具有小透鏡和棱鏡簇的雙面光學膜的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明整體涉及微結構化光學膜，具體涉及其中相背對的主表面均被結構化的此類膜，以及結合有此類膜的制品和系統和有關此類膜的方法。
【背景技術】
[0002]在其相背對的主表面上具有結構化表面的光學膜是已知的，在本文中將其稱作雙面光學膜。在一些此類膜中，一個結構化表面具有形成于其中的透鏡特征結構，并且另一個結構化表面具有形成于其中的棱鏡特征結構。棱鏡特征結構與透鏡特征結構之間存在一一對應關系，并且單獨的棱鏡特征結構是延伸的并且平行于彼此且平行于單獨的透鏡特征結構延伸，該單獨的透鏡特征結構也是延伸的。已公開此類膜在三維自動立體顯示系統中用作光學光重定向膜。參見例如美國專利8，035，771(8抑《等人)和8，068，187(他4丨叫&等人)，以及專利申請公布US 2005/0052750(King等人)、US 2011/0149391 (Brott等人)和US2012/0236403(Sykora等人)。
【發明內容】
[0003]已開發出一類新型雙面光學膜，其中第一結構化表面具有形成于其中的延伸的小透鏡，并且與第一結構化表面相背對的第二結構化表面具有形成于其中的延伸的棱鏡。小透鏡平行于彼此并平行于大致平行于膜平面的延伸軸進行延伸，并且棱鏡也平行于彼此并平行于延伸軸進行延伸。棱鏡被分組成相鄰透鏡的多個獨立的簇。每個棱鏡簇與小透鏡中的對應的一個小透鏡相關聯并且具有至少3個棱鏡。每個小透鏡限定焦點和焦面。棱鏡簇中的棱鏡的頂點被設置在相關聯的小透鏡的焦面處或焦面附近。例如，焦區可被限定為如下空間，其包含焦面并且具有以差分距離DD與焦面分開的邊界，該差分距離DD等于小透鏡的軸向焦距的20%，并且與小透鏡相關聯的棱鏡簇中的棱鏡的棱鏡頂點被設置在小透鏡的焦區中。當被斜光照明時，每個小透鏡/棱鏡簇對以及任選地作為整體的光學膜能夠產生N條成角度分離的光束，N為每個棱鏡簇中的棱鏡的數量。
[0004]因此，除了其他方面，本申請公布了具有相背對的第一結構化表面和第二結構化表面的光學膜，其中第一結構化表面具有形成于其上的多個延伸的小透鏡，并且第二結構化表面具有形成于其上的多個延伸的棱鏡。多個小透鏡沿平行于延伸軸的相應小透鏡軸延伸，并且延伸的棱鏡具有同樣平行于延伸軸的相應延伸的棱鏡頂點。棱鏡被分組成彼此分開的多個棱鏡簇，每個棱鏡簇具有至少三個棱鏡，并且每個棱鏡簇與小透鏡中的對應的一個小透鏡相關聯;每個小透鏡限定焦面，并且對于每個小透鏡來說，與小透鏡相關聯的棱鏡簇中的棱鏡的棱鏡頂點被設置在小透鏡的焦面處或焦面附近。例如，對于每個小透鏡來說，小透鏡可具有軸向焦距，并且焦區包含焦面并具有以差分距離DD與焦面分開的邊界，該差分距離DD等于軸向焦距的20%，并且與小透鏡相關聯的棱鏡簇中的棱鏡的棱鏡頂點可被設置在小透鏡的焦區中。在一些情況下，對于每個小透鏡來說，與小透鏡相關聯的棱鏡簇中的棱鏡的棱鏡頂點可被設置在介于焦面和小透鏡之間的焦區的一部分中。
[0005]對于每個小透鏡來說，與小透鏡相關聯的棱鏡簇中的棱鏡的棱鏡頂點可處于平面中。對于每個小透鏡來說，焦面在垂直于延伸軸的橫截面中可具有第一彎曲形狀。與每個小透鏡相關聯的棱鏡簇中的棱鏡的棱鏡頂點可沿橫截面中的第二彎曲形狀布置，并且第一彎曲形狀和第二彎曲形狀可具有相同的歸向，例如，均可為凹形或均可為凸形。每個棱鏡簇可包括5個棱鏡或10個棱鏡。棱鏡簇可各自包含相同數量N的棱鏡，其中N為至少3，或至少5，或至少10。
[0006]對于每個小透鏡來說，相關聯的棱鏡簇可具有N個棱鏡，并且小透鏡可與其相關聯的棱鏡簇相結合，以在第二結構化表面被來自第一光源的斜光照明時提供限定N條成角度分離的光束的第一小透鏡輸出光，并且N可為至少3。該膜可結合設置的漫射膜以接收第一小透鏡輸出光以將N條成角度分離的光束轉換為一條光束。
[0007]該光學膜可限定膜平面和垂直于該膜平面的厚度軸，并且小透鏡中的至少一些小透鏡在垂直于延伸軸的橫截面中可具有復合曲率。此類小透鏡還可在該橫截面中具有相應的對稱小透鏡軸，并且該對稱小透鏡軸中的至少一些對稱小透鏡軸可相對于厚度軸傾斜。相似地，棱鏡可在該橫截面中具有相應的對稱棱鏡軸，并且該對稱棱鏡軸中的至少一些對稱棱鏡軸可相對于厚度軸傾斜。
[0008]小透鏡可按照小透鏡間距間隔開，并且棱鏡簇可按照簇間距間隔開，并且小透鏡間距可以等于簇間距。另選地，小透鏡間距可以不等于簇間距。光學膜可以與被設置成靠近第一結構化表面的漫射膜相結合。
[0009]還公開了光學系統，其中雙面光學膜與光導相結合，其中光導具有適于優先地以斜角發射光的主表面，并且該光學膜可被設置成靠近光導并被取向成使得從光導的主表面發射的光穿過光學膜的第二結構化表面進入光學膜。該系統還可包括被設置成靠近光導的相應的相背對的第一端部和第二端部的第一光源和第二光源，第一光源和第二光源提供從光導的主表面發射的不同的相應第一斜光束和第二斜光束。光學膜和光導可為非平面的。光學膜和光導可為柔性的。光學膜可附接到光導。
[0010]本文還討論了相關的方法、系統和制品。
[0011 ]從下面的詳細描述，本申請的這些和其他方面將顯而易見。然而，在任何情況下都不應將上述
【發明內容】
理解為是對要求保護的主題的限制，該主題僅由如在審查期間可以進行修改的所附權利要求書限定。
【附圖說明】
[0012]結合附圖可有助于更全面地理解本發明的創造性方面，其中:
[0013]圖1A是包括雙面光學膜的例示性照明系統的示意性側視圖；
[0014]圖1B是圖1A的照明系統的一些部件的示意透視圖；
[0015]圖2是光導的示意性透視圖，其以放大的方式示出在光導的兩個主表面上的示例性表面結構；
[0016]圖2A是與平行光源結合的圖2的光導的視圖，其示出光導如何能夠被有效地細分或劃分，其中在光導的給定側上的光源隨所述細分或劃分的變化而被打開；
[0017]圖3是圖1A的照明系統的示意性側視圖，其中一個光源被通電，該光源產生從雙面光學膜發射的第一組輸出光束；
[0018]圖4是類似于圖3的示意性側視圖，但相對的光源被通電，該光源產生從雙面光學膜發射的第二組輸出光束；
[0019]圖5是雙面光學膜的一部分的示意性側視圖或剖視圖；
[0020]圖5A是圖5的小透鏡中的一個小透鏡的示意性側視圖或剖視圖，并且圖5B是圖5的棱鏡簇中的一個棱鏡簇的示意性側視圖或剖視圖，并且圖5C是限定N條成角度分離的光束的假想小透鏡輸出光的理想化圖，這些光束可在斜光照明圖5中膜的第二結構化表面時產生；
[0021]圖6是類似于圖5的雙面光學膜的一部分的示意性側視圖或剖視圖，但是其中每個棱鏡簇中的棱鏡頂點是非共面的，并且圖6A是圖6的棱鏡簇中的一個棱鏡簇的示意性側視圖或剖視圖；
[0022]圖7是類似于圖5的雙面光學膜的一部分的示意性側視圖或剖視圖，但是其中相鄰棱鏡簇被平坦表面而非深V型槽分開；
[0023]圖8是類似于圖6的雙面光學膜的一部分的示意性側視圖或剖視圖，但是其中相鄰棱鏡簇被平坦表面而非深V型槽分開；
[0024]圖9是示例性雙面光學膜的示意性側視圖或剖視圖，其中小透鏡與其相應的棱鏡簇對準，并且小透鏡的間距與棱鏡簇的間距相同；
[0025]圖10是示例性雙面光學膜的示意性側視圖或剖視圖，其中小透鏡的間距與棱鏡簇的間距不同；
[0026]圖10A是圖10的膜的另一個示意性側視圖或剖視圖，其中示出了小透鏡/棱鏡簇對的光軸如何彼此不平行以及它們與膜的光軸的關系；
[0027]圖11是示例性膜的小透鏡的示意性側視圖或剖視圖，該小透鏡具有復合曲率和對稱軸或光軸；
[0028]圖12是小透鏡/棱鏡簇對的示意性側視圖或剖視圖，該小透鏡/棱鏡簇對的光軸相對于膜的厚度軸傾斜，其中小透鏡具有相對于厚度軸傾斜的對稱小透鏡軸，并且其中單個棱鏡對稱棱鏡軸也相對于厚度軸傾斜；
[0029]圖13是雙面光學膜的示意透視圖；
[0030]圖13A是圖13的膜在第二結構化表面被來自第一光源的斜入射光照明時小透鏡輸出光的模擬亮度的圖，而圖13B是類似的圖，但第二結構化表面被來自與第一光源相對的第二光源的斜入射光照明；
[0031]圖13C是圖13A和圖13B的跡線疊加到彼此上的圖，并且圖13D是示出那些跡線的組合的圖；
[0032]圖14是雙面光學膜的示意性側視圖或剖視圖，并且圖14A是該膜在第二結構化表面被斜入射光照明時模擬膜輸出光的圖；
[0033]圖15是另一種雙面光學膜的示意性側視圖或剖視圖，并且圖15A是該膜在第二結構化表面被斜入射光照明時模擬膜輸出光的圖；
[0034]圖16是另一種雙面光學膜的示意性側視圖或剖視圖，并且圖16A是該膜在第二結構化表面被斜入射光照明時模擬膜輸出光的圖；
[0035]圖17是另一種雙面光學膜的示意性側視圖或剖視圖，并且圖17A是該膜在第二結構化表面被斜入射光照明時模擬膜輸出光的圖；
[0036]圖18是圖17的膜與漫射膜相結合的示意性側視圖或剖視圖，并且圖18A是示出漫射體能夠如何修改或平滑圖17A的膜輸出光的圖；并且
[0037]圖19A至圖19E是光學系統的示意透視圖，其中展示了雙面光學膜和/或其相關聯的光導可能具有的若干平面和非平面形狀。
[0038]本文示出的示意圖未必按比例繪制，然而除非另外指明，否則假定本文的圖具有準確的尺寸。附圖中使用的類似附圖標號是指類似等元件。
【具體實施方式】
[0039]圖1A示出了能夠利用本發明所公開的雙面光學膜的獨特性質的光學系統100。光學系統100可作為顯示系統的一部分，但也可以想到其他設備和應用，包括諸如燈具、工作燈和靜態背光標牌等環境照明設備。相對于笛卡爾x-y-z坐標系示出系統100，使得可以更容易地討論所選特征結構的方向和取向。系統100包括一個或多個光導150、一個或多個第一光源134以及一個或多個第二光源132。系統100還包括雙面光學膜140，其更多細節將在下文予以討論。坐標系的x-y平面被假設為平行于膜140的平面，其通常還平行于光導150的平面。
[0040]光源132，134被設置在光導的相反的兩端上，并且從相反的方向將光注入到光導中。每個光源可以發射名義上的白光以及具有期望的色調或色溫的光。另選地，每個光源可以發射有色光，例如被認為是紅色、綠色、藍色或另一種已知的非白色的光，和/或可以發射紫外和/或紅外(包括近紅外)光。光源還可以是或者包括單獨的光發射裝置的群集，其中一些或全部群集可以發射非白色的有色光，但來自單獨裝置的光的組合可以產生標稱白色光，例如來自紅光、綠光和藍光的總和。光導的相反的兩端處的光源可以發射不同的白光或非白色的光，或者它們可以發射相同顏色的光。光源132，134可以是任何已知設計或類型的，例如，一者或兩者可以是或包括冷陰極熒光燈(CCFL)，并且一者或兩者可以是或包括一種或多種無機固態光源諸如發光二極管(LED)或激光二極管，并且一者或兩者可以是或包括一種或多種有機固態光源諸如有機發光二極管(0LED)。用于在附圖中表示光源的圓形形狀僅僅是示意性的，而不應理解為排除LED，或任何其他合適類型的光源。光源132，134優選是可電子控制的，使得任一個光源可被通電至打開狀態(產生最大或其他顯著的光輸出)，同時使另一個光源處于關閉狀態(產生很少或沒有光輸出)，或如果需要，兩者可以同時處于打開狀態，并且在非使用期間兩者均可關閉。在許多情況下，光源132，134不必滿足關于切換速度的任何特定要求。例如，盡管光源132，134中的任一者或兩者可以能夠在關閉狀態和打開狀態之間以人眼難以察覺的速率(例如，至少30Hz或60Hz)重復轉變，但是此類能力在許多實施例中是不必要的。(對于無閃爍操作，轉變速率可以在50Hz至70Hz或更大的范圍內；對于兩邊操作，用于顯示面板(如果存在的話)和光源的轉變速率可以在100Hz至140Hz(或更大)的范圍內。)因此，也可以使用在打開狀態和關閉狀態之間具有慢的多的特征轉變時間的光源。
[0041 ] 光導150包括與第一光源134相鄰的第一光輸入側150c和與第二光源132相鄰的相背對的第二光輸入側150d。第一光導主表面150b在第一側面150c和第二側面150d之間延伸。與第一主表面150b相背對的第二光導主表面150a也在第一側面150c和第二側面150d之間延伸。光導150的主表面150b，150a可以基本上彼此平行，或者它們可以是非平行的，使得光導150為楔形的。光可以從光導150的表面150b, 150a中的任一者反射或發射，但通常光從表面150a發射并從表面150b反射。在一些情況下，可以在第一表面150b上或與第一表面150b相鄰地提供高度反射表面，以有助于將光重定向通過第二表面150a離開。光提取特征結構諸如淺棱鏡結構152，或其他光提取特征結構諸如透鏡特征結構、白點、霧度涂層和/或其他特征結構可被設置在光導150的主表面150b，150a中的一者或兩者上。下面結合圖2討論光導的示例性光提取特征結構。光提取特征結構通常被選擇為使得從主表面150a發射的光優先地以高度傾斜的角度傳播到空氣中(如在x-z平面上測量)，而非以平行于或僅略偏離z軸的法線或近法線傳播方向(同樣在x-z平面上測量)進行傳播。例如，從表面150a發射進入到空氣中的光可以具有使相對于表面法線(z軸)的角度為60度或更大、或者70度或更大、或者80度或更大的峰強度方向，其中峰強度方向是指輸出光束在x-z平面中沿其的強度分布是最大的方向。
[0042]光導150可以具有實心形式，即，其在第一主表面150a和第二主表面150b之間可以具有完全實心的內部。固體材料可以是或包括任何合適的透光性材料，諸如玻璃、丙烯酸類樹脂、聚酯或其他合適的聚合物或非聚合物材料。另選地，光導150可以是中空的，S卩，其內部可以是空氣或另一種氣體或真空。如果是中空的，則光導150在其相背對的兩側上具有光學膜或類似組件，以提供第一主表面150a和第二主表面150b。中空光導還可以被劃分或細分為多個光導。無論是實心還是中空的，光導150可以是基本上平面的，或者其可以是非平面的，例如波浪形的或彎曲的，并且曲率可以微小的(接近平面的)或極大的，包括其中光導自身向內彎曲以形成完整或部分的管的情況。此類管可以具有任何所需的橫截面形狀，包括彎曲形狀諸如圓形或橢圓形，或多邊形形狀諸如正方形、矩形或三角形，或任何此類形狀的組合。就這一點而言，中空管狀光導可由自身向內彎曲以形成中空管的單塊光學膜或類似的一個或多個部件制成，在這種情況下，光導的第一主表面和第二主表面均可理解為由此類光學膜或一個或多個部件提供。曲率可以僅在x-z平面內，或僅在y-z平面內，或在這兩個平面內。盡管光導和雙面膜可以為非平面的，為簡單起見，圖中將它們示出為平面的；在前一種情況下，可以將附圖解釋為示出光導和/或光學膜的足夠小的部分，使得其看起來為平面的。無論是實心還是中空的，根據構造的一種或多種材料和它們各自的厚度，光導可以是在物理上剛性的，或者其可以是柔性的。柔性光導或光學膜可以被彎曲或以其他方式操縱以將其形狀從平面形狀改為彎曲形狀或者反之亦然，或者從在一個平面內彎曲改變為在正交平面內彎曲。
[0043]雙面光學膜140被假定為位于或限定大致平行于x-y平面的膜平面，該雙面光學膜被設置成接收由光導150傾斜發射的光。膜140具有第一結構化表面140a和與第一結構化表面相背對的第二結構化表面140b。延伸的小透鏡144形成于結構化表面140a，其大致背離光導150取向。
[0044]延伸的棱鏡(更好地示出于后面的附圖中)形成于第二結構化表面140b，其大致朝向光導150取向。在這一取向中，由光導150的主表面150a發射的光入射到棱鏡上，這有助于偏轉入射光。入射光被膜140偏轉并穿過膜140，以提供來自膜140的膜輸出光。如下文進一步所述，膜輸出光的特性受到光源132，134中的哪個光源處于打開狀態的影響，并且受到小透鏡和棱鏡之間的空間關系的影響。當一個光源打開時，第一膜輸出光可包括第一組N條成角度分離的光束。當相對的光源打開時，第二膜輸出光可包括第二組N條成角度分離的光束，該光束可基本上與第一組光束對齊或不對齊。如下文其他附圖更好地示出，棱鏡被分組成相鄰棱鏡的多個簇，該簇彼此分開，并且每個棱鏡簇與小透鏡中的對應的一個小透鏡相關聯。這些棱鏡具有尖銳頂點，以便提供光束邊緣，該邊緣從例如強度對角度曲線圖中測量為尖銳的。
[0045]棱鏡和小透鏡144兩者通常是線性的，或者，在其中一者或兩者不是精確線性(例如不直)的情況下，它們以其他方式沿著特定平面內軸延伸或延伸。因此，小透鏡144可以沿著彼此平行的小透鏡軸延伸。一個此類軸在圖1B中被示為軸145，其被假設為平行于y軸。棱鏡可以沿著彼此平行的相應棱鏡軸延伸。延伸的小透鏡軸通常