CN107870380B - 一种光学膜的制备方法及其产物 - Google Patents

一种光学膜的制备方法及其产物 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种光学膜的制备方法及其产物。该光学膜具有一个或两个透镜形貌的表面，该透镜的最初形貌是基于光源辐射特性和斯奈尔公式得到的自由曲面，透镜厚度在5mm‑15mm之间。该自由曲面透镜通过薄型化处理后厚度控制在10‑100um之间。具有薄型化后透镜形貌的光学膜可以作为母模进行直接翻印，也可以通过电镀获得金属母模，以便大批量生产。本发明提出的光学膜可以直接使用在现有显示系统中，提供准直光源的同时，大大减少原有的系统结构的体积。本发明提出的光学膜的设计方法极大程度地降低了开发成本和周期，开发的光学膜具有良好的市场前景。

Description

一种光学膜的制备方法及其产物
技术领域
本发明涉及液晶显示及投影显示技术领域，尤其涉及一种能够对入射光线进行准直的光学膜设计及制备，具体为一种光学膜的制备方法及其产物。
背景技术
液晶显示经过多年的发展，已经成为平板显示的主流技术。视角是液晶显示的一个重要指标，通常要求视角越大越好。而随着人们对个人隐私的重视程度越来越高，人们希望手机、个人电脑的视角能较小，以便保证显示内容不能周围的人看到。在投影显示中，投影光源提供照明光线，对于后续的光学系统来说，入射的光线准直度越高，光线传递的效率越高，出射亮度就越高，成像效果越好。针对这些应用，具有准直作用的光学膜由于其厚度小从而有效降低系统的体积而受到越来越多的关注。
深圳市华星光电技术有限公司申请的发明专利“背光模组和液晶显示器”(CN104848092 A)中提出一种准直膜片，通过设计膜片的层数、各层的厚度及各层的折射率来达到准直的目的。该种方法需要不断根据不同的光源种类、辐射特性等选择不同折射率的材料，实现困难，可操作性不强。
京东方科技集团股份有限公司申请的发明专利“光学器件、准直光源、显示基板及显示装置”(CN 106526978 A)中提出通过由包括染料材料制得的光学膜层对光学进行准直，其中的染料分子具有第一分部状态，能够使入射光线经过染料分子的调整后沿预设方向准直出射。该光学膜的制备和现有的光学膜工艺相差较大，大规模生产的成本较高。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种能够对入射光线进行准直的光学膜。该光学膜一个或两个表面具有和光源一一对应的薄型化透镜，该透镜的最初形貌是基于光源辐射特性和斯奈尔公式得到的自由曲面，透镜厚度在5mm-15mm之间。该自由曲面透镜通过薄型化处理后厚度控制在10-100um之间。在基底材料上旋涂光刻胶，通过直写光刻技术在光刻胶表面获得设计的薄型化后的透镜形貌，通过显影和热烘后将形貌固化。固化后的光学胶表面进行电镀，形成金属母模，即可通过翻印进行大规模生产。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种光学元件的薄膜化方法，按如下步骤进行：
步骤1：构建虚拟透镜，获取虚拟透镜的自由曲面参数。进一步说，虚拟透镜是与拟制备的光学膜光学性能相对应的仿真透镜。更进一步说，虚拟透镜是光学仪器所使用的传统结构的光学零部件。
步骤2：对由步骤1获得的虚拟透镜的自由曲面参数进行薄膜转化处理，获得薄型透镜的自由曲面参数。由薄型透镜的自由曲面参数确定光学膜，即实现光学元件的薄膜化。
进一步说，在步骤1中，获取虚拟透镜的自由曲面参数的方法为：
步骤1.1：确定虚拟透镜是单自由曲面结构还是双自由曲面结构的。
步骤1.2：根据斯奈尔公式，计算出单自由曲面结构的虚拟透镜或双自由曲面结构的虚拟透镜的形状，即获得虚拟透镜的自由曲面参数。
进一步说，由自由曲面参数拟合出的虚拟透镜的厚度在5mm-15mm之间，由薄型透镜的曲面参数确定的薄型透镜的厚度在10-100um之间。
进一步说，在步骤2中，获得薄型透镜的自由曲面参数的方法如下：
步骤2.1：将虚拟透镜沿厚度方向分成N份。N不小于20。
步骤2.2：将N份虚拟透镜分割为N段曲线。
步骤2.3：将N段曲线首位连接在一起，获得薄型透镜的自由曲面参数。
更进一步说，在步骤2中，将虚拟透镜的自由曲面参数转化为薄型透镜的曲面参数的具体方法为：
步骤2.1：将自由曲面透镜厚度分为N份，每份厚度△T＝T/N，T为自由曲面透镜厚度，T的取值在5mm-15mm之间，N的取值在50-1500之间。
步骤2.2：根据如下函数组对透镜进行薄型化处理，得到N段具有相同厚度的曲线。
以上函数组中，(x，y)为自由曲面透镜上点的坐标，(x′，y′)为透镜薄型化处理后薄型透镜上对应点的坐标。
步骤2.3：将由步骤2.2确定的曲线首尾段依次连接在一起，得到一条新构建的曲线，即得到薄型化后的透镜形貌。
优选的方案是：在步骤2中，获取虚拟透镜的自由曲面参数的详细方案方法为：
步骤1.1：当虚拟透镜是双自由曲面时，转入步骤1.2.1。当虚拟透镜是单自由曲面时，转入步骤1.2.2。
步骤1.2.1：
a)设定光源所在位置(x0,y0)、前曲面S1与水平轴交点位置(x10,y10)、后曲面S2与水平轴交点位置(x20,y20)及基材厚度d。
b)设定光源进入虚拟透镜的最大角度θmax。
c)在[0,θmax]范围内，以△θ为分割单位，获得一系列θ1i，其中θ1(i+1)＝θ1i+△θ，i＝1～Imax，Imax＝θmax/△θ的整数部分。
d)将i＝1、2、3、……、Imax依次带入下列函数组：
在上述函数组中，(x1i，y1i)是光源发出的角度为θ1i和θ1i-1的光线与前曲面S1的交点坐标。(x1i-1，y1i-1)是光源发出的角度为和θ1i-1的光线与前曲面S1的交点坐标。(x2i，y2i)是光源发出的角度为θ1i的光线与后曲面S2的交点坐标。(x2i-1，y2i-1)是光源发出的角度为θ1i-1的光线与后曲面S2的交点坐标。(x3i，y3i)是光源发出的角度为θ11i的光线经过前曲面S1折射后入射到基材前后表面发生折射后的光线与垂直方向的交点坐标。(x4i-1，y4i-1)是光源发出的角度为θ1i的光线经过前曲面S1折射后入射到基材前后表面发生折射后的光线与垂直方向的交点坐标。α1i是光源发出的角度为θ1i的光线与前曲面S1的交点的法线方向与水平方向的夹角。α2i是光源发出的角度为θ1i的光线与后曲面S2的交点的法线方向与水平方向的夹角。β1i是光源发出的角度为θ1i的光线入射到基材前后表面的入射角。β2i是光源发出的角度为θ1i的光线入射到基材前后表面的入射角。θ2i是光源发出的角度为θ1i的光线经过双自由曲面后出射光线与水平方向的夹角。
获得：(x11，y11)和(x21，y21)、(x12，y12)和(x22，y22)、(x13，y13)和(x23，y23)、……、(x1max，y1max)和(x2max，y2max)。
e)将(x11，y11)、(x12，y12)、(x13，y13)、……、(x1max，y1max)连起来，即获得曲面S1。所述曲面S1为虚拟透镜的前曲面。
将(x21，y21)、(x22，y22)、(x23，y23)、……、(x2max，y2max)连起来，即获得曲面S2。所述曲面S2为虚拟透镜的后曲面。
f)虚拟透镜的前曲面、虚拟透镜的后曲面即为虚拟透镜的自由曲面参数。
步骤1.2.2：
a)确定光源所在位置(x0,y0)、曲面S3与水平轴交点位置(x30,y30)及基材厚度d。
b)确定光源进入虚拟透镜的最大角度θmax。
c)在[0,θmax]范围内，以△θ为分割单位，获得一系列θ1i，其中θ1(i+1)＝θ1i+△θ，i＝1～Imax，Imax＝θmax/△θ的整数部分。
d)将i＝1、2、3、……、Imax依次带入下列函数组：
上式中，(x1i，y1i)是光源发出的角度为θ1i的光线与基材前表面的交点坐标。(x2i，y2i)是光源发出的角度为θ1i的光线与基材后表面的交点坐标。(x3i，y3i)是光源发出的角度为θ1i的光线与曲面S3的交点坐标。(x3i-1，y3i-1)是光源发出的角度为θ1i--1的光线与曲面S3的交点坐标。θ2i是光源发出的角度为θ1i的光线经过基材前表面折射后出射光线与水平方向的夹角。θ3i是光源发出的角度为θ1i的光线经过基材后表面折射后出射光线水平方向的夹角。αi是光源发出的角度为θ1i的光线经过基材和曲面S3后出射光线与水平方向的夹角。
获得：(x31，y31)、(x32，y32)、(x33，y33)、……、(x3max，y3max)。
e)将(x31，y31)、(x32，y32)、(x33，y33)、……、(x3max，y3max)连起来，即获得曲面S3。
f)虚拟透镜的曲面即为虚拟透镜的自由曲面参数。
采用本发明所述的光学元件的薄膜化方法获得的产物，该产物不含基材的厚度在10-100um之间，等效的虚拟自由曲面透镜厚度在5mm-15mm之间。该光学膜能够将光源发出的光学进行准直，获得平行光，将采用该元件的光学系统的厚度降低1至2个数量级。
采用本发明所述的光学元件的薄膜化方法的制备方法，具体步骤为：
步骤a：由虚拟透镜的自由曲面参数，获得薄型透镜的自由曲面参数。
步骤b：根据步骤a获得的薄型透镜的曲面参数制备母模。
步骤c：由步骤b获得的母模进行工业化量产。
更进一步说，在步骤b中，制备母模的方法如下：
步骤b1：选取一件基底材料。在基底材料上旋涂厚度为H的光学胶，H大于10um。
步骤b2：采用光刻直写工艺在光刻胶表面形成薄型化后的自由曲面透镜形貌。
步骤b3：通过显影和热烘后将形貌固化。
步骤b4：将固化后的光学胶表面进行电镀，形成金属母模。
优选的方案是，本发明所述的制备方法，具体按如下步骤进行：
步骤a：获取虚拟透镜的自由曲面参数。即设计自由曲面透镜的原始形貌：若光学膜的前表面和后表面都具有自由曲面形貌，则进入步骤a1.1。若只有光学膜的后表面具有自由曲面形貌，则进入步骤a1.2。
a1.1对于前表面和后表面都具有自由曲面形貌的实现步骤：
步骤S11：确定光源所在位置(x0,y0)、前曲面S1与水平轴交点位置(x10,y10)、后曲面S2与水平轴交点位置(x20,y20)及基材厚度d。
步骤S12：根据LED光源出射光线的视角曲线的半亮度角确定光源进入透镜的最大角度，记为θmax；
步骤S13：在[0,θmax]范围内，以0°为起点，每隔△θ进行分割，获得一系列θ1i，其中θ1(i+1)＝θ1i+△θ，i＝1～Imax，Imax＝θmax/△θ的整数部分。
步骤S14：当i＝1时,光源出射光线的角度θ＝θ11＝0°时，带入如下公式求解得到(x11，y11)和(x21，y21)：
上式中，(x1i，y1i)和(x1i-1，y1i-1)分别是光源发出的角度为θ1i和θ1i-1的光线与前曲面S1的交点坐标。(x2i，y2i)和(x2i-1，y2i-1)是光源发出的角度为θ1i和θ1i-1的光线与后曲面S2的交点坐标。(x3i，y3i)和(x4i-1，y4i-1)分别是光源发出的角度为θ11i的光线经过前曲面S1折射后入射到基材前后表面发生折射后的光线与垂直方向的交点坐标。α1i和α2i分别是光源发出的角度为θ1i的光线与前曲面S1和后曲面S2的交点的法线方向与水平方向的夹角。β1i和β2i分别是光源发出的角度为θ1i的光线入射到基材前后表面的入射角。θ2i是光源发出的角度为θ1i的光线经过双自由曲面后出射光线与水平方向的夹角。。
步骤S15：当i＝2时,光源出射光线的角度θ＝θ12＝△θ°时，带入步骤S14中的公式求解得到(x12，y12)和(x22，y22)。如此循环，直到i＝Imax，由此求解得到前表面S1和后表面S2上的所有点。这一系列坐标点连线即为曲面S1和S2。随后进入步骤a2。
a1.2对于只有后表面S3具有自由曲面形貌的实现步骤：
步骤S21：确定光源所在位置(x0,y0)、曲面S3与水平轴交点位置(x30,y30)及基材厚度d。
步骤S22：根据LED光源出射光线的视角曲线的半亮度角确定光源进入透镜的最大角度，记为θmax；
步骤S23：在[0,θmax]范围内，以0°为起点，每隔△θ进行分割，获得一系列θ1i，其中θ1(i+1)＝θ1i+△θ，i＝1～Imax，Imax＝θmax/△θ的整数部分。
步骤S24：当i＝1时,光源出射光线的角度θ＝θ11＝0°时，带入如下公式求解得到(x31，y31)：
上式中，(x1i，y1i)、(x2i，y2i)和(x3i，y3i)分别是光源发出的角度为θ1i的光线与基材前后表面、曲面S3的交点坐标。(x3i-1，y3i-1)是光源发出的角度为θ1i--1的光线与曲面S3的交点坐标。θ2i和θ3i分别是光源发出的角度为θ1i的光线经过基材前后表面折射后出射光线水平方向的夹角。αi是光源发出的角度为θ1i的光线经过基材和曲面S3后出射光线与水平方向的夹角。
步骤S25：当i＝2时,光源出射光线的角度θ＝θ12＝△θ°时，带入步骤S24中的公式求解得到(x32，y32)。如此循环，直到i＝Imax，由此求解得到后表面S3上的所有点。这一系列坐标点连线即为曲面S3。随后进入步骤a2。
步骤a2：获得薄型透镜的自由曲面参数，即对步骤1的结果进行薄型化处理。
步骤S31：将自由曲面透镜厚度分为N份，每份厚度△T＝T/N，T为自由曲面透镜厚度，在5mm-15mm之间，N在50-1500之间，△T大于20um。
步骤S32：根据如下公式对透镜进行薄型化处理，得到N段具有相同厚度的曲线；
以上函数组中，(x，y)为自由曲面透镜上点的坐标，(x′，y′)为透镜薄型化处理后薄型透镜上对应点的坐标。
步骤S33：将每条曲线的最后一个点和下一条曲线的第一个点连接起来，就得到薄型化后的透镜形貌。
步骤b：制备母模的步骤。
在基底材料上旋涂厚度为H的光学胶，H大于10um，采用光刻直写工艺在光刻胶表面形成薄型化后的自由曲面透镜形貌，通过显影和热烘后将形貌固化。
将固化后的光学胶表面进行电镀，形成金属母模。
步骤c：通过翻印进行大规模生产。
有益的技术效果
本发明专利则是首先根据光源的辐射特性设计自由曲面透镜，该自由曲面透镜可以将入射光线进行准直，获得平行光线。然后将设计得到的准直透镜薄型化，再利用现有直写光刻工艺制备准直光学膜的母模。基于理论设计优化得到的准直透镜能够对入射光线进行很好地准直，透镜薄型化后则大大降低了使用该光学膜的显示系统的厚度，极大程度地降低了开发成本和周期，具有良好的市场前景。
此外，本发明不受光谱的限制念，无需根据波段进行设计，实用范围宽、推广价值高。
附图说明
图1是光学膜两个表面都具有自由曲面透镜的设计原理图。
图2是光学膜只有一个表面具有自由曲面透镜的设计原理图。
图3是第一实施实例设计的双自由曲面透镜——虚拟透镜。
图4是第一实施实例设计的薄型化后的双自由曲面透镜。
图5是第二实施实例设计的单自由曲面透镜——虚拟透镜。
图6是第二实施实例设计的薄型化后的单自由曲面透镜。
具体实施方式
现结合附图详细说明本发明的结构特点。
实施实例1
实施实例1涉及一种两个表面都具有自由曲面透镜的光学膜，具体请参照图1和图3。按如下步骤进行：
1)设定光源所在位置为(0.00,0.00)、前曲面S1与水平轴交点位置(3.00,0.00)、后曲面S2与水平轴交点位置(10.50,0.00)及基材厚度d＝0.188mm。
2)设定光源进入虚拟透镜的最大角度θmax＝60°。
3)在[0,60]范围内，以0.05°为分割单位，获得一系列θ1i，其中θ1(i+1)＝θ1i+0.05，i＝1～1200。
4)将i＝1、2、3、……、1200依次带入下列函数组：
在上述函数组中，(x1i，y1i)是光源发出的角度为θ1i和θ1i-1的光线与前曲面S1的交点坐标。(x1i-1，y1i-1)是光源发出的角度为和θ1i-1的光线与前曲面S1的交点坐标。(x2i，y2i)是光源发出的角度为θ1i的光线与后曲面S2的交点坐标。(x2i-1，y2i-1)是光源发出的角度为θ1i-1的光线与后曲面S2的交点坐标。(x3i，y3i)是光源发出的角度为θ11i的光线经过前曲面S1折射后入射到基材前后表面发生折射后的光线与垂直方向的交点坐标。(x4i-1，y4i-1)是光源发出的角度为θ1i的光线经过前曲面S1折射后入射到基材前后表面发生折射后的光线与垂直方向的交点坐标。α1i是光源发出的角度为θ1i的光线与前曲面S1的交点的法线方向与水平方向的夹角。α2i是光源发出的角度为θ1i的光线与后曲面S2的交点的法线方向与水平方向的夹角。β1i是光源发出的角度为θ1i的光线入射到基材前后表面的入射角。β2i是光源发出的角度为θ1i的光线入射到基材前后表面的入射角。θ2i是光源发出的角度为θ1i的光线经过双自由曲面后出射光线与水平方向的夹角。
获得：(x11，y11)和(x21，y21)、(x12，y12)和(x22，y22)、(x13，y13)和(x23，y23)、……、(x1max，y1max)和(x2max，y2max)。
5)将(x11，y11)、(x12，y12)、(x13，y13)、……、(x1max，y1max)连起来，得到图3中S2曲面。
将(x21，y21)、(x22，y22)、(x23，y23)、……、(x2max，y2max)连起来，得到图3中S1曲面。
6)将S1曲面和S2曲面构成实体，既得到图3所示的双自由曲面透镜。
7)将自由曲面透镜厚度分为200份，每份厚度△T＝7.5/200＝37.5um。
8)：根据如下公式对透镜进行薄型化处理，得到200段具有相同厚度的曲线；
9)：将每条曲线的最后一个点和下一条曲线的第一个点连接起来，就得到薄型化后的透镜形貌，如图4所示。
10)在基底材料上旋涂厚度为40um的光学胶，采用光刻直写工艺在光刻胶表面形成薄型化后的自由曲面透镜形貌，通过显影和热烘后将形貌固化。
11)将固化后的光学胶表面进行电镀，形成金属母模。
12)通过翻印进行大规模生产。
实施实例2
实施实例2涉及一种单个表面具有自由曲面透镜的光学膜，具体请参照图2和图5。按如下步骤进行：
1)：确定光源所在位置(0.00,0.00)、曲面S3与水平轴交点位置(8.50,0.00)及基材厚度d＝0.188mm。
2)：设定光源进入虚拟透镜的最大角度θmax＝60°。；
3)：在[0,60°]范围内，以0°为起点，每隔0.02°进行分割，获得一系列θ1i，其中θ1(i+1)＝θ1i+3000，i＝1～3000。
4)当i＝1时,光源出射光线的角度θ＝θ11＝0°时，带入如下公式求解得到(x31，y31)：
上式中，(x1i，y1i)、(x2i，y2i)和(x3i，y3i)分别是光源发出的角度为θ1i的光线与基材前后表面、曲面S3的交点坐标。(x3i-1，y3i-1)是光源发出的角度为θ1i--1的光线与曲面S3的交点坐标。θ2i和θ3i分别是光源发出的角度为θ1i的光线经过基材前后表面折射后出射光线水平方向的夹角。αi是光源发出的角度为θ1i的光线经过基材和曲面S3后出射光线与水平方向的夹角。
5)：当i＝2时,光源出射光线的角度θ＝θ12＝0.02°时，带入上面公式中求解得到(x32，y32)。如此循环，直到i＝3000，由此求解得到后表面S3上的所有点。这一系列坐标点连线即为图2中曲面S3。
6)：将自由曲面透镜厚度分为400份，每份厚度△T＝8/400＝20um。
7)：根据如下公式对透镜进行薄型化处理，得到400段具有相同厚度的曲线；
8)：将每条曲线的最后一个点和下一条曲线的第一个点连接起来，就得到薄型化后的透镜形貌，如图5所示。
9)：在基底材料上旋涂厚度为30um的光刻胶，采用光刻直写工艺在光刻胶表面形成薄型化后的自由曲面透镜形貌，通过显影和热烘后将形貌固化。
10)将固化后的光学胶表面进行电镀，形成金属母模。
11)通过翻印进行大规模生产。

Claims (5)

1.一种光学元件的薄膜化方法，其特征在于，按如下步骤进行：
步骤1：构建虚拟透镜，获取虚拟透镜的自由曲面参数；
步骤2：对由步骤1获得的虚拟透镜的自由曲面参数进行薄膜转化处理，获得薄型透镜的自由曲面参数；由薄型透镜的自由曲面参数确定光学膜，即实现光学元件的薄膜化；
在步骤2中，获得薄型透镜的自由曲面参数的方法如下：
步骤2.1：将虚拟透镜沿厚度方向分成N份；N不小于20；
步骤2.2：将N份虚拟透镜分割为N段曲线；
步骤2.3：将N段曲线首尾连接在一起，获得薄型透镜的自由曲面参数；
在步骤2中，将虚拟透镜的自由曲面参数转化为薄型透镜的自由曲面参数的具体方法为：
步骤2.1：将虚拟透镜厚度分为N份，每份厚度△T＝T/N，T为虚拟透镜厚度，T的取值在5mm-15mm之间，N的取值在50-1500之间；
步骤2.2：根据如下函数组对透镜进行薄型化处理，得到N段具有相同厚度的曲线；
以上函数组中，(x，y)为虚拟透镜上点的坐标，(x′，y′)为透镜薄型化处理后薄型透镜上对应点的坐标；
步骤2.3：将由步骤2.2确定的曲线首尾段依次连接在一起，得到一条新构建的曲线，即得到薄型化后的透镜形貌。
2.根据权利要求1所述的光学元件的薄膜化方法，其特征在于，在步骤1中，获取虚拟透镜的自由曲面参数的方法为：
步骤1.1：确定虚拟透镜是单自由曲面结构还是双自由曲面结构的；
步骤1.2：根据斯奈尔公式，计算出虚拟透镜的形状，即获得虚拟透镜的自由曲面参数。
3.根据权利要求2所述的光学元件的薄膜化方法，其特征在于，由虚拟透镜的自由曲面参数拟合出的虚拟透镜的厚度在5mm-15mm之间，由薄型透镜的自由曲面参数确定的薄型透镜的厚度在10-100um之间。
4.采用权利要求1、2或3所述的光学元件的薄膜化方法获得的产物，其特征在于，该产物的厚度在10-100um之间，而等效的虚拟自由曲面透镜厚度在5mm-15mm之间；该光学膜能够将光源发出的光进行准直，获得平行光，将采用该元件的光学系统的厚度降低1至2个数量级。
5.采用权利要求1、2或3所述的光学元件的薄膜化方法的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：
步骤a：由虚拟透镜的自由曲面参数，获得薄型透镜的自由曲面参数；
步骤b：根据步骤a获得的薄型透镜的自由曲面参数制备母模；
步骤c：由步骤b获得的母模进行工业化量产。
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