CN103201654A - 用于来自点光源的条带抑制的旋转微光学结构 - Google Patents

Abstract

一种用于在边缘注入全内反射（TIR）波导上使用的设备。该设备包括基板和被设置在基板上的多个微结构。每一个微结构包括用于从TIR波导提取光的至少两个近似平面状的表面。该多个微结构在基板上伪随机地定向。可以在照明系统（例如用于显示器的背光）中使用该设备。

Description

用于来自点光源的条带抑制的旋转微光学结构

背景技术

通常在侧光式显示器背光中，来自光源（冷阴极荧光灯或者LED）的光被耦合到波导（也称为光导）中并且然后通过受抑全内反射（TIR）而被从波导提取出。光提取特征可以包括升起的或者降低的结构，诸如点、V形凹槽或者其它微光学结构。当被设计成反射表面以将源自波导的光朝向观察者导引时，在很多情形中，微光学结构的侧面形成“反射镜（mirror）”或者反射效果，由此个体光源（即，个体LED）被反映到观察者。这可以在于彩色顺序制显示器中使用的三色LED（红色、蓝色、绿色）的情形中引起不期望的彩色条带光学假象，或者在白色LED的情形中引起亮白色条带。

在某些侧光、平面发光应用（例如LCD背光、TMOS^TM显示器、普通照明面板）中，取决于用于提取光的微光学结构的形状，彩色条带假象可能不幸地是非常显著的。

附图简要说明

为了详细地描述本发明的示例性实施例，现在将对于附图进行参考，其中：

图1示出根据各种实施例的、在显示系统中可使用的具有侧灯的波导的透视图；

图2示出根据各种实施例的、在图1的波导的表面上的微结构的透视图；

图3A和3B示意根据各种实施例的、图1的波导的操作；

图4示意至少一些显示系统的条带问题特性；

图5示出在波导中可使用的一个优选微结构；

图6示出在波导中可使用的另一个优选微结构；

图7和8示意在波导上以伪随机方式定向以减轻或者消除图4的条带问题的波导微结构的优选实施例。

具体实施方式

以下讨论涉及本发明的各种实施例。虽然这些实施例中的一个或者多个可以是优选的，但是所公开的实施例不应该被解释成或者被以其它方式用作限制包括权利要求的本公开的范围。另外，本领域技术人员将会理解，以下说明具有一般的应用，并且任何实施例的讨论旨在仅作为该实施例的例示，而非意图暗示包括权利要求的本公开的范围被限制为该实施例。

图1描绘波导12，光板26能够紧邻它放置。波导12是基本透明的并且由玻璃、塑料或者其它适当的材料制成。光板26包括一个或者多个光源28，诸如发光二极管（LED）、冷阴极荧光灯（CCFL）或者其它类型的光源。在紧邻波导12放置光板26的情况下，每一个光源28从侧面将光注入到波导12中。波导12因此是侧光式的。

波导12通常引起全内反射（TIR）现象，其中来自光源28的光线在波导的内表面反射。包括微结构20作为与波导12一起使用的设备的一部分。该设备包括微结构被形成进的或者微结构20被附着到的基板。该设备的基板可以包括波导自身12的外表面或者可以以膜的形式设置基板。如果设备的基板是波导自身的外表面，则微结构直接地在波导上图案化。然而，作为膜，微结构20被形成为膜的一部分并且膜然后被附着到波导12。适当的膜可以包括具有粘结剂层的粘结膜。替代地，膜可以通过范德瓦尔斯力（即非常光滑和平坦的表面）、光学结合中间层、压力（例如物理作用力、大气差异或者真空、静电作用力、磁性作用力等）、熔化（热、音波或者化学）等与基板配合。

每一个微结构20引起来自波导内并且源自光源28的光沿着几乎与波导的最大表面的平面正交（垂直）的方向从波导12反射出去。这样，每一个微结构20从波导12提取光。然后能够使用所提取的光，以例如照亮诸如液晶显示器（LCD）面板的显示器。通常，波导12能够被用作任何类型的照明系统的一部分。图3A和3B将被用于更加详细地解释波导12和微结构20的光学。波导12具有与光注入表面14相反的后表面16。在一些实施例中，后表面16包括镜面或者与镜面配合。后表面16相反可以不被涂覆。

图2示出几个微结构20的特写细节。在图2的实施例中，每一个微结构20包括梯形平截头体(trapezoidal frustum)（或者截棱柱(truncatedprism)）并且因此截面形状是梯形的。在图1和2的实施例中，微结构20基本被以一致定向的方式布置。

图3A和3B示意波导12的示意性侧视图。波导12可以由塑料、玻璃或者其它适当的材料制成。微结构20被设置为附着到波导的顶表面的膜50a（图3A）和膜50b（图3B）的一部分。在微结构20之间的三角形区域21包括空气。膜50a、b包括基板，多个微结构20被耦接到该基板或者在该基板中形成这种微结构。在一些实施例中，膜具有凹陷到膜中并且邻近波导12定位（如在图3A的实例中）的微结构，而在其它实施例中，微结构从膜升起并且位于膜的、与波导相反的一侧上（如在图3B的实例中）。如在图3A中所示，膜50a被构造为使得当在波导上置放到位时，微结构20被定位成使得它们的较宽表面朝向波导，而在图3B中，膜50b被构造为使得当在波导上置放到位时，微结构20被定位成使得它们的较窄表面朝向波导。

膜50a、b可以位于波导的顶侧、底侧或者两侧上。单一光源28在右侧示出并且将光注入波导中。在图3A和3B中利用附图标记30和36示出两个光波的行进方向。光波30在波导的底表面反射并且然后前进以接触微结构20之一，该微结构20使得光被从波导提取。在这个截面视图中，每一个微结构20包括如在图3A中所示的两个成角度的侧表面40a和42a和如在图3B中所示的侧表面40b和42b。光波30接触微结构20的远侧表面40a/42b（相对于光源28的远侧）。侧表面40a/42b的角度被设定为使得在该表面反射的光31沿着基本垂直于波导12的平面的方向离开膜50a、b。

如在图3A和3B中所示，光波36在波导12的底表面反射并且然后接触顶表面但是不接触由微结构20占据的位置。波导12的TIR性质使得光在底表面和顶表面反射直至它接触是镜面的后表面16，由此同样使得光在该表面反射。光36然后开始通过波导穿越返回直至它如所示地接触微结构20。光波36接触微结构20的近侧表面42a/40b，该近侧表面42a/40b以基本垂直于波导12的平面的方向反射光（光37）。以此方式，微结构20使得光被从波导提取。并非必要地从同一波导表面提取全部的被提取光。例如，取决于微结构的形状和具体光线的角度，这种光可以从光源28在表面40b反射并且然后通过波导穿越返回并且从与微结构所在的位置相对的一侧出射。

在这里讨论的各种实施例中的每一个微结构包括将光从波导12反射和折射出去的至少两个近似平面状的表面。在一些实施例中，近似平面状意味着，微结构的侧壁与波导的表面类似地是平坦的或者平面状的。考虑用于制造这些微结构的可用的制造技术，可能并不能够使这些表面为精确地平面状。微结构的角部可以是圆状的，表面的平均粗糙度可以是非零的，或者表面可以或者以凸形或者以凹形方式稍微地呈弓形。然而，微结构的表面越平坦并且越光滑，它们将更有效率地将源自波导的光重定向。

与多个紧密地隔开的微结构20的侧壁的角度相组合地，被注入波导12中的光的角度范围使得光在从接近相对于波导表面的法线方向的角度范围（包括例如90度）中从波导12发出。这种光能够例如用作诸如液晶显示器（LCD）的显示器的背光。因为照明系统在一侧上而非显示器后面，所以与利用CCFL背光显示器相比，所产生的显示系统的总体厚度更薄。

然而，利用点光源照明（诸如LED）照亮的至少一些侧光式显示系统的问题是“条带”(banding)或者光强度的变化。图4概念地示意条带问题。示出邻近于波导12的三个光源28。微结构20的成角度的侧表面40和42是平坦的并且在将光从波导12反射出去时用作反射镜（即，高程度镜面反射）。微结构20未在图4中示出，但是微结构在于图4中描绘的波导的前表面（未在图4中示出）上侧向（从左向右）地延伸，垂直于波导的光源28所在的面定向。微结构具有通常太小以至不能利用肉眼看见的尺寸。在来自每一个光源28的光接触微结构20的侧壁时，如以上关于图3解释地，光被向上并且从波导向外（朝向观察者）反射。微结构20被足够靠近一起地隔开，使得对于观察者，被微结构20覆盖的波导12的全部表面看起来发射光。然而，因为微结构12的侧壁是平坦的和镜面反射性的，类似反射镜，所以净效应在于，在光源28中的每一个和观察者的眼睛之间的路径上看起来存在更高强度的光“带”60，正如注视灯泡在反射镜中的反射那样。在光在后镜面16反射时，同样产生另一个光带62。如利用比带62更粗的线条呈现的带60描绘地，初始光带60比反射光带62更亮。

图5和6示意根据优选实施例可使用的微结构的两个实例。在至少一些实施例中，微结构在尺寸和形状方面全部是接近同质的。在图5中，微结构70如在前描述地—是梯形平截头体。长度由L1表示并且高度由H1表示。梯形截面的长侧的宽度被表示为W1并且梯形的短侧的宽度是W2。L1、H1、W1和W2的尺寸能够被定制以适合于不同的期望和应用。然而，在一些实施例中，L1处于4到1000微米的范围中，H1处于1.5到105微米的范围中，W1处于4到400微米的范围中，并且W2处于2到150微米的范围中。如所示地，轴线75沿着微结构70的长度L1延伸。短侧（W2）是接触波导12的一侧。

图6示意以截六边形平截头体（或者截六边形棱柱）形式的微结构80。微结构80的顶表面84和底表面86是六边形的，并且六边形顶表面84大于六边形底表面86。较小的六边形底表面86接触波导12。顶表面84的直径被表示为L2，底表面86的直径被表示为L3，并且微结构12的总体高度为H2。能够根据期望改变L2、L3和H2的尺寸。根据至少一些实施例，L2处于3到300微米的范围中，L3处于2到150微米的范围中，并且H2处于1.5到105微米的范围中。示出了平分顶表面84的两个相对的边缘82并且延伸通过顶表面84的中心的轴线85。

微结构可以包括任何适当的形状。适当的形状的实例包括三角形平截头体、梯形平截头体（图5）、正方形平截头体、五边形平截头体、六边形平截头体（图6）、八边形平截头体或者其它多边形平截头体。

如上指出地，微结构中的每一个包括用于从波导12提取光的至少两个近似平面状的反射表面。微结构70（图5）包括两个这种表面40和42，而微结构80（图6）包括六个这种表面89。

当微结构全部具有相同的定向时，源自微光学反射表面的组合反射形成在前指出的不期望的光带效应。根据各种优选实施例，在波导上设置的微结构因此如在图7和8中所示意地被以随机或者伪随机方式定向。图7示意被设置在波导12上的多个微结构70的轴线75。微结构70自身未被示出以更好地示意微结构的定向。在图8中，如利用轴线85的伪随机定向示意地配置六边形微结构80的定向。

在六边形的相邻侧之间的角度是60°。当形成旋转六边形微结构时，随机旋转仅仅需要在60°的范围上改变；超过该范围的是简单地重复已经实现的操作。每一个六边形微结构（或者微结构的组）将会关于相邻的六边形微结构具有定向上的变化，其在一些实施例中将会在1-59°之间改变。在矩形的相邻侧之间的角度是90°。因此，当在一些实施例中形成旋转矩形微结构时，在相邻矩形微结构或者相邻的矩形微结构的组之间，随机化旋转将在1-89°变化之间。当处于每一个定向的微结构的数目几乎（例如，在10%内）相同并且存在处于每一个定向的微结构的接近均匀的分布时，获得了足够的随机化或者伪随机化。不同的角度定向的数目可以取决于所使用的微结构的侧壁的数目和光源的数目和位置而改变。

如上指出地，相邻的微结构可以相互间成角度地定向，该角度在相邻微结构之间随机地改变。此外，可以设置微结构的组，其中每一个组具有共同地定向的微结构，但是相邻的微结构的组相对于彼此随机地成角度。

光提取微结构的定向的随机性质使得各种微结构的不同的侧面接收并且反射光。相应地，光被反射到不同的角度方向中，由此抑制或者消除以上指出的条带问题。

根据一些实施例，能够使用金刚石车削或者其它适当的工艺在压印母模（embossing master）上制造微结构20、70和80。该压印母模能够由传统的热压印或者UV可固化压印过程使用，以将微结构图案转印到诸如聚安酯（热压印）或者PET（UV可固化）的聚合物膜。每一个微结构优选地具有至少两个侧面。虽然在图5和6中示出了梯形棱柱和截六边形棱柱，但是同样能够使用其它形状。

如上指出地，通过伪随机地改变在波导上的微结构的定向减轻了条带。在其它实施例中，能够使用带有弯曲表面的微结构（例如截圆锥(truncated cones)或者圆锥平截头体(conical frustum)）并且这种结构通常几乎不产生条带。然而，由于以下事实，即，具有直（非弯曲）侧面和边缘的、伪随机地定向的光提取微结构通常导致来自波导的光具有比从使用弯曲的微结构的波导产生的光更高的亮度（即，更加明亮），因为当使用弯曲侧面的微结构时，通常为了从波导提取大部分的光而要求在微结构自身内存在多次反弹。较低的光提取效率主要地是由于源自在结构的弯曲表面的多次反弹的损耗（源自每一次反弹的吸收、散射、反射和折射）。

Claims (27)

1.一种用于在边缘注入全内反射（TIR）波导上使用的设备，包括：

基板；和

多个微结构，所述多个微结构被设置在所述基板上，每一个微结构包括被定位成从所述TIR波导提取光的至少两个近似平面状的表面；

其中所述多个微结构在所述基板上伪随机地定向。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述微结构包括选自三角形平截头体、梯形平截头体、正方形平截头体、五边形平截头体、六边形平截头体、八边形平截头体、或者其它多边形平截头体的形状。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述微结构从所述基板升起。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述微结构凹陷到所述基板中。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述基板是膜的一部分。

6.根据权利要求1的权利要求1所述的设备，其中所述基板包括所述波导的外表面。

7.根据权利要求1所述的设备，其中每一个微结构包括选自由截六边形平截头体、截六边形棱柱、矩形的、五边形的、八边形的和三角形的组成的组的形状。

8.根据权利要求1所述的设备，其中相邻的微结构相互间以一定角度定向，所述角度在1和59度之间改变。

9.根据权利要求1所述的设备，其中微结构的组相互间以一定角度定向，所述角度在1和59度之间改变。

10.根据权利要求1所述的设备，其中相邻的微结构相互间以一定角度定向，所述角度在1和89度之间改变。

11.根据权利要求1所述的设备，其中微结构的组相互间以一定角度定向，所述角度在1和89度之间改变。

12.根据权利要求1所述的设备，其中每一个微结构是六边形的，并且相邻的微结构相互间以一定角度定向，所述角度在1和59度之间改变。

13.根据权利要求1所述的设备，其中每一个微结构具有矩形的表面并且相邻的微结构相互间以一定角度定向，所述角度在1和89度之间改变。

14.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个微结构在所述基板上被伪随机地定向，使得处于每一个定向的微结构的数目是几乎相同的。

15.一种系统，包括：

波导，所述波导被配置为接收边缘注入光；和

多个微结构，所述多个微结构被以伪随机定向设置在所述波导上，每一个微结构包括被定位成从所述波导提取光的至少两个近似平面状的表面。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述微结构包括选自三角形平截头体、梯形平截头体、正方形平截头体、五边形平截头体、六边形平截头体、八边形平截头体、或者其它多边形平截头体的形状。

17.根据权利要求15所述的系统，其中所述微结构从所述基板升起。

18.根据权利要求15所述的系统，其中所述微结构凹陷到所述基板中。

19.根据权利要求15所述的系统，其中所述微结构作为膜的一部分被设置在所述波导上。

20.根据权利要求15所述的系统，其中所述基板包括所述波导的外表面。

21.根据权利要求15所述的系统，其中每一个微结构包括选自由截六边形平截头体、截六边形棱柱、矩形的、五边形的、八边形的和三角形的组成的组的形状。

22.根据权利要求15所述的系统，其中相邻的微结构相互间以一定角度定向，所述角度在1和59度之间改变。

23.根据权利要求15所述的系统，其中微结构的组相互间以一定角度定向，所述角度在1和59度之间改变。

24.根据权利要求15所述的系统，其中相邻的微结构相互间以一定角度定向，所述角度在1和89度之间改变。

25.根据权利要求15所述的系统，其中微结构的组相互间以一定角度定向，所述角度在1和89度之间改变。

26.根据权利要求15所述的系统，其中每一个微结构是六边形的并且相邻的微结构相互间以一定角度定向，所述角度在1和59度之间改变。

27.根据权利要求15所述的系统，其中每一个微结构具有矩形的表面，并且相邻的微结构相互间以一定角度定向，所述角度在1和89度之间改变。

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