CN101038350B - 光控膜、发光设备以及显示设备 - Google Patents

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Abstract

提供一种光控膜，该光控膜包括交替布置的透明层和光吸收层。该膜能够相对严格地控制来自光源的光出射角，并提高了其光利用效率。此外，提供一种利用其的发光设备和显示设备。透明层包括高折射率区和低折射率区，并且此外，至少在光吸收层和低折射率区当中的光吸收层的光入射表面上设置光反射层。因此，通过利用在折射率界面上的反射，来实现具有高的光利用效率的光控膜。同时，实现了包括该光控膜的、能够切换发光角的发光设备和能够切换视角的显示设备。

Description

光控膜、发光设备以及显示设备
技术领域
本发明涉及一种控制光源的出射角的光控膜，以及利用该光控膜的发光设备和显示设备。具体而言，本发明涉及一种能以高效率出射来自光源的光的光控膜，以及利用该光控膜的发光设备和显示设备。
背景技术
近些年来，广泛采用这样一种光学膜(光控膜)以避免移动电话或者移动PC被偷窥或者避免汽车的前挡风玻璃上的反射，其中该光学膜设置在显示器的观众侧或者液晶显示器和光源之间以便控制出射角。作为一种光控膜，日本专利申请未决公开No.2001-242797(专利文件1)(第2-5页，图1)提出了这样一种膜，其中可以交替布置不同折射率的部分。
专利文件1未说明膜上的入射光、膜的出射光，以及膜中的光路，因此细节是未知的。但是，在如专利文件1所述的这样一种膜中，如果膜上的光入射角分布较大，会使得临界角(ultimate angle)附近的光入射在出射表面上，从而获得具有宽出射角的光。并且，具有比临界角更大角度的光会返回到光源方向，从而很容易降低出射效率。因此，如果入射分布特别大，对于专利文件1中的膜而言，难以控制出射光和实现高出射效率。
此外，日本专利公开No.06-027974(专利文件2)和日本专利公开No.06-005462(专利文件3)提出了各背光，其中在每个背光中，在液晶显示器和光源之间设置具有与专利文件1中的构造相同构造的膜。如专利文件2(第1-3页，图3)所述，这样一种背光能够使以一定角度从光源出射的光在膜上反射从而作为背光在出射方向上出射。但是，如果膜上的入射光角分布较大，会引起透射过折射率界面的光，从而难以控制出射光。此外，通常，在用作光源的冷阴极管或者LED(发光二极管)中，具有不同出射角的光线从光源的一个点出射，因此具有如专利文件2的图3所述的一定角度的光线的比例较小。因此，采用专利文件2和专利文件3(第1-3页，图1)中所示构造，光的可控量会变小，因此难以以高效率控制光。
作为光控膜，存在具有这样结构的一种光控膜，其中除了如专利文件1至3所述交替布置不同折射率的层的这样的结构之外，还可以交替布置透明层和屏蔽层。
例如，如日本专利No.3043069(专利文件4)(第1页，第3-5页，图1和图2)中所述，存在这样一种膜，其中为了避免重影，中间区域包括具有相对高的光吸收率的屏蔽层，而外部区域与透明区域接触并具有相对低的光吸收率。
然而，在利用该屏蔽层的光控膜中，通过控制该膜的厚度和夹在屏蔽层之间的透明层的宽度，来控制出射光的出射方向和出射角。这使得能够严格地控制出射角，但是由于该屏蔽层内吸收的光量会引起光损失的问题。
作为解决该问题的一种装置，日本专利申请未决公开No.2004-062084(专利文件5)(第2-5页，图1)提出了这样一种膜。专利文件5中所述的该膜被配置为：在光入射侧设置比百页窗层(louverlayer)(一种层，在其中交替布置透明层和屏蔽层(光吸收层))具有更小折射率的层，以抑制光损失。
此外，日本专利申请未决公开No.2004-020725(专利文件6)(第2-7页，图2)提出了这样一种膜，其中光屏蔽层是倾斜的，并且该光屏蔽层的一个表面由光反射型屏蔽层组成，而另一个表面由光吸收型屏蔽层组成。在这种膜中，光反射型屏蔽层反射回的光返回到光源侧，并且该光被再利用，从而增加了光利用效率并且避免了降低监视器的亮度。
此外，日本专利申请未决公开No.2004-245918(专利文件7)(第2-8页，图3)还提出了一种利用吸收层和反射层的膜。在专利文件7中，通过利用与透明层的一个表面相接触的反射层和与另一个表面相接触的吸收层，使得来自该膜的出射角分布非对称以便防止反射，从而增强了在屏板倾斜的情况下的可视性。
日本专利申请未决公开No.2004-109615(专利文件8)(第2-7页，图1和图2)描述了一种膜，其中所有屏蔽层由反射层组成。此外，日本实用新型未决公开No.06-076934(第2-4页，图1)提出了一种液晶显示器，通过在光控膜的背光入射表面侧设置用于透射背光和反射外部光的反射膜，该液晶显示器能够防止反射并实现透射显示和反射显示。
此外，日本专利申请未决公开No.06-094902(专利文件10)(第2-6页，第14-15页，图1和图7)提出了一种具有如下构造的光学元件：经由光吸收材料二维地布置单元元件，在每个单元元件中，利用低折射率材料涂覆折射光学材料的周围。此外，日本专利申请未决公开No.2003-066206(专利文件11)(第2-4页，图3)提出了一种视野放大部件，其中利用低折射率层覆盖梯形透镜的出射斜面并且以光吸收层填充斜面之间的部分。
但是，如专利文件1至3中所述的，在其中交替布置不同折射率的层的结构具有以下问题。也就是说，如果膜上的光入射分布较大，则难以实现对出射角足够的控制以及高出射效率，并且限制了光的可控量。
此外，专利文件4中所述的膜涉及由于屏蔽层内吸收光量引起的光损失问题。为解决该问题，专利文件5中提出的膜除了百页窗层之外还需要低折射率层，因此该膜可能变厚，并且其效果很小，仅是无低折射率层的膜的1.2倍。
此外，在专利文件6的图2中所述的膜中，光反射型屏蔽层反射回的光可以在光吸收型屏蔽层中被吸收，所以减少了被再利用的光。因此，增强光利用效率的效果变小。在专利文件7中所述的膜中，该膜的出射角分布变得非对称，因此，该膜不能用于需要对称出射角分布的设备，诸如移动设备。此外，在非对称出射角分布中，大的出射光分布侧(在专利文件7中，在屏板倾斜的情况下可视的方向)的光不受控，这导致光出射到无用的角度。
此外，在专利文件10的图1中所述的光学元件中，来自光源的光也被入射到光吸收部件上，因此光学元件的光利用效率大大下降。为了解决该问题，专利文件10提出了一种在光学元件的光源侧具有透镜结构的元件，如专利文件10的图7中所示。利用该结构，所述元件整体变厚，所以难以用于有更薄要求的移动设备中。
此外，不同于专利文件1至10，专利文件11的图3中所述的元件意在将来自光源(液晶面板)的光放大，所以不能控制出射角(来自光源的出射光分布不能变窄)。此外，专利文件11中的光吸收层是用于吸收杂散光和增强对比度的层，如其说明书的[0011]段所述，因此，这与控制出射角无关。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够以高的光利用效率方便地控制光出射角的光控膜，并且通过利用该光控膜，提供一种控制出射角的发光设备，并且此外，提供一种控制出射角的显示设备。
根据本发明的光控膜包括：膜体，该膜体具有通过多个光吸收层基本上等间距间隔的多个透明层。每个透明层包括占据其中间部分的高折射率区以及与该光吸收层相接触的低折射率区。此外，在该光吸收层的光入射表面上设置反射层。
利用该结构，可以控制入射到透明层上的光的出射角，并以高效率出射光，并且可以以高效率将从光源入射到光吸收层的位置上的光返回到光源侧以便对其重复利用。因此，能够进一步地提高光利用效率。
应当注意，光反射层也可以设置在透明层的低折射率区的光入射表面上。此外，膜体可以被配置为：在其光入射表面和其光出射表面的至少之一上设置保护层，并且在该保护层的外面上设置反射层。
此外，该膜体的光入射表面和光出射表面的至少之一可以被散射处理(不光滑(matt)处理)。
利用该结构，能够避免在光控膜的光入射表面或者光出射表面上布置的另一元件、光学膜(散射屏板、透镜膜等)、导光板等与该光控膜之间的局部贴附(adherence)或者紧密贴附，以便实现均匀出射光。
此外，根据本发明的发光设备由上述光控膜和光源(设备)形成。因此，能够提供一种可控制出射角的发光设备。所述光源可以是由反射板/散射板与冷阴极管组合的光源，或者是由导光板/反射板/光学膜等与LED组合的光源。
此外，发光设备可以配置为：在光控膜的出射表面方向上布置能够控制入射光的透射/散射的元件，以形成发光设备，其能够切换具有宽出射角(透射/散射可控元件处于散射状态)的发光和具有窄出射角(透射/散射可控元件是透明的)的发光。在这种情况下，在能够切换出射角的发光设备中，通过连接光控膜和透射/散射可控元件，可以消除在该透射/散射可控元件上的表面反射，从而提高光利用效率。
此外，通过在本发明的发光设备上安装显示面板，可以提供一种可控制视角的显示设备。此外，通过在显示设备的外部显示表面侧(观众侧)安装根据本发明的光控膜，可以防止视角和反射的限制，从而实现具有高的光利用效率的显示设备。除了液晶显示设备之外，该显示设备包括CRT、等离子体显示器、有机电致发光显示器等。
本发明的效果
根据本发明，可以控制入射在透明层上的光的出射角，并以高效率出射，可以将从光源入射到光吸收层的位置上的光以高效率返回到光源侧，以便将其重复利用。因此，可以提供光利用效率得到进一步提高的出色的光控膜、发光设备和显示设备，这在现有技术中尚未实现。
附图说明
图1A和1B是示出了根据本发明的实施例的光控膜的示意图，其中图1A是示出了在光入射表面上未设置保护层的示例的视图，图1B是示出了在光入射表面上设置了保护层的示例的视图；
图2A和2B是示出了关于图1A和图1B所示的光控膜的入射光的反射/透射效果的示图，其中图2A是示出了透射(出射)状态的视图，图2B是示出了透射和反射的状态的示图；
图3A和图3B是示出了图1A和1B所示的光控膜的各层的功能的示图，其中图3A是示出了光吸收层的入射光的吸收(损失光)的示图，图3B是示出了光从高折射率区和低折射率区之间的边界反射回从而被出射(透射输出)的状态的示图；
图4A和4B是示出了根据本发明的发光设备的示例的示图，其中图4A是根据光控膜和光源组合的示意性配置图，图4B是示出了当将具有不同折射率的透明层和图4A中的配置组合在一起时的切换使用的示例的示图；
图5A和5B是示出了为图4的发光设备设置的光源的配置图，其中图5A是示出了反射屏板和散射板与冷阴极管组合的光源的示意图，图5B是示出了由LED与导光板和光学膜组合的光源的配置图；
图6是示出了根据本发明的显示设备的配置示例的示图；
图7A和7B示出了对比实验示例，用于比较根据本发明的光控膜的示例与常规示例；其中图7A是示出了作为实验对象的常规示例的光控膜的示图，图7B是图7A的光控膜的特性曲线(出射角分布)图；
图8是示出了根据本发明的光控膜的膜体部分的示图，其被设置为在与图7A的常规示例相同的条件下进行测试；
图9A和9B示出了根据示例的光控膜的特性曲线(出射角分布)，其中图9A是示出了根据对比示例1的出射角分布的图，图9B是示出了根据示例1的出射角分布的图；
图10是示出了根据示例2的能够切换视角的液晶显示元件的配置图；以及
图11是示出了根据常规示例的光控膜的效果的视图。
具体实施方式
以下，将基于附图对本发明的实施例进行说明。
图1示出了本实施例的光控膜1。该光控膜1包括膜体1A，该膜体1A具有通过多个光吸收层2几乎等间距间隔的多个透明层3。膜体1A内的每个透明层3包括占据其中间部分的高折射率区3A和被布置为与光吸收层2相接触的低折射率区3B。此外，膜体1A内的光吸收层2的光入射表面HIN设置有反射层7。该反射层7可以延伸至透明层3的低折射率区3B的光入射表面HIN(图1A)。
可以在该膜体1A的光入射表面HIN和光出射表面HOUT的至少之一上设置保护层6。图1B的实施例示出了在光入射表面HIN上设置保护层6的情况。在本实施例中，在保护层6的外面上设置反射层7(图1B)。
由于该光控膜1具有如此结构，所以能够控制入射到透明层3上的光的出射角并以高效率出射该光，并且将从光源入射到光吸收层2的位置上光返回到光源侧，并以高效率对其重复利用。因此，能够提高光利用效率。
可以对该膜体的光入射表面HIN和光出射表面HOUT进行散射处理(不光滑处理)。可以对光入射表面HIN或者光出射表面HOUT进行该散射处理。利用该构造，能够避免在光控膜1的光入射侧或者光出射侧设置的其它元件、光学膜(散射屏板、透镜膜等)、导光板等与该光控膜1之间的局部贴附或者紧密贴附，以便实现均匀出射光。
接下来，详细说明该光控膜1。
如图2B所示，对于光控膜1，假定厚度为D，高折射率区3A的宽度是L1，高折射率区3A的折射率是n1，光控膜1的出射角的最大值是β，建立下列公式：
θ1＝sin-1[(1/n)·sinβ]...(1)
tanθ1＝(L1/D)...(2)
因此，通过确定β和L1或者确定β和D，可以得到该光控膜的结构。
在未设置反射层7的情况下，低折射率区3B的宽度L2的范围最好尽可能的窄，并且优选地，其小于高折射率区3A的宽度L1的四分之一，以抑制如图3A中的附图标记T3所示的损失光的入射。此外，如果L2远远小于L1，可以使用[透明层3的宽度L＝L1+2L2]，代替公式(2)的L1。此外，为了整体上确保光控膜1的透明度，透明层3的宽度L和光吸收层2的宽度L3之间的关系最好是L＞＞L3，其中L优选地是0.11至0.5mm，L3优选地是0.001至0.05mm。图3B示出了入射到高折射率区3A上的入射光T2从出射表面的出射状态。
接下来，通过利用图2将说明高折射率区3A的折射率n1和低折射率区3B的折射率n2之间的关系。在高折射率3A和低折射率3B之间的界面上，根据在光控膜内具有θ1角的光T2的临界角，建立下列公式：
n2＝n1*sin(90-θ1)...(3)
因此，具有比θ1更大角度的光不被全反射并且具有至少不大于θ1的角度的光被全反射的条件如下：
n1＞n2≥n1*sin(90-θ1)...(4)
因此，优选地，n1和n2满足公式(4)。此外，如果n2太接近于n1，则在光控膜1内，具有邻近θ1的角度的光不容易出射。因此，n2最好是满足公式(4)的尽可能最小的值。
本实施例中，光控膜1的透明层3(高折射率区3A和低折射率区3B)可以由透明高聚合体材料制成，诸如聚乙烯、聚丙烯和多晶硅(硅橡胶)。光吸收层2可以由这样的材料制成，其中利用碳黑(carbon black)和色素材料的混合物与上述高聚合体材料混合。通过将其顺序地层压，制成本实施例的光控膜1。
应当注意，光控膜1的保护层6(图1B)由聚碳酸酯(polycarbonate)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate)等组成。利用粘合剂将该膜与膜体1结合，从而用作保护层6。此时，保护层和粘合剂的折射率最好与膜体1的高折射率区3A的折射率一致。如果它们的折射率不同，仅需要在考虑保护层6的折射率的同时修改公式(1)至(4)。
可以直接在膜体A1上或者在保护层6上设置反射层7(图1)。通过气相淀积和溅射可以形成反射层7。
接下来，将说明本实施例中的光控膜1的作用。
如图11所示，在常规光控膜51中，设置光控膜51A内的折射角θ1，以使入射到光吸收层52和透明层53之间的边界上的光以对顶角出射，如入射光束T1所示。因此，通过光吸收层2吸收了具有大于折射角θ1的入射光束T1’。因而，在图11所示的常规示例中，通过出射角β控制光控膜51的出射角的最大值，在出射角β中，光控膜1内的角对应于θ1。
在该常规光控膜51中，根据入射位置，具有不大于θ1的角度的应被透射的光也可以被吸收层52吸收，如图11中的入射光束T2所示，其全部都变成损失光。因此，光利用效率下降。此外，如图11的入射光束T1’所示的从光源直接入射到光吸收层52上的全部光变成损失光，因此，光利用效率进一步下降。
另一方面，如图2A所示，本实施例中的光控膜1能够在高折射率区3A和低折射率区3B之间的边界上对入射光束T2进行反射，使得该光束从光控膜1出射，其中该入射光束入射在与光吸收层2和透明层3之间的边界间隔开的高折射率区3A上并且在膜体1A内具有折射角度θ1。因此，光控膜1能够抑制光损失，并实现高的光利用效率。此外，由于在光吸收层2上，或者在光吸收层2和透明层3的低折射率区3B的光入射表面HIN上设置反射层7，所以将光反射到光源侧，如图2B中所示的入射光束T3，并通过对该反射光重复利用，可以实现更高的光利用效率。
接下来，将基于图4说明发光设备9。
通过组合光控膜1和光源(设备)8可以得到发光设备9，如图4A所示。
此外，通过布置能够在光控膜1的出射表面方向上控制入射光的透射和散射的元件12，可以提供一种能够对具有宽出射角发光(透射/散射可控元件12处于散射状态：12a)和窄出射角发光(透射/散射可控元件12是透明的：12b)进行切换的发光设备(图4B)。
在光散射状态下的透射/散射可控元件12a处于在基板之间不施加电压的状态，而在光透射状态下的透射/散射可控元件12b处于在基板之间施加电压的状态(相反也是可以的)。根据是否在基板之间施加电压，透射/散射可控元件12的透射/散射状态能够进行切换控制。
在能够切换出射角的发光设备13中，通过连接光控膜1和透射/散射可控元件12以便消除透射/散射可控元件12上的表面反射，能够提高光利用效率。
附图标记10、11和14指示出射光的散射方向和程度。
作为光源(设备)8，可以利用通过以下方式形成的光源(设备)：通过将冷阴极管16与反射屏板17和散射板18组合，如图5A所示，或者通过将LED 19与导光板20和光学膜21组合，如图5B所示。在这种情况下，在光控膜1的出射侧可以布置各种光学膜。
作为能够控制光的透射/散射的元件12，可以利用能够控制透射和散射的公知的液晶元件，诸如聚合物分散液晶元件。在这种情况下，通过结合或者紧密连接该光控膜与该透射/散射可控元件12，也可以同时提高光利用效率。
此外，通过为本发明的发光设备9提供显示面板22，可以提供能够控制视角的显示设备或者能够对宽视角和窄视角进行切换的显示设备(图6)。显示面板22可以是透明液晶显示面板或者半透明液晶显示面板。此外，通过在显示设备的观众侧提供根据本发明的光控膜1，可以通过防止视角限制和反射来实现具有高的光利用效率的显示设备。除了液晶显示器之外，这种显示设备还包括CRT、等离子体显示器、有机电致发光显示器等。
应该注意，附图标记23和24示出了出射光的散射方向和程度。
[示例]
接下来，为了证实根据本发明的光控膜1的有效性，进行实验以与常规示例进行对比。
(对比示例1：常规示例)
作为常规光控膜，形成这样的光控膜(图7)，其中透明层的宽度L为0.085mm，透明层的折射率n为1.60，光吸收层的宽度L3为0.015mm，且厚度D为0.304mm。通过将其与光源组合，测量出射角分布和光利用效率(来自光控膜的出射光量/来自光源的出射光量)。
结果，得到包括29°的最大出射角的分布，并且光利用效率是32％，如图7B所示。
(对比示例2：上述实施例的具体示例)
形成光控膜(图8)，其中高折射率区的宽度L1是0.055mm，高折射率区的折射率n1是1.60，低折射率区的宽度L2是0.015mm，低折射率区的折射率是n1是1.53，光吸收层的宽度L3是0.015mm，且厚度D是0.304mm。通过将其与光源组合，测量出射角分布和光利用效率(来自光控膜的出射光量/来自光源的出射光量)。
结果，得到包括31°的最大出射角的分布，以及光利用效率是51％，如图9A所示。
(示例1：在对比示例2中设置A1反射膜的情况的示例)
形成这样的光控膜1，其中在对比示例2的光控膜1的光吸收层2的光入射表面上和透明层3的低折射率区3B的光入射表面上设置A1反射膜。通过将其与光源组合，测量出射角分布和光利用效率(来自光控膜的出射光量/来自光源的出射光量)。
结果，得到包括32°的最大出射角的分布，以及光利用效率是67％，如图9B所示。
(对比示例3：常规示例)
形成能够切换视角的液晶显示设备，其中在光源和对比示例1的光控膜的光出射方向上布置聚合物分散液晶显示元件和透射液晶显示元件。
结果，光利用效率为1.3％。
[实施例2]
为了与对比示例3的常规示例进行对比，形成能够切换视角的液晶显示设备(图10)，其中在光源25和示例1的光控膜的光出射方向上布置聚合物分散液晶显示元件26和透射液晶显示元件27。结果，光利用效率为2.5％。
如上所述，在上述实施例中，从各对比示例明显看出，可以得到高的光利用效率，而且还提供一种能够容易地控制出射角的光控膜。同时，通过利用该光控膜，可以提供一种可以控制出射角的发光设备，并且此外，还能提供一种可以控制出射角的显示设备。目前现有的常规技术尚未实现所述出色的效果。
工业应用性
本发明的使用示例包括液晶显示设备的发光(背光)和室内照明设备。

Claims (9)

1.一种光控膜，包含膜体，该膜体具有通过多个光吸收层基本上等间距间隔的多个透明层，其中
该透明层包括高折射率区以及夹着该高折射率区并与该光吸收层接触的低折射率区，
其中，在该光吸收层的光入射表面上和该透明层的低折射率区的光入射表面上设置有反射层，并且
其中，光从所述膜体的一个表面入射，在所述高折射率区和所述低折射率区之间的界面上全反射，并且从所述膜体的另一个表面出射。
2.根据权利要求1的光控膜，其中在该膜体的光入射表面和光出射表面的至少之一上设置有保护层。
3.根据权利要求2的光控膜，其中在该保护层的外面上设置有反射层。
4.根据权利要求1的光控膜，其中该膜体的光入射表面和光出射表面的至少之一是被散射处理的。
5.一种发光设备，包含：光源，其形成为能够进行表面出射；以及根据权利要求1的光控膜，其中在该光源的光出射方向上布置该光控膜。
6.根据权利要求5的发光设备，其中在该光控膜的光出射表面方向上布置能够控制光透射和散射的光散射控制元件。
7.根据权利要求5的发光设备，其中将该光散射控制元件连接到该光控膜使其集成。
8.一种显示设备，其中为显示面板设置根据权利要求5的发光设备。
9.一种显示设备，其中在显示面板的外部显示表面侧设置根据权利要求1的光控膜。
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