TW201636647A - 用於來自透明背光件的均勻光輸出的紋理梯度 - Google Patents

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Abstract

揭示一種光擴散元件及製造方法。該光擴散元件可以包括基材片及至少一散射層。該基材片可以具有背面及邊緣。該邊緣可設以接收光源。該至少一散射層可以具有複數個光散射中心，該複數個光散射中心被蝕刻到該基材片之該背面的至少一部分中。該等散射中心可以隨著與該邊緣的距離增加而具有增加的密度。該等散射中心可以具有例如小於約30微米的直徑、約10微米或更小的最大深度、及介於約0.5nm至約100nm之間的粗糙度。

Description

用於來自透明背光件的均勻光輸出的紋理梯度
本專利申請案根據專利法主張於2015年4月7日提出申請的美國臨時專利申請案序號第62/143,996號的優先權權益，該申請案之內容為本案所依據且以引用方式全部併入本文中。
本揭示大體而言係關於一種光擴散元件，更具體言之，本揭示係關於用於透明或半透明顯示器的光導。
典型的透射式顯示器可以包括由均勻的背光件照明的液晶疊層。透射式顯示器中的背光件是由具有嵌入式散射中心的光導、諸如IDF(影像引導膜)和D-BEF(增亮膜)的光管理膜、及隨後的擴散片製成的集合。這些光處理膜的組合性能有助於實現橫跨背光組件的所有尺寸皆具有均勻亮度的背光組件。因為背光件被隱藏在許多元件(包括交叉偏光片)背後，故透射式背光的架構較可容許失誤。
任一LCD(液晶顯示器)系統的主要結構都是照亮許多LCD單元的光導。當前最常見的實施方式使用位於側邊的LED光源將光注入光導。光導本身在底部 表面嵌有散射中心。這些不是凹面就是凸面的散射中心負責散射並重新定向傳輸通過光導的光。假使散射中心或點被沿著光導週期性地放置，則光提取圖案會遵循指數形的衰減，其中大部分的功率在開始時被提取並逐漸降低，因為光導中保持可用的功率愈來愈少。為了在整個光導各處保持均勻的亮度，散射中心的分佈必須使得功率高之處(靠近LED)可用的提取散射中心較少，並使功率低之處可用的提取散射中心較多。在這樣的實施方式中，散射中心的尺寸經常保持固定並被良好界定(尺寸通常是幾百微米到1毫米)，而散射中心之間的距離從LED附近的約300μm縮短到在一維梯度的相對端約30μm。
顯示器的最新發展趨勢是走向透明和半透明的顯示器。透明或半透明顯示器的潛在用途包括醫院牆壁、建築物的窗戶、數位招牌、窗戶廣告、及抬頭顯示器。透明顯示器可以刺激隨選顯示的概念，其中顯示器將只會在你想要之時出現。
與透射式顯示器不同的是，在透明或半透明顯示器中，可能存在的元件只有半透明LCD疊層和光導。在透明或半透明顯示器中，不再有擴散片、光管理膜、或後反射片。
在各種實施例中，本揭示係關於一種光擴散元件。該光擴散元件可以包括基材片及至少一散射層。 該基材片可以具有前面、背面、及邊緣。該邊緣可設以接收光源。該至少一散射層可以具有複數個光散射中心，該複數個光散射中心被蝕刻到該基材片之該背面的至少一部分中。該等散射中心可以隨著與該邊緣的距離增加而具有增加的密度。該等散射中心可以具有例如小於約30微米的直徑、約10微米或更小的最大深度、及介於約0.5nm至約100nm之間的粗糙度。
在各種實施例中，本揭示還關於另一種光擴散元件。該光擴散元件可以具有基材片及至少一散射層。該基材片可以具有前面、背面、及邊緣。該邊緣可設以接收光源。該至少一散射層可以具有複數個光散射中心，該複數個光散射中心被蝕刻到該基材片之該背面的至少一部分中。該等散射中心可以隨著與該邊緣的距離增加而增加尺寸。該等散射中心可以具有例如從約50nm至約50微米的直徑、約10微米或更小的最大深度、及介於約0.5nm至約100nm之間的粗糙度。
本揭示另外關於又另一種光擴散元件。該光擴散元件可以包含基材及至少一散射層。該基材可以具有前面、背面、及邊緣。該邊緣可設以接收光源。該至少一散射層可以具有複數個光散射中心。該等散射中心可以隨著與該邊緣的距離增加而增加尺寸。該等散射中心可以具有例如從約50nm至約50微米的直徑、約10微米或更小的最大深度、及介於約0.5nm至約100nm之間的粗糙度。
將在以下的實施方式中提出其他特徵與優點，而且從實施方式，部分的特徵與優點對於所屬技術領域中具有通常知識者而言將是顯而易見的，或者可藉由實施本文所述的實施例而認可部分的特徵與優點，本文所述的實施例包括以下的實施方式、申請專利範圍以及附圖。
應瞭解的是，前述的一般性描述與以下的實施方式皆只為例示性的，而且意圖提供用以瞭解申請專利範圍之本質與特點的概觀或架構。附圖被涵括以提供進一步的瞭解，而且附圖被併入本說明書中並構成本說明書的一部分。圖式說明一個或更多個實施例，而且該等圖式與實施方式一起用以解釋各種實施例的原理與操作。
100‧‧‧光擴散元件
110‧‧‧基材片
120‧‧‧光源
130‧‧‧光
140‧‧‧散射層
150‧‧‧一個或更多個邊緣或邊沿
160‧‧‧背面
170‧‧‧前面
180‧‧‧檢測器
210‧‧‧光散射中心
410‧‧‧光散射中心210的直徑
420‧‧‧光散射中心210的最大深度
430‧‧‧光散射中心210的粗糙度
第1圖為依據一個實施例的光擴散元件之側面剖視圖。
第2圖為第1圖的光擴散元件之前正視圖。
第3圖為第1圖的光擴散元件上的散射層之a-a1的放大圖。
第4a圖為依據一個實施例在第1圖的光擴散元件上的散射層之正視圖。
第4b圖為依據一個實施例沿著線C-C1在光擴散元件上的散射層之剖視圖。
第4c圖為依據一個實施例如第4b圖所示的散射中心之b-b1的放大圖。
第5圖為依據另一個實施例在第1圖的光擴散元件上的散射層之正視圖。
第6圖為依據又另一個實施例在第1圖的光擴散元件上的散射層之正視圖。
第7a圖為圖示被建構成在基板的中點(z=0)只留下5%輸入光的散射衰減係數α(z)之圖。
第7b圖為圖示在具有雙側對稱照明的系統中在中點具有最大值的近似均勻輸出Q(z)之圖。
第8a圖為圖示在0.01mm-1至約0.04mm-1的範圍內的散射衰減係數α(z)之圖。
第8b圖為圖示對於6英吋長的裝置在中點具有最大值的準均勻輸出Q(z)的圖。
現在將詳細參照本技術的實施例，將其中的實例圖示在附圖中。只要有可能，將在圖式中從頭至尾使用相同的元件符號來指稱相同或相似的部分。
本揭示提供一種在透明或半透明顯示器中使用的光擴散元件。開發用於半透明顯示器的透明背光件可能是非常具有挑戰性的。液晶顯示(LCD)監視器配備有背光模組，以產生可見的影像。背光模組可以由發光二極體(LED)的陣列和矩形的玻璃導光板所組成。光導的目的是將在一個或兩個相對邊面注入的LED光 導向LCD面板。典型的透射式顯示器背光件可能不只由光導和光源製成，而是有數個光管理膜補償雜散光的再分配、亮度、色彩均勻度及視角。挑戰可能是提供產生類似性能、但在單個透明玻璃片中的背光件。在背光件的上述特性中，光導的光提取均勻度或光在整個光導表面上的分佈似乎是最迫切要解決的問題。例如，目前的透明顯示器需要可以藉由再循環環境光而以反射的方式或藉由允許光被從顯示器背面注入而以透射的方式照亮的傳輸反射型疊層。在這種傳輸反射型顯示器上進行的亮度量測顯示自發的面板照度在5-10尼特左右，而良好顯示器的亮度量測可達到至少200尼特。為了使半透明LCD顯示器具有競爭力，可能需要開發在關閉狀態下透明的、但在接通狀態下完全明亮的背光件。
本揭示內容揭示了一種具有在奈-微體系的區域尺寸的梯度紋理設計，以使均勻的光輸出被用於透明的背光單元。藉由適當地選擇點到點的間距、以及點高度和粗糙度，所得的點陣列佈局可以提供最大的透明度、最小的霧度、及均勻的光輸出。可以選擇散射函數，使得光輸出分佈可被訂製為應用特定的。
本揭示可以提供許多優點。例如，光提取特徵可以提供亮度改善，從而大大改善對比度。可以將特徵做到很小，具有小於約20微米、肉眼不可見的尺寸。可以選擇覆蓋率，使得可以在各處實現光導的全透明度。可以設計點的幾何形狀以改善光的管理。可以選擇 導件的散射函數，使得可以實現不同的光提取分佈。可以直接在玻璃中實現特徵，從而消除後蓋玻璃的需求。離子交換玻璃可以提供比聚合物更好的耐刮性和耐用性。可以使圖案為不規則的，以避免在液晶顯示器與背光件上的特徵之間產生莫瑞干涉。
參照第1圖，可以採用依據本文的一個或更多個實施例的光擴散元件100來為顯示系統或其他應用處理光。一般來說，擴散元件100可以包括基材片110和至少一個散射層140。基材片110可以操作以從結構的一個或更多個邊緣或邊沿150接收光源120、在基材片內傳輸光130、將光130擴散並散射出結構的前方(如第2圖的箭頭所圖示)以用於有用的目的。從結構出來的光130可以被檢測器180檢測到。光導中使用的基材片110的一般結構可以是具有兩個彼此大致平行的主平面表面(本文中描述為背面160和前面170)、及至少一個邊緣150的片材，邊緣150大致垂直並連接該兩個主平面表面。在一些實施例中，基材的形狀可以是具有四個邊緣的矩形。邊緣可以是平的(或平面的)，或者可以具有斜面或其他將該邊緣連接到背面160和前面170的結構。
如第2圖所示，至少一個散射層140可以具有複數個光散射中心210，光散射中心210被蝕刻到基材片的背面的至少一部分中。光散射中心210可以是次微 米尺寸的(例如奈米尺寸的)、被隨機定位的、被配置在基材片110的背面140上及/或中。
如虛線箭頭所圖示，光130可以進入基材片110並開始傳輸通過直到光線撞擊到散射中心210。已知基材片110與散射中心210的光學特性，則光從光擴散元件100散射出。光學特性通常具有表面散射變化或體積散射變化(取決於散射層140的深度)，而且可以經由生產散射中心210的製程來控制。
已經發現的是，複數個光散射中心210的尺寸可能會影響光擴散元件100的光散射特性。特別是，尺寸相對較小的中心210會向後以及向前散射，而約150nm和更大的顆粒主要是向前散射，這在光擴散元件100中通常可能是理想的。確實，主要在向前方向的散射有助於光擴散元件100中的高透射比和適當霧度。更具體來說，光散射中心210的一般尺寸可以在約200nm的等級上，以實現高透射比。確實，因為光散射中心210的較小特徵尺寸傾向於反向散射光，故所得的透射比將受到不利的影響。尺寸大於約500nm的光散射中心210向前散射光，但角度的擴展是小的，而這是較不理想的。鑑於上述光散射特性為光散射中心尺寸的函數，散射中心210的近似特徵尺寸可以是以下中之一者：(i)介於約100nm至約500nm之間，(ii)介於約200nm至約300nm之間，及(iii)約250nm。
擴散裝置100的光學光散射特性也受到基材片110與光散射中心210的個別折射率影響。基材片110(和可選的外塗材料)很可能具有在約1.4-1.6等級的折射率。
將藉由散射中心紋理化的基材之示意圖圖示於第3圖，該等散射中心被安排在週期Λ(z)的晶格上。為了說明和模型化的目的，紋理可以由散射中心的陣列表示，該等散射中心被安排在週期Λ(z)的晶格上，週期Λ(z)沿著基材長度改變。一般來說，可使該等散射中心以準規則的方式沿著x和z軸分佈，從而保持由Λ(z)指定的平均散射密度。在此模型中，散射元件可以模擬深度hs、寬度ds、及形狀由半徑(hs 2+ds 2/4)/(2hs)的球體界定的蝕刻區域、或是具有廣角散射分佈的白色漆點。
散射器形狀的細節可能會影響提取效率及耦出光的角度分佈，而Λ(z)函數可以被設計用於沿著z軸的均勻光分佈。此模型是三維的，並使用鏡面邊界條件來模擬具有單側或雙側照明的擴展系統。
為了橫跨整個光導保持均勻的亮度，散射中心的分佈可以使得較少的散射中心位於功率高之處(靠近光源)並且使較多的散射中心是功率低之處可用的。光導中的光強度通常以非線性方式降低。
如第4a圖所示，散射中心210可以隨著與邊緣150的距離增加而具有增加的密度。如放大圖第4b圖和第4c圖所示，在一個實施例中散射中心210可以具有 例如小於約30微米的直徑410。在另一個實施例中，散射中心的直徑410可以小於例如20微米。在一個實施例中，散射中心可以具有例如約10微米或更小的最大深度420。在另一個實施例中，散射中心210的最大深度420可以是約1微米或更小。在一個實施例中，散射中心210可以具有例如介於約0.5nm至約100nm的粗糙度430。在另一個實施例中，粗糙度430可以例如小於約50nm。粗糙度可被量測為例如Ra或Rq(rms)。Ra可以被定義為算術平均差。平均粗糙度或所有點與平面的偏差適配於測試部分的表面。Rq(rms)可以被定義為根均方(rms)粗糙度。所測得高度偏差的平均值是在評估長度或區域內取得，並從平均線性表面量測。在一個實施例中，相鄰散射中心之間的中心到中心距離(例如s1或s2)不大於例如約40微米。在另一個實施例中，相鄰散射中心之間的中心到中心距離(例如s1或s2)不小於例如約50奈米。
在另一個實施例中，如第5圖所圖示，散射中心210可以隨著與邊緣150的距離增加而增加尺寸。散射中心210可以具有例如從約50nm至約50微米的直徑。在進一步的實施例中，散射中心210可以具有例如小於約20微米的直徑。在一個實施例中，散射中心210可以具有例如約10微米或更小的最大深度。在另一個實施例中，散射中心的最大深度可以是例如約1微米或更小。在一個實施例中，散射中心210可以具有例如介於 約0.5nm至約100nm之間的粗糙度。在另一個實施例中，粗糙度可以例如小於約50nm。在一個實施例中，相鄰散射中心之間的中心到中心距離(例如s1或s2)不大於例如約40微米。在另一個實施例中，相鄰散射中心之間的中心到中心距離(例如s1或s2)不小於例如約50奈米。
在進一步的另一個實施例中，如第6圖所圖示，散射中心210可以隨著與邊緣150的距離增加而具有增加的密度。散射中心210可以隨著與邊緣150的距離增加而增大尺寸。散射中心可以具有例如從約50nm至約50微米的直徑。在進一步的實施例中，散射中心210可以具有例如小於約20微米的直徑。在一個實施例中，散射中心210可以具有例如約10微米或更小的最大深度。在另一個實施例中，散射中心的最大深度可以是例如約1微米或更小。在一個實施例中，散射中心210可以具有例如介於約0.5nm至約100nm之間的粗糙度。在另一個實施例中，粗糙度可以例如小於約50nm。在一個實施例中，相鄰散射中心之間的中心到中心距離(例如s1或s2)不小於例如約50奈米。在另一個實施例中，相鄰散射中心之間的中心到中心距離(例如s1或s2)不大於例如約40微米。
對於均勻的輸出分佈，散射函數對坐標的相依性係由式(1)給出：
I0、Q、及αa的量分別定義輸入強度、恆定輻照度及由於基材中的內在損耗之吸收係數。第7a圖圖示被建構用以在無損基材的半長度(L/2)上散射95%輸入光(Im/I0=0.05，其中Im表示在中點的強度)的散射衰減係數α(z)之實例。在具有雙側對稱照明的系統中，這可能會導致在中點具有最大值的近似均勻輸出，如第7b圖所示。第7a圖和第7b圖圖示被建構成在平板的中點(z=0)只留下5%輸入光的散射衰減係數α(z)之實例，從而在具有雙側對稱照明的系統中產生在中點具有最大值的近似均勻輸出Q(z)。僅圖示出右半(z>0)的解。在Q(z)的定義中出現的I1、I2及I0分別表示在正z方向上、負入射方向上、以及在光導的輸入處的光傳輸強度。
一般來說，對於給定的基板長度L，參數Im/I0可被用來評估輸出輻照度和散射函數的期望形狀。對於L=6英吋(約15cm)，使用Im/I0=0.25可以發現第8a圖圖示的散射衰減係數在約0.01mm-1至約0.04mm-1的範圍內，這可以導致6英吋長的基板之準均勻強度在第8b圖圖示的中心具有最大值。假使吸收損失小於0.001mm-1，則可以預期該評估為散射函數提供良好的初始近似(對於2318低鐵Gorilla玻璃， 在波長528nm-622nm的衰減可能是約1.3-1.5 x 10-3mm-1)。
可以計算用於散射具有所需尺寸和密度範圍的元件的輸出強度，以將散射係數α(z)與散射器密度Λ(z)關聯。對於具有50微米直徑和300微米間距的樣品來說，以均勻覆蓋率施加的白色漆點和不連續蝕刻點的實驗結果可以顯示量測的散射係數值可能在約α=0.004mm-1至0.022mm-1的範圍中。這個範圍的α(Λ)可與用以實現6英吋長的基板的準均勻輸出所需的範圍重疊。
散射中心可以由奈米至微米尺寸的白色散射塗料或墨點製成。該白色散射塗料或墨點可以小於40微米。該等點可以被直接印刷在玻璃表面的底部上，且點密度逐漸遠離光源。可以選擇點間距分佈，使得衰減係數允許橫跨光導的整個表面有均勻的照明。該等點可以被製成不規則的，以免與LCD疊層產生莫瑞干涉圖案。此外，可以選擇每像素的點比率，使得該比率為至少1。在另一個實施例中，散射中心可以使用不連續的蝕刻點來實施。蝕刻點可以使用濕式化學蝕刻製程來獲得。
藉由適當地選擇點到點的間距以及點高度和粗糙度，所得的點陣列佈局可以提供最大的透明度、最小的霧度、及均勻的光輸出。可以選擇散射函數使得光輸出分佈可以被訂製成應用特定的。
所屬技術領域中具有通常知識者將顯而易見的是，可以在不偏離本文所述的態樣之精神和範圍下做出各種修改和變化，本文所述的態樣之精神和範圍係由所附申請專利範圍界定。
150‧‧‧一個或更多個邊緣或邊沿
210‧‧‧光散射中心

Claims (20)

  1. 一種光擴散元件，包含：具有一前面、一後面、及一邊緣的基材片，該邊緣設以接收一光源；以及至少一散射層，具有複數個光散射中心，該複數個光散射中心被蝕刻到該基材片之該背面的至少一部分中，該等散射中心隨著與該邊緣的距離增加而具有增加的密度，該等散射中心具有小於約30微米的直徑、約10微米或更小的最大深度、及介於約0.5nm和約100nm之間的粗糙度。
  2. 如請求項1所述之光擴散元件，其中該等散射中心的直徑小於約20微米。
  3. 如請求項1所述之光擴散元件，其中該等散射中心的最大深度為約1微米或更小。
  4. 如請求項1所述之光擴散元件，其中該粗糙度小於約50nm。
  5. 如請求項1所述之光擴散元件，其中該基材片為玻璃片、塑膠或透明陶瓷中之至少一者。
  6. 如請求項1所述之光擴散元件，其中相鄰散射中心之間的中心到中心距離不小於約50奈米。
  7. 如請求項1所述之光擴散元件，其中相鄰散射中心之間的中心到中心距離不大於約40微米。
  8. 一種光擴散元件，包含：具有一前面、一後面、及一邊緣的基材片，該邊緣設以接收一光源；以及至少一散射層，具有複數個光散射中心，該複數個光散射中心被蝕刻到該基材片之該背面的至少一部分中，該等散射中心隨著與該邊緣的距離增加而增加尺寸，該等散射中心具有從約50nm至約50微米的直徑、約10微米或更小的最大深度、及介於約0.5nm至約100nm之間的粗糙度。
  9. 如請求項8所述之光擴散元件，其中該等散射中心的直徑小於約20微米。
  10. 如請求項8所述之光擴散元件，其中該等散射中心的最大深度為約1微米或更小。
  11. 如請求項8所述之光擴散元件，其中該粗糙度小於約50nm。
  12. 如請求項8所述之光擴散元件，其中該基材片為玻璃片、塑膠或透明陶瓷中之至少一者。
  13. 如請求項8所述之光擴散元件，其中相鄰散射中心之間的中心到中心距離不小於約50奈米。
  14. 如請求項8所述之光擴散元件，其中相鄰散射中心之間的中心到中心距離不大於約40微米。
  15. 一種光擴散元件，包含： 具有一前面、一後面、及一邊緣的基材片，該邊緣設以接收一光源；以及至少一散射層，具有複數個光散射中心，該複數個光散射中心被蝕刻到該基材片之該背面的至少一部分中，該等散射中心隨著與該邊緣的距離增加而具有增加的密度，並且該等散射中心隨著與該邊緣的距離增加而增加尺寸，該等散射中心具有從約50nm至約50微米的直徑、約10微米或更小的最大深度、及介於約0.5nm至約100nm之間的粗糙度。
  16. 如請求項15所述之光擴散元件，其中該等散射中心的直徑小於約20微米。
  17. 如請求項15所述之光擴散元件，其中該等散射中心的最大深度為約1微米或更小。
  18. 如請求項15所述之光擴散元件，其中該粗糙度小於約50nm。
  19. 如請求項15所述之光擴散元件，其中相鄰散射中心之間的中心到中心距離不小於約50奈米。
  20. 如請求項15所述之光擴散元件，其中相鄰散射中心之間的中心到中心距離不大於約40微米。
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