CN113227846B - 用于水平平面中的视觉增强的具有转向膜和透镜状扩散器的光控膜 - Google Patents

用于水平平面中的视觉增强的具有转向膜和透镜状扩散器的光控膜 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种光学系统，该光学系统包括转向膜和透镜状扩散器。该透镜状扩散器包括结构化表面，该结构化表面包括多个微结构，该多个微结构包括由大致平坦的台面区域隔开的多个透镜状棱镜，这些透镜状棱镜具有修圆的末端和两个侧面，这两个侧面包括通过多项式混合节段连接的线性基部节段和线性末端节段。

Description

用于水平平面中的视觉增强的具有转向膜和透镜状扩散器的 光控膜
技术领域
本发明涉及包括光控膜的光学系统。此类光学系统可用于例如汽车显示器中。
背景技术
光学系统广泛用于膝上型电脑、手持式计算器、数字手表、汽车触摸屏显示器等。熟悉的液晶显示器(LCD)就是此类光学系统的常见示例。在LCD显示器中，液晶的各部分通过应用电场来使它们的光学状态改变。该工艺生成显示信息的像素所需的对比度。在一些示例中，LCD显示器可包括各种光控膜(LCF)的组合，以改变光学系统的光特性，包括例如亮度或光输出分布。
发明内容
包括转向膜和透镜状扩散器的所述的光学系统可用于改善对LCD显示器输出分布的控制并增强显示器亮度。
简而言之，本发明提供了包括转向膜和透镜状扩散器的光学系统。转向膜包括第一大致平滑的表面，其中第一大致平滑的表面限定垂直于第一大致平滑的表面而延伸的显示轴线；以及第一结构化表面，该第一结构化表面包括多个第一微结构，该多个第一微结构限定多个第一大致平行的凹槽，其中转向膜输出在第一平面中大致准直的光。透镜状扩散器包括大致垂直于显示轴线的第二大致平滑的表面；和第二结构化表面，该第二结构化表面包括多个第二微结构，该多个第二微结构限定沿着大致垂直于显示轴线的平面延伸的多个第二大致平行的凹槽，其中包括多个第二微结构的第二结构化表面包括由大致平坦的台面区域隔开的多个透镜状棱镜，这些透镜状棱镜具有修圆的末端和两个侧面，这两个侧面包括通过多项式混合节段连接的线性基部节段和线性末端节段。每个透镜状棱镜的横截面沿从第二大致平滑的表面至顶点的方向沿着大致平行于显示轴线的平面延伸。透镜状扩散器光学耦合到转向膜。透镜状扩散器朝向大致垂直于第一平面的第二平面反射和折射在第一平面中大致准直的光。多个第一大致平行的凹槽大致垂直于多个第二大致平行的凹槽。第一大致平滑的表面与第二结构化表面相邻。
附图说明
当结合附图阅读时，本发明的前述方面和其它方面在下列具体实施方式中更加明显。
图1为示例性光学系统的概念性和示意性横向剖视图。
图2A为YZ平面内示例性光学系统的概念性和示意性横向剖视图。
图2B为XZ平面内示例性光学系统的概念性和示意性横向剖视图。
图3为示例性透镜状棱镜的概念性和示意性横向剖视图。
图4A为示例性光学显示器系统的概念性和示意性横向剖视图。
图4B为示例性光学显示器系统的概念性和示意性横向剖视图。
图5为锥光曲线图。
图6为亮度截面曲线图。
图7为亮度截面曲线图。
图8A为分布器结构的几何轮廓。
图8B为亮度分布的曲线图。
图9A为分布器结构的几何轮廓。
图9B为亮度分布的曲线图。
图10A为分布器结构的几何轮廓。
图10B为亮度分布的曲线图。
图11A为分布器结构的几何轮廓。
图11B为亮度分布的曲线图。
图12A为分布器结构的几何轮廓。
图12B为亮度分布的曲线图。
图13A为分布器结构的几何轮廓。
图13B为亮度分布的曲线图。
图14A为分布器结构的几何轮廓。
图14B为亮度分布的曲线图。
应当理解，本公开的某些图的标的主题未必按比例绘制，并且这些图呈现本文所公开的光控膜和光学系统的非排它性示例。
具体实施方式
本公开描述了光控膜(LCF)和包括光控膜的光学系统。光学系统(诸如显示器组件)在同轴位置(即，显示法线的方向)可更亮，并且在离轴位置(例如，相对于显示法线，某个角度大于零的方向)不太亮。在一些光学系统应用中，可能期望控制水平光输出分布并减少垂直方向上的离轴照明，以在水平方向上为观看者提供在同轴位置和一系列离轴位置为明亮的或几乎为明亮的显示器，同时在垂直方向上提供较少的离轴光。例如，可能期望控制汽车显示器应用中的水平光输出分布，在汽车显示器应用中，仪表显示器可能位于司机前方(例如，相对于司机为同轴，相对于前座乘客为离轴)，或控制台显示器位于司机和前座乘客中间(例如，相对于司机和前座乘客而言为离轴)，以为司机和前座乘客提供为明亮的或几乎为明亮的显示器，并减少垂直方向上的离轴光。
在一些光学系统应用中，LCF可用于控制光输出分布。所述的LCF和光学系统可包括转向膜(例如，类似棱镜的转向结构)和透镜状扩散器(例如，弯曲的漫射结构)，以调节光输出分布并增强亮度特性。例如，所述的LCF可在水平方向分布输出分布，以增强在同轴位置和离轴位置中的显示器亮度特性。与没有转向膜和透镜状扩散器的LCF相比，具有转向膜和透镜状扩散器的本发明所公开的LCF可改善对显示器输出分布的控制并增强水平方向上的显示器亮度，同时减少垂直方向上的离轴光。因此，本发明提供了示例性LCF和具有水平输出分布的光学系统，相对于显示器表面而言，所述水平输出分布在水平方向上增强显示器亮度，并且在垂直方向上减少离轴光。
本文所述的转向膜和透镜状扩散器各自可包括多个微结构(例如，棱镜)。在一些示例中，转向膜的多个微结构可包括被配置为准直、折射和/或反射光的至少两个面。在一些示例中，透镜状扩散器的多个微结构可包括被配置为反射和/或折射光的多小面棱镜。例如，图1为示例性光学系统10的概念性和示意性横向剖视图。在图1的示例中，光学系统10可包括背光光导12、转向膜14、基片30、透镜状扩散器34和液晶显示器(LCD)50。在一些示例中，光学系统10的LCF可包括转向膜14和透镜状扩散器34。
为了进行图解说明，图1示出了转向膜14的微结构，以及透镜状扩散器34的微结构。然而，在实施过程中，光学系统10的剖视图通常仅示出转向膜14的微结构或仅示出透镜状扩散器34的微结构，因为转向膜14中的凹槽通常大致垂直于透镜状扩散器34中的凹槽。在一些示例中，透镜状扩散器34可被配置为接收来自转向膜14的在第一平面中准直的光(例如，光线56)，并且优先地将准直的光朝向与第一平面正交的第二平面反射和/或折射(例如，光线58)。例如，透镜状扩散器34可接收来自转向膜型光导、或楔形或伪楔形光导等的准直光输出。在一些示例中，透镜状扩散器34可被配置为将来自转向膜14的准直的光在与显示器表面呈水平的平面中分布。例如，所述的LCF包括转向膜14和透镜状扩散器34，LCF可具有通过折射和/或反射光而操作的特征。
在一些示例中，透镜状扩散器34可限定大致平滑的表面38(例如，非结构化表面)和结构化表面40。在一些示例中，结构化表面40可包括多个微结构44，该多个微结构各自具有多小面的面48和修圆的末端46。在一些示例中，微结构44可限定具有大致平坦的台面区域33的凹槽42。在一些示例中，微结构44可光学耦合到转向膜14(即，透镜状扩散器34和转向膜14之间没有空气或其它明显间隙，这些空气或间隙可能允许相邻层的表面存在显著反射)。
在一些示例中，大致平滑的表面38可限定大致垂直于大致平滑的表面38延伸的显示轴线52。在一些示例中，大致平滑的表面38无需是完全平滑的，并且如果表面不包括微结构(例如，非结构化表面)，则可限定为大致平滑的表面。例如，在大致平滑的表面38的表面上可包括或掺入防浸润或防炫光珠状涂层，此类表面仍然可被认为是大致平滑的。换句话讲，术语“平滑的”不用于指示表面是不粗糙的或完全平面的，而是用于指示表面是非结构化的。
在一些示例中，结构化表面40可包括棱镜微结构44。在其他示例中，结构化表面40可包括多于一个微结构44，例如，曲面或平直小面微结构、弓形微结构、角微结构和/或多小面微结构。在一些示例中，微结构44中的每个微结构可为线性微结构，即，微结构44可沿着垂直于显示轴线52的平面延伸，并具有大致相同(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，并且沿着页面内/外的平面延伸)。在其他示例中，微结构44可为沿着平行于页面的平面延伸的线性微结构(图1中未示出)。
在一些示例中，微结构44中的每个微结构可为具有多小面的面48和修圆的末端46的棱镜。在一些示例中，微结构44可在棱镜之间具有平坦的台面区域33。在一些示例中，多小面的面48可被配置为例如，朝向大致垂直于显示轴线的平面优先反射和/或折射水平方向上的光。例如，如图3所示，透镜状微结构440具有多小面的面480，该多小面的面具有通过多项式混合节段483连接的线性基部节段481和线性末端节段482。在一些示例中，可利用控制参数对多小面的面480进行成形以覆盖具有输出光分布所需宽度和均匀度的空间。在一些示例中，每个微结构的横截面可大致平行于显示轴线从大致平滑的表面而延伸至顶点。
透镜状扩散器34可具有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，透镜状扩散器34的微结构44可由聚合物材料，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形成。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，透镜状扩散器34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入射光。在一些示例中，形成透镜状扩散器34的微结构44的材料可具有足够高的折射率，诸如，约1.45至约1.75，以有利于在足够宽的角度范围内反射和/或折射。在一些示例中，为了达到所需的高折射率，特别合适的材料为含有锆颗粒的可紫外光固化复合材料，如美国专利7,833,662中所述。在一些示例中，可选择透镜状扩散器34的材料、尺寸或两者以制备柔性膜。
微结构44可为任何适当的尺寸。微结构45的节距可从两个连续凹槽44的平坦台面33的端点进行测量。平滑的表面38上的微结构44的总体布置在相邻微结构之间可具有任何合适的节距。在一些示例中，微结构44可采用毫米或微米尺度，例如，微结构44的节距可介于约10微米和200微米之间或为约14微米至约80微米。对于透镜状扩散器34的结构化表面40的全部或部分，微结构44的节距或尺寸可增大、减小、都增大和减小或保持不变。在一些示例中，微结构44可全部大致相同(例如，相同或几乎相同)或者可包括不同形状或尺寸的微结构的组合。
微结构44，并且更具体地，结构化表面40可通过任何合适的工艺，诸如微复制工艺形成。例如，平滑的表面38可通过切削(飞刀切削、螺纹切削、金刚石车削等等)、或抵靠合适的工具压制柔顺但可固化或可硬化材料而形成，其中表面限定所需结构的负像表面。例如，微结构44可用棱镜设计工具形成，该棱镜设计工具可包括例如如图3所示的以下参数：节距(P)、基部长度(B)、基部角(θ1和θ2)、末端角(Φ1和Φ2)、末端半径(Rtip)、平坦台面宽度(w)、填充率(B/P)、高宽比(h/(B))、末端尺寸比例(Rtip/B)和/或末端比例(Rtip/P)。基部角和末端角是适当线性节段(即，线性基部节段481或线性末端节段482)相对于大致垂直于显示轴线的平面(“基部平面”)测量的角度。末端线性比例和基部线性比例是投影在基部平面上的适当线性节段与基部长度的比率(即，末端线性比例为D/B，并且基部线性比例为C/B)。多项式混合节段483跨线性基部节段481和线性末端节段482之间的区域。多项式混合节段483的顶端(点A)和基部端(点B)处的边界条件是重要的参数。末端角Δ或基部角Δ(在本文中也称为“混合角变化”)是在边界点A或B处测量的多项式混合节段483的倾斜角与线性节段(即，线性末端节段482或线性基部节段481)的倾斜角的差值。
在一些示例中，填充率为约0.7至约0.95，或约0.75至约0.9。在一些示例中，θ1和θ2为约75度至约85度，或约77度至约82度。在一些示例中，Φ1和Φ2为约65度至约80度，或约69度至约77度。在一些示例中，Rtip为约0.5微米至约5微米。在一些示例中，末端尺寸比例为约0.01至约0.05。在一些示例中，末端线性比例为约0.03至约0.15。在一些示例中，基部线性比例为约0至0.1。在一些示例中，末端比例小于约0.1或小于约0.035。在一些示例中，高宽比为约1.8至约2.5。在一些示例中，末端角Δ为约0度至约15度。在一些示例中，基部角Δ为约-15度至约5度。在一些方面，多项式混合节段是3阶、5阶或7阶多项式的混合节段。
在一些示例中，可改变棱镜设计工具参数，以为结构化表面40提供所需的光输出分布，例如合适宽度和平滑的输出光分布。在一些示例中，微结构形成工艺可利用多参数搜索和优化矩阵来自动操作，例如，确定全宽、半峰或半宽、半峰，并改变亮度对极性视角的二阶导数，以实现所需的光输出分布。也可以采用用于形成透镜状扩散器34的其他工艺，包括例如使用光刻法，诸如工具的双光子原模制作结合浇铸和固化工艺或甚至直接机加工或增材三维打印工艺，利用经过电镀的、激光切割或蚀刻的工具进行浇铸和固化。随后可硬化或固化材料(例如，通过暴露于光诸如紫外线)，从而使结构化表面40具有所需微结构44。
在一些示例中，结构化表面40可限定多个大致平行的凹槽42。在一些示例中，凹槽42中的每个凹槽可为线性凹槽，即凹槽42可沿着大致垂直于显示轴线52的平面延伸，并具有大致相同(例如，相同或几乎相同)的横截面形状(例如，如图1的剖视图中所示，并且沿页面内/外的平面延伸)。在其他示例中，凹槽4可为沿平行于页面的平面延伸的线性凹槽(图1中未示出)。在一些示例中，凹槽42可具有任何合适的厚度。
在一些示例中，凹槽42可完全填充有材料，使得透镜状扩散器34可包括大致平滑的表面36。在一些示例中，凹槽42可部分地填充有材料，使得凹槽42中的材料与结构化表面40的至少一部分相邻。在一些示例中，凹槽42中的材料可为任何合适的材料。例如，凹槽42中的材料可为低折射率材料、空气、光学粘合剂，硅树脂、氟化聚合物和共聚物、夹带超低折射率材料的纳米孔隙空气等等。在其他示例中，凹槽42中的材料可包括多于一种材料，例如，空气和光学粘合剂等。
在一些示例中，凹槽42中的材料的折射率可小于微结构44的材料的折射率。在一些示例中，填充凹槽42的材料可具有足够低的折射率，诸如介于约1.3和约1.55之间的折射率，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，形成微结构44的材料的折射率与填充凹槽42的材料的折射率之间的差值可介于0.05和0.6之间，或介于约0.1和0.3之间，或介于约0.15和0.25之间。
光学系统10的水平输出分布可被描述为亮度随视角变化。亮度随视角变化可被描述为具有半峰半宽(HWHM)，即：同轴位置任意一侧的视角位置，在该位置的亮度为最大亮度的一半(例如，在同轴位置的亮度)。在一些示例中，透镜状扩散器34可被配置为从小于约±30度HWHM的输入光束提供大于约±40度的HWHM。例如，可选择微结构44的形状、尺寸和节距以从小于约±30度HWHM的输入光束提供大于约±40度的HWHM。在其他示例中，透镜状扩散器34可被配置为从小于约±20度HWHM的输入光束提供大于约±50度的HWHM。例如，可选择微结构44、45的形状、尺寸和节距以从小于约±20度HWHM的输入光束提供大于约±50度的HWHM。
亮度随视角变化可被描述为在80％峰值处具有半宽(HW80)，即：同轴位置任意一侧的视角位置，在该位置的亮度为最大亮度的80％(例如，在同轴位置的亮度)。在一些示例中，透镜状扩散器34可被配置为从小于约±30度HWHM的输入光束提供大于约±35度的HW80。例如，可选择微结构44的形状、尺寸和节距以从小于约±30度HWHM的输入光束提供大于约±35度的HW80。在其他示例中，透镜状扩散器34可被配置为从小于约±20度HWHM的输入光束提供大于约±40度的HW80。例如，可选择微结构44、45的形状、尺寸和节距以从小于约±20度HWHM的输入光束提供大于约±40度的HW80。
在一些示例中，转向膜14可包括大致平滑的表面16(例如，非结构化表面)和结构化表面18。在一些示例中，大致平滑的表面18可限定大致垂直于大致平滑的表面16延伸的显示轴线52。在一些示例中，结构化表面18可包括多个微结构19，每个微结构具有在顶点26处相交的第一侧面24和第二侧面28。在其它示例中，结构化表面18可包括多于两个表面，例如，多小面微结构。在一些示例中，结构化表面18的微结构19可限定凹槽22。在一些示例中，凹槽22可为大致平行的。在一些示例中，转向膜14可光学耦合到背光光导12。在一些示例中，转向膜14可输出在第一平面中大致准直的光。
在一些示例中，转向膜14可被配置为从背光光导12(例如，光线54)接收大致准直的光并输出在第一平面中大致准直的光(例如，光线56)。例如，转向膜14可接收来自转向膜型光导，或楔形或伪楔形光导等的大致准直光输出。
在一些示例中，大致平滑的表面16无需在所有实施方案中是完全平滑的，并且只要表面不包括微结构(例如，非结构化表面)，则可限定为大致平滑的表面。例如，在大致平滑的表面16的表面上可包括或掺入防浸润或防炫光珠状涂层，此类表面仍然可被认为是大致平滑的。换句话讲，术语“平滑的”不用于指示表面是不粗糙的或完全平面的，而是用于指示表面是非结构化的。
在一些示例中，结构化表面18可包括棱镜微结构19。在其它示例中，结构化表面18可包括多于一个微结构19，例如，角微结构、多小面微结构等等。在一些示例中，微结构19中的每个微结构可为线性微结构，即，微结构19可沿着垂直于显示轴线52的平面延伸，并具有大致相同(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)。在其他示例中，微结构44可为在平行于页面的平面内延伸的线性微结构(图1中未示出)。
在一些示例中，微结构19中的每个微结构可具有第一侧面24和第二侧面28。在一些示例中，第一侧面24和第二侧面28可为相似的。例如，第一侧面24和第二侧面28中的每个侧面可具有单个平直小面、曲面等。在其它示例中，第一侧面24和第二侧面28可为不相似的。例如，第一侧面24和第二侧面28中的每个侧面可具有不同数量的小平面，或可为多小面的等等。在其它示例中，第一侧面24或第二侧面28可为弯曲的或弓形的，以从大致准直的输入分布形成合适的光输出分布。在这个意义上，第一侧面24可优先反射第一方向上的光，并且第二侧面28可优先反射第二方向上的光。结构化表面18上的微结构19的总体布置可具有任何合适的节距并且在相邻微结构之间可具有或可不具有台面(即：平坦区域；未示出)。在一些示例中，微结构18可彼此直接相邻，使得微结构在相邻微结构上产生阴影效果。
微结构19可为任何适当的尺寸。在一些示例中，微结构19可采用毫米或微米尺度，例如，微结构19的节距在约10和约200微米之间、或在约10至约100微米之间。对于转向膜14的结构化表面18的所有或部分，不对称微结构19的节距或尺寸可增大、减小、都增大和减小或保持不变。在一些示例中，微结构19可全部大致相同(例如，相同或几乎相同)或可包括不同形状或尺寸的微结构的组合。
转向膜14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，转向膜14的微结构19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，转向膜14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，形成转向膜14的微结构19的材料可具有足够高的折射率，例如，约1.5至约1.75，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，可选择转向膜14的材料、尺寸或两者以制备柔性膜。在一些示例中，用于转向膜14的微结构的可用材料为美国专利9,360,592中所述的那些。
微结构19，并且更具体地，结构化表面18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18可以通过切削(飞刀切削、螺纹切削、金刚石车削等等)，或抵靠合适的工具压制柔顺但可固化或可硬化材料而形成，其中表面限定所需结构的负像表面。随后可硬化或固化材料(例如，通过暴露于光诸如紫外线)，从而使结构化表面18具有所需微结构19。用于形成转向膜14的其它工艺也可以采用，包括使用光刻法，诸如工具的双光子原模制作结合浇铸和固化工艺的或甚至直接机加工或附加三维打印工艺，利用经过电镀的、激光切割或蚀刻的工具进行浇铸和固化。
在一些示例中，背光光导12可包括任意适合光源中的一个或多个，或光源的组合(未示出)。在一些示例中，光源可包括一个或多个发光二极管(LED)。在一些示例中，光源可分别包括单一光源或可包括多个光源(例如，一组或一系列光源)。在一些示例中，光源可包括冷阴极荧光管(CCFL)或白炽光源。可选择光源和任一对应的注入、准直或其它光学器件以提供任一合适的波长或波长、偏振、点扩散分布和准直度的组合。
在一些示例中，背光光导12可被配置为输出大致准直的光，例如，大致准直的光输出可包括具有小于约40度的半高全宽(FWHM)的光输出。例如，背光光导12可包括转向膜光导，该转向膜光导包括楔形光导，以通过全内反射的渐进式折返来提取光，使得光可以高角度在向下引导方向上沿着显示轴线52从背光光导12输出。又如，背光光导12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，使得提取的光可以高角度从在向下引导方向上大致平行于显示轴线52的背光光导12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，并且大致从背光光导14沿其长度提取光。另外，在此类示例中，背光光导12可在沿光传播方向的一侧上包括透镜和/或棱镜凹槽或结构，以散射传播光，破坏源图像伪影，或者在交叉波导方向上大致准直光(即：光可在向下引导方向和交叉波导方向上大致准直)。
在一些示例中，基片30可设置在转向膜14和透镜状扩散器34之间。在一些示例中，光学系统10可不包括基片30，例如，转向膜14可直接邻近并光学耦合到透镜状扩散器34。在一些示例中，基片30可为光学粘合剂、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯等。在一些示例中，转向膜14和透镜状扩散器34可设置在并光学耦合到基片30的相对侧上。在其他示例中，转向膜14和透镜状扩散器34可设置在并光学耦合到两个单独的基片上，其中两个基片层压在一起或换句话讲光学耦合。
在一些示例中，液晶显示器(LCD)50可邻近透镜状扩散器34设置。在一些示例中，LCD 50可邻近透镜状扩散器34设置并与其光学耦合。在一些示例中，其他层(未示出)可设置在LCD 50和透镜状扩散器34之间，每个层光学耦合到每个相邻层。其它层可包括例如光学粘合剂、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯等。
在一些示例中，光学系统10、11可安装在运载器中。例如，运载器显示器系统可包括背光光导12、转向膜14、透镜状扩散器34和LCD 50。在其他示例中，运载器显示器系统可包括转向膜14和透镜状扩散器34。
图2A和图2B为YZ平面(图2A)和XZ平面(图2B)内示例性光学系统20的概念性和示意性横向剖视图。图2A和图2B的光学系统20可与图1的光学系统10大致相同，并且包括与图1相关的上述元件的描述。在图2A和图2B的示例中，光学系统20可包括背光光导12、转向膜14、基片30、透镜状扩散器34和液晶显示器(LCD)50。
如图2A和图2B所示，光学系统20可设置在XY平面中，其中X轴表示相对于光学系统20表面的水平轴线，Y轴表示相对于光学系统20表面的垂直轴线，并且Z轴表示显示法线。如图2A中所示，转向膜14的凹槽22可大致垂直于YZ平面设置(即，大致平行于X轴)。如图2B中所示，透镜状扩散器34的凹槽42可大致垂直于XZ平面设置(即，大致平行于Y轴)。在一些示例中，转向膜14的凹槽22可大致垂直于透镜状扩散器34的凹槽42。
在一些示例中，转向膜14可输出在YZ平面内准直的光。在一些示例中，透镜状扩散器34远离Z轴线，朝向X轴线平面反射或折射来自转向膜14的准直光。在一些示例中，透镜状扩散器34的凹槽42相对于转向膜14的凹槽22的位置可在相对于显示器表面的水平方向上扩散光。
根据本发明提供的示例性LCF以及包括LCF的光学系统将通过以下非限制性实施例示出。
实施例
以下实施例进一步说明了本发明的目的和优点，但这些实施例中列举的具体材料及其量以及其它条件和细节不应被解释为是对本发明的不当限制。
一般来讲，以下实施例中所示的混合透镜具有高高宽比、多小面形状，其产生具有可视输出的显示器系统，该可视输出同时满足(1)宽视角、(2)在整个可视范围内的平坦显示强度以及(3)在视角范围的任一侧上的锐截止。对于显示器系统的其他元件，利用基线假设来计算来自不同透镜状结构的示例性输出，以便限定适于产生宽、平坦且边界清楚的可视范围的透镜状结构。这些结构因具有特征性形状，故通常被称为“顶帽”轮廓。
模型假设
用于本研究的非顺序光学光线跟踪包在功能上等同于可购自加利福尼亚州帕萨迪纳市的LightTools公司(LightTools,Pasadena,CA)的商业包，该商业包使用如本行业中常见的反向光线跟踪和蒙特卡洛(Monte-Carlo)分裂的标准方法。本发明的具体光学系统在图4A中示出。其为转向膜系统，其中转向膜具有朝向光导组件的棱镜238和位于第二基片271上并且面向第一基片239的一组正交透镜状特征240。尚未发现转向膜的确切性质对分布器的性能特别重要，但对于这些实施例，模型使用输入面角为65.0度、基部角为66.15、末端角为50.19、基部比例为0.1525、末端比例为0.03422且曲率因子为1.419的转向棱镜。假设转向棱镜在550nm波长下具有1.565的实际折射率和9.104E-7的虚部。假设第一基片239具有1.61的折射率、每毫米0.0191的吸收系数和127微米的厚度。
透镜状特征可直接形成于第一基片上(如图4A所示)，或者形成于折射率为1.61、吸收系数为0.0191 1/mm、厚度为50.8微米的第二基片271(如图4B所示)上，然后通过折射率为1.486且厚度为25.4微米的粘合剂270层合至第一基片。当使用高(光学)质量材料时，预计两种方法的性能都非常相似。假设透镜状特征具有1.68的折射率和每毫米0.0104的吸收系数。透镜状分布器表面利用折射率为1.486且厚度为约100微米的粘合剂241粘结至显示器的后偏振器，使得粘合剂完全填充透镜状特征。
显示模块242的简化模型如下所述。假设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。该9度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。显示模块242仅是示例性的，并且可被省略或可具有其他值。
关于图4A，系统性能可取决于来自光导组件234的输出分布，并且这可根据该组件的各种部件的设计而变化。在实施过程中，竖直角输出(以及因此转向膜设计目标)可随来源分布而显著变化，而水平角属性(以及因此分布器设计)通常不太敏感。此类光导组件例如可由多种部件构成，包括一个或多个源237、具有输出耦合装置235的合适光导以及后反射器236。出于本讨论的目的，我们考虑光导组件234的输出分布201。输出分布201示于图5中。该输出分布的向下引导横截面示于图6中。交叉波导横截面示于图7中。此处的建模假设光导组件具有选定的分布以及0.965镜面反射率和0.02朗伯反射率特征的反射光学特性(往回看组件)。这些值和分布仅用于示例目的，并且以下设计方法可与其他反射率值和其他光分布一起使用。
具体地讲，分布201来源于使用RiGO光电测角计系统对物理样品(得自实际DellXPS膝上型电脑)的测量。RiGO系统用于测量空间亮度数据和角度亮度数据两者，该空间亮度数据和角度亮度数据随后被转换成合适的光源以用于分布器结构的建模实施例比较。
建模结果
为所述实施例中的每个实施例提供建模输出，其具有共同的系统假设以便绘制比较曲线图。在图5中的锥光曲线图中使用的坐标系具有朝向90度方位角的向下引导方向，并且源边缘(例如LED边缘)朝向270度方位角。对于亮度横截面曲线图(例如，图6)，向下引导方向为正，并且源边缘为负。当在实际运载器显示系统中使用时，舱坐标系通常具有+向上和–向下，并且可以匹配或可以不匹配亮度横截面曲线图中所示的方向。事实上，对于转向膜产生的顶帽分布，这些顶帽分布通常在分布的负侧上具有更锐的截止，这意味着向下引导亮度分布中的负方向优选地朝向舱坐标中的正方向(即，向上)。对于水平横截面曲线图，如果向下引导被认为是向上的，则+方向通常在显示器的右侧。事实上，以下水平横截面曲线图中的大多数曲线图是相当对称的，因此方向不那么重要。对于比较而言，曲线图例如通常包括参考曲线，该参考曲线具有+/-40度角度可视宽度的平顶和30度宽的过渡区。本文的这些实施例中所述的用于分布功能的嵌入式透镜状结构可在甚至超过40度宽度的设计可视宽度下很好地起作用，同时保持锐截止。
通用透镜状分布器形状
如上所述，图3示出了具有创造性的新型设计形状的通用型式。在图3中，斜面看起来在混合节段和线性节段之间是连续的。更优选地，我们发现对于在这些节段之间具有斜率不连续性(slope discontinuity)的结构的优点。混合形状可基于许多函数形式，但我们发现3阶、5阶和7阶的多项式混合是特别有用的。这些形式让我们约束混合端处并间接地沿着混合物的斜率、曲率和曲率变化率。下面报告了每个实施例轮廓的特定形式及其相应的建模显示性能。
实施例和比较例
表1：实施例和比较例结构的概述
表1示出了图8至图14所呈现的分布器形状的详细形状参数。所有混合物使用44.4微米的周期和半径形状的末端。通常，周期将介于10微米和200微米之间，并且更常见地介于14微米和80微米之间；在这些范围内，我们的模型已显示出类似的结果。透镜状特征形状通常还包括两个线性节段，在这些节段之间具有一些多项式形状的混合物。“不连续斜率”行指示形状是否允许线性节段和多项式混合节段之间的斜率变化。在我们的实施例中，我们使用各种阶数的多项式。对于立方形状，知道起始角和终止角足以限定该形状。对于较高阶曲线诸如五阶或七阶多项式，在每个端部处可使用较高阶导数诸如二阶和三阶导数来指定它们的附加形状参数。具体地讲，该表示出了七阶多项式形状的二阶导数和三阶导数，但对于立方形状，不需要这些导数就可以完全指定形状。一般来讲，对于多项式，必须从二阶导数开始，并且包括(N-1)/2阶导数的所有导数，其中N是多项式的阶数。位置和一阶导数条件已经由表中的其他参数指定。用于指定这些导数和混合物的函数形式的单元在基于指定的参数来确定确切形状方面也是重要的。我们在X-Y坐标系中定义混合物，其中X值为-1至1，并且Y轴指向形状表面的向外方向，并且A点对应于x＝-1并且B点对应于x＝1。表中的导数因子在该坐标系中定义。从该坐标系将混合形状映射到均匀地缩放X方向和Y方向的实际形状上，然后旋转使得A点和B点匹配。本领域的技术人员将会理解，存在可用于提供可比较的结果的其它函数形式。
实施例使用三阶多项式和七阶多项式的混合。使混合物和线性节段之间的斜率不连续性比多项式的阶数更重要。考虑高阶多项式的设计允许更大的自由度并且可能稍微平坦一些，但这种影响并不是很大。我们发现，三阶曲线通常足够好并且设计更简单。
表中的“形式”行指示分布器的从形状的末端侧开始的非末端半径部分的基本形状。比较例CE1和CE2设计在结构轮廓的线性区段与混合部分相遇的点处不包括不连续性。比较例1(CE1)具有单一半径形式，不具有线性节段。比较例2(CE2)以及实施例3、4和5具有线性-三次-线性形式，这意味着结构的基部具有第一线性部分，该第一线性部分融合为具有三次多项式形状的第二部分，从而融合为第三线性部分，然后融合为末端半径部分。实施例1具有线性-七阶-线性形式，这意味着结构的基部具有融合为七阶多项式部分，从而融合为第二线性部分，然后融合为末端半径部分的线性形状。实施例2具有线性七阶形式，这意味着结构的基部在融合为末端线性部分之前具有七阶多项式部分，该末端线性部分融合为末端半径部分。
模型输出结果
图8A、图8B至图14A、图14B各自示出了两个曲线图，其中一个曲线图为分布器结构的几何轮廓，并且第二个曲线图示出了照明系统上的对应水平角亮度分布。从这些轮廓和亮度轮廓中，我们可得出有关在宽平坦(角)观察条件下提供最佳性能的透镜状结构的特征的结论。
图8A示出了现有设计的一个示例。如图8B所示，其具有相当宽的视角，但平顶未延伸超过45度，并且其具有对所感知的图像质量不利的振荡。图9A和图9B示出了新的改进设计，其宽得多并且延伸到至少50度并且具有更好的顶部平坦度，但仍然具有随视角变化的输出亮度的不期望的波纹。
具体地讲，该设计匹配我们的新形状的混合物与线性节段之间的斜率。图10A和图10B示出了当斜率不连续结合到设计中介于线性节段和混合节段之间时的改善。在这种情况下，亮度图案随视角变化而非常均匀。图11A和图11B示出了产生50度的合理平坦轮廓的另一种形状，但其仅包括一个线性节段–末端线性节段连同斜率不连续性。
使用如图3所示的函数形式并且允许线性节段混合斜率不连续性的这种设计方法是一种用于适应视角范围内的不同期望目标的强大工具。图12A和图12B示出了用于35度平顶的此类设计，其中不连续性较小。图13A和图13B示出了覆盖40度的设计，其中增加斜率不连续性看起来是有益的。图14A和图14B展示了甚至延伸超过60度宽度的平顶是可能的。存在连续设计窗口——使用用于结构形状的这种新的函数形式——其从约35度平顶延伸至超过60度平顶的视角范围。该函数形式的设计可在宽范围的宽度目标上产生具有平坦顶部的图案。
本文所引述的专利公开的全部公开内容以引用方式全文并入本文，如同每种专利公开单独并入本文。在不脱离本发明的范围和实质的前提下，本发明的各种变型和更改对本领域的技术人员而言将显而易见。应当理解，本发明并非意图不当地限制于本文所示出的示例性实施方案和实施例，并且上述实施例和实施方案仅以举例的方式提出，而且本发明的范围旨在仅受下面本文所示出的权利要求书的限制。

Claims (22)

1.一种光学系统，包括：
(a)转向膜，所述转向膜包括：
第一大致平滑的表面，其中所述第一大致平滑的表面限定垂直于所述第一大致平滑的表面而延伸的显示轴线；和
第一结构化表面，所述第一结构化表面包括多个第一微结构，所述多个第一微结构限定多个第一大致平行的凹槽，
其中所述转向膜输出在第一平面中大致准直的光；以及
(b)透镜状扩散器，所述透镜状扩散器包括：
第二大致平滑的表面，所述第二大致平滑的表面大致垂直于所述显示轴线；和
第二结构化表面，所述第二结构化表面包括多个第二微结构，所述多个第二微结构限定多个第二大致平行的凹槽，所述多个第二大致平行的凹槽沿着大致垂直于所述显示轴线的平面延伸，
其中包括多个第二微结构的所述第二结构化表面包括由大致平坦的台面区域隔开的多个透镜状棱镜，所述透镜状棱镜具有修圆的末端和两个侧面，所述两个侧面包括通过多项式混合节段连接的线性基部节段和线性末端节段；
其中每个透镜状棱镜的横截面在从所述第二大致平滑的表面至顶点的方向上沿着大致平行于所述显示轴线的平面延伸，
其中所述透镜状扩散器光学耦合到所述转向膜，并且其中所述透镜状扩散器朝向大致垂直于所述第一平面的第二平面反射和折射在所述第一平面中大致准直的光，
其中所述多个第一大致平行的凹槽大致垂直于所述多个第二大致平行的凹槽，并且
其中所述第一大致平滑的表面与所述第二结构化表面相邻。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述透镜状扩散器包括具有第一折射率的第一材料和具有第二折射率的第二材料，其中所述第一材料形成所述多个透镜状棱镜，并且所述第二材料与所述第一材料相邻，并且其中所述第一折射率大于所述第二折射率。
3.根据权利要求2所述的光学系统，其中所述第一折射率和所述第二折射率之间的差值为0.1至0.3。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述透镜状棱镜具有10微米至200微米的节距。
5.根据权利要求4所述的光学系统，其中所述透镜状棱镜具有14微米至80微米的节距。
6.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述透镜状棱镜具有75度至85度的基部角。
7.根据权利要求6所述的光学系统，其中所述透镜状棱镜具有77度至82度的基部角。
8.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述透镜状棱镜具有0.5微米至5微米的末端半径。
9.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述透镜状棱镜具有65度至80度的末端角。
10.根据权利要求9所述的光学系统，其中所述透镜状棱镜具有69度至77度的末端角。
11.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述透镜状棱镜具有0.01至0.05的末端尺寸比例。
12.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述透镜状棱镜具有0.03至0.15的末端线性比例。
13.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述透镜状棱镜具有0至0.1的基部线性比例。
14.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述第二结构化表面具有0.7至0.95的填充率。
15.根据权利要求14所述的光学系统，其中所述第二结构化表面具有0.75至0.9的填充率。
16.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述多项式混合节段是3阶、5阶或7阶多项式的混合节段。
17.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述末端角的变化量为0度至15度。
18.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述基部角的变化量为-15度至5度。
19.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述多个第一微结构包括多个两侧平直小面棱镜。
20.根据权利要求1所述的光学系统，还包括邻近所述转向膜的背光光导，其中所述背光光导输出大致准直的光。
21.一种液晶显示器系统，包括：
(a)液晶显示器，
(b)背光光导，和
(c)光控膜，所述光控膜设置在所述背光光导和所述液晶显示器之间，所述光控膜包括根据权利要求1所述的光学系统。
22.一种安装在运载器中的光学系统，包括：
(a)运载器，和
(b)根据权利要求21所述的液晶显示器系统，所述液晶显示器系统安装在所述运载器中。
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