TW201945168A - 光學裝置 - Google Patents

光學裝置 Download PDF

Info

Publication number
TW201945168A
TW201945168A TW108110100A TW108110100A TW201945168A TW 201945168 A TW201945168 A TW 201945168A TW 108110100 A TW108110100 A TW 108110100A TW 108110100 A TW108110100 A TW 108110100A TW 201945168 A TW201945168 A TW 201945168A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
light
optical
layer
optical device
transparent
Prior art date
Application number
TW108110100A
Other languages
English (en)
Other versions
TWI837121B (zh
Inventor
卡里 林科
松本伸吾
Original Assignee
日商日東電工股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日商日東電工股份有限公司 filed Critical 日商日東電工股份有限公司
Publication of TW201945168A publication Critical patent/TW201945168A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI837121B publication Critical patent/TWI837121B/zh

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
    • G02B6/0035—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/02—Diffusing elements; Afocal elements
    • G02B5/0205—Diffusing elements; Afocal elements characterised by the diffusing properties
    • G02B5/0236—Diffusing elements; Afocal elements characterised by the diffusing properties the diffusion taking place within the volume of the element
    • G02B5/0247—Diffusing elements; Afocal elements characterised by the diffusing properties the diffusion taking place within the volume of the element by means of voids or pores
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0013—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide
    • G02B6/0023—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide provided by one optical element, or plurality thereof, placed between the light guide and the light source, or around the light source
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0013—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide
    • G02B6/0023—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide provided by one optical element, or plurality thereof, placed between the light guide and the light source, or around the light source
    • G02B6/0031—Reflecting element, sheet or layer
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
    • G02B6/0035—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
    • G02B6/004—Scattering dots or dot-like elements, e.g. microbeads, scattering particles, nanoparticles
    • G02B6/0043—Scattering dots or dot-like elements, e.g. microbeads, scattering particles, nanoparticles provided on the surface of the light guide
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
    • G02B6/005—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided by one optical element, or plurality thereof, placed on the light output side of the light guide
    • G02B6/0055—Reflecting element, sheet or layer
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
    • G02B6/0063—Means for improving the coupling-out of light from the light guide for extracting light out both the major surfaces of the light guide
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0065—Manufacturing aspects; Material aspects
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0013—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide
    • G02B6/0015—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
    • G02B6/002—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it by shaping at least a portion of the light guide, e.g. with collimating, focussing or diverging surfaces
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
    • G02B6/0035—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
    • G02B6/0036—2-D arrangement of prisms, protrusions, indentations or roughened surfaces
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4219—Mechanical fixtures for holding or positioning the elements relative to each other in the couplings; Alignment methods for the elements, e.g. measuring or observing methods especially used therefor
    • G02B6/4236—Fixing or mounting methods of the aligned elements
    • G02B6/424—Mounting of the optical light guide
    • G02B6/4243—Mounting of the optical light guide into a groove
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4256—Details of housings
    • G02B6/4257—Details of housings having a supporting carrier or a mounting substrate or a mounting plate
    • G02B6/4259—Details of housings having a supporting carrier or a mounting substrate or a mounting plate of the transparent type
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09F—DISPLAYING; ADVERTISING; SIGNS; LABELS OR NAME-PLATES; SEALS
    • G09F13/00—Illuminated signs; Luminous advertising
    • G09F13/18—Edge-illuminated signs
    • G09F2013/1804—Achieving homogeneous illumination

Abstract

提供一種透明光學裝置(100)，其包括：一光導介質(101)，其配置成用於光傳播；以及至少一個光學功能層(10)，其包括至少一個光學功能特徵圖案(11)，該至少一個光學功能特徵圖案(11)由設置成為光學功能內部腔體(12)的複數個嵌入式特徵形成在一透明載體介質(111)中，其中該至少一個特徵圖案(11)配置成執行一入射光控制功能及至少一個光外耦合功能，藉此最小化雜散光並且建立該裝置(100)的透明度。

Description

光學裝置
大致上，本發明係有關於透明基板光學物件。具體地，本發明係有關於一種透明光分佈元件(例如，光導)及其製造方法。本發明進一步係有關於一種透明照明裝置，其包括光分佈元件。
透明照明裝置在各種應用中變得越來越重要，例如，一般燈具、窗戶及門面照明、反射式及穿透式顯示器照明、街道及交通標誌等。對於提供良好的透射解決方案存在四個主要挑戰，亦即：1.表面浮雕(surface relief)光學圖案，開放式結構(open structure)；2.光分佈管理；3.雜散光控制；及4.高透明度。過去已發展出幾種前光源(front-light)解決方案；然而，大多數都已失敗，並且由於不同的原因而從未滲透到市場。
由於污染及實體缺陷風險，開放式光學結構會造成問題。這種解決方案不適合於大部分實際產業應用。完全整合的疊層照明裝置無法利用表面浮雕圖案解決方案。此外，開放式結構總是有漏光，這會發展成雜散光。
根據光學要求及規格，要在沒有任何額外光學片(例如，增亮膜(BEFs))之情況下實現光分佈控制一直是極具挑戰性的。透射裝置無法在沒有減少透明度的情況下使用任何額外的光學片。此外，較佳的光取出(light extraction)仍然是一種挑戰。並且， 完全整合裝置的提供(例如，藉由疊層)不允許任何個別光學片的添加。只有非常先進的光學解決方案才可以解決這種問題。
任何一種表面照明裝置(例如，標誌、具有視覺觀看性能的顯示器照明)在觀看方向上應該具有最小化的雜散光，因為這可以顯著地降低視覺對比率。這種特徵幾乎在所有應用中是一個很大的挑戰。原因是光學圖案本身會因漏光及菲涅耳反射(Fresnel reflection)而引起雜散光。在大部分的入射角下到達光學圖案的光線(在光導內)在第一光學圖案表面(光進入表面)上被取出；然而，在某些入射角下到達的一些光線穿透圖案且會引起不期望的雜散光及菲涅耳反射。此外，非疊層裝置解決方案總是會因它們的外部表面而引起菲涅耳雜散光。
最後，透明度經常取決於光學圖案特徵及其在具有及沒有環境光之情況下的特性及可見性。當然，較大的特徵是比較可看見的，但是當照射裝置時，甚至較小的特徵亦會變成是可看見的，因為低圖案密度可能形成通常會在視角上引起雜散光的可見亮點。
圖1a-1b顯示傳統光導1解決方案，其中A係開放式表面(open-surface)光導，而B係在光導介質2中形成有空氣腔12A之光導。
圖1a-1b顯示傳統解決方案所遭遇之用於前光源、背光源及一般照明概念的光導中之不期望雜散光的根本問題。漏光問題發生在配置成開放式結構之傳統表面浮雕圖案及先進的腔體圖案結構中。這是常見的問題，並且還沒有提供合理的解決方案。
圖1c說明美國申請案公開第2018/0088270號 (Tuohioja等人)所已知之使用腔體光學物件的前光源解決方案。圖1c描繪上述公開案的圖4A-4C，尤其是提供光分佈角度的剖面圖。在錐光6C(編號係有關於參考公開案的編號)上以圓圈表示發展中的雜散光。上述公開案沒有教示如何最小化雜散光的問題；亦沒有教示如何一起最佳化內耦合的光分佈與第一圖案表面設計，以便實現較佳照明而沒有雜散光，雜散光會降低顯示器的觀看性能(例如，對比)。此公開案沒有進一步指示處理由菲涅耳反射所造成的對比性能及透明度的減少。
事實上，已知的解決方案大致上涉及藉由圖案輪廓來進行光的取出，其中光以最合適的入射角到達所述輪廓。這些解決方案皆沒有處理涉及雜散光發展之具有挑戰性的入射角。
一些當時技術水準的解決方案解決一些上述問題，並且數年來對光導的外部表面上之抗反射層(AR層)已有一般的了解。然而，那些當時技術水準的解決方案並未解決所有不期望的特性；因此，對於一些產業應用缺乏可靠的解決方案。前面已提出用於透明照明用途的腔體光學物件，而沒有任何用於減少漏光及雜散光的真正解決方案作為最終品質性能目標。本發明解決一些實際問題，亦即，如何實現較佳透明照明解決方案，其包括用於一些最終用戶產品配置的利用模型。
在這方面，有鑑於要對付與消除或至少最小化光學圖案中之雜散光的散射及/或發展相關的挑戰，仍然期望使製造實質透明照明裝置的領域之技術合乎時代。
本發明的一個目的至少要減輕由習知技藝的限制及 缺點所引起的每個問題。藉由根據獨立請求項1所述之透明光學裝置的各種具體例來實現這個目的。
在一個具體例中，提供一種透明光學裝置，其包括一光導介質，其配置成用於光傳播；以及至少一個光學功能層，其包括至少一個光學功能特徵圖案，該至少一個光學功能特徵圖案由設置成為光學功能內部腔體之複數個嵌入式特徵形成在一透明載體介質中，其中該至少一個特徵圖案配置成藉由在該圖案處建立一預定的內耦合光分佈及/或藉由修改在該光學裝置中所提供之材料及元件的折射率及其間之界面來執行一入射光控制功能及至少一個光外耦合功能，藉此最小化雜散光並且建立該裝置的透明度。
在一個具體例中，在該透明光學裝置中，該光學功能層的光學功能藉由該特徵圖案內之該等腔體的尺寸、形狀、週期性及配置中之至少一者及藉由該特徵圖案的填充因子值來建立。
在一個具體例中，在該透明光學裝置中，該至少一個特徵圖案中之該等腔體包括一入射表面及一出射表面，其中該入射表面配置成將到達那裡的入射光內耦合且將光線朝該出射表面導引至該腔體內，以及其中該出射表面配置成接收到達那裡的光線且將該等光線向該腔體外面傳輸至該透明載體介質中，以供傳播及/或外耦合。
在一個具體例中，在該透明光學裝置中，該出射表面配置成以至少一個折射功能來傳輸光。
在一個具體例中，在該透明光學裝置中，該入射表面配置成對以相對於表面法線之小於臨界角的一預定入射角或入射角範圍到達其上的光進行內耦合，藉此避免外耦合的菲涅耳反射。
在一個具體例中，在該透明光學裝置中，該入射表面進一步配置成用準直功能對到達其上的光進行內耦合並將光線導引至該腔體中，使得光通過該腔體來傳播，同時避免撞擊除該出射表面外的任何其他表面。
在一個具體例中，在該透明光學裝置中，該至少一個特徵圖案中之該等腔體配置成藉由全內反射(TIR)功能對到達該入射表面的入射光進行外耦合。
在一個具體例中，在該透明光學裝置中，該至少一個特徵圖案中之該等腔體包括在該腔體內部配置在該入射表面處的一抗反射層。在一個具體例中，該至少一個特徵圖案中之該等腔體進一步包括在該腔體內部配置在該出射表面處的一抗反射層。
在一個具體例中，在該透明光學裝置中，該等腔體用氣體介質(較佳地，用空氣)來填充。
在一個具體例中，在該透明光學裝置中所設置之該特徵圖案中，該等嵌入式腔體特徵與複數個相關光通道交替。
在一個具體例中，該嵌入式特徵圖案建立在該透明載體介質中，該透明載體介質以積層結構藉由該載體介質的一完全平坦平面層配置在該載體介層的一圖案層來形成，由此在該等層之間的界面處形成複數個光學功能內部腔體。
在一個具體例中，該透明光學裝置進一步包括一抗反射層，其配置在由該透明載體介質形成的該等層之間的界面處。
在一個具體例中，在該透明光學裝置中，該等嵌入式光學腔體特徵選自由下列組成之群：凹槽、凹口、點及像素，其中該等腔體特徵具有選自下列的橫向輪廓：二元、傾斜、偏斜、稜鏡、 梯形、半球形輪廓等，並且其中該等特徵具有選自下列的縱向形狀：線性、彎曲、波形、正弦曲線形狀等。
在一個具體例中，在該透明光學裝置中，該至少一個特徵圖案係混合圖案，其包括複數個離散的特徵輪廓及/或複數個至少部分連續的特徵輪廓。
在一個具體例中，在該透明光學裝置中，該至少一個特徵圖案完全整合及/或嵌入在該透明載體介質內。
在一個具體例中，該透明光學裝置進一步包括至少一個抗反射層，其配置在該光學功能層上，藉此該特徵圖案配置成在其光學功能方面與該抗反射層協作，以避免菲涅耳反射。
在一個具體例中，在該透明光學裝置中，該光導介質及該光學功能層係光學聚合物及/或玻璃。
在一個具體例中，該透明光學裝置進一步包括至少一個濾光層，其配置在該光導介質的至少一個表面上且在其整個表面覆蓋範圍或在其預定區域上設置有至少一個光學功能，其中該濾光層的該至少一個光學功能至少就其形成的材料而言係選自：反射、透射、偏振及折射。
在一個具體例中，該濾光層係由折射率低於構成該光學功能層的材料之折射率且較佳地低於構成該光導介質的材料之折射率的基板材料形成。
在一個具體例中，該濾光層配置成為反射式全內反射層結構。
在一個具體例中，在該透明光學裝置中，該濾光層配置在該光導介質的兩個表面上。在一個具體例中，該濾光層配置在 該光導介質與該光學功能層之間。
在一個具體例中，在該透明光學裝置中，該濾光層包括複數個光學孔，以使光能夠通過其來傳輸，該等孔配置在該濾光層的一預定位置內或者沿著及/或遍及該濾光層的整個表面延伸。
在一個具體例中，該透明光學裝置進一步包括一光學接觸層，該光學接觸層配置成與一照明表面的至少一部分建立光學貼合。
在一個具體例中，該光學接觸層係一均勻層，其任選地設置有包括複數個光學功能特徵的至少一個特徵圖案。
在一個具體例中，該光學接觸層配置成與該照明表面建立非永久性光學接合。在一個具體例中，該光學接觸層配置成與該照明表面建立永久性連接。
在一個具體例中，該透明光學裝置進一步包括至少一個光源。在一個具體例中，在該透明光學裝置中，在存在及不存在從該至少一個光源獲得之照明的情況下建立光學透明度。
在一個具體例中，該透明光學裝置配置成為前光源照明裝置或背光源照明裝置。
在另一個態樣中，依據獨立請求項37所述者，提供一種透明照明物品，該物品包括依據該等具體例之透明光學裝置。
在另一個態樣中，依據獨立請求項39所述者，提供一種依據該等具體例之透明光學裝置的用途。
本發明的實用性由於各種原因而產生，這取決於其每個特定具體例而定。首先，本發明係有關於一種新穎的光取出圖案解決方案。
在一些較佳具體例中，在此所提供的解決方案有利地視為整合式(內部)腔體光學物件。在涉及光學腔體的典型解決方案中，光通常部分地透射(穿透)至該等腔體中，由此造成不期望的折射及菲涅耳反射，並且不能實現完美的光分佈控制。相反地，在此所提出的解決方案中，藉由相關光學功能特徵圖案的TIR取出功能，最終可以高精度地控制取出的光分佈(相應地，在反射及折射角度以及方向方面)。
本裝置的透明度可歸因於一些結構特性，其允許例如避免或至少最小化由菲涅耳反射所引起的散射光及雜散光量。這種解決方案允許例如藉由消除因雜散光所引起的模糊、重影及雙重影像的形成以及彩色顯示的「流失(washout)」以及藉由避免較低的顯示對比來改善顯示裝置上的影像之視覺品質。
這種解決方案可以用於前光源及背光源、窗戶及門面照明、標誌及號誌照明、太陽能應用、裝飾照明、遮光罩、公共及一般照明(例如，屋頂照明)等。有幾種應用及市場趨勢，其需要這些特殊及先進的透明光導解決方案，其中需要不同的特徵及其最佳化。
本發明著重在提供在光源關閉及光源打開模式下具有顯著改善的透明度之光學裝置，其進一步能夠消除或至少最小化有害的雜散光及菲涅耳反射。
應該強調的是，在傳統的解決方案中，在第一光學圖案表面(光入射表面)處取出在大多數角度下的光入射光學圖案結構；然而，以某些入射角到達的一些光線穿透圖案且可能引起不期望的雜散光及菲涅耳反射。
在此所呈現之光學裝置主要配置成用於光耦合及照明用途。所述光學裝置的透明度藉由材料的徹底選擇及元件設計來達成，所述材料的選擇及元件設計的目標大體上是藉由各種方式使雜散光最小化，從而使菲涅耳反射亦最小化。
除非另外明確說明，否則術語「光學」及「光」主要用作同義詞，並且意指電磁譜的特定部分內的電磁輻射，較佳的是但不限於可見光。
在其最廣泛的意義上，術語「濾光器(optical filter or light filter)」在本發明中意指用於改變入射至其上之電磁輻射的光譜強度分佈或偏振狀態之裝置或材料。濾光器可以涉及各種光學功能的執行，其選自：透射、反射、吸收、折射、干涉、繞射、散射及偏振。
在其最廣泛的意義上，術語「光導」或「波導」在本發明中意指配置成沿著其(例如，從一光源至一光取出表面)傳輸光的裝置或結構。所述定義涉及任何類型的光導，其包括但不限於光導管式組件、光導板、光導面板等。
術語「載體」或「載體介質」通常意指由基板材料構成之平坦的平面構件，所述基板材料配置成用於光傳播且任選地構成一種分層結構。
術語「元件」在本發明中用以指示實體的一部分。
表述「一些」在本文中意指從一(1)開始的任何正整數，例如，一個、二個或三個；而表述「複數個」在本文中意指從兩個(2)開始的任何正整數，例如，二個、三個或四個。
術語「第一」及「第二」不是意在表示任何順序、數 量或重要性，而是僅用於區分一個元件與另一個元件。
以下引用係用於所述構件。
1、2‧‧‧光導介質之傳統光導
10‧‧‧光分佈層結構
11‧‧‧光學特徵圖案
12‧‧‧光學(圖案)特徵
12A‧‧‧光學(圖案)特徵(習知技藝)
13‧‧‧光通道
21、211‧‧‧抗反射層
30‧‧‧黏著劑
31‧‧‧光學接觸貼合層
40‧‧‧具有低折射率之層(習知技藝)
41‧‧‧具有孔41A之濾光層
42‧‧‧不具有孔之濾光層
51‧‧‧照明/觀看面
61‧‧‧光吸收表面
62‧‧‧蓋層
71‧‧‧光源
100、100A‧‧‧透明光學裝置
101‧‧‧透明基板
111、111A、111B‧‧‧透明載體介質
121、122‧‧‧個別光學特徵的光入射表面及光出射表面
711‧‧‧入射光
712‧‧‧取出(外耦合)光
713‧‧‧雜散光
714‧‧‧因菲涅耳反射所引起的雜散光
本發明的不同具體例將藉由考慮詳細敘述及所附圖式而變得顯而易見，其中：圖1a至1c顯示傳統光導解決方案。
圖2係定義依據一些態樣之透明照明裝置(亦即，透明光學裝置)的一些解決方案中所包含之各種特徵的圖表。
圖3a至3k顯示光學特徵及其光穿透的各種配置。圖3l顯示具有如圖3i-3k中所具體化之一些光學特徵的光學功能層之示例性配置。
圖4a至4c示意性地顯示依據一些具體例之配置成用於前光源照明的透明光學裝置。
圖5及6係說明關於光取出及雜散光之光學圖案輪廓設計所暗示之效果的曲線圖。
圖7係依據一些具體例所實施之解決方案與傳統前光源之比較圖。
圖8說明關於雜散光之抗反射層配置所暗示的效果。
圖9及10考慮到最小化菲涅耳反射來示意性地顯示依據一些具體例之透明光學裝置。
圖11及12示意性地顯示依據一些具體例之一疊透明光學裝置。
圖13及14示意性地一起顯示依據一些具體例之一疊透明光學裝置與照明表面。
圖15及16顯示在特徵圖案內所提供之光學功能特徵輪廓的示 例性配置。
圖17說明光學腔體圖案表面輪廓的主要設計方法。
在此參考所附圖式來揭露本發明的詳細具體例。在整個圖式中使用相同元件符號來提及相同構件。
在下文論述以100、100A(下面的光學裝置100、100A)來體現之完全透明光導解決方法。圖2係定義藉以實現透明光導解決方案之不同階段的特徵分析之圖表。
本發明因而特別提供一種光導解決方案，其透明度不依賴照明模式。當打開光源時及當關閉光源時，光學裝置100、100A係透明的。本解決方案進一步利用在預定角度下之光外耦合(取出)的概念，因此可避免不期望的雜散光。
在一種示例性透明光導元件不使用於照明用途之情況下，它處於被動模式，因此通常需要通過元件的視覺透明度。例如，反射式顯示器在環境光條件(例如，太陽光條件)下不需要照明。因此，為了在不降低所述顯示器的視覺特性之情況下建立前光源照明，光導解決方案必須完全透明的。在一些角度下入射的太陽光可能造成模糊、彩色失真或因菲涅耳反射或背面反射而降低對比。在依據具體例的光學裝置100、100A中可消除上述缺點。
在主動模式中，光學裝置100、100A可以配置成提供對照明表面的單一側(例如，顯示器或海報)的照明或雙側照明(例如，門面或窗戶)。重要的是，有鑑於較佳的照明分佈、視角範圍等，在每種情況下指定照明用途，以便以最有利於特別是在顯示器及門面照明中消除或至少最小化不期望的雜散光之方式構造光學 裝置。
根據狀態(被動或主動)，將光學裝置解決方案的基本標準分類如下：
I.被動模式(沒有照明)的透明度標準：a)最小化的模糊、沒有散射、沒有彩色失真；b)最小化的菲涅耳反射；c)不可見光學圖案特徵；d)不可見光學圖案密度變化。
II.主動模式(具有照明)的透明度標準：a)藉由光學圖案最小化雜散光；b)藉由光學界面最小化菲涅耳反射(表面反射或層反射)；c)藉由光學圖案最小化菲涅耳反射(內反射)；d)光取出品質，沒有散射(反射，全內反射)。
當然，透明照明需要先進的光學材料用於功能層，功能層應該是非散射的且沒有色彩偏差。這特別對於光導介質、黏著劑(例如，光學透明黏著劑(OCA))及低Ri披覆層是關鍵問題。例如，具有非物理孔徑(non-physical apertures)的連續低Ri披覆層係可避免散射風險及更大量雜散光之一種關鍵解決方案(參見圖4a)。已觀察到，在披覆層中提供且以具有不同折射率的材料製成之層來覆蓋之物理孔徑會引起光散射、模糊及較低的對比率。本發明能夠以具有由局部折射率變化(local index changes)界定之光學孔徑的連續低Ri披覆層來提供一種改進的解決方案。這可以藉由利用噴墨印刷、反向膠版印刷、電射或電子束處理等的更高折射率的材料吸收來實現。因此，沒有必要具有帶有會造成光散射之邊緣的物理孔徑。此外，OCA及其它材料一定不可以有散射特性或色移特徵。
為了產生用於每個不同產品解決方案的最佳透明照明裝置，理解基本標準及進行的解決方案係很重要的。具體地，由 於藉由減少在輪廓表面處的雜散光洩漏及消除或至少最小化內部菲涅耳反射來改善內部腔體性能，本發明解決了基本問題。藉由結合兩個或更多個特有的特徵可以獲得最佳結果。在下文提出關於實現透明度及雜散光/不期望菲涅耳反射的減少之一些主要解決方案。
1.一種光學腔體圖案解決方案，其中光學輪廓由相對較小的特徵(不超過25μm)形成，其不能被人眼捕獲。較大的特徵可以與抗反射(AR)塗層或配置在輪廓表面上的AR圖案結合使用(混合圖案)，這使得基本圖案對於人眼更是看不見的。表面品質必須是光學等級的，其不會引起任何散射，因此不會產生雜散光。
2.一種光學腔體圖案解決方案，其中光學圖案設計可以藉由固定圖案密度或梯度圖案密度來區分，其中圖案密度的填充因子(Fill factor)必須保持低的，例如，總面積的10-50%。並且，相鄰局部區域之間的填充因子變化範圍應該約為(±)3%，而相對角落區域之間的填充因子變化範圍約為(±)20%，以便避免/最小化由於不同區域之間的高低填充因子變化所引起的圖案可見性。
3.一種光學腔體圖案解決方案，其中腔體圖案輪廓的第一表面配置成根據全內反射(TIR)或折射來取出/外耦合所有的光；因此，在光學腔體內沒有光傳輸(圖3a、3i)，以便避免及最小化雜散光及菲涅耳反射。通常，這種類型的唯一光管理及配置需要在至少垂直方向上的光源或光內耦合準直(light incoupling collimation)，從而限制入射在光導元件上的角度範圍。
4.一種光學腔體圖案解決方案，其中腔體圖案輪廓的第一表面對光進行取出及在腔體內進行重新導向，以與第二表面相遇而沒有任何漏光且沒有因腔體界面的底部(亦即，腔體的底面)上 之折射所產生的雜散光。這樣的避免需要一種解決方案，其中(腔體)圖案輪廓的第一表面配置成接收以預定入射角(特別是小於相對於表面法線之臨界角的入射角)入射的光，以避免洩漏的雜散光。入射光可以藉由光學準直(光學物件)或吸收層的提供來限制，以接收在光內耦合邊緣處以較大角度(亦即，超過臨界角)入射之光(圖3e-3h)。
5.一種對稱的光學腔體圖案解決方案，其中第一表面取出光而第二表面透射或重新導向光而沒有外耦合，因此它不直接將不期望的菲涅耳反射外耦合至光導元件外面(圖3b、3j及3c)。如果利用週期性圖案，則第二表面配置成在改善的光方向及取出/外耦合效率方面與下一個圖案表面協作。
6.一種對稱的光學腔體圖案解決方案，其中第一表面取出光而第二表面透射或重新導向光而沒有外耦合，從而最小化菲涅耳反射之不期望的方向(圖3c)。
7.一種光學腔體圖案解決方案，其中第一表面及/或第二表面可以設有抗反射塗層或抗反射結構，較佳地，藉由AR圖案或多層塗層或低Ri塗層提供寬帶抗反射(AR)，以最小化例如菲涅耳反射(圖3d、3g)。圖案及AR結構/塗層構成具有多功能的混合結構。
8.光學腔體圖案輪廓可以是二元、傾斜、偏斜、微透鏡、梯形輪廓等(圖3a-3l)。輪廓是三維的，並且可以形成點、線性或非線性線、像素、包括可變圖案的多形特徵。空氣腔解決方案中的這些輪廓可以在沒有任何塗層或子圖案之情況下單獨使用，但是它們可以利用在主光學輪廓上設置的AR塗層或AR圖案特徵，因 為所述AR塗層/結構的設置使圖案更加看不到。
9.在形成光學腔體圖案輪廓時，具有完全平坦表面的子層中之一(參見圖31)可以設有AR塗層或AR圖案，其在雙層層壓及貼合之後將僅保留在空氣腔圖案中。在雙層貼合中，光學界面應該消失，AR功能應該終止。僅腔體區域具有主動的AR表面(圖31)。
10.一種光學腔體圖案元件，其中一個表面係用於環境照明之光取出表面(單面)，其在外側具有AR層(AR塗層或AR圖案)，以便最小化在相反方向上之不期望的菲涅耳反射(圖9)。在雙面光取出的情況下，不需要AR層。
11.一種光學腔體圖案元件，其中一個表面係用於顯示層壓之光取出表面(單面)，其藉由光學貼合材料在顯示表面上具有光學接觸，以便最小化在相反方向上之不期望的菲涅耳反射(圖10)。另外，同一個取出表面可以具有AR塗層或AR圖案，以最小化光導與貼合層之間的界面菲涅耳反射。
12.一種無光學圖案的光導元件，其中一個表面係濾光表面，其中光藉由非物理孔徑穿過它，以便藉由光學貼合在顯示表面上提供較佳的照明。濾光表面形成有帶有光透射接觸及孔徑之低折射率披覆層(圖4a、4b)。
13.使用光學腔體圖案解決方案，其中所有光學層在沒有色移的情況下皆是透明的且非散射的，例如，低Ri披覆層、OCA層，亦即，沒有任何物理光散射特徵的層。
14.一種光學腔體元件，其中使圖案輪廓最佳化，以最小化繞射變形(diffraction distortion)的散射，其中使尖銳的尖端及 形狀最小化、圓化或變平。
透明光導及透明腔體光學物件具有許多應用。通常，光學圖案本身必須根據具體情況來進行設計及最佳化。
在一些配置中，在光學功能層內所設置的至少一個光學圖案藉由選自由下列組成之群的浮雕形式來建立：凹槽、凹口、點及像素，其中所述浮雕形式具有選自下列的橫向凹或凸輪廓：二元、傾斜、偏斜、稜鏡、梯形、半球形輪廓等，並且其中所述浮雕形式具有選自下列的縱向形狀：線性、彎曲、波形、正弦曲線形狀等。
在圖11中說明透明光學裝置(在一些情況下，稱為「透明照明裝置」)的下面各種具體例之概念。術語「透明」意指光學透明度的功能，其通常被定義為材料的物理特性，這種物理特性允許到達所述材料的表面之光子在不受影響下(例如，在沒有散射、吸收或背面反射之情況下)穿過材料。本裝置100的光學透明度藉由下文描述的一些結構屬性來建立，這些結構屬性允許避免或至少最小化由菲涅耳反射所引起之散射光及雜散光的量，例如，藉以進一步消除因雜散光所引起之視覺模糊、重影及/或雙重影像的形成及色彩「流失」等。
為了最佳化用於不同產品配置的透明照明裝置100、100A(例如，用於各種照明目標的前光源、背光源、照明面板)，重要的是理解要進行之最終產品所隱含的基本標準及要求。本發明提供一種用於透明光學裝置的全面解決方案，其特別是在避免經由輪廓表面的漏光及/或內部菲涅耳反射所產生的雜散光方面具有最佳化的內部腔體性能。在下文中所呈現的不同配置涉及兩個或更多 個關於要獲得透明及避免雜散光之特性的組合。
透明光學裝置100(下文稱為光學裝置100)包括光導介質101及至少一個光學功能層10。光導介質有利地配置成用於光傳播，而光學功能層10配置成藉由對入射到其上之光的控制功能及藉由至少一個光外耦合功能來建立裝置100的光學透明度。
提及的光學功能可以以非限制性方式歸屬於提供至少一個光學功能特徵圖案11(圖9)。
圖9係依據一些基本具體例的光學功能層10之剖面圖。層10因而構成光分佈結構，並且包括由複數個嵌入式光學特徵在透明載體介質111中建立的至少一個特徵圖案11。光學特徵由複數個內部光學腔體12(亦即，內部嵌入式或整合式腔體光學物件)形成。後者進一步稱為「腔體」或「腔體輪廓」。
參考圖3l，其顯示層結構10內的內部組織，於是載體介質的完全平坦的平面層111A配置成靠著載體介質的圖案層111B，使得內部(亦即，嵌入式或整合式)特徵圖案11建立在圖案層111B與平面層111A之間的界面處。沒有顯示載體層111A、111B之間的邊界，以強調完整結構10的實質「單件」性質。完整結構10設置為單層。
在一些情況下，光學功能層10以薄膜、薄片或塗層的形式設置成用於波導介質101。
在具體例中，透明光學裝置100因而包括配置成用於光傳播的光導介質101及至少一個光學功能層10，光學功能層10包括由設置成為光學功能內部腔體12之複數個嵌入式特徵在透明載體介質111中形成的至少一個光學功能特徵圖案11。該至少一個 特徵圖案11進一步配置成藉由在圖案11處建立預定的內耦合光分佈及/或藉由修改在光學裝置中所提供之材料及元件的折射率及其間之界面來執行入射光控制功能及至少一個光外耦合功能，藉此最小化雜散光並且建立裝置100的透明度。
在具體例中，光學功能層10的光學功能藉由下列中之至少一者(特徵圖案11內之腔體12的尺寸、形狀、週期性及配置)及藉由所述特徵圖案的填充因子值來建立。
諸如腔體12的光學特徵設置在參考區域內，例如，在具有圖案11的光學功能層內。在所述參考區域內，所述光學特徵的設計參數(例如，填充因子及/或密度，以及週期、間距、高度、長度、角度、曲率、局部像素尺寸、位置等)可以改變由光學特徵12與單位面積的百分比(%)所定義且是設計光學解決方案的關鍵參數中之一的填充因子(FF)。因此，FF限定參考區域中之特徵12的相關部分。
具有光學腔體圖案的光學功能層10通常以特定應用方式設計成用於透明背光源、前光源及照明面板，藉此光學圖案設計可以具有固定圖案密度或梯度圖案密度，其中圖案密度的填充因子值必須處於相對較低的位準，例如，總面積的10-50%。
並且，相鄰局部區域之間的填充因子變化範圍應該約為(±)3%，而相對角部區域之間的填充因子變化範圍約為(±)20%，以便避免/最小化因不同區域之間的高低填充因子變化所造成的圖案可見性。實現的透明度會影響最終效率；解決方案越透明，就可以獲得更高的效率。最大效率可藉由連續週期性輪廓及諸如像素的局部輪廓獲得。對於透明解決方案，可以在透明度、模糊度及雜散 光方面最佳化最大填充因子。一個顯著的益處是具有連續且有效的3D光學圖案，其可用於多種應用。這可降低控制及產品成本，並且可以生產相對大尺寸(例如，大於0.5-1.5m2(平方公尺))的光學裝置。
參考圖3a-3k，其說明在載體介質111(如圖31所示)中所設置之光學腔體12的各種配置。在所述的配置中，所述載體介質111的折射率值(n1)超過填充嵌入式腔體12的介質之折射率值(n2)。腔體12至少包括第一表面121及第二表面122，第一表面121配置成作為接收入射光之入射表面，第二表面122配置成作為出射表面，穿過出射表面離開腔體的光在介質111中傳輸，以用於照射目標表面。由此，只有藉由所揭露之腔體圖案的引導來遵循預定路徑的光可以用於照明用途。
透明載體介質111因而設置為光學聚合物或玻璃。在示例性配置中，載體介質111係聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
在一些配置中，腔體12用氣體介質來填充。進一步較佳的是，腔體12用空氣來填充。然而，可以提供任何其他氣體介質及任何流體、液體、膠體或固體來作為所述腔體的填充材料。
圖3a及3i說明依據一個具體例之配置，其中在第一(入射)表面121上入射的光藉由全內反射(TIR)或折射來外耦合(取出)。光不會在腔體內傳輸，藉此可以避免或至少最小化雜散光及菲涅耳反射。通常，這種類型的唯一光管理及配置需要在至少垂直方向上之具有窄的光分佈之特殊光源或光內耦合準直，從而限制在光導元件處入射的角度範圍。這種解決方案需要例如大約10°垂直光準直，以便實現TIR功能。光內耦合需要特殊的光學配置，其可 以整合至光源或光導邊緣中。這樣的配置可以包括一個光學元件及/或在內耦合區域中之光導的兩個表面上之重新導向反射層。並且，可以使用吸收層，其中消除所有較大的入射光角度。
圖3b及3j說明不對稱腔體光學物件解決方案及由此所遭遇之基本菲涅耳反射問題。光以這樣的角度入射在圖案(腔體12)處，使得當在腔體12內進行重新導向時，光藉由菲涅耳反射而形成有害的雜散光。菲涅耳反射(雜散)光714會進一步離開圖案(虛線)而在顯示表面上進行外耦合。
圖3c顯示對稱光學腔體解決方案，其中第一(入射)表面121配置成將到達那裡的入射光內耦合且將光線朝第二表面122導向腔體內，並且其中第二表面122配置成接收到達那裡的光線且將所述光線向腔體外面傳輸至透明載體介質111中，以在所述介質111中傳播及/或用於外耦合(朝向照明表面離開層10/裝置100)。在圖3c的配置中，由第二表面122所造成的菲涅耳反射沒有進行外耦合而離開腔體(被捕獲)。這樣的圖案設計使不期望的雜散光最小化。於是，在利用週期性圖案解決方案的情況下，配置成透射及重新導向光的第二表面122與後續腔體12的第一表面121配合，由此可以藉由最佳化入射至每個(後續)腔體上的光線之方向來提高光取出/外耦合效率。
圖3d及3k顯示依據一個具體例的配置，其如下面所進一步論述，用於藉由在第一表面121(圖3d)上或在第二表面122(圖3k)上提供具有附加光學功能的層21(例如，抗反射層)來消除菲涅耳反射，進而最小化雜散光。用經劃叉的箭頭來表示菲涅耳反射的避免。
圖3e說明一種腔體光學物件解決方案及由此所遭遇的雜散光問題。由此，入射光在第一表面121處被接收且在腔體12內部被重新導向，由於腔體的底面處(亦即，腔體(n2)與周圍介質(n1)之間的界面處)之折射而發生漏光(雜散光，圖3e)。
在圖3f及3g所示的配置中，藉由至少提供第一表面121對以預定角度或角度範圍到達其上之光進行內耦合，可以避免或至少最小化不期望的光線雜散及/或菲涅耳反射。
在圖3f、3g所示的配置中，入射表面121配置成對以相對於表面法線之小於臨界角的一個預定入射角或入射角範圍到達其上的光進行內耦合及進一步的分佈，藉此避免外耦合的菲涅耳反射。
臨界角係光相對於表面法線的一種入射角，在這種入射角時發生全內反射。當折射角相對於表面法線構成90度時，入射角變成臨界角(亦即，等於臨界角)。通常，當光從具有(較)高折射率(Ri)的介質傳遞至具有(較)低Ri的介質(例如，從塑膠(Ri 1.4-1.6)或玻璃(Ri 1.5)或空氣(Ri 1)或者具有實質低折射率的任何其他介質)時，發生TIR。對於從高Ri介質行進至低Ri介質的光線，如果入射角(例如，在玻璃-空氣界面處)大於臨界角，則介質邊界充當非常好的鏡子，因而將光反射(回到高Ri介質，例如，玻璃)。當發生TIR時，沒有能量通過邊界來傳輸。另一方面，以小於臨界角的角度入射之光將部分被折射離開高Ri介質且部分被反射。反射與折射光比率大大地取決入射角及介質的折射率。
臨界角根據方程式(1)來計算：
Figure TW201945168A_D0001
應該注意的是，臨界角隨著基板-空氣界面(例如，塑膠-空氣、玻璃-空氣等)而改變。例如，對於大多數塑膠及玻璃，臨界角構成約42度。因此，在一個示例性波導中，以45度的角度(相對於表面法線)入射在諸如PMMA片的透明介質與空氣之間的邊界之光可能會被反射回到光導介質，因此，不會發生光外耦合。
因此，圖3f說明能夠使光通過光學圖案(腔體12)來傳輸之解決方案，其中藉由限制在第一表面處的入射角(θmax)來避免或至少最小化光雜散。這需要一種解決方案，其中腔體輪廓的第一表面配置成將入射角的範圍限制為相對於表面法線低於臨界角的數值，以避免通過底部界面之洩漏的雜散光。可以藉由在表面121(光內耦合邊緣)處提供光學準直元件、重新導向反射器或吸收層(未顯示)來限制入射角，其中垂直光分佈需要在大約(±)15°的範圍內。
根據內耦合光分佈參數，腔體的第一表面121可以構造/設計成使光能夠通過光學圖案來進行適當的(進一步的)外耦合及傳輸，由此藉由有限的入射角(θmax)使雜散光最小化。
入射角θmax根據方程式(2)來決定：
Figure TW201945168A_D0002
其中n3係在光導外面(亦即，在透明載體111外面；參見圖17A)之外部介質的折射率(Ri)。
在較少的準直內耦合光之情況下，必須修改第一表面121，以便對入射光進行內耦合並將如此內耦合的光重新導向在相對壁122處的預定單個焦點(較佳地，靠近底面(界面))，從而可以避免雜散光。
在圖3g所示的配置中，入射表面121進一步配置成用準直功能對到達其上的光進行內耦合並將光線導向腔體中，使得光通過腔體來傳播，同時避免撞擊除出射表面122外的任何其他表面。
圖3g進一步說明藉由至少修改第一表面輪廓(由圖3h進一步放大之虛線三角形所示)使光能夠通過光學圖案(腔體12)傳輸的解決方案。這種解決方案允許藉由修改入射光的折射角(虛線)來避免或至少最小化光雜散。
圖案表面輪廓12的最佳部分可以由進階方程式(3)來定義，根據所述方程式修改圖案特徵輪廓12，以便在沒有雜散光的情況下使光折射穿透後壁122，所述方程式如下所示：
Figure TW201945168A_D0003
其中n3係在光導外面(亦即，在透明載體111外面)之外部介質的折射率(Ri)，並且α係為表面輪廓的函數之可變角度。
在圖3g所示之解決方案中，第一表面121配置成對到達其上的光進行內耦合及(預)準直的程度，藉此在腔體內建立經內耦合及(預)準直的光分佈，其中將光進一步導向第二(出射)表面(沒有撞擊底面)。
換句話說，圖3f、3g說明一種解決方案，其中在腔體12中傳播的光不會撞擊所述腔體的底面，從而避免雜散光問題 (圖3e)。
參考圖31，其顯示光學功能層10。在一些配置中，層結構10進一步包括在由透明載體介質111形成的子層111A、111B之間的界面處所配置之抗反射層21。在嵌入式特徵圖案11中，複數個嵌入式(內部)腔體特徵12因此與複數個相關光通道13交替。所述光通道13係透明載體介質材料111。
藉由這樣的配置，可以形成在出射表面處包括抗反射層21的腔體(圖3k)。
在具體例中，腔體可以在其第一(入射)及/或第二(出射)表面處設置有抗反射層21。抗反射層21可以配置成為塗層或結構，較佳地，藉由AR圖案或多層塗層或低折射率(Ri)塗層配置成為寬帶抗反射(AR)，以便最小化例如菲涅耳反射(圖3d、3k)。腔體圖案與AR結構(塗層)的結合構成一種具有多重光學功能之混合結構。
在具體例中，至少一個特徵圖案11中之腔體12因而包括配置在腔體內部之入射表面121上的抗反射層21(圖3d)。在具體例中，腔體進一步包括配置在腔體內部之出射表面122上的所述抗反射層21(圖3k、3l)。
圖3l因而係有關於在平坦底面(第二表面122)上使用AR塗層或AR圖案層的配置，所述平坦底面係平坦子層111A藉由層壓與腔體圖案子層111B貼合在一起的表面。藉由這樣的配置，AR層21僅在腔體12內部(在其底面處)建立。在所述的雙層貼合期間，光學界面(由光通道13提供)在腔體12處被中斷。因此，AR功能在光通道13處(在空氣腔光學物件之間)終止。
嵌入式光學功能腔體特徵12可以攜帶各種配置。因此，特徵12選自由下列組成之群：凹槽、凹口、點及像素。所述腔體特徵12可以具有選自下列之橫向輪廓：二元、傾斜、偏斜、稜鏡、梯形、半球形輪廓等，並且腔體特徵可以具有選自下列之縱向形狀：線性、彎曲、波形、正弦曲線形狀等。
在一些具體例中，光學功能層10可以進一步配置成包括建立有選自實質傾斜、彎曲或波形輪廓中之一的三維輪廓之光學腔體12。在某些情況下，較佳的是，光學腔體12建立有被設置成為對稱正弦波形或不對稱正弦波形之三維輪廓。
總體上，至少一個光學特徵圖案11可以藉由選自下列所組成之群的光學特徵來建立：凹槽、凹口、點及像素，其中所述特徵具有選自下列之橫向凹或凸輪廓：二元、傾斜、偏斜、稜鏡、梯形、半球形、微透鏡輪廓等，以及其中所述結構具有選自下列之縱向形狀：線性、彎曲、波形、正弦曲線形狀等。所述至少一個光學特徵圖案11可以配置成為：週期性光柵結構、微米及奈米光學輪廓、離散圖案、光柵像素圖案(局部週期性)等。圖案週期根據應用可以從0.1微米(μm)至幾厘米(cm)。光學圖案可以進一步包括用於附加層的貼合或層壓及用於腔體形成之平坦區域。光學圖案內之個別(特徵)輪廓的長度可以從一個點/一個像素至無窮大。實際上，有鑑於特定設計及/或提供最佳的光學功能，可以以任何三維形式實施離散的光學圖案輪廓。
最小的圖案特徵(腔體)12可以進一步最佳化及最小化。具體地，尖銳的尖端可以藉由切割、圓化或平坦化來最佳化及最小化，以便最小化特定的散射。這樣的配置解決傳統解決方案常 見的問題，其中光學圖案輪廓可能引起繞射變形的散射(稱為彩虹效應(rainbow effect))，這會導致不良的表現。
用於透明照明的示例性圖案解決方案進一步呈現在圖15及16上。
在一些情況下，光學腔體圖案解決方案可以設置有相對小的圖案特徵(不超過25μm)，其不能被人眼捕獲。無論是否使用較大的特徵，較佳的是，在輪廓表面上進一步提供AR塗層或AR圖案(混合圖案；圖3d、3k、3l)，這使得圖案對人眼來說係不太可見的。較佳的是，腔體表面品質係光學等級，從而可以有效地避免散射，因而可避免雜散光。
光學功能層10中的基本光學輪廓可以是傳統的表面浮雕圖案或腔體光學物件圖案。後面的解決方案可以在光學腔體中包含氣體、流體或固體材料(最佳的是空氣)，其在光學表面上形成TIR效應。可以使用不同的輪廓，例如，二元、偏斜、稜鏡、微透鏡輪廓，其根據繞射光柵或折射光學物件。可以設計用於窄、寬、橢圓、對稱、不對稱等分佈的光角度取出。
因此，圖15顯示用於透明照明的示例性圖案特徵12，特別是用於「不可見」(對人眼)圖案尺寸。在下面的表1中提供圖案屬性。
例如，輪廓可以藉由快速工具伺服(FTS)加工來製造。上面所示的輪廓參數係可調整的，以實現期望的性能。此外，可調整的參數包括輪廓定向、單個圖案或週期性圖案的規定、離散(像素)圖案或連續圖案的規定等。
包括上述腔體輪廓的光學特徵圖案11通常可以稱為「混合」圖案，其包括複數個離散的特徵輪廓及/或複數個至少部分連續的特徵輪廓。所述混合圖案因而可以配置成為離散圖案(例如，像素)或連續圖案。於是，所述混合圖案可以配置成包括設置作為離散輪廓或至少部分連續輪廓的複數個光學特徵12。
在一些具體例中，光學功能層10可以進一步配置成使得在至少一個光學特徵圖案內，複數個光學腔體12配置成沿著及/或遍及由所述特徵圖案(未顯示)佔據的整個區域延伸之陣列。
在一個具體例中，透明光學裝置100進一步包括至少一個濾光層41、42，其設置在光導介質101的至少一個表面上且在其整個表面覆蓋範圍或在其預定區域具有至少一個光學功能。所述光學功能係至少選自：反射、透射、偏振及折射。在一些具體例中，濾光層41、42配置在光導介質101的兩個表面上。
濾光層41、42較佳地配置成具有在0.2-50微米(μm)範圍內之層(膜)厚(h>λ)的薄膜。在一些特定具體例中，層厚可以在0.2-50微米(μm)範圍內變化，較佳地，在0.2-10μm範圍內變化。
濾光層41、42由提供作為所謂的低折射率材料且具有在1.10-1.41範圍內之折射率的基板材料構成。在任何情況下，濾光層的折射率設置成低於1.5；較佳地，低於1.4。
在一些配置中，濾光層在中孔膜中包含奈米二氧化矽 材料。在這種情況下，低Ri披覆層界面相用低(脫)氣材料來塗佈、層壓或貼合，以維持指數值。
在一些具體例中，濾光層41、42配置成為一種全內反射層結構。因此，根據可用的TIR材料，例如，TiO2、BaSO4、SiO2、Al2O2、Al、Ag、介電材料及高反射(HR)塗層材料，濾光層141可以實現為一種反射TIR解決方案。
在一些具體例中，濾光層41、42由基板材料(第二介質，n2，圖4a)形成，其折射率(Ri)低於構成光學功能層10及/或透明(光導)基板101(第一介質，n1，圖4a)的材料之折射率，由此n1>n2(圖4a)。濾光層的折射率(Ri)值與光導相關參數之間的關係(例如，平均亮度(Nits)及取出效率(%))顯示於下面表2中。表述「低Ri層」意指濾光層41、42。
在一個具體例中，濾光器層係披覆層、塗層或薄膜。
濾光層可以配置成為連續的均勻層42。或者，濾光層(41)可以包括複數個光學孔41A，使光能夠通過其來傳輸，所述孔配置在所述濾光層的預定位置內或沿著及/或遍及所述濾光層的整個表面延伸來配置(圖4a-4c)。
光學孔41A配置成在其尺寸、大小及/或形狀方面係可調整的。在一些配置中，孔可以實質上是圓形或矩形，其中任一 種形式的大小設置在0.5-50μm的範圍內，較佳地，在1-30μm的範圍內。對於實質上矩形的孔結構，前述範圍表示長度及/或寬度參數中之任一者。對於實質上圓形的孔結構，前述範圍表示個別的孔徑。深度參數由濾光層41的厚度來定義，並且如上所定義，其設置在0.2-50μm的範圍內。
然而，孔41A可以設置為連續結構，在較大區域上延伸(與上述相比)，並且具有任意形狀。孔密度及/或填充因子(每表面積單位)可以是固定的(在0.1%-100%的範圍內)。
較佳的是，孔以預定方式設立在濾光層41中。因此，在一些配置中，沿著光分佈元件(例如，光導)的整個長度，亦即，從光源(例如，LED)端至相對端，孔的設置是均勻的(具有固定的尺寸、形狀及週期性)。在替代配置中，可以從LED端至相對端設置在至少尺寸、形狀或週期性方面係可變的孔。因此，孔可以利用漸進填充因子配置成具有可變密度。具體地，光分佈元件可以配置成包括具有孔的濾光層141，孔的大小從所述LED端至相對側逐漸增大。
雖然具有圖案11的光學功能層主要配置成對入射至其上的光進行傳播及(外)耦合，但是濾光層配置成選擇性地控制及過濾入射至其上及/或經由光導傳播的光。
然而，根據其尺寸、大小及/或形狀，可以修改濾光層41的功能。因此，孔41A可以進一步個別地或共同地配置成執行各種功能，例如光透射、散射、折射、反射等。在一些情況下，孔可以配置成提供光外耦合功能。
濾光器可以進一步包括具有不同光學功能(包括但不 限於光學折射率、非反射材料、較高的光學密度、不同的光學對比等)的孔，其提供用於讓光穿過及形成光通道，並且具有光波控制及/或過濾特性，以實現用於照明用途之預定光/信號圖像、分佈及效率。
相較於用以製造透明(光導)基板101之材料的折射率，濾光層中的孔可以進一步填充有相同或更高折射率的填充材料。
參考圖4a及4b，其顯示以100A表示之光學設備作為無光學圖案的光導元件。
如圖4a、4b所示。透明光學裝置100A因而包括光導介質101，其配置成用於光傳播；濾光層41、42，其設置在光導介質的至少一個表面上且設置有至少一個光學功能，所述光學功能藉由至少用以製成所述濾光層的材料建立在其整個表面覆蓋範圍或在其預定區域上。所述濾光層係由折射率低於構成光導介質的材料之折射率的材料形成之連續層。濾光層41、42配置成藉由選自反射、透射、偏振及折射中之至少一個光學功能來最小化通過透明光學裝置傳播之光線的散射。
因此，圖4a說明沒有光學圖案11的光導概念。圖4a所示之前光源解決方案包括在濾光層41、42之間層壓的光導介質101。圖4a顯示一個實例，其中下濾光層41包括光學孔41A，而上濾光層42配置成沒有孔的均勻層。光導101可以由塑膠(PMMA，PC)或玻璃製成。疊層設置在照明表面51(例如，紙狀顯示器或印刷海報)上，並且可以進一步用蓋層62(在此，例如由塑膠或玻璃製成的頂蓋)及黏著層30(例如光學透明黏著劑(OCA))來覆 蓋。
參考圖4a，特別是放大的方塊(選項1、選項2)，光從光導介質101(n1，第一介質)通過孔41A至下層30(n1，第二介質)來傳播，下層具有與第一介質大致相同的折射率(但是，可以不排除更高或更低的Ri值)。在光導101與下層30(圖4a)或上層(未顯示)之間的界面處形成之孔的折射率通常與第一及/或第二介質n1的Ri值匹配，而包括所述孔之濾光器(n2)的Ri值通常低於n1。
選項A藉由披覆層移除方法(cladding removal method)顯示製造孔41A；而選項B藉由更高密度的方法顯示製造孔41A。
濾光層41、42可以配置成透明的低折射率濾光層或者在透明(光導)基板101的至少一側上或在其兩側(上下表面)上形成的反射TIR層(例如，漫射或鏡面TIR層)。所述濾光器可以：a)直接施加在平坦表面上，b)藉由黏著層來層壓，或c)藉由化學表面處理(例如，VUV(真空UV)、大氣電漿處理或微波輔助貼合)來貼合。
在一些情況下，濾光層41、42具有逐漸變化的低Ri值，以便即使在沒有孔的情況下亦可提供較佳的光分佈。
濾光層41內的孔41A可以被光學調製，由此可以獲得由濾光層產生的各種光分佈圖案，其包括但不限於：均勻、對稱、離散或不對稱的光分佈圖案。
包括光學孔41A的濾光層41因而設置在光導介質的至少一側上。因此，濾光器可以包括具有不同的光學功能(包括但不限於光學折射率、非反射材料、較高的光學密度、不同的光學對比等)之孔，其提供作為光通道來讓光穿過，並且具有光波控制及/ 或過濾特性，以實現用於照明用途之預定光/信號圖像、分佈及效率。
例如在顯示器、標誌或海報上形成預定圖像/影像或信號之光學孔的光分佈可以是均勻的、不均勻的或離散的。因此，可以形成均勻的、不均勻的或離散的影像/圖像或信號。孔可以設置在濾光層的兩側，以形成均勻/連續或離散的區域。孔可以設置在濾光層的整個表面上或其預定區域上。孔的主要功能是控制從第一介質傳播至第二介質的入射光量而沒有光外耦合，這意味著所有入射光角度皆大於或等於介質的臨界角。特別是，可以因而在沒有光學圖案的情況下實現光均勻性控制。
光學孔具有一些主要功能，例如，讓光從第一介質傳輸至第二介質，這決定所期望的光分佈及/或均勻性。當空氣或低Ri濾光器/披覆層形成界面時，第一及第二介質中的光分佈通常具有低於介質界面的臨界角(一種入射角，大於這種入射角會發生TIR)的入射光角度。結果，沒有從介質對光進行外耦合。
圖4b顯示配置成為一種前光源解決方案的光學裝置100A，其中光導101配置在疊層的頂部上(亦即，它沒有被層壓在層之間)。結構包括單個濾光層41，其配置成為具有孔的低Ri披覆層。光導的最上表面可以進一步沉積具有較佳低Ri值之硬塗層，以便防止上表面污染或缺陷時的漏光。
圖4c說明用於前光源照明的光學裝置100解決方案，其包括配置成為腔體光學物件光導的光學功能層10以及設置在透明載體介質111兩側的均勻濾光層(低Ri披覆層)42。所述濾光層42可以直接或間接地(亦即，藉由黏著劑或在沒有黏著劑之情況下)施加至介質111表面上。
圖4c所示之配置因而包括不具有孔而具有光學圖案(例如，外耦合圖案)的濾光器。光學圖案11完全整合在光導介質111內，並且可以具有不同的形式或形狀，例如，微透鏡、傾斜或偏斜形式、離散圖案或者多圖案像素形式，其具有週期性及光柵特徵。光導元件用黏著劑30(例如，光學透明黏著劑(OCA)或液體光學透明黏著劑(LOCA)等)來進行層壓及貼合，黏著劑30具有比低Ri披覆層42高的Ri，較佳地具有與光導介質111相同的折射率。因此，圖4c顯示一種疊層解決方案，其中在其兩側設置有濾光層42的光學功能層10進一步被層壓在顯示表面51(在此，反射式顯示器或海報)與由塑膠或玻璃製成的頂蓋層62之間。
在圖4c所示的配置中，光學功能層10包括具有不同形狀的腔體特徵12。可以進一步提供具有相同形狀的相同配置。
在如圖4c所配置的光學元件100中，入射光藉由光學腔體圖案11耦合至第一介質111中，以實現比臨界角小的入射角(相對於表面法線)，以便使光通過低Ri披覆層42向第二介質傳輸。並且，第二介質可以包括一種光學圖案解決方案(未顯示)，其配置成用於光外耦合，以形成較佳的光分佈及照明。此外，第二介質可以沒有特別用於導光的光學圖案；因此，光學圖案應該以較佳的角度分佈來對光進行外耦合。
包括濾光層42(沒有孔)作為下層且進一步覆蓋有光學功能層10之光學裝置的提供具有這樣的優點：這種結構可以將從底部反射器反射之光耦合及引導回到第一介質111，由此建立較佳的光分佈。
圖4c所示的光學裝置因而包括用於內耦合光傳播之 光導介質111及用於光分佈均勻性控制的濾光器42。在這種結構中，腔體圖案配置成使得光入射在圖案上的角度等於或超過介質中的臨界角(
Figure TW201945168A_D0006
θC)。光學圖案11較佳地係具有固定填充因子、完全填充或離散填充的均勻圖案。可變填充因子可以支持較佳的照明或信號指示目標。
進一步參考圖9，其說明旨在藉由在光學裝置100的光取出表面(取出光712)上提供抗反射層211來最小化由菲涅耳反射所造成的雜散光之基本解決方案，所述光取出表面沒有與照明表面光學接觸。AR層係由單層或多層塗層或AR奈米結構層形成。
在單個元件的情況下，其中上表面係用於單側環境照明的光取出表面，所述上表面可以在其外側設置有AR層211(AR塗層或AR圖案)，以便最小化在相反方向上之不期望的菲涅耳反射。
在雙側照明解決方案中，可以避免AR層211的提供。
在所述具體例中，透明光學裝置100進一步包括設置在光學功能層10上的至少一個抗反射層211，由此特徵圖案11配置成在其光學功能方面與所述抗反射層211協作，以避免菲涅耳反射。在一些情況下，所述抗反射層可以包括偏振器。
在例如具有顯示器的整合元件之情況下，其中一個表面係用於單側顯示器的光取出表面，可以藉由光學貼合材料提供在顯示表面上具有光學接觸的層壓，以便最小化在相反方向上之不期望的菲涅耳反射。圖10說明旨在藉由提供光學接觸層31來最小化由菲涅耳反射所造成的雜散光之基本解決方案，所述光學接觸層31配置成與諸如顯示表面之照明表面51的至少一部分建立光學貼合。
光學接觸層配置成藉由例如傳統的光學接觸與照明表面或其至少一部分建立光學接觸，其中在沒有任何黏著劑或機械附接(mechanical attachments)之情況下將表面貼合在一起。
可以對整個表面51或所述表面的一部分提供光學接觸層31。在一些配置中，光學接觸層31設置有一個均勻的層。在一些其他配置中，光學接觸層31可以進一步設置有至少一個特徵圖案，所述特徵圖案包括複數個光學功能特徵(例如，光學圖案、取出特徵等)。在所述圖案不在接觸中的情況下，它應該儘可能靠近照明表面51來施加。較佳的是，光學接觸中的所述圖案在尺寸方面配置成小至保持對人眼係不可見的程度。
在一些情況下，光學裝置可以進一步在每個界面處(例如，在光導111與光學貼合層31之間)包括另外的AR層(未顯示)。這可以進一步最小化菲涅耳反射。
圖10因而顯示一種用於藉由光導元件的光取出表面上之光學貼合層來最小化菲涅耳反射的雜散光之解決方案。光學貼合層構成與諸如顯示器的照明表面之光學接觸，並且它可以用在照明表面的全部或部分區域中。光學接觸亦可以由光學圖案、取出特徵來形成。每個界面中(例如，在光導與貼合層之間)的附加AR層、AR塗層或AR圖案可以最小化菲涅耳反射。
在具體例中，光學接觸層31配置成與照明表面51建立非永久性光學接合。在另一具體例中，光學接觸層31配置成與照明表面51建立永久連接。
圖11說明透明光學裝置100，其配置成為用於環境照明的透明照明元件。圖11所示的裝置100包括光導介質101、層 壓在光導介質101的一側之光學取出層10及外側的抗反射層211。
光學功能層10包括具有固定密度或漸變密度的至少一個取出圖案。層10可以藉由黏著層30層壓至光導介質101上，黏著層30任選地包括濾光層(低Ri層)，其較佳地配置成為具有孔的濾光層41。
圖12說明透明光學裝置100，其配置成為用於環境照明的透明照明元件。圖12所示的裝置100包括光導介質101，層壓至所述介質101的一側之光學取出層10以及位於所述介質101的另一側之蓋層62。蓋層在外側(光取出表面)進一步具有AR層211。光導介質可以藉由黏著層30層壓至蓋層62，所述黏著層30最佳地設置有濾光層41、42(具有或不具有孔)。
圖13說明用於顯示照明的透明光學裝置100。疊層包括光導介質101，並且在光導101的一側具有用於光學取出的光學功能層10及在光導的另一側具有帶或不帶孔的濾光層41、42。在一些配置中，疊層亦在光學功能層10與光導介質101之間可以包括配置成為低Ri披覆層(較佳地，具有孔的披覆層(層41))之濾光層與黏著層30(配置成為例如光學透明黏著劑(OCA))。
疊層可以進一步在照明側包括光學接觸層31，其與低Ri披覆層41/42一起被設置。所述光學接觸層31較佳地配置成為由彈性(實質上軟性)光學材料形成之非永久性貼合層。
圖14說明用於顯示照明的透明光學裝置100。配置通常遵循圖13所示的解決方案；然而，圖14所示的疊層另外包括與光學功能層10層壓的諸如蓋玻璃的蓋層62。這種解決方案進一步包括設置在光學功能層10與蓋玻璃62之間的濾光層41、42(具 有或不具有孔)。相似於圖13，疊層包括配置成為由彈性(實質上軟性)光學材料形成之非永久性貼合層的光學接觸層31。
光導111、101與照明表面51(顯示器、標誌或海報)之間的光學接觸層31可以進一步設置為剛性光學材料。
重要的是，光學貼合層31接觸照明表面51，以便最小化雜散光及保持高對比率。較佳地，層31由耐用材料製成，以在數次打開時可獲得可靠性(用於非永久性解決方案)。
因此，在具體例中，透明光學裝置100包括配置在光導介質101與光學功能層10之間的濾光層41、42。
在另一個態樣中，提供一種透明光學裝置100，這種透明光學裝置100包括光導介質101，其配置用於光傳播；至少一個光學功能層10，其包括在透明載體介質111中由設置成為光學功能內部腔體12的複數個嵌入式特徵所形成之至少一個光學功能特徵圖案11，所述至少一個特徵圖案11配置成執行至少一個光外耦合功能；以及光學接觸層31，其配置成與照明表面51建立非永久性可重新打開的光學接合。
在具體例中，裝置100、100A進一步包括選自下列之至少一個光源71：發光二極體(LED)、有機發光二極體(OLED)、雷射二極體、LED燈條、OLED燈條、微晶片LED燈條及冷陰極管。
在具體例中，在存在及不存在從所述至少一個光源71獲得的照明之情況下建立所述光學裝置的透明度。
在具體例中，透明光學裝置配置成為前光源照明裝置或背光源照明裝置。因此，可以獲得具有透明前光源及背光源的混 合照明，其可以針對不同模式來切換，亦即，在照明表面51/顯示器的上方具有透明定向光導之透明模式(遠離照射)以及在顯示器的背面上具有透明光導之遮光罩的非透明模式(前進照射)。
參考圖5，其說明入射光的圖案輪廓及角度控制對光取出效率及雜散光發展的影響。
因此，圖5說明混合解決方案的雜散光最小化，其中圖案腔體輪廓12的第一表面121結合以有限入射角(小於相對於表面法線的臨界角)接收的光，藉此有效地避免諸如雜散光的漏光。
圖5上側的圖可以說明圖3e所示的解決方案，而下側的圖可以說明圖3f所示的解決方案。
光學腔體12，特別是在其第一表面121方面，可以設計成能夠控制到達所述表面之入射光的角度或角度範圍的程度。在圖5中可以觀察到，藉由使入射光角度變窄，可以顯著地減少來自平坦底面的雜散光。比較上圖以26.5°角入射的光(強的雜散光)與下圖以19.4°角入射的光(最小化的雜散光)，顯示出在最小化雜散光方面的顯著改善。這對於在光取出及雜散光的減少方面產生改進是非常重要的設計標準。
藉由方程式(特別是用於最佳化腔體輪廓的底面及/或形狀之進階方程式(圖3g、3h))最佳化腔體輪廓可以實現相同的改進。所述腔體輪廓的第一表面可以由上文提出的方程式2、3來定義。
光導中之入射光角度範圍的限制可以藉由至少部分地準直內耦合光(在第一表面121處)或藉由吸收在內耦合區域中以入射光的更大角度(與臨界角相比)到達之光來實現及控制。後者藉 由在表面121處提供抗反射層21來實現(圖3d)。
圖6說明圖案腔體輪廓的設計對光取出效率及雜散光發展的影響。圖6說明腔體接觸角(視為微透鏡解決方案)、光取出效率及雜散光發展之間的關係如下：提供接觸角對光強度及取出分佈的影響之指示；說明不同ML接觸角的基本模擬結果；以及提供光取出及強度分佈的圖表(沒有空間相依性)。
光學腔體輪廓12，特別是其第一(入射)表面必須設計成考慮到最佳化的光取出與雜散光比。與傳統的微透鏡解決方案相比，空氣腔微透鏡(圖3i-3l)在產生較少雜散光、具有較高的取出效率及較好的(取出光)分佈方面係有益的。根據取出角度值、取出效率及雜散光程度來模擬ML輪廓的接觸角。
圖7在微透鏡光取出及雜散光減少方面比較光學裝置100(微透鏡空氣腔設計)及傳統前光源。
光學裝置100配置成為包括空氣腔光導的疊層，所述空氣腔光導配置成為具有腔體12的光學功層10，其藉由黏著劑30(較佳地，光學透明黏著劑(OSA))層壓(在頂部或底部)至光吸收表面61，並且進一步包括濾光器41或42(具有或不具有孔的低Ri披覆層)。
在圖7中，因而藉由分析具有角分佈之光取出效率及雜散光比，將傳統的微透鏡前光源與空氣腔微透鏡前光源進行比較，其中對於每個分析，底部及頂部表面已施加有吸收層。相較於傳統解決方案，配置成為空氣腔微透鏡前光源的解決方案100具有超過2.5倍之較高的光取出、更好的分佈角度、超過14倍之更好的雜散光比。
圖7係說明圖案輪廓對最終結果的影響之實例。這裡的主要目標之一是避免藉由臨界入射角往圖案輪廓內進行光線穿透，這可能因反射而產生更多的雜散光。
圖8說明抗反射(AR)層21、211對雜散光的發展有影響。在A處，顯示菲涅耳反射所造成的雜散光。在B處，顯示最小化的菲涅耳反射所造成之改善的雜散光。
考慮到最小化菲涅耳雜散光，可以藉由圖案設計以及內部(21)及外部(211)外AR層配置(例如，在腔體的內表面(21)處或在貼合界面(211)處)來提供改進。藉由光學裝置100、100A，可達到的雜散光值可以比原始值低20倍以上。
光學圖案腔體輪廓12及其第一取出表面及第二透射表面可以與內部AR層21結合來設計，以實現改善的光取出及雜散光程度(圖3d、3k、3l)。
AR層21可以由單層塗層或多層塗層來形成。並且，AR奈米結構可以特別用於腔體光學物件中，其中一個偏斜表面可提供合理的脫模及複製。AR層因而在表面中的兩個方向上起作用。因此，圖案輪廓具有混合結構，藉此可以執行光折射及抗反射(圖3d、3k、3l)。
圖17進一步說明對於圖案表面輪廓12(特別是對於其底部區域)在光重新定向方面的設計方法，以最小化雜散光(從所述底面的漏光)。根據進階方程式(3)(亦顯示於圖3h)進行計算。光線追蹤模型(圖17，C)進一步描繪通過相對表面的光傳輸。
在另一個態樣中，提供一種透明照明物品，其包括如上所述的透明光學裝置100、100A。所述透明照明物品可以配置成 為窗戶、門面照明及/或指示元件、屋頂照明及/或指示元件、標誌、招牌、海報、銷售牌、廣告牌照明及/或指示元件以及配置成用於太陽能應用的照明元件。
在又另一個態樣中，在照明及指示解決方案中提供光學裝置100、100A的使用。具體地，在裝飾照明中，在遮光罩照明中，在公共及一般照明(包括窗戶、門面及屋頂照明、標誌、招牌、海報、銷售牌及/或廣告牌照明及指示)中以及在太陽能應用中提供裝置100、100A的用途。
對於熟悉該項技術者顯而易見的是，隨著技術的進步，本發明的基本思想旨在涵蓋其各種修改。因此，本發明及其具體例不限於上述實例；反而，它們通常可以在所附請求項的範圍內變化。

Claims (39)

  1. 一種透明光學裝置(100)，其包括：一光導介質(101)，其配置成用於光傳播；以及至少一個光學功能層(10)，其包括至少一個光學功能特徵圖案(11)，該至少一個光學功能特徵圖案(11)由設置成為光學功能內部腔體(12)的複數個嵌入式特徵形成在一透明載體介質(111)中，其中該至少一個特徵圖案(11)配置成藉由在該圖案(11)處建立一預定的內耦合光分佈及/或藉由修改在該光學裝置中所提供之材料及元件的折射率及其間之界面來執行一入射光控制功能及至少一個光外耦合功能，藉此最小化雜散光並且建立該裝置(100)的透明度。
  2. 如請求項1之透明光學裝置(100)，其中，該光學功能層(10)的光學功能藉由該特徵圖案(11)內之該等腔體(12)的尺寸、形狀、週期性及配置中之至少一者及藉由該特徵圖案的填充因子值來建立。
  3. 如請求項1或2之透明光學裝置(100)，其中，該至少一個特徵圖案(11)中之該等腔體(12)包括一入射表面(121)及一出射表面(122)，其中該入射表面(121)配置成將到達那裡的入射光內耦合且將光線朝該出射表面(122)導引至該腔體內，以及該出射表面(122)配置成接收到達那裡的光線且將該等光線向該腔體外面傳輸至該透明載體介質(111)中，以供傳播及/或外耦合。
  4. 如前述請求項中任一項之透明光學裝置(100)，其中，該出射表面(122)配置成以至少一個折射功能來傳輸光。
  5. 如前述請求項中任一項之透明光學裝置(100)，其中，該入 射表面(121)配置成對以相對於表面法線之小於臨界角的一預定入射角或入射角範圍到達其上的光進行內耦合，藉此避免外耦合的菲涅耳反射。
  6. 如前述請求項中任一項之透明光學裝置(100)，其中，該入射表面(121)進一步配置成用準直功能對到達其上的光進行內耦合並將光線導引至該腔體中，使得光通過該腔體來傳播，同時避免撞擊除該出射表面(122)外的任何其他表面。
  7. 如請求項1或2之透明光學裝置(100)，其中，該至少一個特徵圖案(11)中之該等腔體(12)配置成藉由全內反射(TIR)功能對到達該入射表面(121)的入射光進行外耦合。
  8. 如前述請求項中任一項之透明光學裝置(100)，其中，該至少一個特徵圖案(11)中之該等腔體(12)包括在該腔體內部配置在該入射表面(121)處的一抗反射層(21)。
  9. 如前述請求項中任一項之透明光學裝置(100)，其中，該至少一個特徵圖案(11)中之該等腔體(12)進一步包括在該腔體內部配置在該出射表面(122)處的一抗反射層(21)。
  10. 如前述請求項中任一項之透明光學裝置(100)，其中，該等腔體用氣體介質(較佳地，用空氣)來填充。
  11. 如前述請求項中任一項之透明光學裝置(100)，其中，在該特徵圖案(11)中，該等嵌入式腔體特徵(12)與複數個相關光通道(13)交替。
  12. 如前述請求項中任一項之透明光學裝置(100)，其中，該嵌入式特徵圖案(11)建立在該透明載體介質(111)中，該透明載體介質(111)以積層結構藉由該載體介質(111)的一完全平坦平面層 (111A)配置在該載體介層(111)的一圖案層(111B)來形成，由此在該等層(111A、111B)之間的界面處形成複數個光學功能內部腔體(12)。
  13. 如請求項12之透明光學裝置(100)，其進一步包括一抗反射層(21)，其配置在由該透明載體介質形成的該等層(111A、111B)之間的界面處。
  14. 如前述請求項中任一項之透明光學裝置(100)，其中，該等嵌入式光學腔體特徵選自由下列組成之群：凹槽、凹口、點及像素，其中該等腔體特徵(12)具有選自下列的橫向輪廓：二元、傾斜、偏斜、稜鏡、梯形、半球形輪廓等，並且其中該等特徵具有選自下列的縱向形狀：線性、彎曲、波形、正弦曲線形狀等。
  15. 如前述請求項中任一項之透明光學裝置(100)，其中，該至少一個特徵圖案(11)係混合圖案，其包括複數個離散的特徵輪廓及/或複數個至少部分連續的特徵輪廓。
  16. 如前述請求項中任一項之透明光學裝置(100)，其中，該至少一個特徵圖案(11)完全整合及/或嵌入在該透明載體介質(111)內。
  17. 如前述請求項中任一項之透明光學裝置(100)，進一步包括至少一個抗反射層(211)，其配置在該光學功能層(10)上，藉此該特徵圖案(11)配置成在其光學功能方面與該抗反射層(211)協作，以避免菲涅耳反射。
  18. 如請求項17之透明光學裝置(100)，其中，該抗反射層包括偏振器。
  19. 如前述請求項中任一項之透明光學裝置(100)，其中，該光 導介質(101)及該光學功能層(10)係光學聚合物及/或玻璃。
  20. 如前述請求項中任一項之透明光學裝置(100)，進一步包括至少一個濾光層(41、42)，其配置在該光導介質(101)的至少一個表面上且在其整個表面覆蓋範圍或在其預定區域上設置有至少一個光學功能，其中該濾光層的該至少一個光學功能至少就其形成的材料而言係選自：反射、透射、偏振及折射。
  21. 如前述請求項中任一項之透明光學裝置(100)，其中，該濾光層(41、42)係由折射率低於構成該光學功能層(10)的材料之折射率且較佳地低於構成該光導介質(101)的材料之折射率的基板材料形成。
  22. 如前述請求項中任一項之透明光學裝置(100)，其中，該濾光層係披覆層、塗層或薄膜。
  23. 如前述請求項中任一項之透明光學裝置(100)，其中，該濾光層(41、42)配置成為反射式全內反射層結構。
  24. 如前述請求項中任一項之透明光學裝置(100)，其中，該濾光層(41、42)配置在該光導介質(101)的兩個表面上。
  25. 如前述請求項中任一項之透明光學裝置(100)，其中，該濾光層(41、42)配置在該光導介質(101)與該光學功能層(10)之間。
  26. 如前述請求項中任一項之透明光學裝置(100)，其中，該濾光層(41)包括複數個光學孔(41A)，以使光能夠通過其來傳輸，該等孔配置在該濾光層的一預定位置內或者沿著及/或遍及該濾光層的整個表面延伸。
  27. 如前述請求項中任一項之透明光學裝置(100)，進一步包括一光學接觸層(31)，該光學接觸層(31)配置成與一照明表面(51)的 至少一部分建立光學貼合。
  28. 如前述請求項中任一項之透明光學裝置(100)，其中，該光學接觸層(31)係一均勻層，其任選地設置有包括複數個光學功能特徵的至少一個特徵圖案。
  29. 如前述請求項中任一項之透明光學裝置(100)，其中，該光學接觸層(31)配置成與該照明表面(51)建立非永久性光學接合。
  30. 如請求項1至28中任一項之透明光學裝置(100)，其中，該光學接觸層(31)配置成與該照明表面(51)建立永久性連接。
  31. 如前述請求項中任一項之透明光學裝置(100)，進一步包括至少一個光源(71)，該至少一個光源(71)選自：發光二極體(LED)、有機發光二極體(OLED)、雷射二極體、LED燈條、OLED燈條、微晶片LED燈條及冷陰極管。
  32. 如前述請求項中任一項之透明光學裝置(100)，其中，在存在及不存在從該至少一個光源(71)獲得之照明的情況下建立光學透明度。
  33. 如前述請求項中任一項之透明光學裝置(100)，其配置成為前光源照明裝置或背光源照明裝置。
  34. 一種透明光學裝置(100A)，其包括：一光導介質(101)，其配置成用於光傳播；以及一濾光層(41、42)，其配置在該光導介質的至少一個表面上且在其整個表面覆蓋範圍或在其預定區域上建立有至少一個光學功能，該濾光層由至少一個材料製成，其中該濾光層(41、42)係由折射率低於構成該光導介質的材料之折射率的材料形成之連續層，其中該濾光層(41、42)配置成藉由選自下列之該至少一個光學 功能使通過該透明光學裝置傳播的光線之散射最小化：反射、透射、偏振及折射。
  35. 如請求項34之透明光學裝置(100A)，其中，該濾光層(41)包括複數個光學孔(41A)，以使光能夠通過其來傳輸，該等孔配置在該濾光層的一預定位置內或者沿著及/或遍及該濾光層的整個表面延伸。
  36. 一種用於前光源照明之透明光學裝置(100)，其包括：一光導介質(101)，其配置成用於光傳播；至少一個光學功能層(10)，其包括至少一個光學功能特徵圖案(11)，該至少一個光學功能特徵圖案(11)由設置成為光學功能內部腔體(12)的複數個嵌入式特徵形成在一透明載體介質(111)中，該至少一個特徵圖案(11)配置成執行至少一個光外耦合功能；以及一光學接觸層(31)，其配置成與一照明表面(51)建立非永久性可重新打開的光學接合。
  37. 一種透明照明物品，其包括請求項1至36中任一項之透明光學裝置(100、100A)。
  38. 如請求項37之透明照明物品，其配置成為窗戶、門面照明及/或指示元件、屋頂照明及/或指示元件、標誌、招牌、海報、銷售牌、廣告牌照明及/或指示元件以及配置成用於太陽能應用的照明元件。
  39. 一種請求項1至36中任一項之透明光學裝置(100、100A)在照明及指示中的用途，其選自由下列組成之群：裝飾照明、遮光罩、公共及一般照明(包括窗戶、門面及屋頂照明、標誌、招牌、海報、銷售牌及/或廣告牌照明及指示)以及太陽能應用。
TW108110100A 2018-03-22 2019-03-22 光學裝置 TWI837121B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201862646461P 2018-03-22 2018-03-22
US62/646,461 2018-03-22

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201945168A true TW201945168A (zh) 2019-12-01
TWI837121B TWI837121B (zh) 2024-04-01

Family

ID=

Also Published As

Publication number Publication date
US11733447B2 (en) 2023-08-22
TWI816767B (zh) 2023-10-01
EP3770485A1 (en) 2021-01-27
CN111886441A (zh) 2020-11-03
EP3770483A1 (en) 2021-01-27
US11391880B2 (en) 2022-07-19
EP3770651A1 (en) 2021-01-27
CN111919151A (zh) 2020-11-10
EP3770651A4 (en) 2022-01-12
EP3769006A1 (en) 2021-01-27
EP3770483A4 (en) 2022-02-23
JP7474694B2 (ja) 2024-04-25
KR20200135338A (ko) 2020-12-02
TWI812690B (zh) 2023-08-21
WO2019182091A1 (ja) 2019-09-26
JPWO2019182100A1 (ja) 2021-04-15
US11249238B2 (en) 2022-02-15
KR20200134248A (ko) 2020-12-01
SG11202009332VA (en) 2020-10-29
WO2019182100A1 (ja) 2019-09-26
JPWO2019182098A1 (ja) 2021-04-08
US20210109274A1 (en) 2021-04-15
US20210011211A1 (en) 2021-01-14
JP7386786B2 (ja) 2023-11-27
CN111886441B (zh) 2023-02-28
SG11202009209YA (en) 2020-10-29
US20210048575A1 (en) 2021-02-18
KR20200135317A (ko) 2020-12-02
EP3770484A1 (en) 2021-01-27
KR20200135786A (ko) 2020-12-03
JP7462552B2 (ja) 2024-04-05
CN111936785A (zh) 2020-11-13
US20210003766A1 (en) 2021-01-07
CN111886443B (zh) 2022-12-20
WO2019180676A1 (en) 2019-09-26
JP2021518634A (ja) 2021-08-02
EP3770485A4 (en) 2021-11-10
CN111886443A (zh) 2020-11-03
JPWO2019182092A1 (ja) 2021-05-13
US11402563B2 (en) 2022-08-02
EP3770484A4 (en) 2021-11-10
US20220035090A1 (en) 2022-02-03
TW201945664A (zh) 2019-12-01
US20210026086A1 (en) 2021-01-28
WO2019182098A1 (ja) 2019-09-26
WO2019182092A1 (ja) 2019-09-26
JP7317800B2 (ja) 2023-07-31
TW201940912A (zh) 2019-10-16
JPWO2019182091A1 (ja) 2021-03-11
KR20200134226A (ko) 2020-12-01
EP3769006A4 (en) 2022-01-05
TWI794456B (zh) 2023-03-01
TW201945663A (zh) 2019-12-01
TW202004079A (zh) 2020-01-16
US11442214B2 (en) 2022-09-13
JP7341157B2 (ja) 2023-09-08
CN111886442A (zh) 2020-11-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7341157B2 (ja) 光学デバイス
JP7218375B2 (ja) 配光構造体および配光素子
US11650364B2 (en) Light distribution element
TWI837121B (zh) 光學裝置
CN115176196B (zh) 光源模组及其制备方法和显示模组
US20220317359A1 (en) Light source module, method of manufacturing light source module, and display module
TW202212912A (zh) 光內耦合帶、相關方法及用途