CN100451685C - 把元件排列成随机图案的方法及使用该方法的装置 - Google Patents

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Abstract

将元件在表面上任意排列成随机图案、使得元件的随机图案基本上完全占据表面区域的方法包括选择重叠距离以及创建基本上完全占据表面区域的元件的初始图案，其中，相邻元件重叠所述重叠距离。该方法还包括：选择最大位移距离；以及将元件从初始图案中它们的位置移动随机位移距离，随机位移距离小于最大位移距离。此外，两个相邻元件之间的位移的带符号差不大于重叠距离。还公开了包括元件的装置。

Description

把元件排列成随机图案的方法及使用该方法的装置
技术领域
本发明的实施例涉及用于把来自光源的光重定向到垂直于薄膜平面的方向的光重定向薄膜。
背景技术
光重定向薄膜可用于各种应用。举例说明，光定向薄膜可用作显示或照明装置的组成部分。显示和照明装置可基于各种技术，并且可具有差异很大的应用。不管技术基础或应用如何，光定向薄膜可用来改进从光源发射到输出端的光的效率。
在显示技术中得到重视的一种技术是液晶(LC)技术。LC显示器(LCD)包括经调制以提供光阀功能的液晶材料。在许多LCD应用中，改进功率效率是有用的。增加LCD(或其它类似显示器)的功率效率的益处还包括在改进显示器的图像质量方面可能是有用的。
改进LCD的效率的一种方式是通过采用光重定向薄膜使光再循环。光重定向薄膜的光学器件可能非常具体且细致。光重定向薄膜可包括多个光学元件。这些光学元件可经过成形和设置，以便重定向LCD中的光，从而使LCD更具有能量效率。但是，可能存在降低显示器的质量的光重定向薄膜的副作用(例如莫阿效应或莫阿干涉图案)。例如，呈现莫阿效应的光重定向薄膜可能在LCD屏幕上具有不合要求的不均匀亮度。这种不均匀亮度可能因光重定向薄膜中的光学元件的有序排列而引起。因此，需要至少针对以上所述缺陷的装置或方法或者这两者。
发明内容
根据一个示例实施例，将元件在表面任意排列成随机图案、使得元件的随机图案实质上完全占据表面区域的方法包括选择重叠距离以及创建实质上完全占据表面区域的元件的初始图案，其中，相邻元件重叠所述重叠距离。该方法还包括：选择最大位移距离；以及按照随机位移距离从初始图案中元件的位置来移动元件，随机位移距离小于最大位移距离。此外，两个相邻元件之间的位移的带符号差不大于重叠距离。
根据另一个示例实施例，装置包括在表面上以实质上随机的图案设置的多个元件。元件说明性地覆盖实质上全部的表面区域，并且设置在与元件的参考图案中它们的位置相距随机位移距离处，其中相邻元件重叠了重叠距离。位移距离小于最大位移距离，以及相邻元件中的两个之间的位移的带符号差不大于重叠距离。
附图说明
通过以下结合附图的详细说明透彻地理解本发明。要强调的是，各个特征不一定按比例绘制。实际上，为了论述清楚，尺寸可任意增大或减小。
图1和图2是根据示例实施例的单个独立光学元件的示意图。
图3说明根据示例实施例的光重定向薄膜。
图4说明根据示例实施例以有序图案排列的独立光学元件。
图5说明根据示例实施例的弯曲光学元件的取向。
图6说明根据示例实施例的弯曲光学元件的交错。
图7是根据示例实施例的光重定向薄膜的截面的视图。
图8是根据示例实施例的光重定向薄膜的示意横截面。
图9是根据示例实施例、其中的各光学元件被随机移位的光学薄膜的示意图。
图10是根据示例实施例的光管理薄膜的横截面的示意图。
图11a说明根据示例实施例水平接触的光重定向薄膜的两个光学元件。
图11b说明根据示例实施例重叠的光重定向薄膜的两个光学元件。
图12a、12b、12c和12d说明根据示例实施例在水平以及垂直方向上都相邻的光学元件。
图13是根据示例实施例具有重叠光学元件的光学薄膜的示意图。
图14是根据示例实施例具有其量值大于元件的初始重叠的随机位移的光学薄膜的示意图。
图15、16、17和18说明根据示例实施例具有光重定向薄膜的液晶显示器。
定义术语
本文所使用的术语“光学增益”、“轴上增益”或“增益”表示通常垂直于薄膜平面的预期方向上的输出光强度除以相同方向上的输入光强度之比。增益用作光重定向薄膜的效率的量度，并且可用来比较光重定向薄膜的性能。
本文所使用的术语“独立光学元件”在光学薄膜的上下文中表示可能是光学薄膜中的凸出或凹陷的规定形状的元件。独立光学元件相对光学薄膜的长度和宽度很小。本文所使用的术语“曲面”表示薄膜上不是平面的三维表面。本文所使用的术语“楔形元件”表示包括一个或多个斜面的元件，并且这些表面可能是平面和曲面的组合。楔形元件的一个实例是类似橙切片的截面，以及另一个如图1所示。
具体实施方式
为便于说明而不是进行限制，以下详细说明中提出了公开具体细节的示例实施例，以便透彻地理解本发明。然而，获益于本公开的本领域的技术人员非常清楚，可在与本文公开的具体细节不同的其它实施例中实施本发明。此外，可省略对众所周知的装置及方法的说明，以免妨碍对本发明的描述。这类方法以及装置和方法在实现示例实施例时显然属于本发明人的考虑范围之内。在可能的情况下，相似标号始终表示相似特征。
示例实施例的光重定向薄膜可能是薄的透明光学薄膜或衬底，它们重新分布通过薄膜的光，使得离开薄膜的光的分布被定向为更多地与薄膜表面垂直。这些光重定向薄膜可在薄膜的光离开表面上配备有序棱柱形凹槽、双凸凹槽或棱锥，它们改变用于离开薄膜的光线的薄膜/空气界面的角度，并使通过与凹槽的折射面垂直的平面的入射光分布的成分在更多地垂直于薄膜表面的方向上重新分布。例如，这类光重定向薄膜用来改进液晶显示器(LCD)、膝上型电脑、文字处理器、航空电子显示器、蜂窝电话、PDA等的亮度，以便使显示器看起来更明亮。
本文所述的示例实施例涉及包括独立光学元件的光重定向薄膜，所述独立光学元件在用于照明系统和显示器时显著减小有害光学效应、如莫阿效应，同时保持较高的轴上增益。要注意，为了说明清楚，示例实施例的光重定向薄膜通常结合LC系统来描述。但是要强调的是，这只是示例实施例的光重定向薄膜的一个说明性实现。实际上，示例实施例的光重定向薄膜可用于其它应用，例如基于光阀的显示器和照明应用，等等。获益于本说明的本领域的技术人员非常清楚，光重定向薄膜可通过其它各种技术来实现。
莫阿效应直观地表示两个相似空间图案之间的几何干涉。在包含相同或接近相同的周期性的图案之间，干涉最明显。观看级联透射光栅、如尖桩篱栅时观测到的图案是莫阿效应的实例。在分析这些图案时很明显，莫阿图案是光栅的周期分量的和与差的结果。此现象往往称作两个图案的差拍。所得可观测莫阿图案具有比两个原始图案的任一个更低的频率，具有取决于差拍的谐波分量的强度的幅度，以及具有取决于两个图案的相对取向的取向。例如，垂直对齐并且以相互之间角度θ定向的相等周期p的两个方波透射光栅所产生的莫阿图案将以近似等于p/θ的周期水平定向，并具有通过各光栅线形的卷积所给定的线形。当角度变为零时，周期变成无限宽。但是，对于完全对齐的光栅，在它们具有接近相同的周期时莫阿效应是可观测的。所得莫阿图案将具有等于p1*p2/(p1-p2)的周期，其中p1和p2是两个光栅周期。例如，如果光栅1具有周期p1＝0.05mm以及光栅2具有周期p2＝0.0501mm，则所得莫阿周期将为25mm。
明显具有显著不同的周期的光栅在它们具有频率上接近的谐波时可产生莫阿效应。具有周期p1的方波光栅将具有作为1/p1的倍数n、即n/pl的谐波。具有周期p2的第二光栅的基础的这些谐波的差拍将产生具有等于p1*p2/(n*p2-p1)的周期的差拍。考虑具有周期p1＝0.25mm的光栅以及具有周期p2＝0.0501的光栅的第五谐波(n＝5)。所得莫阿周期为25mm。
是否实际上观测到所产生的莫阿图案取决于所得周期和调制。这些参数的组合视觉效应包含在对比度调制门限的Van Nes Bouman曲线中。这个曲线表明作为以周期/度给出的空间频率的函数的可观测性所需的最小对比度。一般来说，眼睛对于2与10周期/度之间、峰值为5周期/度的频率最为敏感。在这个范围内，可视门限为～0.1％调制。把空间周期转换为单位为周期/度的空间频率需要引入观看者观看距离。在18英寸的观看距离处，一度对着～8mm。因此，将8mm除以单位为mm的莫阿图案的空间周期得到单位为周期/度的空间频率。对于以上实例，25mm的莫阿周期对应于～0.32周期/度。在这个空间频率上，可视门限为～1％调制。通过傅立叶分析，纯方波光栅将具有～1.8％调制，使它们略微可见。
可以理解，影响莫阿图案的可见性的某些参数是单位为周期/度的空间频率及其调制。由于这些属性源自基础光栅，所以它们的结构参数是关键的。如本文所述，直线光栅或者仅以一个方向改变的光栅将产生直线莫阿图案。弯曲结构或偏移引入图案使图案为二维的。
周期性布局将产生二维谐波分量。它将是具有可产生莫阿图案的薄膜晶体管(TFT)黑矩阵结构的周期性的这些周期分量的差拍。这种二维图案可看作是重叠菱形或正弦波。随着长尺寸延长，图案变成一维，并且莫阿图案可按照以上所述产生。这与TFT和线性光栅之间产生的莫阿图案相似，但元件的弯曲结构因卷积运算而产生更宽的线形，因而对比度可能更低。所引入的随机化还帮助破坏周期性，从而进一步减小莫阿效应的观测。结合示例实施例描述较少受到莫阿图案影响的光重定向薄膜，并且还描述用于产生这类薄膜的示例实施例。
图1是单个弯曲独立光学元件101的示意图，其中具有一个曲面102和一个平面103。两个表面接合的曲边是脊104。在示例实施例中，独立光学元件具有一个曲面和一个平面。曲面102可能具有一个轴、二个轴或三个轴上的曲率，并且用于在一个以上方向上重定向光。例如，薄膜可包含左右及上下弯曲的元件。要注意，示例实施例包含在薄膜的平面上具有曲率的元件，使得元件可在一个以上方向上重定向光。
在示例实施例中，独立光学元件具有两个曲面。曲面可能具有一个轴、二个轴或三个轴上的曲率，并且用于在一个以上方向上重定向光。例如，图2是单个独立光学元件201的示意图，其中具有曲面202和203。两个表面接合的曲边同样是脊204。要注意，示例实施例具有两个对称曲面，使得光输出也是对称的。
图3是具有基本上由独立光学元件101的有序阵列覆盖的前表面301的示例光重定向薄膜的示意图。来自背光或其它光源的光在背表面302进入薄膜，并在形成图案的前表面301离开。各个方向的相邻元件上的相同点(例如脊中心上的点)之间的距离称作那个方向上的图案的间距。当光学元件的位置随机化时，可计算各个方向上的平均间距。没有被光学元件覆盖的薄膜前表面的任何区域称作“未形成图案区域”。
图4是根据本发明的其它说明性实施例、排列成有序图案的其它独立光学元件401、402、403的顶视图。各种类型的光学元件的脊404、405、406表示为虚线。在一些实施例中，图案的元件可能具有多种尺寸和形状，但仍然组合成完全覆盖光学薄膜的表面。因此，示例实施例的光重定向薄膜可能具有许多不同形状的独立光学元件。在Parker等人的美国专利6752505中描述了这些形状的一部分。通过引用将这个专利的公开结合到本文中。
独立光学元件可在许多配置中设置在薄膜上，并且实际上可定制为来自光导板的光输出。在一个实施例中，大约一半独立光学元件相互之间旋转大约180度。当脊的任一侧的元件表面不对称时，这在垂直于元件的脊的方向上实质上相等地提供光重定向。说明弯曲元件501的这种取向的一个示例实施例如图5所示。
在示例实施例中，独立光学元件相互交错。这种交错帮助隐藏光重定向薄膜中的水平图案，因而减小系统中的莫阿效应。光学元件601可经过交错和排列，使得在光重定向薄膜上没有未形成图案区域，如图6所示。
在某些示例实施例中，独立光学元件在镜像配置中彼此相对定向。在这种镜像配置中，元件对经过排列，使得元件是彼此的镜像。例如，图5的示例实施例的元件501在镜像配置中彼此相对。元件501的这些镜像对本身或者与其它对相交或重叠。这些对可经过排列，使得在光重定向薄膜上没有未形成图案区域。
当前示例实施例的说明性光学元件具有表明在元件的最高点上的大约90度夹角的横截面。这个横截面是有益的，因为大约90度脊角产生光重定向薄膜的最高轴上亮度。更一般来说，元件的最高点(例如脊104)上的横截面夹角可能在大约88°至大约92°的范围内，其中具有极小或者没有轴上亮度损失。当脊的角度小于大约85度或者大于大约95度时，光重定向薄膜的轴上亮度减小。
各光学元件101有效地重定向通过其侧面102、103离开薄膜的光。但是，脊104上的光衍射作用和制造缺陷可能导致在脊上离开薄膜的光散射。另外，离开未形成图案区域中的薄膜的任何光也无法重定向。为了改进示例实施例的薄膜所提供的光重定向，由脊和未形成图案区域组成的薄膜的百分比有利地被最小化。
图7说明包含具有棱面701的元件45的光重定向薄膜的一部分。
图8说明光重定向薄膜和独立光学元件的示意横截面。离轴光805(即离开法向面804)从薄膜的背表面804进入薄膜。如果离轴光以低入射角到达光学元件的侧面802或803，则它被折射并以更接近平行于薄膜的法线的取向出现。在光学元件的侧面802或803以较高入射角入射的光线806被反射并通过照明系统再循环回来。
由于制造缺陷，通常在元件的脊上建立棱面801。根据产生棱面的制造缺陷的类型，棱面可能是平坦或者是圆形的，或者具有与两个侧面802和803的形状不同的其它形状。在棱面801上入射的光线807以相对薄膜的法线的增加角度被折射并离开观看者。如果棱面801的宽度大致低于光的波长，或者两个侧面802和803在单个顶点相交，则衍射效应仍然使脊附近的元件上入射的光射807在不希望的方向上散射。
可能在光学元件脊上建立棱面的制造缺陷可能来自许多源。例如，难以对于在整个滚筒上具有小于大约0.5微米宽的棱面的整个模具或压花滚筒精确形成图案，因为把光学元件切削为模具或滚筒的工具顶端磨损和碎裂，从而使工具上的棱面生长，因而使切削光学元件的棱面生长。此外，可能需要极高的成型压力和温度、或者极低的材料粘性来准确再生小于大约1.0微米的模具棱面，从而使这类小尺寸的棱面不可能成型。
棱面801的宽度影响薄膜的轴上增益。更宽的棱面将使输入光的更大部分被引导离开观看者或者被散射。由于它在棱面801上的入射而损失的光与比率L/p成正比，其中L是光学元件的脊棱面801的平均宽度，以及p是光学元件的脊之间的平均间距。比率L/p称作薄膜的“棱面比率”。由棱面801组成的整个薄膜表面的部分越大，则薄膜的轴上增益越低。与此相比，棱面比率越小，则轴上增益较大。因此，棱面801的宽度在理想情况下是由两个侧面802和803的汇聚形成的点。因而，有利的是尽可能使棱面801的宽度为最小。另外，有利的是使光学元件的平均间距为最大。
除了所述考虑之外，由于在棱面801上散射的光，当薄膜从背面(例如来自光源、在背面804上入射的光)被照射并以除垂直之外的角度观看时，光学元件的棱面801看起来比元件侧面802、803更明亮。薄膜上的光学元件的重复图案与光通过的其它重复结构、如LCD阵列结合，在离轴观看时可使莫阿干涉图案可见。
根据一个示例实施例，为了减小莫阿干涉及其它不希望的光学效应，光学元件的位置被随机化。现在描述根据一个示例实施例的随机化过程。要强调的是，这个过程只是说明性的，并且可执行其它过程来实现示例实施例的随机化图案。
从它在最初实质上有序的(即实质上非随机的)图案中的位置开始，各元件可向左或向右移动至多所选的最大水平位移距离d。(要注意，最初实质上有序的图案又可称作参考图案。)X方向上的带符号位移独立地对于各元件在从-d至+d的范围内随机选取。较大的随机位移将产生莫阿干涉效应的较大减小。负位移是向左，而正位移则是向右。一部分元件可能是保留在其原始位置，与零距离的位移对应。
随机位移可选择成在-d至+d的范围内均匀分布，或者它们可具有其它分布，例如正态、三角形或其它分布。范围-d至+d还可分为任何数量的离散值，从其中随机选择位移。例如，位移可随机选择为两个值-d或+d之一，或者它们可随机选择为三个值-d、0或+d之一。本领域的技术人员会理解，如果最大负位移不等于最大正位移，则结果只是水平偏移的等效随机化图案。
在某些说明性实施例中，各元件还可按照相似方式垂直地随机移动。最大垂直位移距离可能与水平最大位移距离相同或者不同。负垂直位移使元件向下移动，正位移使元件向上移动，以及零位移使元件保持为它的初始垂直位置。
例如，图9是一个说明性实施例的光学薄膜的示意图，在其中，各光学元件501在Y方向上从其标称位置随机移动多达Y间距的20％，以及在X方向上移动多达大约X间距的20％。在相邻光学元件以相反方向移动的情况下，未形成图案区域901、902、903留在薄膜上。未形成图案区域901、902、903将使入射光折射离开薄膜法线，从而产生更低的轴上增益。因此，使薄膜的未形成图案区域为最小是有用的。
图10是一个示例实施例的光管理薄膜1001的横截面的示意图。从各元件的脊到其相邻元件的脊的间距在薄膜上改变。例如，间距1002、1003、1004、1005具有不同长度。通过取薄膜的横截面的长度1006并将其除以那个长度中出现的脊数量，来计算元件的平均间距。
为了在任意安排光学元件位置时减少未形成图案区域的出现，光学元件的标称间距在各方向上可减小那个方向上的最大随机位移的两倍。任一侧上接触或重叠的元件称作“相邻者”或“相邻元件”。减小某个方向上的间距将使相邻元件在那个方向上重叠。例如，图11a说明来自光重定向薄膜、只是水平接触的两个光学元件1101、1102。与示例实施例一致，为了减小莫阿效应，元件1101可能水平移动带符号距离x1，以及元件1102可能水平(x方向)移动带符号距离x2。如果距离x2-x1为正，则未形成图案区域将留在两个光学元件1101、1102之间。相反，如图11b所示，两个光学元件1103、1104在其标称位置重叠距离1105。如果光学元件1103水平移动带符号距离x3，以及光学元件1104水平移动带符号距离x4，则未形成图案区域仅在差值x4-x3大于重叠1105时会留在两个光学元件1103、1104之间。此外，如果各水平位移x3和x4的无符号量被限制为小于重叠1105的一半，则可独立选择水平位移，并且没有未形成图案区域将从这些位移中产生。要注意，可实现按照相似方法的垂直位移以减小薄膜上的莫阿效应和未形成图案区域。
图12a-12d是一个示例实施例的光重定向薄膜的光学元件的示意图。光学元件1201和1202是水平以及垂直方向上的相邻者。图12a说明两个光学元件1201和1202，其中元件1202相对于元件1201旋转大约180度，并设置在可重复以便有效覆盖光学薄膜的相对位置中，如图5所示。在图12a的位置中，两个光学元件1201、1202刚刚重叠，以及在水平(x方向)或者垂直(y方向)方向上相互之间的任何位移将使某个未形成图案区域在它们之间展开。
在图12b中，两个光学元件水平重叠某个小数量，以便允许相对它们的标称位置的水平位移而不会建立未形成图案区域。在图12c中，两个光学元件1201、1202垂直重叠某个小数量，以便允许垂直位移而不会建立未形成图案区域。在图12d中，两个光学元件在水平和垂直两个方向上重叠，从而允许两个方向上的位移而不会建立未形成图案区域。
根据某些说明性实施例，可通过首先建立完全覆盖表面、但基本上在光学元件之间没有重叠或有最小重叠的图案来设计元件的初始重叠图案。初始图案可能是有序的(非随机的)，或者可能包括本身具有随机性的元件。然后，元件在预期随机位移的各方向上重叠，从而使每个这种方向上的元件的间距减小那个方向上的重叠量，以便产生初始重叠图案。
从这个初始重叠图案，各元件可随机移动，同时保持完全表面覆盖。例如，元件的外形可能是矩形，其中元件最初以格栅排列，各方向上的间距等于各方向上的矩形的长度，使得元件在各方向上正好接触。通过使矩形元件水平和/或垂直重叠某个重叠距离，随机位移可应用于相应方向上的各矩形元件，同时保持完全表面覆盖。
对于一个更复杂的实例，图4的楔形光学元件401可按照不同方式排列成完全覆盖表面，其中的一个如图4所示。通过使楔形元件的间距水平和/或垂直减小某个重叠距离，随机位移可应用于相应方向上的各楔形元件，同时保持完全表面覆盖。
获益于本公开的本领域的技术人员会知道，在光学元件(例如图4的菱形光学元件403)的一些排列中，位移和重叠可能是在非水平和垂直的方向上，并且位移和重叠可在不垂直的两个或两个以上方向上进行。另外，在一些情况中，单一重叠可能足以允许一个以上方向上的位移而不会建立未形成图案区域；图12d中的组合重叠可被认为是这种情况的一个实例。在其它示例实施例中，重叠可能在不是与它允许的位移平行的方向上进行；图12d中的组合重叠也可看作这种情况的实例。
图13是从顶部来看、采用一个说明性实施例的方法建立的光学薄膜的示意图。在这个示例实施例中，结合图9所述的光学元件在各方向上(水平以及垂直)重叠大约间距的40％，然后在各方向上随机移动至多间距的20％。在所得图案中，多个光学元件1301充分重叠，使得在相邻元件随机地相互之间移开时，薄膜的表面保持实质上完全被覆盖，并且没有暴露未形成图案区域。要注意，较大的随机位移可减小莫阿干涉，但是可能需要更多的光学元件重叠，从而增加棱面比率L/p，因而可能减小轴上增益。
轴上增益可通过提供更大或更宽(即沿x轴)的光学元件来增加。增加的尺寸可能增加薄膜的平均间距，它可能减小棱面比率(L/p)，因而增加薄膜的轴上增益。为了保持大约90度的顶角，光学元件的高度通常也增加。但是，较大的光学元件可能变为薄膜或显示器的观看者可见的。此外，制造要求对于图案滚筒或模具中的光学元件的大小施加限制，并且可能使较大元件更难以在薄膜中复制。在这些设计和制造限制以内，示例实施例的方法可适用于使莫阿效应为最小并且使任何大小的元件所组成的光学薄膜的轴上增益为最大。
在本文所述的某些示例实施例中，光重定向薄膜包括具有某个长度和宽度的衬底。为了进行说明，这些薄膜可用于诸如蜂窝电话显示器、电视机、计算机监视器等显示装置或者照明应用，其中衬底长度在元件“纵”向的元件长度的大约30倍至大约1000倍的范围内。此外，示例实施例的光重定向层的光学元件远远长于它们的宽度。在这类实施例中，衬底的宽度是元件宽度的大约600倍至大约20000倍。
与元件大小的考虑一致，示例实施例实质上使各光学元件的随机位移为最大，同时实质上使避免未形成图案区域所需的元件的大小和重叠为最小。这可通过其中各元件从其在初始标称格栅中位置随机移位的图案来实现，在其中，随机位移受到任何两个相邻元件之间的位移的带符号差不能大于那些元件之间的标称重叠的限制。这种方法允许整体随机位移相当大，同时避免未形成图案区域，而在相邻元件之间只有少量重叠。在一些实施例中，某些光学元件的随机位移远远大于相邻元件之间的初始重叠。又因为相邻元件的位移的带符号差被限制为不大于重叠，所以平均间距可保持为较大，并且未形成图案区域基本上被避免，它使轴上增益保持为高的。
各光学元件的随机位移可连续选取，或者可作为给定距离的整数倍来选取。例如，在某些说明性实施例中，光重定向薄膜中的各光学元件的随机位移是各方向上的重叠距离的整数倍。这些实施例允许使轴上增益为最大的小重叠以及减小莫阿干涉的大位移。取决于应用，在实施例中，连续选取随机位移可通过实质上避免给定距离的倍数来减小莫阿干涉。
在说明性实施例中，相邻光学元件之间的重叠是水平光学元件宽度的大约3％和大约10％之间，以及是垂直光学元件高度的大约3％和大约10％之间。少量重叠使平均间距p保持为接近它的不重叠值，因此棱面比率L/p非常接近它的不重叠值，并且轴上增益保持为高的。随机位移(d)在从-d至+d的范围内选取，在其中，d具有各方向上的光学元件长度的大约3％至大约50％的值。在其它示例实施例中，重叠距离是在重叠距离的方向上测量的元件长度的大约1％至大约20％。各方向上的大约50％的随机位移称作“全相位随机化”，并且它们产生几乎完全随机的图案，这些图案又几乎完全消除了光学薄膜用于具有其它结构的系统时的莫阿效应的可能性。当其它制造或设计事项限制了随机位移的规模时，小于大约50％的随机位移可能引起莫阿干涉效应的较少但仍然很明显的减小。
虽然针对初始标称格栅以及相对于那个格栅的位移来描述本发明的实施例的图案，但是获益于本公开的本领域的技术人员会理解，光学元件可按照各种方式设置在图案中而具有相似的结果。例如，在实施例中，元件可能最初以格栅设置，然后随机位移以随机顺序重复应用于光学元件，在其中，各位移随机选取而服从相邻元件相对于它的相邻者的当前位置必须仍然重叠的约束。在其它实施例中，元件可能最初以格栅设置，然后随机位移以随机顺序重复应用于光学元件，每次调整相邻者的位置以保持所需重叠约束。如果相邻者必须被移动以保持重叠约束，则它的相邻者也可能需要移动，依此类推。在实施例中，光学元件可能随机设置在光学薄膜图案上而不管重叠约束，以及一旦所有元件被设置，则它们的布局将被调整，以便确保没有元件的相邻对留下未形成图案区域。
当光学元件的图案的多个副本必须相互紧接着设置在装置或应用中时，则关键是图案的边缘不可见。例如，如果光重定向薄膜将采用形成图案滚筒来制造，则光学元件的图案必须环绕滚筒。在示例实施例中，光学元件环绕滚筒而在它自身接合处没有可见接缝。对于另一个实例，可能需要小块光学元件图案在滚筒的轴向上重复，以便减小产生和表示整个形成图案滚筒表面的计算负担。
为了允许图案的多个副本没有可见接缝地相互紧接着设置，相邻元件相互之间不得明显移开超过重叠量的约束被解释成“相邻者”可从图案的顶部到底部、从图案的左侧到右侧环绕。例如，图案中最顶部光学元件被认为是相同水平位置中的最底部光学元件的垂直相邻者。类似地，图案中最左侧光学元件被认为是具有相同垂直位置的图案中的最右侧光学元件的水平相邻者。在一些情况中，图案各角的光学元件将具有图案的其它角中的相邻光学元件，取决于整体图案的形状以及采用图案的副本平铺薄膜的预期方法。图案可能是矩形、三角形，或者具有设计成平铺薄膜的其它形状，取决于所选应用。具有更复杂的重叠关系的其它光学元件相邻者、例如图12a-12d的相邻光学元件可具有以仍然是本领域的技术人员已知的更复杂方式环绕图案边沿的相邻者。
在示例实施例中，相邻者可环绕图案的边沿，以及在包括环绕图案边沿的相邻元件在内的相邻光学元件相互之间没有明显移开超过重叠距离的约束下，光学元件的位移同样可随机选取。这样，图案的多个副本可相互紧接着设置而没有任何可发觉的接缝。
图14说明根据本发明的实施例的光学薄膜的截面的示意图，其中具有小重叠但具有大随机位移。独立光学元件的形状与图9所示相同，并且光学元件的随机位移具有与图9所示相同的最大尺寸。位于其标称位置的光学元件具有其垂直长度的大约5％以及其水平宽度的大约6.7％的重叠，从而产生远远大于图13的薄膜的平均间距的平均间距以及非常接近图9的实例的薄膜的平均间距。在图14中，在两个相邻元件之间的位移的带符号差不可大于其初始重叠的约束下，光学元件随机移动至多其水平或垂直尺寸的大约20％。图14的薄膜具有较高的平均间距以及所得高的轴上增益，但是具有独立光学元件的大随机位移以便产生莫阿图案的大减小。
图15说明根据一个示例实施例、其中光重定向薄膜1506被结合到液晶显示器的显示器1501。光由光源1502输出到光导1504中。光源1502通常是冷荧光灯或LED，但可能是能够产生光的任何源。光导1504可能是锥形或平板，并且在光导1504的一侧具有背部反射器1503。光通过与背部反光器1503相对的侧面离开光导，并通过漫射体1505。漫射体1505用于使显示器上的光导1504的光输出均匀，隐藏有时印制或压印到光导上的任何元件，以及减小莫阿干涉效应。随后，光通过光重定向薄膜1506，以及从光重定向薄膜1506输出的光与进入薄膜的光相比是更窄的锥形。光重定向薄膜1506可经过定向，使得独立光学元件朝着离开光导1504的方向。然后，光进入液晶显示器模块1507。在光重定向薄膜与液晶部分之间可能有其它薄膜，例如顶部漫射体或反射偏光器(未示出)。光重定向薄膜1506上的元件可能具有相对于像素或其它重复元件的尺寸、间距或角取向而改变的间距或角取向，使得莫阿图案通过LCD板不可见。
图16说明根据一个示例实施例、其中两个光重定向薄膜1606和1607被结合到液晶显示器的显示器1601。在示例实施例中，光由光源1602输出到光导1604中。光源1602通常是冷荧光灯或LED，但可能是可用于背光显示应用的其它适当光源。光导1604可能是锥形或平板，并且在至少一侧具有背部反射器1603。光通过顶面离开光导1604，并通过漫射体1605。漫射体1605用于使显示器上的光导1604的光输出均匀，隐藏有时印制或压印到光导上的任何元件，以及减小莫阿干涉效应。随后，光通过光重定向薄膜1606和光重定向薄膜1607。两个光重定向薄膜相互之间以大约80度至大约100度的角度相交。两个光重定向薄膜1606和1607经过定向，使得它们的独立光学元件实质上朝着离开光导1604的方向。然后，光进入液晶显示器模块1608。在光重定向薄膜与液晶部分之间可能有其它薄膜，例如顶部漫射体或反射偏光器。光重定向薄膜1606和1607上的元件具有相对于像素或其它重复元件的尺寸、间距或角取向或者其组合而改变的间距或角取向或者它们两者，使得莫阿图案实质上通过LCD板不可见。
如前面所述，说明性实施例的光重定向薄膜还可与照明系统配合使用。光由可能是灯泡、有机或无机发光二极管、固态光源或者适合作为照明系统中的光源的其它任何装置的光源产生。光离开光源，并进入它在其中被重定向和再循环的光重定向薄膜。这可用于室内照明应用，例如图片的任务照明或聚光照明或者需要比光源单独提供的更多重定向光的其它任何照明应用。
光重定向薄膜还可用于显示系统。显示器可能是任何形式的显示器，例如液晶显示器、有机发光二极管OLED显示器或者基于数字微镜器件(DMD)的显示器。有机发光二极管显示器可经过实现，使得对于一个观看者的情况，来自OLED的光可经过重定向，使得所述一个观看者具有更明亮的轴上显示。显示可能是活动或者静态的。光重定向薄膜用于在轴上重定向来自显示器的光。
图17说明具有光重定向薄膜1703的照明系统1701。光由可能是灯泡、有机或无机发光二极管、固态光源或者用于照明系统的其它任何适当光源的光源1702产生。光离开光源1702，并进入它在其中被重定向的光重定向薄膜1703。这个系统可用于室内照明应用，例如图片的任务照明或聚光照明或者需要比光源输出的更多重定向光的其它任何照明应用。
图18说明显示系统1801，它包括有机发光二极管显示器(OLED)1802和光重定向薄膜1803。光重定向薄膜可与有机发光二极管显示器配合使用，使得对于一个观看者的情况，来自OLED的光可经过重定向，使得所述一个观看者具有更明亮的轴上显示。显示可能是活动或者静态的。光重定向薄膜用于在轴上重定向来自显示器的光。
与当前光重定向薄膜相比，说明性实施例具有众多优点。薄膜上的独立光学元件的布置平衡莫阿减小与轴上增益之间的折衷，从而在显著减小莫阿效应的同时产生较高的轴上增益。当两个或两个以上线条或点的常规集合重叠时，产生莫阿图案。它产生重复线条的图案，线条尺寸和频率取决于两个交互图案。在诸如LCD显示器之类的显示装置中，可被LCD装置的观看者看到的莫阿图案在它们干扰显示信息的质量时是令人不快的。与先有技术的光重定向薄膜相比，本发明的实施例的光重定向薄膜减小莫阿效应，同时保持轴上增益量。
配件表
101  光学元件
102  曲面
103  平面
104  脊
201  光学元件
202  曲面
203  曲面
204  脊
301  前表面
302  背表面
401  独立光学元件
402  独立光学元件
403  独立光学元件
404  脊
405  脊
406  脊
501  弯曲元件
601  光学元件
701  棱面
702  光学元件
801  棱面
802  侧面
803  侧面
804  法向面
805  离轴光
806  光线
807  光线
901  未形成图案区域
902  未形成图案区域
903  未形成图案区域
1001 光管理薄膜
1002 间距
1003 间距
1004 间距
1005 间距
1006 长度
1101 光学元件
1102 光学元件
1103 光学元件
1104 光学元件
1105 距离
1201 光学元件
1202 光学元件
1301 光学元件
1501 显示器
1502 光源
1503 背部反射器
1504 光导
1505 漫射体
1506 重定向薄膜
1507 液晶显示器模块
1601 显示器
1602 光源
1603 背部反射器
1604 光导
1605 漫射体
1606 光重定向薄膜
1067 光重定向薄膜
1608 液晶显示器模块
1701 照明系统
1702 光源
1703 光重定向薄膜
1801 显示系统
1802 有机发光二极管显示器(OLED)
1803 光重定向薄膜
L/p  棱面比率

Claims (18)

1.一种排列元件的方法，所述方法把元件任意排列成表面上的随机图案，使得元件的随机图案完全占据所述表面的区域，所述方法包括：
选择重叠距离；
建立完全占据所述表面的区域的元件的初始图案，其中，相邻元件重叠所述重叠距离；
选择最大位移距离；以及
把元件从它们在初始图案中的位置移动随机位移距离，所述随机位移距离小于最大位移距离，其中，两个相邻元件之间的位移的带符号差不大于所述重叠距离。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述元件是三维元件。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述元件是光学元件。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，元件的随机图案对应于光重定向薄膜的光学元件的图案。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括采用元件的随机图案使成型衬底的表面形成图案。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述成型衬底是成型柱体。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，元件的初始图案是元件的有序图案。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述随机位移距离是基本位移距离的整数倍。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述整数倍从包括-1、0和1的组中随机选取。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相邻元件在两个不平行方向上重叠，以及在一个方向上的重叠距离不同于在另一个方向上的重叠距离。
11.一种装置，包括：
设置在表面上的实质上随机图案中的多个元件，所述元件覆盖所述表面的全部区域，并且设置在与元件的参考图案中的相应位置相距随机位移距离处，其中相邻元件重叠了重叠距离，所述位移距离小于最大位移距离，以及所述相邻元件中的两个之间的位移的带符号差不大于所述重叠距离。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述元件是三维元件。
13.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述表面是成型衬底的表面。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述成型衬底是成型柱体。
15.如权利要求11所述的装置，其特征在于，元件的参考图案是元件的有序图案。
16.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述随机位移距离是基本位移距离的整数倍。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述整数倍从包括-1、0和1的组中随机选取。
18.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述相邻元件在两个不平行方向上重叠，以及在一个方向上的重叠距离不同于在另一个方向上的重叠距离。
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