光漫射元件的制作方法

专利名称：光漫射元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在透射投影电视等中使用的透射屏的光漫射元件，以及使用该光漫射元件的光学元件和透射屏。
背景技术：
透射投影电视是用于放大和投射来自光源的图像的显示设备，例如CRT、液晶投影仪或透射屏上的DLP。在这种显示设备中，在屏幕的表面上设置一个用于漫射出射光线的光漫射板或者类似部件，以降低在该屏幕的目视观测时的晃眼。而且，为了降低外部光线在该屏幕表面上产生的晃眼而引起的投影图像能见度的退化，有时在屏幕表面上设置抗反射膜。例如，如在日本专利特许公开295818/1999和28169/1995中所公开的，通过在构成光漫射板或类似部件的树脂中掺入例如有机填料的透明微粒来制备上述光漫射板或者抗反射膜。而且，通过允许透明微粒突出树脂表面以在光漫射板表面上形成凹陷和凸起，已经研制成一种既具有光漫射效果又具有抗反射效果的板。
然而，出于保护屏幕表面的目的，在光漫射板的表面上设置保护层(也称为硬涂层)产生了一个问题，即光漫射板表面上的凹陷和凸起的消失使得不可能获得抗反射效果。
另一方面，当尝试以展现该抗反射效果的厚度来设置保护层时，该保护层的厚度应当接近光漫射板表面上的凹陷和凸起水平，即应当小于透明微粒的粒径，产生了不能获得令人满意的表面保护效果的问题。

发明内容
本发明人现已发现了在光漫射板上提供包含预定微粒的硬涂层可以获得用于透射屏的光漫射元件，该光漫射元件在维持优异的光漫射效果和抗反射效果的同时具有令人满意的表面保护效果。基于这种发现提出本发明。
因此，本发明的一个目标是提供一种用于透射屏的光漫射元件，其在维持优异的光漫射效果和抗反射效果的同时具有令人满意的表面保护效果。
根据本发明的一个方面，提供一种用于透射屏的光漫射元件，其包括置于具有单层或多层结构的基板的表面上的硬涂层，其中在所述基板和所述硬涂层中包含微粒，且所述硬涂层中包含的微粒的平均粒径为5-15μm，所述硬涂层具有一个满足公式(d-2)≤t≤d表示的条件的厚度，其中t表示硬涂层的厚度，μm；d表示微粒的平均粒径，μm，并且所述微粒的一部分从硬涂层的表面突出以构成凹陷和凸起。
因此，在包含微粒的基板上设置包含具有预定粒径的微粒的硬涂层可以同时实现内部漫射效果(光漫射效果)和表面漫射效果(抗反射效果)，还可以实现表面保护效果。
根据本发明的另一方面，提供一种用于透射屏的光学元件，其包含上述光漫射元件和上述水平视角扩展元件(expanding member)的组合，所述光漫射元件置在光传输方向的前部(foreground)。
根据本发明的又一方面，提供一种透射屏，其包含用于透射屏的光学元件和菲涅耳透镜元件的组合。在利用根据本发明的光漫射元件的光学元件和透射屏中，能够实现令人满意的保护效果，同时保持优异的光漫射效果和抗反射效果，而且，还能够使投影图像不刺目。


图1为本发明光漫射元件的典型截面图；图2为本发明另一实施方案中光漫射元件的典型截面图；图3为显示利用本发明光漫射元件的光学元件的一个实施方案的典型截面图；图4为显示利用本发明光漫射元件的光学元件的一个实施方案的典型截面图；图5为显示利用本发明光漫射元件的光学元件的一个实施方案的典型截面图；图6为显示利用本发明光漫射元件的光学元件的一个实施方案的典型截面图；图7为显示利用本发明光漫射元件的光学元件的一个实施方案的典型截面图；图8为显示利用本发明光漫射元件的光学元件的一个实施方案的典型截面图；图9为显示利用本发明透射屏的一个实施方案的典型截面图；图10为显示本发明透射屏的一个实施方案的典型截面图；以及图11为显示本发明透射屏的一个实施方案的典型截面图。
具体实施例方式
下面将详细说明根据本发明的光漫射元件。
如图1所示，根据本发明的光漫射元件具有包含硬涂层2的结构，该硬涂层2包括置于包含微粒3a的基板1上的微粒3b。由于在硬涂层2中包含的一部分微粒3b的突出，在硬涂层表面上形成凹陷和凸起。为了提供这一表面形状，包含在硬涂层中的微粒的平均粒径应为5-15μm，并且硬涂层的厚度应满足公式(d-2)≤t≤d表示的条件，其中t表示硬涂层的厚度，μm；d表示所述微粒的平均粒径，μm。当微粒的平均粒径和硬涂层的厚度分别在上述定义的范围之内时，可以在硬涂层的表面上形成凹陷和凸起。当硬涂层的厚度(t)小于(d-2)μm时，由于下基板材料硬度的影响，使得不能够实现令人满意的表面硬度，从而不可能达到表面保护效果(屏幕的防刮擦效果)。而且，由从硬涂层突出的微粒获得的光漫射效果太高，以致由于来自外部光线的散射光而使屏幕表面看起来发白。另一方面，当硬涂层的厚度超过dμm，即当硬涂层的厚度大于所述微粒的平均粒径时，微粒不利地被嵌入硬涂层中，结果微粒没有突出在硬涂层的表面上，从而没有形成凹陷和凸起，因此不能够期望获得抗反射效果。
优选地，包含在硬涂层中的微粒具有使微粒直径的标准偏差不大于4μm的粒度分布，这里，标准偏差6由公式表示σ＝(n∑dn2-(∑dn)2)1/2/n其中，dn表示所述微粒的粒径，μm；n表示所述微粒的自变量(argument)。
通过利用具有例如不大于4μm的标准偏差的均匀粒径的单分散微粒，能够实现均匀且具有优异的抗反射效果的光漫射元件。另一方面，当标准偏差大于4μm时，具有比平均粒径大得多的直径的颗粒的比例很高，以致失去了表面中的均匀性。而且，在这种情况下，在出现巨大颗粒的区域中，从硬涂层突出的部分太大以致光漫射效果过强，从而由于来自外部光线的散射光而使得屏幕表面看起来发白。
硬涂层中微粒的含量优选为1-10wt％，更优选为3-5wt％。当微粒含量在上面限定的范围内时，能够同时实现优异的内部漫射效果(光漫射效果)和表面漫射效果(抗反射效果)。当微粒的含量低于1wt％时，硬涂层表面上的凹陷和凸起减少，从而导致不良的抗反射效果。另一方面，当微粒的含量超过10wt％时，由微粒获得的光漫射效果过大。因此，透射屏的模糊值(haze value)增大，使得不可能提供令人满意的透射率。因此，当在屏幕中使用这种光漫射元件时，投影图像很刺眼并且没有光泽。
优选地，在基板中包含的微粒的平均粒径为5-15μm。在基板中具有在上面限定范围内的平均粒径的微粒的含量优选为10-20wt％。在基板中以预定量存在具有在上面限定范围内的粒径的微粒能够获得优异的内部漫射效果(光漫射效果)。此外，包含微粒的硬涂层既具有表面漫射效果又具有内部漫射效果，并且当其与主要具有内部漫射效果的包含微粒的基板相结合时，能够获得进一步的内部漫射效果。
而且，在本发明中，优选硬涂层的表面硬度为3H或更高，这一硬度是利用根据JIS K5600-5-4的铅笔硬度检试验得的。硬涂层的表面硬度取决于层厚，并且表面硬度随着层厚的增加而增加。当层厚过大时，会提高表面保护效果。然而，在这种情况下，由于微粒被嵌入硬涂层中，因而不能在表面上形成凹陷和凸起。因此，为了提供3H或者更高的表面硬度，并且同时维持抗反射效果，硬涂层的厚度应为(d-2)≤t≤d，其中d表示微粒的平均粒径，μm；t表示硬涂层的厚度，μm。
在根据本发明的光漫射元件中，在入射角60°/反射角60°的条件下进行测量，基板上的硬涂层的表面光泽度优选为60-80。这里，表面光泽度是指根据JIS K 56004-7，将具有1.567的折射率的玻璃板作为标准光泽板，并且假定标准光泽板的表面光泽为100时确定的一个相对值。根据本发明，构成光漫射元件的硬涂层也用作抗反射膜，并且当硬涂层的表面光泽度为60-80时，对于透射屏应用来说抗反射效果优异。当表面光泽度低于60时，硬涂层表面上的光漫射显著。因而，模糊值增大，屏幕的透光率降低。另一方面，当表面光泽度高于80时，来自硬涂层表面的反射光占主导地位。这不利地在屏幕上引起源于外部光线的晃眼。可以利用常用的光泽计(例如便携式光泽计GLOSSCHECKER IG-330，Sanwa Kenma公司生产)来测量表面光泽度。为了使硬涂层具有上述的表面硬度和表面光泽度，硬涂层中微粒的含量和平均粒径以及构成硬涂层的树脂的厚度应该在上述各个范围内。
构成本发明光漫射元件的硬涂层可以是在暴露于紫外线或者电子束时可固化的树脂，即电离辐射固化树脂、电离辐射固化树脂和热塑性树脂与溶剂的混合物、或者热固化树脂。其中，特别优选电离辐射固化树脂。
在电离辐射固化树脂组合物中的成膜组分优选是包含丙烯酸酯官能团的组分，例如包含较大量的较低分子量的下列化合物的组分聚酯树脂、聚醚树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂、醇酸树脂、螺旋缩醛树脂(spiroacetalresin)、聚丁二烯树脂、或者多硫醇-多烯树脂，多官能化合物如多元醇的(甲基)丙烯酸酯等的低聚物或预聚物，以及活性稀释剂，例如单官能单体，如(甲基)丙烯酸乙酯、(甲基)丙烯酸乙基己酯、苯乙烯、甲基苯乙烯和N-乙烯基吡咯烷酮，以及多官能团单体，例如，聚羟甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯、己二醇(甲基)丙烯酸酯、三丙二醇二(甲基)丙烯酸酯、二甘醇二(甲基)丙烯酸酯、季戊四醇三(甲基)丙烯酸酯、二季戊四醇六(甲基)丙烯酸酯、1，6-己二醇二(甲基)丙烯酸酯或新戊二醇二(甲基)丙烯酸酯。
当将电离辐射固化树脂组合物加入到紫外线固化树脂组合物中时，可以掺入光聚合引发剂，例如乙酰苯、二苯甲酮、米蚩苯甲酰苯甲酸酯(Michler’s benzoylbenzoate)、α-戊基肟酯、一硫化四甲基秋兰姆或噻吨酮等，以及光敏剂，例如正丁胺、三乙胺或者聚正丁基鏻。特别是，在本发明中，优选地将作为低聚物的聚氨酯丙烯酸酯和作为单体的二季戊四醇六(甲基)丙烯酸酯及类似物进行混合进行混合。
可以采用常规的用于电离辐射固化树脂组合物的固化方法，即利用电子束或者紫外线照射对电离辐射固化树脂组合物进行固化。
例如，在利用电子束照射进行固化的情况下，可以采用具有50-1000keV，优选100-300keV能量的电子束，电子束从各种电子束加速器发射出来，如Cockcroft-Walton加速器、van de Graaff加速器、谐振变压器、绝缘芯变压器、线性、动力电子调谐式柱形磁控管(dynamitron)和高频电子加速器。另一方面，在用紫外线固化的情况下，可以采用从例如超高压水银灯、高压水银灯、低压水银灯、碳弧、氙弧和金属卤灯的光源发出的紫外线。
构成本发明光漫射元件的硬涂层可以通过下述方式形成将下面将要描述的微粒掺入上述电离辐射(紫外线)固化树脂组合物的涂覆液体中；将所述混合物，通过例如旋涂、捋金属型涂料、浸涂、棒涂、流涂、辊涂或者凹印辊涂布的方式涂布到基板1的表面上，并通过上述方法固化所述涂层。
对构成本发明光漫射元件的基板没有特别限定，只要基板是由透明树脂形成的，并且此处可使用的合适的树脂的例子包括丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、聚酯树脂、聚氯乙烯树脂、聚乙酸乙烯酯树脂、纤维素树脂、聚酰胺树脂、氟树脂、聚丙烯树脂和聚苯乙烯树脂。包含微粒的基板可通过在将上述树脂挤压通过熔融挤压机时，添加预定数量的后面将要描述的微粒形成。或者，包含微粒的基板可以通过用常规涂敷方法涂敷由在适当的溶剂中溶解树脂、将微粒加入该溶液、混合并分散这些微粒所制备的涂布液，并烘干该涂层而形成。
在本发明中，如图1所示，基板1具有单层结构，并可在其上设置硬涂层2。或者，如图2所示，基板可具有基板1a和基板1b的双层结构。基板1a中的微粒含量应当在上面限定的范围内。但是，基板1b中的微粒含量优选低于基板1a中的微粒含量。基板1b中的微粒含量比在基板1a中的微粒含量低的优势在于当结合后面将要描述的例如水平视角扩展元件的光学元件时，粘结表面很光滑以致于光漫射元件4和所述光学元件之间的粘附力可以增强。基板的厚度通常约为25-2000μm。
在本发明中使用的合适的微粒包括诸如塑料球的有机填料。尤其优选的是高度透明的并且具有在有机填料、基板和硬涂层之间的折射率之差为约0.05的折射率的有机填料。
塑料珠包括蜜胺珠(折射率1.57)、丙烯酰珠(acryl bead)(折射率1.49)、丙烯酰-苯乙烯珠(折射率1.54)、聚碳酸酯珠、聚乙烯珠、聚苯乙烯珠和聚氯乙烯珠。在它们中，优选丙烯酸珠(acrylic bead)。
当微粒作为有机填料混合到硬涂层中时，该有机填料有可能沉积在用于构成硬涂层的树脂中。出于阻止沉淀的目的，可以加入诸如二氧化硅的无机填料。加入的无机填料的量越大，阻止有机填料沉积的效果越好。但是在这种情况下，涂膜的透明度受到了不利影响。出于这一原因，优选地，无机填料的添加量以有机填料为基准计小于约0.1wt％可以阻止有机填料的沉积而不牺牲涂膜的透明度。
下面，将描述利用本发明的光漫射元件的透射屏。如图3所示，本发明的光漫射元件4可以与水平视角扩展元件8结合起来使用。在本发明中，光漫射元件设置在光透射方向的前部。在图3所示的光学元件9中，光漫射元件4置于光透射方向的前部。水平视角扩展元件8的结构中通常包含设置在透镜基板7上的透镜6。如图3所示，在本发明中可以采用这样一种结构，其中通过结合透明树脂部件6和光吸收部件(光屏蔽部件)5来构成作为反射面的界面边界，以实现透镜的功能，并且在透镜基板7上设置透明树脂部件与光吸收部件以构成所述水平视角扩展元件8。在本发明中，水平视角扩展元件8和光漫射元件4的组合能够实现这样的图像在屏幕上，该图像不会因为外界光线而晃眼，并且具有高能见度、良好的对比度、和高清晰度。
此外，在本发明中，如图4所示，光漫射元件可以与作为水平视角扩展元件8的柱面透镜元件结合起来使用，以构成光学元件9。该柱面透镜11设置在透镜基板10的一侧面上，光吸收部件(光屏蔽部件)12设置在透镜基板10的另一侧面上。如图5所示，可以将双凸透镜元件13用作包含柱面透镜元件和光吸收元件的组合的水平视角扩展元件8。
在利用光漫射元件的光学元件中，光漫射元件4可以通过压敏粘合层(未示出)粘合到水平视角扩展元件8上。此外，如图6-8所示，可以在非粘合状态将光漫射元件4和水平视角扩展元件8相结合。
如图9-11所示，本发明的透射屏具有包含光学元件和菲涅耳透镜元件14的组合的结构。在本发明中，当将具有表面硬度为3H或者更高的硬涂层的光漫射元件4置于透射屏的最外层表面(观察者一侧)时，可以实现这样一种透射屏在屏幕上该透射屏不会因为外部光线等而晃眼，并且屏幕表面上被刮擦的可能性较小。
下面的实施例进一步说明了本发明，但本发明不限于这些实施例。
提供一种MS树脂(一种甲基丙烯酰-苯乙烯共聚物树脂)(折射率1.53)作为用于光漫射元件的基板中使用的树脂。提供MS珠(折射率1.49，平均粒径10μm，标准偏差3μm)作为微粒，并将其添加至基板中的树脂中，以使所添加的微粒的量占基板重量的20％。将所述混合物挤压通过熔融挤压机，以制备用于光漫射元件的基板。
另外，提供主要由聚氨酯丙烯酸酯组成的紫外线固化树脂组合物作为形成硬涂层的树脂。提供包含MS树脂(折射率1.53)的树脂珠作为添加到这种树脂中的微粒。
制备实施例1使用平均粒径为3μm、5μm、10μm、15μm和18μm的五种树脂珠。所有这些树脂珠都为单分散型的并具有3μm的标准偏差。将这些树脂珠以3wt％的浓度混合到紫外线固化树脂组合物中，以制备涂覆液。
然后将每一种涂覆液浸涂到基板上。用紫外线照射所述涂层以固化树脂组合物，从而在基板的表面上形成硬涂层。由此制成了光漫射元件。在利用浸涂法形成硬涂层时，通过调节从涂覆液中拉起基板的速度来调节硬涂层的厚度。除了硬涂层的厚度有所变化之外，采用和上述方法相同的方法来制备光漫射元件。
表1中列出了硬涂层的厚度，以及所使用的树脂珠的平均粒径、含量和标准偏差。
表1

制备实施例2使用单分散型且平均粒径为10μm、标准偏差为3μm的树脂珠。将树脂珠以下面表2中指定的含量(重量百分比)混合到紫外线固化树脂组合物中，以制备涂覆液。
然后将每一种涂覆液浸涂到基板的表面上。用紫外线照射涂层以固化树脂组合物，从而在基板的表面上形成硬涂层。在这种情况下，通过调节从涂覆液中拉起基板的速度，将硬涂层的厚度调节到10μm。由此制备了树脂珠含量不同的光漫射元件。
表2中列出了硬涂层的厚度，以及所使用的树脂珠的平均粒径、含量和标准偏差。
表2

制备实施例3提供具有不同标准偏差的两种类型的树脂珠。两种树脂珠的平均粒径都为10μm。将树脂珠以3wt％的浓度混合到紫外线固化树脂组合物中以制备涂覆液。将每一种涂覆液以与制备实施例2中相同的方法涂覆到基板表面上以形成硬涂层。以与制备实施例2中相同的方法，将硬涂层的厚度调节到10μm。从而制备了树脂珠含量不同的光漫射元件。
表3中列出了硬涂层的厚度，以及所使用的树脂珠的平均粒径、含量和标准偏差。
表3

然后在入射角60°/反射角60°的条件下利用表面光泽计(便携式光泽计GLOSS CHECKER IG-330，Sanwa Kenma公司生产)对上面获得的光漫射元件测量硬涂层的表面光泽度。
另外，根据JIS K 5600 5-4在硬涂层的侧面上对所述光漫射元件的表面进行铅笔擦刮测试。
此外，组合一个双凸透镜片和一个菲涅耳透镜片，并且将光漫射元件插入到双凸透镜的一侧以制备一个透射屏。凭感觉评价屏幕的图像质量。此外，在将图像投影到透射屏上的状态下，将外部光线施加到屏幕表面(光漫射元件的一侧)上，以评价由外部光线在屏幕表面上引起的晃眼。
根据下面的标准来评价结果。
1.对图像质量的评价○屏幕的观察表面明亮，并且图像的轮廓清楚。
△屏幕的观察表面稍稍发白，并且图像的轮廓有点模糊。
×屏幕的观察表面发白，并且图像的轮廓模糊。
2.对外部光线在屏幕表面上引起的晃眼的评价○外部光线在屏幕表面上引起的晃眼小，图像的能见度好。
△观察到由外部光线在屏幕表面上引起的晃眼，但图像的能见度为普通的级别。
×外部光线在屏幕表面上引起的晃眼非常大，图像的能见度差。
3.综合评价
◎屏幕的综合质量好。
○屏幕的综合质量为普通水平。
△屏幕的综合质量不是非常好。
×屏幕的综合质量差。
测量结果和评价结果如表4所示。
表4

权利要求
1.一种用于透射屏的光漫射元件，包括设置在具有单层或多层结构的基板表面上的硬涂层，其中，在所述基板和所述硬涂层中包含微粒，且所述硬涂层中的微粒的平均粒径为5-15μm，所述硬涂层具有满足公式(d-2)≤t≤d表示的条件的厚度，其中t表示所述硬涂层的厚度，μm；d表示所述微粒的平均粒径，μm；以及所述微粒的一部分在硬涂层的表面上突出出来以构成凹陷和凸起。
2.根据权利要求1的光漫射元件，其中所述微粒具有使粒径的标准偏差不大于4μm的粒度分布。
3.根据权利要求1的光漫射元件，其中硬涂层中微粒的含量为1-10wt％。
4.根据权利要求1的光漫射元件，其中基板中微粒的平均粒径为5-15μm。
5.根据权利要求4的光漫射元件，其中基板中微粒的含量为10-20wt％。
6.根据权利要求1的光漫射元件，其中所述硬涂层的表面硬度为3H或更高，这一表面硬度是根据JIS K5600-5-4的铅笔硬度试验测得的。
7.根据权利要求1的光漫射元件，其中在入射角60°/反射角60°的条件下进行测量时，所述硬涂层的表面光泽度为60-80。
8.根据权利要求1的光漫射元件，其中所述硬涂层包含电离辐射固化树脂。
9.根据权利要求1的光漫射元件，其中所述微粒包含丙烯酰-苯乙烯共聚物树脂。
10.一种用于透射屏的光学元件，包含根据权利要求1-9中任何一项的光漫射元件与水平视角扩展元件的组合，所述光漫射元件设置在光透射方向的前部。
11.一种用于透射屏的光学元件，包含根据权利要求1-9中任何一项的光漫射元件与透镜元件的组合，所述光漫射元件设置在光透射方向的前部。
12.根据权利要求11的用于透射屏的光学元件，其中所述透镜元件包括双凸透镜元件。
13.一种透射屏，包含根据权利要求10-12中任一项的光学元件与菲涅耳透镜元件的组合。
14.一种透射屏，包含根据权利要求1-9中任一项的光漫射元件与至少菲涅耳透镜元件的组合。
全文摘要
提供一种用于透射屏的光漫射元件，其具有令人满意的表面保护效果，同时保持优异的光漫射效果和抗反射效果。该用于透射屏的光漫射元件包括设置在具有单层或多层结构的基板的表面上的硬涂层，其中在基板和硬涂层中包含微粒，且硬涂层中包含的微粒的平均粒径为5－15μm，硬涂层具有满足公式(d－2)≤t≤d表示的条件的厚度，其中t表示硬涂层的厚度，μm；d表示微粒的平均粒径，μm；微粒的一部分在硬涂层的表面上突出以构成凹陷和凸起。
文档编号G02F1/1335GK1725104SQ20051008370
公开日2006年1月25日 申请日期2005年6月10日 优先权日2004年6月11日
发明者马场重树, 大高规彦, 鱼谷幸史, 中野公一, 桥本浩二 申请人:大日本印刷株式会社