维度和水平剖面维度之一或这二者上的至少一个预定变化。

8. 根据权利要求7所述的视觉图像显示设备（40），其中，所述特征（24）具有的形状和长度使得，在一个角度下照射在所述光漫射器（46）上的光被漫射到以所述光漫射器（46）的法线为中心的中空锥体中。

9. 根据权利要求7所述的视觉图像显示设备（40），其中，所述填充物（26）是从包括树脂、空气和油的组中选择的。

10. 根据权利要求7所述的视觉图像显示设备（40），还包括具有第一侧和第二侧的电光层（44）以及把从所述电光层（44）的第二侧接收的光反射回去通过所述电光层（44）的反射器（42），以及其中所述光漫射器（46）被布置在所述电光层（44）的第一侧。

11. 根据权利要求7所述的视觉图像显示设备（40），其中，所述纤维状特征（24）的平均直径小于大约100微米。

12. 根据权利要求7所述的视觉图像显示设备（40），其中，所述电光层（44）是从包括下述的组中选择的：液晶显示器、二色宾主显示器、电润湿显示器、电泳显示器、胆甾型显示器以及基于微机电的显示器。

13. 一种制造光漫射器（20，46）的方法（80），所述方法包括：

（a）制备（82）母版结构，其中所述母版结构具有从基板的表面延伸的多个纤维状母版特征，所述特征具有纵轴并且基本上彼此平行，所述多个特征中的至少一个特征包括在纵向剖面维度和水平剖面维度之一或这二者上的至少一个预定变化；

（b）制备（84）所述母版结构的反拷贝；

（c）向透明非偏振支持层的表面施加（86）液体聚合物前驱体材料；

（d）把所述母版结构的反拷贝按压（88）到所述液体聚合物前驱体材料中；

（e）对所述液体聚合物前驱体材料进行聚合（90）以在所述支持层的表面上形成多个所述特征的固体聚合物；

（f）移除（92）所述母版结构的反拷贝以产生所述特征之间的空隙；

（g）施加（94）填充物材料以填充所述空隙；以及

（h）附着（96）透明基板以覆盖所述填充物材料和所述特征。

14. 根据权利要求13所述的方法（80），还包括：对于可硬化树脂，（i）硬化（98）所述填充物材料。

15. 根据权利要求13所述的方法（80），其中，所述至少一个预定变化处于纵向剖面维度中，并且所述特征的剖面形状是圆形，或者所述至少一个预定变化处于水平剖面维度中，并且所述特征的剖面形状是多边形、椭圆形、圆齿形、波纹形、椭球形、或星形。

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