[发明专利]用于变换具有朗伯分布的光的垂直集成透射微结构

说明书

一种用于变换朗伯光分布的透光基底，包括：具有第一侧和与第一侧相对的第二侧的基膜；被设置在该基膜的第一侧上的多个第一微结构以及多个第一谷。每个第一谷由一对相邻的第一微结构限定。填充材料被设置在多个第一谷中，并限定与基膜的第一侧间隔开并与之基本平行的基本平坦的表面。该基底还包括被设置在填充材料的基本平坦的表面上的多个第二微结构和多个第二谷。每个第二谷由一对相邻的第二微结构限定。

相关申请的交叉引用

该国际PCT专利申请依赖于2018年6月22日提交的标题为“用于变换具有朗伯分布的光的垂直集成透射微结构”的美国临时专利申请序列No.62/688,757的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及用于变换具有朗伯分布的光的垂直集成的微结构。

背景技术

发光二极管(LED)已迅速成为当前应用的主要光生成器件。本质上，LED以朗伯分布方式发光，其特征在于在发射方向(零度或“最低点”)上最强的强度。如图1所示，光强度随偏离零度(最低点)发射方向的角度的余弦函数而减小，并且随着该角度达到与最低点成90度而减小到零。这种分布对于许多应用而言都是不希望的。

例如，当使用LED照亮平坦表面目标时，光传播路径的长度对于不同的目标位置而变化。通常，在LED发射最高光强度的零度方向上，路径长度最短，这迫使设计人员增加光源密度，以在所需区域上实现良好的照明均匀性。

对于要求在具有低光源密度的平坦平面的期望区域上均匀或一致照明的应用，例如用于显示器的背光单元或大面积的照明项目，光源应当以朗伯分布的逆向方式传递光能量，即，在零度(最低点)强度降低，并且在远离最低点的角度处强度高，例如，如图2所示。这种分布轮廓(如图2所示)通常被称为“蝙蝠翼(batwing)”分布，并且对于实现均匀照明更为理想。

对于诸如在智能电话、平板电脑和膝上型计算机屏幕中的移动显示应用，非常希望将光能量转向观察者(最低点方向)，从而可以以最小的能量消耗使显示表面的亮度最大化。这种光学功能通常被称为“亮度增强”。

对于许多照明应用，希望在高角度(即，从最低点起＞65度)处使发光能量最小化，以减少可能引起视觉不适的炫光。这种光学功能通常称为“炫光减少”。

上面提到的光学功能可以使用具有各种棱镜脊角的线性棱镜微结构来实现。例如，使用具有1.5的折射率的普通聚合物，介于75度至90度之间的微结构脊角可将朗伯分布变换为蝙蝠翼分布，大约90度的微结构脊角可实现最佳的亮度增强性能，并且约115度的微结构脊角可以实现最佳的炫光减少。

为了进一步增强LED的光学性能，可以使用彼此正交布置的两层棱镜微结构。例如，这种布置可以用于将朗伯分布变换成在X和Y两个方向上的蝙蝠翼分布。交叉被设计用于亮度增强的两层棱镜微结构可以进一步将亮度提高约50％，并且交叉被设计用于炫光减少的两层棱镜微结构可以消除在X和Y两个方向上与最低点成高角度处的不需要的光能。尽管可以通过使用两层棱镜微结构来增强LED的光学性能，但是由于层的组合的厚度，这种布置对于紧凑的应用可能不可行。期望以更紧凑的结构来增强LED的光学性能。

发明内容

已经发现，可以以紧凑的方式在透光膜上制造的透光棱镜微结构可以被用于执行期望的变换功能，以便将朗伯分布变换为在两个维度上具有增强后的亮度、减少后的炫光的光分布，和/或二维蝙蝠翼分布，因此小型LED光源可以被用在紧凑型应用中。下面描述本发明的实施例。