CN106154399A - 光导薄膜及其制备方法 - Google Patents

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CN106154399A CN201610663354.3A CN201610663354A CN106154399A CN 106154399 A CN106154399 A CN 106154399A CN 201610663354 A CN201610663354 A CN 201610663354A CN 106154399 A CN106154399 A CN 106154399A
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戴尔·L·埃内斯
约翰·F·范德洛弗斯科
马克·R·杜普雷
史帝芬·J·德雷尔
帕特里克·H·马鲁申
托德·M·约翰逊
布赖恩·V·亨特
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Abstract

本发明公开了一种光导薄膜及其制备方法。该光导薄膜包括结构化主表面，结构化主表面包括沿第一方向延伸的多个棱柱。棱柱包括：第一区域，第一区域在与第一方向正交的第二方向上具有恒定高度，第一区域具有第一顶点，第一顶点具有第一二面角α1；以及第二区域，第二区域与第一区域相邻并且在第二方向上具有非恒定高度和最大高度，该最大高度大于第一区域的恒定高度，并且第二区域具有第二顶点，第二顶点具有第二二面角α2，α2＝α1，第二区域沿与第一方向及第二方向正交的第三方向向外延伸，以使第一区域和第二区域具有相同的侧向横截面形状。

Description

光导薄膜及其制备方法
本申请是2009年4月1日提交、发明名称为“光导薄膜及其制备方法”、申请号为200980110868.4(国际申请号为PCT/US2009/039077)的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明整体涉及一种光导薄膜，特别涉及减小和/或隐藏显示器中的缺陷和光学耦合，同时改善显示器亮度的薄膜。
背景技术
在背光型显示器中，增亮薄膜采用某种结构以便沿着视轴导光，从而增强观察者所感知的光的亮度。图1示出了光导薄膜的代表性例子。此薄膜10可以由合适的聚合物材料制成，例如丙烯酸类树脂、聚碳酸酯、UV固化的丙烯酸酯或类似材料，并且具有平滑表面14和与该平滑表面相对的结构化表面12。结构化表面12包括线性棱柱元件16的阵列，这些线性棱柱元件并排排列以形成沿薄膜长度的多个峰17和凹槽18。在使用时，以较高入射角入射在此薄膜平滑表面14上的光在该薄膜的平滑表面14和结构化表面12处发生折射，并重新定向为朝向垂直于平滑表面14的轴。另外，以大于临界角射向结构化表面12的光在棱柱元件16的两侧表面或小平面20间发生全内反射并经引导返回，反射元件可以使返回的光进行循环。通过反射、折射和全内反射的组合，薄膜10可以增加轴上引导的光量并减小大角度引导的光量。
可以将第二片光导薄膜紧邻第一片薄膜放置，并且使棱柱元件以大约90度交叉，以进一步增加沿视轴引导的光量。图2以分解图示出光导薄膜的交叉薄片的取向。在使用时，上薄片10'的下平滑表面14'可接触或极近地接触下薄片10的结构化表面12。
然而，如果长时间近距离观察显示器，则即便是极小的缺陷也可用肉眼观测到，并且使观察者分心。例如，“光耦合”在两表面彼此光学接触时发生，这将导致整个显示器表面区域中光强度产生差异。较亮区域对应于其中存在光学耦合的区域，而较暗区域对应于较少的光学耦合，这种差异将导致显示器的外观不均匀。
发明内容
特别是针对手持装置中小型显示器的技术发展要求进一步研制光学薄膜，以便更加有效地隐藏显示器缺陷，同时基本上保持显示器的亮度。例如，在手持装置中，LCD面板透射增加、LCD面板和背光源中漫射降低、以及间隔公差较小和背光结构极薄将引起常规的图案化薄膜无法有效防止和/或遮盖的较小尺度的显示器缺陷。
本发明中描述的光导薄膜包括微结构化表面，该微结构化表面上具有微结构排列。表面上的各微结构包括具有大致恒定高度的第一区域和具有非恒定高度的第二区域。第二区域的最大高度大于第一区域的恒定高度，并且第一区域和第二区域具有相同的横截面形状。
选择第二区域的高度以降低微结构化表面与其他显示器部件之间的光学耦合，这可以在配备有该光学薄膜的显示器中防止大面积的光耦合并减少可见线的出现。选择各微结构上第二区域之间的周期和/或微结构化表面上第二区域的密度，以降低光学耦合，同时基本上保留薄膜的光学增益。由于第一区域和第二区域具有相同的横截面形状，所以微结构化表面易于再生，这使得这些薄膜与具有较复杂随机化图案的薄膜相比制造成本更低。
在一个方面，本发明涉及包括结构化主表面的光导薄膜。结构化主表面包括沿第一方向延伸的多个微结构。微结构包括具有恒定高度的第一区域以及与第一区域相邻的第二区域，其中第二区域具有非恒定高度以及大于第一区域恒定高度的最大高度。第一区域和第二区域具有相同的侧向横截面形状。
在另一方面，本发明涉及包括第一片光导薄膜的光导制品。第一片光导薄膜包括结构化主表面，其中该结构化主表面包括沿第一方向延伸的多个微结构。微结构包括第一区域和第二区域，其中第二区域与第一区域不同并与其邻近。微结构在第一区域中具有大致恒定高度，并且在第二区域中具有大于第一区域中恒定高度约0.5至约3微米的最大非恒定高度。第一区域和第二区域具有相同的侧向横截面形状。
光导制品还包括第二片光导薄膜，其具有基本上平的表面以及与该基本上平的表面相对的结构化表面。该基本上平的表面邻近第一片光导薄膜的结构化表面。第二片光导薄膜的结构化表面包括沿大致垂直于第一主轴的第二主轴延伸的多个微结构。第一片光导薄膜与第二片光导薄膜之间的任何光学耦合主要发生在第二区域中。
在又一方面，本发明涉及光学显示器，其包括光源；观看屏；以及将光从光源引导至观看屏的光导薄膜。光导薄膜具有第一主表面；以及包括多个微结构的结构化的第二主表面。微结构具有包括第一区域和相邻第二区域的重复图案。第一区域具有恒定高度；而第二区域具有大于第一区域的大致恒定高度的非恒定最大高度。第二区域的最大高度大于第一区域的恒定高度约0.5μm至约3μm。重复图案的特征密度为每平方厘米至少200个第二区域；并且第一区域和第二区域具有相同的侧向横截面形状。
在又一方面，本发明涉及制备光导薄膜的方法，该方法包括使用具有结构化主表面的工具进行切削，其中结构化主表面包括沿第一方向延伸的多个凹槽。凹槽包括第一区域和第二区域，其中第二区域与第一区域不同并与其邻近。第一区域具有大致恒定高度，而第二区域具有大于第一区域中大致恒定高度的最大高度。第一区域和第二区域具有相同的侧向横截面形状。该方法还包括将聚合物材料涂覆到工具上以形成薄膜，其中薄膜包括对应于工具中的凹槽的微结构排列。
在附图和下文的说明中将提供本发明的一个或多个实施例的细节。可以从说明、附图及权利要求中清楚地了解本发明的其他特征、目的和优点。
附图说明
图1为适用于光学显示器中的增亮膜的透视示意图；
图2为由图1的两片光导薄膜相互邻近放置所构造的光导制品的分解透视图；
图3A为光导薄膜的一部分的示意性透视图，该光导薄膜包括微结构的基本上连续的图案，各微结构都包括第一区域和第二区域；
图3B为光导薄膜的一部分的示意性透视图，该光导薄膜包括微结构的不连续图案，各微结构都包括第一区域和第二区域；
图3C为光导薄膜的一部分的示意性透视图，该光导薄膜包括具有三角形横截面和倾斜轴的棱柱微结构，各微结构都包括第一区域和第二区域；
图3D为图3A的光导薄膜上微结构的一部分的剖视图；
图3E为图3A的光导薄膜的部分区域的剖视图，其示出了相邻的微结构；
图3F为图3A的光导薄膜的俯视图；
图3G为光导薄膜的一部分的示意性透视图，该光导薄膜包括具有规则分布的第二区域的微结构；
图4A为光导薄膜上微结构的一部分的示意性剖视图，并示出基本上连续的第二区域；
图4B为光导薄膜上微结构的一部分的示意性剖视图，并示出不连续的第二区域；
图5A为光导薄膜的一部分的示意性透视图，该光导薄膜包括具有透镜状第二区域的微结构；
图5B为图5A的一部分薄膜的示意性俯视图；
图6为光导薄膜的一部分的示意性透视图，该光导薄膜包括具有第一、第二和第三区域的微结构；
图7-9为示出光导薄膜透视图的放大倍率递增的显微照片，该光薄膜包括具有随机排列的第二区域的微结构；
图10-11为示出图7-9的光导薄膜俯视图的放大倍率递增的显微照片；
图12为示出光导薄膜透视图的显微照片，该光导薄膜包括具有规则排列的第二区域的微结构；
图13A为包括光导光学薄膜的光学显示器的剖视图；
图13B为包括光导光学薄膜的光导组件的剖视图；
图14为在工件中制成微结构的刀具系统的示意图；
图15为示出用于刀具的坐标系的图；
图16A为刀尖的透视图；
图16B为刀尖的前视图；
图16C为刀尖的仰视图；
图16D为刀尖的侧视图；
图17为概括表1中薄膜的抗光耦合性能的图线；以及
图18为概括表1中薄膜的抗光耦合性能的图线。
具体实施方式
图3A示出包括微结构排列的光导光学薄膜300的一个实施例的一部分，这些微结构设计为在薄膜用于显示装置时降低或基本上消除光耦合，同时基本上保持薄膜的光学增益。薄膜300包括第一主表面302和相对的结构化主表面304。在图3A示出的实施例中，第一主表面302基本上是平滑的，基本上平滑在本专利申请中是指基本上光学平坦。然而，即便是基本上光学平坦的表面302可任选地包括小结构图案，以产生浑浊。表面302可任选地包括微结构的图案，以达到所需的光学效应(图3A中未示出)。
结构化表面304包括微结构306的基本上连续的图案，该微结构沿图3A中指定为x的第一轴向延伸并具有大致恒定高度h1。在图3A中示出的实施例中，微结构306为线性棱柱元件，各微结构均具有第一侧表面308和第二侧表面308'。然而，如图3B所示，微结构306不必连续，并且表面304可以包括无微结构的区域325。
再次参考图3A中所示的实施例，侧表面308、308'的边缘相交以限定峰或顶点342。在图3A示出的实施例中，相邻棱柱元件的侧表面308、308'相交以形成棱柱元件之间的线性延伸凹槽344。然而，并不要求使棱柱元件306的侧表面308、308'相交，因此可以根据具体应用的需要使凹槽344变得更宽。微结构306的平均间距P1可从约5μm至约300μm广泛地变化，但是已发现约15μm至约100μm的平均间距尤其有用。尽管间距P1优选地在所有棱柱元件306之间基本上相同，但此类排列并非是必需的，并且间距P1在整个表面304上可以不恒定。
图案中多个微结构306中的每一个都包括至少一个第一区域305和至少一个第二区域307，并且可以根据具有应用的需要任选地包括其他区域(其他区域未在图3A中示出，但参见例如图6以及以下论述)。各微结构306中的第二区域307沿着各微结构的长度与第一区域305相邻。在一些实施例中，第一区域305设置在两个第二区域307之间。
第一区域305中微结构的横截面形状可根据薄膜300的预期应用而广泛地变化，并且不限于棱柱形状。第一区域305的横截面形状可包括(但不限于)三角形、圆形、透镜形、椭圆形、锥形或具有弯曲部分的非对称形状。然而，为了尽可能增大薄膜300的光学增益，大致三角形的横截面形状是优选的，并且等腰直角三角形的横截面形状是特别优选的。第一区域305的横截面中三角形的顶点或微结构306之间的相交区域可以为平滑的或弯曲的，以改变微结构或相邻凹槽的形状并提供所需的光学效应，但是此类形状通常降低了由微结构提供的增益。如图3C所示，微结构306A的主轴也可以倾斜以达到所需的光学效应。
在图3A中示出的实施例中，第一区域305中各三角形横截面的二面角α1为大约90°，但已发现70°-110°的二面角α1可用于大多数应用中。
第一区域305具有大致恒定高度h1。如果从结构化表面304与相对主表面302之间并且最靠近结构化表面304的平面(例如，图3A中的基准面320)进行测量，高度h1可从约1μm变化至约175μm。虽然通常优选的是第一区域的高度h1基本上相同，但是在保持良好光学性能的情况下可以允许高度的某些变化。例如，在一些实施例中，平均高度h1可变化±0.20μm，而在其他实施例中，平均高度h1可变化±0.10μm，并且在其他实施例中，平均高度h1可变化±0.05μm，同时保持合格的光学性能。
各微结构306的第二区域307与第一区域305相邻。在一些实施例中，第二区域相对于第一区域305是不连续的，不连续在本专利申请中是指第二区域307在微结构306上未彼此接触或重叠。根据预期应用，第二区域307可以多种图案排列在表面304上。例如，第二区域307可以随机分布在表面304上，或分布可以为半随机的(一些区域为随机分布，一些区域为具有诸如微结构之间最小周期的一些限制的规则分布)。第二区域307也可以规则地分布在表面304上，并且规则分布可以为周期性的(以恒定间隔重复)或非周期性的(跟随非随机图案)。示例性规则分布在图3G的薄膜400中示出，该薄膜包括薄膜表面404上规则分布的第一区域405和第二区域407(关于第二区域的规则分布的另一描述，参见图12)。
第二区域307的平均密度为每平方厘米结构化表面304上约200个至最多约6000个。在一些实施例中，第二区域的平均密度为每平方厘米结构化表面304上约200个至约3500个。在其他实施例中，第二区域307的平均密度为每平方厘米结构化表面304上约200个至约2500个。
第二区域307具有约1000μm至约20,000μm的沿微结构306的平均周期P2(参见例如图4A)。在一些实施例中，第二区域307的平均周期为约3500μm至约15,000μm。虽然优选第二区域307的平均周期P2基本上相同，但是此类排列并非是必需的。
参见图3D中单个微结构306的剖视图，第二区域307具有与第一区域305基本上相同的横截面形状，但只是比较高(沿图3A中z方向进一步延伸h2的距离)。例如，在图3D示出的实施例中，第一区域包括侧表面308、308'，两者在顶点342处相交并形成二面角α1。第二区域307包括侧表面311、311'，两者在顶点312处相交并形成二面角α2。二面角α2和第二区域307的横截面形状与二面角α1和第一区域305的横截面形状基本上相同，即，α2＝α1。图3E示出包括第二区域307的微结构化表面区域中三个相邻微结构306的横截面，还示出第二区域307具有与第一区域305基本上相同的横截面形状，但是高出距离h2。
横截面形状的相似性以及顶点高度的差异导致第二区域307上的侧表面311、312在俯视图上表现为沿微结构306的y方向向外延伸或凸出(图3F)。在图3F中，第一区域的顶点342表现出基本上为直线，而微结构306之间的凹槽344在第二区域307的位置处表现为偏离线性。
再次参考图3D，第二区域的最大高度h2为约0.5μm至约3μm，该高度是从第一区域305的顶点342至第二区域307的顶点312测量的。在一些实施例中，第二区域的最大高度h2为约1μm至约2.5μm，而在其他实施例中，最大高度h2为约1.5μm至约2μm。虽然第二区域307中所有的三角形元件的最大高度h2可以基本上相同，但是棱柱元件307的高度h2可以规则或随机方式变化，以提供所需的光学效应。
图4A-4B示出微结构306上的第二区域307。即使第二区域307的高度h2保持相对恒定，距离d也可广泛地变化，其中第二区域经由该距离上升至其顶点311。例如，在图4A中，形成第二区域的线A的斜率自相邻区域平滑并且逐渐地变化，其在微结构306上形成基本上连续的凸块状区域。在图4B中，形成第二区域的线B的斜率与图4A中线A的斜率相比变化更加快，并且在微结构306上形成基本上不连续的凸块。
在使用时，当第二表面(例如光导薄膜薄片)邻近结构化表面304放置时，其对薄片300的实际邻近性受微结构306的第二区域307的限制。第二区域307防止第二表面接触微结构306的第一区域305，这可以降低光学耦合。例如，可选择诸如表面304上第二区域307的平均密度、平均周期和最大高度的性质中的一者或全部，以及组成承载结构化表面304的薄膜的材料，使得第二片薄膜不凹陷并不接触第一区域305。因此，利用各微结构上随机出现的第二区域对相邻表面的邻近性进行实际控制，从而显著减小易受不理想的光学耦合影响的结构化表面304的表面积。相反，光学耦合主要发生在第二区域307内。
图5-6涉及其他可用光导薄膜的例子。参考图5A-5B，光导薄膜500包括结构化表面504，该结构化表面包括微结构506。微结构506各包括至少一个第一区域505和至少一个第二区域507。各第一区域505相对于基准面520具有大致恒定高度，而各第二区域507具有大于第一区域505的大致恒定高度的最大高度。在图5A-5B中示出的实施例中，第二区域507包括形成大致透镜形的第一侧表面511和第二侧表面511'。
在图6示出的另一个实施例中，光导薄膜600包括具有微结构606的结构化表面604。微结构606各包括至少一个第一区域605、至少一个第二区域607以及至少一个第三区域609。各第一区域605相对于基准面620具有大致恒定高度，而各第二区域607具有大于第一区域605的大致恒定高度的最大高度。各第三区域609的最大高度大于第一区域605的大致恒定高度但小于第二区域607的最大高度。此类排列可以用于(例如)减少相邻薄膜在第二区域607之间的区域凹陷时所引起的光学耦合。在图6示出的实施例中，第二和第三区域基本上不连续(参见图4B中的示意图)。与图3A的微结构中第一区域305和第二区域307之间界面处相对平滑的曲线(其在本文中被称为连续的)相比(参见图4A中的示意图)，图6中侧表面611、611'和613、613'以及侧表面608、608'之间的界面极陡，其在本文中被称为不连续的结构。
图7-9为示出本文所述光导薄膜的其他示例性实施例的显微照片。图7-9示出具有结构化表面704的光导薄膜700的一部分的三个放大倍率递增的视图，结构化表面704包括沿x方向延伸的连续棱柱微结构706。微结构706包括表现为暗色带或较暗区域的第一区域705，以及表现为较亮的彩色带的随机分布的第二区域707。第二区域707沿z方向具有大于第一区域705的大致恒定高度的最大高度。第二区域707也沿y方向向外延伸，使得其三角形横截面外形与第一区域705的横截面外形保持相同。图10-11为图7-9中所示光导薄膜700的实施例的放大倍率递增的其他俯视图。如图3F中所示，第一区域的顶点742表现为大体上为直线，而微结构706之间的凹槽744在第二区域707的位置处表现为偏离线性。
图12示出具有结构化表面804的光导薄膜800的一部分，结构化表面804包括沿x方向延伸的连续棱柱微结构806。这些微结构包括第一区域805以及基本上规则分布的第二区域807，第二区域在所有其他微结构806上表现为凸起区域。第二区域807沿z方向具有大于第一区域805的大致恒定高度的最大高度。第二区域807还沿y方向向外延伸，使得其横截面外形与第一区域805的横截面外形保持相同。
图13A以横截面示出结合有本文所述的光导薄膜的显示器900的代表性实施例。显示器900包括壳体912、光源916、第一片光导薄膜918、第二片光导薄膜918'、光选通装置926以及基本上透明的盖板928。在图13A中公开的实施例中，光源916可为(例如)LED、OLED、电致发光板或荧光光源。另外，虽然图13A中公开的光选通装置926优选地为液晶装置，但是可以使用其他光选通装置。
第一片光导薄膜918为图3A中示出的示例性实施例，并且包括具有第一区域905和第二区域907的微结构906。微结构906在第一区域905和第二区域907中均具有相同的横截面形状。第一区域905具有大致恒定高度，而第二区域907具有大于第一区域905的大致恒定高度的最大高度。应当理解，图13A未按比例绘制，具体而言，为了进行示意性的说明而显著放大了光导薄膜918的结构化表面的尺寸。如图13A所示，第二区域907中的峰控制第二片光导薄膜918'与第一片918的实际邻近性。根据先前所述，光学耦合集中于具有相对较高峰的区域中，这些峰的高度优选地介于约1μm和约2.5μm之间。虽然图13A示出以某个方向取向的光导薄膜，使得微结构的峰907背离光源916，但在另一个实施例中，峰507可朝向光源916。
图13B示出本文所述光导薄膜薄片的另一有用用途。图13B为用于光学显示器中常用的光导组件950的示意图。光导组件950包括光源952、楔形光导装置954、漫反射器956和一片光导薄膜958。在使用时，将来自光源952的光导入光导装置954。以大于临界角射在光导装置954表面上的光线经过全内反射并沿光导装置954传播。相反，以小于临界角射在光导装置954表面上的光线发生透射和折射。从光导装置954的底部表面射出的光线由漫反射器956反射并且经“再循环”以供使用。从光导装置954的顶部表面射出的光线通过诸如液晶器件的光选通部件传递，从而在显示器上产生图像。
常规的光导薄膜(如图1所描述)可以使光学耦合发生在光导薄膜的结构化表面955与光导装置954的上表面953之间。光导薄膜958的结构化表面955上的微结构957包括第二区域960，第二区域960通过控制光导薄膜958的结构化表面955与光导装置954的邻近性来抑制可见光学耦合的发生。
虽然用于光导薄膜的特定材料可以根据预期应用进行广泛地变化，但是该材料应基本上透明以确保良好的光学透射。用于此目的的可用聚合物材料可商购获得，并且包括(例如)分别具有约1.493和1.586标称折射率的丙烯酸类树脂和聚碳酸酯。其他可用的聚合物包括聚丙烯、聚氨酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等。具有高折射率的材料通常是优选的。
可以用作光导薄膜基材的平滑聚酯薄膜可以商品名Melinex 617从ICI AmericasInc.(Hopewell,Va.)商购获得。可以涂覆在要用作基材的薄膜上的糙面精整涂层可以商品名Marnot 75GU从Tekra Corporation(New Berlin,WI)商购获得。也可使用其他薄膜。这些薄膜可根据其光学性能、机械性能或其他性质进行选择。例如，基材可为公布的PCT专利申请WO97/01774中所描述的多层光学薄膜。可使用的其他薄膜的例子可为波长可选择的多层光学薄膜和反射型偏振器。反射型偏振器可为多层膜、胆甾型材料或公布的PCT专利申请WO-97/32227中所公开的材料类型。
可以由已知的金刚石车削技术制备用于经挤压或浇注和固化工艺制造的本文所述光导薄膜的工具母板。美国专利No.6,322,236、6,354,709、7,328,638和WO/00/48037展示并描述了合适的金刚石车削设备。
用于各方法中并用于制备光导薄膜的设备通常包括快速伺服工具。快速工具伺服装置(FTS)是被称为PZT堆的固态压电(PZT)装置，PZT堆快速调整连接到PZT堆上刀具的位置。FTS使刀具在坐标系内的各个方向高精确度和高速运动，进一步描述如下。
图14为在工件上制造微结构的刀具系统1000的图表；微结构可包括制品表面存在、凹进或凸起的任何类型、形状以及尺寸的结构。系统1000由计算机1012控制。计算机1012具有(例如)下列组件：存储一个或多个应用程序1016的存储器1014；提供非易失性信息存储的二级存储器1018；接收信息或命令的输入装置1020；运行存储在存储器1016或二级存储器1018内，或从另一个源接受的应用程序的处理器1022；输出视频显示信息的显示装置1024；以及诸如用于音频信息的扬声器或用于信息硬拷贝的打印机的以其他形式输出信息的输出装置1026。
用刀头1044对工件1054进行切削。当工件1054被驱动器和编码器1056(例如由计算机1012控制的电机)旋转时，致动器1038控制刀头1044的运动。在此实例中，所示工件1054为卷筒形式；然而，也可采用平面形式。可以使用任何可被切削加工的材料；例如，工件可以采用铝、镍、铜、黄铜、钢或塑料(如丙烯酸类树脂)。例如，使用的具体材料可以取决于(例如)诸如使用已加工工件制成各种薄膜的所需特定应用。可由(例如)不锈钢或其他材料构造致动器1038，美国专利No.7,328,638展示并描述了合适的致动器。
致动器1038可拆卸地连接到刀架1036上，刀架又设置在轨道1032上。刀架1036和致动器1038在轨道1032上被构造为沿箭头1040和1042所示的x方向和z方向移动。计算机1012通过一个或多个放大器1030与刀架1036和致动器1038电气连接。
当作为控制器运作时，计算机1012通过致动器1038控制刀架1036沿轨道1032的运动以及刀头1044的运动，以加工工件1054。如果致动器具有多个PZT堆，则其可使用分立式放大器来独立地控制各个PZT堆，以用于独立地控制附接到堆上的刀头的运动。为了在工件1054中加工各种微结构，计算机1012可利用函数发生器1028向致动器1038提供波形，进一步说明如下。
通过不同元件的协调运动完成工件1054的加工。具体地讲，在计算机1012的控制下，通过移动刀架1036，并在c方向上移动工件(如图14中线1053所示的旋转运动)，以及在x、y和z方向中的一个或多个方向上移动刀头1044，系统可以协调并控制致动器1038的运动，下文将对这些坐标加以说明。尽管可以使用变速运动，该系统仍然通常使刀架1036在z方向做匀速运动。刀架1036和刀头1044的运动通常与工件1054在c方向上的运动同步。可以利用，例如，通过计算机1012的软件、固件或其组合执行的数字控制技术或数字控制器(NC)控制所有这些运动。
工件的切削可包括连续的和不连续的切削运动。对于辊形工件，切削可包括环绕或围绕辊的螺旋型切削(有时称为螺纹切削)或单个圆切削。对于平面形式的工件，切削可包括在工件上的或围绕工件的螺旋式切削或单个圆切削。还可采用X切削，这种切削涉及接近直线的切削形式，其中所述金刚石刀头可横向进出工件，但是刀架的整体运动成直线。切削也可包括这些运动类型的组合。
加工工件1054后，可将它用于制成用于多种用途的具有相应微结构的薄膜。通常使用涂层工艺制成这些薄膜，在涂层工艺中，将粘稠状态的聚合材料涂布在工件上，使其至少部分固化，然后将其移除。由固化聚合物材料构成的膜将具有与工件中的结构基本上相反的结构。例如，工件中的凹进导致所得薄膜的凸起。经过加工后，工件1054还可用于制造具有与刀具中的分立元件或微结构相对应的分立元件或微结构的其他制品。
冷却液1046用来通过线1048和1050控制刀架1036和致动器1038的温度。温度控制单元1052可使冷却液在刀架1036和致动器1038内循环时温度基本保持不变。温度控制单元1052可采用控制流体温度的任何装置。冷却液可以是油产品，例如，低粘度油。温度控制单元1052和冷却液贮箱1046可包括使流体循环流过刀架1036和致动器1038的泵，并且通常还包括使流体散热的冷却系统，从而使流体基本上保持恒温。在某些实施例中，为使要在工件中加工的材料保持基本恒定的表面温度，也可将冷却液用于工件54。
图15为示出刀具(例如系统10)的坐标系的示意图。所示坐标系为刀头1062相对于工件1064移动的坐标系。刀头1062可与刀头1044相对应，并且通常附接到与致动器相接的刀头座1060上。在此示例性实施例中，该坐标系包括x方向1066、y方向1068和z方向1070。x方向1066是指在基本上垂直于工件1064的方向上的运动。y方向1068是指在横跨工件1064的方向(例如在基本上平行于工件1064的旋转面的方向)上的运动。z方向1070是指在横向地沿着工件1064的方向(例如在基本上平行于工件1064的旋转轴的方向)上的运动。工件的旋转方向称为c方向，也如图14所示。当工件采用与卷筒形式相反的平面形式时，y方向和z方向表示在基本上垂直于x方向并且互相正交的方向上横跨工件的运动。平面形式的工件可包括(例如)由平面材料制成的转盘或任何其他构造。
图16A为可用于制备本发明所述光导薄膜的典型刀头1062的透视图；图16B为其前视图；图16C为其仰视图；并且图16D为其侧视图。如图16A-16D所示，刀头1062包括侧面1104，锥形并成角度的前表面1106，以及用于将刀头1062固定到合适的刀头座(图16A-D中未示出)上的底部表面1102。在致动器控制下，利用刀头1062的前部1105加工工件。刀头1062可以用(例如)金刚石块制成。
在一个实施例中，为了在单次通过金刚石车削机的过程中形成微结构上的第一区域和第二区域，将快速刀具伺服致动器添加到金刚石车削设备中。在另一个实施例中，可以在第一次通过金刚石车削机的过程中形成光导薄膜上微结构的第一区域，其中刀具被设定为在卷筒中产生基本上恒定深度的切口。然后，在第二次通过金刚石车削机上的过程中，使用相同的刀具以规则、随机或伪随机的模式切削微结构的第二区域。
单次通过或多次通过切削工艺的选择可对微结构上第二区域的形状产生影响。例如，单次通过切削工艺形成具有基本上连续的第二区域的微结构，该微结构具有平滑、变化缓慢的斜率(图4A)。通常，多次通过切削工艺产生具有锋利、不连续形状的第二区域，其具有快速变化的斜率(图4B)。
现将参考以下非限制性实例对本发明进行进一步阐释。
实例
由卷筒制成具有微结构的光导薄膜，这微结构具有第一区域和第二区域，这些卷筒的表面采用金刚石车削工艺来制备。卷筒包括图案化凹槽，而这些凹槽使用(例如)美国专利No.6,322,709和7,328,638中所述的快速刀具伺服致动器在单次通过中形成。然后将聚合物材料浇注在这些卷筒上，形成具有复制凹槽中金刚石切削图案的微结构化表面的薄膜。下表1中示出了薄膜中图案的特性。
在表1中，沿微结构评价最大周期和平均周期。从微结构上的一个第二区域的起点到相邻第二区域的起点来测量沿该微结构的周期。
为确定表1中光耦合的等级，将每个样品的微结构化侧面邻近另一微结构化薄膜的平滑侧面放置，如图1所示。这些样品如图2所示取向。当在测光台上观察时，主观地评价薄膜之间的光学耦合量并使用以下等级体系划分等级：
0-无可见光耦合
1-极轻微的光耦合，在一定程度上难以发现
2-光耦合模糊，但仍可见
3-容易看见的光耦合
4-光耦合明亮，但缺乏线状图案
5-具有线状图案的明亮光耦合
为确定表1中的外观等级，将单个薄膜样品置于测光台上，并且相对于常规光导薄膜的外观来对该样品的外观进行主观评价，这些常规光导薄膜可以商品名BEF 2和BEF 3得自3M(St.Paul,MN)。将值1分配给BEF2并将值5分配给BEF 3。
为确定表1中增益的变化，将样品与包括线性棱柱结构的光导薄膜作比较，这些线性棱柱结构具有大致恒定高度，并且无任何第二区域(参见，例如图1的光导薄膜)。
表1
除了表1中示出的结果外，图17-18中也概括描述了薄膜的性能。
图17中，用第二区域的高度与薄膜上第二区域的密度绘图，从而描述了表1中薄膜的抗光耦合性能。通常，图17中标绘的结果表明高度为约1至约2微米并且平均特征密度为每平方厘米约200至约3500个第二区域的第二区域提供了最佳的抗光耦合性能。
图18中，用第二区域的高度与第二区域的平均周期绘图，从而描述表1中薄膜的抗光耦合性能。通常，图18中示出的结果表明高度为约1至约2微米并且平均特征周期为约1000μm至约12000μm的第二区域提供了最佳的抗光耦合性能。
如上所述，本发明适用于显示系统，并且据信特别可用于减少具有多个光控膜的显示器和屏幕(例如背光型显示器和背投式屏幕)中的外观缺陷。因此，不应认为本发明局限于上述具体实例，而应当理解为函盖如附带的权利要求书明确陈述的本发明的所有方面。在阅览本发明的说明书之后，本发明可适用的各种修改形式、等效工艺以及多种结构对本领域的技术人员将是显而易见的。权利要求书旨在涵盖这些修改形式和装置。

Claims (27)

1.一种光导薄膜，包括结构化主表面，所述结构化主表面包括沿第一方向延伸的多个棱柱，其中，所述棱柱包括：
第一区域，所述第一区域在与所述第一方向正交的第二方向上具有恒定高度，并且所述第一区域具有第一顶点，所述第一顶点具有第一二面角α1，和
第二区域，所述第二区域与所述第一区域相邻并且在所述第二方向上具有非恒定高度和最大高度，所述最大高度大于所述第一区域的恒定高度，并且所述第二区域具有第二顶点，所述第二顶点具有第二二面角α2，α2＝α1，所述第二区域沿与所述第一方向及所述第二方向正交的第三方向向外延伸，以使所述第一区域和所述第二区域具有相同的侧向横截面形状。
2.根据权利要求1所述的光导薄膜，其中，各棱柱包括多个第一区域和多个第二区域，并且所述第二区域为不连续的。
3.根据权利要求2所述的光导薄膜，其中，所述第二区域随机地分布在所述光导薄膜的主表面上的所述棱柱上。
4.根据权利要求2所述的光导薄膜，其中，所述第二区域规则地分布在所述光导薄膜的主表面上的所述棱柱上。
5.根据权利要求4所述的光导薄膜，其中，所述第二区域的规则分布是周期性的。
6.根据权利要求4所述的光导薄膜，其中，所述第二区域的规则分布是非周期性的。
7.根据权利要求2所述的光导薄膜，其中，所述第二区域半随机地分布在所述光导薄膜的主表面上的所述棱柱上。
8.根据权利要求1所述的光导薄膜，其中，所述第二区域中的最大高度大于所述恒定高度约0.5μm至约3μm。
9.根据权利要求1所述的光导薄膜，其中，所述第二区域的密度为每平方厘米结构化表面上约200至约6000个。
10.根据权利要求5所述的光导薄膜，其中，所述第二区域的周期为1000至20,000。
11.根据权利要求1所述的光导薄膜，其中，所述第二区域的平均高度为约1μm至约2.5μm，并且密度为每平方厘米结构化表面上200至约3500个。
12.根据权利要求1所述的光导薄膜，其中，所述第二区域的平均高度为约1.5μm至约2.0μm，并且密度为每平方厘米结构化表面上200至2500个。
13.根据权利要求1所述的光导薄膜，其中，所述棱柱具有约70°至110°的二面角。
14.根据权利要求1所述的光导薄膜，其中，所述第一区域的恒定高度为1μm至200μm。
15.根据权利要求1所述的光导薄膜，其中，所述棱柱的横截面形状不对称。
16.根据权利要求1所述的光导薄膜，其中，至少两个第二区域具有相同的最大高度。
17.根据权利要求1所述的光导薄膜，其中，至少两个第二区域具有不同的最大高度。
18.根据权利要求17所述的光导薄膜，其中，所述第二区域的最大高度规则地变化。
19.根据权利要求17所述的光导薄膜，其中，所述第二区域的最大高度随机地变化。
20.根据权利要求1所述的光导薄膜，其中，所述光导薄膜包括与所述结构化主表面相对的第二主表面，并且所述第二主表面是基本上平滑的。
21.根据权利要求20所述的光导薄膜，其中，所述第二主表面包括结构。
22.一种光导制品，包括
第一片光导薄膜，所述第一片光导薄膜具有结构化主表面，所述结构化主表面包括沿第一方向延伸的多个棱柱，其中，所述棱柱包括：
第一区域和第二区域，所述第一区域具有第一顶点，所述第一顶点具有第一二面角α1，所述第二区域具有第二顶点，所述第二顶点具有第二二面角α2，α2＝α1，所述棱柱在所述第一区域中沿与所述第一方向正交的第二方向具有恒定高度，并且在所述第二区域中沿所述第二方向具有非恒定高度和最大高度，所述最大高度大于所述第一区域中的所述恒定高度0.5至3微米，并且所述第二区域沿与所述第一方向及所述第二方向正交的第三方向向外延伸，以使所述第一区域和所述第二区域具有相同的侧向横截面形状；和
第二片光导薄膜，所述第二片光导薄膜具有平的表面以及与所述平的表面相对的结构化表面，所述平的表面与所述第一片光导薄膜的所述结构化主表面相邻，所述第二片光导薄膜的所述结构化表面包括沿大致垂直于所述第一方向的第二主方向延伸的多个棱柱；并且所述第一片光导薄膜与所述第二片光导薄膜之间的任何光学耦合主要发生在所述第二区域中。
23.一种光学显示器，包括
光源；
观看屏；和
光导薄膜，所述光导薄膜将光从所述光源引导至所述观看屏，
其中，所述光导薄膜具有
第一主表面；和
结构化的第二主表面，所述结构化的第二主表面包括沿第一方向延伸的多个棱柱，所述棱柱具有包括第一区域和相邻的第二区域的重复图案：
所述第一区域在与所述第一方向正交的第二方向上具有恒定高度，并且所述第一区域具有第一顶点，所述第一顶点具有第一二面角α1；并且
所述第二区域在所述第二方向上具有大于所述第一区域的恒定高度的非恒定高度和最大高度，并且所述第二区域具有第二顶点，所述第二顶点具有第二二面角α2，α2＝α1，所述第二区域的最大高度大于所述第一区域的恒定高度0.5μm至3μm，并且所述重复图案的密度为每平方厘米至少200个第二区域；并且所述第二区域沿与所述第一方向及所述第二方向正交的第三方向向外延伸，以使所述第一区域和所述第二区域具有相同的侧向横截面形状。
24.根据权利要求23所述的光学显示器，其中，所述棱柱的峰面向所述观看屏。
25.根据权利要求23所述的光学显示器，其中，所述棱柱的峰背离所述观看屏。
26.一种制备光导薄膜的方法，包括：
使用具有结构化主表面的工具进行切削，所述结构化主表面包括沿第一方向延伸的多个凹槽，其中，所述凹槽包括：
第一区域和第二区域，所述第一区域具有第一顶点，所述第一顶点具有第一二面角α1，所述第二区域具有第二顶点，所述第二顶点具有第二二面角α2，α2＝α1，所述第二区域不同于所述第一区域并且与所述第一区域相邻，并且
所述第一区域中沿与所述第一方向正交的第二方向具有恒定高度，所述第二区域中沿所述第二方向具有大于所述第一区域中的恒定高度的最大高度，所述第二区域沿与所述第一方向及所述第二方向正交的第三方向向外延伸，以使所述第一区域和所述第二区域具有相同的侧向横截面形状；以及
将聚合物材料涂覆到所述工具上以形成薄膜，所述光导薄膜包括对应于所述工具中的所述凹槽的棱柱排列。
27.一种降低显示装置中光耦合的方法，包括将光导薄膜结合到所述装置中，所述光导薄膜包括结构化主表面，所述结构化主表面包括沿第一方向延伸的多个棱柱，其中，所述棱柱包括：
第一区域和第二区域，所述第一区域具有第一顶点，所述第一顶点具有第一二面角α1，所述第二区域具有第二顶点，所述第二顶点具有第二二面角α2，α2＝α1，所述第二区域不同于所述第一区域并且与所述第一区域相邻，并且
所述第一区域中沿与所述第一方向正交的第二方向具有恒定高度，所述第二区域中沿所述第二方向具有大于所述第一区域中的恒定高度的最大高度，所述第二区域沿与所述第一方向及所述第二方向正交的第三方向向外延伸，以使所述第一区域和所述第二区域具有相同的侧向横截面形状。
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