CN101957464A - 一种光学片及其应用 - Google Patents

Abstract

一种光学片，光学片的一面含有多个三维光学结构，三维光学结构包含底面和多个侧面，三维光学结构的底面为入光面，多个侧面为出光面，三维光学结构的侧面由两类不同特性的表面区域组成，其特征在于：所述的三维光学结构的侧面包含多个光滑表面区域和多个粗糙表面区域，光滑表面区域和粗糙表面区域在三维光学结构的侧面上交替排列、制作方法及其应用。本发明，在同一光学结构的侧面上具有光滑的表面区域和粗糙的表面区域，同时起到了LCD背光源所需的聚光和扩散的作用，从而可降低背光源的材料成本和生产成本。

Description

一种光学片及其应用

技术领域

本发明是关于一种光学片及其应用，例如液晶显示器(LCD)的背光源和LED照明光源。

背景技术

液晶显示器正被广泛地用于电视，电脑，和手机中，液晶材料本身并不发光，需要有一面光源放置于液晶材料的背后。该面光源通常被称为背光源。背光源通常包含发光体，如冷阴极管(CCFL)，发光二极管(LED)，和起均匀及聚光作用的光学片。具有棱镜结构的光学片已被证明能有效地起到聚光作用，以增加显示器正前方的亮度，但该棱镜片必须与一片或多片起均匀作用的扩散片配合使用以达到液晶显示器所需要的显示效果。这样的背光源结构，增加了材料和生产成本，并导致不必要的能量损耗。因此，具有聚光和扩散多重功能的光学片将更适合于液晶显示器背光源中的应用。普通棱镜片具有将大角度的入射光聚集到接近棱镜片法线方向，即聚光作用。

发明内容

本发明提供一种含有多个三维光学结构、具有聚光和扩散多重功能的光学片。三维光学结构的侧面由多个光滑表面区域和多个粗糙表面区域组成。光滑表面区域和粗糙表面区域在三维光学结构的侧面上交替排列。

本发明提供一种光学片的制作方法，由表面刻有与光学片中三维光学结构互补的光学结构的模仁，在可硬化的树脂材料上压印而形成光学片中的三维光学结构，模仁上的光学结构包含交替排列的光滑表面区域和粗糙表面区域。

一种光学片的应用，是所述面光源中含有光学片。

本发明的技术方案是通过以下方式实现的：

一种光学片，光学片的一面含有多个三维光学结构，三维光学结构包含底面和多个侧面，三维光学结构的底面为入光面，多个侧面为出光面，三维光学结构的侧面由两类不同特性的表面区域组成，第一类表面区域为光滑表面区域，第二类表面区域为粗糙表面区域，粗糙表面区域可由多个凹陷的细微结构组成，或由多个凸起的细微结构组成，或由多个凹陷和多个凸起的细微结构共同组成，其特征在于：所述的三维光学结构的侧面包含多个光滑表面区域和多个粗糙表面区域，光滑表面区域和粗糙表面区域在三维光学结构的侧面上交替排列。

所述的光学片还可含有基片，基片可为透光率较高的材料，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)或三乙酸纤维素(TAC)，在基片材料中可包含用于增加基片与构成三维光学结构材料粘着力的表面涂层，基片或可经过电晕处理以增加基片与构成三维光学结构材料粘着力。

所述的基片中还可含有无机或有机粒子，所述的无机粒子可为二氧化硅或二氧化钛，所述的有机粒子可为丙烯酸酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、烯烃或其他光学上透明的聚合物材料，无机或有机粒子可为球形、椭球形、或其他规则或不规则的形状。

所述的光学片的另一面还可包含涂布层，涂布层中可包含突出涂布层表面的粒子。

所述的在三维光学结构侧面的光滑和粗糙区域，可包含有抗静电剂，抗静电剂可为阳离子抗静电剂、阴离子抗静电剂或非离子型抗静剂；阳离子抗静电剂可为烷基季按、磷或领盐；阴离子抗静电剂可为烷基磺酸、磷酸或二硫代氨基甲酸的碱金属盐；非离子型抗静剂可为乙氧基化脂肪族烷基胺。

所述的三维光学结构的截面可为三角形，或为顶角具有一定弧度的三角形，或为五边形，或为其他合适的形状。沿三维光学结构的长度方向，截面的形状或大小可以是一致，也可以是变化的，其边长或面积可沿长度方向逐渐减小或增大，或交替地减小或增大，边长或面积沿长度方向的减小或增大可随机或按一定规律排列，三维光学结构沿长度方向的边长可为直线或弯曲的形状。

本发明光学片的制作方法：用刻有与所需三维光学结构互补的光学结构的模仁在可硬化树脂材料上进行压印；用于压印的模仁可为滚筒成形轮，或平面或弯曲的成形板；用于压印的模仁还可将刻有与所述光学片三维光学结构互补的光学结构的可弯曲的片材，包在一圆柱形滚筒的外侧，形成用于压印的滚筒成形轮。

可硬化树脂材料可为通过加热或紫外光照射使其硬化而制成所需的形状的树脂材料。

一种本发明光学片的应用，是侧光式LCD背光源中含有光学片，光学片置于导光板的上方，导光板的下方设有反光面和散射体，两侧面设有反射面和发光体；所述的发光体可以是CCFL或LED。

另一种本发明光学片的应用，是在直下式LCD背光源中含有光学片，光学片置于发光体阵列的上方，发光体阵列可为LED阵列，或CCFL阵列。

本发明，在同一光学结构的侧面上具有光滑的表面区域和粗糙的表面区域，同时起到了LCD背光源所需的聚光和扩散的作用，从而可降低背光源的材料成本和生产成本。

附图说明

图1为本发明光学片的第一示例。

图2为具有凹陷粗糙表面的三维光学结构在平面Ω上的截面。

图3为具有凸起粗糙表面的三维光学结构在平面Ω上的截面。

图4为本发明光学片的第二示例。

图5为本发明光学片的第三示例。

图6为本发明的侧光式LCD背光源结构示意图。

图7为本发明直下式LCD背光源结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

一种光学片，一面含有多个三维光学结构。三维光学结构包含底面和多个侧面。三维光学结构的底面为入光面，多个侧面为出光面，三维光学结构的侧面由两类不同特性的表面区域组成，第一类表面区域为光滑表面区域，起聚光的作用；第二类表面区域为粗糙表面区域，起扩散作用；粗糙表面区域可由多个凹陷的细微结构组成，或由多个凸起的细微结构组成，或由多个凹陷和多个凸起的细微结构共同组成。三维光学结构的侧面包含多个光滑表面区域和多个粗糙表面区域。光滑表面区域和粗糙表面区域在三维光学结构的侧面上交替排列。

图1描述本发明光学片的第一示例。光学片100含有多个光学结构101。光学结构101包含底面105，侧面102(图中没有标出)和侧面103(图中没有标出)。侧面102包含光滑表面区域102a和粗糙表面区域102b。侧面103包含光滑表面区域103a和粗糙表面区域103b。本示例中，侧面102和103为平面。侧面102和侧面103直接相交而形成一角度，即为三维光学结构顶角，如104所示。

图1中光学片还可包含基片106，基片可为透光率较高的材料，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚碳酸酯(PC)，三乙酸纤维素(TAC)。在基片材料中可包含用于增加基片与构成三维光学结构材料粘着力的表面涂层。基片或可经过电晕处理以增加基片与构成三维光学结构材料粘着力。

图1中Ω为垂直于光学片和三维光学结构的假象平面。

图2为示例一中光学片三维光学结构在假象平面Ω上的截面。该示例光学片中，三维光学结构在平面Ω上的截面形状近似为三角形。三维光学结构底面在Ω平面上的截线为205，侧面102光滑表面区域在Ω平面上的截线为202a，侧面102粗糙表面区域在Ω平面上的截线为202b。侧面103光滑表面区域在Ω平面上的截线为203a，侧面103粗糙表面区域在Ω平面上的截线为203b。204为三维光学结构顶角在Ω平面上的投影。入射到三维光学结构的光线206进入三维光学结构后从光学结构的侧面光滑表面区域射出即为光线208。邻近光学结构的介质，如空气，具有比光学结构较小的光折射率。如光线208所示，从侧面光滑表面区域射出后，其传播方向偏向光学片的法线方向。光学结构的光滑表面区域起到聚光的作用。

光线207进入三维光学结构后，从光学结构侧面的粗糙表面区域出射。从粗糙表面区域出射的光无法用简单的Snell定律来描述。从粗糙表面区域出射的光209形成具有一定角度分布的光束，粗糙表面区域起到扩散光的作用。本发明揭示的光学片，在同一光学结构的侧面上具有光滑的表面区域和粗糙的表面区域，因而同时起到了LCD背光源所需的聚光和扩散的作用。从而可降低背光源的材料成本和生产成本。图2所示的粗糙表面区域202b和203b为凹陷的粗糙表面。凹陷的粗糙表面是指表面轮廓低于由连接与粗糙表面相邻的光滑表面所形成的基准面，换句话说，凹陷粗糙表面与相应的三维光学结构在由连接与粗糙表面相邻的光滑表面所形成的基准面的同一侧。

图3为示例一具有凸起粗糙表面的三维光学结构在平面Ω上的截面，凸起的粗糙表面302b和303b所示。凸起的粗糙表面是指表面轮廓高于由连接与粗糙表面相邻的光滑表面所形成的基准面，换句话说，凸起粗糙表面与相应的三维光学结构在由连接与粗糙表面相邻的光滑表面所形成的基准面两侧。当进入光学结构的光线307从粗糙表面区域303b出射时，出射光为具有一定角度分布的散射光309，入射到三维光学结构的光线306进入三维光学结构后从光学结构的侧面光滑表面区域射出即为光线308。侧面102光滑表面区域在Ω平面上的截线为302a，侧面103光滑表面区域在Ω平面上的截线为303a。本发明光学结构的侧面粗糙表面区域也可由凹陷和凸起粗糙表面共同组成。

本发明光学片中的三维光学结构的截面可为三角形，如图2和图3所示。本发明光学片的三维光学结构截面还可为顶角(即侧面交界处)具有一定弧度的三角形。本发明光学片中的三维光学结构的截面还可为五边形，或其他形状。优选的光学结构其截面可为三角形或顶角有一定弧度的三角形。沿三维光学结构的长度方向，截面的形状或大小可以是一致，也可以是变化的，例如截面为三角形的光学结构，其边长或面积可沿长度方向逐渐减小或增大，或交替地减小或增大。边长或面积沿长度方向的减小或增大可随机或按一定规律。三维光学结构沿长度方向的边长可为直线，或弯曲的形状。

实施例2：

图4为本发明光学片的第二示例。本发明提供一种光学片，光学片一面含有多个三维光学结构。三维光学结构包含底面和多个侧面。三维光学结构的侧面包含交替排列的光滑表面区域和粗糙表面区域。光学片的另一面包含涂布层，涂布层中包含突出涂布层表面的粒子，以减少本发明光学片与相邻表面之间的接触面积，防止与相邻表面粘结并防止产生影响显示图像品质的干涉图案。

光学片400含有多个三维光学结构401。三维光学结构401的侧面402(没有标出)包含光滑表面区域402a和粗糙表面区域402b，光学结构的侧面403(没有标出)包含光滑表面区域403a和粗糙表面区域403b。侧面402与侧面403相交而形成具有弧度的三维光学结构的顶端，如404所示。示例光学片包含基片405。基片405包含透光率较高的树脂材料406，如PMMA，PET，PC，或其他合适的透明材料，和无机或有机粒子407。树脂材料406与无机或有机粒子407一般地具有不同的光折射率。树脂材料406与无机或有机粒子407光折射率的差异一般地大于0.005。合适的无机粒子包括二氧化硅或二氧化钛。合适的有机粒子包括丙烯酸酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、烯烃或其他透明聚合物材料，或其他任何合适材料的颗粒。无机或有机粒子的形状可为球形，椭球形，或其他规则或不规则的形状。无机或有机粒子407可为单种材料或单种尺寸，或是多种材料或多种尺寸的组合。

实施例3：

图5为本发明光学片的第三示例。光学片500含有多个三维光学结构501。三维光学结构501的侧面502(没有标出)包含光滑表面区域502a和粗糙表面区域502b。三维光学结构的侧面503(没有标出)包含光滑表面区域503a和粗糙表面区域503b。三维光学结构的侧面502与侧面503相交而形成夹角，如图中504所示。三维光学结构501沿结构的长度方向弯曲。侧面502与侧面503所形成的相交线为弯曲的曲线，如图中505所示。示例光学片还包含基片506。基片506一般为透明的光学材料，如PET，PC，或PMMA。示例光学片中，多个光学结构501位于基片506的一个表面上。在基片506的另一个表面上含有由透明树脂508和无机或有机粒子509所组成的涂布层507。无机或有机粒子509处于树脂材料508中，并有多个粒子，其部分凸现于树脂材料508的表面。合适的无机粒子包括二氧化硅，二氧化钛。合适的有机粒子包括丙烯酸酯，聚碳酸酯，聚苯乙烯，烯烃，或其他光学上透明的聚合物材料，或其他任何合适材料的颗粒。无机或有机粒子的形状可为球形，椭球形，或其他规则或不规则的形状。无机或有机粒子509可为单种材料或单种尺寸，或是多种材料或多种尺寸的组合。涂布层507中突出表面的粒子可减少本发明光学片与相邻表面之间的接触面积，防止与相邻表面粘结并防止产生影响显示图像品质的干涉图案。

本发明光学片的制作方法：首先刻有与所需三维光学结构互补的光学结构的模仁在可硬化树脂材料上进行压印，模仁上的光学结构包含交替排列的光滑表面区域和粗糙表面区域，模仁上光学结构的光滑区域和粗糙区域与光学片三维光学结构中的光滑区域和粗糙区域相对应，其中粗糙表面区域的凹陷和凸起的表面特性与光学片三维光学结构粗糙表面凹陷和凸起的表面特性互补，即模仁中光学结构的粗糙表面区域的凹陷特性对应于光学片中三维光学结构粗糙表面区域的凸起特性，模仁中光学结构的粗糙表面区域的凸起特性对应于光学片中三维光学结构粗糙表面区域的凹陷特性。用于压印的模仁可为滚筒成形轮，或平面或弯曲的成形板。用于压印的模仁还可将刻有与所述光学片三维光学结构互补的光学结构的可弯曲的片材，包在一圆柱形滚筒的外侧，形成用于压印的滚筒成形轮。

可硬化树脂材料包括通过加热，紫外光照射和其他合适的方法使其硬化的树脂材料，如丙烯酸酯或其他透明树脂。

三维光学结构侧面粗糙表面区域还可由其他材料，如无机或有机粒子形成。合适的无机粒子包括二氧化硅，二氧化钛。合适的有机粒子包括丙烯酸酯，聚碳酸酯，聚苯乙烯，烯烃，或其他光学上透明的聚合物材料，或其他任何合适材料的颗粒。无机或有机粒子可为球形，椭球形，或其他规则或不规则的形状。

在三维光学结构侧面的光滑和粗糙区域，或在本发明光学片中无三维光学结构的一面，可包含有抗静电剂以避免在光学片或用本发明光学片的光源中由于静电而产生的灰尘或其他杂质的吸附。合适的抗静电剂包括阳离子抗静电剂，如烷基季按、磷或领盐；阴离子抗静电剂，如烷基磺酸、磷酸或二硫代氨基甲酸的碱金属盐；非离子型抗静剂，如乙氧基化脂肪族烷基胺。

图6为本发明应用于侧光式LCD背光源的结构示意图。侧光式LCD示例背光源中含有光学片606，由导光板603、反射面602、反光面605、散射体604和发光体601组成，光学片606置于导光板603的上方，导光板603的下方设有反光面605和散射体604，两侧面设有发光体601和反射面602；从发光体601和经反射面602反射的光通过导光板603的侧面进入导光板。发光体601可以是CCFL，LED或其他发光体。进入导光板603的光由于导光板底部的散射体604引起的散射及与导光板相邻的反光面605引起的反射而从导光板的顶面射出。从导光板603顶面出来的光通常缺乏足够的均匀性和LCD所需的光强角度分布。普通LCD背光源需要两张或多张扩散片与普通棱镜片配合使用来达到所需的均匀度和光强角度分布。图6所示的本发明面光源包含本发明光学片606，放置于导光板603的上方。本发明光学片606的一面含有多个三维光学结构；三维光学结构包含底面和多个侧面；三维光学结构的侧面包含光滑表面区域和粗糙粗糙表面区域；光滑表面区域和粗糙表面区域在三维光学结构侧面交替排列。光学片606具有聚光和扩散的多重功能。单独使用光学片606，或与一张普通扩散片配合使用，可达到LCD背光源所需的匀光效果和角度分布。本发明面光源具有较低的材料和生产成本。为达到一些特定光学效果，在光学片606的下方或上方还可放置另一片本发明光学片或一片或多片其他光学片。

图7为本发明应用于直下式LCD背光源的结构示意图。直下式LCD示例背光源包含发光体阵列701。发光体阵列701可以是LED阵列，或CCFL阵列，或其他合适发光体阵列。发光体阵列位于凹腔704中。702为一支撑板，可以为透明板，如PMMA板，PC板，或含有扩散粒子的扩散板。703为本发明光学片。如光学片的厚度较薄，如厚度小于150微米，支撑板702防止本发明光学片在重力的作用下向下弯曲。如本发明光学片703较厚，或背光源的面积较小，支撑板702可以省略。发光体阵列701所发的光通过支撑板702或直接照射到本发明光学片703。通过本发明光学片703的光具有所需要的均匀度和光强的角度分布。为达到一些特定光学效果，在本发明光学片703的下方或上方还可放置另一片本发明光学片或一片或多片其他光学片。

本发明光学片的应用不限于LCD背光源，还可用于其他应用，如一般照明。

本发明所述的粗糙表面对入射到该表面的光产生散射，无法简单地用折射定律(Snell定律)来描述。该类表面可用描述表面几何特征的参数，如粗糙度，来描述。粗糙度(Ra)定义为在一取样长度范围内粗糙面的几何轮廓偏离基准线的绝对值的算术平均值，

这里，l为取样长度，dx为所设定的微小步长，y(x)为在所设微小步长范围内在测量方向上轮廓点与基准线之间的距离。基准线为在测量方向上连接与粗糙表面相邻的光滑表面的直线。本发明粗糙表面起到对光的散射作用。本发明粗糙表面的粗糙度一般地大于0.2微米，优选地大于0.5微米。本发明光学片中，三维光学结构的形状，出光侧面粗糙区域占侧面总面积的比例和粗糙区域的粗糙度是本发明光学片的设计参数。一般地，粗糙区域占侧面总面积较高时，或粗糙区域的粗糙度较高时，光学片的扩散效果较佳。本发明光学片可针对应用所需的光学性能，设计相应的三维光学结构的形状，粗糙区域占侧面总面积的比例，和粗糙区域表面粗糙度。所述粗糙表面区域可由具有一种粗糙度的表面区域组成，或可由具有多种粗糙度表面区域组成。

本发明所揭示的内容，如示例中的三维光学结构和面光源的具体细节是为了帮助本领域普通技术人员理解本发明而提供的，但本发明不局限于所述的具体细节。

Claims (10)

1.一种光学片，光学片的一面含有多个三维光学结构，三维光学结构包含底面和多个侧面，三维光学结构的底面为入光面，多个侧面为出光面，三维光学结构的侧面由两类不同特性的表面区域组成，第一类表面区域为光滑表面区域，第二类表面区域为粗糙表面区域，粗糙表面区域可由多个凹陷的细微结构组成，或由多个凸起的细微结构组成，或由多个凹陷和多个凸起的细微结构共同组成，其特征在于：所述的三维光学结构的侧面包含多个光滑表面区域和多个粗糙表面区域，光滑表面区域和粗糙表面区域在三维光学结构的侧面上交替排列。

2.根据权利要求1所述的一种光学片，其特征在于：所述的光学片还可含有基片，基片可为透光率较高的材料，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)或三乙酸纤维素(TAC)，在基片材料中可包含用于增加基片与构成三维光学结构材料粘着力的表面涂层，基片或可经过电晕处理以增加基片与构成三维光学结构材料粘着力。

3.根据权利要求2所述的一种光学片，其特征在于：所述的基片中还可含有无机或有机粒子，所述的无机粒子可为二氧化硅或二氧化钛，所述的有机粒子可为丙烯酸酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、烯烃或其他光学上透明的聚合物材料，无机或有机粒子可为球形、椭球形、或其他规则或不规则的形状。

4.根据权利要求1所述的一种光学片，其特征在于：所述的光学片的另一面还可包含涂布层，涂布层中包含突出涂布层表面的粒子。

5.根据权利要求1所述的一种光学片，其特征在于：所述的在三维光学结构侧面的光滑和粗糙区域，包含有抗静电剂，抗静电剂可为阳离子抗静电剂、阴离子抗静电剂或非离子型抗静剂；阳离子抗静电剂可为烷基季按、磷或领盐；阴离子抗静电剂可为烷基磺酸、磷酸或二硫代氨基甲酸的碱金属盐；非离子型抗静剂可为乙氧基化脂肪族烷基胺。

6.根据权利要求1所述的一种光学片，其特征在于：所述的三维光学结构的截面可为三角形，或为顶角具有一定弧度的三角形或为五边形，沿三维光学结构的长度方向，截面的形状或大小可以是一致，也可以是变化的，其边长或面积可沿长度方向逐渐减小或增大，或交替地减小或增大，边长或面积沿长度方向的减小或增大可随机或按一定规律排列，三维光学结构沿长度方向的边长可为直线或弯曲的形状。

7.一种根据权利要求1所述的光学片的制作方法：是用刻有与所需三维光学结构互补的光学结构的模仁在可硬化树脂材料上进行压印；用于压印的模仁可为滚筒成形轮，或平面或弯曲的成形板；用于压印的模仁还可将刻有与所述光学片三维光学结构互补的光学结构的可弯曲的片材，包在一圆柱形滚筒的外侧，形成用于压印的滚筒成形轮。

8.根据权利要求7所述的光学片的制作方法：其特征在于：所述的可硬化树脂材料可为通过加热或紫外光照射使其硬化而制成所需形状的树脂材料。

9.一种根据权利要求1所述的光学片的应用，是在侧光式LCD背光源中含有光学片，其特征在于：所述的光学片置于导光板的上方，导光板的下方设有反光面和散射体，两侧面设有反射面和发光体，所述的发光体可以是CCFL或LED。

10.一种根据权利要求1所述的光学片的应用，是在直下式LCD背光源中含有光学片，其特征在于：所述的光学片置于发光体阵列的上方，所述的发光体阵列可为LED阵列，或CCFL阵列。

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