單向透明光學系統的製作方法
2023-05-30 00:00:41
專利名稱：單向透明光學系統的製作方法
技術領域：
本發明的裝置和方法涉及用於減少光透射的光吸收結構。具體而言，該裝置和方法涉及顯示器的微結構，該微結構將外部光朝光吸收區聚焦，以增強顯示器的亮度和對比度。
背景技術：
諸如有機電致發光顯示器的直接發光顯示器有兩個問題，即對比度下降和來自外部環境光的閃耀。為降低閃耀的影響，使用了薄膜型抗反射塗層或球面抗閃耀塗層。一種圓偏振器也被用來通過阻斷來自金屬電極的外部光的反射以減輕對比度下降的影響。然而，圓偏振器會極大地減少從顯示器發射層發射的光的量。
發明內容
為解決上述問題，構思了本發明。其提供了新穎的減少光反射的光學系統。
本發明的一實施例包括一光學裝置，該裝置包括多個光折射結構，其中，多個光折射結構中的每一個將入射光朝一聚焦區折射；和多個光吸收元件，其中，多個光吸收元件中的每一個設置在所述多個光折射結構中對應的一個的聚焦區附近。
本發明的一方面包括具有光發射層的顯示器，該顯示器包括被設置在光發射層一側的光吸收層，所述光吸收層包括多個光折射結構；以及多個光吸收元件，其中，所述多個光吸收元件中的每一個被設置在所述多個光折射結構中對應的一個內，而且所述多個光折射結構中的每一個大致將入射的外部光引向多個光吸收元件中被設置在其中的一個。
本發明的另一方面是吸收光的方法，該方法包括在光折射結構處接收第一光，作為接收光；透射至少一部分的接收到的第一光，作為透射光；朝對應的所述光折射結構的聚焦區折射所述透射光；以及在對應的聚焦區處吸收所述透射光。
本發明的又一方面是製作光吸收層的方法，該方法包括形成光吸收芯；在每個芯上形成殼，以形成光吸收元件；以及在光透射層上分布所述光吸收元件。
本發明的另一方面是製作光吸收層的方法，該方法包括形成光吸收芯；在一光透射層上分布所述的光吸收芯；以及對所述光吸收芯進行塗覆以在每個所述光吸收芯處形成凸出結構。
實現本發明的另一方法是製作光吸收層的方法，該方法包括在一光透射層上形成光吸收層；對所述光吸收層構圖，以在所述光透射層上形成多個光吸收元件；對所述的多個光吸收元件進行塗覆，以在多個所述的光吸收元件處形成多個凸出結構，其中，所述多個凸出結構中的每一個朝光吸收元件中對應的一個折射入射光。
實現本發明的又一方法是光吸收層，其包括將設置在一光透射層上的層構圖為一圖案；在所述圖案上形成多個光吸收元件；對所述多個光吸收元件進行塗覆，以在所述的多個光吸收元件處形成多個凸出結構，其中，所述多個凸出結構中的每一個朝著光吸收元件中對應的一個折射入射光。
通過參考附圖詳細地描述本發明的示例性實施例，本發明以上及其它方面將變得更顯而易見。
圖1是根據本發明的一實施例的橫截面視圖；圖2A-2C是凸出結構的多個實施例的橫截面視圖；圖3是包括薄膜塗層的本發明另一實施例的橫截面視圖；圖4是使用反射構件的本發明又一實施例的橫截面視圖；圖5是多層結構的本發明的一實施例；圖6是使用抗反射塗層的本發明另一實施例的橫截面視圖；圖7是使用柱形光吸收元件的本發明又一實施例的橫截面視圖；圖8是具有被設置在凸出結構上的光透射層的本發明一個方面的橫截面視圖；圖9A-9B是本發明的微球體910和一實施例的橫截面視圖；圖10A-10E是示出使用刮片塗布技術實現本發明的方法的視圖；
圖11是形成微球體層的另一方法的橫截面視圖；圖12A-12B是實現本發明的一方法的橫截面視圖；圖13A-13D是實現本發明另一方法的橫截面視圖；和圖14A-14D是實現本發明的又一方法的橫截面視圖。
具體實施例方式
根據本發明一方面的裝置包括在顯示器的光透射表面上形成的凸出結構。每個凸出結構包括一光吸收區。入射到凸出結構上的大部分外部光被折射到光吸收區以被吸收。而由凸出結構下的光透射表面生成的大部分內部光則通過凸出結構。
在圖1中，示出了本發明的一示例性實施例。圖1示出了光學系統100，其具有光吸收層10、光透射層20和光發射層50。光透射層20被設置於光發射層50上，光吸收層10則被設置於光透射層20之上。光透射層10具有被設置在與設置光透射層20側相對的一側處的多個凸出結構10a。在圖1中，凸出結構10a是凸出的且具有大致的多角形形狀。凸出結構10a可以具有大致的半球(圖2A)、類球體(圖2B)、多角形(圖2C)或其他形狀，或者上面所述形狀的組合。所述多個光吸收元件12的每個元件被設置在每個凸出結構10a的聚焦區附近。
在操作中，光發射層50發射內部光40。在一實施例中，光40是一圖象的光。光發射層50可以包括等離子體顯示板的磷光體層、有機電致發光顯示器的電致發光層(EL)或顯示器的其他發光層或磷光層。內部光40經過光透射層20傳播到光吸收層10。大部分內部光40在光吸收層10的光吸收元件12之間朝著外部2的方向傳播，而部分內部光會落在光吸收元件上並被吸收。
光吸收層10在凸出結構10a處接收來自外部2的外部光30。凸出結構10a的凸出部分將外部光30的透射部分32朝著在每個凸出結構10a內的聚焦區折射。在下文中，提及本發明的光吸收層內的外部光32隻涉及外部光30被透射進光吸收層的部分。在另一實施例中，凸出結構10a是半球形，於是與具有多角形形狀的凸出結構相比，對於外部光30的較寬角度的入射，這樣的結構可將透射部分32朝著基本上很小的聚焦區折射。
每個光吸收元件12具有較小的水平橫截面積，從而由光發射層50生成的大部分內部光40穿過光吸收層10。在一實施例中，光吸收元件12由碳黑或黑色染料製成。
另外，凸出結構10a散射部分入射的外部光30以減少從凸出結構10a表面離開的外部光反射導致的閃耀。
每個凸出結構10a可具有在大約0.1-100μm範圍內的直徑D，優選在1-10μm範圍內。在另一實施例中，凸出結構10a具有在大約3-10μm範圍的直徑。在一實施例中，光吸收元件12的直徑d最大可為凸出結構10a的直徑D的一半。光吸收元件12的直徑d應根據凸出結構的直徑D來選擇以便在被光吸收元件12吸收的外部光30和由光發射層50發射的內部光40之間獲得一種平衡。也就是說，直徑d應該足夠大以滿意地吸收大量外部光30，然而同時要儘量小而不致阻止過量的由光發射層50發射的內部光40。例如，直徑d可在直徑D的1/100到1/2之間，優選在1/5到1/3之間。
發明的另一實施例在圖3中示出。在圖3中，示出了具有光吸收層310的光學系統300。光吸收層310具有以類似圖1的光吸收層10的方式排列的多個凸出結構310a和多個光吸收元件312。在光吸收層310上，有一薄膜360的塗層。薄膜360具有與凸出結構310a大致相等的折射率。薄膜360也基本上保留了凸出結構310a的形狀，並改變了每個凸出結構310a的聚焦區位置。如在圖3中所示，外部光30朝著基本上設置在聚焦區的光吸收元件312折射。如果圖1中的凸出結構10a和圖3中的凸出結構310a有相同的尺寸、形狀並由相同材料製成，與薄膜360結合的凸出結構310a的聚焦區比凸出結構10a的聚焦區更靠近凸出結構310a的表面。薄膜360的厚度可被設置為一希望的量，以在設置光吸收元件312的位置附近改變聚焦區位置。
本發明的另一方面在圖4中示出。在圖4中，光學系統400包括光吸收層410。光吸收層410具有以類似圖1的光吸收層10的方式設置的多個凸出結構410a和多個光吸收元件412。光吸收層410還包括多個反射構件470，其中，多個反射構件470中的每個被設置在多個光吸收元件412中對應的一個下。朝著光吸收元件412傳播的內部光40被反射構件470反射以阻止光吸收元件412對內部光的吸收。被反射構件470反射的一些內部光40朝光吸收層410的下表面傳播，在該表面處光40朝凸出結構410a的方向被內反射回，以被透射到外部2。而且，一些光40可能被在光發射層下的金屬電極(未示出)反射。
發明的另一示例性實施例在圖5中示出。光學系統500包括多層光吸收層。在本實施例中，具有第一光吸收層510和第二光吸收層511。第一光吸收層510包括多個凸出結構510a和被設置在凸出結構510a的對應聚焦區附近的多個光吸收元件512。同樣地，第二光吸收層511包括多個凸出結構511a和被設置在凸出結構511a的對應聚焦區附近的多個光吸收元件513。第一和第二光吸收層510、511被錯開，使得光吸收元件513未被直接設置在光吸收元件512上方。在兩個相鄰光吸收元件513之間傳播並因此不被光吸收元件513吸收的光530被在第一光吸收層510處的光吸收元件512吸收。
如在圖6中所示，光學系統600是本發明的另一示例性實施例。光學系統600包括具有圖1的光吸收元件12和凸出結構10a的光吸收層10。光學系統600進一步包括在外部光30入射的凸出結構10a表面處設置的抗反射塗層680。抗反射塗層680減少了閃耀，特別對於具有較小或較大直徑D的凸出結構10a，因為較小或較大的凸出結構10a提供相對較少的漫射來減少閃耀。也就是說，存在一個範圍，在該範圍內凸出結構10a的直徑D適當地漫射外部光30以便將閃耀被最小化。當凸出結構10a有高於或低於該範圍的直徑D時，會發生較少的漫射而存在更多的閃耀。
作為選擇，光吸收元件可呈現不同形狀。圖7示出了包括光吸收層710的光學系統700。光吸收層710包括多個凸出結構710a和多個光吸收元件712。多個光吸收元件712的每個元件具有大致為柱形的形狀，而且各個光吸收元件712的至少一部分被設置在各個凸出結構710a的聚焦區附近處。在光學系統700中，光吸收元件712在x方向上被設置在相應的凸出結構的聚焦區的大約水平位置上。對於光吸收元件712，沒有必要在y方向上對光吸收元件712進行精確的豎直定位。
發明的另一實施例在圖8中示出。光學系統800包括具有多個凸出結構810a和多個光吸收元件812的光吸收層810，其中每個光吸收元件812被設置在多個凸出結構810a中的對應一個的聚焦區附近。光學系統800還包括被設置在光吸收層810上的光透射層820。還存在有一抗反射塗層880。光透射層820的折射率低於用於凸出結構的材料的折射率，以朝著光吸收元件812折射入射光830。
而在另一實施例中，上述實施例中的凸出結構的尺寸和/或位置是不均一的，以便防止從凸出結構離開的外部光的規則反射引起的幹涉效應。具體而言，光學系統可以具有直徑不均一的凸出結構或直徑不均一的光吸收元件。另外，光學系統可以具有多個被不均勻分隔開或分布的凸出結構。
製作諸如在圖1-8中示出的光學系統的方法將在下文中描述。
製作光學系統的一方法在圖9A-9B和10A-10D中示出。圖9A示出了在其芯部中有光吸收元件912的一微球體910。在本方法中，具有大約1μm的直徑且包含諸如碳黑或黑色染料的光吸收成份(其可能佔體積的15％左右)的球形光吸收元件912可通過諸如異丁烯酸甲酯(MMA)的透明材料的乳液聚合(emulsion polymerization)形成。然後再在光吸收元件912上使用用於光吸收元件912的透明材料或相似材料通過乳液聚合形成大約2μm厚度的殼914。圖9B示出了由若干微球體910形成的光學裝置900。微球體910被分散在由諸如MMA的塗覆材料918塗覆的透明膜或基底916上。在塗覆後，必須完成塗覆材料918的後續聚合以固定微球體的位置。因為殼914、微球體910和塗覆材料918的折射率匹配或基本相同，微球體910與塗覆材料918接觸的下表面不會折射光。因此，只有半球形的上表面922折射光。對於乳液聚合，可使用1-5wt％的交聯劑以防止微球體910在被分散進塗覆材料918中時發生膨脹。
為在光透射層1060上分布微球體910(圖10C)，可通過使用圖10A-10E中示出的微球體分層裝置1000使用刮片塗布技術。微球體分層裝置1000包括橡膠輥1005和刮片1015。首先，橡膠輥1005在微球體910上滾動。通過靜電力，一層微球體910粘附到滾動的橡膠輥1005的表面(圖10A)。刮片1015應用於橡膠輥1005以允許一層理想厚度的微球體，例如單層微球體910保留在橡膠輥1005的外周(圖10B)。換句話說，多餘的微球體910從橡膠輥1005上被刮掉，以便單層微球體910保留下來。如圖10B中所示的刮片1015的橫截面A-A′可以具有凹槽(圖10D)或溝渠型(圖10E)表面，該表面的臨界尺寸與微球體的尺寸相當，以便於有效地形成一單層。
然後橡膠輥1005就在由諸如軟聚合物膜或單體膜的膜1095塗覆的光透射層1020上滾動(圖10C)。橡膠輥1005上的微球體910粘附到膜1095上，脫離橡膠輥1005(圖10C)，以在光透射層1060上的膜1095上形成一層微球體910。膜1095可以是MMA塗層，它隨後通過熱或紫外輻射被聚合。於是，MMA塗層被硬化變為PMMA，該PMMA與用於形成在光吸收元件912上的殼914的透明材料具有相同或近似相同的折射率。
或者，一控制流系統在圖11中示出，該圖示出了用於在光透射層1120上分布微球體910的一控制流系統1100。首先，微球體910被懸浮在溶液1115中。光透射層1120被豎直放置在溶液1115中。因為毛細作用力和界面力，在溶液-空氣界面與光透射層1120接觸的地方形成一彎月形1130。由於毛細作用力的作用，微球體910朝彎月形1130的方向聚集。當溶液蒸發時，溶液-空氣界面沿γ方向後退進而在光透射層1120上形成一微球體910的薄層1140。或者，在發明的另一方面，光透射層1120慢慢離開溶液1115進而在光透射層1120上形成一微球體910的薄層1140。
或者，通過在光透射層1220表面上散布光吸收元件1212來製作光學系統(圖12A)。光透射層1220可以具有鋸齒狀圖案，光吸收元件被設置於其中。該製作可以使用可以包含諸如碳黑或黑色染料等光吸收材料的光固化樹脂材料通過眾所周知的光刻法實現。光透射層1220表面上的隨機圖案可被用於獲得光吸收元件1212的隨機分布。隨後，一透明材料塗層應用到光吸收元件1212上，以形成凸出結構1210a(圖12B)。
製作光學系統的又一方法在圖13A-13D中示出。首先，用碳黑或黑色染料製成的光吸收層1302塗覆透明基底1320(圖13A)。利用標準的光刻、模製成型、印刷或化學刻蝕技術實現對光吸收層1302和透明基底1320的構圖加工，以形成被設置在多個支撐體1314上的多個光吸收元件1312(圖13B)。接下來，在光吸收元件1312和透明基底1320上執行諸如MMA的透明材料的塗覆和聚合，然後將其固化以形成凸出結構1310a(圖13C、D)。在本實施例中，通過使用熱烘焙和回流技術改變透明材料的形狀可調整整體結構(圖13D)。該調整可通過將透明材料的溫度提高到高於透明材料的玻璃化轉變溫度一希望的持續時間，以形成用於朝光吸收元件1312折射更多外部光的具有更理想形狀(例如圓角的)的凸出結構1310a形狀來實現。
製作光學系統的另一方法在圖14A-14D中示出。在該方法中，使用包括光刻、化學刻蝕或模製成型等傳統技術在透明基底1420上形成多個支撐體1414(圖14A)。在所述多個支撐體1414的每個支撐體上形成光吸收元件1412。然後施加諸如MMA的透明材料的塗層以形成凸出結構1410a(圖14C、D)。正如使用圖13A-13D中所示方法的情況一樣，通過熱烘焙和回流技術可實現對凸出結構1410a的調整。
通過使用由以上描述的方法形成的本發明，外部光的反射被減少。例如，當其應用在顯示器中，當與已有技術相比，存在外部光源時的亮度被顯著加強。
本發明的光學系統可應用於諸如等離子體顯示器、有機LED等顯示設備。如果光吸收元件的直徑是凸出結構直徑的1/10，99％的內部光被透射到外部。直徑是凸出結構直徑的1/3的光吸收元件透射89％的內部光到外部。
另外，因為全內反射被凸出結構10a的形狀減小甚至抑制，所以提高了內部光的透射。因此，在使用本發明的設備中，對比度和亮度連同抗閃耀和漫射特性都提高了。本發明通過在光吸收元件處吸收紫外光同時減少了在有機電致發光顯示器中的有機材料的退化。於是，與圓偏振器相比，大量內部光可被透射到顯示器外部，並且亮度增強了幾乎兩倍。
儘管這裡參照本發明的示例性實施例具體示出並描述了本發明，但是本領域的普通技術人員應該理解，在不背離本發明在所附權利要求和它們的等同物中限定的精神和範圍的情況下，在本發明中可以做出很多形式和細節上的改變。
權利要求
1.一光學裝置，其包括多個光折射結構，所述光折射結構具有相應的聚焦區，入射光被相應的所述光折射結構朝所述相應的聚焦區折射；和多個光吸收元件，每個所述光吸收元件設置在所述相應的聚焦區中對應一個的附近。
2.權利要求1中所述的光學裝置，其中，所述多個光折射表面大致平面地設置。
3.權利要求1中所述的光學裝置，其中，所述多個光折射表面中的每個表面具有大致的凸起形狀。
4.權利要求1中所述的光學裝置，其中，所述多個光折射表面中的每個表面具有大致的半球形狀。
5.權利要求1中所述的光學裝置，其中，所述多個光折射表面中的每個表面具有大致的類球體形狀。
6.權利要求1中所述的光學裝置，其中，所述多個光折射表面中的每個表面具有大致的多角形形狀。
7.權利要求1中所述的光學裝置，其中，進一步包括設置在所述多個光吸收元件下的多個反射元件、和設置在所述多個光折射結構和所述多個光吸收元件下的一光發射層，其中，所述光發射層發射內部光，所述多個反射元件將所述內部光反射遠離所述多個光吸收元件。
8.一具有一光發射層的顯示器，所述顯示器包括一設置在所述光發射層一側的光吸收層，所述光吸收層包括多個光折射結構；和多個光吸收元件，其中，所述多個光吸收元件中的每一個設置在所述多個光折射結構中對應的一個中，所述多個光折射結構中的每一個大致將入射的外部光朝所述多個光吸收元件中被置於其中的一個引導。
9.權利要求8中所述的光學裝置，其中，所述多個光吸收元件中的每一個設置在對應的一個所述光折射結構的聚焦區附近。
10.權利要求8中所述的光學裝置，其中，所述光發射層發射內部光，其中所述內部光穿過所述多個光折射結構朝所述光吸收層傳播，而且所述光吸收元件的直徑d不大於所述光折射結構的直徑D的一半。
11.權利要求8中所述的光學裝置，其中，所述光折射結構的直徑D具有大約0.1μm到大約100μm的範圍，而且所述光吸收元件的直徑d不大於所述光折射結構的直徑D的一半。
12.權利要求8中所述的光學裝置，其中，所述多個光折射表面中的每一個具有大致的凸起形狀。
13.權利要求8中所述的光學裝置，其中，所述多個光折射表面中的每一個具有大致的半球形狀。
14.權利要求8中所述的光學裝置，其中，所述多個光折射表面中的每一個具有大致的類球體形狀。
15.權利要求8中所述的光學裝置，其中，所述多個光折射表面中的每一個具有大致的多角形形狀。
16.權利要求8中所述的光學裝置，其中，進一步包括鄰近所述多個光吸收元件設置的多個反射元件，其中，所述光發射層發射內部光，所述多個反射元件將所述內部光反射遠離所述多個光吸收元件。
17.權利要求8中所述的光學裝置，其中，所述多個光吸收元件的直徑是不均一的。
18.權利要求8中所述的光學裝置，其中，所述多個光吸收元件隨機分布在所述光吸收層中。
19.權利要求8中所述的光學裝置，其中所述光吸收層是一第一光吸收層，所述光學裝置進一步包括設置在所述第一光吸收層上的一第二光吸收層，其中，所述第一光吸收層的多個光吸收元件的水平位置與所述第二光吸收層的多個光吸收元件的水平位置錯開。
20.一種吸收光的方法，所述方法包括在光折射結構處接收第一光，作為接收光；透射至少一部分所述接收到的第一光，作為透射光；朝對應的所述光折射結構的聚焦區折射所述透射光；以及在所述對應的聚焦區處吸收所述透射光。
21.權利要求20中所述的吸收光的方法，其中，所述光折射結構大致平面地設置。
22.權利要求20中所述的吸收光的方法，其中，所述接收第一光的操作包括在所述光折射結構的一側接收所述第一光，所述方法進一步包括從所述光折射結構的另一側接收第二光；以及將朝所述聚焦區傳播的第二光的一部分反射遠離所述聚焦區。
23.一種製作光吸收層的方法，其包括形成光吸收芯；在每個所述光吸收芯上形成殼以形成光吸收元件；以及在一光透射層上分布所述光吸收元件。
24.權利要求23中所述的製作光吸收層的方法，其中，所述分布所述光吸收元件的操作包括在所述光透射層上隨機分布單層的所述光吸收元件。
25.權利要求23中所述的製作光吸收層的方法，其中，所述分布所述光吸收元件的操作包括在所述光吸收元件上滾動一輥，以將所述光吸收元件粘附到所述輥上；對所述輥應用一刮片，以使一層光吸收元件保留在所述輥上；在具有薄膜的一基底上滾動帶有所述單層光吸收元件的所述輥，以從所述輥上將所述的一層光吸收元件移到所述基底上；以及固化具有所述的一層光吸收元件的所述基底。
26.權利要求23中所述的製作光吸收層的方法，其中，所述分布所述光吸收元件的操作包括將一光透射基底放置在包括所述光吸收元件的溶液內；以及降低所述溶液的溶液-空氣界面，其中，毛細作用力和界面力朝著在所述光透射基底和所述溶液-空氣界面處形成的彎月形的方向吸引大量光吸收元件，並且所述降低所述溶液-空氣界面的操作在所述光透射基底上形成一層光吸收元件。
27.權利要求26中所述的製作光吸收層的方法，其中，所述降低所述溶液-空氣界面的操作包括蒸發所述溶液或從所述溶液中抽出所述光透射基底中的至少一個。
28.一種製作光吸收層的方法，其包括形成光吸收芯；在一光透射層上分布所述光吸收芯；對所述光吸收芯進行塗覆，以在每個所述光吸收芯上形成凸出結構。
29.一種製作光吸收層的方法，其包括在一光透射層上形成一光吸收層；對所述光吸收層構圖，以在所述光透射層上形成多個光吸收元件；對所述多個光吸收元件進行塗覆，以在所述多個光吸收元件處形成多個凸出結構，其中，所述多個凸出結構中的每一個朝所述光吸收元件中對應的一個折射入射光。
30.一種製作光吸收層的方法，其包括將設置在一光透射層上的層構圖為一圖案；在所述圖案上形成多個光吸收元件；對所述多個光吸收元件進行塗覆，以在所述多個光吸收元件處形成多個凸出結構，其中，所述多個凸出結構中的每一個朝所述光吸收元件中對應的一個折射入射光。
全文摘要
本發明提供了涉及將外部光朝光吸收區聚焦以增強顯示器亮度和對比度的顯示器微結構的裝置和方法。顯示器包括被設置在光發射層一側的光吸收層。光吸收層包括光折射結構和光吸收元件，其中每個光吸收元件被設置在光折射結構內。光引導結構基本上朝多個光吸收元件中被設置在其中的一個引導入射光以減小外部光的反射。
文檔編號G09F9/30GK1717138SQ20051008140
公開日2006年1月4日 申請日期2005年6月30日 優先權日2004年7月2日
發明者陳暎究, 鄭柄昊, 林鐘善, 樸俊勇, 趙漢錫 申請人:三星電子株式會社