CN103221848A - 光学片、光学单元及使用其的发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明一种涉及用于发光装置的光学片或光学单元。具体的，本发明提供一种光学片，包括形成在基底构件上的多个透镜图案，其中所述透镜图案的SAG（高度H:透镜直径R）在0.01至0.3的范围内。本发明提供一种光学片，其通过调整在基底构件上的透镜图案的SAG来使全反射最小化，从而实现高亮度的发光装置。

Description

光学片、光学单元及使用其的发光装置
技术领域
本发明涉及一种用于发光装置的光学片。
背景技术
发光装置的基本标准与其能源效力可否以低能量改善、其是否能够以薄型结构来实现或者与其是否具有环保等特性有关。
上述标准不仅在用于建筑物、车辆和街灯的发光装置起重要作用，同时对于使用于LCD（liquid crystal display，液晶显示器）中的背光源的发光装置同样扮演重要的角色。
对于用于液晶显示器的背光源，LED（Light Emitting Diode，发光二极管）取代CCFL（Cold Cathode Fluorescent Lamp，冷阴极灯管）。因此，实现高亮度和降低产品成本的需求成为人们致力于补偿透光率或用光学片取代减少光源数量的原动力。
发明内容
技术问题
符合近来趋势的光学片需要高亮度因而会增加生产成本。同时，由于需要多个光学片以满足近来趋势所需的规格，使所产生的装置的整体可靠度会下降。
具体地，目前使用的常规光学片会在接收射进来的光的过程中由于全反射的影响而造成光损耗。然而随着光学片数量的增加，光损耗也随之增加。
图1示出从在常规光学片中实现的光学图案观察到的全反射。
入射光L1朝向形成在光学片表面上的透镜图案L2前进。如图所示，延着光路径产生全反射而反射光会射出到外部L3，导致光损耗。
技术方案
本发明努力实现一种光学片，其通过调整光学片的基底构件上形成的透镜图案的SAG（凹陷）来使全反射最小化，从而提供一种光学片和光学单元，利用所述光学片和光学单元可实现高亮度光学装置。
为解决所述技术问题，本发明的一个方面提供一种光学片，包括：形成在基底构件上的多个透镜图案，所述透镜图案的SAG（高度H:透镜直径R）在0.01至0.3的范围内。
具体地，所述透镜图案的形成方式可以是相同尺寸或不同尺寸的多个透镜以均匀或随机方式分布。
所述透镜的结构可以采取圆形、椭圆形、棱柱状、双凸面形、或R棱柱状(R-prism)中的形状。
在根据本发明的光学片中实现的所述透镜的直径在1μm至500μm的范围内。
在本发明的另一方面，形成在基底构件上的所述透镜图案在相邻透镜之间的空间中包含具有负曲率的曲面部。
在此情况下，所述曲面部可以组成具有负曲率的球形面或非球形面，在邻近透镜的外角，所述非球形面的长轴a和短轴b的范围在0.1μm至1000μm的范围内。
另外，根据本发明的光学片的形成方式可以是：通过将各个透镜图案的中心连接的至少一条线与形成在所述基底构件上部的LCD像素的水平轴所建构的角度在5.5°至9.5°的范围内。
所述相邻透镜图案之间的距离可以在所述透镜图案直径的5%到15%的范围内。在此情况下，透镜图案可通过一种光学片来实现，其中所述光学片包括多个相同尺寸的透镜图案，所述透镜图案的直径在5μm至25μm的范围内。
此外，根据本发明，形成有所述多个透镜图案的面积范围是所述基底构件的面积的70%到95%。
本发明还可以提供一种配备有至少一个或多个光学片的光学单元，其中形成在基底构件上的多个透镜图案的SAG（高度:透镜直径）在0.01至0.3的范围内。
对于光学单元，优选的是，布置在包括多个光学片的结构顶端的光学片的透镜直径在1μm到30μm的范围内。
此外，透镜图案的形成方式可以是：相同或不同尺寸的多个透镜以均匀或随机的方式分布。如上所述，透镜的结构可采取圆形、椭圆形、棱柱状、双凸面形、或R棱柱状中的形状。
此外，根据本发明，构成光学单元的单个光学片的透镜图案可以形成为具有至少一个或多个光学片，其中具有负曲率的曲面部形成在相邻透镜之间的空间中。
上述根据本发明的光学片或光学单元可应用于发光装置，该发光装置包括光传输层，将来自光源的光线引导至前端。
在此情况下，所述光学片或所述光学单元与所述光传输层一起可使一半以上的入射光在透镜图案内具有在65至115度范围内的入射角。
此外，根据本发明的发光装置可以制造为该光学片或该光学单元的上部或下部可以包括至少一个或多个增强膜。所述增强膜表现出提高的透明度、半透明度、折射、衍射、漫射和亮度中的至少一种特征。
有益效果
本发明提供一种光学片，其通过调整形成在基底构件上的透镜图案的SAG使全反射最小化，从而实现一种高亮度的发光装置。
具体地，根据本发明的光学片或光学单元不仅使全反射最小化，同时也实现高亮度，从而减少光源的数目并提高可靠度。
附图简要说明
下面将参照附图详细描述本发明的实施方式。在附图中，相同的附图标记表示相同的组件。
图1示出从在常规光学片中实现的光学图案观察到的全反射；
图2示出根据本发明的光学片的表面的透镜图案；
图3是示出亮度随着构成根据本发明的光学片的透镜的凹陷(Sag)改变的实验结果；
图4示出根据本发明的光学片的另一实施例；
图5是根据本发明的一个优选实施例的光学片的一个实施方式透视图；
图6是曲线图，示出根据本发明的一个优选实施例的针对具有25μm或更小直径的规则透镜图案的不同类型的LCD像素影响的莫尔效应；
图7是曲线图，示出与常规不规则的透镜图案的亮度相比根据本发明的一个优选实施例的具有25μm或更小直径的规则透镜图案所提高的亮度；
图8是平面图，示出根据本发明的一个优选实施例相对于LCD像素的倾斜透镜图案的频率；
图9为根据本发明优选实施例的光学片的平面图，其中相邻透镜图案间的距离保持预定距离；以及
图10和图11示出应用了根据本发明的光学片的发光装置的实例。
具体实施方式
本发明提供一种使用于不同的发光装置的光学片，该光学片通过控制形成在光学片表面上的透镜图案，可使来自光源的入射光的全反射最小化并且提高光学片的亮度。
为此，本发明提供一种光学片，其配备有形成在基底构件的上的多个透镜图案，其中所述透镜图案的SAG（凹陷）（高度H:透镜直径R）在0.01至0.3范围内。
在下文中，将参照附图详细说明根据本发明的结构及效果。在附图中，相同元件用相同附图标记表示，且省略相同元件的描述。此外，第一、第二等术语可以用来描述不同元件，但不应被限制于该元件。所述术语仅用于一个元件与其他元件区分开将。
图2示出根据本发明的光学片的表面的透镜图案。
其中图（a）示出非球面透镜的剖视图；（b）示出棱柱型透镜的剖视图；（c）示出球面透镜的剖视图。但本发明的透镜形状并不限于以上所列。
1、第一实施例：光学片或光学单元
根据本发明的光学片配备有形成在基底构件10上的多个透镜图案20，其中透镜图案的SAG（高度H:透镜直径R）的范围在0.01至0.3内。
本文中的透镜指局部形状为球形的透镜，也就是球形的凸凹透镜，其概念包括三维形状，诸如双凸透镜和棱柱形透镜。如果是凸面图案，其高度表示从透镜的底面到透镜的顶端的法线距离。如果是个凹面图案，其高度等于从透镜的孔径(aperture)到透镜的下部的法线距离。透镜直径R表示底面的水平直径或透镜的孔径。
基底构件10可以使用能提供高透光度的材料。基底构件10的表面配备有多个透镜图案20，其用于集中光线，在切线方向进行折射以及扩散等等。为此，透镜图案20可通过对基底构件自身的表面加工形成或者通过对单独的透镜图案进行加工并将此透镜图案布置在基底构件上。
详细的，由于射入的光会穿透基底构件10，因此基底构件10可由无色透明的合成树脂形成。与基底构件10相关的合成树脂可以包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate)、聚萘二酸乙二醇酯(polyethylenenaphthalate)、丙烯酸树脂、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚烯烃、醋酸纤维素、耐候聚氯乙烯(weather-proof polyvinyl chloride)和活性能光固化树脂(activeenergy curable resin)等，但不限于此。其中，可以使用对于透镜图案具有优良成形性的活性能光固化树脂，诸如紫外线光固化树脂和电子束光固化树脂；或者具有优良透光性和强度的聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephthalate)。此外，也可采用聚对苯二甲酸乙二醇酯膜、聚萘二甲酸乙二酯膜或聚碳酸酯膜，而由紫外线光固化树脂形成的微透镜在其上方。
具体地，根据本发明的形成在基底构件10上表面上的透镜图案20的截面可采取的形状为圆形、椭圆形、棱柱形、双凸形、或R棱柱形(R-prism)，但不限于此。此外，布置在基底构件10上表面的包括透镜图案的个别透镜的形成方式可以是：相同或不同尺寸的多个透镜以均匀或随机方式分布。换句话说，透镜可以制备成彼此相同的尺寸或者不同的尺寸。此外，布置在所述基底构件表面上的立体图案(spatial pattern)可以采取相同形状的多边形栅格图案（polygonal grid pattern）。多边形栅格图案表示微透镜在水平方向的截面形状采取栅格图案，诸如：三角形，长方形等等。每个图案可以由相同形状或由相同和不同形状的组合所组成。
本发明的特征在于通过将透镜制造为使其透镜图案的SAG（高度H:透镀直径R）在0.01至0.3的范围内，使穿过光学片的光的全反射最小化。具体地，上述透镜10的直径可以在1μm至500μm的范围内。
具体地，可以通过层叠至少二个或更多的光学片或者通过将光学片彼此分开布置来构造光学单元。为了使由于光学片的常规层叠而造成的光损耗最小化，使布置在光学单元最上部分的光学片的直径在1μm至30μm的范围内，由此最小化莫尔效应（moire effect）。
同时，图2（d）概念化地图示光穿透根据本发明的透镜20。优选地，将全反射保持在最低限度，而入射在基底构件10的光L保持在相对于该射入光方向的切线方向±25度变化范围的光路径内。也就是，优选的是入射光在65至115度的角度范围内。更优选地，超过一半入射在根据本发明的一光学片上的光具有在透镜图案内在65至115度范围内的入射角度。
图3是示出亮度随着根据本发明的构成光学片的透镜的SAG而改变的实验结果。
请参照图示，如果光线穿透根据本发明的光学片或光学单元，全反射可保持在最低限度且SEG间隔（X）提供从0.01到0.3的高亮度范围。换句话说，通过排列形成在基底构件上的透镜图案，可以使全反射最小化并实现高亮度。
2、第二实施例
图4示出根据本发明的光学片的另一实施例。
如图所示，将多个透镜图案20、30在基底构件10实现的方式与图2所示实施例相同。本实施例的不同之处在于：具有凹面图案的曲面部形成在相邻透镜之间，在此情况下，透镜之间的距离代表在不同凸面图案的排列中一对相互平行的透镜之间的最短距离。
如果考虑在基底构件10上形成的透镜图案20、30，如图4（a）及（b）所示，透镜之间的底面具有整齐的平坦结构。当具有上述结构的光学片应用于诸如LCD的装置，射出光沿着相对平直的路径穿透底面，因此以随机方式出现。为了要补偿射出光的均匀性，使用光学片。常规地，为了确保光的均匀性，已经采用两个或更多的光学片。通过调整所采用透镜的SAG以及同时，通过仅使用一个配备有在各个透镜之间的空间中具有负曲率的曲面部的光学片，根据本发明的光学片确保了亮度，提供了与通过多个常规光学片来确保的光均匀性相同的光均匀性。
详细地，如果相邻透镜20、30之间的空间形成为虚拟椭圆，其在竖直方向的长轴“a”和在水平方向的短轴“b”内切该空间，该虚拟椭圆于透镜第一切点T1、透镜第二切点、以及底部切点T3接触该空间。通过填充除了透镜20、虚拟椭圆、以及底部以外的空间，可形成穿过透镜第一切点、透镜第二切点、以及底部切点的具有负曲率的曲面部40。
通过调整虚拟椭圆的长轴“a”和短轴“b”的长度，可得到球形。该长轴和短轴的长度应在0.1μm至1000μm的范围内调整。如果长度不符合上述范围，则无法实现透镜所需的亮度以及无法满足雾度（Haze）。
图4(c)示出根据本发明的光学片的凹面部分的剖视图。通过调整椭圆的长轴"a"和短轴"b”，椭圆形成虚拟球形，并且经过镜头第一切点、镜头第二切点以及底部切点的具有负曲率的曲面部40形成。在相邻透镜之间形成的负曲率提供漫射光的效应，其与具有正曲率的透镜聚光相反。因此，用一个光学片可以获得光漫射的分布和光均匀性的提高，并且提供与用常规多个光学片所能得到的功能相同的功能。
引入具有负曲率的曲面部仅用以说明实施例，凹面图案也可通过使用具有突起图案的掩模对相邻透镜之间的空间施加压力的方法而获得。
3、第三实施例
图5是根据本发明的一个优选实施例的光学片的一个实施方式的示意图。
如以上实施例所述，第三实施例同样可以通过排列SAG（高度H:透镜直径R）在0.01至0.3的范围内的透镜图案以降低莫尔效应。
本实施例的光学片200包括基底构件210以及规则形成在该基底构件上的多个相同尺寸的透镜图案220。
当透镜图案以规则方式排列时，由于形成在光学片上部中的LCD像素（未示出）以及规则图案形状的周期性，因此会产生莫尔效应。莫尔效应是指一种视觉经验，其中通过光学片漫射的光产生的重复的明暗图案，由于由规则地形成在该光学片的周期性图案和LCD像素尺寸所决定的破坏性和建设性干涉而以波状呈现。
根据本发明的规则图案形状以三种不同方式消除莫尔效应。
根据本发明，如第一实施例所述，优选地，透镜图案的直径确定在1μm至500μm的范围内，同时SAG保持在0.01至0.3之间。更详细地，可通过准备下列规格带来的显著效果来避免莫尔图案（moire pattern）。
消除莫尔效应的第一种方法是调整如图2所示的透镜图案220的尺寸。详细的，使透镜图案220的直径为25μm或更小。更详细地，使透镜图案220的直径在5μm至25μm的范围内。图6示出通过调整透镜220的尺寸改进莫尔效应。
图6是曲线图，示出根据本发明的一个优选实施例的针对具有25μm直径或更小直径的规则透镜图案的不同类型的LCD像素影响的莫尔效应。纵轴代表光强度，水平轴代表透镜图案的直径，向右方向增加。
请参考图6，如果透镜图案的直径为25μm或更小，光强度的最大变化范围可为1500或更少。由此可知，与透镜图案的直径不是25μm或更少的情形相比，莫尔效应有显著的减小。
图7是曲线图，示出与常规不规则的透镜图案的亮度相比根据本发明的一个优选实施例具有25μm或更小直径的规则透镜图案所提高的亮度。
线20代表直径为25μm或更小的规则透镜图案的亮度，而线10表示常规不规则的透镜图案的亮度。水平轴代表视角。请参考图7，如果视角是零，换句话说，如果从上面看LCD平面，则与常规光学片所提供的亮度比较，规则图案的亮度提高约5％。
消除莫尔效应的第二种方法是排列透镜图案，使透镜频率与LCD像素的空间频率(spatial frequency)不同。
图8为平面图，示出根据本发明的一个优选实施例的倾斜透镜图案相对于LCD像素的频率。
在本发明中，将以IPS类型的LCD像素510举例说明，但本发明不限于此。优选地，IPS类型的LCD像素510的内角θ是149°。在这种情况下，通过使连接多个透镜图案530各自中心的这些线中的至少一条线(40；在下文中被称为参考线)相对于LCD像素510的水平轴30倾斜7.5°±2°（即5.5°或以上和9.5°或以下），莫尔效应即可消除。
如图9所示，水平轴方向连接多个透镜图案的各自中心的参考线40变成与光学片主体部的水平轴平行，除非规则排列的透镜形状的图案倾斜。主体部的水平轴通常与形成在光学片上部中的LCD像素的水平轴平行。因此，如果透镜图案的水平线排列成相对于主体部的水平轴倾斜，则透镜图案的水平线最终会与平行于主体部的水平轴的LCD像素的水平轴有倾斜角。
为了增加透镜图案530的堆积因子（packing factor），如图5所示，优选地，将围绕透镜的各个透镜中心连接的线可以形成正六边形。在正六边形的结构中，从透镜图案530规则形成的角度相对于透镜图案的参考线40分别成0°、30°、60°、以及90°角。
消除莫尔效应的第三种方法是将透镜图案之间的分离保持预定距离。
图9是根据本发明的一个优选实施例的光学片的平面图，其中相邻透镜图案之间的距离保持预定距离。
请参考图9，优选地，相邻透镜图案之间的分离距离610在透镜图案直径的5%到15%的范围内。在此情况，作为莫尔效应的最重要的因素，透镜图案的周期可以改变。
此外，上述三种消除莫尔图案的方法的共同点为：通过调整堆积因子和透镜图案的SAG，可以控制亮度和漫射，这在常规不规则图案的光学片并无法适用。
举例来说，让每种方法的堆积因子在70%至95%的范围内，换句话说，通过使形成有透镜图案的面积为主体部面积的70%至95%的范围，可以提高亮度。此外，通过使透镜的SAG保持在0.3至0.6的范围内，更优选的是在0.01到0.3之间，即与本发明的透镜图案的SAG范围对应，也可以提高亮度。通过同时调整堆积因子和SAG，也可以提高亮度。
4.第四实施例
图10和图11示出应用了根据本发明的光学片的发光装置的实例。
根据本发明的光学片或布置有根据本发明的二片或更多光学片的光学单元可应用于不同类型的发光装置。例如，本发明的光学片或光学单元能应用于在车辆、建筑物和公共场所中使用的发光装置，以及用于液晶显示装置的背光单元。
如图所示，发光装置可以配备有光传输层120，该光传输层120能将来自光源110的光引导至前端。发光装置可包括：布置在光传输层120上部的光学片130并能采用根据本发明的不同类型的结构；以及光学单元，其结构包括多个光学片。
详细地，光源110包括LED、荧光灯、白炽灯、电致发光光源、以及其它类似的光源。光源110还可以包括不限于上述的任意固态光源。
换句话说，发光装置可包括：光传输层120，用于在特定方向传输来自于光源110的光；以及根据本发明的光学片或光学单元，经由反射、折射、漫射以及衍射来接收来自光传输层的光并将所接收的光传输到前端。发光装置还可以包括在所述光学片或所述光学单元的上部或下部的一个或多个增强膜。由此，可具有增强透明度、半透明、折射、衍射、漫射和亮度中的至少一种特征。
换言之，如果图5和6所示的结构采用背光单元，图5通过布置在印刷电路板上的多个LED光源110来提供光，光传输层120对应于实现导光板功能的结构，则穿过光传输层120的光可通过使在根据本发明的光学片130中的全反射最小化而提供提高亮度的效果。增强膜D1、D2（如棱镜片）和亮度增强膜DBEF、BEF、ESR也都可以被包括在背光单元的结构中。
除了图10和图11所示的结构外，若考虑包括光源、光传输层以及根据本发明的光学片的发光装置，该光传输层可以是透明或半透明，局部反射、折射或散射（emissive）；或者可通过光传输粘合剂形成，该光传输粘合剂用于通过包含若干层的层叠结构或包含玻璃或环氧树脂的材料层来传输来自光源的一部分光。
换句话说，发光装置可有广泛的应用，包括建筑物中天花板上的圆顶(dome)发光装置、手套箱(glove box)发光装置、楼层间的发光装置、地图发光装置、镜子发光装置、装饰发光装置、后窗的煞车发光装置以及车内的发光装置。
在本发明的详细描述中已经描述了具体实施例。然而，在不脱离本发明范围的情况下可以对其进行各种改进。本发明的技术原理和精神不限于本发明的上述实施例，并且本领域技术人员应该理解，本发明的技术原理和精神不仅由所附权利要求限定，而且，也由所附权利要求的等同物限定。

Claims (20)

1.一种光学片，包括：
形成在基底构件上的多个透镜图案，所述透镜图案的SAG（高度H:透镜直径R）在0.01至0.3的范围内。
2.如权利要求1所述的光学片，其中，所述透镜图案形成的方式为相同或不同尺寸的多个透镜以均匀或随机的方式分布。
3.如权利要求2所述的光学片，其中，所述透镜的结构采取圆形、椭圆形、棱柱状、双凸面形、或R棱柱状中的形状。
4.如权利要求2所述的光学片，其中，所述透镜的直径在1μm至500μm的范围内。
5.如权利要求2所述的光学片，其中，所述透镜图案在相邻透镜之间的空间中包含具有负曲率的曲面部。
6.如权利要求5所述的光学片，其中，所述曲面部组成具有负曲率的球形面或非球形面，在邻近透镜的外角，所述非球形面的长轴a和短轴b的范围在0.1μm至1000μm的范围内。
7.如权利要求2所述的光学片，其中，布置所述透镜图案的密度为整个光学片面积的50%或更多。
8.如权利要求2所述的光学片，其中，将各个透镜图案的中心连接的至少一条线与形成在所述基底构件上部的LCD像素的水平轴所建构的角度在5.5°至9.5°的范围内。
9.如权利要求2所述的光学片，其中，所述透镜图案之间的距离在所述透镜图案直径的5%到15%的范围内。
10.如权利要求1所述的光学片，其中，所述透镜图案包括多个相同尺寸的透镜图案，所述透镜图案的直径在5μm至25μm的范围内。
11.如权利要求1至6中任意一项所述的光学片，其中，所述多个透镜图案的面积范围是所述基底构件的面积的70%到95%。
12.一种配备有至少一个或更多的光学片的光学单元，其中，形成在基底构件上的多个透镜图案的SAG（高度:透镜直径）在0.01至0.3的范围内。
13.如权利要求12所述的光学单元，其中，布置在结构顶端的光学片的透镜直径在1μm到30μm的范围内。
14.如权利要求13所述的光学单元，其中，所述透镜图案形成的方式为相同或不同尺寸的多个透镜以均匀或随机的方式分布。
15.如权利要求13所述的光学单元，其中，所述透镜的结构采取圆形、椭圆形、棱柱状、双凸面形、或R棱柱状中的形状。
16.如权利要求14所述的光学单元，其中，单个光学片的所述透镜图案具有至少一个或更多的光学片，其中具有负曲率的曲面部形成在相邻透镜之间的空间中。
17.一种发光装置，包括：
光传输层，将来自光源的光线引导至前端；以及
如权利要求1至10中任意一项所述的光学片或光学单元，布置在所述光传输层的上部。
18.如权利要求17所述的发光装置，其中，所述光学片或所述光学单元与所述光传输层一起使一半以上的入射光在透镜图案内具有在65至115度范围内的入射角。
19.如权利要求17所述的发光装置，进一步包括在所述光学片或所述光学单元的上部或下部的至少一个或更多个增强膜。
20.如权利要求19所述的发光装置，其中，所述增强膜表现出提高的透明度、半透明度、折射、衍射、漫射和亮度中的至少一种特征。
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