CN106164721A - 光导 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光导，该光导具有第一主表面、第二主表面、输入边缘和相对边缘，其中第一主表面和第二主表面中的至少一者包括多个多重峰。每个多重峰包括具有凹进几何结构的两个或更多个提取特征结构。

Description

光导
背景技术
在常规的液晶显示器(LCD)中，背光源提供输入到LCD面板中的光。背光源包括光源和通常包括一些类型的提取器的光导，提取器从光导中提取光。提取的光通常不具有期望的角分布，并且在显示器中包括增亮膜以循环利用光，以便提供改善的角分布。由此类循环利用可发生大量反射，并且存在相关联的辐射能损耗。存在对于可提供减小的循环利用和改善的效率的光导的需要。
发明内容
在一些方面，本说明书提供了光导，其包括第一主表面、第二主表面、输入边缘和相对边缘，其中第一主表面和第二主表面中的至少一者包括多个多重峰。每个多重峰包括两个或更多个提取特征结构，并且每个提取特征结构具有凹进几何结构。
在一些方面，提供发光面板，其包括光导和被设置成将光注入光导中的光源。
在一些方面，提供包括发光面板的显示器。
附图说明
图1是具有多重峰提取特征结构的光导的示意性剖视图；
图2是具有多重峰提取特征结构的光导的示意性剖视图；
图3A是多重峰的俯视图；
图3B为图3A的多重峰的侧视图；
图4A是多重峰的俯视图；
图4B是图4A的多重峰的侧视图；
图5A是多重峰的俯视图；
图5B为图5A的多重峰的侧视图；
图6A是具有多重峰提取特征结构的光导的示意性俯视图；
图6B是图6A的多重峰的一部分的透视图；
图6C是具有多重峰提取特征结构的光导的示意性俯视图；
图7是具有多重峰提取特征结构的光导的示意性俯视图；
图8是具有多重峰提取特征结构的光导的示意性俯视图；
图9A是发光面板的示意性剖视图；
图9B是入射在图9A的发光面板的多重峰上的光束的示意性剖视图；
图10是显示器的示意性剖视图；
图11A是发光面板的示意性俯视图；
图11B是发光面板的示意性侧视图；
图12A是光源的等轴视图；
图12B是图11A的光源的分解图；
图13是光源的等轴视图；
图14是从显示器输出的光的角分布的曲线图；
图15是从显示器输出的光的角分布的曲线图；
图16是从显示器输出的光的角分布的曲线图；
图17A是发光面板的示意性俯视图；以及
图17B是发光面板的示意性侧视图。
具体实施方式
在常规的液晶显示器(LCD)中，背光源提供输入到LCD面板中的光。背光源包括光源和光导。通常，散射的背反射器设置在光导后面，并且包括增亮膜(BEF)的膜叠堆放置在光导与LCD面板之间以循环利用通过背光源输出的光，从而赋予光改善的角分布。反射偏振片通常还包括在光导与LCD面板之间的膜叠堆中用于偏振循环利用。
本说明书提供了能够提供带有角分布的输出光的光导，使得仅最少量的光循环利用是所需的。在一些实施方案中，仅偏振循环利用是所需的。这在常规的设计上提供了改善的效率，因为存在与大量反射相关联的一些损耗。与常规的LCD设计相比，光导还提供了改善的视角和对比度。
本文所述的光导和发光面板的另外应用在名称为“层压显示单元”(LaminatedDisplay Unit)并且与本申请同一天提交的共同转让的美国专利申请序列号14/254,678(代理人案卷号75271US002)中有所描述，在此其全文以引用方式并入本文。
如本文所用，提取特征结构的多重峰是指两个或更多个提取特征结构，其中提取特征结构之间的间距小于提取特征结构的宽度，并且小于相邻多重峰之间的间距。在一些实施方案中，提取特征结构具有沿提取特征结构的长度变化的宽度，以及在多重峰中的提取特征结构之间沿多重峰的长度变化的间隙。在这种情况下，提取特征结构的多重峰应当理解为是指两个或更多个提取特征结构，其中提取特征结构之间的最小间距小于提取特征结构的最大宽度并且小于相邻多重峰之间的间距。在一些实施方案中，在多重峰内的提取特征结构之间的最小间距是提取特征结构的最大宽度的0.5或0.25或0.1倍。
图1示出了光导100，其具有输入边缘102、相对边缘104、第一主表面106和第二主表面108。第二主表面108包括多重峰115和多重峰116。多重峰115包括两个提取特征结构118a和118b，并且多重峰116包括三个提取特征结构119a,119b和119c。提取特征结构119c具有高度H、宽度W，并且在提取特征结构119b和提取特征结构119c之间存在比W小的间距S。在一些实施方案中，提取特征结构的厚度或高度H可在约1微米至约30微米的范围内、或在约2微米至约20微米的范围内或者在约5微米至约15微米的范围内。在一些实施方案中，提取特征结构的宽度W可在约1微米至约30微米的范围内、或在约2微米至约20微米的范围内或者在约5微米至约15微米的范围内。
提取特征结构118a和提取特征结构118b具有凹进几何结构，并且在提取特征结构的内部与第二主表面108之间形成气阱135。如本文所用，凹进几何结构是指从材料表面朝向材料内部延伸的特征结构的几何结构(例如，图1的提取特征结构118a)。
提取特征结构119a具有面向输入边缘102的第一表面166a、面向相对边缘104的第二表面168a和顶角169a。第一表面166a在面向输入边缘102的第一表面166a的侧面上与第二主表面108成第一角度142a，并且第二表面168a在面向相对边缘104的第二表面168a的侧面上与第二主表面108成第二角度144a。在一些实施方案中，第一角度142a在约110度至约150度的范围内或在约120度至约145度的范围内。第一表面166a可具有弯曲，使得第一角度142a从靠近第二主表面108处的基部的较低值变化为靠近顶角169a的较高值。例如，靠近第二主表面108第一角度142a可在约120度至130度的范围内，并且靠近顶角169a在约135度至145度的范围内。在一些实施方案中，第二角度144a可在约90度至约120度的范围内或在约90度至约110度的范围内。在一些实施方案中，每个提取特征结构具有如图1所示的非对称的形状。
第一表面166a限定相对于从输入边缘102沿第二主表面108延伸到相对边缘104的方向的第一倾斜度。第二表面168a限定相对于从输入边缘102沿第二主表面108向相对边缘104延伸的方向的第二倾斜度。在一些实施方案中，第二倾斜度的大小大于第一倾斜度的大小。第一倾斜度可在约0.5至约1.5的范围内，并且可从靠近第二主表面108处的基部的较低值变化为靠近顶角169a的较高值。第二倾斜度可在约-1.5至约-150的范围内。
光导100可通过热压在平坦而光滑的板(诸如抛光铬板)与结构化压印工具(诸如结构化的镍压印工具)之间的聚合物片材制成。合适的聚合物包括PMMA或其它丙烯酸类聚合物、环状的烯烃聚合物(COP)，诸如ZEONOR 1420R(肯塔基州路易斯维尔的瑞翁化学品公司(Zeon Chemicals,Louisville,KY))、聚碳酸酯、CR-39(烯丙基二乙二醇碳酸酯)和聚苯乙烯。合适的压印工具可通过机加工(诸如通过单点金刚石机加工)制备。示例性的金刚石车削系统和方法可包括和利用例如PCT已公布的专利申请号WO 00/48037(Campbell等人)以及美国专利号7,350,442(Ehnes等人)和7,328,638(Gardiner等人)中所述的快速刀具伺服(FTS)。
本文所述的方法提供提取特征结构，其比使用正(顶角相对于光导面向外)型棱镜和负(顶角相对于光导面向内)型棱镜的组合的方法易于制造。与此相反，本说明书的优选实施方案提供了其中所有提取特征结构具有凹进几何结构的光导。在一些实施方案中，凹进特征结构具有朝向光导的本体向内指向的顶角。如果所有提取特征结构具有凹进几何结构，那么对于成形带有提取特征结构的聚合物光导所需的模具更易于制造。
在一些实施方案中，在多重峰中的每个提取特征结构基本上相同，但多重峰的几何结构随着从输入边缘102到相对边缘104而变化。例如，提取特征结构118a可与提取特征结构118b基本上相同，但提取特征结构118a可不同于提取特征结构119a。在一些实施方案中，所有多重峰是具有两个提取特征结构的双峰，在其它实施方案中，所有多重峰是具有三个提取特征结构的三重峰。在其它实施方案中，可使用双峰和三重峰的组合，或者可使用带有四个或更多个提取特征结构的多重峰。
图2示出了光导200，其具有输入边缘202、相对边缘204、第一主表面206和第二主表面208。第二主表面208包括多重峰215和多重峰216，并且第一主表面206包括多重峰217和多重峰218。图2还示出了光导200的中心平面207。光导200可与被定位在第一主表面206上方的LCD显示器和在第二主表面208下方的反射镜一起使用。输入到输入边缘202中的光由多重峰215和多重峰216朝向LCD面板改变方向，并且输入到输入边缘202中的光由多重峰217和多重峰218朝向反射镜改变方向，该反射镜然后朝向LCD面板反射光。在一些实施方案中，多重峰包括在如图2所示的光导的两个主表面中。在其它实施方案中，多重峰包括在仅第一主表面206或仅第二主表面208中。
提取特征结构可具有随着从光导的输入边缘到相对边缘而变化的几何结构。例如，提取特征结构可具有带有中心区域的几何结构，该中心区域具有相对大的高度H，其在中心区域几乎恒定，但在靠近提取特征结构边缘的楔形区域渐缩至零。宽度W在中心区域也可约为恒定的，并且在提取特征结构的边缘处渐缩至零。靠近光导的输入边缘的多重峰可具有小的中心区域和大的楔形区域，使得提取相对小量的入射光，而靠近相对边缘的多重峰可具有大的中心区域和小的楔形区域，使得提取相对大量的入射光。此类构造可用于产生基本上均匀的照明，因为靠近输入边缘的光强度基本上高于靠近相对边缘的光强度。
这在图3A-图5B中示出。图3A和图3B分别示出了多重峰315的俯视图和侧视图，其在这种情况下是具有两个提取特征结构318a和318b的双峰。提取特征结构318a包括第一表面366a和第二表面368a。类似地，提取特征结构318b包括第一表面366b和第二表面368b。提取特征结构318a包括第一楔形区域373a、第二楔形区域374a和中心区域376a。在这种情况下，中心区域376a在尺寸上能够与第一楔形区域373a和第二楔形区域374a相比。提取特征结构318b包括类似区域。多重峰315可在输入边缘与相对边缘之间的光导的中心区域中使用。图4A和图4B示出了包括提取特征结构418a和提取特征结构418b的多重峰415的俯视图和侧视图。提取特征结构418a包括第一表面466a和第二表面468a。类似地，提取特征结构418b包括第一表面466b和第二表面468b。提取特征结构418a包括第一楔形区域473a、第二楔形区域474a和中心区域476a。在这种情况下，中心区域476a显著地大于第一楔形区域473a和第二楔形区域474a。提取特征结构418b包括类似区域。多重峰415可在靠近与输入边缘相对的边缘的光导的区域中使用。图5A示出了包括提取特征结构518a和提取特征结构518b的多重峰515的俯视图。提取特征结构518a包括第一楔形区域573a、第二楔形区域574a和中心区域576a。在这种情况下，中心区域576a远小于第一楔形区域573a和第二楔形区域574a。提取特征结构518b包括类似区域。多重峰515可在靠近输入边缘的光导的区域中使用。图5B示出了多重峰515的侧视图。
多重峰的各种几何特征结构可随着从光导的输入边缘到相对边缘而变化，以便产生均匀的输出光。这些特征结构包括提取特征结构的形状，例如中心区域的长度相对于楔形区域对长度、提取特征结构的长度、提取特征结构之间的一个或多个间距，以及它们的组合。
在一些实施方案中，多重峰的长度随着从光导的输入边缘到相对边缘而变化，以便产生均匀的输出光。这在图6A中示出，图6A示出了具有输入边缘602、相对边缘604和多个多重峰615的光导600。多重峰615的提取特征结构具有从输入边缘602到相对边缘604增加的长度。在一些实施方案中，相邻提取特征结构沿长度方向可具有通过合并两个较短的提取特征结构而赋予的形状，以由两个楔形区域的合并赋予在中心具有窄区域的较长的提取特征结构。这在图6B中示出，图6B示出了在合并区域中由提取特征结构618a和提取特征结构618b组成的多重峰的一部分。
在一些实施方案中，提取特征结构歪斜或倾斜，使得它们不与光传播方向正交。这在图6C中示出，图6C示出了具有输入边缘602c、相对边缘604c和多个多重峰615c的光导600c。光导具有从输入边缘602指向相对边缘604的传播方向693和正交方向696。多重峰615c在与传播方向693正交的平面内方向696成角度677的方向上延伸。在一些实施方案中，提取特征结构在与从输入边缘602c到相对边缘604c的方向693正交的平面内方向696成约0度至约45度角度677的方向上延伸。倾斜提取特征结构可允许光导的输出在不垂直显示表面的方向上被至少部分地准直。这可用于于某些类型的显示器(诸如手表显示器)。
在一些实施方案中，多重峰之间的间距随着从光导的输入边缘到相对边缘而变化，以便产生均匀的输出光。间距可在光传播方向上变化，或间距可在与光传播方向正交的方向上变化，或间距可在两个方向上变化。这在图7和图8中示意性地示出。图7示出了具有输入边缘702、相对边缘704和多个多重峰715的光导700。光导具有从输入边缘702指向相对边缘704的传播方向793和正交方向796。在正交方向796上邻近多重峰715之间的间距从输入边缘702到相对边缘704减小。例如，靠近输入边缘702的间距733a大于靠近相对边缘704的间距733b。图8示出了具有输入边缘802、相对边缘804和多个多重峰815的光导800。光导具有从输入边缘802指向相对边缘804的传播方向893和正交方向896。在传播方向893上邻近多重峰815之间的间距从输入边缘802到相对边缘804减小。例如，靠近输入边缘802的间距833a大于靠近相对边缘804的间距833b。
图9A示出了包括光导900和光源960的发光面板，其可为例如背光源或前灯。光导900包括输入边缘902、相对边缘904、第一主表面906和第二主表面908。第二主表面908包括多重峰915、多重峰916和多重峰917。光源960被设置成将光注入输入边缘902中。光导900包括中心平面907。来自光源960的光970在空气中相对于平行于中心平面907的平面具有角θa。在光970进入光导900之后，其在光导900的介质中相对于平行于中心平面907的平面具有角θb。
图9B提供了包括提取特征结构918a和提取特征结构918b的多重峰915的放大视图。提取特征结构918a和提取特征结构918b分别包含气阱935a和气阱935b。提取特征结构918a包括第一表面966a和第二表面968a。类似地，提取特征结构918b包括第一表面966b和第二表面968b。光束971入射在多重峰915上。光束971包括光线972、光线973、光线974和光线975。光线972以相对于第一表面966a的法线的入射角入射在提取特征结构918a的第一表面966a上，该入射角高于发生TIR的临界角。光线972经由TIR反射离开第一表面966a，并且在接近于垂直于第一主表面906的方向上离开光导900。
光线973以低于TIR的临界角的入射角入射在第一表面966a上，并且光线973通过表面966a透射到气阱935a中。然后光线973通过第二表面968a透射回到光导900中。光线973未达到提取特征结构918b，并且以高于TIR的临界角的入射角入射在光导900的第一主表面906上。光线973从第一主表面906反射，并且随后当它与在光导900中的另一个多重峰(例如，多重峰916或多重峰917)进行交互时从光导中被提取。
光线974以低于TIR的临界角的入射角入射在第一表面966a上，并且光线974通过第一表面966a透射到气阱935a中。然后光线974通过第二表面968a透射回到光导900中，在所述光导900处光线974以高于TIR的临界角的入射角入射在第二提取特征结构918b的第一表面966b上。光线974从第一表面966b反射，并在约垂直于光导900的第一主表面906的方向上离开光导900。
光线975以低于TIR的临界角的入射角入射在第一表面966a上，并且光线975通过表面966a透射到气阱935a中。然后光线975通过第二表面968a透射到光导900中。然后光线975以低于TIR的临界角的入射角入射在提取特征结构918b的第一表面966b上。光线975通过第一表面966b透射到气阱935b中。然后光线975入射在第二表面968b上，并且重新进入光导900，在光导900处光线975以高于TIR的临界角的入射角入射在第一主表面906上。光线975从第一主表面906反射，并且随后当它与在光导900中的另一个多重峰进行交互时从光导中被提取。
第一表面966a具有远离输入边缘弯曲的弯曲形状。在一些实施方案中，第一表面966a可包括一个或多个平坦的或弯曲部分。
图10示出了显示器1001，其包括具有输入边缘1002、相对边缘1004、第一主表面1006和第二主表面1008的光导1010。显示器1001还包括反射器1040、光学膜1022、LCD面板1050和光源1060。在图10所示的实施方案中，反射器1040邻近第二主表面1008设置，其中光导1010与反射器1040之间具有气隙，并且光学膜1022邻近第一主表面1006设置，其中光导1010与光学膜1022之间具有气隙。光源1060将光注入光导1010的输入边缘1002中。
光学膜1022可为单个膜，或可为包括一个或多个光学膜的膜叠堆。在一些实施方案中，光学膜1022是反射偏振片，诸如DBEF，购自明尼苏达州圣保罗的3M公司(3M Company,St.Paul,MN)的多层聚合物光学膜。在一些实施方案中，光学膜1022是附接到吸收偏振片的反射偏振片，其中吸收偏振片与光导1010相对。在一些实施方案中，在显示器1001中不包括BEF棱镜膜。因为多重峰提取器提供传播方向(从输入边缘1002到相对边缘1004的方向)上的准直，所以BEF膜无需提供该方向上的准直。在一些实施方案中，单个BEF膜被包括，其中棱镜取向以提供宽度方向(与传播方向正交的平面内方向)上的准直。在其它实施方案中，使用准直或部分地准直的光源，并且不需要BEF膜提供准直的输出。在一些实施方案中，注入光导中的光被至少部分地准直，使得光相对于基本上平行于光导的中心平面的平面在光导中具有不超过约30度、或不超过约25度、或不超过约20度的半最大功率半角宽。
光源1060和光导1010一起形成用于显示器1001的发光面板。此类发光面板还可用于不是显示器的照明应用。除非另外指明，否则提及“发光面板”或“背光源”还旨在适用于其它扩展面照明装置，所述扩展面照明装置在其预期应用中提供了标称均匀的照明。此类其它装置可提供偏振或非偏振输出。这些装置的示例包括设计用于室内(例如家庭或办公室)或室外的灯箱、标牌、槽型字和常用照明装置，有时称之为“照明设备”。
在所有提取器在光导的同一侧上的实施方案中，可省略反射器。在一些实施方案中，光源1060和光导1010一起形成可在前光显示器中用作前灯的透明照明设备或发光面板。例如，此类前灯可在电子书阅读器中使用，并且可被放置在易于清洁的玻璃下，使得指纹不引起光提取。在一些实施方案中，光导1010可放置在反射显示器面板的前方(输出侧)，此类电泳墨面板或反射LCD面板，并且触摸面板可相对光导邻近反射显示器面板放置。在本说明书的一些方面，由光导1010提供的透明照明设备可附接到玻璃面板或在玻璃面板之间，并且可用作窗口诸如天窗或与其一起使用。
在一些实施方案中，光源1060提供输入到光导1010中的基本朗伯光。在其它实施方案中，光源1060提供在一个或两个方向上被至少部分地准直的光。在一些实施方案中，准直由包括在光源1060中的单个或多个小平面化的楔形准直结构提供。此类准直结构包括线性、片段线性、抛物线、复合抛物线或其它结构。结构可在一个方向上或在两个方向上准直或部分地准直。
图11A-图11B示出了包括光导1110和光源1160的发光面板1101，光导1110具有输入边缘1102和相对边缘1104。光源1160被设置成将光注入输入边缘1102。光源1160包括发光部件1162和光准直元件1164。发光部件1162可为发光二极管(LED)。许多LED，诸如具有荧光体涂层的LED，产生基本朗伯光。准直元件1164可用于为来自LED的输出光提供准直。光导1110具有从输入边缘1102到相对边缘1104的传播方向1193、宽度方向1196(与传播方向1193正交的平面内方向)，以及高度方向1197。在图11A-图11B所示的实施方案中，光准直元件是线性楔形，其在如图11A所示的宽度方向1196上渐缩，但在如图11B所示的高度方向1197上是基板上平坦的。楔形两侧具有总角间距1199。发光部件1162可为多个发光二极管。光准直元件1164可具有2:1或更高例如3:1的纵横比。光准直元件1164可附接到光导1110或可为独立的。
如本文所用，如果相对于平面具有大于30度角的光的量小于当光源由具有相同强度和位置的朗伯光源替代作为第一光源时相对于平面具有大于30度角的光的量，那么来自第一光源的光被称为在一个方向上被至少部分地准直。平面可为光导的中心平面，并且光可在一个方向上通过使光穿过准直元件1164而被部分地准直，准直元件1164在一个方向上渐缩并且可具有2:1或更高的纵横比。
另选的实施方案在图17A-图17B中示出，图17A-图17B示出了包括光导1710和光源1760的发光面板1701，光导1710具有输入边缘1702和相对边缘1704。发光面板1701可为背光源或前灯。光源1760被设置成将光注入输入边缘1702中。光源1760包括发光部件1762和光准直元件1764。光导1710具有从输入边缘1702到相对边缘1704的传播方向1793、宽度方向1796(与传播方向1793正交的平面内方向)、以及高度方向1797。在图17A-图17B所示的实施方案中，光准直元件是线性楔形，其在如图17A所示的宽度方向1796上和如图17B所示的高度方向1797上均渐缩。发光部件1762可为多个发光二极管。光准直元件1764可具有2:1或更高例如3:1的纵横比。光准直元件1764可附接到光导1710或可为独立的。
如本文所用，如果相对于传播方向具有大于30度极角的光的量小于当光源由具有相同强度和位置的朗伯光源替代作为第一光源时相对于传播方向具有大于30度极角的光的量，那么来自第一光源的光被称为在两个方向上被至少部分地准直。光可在两个方向上通过使光穿过准直元件1764而被部分地准直，准直元件1764在两个方向上渐缩并且可具有2:1或更高的纵横比。
可在本说明书中使用的光源可包括发光二极管(LED)。“发光二极管”或“LED”是指发射光的二极管，不管发射出的是可见光、紫外光还是红外光，其中发射的光将具有在约430至700nm范围内的峰值波长。术语LED包括非相干光源(作为“LED”(不论是常规型还是超辐射型)销售的封闭或封装的半导体装置)、以及相干半导体装置诸如激光二极管，包括但不限于竖直腔面发射激光器(VCSEL)。“LED晶粒”是LED的最基本形态，即经半导体加工过程而制成的单个部件或芯片的形态。例如，LED晶粒可由一种或多种III族元素的组合和一种或多种V族元素的组合形成(III-V半导体)。合适的III-V半导体材料的示例包括氮化物(诸如氮化镓)和磷化物(诸如磷化镓铟)。还可使用其它类型的III-V材料以及元素周期表中其它族的材料。该部件或芯片可包括适用于应用能量以使装置通电的电触点。示例包括引线结合、卷带式自动结合(TAB)或倒装芯片结合。部件或芯片的各个层和其它功能元件通常以晶片级形成，然后可将加工好的晶片切成单个元件，以生产大量的LED晶粒。LED晶粒可被配置用于表面安装、芯片直接贴装或其它已知的安装配置。一些封装的LED通过在LED晶粒和相关联的反射杯上形成聚合物封装剂而制成。LED可在若干基底中的一种基底上生长。例如，GaN LED可通过在蓝宝石、硅和氮化镓上外延而生长。与本说明书一起使用的LED可包括具有GaN基底的高功率GaN LED，诸如购自加利福尼亚州弗里蒙特的Soraa有限公司(Soraa,Inc.,Fremont,CA)的那些LED。就本说明书而言，“LED”还应被视为包括通常称为OLED的有机发光二极管。
适用于本说明书中的准直光源的示例由变形光源提供，所述变形光源在PCT公开WO 2013/122728(Ouderkirk等人)和于2013年12月5日提交的名称为“变形光学封装体”(Anamorphic Optical Package)的PCT专利申请号U.S.2013/073305中有所描述，两者全文以引用方式并入本文。适用于本说明书中的变形光源的示例在图12A和图12B中示出。图12A示出了示例性光学封装体1200的等轴视图。图12B示出了光学封装体1200的分解图。光学封装体1200包括发光部件1210、转换器单元1205和外壳1290。发光部件1210为光学封装体1200提供光源。转换器单元1205包括变形光导1220，其将光从发光部件1210导向到转向器/聚光器元件1260中。转向器/聚光器元件1260包括转向器部分1250，其接收并使通过变形光导1220导向的光片段转向到耦合部分1270中。光通过耦合部分1270进一步被引导到转向器/聚光器元件1260的聚光器部分1280中。光学封装体1200有效地耦合来自发光部件的光并提供可在至少一个方向上任选被部分地准直的带有较大纵横比的输出光。此外，输出光的有效高度远远低于从发光部件发射的光的有效高度。在图12A和图12B所示的实施方案中，转向器部分1250为一系列转向器元件(转向器阵列)。
光学封装体1200包括转换器单元1205，其将从发光部件1210发射的具有小于约10:1(诸如约1:1到约1:2)的第一纵横比的光转换为具有大于第一纵横比的第二纵横比的输出光束。例如，第二纵横比可为发光部件纵横比的至少两倍(或四倍或五倍)。在一些实施方案中，聚光器部分1280输出具有至少20:1或更大纵横比的光。在一些实施方案中，转换器单元1205产生线形输出光束。输出光束可在至少一个方向上基本上被准直，并且在一些实施方案中，可在两个方向上基本上被准直。来自转换器单元1205的输出光的有效高度(光束物理高度x平行于高度轴线发射的光的全宽半最大角)比来自发光部件1210的输出光的有效高度低。
光学封装体1200可使用PCT公开WO 2013/122728中描述的技术制成。在一些实施方案中，转换器单元部件的单一构造可使用用于转向器部分1250和变形光导1220的压缩或压缩-注射模塑而形成。
耦合部分1270接收离开转向部分1250的光。耦合部分1270包括一系列在一个或多个维度上伸展的主体，例如，梯形耦合或耦合器主体。主体可具有大体为平面的形状或耦合器主体可具有楔形形状，诸如图13所示。在一些替代方面，楔形可为线性的或者楔形可在至少一个轴线上为非线性的。合适的非线性外形可包括抛物线。楔形特征结构帮助捕获直接穿过转向器部分(而不通过反射表面转向)的光。此外，耦合部分的楔形设计使直接穿过转向器部分的光准直。经由TIR在耦合部分1270内导向光。因此，耦合部分1270可使在耦合部分的平面内(即，在平行于耦合部分的主表面的平面内)的光准直。
图13示出了另一个示例性光学封装体1300，其可单独使用或作为一个模块与其它类似光学封装体模块组合使用以照明显示器或其它装置。光学封装体1300包括发光部件1310和包括变形光导与转向器/聚光器单元1360的转换器单元，所述转向器/聚光器单元1360具有包括转向器1351a的一系列转向器、耦合部分1370和聚光器部分1380。为简单起见从附图中省略外壳。发光部件1310为光学封装体1300提供光源并且沿变形光导设置在中心位置处。在这方面，发光部件1310包括两个LED。在这方面，变形光导被分成置于发光部件1310的两侧上的两部分(或较小的光导)1320a和1320b。在本构造中，提供可形成在直角棱镜或外壳(未示出)的表面上第一反射表面1302，以将从发光部件1310发射的光的至少一部分反射到变形光导1320a中。第二反射表面(未示出)可设置在第一反射表面1302下方，以将从发光部件1310发射的光的另一部分反射到变形光导1320b中。变形光导1320a、变形光导1320b将来自发光部件1310的光导向到转向器/聚光器元件1360中。
在这方面，变形光导1320a、变形光导1320b具有比变形光导1220短的长度，但一般的设计和结构与上述相同。转向器/聚光器元件1360包括转向器部分，其接收并使通过变形光导1320a、变形光导1320b导向的光片段转向到耦合部分1370中。在这方面，转向器部分包括六个转向器(仅示出了转向器1315a)，其各自具有按约90°改变光的方向并将光导向到转向器/聚光器1360的耦合部分1370中的反射面1356(例如，图13中所示的面1356a)。在这方面，转向器部分包括邻近转向器之间的间隙。该转向器间距可提供光学封装体的更简单构造，因为该配置为在转向器的输出面处的耦合主体提供了更多的空间。
光通过耦合部分1370进一步被引导到转向器/聚光器元件1360的聚光器部分1380中。耦合部分1370包括一系列在一个或多个维度上伸展的耦合主体，例如，梯形主体(诸如耦合主体1371)。在这方面，主体包括在多个方向上的楔形，因为楔形朝聚光器1380水平地(平面内)线性伸展和竖直地(垂直于转向器主体的平面)抛物线伸展。该楔形特征结构帮助捕获直接穿过转向器部分(而不通过反射表面转向)的光。经由TIR在耦合部分1370内导向光。在该特定方面，气隙可或可不存在于转向器部分的离开面与耦合部分的输入面之间。
离开耦合部分1370的光进入聚光器部分1380。在这方面，聚光器1380包括无楔形的直线性主体，使得聚光器主表面1381和聚光器主表面1382大致平行于彼此并且大致垂直于输出表面1384。聚光器1380可由使用上述构造材料的连续模塑制品制成。使用该配置，发光部件1310的中心与聚光器1380的中心在高度上对准或一致，因此允许减小的总体封装体尺寸。
在基本上准直的光输入到光导中的实施方案中，多重峰可为双峰。在基本朗伯光输入到光导中的实施方案中，多重峰可为三重峰。已发现，三重峰在从光导中提取朗伯光上可比双峰更有效。
多重峰提取器可保留或改善来源光的准直。在一些实施方案中，来自光导的光照明LCD面板，并且当光离开LCD面板时，所述光相对于显示器的至少一个轴线的半最大功率半角宽不超过约35度、或不超过约30度、或不超过约25度。在一些实施方案中，来自光导的光照明LCD面板，并且当光离开LCD面板时，所述光相对于显示器的两个轴线的半最大功率半角宽不超过约35度、或不超过约30度、或不超过约25度。
显示器的效率可被定义为从显示器提取的光的量除以射入到显示器的发光面板的光导中的光的量。在本说明书的一些实施方案中，显示器具有大于60％或大于70％的效率。
如本文所用，层、部件或元件被描述为邻近彼此。层、部件或元件可通过直接接触、通过一种或多种其它部件连接或通过彼此保持在一起或彼此附接而彼此邻近。直接接触的层、部件或元件被描述为紧邻。
除非另外指明，否则说明书和权利要求书中使用的表示特征结构尺寸、数量和物理性质的所有数字应该理解为在所有情况下均被术语“约”修饰。
如果在本文中使用，那么空间相关的术语，包括但不限于“下部”、“上部”、“下面”、“下方”、“上方”、和“在顶部上”用于方便描述一个或多个元件相对于另一个元件的空间关系。除了附图中示出的或本文所述的具体取向外，此类空间相关术语涵盖装置在使用或操作时的不同取向。例如，如果附图中所描绘的对象翻转或倒转，那么先前描述为在其它元件下方或下面的部分应当在那些其它元件上方。
实施例
实施例1
具有双峰提取器的光导使用标准光线跟踪软件建模。双峰具有在图3A-图3B中所示的几何结构，并且在长度和间距上是变化的，以赋予在光导的区域上产生几乎均匀的光输出强度的提取器密度。该提取器密度从在输入边缘处的约1％变化为在相对边缘处的约14％。所有提取特征结构为10.9微米高，并且提取特征结构的反射面(例如第一表面366a)以48.5微米的曲率半径弯曲且具有45度的平均倾斜度(或参考图1，第一角度142a的平均值为45度)。提取特征结构的近似竖直面(例如，第二表面368a)具有距竖直的5度的倾斜度(或参考图1，第二角度144a为95度)。光导的维度从输入边缘到相对边缘(这是显示器的竖直方向)为150mm，在正交的平面内方向上(这是显示器的水平方向)为200mm，以及在厚度上为500微米。
光导被建模为具有1.53的折射率的透光聚合物。反射偏振片被包括在光导上方，其中光导与反射偏振片之间具有气隙。吸收偏振片与光导相对附接到反射偏振片。具有0.95的反射率的镜面消偏振反射器被包括在光导下方，其中光导与反射器之间具有气隙。
假设均匀的朗伯光输入分布沿具有1瓦特总功率的光导的200mm输入边缘。输出作为视角的函数在图16中示出。曲线1607给出沿显示器的竖直方向对于视角以瓦特/球面度为单位的输出，并且曲线1609给出沿显示器的水平方向对于视角以瓦特/球面度为单位的输出。输出示出了在竖直方向上相当程度的准直和在水平方向上的近似朗伯输出分布。
实施例2
如实施例1一样模拟系统，不同的是光源用与图11A-图11B所示的系统类似的系统替代。所采用的输入楔形为具有输入面的宽度为1mm并且输出面的宽度为2mm的线性楔形。该几何结构将楔形两侧限定为具有14度的总角间距(图11A中的1199)。输出作为视角的函数在图14中示出。曲线1407给出沿显示器的竖直方向对于视角以瓦特/球面度为单位的输出，并且曲线1409给出沿显示器的水平方向对于视角以瓦特/球面度为单位的输出。输出示出了在竖直方向和水平方向两者上相当程度的准直。
实施例3
如实施例1一样模拟系统，不同的是光源用图12A-图12B所示的光源替代。输出作为视角的函数在图15中示出。曲线1507给出沿显示器的竖直方向对于视角以瓦特/球面度为单位的输出，并且曲线1509给出沿显示器的水平方向对于视角以瓦特/球面度为单位的输出。输出示出了在竖直方向和水平方向两者上相当程度的准直。系统的效率确定为72％，其中效率被定义为提取的光的量除以射入到光导中的光的量。相比之下，对于使用朗伯光源和BEF膜用于循环利用的常规系统的典型效率根椐系统在约40％-50％的范围内。
除非另外指明，否则附图中元件的描述应被理解为同样适用于其它附图中的对应元件。不应当将本发明视为限于上述的特定实施方案，因为详细描述此类实施方案是为了有助于说明本发明的各个方面。相反，本发明应被理解为涵盖本发明的所有方面，包括落在所附权利要求书及其等同物所定义的本发明的范围内的各种修改、等同工艺和替代装置。

Claims (21)

1.一种光导，所述光导包括：
第一主表面、第二主表面、输入边缘和相对边缘，所述第一主表面和所述第二主表面中的至少一者包括多个多重峰，每个多重峰包括两个或更多个提取特征结构，每个提取特征结构具有凹进几何结构。
2.根据权利要求1所述的光导，其中每个多重峰包括两个或三个提取特征结构。
3.根据权利要求1所述的光导，其中每个提取特征结构具有非对称的形状。
4.根据权利要求3所述的光导，其中每个提取特征结构具有面向所述输入边缘的第一表面和面向所述相对边缘的第二表面，所述第一表面具有第一倾斜度，所述第二表面具有第二倾斜度，其中所述第一倾斜度的大小低于所述第二倾斜度的大小。
5.根据权利要求4所述的光导，其中所述第一表面包括一个或多个弯曲部分。
6.根据权利要求1所述的光导，其中至少一个提取特征结构包括具有第一长度的中心区域和具有小于所述第一长度的第二长度的楔形区域。
7.根据权利要求1所述的光导，其中至少一个提取特征结构包括具有第一长度的中心区域和具有大于所述第一长度的第二长度的楔形区域。
8.根据权利要求1所述的光导，其中至少一个提取特征结构包括具有第一长度的第一中心区域和具有小于所述第一长度的第二长度的第一楔形区域，并且至少一个提取特征结构包括具有第三长度的第二中心区域和具有大于所述第三长度的第四长度的第二楔形区域。
9.根据权利要求1所述的光导，其中所述多个多重峰包括在相邻多重峰之间的间距，相邻多重峰之间的间距从所述输入边缘到所述相对边缘减小。
10.根据权利要求1所述的光导，其中所述提取特征结构的长度从所述输入边缘到所述相对边缘增加。
11.根据权利要求1所述的光导，其中所述提取特征结构沿着与平面内方向成约0度至约45度角度的方向延伸，所述平面内方向与从所述输入边缘到所述相对边缘的方向正交。
12.一种发光面板，所述发光面板包括：根据权利要求1所述的光导，和被构造成用于将光注入所述光导的输入边缘中的光源。
13.根据权利要求12所述的发光面板，其中所述光源将基本朗伯光从空气注入所述光导中。
14.根据权利要求12所述的发光面板，其中所述光源将在至少一个方向上被至少部分地准直的光注入所述光导中。
15.根据权利要求14所述的发光面板，其中所述光源将在两个方向上被至少部分地准直的光注入所述光导中。
16.根据权利要求12所述的发光面板，其中从所述发光面板输出到空气中的光被准直，使得所述光相对于所述发光面板的至少一个轴线的半最大功率半角宽不超过约30度。
17.根据权利要求12所述的发光面板，其中所述光源包括：
发光部件，所述发光部件发射具有第一纵横比的光；和
转换器单元，所述转换器单元包括接收来自所述发光部件的所述光的变形光导、接收来自所述变形光导的光并使所述光转向的转向器阵列、以及收集从所述转向器阵列接收的光的聚光器，其中所述聚光器输出具有第二纵横比的光，所述第二纵横比大于所述第一纵横比，并且其中由所述聚光器输出的所述光的有效高度低于由所述发光部件发射的所述光的有效高度。
18.根据权利要求12所述的发光面板，其中所述光源包括被设置成将LED光注入准直结构中的多个LED，所述准直结构被设置成将所述LED光引导到所述光导的所述输入边缘中。
19.一种显示器，所述显示器包括根据权利要求12所述的发光面板。
20.根据权利要求19所述的显示器，所述显示器还包括靠近所述光导的所述第一主表面设置的LCD面板，和设置在所述LCD面板与所述光导之间的反射偏振片。
21.根据权利要求20所述的显示器，所述显示器还包括靠近所述光导设置的反射器，所述反射器位于所述光导的背向所述LCD面板的一侧上。
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