CN112368511A - 用于变换具有朗伯分布的光的垂直集成透射微结构 - Google Patents

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Abstract

一种用于变换朗伯光分布的透光基底，包括：具有第一侧和与第一侧相对的第二侧的基膜；被设置在该基膜的第一侧上的多个第一微结构以及多个第一谷。每个第一谷由一对相邻的第一微结构限定。填充材料被设置在多个第一谷中，并限定与基膜的第一侧间隔开并与之基本平行的基本平坦的表面。该基底还包括被设置在填充材料的基本平坦的表面上的多个第二微结构和多个第二谷。每个第二谷由一对相邻的第二微结构限定。

Description

用于变换具有朗伯分布的光的垂直集成透射微结构
相关申请的交叉引用
该国际PCT专利申请依赖于2018年6月22日提交的标题为“用于变换具有朗伯分布的光的垂直集成透射微结构”的美国临时专利申请序列No.62/688,757的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及用于变换具有朗伯分布的光的垂直集成的微结构。
背景技术
发光二极管(LED)已迅速成为当前应用的主要光生成器件。本质上，LED以朗伯分布方式发光，其特征在于在发射方向(零度或“最低点”)上最强的强度。如图1所示，光强度随偏离零度(最低点)发射方向的角度的余弦函数而减小，并且随着该角度达到与最低点成90度而减小到零。这种分布对于许多应用而言都是不希望的。
例如，当使用LED照亮平坦表面目标时，光传播路径的长度对于不同的目标位置而变化。通常，在LED发射最高光强度的零度方向上，路径长度最短，这迫使设计人员增加光源密度，以在所需区域上实现良好的照明均匀性。
对于要求在具有低光源密度的平坦平面的期望区域上均匀或一致照明的应用，例如用于显示器的背光单元或大面积的照明项目，光源应当以朗伯分布的逆向方式传递光能量，即，在零度(最低点)强度降低，并且在远离最低点的角度处强度高，例如，如图2所示。这种分布轮廓(如图2所示)通常被称为“蝙蝠翼(batwing)”分布，并且对于实现均匀照明更为理想。
对于诸如在智能电话、平板电脑和膝上型计算机屏幕中的移动显示应用，非常希望将光能量转向观察者(最低点方向)，从而可以以最小的能量消耗使显示表面的亮度最大化。这种光学功能通常被称为“亮度增强”。
对于许多照明应用，希望在高角度(即，从最低点起＞65度)处使发光能量最小化，以减少可能引起视觉不适的炫光。这种光学功能通常称为“炫光减少”。
上面提到的光学功能可以使用具有各种棱镜脊角的线性棱镜微结构来实现。例如，使用具有1.5的折射率的普通聚合物，介于75度至90度之间的微结构脊角可将朗伯分布变换为蝙蝠翼分布，大约90度的微结构脊角可实现最佳的亮度增强性能，并且约115度的微结构脊角可以实现最佳的炫光减少。
为了进一步增强LED的光学性能，可以使用彼此正交布置的两层棱镜微结构。例如，这种布置可以用于将朗伯分布变换成在X和Y两个方向上的蝙蝠翼分布。交叉被设计用于亮度增强的两层棱镜微结构可以进一步将亮度提高约50％，并且交叉被设计用于炫光减少的两层棱镜微结构可以消除在X和Y两个方向上与最低点成高角度处的不需要的光能。尽管可以通过使用两层棱镜微结构来增强LED的光学性能，但是由于层的组合的厚度，这种布置对于紧凑的应用可能不可行。期望以更紧凑的结构来增强LED的光学性能。
发明内容
已经发现，可以以紧凑的方式在透光膜上制造的透光棱镜微结构可以被用于执行期望的变换功能，以便将朗伯分布变换为在两个维度上具有增强后的亮度、减少后的炫光的光分布，和/或二维蝙蝠翼分布，因此小型LED光源可以被用在紧凑型应用中。下面描述本发明的实施例。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于变换朗伯光分布的透光基底。透光基底包括具有第一侧和与第一侧相对的第二侧的基膜，以及被设置在基膜的第一侧上的多个第一微结构。每个第一微结构具有限定第一脊角的第一峰。透光基底包括多个第一谷。每个第一谷由一对相邻的第一微结构限定。填充材料被设置在多个第一谷中，并限定与基膜的第一侧间隔开并与之基本平行的基本平坦的表面。多个第二微结构被设置在填充材料的基本平坦的表面上。每个第二微结构具有限定第二脊角的第二峰。透光基底包括多个第二谷。每个第二谷由一对相邻的第二微结构限定。
在一个实施例中，多个第一微结构和多个第二微结构中的每一个是具有三角形横截面的细长的微棱镜。
在一个实施例中，多个第一微结构和多个第二微结构彼此正交。
在一个实施例中，第一脊角是在约50°至约70°之间。在一个实施例中，第一脊角为约60°。
在一个实施例中，第二脊角是在约70°至约90°之间。在一个实施例中，第二脊角为约80°。
在一个实施例中，填充材料具有在约1.3至约1.5之间的折射率。在一个实施例中，折射率为约1.3。
在一个实施例中，多个第一微结构和多个第二微结构具有在约1.5至约1.7之间的折射率。在一个实施例中，折射率为约1.6。
在一个实施例中，基膜的第二侧是基本上平坦的。
在一个实施例中，基膜的第二侧包括纹理。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于制造用于变换朗伯光分布的透光基底的方法。该方法包括在基膜的第一侧上产生多个第一微结构和多个第一谷。多个第一微结构中的每一个具有限定第一脊角的第一峰，并且多个第一谷中的每一个由相邻的一对第一微结构限定。该方法包括在多个第一谷中设置填充材料以建立与基膜的第一侧间隔开并与之基本平行的基本平坦的表面。该方法包括在填充材料的基本平坦的表面上产生多个第二微结构和多个第二谷。多个第二微结构中的每一个具有限定第二脊角的第二峰，并且多个第二谷中的每一个由相邻的一对第二微结构限定。
在一个实施例中，该方法还包括在产生多个第二微结构和多个第二谷之前固化填充材料。
在一个实施例中，该方法还包括使基膜的第二侧纹理化。
在考虑了以下参照附图的描述和所附权利要求书(所有这些均构成本说明书的一部分)后，本发明的这些和其他方面、特征和特性，以及相关结构元素和零件组合的功能和操作方法和制造的经济性将变得更加明显。然而，应当明确地理解，附图仅出于说明和描述的目的，并且不是旨在作为对本发明的限制的定义。如说明书和权利要求书中所使用的，单数形式的“一个”，“一种”和“该”包括复数对象，除非上下文另外明确指出。
附图说明
以下附图的组件被示出以强调本公开的一般原理，并且尽管可以按比例绘制至少一个附图，但是不必按比例绘制。为了一致和清楚起见，在所有附图中根据需要重复指定相应部件的附图标记。
图1是朗伯强度分布的二维极坐标图；
图2是蝙蝠翼型强度分布的二维极坐标图；
图3是在其一侧上具有多个微结构的透光基底的等距示意图；
图4是根据本发明实施例的单个微结构的等距示意图；
图5是LED光源和图3的其微结构背向LED光源的透光基底的等距示意图；
图6是强度分布的二维极坐标图，示出了由图5的实施例提供的具有90度脊角的微结构的轴上(0°)亮度增强；
图7是强度分布的二维极坐标图，示出了由图5的实施例提供的具有在115度至120度之间的脊角的微结构的远离最低点的角度处的炫光减少；
图8是LED光源和图3的其微结构面向LED光源的透光基底的等距示意图；
图9是强度分布的二维极坐标图，示出了由图8的实施例提供的具有在70度至100度之间的脊角的微结构的分束变换；
图10是LED光源和图3的其微结构彼此以90度定向并面向LED光源的一对透光基底的等距示意图；
图11A是图10的具有90度脊角的微结构的实施例的变换后的蝙蝠翼强度分布的三维极坐标图的等距视图；
图11B是图11A的三维极坐标图的俯视图；
图11C是图10的具有90度脊角的微结构的实施例的变换后的蝙蝠翼强度分布的二维极坐标图；
图11D是图10的具有85度脊角的微结构的实施例的变换后的蝙蝠翼强度分布的三维极坐标图的等距视图；
图11E是图10的具有1.5的折射率和85度的脊角的微结构的实施例的变换后的蝙蝠翼强度分布的二维极坐标图；
图11F是图10的具有1.6的折射率和85度的脊角的微结构的实施例的变换后的蝙蝠翼强度分布的二维极坐标图；
图12是根据本发明实施例的透光基底的等距示意图；
图13是图12的透光基底的一侧的示意图；
图14是图13的透光基底的与图13所示的那侧正交的另一侧的示意图；
图15是LED光源和图12的其微结构面向LED光源的透光基底的等距示意图；
图16A是图15的实施例的变换后的蝙蝠翼强度分布的三维极坐标图的等距视图；
图16B是图16A的三维极坐标图的俯视图；和
图16C是图15的实施例的变换后的蝙蝠翼强度分布的二维极坐标图。
具体实施方式
本发明的实施例提供了具有微结构的透光基底，该微结构可以提供通过增强光的亮度、在二维上减少炫光来变换从诸如LED的光源接收的朗伯强度分布，和/或将该分布变换成二维蝙蝠翼分布的期望效果，但比本领域已知的透光基底更紧凑。
图3是用于变换朗伯光分布的透光基底100的示意图。基底100包括膜110和设置在膜110的一侧上以限定透光基底100的第一表面112的多个微结构120。基底100的与第一表面112相对的第二表面114由膜110的与多个微结构120相对的一侧限定。多个微结构120限定多个峰122和多个谷124，其中在第一方向X上，单个峰与单个谷交替，如图所示。
图4更详细地示出了单个微结构120。如图所示，微结构120为细长的微棱镜的形式，其具有三角形的横截面并且在可以垂直于第一方向X的第二方向Y上延伸。微结构120的峰122具有所谓的脊角或顶点α，其可以是例如约90度。如下面进一步详细讨论的，可以调节微结构的脊角以获得期望的效果。
图5示意性地示出了具有光源200的透光基底100，该光源可以是发光二极管(LED)或多个LED。在图5所示的取向中，透光基底100的第二表面114面对光源200，使得第二表面114接收从光源200发射的光。该光穿过膜110和多个微结构120并离开透光基底100的第一表面112。
图6示出了图5中示出的实施例如何可以被用来增强由光源200发射的光的亮度。例如，在具有约90度的脊角α的多个微结构120的情况下，光透射基底100将由光源200发射的朗伯分布600变换成在具有在最低点的亮度增强的分布610。
图7示出了图5所示的实施例如何可以被用于减少由光源200发射的光的炫光。例如，对于具有约115-120度的脊角α的多个微结构120，光透射基底100将由光源200发射的朗伯分布700变换成在与最低点成大于50度的角度处具有炫光减少的分布710。
图8示意性地示出了透光基底100和光源200，其中透光基底100的第二表面114背对光源200，使得多个微结构120接收从光源200发射的光。光穿过多个微结构120和膜110，并离开透光基底100的第二表面114。
图9示出了图8中所示的实施例如何可以被用作光束分离器并产生蝙蝠翼分布。例如，利用具有约70-100度的脊角α并且面对光源200的多个微结构，透光基底100将由光源200发射的朗伯分布900变换成具有在最低点处的约零强度和在离开最低点约±40度处的最大强度的分布910。
图10示出了包括两个透光基底100A，100B的透光基底202的实施例，这两个透光基底100A，100B的每一个具有与图3所示的透光基底100相同的结构。如图所示，透光基底100A，100B的每一个具有膜110A，110B以及分别在膜110A，110B的一侧上的多个微结构120A，120B。透光基底100A，100B相对于彼此取向，使得多个微结构120A，120B彼此正交(即，垂直)取向。在图10所示的实施例中，将透光基底110A，110B放置在以朗伯分布输出光的光源200的上方，使得透光基底100A，100B的第一表面112A，112B朝向光源200取向，并且基底100A，100B的第二表面114A，114B背离光源200取向。如图所示，膜110A接触多个微结构120B的峰122B，以在多个微结构120B的谷124B中限定空气隙150。从光源200发射的光经由第一基底100A的第一表面112A进入最接近光源200的第一基底100A，在第一基底100A的第二表面114A处离开第一基底100A，在第二基底100B的第一表面112B处进入第二基底100B，并在第二基底100B的第二表面114B处离开第二基底100B。微结构120A，120B的不同取向(即，基本上彼此垂直)将导致光在两个不同方向上弯曲和扩散，并导致与(如上所述的)仅使用透光性基底100A，100B之一的情况相比更强且在相对于X和Y轴的不同方向上的净扩散。因为空气隙150中的空气具有折射率1.0并且不同于用于产生微结构120A，120B的材料的折射率，所以也可以实现对通过基底的光的附加增强，但是是以较低的传输效率。
图11A-11C示出了由具有1.5的折射率并且如图10所示布置的两个透光基底100A，110B的组合提供的光分布的三维和二维表示。如所示出的，光能量不仅被引导远离0度(最低点)发射方向，而且还被推向离开主X和Y轴大约45度的四个方向，如图11A和11B所示。沿着那些方向，光通常传播最长的路径长度，到达需要更强强度的目标区域。当有多个光源以大致正方形的阵列布置时，例如在背光显示器或大面积照明应用中(例如，在照明仓库时)，这种分布可能是理想的。图11C是由图11A和11B表示的光强度分布的二维极坐标图。
两个基底100A，100B的微结构120A，120B的脊角α可以被调节以优化输出分布。例如，在一个实施例中，基底100A，100B上的微结构120A，120B的脊角α可以是85度。图11D示出了由具有1.5的折射率与具有85度脊角的微结构120A，120B的两个透光基底100A，100B的组合提供的光分布的三维表示，而其中的布置如图10所示。图11E是由图11D表示的光强度分布的二维极坐标图。图11F是由具有1.6的折射率与具有85度的脊角的微结构120A，120B的两个透光基底100A，100B的组合提供的光强度分布的二维极坐标图，而其中的布置如图10所示。图11E和11F的比较示出了透光基底100A，100B的折射率具有的对基底100A，100B的蝙蝠翼扩散性能的影响。
除了由图10的实施例提供的2D蝙蝠翼分布之外，与上述单个基底100相比，两个透光基底100A，100B还在二维上提供了亮度增强和炫光减少，但是具有增加的厚度和制造成本的潜在缺点，以及由于两个基底100A，100B之间的空气隙150而导致的低传输效率。期望具有图10的实施例提供的益处，但没有潜在缺点或至少减轻了潜在缺点。
图12、13和14示出了根据本发明实施例的透光基底1200。如图所示，透光基底1200包括具有第一侧1212和第二侧1214的基膜1210，以及设置在基膜1210的第一侧1212上的多个第一微结构1220。多个第一微结构1220中的每一个可以是具有图4所示的一般形状的细长的微棱镜。多个第一微结构1220具有多个第一峰1222，每个第一峰限定第一脊角β，以及在第一峰1222之间交替的多个第一谷1224，如图所示。在一个实施例中，第一脊角β可以是在约50度至约70度之间。在一个实施例中，第一脊角β可以是约60度。在一个实施例中，第一微结构1220的高度h1可以是在约10微米至约50微米的范围内。
填充材料1230被设置在多个第一谷1224中，并定义了一个基本平坦的表面1232，如图13所示。在所示的实施例中，该基本平坦的表面与包括多个第一峰1222的尖端的平面重合。在一个实施例中，填充材料的基本平坦的表面可以与包括多个第一峰1222的尖端的平面隔开并在其之上。在一个实施例中，填充材料1230可以不完全填充多个谷1224，从而在期望的位置存在小的空气隙。所示出的实施例不旨在以任何方式进行限制。
透光基底1200还包括多个第二微结构1240，这些第二微结构1240设置在填充材料1230的基本平坦的表面1232上，以产生垂直集成的微结构。多个第二微结构1240中的每一个可以是具有如图4所示的一般形状的细长微棱镜。如图12和14所示，多个第二微结构1240包括多个第二峰1242，每个第二峰限定第二脊角θ和在第二峰1242之间交替的多个第二谷1244，如图所示。在一个实施例中，第二脊角θ可以是在约70度至约90度之间。在一个实施例中，第二脊角θ可以是约80度。在一个实施例中，第二微结构1240的高度h2可以是在约10微米至约50微米的范围内。
根据本文描述的实施例的透光结构可以使用本领域中已知的许多技术来产生。例如，在一个实施例中，可以使用合适的母模和热固化聚合物或紫外(UV)光固化聚合物将微结构的形状铸造到基底上，或者该形状可以通过压印模制或其他模制被压印到热塑性基底中，或者可以与基底同时使用挤出模压或喷射模塑而被产生。可以通过复制母版来生产微结构。例如，可以通过复制包含所需形状的母版来制造光漫射器，如转让给本发明的受让人的下列文献中所描述的：Rinehart等人的美国专利No.7,190,387B2，标题为“使用圆柱平台和光栅辐射束制造光学微结构的系统和方法”；Freese等人的美国专利No.7,867,695B2，标题为“使用负性光刻胶通过基底灌制微结构的方法”；和/或Wood等人的美国专利No.7,192,692B2，标题为“通过对夹在外层之间的辐射敏感层进行成像来制造微结构的方法”，其所有的公开内容通过其整体引用并入本文，如同在此完全阐述一样。可以使用这些专利中描述的激光扫描技术来制造母版本身，并且还可以使用这些专利中描述的复制技术来复制母版本身，以提供扩散器。
在一个实施例中，本领域已知的激光全息术可以用于产生在感光材料中产生期望的微结构的全息图案。在一个实施例中，诸如半导体、显示器、电路板和本领域已知的其他普通技术中所使用的投影或接触光刻可以用于将微结构曝光到光敏材料中。在一个实施例中，或使用掩模或使用聚焦的和调制的激光束的激光烧蚀，可以被用于在材料中产生包括标记的微结构。在一个实施例中，本领域中已知的微加工(也称为金刚石加工)可以用于从固体材料产生期望的微结构。在一个实施例中，本领域已知的增材制造(也称为3D打印)可以被用于在固体材料中产生期望的微结构。
填充材料1230可以是可被施加到微结构1220以填充相邻的微结构1220之间的谷1224并且相对于微结构1220、1240的折射率具有理想的折射率的任何合适的材料。例如，填充材料1230可以是当被施加到微结构1220时会流动并且之后可以被固化的粘合剂和/或UV可固化聚合物的形式。
图15示出了具有上述光源200的透光基底1200。基底1200被配置为在多个第二微结构1240处接收来自光源200的朗伯分布的光，并且将光变换成离开基膜1210的第二侧1214的蝙蝠翼分布。如图16A，图16B和图16C所示，所得的蝙蝠翼分布期望具有在离开X和Y轴约±30°至约±60°的范围内的峰值强度和在最低点处的最小强度。在一个实施例中，透光基底1200可以提供具有在离开X和Y轴约±45°处的峰值强度和在最低点处的最小(接近零)强度的蝙蝠翼分布。如果透光基底1200相对于光源200被定位使得基膜1210面对光源200，则透光基底1200将增强光的亮度(即，提供亮度增强)，并且在二维上减少炫光(即，提供炫光减少)，如上所述。
在本发明的一些实施例中，微结构1220、1240可以由具有约1.5的折射率的材料制成，但是也可以使用具有不同折射率的材料，只要可以实现期望的效果即可。在本发明的一些实施例中，基膜1210可以由也具有约1.5的折射率或者与微结构的折射率匹配或基本匹配的折射率的材料制成。填充材料1230可以具有小于微结构的折射率的折射率。在一个实施例中，填充材料1230的折射率可以是约1.3。对于发射红外光束的光源，可以使用在可见光范围内可能不透明的红外透射材料。
对于本文所述的透光基底的任何实施例，微结构的脊角可以被调节，和/或纹理可以被添加到基膜的第二表面以微调分布轮廓并增强光传输效率。如上所述，微结构的折射率也对蝙蝠翼扩散性能有影响，并且可以被调整以优化性能。图12至图14的透光基底1200的实施例可提供图10的两基底实施例的性能优势，即2D蝙蝠翼分布，亮度增强和炫光减少，同时还降低了整体厚度和制造成本。例如，可以通过两个连续的复制步骤(在复制步骤之间添加填充材料)在单个卷对卷过程(roll-to-roll process)中制造垂直集成的微结构。另外，与双基底实施例相比，透光基底1200可以通过消除微结构层之间的任何空气隙来实质上提高光传输效率。本发明的实施例还可以提供与亮度增强相结合的亮度均匀化和/或与炫光减少相结合的亮度均匀化。
本文描述的实施例代表许多可能的实施方式和示例，并且无意将本公开内容一定限制为任何特定实施例。相反，可以对这些实施例进行各种修改，并且如本领域的普通技术人员将理解的，即使没有明确描述，本文中描述的各种实施例的不同组合也可以用作本发明的一部分。任何这样的修改旨在被包括在本公开的精神和范围内并且由所附权利要求保护。

Claims (26)

1.一种用于变换朗伯光分布的透光基底，该透光基底包括：
具有第一侧和与第一侧相对的第二侧的基膜；
多个第一微结构，被设置在基膜的第一侧上，每个第一微结构具有限定第一脊角的第一峰；
多个第一谷，每个第一谷由一对相邻的第一微结构限定；
填充材料，被设置在所述多个第一谷中并限定与所述基膜的所述第一侧间隔开并与之基本平行的基本平坦的表面；和
多个第二微结构，被设置在填充材料的基本平坦的表面上，每个第二微结构具有限定第二脊角的第二峰；和
多个第二谷，每个第二谷由一对相邻的第二微结构限定。
2.根据权利要求1所述的透光基底，其中，所述多个第一微结构和所述多个第二微结构中的每一个是具有三角形横截面的细长的微棱镜。
3.根据权利要求2所述的透光基底，其中，所述多个第一微结构和所述多个第二微结构彼此正交。
4.根据权利要求1所述的透光基底，其中，所述第一脊角在约50度至约70度之间。
5.根据权利要求4所述的透光基底，其中，所述第一脊角是约60度。
6.根据权利要求1所述的透光基底，其中，所述第二脊角是在约70度至约90度之间。
7.根据权利要求6所述的透光基底，其中，所述第二脊角是约80度。
8.根据权利要求1所述的透光基底，其中，所述填充材料具有在约1.3至约1.5之间的折射率。
9.根据权利要求8所述的透光基底，其中，所述折射率是约1.3。
10.根据权利要求1所述的透光基底，其中，所述多个第一微结构和所述多个第二微结构具有在约1.5至约1.7之间的折射率。
11.根据权利要求10所述的透光基底，其中，所述折射率是约1.6。
12.根据权利要求1所述的透光基底，其中，所述基膜的第二侧是基本平坦的。
13.根据权利要求1所述的透光基底，其中，所述基膜的第二侧包括纹理。
14.一种用于制造用于变换朗伯光分布的透光基底的方法，该方法包括：
在基膜的第一侧上产生多个第一微结构和多个第一谷，所述多个第一微结构中的每一个具有限定第一脊角的第一峰，并且所述多个第一谷中的每一个由相邻的一对第一微结构限定；
在所述多个第一谷中设置填充材料以建立与所述基膜的所述第一侧间隔开并与之基本平行的基本平坦的表面；和
在填充材料的基本平坦的表面上产生多个第二微结构和多个第二谷，多个第二微结构中的每一个具有限定第二脊角的第二峰，并且多个第二谷中的每一个由相邻的一对第二微结构限定。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括在产生所述多个第二微结构和所述多个第二谷之前固化所述填充材料。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述多个第一微结构和所述多个第二微结构中的每一个是具有三角形横截面的细长的微棱镜。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述多个第二微结构与所述多个第一微结构正交。
18.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一脊角是在约50度至约70度之间。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第一脊角是约60度。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第二脊角是在约70度至约90度之间。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第二脊角是约80度。
22.根据权利要求14所述的方法，其中，所述填充材料具有在约1.3至约1.5之间的折射率。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述折射率是约1.3。
24.根据权利要求14所述的方法，其中，所述多个第一微结构和所述多个第二微结构具有在约1.5至约1.7之间的折射率。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述折射率是约1.6。
26.根据权利要求14所述的方法，还包括使所述基膜的第二侧纹理化。
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