CN106152055B - 光转向膜及光源装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光转向膜，用于使来自面光源向所述光转向膜入射的光，通过所述光转向膜出射时其最大强度方向发生偏转，所述光转向膜包括透明基片，以及在所述基片的上表面由可光聚合材料聚合形成的多个光转向结构；其中，每个光转向结构为具有两个侧面的条状凸起，其特征在于，通过光转向结构第一侧面半高度位置并与第一侧面相切的平面，与所述基片的上表面形成5度至75度的第一夹角，通过光转向结构第二侧面半高度位置并与第二侧面相切的平面，与所述基片的上表面形成30度至135度的第二夹角，并且所述第一夹角不等于第二夹角。本发明能够有效利用光源所发出的光，达到最佳的显示和节能效果。

Description

光转向膜及光源装置

技术领域

本发明涉及一种光转向膜，具体而言，涉及使面光源的最大强度出光方向发生偏转的光转向膜，以及包含所述光转向膜的光源装置。

背景技术

液晶显示和LED照明正获得越来越广泛的应用。通常情况下，液晶显示器的背光源所发出的光，在垂直光源平面的方向具有最大的强度，偏离光源平面垂直方向的光强则随着偏离角度的增加而逐渐减小。LED平面照明光源也是如此。

图1为现有技术面光源的一种示例。如图1所示，发光体101a(如LED)安装在一导光片102a的侧边。发光体101a发出的光直接耦合进入导光片，或通过发光体周围的反射面103a反射后再耦合进入导光片。进入导光片的光通过导光片中密度渐变的网点或微结构的作用，从导光片+Z方向离开导光片；或经反射面104a反射后，再次进入导光片而后从导光片+Z方向的表面离开。离开导光片的光经下置扩散膜105a、方向垂直的棱镜膜106a和107a及上置扩散膜108a，从光源出射。

光源的发光面位于XY平面上。从光源发出的光具有与光源相应的角度分布，其光强最大的方向(Z方向)垂直于光源平面，即，光线传播方向与Z方向所成角度τ为0°的方向，如图1中109a所示。110a示出从光源发出的不同方向(不同τ值)光线强度与角度之间的关系，对应τ＝0°的角度，光线强度为最大值；偏离τ＝0°的方向，光线强度逐渐降低。

图2为现有技术面光源的另一种示例。参照图2，发光体101b(如LED)安装在光源腔体102b上，发光体发出的光直接或经由光源腔体102b的反射后，通过扩散片103b从光源出射。光源的发光面位于XY平面上。类似地，如图2中104b所示，光源所发出强度最大的光线方向(Z方向)与光源平面垂直，位于光线传播方向与Z方向所成角度τ为0°的方向。105b描述从光源发出的不同方向(不同τ值)光线强度与角度的关系，对应τ＝0°的角度，光线强度最大；偏离τ＝0°的方向，光线强度逐渐降低。本申请中，将此类所发出强度最大的光线方向垂直于光源平面的光源，称为垂直光源。

目前，上述垂直光源满足了部分显示和照明应用的需求。但是，很多应用因受空间或设计效果的限制，需要面光源所发出光的最大强度方向偏离垂直光源平面的方向。例如，在飞机、汽车等交通工具中，显示器通常安装在偏离驾驶员正视方向的位置。若将显示器的光源强度最大方向设定在偏离光源平面垂直方向的驾驶员视角方向上，则可获得最佳的显示和节能效果。又如，在LED照明中，为达到特定的照明效果，如特定的产品展示效果，也需要光从特定方向照射。可以看出，在显示和照明领域，亟需一种出光方向偏离光源平面垂直方向的面光源。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于，提供一种使面光源的最大强度出光方向发生偏转的光转向膜及转向光源。

根据本发明的第一方面，提供一种光转向膜，用于使来自面光源向所述光转向膜入射的光，通过所述光转向膜出射时其最大强度方向发生偏转，所述光转向膜包括透明基片，以及在所述基片的上表面由可光聚合材料聚合形成的多个光转向结构；其中，每个光转向结构为具有两个侧面的条状凸起，其特征在于，通过光转向结构第一侧面半高度位置并与第一侧面相切的平面，与所述基片的上表面形成5度至75度的第一夹角，通过光转向结构第二侧面半高度位置并与第二侧面相切的平面，与所述基片的上表面形成30度至135度的第二夹角，并且所述第一夹角不等于第二夹角。

在第一方面中，优选的是，所述第一夹角为10度至60度，所述第二夹角为60度至120度。

优选的是，所述多个光转向结构彼此相邻布置，并且其中的每一个光转向结构从所述基片上表面的一端贯穿至另一端。

优选的是，所述多个光转向结构为单一周期的结构。

优选的是，所述多个光转向结构为两个或两个以上周期的结构。

优选的是，所述多个光转向结构为非周期性的结构。

优选的是，所述每个光转向结构的底面的长度至少大于其宽度的两倍，所述多个光转向结构在所述基片的上表面随机布置。

优选的是，所述光转向结构由平行半角为0度至10度的能量辐射，以与所述基片的垂直方向呈10度至85度夹角的方向，照射涂覆于基片上表面的可光聚合材料而形成。

根据第二方面，提供一种光源装置，包括一面光源，以及如上述第一方面所述的光转向膜；所述光转向膜的基片下表面位于面光源的出光面上。

在第二方面中，优选的是，所述面光源发出的强度最大的光线方向垂直于其出光面。

优选的是，所述光源装置还包括介质层，所述介质层位于所述面光源与光转向膜之间。

根据第三方面，提供一种光源装置，包括：面光源，所述面光源发出的强度最大的光线方向垂直于其出光面；如上述第一方面所述的光转向膜，所述光转向膜的多个光转向结构邻近所述面光源的出光面，其基片背向面光源放置；以及硬化层，位于所述光转向膜的基片下表面上。

本发明的光转向膜，能够使面光源的最大强度出光方向发生偏转。相应地，在光源装置中增设所述光转向膜，使得液晶显示和LED照明领域中的大量应用，不再受空间或设计效果的种种限制，从而有效地利用了光源(尤其是垂直光源)所发出的光，达到最佳的显示和节能效果。

附图说明

图1为现有技术面光源的一种示例；

图2为现有技术面光源的另一种示例；

图3示出了本发明一实施例的光转向膜；

图4为图3所示光转向膜在YZ平面的截面图；

图5示出了本发明另一实施例的光转向膜；

图6示出了本发明又一实施例的光转向膜；

图7为用于制作图3所示光转向膜的掩膜板图案；

图8为用于制作图6所示光转向膜的掩膜板图案；

图9为光转向膜示例制作方法的示意图；

图10示出了示例光转向膜的制作过程；

图11示出了本发明一实施例的光源装置；

图12示出了本发明另一实施例的光源装置。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下文以实施例结合附图对本发明作进一步说明。

参照图3，图3示出了本发明一实施例的光转向膜。该光转向膜位于XY平面上，它包括透明基片301，以及位于基片301上表面的多个光转向结构302。多个光转向结构302彼此相邻布置，其中的每一个光转向结构从基片上表面的一端贯穿至另一端。并且，每个光转向结构302为具有两个侧面的条状凸起，由可光聚合材料接受倾斜能量辐射后形成。

图4为图3所示光转向膜在YZ平面的截面图。如图4所示，光转向结构302为周期为p的周期性倾斜结构。401为光转向结构302的放大局部。光转向结构302凸起于基片上表面，包含两个不同倾斜角度的侧面。结构最高处P与结构最低处V之间的高度为H，H优选为5-200微米，进一步优选为10-100微米。结构最低处V与基片上表面之间的距离为D，可为大于或等于0的数值。距离D等于0的情况下，结构最低处V的表面为未聚合的可光聚合材料被除去后暴露出的基片表面。距离D大于0的情况下，结构最低处V的表面为未聚合的可光聚合材料被除去后而留下的已固化可光聚合材料。距离D可通过光转向膜的制作工艺参数，如能量辐射的照度、时间、可光聚合材料涂层厚度等实现调整和优化。距离D优选为0-100微米，进一步优选为0-20微米。

图4中，示例光转向结构302的两个侧面，可通过侧面半高度位置的切面来精确描述。第一侧面半高度位置0和第二侧面半高度位置0’，分别为光转向结构302在相应侧面上H/2的位置。AB表示通过第一侧面半高度位置0并与第一侧面在此处相切的平面。AB与基片上表面所成角度为α。A’B’表示通过第二侧面半高度位置0’并与第二侧面在此处相切的平面。A’B’与基片上表面所成角度为β。这里，角度α与角度β不相等。角度α优选为5°-75°，进一步优选为10°-60°。角度β优选为30°-135°，进一步优选为60°-120°。

光转向结构302中，邻近的最低处V之间、或邻近的最高处P之间的距离定义为光转向结构的周期p。该示例中，多个光转向结构302为单一周期的结构。这里，周期p优选为5-700微米，进一步优选为10-200微米。

需要指出的是，本发明中的光转向结构并不限于单一周期的结构，例如，光转向结构还可以是两个或两个以上的周期结构(对应不同的p数值)的组合。参照图5，图5示出了本发明另一实施例的光转向膜。该示例中，位于基片401b上表面的多个光转向结构具有两个周期。即，光转向结构由周期为p1的结构403b和周期为p2的结构404b组成。并且，根据本发明，光转向结构还可为非周期结构，即，光转向结构的邻近最低处之间或邻近最高处之间的距离，在光转向膜中不同的位置具有不同的数值。多周期、非周期性的光转向结构有利于减轻乃至消除光的干涉与衍射现象。

参照图6，图6示出了本发明又一实施例的光转向膜。该光转向膜位于XY平面上，其中601b为透明基片，602b为由可光聚合材料接受倾斜能量辐射后形成的光转向结构。该示例中，每个光转向结构602b的底面的长度至少大于其宽度的2倍，优选大于其宽度的5倍；多个光转向结构在基片601b的上表面随机布置。这种光转向膜结构可消除由于规则、周期性结构而产生的光干涉、衍射现象。

图7为用于制作图3所示光转向膜的掩膜板图案。该掩膜板图案位于XY平面上，它包含透光开口701和阻光区域702。其中，透光开口701为直线条状，其宽度W_T可选择2-200微米，优选可为5-50微米。透光开口之间的阻光区域W_Z的宽度可选择5-500微米，优选可为10-100微米。

图8为用于制作图6所示光转向膜的掩膜板图案。如图8所示，该掩膜板图案位于XY平面上，条状透光开口801的长边沿X方向，条状透光开口由阻光部分802隔开。可以看出，在XY平面上，条状透光开口801的位置是随机的。其长度L_T至少大于宽度的2倍，优选大于开口宽度的5倍。这里，透光开口可为同样形状的开口，不同位置的透光开口具有相同的长度和宽度。或者，在掩膜板图案中，透光开口可包含不同形状的开口，部分位置的透光开口与其他位置的透光开口具有不同的长度或/和宽度。

接下来，描述本发明光转向膜的示例制作方法。

图9为示例制作方法的示意图。其中，901为一与XY平面平行放置的透明基片在YZ平面的截面，合适的基片材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酞酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、玻璃。902为涂覆于透明基片表面的可光聚合材料涂层在YZ平面的截面。可光聚合材料是指接受能量辐射，如紫外光、可见光、电子束等聚合或固化的材料。透明基片901和涂层902放置在一平行于XY平面的掩膜板903的上方。掩膜板903包含透明掩膜板基材904和由透光开口905及阻光部分906组成的掩膜板图案。掩膜板基材可为高平整度的石英玻璃、钠钙玻璃、硼硅玻璃或聚酯材料。阻光部分可为通过溅射或蒸发的方式，在掩膜板基材表面形成的金属铬层或涂覆于掩膜板基材表面的银盐乳剂层。透光开口为掩膜板基材表面的金属铬层、银盐乳剂层、或其他吸收或反射能量辐射的物质被除去后所对应的区域。所述透光开口为条状透光开口，其长边沿X方向(垂直于图9平面的方向)，905所示为所述条状透光开口在YZ平面的截面，对应于条状透光开口的短边方向。

特别地，使用平行或接近平行的能量辐射，如紫外光、可见光、电子束，以一倾斜的角度θ照射至掩膜板；并通过掩膜板中透光开口905和透明基片901，以与θ相应的角度照射至可光聚合材料涂层902。所述倾斜角度θ为能量辐射907与掩膜板平面(基片901)的垂直方向，即Z方向所成的角度。这样，倾斜能量辐射的照射方向就与条状透光开口的短边形成90°-θ的角度。

能量辐射907的倾斜角度θ优选为10°-85°，更优选为20°-70°。并且，能量辐射907的平行半角(能量辐射源中的一点与该点照射面的中央和边缘所成的角度)优选为0°-10°，更优选为0°-5°。

通过透光开口905的倾斜能量辐射，使涂层中部分与透光开口对应和邻近的可光聚合材料接受大于固化阈值的能量辐射而固化，在涂层902上形成如图10所示的倾斜的固化部分1001。图10中，1002表示如图9所示的涂层902中未接受能量辐射、或所接受的能量辐射低于固化阈值而保持未固化状态的可光聚合材料部分。倾斜固化部分1001的形状由能量辐射907的倾斜角度θ、描述能量辐射907平行度的平行半角、能量辐射907的照度及照射时间、可光聚合材料的性能、涂层902的厚度、透明基片901的厚度等参数确定。

上述光转向膜示例制作方法中，平行或近似平行的能量辐射以倾斜的角度通过掩膜板图案照射可光聚合材料涂层，使可光聚合材料涂层中接受能量辐射而固化的部分形成倾斜的光转向结构。在光转向膜的制作中，掩膜板或可放置于基片和可光聚合材料涂层的上方，倾斜的平行或近似平行的能量辐射从掩膜板上方通过掩膜板中由透光开口和阻光部分组成的掩膜板图案，照射可光聚合材料涂层，使涂层中部分与透光开口对应和邻近的可光聚合材料接受能量辐射而固化，形成倾斜的光转向结构。

接受倾斜能量辐射后的可光聚合材料涂层，随后经过一洗涤过程，除去涂层中如图10所示的未固化部分1002。洗涤过程可采用溶剂，如甲醇、乙醇、丙酮，或水。洗涤过程或可采用其他能溶解未固化的可光聚合材料混合物的液体。倾斜的固化部分1001与基片具有较好的附着力，在洗涤过程中始终附着于基片上。涂层中未固化部分经洗涤被除去后，所残留的附着于基片上的倾斜固化部分形成所述光转向结构，光转向结构与基片共同形成所述光转向膜。

可以看出，根据本发明的光转向膜，可用于使来自面光源向所述光转向膜入射的光，通过所述光转向膜出射时其最大强度方向发生偏转。

参照图11，图11示出了本发明一实施例的光源装置。光源装置1100中，包含一面光源1101以及光转向膜1102。面光源1101可为如图1或图2所示的垂直光源，它发出的最强光线垂直光源平面，即沿Z(τ＝0°)的方向。光转向膜1102含有本发明的具有不同倾斜角度侧面的光转向结构。光转向膜1102的基片下表面位于面光源1101的出光面上。

在面光源1101和光转向膜1102之间，也可设置一介质层1103。介质层1103例如为透明胶水，胶水层使面光源1101和光转向膜1102粘结而成为一体。胶水层1103可处于液态或胶体状态，以降低因面光源和光转向膜不同的热胀冷缩或其他因环境变化而变化的特性，在使用或存放环境变化时对光源装置所产生的损坏或性能影响。胶水层1103或可为固体状态，采用固体状态胶水层的光源装置具有较好的机械性能。固体状态胶水层可从液体或胶体状态的胶水层通过加热、紫外光固化、组分混合等方式获得。光转向膜1102或可直接放置于面光源1101的出光面上，通过光源边缘的固定装置使光转向膜1102固定在面光源1101上。如此获得的光源装置中，介质层1103为空气。

图11中，1104表示从光源装置1100发出的光线。光强最大的光线方向与光源平面的垂直方向(τ＝0°)、即Z方向所成的角度为τ_m。曲线1105描述光源装置1100所发出的光线强度随角度τ的变化关系。对应τ_m的角度，光线强度为最大值；偏离τ_m的方向，光线强度逐渐降低。

图12为本发明光源装置的另一示例。光源装置1200包含面光源1201、光转向膜1202。面光源1201可为如图1或图2所示的垂直光源。光转向膜1202的多个光转向结构1203邻近面光源1201的出光面，其基片1204背向面光源放置。基片1204的下表面上，还可设置一硬化层1205，硬化层1205的表面即为光源装置1200的出光面。硬化层可为透明层，光线通过硬化层后其强度和传播方向无显著改变。增加硬化层可防止或减轻使用中对光源装置表面的损伤。进一步地，硬化层或可提供扩散功能，例如硬化层中可含有扩散粒子。这样，除能够防止、减轻使用中对光源装置表面的损伤之外，光线通过硬化层后其传播方向还发生改变。

在前文的描述中，虽以垂直光源作为面光源的一种示例，但本发明并不限于此。实际上，本发明的光转向膜可与任何面光源配合使用，使其出射光线的最大强度方向发生偏转。

显而易见，在此描述的本发明可以有许多变化，这种变化不能认为偏离本发明的精神和范围。因此，所有对本领域技术人员显而易见的改变，都包括在所附权利要求书的涵盖范围之内。

Claims (11)

1.一种光转向膜，用于使来自面光源向所述光转向膜入射的光，通过所述光转向膜出射时其最大强度方向发生偏转，所述面光源发出的强度最大的光线方向垂直于其出光面；所述光转向膜包括透明基片，以及在所述基片的上表面由可光聚合材料聚合形成的多个光转向结构；其中，每个光转向结构为具有两个侧面的条状凸起，其特征在于，

通过光转向结构第一侧面半高度位置并与第一侧面相切的平面，与所述基片的上表面形成5度至75度的第一夹角，

通过光转向结构第二侧面半高度位置并与第二侧面相切的平面，与所述基片的上表面形成30度至135度的第二夹角，

并且所述第一夹角不等于第二夹角。

2.如权利要求1所述的光转向膜，其特征在于，所述第一夹角为10度至60度，所述第二夹角为60度至120度。

3.如权利要求1所述的光转向膜，其特征在于，所述多个光转向结构彼此相邻布置，并且其中的每一个光转向结构从所述基片上表面的一端贯穿至另一端。

4.如权利要求3所述的光转向膜，其特征在于，所述多个光转向结构为单一周期的结构。

5.如权利要求3所述的光转向膜，其特征在于，所述多个光转向结构为两个或两个以上周期的结构。

6.如权利要求3所述的光转向膜，其特征在于，所述多个光转向结构为非周期性的结构。

7.如权利要求1所述的光转向膜，其特征在于，所述每个光转向结构的底面的长度至少大于其宽度的两倍，所述多个光转向结构在所述基片的上表面随机布置。

8.如权利要求1所述的光转向膜，其特征在于，所述光转向结构由平行半角为0度至10度的能量辐射，以与所述基片的垂直方向呈10度至85度夹角的方向，照射涂覆于基片上表面的可光聚合材料而形成。

9.一种光源装置，包括一面光源，以及如权利要求1至8中任一项所述的光转向膜；所述光转向膜的基片下表面位于面光源的出光面上。

10.如权利要求9所述的光源装置，其特征在于，所述光源装置还包括介质层，所述介质层位于所述面光源与光转向膜之间。

11.一种光源装置，包括：

面光源，所述面光源发出的强度最大的光线方向垂直于其出光面；

如权利要求1至8中任一项所述的光转向膜，所述光转向膜的多个光转向结构邻近所述面光源的出光面，其基片背向面光源放置；以及

硬化层，位于所述光转向膜的基片下表面上。