CN101750664B - 一种衍射导光薄膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种衍射导光薄膜及其制备方法。该衍射导光薄膜包括入光面、底面和出光面，在底面或出光面包括至少一个区域，每个区域在使用时与一个点光源对应并且包括多个光栅像素单元，在入射光的强区，任意两个光栅像素单元内的光栅占空比、槽型深度和空间频率相同，任意光栅像素单元内的光栅的条纹取向与入射光的夹角的绝对值在0-20度80-90度之间；在入射光的弱区，任意所述光栅像素单元内的光栅的条纹取向与入射光的夹角的绝对值在80-90度之间，任意两个光栅像素单元内的光栅占空比、槽型深度和空间频率相同，每个光栅像素单元内光栅的面积使得出光均匀度为0.7-1。本发明提供的衍射导光薄膜在满足出光均匀度要求的同时，还具有制作简单的优点。

Description

一种衍射导光薄膜及其制备方法

技术领域

本发明是关于一种衍射导光薄膜及其制备方法。

背景技术

背光模组是液晶显示装置(LCD)不可缺少的部分，安装在手机、数码相机、PDA、笔记本电脑等小型面板中的常规的背光组件一般包括光源、导光板、扩散膜、棱镜片、反射片等。导光板用于引导光源所产生的光，将点光源或者线光源产生的光转化成均匀分布的面光源。

近年来，随着手机、笔记本电脑等移动电子设备的普及和小型化，背光模组行业内的竞争也越来越激烈，轻型化、薄型化、低成本等要求越来越高。新型导光板的设计也成为行业热点，轻、薄、出射光均匀性好、亮度高是新型导光板研制追求的目标。

传统的导光板利用的是几何光学的原理，在导光板的底面设计扩散网点，当光线入射到扩散点时，会将一条光线散射成多条光线，从而来破坏光的全反射，使部分光线从出光面散射出去。在距离光源较近处，扩散点较小并稀疏，在距离光源较远处，扩散点较大，较密，通过这种分布使光源强度较强处散射较少的光线，光线强度较弱处，散射较多的光线，从而实现光强的均匀性。也有在导光板的上下表面加入微棱镜结构，利用的也是折射原理。另外为了实现背光模组的轻量化和薄型化，有的设计采用导光板下表面是扩散网点，上表面铺满微结构的形式，这样就可以省去一块棱镜片而降低了整体的厚度。

但是传统方法设计的导光板存在着出射光强均匀度不高的问题。

近年来利用波动光学原理，用衍射光栅代替传统的扩散点或者微结构的研究已经有了一定的进展。光栅型的导光板利用光栅的衍射特性，可以更精确的控制出射光的角度和出射光的效率，从而获得较好的均匀度。更重要的是，采用衍射光栅的制作方式可以降低导光板的厚度，从而降低了整个显示系统的成本，因此，衍射式的导光薄膜越来越受到科研人员的重视。

现有技术中公开了一种利用衍射光栅制作的导光板，在导光板的底部是一系列光栅常数为0.1-10微米的衍射光栅。通过改变光栅占空比和光栅的截面轮廓，来提高出射面的光强的强度和均匀性。

现有技术中公开了一种改良的超薄衍射光栅光导薄膜，在薄膜的表面平铺有光栅像素单元，每个光栅像素单元由亚像素结构组成，通过改变亚像素结构的大小，光栅的取向，光栅的截面轮廓，光栅占空比，光栅槽型深度等来达到均匀光强的目的。

上述公开的衍射导光板在同一块板上需改动的参数较多，比如槽型深度和光栅截面轮廓的同时改变，这给设计、制作和复制过程带来很大难度，甚至难以实现，不仅使制作成本很高，而且使设计上的灵活性和精确性大大降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种衍射导光薄膜，既能提高出光均匀度，又能考虑到生产的实际情况，降低制作难度，在生产过程中更容易被实现。

本发明提供了一种衍射导光薄膜，该衍射导光薄膜包括入光面、底面和出光面，在所述底面或所述出光面包括至少一个区域，每个区域在使用时与一个点光源对应并且包括多个光栅像素单元，其中，在任意一个区域中，多个光栅像素单元与对应的点光源发出的经入光面进入衍射导光薄膜的入射光具有如下关系：在入射光的强区，任意两个光栅像素单元内的光栅占空比、槽型深度和空间频率相同，并且，任意一个所述光栅像素单元内的光栅的条纹取向与入射光的方向之间的夹角的绝对值在0一20度80-90度之间；在入射光的弱区，任意一个所述光栅像素单元内的光栅的条纹取向与入射光的方向之间的夹角的绝对值在80-90度之间，任意两个光栅像素单元内的光栅占空比、槽型深度和空间频率相同，每个光栅像素单元内光栅的面积使得出光均匀度为0.7-1；其中，所述入射光的强区是指以对应的点光源为端点并以经过点光源的导光薄膜边缘的垂线为基准正负5度、从靠近点光源的导光薄膜的边缘开始到导光薄膜长度的1/10-1/2的区域，所述入射光的弱区是指该点光源对应的区域中除入射光的强区以外的区域。

本发明提供了所述的衍射导光薄膜的制备方法，该衍射导光薄膜包括入光面、底面和出光面，在所述底面或所述出光面包括至少一个区域，每个区域在使用时与一个点光源对应并且包括多个光栅像素单元，其中，在任意一个区域中，多个光栅像素单元与对应的点光源发出的经入光面进入衍射导光薄膜的入射光具有如下关系：在入射光的强区，任意两个光栅像素单元内的光栅占空比、槽型深度和空间频率相同；并且，任意一个所述光栅像素单元内的光栅的条纹取向与入射光的方向之间的夹角的绝对值在0-20度或80-90度之间；在入射光的弱区，任意一个所述光栅像素单元内的光栅的条纹取向都与入射光的方向之间的夹角的绝对值在80-90度之间，任意两个光栅像素单元内的光栅占空比、槽型深度和空间频率相同，每个光栅像素单元内光栅的面积使得出光均匀度为0.7-1；其中，所述入射光的强区是指以对应的点光源为端点并以经过点光源的导光薄膜边缘的垂线为基准正负5度、从靠近点光源的导光薄膜的边缘开始到导光薄膜长度的1/10-1/2的区域，所述入射光的弱区是指该点光源对应的区域中除入射光的强区以外的区域。

本发明提供的衍射导光薄膜出光均匀度可达到0.7以上，而且，在满足出光均匀度要求的同时，还具有制作简单的优点。

附图说明

图1为本发明导光膜示意图；

图2为导光膜内部应用全反射原理示意图；

图3是在出光面上设置光栅像素单元的示意图；

图4是本发明的一种实施方式的衍射导光薄膜示意图；

图5是本发明的另一种实施方式的衍射导光薄膜示意图；

具体实施方式

一种衍射导光薄膜，该衍射导光薄膜包括入光面、底面和出光面，在所述底面或所述出光面包括至少一个区域，每个区域在使用时与一个点光源对应并且包括多个光栅像素单元，其中，在任意一个区域中，多个光栅像素单元与对应的点光源发出的经入光面进入衍射导光薄膜的入射光具有如下关系：在入射光的强区，任意两个光栅像素单元内的光栅占空比、槽型深度和空间频率相同，并且，任意一个所述光栅像素单元内的光栅的条纹取向与入射光的方向之间的夹角的绝对值在0-20度或80-90度之间；在入射光的弱区，任意一个所述光栅像素单元内的光栅的条纹取向与入射光的方向之间的夹角的绝对值在80-90度之间，任意两个光栅像素单元内的光栅占空比、槽型深度和空间频率相同，每个光栅像素单元内光栅的面积使得出光均匀度为0.7-1；其中，所述入射光的强区是指以对应的点光源为端点并以经过点光源的导光薄膜边缘的垂线为基准正负5度、从靠近点光源的导光薄膜的边缘开始到导光薄膜长度的1/10-1/2的区域，所述入射光的弱区是指该点光源对应的区域中除入射光的强区以外的区域。

优选情况下，所述入射光的弱区内的像素单元的光栅占空比、槽型深度和空间频率分别与所述入射光的强区对的像素单元的光栅占空比、槽型深度和空间频率相同。

优选情况下，所述入射光的强区内的像素单元的光栅的条纹取向与入射光的方向的夹角的绝对值在0-5度之间，进一步优选为与入射光的方向平行；或者，根据本发明的另一种实施方式，优选为在所述入射光的强区的像素单元的光栅条纹取向与入射光的方向垂直。

优选情况下，所述入射光的弱区内的像素单元的光栅条纹取向与入射光的方向垂直。

优选情况下，在入射光的强区设置光栅条纹取向与入射光的方向之间的夹角的绝对值在0-20之间的光栅。所述入射光的强区是指以对应的点光源为端点并以经过点光源的导光薄膜边缘的垂线为基准正负5度、从靠近点光源的导光薄膜的边缘开始到导光薄膜长度的1/10-1/2的区域，所述入射光的弱区是指该点光源对应的区域中除入射光的强区以外的区域。在不设置所述与入射光的方向之间的夹角的绝对值在0-20之间的光栅的情况下，在这一区域的光强通常会明显高于其他区域，如，光强可能超过平均光强的130％。在这种情况下，加入与入射光的方向之间的夹角的绝对值在0-20之间的光栅后，可以进一步改善出光均匀度。

所述入射光的光强分布也可以通过Tracepro或Lighttools等软件模拟计算得出。当光源位置确定，参数确定，导光板的参数确定后就可以使用软件来确定光强。

图1为本发明导光膜示意图。其中，1为光源，2为导光膜，3为导光膜表面的衍射结构。

图2为导光膜内部应用全反射原理示意图。1为光源，2为导光膜。

图3是在出光面上设置光栅像素单元的示意图.

图4为本发明的一种实施方式。所有的光栅像素单元内的光栅条纹取向均与入射光的方向垂直。任意两个光栅像素单元内的光栅占空比、槽型深度和空间频率相同。

图5为本发明的另一种实施方式。其中，图中的处于入射光的强区内的光栅像素单元与入射光的方向平行，其他区域的光栅像素单元内的光栅条纹取向均与入射光的方向垂直。入射光的强区内任意两个光栅像素单元内的光栅占空比、槽型深度和空间频率相同。入射光的弱区内任意两个光栅像素单元内的光栅占空比、槽型深度和空间频率相同。入射光的强区和弱区内光栅像素单元内的光栅占空比、槽型深度和空间频率可以相同或不同。

所选薄膜为本领域公知的薄膜，例如聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚氨酯(TPU)中的一种或几种。导光膜前体的厚度可以为125-1000微米，优选为125-300微米。其所选薄膜的折射率范围也为本领域公知，可通过商购时直接得到，在此不再赘述。

所述光栅的条纹取向是指光栅条纹的方向，在确定光栅的条纹取向时可以入射光的方向为基准计算，所述光栅的条纹取向范围为-90°-90°。

使用本发明提供的衍射导光薄膜时，可以使用常规的点光源，例如LED。

所述任意所述光栅像素单元内的光栅的空间频率、槽型深度和光栅的条纹取向、光栅占空比的关系符合严格耦合波方程。

优选情况下，所述空间频率为1000线/毫米-2000线/毫米，所述光栅占空比为0.3-0.5，所述槽型深度为0.5微米-2.5微米。

严格耦合波方程是指一种矢量衍射理论，是目前使用最为广泛的一种解决亚波长光栅问题的理论。《Formulation for stable and efficient implementationof the rigorous coupled-wave analysis of binary gratings》(Journal of OpticalSociety of America，Vol.12，No.5，May 1995，1068-1076)一文中，对该理论有详细的论述。该理论以麦克斯韦方程为基础，通过研究电磁波在周期结构介质中的传播，从麦克斯韦方程中推导出一组非线性微分方程，并结合边界条件，通过数值计算，能精确的得到各级衍射效率和各个光栅参数之间的对应关系。

优选情况下，光栅像素单元为方形。

根据本发明提供的衍射导光薄膜的制备方法，该衍射导光薄膜包括入光面、底面和出光面，在所述底面或所述出光面包括至少一个区域，每个区域在使用时与一个点光源对应并且包括多个光栅像素单元，其中，在任意一个区域中，多个光栅像素单元与对应的点光源发出的经入光面进入衍射导光薄膜的入射光具有如下关系：在入射光的强区，任意两个光栅像素单元内的光栅占空比、槽型深度和空间频率相同，并且，任意一个所述光栅像素单元内的光栅的条纹取向与入射光的方向之间的夹角的绝对值在0-20度或80-90度之间；在入射光的弱区，任意一个所述光栅像素单元内的光栅的条纹取向与入射光的方向之间的夹角的绝对值在80-90度之间，任意两个光栅像素单元内的光栅占空比、槽型深度和空间频率相同，每个光栅像素单元内光栅的面积使得出光均匀度为0.7-1；其中，所述入射光的强区是指以对应的点光源为端点并以经过点光源的导光薄膜边缘的垂线为基准正负5度、从靠近点光源的导光薄膜的边缘开始到导光薄膜长度的1/10-1/2的区域，所述入射光的弱区是指该点光源对应的区域中除入射光的强区以外的区域。

在所述底面或所述出光面的至少一部分上设置多个光栅像素单元的方法可以包括：根据导光图案制作母板、电铸和模压；其中，所述导光图案与所述多个像素单元形成的图案一致。

根据本发明，确定光栅像素单元的光栅的条纹取向的方法可以包括，根据使用时对应的入射光的方向，计算出每个像素单元的条纹取向，使每个光栅像素单元内的光栅的条纹取向与入射光的方向之间的夹角的绝对值在80-90度之间，基于严格耦合波理论的计算出光栅衍射效率与光栅槽型深度、空间频率、光栅占空比和光栅条纹取向与入射光之间的夹角的关系；并根据基材的厚度、折射率、入射光角度和波长，基于严格耦合波理论的计算，确定光栅占空比、槽形深度、空间频率；根据入射光强大小和出光均匀度要求，确定每个像素单元的光栅面积，得到所述导光图案。

或者，按照上述方法确定每个像素单元的光栅的面积后，在入射光的强区设置条纹取向与入射光的方向之间的夹角的绝对值在0-20度之间的光栅像素单元，得到所述导光图案。

先在入射光的强区加入条纹取向都与入射光的方向之间的夹角的绝对值在0-20度之间的光栅像素单元的方法除了条纹取向，其它参数和别处的光栅单元没有不同。

其中，确定各光栅像素单元的衍射效率的方法为公知方法，例如，可以使用光学仿真软件模拟出薄膜各处光强大小，计算出各处所需衍射效率的大小。

所述出光均匀度是衡量出光面出射光光强的均匀性的参数，是指出光面上任意两点的出射光的光强的最小值与最大值的比值。出光均匀度越接近1，就说明导光板上每处输出的光强大小越近似，光强的均匀性也就越好。

上述在确定衍射效率与槽型深度、空间频率、光栅与入射光之间的夹角和光栅占空比之间的关系式后，通过基于严格耦合波理论的计算，为导光图样选择一组合适的光栅参数，包括光栅占空比、槽形深度、空间频率。所述合适是指，所选择的光栅参数能使光栅在其条纹取向范围内变化时，得到的衍射效率的范围相比于选取其他组时的衍射效率的范围更宽。

将不同光栅的条纹取向的像素单元进行组合，合成导光图案。所述进行组合的方法为本领据公知的方法，在此不再赘述。

制作母板的方法可以为常规方法，例如，可以通过激光直写技术或光变图像照排技术将导光图案光刻到光刻胶上。

所述电铸的目的是把光刻胶表面的图案转移到金属板上。所述电铸可以为常规方法，例如，所述电镀可以分为三个过程，第一个过程是对光刻胶表面金属化，可以使用喷银方法，或采用化学沉积方法，化学沉积方法包括先对刻胶表面进行清洁敏化处理，是光刻胶表面离子化，形成均匀分布的离子颗粒，再使用硝酸银溶液在光刻胶表面发生银镜反应，在光刻胶表面形成一薄层银导电层，完成金属沉积过程；然后用化学电镀的方法使金属层加厚，在金属层与光致抗蚀剂剥离后，金属表面上就具有了浮雕型条纹；然后再将上述得到的金属板在钝化液中做钝化处理，使表面生产一层金属氧化物；然后用电镀的方法在上面沉积镍，再经过几次同样的过程，得到直接用于模压的工作镍板。可以根据所要电铸的金属的种类来确定电镀液的组成，例如，当电铸镍时，电铸液含有水溶性镍盐。

所述模压是将金属板上的条纹压印到热塑性薄膜材料上。所述模压可以为常规方法，例如，将所述电铸得到的工作镍板包在模压机加热滚筒上，通过滚压的方式将金属板上的条纹压在薄膜上。

实施例1

该实施例用于制备本发明第一种实施方式提供的导光薄膜。

1、合成导光图案

选取光源为LED灯，PC薄膜大小为30毫米×40毫米×0.3毫米，采用Tracepro模拟出薄膜各处光强大小，计算出各处所需衍射效率的大小。

根据入射光的方向，确定各光栅像素单元的条纹取向。

通过基于严格耦合波理论的多次计算，选择一组光栅参数，光栅占空比为0.4、槽形深度为1.5微米、空间频率为2000线/毫米。

确定以上光栅参数后，结合各处所需的衍射效率，根据严格耦合波方程计算出各处所需光栅面积。将各像素单元进行组合，合成导光图案。

其中，所述衍射结构的面积占下表面全部面积的90％。该衍射结构是由衍射光栅像素单元组成，其中，所述像素单元为正方形，边长为80微米。槽型深度为1.5微米，频率为2000线/毫米。

2、制作母板

将光刻胶(苏州瑞红公司，RZJ-396PG)均匀地涂布在厚度为2毫米的玻璃板上，干燥后形成感光层厚度为2微米的感光板。

用光刻机(美国ABM公司)使上述感光板以全息图纹的形式曝光，曝光能量为300毫焦/平方厘米，并在显影液(0.7重量％的氢氧化钠水溶液)中显影，显影液的温度为20℃，显影时间为30秒，即可制得光学掩模板。

3、电铸

对步骤2制得的光学掩模板的具有全息图纹的表面进行喷银。然后用20克/升的NaOH溶液清洗；用10克/升的重铬酸钾水溶液钝化。将该光学掩模板作为阴极，镍块作为阳极，在电铸液中进行电铸。所述电铸液为含有100克/升的硼酸、100克/升的氯化镍和200克/升的氨基磺酸镍的水溶液，电铸的电流为10安，时间为180分钟。得到的镍电铸板的厚度为50微米。

4、模压

在模压机(东进镭射有限公司，800型)将步骤3制得的金属板压在30毫米×40毫米×0.3毫米的PC(美国陶氏：PC 201-05)上，模压的温度为140℃，压力为250MPa，模压的速度为30米/分钟。然后除去金属板，即可制得本发明的导光薄膜。

测定出光均匀度：

方法为9点测试法，即在发光面上选取9点，最小值除以最大值，采用亮度测试仪(日本拓普康BM-7亮度色度计)测得该导光薄膜的出光均匀度为0.70。

实施例2

该实施例用于制备本发明第一种实施方式提供的导光薄膜。

1、合成导光图案

选取光源为LED灯，PC薄膜大小为30毫米×40毫米×0.3毫米，采用lighttools模拟出薄膜各处光强大小，计算出各处所需衍射效率的大小。

先在入射光的强区加入条纹取向都与入射光平行的光栅像素单元，然后，在入射光的弱区，根据入射光的方向，计算出每个像素单元的条纹取向，使每个光栅像素单元内的光栅的条纹取向与入射光的方向相垂直，基于严格耦合波理论的计算出光栅衍射效率与光栅槽型深度、空间频率、光栅占空比和光栅条纹取向与入射光之间的夹角的关系；并根据基材的厚度、折射率、入射光角度和波长，基于严格耦合波理论的计算，确定光栅占空比、槽形深度、空间频率，光栅占空比为0.4、槽形深度为1.5微米、空间频率为2000线/毫米。根据各处所需的衍射效率来确定每个像素单元的光栅的面积。

确定以上光栅参数后，结合各处所需的衍射效率，根据严格耦合波方程计算出各处所需光栅面积。将各像素单元进行组合，合成导光图案。

其中，所述衍射结构的面积占下表面全部面积的90％。该衍射结构是由衍射光栅像素单元组成，其中，所述像素单元为正方形，边长为80微米。槽型深度为1.5微米，频率为2000线/毫米。

按照与实施例1中相同的方法制作母板、电铸和模压，并测定出光均匀度为87％。

Claims (9)

1.一种衍射导光薄膜，该衍射导光薄膜包括入光面、底面和出光面，在所述底面或所述出光面包括至少一个区域，每个区域在使用时与一个点光源对应并且包括多个光栅像素单元，其特征在于，在任意一个区域中，多个光栅像素单元与对应的点光源发出的经入光面进入衍射导光薄膜的入射光具有如下关系：在入射光的强区，任意两个光栅像素单元内的光栅占空比、槽型深度和空间频率相同，并且，任意一个所述光栅像素单元内的光栅的条纹取向与入射光的方向之间的夹角的绝对值在0-20度或80-90度之间；在入射光的弱区，任意一个所述光栅像素单元内的光栅的条纹取向与入射光的方向之间的夹角的绝对值在80-90度之间，任意两个光栅像素单元内的光栅占空比、槽型深度和空间频率相同，每个光栅像素单元内光栅的面积使得出光均匀度为0.7-1；其中，所述入射光的强区是指以对应的点光源为端点并以对应的点光源到导光薄膜边缘的垂线为基准正负5度、从靠近点光源的导光薄膜的边缘开始到导光薄膜长度的1/10-1/2的区域，所述入射光的弱区是指该点光源对应的区域中除入射光的强区以外的区域。

2.根据权利要求1所述的衍射导光薄膜，其中，所述入射光的弱区内的像素单元的光栅占空比、槽型深度和空间频率分别与所述入射光的强区内的像素单元的光栅占空比、槽型深度和空间频率相同。

3.根据权利要求1所述的衍射导光薄膜，其中，所述入射光的强区内的像素单元的光栅的条纹取向与入射光的方向的夹角的绝对值在0-5度之间。

4.根据权利要求1所述的衍射导光薄膜，其中，所述入射光的强区内的像素单元的光栅条纹取向与入射光的方向平行。

5.根据权利要求1所述的衍射导光薄膜，其中，所述入射光的强区内的像素单元的光栅条纹取向与入射光的方向垂直。

6.根据权利要求3、4或5所述的衍射导光薄膜，其中，所述入射光的弱区内的像素单元的光栅条纹取向与入射光的方向相垂直。

7.根据权利要求1所述的衍射导光薄膜，其中，所述光栅像素单元内的光栅的空间频率、槽型深度和光栅的条纹取向、光栅占空比的关系符合严格耦合波方程；所述空间频率为1000线/毫米-2000线/毫米，所述光栅占空比为0.3-0.5，所述槽型深度为0.5微米-2.5微米；所述光栅像素单元为方形。

8.根据权利要求1所述的衍射导光薄膜，其中，所述多个光栅像素单元的形成方法包括：根据导光图案制作母板、电铸和模压；所述导光图案与所述多个像素单元形成的图案一致。

9.根据权利要求8所述的衍射导光薄膜，其中，确定所述导光图案的方法包括，根据使用时对应的入射光的方向，计算出每个像素单元的条纹取向，使每个光栅像素单元内的光栅的条纹取向与入射光的方向之间的夹角的绝对值在80-90度之间，基于严格耦合波理论的计算出光栅衍射效率与光栅槽型深度、空间频率、光栅占空比和光栅条纹取向与入射光之间的夹角的关系；并根据基材的厚度、折射率、入射光角度和波长，基于严格耦合波理论的计算，确定光栅占空比、槽形深度、空间频率；根据入射光强大小和出光均匀度要求，确定每个像素单元的光栅面积，得到所述导光图案；或者，在确定每个像素单元的光栅的面积后，在入射光的强区加入条纹取向与入射光的方向之间的夹角的绝对值在0-20度之间的光栅像素单元，得到所述导光图案。

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