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用于提供改善的顯示器部件的方法和設備.pdf

摘要
申請專利號:

CN201380063678.8

申請日:

2013.10.07

公開號:

CN104995535A

公開日:

2015.10.21

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G02B 5/02申請日:20131007|||公開
IPC分類號: G02B5/02; G02F1/1335 主分類號: G02B5/02
申請人: 康寧股份有限公司
發明人: M·艾坦內; V·拉維錢德蘭; K·A·韋克塞爾; R·C·彼德森
地址: 美國紐約州
優先權: 61/710,975 2012.10.08 US
專利代理機構: 上海專利商標事務所有限公司31100 代理人: 郭輝; 項丹
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201380063678.8

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2019.03.08|||2015.11.18|||2015.10.21

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

用于提供用于顯示器系統特別是用于產生漫射光的一個或多個組件的方法和設備。

權利要求書

權利要求書
1.  一種設備,其包含:
玻璃板,其具有第一和第二相互隔開、平坦的表面;和
至少一個散射層,其包括蝕刻進入玻璃板的第一表面的多個亞微米尺寸的光散射元件。

2.  如權利要求1所述的設備,其特征在于,該散射元件的特征尺寸是下述的一種:(i)約100nm-約500nm,(ii)約200nm-約300nm,和(iii)約250nm。

3.  如權利要求1所述的設備,其特征在于,還包括設置在玻璃板第一表面上的涂層,其覆蓋蝕刻的散射元件。

4.  如權利要求1所述的設備,其特征在于,從玻璃板的第二表面的一個或多個邊緣和/或邊界進入該玻璃板的光被散射元件漫射和散射。

5.  如權利要求1所述的設備,其特征在于,還包括接近玻璃板設置的至少一個光源,從而來自該光源的光耦合進入玻璃板,以波導模式在玻璃板內傳播,且至少一部分的光被所述散射層漫射和散射。

6.  如權利要求5所述的設備,其特征在于,所述光源包括一個或多個發光元件,其沿著玻璃板的一個或多個邊緣或一個或多個邊界設置。

7.  如權利要求1所述的方法,其特征在于,所述設備還包括:
設置在散射層上的多個電子顯示元件,各元件能操作來分別響應一個或多個電子指令信號產生圖像的一個或多個像素化部分,
其中從一個或多個邊緣、邊界和/或第二表面進入該玻璃板的光耦合進入玻璃板,以波導模式在玻璃板內傳播,且至少一部分的光被所述散射層 漫射和散射,這樣部分光朝著電子顯示元件傳播。

8.  如權利要求7所述的設備,其特征在于,從電子顯示元件傳播回來的光被散射層漫射和散射,并朝向觀察者傳播出玻璃板的第二表面。

9.  如權利要求8所述的設備,其特征在于,所述設備還包括下述的至少一種:
靠近玻璃板設置的至少一個光源,從而來自該光源的光耦合進入玻璃板;和
包括一個或多個發光元件的至少一個光源,其沿著玻璃板的一個或多個邊緣或一個或多個邊界設置。

10.  一種設備,其包含:
顯示層,其包括:(i)透明的基片板,其具有第一和第二相互隔開、平坦的表面,(ii)設置在該透明的基片板的第一和第二表面中至少一個上的多個電子顯示元件,各元件能操作來分別響應一個或多個電子指令信號產生可從其第一表面觀看的圖像的一個或多個像素化部分;和
光漫射背板,其包括:(i)玻璃板,其具有第一和第二相互隔開、平坦的表面,和(ii)至少一個散射層,其包括蝕刻進入玻璃板的第一表面的多個亞微米尺寸的光散射元件,從而從一個或多個邊緣、邊界和/或第二表面進入該玻璃板的光耦合進入玻璃板,以波導模式在玻璃板內傳播,且至少一部分的光被漫射和散射出玻璃板的第一表面,
其中光漫射背板的第一表面導向顯示層的第二表面,從而被漫射和散射出玻璃板的第一表面的部分光朝向多個電子顯示元件傳播并沖擊該顯示元件,以促進提供可從顯示層的第一表面觀看的圖像。

11.  如權利要求10所述的設備,其特征在于,顯示層和光漫射背板中的至少一個呈現透明的或半透明的特征,從而透過顯示層和光漫射背板中的至少一個可看到在設備后面的一個或多個物體。

12.  如權利要求11所述的設備,其特征在于,當顯示元件不在物體前面產生圖像時,所述透明的或半透明的特征是操作性的。

13.  如權利要求11所述的設備,其特征在于,當顯示元件在物體前面產生圖像時,操作顯示層為半透明和完全不透明中的至少一種。

14.  如權利要求13所述的設備,其特征在于,操作顯示層,從而觀察者可透過設備看見物體,同時接受來自顯示層的第一表面的至少一個部分上的圖像的視覺信息。

15.  如權利要求10所述的設備,其特征在于,該散射元件的特征尺寸是下述的一種:(i)約100nm-約500nm,(ii)約200nm-約300nm,和(iii)約250nm。

16.  如權利要求10所述的設備,其特征在于,還包括設置在光漫射背板的玻璃板第一表面上的涂層,其覆蓋該散射元件。

17.  如權利要求10所述的設備,其特征在于,所述設備還包括下述的至少一種:
接近光漫射背板的玻璃板設置的至少一個光源,從而來自該光源的光耦合進入玻璃板,以波導模式在玻璃板內傳播,且至少一部分的光被所述散射層漫射和散射;和
包括一個或多個發光元件的至少一個光源,其沿著玻璃板的一個或多個邊緣或一個或多個邊界設置。

18.  一種制備光漫射部件的方法,它包括:
提供玻璃板,其具有第一和第二相互隔開、平坦的表面;和
把多個亞微米尺寸的光散射元件蝕刻進入玻璃板的第一表面。

19.  如權利要求18所述的方法,其特征在于,該散射元件的特征尺寸是下述的一種:(i)約100nm-約500nm,(ii)約200nm-約300nm,和(iii)約250nm。

20.  如權利要求1所述的方法,其特征在于,還包括在玻璃板第一表面上施涂涂層,其覆蓋蝕刻的散射元件。

說明書

說明書用于提供改善的顯示器部件的方法和設備
相關申請的交叉參考
本申請根據35U.S.C.§119,要求2012年10月8日提交的美國臨時申請系列號61/710,975的優先權,本文以該申請為基礎并將其全文通過引用結合于此。
技術領域
本發明涉及用于提供用于顯示器系統特別是用于制備漫射光的一個或多個組件的方法和設備。
背景技術
用于產生漫射光的常規組件包括漫射玻璃,其已用于顯示器工業中的多種應用中。這些應用包括無承載框(bezel-free)電視系統,液晶顯示器(LCD),電泳顯示器(EPD),有機發光二極管(OLED)顯示器,等離子體顯示面板(PDP),微機電(MEMS)結構顯示器,電子閱讀器(電子書)設備等等。
但是,已發現市售的漫射玻璃不能滿足新興顯示器工業的某些新的和重要的要求。
對結合更薄、更輕和更節能顯示器的效果的期望導致開發了所謂的半透反射式顯示器。半透反射式顯示器用于大多數部分半透明(半透明的)的且在許多地方市售。半透反射式顯示器(在本文中也稱為半透明顯示器)的顯著應用包括自動售貨機門、冰箱門、零售廣告、顯示器、增強的真實屏幕、汽車工業中的頭戴式顯示器、用于辦公室的智能窗戶、便攜式消費電子和安全監控。
但是,半透明顯示器易于一些低劣的性能特征。常規的半透明顯示器同時包括透射介質和反射介質,賦予顯示器同時用于室內和戶外的靈活性。所得“半透反射式介質”可包括金屬上開口、半鏡面金屬板、多次介電膜、正交極化的半透反射器等。但是,這些半透反射式顯示器的獨立實施方式有許多不足。實際上,因為這種顯示器只部分地透射和反射光,大大限制了 顯示器的對比度。例如,市售半透明顯示器只提供約15%透光率和反射性能甚至更低。在室內設置中,常規的半透反射式顯示器不僅發光低,且反射組件反射過多的環境情景,最終扭曲顯示的主要信息。此外,顏色轉換也是挑戰,因為圖像與顯示器的天然透明顏色混合。
對于大多數的實際應用,半透明顯示器需要背部發光的支撐(通過透明的背光元件)。為了為此半透明度,背光需要在關狀態時完全透明并在開狀態時全部發光。此外,使用透明的背光代替使用常規的反射介質,和由此消除反射介質,可同時大大改善圖像亮度和圖像質量。
但是,已發現用于提供背部發光來源的現有技術在滿足市售的某些成本和性能要求時不令人滿意。
概述
透明的背板
根據一個或多個實施方式,新穎的不含掩模的蝕刻技術制備漫射玻璃結構,其可用于任意數目的應用包括作為半透明顯示器應用中的背板。所述方法涉及低成本、高度可控的用于制備光散射部分的方法,其在玻璃基片表面之內和/或之上包括納米尺寸的隨機特征。光散射部分顯著改善所得漫射玻璃結構的光散射性質。操作時,光引入玻璃基片中并在其中以波導方式傳播,并在光散射部分上入射。響應時,根據所需的光學特征把光散射出漫射玻璃結構。
本文設想的方法涉及用于紋理化用于發光應用的玻璃基片的濕化學蝕刻過程以及通過該過程制備的制品例如上述的半透明顯示器應用。化學蝕刻過程包括在蝕刻浴中蝕刻玻璃基片,該蝕刻浴包括冰醋酸(GAA)和約40%水性混合物氟化銨(NH4F)的混合物。所得漫射玻璃結構是紋理化平坦玻璃基片,其中玻璃材料可為代碼2318,Eagle XG,鈉鈣玻璃等,都可從康寧有限公司(Corning Inc.)購買。對于發光應用,可通過控制加工參數例如蝕刻劑組合物和蝕刻時間來優化紋理化玻璃基片。
具有透明背板的顯示器系統
根據本發明的一個或多個實施方式,開發了制備作為顯示器系統的背 板的漫射玻璃結構的方法和設備。
市售的半透顯示器系統,例如半透(半透明的)LCD電視,已經商業用于數碼標牌和廣告應用中。處于關狀態(即,當驅動該LCD元件的相關電子器件沒有命令圖像時)時,這些顯示器系統是半透明的。為了維持半透明特征,這些常規顯示器系統不使用不透明光學背板來產生光以激發LCD。相反,處于開狀態(即當相關的電子器件命令形成圖像時),顯示器系統使用背景、環境光來激發LCD。這樣,觀看者可看透顯示器系統,并觀察在顯示器平面后面的物體(例如商品等)。同時,觀看者還可接收某部分屏幕(或整個屏幕)上的視覺信息,這在商業應用中將可能涉及屏幕后的商品。
使用半透明顯示器系統的一個重要問題在于它們不是特別透明的。實際上,測量顯示它們只呈現約15%的透光率比。這樣,必須常常在接近屏幕處提供較高水平的環境光,因為諸多原因,這樣不一定是可行的或甚至是不利的。就穿過顯示器的圖像質量的均勻性而言,這導致了一系列問題,例如顏色、對比度等不均勻。
因此根據本文所述的一種或更多種其它實施方式,提供了用于透明顯示器系統的透明背板。使用上述的一些或全部的部件和漫射玻璃結構結合,來形成透明背板。漫射玻璃結構置于透明顯示器系統后面,且沿著該漫射玻璃結構的一個或多個邊緣和/或一個或多個邊界,將光引入玻璃板。光在玻璃板內以波導方式傳播,并在光散射部分入射。這樣,光散射出透明背板,照射半透明顯示器系統的LCD。因此,透明背板改善了用于半透明顯示器系統的LCD元件的光源。制備散射元件,從而提供LCD的合適的光波長和依賴角度的激發。此外,散射元件產生合適的霧度比,它足夠低從而當部分顯示器系統處于關狀態時,實現高水平的背板透明度(觀察者可視覺看透背板)。
下文所列的優勢同時涉及漫射玻璃結構(例如透明的背板)和/或用于制備這種結構的方法。
當用作透明的背光時,漫射玻璃結構提供關鍵的額外的發光來增加透明的顯示器的亮度、功能和觀察角度。
增加透明的背光無需在半透明顯示器中使用反射介質(其消除了反射 型顯示器中的主要不足)。半透明顯示器可由此只以透射工作,由此消除來自眩光和反射的任何圖像扭曲。消除反射介質的另一優勢是保持大大改善的(近乎完美的)顏色平衡。當使用常規的半透反射式元件時,反射的光束兩側移動通過濾色片,而透射的光束只經過一次,導致在R-模式和T-模式之間的顏色不平衡。通過僅在透射模式工作,半透明顯示器具有更好的圖像轉換質量。此外,即使設計者在半透明顯示器中保持反射介質,當通過透明的背光發光時,透射的光功率高于反射的光,由此使任何反射的環境光對觀察者是不可見的。
此外,在用作透明的背光時,漫射玻璃結構通過調節注入漫射玻璃結構的光提供對顏色逼真度的改善。當這種調節包括選擇顏色來與半透明顯示器的天然顏色陰影混合時,改善了顯示器的顏色逼真度。此外,在一個或多個其它實施方式中,可基于瞬時顏色內容調節注入的光(通過調節光注入來源,例如控制不同顏色的LED)來增強場景顏色。
用于制備紋理化玻璃的蝕刻方法的主要優勢在于它只需要使用包括工業數量市售的化學品的濕溶液,與其它技術例如磨損蝕刻、蝕刻顆粒和/或蝕刻霜方法相比,這顯著降低了該方法的成本。新穎的蝕刻技術所需的溶液還不包括常見但危害非常大的氫氟酸,這得到用于制備的更加安全的蝕刻混合物。與一些其它方法相比例如上述的蝕刻霜,所述方法得到窄分布的橫向特征尺寸。
在建筑應用中,漫射玻璃結構可用于室內和戶外照明。例如,透明背板可用作天窗,其中紋理化的玻璃相對不受氣候條件影響。用作天窗的優勢包括更加耐受因風化導致的褪色,在低照明條件下能提供人造光(不僅僅是傳輸陽光),例如在晚上來提供額外的照明。
此外,用于制備漫射玻璃結構的方法同時與加工前和加工后的離子交換處理兼容。使用通過離子交換化學強化的玻璃,可為其它精致的結構例如半透明顯示器中的LCD片提供保護。
與其它技術相比,使用根據新穎的方法制備的漫射玻璃結構得到的發光是非常均勻的、光透射率高以及對可制備的基片的尺寸在理論上沒有限制。
當用作透明的背板時,所得漫射玻璃結構還呈現增加的亮度、保持透明度(處于關狀態)、改善的光均勻性、改善的光波長和入射角、改善的顏色坐標和相對簡單和成本有效的輸入光學器件。
本領域技術人員在結合附圖閱讀本文所述之后,將清楚地了解本發明的實施方式的其他方面、特征、優點等。
附圖說明
為說明的目的,在附圖中示出優選形式,但是,應理解,本發明不限于所示的精確配置和手段。
圖1是根據本發明的一個或多個實施方式的光漫射結構的截面側視圖;
圖2是圖1所示的光漫射設備的前正視圖;
圖3是流程圖,顯示了可實施來制備圖1的光漫射設備的加工步驟;
圖4A,4B,和4C是中間結構的截面側視圖,進一步顯示了制備圖1的光漫射設備的過程;
圖5A-5B分別是蝕刻進入光漫射設備表面的光散射元件的圖像,各圖像顯示在不同蝕刻條件下的結果;
圖6是表格,列出了蝕刻進入經受不同制造條件的多個光漫射設備樣品表面的光散射元件的多個光學特征;
圖7是蝕刻進入兩種光漫射設備樣品表面的光散射元件的光散射特征,一個進行離子交換過程;
圖8表格,顯示了經受不同制造條件的多個光漫射設備樣品的光散射層的表面硬度特征;
圖9是圖表,顯示了蝕刻進入使用不同涂覆參數涂覆的多個光漫射設備樣品表面的光散射元件的多個光散射特征;
圖10是根據本發明的一個或多個實施方式的采用光漫射設備和多個電子顯示元件的顯示器系統的截面側視圖;
圖11是本文所述的包括光源的部分光漫射實施方式的示意圖;
圖12是本文所述的包括纖維光源的光漫射實施方式的側面示意圖;
圖13是根據本發明的一個或多個實施方式的使用光漫射組件的顯示器系統的示意圖;和
圖14是圖13的顯示器系統的進一步細節的示意圖。
具體實施方式
參考附圖,其中類似的附圖標記表示類似的元件,顯示適用于提供用于一個或多個顯示器系統的各種光學組件的多個特征和方法。
光漫射結構
參考圖1-2,根據本發明的一個或多個實施方式的漫射設備100可用來加工用于顯示器系統或其它應用的光。總的來說,漫射設備100操作來接收來自結構的一個或多個邊緣或邊界的光,在玻璃結構中傳播光,和將光漫射和散射出結構的前面(如圖2中的箭頭所示)用于有用的目的。
漫射設備100包括玻璃基片(或玻璃板)102,其包括隔開的、平坦的第一和第二表面104,106。可使用任意合適的市售玻璃板,該玻璃板能耐受本文后面明示或暗示的加工參數。漫射設備100還包括至少一個散射層,該散射層包括設置在玻璃板102的第一表面104之上和/或之中的優選地隨機設置的多個亞微米尺寸(例如,納米尺寸)的光散射元件110。
如虛線所示,光可進入玻璃板102并開始穿過那里傳播直到光的射線撞擊到散射元件110上。考慮玻璃板102和散射元件110的光學性質,將光散射出漫射設備100。光學特征通常是表面散射變化或體積散射變化(取決于散射層110的深度)和可通過用于制備散射元件110的方法來控制。
已發現多個光散射元件110的尺寸將影響漫射設備100的光散射性質。具體來說,較小尺寸的元件110向后和向前散射,約為150nm和更大的顆粒主要向前散射,這通常是漫射設備100中所需要的。實際上,主要向前方向的散射促進設備100中的高透光率比和合適的霧度比。具體來說,元件110的總體尺寸應在約200nm的量級,以取得高透光率比。實際上,因為較小特征尺寸的元件110趨于反向散射光,將不利地影響所得透光率比。大于約500納米的元件110向前散射光,但角展度(angular spread)較小,這是不那么理想的。考慮到上述光學散射特征隨散射元件尺寸的變化,散射元件110的大致特征尺寸可為下述的一種:(i)約100nm-約500nm,(ii)約 200nm-約300nm,和(iii)約250nm。
漫射設備100的光學光散射特征還分別受到玻璃板102,散射元件110,和在下文討論的一些實施方式中包覆涂層材料的折射率的影響。玻璃板102(和任選的包覆涂層材料)的折射率可在約1.4–1.6的量級。
用于制備漫射設備的方法
現在參考圖3和4A,4B,和4C,前者是流程圖顯示了與制備漫射設備100(及其變體)相關的加工流程/步驟,和后面三幅圖是中間結構的高水平的示意圖,其進一步顯示了與制備漫射設備100相關的方法。
在操作302中,加工玻璃板102,使其準備用于蝕刻階段。具體來說,玻璃板102可進行掩模和拋光,以取得所需的厚度和/或平坦度和/或以其它方式定制(sized),和隨后清潔和洗滌(見圖3和圖4A)。接下來,在操作304中,用保護性膜106A層壓不進行蝕刻的玻璃板102的表面106(優選地在整個表面上),其耐受或防止蝕刻(見圖3和圖4A)。接下來,在操作306中,至少把進行蝕刻的玻璃板102的表面104暴露于去除污染物入吸附的有機污染物的過程。這種過程包括通過把結構放置在UV臭氧發生器中,把表面104暴露于臭氧。
接下來,在操作308中,通過同樣暴露于蝕刻浴來對玻璃板102的表面104進行蝕刻,該蝕刻浴包括一個或多個比例的冰醋酸(GAA)和氟化銨(NH4F)的混合物(見圖3和圖4B)。例如,蝕刻浴可限定為冰醋酸(GAA)的混合物比例和氟化銨(NH4F)的濃度百分數。混合物比例可為約1:1-9:1,和氟化銨(NH4F)的濃度百分數可為約20%-50%,且40%是優選地。蝕刻時間可為約30秒-約15分鐘,但可使用其它時間如果這樣能取得所需結果,且溫度可為室溫或者一些升高的溫度。同樣,蝕刻時間和溫度將影響所得散射元件110的特征尺寸、形狀和分布。實際上,蝕刻組合物、蝕刻時間和蝕刻溫度是驅動所得蝕刻玻璃板102的表面紋理的關鍵工藝變量。
在操作310中,至少對玻璃板102的表面104(其現在包括散射元件或層110)進行淋洗步驟例如在去離子水中淋洗,以除去在蝕刻過程中引入的材料的不需要的殘留物。
作為任選的步驟,在操作312中,可對玻璃板102進行離子交換過程。如果需要這種過程,那么該方法當然起始于制備能離子交換的玻璃板102。例如,適用于本文所述的實施方式的可離子交換玻璃包括堿性鋁硅酸鹽玻璃或者堿性鋁硼硅酸鹽玻璃,但是也考慮其他玻璃組成。本文所用的“可離子交換”是指玻璃能夠通過尺寸更大或更小的同價態陽離子交換位于玻璃板102表面處或附近的陽離子。
通過下述來實施離子交換過程:將玻璃板102在熔鹽浴中浸沒一段預定的時間,其中玻璃板之內或其表面上或者表面附近的離子與例如來自鹽浴的較大金屬離子發生交換。熔鹽浴可包括硝酸鉀(KNO3),熔鹽浴的溫度可為約400-500℃,和預定的時間段可為約4-24小時,和優選地為約4-10小時。把較大離子結合到玻璃板102中,在近表面區域產生壓縮應力,從而強化玻璃板。在玻璃板102的中心區域內產生相應的拉伸應力,以平衡所述壓縮應力。
還例如,玻璃板102中的鈉離子可以被來自熔鹽浴中的鉀離子替換,但是具有較大原子半徑的其他堿金屬離子(例如銣或銫)也可以替換玻璃中的較小的堿金屬離子。根據具體實施方式中,玻璃板102中較小的堿金屬離子可被Ag+置換。類似的,其它的堿金屬鹽,例如但不限于硫酸鹽、鹵化物等,可以用于所述離子交換過程。在玻璃網絡可松弛的溫度下用較大的離子置換較小的離子,穿過玻璃板102的表面產生離子分布,其產生應力曲線。進入的離子的較大的體積在表面上產生壓縮應力(CS),在玻璃板102中心區域內產生張力(中心張力,或者CT)。
在操作314中,其它選項可涉及涂覆過程,其中用硬化樹脂112涂覆玻璃板102并固化(見圖3和圖4C)。盡管可使用任意數目的樹脂,但一種合適的樹脂是阿克優玻璃(Accuglass)T-111,其可購自霍尼韋爾公司(Honeywell Corp.)。可把樹脂稀釋到它全部濃度的一些部分,以促進通過噴涂噴嘴施涂到玻璃板102的表面。涂層112的厚度可通過改變噴涂噴嘴的橫切速度(表征為毫米/分鐘的速率)來控制。玻璃板102和施涂的樹脂涂層112隨后可在升高的溫度下固化來應用樹脂。
實施例和測量
當考慮預期特征光漫射結構100的性能特征時,許多簡單的度量認為是有價值的,例如最大光提取效率,最小光衰減,最大清晰度,和最大透明度。為了滿足這些度量,可通過改變下述的一個或多個加工參數來調節蝕刻過程:例如混合物比例、濃度百分數、蝕刻時間、蝕刻溫度、應用離子交換、施涂涂層等。就這方面而言,進行了許多實驗,如下所述。
使用一系列的多件可離子交換的玻璃板102來進行多次實驗,包括購自康寧有限公司(Corning Incorporated)的(代碼2318)、購自康寧有限公司(Corning Incorporated)的鷹格(Eagle)XG玻璃以及保衛者超白玻璃(Guardian Ultrawhite)。玻璃板102未經處理直接使用,或切割到約2”x2”-約2.5”x2.5”的尺寸。保衛者超白玻璃樣品研磨和拋光到約1.1mm的厚度,而代碼2318樣品形成到約0.7mm的厚度,和Eagle XG樣品形成到約0.5mm厚。
首先清潔玻璃板102(內部的或者來自供應商未經處理直接使用)接下來,層壓樣品來保護一個表面(例如,表面106)免受蝕刻。層壓之后,把玻璃板102置于UV/臭氧清洗儀中,以從待蝕刻的玻璃板102的表面(例如,表面104)去除吸附的有機污染物。接下來,使用濕蝕刻浴在玻璃板102上進行蝕刻步驟,其包括混合物比例的GAA和40%氟化銨(NH4F)。混合物比例從樣品-到-樣品變化,且對于代碼2318玻璃板102為約1:1-9:1。蝕刻時間也在約30秒-約15分鐘變化。接下來,在去離子水中淋洗樣品并吹干。
然后使用顯微鏡對樣品進行成像,然后用志國公司(Zygo)New ViewTM型號7300白光光學輪廓儀測量表面紋理。圖5A顯示一種代碼2318玻璃板102的表面紋理輪廓,其以第一極端混合物比例和蝕刻時間(即,9:1混合物比例蝕刻30秒)進行蝕刻。圖5B顯示另一種代碼2318玻璃板102的表面紋理輪廓,其以第二極端混合物比例和蝕刻時間(即,1:1混合物比例蝕刻15分鐘)進行蝕刻。從結果顯而易見的是,使用較高蝕刻劑混合物比例的較長的蝕刻時間產生更深、更粗的特征,使用較低蝕刻劑混合物比例的較短蝕刻時間產生更淺、更細的特征。
蝕刻之后,對至少一些樣品進行離子交換過程(如上所述)。
參考圖6,蝕刻過程的一個重要特征是使用蝕刻混合物比例和蝕刻時間,能調節表面紋理特征。圖6是表格,總結了代碼2318玻璃板102暴露于各種條件下的表面紋理特征。表中各排表示給定的玻璃板樣品。各欄為:(i)冰醋酸–和–40%氟化銨的比例(6-1);(ii)蝕刻時間(6-2);(iii)百分比表示的透射霧度(6-3);(iv)粗糙度平均,Ra,度量為nm(6-4);(v)RMS粗糙度,Rq,度量為nm(6-5);(vi)高度,H,度量為nm(6-6);(vii)偏度,R,由指數表示(6-7);和(viii)峰度由指數表示(6-8)。使用上述的志國公司New View7300光學輪廓儀實施測量(使用20倍透鏡顯微鏡設置和2倍放大)。低和高濾光片波長分別是0.5微米和50微米。粗糙度平均Ra,RMS粗糙度Rq,偏度和峰度限定元件110樣品的表面特征。Ra表面曲線的平均高度。Rq是RMS平均,Rq比Ra對峰谷更敏感,因為對幅值進行了平方。Rsk是表面特征的高度分布的偏度。如果Rsk小于0,它可為具有谷的表面;如果Rsk大于0它可為具有峰的平坦表面。數值大于1.0可表明表面上極端的谷或峰。Rku是高度分布的峰度。峰度是高度隨機性和表面銳度的度量。表面的峰度為3表示隨機表面。峰度小于3表示更不隨機的表面。完美隨機表面的值為3;結果離3越遠,表面越不隨機且重復越多。具有尖峰的表面是較高的值;隆起的表面較低。
發現使用1:1混合物比例蝕刻10分鐘的樣品得到的表面的RMS粗糙度為232nm,偏度為-0.5和峰度為3。這表明是具有隨機間隔的谷的表面。相反,使用9:1混合物比例蝕刻10分鐘的樣品得到的表面的RMS粗糙度為4nm,偏度為-0.3,和峰度為4,其為具有隨機間隔谷的表面但幅值較低。這兩種結果的主要不同在于透射霧度;實際上,使用1:1混合物比例蝕刻10分鐘的樣品得到的霧度為約78%,而使用9:1混合物比例蝕刻10分鐘的樣品得到的霧度為約1%。前者的霧度強度對于一些顯示器應用而言是不可接受的,而后者是低霧度,其適用于許多顯示器應用。
蝕刻玻璃板102的橫向間隔和特征深度主要受醋酸和氟化銨的混合物比例驅動。實際上,進行了對蝕刻劑混合物比例的進一步測試,具體來說,從1份醋酸對1份40%氟化銨到15份醋酸對1份40%氟化銨。在使用醋酸和40%氟化銨混合物比例為9:1蝕刻10分鐘時間的樣品中測得最佳光散射 性能。
參考圖7,實施了進行和不進行離子交換的蝕刻樣品的光散射測試。圖7的圖表包括測量的Y-軸上的功率(單位瓦特)和X-軸上的距離(單位厘米)。用于不進行離子交換的樣品(7-1)和進行離子交換的樣品(7-2)的圖表表明離子交換過程增加蝕刻光漫射結構100的光散射效果。據信改性的離子交換層110顯示稍微更高的折射率,其幫助更長地波導光進入玻璃板102,由此光與粗糙表面相互作用更長的時間,增加整體亮度。
參考圖8,耐刮擦性也是玻璃板102的紋理化表面的所需性質。圖8中所示的表格包括各行的樣品1-5和對照6,和用于橫切速度8-1(度量為毫米/分鐘),鉛筆硬度(用單位H表示),和涂層重量(度量為g/m^2)的欄。使用鉛筆硬度測試作為紋理化表面110的耐刮擦性的指數。作為參考,鉛筆硬度標尺如下:9H、8H……2H、H、F、HB、B、2B……8B、9B。其中9H表示最高的硬度耐刮擦性和9B表示最低的耐刮擦性。紋理化玻璃表面110具有至少約2H的硬度可為理想的。代碼2318玻璃板102在蝕刻過程之后所測的鉛筆硬度為2H。
為了增加耐刮擦性,使用硬化樹脂包覆涂覆一些樣品(如上關于圖3和4C所述)和固化。具體來說,用稀釋到其全部濃度25%的Accuglass T-111樹脂噴涂多個樣品。涂層112的厚度通過在50毫米/分鐘-400毫米/分鐘改變噴涂噴嘴橫切速度來控制。然后將所述樣品在540℃下固化20分鐘。圖8顯示涂層112對紋理化表面110的耐刮擦性的影響。最薄的涂層是在最高的噴嘴速度即400毫米/分鐘下施涂的,如最低的涂層重量即0.1g/平方米所反映。所得沒有任何涂層的表面的鉛筆硬度是2H。甚至在橫切速度400毫米/分鐘下施涂的最薄涂層把鉛筆硬度從2H改善到5H。通過減緩噴嘴速度和增加涂層沉積速率進一步增加涂層厚度,沒有導致進一步增加鉛筆硬度。
此外,施涂薄涂層的Accuglass T-111得到增強的光散射效果,見圖9。具體來說,圖9的圖表包括測量的Y-軸上的功率(單位瓦特)和X-軸上的距離(單位厘米)。樣品的圖表包括不進行離子交換的樣品(9-1),和進行離子交換且具有不同厚度涂層的樣品,其從50毫米/分鐘(9-2)到400毫米/ 分鐘(9-3)變化。
光漫射設備和顯示器系統
現在參考圖10,其顯示了使用光漫射設備100和多個電子顯示元件的顯示器系統100A的截面側視圖。顯示器系統100A可使用任意上述方面和/或特征的光漫射設備100作為基礎,并在其上面設置多個顯示器組件/元件150。
玻璃板102朝向顯示器系統100A的觀察者提供基本上平坦的表面106,和上面設置多個顯示器組件150的相對的表面104。單個顯示器組件150的集合限定大量的像素位點,用于根據電子控制信號來操控光,從而為觀看者提供理想的顯示器分辨率。例如,顯示器組件150可為陣列排布的單個MEMS組件、OLED組件等。
光漫射設備100提供光漫射特征,從而當從一個或多個邊緣、邊界和/或從觀看表面106進入玻璃板102的任意光在向顯示元件150傳播時,漫射和散射該任意光。此外,當這些光在它回到觀看者的路徑上穿過元件110時,從顯示器組件150傳播回來的任意光將被再次漫射。優選地,這種額外的漫射為從顯示器組件150傳回觀看者的光產生更好的角發射。
光漫射設備100呈現合適的平的平坦化表面114,在該表面上,設置顯示元件150的陣列,該光漫射設備100提供高霧度比、透光率比和所需的光散射特征(例如,寬角散射)。
具有光源的光漫射設備
現在參考圖11和12,其是本文所述的包括至少一個光源的光散射實施方式的示意圖。在任一情況下,實施方式可使用或不使用圖10所示的顯示元件150。
圖11顯示光漫射設備100B,其包括接近玻璃(或塑料)板102設置的光源160。可形成光源160的特定位置,從而來自該光源的光耦合進入玻璃板102,以波導模式在玻璃板102內傳播,至少一部分的光被散射層漫射和散射。例如,光源160可為一個或多個LED或其它合適的發光元件,其沿 著玻璃板102的一個或多個邊緣162或一個或多個邊界164設置。在一種或更多種實施方式中,玻璃板102的一個或多個邊緣162可以是有斜面的(且可包括金屬化反射表面166)。選定斜面角度,從而在一個或多個方向上重定向在玻璃板102之內傳播的任意光,從而減少光逃逸出至少一種邊緣162。
一個或多個替代實施方式可使用如下文所述的光源和相關的結構類型:2010年10月28日提交的美國專利號61/407,698,該文的全部內容通過引用納入本文。
圖12顯示了一種光漫射設備100C,其包括沿著玻璃板102的一個或多個邊緣延伸的至少一種光漫射纖維170,且可任選地包括光重定向或阻擋邊界172A,172B來改善接近玻璃板102的邊緣的光學外觀。光漫射纖維170的直徑可在約250-300微米的量級。
在一基本的實施方式中,一個或多個激光源可產生白色(或半白色)光來結合進入纖維170和隨后進入玻璃板102用于漫射。在一個或多個替代實施方式中,一個或多個激光源例如紅色激光源(12-1)、綠色激光源(12-2)、和藍色激光源(12-3),可將具有不同波長的光能量以下述方式結合進入單一纖維170或多根纖維:將這種光耦合進入玻璃板102并如上所述地產生漫射和散射。使用多種激光源允許通過調節各激光源的功率水平產生任意數量的顏色。
關于和調制激光源(例如時間序列調制)以取得所需的顏色圖像和功能相關的各種結構和方法的細節、關于使用纖維170的其它細節可參見下述文獻:2011年4月26日提交的美國專利號13/094,221、2011年10月11日提交的美國專利號61/545,713、和2011年10月11日提交的美國專利號61/545,720,以上各文的全部內容通過引用納入本文。
具有透明背板的顯示器系統
參考圖13-14和根據本文所述的一個或多個其它實施方式,開發了方法和設備來提供用于透明或半透明顯示器系統200的背板。
參考圖13,顯示器系統200操作來在顯示器表面產生對用戶可見的圖 像10、文字12等等。顯示器系統200還呈現透明或半透明特征,從而可穿透系統200看見在系統200后面的一個或多個物體14,特別是(或可能只有)當在物體14的前面沒有命令出現圖像時。換句話說,當這種部分的相關顯示元件(例如,LCD元件)處于關狀態時,顯示器系統200至少在其一個或多個部分中是半透明的。另一方面,當這種部分的相關顯示元件處于開狀態時,顯示器系統200的相同部分(或其它部分)可以是半透明的或完全不透明的。這樣,觀看者可看透顯示器系統200并看見顯示器后面的物體14(例如商品等),而同時接收來自顯示器的某些部分上的視覺信息(圖像10、12等)。
轉到圖13-14,顯示器系統200包括具有隔開的第一和第二主側面204,206的顯示層202,和以陣列設置在顯示層202之內(或之上)的多個顯示元件(未顯示),該顯示元件響應用于位于(或來自)第一主側面204的觀看的電氣信號操作以產生圖像10、12。顯示器系統200還包括光漫射背板100D,其具有隔開的第一和第二主側面114,116,操作來產生從其第一主側面114出去的漫射光。應注意,光漫射背板100D可使用本文所明示或暗示批露或揭示的任意光漫射實施方式來實施,特別是使用一個或多個光源160或光漫射纖維170來把光耦合進入漫射設備的那些實施方式。光漫射背板100D是取向的,從而它們的第一主側面114朝向顯示層202的第二主側面206,從而漫射光是多個顯示元件的光源。
雖然已經參考具體的特征呈現了本文的實施方式,但應當理解,這些實施方式僅僅是對這種實施方式的原理和應用的說明。因此,應當理解,在不背離所附權利要求書所限定的組合的精神和范圍的前提下,可以對列舉的實施方式進行各種修改,并且可以作出其它安排。

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