專利名稱：防止光學耦合的光學膜的制作方法
技術領域：
本發明整體涉及包括低折射率光學膜的光學構造和顯示系統，所述低折射率光學膜用于防止由空氣間隙分隔開的兩層或兩個組件之間的光學損耗或不利光學耦合。
背景技術：
液晶顯示系統通常包括多個層，例如一個或多個漫射器層、用于偏轉光的一個或多個棱柱層、以及一個或多個反射型和/或吸收型偏振器層。這些膜中的至少一些彼此由空氣間隙分隔開。當兩個此類膜彼此進行直接接觸時，光可在兩個膜之間的接觸位置處進行光學耦合。光學耦合常常在顯示器中導致不利的明顯可見的亮點或條紋。
發明內容
一般來講，本發明涉及光學構造和顯示系統。在一個實施例中，光學構造包括彼此面對且由空氣間隙分隔開的第一和第二主表面。第一和第二表面易于在空氣間隙中的第一位置處彼此直接接觸。光學構造包括設置在第一位置處的光學膜。光學膜防止第一和第二主表面在第一位置處彼此接觸。光學膜具有不大于約1. 3的有效折射率。在一些情況下， 光學膜包括粘結劑、多個顆粒和多個互連空隙。在一些情況下，光學膜具有不大于約1. 2、或不大于約1. 1的有效折射率。在另一個實施例中，光學組件包括第一光學層和光學構造，所述光學構造包括第二光學層和設置在第一和第二光學層之間的光學膜。光學膜具有不大于約1. 3的有效折射率。光學構造中每兩個相鄰主表面的相當大一部分彼此直接接觸。光學組件還包括設置在第一光學層和光學構造之間的空氣間隙。當第一光學層與光學膜進行直接接觸時，第一和第二光學層之間不發生光學耦合。在一些情況下，第一和第二光學層中的至少一者為棱柱光偏轉層或反射型偏振器層。在一些情況下，光學膜包括粘結劑、多個顆粒和多個互連空隙。在一些情況下，光學膜具有不大于約1. 2、或不大于約1. 1的有效折射率。在一些情況下，光學膜具有不大于約的光學霧度。在一些情況下，光學構造中每兩個相鄰主表面的至少50 %、或至少70 %、或至少90 %彼此直接接觸。在一些情況下，光學膜涂布在第二光學層上。在一些情況下，光學膜具有不小于約1微米的最小厚度。在另一個實施例中，顯示系統包括光源、從光源接收光的液晶面板、設置在液晶面板和光源之間的第一主表面、設置在第一主表面和光源之間的第二主表面、分隔第一和第二主表面的空氣間隙、以及設置在第一和第二主表面之間的光學膜。光學膜防止兩個主表面彼此直接接觸。光學膜包括粘結劑、多個顆粒和多個互連空隙。在一些情況下，第一和第二主表面中的至少一者為棱柱光偏轉層或反射型偏振器層的主表面。在一些情況下，光學膜不小于約1微米的厚度。在另一個實施例中，光源包括光導、沿光導的端面設置的一個或多個燈、以及設置在光導的至少一部分上的光學膜。當光導與物體進行直接接觸時，光學膜防止光學損耗。光學膜具有不小于約1微米的厚度和不大于約1. 3的有效折射率。在一些情況下，光學膜具有不大于約1. 2的有效折射率。在一些情況下，光學膜包括多個顆粒和分散于第一介質中的多個空隙。光學膜的有效折射率小于第一介質的折射率。
結合附圖對本發明的各種實施例所做的以下詳細描述將有利于更完整地理解和領會本發明，其中圖1為光學構造的示意性側視圖；圖2為光學組件的示意性側視圖；圖3為顯示系統的示意性側視圖；圖4為圖案化光學膜的示意性側視圖；并且圖5為光源的示意性俯視圖。在說明書中，多個附圖中使用的相同附圖標號是指具有相同或類似特性和功能的相同或類似元件。
具體實施例方式本發明整體涉及包括低折射率光學膜的光學構造和顯示系統，所述低折射率光學膜用于防止由空氣間隙分隔開但易于彼此直接接觸的兩層之間的光學耦合。本發明還涉及包括低折射率光學膜的光學組件，所述低折射率光學膜用于防止可導致光學損耗的直接接觸。由于一些本發明所公開的光學膜包括多個空隙，因此其支持全內反射(TIR)或增強內反射(EIR)。當在光學透明無孔介質中傳播的光入射到具有高孔隙度的層上時，入射光在傾斜角度處的反射率比在垂直入射角度處的反射率高得多。就無霧度或低霧度多孔膜而言，在大于臨界角的傾斜角度處的反射率接近約100%。在此類情況下，入射光發生全內反射(TIR)。就高霧度多孔膜而言，盡管光不會發生TIR，但類似入射角度范圍內的傾斜角度反射率可以接近100%。高霧度膜的這種增強反射率類似于TIR，被稱為增強內反射(EIR)。如本文所用，所謂多孔(或有空隙的)光學膜增強內反射(EIR)，是指與無空隙的膜或層疊膜相比，有空隙的膜或層疊膜的多孔和無孔層邊界處的反射率較大。一些本發明所公開的光學膜包括分散于粘結劑中的多個足夠小空隙并且具有顯著降低的有效折射率。本發明所公開的光學膜中的空隙具有折射率^和電容率εν，其中 ην2= ε ν，粘結劑具有折射率nb和電容率￡b，其中nb2= ε b。通常，光學膜與光的相互作用 (如光入射到光學膜上或在其中傳播)取決于多種膜特性，例如膜厚度、粘結劑折射率、空隙或孔的折射率、孔的形狀和大小、孔的空間分布和光的波長。在一些情況下，入射到光學膜上或在其中傳播的光“識別”或“感受”有效折射率，所述有效折射率可以空隙折射率nv、 粘結劑折射率nb、以及空隙孔隙度或體積分數“f”來表示。在此類情況下，光學膜足夠厚并且空隙足夠小，以使得光無法分辨單個空隙或隔離空隙的形狀和特征。在此類情況下，至少大部分空隙(如至少60%或70%或80%或90%的空隙)的尺寸不大于約λ/5，或不大于約λ/6，或不大于約λ/8，或不大于約λ/10，或不大于約λ/20，其中λ為光的波長。在一些情況下，入射到本發明所公開的光學膜上的光是可見光，即光的波長在電磁光譜的可見區內。在此類情況下，可見光的波長在約380nm至約750nm，或約400nm至約 700nm，或約420nm至約680nm范圍內。在此類情況下，如果空隙中的至少大部分(例如空隙中的至少60%或70%或80%或90% )的尺寸不大于約70nm、或不大于約60nm、或不大于約50nm、或不大于約40nm、或不大于約30nm、或不大于約20nm、或不大于約10nm，則該光學膜具有有效折射率并包括多個空隙。在一些情況下，本發明所公開的光學膜要足夠厚，從而使光學膜可以合理地具有可以用空隙和粘結劑的折射率以及空隙或孔體積分數或孔隙度表示的有效折射率。在此類情況下，光學膜的厚度不小于約lOOnm、或不小于約200nm、或不小于約500nm、或不小于約 700nm、或不小于約1，OOOnm。當本發明所公開的光學膜中的空隙足夠小，并且光學膜足夠厚時，光學膜具有可以用下式表示的有效電容率、ff:eeff = f ev+(l"f) eb ⑴在此類情況下，光學膜的有效折射率nrff可以表示為neff2 = fnv2+(l-f)nb2 (2)在一些情況下，例如當孔與粘結劑的折射率差值足夠小時，光學膜的有效折射率可以大致表示為neff = fnv+(l-f)nb (3)在此類情況下，光學膜的有效折射率為空隙和粘結劑的折射率的體積加權平均數。例如，空隙體積分數為約50%、粘結劑折射率為約1. 5的光學膜具有約1. 25的有效折射率。圖1為光學構造100的示意性側視圖，所述光學構造100包括與相鄰的第二主表面120通過空氣間隙130分隔開的第一主表面110。主表面110和120易于在空氣間隙中彼此直接接觸。例如，兩個主表面可因與第一主表面110相關的層的尺寸、重量、或卷曲而彼此直接接觸。具體地講，兩個主表面易于在空氣間隙中的一個或多個位置(例如間隙內的位置“X”)處彼此直接接觸。光學構造100包括設置在空氣間隙130中第二主表面120 上的位置“X”處的光學膜140。在一些情況下，光學膜可設置在第一主表面110上的位置“X”處。在一些情況下，一個光學膜可設置在第一主表面110上的位置“X”處并且另一個光學膜可設置在第二主表面120上的相同位置“X”處。光學膜140防止第一和第二主表面在第一位置“X”處彼此直接接觸。如本文所用，兩個主表面之間的“直接接觸”是指兩個主表面在接觸點處之間的距離小于大約光的波長。例如，如果兩個主表面之間的距離小于約0.7 微米、或小于約0. 6微米、或小于約0. 5微米、或小于約0. 4微米、或小于約0. 3微米，則兩個主表面彼此直接接觸。對于小于光的約一個波長的間距而言，光在兩個主表面中的一者處發生全內反射(TIR)，從而可消除兩個表面上的光學耦合。在一些情況下，可將光學膜140涂布或層合至主表面120。在一些情況下，光學膜 140具有足夠低的折射率以使其可支持或保持第二主表面120處的TIR。例如，在此類情況下，光學膜的折射率不大于約1. 35、或不大于約1. 3、或不大于約1. 25、或不大于約1. 2、或不大于約1. 15、或不大于約1. 1。光學膜140可為具有足夠低的折射率的任何光學膜，例如標題為“OPTICAL FILM”(光學膜)的代理人檔案號為65062US002的共同未決的美國臨時專利申請號 61/169466中所述的那些，該臨時專利申請和本專利申請同一日提交，其公開內容全文以引用方式并入本文。在一些情況下，光學膜140包括粘結劑、多個顆粒和多個互連空隙。膜孔隙度或光學膜中的多個互連空隙的體積分數不小于約20%、或不小于約30%、或不小于約40%、或不小于約50%、或不小于約60%、或不小于約70%、或不小于約80%。粘結劑與多個互連空隙的重量比不小于約1 1、或不小于約1.5 1、或不小于約2 1、或不小于約2. 5 1、 或不小于約3 1、或不小于約3. 5 1、或不小于約4 1。在一些情況下，光學膜具有顯著低的光學霧度。例如，在此類情況下，光學膜的光學霧度不大于約10%、或不大于約7%、 或不大于約5%、或不大于約3%、或不大于約2%、或不大于約1. 5%、或不大于約1%。在一些情況下，光學膜中的顆粒可為大致球形的。在一些情況下，顆粒可為細長的。在一些情況下，光學膜140為多孔的并且具有高的光學霧度，同時其可保持或支持第二主表面120處的TIR。例如，在此類情況下，光學膜140的光學霧度不小于約30%、 或不小于約40%、或不小于約70%、或不小于約80%、或不小于約90%、或不小于約95%。圖2為光學組件200的示意性側視圖，所述光學組件200包括液晶面板260、第一光學層210、以及與第一光學層通過空氣間隙240分隔開的光學構造250。光學構造250包括第二光學層220和設置在第二光學層上的光學膜230。空氣間隙240將光學膜與第一光學層分隔開。當第一光學層210與光學膜230進行直接接觸時，第一光學層210和第二光學層 220之間不發生或發生極少光學耦合。光學構造250中每兩個相鄰層的相鄰主表面的相當大一部分彼此直接接觸。例如，光學構造250中各個相鄰層230和220的相鄰主表面235和225的相當大一部分彼此直接接觸。例如，兩個相鄰主表面的至少50 %，或至少60 %，或至少70 %，或至少80 %，或至少90%，或至少95%彼此直接接觸。在一些情況下，光學膜230涂布在第二光學層220 的表面225上。通常，光學構造250中每兩個相鄰層的相鄰主表面(彼此面對或彼此相鄰的主表面)的相當大一部分彼此直接接觸。例如，在一些情況下，可在光學膜230和第二光學層220之間設置一個或多個附加層，但圖2中未明確示出。在此類情況下，光學構造250中每兩個相鄰層的相鄰主表面的相當大一部分彼此直接接觸。在此類情況下，光學構造中每兩個相鄰層的相鄰主表面的至少50 %，或至少60 %，或至少70 %，或至少80 %，或至少90 %， 或至少95%彼此直接接觸。在一些情況下，光學膜230具有顯著降低的有效折射率。例如，在此類情況下，光學膜的折射率不大于約1. 3、或不大于約1. 25、或不大于約1. 2、或不大于約1. 15、或不大于約 1. 1。光學膜230可具有可在應用中需要的任何光學霧度。例如，在一些情況下，光學膜 230的光學霧度可不大于約2 %、或不大于約1.5%、或不大于約1 %。又如，在一些情況下， 光學膜230的光學霧度可不小于約30%、或不小于約40%、或不小于約50%、或不小于約 60%、或不小于約70%、或不小于約80%、或不小于約90%、或不小于約95%。一般來講，第一和第二光學層210和220可為可在光學組件200中需要的任何光學層。例如，在一些情況下，第一和第二光學層中的至少一者可為棱柱光偏轉層、增亮膜、或反射型偏振器層。光學膜230可為本文所公開的任何光學膜。例如，光學膜230可類似于光學膜140。在一些情況下，例如當光學膜230防止第一和第二光學層之間的任何光學耦合時，光學膜的厚度不小于約1微米、或不小于約1. 2微米、或不小于約1. 4微米、或不小于約 1. 6微米、或不小于約1. 8微米、或不小于約2微米。圖3為顯示系統2200的示意性側視圖，所述顯示系統2200包括發射光2212的光源2210、接收所發射光的光學構造2270、設置在光學構造上并且具有面向光學構造的平坦底部主表面2255的光學層2250、以及設置在光學層上的液晶面板2260。空氣間隙2240設置在光學層2250和光學構造2270之間并且分隔光學層2250和光學構造2270。光學構造2270包括具有結構化主表面2225的結構化層2220和涂布在結構化主表面上的光學膜2230。結構化主表面2225包括多個各自具有峰2224的結構2222。結構2222被設計為全內反射結構化層2220從光源接收的某些光線。例如，入射到結構化主表面2225上峰附近的光線2214通過結構2222進行全內反射。若不存在光學膜2230，則當平坦主表面2255直接接觸光學構造時，光線2214的至少一部分可透射至或光學耦合至光學層2250，從而導致結構化層2220的峰附近的光學透射增加。這種局部增加的透射通常稱為光學耦合或浸透并且可導致觀察者2295在液晶面板2260的整個顯示表面區域上觀察到光強度的明顯可見和不利變化。若不存在光學膜2230，則光學耦合或浸透通常發生在結構化主表面2225的峰直接接觸相鄰光學層2250的位置處。光學膜2230為足夠厚的，以便防止結構化主表面2225與平坦表面2255進行直接接觸。例如，光學膜2230在結構化主表面的峰(層2250和2220易于彼此直接接觸的位置)處的厚度、不小于約0. 7 微米、或不小于約1微米、或不小于約1. 1微米、或不小于約1. 2微米、或不小于約1. 3微米、 或不小于約1. 4微米、或不小于約1. 5微米、或不小于約1. 7微米、或不小于約2微米。在一些情況下，光學膜2230的光學霧度不大于約5%、或不大于約4%、或不大于約3%、或不大于約2%、或不大于約1%。光學膜2230可為本文所公開的任何光學膜。例如，光學膜2230可類似于光學膜 140 或 230。
在一些情況下，光學膜2230包括多個顆粒和分散于第一介質中的多個空隙。顆粒和空隙為足夠小的以便產生有效折射率I^ff小于第一介質的折射率nb的有效介質，其中有效介質包括空隙、顆粒、和第一介質。光學膜的有效折射率nrff為足夠低的，以使得光線 2214在結構化主表面2225處發生TIR。例如，在此類情況下，nrff不大于約1. 3、或不大于約1. 25、或不大于約1. 2、或不大于約1. 15、或不大于約1. 1。結構化層2220可為可在應用中需要的任何結構化層。例如，在一些情況下，結構化層可為增亮膜。又如，在一些情況下，結構化層可為轉向膜。在示例性的光學系統2200中，光學膜2230設置在層2220上。在一些情況下，光學膜2230可設置在(例如)光學層2250的表面2255上。顯示系統2200包括設置在液晶面板2260和光源2210之間的第一主表面2255、設置在第一主表面2255和光源2210之間的第二主表面2225、分隔第一和第二主表面的空氣間隙2240、以及設置在第一和第二主表面之間以用于防止兩個主表面彼此直接接觸的光學膜2230。在一些情況下，光學膜2230包括粘結劑、多個顆粒和多個互連空隙。在一些情況下，主表面2255和2225中的至少一者為棱柱光偏轉層、增亮膜、或反射型偏振器層的主表面。在示例性的顯示系統2200中，光學膜2230基本上覆蓋整個結構化主表面2225。 在一些情況下，光學膜僅覆蓋結構化主表面的部分。例如，圖4為僅覆蓋結構化層2220的峰中的一些的圖案化光學膜510的示意性側視圖。光學膜510可類似于本文所公開的任何光學膜。在一些情況下，設置在兩個主表面之間的空氣間隙中的光學膜僅需要分隔兩個主表面中易于彼此直接接觸的那些部分。圖5為光源2300的示意性俯視圖，所述光源2300包括光導2310、沿光導的左端面2312設置的多個燈2320、覆蓋光導的底端面2313的一部分的第一光學膜2330、覆蓋光導的頂端面2314的一部分的第二光學膜2331、和覆蓋光導的右端面2311以及頂端面和底端面的部分的光學膜2332。燈2320發射光2322，所述光2322從光導的端面2312進入光導2310并且在光導內通過全內反射(TIR)傳播。當光源在應用中工作期間，光導2310可與外部物體(例如 (如)可正容納和/或支承光導的框架2340)進行直接接觸。接觸可因(例如)TIR的至少部分受抑而導致光學損耗。光學膜2330-2332覆蓋光導2310的至少部分并且防止光導與物體(例如框架2340)進行直接接觸時的光學損耗。光學膜為足夠厚的，以便通過防止或基本上防止光導和任何外部物體之間的光學耦合來防止光學損耗。同時，光學膜為足夠厚的并且具有足夠低的折射率，以便促進或保持光線(例如光線2324)在光導中的TIR。示例性的光源2300包括三個覆蓋光導的部分的光學膜。一般來講，光源2300可具有一個或多個覆蓋光導的部分或全部的光學膜。例如，光源可具有覆蓋光導的頂端面、底端面、和右端面的光學膜。在一些情況下，可利用足夠厚的光學膜來涂布整個光導。低折射率層2330-2332可為本文所公開的任何光學膜或低折射率層。在一些情況下，光學膜包括多個顆粒和分散于第一介質中的多個空隙。顆粒和空隙為足夠小的以便產生有效折射率neff小于第一介質的折射率nb的有效介質，其中有效介質包括空隙、顆粒、和第一介質。光學膜的有效折射率neff為足夠低的，以使得光線2324發生TIR。例如，在此類情況下，nrff不大于約1. 3、或不大于約1. 25、或不大于約1. 2、或不大于約1. 15、或不大于約1. 1。在一些情況下，光源2300中的光學膜包括多個顆粒和分散于粘結劑中的多個空隙。光學膜的有效折射率小于粘結劑的折射率。如本文所用，術語例如“豎直”、“水平”、“上面”、“下面”、“左”、“右”、“上”及“下”、
“順時針”及“逆時針”以及其他類似的術語是指如附圖中所示的相對位置。通常，物理實施例可具有不同的取向，在這種情況下，所述術語意在指修改到裝置的實際取向的相對位置。 例如，即使圖1中的光學構造100與該圖中的取向相比發生翻轉，也仍將光學膜140視為位于主表面120的“頂部”上。以上引用的所有的專利、專利申請以及其他出版物均以如同全文復制的方式并入本文以供參考。盡管上面詳細描述了本發明的具體實例以有利于說明本發明的各個方面， 但是應該理解的是，并不意圖將本發明限于這些實例的具體描述。相反，本發明的目的在于涵蓋所附權利要求書限定的本發明的精神和范圍內的所有修改形式、等同形式和替代形式。
權利要求
1.一種光學構造，包括彼此面對并且由空氣間隙分隔開的第一和第二主表面，所述第一和第二表面易于在所述空氣間隙中的第一位置處彼此直接接觸，所述光學構造包括光學膜，所述光學膜設置在所述第一位置處以防止所述第一和第二主表面在所述第一位置處彼此接觸，所述光學膜具有不大于約1. 3的有效折射率。
2.根據權利要求1所述的光學構造，其中所述光學膜包括多個空隙。
3.根據權利要求1所述的光學構造，其中所述光學膜包括粘結劑、多個顆粒和多個互連空隙。
4.根據權利要求1所述的光學組件，其中所述光學膜具有不大于約1.2的有效折射率。
5.根據權利要求1所述的光學組件，其中所述光學膜具有不大于約1.1的有效折射率。
6.一種光學組件，包括 第一光學層；光學構造，包括 第二光學層；和光學膜，設置在所述第一和第二光學層之間并且具有不大于約1. 3的有效折射率，其中所述光學構造中每兩個相鄰主表面的相當大一部分彼此直接接觸；以及空氣間隙，設置在所述第一光學層和所述光學構造之間，使得當所述第一光學層與所述光學膜進行直接接觸時，所述第一和第二光學層之間不發生光學耦合。
7.根據權利要求6所述的光學組件，其中所述第一和第二光學層中的至少一者為棱柱光偏轉層或反射型偏振器層。
8.根據權利要求6所述的光學組件，其中所述光學膜包括粘結劑、多個顆粒和多個互連空隙。
9.根據權利要求6所述的光學組件，其中所述光學膜具有不大于約1.2的有效折射率。
10.根據權利要求6所述的光學組件，其中所述光學膜具有不大于約1.1的有效折射率。
11.根據權利要求6所述的光學組件，其中所述光學膜具有不大于約2%的光學霧度。
12.根據權利要求6所述的光學組件，其中所述光學膜具有不大于約的光學霧度。
13.根據權利要求6所述的光學組件，其中所述光學構造中每兩個相鄰主表面的至少 50%彼此直接接觸。
14.根據權利要求6所述的光學組件，其中所述光學構造中每兩個相鄰主表面的至少 70%彼此直接接觸。
15.根據權利要求6所述的光學組件，其中所述光學構造中每兩個相鄰主表面的至少 90%彼此直接接觸。
16.根據權利要求6所述的光學組件，其中所述光學膜涂布在所述第二光學層上。
17.根據權利要求6所述的光學組件，其中所述光學膜具有不小于約1微米的最小厚度。
18.根據權利要求6所述的光學組件，還包括設置在所述第一光學層上的液晶面板。
19.一種顯示系統，包括 光源；液晶面板，接收來自所述光源的光；第一主表面，設置在所述液晶面板和所述光源之間； 第二主表面，設置在所述第一主表面和所述光源之間； 空氣間隙，分隔所述第一和第二主表面；以及光學膜，設置在所述第一和第二主表面之間以用于防止所述兩個主表面彼此直接接觸，所述光學膜包括粘結劑、多個顆粒和多個互連空隙。
20.根據權利要求19所述的顯示系統，其中所述第一和第二主表面中的至少一者為棱柱光偏轉層或反射型偏振器層的主表面。
21.根據權利要求19所述的顯示系統，其中所述光學膜具有不小于約1微米的厚度。
22.—種光源，包括 光導；一個或多個燈，沿所述光導的端面設置；以及光學膜，設置在所述光導的至少一部分上以用于防止所述光導與物體進行直接接觸時的光學損耗，所述光學膜具有不小于約1微米的厚度和不大于約1. 3的有效折射率。
23.根據權利要求22所述的光源，其中所述光學膜具有不大于約1.2的有效折射率。
24.根據權利要求22所述的光源，其中所述光學膜包括多個顆粒和分散于第一介質中的多個空隙，所述光學膜的有效折射率小于所述第一介質的折射率。
全文摘要
本發明公開了光學構造。本發明所公開的光學構造包括彼此面對且由空氣間隙(130)分隔開的第一和第二主表面(110，120)。所述第一和第二表面易于在空氣間隙中的第一位置(x)處彼此直接接觸。所述光學構造還包括光學膜(140)，所述光學膜設置在第一位置處以防止第一和第二主表面在第一位置處彼此接觸。所述光學膜具有不大于約1.3的有效折射率。
文檔編號G01N21/55GK102460125SQ201080026614
公開日2012年5月16日 申請日期2010年4月14日 優先權日2009年4月15日
發明者亞當·D·哈格, 呂菲, 威廉·布雷克·科爾布, 約翰·A·惠特利, 郝恩才 申請人:3M創新有限公司