光内耦合带、相关方法和用途

技术领域

总的来说，本发明涉及提供用于波导的光学结构及其制造方法。具体而言，本发明涉及基于集成腔光学器件的灵活解决方案、相关方法和用途，该解决方案适于将发射光内耦合到光学波导中，并控制光传播通过所述波导。

背景技术

光学波导或光导技术已经广泛用于各种现有技术应用中。光分配系统的适当选择通常预先决定了光学波导在照明和显示应用中的照明性能。典型的光导(LG)系统包含用于边缘内耦合由一个或多个发射器发射的光线的部件、用于通过光导元件进行光分布的部件以及用于光提取(外耦合)的部件或区域。内耦合结构接收光并调节其方向以将光线导入光分布区域。先进的光导包括光学图案，其在光进入光导时控制光边缘内耦合效率。

为了控制发射光的角度分布并实现期望的光学性能，为照明应用设计的传统光导解决方案仍利用许多单独的光学膜用于光外耦合，例如增亮膜(BEF)。在没有BEF的情况下实现的已知光导解决方案通常采用微透镜和V形凹槽形状的光学图案。通过使用这种解决方案，不可能以期望的方式实现完全受控的照明分布。光内耦合通常在光导的边缘进行，没有任何先进的光学解决方案。在一些特殊情况下，比如增强和虚拟现实头戴式耳机，基于例如包含在光导元件中的表面起伏光栅来利用平面表面内耦合。

Angulo Barrios和Canalejas-Tejero[1]公开了一种通过集成金属衍射光栅可获得的柔性Scotch带波导中的光耦合解决方案。内耦合和外耦合光栅嵌入在两层Scotch带内；由此Scotch带具有光学波导功能。光栅被实现为金属(Al)纳米孔阵列(NHA)光栅。

US2015/192742A1(Tarsa和Durkee)公开了一种层压在光导表面上的光提取膜。光提取功能基于全内反射(TIR)。当通过例如层压固定到光导上时，提取膜在膜和光导之间形成气穴。

US2018/031840A1(Hofmann等人)公开了一种具有嵌入式光栅的光学元件，以从光导中提取光。通过使用已知的方法，例如化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD),光栅的表面涂覆有光学有效层。此外，光栅中存在的凹槽被光学胶合剂或光学粘合材料填充。

US10598938B1(Huang和Lee)公开了一种角度选择性倾斜光栅耦合器，用于控制光从光导中耦合出或在光导中耦合的角度。可以通过调制光栅之间的折射率或者调制不同区域中光栅的占空比来实现选择性。

Kress[2]公开了用于光学波导的内耦合其和外耦合器，所述耦合器包括配置用于透射功能和/或反射功能的不同类型的光栅。耦合器可以夹在/埋在光导中，或者作为表面起伏解决方案提供。

Moon等人[3]公开了一种使用微结构中空(空气)腔光栅来改善LED器件中的光提取的外耦合器。用典型方法在半导体材料中制造空腔。除了LED之外，没有提供外耦合解决方案的其他应用(例如在光导中)。

设计和优化基于光导的照明相关解决方案面临某些挑战，这些挑战与光导内部的不均匀光分布、不充分的内耦合和外耦合、光捕获和/或提取效率相关。上述解决方案在某种意义上也是有限的，不能为各种目标应用提供具有令人满意的通用性和适应性的集成的基于空气腔光学器件的灵活解决方案，例如具有平面表面光内耦合的大尺寸窗户照明。

在这点上，考虑到解决与现有解决方案的制造和组装相关的挑战，仍期望在用于非光纤光导的光学结构领域中进行更新，其目的在于提高所述光导的亮度均匀性并改善光学效率。

发明内容

本发明的目的是至少减轻由相关技术的限制和缺点引起的每个问题。根据独立权利要求1中定义的内容，该目的通过光学内耦合带的各种实施例来实现。

在实施例中，提供了用于光导的光学内耦合带，其包括基板和至少一个图案，该图案形成有嵌入在基板材料中的多个周期性图案特征，并且配置为光学功能嵌入腔，该光学功能嵌入腔填充有折射率不同于围绕腔的基板的材料的折射率的材料。在所述带中，图案配置成内耦合入射至其的光，并调节内耦合光的方向，使得内耦合光经由一系列全内反射获得穿过光导介质的传播路径。该带可附着到光导的至少一个平面表面上，由此在带和光导介质之间形成用于光传输的光学接触。

在实施例中，光学内耦合带配置成使得在所述带中，内耦合光在每个所述腔和围绕该腔的基板的材料之间的界面处被重定向，以获得通过光导介质的传播路径，因此，在光导介质和环境之间的界面处的入射角，以及可选地，在每个腔和围绕该腔的基板的材料之间的界面处的入射角，大于或等于全内反射的临界角。

在实施例中，在所述带中，至少一个图案配置为执行与内耦合和调节接收至其的光的方向相关的光学功能，其中，所述光学功能选自反射功能、吸收功能、透射功能、准直功能、折射功能、衍射功能、偏振功能及其任意组合。

在实施例中，在所述带中，通过为图案中的一个腔或一组腔提供多个参数来赋予图案光学功能，其中，多个参数包括从由尺寸、形状、横截面轮廓、取向、周期性和填充因子构成的组中选择的参数任意组合。

在实施例中，图案中的每个单独腔具有多个光学功能表面。在实施例中，一个或多个光学功能表面由在每个腔和围绕腔的基板的材料之间的界面处形成的任何一个或多个表面建立。在实施例中，用低折射率反射器、偏振器、漫射器、吸收器或其任意组合中的任何一种来建立图案中每个单独腔中的光学功能表面。

在实施例中，光学内耦合带还包括波长转换层。

在不同的实施例中，在所述带中，腔配置和布置成图案，从而形成基本可变的周期性图案或者形成基本恒定的周期性图案。

在实施例中，在图案中，用离散的或至少部分连续的图案特征建立腔。

在实施例中，光内耦合带包括以周期性片段布置的多个图案，每个片段具有预定的面积和周期长度。

在实施例中，所述带中的图案通过多个腔相关参数配置为可变的，其中多个腔相关参数包括从由尺寸、形状、横截面轮廓、取向、位置、周期性和填充因子构成的组中选择的单独参数或参数任意组合。

在实施例中，用二维或三维图案特征建立腔，所述二维或三维图案特征具有选自线性、矩形、三角形、闪耀状(blazed)、倾斜、梯形、弯曲、波形和正弦曲线轮廓的横截面轮廓。

在实施例中，腔填充有气体材料，例如空气。

在实施例中，光内耦合带配置成可附着到光导的一个或多个平面上。带可以通过粘合来附着。

在实施例中，一个或多个图案包括形成在基板中的腔，该基板被提供作为基本平坦平面基板层。其中形成腔的所述基本平坦平面基板层可以由基本光学透明的材料制成。在实施例中，一个或多个图案包括在与附加平坦平面基板层的界面处形成的完全嵌入腔，该基板层被提供作为光学透明层、反射器层和/或有色层。

在实施例中，光学内耦合带包括以堆叠配置布置的多个嵌入图案。

在实施例中，光内耦合带包括楔形结构。

在另一方面，根据独立权利要求22限定的内容，提供了一种用于制造光学内耦合带的方法，该光学内耦合带包括至少一个图案，该图案形成有嵌入在基板材料中的多个周期性腔特征。

在实施例中，该方法包括:

-通过选自以下中的任何一种的制造方法来制造用于所述至少一个图案的图案化主工具：光刻、(lithographic)三维打印、微加工、激光雕刻或其任意组合；

-将图案转移到基板上以产生图案化基板；以及

-通过将附加基板层或覆盖层施加到所述图案化基板上来产生一个或多个嵌入的腔图案，

其中，嵌入的腔图案包括配置为光学功能腔的腔，所述光学功能腔填充有折射率不同于围绕腔的基板的材料的折射率的材料，并且

其中，所述嵌入的腔图案配置成内耦合入射至其的光，并调节内耦合光的方向，使得内耦合光经由一系列全内反射获得穿过光导介质的传播路径。

在实施例中，通过选自卷到卷层压、卷到片层压或片到片层压中任一种的层压方法，将附加基板层施加到图案化基板层上。

在实施例中，该方法还包括制造图案的复制，其中图案复制方法选自压印、挤压复制或三维打印中的任何一种。

另一方面，根据独立权利要求25限定的内胆，提供了一种光导。根据之前的一些方面，所述光导包括光学透明介质和光学内耦合带，该光学透明介质配置为建立光传播通过光导的路径，所述带附着到所述光导的至少一个平面表面上。

在实施例中，光导包括通过粘合附着至其的光学内耦合带。

在另一方面，根据独立权利要求27限定的内容，在照明和/或指示中提供了根据前述方面的光导的用途。

在另一方面，根据独立权利要求28限定的内容，提供了一种光学内耦合带的卷，其中该光学内耦合带是根据一些先前方面实现的。

在又一方面，根据独立权利要求29限定的内容，提供了一种光学单元。根据一些先前方面，所述光学单元包括光学内耦合带，其具有用于光导附着的粘合层和至少一个发射器装置。

在实施例中，至少一个发射器装置选自发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、激光二极管、LED条、OLED带、微芯片LED带和冷阴极管。

在实施例中，光学单元包括配置用于发射单色光的至少一个光发射器装置，以及包括波长转换层的光学内耦合带。

取决于本发明的每个特定实施例，本发明的实用性源于多种原因。首先，本发明涉及一种新颖的光学带解决方案，其配置成内耦合由至少一个发射器装置发射的光学辐射(光)的光子，并调节内耦合光线的方向，以调节光传播通过光导介质。根据本发明的光学带被有利地设计用于平面非光纤光导。

根据本发明的光学内耦合带提供的主要好处之一是将光内耦合到平面光导表面中。因此，该带能够内耦合从任何方向到达平面光导表面的光线，并有效捕获所述平面光导内部的光线。同时，该带调节内耦合光的方向，使得光线停留在光导内部(防止光泄漏)。特别地，由此公开的带能够将光内耦合到大尺寸(平面)窗玻璃中；后者对于目前已知的基于从窗口边缘内耦合的解决方案是不可能的。

已知的内耦合解决方案通常是设置在光导内部的固定固体结构，例如，由于上述原因，这使得它们不能有效地用于预先安装的窗户表面。就制造而言，这种固定的内耦合结构不适于大批量生产，例如通过在安装在建筑物中的窗玻璃上蚀刻。此外，所提到的固定解决方案不允许在同一内耦合结构中组合不同的光学功能。

由此呈现的内耦合带在光源的定位方面提供了额外的灵活性。光发射器可以集成在带内或安装在带上。可替代地，发射器可以放置在离带一定距离处，以避免光内耦合带和光导受到热能的影响(例如在激光光源的情况下)。

例如，配置成通过粘合层可附着到所述光学元件的至少一个表面上的带控制发射光的内耦合及其在光学介质(即光导介质)内部的进一步传播。通过嵌入带内的(空气)腔光学器件，内耦合到带图案上的入射光从原始传播路径偏转一定角度。完全集成和嵌入的腔光学器件基于二维或三维图案矩阵，其可以包括单个轮廓或多个轮廓，并且依靠轮廓配置来获得期望的光管理。

带配置成耦合来自设置在带外部的发射器装置的入射光。以大范围入射角入射的光可被有效地(内)耦合。因此，该带至少允许将内耦合光耦合并重定向到光学元件(光导)中。

带非常容易安装，并且可以灵活地拆卸、更换和重新安装到任何需要的地方。带中的光学结构受到保护，不受外部条件的影响，因此是可靠的。改善的内耦合效率和增强的光分布控制也改善了外耦合光的特性。

根据本发明，由于其嵌入的腔光学器件，光学内耦合带容易且可靠地使用，由于其内部性质，正常的处理过程，包括组装、清洁等，不会破坏或损坏光学内耦合带。在备用状态下，带的表面上没有形成任何表面浮雕图案。由于带具有完全平坦的平面外表面，因此可以触摸和清洁带，而不会改变或损失其光学性能。带可以通过例如粘合表面容易地附着到相关的光学元件上，可以手动或自动方式。

柔性带解决方案可以配置成具有任何所需的尺寸相关参数组合(长×宽×厚/高)。带易于应用在光导的任何表面上，例如任何侧面和/或边缘。

在一些优选实施例中，由此提供的解决方案被有利地实现为集成(内部)腔光学器件。在涉及光学腔的传统解决方案中，光通常被传输(穿透)到所述腔中，由此导致不期望的折射，并且无法实现光分布控制。相反，在由此提出的解决方案中，可以通过相关光学功能特征图案的TIR功能来高精度地控制提取的光分布(因此，在折射角和方向方面)。

光学内耦合带的光学设计可以是恒定的，光学图案解决方案基于相似且连续的重复图案，例如包括周期性特征。可替代地，带可以包括连续可变的图案或分段图案，其中每个局部图案设计是针对特征入射角或入射角范围而预先确定的。当然，解决方案是针对某些光导厚度和其他特定参数而设计和优化的。

根据本发明的光内耦合带的一个主要目的是改善光学元件(例如光导)的功能，其中带粘附到其表面上。内耦合带可以单独使用，也可以与光学谐波(偏转)带结合使用。在同一光导元件上提供内耦合带和光偏转带有利于优化光学性能。

术语“光学辐射”和“光”在很大程度上被用作同义词，除非另有明确说明，并且是指电磁光谱的某一部分内的电磁辐射，包括紫外(UV)辐射、可见光和红外辐射。在某些情况下，可见光是优选的。

在其最广泛的意义上，术语“光导”、“波导”或“光学波导”)在本公开中是指配置为沿其传输光(例如从光源到光提取表面)的设备或结构。该定义涉及任何类型的光导，包括但不限于光管型部件、光导板、光导面板等。

表述“多个”在本文中指从一(1)开始的任何正整数，例如一、二或三；而表述“许多个”在本文中指从二(2)开始的任何正整数，例如到二、三或四。

术语“第一”和“第二”不旨在表示任何顺序、数量或重要性，而是仅用于将一个元件与另一个元件区分开来。

附图说明

通过考虑详细描述和附图，本发明的不同实施例将变得显而易见，其中:

图1A和1B是根据实施例的其上附着有光学内耦合带50的光导的截面图。

图1C示出了包括内耦合带50的光学设备(单元)。

图2示出了利用光导上的内耦合带50的各种配置(截面图)。

图3是根据实施例的内耦合带50的剖视图。

图4示出了根据实施例的具有不同填充因子的内耦合带50的嵌入腔图案。

图5是示出了如图4所示的相对于具有不同填充因子的图案的光源准直和位置的内耦合光量的曲线图。

图6描述了类似于图4所示的布置，但是在包含低折射率材料的嵌入图案中具有腔特征。

图7是示出了如图6所示的相对于图案的光源准直和位置的内耦合光量的曲线图。

图8示出了根据另一实施例的具有不同填充因子的内耦合带50的嵌入腔图案。

图9是示出了如图8所示的相对于具有不同填充因子的图案的光源准直和位置的内耦合光量的曲线图。

图10是根据实施例的具有嵌入腔图案的内耦合带50的截面图。

图11A和11B示出了附着在具有准直光源的光导元件上的内耦合带50。

图12示出了根据一些实施例的带的剖视图。

图13A和13B示出了内耦合带50的使用，以及将内耦合带50与光协调带10结合使用的光学单元150。

这里参照附图公开了本发明的详细实施例。在所有附图中，相同的附图标记表示相同的部件。以下引用用于各构件:

50-具有基板50A的光学内耦合带；

51-图案；

52-具有光学功能表面521、522的光学(图案)特征/腔；

53-接触区域；

54-内耦合元件的成形外表面；

在带50中:

511-光学功能层；

511A、511B-相应地，图案化基板层和附加基板层；

512、513-带50的附加功能层；

515-内部功能部件(层)；

10-谐波带(控制通过光导的光传播分布)；

20-光学波导；

21-外耦合图案；

22-发射器装置的支撑件；

30-发射器装置(光源)；

31-发射光学辐射的光线；

32-内耦合和/或重定向的光学辐射的光线；

33-提取的电磁光学的光线；

150-光学设备(单元)。

具体实施方式

图1A和1B在50处示出了光学内耦合带的一些基本实施例。图1A和1B是光学元件20(例如光学波导结构)的截面图，其中光学内耦合带50(以下称为“带”)附着在所述波导的至少一个表面上。光学波导(也称为光导)是配置成将由至少一个适当的发射器装置30发射的光学辐射(光)向需要照明的特定区域传送的结构。光导是具有基本平面表面的平面(非光纤)光导。在基本光导布局中(例如在图1A和1B中的任何一个上示出)，可以区分顶面、底面和两个或更多个边缘面。顶面和底面形成光导的水平面，而当作为二维形状(即沿着周界)观察时，边缘在所述顶面和底面之间沿围绕所述波导元件的路径基本竖直延伸，可选地以预定角度倾斜。所述平面光导的纵向平面沿着其水平表面。

光导包括由光学聚合物或玻璃形成的光传输载体介质。在示例性实施例中，光导(载体)介质是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。为了清楚起见，参考数字20用于表示作为实体的光导和制成所述光导的载体介质。

带50可以附着在平面光导的一侧或两侧(顶部、底部)。合理的是将带50安装在光导的承载其他光学结构(例如光外耦合/提取层)的同一侧。特别是在窗户照明中，由于环境因素，将所有光学结构组装在面向建筑物内部或分层窗户之间的空间的窗户表面上是有益的。

图1A和1B示出了光导解决方案，其具有直接附着到其表面(顶面，图1A；和底面/背面，图1B)上的带10。在图1A的配置中，发射器装置30直接设置在布置于光导20的表面上的带50上方。在这种配置中，光学辐射光线31直接入射到带50上。发射器30和带50相对于光导20位于同一侧。

在图1B的配置中，发射器30基本设置在带50上方，但是在其间具有光导材料30。带50因此相对于发射器30的位置附着到光导的相对侧(参考图1B的布局，带设置在光导的底侧)。因此，光学辐射光线31通过光导介质20到达带上。发射器可以位于光导材料上方，如图1B所示，从而产生空气-光导材料界面，或者发射器可以与光导材料接触。

带50可以附着到光导的顶面和底面/背面。在这种情况下，发射器30可以靠着顶面和背面中的任何一个或两个放置(见图6)。附着在两个表面处的带50可以具有相同/相似或不同的功能。

图1C示出了光学设备或单元150中的光学内耦合带50的使用。单元150包括带50和配置成发射光学辐射的至少一个发射器30。发射器30完全集成到光学单元150中。在一些配置中，发射器30设置有准直装置，例如准直透镜。带和发射器有利地设置在壳体中。可选地，壳体在光导表面上放置带的一侧是敞开的。单元150具有约0.5-10mm的高度(h),并且它可以结合任何适当长度/宽度的带50。带50有利地设置有用于光导附着的装置，例如粘合层。

发射器30可以设置在支撑件22上。支撑件22可以倾斜(图1C),以预定角度将发射的(和准直的)光引导到带上。所述倾斜角(限定支撑件22的斜度的角度)可以根据光学光导系统的设计规范和一般实施方式来修改。

发射器30基本布置在附着于光导表面的带50上方或靠着带50，使得光线以基本直角(平行于光导表面法线或带表面法线；图1A、1B)或相对于表面法线成预定角度落在带上。(图1C)表面法线是指垂直于物体表面的线或向量(因此，相应地，光导和附着至其的带)。相对于表面法线在10-90度之间的范围内选择预定角度(包括例如15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85度和任何中间值)。因此，带50配置用于内耦合基本顶侧的光。

带50和单元150可用于具有基本平面表面的任何光导，与其厚度无关。

优选地，带50具有均匀的外表面(面向光导的表面和与其相对的表面)，即其上没有形成任何表面浮雕图案或相关结构。仍优选地，这些表面配置成完全平坦和平面的。

鉴于所利用的技术，不排除包括浮雕图案(开放腔图案)的带50的实施方式。光学外耦合图案

就与尺寸相关的参数(长度、宽度、高度/厚度)而言，带50可以根据实现最佳性能效率的需要进行配置。例如，通过粘合来实现或便于将带附着到光导上。

图2在(i)-(iv)处示出了光导20上的光学内耦合带50的各种布局。布局(i)基本与图1A所示的布局相同。布局(ii)和(iii)示出了在平面光导介质上提供带50，具有传统的单侧光外耦合图案21(ii)和传统的双侧光外耦合图案21(iii)。布局(iv)示出了在平面光导介质上提供带50，具有配置有嵌入腔光学器件的单侧或双侧光外耦合图案21(虽然没有特别示出单侧配置，但是基于图3的iv可以容易地想到)。

在所有选项(i)-(iv)中，可以在平面光导介质的一侧或两侧提供带50。可替代地或另外，可以利用单元150。

带50配置成接收并内耦合从一个或多个发射器30发射的光学辐射31(光)的光线。该带还配置成调节内耦合光的方向，并通过光导介质将光传播(光线32)导向外耦合区域21。提取/外耦合光由附图标记33表示。光学外耦合图案可以通过例如复制集成到光导介质中，或者以涂覆在光导表面上的涂层或带的形式提供。

附着在光导20的至少一个表面上的带50形成光学连接或光学接触，用于光传输(传播)进入和穿过光导介质。在将内耦合带附着在光导上时，在光导介质20和带介质(基板50A)之间的界面处建立光学接触。光学接触可以通过机械连接或通过粘合，例如通过光学透明粘合剂来建立。

图3是根据一些实施例的光学内耦合带50的截面图。内耦合带50包括基板50A和至少一个图案51，图案51形成有嵌入基板中的多个图案特征52。图案特征52在基板材料中的布置优选是周期性的；然而，不排除将图案51提供作为非周期性结构。特征52配置为光学功能腔(即内部、嵌入或集成腔光学器件)。后者进一步被称为“腔”或“腔轮廓”。具有嵌入图案51/嵌入腔52的基板材料50A形成光学功能层511。

内部腔52填充有折射率不同于围绕腔的基板的材料的折射率的材料。

在一些配置中，腔52填充有低折射率材料。另外或可替代地，腔可以设置有低折射率涂层。在一些配置中，腔52填充有空气，以建立嵌入的空气腔光学解决方案。总的来说，用于所述腔的填充材料可以由以下任何一种建立:气态介质，包括空气或其他气体、流体、液体、凝胶和固体。

具有嵌入图案51的光学功能层511由至少两个(子)层511A、511B形成。第一基板层511A包括基本平坦的平面表面，其中形成有至少一个腔图案(以下称为图案化层)。图案化层511A可被提供作为具有均匀厚度的基板材料的平坦平面层，其中已经形成了至少一个腔图案。为了建立内部腔并形成嵌入光学图案，将具有图案化表面的第一基板层抵靠第二基板部件511B的完全平坦的平面表面，使得在第一层511A的图案化基板表面和第二基板层511B的完全平坦的平面表面之间的界面处形成至少一个嵌入腔图案51，其具有与平坦接合点或区域53交替的嵌入腔52。

在实践中，层511A是基本平坦的平面基板层，具有包括腔的一个或多个图案(以下称为图案化层)。为了建立内部腔并形成嵌入的光学图案，附加基板层511B，优选地作为完全平坦的平面层提供，靠着(图案化)层511A布置，使得内部(即嵌入或集成)特征图案51建立在图案化层511A和平面层511B之间的界面处。基板层511A、511B之间的边界没有示出，以强调具有嵌入图案51的光学功能层511的基本“一体”性质。

在一些配置中，第二基板层511B被提供作为具有均匀厚度的完全平坦的平面基板材料层。

附加基板层511B可被提供作为光学透明层和/或有色层。层511A、511B可以由相同的基板材料和/或具有基本相同折射率的基板材料制成。可替代地，这些层可以由不同的材料制成，差异至少在折射率、透明度、颜色和相关的光学特性(透射率、反射率等)方面建立。例如，整个光学功能层511(具有两个层511A、511B)可以由基本光学透明的基板材料制成，例如透明聚合物或弹性体、UV树脂等。可替代地，层511A、511B可以由不同的材料制成，因此具有不同的折射率。

在一些实施例中，带50仅由功能层511形成。这种带由层511构成，该层511具有完全嵌入基板材料内部的图案11/(空气)-腔轮廓12(在外表面上没有建立显著的图案特征)。

功能层511和带50可以用以堆叠配置布置的多个嵌入图案来实现。配置包括将两层或更多层511结合在一起，以在单个带中形成多层解决方案(参见图12b)。另外或可替代地，两个或更多个带50可以应用在彼此的顶部，以形成多层带配置。

在一些情况下，光学功能层511因此包括堆叠在彼此顶部的两个或更多个图案化层511A，可选地与平坦基板层511B交替。因此，可以借助于图案化层511A在图案化层之间建立平坦的平面界面。因此，最上面的图案化层可以设置有完全平坦基板511B，以完成多层结构并能够完全封装图案。

在一些配置中，带50可以进一步包括多个附加层。在这种情况下，优选的是，其中形成腔52的基本平坦的平面基板层511A由基本光学透明的材料制成。功能层511B又配置为接触层，以建立与最顶层结构(例如层513)的接触表面。层511B因此可以配置为粘合层或干燥(固体)层。

与腔52交替的基板材料区域在子层511A、511B之间以及在光学功能层511和附加层512、513之间形成接触区域或接触点。在某些条件下，结区域53形成所谓的光通道，光通过该光通道在层(511、512和513)之间传输。当基板材料50A是基本透光的载体介质时，形成光通道。因此，图案51包括多个嵌入腔，在它们之间具有接触点/光通道53。

功能层511的制造通过将两层或更多层结合在一起，优选通过层压来实现，于是完全平坦的平面层511B靠着图案化层511A放置。在一些情况下，两个或更多个图案化层可以层压在彼此的顶部以形成堆叠。在基本布局中，在平坦的平面图案化层中形成的开放腔嵌入在层之间形成的完全平坦的平面界面处。平坦的接触区域53在层压过程中形成(也参见图10，用53表示的虚线圆)。带50的重要优点是在压印图案特征和将所有层层压在一起时可以利用卷对卷(roll-to-roll)生产方法，使得所有功能层都存在于一个产品中。

在基本配置中，带由至少一个功能层511构成，该功能层511形成有嵌入腔光学器件。为了便于附着，带还包括在所述功能层或功能层堆叠的一侧或两侧上的至少一个粘合剂层(参见例如512)。

带50还可以包括多个附加功能层，其布置在光学功能层511(或光学功能层堆叠)的一侧或两侧，例如图3中标示为512的基层和标示为513的最顶层。这些层为带提供了许多附加功能。

举例来说，基层512可以配置为粘合层，以能够通过粘合附着到下面的光导介质。粘合层512可以被提供作为光学透明粘合剂(OCA)或液体光学透明粘合剂(LOCA)。粘合剂层可以设置在带的任何表面上或者所述带的两个表面(顶部、底部)上。因此，带50可以配置为双面粘合带，用于在带的任一侧附着不同的元件。

最顶层/外层513是功能外层，其可以配置为光学透明层、不透明层、反射器层、低折射率(Ri)层等中的任何一种。可替代地，最顶层513可以配置为粘合层，类似于基层512的粘合层。

在一些配置中，光学内耦合带配置为执行协同多功能，其中光方向性和波长管理例如通过集成波长转换层来执行，其中单色光例如蓝色LED光被部分或全部转换。

光内耦合带可以设置有附加功能层(512、513),其配置为波长转换层，用于单色光(例如蓝色(LED)光)的部分或全部转换。波长转换层可以布置在光导的顶面和/或底面上。在后一种情况下，波长转换层可以与粘合层布置在一起，并且形成与光导的光学连接。具有这种附加转换功能的层可以用在光导的边缘或平面区域(所述光导的光分布区域)上。可替代地或另外，波长转换层可以与内耦合元件150一起使用。

举例来说，任何一个附加层(例如512、513)可以配置为黑色层，以吸收穿过光通道53的一部分光，光通道53在层之间的界面处形成接触点。例如，可以在光学元件的背面提供具有黑色层的带。在另一示例性配置中，附加层可以是光学透明层，用于通过层(511、512、513)之间的界面处的接触点53传输光。如上所述，接触点(光通道)由基板区域53形成。以类似的方式，任何附加层可以配置为反射器层，其中所述层的材料可被用于镜面反射、朗伯反射或者被提供作为任何其他反射性不透明材料。一种特殊的解决方案包括在光学功能层511的背面或层511内部使用低折射率(Ri)层，以使接触点53对入射至其的光产生全内反射。取决于所述互连点(区域53)的填充因子和它们的形状，所指出的解决方案通常将光强度分布/光协调效率提高约6％-20％。考虑到带在光导介质上的位置，应根据具体情况调节所描述的配置。

带50的主要光学功能是内耦合从至少一个发射器30发射的光学辐射，并调节入射到图案上的光学辐射光线的方向。带配置成调节/修改接收至其的光的方向，使得入射到一个或多个图案51上的光被偏转，以获得经由一系列全内反射穿过光导介质20的传播路径。因此，图案51被设计成使得借助于所述图案，带配置成通过光导介质可选地朝向外耦合区域21传递内耦合光传播，并且可选地控制通过光导20传播的光的分布。

在图案处接收的光31在每个腔52和围绕腔的基板50A的材料之间的界面处被内耦合和偏转。因此，图案51及其特征(腔)执行一种光学功能或一组与内耦合和调节接收至其的光的方向相关的功能。内耦合和/或偏转光32获得通过光导介质的传播路径，于是在每个腔和围绕腔的基板的材料之间的界面处的入射角大于或等于全内反射的临界角。

通过为图案中的每个单独腔或一组腔提供多个参数，图案51被赋予光学功能，这些参数包括但不限于:尺寸(大小)、形状、横截面轮廓、图案中的取向和位置、填充因子和周期性。

由每单位面积的光学特征52的百分比(％)定义的填充因子(FF)是设计光学解决方案的关键参数之一。填充因子定义参考区域(例如图案或任何其他参考区域)中特征52的相对部分。

因此，图案中的每个单独腔构成具有多个光学功能表面的轮廓。举例来说，光学功能表面521、522(此后，相应地，第一光学功能表面和第二光学功能表面)示意性地示出在图3上(也参见图4)。每个所述表面建立在腔52和周围基板介质之间的边界界面处。所提到的表面之一(因此，表面521)可被提供作为基本平行于光导的纵向轴线/平面的基本水平表面，并且具有沿着基本相同轴线/平面发射光的光源，而另一个(因此，表面522)可被提供作为相对于第一表面的倾斜表面或竖直表面。事实上，腔中的所有表面都可以被赋予光学功能。

因此，一个或多个光学功能表面由在每个腔和围绕腔的基板的材料之间的界面处形成的任何一个或多个表面建立。

在一些配置中，图案中的每个单独腔中的每个所述光学功能表面由低折射率反射器、偏振器、漫射器、吸收器或它们的任意组合中的任何一个建立。因此，任何一个光学功能表面，例如521、522，都可以设置有适当的涂层，例如低Ri涂层。

如上所述，光学内耦合带50的主要功能之一是内耦合和偏转以大于或等于全内反射临界角的入射角入射到图案上的光。由带执行的光学功能被应用于入射到图案上的光(入射在腔和周围介质之间的界面处)。入射光被内耦合，并通过嵌入在带内部的(空气)腔光学器件进一步从其原始传播路径偏转(重定向)一定角度。

除了调节通过光导介质的所述TIR介导的光传播的分布之外，该带配置成执行许多附加光学功能，其中特定功能或功能组合由许多因素决定，包括腔和周围材料相关的参数，比如图案中腔轮廓的配置和材料的选择(例如形成光学功能层511的基板材料、附加层512、513的材料、腔填充材料)。

在带50中，至少一个图案配置成执行与内耦合从至少一个发射器30发射的光并调节接收至其的光的方向相关的光学功能，其中，所述光学功能包括但不限于:反射功能、吸收功能、透射功能、准直功能、折射功能、衍射功能、偏振功能及其任意组合。

图案中的腔单独或共同执行一种或多种光学功能。因此，图案可以配置成使得图案中的所有腔执行相同的功能(共同性能)。在这种情况下，图案可以包括相同的(同样的)腔。可替代地，相同图案中的每个单独腔52可以设计成建立至少一种与调节接收至其的光的方向相关的光学功能。这是通过调节(在设计和制造阶段)与腔相关的参数来实现的，例如尺寸、形状、横截面轮廓、取向、位置、周期性、填充因子等，如上所述。带50可以包括多个图案，每个图案包括的特征/腔与带中任何其他图案的特征/腔的不同之处在于至少一个参数。

在该带中，所述一个或多个图案配置为可由多个腔相关参数改变，其中多个腔相关参数包括从由尺寸、形状、横截面轮廓、取向、位置和周期性构成的组中选择的单独参数或参数任意组合。

通过在腔52(图3)之间提供光通道区域53，有助于实现内耦合和偏转/(重)定向(偏转)功能。所述光通道的配置很大程度上取决于腔的配置和所述腔在图案中的布置，然而，例如光传输特性可以通过选择基板材料来控制和优化。

具有应用至其的光学重定向功能的内耦合光(即其方向通过与腔图案的相互作用而被调节的内耦合光线)，也被称为偏转和/或(重)定向光(32，图3)，经由一系列全内反射获得通过光导介质20的传播路径。

可以进一步调节带中的图案51，使得光在图案中的每个腔和围绕腔的基板的材料之间的界面处以大于或等于全内反射临界角的入射角入射到所述图案上。通过这种布置，在带50和图案51处接收的光的方向在图案中的每个腔和围绕该腔的基板的材料之间的界面处被修改，以获得通过光导介质的传播路径，于是在光导介质和环境之间的界面处的入射角，以及可选地，在每个腔和围绕该腔的基板的材料之间的界面处的入射角大于或等于全内反射的临界角。

通过内耦合带50，内耦合光的方向被进一步调节，使得光以大于或等于全内反射临界角的入射角到达光导介质和环境之间且可选地每个腔和围绕所述腔的基板介质之间的边界(界面)的平面上。

为清楚起见，术语“偏转”在此主要用于其方向在带50处被调节/修改(即被修改以偏离其原始路径，如由发射器发射的)的内耦合光线，而术语“(重)定向”既适用于在带处偏转(重定向)的光线，也适用于在带处偏转后经由一系列TIR获得通过光导的传播路径的光线。偏转和(重)定向功能都旨在调节光学辐射光线的方向，这是光与界面/边界材料(例如空气-塑料)相互作用的结果。反过来，通过许多光学功能，比如反射、折射等，发生相互作用。

光以一定范围的入射角到达图案时，在腔52处发生全内反射。因此，就功能表面521、522而言，腔52可以配置成接收并进一步分配到达图案的光(以等于或大于相对于由任何一个所述光学功能表面产生的界面的临界角的入射角)。

当光线移动穿过光学透明基板50A并以某一角度照射到内腔表面(521、522)之一时，光线或从该表面反射回基板，或在腔-基板界面处折射到腔中。光被反射或折射所根据的条件由斯涅尔定律决定，该定律给出了入射到两种不同折射率介质之间的界面上的光线的入射角和折射角之间的关系。根据光的波长，对于足够大的入射角(在“临界角”以上)，不会发生折射，光的能量被限制在基板内。

临界角是光相对于表面法线的入射角，在该角度发生全内反射现象。当折射角相对于表面法线成90度时，入射角变成临界角(即等于临界角)。通常，当光从具有(更)高折射率(Ri)的介质传递到具有(更)低折射率的介质时，例如从塑料(Ri1.4-1.6)或玻璃(Ri1.5)传递到空气(Ri1)或任何其他具有低得多的折射率的介质时，发生TIR。对于从高Ri介质传播到低Ri介质的光线，如果入射角(例如在玻璃-空气界面处)大于临界角，则介质边界充当非常好的镜子，光将被反射(回到高Ri介质，例如玻璃)。当TIR发生时，没有能量通过边界传输。另一方面，以小于临界角的角度入射的光将部分被折射出高Ri介质且部分被反射。反射光与折射光的比率很大程度上取决于入射角和介质的折射率。

临界角随着基板-空气界面(例如塑料-空气、玻璃-空气等)而变化。例如，对于大多数塑料和玻璃，临界角约为42度。因此，在示例性波导中，以45度角(相对于表面法线)入射在诸如PMMA片的光传输介质和空气之间的边界处的光将可能被反射回光导介质，从而不会发生光外耦合。

相同的原理适用于通过一系列TIR穿过光导介质的光传播。注意，通过光导的TIR介导的光传播也可能发生在由一个或多个内耦合带限定的边界之外。TIR现象是由光导设计和/或光导介质的选择造成的。

建立二维或三维图案，通常具有恒定的周期性图案特征或可变的周期性图案特征。周期性是控制和偏转光导介质中的平面波以及重定向入射光(即入射到图案上的光)以获得优选分布的必要特征。在另外的情况下，非周期性图案特征可以用于协调不均匀的光通量和/或光分布。

在每个单独的图案中，腔52可以由离散的或者至少部分连续的图案特征构成。离散图案的示例包括点、像素等。

图4示出了具有不同填充因子的嵌入腔图案51(A、B、C)。举例来说，图4示出(配置A)腔特征52可以由多个参数来表征，例如特征的长度(l)、宽度(w)和高度(h)(在图4中示出了底部宽度wb)。此外，特征52可以用周期长度(p)和倾斜角(θ)来表征。

图4所示的配置A、B、C仅在填充因子方面彼此不同。特征52指示腔，优选地，空气腔(围绕腔52的材料50A未示出)。关于图案51(A)示出了光学功能表面521、522。比较结果总结在下表1-3中。

表1。图案51(A)，图4。100％图案填充因子(0间隙)。优化的锥形倾斜，优化的闪耀角。缩写LGP代表“光导板”。图4示出了倾斜角和闪耀角(也称为闪耀角度)。

表2。图案51(B)，图4。92％图案填充因子(5微米/微米间隙)。优化的锥形倾斜，优化的闪耀角。

表3。图案51(C)，图4。86％图案填充因子(10微米/微米间隙)。优化的锥形倾斜，优化的闪耀角。

图案A、B、C设置在附接到光导背面的内耦合带50中(图4)。发射器装置30(具有准直器)安装在光导的另一侧(顶侧)。因此，该布置与图1B上示意性描绘的相同。虚线框(图4)示出了光锥(准直且倾斜的光)，具有0.2度(°)的固定锥边。

图5是示出了相对于光源准直(度数，光锥；x轴)的内耦合光量(％，y轴)和具有不同填充因子的图案51(A、B、C)的位置(如图4所示)。包括所述图案51(A、B、C)的带50位于光导的背面，如图4所示(与光源30相对的一侧)。

图6描述了类似于图4所示的布置，但具有嵌入图案中的腔特征52，该嵌入图案被供应低折射率(低Ri)材料。低Ri材料可被提供作为腔的填充材料和/或作为涂覆所述腔的涂覆材料。图案填充因子为100％。

低折射率材料通常是折射率在1.10-1.41范围内的材料。低Ri材料的折射率通常低于1.5；优选低于1.4。图6中提到的材料的折射率是1.18(在这种情况下，低Ri材料是填充腔52的材料)。在这种情况下，嵌入图案可以具有滤光器功能，其被定义为改变入射到其上的电磁辐射的光谱强度分布或偏振状态的能力。滤光器可能涉及执行各种光学功能，例如透射、反射、吸收、折射、干涉、衍射、散射和偏振。

图7是示出了相对于光源准直(度数，光锥；x轴)的内耦合光量(％，y轴)和具有供应低Ri材料的腔的图案的位置，如参考图6所述。

图8描述了在图1A上示意性描绘的布置，其中在光导20的顶侧上提供内耦合带50，并且其中光(来自发射器30)直接入射到所述带上。嵌入腔图案51包括许多个棱柱形腔特征52(围绕腔52的材料50A未示出)。图8所示的配置A、B、C仅在填充因子方面彼此不同。发射的光被准直器(透镜)准直。比较结果总结在下表4-6中。

表4。图案51(A)，图8。100％图案填充因子(0间隙)。优化的锥形倾斜，优化的闪耀角。缩写LGP代表“光导板”。棱镜角1是指左侧表面的棱镜角，棱镜角2是指右侧表面的棱镜角(图8)。

表5。图案51(B)，图8。92％图案填充因子(5微米/微米间隙)。优化的锥形倾斜，优化的闪耀角。

表6。图案51(C)，图8。86％图案填充因子(10微米/微米间隙)。优化的锥形倾斜，优化的闪耀角。

图9是示出了相对于光源准直(度数，光锥；x轴)的内耦合光量(％，y轴)和具有不同填充因子的图案51(A、B、C)的位置(如图8所示)。包括所述图案51(A、B、C)的带50位于光导的顶侧，如图8所示(与光源30相同的一侧)。

图10是具有嵌入空气腔图案51的光学内耦合带50的截面图。该带附着在光导元件20(光导板，LGP)的顶面上。来自发射器30的准直光直接在带50上被接收。图10所示的放大区域表示具有嵌入图案51(如上所述，由层511A、511B形成)和光学透明粘合剂底层(512)的带50。腔52填充有空气。形成接触区域52以使光能够穿过这些层。填充因子为86％。

图10所示的设置能够实现73-75％的内耦合效率，其中在50°倾斜角下的准直锥约为10°(具有菲涅耳反射)。

通过在带50和光学功能层511内提供至少一个层515，可以进一步修改该设置。例如，内层515可以配置为抗反射(AR)层。在本示例中(图10，右侧),在将平坦层511B接合到图案化层511A之前，平坦基板层511B已经预涂覆有AR涂层(515)。以类似的方式，图案化层511A可以预先涂覆有涂层515。包括内部AR涂层的设置能够实现高达约83％的内耦合效率。

图11A和11B示出了具有准直光源30的光导元件20的顶面上的光学内耦合带50。

图11A是具有完全嵌入的空气腔图案的带50的截面图，该空气腔图案包括具有优化形状的棱柱形腔特征52。其他设置参数包括:LED准直(光锥)约10°；LED光倾斜50°；没有菲涅耳反射；光导元件内部的强度分布是离散的，这通常可以在光导的横截面中观察到。该带允许实现高达87％的内耦合效率。

图11B是具有空气腔图案的示例性带50的截面图，该空气腔图案包括具有优化形状的棱柱形腔特征。其他设置参数与图11A相同。该带允许实现高达94％的内耦合效率。

在图案中，腔可以进一步配置和布置，以便形成基本可变的(或分段的)周期性图案，其中每个局部图案设计具有在所述图案内基本可变的特征。因此，在一些配置中，带50包括以周期性片段布置的多个图案，其中每个片段具有预定的面积和周期长度(未示出)。这些局部图案可以在修改图案和/或腔相关参数方面变得可变，以管理以预定角度或角度范围入射的光。腔轮廓可以根据选自尺寸、形状、横截面轮廓、取向和在图案中的位置中的任何一个的多个参数而可变地配置。

在带中，腔52因此建立有二维或三维图案特征，这些特征具有从由线性、矩形、三角形、闪耀状、倾斜、梯形、弯曲、波形和正弦曲线轮廓构成的组中选择的横截面轮廓。

此外，就图案配置和布置而言，带50针对特定光导厚度和其它光导特定参数进行设计和优化。

具有空气腔52的三维菱形闪耀图案设计51的示例在图12中示出(左上角的方框)。该图案可以配置为混合光学图案。图12还示出了带50及其在光导元件20上的设置的多个实施例。因此，配置A示出了具有单一图案层的带50。

配置B示出了作为双层或多层解决方案实施的带。在配置B中，功能层511和带50可以用以堆叠配置布置的多个嵌入图案来实现。配置包括将两个或更多个图案化层(511A)，可选地，光学功能层(511)结合在一起，以在单个带中形成多层解决方案。在一些配置中，图案化层511A可以可选地与平坦基板层511B交替。另外或可替代地，两个或更多个带50(50-1、50-2)可被施加在彼此的顶部上，从而形成双层或更多层带配置。

在多层配置中，带可以由包括两个或更多个图案化层(标记为511A)的堆叠形成，所述图案化层位于彼此的顶部。因此，仅依靠所述图案化层511A就可以在层之间建立平坦的平面界面(要求该层在其一个表面上建立图案，另一个表面保持完全平坦)。因此，最上面的图案化层可以设置有完全平坦的基板511B，以完成多层结构并能够完全封装图案。

因此，该堆叠可以用以下任何一种来实现:可选地与完全平坦的基板层(511B)交替的图案化层(511A)；光学功能层(511)；和带50。位于堆叠中不同水平的图案可以配置为执行相同或不同的光学功能，所述光学功能与内耦合和调节接收至其的光的方向相关，其中，所述光学功能选自以下：内耦合功能、反射功能、重定向功能、偏转功能、吸收功能、透射功能、准直功能、折射功能、衍射功能、扩散功能、偏振功能及其任意组合。

在配置C中，带50在其至少一端包括成形结构54。可以类似的方式设想成形结构在带两端的布置(未示出)。该成形结构被限定为带的外表面的至少一部分基本与光导附着表面相对放置。相对于平面光导的纵向平面，所述成形结构的配置可以是锥形、倾斜(斜面)或凸起中的任何一种。具有由此形成的光楔54的带50可以配置(就光学图案而言)用于混合耦合。

带50可以卷的形式提供，如通过卷对卷层压过程生产。

在一方面，提供了光学设备(单元)150，所述单元包括带50和至少一个发射器30，用于发射入射到带50上的光学辐射(如参考图1C所述)。单元150因此提供了紧凑的解决方案，其中光源与光学器件集成。后者可以配置为嵌入(空气)腔光学器件或浮雕(开放腔)光学器件。

图13A和13B示出了光学内耦合带50的使用以及将该光学内耦合带与光协调带10结合使用的单元150。谐波带10(也称为偏转带)可以附着在光导上内耦合区域之后的预定区域内(后者具有附着/安装到其上的内耦合带50或单元150)。因此，谐波带可以覆盖所述光导的光分布区域内的某个或某些区域，即内耦合和外耦合区域之间的区域。带10可以沿着光导的整个光分布区域布置。

谐波带10是基于类似于上文关于光学内耦合带50所述的腔光学解决方案来实现的。虽然内耦合带50的主要功能是内耦合发射的光线并调节内耦合光的方向以调节光传播通过光导；谐波带10的主要功能是偏转和重定向入射到所述带上的光，以控制通过光导传播的光分布。带50、10的光学功能在与腔相关的参数和与带相关的参数(例如基板材料、整体实施等)方面是可调节的，如上所述。因此，提供谐波带10能够改善光导中的内部光分布均匀性(通过谐波带10实现的增强的TIR功能来调节)。

另一方面，提供了一种制造光学内耦合带50的方法，所述方法包括:通过合适的制造方法制造用于所述至少一个图案的图案化主工具；将图案转移到基板上以产生图案化基板；以及通过在所述图案化基板上施加附加平坦平面基板层来产生一个或多个嵌入腔图案，使得在基板层之间的完全平坦平面界面处形成内部腔。

图案可以通过任何合适的方法制造，包括但不限于:光刻、三维打印、微加工、激光雕刻或其任意组合。可以利用其他合适的方法。

优选地，一个或多个嵌入腔图案通过卷对卷层压方法实现，其中子层511A、511B彼此层压以形成光学功能层111。

附加基板层(511B)可以通过层压方法施加到图案化基板层(511A)上，该层压方法选自卷对卷层压、卷对片(roll-to-sheet)层压或片对片(sheet-to-sheet)层压中的任何一种。

一旦制作好的图案有利地通过任何合适的方法进一步复制，例如压印、挤压复制或三维打印。可以利用任何其他合适的方法。

采用典型的生产线来执行以下过程:a)图案制作和复制；b)腔层压；c)其他/附加层的制备及其层压；以及d)最终膜切割。该生产线可以进一步用于制造窄或宽的带产品。

在步骤a-c期间生产的光学内耦合带片或卷可被转移到别处进行切割。

本发明还涉及提供光导20和光学内耦合带50，光导20包括光学透明介质，其配置为建立光传播通过光导的路径，光学内耦合带50根据上文描述的实施例实现，其中光学内耦合带附着到所述光导的至少一个平面表面上。在一些配置中，光学内耦合带通过粘合附着到光导上。

还提供了所述光导在照明和/或指示中的用途。光导可用于照明和指示相关的目的，包括但不限于:装饰照明、光屏蔽和光罩、公共和一般照明，包括窗户、正面和屋顶照明、标志、招牌、海报和/或广告牌照明和指示，以及太阳能应用。对于本领域技术人员来说，随着技术的进步，本发明的基本思想旨在涵盖其各种修改。因此，本发明及其实施例不限于上述示例；相反，它们通常可以在所附权利要求的范围内变化。

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