CN210605045U - 一种调光层 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于体散射的调光层，尤其涉及一种基于高纯度体散射的调光层及其制备方法。为了实现对输入光的调控，本实用新型提供一种调光层及其制备方法。所述调光层为一个体散射系统，由传播介质和光散射剂构成，所述传播介质为一种固态聚合物树脂，所述光散射剂为光散射粒子，所述光散射剂严格分散在传播介质内部，增加了调光层体散射的调控光，所述调光层的上下外表面非常平整、光滑，减少了调光层表面散射的杂散光。所述调光层可对输出光进行特异性调控，使透射输出光满足特定分布形态，使输出光更适合人眼和镜头观看，也更适合作为新的输入光源进行二次利用，尤其适合作为光学系统的信号源以便对其接收和解析。

Description

一种调光层

技术领域

本实用新型涉及一种基于体散射的调光层，尤其涉及一种基于高纯度体散射的调光层及其制备方法。

背景技术

传统的光学膜具有特定的光学涂层，但均无法产生高纯度的体散射，如：

(1)扩散粒子层，利用光在扩散粒子的表面和内部产生多次折射、反射产生几何光学尺度的扩散，利用扩散粒子暴露在胶层上方的几何形状与空气产生足够的折射率差，扩大光学曲折幅度，强化扩散效果，如扩散、雾化、防眩等。此种光学涂层因粒子有部分埋于胶层中，具有一定的体散射，但是具有强烈的表面散射。

(2)微复制结构层，利用光在微结构的表面和内部产生多次折射、反射产生几何光学尺度的光分布调控，利用微结构与空气产生足够的折射率差，强化调控效果，如增加亮度、控制视角或定向导光。此种光学涂层不具有体散射，或可认为体散射及其微弱。

(3)无粒子涂层/镀层，利用涂层/镀层的表面性能(如硬度、亲疏水性)，厚度与折射率搭配等，实现特定的功能，如抗刮、防雾、防污、增反、减反、波长选择、偏振选择等。但此种光学不具备散射调控性。

(4)常规体散射涂层，在现有的技术方案中，均没有强调对表面散射干扰的控制以获得高纯度体散射光，也没有意识到高纯度体散射调控方式的优势。

因此，针对上述问题，有必要提出进一步的解决方案，以实现对特定输入光的体散射调控。

发明内容

为了实现对输入光的调控，本实用新型提供一种调光层及其制备方法。该调光层能够调控输出光的光束形态和方向，使输出光的光强分布曲线在坐标系(平面直角坐标系或极坐标系)中形成图形，并同时降低调光层表面散射的干扰。该调光层实现了对特定输入光的特异性调控，使透射输出光的光强分布曲线满足特定分布形态，同时严格控制表面散射的干扰。该调光层通过高纯度体散射来特异性调控透射输出光，同时降低了杂散光的比例，提高了调控精度，并使光强变化柔和，分布曲线过渡平滑，使输出光更适合人眼和镜头观看，也更适合作为新的输入光源进行二次利用，尤其适合作为光学系统的信号源以便对其接收和解析。

所谓调控，调整的是光强分布，这包含两个层面，一是光束的形态，光强分布用图形代码大致区分，光束的弥散程度用光束角Φ₂量化；二是光束的方向，用平均出射角θ₂表示。光强分布和输入光、调光层都有关系。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用下述技术方案：

本实用新型提供一种调光层，所述调光层具有入光面和出光面；所述入光面为光滑平面，所述出光面为光滑平面。

进一步的，所述调光层内包含有光散射剂，所述光散射剂置于调光层的入光面和出光面之间。

所述光滑平面是指平面的表面粗糙度Ra≤250nm。

所述光散射剂完全置于调光层的入光面和出光面之间。所述光散射剂不会突出于调光层的上下表面。所述光散射剂完全埋在调光层内。

所述入光面的表面粗糙度Ra≤250nm，所述出光面的表面粗糙度Ra≤250nm。

所述调光层的入光面和出光面的表面粗糙度Ra在纳米尺度内。

所述调光层内包括传播介质和光散射剂，所述光散射剂分散在传播介质中；所述入光面的表面粗糙度Ra<250nm，所述出光面的表面粗糙度Ra<250nm。

所述调光层为一个体散射系统，由传播介质和光散射剂构成，所述传播介质为一种固态聚合物树脂，所述光散射剂为光散射粒子，所述光散射剂严格分散在传播介质内部，增加了调光层体散射的调控光，所述调光层的上下外表面非常平整、光滑，减少了调光层表面散射的杂散光，所述调光层可对输出光进行特异性调控，使透射输出光满足特定分布形态，且光强变化柔和平滑。

该调光层为一个体散射系统，由传播介质和光散射剂构成，光散射剂严格分散在传播介质内部，调光层的厚度在亚微米与毫米尺度之间，光散射粒子的粒径在亚微米与微米尺度之间，调光层的上下外表面非常平整、光滑，该调光层增加了体散射的调控光，减少了表面散射的杂散光，提高了体散射光的纯度。该调光层提供了高纯度的体散射，可对透射输出光进行特异性调控，使透射输出光的光强分布曲线满足特定分布形态，且光强变化柔和平滑。该调光层可使输出光更适合人眼和镜头观看，也更适合作为新的输入光源进行二次利用，尤其适合作为光学系统的信号源以便对其接收和解析。

所述调光层的厚度T为0.5～5000μm。所述调光层的厚度T在亚微米与毫米尺度之间；所述入光面的表面粗糙度Ra<100nm，所述出光面的表面粗糙度Ra<100nm。

所述传播介质选自聚合物树脂。

所述固态聚合物树脂的固态化方式为光固化、热固化或熔体冷却，表面干爽，常温下不具有粘性。

所述光散射剂的粒径D选自0.1～50μm。所述光散射剂的粒径D在亚微米与微米尺度之间。

所述光散射剂的粒径搭配选自单分散粒子或多分散粒子中的一种或至少两种组合。

所述光散射剂选自聚合物粒子或无机粒子中的一种或至少两种的组合。所述聚合物粒子的粒径D为0.8～50μm。所述无机粒子的粒径D为0.1～5μm。

所述聚合物粒子选自不同材质聚合物中的一种或至少两种的组合。

所述无机粒子选自不同材质无机物粒子中的一种或至少两种的组合。

所述调光层的入光面的表面粗糙度Ra<50nm，所述出光面的表面粗糙度Ra<50nm。

进一步的，所述调光层的上表面或下表面均可作为调光层的入光面或出光面。

本实用新型提供的调光层，所述输入光为准直光或弥散光。

所述输入光的平均入射角为θ₁，0≤θ₁<90°。θ₁优选为0°，即垂直于调光层入光面，利于输入光的有效利用。

进一步的，所述输入光的空间分布优选为具有对称性，存在中心线(光线矢量之和)，此时中心线与入光面的夹角即为平均入射角θ₁。

进一步的，所述对称性在空间上可以描述为单面(指子午面)对称、双面对称或轴对称，即在任意横截面上为单轴对称、双轴对称或中心对称。优选为轴对称，此时波束绕着中心线旋转任意角度其形态不会发生变化，中心线即光轴。

所述输入光的光强分布曲线(即在典型子午线平面C0/180、C45/225、C90/270、C135/315 上的曲线)可描述为特定图形。进一步的，当输入光具有空间对称性时，光强分布曲线所有图形均为轴对称图形。进一步的，当输入光为单面对称时四条曲线均不重合。进一步的，当输入光为双面(如C0/180与C90/270)对称时，与对称面相隔45°的子午面(如C45/225 与C135/315)的光强分布曲线会重合，曲线为两对称面图形的过渡形态。进一步的，当输入光为轴对称时，任意子午线平面的光强分布曲线重合。

进一步的，所述输入光的光强分布曲线的特定图形在极坐标上可为近似的梭形、椭圆形、蛋状、圆形、扇状、云状、心形、双瓣波束状中的一种或二种组合，在直角坐标上可为近似的钉状、半星形、三角形、余弦状、矩形、梯形、重叠双峰状、分离双峰状的一种或二种组合。

所述特定输入光的波束角为Φ₁，0≤Φ₁≤180°。轴对称时，波束角是一个固定值，非中心对称时，波束角是一个范围。

本实用新型提供的调光层，所述输出光为弥散光。

所述输出光的平均出射角为θ₂，0≤θ₂<90°。θ₂优选为0°，即垂直于调光层出光面，利于输出光的简化分析。

所述输出光的空间分布优选为具有对称性，存在中心线，此时中心线与出光面的夹角即为平均出射角θ₂。

进一步的，所述对称性在空间上可以描述为单面(指子午面)对称、双面对称或轴对称，即在任意横截面上为单轴对称、双轴对称或中心对称。优选为轴对称，此时波束绕着中心线旋转任意角度其形态不会发生变化，中心线即光轴。

所述输出光的光强分布曲线可描述为特定图形。进一步的，当输入光具有空间对称性时，光强分布曲线所有图形均为轴对称图形。进一步的，当输入光为单面对称时四条曲线均不重合。进一步的，当输入光为双面(如C0/180与C90/270)对称时，与对称面相隔45°的子午面(如C45/225与C135/315)的光强分布曲线会重合，曲线为两对称面图形的过渡形态。进一步的，当输入光为轴对称时，任意子午线平面的光强分布曲线重合。

进一步的，所述输出光的光强分布曲线的特定图形在极坐标上可为近似的梭形、椭圆形、蛋状、圆形、扇状、云状、心形、双瓣波束状中的一种或二种组合，在直角坐标上可为近似的钉状、半星形、三角形、余弦状、矩形、梯形、重叠双峰状、分离双峰状的一种或二种组合。

所述输出光的波束角为Φ₂，0≤Φ₂≤150°。轴对称时，波束角是一个固定值，非中心对称时，波束角是一个范围。

本实用新型提供的调光层，当θ₁＝0°时，输出光的空间分布一定具有对称性，存在中心线，且对称性与输入光一致。当0<θ₁<90°时，输出光不一定具有对称性，当且仅当输出光的光强分布曲线均为圆形时仍为对称性。

本实用新型提供的调光层，所述聚合物树脂的材质可选自丙烯酸树脂体系(AR，Acrylic resin)、聚氨酯体系(PU)、聚烯烃体系(聚乙烯PE/聚丙烯PP/共聚烯烃PO)、环烯烃聚合物体系(COP)、聚卤代烯烃体系(聚氯乙烯PVC/聚偏氟乙烯PVDF)、聚苯乙烯体系(PS)、聚碳酸酯体系(PC)、聚酯体系(聚对苯二甲酸乙二醇酯PET/聚对苯二甲酸丁二醇酯PBT/ 聚萘二甲酸乙二醇酯PEN)、有机硅体系(Si，Silicone)、环氧树脂体系(EP)、聚酰胺体系(PA)、聚酰亚胺体系(PI)、聚乳酸体系(PLA)、氟树脂体系(FKM)、氟硅树脂体系(FVMQ)、密胺树脂体系(MF)、酚醛树脂体系(PF)、脲醛树脂体系(UF)、或热塑性弹性材料(乙烯-醋酸乙烯共聚物EVA/热塑性弹性体TPE/热塑性聚氨酯弹性体TPU)中的一种或至少两种的组合。

进一步的，所述聚合物树脂的材质选自丙烯酸树脂体系、聚氨酯体系、聚烯烃体系、聚苯乙烯体系、聚碳酸酯体系、聚酯体系、有机硅体系、环氧体系、聚酰亚胺体系、或热塑性弹性材料中的一种或至少两种的组合。

进一步的，所述聚合物粒子的材质可选自聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚甲基丙烯酸丁酯(PBMA)、聚酰胺、聚氨酯、有机硅、聚苯乙烯、密胺树脂、或聚四氟乙烯(PTFE) 中的一种或至少两种的组合。

进一步的，所述聚合物粒子的材质选自聚甲基丙烯酸甲酯、有机硅、聚苯乙烯、或密胺树脂中的一种或至少两种的组合。

进一步的，所述无机粒子的材质可选自碱土金属或非金属的氧化物、氮化物、碳化物、氟化物、硫化物、碳酸盐、硫酸盐、或硅酸盐，或天然矿石粉体，或陶瓷材料粉体中的一种或至少两种的组合。

进一步的，所述无机粒子的材质选自二氧化硅(SiO₂)、二氧化钛(TiO₂)、二氧化锆(ZrO₂)、三氧化二铝(Al₂O₃)、氧化锌(ZnO)、氧化镁(MgO)、硫化锌(ZnS)、碳酸钙 (CaCO₃)、硫酸钙(CaSO₄)、硫酸钡(BaSO₄)、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si₃N₄)、氟化镁 (MgF₂)、氟化钙(CaF₂)、或硅酸镁铝中的一种或至少两种的组合。

进一步的，所述无机粒子的材质选自二氧化硅、二氧化钛、二氧化锆、三氧化二铝、或硫酸钡中的一种或至少两种的组合。

进一步的，所述光散射剂在调光层中的填充率D’为0.0001～0.95。填充率D’优选为 0.001～0.75。

所述光散射剂的填充率D’太低则添加量不易控制，太高则较难分散均匀。

进一步的，所述调光层的厚度T可以为0.5μm，2μm，10μm，30μm，50μm，100μm， 200μm，1000μm，或5000μm。

所述填充率D’可以为0.01～0.75或0.4～0.75。填充率D’可以为0.01、0.1、0.2、0.4、 0.5或0.75。

所述的表面粗糙度Ra可以为0.1～0.2μm，0.05～0.1μm，或Ra<0.05μm。

所述光散射剂可以为SiO₂粒子，粒径为0.1-0.5μm；PMMA粒子，粒径为5μm，2μm或50μm；有机硅粒子，粒径2-5，或1-3μm；MF粒子，粒径0.8～1.2μm；或TiO₂粒子，粒径 0.3～0.5μm。

进一步的，所述调光层的厚度为50μm，调光层包含传播介质和光散射剂，入光面，出光面，光散射剂在传播介质中均匀分散，构成体散射系统，输入光自输入光源的发光面射出，从入光面射入，经过调光层的体散射调控，从出光面射出，产生最终的输出光。其中传播介质为光固化聚合物树脂中的丙烯酸树脂体系；光散射剂为聚合物粒子体系中的聚苯乙烯粒子，多分散，粒径为1～3μm，体散射系统的填充率D’为0.2-0.4。入光面与出光面非常平整、光滑，的表面粗糙度Ra为0.05～0.1μm。前述技术方案包括实施例1-2。

进一步的，所述调光层的厚度为0.5-5000μm，调光层包含传播介质和光散射剂，入光面，出光面，光散射剂在传播介质中均匀分散，构成体散射系统，输入光自输入光源的发光面射出，从入光面射入，经过调光层的体散射调控，从出光面射出，产生最终的输出光。其中传播介质选自光固化聚合物树脂中的丙烯酸树脂体系、或熔体冷却固化方式的PET、或PC；光散射剂选自PMMA粒子(粒径为2～50μm)，或SiO₂粒子(粒径为0.1～0.5μm)，或TiO₂粒子(粒径为0.5～1μm)，或其中两者的组合。体散射系统的填充率D’为0.01-0.4。入光面与出光面非常平整、光滑，的表面粗糙度Ra为0.05～0.1μm。前述技术方案包括实施例3-15。

进一步的，所述调光层的厚度T为30μm，填充率D’为0.4，的表面粗糙度Ra<0.05μm。所述光散射剂为有机硅粒子，粒径2-5μm，所述传播介质选自光固化丙烯酸树脂体系。前述技术方案包括实施例16-31。

进一步的，所述调光层的厚度T为100μm，填充率D’为0.1-0.5，的表面粗糙度Ra为0.1-0.25μm。所述光散射剂为密胺树脂(MF)粒子，粒径0.8-1.2μm，所述传播介质选自热固化的聚氨酯(PU)体系或有机硅体系。前述技术方案包括实施例32-44。

进一步的，所述调光层的厚度T为50μm，填充率D’为0.5，的表面粗糙度Ra为 0.05-0.1μm。所述光散射剂为聚合物粒子和无机粒子的组合，所述聚合物树脂粒子为有机硅粒子(粒径为1-3μm)或聚苯乙烯(PS)粒子(3μm)；所述无机粒子为TiO₂粒子(粒径为0.3～0.5μm)，ZrO₂粒子(粒径为0.5～1.5μm)，Al₂O₃粒子(粒径为0.5～1.5μm)，或BaSO₄粒子(粒径为0.5～1.5μm)。所述传播介质选自热固化的丙烯酸树脂(AR)体系、环氧树脂 (EP)体系或PVDF，光固化的丙烯酸树脂(AR)体系、或熔体冷却固化方式的PP、PC、 EVA、PE、PMMA，或两种热固化树脂的组合，或两种熔体冷却固化树脂的组合，或热固化树脂与光固化树脂的组合。当传播介质由两种树脂组成时，两种树脂的质量比例为 1-100:1-100(1:100，1:1，或100:1)。当光散射剂为聚合物粒子和无机粒子的组合时，聚合物粒子与无机粒子的质量比例为5-100:1(5:1，10:1：50:1或100:1)。前述技术方案包括实施例45-58。

进一步的，所述调光层的厚度T为50μm，填充率D’为0.2，的表面粗糙度Ra为 0.05-0.1μm。所述光散射剂为SiO₂粒子，粒径为0.1-5μm，所述传播介质选自热固化的丙烯酸树脂(AR)体系。前述技术方案包括实施例59-66。

本实用新型还提供一种调光层的制备方法，所述方法包含下述步骤：

(1)将光散射剂均匀分散在聚合物树脂原料中，形成预分散体；

(2)将步骤(1)得到的预分散体制成层状体，

(3)将步骤(2)得到的层状体固化，得到所述调光层。

进一步的，所述方法包含下述步骤：

(1)将光散射剂均匀分散在液态聚合物树脂中，形成液态预分散体；

(2)将一定厚度的液态预分散体直接涂布在超镜面离型体之间，进行光固化或热固化聚合，产生固态分散体。其中，离型力是指涂层与离型体之间的结合力，取决于涂层的配方和离型体的表面性能，表面粗糙度必须为纳米尺度，Ra≤250nm，优选为<250nm，进一步优选为<100nm，进一步优选为<50nm，超镜面离型体可以为如下组合：a.离型力一轻一重的离型辊(仅光固化体系适用)，离型辊表面的材质可选自金属、陶瓷、特氟龙、经表面处理的玻璃等；b.离型力一轻一重的离型板(光固/热固化体系均适用)，离型板表面的材质可选自金属、陶瓷、特氟龙、经表面处理的玻璃、PC、PMMA等；c.离型力一轻一重的离型膜(光固/热固化体系均适用)，离型膜的材质可选自经表面处理的PET、PI、PC等； d.离型力稍重的离型膜与离型力稍轻的离型辊(仅光固化体系适用)；e.离型力稍重的离型膜与离型力稍轻的离型板(光固/热固化体系均适用)；f.离型力稍重的离型板与离型力稍轻的离型膜(光固/热固化体系均适用)；

(3)将固态分散体与离型体分离，获得调光层。其中：a方式在生产中轻重离型辊必须依次与调光层分离，由重离型辊引导调光层前进，通过一定角度剥离可直接获得纯调光层卷材；d方式在生产中轻离型辊必须先与调光层分离，重离型膜作为载体引导调光层前进，获得单面离型调光层的卷材，使用时需撕掉重离型膜；c、f方式在生产中，下方有重离型板或膜作为载体，上方均覆有轻离型膜，获得双面离型调光层板材或卷材，使用时需先撕开轻离型膜，再撕开重离型载体；b、e方式在生产中，下方有重离型板或膜作为载体，上方均覆有轻离型板，若轻离型板为重复性使用的，则获得单面离型调光层板材或卷材，使用时需撕开重离型载体，若轻离型板为一次性使用的，则获得双面离型调光层板材或卷材，使用时需撕开先撕开轻离型板，再撕开重离型载体。

进一步的，所述方法包含下述步骤：

(1)将光散射剂均匀分散在液态/固态聚合物树脂中，形成液态/固态预分散体；

(2)将液态预分散体通过反应挤出/固态预分散体通过熔融挤出直接形成聚合物熔体，通过流延、淋涂、压延、拉伸等工艺控制厚度，同时冷却得到固态分散体，淋涂需离型体作为载体，离型体的搭配方如上面制备方法的步骤(3)中所示。

(3)直接获得调光层，或将离型体撕开后获得调光层。

应当注意，调光层的厚度T应根据应用场合和制备方法进行选择，本实用新型不做优选。当制备方法为常温涂布时，T可选0.5～100μm，主要需匹配涂液的固含量(包括100％固含量)、黏度和涂布器，当制备方法为熔融挤出时，T可选10～5000μm，需匹配熔体的粘弹性以及相应的成型工艺，如拉伸、流延、压延等。

该调光层可以作为光控制器/涂层用于TFT-LCD、OLED、激光投影等显示终端以及光学检测设备的光学传感系统中，通过对太阳光、环境光、紫外光、可见光、红外甚至特殊波长或波段光的检测，实现包括总体强度、分布形态、颜色(波段组成)等信息的分析。

该调光层还可以作为光扩散器/涂层用于显示领域、照明领域中，通过点光源或线光源转化为线光源或面光源方式，实现对任何形式输入光源的匀化以及发光形态的调整。输入光源可以包含混合光源如白光以及单色光源如蓝光、绿光、红光等，也可以包含弥散光源如LED灯以及准直光源如激光源。

该调光层还可以作为散射增强器/涂层用于高色域显示领域、生物医疗等领域中，通过对白光或特殊波段光如蓝光、蓝紫光、紫外光等的散射增强，实现增强荧光/磷光等检测信号或提高光致发光的效率的目的。

该调光层还可以作为波段选择性散射器/涂层用于图像识别、光学身份识别(如人脸识别、指纹识别、掌纹识别)等领域中，通过对特殊波段光的散射增强以及特殊波段光的散射减弱，实现至少两种波段光的散射强度的高度差异，实现电子终端中附加光学识别系统的功能，同时又最大程度保持原始光学显示系统的功能。例如，调光层可以通过配方设计，对近红外光实现低散射强度(高准直透过)，又对可见光实现高散射强度，在提高光学识别系统的红外图像清晰度的同时，维持了光学显示系统的可见光图像的均匀度，同时满足器件和人眼对输入光源的差异化需求。

与现有技术相比，本实用新型提供的调光层能够调控输出光的光束形态和方向，使输出光的光强分布曲线在坐标系(平面直角坐标系或极坐标系)中形成图形，并同时降低调光层表面散射的干扰。

具体的，本实用新型所提供的调光层，具有下述特点：提供了高纯度的体散射，可对透射输出光进行特异性调控，使透射输出光的光强分布曲线满足特定分布形态，且光强变化柔和平滑。可使输出光更适合人眼和镜头观看，也更适合作为新的输入光源进行二次利用，尤其适合作为光学系统的信号源以便对其接收和解析。

附图说明

图1为传统光学膜的四种典型光学涂层的结构示意图；

图2为不同表面对输出光的影响；

图3为调光层的横截面光路示意图；

图4为调光层的入光面/出光面互换等效示意图；

图5a为球坐标系；

图5b为图5a所示球坐标系的典型子午线平面；

图6a为弥散输出光的光路示意图；

图6b为法向弥散输出光的光路示意图；

图7a为准直输入光的光路示意图；

图7b为法向准直输入光的光路示意图；

图8a为弥散输入光的光路示意图；

图8b为法向弥散输入光的光路示意图；

图9为常规体散射涂层的横截面光路示意图；

图10a为不同表面的圆形输出光的光强分布曲线(极坐标系)；

图10b为不同表面的余弦状输出的光强分布曲线(直角坐标系)；

图10c为不同表面的蛋状输出光的光强分布曲线(极坐标系)；

图10d为不同表面的三角形输出光的光强分布曲线(直角坐标系)；

图11a～h分别为各种形态输入光/输出光的光强分布曲线(极坐标系)；

图12a～h分别为各种输入光/输出光的光强分布曲线(直角坐标系)。

其中：

00：输入光源的出光面

01：输入光

02：输出光

03：法线

04：准直输出光

05：表面散射输出光

06：体散射输出光

07：几种散射表面

081：理想表面

082：普通表面

083：光滑表面

010：输入光形态

010A：输入光中心线(平均入射角方向)

011：输入光C0/C180子午线平面

012：输入光C45/C225子午线平面

013：输入光C90/C270子午线平面

014：输入光C135/C315子午线平面

015：输入光任意

子午线

020：输出光形态

020A：输出光中心线(平均出射角方向)

021：输出光C0/C180子午线平面

022：输出光C45/C225子午线平面

023：输出光C90/C270子午线平面

024：输出光C135/C315子午线平面

025：输出光任意

子午线

1：调光层

101：调光层的入光面

102：调光层的出光面

1A：调光层的传播介质

1B：调光层的光散射剂

1’：常规体散射涂层

101’：常规体散射涂层的入光面

102’：常规体散射涂层的出光面

具体实施方式

为了更易理解本实用新型的结构及所能达成的功能特征和优点，下文将本实用新型的较佳的实施例，并配合图式做详细说明如下。

如图1所示，传统光学膜的四种典型光学涂层：(1)为扩散粒子层；(2)为微复制结构层；(3)为无粒子涂层/镀层；(4)为常规体散射涂层。(1)、(2)、(3)均具有一定的散射表面07，只是形态不同。此外，当准直光从下往上穿过该涂层时：(1)粒子部分露在胶层外，表面散射输出光05较强，但也有部分埋在胶层中，也会产生体散射输出光06；(2) 结构凸起部分产生较强的表面散射输出光05，体散射输出光06不存在，而准直输出光04 的多少与凸出表面的面积有关；(3)因上下表面互相平行，内部也无粒子，不会破坏准直，因此只产生准直输出光04；(4)虽然大部分输出光为体散射光06，但因为存在表面不平整或在表面附着有微粒，也产生了一部分表面散射光05，且由于表面散射发生在从出光面穿出的最后一刻，既定的光路或既定的分布形态受到破坏，体散射则变得不纯。

为了最大程度地维持输出光既定的传播方向或光强分布，需对表面的平整性进行控制。图2所示为相同的准直光输入后不同表面对输出光的影响，如图2所示，1、理想表面081 对输出光完全没有影响，此时输出光具有既定的光路方向或光强分布；2、普通表面082由于微观上表面凹凸不平仍较多，起伏较大，的表面粗糙度较高，对输出光造成较强的影响，即传播方向或光强分布与既定的偏离较多；3、光滑表面083由于微观上表面凹凸不平仍较少，起伏较小，的表面粗糙度较低，对输出光影响较小，即传播方向或光强分布与既定的偏离极少。同理，针对输入光的影响也是如此，因而调光层的上下表面均需足够光滑。

如图3所示，本实用新型提供的调光层1由传播介质1A和光散射剂1B构成，1B在 1A中均匀分散，构成体散射系统，输入光01自输入光源的发光面00射出，从调光层的入光面101射入，经过调光层的体散射调控，从调光层的出光面102射出，产生最终的输出光02。容易理解，调光层的出光面可以视作新的发光面，其射出的输出光，可以视作另一接收单元的输入光源。

对个体而言，单颗光散射剂1B所在1A的体积微元即是一个微粒散射体，依据微粒散射理论(如米散射、瑞利散射)，不同01的波长，1B的折射率、粒径、形状(对于无数微粒的系统，因形状的影响可以忽略)以及1A的折射率等(散射理论常用波长与微粒周长的尺寸参数、微粒与介质的相对折射率)均会对散射光产生一定程度的影响。

对整体而言，调光层即是众多微粒散射体所构成的光散射系统，其体散射调控是整个光散射系统对所有入射光线作用(光线的方向和强度构成输入光形态)的综合结果。多数情况下(1B在1A中填充率不是特别高时)，每一个1B微粒在1A中的分散状态是自由的，取向是任意的，其形状的综合影响是各向同性的，因此可以忽略不规则形状的影响，将其近似看作球体。此外，当其他条件确定后，光散射剂(微粒散射体)的浓度影响单位光程上光遇到光散射剂的概率，调光层的厚度(微粒散射体构成XY平面的Z轴层数)影响从射入到射出总光程上光遇到光散射剂的次数，其中，由于光散射剂的浓度M是单位介质体积中的微粒数量，那么可以间接通过粒径D(影响单个微粒的体积)以及填充率D’(影响单位介质体积中微粒的总体积)控制：粒径即粒度，可以参考激光粒度分析仪中，个数长度平均径D(1,0)、长度表面积平均径D(2,1)、表面积体积平均径D(3,2)、以及体积四次矩平均径D(4,3)等，通过V＝1/6×π×D(1,0)×D(2,1)×D(3,2)可以近似求出微粒的平均体积；填充率D’则可由光散射剂(微粒)与传播介质的体积比Rv计算得到，D’＝Rv/(Rv+1)，体积比可由质量比Rm与密度比Rρ计算得到，Rv＝Rm/Rρ，光散射剂和传播介质的密度均取调光层最终加工后固态化的密度，尤其是传播介质在加工前若为液态，则需考虑其液-固转变时的密度变化；最后，通过微粒(即光散射剂)的填充率D’除以微粒平均体积V得到微粒的浓度M(微粒数量/传播介质体积)。此外，D(3,2)/D(1,0)的比值可以评估微粒的分散程度，越小越趋于单分散，越大越趋于多分散。

因此，最终调光层的体散射调控主要受到输入光的种类(白光、蓝光、绿光、红光、近红外等，如无特别注明，本文均指白光)与分布形态，传播介质的种类，光散射剂的种类、粒径(平均粒径、粒径分布)、填充率，整体调光层的厚度等因素的影响。

如图4所示，由于调光层1的上下外表面非常平整、光滑，且调光层内部光散射剂1B是均匀分散在传播介质1A中的，因此单层调光层可以理解为上下对称的，上下表面均可以作为入光面101，或出光面102，因此不论输入光01从下至上，还是从上至下射入调光层，最终对输出光02产生的影响其实是一样的。注：为方便理解，本文后续图例，将始终定义上表面为出光面。

如图5a和图5b所示，球坐标系由一个原点O、三条通过原点三维正交的XYZ轴、以及原点为球心半径为r的球面构成。XYZ轴的正方向如图所示，本文以XY所在圆面为调光层平面，Z轴为调光层的法线方向，其中Z轴正方向又称为天顶方向，XY轴所在平面为赤道平面。以原点为圆心，Z轴为直径形成半圆，其圆弧即为子午线，通过X正轴的子午线C0，即本初子午线，半圆面绕Z轴旋转360°可形成球体，在同一平面上的子午线能构成一个圆又称子午线圈，圆所在的平面即子午线平面，因此，三维球坐标中任何一个子午线平面均是二维的极坐标系。如图5b所示，从本初子午线逆时针(自天顶方向观察赤道平面)每隔45°可以产生4个圆面，即典型子午线平面——C0/C180、C45/C225、C90/C270、 C135/C315，4个圆面由8个子午线半平面两两构成。在球坐标系中任意一点P的坐标均可表示为(r,θ,

)，原点O的坐标为(0,0,0)，矢量OP(或PO)可以用以表示出射光OP (或入射光PO)的方向、强度。对于P的坐标，其中r为OP的距离代表光线强度，θ为天顶角，即OP与OZ的夹角，

为方位角，即OP所在

子午线半平面与本初子午线半平面的角度差，

在0～360°取值(X正轴为0°，以逆时针方向增加，同OP’与X正轴在 XY极坐标上的角度差)，θ从0～180°取值，区分左右侧，则可设定-180～180°(若P在上半部，则只需取值0～90°，为区分左右侧，可设定为-90°～90°)。(注：本文在分析光路时只考虑单向传播，因此后续所指子午线平面或半平面均只展示其上半部分的半圆或1/4圆。)

如图6a所示为弥散输出光的光路示意图，如图6b所示为法向弥散输出光的光路示意图。输入光01自输入光源的发光面00射出，从调光层的入光面101射入，经过调光层的体散射调控，从调光层的出光面102射出，产生最终的输出光02。此时输出光形态020分布在102所在球坐标系的上半部，光线的矢量方向为朝面外，其输出光中心线020A在子午线

半平面025上，输出光的平均出射角即020A的天顶角为θ₂，方位角为

特别的，当θ₂＝0，输出光中心线020A与Z正轴重合，此时不存在

即如图6b所示的法向出射。输出光优选法向出射，即θ₂＝0，利于接收单元简化分析。

如图7a所示为准直输入光的光路示意图，如图7b所示为法向准直输入光的光路示意图。输入光01自输入光源的发光面00射出，从调光层的入光面101射入，经过调光层的体散射调控，从调光层的出光面102射出，产生最终的输出光02。此时输入光形态010分布在00所在球坐标系的上半部，光线的矢量方向为朝面外，其输入光中心线010A在子午线

半平面015上，为，输入光的平均入射角即010A的天顶角为θ₁，方位角为

特别的，当θ₁＝0，输出光中心线010A与Z正轴重合，此时不存在

即如图7b所示的法向入射。输入光优选法向入射，即θ₁＝0，利于输入光的有效利用，也间接利于输出光的简化分析。

如图8a所示为弥散输入光的光路示意图，如图8b所示为法向弥散输入光的光路示意图，光路与7a、7b同理。输入光优选法向入射，即θ₁＝0，利于输入光的有效利用，也间接利于输出光的简化分析。

如图9所示，用于对比的一个常规体散射涂层，常规体散射涂层的表面(入光面和出光面)不够光滑。

如图10a/10b/10c/10d所示为通过不同表面的各种形态输出光在子午线平面的光强分布曲线，其中每张图中的081代表从理想表面获得的理论曲线，082代表从普通表面(数据来自对比例1、2)实际获得的测试曲线，曲线由图9所示的常规体散射涂层测试所得，083代表从光滑表面(数据来自实施例1、2)实际获得的测试曲线，曲线由图3所示的调光层测试所得，图9和图3所示调光层的组成相同，仅出光面/入光面光滑程度不同。其中，10a/10b 所示输出光形态，其波束角(注：无特别说明，本文波束角均指50％峰值光强的光束夹角) 约为120°；10c/10d所示输出光形态，其波束角约为90°。理想表面081的分布曲线是完美平滑的曲线，该曲线可以通过理论推算函数表达式，或通过大量测量数据的取均值再通过拟合得到，例如10a/10b的完美平滑曲线：在极坐标中为圆，表达式ρ＝2r×cosθ，因归一化，2r取值为1,θ取值-90～90°；在直角坐标中为余弦，表达式y＝A×cos x，因归一化，A取值为1,x取值-90～90°。可以发现，普通表面082的曲线与081相比，采样精度较低，波动较强，噪音较多，信噪比较低，而光滑表面083的曲线与081相比，采样精度较高，波动较弱，噪音较少，信噪比较高。

如图11a～h、图12a～h所示为不同形态输入/输出光的光强分布曲线和波束角的对照，其中图11均为极坐标系，图12均为直角坐标系，表1所列为这些曲线的特定图形和对应的波束角范围。一般而言，绝大部分均可认为是单波束，g、h为双波束，当然也可以具有更多波束可以通过a～h所列形态的组合来实现，本实用新型暂不赘述，但不影响本实用新型所保护的范围。本实用新型中a～e为近似图案，由波束数量和波束角定义，波束角的变化范围即是图案的近似变化范围。

表1不同形态输入/输出光的光强分布曲线和波束角的对照表

注1：坐标系代码11、12，形状代码为a～h，如圆形可以表示为11d，三角形可表示为12c。

注2：OD-peaks，指Overlapped double peaks(重叠双峰)，SD-peaks，指Separateddouble peaks(分离双峰)，当波谷光强高于峰值光强的50％则认为交叠，低于则认为分离。SD-beams, 指Separated double beams(双瓣波束)，本实用新型对双瓣间隔不做要求，但360°等间隔分布的典型案例如玫瑰曲线，极坐标函数为ρ＝sin(k×θ)或ρ＝cos(k×θ)，k为光束的个数，k 为奇数时有k个花瓣，k为偶数时有2k个花瓣。当波束分离时，波束角应该表示为2个单波的波束角。

对比例1

如图9所示，用于对比的一个常规体散射涂层1’，厚度T为50μm，包含传播介质1A和光散射剂1B，入光面101’，出光面102’，1B在1A中均匀分散，构成体散射系统，输入光01自输入光源的发光面00射出，从入光面101’射入，经过常规体散射涂层的体散射调控，从出光面102’射出，产生最终的输出光02。其中1A为光固化聚合物树脂中的亚克力体系，1B为聚合物粒子体系中的聚苯乙烯粒子，多分散，粒径为1～3μm，体散射系统的填充率D’为0.4。入光面101’与出光面102’属于普通表面082，的表面粗糙度Ra为 0.5～1μm。输入光01的形态为空间轴对称，θ₁＝0°，法向入射，任意子午线平面上的形态为梭形如图11a中曲线082所示/尖峰状如图12a中曲线082所示，波束角为Φ₁＝10°。输出光 02的形态为空间轴对称，θ₂＝0°，法向出射，任意子午线平面上的形态为近似的圆形如图 11d中曲线082所示/余弦状如图12d中曲线082所示，波束角Φ₂＝117°。

对比例2

如对比例1提供的常规体散射涂层，所述填充率D’为0.2，所述输出光02的形态为近似的蛋状如图11c中曲线082所示/三角形如图12c中曲线082所示，波束角Φ₂＝88°。

实施例1

如图3所示，本实用新型提供的调光层1，厚度T为50μm，包含传播介质1A和光散射剂1B，入光面101，出光面102，1B在1A中均匀分散，构成体散射系统，输入光01 自输入光源的发光面00射出，从入光面101射入，经过调光层的体散射调控，从出光面 102射出，产生最终的输出光02。其中1A为光固化聚合物树脂中的丙烯酸树脂体系，光散射剂1B为聚合物粒子体系中的聚苯乙烯粒子，多分散，粒径为1～3μm，体散射系统的填充率D’为0.4。入光面101与出光面102非常平整、光滑，的表面粗糙度Ra为0.05～0.1μm。输入光01的形态为空间轴对称，θ₁＝0°，法向入射，任意子午线平面上的形态为梭形如图 11a中曲线083所示/尖峰状如图12a中曲线083所示，波束角为Φ₁＝10°。输出光02的形态为空间轴对称，θ₂＝0°，法向出射，任意子午线平面上的形态为近似的圆形如图11d中曲线083所示/余弦状如图12d中曲线083所示，波束角Φ₂＝120°。

实施例2

如实施例1提供的调光层1，所述填充率D’为0.2，所述输出光02的形态为近似的蛋状如图11c中曲线083所示/三角形如图12c中曲线083所示，波束角Φ₂＝90°。

实施例3-15

如实施例1提供的调光层1，所述各项参数如表3所列。

实际上，针对同样的输入光和输出光的调控方式，分散体中传播介质和光散射剂的组合并非局限上述实施例，可以根据传播介质和光散射剂的光学特性(折光系数、消光系数) 做各种各样的改变，例如相应改变涂层厚度、填充率、粒径分布等。而针对同一个实施例，输入光和输出光的调控组合也并非局限于上述实施例，改变输入光就会有不同的调控组合。

应当注意，特定光散射剂和传播介质的搭配会起到不一样的效果，可以根据实际调控需求对至少2种传播介质或至少2种光散射剂进行复配，本实用新型对搭配的种类和比例不做限定。此外，传播介质的光学特性相对接近，聚合物粒子和无机粒子的光学特性差异较大，因此一般粒子复配时往往需考虑对光学性能的影响，而树脂复配时往往需考虑其他力学性能、表面性能、加工性能、相容性、耐候性的影响。传播介质的树脂复配比例一般取100/1～1/100，光散射剂聚合物粒子和无机粒子的复配比例一般取100/1～5/1。

按照下述方式评价本实用新型提供的调光层的性能。

(A)体散射的调节效果

针对体散射的调节效果，用输入光/输出光的形态变化来评价，可采用变角光度计或空间分布光度计测定子午线平面上的光强分布。弥散形态的输入光源尤其是非对称的空间，建议采用空间分布光度计，如远方GO系列。多种波长的准直光，建议采用变角光度计，如配以通用测量附件(Universal measuring attachment，UMA)的安捷伦Cary5000/7000等。测得的光强分布数据需以峰值光强做归一化处理，去除输入光源强度稳定性和检测设备稳定性导致的光强绝对值波动影响，只考虑形态，即相对值。

(B)体散射的调节精度

针对体散射的调节精度(在图形上表示为光强分布曲线的光滑程度)，用输出光光强曲线的采样精度即数据的稳定性来评价，多次采样获得多角度平均的归一化标准差NSD(Normalized standard deviation)，针对有理论可知真实值的特定分布曲线，亦可用均方误差MSE。数据处理上，由于特定角度的峰值光强做了归一化，而0～20°低仰角(即θ＝90～70°) 测试数据本就误差较大，因此，本实用新型在计算标准差时将选择其他角度。本实用新型根据NSD的大小，将调控精度进行了6个等级的划分，依次对应关系为：极高—(0,0.001]、高—(0.001,0.005]、较高—(0.005,0.01]、较低—(0.01,0.05]、低—(0.05,0.1]、极低—(0.1,0.5]。

调光层的调节精度在图形上表示为光强分布曲线的光滑程度，曲线越光滑表示调光层的调节精度越高。的表面粗糙度越低调控精度越高。Ra＝100～250nm，调控精度较高；Ra＝50～100nm，调控精度高；Ra<50nm，调控精度极高。

表2相同输入光下对比例1、2与实施例1、2的性能对比

注1：T为体散射涂层/调光层厚度，单位μm；D’为填充率，无量纲单位；Ra为的表面粗糙度，单位μm；A为传播介质的材质，S为传播介质的固化方式，PB为聚合物粒子， IB为无机粒子，D为粒径，单位μm，θ₁和θ₂分别为输入光的平均入射角和输出光的平均出射角，单位为°，Φ₁和Φ₂分别为输入光和输出光的波束角，单位为°。

注2：N_A表示无对应的特征图形。

注3：当输入光为准直光时，波束角记为0°，无形态代码，直接标明准直。

如表2所示，比较对比例1、2与实施例1、2，可知当其他条件不变，Ra提高时，调控精度会随之降低，同时若恰巧峰值强度或关键角度的光强数据精度较差时，会造成Φ₂也不准确，误差变大。

表3准直输入光下的实施例3-15的性能对比

注释1～3同表2

如表3所示，比较实施例3～7、8～9、10～11可知，当其他条件不变，T增加时，体散射效果加强，Φ₂变大。比较实施例6与实施例12、13可知，当其他条件不变，D’增加时，体散射效果加强，Φ₂变大。比较实施例10与实施例14、15可知，当其他条件不变，D减小时，粒子浓度M增加，体散射效果加强，Φ₂变大。

实施例16-31

如实施例1提供的调光层1，所述各项参数如表4所列。

表4法向不同形态输入光下的实施例16-31的性能对比

注释1～3同表2

如表4所示，比较实施例16～19可知，针对特定的调光层，当其他条件不变，输入光Φ₁变大时(此时，输入光形态从a逐渐向c转变)，体散射效果加强，Φ₂变大(此时，输出光形态从b逐渐向d转变)。比较实施例20～28可知，针对特定的调光层，当其D’足够大，且光散射剂和传播介质光学性能搭配合理时，法向入射的准直输入光以及其他形态的法向入射光均能产生形态d。比较实施例29～31可知，当法向输入光非轴对称时，输出光的对称性可能和输入光一致，也可能比输入光的对称性更高，尤其是D’足够大时，会加强体散射效果，提高对称性。

实施例32-44

如实施例1提供的调光层1，所述各项参数如表5所列。

表5不同入射角的输入光下的实施例32-44的性能对比

注释1～3同表2

如表5所示，比较实施例32～37以及38～43可知，针对特定的调光层，当其D’足够大，且光散射剂和传播介质光学性能搭配合理时，无论是准直输入光还是弥散的入射光，改变入射角度最终均能产生形态d。比较实施例41与44可知，当D’不够大时，因体散射效果不足，输入光非法向入射时，波束角仍然增大，但输出光的对称性往往会低于输入光。

实施例45-58

如实施例1提供的调光层1，所述各项参数如表6所列。

表6法向轴对称准直输入光下的实施例45-58的性能对比

注释1～3同表2

注4：当聚合物为复配时，可以是混合，也可以是共聚。当粒子为复配时，只能是混合。

注5：树脂复配比例一般取100/1～1/100。PB/IB复配比例一般取100/1～5/1，单一种类用1/0 表示。

注6：不同输入光均为准直光，空间轴对称，且θ₁＝0°，即法向入射。输出光为空间轴对称，法向出射。

如表6所示，比较实施例45～47可知，两种传播介质光学特性很接近时，无论如何改变比例，若光散射剂不变，则基本不影响调控效果。比较实施例45、48～54可知，传播介质组合的综合光学特性和粒子组合的综合光学特性搭配会影响调控效果。比较实施例 55～58可知，无机粒子因粒径普遍小于聚合物粒子，单位体积浓度更高，因此提高无机粒子的比例可以使体散射迅速加强，调控效果更好。

实施例59-66

如实施例1提供的调光层1，所述各项参数如表7所列。

表7不同波长法向轴对称准直光的实施例59～66的性能对比

注释1～3同表2

注4：不同波长输入光均为准直光，空间轴对称，且θ₁＝0°，即法向入射。输出光为空间轴对称，法向出射。

如表7所示，比较实施例59～66可知，形态相同但波长不同的光经过同样调光层时，体散射的强度可能并不相同，在米散射区(如实施例59～62)，这个差异相对比较小，但在瑞利散射区(如实施例63～66)，这个差异比较大，因这个区域时体散射的强度与波长的4次方成反比，长波对输出光的形态改变更少，对Φ₂提升的幅度更小。基于这个原理，只要配方合适，本实用新型的调光层也可以实现波长差异化的体散射调控。

应当注意，以上所述，仅为本实用新型的几种典型的实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡是根据本实用新型内容所做的均等变化与修饰，均涵盖在本实用新型的专利范围内。

Claims (9)

1.一种调光层，其特征在于，所述调光层具有入光面和出光面；所述入光面为光滑平面，所述出光面为光滑平面；所述入光面的表面粗糙度Ra≤250nm，所述出光面的表面粗糙度Ra≤250nm。

2.根据权利要求1所述的调光层，其特征在于，所述调光层内含有光散射剂，所述光散射剂置于调光层的入光面和出光面之间。

3.根据权利要求2所述的调光层，其特征在于，所述调光层内包括传播介质和光散射剂，所述光散射剂分散在传播介质中；所述入光面的表面粗糙度Ra<250nm，所述出光面的表面粗糙度Ra<250nm。

4.根据权利要求2所述的调光层，其特征在于，所述调光层的厚度T为0.5～5000μm；所述入光面的表面粗糙度Ra<100nm，所述出光面的表面粗糙度Ra<100nm。

5.根据权利要求3所述的调光层，其特征在于，所述传播介质选自聚合物树脂。

6.根据权利要求2所述的调光层，其特征在于，所述光散射剂的粒径D选自0.1～50μm。

7.根据权利要求2所述的调光层，其特征在于，所述入光面的表面粗糙度Ra<50nm，所述出光面的表面粗糙度Ra<50nm。

8.根据权利要求2所述的调光层，其特征在于，所述光散射剂在调光层中的填充率D’为0.0001～0.95。

9.根据权利要求8所述的调光层，其特征在于，所述光散射剂在调光层中的填充率D’为0.4-0.75。

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