CN1289924C - 光漫射剂、光漫射片和防眩光片 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光漫射片和一种防眩光片，其具有良好的漫射效率，可提供明亮和高对比度的图像，并能通过减小不必要的散射光并且不发生图像朦胧和模糊，再现出高质量图像。该光漫射片和防眩光片包括光漫射剂，在使用时光漫射剂分散到透明基材中。该光漫射剂包括芯粒和覆盖芯粒表面的表层，且满足条件(i)和(ii)：条件(i)：N1＜N2＜N3或N3＜N2＜N1其中N1代表透明基材的折射率，N2代表表层的折射率，N3代表芯粒的折射率；和条件(ii)：其中R代表以μm为单位的芯粒平均半径，T表示以μm为单位的表层厚度，n为不小于0(零)的整数，且Ψ为0.4μm至0.7μm。

Description

光漫射剂、光漫射片和防眩光片

                          技术领域

本发明涉及一种光漫射剂，光漫射片以及其中分散有光漫射剂的防眩光片。

                          背景技术

诸如二氧化硅，玻璃或氧化铝的漫射剂分散在透明或半透明热塑性树脂基材中的光漫射片，已知用于透射式投影屏、照明等。

上述光漫射片由于其易于制造和良好的成本效率，广泛用于实际应用中。不过，在这种光漫射片中，当在透射型投影屏装置中为了获得大视角而增加所使用的漫射剂的量时，常常会发生光量明显损失或者透明度和图像分辨率降低的问题。

日本专利未审公开No.120702/1990提出了一种解决上述问题的装置，即一种使用光漫射剂的光漫射片，其中指定光漫射剂最外端部分的折射率和中心部分的折射率。

日本专利未审公开No.120732/1990中所述技术声称具有以下优点，即能制造出能产生具有良好透明度的图像，光源的光量损失小，且能产生良好光漫射性的光漫射片。

                         发明内容

鉴于上述现有技术，本发明的目的在于提供一种光漫射片，其能产生具有良好透明度的图像，光源的光量损失小，且具有良好光漫射性，同时，可再现出没有图像朦胧和模糊且尤其是具有高对比度的高质量图像。

根据日本专利未审公开No.120732/1990中所述的技术，从光漫射剂最外端部分向其中心部分连续或阶跃式地增大折射率，此外，使最外端部分的折射率大体等于透明基材的折射率。通常，这种技术主要在于通过消除透明基材与漫射剂最外端部分之间的折射率差异，减小从界面处发生反射，从而解决上述现有技术问题。

另一方面，在本发明中，主要指定透明基材的折射率，漫射剂表层的折射率与芯粒折射率所要求的关系，并指定芯粒平均半径与表层厚度之间所需的关系，并且本发明是基于以下发现作出的，即可通过积极利用界面处的反射，并且在特定实施例中通过允许反射光彼此正干扰而克服上述现有技术问题。

根据本发明一个方面，提供一种光漫射剂，在使用时光漫射剂分散到透明基材或介质中，所述光漫射剂包括芯粒和覆盖芯粒表面的表层，所述光漫射剂满足条件(i)和(ii)：

条件(i)：N1＜N2＜N3或N3＜N2＜N1

其中N1代表透明基材或介质的折射率，N2代表表层的折射率，N3代表芯粒的折射率；以及

条件(ii)：

$T=\sqrt{R^2+{\left(\frac{2n+1}{4}\mathrm{\ψ}\right)}^2+\frac{\sqrt{2}}{4}(2n+1)}-R$

其中R代表以μm为单位的芯粒平均半径，T表示以μm为单位的表层厚度，n为不小于0(零)的整数，且Ψ为380nm至780nm。

在根据本发明的光漫射剂中，最好芯粒具有1至30μm的平均颗粒直径。

在根据本发明的光漫射剂中，最好光漫射剂还满足条件(iii)：

条件(iii)：|N1-N3|＞0.04

根据本发明另一方面，提供一种包含上述光漫射剂的光漫射片，光漫射剂分散在部分或全部上述透明基材或介质中。

根据本发明又一方面，提供一种包含上述光漫射剂的光漫射片，其中光漫射剂分散在一部分或全部透明基材或介质中，且光漫射剂满足条件(iv)：

条件(iv)：|N1-N3|≤0.04

在本发明中，在上述光漫射片至少一侧的全部或部分上设置诸如双凸透镜和棱镜的漫射元件，或诸如菲涅耳透镜的光轴偏转元件。

另外，在本发明中，可以在上述漫射片至少一侧的全部或部分上设置硬涂层和/或抗反射涂层。

根据本发明再一方面，提供一种防眩光片，包括：基本透明的基板；设置在观察者一侧基板最外部表面的全部或部分上的由透明基材或介质形成的涂层；以及颗粒直径大于涂层厚度的上述光漫射剂分散在涂层中。

                     附图说明

图1为表示本发明光漫射片结构的典型部分放大视图；

图2为以透明基材折射率(N1)与芯粒折射率(N3)之差为函数的漫射角和亮度变化的图；

图3为表示包覆结构的典型剖面图，其中根据本发明的光漫射剂的表层已经包覆有毫微粒子；以及

图4为本发明防眩光片的典型剖面图。

                  具体实施方式

<光漫射剂>

根据本发明的光漫射剂是一种在使用时分散到透明基材或介质中的光漫射剂。该光漫射剂包括芯粒和覆盖芯粒表面的表层，且满足条件(i)和(ii)：

条件(i)：N1＜N2＜N3或N3＜N2＜N1

其中N1代表透明基材或介质的折射率，N2代表表层的折射率，N3代表芯粒的折射率；和

条件(ii)：

$T=\sqrt{R^2+{\left(\frac{2n+1}{4}\mathrm{\&psi;}\right)}^2+\frac{\sqrt{2}}{4}(2n+1)}-R$

其中R代表以μm为单位的芯粒平均半径，T表示以μm为单位的表层厚度，n为不小于0(零)的整数，且Ψ为380nmm至780nm，通常为400nm至700nm。

通常，通过诸如Duc de Chaulnes方法，夫琅和费方法，阿贝方法，科耳劳奇方法，Pulfrich方法和漫渍方法的测量方法，通过测量可见光波长范围内的波长而测定折射率。在上述方法中，本发明采用阿贝方法。

将参照附图描述设定条件(i)，条件(ii)的原因，并且如果需要的话简要描述本发明的原理。

图1表示包括透明基材(A)的光漫射片。光漫射剂(B)分散在透明基材(A)中。光漫射剂(B)包括芯粒(b2)和覆盖芯粒(b2)表面的表层(b1)。在实际使用的光漫射片中，通常大量分散剂粒子分散到透明基材(A)中。不过，在图1中，为了简化光漫射片的说明仅表示出一个光漫射剂粒子。

在图1中，N1表示透明基材(A)的折射率，N2为表层(b1)的折射率，N3为芯粒(b2)的折射率，T为表层(b1)的厚度，R为芯粒的半径，S1为透明基材与光漫射片外部的界面，S2为透明基材与表层的界面，S3为表层与芯粒的界面。

在图1中所示的光漫射片中，如白色箭头所示，从光漫射片左侧入射到光漫射片上的光，在界面S1，界面S2和界面S3处产生反射光(黑箭头所示)。此处为了简化说明，以光垂直于部分微粒漫射剂平面附近的表面入射时沿垂直方向反射产生的反射光为参考。

通常，在透明基材中分散有光漫射剂的光漫射片中，也还希望减小界面(S1)的反射。从而，最好满足下列的关系且透明基材的折射率(N1)较小：透明基材的折射率(N1)小于芯粒的折射率(N3)。例如，当要求芯粒由低折射率材料形成时，或者当透明基材的反射率本质上不是一个严重的问题时，例如由于在；良体中使用，则可以减小芯粒的折射率，从而满足条件N3＜N2＜N1。

当光作用于光漫射剂时，一部分光从界面(S2)反射。在大部分剩余光通过表层(b1)前进表层(b1)的厚度(T)时，所传输的光的一部分从界面(S3)反射，再次通过表层(b1)前进表层(b1)的厚度(T)，然后通过界面(S2)。从而，沿光入射方向被光漫射剂反射的光，包括从界面(S2)反射的光和从界面(S3)反射的光。入射光波长基本上不会由于界面(S2)的反射和界面(S3)的反射而改变。从而，可以认为从界面(S2)反射的光波长基本上与从界面(S3)反射的光波长相同。

另一方面，由于界面(界面S2和S3)的反射，反射光的波形形状与入射光的波形形状相反。从而，观察到具有从界面(S2)反射产生的波形的反射光，和从具有从界面(S3)反射产生的波形的反射光处于一种混合状态。

本发明者发现，由于允许从透明基材和表面的界面(S2)反射的光，与从表层和芯粒的界面(S3)反射的光发生干涉，可能会减小所观察到的反射光量。基于这一发现提出本发明。

因此，在本发明中，表层的厚度(T)应当满足条件(ii)：

$T=\sqrt{R^2+{\left(\frac{2n+1}{4}\mathrm{\&psi;}\right)}^2+\frac{\sqrt{2}}{4}(2n+1)}-R$

其中R代表以μm为单位的芯粒平均半径，T表示以μm为单位的表层厚度，n为不小于0(零)的整数，且Ψ为380nm至780nm，通常为400nm至700nm。

当2T为入射光波长的1/2，3/2，5/2，7/2…时，即T为入射光波长的1/4，3/4，5/4，7/4…时，可以观察到界面(S2)的反射光与界面(S3)的反射光之间发生干涉。在本发明中，只要能实现本发明的效果，表层的厚度(T)最好尽可能小，特殊条件除外。从而，特别优选的是，n为0(零)，即T为入射光波长的1/4。即，最优选表层由在四分之一波长厚度(T)中折射率(N2)为 $N2=\sqrt{(N1\&times;N3)}$ 的表层材料形成。在此情形中，界面(S2)的反射光与界面(S3)的反射光能有效地彼此干涉，导致可抑制或消除不良反射。

当在用于投影仪的光漫射片中使用光漫射剂时，有效防止波长在380nm至780nm，通常400nm至700nm内的可见光反射，可满足预期效果。从而，在此情形中，表层厚度(T)的最大值优选为700nm的四分之一，即0.175μm。表层厚度(T)的最小值在波长为400nm可见光的情况下随芯粒直径而变。不过，例如，当芯粒尺寸为10μm时，表层厚度(T)的最小值为0.071μm。在表示条件(ii)的公式中，在假定基本消除反向散射(backscatter)的入射角不小于45°的条件下确定表层厚度(T)的最小值，且表层厚度的最小值为最小波长Ψ的四分之一。

芯粒的平均半径R为1至30μm，优选1至20μm。在透射式屏幕中，芯粒的平均半径R特别优选3至15μm。当平均颗粒直径小于1μm时，由于波长依赖性的影响，有时会产生颜色泛黄，这是不利的。另一方面，当平均颗粒直径超过30μm时，图像的粗糙度可能会增大。在本发明中，芯粒的平均颗粒直径指的是长度平均直径，并且可以通过例如显微方法测量。

根据本发明的光漫射剂除了条件(i)和(ii)以外，最好满足条件(iii)：

条件(iii)：|N1-N3|＞0.04

当透明基材的折射率(N1)与芯粒折射率(N3)之间的差异较小时，光漫射剂的效果较小，此外，表层的反射防止效果较差。从而，在此情形中，根据本发明的光漫射剂最好满足条件(iii)。

在本发明中，可以使用本领域中常常用作这类光漫射片中的高漫射剂的无机和有机材料作为构成芯粒的材料。这种材料的例子包括无机材料如硫酸钡，碳酸钙，氧化钛和玻璃；以及有机材料，如丙烯酸树脂，苯乙烯，苯乙烯-丙烯酰树脂以及三聚氰胺树脂。在本发明中，从易于折射率调节和表层形成观点出发，优选折射率为1.49至1.7的材料，特别是折射率为1.49至1.6的有机珠粒。

表层可以由任何材料构成，只要满足本发明的条件(i)并能实现本发明的效果即可。此处可使用的材料的例子包括无机材料，如氟化镁和二氧化硅；有机材料，如氟树脂，烯树脂，丙烯酸树脂和丙烯酰-苯乙烯共聚物树脂。为了产生预定折射率，可以包含多种附加材料，或者可以采用毫微汽球表层构成。

在芯粒表面上形成表层的优选方法包括，例如，通过汽相沉积、电镀等将表层构成材料沉积在芯粒表面上的方法；两步悬浮聚合方法，其中执行两步聚合，即用于形成芯粒的聚合，和用于形成表层的聚合；微胶囊方法；利用气溶胶表面活性剂的悬浮聚合方法；以及在芯粒表面上吸附毫微气球的方法。

特别优选使用毫微粒子通过悬浮聚合在树脂珠表层表面上形成毫微粒子表层的方法，因为本发明的漫射剂的表层折射率处于(0.26×n2+0.74×n1)之间，即毫微粒子最紧密包覆时的折射率，其中n1表示毫微粒子的折射率，n2表示树脂珠芯材的折射率，并且可通过选择适当条件产生芯粒子材料的折射率n2。顺便提及，如图3中所示，例如，由于构成芯粒的树脂进入毫微粒子之间的间隙中，而毫微粒子通过多个步骤包覆在芯树脂的表面上，表层的折射率处于最紧密包覆(空隙百分比为26％)时的折射率与基本上无毫微粒子状态即空隙百分比为100％时的折射率之间。表层厚度随聚合条件和材料类型而变。

<光漫射片>

根据本发明的光漫射片的特征在于，根据本发明的光漫射剂分散到一部分或全部透明基材或介质中。

可以使用现有技术中常用于这类光漫射片的材料作为构成透明基材的材料，其例子包括：热塑性树脂和热固性树脂，如聚甲基丙烯酸甲酯，聚苯乙烯，聚碳酸酯，聚酯，聚烯烃，聚氯乙烯和环氧树脂；以及透明无机材料如玻璃。

在本发明中，优选使用热塑性树脂，特别是丙烯酸树脂，丙烯酰-苯乙烯共聚物树脂，环烯树脂或聚碳酸酯树脂。使用热塑性树脂有利于光漫射片的制造，有利于赋予光漫射片适当的弹性、硬度和强度，并且有利于将光漫射片制造成适于特定应用的形式。

不特别限制所采用的本发明光漫射剂的量。不过，通常，在100重量份的构成光漫射片的透明基材中，所采用的光漫射剂的量为0.1至20重量份，并且在透射式屏幕的情形中为0.2至5重量份。光漫射剂可以与其他传统的漫射剂混合使用。在本发明中，由于通过使用满足条件(i)和(ii)的预定光漫射剂所获得的效果，能产生良好的光漫射性，即使在所采用的光漫射剂的量相对较大时，也能减小对比度较低和模糊的发生。尤其是，不具有穿透性(see-through property)的光漫射片，具有高漫射性，具有高对比度，并且具有高透光性，可通过使用折射率与基材折射率差异较小的漫射剂与折射率与基材差异较大的漫射剂的混合物而提供。

另外，在本发明中，在将满足上述条件(i)和(ii)的预定光漫射剂与满足下述条件(iv)的光漫射剂混合使用作为与基材的折射率差异较小的漫射剂时，可以实现通过分散大量漫射剂来防止产生通透性，并减小图像质量对角度的依赖性，同时进一步提高对比度和透光性：

条件(iv)：|N1-N3|≤0.04

特别是，如图2中所示，当透明基材的折射率(N1)与芯粒折射率(N3)之间的差异较大时(情形A)，有利地扩展漫射角度范围。不过，在此情形中，增大了亮度随漫射角的变化，从而易于发生所谓的“通透区现象”。因此，将这种漫射剂和折射率(N1)与折射率(N3)之差相对较小(情形B)的漫射剂混合使用，可以适当抑制亮度随漫射角度的改变，同时保持大漫射角度范围(情形C)。

可根据光漫射片预期的特定应用等，同时主要考虑漫射角度与亮度之间的关系，决定满足条件(i)和(ii)(或条件(i)，(ii)和(iii))的光漫射剂与其他光漫射剂(满足条件(i)，(ii)和(iv)的光漫射剂)之间的混合比率。例如，以100重量份其他光漫射剂(满足条件(i)，(ii)和(iv)的光漫射剂)为基础，可以使用0.1至100重量份(优光使用1至10重量份)的满足条件(i)和(ii)(或条件(i)，(ii)和(iii))的预定光漫射剂。另外，当然可以使用两种或多种光漫射剂。在此情形中，从避免对比度降低的现点出发，优选使用根据本发明的光漫射剂作为具有较大折射率差的漫射剂。

最好通过将构成透明基材的透明材料与满足条件(i)和(ii)的预定光漫射剂混合，如果需要还混合其他光漫射剂等，并挤压混合物，制造根据本发明的光漫射片。根据这种方法，易于以一种有效和高性价比的方式制造出适用于其中不希望外光反射的投影电视的粗糙光漫射片。

在根据本发明的光漫射片中，如果需要，可以形成光学功能层和/或适当的保护层等。

适当的光学功能层的例子包括用于会聚或扩散光的透镜层，最好是由透明或半透明材料形成的双凸透镜层，表面抗反射层，防眩光层，明层，硬涂层，防湿层和抗静电层。

根据本发明优选的光漫射片包括例如，一种在上述光漫射片至少一侧的全部或部分上形成双凸透镜的光漫射片，和在上述光漫射片至少一侧的全部或部分上形成硬涂层和/或抗反射涂层的光漫射片。

另外，例如，可以在根据本发明的光漫射片至少一侧的全部或部分上形成菲涅耳透镜。

根据本发明的光漫射剂可以使用透明树脂作为粘合剂分散到透明或彩色墨水中，并且例如，当用作LCD的滤色片时，还可以产生漫射效果而不会以牺牲对比度为代价。

此外，当根据本发明的光漫射剂所使用的厚度大于墨水涂层的厚度时，可以形成粗糙层，使墨水涂层表面具有凹凸并具有漫射能力。从而，还可以提供一种可防止光学元件表面反射并提供高对比度的防眩光层。

可通过视觉评价图像质量，主要是显示图像的对比度，来评价本发明的光漫射剂和光漫射片的效果。例如，可通过下述评价方法客观判断效果。

将其中分散有本发明的漫射剂的漫射片(A)与其中分散有传统漫射剂的漫射片(B)进行比较的方法。

(i)在相同漫射角度下测量漫射片(A)的透射率和漫射片(B)的透射率：

透射率(A)＞透射率(B)

(ii)在相同漫射角度下测量漫射片(A)的反射率和漫射片(B)的反射率：

反射率(A)＜反射率(B)

(iii)在相同反射率或透射率下测量漫射片(A)的漫射角度和漫射片(B)的漫射角度：

(A)的漫射角＞(B)的漫射角

(iv)将通过将漫射片(A)的漫射角乘以峰值增益得到的数值，与通过将漫射片(B)的漫射角乘以峰值增益得到的数值相互比较：

(A)的值＞(B)的值

(v)将试验图表投射到漫射片(A)和漫射片(B)上，测量分辨率：

(A)的分辨率＞(B)的分辨率

<防眩光片>

根据本发明的防眩光片包括：大体透明的基板；在基板处于现察者一侧的最外部表面的全部或部分上形成的由透明基材或介质构成的涂层；以及分散在涂层中的上述光漫射剂，其粒子直径大于涂层厚度。

图4表示根据本发明的防眩光片的优选实施例。图4中所示的防眩光片1包括大体透明的基板2。在基板2处于观察者一侧的最外部表面的全部或部分上形成透明基材或介质涂层3。根据本发明粒子直径大于涂层3厚度4的光漫射剂5分散到涂层3中。

因此，当使用根据本发明的粒子直径大于涂层厚度的光漫射剂时，可形成表面具有凹凸且具有漫射能力的粗糙层。从而，可形成能防止表面反射的高对比度防眩光片。

                        实施例

<例1>

将2份粒子直径为10μm、包含折射率为1.6的三聚氰胺树脂珠的漫射剂，和主要由1.45折射率的二氧化硅粒子组成的0.1μm厚且包围树脂珠的表层(表层的折射率：1.54)加入折射率为1.49的聚甲基丙烯酸甲酯中，并且将该混合物挤压成1m正方形尺寸和1mm厚度的薄片。

表层的折射率为在由表层的截面照片确定的40％的二氧化硅粒子包覆率和60％的三聚氰胺树脂包覆率基础上确定的计算值。

用该薄片放置在盒子中的幻灯机投射图像。视觉比较和评价图像。结果，使用本发明光漫射剂的光漫射片没有引起明显的源于外部光的对比度降低，并且也现察到尖锐的行式图像(line image)。

根据本发明，满足特定条件(i)和(ii)的光漫射剂可以产生这样一种光漫射片，其具有光源光量损失较小、漫射效果好、产生良好亮度和对比度图像的优点，并且通过减小不必要的散射光，可以再现出没有图像朦胧和模糊的高质量图像。

另外，该光漫射剂可以提供能防止其表面反射的高对比度防眩光片。

Claims (9)

1.一种在使用时分散到透明基材或介质中的光漫射剂，所述光漫射剂包括芯粒和覆盖芯粒表面的表层，所述光漫射剂满足条件(i)和(ii)：

条件(i)：N1＜N2＜N3或N3＜N2＜N1

其中N1代表透明基材或介质的折射率，N2代表表层的折射率，N3代表芯粒的折射率；和

条件(ii)：

$T=\sqrt{R^2+{\left(\frac{2n+1}{4}\mathrm{\&psi;}\right)}^2+\frac{\sqrt{2}}{4}(2n+1)}-R$

其中R代表以μm为单位的芯粒平均半径，T表示以μm为单位的表层厚度，n为不小于0(零)的整数，且ψ为380nm至780nm。

2.根据权利要求1所述的光漫射剂，其中所述芯粒具有1至30μm的平均粒子直径。

3.根据权利要求1或2所述的光漫射剂，还满足条件(iii)：

条件(iii)：|N1-N3|＞0.04

4.一种光漫射片，其包括分散到透明基材或介质的部分或全部中的根据权利要求1到3其中任何一个所述的光漫射剂。

5.一种光漫射片，包括分散到透明基材或介质的部分或全部中的根据权利要求1或2所述的光漫射剂，并且光漫射剂满足条件(iv)：

条件(iv)：|N1-N3|≤0.04

6.一种光漫射片，包括根据权利要求4或5所述的光漫射片，和设置在该光漫射片至少一侧的全部或部分上的双凸透镜和/或扩散棱镜。

7.一种光轴偏转光漫射片，包括根据权利要求4或5所述的光漫射片，和设置在该光漫射片至少一侧的全部或部分上的圆形菲涅耳透镜，和/或线形菲涅耳透镜。

8.一种光漫射片，包括根据权利要求4到6其中任何一个所述的光漫射片，和设置在该光漫射片至少一侧的全部或部分上的硬涂层和/或抗反射涂层。

9.一种防眩光片，包括：大体透明的基板；设置在基板处于观察者一侧的最外部表面的全部或部分上的由透明基材或介质形成的涂层；以及根据权利要求1到3其中任何一个所述的、颗粒直径大于涂层厚度的光漫射剂分散到该涂层中。

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