CN107750344A - 用于来自透明背光的均匀光输出的纹理梯度 - Google Patents

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Abstract

公开了一种光漫射部件和制备方法。光漫射部件可以包括基底片和至少一个散射层。基底片可具有背侧和边缘。该边缘可以被配置为接收光源。该至少一个散射层可以具有蚀刻到玻璃片的背侧的至少一部分中的多个光散射中心。散射中心可具有随着离开边缘的距离增加而增加的密度。例如，散射中心可以具有小于约30微米的直径，约10微米或更小的最大深度，以及约0.5nm至约100nm的粗糙度。

Description

用于来自透明背光的均匀光输出的纹理梯度
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119要求于2015年4月7日提交的美国临时申请No.62/143,996的优先权，本申请基于该临时申请的内容并且该临时申请的内容通过引用整体结合于此。
背景技术
本公开大体上涉及光漫射部件，且更具体地，涉及用于在透明显示器或半透明显示器中使用的光导。
典型的透射式显示器可以包括由均匀背光照射的液晶堆叠。透射式显示器中的背光是由具有嵌入的散射中心的光导、诸如IDF(图像引导膜)和D-BEF(增亮膜)之类的光管理膜、随后是漫射器构成的集合。这些光管理膜的组合性能有助于传送在整个跨尺度范围内具有均匀亮度的背光组件。因为背光隐藏在包括正交偏振器的数个部件后面，因此透射式背光的架构更为宽容。
任何LCD(液晶显示器)系统的主要结构是照射许多LCD单元的光导。最常见和最近的实施方式使用侧向定位的LED光源将光注入到光导中。光导本身在底表面被嵌入有散射中心。这些或凹或凸的散射中心负责散射和重新定向传播通过光导的光。如果散射中心或散射点周期性地沿着光导放置，则光提取图案遵循指数衰减，其中大部分功率在开始时被提取，并且随着光导中剩余可用的功率越来越少而逐渐降低。为了跨整个光导保持均匀的亮度，散射中心的分布必须是使得在功率较高的地方(靠近LED)使用较少的提取散射中心，并且在功率较低的地方使用较多的提取散射中心。在这样的实施方式中，散射中心的尺寸经常保持恒定且界定清楚(典型地，尺寸为数百微米至毫米)，而散射中心之间的距离从LED附近的约300μm减小至在一维梯度的相对端的约30μm。
显示器的最近的趋势是朝向透明和半透明的显示器。透明或半透明显示器的潜在用途包括医院墙壁、建筑物窗户、数字标牌、窗户广告和平视显示器。透明显示器可激发按需显示的概念，显示器将只有在你想要它时才会在那儿。
与透射式显示器不同，在透明或半透明显示器中，可能存在的唯一部件是半透明LCD堆叠和光导。在透明或半透明显示器中，不再有漫射器、光管理膜或背反射器。
发明内容
在各种实施例中，本公开涉及光漫射部件。光漫射部件可以包括基底片和至少一个散射层。基底片可具有前侧、背侧和边缘。该边缘可以被配置为接收光源。该至少一个散射层可以具有蚀刻到玻璃片的背侧的至少一部分中的多个光散射中心。散射中心可具有随着离开边缘的距离增加而增加的密度。例如，散射中心可以具有小于约30微米的直径，约10微米或更小的最大深度，以及约0.5nm至约100nm之间的粗糙度。
在各种实施例中，本公开还涉及另一个光漫射部件。光漫射部件可以具有基底片和至少一个散射层。基底片可具有前侧、背侧和边缘。该边缘可以被配置为接收光源。该至少一个散射层可以具有蚀刻到玻璃片的背侧的至少一部分中的多个光散射中心。散射中心随着离开边缘的距离增加可在尺寸上增大。例如，散射中心可以具有从约50nm到约50微米的直径，约10微米或更小的最大深度，以及约0.5nm至约100nm之间的粗糙度。
本公开另外涉及又另一个光漫射部件。光漫射部件可以包括基底和至少一个散射层。该基底可具有前侧、背侧和边缘。该边缘可以被配置为接收光源。该至少一个散射层可具有多个光散射中心。散射中心随着离开边缘的距离增加可在尺寸上增大。例如，散射中心可以具有从约50nm到约50微米的直径，约10微米或更小的最大深度，以及约0.5nm至约100nm之间的粗糙度。
以下的详细描述将阐述附加的特征和优点，这些特征和优点部分地对于本领域的技术人员来说根据该描述将是显而易见的，或者通过实施本文所述的实施例可认识到，包括以下详细描述、权利要求书以及附图。
应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者仅仅是示例性的，并旨在提供用于理解权利要求本质和特性的概览或框架。各个附图被包括以提供进一步理解，各个附图被收入并构成本说明书的一部分。附图示出一个或多个实施例，并与说明书一起用来解释各实施例的原理和操作。
附图说明
图1是根据一个实施例的光漫射部件的侧截面图。
图2是图1的光漫射部件的前正视图。
图3是图1的光漫射部件上的散射层的a-a1的放大图。
图4a是根据一个实施例的图1的光漫射部件上的散射层的前视图。
图4b是根据一个实施例的沿线C-C1的光漫射部件上的散射层的横截面图。
图4c是根据一个实施例的图4b中所示的散射中心的b-b1的放大图。
图5是根据另一个实施例的图1的光漫射部件上的散射层的前视图。
图6是根据又另一个实施例的图1的光漫射部件上的散射层的前视图。
图7a是示出构造为在基底的中点(z＝0)处留下仅5％的输入光的散射衰减系数α(z)的图。
图7b是示出在具有双侧对称照明的系统中的在中点处具有最大值的几乎均匀输出Q(z)的图。
图8a是示出在0.01mm-1至约0.04mm-1的范围内的散射衰减系数α(z)的图。
图8b是示出对于六英寸长的设备在中点处具有最大值的准均匀输出Q(z)的图。
以下附图标记在本说明书和附图中使用。
100 光漫射部件
110 基底片
120 光源
130 光
140 散射层
150 一个或多个边缘或边界
160 背侧
170 前侧
210 光散射中心
410 光散射中心210的直径
420 光散射中心210的最大深度
430 光散射中心210的粗糙度
具体实施方式
现在将详细参照本技术的实施例，在附图中示出它们的示例。在可能时，将在所有附图中使用相同的附图标号来指示相同或类似的部件。
本公开提供了用于在透明或半透明显示器中使用的光漫射部件。开发用于半透明显示器的透明背光可能是非常有挑战性的。液晶显示器(LCD)监视器装备有背光模块以产生可见的图像。背光模块可以由发光二极管(LED)阵列和矩形玻璃光导板组成。光导的目的是朝向LCD面板引导在一个或两个相对的边缘面处注入的LED光。典型的透射式显示器背光可以不仅由光导和光源，而且由补偿杂散光重新分布、亮度、颜色均匀性和视角的数个光管理膜构成。挑战可能是提供产生相似性能但是在单个透明玻璃片中的背光。在背光的上述特性之中，在光导的整个表面上的光提取均匀性或者光分布似乎是要解决的最迫切的问题。例如，当前的透明显示器需要透射反射式堆叠，该透射反射式堆叠可以通过再循环环境光而以反射方式被照射，或者通过允许光从显示器的背部注入而以透射方式被照射。在这种透射反射式显示器上进行的亮度测量显示了约5尼特(nit)-10尼特的自主面板照明，而良好显示器的亮度测量可以达到至少200尼特。对于具有竞争力的半透明LCD显示器，可能需要开发在关闭状态下透明但在开启状态下完全亮的背光。
本公开公开了用于在透明背光单元中要使用的均匀光输出的具有在纳微体系中的域(domain)尺寸的一种梯度纹理设计。通过适当地选择点到点的间距以及点的高度和粗糙度，所得到的点阵列布局可以提供最大的透明度、最小的雾度(haze)和均匀的光输出。散射函数可经选择为使得光输出分布可以被定制为应用专用。
本公开可以提供许多优点。例如，光提取特征可以提供亮度的改善，导致改善得多的对比度。该特征可以做得非常小，具有小于约20微米的尺寸，肉眼不可见。覆盖率可以经选择为使得光导的完全透明度可以在每个地方被实现。点的几何形状可以被设计为改善光管理。引导件的散射函数可经选择为使得不同的光提取分布可被实现。该特征可直接在玻璃中被实施，从而消除了对背盖玻璃的需求。离子交换玻璃可以提供比聚合物更好的抗刮擦性和耐久性。可以使图案随机以避免液晶显示器与背光上的特征之间的莫尔(Moire)干涉。
参考图1，根据本文的一个或多个实施例的光漫射部件100可以被采用为处理用于显示器系统或其他应用的光。一般地，漫射部件100可以包括基底片110和至少一个散射层140。出于有用的目的，基底片110可以操作以从结构的一个或多个边缘或边界150接收光源120，在基底片内部传播光130，使光130漫射和散射离开结构的前部(如通过图2中的箭头所示)。离开结构的光130可以由检测器180检测到。在光导中使用的基底片110的一般结构可以是具有大致彼此平行的两个主平面(本文描述为背侧160和前侧170)以及大致正交于并连接这两个主平面的至少一个边缘150的片。在一些实施例中，基底可以在形状上是具有四个边缘的矩形。边缘可以是平坦的(或平面的)，或者可以具有将其连接到背侧160和前侧170的斜面或其他配置。
如图2所示，该至少一个散射层140可以具有蚀刻到基底片的背侧的至少一部分中的多个光散射中心210。光散射中心210可以是亚微米尺寸的(例如纳米尺寸的)，随机定位的，设置在基底片110的背侧140上和/或背侧140中。
如虚线箭头所示，光130可以进入基底片110并开始传播通过那里直到光线撞击在散射中心210上。给定基底片110和散射中心210的光学性质，光从光漫射部件100散射离开。光学特性(取决于散射层140的深度)通常具有表面散射类型或体积散射类型且可以经由用于生产散射中心210的过程来控制。
已经发现，该多个光散射中心210的尺寸可以影响光漫射部件100的光散射性质。特别地，相对较小尺寸的中心210向后以及向前散射，且约150nm和更大的颗粒主要向前散射，这在光漫射部件100中可能通常是期望的。确实，主要在向前方向上散射促进光漫射部件100中的高透射比率和合适的雾度比率。更具体地，为了实现高透射比率，光散射中心210的大致尺寸可以为大约200nm的数量级。实际上，由于光散射中心210的较小特征尺寸倾向于背散射光，所以所得的透射比率将受到不利影响。尺寸大于约500nm的光散射中心210向前散射光，但是角展度较小，这是不太期望的。给定作为光散射中心尺寸的函数的上述光学散射特性，散射中心210的近似特征尺寸可以是以下之一：(i)在约100nm至约500nm之间，(ii)在约200nm至约300nm之间，以及(iii)约250nm。
漫射装置100的光学光散射特性也受到基底片110和光散射中心210各自的折射率的影响。基底片110(和可选的上涂布(over-coating)材料)可能具有约1.4-1.6数量级的折射率。
图3中示出了在具有周期Λ(z)的晶格上布置的散射中心所纹理化的基底的示意图。出于图示和建模的目的，该纹理可以由沿基底长度变化的周期Λ(z)的晶格上布置的散射中心阵列来表示。一般地，散射中心可以沿着x和z轴以准规则的方式分布，维持由Λ(z)规定的平均散射密度。在该模型中，散射元件可以模拟深度为hs、宽度为ds的蚀刻区域以及由半径为(hs 2+ds 2/4)/(2hs)的球体或者可替代地具有宽角散射分布的白漆点所定义的形状。
散射体形状的细节可以影响外耦合光的提取效率和角分布，而Λ(z)函数可以被设计用于沿着z轴均匀分布光。该模型是三维的，具有用于模拟具有单侧或双侧照明的扩展系统的镜面边界条件。
为了跨整个光导维持均匀的亮度，散射中心的分布可以是使得较少的散射中心位于功率高的地方(靠近光源)，并且在功率低的地方使较多的散射中心可用。光导中的光强度典型地以非线性方式下降。
如图4a所示，散射中心210可以具有随着离开边缘150的距离增加而增加的密度。例如，在一个实施例中，如放大的图4b和图4c所示，散射中心210可以具有小于约30微米的直径410。在另一个实施例中，例如，散射中心的直径410可以小于20微米。在一个实施例中，例如，散射中心可以具有约10微米或更小的最大深度420。在另一个实施例中，散射中心210的最大深度420可以是约1微米或更小。在一个实施例中，例如，散射中心210可以具有在约0.5nm至约100nm之间的粗糙度430。在另一个实施例中，例如，粗糙度430可以小于约50nm。例如，粗糙度可以被测量为Ra或Rq(rms)。Ra可以被定义为算术平均偏差。来自平面的所有点的平均粗糙度或偏差拟合至测试部分表面。Rq(rms)可以被定义为均方根(rms)粗糙度。所测量的高度偏差的平均在评估长度或面积内进行，且从平均线性表面被测量。在一个实施例中，例如，相邻散射中心之间的中心到中心的距离(诸如s1或s2)为不大于约40微米。在另一个实施例中，例如，相邻散射中心之间的中心到中心的距离(诸如s1或s2)为不小于约50纳米。
在另一个实施例中，如图5所示，散射中心210可以随着离开边缘150的距离增加而在尺寸上增大。例如，散射中心210可以具有从约50nm到约50微米的直径。在进一步的实施例中，例如，散射中心210可以具有小于约20微米的直径。在一个实施例中，例如，散射中心210可以具有约10微米或更小的最大深度。在另一个实施例中，例如，散射中心的最大深度可以是约1微米或更小。在一个实施例中，例如，散射中心210可以具有在约0.5nm至约100nm之间的粗糙度。在另一个实施例中，例如，粗糙度可以小于约50nm。在一个实施例中，例如，相邻散射中心之间的中心到中心的距离(诸如s1或s2)为不大于约40微米。在另一个实施例中，例如，相邻散射中心之间的中心到中心的距离(诸如s1或s2)为不小于约50纳米。
在进一步另一个实施例中，如图6所示，散射中心210可以具有随着离开边缘150的距离增加而增加的密度。散射中心210可随着离开边缘150的距离增加而在尺寸上增大。例如，散射中心可以具有从约50nm到约50微米的直径。在进一步的实施例中，例如，散射中心210可以具有小于约20微米的直径。在一个实施例中，例如，散射中心210可以具有约10微米或更小的最大深度。在另一个实施例中，例如，散射中心的最大深度可以是约1微米或更小。在一个实施例中，例如，散射中心210可以具有在约0.5nm至约100nm之间的粗糙度。在另一个实施例中，例如，粗糙度可以小于约50nm。在一个实施例中，例如，相邻散射中心之间的中心到中心的距离(诸如s1或s2)为不小于约50纳米。在另一个实施例中，例如，相邻散射中心之间的中心到中心的距离(诸如s1或s2)为不大于约40微米。
对于均匀的输出分布，散射函数对坐标的依赖由公式(1)给出：
量I0、Q和αa分别定义输入强度、恒定辐照度和由于基底中的固有损耗引起的吸收系数。图7a示出构造为在无损基底的半长度(L/2)上散射95％输入光(Im/I0＝0.05,其中Im表示在中点处的强度)的散射衰减系数α(z)的示例。在具有双侧对称照明的系统中，这可以导致在中点处具有最大值的几乎均匀的输出，如图7b所示。图7a和图7b已经示出了散射衰减系数α(z)的示例，该散射衰减系数α(z)构造为在厚片(slab)的中点(z＝0)处留下仅仅5％的输入光，导致在具有双侧对称照明的系统中的中点处具有最大值的几乎均匀的输出Q(z)。示出了用于只有右半部分(z>0)的解决方案。出现在Q(z)的定义中的I1、I2和I0分别表示在正z方向上、负入射方向上以及在光导的输入处的光传播的强度。
一般地，对于基底的给定长度L，参数Im/I0可以被用来估计输出辐照度和散射函数的期望形状。对于L＝6英寸(约15cm)，使用Im/I0＝0.25，可以发现图8a所示的在约0.01mm-1至约0.04mm-1范围内的散射衰减系数，这可以导致图8b所示的在中心处具有最大值的6英寸长的基底的准均匀强度。如果吸收损耗小于0.001mm-1，则该估计可以预期为为散射函数提供了良好的初始近似(对于2318低铁大猩猩(Gorilla)玻璃，在波长528nm-622nm处，衰减可以是约1.3×10-3mm-1-1.5×10-3mm-1)。
具有期望的尺寸和密度范围的散射元件的输出强度可被计算出以使散射系数α(z)与散射体密度Λ(z)相关。对于以均匀覆盖率施加的白漆点和离散的蚀刻点的实验结果可以显示，对于具有50微米直径和300微米间距的样品，所测量的散射系数值可以在约α＝0.004mm-1至0.022mm-1的范围内。这个α(Λ)的范围可以与对于6英寸长的基底实现准均匀输出所需的范围重叠。
散射中心可以由纳米到微米尺寸的白色散射漆点或墨点制成。白色散射漆点或墨点可以小于40微米。该点可以直接印刷在玻璃表面的底部上，点密度逐渐远离光源。点间距分布可以经选择使得衰减系数允许跨光导的整个表面上的均匀照射。可以使这些点随机，以便不会与LCD堆叠产生莫尔干涉图案。此外，点/像素比率可以经选择使得该比率至少为1。在另一个实施例中，散射中心可以通过使用离散的蚀刻点来执行。蚀刻点可以通过使用湿化学蚀刻工艺来得到。
通过适当地选择点到点的间距以及点的高度和粗糙度，所得到的点阵列布局可以提供最大的透明度、最小的雾度和均匀的光输出。散射函数可经选择为使得光输出分布可以被定制为应用专用。
对本领域的技术人员显而易见的是，可对本文描述的实施例作出各种修改和变化而不背离要求保护的主题的精神和范围。

Claims (20)

1.一种光漫射部件，包括：
基底片，所述基底片具有前侧、背侧和配置为接收光源的边缘；以及
至少一个散射层，所述至少一个散射层具有蚀刻到所述基底片的所述背侧的至少一部分中的多个光散射中心，所述散射中心具有随着离开所述边缘的距离增加而增加的密度，所述散射中心具有小于约30微米的直径，约10微米或更小的最大深度，以及约0.5nm与约100nm之间的粗糙度。
2.如权利要求1所述的光漫射部件，其中所述散射中心的所述直径为小于约20微米。
3.如权利要求1或2中任一项所述的光漫射部件，其中所述散射中心的所述最大深度为约1微米或更小。
4.如权利要求1至3中任一项所述的光漫射部件，其中所述粗糙度为小于约50nm。
5.如权利要求1至4中任一项所述的光漫射部件，其中所述基底片是玻璃片、塑料或透明陶瓷中的至少一个。
6.如权利要求1至5中任一项所述的光漫射部件，其中在相邻散射中心之间的中心到中心的距离为不小于约50纳米。
7.如权利要求1至5中任一项所述的光漫射部件，其中在相邻散射中心之间的中心到中心的距离为不大于约40微米。
8.一种光漫射部件，包括：
基底片，所述基底片具有前侧、背侧和配置为接收光源的边缘；以及
至少一个散射层，所述至少一个散射层具有蚀刻到所述基底片的所述背侧的至少一部分中的多个光散射中心，所述散射中心随着离开所述边缘的距离增加而在尺寸上增大，所述散射中心具有从约50nm到约50微米的直径，约10微米或更小的最大深度，以及约0.5nm至约100nm之间的粗糙度。
9.如权利要求8所述的光漫射部件，其中所述散射中心的所述直径为小于约20微米。
10.如权利要求8至9中任一项所述的光漫射部件，其中所述散射中心的所述最大深度为约1微米或更小。
11.如权利要求8至10中任一项所述的光漫射部件，其中所述粗糙度为小于约50nm之间。
12.如权利要求8至11中任一项所述的光漫射部件，其中所述基底片是玻璃片、塑料或透明陶瓷中的至少一个。
13.如权利要求8至12中任一项所述的光漫射部件，其中在相邻散射中心之间的中心到中心的距离为不小于约50纳米。
14.如权利要求8至12中任一项所述的光漫射部件，其中在相邻散射中心之间的中心到中心的距离为不大于约40微米。
15.一种光漫射部件，包括：
基底片，所述基底片具有前侧、背侧和配置为接收光源的边缘；以及
至少一个散射层，所述至少一个散射层具有蚀刻到所述基底片的所述背侧的至少一部分中的多个光散射中心，所述散射中心具有随着离开所述边缘的距离增加而增加的密度，且所述散射中心随着离开所述边缘的距离增加而在尺寸上增大，所述散射中心具有从约50nm到约50微米的直径，约10微米或更小的最大深度，以及约0.5nm至约100nm之间的粗糙度。
16.如权利要求15所述的光漫射部件，其中所述散射中心的所述直径为小于约20微米。
17.如权利要求15至16中任一项所述的光漫射部件，其中所述散射中心的所述最大深度为约1微米或更小。
18.如权利要求15至17中任一项所述的光漫射部件，其中所述粗糙度为小于约50nm之间。
19.如权利要求15至18中任一项所述的光漫射部件，其中在相邻散射中心之间的中心到中心的距离为不小于约50纳米。
20.如权利要求15至18中任一项所述的光漫射部件，其中在相邻散射中心之间的中心到中心的距离为不大于约40微米。
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