專利名稱：具有光吸收材料的微結(jié)構(gòu)屏幕及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于制造背投屏幕的方法以及由此方法制造出的屏幕。更具體地說，本發(fā)明涉及一種包括全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)的背投屏幕，該全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)用于散射通過該屏幕的光。
背景技術(shù)：
通常，背投屏幕一般設(shè)計(jì)為將投影到屏幕背面的圖像傳送到觀察空間中。投影系統(tǒng)的觀察空間可以比較大(例如背投電視)，或者比較小(例如背投數(shù)據(jù)監(jiān)視器)。用屏幕的各種特性可以描述背投屏幕的性能。用于描述屏幕性能的典型屏幕特性包括增益、視角、分辨率、對比度、有無不希望的偽影(artifact)(例如顏色和斑點(diǎn)等)。
一般希望背投屏幕具有高分辨率、高對比度和大增益。還希望該屏幕將光遍布在大觀察空間中。然而事與愿違，當(dāng)提高屏幕的一種特性時(shí)，屏幕的一種或多種其它特性通常降低。例如，可以改變水平視角，以便適應(yīng)相對于該屏幕位于寬范圍位置的觀察者。然而，提高水平視角也會造成垂直視角提高到特定用途所需的垂直視角以上，從而減少了整個(gè)屏幕的增益。因此，可以在屏幕特性與性能之間找到某種折中方案，以便制造出對于特定背投顯示用途具有可接受的整體性能的屏幕。
在本文中以引用的方式并入的美國專利No.6,417,966中，Moshrefzadeh等人公開了一種具有反射表面的屏幕，該反射表面設(shè)置為將通過該表面的光反射到至少一個(gè)散射平面中。該屏幕由此允許在背投系統(tǒng)中使圖像光不對稱散射，并且允許光有選擇性地導(dǎo)向觀看者。Moshrefzadeh等人還教導(dǎo)了用于制造該屏幕的方法，包括利用鑄造和固化處理、涂層技術(shù)、平面化方法，以及去除外涂層材料的步驟的組合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種簡單而經(jīng)濟(jì)的制造利用內(nèi)反射的高性能背投屏幕的方法以及該投影屏幕。用于屏幕的光散射膜具有光透射襯底和設(shè)置在該光透射襯底上的多個(gè)光擴(kuò)散結(jié)構(gòu)。光吸收材料至少局部地填充光擴(kuò)散結(jié)構(gòu)之間的凹腔。形成光散射膜的方法包括提供光透射襯底，該光透射襯底具有設(shè)置在其上的多個(gè)光擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，該多個(gè)光擴(kuò)散結(jié)構(gòu)限定它們之間的多個(gè)凹腔；以及利用光吸收材料至少部分地填充這些凹腔。


將參照以下附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明，其中在各個(gè)附圖中相同的結(jié)構(gòu)由相同的附圖標(biāo)記表示。
圖1是局部成形的微棱屏幕結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。
圖2是本發(fā)明的用于制造圖1的結(jié)構(gòu)的方法的一個(gè)實(shí)施例的視圖。
圖3是填充有光吸收材料的圖1的結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。
圖4是本發(fā)明的用于填充圖1的結(jié)構(gòu)以制造圖3的結(jié)構(gòu)的一種方法。
圖5A是由圖4的方法制造的屏幕的一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖。
圖5B是由圖4的方法制造的屏幕的第二實(shí)施例的側(cè)視圖。
圖6是表示基于多種黑色粘結(jié)劑配方的屏幕性能的曲線圖。
盡管以上附圖示出了本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例，但是還可以預(yù)見其它實(shí)施例。本說明書通過表示而非限制的方式示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠設(shè)計(jì)出落入本發(fā)明原理的精神范圍內(nèi)的許多其它修改和實(shí)施例。這些附圖不是按照比例畫出的。此外，盡管各個(gè)實(shí)施例由符號第一、第二、第三等表示，但是可以理解，這些說明是為了參考方便而并不意味著優(yōu)先級。這些符號僅僅為了清楚的目的來區(qū)分各個(gè)不同實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
圖1是局部成形的微棱屏幕結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。所示實(shí)施例的各種變化能夠用于前投影和其它屏幕用途，但是出于本說明書的目的，主要是根據(jù)背投屏幕用途來描述這些實(shí)施例。微棱結(jié)構(gòu)20包括光透射底部襯底(底部結(jié)構(gòu))22和光擴(kuò)散棱(微結(jié)構(gòu)散射棱或光擴(kuò)散結(jié)構(gòu))24。術(shù)語“微結(jié)構(gòu)”包括具有以微米(μm)或更小單位為量度的特性尺寸的特征。一般而言，微結(jié)構(gòu)特征可以具有從小于0.01μm到大于100μm的特性尺寸。如何構(gòu)成特征的特性尺寸取決于特征的類型。這些實(shí)例包括表面中槽狀特征的寬度、表面上柱狀凸起的高度，以及表面上尖銳凸起或鋸齒形尖端處的曲率半徑。因此，如果該特征的特性尺寸，例如該特征兩個(gè)表面之間的夾角，具有微米以下公差的尺寸，則甚至能夠?qū)⑷庋劭梢姷奶卣鞣Q作微結(jié)構(gòu)。
在一個(gè)示例性實(shí)施例中，光擴(kuò)散棱24的線性棱由光度樹脂構(gòu)成。尤其是，該光度樹脂包括光散射微粒，例如珠子，使得該光擴(kuò)散棱24起到大擴(kuò)散器的作用。為該棱的幾何形狀選擇大的高寬比，以便在微棱結(jié)構(gòu)20中引起全內(nèi)反射(TIR)。選擇在樹脂內(nèi)裝入的光散射微粒，從而控制光學(xué)屬性，例如屏幕的增益和視角。通常為光擴(kuò)散棱24選擇例如具有高折射率(RI)的樹脂材料。用于光擴(kuò)散棱24的適當(dāng)材料的實(shí)例包括聚合物，例如改良的丙烯酸樹脂、聚碳酸脂、聚苯乙烯、聚酯、聚烯烴、聚丙烯，以及折射率優(yōu)選等于或大于約1.50的其它光學(xué)聚合物。在圖1所示的實(shí)施例中，V形凹腔或者凹槽26將光擴(kuò)散棱24分開。盡管在示例性實(shí)施例中，將光擴(kuò)散棱24描述為基本上在底部襯底22的整個(gè)寬度上延伸的棱，但是還可以預(yù)見，在可選實(shí)施例中，光擴(kuò)散棱24還能夠按照例如交錯(cuò)或者縱橫交錯(cuò)(Achecker board@)圖案設(shè)置在底部襯底22上的分立的尖端。在示例性實(shí)施例中，每個(gè)光擴(kuò)散棱24具有底部23和多個(gè)壁25，隨著壁25從底部23向上延伸，該壁25使光擴(kuò)散棱24變窄。
圖2是用于制造圖1所示結(jié)構(gòu)的方法的一個(gè)實(shí)施例的視圖。用于制造圖1的屏幕結(jié)構(gòu)20的方法包括微復(fù)制處理28，從而在底部襯底22上生成光擴(kuò)散棱24。術(shù)語“微復(fù)制”包括將微結(jié)構(gòu)特征從母版或模具傳遞到制品上的處理。例如通過微細(xì)加工技術(shù)，例如金剛石車削或激光切除，以使該母版具有微結(jié)構(gòu)。具有微結(jié)構(gòu)的母版的一個(gè)或多個(gè)表面可以覆蓋有可硬化材料，使得當(dāng)該材料硬化時(shí)，所形成的制品具有希望的微結(jié)構(gòu)特征的復(fù)制陰模。利用輥、帶和本領(lǐng)域中已知的其它裝置，可以實(shí)現(xiàn)微復(fù)制。微復(fù)制處理28使用襯底拆卷站30、樹脂涂敷站32、精密壓送輥34、微結(jié)構(gòu)滾筒36、紫外燈38、精密壓送輥40和薄膜重卷站42。底部襯底22首先從襯底拆卷站30展開。將底部襯底22引導(dǎo)進(jìn)入微復(fù)制處理28中的樹脂涂敷站32，在樹脂涂敷站32處，用包括光散射微粒的高折射率樹脂涂覆底部襯底22。精密壓送輥34使底部襯底22和光擴(kuò)散材料涂層壓靠微結(jié)構(gòu)滾筒36，從而將棱結(jié)構(gòu)傳遞到光擴(kuò)散材料上。然后紫外燈38使鑄造結(jié)構(gòu)固化，并且從精密壓送輥40產(chǎn)生微棱結(jié)構(gòu)20，從而得到圖1所示的整體結(jié)構(gòu)。從精密壓送輥40產(chǎn)生的固化微棱結(jié)構(gòu)20纏繞在薄膜重卷站42上。
圖3是填充有光吸收材料(凹槽填充材料)46的圖1所示結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。嵌入微結(jié)構(gòu)薄膜44包括光吸收材料46。光吸收材料46典型地包括黑色素或染料，從而吸收環(huán)境光，并且在最終的屏幕結(jié)構(gòu)中生成對比度。光吸收材料46具有低折射率，因此光吸收材料46與構(gòu)成光擴(kuò)散棱24的材料存在較大的折射率差。希望至少存在約0.06的折射率差。這種折射率差可以獲得有效的內(nèi)反射和高屏幕性能。光擴(kuò)散棱24與光吸收材料46之間的界面形成了內(nèi)反射表面48。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，嵌入微結(jié)構(gòu)薄膜44的前表面50是光滑或者稍微不光滑的表面，并在光擴(kuò)散棱24的上表面52上具有極小的槽脊。內(nèi)反射表面48使穿過前表面50的光學(xué)透射區(qū)域52的光散射。前表面50優(yōu)選具有不光滑的表面光潔度，這樣有助于散射通過該表面進(jìn)行傳播的光。
圖4是本發(fā)明的用于填充圖1所示結(jié)構(gòu)以制造圖3的嵌入微結(jié)構(gòu)薄膜44的一種方法的側(cè)視圖。在本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施例中，通過以上參照圖2所述的微復(fù)制處理28形成了微棱結(jié)構(gòu)20，從而將具有V形凹槽26的光擴(kuò)散棱24傳遞到底部結(jié)構(gòu)22上。圖4中表示的處理利用了光吸收粘結(jié)劑56，該粘結(jié)劑具有光吸收和粘接功能。關(guān)于光吸收粘結(jié)劑56使用的術(shù)語“粘結(jié)劑”不必是一般意義上的粘結(jié)劑，只要具有與光擴(kuò)散棱24的粘接能力即可，如果使用了屏蔽層54，則還需要具有與該屏蔽層的粘接能力。通過在一種材料中結(jié)合光吸收和粘接功能，可以達(dá)到節(jié)約材料和減少制造步驟的目的。將光吸收粘結(jié)劑56放置在屏蔽層54的后表面58上。此外，將其上設(shè)置有光吸收粘結(jié)劑56的屏蔽層54與微棱結(jié)構(gòu)20結(jié)合，這如箭頭59所示。
能夠選擇光透射底部襯底22的厚度，從而滿足各種特定用途的要求。例如，能夠選擇厚度為約5密耳(0.127mm)到約10密耳(0.254mm)的薄底部薄膜，從而易于制造。可選擇的是，能夠選擇厚度為約20密耳(0.508mm)到約40密耳(1.016mm)的厚薄膜，從而提供附加的產(chǎn)品硬度。適當(dāng)?shù)牟牧习ɡ缇厶妓嶂⒕埘?、丙烯酸和乙烯薄膜。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，底部襯底22的背表面62具有不光滑光潔度，從而減少反向進(jìn)入成像系統(tǒng)的鏡面反射。屏蔽層54是一種保護(hù)層，其可以是由透明材料制成的薄膜或薄片，該透明材料例如丙烯酸、聚碳酸脂或者玻璃。屏蔽層54用作保護(hù)元件，使得嵌入微結(jié)構(gòu)薄膜44不會由于接觸而損壞。屏蔽層54是一種任意的成分，然而大多數(shù)用途由于這種保護(hù)而大大受益。能夠通過涂層、表面紋理或其它方法，使屏蔽層54成為例如防眩(不光滑)、防反射、抗靜電、抗劃道或者抗煙熏的屏蔽層。在一個(gè)實(shí)施例中，屏蔽層54是從Cyro公司購買的3毫米厚的丙烯酸板，其具有防眩、朝外的不光滑表面。也能夠改變屏蔽層54以提供不同的功能。屏蔽層54的厚度的范圍可以是從薄(小于約20密耳(0.508mm))到半剛性的(約20-40密耳)(約0.508-1.016mm)、到剛性的(大于約40密耳(1.016mm))。能夠選擇底部襯底22和屏蔽層54的厚度，從而生產(chǎn)出具有影響總材料成本、光學(xué)功能性和處理簡易性的這些選擇的多種產(chǎn)品。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，光吸收粘結(jié)劑56是光可聚合、低折射率材料，其粘結(jié)到光擴(kuò)散棱24和屏蔽層54上。在示例性實(shí)施例中，光擴(kuò)散棱24與光吸收粘結(jié)劑56的折射率不同，足以在這二者之間的界面處造成反射，而不是透射。在示例性實(shí)施例中，光擴(kuò)散棱24的微棱材料的折射率從用于簡單丙烯酸酯材料的1.49變?yōu)橛糜谥T如芬芳聚碳酸酯的材料的1.58或更大。因此，對于光吸收粘結(jié)劑56的折射率要求取決于微棱24材料的光學(xué)屬性(例如折射率)。對于諸如聚碳酸酯的高折射率微棱材料而言，市場上可以買到的光層壓粘結(jié)劑就足夠了。對于諸如丙烯酸聚合物的較低折射率的光擴(kuò)散棱24的材料而言，光吸收粘結(jié)劑56必須具有低得多的折射率。示例性粘結(jié)劑56的RI小于約1.50。特別適合的粘結(jié)劑56的RI小于約1.45。在一些實(shí)施例中，粘結(jié)劑56是一種或多種下列成分的著色混和物氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物；取代的丙烯酸酯、二丙烯酸酯和三丙烯酸酯單體；氟化丙烯酸酯；丙烯酸全氟烷基亞磺酰氨基烷酯；丙烯酸酯化的硅氧烷；以及丙烯酸酯化的硅氧烷聚脲和UV或可見光活化的光引發(fā)劑。
如果光吸收粘結(jié)劑56的粘度太低，則其在凹槽填充處理過程中將會流動(dòng)。這樣就會浪費(fèi)材料、產(chǎn)生不均勻的厚度并且污染處理設(shè)備。如果粘結(jié)劑56的粘度過大，則填充凹槽26會是個(gè)緩慢、困難的過程，并且產(chǎn)生氣泡(光學(xué)缺陷)的可能性顯著提高。盡管利用粘度約為150厘泊的流體能夠?qū)崿F(xiàn)光層疊，但是聚合之前至少約400厘泊的粘度對于許多處理都是有益的。盡管能夠在聚合之前使用約5000厘泊的粘度，但是在聚合之前，不大于1500厘泊的粘度特別適于合理的處理速度和無氣泡涂層。
襯底與涂層之間的粘結(jié)標(biāo)準(zhǔn)量度是將它們分開所需的力的大小，稱作剝離力。在各層之間的界面處包含良好界面粘著力的系統(tǒng)的剝離力非常大。盡管在聚碳酸酯的光擴(kuò)散棱24與光吸收粘結(jié)劑56之間至少約2磅/英寸的剝離力強(qiáng)度可能足夠了，但是更希望剝離力至少為4磅/英寸。在高溫度和濕度的環(huán)境測試條件之下也應(yīng)當(dāng)保持該高剝離力。通過處理以改變襯底表面，可以獲得適當(dāng)?shù)恼持Γ缋秒姇灧烹娀蛘叩入x子或者涂底漆。然而，優(yōu)選的是在無需改變表面的情況下，光吸收粘結(jié)劑56就可以粘結(jié)到光擴(kuò)散棱24和屏蔽層54(如果使用的話)。
通過將下列樹脂成分加熱到約70EC，從而充分降低粘度以允許進(jìn)行攪拌，來構(gòu)建光吸收粘結(jié)劑56的一個(gè)適當(dāng)實(shí)施例，所述樹脂成分是16.0克脂肪族氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物；19.0克丙烯酸乙氧基乙氧基乙酯；5.5克己二醇二丙烯酸酯；5.0克丙烯酸四氫化糠酯；44.5克丙烯酸N-甲基-全氟丁基亞磺酰氨基乙酯；10.0克丙烯酰氧乙氧基全氟丁烷；以及1.0克苯基雙(2，4，6三甲基苯甲?；?氧化膦光引發(fā)劑。
然后搖動(dòng)這些成分，直到產(chǎn)生透明溶液為止。然后使該溶液著色，以用于光吸收。一種適當(dāng)?shù)纳厥翘己凇Ｔ谝粋€(gè)實(shí)施例中，所使用的該色素的濃度約50ppm到約20,000ppm之間；在一個(gè)示例性實(shí)施例中，所使用的色素的濃度為大于約1000ppm(百萬分之幾)并小于約9000ppm。約為3000ppm的濃度是特別適合的，這基于碳黑材料與樹脂材料的質(zhì)量比。在一個(gè)實(shí)施例中，利用常規(guī)方法，諸如刮涂法，將該制劑涂敷到屏蔽層54上。然后將被涂敷的屏蔽層按壓到如圖4所示的微棱結(jié)構(gòu)20上。通過在該結(jié)構(gòu)上操作橡皮輥來排出過量的粘結(jié)劑56。該結(jié)構(gòu)以每分鐘20英尺(6.1m)的速度一次或多次傳遞到300瓦/英寸的熔化系統(tǒng)D燈下。在可選方法中，可以直接將該制劑涂敷到微棱結(jié)構(gòu)20上，然后利用已經(jīng)沉積到微棱結(jié)構(gòu)20上的粘結(jié)劑56將屏蔽層54粘結(jié)到該微棱結(jié)構(gòu)上。然后，去除過量粘結(jié)劑56和使該結(jié)構(gòu)固化的步驟與以上討論的相同。
圖5A是利用圖4所示方法制造的屏幕的一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖。當(dāng)使用大厚度或大量的光吸收粘結(jié)劑56時(shí)，圖4的步驟產(chǎn)生了完全填充結(jié)構(gòu)60。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，光吸收粘結(jié)劑56具有低折射率，以在完全填充結(jié)構(gòu)60內(nèi)產(chǎn)生有效的TIR。配制光吸收粘結(jié)劑56，從而有效地將光擴(kuò)散棱24粘結(jié)到屏蔽層54上。光吸收粘結(jié)劑56能夠具有低收縮性，從而產(chǎn)生外觀上可接受的層疊效果。此外，特別適當(dāng)?shù)氖强梢岳米贤夤夤袒馕照辰Y(jié)劑56，以便可以進(jìn)行方便的處理和快速固化。
在一個(gè)實(shí)施例中，如圖2的微復(fù)制處理28所示，利用高折射率擴(kuò)散樹脂，由工具模具復(fù)制光擴(kuò)散棱24。在這種用途中，除非特別注明，以下的所有比例均為質(zhì)量比。一種適當(dāng)?shù)臉渲瑸榧s79％的脂肪族氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物和約19％的2-苯氧乙基丙烯酸酯，以及約2％的2-羥基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮光致引發(fā)劑。另一種適當(dāng)?shù)臉渲羌s69％的脂肪族氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物、約29％的2-(1-萘氧基)-丙烯酸乙酯和約2％的2-羥基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮光致引發(fā)劑。將用于形成光擴(kuò)散棱24的樹脂從樹脂涂敷站32涂敷到襯底或者底部襯底22上。利用微結(jié)構(gòu)滾筒36模制其上具有樹脂的底部結(jié)構(gòu)22，并且利用紫外(UV)燈或者電子光束38對其進(jìn)行固化。典型的UV固化條件是即，使用600瓦/英寸(23.62W/mm)熔化系統(tǒng)燈泡系統(tǒng)，以每分鐘約10英尺(3.05m)到約20英尺(6.10m)的帶速進(jìn)行操縱，并且在UV燈泡下一次或多次經(jīng)過。從微復(fù)制處理28取下所形成的微棱結(jié)構(gòu)20，從而生產(chǎn)出自支撐結(jié)構(gòu)。
然后，向諸如屏蔽層54的第二襯底涂敷著色的光吸收粘結(jié)劑56(一般為黑色)。一種適當(dāng)?shù)墓馕照辰Y(jié)劑56是由以下樹脂構(gòu)成的即，約30％的AFormulation A(AFormulation A@具有約38.5％的脂肪族氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物、約26.9％的丙烯酸乙氧基乙氧基乙酯、約28.8％的丙烯酸異冰片酯、約5.8％的己二醇二丙烯酸酯和小于約1％的α，α-二乙氧基苯乙酮(DEAP)光致引發(fā)劑)；約10％的脂肪族氨基甲酸酯二丙烯酸酯；約30％的三氟代丙烯酸乙酯；以及約30％的丙烯酸N-甲基-全氟丁基亞磺酰氨基乙酯。另一種適當(dāng)?shù)墓馕照辰Y(jié)劑56是由以下樹脂構(gòu)成的即，約50％的上述AFormulation A@，以及約50％的丙烯酸N-甲基-全氟丁基亞磺酰氨基乙酯。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，光吸收粘結(jié)劑56包含諸如碳黑等的色素。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，所使用的色素的濃度是約50ppm(百萬分之幾)到約20,000ppm之間。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，所使用的色素的濃度大于約1,000ppm并且小于約9,000ppm。約3,000ppm的濃度是非常適合的，這是基于碳黑材料與粘結(jié)劑材料的質(zhì)量比而確定的。
在圖4所示的疊置方法中，向諸如屏蔽層54的第二襯底涂敷足量的光吸收粘結(jié)劑56，以完全填充擴(kuò)散棱24，這樣允許光吸收粘結(jié)劑56略微過量，以確保完全填充。在疊置時(shí)，過量的粘結(jié)劑從完全填充結(jié)構(gòu)60中擠出。然后在類似于上述微復(fù)制處理28的條件下，對完全填充結(jié)構(gòu)60進(jìn)行輻射曝光。曝光例如能夠使該材料部分或完全聚合化。在該材料至少被部分聚合化之后，光吸收粘結(jié)劑56成為其所包含成分的共聚物。圖5B是由圖4的方法制造的屏幕的第二實(shí)施例的側(cè)視圖。當(dāng)在圖4所示的步驟中使用厚度小或者少量的光吸收粘結(jié)劑56時(shí)，產(chǎn)生部分填充結(jié)構(gòu)64。在部分填充結(jié)構(gòu)64中，在V形凹槽26中保留了空氣間隙66?？諝忾g隙66的益處在于低折射率的空氣填充了凹槽26，并且在凹槽26與光擴(kuò)散棱24之間產(chǎn)生了大折射率差，從而進(jìn)一步提高了TIR效果(A TIR efficiency@)。因?yàn)榭諝庹凵渎蕿?.0，所以空氣間隙66與光擴(kuò)散棱24之間的折射率差通常大于約0.5。因?yàn)榭諝忾g隙66生成了擴(kuò)散棱界面的整體，所以光吸收粘結(jié)劑56無需具有與該棱完全填充在結(jié)構(gòu)60中時(shí)一樣低的折射率。這樣，允許選擇粘結(jié)劑56，從而優(yōu)化其它重要的屬性，例如低收縮和高剝離強(qiáng)度粘著力。因?yàn)楣馕照辰Y(jié)劑56與擴(kuò)散棱24之間的粘接接觸區(qū)域較小，所以光吸收粘結(jié)劑56在部分填充結(jié)構(gòu)64中必須具有比完全填充結(jié)構(gòu)60更強(qiáng)的粘接性。
在完全填充結(jié)構(gòu)60和部分填充結(jié)構(gòu)64中，根據(jù)希望的對比度增強(qiáng)和環(huán)境光吸收的量來選擇光吸收粘結(jié)劑56中使用的光吸收材料的量。示例性實(shí)施例中的光吸收材料是黑色素，例如碳黑。在完全填充結(jié)構(gòu)60中，黑色素濃度可以比較低，但也仍然能夠產(chǎn)生可接受的總固定吸收率，或者光學(xué)密度值，這是因?yàn)楣馕照辰Y(jié)劑56的層厚度大的緣故。在一個(gè)實(shí)施例中，完全填充結(jié)構(gòu)60中的色素的適當(dāng)裝填濃度在約50ppm和20,000ppm之間，該色素例如碳黑。在示例性實(shí)施例中，該濃度大于約1000ppm(百萬分之幾)并且小于約9000ppm。根據(jù)碳黑材料與粘結(jié)劑材料的質(zhì)量比，約3000ppm的濃度是特別適合的。然而，在部分填充結(jié)構(gòu)64中，涂層厚度小。因此，黑色素濃度必須比較大，以產(chǎn)生相同的光學(xué)密度。在后一種情況下，每個(gè)涂層厚度單位的環(huán)境光吸收率比前一種情況大。在一個(gè)實(shí)施例中，部分填充結(jié)構(gòu)64中的色素的適當(dāng)裝填濃度在約50ppm和約20,000ppm之間，該色素例如碳黑。在示例性實(shí)施例中，根據(jù)碳黑材料與粘結(jié)劑材料的質(zhì)量比，該濃度大于約5000ppm并且小于約10,000ppm。
在形成完全填充結(jié)構(gòu)60和部分填充結(jié)構(gòu)64中面臨的問題是在疊置過程(層壓過程)中從光擴(kuò)散棱24的前表面50去除過量的粘結(jié)劑56。如果在疊置過程中未從光擴(kuò)散棱24的前表面50去除所有光吸收粘結(jié)劑56，那么在TIR透射過程中將會損失一些圖像光。在具有更高度著色的粘結(jié)劑56的部分填充結(jié)構(gòu)64中，對于相同的剩余黑色層厚度會出現(xiàn)更多的圖像光損失。
圖6是表示基于各種黑色粘結(jié)劑配方的屏幕性能的曲線圖。一種測量屏幕性能的方式是通過繪制作為視角函數(shù)的水平增益曲線。所繪制的曲線描述了隨著觀看者向側(cè)面遠(yuǎn)離屏幕中心移動(dòng)所觀察到的屏幕亮度。TIR效率與產(chǎn)生全內(nèi)反射的入射光角度的范圍有關(guān)；該范圍越大，效率越高。隨著TIR效率和RI差的提高，增益曲線中的峰值(接近30度水平觀察)上升到最大值。來自光擴(kuò)散棱24側(cè)面的反射能夠在如圖所示的增益曲線中產(chǎn)生局部最大值。通過例如將光擴(kuò)散引入投影屏幕中，能夠減少或消除局部最大值的影響。例如，光擴(kuò)散棱24可以包括微粒，從而通過散射入射光來使局部最大值更不明顯。
曲線68是指使用標(biāo)準(zhǔn)平面化技術(shù)利用光吸收材料填充凹槽26的基本標(biāo)準(zhǔn)屏幕。該基本標(biāo)準(zhǔn)屏幕具有由以下樹脂構(gòu)成的光擴(kuò)散棱24即，約80％的脂肪族氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物和約20％的2-苯氧乙基丙烯酸酯。光擴(kuò)散棱24具有約1.51的折射率。光吸收材料46是由以下樹脂構(gòu)成的即，約60％的來自Goldschmidt公司的專有RC709硅樹脂丙烯酸酯、約39％的丙氧基化新戊二醇二丙烯酸酯，以及約1％的Darocur 4275(2-羥基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮和二苯基(2，4，6三甲基苯甲酰基)氧化膦的1∶1混和物)光致引發(fā)劑，其具有濃度約為3000ppm的碳黑色素。光吸收材料46具有約1.45的折射率。光吸收材料46與光擴(kuò)散棱24之間的RI差約為0.06。光吸收材料46的這種配方具有低收縮特性、良好的處理性、黑色素的均勻擴(kuò)散、低價(jià)格和廣泛的可利用性。
曲線70是指利用圖4和5A所示的方法形成的屏幕，其表示了當(dāng)擴(kuò)散棱24與光吸收粘結(jié)劑56之間的RI差小于約0.01時(shí)的增益。對應(yīng)于曲線70的屏幕具有由以下樹脂構(gòu)成的光擴(kuò)散棱24即，約80％的脂肪族氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物和約20％的2-苯氧乙基丙烯酸酯。光擴(kuò)散棱24具有約1.51的折射率。光吸收粘結(jié)劑56由AFormulation A的樹脂構(gòu)成，該樹脂具有約38.5％的脂肪族氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物；約26.9％的丙烯酸乙氧基乙氧基乙酯、約28.8％的丙烯酸異冰片酯、約5.8％的己二醇二丙烯酸酯和小于約1％的α，α-二乙氧基苯乙酮(DEAP)光致引發(fā)劑。光吸收粘結(jié)劑56具有約1.50的折射率。曲線72是指由圖4和5A所示的方法形成的屏幕，其在使用具有較低RI的光吸收粘結(jié)劑56時(shí)具有提高的TIR效率。對應(yīng)于曲線72的屏幕具有由以下樹脂構(gòu)成的光擴(kuò)散棱24即，約80％的脂肪族氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物和約20％的2-苯氧乙基丙烯酸酯。光擴(kuò)散棱24具有約1.51的折射率。光吸收粘結(jié)劑56由以下樹脂構(gòu)成即，約30％的上述AFormulation A，@；約10％的脂肪族氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物；約30％的三氟代丙烯酸乙酯；以及約30％的丙烯酸N-甲基-全氟丁基亞磺酰氨基乙酯；以及小于約1％的α，α-二乙氧基苯乙酮(DEAP)光致引發(fā)劑。光吸收粘結(jié)劑56的折射率約為1.44。
最后，曲線74是指由圖4和5A所示的方法形成的屏幕，其中TIR效率提高，并且光吸收粘結(jié)劑56與光擴(kuò)散棱24之間的RI差約為0.08。對應(yīng)于曲線74的屏幕具有由以下樹脂構(gòu)成的光擴(kuò)散棱24即，約70％的脂肪族氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物和約30％的2-(1-萘氧基)-丙烯酸乙酯。光擴(kuò)散棱24的折射率約為1.5338。光吸收材料46是由以下樹脂構(gòu)成即，約50％的上述AFormulation A，@；約50％的丙烯酸N-甲基-全氟丁基亞磺酰氨基乙酯；以及小于約1％α，α-二乙氧基苯乙酮(DEAP)光致引發(fā)劑。光吸收粘結(jié)劑56的折射率約為1.45。如圖6所示，能夠相對于光擴(kuò)散棱24的配方選擇光吸收粘結(jié)劑56的配方，從而生成希望的屏幕性能特性。通常，選擇配方以使光吸收粘結(jié)劑56與光擴(kuò)散棱24之間的RI差最大。對于光吸收粘結(jié)劑56而言，希望的是獲得對光擴(kuò)散棱24和屏蔽層54的強(qiáng)粘著力、具有較低的RI、在固化后具有高機(jī)械強(qiáng)度以及獲得可處理性，例如適當(dāng)?shù)恼扯群妥贤夤饪晒袒浴９馕照辰Y(jié)劑56的適當(dāng)成分是脂肪族氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物。在一些實(shí)施例中，光吸收粘結(jié)劑56包含至少約5％的脂肪族聚氨酯丙烯酸低聚物。在示例性實(shí)施例中，光吸收粘結(jié)劑56包含至少約10％的脂肪族聚氨酯丙烯酸低聚物。在一些實(shí)施例中，光吸收粘結(jié)劑56包含小于約50％的脂肪族聚氨酯丙烯酸低聚物。在示例性實(shí)施例中，光吸收粘結(jié)劑56包含小于約40％的脂肪族聚氨酯丙烯酸低聚物。如果脂肪族聚氨酯丙烯酸低聚物的濃度過低，則光吸收粘結(jié)劑56的粘性可能不足；如果濃度過大，則光吸收粘結(jié)劑56可能過粘，并且折射率會過大。光吸收粘結(jié)劑56的另一種適當(dāng)?shù)某煞质堑蚏I相容丙烯酸酯單體，其中丙烯酸乙氧基乙氧基乙酯是一個(gè)實(shí)例。在一些實(shí)施例中，光吸收粘結(jié)劑56包含至少約1％的丙烯酸酯單體。在示例性實(shí)施例中，光吸收粘結(jié)劑56包含至少約8％的丙烯酸酯單體。在一些實(shí)施例中，光吸收粘結(jié)劑56包含小于約30％的丙烯酸酯單體。在示例性實(shí)施例中，光吸收粘結(jié)劑56包含小于約20％的丙烯酸酯單體。在示例性實(shí)施例中，丙烯酸酯單體具有低RI，并且用作溶劑以提高光吸收粘結(jié)劑56的其它成分的相容性。
光吸收粘結(jié)劑56的另一種適當(dāng)成分是多官能丙烯酸酯單體，以增加強(qiáng)度，其中己二醇二丙烯酸酯是一個(gè)實(shí)例。在一些實(shí)施例中，光吸收粘結(jié)劑56包含至少約0.1％的多官能丙烯酸酯單體。在示例性實(shí)施例中，光吸收粘結(jié)劑56包含至少約1.0％的多官能丙烯酸酯單體。在一些實(shí)施例中，光吸收粘結(jié)劑56包含小于約10％的多官能丙烯酸酯單體。在示例性實(shí)施例中，光吸收粘結(jié)劑56包含小于約6％的多官能丙烯酸酯單體。多官能丙烯酸酯單體的功能性越高，所需的濃度越低。
曲線70表示的具有AFormulation A@的光吸收粘結(jié)劑56的屏幕具有過高的RI，從而呈現(xiàn)最佳的光學(xué)性能。用于降低光吸收粘結(jié)劑56的RI的一種適合的成分是全氟丁基亞磺酰氨基乙酯，其中丙烯酸N-甲基-全氟丁基亞磺酰氨基乙酯是一個(gè)實(shí)例。丙烯酸全氟烷基亞磺酰氨基乙酯提高了光吸收粘結(jié)劑56的粘接性。在一些實(shí)施例中，光吸收粘結(jié)劑56包含至少約1％的丙烯酸全氟烷基亞磺酰氨基乙酯。在示例性實(shí)施例中，光吸收粘結(jié)劑56包含至少約10％的丙烯酸全氟烷基亞磺酰氨基乙酯。在一些實(shí)施例中，光吸收粘結(jié)劑56包含小于約70％的丙烯酸全氟烷基亞磺酰氨基乙酯。在示例性實(shí)施例中，光吸收粘結(jié)劑56包含小于約50％的丙烯酸全氟烷基亞磺酰氨基乙酯。如果使光吸收粘結(jié)劑56光聚合化，則包含適當(dāng)?shù)墓庵乱l(fā)劑；二苯基(2，4，6三甲基苯甲?；?氧化膦光致引發(fā)劑和α，α-二乙氧基苯乙酮(DEAP)光致引發(fā)劑是適當(dāng)?shù)淖杂苫庵乱l(fā)劑的實(shí)例。在一些實(shí)施例中，光吸收粘結(jié)劑56包含至少約0.5％的光致引發(fā)劑。在示例性實(shí)施例中，光吸收粘結(jié)劑56包含約1.0％的光致引發(fā)劑。在一些實(shí)施例中，光吸收粘結(jié)劑56包含小于約5％的光致引發(fā)劑。在其它實(shí)施例中，選擇熱聚合化或者氧化還原引發(fā)劑。
盡管已經(jīng)參照示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠認(rèn)識到，可以在不背離本發(fā)明精神和范圍的情況下進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的修改。例如，盡管表示了光擴(kuò)散和光吸收結(jié)構(gòu)的特定形狀，但是可以預(yù)見這些結(jié)構(gòu)可以是不同的形狀，包括附加的或者不同的平面或者夾角、附加的邊和曲面。還要注意，在特定襯底上的光擴(kuò)散結(jié)構(gòu)不需要都具有例如相同的高度或形狀。類似的是，特定襯底上的光吸收結(jié)構(gòu)不需要都具有例如相同的高度或形狀。此外，本文中描述的材料的成分和處理可以以不同方式組合。已經(jīng)通過舉例的方式僅僅具體描述了這些組合的幾種可能方式，然而這些組合的所有可能方式都視為在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
具有光吸收材料的微結(jié)構(gòu)屏幕及其制造方法部件列表M550.12-002020 微棱結(jié)構(gòu)22 底部結(jié)構(gòu)23 底部24 光擴(kuò)散棱25 壁
26 V形凹槽28 微復(fù)制處理30 襯底拆卷站32 樹脂涂敷站34 精密壓送輥36 微結(jié)構(gòu)滾筒38 紫外燈40 精密壓送輥42 薄膜重繞站44 嵌入微結(jié)構(gòu)薄膜46 光吸收材料48 內(nèi)反射表面50 前表面52 光學(xué)透射區(qū)域54 屏蔽層56 光吸收粘結(jié)劑58 54的后表面59 箭頭60 完全填充結(jié)構(gòu)62 22的背表面64 部分填充結(jié)構(gòu)66 空氣間隙68 曲線651/53070 曲線651/PO-172 曲線651/95374 曲線651/94權(quán)利要求
1.一種形成光散射膜的方法，包括提供第一光透射襯底，所述第一光透射襯底具有相對的第一和第二主表面，以及設(shè)置在所述第一主表面上的多個(gè)光擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，所述光擴(kuò)散結(jié)構(gòu)限定其之間的多個(gè)凹腔；提供第二襯底，所述第二襯底具有相對的第一和第二主表面，以及設(shè)置在所述第二襯底的第一主表面上的光吸收材料；以及將所述第一襯底的第一主表面接近所述第二襯底的第一主表面放置，從而利用光吸收材料至少部分地填充所述凹腔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述光吸收材料是光吸收粘結(jié)劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述多個(gè)光擴(kuò)散結(jié)構(gòu)具有第一折射率，所述光吸收材料具有第二折射率，所述第二折射率小于所述第一折射率。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述第一折射率與所述第二折射率的差至少約為0.06。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第二襯底是屏蔽層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，將所述第一襯底的第一主表面接近所述第二襯底的第一主表面放置、從而利用光吸收材料至少部分地填充所述凹腔的步驟包括利用光吸收材料完全填充所述凹腔。
7.一種用于屏幕的光散射膜，包括光透射襯底；多個(gè)光擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，其設(shè)置在所述光透射襯底上，所述光擴(kuò)散結(jié)構(gòu)限定其之間的多個(gè)凹腔；以及至少部分地填充所述凹腔的光吸收粘結(jié)劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光散射膜，還包括空氣部分地填充所述凹腔。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光散射膜，其中，所述多個(gè)光擴(kuò)散結(jié)構(gòu)具有第一折射率，所述光吸收粘結(jié)劑具有第二折射率，所述第二折射率小于所述第一折射率。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光散射膜，其中，所述第一折射率與所述第二折射率的差至少約為0.06。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光散射膜，還包括屏蔽層，所述屏蔽層利用粘結(jié)劑而疊置在所述光擴(kuò)散結(jié)構(gòu)上。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光散射膜，其中，所述光吸收粘結(jié)劑完全填充所述凹腔。
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光散射膜，其中，各所述光擴(kuò)散結(jié)構(gòu)具有底部和多個(gè)壁，所述壁隨著從所述底部延伸而使所述光擴(kuò)散結(jié)構(gòu)變窄。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光散射膜，其中，各所述光擴(kuò)散結(jié)構(gòu)為棱。
15.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光散射膜，其中，所述光透射襯底包括第一材料，并且所述多個(gè)光擴(kuò)散結(jié)構(gòu)包括所述第一材料和多個(gè)光擴(kuò)散微粒。
16.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光散射膜，其中，所述光吸收粘結(jié)劑包括黑色素。
17.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光散射膜，其中，所述光散射膜是剛性的。
18.一種形成光散射膜的方法，包括提供光透射襯底，所述光透射襯底具有設(shè)置在其上的多個(gè)光擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，所述多個(gè)光擴(kuò)散結(jié)構(gòu)限定其之間的多個(gè)凹腔；以及利用光吸收粘結(jié)劑至少部分地填充所述凹腔。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述多個(gè)光擴(kuò)散結(jié)構(gòu)具有第一折射率，所述光吸收粘結(jié)劑具有第二折射率，所述第二折射率小于所述第一折射率。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述第一折射率與所述第二折射率的差至少約為0.06。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，還包括如下步驟利用粘結(jié)劑將屏蔽層疊置到所述光擴(kuò)散結(jié)構(gòu)上。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，填充所述凹腔的步驟包括利用所述光吸收粘結(jié)劑完全填充所述凹腔。
23.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，還包括如下步驟接近所述光吸收粘結(jié)劑設(shè)置硬涂層。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于屏幕的光散射膜以及一種形成光散射膜的方法。該光散射膜具有光透射襯底和設(shè)置在該光透射襯底上的多個(gè)光擴(kuò)散結(jié)構(gòu)。光吸收材料至少部分地填充光擴(kuò)散結(jié)構(gòu)之間的凹腔。該形成光散射膜的方法包括提供光透射襯底，該光透射襯底具有設(shè)置在其上的多個(gè)光擴(kuò)散結(jié)構(gòu)；以及利用光吸收材料至少部分地填充光擴(kuò)散結(jié)構(gòu)之間的凹腔。
文檔編號B29D11/00GK1890601SQ200480036707
公開日2007年1月3日 申請日期2004年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月11日
發(fā)明者帕特里克·A·托馬斯, 約翰·C·尼爾森, 斯科特·M·塔皮奧, 邁克爾·L·格雷茨, 埃米·J·海特, 彼得·M·奧洛夫松, 羅伯特·L·布勞特, 羅伯特·S·莫什雷弗扎德 申請人:3M創(chuàng)新有限公司