CN103025515A - 内腔式光学器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及内腔式光学图案的制造工艺以及利用该制造工艺的制造设备。内腔式光学图案包括散布在薄透明材料的表面上的小腔室（例如，微米级腔室、纳米级腔室等）。然后可以将该薄材料层压在第二材料上以使具有腔室的表面与第二材料结合，从而将腔室封闭在最终的结合体内。内部腔室可以填充有空气或者根据设计需要使腔室能够改变光的方向的其他介质（例如，流体、气体或固体）。按照这种方式制造内腔式光学器件，腔室可以保持没有可能降低光学器件功效的碎屑。在一些情况下，可以把额外的材料层层压在一起以产生额外的内腔式光学器件层。

Description

内腔式光学器件

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2010年4月6日提交的、名称为"IntegralMicro-/Nano-Cavity Solution"的美国临时专利申请No.61/282,818和相同发明人的、2011年4月5日提交的、名称为"Internal Cavity Optics"的美国专利申请No.13/080,581的权益和优先权，通过引用方式将这些申请的全部公开内容并入本文。

背景技术

电子显示器通常使用光源来将光照射到显示器上以提高显示器上的内容的可见度。例如，许多电子器件使用照亮显示器的后背照明装置来使观看者看到显示器上的内容，否则在没有后背照明装置的情况下很难看到显示器上的内容。另一方面，反射式显示器可以使用正面照明装置来提高显示器上的内容的可见度，尤其是在低照明的情况下。

通常，后背照明装置和正面照明装置使用导光装置的光学特征将光从光源引导到显示器上或者穿过显示器。光学特征通常形成在一块材料（例如，塑料板或玻璃板）的一侧。构成反射特征的凹槽保持暴露于原件，并且会聚集灰尘或其他外来微粒或者会与其他表面或物体（例如，使用者的手指等）接触而损坏。

附图说明

结合附图进行详细描述。在附图中，附图标记最左侧的阿拉伯数字识别首次出现该附图标记的附图。在不同附图中的相同附图标记表示相同或相似的器件。

图1是示例性环境的示意图，示出制造用于电子显示器的内腔式光学器件的全部步骤；

图2是用于产生内腔式光学膜的示例性制造设备的示意图，其中该内腔式光学膜包括层压在一起的多层材料；

图3是将多层膜层压在一起以使光学腔封闭在膜内的示例性步骤的流程图；

图4是示例性内腔式光学器件的示意图，该内腔式光学器件可以使用图2和图3示出和描述的制造设备产生；

图5是将两个或更多膜层压在一起以产生内腔式光学膜的示例性步骤的流程图；

图6a-图6c是可以在电子显示器的正面照明装置和/或后背照明装置中实施的各种内腔式光学器件的方案的示意图；

图7是制造内腔式光学器件的示例性的全部步骤的流程图；

图8是内腔式光学器件的示例性实施方式的示意图；

图9a-图9e是采用内腔式光学器件的示例性后背照明装置的示意图；

图10a和图10b是采用内腔式光学器件的示例性正面照明装置的示意图；

图11a-图11d是在层压在一起的两层或更多层上实施的内腔式光学器件的示例性构造的示意图。

具体实施方式

概述

本发明涉及制造内腔式光学图案的技术和利用这种制造技术制造的设备。可以利用例如在薄材料（例如，透明箔等）的表面上产生小腔室（例如，微米级腔室、纳米级腔室等）的卷装进出（roll-to-roll）制造方法来制造内腔式光学图案。薄材料一旦被加工并产生腔室，就可以层压到第二材料上以使具有腔室的表面与第二材料结合，从而将腔室封闭在最终的结合体内。层压步骤可以使材料融合在一起以有效去除连接表面，使得结合材料看起来是由一片材料形成。内部腔室可以填充有空气或者根据设计需要使腔室能够改变光的方向的其他介质（例如，液体、胶、气体、固体等）。按照这种方式制造内腔式光学器件，可以使腔室免于其他部分的接触，从而保持没有灰尘、碎屑或者可能降低光学器件的功能性或有效性的其他污物。在一些情况下，可以把额外的材料层层压在一起以产生额外的内腔式光学器件层。例如，一层可以包括产生偏振器的腔室，而另一层可以包括其他光管理光栅（lightmanagement grating）。

内腔式光学图案在一些实施方式中可以用于改变来自光源的光的方向（使光、光的分布校准等）以向电子器件提供正面照明或后背照明。如本文所讨论，在其他可能的用途中，内腔式光学图案在以透镜形式实施时还可以用于聚光，使校准光投射为校准膜，用作偏振器，和/或提供光耦合。

可以以多种方式实施本文所述的方法和设备。下面，参考以下附图提供示例性实施方式。图1-图7一般性地涉及内腔式光学器件的制造，而图8-图11b涉及利用制造技术产生的设备。

示例性制造方法

图1是示例性环境100的示意图，示出制造用于电子显示器的内腔式光学器件的全部步骤。制造设备102可以用于在中间载体（例如，薄膜）上产生小的光学腔室。利用制造设备102，这些小的腔室可以涵盖微米到纳米的范围，并且可以根据光学器件的设计要求和所需应用而形成各种图案。在一些实施例中，制造设备102可以是卷装进出处理机（或组件）；然而，其他制造技术和设备可以用于在中间载体上进行平版印刷、微模制或者铸造。

在不同的实施例中，制造步骤可以包括将两层或多层材料层压在一起，使得中间载体表面上的腔室被封闭在合成层压材料104的里面和内部。可以裁切或调整合成层压材料104的尺寸以覆盖显示器106的前面和后面。当位置接近显示器106时，合成层压材料104可以实现正面照明或后背照明的一部分或全部功能。

合成层压材料104可以包括内腔式光学器件108，在图1的详细视图中示出了该内腔式光学器件的示例性形状。内腔式光学器件108可以由制造设备102形成（例如，卷装进出压纹/印痕等）。在一些实施例中，内腔式光学器件108可以填充有空气或者能够使腔室改变光的方向或根据预期的设计要求以其他方式修改光束的其他气体、液体或固体。在腔室中使用空气能够形成低折射率性能，这在生产光学器件时是有用的。内腔式光学器件108可以形成在载体介质110中，该载体介质可以通过层压的方式与接合介质112结合以形成合成层压材料104。载体介质110与接合介质112之间的接缝或表面可以在层压期间融合在一起，使得合成层压材料104看起来像包括内腔式光学器件108的一件材料。利用本文所述的层压步骤可以产生内腔式光学器件，在从显示器侧观看时该内腔式光学器件包括倒置的几何形状（例如，具有小的开口或没有开口的腔室），该倒置的几何形状由于不能从腔室（例如，倒置的"v"形特征）中取出工具而不能以其他方式使用印痕、平版印刷或其他类似工艺产生，或者在制造过程中不能以其他方式控制材料的取出。然而，因为合成层压材料104可以翻转（倒置），所以这些特征在层压两层或更多层材料之后成为可实施的选项，然后因为合成层压材料适合暴露于自然环境（例如，使用者的手指等），所以可以应用于显示器106。

另外，合成层压材料104可以包括平滑且耐用的表面，这样可以防止灰尘或其他碎屑聚积在内腔式光学器件108中。合成层压材料104能够在以正面照明形式实施时输入触敏命令，或者在与使用者互动期间以其他方式保护内腔式光学器件。

图2是用于产生内腔式光学膜的示例性制造设备200的示意图，其中该内腔式光学膜包括层压在一起的多层材料。虽然可以使用其他工艺和设备来产生内腔式光学器件108，但是论述制造设备200作为将至少两层材料（例如，载体介质110和接合介质112）结合在一起的卷装进出制造设备。

制造设备200可以包括一卷载体介质110，在制造过程中该载体介质从源滚筒202展开。根据不同的实施例，取决于所需的应用，载体介质110的范围可以为几纳米厚到几微米厚。载体介质110可以是挠性的或可弯曲的，并且可以由聚合物、弹性体、玻璃、陶瓷或者其他透明、半透明或可以透光的挠性材料形成。

载体介质110可以穿过漆料器204，该漆料器将漆料至少分配到载体介质的将要容纳腔室的表面上。漆料可以通过暴露于紫外（UV）光（UV可固化漆料）、热辐暴露（加热可固化漆料）、湿气（湿气可固化漆料）、电子束（电子可固化漆料）固化或者通过其他工艺固化。然后，载体介质110可以穿过复制圆筒206（或其他类型的成型压印），该复制圆筒包含图案（脊、特征等），在载体介质经过复制圆筒上方（或下方）时该图案对载体介质进行塑形（印压）以产生腔室。根据一些实施例，复制圆筒206可以包括宽度和/或高度的比例为几纳米至几微米的图案，在与载体介质110相互作用之后，该图案产生相似尺寸的腔室。

在压纹过程中和/或在压纹之后，可以使用固化步骤208来固化载体介质110从而使漆料固化，这样载体介质可以包含使用复制圆筒206的图案形成的腔室。固化步骤可以包括：使漆料暴露于UV光、热辐射、湿气、电子束或者它们的以顺序进行的方式或同时进行的方式的任何组合。然后，载体介质110可以穿过从源滚筒202拉拽载体介质的主驱动器210。

同时，可以从另一个滚筒212分配接合介质112并且接合介质可以与载体介质结合（重叠）以覆盖腔室。在一些实施例中，接合介质112可以是比载体介质110厚的介质。例如，接合介质可以由塑料或其他材料形成。在不同的实施例中，接合介质112可以由与载体介质110相同的材料形成，但是具有不同尺寸。接合介质112可以通过其他固化步骤214层压在载体介质110上。如上文所述，层压可以使材料融合在一起，从而有效地去除材料之间的接缝。合成层压材料104可以经过另一组驱动滚筒216，然后收集在存储滚筒218上。

虽然制造设备200仅示出了在一个载体介质上产生内腔式光学器件，制造设备可以包括附加的源滚筒和复制圆筒/压印以产生其他的层，在通过复制圆筒进行处理之后，这些其他的层包括腔室。然后，这些附加的层可以被层压在一起以产生由多个层形成的合成层压材料，该合成层压材料可以包括不同层的内腔式光学器件。例如，一层内腔式光学器件可以用作偏振器，而另一层可以包括作为使光改变方向到显示器的表面起伏图案或光管理光栅的内腔式光学器件。

图3是将多层膜层压在一起以使光学腔封闭在膜内的示例性步骤300的流程图。该步骤示出了在302处形成腔室之前的载体膜110。在载体膜110经过复制圆筒206并且在预先固化步骤中暴露于固化步骤208之后，载体介质在304处出现腔室。

然后，载体介质110可以在层压圆筒306处与接合介质112结合，层压圆筒可以在308处将载体介质110层压在接合介质112上。最后，合成的层压材料在310处的后期固化步骤期间暴露于其他固化步骤214。

步骤300可以可以设置成能够将载体介质110施加在相对硬的接合介质112上，该接合介质可以在被处理的同时保持相对平直或平面（如图3所示）。然而，制造设备200的其他构造和/或步骤300可以用于在制造之前或在制造期间定向、加工、处理或以其他方式操作未加工材料，以产生符合设计要求的合成层压材料104。

图4示出示例性内腔式光学器件400的示意图，该内腔式光学器件可以使用图2和图3示出和描述的制造设备和步骤产生。示例性腔式光学器件400可以包括几何图形剖面（第一样本402和第二样本404所示）、凹陷剖面（第三样本406、第四样本408和第五样本410所示）或者其他变形，例如多重图案样本412。每一种构造或样本都可以包括特定形状和方向的腔室，从而根据设计要求改变来自光源的光的传播方向或以其他方式修改。

根据不同的实施例，可以由制造设备形成小的图案（例如，光栅、二元、火焰、倾斜或梯形形状），从而产生具有具有一个或多个这些图案的内腔式光学器件。图案可以是离散的图案形式（例如光栅像素、小凹口）或连续图案形式、长形凹口和通道和/或任何类型的二维或三维（2D或3D）形状。图案在将要被层压的接触表面上可以包括至少少量的平面，以便能够与接合介质适当粘合并且使光在接合介质中传播。如果没有接触表面，那么真是的空气腔室在一些情况下不能维持。例如，圆形微透镜表面不能形成可以经受重复使用的腔室。然而，尤其当产生作为长通道的腔室时，这些腔室可以填充有加压气体、液体或固体。

图5是将两个或更多膜层压在一起以产生内腔式光学膜的示例性步骤500的流程图。可以利用制造设备200进行在步骤500中描述的操作。步骤500包括第一子步骤502和第二子步骤504。第一子步骤和第二子步骤可以独立进行或并行（同时或几乎同时）进行。在一些实施例中，步骤500可以仅包括子步骤502并且可以避免进行第二子步骤504中的一部分或全部操作。在步骤500中还可以包括附加的子步骤，该附加的子步骤可以进行与结合第一或第二子步骤描述的操作相同或相似的操作。

在第一子步骤502中，在操作506处，源滚筒202可以分配或展开载体介质110（例如，薄箔等）。在操作508处，载体介质110可以涂布有漆料。例如，漆料器204可以用漆料喷涂载体介质110，载体介质110可以浸渍或部分地浸渍在漆料中，或者可以通过其他工艺将漆料施加在载体介质上。

在操作510处，复制圆筒206可以对载体介质110印压以产生图案“A”，该图案可以是用于偏振器的光学图案、耦合/分散图案、光管理光栅图案、表面起伏图案、透镜图案或其他类型的光学特征或图案。

在操作512处，固化步骤208可以通过复制圆筒206对通过印压产生的图案“A”进行预先固化。

在操作514处，可以将载体介质110的包括图案的一侧与接合介质112结合。然后，在操作514处，可以将载体介质110层压在接合介质112上。

在操作516处，其他固化步骤214可以将UV光（或其他固化步骤）照射到载体介质110和接合介质112上，载体介质110和接合介质112共同称为层压制品“A”（即，合成层压材料104）。

在合成层压材料104仅包括两层的实施例中，步骤500可以结束于516。然而，附加的层并因此内腔式光学器件的附加光学图案可以通过下面说明的第二子步骤504添加到层压制品“A”中。第二子步骤504可以在第一子步骤502的操作之前、之后或与第一子步骤502的操作同时进行。

在操作518处，其他源滚筒（例如，滚筒212）可以分配或展开其他载体介质，该载体介质可以与用于子步骤502的载体介质110相同或者可以由其他材料和/或厚度形成。在操作520处，漆料器（例如，漆料器204）可以用漆料涂布载体介质。在操作522处，复制圆筒（例如，复制圆筒206）可以对载体介质印压以产生图案“B”，图案“B”可以是与图案“A”不同的光学图案。在操作524处，固化步骤208可以对通过印压产生的图案“B”进行预先固化。

在一些实施例中，可以通过与进行第一子步骤502的操作相同或相似的部件来进行第二子步骤504中的一些操作。在不同的实施例中，制造设备可以包括用于同时进行第一子步骤502和第二子步骤504的专用硬件。

在操作526处，可以将具有图案“B”的载体介质与层压制品“A”结合，使得载体介质的具有图案“B”的一侧与层压制品“A”的一侧结合并紧贴，从而覆盖形成图案“B”的腔室。因此，在层压之后，其中形成图案“A”和图案“B”的腔室是内部腔室。在操作516处，可以将载体介质层压在一起以产生一件材料（例如，具有多层内腔式光学器件的合成层压材料104）。在操作528处，合成层压材料104可以经过后期固化步骤以使层压制品固化。

在一些实施例中，可以进行类似于第二子步骤504的附加子步骤来将附加层并因此内腔式光学器件的附加层添加到合成层压材料104中。

图6a-图6c示出可以在电子显示器的正面照明装置和/或后背照明装置中实施的各种内腔室光学器件的方案的示意图。图6a示出组件600，该组件包括显示器106，该显示器具有合成层压材料104，该合成层压材料具有一层内腔式光学器件并应用在显示器的正面。例如，合成层压材料104在该构造中可以用作正面照明装置。下面结合图10a和图10b来论述正面照明装置构造的附加细节。作为选择，合成层压材料在该构造中可以用作结合图9a-图9e来描述附加细节的后背照明装置。

图6b示出组件602，该组件包括显示器106，该显示器具有第一合成层压材料604和第二合成层压材料606，该第一合成层压材料具有一层内腔式光学器件并应用在显示器106的正面，该第二合成层压材料具有一层内腔式光学器件并应用在显示器106的后面。

图6c示出组件608，该组件包括显示器106，该显示器具有多层合成层压材料610，该多层合成层压材料具有多层内腔式光学器件612并应用在显示器106的一侧。

图7是制造内腔式光学器件的示例性的全部步骤700的流程图。步骤700包括三个子步骤。第一子步骤702描述了用于产生制造设备102的至少一部分的模制，第二子步骤704描述了制造设备102的使用，而第三子步骤706描述了合成层压材料104的材料处理和质量控制处理。依次描述每一个子步骤。

根据不同的实施例，第一子步骤702可以包括在操作708处的光学设计和在操作710处的控制制造。在操作712处可以产生镍垫片，该镍垫片在操作714处可以用于生产工具或者以生产工具的形式实现。在操作716处可以将镍垫片贴附在制造设备上以能够对载体介质110印压。

在一些实施例中，可以通过微加工、平版印刷、印痕、压纹或其他适当工艺完成预先控制图案。可以通过电铸成型、铸造或模制来复制预先控制图案。成型的镍、塑料主板、铸造材料板或模制板可以构造成包含许多在板表面上产生图案的微型凹凸。图案可以包括一个或多个小的凹槽、切口、点、像素等。在一些实施例中，微型凹凸（或无凹凸）是适合喷墨印刷调制过程的阴纹图案。该调制过程可以基于其中现有凹槽、切口、点、像素等完全填充有喷墨/印刷材料的剖面填充工艺。该材料可以通过形成小的皮可（10^-12）液滴以便填充和“隐藏”现有图案来分配在主板上。这些工艺适合在表面上完成填充系数调制（例如，在导光装置应用中等）。然而，这些工艺也适合许多其他应用，不仅仅为了完成填充系数。这些工艺还可以用于设计不同的离散数据、图标、形态和形状，该离散数据、图标、形态和形状能够产生相对快捷、灵活和方便使用的低成本光学设计步骤。这些工艺还可以特别适用于大的表面面积（例如，大屏幕监视器或电视等）。

填充材料（例如，油墨等）可以是透明的并且光学清晰的，并且还可以具有与板材料相同或相似的折射率。这可以实现真实的功能性测试。在一些实施例中，可以使用彩色油墨。然而，使用彩色油墨需要复制步骤以便获得完成部分的功能性光学测试。

液滴的尺寸和材料粘性在受控的并且高质量的填充方面也是重要的考虑因素。如果粘性太低，则液滴可能流动很大面积并且可能沿着凹槽底部移动，从而难以完全填充结构。如果粘性太高，则液滴尺寸可能更大但形态更紧密，并且不能在凹槽上流动所需要的那么多。

保证小液滴尺寸的低粘性材料是良好的折衷方案。当使用小的图案和离散的凹槽、切口、点火像素时，液滴可以仅用于填充优选位置的优选图案。因此，优选的是用小像素或离散剖面来使预先控制结构图案化。

根据一些实施例，第二子步骤704可以包括在操作718处装载载体介质110和接合介质112。在操作720处，制造设备102可以展开载体介质110，该载体介质在操作722处可以经过网式清洁和消电离。在操作724处，可以用漆料对载体介质进行处理。在操作726处，可以通过复制圆筒206对载体介质110印压并且可以用光预先固化。在操作728处，载体介质在被印压之后可以出于质量控制（QC）的目的被检查的并且重新缠绕在卷轴上（用于存储而被卷绕）。在操作730处，可以将被印压的载体介质从制造设备102上卸载下来。在一些实施例中，第二子步骤704可以包括如在图5示出的第一子步骤502的操作514和516所述的层压。

根据不同的实施例，第三子步骤706可以包括在操作732处展开具有内腔式光学器件的合成层压材料。在操作734处，可以将合成层压材料层压在显示器、导光装置或其他特种的一侧。在操作736处，可以利用激光切割、冲压切割或其他切割工艺来切割合成层压材料。例如，在材料贴附在显示器上之后，可以将多余材料从显示器或导光装置的边缘切掉。在操作738处，可以将多余材料（例如，在操作736处切掉的材料）。在操作740处，可以将多余材料重新缠绕在卷轴上并且存储以供以后使用。

在操作742处，可以出于质量控制目的测试材料。例如，可以比对电子显示器将材料展开为正面照明装置或后背照明装置，然后进行测量来决定材料是否适合进一步展开。在步骤744处，可以组装托架。

示例性光学器件

图8是内腔式光学器件800的示例性实施方式的示意图，该内腔式光学器件包括按照层次设置的变形形式。内腔式光学器件800可以再细分为光引导膜802和导光板804。光引导膜802可以是层压或者以其他方式贴附或构造成紧贴显示器或导光装置的薄膜，以便根据设计要求引导来自光源的光。例如，来自光源的光可以引导通过薄膜，该薄膜包括表面起伏形态、光管理光栅、偏振器或者操纵光和/或使光的改变方向到显示器的像素上或通过像素的其他光学特征。如图8所示，引导802可以包括具有与引导802不同构造的前面的显示器照明装置806和背面的显示器照明装置808。

还可以将内腔式光学器件800展开为导光板804。导光板804可以引导来自光源的光，以便在显示器的表面上使光扩散。例如，导光板804可以包括展开为内腔式光学器件的表面起伏形态。导光板804可以构造成显示器正面照明装置810和/或显示器后背照明装置812。将结合下面的附图进一步详细描述内腔式光学器件800的每一种构造。

示例性后背照明装置的构造

图9a-图9e是使用内腔式光学器件的示例性后背照明装置的示意图。导光装置可以由体积板或膜制成，该体积板或膜的表面（一面或两面）上可以具有层压膜。膜可以包括光学图案，该光学图案使用于分布的光分散。可以层压预先形成膜，该预先形成膜在层压表面上包括内部腔室。这些形成的腔室可以包括空气（或其他气体）并且因此可以提供低折射率性质和非常有效的分散光和光管理特征。

图9a示出具有层压的耦合光学器件的示例性透明导光装置900。合成层压材料902可以包括耦合图案904。合成层压材料902可以通过滚动步骤或其他适当步骤（粘合等）层压在导光装置上。

图9b示出包括内腔式光学器件的示例性透明导光装置908。合成层压材料910可以包括呈内部微米级腔室耦合光学器件或纳米级耦合光学器件的剖面的内腔式光学器件912。在一些实施例中，内腔式光学器件912可以填充有空气。然而，其他液体、气体或固体可以用于填充腔室。在一些实施例中，合成层压材料910可以包括至少一层由玻璃或塑料形成的层，由玻璃或塑料形成的层可以是接合介质112并且比载体介质110更刚性，该载体介质在层压介质以形成具有内腔式光学器件912的合成层压材料910之前被印压出腔式光学器件。

图9c示出包括内腔式光学器件的示例性透明导光装置914。合成层压材料916可以包括：内腔式光学器件的用于耦合和/或校准光束的第一层918，和腔式光学器件的用作偏振器的第二层920。在一些实施例中，偏振器可以使用线栅剖面。在第二层920中或在合成层压材料的表面上，偏振器可以以内腔式光学器件的形式实现。

在不同的实施例中，顶部层压膜（第二层920）可以包括位于膜的顶部的整体光分散光学器件和偏振光栅（线栅或其他新的光栅方案）。这对液晶显示器（LCD）工艺而言是有益的方案，因为沿轴向的窄的光分散和分布对顶部偏振光栅而言是最适合的方向并且提供高度偏振，而高度偏振不可能基于光漫射（light circulation）。这可以提供更高效率的偏振光。这种膜方案还可以与导光板一起直接层压在显示器背面板上。

图9d示出包括内腔式光学器件的示例性显示器922，其中该内腔式光学器件构造成产生具有内腔式耦合光学器件（例如，整体式线栅偏振器等）的中空后背照明装置。合成层压材料924可以包括位于显示器922的背面板928上的粘合层926。可以紧贴粘合层926施加具有二元剖面的整体式线栅偏振器930。可以紧贴整体式线栅偏振器930施加具有耦合光学器件剖面的层压膜932。反射器934可以通过填充有空气、其他气体、液体或固体的腔室936而与层压膜932分开。

图9e示出包括内腔式光学器件的示例性导光装置938。合成层压材料940可以包括具有具有竖直接触栅的耦合图案942，而导光装置938可以包括水平接触栅944。具有合成层压材料940的导光装置938可以通过由耦合图案942和水平接触栅944形成的被动矩阵栅而构造为主动腔室式耦合光学器件。

如图9e所示，后背照明装置可以由中空式导光装置形成，其中空气为中间载体并且光栅图案（阳纹）直接耦合光。这种光栅膜可以层压在其他中间载体（例如，塑料板或玻璃板）上。在一些实施例中，光栅膜可以直接层压在显示器的背面板上。这种整体式方案能够生产比现有导光装置更薄的导光装置。

在一些实施例中，偏振器光栅可以施加在膜的与显示器的背面板接触的一侧。这些层的顺序可以设置为：1）光的方向性耦合；2）偏振；以及3）显示传输或这些组合的变形。

如果存在不同的颜色等级，这种方案可以有效地混合发光二极管（LED）的光。对于更大的导光装置方案而言，存在很少的或者没有（如塑料所具有的）中间catTier的光吸收和白光的色坐标的移位。如果耦合图案基于线性定向，那么用于LED源的预先校准光学器件是有益的。

上述论述主要基于边缘照明方案。然而，所述的中空导光装置也可以由位于膜下方的若干LED排产生。然后，通过3D反射器校准或反射LED以获得均匀性。这种类型的耦合也可以用于光耦合。

在一些实施例中，导光装置可以由上述光学膜制成，该光学膜具有用于表面接触控制的（电的，例如TFT工艺）主动/被动矩阵，该表面接触控制也可以基于腔式光学器件。这种电控制系统可以（通过软件）在优选时间在指定位置提供分散。软件可以控制耦合接触因素的均匀性和密度，以便控制均匀性和亮度。电接触可以基于静电或其他可行方案。这种方案适合LED显示器（例如，电视机等）和/或光板。

根据一些实施例，使用内腔式光学器件与可见光可以实现基于红外线（IR）的耦合。可以使用双层，例如用于可见光耦合的内层和用于IR光耦合（气隙）的外层。可以使用用于IR耦合的低折射率涂层/膜，其厚度小于用于IR光的膜。因此，由于层的厚度，可见光不能够“看到”IR图案，并且只有IR光可以看到它们。对基于IR的触摸屏而言，这是一种适当的方案。触摸屏电路（例如，具有ITO或碳纳米管）可以印刷在顶部表面上，从而可以产生更多的整体式方案。这可以用于后背照明装置和/或正面照明装置的应用

示例性正面照明装置的构造

图10a和图10b是使用内腔式光学器件的示例性正面照明装置的示意图。正面照明装置可以是位于显示器顶部的独立元件。正面照明装置方案通常具有由漫射光引起的表面之间的对比度和倒影的问题。在导光装置与显示器基板之间使用具有较低折射率材料的层压正面照明装置可以提高对比度并且降低表面之间的倒影。

图10a示出包括内腔式光学器件的示例性显示器1000。合成层压材料1002可以包括平表面1004，该平表面使内腔式光学器件1006免于污物、碎屑或可能降低合成层压材料1002的光学质量的其他物质。合成层压材料1002可以通过位于显示器1000的顶部板上的粘合层1008而贴附在显示器1000上。粘合层1008可以紧贴包括内腔式光学器件1006的载体介质110，而平表面1004可以是接合介质112的一部分，其中该接合介质可以由塑料或玻璃材料或者防止损坏并保护内腔式光学器件1006的其他较坚固材料形成。

在一些实施例中，光学耦合图案可以位于背面板上。通常这些图案位于显示器的顶部表面上，这尤其当存在较大量漫射光时会降低对比度。当图案的位置接近真实的显示图像时，图案的可见度被减弱，因此能够利用更高密度的结构甚至更大的结构和剖面而不会牺牲可见度。底部图案可以通过层压结合在显示器或图像表面上。底部图案可以使漫射光降至最小，同时能够使用位于正面照明装置顶部的其他功能性图案或层，例如防倒影图案、防清除图案、触摸屏元件（电路和层）、其他光学图案/膜（偏振光栅）等。平的顶部表面适合使用者使用触摸命令与显示器互动的“开放式”方案。

可以使用小的（纳米/微米级）光学图案（例如光栅）来产生正面照明的光学图案。二元光栅对较大视角是有效的，而红外光栅对较窄视角是有效的。可以使用结合这些方案的混合光栅方案。

电子纸张显示器尤其依赖于适当正面照明的使用，可以通过包括内腔式光学器件的正面照明装置来提供正面照明。这些类型的显示器（其中图像表面非常接近顶部板/膜）利用二元光栅或其他不可见图案的正面照明装置良好地运行。通过层压完全穿入光栅剖面的膜/粘接膜，光学图案可以被制成几乎对人类不可见。

当使用层压的正面照明装置时考虑光的耦合。通常层压在光源附近的区域中形成较亮的点（亮斑）。在光源的前面使用条带或印刷带可以避免或最小化这种较亮的点。还可以使用一些扩散光学器件图案。这些方案避免了亮斑并且提供了来自光源或几个光源的更均匀的照明。

图10b示出包括内腔式光学器件的示例性显示器1010。合成层压材料1012可以包括内腔式光学器件1006和粘合层1008。另外，合成层压材料1012可以包括层压表面的触摸板1114以将正面照明装置构造为结合触摸的正面照明装置方案。正面照明装置结构可以由同一导光装置中的光耦合结构和触摸屏电路或IP耦合结构形成。这些结构可以位于导光装置的同一侧或者不同侧。可见光可以具有其特有的分散图案和IR耦合图案，和/或触摸电路可以通过单独设置的层而分开或隔离，可以使用一侧层压层或两个不同的层压层（一侧或两侧）来实现该单独设置的层。在一些实施例中，白光可以用于触摸屏方案。这基于使用耦合光学器件的光学信号加强。触摸屏方案可适用于电子书阅读装置、移动电话和/或包括显示器的其他消费电子设备。

图11a-11d是在层压在一起以产生合成层压材料的两层或更多层上实施的内腔式光学器件的示例性构造的示意图。

图11a示出包括通过内腔式光学器件1104改变方向的示例性光线1102的示例性合成层压材料1100的侧视图，其中从合成层压材料的单侧的光源发出光线。内腔式光学器件1104可以是用于将光的方向改变为校准光或其他类型的光的表面起伏图案。

图11b示出包括通过内腔式光学器件1110改变方向的示例性光线1108的另一示例性合成层压材料1106的侧视图。内腔式光学器件1110可以是用于将光的方向改变为彩色光或将光扩散到邻近表面（例如，显示器）上的光栅。内腔式光学器件1110还可以是偏振器或其他光学特征或图案。

图11c示出包括通过内腔式光学器件1116改变方向的示例性光线1114的另一示例性合成层压材料1112，其中从合成层压材料104的任一侧的多个光源发出光线。内腔式光学器件可以是用于将光的方向改变为校准光或其他类型的光的表面起伏图案。

图11d示出具有多层的示例性合成层压材料1118的侧视图。第一层1120可以包括提供偏振器的内腔式光学器件，第二层1122可以包括使来自导光装置的光的改变方向的内腔式光学器件，而内腔式光学器件的第三层1124可以提供其他光学效果（例如，透镜、耦合等）。在合成层压材料1118中还可以包括更多或更少的层，这些层可以使用参考图5描述的步骤产生。

其他示例性实施方式

在一些实施例中，内腔式光学器件可以用于产生透镜。层压的透镜膜可以形成微米至纳米比例的腔式耦合结构。压纹/印痕膜可以层压在载体介质上以产生具有多层图案的透镜结构。光学图案可以是完全结合/嵌入式的，因而避免了碎屑或损坏。这些透镜具有很多应用，例如卤素的置换、太阳能电池的聚能器以及全面照明的实现。

另一种照明透镜是无定向传播元件，该无定向传播元件是来自以预定角度引导光的空气介质的耦合灯。在一些实施例中，一些表面具有反射器（2D或3D），其他表面具有耦合图案（2D或3D）。长排LED可以用于至少在2D水平方向上校准光。另一种应用是灯条、灯柱或灯管，其中耦合结构或膜是用于耦合和引导光的外表面或内表面。在灯管的方案中，可以在中心（内部）使用反射柱。这种类型的耦合膜可以被层压并且以不同角度引导光（内侧或外侧）。该结构可以是一体化的，因而可以使图案没有缺陷。因为具有更小的特征（该特征具有比常规较大图案少得多的背反射）并且还因为图案位于底侧，所以与常规菲涅耳透镜相比，光栅透镜还提高了效率。当图案位于底侧时，因为中间载体位于顶侧，所以具有更少了直接背反射。

根据一些实施例，内腔式光学器件还可以用于提供校准光的膜，或者称为“校准膜”。层压腔式耦合膜可以提供更窄的照明。加大的入射角度可以被校准为窄的角度，并且小的角度可以穿过该膜而没有明显效率下降。光学图案在显示器方案中几乎是不可见的。这些图案也可以通过层压而结合或嵌入。另外，LCD的顶侧可以具有这种膜，从而可以导致更窄的光分布。LCD通常使分布更大一些，即使在后背照明装置中使用棱柱片。具有内部腔室的透明膜可以用于顶侧并且提供最终的光分布。

在不同的实施例中，内腔式光学器件还可以用作偏振器。可以通过上述卷装进出工艺或其他制造工艺来生产光栅偏振器或线栅。在一些实施例中，可以通过固化形成基本剖面，然后可以借助激光辅助沉积、自动层沉积（ALD）或其他类似工艺形成具有较高折射率的沉积涂层。激光可以沉积许多不同的材料。可以使用定向的方向性沉积（不对称的侧面沉积）。光栅剖面可以是二元的、倾斜的、具有不同斜面的方形的等。

在一些实施例中，内腔式光学器件还可以用于光耦合。平的球状透镜长排（尤其在一排上）是独特的方案，并且可以根据校准轴线而包括2D表面或3D表面。原则上，一根校准轴线是足够的。这种光学方案可以独立地或与导光装置一起产生。制造工艺可以包括注塑成型、铸造、激光切割等。

结论

虽然以结构特征和/或方法作用的特定语言描述了本发明的主题，但是应当理解，所附权利要求定义的主题不必局限于所述的特定特征或作用。相反，公开特定特征或作用作为实施权利要求的示例性形式。

Claims (25)

1.一种制造内腔式光学器件的方法，所述方法包括：

用漆料涂布膜的表面；

在所述膜的含有漆料的表面上印压出光学图案；

使所述膜上的漆料固化；

将具有所述光学图案的表面层压到另一种材料上，从而将所述光学图案封闭在所述膜与所述另一种材料之间并产生所述内腔式光学器件；以及

使层压的表面固化以将所述膜与所述另一种材料融合。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述光学图案由复制圆筒或压印形成，所述复制圆筒或压印包括表面起伏图案，所述表面起伏图案具有微米至纳米范围的特征。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述内腔式光学器件为使光改变方向的表面起伏形式或过滤光的光管理光栅中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述印压步骤是通过卷装进出制造步骤进行的。

5.一种方法，该方法包括：

在第一透明膜的表面上产生光学腔室，所述光学腔室具有在来自光源的光被引导至该光学腔室时使光改变方向或者过滤光的形状；

将所述第一透明膜层压在第二透明膜上，从而将所述光学腔室封闭在所述第一透明膜与所述第二透明膜之间；以及

使层压的所述第一透明膜和所述第二透明膜固化以将所述第一透明膜与所述第二透明膜融合成层压膜。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述产生光学腔室的步骤是通过印压、平版印刷、微模制或者铸造中的至少一种进行的。

7.根据权利要求5所述的方法，该方法还包括：将所述层压膜贴附在导光装置或电子显示器上，以便通过将光的方向改变至所述光学腔室并且重新引导至所述电子显示器上来提供正面照明或后背照明。

8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述光学腔室当被封闭在所述第一透明膜与所述第二透明膜之间时被填充有提供低折射率性质的空气。

9.根据权利要求5所述的方法，其中所述使层压的所述第一透明膜和所述第二透明膜固化以将所述第一透明膜与所述第二透明膜融合的步骤以包括所述光学腔室的一件材料的形式产生所述层压膜。

10.根据权利要求5所述的方法，其中所述产生光学腔室的步骤包括将图案印压到可固化漆料上，所述可固化漆料施加在所述第一透明膜的表面上。

11.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一透明膜由聚合物、弹性体、玻璃或陶瓷中的一种形成，并且所述第一透明膜的厚度大于所述第二透明膜的厚度。

12.根据权利要求5所述的方法，其中所述层压膜展开为前部导光装置并能够实现触摸屏显示器。

13.一种内腔式光学膜，该内腔式光学膜包括：

第一透明膜，所述第一透明膜包括在所述膜的至少一个表面上形成的光学腔室；以及

第二透明膜，所述第二透明膜被层压在所述第一透明膜上以将所述光学腔室封闭在合成透明膜内作为内腔式光学器件，所述内腔式光学器件使穿过所述合成透明膜的光改变方向或者过滤光。

14.根据权利要求13所述的内腔式光学膜，该内腔式光学膜还包括第三透明膜，所述第三透明膜包括在表面上形成的光学腔室，所述第三透明膜被层压至所述第一透明膜或所述第二透明膜并且在所述合成透明膜内产生另一层内腔式光学器件。

15.根据权利要求13所述的内腔式光学膜，其中所述第一透明膜和第二透明膜由聚合物或弹性体中的一种形成。

16.根据权利要求13所述的内腔式光学膜，其中所述内腔式光学器件为表面起伏形式或光管理光栅中的至少一种。

17.根据权利要求13所述的内腔式光学膜，其中所述内腔式光学器件在以导光装置或电子显示器展开时是倒置的，使得从所述光学腔室顶点发出的光被引导在所述电子显示器上。

18.根据权利要求13所述的内腔式光学膜，其中所述第一透明膜和所述第二透明膜的外表面使内腔式光学器件免于污物和损坏。

19.一种产生内腔式光学膜的方法，该方法包括：

在透明膜的表面上产生腔室；以及

将所述透明膜的表面层压在结合材料上，从而封闭所述腔室作为使穿过所述透明膜的光改变方向或者过滤光的内腔式光学器件。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述透明膜由聚合物或弹性体形成并且所述结合材料由玻璃或陶瓷形成。

21.根据权利要求19所述的方法，其中所述腔室形成在漆料中，所述漆料被施加在所述透明膜的表面然后被印压出产生所述腔室的图案。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述漆料为以下中的一种或多种：UV可固化漆料、加热可固化漆料、湿气可固化漆料或电子可固化漆料，并且该方法还包括使所述漆料固化。

23.根据权利要求19所述的方法，该方法还包括：将另一透明膜层压在所述透明膜或所述结合材料上，以将在所述另一透明膜中形成的附加光学腔室封闭在合成层压材料内。

24.根据权利要求19所述的方法，其中所述产生腔室的步骤是通过在所述透明膜中印压出腔室的复制圆筒或压印进行的。

25.根据权利要求24所述的方法，其中所述复制圆筒包括阴纹表面起伏图案，所述阴纹表面起伏图案产生腔室并且具有微米至纳米范围的特征。

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