CN1965253A - 具有聚光器的视亮度增强膜 - Google Patents

Abstract

一种视亮度增强产品(30)从二维表面提供光。该视亮度增强产品(30)具有多个集光结构(32)，其中每个集光结构(32)沿着表面在长度方向上纵向延伸。每个集光结构(32)具有光学耦合到光提供表面的输入孔(33)和远离该输入孔(33)的输出孔(35)，其中该输出孔(35)具有比输入孔(33)的表面积更大的表面积。一对弯曲的侧壁(38)从输出孔(35)延伸向输入孔(33)。在相对于长度方向垂直的横截面上，弯曲的侧壁(38)近似于抛物线曲线。

Description

具有聚光器的视亮度增强膜

技术领域

本发明通常涉及视亮度(brightness)增强产品，尤其涉及使用聚光器结构的阵列来与诸如膝上型LCD显示器之类的背光显示器装置一起使用用于调节照明的视亮度增强薄膜。

背景技术

当LCD显示器提供了一种相对于CRT监视器紧凑、轻便的替代物时，存在着许多LCD显示器由于低视亮度等级或更准确地由于低光亮度(luminance)等级产生的不令人满意的应用。在传统膝上型计算机显示器中使用的透射型LCD是一种类型的背光显示器，其具有位于LCD后面的光提供表面，用来引导光向外地、朝向LCD。光提供表面本身提供基本上是朗伯的照明，即在宽的角度范围上具有基本恒定的光亮度。对于增加同轴的和傍轴的光亮度的目标，建议使用多个视亮度增强膜来重新定向具有朗伯分布的部分光相对于显示器表面垂直。使用LCD显示器和其他类型的背光显示器的增强视亮度或光亮度的建议方案如下：

美国专利NO.5,592,332(Nishio等人)披露了使用两个交叉的双凸透镜表面来调整LCD显示设备中光的角度范围；

美国专利NO.5,611,611(Ogino等人)披露了使用菲涅尔镜片和双凸透镜片的组合来获得希望的光发散(light divergence)和光亮度的背投显示器；

美国专利NO.6,111,696(Allen等人)披露了用于显示器或照明器材的视亮度增强膜。对于在专利’696中披露的光学薄膜，其面对着照明源的表面是平滑的；其相对表面具有一系列结构，例如三角形棱镜，用来重新定向照明角度。专利’696中披露的薄膜使离轴光折射来提供一定程度的校正用于引导光处于更窄的角度。然而，该薄膜设计对于重新定向离轴光发挥了最佳的作用；垂直于薄膜表面的入射光可能被反射回该照明源，而不是被透射；

美国专利NO.5,629,784(Abileah等人)披露了使用棱镜片增强反射型LCD显示器的视亮度、对比率和色彩均匀度的各种实施例。在专利’784中披露的一个实施例中，设置类似于专利’696中的视亮度增强膜，其被构造的表面对着被反射光的光源以提供增强的光亮度和减小的环境光影响。由于这个组件与反射型成像装置一起使用，所以专利’784披露的棱镜片设置在观察者与LCD表面之间，而不是设置在用于透射型LCD系统的位置(即，在光源和LCD之间)；

美国专利申请公开No.2001/0053075(Parker等人)披露了在光重定向薄膜中使用的用于LCD显示器的各种类型的表面结构，包括棱镜和其他结构；

美国专利No.5,887,964(Higuchi等人)披露了用于增强LCD显示器中背光传播和照明的沿着各个表面具有延伸的棱镜结构的透明棱镜片。如在上述专利’696所提到的，采用这种设置很多同轴光被反射而不是被透射。相对于光源，专利’964中披露的透镜片的取向与专利’696中使用的相反。专利’964的披露中所示出的设置仅仅可用于小型的手持显示器并且不使用朗伯光源；

美国专利No.6,356,391，(Gardiner等人)披露了使用棱镜阵列在LCD显示器中重新定向光的一对光学调整膜(optical turning film)，其中各棱镜可以具有不同的尺寸；

美国专利No.6,280,063(Fong等人)披露了一种视亮度增强膜，在该膜的一侧上具有棱镜结构，该棱镜结构具有钝的或圆的峰值；

美国专利No.6,277,471(Tang)披露了具有多个常规三角形棱镜结构的视亮度增强膜，该棱镜结构具有曲面状断裂刻面(curved facet)；

美国专利No.5,917,664(O’Neill等人)披露了与常规薄膜类型相比具有“软”遮光角的视亮度增强膜，由此减小当视角增加时的光亮度变化；

美国专利No.5,839,823(Hou等人)披露了一种照明系统，其使用微棱镜阵列对于非朗伯源进行光再利用，；以及，

美国专利No.5,396,350(Beeson等人)披露了具有光再利用特征的背光设备，与光源接触地使用微棱镜阵列来在照明设备中重新定向光，其中，发热可能是一个问题并且相对不均匀的光输出是可接受的

图1示出了用于增强由光源18所提供的光的一种类型的视亮度增强膜10.视亮度增强膜10具有面对光导板14的平滑侧12和几排面对LCD组件20的棱柱形结构16，所述光导板14包含反射面19。这种设置，如美国专利No6,111,696和No.5,629,784(都在上面列出了)，和No.5,944,405(Takeuchi等人)中所描述的，通常起到很好的作用，通过离轴光线的折射和定向该光的一部分靠近垂直光轴来增强同轴的光亮度。如图1所示，离轴光线R1被折射向法线。然而，注意下面的内容是有益的：由于全内反射(TIR)，傍轴光线R3可以以更极端的角度被折射远离法线。另外，同轴光线R4实际上可被反射回来朝向光导板14用来从反射面19扩散和反射而不是被引导向LCD组件20。傍轴光的折射和至少部分同轴光的反射回到光导板14用于相对于视角调整照明光亮度，如其后的描述。通过光导板14和反射面19的作用，从视亮度增强膜10反射回来的部分光最终被扩散并又以通常垂直的角度被引导向外向着LCD组件。在多次反射后当然存在由于反射面19的低效率造成的光损失。

视亮度增强膜的目的是重新定向由光导板14提供的大角度范围上的光，以使得提供给LCD组件20的输出光通常被引导朝着法线的方向。通过这样做，不仅在垂直于显示器表面直视时，而且在从倾斜角度观察时，视亮度增强膜10有助于增强显示器的光亮度。

随着距离法线的视角(viewer angle)的增加，超过阈值角，观察到的光亮度会显著地减少。图2的曲线示出了描述当使用视亮度增强膜10时光亮度与视角的特征关系的光亮度曲线26。如所期望的，光亮度峰值位于法线上且在法线的每一侧朝着阈值截止角θ_cutoff下降。超过角度θ_cutoff则出现了轻微的增加；然而，这表示被浪费的光，由于LCD显示器自身的特征其不容易被观察者觉察。

参考图2的光亮度曲线26，一个感兴趣的特征是曲线的整体形状。在整个视角范围上的光亮度与对于这些角度的曲线下的面积成正比。典型地，光亮度峰值会如所期望地出现在靠近法线的角度附近。在很多应用中，在以法线为中心的小视角范围内增加光亮度是最有益的

尽管常规的方式，例如在上面提到的披露中所提到的那些方式，提供一些在低视角增强视亮度的措施，但是这些方式存在一些缺点。上面提到的一些方案对于在优选的角度范围上重新分配光比对于在朝向相对于最好的同轴观看的法线重新分配光更加有效。这些视亮度增强膜方案具有定向的偏置，对于重新定向光到一个方向最有效。例如视亮度增强膜可以在相对于显示器表面的宽度方向上重新定向光路，但对在垂直的长度方向上的光只有很小的影响或者没有影响。结果，必须重叠多个垂直交叉的镜片以在不同的方向上重新定向光，典型地用于在相对于显示器表面的水平和垂直方向上重新定向光。必要地，这种类型的方式也算是一个折衷；这种方式对于在两个垂直轴的对角线的方向上的光不是优选的。

如上所述，视亮度增强产品已被建议具有形成在基片材料顶上的各种类型的折射表面结构，包括使用多个突出的棱镜形状的设置，都作为分开的棱镜结构的矩阵和作为细长的棱镜结构，具有既面朝向光源又面背离光源的棱镜的顶点。

很多专利的披露已经公开了使用全内反射(TIR)效应重新定向光在具有倾斜侧壁的棱镜结构内。

美国专利No.5,739,931和No.5,598,281(Zimmerman等人)披露了使用微棱镜和锥形光学结构的阵列的背光照明设备；

美国专利No.5,761,355(Kuper等人)披露了在面发光应用中使用的阵列，其中光导结构使用TIR来重新定向光朝向优选方向；

美国专利No.6,129,439(Hou等人)披露了其中微棱镜利用TIR来进行光的重新定向的照明设备。

Zimmerman等人的专利’218，Kuper等人的专利’355，和Hou等人的专利’439描述了使用具有至少一个被成型以使用TIR的弯曲侧壁的棱镜结构，包括具有大量的小段以有效地提供弧形形状的侧壁。然而，当这些披露示出了使用侧壁曲率时，没有提供用来优化能够发挥最佳作用的实际曲率或尺寸的指导方法。一些“单凭经验的法则”的建议被提出用于看起来适合于各种应用的相对比例。然而，具有任意曲率和尺寸的棱镜侧壁可能不会改善视亮度增强产品的性能并且相反可能对视亮度不利。

抛物面反射器在用于沿着一个轴收集或传输电磁能的各种类型的应用中是已知的。在室内照明的应用中，例如抛物面反射器和其形状近似于抛物面形状的反射器定位在灯或其它光源周围来收集光并引导它们向外，通常朝向一个方向。对于光沿着一个轴的优化的抛物面反射，对于抛物面反射器光源定位在焦点上。

更多有效的聚光器(light concentrator)，例如复合抛物形聚光器(CPC)已经被用于在各种应用中收集光，尤其用于太阳能应用中。例如美国专利No.4,002,499和4,003,638(都是Winston)披露了使用反射型抛物面聚光器元件用于收集辐射能量。美国专利No.6,384,320(chen)披露了使用反射型CPC装置的阵列来用于住宅用太阳能发电系统。聚光器已经被用于支持光敏装置。例如UK专利申请GB2326525(Leonard)披露了使用反射型CPC阵列作为获得用于诸如电荷耦合装置(CCD)之类的光传感器的光的聚光器。CPC和类似结构已经被利用在各种应用中收集和感测光，但没有获得改善的光分布和重新定向。

用于光学显示器的视亮度增强膜已经被大量地引导来在角度范围上改进显示器的视亮度。然而，空间均匀性也是重要的，因为它有助于最小化显示器中的“热点”。致力于获得更高视亮度的现有视亮度增强膜经常趋向于损害显示器的均匀性，引起热点和其他异常。

尽管一直共同努力于增加显示器的光亮度，但仍然需要改进，尤其是在想要高级别的傍轴光亮度的地方和在被显示图像中想要空间均匀性的地方。

本发明要解决的问题

需要光效率高的视亮度增强膜来增强傍轴视角处的光亮度，并提供基本均匀的光源。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于从表面提供光的视亮度增强产品，该视亮度增强产品包括：

多个集光结构，其中每个集光结构沿着光提供表面在长度方向上纵向延伸，

每个集光结构包括：

(a)光耦合到光提供表面的输入孔；

(b)远离所述输入孔的输出孔，其中该输出孔具有比输入孔表面面积更大的表面面积；和

(c)沿着长度方向延伸的一对弯曲的侧壁并从输出孔向输入孔延伸；其中，在相对于长度方向垂直的横截面中，弯曲的侧壁近似于抛物线曲线。

附图说明

当说明书以特别指出的并清楚地声明本发明的主题的权利要求来结束时，相信本发明从结合了附图的下列说明中将被更好地理解，其中：

图1是示出了与LCD显示器一起使用的视亮度增强膜的横截面侧视图；

图2是示出了对于视亮度增强膜光亮度与视角的关系的图表；

图3是示出了根据本发明线性聚光器处理光线的行为的光线图；

图4a和4b是示出了在本发明的不同实施例中的照明设备的一部分的横截面侧视图；

图5是根据本发明的视亮度增强膜的透视图；

图6a是根据本发明的照明系统的侧视图；

图6b是从垂直于图6a中的视图的方向的照明系统的侧视图；

图7是图6a和6b的照明系统的透视图；

图8a是示出了在确定侧壁的横截面形状中关键参数的作用的侧视图；

图8b是示出了光导板内TIR角的侧视图；

图8c是示出了根据本发明如何利用参数来获得集光结构的侧壁的y-z座标的侧视图；

图9a，9b，和9c是用于描述可对集光结构的基本形状和尺寸进行的修改的侧视图，其在本发明中使用时在横截面内通常为抛物线；

图10a和10b是示出了根据本发明具有或不具有集光结构的每个侧壁的轻微旋转的光行为的横截面示意图；

图11a和11b是示出了根据本发明修改或不修改集光结构的形状时相对于视角的相对光亮度的图表；

图12是示出了其中相邻集光结构之间的间距是可变的实施例的横截面侧视图；

图13是示出了其中集光结构沿着曲线形成的可替换实施例的透视截面图；

图14是示出了在可替换实施例中具有附加的随意性的集光结构的透视图。

本发明的有益效果

我们已经发现了一种提供具有改进的效率和在傍轴视角处具有改进的光亮度的基本均匀的光源的视亮度增强膜。

具体实施例方式

如在上面的背景技术部分所提到的，复合抛物面聚光器(CPC)存在很多有益的集光特性。现在参考图3的横截面侧视图，本发明的设备使用具有该基本形状的集光结构32的阵列，每个集光结构32在横截面上具有基本上为抛物线的轮廓。在集光结构32内，由于全内反射(TIR)，从在输入表面34上的输入孔33的点P在大范围角度上发射出的光线R被反射，并通常以相同的角度从输出表面36上的输出孔35射出。尤其是，经过点P从集光结构32的侧壁38反射的光线通常以对应于与从该点的反射线的最大光束角θm对应的角度θm射出。通过设置集光结构32靠着光导板14，或将其设置为光导板14整体的一部分，输入孔33只为光导板14内的大部分光能量提供出口。光导板14防止光泄漏，允许光仅仅通过集光结构32射出，假设角度θm保持在合适的值。

如图3所示，输入表面34相对地位于光导板14的表面。集光结构32可制造作为薄膜的一部分，然后附着于光导板14上，每个集光结构32附着在输入表面34上。可替换地，集光结构32可以被铸模而成或另外形成为光导板14的表面整体的一部分。相同的透明材料被典型地用于集光结构32和光导板14的制造，不管集光结构32被单独制造还是被整合到光导板14上。这种设置允许对于集光结构32和光导板14有相同的折射率n。

经过复核，当对于入射光临界角_TIR超过在下面等式(1)中所定义的角度时，就能实现TIR(对于空气中的结构)，其中n是用于集光结构42的材料的折射率：

本发明在一个方向上利用如图3中的集光结构32所示的抛物面集光器的光处理行为。参考图4a，其示出了耦合到光导板14的部分视亮度增强膜30的横截面图。形成具有通常为抛物线横截面的肋状集光结构42，其沿着长度方向延伸。如上面所提到的，视亮度增强膜30为光导板14的一部分或者与光导板14相接触。使用在显示器成像技术中公知的技术，每个集光结构42引导源自一个或多个光源18并被光导板14引导的光。

仍然参考图4a，每个线性集光结构42的横截面形状可以被认为由一对凹槽45限定。可以看出每个凹槽45的侧面通常是凹形的，由此形成集光结构42的侧面具有基本上凸面的形状。

图4b示出了一个可替换的实施例，其中视亮度增强膜30也具有为单个的集光结构42提供支撑结构的附加输出表面36。

参考图5的透视图，其示出了一个实施例中视亮度增强膜30的三维结构，具有放大尺寸的集光结构42来图解说明关键的关系。每个单个的线性集光结构42沿着视亮度增强膜30的输入侧在沿着该膜的长度方向L上延伸。在垂直的宽度方向W上，线性集光结构42表现为肋或脊(从光导板14的角度看)。使用这种设置，理想的抛物线形轮廓的有益特性用于得到在一个方向上的光。即，相对于在图5的透视图中指示的各方向，可以用图3中示出的方式重新定向W方向上的光入射角。在一个实施例中，集光结构42沿着长度方向L延伸，基本平行于光源18-即CCFL灯泡的中心轴。

如图6a和6b的正视图和侧视图所示，在图7的透视图中，光定向结构的组合作为显示器设备60的照明系统58的一部分重新定向光。在所示的实施例中，单个光源18提供光到具有反射面24的光导板54。可选地，可以提供多个光源18。从图6a的正视图，示出了视亮度增强膜30中各个单个的线性集光结构42基本为抛物线的形状。视亮度增强膜30的输入表面44顶靠着光导板54。照明系统58传递源照明给LCD组件20。可选择的光调节产品64可以提供给照明系统58，如图7中的虚线所示。光调节产品64可以是例如反射偏振器或扩散器。多个光调节产品64可被组合用于支撑照明系统58。

必须强调的是，在图5、6a、6b或7中照明系统58的组件没有按比例绘制；这些和其他放大尺寸的示图致力于示出每个组件的整体功能。对于大多数实施例，集光结构42在比例上典型地远远小于在这些示图中所表示出的集光结构。

图6b示出了其中显示设备60从其在图6a中的位置被垂直旋转的侧视图(在输入表面44的平面内)。从图6b的视图中，仅仅最外层的集光结构42是可见的，因为它沿着视亮度增强膜30的长度L延伸。为了改进沿着长度L方向光的方向控制，在底部反射面22上方设置棱镜阵列结构50。在这个实施例中，棱镜阵列结构50上的结构在与限定线性集光结构42的凹槽45垂直的方向伸展。由此棱镜阵列结构50相对于视亮度增强膜30的垂直取向提供W和L方向上照明的重新定向。通过铸模或者一些其他方法，棱镜阵列结构50可形成在光导板14的基底上。

优化集光结构42的横截面形状

返回来参考图3，对于少量的光线R示出了具有接近抛物线轮廓的侧壁38的集光结构32的理论性能。为了调整这个原理为实际应用并能够以低成本制造视亮度增强膜30，更加清楚地理解集光结构32如何工作是有益的。然后，具有通过集光结构32的光行为的更准确的知识，就可能调整理想的集光结构32的形状(图3)到视亮度增强膜30的集光结构42的实际应用(图4a)。例如，就可能放宽一些公差并调整集光结构42的形状使其能更易于制造。通过适当选择曲率和尺寸参数，也可能最小化如上面所述的交叉效应。

参考图8a，示出了集光结构32的侧壁38的横截面形状，其具有关键的尺寸和角度关系。如参考图3所指出的，对于集光结构32的给定横截面形状，角θm定义了相对于法线的最大光束角度。这意味着在输入孔33进入集光结构32的光处于某一角度，

θm≤≤90°                        (2)

其中角θm如图3所示。图8a中的尺寸r_i和r₀分别是集光结构32的输入和输出孔半径。

按照x、z坐标，使用下面的符号来表示在角度的光线入射到侧壁38上的点：

P(x(；θ_m，θ_r)，z(；θ_m，θ_r))   (3)

其中值是确定沿着集光结构32的侧壁38的位置的变量；值θ_m和θ_r是可选择的设计参数。通常，考虑由集光结构32所反射的光束的光亮度分布，角θ_m控制整个角度范围且角θ_r控制光亮度峰值的角度位置。因此，角θ_r也可以被控制以最小化或去除交叉效应，如随后解释的。为了定位轴上的峰值光亮度，使用等式(4)计算θ_r的经验值：

${\mathrm{\θ}}_r\text{=}\frac{1}{2}{\mathrm{\θ}}_m.\left(4\right)$

θ_r，的典型值在10-30度范围内。

注意，θ_m不一定等于光亮度的角度范围，但与这个角度范围成比例。同样地，θ_r就不等于光亮度分布中的最高峰值的角度位置，但确定这个峰的位置。

优化集光结构32的形状的第一步是为输入孔半径r_i选择合适的值。这样做的重要考虑包括相对尺寸；当r_i减少时，集光结构32变得更不可见并且可能更不可能引起莫尔图形。然而，如果r_i太小，则集光结构32可能更难于制遣。

一旦确定了r_i的值，下一步是选择合适的θ_m值。这取决于应用标准。对于小型的显示器，例如它可能希望具有更小的视角和高的光亮度。在这种情况下，合适的θ_m值可能在10-30度范围内。对于更大的显示器，一般使用更大的θ_m值。

如上面所提及的以及如能从图8a中所看出来的，从线y(z)＝-r_i测得的角φ在上限π/2和某下限φ_lower之间变化，其通常大于θ_m。然后与设计参数值θ_m和θ_r一起，可以使用下限φ_lower来确定集光结构32的输出半径r₀和高度h。

为了理解在应用中用于指定下限φ_lower的标准，回顾如图4a和4b中所示的光导板14如何工作是有用的。在光导板中，利用TIR以包容光束直到它从光导结构32射出。由于菲涅尔定律，一旦光束进入光导板14，如图8b所示，它的相对于Y轴的光束角，η_i保持比等式(1)中给出的TIR角_TIR小，其中n是光导板14的折射率。由于光导结构32具有相同(或非常接近于相同)的折射率n，所以这个角度限制也适用于光导结构32内。

现在参考图8c，示出了(以虚线)以最极端的可能角度_TIR进入光导结构32的光束路径。相对于法线(Z轴)，进入光导结构32的每个其他光束大于或等于：

π/2-_TIR(5)

回顾如图8a所示，φ_lower由线y(z)＝-r_i测得。建议φ_lower不要比π/2-_TIR小得太多；否则，最后所得到的光导结构32的高度h可能超过正常极限，使得制造更加复杂。优选地，保持高度h短并维持小的高宽比(由高度h除以宽度r₀定义)。通常：

φ_lower≈π/2-_TIR＝π/2-sin^-1(1/n)    (6)

使用这个，下面的范围适用于变量φ：

π/2-sin^-1(1/n)≤φ≤π/2               (7)

使用这个被确定的值，集光结构32的整体形状可以使用下列等式计算：

$y(\mathrm{\φ};{\mathrm{\θ}}_m,{\mathrm{\θ}}_r)=\frac{2f\sin (\mathrm{\φ}-{\mathrm{\θ}}_r)}{1-\cos (\mathrm{\φ}+{\mathrm{\θ}}_m)}+r_i[2\cos \left({\mathrm{\θ}}_r\right)-1]$

$z(\mathrm{\φ};{\mathrm{\θ}}_m,{\mathrm{\θ}}_r)=\frac{2f\cos (\mathrm{\φ}-{\mathrm{\θ}}_r)}{1-\cos (\mathrm{\φ}+{\mathrm{\θ}}_m)}-2r_i\sin \left({\mathrm{\θ}}_r\right)---\left(\mathrm{8,9}\right)$

其中r_i是输入表面的半径且f＝r_i[1+sin(θ_m)]。

通过用下列坐标找出侧壁38上的点，可以计算输出孔半径r₀和高度h：

y(φ＝φ_lower；θ_m，θ_r)＝r₀，z(φ＝φ_lower；θ_m，θ_r)＝h    (10)

下列计算确定输出孔半径r₀和高度h：

$r_o=\frac{2f\sin (\mathrm{\π}/2-{\sin }^{-1}(1/n)-{\mathrm{\θ}}_r)}{1-\cos (\mathrm{\π}/2-{\sin }^{-1}(1/n)+{\mathrm{\θ}}_m)}+r_i[2\cos \left({\mathrm{\θ}}_r\right)-1]$

$h=\frac{2f\cos (\mathrm{\π}/2-{\sin }^{-1}(1/n)-{\mathrm{\θ}}_r)}{1-\cos (\mathrm{\π}/2-{\sin }^{-1}(1/n)+{\mathrm{\θ}}_m)}-2r_i\sin \left({\mathrm{\θ}}_r\right)---\left(11\right)$

下面是各步骤的总结，使用范例，示出了在一个实施例中如何能够确定合适的值：

步骤1：确定r_i和θ_m的值。

在这里，假设r_i＝25μm。对于小型装置，±20度的视角将是足够的，其得出θ_m＝20°。

步骤2：确定θ_r的值。

使用等式(4)，θ_r可以是大约10度。选择一个实际值，例如8度。

步骤3：确定参数φ_lower的值。

对于由PMMA制造的光导板14，n＝1.49。

从等式(6)和(7)，φ_lower≈47度。

步骤4：使用等式(11)计算半径r₀和高度h的值。

在这里，r₀＝66.9μm且h ＝66μm。

设计考虑

对于集光结构(图4a-7)在任何可使用的设计上施加了很多约束并且有必要考虑折衷方案来获得最佳的设计。例如，对于增加法线附近角度的光亮度，典型地保持θ_m在小范围值内是最好的。然而，由于输入孔33限制了进入集光结构42的整体光量，所以必须在优选角度范围和在这些角度上提供足够光亮度之间达到折衷。

在进行实际集光结构42的设计中，已经观察到冲击点P(x()，z())通常分布得与靠近输出孔35相比更靠近输入孔33，如图9a所示当进入光导板的光被限制在如图8b中所示的一定的锥形角度内。在表示这个中，图8b中的光线Q可以被认为与图9a中的光线Q’相同。由于这个影响，可能减小高度h，如在图9b的横截面光线图中所示，使用在等式(11)中确定的最小高度h。这提供了对于制造视亮度增强膜30的很多实际好处，简化了制造并增强了机械稳定性。这种改变还通过提高整体填充系数提升了视亮度。

在上面相对于图4a描述了交叉效应的问题。返回来参考图4a的侧视图，可以看到自相对方向的光线可以进入到同一集光结构42并沿着传输路径在交叉点48交叉。在这个动作发生的地方，多余的交叉效应可能会引起离轴峰值视亮度增强膜30输出。已经示出了通过将侧壁旋转角度θ_r可以最小化交叉效应。图10a和10b依次示出了不增加相对高度h，如何通过稍微改变集光结构42的侧壁38的曲率来最小化交叉效应。通过对侧壁38整形所引起的集光结构42内TIR行为的最终变化，可以校正图10a的实施例中来自光线R的交叉点48。如图10b所示，侧壁38的旋转提供了增加视亮度增强膜30的同轴光亮度的另一优点。

图11a和11b中的光亮度曲线26示出了优化如在相应的图10a和10b中示出的并如在上面参考图9a，9b和9c所描述的侧壁38的曲率的效果。不优化侧壁38的曲率，就会出现如图11a中所示的离轴峰值62。如图11b所示，通过优化侧壁38的曲率，可以改进同轴的性能。

使用的材料

通常，可以以很多方式形成视亮度增强膜30。在优选实施例中，由丙烯酸薄膜形成视亮度增强膜30；然而，可以由任何不同类型的透明材料来形成视亮度增强膜30，例如包括聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。对于基片的要求是折射率n至少约为√2或更大。用于视亮度增强膜30的材料应具有与光导板14，54的折射率n相同，或近似相同的折射率n。

典型的尺寸、形状和制造

根据本发明对于制造的视亮度增强膜30的典型优选值和范围包括下列：

(I)相邻集光结构42(图5)之间的间距K：80微米。这个值典型地位于10-200微米之间。

(II)高度H(图9b)：25微米。这个高度值典型地在10-100微米的范围之间。对于具体的应用，很多因素确定该最佳高度，包括孔的尺寸和侧壁38的曲率。

(III)棱镜阵列结构50的棱镜角(图6b)：100°。

(IV)输入孔与输出孔的比值：在从1∶1.5到1∶10的范围内。

视亮度增强膜30可以用于改善具有非均匀视亮度特征的表面成像装置的均匀性。为了对这个目标有用，可以利用集光结构42的非均匀结构化和空间分布。例如通过改变沿长度方向的集光结构42的方向，可以实现非均匀结构化。参考图4a，可以使用没有沿用于视亮度增强膜30的基片的输入表面精确地平行地伸展的沟槽45，来增强视亮度增强膜30的空间均匀性。

需要时可以改变间距K来提供增强的均匀性。参考图12的侧视图，其示出了使用集光结构42的非均匀性分布的设置。在这里，离光源18的距离越远，在集光结构42之间使用的间距K1，K2，K3，K4，K5和K6的间隔就越紧。在使用两个光源18的地方，间距K可以在一片视亮度增强膜30的中心处为最小值。

参考图13，其示出了用于作为点光源的光源18的集光结构42的设置。光源18可以是例如LED。在这里，适当地弯曲的集光结构42来增强光亮度和均匀性。图14示出了对集光结构42的其他可能的改变，包括沿着集光结构42的长度方向在不同位置改变宽度尺寸B1和B2。如图14所示，另一个可替换的改变是改变集光结构42的路径，使用对线性设置的规则或不规则的波浪形变化。这个方案可以用于减少例如莫尔图形。

可以用很多方法制造本发明的视亮度增强膜30，诸如使用例如用于在一片基片材料中形成沟槽45(图4a)的方法。对基片进行划线是形成集光结构42的一种可能的方法。各种铸模技术可以替换地用来形成集光结构42，例如铸模，包括使用网基构造的注射滚动铸模(injectionroll molding)，或使用挤压板的挤压铸模。例如，视亮度增强膜30可被制造成片状并层压到诸如光导板之类的现有类型的光提供表面上。

对于在背光应用中使用本发明的视亮度增强膜30，例如如图6a，6b和7所示，应满足下列具体的要求：

(I)用于形成视亮度增强膜30的材料基本上具有与光导板54相同的折射率n，相差约在+/-0.1内；

(II)用于这个实施例的光导板54不提供扩散器；

(III)集光结构42的输入孔33与光导板54直接接触，即，输入孔33的平面表面顶靠着光导板54，没有任何空气间隙。输入孔33可以例如被粘贴、挤压、铸模到光导板54的表面上、形成为光导板54的表面的一部分，或者附着到光导板54的表面上。

对于这个实施例，使用对LCD背光技术领域的技术人员公知的配置，作为一类导光管的光导板54也要求相对于其光源有一反射面。例如，参考图6，其示出了对于光导板54合适的设置，相对于光源18具有一反射面并具有以直角连接的外表面。

用于背光的可替换实施例

图5所示的光源18可以是传统的CCFL荧光灯泡或被实施为其他类型的光源。例如，可以使用一个或多个LED来代替传统的CCFL灯泡来作为光源18，引导光进入光导板14或其他合适的波导。

对面发光应用

上面的说明主要集中在在背光显示器应用中使用本发明的视亮度增强膜30。然而，在本发明中使用的线性延伸的集光结构42的阵列也可以用在面发光应用中。例如，这些结构在宽角度范围接受光并重新定向光朝向垂直轴的能力暗示了可能的使用范围，诸如用于台灯和外科手术照明设备。本发明的视亮度增强膜30特别适用于提供直接且均匀面积的光的照明应用。

调整在CPC和类似结构中使用的光重新定向结构来获得非常有效的光的重新分布是本发明的一个特征。本发明相对于其他视亮度增强膜的优点包括提高了同轴的和傍轴的光亮度增益和提高了在光分布角度上的控制。本发明对于视亮度增强提供一种紧凑的、整体的方案。本发明的薄膜光耦合到光导板自身，要求没有间隔距离。本发明不要求使用光导板的高质量的反射背衬。相反地，本发明的薄膜使用波导效应和全内反射(TIR)来定向光，其具有因反射而产生的最小损失。根据本发明制造的薄膜可以与BDEF(双重视亮度增强膜)材料或其他类型的反射偏振器一起使用。

本发明的另一个优点是它对于视亮度增强构造允许使用宽范围的透明材料。本发明的设备和方法有益地提供了在可制造的视亮度增强膜设计中提高空间均匀性的方法。

已经参考优选实施例描述了本发明。然而，很明显，不背离本发明的范围本领域的普通技术人员可以实现各种变化和改动。例如，当图3的理想抛物线形状具有特别的优点时，近似的抛物线形状对于重新定向光朝向垂直轴也是有效的。

本发明的视亮度增强膜引导离轴光朝向相对于薄膜表面的垂直轴并由此特别适用于与LCD显示器一起使用以及用于其他类型的背光显示器。

部件列表

10、视亮度增强膜

12、平滑侧

14、光导板

16、棱镜结构

18、光源

19、反射面

20、LCD组件

22，24、反射面

26、光亮度曲线

30、视亮度增强膜

32、集光结构

33、输入孔

34、输入表面

35、输出孔

36、输出表面

38、侧壁

42、集光结构

44、输入表面

45、沟槽

48、交叉点

50、棱镜阵列结构

54、光导板

58、照明系统

60、显示设备

62、离轴峰值

64、光调节产品

H＝高度

W＝宽度

K1，K2，K3，K4，K5，K6＝间距

L＝长度

R1，R2，R3，R4光线

Claims (42)

1、一种用于从表面提供光的视亮度增强产品，该视亮度增强产品包括：

多个集光结构，其中每个集光结构沿着光提供表面在长度方向上纵向延伸，

每个集光结构包括：

(a)光学耦合到光提供表面的输入孔；

(b)远离所述输入孔的输出孔，其中该输出孔具有比输入孔的表面积更大的表面积；和，

(c)一对沿着所述长度方向延伸并从输出孔向输入孔延伸的弯曲的侧壁；其中在相对于长度方向垂直的横截面上，该弯曲的侧壁近似于抛物线曲线。

2、根据权利要求1的视亮度增强产品，其中该长度方向基本平行于提供源照明的电灯泡的轴。

3、根据权利要求1的视亮度增强产品，其中基本相互平行地设置相邻的集光结构。

4、根据权利要求1的视亮度增强产品，其中该光提供表面和至少一个集光结构是同一材料。

5、根据权利要求1的视亮度增强产品，其中谊输出孔的宽度在集光结构的长度上变化。

6、根据权利要求1的视亮度增强产品，其中相邻集光结构之间的间距基本相等。

7、根据权利要求1的视亮度增强产品，其中相邻集光结构之间的间距是变化的。

8、根据权利要求1的视亮度增强产品，其中集光结构相对于光源基本径向地设置。

9、根据权利要求1的视亮度增强产品，其中集光结构的相邻长度被设置以遵循弯曲的路线。

10、根据权利要求1的视亮度增强产品，其中集光结构的相邻长度被设置以遵循曲率变化的路线。

11、根据权利要求1的视亮度增强产品，其中弯曲的侧壁提供全内反射来引导在输入孔入射的光到输出孔。

12、一种用于从光提供表面增强光亮度的基片，该基片包括：

用于收集离轴光线的肋状表面；

由一系列空间间隔的沟槽形成的肋状表面，限定了在连续的沟槽之间纵向延伸的肋，

每个肋在横截面轮廓上具有从输出孔到输入孔成锥形的弯曲的侧壁，其中输出孔具有比输入孔的表面积更大的表面积；

其中，在相对于纵向延伸的肋垂直的横截面上，该弯曲的侧壁近似于抛物线曲线。

13、根据权利要求12的基片，其中该离轴光由光导板提供。

14、根据权利要求12的基片，其中空间间隔的沟槽之间的间距沿着肋状的基片表面变化。

15、根据权利要求12的基片，其中多个纵向延伸的肋遵循非线性路线。

16、根据权利要求12的基片，其中至少一个纵向延伸的肋符合非线性路线。

17、根据权利要求12的基片，其中输入孔光学耦合到光导板。

18、根据权利要求17的基片，其中基片的折射率与光导板的折射率基本相等。

19、根据权利要求12的基片，其中对于至少一个肋，输出孔的宽度在该肋的长度上变化超过10％。

20、一种照明系统，包括：

(a)具有输出表面的光提供元件；

(b)包括多个集光结构的视亮度增强产品，其中每个集光结构沿着光提供元件的输出表面在长度方向上纵向延伸，每个集光结构包括：

(I)光学耦合到光提供元件的输出表面的输入孔；

(II)远离输入孔的输出孔，其中该输出孔具有比输入孔的表面积更大的表面积；和，

(III)一对从输出孔延伸向输入孔的弯曲的侧壁；

其中在相对于长度方向垂直的横截面上，该弯曲的侧壁近似于抛物线曲线；

(c)反射面，沿着与输出表面相对的至少一部分光提供元件表面，用来将光反射回到光提供元件；和，

(d)光学耦合到光提供元件的表面并与输出表面相对的棱镜表面，该棱镜表面包括在宽度方向上纵向延伸的棱镜结构，该宽度方向基本垂直于该视亮度增强产品的长度方向。

21、根据权利要求20的照明系统，还包括用于调节从该视亮度增强产品提供的光的光调节产品。

22、根据权利要求21的照明系统，其中该光调节产品包括反射偏振器。

23、根据权利要求21的照明系统，其中该光调节产品包括扩散器

24、根据权利要求20的照明系统，其中相邻的集光结构相互基本平行地设置。

25、根据权利要求20的照明系统，其中输出表面和至少一个集光结构是同一材料。

26、根据权利要求20的照明系统，其中输出孔的宽度在至少一个集光结构的长度上变化超过10％。

27、根据权利要求20的照明系统，其中相邻集光结构之间的间距基本相等。

28、根据权利要求20的照明系统，其中任何两个相邻集光结构之间的间距在该视亮度增强产品的长度上变化超过10％。

29、根据权利要求20的照明系统，其中集光结构相对于光源基本径向地设置。

30、根据权利要求20的照明系统，其中集光结构的相邻长度被设置以遵循弯曲的路线。

31、根据权利要求20的照明系统，其中集光结构的相邻长度被设置以遵循曲率变化的路线。

32、一种显示器设备，包括：

(a)光提供表面；

(b)与光提供表面耦合来提供背光照明的视亮度增强产品，该视亮度增强产品包括：

多个集光结构，其中每个集光结构沿着所述表面在长度方向上纵向延伸，每个集光结构包括：

(I)光学耦合到光提供元件表面的输入孔；

(II)远离所述输入孔的输出孔，其中该输出孔具有比输入孔的表面积更大的表面积；和，

(III)一对从输出孔延伸向输入孔的弯曲的侧壁；

其中在相对于所述长度方向垂直的横截面上，该弯曲的侧壁近似于抛物线曲线；和，

(c)用于调制背光照明来形成图像的显示器面板。

33、根据权利要求32的照明系统，其中该显示器面板包括LCD。

34、根据权利要求32的照明系统，还包括用于调节从该视亮度增强产品提供的光的光调节产品。

35、根据权利要求34的照明系统，其中该光调节产品包括反射偏振器。

36、根据权利要求34的照明系统，其中该光调节产品包括扩散器

37、一种用于增强背光照明系统的同轴视亮度的方法，包括：

形成多个集光结构，其中每个集光结构沿着光提供表面在长度方向上纵向延伸，每个集光结构包括：

(I)光学耦合到光提供表面的输入孔；

(II)远离所述输入孔的输出孔，其中该输出孔具有比输入孔的表面积更大的表面积；和，

(III)一对从输出孔延伸向输入孔的弯曲的侧壁；

其中在相对于长度方向垂直的横截面上，该弯曲的侧壁近似于抛物线曲线。

38、权利要求37的方法，其中在y-z垂直轴空间中横截面抛物线曲线通过下列定义：

(1)根据

π/2-sin^-1(1/n)≤φ≤π/2来确定来自集光表面的输入光的可变角度φ的范围，其中n近似于视亮度增强产品的基片的折射率；

(2)定义输入孔尺寸r_i；

(3)在输出孔相对于法线定义最大输出光束角θ_m；

(4)对于可变角φ的范围，使用下式计算抛物线曲线外形的y-z坐标：

$y(\mathrm{\φ};{\mathrm{\θ}}_m,{\mathrm{\θ}}_r)=\frac{2f\sin (\mathrm{\φ}-{\mathrm{\θ}}_r)}{1-\cos (\mathrm{\φ}+{\mathrm{\θ}}_m)}+r_i[2\cos \left({\mathrm{\θ}}_r\right)-1]$

$z(\mathrm{\φ};{\mathrm{\θ}}_m,{\mathrm{\θ}}_r)=\frac{2f\cos (\mathrm{\φ}-{\mathrm{\θ}}_r)}{1-\cos (\mathrm{\φ}+{\mathrm{\θ}}_m)}-2r_i\sin \left({\mathrm{\θ}}_r\right)$

其中角度θ_r近似于角度θ_m的一半并且其中

f＝r_i[1+sin(θ_m)]

39、权利要求37的方法，其中形成多个集光结构的步骤包括挤压铸模步骤。

40、权利要求37的方法，其中形成多个集光结构的步骤包括喷射滚动铸模步骤。

41、权利要求37的方法，其中形成多个集光结构的步骤包括层压步骤。

42、权利要求38的方法，其中角度θ_r在10-30度的范围内。

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