結構化光學膜的制作方法

專利名稱：結構化光學膜的制作方法
技術領域：
本發明涉及結構化光學膜的領域，以及結合有所述結構化光學膜的光學顯示器。
背景技術：
結構化光學膜被用于光學顯示系統以及對被傳導和/或反射的光的方向進行的控制以期望增大亮度、降低閃光等等的其它應用中。結構化光學膜在美國專利No.4,906,070(Cobb)中進行了描述。基本上，所述結構化光學膜包括由可傳導光的材料制成的膜，所述膜上設置有一系列棱鏡，從而所述膜可被用于通過反射和折射對光進行重定向。當被用于諸如便攜式計算機、手表等之類的光學顯示器中時，所述結構化光學膜可以通過將從顯示器逃逸出的光限制于期望的觀察范圍內而增大光學顯示器的亮度，所述觀察范圍例如由設置成與延伸通過光學顯示器的法向軸線成期望角度的一對平面所限定。這樣，否則將要在允許范圍外離開顯示器的光被反射回顯示器中，在顯示器處，一部分光能被“回收”并使所述光以允許其從顯示器逃逸的角度返回至結構化膜。因為這種回收可以減小提供具有期望亮度水平的顯示器所需要的能耗，所以這種回收是有用的。
圖1和圖2大體上示出了結構化光學膜的概念。圖1描繪了一種規則的、簡單的重復圖案的結構化光學膜10的一部分，所述光學膜10包括結構化表面12和平表面14。所述結構化表面包括限定棱鏡20的一系列規則間隔開的谷部16和峰部18。所述棱鏡20由形成在谷部16和峰部18之間的小平面所限定。所述結構化表面12的幾何形狀和用于制造所述膜10的材料促進了進入膜10平面側14的光的全內反射和折射，從而使得通過結構化表面在期望角度范圍外逃逸的光最少。
一些光學顯示器結合有第二結構化光學膜，在該第二結構化光學膜中，棱鏡取向為相對于第一光學膜中的棱鏡成一定角度。所述角度可以是大于零而直到90°的任意值，但所述角度通常為大約90°。圖2示出了一對結構化光學膜22和24，其中棱鏡26和28分別被取向為相對彼此呈大約90°的角。在使用中，優選的是，所述結構化表面28接觸或幾乎接觸上部膜22的平表面27。
在光學顯示器中使用結構化光學膜造成的非期望后果是由兩個疊加的重復圖案的干涉引起的反射莫阿效應的出現。在“The Theory of theMoiréPhenomenon”(by Isaac Amidror，Kluwer Academic Publishers，Dordrecht，The Netherlands(2000))中討論了莫阿效應。在結合有單層結構化光學膜的光學顯示器中，引起莫阿效應的重復圖案是膜圖案本身和膜圖案的由光學顯示器中的其它表面反射的反射圖像。
盡管使用兩個結構化光學膜可以在縮小的觀察范圍內增大顯示器的亮度，然而這也會由于設置第二平表面而增加莫阿效應在下部結構化膜上的出現，其中第二平表面將更多的光通過第一或上部結構化膜中的重復圖案反射回去。
美國專利No.5,919,551(Cobb)涉及到亮度增強膜中的莫阿效應，其描述了使用這樣一種結構化光學膜，其中峰部和/或谷部的間距對于連續組的峰部和/或谷部是不同的。但是，盡管這樣的膜明顯降低了莫阿效應的可見性，然而相對使用如現有技術圖2示出的膜的LCD顯示器而言，采用這種膜的LCD顯示器的亮度會降低大約6％或更多。
圖3A示意性地描繪了一個這種結構化光學膜30的與平表面32垂直的橫截面。所述膜30包括由峰部36和谷部38限定的一組棱鏡。限定所述棱鏡的峰部36和谷部38基本彼此平行。光學膜30的相鄰峰部36之間的間距、即峰間距基本上恒定。然而，相鄰谷部38之間的間距在任何成組的三個連續谷部38上改變。谷部38之間的間距還可以稱為谷間距、Pv。通過改變谷間距，當在光學顯示器中使用膜30時，莫阿干涉圖案的可見性會顯著地降低。
在圖3A描繪的膜30中，峰間距保持恒定，而谷間距變化。然而，用于制造膜30的工具可以通過電鑄處理或其它適當的處理而被復制，從而在基礎工具上形成圖案的“負像”。當隨后使用這種復制工具以形成膜時，其結果是產生現有技術圖3B描繪的膜130，所述膜130是圖3A描繪的膜30的“負像”。因此，膜130在谷部136之間具有恒定的谷間距，Pv，而峰部138之間的峰間距，Pp在整個膜130上變化。這恰好是與膜30相反的間距特征。與膜30類似，當圖3B中的膜130用于光學顯示器時，膜130也顯然可以用于降低莫阿干涉圖案的可見性。
然而，即使具有上述‘成組’的結構，也應當理解莫阿干涉效應在某些情況下仍將被觀察到。這是因為上述膜的結構設置仍然保留了產生莫阿干涉效應的能力。
另外，第二結構化光學膜的使用還會導致兩個膜之間的光耦合。這將導致從顯示器不均勻地傳導光，即，導致在所述顯示器中出現可見亮點、條紋、和/或線條。光耦合是由于結構化光學膜的結構化表面和設置在所述膜上的平表面之間的接觸或非常接近而引起的。
美國專利No.5,771,328(Wortman)描述了使用具有可變高度的結構化光學膜以減小諸如亮點、條紋和線條之類的光學缺陷在顯示應用中的影響。圖4-圖6示出了用于這種光導向膜的代表性現有技術的構造。應當注意這些附圖并不是按比例的，具體而言，為了示例性目的，表面的尺寸進行了極大的放大。
然而，應當理解的是，在美國專利5,771,328中公開的膜由于其結構設置而同樣經受上述莫阿干涉效應。
從WO 1997/28468公知其中谷部的二面角在谷部和谷部之間變化的膜。從WO 2002/23258和WO 2001/27663公知其中峰部的二面角和谷部的二面角在峰部和峰部之間與谷部和谷部之間變化的膜。然而，由于可能會降低膜中光重定向的均勻性和可控性，因此棱鏡角和取向中的這一變化是非期望的。
在JP06-082635中公開了包括具有不規則間距的峰部的線性棱柱表面。然而，所述表面的結構復雜，不易于制造。

發明內容
根據本發明的一個方面，在此提供了一種具有至少一個結構化表面的結構化光學膜，所述結構化表面包括多個基本平行而且細長的光導向元件，其中各元件具有相應的峰部并在與相鄰元件的接合處限定相應的谷部，各峰部和各谷部限定了基本相同的二面角并基本不間斷地在所述結構化表面上延伸，其中，由相鄰峰部之間的連續橫向距離限定的第一序列和由相鄰谷部之間的連續橫向距離限定的第二序列均為相應的非周期性序列，其中所述峰部基本上共面，其特征在于給定所述第一非周期性序列，所述第二序列是唯一能使所述峰部具有基本共面性質的非周期性序列。
根據本發明的另一方面，在此提供了一種具有至少一個結構化表面的結構化光學膜，所述結構化表面包括多個基本平行而且細長的光導向元件，其中各元件具有相應的峰部并在與相鄰元件的接合處限定相應的谷部，各峰部和各谷部限定了基本相同的二面角并基本不間斷地在所述結構化表面上延伸，其中，由相鄰谷部之間的連續橫向距離限定的第一序列和由相鄰峰部之間的連續橫向距離限定的第二序列均為相應的非周期性序列，其中所述谷部基本上共面，其特征在于給定所述第一非周期性序列，所述第二序列是唯一能使所述谷部具有基本共面性質的非周期性序列。
本發明提供一種結構化光學膜，在該結構化光學膜中，相鄰峰部之間距離的序列和所述結構的相鄰凹槽之間距離的序列均分別為非周期性的。這種膜可以降低結合有一層或多層所述膜的光學顯示器的莫阿干涉圖案的可見性。
在一個實施例中，本發明包括一種具有結構化表面的結構化光學膜，所述結構化表面包括多個大體平行的峰部，各對相鄰峰部由谷部分開。在整個膜上，沿基本垂直于所述峰部的方向，可由所述相鄰峰部之間的橫向距離形成第一序列；類似地，可由相鄰谷部之間的橫向距離形成第二序列。在所述實施例中，兩個數列均分別為非周期性的，從而有助于減小產生莫阿干涉效應的范圍。
有利的是，形成在各峰部的相應二面角和形成在各谷部的相應二面角為相同的角度。
根據本發明的另一方面，在此提供一種結構化光學膜，所述光學膜包括第一表面和與所述第一表面相對的結構化表面，其中所述結構化表面包括多個基本平行的峰部，各峰部具有一定長度并且各峰部的長度基本不間斷地在所述結構化表面上延伸，各對峰部由谷部分開，其中所述多個峰部中的每個峰部都具有二面角，相鄰峰部之間的橫向距離的序列形成第一非周期性序列，而相鄰谷部之間的橫向距離的序列形成第二非周期性序列，并且峰部頂點基本上共面，從而增大了在所述膜用于LCD顯示器中時所產生的光學亮度。
根據本發明的另一方面，在此提供一種光學顯示器組件，所述光學顯示器組件包括顯示器面板；背光組件；以及位于所述背光組件和所述顯示器面板之間的第一結構化光學膜，所述膜具有包括多個棱鏡的結構化光學表面，各所述棱鏡包括具有一定長度的峰部、一對相鄰的谷部、以及從所述峰部向所述對的限定所述棱鏡的相鄰谷部延伸的小表面限定的二面角，其中各所述棱鏡沿其峰部的長度基本不間斷地在所述結構化表面上延伸，并且在所述多個棱鏡中的各所述棱鏡的二面角和各所述谷部的二面角相同，并且，其中各對相鄰棱鏡彼此緊密靠近，相鄰棱鏡峰部之間的橫向距離的序列形成非周期性序列，并且相鄰棱鏡谷部之間的橫向距離的序列形成非周期性序列，其中所述峰部或所述谷部是基本共面的。
根據本發明的另一方面，在此提供一種光學顯示器組件，所述光學顯示器組件包括顯示器面板；背光組件；以及根據本發明的結構化光學膜，所述膜位于所述背光組件和所述顯示器面板之間。
根據本發明的另一方面，在此提供一種光學顯示器組件，所述光學顯示器組件包括顯示器面板；光源；以及根據本發明的結構化光學膜，所述膜位于所述光源和所述顯示器面板之間。
根據本發明的另一方面，在此提供一種設置成生產基礎工具的基礎工具生產系統，所述基礎工具被構造為制造根據本發明的結構化光學膜。
在本發明的附圖和詳細說明中更充分地示出并描述了本發明的以上和其它特征，其中相同的附圖標記用于表示相似的部件。然而，應當理解，所述說明和不一定是按照比例的附圖只是用于示例性的目的，而不應當以不適當限制本發明范圍的方式加以閱讀。


圖1為現有技術的結構化光學膜的立體圖；圖2為根據現有技術以及根據圖1的一對結構化膜的分解立體圖的立體圖，其中棱鏡以約90°的角度交錯；圖3A為根據現有技術的、具有恒定的峰部間距和變化的谷部間距的結構化膜的一個截面的示意圖；圖3B為根據現有技術的、具有恒定的谷部間距和變化的峰部間距的結構化膜的一個截面的示意圖；圖4為根據現有技術的、具有變化高度的棱鏡元件的光導向膜的橫截面圖；圖5為根據現有技術的、具有變化高度的棱鏡元件的光導向膜的橫截面圖；圖6為根據現有技術的、具有變化高度的棱鏡元件的光導向膜的橫截面圖；圖7為本發明第一實施例的示例性實例的膜輪廓的圖；圖8為本發明第二實施例的示例性實例的膜輪廓的圖；圖9為由相同的重復的線條圖案重疊而產生的合成圖案的圖，其中一組線條相對于另一組線條旋轉；圖10為當一組非周期性線條與自身重疊時所觀察到的圖案的圖，其中一組線條相對于另一組線條旋轉；圖11為具有高度相當不同的棱鏡元件的棱鏡膜的示意性橫截面圖；圖12示出了針對三個具有不同結構的膜在有限范圍的空間頻率上的示意性空間頻率分布，其中橫坐標的單位為μm-1，即微米的倒數；圖13是結合有至少一層根據本發明的結構化光學膜的光學顯示器組件的示意圖。
具體實施例方式
結合圖7-圖8和其它附圖中描繪的示例性實施例而描述的本發明提供了一種結構化光學膜，在所述結構化光學膜中，相鄰谷部之間的橫向距離的序列和相鄰峰部之間的橫向距離的序列均是不具周期性的序列。由此產生的效果在于，能降低在例如光學顯示器中使用一層或多層結構化膜時可觀察到的莫阿干涉圖案的可見性。
盡管結合本發明大體描繪的棱鏡/小表面示出為在大體平的小表面之間具有大約90°的二面角，但應當理解的是本發明包括以下結構化光學膜，所述結構化光學膜具有形成為任何在光學上有用的形狀的棱鏡/小表面，這些形狀包括透鏡狀陣列、具有圓形峰部和/或谷部的棱鏡、彎曲的小表面、不對稱的棱鏡等等。換言之，本發明對在不使用本發明的情況下而將顯示重復圖案(所述重復圖案將在相鄰峰部和相鄰谷部之間不存在如上所述的非周期性距離組時導致更明顯的莫阿干涉圖案)的任何結構化光學膜都是有用的。此外，盡管下文討論的實施例包括平表面，然而應當理解根據本發明制造的結構化光學膜的相對表面，即結構化表面的相對表面可基本為平的，或者其可作為光滑表面而設有結構和紋理，或進行任何其它所期望的拋光。
還應當理解的是，在圖7-圖8中和下文中描繪的本發明實施例是根據本發明構建的結構化光學膜的大體平面橫截面，其大體上垂直于凹槽/谷部的長度。既然根據本發明的用來降低莫阿干涉圖案的可見性的光學膜具有可變的性質，則應當理解給出的膜的橫截面沿凹槽/谷部的長度可以保持恒定，也可以不保持恒定。對根據本發明利用螺紋切削柱型輥構造的工具而制造的結構化光學膜而言尤其如此。
在本發明的第一實施例中，一種結構化光學膜構建為相鄰峰部之間的橫向距離的第一序列和相鄰谷部之間的橫向距離的第二序列均為相應的非周期性數列。所述第一序列可以根據用于產生非周期性序列的設定標準進行具體選擇，或者其可以是部分或完全隨機的。例如，這一序列可以從隨機數生成器或偽隨機數生成器產生。構建隨機數序列的一種方法是采用數值π中的數字，當然該方法的多種改型對于本領域的技術人員是顯而易見的。
在此給出構建用于膜表面的結構的非周期性陣列的大小的一種方法，當然多種改型對于本領域的技術人員是顯而易見的。在此給出的方法中，棱鏡的基部均位于同一平面中，但在一般情況下，棱鏡的基部不需要共面；同樣，在一般情況下，棱鏡的頂點不需要共面。在此給出的方法是構建具有90°頂角的對稱棱鏡，其中第n個棱鏡基部的寬度以μm計為30+π的第n個數字的兩倍。在此我們全部使用以十進制表示的數值，也可以使用其它進制來產生相同的效果。這樣，采用π的21位有效數字π＝3.14159 26535 89793 23846，則膜上前21個棱鏡的寬度依次為(以μm為單位)36，32，38，32，40，48，34，42，40，36，40，46，48，44，48，36，34，36，46，38，42。
所述序列限定了相鄰谷部之間的距離，并且所述序列為非周期性序列。
在所述實施例中，這種結構中相鄰峰部之間距離的序列給定為相鄰對的谷部距離總和的一半。所述結構中相鄰峰部之間的橫向距離的序列具有獨特的性質，即給定棱鏡寬度的序列，只有該獨特的非周期性數列使得膜的谷部可共面，并且峰部和谷部的所有二面角相等其它數列均不具有此性質。因此，在以上結構中，前20個橫向相鄰的峰部距離的序列依次為(以μm為單位)34，36，35，36，44，41，38，41，38，38，43，47，46，46，42，35，35，41，42，40。
所述結構中前21個棱鏡在圖7中以橫截面繪出。
由于在所述實施例中，在各棱鏡縱向小表面之間形成的頂角(也稱為二面角)設定為90°，因此在圖7中以“豎直距離”標示的各棱鏡的高度在整個膜上根據所述棱鏡的谷部至谷部的距離而變化。
在所述實施例中，因為谷部共面，并且由于在整個膜上谷部的底部和限定膜相對側的平面之間的距離是恒定的，因此可以使制造膜所需要材料的體積保持在較低的水平，并由此保持制造成本較低。應當理解的是，如果所述谷部的底部不共面，則對于一些谷部的底部和限定膜相對側的平面之間所限定的最小距離而言，會存在比所述最小距離更加遠離限定膜相對側的平面的谷部底部，這將增加制造膜所需要的材料的體積，而因此增加了制造成本。
在本發明的第二優選實施例中，結構化光學膜構建為相鄰峰部之間的橫向距離的序列和相鄰谷部之間的橫向距離的序列均是非周期性的數列，但是所有的峰部頂點均位于同一平面中。接下來給出具體的實例，當然構建這種結構化光學表面的其它方法對于本領域技術人員是顯而易見的。在此給出的方法是構建具有90°的二面角的對稱棱鏡，其中第n個棱鏡頂點和第(n+1)個棱鏡頂點的間距以μm計為30+π的第n個數字的兩倍。膜上前21個棱鏡頂點的間距的序列依次為(以μm為單位)36，32，38，32，40，48，34，42，40，36，40，46，48，44，48，36，34，36，46，38，42。
所述序列限定了相鄰頂點之間的橫向距離并且是非周期性序列。在所述結構中相鄰谷部之間的橫向距離的序列給定為相鄰對的頂點的間距總和的一半。所述結構中相鄰谷部之間的橫向距離的序列具有獨特的性質，即給定棱鏡頂點間距的序列，只有該獨特的非周期性數列使得膜的谷部可共面，并且峰部和谷部的所有二面角均相等其它的數列均不具有此性質。因此，在以上結構中，前20個橫向相鄰的谷部間距的序列依次為(以μm為單位)34，36，35，36，44，41，38，41，38，38，43，47，46，46，42，35，35，41，42，40。
在所述結構中，前20個棱鏡在圖8中以橫截面繪出。
為了使用上述幾何圖形構造的方法用平均寬度約40μm的棱鏡制備大約1米寬的膜，必須知道π的大約25,000個有效數字。可以使用商業上可獲得的軟件來產生這一精度水平的π表達式，如美國伊利諾斯州Wolfram Research，Inc.研制的Mathematica。應當強調的是，使用大約25,000個有效數字的π制備的膜包含絕不具有棱鏡的重復圖案。
在切削制造膜的工具之前，優選地生成一種計算機文件，所述計算機文件包含諸如各峰部高度和給定對的峰部之間間距之類的峰部幾何形狀的序列，所述峰部幾何形狀的序列是在需要大量(如，大約25,000)峰部的膜中所必須的。所述計算機文件優選地由用于切削基礎工具的機器在對所述工具進行切削時讀取，以確保在基礎工具上產生谷部幾何形狀所需要的序列。應當理解，因為膜中的峰部對應于基礎工具上的谷部，因此必須控制基礎工具的谷部幾何形狀以在膜中產生所需的峰部幾何形狀的序列。
在圖9-10中給出了由本發明的膜產生的莫阿干涉效應的減小范圍的圖示。在圖9中，所示出的圖案由重復的線條圖案產生，所述重復的線條圖案疊加有旋轉3°的相同線條圖案。在整個合成的圖案上可見相對于彼此或明或暗的線性莫阿特征。在圖10中示出了疊加有旋轉3°的相同非周期性線條組的非周期性線條組產生的結果。在圖9中的整個合成圖案上可見的明暗線性特性在圖10中看不到。
可認為在第二實施例中公開的所有棱鏡頂點位于同一平面中的幾何形狀對于光的回收是最為理想的，因為當所述頂點不在同一平面中時，從在由棱鏡頂點高度的算術平均值限定的平面上方的棱鏡頂點逃逸出的光不太可能被相鄰的棱鏡捕獲；這種捕獲可能性的降低將導致降低光的回收。
美國專利5,919,551(Cobb)公開了包括不位于同一平面上的棱鏡頂點的膜的兩個實例。據報道，當所述膜以圖2示出的方式用于LCD顯示器時，這些膜與包括位于同一平面上的棱鏡頂點的膜相比，將導致亮度降低約6％至8％。因此，本領域的技術人員將從這些結果理解到，對棱鏡膜而言，在降低莫阿效應傾向和增強亮度之間存在某種程度的折衷。
本發明的第二實施例通過提供一種保持亮度、同時降低莫阿效應傾向的膜而在很大程度上解決了所述折衷問題。
圖11中示出一種特別極端的情況，在該情況中高的棱鏡頂點導致光不能被回收。在膜1101中，存在諸如大棱鏡1102的較大棱鏡和諸如小棱鏡1104的較小棱鏡。從膜經由大棱鏡1102出來的光線1103沒有進入小棱鏡1104，并因此不能被“回收”。
本發明的第三實施例是作為其中峰部頂點全部位于同一平面中的第二實施例的特殊情況而提出的。美國專利5,771,328(Wortman)討論了由于相鄰片材/膜的表面的接觸或非常接近而產生的不利的光耦合效應。美國專利5,771,328公開了使用這樣的棱鏡(其頂點凸出高于其余棱鏡頂點的距離至少是光在真空中的波長的約1.0倍)來控制兩個片材之間的光耦合，從而基本上減少了在顯示器的整個表面區域中出現包括不均勻光傳導的缺陷。然而，在美國專利5,771,328中公開的結構是重復的結構，所述結構趨于增強莫阿效應。本發明的第三實施例是一種這樣的實施例，其中第二實施例的全部棱鏡頂點的一部分突出到其余棱鏡頂點上方一定的距離，所述距離至少大約是光在真空中的波長的1.0倍。但是所述距離還是較小，從而可以防止膜亮度顯著降低。所產生的任何亮度降低均顯著低于現有技術膜約6％至8％的亮度降低，該現有技術的膜主要具有不共面峰部，即其中峰部高度的變化可達約2倍，即可達約10μm至20μm的膜。
在本發明的第三實施例中，選擇哪些棱鏡頂點應突出的方法不應有損于膜的表面結構的非周期性。例如，當π的第n個數字是諸如“9”的預先選擇數值時，第n個棱鏡頂點被允許突出成比π的第n個數字不是“9”時高出2.0μm。相鄰峰部之間的橫向距離的序列和相鄰谷部之間的橫向距離的序列應當相對于本發明第二實施例給出的那些序列進行相應調節，而不改變峰部和谷部的二面角。因為π的一隨機選擇的數字有10％的可能性為9，所以凸出的棱鏡相對于膜中所有棱鏡的期望比率將為10％。因此存在這樣的平面，膜的峰部不會相對于該平面上下偏移超過約1.0μm，所述平面是位于包括下部一組峰部的平面和包括上部一組峰部的平面之間的中間平面。構建這種結構化光學表面的其它方法對于本領域的技術人員是顯而易見的。如果凸出距離被改為1.0μm，則因此將存在這樣的平面，峰部相對于該平面的上下偏移不超過約0.5μm。在本發明第二實施例的情況下，存在這種的平面，峰部相對于所述平面的偏移不超過約0.2μm(或者諸如制造公差允許值之類的某些其它限制)。
產生控制兩個片材之間的光耦合的非周期性結構的其它方案對于本領域的技術人員是顯而易見的。例如，當π的第n個數字是奇數時，第n個棱鏡頂點可突出成比π的第n個數字不是奇數時高2.0μm。相鄰峰部之間的橫向距離的序列和相鄰谷部之間的橫向距離的序列應當相對于本發明第二實施例給出的那些序列進行相應調節。因為π的一隨機選擇的數字有50％的可能性是奇數，所以凸出的棱鏡相對于膜中所有棱鏡的期望比率將為50％。
現將對本發明的第二實施例所給出的特定實例優于可認為是現有技術的兩個具體實例(來自美國專利5,771,328(Wortman)和美國專利5,183,597(Lu))的優點進行描述。所述優點在某種程度上由本發明的所有實施例所共有。所考慮的第一現有技術的實例是由五個二面角為90°和基部寬度為30μm的對稱棱鏡、以及隨后五個二面角為90°和基部寬度為50μm的對稱棱鏡組成的結構化膜。所述十個棱鏡的成組結構無限地重復，且所有的棱鏡基部共面。第二現有技術的實例是一種由二面角為90°、基部寬度為50μm的對稱棱鏡的陣列無限重復構成的結構。當空間頻率分布不夠密，或者當空間頻率的分布過于集中時，都會出現莫阿圖案。空間頻率是結構中空間周期的倒數，如在“Optics”(Hecht and Zajac，Addison-Wesley，英國，倫敦，1974)中所討論的。空間頻率分布的密度是指出現在空間頻率空間的給定間隔(例如在1/30μm-1和1/100μm-1之間的間隔)中的空間頻率數。在此給出的對空間頻率的討論是概念性的，可能在數學上不十分嚴謹。在此的空間頻率是出現在倒易空間中的，所述倒易空間表示存在于真實空間中的90°二面角的鋸齒結構的空間頻率；這些結構包括實現本發明的一些結構，并還包括以上兩個現有技術實例。因為傅立葉空間是真實空間結構被分解為正弦函數和余弦函數的倒易空間，因此在此使用的倒易空間不是傅立葉空間。
在第二現有技術的實例中，存在1/50μm-1的基礎空間頻率，如圖12B所示，諧頻為1/(50k)μm-1，其中k是大于1的整數。在給出的第一現有技術的實例中，棱鏡頂點和棱鏡谷部橫向間距的基礎空間頻率分布在1/30μm-1和1/50μm-1處具有兩個相等強度的分量，以及在1/40μm-1處的較弱分量，所述較弱的分量對應于30μm基部寬度的棱鏡和鄰接的50μm基部寬度的棱鏡之間的棱鏡頂點的橫向間距。這種分布在圖12A中示出。更多的空間頻率可以來源于所述結構中的下一個最鄰近的棱鏡頂點和谷部橫向間距，來源于所述結構中的接下來的下一個最鄰近的棱鏡頂點和谷部橫向間距，等等。由于在第一現有技術實例中的所述下一個最鄰近的峰部或谷部的間距可以是60μm、70μm、80μm、90μm或100μm，因此相應的空間頻率分別是1/60μm-1、1/70μm-1、1/80μm-1、1/90μm-1和1/100μm-1。改進(即與僅包括50μm寬度的棱鏡的第二現有技術的實例相比，空間頻率的密度較大)是明顯的在第二現有技術的實例中，下一個最接近的相鄰距離僅為100μm，這對應于1/100μm-1的空間頻率。
但是考慮到本發明第二實施例所給出的特定實例的空間頻率分布，存在來源于橫向頂點間距的、形式為1/(30+2k)μm-1的十個基礎空間頻率，其中k是從零至9的整數。存在來源于橫向谷部間距的、形式為1/(30+k)μm-1的19個基礎空間頻率，其中k是從零至18的整數。該分布僅僅來源于結構中最接近的相鄰距離，并且通過比較可知所述分布的密度顯著地大于來源于兩個現有技術重復圖案結構的分布。圖12C中示出了來源于本發明第二實施例特定實例的空間頻率分布，其可與圖12A和圖12B進行對比。對于下一個最接近的相鄰距離，橫向峰部和谷部間距的空間頻率組具有37個元素并由1/(60+k)μm-1給出，其中k是從零至36的整數。通過考慮下一個的最接近的相鄰距離和接下來的下一個最接近的相鄰距離等等，加強了非周期性結構在產生較密的空間頻率分布中的優點。另一個優點在于，在趨向于0微米倒數的數學極限情況下，空間頻率的最大強度在這里描述的非周期性結構的情況中比在這里描述的重復圖案結構的情況中下降得更快。非周期性結構減少莫阿干涉圖案范圍的能力超過現有技術的重復圖案結構由此得到證明。
本領域的技術人員應當理解，在此公開的非周期性結構的另一個優點在于，所述非周期結構降低了莫阿干涉圖案問題的傾向，可以在顯示器中使用比通常采用的、以掩蓋上述問題的漫射體片更弱的漫射體片以增強給定顯示器的亮度，這是因為較弱的漫射體片通常比較強的漫射體片傳導更大部分入射至其上的光。
優選的是，相鄰峰部之間的最大橫向間距與最小橫向間距的比值約為1.2或更大。類似的，相鄰谷部之間最大橫向間距與最小橫向間距的比值優選約為1.2或更大。可選擇的是，相鄰峰部或相鄰谷部之間最大橫向間距與最小橫向間距的比值可分別約為1.5或更大。另外可選的是，相鄰峰部或相鄰谷部之間最大橫向間距與最小橫向間距的比值可分別約為2.0或更大。
在根據本發明制造的膜中，峰部之間平均距離優選地為大約1毫米或更小；更優選的是，當結構化膜在結合有液晶顯示器面板和類似設備的光學顯示器中使用時，該平均距離將為大約100微米或更小。更優選的是，對這些應用而言，該平均距離在大約20至大約60微米的范圍內。
技術人員應當理解，以上或以下描述的教導的任何可行及理想組合都形成本發明的一部分，并且落入權利要求的范圍內。例如，結構化光學膜可以具有高度相對于由所述膜限定的基準平面變化的峰部，所述基準平面不僅橫向穿過所述膜而且還縱向穿過所述膜，其中相鄰峰部之間的橫向距離的序列或相鄰谷部之間的橫向距離的序列中的一個序列是非周期性的或兩個序列都是非周期性的。可選或附加的是，谷部的高度可以相對于參考平面以類似的方式變化。
光學膜可以使用由任何已知方法制造的工具進行生產。如果用于生產所述膜的工具是一種輥時，工具可以通過以恒定或可變的螺紋間距進行螺紋切削、或者利用凹槽間恒定或可變間距進行切入切削(plungecutting)，或者任何其它有用的方法來制造。在本發明的第二實施例中，優選在形成用于制造所述膜的工具時在工具中形成相同深度的各凹槽。
如果用于形成所述膜的工具是通過切入切削形成的圓柱形輥，則通過切削工具可以持續改變形成在輥中的凹槽的深度。該變化可包括以位于最小值和最大值之間的恒定或可變比率改變凹槽的深度從而避免將重復圖案加入所述凹槽并因此加入膜中，不過具有在圍繞所述輥的外周散布的最小值和最大值之間的中間目標深度也是有益的。在本發明的第二實施例中，優選在形成用于制造所述膜的工具時在工具中形成相同深度的各凹槽。
當進行螺紋切削時，還理想的是，改變切削工具在不同的目標凹槽深度之間和/或不同的目標凹槽間距之間移動的轉數或“圈數”，并且使得輥在目標深度和/或目標間距之間的轉數不是整數。更優選的是，理想的是采用包括這樣一分數部分的轉數，所述分數部分不易乘以一整數而等于某一其它整數。凹槽深度上的將被改變的有效轉數的實例包括例如利用表達式1+1/π、1+π/20、1-1/π、或π的適當位有效數字而獲得的近似值。這樣凹槽的目標深度將在輥的各理想轉數的起始值和終止值之間變化。
工具被制造之后，能使用該工具根據任何適當的方法制造膜。在美國專利No.5,175,030(Lu等)和No.5,183,597(Lu)中討論了用于形成結構化光學膜的方法和材料的實例。應當理解，所選擇的制造過程至少有些依賴于用于所述膜的材料。
光學膜可以使用由任何已知方法制造的工具進行生產。應當理解，成品膜中峰部的高度是切入工具中的凹槽的深度的函數。如果用于生產所述膜的工具是柱形輥，則所述工具可以這樣制造，即，以用于形成峰部的凹槽之間的間距可變的方式對該輥進行螺紋切削從而在膜中生成變化的橫向峰部間距。用于沿所述工具以足夠高的速度使切削元件前進的工具的轉數將限定所形成的明顯凹槽的數量。
在本發明的第二實施例中，因為峰部頂點全部位于同一平面中，因此切入所述工具中的凹槽的深度也全部相等；對于螺紋切削而言，可通過在切削過程中改變所述切削元件在工具以恒定的角速度作方位角旋轉時沿著所述工具推進的速度，從而實現改變工具上凹槽之間的距離。在本發明的其它實施例(其中，峰部頂點在某一預定垂直距離范圍內共面，而谷部底部不必共面)中，對于螺紋切削，可通過以需要的量改變切入所述工具中的深度，以及通過與工具被切削同步地改變切削元件沿所述工具的推進速度，從而實現切入所述工具中的所需輪廓。
然而，用于制造第二實施例的膜的特定實例的工具可以由電鑄或其它適當的處理進行復制，從而形成在基礎工具上形成的圖案的“負像”。當所復制的工具隨后被用于形成膜時，會產生是由原始工具形成的膜的“負像”的膜。從而，由復制的工具形成的膜具有恒定的谷部深度，而峰部高度在整個膜上變化。這恰好與本發明第二實施例的膜的特定實例的特征相反。本領域的技術人員應當理解，形成為制造作為本發明實施例的膜的工具可以通過電鑄或其它適當的處理進行復制，從而形成在基礎工具上形成的圖案的“負像”。復制的工具隨后被用于制造膜，所述膜是從原始工具形成的膜的“負像”。
由圖2類推，根據本發明制造的兩個非周期性結構化光學膜可以以交錯關系組合，從而降低莫阿干涉圖案的可見性。作為選擇，采用根據本發明的結構化膜作為這種成對構造的上層是有益的，這是因為上層是莫阿干涉圖案可見性的最大影響因素。根據本發明的膜被用于上部膜時，下部膜可以是任何其它合適的對增強光學顯示器的亮度有效的結構化光學膜。用于與根據本發明制造的結構化光學膜配對的適當的膜的實例可以從Minnesota Mining and Manufacturing Company，St.Paul，Minn.獲得(以商品名Brightness Enhancement Film進行銷售)。
圖13示出了一種應用，在所述應用中有利地使用一層或多層根據本發明制造的結構化光學膜。所述應用是一種背光光學顯示器組件80。所述組件80包括顯示器面板82和根據本發明制造的兩層交錯的結構化光學膜84、86。膜84是所述兩層結構化膜中的“上部膜”。所述光學顯示器組件80包括用于照亮顯示器面板82的背光組件88。所述組件80可包括一個或多個現有技術已知的其它光學膜(未示出)，諸如在US 5,828,488和US 6,025,897中描述的反射偏光器膜。盡管在圖13中描繪了兩個結構化光學膜，但是應當理解光學顯示器可以僅包括根據本發明制造的單個的結構化光學膜；可選的是，膜84和膜86的其中之一可以是現有技術已知的膜。所述組件中還可包括現有技術已知的其它膜(未示出)。
盡管根據本發明的實施例已經示出了一個表面被結構化的結構化光學膜，然而所述膜還可以額外設有另一結構化表面，因此所述膜具有至少一個結構化表面。
盡管在本文的附圖中描述的本發明實施例中強調了峰部和谷部的二面角為90°，然而應當理解，本發明的實施例還包括峰部和谷部二面角等于除90°以外的其它角度的膜。例如，等于59°和79°之間范圍內的某一角的峰部和谷部二面角在光重定向的應用中已知是有用的，其可用來將光束轉過65°至85°范圍內的某一角。在光學顯示器組件的這種應用中，實施了本發明的膜可以置于光源和顯示器面板之間。在這種應用中，所述膜可以有效地降低莫阿效應或由光耦合產生的其它光學贗象(artefact)，如在此進行描述的那樣。
盡管可以改變用于制造根據本發明的結構化光學膜的具體材料，然而重要的是所述材料應基本透明，以確保較高的光傳導率。商業上可獲得用于此目的的有用聚合材料，如標稱折光系數分別為大約1.493和1.586的丙烯酸樹脂和聚碳酸酯。其它有用的聚合物包括丙烯酸酯、聚酯、聚丙烯、聚氨酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等等。盡管具體材料不重要，然而具有更高折射系數的材料通常為優選的。在美國專利No.5,175,030(Lu等)和No.5,183,597(Lu)中討論了用于形成結構化光學膜的有用材料。
而且，盡管以上對生產用于制造根據本發明的結構化光學膜的工具的方法進行了描述，然而應當理解任何生產工具和/或制造具有非周期性的峰部橫向間距序列和非周期性的谷部橫向間距序列的結構化光學膜的方法都可被取代。
而且，盡管以上討論的焦點集中在用于制造根據本發明的結構化光學膜的柱形工具的使用上，然而應當理解的是平面工具也可以用于制造所述膜。此外，盡管柱形輥的螺紋切削不會產生具有嚴格平行的棱鏡的膜，然而為了本發明的目的，所述棱鏡將大體平行。
在不脫離本發明的范圍的情況下，本發明的各種修改和改型對于本領域的技術人員是顯而易見的，并且應當理解的是本發明不會不適當地局限于在此闡述的示例性實施例。
權利要求
1.一種具有結構化表面的結構化光學膜，所述結構化表面包括多個基本平行而且細長的光導向元件，各元件具有相應的峰部并在與相鄰元件的接合處限定相應的谷部，各所述峰部和谷部限定了基本相同的二面角并基本不間斷地在所述結構化表面上延伸，其中，由相鄰峰部之間的連續橫向距離限定的第一序列是第一非周期性序列，而由相鄰谷部之間的連續橫向距離限定的第二序列是第二非周期性序列，所述第二序列是基于所述第一序列構造的，從而所述峰部設置為基本共面的形式。
2.如權利要求1所述的膜，其中，存在與各相應峰部的距離不超過約1.0μm的平面，在此意義上所述峰部基本上共面。
3.如權利要求1所述的膜，其中，存在與各相應峰部的距離不超過約0.5μm的平面，在此意義上所述峰部基本上共面。
4.如權利要求1所述的膜，其中，存在與各相應峰部的距離不超過約0.2μm的平面，在此意義上所述峰部基本上共面。
5.如權利要求1所述的膜，其中，靠近各對相鄰谷部的一側具有第一峰部，靠近所述各對相鄰谷部的另一側具有第二峰部，各對相鄰谷部之間的所述橫向距離是所述第一峰部和所述第二峰部之間橫向距離的一半。
6.一種具有結構化表面的結構化光學膜，所述結構化表面包括多個基本平行而且細長的光導向元件，各元件具有相應的峰部并在與相鄰元件的接合處限定相應的谷部，各所述峰部和谷部限定了基本相同的二面角并基本不間斷地在所述結構化表面上延伸，其中，由相鄰峰部之間的連續橫向距離限定的第一序列是第一非周期性序列，而由相鄰谷部之間的連續橫向距離限定的第二序列是第二非周期性序列，所述第一序列是基于所述第二序列構造的，從而所述谷部設置為基本共面的形式。
7.如權利要求6所述的膜，其中，存在與各相應谷部的距離不超過約1.0μm的平面，在此意義上所述谷部基本上共面。
8.如權利要求6所述的膜，其中，存在與各相應谷部的距離不超過約0.5μm的平面，在此意義上所述谷部基本上共面。
9.如權利要求6所述的膜，其中，存在與各相應谷部的距離不超過約0.2μm的平面，在此意義上所述谷部基本上共面。
10.如權利要求6所述的膜，其中，靠近各對相鄰峰部的一側具有第一谷部，靠近所述各對相鄰峰部的另一側具有第二谷部，各對相鄰峰部之間的所述橫向距離是所述第一谷部和所述第二谷部之間橫向距離的一半。
11.如在前權利要求中任一項所述的膜，其中，相鄰峰部或相鄰谷部之間的最大橫向距離與最小橫向距離的比值分別為1.2或更大。
12.如權利要求1至10中任一項所述的膜，其中，相鄰峰部或相鄰谷部之間的最大橫向距離與最小橫向距離的比值分別為1.5或更大。
13.如權利要求1至10中任一項所述的膜，其中，相鄰峰部或相鄰谷部之間的最大橫向距離與最小橫向距離的比值分別為2.0或更大。
14.一種光學顯示器組件，所述光學顯示器組件包括顯示器面板；背光組件；以及根據前權利要求中任一項所述的結構化光學膜，所述膜位于所述背光組件和所述顯示器面板之間。
15.如權利要求14所述的光學顯示器組件，所述光學顯示器組件還包括第二結構化光學膜，所述第二結構化光學膜位于所述背光組件和所述第一結構化光學膜之間，并且所述第二結構化光學膜具有包括多個細長棱鏡的結構化光學表面，其中所述膜取向為所述第二膜的所述細長元件相對于所述第一膜的所述細長元件基本交錯。
16.一種光學顯示器組件，所述光學顯示器組件包括顯示器面板；光源；以及根據權利要求1至13中任一項所述的結構化光學膜，所述膜位于所述光源和所述顯示器面板之間。
17.一種設置成生產基礎工具的基礎工具生產系統，所述基礎工具被構造為制造根據權利要求1至13中任一項所述的結構化光學膜。
18.一種基本如參考圖7至圖13在此描述的結構化光學膜。
19.一種基本如參考圖7至圖13在此描述的光學顯示器組件。
全文摘要
本發明公開了結構化光學膜和結合有所述膜的光學顯示器。所述膜具有結構化表面，所述結構化表面包括多個基本平行而且細長的光導向元件。各元件具有相應的峰部并在與相鄰元件的接合處限定相應的谷部。各所述峰部和谷部限定了基本相同的二面角并基本不間斷地在所述結構化表面上延伸。由相鄰峰部之間的連續橫向距離限定的第一序列是第一非周期性序列。由相鄰谷部之間的連續橫向距離限定的第二序列是第二非周期性序列。所述第二序列是基于所述第一序列構造的，從而所述峰部設置為基本共面的形式。可選的是，所述第一序列是基于所述第二序列構造的，從而所述谷部設置為基本共面的形式。
文檔編號G02B5/04GK101080654SQ200580043264
公開日2007年11月28日 申請日期2005年12月16日 優先權日2004年12月16日
發明者戴維·約翰·博頓利 申請人:微尖科技有限公司