CN110168416A - 具有顶帽式光输出分布的不对称转向膜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学系统，该光学系统包括光导和转向膜，该转向膜包括第一主表面，其中第一主表面为基本上平滑的；和第二主表面，该第二主表面包括多个不对称微观结构，每个相应的不对称微观结构包括第一侧面，其中第一侧面为基本上平坦的；和第二侧面，该第二侧面包括限定基本上平坦表面的第一表面区段和限定非平坦表面的第二表面区段。

Description

具有顶帽式光输出分布的不对称转向膜
背景技术
转向膜可在显示和照明应用中使用，以更改从光学显示器发出的光的角分布。转向膜一般具有通过对光进行折射和/或反射来操作的特征部。转向膜可与光源结合使用以提供所需的输出光。
发明内容
所描述的不对称转向膜(ATF)可用于控制光的角分布，以提供具有光分布截光角和平顶区域的顶帽形光输出分布而无需吸收大量的光。
在一些示例中，本公开描述了一种光学系统，该光学系统包括光导和转向膜，该转向膜包括第一主表面，其中第一主表面为基本上平滑的；和第二主表面，该第二主表面包括多个不对称微观结构，每个相应的不对称微观结构包括第一侧面，其中该第一侧面为基本上平坦的；和第二侧面，该第二侧面包括限定基本上平坦表面的第一表面区段和限定非平坦表面的第二表面区段。
在一些示例中，本公开描述了一种光学系统，该光学系统包括光导和转向膜，该转向膜包括第一主表面，该第一主表面限定与第一主表面平行的基准平面，其中第一主表面为基本上平滑的；和第二主表面，该第二主表面包括多个不对称微观结构，每个相应的不对称微观结构包括第一侧面，其中第一侧面为基本上平坦的；和第二侧面，该第二侧面包括限定基本上平坦表面的第一表面区段，其中第一表面区段相对于基准平面的第一角度介于约40度和约70度之间，其中第一角度基于第一线性方程；和限定非平坦表面的第二表面区段，其中第二表面区段的形状基于三次方程或更高次方程，其中三次方程或更高次方程的一阶导数与第一线性方程匹配；限定基本上平坦表面的第三表面区段，其中第三表面区段相对于基准平面的第二角度介于约40度和约70度之间，其中第二角度基于第二线性方程，并且其中三次方程或更高次方程的一阶导数与第二线性方程匹配。
在一些示例中，本公开描述了一种光学系统，该光学系统包括具有基本上准直的光输入分布的光导和转向膜，该转向膜包括第一主表面，该第一主表面限定与第一主表面平行的基准平面，其中第一主表面是基本上平滑的；和第二主表面，该第二主表面包括多个不对称微观结构，每个相应的不对称微观结构包括第一侧面，其中第一侧面为基本上平坦的；和第二侧面，该第二侧面包括限定基本上平坦表面的第一表面区段，其中第一表面区段相对于基准平面的第一角度介于约40度和约70度之间，其中第一角度基于第一线性方程；和限定非平坦表面的第二表面区段，其中第二表面区段的形状基于三次方程或更高次方程，其中三次方程或更高次方程基于光输入分布，其中三次方程或更高次方程的一阶导数与第一线性方程匹配；限定基本上平坦表面的第三表面区段，第三表面区段相对于基准平面的第二角度介于约40度和约70度之间，其中第二角度基于第二线性方程，其中三次方程或更高次方程的一阶导数与第二线性方程匹配，并且源自光导并穿过第一主表面离开的光的至少60％被包含在第一组特征视角中，其中第一主表面限定与第一主表面正交的中心视角，其中第一组特征视角相对于中心视角介于约-35度和约35度之间。
在一些示例中，本公开描述了一种光学系统，该光学系统包括具有第一光输入分布的光导和转向膜，该转向膜包括第一主表面，该第一主表面限定与第一主表面平行的基准平面，其中第一主表面是基本上平滑的；和第二主表面，该第二主表面包括多个不对称微观结构，每个相应的不对称微观结构包括第一侧面和第二侧面，该第二侧面包括限定基本上平坦表面的第一表面区段，其中第一表面区段相对于基准平面的第一角度被配置成提供在第一视角附近截止的第一光分布；限定非平坦表面的第二表面区段，其中第二表面区段被配置成从第一视角到第二视角基于第一光分布提供基本上相似的相对亮度；限定基本上平坦表面的第三表面区段，其中第三表面区段的第二角度被配置成提供在第二视角附近截止的第二光分布。
在一些示例中，本公开描述了一种车载显示系统，该车载显示系统包括车辆、车辆中的车载显示器，该车载显示器包括光学系统，该光学系统包括光导和转向膜，该转向膜包括第一主表面，其中第一主表面是基本上平滑的；和第二主表面，该第二主表面包括多个不对称微观结构，每个相应的不对称微观结构包括第一侧面，其中第一侧面是基本上平坦的；和第二侧面，该第二侧面包括限定基本上平坦表面的第一表面区段和限定非平坦表面的第二表面区段。
附图和以下描述中阐述了本公开的一个或多个示例的细节。根据说明书和附图以及权利要求书，本公开的其它特征、目标和优点将显而易见。
附图说明
图1为包括示例性光学系统的概念性和示意性侧视截面图，该光学系统包括具有平坦和非平坦小平面的ATF。
图2为具有平坦和非平坦小平面的ATF微观结构棱镜(“ATF棱镜”)的概念性和示意性侧截面图。
图3为向下引导方向对高度方向的曲线图，其示出了四个示例性ATF棱镜的概念性和示意性截面图。
图4为图3的示例性ATF棱镜的向下引导角度对表面斜率的示例性曲线图。
图5为图3的示例性ATF棱镜的向下引导角度对曲率的示例性曲线图。
图6为向下引导角度对相对亮度的示例性曲线图，其示出了可能入射在ATF上的光输入分布。
图7为极角和方位角对相对亮度的示例性锥光图，该相对亮度可能入射到图6的向下引导横截面光输入分布的ATF上。
图8为极角和方位角对相对亮度的示例性锥光图，该相对亮度可能入射到图6的向下引导横截面光输入分布的ATF上。
图9为向下引导角度对相对亮度的示例性曲线图，显示了示例性光学系统的光输出分布，以及来自于图6的向下引导横截面光输入分布的图3的示例性ATF棱镜。
图10为向下引导角度对相对亮度的示例性曲线图，显示了示例性光学系统的光输出分布，以及来自于图6的向下引导横截面光输入分布的图3的示例性ATF棱镜。
图11为向下引导角度对相对亮度的示例性曲线图，显示了在移除光学系统的一个或多个部件之后，具有ATF的示例性光学系统的光输出分布。
图12为具有多半径面棱镜的ATF的概念性和示意性截面图。
图13为向下引导角度对相对亮度的示例性曲线图，显示了示例性ATF的光输出分布，包括具有立方面棱镜的ATF和具有多半径面棱镜的ATF。
图14为向下引导角度对相对亮度的示例性曲线图，显示了示例性ATF的光输出分布，包括具有单半径面棱镜的ATF和具有二次面棱镜的ATF。
图15A-15D是向下引导角度对相对亮度的示例性曲线图，显示了示例性ATF的输出分布，包括针对各种输出分布宽度和角度设计的立方面棱镜。
图16A–16D是向下引导角度对相对亮度的示例性曲线图，显示了示例性ATF的输出分布，包括针对各种输出分布宽度和角度设计的立方面棱镜。
具体实施方式
本公开描述了不对称转向膜(ATF)和包括其的光学系统。在一些显示器应用中，可能要求光学系统在不降低背光源效率的情况下，在边缘和平顶处(即：顶帽形分布)提供具有强烈亮度滚降的输出分布。例如，在汽车显示器中，顶帽式分布可在垂直方向上的视角范围内，为具有接近均匀亮度的显示器提供锐截止，以减少在低环境光条件下从远离挡风玻璃的显示器发出的眩光。
转向膜背光可用于产生准直的输出光分布，并且转向膜棱镜小平面角度和棱镜倾斜可用于控制光分布的中心。具有平坦和非平坦面的所述ATF可用于提供有用的或所需的光输出分布，包括例如顶帽式分布。例如，与没有此类ATF的光学系统相比，具有所述ATF的光学系统可用于控制来自显示器的光的垂直角分布，而不会降低效率并且没有明显的亮度滚降。在一些示例中，所述ATF可包括邻近弯曲区段的至少一个平面区段，以提供顶帽式分布而不会吸收大量的光。在一些示例中，平面区段可提供在所需视角下具有锐边的光输出分布。在一些示例中，弯曲区段可提供具有平顶的光输出分布。在一些示例中，弯曲区段的形状可基于三次方程(或更高次方程)。在一些示例中，弯曲区段的形状可基于输入到ATF中的光的光输入分布。在一些示例中，所述ATF可单独使用或与百叶窗膜、角对比控制LCD等一起使用，以提高效率并减少不需要的杂散光。
图1为示例性光学系统100的概念性和示意性侧视截面图，该光学系统包括具有平坦和非平坦小平面的不对称转向膜(ATF)110。在图1的示例中，光学系统100可包括光导组件102，包括光源104、背反射器106和光导108；ATF 110；衬底112、分布器114、光学粘合剂116和液晶显示器118。在一些示例中，光学系统102可包括光导108和ATF 110。
在一些示例中，ATF 110可被配置成接收源自光导108的基本上准直的光(例如，以角度122准直的光束120)，并在基本上平行于显示轴线124的平面中输出准直的光(例如，光束126)。例如，ATF 110可接收来自转向薄膜型光导、或楔形或伪楔形光导等的准直光输出。
在一些示例中，光导组件102可包括任何合适的光源104中的一个或多个，或光源的组合(未示出)。在一些示例中，光源104可包括一个或多个发光二极管(LED)。在一些示例中，光源104可分别包括单一光源或可包括多个光源(例如，一堆或一系列光源)。在一些示例中，光源104可包括冷阴极荧光管(CCFL)或白炽光源。可选择光源104和任何对应的注入、准直或其它光学器件以提供任何合适的波长，或波长、偏振、点扩散分布和准直度的组合。
在一些示例中，光导组件102可包括光导108。在一些示例中，光导组件102可被配置成输出基本上准直的光，例如，基本上准直的光输出可包括具有小于40度的半高全宽(FWHM)的光输出。例如，光导组件102可包括光导108，该光导可包括具有楔形光导的转向膜光导，以通过全内反射的渐进式折返来提取光，使得光以高角度在向下引导方向沿显示轴线124从光导组件102输出。又如，光导组件102可包括光导108，光导可包括伪楔形件，该伪楔形件包括具有浅斜面提取器形状的平面光导，以弱视全内反射，使得提取的光以高角度从在向下引导方向上基本上平行于显示轴线124的光导组件102准直。在此类示例中，此类提取器的密度和面积比(即：提取器的表面积与背光光导的总面积的比例)被布置成均匀发光，并且基本上从光导108沿着其长度提取光(例如，从光导108提取80％的光，或从光导108提取90％的光，或从光导108提取95％的光)。另外，在此类示例中，光导组件102可在沿光传播方向的一侧上包括透镜和/或棱镜沟槽或结构，以散射传播光，破坏源图像伪影，或者在交叉波导方向上准直光(即，光可在向下引导方向和交叉波导方向上准直)。
在一些示例中，光导组件102可包括背反射器106。在一些示例中，背反射器106可循环光导108发出的光。例如，背反射器106可包括反射器，反射式偏振片等等。在一些示例中，背反射器106可包括光散射分布诸如，例如，漫射、近镜面或镜面。在一些示例中，背反射器106可包括一个薄膜层。在一些示例中，背反射器106可包括涂覆的金属化膜。在其它示例中，背反射器106可包括多于一个薄膜层，诸如例如，增强型镜面反射膜。
在一些示例中，ATF 110可包括基本上平滑的表面130(即，第一主表面)和结构化表面132(即，第二主表面)。在一些示例中，基本上平滑的表面130可限定显示轴线124，该显示轴线基本上垂直于基本上平滑的表面130延伸。在一些示例中，结构化表面132可包括多个微观结构134，每个微观结构具有在顶点140处相交的第一侧面136和第二侧面138。在一些示例中，顶点140可包括一些倒圆，例如，小于5％的周期，或小于2％的周期。在一些示例中，相邻的微观结构134可限定谷部142。在一些示例中，ATF 110可光学耦合到光导108。在一些示例中，ATF 110可紧邻光导108。在其它示例中，可在光导108和ATF 110之间设置附加层，例如，附加层可包括光学粘合剂或另一衬底。在一些示例中，ATF110可输出在第一平面内基本上准直的光。
在一些示例中，基本上平滑的表面130可能不是完全平滑的，例如，当表面不含微观结构时，基本上平滑的表面130可通过基本上平滑的表面。例如，在基本平滑的表面130的表面上可包括或掺入防浸润或防炫光珠状涂层，并且此类表面仍然可被认为是基本上平滑的。换句话讲，术语“基本上平滑的”不用于指示表面是完全平面的，而是指示表面是非结构化的。
在一些示例中，结构化表面132可包括微观结构134。在一些示例中，微观结构134可包括不对称微观结构。在一些示例中，微观结构134可包括不对称棱柱微观结构。在一些示例中，微观结构134可具有基本上相同的横向截面形状。在其它示例中，结构化表面132可包括多于一种类型的棱柱微观结构134，例如，角微观结构和/或多面微观结构。在一些示例中，微观结构134中的每一个可为线性微观结构，即，微观结构134可沿着垂直于显示轴线124的平面延伸，具有基本上相同(例如，相同或几乎相同)的横截面形状(例如，如图1的剖视图所示，并且沿页面内/外的轴线延伸)。
在一些示例中，微观结构134中的每一个可具有第一侧面136。在一些示例中，第一侧面136可为单个直的小平面。在其它示例中，第一侧面136可以为多面的。在其它示例中，第一侧面136可为弯曲的或弓形的，以从准直的输入分布形成合适的光输出分布。在一些示例中，光现有光导108可入射在ATF 110的微观结构134的第一侧面136上，例如，光束120可入射在第一侧面136上。
在一些示例中，微观结构134中的每一个可具有第二侧面138。在一些示例中，第二侧面138可为弯曲的或弓形的，以从准直的输入分布形成合适的光输出分布。在一些示例中，第二表面区段可为基本上凸状的。在其它示例中，第二表面区段可以为基本上凹状的。在一些示例中，第二侧面138除了可以为线性、凹状的、凸状的以及上述组合等类似形状之外，还可包括非光学相关的区段。在一些示例中，光现有光导108可入射在ATF 110的微观结构134的第一侧面136上，例如，光束120可入射在第一侧面136上。结构化表面132上的微观结构134的总体布置可具有任何合适的间距并且在相邻的微观结构之间可具有或可不具有刃棱面(即，平坦区域)。在一些示例中，微观结构134可彼此直接相邻，使得微观结构在相邻的微观结构上产生阴影效果。在一些示例中，微观结构134的被相邻的微观结构遮蔽的部分形状不会影响ATF的光分布。
微观结构134可以是任何合适的尺寸。在一些示例中，微观结构134可采用毫米或微米尺度，例如，微观结构134的间距介于约10和约200微米左右之间，或介于约10和约100微米左右之间。对于ATF 110结构化表面132的所有或部分，不对称微观结构134的间距或尺寸可增大、降低、增大和降低两者、或保持不变。在一些示例中，微观结构134可为全部基本上相同的(例如，相同或几乎相同)或可包括不同形状或尺寸的微观结构的组合。在一些示例中，ATF棱镜间距可影响光学系统100的视觉外观，降低光学系统100的莫尔效应，减小光学系统100的衍射效应等。
转向膜110可为任何合适的厚度并且可由任何合适的材料制成。在一些示例中，ATF 110可由聚合物材料形成，诸如聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)以及它们的共聚物和共混物。其它适当的材料包括丙烯酸类、聚苯乙烯、甲基苯乙烯、丙烯酸酯、聚丙烯、聚氯乙烯等。在一些示例中，ATF 110可为光学透明的或具有低雾度和高清晰度以避免不期望地散射的入射光。在一些示例中，ATF 110可具有足够高的折射率，诸如介于约1.45和约1.75之间，或介于约1.5和约1.75之间，以有利于在足够宽的角度范围内的全内反射。在一些示例中，可选择ATF 110的材料、尺寸或两者以制备柔性膜。
微观结构134，并且更具体地，结构化表面132可通过任何合适的工艺，诸如微复制工艺形成。例如，结构化表面132可以通过切割(飞刀切削、螺纹切削、金刚石车削等等)，或抵靠具有限定所需结构的负像的表面按压柔顺但可固化或可硬化的材料。随后可使材料硬化或固化(例如，通过暴露于光诸如紫外线)，从而保留具有期望的微观结构134的结构化表面132。用于形成ATF 110的其它工艺也是可能的，包括例如使用光刻法，诸如结合浇铸和固化工艺的工具的双光子原模制作或甚至直接机加工或增材三维打印工艺，用经过电镀的、激光切削或蚀刻的工具来进行浇铸和固化。
在一些示例中，ATF 110可光学耦合到衬底112。在一些示例中，ATF 110可在衬底112上形成，即，微观结构134可在衬底112上形成。在一些示例中，衬底112可为两个单独的衬底。
在一些示例中，衬底112可光学耦合到分布器114。在一些示例中，分布器114可被配置成在交叉波导方向(即，页面内/外)传播ATF 110发出的准直光。例如，分布器114可包括反折射的分布器微观结构。又如，分布器114可包括正交的混合透镜状分布器微观结构。在一些示例中，分布器114可基本上不影响向下引导(即，页面上的左/右)角亮度分布。在一些示例中，分布器114可在衬底112上形成，即，分布器114的微观结构可在衬底112上形成。在一些示例中，光学系统100可不包括分布器114。
在一些示例中，光学系统100可不包括衬底112，例如，ATF 110可与分布器114直接相邻。在一些示例中，衬底112可以是光学粘合剂、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯等。在一些示例中，ATF 110和分布器114可设置在衬底112的相对侧上。在其它示例中，ATF 110和分布器114可设置在两个单独的衬底上，其中两个衬底层压在一起或以其它方式光学耦合。
在一些示例中，液晶显示器(LCD)118可邻近分布器114设置。在一些示例中，LCD118可紧邻分布器114设置。在其它示例中，LCD 118可不紧邻分布器114设置。
在一些示例中，光学粘合剂116可将分布器114粘结到LCD 118上。在一些示例中，光学粘合剂116可部分地或完全地填充分布器114的相邻分布器微观结构之间的空隙。在一些示例中，其它层可设置在LCD 118和分布器114之间，例如，衬底或薄膜可设置在LCD 118和分布器114之间。
在一些示例中，光学系统100可安装在车辆中。例如，车辆显示系统可包括车辆(未示出)和车辆中的车辆显示器，该车辆显示器包括光学系统(例如，光学系统100)，该光学系统包括背光光导108、ATF 110、分布器114和LCD 118。在其它示例中，车辆显示系统可包括ATF 110和分布器114。在一些示例中，包括光学系统100的车辆显示器可具有基本上在±30度范围内的垂直角分布，相对于垂直于显示表面的中心视角居中±10度范围内，其中低光水平大于约+35度，其中+方向向上(即，朝向挡风玻璃)。在其它示例中，包括光学系统10的车辆显示器可具有相对于垂直于显示表面的中心视角基本上在–10至+20度之间的垂直角分布，其中低光水平(例如，小于约5％最大亮度)大于约+35度，其中+方向向上(即，朝向挡风玻璃)，中心视角基于驾驶员和正常位于车辆特殊布局中的显示器之间的交汇垂直角度。
图2为具有平坦和非平坦小平面的不对称转向膜微观结构棱镜(“ATF棱镜”)200的概念性和示意性侧截面图。ATF棱镜200可包括上文中关于图1的微观结构134所述的特征部，例如，ATF棱镜200可包括结构化表面132、第一侧面136、第二侧面138、顶点140和谷部142。在一些示例中，第一侧面136可包括注入面，源自光导组件102的相当一部分光透射穿过该注入面。在一些示例中，第二侧面138可包括转向面，通过该转向面有相当一部分光被反射。
在一些示例中，第二侧面138可包括第一表面区段202、第二表面区段204和第三表面区段206。在一些示例中，第一表面区段202可限定基本上平坦表面。例如，基本上平坦表面可包括角度范围小于约4度，或小于约2度，或小于约1度的区段。在一些示例中，第二表面区段204可限定非平坦表面。在一些示例中，第二表面区段可以为基本上凸状的。在其它示例中，第二表面区段204可以为基本上凹状的。在一些示例中，第三表面区段206可限定基本上平坦表面。
在一些示例中，第一表面区段202可从顶点140延伸至过渡点208，第二表面区段204可从第一过渡点208朝向ATF棱镜200和相邻棱镜之间的谷部142(即，微观结构134和相邻的微观结构之间)延伸。在其它示例中，在图2中未示出，第一表面区段可从谷部延伸至第一过渡点，并且第二表面区段可从第一过渡点朝向顶点延伸。
在一些示例中，顶点140和第一过渡点208之间的距离可介于顶点140和相应的不对称微观结构的谷部142之间的距离的约3％至约15％之间。在其它示例中，在图2中未示出，谷部和第一过渡点之间的距离可介于顶点和相应的不对称微观结构的谷部之间的距离的约3％至约50％之间。在一些示例中，第一过渡点208和谷部142之间的距离介于顶点140和相应的不对称微观结构的谷部142之间的距离的约85％至约97％之间。在其它示例中，在图2中未示出，第一过渡点和顶点之间的距离介于顶点和相应的不对称微观结构的谷部之间的距离的约50％至约97％之间。
在一些示例中，第一表面区段202可从顶点140延伸至第一过渡点208，第二表面区段204可从第一过渡点208延伸至第二过渡点210，第三表面区段206可从第二过渡点210朝向ATF棱镜200和相邻的棱镜之间的谷部142(即，微观结构134和相邻的微观结构之间)延伸。在其它示例中，在图2中未示出，第一表面区段可从谷部延伸至第一过渡点，并且第二表面区段可从第一过渡点延伸至第二过渡点，第三表面区段可从第二过渡点朝向顶点延伸。
在一些示例中，顶点140和第一过渡点208之间的距离可介于顶点140和相应的不对称微观结构的谷部142之间的距离的约3％至约15％之间。第一过渡点208和第二过渡点210之间的距离可介于顶点140和相应的不对称微观结构的谷部142之间的距离的约35％至约94％之间。并且第二过渡点210和谷部142之间的距离可介于顶点140和相应的不对称微观结构的谷部142之间的距离的约3％和约50％之间。在其它示例中，在图2中未示出，谷部和第一过渡点之间的距离可介于顶点和相应的不对称微观结构的谷部之间的距离的约3％至约50％之间；第一过渡点和第二过渡点之间的距离可介于顶点和相应的不对称微观结构的谷部之间的距离的约35％至约94％之间。并且第二过渡点和顶点之间的距离可介于顶点和相应的不对称微观结构的谷部之间的距离的约3％和约15％之间。
在一些示例中，ATF棱镜200可限定基本上平行于第一主表面(未示出)的基准平面212。在一些示例中，注入角214可为基准平面212和第一侧面136之间的角度。在一些示例中，注入角214可相对于基准平面212介于约40度和约90度之间。在一些示例中，第一角度216(例如，顶尖角)可为基准平面212和第一表面区段202之间的角度。在一些示例中，第一角度216可相对于基准平面212介于约40度和约90度之间，或者相对于基准平面212介于约40度和约70度之间。在一些示例中，第二角度218(例如，底角)可为基准平面212和第三表面区段202之间的角度。在一些示例中，第二角度218可相对于基准平面212介于约40度和约70度之间。
在一些示例中，ATF 200可包括中心224，ATF棱镜200在设计过程中可围绕该中心旋转，以提供期望的深度偏移和倾斜。例如，可通过沿正旋转方向226，围绕中心224旋转ATF棱镜200，然后减小深度并将其剪切到基准平面，来转换第二表面区段的注入角214、第一角度216、第二角度218和倾斜。又如，可通过沿正旋转方向226，围绕中心224旋转ATF棱镜200，然后增加深度并外推第一侧面136和/或第二侧面138至基准平面212，来转换第二表面区段的注入角214、第一角度216、第二角度218和倾斜。
在一些示例中，ATF棱镜200可具有基部线性分式，其可被定义为第三表面区段长度228与棱镜基部长度230的比率。在一些示例中，ATF棱镜200可具有顶尖线性部分分式，其可被定义为第一表面区段长度232与棱镜基部长度230的比率。在一些示例中，ATF棱镜200可包括第二表面区段长度234。
在一些示例中，第二表面区段204的形状可基于与ATF棱镜200的平面对齐的坐标系中的方程，其中原点位于第二过渡点210(即，坐标系具有x轴218和y轴220，其中原点位于第二表面区段204与第三表面区段206结合处)。在其它示例中，坐标系可与第二表面区段204的起点和终点对齐，与第一表面区段202对齐，与第三表面区段206等对齐。在其它示例中，坐标系原点可在第一过渡点208对齐，在第二表面区段204的中心对齐等。在一些示例中，第二表面区段204的形状可基于由以下方程式给出的三次方程：
(方程1)y＝D·x3+C·x2+B·x+A
其中，A、B、C和D为可调参数。在其它示例中，第二表面区段204的形状可基于更高次方程，例如，四次方程：
(方程2)y＝E·x4+D·x3+C·x2+B·x+A
其中，A、B、C和D为可调参数。在一些示例中，可调参数可用于满足位于第二表面区段204边缘的连续性和连续斜率边界条件(即，第一过渡点208和第二过渡点210)，和/或控制沿着第二表面区段204的曲率分布。例如，第一表面区段202的形状可基于第一线性方程，第二表面区段204的形状可基于三次方程，其中三次方程的一阶导数与第一线性方程匹配。又如，第一表面区段202的形状可基于第一线性方程，第二表面区段204的形状可基于更高次方程(例如，四次方程)，其中更高次方程的一阶导数与第一线性方程匹配。在一些示例中，三次方程可提供顶帽式分布，因为三次方程可给出产生期望的曲率分布的线性导数。在一些示例中，四次或更高次方程可提供顶帽式分布，因为四次或更高次方程可给出二次或更高次的二阶导数变化，其可产生所需的低-高-低型绝对曲率分布。在一些示例中，可调参数可用于满足边界限制，即，与第一过渡点208和第二过渡点210的位置和斜率匹配，并且任何附加的可调参数可用于控制第二表面区段204的曲率分布。
在一些示例中，第二表面区段204的特征可在于二阶导数比，该二阶导数比可被定义作为二阶导数与四次方程的二阶导数的比率，该二阶导数在三次方程的第二过渡点210处加以解答，该四次方程的二阶导数在第二过渡点210处加以解答，在第二过渡点210处具有与三次方程相同的坐标和斜率，并且在第一过渡点208处具有与三次方程相同的斜率。
在一些示例中，第一角度、第二角度、第一过渡点和第二过渡点可在设计过程中进行调整，从而在要求的角位置的顶帽式分布以及正确的总高度产生锐边。在一些示例中，第二表面区段的方程的可调参数可进行调整，以提供顶帽式分布。例如，顶帽式分布可包括基本上平顶的区域。
在一些示例中，基本上平顶可取决于诸如显示应用要求(例如，视距、显示器尺寸、相对于观察者的显示器方向等等)、人类视觉系统的反应(即，人眼和视觉相关的神经系统结构)，如视觉科学、行业惯例和生产要求所理解(例如，考虑实际装置制造中存在的变化的公差带等等)。应当理解，在一些示例中，可感知的亮度变化可取决于从眼睛观察到的变化的角频率。应当理解，在一些示例中，变化的角频率可与在特定视距(例如，60厘米的视距)下的显示器中的等效空间变化相关。应当理解，在一些示例中，亮度调制模式可包括动态特征，该特征可能会将亮度调制模式的感知增加系数2或系数4，在这其中，观察者或显示器上的亮度调制模式处于运动状态或者临时调制。在一些示例中，期望的角频率范围可被认为取决于亮度变化，包括横跨顶帽分布的基本上平顶的低角频率低-高-低亮度调制模式。在一些示例中，角频率范围可被认为取决于亮度调制，该亮度调制由亮度具有高-低-高亮度模式的一个或多个范围的区域内的较高角频率变化组成。在一些示例中，亮度变化的均匀度可根据亮度比率来定义，即，最小亮度与最大亮度的比率。在一些示例中，亮度比率可为至少约70％、或至少约80％、或高于约85％。在一些示例中，可能需要另外的公差带。在一些示例中，更高的角频率调制可基于特定的调制空间频率而具有不同的设计要求。
在一些示例中，顶帽式输出分布的基本上平顶区域可包括具有小于约5％调制(即，在平顶区域中的输出分布的峰值至峰值可变性小于10％)，或小于约4％调制，或小于约3％调制，或小于约2％调制，或小于约1％调制的分布。在一些示例中，第二表面区段的方程的可调参数可通过与优值函数耦合的非线性优化器进行调整。
图3为向下引导方向对高度方向的曲线图300，其示出了四个示例性不对称转向膜微观结构棱镜(ATF棱镜)302、304、306、308的概念性和示意性截面图。如图3所示，ATF棱镜302、304、306、308可包括棱镜基部长度，该长度可从位于第一侧面底部的原点进行测量，在该位置，向下引导方向为正向(即，负向朝向光源侧)。如图3所示，ATF棱镜302、304、306、308可包括棱镜高度，该棱镜高度可从位于第一侧面底部的原点进行测量，在该位置，正向朝向光导(即，负向朝向显示器表面)。如图3所示，ATF棱镜302、304、306、308可包括平坦表面和非平坦表面。例如，如图3所示，ATF棱镜302和306可由基本上平坦的第一表面区段(例如，斜率范围在小于9度的范围内，优选小于5度，更优选小于2度)、基本上非平坦的第二表面区段(例如，通过函数形式形成，例如，三次方程、四次或更高次方程，具有合适的可调参数或系数)和基本上平坦的第三表面区段组成。在一些示例中，如上文与图2相关的讨论，ATF棱镜可包括中心，ATF棱镜200在设计过程中可围绕该中心旋转，以提供期望的深度偏移和倾斜。例如，合适的深度偏移和合适的倾斜应用到ATF棱镜302，以形成ATF棱镜304的形状，因此，ATF棱镜302可通过沿正旋转方向围绕棱镜旋转，然后减小深度并将其剪切到基准平面，来转换到ATF棱镜304，这更改了第二表面区段注入角、第一角度、第二角度和倾斜。
表1示出了棱镜302、304、306的ATF棱镜设计参数，例如包括，注入角、基部线性分式，第二角度(即，底角)、顶尖线性分式，第一角度(即，顶尖角)、二阶导数的比率、间距和倾斜。
表1.
在一些示例中，ATF棱镜300可包括第四表面区段。在一些示例中，ATF棱镜300可包括多个表面区段。在一些示例中，第二表面区段可包括两个区段，每个区段由单独的线性方程、三次方程或更高次方程来定义。在一些示例中，第二侧面138的形状可为基本上连续的并且具有基本上连续的斜率。在其它示例中，第二侧面138的形状可为不连续的或者分段的，或具有不连续的斜率。例如，第二表面区段204可包括分段弧，例如，分段圆弧，二次多项式或高次多项式的分段弧等。在此类示例中，分段圆弧可为全凸状的，全凹状的，或以规则或不规则形式在两个形状之间交替。如图3所示，ATF棱镜308可包括四个表面区段，其中第二表面区段和第四表面区段包括分段圆弧。
图4为图3的示例性ATF棱镜302和308的向下引导角度对表面斜率的示例性曲线图400。在图4的示例中，曲线402和408分别对应于ATF棱镜302和308。图5为图3的示例性ATF棱镜302和308的向下引导角度对曲率的示例性曲线图500。在图5的示例中，曲线502和508分别对应于ATF棱镜302和308。如图4和图5的示例所示，示例性ATF棱柱可包括第一表面区段和第二表面区段以及第三表面区段，该第一表面区段可为基本上平坦的(即线性的)，该第二表面区段可包括更高曲率共混区域，该第三表面区段可为基本上平坦的(即线性的)。在一些示例中，第三表面区段可基本上延伸至ATF棱镜的底部。在其它示例中，第三表面区段可不延伸至ATF棱镜的底部。在一些示例中，第三表面区段的至少一部分可被相邻的ATF棱镜遮蔽。在一些示例中，第三表面区段的被相邻的微观结构遮蔽的部分的形状不会影响ATF的光分布。在一些示例中，第三表面区段的被相邻的ATF棱镜遮蔽的至少一部分可与具有一些其它斜率或形状的第四表面区段连接(例如，凹状或凸状形状；或圆形，二次，三次或四次；等等)。
实施例
图6为可能入射在不对称转向膜上的第一光输入分布和第二光输入分布的向下引导角度对相对亮度的示例性曲线图600。在一些示例中，ATF光输入分布可为光导组件的光输出分布。例如，如图1所示，光束120可表示在基本上准直的光输出分布中，光导组件102的角度122，即，光导组件的光输出分布可以具有在角度122上居中的小于约40度的半高全宽(FWHM)。
如图6所示，第一光导组件可输出第一向下引导截面输入分布602，并且第二光导组件可输出第二向下引导截面输入分布604。在一些示例中，向下引导截面输入分布可影响形成顶帽式输出分布的ATF微观结构的形状。在图6的示例中，在实物样本上测量分布602(即，Sure View光导组件，购自惠普公司，地址：加利福尼亚州，帕罗奥图(Hewlett-PackardCompany,Palo Alto,California))。在图6的示例中，分布604由向下引导截面构成，该分布在另一实物样本上进行测量(即，XPS膝上型电脑上的光导组件，购自戴尔公司，地址：得克萨斯州，圆石城(Dell,Round Rock,Texas))。对于分布602和604两者，使用测角器，购自西星公司(地址：密苏里州，圣查尔斯)(Westar,St.Charles,Missouri)，以及PR-705SpectraScan分光辐射计，购自弗士达研究公司(地址：纽约州，雪城)(Photo Research,Syracuse,New York)来表征。将横截面扫描±20度，形成大致分布，然后通过扫描中心±20度区域±90度来填充中心，从而为光线跟踪构造大致的近截面轴线模型。
图7为极角和方位角对相对亮度的示例性锥光图700，该相对亮度可能入射到图6的第一向下引导横截面光输入分布602的ATF上。图8为极角和方位角对相对亮度的示例性锥光图800，该相对亮度可能入射到图6的第二向下引导横截面光输入分布604的ATF上。在图7和图8的示例中，坐标系具有朝向90度方位角的向下引导方向，以及朝向270度方位角的光源方向。
例如，应当理解，在车辆显示系统的情况下，驾驶室坐标系可定义+/向上和–/向下，这可以或可以不与图6、7或8中所示的方向匹配。因此，指示为向上或向下的方向是为了方便描述附图，并不一定描述ATF的构型，例如，ATF或光学系统在车辆显示组件中的方向。例如，光学系统可生成顶帽式分布，该顶帽式分布在向下引导横截面输入分布(例如，图6的第一向下引导横截面光输入分布602的第二向下引导横截面光输入分布604)上可在负向上(与正向相比)具有更锋锐的截光角。在此类示例中，可能要求将负向方向与驾驶室坐标系中的+/向上方向对齐。
图9为向下引导角度对相对亮度的示例性曲线图900，显示了示例性光学系统的光输出分布，以及来自于图6的第一向下引导横截面光输入分布602的图3的示例性ATF棱镜302、304和306。在一些示例中，源自光导并穿过第一表面离开的光的至少约60％可包括在第一组特征视角中，其中第一主表面限定与第一主表面正交的中心视角。例如，第一组特征视角相对于中心视角介于约-35度和约35度之间。又如，第一组特征视角相对于中心视角介于约–20度和约20度之间。
在图9的示例中，光学系统可包括基本上与图1中光学系统100类似的特征部。在图9的示例中，假设ATF棱镜302、304和306的实数折射率为1.565，且虚数折射率为9.104×10–7，以及回射至光导组件的反射光学性能0.965镜像和0.02朗伯。在图9的示例中，光学系统可包括衬底，假设该衬底具有1.58的折射率、0.0191/毫米的吸收系数和86.2微米的厚度。在图9的示例中，光学系统可包括分布器，假设该分布器具有1.7的折射率和0.0107/毫米的吸收系数，并且用粘合剂粘结到LCD的后偏振器。在图9的示例中，粘合剂可具有1.5折射率，100微米的厚度，并且可完全填充分布器特征部。在图9的示例中，可假设LCD的后偏振器在透光状态时的透射率为0.95，且在遮光状态时的透射率为0.001，并且内部模块的背反射为0.001，材料指数为1.5，并且从现有空气边界9度的表面偏差产生散射。在一些示例中，9度的表面偏差的实际斜率分布可类似于局部球面表面偏差的斜率分布。在一些示例中，光学系统特征部可被忽略或具有其它值，例如，应当理解，反射率值和输入分布仅用于示例目的，并且本文所述的光学系统可与其它反射率值和其它光分布一起使用。
如图9的示例所示，目标顶帽式分布可被示为目标顶帽式分布902。在一些示例中，目标顶帽式输出902可包括基本上平顶，例如，具有小于约5％调制(即，在平顶区域中的输出分布的峰值至谷部可变性小于10％)，或小于约4％调制，或小于约3％调制，或小于约2％调制，或小于约1％调制的输出分布的平顶区域。在一些示例中，目标顶帽式输出902可包括介于约–20度和约10度之间的基本上平顶。在一些示例中，目标顶帽式输出902可包括顶帽式区域外的底(例如，对于顶帽式区域外的光分布的一侧或两侧，相对亮度小于或等于峰值相对亮度的约5％)。在一些示例中，目标顶帽式输出902可包括在截光角处或截光角附近基本上锋利的边缘过渡(例如，对于顶帽式区域的一侧或两侧，从平顶区域到底区域的过渡小于约15度)。在一些示例中，目标顶帽式输出902可包括其它标准，例如，顶帽式区域在特定向下引导角度对中，顶帽式区域在上部截光角以及下部截光角附近具有锋利边缘过渡，底区域相对亮度在平顶区域相对亮度的百分比范围内。
在一些示例中，ATF棱镜可被配置成为给定光输入分布产生顶帽式输出分布，例如，在光导以一光输入分布将光输入到ATF的情况下，第一角度、三次方程和第二角度可基于光输入分布。例如，如图9所示，ATF棱镜302可产生光分布904，该光分布在使用输入分布602时，可接近目标顶帽式分布902。在其它示例中，AFT棱镜可被配置成产生与目标顶帽式分布匹配的输出分布。在其它示例中，AFT棱镜可被配置成产生基本上与目标顶帽式分布相似的输出分布。在其它示例中，AFT棱镜可被配置成产生与目标顶帽式分布类似的输出分布。
在一些示例中，ATF棱镜可能不会为给定光输入分布产生顶帽式输出分布。例如，如图9所示，ATF棱镜304可能产生的光分布908，与目标顶帽式分布902不匹配(或基本上不相似)。又如，如图9所示，ATF棱镜306可能产生的光分布906与目标顶帽式分布902不匹配(或基本上不相似)。
在一些示例中，如图9的示例中，具有ATF棱镜的光学系统，其中基本上凸状的第二表面区段和第二角度(即，底角)大于第一角度(即，顶尖角)，顶帽式输出分布的加边可能来源于第一表面区段，并且顶帽式输出分布的减边可能来源于第三表面区段。在其它示例中，具有ATF棱镜的光学系统，其中基本上凹状的第二表面区段和第二角度(即，底角)小于第一角度(即，顶尖角)，顶帽式输出分布的加边可能来源于第三表面区段，并且顶帽式输出分布的减边可能来源于第一表面区段。
图10为向下引导角度对相对亮度的示例性曲线图1000，显示了示例性光学系统的光输出分布，以及来自于图6的第二向下引导横截面光输入分布604的图3的示例性ATF棱镜302、304和306。在图10的示例中，光学系统可基本上与上文图9所述的光学系统类似。
如图10的示例所示，目标顶帽式分布可被示为目标顶帽式分布1002。顶帽式分布1002可包括上文关于图9的目标顶帽式分布902所讨论的主题。
在一些示例中，ATF棱镜被配置成为给定光输入分布产生顶帽式输出分布。例如，如图10所示，ATF棱镜306可产生光分布1004，该光分布在使用输入分布604时接近目标顶帽式分布1002。
在一些示例中，ATF棱镜可能不会为给定光输入分布产生顶帽式输出分布。例如，如图10所示，ATF棱镜302可能产生光分布1008，该光分布在使用输入分布604时与目标顶帽式分布1002不匹配(或基本上不相似)。又如，如图10所示，ATF棱镜306可能产生光分布1004，该光分布在使用输入分布604时与目标顶帽式分布1002不匹配(或基本上不相似)。
通过图7和图8比较所示，与第一输入分布的目标顶帽式分布匹配、基本上相似、接近或类似的ATF棱镜形状，可能与第二输入分布的目标顶帽式分布不匹配、基本上不相似、不接近或不类似。例如，在给定输入分布602的情况下，ATF棱镜302产生的分布904接近顶帽式分布902，但在给定输入分布604的情况下，ATF棱镜302产生的分布1008不接近顶帽式分布1002。又如，在给定输入分布604的情况下，ATF棱镜304产生的分布1006接近顶帽式分布1002，但在给定输入分布602的情况下，ATF棱镜304产生的分布908不接近顶帽式分布902。这样，棱镜形状可能取决于光输入分布。
图11为向下引导角度对相对亮度(例如，标准化亮度)的示例性曲线图1100，显示了在移除光学系统的一个或多个部件之后，具有ATF的示例性光学系统的光输出分布，该ATF具有图3的ATF棱镜302。在图10的示例中，光学系统可基本上与上文图9所述的光学系统类似，除了光学系统的一个或多个特征部可能被移除之外。在图11的示例中，光学系统可包括层压并光学耦合到LCD的分布器，其中LCD可包括来自诸如LCD表面上的粗糙防眩光涂层的一些漫射。
如图11的示例所示，目标顶帽式分布可被示为目标顶帽式分布1102。如图11所示，ATF棱镜302具有立方体第二表面区段、分布器以及光学粘合剂，该光学粘合剂将分布器层压并光学耦合到LCD可能产生输出分布1104。
如图11所示，ATF棱镜具有立方体第二表面区段，该第二表面区段通过光学粘合剂层压并光学耦合到LCD，在没有分布器的情况下，可能产生输出分布1106。在一些示例中，如输出分布1106所示，分布器层的去除可增加底部分上的光输出，并且与具有分布器的输出分布1104相比，可能不会以其它方式影响输出分布。
如图11所示，ATF棱镜具有立方体第二表面区段、分布器以及LCD，没有使用光学粘合剂将分布器层压并光学耦合到LCD，可能产生输出分布1108。在一些示例中，如输出分布1108所示，与具有粘合剂的输出分布1104相比，光学粘合剂的移除可能不会影响输出分布的平顶部分，并且可能影响输出分布的底部分(即，可能增加广角杂散光)。
如图11所示，ATF棱镜具有立方体第二表面区段、分布器以及光学粘合剂，没有LCD，可能产生输出分布1110。在输出分布1110的示例中，与具有LCD的输出分布1104相比，移除LCD可能影响平顶部分的平面度和输出分布的底部分的平面度。在一些示例中，在移除LCD的情况下，平顶部分的平面度变化和输出分布的底部分的平面度变化可能指示LCD中或靠近LCD的其它位置中的漫射是需要的。例如，该扩散角可为，例如，在最大亮度的5％半宽时小于约15度，或在最大亮度的5％半宽时小于约7度，或在最大亮度的5％半宽时小于约4.5度。
图12为具有多半径面棱镜的ATF的概念性和示意性截面图。ATF棱镜1200可包括上文中关于图1的微观结构134所述的特征部，例如，ATF棱镜1200可包括结构化表面132、第一侧面136、第二侧面138、顶点140和谷部142。在一些示例中，第一侧面136可包括注入面，源自光导组件102的相当一部分光透射穿过该注入面。在一些示例中，第二侧面138可包括转向面，通过该转向面有相当一部分光被反射。
在一些示例中，第二侧面138可包括多个表面区段。例如，多个表面区段可包括第一表面区段1202、第二表面区段1204、第三表面区段1206、第四表面区段1208和第五表面区段1210。
在一些示例中，多个表面区段可以为任何合适的长度和形状。在一些示例中，第一表面区段1202可从顶点140延伸至第一过渡点1212。在一些示例中，第二表面区段1204可从第一过渡点1212延伸至第二过渡点1214。在一些示例中，第三表面区段1206可从第二过渡点1214延伸至第三过渡点1216。在一些示例中，第四表面区段1208可从第三过渡点1216延伸至第四过渡点1218。在一些示例中，第五表面区段1210可从第四过渡点1218朝向ATF棱镜1200和相邻棱镜之间的谷部142延伸。在一些示例中，第一表面区段1202可限定基本上平坦表面。在一些示例中，第二表面区段1204可限定非平坦表面。在一些示例中，第三表面区段1206可限定非平坦表面。在一些示例中，第四表面区段1208可限定基本上平坦表面。在一些示例中，第五表面区段1210可限定基本上平坦表面。在一些示例中，如图12所示，ATF棱镜1200可被限定在坐标系中，所述坐标系的原点位于第一侧面136的基部，其中所述多个区段中的每一个的起点可被定义为X-Y坐标，其中X轴被定义为基准平面，通过该基准平面可对多个区段中的每一个的底角进行测量，多个区段中的每一个可具有一个“线长”，其中多个区段中的每一个的曲率可被定义为“总弧”(单位，度)，多个区段中的每一个的“曲率半径”可通过原点“曲率半径”Xo和“曲率半径”Yo来定义。例如，在图12的示例中，下表可定义多个表面区段，
表2.
在一些示例中，ATF棱镜1200可限定基准平面1220。在一些示例中，注入角1222可为基准平面1220和第一侧面136之间的角度。在一些示例中，注入角1222可相对于基准平面1222介于约40度和约90度之间。在图12的示例中，注入角1222为65度。
在一些示例中，如图12所示，第二侧面138可限定连续面并且多个表面区段中的每一个可在相应的多个过渡点处限定不连续的斜率。如图12所示，每个相邻的多个表面区段在相应的多个过渡点处的斜率相对于彼此可能较小。在图12的示例中，每个相邻表面区段的总弧可在正曲率和负曲率之间交替，以减小区段之间的斜率差值。在其它示例中，各相邻表面区段的总弧可全为正值。在其它示例中，各相邻表面区段的总弧可全为负值。在其它示例中，各相邻表面区段的总弧可采用其它设置。
图13为向下引导角度对相对亮度的示例性曲线图，显示了图3的示例性ATF棱镜302(即，基于三次方程的第二表面区段)和图12的1200(基于多半径面的第二表面区段)的光输出分布，提供图6的光输入分布602。如图13的示例所示，目标顶帽式分布可被示为目标顶帽式分布1302。如图13所示，ATF棱镜302可产生光分布1304，该光分布在使用输入分布602时，可接近目标顶帽式分布1302。如图13所示，ATF棱镜1200可产生光分布1306，该光分布在使用输入分布602时，可接近目标顶帽式分布1302。这样，图13显示了在第一过渡点和第二过渡点处具有不连续斜率的基于多半径的第二表面区段，以及第二表面区段的子区段可能产生顶帽式光输出分布。
图14为向下引导角度对相对亮度的示例性曲线图，显示了示例性ATF的光输出分布，包括具有单半径转向面棱镜的ATF和具有二次面棱镜的ATF。在一些示例中，包括ATF棱镜的ATF具有基于三次方程(或更高次方程)的面，其提供的顶帽式输出分布与没有基于三次方程(或更高次方程)的面的ATF相比，可提供改善的顶帽式输出分布。例如，输出分布1404可对应于呈半径型的第二表面区段，不具有第一表面区段和平坦的第三表面区段，输出分布1406可对应于呈二次型的第二表面区段，不具有第一表面区段和平坦的第三表面区段，输出分布1408可对应于呈二次型的第二表面区段，具有平坦的第一表面区段和平坦的第三表面区段。在一些示例中，输出分布1404、1406、1408可能与目标分布1402不匹配。在一些示例中，输出分布1404、1406、1408可能不与目标分布1402基本上相似。在一些示例中，输出分布1404、1406、1408可能与目标分布1402不类似。在一些示例中，输出分布1404、1406、1408可能具有顶帽式分布，即，平顶部分具有基本上为零或正值的圆顶形，与该正值圆顶形的偏差小于约3％或小于约2％，或小于约1％，并且在通过90％亮度点进行测量时，分布宽度可为至少约20度，或者至少约25度，或至少约30度，并且至少在小于约15度，或小于约7度的角范围内的输出分布的一侧上，下降至低于最大亮度的5％。
图15A-B是向下引导角度对相对亮度的示例性曲线图，显示了示例性ATF的光输出分布，包括针对各种输出分布宽度和角度设计的立方面棱镜。在一些示例中，可对ATF棱镜设计参数进行调整，从而产生的输出分布对中在目标中心角上或在目标中心角附近，具有目标宽度(例如，目标截光角)。在一些示例中，可调整的ATF设计参数可包括诸如，第一表面区段202与第二侧面138弦长的比率(即，顶尖线性分式)、第三表面区段206与第二侧面138弦长的比率(即，基部线性分式)、第一角度216(即，顶尖角)、第二角度218(即，底角)、二阶导数比率等等。表3示出了用于ATF棱镜1502–1518的示例性ATF棱镜设计参数，其被设计成满足目标中心角(例如，以–10度、0度或10度为中心的输出分布)和目标宽度(例如，大约25度、30度和35度的宽度)。表3的ATF棱镜1502-1518对应于图15A–D的输出分布1502–1518。
表3.
在一些示例中，可调整ATF棱镜设计参数以改变目标中心角。例如，图15A的曲线图1500A示出了对应于ATF棱镜1502、1504、1506的输出分布。如图15A所示，ATF棱镜1502以0度(即，在y轴上)为中心，ATF棱镜1504以-10度为中心，并且ATF棱镜1506以10度为中心。又如，图15B的曲线图1500B示出了对应于ATF棱镜1508、1510、1512的输出分布。如图15B所示，ATF棱镜1508以0度(y轴)为中心，ATF棱镜1510以-10度为中心，并且ATF棱镜1512以10度为中心。例如，图15C的曲线图1500C示出了对应于ATF棱镜1514、1516、1518的输出分布。如图15C所示，ATF棱镜1514以0度(y轴)为中心，ATF棱镜1516以-10度为中心，并且ATF棱镜1518以10度为中心。这样，可以对本文所公开的ATF的ATF棱镜设计参数进行调整，从而将输出分布对中在目标中心角上。
在一些示例中，可调整ATF棱镜设计参数以改变输出分布的目标宽度。例如，图15D的曲线图1500D示出了对应于ATF棱镜1502、1508、1514的输出分布。如图15D所示，ATF棱镜1502具有约30度的宽度，ATF棱镜1508具有约25度的宽度，ATF棱镜1514具有约35度的宽度。这样，可以对本文所公开的ATF的ATF棱镜设计参数进行调整，从而使产生的输出分布具有或接近目标输出分布宽度。
图16A-16B是向下引导角度对相对亮度的示例性曲线图，显示了示例性ATF的光输出分布，包括针对各种输出分布宽度和角度设计的立方面棱镜。图16A-16D的示例，使用与上文图15A-15D所述相同的可调ATF设计参数。表4示出了用于ATF棱镜1602–1618的示例性ATF棱镜设计参数，其被设计成满足目标中心角(例如，以–10度、0度或10度为中心的输出分布)和目标宽度(例如，大约25度、30度和35度的宽度)。表4的ATF棱镜1602–1618对应于图16A–D的输出分布1602–1618。
表4.
在一些示例中，可调整ATF棱镜设计参数以改变目标中心角。例如，图16A的曲线图1600A示出了对应于ATF棱镜1602、1604、1606的输出分布。如图16A所示，ATF棱镜1602以0度(即，在y轴上)为中心，ATF棱镜1604以-10度为中心，并且ATF棱镜1606以10度为中心。又如，图16B的曲线图1600B示出了对应于ATF棱镜1608、1610、1612的输出分布。如图16B所示，ATF棱镜1608以0度(y轴)为中心，ATF棱镜1610以-10度为中心，并且ATF棱镜1612以10度为中心。例如，图16C的曲线图1600C示出了对应于ATF棱镜1614、1616、1618的输出分布。如图16C所示，ATF棱镜1614以0度(y轴)为中心，ATF棱镜1616以-10度为中心，并且ATF棱镜1618以10度为中心。这样，可以对本文所公开的ATF的ATF棱镜设计参数进行调整，从而将输出分布对中在目标中心角上。
在一些示例中，可调整ATF棱镜设计参数以改变输出分布的目标宽度。例如，图16D的曲线图1600D示出了对应于ATF棱镜1602、1608、1614的输出分布。如图16D所示，ATF棱镜1602具有约30度的宽度，ATF棱镜1608具有约25度的宽度，ATF棱镜1614具有约35度的宽度。这样，可以对本文所公开的ATF的ATF棱镜设计参数进行调整，从而使产生的输出分布具有或接近目标输出分布宽度。
在一些示例中，可根据一个或多个ATF棱镜表面区段预测的输出射线角，对ATF棱镜设计参数进行调整。例如，ATF棱镜表面区段的输出射线角可由下式给出
(方程3)β＝90+arcsin(n×sin[Θ2–(Θa–arcsin((1/n)×sin(90–Θ1–α)))])其中，β是指相对于显示轴线的输出射线角(即，正常的第一主表面)，n是指ATF棱镜折射率，Θ2是指表面区段的角度(例如，第一角度、第二角度等等)，Θa是指棱镜顶角(即，第一侧面和第二侧面之间的角度)，Θ1是指注入角214(即，入射窗面角度)，α是指相对于第一侧面表面，入射在ATF棱镜的第一侧面上的光线角度。在一些示例中，公式3可用于预测ATF棱镜的第一表面区段和第三表面区段的输出射线，以预测ATF的输出分布(即，顶帽式分布的边缘)的截光角。
在一些示例中，可调整ATF棱镜设计参数以满足设计规范、标准或规格。例如，可调整ATF棱镜设计参数，以满足欧盟原始设备制造商标准，例如，汽车应用的显示器规格V4.5.2，等等。例如，可调整ATF棱镜设计参数，从而使提供的输出分布具有源自光导(即，通过转向膜以及显示器偏振片之前的背光总输出)并穿过ATF离开的光的至少约60％被包含在显示轴线上对中的+20度和–10度之内，或者输出分布具有源自光导并穿过ATF离开的光的至少约60％被包含在显示轴线上对中的+8度和–4度之内，等等。

Claims (41)

1.一种光学系统，所述光学系统包括：
光导；和
转向膜，所述转向膜包括：
第一主表面，其中所述第一主表面为基本上平滑的；和
第二主表面，所述第二主表面包括多个不对称微观结构，每个相应的不对称微观结构包括：
第一侧面，其中所述第一侧面为基本上平坦的；和
第二侧面，所述第二侧面包括：
限定基本上平坦表面的第一表面区段；和
限定非平坦表面的第二表面区段。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述第一表面区段从所述第一侧面和所述第二侧面的交汇处的顶点延伸至第一过渡点，其中所述第二表面区段从所述第一过渡点朝向所述相应的不对称微观结构和相邻的不对称微观结构之间的谷部延伸。
3.根据权利要求2所述的光学系统，其中所述第二表面区段为基本上凸状的。
4.根据权利要求2或3中任一项所述的光学系统，其中所述顶点和所述第一过渡点之间的距离介于所述顶点与所述相应的不对称微观结构的所述谷部之间的距离的约3％至约15％之间。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的光学系统，其中所述第一过渡点和所述谷部之间的距离介于所述顶点与所述相应的不对称微观结构的所述谷部之间的距离的约85％至约97％之间。
6.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述第一表面区段从所述相应的不对称微观结构和相邻的不对称微观结构之间的谷部延伸至第一过渡点，其中所述第二表面区段从所述第一过渡点朝向所述第一侧面和所述第二侧面的交汇处的顶点延伸。
7.根据权利要求4所述的光学系统，其中所述第二表面区段为基本上凹状的。
8.根据权利要求6或7中任一项所述的光学系统，其中所述谷部和所述第一过渡点之间的距离介于所述顶点与所述相应的不对称微观结构的所述谷部之间的距离的约3％至约50％之间。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的光学系统，其中所述第一过渡点和所述顶点之间的距离介于所述顶点与所述相应的不对称微观结构的所述谷部之间的距离的约50％至约90％之间。
10.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述多个不对称微观结构中的每个不对称微观结构具有基本上相同的横向截面形状。
11.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述第一主表面限定与所述第一主表面基本上平行的基准平面，其中所述第一表面区段相对于所述基准平面的第一角度介于约40度和约70度之间。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的光学系统，其中所述第二表面区段的形状基于三次方程。
13.根据权利要求11所述的光学系统，其中所述第一表面区段的形状基于第一线性方程，其中所述第二表面区段的形状基于三次方程，其中所述三次方程的一阶导数与所述第一线性方程匹配。
14.根据权利要求11所述的光学系统，其中所述第一角度基于第一线性方程，其中所述第二表面区段的形状基于四次或更高次方程，其中所述四次或更高次方程的一阶导数与所述第一线性方程匹配。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的光学系统，其中源自所述光导并穿过所述第一主表面离开的光的至少约60％被包含在第一组特征视角中，其中所述第一主表面限定与所述第一主表面正交的中心视角。
16.根据权利要求15所述的光学系统，其中所述第一组特征视角相对于所述中心视角介于约-35度和约35度之间。
17.根据权利要求1-14中任一项所述的光学系统，其中源自所述光导并穿过所述第一主表面离开的光的至少60％被包含在第一组特征视角中，其中所述第一主表面限定与所述第一主表面正交的中心视角，其中所述第一组特征视角相对于所述中心视角介于约-20度和约20度之间。
18.根据权利要求1-17中任一项所述的光学系统，所述第二侧面还包括限定基本上平坦表面的第三表面区段。
19.根据权利要求18所述的光学系统，其中所述第三表面区段相对于所述基准平面的第二角度介于约40度和约70度之间。
20.根据权利要求19所述的光学系统，其中所述光导以一光输入分布将光输入到所述转向膜中，其中所述第一角度、所述三次方程和所述第二角度基于所述光输入分布。
21.根据权利要求18-20中任一项所述的光学系统，其中源自所述光导并穿过所述第一主表面离开的光的至少60％被包含在第一组特征视角中，其中所述第一主表面限定与所述第一主表面正交的中心视角。
22.根据权利要求21所述的光学系统，其中所述第一组特征视角相对于所述中心视角介于约-35度和约35度之间。
23.根据权利要求18-20中任一项所述的光学系统，其中源自所述光导并穿过所述第一主表面离开的光的至少60％被包含在第一组特征视角中，其中所述第一主表面限定与所述第一主表面正交的中心视角，其中所述第一组特征视角相对于所述中心视角介于约-20度和约20度之间。
24.一种光学系统，所述光学系统包括：
光导；和
转向膜，所述转向膜包括：
第一主表面，所述第一主表面限定与所述第一主表面平行的基准平面，其中所述第一主表面为基本上平滑的；和
第二主表面，所述第二主表面包括多个不对称微观结构，每个相应的不对称微观结构包括：
第一侧面，其中所述第一侧面为基本上平坦的；和
第二侧面，所述第二侧面包括：
限定基本上平坦表面的第一表面区段，其中相对于所述基准平面，所述第一表面区段相对于所述基准平面的第一角度介于约40度和约70度之间，其中所述第一角度基于第一线性方程；和
限定非平坦表面的第二表面区段，其中所述第二表面区段的形状基于三次方程或更高次方程，其中所述三次方程或更高次方程的一阶导数与所述第一线性方程匹配；
限定基本上平坦表面的第三表面区段，其中所述第三表面区段相对于所述基准平面的第二角度介于约40度和约70度之间，其中所述第二角度基于第二线性方程，其中所述三次方程或更高次方程的一阶导数与所述第二线性方程匹配。
25.一种光学系统，所述光学系统包括：
光导，所述光导具有第一基本上准直的光输入分布；和
转向膜，所述转向膜包括：
第一主表面，所述第一主表面限定与所述第一主表面平行的基准平面，其中所述第一主表面为基本上平滑的；和
第二主表面，所述第二主表面包括多个不对称微观结构，每个相应的不对称微观结构包括：
第一侧面，其中所述第一侧面为基本上平坦的；和
第二侧面，所述第二侧面包括：
限定基本上平坦表面的第一表面区段，其中相对于所述基准平面，所述第一表面区段相对于所述基准平面的第一角度介于约40度和约70度之间，其中所述第一角度基于第一线性方程；和
限定非平坦表面的第二表面区段，其中所述第二表面区段的形状基于三次方程或更高次方程，其中所述三次方程或更高次方程基于所述光输入分布，其中所述三次方程或更高次方程的一阶导数与所述第一线性方程匹配；
限定基本上平坦表面的第三表面区段，其中所述第三表面区段相对于所述基准平面的第二角度介于约40度和约70度之间，其中所述第二角度基于第二线性方程，其中所述三次方程或更高次方程的一阶导数与所述第二线性方程匹配，
其中源自所述光导并穿过所述第一主表面离开的光的至少60％被包含在第一组特征视角中，其中所述第一主表面限定与所述第一主表面正交的中心视角，其中所述第一组特征视角相对于所述中心视角介于约-35度和约35度之间。
26.一种光学系统，所述光学系统包括：
光导，所述光导具有第一光输入分布；和
转向膜，所述转向膜包括：
第一主表面，所述第一主表面限定与所述第一主表面平行的基准平面，其中所述第一主表面为基本上平滑的；和
第二主表面，所述第二主表面包括多个不对称微观结构，每个相应的不对称微观结构包括：
第一侧面；和
第二侧面，所述第二侧面包括：
限定基本上平坦表面的第一表面区段，其中所述第一表面区段相对于所述基准平面的第一角度被配置成提供在第一视角附近截止的第一光分布；
限定非平坦表面的第二表面区段，其中所述第二表面区段被配置成从所述第一视角到第二视角基于所述第一光分布提供基本上相似的相对亮度；和
限定基本上平坦表面的第三表面区段，其中所述第三表面区段的第二角度被配置成提供在所述第二视角附近截止的第二光分布。
27.根据权利要求26所述的光学系统，其中源自所述光导并穿过所述第一主表面离开的光的至少60％被包含在第一组特征视角中，其中所述第一主表面限定与所述第一主表面正交的中心视角，其中所述第一组特征视角相对于所述中心视角介于约-35度和约35度之间。
28.根据权利要求1-27中任一项所述的光学系统，其中所述第一表面区段和所述第二表面区段被配置成以顶帽式亮度分布来输出光，其中顶帽式分布包括平顶，其中所述平顶包含小于约2％的亮度调制百分比。
29.根据权利要求28所述的光学系统，其中所述顶帽式分布还包括第一截光角，所述第一截光角包括从所述平顶区域到底区域小于约15度的过渡，所述过渡包括小于所述顶帽式分布的最大亮度的约5％的亮度。
30.根据权利要求18-27中任一项所述的光学系统，其中所述第一表面区段、所述第二表面区段和所述第三表面区段被配置成以顶帽式亮度分布来输出光，其中顶帽式分布包括平顶，其中所述平顶包含小于约2％的亮度调制百分比。
31.根据权利要求30所述的光学系统，其中所述顶帽式分布还包括第一截光角，所述第一截光角包括从所述平顶区域到底区域小于约15度的过渡，所述过渡包括小于所述顶帽式分布的最大亮度的约5％的亮度。
32.一种车辆显示系统，所述车辆显示系统包括：
车辆，
所述车辆中的车辆显示器，所述车辆显示器包括光学系统，所述光学系统包括：
光导；和
转向膜，所述转向膜包括：
第一主表面，其中所述第一主表面为基本上平滑的；和
第二主表面，所述第二主表面包括多个不对称微观结构，每个相应的不对称微观结构包括：
第一侧面，其中所述第一侧面为基本上平坦的；和
第二侧面，所述第二侧面包括：
限定基本上平坦表面的第一表面区段；和
限定非平坦表面的第二表面区段。
33.根据权利要求32所述的车辆显示系统，其中所述光导被配置成提供第一光输入分布，其中所述第一主表面限定与所述第一主表面平行的基准平面，其中相对于所述基准平面，所述第一表面区段相对于所述基准平面的第一角度介于约40度和约70度之间，其中所述第一角度基于第一线性方程，其中所述第二表面区段的形状基于三次方程或更高次方程，其中所述三次方程或更高次方程的一阶导数与所述第一线性方程匹配。
34.根据权利要求32或33中任一项所述的车辆显示系统，其中源自所述光导并穿过所述第一主表面离开的光的至少60％被包含在第一组特征视角中，其中所述第一主表面限定与所述第一主表面正交的中心视角，其中所述第一组特征视角相对于所述中心视角介于约-35度和约35度之间。
35.根据权利要求32-34中任一项所述的车辆显示系统，其中所述第一表面区段和所述第二表面区段被配置成以顶帽式亮度分布来输出光，其中顶帽式分布包括平顶，其中所述平顶包含小于约2％的亮度调制百分比。
36.根据权利要求35所述的光学系统，其中所述顶帽式分布还包括第一截光角，所述第一截光角包括从所述平顶区域到底区域小于约15度的过渡，所述过渡包括小于所述顶帽式分布的最大亮度的约5％的亮度。
37.根据权利要求32所述的车辆显示系统，所述第二侧面还包括限定基本上平坦表面的第三表面区段。
38.根据权利要求37所述的车辆显示系统，其中所述光导被配置成提供第一光输入分布，其中所述第一主表面限定与所述第一主表面平行的基准平面，其中相对于所述基准平面，所述第一表面区段相对于所述基准平面的第一角度介于约40度和约70度之间，其中所述第一角度基于第一线性方程，其中所述第二表面区段的形状基于三次方程或更高次方程，其中所述三次方程或更高次方程基于所述光输入分布，其中所述三次方程或更高次方程的一阶导数与所述第一线性方程匹配，其中所述第三表面区段相对于所述基准平面的第二角度介于约40度和约70度之间，其中所述第二角度基于第二线性方程，其中所述三次方程或更高次方程的一阶导数与所述第二线性方程匹配。
39.根据权利要求37或38中任一项所述的车辆显示系统，其中源自所述光导并穿过所述第一主表面离开的光的至少60％被包含在第一组特征视角中，其中所述第一主表面限定与所述第一主表面正交的中心视角，其中所述第一组特征视角相对于所述中心视角介于约-35度和约35度之间。
40.根据权利要求37-39中任一项所述的光学系统，其中所述第一表面区段、所述第二表面区段和所述第三表面区段被配置成以顶帽式亮度分布来输出光，其中顶帽式分布包括平顶，其中所述平顶包含小于约2％的亮度调制百分比。
41.根据权利要求40所述的光学系统，其中所述顶帽式分布还包括第一截光角，所述第一截光角包括从所述平顶区域到底区域小于约15度的过渡，所述过渡包括小于所述顶帽式分布的最大亮度的约5％的亮度。
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