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TW201610490A - 光導 - Google Patents

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TW201610490A
TW201610490A TW104112122A TW104112122A TW201610490A TW 201610490 A TW201610490 A TW 201610490A TW 104112122 A TW104112122 A TW 104112122A TW 104112122 A TW104112122 A TW 104112122A TW 201610490 A TW201610490 A TW 201610490A
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TW
Taiwan
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light
light guide
length
input edge
major surface
Prior art date
Application number
TW104112122A
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English (en)
Inventor
提摩西 喬瑟夫 尼維特
麥克 法蘭西斯 威柏
查理斯 大衛 霍伊
安德魯 約翰 奧德科克
Original Assignee
３Ｍ新設資產公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ３Ｍ新設資產公司 filed Critical ３Ｍ新設資產公司
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    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
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Abstract

一種光導，其具有第一主表面、第二主表面、輸入邊緣及對置邊緣，其中該第一主表面與該第二主表面中之至少一者包括複數個多合透鏡(multiplet)。每個多合透鏡包括兩個或更多個提取特徵，該等提取特徵具有凹入幾何形狀。

Description

光導
在習用的液晶顯示器(LCD)中，背光提供輸入至LCD面板中的光。背光包括光源與光導，該光導一般包括某種提取器，該提取器可自光導中提取光。經提取之光一般不具有所欲之角分布，且顯示器內包括有增亮膜以再循環光，以便提供經改進的角分布。進行此再循環時可能出現大量反射，並會有相關聯的輻射能耗損。是以，需要可減少再循環並改進效率的光導。
在一些態樣中，本說明提供之光導包括第一主表面、第二主表面、輸入邊緣及對置邊緣，其中該第一主表面與該第二主表面之至少一者包括複數個多合透鏡(multiplet)。每個多合透鏡包括兩個或更多個提取特徵，且每個提取特徵皆具有凹入幾何形狀。
在一些態樣中，提供之照明面板包括光導以及經設置成用以將光注入至該光導的光源。
在一些態樣中，提供包括照明面板之顯示器。
100‧‧‧光導
102‧‧‧輸入邊緣
104‧‧‧對置邊緣
106‧‧‧第一主表面
108‧‧‧第二主表面
115‧‧‧多合透鏡
116‧‧‧多合透鏡
118a‧‧‧提取特徵
118b‧‧‧提取特徵
119a‧‧‧提取特徵
119b‧‧‧提取特徵
119c‧‧‧提取特徵
135‧‧‧氣穴
142a‧‧‧第一角度
144a‧‧‧第二角度
166a‧‧‧第一表面
168a‧‧‧第二表面
169a‧‧‧頂點
200‧‧‧光導
202‧‧‧輸入邊緣邊緣
204‧‧‧對置邊緣
206‧‧‧第一主表面
207‧‧‧中心平面
208‧‧‧第二主表面
215‧‧‧多合透鏡
216‧‧‧多合透鏡
217‧‧‧多合透鏡
218‧‧‧多合透鏡
315‧‧‧多合透鏡
318a‧‧‧提取特徵
318b‧‧‧提取特徵
366a‧‧‧第一表面
366b‧‧‧第一表面
368a‧‧‧第二表面
368b‧‧‧第二表面
373a‧‧‧第一錐形區域
374a‧‧‧第二錐形區域
376a‧‧‧中心區域
415‧‧‧多合透鏡
418a‧‧‧提取特徵
418b‧‧‧提取特徵
466a‧‧‧第一表面
466b‧‧‧第一表面
468a‧‧‧第二表面
468b‧‧‧第二表面
473a‧‧‧第一錐形區域
474a‧‧‧第二錐形區域
476a‧‧‧中心區域
515‧‧‧多合透鏡
573a‧‧‧第一錐形區域
574a‧‧‧第二錐形區域
576a‧‧‧中心區域
600‧‧‧光導
602‧‧‧輸入邊緣
604‧‧‧對置邊緣
615‧‧‧多合透鏡
618a‧‧‧提取特徵
618b‧‧‧提取特徵
600c‧‧‧光導
602c‧‧‧輸入邊緣
604c‧‧‧對置邊緣
615c‧‧‧多合透鏡
677‧‧‧角度
693‧‧‧傳播方向；方向
696‧‧‧正交方向；面內方向
700‧‧‧光導
702‧‧‧輸入邊緣
704‧‧‧對置邊緣
715‧‧‧多合透鏡
733a‧‧‧間隔
733b‧‧‧間隔
793‧‧‧傳播方向
796‧‧‧正交方向
800‧‧‧光導
802‧‧‧輸入邊緣
804‧‧‧對置邊緣
815‧‧‧多合透鏡
833a‧‧‧間隔
833b‧‧‧間隔
893‧‧‧傳播方向
896‧‧‧正交方向
900‧‧‧光導
902‧‧‧輸入邊緣
904‧‧‧對置邊緣
906‧‧‧第一主表面
907‧‧‧中心平面
908‧‧‧第二主表面
915‧‧‧多合透鏡
916‧‧‧多合透鏡
917‧‧‧多合透鏡
918a‧‧‧提取特徵
918b‧‧‧提取特徵
935a‧‧‧氣穴
935b‧‧‧氣穴
960‧‧‧光源
966a‧‧‧第一表面
966b‧‧‧第一表面
968a‧‧‧第二表面
968b‧‧‧第二表面
970‧‧‧光
971‧‧‧光束
972‧‧‧光射線
973‧‧‧光射線
974‧‧‧光射線
975‧‧‧光射線
1001‧‧‧顯示器
1002‧‧‧輸入邊緣
1004‧‧‧對置邊緣
1006‧‧‧第一主表面
1008‧‧‧第二主表面
1010‧‧‧光導
1022‧‧‧光學薄膜
1040‧‧‧反射器
1050‧‧‧LCD面板
1060‧‧‧光源
1101‧‧‧照明面板
1102‧‧‧輸入邊緣
1104‧‧‧對置邊緣
1110‧‧‧光導
1160‧‧‧光源
1162‧‧‧發光組件
1164‧‧‧準直元件
1193‧‧‧傳播方向
1196‧‧‧寬度方向
1199‧‧‧總角距
1200‧‧‧光學封裝
1205‧‧‧轉換器單元
1210‧‧‧發光組件
1220‧‧‧變形光導
1250‧‧‧轉向器部分；轉向部分
1260‧‧‧轉向器/集光器元件
1270‧‧‧耦合部分
1280‧‧‧集光器部分
1290‧‧‧外殼
1300‧‧‧光學封裝
1302‧‧‧第一反射表面
1310‧‧‧發光組件
1320a‧‧‧變形光導
1320b‧‧‧變形光導
1351a‧‧‧轉向器
1356a‧‧‧反射面
1360‧‧‧轉向器/集光器元件；轉向器/集光器；轉向器/集光器單元
1370‧‧‧耦合部分；耦合區段
1371‧‧‧耦合主體
1380‧‧‧集光器部分；集光器
1381‧‧‧集光器主表面
1382‧‧‧集光器主表面
1384‧‧‧輸出表面
1407‧‧‧曲線
1409‧‧‧曲線
1507‧‧‧曲線
1509‧‧‧曲線
1607‧‧‧曲線
1609‧‧‧曲線
1701‧‧‧照明面板
1702‧‧‧輸入邊緣
1704‧‧‧對置邊緣
1710‧‧‧光導
1760‧‧‧光源
1762‧‧‧發光組件
1764‧‧‧準直元件
1793‧‧‧傳播方向
1796‧‧‧寬度方向
H‧‧‧高度
W‧‧‧寬度
S‧‧‧間隔
θa‧‧‧角度
θb‧‧‧角度
圖1為具有多合透鏡提取特徵之光導的示意橫截面圖；圖2為具有多合透鏡提取特徵之光導的示意橫截面圖；圖3A為多合透鏡之俯視圖；圖3B為圖3A之多合透鏡之側視圖；圖4A為多合透鏡之俯視圖；圖4B為圖4A之多合透鏡之側視圖；圖5A為多合透鏡之俯視圖；圖5B為圖5A之多合透鏡之側視圖；圖6A為具有多合透鏡提取特徵之光導的示意俯視圖；圖6B為圖6A之多合透鏡之一部分的透視圖；圖6C為具有多合透鏡提取特徵之光導的示意俯視圖；圖7為具有多合透鏡提取特徵之光導的示意俯視圖；圖8為具有多合透鏡提取特徵之光導的示意俯視圖；圖9A為照明面板之示意橫截面圖；圖9B為光束入射於圖9A之照明面板之多合透鏡上的示意橫截面圖；圖10為顯示器之示意橫截面圖；圖11A為照明面板之示意俯視圖；圖11B為照明面板之示意側視圖；圖12A為光源之等角視圖；圖12B為圖11A之光源的分解圖；圖13為光源之等角視圖； 圖14為來自顯示器之光輸出之角分布的圖表；圖15為來自顯示器之光輸出之角分布的圖表；圖16為來自顯示器之光輸出之角分布的圖表；圖17A為照明面板之示意俯視圖；及圖17B為照明面板之示意側視圖。
在習用的液晶顯示器(LCD)中，背光提供輸入至LCD面板中的光。該背光包括光源與光導。一般來說，散射背反射器提供於光導後方，且光導與LCD面板之間放置有包括增亮膜(BEF)的薄膜堆疊，用以再循環背光之光輸出，以為其提供經改善的角分布。光導與LCD面板之間的該薄膜堆疊之中一般亦包括反射偏光器以用於偏光再循環。
本說明提供能以一角分布提供光輸出而使得僅需要最少量的光再循環的光導。在一些實施例中，僅需要偏光再循環。相較於習用之設計，此提供改進的效率，因為有一些耗損是與大量反射相關聯。和習用之LCD設計相比，該等光導亦提供改進之視角與對比度。
本文中所述光導及照明面板之額外應用描述在共同讓與之美國專利申請案第14/254,678號(代理人案號75271US002)標題為「Laminated Display Unit」並且與本案在同一日期申請，該案全文以引用方式併入本文中。
如本文中所使用，提取特徵之多合透鏡係指兩個或兩個以上提取特徵，其中提取特徵之間的間隔小於提取特徵之寬度且小於 相鄰多合透鏡之間的間隔。在一些實施例中，提取特徵之寬度沿提取特徵之長度變化，且多合透鏡中之提取特徵之間的間隙沿多合透鏡之長度變化。在這些情況中，提取特徵之多合透鏡應理解為意指兩個或兩個以上提取特徵，其中提取特徵之間之最小間隔小於提取特徵之最大寬度且小於相鄰多合透鏡之間的間隔。在一些實施例中，多合透鏡中之提取特徵之間的最小間隔是提取特徵之最大寬度的0.5倍小或0.25倍小或0.1倍小。
圖1展示光導100，光導100具有輸入邊緣102、對置邊緣104、第一主表面106及第二主表面108。第二主表面108包括多合透鏡115及116。多合透鏡115包括兩個提取特徵118a及118b，而多合透鏡116包括三個提取特徵119a、119b及119c。提取特徵119c具有高度H、寬度W，且提取特徵119b及119c之間具有間隔S(其小於W)。在一些實施例中，提取特徵之厚度或高度H可在約1微米至約30微米之範圍內，或在約2微米至約20微米之範圍內，或在約5微米至約15微米之範圍內。在一些實施例中，提取特徵之寬度W可在約1微米至約30微米之範圍內，或在約2微米至約20微米之範圍內，或在約5微米至約15微米之範圍內。
提取特徵118a及118b具有凹入幾何形狀，且在提取特徵之內部與第二主表面108之間形成氣穴135。如本文中所使用，凹入幾何形狀係指從材料之表面朝向材料之內部延伸之特徵之幾何形狀(例如，圖1之提取特徵118a)。
提取特徵119a具有：第一表面166a，其面對輸入邊緣102；第二表面168a，其面對對置邊緣104；及頂點169a。在第一表面166a面對輸入邊緣102之側上，第一表面166a與第二主表面108形成第一角度142a，而在第二表面168a面對對置邊緣104之側上，第二表面168a與第二主表面108形成第二角度144a。在一些實施例中，第一角度142a係在約110度至約150度之範圍內，或在約120度至約145度之範圍內。第一表面166a可具有曲率，使得第一角度142a從在第二主表面108處之基底附近的較低值變化至頂點169a附近的較高值。例如，在第二主表面108附近，第一角度142a可在約120至約130度之範圍內，而在頂點169a附近，第一角度142a可在約135度至約145度之範圍內。在一些實施例中，第二角度144a可在約90至約120度之範圍內，或在約90至約110度之範圍內。在一些實施例中，各提取特徵具有不對稱形狀，如圖1所示者。
第一表面166a沿第二主表面108相對於從輸入邊緣102延伸至對置邊緣104之方向定義第一斜率。第二表面168a沿第二主表面108相對於從輸入邊緣102延伸至對置邊緣104之方向定義第二斜率。在一些實施例中，第二斜率之值大於第一斜率之值。第一斜率可在約0.5至約1.5之範圍內且可從在第二主表面108處之基底附近的較低值變化至頂點169a附近的較高值。第二斜率可在約-1.5至約-150之範圍內。
可藉由在平坦且光滑之板(例如，經拋光鉻板)與結構化衝壓模具(例如，結構化鎳衝壓模具)之間熱壓聚合物片材來製作 光導100。合適的聚合物包括PMMA或其他丙烯酸聚合物、環烯烴聚合物(COP)(例如，ZEONOR 1420R(Zeon Chemicals,Louisville,KY))、聚碳酸酯、CR-39(丙烯基二甘醇碳酸)及聚苯乙烯。可藉由加工(例如，藉由單點鑽石加工)備製合適的衝壓模具。例示性鑽石切削系統及方法可包括並利用快刀伺服(FTS)，其描述於PCT公開申請案第WO 00/48037號(Campbell等人)、以及美國專利第7,350,442號(Ehnes等人)及第7,328,638號(Gardiner等人)。
與使用正形(頂點相對於光導為面朝外)及負形(頂點相對於光導為面朝內)稜鏡之組合的方法相比，本文中所述之方法所提供的提取特徵更容易製造。相比而言，本說明書之較佳實施例所提供之光導的所有提取特徵皆具有凹入幾何形狀。在一些實施例中，凹入提取特徵具有向內指向光導主體的頂點。如果所有提取特徵皆具有凹入幾何形狀，則更容易製造用於塑形具有提取特徵之聚合物光導所需之模具。
在一些實施例中，多合透鏡中之各提取特徵實質上完全相同，但是多合透鏡之幾何形狀從輸入邊緣102至對置邊緣104變化。例如，提取特徵118a可實質上完全相同於提取特徵118b，但提取特徵118a可不同於提取特徵119a。在一些實施例中，所有多合透鏡為具有兩個提取特徵的雙合透鏡(doublet)，但在其它實施例中，所有多合透鏡是具有三個提取特徵的三合透鏡(triplet)。此外，在其他實施例中，可使用雙合透鏡及三合透鏡之組合，或，可使用具有四個或更多個提取特徵的多合透鏡。
圖2展示光導200，光導200具有輸入邊緣202、對置邊緣204、第一主表面206及第二主表面208。第二主表面208包括多合透鏡215及216，而第一主表面206包含多合透鏡217及218。在圖2中亦展示光導200之中心平面207。光導200可搭配定位於第一主表面206上方之LCD顯示器及第二主表面208下方之反射鏡使用。輸入至輸入邊緣202中的光被多合透鏡215及216重新導引朝向LCD面板，而輸入至輸入邊緣202中的光被多合透鏡217及218重新導引朝向反射鏡，接著反射鏡將光反射朝向LCD面板。在一些實施例中，光導之兩個主表面皆包含多合透鏡，如圖2中所示。在其它實施例中，僅第一主表面206包含多合透鏡，或僅第二主表面208包含多合透鏡。
提取特徵之幾何形狀可從光導之輸入邊緣至對置邊緣變化。例如，提取特徵之幾何形狀可為，其中心區域具有相對大高度H，高度H在中心區域中幾乎恆定，但是在提取特徵之邊緣附近之錐形區域中漸縮至零。寬度W亦可在中心區域中幾乎恆定且在提取特徵之邊緣處漸縮至零。光導之輸入邊緣附近的多合透鏡可具有小中心區域及大錐形區域，使之提取相對少量的入射光，而對置邊緣附近的多合透鏡可具有大中心區域及小錐形區域，使之提取相對大量的入射光。此一配置可用於產生實質上均勻的照明，此係因為輸入邊緣附近的光強度實質上高於對置邊緣附近的光強度。
此繪示於圖3A至圖5B中。圖3A及圖3B分別展示多合透鏡315之俯視圖及側視圖，在本例中，多合透鏡315為具有兩個 提取特徵318a及318b的雙合透鏡。提取特徵318a包括第一表面366a及第二表面368a。同樣地，提取特徵318b包括第一表面366b及第二表面368b。提取特徵318a包括第一錐形區域373a、第二錐形區域374a及中心區域376a。在本例中，中心區域376a的大小可相當於第一錐形區域373a及第二錐形區域374a的大小。提取特徵318b包括類似的區域。可在光導之輸入邊緣及對置邊緣之間的中心區域使用多合透鏡315。圖4A及圖4B展示多合透鏡415之俯視圖及側視圖，多合透鏡415包括提取特徵418a及418b。提取特徵418a包括第一表面466a及第二表面468a。同樣地，提取特徵418b包括第一表面466b及第二表面468b。提取特徵418a包括第一錐形區域473a、第二錐形區域474a及中心區域476a。在本例中，中心區域476a顯著大於第一錐形區域473a及第二錐形區域474a。提取特徵418b包括類似的區域。可在光導之對置於輸入邊緣的邊緣附近的中心區域使用多合透鏡415。圖5A展示多合透鏡515之俯視圖，多合透鏡515包括提取特徵518a及518b。提取特徵518a包括第一錐形區域573a、第二錐形區域574a及中心區域576a。在本例中，中心區域576a遠小於第一錐形區域573a及第二錐形區域574a。提取特徵518b包括類似的區域。可在光導之輸入邊緣附近的區域使用多合透鏡515。圖5B展示多合透鏡515之側視圖。
多合透鏡之各種幾何特徵可從光導之輸入邊緣至對置邊緣變化，以產生均勻的光輸出。這些特徵包括提取特徵之形狀，例如 相對於錐形區域長度之中心區域長度、提取特徵長度、提取特徵之間之一或多個間距，及其組合。
在一些實施例中，多合透鏡之長度從光導之輸入邊緣至對置邊緣變化，以產生均勻的光輸出。此繪示於圖6A中，圖中展示光導600，光導600具有輸入邊緣602、對置邊緣604及複數個多合透鏡615。多合透鏡615之提取特徵之長度從輸入邊緣602至對置邊緣604增大。在一些實施例中，相鄰提取特徵沿長度方向之形狀可藉由以下決定：合併兩個較短提取特徵以從兩個錐形區域之合併而產生在中心具有窄區域之較長提取特徵。此繪示於圖6B中，圖中展示一多合透鏡之一部分，其由合併區域中的提取特徵618a及618b所組成。
在一些實施例中，提取特徵被偏斜或傾斜，使得提取特徵不正交於光傳播方向。此繪示於圖6C中，圖中展示光導600c，光導600c具有輸入邊緣602c、對置邊緣604c及複數個多合透鏡615c。光導具有從輸入邊緣602引導至對置邊緣604之傳播方向693，及正交方向696。多合透鏡615c在與正交於傳播方向693的面內方向696成角度677之方向上延伸。在一些實施例中，提取特徵在與正交於方向693的面內方向696成約0度到約45度的角度677之方向上，從輸入邊緣602c往對置邊緣604c延伸。使提取特徵傾斜可允許光導之輸出依非法向於顯示器表面之方向至少部分準直。此對於某些類型顯示器(例如手錶顯示器)很有用。
在一些實施例中，多合透鏡之間的間隔從光導之輸入邊緣至對置邊緣變化，以產生均勻的光輸出。間隔可在光傳播方向變化，或間隔可在正交於光傳播方向之方向變化，或間隔可在兩方向變化。這示意性繪示在圖7及圖8中。圖7展示光導700，光導700具有輸入邊緣702、對置邊緣704及複數個多合透鏡715。光導具有從輸入邊緣702引導至對置邊緣704之傳播方向793，及正交方向796。在正交方向796中相鄰的多合透鏡715之間的間隔從輸入邊緣702至對置邊緣704減小。例如，輸入邊緣702附近的間隔733a大於對置邊緣704附近的間隔733b。圖8展示光導800，光導700具有輸入邊緣802、對置邊緣804及複數個多合透鏡815。光導具有從輸入邊緣802引導至對置邊緣804之傳播方向893，及正交方向896。在傳播方向893中相鄰的多合透鏡815之間的間隔從輸入邊緣802至對置邊緣804減小。例如，輸入邊緣802附近的間隔833a大於對置邊緣804附近的間隔833b。
圖9A展示包括光導900及光源960之照明面板，例如，照明面板可為背光或前照燈。光導900包括輸入邊緣902、對置邊緣904、第一主表面906及第二主表面908。第二主表面908包括多合透鏡915、916及917。光源960經設置成用以注入光至輸入邊緣902中。光導900包括中心平面907。在空氣中，來自光源960之光970具有相對於平行於中心平面907之平面的角度θa。在光970進入光導900之後，在光導900之介質中，光970具有相對於平行於中心平面907之平面的角度θb。
圖9B提供多合透鏡915之一放大圖，多合透鏡915包括提取特徵918a及918b。提取特徵918a及918b分別包含氣穴935a及935b。提取特徵918a包括第一表面966a及第二表面968a。同樣地，提取特徵918b包括第一表面966b及第二表面968b。光束971入射在多合透鏡915上。光束971包括光射線972、973、974及975。光射線972依相對於第一表面966a法線之入射角而入射在提取特徵918a之第一表面966a上，該入射角高於發生TIR之臨界角。光射線972經由TIR反射離開第一表面966a且往接近法向於第一主表面906之方向離開光導900。
光射線973依低於TIR臨界角之入射角入射在第一表面966a上且光射線973透射穿過表面966a至氣穴935a中。接著，其透射穿過第二表面968a回到光導900中。光射線973未命中提取特徵918b且依高於TIR臨界角之入射角入射在光導900之第一主表面906上。光射線973從第一主表面906反射且隨後當光射線973與光導900中的另一多合透鏡(例如，多合透鏡916或917)交互作用時從光導予以提取。
光射線974依低於TIR臨界角之入射角入射在第一表面966a上且光射線974透射穿過第一表面966a至氣穴935a中。接著，其透射穿過第二表面968a回到光導900中，其中其依高於TIR臨界角之入射角入射在第二提取特徵918b之第一表面966b。光射線974從第一表面966b反射且依約法向於光導900之第一主表面906之方向離開光導900。
光射線975依低於TIR臨界角之入射角入射在第一表面966a上且光射線975透射穿過表面966a至氣穴935a中。接著，其透射穿過第二表面968a到光導900中。接著，光射線975依低於TIR臨界角之入射角入射在提取特徵918b之第一表面966b上。光射線975透射穿過第一表面966b至氣穴935b中。接著，其入射在第二表面968b上且重新進入光導900，其中其依高於TIR臨界角之入射角入射在第一主表面906上。光射線975從第一主表面906反射且隨後當其與光導900中的另一多合透鏡交互作用時從光導予以提取。
第一表面966a具有彎曲形狀，其彎曲遠離輸入邊緣。在一些實施例中，第一表面966a可包括一或多個平坦或彎曲部分。
圖10展示顯示器1001，其包括光導1010，光導1010具有輸入邊緣1002、對置邊緣1004、第一主表面1006及第二主表面1008。顯示器1001亦包括反射器1040、光學薄膜1022、LCD面板1050以及光源1060。在圖10所示的實施例中，反射器1040設置為相鄰於第二主表面1008且光導1010與反射器1040之間具有氣隙，而光學薄膜1022設置為相鄰於第一主表面1006，且光導1010與光學薄膜1022之間具有氣隙。光源1060注入光至光導1010之輸入邊緣1002之中。
光學薄膜1022可為單一薄膜或包括一或多個光學薄膜的薄膜堆疊。在一些實施例中，光學薄膜1022係反射偏光器，例如可購自3M Company,St.Paul,MN.的多層聚合光學膜DBEF。在一些實施例中，光學薄膜1022係附接至吸收偏光器的反射偏光器，其中該吸 收偏光器係對置於光導1010。在一些實施例中，顯示器1001中不包括BEF稜鏡薄膜。由於多合透鏡提取器提供在傳播方向上(從輸入邊緣1002往對置邊緣1004的方向)之準直，因此不需要BEF薄膜提供在此方向上之準直。在一些實施例中，包括有單一BEF薄膜，其中稜鏡定向成提供在寬度方向上(正交於傳播方向的面內方面)之準直。在其他實施例中，使用經準直或部分準直之光源，且不需要BEF薄膜來提供經準直之輸出。在一些實施例中，注入光導之光至少經部分準直，使得該光在該光導中具有之半最大功率半角寬(half angle-width at half maximum power)在相對於實質上平行於該光導之中心平面的平面上不大於約30度、或不大於約25度，或不大於約20度。
光源1060及光導1010一起形成用於顯示器1001之照明面板。此等照明面板亦可適用於除顯示器外之照明應用。除非另有指示，對於「照明面板」或「背光」之指涉亦意圖適用於其他延伸區域照明裝置，該等裝置在其等目標應用中提供標稱均勻照明。此類其它裝置可以提供經偏光或未經偏光之輸出。實例包括燈箱、標誌、字型燈(channel letter)及經設計用於室內(例如，居家或辦公室)或室外使用的一般照明裝置，有時候稱為「照明器具」。
在所有提取器皆位於光導之相同側上的實施例中，可省略反射器。在一些實施例中，光源1060及光導1010一起形成透明照明器具或照明面板，其可在前照式顯示器(front-lit display)中用作為前照燈(front light)。例如，此類前照燈可運用在電子閱讀器中且可放置在易於清潔的玻璃下方，使得指紋不造成光提取。在一些實施例中， 光導1010可放置在反射式顯示面板(如電泳墨水面板或反射式LCD面板)前方(輸出側)，而觸控面板可放置為相鄰於該反射式顯示面板，對置於該光導。在本說明之一些態樣中，由光導1010提供的透明照明器具可附接至玻璃面板或在玻璃面板之間，且可用作為窗或搭配窗使用(例如天窗)。
在一些實施例中，光源1060提供實質朗伯(Lambertian)光輸入至光導1010中。在其他實施例中，光源1060提供至少在一或兩個方向上部分準直的光。在一些實施例中，藉由包括在光源1060中的單一或多面錐形準直結構提供準直。此類準直結構包括線性、分段線性、拋物線、複合拋物線或其它結構。該等結構可在一個方向或在兩個方向進行準直或部分準直。
圖11A至圖11B展示照明面板1101，照明面板1101包括光導1110及光源1160，光導1110具有輸入邊緣1102及對置邊緣1104。光源1160經設置成用以注入光至輸入邊緣1102中。光源1160包括發光組件1162及光準直元件1164。發光組件1162可為發光二極體(LED)。許多LED(例如，含磷光體塗層之LED)產生實質上朗伯光。準直元件1164可用於準直從LED輸出之光。光導1110具有從輸入邊緣1102至對置邊緣1104之傳播方向1193、寬度方向1196(正交於傳播方向1193之面內方向)及高度方向1197。在圖11A至圖11B中所繪示之實施例中，光準直元件為在如圖11A所示之寬度方向1196上漸縮、但在如圖11B所示之高度方向1197上為實質平坦的線性錐體。楔形側邊具有總角距1199。發光組件1162可為複數個發 光二極體。光準直元件1164之縱橫比可為2：1或更高，例如3：1。光準直元件1164可附接至光導1110或可分開。
如本文中所使用，若相對於一平面具有大於30度之角度的光量，小於當光源以具有與第一光源相同之強度與位置的朗伯光源取代時相對於該平面具有大於30度之角度的光量，則稱來自第一光源的光係在一個方向上至少部分準直。該平面可為光導之中心平面，且可藉由通過準直元件1164傳遞光而使該光可在一個方向上部分準直，準直元件1164係往一方向漸縮並可具有2：1或更高之縱橫比。
圖17A至圖17B展示替代實施例，其顯示照明面板1701，照明面板1701包括光導1710及光源1760，光導1710具有輸入邊緣1702及對置邊緣1704。照明面板1701可為背光或前照燈。光源1760經設置成用以注入光至輸入邊緣1702中。光源1760包括發光組件1762及光準直元件1764。光導1710具有從輸入邊緣1702至對置邊緣1704之傳播方向1793、寬度方向1796(正交於傳播方向1793之面內方向)及高度方向1797。在圖17A至圖17B中所繪示之實施例中，光準直元件為在如圖17A所示之寬度方向1796及如圖17B所示之高度方向1797兩者漸縮的線性錐體。發光組件1762可為複數個發光二極體。光準直元件1764之縱橫比可為2：1或更高，例如3：1。光準直元件1764可附接至光導1710或可分開。
如本文中所使用，若相對於一傳播方向具有大於30度之極角的光量，小於當光源以具有與第一光源相同之強度與位置的朗伯光源取代時相對於該傳播方向具有大於30度之極角的光量，則稱來 自第一光源的光係在兩個方向上至少部分準直。可藉由通過準直元件1764傳遞光使該光在兩個方向上部分準直，準直元件1764係往兩個方向漸縮並可具有2：1或更高之縱橫比。
在本說明書中可使用之光源可包括發光二極體(LED)。「發光二極體」或「LED」係指發射光(無論可見光、紫外光或紅外光)之二極體，其中發射光的峰值波長將在約430至700nm之範圍內。用語LED包括：非同調光源，其係以「LED」為名銷售之經包裝或囊封的半導體裝置，無論習用或超級輻射種系(super radiant variety)；及同調半導體裝置，例如雷射二極體，包括但不限於垂直腔表面發光雷射(VCSEL)。「LED晶粒」係LED的最基本形式，即，藉由半導體加工程序製作之一個別組件或晶片之形式。例如，LED晶粒可由一或多種III族元素及一或多種V族元素之一組合(III-V半導體)所形成。合適的III-V半導體材料之實例包括氮化物(例如，氮化鎵)及磷化物(例如，磷化銦鎵)。亦可使用其他類型III-V材料，以及週期表之其他族之材料。組件或晶片可包括適用於施加電力以供能量給裝置的電接點。實例包括線接合、捲帶式自動接合(TAB)或覆晶接合。一般在晶圓級形成組件或晶片之個別層及其他功能性元件，且接著可將成品晶圓切割成單個零件，以產出多個LED晶粒。LED晶粒可經組態用於表面安裝、直裝電路板(chip-on-board)或其他已知的安裝組態。一些封裝LED是藉由在LED晶粒及相關聯反射器罩杯上形成聚合物封裝材料來製作。可在數個基板之一者上形成LED。例如，可藉由磊晶技術在藍寶石、矽及氮化鎵上形成GaN LED。搭配本 說明書使用之LED可包括具有GaN基板之高功率型GaN LED，例如可購自Soraa,Inc.,Fremont,CA者。用於本說明書目的之「LED」亦應視為包括有機發光二極體，通常被稱為OLED。
藉由下列案件中描述之變形光源提供適合在本說明書中使用之準直光源實例：PCT公開案第WO 2013/122728號(Ouderkirk 等人)；及2013年12月5日申請之PCT申請案第U.S.2013/073305號，其標題為「Anamorphic Optical Package」，該兩案全文皆以引用方式併入本文中。圖12A及圖12B中繪示適合在本說明書中使用之變形光源之實例。圖12A展示例示性光學封裝1200之等角視圖。圖12B展示光學封裝1200之分解圖。光學封裝1200包括發光組件1210、轉換器單元1205及外殼1290。發光組件1210提供用於光學封裝1200之光源。轉換器單元1205包括變形光導1220，變形光導1220引導來自發光組件1210之光至轉向器/集光器元件1260中。轉向器/集光器元件1260包括轉向器部分1250，轉向器部分1250接收及轉向由變形光導1220引導之光之片段至耦合部分1270中。光經進一步導引穿過耦合部分1270至轉向器/集光器元件1260之集光器部分1280中。光學封裝1200有效地耦合來自發光組件之光並且及提供具有較大縱橫比之輸出光，該輸出光可往至少一方向選擇性地部分準直。此外，輸出光之有效高度實質上低於自發光組件發射之光之有效高度。在圖12A及圖12B所示之實施例中，轉向器部分1250是轉向器元件之一陣列(轉向器陣列)。
光學封裝1200包括轉換器單元1205，轉換器單元1205轉換發射自發光組件1210之光(發光組件1210之第一縱橫比小於約10：1，例如約1：1至約1：2)成為輸出光束，輸出光束之第二縱橫比大於第一縱橫比。例如，第二縱橫比可為發光組件之縱橫比的至少兩倍(或四倍或五倍)。在一些實施例中，集光器部分1280輸出之光之縱橫比為至少20：1或以上。在一些實施例中，轉換器單元1205產生線塑形輸出光束。輸出光束可在至少一方向上實質上準直，在一些實施例中，可在兩個方向上實質上準直。來自轉換器單元1205之輸出光之有效高度(光束實體高度×平行於高度軸發射之光之半高全寬角度)低於自發光組件1210輸出之光之有效高度。
可使用PCT公開案WO 2013/122728中描述之技術製作光學封裝1200。在一些實施例中，可使用用於轉向器部分1250及變形光導1220之壓縮或壓縮射出模製來形成一體結構之轉換器單元組件。
耦合部分1270接收離開轉向部分1250之光。耦合部分1270包含往一或多個維度擴展之一連串主體，例如，梯形耦合或耦合器主體。主體可具有大致平坦形狀，或耦合器主體可具有錐形形狀，例如在圖13所示者。在一些替代態樣中，錐體可為線性或錐體在至少一軸可為非線性。合適的非線性輪廓可包括拋物線。錐體特徵有助於擷取直接通過轉向器部分(而未被反射表面轉向)之光。此外，耦合部分之錐體設計準直直接通過轉向器部分之光。光在耦合部分1270內 是經由TIR而導引。因此，耦合部分1270可準直耦合部分之平面(即，在平行於耦合部分之主表面的平面)中的光。
圖13展示另一例示性光學封裝1300，其可單獨使用，或作為組合其他類似光學封裝模組之模組，以照亮顯示器或其他裝置。光學封裝1300包括發光組件1310及轉換器單元，轉換器單元包括變形光導及轉向器/集光器單元1360，轉向器/集光器單元1360具有一連串轉向器，包括轉向器1351a、耦合部分1370及集光器部分1380。為簡化起見，圖中省略外殼。發光組件1310提供用於光學封裝1300之光源且設置在沿變形光導之中央位置處。在此態樣中，發光組件1310包括兩個LED。在此態樣中，變形光導被分成兩個部分(或較小光導)1320a及1320b，其等設置在發光組件1310的任一側。在此配置中，提供第一反射表面1302(其可形成在直角稜鏡或外殼(圖中未繪示)之表面上)，以反射至少一部分自發光組件1310發射之光至變形光導1320a中。第二反射表面(圖中未繪示)可設置成在第一反射表面1302下方，以反射另一部分自發光組件1310發射之光至變形光導1320b中。變形光導1320a、1320b引導來自發光組件1310之光至轉向器/集光器元件1360中。
在此態樣中，變形光導1320a、1320b之長度短於變形光導1220之長度，但整體設計及結構與上述相同。轉向器/集光器元件1360包括轉向器部分，該轉向器部分接收及轉向由變形光導1320a、1320b引導之光之片段至耦合部分1370中。在此態樣中，轉向器部分包括六個轉向器(僅繪示轉向器1351a)，各轉向器具有反射 面1356(例如，圖13所示之面1356a)，其使光方向改變約90°，且引導光至轉向器/集光器1360之耦合區段1370中。在此態樣中，轉向器部分在相鄰轉向器之間包括一間隙。此轉向器間隔可以提供更簡單的光學封裝構造，此係因為此組態在轉向器之輸出面處為耦合主體提供更多空間。
光經進一步導引穿過耦合部分1370至轉向器/集光器元件1360之集光器部分1380中。耦合部分1370包含往一或多個維度擴展之一連串主體，例如，梯形主體(例如，耦合主體1371)。在此態樣中，主體包括往多個方向之漸縮，此係因為錐體水平地(平面內)線性擴展且垂直地(法向於轉向器主體之平面)拋物線擴展朝向集光器1380。此錐體特徵有助於擷取直接通過轉向器部分(而未被反射表面轉向)之光。光在耦合部分1370內是經由TIR而導引。在此特定態樣中，轉向器部分之出射面與耦合部分之輸入面之間可存在或可不存在氣隙。
離開耦合部分1370之光進入集光器部分1380。在此態樣中，集光器1380包括不具有錐形之直線形主體，使得集光器主表面1381及1382大體上互相平行且大體上垂直於輸出表面1384。可使用如上所述之構造材料以連續模塑物品製作集光器1380。運用此組態，發光組件1310之中心在高度上對準或重合於集光器1380之中心，因而使整體封裝尺寸得以縮減。
在經實質上準直之光輸入光導中之實施例中，多合透鏡可為雙合透鏡。在實質朗伯光輸入光導中之實施例，多合透鏡可為三合透鏡。已發現三合透鏡自光導提取朗伯光的效率優於雙合透鏡。
多合透鏡提取器可以保持或改進光源之準直。在一些實施例中，來自光導之光照亮LCD面板，且當光離開LCD面板時，光所具有相對於顯示器之至少一軸的半最大功率半角寬不大於約35度、或不大於約30度、或不大於約25度。在一些實施例中，來自光導之光照亮LCD面板，且當光離開LCD面板時，光所具有相對於顯示器之兩軸的半最大功率半角寬不大於約35度、或不大於約30度、或不大於約25度。
顯示器的效率可定義為提取自顯示器的光量除以發射至顯示器之照明面板之光導中的光量。在本說明中的一些實施例中，顯示器具有大於60%或大於70%的效率。
如本文中所使用，層、組件或元件描述為彼此相鄰。層、組件或元件可藉由直接接觸、藉由透過一或多個其他組件連接、或藉由彼此並排固持或彼此附接而彼此相鄰。直接接觸之層、組件或元件描述為緊鄰。
除非另有所指，本說明書及申請專利範圍中表示特徵尺寸、數量、以及物理性質的數字，在所有例子中都予以理解成以「約」一詞進行修飾。
為了便於說明，在本文中所用之空間性相關的術語，包括但不限於「下方」、「上方」、「在...之下」、「在...下面」、「在...上 面」及「在...之上」係用來描述元件彼此之間的空間關係。除了圖式所示及本文中所述之特定定向，如此空間相關名詞尚涵蓋該裝置使用中或操作中之不同定向。例如，若該等圖式所繪示之一物體翻轉或翻面，原先描述為在其他元件下面或下方之部份係成為在該等其他元件上方。
實例 實例1
使用標準光束追蹤軟體模型化具有雙合透鏡提取器之光導。該雙合透鏡具有如圖3A至圖3B所示之幾何結構，並具有不同的長度和間隔以產生一提取器密度而可在光導區域上產生接近均勻的光輸出密度。此提取器密度從約1%(在輸入邊緣處)變化至約14%(在對置邊緣處)。所有提取特徵之高為10.9微米且提取特徵之反射面(例如第一表面366a)係以48.5微米之曲率半徑彎曲，並具有45度之平均斜率(或參照圖1，第一角度142a之平均值為45度)。該等提取特徵之接近垂直面(例如第二表面368a)自垂直處具有5度的斜率(或參照圖1，第二角度144a為95度)。該光導從輸入邊緣到對置邊緣(其為顯示器的垂直方向)之尺寸為150mm，在正交面內方向上(其為顯示器的水平方向)的尺寸為200mm，並且厚度為500微米。
將該光導模型化為具有1.53之折射率的透明聚合物。在該光導上方包括反射偏光器，且該光導與該反射偏光器之間具有氣 隙。將吸收偏光器附接至該反射偏光器而對置於該光導。在該光導下方包括鏡面消偏光反射器，該鏡面消偏光反射器具有0.95之反射率，且該光導與該反射器之間具有氣隙。
假設沿著該光導之200mm輸入邊緣為均勻朗伯光輸入分布，該光導具有1瓦特的總功率。圖16顯示隨視角變化之輸出。曲線1607給出沿顯示器垂直方向之視角的輸出(以瓦特/球面度為單位)，而曲線1609給出沿顯示器水平方向之視角的輸出(以瓦特/球面度為單位)。該輸出顯示出在垂直方向上有很大程度的準直而在水平方向上有近朗伯輸出分布。
實例2
依實例1模擬一系統，惟光源以與圖11A至圖11B所示系統相似之系統取代。將輸入錐體作為輸入面寬度為1mm、輸出面寬度為2mm之線性楔形。此幾何結構將楔形側邊界定為具有14度之總角距(圖11A中的1199)。圖14顯示隨視角變化之輸出。曲線1407給出沿顯示器垂直方向之視角的輸出(以瓦特/球面度為單位)，而曲線1409給出沿顯示器水平方向之視角的輸出(以瓦特/球面度為單位)。該輸出顯示出在垂直與水平兩方向上皆具有很大程度的準直。
實例3
依實例1模擬一系統，惟光源以圖12A至圖12B所示之光源取代。圖15顯示隨視角變化之輸出。曲線1507給出沿顯示器 垂直方向之視角的輸出(以瓦特/球面度為單位)，而曲線1509給出沿顯示器水平方向之視角的輸出(以瓦特/球面度為單位)。該輸出顯示出在垂直與水平兩方向上皆具有很大程度的準直。該系統的效率測定為72%，其效率係定義為提取之光量除以發射至光導中的光。相比而言，使用朗伯光源與BEF薄膜進行再循環之習用系統的典型效率範圍，視系統而定為約40%至50%。
除非另有所指，對圖式中元件之描述應理解成同樣適用於其他圖式中相對應的元件。本發明不應被認定為侷限於上文闡述之具體實施例，因為詳細描述這些實施例是為了利於解說本發明的各種態樣。而是，應理解本發明涵蓋本發明的所有態樣，包括屬於如隨附申請專利範圍與其均等物所界定的本發明範疇內的各種修改、均等程序、和替代裝置。
100‧‧‧光導
102‧‧‧輸入邊緣
104‧‧‧對置邊緣
106‧‧‧第一主表面
108‧‧‧第二主表面
115‧‧‧多合透鏡
116‧‧‧多合透鏡
118a‧‧‧提取特徵
118b‧‧‧提取特徵
119a‧‧‧提取特徵
119b‧‧‧提取特徵
119c‧‧‧提取特徵
135‧‧‧氣穴
142a‧‧‧第一角度
144a‧‧‧第二角度
166a‧‧‧第一表面
168a‧‧‧第二表面
169a‧‧‧頂點
H‧‧‧高度
W‧‧‧寬度
S‧‧‧間隔

Claims (21)

  1. 一種光導，其包含：一第一主表面、一第二主表面、一輸入邊緣以及一對置邊緣，該第一主表面和該第二主表面中之至少一者包括複數個多合透鏡(multiplet)，每個多合透鏡包括兩個或更多個提取特徵，每個提取特徵具有一凹入幾何形狀。
  2. 如請求項1之光導，其中每個多合透鏡皆包括兩個或三個提取特徵。
  3. 如請求項1之光導，其中每個提取特徵皆具有一不對稱形狀。
  4. 如請求項3之光導，其中每個提取特徵皆具有面對該輸入邊緣的一第一表面及面對該對置邊緣的一第二表面，該第一表面具有一第一斜率，該第二表面具有一第二斜率，其中該第一斜率的一量值小於該第二斜率的一量值。
  5. 如請求項4之光導，其中該第一表面包括一或多個彎曲部分。
  6. 如請求項1之光導，其中至少一提取特徵包括具有一第一長度的一中心區域以及具有一第二長度的一錐形區域，該第二長度小於該第一長度。
  7. 如請求項1之光導，其中至少一提取特徵包括具有一第一長度的一中心區域以及具有一第二長度的一錐形區域，該第二長度大於該第一長度。
  8. 如請求項1之光導，其中至少一提取特徵包括具有一第一長度的一第一中心區域以及具有一第二長度的一第一錐形區域，該第二長度小於該第一長度，且至少一提取特徵包括具有一第三長度的一第二中心區域以及具有一第四長度的一第二錐形區域，該第四長度大於該第三長度。
  9. 如請求項1之光導，其中該複數個多合透鏡在相鄰多合透鏡之間包 括自該輸入邊緣至該對置邊緣減小之一間隔。
  10. 如請求項1之光導，其中該等提取特徵之一長度自該輸入邊緣至該對置邊緣增大。
  11. 如請求項1之光導，其中該等提取特徵在與正交於從該輸入邊緣往該對置邊緣之一方向的一面內方向成約0度到約45度的角度之一方向上延伸。
  12. 一種照明面板，其包含：如請求項1之光導，以及經組態以注入光至該光導之該輸入邊緣中的一光源。
  13. 如請求項12之照明面板，其中該光源從空氣注入實質朗伯光至該光導中。
  14. 如請求項12之照明面板，其中該光源注入在至少一方向上至少部分準直之光至該光導中。
  15. 如請求項14之照明面板，其中該光源注入在兩個方向上至少部分準直之光至該光導中。
  16. 如請求項12之照明面板，其中從該照明面板輸出至空氣中之光係經準直，使得該光所具有相對於該照明面板之至少一軸的一半最大功率半角寬不大於約30度。
  17. 如請求項12之照明面板，其中該光源包括：一發光組件，其發射具有第一縱橫比之光；以及一轉換器單元，其包括用以接收來自該發光組件之該光的一變形光導、用以接收及轉向來自該變形光導之光的一轉向器陣列，及用以收集自該轉向器陣列接收之光的一集光器，其中該集光器輸出具有一第二縱橫比之光，該第二縱橫比大於該第一縱橫比，且其中自該集光器輸出之該光的一有效高度低於由該發光組件發射之該光的一有效高度。
  18. 如請求項12之照明面板，其中該光源包括複數個LED，該複數個 LED經設置以注入LED光至準直結構中，該等準直結構經設置以將該LED光導向至該光導的該輸入邊緣中。
  19. 一種顯示器，其包含如請求項12之照明面板。
  20. 如請求項19之顯示器，其進一步包含：一LCD面板，該LCD面板設置為緊鄰該光導之該第一主表面；以及一反射偏光器，該反射偏光器設置於該LCD面板與該光導之間。
  21. 如請求項20之顯示器，其進一步包含一反射器，該反射器設置為緊鄰該光導而對置於該LCD面板。
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