CN116068685A - 一种匀光膜、一种扩散匀光膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种匀光膜，尤其涉及一种减弱LED灯影、提高均匀性的匀光膜及其制备方法。为了改善高亮度、大间距、短混光距离下的LED灯影问题，提高发光均匀性，本发明提供一种匀光膜及其制备方法。所述匀光膜包括分光层、基体层和扩光层，扩光层位于基体层上表面，分光层位于基体层下表面，分光层表面光洁度高，光线的异常偏转少，扩光层为有粒子扩散层，雾度为60～98％。该匀光膜能将集中在点光源波束中心一定范围内的能量合理分配到其他方向，并使得投射屏上中心亮点的能量降低、整体发光面积扩大，从而提高能量分布的均匀性。

Description

一种匀光膜、一种扩散匀光膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种光学膜，尤其涉及一种减弱LED灯影、提高均匀性的匀光膜、一种扩散匀光膜及其制备方法。
背景技术
发光二级管(LED)是光电显示领域里最常用的光源，如何将这一点光源高效、均匀地转化为我们想要的线光源甚至面光源，一直是值得不断研究的内容。
在传统的液晶显示领域(LCD)，液晶面板的显示需要背光模组为其提供光源，特别是直下式背光模组，LED阵列从灯板垂直向上发出一定波束角的光线，通过扩散板及各类传统光学薄膜(如扩散膜、增亮膜等)将点光源转化成均匀的面光源。
由于LED发出的光线绝大部分集中在波束中心及离中心偏离较小范围的波束角内，这一部分高度集中的光线会产生较高的光强(余弦发光体的峰值光强在波束中心，其他角度光强逐渐衰减，与峰值光强的比值等于该角度的余弦值)，投射到面板时灯所在位置正上方会形成小而明亮的光斑——亮点(Hotspot)，亮点中心和两个亮点中间的能量(照度)分布落差较大，从而产生灯影或称发光不匀的问题。
特别是一些新的显示技术应用场景中，当LED单灯亮度较高，灯的间距较大，或是混光距离较短时，能量分布的落差进一步加大，灯影现象会愈发明显。例如，MiniLED机种为了追求视效的极限，不仅将单灯亮度设计很高，从而提高对比度和峰值亮度，而且为了减少暗场的光晕现象又将混光距离(OD)设计得很短，以减少像素之间的串扰，解灯影难度较高；又如，大尺寸普通直下式机种为了减薄，需要将OD缩短，又或是为了减灯降耗，需要扩大了灯间距，解灯影难度同样很高。
如何在较短的混光距离下，将集中在点光源波束中心一定范围内的能量合理分配到其他方向，并使得投射屏(LCD中指面板位置)上中心亮点的能量降低、整体发光面积扩大，从而提高能量分布的均匀性(降低标准差)，是解决灯影的问题关键。
而传统扩散板和扩散膜，由于其自身光学原理，仅利用了粒子折射、散射、反射(不论是空气泡、有机粒子、无机粒子或是无粒子压印)起到光线的无序扩散作用(无方向性)，发光面积扩大十分有限，且其能量仍集中在中心位置，因而无法满足上述应用场景的光线匀化效果(如图1a、1b所示)。
因此，需要开发一种具有定向调整光线方向，将中心集中的光线进行有效分离(分光作用)，并能扩大发光面积(扩光作用)的匀光膜(如图1a、1c所示)。
发明内容
为了改善高亮度短OD的点光源阵列的灯影问题，本发明提供一种匀光膜、一种扩散匀光膜及其制备方法。
本发明提供的匀光膜能将集中在点光源波束中心一定范围内的能量合理分配到其他方向，并使得投射屏上中心亮点的能量降低、整体发光面积扩大，从而提高能量分布的均匀性。本发明提供的匀光膜能使射出的光线更均匀，亮度更均匀，能改善高亮度短OD的点光源阵列的灯影问题。本发明提供的匀光膜也能改善长OD的点光源阵列的灯影问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：
本发明提供一种匀光膜，所述匀光膜包含分光层和基体层。
本发明提供一种匀光膜，所述匀光膜包含分光层、基体层(简称基体)和扩光层，所述扩光层位于基体层上表面，所述分光层位于基体层下表面。
所述分光层表面的线粗糙度Ra<250nm。所述分光层表面光洁度高。
所述匀光膜能将集中在点光源波束中心波束角30度内的能量合理分配到其他方向，并使得投射屏上中心亮点的能量降低、整体发光面积扩大，从而将能量分布的均匀性提高至少30％。
进一步的，当光源在波束角30度以内的光线部分通过匀光膜时，投射屏上可观察到单颗亮点转化成多颗亮点或多颗亮点的叠加，且亮点尺寸变小强度变弱，能量分布的均匀性采用投射屏上照度分布的标准差来衡量，照度分布的标准差可提高至少30％。
所述分光层由N种方向的长肋叠加而成，N为拓扑系数，所述长肋在基体的下表面平铺，长肋朝两端无限延伸，相同方向的长肋紧密排列，N种方向将360度方位角等分，即相邻方向之间的角度间隔均为180/N度，N选自1、2或3。
所述分光层中的长肋的横截面相同，均为等腰三角形，左腰与右腰为两端有限截取的直线、外凸弧线或内凹弧线的一种，底边为直线，底边W1为10～100μm，顶角θ(由两条腰的延长线或切线构成)为60～120°；外凸弧线或内凹弧线(简称为凹凸弧线)的弯曲程度采用圆心角表示，圆心角α为1～30°。
所述分光层为标准面分光层、凸弧面分光层和凹弧面分光层中的一种，其对应的长肋横截面等腰三角形左右腰分别为两端有限截取的直线、外凸弧线(简称凸弧线)和内凹弧线(简称凹弧线)。
所述基体层为透明聚合物，材质选自聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、三醋酸纤维素(TAC)、环烯烃聚合物(COP)中的一种。
所述基体层厚度M为25～500μm。
所述匀光膜为平面匀光膜、棱镜匀光膜、柱镜匀光膜、棱锥匀光膜或微透镜匀光膜中的一种。
所述匀光膜为平面匀光膜，所述平面匀光膜包含分光层和基体层。所述分光层为标准面分光层、凸弧面分光层和凹弧面分光层中的一种。长肋的横截面的等腰三角形的腰为直线的分光层称为标准面分光层，腰为外凸弧线的分光层称为凸弧面分光层，腰为内凹弧线的分光层称为凹弧面分光层。
所述匀光膜为棱镜匀光膜，所述棱镜匀光膜包含分光层、基体层和扩光层。所述分光层为标准面分光层、凸弧面分光层和凹弧面分光层中的一种。所述扩光层为棱镜层，由三棱镜肋平铺而成，所述三棱镜肋的横截面为等腰三角形，三角形的底边V为10～100μm，顶角β为60～120°。进一步的，顶角β为75～105°；
所述匀光膜为柱镜匀光膜，所述柱镜匀光膜包含分光层、基体层和扩光层。所述分光层为标准面分光层、凸弧面分光层和凹弧面分光层中的一种。所述扩光层为柱镜层，由柱状透镜平铺而成，所述柱状透镜的横截面为圆弧，圆弧的宽度(弦长)F为20～1000μm，圆弧的高度为K，高宽比K/F为0.05～0.5。
所述匀光膜为棱锥匀光膜，所述棱锥匀光膜包含分光层、基体层和扩光层。所述分光层为标准面分光层、凸弧面分光层和凹弧面分光层中的一种。所述扩光层为棱锥层，由四棱锥平铺而成，四棱锥的顶点形成正方形排列，所述棱锥的高度T为10～50μm，侧面与高的夹角为γ为30～60°
所述匀光膜为微透镜匀光膜，所述微透镜匀光膜包含分光层、基体层和扩光层。所述分光层为标准面分光层、凸弧面分光层和凹弧面分光层中的一种。所述扩光层为微透镜层，在所述微透镜层中，相邻的三个微透镜的主光轴的坐标相连形成正三角形阵列，所述微透镜阵列中的微透镜紧密排列。微透镜的宽度为G为10～100μm，微透镜的高度为H，高宽比H/G为0.05～0.5，相邻微透镜的主光轴的间距D与G相等。
所述分光层和扩光层的由透明聚合物树脂制成。
所述透明聚合物树脂的材质选自AR(Acrylic resin，丙烯酸树脂或改性丙烯酸树脂)、PMMA或PC中的一种。AR优选为光固化制程，PMMA、PC优选为热压成型制程。
所述分光层的透明聚合物树脂选自AR、PC或PMMA中的一种，折射率n1选自1.4～1.65。
当扩光层为棱镜层、柱镜层、棱锥层、微透镜层时，所述透明聚合物树脂选自AR、PC或PMMA中的一种，折射率n2选自1.4～1.65。
本发明提供一种匀光膜，包含基体层20和分光层21，扩光层22不存在，如图10所示，所述匀光膜为平面匀光膜。所述基体层20的厚度M为25-500μm，例如25μm，75μm，100μm，125μm，250μm，500μm，所述基体层的材质选自PET、PMMA或PC中的一种，所述分光层由透明聚合物树脂构成，材质为光固化的丙烯酸树脂(AR)、PMMA或PC中的一种，折射率n1为1.4-1.65，例如1.4、1.5，1.58、1.65。分光层为单轴标准面设计：由N种方向的长肋叠加而成，所述长肋在基体层的下表面平铺，长肋朝两端无限延伸，相同方向的长肋紧密排列，拓扑系数N为1，即单轴分光(如图6所示)；分光层选自标准面分光层，其对应的长肋横截面等腰三角形左右腰分别为两端有限截取的直线，即长肋的横截面为等腰三角形，顶角θ为60°-120°，例如60°、75°、80°、90°、105°、120°。当分光层为凸弧面分光层或凹弧面分光层，其对应的长肋横截面等腰三角形左右腰分别为两端有限截取的外凸弧线(简称凸弧线)和内凹弧线(简称凹弧线)，顶角θ为60°-120°，例如60°、80°、87°、90°、100°、120°，圆心角α为1-30°，例如1°、3°、10°、30°。该匀光膜的匀光性能较好，均匀性提升幅度U＝30-120％。前述技术方案包括实施例1-31。
本发明提供一种匀光膜，包含基体层20、分光层21和扩光层22，如图11所示，所述匀光膜为棱镜匀光膜。所述基体层20的厚度M为25-500μm，例如25μm，75μm，250μm，500μm，所述基体层的材质选自PET、PMMA或PC中的一种，所述分光层由透明聚合物树脂构成，材质为光固化的丙烯酸树脂(AR)，折射率n1为1.5，所述扩光层由透明聚合物树脂构成，材质为光固化的丙烯酸树脂(AR)，折射率n2为1.4-1.65，例如1.4、1.5、1.65。分光层为双轴标准面设计：由N种方向的长肋叠加而成，所述长肋在基体层的下表面平铺，长肋朝两端无限延伸，相同方向的长肋紧密排列，拓扑系数N选自2，即双轴分光(如图7所示)；分光层选自标准面分光层，其对应的长肋横截面等腰三角形左右腰分别为两端有限截取的直线，即长肋的横截面为直边三角形，顶角θ为90°。扩光层为棱镜层221，由三棱镜肋平铺而成，三棱镜肋的横截面为等腰三角形，三角形的底边V为10-100μm，例如10μm，25μm，50μm，75μm，100μm，顶角β为60°-120°，例如60°、75°、90°、105°、120°；该匀光膜的匀光性能良好，均匀性提升幅度U＝91-302％。前述技术方案包括实施例37-48。
本发明提供一种匀光膜，包含基体层20、分光层21和扩光层22，如图12所示，所述匀光膜为柱镜匀光膜。所述基体层20的厚度M为25-500μm，例如25μm，75μm，125μm，250μm，500μm，所述基体层的材质选自PET、PMMA或PC中的一种，所述分光层由透明聚合物树脂构成，材质为光固化的丙烯酸树脂(AR)，折射率n1为1.5，所述扩光层由透明聚合物树脂构成，材质为光固化的丙烯酸树脂(AR)，折射率n2为1.4-1.65，例如1.4、1.5、1.65。分光层为双轴标准面设计：由N种方向的长肋叠加而成，所述长肋在基体层的下表面平铺，长肋朝两端无限延伸，相同方向的长肋紧密排列，拓扑系数N选自2，即双轴分光；分光层选自标准面分光层，其对应的长肋横截面等腰三角形左右腰分别为两端有限截取的直线，即长肋的横截面为直边三角形，顶角θ为90°。扩光层为柱状透镜层222，由柱状透镜肋平铺而成，柱状透镜的横截面为圆弧，圆弧的宽度(弦长)F为20-1000μm，例如20μm，50μm，100μm，250μm，500μm，1000μm，圆弧的高度为K，高宽比K/F为0.05-0.5，例如0.05、0.1、0.3、0.5。该匀光膜的匀光性能良好，均匀性提升幅度U＝97-125％。前述技术方案包括实施例49-60。
本发明提供一种匀光膜，包含基体层20、分光层21和扩光层22，如图12所示，所述匀光膜为棱锥匀光膜。所述基体层20的厚度M为25-500μm，例如25μm、75μm、250μm、500μm，所述基体层的材质选自PET、PMMA或PC中的一种，所述分光层由透明聚合物树脂构成，材质为光固化的丙烯酸树脂(AR)，折射率n1为1.5，所述扩光层由透明聚合物树脂构成，材质为光固化的丙烯酸树脂(AR)，折射率n2为1.4-1.65，例如1.4、1.5、1.65。分光层为双轴标准面设计：由N种方向的长肋叠加而成，所述长肋在基体层的下表面平铺，长肋朝两端无限延伸，相同方向的长肋紧密排列，拓扑系数N选自2，即双轴分光；分光层选自标准面分光层，其对应的长肋横截面等腰三角形左右腰分别为两端有限截取的直线，即长肋的横截面为直边三角形，顶角θ为90°。扩光层为四棱锥层224，由四棱锥平铺而成，四棱锥的顶点形成正方形排列，所述棱锥的高度T为10-50μm，例如10μm、20μm、30μm、40μm、50μm，侧面与高的夹角为γ为30°-60°，例如30°、45°、60°。该匀光膜的匀光性能较好，均匀性提升幅度U＝41-270％。前述技术方案包括实施例61-70。
本发明提供一种匀光膜，包含基体层20、分光层21和扩光层22，如图13所示，所述匀光膜为微透镜匀光膜。所述基体层20的厚度M为25-500μm，例如25μm、75μm、250μm、500μm，所述基体层的材质选自PET、PMMA或PC中的一种，所述分光层由透明聚合物树脂构成，材质为光固化的丙烯酸树脂(AR)，折射率n1为1.5，所述扩光层由透明聚合物树脂构成，材质为光固化的丙烯酸树脂(AR)，折射率n2为1.4-1.65，例如1.4、1.5、1.65。分光层为双轴标准面设计：由N种方向的长肋叠加而成，所述长肋在基体层的下表面平铺，长肋朝两端无限延伸，相同方向的长肋紧密排列，拓扑系数N选自2，即双轴分光；分光层选自标准面分光层，其对应的长肋横截面等腰三角形左右腰分别为两端有限截取的直线，即长肋的横截面为直边三角形，顶角θ为90°。扩光层为微透镜层225，相邻的三个微透镜的主光轴的坐标相连形成正三角形阵列，微透镜阵列中的微透镜紧密排列。微透镜的宽度G为10-100μm，例如10μm、25μm、50μm、75μm、100μm，微透镜的高度为H，高宽比H/G为0.05-0.5，例如0.05、0.1、0.3、0.5，相邻微透镜的主光轴的间距D与G相等。该匀光膜的匀光性能良好，均匀性提升幅度U＝97-114％。前述技术方案包括实施例71-80。
本发明提供一种匀光膜的制备方法，其特征在于，在基体层背面采用微复制或热压成型制程，利用透明聚合物树脂制备出多种分光层，在基体层正面采用光固化微复制或热压成型制程，将透明聚合物树脂配方制备出多种扩光层。
进一步的，所述匀光膜的制备方法包括下述步骤：
(1)将基体层作为支撑层，在背面制备分光层，得到仅含有分光层和基体层的平面匀光膜；
进一步的，所述匀光膜的制备方法包括下述步骤：
(1)制备分光层的模具1；
(2)将基体层作为支撑层，利用模具1在背面微复制或热压成型出分光层，得到仅含有分光层和基体层的匀光膜(即平面匀光膜，也可以作为具有其他扩光层结构的匀光膜半成品)；
进一步的，所述匀光膜的制备方法包括下述步骤：
(1)将基体层作为支撑层，在背面制备分光层,得到含有分光层的半成品；
(2)将步骤(1)制得的半成品正面制备扩光层,得到同时含有分光层和扩光层的匀光膜；
进一步的，所述匀光膜的制备方法包括下述步骤：
(1)制备分光层的模具1(凹长肋叠加纹理)，一般由抛光金属辊或金属板通过钻石精雕制程加工而得，其中钻石雕刻刀的形状与长肋横截面相同；
(2)利用模具1在基体层背面微复制或热压成型出分光层(凸长肋叠加纹理)，得到含有分光层的半成品；
(3)制备扩光层的模具2(扩光层互补结构)，一般由抛光金属辊或金属板通过微珠喷砂、钻石精雕等制程加工而得；
(4)利用模具2在基体层正面微复制或热压成型出扩光层，得到同时含有分光层和扩光层的匀光膜；
进一步的，所述匀光膜的制备方法包括下述步骤：
(1)制备分光层的模具1(凹长肋叠加纹理)，一般由抛光金属辊或金属板通过钻石精雕制程加工而得，其中钻石雕刻刀的形状与长肋横截面相同；
(2)利用模具1在基体层背面微复制或热压成型出分光层(凸长肋叠加纹理)，得到含有分光层的半成品；
(3)制备扩光层的模具2(扩光层同结构)，一般由抛光金属辊或金属板通过微珠喷砂、钻石精雕等制程加工而得；
(4)制备扩光层的模具3(扩光层互补结构)，可以由模具2压印(通过高硬度金属挤压低硬度金属)得到金属模具，或利用扩光层同结构的光学膜作为模板电铸出互补结构的金属模具，或通过模具2压印得到互补结构的光学膜并将其直接作为软模；
(5)利用模具3在基体层正面微复制或热压成型出扩光层，得到同时含有分光层和扩光层的匀光膜；
应当注意，分光层和扩光层的加工方式应根据结构种类和材质种类进行选择，本发明不做优选；
应当注意，本发明提供的匀光膜制备方法，适用于片材的生产，也适用于卷材的生产。
该匀光膜可以作为光学功能材料用于直下式LED阵列的背光系统中。特别适用于Mini LED背光源中，用于改善高亮度短OD的点光源阵列的灯影问题。OD表示点光源到背光架构中与点光源最近的那张光学膜片的距离。短OD可以指OD小于1mm，甚至为零。
与现有技术相比，本发明提供的匀光膜能将集中在点光源波束中心，特别是波束角30度内的能量合理分配到其他方向，并使得投射屏上中心亮点的能量降低、整体发光面积扩大，从而将能量分布的均匀性提高至少30％。
我们发现，当分光层和扩光层均为规整排布的结构时，这两层结构之间会产生干涉条纹，影响匀光膜的外观和组装效果的判断。可以试图将分光层或扩光层修改为非规整结构来解决这个问题。
进一步的，可以将扩光层改为非规整结构，或可能牺牲一定的扩光性能，但不影响分光层的分光性能。
进一步的，所述非规整结构可以为有粒子扩散层。
本发明提供一种扩散匀光膜，所述扩散匀光膜包括分光层、基体层和扩光层，扩光层位于基体层上表面，分光层位于基体层下表面，所述扩光层为有粒子扩散层。
进一步的，所述扩光层为非规整结构。
进一步的，所述扩光层为有粒子扩散层，雾度为60～98％。
进一步的，有粒子扩散层为非规整结构。
分光层表面光洁度高，光线的异常偏转少。
所述分光层为标准面分光层、凸弧面分光层和凹弧面分光层中的一种。
进一步的，有粒子扩散层由透明聚合物树脂和透明聚合物粒子构成；透明聚合物粒子的粒径为1～20μm。
进一步的，所述透明聚合物树脂选自PU，折射率n2选自1.47～1.51。所述透明聚合物粒子选自PMMA、PBMA(聚甲基丙烯酸丁酯)、PS(聚苯乙烯)、PU(聚氨酯)、尼龙和有机硅中的一种或至少两种的组合。
本发明提供一种匀光膜，包含基体层20、分光层21和扩光层22，如图15所示，所述匀光膜为扩散匀光膜。所述基体层20的厚度M为25-500μm，例如25μm、75μm、250μm、500μm，所述基体层的材质选自选自PET、PMMA或PC中的一种，所述分光层由透明聚合物树脂构成，材质为光固化的丙烯酸树脂(AR)，折射率n1为1.4-1.65，例如1.4、1.5、1.65。分光层由N种方向的长肋叠加而成，所述长肋在基体层的下表面平铺，长肋朝两端无限延伸，相同方向的长肋紧密排列，拓扑系数N选自1、2或3；当分光层选自标准面分光层，其对应的长肋横截面等腰三角形左右腰分别为两端有限截取的直线，即长肋的横截面为直边三角形，顶角θ为60°-120°，例如60°、75°、90°、105°、120°；扩光层为有粒子扩散层226，扩散层的雾度为60-98％，例如60％、80％、90％、98％。有粒子扩散层由透明聚合物树脂和透明聚合物粒子构成，透明聚合物树脂选自PU，折射率n2选自1.5，透明聚合物粒子的材质为PMMA、PBMA(聚甲基丙烯酸丁酯)、PS(聚苯乙烯)、PU(聚氨酯)、尼龙和有机硅中的一种，粒径为1-20μm。该匀光膜的匀光性能良好，均匀性提升幅度U＝55-152％。当分光层为凸弧面分光层或凹弧面分光层，其对应的长肋横截面等腰三角形左右腰分别为两端有限截取的外凸弧线(简称凸弧线)和内凹弧线(简称凹弧线)，顶角θ为60°-120°，例如60°、120°，圆心角α为1-30°，例如1°、30°；该匀光膜的匀光性能良好，均匀性提升幅度U＝92-97％。前述技术方案包括实施例81-110。
本发明提供一种扩散匀光膜的制备方法，在基体层背面采用微复制或热压成型制程，利用透明聚合物树脂制备出多种分光层，在基体层正面采用热固化涂布制程，利用含有粒子的透明聚合物树脂制备出扩光层；其中，扩光层为有粒子扩散层。
进一步的，所述扩散匀光膜的制备方法包括下述步骤：
(1)制备分光层的模具1(凹长肋叠加纹理)，一般由抛光金属辊或金属板通过钻石精雕制程加工而得，其中钻石雕刻刀的形状与长肋横截面相同；
(2)利用模具1在基体层背面微复制或热压成型出分光层(凸长肋叠加纹理)，得到含有分光层的半成品；
(3)在半成品基体层的正面涂布出扩光层(有粒子扩散层)，得到同时含有分光层和扩光层的扩散匀光膜；
该扩散匀光膜可以作为光学功能材料用于直下式LED阵列的背光系统中。特别适用于Mini LED背光源中，用于改善高亮度短OD的点光源阵列的灯影问题。
与现有技术相比，本发明提供的扩散匀光膜能将集中在点光源波束中心，特别是波束角30度内的能量合理分配到其他方向，并使得投射屏上中心亮点的能量降低、整体发光面积扩大，从而将能量分布的均匀性提高至少55％，且外观良好，自身无干涉条纹。
附图说明
图1为扩散膜/匀光膜的典型匀光效果对比(a光源、b光源+扩散膜、c光源+匀光膜)；
图2为匀光膜匀光性能评估架构的示意图；
图3为匀光膜分光效果评估方法(a球坐标系、b朗伯体光源、c朗伯体光源+匀光膜)；
图4为匀光膜的组成及横截面示意图(a基体层+分光层、b基体层+分光层+扩光层)；
图5为分光作用原理(a)及扩光作用原理示意图(b)；
图6为分光层长肋叠加(N＝1)设计原理(a长肋叠加方式b分光结构细节c分光效果d分光效果细节放大)；
图7为分光层长肋叠加(N＝2)设计原理(a长肋叠加方式b分光结构细节c分光效果d分光效果细节放大)；
图8为分光层长肋叠加(N＝3)设计原理(a长肋叠加方式b分光结构细节c分光效果d分光效果细节放大)；
图9为不同形状长肋及其横截面示意图(a三种立体图b横截面凸弧边三角形c横截面直边三角形d横截面凹弧边三角形)；
图10为平面匀光膜立体结构示意图；
图11为棱镜匀光膜立体结构及棱镜肋横截面示意图；
图12为柱镜匀光膜立体结构及柱状透镜横截面示意图；
图13为棱锥匀光膜立体结构及四棱锥结构示意图；
图14为微透镜匀光膜立体结构及微透镜结构示意图；
图15为扩散匀光膜横截面示意图(扩光层为有粒子扩散层)。
其中：
0：LED灯板；1：LED；2：匀光膜；3：吸收屏；
20：基体层；21：分光层；22：扩光层；
40：输入光；411：穿透光；412：回收光；42：输出光；43：二次输入光
50：长肋/短肋的脊；51：长肋/短肋之间的谷；
221：棱镜层；222：柱镜层；224：四棱锥层；225：微透镜层；226：有粒子扩散层。
具体实施方式
为了更易理解本发明的结构及所能达成的功能特征和优点，下文将本发明的较佳的实施例，并配合图式做详细说明如下。
本发明提供一种匀光膜，所述匀光膜的分光层起到分光作用，扩光层起到主要的扩光作用，若无扩光层，则基体层可起到一定的扩光作用。其主要原理如图5所示。
以平面匀光膜为例，由于光源的主要光线集中在法向，图5a展示了以法向输入光40入射到分光层21后发生的分光过程。光线通过分光层的两侧倾斜外表面入射，产生至少两个方向的偏转(根据分光层结构不同数量各异，若四棱锥实际是四个方向)，产生的入射光411在匀光膜内部发生透射，从基体层20上表面出射，再一次进行偏转(光密到光稀疏)，产生进一步分离后的输出光42，这便是分光过程的基本原理。点光源的一束光线经分光层后被分散，若干点光源的光束被分光层分散，分散后的光线相互叠加，使得输出光线更均匀。
以平面匀光膜为例，少量大角度光线倾斜向分光层入射，图5b展示了以45度输入光40入射到分光层21后发生的扩光过程。以右侧光线为例，光线通过分光层的倾斜外表面向右入射，透射传播到基体层上表面，由于角度满足全反射临界角，因此发生全反射，产生回收光412，这一部分光线从分光层穿出，会在底部灯板处发生漫反射，产生向上的二次输入光43。对于这一部分光线再次抵达分光层时，与最初输入光40的位置拉开了相当大的水平距离，或者也可以理解为，这种上下的反复光循环，间接扩大了垂直混光距离，总而言之，这个过程最终让光能可以分配到更大区域，这便是扩光过程的基本原理。
虽然对于单张平面匀光膜而言，主要发生分光作用，扩光作用的比例较少，但多张匀光膜堆叠后，对于上置匀光膜而言，其输入光本就倾斜，便可以增加扩光作用的比例。
一般情况下，为了实际光路符合设计原理，特别是多张叠构搭配时，确保每一层透射光和全反射光的比例，分光层和扩光层的结构表面光洁程度需尽可能高，线粗糙度尽量低，以减少光线的异常偏转。
分光层的结构制备应以精密雕刻模具的压印成型为最佳，其他镭射、光刻等制法均无法保障高精度的表面。分光层的结构设计采用长肋叠加原理，如图6、图7、图8所示，长肋亦可理解为钻石雕刻刀切削留下的凹槽。长肋形状可以不同(如图9a所示)，其横截面可以为如图9b、图9c、图9d所示的三种形态的三角形。
按照下述方式评价本发明提供的匀光膜的性能。
(A)照度分布及相对标准差
如图2所示，把匀光部件2置于LED灯板及LED 0上方，投射屏或称吸收屏3的下方。其中，LED灯板具有反射功能，集成了反射片或反射涂层，单颗LED的发光面积S1＝60μm×60μm，吸收屏的尺寸无限大，吸收屏与LED垂直距离Z＝500μm。采用Light tools等光学仿真方法，分析吸收屏上考察范围S2＝1200μm×1200μm的照度分布并计算相对标准差RSD(Relative Standard Deviation)。
注1：该设置与实际情况等比例缩小到了约1/5的尺度，不影响等效评价；
注2：由于匀光部件的加入会改变光通量及考察范围的辐射接收总量，不同光学部件改变程度不一，因此用相对标准差而不直接用标准差来评价可以消除基数变化带来的影响。(相对标准差＝标准差/均值)
注3：光源设置为余弦发光体，波束角30度。
(B)匀光性能
显然RSD越低，每个位点的照度值与平均值的差异越小，照度分布越均匀。将不包含匀光部件时的RSD0作为基准值100％，加入匀光部件后的RSD1作为测量值，均匀性的提升幅度U＝(RSD0/RSD1-1)×100％，U可作为匀光部件匀光性能的评价指标。
注：在(A)中所述标准架构中，RSD0＝5.47
(C)波束形态
如图3a所示为典型的球坐标系，以球心作为光源发出的原点，以Z轴作为出射的方向，即可用此球坐标系来描述初始光源或是经过匀光部件后的波束形态。如图3b是朗伯体点光源(原始LED灯)的波束形态，图3c是经过平面匀光膜后的波束形态。
注3：由于匀光膜不会仅使用一张，且背光架构中还有一些其他膜片(如量子点膜/荧光膜、普通扩散膜、增亮膜或复合膜)，因此波束形态只作为单张匀光膜分光效果的定性考量，最终背光源的波束形态背光依赖于完整光学膜叠构，设计匀光膜时也不必担心大角度的光线最终无法矫正到法向。
如图4a所示，本发明提供一种匀光膜，所述匀光膜包括基体层20和分光层21，分光层位于基体层20的下表面。
如图4b所示，本发明提供一种匀光膜，所述匀光膜包括基体层20、分光层21和扩光层22，分光层位于基体层20的下表面，扩光层位于基体层20的上表面。
实施例1
本发明提供一种匀光膜，包含基体层20和分光层21，扩光层22不存在，如图10所示，所述匀光膜为平面匀光膜。所述基体层20的厚度M为75μm，所述基体层的材质选自PET，所述分光层由透明聚合物树脂构成，材质为光固化的丙烯酸树脂(AR)，折射率n1为1.5。分光层为单轴标准面设计：由N种方向的长肋叠加而成，所述长肋在基体层的下表面平铺，长肋朝两端无限延伸，相同方向的长肋紧密排列，拓扑系数N选自1，即单轴分光(如图6所示)；分光层选自标准面分光层，其对应的长肋横截面等腰三角形左右腰分别为两端有限截取的直线，即长肋的横截面为直边三角形，顶角θ为90°。该匀光膜的匀光性能较好，均匀性提升幅度U＝46％。
实施例2-36
如实施例1提供的平面匀光膜，所述其他各项参数如表1所列。
表1实施例1～36提供的平面匀光膜的设计参数和匀光性能
Figure BDA0003328499220000121
Figure BDA0003328499220000131
如表1所示，通过对比实施例1～12可知，基体层的厚度以及材质对匀光膜的匀光性能U影响不大，但分光层的材质或折射率对U有影响，对于单轴分光层，折射率越高分光越明显，匀光性能越好，U越大。通过对比实施例13～22可知，横截面三角形顶角θ越大，结构越接近平面，分光越不明显，匀光性能越差，U越小，反之则反。对比实施例1、8、9与31～36可知，对于双轴和三轴分光层设计，同单轴一样，折射率越高则分光越明显，匀光性能越好，U越大，且相同折射率下，三轴优于双轴优于单轴。对比实施例23～30可知，当截面三角形的腰以不同程度的弧度弯曲时，均仍起到分光作用，且α越大(弯曲越大)匀光性能U还有提升。
实施例37
本发明提供一种匀光膜，包含基体层20、分光层21和扩光层22，如图11所示，所述匀光膜为棱镜匀光膜。所述基体层20的厚度M为75μm，所述基体层的材质选自PET，所述分光层由透明聚合物树脂构成，材质为光固化的丙烯酸树脂(AR)，折射率n1为1.5，所述扩光层由透明聚合物树脂构成，材质为光固化的丙烯酸树脂(AR)，折射率n2为1.5。分光层为双轴标准面设计：由N种方向的长肋叠加而成，所述长肋在基体层的下表面平铺，长肋朝两端无限延伸，相同方向的长肋紧密排列，拓扑系数N选自2，即双轴分光(如图7所示)；分光层选自标准面分光层，其对应的长肋横截面等腰三角形左右腰分别为两端有限截取的直线，即长肋的横截面为直边三角形，顶角θ为90°。扩光层为棱镜层221，由三棱镜肋平铺而成，三棱镜肋的横截面为等腰三角形，三角形的底边V为50μm，顶角β为90°；该匀光膜的匀光性能良好，均匀性提升幅度U＝91％。
实施例38-48
如实施例37提供的棱镜匀光膜，所述其他各项参数如表2所列。
表2实施例37～48提供的棱镜匀光膜的设计参数和匀光性能
Figure BDA0003328499220000132
Figure BDA0003328499220000141
注：实施例37～48分光层、扩光层的材质均为AR
如表2所示，通过对比实施例37～42可知，基体层的厚度、材质以及扩光层棱镜的大小(即底边的宽度V)对匀光膜的匀光性能U影响不大。通过对比实施例37、43～45可知，棱镜结构的顶角β对U有影响，顶角较90度偏小或较90度偏大时扩光效果更佳，匀光膜的匀光性能更好，U更大。通过对比实施例46～48可知，棱镜结构的折射率n2对匀光性能也有影响。
实施例49
本发明提供一种匀光膜，包含基体层20、分光层21和扩光层22，如图12所示，所述匀光膜为柱镜匀光膜。所述基体层20的厚度M为75μm，所述基体层的材质选自PET，所述分光层由透明聚合物树脂构成，材质为光固化的丙烯酸树脂(AR)，折射率n1为1.5，所述扩光层由透明聚合物树脂构成，材质为光固化的丙烯酸树脂(AR)，折射率n2为1.5。分光层为双轴标准面设计：由N种方向的长肋叠加而成，所述长肋在基体层的下表面平铺，长肋朝两端无限延伸，相同方向的长肋紧密排列，拓扑系数N选自2，即双轴分光；分光层选自标准面分光层，其对应的长肋横截面等腰三角形左右腰分别为两端有限截取的直线，即长肋的横截面为直边三角形，顶角θ为90°。扩光层为柱状透镜层222，由柱状透镜肋平铺而成，柱状透镜的横截面为圆弧，圆弧的宽度(弦长)F为50μm，圆弧的高度为K，高宽比K/F为0.5。该匀光膜的匀光性能良好，均匀性提升幅度U＝115％。
实施例50-60
如实施例49提供的柱镜匀光膜，所述其他各项参数如表3所列。
表3实施例49～60提供的柱镜匀光膜的设计参数和匀光性能
Figure BDA0003328499220000142
注：实施例49～60分光层、扩光层的材质均为AR
如表3所示，通过对比实施例49～55可知，基体层的厚度、材质以及扩光层柱状透镜的大小(即圆弧宽度F)对匀光膜的匀光性能U影响不大。通过对比实施例49、56～58可知，柱状透镜结构的高宽比K/F对U略有影响，K/F较大时柱状透镜形状较凸，扩光效果更佳，匀光膜的匀光性能更好，U更大。通过对比实施例49、59、60可知，柱镜结构的折射率n2对匀光性能也有影响，折射率越高，U越大。
实施例61
本发明提供一种匀光膜，包含基体层20、分光层21和扩光层22，如图12所示，所述匀光膜为棱锥匀光膜。所述基体层20的厚度M为75μm，所述基体层的材质选自PET，所述分光层由透明聚合物树脂构成，材质为光固化的丙烯酸树脂(AR)，折射率n1为1.5，所述扩光层由透明聚合物树脂构成，材质为光固化的丙烯酸树脂(AR)，折射率n2为1.5。分光层为双轴标准面设计：由N种方向的长肋叠加而成，所述长肋在基体层的下表面平铺，长肋朝两端无限延伸，相同方向的长肋紧密排列，拓扑系数N选自2，即双轴分光；分光层选自标准面分光层，其对应的长肋横截面等腰三角形左右腰分别为两端有限截取的直线，即长肋的横截面为直边三角形，顶角θ为90°。扩光层为四棱锥层224，由四棱锥平铺而成，四棱锥的顶点形成正方形排列，所述棱锥的高度T为30μm，侧面与高的夹角为γ为45°。该匀光膜的匀光性能较好，均匀性提升幅度U＝41％。
实施例62-70
如实施例61提供的棱锥匀光膜，所述其他各项参数如表4所列。
表4实施例61～70提供的棱锥匀光膜的设计参数和匀光性能
Figure BDA0003328499220000151
注：实施例61～70分光层、扩光层的材质均为AR
如表4所示，通过对比实施例61～66可知，基体层的厚度、材质以及扩光层四棱锥的大小(即棱锥高度的T)对匀光膜的匀光性能U影响不大。通过对比实施例61、67、68可知，侧面与高的夹角为γ对U有极大影响，γ较小时棱锥形状较凸，扩光效果更佳，匀光膜的匀光性能更好，U更大。通过对比实施例61、69、70可知，四棱锥结构的折射率n2对匀光性能也有影响，折射率越高，U越大。
实施例71
本发明提供一种匀光膜，包含基体层20、分光层21和扩光层22，如图13所示，所述匀光膜为微透镜匀光膜。所述基体层20的厚度M为75μm，所述基体层的材质选自PET，所述分光层由透明聚合物树脂构成，材质为光固化的丙烯酸树脂(AR)，折射率n1为1.5，所述扩光层由透明聚合物树脂构成，材质为光固化的丙烯酸树脂(AR)，折射率n2为1.5。分光层为双轴标准面设计：由N种方向的长肋叠加而成，所述长肋在基体层的下表面平铺，长肋朝两端无限延伸，相同方向的长肋紧密排列，拓扑系数N选自2，即双轴分光；分光层选自标准面分光层，其对应的长肋横截面等腰三角形左右腰分别为两端有限截取的直线，即长肋的横截面为直边三角形，顶角θ为90°。扩光层为微透镜层225，相邻的三个微透镜的主光轴的坐标相连形成正三角形阵列，微透镜阵列中的微透镜紧密排列。微透镜的宽度G为50μm，微透镜的高度为H，高宽比H/G为0.5，相邻微透镜的主光轴的间距D与G相等。该匀光膜的匀光性能良好，均匀性提升幅度U＝103％。
实施例72-80
如实施例71提供的微透镜匀光膜，所述其他各项参数如表5所列。
表5实施例71～80提供的微透镜匀光膜的设计参数和匀光性能
Figure BDA0003328499220000161
注：实施例71～80分光层、扩光层的材质均为AR
如表5所示，通过对比实施例71～75可知，基体层的厚度、材质以及扩光层微透镜的大小(即棱锥宽度的G)对匀光膜的匀光性能U影响不大。通过对比实施例71、76～78可知，高宽比H/G对U有一定影响，高宽比＝0.1时，扩光效果稍佳，匀光膜的匀光性能稍好，U稍大。通过对比实施例71、79、80可知，微透镜结构的折射率n2对匀光性能也有影响，折射率越高，U越大。
实施例81
本发明提供一种匀光膜，包含基体层20、分光层21和扩光层22，如图15所示，所述匀光膜为扩散匀光膜。所述基体层20的厚度M为75μm，所述基体层的材质选自PET，所述分光层由透明聚合物树脂构成，材质为光固化的丙烯酸树脂(AR)，折射率n1为1.5。分光层为单轴标准面设计：由N种方向的长肋叠加而成，所述长肋在基体层的下表面平铺，长肋朝两端无限延伸，相同方向的长肋紧密排列，拓扑系数N为1，即单轴分光；分光层选自标准面分光层，其对应的长肋横截面等腰三角形左右腰分别为两端有限截取的直线，即长肋的横截面为直边三角形，顶角θ为90°。扩光层为有粒子扩散层226，扩散层的雾度为98％，有粒子扩散层由透明聚合物树脂和透明聚合物粒子构成，透明聚合物树脂选自PU，折射率n2为1.5，透明聚合物粒子的材质为PMMA，粒径为10～20μm。该匀光膜的匀光性能良好，均匀性提升幅度U＝92％。
实施例82-115
如实施例81提供的扩散匀光膜，所述其他各项参数如表6所列。
表6实施例81～115提供的扩散匀光膜的设计参数和匀光性能
Figure BDA0003328499220000171
注：实施例81～115分光层的材质均为AR，扩光层的透明聚合物树脂的材质均为PU，折射率n2均为1.5。
如表6所示，通过对比实施例81～95可知，基体层的厚度、材质、扩散层的粒子材质、粒径分布对匀光膜的匀光性能U影响不大，但扩散层的雾度有一定影响，雾度越高，U越大。通过对比实施例81、96～105可知分光层的材质或折射率对U有影响，折射率越高分光越明显，匀光性能越好，U越大，同时，分光层横截面三角形顶角θ越大，结构越接近平面，分光越不明显，匀光性能越差，U越小，反之则反。对比实施例81、96～105、110～115可知，对于双轴和三轴分光层设计，同单轴一样，折射率越高则分光越明显，匀光性能越好，U越大，扩散匀光膜三轴与双轴差异不大，但都优于单轴。对比实施例106～109可知，当截面三角形的腰以不同程度的弧度弯曲时，均仍起到分光作用，且α越大(弯曲越大)匀光性能U还有提升。
应当注意，以上所述，仅为本发明的几种典型的实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡是根据本发明内容所做的均等变化与修饰，均涵盖在本发明的专利范围内。

Claims (10)

1.一种匀光膜，其特征在于，所述匀光膜包含分光层、基体层和扩光层，扩光层位于基体层上表面，分光层位于基体层下表面。
2.根据权利要求1所述的匀光膜，其特征在于，所述分光层由N种方向的长肋叠加而成，N为拓扑系数，所述长肋在基体的下表面平铺，长肋朝两端无限延伸，相同方向的长肋紧密排列，n种方向将360度方位角等分，即相邻方向之间的角度间隔均为180/N度，N选自1、2或3；所述分光层中的长肋的横截面相同，均为等腰三角形，左腰与右腰为两端有限截取的直线、外凸弧线或内凹弧线的一种，底边为直线，底边W1为10～100μm，顶角θ为60～120°；凹凸弧线的弯曲程度采用圆心角表示，圆心角α为1～30°。
3.根据权利要求1所述的匀光膜，其特征在于，所述分光层为标准面分光层、凸弧面分光层和凹弧面分光层中的一种，其对应的长肋横截面等腰三角形左右腰分别为两端有限截取的直线、外凸弧线和内凹弧线。
4.根据权利要求1所述的匀光膜，其特征在于，所述基体层为透明聚合物，材质选自聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、三醋酸纤维素(TAC)、环烯烃聚合物(COP)中的一种；所述基体层厚度M为25～500μm。
5.根据权利要求1所述的匀光膜，其特征在于，所述分光层为标准面分光层、凸弧面分光层和凹弧面分光层中的一种；所述匀光膜为棱镜匀光膜，所述棱镜匀光膜包含分光层、基体层和扩光层；所述扩光层为棱镜层，由三棱镜肋平铺而成，所述三棱镜肋的横截面为等腰三角形，三角形的底边V为10～100μm，顶角β为60～120°；
或者，所述匀光膜为柱镜匀光膜，所述柱镜匀光膜包含分光层、基体层和扩光层；所述扩光层为柱镜层，由柱状透镜平铺而成，所述柱状透镜的横截面为圆弧，圆弧的宽度(弦长)F为20～1000μm，圆弧的高度为K，高宽比K/F为0.05～0.5；
或者，所述匀光膜为棱锥匀光膜，所述棱锥匀光膜包含分光层、基体层和扩光层；所述扩光层为棱锥层，由四棱锥平铺而成，四棱锥的顶点形成正方形排列，所述棱锥的高度T为10～50μm，侧面与高的夹角为γ为30～60°；
或者，所述匀光膜为微透镜匀光膜，所述微透镜匀光膜包含分光层、基体层和扩光层、；所述扩光层为微透镜层，在所述微透镜层中，相邻的三个微透镜的主光轴的坐标相连形成正三角形阵列，所述微透镜阵列中的微透镜紧密排列；微透镜的宽度为G为10～100μm，微透镜的高度为H，高宽比H/G为0.05～0.5，相邻微透镜的主光轴的间距D与G相等。
6.一种扩散匀光膜，其特征在于，所述扩散匀光膜包括分光层、基体层和扩光层，扩光层位于基体层上表面，分光层位于基体层下表面，所述扩光层为有粒子扩散层。
7.根据权利要求6所述的扩散匀光膜，其特征在于，所述扩光层为非规整结构。
8.根据权利要求6所述的扩散匀光膜，其特征在于，所述扩光层为有粒子扩散层，雾度为60～98％。
9.根据权利要求6所述的扩散匀光膜，其特征在于，所述分光层为标准面分光层、凸弧面分光层和凹弧面分光层中的一种；有粒子扩散层由透明聚合物树脂和透明聚合物粒子构成；透明聚合物粒子的粒径为1～20μm；所述透明聚合物树脂选自PU，折射率n2选自1.47～1.51；所述透明聚合物粒子选自PMMA、PBMA、PS、PU、尼龙和有机硅中的一种或至少两种的组合。
10.根据权利要求6-9中任一项所述的扩散匀光膜的制备方法，其特征在于，在基体层背面采用微复制或热压成型制程，利用透明聚合物树脂制备出分光层，在基体层正面采用光固化微复制或热压成型制程，将透明聚合物树脂配方制备出扩光层。
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