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CN114600007A - 包括光控膜和菲涅耳透镜的光学系统 - Google Patents

包括光控膜和菲涅耳透镜的光学系统 Download PDF

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CN114600007A
CN114600007A CN202080074792.0A CN202080074792A CN114600007A CN 114600007 A CN114600007 A CN 114600007A CN 202080074792 A CN202080074792 A CN 202080074792A CN 114600007 A CN114600007 A CN 114600007A
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light control
layer
fresnel
film
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加里·T·博伊德
丹尼尔·J·施密特
凯莱布·T·纳尔逊
欧文·M·安德森
特里·D·彭
郝恩才
范舒晴
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3M Innovative Properties Co
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Abstract

本发明提供了一种光学系统，该光学系统包括光源、围绕第一轴线弯曲的光学膜以及围绕该第一轴线弯曲并设置在该光源与该光学膜之间的光控膜。该光学膜包括微结构化的第一主表面和相对的第二主表面。该微结构化的第一主表面限定线性菲涅耳透镜，该线性菲涅耳透镜包括沿该第一轴线纵向延伸的多个菲涅耳元件。该光学膜的该第一主表面面向该光控膜。该光控膜包括沿该第一轴线纵向延伸的多个交替的光学透射区和光学吸收区，使得在与该第一轴线正交的横截面中，对于至少大部分光学透射区，相邻光学吸收区之间的中心线实质上垂直于该光控膜的主表面。

Description

包括光控膜和菲涅耳透镜的光学系统
背景技术
光控膜可包括交替的光学透射区和光学吸收区，并且可用于调节透射通过膜的光的定向。
显示表面可以是弯曲的。
发明内容
在一些方面，本公开提供了一种光学系统，该光学系统包括光源、围绕第一轴线弯曲的光学膜以及围绕该第一轴线弯曲并设置在该光源与该光学膜之间的光控膜。该光学膜包括微结构化的第一主表面和相对的第二主表面。该微结构化的第一主表面限定线性菲涅耳透镜，该线性菲涅耳透镜包括沿该第一轴线纵向延伸的多个菲涅耳元件。该光学膜的该第一主表面面向该光控膜。该光控膜包括沿该第一轴线纵向延伸的多个交替的光学透射区和光学吸收区，使得在与该第一轴线正交的横截面中，对于至少大部分这些光学透射区，相邻光学吸收区之间的中心线实质上垂直于该光控膜的主表面。
在一些方面，本公开提供了一种光学系统，该光学系统包括围绕第一轴线弯曲的光学膜和围绕该第一轴线弯曲并靠近该光学膜设置的光控膜。该光学膜包括微结构化的第一主表面和相对的第二主表面。该微结构化的第一主表面限定线性菲涅耳透镜，该线性菲涅耳透镜包括沿该第一轴线纵向延伸的多个菲涅耳元件。每个菲涅耳元件包括光学刻面和在该菲涅耳元件的脊处与该光学刻面相交的侧壁。对于至少大部分菲涅耳元件中的每个菲涅耳元件，光学吸收层可设置在侧壁上并实质上覆盖侧壁。光学吸收层可具有平均厚度t，其中100nm<t<1微米。该光学膜的该第一主表面面向该光控膜。该光控膜包括沿该第一轴线纵向延伸的多个交替的光学透射区和光学吸收区，使得在与该第一轴线正交的横截面中，对于至少大部分这些光学透射区，相邻光学吸收区之间的中心线实质上垂直于该光控膜的主表面。
附图说明
图1至图3是光学系统的示意性剖视图；
图4至图6是包括光学膜和光控膜的光学叠堆的示意性剖视图；
图7至图8是示意性示出根据一些实施方案的光学膜和光控膜的形状的光学系统的示意性剖视图；
图9是线性菲涅耳透镜的示意性俯视图；
图10是光控膜的示意性俯视图；
图11是包括多个菲涅耳元件的光学膜的示意性剖视图；
图12至图17是包括多个菲涅耳元件的光学膜的部分的示意性剖视图；
图18至图20是菲涅耳元件的示意性剖视图；
图21是平均偏差表面粗糙度的示意图；并且
图22至图24是各种视角的相对亮度与位置的曲线图。
具体实施方式
在以下说明中参考附图，该附图形成本发明的一部分并且其中以举例说明的方式示出各种实施方案。附图未必按比例绘制。应当理解，在不脱离本说明书的范围或实质的情况下，可设想并进行其他实施方案。因此，以下具体实施方式不应被视为具有限制意义。
可使用也可称为准直膜或隐私滤光片的光控膜来调节透射通过膜的光的定向。光控膜可放置在弯曲显示器上，例如，以过滤显示器的光输出。然而，通常期望与使用放置在弯曲显示表面上的传统光控膜相比改变透射光的方向性(例如，使得光主要朝观察者而不是主要沿显示表面的法线引导)。这可通过改变光控膜的格栅(例如，光学吸收区)的倾斜度来实现，如在2019年6月24日提交并且标题为“具有光控膜的弯曲显示器(Curved Displaywith Light Control Film)”的美国专利申请62/865510中所述。另选地，线性菲涅耳透镜可放置在常规光控膜上以改变透射光的方向性。然而，已经发现，这可能导致在较高视角处的不期望的亮带。根据本说明书的一些实施方案，已经发现，菲涅耳透镜可定位在光学系统中，使得菲涅耳元件面向光控膜，并且这可减少或实质上消除较高视角处的亮带。
此外，根据一些实施方案已经发现，光学吸收层可设置在菲涅耳元件的侧壁上，以减少由侧壁引起的不期望的光重定向。已经发现，利用薄的光学吸收层减少光学吸收层的不期望的效应(例如，阻挡入射到层的边缘上的期望被透射的光)。当光学吸收层薄时，其优选地具有相对较高的消光系数以便有效地吸收光。在一些情况下，高消光系数可与侧壁进行交互产生反射性的类金属界面。已经发现，在高消光系数吸收层与侧壁之间添加覆层(例如，消光系数小于光学吸收层的消光系数且大于侧壁材料的光消系数的层)可降低反射率，从而减少不期望的由侧壁引起的光重定向。
图1至图3分别是光学系统100、200和300的示意性剖视图。光学系统100、200、300包括围绕第一轴线(z轴)弯曲的光学膜110和围绕第一轴线弯曲的光控膜120。光学膜110包括微结构化的第一主表面112和相对的第二主表面114。该微结构化的第一主表面112限定线性菲涅耳透镜111，该线性菲涅耳透镜包括沿第一轴线纵向延伸的多个菲涅耳元件115。光控膜120可靠近光学膜110设置，其中光学膜110的第一主表面112面向光控膜120。在一些实施方案中，光学系统包括光源130。光控膜120可设置在光源130与光学膜110之间，其中光学膜110的第一主表面112面向光控膜120。光控膜120包括沿第一轴线纵向延伸的多个交替的光学透射区122和光学吸收区124，使得在与第一轴线正交的横截面(x-y横截面)中，对于至少大部分光学透射区122，相邻光学吸收区之间的中心线126实质上垂直于光控膜120的主表面128和/或129(例如，在法线的20度内、或10度内、或5度内)。菲涅耳透镜111可被配置成使得从光源130垂直于光源发射表面发射的光866被菲涅耳透镜重定向到实质上相同的重定向方向(y方向)。
微结构化表面通常包括微结构(例如，菲涅耳元件115可以是微结构)，其中微观结构是具有至少两个正交维度的结构，诸如小于1mm并且大于100nm的宽度和高度)。微结构可形成在聚合物层中。聚合物层是包括有机聚合物的连续相的层。例如，聚合物层还可包括分散在有机聚合物的连续相中的无机纳米颗粒。如本领域已知的，聚合物微结构化层可使用浇铸和固化工艺在基板上形成(参见，例如，美国专利申请公布2006/0114569(Capaldo等人)以及美国专利5,175,030(Lu等人)和第5,183,597(Lu))。用于制备聚合物结构化层的其他方法包括挤出、机加工和压印。可使用任何合适的材料。例如，可将丙烯酸酯(例如聚甲基丙烯酸甲酯)浇铸并固化到聚酯(例如聚对苯二甲酸乙二醇酯)基材上。
光控膜120可以是任何合适的光控膜，包括例如美国专利8,213,082(Gaides等人)、9,335,449(Gaides等人)和9,063,284(Jones等人)以及例如国际专利申请公布WO2019/118685(Schmidt等人)中描述的那些。
在一些实施方案中(例如，如针对光学系统100所示)，光源130是或包括围绕第一轴线弯曲的有机发光二极管(OLED)显示器132。显示器132可另选地是另一种类型的发射显示器，例如微型发光二极管(microLED)显示器。在一些实施方案中(例如，如针对光学系统200、300所示)，光源130包括背光134。在一些实施方案中，背光134包括围绕第一轴线弯曲的光导136。在一些实施方案中，光源130还包括一个或多个发光元件135(例如，发光二极管)。例如，背光134可以是直下式背光或侧光式背光。在一些实施方案中(例如，如针对光学系统200所示)，光学系统可包括设置在背光134与光控膜120之间的显示面板139。在一些实施方案中(例如，如针对光学系统300所示)，光学系统可包括显示面板139，其中光学膜110设置在显示面板139与光控膜120之间。
在一些实施方案中，气隙178将光学膜110的第一主表面112的至少大部分与光控膜120分开。例如，可通过不将光学膜110和光控膜120粘结在一起，通过仅在一个或多个边缘将这些膜粘结在一起，或通过使用细长间隔构件将这些膜附着在一起，来提供气隙。
图4是包括光学叠堆400的光学系统或光学系统的一部分的示意性剖视图，该光学叠堆包括光学膜110和光控膜120。在一些实施方案中，光学膜110和光控膜120沿光学膜110的至少一个边缘171或172和光控膜的分别对应的边缘181或182彼此胶粘(例如，用胶带176或177)。在一些实施方案中，光学膜110和光控膜120沿光学膜110的至少两个边缘171和172和光控膜120的分别对应的边缘181和182彼此胶粘。沿边缘胶粘在一起应理解为包括沿边缘长度的至少一部分(例如，至少大部分)靠近边缘施加胶带。
图5是包括光学叠堆500的光学系统或光学系统的一部分的示意性剖视图，该光学叠堆包括光学膜210和光控膜120。光学膜210可对应于光学膜110，不同的是光学膜210的第一主表面212包括多个细长间隔构件142。在一些实施方案中，光学膜210的第一主表面212包括朝光控膜120延伸并且由设置在光控膜120上的粘合剂层144接收的多个细长间隔构件142。细长间隔构件142可与菲涅耳元件115一起形成，或者可在菲涅耳元件115已经形成之后沉积。细长间隔构件142也可称为光学去耦结构，并且可具有在例如国际申请公布WO2019/135190(Pham等人)中所述的光学去耦结构的几何形状中的任一种。
图6是包括光学叠堆600的光学系统或光学系统的一部分的示意性剖视图，该光学叠堆包括光学膜110和光控膜120。光学系统或光学叠堆600还包括设置在光学膜110的第一主表面112的至少大部分上并与之接触的低折射率层148，以及将低折射率层148粘结到光控膜120上的光学粘合剂144。在一些实施方案中，低折射率层148具有不超过1.45、或不超过1.4、或不超过1.35、或不超过1.25、或不超过1.2的折射率。例如，低折射率层148的折射率可在1.05至1.45的范围内，或在1.1至1.35的范围内，或在1.1至1.25的范围内，或在1.05至1.2的范围内。低折射率层148可以是如美国专利8,808,811(Kolb等人)中所述的纳米空隙聚合物层。在一些实施方案中，低折射率层148是粘合剂，并且粘合剂层144被省略。
例如，光学膜110、或包括菲涅耳元件115的光学膜110的层、或菲涅耳元件可具有大于1.5、或大于1.6、或大于1.7的折射率。
在一些实施方案中，光学膜110和光控膜120实质上是同心的。例如，光学膜110和光控膜120可具有实质上类似的形状并且可实质上彼此共同延伸。
在一些实施方案中，光学系统(例如，100、200或300)适于向观察者870显示图像888(参见例如图1)，其中在与第一轴线正交的横截面中，光学膜110和光控膜120各自朝向观察者870凸起。光学膜110和光控膜120可另选地具有如图7至图8中示意性地示出的不同形状。图7是光学系统700的示意性剖视图，该光学系统包括光学膜810(例如，对应于光学膜110)和光控膜820(例如，对应于光控膜120)并且适于向观察者870显示图像888，其中在与第一轴线(z轴)正交的横截面中，光学膜810和光控膜820各自朝观察者870凹入。图8是光学系统800的示意性剖视图，该光学系统包括光学膜910(例如，对应于光学膜110)和光控膜920(例如，对应于光控膜120)，并且适于向观察者870显示图像888，其中在与第一轴线正交的横截面中，光学膜910和光控膜920中的每一者的第一部分(分别为910a和920a)朝观察者870凹入，并且光学膜910和光控膜920中的每一者的第二部分(分别为910b和920b)朝观察者870凸出。
在图1至图10中示意性地示出的实施方案中，光学膜的菲涅耳元件和/或光控膜的光学透射和吸收区可沿第一轴线(z轴)延伸。在一些实施方案中，光学膜110的第一主表面112限定线性菲涅耳透镜111，该线性菲涅耳透镜包括沿第一轴线(z轴)纵向延伸的菲涅耳元件115。图9是根据一些实施方案的当光学膜110平放时线性菲涅耳透镜111的示意性俯视图(面向第一主表面112的视图)。图10是根据一些实施方案的当光控膜120平放时光控膜120的示意性俯视图。在一些实施方案中，光控膜120包括沿第一轴线(z轴)纵向延伸的多个交替的光学透射区122和光学吸收区124。
在一些实施方案中，光学膜110的每个菲涅耳元件115包括光学刻面117和在菲涅耳元件的脊119处与光学刻面117相交的侧壁118。在一些实施方案中，至少大部分菲涅耳元件115中的每个菲涅耳元件包括无机光学透明层的至少部分涂层(例如，共形涂层)、光学吸收层、设置在光学吸收层与侧壁之间的第一层和设置在与侧壁相对的光学吸收层上的第二层中的一者或多者，其中该第一层的光学吸收性可小于光学吸收层，其中该第二层的光学吸收性可小于光学吸收层并且可以是保护层或防反射层中的一者或多者。
图11是可对应于光学膜110的光学膜310的示意性剖视图。在一些实施方案中，每个菲涅耳元件115包括光学刻面117和在菲涅耳元件的脊119处与光学刻面117相交的侧壁118。在一些实施方案中，对于至少大部分菲涅耳元件中的每个菲涅耳元件，光学吸收层152设置在侧壁118上并实质上覆盖侧壁。在一些实施方案中，多个菲涅耳元件包括至少部分地涂覆(例如，共形涂覆)有无机光学透明层157的多个聚合物菲涅耳元件334(例如，参见图13)。在一些实施方案中，对于至少大部分菲涅耳元件中的每个菲涅耳元件，光学吸收层152设置在设置在侧壁118上的无机光学透明层157上并实质上覆盖该无机光学透明层。
如本文其他地方进一步描述的，无机光学透明层可在从光学刻面移除光学吸收层和/或其他层的过程中用作蚀刻阻挡层。用于无机光学透明层的合适材料包括a-Si、SiOx、SiAlOx、SiCyOx、TiO2和AlOx。该层可足够薄，使得例如大于60％的垂直入射可见光透过该层。如果一个层对在空气中垂直入射到该层上的可见光(波长在400nm至700nm范围内)的平均光学透射率(对于非偏振光，在波长上的未加权平均值)为至少60％，则该层可被认为是光学透明的。在一些实施方案中，无机光学透明层的平均光学透射率大于60％、或大于70％、或大于80％、或大于85％、或大于90％。
在一些实施方案中，光学吸收层152具有平均厚度t，其中100nm<t<2微米或100nm<t<1微米。在一些实施方案中，平均厚度t小于500nm。在一些实施方案中，对于至少大部分菲涅耳元件115中的每个菲涅耳元件115a，菲涅耳元件115a的侧壁118具有从相邻菲涅耳元件115b的底部185到菲涅耳元件115a的脊119的高度H，其中H/t>10，或H/t>15，或H/t>18，或H/t>20。
在一些实施方案(例如，光学膜110、210或310)中，对于至少大部分菲涅耳元件中的每个菲涅耳元件，菲涅耳元件的侧壁118实质上垂直于第二主表面114(例如，在法线的30度内、或20度内、或10度内、或5度内)。在一些实施方案中，光学膜110、210或310包括基板164，其中多个菲涅耳元件115形成在基板164的主表面162上。在一些实施方案中，对于至少大部分菲涅耳元件中的每个菲涅耳元件，菲涅耳元件的侧壁118实质上垂直于基板164的主表面162。在一些实施方案中，侧壁118与主表面162或与主表面114或与菲涅耳元件的底部成85度至90度范围内或本文其它地方描述的其他范围内的角度。
图12是光学膜(例如，对应于光学膜110、210或310)的一部分的示意性剖视图。在一些实施方案中，对于至少大部分菲涅耳元件中的每个菲涅耳元件115，第一层154设置在侧壁118与光学吸收层152之间。可包括可被称为覆层的第一层154以减少侧壁与光学吸收层152之间的界面处的光反射。在一些实施方案中，第一层154具有消光系数k1，并且光学吸收层152具有消光系数k2。在一些实施方案中，k2>k1。在一些实施方案中，多个菲涅耳元件的消光系数k0<0.05。在一些实施方案中，k2>k1>k0。消光系数k0可被理解为限定菲涅耳元件的第一主表面112处的材料的消光系数。在一些实施方案中，k2-k1大于0.05、0.1、0.15或0.2。在一些实施方案中，k2-k1小于1、或小于0.8、或小于0.5。在一些实施方案中，k1-k0大于0.001、0.005或0.01。在一些实施方案中，k1-k0小于0.15、或小于0.1、或小于0.05。在一些实施方案中，k0小于0.01、或小于0.005、或小于0.002。在一些实施方案中，k1在0.005至0.15、或0.01至0.1的范围内。在一些实施方案中，k2在0.1至0.5、或0.2至0.4的范围内。在一些实施方案中，k1<0.5k2。在一些实施方案中，0.005<k1<0.5k2。代替或除了根据消光系数描述第一层154和光学吸收层152之外，可根据如本文其他地方进一步描述的光学吸收材料的浓度来描述层。
在一些实施方案中，光学吸收层152具有折射率n1，并且第一层154具有折射率n2，其中|n1-n2|小于0.5、或小于0.3、或小于0.2、或小于0.1。
消光系数可表示为复折射率的虚部，并且折射率可表示为复折射率的实部。除了在其他地方另外指出的情况下，消光系数和折射率可理解为在550nm的波长下进行评估。
例如，薄膜涂层的消光系数k可通过例如椭圆光度法或光谱法来确定。k可表示为αλ/(4π)，其中α为吸收系数并且λ为波长。对于透明基板上的薄膜涂层，可使用光谱法来将吸收率A测量为100％–T–R，其中T为透射率并且R为反射率。可针对基板的A对测量的A进行适当校正，以获得薄膜本身的A。然后可使用所得A根据等式α＝-ln[(100％-A)/100％]/h来确定α，其中h为薄膜涂层的厚度；当R相对较小且A相对较大时，该α的公式为所用的近似值。厚度h可例如通过触针轮廓术或横截面扫描电子显微术来测量。
用于光学吸收层152和/或第一层154的吸光材料可以是染料、颜料或颗粒(例如，纳米颗粒)中的一种或多种。合适的吸光材料包括炭黑纳米颜料和其他纳米颜料，例如可以CAB-O-JET商品名购自马萨诸塞州波士顿的卡博特公司(Cabot Corporation(Boston,MA))的那些。其他合适的吸光材料包括在国际专利申请公布WO 2019/118685(Schmidt等人)中描述的那些。
在一些实施方案中，第一层154具有吸光材料184的浓度C1，并且光学吸收层152具有吸光材料182的浓度C2，其中C2>C1。在一些实施方案中，C1<0.7C2，或者C1<0.5C2。
光学吸收层中吸光材料(例如，吸光纳米颗粒)的浓度可以是光学吸收层的至少10重量％、15重量％、20重量％、25重量％、30重量％、35重量％、40重量％、45重量％或50重量％。在一些实施方案中，光学吸收层中吸光材料的浓度为光学吸收层的至少55重量％、60重量％、65重量％、70重量％、75重量％、80重量％、85重量％、90重量％或95重量％。在一些实施方案中，光学吸收层中吸光材料的浓度为100重量％。在一些实施方案中，光学吸收层中吸光材料的浓度为光学吸收层的30重量％-100重量％或75重量％-90重量。
第一层(覆层)中吸光材料的浓度优选地小于光学吸收层中的吸光材料的浓度。第一层中吸光材料的浓度通常为第一层的至少0.5重量％、1重量％、5重量％、10重量％、15重量％、20重量％、25重量％、30重量％、35重量％、40重量％或45重量％。在一些实施方案中，第一层中吸光材料的浓度不超过第一层的20重量％、25重量％、30重量％、35重量％、40重量％、45重量％、50重量％、55重量％、60重量％、70重量％或75重量％。在一些实施方案中，第一层中吸光材料的浓度为第一层的0.5重量％-50重量％或25重量％-45重量％。
在一些实施方案中，光控膜120如例如国际专利申请公布WO 2019/118685(Schmidt等人)中一般描述的。在一些此类实施方案中，格栅的光学吸收层包括光学吸收芯层和在光学吸收芯层的每一侧上的覆层。光学吸收芯层可如针对光学吸收层152所描述的，并且覆层可如针对第一层154所描述的。使用覆层可降低格栅的反射率，从而减少高角度光泄漏和重影。包括芯层和覆层的光控膜在国际专利申请IB2019/056489(Schmidt等人)中有所描述。
图13至图17是光学膜(例如，对应于光学膜110、210或310)的部分的示意性剖视图。在一些实施方案中，如图13中示意性地示出，例如，多个菲涅耳元件115包括共形涂覆有无机光学透明层157的微结构化聚合物层333。无机光学透明层157可包括相对的第一主表面167和第二主表面166，其中第二主表面166面向聚合物层333。聚合物层333具有面向基板层164的主表面113。在一些实施方案中，如图14中示意性地示出，例如，对于至少大部分菲涅耳元件115中的每个菲涅耳元件，光学吸收层152设置在设置在侧壁118上的无机光学透明层157上并实质上覆盖该无机光学透明层。在一些实施方案中，如图15中示意性地示出，例如，对于至少大部分菲涅耳元件115中的每个菲涅耳元件，第一层154设置在侧壁118与光学吸收层152之间。在一些实施方案中，如图14中示意性地示出，例如，第一层154被省略。在一些实施方案中，如图16中示意性地示出，例如，对于至少大部分菲涅耳元件115中的每个菲涅耳元件，第二层156设置在与侧壁118相对或与第一层154相对的光学吸收层152上。例如，第二层156可以是保护层和/或抗反射层。第二层可如对第一层154的一般描述(例如，具有在对第一层154描述的范围内的平均厚度和/或消光系数和/或吸光材料的浓度)。可任选地省略无机光学透明层157。
在一些实施方案中，如图17中示意性地示出，例如，微结构化表面168仅部分地涂覆有无机光学透明层157(例如，仅在侧壁上)。例如，无机光学透明层可共形涂覆到微结构化表面168上，然后随后从光学刻面移除(或至少部分地移除)。例如，在图13至图16所示的任何实施方案中，无机光学透明层157可任选地从光学刻面移除或部分移除(例如，可保留薄层)。在一些实施方案中，光学膜的第一主表面112可包括无机光学透明层157的主表面(例如，多个侧壁118的表面167)。在一些实施方案中，至少部分地涂覆的微结构化表面的菲涅耳元件115可包括作为聚合物层333的微结构化表面168的一部分的光学刻面，并且可包括作为无机光学透明层157的主表面的一部分的侧壁。另选地，菲涅耳元件115可被认为包括光学刻面和侧壁，它们是聚合物层333的微结构化表面168的部分，并且无机光学透明层157可被认为是聚合物微结构侧壁上的涂层。
在一些实施方案中，光学膜包括聚合物层333，该聚合物层包括至少部分地涂覆有无机光学透明层157的微结构化表面168。至少部分地涂覆的微结构化表面177(其可包括光学刻面117和在侧壁上的无机光学透明层157的表面167)包括多个菲涅耳元件115。每个菲涅耳元件115包括光学刻面117和在菲涅耳元件115的脊119处与光学刻面117相交的侧壁118。光学刻面117和侧壁118可在其间限定倾斜角。对于至少大部分菲涅耳元件中的每个菲涅耳元件115，光学吸收层152设置在侧壁118上并实质上覆盖侧壁。
在一些实施方案中，光学膜包括聚合物层333，该聚合物层包括主表面168，该主表面包括多个菲涅耳元件。每个菲涅耳元件包括光学刻面(例如，117)和侧壁(例如，主表面168的面向无机光学透明层157的侧壁部分的部分)，该侧壁在菲涅耳元件的脊处与光学刻面相交。该光学刻面和该侧壁可在其间限定倾斜角。对于至少大部分菲涅耳元件中的每个菲涅耳元件：无机光学透明层157设置在侧壁上并实质上覆盖侧壁；并且光学吸收层152设置在无机光学透明层157上，与光学吸收层152实质上覆盖无机光学透明层157的侧壁相对。
在一些实施方案中，无机光学透明层157可与其他层诸如如下的光学吸收层一起设置在侧壁上。可将无机光学透明层共形涂覆到微结构化聚合物层上，可将光学吸收层(和任选地其他层)共形涂覆到无机光学透明层上，可在第一蚀刻步骤中从光学刻面移除光学吸收层(和任选的其他层)，然后可在第二蚀刻步骤中从光学刻面移除或部分移除无机光学透明层。例如，第一蚀刻步骤和第二蚀刻步骤可利用不同的蚀刻剂(例如，用于第一蚀刻步骤的仅氧等离子体和用于第二蚀刻步骤的氟化气体或其他卤化气体)，以便在对应的蚀刻步骤中移除期望的层。
在一些实施方案中，对于至少大部分菲涅耳元件115中的每个菲涅耳元件，第一层154具有平均厚度t1，并且光学吸收层152具有平均厚度t2。在一些实施方案中，t1和t2各自大于100nm且小于2微米或小于1微米或小于500nm。在一些实施方案中，t1和t2各自小于500nm。在一些实施方案中，对于至少大部分菲涅耳元件115中的每个菲涅耳元件，菲涅耳元件的侧壁118具有从相邻菲涅耳元件的底部到菲涅耳元件的脊119的高度H。在一些实施方案中，H/t1>10，或H/t1>12，或H/t1>15，或H/t1>18，或H/t1>20。在一些实施方案中，H/t1<100。在一些实施方案中，H/t2>10，或H/t2>12，或H/t2>15，或H/t2>18，或H/t2>20。在一些实施方案中，H/t2<100。例如，在一些实施方案中，H/t1>15并且H/t2>15。
在一些实施方案中，对于至少大部分菲涅耳元件中的每个菲涅耳元件，光学刻面117是平面的(例如，如在典型的常规菲涅耳透镜中)。图18是具有平面光学刻面217的菲涅耳元件的示意图，其中菲涅耳元件的侧壁218与菲涅耳元件的底部285成一角度
Figure BDA0003613989370000121
在其他实施方案中，对于至少大部分菲涅耳元件115中的每个菲涅耳元件，光学刻面117是弯曲的。例如，刻面可以是弯曲的以调整各种光学特性，如例如美国法定发明注册号H423(Mohon等人)中所述。例如，光学刻面117可以是弯曲的，如图19中针对弯曲的光学刻面317示意性地描绘的(朝侧壁218和/或朝底部285和/或朝主表面114凹入(例如，参见图1))，或者如图20中针对弯曲的光学刻面417示意性地描绘的(朝侧壁218和/或朝底部285和/或朝主表面114凸出)。图18至图20中的角度
Figure BDA0003613989370000122
例如可在80度至90度或85度至90度的范围内。在一些实施方案中，例如，由于制造限制，
Figure BDA0003613989370000123
小于90度(例如，85至89.5度)。
图21是表面517的平均偏差表面粗糙度Ra的示意图，该表面可以是光学刻面的表面。平均偏差表面粗糙度Ra是表面高度与平均表面高度的偏差的绝对值的平均值(例如，穿过刻面的横截面(例如，与刻面的长度正交的横截面)的长度上的平均值)。在弯曲刻面的情况下，可相对于平均或标称弯曲表面来定义表面高度的偏差。在一些实施方案中，对于至少大部分菲涅耳元件115中的每个菲涅耳元件，光学刻面117具有<250nm的平均偏差表面粗糙度Ra。在一些实施方案中，Ra小于200nm、150nm、100nm、70nm、50nm、30nm或20nm。在一些实施方案中，Ra大于50nm、70nm、90nm。例如，在一些实施方案中，50nm<Ra<200nm或70nm<Ra<200nm。对于一些应用，期望光学刻面117是光学平滑的(例如，Ra<50nm)。对于其他应用，可能需要一定程度的表面粗糙度(例如，50nm<Ra<250nm或90nm<Ra<200nm)。例如，具有一定程度的用于防反射的表面粗糙度可能是有用的，用于提供(例如弱的)光学漫射和/或用于改善粘结。已经发现，使用国际专利申请WO 2019/118685(Schmidt等人)中描述的方法将光学吸收层从倾斜刻面沉积和移除，导致许多应用的表面粗糙度高于期望的表面粗糙度(例如，Ra大于300nm或大于400nm)，即使施加到水平刻面的相同方法导致低表面粗糙度。然而，已经发现，例如，通过仔细控制光学刻面在反应离子蚀刻工艺中暴露于等离子体的时间，可降低表面粗糙度(例如，Ra)(例如，降低至小于250nm或小于200nm)。此外，已经发现，在施加光学吸收层(和/或其他层)之前施加无机光学透明层作为蚀刻阻挡层可进一步降低表面粗糙度，并且可产生光学平滑的光学刻面(例如，Ra<50nm)，即使蚀刻时间较长。均方根表面粗糙度Rq也可被确定，并且可处于针对Ra所描述的任何范围内。
表面粗糙度可由通过例如原子力显微镜(AFM)、触针轮廓术或光学轮廓术测量的表面轮廓来确定。对于小的表面粗糙度(例如，小于50nm)，AFM通常是优选的。
可使用任何合适的沉积技术沉积无机光学透明层、第一层(例如，覆层)、光学吸收层和/或第二层(例如，保护层)(例如，作为整个结构化表面上的共形涂层)。可使用的各种涂覆方法包括例如逐层(LbL)涂覆、化学气相沉积(CVD)、溅射、反应溅射和原子层沉积(ALD)。随后可从光学刻面实质上移除沉积层中的至少一些沉积层(例如，所有层，或除任选的无机光学透明层外的所有层)(例如，至少移除到剩余在光学刻面上的沉积层中的至少一些沉积层的任何材料不会显著影响光学性能的程度)。
在一些实施方案中，第一层和光学吸收层中的至少一者包括由通常称之为“逐层自组装工艺”而沉积的至少两个双层。该工艺通常用于静电地组装带相反电荷的高分子电解质的膜或涂层，但其它功能诸如氢键供体/受体、金属离子/配体以及共价键部分可以是膜组装的驱动力。合适工艺的一些示例包括美国专利8,234,998(Krogman等人)和8,313,798(Nogueira等人)、美国专利申请公布2011/0064936(Hammond-Cunningham等人)以及国际专利申请WO 2019/118685(Schmidt等人)中描述的那些。例如，逐层浸涂可使用StratoSequence VI(佛罗里达州塔拉哈西的nanoStrata公司(nanoStrata Inc.,Tallahassee,FL))浸涂机器人进行。
在一些实施方案中，通过逐层自组装沉积的多个双层是包括包含吸光材料(例如，颜料)的有机聚合物聚离子(例如，阳离子)和抗衡离子(例如，阴离子)的高分子电解质叠堆。阳离子层的至少一部分、阴离子层的至少一部分或它们的组合的至少一部分可包括离子地粘结到高分子电解质的吸光材料(例如，颜料)。吸光化合物可分散在高分子电解质层的至少一部分内。可利用各种高分子电解质，包括无机化合物诸如二氧化硅或硅酸盐，以及各种膦酰基羧酸及其盐(其中的一些描述于美国专利10,365,415(Schmidt)中)。
可选择双层的厚度和双层的数量以实现期望的光学特性(例如，在光学吸收层的情况下的光吸收，或在第一层的情况下侧壁与光学吸收层之间的反射减少)。在一些实施方案中，使用最小总厚度的自组装层和/或最少数目的逐层沉积步骤选择双层的厚度和/或双层的数目以实现期望的光学特性。每个双层的厚度通常在约5nm至350nm的范围内。双层的数目通常为至少5个、6个、7个、8个、9个或10个。在一些实施方案中，每个叠堆的双层的数目为不大于150个或100个。应当理解，最终制品中的各个双层可能无法通过本领域中的常见方法诸如扫描电子显微术(SEM)或透射电子显微术(TEM)彼此区分。在一些实施方案中，选择双层的厚度和双层的总数，使得第一层和光学吸收层的总厚度小于2微米。
在将光学吸收层和任选的第一层和/或第二层和/或无机光学透明层施加到膜的(例如，整个)微结构化表面上并干燥之后，光学吸收层以及第一和第二层(当存在时)可从光学刻面移除，并且也可从相邻菲涅耳元件之间的平台区域(如果有的话)移除。可用作蚀刻阻挡层的无机光学透明层通常不被移除，但可任选地在随后的蚀刻步骤中被移除。
可使用任何合适的方法来选择性地从光学刻面移除层。在一些实施方案中，通过反应离子蚀刻移除层。反应离子蚀刻(RIE)是利用离子轰击来除去材料的定向蚀刻工艺。RIE系统用于通过蚀刻在离子轰击方向上的表面来移除有机或无机材料。反应离子蚀刻与各向同性等离子体蚀刻之间最显著的差异是蚀刻方向。反应离子蚀刻的特征在于竖直蚀刻速率与侧向蚀刻速率的比率大于1。用于反应离子蚀刻的系统通常围绕耐用真空室构建。在开始蚀刻工艺之前，通常将室抽空至低于1托、100mTorr、20mTorr、10mTorr或1mTorr的基础压力。通常，电极保持待处理的材料并与真空室电隔离。电极可为圆柱形状的可旋转电极。反电极通常也设置在室内，并且可包括真空反应器壁。包含蚀刻剂的气体通常通过控制阀进入室。可通过真空泵连续抽空室气体来维持工艺压力。所用气体的类型取决于蚀刻工艺。例如，蚀刻剂可包括氧气、氟化气体或其他卤化气体中的一种或多种。四氟化碳(CF4)、六氟化硫(SF6)、八氟丙烷(C3F8)、全氟己烷(C6F14)、三氟甲烷(CHF3)、三氯化硼(BCl3)、溴化氢(HBr)、三氟化氮(NF3)、氯、氩和氧通常用于蚀刻。将射频(RF)功率施加到电极以生成等离子体。反应离子蚀刻在本领域中是已知的，并且在美国专利8,460,568(David等人)和国际专利申请WO 2019/118685(Schmidt等人)中有进一步描述。
样品可在受控的时间段内通过等离子体在电极上传送，以实现特定的蚀刻深度或限制蚀刻，使得蚀刻不会穿透到期望被移除的层之下。例如，如果期望移除光学吸收层，并且不包括无机光学透明层，则可调整时间段以使光学刻面可以暴露于等离子体的时间最小化。如其他地方所述，这可降低光学刻面的表面粗糙度(例如，使得Ra<250nm)。
在一些实施方案中，通过激光烧蚀(例如，脉冲激光烧蚀)移除光学吸收层(和/或其他层)。脉冲激光烧蚀(PLA)是利用光子通量生成足够光子能量密度以通过氧化和/或溅射移除材料的定向烧蚀工艺。PLA系统用于通过蚀刻在光子能量密度方向上的表面来移除有机或无机材料，该光子能量密度可在生成等离子体羽时蒸发靶。PLA取决于激光的波长，以及在吸光材料中在该波长处存在的吸收量。激光脉冲的吸收生成用于热、化学或机械蒸发、烧蚀和/或等离子体形成的能量。激光脉冲位置中氧化气体的存在可能会改变PLA工艺期间发生的化学氧化的量。可通过光学配置改变能量密度以改变焦点的尺寸和位置，并且可通过激光系统的功率设定值改变能量密度。激光能量密度和样品的相对取向可允许本领域技术人员烧蚀以倾斜角涂覆在结构化表面上的光学吸收层。
2019年11月8日提交并且标题为“光学膜(OPTICAL FILM)”的美国申请62/932578中描述了包括微结构的光学膜的示例，每个微结构具有光学刻面和在微结构的脊处与光学刻面相交的侧壁，其中光学吸收层设置在侧壁上而不在光学刻面上。
以下为本说明书的示例性实施方案的列表。
第一实施方案是一种光学系统，包括：
光源；
光学膜，所述光学膜围绕第一轴线弯曲并且包括微结构化的第一主表面和相对的第二主表面，所述微结构化的第一主表面限定线性菲涅耳透镜，所述线性菲涅耳透镜包括沿所述第一轴线纵向延伸的多个菲涅耳元件；和
光控膜，所述光控膜围绕所述第一轴线弯曲并且设置在所述光源与所述光学膜之间，所述光学膜的所述第一主表面面向所述光控膜，所述光控膜包括沿所述第一轴线纵向延伸的多个交替的光学透射区和光学吸收区，使得在与所述第一轴线正交的横截面中，对于至少大部分所述光学透射区，相邻光学吸收区之间的中心线实质上垂直于所述光控膜的主表面。
第二实施方案是根据第一实施方案所述的光学系统，其中所述光源包括背光。
第三实施方案是根据第二实施方案所述的光学系统，其中所述背光包括围绕所述第一轴线弯曲的光导。
第四实施方案是根据第二实施方案或第三实施方案所述的光学系统，还包括显示面板，所述显示面板设置在所述背光与所述光控膜之间。
第五实施方案是根据第一实施方案至第三实施方案中任一项所述的光学系统，还包括显示面板，所述光学膜设置在所述显示面板与所述光控膜之间。
第六实施方案是根据第一实施方案所述的光学系统，其中所述光源包括围绕所述第一轴线弯曲的有机发光二极管(OLED)显示器。
第七实施方案是根据第一实施方案至第六实施方案中任一项所述的光学系统，其中所述多个菲涅耳元件包括至少部分地涂覆有无机光学透明层的多个聚合物菲涅耳元件。
第八实施方案是根据第七实施方案所述的光学系统，其中每个菲涅耳元件包括光学刻面和在所述菲涅耳元件的脊处与所述光学刻面相交的侧壁，其中对于至少大部分所述菲涅耳元件中的每个菲涅耳元件，光学吸收层设置在设置于所述侧壁上的所述无机光学透明层上并实质上覆盖所述无机光学透明层。
第九实施方案是根据第一实施方案至第八实施方案中任一项所述的光学系统，其中气隙将所述光学膜的所述第一主表面的至少大部分与所述光控膜分开。
第十实施方案是根据第一实施方案至第九实施方案中任一项所述的光学系统，其中所述光学膜和所述光控膜沿所述光学膜的至少边缘和所述光控膜的对应边缘彼此胶粘。
第十一实施方案是根据第一实施方案至第九实施方案中任一项所述的光学系统，其中所述光学膜的所述第一主表面包括朝所述光控膜延伸并且由设置在所述光控膜上的粘合剂层接收的多个细长间隔构件。
第十二实施方案是根据第一实施方案至第九实施方案中任一项所述的光学系统，还包括：
低折射率层，所述低折射率层设置在所述光学膜的所述第一主表面的至少大部分上并与之接触，所述低折射率层具有不超过1.45的折射率；和
光学粘合剂，所述光学粘合剂将所述低折射率层粘结到所述光控膜。
第十三实施方案是一种光学系统，包括：
光学膜，所述光学膜围绕第一轴线弯曲并且包括微结构化的第一主表面和相对的第二主表面，所述微结构化的第一主表面限定线性菲涅耳透镜，所述线性菲涅耳透镜包括沿所述第一轴线纵向延伸的多个菲涅耳元件，每个菲涅耳元件包括光学刻面和在所述菲涅耳元件的脊处与所述光学刻面相交的侧壁，其中对于至少大部分所述菲涅耳元件中的每个菲涅耳元件，光学吸收层设置在所述侧壁上并实质上覆盖所述侧壁，所述光学吸收层具有平均厚度t，100nm<t<1微米；
光控膜，所述光控膜围绕所述第一轴线弯曲并且靠近所述光学膜设置，所述光学膜的所述第一主表面面向所述光控膜，所述光控膜包括沿所述第一轴线纵向延伸的多个交替的光学透射区和光学吸收区，使得在与所述第一轴线正交的横截面中，对于至少大部分所述光学透射区，相邻光学吸收区之间的中心线实质上垂直于所述光控膜的主表面。
第十四实施方案是根据第十三实施方案所述的光学系统，其中对于至少大部分所述菲涅耳元件中的每个菲涅耳元件，所述菲涅耳元件的所述侧壁具有从相邻菲涅耳元件的底部到所述菲涅耳元件的脊的高度H，H/t>15。
第十五实施方案是根据第十三实施方案或第十四实施方案所述的光学系统，其中所述多个菲涅耳元件的消光系数k0<0.05，并且其中对于至少大部分所述菲涅耳元件中的每个菲涅耳元件，第一层设置在所述侧壁与所述光学吸收层之间，所述第一层的消光系数k1>k0，所述光学吸收层具有消光系数k2，其中k2-k1>0.05。
实施例
对如图1中一般描述的光学系统和对比光学系统进行光学建模，其中菲涅耳透镜设置在光控膜上，其中菲涅耳刻面背离光源130。光源表面被取得在与z轴正交的横截面中具有抛物线形状，其中参考图1的x-y-z坐标系，形状由y＝1/20.00645x2给出，其中y和x以mm为单位。在x＝0处的曲率半径为约155mm。菲涅耳透镜被设计成使得垂直于光源表面发射的光线被菲涅耳透镜折射到y方向。针对各种视角(90度为轴上)和沿光源表面的各种位置(x坐标)计算亮度分布。图22示出了对比光学系统的结果。图23示出了在侧壁上没有光学吸收层的图1的光学系统的结果。图24示出了在侧壁上具有光学吸收层(例如，如图11所示)的图1的光学系统的结果。对比光学系统对于约60度的视角和约-40mm的x坐标示出亮带。在图1和图23的光学系统中，该亮带实质上被消除。然而，对于约50度的视角和约55mm的x坐标存在光泄漏，这在一些应用中可能是令人不悦的。通过如图24所示在侧壁上包括光学吸收层，实质上消除了这种光泄漏。
上述所有引用的参考文献、专利和专利申请以一致的方式全文据此以引用方式并入本文。在并入的参考文献部分与本申请之间存在不一致或矛盾的情况下，应以前述说明中的信息为准。
除非另外指明，否则针对附图中元件的描述应被理解为同样应用于其他附图中的对应的元件。虽然本文已经例示并描述了具体实施方案，但本领域的普通技术人员将会知道，在不脱离本公开范围的情况下，可用多种另选的和/或等同形式的具体实施来代替所示出和所描述的具体实施方案。本申请旨在涵盖本文所讨论的具体实施方案的任何改型或变型。因此，本公开旨在仅受权利要求及其等同形式的限制。

Claims (15)

1.一种光学系统，包括：
光源；
光学膜，所述光学膜围绕第一轴线弯曲并且包括微结构化的第一主表面和相对的第二主表面，所述微结构化的第一主表面限定线性菲涅耳透镜，所述线性菲涅耳透镜包括沿所述第一轴线纵向延伸的多个菲涅耳元件；和
光控膜，所述光控膜围绕所述第一轴线弯曲并且设置在所述光源与所述光学膜之间，所述光学膜的所述第一主表面面向所述光控膜，所述光控膜包括沿所述第一轴线纵向延伸的多个交替的光学透射区和光学吸收区，使得在与所述第一轴线正交的横截面中，对于至少大部分所述光学透射区，相邻光学吸收区之间的中心线实质上垂直于所述光控膜的主表面。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述光源包括背光。
3.根据权利要求2所述的光学系统，其中所述背光包括围绕所述第一轴线弯曲的光导。
4.根据权利要求2所述的光学系统，还包括设置在所述背光与所述光控膜之间的显示面板。
5.根据权利要求1所述的光学系统，还包括显示面板，所述光学膜设置在所述显示面板与所述光控膜之间。
6.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述光源包括围绕所述第一轴线弯曲的有机发光二极管(OLED)显示器。
7.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述多个菲涅耳元件包括至少部分地涂覆有无机光学透明层的多个聚合物菲涅耳元件。
8.根据权利要求7所述的光学系统，其中每个菲涅耳元件包括光学刻面和在所述菲涅耳元件的脊处与所述光学刻面相交的侧壁，其中对于至少大部分所述菲涅耳元件中的每个菲涅耳元件，光学吸收层设置在设置于所述侧壁上的所述无机光学透明层上并实质上覆盖所述无机光学透明层。
9.根据权利要求1所述的光学系统，其中气隙将所述光学膜的所述第一主表面的至少大部分与所述光控膜分开。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的光学系统，其中所述光学膜和所述光控膜沿所述光学膜的至少边缘和所述光控膜的对应边缘彼此胶粘。
11.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述光学膜的所述第一主表面包括朝所述光控膜延伸并且由设置在所述光控膜上的粘合剂层接收的多个细长间隔构件。
12.根据权利要求1所述的光学系统，还包括：
低折射率层，所述低折射率层设置在所述光学膜的所述第一主表面的至少大部分上并与之接触，所述低折射率层具有不超过1.45的折射率；和
光学粘合剂，所述光学粘合剂将所述低折射率层粘结到所述光控膜。
13.一种光学系统，包括：
光学膜，所述光学膜围绕第一轴线弯曲并且包括微结构化的第一主表面和相对的第二主表面，所述微结构化的第一主表面限定线性菲涅耳透镜，所述线性菲涅耳透镜包括沿所述第一轴线纵向延伸的多个菲涅耳元件，每个菲涅耳元件包括光学刻面和在所述菲涅耳元件的脊处与所述光学刻面相交的侧壁，其中对于至少大部分所述菲涅耳元件中的每个菲涅耳元件，光学吸收层设置在所述侧壁上并实质上覆盖所述侧壁，所述光学吸收层具有平均厚度t，100nm<t<1微米；
光控膜，所述光控膜围绕所述第一轴线弯曲并且靠近所述光学膜设置，所述光学膜的所述第一主表面面向所述光控膜，所述光控膜包括沿所述第一轴线纵向延伸的多个交替的光学透射区和光学吸收区，使得在与所述第一轴线正交的横截面中，对于至少大部分所述光学透射区，相邻光学吸收区之间的中心线实质上垂直于所述光控膜的主表面。
14.根据权利要求13所述的光学系统，其中对于至少大部分所述菲涅耳元件中的每个菲涅耳元件，所述菲涅耳元件的所述侧壁具有从相邻菲涅耳元件的底部到所述菲涅耳元件的脊的高度H，H/t>15。
15.根据权利要求13所述的光学系统，其中所述多个菲涅耳元件的消光系数k0<0.05，并且其中对于至少大部分所述菲涅耳元件中的每个菲涅耳元件，第一层设置在所述侧壁与所述光学吸收层之间，所述第一层的消光系数k1>k0，所述光学吸收层具有消光系数k2，其中k2-k1>0.05。
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