TW202212912A - 光內耦合帶、相關方法及用途 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種可附著於光導上之光學內耦合帶，其包括：基板；及至少一個圖案，其經形成具有嵌入於該基板中且經組態為光學功能腔之數個週期性圖案特徵，該等光學功能腔填充有具有不同於圍繞該腔之該基板之材料之折射率之折射率的材料。該圖案經組態以內耦合入射至其之光及調整該經內耦合光之方向，使得該經內耦合光經由一系列全內反射獲取穿過光導介質之傳播路徑。進一步提供一種用於製造該帶之方法、相關用途及一種包括與光發射器裝置整合之該帶之光學設備。

Description

光內耦合帶、相關方法及用途
一般而言，本發明係關於提供用於波導之光學結構及其製造方法。特定言之，本發明係關於基於經調適以將經發射光內耦合至光學波導中及控制穿過該波導之光傳播之整合式腔光學器件之靈活解決方案、相關方法及用途。
光學波導或光導技術已廣泛用於各種最先進應用中。光分佈系統之正確選擇通常預定光學波導在照明及顯示應用中之照明效能。典型光導(LG)系統含有用於邊緣內耦合由一或多個發射器發射之光射線之組件、用於透過光導元件進行光分佈之組件及用於光提取(外耦合)之(若干)組件或(若干)區域。內耦合結構接收光且調整其方向以將光射線導引至光分佈區域中。先進光導包含在進入光導時控制光邊緣內耦合效率之光學圖案。
為控制經發射光之角分佈及達成所要光學效能，經設計用於照明應用之習知光導解決方案仍利用用於光外耦合之數個分開的光學膜(舉例而言，諸如亮度增強膜(BEF))。在無BEF之情況下實施之已知光導解決方案通常採用微透鏡及V型槽形狀之光學圖案。藉由使用此等解決方案，不可能以所要方式達成完全受控之照明分佈。光內耦合通常係在光導之邊緣處執行，而無需任何先進光學解決方案。在一些特殊情況下(諸如擴增實境及虛擬實境耳機)，基於(例如)包含於光導元件中之表面起伏光柵來利用平面表面內耦合。
Angulo Barrios及Canalejas-Tejero [1]揭示可經由整合式金屬繞射光柵獲得之可撓性透明膠帶(Scotch tape)波導中之光耦合解決方案。內耦合及外耦合光柵嵌入於透明膠帶之兩層內部；藉此使透明膠帶具有光學波導功能性。光柵經實施為金屬(Al)奈米孔陣列(NHA)光柵。
US 2015/192742 A1 (Tarsa及Durkee)揭示層壓於光導之表面上之光提取膜。光提取功能係基於全內反射(TIR)。提取膜在藉由層壓固定(例如)至光導時在膜與光導之間形成氣穴。
US 2018/031840 A1 (Hofmann等人)揭示具有用以自光導提取光之嵌入式光學光柵之光學元件。藉由使用已知方法(諸如化學氣相沈積(CVD)或物理氣相沈積(PVD))用光學有效層塗佈光柵之表面。此外，存在於光柵中之凹部係填充有光學膠或光學黏著劑材料。
US 10,598,938 B1 (Huang及Lee)揭示用於控制光自光導耦合出或耦合於光導中之角度之角度選擇性傾斜光柵耦合器。可藉由調變光柵之間的折射率或調變不同區域中之光柵之工作週期來達成選擇性。
Kress [2]揭示用於光學波導之內耦合器及外耦合器，該等耦合器包括經組態用於透射功能及/或反射功能之不同類型之光柵。耦合器可被夾置/埋藏於光導中或被提供為表面起伏解決方案。
Moon等人[3]揭示使用微結構化之中空(空氣)腔光柵以改良LED裝置中之光提取之外耦合器。中空腔係用典型方法在半導體材料中製造。除LED外，未提供外耦合器解決方案之其他應用(即，在光導中)。
設計及最佳化基於光導之照明相關解決方案面臨與光導內部之非均勻光分佈、不足內耦合及外耦合、光捕獲及/或提取效率相關聯之特定挑戰。上文描述之解決方案在以下意義上亦受到限制：無法針對各種目標應用(諸如使用平面表面光內耦合之大尺寸窗戶照明)提供具有令人滿意的多功能性及適應性之基於整合式空氣腔光學器件之靈活解決方案。
在此方面，鑑於解決與製造及組裝目前現有解決方案相關聯之挑戰，仍需要用於非光纖光導之光學結構領域之旨在提高該等光導之照度均勻性及改良光學效率的更新。
本發明之目標係至少減輕由相關技術之限制及缺點引起之問題之各者。該目標係根據獨立技術方案1中所定義之內容藉由光學內耦合帶之各項實施例達成。
在實施例中，提供用於光導之光學內耦合帶，該光學內耦合帶包括：基板；及至少一個圖案，其經形成具有嵌入於基板材料中且經組態為光學功能嵌入式腔之數個週期性圖案特徵，該等光學功能嵌入式腔填充有具有不同於圍繞該腔之該基板之該材料之折射率之折射率的材料。在該帶中，該圖案經組態以內耦合入射至其之光及調整該經內耦合光之方向，使得該經內耦合光經由一系列全內反射獲取穿過光導介質之傳播路徑。該帶可附著至該光導之至少一個平面表面上，藉此形成用於該帶與光導介質之間的光透射之光學接觸件。
在實施例中，該光學內耦合帶經組態使得在該帶中，該經內耦合光係在各該腔與圍繞該腔之該基板之該材料之間的介面處重定向以獲取穿過該光導介質之該傳播路徑，因此，該光導介質與周圍環境之間的介面處之入射角及視需要各腔與圍繞該腔之該基板之該材料之間的該介面處之入射角大於或等於全內反射之臨界角。
在實施例中，在該帶中，該至少一個圖案經組態以執行與其接收之光之內耦合及調整方向有關之光學功能，其中該光學功能係選自由以下組成之群組：反射功能、吸收功能、透射功能、準直功能、折射功能、繞射功能、偏光功能及其等之任何組合。
在實施例中，在該帶中，藉由在該圖案中提供具有數個參數之腔或腔群組來使該圖案具光學功能性，其中該數個參數包括選自由以下組成之群組之參數之任何組合：尺寸、形狀、橫截面輪廓、定向、週期性及填充因數。
在實施例中，該圖案中之各個別腔具有數個光學功能表面。在實施例中，該一或多個光學功能表面係由在各腔與圍繞該腔之該基板之該材料之間的該介面處形成之任何一或多個表面建立。在實施例中，該圖案中之各個別腔中之該一或多個光學功能表面係用低折射率反射器、偏光器、漫射器、吸收器或其等之任何組合之任一者建立。
在實施例中，該光學內耦合帶進一步包括波長轉換層。
在不同實施例中，在該帶中，該等腔經組態及配置於該圖案中，以便形成實質上可變的週期性圖案或形成實質上不變的週期性圖案。
在實施例中，在該圖案中，該等腔係用離散或至少部分連續的圖案特徵建立。
在實施例中，該光學內耦合帶包括以週期性片段配置之數個圖案，各片段具有預定義面積及週期長度。
在實施例中，該帶中之該等圖案係藉由數個腔相關參數組態為可變的，其中該數個腔相關參數包括選自由以下組成之群組之個別參數或任何參數組合：尺寸、形狀、橫截面輪廓、定向、位置、週期性及填充因數。
在實施例中，該等腔係用具有選自由以下組成之群組之橫截面輪廓之二維或三維圖案特徵建立：線性、矩形、三角形、閃耀、傾斜、梯形、彎曲、波形及正弦輪廓。
在實施例中，該等腔係填充有氣態材料(諸如空氣)。
在實施例中，該光學內耦合帶經組態可附著至該光導之一或多個平面表面上。該帶可藉由黏著附著。
在實施例中，該一或多個圖案包括在提供為基本上平坦、平面基板層之該基板中形成之腔。其中形成該等腔之該基本上平坦、平面基板層可由實質上光學透明材料製成。在實施例中，該一或多個圖案包括在與提供為光學透明層、反射器層及/或著色層之額外平坦、平面基板層之介面處形成之完全嵌入式腔。
在實施例中，該光學內耦合帶包括配置成堆疊式組態之數個嵌入式圖案。
在實施例中，該光學內耦合帶包括楔形結構。
在另一態樣中，提供一種根據獨立技術方案22中定義之內容之用於製造光學內耦合帶之方法，該光學內耦合帶包括經形成具有嵌入於基板材料中之數個週期性腔特徵之至少一個圖案。
在實施例中，該方法包括： - 藉由選自以下任一者之製造方法製造用於該至少一個圖案之圖案化主控工具：微影、三維列印、微機械加工、雷射雕刻或其等之任何組合； - 將該圖案轉印至該基板上以產生經圖案化基板；及 - 藉由將額外基板層或罩蓋層施加至該經圖案化基板上來產生一或多個嵌入式腔圖案， 其中該(等)嵌入式腔圖案包括經組態為填充有具有不同於圍繞該腔之該基板之該材料之折射率之折射率之材料的光學功能腔之腔，且其中該嵌入式腔圖案經組態以內耦合入射至其之光及調整該經內耦合光之方向，使得該經內耦合光經由一系列全內反射獲取穿過光導介質之傳播路徑。
在實施例中，該額外基板層係藉由選自以下任一者之層壓方法施加至該經圖案化之基板層上：捲對捲層壓、捲對片材層壓或片材對片材層壓。
在實施例中，該方法進一步包括複製經製造圖案，其中圖案複製方法係選自壓印、擠壓複製或三維列印之任一者。
在另一態樣中，提供一種根據獨立技術方案25中定義之內容之光導。該光導包括經組態以建立用於穿過該光導之光傳播之路徑之光學透明介質，及根據某一先前態樣之光學內耦合帶，該帶附著至該光導之至少一個平面表面上。
在實施例中，該光導包括藉由黏著附著至其之該光學內耦合帶。
在另一態樣中，提供一種根據獨立技術方案27中定義之內容之根據先前態樣之光導在照明及/或指示中之用途。
在進一步態樣中，提供一種根據獨立技術方案28中定義之內容之光學內耦合帶之捲，其中該光學內耦合帶係根據某一先前態樣實施。
在又進一步態樣中，提供一種根據獨立技術方案29中定義之內容之光學單元。該光學單元包括根據某一先前態樣之具有用於光導附著之黏著層及至少一個發射器裝置之光學內耦合帶。
在實施例中，該至少一個發射器裝置係選自由以下組成之群組：發光二極體(LED)、有機發光二極體(OLED)、雷射二極體、LED條、OLED條帶、微晶片LED條帶及冷陰極管。
在實施例中，該光學單元包括經組態用於發射單色光之至少一個光發射器裝置，及包括波長轉換層之該光學內耦合帶。
本發明之效用由取決於其之各特定實施例之各種原因引起。首先，本發明係關於經組態以內耦合藉由至少一個發射器裝置發射之光學輻射(光)之光子及調整經內耦合光射線之方向以介導穿過光導介質之光傳播的新穎光學帶解決方案。根據本發明之光學帶有利地經設計用於平面、非光纖光導。
藉由根據本發明之光學內耦合帶提供之主要益處之一係將光內耦合至(若干)平面光導表面中。因此，帶實現自任何方向到達平面光導表面上之光射線的內耦合，且將光射線有效捕獲在該平面光導內部。同時，帶調整經內耦合光之方向，使得光射線停留在光導內部(防止光洩漏)。特定言之，在此揭示之帶實現將光內耦合至大尺寸(平面)窗玻璃片中；後者用基於自窗戶之邊緣內耦合之目前已知的解決方案係不可能的。
例如，由於上述原因，已知內耦合解決方案通常係設置於光導內部之固定、實心結構，此阻止其等有效地用於預安裝之窗表面中。在製造方面，此等固定內耦合結構不適於大批量生產(舉例而言，諸如藉由在安裝於建築物中之窗玻璃上進行蝕刻)。此外，所提及之固定解決方案不容許在同一內耦合結構中組合不同光學功能性。
在此提出之內耦合帶提供關於光源之定位的額外靈活性。光發射器可整合於帶內部或安裝於帶上。替代性地，發射器可放置於距帶一定距離處以避免使光學內耦合帶及光導經受熱能(例如，在雷射光源之情況下)。
例如，經組態可藉由黏著劑層附著至該光學元件之至少一個表面之帶控制光學介質(即，光導介質)內部之經發射光之內耦合及其進一步傳播。內耦合於(若干)帶圖案上之入射光係藉助於嵌入於帶內部之(空氣)腔光學器件自原始傳播路徑偏轉達特定角度。完全整合及嵌入之腔光學器件係基於可包括單個輪廓或多個輪廓之二維或三維圖案矩陣，且憑藉輪廓組態，獲得所要光管理。
帶經組態以耦合來自安置於帶外部之發射器裝置之入射光。可有效地(內)耦合以廣泛範圍之入射角入射之光。因此，帶容許至少內耦合經內耦合光及將經內耦合光重定向至光學元件(光導)中。
帶極其容易安裝且其對移除、更換及再次安裝至所需之任何地方提供靈活性。帶中之(若干)光學結構受到保護以免受外部條件影響且因此係可靠的。改良之內耦合效率及增強之光分佈控制亦改良經外耦合光之特性。
根據本發明，光學內耦合帶由於其嵌入式腔光學器件而容易且可靠地利用，該等嵌入式腔光學器件歸因於其內部性質而無法被正常處置程序(包含組裝、清潔等)破壞或損壞。在備用狀態中，帶不具有形成於其表面上之任何表面起伏圖案。由於帶具有完全平坦及平面之外表面，故可在不修改或損失其光學效能之情況下碰觸並清潔帶。可手動地或以自動化方式藉助於黏著劑表面將帶容易地附著(例如)至相關光學元件上。
靈活的帶解決方案可用大小相關參數(長度x寬度x厚度/高度)之任何所要組合組態。帶容易施加於光導之任何表面(例如，任何側及/或(若干)邊緣)上。
在一些較佳實施例中，在此提供之解決方案經有利地實現為整合式(內部)腔光學器件。在涉及光學腔之習知解決方案中，光通常被透射(穿透)至該等腔中，藉此引起非所要折射且無法達成光分佈控制。相反地，在此處提出之解決方案中，可藉由相關聯光學功能特徵圖案之TIR功能性以高精度控制經提取光分佈(相應地，在折射角及方向方面)。
光內耦合帶之光學設計可為不變的，其中光學圖案解決方案基於相似及連續的重複圖案(諸如包括週期性圖案)。替代性地，帶可包括連續可變圖案或分段式圖案，其中各局部圖案設計係針對特性入射角或入射角範圍預定。自然地，該解決方案係針對特定光導厚度及其他特定參數設計及最佳化。
根據本發明之光內耦合帶旨在用於之主要目的之一係改良光學元件(諸如光導)之功能性，其中帶黏著至光學元件之表面上。內耦合帶可單獨使用或與光學協調器(偏轉)帶結合使用。在相同光導元件上提供內耦合帶及光偏轉帶有利於最佳化光學效能。
除非另有明確說明，否則術語「光學輻射」及「光」在很大程度上被用作同義詞，且係指覆蓋紫外(UV)輻射、可見光及紅外輻射之電磁光譜之特定部分內之電磁輻射。在一些例項中，可見光係較佳的。
在其最廣泛意義上，術語「光導」、「波導」或「光學波導」在本發明中係指經組態以沿著其(例如，自光源至光提取表面)透射光之裝置或結構。該定義涉及任何類型之光導，包含(但不限於)光管類型組件、光導板、光導面板及類似者。
表述「數個」在本文中係指自一(1)開始之任何正整數，例如，一個、兩個或三個；而表述「複數個」在本文中係指自二(2)開始之任何正整數，例如，兩個、三個或四個。
術語「第一」及「第二」並非旨在表示任何順序、數量或重要性，而是僅用於區分一個元件與另一元件。
本文中參考附圖揭示本發明之詳細實施例。貫穿圖式，相同元件符號係用於指稱相同部件。以下引文係用於部件：
50 –具有基板50A之光學內耦合帶； 51 –圖案； 52 –具有光學功能表面521、522之光學(圖案)特徵/腔； 53 –接觸區域； 54 –內耦合元件之經塑形外表面； 在帶50中： 511 –光學功能層； 511A、511B –相應地，經圖案化之基板層及額外基板層； 512、513 –帶50之額外功能層； 515 –內部功能組件(層)； 10 –協調器帶(控制穿過光導之光傳播之分佈)； 20 –光學波導： 21 –外耦合圖案； 22 –發射器裝置之支撐件； 30 –發射器裝置(光源)； 31 –經發射之光學輻射之射線； 32 –內耦合及/或重定向之光學輻射之射線； 33 –經提取之電磁光學之射線； 150 –光學設備(單元)。
圖1A及圖1B以50繪示光學內耦合帶之一些基本實施例。圖1A及圖1B係光學元件20 (諸如光學波導結構)之橫截面視圖，其中光學內耦合帶50 (在下文中，「帶」)附著於該波導之至少一個表面上。亦被稱為光導之光學波導係經組態以將藉由至少一個適當發射器裝置30發射之光學輻射(光)朝向需要照明之特定區域遞送之結構。光導係具有(若干)基本上平面表面之平面(非光纖)光導。在基本光導佈局(例如，圖1A及圖1B之任一者上所展示)中，吾人可區分頂表面、底表面及兩個或更多個邊緣表面。該等頂表面及底表面形成光導之水平面，而邊緣在被作為二維形狀(即，沿著周邊)觀看時沿著圍繞該波導元件之路徑在該等頂表面與底表面之間基本上垂直地延伸，視需要以預定角度傾斜。該平面光導之縱向平面沿著其(若干)水平表面安置。
光導包括由光學聚合物或玻璃形成之光透射載體介質。在例示性實施例中，光導(載體)介質係聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。為清楚起見，元件符號20係用於指示作為實體之光導及製成該光導之載體介質兩者。
帶50可附著於平面光導之一側上或兩側(頂部、底部)上。將帶50安裝於光導之承載其他光學結構(舉例而言，諸如光外耦合/提取層)之同一側上係合理的。尤其是在窗戶照明中，歸因於環境因素，在面向建築物之內部或分層窗戶之間的空間之窗戶表面上組裝所有光學結構係有益的。
圖1A及圖1B展示具有直接附著至其表面(頂表面，圖1A；及底/背表面，圖1B)上之帶10之光導解決方案。在圖1A之組態中，發射器裝置30直接安置於配置於光導20之表面上之帶50上方。在此組態中，光學輻射射線31直接入射於帶50上。發射器30及帶50相對於光導20定位於同一側處。
在圖1B之組態中，發射器30基本上安置於帶50上方，但在其等之間具有光導材料30。因此，帶50相對於發射器30之位置附著至光導之相對側(參考圖1B之佈局，該帶設置於光導之底側處)。因此，光學輻射射線31穿過光導介質20到達帶。發射器可定位於光導材料上方(如圖1B上所展示)，使得產生空氣-光導材料介面或可使發射器與光導材料接觸。
帶50可附著至光導之頂表面及底/背表面兩者。在此情況下，(若干)發射器30可抵靠頂表面及背表面之任一者或兩者放置(參見圖6)。可使附著於兩個表面處之帶50具有相同/相似或不同功能。
圖1C繪示在光學設備或單元150中利用光學內耦合帶50。單元150包括帶50及經組態以發射光學輻射之至少一個發射器30。發射器30完全整合至光學單元150中。在一些組態中，發射器30具備準直裝置(諸如準直透鏡)。帶及發射器有利地設置於殼體中。該殼體視需要在光導表面上放置帶之側處敞開。單元150具有大約0.5 mm至10 mm之高度( h)且其可併入有任何適當長度/寬度之帶50。帶50有利地具備用於光導附著之構件(諸如黏著層)。
發射器30可設置於支撐件22上。支撐件22可傾斜(圖1C)以依預定角度將經發射(及經準直)光引導於帶上。該傾斜角(定義支撐件22之斜率之角度)可取決於光學光導系統之設計規範及一般實施方案修改。
(若干)發射器30基本上配置於附著至光導表面之帶50上方或抵靠帶50配置，使得光射線相對於表面法線以基本上平角(平行於光導表面法線或帶表面法線；圖1A、圖1B)或以預定角度(圖1C)落至帶上。關於表面法線，吾人係指垂直於物體之表面之線或向量(在此相應地為光導及附著至其之帶)。預定角度係在相對於表面法線之10度至90度之間的範圍內選擇(例如，包含15度、20度、25度、30度、35度、40度、45度、50度、55度、60度、65度、70度、75度、80度、85度及任何中間值)。因此，帶50經組態用於內耦合基本上頂側光。
帶50及單元150可與具有(若干)基本上平面表面之任何光導(無關於其厚度)一起使用。
較佳的是帶50具有均勻外表面(面向光導之表面及與光導相對之表面)，即，未在其上形成任何表面起伏圖案或相關結構。又較佳地，此等表面經組態為完全平坦及平面的。
鑑於所利用技術，未排除包括起伏圖案(敞開腔圖案)之帶50之實施方案。光學外耦合圖案
在大小相關參數(長度、寬度、高度/厚度)方面，帶50可視需要組態以用於達成最佳效能效率。例如，藉由黏著達成或促進將帶附著至光導。
圖2在(i)至(iv)展示光學內耦合帶50在光導20上之各種佈局。佈局(i)基本上與圖1A上所展示之佈局相同。佈局(ii)及(iii)展示在具有習知單側光外耦合圖案21 (ii)及具有習知雙側光外耦合圖案21 (iii)之平面光導介質上提供帶50。佈局(iv)展示在具有經組態為具有嵌入式腔光學器件之單側或雙側光外耦合圖案21之平面光導介質上提供帶50 (而未特別展示單側組態，其可基於圖3之iv容易地設想)。
在所有選項(i)至(iv)中，帶50可設置於平面光導介質之一側處或兩側處。替代性地或此外，可利用單元150。
帶50經組態以接收及內耦合自一或多個發射器30發射之光學輻射31 (光)之射線。帶進一步經組態以調整經內耦合光之方向及介導穿過光導介質朝向(若干)外耦合區域21之光傳播(射線32)。經提取/外耦合之光係由元件符號33指示。光學外耦合圖案可藉由(例如)複製整合至光導介質中，或以施加於光導之表面上之塗層或帶之形式提供。
附著至光導20之至少一個表面上之帶50形成用於進入及穿過光導介質之光透射(傳播)之光學連接或光學接觸。在將內耦合帶附著於光導上時，在光導介質20與帶介質(基板50A)之間的介面處建立光學接觸。光學接觸可經由機械連接或經由接合(例如，藉由光學透明黏著劑)建立。
圖3係根據一些實施例之光學內耦合帶50之橫截面視圖。光學內耦合帶50包括基板50A及經形成具有嵌入於基板中之數個圖案特徵52之至少一個圖案51。圖案特徵52在基板材料中之配置較佳為週期性的；然而，不排除提供作為非週期性結構之圖案51。特徵52經組態為光學功能腔(即，內部、嵌入式或整合式腔光學器件)。光學功能腔進一步被稱為「腔」或「腔輪廓」。具有嵌入式圖案51/嵌入式腔52之基板材料50A形成光學功能層511。
內部腔52係填充有具有不同於圍繞腔之基板之材料之折射率之折射率的材料。
在一些組態中，腔52係填充有低折射率材料。此外或替代性地，腔可具備低折射率塗層。在一些組態中，腔52係填充有空氣以建立嵌入式空氣腔光學器件解決方案。總體上，用於該等腔之填充材料可用以下任一者建立：包含空氣或其他氣體之氣態介質、流體、液體、凝膠及固體。
具有嵌入式圖案51之光學功能層511係由至少兩個(子)層511A、511B形成。第一基板層511A包括其中形成有至少一個腔圖案之基本上平坦、平面表面(在下文，經圖案化層)。經圖案化層511A可經提供為具有均勻厚度之基板材料之平坦、平面層，其中已形成至少一個腔圖案。為建立內部腔及形成嵌入式光學圖案，使具有經圖案化表面之第一基板層抵靠第二基板組件511B之完全平坦、平面表面，使得具有嵌入式腔52與平坦接合點或區域53交替之至少一個嵌入式腔圖案51形成於第一層511A之經圖案化之基板表面與第二基板層511B之完全平坦、平面表面之間的介面處。
實際上，層511A係具有包括腔之一或多個圖案之基本上平坦、平面基板層(在下文，經圖案化層)。為建立內部腔及形成嵌入式光學圖案，較佳提供為完全平坦、平面層之額外基板層511B係抵靠(經圖案化)層511A配置，使得在經圖案化層511A與平面層511B之間的介面處建立內部(即，嵌入式或整合式)特徵圖案51。未指示基板層511A、511B之間的邊界以強調具有嵌入式圖案51之光學功能層511之基本上「單件」性質。
在一些組態中，第二基板層511B經提供為具有均勻厚度之基板材料之完全平坦、平面層。
額外基板層511B可經提供為光學透明層及/或為著色層。層511A、511B可由相同基板材料及/或具有基本上相同折射率之基板材料製成。替代性地，此等層可由不同材料製成，差異在至少折射率、透明度、色彩及相關聯光學性質(透射比、反射率等)方面建立。例如，完全光學功能層511 (具有兩個層511A、511B)可由實質上光學透明基板材料(諸如透明聚合物或彈性體、UV樹脂及類似者)製成。替代性地，層511A、511B可由相應地具有不同折射率之不同材料製成。
在一些實施例中，帶50經形成單獨具有功能層511。此帶由具有完全嵌入於基板材料內部之(若干)圖案11/ (空氣)腔輪廓12之層511組成(在外表面上未建立顯著圖案特徵)。
功能層511及帶50可用配置成堆疊式組態之數個嵌入式圖案實施。組態包含將兩個或更多層511接合在一起以在單個帶中形成多層解決方案(參見圖12B)。此外或替代性地，兩個或更多個帶50可彼此上下施加以形成多層帶組態。
在一些例項中，因此，光學功能層511包括彼此上下堆疊，視需要與(若干)平坦基板層511B交替之兩個或更多個經圖案化層511A。因此，經圖案化層之間的平坦、平面介面可憑藉經圖案化層511A建立。因此，最頂部經圖案化層可具備完全平坦基板511B以完成多層結構及實現(若干)圖案之完全囊封。
在一些組態中，帶50可進一步包括數個額外層。在此情況下，較佳的是其中形成腔52之基本上平坦、平面基板層511A係由實質上光學透明材料製成。功能層511B繼而經組態為接觸層以建立與最頂部結構(諸如層513)之接觸表面。因此，層511B可經組態為黏著劑層或乾(實心)層。
與腔52交替之基板材料之區域形成子層511A、511B之間以及光學功能層511與額外層512、513之間的接觸區域或接觸點。在特定條件下，接合區域53形成所謂之光通道，光穿過該等光通道在層(511、512及513)之間透射。當基板材料50A係基本上光透射載體介質時，形成光通道。因此，圖案51包括其間具有接觸點/光通道53之數個嵌入式腔。
功能層511之製造係藉由將兩個或更多層接合(較佳藉由層壓)在一起來實施，因此完全平坦、平面層511B抵靠經圖案化層511A放置。在一些例項中，兩個或更多個經圖案化層可彼此上下層壓以形成堆疊。在基本佈局中，形成於平坦、平面經圖案化層中之敞開腔變得嵌入於在層之間形成之完全平坦、平面介面處。平坦接觸區域53係在層壓期間形成(亦參見圖10，指定為53之虛線圓)。帶50之重要益處係利用捲對捲生產方法壓印圖案特徵並將所有層層壓在一起，使得所有功能層存在於一個產品中的可能性。
在基本組態中，帶由經形成具有嵌入式腔光學器件之至少一個功能層511組成。為促進附著，帶進一步包括在該功能層或功能層堆疊之一側或兩側上之至少一個黏著劑層(例如，參見512)。
帶50可進一步包括配置於光學功能層511 (或光學功能層堆疊)之一側或兩側處之數個額外功能層，諸如在圖3上指定為512之基底層及指定為513之最頂部層。此等層使帶具有數個額外功能。
藉由實例，基底層512可經組態為黏著劑層以使能夠藉由黏著附著至下伏光導介質。黏著劑層512可經提供為光學透明黏著劑(OCA)或液體光學透明黏著劑(LOCA)。黏著劑層可設置於帶之任何表面上或該帶之兩個表面(頂部、底部)上。因此，帶50可經組態為用於在帶之任一側處附著不同元件之雙側黏著劑帶。
最頂部/外部層513係可經組態為以下任一者之功能外層：光學透明層、非透明層、反射器層、低折射率(R i)層及類似者。替代性地，最頂部層513可經組態為類似於基底層512之黏著劑層之黏著劑層。
在一些組態中，光學內耦合帶經組態以執行協作多功能，其中光定向性及波長管理係(例如)藉由整合式波長轉換層執行，其中單色光(舉例而言，諸如藍色LED光)係部分或完全逆向的。
光內耦合帶可具備經組態為用於部分或完全轉換單色光(舉例而言，諸如藍色(LED)光)之波長轉換層之額外功能層(512、513)。該波長轉換層可配置於光導之頂表面及/或底表面上。在後者情況下，波長轉換層可與黏著劑層一起配置且與光導形成光學連接。可在光導之邊緣處或在平面區域(該光導之光分佈區域)上利用具有此額外轉換功能之層。替代性地或此外，波長轉換層可與內耦合元件150一起利用。
藉由實例，額外層(例如，512、513)之任一者可經組態為黑色層以吸收被傳遞穿過形成層之間的介面處之接觸點之光通道53的光之部分。例如，具有黑色層之帶可設置於光學元件之背側上。在另一例示性組態中，(若干)額外層可為用於使光透射穿過層(511、512、513)之間的介面處之接觸點53之光學透明層。如上文所論述，接觸點(光通道)係由基板區域53形成。以類似方式，額外層之任一者可經組態為反射器層，其中該層之材料可用於鏡面反射、朗伯(Lambertian)反射或經提供為任何其他反射性非透明材料。一種特殊解決方案包含在光學功能層511之背側上或在層511內部利用低折射率(R i)層，以使接觸點53引起入射於其上之光之全內反射。取決於該等互連點(區域53)之填充因數及其等形狀，所指示之解決方案通常將光強度分佈/光協調效率增強達大約6%至20%。考量到帶在光導介質上之位置，應逐個情況地調整所描述組態。
帶50之(若干)主要光學功能係內耦合自至少一個發射器30發射之光學輻射及調整入射於(若干)圖案上之光學輻射射線之方向。帶經組態以調整/修改其接收之光之方向，使得入射於一或多個圖案51上之光經偏轉以經由一系列全內反射獲取穿過光導介質20之傳播路徑。因此，(若干)圖案51經設計使得憑藉該(等)圖案，帶經組態以介導穿過光導介質視需要朝向(若干)外耦合區域21之內耦合光傳播及視需要控制穿過光導20傳播之光之分佈。
在圖案處接收之光31係在各腔52與圍繞該腔之基板50A之材料之間的介面處內耦合及偏轉。因此，圖案51及其特徵(腔)執行與其接收之光之內耦合及調整方向有關之光學功能或功能群組。經內耦合及/或偏轉之光32獲取穿過光導介質之傳播路徑，因此各腔與圍繞該腔之基板之材料之間的介面處之入射角大於或等於全內反射之臨界角。
藉由在圖案中提供具有數個參數之各個別腔或腔群組來使圖案51具光學功能性，該數個參數包含(但不限於)：尺寸(大小)、形狀、橫截面輪廓、圖案中之定向及位置、填充因數及週期性。
由每單位面積之光學特徵52之百分比(%)比率定義之填充因數(FF)係設計光學解決方案之關鍵參數之一者。填充因數定義參考區域(例如，圖案或任何其他參考區域)中之特徵52之相對部分。
因此，圖案中之各個別腔構成具有數個光學功能表面之輪廓。藉由實例，光學功能表面521、522 (在下文，相應地，第一光學功能表面及第二光學功能表面)係在圖3上示意性地展示(亦參見圖4)。該等表面之各者係在腔52與周圍基板介質之間的邊界介面處建立。所提及表面之一者(在此為表面521)可經提供為基本上與光導之縱向軸/平面平行且具有沿著基本上相同軸/平面發射光之(若干)光源之基本上水平表面，而另一表面(在此為表面522)可經提供為相對於第一表面之傾斜表面或垂直表面。事實上，可使腔中之所有表面具光學功能性。
因此，一或多個光學功能表面係由形成於各腔與圍繞該腔之基板之材料之間的介面處之任何一或多個表面建立。
在一些組態中，圖案中之各個別腔中之各該光學功能表面或該多個光學功能表面係用以下任一者建立：低折射率反射器、偏光器、漫射器、吸收器或其等之任何組合。因此，光學功能表面(例如，521、522)之任一者可具備適當塗層(諸如低R i塗層)。
如上文所提及，光學內耦合帶50之主要功能之一者係以大於或等於全內反射之臨界角之入射角入射於圖案上之光之內耦合及偏轉。藉由帶執行之光學功能係藉助於嵌入於帶內部之(空氣)腔光學器件應用於入射於圖案上(入射於腔與周圍介質之間的介面處。入射光係經內耦合且自其原始傳播路徑進一步偏轉(重定向)達特定角度)之光。
除了調節穿過光導介質之該TIR介導之光傳播之分佈之外，帶經組態以執行數個額外光學功能，其中特定功能或功能組合係由數個因素判定，包含腔及周圍材料相關參數，諸如圖案中之(若干)腔輪廓之組態及材料之選擇(例如，形成光學功能層511之基板材料、額外層512、513之材料、腔填充材料)。
在帶50中，至少一個圖案經組態以執行與內耦合自至少一個發射器30發射之光及調整其接收之光之方向有關之光學功能，其中該光學功能包含(但不限於)：反射功能、吸收功能、透射功能、準直功能、折射功能、繞射功能、偏光功能及其等之任何組合。
圖案中之腔個別地或共同地執行一或多個光學功能。因此，圖案可經組態使得圖案中之所有腔執行相同功能(集體效能)。在此情況下，圖案可包括相同(same/identical)腔。替代性地，同一圖案中之各個別腔52可經設計以建立與調整其接收之光之方向有關之至少一個光學功能。此係藉由調整(在設計及製造階段)如上文所描述之腔相關參數來執行，諸如尺寸、形狀、橫截面輪廓、定向、位置、週期性、填充因數等。帶50可包括數個圖案，其中各圖案包括藉由至少一個參數不同於帶中之(若干)任何其他圖案之特徵/腔之特徵/腔。
在帶中，該一或多個圖案係藉由數個腔相關參數組態為可變的，其中該數個腔相關參數包括選自由以下組成之群組之個別參數或任何參數組合：尺寸、形狀、橫截面輪廓、定向、位置及週期性。
藉由在腔52之間提供光通道區域53來輔助達成內耦合及偏轉/(重)定向(偏轉)功能(圖3)。該等光通道之組態很大程度上取決於腔之組態及該等腔在圖案中之配置，然而，例如，可藉由基板材料的選擇來控制及最佳化光透射性質。
對其應用光學重定向功能之經內耦合光(即，經由與腔圖案之相互作用來調整其方向之經內耦合光射線) (亦被稱為經偏轉及/或(重)定向之光(32，圖3) )經由一系列全內反射獲取穿過光導介質20之傳播路徑。
可進一步調整帶中之(若干)圖案51，使得光以圖案中之各腔與圍繞該腔之基板之材料之間的介面處之大於或等於全內反射之臨界角之入射角入射於該(等)圖案上。藉由此配置，在圖案中之各腔與圍繞該腔之基板之材料之間的介面處修改在帶50處及(若干)圖案51處接收之光之方向以獲取穿過光導介質之傳播路徑，因此，在光導介質與周圍環境之間的介面處之入射角及視需要各腔與圍繞該腔之基板之材料之間的介面處之入射角大於或等於全內反射之臨界角。
藉由內耦合帶50，進一步調整經內耦合光之方向，使得光以大於或等於全內反射之臨界角之入射角到達光導介質與周圍環境之間且視需要各腔與圍繞該腔之基板介質之間的邊界(介面)之平面上。
為清楚起見，術語「偏轉」在此主要關於在帶50處調整/修改其方向(即，經修改以自如由發射器發射之其原始路徑偏離)之內耦合光射線使用，而術語「重(定向)」既適用於在帶處偏轉(重定向)之光射線且亦適用於在其等已在帶處偏轉之後已經由一系列TIR獲取穿過光導之傳播路徑之光射線。由於光與介面/邊界材料(例如，空氣-塑膠)之相互作用，偏轉功能及(重)定向功能兩者皆旨在調整光學輻射射線之方向。相互作用繼而透過數個光學功能性(諸如反射、折射等)發生。
光在以入射角範圍到達圖案上後在腔52處被全內反射。因此，腔52可在功能表面521、522上經組態以接收及進一步分佈到達圖案(以等於或大於相對於藉由該等光學功能表面之任一者產生之介面之臨界角之入射角)之光。
當光射線以特定角度移動穿過光學透明基板50A且照射內部腔表面(521、522)之一者時，該光射線自表面反射回至基板或在腔-基板介面處折射至腔中。反射或折射光所根據之條件係由史奈爾定律(Snell's law)判定，該史奈爾定律給出入射於具有不同折射率之兩種介質之間的介面上之光射線之入射角與折射角之間的關係。取決於光之波長，對於足夠大的入射角(高於「臨界角」)，不發生折射，且光之能量被捕獲於基板內。
臨界角係光相對於表面法線之入射角，以該入射角發生全內反射之現象。當折射角相對於表面法線構成90度時，入射角變為臨界角(即，等於臨界角)。通常，當光自具有(較)高折射率(R i)之介質傳遞至具有(較)低R i之介質(例如，自塑膠(R i1.4至1.6)或玻璃(R i1.5)至空氣(R i1)或至具有基本上低折射率之任何其他介質)時，發生TIR。對於自高R i介質行進至低R i介質之光射線，若入射角(例如，在玻璃-空氣介面處)大於臨界角，則介質邊界充當非常好的平面鏡且光將被反射(回至高R i介質，諸如玻璃)。當發生TIR時，不存在通過邊界之能量傳輸。另一方面，以小於臨界角之(若干)角度入射之光將被部分折射出高R i介質且部分被反射。反射光對折射光的比率很大程度上取決於入射角及介質之折射率。
臨界角隨基板-空氣介面(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，臨界角構成大約42度。因此，在例示性波導中，以45度之角度(相對於表面法線)入射於光透射介質(諸如PMMA片材)與空氣之間的邊界處之光將可能被反射回至光導介質，因此，將不發生光外耦合。
相同原理適用於經由一系列TIR行進穿過光導介質之光。吾人注意到，穿過光導之TIR介導之光傳播亦可在由一或多個內耦合帶界定之邊界之外發生。TIR現象係由光導設計及/或光導介質之選擇建立。
通常用不變的週期性圖案特徵或可變週期性圖案特徵來建立二維或三維圖案。週期性係用以控制及偏轉光導介質中之平面波及重定向入射光(即，入射於圖案上之光)以進行較佳分佈之必要特徵。在額外情況下，非週期性圖案特徵可用於協調非均勻光通量及/或光分佈。
在各個別圖案中，腔52可用離散或用至少部分連續的圖案特徵來建立。離散圖案之實例包含點、像素及類似者。
圖4繪示具有不同填充因數之嵌入式腔圖案51 (A、B、C)。藉由實例，圖4展示(組態A)腔特徵52可藉由數個參數特性化，諸如特徵之長度( l)、寬度( w)及高度( h) (在圖4底部上展示寬度 w b )。此外，特徵52可藉由週期長度(p)及傾斜角(θ)特性化。
圖4上展示之組態A、B、C僅在填充因數方面彼此不同。特徵52指示腔，較佳地空氣腔(未展示腔52周圍之材料50A)。視需要，指示關於圖案51(A)之功能表面521、522。比較結果係在下面表1至表3中概述。
表1.圖案51 (A)，圖4。100%圖案填充因數(0間隙)。最佳化之錐體傾斜、最佳化之閃耀角。縮寫詞LGP代表「光導板」。傾斜角及閃耀角(blazed angle) (亦被稱為閃耀角(blaze angle))係在圖4上展示。
[表1]
Figure 02_image001
表2.圖案51 (B)，圖4。92%圖案填充因數(5 μm/微米間隙)。最佳化之錐體傾斜、最佳化之閃耀角。
[表2]
Figure 02_image003
表3.圖案51 (C)，圖4。86%圖案填充因數(10 μm/微米間隙)。最佳化之錐體傾斜、最佳化之閃耀角。
[表3]
Figure 02_image005
(若干)圖案A、B、C係設置於附著至光導之背側之內耦合帶50中(圖4)。發射器裝置30 (具有準直器)安裝於光導之另一側(頂側)處。因此，該配置係與圖1B上示意性地描繪相同。虛線框(圖4)展示具有成0,2度(°)之固定錐體邊緣之光錐(經準直及傾斜光)。
圖5係繪示相對於光源準直(度數，光錐；x軸)及(如圖4上所展示之)具有不同填充因數之圖案51 (A、B、C)之位置之經內耦合光之量(%，y軸)的圖表。包括所提及圖案51 (A、B、C)之帶50定位於如圖4上所展示之光導之背側(與光源30相對之側)上。
圖6描述類似於圖4上所繪示之配置但在嵌入式圖案中具有用低折射率(低R i)材料供應之腔特徵52的配置。該低R i材料可被提供為腔之填充材料及/或被提供為用於塗佈該等腔之塗層材料。圖案填充因數係100%。
低折射率材料係通常具有在1.10至1.41之範圍內之折射率之材料。低R i材料之折射率通常低於1.5；較佳低於1.4。在圖6上提及之材料之折射率係1.18 (在當前情況下，低R i材料係填充腔52之材料)。在此情況下，使嵌入式圖案具有被定義為改變入射於其上之電磁輻射之光譜強度分佈或偏光狀態的能力之光學濾光器功能性。濾光器可參與執行各種光學功能，諸如透射、反射、吸收、折射、干涉、繞射、散射及偏光。
圖7係繪示相對於光源準直(度數，光錐；x軸)及如參考圖6所描述之具有用低R i材料供應之腔之圖案之位置之經內耦合光之量(%，y軸)的圖表。
圖8描述在圖1A上示意性地描繪之配置，其中內耦合帶50設置於光導20之頂側上且其中光(來自發射器30)直接入射於該帶上。嵌入式腔圖案51包括複數個稜柱腔特徵52 (未展示腔52周圍之材料50A)。圖8上展示之組態A、B、C僅在填充因數方面彼此不同。經發射光係用準直器(透鏡)進行準直。比較結果係在下面表4至表6中概述。
表4.圖案51 (A)，圖8。100%圖案填充因數(0間隙)。最佳化之錐體傾斜、最佳化之閃耀角。縮寫詞LGP代表「光導板」。稜鏡角1係指左側表面之稜鏡角且稜鏡角2係指右側表面之稜鏡角(圖8)。
[表4]
Figure 02_image007
表5.圖案51 (B)，圖8。92%圖案填充因數(5 μm/微米間隙)。最佳化之錐體傾斜、最佳化之閃耀角。
[表5]
Figure 02_image009
表6.圖案51 (C)，圖8。86%圖案填充因數(10 μm/微米間隙)。最佳化之錐體傾斜、最佳化之閃耀角。
[表6]
Figure 02_image011
圖9係繪示相對於光源準直(度數，光錐；x軸)及(如圖8上所展示之)具有不同填充因數之圖案51 (A、B、C)之位置之經內耦合光之量(%，y軸)的圖表。包括所提及圖案51 (A、B、C)之帶50定位於如圖8上所展示之光導之頂側(與光源30相同之側)上。
圖10係具有嵌入式空氣腔圖案51之光學內耦合帶50之橫截面視圖。帶附著於光導元件20 (光導板，LGP)之頂表面上。來自發射器30之經準直光直接在帶50上接收。圖10上展示之放大區域表示具有嵌入式圖案51 (由層511A、511B形成，如上文所論述)及光學透明黏著劑之下伏層(512)之帶50。腔52係填充有空氣。接觸區域經形成52以實現通過層之光通道。填充因數係86%。
圖10上展示之設置使能夠用大約10°之準直錐體以50°之傾斜角(具有菲涅爾反射)達成73%至75%內耦合效能。
可藉由在帶50及光學功能層511內部提供至少一個層515來進一步修改設置。例如，(若干)內部層515可經組態為抗反射(AR)層。在本實例(圖10，右)中，在將平坦層511B接合至經圖案化層511A之前，已用AR塗層(515)預塗佈平坦基板層511B。以類似方式，可用塗層515預塗佈經圖案化層511A。包含內部AR塗層之設置使能夠達成高達約83%之內耦合效率。
圖11A及圖11B繪示具有經準直光源30之光導元件20之頂表面上之光學內耦合帶50。
圖11A係具有包括具有最佳化之形狀之稜柱腔特徵52之完全嵌入之空氣腔圖案之帶50的橫截面視圖。其他設置參數包含：LED準直(光錐)大約10°；LED光傾斜50°；無菲涅爾反射；光導元件內部之強度分佈經離散化，此通常可在光導之橫截面中觀察到。該帶容許達成高達87%之內耦合效率。
圖11B係具有包括具有最佳化之形狀之稜柱腔特徵之空氣腔圖案之例示性帶50的橫截面視圖。其他設置參數係與圖11A相同。該帶容許達成高達94%之內耦合效率。
在圖案中，腔可進一步經組態及配置以便形成實質上可變(或分段式)週期性圖案，其中各局部圖案設計具有在該圖案內實質上可變之特徵。因此，在一些組態中，帶50包括以週期性片段配置之數個圖案，其中各片段具有預定義面積及週期長度(未展示)。可使此等局部圖案在修改圖案及/或腔相關參數方面可變，以管理以預定角度或角度範圍入射至其之光。腔輪廓可經組態為在選自以下任一者之數個參數方面可變：尺寸、形狀、橫截面輪廓、圖案中之定向及位置。
在帶中，腔52因此建立有具有選自由以下組成之群組之橫截面輪廓之二維或三維圖案特徵：線性、矩形、三角形、閃耀、傾斜、梯形、彎曲、波形及正弦輪廓。
此外，在(若干)圖案的組態及配置方面，帶50係針對特定光導厚度及其他光導特定參數設計及最佳化。
具有空氣腔52之三維、菱形閃耀圖案設計51之實例係在圖12 (左上角中之方框)上展示。此圖案可經組態為混合光學圖案。圖12進一步展示帶50及其設置於光導元件20上之數項實施例。因此，組態A展示具有單個圖案層之帶50。
組態B展示經實施為雙層或多層解決方案之帶。在組態B中，功能層511及帶50可用配置成堆疊式組態之數個嵌入式圖案來實施。組態包含將兩個或更多個經圖案化層(511A) (視需要光學功能層(511))接合在一起以在單個帶中形成多層解決方案。在一些組態中，經圖案化層511A可視需要與平坦基板層511B交替。此外或替代性地，兩個或更多個帶50 (50-1、50-2)可彼此上下施加以相應地形成雙層或多層帶組態。
在多層組態中，帶可用包括彼此上下定位之兩個或更多個經圖案化層(被稱為511A)之堆疊形成。因此，層之間的平坦、平面介面可單獨憑藉該等經圖案化層511A建立(要求層具有建立於其表面之一者中之圖案，另一表面保持完全平坦)。因此，最頂部經平坦化層可具備完全平坦基板511B以完成多層結構及實現(若干)圖案之完全囊封。
因此，堆疊可用以下任一者實施：視需要與完全平坦基板層(511B)交替之(若干)經圖案化層(511A)；光學功能層(511)；及帶50。定位於堆疊中之不同層級處之圖案可經組態以執行與其接收之光之內耦合及調整方向有關之相同或不同光學功能，其中該光學功能係選自由以下組成之群組：內耦合功能、反射功能、重定向功能、偏轉功能、吸收功能、透射功能、準直功能、折射功能、繞射功能、漫射功能、偏光功能及其等之任何組合。
在組態C中，帶50包括在其至少一端處之經塑形結構54。可以類似方式(未展示)設想在帶之兩端處之該經塑形結構之配置。經塑形結構係用帶之基本上與光導附著表面相對放置之外表面之至少部分界定。該經塑形結構之組態可為相對於平面光導之縱向平面逐漸變細、傾斜(inclined/sloped)或凸狀之任一者。具有由此形成之光楔54之帶50可經組態(在光學圖案方面)用於混合耦合。
帶50可以如藉由捲對捲層壓程序生產之捲之形式提供。
在態樣中，提供光學設備(單元) 150，該單元包括帶50及用於發射入射於帶50上之光學輻射之至少一個發射器30 (如參考圖1C所描述)。因此，單元150提供其中一(若干)光源與光學器件整合之緊湊型解決方案。光學器件可經組態為嵌入式(空氣)腔光學器件或起伏(敞開腔)光學器件。
圖13A及圖13B闡釋光學內耦合帶50及將光學內耦合帶50與光協調器帶10結合利用之單元150的利用。協調器帶10 (亦被稱為偏轉帶)可在內耦合區域之後之預定區域內附著於光導上(內耦合區域具有內耦合帶50或附著/安裝至其之單元150)。因此，協調器帶可覆蓋該光導之光分佈區域之某一區域或一些區域，即，內耦合區域與外耦合區域之間的區域。帶10可沿著光導之整個光分佈區域配置。
協調器帶10係基於與上文關於光學內耦合帶50所描述類似之腔光學器件解決方案來實施。雖然內耦合帶50之主要功能係內耦合經發射光射線及調整經內耦合光之方向以介導穿過光導之光傳播；但協調器帶10之主要功能係使入射於該帶上之光偏轉及重定向以控制穿過光導傳播之光之分佈。帶50、10之光學功能可依據腔相關參數及帶相關參數(例如，基板材料、總體實施方案等)調整，如本文在上文所描述。因此，協調器帶10之提供實現光導中之經改良內部光分佈均勻性(由藉由協調器帶10實現之經增強TIR功能性介導)。
在另一態樣中，提供用於製造光學內耦合帶50之方法，該方法包括：藉由合適製造方法製造用於該至少一個圖案之圖案化主控工具；將該圖案轉印至基板上以產生經圖案化基板；及藉由將額外平坦、平面基板層施加至該經圖案化基板上，使得在基板層之間的完全平坦、平面介面處形成內部腔來產生一或多個嵌入式腔圖案。
圖案可藉由任何合適方法製造，包含(但不限於)：微影、三維列印、微機械加工、雷射雕刻或其等之任何組合。可利用其他適當方法。
較佳的是，一或多個嵌入式腔圖案係藉由捲對捲層壓方法實施，其中子層511A、511B係抵靠彼此層壓以形成光學功能層111。
額外基板層(511B)可藉由選自以下任一者之層壓方法施加至經圖案化之基板層(511A)上：捲對捲層壓、捲對片材層壓或片材對片材層壓。
一旦藉由任何合適方法(諸如壓印、擠壓複製或三維列印)有利地進一步複製經製造圖案。可利用任何其他適當方法。
採用典型生產線以執行以下程序：a)圖案製造及複製；b)腔層壓；c) (若干)其他/額外層之製備及其(等)之層壓；及d)最後膜切割。生產線可進一步用於製造窄或寬帶產品。
可轉移在步驟a至c期間生產之光學內耦合帶之片材或捲以用於在別處切割。
本發明進一步係關於提供光導20，該光導20包括經組態以建立穿過光導之光傳播之路徑之光學透明介質，及根據上文所描述之實施例實施之光學內耦合帶50，其中該光學內耦合帶附著至該光導之至少一個平面表面上。在一些組態中，光學內耦合帶藉由黏著附著至光導。
進一步提供該光導在照明及/或指示中之用途。光導可用於照明及指示相關目的，包含(但不限於)：裝飾照明、光屏蔽件及遮罩、公共及一般照明(包含窗戶、立面及屋頂照明、看板、招牌、海報及/或廣告板照明及指示)，及用於太陽能應用中。熟習此項技術者明白，隨著技術之進步，本發明之基本理念旨在涵蓋其各種修改。本發明及其實施例因此並不限於上文所描述之實例；代替性地，其等通常可在隨附發明申請專利範圍之範疇內改變。
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10:光協調器帶/協調器帶/帶 20:光學波導/光學元件/光導介質/光導/光導元件 21:外耦合圖案/單側光外耦合圖案/雙側光外耦合圖案/外耦合區域 22:支撐件 30:發射器裝置/發射器/光導材料/光源 31:射線/光學輻射射線/光 32:射線/經內耦合及/或偏轉之光 33:射線 50:光學內耦合帶/內耦合帶/帶 50-1:帶 50-2:帶 50A:基板/基板材料/光學透明基板/材料 51:圖案/嵌入式圖案/嵌入式腔圖案/內部特徵圖案/嵌入式空氣腔圖案/三維、菱形閃耀圖案設計 52:光學(圖案)特徵/腔/特徵/嵌入式腔/內部腔/腔特徵/空氣腔 53:接觸區域/平坦接合點或區域/接合區域/光通道/接觸點/基板區域/光通道區域 54:經塑形外表面/經塑形結構/光楔 150:光學單元/光學設備/單元/內耦合元件 511:光學功能層/功能層/層 511A:第一基板層/經圖案化層/第一層/層/基板層/子層 511B:第二基板組件/第二基板層/平面層/基板層/層/功能層/子層/完全平坦基板 512:額外功能層/基底層/黏著劑層 513:額外功能層/層/最頂部層/外部層 515:內部功能組件(層)/內部層/塗層 521:光學功能表面/表面/功能表面 522:光學功能表面/表面/功能表面 h:高度 l:長度 p:週期長度 w b :寬度 θ:傾斜角
藉由考量詳細描述及附圖將變得明白本發明之不同實施例，其中： 圖1A及圖1B係根據實施例之具有附著至其之光學內耦合帶50之光導之橫截面視圖。 圖1C繪示包括內耦合帶50之光學設備(單元)。 圖2展示在光導上利用內耦合帶50之各種組態(橫截面視圖)。 圖3係根據實施例之內耦合帶50之橫截面視圖。 圖4繪示根據實施例之用於內耦合帶50之具有不同填充因數之嵌入式腔圖案。 圖5係繪示相對於光源準直及如圖4上所展示之具有不同填充因數之圖案之位置之經內耦合光之量的圖表。 圖6描述類似於圖4上所繪示之配置但在嵌入式圖案中具有包括低折射率材料之腔特徵的配置。 圖7係繪示相對於光源準直及如圖6上所展示之圖案之位置之經內耦合光之量的圖表。 圖8繪示根據另一實施例之用於內耦合帶50之具有不同填充因數之嵌入式腔圖案。 圖9係繪示相對於光源準直及如圖8上所展示之具有不同填充因數之圖案之位置之經內耦合光之量的圖表。 圖10係根據實施例之具有嵌入式腔圖案之內耦合帶50之橫截面視圖。 圖11A及圖11B繪示附著於具有經準直光源之光導元件上之內耦合帶50。 圖12展示根據一些實施例之帶之橫截面視圖。 圖13A及圖13B闡釋內耦合帶50及將內耦合帶50與光協調器帶10結合利用之光學單元150的利用。
20:光學波導/光學元件/光導介質/光導/光導元件
30:發射器裝置/發射器/光導材料/光源
31:射線/光學輻射射線/光
32:射線/經內耦合及/或偏轉之光
50:光學內耦合帶/內耦合帶/帶

Claims (31)

  1. 一種用於光導之光學內耦合帶，其包括： 基板，及 至少一個圖案，其經形成具有嵌入於基板材料中且經組態為光學功能嵌入式腔之數個週期性圖案特徵，該等光學功能嵌入式腔填充有具有不同於圍繞該腔之該基板之該材料之折射率之折射率的材料， 其中該圖案經組態以內耦合入射至其之光及調整該經內耦合光之方向，使得該經內耦合光經由一系列全內反射獲取穿過光導介質之傳播路徑，且 其中該光學內耦合帶可附著至該光導之至少一個平面表面上，藉此形成用於該帶與光導介質之間的光透射之光學接觸件。
  2. 如請求項1之光學內耦合帶，其中該經內耦合光係在各該腔與圍繞該腔之該基板之該材料之間的介面處重定向以獲取穿過該光導介質之該傳播路徑，因此，該光導介質與周圍環境之間的介面處之入射角及視需要各腔與圍繞該腔之該基板之該材料之間的該介面處之入射角大於或等於全內反射之臨界角。
  3. 如請求項1或2中任一項之光學內耦合帶，其中該至少一個圖案經組態以執行與其接收之光之內耦合及調整方向有關之光學功能，其中該光學功能係選自由以下組成之群組：反射功能、吸收功能、透射功能、準直功能、折射功能、繞射功能、偏光功能及其等之任何組合。
  4. 如任何前述請求項之光學內耦合帶，其中藉由在該圖案中提供具有數個參數之腔或腔群組來使該圖案具光學功能性，其中該數個參數包括選自由以下組成之群組之參數之任何組合：尺寸、形狀、橫截面輪廓、定向、週期性及填充因數。
  5. 如任何前述請求項之光學內耦合帶，其中該圖案中之各個別腔具有數個光學功能表面。
  6. 如任何前述請求項之光學內耦合帶，其中該一或多個光學功能表面係由在各腔與圍繞該腔之該基板之該材料之間的該介面處形成之任何一或多個表面建立。
  7. 如任何前述請求項之光學內耦合帶，其中該圖案中之各個別腔中之該一或多個光學功能表面係用低折射率反射器、偏光器、漫射器、吸收器或其等之任何組合之任一者建立。
  8. 如任何前述請求項之光學內耦合帶，其中該等腔經組態及配置於該圖案中，以便形成實質上可變的週期性圖案。
  9. 如任何前述請求項1至7之光學內耦合帶，其中該等腔經組態及配置於該圖案中，以便形成實質上不變的週期性圖案。
  10. 如任何前述請求項之光學內耦合帶，其中在該圖案中，該等腔係用離散或至少部分連續的圖案特徵建立。
  11. 如任何前述請求項之光學內耦合帶，其包括以週期性片段配置之數個圖案，各片段具有預定義面積及週期長度。
  12. 如任何前述請求項之光學內耦合帶，其中該等圖案係藉由數個腔相關參數組態為可變的，其中該數個腔相關參數包括選自由以下組成之群組之個別參數或任何參數組合：尺寸、形狀、橫截面輪廓、定向、位置、週期性及填充因數。
  13. 如任何前述請求項之光學內耦合帶，其中該等腔係用具有選自由以下組成之群組之橫截面輪廓之二維或三維圖案特徵建立：線性、矩形、三角形、閃耀、傾斜、梯形、彎曲、波形及正弦輪廓。
  14. 如任何前述請求項之光學內耦合帶，其中該等腔係填充有氣態材料，諸如空氣。
  15. 如任何前述請求項之光學內耦合帶，其經組態為可藉由黏著附著至該光導之一或多個平面表面上。
  16. 如任何前述請求項之光學內耦合帶，其中該一或多個圖案包括在提供為基本上平坦、平面基板層之該基板中形成之腔。
  17. 如任何前述請求項之光學內耦合帶，其中形成該等腔之該基本上平坦、平面基板層係由實質上光學透明材料製成。
  18. 如任何前述請求項之光學內耦合帶，其中該一或多個圖案包括在與提供為光學透明層、反射器層及/或著色層之額外平坦、平面基板層之介面處形成之腔。
  19. 如任何前述請求項之光學內耦合帶，其包括配置成堆疊式組態之數個嵌入式圖案。
  20. 如任何前述請求項之光學內耦合帶，其包括楔形結構。
  21. 如任何前述請求項之光學內耦合帶，其進一步包括波長轉換層。
  22. 一種用於製造光學內耦合帶之方法，該光學內耦合帶包括經形成具有嵌入於基板材料中之數個週期性腔特徵之至少一個圖案， 該方法包括： 藉由選自以下任一者之製造方法製造用於該至少一個圖案之圖案化主控工具：微影、三維列印、微機械加工、雷射雕刻或其等之任何組合； 將該圖案轉印至該基板上以產生經圖案化基板；及 藉由將額外基板層或罩蓋層施加至該經圖案化基板上來產生一或多個嵌入式腔圖案， 其中該(等)嵌入式腔圖案包括經組態為填充有具有不同於圍繞該腔之該基板之該材料之折射率之折射率之材料的光學功能腔之腔，且 其中該嵌入式腔圖案經組態以內耦合入射至其之光及調整該經內耦合光之方向，使得該經內耦合光經由一系列全內反射獲取穿過光導介質之傳播路徑。
  23. 如請求項22之方法，其中該額外基板層係藉由選自以下任一者之層壓方法施加至該經圖案化之基板層上：捲對捲層壓、捲對片材層壓或片材對片材層壓。
  24. 如請求項22或23中任一項之方法，其進一步包括複製經製造圖案，其中圖案複製方法係選自壓印、擠壓複製或三維列印之任一者。
  25. 一種光導，其包括經組態以建立用於穿過該光導之光傳播之路徑之光學透明介質，及如請求項1至21中任一項之光學內耦合帶，該光學內耦合帶附著至該光導之至少一個平面表面上。
  26. 如請求項25之光導，其包括藉由黏著附著至其之該光學內耦合帶。
  27. 一種如請求項25或26中任一項中定義之光導在照明及/或指示中之用途。
  28. 一種光學內耦合帶之捲，其中該光學內耦合帶係根據請求項1至21中定義之內容來實施。
  29. 一種光學單元，其包括具有用於光導附著之黏著層及至少一個發射器裝置之光學內耦合帶，其中該光學內耦合帶係如請求項1至21中任一項中定義般組態。
  30. 如請求項29之光學單元，其中該至少一個發射器裝置係選自由以下組成之群組：發光二極體(LED)、有機發光二極體(OLED)、雷射二極體、LED條、OLED條帶、微晶片LED條帶及冷陰極管。
  31. 如請求項29或30中任一項之光學內耦合帶，其包括經組態用於發射單色光之至少一個光發射器裝置，及包括波長轉換層之該光學內耦合帶。
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