CN205427217U - 具有取向性非织造漫射体的光学装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有取向性非织造漫射体的光学装置，该光学装置包括：光源；取向性非织造漫射体膜片，其位于所述光源上方，并且所述取向性非织造漫射体膜片为经过二次成型的膜片，且以竖直平面沿所述膜片的长度或宽度方向截取所述膜片时所得的截面图案为由多个最小重复性图形组成的周期性截面图案，设所述最小重复性图形在竖直方向上的最高和最低点之间距离为H，且其在水平方向上的两个端点之间距离为L，则所述膜片满足0.5<H/L<1.5。采用本实用新型的取向性非织造漫射体可以达到使出光更为均匀的效果。

Description

具有取向性非织造漫射体的光学装置

技术领域

本实用新型涉及光散射技术领域，更具体地，涉及一种具有取向性非织造漫射体的光学装置。

背景技术

目前，在照明领域中已经使用了许多平板灯，如目前大量使用的LED平板灯、LED灯箱、荧光灯管灯箱、荧光漫射灯，等等。另一方面，液晶显示器也已经在例如笔记本电脑、电视机、平板电脑及手机等电子设备中得到大量使用。在照明应用中，通常对光输出有较高的要求。此外，由于要求照明光对眼睛不能太过刺激，因此，采用面光源进行照明是目前比较普遍的照明方式。在液晶显示器中，由于显示所用液晶面板的光透过率极低，通常也需要较高光输出来保证显示效果。而由于液晶本身是无源器件，因此通常需要在显示器中加入背光照明作为光源器件。在显示应用中，由于对显示的均匀性要求很高，因此面光源被唯一地用于液晶显示器的光输出。

在目前的液晶背光系统中，在获得高均匀性的面光源时，通常需要一系列光学元器件将原有光源转化为面光源。例如，目前广泛应用的两种技术是：a.直下型背照光技术；b.侧入式背照光技术。这两种技术也广泛应用在照明领域，例如，目前照明领域中使用的大部分平板灯或大屏幕灯箱等均应用这两种技术，以对光源发光进行设计，从而实现光分布均匀的面光源。

在直下型背光系统中，目前已经大量应用的光源为荧光灯管或CCFL(冷阴极荧光灯)灯管，此外，大部分的灯源正在转变为更加节能及经济的LED(发光二极管)发光光源。灯管光源为线发光源，而LED光源为点发光源，由于它们的发光强度非常高，通常需要漫射体将其转化为面光源后才能适合使用。

目前，多种直下型背光液晶电视中的扩散板均采用PC(聚碳酸酯)或PS(聚苯乙烯)材质的聚合物基材，通过掺杂散射颗粒达到散射效果，以便使液晶电视背光照明分布更加均匀。但是，这种扩散板较为昂贵，且在使用上也比较耗费材料，因此不利于节省成本。

在直下型背光系统中，通常采用点阵式LED光源或CCFL灯管作为光源，在实际应用中，会出现画面均匀度不良的现象。例如：在采用CCFL灯管的背光系统中，由于膜片扩散能力不足，会导致灯管遮蔽不足，在画面上出现亮暗相间的画面不均匀现象(灯管上方亮，2根灯管中间处暗)。而在LED点阵光源中，由于液晶面板尺寸比例为16：9，从而导致大部分情况下在水平和垂直方向上点阵的间距不同。因此，也会出现间距比较大这个方向上由于散射能力不足导致亮暗相间的画面不均匀现象(灯正上方亮，大间距正中间—2排灯中间位置上方暗)。而通过导入根据本实用新型的取向性漫射体，可以在很大程度上缓解上述的画面不均匀问题。

在侧入式背光系统中，通常应用LED光源作为光源，在导光板中利用全反射来传导光，并在光输出面通过设置其上的网点破坏光的全反射来达到面出光的效果。通常，由于导光板出光后依旧能看到网点，因此也需要漫射体将光源发出的光进行散射，以形成面光源。在侧入式背光系统中，同样由于光源置于画面边缘，在大部分画面比例为16:9的情况下，通常上下侧边和左右侧边导光的距离不同，此时也会造成画面不均匀的情况。虽然可以通过导光板的网点设计实现一定的补偿，但是，利用根据本实用新型的取向性漫射体，使其强散射方向与长导光方向互补，可以增强画面的均匀性。

在照明技术领域中，面板灯采用的的技术方案通常与液晶背光系统中采用的技术方案类似。因而，采用根据本实用新型的取向性非织造漫射体可以达到使出光更为均匀的效果。

实用新型内容

本实用新型提供了一种光学装置，该光学装置包括：光源；取向性非织造漫射体膜片，其位于所述光源上方，所述膜片在其最大光散射能力方向上的半视角ω最大膜散射能力，以及它在与其最大光散射能力方向成90度角的方向上的半视角ω*，满足ω最大膜散射能力/ω*大于1.2，且所述膜片的纤维的直径处于5至25μm之间，其克重处于50至150克/平方米之间，以及其厚度处于30至150μm之间。

优选地，该取向性非织造漫射体膜片为经过二次成型的膜片，且以竖直平面沿该膜片的长度或宽度方向截取该膜片时所得的截面图案为由多个最小重复性图形组成的周期性截面图案，设该最小重复性图形在竖直方向上的最高和最低点之间距离为H，且其在水平方向上的两个端点之间距离为L，则该膜片满足0.5<H/L<1.5。

根据本实用新型的技术方案，采用根据本实用新型的取向性非织造漫射体可以达到使出光更为均匀的效果。

附图说明

结合附图，参考以下对根据本实用新型的实施例的详细说明，可以理解本实用新型。

图1为根据本实用新型的示例性光学装置的示意图；

图2为图1中所示的示例性漫射体的示意性侧视图；

图3(a)和图3(b)为根据本实用新型的取向性非织造漫射体在光学装置中的应用方式的俯视图，其中图3(a)示意性地示出了一种点阵式光源阵列，而图3(b)示意性地示出了取向性非织造漫射体中纤维的取向和分布；

图4(a)和图4(b)示出了当将根据本实用新型的取向性非织造漫射体用在光学系统中时所测得的出光均匀性测试结果，其中，图4(a)示出了该取向性非织造漫射体中纤维取向(如图中箭头所示的垂直方向)与液晶电视机中光源的较小间距所在方向相垂直时的出光均匀性测试结果，图4(b)示出了该纤维取向(如图中箭头所示的水平方向)与该较小间距所在方向相一致时的出光均匀性测试结果；

图5示意性地示出了对根据本实用新型的取向性非织造漫射体进行测试的系统；

图6(a)、图6(b)和图6(c)示出了采用如图5中所示系统对各种非织造漫射体进行测试所得的测试结果；

图7(a)、图7(b)和图7(c)示出了对非织布进行二次成型后所得的非织造漫射体膜片，其中，图7(a)中示出了经过二次成型所得的一种非织造漫射体膜片的立体图，图7(b)和图7(c)分别示出了两种经过二次成型的不同非织造漫射体膜片的截面；

图8示意性地示出了用于对各种取向条件的非织造漫射体的漫射能力进行计算机模拟的模型；

图9至图14示出了使用如图8所示的模型对各种非织造漫射体进行模拟所得的仿真结果，其中，图9中示出所测非织造漫射体膜片的H＝0(即未经二次成型)时的仿真结果，图10至图14中分别示出了所测经二次成型的非织造漫射体膜片的H/L值分别为0.25、0.5、0.75、0.875、1时的仿真结果。

这些附图不一定按比例绘制。这些附图中使用的类似附图标记指代类似的部件。然而，将会理解，使用附图标记来指代给定附图中的部件并不意欲对另一附图中以相同附图标记标识的部件进行限制。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述。将会懂得，考虑了其他实施方式，且不脱离本实用新型的范围或精神，可以实施这些其他实施方式。因此，以下的详细描述是非限制性的。

除非另有指明，否则本文所用的所有科技术语具有本领域中常用的含义，本文给出的定义有利于理解本文中频繁使用的某些术语，且并不意味着限制本实用新型的范围。

除非本文内容以其他方式明确指出，否则本说明书和所附权利要求书中使用的单数形式“一”、“一个”和“所述”涵盖具有复数形式的实施例。

如本说明书及附加的权利要求书中使用，术语“或”一般包括“和/或”的意思使用，除非内容另外清楚声明。

如本文所用，“具有”、“包括”、“包含”等以其开放性的含义使用，并且通常是指“包括但不限于”。应当理解，术语“由…组成”和“基本上由…组成”包括在术语“包含”等的范围内。

本文提及的任何方向，例如“顶部”、“底部”、“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”、“上方”、“下方”以及其他方向和取向，均为了清晰起见参照附图而在本文中有所描述，并非意图限制实际器件或系统或者装置或系统的使用。本文所述的多个装置、制品或系统可在多个方向和取向上使用。

本实用新型描述了具有取向性非织造漫射体的光学装置。具体地，在该光学装置中，其取向性非织造漫射体具有高光效、高雾度的特点，并能有效实现对光源发出的光进行广泛扩散的功能。此时，取向性非织造漫射体最主要的功能就是对光源进行遮蔽，从而达到使点光源/线光源(目前，在大部分光学装置中，灯管类的光源如CCFL为线光源，而新兴的LED则为点光源)成为面光源的目的。

具体地，在本实用新型中，采用的非织造漫射体在光散射能力方面具有取向性是指，该漫射体在其最大光散射能力方向上的量化的光散射能力，以及它在与其最大光散射能力方向成90度角的方向上的量化的光散射能力，两者的比值大于一定的数值，例如1.2。然而，请注意，由于在传统测试方法中并无直接方法来测量膜片在单一方向上的光散射能力(例如，ASTM标准中的测试方法所测得雾度代表的是膜片整体的光散射能力)，在本实用新型中，使用半视角的值来近似地度量非织造漫射体膜片在某一方向上的光散射能力。这里的半视角为常用光学术语，其意指半亮度/辉度视角(即亮度视角图中最大亮度的一半所对应的角度)。其原理是，假设膜片在某一方向上的光散射能力有所增强，则其光能量会由中心扩散到更大视角，意味着其半视角值也会随之增大。

在此基础上，将非织造漫射体膜片的取向性以可量化的方式近似地定义为：

非织造漫射体膜片取向性＝ω最大膜散射能力/ω*，

其中，ω最大膜散射能力表示该膜片在其最大膜散射能力方向上的半视角值，ω*表示该膜片在与其最大膜散射能力方向成90度角的方向上的半视角值，单位均为度。

图1为根据本实用新型的示例性光学装置的示意图。如图1所示，该光学装置包含光源110、背板(反射器件)111、取向性非织造漫射体130、以及其他光学膜片组120。这里的光学膜片120可包括诸如扩散片、微珠复制膜、棱镜膜、微圆柱(lenticular)透镜膜、或倒棱镜(turning)膜之类的光学膜片。该光学装置通常为直接照明式的光学装置，例如，直下型液晶电视，直下型广告灯箱，直下型平板灯，直下型显示器等。在市场上，这种光学装置通常采用LED光源，并通过LED阵列，在发光面下方尽量均匀的排布LED点光源，从而达到使光源出光均匀的目的。尽管示出了直接照明式的光学装置，但应当理解，该光学装置也可以为侧光式光学装置。

在图1所示的光学装置中，光源110发出的光在该取向性非织造漫射体130与背板111之间的空间中实现混光功能，从而得到出光较为均匀的光源。具体地，该非织造漫射体110通过光散射，将原本点阵列状光源的出光均匀扩散，使得该光学装置整体上成为出光均匀的面光源装置。其后，通过光学膜片组120实现不同应用的出光分布，光学膜片组120在光学装置中置于非织造漫射体远离光源的一侧。

图2为图1中所示的取向性非织造漫射体130的示意性侧视图。如图2所示，在非织造漫射体130中大量纤维的作用下，由于空气和纤维的折射率差，导致光线会在非织造漫射体中大量散射，最终使得其具有匀光能力。具体地，如图2所示，法向角度的光L1相对容易地穿过非织造漫射体130，而高角度光L2被非织造漫射体130中的纤维散射或漫射，并且此光L2的一部分在相对法向角度下进行发射。从而，非织造漫射体130不会明显降低透过非织造漫射体元件130发射的光的同轴亮度。

可通过任何可用的工艺来形成根据本实用新型的取向性非织造漫射体130。可经由(例如)湿法成网工艺、梳理工艺、熔喷工艺、纺粘、干法成网、纺粘-熔喷-纺粘来形成非织造漫射体130。由于这些工艺通常采用卷对卷工艺，在机器成卷方向上通常有张力拉升，从而会导致非织造漫射体在机器方向上和机器方向的垂直方向上取向性有所不同，而该取向性也会对非织造漫射体130的光学性能产生影响。

在多个实施方式中，该取向性非织造漫射体130具有小于50微米的纤维直径、大于5的长度/直径的纤维长宽比和10至80g/m²范围内的克重。在一些实施方式中，该取向性非织造漫射体130的纤维直径小于25微米、或者在1至25微米的范围内、或者在10至25微米的范围内。在一些实施方式中，该取向性非织造漫射体130具有20至70g/m²范围内的克重。

非织造漫射体130为取向性的，并且可表现出具有高雾度、高透射率、低清晰度并且提供均匀的光发射。在多个实施方式中，取向性非织造漫射体130具有50％或更大、或60％或更大、或65％或更大、或70％或更大的可见光透射率。取向性非织造漫射体130具有0.9或更大、或1.0或更大的有效透射率。取向性非织造漫射体130具有80％或更大、或85％或更大、或90％或更大、或95％或更大的雾度。取向性非织造漫射体130具有70％或更小、或60％或更小、或50％或更小、或30％或更小的清晰度。

取向性非织造漫射体130可以由任何可用的聚合物材料形成。在多个实施方式中，取向性非织造漫射体可以由例如聚乙烯、聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯、或工程塑料(例如聚对苯二甲酸丁二醇酯和聚苯硫醚)形成。在一些实施方式中，非织造漫射体130也可以由玻璃纤维形成。

用以下实例进一步示出本实用新型所公开的系统和构造的一些优点。在这些实例中所述的特定材料、量和尺寸以及其他条件和细节不应理解为对本实用新型的不当限制。

图3(a)和图3(b)为根据本实用新型的取向性非织造漫射体在光学装置中的应用方式的俯视图，其中，图3(a)示意性地示出了一种点阵式光源阵列，而图3(b)示意性地示出了取向性非织造漫射体中纤维的取向和分布。具体地，如图3(a)所示，其中示出的点阵式光源阵列中，光源之间的水平间距x不同于它们之间的垂直间距y。而如图3(b)中所示，其中的纤维大体上呈现出一定的取向性(在本实例中其纤维大体上在水平方向上取向)。通过试验，发明人已经发现，在将例如图3(b)中所示的取向性非织造漫射体应用在如图3(a)中所示的光学装置中时，若使得该取向性非织造漫射体的纤维的取向方向与光源间的两个间距x和y中较小的一个所在的方向一致，可以取得更好的均匀出光效果。具体地，换言之，在图3(a)中，若光源间的水平间距x小于其垂直间距y，此时若放置取向性非织造漫射体，使得其纤维的取向方向与水平方向一致，则可取得更好的均匀出光效果。

图4(a)和图4(b)示出了当将根据本实用新型的取向性非织造漫射体用在光学装置中时所得到的出光均匀性测试结果。具体地，利用三星(Samsung)32”液晶电视机作为光学装置，将其中原有的PS聚合物扩散板更换为同样32”大小的由中国山东泰鹏无纺有限公司出品的PET纺粘无纺布TP80(80克/平方米)的取向性非织造漫射体。然后，通过美国RadiantImaging公司出品的PM1423面均匀性测试系统对该漫射体中纤维取向与上述液晶电视机中光源的较小间距所在方向相垂直和相一致两种布置方式进行测试。其中，图4(a)示出了该取向性非织造漫射体中纤维取向(如图中箭头所示的垂直方向)与液晶电视机中光源的较小间距所在方向相垂直时的均匀性测试结果，图4(b)示出了该纤维取向(如图中箭头所示的水平方向)与该较小间距所在方向相一致时的均匀性测试结果。如该两图所示，当纤维取向与光源间较小间距所在方向相一致时，所得的图像均匀性(该图像是指电视机点亮时的白画面)明显比这两个方向相垂直时所得的图像均匀性更好。

图5示意性地示出了对根据本实用新型的取向性非织造漫射体进行测试的系统。如图5所示，点光源1发出的光通过中继凸透镜2可以形成准直光。将待测的非织造漫射体3置于该中继凸透镜2和测试设备4之间，即可测得该非织造漫射体3对中继凸透镜2发出的准直光的膜散射能力。具体地，在图5的实例中，点光源1可采用D65标准点光源，测试设备4采用法国Eldim公司的ELdimEzcontrastXl88。此外，该点光源与中继凸透镜的间距为凸透镜焦距，具体为30cm。中继凸透镜镜与非织造漫射体间的距离为10cm。非织造漫射体3直接贴附在测试设备4上(例如通过双面胶粘接)。

图6(a)、图6(b)和图6(c)示出了采用如图5中所示系统对各种非织造漫射体进行测试所得的测试结果。具体地，图6(a)中示出的是不在中继凸透镜2和测试设备4之间放置任何非织造漫射体时的测试结果，其中可以看出，从中继凸透镜发出的准直光集中在图形的中心位置处，没有被扩散。图6(b)中示出了在中继凸透镜2和测试设备4之间放置以中国山东泰鹏无纺有限公司出品的TaiPeng-60gsm材料(纺粘工艺)制成的非织造漫射体样品(该样品大小15×10cm)时的测试结果，其中可以看出，所得光斑在不同方向上的扩散程度明显不同，即呈现出明显的取向性。图6(c)中示出了在中继凸透镜2和测试设备4之间放置以日本三菱制纸株式会社出品的PMY-85材料(湿法成网工艺)制成的非织造漫射体时(该样品大小15×10cm)的测试结果，从其中可以看出，所得光斑在不同方向上的扩散程度区别不明显，即呈现出较弱的取向性。

以下的表1进一步总结了在上述测试系统的中继凸透镜2和测试设备4之间放置以各种非织造布材料制成的非织造漫射体时所得的测试结果。

表1

图7(a)、图7(b)和图7(c)示出了对非织造布进行二次成型后所得的非织造漫射体膜片。可用于对非织造布进行二次成型以生成具有如图7(a)、图7(b)和图7(c)所示的截面图形或类似截面图形的非织造漫射膜片体的方法包括加热模具成型、加热冲压成型、差压成型等方法。其中，图7(a)中示出了经过二次成型所得的一种非织造漫射体膜片的立体图。图7(b)和图7(c)分别示出了沿两种经过二次成型的不同无纺布膜片的某一个尺寸方向(如其长度或宽度方向)进行截取所得的呈现出周期性的高低起伏(“峰”和“谷”)图案的截面。具体地，图7(b)示出了由类似三角波的最小重复性图形组成的周期性截面图案，而图7(c)中示出了由类似正弦波的正半波的最小重复性图形组成的周期性截面图案。然而，应当懂得，实际上可以形成的满足本实用新型需要的周期性截面图案不限于图7(a)、图7(b)和图7(c)中所示的两种周期性截面图案。在这些满足本实用新型的截面图案中，设所形成的周期性截面图案中的最小重复性图形的高度(即其在竖直方向上的最高和最低点之间距离)为H，其长度(即其在水平方向上的两个端点之间距离)为L(例如如图7(b)和图7(c)中所示)。

图8示意性地示出了用于对具有各种H/L比值的非织造漫射体膜片的光散射能力进行计算机模拟的模型。具体地，如图8中所示，10为可发出准直光的圆柱形准直光源，定义其右表面为发光面(面光源空间均匀出光，发光半径25mm，光通量为500流明)，20为各种非织造漫射体膜片，包括具有如图7(a)、图7(b)和图7(c)所示的截面的经过二次成型的非织造漫射体膜片，且10的发光角度为垂直于非织造漫射体膜片20的表面，10与20之间的距离为23mm。处于非织造漫射体膜片20的与光源10相对的另一侧的器件30为方向角亮度接收器，其用于接收不同角度上的亮度值，30与20之间的距离为3mm。建模使用的软件为美国OpticalResearchAssociates公司出品的LightTools仿真软件，其版本号为8.0.1。

图9至图14示出了使用如图8所示的模型对各种取向条件的非织造漫射体进行模拟所得的仿真结果。

具体地，图9中示出所测非织造漫射体膜片的H＝0(即未经二次成型)时的仿真结果。从图9中可以看出，所得光斑在各个方向上的扩散程度基本上无差别，即可以认为在这种情况下所测非织造漫射体膜片基本上不存在取向性。

图10中示出所测经二次成型的非织造漫射体膜片的H/L为0.25时的仿真结果。从图10中可看出，所得光斑在各个方向上的扩散程度差异不明显，因此可以认为该非织造漫射体在对光的散射方面具有弱的取向性。

图11至14中分别示出了所测经二次成型的非织造漫射体膜片的H/L分别为0.5、0.75、0.875、1时的仿真结果。从这些图中可以看出，随着H/L值的不断增大，在不同方向上，相应非织造漫射体膜片对光的散射能力的差异愈加明显，即它们在对光的散射能力方面的取向性更大。而且，从这些图中还可以看出，随着H/L值的不断增大，相应非织造漫射体膜片的ω最大膜散射能力(在这些实例中为水平方向上的半视角值)也不断增大。

以下的表2进一步总结了在图8所示的模型中采用具有各种H/L比值的非织造漫射体膜片时经计算机模拟所得的仿真结果。

表2

从图9至14以及表2中给出的仿真结果可以看出，当H/L大于一定数值(如0.5)时，经二次成型的非织造漫射体膜片才在光散射能力方面呈现出一定的取向性。另一方面，H/L的数值也不宜过大，例如发明人已通过试验研究发现，如果H/L大于等于1.5，则可能会使得二次成型的非织造漫射体膜片的机械强度出现问题，同时还可能会产生其他光学问题。

尽管本实用新型中已经示出和描述了具体的实施方式，但本领域技术人员将懂得，可以用各种替代的和/或等同的实施方式代替所示和所描述的具体实施方式，而不脱离本实用新型的范围。本申请意欲包括对本实用新型中讨论的具体实施方式的任何改进或更改。因此，本实用新型仅受限于权利要求及其等同物。

Claims (3)

1.一种具有取向性非织造漫射体的光学装置，包括：

光源；

取向性非织造漫射体膜片，其位于所述光源上方，并且所述取向性非织造漫射体膜片为经过二次成型的膜片，且以竖直平面沿所述膜片的长度或宽度方向截取所述膜片时所得的截面图案为由多个最小重复性图形组成的周期性截面图案，设所述最小重复性图形在竖直方向上的最高和最低点之间距离为H，且其在水平方向上的两个端点之间距离为L，则所述膜片满足0.5<H/L<1.5。

2.如权利要求1所述的具有取向性非织造漫射体的光学装置，其中，所述光学装置为直下型液晶电视、直下型广告灯箱、直下型平板灯、或直下型显示器。

3.如权利要求1所述的具有取向性非织造漫射体的光学装置，还包括光学膜片，所述光学膜片位于所述取向性非织造漫射体膜片的远离所述光源的一侧，且选自扩散片、微珠复制模、棱镜膜、微圆柱透镜膜、和倒棱镜膜中的一种或几种。