CN100437268C - 导光板模具及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种导光板模具及其制备方法。该导光板模具仅由一块模具基材制成，该基材包括一平坦的表面，该表面上形成有微结构，该微结构包括多个轴向截面为圆弧形的凹槽及轴向截面为V形或U形的凹槽，该轴向截面为V形的凹槽的径向截面为方形、三角形或圆形，该轴向截面为U形的凹槽的径向截面为方形，该轴向截面为V形或U形的凹槽的其中之一与该轴向截面为圆弧形的凹槽按预定光学图形规则排布。利用该模具以塑料射出、热压、滚压或涂布等方式可大批量成型出应用在非自发光平面显示器的背光模块中的导光板。本发明还提供该导光板模具的制备方法。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种导光板模具及其制备方法。
【背景技术】
非自发光平面显示器(如液晶显示器)的光源来自平面光源模块，透射型液晶显示器采用背光模块，反射型显示器采用前光模块。背光模块是一种将线形光源(如冷阴极管)或点状光源(如发光二极管)转换成高亮度及面均匀度的平面光源的模块结构。
如图12及图13所示，为传统背光模块的构造：冷阴极管1置于导光板2端面，导光板2反射面形成有高密度的微结构3，导光板2上端设置一下扩散片4，扩散片4上端设置一下棱镜片5及一上棱镜片6，一上扩散片7置于背光模块最上层。
光源发射的光束进入导光板，导光板反射面上的微结构破坏光束在导光板内传导的全反射条件，调整出光面方向出射光束的面均匀度；上下扩散片具有扩散光束的功能；上下棱镜片调整出射光束方向，使得光束主要以导光板法线方向出射。
导光板2反射面的微结构3可为圆形、碗形、椭圆形或半圆形微结构的构造，以调整其出光面方向出射光束的面均匀度；微结构大小从毫米到微米级，微结构尺寸越小，则将出光面方向出射光调整得越均匀，可省去背光模块中设置的多片扩散片，此为导光板微结构微细化需求。
导光板2出光面可为镜面，也可设置微结构以取代前述棱镜片功效。若设置V形凹槽微结构，则其光学结构与传统出光面镜面结构导光板加上一片棱镜片合成的光学结构相同，因此可省去一片棱镜片；若设置金字塔形微结构，则其光学结构与传统出光面镜面结构导光板加上二片棱镜片合成的光学结构相同，因此可省去二片棱镜片。但两者皆需精确掌控微结构斜面与顶角，此为导光板微结构多样与尺寸精确化需求。
如果将圆形、碗形、椭圆形或半圆形等调整光束面均匀度的微结构与V形、金字塔形等调整光束方向的微结构结合起来，以一定光学几何图形形成在导光板入光面、出光面或反射面，则可去除扩散片及棱镜片，且既能确保导光板出光面方向出射光束的面均匀度及亮度，又能简化背光模块结构，但需要精确、易实现微结构多样化、微细化以及成本合理的加工方法。
传统导光板表面微结构形成方法，主要有以下方式：
1.网版印刷式：(如美国专利第5,988,826号、美国专利第6,199,994号)在导光板表面用网版印刷油墨或树脂。其主要缺陷在于：局限于网版网目的大小，微结构大小在300微米以上，且形状不稳定，不具有多样化能力。
2.机械加工式：以成型钻石刀具加工母模，经电铸翻模制造一模具，再利用模具以塑料射出或热压方式成型导光板。该方法可控制所成型的微结构的形状与尺寸，而具有微结构多样化能力。其主要缺陷在于：局限于机械加工的物理极限，其微结构的尺寸在数十微米以上，而无法微细化。
3.光阻光刻铸模式：(如美国专利第5,776,636号、中国专利第01104227号)系以光阻涂布在模具基材上，光阻经曝光、显影在模具基材上成型出微结构的形状后，再以电铸翻模方式成型一模具，再利用模具以塑料射出或热压方式成型导光板。其主要缺陷在于：制程较为复杂，成本高，且不具多样化能力。
综上所述，在导光板上形成微细结构的传统方法存在其所形成的微结构不够多样化及微细化、且制程复杂、成本高的缺点，故，提供一种导光板模具及其制备方法，用以制备导光板，克服传统方法在导光板上形成微细结构的缺陷非常必要。
【发明内容】
为解决现有技术非自发光平面显示装置中背光模块结构复杂、不利于显示装置薄型化、传统方法在导光板上形成的微结构不够多样化及微细化、且制程复杂、成本高的技术问题，本发明的第一目的在于提供一种能批量生产确保出射光亮度及均匀度且简化背光模块的导光板的导光板模具。
本发明的第二目的在于提供一种能在导光板上形成多样化微细结构且制程简单、成本低的导光板模具制备方法。
为实现第一目的，本发明所采取的技术方案是：提供一种导光板模具仅由一块模具基材制成，该基材包括一平坦的表面，该表面上形成有多个微结构，其中该微结构包括多个轴向截面为圆弧形的凹槽及轴向截面为V形或U形的凹槽，该轴向截面为V形的凹槽的径向截面为方形、三角形或圆形，该轴向截面为U形的凹槽的径向截面为方形，该轴向截面为V形或U形的凹槽的其中之一与该轴向截面为圆弧形的凹槽按预定光学图形规则排布。
利用该模具以塑料射出、热压、滚压或涂布等方式可批量成型导光板，该导光板表面具有与模具表面相对应的微结构，即多个轴向截面为圆弧形的凸起及轴向截面为角形的凸起，该两种凸起以与模具表面光学图形相同的图形规则排布。该轴向截面为圆弧形的凹槽能调整光束面均匀度；轴向截面为V形或U形的凹槽能调整光束方向性，使光束从导光板出光面一定分布角度内射出，增强该范围内光束亮度。
为实现第二目的，本发明所提供的技术方案系：提供一种导光板模具的制备方法，其包括：步骤一，提供一具有多个不同形状压头的压印机；步骤二，提供一硬质材料模具基材；步骤三，驱动压印机，在模具基材上预定区域压印具有一定形状的第一凹槽；步骤四，变换不同形状的压头，在模具基材上另一预定区域压印不同形状的第二凹槽，其中，该第一凹槽及该第二凹槽为轴向截面为圆弧形、V形或U形凹槽，该轴向截面为V形的凹槽的径向截面为方形、三角形或圆形，该轴向截面为U形的凹槽的径向截面为方形；重复步骤四，在模具基材上不同预定区域压印不同形状的多种凹槽，该多种凹槽由该轴向截面为V形或U形的凹槽的其中之一与该轴向截面为圆弧形的凹槽按预定光学图形规则排布而成。
与现有技术相比，本发明所提供的导光板模具及其制备方法有以下优点：模具表面上形成有微结构，该微结构包括轴向截面为圆弧形的凹槽及截面为V形或U形的凹槽，该模具可制备出表面具有与模具表面相对应的微结构的导光板，该微结构可调整光线面均匀度、光束方向、增强出射光亮度，从而可省去传统背光模块中扩散板、棱镜片等结构，简化背光模块，从而可使平面显示器薄型化。本发明所提供的导光板模具制备方法能实现凹槽多样化、尺寸微细化，并且制程简单、成本低，可实现高速高精度压印。
【附图说明】
图1是一压头的示意图。
图2是在模具基材上压印一凹槽的示意图。
图3至图5是不同形状压头的示意图。
图6是在模具基材上形成线状凹槽的示意图。
图7是图6中线状凹槽沿VII-VII线的剖面示意图。
图8至图10是模具基材表面上多种不同形状的凹槽排列而成的各种图案示意图。
图11是导光板模具制备方法流程图。
图12至图13是传统背光模组示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图说明本发明所提供的导光板模具及其制备方法：
请参阅图11，本发明所提供的导光板模具制备方法包括下列步骤：
步骤10，提供一具有多个不同形状压头的压印机；该压头一般由金刚石等硬度大、耐磨的材料经过精细加工而成，使用寿命长。
压头具有如图1、图3、图4、图5所示的不同棱锥或圆锥形状，也可具有球形或棱柱形等其它形状，其可以根据光学设计要求自由设计，而不局限于锥形、球形或柱形。锥形压头可以压印出轴向截面为V形、径向截面为三角形、方形或圆形的凹槽，柱形压头可以压印出轴向截面为U形、径向截面为方形的凹槽；球形压头可以压印出截面为光滑圆弧形的凹槽。压头形状的多样性决定后续步骤中压印出来的凹槽形状多样性，从而决定该模具制备的导光板面上微结构形状多样性，以克服现有技术中光刻或网版印刷等加工导光板方法不能形成形状多样化微结构的缺陷。
由于凹槽尺寸大，导光板模具所制备的导光板面上微结构尺寸也大，导光板上微结构尺寸过大将影响显示器影像品质，因此要求导光板模具上的凹槽尺寸尽量小。本发明所提供的压头尺寸可决定凹槽尺寸，确保凹槽尺寸微细程度。如图1所示，压头11宽度b以及压头长度h可达到5微米以下。而机械加工时，由于物理极限限制，槽深1微米时，槽宽将在10微米以上。因此，本发明所提供的凹槽加工方法将解决现有技术中对于槽的长度极短、极限情况下点状凹槽、曲线形状急剧变化的槽的加工暂无合适方法的技术问题。
步骤20，提供一模具基材；该模具基材为硬质刚性材料，一般为镍或镍合金。优选地，在模具基材至少一表面上形成符合光学原理的几何图形。
步骤30，驱动压印机，在模具基材一平坦的预定表面上预定区域压印第一凹槽；如图2所示，采用图1所示的压头11在模具基材上压印一次，形成凹槽12。为实现大规模加工，压印机可选用高速高精度的压印机，压印机可采用活用线性马达驱动或压电材料驱动，实现高速高精度压印。
压头一次压印形成一个微小凹槽，多个次压印形成多个凹槽，如果将压头步进方向的步进长度(即压印步长)设定得较小，例如压印步长小于压头宽度时，反复进行连续的压印加工，则多个凹槽连在一起得到所需槽的长度，形成线状凹槽。线状凹槽可以为直线凹槽，也可为曲线凹槽(包括圆弧曲线及自由曲线)，可为连续线，也可为断线，均可藉由控制压头压印深度、压印方向或压印步长而灵活确定。
请参阅图6，压头连续压印形成多个微小凹槽连接在一起的线状凹槽13，其沿VII-VII线的剖面示意图如图7所示。如果该步进长度设定得足够小，则可以减少相接压痕的间接痕产生的凹凸(如图7所示沟槽底部的凹凸)，从而得到比较平滑的槽。
步骤40，变换不同形状的压头，在模具基材平坦的预定表面上另一预定区域压印不同形状的第二凹槽，其中，该第一凹槽及该第二凹槽为轴向截面为圆弧形、V形或U形凹槽，该轴向截面为V形的凹槽的径向截面为方形、三角形或圆形，该轴向截面为U形的凹槽的径向截面为方形。
压印第二凹槽时同步骤30，压头一次压印形成一个微小凹槽，多个次压印形成多个凹槽，如果将压头步进方向的步进长度设定得较小，反复进行连续的压印加工，则多个凹槽连在一起得到所需槽的长度，形成线状凹槽。
步骤50，重复步骤40，在模具基材预定表面不同预定区域压印不同形状的多种凹槽。步骤30至步骤50形成的多种凹槽由该轴向截面为V形或U形的凹槽的其中之一与该轴向截面为圆弧形的凹槽按一定光学图形规则排布而成。
优选地，在压印机上设置一电子控制装置，用以控制不同形状的压头的变换以及压印深度、压印方向或压印步长。
由于压印会造成压点凹槽周围突起，必要时，可通过切削、研削、研磨、抛光等加工方法去除。
相对于光刻技术，本方法制程简单，所需设备成本低。
根据上述方法制备的导光板模具如图8至图10所示，模具预定表面上形成的多种凹槽组成多种图案，图中所示为该图案的宏观示意图，由于单个凹槽尺寸在微米级以下，故图中未表示。但可以理解的是，采用本发明的方法在导光板模具表面上形成有多种凹槽，且该多种凹槽是多种截面为圆弧形的凹槽及截面为V形或U形的凹槽的组合，单个凹槽为点状凹槽，多个凹槽连在一起形成线状凹槽，点状凹槽与线状凹槽交错相间排列而形成不同光学图形。
第一实施例请参阅图8，导光板模具100包括一表面103，该表面103上形成有多个微结构，该微结构包括截面为圆弧形的点状凹槽及截面为V形或U形的点状凹槽，该不同点状凹槽排列形成长短不一的直线状凹槽105，直线状凹槽105相互平行或处在同一直线上。在模具100一端，位于同一直线上的相邻直线状凹槽105的间彼此隔开一定距离，越靠近模具100的相对另一端，同一直线上相邻直线状凹槽105的间隔开的距离越小，最后直线状凹槽105衍化成连续直线。该导光板模具100制备的导光板具有与模具表面103上所示对应的微结构及图案，其一端线状微结构相邻两端的间间距较大处可安置光源。
第二实施例请参阅图9，导光板模具200包括一表面203，该表面203上形成有多个微结构，包括截面为圆弧形的点状凹槽及截面为V形或U形的点状凹槽，该不同点状凹槽组合排列形成圆弧曲线凹槽205。圆弧曲线凹槽205为连续的线状凹槽，如图9中所示规则排布，即靠近模具200一端具有两个中心，曲线凹槽205分别以该两个为圆心呈放射波状分布，越远离中心，该曲线凹槽205越接近直线型凹槽。该导光板模具200制备的导光板具有与模具表面203上所示相对应的微结构及图案，其中心处可安置光源。
第三实施例请参阅图10，导光板300包括一表面303，该表面303上形成有多个微结构，包括截面为圆弧形的点状凹槽及截面为V形或U形的点状凹槽，该不同点状凹槽组合排列形成曲线凹槽305，曲线凹槽305由单个点状凹槽与线状凹槽交错相间排列组成，该曲线凹槽305从模具300一角呈放射波状扩散分布。该导光板模具300制备的导光板具有与模具表面303上所示相对应的微结构及图案，光源适合安置在该导光板一角。
导光板模具表面上的多个截面为圆弧形的凹槽及截面为V形或U形的凹槽排列而成的图案可以作出多种变化，两种凹槽的不同搭配对其所成型的导光板导出光均匀度及亮度的调整具有不同效果，本发明实质应不限于上述具体实施方式。
利用该模具以塑料射出、热压、滚压或涂布等方式可批量成型导光板，该导光板表面具有与模具表面相对应的微结构，即多个轴向截面为圆弧形的凸起及轴向截面为V形或U形的凸起，该两种凸起以与模具表面光学图形相同的图形规则排布。该轴向截面为圆弧形的凸起能调整光束面均匀度；轴向截面为V形或U形的凸起能调整光束方向性，使光束从导光板出光面一定分布角度内射出，增强该范围内光束亮度。
与现有技术相比，本发明所提供的导光板模具及其制备方法有以下优点：模具表面上形成有微结构，该微结构包括轴向截面为圆弧形的凹槽及截面为V形或U形的凹槽，该模具可制备出表面具有与模具表面相对应的微结构的导光板，该微结构可调整光线面均匀度、光束方向、增强出射光亮度，从而可省去传统背光模块中扩散板、棱镜片等结构，简化背光模块，从而可使平面显示器薄型化。本发明所提供的导光板模具制备方法能实现凹槽多样化、尺寸微细化，并且制程简单、成本低，可实现高速高精度压印。
Claims (12)
1.一种导光板模具，其仅由一块模具基材制成，该基材包括一平坦的表面，该表面上形成有微结构，其特征在于：该微结构包括多个轴向截面为圆弧形的凹槽及轴向截面为V形或U形的凹槽，该轴向截面为V形的凹槽的径向截面为方形、三角形或圆形，该轴向截面为U形的凹槽的径向截面为方形，该轴向截面为V形或U形的凹槽的其中之一与该轴向截面为圆弧形的凹槽按预定光学图形规则排布。
2.如权利要求1所述的导光板模具，其特征在于部分凹槽紧密相连成线形凹槽。
3.如权利要求2所述的导光板模具，其特征在于线状凹槽为直线凹槽，该多个直线凹槽相互平行或位于同一直线上，靠近模具一端位于同一直线上的相邻两直线凹槽的间有一定间距，远离该端位于同一直线上的相邻两直线凹槽的间的距离逐渐减小。
4.如权利要求2所述的导光板模具，其特征在于导光板模具表面靠近边缘处至少具有一中心，单个凹槽及线形凹槽围绕该中心扩散分布。
5.一种导光板模具制备方法，其包括下列步骤：
步骤一，提供一具有多个不同形状压头的压印机；
步骤二，提供一导光板模具基材；
步骤三，驱动压印机，在模具基材一平坦的预定表面预定区域上压印第一凹槽；
步骤四，变换不同形状的压头，在模具基材平坦的预定表面另一预定区域上压印不同形状的第二凹槽，其中，该第一凹槽及该第二凹槽为轴向截面为圆弧形、V形或U形凹槽，该轴向截面为V形的凹槽的径向截面为方形、三角形或圆形，该轴向截面为U形的凹槽的径向截面为方形；
步骤五，重复步骤四，在模具基材表面不同预定区域压印不同形状的多种凹槽，该多种凹槽由该轴向截面为V形或U形的凹槽的其中之一与该轴向截面为圆弧形的凹槽按预定光学图形规则排布而成。
6.如权利要求5所述的导光板模具制备方法，其特征在于压头形状包括球形、柱形以及锥形。
7.如权利要求5项所述的导光板模具制备方法，其特征在于压头宽度小于5微米。
8.如权利要求5项所述的导光板模具制备方法，其特征在于压头长度小于5微米。
9.如权利要求5所述的导光板模具制备方法，其特征在于模具基材包括镍或镍合金。
10.如权利要求5所述的导光板模具制备方法，其特征在于压印机驱动机构包括活用线性马达驱动或压电材料驱动。
11.如权利要求5项所述的导光板模具制备方法，其特征在于压印机上设置一电子控制装置，用以控制压头变换以及压印深度、压印方向或压印步长。
12.如权利要求5所述的导光板模具制备方法，其特征在于导光板模具基材至少一表面上预先形成有图案。
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