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光学功能膜材在平板显示中应用
2019-06-11 22:41:25
随着新型平板显示技术的不断发展成熟，传统意义的光学显示器件已经不能满足现代显示技术高画质、高清晰度、大尺寸、轻薄等性能需要。在LCD显示器中，由于LED光源的普遍采用。CCFL时代的光学功能材料已经不能满足现代新型平板显示技术的发展。复合式多功能增亮材料、变齿形的增亮光栅材料、裸眼3D立体显示光学功能材料。计算机防窥功能材料以及高端反光膜材料、直线式太阳能聚光功能材料相继问世，使光学功能材料的发展具有更广泛和巨大的市场空间。光学功能膜材料的应用更广泛。 .jpg "图片关键词")
光学功能膜材料的分类
光学功能材料的分类很多，通常是在力、声、热、电、磁 、光的外加场的作用下其光学性质发生变化，从而起到开关、调制 、隔断、偏振、汇聚、增亮。增大视角等多种功能的材料。本文主要讨论在新型平板显示器和CPV太阳能聚光中用的片式薄膜式的光学功能膜材料。
1、LCD背光模组中的增光膜
具有特定光学功能的膜材料，其主要特点是表面光洁膜层的界面呈几何分割。膜层的折射率在界面上可以发生跃变，但在膜层内是连续的。可以是透明介质。也可以是吸收介质。在制备过程中如果表面是粗糙的，会导致光的漫散射。光在膜层之间相互渗透形成扩散界面。
增光膜是背光模组中最关键的功能件，由于表面均匀布满棱形尖锥的微细结构，提高了光线的透过率，增大了亮度和视角。LCD-TV进入电视机市场后，更加强调亮度系数的提高，使增光膜的需求更迫切。CRT背投屏幕中的光栅柱面镜，即同一方法生产，只是齿形结构设计参数形式不一样，辊筒加工方式不一样，成型工艺技术不一样。
（1）制作材料：在双向预拉伸PET基材上涂布覆盖锯齿状或波浪状的同体UV光固化材料，通过已加工好的超精密花纹辊筒压制的微光学结构材料，也可采用精密挤出生产线生产。热成型工艺方面在挤出热成型中有不能达到成型精度的缺点，由于采用粒料热融后成型，能耗较高，材料的热变形温度较低。
（2）上下棱镜片两种：区别为基材上微结构方向（相互垂直）不同。
（3）作用：提升正面辉度。
在增亮膜的制造中，节距B可以小到25μm，B的精度可达±0.001mm，粗糙度可达5—8nm。齿角α通常是90°，但也有做成60°和三高两低齿形的（如图2）。
棱镜片（增亮膜）主要功能是把光源发出的光线导正。增加背光模组的发光效率。通常称为BEF，即在透明性能较好的双向预拉伸PET预涂膜上，涂布一层均匀的丙烯酸树脂（UV光固胶）通过超精密加工成型的光学增亮棱形模辊压制成型。在紫外光的照射下快速干燥固化成型。使增亮膜在背光模组中将光源的光向显示设备的观看方向汇聚。视角外未被利用的光再反射后被循环利用，起到增大视角的作用。
2、新型复合多功能增量膜
多功能复合增亮光栅是一种在新的工艺方法中完成的制作方法，包括基材生成、涂胶、光栅模辊加工、滚压成型、光固化、检测和覆膜七个步骤，通过在PMMA、PC、PET、MS等基板的制造过程中，预先混入专门的扩散配方，并对基材生产设备的辊轮进行磨砂处理，在生产PET基材的过程中，增加表面的雾度，集导光、扩散、匀光、增亮等功能于一体，具有减少材料成本、减轻整机重量、节约制造成本等优点。这种多功能增亮光栅又叫多功能棱镜片（Multi-Functional Prism Sheet），是一种较高阶的产品，它整合了棱镜片与扩散片的功能，较一般型棱镜片有更好的发光效率。
国内企业也已经开始结合自身的工艺技术条件研发一种新型的多功能增亮膜。
3、投影显示微光学结构显示屏
随着微显示技术的不断成熟与发展，传统的CRT背投电视机屏幕已不能满足新型平板显示器高画质、高清晰显示的要求，需要一种更小节距的微细结构成像，更清晰的屏幕，特别是一些特殊用途的显示屏幕，比如战斗机高清晰的显示终端等。由于LCD延时与拖尾的缺点，无法应用在超音速的飞机上。国际上通常均采用屏显代替传统的仪表，而这种显示器非光学微结构屏幕莫属。在现代显示技术中，这种带有微结构的显示屏，我们称为MD显示屏，而在MD显示屏中，发光效率是最重要的显示特性，直接影响到显示效果。
对于目前的微显示投影技术（MD），采用LCD、DLP、LCOS等技术作为图像源的显示方式来说，作为显示屏幕组件之一的双凸透镜片已不需要具有上述色位移修正的功能，没有必要形成射出侧的双凸透镜。并且使射出面为平面，能够防止由于射出侧凹凸而产生的发散反射。如图3所示。
采用LCD、DLP、LCOS等技术作为图像源，则像素的周期结构和柱状透镜的周期结构的互相干扰产生的干涉条纹（莫尔条纹）成为问题。为了避免这个问题，必须使双凸透镜间距（节距）比屏幕上的像素间距小很多，与采用CRT作为图像源的方式相比，要求窄间距的柱状透镜阵列片。但是间距变窄后，就难以在与柱状透镜对应的正确位置上形成黑条纹。这就是发展到今天的微光学结构的光学显示功能材料越来越力求超精密加工的微加工技术支持的原因。
在没有黑条纹的情况下，入射到柱状透镜阵列片上的外界光的一部分会由于上述机理发生全反射，这将较大的降低对比度。为了降低入射侧柱状透镜面上的反射引起的对比度下降问题，一般是将光吸收剂分散在柱状透镜阵列片的内部，或配置着色板。如果配置着色板或将光吸收剂分散在柱状透镜阵列片内部，的确能提高对比度，当然也会产生折射光的损耗。如果要使对比度获得较大提高，存在着光的利用率下降很多的问题。所以在实际应用中要很好的平衡对比度和亮度，以及视角和亮度的关系。
如图4所示，光发散层9有将投射光各向同性发散的作用。因此，光发散层9将投射光沿垂直方向发散，从而确保垂直方向的可视区域。同时在水平方向使由于柱状透镜的作用而造成的尖锐的光度分布变得平滑，也使光发散到柱状透镜的作用达不到的区域，同时减少莫尔条纹的影响，能预期降低晃眼感的效果，所以最好利用光发散层进行最低限度的各向同性发散。
在图4中将光发散层9设在柱状透镜13的焦点附近，如果在远离焦点极大的位置上形成光发散层9，则会产生散焦现象，造成分辨率的恶化，图像模糊不清。最好将光发散层9设置在柱状透镜13的光射出侧，离开柱状透镜的距离为柱状透镜焦距的2倍以内的位置。
下面我们针对椭圆柱状透镜的构型特征来分析比较他们的特性：
椭圆柱状透镜结构：如图5
而在MD显示屏中，发光效率，是最重要的显示特性，直接影响到显示效果。
4、3D裸眼电视屏幕
裸眼立体显示中均采用了一种椭圆结构的微光学结构功能材料，3D光栅是立体显示器中最关键的光学功能材料之一。在投影显示器中，由于表面均匀的布满圆柱形的微光学结构，这种透镜阵列的功能作用在于使红绿蓝以各种不同角度入射的光，以相等的光能分布特性发散。由于红绿蓝各光束入射角不同而产生的各光束各不相同的指向性（光的分布特性）的现象称为“色移位”，圆柱体的光栅阵列使各光束的光度分布特性一致的功能称为“色移位修正”。正是通过椭圆凸透镜来修正色位移的。
在裸眼3D电视中，主要通过椭圆型的柱状光栅产生的视觉变化实现的立体图像显示，而这种椭圆柱状光栅的加工精度直接与图像的分辨率有关，在光栅陈列中是由相同节距的排列组合结构所组成的。加工中节距的累计误差会直接影响到图像效果，这就是在新型平板显示器光学功能材料的制造过程中超精密的加工模辊技术成为最关键的核心技术之一。只有加工精度越高，效果越好。非球面的椭圆柱光栅聚焦特性会更好，成像和视角均比球面柱状光栅好。
5、菲涅尔透镜
二十世纪菲涅尔透镜应用最普遍的领域还是在投影显示中，主要功能就是准直光线和汇聚光线。通过汇聚聚焦光线和调整光线为准直从而提高显示器的亮度。
菲涅尔透镜是循环同心棱镜折射结构，这些棱镜的表面结构的设计是为了能够折射光线，通过改变传统透镜的曲面为几乎坍塌成平面，通过这种方式，菲涅尔透镜的厚度大大降低，从而形成一种特殊的平面性的汇聚光线的透镜，特别在大型放大镜中，代替传统的凸透镜，而尺寸可以做得很大，厚度很薄，重量也更轻。
同心棱镜折射表面结构成为Slope（倾斜面） 和Draft (干扰面）。倾斜面实际上接近于传统非球面透镜的曲面。理论上，所有反射应该发生在倾斜面上。为了使透镜厚度变薄，相邻工作面之间的干扰面有必要设计成不相等高度，从而能够把曲面还原成平面。光入射在干扰面上会在散落在成像面上，除了使效率降低外，同时会造成其他一些问题（如杂散光：stray light和重影 ghosting）。
合理设计干扰面以及菲涅尔透镜方向，干扰光损失可以降到最低。见图7显示了压克力透镜在随着焦距在准直/显示应用中对光线透过的变化。
当准直光线时，菲涅尔透镜结构面朝向无穷共轭。这种方式的话，干扰角可以设计出不影响光线路径。图8展示了如果应用在错误的方向，透镜光透过损失有多大。
菲涅尔(Fresnel)透镜是一种片状的薄形透镜，它一直以其轻、薄、价格低廉优势而在一些方面得到应用。但市场上的菲涅尔透镜多为等差半径的同心圆结构，其制作缺乏精确的光学设计过程，导致成像质量不是很高，有的甚至只是简单的波纹结构，其光学质量就更差了。即使是较好的菲涅尔透镜，也是通常将普通透镜分为小段后，近似为折线，并经过不同距离的简单平移而形成，这些设计方法上的缺陷造成了菲涅尔透镜的低质量，影响了菲涅尔透镜的推广应用。
菲涅尔透镜的设计原理其实是用若干小面来代替整个连续的大曲面。图9(c)为传统菲涅尔透镜设计原理。图9(b)的锯齿状菲涅尔透镜的功能和图0(a)的原始透镜相同。传统的设计方法可以用图9(c)表示。实际上图9(b)的菲涅尔透镜可以看成是由图9(a)的透镜删除多个矩形部分，再把剩余部分往下移动成一个片状而成为菲涅尔透镜的。见图9(c)，其中台阶状阴影就是被删除的多个矩形组成的部分。
显然图9(b)这一菲涅尔透镜比透镜(a)要薄，从而吸收小，节省材料。但这种按传统方法设计的透镜只对平行光是正确的，这时(c)中阴影部分对光线是没有影响的。但是若是非平行光，如LED为光源时，(c)中的阴影部分对光线就有影响了。若把它删除制成菲涅尔透镜，就会造成很大的杂散光。此外，若透镜的截面用折线代替小弧线，也会带来光学上的误差。
6、CPV聚光线性菲涅尔透镜
CPV聚光线性菲涅尔透镜实际上是一种条形聚光棱镜，把传统的菲涅尔透镜的一环一环的齿形结构的光栅，延展成并排排列的阵列。
随着现代光学结构模具加工精度的提高，我国已经能够加工制造条形光栅聚光菲涅尔透镜。这种透镜能够把光线汇聚到一很窄的范围的长条形的光斑，特别适合于CPV聚光太阳能的光伏光热应用领域。
7、带防窥功能的光学材料
这是一种装配在电脑面板上可以防窥视的一种光学功能材料。在超精密的模辊上加工梯形结构的光学结构，控制人眼观看的视角，可以达到防窥的功能。
图10中S表示结构的深度，是防窥功能材料的主要参数，格结构件的节距精度是影响产品功能的主要因素。
