偏振转向膜的利记博彩app

专利名称：偏振转向膜的利记博彩app
技术领域：
本发明一般涉及用来提高来自某个表面的照度的显示器照明器件，更
具体来说涉及一种转向(tuming)膜，用来反射来自光导板的光，以及提供偏 振光输出。
背景技术：
液晶显示器(LCD)在成本和性能方面一直在获得改进，成为许多计算 机、仪器和娱乐应用优选的显示器种类。用于常规的便携式计算机显示器 的透射LCD是一种背光显示器，具有设置在LCD后面的提供光的表面，用来 使光向外投射，射向LCD。如何提供亮度足够均匀的合适背光设备、同时 仍保持紧凑性和低成本的难题，已经通过以下两种基本方法中的一种得以 解决。在第一种方法中，使用提供光的表面提供在很宽角度范围内照度基本 恒定的高度散射的光，光的散射基本上是朗伯光分布。通过所述第一种方 法，为了增大轴上和轴附近的照度，人们提出了许多种增亮膜，用来使得所 述具有朗伯光分布的光的一部分重新定向，以提供更加准直的光照。人们 提出的关于增亮膜的方案可参见例如美国专利第5，592,332号(Nishio等人); 美国专利第6,111,696号(Allen等人)；以及美国专利第6,280,063号(Fong等 人)，以上专利中描述的增亮膜(BEF)之类的方案提供了在宽视角内提高亮 度的一些方法。但是即使在 吏用BEF的时候，总体对比度仍然较差。
第二种提供背光光照的方法使用光导板(LGP)，所述光导板接收来自设 置在侧面的灯或其它光源的入射光，通过内全反射(TIR)在内部导引所述的 光，使光在狭窄的角度范围内从LGP射出。从LGP出射的光通常相对于法线 具有相当陡的角度，例如等于或大于70度。在第二种方法中，随后使用转 向膜(一类光重新定向制品)使从LGP射出的出射光朝向法线重新定向。转向 膜泛指光重新定向制品或光重新定向膜，例如为购自美国纽约州宝德温的克拉瑞科斯有限公司(Clarex, Inc., Baldwin, NY)的HSOT(高度散射光学透射) 光导板，提供了一种用来提供这类均匀的背光的改进的方案，其不需要漫 射膜(diffusion film)或者在制造中进行点打印(dot printing)。 HSOT光导板和 其它种类的转向膜使用各种组合的棱镜结构阵列，使光从光导板朝向法线 重新定向，或者朝向一些其它合适的目标角度重新定向，所述其它合适的目 标角度通常接近垂直于二维表面。作为一个例子，美国专利第6，746，130号 (Ohkawa)描述了一种光控制片，其作为用于LGP光照的转向膜。
参见图l,图中显示了显示器设备100中光导板10的总体功能。来自光 源12的光在入射面18入射，进入光导板10,所述光导板10通常如图所示是楔 形的。光在光导板10中传播，直到不满足内全反射(TIR)条件，然后可能会 经反射面142反射，从出射面16离开光导板。然后该光线射向转向膜122， 被定向而对光选通装置120进行光照，所述光选通装置120是例如LCD或其 它种类的空间光调制器或其它调制光的二维背光部件。为了在大多数条件 下最优化地观察，发射的光应当在法线N附近较窄的角度范围内提供。需要 在光照路径上设置偏振器124以便为光选通装置120提供适于调制的偏振 光。但是，因为通过转向膜122之后的光是基本非偏振的，或者最多具有一 些很小程度的偏振，所以偏振器必须吸收至少一半的光。为了克服这个问题， 人们经常在吸收偏振器124和转向膜122之间提供反射偏振器125。
Koike等人在名为"具有偏振功能的表面光源装置"的美国专利第 5,982,540号和第6,172,809号中揭示了一种反射偏振器。Koike等人在'540和 '809中揭示了一种表面光源装置，该装置具有光导板、 一个或多个偏振分离 板(polarization separating plate)、光方向调节器(主要是转向膜)和偏振转换 器。所述偏振分离板是一类反射偏振器125。 Koike等人在'540中描述的偏振 分离板利用布儒斯特角进行光照的S偏振分量和P偏振分量的分离。尽管该 方法提供了光的一些偏振，但是其仅仅提供了对更常规的反射偏振膜的一 种替代。该方案仍需要另外使用独立的一个或多个偏振膜。另外，Koike等 人在'540和'809中的方法要求用于偏振分离板的材料的折射率n在很窄的范 围内，该范围是基于来自光导板的光的入射角。
很明显，如果能够在不降低图像质量和性能的前提卞、减少提供偏振光照所需的部件的总数，将会是有益的。基于这个目标，人们提出了许多的 方案，用来简化偏振器125的结构，或者通过合并功能而省去该部件。在一
种合并功能的尝试中，Arai的名为"输出偏振的正面照射的表面光源装置 (Surface Light Source Device Outputting Polarized Frontal Illumination Light)"的美国专利第6，027,220号揭示了一种能够产生至少部分偏振的光照 的表面光源装置。如Arai在'220中所述，从光偏振板10发射的光本身固有一 定程度的偏振(图l)。另外，所述转向膜本身对该光进行了进一步的偏振化。 在使用一对转向膜的构造中，甚至还可进一步略微地获得偏振化。依照Arai 在'220中揭示的方法，可以设计一种表面光源，该表面光源能够通过对各种 转向膜使用合适的材料、根据它们的折射率使这些材料与来自光导板的入 射光的角度相匹配，从而简单地提供一定程度的偏振。尽管该方法有益地 提供了一些偏振化的方法，但是，对于简单地依靠指定折射率n能够获得多 大的实际改进尚存在实际的限制。另外，使用多个转向膜的实施方式会增加 光照系统设计的成本、厚度和复杂性。
在另一个方法中，Suzuki的题为"用于增加偏振分量的设备、光导单元、 液晶显示器禾口偏振方 去(Apparatus for Increasing a Polarization Component, Light Guide Unit, Liquid Crystal Display and Polarization Method)"的美国专 利第6，079,841号提供了一种光导板，其自身设计用来输送偏振光。Suzuki 的'841的光导板使用层叠在一起的一叠光导，这些波导通过取向提供对光的 布儒斯特角调整，以完成优选的偏振态。尽管本方法的优点是能够将偏振 部件结合入光导本身当中，但是这类方法仍存在缺陷。光导板的复杂性以及 附加的对半波长片或四分之一波长片和反射器的要求都抵销了由于省略作 为光照路径中独立部件的偏振器所获得的优点。
因此，可以看到，尽管人们已经尝试通过将偏振功能与其它部件相结 合来提供偏振光照，但是这些尝试不够灵活、成本不够低、方案不够有效。 因此，人们需要能够以较少数量的部件提供偏振化的光照的低成本转向膜 方案
发明内容
本发明提供了一种用来将光朝向目标角度重新定向的光重新定向制品, 所述光重新定向制品包含折射率大于1.6的材料，所述光重新定向制品还包 括
(a) 入射面(input surface),用来在一个入射角范围内接收入射光照；
(b) 出射面(output surface),其包括多个光重新定向结构，每个光重新定 向结构包括近表面(near surface)和出射表面(exit surface),所述出射表面用 来以发射光角度发射出射光，所述出射表面相对于入射面平面成斜角，
对于以至少两种不同的主角中的任一种入射的入射光照，每个主角与 法线夹角大于60度，且所述主角相差等于或大于5度，发射光角度在目标角 度的5度以内。
本发明还提供了一种显示器设备，其包括
(a) 光照源，用来在一定范围的角度内发射光照；
(b) 光重新定向制品，所述光重新定向制品包含折射率大于1.6的材料， 所述光重新定向制品还包括
(i) 入射面，用来在一个入射角范围内接收入射光照；
(ii) 出射面，其包括多个光重新定向结构，每个光重新定向结构包括近 表面和出射表面，所述出射表面用来以发射光角度发射出射光，所述出射表 面相对于入射面平面成斜角，
对于以至少两种不同的主角中.的任一种入射的入射光照，每个主角与 法线夹角大于60度，且所述主角相差等于或大于5度，发射光角度在目标角 度的5度以内； 、
(c) 光选通器件，用来通过对来自光重新定向制品的出射光进行调制， 形成图像。
本发明的一个优点在于其提供;r单独的部件，对于在一定范围的主角
入射的光照，该部件结合了转向膜的功能和偏振器的功能。 附图简述
尽管本说明书后面的权利要求书特别指出了本发明的主题并明确要求 了其权利，但是我们相信结合附图，通过以下描述可以更好地理解本发明，其中
图l是常规显示器设备的部件的截面图2A是具有朝下、朝向光导板的棱柱结构的转向膜的截面示意图2B是显示具有朝上的棱柱结构的转向膜的截面示意图3A是显示用于偏振转向膜的运作原理的截面示意图，其中在主光线 的光路中存在接近布儒斯特角的角度；
图3B是显示用于第一光导板的偏振转向膜的截面示意图，该偏振转向 膜能够产生接近膜的法线的出射光，在所述转向膜的入射面和远表面具有 接近布儒斯特角的角度；
图3C是图3B的偏振转向膜绕膜的法线旋转180度后得到的截面示意 图，该膜用于第二光导板，能够产生接近膜的法线的出射光，所述转向膜的 入射面和远表面具有接近布儒斯特角的角度；
图4是用于第一光导板的偏振转向膜，其能够产生膜法线附近的出射光, 其中在所述转向膜的平坦表面和近表面处具有接近布儒斯特角的角度；
图5A是图3B的偏振转向膜的截面示意图，其中基片和棱柱具有不同的 折射率；
图5B是图4的偏振转向膜的截面示意图，其中基片和棱柱具有不同的折 射率；
图5C是图5A的偏振转向膜的截面示意图，其中棱柱的尖端是截顶的， 并且/或者凹槽角被圆化；
图5D是图5B的偏振转向膜的截面示意图，其中棱柱的尖端是截顶的， 并且/或者凹槽角被圆化；
图5E是图5A的偏振转向膜的截面示意图，其中棱柱的尖端具有较小的 倾角；
图5F是图5B的偏振转向膜的截面示意图，其中棱柱的尖端具有较小的 倾角；
图6是LCD显示器系统的偏振转向膜的截面示意图； 图7A是具有相对于转向膜的光重新定向结构的凹槽成45度取向的一对 偏振器的LCD的俯视图；图7B是具有相对于转向膜的光重新定向结构的凹槽平行或垂直取向的
一对偏振器的LCD的俯视图7C是具有弓形凹槽的偏振转向膜的俯视图8A是等值曲线图，图中显示了对于入射角9;11=63°，满足iein-9bK5。和
iein-ebi〈io。的远端底角和折射率的参数空间；
图8B是等值曲线图，图中显示了对于入射角0^=63°，满足l94-ebi〈5。和
le4-eb卜io。的远端底角和折射率的参数空间；
图8C是等值曲线图，图中显示了对于入射角0i^63。，满足l0。ut卜5。和
le。uti〈io。的远端底角和折射率的参数空间；
图8D是等值曲线图，图中显示对于入射角0i,63。，满足l9in-9bK5。、
|e4-eb|<5°、 le。ut卜5。以及i9in-ebi〈10。、 |e4-eb|<io°、 le。ut卜io。的远端底角和折射
率的参数空间；
图9A是等值曲线图，图中显示了对于入射角ei^70。，满足iein-9b卜10。 和ie^eb卜15。的远端底角和折射率的参数空间；
图9B是等值曲线图，图中显示了对于入射角^=70°，满足l04-6bl〈5。和
le4-eb卜io。的远端底角和折射率的参数空间；
图9C是等值曲线图，图中显示了对于入射角6;11=70°，满足ie。uti〈5。和 le。uti〈io。的远端底角和折射率的参数空间；
图9D是等值曲线图，图中显示对于入射角6^=70°，满足iein-0b卜10。、
|e4-eb|<5。、 lej〈5。以及iein-ebi〈15。、 |e4-eb|<io°、 |601^<10°的远端底角和折射
率的参数空间；
图iOA是等值曲线图，图中显示了对于入射角6化=75°，满足ie^6bKi5。
的远端底角和折射率的参数空间；


图10B是等值曲线图，图中显示了对于入射角6i^75。，满足104-e^5。 和l04-eb卜lO。的远端底角和折射率的参数空间；
图ioc是等值曲线图，图中显示了对于入射角ei^75。，满足ie。uti〈5。和 le。uti〈io。的远端底角和折射率的参数空间；
图10D是等值曲线图，图中显示对于入射角6i,75。，满足l9in-0b卜15。、
|e4-eb|<5°、 le。ut卜5。以及i6in-0bi〈15。、 |e4-eb|<io°、 le。uti〈io。的远端底角和折射率的参数空间；
图11-19是显示具有各种折射率和几何结构的实施方式的实施例数据 的表格；
图20A和20B是根据一个实施方式、可用于两种位置中的任一种的转向 膜的透视图。
发明详述
本说明书具体涉及形成根据本发明的设备的一部分，或者与根据本发 明的设备更直接协同运作的元件。应当注意未具体显示或描述的元件可为 本领域技术人员众所周知的各种形式。
如上文的背景部分所述，人们已经进行了尝试，通过将偏振功能结合 入光照光路中的其它部件中，减小光照设备的总体复杂性。本发明的方法 是将偏振功能结合入转向膜内，或者更宽泛来说，结合入显示器的光重新 定向元件中。与上文所述的常规方法不同，本发明的方法在光重新定向制 品的几何结构和组成的设计中采用布儒斯特角，从而在单独的部件中同时 进行光重新定向和偏振。本发明的设备使用大体为棱柱形状的光重新定向 结构。正棱柱具有至少两个平坦的面。但是因为所述光重新定向结构的一 个或多个表面不需要在所有的实施方式中都是平坦的，而是可以为弯曲的 或具有多个区段，所以在此说明书中使用更一般性的术语"光重新定向结 构"。
如之前的背景材料所述，常规的转向膜使以斜入射角(通常与法线夹角 等于或大于60度)接收的来自光导板或类似的提供光的部件的光重新定向。 所述转向膜通常使用折射结构(通常具有棱柱形状和各种尺寸)的阵列，使 来自光导板的光朝向法线重新定向。因为它们以膜的形式提供，所以法线 是相对于膜的二维平面考虑的。
从图l可以看出，光源12置于光导板10的旁边。光导板10的定位和设计 决定了转向膜所需的角度性质和设计布局。对于一定的光导板10操作条件 范围，本发明的光重新定向制品可用来代替图l的配置中的常规的转向膜 122，以提供足够的偏振，从而消除对偏振器124和反射偏振器125中一种或两种的性能需求，或者将这种需求最小化。
参见图2A，图中显示了用于光导板10的常规转向膜122的截面示意图， 图中显示了关键角(key angle)和几何关系。转向膜122具有多个向下朝向光 导板10的棱柱形结构，每个结构具有近表面24(相对接近光源12,如图l的 实施例所示)和远表面26，两个侧面都倾斜偏离膜的法线方向V，其倾斜情 况由顶角cc以及相对于水平面H的底角l31和p2决定。来自光导板10的光在中 心入射角6i。附近的一个小范围内的角度入射。在转向膜122的平坦表面22投 射到LC显示器元件的光的出射角e。ut是由多个因素决定的，这些因素包括中 心入射角6in,转向膜122的折射率n,以及远表面26的倾斜底角pi。发射光线 的出射角e。ut优选相对垂直于转向膜122,但是出射角e。ut可看作是目标角， 对于一些应用，其实际上可相对于法线略微倾斜。 一般来说目标角偏离法 线方向±20°。
图2B显示了转向膜20的一种不同的设计，其中棱柱结构面朝上，朝向 LC装置或其它光调制器。现在的平坦表面22是入射面；结构化的表面是出 射面。在此结构中(用于本发明的基本图案)，出射面上的各个光重新定向结 构也具有近表面24(相对靠近光源12，如图1的实施方式所示)和远表面26, 两个面都倾斜偏离膜法线方向V，倾斜程度是由顶角a、相对于标为H的参 考线的底角P1和P2决定的，所述参考线平行于入射面的平面，在图2A、 2B
和以后的图中具有水平的取向。来自光导板io的光在中心主入射角ein附近
的很小范围内入射。从转向膜20的结构化的出射表面投射到LC显示器元件 的光的出射角e。ut由许多因素决定，这些因素包括中心主入射角6in、转向膜 20的折射率n,以及远表面26相对于平坦表面22所成的倾斜角底角卩l。
参见图3A和3B，图中显示了本发明改进的转向膜20的关键特征。光重 新定向结构又是朝上的(更具体来说，面朝外，朝向观察者，朝向LC装置或 其它光调制器)。各个光重新定向结构具有近表面24和远表面26(相对于光源 12的位置(图1))。远表面26是图2B所示的光发射或出射表面。通过给予远表 面26合适的倾斜方向(相对于平坦表面22),在平坦表面22上的中心光照光 线R1(也被称为主光线)附近的入射光被适当地朝向目标角度(膜法线方向V) 重新定向。在一个实施方式中，光重新定向结构沿着转向膜20的表面的一个伸长方向线性伸长，使得各个光重新定向结构沿着一条直线从出射面的一 条边向另一条边延伸，经常是平行延伸。关于图3A和3B所示的截面图，线
性伸长方向垂直于页面。可以理解，这种结构有益于制造转向膜20。但是，并
不要求光重新定向结构以这样的延伸的线性形式设置。很重要的是，如图
3A和3B的截面侧视图所示，光重新定向结构的各个表面相对于来自光导板 IO的入射光角度的角度关系。
在本发明的实施方式中，出射角e叫t是如关系式(l)所述，通过入射角 光重新定向结构的折射率和远端底角P,计算的
《w =A —sin_ j"sin
关系式(l)
来自光导板的入射光是在以主角为中心的一组角度下入射的，使得大 多数入射光在主角上下±10度的范围内。关系式(1)和随后的关系式使用入射
角ej乍为主角。
值得指出，关系式(1)显示了常规用于使用图3A-3C所示的向上或向外
的光重新定向结构的转向膜的e。ut相对于ein的关系(不用考虑偏振)。作为一
个例子，使用上文中背景部分描述的Arai的'220中的图8的数据，当9i「75。， !1=1.58,^=75.5°，根据关系式(l)的出射角为e。uf-0.12。。类似地，根据Arai 的'220的图9所述，当6^=63°, n=1.58 , P产7U。，根据关系式(l)的出射角为 e。ut=0.04°。但是必须强调，关系式(l)仅显示了光的重新定向，其中具有这
种结构的转向膜使光从特定的入射角ein转到出射角e。ut。但是， 一旦光根据
关系式(l)重新定向，其偏振特征通常仍无法令人满意。作为一个例子，Arai 的'220中揭示的转向膜结构表现出很差的偏振，所提供的P偏振的透光率Tp 不足。在不采取进一步的措施的情况下，需要使用另外的偏振部件或第二 个转向膜来提高偏振。
利用通过布儒斯特角分离偏振的原理，本发明用转向膜完成了对轻微 偏振的改进。当光从具有折射率m的材料行进到具有折射率n2的材料时，在 具有不同折射率n,和n2的两种材料的界面是否会发生偏振分离现象，取决于 它们各自的折射率和入射角。大体来说，折射率为 的材料中的布儒斯特 角可通过下式来确定折射率为n2的材料中的布儒斯特角可通过下式来确定: 布儒斯特角二tan
关系式(3)
布儒斯特角偏振装置利用S偏振光和P偏振光在布儒斯特角或布儒斯特 角附近不同的透射率和反射率来分离这些偏振态。
图3A, 3B和3C显示了根据本发明的转向膜20的一个实施方式的变化和 关键几何关系。根据本发明，入射平面22的所有入射角和折射角ein和02以及 远表面26的03和04接近于相应的布儒斯特角。为了便于以下讨论中的比较, 仅计算了各表面处空气中的布儒斯特角。实际上，在空气中(ns气-l)，在入 射平面22的布儒斯特角(eb,)和远平面26的布儒斯特角(6b2)是基本相同的， 其为
当n二1.58时，eb:tan"(n) eb2=57.7° 关系式(4)
根据斯涅耳定律(Snell's law)， -'"in(O、
& = sin一
关系式(5)
当11= 1.58且e^75。时，贝1』02=37.7° 关系式(6) 当n-1.58且e^63。时，则92=34.3° 关系式(7) e4二sin-l["sin((3广e2)] 关系式(8)
如关系式(8)所示，角94取决于折射率n、远端底角h,以及折射角02,而 折射角02又取决于折射率n和入射角ein。所以总体来说，角04取决于折射率 n、远端底角^以及入射角6in。
在理想的情况下，将会满足以下条件，以便利用布儒斯特角效应完成 最大的出射光P偏振和较小的出射光S偏振
ie。ut|-o°， |ein-eb|=o°， a|e4-eb|=o°, 关系式(9)。
但是，本发明人发现，关系式(9)中所列的条件无法精确满足所有合理 的折射率n(l-2.5)、所有远端底角(3K0-90。)和所有具有特定主入射角6in(40-90
° )的光源。各条件之间必须相互作出一定的妥协。
鉴于这一难题，本发明的目标是设计一种膜，使得对于特定的入射角，
该膜具有最小的ie。utl、 lein-ebi和ie4-0bi的值。有很多方法可用来根据对|0。』、|0in-eb|和|e4-0bl的值取最小化的要求选择加权的品质函数(weighted merit function)。作为更实际的目标，对于特定入射角ein的光源，需要通过选择具 有合适的折射率n的材料，以及提供合适的远端底角l3i，来尽可能多地满足 以下条件
|e。uti<5°, 关系式(IO.I) |ein-eb|<5°, 关系式(10.2) |e4-eb|<5°, 关系式(10.3)
满足关系式(10.1)意味着出射光重新定向到法线方向附近。关系式(10.2) 和(10.3)确保在表面22入射并从表面26出射的光近似满足对所需偏振具有 高透光率、对不需要的偏振具有低透光率的布儒斯特角条件。作为下文将 会给出的模拟结果，在任意一种设计中可能都很难满足关系式10.1-10.3中 给出的所有的关系。由于主要功能是作为转向膜，通常需要满足关系式
(io.i)。但是在实际的设计中，即使是将iein-0bi和ie4-6bi各自的数值保持在i0
度以内可能也是不切实际的。采用本发明的方法达成这种程度的性能，可
同时获得转向膜功能和改进背光照明的偏振。，但是，即使关系式(10.2)和 (10.3)无法完全满足，当采用本发明的设计技术的时候，它们仍能提供有用
的最优化的目标。
作为首要的考虑，为了使光首先射到远表面26,而不是射到近表面24, 必须满足以下条件
p2>90° — e2, 公式(ii)
为使光通过远表面26射出而不发生内全反射，必须满足以下关系
<formula>formula see original document page 15</formula>
其中
<formula>formula see original document page 15</formula>
实施例l
参见图8A-8D的等值曲线，入射角^=63°。在这些图中，横坐标(x-轴) 显示了远端底角；纵坐标(y-轴)显示了折射率n。图8A至8D按照图3A所述的 顺序组织。图8A显示了在第一界面，即光从光导板10入射到平坦表面22上时的响应曲线。图8B显示了在第二界面，即转向膜20内的光入射到远表面 26上时的响应曲线。图8C显示了出射角响应，e。ut。图8D是复合等值曲线图， 显示了图8A、 8B和8C中显示的条件组合之后的总体结果。该图8D的复合等 值曲线显示了可供设计转向膜20，以提供最优化偏振分离的"作用空间"。 图8A是具有区域1和2的等值曲线，这两个区域分别显示了远端底角卩l
和折射率满足iei。-6b卜5。(区域i)和iein-eb卜io。(区域2)的参数空间。图8B是显 示远端底角pi和折射率满足ie4-eb卜5。(区域i)和ie4-eb卜io。(区域2)的参数空
间的等值曲线。图8C是显示远端底角(31和折射率满足ie。utK5。(区域l)和 le。utl〈10。(区域2)的参数空间的等值曲线。图8D是显示远端底角(31和折射率
满足以下条件的参数空间的等值曲线|ein-eb|<5°， |e4-eb|<5°， le。u^5。(区域 1)和l0in-0bl〈10。， |e4-eb|<io°， le。uti〈io。(区域2)。
图8D显示了在参数组(n， pi)的两维空间的区域l中，上面公式
(10.1)-(io.3)中给出的条件都得以满足，即ie。ut卜5。， |ein-eb|<5°， |e4-eb|<5°。 在区域2中，ie。uti〈10。， |ein-eb|<io°， |e4-eb|<io°。在区域1和区域2以外的区域 内，|e。ut|>io°， lein-6bi〉io。或ie4-ebi〉10。。可以看到，对于区域i,折射率n约
为1.64-1.90,远端底角Pi约为55-66。。
为了更好地理解这些结果的重要性，在图8A-8C中分别显示了ie。ut卜 lein-ebl禾卩ie4-0bl。图8A显示了在区域1中(0。〈p^90。且1.62〈n),始终满足条件
|ein-eb|<5°。参见图8B，在区域i中，|e4-eb|<5°,在区域2中，|e4-eb|<io°。参见 图8C，在区域i中，ie。uti〈5。，在区域2中，ie。uti〈10。。
很容易看到，公式(io.2)的iein-e^5。可以相当容易地获得满足。对于
|e4-eb|<5°,对于任意约大于54。且约低于74。的远端底角p,,对于满足 1.5<11<2.0的折射率都有解。对于ie。ut卜5。，对于约大于43°且约小于78。的 任意远端底角ph对于1.5〈n〈2.0的折射率都有解。另夕卜，le。utl〈5。和l04-ebl〈5。 的图形是不同的。首先，它们占据不同的空间。其次，区域ll64-0b卜5。在低
折射率条件下较宽，而区域ie。ut卜5。在低折射率条件下较窄。较窄的图形意
味着对折射率n和远端底角^变化的容许偏差较小。
当公式(IO.I)、 (10.2)和(10.3)的所有条件必须获得满足的时候，存在图 8D的区域1显示的最优化运作空间。进一步的研究显示，|e。ut|<i°、 lein-9bh:i。和ie4-ebKi。的范围没有重叠。 这意味着在实际中不可能达到"完美的"性能；必须进行一些折衷处理来达 到最佳的可能效果。
实施例2
图9A-9D显示了与图8A-8D类似的序列，其中使用与图8A-8D相同的光 重新定向结构和材料，但是主入射角9i。-70、通过与图8A相比较，发现对 于1.5<11<2.0的范围，图9A中不存在iein-6bl〈5。的区域l。在此等值曲线中出
现了区域2iein-9b卜io。和区域3iein-ebi〈15。。图9B和9C中的其它性质与实施例 i类似。在图9D中，不存在重叠区域iie。uti〈5。， |ein-eb|<5°， |e4-eb|<5°。图9D 显示了总体区域3，其中ie。ut卜5。， |ein-eb|<io°， |e4-eb|<5°，以及总体区域4， 其中ie。utl〈10。， |ein-eb|<i5°， |e4-eb|<io°。。
实施例3
图10A-10D显示了与图9A-9D类似的序列，其使用相同的结构和材料， 但是主入射角^ = 75°。在图10A中，在1.5<11<2.0的范围内，既不存在区域
|ein-eb|<5。，也不存在区域2iein-9bh;i0。。图iOA中的区域3满足i^-eb卜i5。。
图10B和10C中的其它特征与实施例2中的图9B和图9C类似。在图10D中，区
域3满足|e。ut|<5°， |ein-eb|<i5°， |e4-eb|<5°，重叠区域4满足|9鍾|<10°， |0in-eb|<i5°， |e4-eb|<io°。
作为本发明的一个优点，偏振化转向膜20可以作为光重新定向制品形 成，其能够适于在一个以上的主角或一定范围的主角接收光。再来看图3A， 可用第一主角范围来确定当转向膜20设定在第一位置时远表面26的相对倾 斜度。转向膜20还可以这样一种取向使用，即该转向膜20在相同的平面内 相对于其初始位置旋转180° 。如图20A和20B所示，当入射光主角为e^的 时候，转向膜20设置在一个位置，当入射光主角为ein2的时候，转向膜20在 相同的入射平面内旋转180度。当进行旋转的时候，需要近表面24(图3A)成 为在等于或接近布儒斯特角入射的表面。也即是说，近表面24(其斜率由底 角P2决定)现在行使远表面26的功能。对于一个不同的主入射角ein，这将允 许对转向膜20的最优化情况优于处于初始位置的转向膜20。通过这种方式， 可使制得的转向膜20具有适应性，使同一片转向膜20可以根据光导板10的输出特征，取两种位置中的任一种取向。图3C显示了以这种方式旋转的与
图3A相同的转向膜20。此处，实际的远表面标为24'，实际的近表面标为26'， 以显示该相反的取向。对于性能，图3C的表面24'依照上面图3A中表面26 所述相同的方式与光相互作用。对于此实施例，表面22的入射光的主入射 角标为入射角e'i。。
采用上文关于图3A、 3B和3C所述的方法，可以用以下步骤通过转向膜 20获得高度偏振的光照
(i) 以主角ein从光导板10引导入射光，所述主角ein接近转向膜20基材的 布儒斯特角；
(ii) 对转向膜20的光重新定向结构的远表面26进行定向，使得来自转向 膜20内的入射光的角度63接近布儒斯特角。
从图8A-8D, 9A-9D以及10A- IOD的等值曲线可以很明显地看出，为了 提供所需的偏振性质，转向膜20基材的折射率n必须较大，通常至少约等于 或大于1.6。通过进行两次偏振分离，图3A、 3B和3C的方法得到具有高度P 偏振的光照。
图3A、 3B和3C中的设置显示了如何利用两个连续的布儒斯特角界面在 转向膜20内得到良好的偏振光。具有类似的向上的(即相对于观察者向上取 向的)棱柱结构的常规转向膜可能会在其第一界面无意地接收来自光导板 的入射光，其入射角度允许在转向膜内以等于布儒斯特角或近似等于布儒 斯特角的角度折射。但是，常规的转向膜内的光的第二个界面通常会以某一 任意角度折射而使光线重新定向，而没有利用布儒斯特角进行进一步的偏 振分离。本发明的设备和方法利用第二个界面，可以有另外的机会使光线
在布儒斯特角发生第二次折射。最终的结果提供的出射光线不仅以e。ut朝向
法线重新定向，而且还表现出高度的偏振化。 三界面转向膜
接下来看图4，图中显示了本发明的另一个实施方式，其利用线性伸长 的光重新定向结构在转向膜20中为光提供第三个界面。此处，入射到远表面 26上的光通过内全反射(TIR)反射，然后以角度06入射到近表面24上，此处 的折射角07接近布儒斯特角。由于具有图4的结构，转向膜20内的光路包括三个界面。第二个界面不使用布儒斯特角。相反，在第二个界面发生TIR。
沿着图4的光路，来自光导板io的入射角为ein的入射光以布儒斯特角e2
折射。在远表面26,入射角63导致光以95发生内全反射。反射的光在近表面 24入射，以布儒斯特角67折射。
作为首要的考虑，为了使光首先入射在远表面26,必须满足以下的条
件,
<formula>formula see original document page 19</formula> 公式(ii)
为了使得光透过近表面24而不发生内全反射，必须满足以下条件,
<formula>formula see original document page 19</formula>
其中
<formula>formula see original document page 19</formula>
对于图4的实施方式，光重新定向结构元件本身可以相对于其上形成 这些元件的膜或片材的平面显著向外延伸。它们可以是独立制造的部件， 例如安装或固定在基材上。其它可能的改良包括对远表面26施涂涂层，以 便以某种方式调节光的性质。例如，可以有益地用反射涂层来代替内全反 射。或者，可以构建远表面26来对光(例如具有不希望有的偏振态的光)进行 再循环。
添加到基材的结构
图3A、 3B、 3C和图4显示了由单独的基材形成的转向膜20。但是使用 一种以上的材料制造转向膜20可能更加实际，包括所用材料的折射率相同 或不同的情况。图5A是图3B的偏振转向膜20的截面图，其中基材28和光重 新定向结构34具有不同的折射率n和nl。此处，基材28提供在其上连接光重 新定向结构34的表面。光重新定向结构34可以形成于透明介质形成的独立 片材上，然后该片材固定于基材28之上。或者，光重新定向结构34可以单 独地制造，固定在基材28上。图5B显示了类似的用于图4的转向膜20的结构。
图5A或5B的实施方式也可具有成本以及制造上的优势。例如，较低折 射率的材料(1.45-1.55)容易得到，可能最适于基材28。较高折射率的材料(高 于1.6)通常更为昂贵，但是能够更好地适用于提供光重新定向结构34。如之 前的描述和公式(4)所述，可能需要较高的折射率以便提供在64的布儒斯特角折射(图3A)。通过釆用双材料设计，可以同时达到降低成本和高光学性能 的目的。光学设计领域的技术人员可以很容易地看出，当使用具有不同折射
率的两种或更多种材料的时候，在平坦表面22以及近表面或远表面24或26 的两种布儒斯特角略微不同。可以很容易地看出，可以很容易地进行很小 的修改，以达成最佳的光学性能。
对光重新定向结构的基本形状的改良可能有助于简化制造过程或者改 变光路的特征。例如，图5C是图5A所示偏振膜的截面示意图，其中光重新 定向结构34的尖端或顶点被截顶(至显示截顶表面29的水平虚线)，并且/或 者结构之间的凹槽角Y被圆化。类似地，图5D是图5B的偏振转向膜的截面示 意图，其中棱柱的顶点被截顶，并且/或者凹槽角Y被圆化。这之所以是可能 的，是因为在图5C中棱柱的尖端没有被用于主射线(primaryray)31、32和33， 在图5D中没有用于主射线41、 42和43。
图5E是显示图5A的偏振转向膜的截面示意图，其中光重新定向结构的 尖端在某些位点上方具有较小的倾斜角，以便对次射线(secondaryray)35重 新定向。图5F是显示图5B的偏振转向膜的截面示意图，其中棱柱的尖端在 某些位点上方具有较小的倾斜角，以便对次射线45进行重新定向。图5E中 的主射线31、 32与次射线35之间的差别，或者图5F中的主射线41、 42与次 射线45之间的差别在于，主射线可以携带更多的光通量，次射线携带较少 的光通量。由于具有倾斜角较小的尖端表面25或27，次要射线31近似满足布 儒斯特角条件，被转向法线方向，因此使迎面(headon)光照最大化。如这些 实施例所示，光重新定向结构提供的出射表面可具有一种以上的斜率。将 这个理念进一步延伸，出射表面可在整个表面上或仅在表面的一部分之上 具有一定量的曲率。另外，所述凹槽可以并非精确地互相平行。凹槽的高度 可以沿长度方向发生变化。
显示器设备和偏振器的取向
本发明的设备和方法允许支持部件有多个可能的结构，以提供偏振光。 图6是显示根据本发明使用偏振膜20的显示器设备60的截面示意图。LC空间 光调制器70对从光导板10和转向膜20接收的偏振光进行调制。半波片80是 任选的。为LC空间光调制器70自身提供了后偏振器72和前偏振器73;但是，这些内装式偏振器是吸收性的，是LC调制器操作所必需的，这与不通过吸
收光进行操作的本发明的偏振转向膜20不同。图7A是LC空间光调制器70的 偏振光透射轴172和173的俯视示意图，其使用一对偏振器，它们相对于光重 新定向结构75以及在图7A中垂直延伸的转向膜20的凹槽呈45度取向。在此 情况下，在转向膜20和LC空间光调制器70之间提供了半波片80以将偏振光 的偏振方向从平行于横截面改变为平行于后偏振器72。半波片80的光轴的 取向相对于后偏振器72成22.5度夹角。
图7B是显示LC空间光调节器70的偏振光透射轴172和173的俯视示意 图，其使用一对偏振器，所述偏振器的取向平行或垂直于转向膜20的凹槽和 光重新定向结构75。在此情况下，LC空间光调制器70可使用垂直对准的 (VA)LCD或IPSLC元件。后偏振器透射轴172平行于横截面，因此不需要半 波片80。
在一个实施方式中，显示器设备包括一对正交偏振器，其中所述光重 新定向结构沿伸长方向伸长，所述正交偏振器各自沿着基本平行于或垂直 于光重新定向制品的伸长方向的方向取向。在另一个实施方式中，所述显 示器设备包括半波片和一对正交偏振器，所述光重新定向结构沿伸长方向 伸长，所述偏振器基本沿与所述光重新定向制品的伸长方向成+/-45°的方 向取向。
如图7A所示，光重新定向结构75可以沿线性方向伸长，并基本平行地 延伸。图7C是另一个实施方式中，具有弓形伸长的光重新定向结构75的偏 振转向膜20的俯视示意图。这种结构有益于在光导板10的一个或多个角上 使用点光源(例加发光二极管(LED))，以具有更紧凑的设计。所述后偏振器 透射轴172或多或少平行于横截面，因此不需要半波片80。
用来形成转向膜20的材料
本发明的转向膜20可以用较高折射率的材料制造，所述材料包括含硫 聚合物，特别是聚硫氨酯、聚硫化物等。具有高折射率的材料还包括聚碳 化二亚胺共聚物，其具有极佳的热稳定性，具有高度的可加工性和可塑性， 参见2004年8月12日出版的Sadayori等人的名为《具有高折射率的聚碳化二 亚胺及其帝!j备方法(Polycarbodiimide having high index of refraction andproduction method thereof)》的美国专利申请公开第2004/0158021号。这些 材料在589纳米的折射率在1.738-1.757的范围内变化。具有掺杂的高折射率
材料(例如二氧化钛、氧化锆和氧化钡)的微球体或珠粒的材料也会表现出高 折射率，其折射率可能小于或大于1.7,见述于Chisholm等人的名为《经涂 覆的高折射率光控制膜(HIGH INDEX COATED LIGHT MANAGEMENT FILMS)》的美国专利申请公开第2004/0109305号。高折射率材料还包括许 多聚酯，例如聚萘二甲酸乙二酯(PEN)和聚2,6-萘二甲酸丁二酯(PBN)。这些 材料的折射率在大约1.64至最高约1.9的范围内变化，见Hebrink等人的名为 《制备共聚PEN/PMMA多层光学膜的方法(Method for making coPEN/PMMA multilayer optical films)》的美国专利第6,830,713号。其它已 知的具有高折射率的材料也可使用。 示例性实施方式的结果
图ll中的表l显示了本发明的实施例和比较实施例，图中显示了本发明 的转向膜20如何在各种条件下使用各种材料进行。对于这些示例性实施方 式，膜设计用远端底角^、近端底角(32以及折射率n来详细说明。膜性能通 过出射角e。ut、 P偏振的透光率Tp以及S偏振的透光率Ts来给出。在入射面和
出射表面的两种布儒斯特角条件分别通过ei。-eb和e4-eb给出。最右侧列中的 Y表示令人满意的结果。总体来说，转向膜的目标是确保ie。uti《5。，同时使
Tp最大化，并保持低的Ts。但是，Tp的最大化比保持低的T,更重要。当 |6in-eb|<16° (或者ie4-9bh:l6。)的时候，认为对入射面(或出射表面(exit surface))近似满足布儒斯特角的条件。
出于比较的目的，建议观察表l中的实施例l使用与前文所述Arai的'220 的图8中给出相同的数值。图中显示实施例1的具有该特征的膜用于6;11=75° 的条件，得到可接受的结果，e。ut=-0.12°, Tp=79.7%， Ts=31.5%。但是，这仅 提供了75度主入射角9in的一个方案，当主入射角^=70°或9化=63°的时候， 这种膜无法良好地运作，这是因为当ein-70。的时候，出射角数值e。u严-8.46。， 显著偏离了法线方向或目标方询。另夕卜，即使当达到e。u产-0.12。的时候，透 光率数值^=79.7%也是较低的。
注意，对于主入射角6;11=63°, e。ut的数值为NA(不可得)，这意味着光无法如图2A所示、通过在远表面26的内全反射通过膜。因此，04-eb的出射表面 界面数值也是不可得的。该标记也应用于实施例3.4、 3.5、 3.7和4.6的0; = 63。的情况。发生这种情况是因为公式(12)规定的条件未得到满足。 从公式(13)， .
<formula>formula see original document page 23</formula>类似地，表l中的实施例2使用与上文所述Arai的'220的图9所给出的相 同数值。具有实施例2所示特征的膜可用于主入射角0;11=63°的情况，所得结 果为e。u「0.04。， Tp=94.7%， Ts=49.8%。但是，这仅提供了主角6in二63度的方 案。这种膜在主角ei^70。或6i^75。的时候无法良好运作，这是因为出射角 数值e。u「7.29。和e。u「10.63。显著偏离了法线方向。
对于实施例3.1-3.8，使用较大的折射率n,在各种情况下，n=1.68。对 于实施例的分组，改变远端底角Pi和近端底角P2，显示对于不同主入射角ei。 的结果。在实施例3.1中，P产Pf64.5。。就出射角e。ut性能而言，该膜在0i^63。 时是有效的，但是在ei,70。或6in二75。的时候无法令人满意。这种膜的 Tp=99.2%，比常规设计(实施例1和实施例2)高得多。透光率Ts很低， Ts=52.5%。注意，对于全部三种入射角6;[1=63°, ein=70°，和^=75°，这两种 布儒斯特角条件(入射角9111和64在布儒斯特角+/-16度范围之内)都近似满足， 但是仅当主角ei^63。的时候，才同时满足这三种条件。
在实施例3.2中，底角l3产l32-66.0。。就出射角e。ut性能而言，这种膜在主 角6;11=63°和9;11=70°的时候的效果是可以接受的，而在6^=75°的时候则无法 令人接受。这种膜的Tp-96.5-96.6y。，高于之前的设计。透光率T『46.5-46.60/0， 低于常规的器件。注意该单独的膜，当以相同的取向设置的时候，对于两种
不同的主入射角6in以及这两个不同的主角之间的角度，其效果都是可接受的。
在实施例3.3中，底角p产(3^67.5。。就出射角e。ut性能而言，该膜在主入 射角^=75°和9;11=70°的时候能够发挥作用，而对于9i^63。则不行。对于 ein=75°，该膜的透光率；=90.2%，远高于之前的方法提供的结果，但是1=38.3%的值则略高于常规的结果丁严31.5%。这种单独的膜在以相同的取
向定位的时候，其效果对于两种不同的入射角ein以及这两种不同的入射角
之间的角度都是可以接受的。
在实施例3.4中，底角(3产(3^69.5。。就出射角9。ut性能而言，该膜在主入
射角^=75°的时候能够发挥作用，而对于ei,70。或e^63。则不行。对于
ein=75°,该膜的透光率T^86.32。/。，远高于之前的方法提供的结果T^79.7 %。低透光率值丁3=32.2%则略高于之前的方法的结果丁3=31.5%。
在实施例3.5中，底角P产p2-70.0。。就出射角0。ut性能而言，该膜在主入
射角e^75。的时候能够发挥作用，而对于9^=70°或9^=63°则不行。对于
ein=75°，该膜的透光率T^83.6。/。，高于之前的方法提供的结果丁广79.7%, 1>29.6%的值则略低于之前的方法的结果1:3=31.5%。
在实施例3.6中，底角I3产64.5。， |32=67.5°。这种膜在一种取向下可以用 于主角0^ = 63°的情况，当其围绕膜的法线旋转180度的时候，可用于e;, 70°和0;11=75°的情况(在第二种旋转取向中，底角逆反了，使得P^67.5。，卩2= 64.5°)。通过这种方式，就出射角e。ut性能而言，单独的膜对于三种主入射角 均可用，具有上文关于实施例3.1和3.3所列的所有的优点。
实施例3.7和3.8显示了其它可能的组合，但是没有得到令人满意的结 果。在实施例3.7中，底角(3产13f70.5。。就出射角e。ut性能而言，该膜无法良 好地用于任意被测的主入射角^=63°, ein=70°，或9^=75°。在实施例3.8中，
底角P「Pf61.5。。尽管能够满足两个布儒斯特角条件，但是就出射角e鄉的
性能而言，这种膜无法良好地用于主角eif63。，6i,70。，或0^=75°。 在以上的实施例3.1-3.8中，底角的范围满足 61.5。< p!， p2《70.5°
以下P2和02的关系P2》90° —62,公式(ll)
始终得到满足，因为对于0^=63°， 90°-e2=58.0°;对于0;11=70°， 90。-92=56.0。；对于9in-75。， 90。-02=54.9。。
参见图12中的表2，其中显示了另外的实施例，在此情况下折射率为n-1.78。对于这些实施例，满足以下条件
对于0i,63。， p2>90°-e2=59.96°对于6;11=70°， |32>90° -92 = 58.1° 对于9i「75。， |32》90° -62=57.1°。
在实施例4.1中，底角p产59.0。，卩2=60.0°。就出射角e。ut的性能而言，这 种膜在主角e^63。和e^70。的时候能够良好地发挥作用，当e^-75。的时候 则不行。对于全部三种入射角，这两种布儒斯特角条件都得到满足。
在实施例4.2中，底角& = &=60.0°。就出射角e。ut的性能而言，这种膜 在主角9;11=63°和^=70°的时候能够良好地发挥作用作，当^=75°的时候则不行。
在实施例4.3中，底角& = |32=60.5°。就在相同的取向下出射角e。ut的性 能而言，这种膜在主角^=63°、 e^7O。和0in-75。的时候能够良好地发挥作 用。透射值Tp远高于之前的方案，而Ts值相对较低。
在实施例4.4中，底角p产p^62.0。。就在相同取向下的出射角e。ut的性能 而言，这种膜在主角9i,70。和ei^75。的时候能够良好地发挥作用，当0;。=63° 的时候则不行。
在实施例4.5中，底角p!-60.0。， p2=62.0°。该膜结合了实施例4.2和4.4 的特征。这种膜在一个取向下对于主角9in-63。和ein-70。可以良好地发挥作 用。当其旋转180度至第二种取向的时候，该转向膜对主角^=70°和9;11=75° 可以良好地发挥作用。注意，这两种取向中的任意一种取向对于主角9if70。 均可良好地发挥作用。但是，在出射方面有很小的不同。当(3「60.0。， |32=62.0° 时，Tp=97.1%, Ts=46.0%, 0out= 2.93°。当卩产62,0°,卩2=60.0°时，Tp=97.1 %， Ts=42.1%,e。ut=-1.33°。当考虑其它的因素的时候，这类膜提供了灵活性。
在实施例4.6中，底角(3产P产65.0。。就出射角0。ut性能而言，这种膜对于 ein=63°, ein=70°,或0i,75。均无法良好地发挥作用。
在实施例4.7中，底角p产55。， p2=65.0°。就出射角e。ut性能而言，这种 膜对于6;11=63°, ein=70°,或9;11=75°均无法良好地发挥作用。
参见图13中的表3，图中显示了另外的实施例，其中折射率11=1.88。对 于这些实施例，满足以下条件
对于6&=63°，卩2》90°-62 = 61.7。
对于9in-70。， |32》90°-02 = 60.01°对于6i「75。，卩2》90°-92 = 59.08°
在实施例5.1中，底角卩产55.0。， (32=61.7°。就出射角e。ut性能而言，这种
膜对于主角^=63°， ein=70°，或^=75°均可良好地发挥作用。对于全部三种
入射角6in，两种布儒斯特角条件可以得到满足。
在实施例5.2中，底角p产55.5。， (32=61.7°。就出射角e。ut性能而言，这种
膜对于主角e^63。，ei,70。和e^75。均可良好地发挥作用。对于全部三种入
射角0in，两种布儒斯特角条件可以得到满足。
在实施例5.3中，底角p产56.0。， p2=61.7°。就出射角6。ut性能而言，这种 膜对于主角^=63°, 9in-70。和ei^75。均可良好地发挥作用。对于全部三种入 射角9in，两种布儒斯特角条件可以得到满足。
在实施例5.4中，底角(3产60.0。， p2=61.7°。就出射角e"性能而言，这种 膜对于主角6i,63。， 9in=70°,或ein-75。均无法良好地发挥作用。
在实施例5.5中，底角p产50.5。， |32=61.7°。就出射角0。ut性能而言，这种 膜对于6^=63°， 0in=7O°,或ei,75。均无法良好地发挥作用。
总之，使用图13中表3所示的参数，必须满足以下条件
51.0。邻-59.5。
以便使三种主角^=63°, e^70。和ei,75。中的一种能够发挥作用。然而, 对于0^=63°，底角(32必须不小于61.7°。给定这些关系，则将无法有益地旋转 膜以获得可接受的性能。
参见图14中的表4，图中显示了另外的实施例，其中折射率11=1.98。对 于这些实施例，满足以下条件
对于0i,63。，卩2》卯°-92 = 63.3。
对于0in-70。，卩2》卯°-92 = 61.7°
对于9i,75。，卩2》90°-02 = 60.8。
在实施例6.1中，底角p产50.5。，卩2=63.2°。就出射角e。ut性能而言，这种 膜对于主角0^=63°, 9^70°和^=75°均可良好地发挥作用。
在实施例6.2中，底角J3产51.5。， p2=63.2°。就出射角6。ut性能而言，这种
膜对于主角^=63°, ^=70°和^=75°均可良好地发挥作用。
在实施例6.3中，底角p产55.5。，卩2=63.2°。就出射角9。"性能而言，这种膜对于主角0;11=63°, ein=70°,或9^=75°均无法良好地发挥作用。
在实施例6.4中，底角p产46.0。，卩2=63.2°。就出射角e。ut性能而言，这种
膜对于主角0i^63。， 9in=70°，或9i^75。均无法良好地发挥作用。 总之，使用图14中表4所示的参数，必须满足以下条件 46.5。邻^55.0。
以便使三种主角6;11=63°,0;11=70°和9^75°中的一种能够发挥作用。然而,
对于9i,63。，底角(32必须不小于63.3°。给定这些关系，则将无法有益地旋转 膜以获得可接受的性能。
参见图15中的表5，图中显示了另外的实施例，其中折射率n-2.38。对 于这些实施例，满足以下条件
对于0i,63。， (32》90°-02 = 68.0°
对于0i「70。， p2》90°-e2 = 66.7°
对于0i^75。，卩2》90°-02 = 66.0°
在实施例7.1中，底角卩产37.0。，卩2=68.0°。就出射角e。ut性能而言，这种 膜对于主角6i^63。， ei,70。和6i^75。均可发挥作用。但是因为两个布儒斯特 角条件得不到满足，Tp小于90X。
在实施例7.2中，底角(3产38.5。，卩2=68.0°。就出射角e"性能而言，这种
膜对于主角ei,63。， e^70。和e^75。均可良好地发挥作用。但是因为两个布
儒斯特角条件得不到满足，Tp小于91X。
在实施例7.3中，底角(3产42.0。， |32=68.0°。就出射角e叫t性能而言，这种 膜对于主角0;11=63°， 6in=70°,或6in-75。均无法良好地发挥作用。
在实施例7.4中，底角(3产33.5。， p2=68.0°。就出射角e础性能而言，这种 膜对于主角^=63°, ein=70°,或9;11=75。均无法良好地发挥作用。
总之，使用图15中表5所示的参数，必须满足以下条件
34.0。邻^41.5。
以便使三种主角eiz63。， ^=70°和6^=75°中的一种能够将光线重新定
向至相对于膜法线成5度的角度。然而，对于^=63°,底角P2必须不小于63。。 给定这些关系，则将无法有益地旋转膜以获得可接受的性能。
注意在实施例7.1和7.2中，由于04 — eb具有相对较大的绝对值(大于24。)，透光率Tp仅最高为90.9Q/。， 一般来说小于实施例3.1-3.6， 4.1-4.5， 5.1-5.3和 6.1-6.2的值。尽管实施例7.1和7.2的膜是可以接受的，但是与实施例3.1-3.6， 4.1-4.5, 5.1-5.3禾口6.1- 6.2的膜相比，它们不是优选的。 三界面转向膜的实施方式
图16中的表6显示了发明实施例和比较实施例，这些实施例说明了本发 明的转向膜20如何在各种条件下、使用各种材料发挥作用。
在实施例3.2B中，底角(3产90.0。，P2-66.0。。这种膜与实施例3.2类似，不 同之处在于用P产90.0。代替(3产66.0。。性能也是类似的，只是6in的符号发生 变化，说明光的方向相对于膜的法线发生变化，但是绝对值保持相同。就出 射角(output angle)e。ut性能而言，这种膜对于主角6;11=63°和6;11=70°能够以可
以接受的程度发挥作用，但是对于6in^75。则不行。
实施例3.7B与实施例3.7类似，实施例3.8B与实施例3.8类似，实施例 4.3B与实施例7类似，只是底角I3产90.0。。近端底角^与其对应实施例保持相
同。性能是相同的，只是e。ut的符号改变。
注意对于主角0i^63。， e。ut的数值是NA(不可得)，这意味着光线无法如 图4所示，藉由在近表面24内全反射而通过膜。因此，e7-9b的数值也是不可 得的。分别参见图18和19的表8和9，这种情况也适用于实施例9.3的主角9^= 63°和9;1]=70°的情况，以及实施例10.3中的6in-63。的情况。
对于实施例3.7B,对于6i,63。
<formula>formula see original document page 28</formula>因此，公式(15)规定的条件未得到满足。因此，在近表面24发生内全反
射,
这些实施例表明，当折射率较小(『1.68， 1.78)的时候，三界面转向膜 20如何与两界面转向膜20相关，使得在两界面转向膜中P,》j32。
图17中的表7显示了实施例8.1-8.3， 11=1.68或11=1.78，其中p^90。，这不 同于表6中的实施例。
实施例8.1与实施例3.7B相同，只是P,具有不同的数值。在实施例8.1中，卩产89°，而在实施例3.7B中，卩^90。。就出射角e。ut性能而言，实施例8.1的膜 在9^ = 75°和9^=70°的条件下以可以接受的程度发挥作用，而实施例3.7B的 膜对于主角6i,63。、 9化=70°或^=75°均无法发挥可接受的作用。
实施例8.2与实施例8.1相同，不同之处在于(32具有不同的数值。在实施 例8.1中，02 = 70.5°，而在实施例8.2中，p2=68.5°。就出射角0。ut性能而言，实 施例8.2的膜对于主角^=63°和9^=70°都能以可接受的程度发挥作用。其还 可提供高Tp和低T,。
在实施例8.3中，n-1.78，!3产89。且Pf63.5。。就出射角e"性能而言，这种 膜对主角e^63。， e^70。和e^75。可以接受地运作。其还可提供高Tp和低Ts。
当光重新定向结构的折射率较高(例如n-1.88, 1.98)的时候，在二界面 转向膜中P^ P2(见图13中的表3和图14中的表4),相应的三界面转向膜不可 能具有(3产90。。
图18中的表8显示了实施例9.1-9.5，其中n-1.88。在实施例9.1中，p产85。 且卩2=68.5°。就出射角e。ut性能而言，这种膜对主角ein-63。和6i^70。以可接 受的程度发挥作用。其还能提供高的Tp和低的丁s。
在实施例9.2中，p尸85。，卩2=70.0°。就出射角e。ut性能而言，这种膜对主 角0;11=75°和9^=70°以可接受的程度发挥作用。其还能提供高的Tp和低的Ts。
实施例9,3和实施例9.4与实施例9.1相同，不同之处在于实施例9.3具有 较大的卩2(卩2=72.5°)，实施例9.4具有较小的卩2(|32=66.0°)。就出射角e叫t性能而 言，这种膜对主角0i^63。、 6;11=70°或9;11=75°无法以可接受的程度发挥作用。 在实施例9.5中，P产85.5。， |32=62.0°。就出射角e。ut性能而言，这种膜对主角 ei,75。和ei^70。以可接受的程度发挥作用。其还可提供高的Tp( 92.4。/。)和低 的Ts( 32.6。/。)。Tp/Ts的对比几乎为3:l。这可能是因为ein-eb随着折射率n减小， 07-eb可以调整为略大于O。
图19中的表9显示了实施例10.1-10.4，其中n-1.98。在所有的实施例中， P2=63.2°。在实施例10.1中，p产85.5。。就出射角e。ut性能而言，这种膜对主角 ei,63。和em-70。以可接受的程度发挥作用。其还提供了高Tp和低Ts。在实施
例io.2中，p尸86。。就出射角e。ut性能而言，这种膜对主角e^75。和e^70。以
可接受的程度发挥作用。其还可提供高Tp和低Ts。在实施例10.3中，p严87。，在实施例10.4中，p产84。。就出射角e。ut性能而言，后两个实施例对主角 ein=63°、 6; =70°或6;11=75°无法以可接受地运作。当n过大的时候，例如当
11=2.38的时候，找不到合适的膜设计来提供可以接受的输出角e。ut性能以及
提供高Tp和低Ts。 .
作为图ll-19中表l-9所示的实施例，在给定合适的底角P,和P2的时候， 可以在一定的主入射角ein和折射率n的范围内得到合适的e。ut、 Ip、 Ts数值。 但是，转向膜20的一些设计和材料参数必须在正确的范围之内，以便同时提 供合适的转向膜性能和改进的光照偏振。
如图所示(图ll中的表l), 一些较早的解决方案无意识地利用Arai '220 中描述的效果提供了一些对偏振的很小的、偶然性的改进。但是，利用常 规方法获得任何此类收获的可能性都非常小，对于任何类型的转向膜来说， 这至少在一定程度上是由其本性决定的。与之相反的是，本发明的设备和 方法使得转向膜20的设计几何结构和材料构建最优化，从而在入射界面和 出射界面都利用了布儒斯特角效应。通过这种方式，可以用背光照明系统 中的单个光重新定向制品同时实现接近法线的(或者更一般地来说，是接近 目标的)角度重新定向和改进的偏振态。与那些偶然地提供一些在某一个特 定的主角入射的入射光偏振改进的方式的早期膜设计不同，本发明的设备 能够在更宽的主角范围内同时完成光重新定向和改进偏振的功能。如示例 性的实施方式所示，能够对本发明的偏振膜设计进行最优化，以为主角相差 高达5度或更多的光提供偏振和提供合适的光重新定向。这对于以至少两种 不同的主角中的任一种入射的入射光照是特别有用的，各个所述主角与法 线夹角大于60度，所述主角相差等于或大于5度。对于在至少三种不同的主 角入射的入射光照，这同样特别有用，每种主角与法线夹角大于60度，所 述主角之差等于或大于5度。在一个实施方式中，所述主角是63度、70度和 75度。
在本发明的一个实施方式中，对应于两个主角的出射光的一种偏振态 的透光率超过85%,优选一种偏振态的透光率超过90%。在另一个实施方式 中，对应于两个主角的出射光的正交偏振态的透光率小于55%,优选对应于 两个主角的出射光的正交偏振态的透光率小于50%。优选对应于两个主角的出射光的一种偏振态的透光率超过85%，而且对应于两个主角的出射光
的正交(或相反)偏振态的透光率小于55%。更优选对应于两个主角的出射光 的一种偏振态的透光率超过90%，对应于两个主角的出射光的正交(或相反) 偏振态的透光率小于50%。
在一个优选的实施方式中，所述光重新定向制品用于主角等于或小于 70度的入射光照，所述光照的定向使得在入射面处，入射角在布儒斯特角的 +/-11度以内，在出射表面，所述光以与布儒斯特角相差+/-ll度以内的角度 入射到出射表面。在另一个实施方式中，所述光重新定向制品用于主角等 于或大于70度的入射光照，所述光照的定向使得在入射面处，入射角在布儒 斯特角的+/-16度以内，在出射表面，所述光以与布儒斯特角相差+/- 16度以 内的角度入射到出射表面。
因此，本发明提供了一种低成本的转向膜方案，其使用数量减少的部 件提供偏振化的光照。
编号说明列表 1，2，3，4.区域 10.光导板 12.光源 14.端面 16.出射面 18.入射面 20.转向膜 22.平坦表面 24,24'.近表面 26,26'.远表面
28. 基板
29. 截顶表面 31,32, 33,35.射线 34.光重新定向结构41,42,43,45.射线 52.反射面 60.显示器设备 70.LC空间光调制器
72. 后偏振器
73. 前偏振器
75.光重新定向结构 80.半波片 82.点光源 100.显示器设备 120.光选通器件 122.转向膜
124. 偏振器
125. 反射偏振器 142.反射面 172， 173.透射轴 a.顶角
(31.底角 P2.底角 Y.凹槽角 n.折射率
einl.第一光导板的入射角 ein2，.第二光导板的入射角
e。ut-出射角
02.在平坦表面的折射角
e3.在远表面的入射角
64. 在远表面的折射角
65. 在远表面的折射角 96.在近表面的入射角67.在近表面的折射角
V. 膜法线方向
VI. 远表面上的法线方向
V2.近表面上的法线方向
H.水平方向
Rl.中心光照光线
权利要求
1. 一种用来将光朝向目标角度重新定向的光重新定向制品，所述光重新定向制品包含折射率大于1.6的材料，所述光重新定向制品还包括(a)入射面，用来在一个入射角范围内接收入射光照；(b)出射面，其包括多个光重新定向结构，每个光重新定向结构包括近表面和出射表面，所述出射表面用来以发射光角度发射出射光，所述出射表面相对于入射面平面成斜角，对于以至少两种不同的主角中的任一种入射的入射光照，每个主角与法线夹角大于60度，且所述主角相差等于或大于5度，发射光角度在目标角度的5度以内。
2. 如权利要求l所述的光重新定向制品，其特征在于，对应于两个主 角的出射光的一种偏振态的透光率超过85%。
3. 如权利要求l所述的光重新定向制品，其特征在于，对应于两个主 角的出射光的一种偏振态的透光率超过90% 。
4. 如权利要求2所述的光重新定向制品，其特征在于，对应于两个主 角的出射光的正交偏振态的透光率小于55%。
5. 如权利要求2所述的光重新定向制品，其特征在于，对应于两个主 角的出射光的正交偏振态的透光率小于50%。
6. 如权利要求l所述的光重新定向制品，其特征在于，对于在至少三 种不同的主角中的各个角度入射的入射光照，每个主角与法线夹角大于60 度，所述主角相差等于或大于5度，发射光角度在目标角的5度以内。
7. 如权利要求l所述的光重新定向制品，其特征在于，所述目标角垂 直于光重新定向制品的平面。
8. 如权利要求l所述的光重新定向制品，其特征在于，多个光重新定 向结构是基本平行的，从出射面的一条边延伸到另一条边。
9. 如权利要求l所述的光重新定向制品，其特征在于，该制品包含至 少两种材料，所述材料具有不同的折射率。
10. 如权利要求l所述的光重新定向制品，其特征在于，对于主角等于或小于70度的入射光照，所述入射光照在入射面的入射角取向在布儒斯特 角的+/-11度以内，在出射表面，所述光入射到出射表面的入射角在布儒斯 特角的+/-11度以内。
11. 如权利要求l所述的光重新定向制品，其特征在于，对于主角等于或大于70度的入射光照，所述入射光照在入射面的入射角取向在布儒斯特 角的+/-16度以内，在出射表面，所述光入射到出射表面的入射角在布儒斯 特角的+/-16度以内。
12. 如权利要求l所述的光重新定向制品，其特征在于，所述出射表面 是弯曲的。
13. 如权利要求l所述的光重新定向制品，其特征在于，所述出射表面 包括一种以上的斜率。
14. 如权利要求l所述的光重新定向制品，其特征在于，所述光重新定 向结构是截顶的。
15. 如权利要求l所述的光重新定向制品，其特征在于，所述近表面是 弯曲的。
16. 如权利要求l所述的光重新定向制品，其特征在于，所述光重新定 向结构以弓形图案延伸。
17. —种显示器设备，其包括(a) 光照源，用来在一定范围的角度内发射光照；(b) 用来使得光朝向目标角度重新定向的光重新定向制品，所述光重新 定向制品包含折射率大于1.6的材料，所述光重新定向制品还包括(i) 入射面，用来在一个入射角范围内接收入射光照；(ii) 出射面，其包括多个光重新定向结构，每个光重新定向结构包括近 表面和出射表面，所述出射表面用来以发射光角度发射出射光，所述出射表 面相对于入射面平面成斜角，对于以至少两种不同的主角中的任一种入射的入射光照，每个主角与 法线夹角大于60度，且所述主角相差等于或大于5度，发射光角度在目标角 度的5度以内；(c) 光选通器件，用来通过对来自光重新定向制品的出射光进行调制，形成图像。
18. 如权利要求17所述的显示器设备，该设备还包括一对正交偏振器, 所述光重新定向结构沿伸长方向伸长，各个正交的偏振器沿着与光重新定 向制品的伸长方向基本平行或基本垂直的方向取向。
19. 如权利要求17所述的显示器设备，该设备还包括半波片和一对正交偏振器，其中所述光重新定向结构沿伸长方向伸长，正交的偏振器沿着与光重新定向制品的伸长方向基本成+/-45度的方向取向。
全文摘要
一种光重新定向制品，用来将光朝向目标角重新定向。所述光重新定向制品由折射率大于1.6的材料制成。所述光重新定向制品具有入射面和出射面，所述入射面用来在一定的入射角范围接收入射光照，所述出射面具有多个光重新定向结构，每个光重新定向结构包括近表面和出射表面，所述出射表面用来以发射光角度发射出射光，所述出射表面相对于入射面平面成斜角。对于以至少两种不同主角入射的入射光照，每个主角与法线的夹角大于60度，且主角相差等于或大于5度，发射光的角度在目标角的5度以内。
文档编号G02B5/30GK101432640SQ200680052272
公开日2009年5月13日 申请日期2006年11月29日 优先权日2005年12月13日
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