適用于散布光的光學薄層制造技術

一種用于散布光的光學薄層（２５），具有基本上光滑表面（２７）和結構化表面（２８），后者包括棱柱陣列（３０，３１）。待擴散的光束從光滑表面照射到薄膜上。一些棱柱（稱為折射棱柱）當垂直入射光離開薄膜時僅通過棱柱面上的折射使光偏折，而另一些棱柱（稱為反射棱柱）在垂直入射光離開薄膜之前通過棱柱內的內全反射使光偏折。存在為使垂直入射光偏折不同角度而選擇的多個反射棱柱（３０）以及為使垂直入射光偏折不同角度而選擇的多個折射棱柱（３１），較佳地它們以無序方式排列，所以相繼的反射棱柱被至少一個折射棱柱所隔開。在另一些實施例中，結構化表面包括為使垂直入射光偏折不同角度而選擇的多個無序排列的反射棱柱，或為使垂直入射光偏折不同角度而選擇的多個無序排列的折射棱柱。（*該技術在2020年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及適用于散布光的光學薄層，例如薄膜。當用人工光源或天然日光來照明一個區域時，如何來合適地和均勻地散布它是一個經常會遇到的問題。例如，正在被照明的區域是在一幢大樓內的地板上的這種情況，通常會有部分地板的面上比其它面上照明少得多，而也有某些位置，在這些位置處，從光源來的眩光使大樓的使用者感到麻煩。經常用一薄層半透明材料做成簡單的漫射器(diffuser)來散布光，它們雖價廉但是卻無法有效地透射光而且也不能以受控的方式把光導向需要光的地方。US-A-5551042描述了一種用于天窗或屋頂窗的結構光學薄膜，它向用自然光的大樓內部提供改善的照明。打算把這種薄膜放在窗上，使其結構表面(它形成多個負費涅爾(Fresnel)透鏡)朝向陽光，它使大樓的地板上能有一個相當均勻的不眩目的照明。在US-A一28019、586200、720386和818208中描述的是具有棱柱玻璃片的用于散布光的其它一些結構。也曾描述過用于照明器的結構薄膜和薄層材料來散布從人工光源來的光。例如US-A-5150966、5029060和4755921描述了在照明設備中折反射費涅爾透鏡的應用在每個情形中，透鏡是用一薄層半透明材料做成的，它具有棱柱結構的結構表面。US-A-1612804和GB-A-762769描述具有折射器的照明器，在遠離光源的表面上，它具有把光散布到某些方向的多個棱柱。在背面照明的光學顯示器(例如在便攜式個人電腦中使用的液晶顯示器)的領域中，人們還知道，為了增加在接近于與顯示屏垂直的方向上發射的光量，采用結構光學薄層材料把光再導引通過該顯示屏。US-A-5467208和5771328描述了想要達到這個目標的薄層材料的例子。本專利技術關系到自然光和人工光都可應用的以受控方式散布光的問題。并且，對于后者不但能應用于傳統的白熾燈和熒光燈的光源而且也能應用于較為近期開發的諸如發光兩極管(LEDs)的光源。本專利技術提供了一種適用于散布光的光學薄層。在這種薄層中的第一主表面是由棱柱陣列組成的結構表面，這樣，如果薄層的第二主表面大體上是光滑的話，那末通過第二主表面進入薄膜并且通過棱柱陣列離開的垂直入射光束將被后者散布；其中，此陣列包括(a)被選來通過不同角度偏折垂直入射光的多個反射棱柱和被選來通過不同角度偏折垂直入射光的多個折射棱柱，其中接連的反射棱柱至少被一個折射棱柱所隔開；或(B)被選來通過不同角度偏折垂直入射光的多個無序排列的反射棱柱；或(c)被選來通過不同角度偏折垂直入射光的多個無序排列的折射棱柱；其中，每個折射棱柱在垂直入射光離開此薄膜時僅由在棱柱面上的折射使光偏折而通過第一主表面；而每個反射棱柱則在垂直入射光離開此薄膜前由在棱柱內的內全反射使光偏折而通過第一主表面。本專利技術也提供了適用于散布的一種光學薄層，在這薄層中的第一主表面是由棱柱陣列所組成的一結構表面，而其第二主表面則大體上是光滑的。因此，通過第二主表面進入薄膜并且通過棱柱陣列離開的垂直入射光束將被后者散布。其中，此陣列包括被選來通過不同角度偏折垂直入射光的無序排列的多個反射棱柱以及被選來通過不同角度偏折垂直入射光的無序排列的折射棱柱，其中，接連的反射棱柱至少被一個折射棱柱所隔開；其中，每個折射棱柱在垂直入射光離開此薄膜時僅由在棱柱表面的折射使光偏折而通過第一主表面；而每個反射棱柱則在垂直入射光離開此薄膜前由在棱柱內的內全反射使光偏折而通過第一主表面。一般來說，按照本專利技術的光學薄層由大量的反射和/或折射棱柱組成，它們被選來通過各自的角度偏折垂直入射光。在這里所使用的術語“光”是指在電磁波譜的紫外光、可見光和/或紅外光區域的電磁輻射。在這里所使用的術語“棱柱”通常為指兩端有相似的、相等的以及平行的用直線圍成的輪廓的一種結構，而且它的邊緣是平行四邊形。在棱柱的最簡單的形式中，它具有三角形的截面。但是，用于這里的這個術語延伸到具有多于三條邊的截面結構，還延伸到一種極限的情形，在這種情形中，其結構具有一個由許多條邊構成的截面，邊的數目多到至少這些邊中的一部分會形成一條曲線的程度。至于用于此處的術語“折射棱柱”還包括具有180度頂角的三角形棱柱的極限情況(等價于棱柱消失)。至于在這里使用的術語“無序”在應用到通過不同角度而使光線偏折的多個棱柱時意味著在安排那些棱柱的方式上沒有能辨別得出的次序或樣式。僅作為例子，將根據附圖來描述本專利技術的實施例，其中附圖說明圖1示出了一個不按照本專利技術的具有透射結構的光學薄層的例子；圖2示出了一個不按照本專利技術的具有內全反射結構的光學薄層的例子；圖3示出了用示于圖2的內全反射結構而減小的透射；圖4示出了示于圖3的安排的一種變更；圖5至圖7示出了按照本專利技術的光學薄層的例子；圖8至10分別表示非對稱T單元、R單元和R2單元的截面圖；圖11是示于圖10的那種類型的棱柱結構的詳細截面圖；圖12是光學薄層的示意平面圖，其中，棱柱結構是直線形的；圖13至15是光學薄層的示意平面圖，其中，棱柱結構遵循其它的路徑；圖16示出了與光源組合在一起的兩個疊加的光學薄層的使用；圖17是類似于圖15但是示出了與三個光源組合在一起的光學薄層；圖18是包括按照本專利技術的光學薄層的一個照明器的示意圖；圖19示出了企圖包括按照本專利技術的光學薄層的一個照明器；圖20是圖19的照明器的外殼的橫截面示意圖。用了放大的尺度并且示出了在適當位置的光學薄層；以及圖21是用來與按照本專利技術的光學薄膜組合的一根光纖的橫截面示意圖。圖1示出了能夠用于偏折光的一種光學薄層1。這種薄層具有大體上光滑的主表面2和結構主表面3，這個主表面由多個相同的棱柱4組成，它們在垂直于圖面的平面上相互平行地延伸。這種棱柱4在這里稱之為“折射棱柱”(或“T單元”)，而在圖1中僅示出了兩個。通過光滑表面2垂直于后者進入薄層1的入射光5被T單元4折射，從而當它離開薄層1時就被傾斜地偏折了。這種類型的棱柱結構只能在小的彎折角(或出射角)(在0至約30度的范圍內)時有效地透射光。出射角是角θ，若光線垂直入射于光滑平面2，則這個角就是被光學薄層1偏折所成的角。由于棱柱4具有相同的、對稱的、三角形的截面，所以它們全都通過相等的角度偏折光線到垂直于光滑表面2的一邊或另一邊。在大于30度的出射角時開始發生從棱柱4的棱面上的內部反射，這就會降低薄層1的透射效率，因為光被朝著光滑表面2反射回去而不會通過結構表面3出射。圖2示出了一種能用來偏折光的光學薄層6的第二個例子。在此情形中的薄層包括一個大體上光滑的主表面7和一個結構表面，后者由多個相同的棱柱8組成，它們在垂直于圖面的平面上相互平行地延伸。這種棱柱8在這里稱之為“反射棱柱”(或“R單元”)，而在圖2中僅示出了兩個。這種R單元8可以在從5到90度的范圍內獲得出射角φ，但是特別適于獲得大于20度的出射角。每個棱柱8包括一個棱面9和一個棱面10。光線11垂直入射到光滑表面7，在遇到棱面9、10中的一個之前無偏折地通過薄層6并進行內全反射后通過在對面的棱面10、9離去以形成傾斜地偏折的出射光12。由于這種棱柱8具有相同的、對稱的、三角形的截面，所以它們會通過相等的角度把光偏折到垂直于光滑表面7的一邊或另一邊。示于圖2中的R單元的安排還有一些缺點。尤其是，對于垂直入射的準直光和大于60度本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種適于散布光的光學薄層，其中該薄層的第一主表面為一包括棱柱陣列的結構化表面，以致于如果薄膜的第二主表面大體上是光滑的，則通過第二主表面進入該薄膜并通過棱柱陣列而離開的垂直入射光束將被后者擴散開來；其特征在于該陣列包括：（ａ）為使垂 直入射光偏折不同角度而選擇的多個反射棱柱以及為使垂直入射光偏折不同角度而選擇的多個折射棱柱，其中相繼的反射棱柱被至少一個折射棱柱所隔開；或（ｂ）為使垂直入射光偏折不同角度而選擇的多個無序排列的反射棱柱；或（ｃ）為使垂直入射光偏折不同 角度而選擇的多個無序排列的折射棱柱；其中每個折射棱柱在垂直入射光通過第一主表面離開該薄膜時僅通過棱柱面上的折射使光偏折，而每個反射棱柱在垂直入射光通過第一主表面離開該薄膜之前通過棱柱內的內全反射使光偏折。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發人員：MC李，CA馬丁拉，
申請(專利權)人：美國三M公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]