CN102081184B - 一种覆盖有光学膜层的导光体 - Google Patents

Abstract

一种覆盖有光学膜层的导光体，它包含透明实心几何体、光学膜层，其特征在于：所述的光学膜层，覆盖在厚度＞1mm的透明实心几何体外表面；所述的实心几何体，至少有一个外表面是入射面，至少有一个外表面是出光面，至少含有一层亚微米或纳米颗粒的介质膜材料光学膜层，膜层厚度在91nm-5mm。本发明的目的是是对不同光学功能的实心几何体外表面，用公知的涂膜方法覆盖相匹配的光学膜层，使实现更高效率、更多功能的导光体成为可能。本发明的导光体不仅可以配合led光源使用也可以配合其他各种光源使用在照明、显示灯具及背光源，而且还能制成净化灯具、杀菌灯具、光疗灯具、植物光照灯具等。随着电子薄膜技术的发展，将会给导光体应用产品开拓更多的商机。

Description

一种覆盖有光学膜层的导光体

技术领域

本发明涉及一种导光体，尤其是一种覆盖有光学膜层的导光体与制作方法，可广泛应用于显示、照明、背光源等与面光源相关的各技术领域。

背景技术

由中国发明专利CN100508222C披露的：现在已经出现的基于发光二极管的面光源器件的能量利用率仍然比较低。一方面是由于发光二极管制造技术本身还在不断发展，其功率效率(Wall-Plug Efficiency)尚有很大的提升空间；另一方面将发光二极管封装成实用的面光源器件的二次封装效率(简称二次效率)还比较低，而导光体中的导光板的导光效率低是一个重要原因。导光板的导光效率定义为从导光板出光主面出射的总有效光通量占耦合进入导光板的总光通量的百分比。根据美国的Lumileds Lighting公司技术发布文档TP29中披露的数据，该公司的一种基于大功率发光二极管的面光源设计的二次效率最好为50％，其中导光板的导光效率约为60％。

导光效率主要决定于导光板的总体结构和散射机制层的散射原理和构造，美国专利U.S.Pat.No.5396350中提到传统的导光板的导光效率只有10％-20％。在这份专利和其他几份专利U.S.Pat.No.5461547、U.S.Pat.No.5359691、U.S.Pat.No.5854872中，分别提出了不同的导光板以及其散射机制层结构，并对导光板出射光的方向性和导光效率做出了不同程度上的改进。然而，根据学术期刊APPLIED PHYSICS LETTERS上第83期的文献《Highly-efficient backlight forliquid crystal display having no optical films》，现有的导光板的导光效率的最高水平只能够达到60％，其散射机制层为反射微棱镜阵列。这种导光板的无效出光更少，而且对有效出光的出光角度实现了更好的控制；但是它仍存在导光效率不高且制作困难、成本高等问题。现有的针对一次光源设计的导光板，都是在导光板与出射主面相对的主面上排列某种散射机制层，利用光线入射到散射单元改变原有的反射路径而从出射主面出射。尽管通过优化设计散射机制层和散射单元可以最大化导光效率，但由于光线不可避免的会从与出射主面相对的主面透射出射而成为无效出射光，因此其导光效率存在一个原理性的上限而不能达到更高。

目前的导光体仅局限于板状体的导光板，导光技术都是用机械雕刻、印刷网点、激光雕刻、特殊导光板结构等制作的，仍存在制作工艺复杂、成本高、性价比低，难以突破上述的原理性导光效率上限，同时板状的导光体即导光板应用面也受到一定的限制。

发明内容

本发明针对以上不足，根据几何光学、物理光学的透射、折射、反射原理及新电子薄膜材料及薄膜制备工艺技术的迅速发展，提出了一种实施方便、能较大幅度的提高照度及显色性能，制作工艺简单、成本低、性价比高，且还具有环保、杀菌、医疗保健、抗静电、多功能的覆盖有光学膜层的导光体与制作方法。

本发明是通过下述技术方案实施的

一种覆盖有光学膜层2的导光体，它包含透明实心几何体1、光学膜层2，其特征在于：

所述的光学膜层2覆盖在厚度＞1mm的透明实心几何体1外表面；实心几何体1指的是由实体所填充的空间是实的空间的立体物(许超、黄丹编著2002年08月第1版《立体构成》P10页)。

所述实心几何体1：至少有一个外表面是入射面3，至少有一个外表面是出光面4；入射面3指的是光源6的光线入射到实心几何体1内部的外表面。出光面4指的是入射到实心几何体1内部的光线从实心几何体1内部出射的外表面。

所述实心几何体1的外表面上，至少含有一层亚微米或纳米颗粒的介质膜材料光学膜层2，膜层厚度在91nm-5mm。

由于任何光学膜层对光都会产生损失，从而降低了出光面4的发光效率及显示性能。为了减小光学膜层光的损失，特别是对光的吸收损失，按现有的公知技术已可制作吸收率很小数值的光学膜层2，应用在光学器件上，如浙江大学学报(自然科学版)P536页(第23卷第4期1989年7月，《光热偏转光谱技术检测光学膜层的吸收率及其定标》陈文斌、施柏煊、黄学波)披露的光学薄膜吸收率的测试结果：

特别是介质光学膜材料如《玻璃镀膜》(科学出版社出版1988年5月第1版〔列支敦士登〕H.K.普尔克尔著，仲永安、谢于深、吴予似译)P356页披露的数据：介质光学膜材料的基本特性是在光谱的相关区域内，其吸收很低(α＜10³cm^-1)。因此本发明的光学膜层2是选用介质光学膜材料制成的光学膜层，在可见光时呈现α＜10³cm^-1的低数值光吸收系数，可基本满足各种不同导光体的要求。光学介质膜的材料及制作技术在高等学校教材《薄膜技术》(1991年10月第1版，王力衡、黄运添、郑海涛编著，清华大学出版社)、《光学薄膜》(1976年出版，《光学薄膜》编写组编写，上海人民出版社)、《光学薄膜技术》(2005年10月第1版，卢进军、刘卫国编著，西北工业大学出版社)、《新型电子薄膜材料》(2002年9月第1版，陈光华、邓金祥等编著，化学工业出版社)、《薄膜科学与技术手册》(1991年3月第1版，清华大学田民波、沈阳真空技术研究所刘德令编译，机械工业出版社)都有公开详细介绍，不再复述。本发明一个目的是将介质光学膜材料直接覆盖在实心几何体1的外表面上，制成功能性光学介质薄膜层。另一个目的是发明一种将光学介质膜材料按不同的重量比分散于透明环氧树脂或透明硅树脂母体的聚合物中，覆盖在实心几何体1的外表面上，经过固化在实心几何体1外表面上制成固态光学介质厚膜层。

本发明所述的光学膜层是由一层以上的介质光学膜材料组成的功能性光学介质薄膜层。其膜层的光学厚度为91nm的奇数倍到195nm的奇数倍。

本发明经过优化所述光学膜层2是指一种固态光学介质厚膜层或功能性光学介质薄膜层，光学膜层的厚度在0.01mm～5mm的厚膜层，其厚膜层是将含有平均粒径在5nm～100nm的纳米二氧化钛或改性纳米二氧化钛颗粒材料或粒径大于0.78μm的二氧化硅、轻质硫酸钡分散于透明环氧树脂或透明硅树脂母体中形成聚合物的固态光学介质厚膜层。

本发明的核心是用覆盖有光学膜层2的导光体替代传统的导光板，因此需要对本发明导光体制作给予详细说明：

实心几何体1的外表面，由于光源6配置在导光体的位置及实心几何体1出光面4出光的原理不同时，具有不同的功能。如图1：我们按功能将实心几何体1的外表面分为入射面3、出光面4、反射面5，反射面5指的是将实心几何体1内部光线重新反射回实心几何体1内部的外表面。

本发明制作时实心几何体1不同的外表面必须覆盖不同的光学膜层2。同样是出光面4，由于光源6配置的位置不同，也必须覆盖不同的光学膜层2。按目前业界对背光源入射光的位置不同所采用的侧入式与直下式两种背光方案所区分的方法，我们将实心几何体1按光源6配置在导光板的位置不同，针对侧入式与直下式说明如下：如图1a：实心几何体1是用有机玻璃板材制成的导光体，其几何形状为实心的多面体中的六面几何体，共有六个外表面。如光源6配置在六面体的侧面，则此侧面为入射面3(如不配置光源6则作为反射面5，因此图中有两个入射面3，其余两个侧面均为反射面5)。六面体的两个平行外表面为出光面4(也可将其中一个平行外表面作为出光面4，则另一个平行外表面作为反射面5)。图1b中的导光体以侧面入射光线、利用光的全反射进行传播、几何体的平行面破坏光的全反射条件出射光则是侧入式结构。

如图2a：实心几何体1是有机玻璃板材制成的导光体中的导光体，其几何形状为实心的多面体中的六面几何体，共有六个外表面。如光源6配置在六面体的一个平行面则此平行面为入射面3，另一个平行面为出光面4(其余侧面均为反射面5)。图2b中的导光板以几何体一个平行面按直线入射光线、几何体的另一个平行面的散射光线出射则是直下式结构。

本发明的又一目的是对不同光学功能的实心几何体1外表面，用公知的涂膜方法覆盖相匹配的光学膜层2，使实现更高效率、更多功能的导光体成为可能。

1)本发明所述的入射面3是将光源6的有效光入射到实心几何体1内部，用普通的光耦合方法也可将大部分光入射到实心几何体1内部。但根据光学透射原理在入射面3还存在光的反射损失，当入射面3在实心几何体1的外表面中占的比例不大时可以不覆盖光学膜层2；但是当入射面3光反射的损失影响了出光面4的发光效率及显示性能时，就需要覆盖光学膜层2，提高光源6入射光的利用率，增加透射光，减少入射面3反射光的损失。这种性能的光学膜层2按现有的公知技术已完全可实施，如光学器件中常用的增透膜、减反射膜……。如图10，根据高等学校教材《薄膜技术》(1991年10月第1版，王力衡、黄运添、郑海涛编著，清华大学出版社)P111页披露的：早在1817年夫琅和费(Fraunhofer)就用酸蚀的方法制成了光学上的减反射膜，……最简单的增透膜是在玻璃表面上镀一层低折射率的薄膜……。P122页披露的：由以上讨论可得如下结论：

(2)n₁d为λ/4时，反射率R有极值，且

$R={\left(\frac{n_0{n}_2-{n_1}^2}{n_0{n}_2+{n_1}^2}\right)}^2$

当n₀＜n₁＜n₂时，R为极小值。n₀＜n₁＞n₂时，R为极大。即镀低折射率的λ/4膜，可使R变小，达到增加透射光强的目的，所以这种膜称为增透膜。

(3)对于单层λ/4光学膜在光线从空气中垂直入射的情况，膜层材料的折射率n₁是控制R的唯一因素，n₁大则R大，n₁小则R也小。且n₁＝n₂是增透或增反的一个分界线，n₁＜n₂时，膜的作用是增透……。P124页披露的：对于膜层光学厚度为λ/4的薄膜来说，如果

则可使反射率降为零。……如果镀在折射率为1.65的玻璃上，则中心波长的表面反射率可从6％降到0.5％左右。……P125页的介绍：对于折射率为1.52的基片，先沉积一层折射率为1.70、厚度为λ₀/4的一氧化硅薄膜，这时n₁＝n₂ ²/n₃＝1.90，相当于基片的折射率从1.52提高到1.90。再镀上n₁＝1.38的氟化镁膜刚好满足理想减反射的条件，使波长为λ₀的反射光减至接近于零，光线几乎100％的透过玻璃。……如需要在较宽的范围或者在预定的几个波长消除反射，就需要制备宽带增透膜。……常用的三层增透膜其光学厚度为λ₀/4-λ₀/2-λ₀/4……通常选择n₁、n₃使之满足n₃ ²＝n₁ ²n₄，而n₂可以根据情况适当选择。

由以上公知技术知道：反射损失理论上可接近于零，也可在较宽的范围或者在预定的几个波长消除反射损失。为了消除光波λ的反射损失，膜层的光学厚度必须是λ/4奇数倍(高等学校教材《薄膜技术》1991年10月第1版，王力衡黄运添郑海涛编著，清华大学出版社)。

另外根据公开的数据知道，人眼视觉在明亮的条件下，人眼对波长λ＝555nm的黄绿光最敏感；而在昏暗的条件下，人眼对波长λ＝507nm的光最敏感(《彩色电视照明原理与布光技巧》北京农业大学出版社1988年09月第1版施克孝于宝富著)。

本发明为了消除人眼视觉最敏感的光波λ的反射损失。对于实心几何体1外表面作为入射面3则覆盖光学膜层2的折射率小于实心几何体1材料折射率的低折射率膜层7，膜层的光学厚度控制在(126nm-139nm)的奇数倍。就可以减少入射面3对人眼视觉最敏感的光波的损失，使得光源6的有效入射光线经过光耦合极大部分进入导光体，从而提高了光源6的利用率，特别当入射面3较大时更显得重要。

本发明进一步优选：覆盖的低折射率膜层7是宽带增透膜。宽带增透膜指的是多层增透膜，例如，选择MgF₂(n₁＝1.38)、ZrO₂(n₂＝2.1)、CeF₃(n₃＝1.62)的三层增透膜，膜的光学厚度为λ/4-λ/2-λ/4(λ为507nm-555nm)即膜的光学厚度为(126.75nm-138.75nm、253.5nm-277.5nm、126.75nm-138.75nm)的三层宽带增透膜。考慮到生产成本可将膜的光学厚度分别控制在126nm到139nm、253nm到277nm、126nm到139nm的三层宽带增透膜。在整个可见光范围可以减少入射面3对人眼视觉最敏感的光波的反射损失。

2)本发明所述的反射面5在实心几何体1的外表面中主要是根据光学反射原理将导光体内部的无效出光反射回实心几何体1的内部，然后再从出光面4二次出射，而且还可对有效出光的出光角度实现更好的控制，使得出光更加均匀，进一步提高出光面4的发光强度。这种性能的光学膜层2按现有的公知技术已完全可实施，反射效率理论上可高达100％。

根据《光学薄膜》(《光学薄膜》编写组编写，上海人民出版社，1976年出版)P116页公布的数据：

表4.3ZrO₂+SiO₂多层反射膜的反射率n_H＝1.90n_L＝1.46

原则上，这种膜系对某一波长，可以获得无限接近100％的反射率。

根据《光学薄膜技术》(西北工业大学出版社2005年10月第1版卢进军、刘卫国编著)P24页公开的研究结果：在讨论单层膜特性时已知道，在折射率为n_G的基片上镀以光学厚度为λ₀/4的高折射率(n₁)膜层后，反射率增大。

如图10，根据高等学校教材《薄膜技术》(1991年10月第1版，王力衡、黄运添、郑海涛编著，清华大学出版社)P122页披露的：由以上讨论可得如下结论：

(1)在光学零件上镀单层膜可改变其反射率。在光束垂直入射，膜的光学厚度n₁d＝λ/4(或λ/4的奇数倍)时，反射率R随膜层折射率的变化最大。而光学厚度n₁d＝λ/2(或λ/4的偶数倍)时，反射率R保持不变。……，镀高折射率的λ/4膜，可使R变大，达到增加反射光强的目的，这种膜就称为增反膜。

本发明采用的反射膜11，是ZrO₂+SiO₂多层反射膜膜系，其每层膜的光学厚度分别是126nm的奇数倍到139nm的奇数倍。

本发明经过优选反射膜层11采用每层光学厚度均为λ/4(λ为507nm-555nm)即(507nm-555nm)/4，即(126.nm-138.75nm)的高、低折射率交替的介质多层膜，考虑到生产成本可将膜的光学厚度分别控制在126nm到139nm。这是因为从膜层所有界面上反射的光束，当它们回到前表面时具有相同位相，从而产生相长干涉。对这样一组介质膜系，能够得到更高的反射率，在理论上有望得到十分接近于100％的反射率。特别是增加了反射面5对人眼视觉最敏感的光波的反射率。(《光学薄膜技术》西北工业大学出版社2005年10月第1版卢进军、刘卫国编著P24页)。

目前反射膜还常用玻璃微珠型反光膜，为使得出光更加均匀，根据《微棱镜型反光膜及其应用前景》(公路交通科技1998年3月第1期，王智和、王涪新、单明正(北京航空材料研究院))披露的原理，反射膜还可以用棱镜反射膜控制光的出光角度，达到出光更加均匀的目的。

本发明制作中如对反射膜要求不高，反射膜也可直接将预制成的反射率大于90％的反射膜片嵌入实心几何体1的反射面5内，或粘贴在反射面5上。

3)本发明所述的侧入式导光体出光面4，根据光学原理，从图12光路可知，侧入式导光体是利用光的全反射原理进行光的传播，由光全反射原理知道当光线从折射率高的介质向折射率低的介质(如PMMA材料到空气)折射时，被折射的光以比入射光线较斜的角度发射，当入射角大于某一角度时，光线不能折射入空气中而会在出光面4全部发生向内反射的现象。光源6的光线经过光入射面3全光耦合大部分直接透射入导光体内，在此过程中仅损耗较小的传输能量，同时根据光的全反射原理有效地传输光能。对于PMMA材料其透光率高达92％，雾度很小，具有很小的光吸收性，光可以沿着材料传递很长距离而衰减很小。但是光无法从出光面4引出，因此侧入式导光体一方面是利用光的全反射原理进行光的传输，另一方面要求导光体的出光面4反其道而用之，破坏光全反射的条件，干扰光的全反射光学要素改变光线的光路，才能使光线从出光面4引出，形成光亮均匀的面光源。目前实际应用中应用光学膜层2的技术还较少。

本发明的导光体上，通过实验最简单的方法：对于实心几何体1外表面作为侧面入射式出光面4。覆盖的是膜层折射率大于实心几何体1的折射率，透光率＞90％，光学厚度是(507nm-555nm)/4的奇数倍。即(507nm-555nm)/4＝(126.75nm-138.75nm)奇数倍的高折射率膜层8，破坏了光全反射的条件，干扰光的全反射光学要素改变光线的光路(《光学薄膜》【光学薄膜】编写组编写，上海人民出版社，1976年出版，P5页)。使光线从出光面4引出，就可以提高出光面4的发光强度。特别是增加了出光面4对人眼视觉最敏感的光波的发光强度。

本发明经过多次试验的优化，选择折射率大于实心几何体1的折射率，膜层光学厚度是126nm的奇数倍或139nm的奇数倍，透光率＞90％的功能性光学介质薄膜层；或是含有比面积大于50-250(m²/g)，平均粒径在5nm-15nm，考虑到生产成本可将膜的光学厚度分别控制在126nm的奇数倍到139nm的奇数倍，透光率＞90％的纳米二氧化钛光学膜层2；或是将平均粒径在5nm-15nm、比面积大于50m²/g-250m²/g的纳米二氧化钛，按0.1％-5％的重量比分散于光学透明的环氧树脂或光学透明的硅树脂母体中形成聚合物的光学固态介质厚膜层，其膜层厚度在0.01mm-1mm，透光率＞90％，作为高折射率膜层8覆盖在实心几何体1上。经检测膜层呈现1.8以上的折射率。出光面4的透光率＞90％，发光强度大大提高。

4)本发明所述的直下式导光体出光面4，与侧入式导光体的出光面4完全不同，从图11光路可知，直下式导光体出光面4是利用光的直接透射进行光的传输，光源6直接透射必然会产生直接眩光的光污染，因此直下式导光体出光面4应对透射光进行散射而将偏离入射光方向的散射光线作为出射光线，克服了直接眩光的光污染。

扩散膜又称散射膜在背光源上已开始应用如发明专利公开说明书公开号CN1453359A披露的光扩散膜就是其中的一种。

本发明通过实验对于实心几何体1外表面作为直下式出光面4，最简便的方法是采用覆盖含有比环氧树脂或硅树脂折射率高，粒径大于可见光波长(0.38μm-0.78μm)的光扩散剂(如高纯度二氧化硅粉术、轻质硫酸钡)添加到环氧树脂等透明树脂。根据产品厚度规格及要求可以适当控制，按重量比1％-5％的比例分散于透明环氧树脂或透明硅树脂母体中成为聚合物，混合搅拌后覆盖在实心几何体1出光面4上进行固化，形成膜层厚度在1mm-3mm的扩散膜层9。增加光的散射，遮住刺眼的光源6的同时，又能使整个出光面4发出更加柔和，达到透光不透明的舒适效果。经检测膜层雾度＞80％，扩散率＞0.6，透光率＞80％。基本满足面光源的要求。

为了进一步提高导光体的光学性能在光学膜层2中加入含有特殊波长的微粒，如荧光粉，可改善面光源6的光学性能及物理性能。通过实验对直下式导光体的出光面4，覆盖的是将荧光粉(中心粒径D₅₀是8μm-20μm)按重量比5％-30％的比例分散于光学透明环氧树脂或光学透明硅树脂母体的聚合物的厚膜层，膜层厚度在0.1mm-3mm。经检测膜层的出光面4白光色温可得到控制，显色指数可达到90以上。进一步扩展了面光源6的光学性能及物理性能。

5)本发明为了进一步扩展导光体的功能，如在光源6中含有365nm-410nm波长的紫外光，对实心几何体1的出光面4覆盖光触媒光学膜层2，就可以制成光触媒组件。制成的面光源6就是极好的光触媒灯具。

根据《照明手册》(科学出版社，2005年7月第1版[日]照明学会编，李农、杨燕译)P103～P105的公开披露：对于光触媒的研究，从20多年前开始至今，研究方向发生了多次变化。当光照射到TiO₂上如果利用光触媒的强力氧化分解能力，可以抗菌、防尘、脱臭、净化环境。……为了使材料表面具有TiO₂的自身清洁功能，可以将TiO₂膜涂在玻璃等表面，或用含有分散TiO₂粉末的涂料，钛的有机化合物溶液涂敷在玻璃等表面上……。

本发明经过试验对于实心几何体1外表面的光触媒膜层10采用的是含有比外表面积大于140m²/g、平均粒径5nm-15nm的纳米二氧化钛的光学膜层2，其膜层的光学厚度为91.25nm的奇数倍到102.5nm的奇数倍。此时光源6中含有365nm-410nm波长的紫外光会有明显的效果。

本发明通过实验经过优化在光源6中含有365nm-410nm波长的紫外光时，实心几何体1的出光面4覆盖光触媒膜层10是将平均粒径5nm-25nm、比外表面积＞140(m²/g)的纳米二氧化钛，按0.1％～10％的重量比分散于环氧树脂或硅树脂母体的聚合物厚膜层，其膜层厚度在0.1mm-3mm。

通过实验经过优化，如在光源6中含有400nm-780nm波长的可见光，覆盖的光触媒膜层10，是将平均粒径5nm-15nm、比外表面积＞140m²/g的改性纳米二氧化钛颗粒材料，按0.1％～10％的重量比分散于环氧树脂或硅树脂母体中形成聚合物的固态光学介质厚膜层，其膜层厚度在0.1mm～3mm；或是改性纳米二氧化钛颗粒材料的功能性光学介质薄膜层，其膜层的光学厚度为91.25nm的奇数倍到102.5nm的奇数倍。

经检测覆盖光触媒光学膜层2的导光体：干燥后硬度为≥5H，净化效果达到：甲苯浓度降低80％，氨降解率≥80％，甲醛降解率≥80％，硫化氢≥90％以上，杀菌率≥98％。是极好的光触媒组件，可以净化空气、杀菌等。

综上分析，实心几何体1外表面覆盖不同的光学膜层2。给提高由此做成的面光源的发光强度及显色性能，扩展面光源的功能提出了一种可行方法。

近年来随着电子薄膜技术和探测、制备手段的提高，各种新的薄膜材料越来越多，人们的研究视野开始从宏观的微米量级扩展到介于宏观与微观(原子与分子)的纳米量级范围。当物质的颗粒处于几个到几十个纳米尺度时，其结构和性质既不同于单个原子和分子，也不同于有大量原子或分子组成的大块物质，出现了许多新的物理学效应。由于纳米颗粒与光波的波长及其他物理特性尺寸相当或更小，周期性边界条件遭到破坏，光的特性会呈现出新的小尺寸效应。纳米颗粒外表面原子数与体原子数之比增加，外表面与界面效应显著增强，特别是颗粒尺寸下降到很小时能带结构将发生改变，进而产生所谓的量子尺寸效应。本发明通过实验证明选择含有0.1％-10％亚微米或纳米颗粒复合材料的光学膜层2，在波长507nm-555nm时的光特性呈现出新的物理学效应，基本上可满足各种不同面光源对导光体的要求。

随着电子薄膜技术的迅速发展，薄膜生成的方法也越来越多。本装置光学膜层2的生成，均可采用常用的公知制备方法，如物理气相沉积、化学气相沉积、溶胶-凝胶法、喷射法、溅射法、……等方法给予实现。(《薄膜科学于技术手册》机械工业出版社1991年3月第一版清华大学田民波、沈阳真空技术研究所刘德令编译)。

本发明的导光体中实心几何体1材料及几何形状的选择是按照光学原理及照明灯具的配光曲线需要进行选择的，所述实心几何体1一般均采用光学塑料PMMA、PC、PS、SAN、CR-39、TPX、PET或光学玻璃、光学陶瓷。其几何形状是实心多面体、实心旋转体或实心多面体与实心旋转体相互结合成的异型几何体，如板状、管状、棒状及曲板状。

附图说明

图1a为本发明第一实施例一种侧入式结构导光体的结构示意图，

图1b为本发明第一实施例覆盖高折射率膜层的侧入式导光体纵向剖视图。

图2a为本发明第二实施例一种直下式结构导光体的结构示意图，

图2b为本发明第二实施例覆盖扩散膜层的直下式结构导光体纵向剖视图；

图2c为本发明第二实施例覆盖荧光粉扩散膜层的直下式结构导光体纵向剖视图；

图2d为本发明第二实施例覆盖光触媒膜层的直下式结构导光体纵向剖视图。

图3a为本发明第三实施例一种管状导光体结构示意图，

图3b为本发明第三实施例侧入式管状导光体纵向剖视图。

图4a为本发明第四实施例一种曲面导光体的结构示意图，

图4b为本发明第四实施例侧入式曲面导光体横向剖视图。

图5a为本发明第五实施例一种柱状导光体的结构示意图，

图5b为本发明第五实施例覆盖高折射率膜层的导光体纵向剖视图；

图5c为本发明第五实施例覆盖扩散膜层的导光体纵向剖视图；

图5d为本发明第五实施例覆盖光触媒膜层的导光体纵向剖视图。

图6a为本发明第六实施例一种多面体导光体的结构示意图，

图6b为本发明第六实施例一种覆盖高折射率膜层的导光体横向剖视图。

图7a为本发明第七实施例一种异形导光体的结构示意图。

图7b为本发明第七实施例一种覆盖高折射率膜层的导光体的纵向剖视图。

图8a为本发明第八实施例另一种曲面导光体的结构示意图，

图8b为本发明第八实施例覆盖光触媒膜层的导光体的纵向剖视图。

图9为本发明第九实施例球面导光体的结构示意图。

图10为增透膜的光路分析图。

图11为本发明低折射率膜层的光路分析图。

图12为本发明高折射率膜层的光路分析图。

图中标注分别代表为：

1、实心几何体    2、光学膜层    3、入射面3    4、出光面    5、反射面    6、光源7、低折射率膜层    8、高折射率膜层    9、扩散膜层    10、光触媒膜层    11、反射膜层

本发明实施例：

实施例一：一种侧入式结构导光体，如图1a，光源6采用3528SMD贴片LED 90颗；焊接在长165mm、宽10mm的铝基印刷板上，配置在实心几何体1的入射面3上，导光体的实心几何体1为长160mm、宽65mm、厚6mm的PMMA板材，其几何形状为用PMMA材料制成的实心的多面体中的六面几何体，共有六个外表面；光源6配置在六面体的相对的两个侧面，则此侧面为入射面3，因此图中有两个入射面3，其余两个侧面均为反射面5。六面体的一个平行外表面为出光面4，则另一个平行外表面作为反射面5，此导光体是以侧面入射光线、几何体的一个平行面出光的侧入式结构导光体。出光面4需覆盖高折射率膜层8。如图1b：因为PMMA材料的折射率n＝1491，所以选择折射率n＞1491的纳米材料，经过多次试验，选择平均粒径5nm，比外表面积50-250(m²/g)的纳米二氧化钛粉体，将其按0.4％的重量比均匀分散于光学透明的环氧树脂或光学透明的硅树脂母体的聚合物中，用溶胶-凝胶法覆盖在实心几何体1的出光面4上，在低于60℃的温度下经过固化，形成厚度大于0.05mm的固态光学介质厚膜层，作为高折射率膜层8。覆盖时必须注意将实心几何体1的其他外表面给予掩蔽，同样入射面3用公知的制备方法覆盖低折射率膜层7，反射面5覆盖反射膜层11时，也必须将实心几何体1的其他外表面给予掩蔽，才能制成合格的导光体。

我们对用本实施例制成的导光体做一个LED面光源发光装置进行测试(为了实验方便我们不考虑入射光的损失，没有在入射面3覆盖低折射率膜层7，也没有在反射面5覆盖反射膜层11，仅用预制成的反射膜片粘贴在反射面5上。电源采用功率6W的恒流源，用1.5m积分球测试数据如下：

LED面光源发光装置状态	光通量lm	亮度mcd/m2	发光强度mcd
				出光面4不覆盖高折射率膜层8	163.89	66	96
出光面4覆盖高折射率膜层8	422.34	148	271
				没有导光体时的总光通量	617.75	204	407.5

从测试数据可知：覆盖高折射率膜层8后发光强度提高了1.82倍，亮度提高了1.24倍，光通量提高了1.58倍，导光体导光效率为70％以上，导光效率明显得到提高。(中国发明专利CN100508222C披露的：导光体的导光效率定义为从导光体出光主面出射的总有效光通量占耦合进入导光体的总光通量的百分比。根据美国的Lumileds Lighting公司技术发布文档TP29中披露的数据，该公司的一种基于大功率发光二极管的面光源设计的二次效率最好为50％，其中导光体的导光效率约为60％)。

本实施例当采用的纳米二氧化钛的比面积大于140(m²/g)，粒度在5nm-15nm，覆盖高折射率膜层8的导光体同时又是极好的光触媒组件，还可以净化空气、杀菌，可制成极好的环保的面光源发光装置。

实施例二：一种直下式结构导光体，如图2a：导光板的实心几何体1为PMMA板材，其几何形状为实心的多面体中的六面几何体，共有六个外表面。光源6配置在实心几何体1的一个平行面上，则此平行面为入射面3，另一个平行面为出光面4，(其余侧面均为反射面5)，此导光板是以几何体一个平行面入射光线、几何体的另一个平行面出光即为直下式结构导光板。其出光面4为直下式结构导光板出光面4，需覆盖扩散膜层9，如图2b：本实施例采用粒径大于0.78μm折射率1.61的高纯度二氧化硅粉术光扩散剂，添加到折射率1.544的透明环氧树脂中，在膜层厚度为3mm时，使用比例1％-2％。然后混合搅拌后用溶胶-凝胶法，覆盖在实心几何体1的出光面4上，经过固化制成固态介质厚膜层。由于光扩散剂的直径比可见光的波长(0.38μm-0.78μm)大，所以分散在树脂里的足量的光扩散剂能有效的遮蔽光源，而相临两个光扩散粒子之间的距离很小。因此，产生多次散射，使耀眼的入射光变成亲和人眼的匀和柔光，达到透光不透明的舒适效果。

本实施例实际制作时，是在入射面3覆盖MgF₂(n₁＝1.38)、ZrO₂(n₂＝2.1)、CeF₃(n₃＝1.62)低折射率膜层7，膜的光学厚度控制在(126nm-139nm、253.nm-277nm、126nm-139nm)的三层宽带增透膜，使整个可见光范围内都有比较好的增透效果。进一步提高光源6发射光线的利用率，减少了入射面3对人眼视觉最敏感的光波的反射损失。

本实施例实际制作反射膜层11是采用覆盖微棱镜型反光膜，可以控制有效出光的出光角度，达到出光更加均匀的目的。

为了改善面光源的色温和显色指数，出光面4覆盖扩散膜层9，光源6使用LED芯片焊接在铝基印刷板上。如图2c：将荧光粉(中心粒径D₅₀是8μm-20μ.m)添加到透明环氧树脂母体中，在膜层厚度为3mm时，按重量比12％-30％，混合搅拌后覆盖在实心几何体1的出光面4上，经过固化制成固态光学介质厚膜层。由于荧光粉分散在树脂里既能有效的遮蔽光源6，而相临两个光扩散粒子之间的距离很小。产生多次散射，又能利用LED芯片激发荧光粉提高发光效率，改善面光源的色温和显色指数使耀眼的入射光变成亲和人眼的匀和柔光。

为了扩展面光源的功能，出光面4覆盖光触媒膜层10，如图2d：采用将比面积在50-250(m²/g)，粒度在5nm-15nm的纳米二氧化钛，在膜层厚度为1mm时，按0.1％-3％的重量比添加到透明环氧树脂母体中。然后混合搅拌后覆盖在实心几何体1的出光面4上，经过固化制成固态光学介质厚膜层，通过从出光面4发射出来的含365nm-410nm波长光线的辐射产生光触媒效果。

实施例三：一种管状导光板，如图3a：导光体的实心几何体1为PMMA管材，其几何形状为实心的旋转体中的环状几何体。外表面是由内外二个曲面及二个底面组成，光源6配置在环状几何体的一个底面，则此底面为入射面3，因此图中只有一个入射面3，另一个底面为反射面5，环状几何体的内曲面也为反射面5。环状几何体的外曲面为出光面4，此导光体是以环状几何体的一个底面入射光线、环状几何体外曲面出光的侧入式结构导光板。如图3b：本实施例反射面5覆盖反射膜层11，是采用ZrO₂+SiO₂多层反射膜膜系，其每层膜的光学厚度分别是126nm的奇数倍到139nm的奇数倍。入射面3覆盖低折射率膜层7，出光面4覆盖高折射率膜层8。本实施例覆盖的低折射率膜层7、高折射率膜层8与以上实施例相同不再重复。

实施例四：一种曲面导光体，如图4a导光体的实心几何体1为PMMA材料，其几何形状为部份旋转环状几何体，外表面是由二个平面、二个曲面及二个环面组成。光源6配置在旋转坏状几何体的一个侧平面，则此侧面为入射面3，图中只有一个入射面3，环状几何体的外侧曲面为出光面4，其余各面均作为反射面5。此导光体是以环状几何体的侧平面入射光线、一个外侧曲面出光的侧入式结构导光体。如图4b本实施例反射面5覆盖反射膜层11，是采用ZnS+MgF₂反射膜；或是ZrO₂+SiO₂反射膜。每层光学厚度均为λ/4(λ为507nm-555nm)即(507nm-555nm)/4(126.75nm-138.75nm)的高、低折射率交替的介质多层膜；入射面3覆盖低折射率膜层7，出光面4覆盖高折射率膜层8，本实施例覆盖的低折射率膜层7、高折射率膜层8与以上实施例一样不再重复。

实施例五：一种柱状导光体，如图5a：导光体的实心几何体1为PMMA材料，其几何形状为实心旋转体中的圆台几何体，外表面是由上下两个底面及一个侧面组成。本实施例按不同用途有多种变化：

1)、如图5b，光源6配置在圆台的下底面，则此底面为入射面3，因此图中只有一个入射面3，圆台的上底面为反射面5，圆台的侧表面为出光面4。此导光体是以几何体的底面入射光线、侧表面出光的侧入式结构导光体。入射面3覆盖低折射率膜层7，出光面4覆盖高折射率膜层8，反射面5覆盖反射膜层11，与以上实施例一样不再重复。

2)、如图5c，光源6配置在圆台的下底面，则此底面为入射面3，圆台的侧表面及上表面为出光面4，没有反射面5。此导光体是以几何体的底面入射光线、侧表面和上底面出光的侧入、直下混合结构导光体。本实施例入射面3覆盖低折射率膜层7，一个出光面4即侧表面覆盖高折射率膜层8，另一个出光面4即上底面覆盖扩散膜层9，与以上实施例一样不再重复。

3)、如图5d，实心几何体1是用导光技术，如用机械雕刻、印刷网点、激光雕刻等制作的几何体(图中未画)，光源6发出含有365nm-410nm波长的光线，配置在圆台的下底面，则此底面为入射面3，因此图中只有一个入射面3，圆台的上底面为反射面5，圆台的侧表面为出光面4，出光面4覆盖光触媒膜层10。此导光体是以几何体的底面入射光线、侧表面出光的侧入式结构导光体。入射面3覆盖低折射率膜层7，反射面5覆盖反射膜层11。本实施例覆盖的低折射率膜层7、光触媒膜层10、反射膜层11，与以上实施例一样不再重复。

实施例六：一种多面体导光体，如图6a：导光体的实心几何体1为PMMA板材，其几何形状为实心多面体中的六棱柱，外表面是由上下二个底面及六个侧面组成。光源6装置在六棱柱的一个底面，则此底面为入射面3，因此图中只有一个入射面3，另一个底面为反射面5，其余六个侧面均为出光面4，此导光体是以几何体的一个底面入射光线、侧面出光的侧入式结构导光体。如图6b：本实施例入射面3覆盖低折射率膜层7，出光面4覆盖高折射率膜层8，反射面5覆盖反射膜层11。还有一种实施例即是：光源6装置在六棱柱的一个底面，则此底面为入射面3，另一个底面及其余六个侧面均为出光面4，没有反射面5，此导光体是以几何体的一个底面入射光线、各个侧面及另一个底面出光，所以为侧入、直下混合结构导光板。本实施例覆盖的低折射率膜层7、高折射率膜层8、扩散膜层9、反射膜层11，与以上实施例一样不再重复。

实施例七：一种异形导光体，如图7a：导光体的实心几何体1为PMMA材料制成的组合体，其几何形状为实心的旋转体中的环状几何体与实心的长方体的组合体，外表面是由十个平面、内外两个曲面及上下两个环面组成。如图7b：光源6是预制的LED点光源6模组，直接将LED芯片绑定在散热器的光源6模组装置。实施时直接将光源6模组装置嵌入在组合体的四个内侧平面及一个下环面中，则此四个内侧平面及一个下环面为入射面3，因此图中共有五个入射面3，组合体的一个外曲面、一个上环面及一个上平面为出光面4，其余各面均作为反射面5。此导光板是以几何体的四个内侧平面及一个下环面入射光线，上环面、外曲面及上平面出光的侧入直下混合结构导光板。本实施例在入射面3覆盖低折射率膜层7，上平面及外曲面出光面4覆盖高折射率膜层8，上环面出光面4覆盖扩散膜层9，反射面5覆盖反射膜层11。本实施例覆盖的低折射率膜层7、高折射率膜层8、扩散膜层9、反射膜层11，与以上实施例一样不再重复。

实施例八：另一种曲面导光体，如图8a：导光体的实心几何体1为PMMA材料，其几何形状为实心的部份环状旋转几何体，外表面是由二个平面、二个曲面及二个环面组成，此导光体是以环状几何体的两个侧平面入射光线、一个外侧曲面出光的侧入式结构导光体。实施时直接将光源6配置在旋转环状几何体的两个侧平面，图中有两个入射面3，环状几何体的外侧曲面为出光面4，内侧曲面及其余各面均作为反射面5。如图8b本实施例入射面3覆盖低折射率膜层7，出光面4覆盖高折射率膜层8或光触媒膜层10，反射面5覆盖反射膜层11。本实施例覆盖的光学膜层2与以上实施例一样不再重复。

实施例九：一种球面导光体，如图9：导光体的实心几何体1为光学玻璃或光学陶瓷罩，其几何形状为实心多面体中的部分旋转球状几何体，导光体外表面是由内外二个半球面及一个环平面组成。光源6配置在几何体的环平面上，则此环平面为入射面3，因此图中只有一个入射面3，一个内半球面为反射面5，一个外半球面为出光面4。实施时将光源6配置在环平面入射光线、由外半球面出光。出光面4覆盖光触媒膜层10是采用喷涂法将平均粒径5nm-15nm、比外表面积＞140m²/g的纳米二氧化钛的有机化合物溶液经过涂敷、成膜、干燥等工艺流程覆盖在外半球面为出光面4上，其膜层的光学厚度控制在91.25nm的奇数倍到102.5nm的奇数倍。本实施例入射面3覆盖低折射率膜层7，反射面5覆盖反射膜层11。本实施例覆盖的光学膜层2与以上实施例一样不再重复。

通过对由本实施例导光体制成的照明灯具的实用化试验表明，可大幅度地降低污染，减轻污染对光通量的影响，大大减少清洁的次数，还可以减少维护的费用。此外还确认了在室内涂有光触媒的照明灯具还具有除臭的效果，最引人注目的它的抗菌作用。光触媒在杀灭细菌的同时也会将毒素分解，这是其他抗菌剂所没有的功能。当考虑具有优越的抗菌、防尘光触媒反应时本发明的导光体的应用将有一个非常广阔的领域，经检测覆盖有光触媒光学膜层2的导光体：干燥后硬度为≥5H，净化效果达到：甲苯浓度降低80％，氨降解率≥80％，甲醛降解率≥80％，硫化氢≥90％以上，杀菌率≥98％。本实施例就是很好的光触媒组件，可以净化空气、杀菌，成为极好的环保型导光体。

本发明覆盖光学膜层2后，由于可以在导光体的实心几何体1外表面上直接生成光学膜层2，极大的提高了由本发明导光体制成的面光源的发光强度，拓展了面光源的功能，不仅可用于照明、显示灯具及背光源，而且还能净化空气、杀菌、抗静电，光疗、植物光照，而且可制成净化灯具、杀菌灯具、抗静电灯具、光疗灯具、植物光照灯具等。随着电子薄膜技术的发展，将会给导光体应用产品开拓更多的商机。

还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例子，配合的光源6是led光源，本发明的导光体不仅可以配合led光源使用也可以配合其他各种光源使用。显然，本发明不限于以上实施例子，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种覆盖有光学膜层的导光体，它包含透明实心几何体(1)和光学膜层，其特征在于：所述光学膜层为高折射率膜层(8)，所述透明实心几何体(1) 为PMMA材料制成的厚度>1mm的六面体，其中光源配置在六面体的相对的两个侧面，所述两个侧面为入射面（3），其余两个侧面为反射面（5），一平行外表面为出光面（4），另一平行外表面为反射面（5）；所述出光面（4）覆盖高折射率膜层(8)，导光体导光效率为70% 以上；其中，选择平均粒径5nm，比外表面积50-250m²/g的纳米二氧化钛粉体，将其按0.4%的重量比均匀分散于光学透明的环氧树脂或光学透明的硅树脂母体的聚合物中，用溶胶-凝胶法覆盖在出光面(4)上，在低于60°C的温度下经过固化，形成厚度大于0.05mm的固态光学介质厚膜层作为所述高折射率膜层(8)。

2.根据权利要求1所述的一种覆盖有光学膜层的导光体，其特征在于：所述入射面(3)覆盖低折射率膜层(7)，所述低折射率膜层(7)是折射率小于透明实心几何体材料折射率的入射膜，其膜层光学厚度是126nm的奇数倍到139nm的奇数倍；或是MgF₂、ZrO₂、CeF₃，膜的光学厚度分别为126nm到139nm、253nm到277nm、126nm到139nm的三层宽带增透膜。

3.根据权利要求1所述的一种覆盖有光学膜层的导光体，其特征在于：所述反射面(5)覆盖反射膜层(11)，所述反射膜层(11)是每层光学厚度均为126nm～139nm的高、低折射率交替的介质材料多层反射膜；或是棱镜反射膜；或是嵌入在反射面(5)内的反射率大于90％的反射膜片；或是粘贴在反射面(5)上的反射率大于90％的反射膜片。

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