专利名称：一种衍射光栅光导薄膜及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种背光模块中使用的光导膜及其制造方法，具体涉及一种带有衍射光栅的光导薄膜。
背景技术：
背光模块是LCD显示器，手机、PDA、数码相机等采用的液晶显示模组及键盘照明等装置中必须的器件，其市场是全球化的，随着显示行业的飞速发展，轻量型、超薄型、低能耗的背光模块成为该领域研究发展趋势，导光板是背光模块中重要的光学组件，其结构及性能的优劣直接影响着背光源质量的好坏，因此，如何设计制造高性能的导光板是当前国内外研究的焦点。
一种主要的背光照明是侧光式背光模组，由光源(Light source)、导光板(Light guide plate)、扩散膜(diffuser)、棱镜片(prism sheet)、反射板(reflector)组成，光源放在背光模组侧边，光从侧面进入导光板后，将线光源或点光源转化成分布均匀的面光源，再经过扩散膜的均光作用与棱镜片的集光作用提高光源的亮度与均匀度，此模组适用于小型面板，如笔记型电脑、手机、数码相机等，这种侧光式背光模组厚度一般在1～3mm。
各大厂商不仅加紧了对LCD的轻量化，薄型化的研究，而且，在不断努力改进背光模块，使其与液晶显示器更加配套。目前，国内外制造的光导板的缺点是，厚度较大，光能利用率偏低。随着手机、笔记本电脑的小型化，要求背光模组轻量化、薄型化、低成本，因此，在新一轮背光模组的研发中，新型光导板的设计以及相关产业化生产制造技术的研发是一个竞争热点。轻量、超薄型导光板的研制是该领域中一个崭新的课题。
传统的光导板制作方法有印刷式和非印刷式，其中非印刷式分为蚀刻、LIGA制程及微切削加工。
1、印刷式点印刷式导光板利用高发散光源物质(SiO2及TiO2)的印刷涂料，以网点印刷(screen printing)的方式涂布在导光板底部。
2、蚀刻技术早期的非印刷制程为蚀刻技术，此制程是将导光网点分布图样以感光油墨或干膜光阻转印到镜面处理的模具上，经曝光后显影，以蚀刻液进行化学蚀刻。化学蚀刻的缺点是蚀刻液影响光学表面，致使其光学散射特性无法完全表现出来。目前采用激光束蚀刻，克服了化学蚀刻的特点，可有效控制网点的深宽比。
3、LIGA制程将网点图样利用半导体制程中的掩模曝光显影法转印在光阻膜上，利用热回流制程使光阻表面形成圆滑的半球状或半圆柱结构，再以电铸的方式在光阻上沉积出模仁，此方法制得的导光板可以依照导光板图样的设计对光源的射出做有效的调节，使发光区达到最均匀度。此外，导光图样具有光学镜面及微小特性，更可以使光能的损失达到最小，有助于辉度的提升。
4、微切削加工用钻石在模具上切削出V形长沟结构，沟两侧具有反射镜面用来破坏原来的全反射作用，使光能由导光板正面射出，控制V型长沟的宽度及深度的变化，调整出光面的光强分布，利用切削方式制作导光板可以提高辉度并具有制作方便的优点。如果在出光面使用切削方式制作与棱镜片类似的镜面，可省下棱镜片和扩散片，达到增加辉度的效果。
上述光导板的导光方式均是基于几何光学原理，制造方式均是单片状生产，生产效率低，成本高。
为了提高生产效率，需要寻求新的适合于批量制造所导光板及其制作方法。近几年来，有关采用衍射光栅的光导板研究已有了长足进展。美国专利US7058056公开了一种带有衍射光栅的导光板，在导光板底面用光栅常数是2μm的衍射光栅作为导光单元，通过改变衍射光栅单元的面积来达到光源均匀出射的效果，但是，这种方式可以调整的出射光强的范围十分有限，光能利用率低，仍然需要棱镜片。美国专利US6773126公开了一种带有衍射光射的导光板，采用在光导板底部平铺衍射光栅单元的方式，用衍射光栅的槽型深度、形状来达到改变光源均匀性。
带有衍射光栅的导光板适合采用压印方式制作，如采用卷对卷压印，工序简便，可连续制造，有利于降低成本，且可制得更薄的导光板。但如何提高出射光的均匀性和亮度，仍然是目前急需解决的问题。
发明内容
本发明目的是提供一种带有衍射光栅的光导薄膜，通过结构改进，提高光导膜的均匀性和亮度，以适于应用卷对卷的常规压印方法大量复制生产光导膜。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是一种衍射光栅光导薄膜，在薄膜的一侧表面，设有平铺的光栅像素单元，所述光栅像素单元由亚像素结构组成，每一亚像素内的衍射光栅取向、空间频率、槽型深度根据导出光线的方向与光强确定，所述衍射光栅取向范围为一90°至90°、空间频率大于1000条/毫米、槽型深度为150纳米～400纳米。
与单纯改变光栅的面积或槽型深度不同，在构思本发明的技术方案时，发明人注意到，描述光导板的衍射光学特性的参数可以有衍射光栅单元(像素)的位置(X，Y)，光栅像素(grating pixel)的大小与分布，光栅条纹取向、光栅条纹疏密(空间频率)和光栅槽深(衍射效率或亮度)。因而，光栅像素的取向、空间频率的不同，将影响导出光的强度。对于衍射光栅的光导板，从光栅上出射的光线分零级光和衍射光，零级光服从反射定律和折射定律，衍射光线遵从光栅方程，衍射光的出射方向始终垂直于光栅栅线。零级光与入射光处在入射面内，而衍射随着光栅取向的不同，出射的方向可以是空间各个方向。因此，光栅空间频率确定衍射光(导出光)的夹角的大小、光栅取向决定导出光的空间范围。
根据上述思考，本发明提出了一种改进衍射光栅光导膜均匀性的方法光导膜由平铺的衍射光栅像素组成，一个光栅像素分解成亚像素(sub-pixel)，亚像素内的光栅取向、空间频率的不同引起导出光线的方向变化与光强改变，从而，通过不同的光栅取向或空间频率的亚像素的组合，可以提高光导膜导光的均匀性。本发明将原来离散的导光单元改变为平铺的衍射光栅组合，由此，本领域技术人员能够基于导光板的导出光强要求及均匀性要求，根据严格耦合波理论计算出光栅衍射效率与槽深、空频的关系，所述槽深在150nm～400nm，所述空频大于1000线/mm，所述光栅取向为-90度到90度，角度变化大于0.1度。
上述技术方案中，根据光导均匀性要求，所述光栅像素单元的结构分布由光栅方程、折射定律确定；在光栅槽形占空比和基材折射率确定的条件下，导光强度由导光图样内的衍射光栅取向、不同结构光栅所占面积比例确定。
一种优选的技术方案是，所述光栅像素单元是方形、平铺在整个基材表面上，光栅像素单元由亚像素构成。
其中，所述亚像素结构是具有不同光栅取向的柱状分布组合；也可以是由不同空频组成的柱状结构。
进一步的技术方案，在所述光导薄膜的压印面，还设有透明的高折射层。通过改变光栅面上的电介质特性、以增大薄膜的全内反射的范围、增强导光膜的导光面的导出光的亮度特性。
本发明的衍射光栅光导薄膜的制作方法是，在光导薄膜的一个表面制作衍射光栅，包括下列步骤(1)根据光导均匀性要求，设计导光图样的衍射光栅结构分布，导出光的方向由光栅方程、折射定律确定；在光栅槽形占空比和基材折射率确定的条件下，导光强度由导光图样内的衍射光栅取向、不同结构光栅所占面积比例确定；(2)将步骤(1)中获得的导光图样，按照像素结构分布排列成不同序列，对应于不同的衍射光栅结构，其中，所述衍射光栅结构是由单元像素构成，每一个单元像素由亚像素构成，每个亚像素内的衍射光栅的取向、空间频率根据所需光强分布确定；(3)将步骤(2)中获得的导光图样结构分布利用光变图像照排系统光刻到光刻胶材料上；(4)将光刻胶上的导光图样，通过电铸制成金属镍板，将金属镍板包裹在滚筒上，对涂布有涂层的PET或PC薄膜进行加热、加压的压印，获得所需的衍射光栅光导薄膜。
进一步的技术方案是，在所述光导薄膜的压印面上涂布或蒸镀一层透明的高折射层。所述高折射层的材料选自SiO2、TiO2或ZnS。
由于上述技术方案的运用，本发明作为一种光导膜的制造方法，与现有技术相比具有下列优点1.改进导光均匀性衍射光栅平铺在整个导光薄膜表面，同时衍射光栅取向、空间频率的调整相对于槽型与槽深的调整，易于控制，可有效改善导光的均匀性和视场，有利于精密调整导光膜的导光均匀性。
2.干涉光刻方法便捷可靠本发明采用光变图像照排系统将图样结构光刻到光刻胶材料上，输入的导光图样的信噪比能得到保证，同时，两束干涉光除了入射角度与光刻胶材料的法线相互对称外，其他特性完全相同，干涉区域相互重叠，因此，有利于获得高衍射效率的衍射光栅和高质量导光图样，干涉光刻方法便捷可靠。
3.易于制造在光刻胶上光刻出具有浮雕结构衍射光栅后，再将微浮雕结构导光图样通过电铸制作到金属镍板上，浮雕色深度一般在0.15-4.0微米，易于在薄膜上进行卷对卷的压印复制。
4.提高导光效果在衍射光栅浮雕结构上增加高折射率层，根据全内反射条件，设光导膜材料是PET，其光学折射率n＝1.43，则全内反射的临界角度为45度，采用本高折射层(如TiO2)层后，光学折射率为1.80-1.90左右，则全内反射的临界角度为37-33度，增多了导出光的次数。高折射率层的另一个作用就是，提高了光栅衍射效率，从而，增强了导光亮度。
附图1a为实施例一中衍射光栅在不同空间频率时对光导特性的影响示意图；附图1b为实施例一中衍射光栅在不同光栅取向时对光导特性的影响示意图；附图2为实施例一中的光导结构由不同特性的衍射光栅平铺的结构示意图；附图3为实施例一中在单一像素结构中，在不同亚像素上，采用不同空频衍射光栅结构的导光模式示意图；附图4为实施例一中在单一像素结构中，在不同亚像素上，采用不同空频衍射光栅结构的导光模式示意图；附图5为实施例一中，用于本发明的DMD激光光变图像光刻系统结构图。
其中1、激光器；2、扩束器；3、反射镜4、空间光调制器DMD；5，6、缩微光学成像系统；7、位相光栅分束器；8，9、干涉光学成像系统；10、光刻胶材料；11、光刻平台。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述实施例一参见附图1至附图5所示，一种利用数字干涉光刻系统、模压系统在薄膜上进行光导图样制作，以制备衍射光栅光导薄膜的方法，包括下列步骤(1)根据光导均匀性要求，设计导光图样的衍射结构分布，导出光的方向由光栅方程、折射定律确定；在光栅槽形占空比和基材折射率确定的条件下，导光的强度由导光图样内的衍射光栅的取向、所占面积比例确定；衍射光与入射光所构成的平面始终与栅线垂直，因此，旋转光栅取向，可以改变衍射光的空间方位角，通过光栅取向的变化，可调整导出光的均匀性，增大光导板的可视角。参见附图1a和附图1b。
光栅空间频率高、则对入射光的衍射角度大，对白光的色散能力强，从而，导出光的发散性增大；反之，导出光的发散区域变小。因此，合理调整光栅的空间频率，可改善导光均匀性，参见附图4。
(2)将步骤(1)中生成的导光图样，按照像素结构分布排列成不同序列，对应于不同的衍射光栅结构。其中，所述衍射光栅结构是由像素单元构成，每一个单元像素由亚像素构成，每个亚像素内的衍射光栅的取向、空间频率均可以改变，参见附图3，4所示。
(3)将步骤(2)中获得的导光图样结构分布，利用光变图像照排系统(参见附图5)的干涉光刻到光刻胶材料上。其中，所述的光变图像照排系统包括激光器1产生的激光束经扩束器2准直，由反射镜3投射到数字微反射镜(digital micro-mirror device，DMD)4上，光导图样经计算机输出至DMD上，光束经空间调制后，由一个光学成像系统5、6将光导图样投影到位相光栅分束器7上，将激光光束分束成二束光，再通过光学成像系统8、9将两束光会聚到光刻胶材料10上，两束光相互干涉，形成精细干涉条纹，位相光栅分束器7放置在精密转台上，转台的转动将改变干涉条纹在光刻胶材料10上的取向，由计算机软件控制记录材料平台11、DMD4和转台以及光电开关，在光刻胶材料10上形成，光导图样。
(4)改变位相光栅分束器的空间频率，则干涉条纹间隔发生改变，变化的范围为0.4-2微米，经过处理后，获得具有衍射光栅结构的单元像素，位相光栅分束器放置在精密转台上，转台的转动将改变干涉条纹在光刻胶材料上的取向，由计算机软件控制平台、DMD、转台以及光电开关，在光刻胶材料上形成具有亚像素衍射光栅组合的微结构。
将光刻胶上的导光图样，通过电铸制成金属镍板，将金属镍板包裹在滚筒上，对涂布有涂层的PET或PC薄膜(50-300微米)进行加热、加压的压印，将镍版上的光栅转移到薄膜表面上。
(5)在压印面的光栅表面上，涂布或蒸镀一层透明高折射层(如SiO2、TiO2或ZnS)，以增大薄膜的全内反射的能力、增强导光膜的导光特性。
本方法的像素单元为40-320微米，亚像素的结构最小尺寸为10微米。
实施例二一种改进衍射光栅光导膜均匀性的方法，包括下列步骤(1)根据光导均匀性要求，设计导光图样的衍射光栅结构分布，导出光的方向由光栅方程、折射定律确定；在光栅槽形占空比和基材折射率确定的条件下，导光强度由导光图样内的衍射光栅取向、不同结构光栅所占面积比例确定；为获得导光均匀性，采用数字微反射镜(digital micro-mirrordevice，DMD)作为输入手段，对衍射光栅像素进行组合，得到了不同导光结构的导光图样，(2)将步骤(1)中生成的导光图样，按照像素结构分布排列成不同序列，对应于不同的衍射光栅结构。其中，所述衍射光栅结构是由单元像素构成，每一个单元像素由亚像素构成，每个亚像素内的衍射光栅的取向、空间频率均可以改变。
(3)将步骤(2)中获得的导光图样结构分布利用光变图像照排系统光刻到光刻胶材料上。
(4)将光刻胶上的导光图样，通过电铸制成金属镍板，将金属镍板包裹在滚筒上，对涂布有涂层的PET或PC薄膜进行加热、加压的压印。
上述技术方案中，像素单元是方形、平铺在整个基材表面上，单元光栅像素由亚像素构成，亚像素结构可以是具有不同光栅取向的柱状分布组合，也可是由不同空频组成的柱状结构。
在步骤(3)中的光变图像照排系统可利用现有的光变图像照排系统实现(ZL01134159.9数码三维与光变图像的制作方法及激光照排系统)。由于在本方案中，每个像素单元内部还有精细的亚像素结构，因而，对光变图像照排系统的性能要求也相应提高，这里光变图像照排系统是，包括激光器、受TTL信号控制的光电开关、扩束器、数字微反射镜(digital micro-mirrordevice，DMD)、位相光栅分束器、干涉成像系统和平台运动系统。激光器产生的光束经扩束器准直投射到DMD上，欲光刻的衍射光栅像素信息经计算机输出至DMD上，光束经DMD的空间光调制后，由一个光学成像系统将空间调制图像投影到位相光栅分束器上，位相光栅分束器将激光光束分束成二束光，再通过光学成像系统将两束光会聚到光刻胶材料上，两束光相互干涉，形成精细干涉条纹，控制曝光量、干涉条纹取向、空间频率和不同亚像素组合，可以获得不同性质的衍射光栅。
在这里，DMD是对光束进行空间振幅(强度)的器件，它通过计算机输入并显示图像。DMD的最小像素单元和光学成像系统应保证在最终的单元像素上形成清晰像。
分束前的光学成像系统是一种能将DMD输出的调制信号(光学图像)进行缩小的光学系统，该光学系统的缩小倍数为1-10倍，照明在DMD上的光斑直径应保证入射到DMD上光场的均匀性。位相分束元件、精密转台和分束后的光学成像系统共同构成了干涉系统，在光刻胶材料上，形成由DMD输入的图像的携带有干涉条纹的精细结构，这里，位相分束元件主要指衍射光栅元件，它将光的能量主要衍射到正负一级光上，干涉条纹由正负一级光的干涉形成。
上述技术方案中，所述的精细结构可以是各种图形组合，每个图形中含有不同特性的衍射光栅结构(光栅取向、空频变化)。所述的是浮雕型光刻胶材料。经过金属化后处理，能在金属镍板上形成浮雕型光栅条纹，这种金属版可以用于卷对卷的方式，在压敏材料(如PET，PC)上压印出这种导光浮雕条纹，从而能高效率地生产复制光导薄膜。
权利要求
1.一种衍射光栅光导薄膜，其特征在于在薄膜的一侧表面，设有平铺的光栅像素单元，所述光栅像素单元由亚像素结构组成，每一亚像素内的衍射光栅取向、空间频率、槽型深度根据导出光线的方向与光强确定，所述衍射光栅取向范围为-90°至90°、空间频率大于1000条/毫米、槽型深度为150纳米～400纳米。
2.根据权利要求1所述的衍射光栅光导薄膜，其特征在于根据光导均匀性要求，所述光栅像素单元的结构分布由光栅方程、折射定律确定；在光栅槽形占空比和基材折射率确定的条件下，导光强度由导光图样内的衍射光栅取向、不同结构光栅所占面积比例确定。
3.根据权利要求1所述的衍射光栅光导薄膜，其特征在于所述光栅像素单元是方形、平铺在整个基材表面上，光栅像素单元由亚像素构成。
4.根据权利要求3所述的衍射光栅光导薄膜，其特征在于所述亚像素结构是具有不同光栅取向的柱状分布组合。
5.根据权利要求3所述的衍射光栅光导薄膜，其特征在于所述亚像素结构是由不同空频组成的柱状结构。
6.根据权利要求1所述的衍射光栅光导薄膜，其特征在于在所述光导薄膜的压印面，还设有透明的高折射层。
7.一种衍射光栅光导薄膜的制作方法，在光导薄膜的一个表面制作衍射光栅，包括下列步骤(1)根据光导均匀性要求，设计导光图样的衍射光栅结构分布，导出光的方向由光栅方程、折射定律确定；在光栅槽形占空比和基材折射率确定的条件下，导光强度由导光图样内的衍射光栅取向、不同结构光栅所占面积比例确定；(2)将步骤(1)中获得的导光图样，按照像素结构分布排列成不同序列，对应于不同的衍射光栅结构，其中，所述衍射光栅结构是由单元像素构成，每一个单元像素由亚像素构成，每个亚像素内的衍射光栅的取向、空间频率根据所需光强分布确定；(3)将步骤(2)中获得的导光图样结构分布利用光变图像照排系统光刻到光刻胶材料上；(4)将光刻胶上的导光图样，通过电铸制成金属镍板，将金属镍板包裹在滚筒上，对涂布有涂层的PET或PC薄膜进行加热、加压的压印，获得所需的衍射光栅光导薄膜。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于在所述光导薄膜的压印面上涂布或蒸镀一层透明的高折射层。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于所述高折射层的材料选自SiO2、TiO2或ZnS。
全文摘要
本发明公开了一种衍射光栅光导薄膜，在薄膜的一侧表面，设有平铺的光栅像素单元，其特征在于所述光栅像素单元由亚像素结构组成，每一亚像素内的衍射光栅取向、空间频率、槽型深度根据导出光线的方向与光强确定。其制作方法包括下列步骤(1)设计导光图样的衍射结构分布；(2)将导光图样按照像素结构分布排列成不同序列，每一个单元像素由亚像素构成，每个亚像素内的衍射光栅的取向、空间频率均可以改变；(3)光刻；(4)通过电铸制成金属镍板，对涂布有涂层的PET或PC薄膜进行卷对卷的压印。本发明改进了导光均匀性，提高了导光效果，其制作方法便捷可靠。
文档编号G02B6/124GK101017218SQ20071002041
公开日2007年8月15日 申请日期2007年2月14日 优先权日2007年2月14日
发明者陈林森, 周小红, 叶燕, 浦东林, 陆亚聪, 魏国军, 解剑锋, 汪振华, 沈雁 申请人:苏州大学, 苏州苏大维格数码光学有限公司