光學(xué)功能膜材在平板顯示中應(yīng)用
2019-06-11 22:41:25
隨著新型平板顯示技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，傳統(tǒng)意義的光學(xué)顯示器件已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代顯示技術(shù)高畫質(zhì)、高清晰度、大尺寸、輕薄等性能需要。在LCD顯示器中，由于LED光源的普遍采用。CCFL時(shí)代的光學(xué)功能材料已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代新型平板顯示技術(shù)的發(fā)展。復(fù)合式多功能增亮材料、變齒形的增亮光柵材料、裸眼3D立體顯示光學(xué)功能材料。計(jì)算機(jī)防窺功能材料以及高端反光膜材料、直線式太陽能聚光功能材料相繼問世，使光學(xué)功能材料的發(fā)展具有更廣泛和巨大的市場空間。光學(xué)功能膜材料的應(yīng)用更廣泛。 .jpg "圖片關(guān)鍵詞")
光學(xué)功能膜材料的分類
光學(xué)功能材料的分類很多，通常是在力、聲、熱、電、磁 、光的外加場的作用下其光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，從而起到開關(guān)、調(diào)制 、隔斷、偏振、匯聚、增亮。增大視角等多種功能的材料。本文主要討論在新型平板顯示器和CPV太陽能聚光中用的片式薄膜式的光學(xué)功能膜材料。
1、LCD背光模組中的增光膜
具有特定光學(xué)功能的膜材料，其主要特點(diǎn)是表面光潔膜層的界面呈幾何分割。膜層的折射率在界面上可以發(fā)生躍變，但在膜層內(nèi)是連續(xù)的?？梢允峭该鹘橘|(zhì)。也可以是吸收介質(zhì)。在制備過程中如果表面是粗糙的，會(huì)導(dǎo)致光的漫散射。光在膜層之間相互滲透形成擴(kuò)散界面。
增光膜是背光模組中最關(guān)鍵的功能件，由于表面均勻布滿棱形尖錐的微細(xì)結(jié)構(gòu)，提高了光線的透過率，增大了亮度和視角。LCD-TV進(jìn)入電視機(jī)市場后，更加強(qiáng)調(diào)亮度系數(shù)的提高，使增光膜的需求更迫切。CRT背投屏幕中的光柵柱面鏡，即同一方法生產(chǎn)，只是齒形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)形式不一樣，輥筒加工方式不一樣，成型工藝技術(shù)不一樣。
（1）制作材料：在雙向預(yù)拉伸PET基材上涂布覆蓋鋸齒狀或波浪狀的同體UV光固化材料，通過已加工好的超精密花紋輥筒壓制的微光學(xué)結(jié)構(gòu)材料，也可采用精密擠出生產(chǎn)線生產(chǎn)。熱成型工藝方面在擠出熱成型中有不能達(dá)到成型精度的缺點(diǎn)，由于采用粒料熱融后成型，能耗較高，材料的熱變形溫度較低。
（2）上下棱鏡片兩種：區(qū)別為基材上微結(jié)構(gòu)方向（相互垂直）不同。
（3）作用：提升正面輝度。
在增亮膜的制造中，節(jié)距B可以小到25μm，B的精度可達(dá)±0.001mm，粗糙度可達(dá)5—8nm。齒角α通常是90°，但也有做成60°和三高兩低齒形的（如圖2）。
棱鏡片（增亮膜）主要功能是把光源發(fā)出的光線導(dǎo)正。增加背光模組的發(fā)光效率。通常稱為BEF，即在透明性能較好的雙向預(yù)拉伸PET預(yù)涂膜上，涂布一層均勻的丙烯酸樹脂（UV光固膠）通過超精密加工成型的光學(xué)增亮棱形模輥壓制成型。在紫外光的照射下快速干燥固化成型。使增亮膜在背光模組中將光源的光向顯示設(shè)備的觀看方向匯聚。視角外未被利用的光再反射后被循環(huán)利用，起到增大視角的作用。
2、新型復(fù)合多功能增量膜
多功能復(fù)合增亮光柵是一種在新的工藝方法中完成的制作方法，包括基材生成、涂膠、光柵模輥加工、滾壓成型、光固化、檢測和覆膜七個(gè)步驟，通過在PMMA、PC、PET、MS等基板的制造過程中，預(yù)先混入專門的擴(kuò)散配方，并對(duì)基材生產(chǎn)設(shè)備的輥輪進(jìn)行磨砂處理，在生產(chǎn)PET基材的過程中，增加表面的霧度，集導(dǎo)光、擴(kuò)散、勻光、增亮等功能于一體，具有減少材料成本、減輕整機(jī)重量、節(jié)約制造成本等優(yōu)點(diǎn)。這種多功能增亮光柵又叫多功能棱鏡片（Multi-Functional Prism Sheet），是一種較高階的產(chǎn)品，它整合了棱鏡片與擴(kuò)散片的功能，較一般型棱鏡片有更好的發(fā)光效率。
國內(nèi)企業(yè)也已經(jīng)開始結(jié)合自身的工藝技術(shù)條件研發(fā)一種新型的多功能增亮膜。
3、投影顯示微光學(xué)結(jié)構(gòu)顯示屏
隨著微顯示技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展，傳統(tǒng)的CRT背投電視機(jī)屏幕已不能滿足新型平板顯示器高畫質(zhì)、高清晰顯示的要求，需要一種更小節(jié)距的微細(xì)結(jié)構(gòu)成像，更清晰的屏幕，特別是一些特殊用途的顯示屏幕，比如戰(zhàn)斗機(jī)高清晰的顯示終端等。由于LCD延時(shí)與拖尾的缺點(diǎn)，無法應(yīng)用在超音速的飛機(jī)上。國際上通常均采用屏顯代替?zhèn)鹘y(tǒng)的儀表，而這種顯示器非光學(xué)微結(jié)構(gòu)屏幕莫屬。在現(xiàn)代顯示技術(shù)中，這種帶有微結(jié)構(gòu)的顯示屏，我們稱為MD顯示屏，而在MD顯示屏中，發(fā)光效率是最重要的顯示特性，直接影響到顯示效果。
對(duì)于目前的微顯示投影技術(shù)（MD），采用LCD、DLP、LCOS等技術(shù)作為圖像源的顯示方式來說，作為顯示屏幕組件之一的雙凸透鏡片已不需要具有上述色位移修正的功能，沒有必要形成射出側(cè)的雙凸透鏡。并且使射出面為平面，能夠防止由于射出側(cè)凹凸而產(chǎn)生的發(fā)散反射。如圖3所示。
采用LCD、DLP、LCOS等技術(shù)作為圖像源，則像素的周期結(jié)構(gòu)和柱狀透鏡的周期結(jié)構(gòu)的互相干擾產(chǎn)生的干涉條紋（莫爾條紋）成為問題。為了避免這個(gè)問題，必須使雙凸透鏡間距（節(jié)距）比屏幕上的像素間距小很多，與采用CRT作為圖像源的方式相比，要求窄間距的柱狀透鏡陣列片。但是間距變窄后，就難以在與柱狀透鏡對(duì)應(yīng)的正確位置上形成黑條紋。這就是發(fā)展到今天的微光學(xué)結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯示功能材料越來越力求超精密加工的微加工技術(shù)支持的原因。
在沒有黑條紋的情況下，入射到柱狀透鏡陣列片上的外界光的一部分會(huì)由于上述機(jī)理發(fā)生全反射，這將較大的降低對(duì)比度。為了降低入射側(cè)柱狀透鏡面上的反射引起的對(duì)比度下降問題，一般是將光吸收劑分散在柱狀透鏡陣列片的內(nèi)部，或配置著色板。如果配置著色板或?qū)⒐馕談┓稚⒃谥鶢钔哥R陣列片內(nèi)部，的確能提高對(duì)比度，當(dāng)然也會(huì)產(chǎn)生折射光的損耗。如果要使對(duì)比度獲得較大提高，存在著光的利用率下降很多的問題。所以在實(shí)際應(yīng)用中要很好的平衡對(duì)比度和亮度，以及視角和亮度的關(guān)系。
如圖4所示，光發(fā)散層9有將投射光各向同性發(fā)散的作用。因此，光發(fā)散層9將投射光沿垂直方向發(fā)散，從而確保垂直方向的可視區(qū)域。同時(shí)在水平方向使由于柱狀透鏡的作用而造成的尖銳的光度分布變得平滑，也使光發(fā)散到柱狀透鏡的作用達(dá)不到的區(qū)域，同時(shí)減少莫爾條紋的影響，能預(yù)期降低晃眼感的效果，所以最好利用光發(fā)散層進(jìn)行最低限度的各向同性發(fā)散。
在圖4中將光發(fā)散層9設(shè)在柱狀透鏡13的焦點(diǎn)附近，如果在遠(yuǎn)離焦點(diǎn)極大的位置上形成光發(fā)散層9，則會(huì)產(chǎn)生散焦現(xiàn)象，造成分辨率的惡化，圖像模糊不清。最好將光發(fā)散層9設(shè)置在柱狀透鏡13的光射出側(cè)，離開柱狀透鏡的距離為柱狀透鏡焦距的2倍以內(nèi)的位置。
下面我們針對(duì)橢圓柱狀透鏡的構(gòu)型特征來分析比較他們的特性：
橢圓柱狀透鏡結(jié)構(gòu)：如圖5
而在MD顯示屏中，發(fā)光效率，是最重要的顯示特性，直接影響到顯示效果。
4、3D裸眼電視屏幕
裸眼立體顯示中均采用了一種橢圓結(jié)構(gòu)的微光學(xué)結(jié)構(gòu)功能材料，3D光柵是立體顯示器中最關(guān)鍵的光學(xué)功能材料之一。在投影顯示器中，由于表面均勻的布滿圓柱形的微光學(xué)結(jié)構(gòu)，這種透鏡陣列的功能作用在于使紅綠藍(lán)以各種不同角度入射的光，以相等的光能分布特性發(fā)散。由于紅綠藍(lán)各光束入射角不同而產(chǎn)生的各光束各不相同的指向性（光的分布特性）的現(xiàn)象稱為“色移位”，圓柱體的光柵陣列使各光束的光度分布特性一致的功能稱為“色移位修正”。正是通過橢圓凸透鏡來修正色位移的。
在裸眼3D電視中，主要通過橢圓型的柱狀光柵產(chǎn)生的視覺變化實(shí)現(xiàn)的立體圖像顯示，而這種橢圓柱狀光柵的加工精度直接與圖像的分辨率有關(guān)，在光柵陳列中是由相同節(jié)距的排列組合結(jié)構(gòu)所組成的。加工中節(jié)距的累計(jì)誤差會(huì)直接影響到圖像效果，這就是在新型平板顯示器光學(xué)功能材料的制造過程中超精密的加工模輥技術(shù)成為最關(guān)鍵的核心技術(shù)之一。只有加工精度越高，效果越好。非球面的橢圓柱光柵聚焦特性會(huì)更好，成像和視角均比球面柱狀光柵好。
5、菲涅爾透鏡
二十世紀(jì)菲涅爾透鏡應(yīng)用最普遍的領(lǐng)域還是在投影顯示中，主要功能就是準(zhǔn)直光線和匯聚光線。通過匯聚聚焦光線和調(diào)整光線為準(zhǔn)直從而提高顯示器的亮度。
菲涅爾透鏡是循環(huán)同心棱鏡折射結(jié)構(gòu)，這些棱鏡的表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是為了能夠折射光線，通過改變傳統(tǒng)透鏡的曲面為幾乎坍塌成平面，通過這種方式，菲涅爾透鏡的厚度大大降低，從而形成一種特殊的平面性的匯聚光線的透鏡，特別在大型放大鏡中，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的凸透鏡，而尺寸可以做得很大，厚度很薄，重量也更輕。
同心棱鏡折射表面結(jié)構(gòu)成為Slope（傾斜面） 和Draft (干擾面）。傾斜面實(shí)際上接近于傳統(tǒng)非球面透鏡的曲面。理論上，所有反射應(yīng)該發(fā)生在傾斜面上。為了使透鏡厚度變薄，相鄰工作面之間的干擾面有必要設(shè)計(jì)成不相等高度，從而能夠把曲面還原成平面。光入射在干擾面上會(huì)在散落在成像面上，除了使效率降低外，同時(shí)會(huì)造成其他一些問題（如雜散光：stray light和重影 ghosting）。
合理設(shè)計(jì)干擾面以及菲涅爾透鏡方向，干擾光損失可以降到最低。見圖7顯示了壓克力透鏡在隨著焦距在準(zhǔn)直/顯示應(yīng)用中對(duì)光線透過的變化。
當(dāng)準(zhǔn)直光線時(shí)，菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)面朝向無窮共軛。這種方式的話，干擾角可以設(shè)計(jì)出不影響光線路徑。圖8展示了如果應(yīng)用在錯(cuò)誤的方向，透鏡光透過損失有多大。
菲涅爾(Fresnel)透鏡是一種片狀的薄形透鏡，它一直以其輕、薄、價(jià)格低廉優(yōu)勢(shì)而在一些方面得到應(yīng)用。但市場上的菲涅爾透鏡多為等差半徑的同心圓結(jié)構(gòu)，其制作缺乏精確的光學(xué)設(shè)計(jì)過程，導(dǎo)致成像質(zhì)量不是很高，有的甚至只是簡單的波紋結(jié)構(gòu)，其光學(xué)質(zhì)量就更差了。即使是較好的菲涅爾透鏡，也是通常將普通透鏡分為小段后，近似為折線，并經(jīng)過不同距離的簡單平移而形成，這些設(shè)計(jì)方法上的缺陷造成了菲涅爾透鏡的低質(zhì)量，影響了菲涅爾透鏡的推廣應(yīng)用。
菲涅爾透鏡的設(shè)計(jì)原理其實(shí)是用若干小面來代替整個(gè)連續(xù)的大曲面。圖9(c)為傳統(tǒng)菲涅爾透鏡設(shè)計(jì)原理。圖9(b)的鋸齒狀菲涅爾透鏡的功能和圖0(a)的原始透鏡相同。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法可以用圖9(c)表示。實(shí)際上圖9(b)的菲涅爾透鏡可以看成是由圖9(a)的透鏡刪除多個(gè)矩形部分，再把剩余部分往下移動(dòng)成一個(gè)片狀而成為菲涅爾透鏡的。見圖9(c)，其中臺(tái)階狀陰影就是被刪除的多個(gè)矩形組成的部分。
顯然圖9(b)這一菲涅爾透鏡比透鏡(a)要薄，從而吸收小，節(jié)省材料。但這種按傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的透鏡只對(duì)平行光是正確的，這時(shí)(c)中陰影部分對(duì)光線是沒有影響的。但是若是非平行光，如LED為光源時(shí)，(c)中的陰影部分對(duì)光線就有影響了。若把它刪除制成菲涅爾透鏡，就會(huì)造成很大的雜散光。此外，若透鏡的截面用折線代替小弧線，也會(huì)帶來光學(xué)上的誤差。
6、CPV聚光線性菲涅爾透鏡
CPV聚光線性菲涅爾透鏡實(shí)際上是一種條形聚光棱鏡，把傳統(tǒng)的菲涅爾透鏡的一環(huán)一環(huán)的齒形結(jié)構(gòu)的光柵，延展成并排排列的陣列。
隨著現(xiàn)代光學(xué)結(jié)構(gòu)模具加工精度的提高，我國已經(jīng)能夠加工制造條形光柵聚光菲涅爾透鏡。這種透鏡能夠把光線匯聚到一很窄的范圍的長條形的光斑，特別適合于CPV聚光太陽能的光伏光熱應(yīng)用領(lǐng)域。
7、帶防窺功能的光學(xué)材料
這是一種裝配在電腦面板上可以防窺視的一種光學(xué)功能材料。在超精密的模輥上加工梯形結(jié)構(gòu)的光學(xué)結(jié)構(gòu)，控制人眼觀看的視角，可以達(dá)到防窺的功能。
圖10中S表示結(jié)構(gòu)的深度，是防窺功能材料的主要參數(shù)，格結(jié)構(gòu)件的節(jié)距精度是影響產(chǎn)品功能的主要因素。
