CN111936785A - 光学装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种透明光学装置(100)，其包括：光导介质(101)，配置用于光传播；以及至少一个光学功能层(10)，包括至少一个光学功能特征图案(11)，所述至少一个光学功能特征图案(11)由提供作为光学功能内部腔体(12)的多个嵌入特征形成在光透射的载体介质(111)中，其中，所述至少一个特征图案(11)配置为执行入射光控制功能以及至少光耦出功能，从而使杂散光最小化并且建立所述装置(100)的光学透明度。

Description

光学装置
技术领域
总体上，本发明属于光透射的基板光学。特别是，本发明关注光学透明光分布元件，诸如光导，及其制造方法。本发明还关注光学透明照明装置，其包括光分布元件。
背景技术
透明照明装置在各种应用中日益重要，诸如普通发光源、窗和立面(faqade)照明、反射和透明显示照明、街道和交通信号牌等。为了提供良好透明解决方案，存在四个主要挑战，即：1.表面浮凸(relief)光学图案、开口结构；2.光分布管理；3.杂散光控制；以及4.高透明度。过去已经开发了若干前光解决方案；然而这些方案中绝大多数已经失败并且出于不同的原因不会渗透到市场。
开口光学结构引起由于污染和物理缺陷风险而造成的问题。该解决方案不适合于绝大多数的实际工业应用。完全集成的层叠照明装置不会采用表面浮凸图案解决方案。附加地，开口结构总是造成漏光，所述漏光会发展为杂散光。
取决于光学需求和规范，在没有附加光片，诸如亮度增强膜(BEF)情况下实现光分布控制总是极具挑战的。透明装置不可能在不降低透明度的情况下使用任何额外片。附加地，优选的光提取仍是挑战。此外，提供完全集成的装置(例如，通过层叠)不允许添加任何分离的光片。只有非常先进的光学解决方案才能解决该问题。
任何类型的表面照明装置(诸如信号牌、具有视觉观看性能的显示照明)应该在观看方向上具有最小化的杂散光，因为杂散光可大幅降低视觉对比度。该特征在所有应用中几乎都具有挑战性。原因在于光学图案自身可能由漏光和菲涅尔反射引起杂散光。在第一光学图案表面(光入射表面)处提取以大多数入射角到达光学图案(光导内部)的光线；但是，以某些入射角到达的一些光线是穿过图案透射的并且可能引起不期望的杂散光和菲涅尔反射。附加地，未层叠的装置解决方案总是由它们的外表面引起菲涅尔杂散光。
最终，光学透明度总是取决于光学图案特征以及它们的性质及在环境光和不在环境光情况下的可见度。自然地，越大的特征越是可见，但是越小的特征当装置被照明时变得可见，因为低图案密度可能形成通常引起观看角的杂散光的可见亮斑。
图1a-1b示出了常规光导1解决方案，其中，图1a是开口表面光导并且图1b是包括在光导介质2中构成的气腔12A的光导。
图1a-1b示出了常规解决方案所遇到的用于前光，背光和一般照明构思的光导中不期望的杂散光的基本问题。在配置为开口结构的常规表面浮凸图案以及先进腔体图案结构中，会发生漏光问题。这是常见问题并且尚不具有合理的解决方案。
图1c图示了从美国申请公开No.2018/0088270(Tuohioja等人)已知的利用腔体光学的前光解决方案。描绘了上述公开的图4A-4C的图1c提供了光分布角的横截面视图等。锥光图4C(编号属于参考公开中的编号)上由圆圈表示发展的杂散光。提及的公开没有教导如何使杂散光问题最小化，也没有教导如何与第一图案表面设计一起优化耦入(incoupled)的光分布，以便在没有杂散光的情况下实现优选的照明，该杂散光降低了观看性能，例如，显示对比度。该公开还缺少对处理由菲涅尔反射引起的降低对比度性能和透明度的指示。
实际上，已知的解决方案总体上涉及由图案轮廓提取光，其中，光以大多数适合的入射光到达所述轮廓处。这些解决方案都不能解决涉及杂散光的发展的挑战性入射光。
一些现有技术解决方案解决了一些上述问题，并且对于光导的外部表面上的抗反射层(AR层)的一般理解已经使用了几年。然而，这些现有技术解决方案不能解决所有期望的性质；因此，缺少实际解决方案存在于若干工业应用中。在较早之前已经存在用于透明照明目的的腔体光学，但没有任何真正的解决方案用于减少漏光和杂散光以改进最终质量性能。本公开解决了若干实际问题，即，如何实现优选的透明照明解决方案，包括一些用户端产品配置的使用模型。
就此而言，鉴于与使光学图案中散射和/或杂散光发展消除或至少最小化相关联的挑战，在实质上透明的照明装置的制造领域中的技术更新仍然是期望的。
发明内容
本发明的目的是至少缓解从相关技术的限制和缺点产生的每一个问题。该目的根据独立权利要求1所限定的由透明光学装置的各种实施例来实现，
在实施例中，提供一种透明光学装置，其包括：光导介质，配置用于光传播；至少一个光学功能层，包括至少一个光学功能特征图案，该至少一个光学功能特征图案由提供作为光学功能内部腔体的多个嵌入特征形成在光透射的载体介质中，其中，所述至少一个特征图案配置为，通过在图案处建立预定耦入光分布和/或通过修改材料的折射率和光学装置中提供的元件以及元件之间的界面，执行入射光控制功能并且至少光耦出功能，从而使杂散光最小化并且建立装置的光学透明度。
在实施例中，所述透明光学装置中，光学功能层的一个或多个光学功能通过以下中的至少一个建立：维度、形状、周期性和腔体在特征图案内的沉积，并且由所述特征图案的填充因子值建立。
在实施例中，所述透明光学装置中，至少一个特征图案的腔体包括入射表面和出射表面，其中，入射表面配置为耦入到达那里的入射光并且将光线指引到腔体中朝向出射表面，并且其中，出射表面配置为接收到达那里的光线并且将所述光线传输到所述腔体外部进入光透射的载体介质，用于传播和/或耦出。
在实施例中，所述透明光学装置中，出射表面配置为以至少折射功能传输光。
在实施例中，所述透明光学装置中，入射表面配置为耦入以预定入射角或小于相对于表面法线的临界角的入射角而耦入到达那里的光，从而避免耦出的菲涅尔反射。
在实施例中，所述透明光学装置中，入射表面还配置为用准直功能耦入到达那里的光并且将光线指引到腔体中，使得光传播穿过腔体同时避免撞击除出射表面以外的任何其他表面。
在实施例中，所述透明光学装置中，至少一个特征图案11中的腔体配置为经由全内反射(TIR)功能而耦出到达入射表面的入射光。
在实施例中，所述透明光学装置中，至少一个特征图案中的腔体包括在腔体内部内入射表面处设置的抗反射层。在实施例中，至少一个特征图案中的腔体还包括在腔体内部内出射表面处设置的抗反射层。
在实施例中，所述透明光学装置中，腔体由气体介质填充，优选地用空气填充。
在实施例中，所述透明光学装置中提供的特征图案中，嵌入腔体特征与多个相关光通道交替。
在实施例中，嵌入特征图案在光透射的载体介质中通过以下建立：由抵靠载体介质的图案化的层布置的载体介质的整体平坦平面层构成的层叠结构，从而在层之间的界面处形成多个光学功能内部腔体。
在实施例中，所述透明光学装置还包括由光透射的载体介质形成的层之间的界面处设置的抗反射层。
在实施例中，所述透明光学装置中，嵌入光学腔体特征选自由以下构成的组：槽、凹槽、点和像素，其中，所述腔体特征的横向轮廓选自：二元形、闪耀形、倾斜形、棱柱形、梯形、半球形轮廓等，并且其中，所述特征的纵向形状选自：线性、弯曲、波浪形、正弦形等。
在实施例中，所述透明光学装置中，至少一个特征图案是包括多个离散特征轮廓和/或多个至少部分连续特征轮廓的混合图案。
在实施例中，所述透明光学装置中，至少一个特征图案完全集成和/或嵌入在光透射的载体介质内。
在实施例中，透明光学装置还包括在光学功能层上设置的至少一个抗反射层，从而特征图案配置为在其一个或多个光学功能方面与所述抗反射层配合以避免菲涅尔反射。
在实施例中，所述透明光学装置中，光导介质和光学功能层是光学聚合物和/或玻璃。
在实施例中，所述透明光学装置还包括至少一个光学滤波器层，其设置在光导介质的至少一个表面上并且通过其整个表面覆盖或在其预定区域处设置有至少一个光学功能，其中，光学滤波器层的至少一个光学功能在至少其构成的材料方面选自：反射、透射、偏振和折射。
在实施例中，所述光学滤波器层由基板材料形成，该基板材料的折射率低于构成光学功能层的材料的折射率并且优选地低于构成光导介质的材料的折射率。
在实施例中，光学滤波器层配置为反射式全内反射层结构。
在实施例中，所述透明光学装置中，光学滤波器层设置在光导介质的两个表面上。在实施例中，所述光学滤波器层设置在光导介质与光学功能层之间。
在实施例中，所述透明光学装置中，光学滤波器层包括多个光学孔以使得光能够穿过其传输，所述孔布置在所述光学滤波器层处的预定位置内或沿着和/或跨所述光学滤波器层的整个表面延伸。
在实施例中，所述透明光学装置还包括配置为建立与照明表面的至少一部分的光学接合的光学接触层。
在实施例中，所述光学接触层是可选地设置有包括多个光学功能特征的至少一个特征图案的均匀层。
在实施例中，所述光学接触层配置为与照明表面建立非永久光学联合。在实施例中，所述光学接触层配置为与照明表面建立永久连接。
在实施例中，所述透明光学装置还包括至少一个光源。在实施例中，所述透明光学装置中，光透明度是在从所述至少一个光源中产生的照明存在和不存在的情况下建立的。
在实施例中，所述透明光学装置配置为前光照明装置或背光照明装置。
在另一方面，根据独立权利要求37所限定的，提供一种透明光学制品，该制品包括根据实施例的透明光学装置。
在又一方面，根据独立权利要求39所限定的，提供一种根据实施例的透明光学装置的用途。
本发明的实用性从取决于其每个特定实施例的各种原因中产生。首先，本发明属于新型光提取图案解决方案。
在一些优选地实施例中，由此提供的解决方案有利地实现为集成的(内部)腔体光学系统。在涉及光学腔体的典型解决方案中，光通常部分透射(穿透)到所述腔体中，由此引起不期望的折射和菲涅尔反射并且完美光分布控制不可实现。相反，在此呈现的解决方案中，提取的光分布(相应在反射角和方向以及折射角和方向的方面)可以由相关联的光学功能特征图案的TIR提取功能以高精度进行最终控制。
目前装置的光学透明度归因于若干结构化特性，其例如允许避免或至少最小化由菲涅尔反射引起的散射光和杂散光的量。解决方案允许改进显示装置上的图像的视觉质量，例如通过消除模糊、重影、由于杂散光而形成双重图像，色彩显示的“冲洗”并且避免显示对比度降低。
解决方案可以用于前光和背光、窗和立面照明，信号牌和信号灯，太阳能应用，装饰性照明，光屏蔽件和遮蔽件，诸如屋顶灯的公共和一般照明等。存在许多应用和市场趋势，其需要这些特殊和先进透明光导解决方案，其中需要不同特征及其优化。
目前的公开集中在提供光学装置，其中以开光和关光模式显著改进透明度以进一步能够消除或至少最小化有害的杂散光和菲涅尔反射。
应强调的是，在常规解决方案中，在第一光学图案表面(光入射表面)处提取以大多数入射角入射光学图案化的结构的光；但是，以某些入射角到达的一些光线透射穿过图案并且可引起不期望的杂散光和菲涅尔反射。
由此呈现的光学装置主要出于光耦合和照明目的来配置。其透明度通过对材料和元件设计的深入选择来取得，该目标总体上在于通过各种方式最小化杂散光，由此还最小化菲涅尔反射。
术语“光学”和“光”除非明确说明否则很大程度上作为同义词使用并且指代在电磁谱的某一部分内的电磁辐射，优选地但不限于可见光。
在其最宽的含义中，术语“光学滤波器”或“滤光器”在本公开中指代用于改变光谱强度分布或其上入射的电磁辐射的偏振态的装置或材料。滤波器可以涉及执行选自以下的各种光学功能：透射、反射、吸收、折射、干涉、衍射、散射和偏振。
在其最宽的含义中，术语“光导”或“波导”在本公开中指代配置为沿其(例如从光源到光提取表面)传输光的装置或结构。定义涉及各种类型的光导，包括但不限于光导管类型部件、光导板、光导面板等。
术语“载体”或“载体介质”总体上指代由基板材料构成的平坦平面构件，其配置为用于光传播并且可选地包括分层的结构。
术语“元件”在本公开中用于指示实体的一部分。
表述“若干”在此指代从一(1)开始的任意正整数(例如到一、二或三)；然而表述“多个”在此指代从二(2)开始的任意正整数(例如到二、三或四)。
术语“第一”和“第二”不旨在表示任何顺序、数量或重要性，而是仅用于将一个元素与另一个元素区分。
附图说明
通过考虑详细描述和所附附图，本发明的不同实施例将变得显而易见，其中：
图1a-c示出了常规光导解决方案。
图2是限定并入到根据一些方面的透明照明装置(即透明光学装置)的若干解决方案中的各种特征的图表。
图3a-3k示出了光学特征和穿过其的光传输的各种配置。图3l示出了具有如图3i-3k中实施的若干光学特征的光学功能层的示例性配置。
图4a-4c示意性示出了根据一些实施例的为前光照明配置的透明光学装置。
图5和6是说明光学图案轮廓设计隐含的对光提取和杂散光的效果的图。
图7是根据一些实施例实现的解决方案与常规前光的比较图表。
图8说明抗反射层布置隐含的对杂散光的效果。
图9和10示意性示出了考虑最小化菲涅尔反射的根据一些实施例的透明光学装置。
图11和12示意性示出了根据一些实施例的透明光学装置的堆叠体。
图13和14示意性示出了结合照明表面的根据一些实施例的透明光学装置的堆叠体。
图15和16示例性示出了特征图案内提供的光学功能特征轮廓的示例性配置。
图17图示了光学腔体图案表面轮廓的原理设计方法。
具体实施方式
在此参考所附附图公开本发明的详细实施例。贯穿附图使用相同参考标记以指代相同构件。以下引用关系用于各构件：
1、2-相应地，具有光导介质的常规光导；
10-光分布层结构；
11-光学特征图案；
111、111A、111B-光透射的载体介质；
12-光学(图案)特征；
121、122-相应地，单独光学特征的光入射表面和光出射表面；
12A-光学(图案)特征(现有技术)；
13-光通道；
21、211-抗反射层；
30-粘合剂；
31-光学接触接合；
40-具有低折射率的层(现有技术)；
41-具有孔41A的光学滤波器层；
42-不具有孔41A的光学滤波器层；
51-照明/观看表面；
61-光吸收表面；
62-覆盖件；
100、100A-透明光学装置；
101-光学透明基板；
71-光源；
711-入射光；
712-提取的(耦出的)光；
713-仅杂散光；
714-通过菲涅尔导致的杂散光；
下面讨论以100、100A(在下文中，光学装置100、100A)实施的完全透明光导解决方案。图2示出了限定不同阶段的特征表征的图表，由此可以获得透明光导解决方案。
本公开因此尤其提供给其透明度不取决于照明模式的光导解决方案。光学装置100、100A当开光时和当关光时是透明的。目前的解决方案利用以预定角度的光耦出(提取)的构思，从而可避免不期望的杂散光。
在示例性透明光导元件不用于照明目的的情况下，其在被动模式，从而典型地需要穿过该元件的视觉透明度。例如，反射显示器在环境光条件下(例如在太阳光条件下)不需要照明。因此，为了建立前光照明而不降低所述显示器的视觉性质，光导解决方案必须完全透明。太阳光在某些角度可能引起模糊、色彩失真或通过菲涅尔反射或背反射降低对比度。在根据实施例的光学装置100、100A中消除提及的缺陷。
在主动模式中，光学装置100、100A可以配置为为单侧照明表面(诸如显示器或海报)或双侧照明(诸如立面或窗)提供照明。考虑到优选的照明分布、视觉角度范围等，在各个情况下指定照明目的是重要的，以便特别是在显示器和立面照明中以最有效消除或至少最小化不期望的杂散光的方式构建光学装置。
基于状态(被动或主动)，可以如下对光学装置解决方案的基本标准进行分类：
I.被动模式(不被照明的)的透明度标准：a)最小化的模糊、不存在散射、不存在色彩失真；b)最小化菲涅尔反射；c)不可见的光学图案特征；d)不可见的光学图案密度变化。
II.主动模式(被照明的)的透明度标准：a)通过光学图案导致的最小化的杂散光；b)通过光学界面(表面反射或层反射)导致的最小化菲涅尔反射；c)通过光学图案(内反射)导致的最小化菲涅尔反射；d)光学提取质量、不存在散射(反射、全内反射)。
自然地，透明照明需要功能层的先进光学材料，其应该是无散射且无色移的。这对于光导介质、粘合剂(诸如光学透明胶(OCA))和低Ri包覆层是关键问题。例如，具有非物理孔的连续低Ri包覆层是避免散射风险和大量的散射光(参见图4a)的关键解决方案。已经观察到，包覆层中提供的并以由具有不同折射率的材料构成的层所层叠的物理孔引起光散射、模糊和低对比度。本公开使得作为具有由局部折射率改变所限定的光学孔的连续低Ri包覆层提供的改进解决方案成为可能。这可以经由以下实现：利用喷墨印刷、反偏移印刷、激光或电子束处理等等的较高折射率材料吸收。因此不必使光学孔具有边缘，在边缘处可能引起光散射。此外，OCA和其他材料不必含有散射性质或色移特征。
为了为每个不同产品解决方案生成优化的透明照明装置，理解要进行的基本标准和解决方案是重要的。本发明解决基本问题，特别是考虑到通过减少轮廓表面处杂散光泄漏和消除或至少最小化内部菲涅尔反射来改进内部腔体性能。通过将两个或更多个特性特征组合来取得最佳结果。下面呈现关于实现透明度和减少杂散光/不期望的菲涅尔反射的若干主要问题。
1.光学腔体图案解决方案，其中由人眼无法捕获的相对较小特征(不超过25pm)形成光学轮廓。可以利用较大特征以与轮廓表面(混合图案)上设置的抗反射(AR)涂层或AR图案结合，该较大特征使得基本图案对于人眼而言更为可见。表面质量必须是不会引起任何散射的光学等级，因此不引起杂散光。
2.光学腔体图案解决方案(其中光学图案设计可以由恒定图案密度或梯度图案密度区分)，其中图案密度的填充因子必须保持得较低，诸如总面积的10-50％。同样，在邻近局部区域之间的填充因子变化的范围应该是近似(±)3％，然而相对拐角区域之间的填充因子变化的范围为近似(±)20％，以便避免/最小化由于不同区域之间的填充因子的高低变化造成的图案可见度。
3.光学腔体图案解决方案，其中腔体图案轮廓的第一表面配置为基于全内反射(TIR)或折射而提取/耦出所有光；因此光学腔体内部不传输光(图3a、3i)，以便避免和最小化杂散光和菲涅尔反射。典型地，该类型的单一光管理和布置需要光源或至少在垂直方向上的光耦入准直，从而限制光导元件处入射的角度范围。
4.光学腔体图案解决方案，其中腔体图案轮廓的第一表面在腔体内部提取和重新指引以遇见第二表面，而没有任何漏光也没有由腔体界面表面的底部(即腔体的底表面)上的折射而发展杂散光。这样的避免需要解决方案，其中(腔体)图案轮廓的第一表面配置为接收以预定入射角入射的光，特别是入射角小于相对于表面法线的临界角，以避免泄漏的杂散光。可以由以下限制入射光：光学准直(光学件)或提供吸收层以在光耦入边缘处接收以较大角度(即超过临界角)入射的光(图3e-3h)。
5.对称光学腔体图案解决方案，其中第一表面提取光并且第二表面传输或重新指引光而不是耦出，所以它不会直接耦出不期望的菲涅尔反射使其离开光导元件(图3b、3j和3c)。如果利用周期性图案，则第二表面配置为在改进的光方向和提取/耦出效率的方面与下一个图案表面合作。
6.对称光学腔体图案解决方案，其中第一表面提取光并且第二表面传输或重新指引光而不是耦出，从而最小化不期望方向的菲涅尔反射(图3c)。
6.光学腔体图案解决方案，其中第一表面和/或第二表面可以提供有抗反射涂层或抗反射结构，优选地，由AR图案或多层涂层导致的宽带抗反射(AR)、或者低Ri涂层，以便最小化例如菲涅尔反射(图3d、3g)。图案和AR结构/涂层形成具有多功能的混合结构。
7.光学腔体图案轮廓可以是二元形、闪耀形、倾斜形、微透镜、梯形等(图3a-31)。轮廓是三维的并且可以形成点、线性或非线性线、像素、包括可变图案的多形状的特征。这些轮廓可以单独用在气腔解决方案中，而没有任何涂层或子图案，但是它们可以利用主光学轮廓上提供的AR涂层或AR图案特征，因为提供所述AR涂层/结构使得图案更为不可见。
8.在形成光学腔体图案轮廓时，具有整体平坦表面的子层中的一个(参见图31)可以提供有AR涂层或AR图案，其将在两层层叠、接合之后仍仅保留在气腔图案中。在两层接合中，光学界面应消失并且AR功能应终止。只有腔体区域才具有主动AR表面(图31)。
9.光学腔体图案元件，其中一个表面是对环境光(单侧)具有在外侧的AR层(AR涂层或AR图案)的光提取表面，以便在相反方向上最小化不期望的菲涅尔反射(图9)。在双侧光提取的情况下，不需要AR层。
10.光学腔体图案元件，其中一个表面是用于通过光学结合材料具有与显示表面上的光学接触的显示叠层(单侧)的光提取表面，以便在相反方向上最小化不期望的菲涅尔反射(图10)。此外，同一提取表面可以具有AR涂层或AR图案，以最小化光导和接合层之间的界面菲涅尔反射。
11.无光学图案光导元件，其中一个表面是滤光表面，其中光由非物理孔通行穿过它以便通过光学接合在显示表面上提供优选照明。滤光表面形成有具有光传输接触件、孔(图4a、4b)的低折射率包覆层。
12.使用光学腔体图案解决方案，其中由此所有光学层是透明和非散射的而没有色移，诸如低Ri包覆层、OCA层，即不具有任何物理光散射特征的层。
13.光学腔体元件，其中优化图案轮廓以使衍射畸变的散射最小化，其中锐利尖端和形式被最小化、圆化或平坦化。
透明光导和透明腔体光学件具有许多应用。典型地，光学图案自身必须基于逐个情况进行设计和优化。
在一些配置中，在光学功能层内提供的至少一个光学图案通过选自由以下构成的组的浮凸形式来建立：槽、凹槽、点和像素，其中所述浮凸形式的横向凹入或凸出轮廓选自：二元形、闪耀形、倾斜形、棱柱形、梯形、半球形等，并且其中所述浮凸形式的纵向形状选自：线性、弯曲的、波浪形、正弦形等。
图11图示了透明光学装置的各种实施例下的构思，该透明光学装置在一些实例中称为“透明照明装置”。我们通过术语“透明”指代光学透明度的功能，其总体上定义为允许光子到达所述材料的表面以不受影响地通行穿过材料的材料的物理性质，诸如不会被散射、吸收或背反射。本装置100的光学透明度由下文描述的若干结构属性建立，该结构属性允许避免或至少最小化由菲涅尔反射引起的散射光和杂散光的量，例如由此进一步消除由于杂散光和颜色“冲洗”等导致的视觉模糊、重影和/或双重图像的形成。
为了对不同产品配置(例如，前光、背光、各种照明目标的照明板)优化透明照明装置100、100A，理解由要继续进行的最终产品隐含的基本标准和需求是重要的。本公开提供具有优化的内部腔体性能的透明光学装置的综合解决方案，特别是，在避免由经由轮廓表面的漏光和/或由内部菲涅尔反射而产生的杂散光的方面。下面本文呈现的不同配置涉及被指引到取得透明度及避免杂散光的两个或更多个特性的组合。
透明光学装置100，在下文中，光学装置100，包括光导介质101和至少一个光学功能层10。光导介质有利地配置用于光传播，然而光学功能层10配置为经由对入射到其的光的控制功能且经由至少光耦出功能来建立装置101的光学透明度。
提及的光学功能以非限制方式下归因于提供至少一个光学功能特征图案11(图9)。
图9是根据某一基本实施例的光学功能层10的横截面视图。层10因此形成光分布结构并包括在光透射的载体介质111中由多个嵌入的光学特征建立的至少一个特征图案11。光学特征由多个内部光学腔体12(即，内部、嵌入或集成的腔体光学件)形成。后者还被称为“腔体”或“腔体轮廓”。
参考图31，其示出了层结构10的内部组织，其上载体介质的整体平坦的平面层111A布置为抵靠载体介质的图案化层111B，使得内部(即，嵌入或集成的)特征图案11在图案化层111B和平面层111A之间的界面处建立。不示出载体层111A、111B之间的边界，以强调完整结构10的实质上“一件式”本质。完整结构10被提供为单个层。
在一些实例中，以波导介质101的膜、片或涂层的形式提供光学功能层10。
在实施例中，透明光学装置100因此包括为光传播所配置的光导介质101，以及至少一个光学功能层10，该至少一个光学功能层10包括在光透射的载体介质111中由作为光学功能内部腔体12提供的多个嵌入特征形成的至少一个光学功能特征图案11。所述至少一个特征图案11配置为，通过在图案11处建立预定耦入光分布和/或通过修改材料的折射率和光学装置中提供的元件以及元件之间的界面而执行入射光控制功能并且至少光耦出功能，由此使杂散光最小化并且建立装置100的光学透明度。
在实施例中，光学功能层10的一个或多个光学功能由以下中的至少一个建立：维度、形状、周期性和腔体12在特征图案11内的沉积，并且由所述特征图案的填充因子值建立。
诸如腔体12的光学特征被提供在参考区域内，诸如具有图案11的光学功能层内。在所述参考区域内，所述光学特征的设计参数，诸如填充因子和/或密度，以及周期、节距、高度、长度、角度、曲率、局部像素尺寸、位置等，可以变化。通过光学特征12与单位区域的百分(％)比来定义的填充因子(FF)(也被称为填充系数)是设计光学解决方案的关键参数。因此，FF定义特征12在参考区域中的相对部分。
具有光学腔体图案的光学功能层10以指定应用方式通常设计用于透明背光、前光和照明面板，由此光学图案设计可以具有恒定图案密度或梯度图案密度，其中图案密度的填充因子值必须在相对较低水平，诸如总面积的10-50％。
同样，在邻近局部区域之间的填充因子变化的范围应该是近似(±)3％，然而相对拐角区域之间的填充因子变化的范围为近似(±)20％，以便避免/最小化由于不同区域之间的填充因子的高低变化造成的图案可见度。实现的透明度影响最终效率；解决方案越透明，取得的效率越高。最大效率通过连续周期性轮廓和诸如像素的局部轮廓是可取得的。对于透明的解决方案，最大填充因子可以在透明度、模糊和杂散光方面优化。一个显著益处是具有恒定且有效的三维光学图案(固体填充因子设计)，其可以用于多个应用。这降低了材料和产品成本，并且可以制造相对较大尺寸(例如大于0.5-1.5m2(平方米))的光学装置。
参考说明载体介质111(图31示出)中提供的光学腔体12的各种配置的图3a-3k。描述的配置中，所述载体介质111的折射率值(n1)超过填充嵌入腔体12的介质的折射率值(n2)。腔体12至少包括：第一表面121，配置为接收入射光的入射表面；以及第二表面122，配置为出射表面，穿过该出射表面出射腔体的光传输到介质111中以用于照明目标表面。只有遵循由此公开的正在被腔体图案引导的预定路径的光才能用于照明目的。
因此提供光透射的载体介质111作为光学聚合物或玻璃。在示例性配置中，载体介质111是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
在一些配置中，腔体12用气体介质填充。更优选地，腔体用空气填充。然而，任何其他气体介质，以及任何流体、液体、凝胶或固体可以提供作为所述腔体的填充材料。
图3a和3i图示根据实施例的配置，其中在第一(入射)表面121上入射的光经由全内反射(TIR)或折射被耦出(提取)。光不被传输到腔体内部，由此可以避免或至少最小化杂散光和菲涅尔反射。典型地，该类型的单一光管理和布置需要具有窄光分布或至少在垂直方向上的光耦入准直的特定光源，由此限制了光导元件处入射的角度范围。该解决方案需要例如近似10°垂直光准直，以便实现TIR功能。光耦入需要特定光学布置，其可以集成到光源中或到光导边缘中。这样的布置可以包括光学元件和/或光导在耦入区域中的两个表面上的重新指引反射层。同样，可以利用吸收层，其中消除了所有较大入射光角度。
图3b和3j图示了非对称腔体光学件解决方案和由其所遇到的基本菲涅尔反射问题。光以这样的一个或多个角度在图案(腔体12)处入射，该角度的光当在腔体12内部被重新指引时经由菲涅尔反射形成有害的杂散光。菲涅尔反射的(杂散)光714可以在显示表面处从图案(虚线)进一步耦出。
图3c示出了对称光学腔体解决方案，其中第一(出射)表面121配置为耦入到达那里的入射光并且将光线指引到腔体中朝向第二表面122，并且其中第二表面122配置为接收到达那里的光线并且将所述光线传输到腔体外部到光透射的载体介质111中，以在所述介质11中传播和/或耦出(离开层10和装置100朝向照明表面)。在图3c的配置中，由第二表面122引起的菲涅尔反射不是从腔体(俘获的)中耦出的。这样的图案设计最小化不期望的杂散光。附加地，在利用周期性图案解决方案的情况下，第二表面122配置为与随后腔体12的第一表面121合作以传输和重新指引光，由此可以通过优化光线入射到每一个(随后)腔体的方向来改进光提取/耦出效率。
图3d和3k图示了根据实施例的配置，用于通过经由提供具有第一表面121(图3d)上或第二表面122(表3k)上附加光学功能的层21(诸如抗反射层)消除菲涅尔反射来最小化杂散光，如下文进一步讨论。由交叉箭头指示避免菲涅尔反射。
图3e图示了腔体光学件解决方案和由其所遇到的杂散光问题。因此，入射光在第一表面121处被接收并且在腔体12内部被重新指引，从其中发生漏光(杂散光，图3e)，由于腔体的底表面处的折射，即腔体(n2)和周围介质(n1)之间的界面处的折射。
图3f和3g所示的配置中，不期望的光杂散和/或菲涅尔反射可以通过至少提供耦入以预定角度或角度范围到达那里的光的第一表面121来避免或至少最小化。
图3f、3g所示的配置中，入射表面121配置为耦入并进一步分布以小于相对于表面法线的临界角的入射角的范围或预定入射角到达那里的光，由此避免耦出的菲涅尔反射。
临界角是光相对于表面法线的入射角，在该临界角处发生全内反射的现象。当折射角相对于表面法线构成90度时，入射角变成临界角(即，等于临界角)。典型地，当光从具有(较)高折射率(Ri)的介质通行到具有(较)低Ri的介质，例如从塑料(Ri1.4-1.6)或玻璃(Ri1.5)到空气(Ri1)或到具有实质上低折射率的其他任何介质时，TIR发生。对于从高Ri介质行进到低Ri介质的光线，如果入射角(例如，在玻璃-空气界面处)大于临界角，则介质边界充当非常良好的反射镜并且光将被反射(回到高Ri介质，诸如玻璃)。当TIR发生时，没有能量穿过边界传输。从另一方面，以小于临界角的一个或多个角度入射的光将被部分折射离开高Ri介质并且被部分反射。反射光与折射光比例很大程度上取决于入射角和介质的折射率。
根据等式(1)计算出临界角：
(1)
Figure BDA0002693409420000161
应注意到，临界角随基板空气界面(例如，塑料-空气、玻璃-空气等)改变。例如，对于大多数塑料和玻璃，临界角构成约为42度。因此，在示例性波导中，在诸如PMMA片的光透射的介质与空气之间的边界处以45度角(相对于表面法线)入射的光将可能反射回到光导介质，从而将不会发生光耦出。
因此，图3f图示使得光能够穿过光学图案(腔体12)传输的解决方案，其中，通过在第一表面121处限制入射角(θmax)来避免或至少最小化光杂散。这需要解决方案，其中腔体轮廓的第一表面配置为将入射角的范围限制为低于相对于表面法线的临界角的值，以避免穿过底部界面的泄漏杂散光。可以通过在表面121处(光耦入边缘)提供光学准直元件、重新指引反射器或吸收层(未示出)来限制入射角，其中垂直光分布需要在近似(±)15°的范围中。
基于耦入光分布参数，腔体的第一表面121可以构造为/设计为使得光穿过光学图案能够适当(进一步)耦出和传输，由此由限制的入射角(θmax)最小化杂散光。
根据等式(2)确定入射角θmax：
(2)
Figure BDA0002693409420000162
其中n3是光导外侧(即光透射的载体111外侧，参见图17，A)的外部介质的折射率(Ri)。
在较少准直耦入光的情况下，必须修改第一表面121以便耦入入射光并且因此将耦入的光重新指引到位于相对壁122处的预定单个焦点，优选地靠近底表面(界面)，由此可以避免杂散光。
图3g所示出的配置中，入射表面121还配置为用准直功能耦入到达那里的光并且将光线指引到腔体中，使得光传播穿过腔体同时避免撞击除所述出射表面122以外的任何其他表面。
图3g还图示了使得光能够穿过光学图案(腔体12)传输的解决方案，其通过修改至少第一表面轮廓(由图3h处进一步放大的虚线三角形示出)。该解决方案允许通过修改入射光的折射角(虚线)避免或至少最小化杂散光。
图案表面轮廓12的优化部分可以由高级等式(3)来限定，根据其修改图案特征轮廓12以便在不存在杂散光时折射穿过背壁122传输的光，公式如下所示：
Figure BDA0002693409420000171
Figure BDA0002693409420000172
其中n3是光导外侧(即光透射的载体111外侧)的外部介质的折射率(Ri)，并且α是作为表面轮廓的函数的变化角。
在图3g所示出的解决方案中，第一表面121配置为诸如耦入或(预)准直到达那里的光，由此耦入的、(预)准直的光分布在腔体内建立，其中将光进一步指引朝向第二(出射)表面(不撞击底表面)。
换言之，图3f、3g图示了解决方案，其中腔体12中传播的光不会撞击所述腔体的底表面，由此避免杂散光问题(图3e)。
参考示出光学功能层10的图31。在一些配置中，层结构10还包括在由光透射的载体介质111形成的子层111A、111B之间的界面处设置的抗反射层21。在嵌入特征图案11中，多个嵌入(内部)腔体特征12因此与多个相关光通道13交替。所述光通道13是光透射的载体介质材料111。
通过这样的布置，可以形成包括在其出射表面处的抗反射层21的腔体(图3k)。
在实施例中，腔体可以被提供有在其第一(入射)和/或第二(出射)表面处的抗反射层21。抗反射层21可以配置为涂层或结构，优选地作为由AR图案导致的宽带抗反射(AR)或者多层涂层或低折射率(Ri)涂层，以便最小化例如菲涅尔反射(图3d、3k)。与AR结构(涂层)组合的腔体图案形成具有多个光学功能的混合结构。
在实施例中，至少一个特征图案11中的腔体12因此包括在腔体的内部内入射表面121处设置的抗反射层21(图3d)。在实施例中，腔体还包括在腔体的内部内出射表面122处设置的抗反射层21(图3k、31)。
图31因此关注采用在平坦底表面(第二表面122)上的AR涂层或AR图案层的配置，该底表面是通过叠层与例如腔体图案子层111B接合在一起的平坦子层111A的表面。通过这样的布置，AR层21单独在腔体12内部(其底表面处)建立。在提及的两层接合期间，光学界面(由光通道13提供)在腔体12处被打断。因此，在光通道13处(气腔光学件之间)终止AR功能。
嵌入的光学功能腔体特征12可以承载各种配置。因此，特征12选自由以下构成的组：槽、凹槽、点和像素。所述腔体特征12的横向轮廓可以选自：二元形、闪耀形、倾斜形、棱柱形、梯形、半球形轮廓等，并且此外，腔体特征的纵向形状可以选自：线性、弯曲、波浪形、正弦形等。
在一些实施例中，光学功能层10还可以配置为包括用选自实质上闪耀形、弯曲、波浪形轮廓中的一个的三维轮廓来建立的光学腔体12。在一些实例中，优选地，光学腔体12以作为对称正弦波形或非对称正弦波形提供的三维轮廓来建立。
总体上，至少一个光学特征图案11可以由选自由以下构成的组的光学特征来建立：槽、凹槽、点和像素，其中所述特征的横向凹入或凸出轮廓选自：二元形、闪耀形、倾斜形、棱柱形、梯形、半球形、微透镜等，并且其中所述结构的纵向形状选自：线性、弯曲的、波浪形、正弦形等。所述至少一个光学特征图案11可以配置为周期性光栅结构，微光学或纳米光学轮廓、离散图案、光栅像素图案(局部周期性)等。图案周期可以取决于应用从0.1微米(um)变化直到几厘米(cm)。光学图案还可以包括用于结合和层叠附加层和用于腔体形成的平坦区域。光学图案内的单独(特征)轮廓的长度可以从点/像素变化到无穷。事实上，鉴于特定设计和/或提供最优选的光学功能，离散光学图案轮廓可以以三维方式来实现。
最小图案特征(腔体12)可以进一步优化和最小化。特别是，锐利尖端可以通过剪切、修圆、平坦化来优化和最小化，以便最小化特殊散射。这样的布置解决常规解决方案共有的问题，其中光学图案轮廓可能引起衍射畸变的散射，已知为彩虹效应，其有时引起不期望的表现。
图15和16进一步呈现透明照明的示例性图案解决方案。
在一些实例中，光学腔体图案解决方案可以被提供为包括人眼无法捕获的相对较小的图案特征(不超过25pm)。无论是否利用较大特征，优选地，AR涂层或AR图案还提供在轮廓表面上(混合图案；图3d、3k、31)，这使得图案对人眼的可见性更低。优选地，腔体表面质量具有光学等级，由此可以有效避免散射以及杂散光。
在光学功能层10中的基本光学轮廓可以是常规表面浮凸图案或腔体光学图案。后面的解决方案可以在光学腔体中包括气体、流体或固体材料，更优选地是空气，其在光学表面形成TIR效应。可以利用不同轮廓，诸如二元形、闪耀形、倾斜形、棱柱形、微透镜，其基于衍射光栅或折射光学件。光成角度的提取可设计为用于窄的、宽的、椭圆的、对称的、非对称的分布等。
因此，图15示出了透明照明的示例性图案特征12，特别是(对人眼)不可见的图案尺寸。在下文中，在表1中提供图案性质。
表1示例性轮廓A和B的图案性质(图15)。
性质 示例性轮廓A 示例性轮廓B
图案高度 5μm 2.5μm
图案长度 43μm 21.5μm
前面角度 54° 54°
背面角度 85° 85°
尖端半径 0.5μm 0.5μm
入/出馈送角度 26° 26°
例如，轮廓可以通过快速工具伺服(FTS)加工来制造。上文指示的轮廓参数是可调的，以实现期望的性能。附加地，可调的参数包括轮廓取向、设置单个图案或周期性图案，设置离散(像素)图案或连续的图案等。
包括上述腔体轮廓的光学特征图案11通常可以被称为“混合”图案，其包括多个离散特征轮廓和/或多个至少部分连续的特征轮廓。因此，所述混合图案可以配置为离散图案(例如，像素)或连续图案。因此，所述混合图案可以配置为包括被提供作为离散轮廓或至少部分连续轮廓的多个光学特征12。
在一些实施例中，光学功能层10还可以配置为使得在至少一个光学特征图案内，多个光学腔体12被布置成沿着和/或跨过由所述特征图案(未示出)占据的整个区域延伸的一个或多个阵列。
在实施例中，透明光学装置100还包括至少一个光学滤波器层41、42(滤光器层)，其设置在光导介质101的至少一个表面上并且提供有穿过其整个表面覆盖或在其预定区域处的至少一个光学功能。提及的光学功能至少选自：反射、透射、偏振和折射。在一些实施例中，光学滤波器层41、42设置在光导介质101的两个表面上。
光学滤波器层41、42优选地配置为具有在0.2-50微米(μm)的范围内的层(膜)厚度(h＞λ)的薄膜。在一些特定实施例中，层厚度可以在0.2-50微米(μm)的范围内变化，最好在0.2-10μm的范围内变化。
光学滤波器层41、42由作为所谓的低折射率材料提供的并且具有在1.10-1.41范围内的折射率的基板材料构成。在任何事件中，光学滤波器层的折射率被提供低于1.5，优选地，低于1.4。
在一些配置中，滤光器层在介孔膜中包含纳米二氧化硅材料。在这样的事件中，将低Ri包覆中间相进行涂覆，层叠或接合到低(出)气态材料中，为了维持指标值。
在一些实施例中，光学滤波器层41、42配置为全内反射层结构。基于可用的TIR材料，例如TiO2、BaSO4、SiO2、Al2O2、Al、Ag、电介质材料和高反射(HR)涂层材料，光学滤波器层141因此可以被实现为反射TIR解决方案。
在一些实施例中，光学滤波器层41、42由基板材料(第二介质，n2，图4a)形成，该基板材料的折射率(Ri)低于构成光学功能层10、111和/或光学透明(光导)基板101(第一介质，n1，图4a)的材料的折射率，其中n1＞n2(图4a)。下文表2中示出了滤光器层的折射率(Ri)值与光导相关参数之间的关系，诸如平均亮度(尼特)和提取效率(％)。表述“低Ri层”是指滤光器层41、42。
表2.光学滤波器层的折射率(Ri)值与与光导相关的参数之间的关系
Figure BDA0002693409420000211
在实施例中，光学滤波器层是包覆层，涂层或膜。
光学滤波器层可以配置为连续均匀的层42。替代地，光学滤波器层(41)可以包括多个光学孔41A，以使光通过其传输，所述孔被布置在所述光学滤波器层的预定位置处，或者沿着和/或跨越所述光学滤波器层的整个表面延伸(图4a-4c)。
光学孔41A配置为在其维度，尺寸和/或形状方面是可调节的。在一些配置中，孔可以基本上是圆形或矩形的，其中任一格式的尺寸在0.5-50μm的范围内，优选地在1-30μm的范围内。对于基本矩形的孔结构，前述范围表示长度和/或宽度参数中的任何一个。对于基本圆形的孔结构，前述范围表示单独孔直径。深度参数由滤光器层41的厚度限定，并且如上文所定义地被提供在0.2-50μm的范围内。
然而，孔41A可以被提供为连续的结构，其在较大的区域(与上述相比较)上延伸，并且具有任意形状。孔密度和/或填充因子(每表面面积单位)可以是恒定的(在0.1％-100％的范围内)。
优选地，以预定的方式在滤光器层41中建立孔。因此，在一些配置中，沿诸如光导之类的光分布元件的整个长度，即从光源(例如LED)端到相对端，(以恒定的尺寸，形状和周期性)均匀地设置孔。在替代的配置中，可以提供从LED端到相对端在至少尺寸，形状或周期性方面可变的孔。因此，可以利用梯度填充因子以可变密度布置孔。特别地，光分布元件可以配置为包括具有孔的滤光器层141，其尺寸从所述LED端到相对侧逐渐增大。
尽管具有图案11的光学功能层主要配置为传播和(出)耦合入射到其上的光，但是滤光器层配置为选择性地控制和过滤入射到其上和/或经由光导传播的光。然而，在其维度、尺寸和/或形状的方面，可以修改滤光器层41的功能。因此，孔41A还可以单独地或共同地配置为执行多种功能，诸如光透射、散射、折射、反射等。在某些实例中，(一个或多个)孔可以配置为提供光耦出功能。
滤光器还可以包括具有变化的光学功能的孔，包括但不限于光学折射率、非反射材料，较高的光学密度、不同的光学对比度等，其被提供用于穿过其透射的光并形成为光通道，并具有光控制和波控制和/或滤波特性，以实现出于照明目的的预定光/信号图形、分布和效率。
与制造光学透明(光导)基板101的材料的折射率相比，滤光器层中的孔还可以填充有具有相同或更高折射率的填充材料。
参考图4a和4b，其示出了以100A实施作为无光学图案的光导元件的光学装置。
如图4a、4b所示，透明光学装置100A因此包括被配置用于光传播的光导介质101，光学滤波器层41、42设置在光导介质的至少一个表面上并被提供有穿过其整个表面覆盖范围或其预定区域处至少由制成所述光学滤波器层的材料建立的至少一种光学功能。所述光学滤波器层是由折射率低于构成光导介质的材料的折射率的材料形成的连续层。光学滤波器层41、42配置为通过选自以下的至少一种光学功能使穿过透明光学装置传播的光线的散射最小化：反射、透射、偏振和折射。
因此，图4a图示了不具有(一个或多个)光学图案11的光导构思。图4a所示的前光解决方案包括在光学滤波器层41、42之间层叠的光导介质101。图4a显示了一个示例，其中下部光学滤波器层41包括光学孔41A，然而上部光学滤波器层42配置为不具有孔的均匀层。光导101可以由塑料(PMMA、PC)或玻璃制成。堆叠体设置在照明表面51上(例如，像显示器或印刷海报之类的纸)，并且还可以用覆盖件62(例如，由塑料或玻璃制成的顶盖)与粘合剂层30(例如光学透明粘合剂(OCA))覆盖。
参照图4a，特别是放大的框(选项1、选项2)，光通过孔41A从光导介质101(n1，第一介质)传播到下卧层30(n1，第二种介质)，其具有与第一介质大约相同的折射率(但是，可能不排除较高或较低的Ri值)。在光导101和由此下卧层30(图4a)或上覆层(未示出)之间的界面处形成的孔的折射率典型地与第一介质和/或第二介质n1的Ri值匹配，然而包括所述孔的光学滤波器(n2)的Ri值通常低于n1。
选项A通过包覆移除方法演示了制造孔41A；然而选项B示出了由更高密度方法制造孔41A。
滤光器层41、42可以配置为透明的、低折射率滤波器层或作为在光学透明(光导)基板101的至少一侧或其两侧(顶表面和底表面)形成的反射式TIR层(例如，漫射或镜面TIR层)。所述光学滤波器可以是：a)直接应用在平坦表面上，b)由粘合剂层层叠，或c)由化学表面处理(诸如VUV(真空UV))、常压等离子体处理或微波辅助接合来接合。
在一些实例中，光学滤波器层41、42具有梯度可变的低Ri值，以即使在不存在孔的情况下也提供优选的光分布。
可以对滤光器层41内的孔41A进行光学调制，从而可以取得由滤光器层产生的各种光分布图案，包括但不限于：均匀、对称、离散或不对称的光分布图案。
因此，在光导介质的至少一侧提供包括光学孔41A的光学滤波器层41。光学滤波器因此可以包括具有变化的光学功能的孔，所述光学功能包括但不限于光学折射率、非反射材料、较高的光密度，不同的光学对比度等，该孔使光通行穿过其(诸如光通道)并具有光的和波的控制和/或滤波特性，以出于照明目的实现预定的光/信号图形、分布和效率。
例如在显示器、信号牌或海报上的形成预定图形/图像或信号的光学孔的光分布可以是均匀的、不均匀的或离散的。因此，可以形成均匀的、不均匀的或离散的图像/图形或信号。可以在形成均匀/连续或离散的区域的光学滤波器层的两侧提供孔。可以贯穿光学滤波器层的整个表面或其预定区域处提供孔。孔的主要功能是控制从第一介质传播到第二介质的入射光的量，而不是光耦出，这意味着所有入射光角度都大于或等于介质中的临界角。尤其，因此可以在没有光学图案的情况下实现光均匀性控制。
光学孔具有若干主要功能，诸如将光从第一介质通过其传输到第二介质，这确定期望的光分布和/或均匀性。当空气或低Ri滤波器/包覆形成界面时，第一介质和第二介质中的光分布典型地具有相对于介质界面低于临界角(大于其时发生TIR的入射角)的入射光角度，因此，光不会从介质中耦出。
图4b示出了配置为前光解决方案的光学装置100A，其中，光导101布置在堆叠体的顶部上(即，其未层叠在层之间)。配置包括单个光学滤波器层41，其配置为具有孔的低Ri包覆层。光导的最顶表面还可以用具有优选低Ri值的硬涂层来沉积，以便防止在顶表面污染或缺陷时漏光。
图4c示出了用于前光照明的光学装置100解决方案，其包括配置为腔体光学件光导的光学功能层10以及在光透射的载体介质111的两侧提供的均匀光学滤波器层(低Ri包覆层)42。提及的光学滤波器层42可以直接或间接(即通过粘合剂或不使用粘合剂)应用到介质111的表面上。
因此，图4c所示的配置包括不具有孔但具有光学图案(例如耦出图案)的光学滤波器。光学图案11完全集成在光导介质111内，并且可以具有不同的形式或形状，诸如微透镜、闪耀的或倾斜的形式、离散图案或多个图案像素形式，其具有周期性和光栅特征。光导元件是层叠的，与粘合剂30(诸如光学透明粘合剂(OCA)或液体光学透明粘合剂(LOCA)等)接合等等，该粘合剂具有比低Ri包覆层42更高的Ri，优选地具有与光导介质111相同的折射率。图4c因此显示了一种堆叠体解决方案，其中设置有位于其两侧的光学滤波器层42的光学功能层10还层叠在显示表面51(在此为反射显示器或海报)与由塑料或玻璃制成的顶覆盖层62之间。
在图4c所示的配置中，光学功能层10包括具有不同形状的腔体特征12。还可以提供具有相同形状的相同配置。
在如图4c所示配置的光学元件100中，入射光通过(一个或多个)光学腔体图案11耦合到第一介质111中，以实现比临界角(相对于表面法线)更小的入射角，以便使光穿过低Ri包覆层42朝向第二介质传输。同样，第二介质可以包括配置为用于耦出光以形成优选的光分布和照明的光学图案解决方案(未显示)。此外，第二介质可能没有配置为具体用于光指引的光学图案；因此光学图案应以优选的角度分布耦出光。
提供的光学装置包括作为下部层、顶部还有光学功能层10的光学滤波器层42(没有孔)，这样的益处在于，这样的结构可以将从底部反射器反射的光耦合并指引回到第一介质111，由此建立优选的光分布。
因此，图4c所示的光学装置包括用于耦入的光传播的光导介质111以及用于光分布均匀性控制的光学滤波器42。在该配置中，腔体图案配置为使得光入射到图案上的角度等于或超过介质中的临界角(≥θc)。光学图案11优选地是具有恒定填充因子，完全填充或离散填充的均匀图案。可变填充因子可以支持优选的照明或信号指示客体。
还参考图9，图9表示旨在经由在光学装置100的光提取表面(提取的光712)上提供的抗反射层211来最小化由于菲涅尔反射导致的杂散光的基本解决方案，该光学装置的光提取表面不与照明表面光学接触。该AR层由单层或多层涂层或由AR纳米结构层形成。
在单个元件的情况下，其中一个顶表面是用于单侧环境照明的光提取表面，所述顶表面可以在其外侧提供有AR层211(AR涂层或AR图案)，以便在相反方向上最小化不期望的菲涅尔反射。
在双侧照明解决方案中，可以避免提供AR层211。
在实施例中，透明光学装置100还包括在光学功能层10上设置的至少一个抗反射层211，由此特征图案11配置为在其一个或多个光学功能方面与所述抗反射层211合作，例如以避免菲涅尔反射。在一些实例中，抗反射层211可以包括偏振器。
在例如具有显示器的集成元件的情况下，其中一个表面是用于单侧显示器的光提取表面，可以通过光学接合材料提供在显示表面上具有光学接触的叠层，以便对于相反方向最小化不期望的菲涅尔反射。图10图示了旨在经由提供光学接触层31来最小化由于菲涅尔反射导致的杂散光的基本解决方案，该光学接触层31配置为与照明表面51的至少部分(诸如显示表面)建立光学接合。
光学接触层配置为与照明表面或其至少部分建立光学接触，通过例如传统光学接触，其中表面接合在一起而无需任何粘合剂或机械附件。
光学接触层31可以被提供用于整个表面51或所述表面的一部分。在一些配置中，光学接触层31被提供为均匀层。在一些其他配置中，光学接触层31还可以被提供有包括多个光学功能特征(例如，光学图案、提取特征等)的至少一个特征图案。在所述图案不接触的事件中，应尽可能地靠近照明表面51来应用所述图案。优选地，光学接触中的所述图案在维度方面配置为小到对人眼不可见。
在一些实例中，光学装置可以在诸如光导111与光学接合件31(未示出)之间的每个界面处还包括附加AR层。这可以进一步最小化菲涅尔反射。
因此，图10示出了一种通过在光导元件的光提取表面上的光学接合来最小化菲涅尔反射杂散光的解决方案。光学接合与照明表面(诸如显示器)形成光学接触，并且其可以用于照明表面的全部或部分区域中。同样，光学接触可以由光学图案、提取特征形成。在例如在光导和接合件之间的每个界面中的附加AR层、AR涂层或AR图案可以最小化菲涅尔反射。
在实施例中，光学接触层31配置为与照明表面51建立非永久性光学联合。在另一个实施例中，光学接触层31配置为与照明表面51建立永久性连接。
图11图示了配置为用于环境照明的透明照明元件的透明光学装置100。图11所示的装置100包括光导介质101，层叠在光导介质101的一侧的光学提取层10以及外侧的抗反射层211。
光学功能层10包括具有恒定密度或梯度密度的至少一个提取图案。层10可以由粘合剂层30层叠到光导介质101上，该层10可选地包括光学滤波器层(低Ri层)，其优选地配置为具有孔的光学滤波器层41。
图12图示了配置为用于环境照明的透明照明元件的透明光学装置100。图12所示的装置100包括光导介质101、层叠在所述介质101一侧的光学提取层10和位于所述介质101的另一侧的覆盖件62。覆盖件在外侧(光提取表面)处还提供有AR层211。光导介质可以由优化地提供有光学滤波器层41、42(具有或不具有孔)的粘合层30层层叠到覆盖件62。
图13图示了用于显示照明的透明光学装置100。堆叠体包括光导介质101，该光导介质101具有在光导101的一侧用于光学提取的光学功能层10和在光导101的另一侧具有或不具有孔的光学滤波器层41、42。在一些配置中，堆叠体可以包括配置为低Ri包覆层的光学滤波器层，优选地，具有孔的包覆层(层41)还位于光学功能层10与光导介质101之间，与配置为例如光学透明粘合剂(OCA)的粘合剂层30结合。
堆叠体还可以包括照明侧的光学接触层31，其被提供为与低Ri包覆层41/42结合。所述光学接触层31优选地配置为由弹性的、实质软的光学材料形成的非永久接合层。
图14图示了用于显示照明的透明光学装置100。配置总体上遵循图13所示的解决方案；然而，图14所示的堆叠体附加地包括以光学功能层10层叠的覆盖件62，例如覆盖玻璃。解决方案还包括在光学功能层10与覆盖玻璃62之间提供的光学滤波器层41、42(具有或不具有孔)。类似于图13，该堆叠体包括光学接触层31，该光学接触层31配置为由弹性的、实质上软的光学材料形成的非永久性接合层。光导111、101与照明表面51(显示器，信号牌或海报)之间的光学接触层31还可以提供为刚性光学材料。
重要地，光学接合件31接触照明表面51，以便最小化杂散光并保持高的对比度。优选地，层31由耐用材料制成，以在若干开口上取得可靠性(非永久性解决方案)。
因此，在实施例中，透明光学装置100包括设置在光导介质101与光学功能层10之间的光学滤波器层41、42。
在另一方面，提供了一种透明光学装置100，其包括：被配置为用于光传播的光导介质101；至少一个光学功能层10，该光学功能层10包括由提供作为光学功能内部腔体12的多个嵌入特征形成在光透射的载体介质111中的至少一个光学功能特征图案11，该至少一个特征图案11配置为至少执行光耦出功能；以及光学接触层31，配置为与照明表面51建立非永久、可重新打开的光学联合。
在实施例中，装置100、100A还包括选自以下的至少一个光源71：发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、激光二极管、LED条、OLED条带、微芯片LED条带和冷阴极管。
在实施例中，所述光学装置的光学透明度是在从所述至少一个光源71产生的照明存在和不存在的情况下建立的。
在实施例中，透明光学装置配置为前光照明装置或背光照明装置。因此，可以取得具有透明前光和背光的混合照明，可以将其切换为不同的模式，即，在照明的表面51/显示器顶部上(远离照明)具有透明方向性光导的透明模式，以及在显示器的背面(朝向照明)具有带有透明光导的光遮蔽件的非透明模式。
参考图5说明入射光的图案轮廓和角度控制会对光提取效率和杂散光发展有影响的事实。
因此，图5图示了通过混合解决方案使杂散光最小化，其中图案腔体轮廓12的第一表面121组合以有限的入射角接收的光，该入射角小于相对于表面法线的临界角，由此有效地避免了诸如杂散光的漏光。
图5上侧的图可以说明图3e所示的解决方案，而下侧的图可以说明图3f所示的解决方案。
特别地，光学腔体12在其第一表面121方面可以被设计为使得能够控制到达所述表面的入射光的角度或角度范围。图5上，可以观察到通过使入射光角度变窄，可以显著减少来自平坦底表面的杂散光。将显示以26.5°角入射的光(强杂散光)的上图与显示以19.4°角入射的光(最小化的杂散光)的下图进行比较，以示出在杂散光最小化方面的显著改进。这对于在光提取和减少杂散光方面的改进是非常重要的设计标准。
可以通过由等式优化腔体轮廓来实现相同的改进，特别是用于优化腔体轮廓的底侧和/或形状的高级等式(图3g、3h)。所述腔体轮廓的第一表面可以由上面呈现的等式2、3来限定。
对光导中入射光角度范围的限制可以通过以下来实现和控制：至少部分准直耦入的光(在第一表面121处)，或吸收在耦入区域以较大入射光角度(与临界角相比)到达的光。后者通过在表面121处提供抗反射层21(图3d)来取得。
图6说明了以下事实：图案腔体轮廓的设计对光提取效率和杂散光发展有影响。图6展示腔体接触角度(实现为微透镜解决方案)与光提取效率和杂散光发展之间的如下关系：提供接触角度对光强度和提取分布的影响的指示；说明不同ML接触角度的基本模拟的结果；以及提供用于光提取和强度分布的图表(与空间无关)。
必须考虑到优化的光提取和杂散光比率来设计光学腔体轮廓12，特别是其第一(入射)表面。与常规的微透镜解决方案相比较，气腔微透镜(图3i-31)的优点在于，发展较少杂散光、具有更高的提取效率和更好的(提取光)分布。在提取角度值、提取效率和杂散光水平方面模拟ML轮廓的接触角度。
图7在微透镜的光提取和减少杂散光方面将光学装置100(微透镜气腔设计)与常规的前光进行比较。
光学装置100配置为包括气腔光导的堆叠体，该气腔光导配置为具有由粘合剂30(顶部或底部)层叠到光吸收表面61上的腔体12的光学功能层10，该粘合剂30优选地是光学透明粘合剂(OSA)，还包括光学滤波器41或42(具有或不具有孔的低Ri包覆层)。
图7处，因此，通过分析光提取效率及其角度分布和杂散光比率，将常规微透镜前光解决方案与气腔微透镜前光解决方案进行比较，其中对于每个分析吸收层已经应用于底表面和顶表面。与常规解决方案相比较，配置为气腔微透镜前光的解决方案100具有2.5倍以上的较高光提取率、更好的分布角度、14倍以上的更好杂散光比率。
图7是展示图案轮廓对最终结果的影响的示例。在此，主要目标中的一个是避免光经由临界入射角穿透到图案轮廓内部，这可能会由于反射引起更多的杂散光。
图8图示了抗反射(AR)层21、211对杂散光的发展有影响。A处，示出了由于菲涅尔反射导致的杂散光。B处，示出了由于最小化的菲涅尔反射而改进的杂散光。
在最小化菲涅尔杂散光方面的改进可以由图案设计以及内部(21)和外部(211)AR层布置(像是在腔体(21)的内表面处或接合界面(211)处)来提供。通过光学装置100、100A，可实现的杂散光值可以低于原始值20倍以上。
光学图案腔体轮廓12及其第一提取表面和第二透射表面可以与内部AR层21组合地设计，以实现改进的光提取和杂散光水平(图3d、3k、31)。
AR层21可以由单层涂层或多层涂层形成。同样，可以利用AR纳米结构，特别是在腔体光学件中，其中一个倾斜的表面可以提供合理的脱模和复制。因此，AR层在表面的两个方向上起作用。然后，图案轮廓具有混合结构，由此可以执行光折射和抗反射(图3d、3k、31)。
图17还图示了在光重新指引方面对于图案表面轮廓12，特别是对于其底部区域的设计方法，例如以最小化杂散光、来自所述(一个或多个)底部表面的漏光。根据高级等式(3)进行(一个或多个)计算(也在图3h示出)。光线追迹模型(图17，C)还描绘了穿过相对表面的光传输。
在另一方面，提供了一种透明照明制品，其包括如上所述的透明光学装置100、100A。所述透明照明制品可以配置为窗户、立面照明和/或指示元件，屋顶照明和/或指示元件，信号牌、信号板、海报、营销板，广告板照明和/或指示元件，以及为太阳能应用配置的照明元件。
在又一方面，在照明和指示解决方案中提供光学装置100、100A的用途。特别地，在以下中提供光学装置100、100A的用途：装饰性照明，光屏蔽件和遮蔽件的照明，包括窗、立面和屋顶照明的公共和一般照明，信号牌、信号板、海报、营销板和/或广告板照明和指示，以及太阳能应用。
对本领域技术人员而言清楚的是，随着技术的进步，本发明的基本思想旨在覆盖本发明的各种修改例。因此，本发明及其实施例不限于上述示例；替代地，它们通常可以在所附权利要求的范围内变化。

Claims (39)

1.一种透明光学装置(100)，包括：
光导介质(101)，配置用于光传播，以及
至少一个光学功能层(10)，包括至少一个光学功能特征图案(11)，所述至少一个光学功能特征图案(11)由提供作为光学功能内部腔体(12)的多个嵌入特征形成在光透射的载体介质(111)中，
其中，所述至少一个特征图案(11)配置为，通过在所述图案(11)处建立预定耦入光分布和/或通过修改材料的折射率和所述光学装置中提供的元件以及元件之间的界面而执行入射光控制功能以及至少光耦出功能，从而使杂散光最小化并且建立所述装置(100)的光学透明度。
2.根据权利要求1所述的透明光学装置(100)，其中，所述光学功能层(10)的一个或多个光学功能由以下中的至少一个建立：维度、形状、周期性和所述腔体(12)在所述特征图案(11)内的沉积，并且由所述特征图案的填充因子值建立。
3.根据权利要求1或2所述的透明光学装置(100)，其中，所述至少一个特征图案(11)中的腔体(12)包括入射表面(121)和出射表面(122)，其中，所述入射表面(121)配置为耦入到达那里的入射光并且将光线指引到所述腔体中朝向所述出射表面(122)，并且其中，所述出射表面(122)配置为接收到达那里的光线并且将所述光线传输到所述腔体外部进入光透射的载体介质(111)中，用于传播和/或耦出。
4.根据前述权利要求中任一项所述的透明光学装置(100)，其中，所述出射表面(122)配置为以至少折射功能传输光。
5.根据前述权利要求中任一项所述的透明光学装置(100)，其中，所述入射表面(121)配置为耦入以小于相对于表面法线的临界角的入射角范围或预定入射角到达那里的光，从而避免耦出的菲涅尔反射。
6.根据前述权利要求中任一项所述的透明光学装置(100)，其中，所述入射表面(121)配置为用准直功能耦入到达那里的光并且将光线指引到所述腔体中，使得光传播穿过所述腔体同时避免撞击除所述出射表面(122)以外的任何其他表面。
7.根据权利要求1或2所述的透明光学装置(100)，其中，所述至少一个特征图案(11)中的腔体(12)配置为经由全内反射(TIR)功能而耦出到达所述入射表面(121)的入射光。
8.根据前述权利要求中任一项所述的透明光学装置(100)，其中，所述至少一个特征图案(11)中的腔体(12)包括在所述腔体内部内所述入射表面(121)处设置的抗反射层(21)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的透明光学装置(100)，其中，所述至少一个特征图案(11)中的腔体(12)还包括在所述腔体内部内所述出射表面(122)处设置的抗反射层(21)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的透明光学装置(100)，其中，所述腔体由气体介质填充，优选地用空气填充。
11.根据前述权利要求中任一项所述的透明光学装置(100)，其中，在所述特征图案(11)中，所述嵌入腔体特征(12)与多个相关光通道(13)交替。
12.根据前述权利要求中任一项所述的透明光学装置(100)，其中，所述嵌入特征图案(11)在光透射的载体介质(111)中通过以下建立：由抵靠所述载体介质(111)的图案化的层(111B)布置的所述载体介质(111)的整体平坦平面层(111A)构成的叠层结构，从而在所述层(111A、111B)之间的界面处形成多个光学功能内部腔体(12)。
13.根据权利要求12所述的透明光学装置(100)，还包括由所述光透射的载体介质(111)形成的所述层(111A、111B)之间的所述界面处设置的抗反射层(21)。
14.根据前述权利要求中任一项所述的透明光学装置(100)，其中，所述嵌入光学腔体特征选自由以下构成的组：槽、凹槽、点和像素，其中，所述腔体特征(12)的横向轮廓选自：二元形、闪耀形、倾斜形、棱柱形、梯形、半球形轮廓等，并且其中，所述特征的纵向形状选自：线性、弯曲、波浪形、正弦形等。
15.根据前述权利要求中任一项所述的透明光学装置(100)，其中，所述至少一个特征图案(11)是包括多个离散特征轮廓和/或多个至少部分连续特征轮廓的混合图案。
16.根据前述权利要求中任一项所述的透明光学装置(100)，其中，所述至少一个特征图案(11)完全集成和/或嵌入在所述光透射的载体介质(111)内。
17.根据前述权利要求中任一项所述的透明光学装置(100)，还包括在所述光学功能层(10)上设置的至少一个抗反射层(211)，从而所述特征图案(11)配置为在其一个或多个光学功能方面与所述抗反射层(211)配合以避免菲涅尔反射。
18.根据权利要求17所述的透明光学装置(100)，其中，所述抗反射层包括偏振器。
19.根据前述权利要求中任一项所述的透明光学装置(100)，其中，所述光导介质(101)和所述光学功能层(10)是光学聚合物和/或玻璃。
20.根据前述权利要求中任一项所述的透明光学装置(100)，还包括至少一个光学滤波器层(41，42)，其设置在所述光导介质(101)的至少一个表面上并且通过其整个表面覆盖或在其预定区域处设置有至少一个光学功能，其中，所述光学滤波器层的至少一个光学功能在至少构成其的材料方面选自以下：反射、透射、偏振和折射。
21.根据前述权利要求中任一项所述的透明光学装置(100)，其中，所述光学滤波器层(41，42)由基板材料形成，所述基板材料的折射率低于构成所述光学功能层(10)的材料的折射率并且优选地低于构成所述光导介质(101)的材料的折射率。
22.根据前述权利要求中任一项所述的透明光学装置(100)，其中，所述光学滤波器层是包覆层、涂层或膜。
23.根据前述权利要求中任一项所述的透明光学装置(100)，其中，所述光学滤波器层(41，42)配置为反射式全内反射层结构。
24.根据前述权利要求中任一项所述的透明光学装置(100)，其中，所述光学滤波器层(41，42)设置在所述光导介质(101)的两个表面上。
25.根据前述权利要求中任一项所述的透明光学装置(100)，其中，所述光学滤波器层(41，42)设置在所述光导介质(101)与所述光学功能层之间。
26.根据前述权利要求中任一项所述的透明光学装置(100)，其中，所述光学滤波器层(41)包括多个光学孔(41A)以使得光能够穿过其传输，所述孔布置在所述光学滤波器层处的预定位置内或沿着和/或跨越所述光学滤波器层的整个表面延伸。
27.根据前述权利要求中任一项所述的透明光学装置(100)，还包括配置为与照明表面(51)中的至少部分光学接合的光学接触层(31)。
28.根据前述权利要求中任一项所述的透明光学装置(100)，其中，所述光学接触层(31)是均匀层，该均匀层可选地设置有包括多个光学功能特征的至少一个特征图案。
29.根据前述权利要求中任一项所述的透明光学装置(100)，其中，所述光学接触层(31)配置为与所述照明表面(51)建立非永久光学联合。
30.根据前述权利要求1至28中任一项所述的透明光学装置(100)，其中，所述光学接触层(31)配置为与所述照明表面(51)建立永久连接。
31.根据前述权利要求中任一项所述的透明光学装置(100)，还包括至少一个光源(71)，其选自：发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、激光二极管、发光二极管条、有机发光二极管条带、微芯片发光二极管条带、和冷阴极管。
32.根据前述权利要求中任一项所述的透明光学装置(100)，其中，光透明度是在从所述至少一个光源(71)中产生的照明存在和不存在的情况下建立的。
33.根据前述权利要求中任一项所述的透明光学装置(100)，配置为前光照明装置或背光照明装置。
34.一种透明光学装置(100)，包括：
光导介质(101)，配置用于光传播，
光学滤波器层(41，42)，设置在所述光导介质(101)的至少一个表面上并且通过其整个表面覆盖或在其预定区域处至少由构成所述光学滤波器层的材料而设置有至少一个光学功能，
其中，所述光学滤波器层(41，42)是由具有比构成所述光导介质的材料的折射率更低的折射率的材料构成的连续层，
其中，所述光学滤波器层(41，42)配置为由选自以下的至少一个光学功能使传播穿过透明光学装置的光线的散射最小化：反射、传输、偏振和折射。
35.根据权利要求34所述的透明光学装置(100)，其中，所述光学滤波器层(41)包括多个光学孔(41A)以使得光能够穿过其传输，所述孔布置在所述光学滤波器层处的预定位置内或沿着和/或跨越所述光学滤波器层的整个表面延伸。
36.一种用于前光照明的透明光学装置(100)，包括：
光导介质(101)，配置用于光传播，
至少一个光学功能层(10)，包括至少一个光学功能特征图案(11)，所述至少一个光学功能特征图案(11)由提供作为光学功能内部腔体(12)的多个嵌入特征形成在光透射的载体介质(111)中，所述至少一个光学功能特征图案(11)配置为至少执行光耦出功能，以及
光学接触层(31)，配置为与照明表面(51)建立非永久、可重新打开的光学联合。
37.一种透明光学制品，包括如权利要求1-36中任一项所限定的透明光学装置(100，100A)。
38.根据权利要求37所述的透明照明制品，配置为窗、立面照明和/或指示元件，屋顶照明和/或指示元件，信号牌、信号板、海报、营销板、广告板照明和/或指示元件，和为太阳能应用配置的照明元件。
39.一种如权利要求1-36中任一项所限定的透明光学装置(100，100A)在照明和指示中的用途，选自由以下构成的组：装饰性照明，光屏蔽件和遮蔽件，包括窗、立面和屋顶照明的公共和一般照明，信号牌、信号板、海报、营销板和/或广告板照明和指示，以及太阳能应用。
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