CN101581804A - 带有卷边框架和弹簧的受拉光学元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学元件，其包括至少一个光学膜，其中该光学膜的至少一部分通过将受控张力应用到该膜的构件的存在保持尺寸稳定。应用受控张力的该装置利用与悬臂弹簧相连的卷边框架，该弹簧有效保持该膜的平坦。

Description

带有卷边框架和弹簧的受拉光学元件
发明领域
本发明涉及一种受拉光学元件及其在光学显示器中的应用，尤其是在用于液晶监视器和液晶电视的液晶显示器(LCD)中的应用。
发明背景
液晶显示器(LCD)是用于诸如膝上型电脑、手持型计算器、数字手表和电视机等装置中的光学显示器。某些LCD包括位于该显示器侧面的光源，并设置光导，将光从光源导向LCD面板的背面。其他的LCD，比如说某些液晶监视器和液晶电视(LCD-TV)，是利用设置在LCD面板后面的多个光源直接照明的。该配置常见于大型显示器，由于为了达到一定程度的显示亮度，光能需求随着显示尺寸的平方增加，但是沿显示器的侧面设置光源的可用有效面积仅仅随显示尺寸呈线性增加。另外，某些LCD应用，如液晶电视，要求该显示器足够亮，以使在比其它应用更远的距离之外可视，并且液晶电视的可视角的要求通常不同于液晶监视器和手持设备。
某些液晶监视器和大多数的液晶电视常常由多个冷阴极荧光管(CCFL)从后面提供照明。这些光源是线性的并且延伸到在该显示器的全部宽度，因此，显示板的背面被一系列由暗区隔开的亮条纹照亮。这种照明图案是不能让人满意的，因此用漫射板(diffuser plate)来平整LCD装置背面的照明图案。
某些液晶监视器和大多数的液晶电视，通常在灯的相对侧邻近该漫射板处堆栈排列光处理膜。这些光处理膜通常包括准直漫射膜、棱境导光膜和反射偏振膜。运用这些单独的光处理膜制造LCD设备是劳动非常密集的，因为有些膜提供有保护覆层，首先必须移除这些保护覆层，然后把每个光处理膜单独地放到LCD的背光单元中。同样，每一个膜单独的存储和跟踪会增加生产LCD显示器的总成本。另外，由于这些光处理膜是单独运用的，在组装过程中损坏该膜的风险更大。
现在，液晶电视的漫射板典型的是采用聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯(PPMA)的聚合物基体，或是其中含有多种分散相的共聚物，该分散相包括玻璃，聚苯乙烯粒，交联PMMA粒和CaCO3粒子。这些板既厚又重，而显示器生产商总是努力使该形状系数变薄，并减少显示器的重量。在暴露于高湿度和由灯带来的高温环境后，漫射板常常变形或卷曲，从而给显示设备带来视觉缺陷。另外，漫射板需要定制的突起配合(customized extrusion compounding)，从而将漫射微粒均匀分布在聚合物基体上，这进一步增加了成本。
美国专利公开号2006/0082699描述了一种通过层压自立式基底和光学漫射膜的独立的层来减少漫射板成本的方法。尽管这种解决方式是新颖的，然而用粘结剂来将这些层层压在一起的需要，由于增加了光吸收材料，造成了系统效率的降低。将这些层层压在一起的附加加工成本也是弄巧成拙的。同样的，上述公开并没有解决漫射板的形状系数厚和分量重的问题。该方法也没有解决漫射板变形的问题。
期望的是用形状系数薄得多且分量明显更轻的光学漫射膜代替漫射板。这样的漫射膜具有尺寸稳定性和高光学透射性，同时保持高度的光均匀性。漫射膜还应该为自身或任选地为特别是用于光处理配置中的其它光学膜提供结构上的支撑。
发明概要
本发明提供一种光学元件，所述光学元件包括光学膜，其中该光学膜的至少一部分通过对该光学膜施加受控张力的装置(mechanism)来保持尺寸稳定，其中该张力由卷边框架(crimping frame)提供，该卷边框架包括：带有半圆形凹槽的第一框架构件；带有伸出部(extension)的第二框架构件；其中该第一和第二框架构件联锁在一起以卷起该光学膜；和使第一和第二框架构件紧固在一起的器件(means)。
附图简述
图1所示的是使用漫射板的典型的背光型液晶显示装置；
图2所示的是包括聚合体光学漫射膜的光学元件，其由环绕该膜周围的框架通过受控张力支撑；
图3所示的是包括聚合体光学漫射膜的光学元件的另一实施例，其由环绕该膜周围的框架通过受控张力支撑；
图4是所示的是包括聚合体光学漫射膜的光学元件的另一实施例，其由环绕该膜周围的框架通过受控张力支撑；
图5是所示的是包括聚合体光学漫射膜的光学元件的另一实施例，其由环绕该膜周围的框架通过受控张力支撑；和
图6是所示的是包括聚合体光学漫射膜的光学元件的另一实施例，其由环绕该膜周围的框架通过受控张力支撑。
发明详细描述
本发明提供一种包括至少一个光学膜的光学元件，其中该光学膜的至少一部分通过对该膜施加受控张力的装置的存在来保持尺寸稳定。该施加受控张力的装置采用一卷边框架，其与有效保持该膜平坦的悬臂弹簧联合。
本发明还提供一种显示装置和一种均匀发光的方法。本发明的一个实施例是一种光学元件，包括聚合体光学漫射膜，其由环绕该膜周围的框架通过受控张力支撑。所述张力通过位于该框架的顶部和底部构件之间的膜的卷起提供给膜。所述膜最初经由多个螺丝或锁扣(snap)保持在该两个框架构件之间，该螺丝或锁扣在该膜周围的不同地点通过孔或缝伸出，然后被连接到LCD背光的框架上。该螺丝或锁扣同样将该卷边框架的两个构件紧固在一起，其一旦拧紧，通过卷起的影响(crimping affect)保持膜上的张力。悬臂弹簧型构件从该卷边框架的一个构件中突出。即使在环境测试条件下，该卷边框架和该悬臂弹簧构件的结合可充分保持膜上的张力。这种光学元件可有效替代目前用于背光型液晶显示器中的漫射板的光学功能。
本发明的另一实施例提供了一种光学元件，包括聚合体光学漫射膜，其由环绕该膜周围的框架通过受控张力支撑。所述张力通过位于该框架的顶部和底部构件之间的膜的卷起提供给膜。该框架的底部构件与LCD背光框架作为一个整体。所述膜最初经由多个螺丝或锁扣保持在该两个框架构件之间，该螺丝或锁扣在该膜周围的不同地点通过孔或缝伸出。该螺丝或锁扣同样将该卷边框架的顶部构件紧固在该背光单元上，其一旦拧紧，通过卷起的影响保持膜上的张力。悬臂弹簧型构件也被夹在所述卷边框架的顶部构件和背光单元之间。即使在环境测试条件下，该卷边框和夹在中间的弹簧构件的结合可充分保持膜上的张力。这种光学元件可有效替代目前通常用于背光型液晶显示器中的漫射板的光学功能。
本发明的另一实施例涉及的是一种液晶显示(LCD)单元，其包括光源和LCD面板，该面板包括上板和下板以及置于该上下板之间的液晶层。该下板面向该光源，并包括吸收偏振片。一种包括光处理膜的排列的光学元件设置在该光源和LCD面板之间，使得该光源通过光处理膜的排列照亮该LCD面板，其中至少一个光处理膜由前面所述的任一张力部件通过受控张力支撑，并与环绕该膜周围的框架相连。
该光处理膜的排列包括第一聚合体光学漫射膜。该光学处理膜的排列可任意的包括其它光学层。其它光学层可以包括涂布珠子的准直漫射膜，光引导膜(light directing film)和反射偏振片。本发明可用于液晶显示器(LCD，或LC显示器)，特别的可用于从后面直接照明的LCD，例如用于LCD监视器和液晶电视(LCD-TV)。
典型用在液晶电视中的漫射板是基于聚合体基体，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PPMA)、聚碳酸酯(PC)或是环烯烃，形成坚硬的板。该板包括漫射微粒，例如，有机微粒、无机微粒或孔(泡)。暴露在用于照亮该显示器的光源的高温后，这些板常常变形或弯曲。这些板在加工和组装进最终的显示装置上也更昂贵些。
本发明涉及的是一种直接照明的LCD装置，其具有位于在LCD面板本身和光源之间的光处理膜的排列。该光处理膜的排列包括至少一个拥有特定透射性和均匀性功能的聚合体光漫射膜，其由受控张力支撑。所述受控张力通过环绕在膜周围的框架提供。所述张力通过位于该框架的顶部和底部构件之间的膜的卷起提供给该膜。所述膜最初经由多个螺丝或锁扣保持在该两个框架构件之间，该螺丝或锁扣在该膜周围的不同地点通过孔或缝伸出，然后被连接到LCD背光的框架上。该螺丝或锁扣还将该卷边框架的两个构件紧固在一起，其一旦拧紧，通过卷起的影响保持膜上的张力。悬臂弹簧型构件从该卷边框架的一个构件中突出。卷边框架和悬臂弹簧构件的结合即使在环境测试条件下可充分保持膜上的张力。任意的其它光学膜，如涂布珠子的准直漫射膜、光引导膜和反射偏振片，可以被边框或受拉膜所限制。每一个构件的透射率和霾线(haze level)被设计用来提供一在整个显示区亮度相对均匀的直接照明式液晶显示器。
本发明的聚合体光漫射膜优选为制造简单且能在制造过程中保持材料和工序的高度适应性。在本发明中，结构和光学上的要求是分开的：张力构件提供结构性能，以及薄的光漫射膜提供光学性能。通过分离这些功能，采用薄漫射板的成本优势能够被开发，以减少总成本。通过不使用带有漫射板的厚基板，实现了高水平的光学性能和低的生产成本。这也防止了厚板的任何变形，因为受拉膜在整个的设计温度和湿度的范围内保持高度的均匀性。另外，包含在膜中的漫射体要比在基板中的更容易更精确的控制漫射性能。这样的漫射性能在漫射膜内随空间变化。比如说由膜中载有更多或更少的漫射微粒或孔的线性区域产生的条纹是可以利用的。使由受控力支撑的膜能够设置在离背光型LCD显示器中的线性光源(典型的是CCFL)更近些是十分有用的。这种更近的间距通过正好在线性光源的上方排列的更高漫射性能的条纹来实现，从而使从膜出射的光均匀化。从该光源到该漫射膜更大的间隔必须用具有均匀分散的光漫射微粒的膜来实现。
图1所示的是直接照明式液晶显示装置100的一个具体实施例的分解示意图。所述显示装置100可以用于，比如，液晶监视器或液晶电视。该显示装置100是基于应用前板组件130，其包括液晶面板140，其典型的包括放置在面板134之间的液晶层136。该面板134通常由玻璃形成，并且在它们的内表面包括电极结构和排列层(alignment layer)以用来控制液晶层136中液晶的取向。该电极结构通常排列用来限定液晶面板的像素，液晶层的各个区域的液晶的取向能够相对于相邻区域独立控制。该面板134中的一个或多个还可以包括彩色滤光器，用于在图像显示时提供色彩。
上吸收偏振片138位于液晶层136的上方，并且下吸收偏振片132位于液晶层136的下方。吸收偏振片138，132和液晶面板140联合控制从背光110经由显示器100到观察者的光的透射。在某些液晶显示器中，该吸收偏振片138，132的透射轴设置成相互垂直的。当液晶层136的一个像素没有被激活，其就不能改变从这里通过的光的偏振。相应的，当吸收偏振片138，132被垂直排列时，穿过下吸收偏振片132的光被上吸收偏振片138光所吸收。另一方面，当该像素被激活时，从这里通过的光的偏振被旋转，因此至少某些透过下吸收偏振片132的光也可以透过上吸收偏振片138。有选择的激活液晶层136的不同像素，比如说通过控制器150，可以使光在某些需要的位置透出盖显示器，因此形成观察者看到的图像。该控制器可以包括，比如说，计算机或接收和显示电视图像的电视控制器。一个或多个任选的层139可以形成在上吸收偏振片138的上方，比如用来给该显示表面提供机械和/或环境保护。在一个示范实施例中，该层139可以包括在该吸收偏振片138上方的硬罩。
应理解某些类型的液晶显示器希望以与上述不同的方法来运行。例如，平行设置该吸收偏振片，液晶面板在未激活的状态下旋转光的偏振。无论怎样，这种显示器的基本结构与上面所述的类似。
该背光110包括多个光源114，其产生用来照亮液晶面板120的光。用于液晶电视或液晶监视器的光源114通常是线性的，冷阴极荧光管，其横穿显示装置100延伸。仍然可以利用其它类型的光源，例如灯丝，弧光灯，发光二极管(LED)，平面荧光面板或是外部荧光灯。该光源的列举并不是用来限制或是穷举，而仅仅是举例。
该背光110也可以包括用来反射从光源114向下传播的光的反射板112，在远离液晶面板140的方向设置。反射板112还可以用于循环显示装置100内的光线，如下所述。反射板112可以是镜面反射器或漫射反射器。可用作反射器118的镜面反射器一个例子是由明尼苏达州圣保罗(St.Paul，Minn)的3M公司生产的增强镜面反射(ESR)膜。合适的漫射反射器的例子包括聚合物，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚碳酸酯(PC)，聚丙烯，聚苯乙烯等，载有漫射反射微粒，如二氧化钛，硫酸钡，碳酸钙等。
光处理层的排列120位于背光110和前面板组合130之间。光处理层影响从背光110传来的光，从而改进显示装置100的运行。例如，光处理层的排列120可以包括一漫射板122。漫射板122用来漫射从光源接收的光，从而增加了液晶面板140上入射照明光的均匀性。因此，使得观察者感到图像更加均匀明亮。
光处理层的排列120也可以包括一反射偏振片128。该光源114典型的是产生非偏振光，但该下吸收偏振片132只允许单一偏振状态的光透过，因此由光源114产生的大约一半的光没有被透射到液晶层136。然而该反射偏振片128，可以用来反射另外被下吸收偏振片吸收的光，这样通过反射，光可以在反射偏振片128和反射片112之间循环利用。反射偏振片128反射的光的至少一部分被去偏振，然后以透过反射偏振片128和下吸收偏振片132到达液晶层136的偏振状态返回到反射偏振片128。用这种方式，反射偏振片128可以用于提高光源114发出的光到达液晶层136的百分率，这样显示装置100产生的图像更亮。
可以使用任意合适类型的反射偏振片，例如，多层光学膜(MOF)反射偏振片；漫反射偏振膜(DRPF)，比如连续/分散相偏振片，线栅反射偏振片或胆甾醇型反射偏振片。
光处理层的排列120还可以包括光引导膜126。光引导膜包括朝靠近显示器的轴向改变离轴光方向的表面结构。这增加了同轴传播穿过液晶层136的光的数量，因此提高了观察者看到的图像的亮度。一个例子是棱镜光引导膜，其含有大量的棱镜脊，其通过折射和反射来改变照明光的方向。
与漫射板和用于传统液晶电视中的堆叠光学膜不同，本发明利用光学处理膜的排列，其中至少一个光学处理膜由受控张力支撑。所述受控张力典型的通过环绕该膜周围的框架提供。所述张力例如通过框架的顶部和底部构件之间的膜的卷起提供给该膜。所述膜最初经由多个螺丝或锁扣保持在该两个框架构件之间，该螺丝或锁扣在该膜周围的不同地点通过孔或缝伸出，然后被连接到LCD背光的框架上。一旦拧紧，该螺丝或锁扣也将该卷边框架的两个构件紧固在一起，其通过卷起的影响保持膜上的张力。悬臂弹簧型构件从该卷边框架的底部构件突出，在即使环境测试条件下帮助保持膜上的张力。这种光学元件可有效替代液晶显示器中漫射板和任意其它光学膜的光学功能。
这里定义的“弹簧”是在整个动作范围能基本保持均匀张力的任意构件。所述的动作范围必须是与在设计温度和湿度范围内膜的尺寸的最大预期变化至少一样大的距离。这里定义的基本保持是指保持张力到初始张力的至少25％。优选地是，该力保持到初始张力的至少50％。这里定义的“膜”一词是指厚度小于500μm的材料片。
图2所示的本发明光学元件的一个具体实施例的示意图。光学元件200包括聚合体光学漫射膜214和环绕于膜周围的两个支撑框架构件210和212。这里定义的周围是沿着该膜的所有薄边划的假想的实线。典型的对于液晶显示器，有四条直交的边形成了矩形的周边。其它的光学膜也可以添加到聚合体光漫射膜上方的光处理层的排列中，其将在下面的图中示出。图2示出一种由张力支撑光学漫射膜214的方法。框架构件210和212分别具有相互锁扣在一起的半圆形凹槽和伸出部。螺丝或钉(pin)217从框架构件210、212和膜214中的缝或孔中伸出。螺丝或钉217紧固在LCD背光218的框架上。由于螺丝或钉217被拧紧，通过充分压入背光框架218，框架的两个构件210和212将膜卷起，在膜中产上张力。膜中的初始张力可以通过改变框架构件210和212中的凹槽和伸出部的半径来改变。初始张力来自于卷起，但可以在例如环境测试期间的高温期间减小。在这样的条件期间为保持张力接近初始张力，可以利用悬臂弹簧213。弹簧213受卷起和初始张力的作用而下垂(deflect)。如果膜在高温期间膨胀，弹簧将回弹以维持膜中的张力。
受拉光学漫射膜214是自立的(self-supporting)。这里的自立定义为在膜的自身重量加上附加的光处理排列中所用的任何其它光学膜的重量的条件下能够维持膜的平面均匀性。平面均匀性定义为平面偏离初始位置少于漫射膜最长边长度的180th之内。
受拉漫射膜214和一个或多个其它的光处理层可以包括在位于背光和LCD面板之间的光处理的排列中。受拉漫射膜214为支撑光处理的排列提供稳定的结构。该受拉膜不会如通常的漫射板系统一样趋向于卷曲。
聚合体光学漫射膜214的一个具体实施例包括不对称的漫射膜。这样的聚合体不对称漫射膜既可以是光漫射结构在膜体内的体漫射器，也可以是光漫射结构位于膜的表面的表面漫射器。
不对称体漫射膜
不对称体漫射器在膜体内有这样的区域，其包括至少稍微按照其主轴排列的非球形畴。这些畴具有与膜的基质聚合物不同的折射率。
不对称体漫射器可包括多于一个的漫射区域或层。该漫射区域中的一个或多个具有不对称的漫射图案。在优选的实施例中，刚性且基本透明的材料分隔两个漫射区域。在优选的实施例中，不对称的漫射区域这样排列以提高背光的亮度均匀性。在另一优选的实施例中，通过使用一个或多个不对称漫射区域，利用光源的线性或格栅阵列的背光的空间亮度图案是基本均匀的。
在x-z和y-z面上的漫射量影响亮度的均匀性和背光及显示器的潜在视角。通过优先于其它面而只增加一个面的漫射量，视角被不对称的增大。例如，如果x-z面比y-z面的漫射多，显示器的视角(与亮度和显示对比度有关)可以在x方向上增大。通过背光的不对称漫射膜中一个或多个漫射层引入的漫射不对称性，可以对显示器的视角和角强度分布(angular intensity profile)以及背光和显示系统中的光学效率进行更好的控制。在另一实施例中，漫射量在漫射层的面中变化。在另一实施例中，漫射量在垂直于层面的面(z方向)中变化。在优选的实施例中，在紧密接近一个或多个光源的区域中漫射量更高。
不对称漫射器的强漫射轴的排列可以是平行排列，垂直或与光源或背光的边缘成一定角度。在优选的实施例中，强漫射轴垂直于背光中线性光源的长度方向排列。
在一个或多个不对称漫射层中的微粒可以是纤维状的，球状的，圆柱状的以及其它不对称形状，或是一个或多个上述形状的组合。微粒的形状可以被设计成基本更多的漫射发生在x-z面而不是在y-z面。微粒或畴的形状可以在空间上沿x、y、z方向中的一个或多个变化。这种变化可以是规则的，半随机的或是随机的。
漫射层中的微粒可以正交、平行或与漫射层或线性光源或光源阵列的边缘成一角度排列。在优选的实施例中，漫射层中的微粒基本沿平行于光源的线性阵列的一个轴排列。
微粒可以包含在连续相材料的体内或可以从其表面或是连续相材料的基本平坦的表面伸出。
本文所述的在一个或多个光漫射层中的微粒可以是低或高浓度的。当漫射层厚时，需要用更低浓度的微粒。当漫射层薄时，需要用更高浓度的微粒。分散相的浓度可以从少于1重量％至50重量％。在某些情况下，经过认真的挑选材料和生产技术，微粒的浓度可以达到高于50％。更高的浓度可以使漫射层变得更薄，因此，可以使背光和显示器变得更薄。
微粒和基质之间的折射率之差可以是非常小或非常大的。如果折射率之差小，那么需要用更高浓度的微粒来达到一个或多个方向上的充分漫射。如果折射率之差大，那么典型的需要更少的微粒(更低浓度)来达到充分漫射和亮度均匀性。微粒和基质之间的折射率之差在x，y，z的一个或多个方向上可以是0或大于0。
单个的聚合相的折射率是贡献于膜对光的散射程度的一个因素。低和高折射率材料的组合得到更大的漫射角度。在应用双折射材料的情况下，在x，y，和z方向上的折射率每一个都可以影响加工材料的漫射量或反射量。在某些应用中，可以用具有如在热、机械或低成本上具有特殊性质的特殊聚合物，然而，材料之间折射率的差异(在x，y，或z方向上，或其某组合)可能不适于产生期望的漫射量或其它光学特性，如反射。在这种情况下，本领域公知的是用典型的尺寸小于1微米的小微粒来增加或减小平均体折射率。优选的，光不是直接从这些增加的微粒上散射，并且增加这些微粒也基本不会增加吸收或是反向散射。
基于微粒数量和它们所加入的聚合物的折射率以及微粒的有效折射率，添加的微粒可以增加或减小平均折射率。这种添加可以包括：气凝胶，溶胶凝胶材料，硅土，高岭土，氧化铝，MgF2的细微粒(折射率为1.38)，SiO2(折射率为1.46)，AlF3(折射率为1.33-1.39)，CaF2(折射率为1.44)，LiF(折射率为1.36-1.37)，NaF(折射率为1.32-1.34)和ThF4(折射率为1.45-1.5)或可考虑的类似物。可选的，可以使用具有高折射率的细微粒，如二氧化钛(TiO2)或二氧化锆(ZrO2)或其它金属氧化物的细微粒。
漫射层的一个或多个表面可以包括非平面表面。该表面图案可以包括在x，y或z方向上的从1nm到3mm范围内的突起和凹陷。该图案或个别特征可以是周期性的，随机的，半随机的或是其它均匀或非均匀的结构。该表面特征可以设计成给漫射板提供如准直，抗阻塞(anti-blocking)，折射，对称漫射，不对称漫射或衍射功能。在选优实施例中，该表面特征是用来提供准直特性的棱镜结构的线性阵列。在另一优选实施例中，该表面包括半球状的突起，其防止浸湿，提供抗阻塞特型或光校准特性。
漫射层的一个或多个表面可以包括可提供准直特性的表面图案。该准直特性将由大角度入射的光线导向接近显示法线的角度(更小的角度)。该特征可以是棱镜的线性阵列，棱椎阵列，圆锥阵列，半球阵列的形式或是其它公知的用来将更多光导向垂直于背光表面的方向。该特征排列可以是规则的，不规则的，随机的，有序的，半随机的或是其它可通过折射，反射，或全内反射，衍射或散射来准直光的排列。
本发明的增强型不对称漫射器可以包括提供附加的光学，机械，环境，热或电的益处的材料、附加物、构件、混合物、涂层、处理、层或区域。漫射膜的特性可以包括下面的一个或是多个：光学：增加光通量，增大/减小沿一个或多个轴的漫射，减少或增加双折射，增加亮度均匀性，增加色彩稳定性，减少霾；机械/物理：增强刚性，减小厚度，降低重量，增强抗划伤性，减小/增加射束硬度(pencil hardness)，抗阻塞特征；环境：减少翘曲，增加光电阻，增加抗湿性，增加耐光性，增强紫外线的吸收；热：增强耐热性，提高软化温度；电：减小表面电阻。
不对称表面漫射膜
不对称表面漫射器在膜的表面具有包括全息结构或至少稍微按照其主轴排列的非球形畴的结构。全息结构典型的是从已记录的材料工具压印到该膜上。非球形畴有与膜的基质聚合物不同的折射率。至少稍微排列的非球形畴的一个实施例是变形显微透镜的密堆积阵列。“变形”指在两垂直方向上的每一个都产生不同的图像放大率的特征。
不对称漫射膜的成分
该漫射膜可以由包括连续相和分散相的一个或多个光散射区域组成。在另一个实施例中，该漫射膜可以包括一个呈现不对称散射特性的光散射表面特征的区域。在另一个实施例中，一个或多个漫射层可以粘接该不对称漫射膜的两个或更多个组件。该膜还可以包括一个基本光学透明的基底和一个连续相。选作基底、分散的或连续的相的材料可以是一种或多种聚合或无机材料。
这样的聚合物包括，但不限于丙烯酸树脂，苯乙烯(styrenics)，烯烃(olefins)，聚碳酸酯，聚酯，纤维素质，聚酯碳酸盐(polyester-carbonate)等。具体的例子包括聚甲基丙烯酸甲酯及其共聚物，聚苯乙烯及其共聚物，苯乙烯-丙烯腈共聚物，聚乙烯及其共聚物，聚丙烯及其共聚物，聚乙烯-丙烯共聚物，聚乙酸乙烯酯及其共聚物，聚乙烯醇及其共聚物，双酚A聚碳酸酯及其共聚物，聚对苯二甲酸乙二酯及其共聚物，聚2，6-萘二羧酸乙二酯及其共聚物，多芳基化合物，聚酰胺共聚物，聚氯乙烯，纤维素乙酸酯，纤维素乙酸丁酸酯，纤维素乙酸丙酸酯，聚醚酰亚胺及其共聚物，聚醚砜及其共聚物，聚砜及其共聚物和聚硅氧烷。
多个甲基丙烯酸酯树脂和丙烯酸酯树脂适合用作本发明的一个或多个相。该甲基丙烯酸酯树脂包括但不限于聚甲基丙烯酸酯例如聚甲基丙烯酸甲酯，聚甲基丙烯酸乙酯，聚甲基丙烯酸丙酯，聚甲基丙烯酸丁酯，聚甲基丙烯酸异丁酯，甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸共聚物，甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸酯共聚物和甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物(例如，MS树脂)。优选的甲基丙烯酸树脂包括聚甲基丙烯酸烷基酯及其共聚物。最优选的甲基丙酸烯树脂包括聚甲基丙烯酸甲酯及其共聚物。丙烯酸酯包括但不限于聚丙烯酸甲酯，聚丙烯酸乙酯，聚丙烯酸丁酯及其共聚物。
多种苯乙烯树脂适合用作本发明的聚合相。这些树脂包括乙烯基芳香族聚合物，例如间同立构聚苯乙烯。用于本发明的间同立构乙烯基芳香族聚合物包括聚苯乙烯，聚烷基苯乙烯，聚芳基苯乙烯，聚苯乙烯卤化物，聚烷氧基苯乙烯，聚苯甲酸乙烯酯，聚乙烯基萘，聚乙烯基苯乙烯和聚二氢苊(poly(acenaphthalene))，以及氢化聚合物和包括这些结构单元的混合物或共聚物。聚烷基苯乙烯的例子包括下面的异构体：聚甲基苯乙烯，聚乙基苯乙烯，聚丙基苯乙烯，聚丁基苯乙烯。聚芳基苯乙烯的例子包括聚苯基苯乙烯的异构体。聚苯乙烯卤化物的例子包括下面的异构体：聚氯苯乙烯，聚溴苯乙烯和聚氟苯乙烯。聚烷氧基苯乙烯的例子包括下面的异构体：聚甲氧基苯乙烯和聚乙氧基苯乙烯。在这些例子中，优选的苯乙烯树脂聚合物为：聚苯乙烯，聚对甲基苯乙烯，聚间甲基苯乙烯，聚对叔丁苯乙烯，聚对氯苯乙烯，聚间氯苯乙烯，聚对氟苯乙烯以及苯乙烯和对甲基苯乙烯的共聚物。最优选的苯乙烯树脂包括聚苯乙烯及其共聚物。
一些特别的聚酯和共聚酯树脂适于用作本发明的相。这样的树脂包括聚对苯二甲酸乙二酯及其共聚物，聚2，6-萘二羧酸乙二酯及其共聚物，聚对苯二甲酸1，4-环己二甲酯及其共聚物，聚对苯二酸丁二酯的共聚物。树脂的酸性成分包括对苯二甲酸，异酞酸，2，6-萘二羧酸或上述酸的混合物。聚酯和共聚酯可被少量的其它酸或酸的混合物(或等效酯)修饰，其包括但不限于邻苯二甲酸，4，4’-均二苯乙烯乙二酸，2，6-萘二羧酸，草酸，丙二酸，丁二酸，戊二酸，己二酸，庚二酸，辛二酸，壬二酸，癸二酸，1，12-十二烷二酸，二甲基丙二酸，顺式-1，4环己二羧基酸和反式-1，4-环己二羧基酸。树脂的二醇成分可以包括乙二醇，1，4-环己二甲醇，丁二醇或是上述乙二醇的混合物。共聚酯也可被少量的其它二醇或二醇的混合物修饰，其包括但不限于1，3-丙二醇，1，4-丁二醇，1，5-戊二醇，1，6-己二醇，1，7-庚二醇，1，8-辛二醇，1，9-壬二醇，1，10-癸二醇，1，12-十二烷二醇，新戊二醇，2，2，4，4-四甲基-1，3-环丁二醇，二甘醇，双酚A和对苯二酚。优选的聚酯树酯包括由对苯二甲酸和异酞酸或它们的等效酯的混合物与1，4-环己二甲醇和乙二醇的混合物反应得到的共聚酯。最优选的聚酯树脂包括由对苯二甲酸或其等效酯与1，4-环己二甲醇和乙二醇的混合物反应得到的共聚酯。
某些聚碳酸酯和共聚碳酸酯树脂适于用作本发明的相。聚碳酸酯树脂典型的由联苯酚与碳酸酯(carbonate)前体通过溶液聚合或熔体聚合反应获得。该联苯酚优选为2，2-双(4-羟苯基)丙烷(称作“双酚A”)，但其它的联苯酚也用作该联苯酚的部分或整体。其它的联苯酚的例子包括1，1-双(4-羟苯基)乙烷，1，1-双(4-羟苯基)环己烷，2，2-双(4-羟基-3，5-二甲基苯基)丙烷，2，2-双(4-羟基-3-甲基苯基)丙烷，双(4-羟苯基)硫醚和双(4-羟苯基)砜。该聚碳酸酯树脂优选是含有50mol％或更多的双酚A的树脂，特别优选双酚A占所有联苯酚的整体的70mol％或更多。该碳酸酯前体的例子包括碳酰氯，碳酸二苯酯，上述联苯酚的双氯甲酸酯，碳酸二对甲苯基酯，碳酸苯基对甲苯基酯，碳酸二对氯苯基酯和碳酸二萘基酯。在这些当中，碳酰氯和碳酸二苯酯是特别优选的。
许多聚烯烃聚合物适用于作为本发明的相。这样的聚烯烃聚合物包括聚乙烯，聚丙烯，聚丁烯，聚异丁烯，聚(4-甲基)戊烯，及其共聚物，及其氯化变体和氟化变体。
特定的纤维素树脂适于作为本发明的相。这样的树脂包括醋酸纤维素，乙酸丁酸纤维素，乙酸丙酸纤维素，丙酸纤维素，乙基纤维素，硝酸纤维素。包括如酞酸二乙酯的多种增塑剂的纤维素树脂也在本发明的范围之内。
聚合体光学漫射膜214的其它优选实施例包括半晶状的聚合物基质，其包含有气孔和气孔引发微粒或像无机微粒或交联聚合珠子之类的简单漫射微粒。优选半晶状的聚合物基质，因为其对可见光是基本透明的，容易伸展，拥有在高达85℃的高温测试后收缩小于1.0％的尺寸稳定性。能达到所有的这些标准的优选的聚合物为聚酯和它们的共聚物。最优选的是聚对苯二甲酸乙二酯(PET)；聚萘二甲酸乙二酯(PEN)聚酯和它们的任一共聚物的。PET最合适，因为它的成本要比PEN低的多。
气孔引发微粒可以是与基质聚合物不相容的任意类型的微粒。这些微粒可以是无机或有机的。无机微粒包括碳酸钙，硫酸钡，二氧化钛中的任一种，或可被熔融混入聚合物中的任意其它无机成分。典型的有机气孔引发微粒是与基质聚合物不互溶的聚合物。它们是优选的，因为这些不互溶聚合物的树脂球可以简单地与基质聚合物的树脂球干混合并压制在一起形成铸膜。无机微粒需要预混合或熔融混合，这就增加了生产成本。优选的有机气孔引发微粒为聚烯烃。最优选的是聚丙烯。
可添加气孔引发微粒，以产生作为漫射器功能的足够的漫射性，但不会太不透明以致明显降低LCD显示器的光亮度。气孔引发微粒的优选填充量为整个膜的3到25wt％。最优选的填充量是10-20wt％。
光学漫射膜214可拥有紫外(UV)光防护，例如包括紫外吸收材料或在其中一层有阻挡紫外光影响的材料。合适的紫外吸收化合物商业有售，包括，例如，由特拉华州威尔明顿的CYTEC技术有限公司(Cytec Technology Corporationof Wilmington，Del.)生产的
Figure A20091013466000161
UV-1164，和纽约州塔利顿的汽巴特种化学品公司(Ciba Specialty Chemicals of Tarrytown，N.Y.)生产的1577。
尽管图2中未示出，聚合体光学漫射膜214的另一优选实施例是在膜内有空间变化的畴，其有所述膜具有更多或更少的漫射微粒或气孔的负载量。这些空间变化的漫射膜中的漫射畴实际上既可以是对称的也可以是不对称的。这对于将由受控力支撑的膜放置在离背光型液晶显示器的光源(典型的是冷阴极荧光管)更近的位置是十分有益的。在一种情况中，可以通过正好在线性冷阴极荧光管光源的上方排列更高漫射性能的条纹，从而使光从膜中均匀出射，达到更近的间距。(从光源到漫射膜的更大的距离必须由具有均匀分散的光漫射微粒的薄膜形成。)在漫射畴中的非条纹的其它变形也可以采用。比如，如果漫射膜用于沿着背光中LED光源的阵列，可以使用点状图案。
光学漫射膜214可以包括其它材料以减少紫外光线的不利影响。这样的材料的一个例子是受阻胺光稳定组合物(HALS)。大体来说，最有效的HALS是衍生自四甲基哌啶的那些，和被认为是聚合叔胺的那些。合适的HALS组合物商业有售，例如，由纽约州塔利顿的汽巴特种化学品公司生产的商标为“Tinuvin”的。这样的一个有用的HALS剂为Tinuvin 622。
框架构件210和212可以包括任意刚性材料，优选为塑料。与框架构件210相连的悬臂弹簧213帮助保持膜214的平坦性。该弹簧可包含任意刚性材料，优选为塑料，其典型的是与底部框架210整体制造。图2中的光学元件200可用于代替常规液晶显示器中的漫射板。
本发明的另一具体实施例如图3所示意。光学元件300揭示了，除了漫射膜314被拉紧之外，另一个膜，光准直漫射膜316同样被拉紧。膜314是如同图2中关于膜214所描述的光学漫射膜。另外第三个膜315，棱镜光引导膜，被支撑在两受拉膜314和316之间。图3中的光学元件300可用于代替常规液晶显示器中的漫射板和任选光学膜。
本发明的另一具体实施例如图4所示意。光学元件400利用液晶显示器背光单元418的框架作为卷起框架的下部构件。这是通过将半圆形凹槽一体形成在LCD的背光单元中完成的。同样，光学元件400利用单独的悬臂弹簧413，其夹在顶部卷边框架构件412和背光单元418之间。膜414也是如图2中关于膜214所述的光学漫射膜且其可以任选地是多于一个膜。同样，光学元件400的销钉(snap pin)417与顶部卷起框架成为一个整体。顶部卷起框架412和销钉417可以是任何的刚性材料，但优选为聚合物且由注模工艺生产。悬臂弹簧元件413可以包括塑料或金属。图4的光学元件400可用于代替常规液晶显示器中的漫射板和任选的光学膜。
本发明的另一具体实施例如图5所示意。光学元件500是至少两个光学处理膜的排列，其包括底膜514和顶膜516之间的大空间。通过加入第二悬臂弹簧元件511来保持该空间，第二悬臂弹簧元件511用作压制上部光学膜516下面的下部膜514的上升。上部光学膜的上升由悬臂弹簧516保持，其沿与弹簧511相反的方向推动上部膜516。下部膜514是聚合体光学漫射膜，其可以包含与前面所述的漫射膜214相同的材料。在这种情况下，漫射膜514具有在该膜中显示为条纹的线性排列的高漫射条纹509的空间变化畴。这些高漫射条纹509优选由两个或更多在聚合物基质中的漫射颗粒的层形成，其具有不同的宽度，因此在横跨条纹宽度上形成了漫射梯度。在图4中，背光单元框架518有半圆形凹槽以便作为卷边框架的下部卷边框架构件。背光框架518可以设计成将受拉膜514和516保持在与冷阴极荧光管光源519的总间隔比图4中的背光框架418近的多的距离。这种更近的间隔可以通过使光漫射膜514的高漫射条纹正好在冷阴极荧光管光源519的上方排列而实现。顶部卷边框架构件512和销钉517可以是任意的刚性材料，但优选为聚合物且由注模工艺生产。图5的光学元件500可以用来代替常规液晶显示器中的漫射板和任选的光学膜。
本发明的另一具体实施例如图6所示意。光学元件600揭示了采用LED光源619的二维排列。基于此，下部光学漫射膜614采用正好在每个LED619的上方排列的高漫射畴609的圆形点状图案。这些圆形点优选为具有不同直径的圆形点的两个或更多层，，因此在横跨点的宽度上形成辐射状(radial)漫射梯度。光学漫射膜614可由与图2中所描述的漫射膜214相同的材料组成。图6的光学元件600可用来代替常规液晶显示器中的漫射板和任选的光学膜。
任意一个实施例中，多于一个的光学膜被框架或受拉膜约束，典型的没有光学膜互相粘接。虽然从生产成本来说，将两个光学膜互相粘接是有益的，但典型的该光学膜中的一个或多个并没有互相粘接。
因此，本发明的一个目的是提供一种光学元件，其包括至少一个在受控张力下由拉紧构件支撑的光学膜，这样该膜在该光学元件的设计温度和湿度范围内保持平坦性和高度张力。保持受拉膜的高度平坦性要求拉紧构件的独特的设计，这是本发明的本质。进一步的，本发明的目的是提供一种向至少一个光学膜提供张力的低成本方法。
在优选的实施例中，该光学元件以非常低的成本为前述漫射板提供光平滑功能。该光学元件是独特的，因为其提供了高度的光学功能并且即使在较小厚度下在特定温度和湿度的测试下仍满足了表面平坦的要求。典型的该光学元件包括在至少一个由受控张力支撑的光学膜的周围的支撑框架。本发明的其它实施例包括其它也由该支撑框架限制的光处理膜。
例子
为了示范本发明的一个优选实施例，采购一商业液晶电视。选择的该电视是42寸LG Philips液晶电视，型号为42LB5D。液晶面板和光处理膜的排列从电视中移除，露出背光单元中的冷阴极荧光管阵列。背光单元接着配备了如图3中的本发明的受拉支撑排列。
用于图3所示装置的中心膜与该42寸LG Philips电视最初提供的常规棱镜准直膜是相同的。用于图3所示装置中的顶膜是100um的涂覆珠子的漫射膜(Kimoto有限公司的100-TL4漫射膜)。用在受拉叠层中的底膜(直接在冷阴极荧光管的上方)是体光学漫射膜。这种膜的制备是首先熔融混合交联硅氧烷微粒的5.0微珠(MPM公司(Momentive Performance Materials Inc.)的Tospearl145A)到聚对苯二甲酸乙二酯(伊斯曼化学公司(Eastman Chemicals)的PET#7352)中。聚对苯二甲酸乙二酯树酯球和微珠两者首先在165℃在干燥机内干燥24小时。接着将它们和填充量占混合物重量的30％的小珠一起被送料至27mm的双螺旋混炼机。该混炼机的压出物被送料通过水浴，然后粒化。
接着该混合球和更多的PET7352在165℃在干燥机内干燥24小时。PET球和混合球被干混合在一起，其中混合球占干混合物重量的16％，PET占重量的84％。然后该混合物在275℃熔融且通过塑炼螺旋挤压机送料至挤型模集管(extrusion die manifold)以产生熔融流，其从模具中流出后在一冷却辊上被迅速淬火。通过调节挤压机的通过量，可能调节所得到的铸片的厚度。在这种情况中铸片的厚度大约为750μm。铸片首先通过在110℃的温度下以3.0的比率拉伸从而在纵向定向。然后该片在一张拉辐机(tenter frame)内、在3.3的比率和100℃温度下，以横向定向而未撕裂。被拉伸的该片接着在220℃热定形。最终的膜厚大约为100μm。
刚才所描述的三个膜被安装在如图3所示的受拉框架内。该卷边框架的顶部构件由铝制造。该卷边框架的底部构件由立体平板印刷步骤和UV可固化的聚合物制造。图3所述的用上述膜的受拉支撑结构利用沿该卷边框架每3英寸间隔的螺丝紧固在环绕在暴露的冷阴极荧光管周围的背光单元框架上。当螺丝被拧紧时，该两个外部膜被拉紧，因为这两个外部膜在卷边框架构件之间被卷起。悬臂弹簧被该膜部分地弯曲，从而在膜内产生甚至更大的张力。所得到的膜叠层显得非常平坦且没有任何翘曲。在用冷阴极荧光管照明时，从该膜出射的光非常亮且均匀，没有膜的明显的波动或翘曲。
然后具有受拉膜的该组装的背光单元被置于两个不同的热测试环境中。第一个测试是将该组装的背光放进65℃的炉内15分钟。当将背光从炉中移走时，膜依然显得非常平坦且没有任何翘曲。当用冷阴极荧光管照明时，仍然没有出现膜的明显的波动或翘曲。所进行的第二个测试包括正好在背光的膜的上方直接放置绝缘材料，用冷阴极荧光管以最大亮度照射15分钟。当移走绝缘材料时，仍然没有膜的明显的波动或翘曲。
零件目录表
100直接照明式液晶显示装置
110背光
112反射器
114光源
120光处理层
122漫射板
124准直漫射膜
126光引导膜
128反射偏振片
130前液晶面板装置
132下吸收偏振片
134面板
136液晶层
138上吸收偏振片
139任选的层
140液晶面板
150控制器
200光学元件
210下部卷边框架
212顶部卷边框架
213悬臂弹簧
214聚合体光学漫射膜
217螺丝或销钉
218背光框架
300光学元件
314聚合体光学漫射膜
315棱镜光学引导膜
316准直漫射膜
400光学元件
412顶部卷边框架
413悬臂弹簧
414聚合体光学漫射膜
417销钉
418背光框架
500光学元件
509高漫射畴的条纹
510覆盖框架
511悬臂弹簧
512顶部卷边框架
513悬臂弹簧
514聚合体光学漫射膜
516光学膜
517销钉
518背光框架
519冷阴极荧光管光源
600光学元件
609高漫射畴的点
619LED光源。

Claims (10)

1.一种光学元件，其包括光学膜，其中该光学膜的至少一部分由向该光学膜施加受控张力的装置保持尺寸稳定，其中该张力由卷边框架提供，该卷边框架包括：
具有半圆形凹槽的第一框架构件；
具有伸出部的第二框架构件；
其中该第一和第二框架构件互锁在一起以卷起该光学膜；和
将该第一和第二卷边框架构件紧固在一起的器件。
2.如权利要求1所述的光学元件，还包括一个或多个悬臂弹簧元件。
3.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述至少一个光学膜是包含光散射微粒的漫射膜。
4.如权利要求3所述的光学元件，其特征在于，该漫射膜是不对称漫射膜。
5.如权利要求3所述的光学元件，其特征在于，该漫射膜包括多个漫射颗粒的浓度随空间变化的畴。
6.如权利要求3所述的光学元件，其特征在于，除该漫射膜之外的另一个光学膜，由施加受控张力的装置的存在来保持尺寸稳定，且与所述漫射膜隔开。
7.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，包括两个光学膜和至少一个位于该两个光学膜中间的膜，该两个光学膜中的每一个都由施加受控张力的装置的存在来保持尺寸稳定，该中间的膜通过受拉的该两个光学膜进一步稳定化。
8.如权利要求7所述的光学元件，其特征在于，包括光学漫射膜作为该两个光学膜中的一个，光准直漫射膜作为该两个光学膜中的另一个，棱镜光引导膜作为该中间的膜。
9.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，将该第一和第二框架构件紧固在一起的器件选自螺丝和销钉。
10.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，将第一和第二框架构件紧固在一起的器件是销钉，其与所述第一或第二框架构件中的一个一体形成。
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