使用陳列微稜鏡的背面照明裝置的製作方法

2023-05-15 00:08:16

專利名稱：使用陳列微稜鏡的背面照明裝置的製作方法
發明的背景a.發明的領域總的說來，本發明涉及平板電子顯示器，更確切地說，涉及便於用作背面照明器的光準直裝置，以為液晶顯示器或諸如此類顯示器提供比較高的透射光。b.相關技術描述對於提供並不依賴於傳統性陰極射線管的大屏幕全色顯示系統，已經有正在進行的大範圍嘗試。例如可以參見「平板顯示器」一文，《科學美國人》，1993.3，pp.90-97。在諸如電視接收機、計算機監視器、航空電子設備顯示器、航天顯示器和與軍事有關的顯示器這類系統中，淘汰陰極射線管生產技術是合乎需要的。參閱美國專利Nos.4,843,381、5,128,783以及5,161,041對於陰極射線管工藝缺陷的討論。
例如象投影顯示裝置、畫外顯示裝置和直接觀察顯示器之類的顯示設備是已知的。例如可以參見EPO 0525755A1、美國專利Nos.4,659,185、5,132,830和5,159,478以及日本公開Nos.245106和42241。這些顯示器被用在廣泛的應用範圍內，其中包括電視、計算機監視器、航空電子設備顯示器、航天顯示器、汽車儀表面板，以及其它能夠提供文本、圖表或者視頻信息的裝置。這些類型的顯示器能夠替代傳統的陰極射線管顯示器，並且具有如外形降低、重量減輕和電能消耗下降等優點。
能夠排除陰極射線管缺陷的一種顯示器，是平板液晶顯示器(LCD)。LCD通常不是反射型就是透射型的。反射型的顯示器，是一種取決於背景光條件以觀察該顯示的顯示器。透射型的LCD則要求照明裝置或者背面照明，以保證所顯示的圖像儘可能亮。LCD因許多固有的缺點而受到損害。例如在大的觀察角(距離顯示器表面的法線方向為大的角度)時，LCD表現出低的對比度，而且視覺色度隨觀察角變化而變化。
背面照明裝置的特性，對於由LCD的矩陣像素陣列顯示出來的圖像質量和顯示器的外形是非常重要的。參閱美國專利Nos.5,128,783以及5,161,041對於已往背面照明結構中缺陷的論述。
此外，在諸如膝上計算機之類的應用中，現行的背面照明系統，其觀察者所能看到的光量相對於光源產生的光是低效率的。一端朝上的光源所產生的光，僅有百分之十至二十被有效地透過計算機的顯示器。光產出能力的任何增加均將必然影響到電能消耗，並且終究要提高便攜計算機中電池的壽命。
因此，在平板電子顯示技術中，需要提供一種背面照明組件，在保持有限的外形(profile)的同時，能為該電子顯示提供節能而且均勻的光源。
發明概述本發明的目的在於直接觀察的平板顯示器，特別是液晶顯示器，帶有改進了的背面照明組件，能夠提供節能和均勻的光源。此外，本發明的目的還在於任何要求低外形的基本上為準直的光源應用於照明。
此平板電子顯示器包括能將圖像投影在位於遠處的觀察者的調製裝置，該調製裝置與改進了的背面照明組件相隔一定距離配置，且此背面照明組件包括有緊靠著光傳送裝置的光源，該光源被定位在讓光線沿著基本上平行於調製裝置平面的方向傳播，通過光傳送裝置；以及用於將光源發出的光線進行準直的反射裝置，所述反射裝置可操作地靠緊上述光發送裝置而被定位在上述光發送裝置和上述調製裝置之間。由於使用本發明而在顯示器上的改進是，該反射裝置能夠提供節能、明亮而且均勻的光分布，並且是在低外形的組件上提供的。
在一優選實施例中，光源靠近光發送裝置的光接收表面定位，以使該光源發出的光線沿著基本上平行於調製裝置平面的方向傳播。光發送裝置可以是能將光線經過反射發送出去的任意結構，諸如光管、光楔、板狀波導，或者本領域普通技術人員已知的其它任何結構。此光發送裝置最好由板狀波導組成，以接收光源產生的光並通過完全內反射(TIR)將此光傳送出去。固定在此板狀波導一表面上的有列陣的微稜鏡。該微稜鏡包括有與此板狀波導鄰近的光輸入表面，以及平行於光輸入表面並與其隔開的光輸出表面。該微稜鏡最好進一步包括有以一定方式成角度傾斜的側壁，以使由此板狀波導透射的光線能夠通過TIR經過微稜鏡反射，並且沿著基本上垂直於調製裝置的方向，作為實質上被準直的光源從微稜鏡中射出。
在另一優選實施例中，有兩個光源，被定位在與光發送裝置相反配置的兩個光接收表面鄰近。該光發送裝置包括能夠接收此兩個光源產生的光線的板狀波導，並且通過TIR將此光線傳送出去。固定在此板狀波導一表面上的有列陣的微稜鏡。該微稜鏡包括按一定方式成角度相反配置的傾斜側壁，以使沿著兩個方向傳播的光線能夠沿此板狀波導透射出去，而且通過TIR經過微稜鏡反射，並且沿著基本上垂直於調製裝置的方向，作為實質上被準直的光源從微稜鏡中射出。
在更進一步的實施例中，有四個光源，被定位在與板狀波導分立的光接收表面鄰近，而由此波導接收四個光源產生的光線，並且通過TIR將此光線傳送出去。固定在此板狀波導一表面上的有列陣的微稜鏡。該微稜鏡包括按一定方式成角度傾斜的四個側壁，以使沿著四個方向傳播的光線能夠沿此板狀波導透射出去，而且經過微稜鏡反射，並且沿著基本垂直於調製裝置的方向，作為實質上被準直的光源射出。
在又一優選實施例中，本發明進一步包括配置在微稜鏡和調製裝置之間的微透鏡。這些微透鏡以適當的焦距加工及定位，以及基本上被準直的光能從每個微稜鏡發出，射在對應的微透鏡上。該光透過微透鏡，並且實質上作為調製裝置更為準直的光源射出。
本發明的額外目的、優點和新的特點，部分地將在以下描述中提出，而且對於本領域的普通技術人員來說，根據下面的審查或者通過本發明的實踐獲悉，均將部分地變成顯而易見。本發明的目的和優點，通過在權利要求書中詳細指出的手段和組合，可以實現和獲得。
附圖的簡要描述本發明的上述以及其它一些目的和優點，根據以下結合附圖所作的詳細描述將會明白，其中相同的參考號碼，是指完全相同的部分，其中

圖1為根據本發明構成的液晶顯示器實施例的剖面圖；圖2根據本發明的背面照明組件一種實施例的部件分解正視圖；圖3A為本發明一種實施例的透視圖；圖3B為按矩形排列在板狀波導上的微稜鏡的平面圖3C為按六角形排列在板狀波導上的微稜鏡的平面圖；圖3D為更進一步交錯排列在板狀波導上的微稜鏡的平面圖；圖4為本發明另一種實施例的部件分解正視圖；圖5為單塊微稜鏡的透視圖；圖6為用來表示光線通過板狀波導傳播方向的單塊微稜鏡在板狀波導上的展示圖；圖7為帶有陣列微透鏡的反射裝置另一實施例的剖視圖；圖8為圖7所示另一實施例的透視圖；圖9為單塊微透鏡的剖面圖；圖10為使用兩個光源的本發明另一實施例的剖面圖；圖11為圖10所示實施例的透視圖；圖12為圖10所示實施例的另一種實施方案；圖13為帶有兩上傾斜邊的單塊微稜鏡的剖面圖；圖14為使用四個光源的本發明另一實施例的透視圖；圖15為圖14所示實施例的另一種實施方案；圖16為帶有四個傾斜邊的單塊微稜鏡的透視圖；圖17為圖16所示單塊微稜鏡的剖面圖；圖18為圖16所示單塊微稜鏡的另一剖面圖；圖19A表示用於製做圖1至5實施例的方法；圖19B表示用於製做圖10至13實施例的方法，以及圖19C表示用於製做圖14至18實施例的方法。
優選實施例的詳細描述參照以上附圖，本發明的優選實施例將能為本領域的普通技術人員更好地加以理解。圖中表示的本發明這些實施例，並非用來窮舉或者將本發明局限在所公開的確切形式。它們被挑選來對本發明的原理及其所適合的和實際的應用進行描述，或者作最好的解釋，從而使本領域的其它技術人員能夠最好地利用本發明。
本發明的優先應用，是作為平板顯示器如圖1中以數字2表示的液晶顯示器的背面照明裝置。該顯示器包括光發生裝置4、帶有光接收表面7的板狀波導6、與板狀波導6相接觸的透明的反射裝置8、可選的輸入光偏振裝置10、調製裝置12、可選的輸出光偏振裝置14和顯示裝置16。應當理解，在圖1及其全部表示的本發明，只是為了說明的目的，並不打算通報規格或者限制該微稜鏡的可能性結構。
光發生裝置4、調製裝置12、偏振裝置10和14以及顯示裝置16的準確性能並非關鍵，並可廣泛地變化，而且通常用在平板顯示器技術中的任何這些元件，均可應用在本發明實踐中。作為實用的光發生裝置4的例證，乃是雷射器、螢光燈管、發光二極體、白熾燈、陽光以及諸如此類。用於本發明實際中的優選的調製裝置12是液晶元件。液晶元件12中的液晶材料可以廣泛地變化，並可為若干類型的液晶材料中的一種而又不局限於此，其中包括扭轉向列(TN)材料、超扭轉向列(STN)材料，以及聚合物彌散的液晶(PDLC)材料。這些液晶材料作為已知技術被安排在行和列的矩陣陣列中。實用的輸入光偏振裝置10和輸出光偏振裝置14的例子，乃是塑料片的偏振片材料以及諸如此類。優選的顯示裝置16，乃是轉讓給本申請受讓人的共同未決的美國專利申請08/086,414中公開的顯示裝置，其公開在此被引用作為參數。
在圖1中，光發生裝置4是緊靠著板狀波導6的，而且反射裝置8是緊靠著偏振裝置10的，且此偏振裝置10本身又緊靠著調製裝置12。如在此使用的那樣，「貼近」一詞意指緊密的物理接觸或者靠近定位，最好在約1英寸之內，在約0.75英寸範圍內更好，在約0.5英寸之內最為可取，而且在所選擇的實施例中約在0.25英寸之內，以使光不必從一個元件「投射」到下一個元件中。
圖2表示板狀波導6和反射裝置8的展示圖。板狀波導6是由任何透明的材料製成的，例如玻璃或者聚合物。反射裝置8則包括增粘層22、基片24、第二個增粘層26以及列陣的微稜鏡波導28。微稜鏡28的構造是形成一六面的幾何形狀，帶有平行於光輸出表面32的光輸入表面30以及側面33和34。只有側面33在反射通過波導6傳播的光線方面是起作用的。最好使側面33與基片24或者其上的粘合層26的相交，能夠形成一條與光線的平均方向垂直的直線。例如圖3A中表示的那樣，對於矩形的板狀波導6來說，側面33與基片24的相交，形成了一條平行於光接收表面7的直線，因而便與通過板狀波導24傳播的光線的平均方向垂直。雖然側面34被表示為平行於側面33，然而側面34的取向並非關鍵。這些微稜鏡28之間是由折射率比微稜鏡折射率低的填隙區域36隔開的。經過TIR反射後通過波導6的光線，經由光輸入表面30進入每一塊微稜鏡28，爾後經反射離開側面33，並且沿著基本上垂直於調製裝置的方向通過光輸出表面32射出微稜鏡28。
板狀波導6和基片24，對于波長約在400至700nm範圍內的光是透明的。在如下所述優選的製造方法中，該基片24對于波長約在250至400nm範圍內的紫外光也是透明的。此波長範圍允許這些微稜鏡能夠通過由紫外光激發的活性單體的光致聚合作用來形成。兩者的折射率相等或者大體上相等，而且可以在約1.45到1.60之間變化。最為可取的折射率約從1.50至1.60。此板狀波導6和基片24可以由任何透明的固體材料製成。優選的材料包括透明的聚合物、玻璃和熔融石英。這些材料所需要的特性，包括在該裝典型工作溫度下的機械和光學穩定性。最為可取的材料是玻璃、丙烯酸類、聚碳酸酯和聚酯。
微稜鏡28可以由任何固體的透明聚合物材料構成。優選的材料具有折射率等於或大體上等於基片24的約在1.45和1.65之間的折射率，並且包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酯、聚苯乙烯，以及由丙烯酸酯單體的光致聚合作用形成的聚合物。更為可取的材料具有約在1.50和1.60之間的折射率，並且包括丙烯酸酯單體的混合物的光致聚合作用形成的聚合物，此丙烯酸酯單體的混合物則包括氨基甲酸乙酯丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯、酯化(ester)丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯、環氧丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯、(聚)丙烯酸乙二醇酯和甲基丙烯酸酯以及含有機單體的乙烯基的混合物。實用的單體包括甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸2-乙己酯、丙烯酸異癸酸、丙烯酸2-羥乙酯、丙烯酸2-羥丙酯、丙烯酸環己酯、1，4-丁二醇丙烯酸酯、乙氧基化雙酚A二丙烯酸酯、新戊二醇二丙烯酸酯、二甘醇二丙烯酸酯、二甘醇二甲基丙烯酸酯、1.6-已二醇二丙烯酸酯、三羥甲基丙烷三丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯，以及季戊四醇四丙烯酸酯。特別實用的是其混合物，其中至少有一個單體是多功能的單體，如二丙烯酸酯或三丙烯酸酯，由於其在反應的光聚合物中將產生出交聯網絡。用於本發明方法中的最為可取的材料，是由乙氧基化雙酚A二丙烯酸酯和三羥甲基丙烷三丙烯酸酯的光致聚合混合物形成的交聯的聚合物。此最為可取的材料的折射率約在1.53至1.56之間變化。
為了使調製裝置12和顯示裝置16(圖1)具有更高的總的光輸出，最好使所有微稜鏡波導輸入表面30的面積之和大於基片24總面積的20％。所有微稜鏡波導輸入表面30的面積之和大於基片24總面積的35％更好。所有微稜鏡波導輸入表面30的面積之和大於基片24總面積的50％，則更為可取。
位於微稜鏡波導28之間填隙區域36的折射率，必須小於微稜鏡波導28的折射率。作為填隙區的優選材料，包括折射率為1.00的空氣以及折射率約在1.16至1.35範圍內的含氟的聚合物材料。最好的材料是空氣。
圖2表示的增粘層22和26是一種可透過光的有機材料，能夠使波導28，特別是使由聚合物如光致交聯的丙烯酸酯單體材料製成的波導牢固地粘在基片24上面。對於本領域的普通技術人員來說，這種材料是公知的。增粘層22的厚度並非關鍵，且可廣播變化。在本發明的最佳實施例中，增粘層22和26的厚度約小於10微米。
圖3A表示光發生裝置4、板狀波導6、基片24、增粘層22和26以及陣列微稜鏡28的分解透視圖。在此實例中，微稜鏡28按照方形或者矩形陣列配置，如圖3B所示，雖然其它一些配置象六角形圖案也是能可的，如圖3C所示。這些微稜鏡之間沿著垂直於光發生裝置4的方向具有重複距離38，在平行於光發生裝置4的方向上具有重複距離40。重複距離38和40可以相等或不相等，並且可以根據顯示器的分辨本領和規格作廣泛的變化。此外，重複距離38和40可以跨越光反射裝置8的表面變化，以對波導6內由於距離光發生裝置4距離增加帶來的光強度下降進行補償。這種光強度下降，是由於陣列中的其它微稜鏡提取了光的緣故。理想的重複距離38和40值，約從10微米至40毫米。更為可取的重複距離38及40值，約從50微米至10毫米。重複距離38及40的最為可選的的值，約從100微米至2毫米。
圖4表示圖2及3所示本發明的另一種實施例。微稜鏡28的光輸入表面30，通過粘合層46固定在板狀波導6上面。固定在微稜鏡光輸出表面32上的，是通過粘合層44固定的基片層42。
單塊的微稜鏡波導28，表示在圖5中。傾斜角度72的理想值，約從25°至40°。此傾斜角72更為可取的值，約從28°至37°。此傾斜角72最為可取的值，約從30°至35°。估算傾斜角度72理想值的方法，將在下面討論。
在圖5中，微稜鏡波導28的高度尺寸為50。此高度50可以根據顯示器的規格和分辨本領廣泛地變化。就是說，比較小的顯示器如膝上計算機的顯示器和航空電子設備顯示器，與較大的顯示器如大屏幕平板型電視相比，將具有大大減小的尺寸。尺寸50的理想值，約從10微米至40毫米。尺寸50更為可取的值，約從50微米至10毫米。尺寸50最為可取的值，約從100微米至2毫米。微稜鏡波導28的長度尺寸為52。此長度52可根據顯示器的規格和分辨本領廣泛地變化。此外，該長度52可以跨越光反射裝置8的表面進行變化，以對波導6內部由於距離光發生裝置4距離增大帶來的光強度下降進行補償。這種光強度下降，是由於陣列中的其它微稜鏡提取了光的緣故。作為長度52的最大值，比重複距離38要小。尺寸52的理想值，約從10微米到小於40毫米。尺寸52更為可取的值，約從50微米到小於10毫米。尺寸52最為可取的值，約從100微米到小於2毫米。微稜鏡28的寬度尺寸為54。此寬度54可根據顯示器的規格和分辨本領廣泛地變化。此外，該寬度54可以跨越光反射裝置8的表面進行變化，以對波導6內部由於距離光發生裝置4距離增加帶來的光強度下降進行補償。這種光強度下降，是由於陣列中的其它微稜鏡提取了光的緣故。作為寬度54的最大值是重複距離40。這就是說，當寬度54等於重複距離40時，微稜鏡跨越基片寬度為彼此鄰接的，如圖4D所示。尺寸54的理想值，約從10微米至40毫米。尺寸54更為可取的值，約從50微米至10毫米。尺寸54最為可取的值，約從100微米至2毫米。
用以近似地確定微稜鏡28角度72的方法，表示在圖6中。為簡單起見，我們將假定微稜鏡28的折射率等於板狀波導6的折射率。斯涅耳折射定律用來確定光在波導6中傳播時的角度分散。對于波導6來說，如果象由斯湟耳定律算出來的那樣角度56和58等於臨界角θC，那麼對於能在波導6中傳播的光來說，其總的角度分散乃是角度60和62之和，其中角度60和62中的每一個都等於90°-θC。以角度範圍約從零(平行於板狀波導的平面)直到角度60傳播的光線，僅有50％的光有機會通過碰撞微稜鏡28的光輸入表面30而從板狀波導中提取。以角度約從零到角度62傳播的光線，通過完全內反射將被反射後離開波導6的下表面，隨後射向波導6的上表面，且在此處有機會被沿波導進一步往下的其它微稜鏡28從波導6中提取。
對於微稜鏡28的最佳功能來說，表面33應處在角度72，以使由角度60表示的光分布的中點，將以垂直于波導6平面的角度通過微稜鏡28的輸出表面32射出。角度60的中點為角度64，可被表示為(90°-θC)/2或者(45°-θC/2)。於是角度66等於(90°-角度64)或者(45°+θC/2)。如果角度72等於角度70，而且角度70依次又等於角度66的一半，則在微稜鏡28中對於光的正確定向將會發生。其結果是角度72等於(22.5°+θC/4)。例如，假如波導6和微稜鏡28的折射率為1.55，而且此波導和微稜鏡為折射率為1.00的空氣所環繞，則θC＝40°，而且角度72為32.5°。
本發明進一步的實施例，表示在圖7和8中。反射裝置8進一步包括有陣列的微透鏡80。在此實施例中，微透鏡80被配置在微稜鏡28和調製裝置12(未表示)之間並緊靠著它們。微透鏡80最好由前面針對微稜鏡28公開的同樣的一些單體製成，且其折射率等於或者基本上等於微稜鏡28的折射率。然而任何透明的材料都可以使用，例如前面討論過的那些材料。
在圖7中，作為微透鏡80的基片82，還用作微透鏡80和微稜鏡28之間的隔板。基片82的厚度被最優化，以使來自微稜鏡28的光能夠被微透鏡80準直。基片82可以由任何透明的固體材料製成。優選的材料包括透明的聚合物、玻璃和熔融石英。這些材料的理想特性，包括在該裝置典型工作溫度下的機械和光學穩定性。最為可取的材料是玻璃、丙烯酸類、聚碳酸酯和聚酯。
微稜鏡陣列和微透鏡陣列80分解了的透視圖，表示在圖8中。此微透鏡陣列被表示為方形或者矩形的陣列，雖然其它如六邊形的排列也是可能的。微透鏡間中心至中心的距離，直接與微稜鏡28的重複距離38及40相關聯。就是說，對於每個微稜鏡28來說，都存在一個與其輸出表面32對準的相應的微透鏡80。在工作狀態下，由微稜鏡28發出的大體上準直的光線，進一步被微透鏡80準直，以為調製裝置12提供實質上更加準直的光源。
單塊的微透鏡80表示在圖9中。該微透鏡可以是球面透鏡或者非球面透鏡。微透鏡80的寬度86，約可從20微米變化到80毫米。寬度86更為可取的值，其範圍約從100微米至20毫米。寬度86最為可取值的範圍，約從200微米至4毫米。高度88的理想值範圍，約為寬度86的0.05倍至3.0倍。高度88更為可取值的範圍，約為寬度86的0.1倍至2.0倍。高度88最為可取值的範圍，約為寬度86的0.2倍至1.0倍。如果微透鏡80為球面透鏡，則此透鏡將具有一個曲率半徑為84的彎曲表面。該曲率半徑可以根據相應微稜鏡陣列的重複距離38及40廣泛地變化。該曲率半徑的優選值範圍，約從10微米至80毫米。曲率半徑84更為可取值的範圍，約從50微米至20毫米。曲率半徑84最為可取值的範圍，約從100微米至4毫米。為了使微透鏡80基本上能夠收集到通過微稜鏡28射出波導6的所有光，微透鏡80的f-數應當比較小。作為微透鏡80的f-數，其範圍約從0.5至4.0。作為其f-數更為可取值的範圍，約從0.6至3.0。此f-數最為可取值的範圍，約從0.7至2.0。
本發明另外可選的實施例表示在圖10及11中。在此優選實施例中，兩個光發生裝置4及4A，被定位在與板狀波導6按相反配置的兩個光接收表面7及7A鄰近。一陣列的微稜鏡90，按照以下公開的類似方式固定在板狀波導6上面。此微稜鏡90包括與光輸出表面94平行的光輸入表面92，其中光輸出表面94的表面積大於光輸入表面92的表面積。此微稜鏡90還包括按相反配置的兩個傾斜的側面96和98。側面96及98中的每一個，都與板狀波導6表面的法線構成一定角度。每一傾斜的側面與平的基片24或者其上的粘合層26的交線，均與相反配置的光接收表面7及7A平行，因而與通過板狀波導6傳播的光線的平均方向垂直。最佳的傾斜角度與光在板狀波導6中傳播角度之間的關係，與圖6中描述的相同。每一塊微稜鏡90均能收集沿著板狀波導6在兩個相反方向上傳播的光線。從微稜鏡90射出的光，實質上作為調製裝置12被準直了的光源。微稜鏡90的優選材料，與針對微稜鏡28公開的材料相同。
為了使調製裝置12和顯示裝置16(圖1)能夠具有更高的總的光輸出，最好使所有微稜鏡90的輸入表面92面積之和大於基片24總面積的20％。更為可取地，是使所有微稜鏡90輸入表面92面積之和大於基片24的35％。最為可取地，是使所有微稜鏡90輸入表面92面積之和大於基片24總面積的50％。
圖12表示圖10及11中表示的本發明的另一實施例。微稜鏡90的光輸入表面92，通過粘合層114固定在板狀波導6上。通過粘合層112固定在光輸出表面94上的是基片層110。
單塊的微稜鏡波導90，表示在圖13中。傾斜角度126和128的理想值範圍，約從25°至40°。對此傾斜角126和128來說，更為可取值的範圍約從28°至37°。其最為可取值的範圍約從30°至35°。此傾斜角126和128是逼近的，使用的是前面針對傾角72公開的同樣方法。
微稜鏡90高度的尺寸為124。此高度124可根據顯示器的規格和分辨本領廣泛地變化。尺寸124理想值的範圍，約從10微米至40毫米。尺寸124更為可取值的範圍，約從50微米至10毫米。尺寸124最為可取值的範圍，約從100微米至2毫米。微稜鏡波導90的長度尺寸為120和122。長度122是長度120和傾斜角度126及128的函數。長度120可以根據顯示器的規格和分辨本領廣泛地變化。此外，長度120可以跨越光反射裝置8的表面變化，以便對波導6中由於距光發生裝置4及4A距離的增加帶來的光強度下降進行補償。這種光強度下降，是由於陣列中的其它微稜鏡提取了光的緣故。作為長度120的最大值，小於圖11中表示的重複距離100。尺寸120的理想值範圍，約從10微米至小於40毫米，其更為可取值的範圍約從50微米至小於10毫米，且其最佳值的取值範圍約從100微米至小於2毫米。微稜鏡90的寬度尺寸為121(未表示)。此寬度121可以根據顯示器的規格和分辨本領廣泛地變化。此外，該寬度121可以跨越光反射裝置8的表面變化，以便對波導6內由於距光發生裝置4及4A距離增加帶來的光強度下降進行補償。這種光強度下降，是由於陣列中其它微稜鏡提取了光的緣故。寬度121的最大值為圖11中表示的重複距離102。就是說，當寬度121等於重複距離102時，微稜鏡跨越基片寬度為鄰接的，如圖3D所示。尺寸121的理想值範圍為約10微米至40毫米，其更為可取值的範圍為約50微米至10毫米，其最為可取值的範圍則為約100微米至2毫米。
圖10及11中公開的本發明進一步實施例還包括有如前公開的陣列微透鏡80。在此實施例中，微透鏡80被配置在微稜鏡90和調製裝置12之間。微透鏡80被固定在基片82上，且此基片82是由作為基片24所公開的同種基片材料製成的。基片82的厚度被優化，以使來自微稜鏡90的光能被微透鏡80準直。微透鏡之間中心至中心的距離，直接與微稜鏡90的重複距離100及102相關聯。就是說，對於每個微稜鏡90來說，存在一與每個微稜鏡90的輸出表面94對準的相應的微透鏡80。由微稜鏡90發出的大體上準直的光線，被微透80進一步準直，以提供實質上更加準直的光模式。
本發明更進一步的實施例表示在圖14中，且圖15表示圖14所示本發明的替代實例。在這些優選實施例中，四個光發生裝置4、4A、4B及4C，被定位在與板狀波導6的四個光接收表面7、7A、7B及7C之一鄰近。陣列微稜鏡130，按照上面公開的類似方式被固定在板狀波導6上。單塊微稜鏡波導130的透視圖，表示在圖16中。圖17為沿圖16所示平面17所取微稜鏡130的剖面圖，而且圖18為沿圖16所示平面18所取微稜鏡130的剖面圖。如圖17和18所示，微稜鏡130包括平行於光輸出表面163的光輸入表面161，其中光輸出表面163的表面積大於光輸入表面161的表面積。微稜鏡130還包括四個傾斜的側面166、168、176和178。這些傾斜的側面被定位在使其與板狀波導相交構成的線，平行於光接收表面中的兩個，並且與這通過板狀波導6從兩個光接收表面傳播來的光線的平均方向垂直。每塊微稜鏡130均能收集板狀波導中沿四個方向傳播來的光線，並且通過TIR將其傳送給光輸出表面163。來自四個光發生裝置的光，將作為調製裝置12基本上被準直的光源從微稜鏡130中射出。對於高度164、長度160、162、170和172、傾斜角度167、169、177和179以及重複尺寸134和132來說，其理想值與上述實施例中公開的那些相同。
在圖15中，微稜鏡130的光輸入表面161是通過粘合層154固定在板狀波導6上的。通過粘合層152固定在光輸出表面163上的是基片層150。
公開在圖14及15中的本發明另一實施例還包括有陣列的微透鏡80。在此實施例中，微透鏡80配置在微稜鏡130和調製裝置12之間。微透鏡80固定在基片82上，且此基片82是由作為基片24公開的同樣基片材料製成的。基片82的厚度被優化，以使來自微稜鏡130的光被微透鏡80準直。微透鏡之間中心至中心的距離，與微稜鏡130的重複距離134和132直接關聯。就是說，對於每塊微稜鏡130來說，存在一塊與每塊微稜鏡130的輸出表面163對準的相應的微透鏡80。由微稜鏡130出來的大體上準直的光線，被此微透鏡80進一步準直，以提供實質上更加準直的光模式。
陣列的微稜鏡28和微透鏡80，可以通過各種技術製做，其中包括注模方法、壓模方法、熱輥壓力鑄造、模具之中的光致聚合，以及並不使用模具的光致聚合工藝。優選的技術是在上述提到的美國專利申請中公開和說明的光致聚合工藝。該工藝的一些簡單變換表示在圖19中。
圖19A表示用於生產圖5所示類型的微稜鏡28的工藝，其中微稜鏡的一條邊33是以角度72傾斜的。光掩模180與帶有粘合層26的基片24處在實際接觸狀態，其中的光掩模具有不透明和透明的兩種區域。由單體和光致引發劑組成的基本上為均勻厚度的可以光致聚合的混合物182，被放在帶有粘合層26的基片24和帶有脫模層184的墊板186之間。通過光掩模180的透明區域，將可以光致聚合的混合物182對基本上被準直了的紫外光188曝光一段時間，並處在足以使此單體混合物區域光致聚合的條件下，以形成一陣列微稜鏡28。為使微稜鏡28能夠形成帶傾斜角72的側面，此紫外光必須按一定角度入射到掩模之上，該角度或者可以使用斯涅耳折射定律計算出來，或者用實驗方法確定。在進行紫外光曝光之後，掩模180、帶有脫模層184的墊板186和未曝光的可光致聚合的混合物182被除去，剩下的是由粘合層26固定在基片24上的陣列微稜鏡28。
圖19B表示用於生產圖13所示類型微稜鏡90的工藝，其中微稜鏡90的邊96是以角度126傾斜的，且其另一邊98是以角度128傾斜的。光掩模180被放在與帶有粘合層26的基片24實際接觸，其中的光掩模帶有不透明和透明兩種區域。由單體和光致引發劑組成的基本上為均勻厚度的可光致聚合混合物182，被放在帶有粘合層26的基片24和帶有脫模層184的墊板186之間。穿過光掩模180的透明區域，使可光致聚合的混合物182對基本上被準直了的紫外光190曝光一段時間，並處在足以使此單體混合物區域光致聚合的條件下，以形成一陣列微稜鏡90。為了使微稜鏡90能夠形成以帶有傾斜角126和128的兩個側面，此紫外光190必須從兩個不同的方向入射到掩模180上，該方向或者可通過使用斯涅耳折射定律計算出來，或者用實驗方法確定。從兩種不同的方向進行紫外曝光，不是同時做到，就是順序地進行。在紫外光曝光之後，光掩模180、帶脫模層184的墊板186和未曝光的可光致聚合的混合物182被除掉，剩下來由粘合層26固定在基片24上的陣列微稜鏡90。
與圖19B中表示的形成帶有兩個傾斜的側面的微稜鏡90類似的工藝(未表示)，還可用來形成圖16所示類型的帶有四個傾斜側面的微稜鏡130。如果所有四個側面都是傾斜的，那麼紫外光必須從四個不同的方向通過掩模180，不是同時就是順序地。對於紫外光要求的四個方向，可以用實驗方法確定，或者由斯涅耳定律計算出來。
圖19C表示用於生產圖15及16所示類型微稜鏡130的另一工藝過程，它帶有四個傾斜的側面。光掩模180被放在與帶有粘合層152的基片150實際接觸，而且其中的光掩模具有不透明和透明兩種區域。由單體和光致引發劑組成的基本上為均勻厚度的可光致聚合的混合物182，被放在帶有粘合層152的基片150和帶有脫模層184的墊板186之間。光致引發劑必須以足夠的量存在，以將顯著份額的紫外光吸收在可光致聚合混合物層中。光散射器194被放在光掩模180和紫外光源192之間，以使該紫外光在一定的角度範圍內被發散。為使圖15及16所示類型的微稜鏡130能被形成，該光散射器應能使光在約20°的全部角度(在光強度為50％點上測得的)範圍內發散。穿過光散射器194和光掩模180的透光區域，使可光致聚合的混合物182對紫外光192曝光一段時間，並處在足以使該單體混合物區域光致聚合的條件下，以形成一陣列微稜鏡130。雖然散射器194能使紫外光通過可光致聚合的混合物182時被發散，然而令人意外地是該稜鏡的形成以其大的表面與粘合層152相接觸，小的表面與脫模層184相接觸。此令人意外的結果，乃是由於散射器194對於光的發散以及可光致聚合混合物182中光致引發劑對紫外光的吸收，而使可光致聚合層182中靠近脫模層184的紫外光強相對粘合層152處降低的影響。較低的光強度，會使光致聚合過程更容易被可光致聚合混合物182中存在的氧遏止，造成光致聚合過程放慢以及較小的微稜鏡面與脫模層184鄰接。在經紫外曝光之後，光掩模180、帶有脫模層184的墊板186和未曝光的可光致聚合混合物182被除掉，剩下來由粘合層152固定在基片150上的陣列微稜鏡130。此陣列微稜鏡被形成為可按圖15所示方式固定在適合的板狀波導上。
類似圖19C所示用以形成帶有四個側面的微稜鏡130的工藝過程，還可用來形成圖9所示類型微透鏡80。為了形成微透鏡，必須存在足夠量的光致引發劑，以在可光致聚合的混合物層中吸收顯著份額的紫外光。光散射器194被放在光掩模180和紫外光源192之間，以使該紫外光在一定角度範圍內發散。為了使圖9所示類型的微透鏡80能夠形成，此散射器應能將光在約40°至100°的全部角度(在光強度為50％點測得的)範圍內發散。穿過散射器194和光掩模180的透光區域，將可光致聚合的混合物182對紫外光192曝光一段時間，並且處在足以使此單體混合物區域光致聚合的條件下，以形成陣列的微透鏡80。在光致聚合的區域觸及脫模層184之前，將紫外光斷開。通過控制穿過散射器194的光的發散角，通過控制基片層150的厚度，便可以形成或者球面或者非球面的微透鏡。
本發明可以用於需要背面照明的那些應用。這些應用的例證是計算機的終端，電視，飛機座艙顯示器，機動車儀表面板，可以提供文本、圖表或視頻信息的其它裝置，以及需要低外形的光源準直裝置的其它一些透射光應用。
下面的一些具體實例被提供來詳細地說明本發明，而且不應當構成對其的限制。
實例I使用圖19A表示的方法，在厚度為0.004″的聚酯薄膜上面，形成如圖1-5所示形狀近似為平行四邊形的、帶有0.025″×0.025″的正方形底面和兩個面的微稜鏡。光掩模為5″×5″的玻璃掩模，帶有許多按照方形款式排列並由0.025″的暗線隔開的0.025″×0.025″的正方形透光區域。相鄰的開口正方形間中心至中心的距離為0.050″。微稜鏡的基片是由Hoechst Celanese生產的厚度為0.004″的Hostaphan-4500聚酯薄膜。此Hostaphan-4500薄膜的兩側塗以溶劑粘合層。通過在掩膜和此基片薄膜之間放置少許毫升甲醇及使用橡皮輥將兩塊壓在一起，將基片放在與掩模密切接觸。曝光時使用的墊板，乃是塗以市場上買得到的材料Raim-X薄膜的0.25″厚的玻璃板。此墊板被放在水平的表面上，約5毫升的液態的可光致聚合的混合物，用滴管吸移到墊板中心。可光致聚合的混合物，是由約65.1％的乙氧基化雙酚A二丙烯酸酯、32.6％的三羥甲基丙烷三丙烯酸酯、0.3％的季戊四醇四雙(3.5-二叔丁基-4-羥基苯基)(商業名稱為Irganox 1010)抗氧劑、0.67％的α，α-二甲氧基-α羥基乙酮(Darocur 1173)光致引發劑、0.67％的聯苯二甲基縮酮(Irgacure 651)光致引發劑，以及0.67％的Irgacure 500光致引發劑組成的。光致引發劑的總百分比為2.0％。4″×0.5″×0.016″厚的金屬隔板，被放在墊板邊緣外圍。基片一側朝下，將光掩模/基片組件放在可光致聚合混合物的頂部。5″×5″×0.25″厚的清晰玻璃板，被放在此整體製作的組件頂部，並且使用金屬夾板和螺釘將這些板整體而且均勻地壓緊在一起，從而在墊板和聚酯薄膜的基片之間得到0.016″厚的可光致聚合層。
整體製作的組件大約以60°的角度相對於水平表面傾斜，且被放到紫外光曝光系統的準直透鏡下面。此紫外曝光系統包含1000瓦的水銀-氙氣弧光燈，並且將強度約為70毫瓦/平方釐米的波長為280-350nm的基本上被準直的均勻光，提供整個5″×5″的傾斜的製作組件。此樣品被照射8秒鐘。隨後將此製作組件拆開，而且帶有微稜鏡的陣列薄膜現在便形成，但在微稜鏡之間的填隙區同仍散布有未反應的可光致聚合材料，然後將其放在異丙醇的攪動浴槽內，擱置10分鐘。在去除剩餘的單體之後，將此微稜鏡放在帶石英窗的氮氣驅氣箱內的氮氣流中進行乾燥，且在紫外光下面外加20秒的硬固化。
利用光學顯微鏡來對此微稜鏡作出評價。單獨的微稜鏡具有六個面，即四個側面以及上面和下面。處在微稜鏡相反兩側的兩個側面，看上去具有接近平行四邊形的形狀。微稜鏡的上面和下面，約為尺寸0.025″×0.025″的正方形。稜鏡的高度約為0.016″，即製作組件中使用的金屬隔板的厚度。形狀為平行四邊形的兩側面的邊緣，相對於垂直基片表面所作假想線構成約30°的角度。微稜鏡間分開以約為0.025″的距離。
為了檢驗微稜鏡的工作情況，將聚酯基片上列陣的微稜鏡放到尺寸約為12″×6″×0.25″厚的清晰的聚丙烯塑料平板上。在此聚酯基片和聚丙烯平板之間放一水薄膜，以使光能很容易地在平板和微稜鏡陣列的基片之間耦合。來自1瓦螢光燈泡的光，被耦合到0.25″厚的聚丙烯平板一側。讓聚酯基片上列陣的微稜鏡按順序旋轉，以使微稜鏡4個面中的每一個面向螢光燈。在四方向之一的圖2所示的取向時，來自聚丙烯平板的光，在復蓋約50°角分布方向的範圍內(以50％光強度點來作為角分布的全寬度測得的)，被耦合後從微稜鏡頂部射出。來自微稜鏡的光分布的中心，處在約與聚丙烯平板表面垂直的方向上。換句話說，此光分布可被描述為相對垂直於基片平面所作假想線任何一側以±25°擴展。在微稜鏡其它三個方向上，只能觀察到非常少的光沿垂直於聚丙烯平板表面的方向射出。
實例II使用圖19A和實例I表示的方法，在厚度為0.002″的聚酯薄膜上面，形成如圖1-5所示形狀近似為平行四邊形、帶有35微米×35微米的正方形底面和兩個面的微稜鏡。光掩模為5″×5″的玻璃掩模，帶有許多按方形款式排列並由15微米的暗線隔開的35×35微米2的正方形透光區域。相鄰的開口正方形之間中心至中心的距離為50微米。微稜鏡的基片是由Hoechst Celanese生產的厚度為0.002″的Hostaphan-4500聚酯薄膜。墊板被放在水平的表面上，約1毫升的液態的可光致聚合的混合物，用滴管吸移到墊板中心。可光致聚合的混合物，是由約65.1％的乙氧基化雙酚A二丙烯酸酯、32.6％的三羥甲基丙烷三丙烯酸酯、0.3％的季戊四醇四雙(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)(商業名稱為Irganox 1010)抗氧劑、0.67％的α，α-二甲氧基-α-羥基乙酮(Darocur 1173)光致引發劑、0.67％的聯苯二甲基縮酮(Irgacure 651)光致引發劑，以及0.67％的Irgacare 500光致引發劑組成的。光致引發劑的總百分比為2.0％。直徑25微米的兩金屬絲隔離物，沿著墊板的兩個邊緣放置。基片的一側朝下，將光掩模/基片組件放在可光致聚合混合物的頂部。5″×5″×0.25″厚的清晰玻璃板，被放在此整體製作的組件頂部，並且使用金屬夾板和螺釘將這些板整體而且均勻地壓緊在一起，從而在墊板和聚酯薄膜的基片之間得到約25微米厚的可光致聚合層。
整體製作的組件大約以60°的角度相對於水平表面傾斜，且被放到實例I所述紫外光曝光系統的準直透鏡下面。此樣品被照射4秒鐘。隨後將此製作組件拆開，而且帶有微稜鏡的陣列薄膜現在便形成，但在微稜鏡之間的填隙區內仍撒布有未反應的可光致聚合材料，然後將其放在異丙醇的攪動浴槽內，擱置10分鐘。在去除剩餘的單體之後，將此微稜鏡放在帶石英窗的氮氣驅氣箱內於氮氣流中進行乾燥，且在紫外光下面外加20秒的硬固化。
利用光學顯微鏡來對微稜鏡作出評價。單獨的微稜鏡具有六個面，即四個測面以及上面和下面。處在微稜鏡相兩側的兩個側面，看上去具有接近平行四邊形的形狀。微稜鏡的上面和下面，約為尺寸35×35微米2的正方形。稜鏡的高度約為30微米，比製作組件中使用的金屬絲隔離物厚度略大。形狀為平行四邊形的兩側面的邊緣，相對於垂直基片表面所作假想線構成約30°的角度。微稜鏡間分開以約15微米的距離。
為檢驗微稜鏡的工作情況，可將聚酯基片上列陣的微稜鏡放在尺寸約為12″×6″×0.25″厚的清晰的聚丙烯塑料平板上。在此聚酯基片和聚丙烯平板之間放一薄膜水，以使光能夠容易地在平板和微稜鏡陣列的基片之間耦合。來自1瓦螢光燈泡的光，被耦合到0.25″厚的聚丙烯平板一側。讓聚酯基片上列陣的微稜鏡按順序旋轉，以使微稜鏡4個面中的每一個面向螢光燈。在四方向之一的圖2所示取向時，來自聚丙烯平板的光，在復蓋約50°角分布方向的範圍內(以50％光強度點作為角分布全部寬度而測得的)，被耦合後由微稜鏡頂部射出。來自微稜鏡的光分布的中心，處在約與聚丙烯平板表面垂直的方向上。換句話說，該光分布可被描述為相對垂直於基片平面所作假想線任何一側以±25°擴展。在微稜鏡其它三個方向上，只能觀察到非常少的光沿垂直於聚丙烯平板表面的方向射出。
實例III使用圖19B所示的方法，在厚度為0.004″的聚酯薄膜上面，形成如圖10-13所示形狀為梯形的帶有0.025″×0.025″正方形底面和兩個面的微稜鏡。光掩模為5″×5″的玻璃掩模，帶有許多按方形款式排列並由0.025″的暗線隔開的0.025″×0.025″的正方形透光區域。相鄰的開口正方形之間中心至中心的距離為0.050″。微稜鏡的基片是由Hoechst Celanese生產的厚度為0.004″的Hostaphan-4500聚酯薄膜。此Hostaphan-4500薄膜的兩側塗以溶劑粘合層。通過在掩膜和此基片薄膜之間放置少許毫升甲醇及使用橡皮輥將兩塊壓在一起，將基片放在與掩模密切接觸。曝光時使用的墊板一乃是塗以市場上買得到的材料Rain-X薄膜的0.25″厚的玻璃板。此墊板被放在水平的表面上，約5毫升的液態的可光致聚合的混合物，用滴管吸移到墊板中心。可光致聚合的混合物，是由約65.1％的乙氧基化雙酚A二丙烯酸酯、32.6％的三羥甲基丙烷三丙烯酸酯、0.3％的季戊四醇四雙(3.5-二叔丁基-4-羥基苯基)(商業名稱為Irganox1010)抗氧化劑、0.07％的α，α-二甲氧基-α-羥基乙酮(Darocur1173)光致引發劑、0.67％的苯並二甲基縮酮(Irgacure 651)光致引發劑，以及0.67％的Irgacure 500光致引發劑組成的。光致引發劑的總百分比為2.0％。4″×0.5″×0.016″厚的金屬隔板，被放在墊板邊緣周圍。基片一側朝下，將光掩模/基片組件放在可光致聚合混合物的頂部。5″×5″×0.25″厚的清晰玻璃板，被放在該整體製作的組件頂部，並使用金屬夾板和螺釘將這些板整體而且均勻地壓緊在一起，從而在墊板和聚酯薄膜的基片之間得到0.016″厚的可光致聚合層。
為了形成梯形形狀的帶兩個面的微稜鏡，將此整體製作的組件放到紫外光曝光系統(如實例I的同樣系統)的準直透鏡下面，而且首先以相對於水平表面約為+60°的角度傾斜。該樣品在此位置上照射2秒鐘。其次，隨後將此整體製作的組件旋轉-120°至相對同一水平表面約為-60°的新的方向。再將此樣品照射2秒鐘。此第一和第二個曝光步驟每個多重複3次，在兩個方向中的每一方向上總共曝光8秒鐘。隨後將此製作組件拆開，而且帶有微稜鏡的陣列薄膜現在便形成，但在微稜鏡之間的填隙區內仍撒布著未反應的可光致聚合材料，然後被放在異丙醇的攪動浴槽內，擱置10分鐘。在去除剩餘的單體之後，將此微稜鏡放在帶石英窗的氮氣驅氣箱內於氮氣流中進行乾燥，且在紫外光下面附加20秒鐘的硬固化。
利用光學顯微鏡來對此微稜鏡作出評價。單獨的微稜鏡具有六個面，即四個側面以及上面的下面。處在微稜鏡相反兩側的兩個側面，看上去具有約為梯形的形狀。鄰接在基片上的微稜鏡面(如圖19B所示)，約為尺寸0.025″×0.025″的正方形。與此基片相對的微稜鏡面(如圖19B所示)，約為尺寸0.025″×0.045″的矩形形狀。稜鏡的高度約為0.016″，即製作組件中使用的金屬隔板的厚度。微稜鏡兩梯形面的互不平行的邊緣，相對於垂直基片表面所作假想線構成約30°的角度。
為檢驗微稜鏡的工作情況，可將聚酯基片上列陣的微稜鏡放到尺寸約為12″×6″×0.25″厚的清晰的聚丙烯塑料平板上。在此聚酯基片和聚丙烯平板之間放一水薄膜，以使光能容易地在平板和微稜鏡陣列的基片之間耦合。來自1瓦螢光燈泡的光，被耦合到0.25″厚的聚丙烯平板的一側。讓聚酯基片上列陣的微稜鏡按順序旋轉，以使微稜鏡4個面中的每個面向螢光燈。在四個方向之二的圖10所示的取向時，來自聚丙烯平板的光，在復蓋約50°角分布方向的範圍內(以50％光強度點作為角分布全部寬度測得的)，被耦合後從微稜鏡頂部射出。來自微稜鏡的光分布的中心，處在約與聚丙烯平板表面垂直的方向上。換句話說，此光分布可被描述為相對垂直於基片表面所作假想線任何一側以±25°擴展。在微稜鏡的其它兩個方向上，只能觀察到非常少的光沿垂直於聚丙烯平板表面的方向射出。
實例IV使用圖19C所示的方法，在厚度為0.004″的聚酯薄膜上面，形成如圖14-18所示帶有0.050″×0.050″的方形頂部的形狀為截稜錐的微稜鏡。光掩模為5″×5″的玻璃掩模，帶有許多按照方形款式排列並由0.025″的暗線隔開的0.025″×0.025″的正方形透光區域。相鄰的開口正方形之間中心至中心的距離為0.050″。微稜鏡的基片是由Hoechst Celanese生產的厚度為0.004″的Hostaphan-4500聚酯薄膜。此Hostaphan-4500薄膜的兩側塗以溶劑粘合層。0.032″厚的透明的聚酯片作為隔離薄膜，被放在微稜鏡基片和光掩模之間。將此基片、隔離薄膜和光掩模疊層在一起，是通過在基片和隔離薄膜之間以及在隔離薄膜和掩模之間分別放入少許毫升甲醇，然後使用橡皮輥將此三塊壓在一起。曝光時使用的墊板，乃是塗以市售的材料Rain-X薄膜的0.25″厚的玻璃板。此墊板被放在水平的表面上，約10毫升的液態的可光致聚合的混合物，用滴管吸移到墊板中心。可光致聚合的混合物，是由約64％的乙氧基化雙酚A二丙烯酸酯、32％的三羥甲基丙烷三丙烯酸酯、2％的α，α-二甲氧基-α-羥基乙酮(Darocur 1173)光致引發劑、2％的苯並二甲基縮酮(Irgacure 651)光致引發劑，以及2％的Irgacure 500光致引發劑組成的。光致引發劑的總百分比為6％。0.040″厚的塑料隔板，被放在墊板邊緣外圍。基片一側朝下，將此光掩模/隔離器/基片組件放在可光致聚合混合物的頂部。5″×5″×0.25″厚的清晰玻璃板，被放在此整體製作的組件頂部，並且使用金屬夾板和螺釘將這些板整體而且均勻地壓緊在一起，從而在墊板和聚酯薄膜的基片之間得到0.040″厚的可光致聚合層。
為了形成形狀為截稜錐的微稜鏡，將此整體製作的組件放到紫外光曝光系統(如實例I的同樣系統)的準直透鏡下面。將半透明塑料片的光散射器放在光掩模和紫外曝光系統的準直透鏡之間，以使該紫外光能在一定角度範圍內被發散。為了形成截稜錐形狀的微稜鏡，此散射器的挑選是使紫外光能在約20°(在50％強度點上測出的)的整個角度範圍內被發散。製做的組件用紫外光照射10秒鐘。隨後將此製作組件拆開，而且帶有微稜鏡的陣列薄膜現在便形成，但在微稜鏡之間的填隙區內仍撒布著未反應的可光致聚合材料，然後將其放在異丙醇的攪動浴槽內，擱置10分鐘。在去除剩餘的單體之後，將此微稜鏡放在帶石英窗的氮氣驅氣箱內的氮氣流中進行乾燥，且在紫外光下面附加20秒鐘的硬固化。
利用光學顯微鏡來對此微稜鏡作出評價。單獨的微稜鏡具有六個面，即四個側面以及上面和下面。在本實例中制出的上面是鄰接在聚酯基片上的，約為0.050″×0.050″的方形。與此聚酯基片相反的底面，約為0.015″×0.015″的方形。微稜鏡的高度約為0.040″。微稜鏡相同的四個側面中的每一個具有梯形形狀，而且以大約30°的角度相對於垂直基片表面所作假想線傾斜。
為了檢驗微稜鏡工作情況，將此陣列微稜鏡暴露出來的0.015″×0.015″的底面，壓到尺寸約為12″×6″×0.25″厚的清晰的聚丙烯塑料平板上，該平板上塗有用於製造微稜鏡的同樣的可光致聚合混合物的薄膜。對此結構進行約20秒的紫外曝光，以將微稜鏡的底面粘結在聚丙烯平板上。此可光致聚合混合物的薄膜被用作圖15所示的粘合層154。來自1瓦螢光燈泡的光，按順序被耦合在聚丙烯平板的每一個0.25″厚的邊中。對於螢光燈泡四種位置的每一位置來說，來自聚丙烯平板的光，在覆蓋約50°的角度分布(以光強度50％的點作為角度分布的全寬度測得的)的方向範圍內，被耦合後從微稜鏡頂部射出。來自微稜鏡的光分布的中心，處在約與聚丙烯平板表面垂直的方向上。換句話說，此光分布可被描述為相對垂直於基片平面所作假想線任何一側以±25°擴展。
實例V使用圖19C表示的曝光裝置，在0.004″厚的聚酯薄膜上面，形成如圖7-9所示中心至中心分開0.050″的陣列微透鏡。光掩模為5″×5″的玻璃掩模，帶有許多按方形款式排列並由0.025″的暗線隔開的0.025″×0.025″的正方形透光區域。相鄰的開口正方形之間中心至中心的距離為0.050″。微透鏡的基片是由HoechstCelanese生產的厚度為0.004″的Hostaphan-4500聚酯薄膜。此聚酯薄膜的兩側塗以溶劑粘合層。厚度0.013″透明聚酯片作隔離薄膜，被放在微透鏡的基片和光掩模之間。將此基片、隔離薄膜和光掩模疊層在一起，是通過在基片和隔離薄膜之間以及在隔離薄膜和掩模之間分別放入少許毫升甲醇，然後使用橡皮輥將三塊壓在一起。曝光時使用的墊板，乃是塗以市售的材料Rain-X薄膜的0.25″厚的玻璃板。此墊板被放在水平的表面上，約10毫升的液態的可光致聚合的混合物，用滴管吸移到墊板中心。可光致聚合的混合物，是由約64％的乙氧基化雙酚A二丙烯酸酯、32％的三羥甲基丙烷三丙烯酸酯、2％的α，α-二甲氧基-α-羥基乙酮(Darocur 1173)光致引發劑、2％的苯並二甲基縮酮(Irgacure 651)光致引發劑，以及2％的Irgacure 500光致引發劑組成的.光致引發劑的總百分比為6％。厚度為0.050″的隔離器，被放在墊板邊緣的外圍。基片一側朝下，將此光掩模/隔離器/基片組件放在可光致聚合混合物的頂部。5″×5″×0.25″厚的清晰玻璃板，被放在此整體製作的組件頂部，並且使用金屬夾板和螺釘將這些板整體而且均勻地壓緊在一起，從而在墊板和聚酯薄膜的基片之間得到0.050″厚的可光致聚合層。
為了形成微透鏡列陣，將此整體製作的組件放到紫外曝光系統(如實例I的同樣系統)的準直透鏡下面。乳白色的光散射器(Oriel公司產品)被放在光掩模和紫外曝光系統的準直透鏡之間，以使紫外光在一定的角度範圍內被發散。為了形成微透鏡，該散射器的挑選，是使光能在約90°的整個角度範圍內(在強度為50％點上測得的)被發散。此製作組件用紫外光照射25秒鐘。光致聚合的區域並不與墊板相接觸。然後將此製作的組件拆開，於是帶有微透鏡的陣列薄膜現在便形成，但在微透鏡之間的填隙區內仍撒布著未反應的可光致聚合材料，然後將其放在異丙醇的攪動浴槽內，擱置10分鐘。在去除剩餘的單體之後，將此微透鏡放在帶石英窗的氮氣驅氣箱內的氮氣流中進行乾燥，且在紫外光下面附加20秒鐘的硬固化。
利用光學顯微鏡來對此微透鏡作出評價。單獨的微透鏡為直徑約0.050″的圓形，其高度約為0.025″。
此微透鏡陣列連同實例I描述的微稜鏡陣列一起進行檢驗。例I的微稜鏡陣列被放在尺寸約為12″×6″×0.25″厚的清晰的聚丙烯塑料平板上。在聚酯基片和聚丙烯平板之間放一薄膜的水，以使光能夠容易地在平板和微稜鏡陣列的基片間耦合。來自1瓦螢光燈泡的光，被耦合到聚丙烯平板0.25″厚的邊之一中。將微稜鏡陣列旋轉，以使最大量的光能被耦合後離開微稜鏡上表面。這就是圖所示的取向。光被耦合離開微稜頂部，是在覆蓋約50°的角度分布的方向範圍之內(以50％強度點作為角分布全寬度測出的)。一0.008″厚的聚酯隔離層，被放在此微稜鏡陣列的頂部。然後將微透鏡陣列放在此隔離薄膜的上部並對準，以使最大量的光能夠垂直於聚丙烯平板的平面發出。由於微透鏡陣列是在微稜鏡陣列上方安裝好的，故光發射角度分布的寬度，約從僅僅使用微稜鏡時的50°減小到約25°(距離聚丙烯平板平面的垂線為±12.5°)。此微透鏡陣列能夠使耦合後離開微稜鏡陣列的部分準直光，進一步被準直。
應當理解，以上描述的特定實施例只是用來說明本發明的原理，而且各種變換均可由本領域的普通技術人員作出，並不離開本發明的範圍和精神，而僅受以下的權利要求的限制。
權利要求
1.一種用在平板電子顯示器中的背面照明組件，所述電子顯示器帶有調製裝置，能將圖像提供給位於遠處的觀察者，而且上述背面照明組件包括(a)用於產生出第一個光線源的光發生裝置；(b)光傳送裝置，帶有緊靠著所述光發生裝置的第一個光接收表面，其中所述的光發送裝置，能將所述光發生裝置發出的光線沿著基本上平行於上述調製裝置的觀察平面的方向傳送；(c)用於使上述光線準直的反射裝置，所述反射裝置被配置在所述光發送裝置和上述調製裝置之間，並且包括列陣的微稜鏡，而且每一微稜鏡又包括(i)與所述光發送裝置光學耦合的光輸入表面；(ii)遠離上述光輸入表面且與其平行的光輸出表面，以及(iii)位於所述光輸入表面和光輸出表面之間且與其相連接的第一個側面，該側面相對於上述光發送裝置表面的法線構成一定的傾斜角，而且被進一步定位，以實現對所述輸入表面接收的所述光線的全反射，從而使由所述側面內反射的上述光線，能夠沿著基本上垂直於所述調製裝置的方向通過所述光輸出表面射出。
2.如權利要求1的背面照明組件，其中所述的傾斜角約在25°至40°之間。
3.如權利要求1的背面照明組件，進一步包括有與所述第一個側面相對分開配置的第二個側面，而且其中所述光輸出表面的表面積，大於所述光輸入表面的表面積；第一和第二兩個側面均相對於所述光發送裝置表面的法線構成所述的傾斜角，且被進一步定位，以實現對上所述輸入表面接收的所述光線的全反射。
4.如權利要求3的背面照明組件，其中所述的光發生裝置進一步包括有第二個光源，緊靠著與所述第一個光接收表面相對配置的第二個光接收表面。
5.如權利要求4的背面照明組件，其中所述的光發生裝置，進一步包括有緊靠著第三個光接收表面的第三個光源以及緊靠著第四個光接收表面的第四個光源，所述第三和第四個光接收表面通常垂直於所述第一和第二個光接收表面；而且所述微稜鏡進一步包括有第三和第四個側面，通常垂直於所述第一和第二個側面，並且與所述光發送裝置表面法線方向成一定角度傾斜，其中所述光輸出表面面積大於所述光輸入表面面積。
6.如權利要求5的背面照明組件，其中所述每一角度約在25°至40°之間。
7.如權利要求1的背面照明組件，進一步包括有緊靠在所述反射裝置和所述調製裝置之間的列陣微透鏡，其中每一微稜鏡輸出的光被射在相應的微透鏡上，而且透過所述微透鏡傳送的光，實質上作為所述調製裝置更加準直的光源射出去。
8.如權利要求7的背面照明組件，其中所述微稜鏡、微透鏡和光發送裝置，具有的折射率約在1.45和1.65之間。
9.如權利要求8的背面照明組件，進一步包括有在所述微稜鏡之間的填隙區域，其所具有的折射率小於所述微稜鏡的折射率。
10.一種用於從光源中提供基本上被準直光的組件，包括(a)緊靠著所述光源的光發送裝置，其中所述的光發送裝置能將所述光源發出的光線傳送出去；(b)用於使所述光線準直的反射裝置，它包括列陣的微稜鏡，而且每一微稜鏡具有與所述光發送裝置光學耦合的光輸入表面和遠離所述光輸入表面且與其平行的光輸出表面，以及至少一個側面，被定位來實現所述光輸入表面接收的所述光線的全反射；其中所述的通過所述光發送裝置反射的光線，穿過所述光輸入表面進入所述微稜鏡，並且沿著基本上垂直於所述光輸出表面的方向通過此光輸出表面射出去。
全文摘要
一種改進了的背面照明裝置，包括有平板波導，能夠接收光源產生的光線，並且通過完全內反射將其發送出去。固定在該平板波導一面上的是列陣的微稜鏡，而且每一微稜鏡帶有與光輸出表面平行的光輸入表面，以及至少一個與此波導表面法線方向成一定角度傾斜的側面，以使透過平板波導的光線被此傾斜的側面反射後離開，並且作為基本上垂直於光輸出表面的光源從微稜鏡中射出去。列陣的微透鏡可被定位來接收微稜鏡的輸出光，以使微透鏡出來的光實質上更加垂直。此背面照明裝置能被有效地用作平板電子顯示器的背面照明裝置。
文檔編號F21V5/00GK1136349SQ94194324
公開日1996年11月20日 申請日期1994年11月2日 優先權日1993年11月5日
發明者K·W·貝森, S·M·茲姆爾曼, P·M·弗姆 申請人:聯合訊號公司