CN103185915A - 具有减少的条带水平的光导膜 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有减少的条带水平的光导膜，其包括用于接收来自光源的光的输入面、用于发射光的输出面、以及与输出面相对的底面，其中，该输出面和该底面中的至少一个具有微图案，该微图案包括复数个微透镜。该光导板进一步包括具有宽度w、长度l、深度d、方位角、第一底角α₁、第二底角α₂、第一进入角β₁和第二进入角β₂的微透镜，使得当深度变量Δd是0.1μm时，定义为

的面积变化率小于或等于0.95％，并且微透镜的初始数量密度大于或等于8个/mm²，对应于深度变量Δd，Δw是宽度变量且Δl是长度变量。

Description

具有减少的条带水平的光导膜

技术领域

本发明主要涉及一种光导板，尤其涉及一种具有选择的微透镜以减少不希望有的条带和可见度缺陷的光导板。

背景技术

液晶显示器(LCD)持续改进成本和性能，成为许多电脑、仪表设备和娱乐应用的推荐显示类型。典型的LCD移动电话、笔记本和监视器包括一个接收来自光源的光的光导板，并且该光导板使该光大体上均匀地在该光导板上重新分布。传统的光导板利用漫射微透镜来提取光线。漫射微透镜是印刷的点或是通过激光烧蚀而形成的。漫射微透镜对光线的提取不是特别有效，但是，它们能有效地隐藏光导板的制备过程中固有的表面缺陷。更有效的类型的光导板利用具有光学表面的微透镜。它们通常产生比传统的漫射光导板高10％或者更高的亮度。

美国专利公报2011-0242851公开了一种具有光学表面的微透镜的柔性光导板。它们是通过挤出卷塑造工艺而制得的。虽然这类光导板容易批量生产而且在光线提取方面很有效，但是在某些照明条件下，它可能具有不希望有的微细的条纹(在此被称为“条带”或“条带缺陷”)。

因此，虽然已经提出了一个特别的光导板以及制造该特别的光导板的方法的技术方案，但是仍然需要容易制造且具有减少的条带缺陷水平的薄光导板。

发明内容

本发明提供一种光导板，其包括用于接收来自光源的光的输入面、用于发射光的输出面以及与输出面相对的底面，其中，该输出面和该底面中的至少一个具有微图案，该微图案包括复数个微透镜；其中，每一个微透镜具有宽度w、长度1、深度d、方位角、第一底角α₁、第二底角α₂、第一进入角β₁和第二进入角β₂，使得当深度变量Δd是0.1μm时，定义为

的面积变化率小于或等于0.95％，并且微透镜的初始数量密度大于或等于8个/mm²，与深度变量Δd相对应的有Δw是宽度变量且Δl是长度变量。

附图说明

图1示出了包括含本发明的光导板的复数个光学元件的典型LCD的侧视图；

图2A示出了多个微透镜，其中某些是基本上相同且可用于本发明；

图2B示出了多个微透镜，图示了面密度和数量密度；

图3示出了具有条带缺陷的光导板的图像；

图4示出了根据本发明的具有减少的条带水平的光导板的图像；

图5A示出了微透镜的顶视图；

图5B和5C示出了微透镜在两个相互垂直的平面中的横截面图；

图5D示出了微透镜的透视图；

图6A示出了在具有一个表面轮廓的卷轴上的两个微透镜的顶视图；

图6B和6C示出了两个微透镜在两个相互垂直的平面中的横截面图；

图7A示出了例如具有不同的微透镜的光导板的品质因数(FOM)对初始数量密度N0；

图7B是光导板例子的一览表；以及

图8是另一类光导板例子的一览表。

具体实施方式

图1示意地表示了包括液晶面板25和背光单元28的LCD显示装置30的侧视图。背光单元28包括复数个光学元件，这些光学元件包括一个或两个棱镜薄膜20、20a、一个或两个漫射薄膜24、24a、一个底反射薄膜22、一个顶反射薄膜26和一个光导板(LGP)10。光导板10不同于其他的光学元件的地方是，它通过其输入面18接收一个或多个光源12发出的光，通过其底面17、端面14、输出面16、侧面15a、15b(未示出)和反射薄膜22使光重定向，并且最终相对均匀地将光提供给其他的光学元件。通过控制底面17和/或输出面16上的微透镜100(有时被认为是独立元件或光提取器)的密度、大小和/或方向来实现目标亮度均匀度。顶反射薄膜26通常覆盖LGP10大约2到5毫米，以提供改进的光的混合。它具有一个高反射内表面26a。顶反射薄膜26有时可以具有一个黑色外表面26b，并且因此被称为黑带。一般从顶反射薄膜26的一端的点A来评价光导板10。从点A向右就是观察区域。

根据本发明的光导板10具有一个微图案，其在一个实施例中由复数个基本上相同的微透镜组成，并且该微透镜的密度在一个或两个维度上变化。在下文中，描述“基本上相同的微透镜”和该微透镜的密度。

虽然没有两个微透镜是完全相同的，但是如果它们具有相同的形状和相同的方向，微透镜被认为是“基本上相同的”。更具体地说，它们的长度、宽度和深度的变量优选为在+/-3μm(或者对56μm大的微透镜来说5.4％)之内，并且更优选为在+/-1μm(或者对56μm大的微透镜来说1.8％)之内；并且它们的方位角的变量优选为在+/-5度之内，并且更优选为在+/-2度之内。

参考图2A，微透镜100a、100b100c、100d被认为是基本上相同的，因为它们全部具有相同的形状和相同的方向角。它们具有相同的形状，因为它们具有相同的宽度w、长度1和深度(未示出)。微透镜100e、100f、100g与微透镜100a不是基本上相同的，因为虽然它们具有与微透镜100a相同的形状，但它们具有与微透镜100a不同的方位角。微透镜100h与微透镜100a不是基本上相同的，因为它外形是圆的而微透镜100a是椭圆的。微透镜100i与微透镜100a不是基本上相同的，因为虽然它们两个都是椭圆的，但是它比微透镜100a大不少。

“基本上相同的”微透镜通过基本上相同的工具由相同的工艺制成。该工具被认为是基本上相同的，如果它们由相同目的的相同的工艺制成，或它们彼此仅仅由可接受的正常损耗而不同。

利用基本上相同的微透镜的优势是它们容易制造，因为仅仅需要一个工具或多个相同的工具。作为比较，当目标是两个或更多套不同的尺寸的微透镜时，需要两个或更多套工具，或者需要不同的工艺。

数量密度ND定义为每单位面积的微透镜数目，而面密度D定义为每单位面积的微透镜的总面积，其中单位面积一般地按照0.5-1.5mm²的量级针对实际应用来进行选择。现在参考图2B，单位面积由宽度ΔW₀和长度ΔL₀定义，包括六个微透镜101a-101f，每个都具有宽度w和长度l。数量密度ND＝6/(ΔW₀ΔL₀)，而面密度D＝6(wl)/(ΔW₀ΔL₀)。当一个或多个透镜超过所选择的单位面积时，数量密度可能是一个分数。在下文中，密度指的是微透镜的面密度。图1中所示的点A附近的数量密度和面密度分别被认为是初始数量密度N0和初始面密度D0。

在显示器中存在许多种条带缺陷，特别是在LCD中。本发明中所解决的条带缺陷仅仅来自光导板，意味着在没有LCD面板、任何漫射膜和任何棱镜膜的情况下可以被观察到。

图3示出了从具有光学表面的微透镜的光导板观察到的条带缺陷。它们呈现像黑白条带120a、120b、120c。它们通常与光导板的宽度或长度方向平行。条带缺陷在具有漫射微透镜的传统光导板中观察不到。

条带缺陷被认为来自用于产生在光学表面上的微透镜的独特的镂蚀和挤出工艺。例如，辊面轮廓可以按0.1μm的量级变化，或刻切工具可以以稍有不同的深度刻切该辊面。

图4示出了根据本发明的光导板的图像，其很少有可观察到的条带缺陷。

具有光学表面的微透镜的光导板的另一种表面缺陷是透镜可见度。当微透镜的数量密度太低时，由于存在微透镜的面积和没有微透镜的面积之间的高对比度，该微透镜呈现为可见的。相对于三或四片薄膜置于光导板顶部的背光单元，这个缺陷在仅有一个或两片薄膜置于光导板顶部的背光单元里更值得注意。通常初始数量密度N0低于光导板的其他区域的数量密度。因此，该特征可见度与该初始数量密度N0有着密切的联系。已经发现，N0优选为大于和等于8个/平方毫米，并且最优选为大于等于9个/平方毫米，以避免这种透镜可见度缺陷。

在具有漫射微透镜的光导板上，特征可见度缺陷不太算是个问题，因为漫射光减少了有微透镜的区域和没有微透镜的区域之间的差别。

图5A-5D示出了光学表面的微透镜101的不同视图。

图5A是顶视图。图5B和5C分别是宽度和长度方向的侧视图，而图5D是透视图。微透镜101具有长度l、宽度w和深度d。

图6A示出了刻印在具有表面轮廓105的辊面上的光学表面的两个微透镜101a和101b的顶视图。它们具有相同的方位角。

图6B对应于图5B，在包括该宽度和该深度的侧视图中示出了微透镜101a和101b。图6C对应于图5C，在包括该宽度和该深度的侧视图中示出了微透镜101a和101b。微透镜101a的特征在于宽度w、长度l、深度d、第一底角α₁、第二底角α₂、第一进入角β₁和第二进入角β₂。该进入角β₁、β₂由镂蚀工艺控制。通常，具有更小进入角的微透镜更容易制造；并且目前难以制造具有大于35°的进入角的微透镜。

微透镜101b确定为制成与微透镜101a完全一样。但是，因为从制成微透镜101a的位置到制成微透镜101b的位置，表面轮廓105变化有深度变量Δd。微透镜101b的宽度、长度和深度变成了w+Δw、l+Δl和d+Δd，分别替代了w、l、和d，其中Δw表示宽度变化，且Δl表示长度变化。微透镜101a、101b的面积分别是w·l和(w+Δw)(l+Δl)。卷轴的表面轮廓105通常被认为是非常平坦的。但是它确实以例如0.1μm的量级随位置不同而有深度变量Δd。根据本发明的典型的微透镜具有在3.5到13μm之间变化的深度d。因此该相对深度变化Δd/d小于3％。具有这样的小的深度变化的微透镜还被认为是基本上相同的。但是，实验数据表明它们是不同的，该不同足以引起可见的条带缺陷。深度变量Δd还可能当光导板的厚度变化时在挤出工艺中产生，或者由其他未知的因素引起。

微透镜101a、101b，由于深度变量Δd的缘故，在下文中被认为是品质因数(FOM)的面积变化率是

$\mathrm{FOM}=\frac{(l+\mathrm{\Δl})\·(w+\mathrm{\Δw})-l\·w}{l\·w}\≈\frac{\mathrm{\Δl}}{l}+\frac{\mathrm{\Δw}}{w}=\frac{\mathrm{\Δd}}{l}(\frac{1}{\tan {\mathrm{\β}}_1}+\frac{1}{\tan {\mathrm{\β}}_2})+\frac{\mathrm{\Δd}}{w}(\frac{1}{\tan {\mathrm{\α}}_1}+\frac{1}{\tan {\mathrm{\α}}_2})$ ，其中忽略高阶(Δw·Δl)/(w·l)。在下文中FOM用于计算深度变量Δd＝0.1μm有两个原因。第一，好的卷轴制成为Δd≤0.1μm。第二，深度变量Δd对于不同的微透镜来说不改变排列顺序。换句话说，与具有高FOM的微透镜相比，在一个深度变量具有低品质因数的微透镜将在实际限度内的另一个深度变量具有更低的FOM。因此，计算深度变量Δd＝0.1μm的FOM可用于区分微透镜。但是，应当强调的是，即使深度变量Δd实际上小于0.1μm，FOM还是可以假定深度变量Δd为0.1μm来计算。

实施例

已经制成许多光导板，每个都具有基本上相同的微透镜。但是，随光导板的不同，微透镜也不同。已经发现，具有小品质因数的微透镜倾向于显示出更少的容易看见的条带。但是，具有小品质因数的微透镜倾向于更有效的提取光，其对于给定的亮度均匀度目标来说降低了初始数量密度N0，并且使如上讨论的特征可见度更是个问题。

图7A示出了两个目标光导板的FOM对N0。具有点A1、A2的空圈的标绘图是15.6″500μm厚和355mm长的光导板，而充满具有点C0-C6的正方形的标绘图是13.3″500μm厚和174mm长的光导板，两个光导板都由聚碳酸酯组成。

图7A示出了两个一般趋势。第一，对于相同的光导板来说，低FOM的微透镜倾向于具有低初始数量密度N0。第二，通过利用相同的微透镜因此具有相同的FOM，长光导板就要求低初始数量密度N0。用于对应于点A1和C0的光导板的微透镜是相同的。因此，两个点具有约等于1.07％的FOM。但是，15.6″光导板比13.3″光导板具有低得多的N0，因为15.6″光导板更长。第一个趋势使得解决条带缺陷和特征可见度两者并非微不足道，因为抑制条带问题就要求低品质因数的微透镜，而减少特征可见度问题就要求高N0的微透镜。第二个趋势表明：对于长光导板来说，更难解决这两个问题。

图7B就LGP长度、微透镜的几何尺寸、初始面密度D0、初始数量密度N0、FOM和所得的透镜可见度和条带可见度等方面概括了实例光导板。每个微透镜的几何尺寸用底角α₁、α₂、进入角β₁、β₂、宽度w和长度l表示。

对于355毫米长的LGP来说，针对透镜可见度或者条带可见度，点Al的例子是不能接受的。针对透镜可见度，点A2的例子是可接受的，但针对条带可见度则不可接受。

对于174毫米长的LGP来说，针对透镜可见度，点C0、C1的例子是可接受的，但针对条带可见度则是不可接受的。针对条带可见度，点C5和C6的例子是可接受的，但针对透镜可见度则是不可接受的。但是，针对条带可见度，点C3、C4和C5的例子是可接受的，但针对透镜可见度则是不可接受的。

本发明的点C3、C4、C5的例子具有关键特征：当深度变量Δd＝0.1μm时N0≥8和FOM≤0.95％，而点A1、A2、C0、C1、C2、C6和C7的比较例不具有这样的特征。

在所有这些例子中，底角α₁和α₂保持相同，都是30°。进入角β₁和β₂在22°和34°之间变化。设为相等的宽度w和长度l会从56μm变化到85.1μm。

图8是更多例子的一览表，其中每个微透镜具有不同的底角，即α₁≠α₂。随例子的不同，底角α₁、α₂在20°和50°之间变化；进入角β₁、β₂在8.6°和56.2°之间变化；并且宽度w和长度l在30μm和90μm之间变化。虽然w和l在这些例子中是相等的，但是它们不是必须相同的。长度l可以在w和w+40μm之间变化。仅仅被选择的例子4、11、24具有假定Δd＝0.1μm时N0≥8和FOM≤0.95的关键特征。

正如以上的讨论，具有大于35°的进入角的微透镜目前难以制得。因此，例子11特别有吸引力，因为它的进入角是25.4°，而例子4和24的进入角则大于35°。

可以选择许多聚合物材料实现这个发明。该选择材料必须是充分硬的和坚韧的，以最小化实际使用期间的断裂和变形。但是，最重要的是，该选择材料必须在光谱的可见光范围上具有高透光度和低色彩。可用于这个发明的材料包括但不限于：聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、抗冲击PMMA和其他的丙烯酸类高聚物、聚碳酸酯、聚环烯烃、环式嵌段共聚物、聚酰胺、聚苯乙烯、聚砜、聚酯、聚酯-碳酸盐和其各种可混合的混合物。

Claims (6)

1.一种光导板，包括：

用于接收来自光源的光的输入面、用于发射光的输出面以及与输出面相对的底面，

其中，该输出面和该底面中的至少一个具有微图案，该微图案包括复数个微透镜；

其中，每个微透镜都具有宽度w、长度l、深度d、方位角、第一底角α₁、第二底角α₂、第一进入角β₁和第二进入角β₂，使得当深度变量Δd是0.1μm时，定义为

的面积变化率小于或等于0.95％，并且微透镜的初始数量密度大于或等于8个/mm²，对应于深度变量Δd，Δw是宽度变量且Δl是长度变量。

2.如权利要求1的光导板，其中，复数个微透镜的宽度、长度和深度的变化是在1.8％之内。

3.如权利要求1的光导板，其中，复数个微透镜的方位角的变化是在2度之内。

4.如权利要求1的光导板，其中，第一和第二底角是相同的。

5.如权利要求1的光导板，其中，第一和第二底角是不同的。

6.如权利要求1的光导板，其中，第一和第二进入角小于35°。

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