Anotacija:
Šviesos kreipiančiosios plokštės, kaip pagrindinio optinio šiuolaikinio optoelektroninio ekrano ir apšvietimo elemento, preciziška struktūra yra raktas į tolygų šviesos paskirstymą. Šiame straipsnyje nuodugniai analizuojama keturių sluoksnių šviesos kreipiančiosios plokštelės pagrindinė struktūra (krintantis paviršius, atspindintis paviršius, šviesą skleidžiantis paviršius ir išėjimo paviršius) ir jos sinergetinis mechanizmas, derinami visiško atspindžio ir lūžio principai, siekiant atskleisti, kaip ji paverčia taškinius ir (arba) linijinius šviesos šaltinius tolygaus paviršiaus šviesos šaltiniais. Pateikiant taikymo pavyzdžių skystųjų kristalų ekranų, šviesos diodų apšvietimo, automobilių apšvietimo ir kt. srityse, parodoma jo didelė vertė ir būsimų naujovių kryptis.
Šviesos amatininkas: išsami šviesos kreipiančiosios plokštės tikslios struktūros analizė
Šviesa yra informacijos nešėja ir regėjimo pagrindas. Už aiškios LCD ekranų vaizdo kokybės, švelnios patalpų apšvietimo atmosferos ir tikslios automobilių žibintų projekcijos dažnai slepiasi tylus "šviesos meistras" - šviesos kreipiančioji plokštė. Tai nėra paprasta šviesą praleidžianti medžiaga, o jos tiksli vidinė struktūra yra pagrindinė paslaptis, padedanti pasiekti stebuklingą tolygų šviesos paskirstymą.
1.Materialinis pagrindas: puikus optinės klasės skaidrių medžiagų veikimas
Šviesos kreipiančioji plokštė jokiu būdu nėra įprastas skaidrus kūnas. Reikia, kad medžiaga turėtų itin didelį šviesos pralaidumą (paprastai >92%), mažą sklaidos koeficientą ir puikų mechaninį stabilumą. Pagrindinėmis tapo polimetilmetakrilatas (PMMA) ir polikarbonatas (PC). PMMA šviesos pralaidumas siekia iki 93%, o lūžio rodiklis - apie 1,49, o tai yra idealus kertinis akmuo siekiant efektyvaus visuminio atspindžio; PC dėl didesnio atsparumo smūgiams (daugiau nei 10 kartų didesnis nei PMMA) naudojamas atšiauriomis sąlygomis, pavyzdžiui, transporto priemonėse. Pačios medžiagos grynumas ir optinis tolygumas yra pagrindinė šviesos "drausmingos" kelionės joje garantija. Autoritetingos organizacijos, pvz. SPIE (Tarptautinė optikos inžinerijos draugija) pateikti daug pažangiausių optinių polimerų savybių tyrimų duomenų.
2.Struktūros šerdis: keturių sluoksnių koordinuota šviesos "valdymo sistema"
Pagrindinis šviesos kreipiančiosios plokštelės efektyvumas užtikrinamas dėl tiksliai suprojektuotos keturių sluoksnių struktūros:
- Įeinantis paviršius: protingas šviesos patekimas - netoli šviesos šaltinio, jam dažnai suteikiama mikrostruktūra (pvz., V formos griovelis arba mikrolęšių masyvas). Šios struktūros nėra dekoratyvinės. Pagrindinė jų funkcija - tiksliai valdyti pradinį šviesos kritimo kampą (pavyzdžiui, padidinti jį iki beveik kritinio kampo), kad būtų sukurtas pagrindas vėlesniam veiksmingam visiškam atspindžiui.
- Atspindžio paviršius: nematoma šviesos kelio "siena" - apatinis paviršius ir kai kurie šonai dažnai būna padengti didelio atspindžio medžiagomis (pvz., baltu atspindinčiu rašalu arba tiksliomis mikrostruktūromis). Remiantis Amerikos optikos draugijos (OSA) tyrimais, optimizuotas atspindžio sluoksnis gali padidinti šviesos panaudojimo koeficientą iki daugiau nei 95%, gerokai viršijant įprastą atspindį.
- Šviesos paviršius: vienodos šviesos gimimo vieta - tai šviesos kreipiančiosios plokštelės darbinis paviršius. Jos paviršiuje arba viduje dažnai įterpiami tiksliai suprojektuoti sklaidantys taškai arba mikrostruktūros (pvz., lazeriu graviruota taškinė matrica). Šios struktūros yra tarsi nesuskaičiuojami mikro "šviesos vožtuvai", kurie tiksliai naikina visuminį atspindį pagal padėties ir tankio algoritmą ir nukreipia šviesą, kad ji išeitų pagal poreikį.
- Viršutinis paviršius gali būti padengtas difuzine plėvele, prizme arba mikrostruktūros sluoksniu (pvz., kandžių akių struktūra). Jie tiksliai kontroliuoja kampinį skleidžiamos šviesos pasiskirstymą (pavyzdžiui, kontroliuoja žiūrėjimo kampą) ir dar labiau išlygina mažyčius ryškumo skirtumus, kad užtikrintų galutinį žmogaus akių suvokimo vienodumą.
3.Raktas į principą: rafinuotas visiško atspindžio ir lūžio šokis
Šviesos kelionė šviesos kreipiančiojoje plokštelėje yra subtilus fizinis šokis. Šviesa patenka nuo krintančio paviršiaus ir dėl mikrostruktūros įgauna didesnį pradinį kampą. Kai ji pasiekia atspindintį arba šviečiantį paviršių, kai kritimo kampas yra didesnis už kritinį kampą (pvz., apie 42° PMMA ir oro sąsajoje), įvyksta visiškas atspindys, lygiai taip pat, kaip be nuostolių atsispindi lygiame vamzdyje. Daugybė atspindžių paskleidžia šviesą po visą plokštę. Kai ji paliečia iš anksto nustatytą švytinčio paviršiaus mikrostruktūrą, krintantis kampas sąmoningai sumažinamas iki mažesnio už kritinį kampą ir pradeda veikti lūžio principas, todėl šviesa elegantiškai ir tolygiai "išbėga" į išorinę erdvę. Galutinis išėjimo paviršiaus reguliavimas užtikrina, kad šviesa žmonėms tarnautų idealiausia forma.
4.Wide taikymas: nuo mikroekranų ekrano iki plataus apšvietimo
Šviesos kreipiančiosios plokštelės konstrukcinis dizainas tiesiogiai lemia galinio gaminio šviesos kokybę:
- Skystųjų kristalų ekrano (LCD) apšvietimo siela: Tradiciniai LCD ekranai remiasi šviesą kreipiančiomis plokštelėmis, kurios kraštinius LED/CCFL linijinius šviesos šaltinius paverčia tolygia paviršiaus šviesa. Apatinio atspindinčiojo sluoksnio ir viršutinės tikslios sklaidančios struktūros derinys yra raktas įveikti ekrano "tamsius kampus" ir "karštus taškus". Rinkos tyrimai rodo, kad pasaulinė LCD plokščių siunta yra didžiulė, o šviesos kreipiančiųjų plokščių technologija yra nuolatinė jos atrama.
- Aštri priemonė LED apšvietimo tolygumui užtikrinti: LED plokščių šviestuvuose šviesos kreipiančioji plokštelė tolygiai išsklaido taškinio LED šviesos šaltinio skleidžiamą šviesą visame šviečiančiame paviršiuje, taip panaikindama akinimą ir sukurdama patogią aplinką. Nuo taškinio jos šviečiančio paviršiaus dizaino tiesiogiai priklauso lempos tolygumo indeksas.
- Tikslus įrankis žibintų raštui formuoti: Šiuolaikinių automobilių dienos žibintai ir galiniai žibintai dažnai naudoja šviesos kreipiamąsias juosteles. Dėl sudėtingos trimatės konstrukcijos ir vidinio mikroatspindžio ir (arba) lūžio valdymo šviesos kreipiančioji plokštelė gali suformuoti aštrią, tolygią ir gerai atpažįstamą šviesos juostą, pagerinančią vairavimo saugumą ir grožį. Atitinkamus projektavimo standartus žr. SAE International (Tarptautinė automobilių inžinierių draugija).
5.Inovacijų ašmenys: mikro-nanostruktūros graviruoja ateities šviesą
Šviesos kreipiančiųjų plokštelių technologijos šuolio raktas yra mikronanoizavimas ir konstrukcijos dizaino intelektinis tobulinimas:
- Tikslus apdirbimas lazeriu: Šiuolaikinė lazerinio graviravimo technologija gali sukurti mikronų ar net nanometrų tikslumo taškus ar griovelių struktūras (pvz., V formos pjūvį) šviesos kreipiančiųjų plokštelių viduje ar ant jų paviršiaus. Šių struktūrų forma, dydis ir tankio gradiento pasiskirstymas yra pagrindiniai šviesos tolygumo algoritmai.
- Nanoimprintavimo technologija: Sudėtingos mikro-nano optinės struktūros (pvz., grotelės ir mikroprizmų matricos) gali būti efektyviai atkurtos ant šviesolaidžių plokštelių paviršiaus, kad būtų pasiektas tikslesnis šviesos valdymas, pvz., itin plonas dizainas ar specifinis šviesos srautas. Tokios institucijos kaip Masačusetso technologijos institutas (MIT) atliko išsamius šios srities tyrimus.
- Integruota daugiafunkcinė struktūra: Ateityje šviesos kreipiančiosiose plokštelėse bus linkstama integruoti daugiasluoksnes optines funkcijas, pavyzdžiui, difuziją, šviesinimą ir žiūrėjimo kampo reguliavimą, į vieną substratą, taikant tikslesnį mikrostruktūros dizainą, kad būtų galima sumažinti prietaiso plonumą ir pagerinti jo veikimą.
Santrauka:
Šviesos kreipiančioji plokštelė, "šviesos meistras", paslėptas tarp šviesos šaltinio ir regėjimo, turi daug didesnę vertę nei skaidri plokštelė. Jos išskirtinis keturių sluoksnių struktūrinis dizainas - išmanus kritimas, efektyvus atspindys, tikslus šviesos skleidimas ir elegantiškas skleidimas - kartu su fizikiniais visiško atspindžio ir lūžio dėsniais sukuria nematomą šviesos tinklą, kuris iš pradžių nevaldomus taškinius ir linijinius šviesos šaltinius paverčia tolygia, švelnia ir valdoma paviršiaus šviesa. Šviesos kreipiančiosios plokštelės struktūrinis grožis slypi mikroskopinio tikslumo tvarkoje, kuri formuoja žmogaus suvokiamą makroskopinę šviesą - nuo skaidraus mažo ekrano mūsų rankose pasaulio apšvietimo iki didžiulės kambario ir kelio erdvės apšvietimo. Tobulėjant mikro-nano gamybos technologijoms, šis "nematomas pagrindas" ateityje neabejotinai prisidės prie naujos ryškesnių, išmanesnių ir efektyvesnių vaizdinių ekranų ir apšvietimo eros.