在平面光导上生成散射结构的方法

专利名称：在平面光导上生成散射结构的方法
技术领域：
本发明涉及一种在平面光导上生成散射结构(Streulichtstruktur)的方法，光可馈入到该平面光导中以显示该散射结构，其中该散射结构按照预先给定的步骤敷设到该光导的表面上。
背景技术：
已经公知，出于广告的目的或作为指示牌要使用“悬空的”发光的信息文字和图案。尤其是这种散射结构可以为发光的单色或彩色显示装置形成独特的设计方案。
由现有技术已公知在玻璃或透明塑料板上镌刻、蚀刻或印刷出符号和文字。此外，可以借助激光技术将这样的结构引入板的内部。通过将光入射在板棱上进入来对板进行照射，可以将该结构激发成可见的或发光。对于光的馈入可以利用白炽灯、日光灯、冷阴极管(CCFL)、光导纤维、发光二极管阵列(LEDs)、有机发光二极管(OLEDs)或产生电致发光的装置(EL)。
尤其在液晶显示和LCD显示屏的后部照明的情况中，例如在大批量生产时采用丝网印刷的方法。在这种例如手提计算机(Laptops)中所采用的显示屏，光从侧面馈入平面光导，且在敷设于背面的散射中心沿显示器方向输出。在这里，散射中心的分布是这样选择的，使得其产生尽可能均匀的光分布。尤其在该显示器中光馈入的边缘设置较少的散射中心，而在显示屏或该光导的中间部位增加散射中心的密度。为实现均匀的光输出，待敷设的结构很复杂，且只能用如丝网印刷的费用昂贵的“标准方法”来生成。此外，散射中心按光栅状设置成点光栅。为了使观察者不会将这些点结构看成光点，在现有技术中在光导和LCD显示器之间设置了一个散射体，它设计成由塑料制成的散射盘。
公知的蚀刻方法和平板印刷方法尤其在形成大面积结构的情况下成本很高，因为必须在大的涂层装置和照明装置中使用昂贵的光学清漆。此外，这种方法很费时间，因为它经历长的加工时间。
对于大批量生成同样的散射结构的情况，可以证明就成本观点而言采用印刷方法或成膜方法可能是合理的。然而在这种费事的准备工作条件下制造独特掩模或冲孔工具仅仅在大批量生产时才是值得的。尤其在结构图形复杂时，例如在结构图形具有精细线条和如封闭环内部区域的自由独立结构时，尤其在将薄膜转印到结构表面时工具制造的操作十分关键。这里，在同时印刷很宽和很细的结构时，可达到的最低分辨率和“动力学”受到很强的限制。此外，在不同的散射结构或光栅结构上所希望的散射光厚度的局部变化是很难实现的。
用于生成散射结构的激光方法，例如公知的借助激光在一玻璃板内部生成一结构的激光内刻法，同样在实施时既费钱又费时间。
通常，对于现有技术所公知的方法而言，生成对图片或照片所需要的多色和/或强度分级的显示仅仅在很高的花费下才是可能的。

发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种在平面光导上生成散射结构的方法，利用此方法允许在短时间内和高的通过能力情况下产生任意的结构图形。
上述技术问题是这样来解决的对于本说明书部分所提到的在平面光导上生成散射结构的方法中，散射结构用非冲击式方法直接敷设在所述光导上。
这样一来，省去了成本较高的掩模生成或工具制造。生产能力相对于公知的方法大大提高了，因为本发明的涂层方法成本低廉，且便于操作。此外，本方法允许形成任何主题。
按照本发明的基本构思，可以敷设一种在敷设之后会硬化的液态涂层材料。这样一种材料尤其允许在喷墨装置中进行特别简单的加工，其中尤其可以使用一种可淬透的漆、一种热塑性或热固性塑料材料或者一种玻璃熔体。在这种情况下，散射结构的敷设允许借助一个计算机控制的、非接触式印刷头进行印刷来很容易地实现。
按照本发明的另一种基本构思，可以采用一种在敷设之后固定的有机着色剂作为涂层材料。对于有机着色剂，可选择一种玻璃熔体、玻璃熔体颗粒、一种热塑性或热固性聚合物或者这一类的塑料材料。尤其在静电复印装置中，这样一种有机着色剂很容易加工。在这种情况下，散射结构的敷设包括通过静电涂层来敷设一层。对于静电涂层来说，在光导基片上敷设一导电的电极层是必要的。
涂层材料在固化或固定状态下应当是透明或有色的，且具有一个与所述光导的折射率近似相等的折射率。这样一来，可以很容易地实现从光导的光输出。
对于光导基片，可选择一种玻璃，例如钙钠玻璃或超白玻璃、不显示绿色的玻璃，或者透明塑料，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，即有机玻璃)或聚碳酸酯(例如GE Plastics的Lexan)。这些材料形成特别好的光导。
为了产生有色或白色的散射光，涂层材料中附有折射率与固化或被固定的涂层材料的折射率不同的无色或有色散射中心。在这种情况下，对散射中心可选择有色颜料或类似的由玻璃或塑料材料制成的有色或无色散射颗粒。于是，可以由该固化或固定的涂层材料形成用于接纳散射中心的基体。
在特别优选的方式中，对有机着色剂或液态涂层材料可选择一种具有散射中心的材料。从而可以在一个单独的涂层步骤中敷设散射中心。
对每个面积单位设置预定数量的散射中心。这导致一个确定的散射中心密度，由此来影响例如色度或散射光的输出。为此，将散射中心按照预先给定的密度分布分配到光导上。
此外，在敷设散射结构时可以在光导基片上敷设一层导电电极层。作为一种替换，该光导基片可以事先已具有导电电极层。在这种情况下，此导电电极层尤其是一层氧化锡层、一层掺铟氧化锡层(ITO)或这一类导电层。
可以在一个步骤中完成涂层材料的敷设，在下一步骤中完成散射中心的敷设。从而尤其改变散射中心的分布。此外，散射中心的敷设可以按照一预定的分布用计算机来控制完成。这样，尤其可以在不同成形光导中实现均匀的光输出。


下面借助优选实施方式并结合附图对本发明作详细说明图1以示意剖面图方式示出了一个平面光导，灯的光线从其右侧边缘区域馈入，在其上表面敷设了一散射结构，其中光向上方输出；
图2以示意剖面图方式示出了一个平面光导，灯的光线从其右侧边缘区域馈入，在其下表面敷设了一散射结构，其中光穿过光导向上方输出；图3以示意剖面图方式示出了一个平面光导，在其上表面安装了一个由基体和散射颗粒构成的散射结构；图4以示意俯视图方式示出了一个板形光导，光从两个边缘区域馈入该光导，其中光导板中间区域的散射颗粒密度大于其在边缘区域的密度；图5以示意剖面图方式示出了一台用于将散射结构敷设到平面光导表面上的静电加工装置；图6以示意剖面图方式示出一台用于将散射结构敷设到平面光导表面上的、按喷墨方法加工的装置。
具体实施例方式
图1以示意剖面图方式示出了一块由玻璃或一种透明塑料材料制成的板10，在其右边缘区域12馈入由灯14发出的光。在灯14处设置了一个镜面装置，用于将该灯14发出的光聚焦到边缘区域12，并遮挡住偏移该光导10的空间。在该板10的上表面18敷设有一散射结构，其中光向上方输出。馈入的光22在该板10内以全反射的方式行进。在该散射结构20处光以散射光24方式从起光导作用的板10输出。
图2示出了一种类似的布置安排。其与图1所示布置安排的区别是在该板10的下表面19上敷设了一散射结构21。在此，该光在散射结构21处以散射光25的方式向上穿过板10地从起光导作用的板10输出。
图3以示意剖面图方式示出了一块由玻璃制成的板10，在其上表面18敷设了由玻璃熔块基体26和许多无色或有色散射颗粒28构成的散射结构20。这些散射颗粒28由充入到该玻璃熔块基体26中的颜料形成。玻璃熔块基体26具有基本上与板10的材料相同的折射率，而散射颗粒28的折射率与该基体26的折射率不同。因而，如已在图1中所示出的那样，以全反射方式在板10中行进的光22在散射结构20处进入了基体26，在散射颗粒28处发生散射，并根据该散射颗粒28而作为无色或有色的散射光24输出。
在一种未以图示出的替换实施方式中，图3示出的散射结构20还可以由一种透明的、热塑性或热固性塑料材料制成。对于散射结构还可以采用经紫外线硬化而形成的漆层。
散射结构20的一种简单结构可以如图3所示这样来得到将该散射结构20敷设成其中包含有作为散射颗粒28的细微粒子的透明层。在那里将基体26和散射颗粒28的不同材料在敷设之前彼此混合。根据充入颗粒28的数量，可以得到不同强度的散射效果。然而当散射颗粒28在该光导或板20的整个表面范围不变时，光输出随着与该灯相隔的距离增加而减少。这对于某些应用是不利的，因为光的分布不均匀。
一种均匀的光分布可以按照下述方式来得到散射颗粒28的密度按照其与入射光源的距离而改变。图4以示意俯视图的方式示出了一块板状光导30，例如一块液晶显示屏，其中光在两边缘区域32和34分别由光源36和38馈入。在光导板30的中间区域40，散射颗粒28的密度大于其在边缘区域32和34的密度。这就可以在整个光导板30范围得到均匀的光输出。
光导板30内散射颗粒28的可变化的布置按照下述方式来得到第一步，敷设一种图中未示出的透明材料(如一种热塑性塑料)作为散射结构，其不含有散射颗粒。此透明材料用来输出以全反射方式在光导板30内行进的光。为此该透明材料具有大体与光导板30相同的折射率。在下一步，将该散射颗粒28按照一事先计算的密度分布以计算机控制的方式敷设到该散射结构上，这样一来可以实现一种均匀的、带有所希望的色彩效果的光输出。
对于小批量或作为单件加工的大面积应用的情况，此时精度要求可以在几十μm范围内，例如对于大面积发光显示器，散射结构20或21可以用简单的方式、且费用合理地进行敷设。为此，将该散射结构20或21不经过附加的掩模技术或工具准备直接敷设或固定在一个透明的、用作光导的板10的表面18或19上，如同在图1和2中所描述的那样。
高生产能力要求的短工序时间和散射结构设计时的灵活性通过一种所谓的非冲击式方法(Non-Impact-Verfahren)来实现，其中用于形成散射结构的材料无需如印刷头那样的机械作用而直接敷设在一基片或一光导板上。
为了在玻璃表面上制造上述散射结构，本发明采用一种所谓的计算机-玻璃(Computer-to-glass)方法，即CTG方法。
图5以示意剖面图方式示出了一种用于按CTG方法将散射结构100敷设于玻璃板104表面102上的方法。可以在为CTG方法作准备时在第一步(图中未示出)中为玻璃板104的表面设置一导电的电极层105。然而，这一方法步骤也是可省略的，尤其当玻璃板104已具有一层如由氧化锡构成的导电电极层105时。
图5所示实施方式专用于将散射结构100静电转移到玻璃板104上。这样一种装置的工作原理原则上相当于一台激光打印机或复印机的工作原理。
一个光敏导体滚筒108转动，其表面这样经过一个被充电的电晕充电装置(Ladekorotor)110，使其将电荷发送给光敏导体滚筒108，且该光敏导体滚筒108的表面均匀地充电。然后，该光敏导体滚筒108被充电的表面通过其转动经过一个发光二极管装置112。该发光二极管装置112又由一台计算机装置106控制，从而该光敏导体滚筒108根据待转移到该玻璃基片上的内容而曝光。在曝光的位置对表面充电，从而该光敏导体滚筒108得到了该内容的一幅不可见的电子图像。
作为一种替换方式，还可以使用一幅以复印机方式按照静电复印方法转印到玻璃基片上的原图。为此代替图5所示的发光二极管装置112采用一种图中未示出的、由一照明灯、一物镜和多个偏转镜构成的装置。借助于此装置可以将原图投射到该光敏导体滚筒108上。
作为替换还可以利用发光二极管阵列或一个由摆转镜阵列构成的装置。在另一种替换的实施方式中，该发光二极管装置112可以用一个转动的多棱镜来代替，为该多棱镜配设一个激光源，且该多棱镜将激光成行地投射到该光敏导体滚筒108的整个表面。
此后，借助一个显影单元115的磁刷114将来自有机着色剂容器113的有机着色剂转送到该光敏导体滚筒108上。为此，在该光敏导体滚筒108和该显影单元115之间还施加有一偏压。有机着色剂仅仅粘附在该光敏导体滚筒108上被曝光去除了电荷的区域。但是，与激光打印机不同，有机着色剂不直接从该光敏导体滚筒108转移到玻璃基片104上。由于玻璃基片104由一种比较硬的材料制成，因此更可取的是，有机着色剂从该光敏导体滚筒108首先转移到一个转印滚筒116上，然后再转移到玻璃基片104上。该转印滚筒116具有一个如由树胶制成的软表面，该软表面可以很好地与该玻璃基片104表面相匹配，从而使该玻璃基片104与转印滚筒上的有机着色剂良好地接触。
按箭头A所示方向以1至10m/min的通过能力行进的玻璃基片104借助一个转印电晕充电装置118同样被均匀地充电，从而将转印滚筒116的有机着色剂取走。代替借助转印电晕充电装置118的充电，还可以简单地通过与一个图中未示出的电源直接接触来实现均匀充电，因为玻璃基片的表面由于在此之前用导电电极层105涂层而可以良好地导电，则电荷均匀分布。在随后的固定过程中，被涂敷了有机着色剂的表面被加热到一个低于250℃的合适温度，且该有机着色剂固化。
此外，由于此涂敷可以相当快地完成，因此这种利用至少一种结构敷设电阻层的过程是有利的。尤其在涂敷玻璃基片104时可以采用一种带有玻璃熔体颗粒的透明陶瓷有机着色剂。此外，还可以按照要求在这种有机着色剂中添加或混合由带有另一种折射率的玻璃熔体颗粒构成的散射中心。这样一种有机着色剂在敷设结束之后在大于600℃的温度下焙烧。
利用这样一种静电涂层，可以达到该结构的大约为20μm的横向分辨率。这既可以完成带有可变层厚(约为1μm至8μm之间的层厚)的灰度级印刷，也可以完成筛网印刷来达到幻灯片的亮度分级。
通过多次重复印刷过程还可以很容易地这样来敷设散射结构100，使得其具有从分级角度看为不同层厚的区域。此时，对每个面积单位设置预定数量的散射中心28，其中可以将散射中心按照一预先给定的密度分布分配到该光导上。
为了在玻璃基片104上产生有色的复制，在多次印刷时对通常四种可供使用的有机着色剂颜料的每一种必须按照四色印刷来完成印刷过程。
借助上述CTG方法，除陶瓷层外还可以将例如带有热塑性聚合物的聚合物层作为有机着色剂离析在玻璃基片或聚合物基片上。在这种情况下，为了制造散射结构100可以利用透明的有机着色剂来直接输出光，或者利用有色的有机着色剂来影响其色彩位置。例如这可以是不带有或带有白色或有色散射颗粒的透明或有色聚合物，通过这些白色或有色散射颗粒的体积份额可以事先调节该最终生成层的色度。
该CTG方法按照对绝缘体的表面涂层的要求进行优化，其中该玻璃基片104的处理加工可以在图中未示出的前一步骤中进行，这将使有机着色剂从转印滚筒116到玻璃基片的转移得到改善。
还可以利用导电基片来代替图5中示出的玻璃基片104，以改善有机着色剂的转移。同样，如同设置有电极层105的玻璃基片那样，在此之后可以很容易地借助所施加的与期望电位一致的电压调节构件表面。已具有一层薄的透明氧化锡层的玻璃就是这种基片的实例。这种玻璃于是具有一定的导电性。
借助于此CTG方法还可以通过在产品中前后设置多个CTG装置很方便且使通过能力最佳化地实现具有多结构的涂层。
此外，从转印辊到基片的转移可以用热转移的方式来完成。此时，将基片预先加热到100℃至200℃的温度，典型的温度为120℃至150℃。在这种情况下，有机着色剂在与热基片接触时熔化，接着在被冷却的基片上凝固。于是省去了附加的固定。
图6示意地示出了一种将散射结构200敷设到一沿箭头B方向行进的玻璃板202上的设备的另一种实施方式。该设备同样包括一台计算机装置204。此计算机装置204控制一台带有一印刷头208的印刷装置206。作为印刷头208，例如可以采用一种喷墨印刷头，该印刷头中装入适宜作为涂层材料的漆。
于是，所希望的内容可以由该计算机装置204和与该计算机相连接的印刷装置206以散射结构200的形式转印到该玻璃板202上。
按照另一种图中未示出的实施方式，散射结构200还可以借助一种喷漆(Airbrush)方法来敷设，其中涂层材料从细喷嘴喷射到基片上。
按照本发明方法所制造的客体是在典型较少生产量下的发光指示器。例如；大面积OLED或ELED，显示技术中用于手机、PDA或通用LCD(液晶显示器)背后照明的散射片，在广告中的指示板和发光板或者作为Haishalt中的信号、开关灯或探测灯、发光底板和其他专用灯，汽车领域和航空电子学中的发光平面、指示板和发光板、开关灯和探测灯，以及应急灯、便携灯。此外，在电子学、光学和光电学的所有领域中的其他应用也是可以想到的。
权利要求
1.一种在平面光导(10，30，104，202)上生成散射结构(20，21，100，200)的方法，光可馈入到该光导中以显示该散射结构(20，21，100，200)，其中该散射结构(20，21，100，200)按照预先给定的步骤敷设到该光导(10，30，104，202)的表面(18，19)上，其特征在于所述散射结构(20，21，100，200)用非冲击式方法直接敷设在所述光导(10，30，104，202)上。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述散射结构(20，21，100，200)的敷设包括敷设一种在敷设之后会固化的液态涂层材料。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于对于所述液态涂层材料，可选择一种可淬透的漆、一种热塑性或热固性塑料材料或者一种玻璃熔体。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述散射结构(20，21，100，200)的敷设包括敷设一种在敷设之后被固定的、作为涂层材料的有机着色剂。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于对于所述有机着色剂，可选择一种玻璃熔体、玻璃熔体颗粒、一种热塑性或热固性聚合物或者这一类的塑料材料。
6.按照权利要求2至5中任一项所述的方法，其特征在于对于所述涂层材料，可选择这样一种材料，其在固化或固定状态下是透明或有色的，且具有一个与所述光导(10，30，104，202)的折射率近似相等的折射率。
7.按照权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于对于所述光导基片，可选择一种玻璃、透明塑料或这一类塑料材料。
8.按照权利要求2至7中任一项所述的方法，其特征在于在所述涂层材料中附有无色或有色散射中心(28)，该散射中心(28)的折射率与固化或被固定的涂层材料的折射率不同。
9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于对于所述散射中心(28)，可选择有色颜料或类似的由玻璃或塑料材料制成的有色或无色散射颗粒。
10.按照权利要求8或9所述的方法，其特征在于对每个面积单位设置预定数量的散射中心(28)，其中该散射中心(28)按照预先给定的密度分布分配到所述光导(10，30，104，202)上。
11.按照权利要求4至10中任一项所述的方法，其特征在于对于有机着色剂，可选择一种具有散射中心(28)的材料。
12.按照权利要求8至11中任一项所述的方法，其特征在于由所述淬透或固定的涂层材料可生成一种用于容纳散射中心(28)的基体(26)。
13.按照权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于所述散射结构(20，21，100，200)的敷设借助一个计算机控制的、非接触式印刷头(208)进行印刷来完成。
14.按照权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于所述散射结构(20，21，100，200)的敷设包括敷设一层由静电涂层所生成的层。
15.按照权利要求1至14中任一项所述的方法，其特征在于所述散射结构(20，21，100，200)的敷设包括在所述光导基片(104)上敷设一层导电的电极层(105)。
16.按照权利要求1至14中任一项所述的方法，其特征在于所述光导基片(104)具有一层导电的电极层(105)。
17.按照权利要求15或16所述的方法，其特征在于所述导电的电极层(105)是一层氧化锡层、一层掺杂铟的氧化锡层(ITO)或这一类导电层。
18.按照权利要求9至17中任一项所述的方法，其特征在于所述散射结构(20，21，100，200)的敷设包括在一个步骤中敷设涂层材料，在下一步骤中敷设散射中心(28)。
19.按照权利要求9至18中任一项所述的方法，其特征在于所述散射中心(28)的敷设按照一预定的分布用计算机来控制完成。
全文摘要
本发明涉及一种在平面光导(10)上生成散射结构(20)的方法，光可馈入到该光导中以显示该散射结构(20)，其中该散射结构(20)按照预先给定的步骤敷设到该光导(10)的表面(18)上。该散射结构(20)用非冲击式方法直接敷设在光导(10)上。该散射结构(20)的敷设可以借助一个计算机控制的、非接触式印刷头进行印刷或通过静电涂敷来完成。
文档编号F21V8/00GK1584639SQ20041005645
公开日2005年2月23日 申请日期2004年8月9日 优先权日2003年8月8日
发明者哈里·恩格尔曼, 克莱门斯·奥特曼, 伯恩德·舒尔泰斯 申请人:肖特股份公司