CN1717138A - 单向透明光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了涉及将外部光朝光吸收区聚焦以增强显示器亮度和对比度的显示器微结构的装置和方法。显示器包括被设置在光发射层一侧的光吸收层。光吸收层包括光折射结构和光吸收元件，其中每个光吸收元件被设置在光折射结构内。光引导结构基本上朝多个光吸收元件中被设置在其中的一个引导入射光以减小外部光的反射。

Description

单向透明光学系统
发明领域
本发明的装置和方法涉及用于减少光透射的光吸收结构。具体而言，该装置和方法涉及显示器的微结构，该微结构将外部光朝光吸收区聚焦，以增强显示器的亮度和对比度。
背景技术
诸如有机电致发光显示器的直接发光显示器有两个问题，即对比度下降和来自外部环境光的闪耀。为降低闪耀的影响，使用了薄膜型抗反射涂层或球面抗闪耀涂层。一种圆偏振器也被用来通过阻断来自金属电极的外部光的反射以减轻对比度下降的影响。然而，圆偏振器会极大地减少从显示器发射层发射的光的量。
发明内容
为解决上述问题，构思了本发明。其提供了新颖的减少光反射的光学系统。
本发明的一实施例包括一光学装置，该装置包括：多个光折射结构，其中，多个光折射结构中的每一个将入射光朝一聚焦区折射；和多个光吸收元件，其中，多个光吸收元件中的每一个设置在所述多个光折射结构中对应的一个的聚焦区附近。
本发明的一方面包括具有光发射层的显示器，该显示器包括：被设置在光发射层一侧的光吸收层，所述光吸收层包括：多个光折射结构；以及多个光吸收元件，其中，所述多个光吸收元件中的每一个被设置在所述多个光折射结构中对应的一个内，而且所述多个光折射结构中的每一个大致将入射的外部光引向多个光吸收元件中被设置在其中的一个。
本发明的另一方面是吸收光的方法，该方法包括：在光折射结构处接收第一光，作为接收光；透射至少一部分的接收到的第一光，作为透射光；朝对应的所述光折射结构的聚焦区折射所述透射光；以及在对应的聚焦区处吸收所述透射光。
本发明的又一方面是制作光吸收层的方法，该方法包括：形成光吸收芯；在每个芯上形成壳，以形成光吸收元件；以及在光透射层上分布所述光吸收元件。
本发明的另一方面是制作光吸收层的方法，该方法包括：形成光吸收芯；在一光透射层上分布所述的光吸收芯；以及对所述光吸收芯进行涂覆以在每个所述光吸收芯处形成凸出结构。
实现本发明的另一方法是制作光吸收层的方法，该方法包括：在一光透射层上形成光吸收层；对所述光吸收层构图，以在所述光透射层上形成多个光吸收元件；对所述的多个光吸收元件进行涂覆，以在多个所述的光吸收元件处形成多个凸出结构，其中，所述多个凸出结构中的每一个朝光吸收元件中对应的一个折射入射光。
实现本发明的又一方法是光吸收层，其包括：将设置在一光透射层上的层构图为一图案；在所述图案上形成多个光吸收元件；对所述多个光吸收元件进行涂覆，以在所述的多个光吸收元件处形成多个凸出结构，其中，所述多个凸出结构中的每一个朝着光吸收元件中对应的一个折射入射光。
附图说明
通过参考附图详细地描述本发明的示例性实施例，本发明以上及其它方面将变得更显而易见。
图1是根据本发明的一实施例的横截面视图；
图2A-2C是凸出结构的多个实施例的横截面视图；
图3是包括薄膜涂层的本发明另一实施例的横截面视图；
图4是使用反射构件的本发明又一实施例的横截面视图；
图5是多层结构的本发明的一实施例；
图6是使用抗反射涂层的本发明另一实施例的横截面视图；
图7是使用柱形光吸收元件的本发明又一实施例的横截面视图；
图8是具有被设置在凸出结构上的光透射层的本发明一个方面的横截面视图；
图9A-9B是本发明的微球体910和一实施例的横截面视图；
图10A-10E是示出使用刮片涂布技术实现本发明的方法的视图；
图11是形成微球体层的另一方法的横截面视图；
图12A-12B是实现本发明的一方法的横截面视图；
图13A-13D是实现本发明另一方法的横截面视图；和
图14A-14D是实现本发明的又一方法的横截面视图。
具体实施方式
根据本发明一方面的装置包括在显示器的光透射表面上形成的凸出结构。每个凸出结构包括一光吸收区。入射到凸出结构上的大部分外部光被折射到光吸收区以被吸收。而由凸出结构下的光透射表面生成的大部分内部光则通过凸出结构。
在图1中，示出了本发明的一示例性实施例。图1示出了光学系统100，其具有光吸收层10、光透射层20和光发射层50。光透射层20被设置于光发射层50上，光吸收层10则被设置于光透射层20之上。光透射层10具有被设置在与设置光透射层20侧相对的一侧处的多个凸出结构10a。在图1中，凸出结构10a是凸出的且具有大致的多角形形状。凸出结构10a可以具有大致的半球(图2A)、类球体(图2B)、多角形(图2C)或其他形状，或者上面所述形状的组合。所述多个光吸收元件12的每个元件被设置在每个凸出结构10a的聚焦区附近。
在操作中，光发射层50发射内部光40。在一实施例中，光40是一图象的光。光发射层50可以包括等离子体显示板的磷光体层、有机电致发光显示器的电致发光层(EL)或显示器的其他发光层或磷光层。内部光40经过光透射层20传播到光吸收层10。大部分内部光40在光吸收层10的光吸收元件12之间朝着外部2的方向传播，而部分内部光会落在光吸收元件上并被吸收。
光吸收层10在凸出结构10a处接收来自外部2的外部光30。凸出结构10a的凸出部分将外部光30的透射部分32朝着在每个凸出结构10a内的聚焦区折射。在下文中，提及本发明的光吸收层内的外部光32只涉及外部光30被透射进光吸收层的部分。在另一实施例中，凸出结构10a是半球形，于是与具有多角形形状的凸出结构相比，对于外部光30的较宽角度的入射，这样的结构可将透射部分32朝着基本上很小的聚焦区折射。
每个光吸收元件12具有较小的水平横截面积，从而由光发射层50生成的大部分内部光40穿过光吸收层10。在一实施例中，光吸收元件12由碳黑或黑色染料制成。
另外，凸出结构10a散射部分入射的外部光30以减少从凸出结构10a表面离开的外部光反射导致的闪耀。
每个凸出结构10a可具有在大约0.1-100μm范围内的直径D，优选在1-10μm范围内。在另一实施例中，凸出结构10a具有在大约3-10μm范围的直径。在一实施例中，光吸收元件12的直径d最大可为凸出结构10a的直径D的一半。光吸收元件12的直径d应根据凸出结构的直径D来选择以便在被光吸收元件12吸收的外部光30和由光发射层50发射的内部光40之间获得一种平衡。也就是说，直径d应该足够大以满意地吸收大量外部光30，然而同时要尽量小而不致阻止过量的由光发射层50发射的内部光40。例如，直径d可在直径D的1/100到1/2之间，优选在1/5到1/3之间。
发明的另一实施例在图3中示出。在图3中，示出了具有光吸收层310的光学系统300。光吸收层310具有以类似图1的光吸收层10的方式排列的多个凸出结构310a和多个光吸收元件312。在光吸收层310上，有一薄膜360的涂层。薄膜360具有与凸出结构310a大致相等的折射率。薄膜360也基本上保留了凸出结构310a的形状，并改变了每个凸出结构310a的聚焦区位置。如在图3中所示，外部光30朝着基本上设置在聚焦区的光吸收元件312折射。如果图1中的凸出结构10a和图3中的凸出结构310a有相同的尺寸、形状并由相同材料制成，与薄膜360结合的凸出结构310a的聚焦区比凸出结构10a的聚焦区更靠近凸出结构310a的表面。薄膜360的厚度可被设置为一希望的量，以在设置光吸收元件312的位置附近改变聚焦区位置。
本发明的另一方面在图4中示出。在图4中，光学系统400包括光吸收层410。光吸收层410具有以类似图1的光吸收层10的方式设置的多个凸出结构410a和多个光吸收元件412。光吸收层410还包括多个反射构件470，其中，多个反射构件470中的每个被设置在多个光吸收元件412中对应的一个下。朝着光吸收元件412传播的内部光40被反射构件470反射以阻止光吸收元件412对内部光的吸收。被反射构件470反射的一些内部光40朝光吸收层410的下表面传播，在该表面处光40朝凸出结构410a的方向被内反射回，以被透射到外部2。而且，一些光40可能被在光发射层下的金属电极(未示出)反射。
发明的另一示例性实施例在图5中示出。光学系统500包括多层光吸收层。在本实施例中，具有第一光吸收层510和第二光吸收层511。第一光吸收层510包括多个凸出结构510a和被设置在凸出结构510a的对应聚焦区附近的多个光吸收元件512。同样地，第二光吸收层511包括多个凸出结构511a和被设置在凸出结构511a的对应聚焦区附近的多个光吸收元件513。第一和第二光吸收层510、511被错开，使得光吸收元件513未被直接设置在光吸收元件512上方。在两个相邻光吸收元件513之间传播并因此不被光吸收元件513吸收的光530被在第一光吸收层510处的光吸收元件512吸收。
如在图6中所示，光学系统600是本发明的另一示例性实施例。光学系统600包括具有图1的光吸收元件12和凸出结构10a的光吸收层10。光学系统600进一步包括在外部光30入射的凸出结构10a表面处设置的抗反射涂层680。抗反射涂层680减少了闪耀，特别对于具有较小或较大直径D的凸出结构10a，因为较小或较大的凸出结构10a提供相对较少的漫射来减少闪耀。也就是说，存在一个范围，在该范围内凸出结构10a的直径D适当地漫射外部光30以便将闪耀被最小化。当凸出结构10a有高于或低于该范围的直径D时，会发生较少的漫射而存在更多的闪耀。
作为选择，光吸收元件可呈现不同形状。图7示出了包括光吸收层710的光学系统700。光吸收层710包括多个凸出结构710a和多个光吸收元件712。多个光吸收元件712的每个元件具有大致为柱形的形状，而且各个光吸收元件712的至少一部分被设置在各个凸出结构710a的聚焦区附近处。在光学系统700中，光吸收元件712在x方向上被设置在相应的凸出结构的聚焦区的大约水平位置上。对于光吸收元件712，没有必要在y方向上对光吸收元件712进行精确的竖直定位。
发明的另一实施例在图8中示出。光学系统800包括具有多个凸出结构810a和多个光吸收元件812的光吸收层810，其中每个光吸收元件812被设置在多个凸出结构810a中的对应一个的聚焦区附近。光学系统800还包括被设置在光吸收层810上的光透射层820。还存在有一抗反射涂层880。光透射层820的折射率低于用于凸出结构的材料的折射率，以朝着光吸收元件812折射入射光830。
而在另一实施例中，上述实施例中的凸出结构的尺寸和/或位置是不均一的，以便防止从凸出结构离开的外部光的规则反射引起的干涉效应。具体而言，光学系统可以具有直径不均一的凸出结构或直径不均一的光吸收元件。另外，光学系统可以具有多个被不均匀分隔开或分布的凸出结构。
制作诸如在图1-8中示出的光学系统的方法将在下文中描述。
制作光学系统的一方法在图9A-9B和10A-10D中示出。图9A示出了在其芯部中有光吸收元件912的一微球体910。在本方法中，具有大约1μm的直径且包含诸如碳黑或黑色染料的光吸收成份(其可能占体积的15％左右)的球形光吸收元件912可通过诸如异丁烯酸甲酯(MMA)的透明材料的乳液聚合(emulsion polymerization)形成。然后再在光吸收元件912上使用用于光吸收元件912的透明材料或相似材料通过乳液聚合形成大约2μm厚度的壳914。图9B示出了由若干微球体910形成的光学装置900。微球体910被分散在由诸如MMA的涂覆材料918涂覆的透明膜或基底916上。在涂覆后，必须完成涂覆材料918的后续聚合以固定微球体的位置。因为壳914、微球体910和涂覆材料918的折射率匹配或基本相同，微球体910与涂覆材料918接触的下表面不会折射光。因此，只有半球形的上表面922折射光。对于乳液聚合，可使用1-5wt％的交联剂以防止微球体910在被分散进涂覆材料918中时发生膨胀。
为在光透射层1060上分布微球体910(图10C)，可通过使用图10A-10E中示出的微球体分层装置1000使用刮片涂布技术。微球体分层装置1000包括橡胶辊1005和刮片1015。首先，橡胶辊1005在微球体910上滚动。通过静电力，一层微球体910粘附到滚动的橡胶辊1005的表面(图10A)。刮片1015应用于橡胶辊1005以允许一层理想厚度的微球体，例如单层微球体910保留在橡胶辊1005的外周(图10B)。换句话说，多余的微球体910从橡胶辊1005上被刮掉，以便单层微球体910保留下来。如图10B中所示的刮片1015的横截面A-A′可以具有凹槽(图10D)或沟渠型(图10E)表面，该表面的临界尺寸与微球体的尺寸相当，以便于有效地形成一单层。
然后橡胶辊1005就在由诸如软聚合物膜或单体膜的膜1095涂覆的光透射层1020上滚动(图10C)。橡胶辊1005上的微球体910粘附到膜1095上，脱离橡胶辊1005(图10C)，以在光透射层1060上的膜1095上形成一层微球体910。膜1095可以是MMA涂层，它随后通过热或紫外辐射被聚合。于是，MMA涂层被硬化变为PMMA，该PMMA与用于形成在光吸收元件912上的壳914的透明材料具有相同或近似相同的折射率。
或者，一控制流系统在图11中示出，该图示出了用于在光透射层1120上分布微球体910的一控制流系统1100。首先，微球体910被悬浮在溶液1115中。光透射层1120被竖直放置在溶液1115中。因为毛细作用力和界面力，在溶液-空气界面与光透射层1120接触的地方形成一弯月形1130。由于毛细作用力的作用，微球体910朝弯月形1130的方向聚集。当溶液蒸发时，溶液-空气界面沿γ方向后退进而在光透射层1120上形成一微球体910的薄层1140。或者，在发明的另一方面，光透射层1120慢慢离开溶液1115进而在光透射层1120上形成一微球体910的薄层1140。
或者，通过在光透射层1220表面上散布光吸收元件1212来制作光学系统(图12A)。光透射层1220可以具有锯齿状图案，光吸收元件被设置于其中。该制作可以使用可以包含诸如碳黑或黑色染料等光吸收材料的光固化树脂材料通过众所周知的光刻法实现。光透射层1220表面上的随机图案可被用于获得光吸收元件1212的随机分布。随后，一透明材料涂层应用到光吸收元件1212上，以形成凸出结构1210a(图12B)。
制作光学系统的又一方法在图13A-13D中示出。首先，用碳黑或黑色染料制成的光吸收层1302涂覆透明基底1320(图13A)。利用标准的光刻、模制成型、印刷或化学刻蚀技术实现对光吸收层1302和透明基底1320的构图加工，以形成被设置在多个支撑体1314上的多个光吸收元件1312(图13B)。接下来，在光吸收元件1312和透明基底1320上执行诸如MMA的透明材料的涂覆和聚合，然后将其固化以形成凸出结构1310a(图13C、D)。在本实施例中，通过使用热烘焙和回流技术改变透明材料的形状可调整整体结构(图13D)。该调整可通过将透明材料的温度提高到高于透明材料的玻璃化转变温度一希望的持续时间，以形成用于朝光吸收元件1312折射更多外部光的具有更理想形状(例如圆角的)的凸出结构1310a形状来实现。
制作光学系统的另一方法在图14A-14D中示出。在该方法中，使用包括光刻、化学刻蚀或模制成型等传统技术在透明基底1420上形成多个支撑体1414(图14A)。在所述多个支撑体1414的每个支撑体上形成光吸收元件1412。然后施加诸如MMA的透明材料的涂层以形成凸出结构1410a(图14C、D)。正如使用图13A-13D中所示方法的情况一样，通过热烘焙和回流技术可实现对凸出结构1410a的调整。
通过使用由以上描述的方法形成的本发明，外部光的反射被减少。例如，当其应用在显示器中，当与已有技术相比，存在外部光源时的亮度被显著加强。
本发明的光学系统可应用于诸如等离子体显示器、有机LED等显示设备。如果光吸收元件的直径是凸出结构直径的1/10，99％的内部光被透射到外部。直径是凸出结构直径的1/3的光吸收元件透射89％的内部光到外部。
另外，因为全内反射被凸出结构10a的形状减小甚至抑制，所以提高了内部光的透射。因此，在使用本发明的设备中，对比度和亮度连同抗闪耀和漫射特性都提高了。本发明通过在光吸收元件处吸收紫外光同时减少了在有机电致发光显示器中的有机材料的退化。于是，与圆偏振器相比，大量内部光可被透射到显示器外部，并且亮度增强了几乎两倍。
尽管这里参照本发明的示例性实施例具体示出并描述了本发明，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不背离本发明在所附权利要求和它们的等同物中限定的精神和范围的情况下，在本发明中可以做出很多形式和细节上的改变。

Claims (30)

1.一光学装置，其包括：
多个光折射结构，所述光折射结构具有相应的聚焦区，入射光被相应的所述光折射结构朝所述相应的聚焦区折射；和
多个光吸收元件，每个所述光吸收元件设置在所述相应的聚焦区中对应一个的附近。
2.权利要求1中所述的光学装置，其中，所述多个光折射表面大致平面地设置。
3.权利要求1中所述的光学装置，其中，所述多个光折射表面中的每个表面具有大致的凸起形状。
4.权利要求1中所述的光学装置，其中，所述多个光折射表面中的每个表面具有大致的半球形状。
5.权利要求1中所述的光学装置，其中，所述多个光折射表面中的每个表面具有大致的类球体形状。
6.权利要求1中所述的光学装置，其中，所述多个光折射表面中的每个表面具有大致的多角形形状。
7.权利要求1中所述的光学装置，其中，进一步包括设置在所述多个光吸收元件下的多个反射元件、和设置在所述多个光折射结构和所述多个光吸收元件下的一光发射层，其中，所述光发射层发射内部光，所述多个反射元件将所述内部光反射远离所述多个光吸收元件。
8.一具有一光发射层的显示器，所述显示器包括：
一设置在所述光发射层一侧的光吸收层，所述光吸收层包括：
多个光折射结构；和
多个光吸收元件，其中，所述多个光吸收元件中的每一个设置在所述多个光折射结构中对应的一个中，所述多个光折射结构中的每一个大致将入射的外部光朝所述多个光吸收元件中被置于其中的一个引导。
9.权利要求8中所述的光学装置，其中，所述多个光吸收元件中的每一个设置在对应的一个所述光折射结构的聚焦区附近。
10.权利要求8中所述的光学装置，其中，所述光发射层发射内部光，其中所述内部光穿过所述多个光折射结构朝所述光吸收层传播，而且所述光吸收元件的直径d不大于所述光折射结构的直径D的一半。
11.权利要求8中所述的光学装置，其中，所述光折射结构的直径D具有大约0.1μm到大约100μm的范围，而且所述光吸收元件的直径d不大于所述光折射结构的直径D的一半。
12.权利要求8中所述的光学装置，其中，所述多个光折射表面中的每一个具有大致的凸起形状。
13.权利要求8中所述的光学装置，其中，所述多个光折射表面中的每一个具有大致的半球形状。
14.权利要求8中所述的光学装置，其中，所述多个光折射表面中的每一个具有大致的类球体形状。
15.权利要求8中所述的光学装置，其中，所述多个光折射表面中的每一个具有大致的多角形形状。
16.权利要求8中所述的光学装置，其中，进一步包括邻近所述多个光吸收元件设置的多个反射元件，其中，所述光发射层发射内部光，所述多个反射元件将所述内部光反射远离所述多个光吸收元件。
17.权利要求8中所述的光学装置，其中，所述多个光吸收元件的直径是不均一的。
18.权利要求8中所述的光学装置，其中，所述多个光吸收元件随机分布在所述光吸收层中。
19.权利要求8中所述的光学装置，其中所述光吸收层是一第一光吸收层，所述光学装置进一步包括设置在所述第一光吸收层上的一第二光吸收层，其中，所述第一光吸收层的多个光吸收元件的水平位置与所述第二光吸收层的多个光吸收元件的水平位置错开。
20.一种吸收光的方法，所述方法包括：
在光折射结构处接收第一光，作为接收光；
透射至少一部分所述接收到的第一光，作为透射光；
朝对应的所述光折射结构的聚焦区折射所述透射光；以及
在所述对应的聚焦区处吸收所述透射光。
21.权利要求20中所述的吸收光的方法，其中，所述光折射结构大致平面地设置。
22.权利要求20中所述的吸收光的方法，其中，所述接收第一光的操作包括在所述光折射结构的一侧接收所述第一光，所述方法进一步包括：
从所述光折射结构的另一侧接收第二光；以及
将朝所述聚焦区传播的第二光的一部分反射远离所述聚焦区。
23.一种制作光吸收层的方法，其包括：
形成光吸收芯；
在每个所述光吸收芯上形成壳以形成光吸收元件；以及
在一光透射层上分布所述光吸收元件。
24.权利要求23中所述的制作光吸收层的方法，其中，所述分布所述光吸收元件的操作包括：
在所述光透射层上随机分布单层的所述光吸收元件。
25.权利要求23中所述的制作光吸收层的方法，其中，所述分布所述光吸收元件的操作包括：
在所述光吸收元件上滚动一辊，以将所述光吸收元件粘附到所述辊上；
对所述辊应用一刮片，以使一层光吸收元件保留在所述辊上；
在具有薄膜的一基底上滚动带有所述单层光吸收元件的所述辊，以从所述辊上将所述的一层光吸收元件移到所述基底上；以及
固化具有所述的一层光吸收元件的所述基底。
26.权利要求23中所述的制作光吸收层的方法，其中，所述分布所述光吸收元件的操作包括：
将一光透射基底放置在包括所述光吸收元件的溶液内；以及
降低所述溶液的溶液-空气界面，其中，毛细作用力和界面力朝着在所述光透射基底和所述溶液-空气界面处形成的弯月形的方向吸引大量光吸收元件，并且所述降低所述溶液-空气界面的操作在所述光透射基底上形成一层光吸收元件。
27.权利要求26中所述的制作光吸收层的方法，其中，所述降低所述溶液-空气界面的操作包括蒸发所述溶液或从所述溶液中抽出所述光透射基底中的至少一个。
28.一种制作光吸收层的方法，其包括：
形成光吸收芯；
在一光透射层上分布所述光吸收芯；
对所述光吸收芯进行涂覆，以在每个所述光吸收芯上形成凸出结构。
29.一种制作光吸收层的方法，其包括：
在一光透射层上形成一光吸收层；
对所述光吸收层构图，以在所述光透射层上形成多个光吸收元件；
对所述多个光吸收元件进行涂覆，以在所述多个光吸收元件处形成多个凸出结构，其中，所述多个凸出结构中的每一个朝所述光吸收元件中对应的一个折射入射光。
30.一种制作光吸收层的方法，其包括：
将设置在一光透射层上的层构图为一图案；
在所述图案上形成多个光吸收元件；
对所述多个光吸收元件进行涂覆，以在所述多个光吸收元件处形成多个凸出结构，其中，所述多个凸出结构中的每一个朝所述光吸收元件中对应的一个折射入射光。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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