專利名稱：結(jié)構(gòu)化的熒光成型體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于圖形、彩色圖案或信息的光學(xué)顯示器。對圖形、彩色圖案或信息的顯示是通過對在一種透明的或半透明的塑料成型體時的熒光物質(zhì)進(jìn)行光學(xué)激發(fā)而實(shí)現(xiàn)的，這種成型體具有用于實(shí)現(xiàn)有目標(biāo)的光輸出耦合的機(jī)構(gòu)。
由透明或半透明塑料制成的成型體是已知的(EP 0 025 136和EP 0 032 670)，這些塑料用熒光物質(zhì)染上色。它們例如應(yīng)用于內(nèi)部陳設(shè)物或者裝飾對象。通過一個外部的光源將光平面地射入到這種已知的成型體上。在成型體的外邊緣上可以看到熒光。此時環(huán)境光線包括燈光或者太陽光用作為光源。這些已知的成型體都沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)或表面結(jié)構(gòu)，因而并不用于顯示圖形、彩色圖案或信息。
近來已將熒光物質(zhì)應(yīng)用在藍(lán)色發(fā)光二極管上的覆層里，以便在熒光轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生白色光或者一種任意的其它顏色的光。這樣的發(fā)光二極管稱為LUCOLED(熒光轉(zhuǎn)換發(fā)光二極管)(“白色發(fā)光二極管在這兒”，弗芬好弗爾(Fraunbofer)電子工業(yè)固體物理研究所，1997.6，“NICHIA CHEMICAL開發(fā)的高效白色LED燈”，N.S.宣布，在TECHNICALNEWSLETTER，10，Ref.No.21.1996的增補(bǔ)里)同樣此處在含有熒光物質(zhì)的覆層里沒有什么結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的任務(wù)就是利用由透明或半透明含有熒光物質(zhì)的塑料制成的成型體發(fā)射出的熒光結(jié)合成型體的波導(dǎo)性能，尤其用來圖形表示或者顯示彩色圖案或信息。
本發(fā)明的內(nèi)容是包含有一個或多個成型體和一個光源的一種光學(xué)顯示器。任意結(jié)構(gòu)的物體例如薄膜、板、管線、線、纖維、管子、球、長六方體、圓柱體、空心體或環(huán)都?xì)w入為成型體。成型體由一種或多種透明或半透明的塑料制成。每一種塑料包含有一種或多種熒光物質(zhì)。應(yīng)這樣來布置一個或多個光源，以使其光線在成型體表面的確定部位處射入成型體內(nèi)并繼續(xù)在成型體內(nèi)傳導(dǎo)。成型體內(nèi)有用于實(shí)現(xiàn)有目標(biāo)的光線輸出耦合的機(jī)構(gòu)，從而在成型體表面的整個確定部位處使光線由成型體有目標(biāo)地輸出。
輸入成型體的光線大部分是可見光或者是紫外線(UV)，它通過激發(fā)成型體內(nèi)的熒光物質(zhì)而被吸收。從熒光物質(zhì)發(fā)散出來的熒光比原先輸入的光的波長要更長。成型體對于熒光的作用如一個光波導(dǎo)體。在成型體的壁上大部分的光線發(fā)生了全部反射。
使光發(fā)生散射的機(jī)構(gòu)可以是成型體內(nèi)部的一種結(jié)構(gòu)(內(nèi)部結(jié)構(gòu))、其表面的一種結(jié)構(gòu)或者是在成型體表面的規(guī)定部位上的一層光散射層。
成型體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、表面的結(jié)構(gòu)或者具有光散射層的表面涂層使熒光在成型體里發(fā)生散射，因而不再使全部反射成一定角度出現(xiàn)在成型體的內(nèi)壁上。散射光就輸出了。在成型體表面部位處發(fā)生熒光的反射，這些部位是由結(jié)構(gòu)來規(guī)定的，也就是說這是一種有目標(biāo)的輸出。通過一種相應(yīng)的結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)熒光的反射，例如以圖形符號、文字符號或者圖案等形式。
成型體由一種透明的或者半透明的塑料制成，例如熱塑性的、彈性體的或者硬固性塑料，其中加入了熒光物質(zhì)。尤其適合的透明的塑料有聚碳酸酯、聚酯、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚乙烯聚合物、由苯乙烯和丙烯酸鹽制成的異分子共聚物、聚丙烯腈、聚砜、聚醚砜、環(huán)狀聚烯烴和共聚物和醋酸纖維素。適合的塑料的其它實(shí)例由以下著作查取H.Domininghaus，“塑料及其性能(Die Kunststoffe Und IhreEigenschaften)”，第4版1992年德國工程師協(xié)會(VD1)出版社，Düsseldorf和“聚合物科學(xué)與工程百科全書(Encyclopedia ofPolymer Science and Engineering)”，第2版J.Wiley&Sons，紐約或者J.Brandrup，E.H.Immergut，“聚合物手冊(PolymerHandbook)”，第3版，J.Wiley&Sons，紐約。
按照本發(fā)明，適用的熒光物質(zhì)都是低分子的、低聚體的和聚合體的物質(zhì)，它們都具有熒光。低分子物質(zhì)的實(shí)例為有機(jī)熒光材料和激光顏料如香豆素、二萘嵌苯、酞化青(Stilbene)、茋和二茋(Distilbene)、聯(lián)苯乙烯(Distyryle)、次甲基、偶氮甲堿、菲、紅熒烯、喹吖啶酮或者基于異質(zhì)環(huán)狀化合物的光學(xué)增亮劑。此外可以應(yīng)用熒光金屬化合物和過渡金屬化合物如鋁-8羥基喹啉鹽、銪化合物、硼螯合物或鎵螯合物。適合作為熒光聚合物材料的例如有聚合-對位次苯基亞乙烯基(PPV)和PPV-衍生物如甲氧基-乙基己基-羰基PPV(MEH-PPV)。具有發(fā)出熒光段的聚合物也可以用在主鏈或側(cè)鏈里。在一個成型體里也可以包含有不同的具有各種不同的吸收光譜和發(fā)射光譜的熒光物質(zhì)。
內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以由使光線散射的顆粒組成，如玻璃球、玻璃纖維、金屬氧化物、SiO2或礦物質(zhì)，這些顆粒都是添加入成型體的。顆粒的作用就是作為所到達(dá)熒光的散射中心并使熒光偏轉(zhuǎn)，從而以一個陡的角度射到成型體的表面上，而且不再經(jīng)受全部反射，而是被輸出。在成型體之內(nèi)形成界面的成型體內(nèi)的氣體封入物可能有這種相同的作用，到達(dá)的光線就在界面上散射。顆粒本身來說可能也含有熒光物質(zhì)。
成型體表面的結(jié)構(gòu)可以由使光線散射的顆粒組成，它們都是添加入成型體表面里的。顆粒的作用就作為在表面上的散射中心并使到達(dá)的光線輸出。
表面也可以通過槽、刻痕、通道和/或孔來形成結(jié)構(gòu)。對于這種表面結(jié)構(gòu)來說就在成型體的表面上形成了散射中心。進(jìn)入成型體的通道的棱可以倒棱。
在成型體表面的規(guī)定部位上用作為散射光線的表層可以是印花漿-例如能過濾印刷的成分或混合物或者顏料-，它們是按已的方法涂覆上的。在以這種方式涂層的表面位置上射入的光線并不對應(yīng)于入射角而反射，而是在成型體里返回散射。然后它就以不允許產(chǎn)生全部反射的角度射入到成型體的位于對面的表面上并在那里輸出。
在表面的一些部位上并不輸出光線，成型體可以涂覆一種反射材料，例如一種由鋁、金或銀制作的金屬層或者涂覆另一種具有折射指數(shù)的允許全部反射的涂層。同樣也可以是一種全平面不透明的漆層。這些反射層改善了在沒有結(jié)構(gòu)處或者在涂覆散射光線的涂層處的波導(dǎo)性能并提高了成型體里內(nèi)部輻射場的強(qiáng)度。這就提高了輸出光線的強(qiáng)度。
為了用熒光物質(zhì)來制造成型體首先將熒光物質(zhì)摻入透明的或半透明的塑料里。摻入是按已知的方法進(jìn)行的，如復(fù)合或者通過使熒光物質(zhì)與聚合物材料共同溶解并接著濃縮。
成型體按已知的方法例如壓鑄或擠壓，由含有熒光物質(zhì)的塑料制成。薄膜也可以由溶劑通過澆鑄或者其它已知的涂層方法來制造。也可以應(yīng)用層壓塑料，它由骨架和含有熒光材料的薄膜構(gòu)成。
也可以按由熒光物質(zhì)和塑料制成的溶液通過一定措施如澆鑄、擠壓、噴射而涂覆在一種合適的基底上。
通過加入顆粒，如玻璃球或玻璃纖維、金屬氧化物、SiO2或礦物質(zhì)，形成內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是應(yīng)用了通常的加入塑料的方法，例如進(jìn)行復(fù)合。而對于通過混入氣體形成內(nèi)部結(jié)構(gòu)都?xì)w結(jié)為例如在制造泡沫材料時使用的通常的方法。
對于具有散射光線的顆粒的成型體表面的結(jié)構(gòu)來說，第一步是使顆粒在成型體材料的溶劑里懸浮起來并用機(jī)械的輔助手段或裝置，例如軋印?；蛘邏毫C(jī)，涂覆在成型體的表面上。顆粒和溶劑接觸這表面的部位就脹大了。接著使溶劑揮發(fā)。為此將成型體加熱直至溶劑完全揮發(fā)掉為止。
成型體表面的結(jié)構(gòu)也可以通過磨削、括削、刨、鋸、鉆孔、沖眼、沖壓、激光研磨、針形打印或其它使表面產(chǎn)生局部變形或變化的機(jī)械方法來實(shí)現(xiàn)。它也可以用化學(xué)方法通過溶劑進(jìn)行苛化來形成結(jié)構(gòu)。
光學(xué)顯示可以包括有多個成型體。單個成型體的連接例如可以通過粘結(jié)或者機(jī)械裝置如構(gòu)架、框架或螺旋緊固來實(shí)現(xiàn)。
一般發(fā)光的發(fā)射源都適合于作為光源，這些發(fā)射源適合于使成型體里的熒光材料實(shí)現(xiàn)光學(xué)激發(fā)并因而引起可見的熒光發(fā)射。這些發(fā)射源與太陽光有所區(qū)別，它們有確定的發(fā)射波長，如激光器或者說激光二極管、光發(fā)射二極管(LED)、紫外線(UV)燈或者電致發(fā)光的發(fā)射源。優(yōu)選用無機(jī)的LED、UV-燈和電致發(fā)光的發(fā)射源。如果應(yīng)用電致發(fā)光的部件作為發(fā)射源，那么就涉及到有機(jī)的或者無機(jī)的發(fā)射體。
為使光線輸入成型體內(nèi)可以使光源直接與成型體接觸。為形成直接的接觸可以將光源被貼在成型體上、熔化接合、壓緊或引入孔內(nèi)。也可以使光源與成型體成非直接接觸，而是只在局部有限地照射成型體。
也可以同時使用不同的光源，例如具有各種不同的發(fā)射波長，用于使熒光物質(zhì)實(shí)現(xiàn)光化學(xué)激發(fā)的發(fā)光二極管(LEDs)。如果附加地使用各種不同的熒光物質(zhì)，那么就可能通過合適地選擇射入的光源選擇地或共同地激發(fā)這些不同的熒光物質(zhì)，并以這種方法產(chǎn)生不同波長的可見光并使其輸出。
光學(xué)顯示用于顯示圖形、彩色圖案和信息。為此配有的結(jié)構(gòu)應(yīng)使反射熒光的面或者部位形成圖案、詞匯、數(shù)字、符號或其它的記號。在成型體的不同位置上不同的熒光物質(zhì)具有各種不同的發(fā)射光譜，但有重疊的吸收光譜和定位，通過應(yīng)用這些熒光物質(zhì)就能夠用一個窄帶光源，例如唯一的一個發(fā)光二極管(LED)同時表示出不同顏色的信息。
當(dāng)應(yīng)用多個在光學(xué)顯示器里其波長各不相同的激發(fā)光源和其發(fā)射光譜各不相同的熒光物質(zhì)時，就可以前后地或者同時地表示出不同顏色、不同形象的圖形和信息。
按照本發(fā)明所述的光學(xué)顯示器的使用可能性包括用于實(shí)現(xiàn)可視化和信息顯示的車輛或其它交通工具的操作盤、儀表板或儀器盤的顯示元件或顯示單元，還有車輛上或自行車上的開關(guān)后燈或照明。
其它的使用可能包括后部照明或照明單元或者燈(設(shè)計(jì)師燈)、內(nèi)部陳設(shè)物、家具、畫框、書架、廣告物、發(fā)光桿或發(fā)光球、生活用品、兒童玩具、書桌附件、裝飾品、“小家俱”或其它日用物品。
其它的使用可能性還有交通指示牌(如停止信號牌)、道路信號牌、指示板(如安全出口)、廣告設(shè)施、隔板(例如展覽會設(shè)施)、廣告顯示、展示板或警告牌。
如果使用了線段或者纖維，那么這些也可以用作為光導(dǎo)系統(tǒng)(POF聚合光纖維)。
附圖表示

圖1表示在一個由線狀打印形成結(jié)構(gòu)的成型體里的波導(dǎo)情況。
圖2表示在一個由顆粒形成結(jié)構(gòu)的成型體里的波導(dǎo)情況。
圖3表示具有多個成型體的光學(xué)顯示器。
圖4表示光學(xué)顯示器的兩種結(jié)構(gòu)形式。
圖5表示具有多個成型體、熒光以不同顏色反射的光學(xué)顯示器。
圖1和圖2表示了在一個成型體1里的波導(dǎo)情況，該成型體有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)并在一個棱邊3處反射并含有熒光物質(zhì)4。用一個發(fā)射源6使波長f1的藍(lán)光射入到以側(cè)視圖表示的長方六面體形的成型體1的窄面上。該光線使熒光物質(zhì)4激發(fā)，這種物質(zhì)發(fā)射的熒光波長為f2。在圖1中熒光在表面2的有機(jī)械結(jié)構(gòu)的部位上發(fā)生散射，從而使其不再在成型體1里繼續(xù)反射，而是從成型體的表面反射。在圖2中熒光在添加入成型體表面的顆粒2處和在位于成型體內(nèi)部的顆粒5處發(fā)生散射，從而不再在成型體里繼續(xù)反射，而是從成型體的表面反射。
實(shí)例1用壓鑄法由表1所列的含有表1所述熒光物質(zhì)的塑料制成尺寸為20×30×3mm3的小板。
表1塑料熒光物質(zhì)聚苯乙烯 0.01和0.05％染色1聚苯乙烯 0.0497％染色1及0.003％染色2聚苯乙烯 0.01和0.05％染色2聚碳酸酯 0.01和0.05％染色2有機(jī)玻璃 0.01和0.05％染色2聚乙烯-對苯二(甲)酸鹽(酯) 0.01和0.05％染色2苯-丙共聚物 0.01和0.05％染色2染色1Maerolex熒光黃色10GN，Bayer公司，Leverkusen染色2Maerolex熒光紅色G，Bayer公司，Leverkusen。
當(dāng)用紫外線燈(波長366或254nm)或一種藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)(RS235-9900，型式超光亮藍(lán)色(954172))進(jìn)行照明時所有小板都具有均勻地反射弱熒光的一個表面。光線并不優(yōu)先地從表面的任何點(diǎn)反射出。
然后用線狀打印機(jī)對表面進(jìn)行加工。在由線狀打印機(jī)壓出的刻槽或者凹坑的空間部位里當(dāng)用紫外線(UV)燈(波長366或254nm)或者藍(lán)色LED(RS235-9900，類型超光亮藍(lán)色(954172))進(jìn)行照射時就優(yōu)先地發(fā)射出，從而可以見到平滑的鄰近部位相比而言就有較高的照明強(qiáng)度。
實(shí)例2在一個按表1具有0.05％染色2的聚碳酸酯壓鑄件上，在有一個沖印模的若干mm2的平面里應(yīng)用一種直徑為50-210μm玻璃球在二氯甲烷溶劑里的懸浮物。溶劑就使得要形成結(jié)構(gòu)的表面脹大。玻璃球因此壓入表面，在溶劑揮發(fā)之后就固結(jié)起來。當(dāng)用UV燈(波長366或254nm)或藍(lán)色LEO(RS235-9900類型超光亮藍(lán)色(954172))進(jìn)行照射時其作用為散射中心。在它們上面使熒光有目標(biāo)地輸出，而且在一個本身弱發(fā)光的表面上出現(xiàn)光亮的斑點(diǎn)。
實(shí)例3光學(xué)顯示器具有四個上下布置的成型體21，22，23，24，它們由厚度為0.75mm的聚碳酸酯薄膜制成，各有一種藍(lán)的、綠的、紅的和黃的熒光顏料制成(圖3)。所有的板具有相同的寬度和厚度。兩個中間的板比兩個外面板要短些。成型體的正端在其表面上制成某種結(jié)構(gòu)。光源25，一種藍(lán)色LED(RS235-9900，類型超光亮藍(lán)(954172))；就放在兩個外板之間的凹坑里，并且局部埋沉在鉆孔的外板里。光源直接接觸兩個外板，而光源只是在兩個內(nèi)板的窄面上照射。在A面上四塊板齊平地切斷，當(dāng)接入LED用于激發(fā)發(fā)射各種不同的熒光色素時，那么對應(yīng)于成型體的帶有結(jié)構(gòu)的端面和各自含有的熒光色素就可以明顯地看到成條帶的彩色的發(fā)射。
實(shí)例4在一個聚碳酸酯的錐形成型的壓鑄體里包含有一種藍(lán)的熒光色素，在原始面上照射有一個藍(lán)色LED(RS235-9900，類型超光亮藍(lán)(954172))。由于原始較長的噴射體的折斷而產(chǎn)生了位于原始面對面的面并因此被均勻變粗糙。在變粗糙的面上出射了強(qiáng)烈的伸展很寬的光發(fā)射，而在錐形體的外表面上則不出射光線。
實(shí)例5在一個含有熒光色素Makrolex10GN的聚碳酸酯板里用鋸切出一個正方形。鋸出的內(nèi)邊棱均勻變粗糙。在外面裝上一個藍(lán)色LED(RS235-9900，類型超光亮藍(lán)(954172))之后在內(nèi)部切出的正方形里在內(nèi)邊棱處就可以指示出一種加強(qiáng)的光輸出(發(fā)射)。
實(shí)例6圖4表示了兩種實(shí)施形式的光學(xué)顯示器，它包括有一個按本發(fā)明的成型體41或42以及兩個照射源43。成型體與其發(fā)光橫斷面44相比是很長的，并且描述了一種矩形框架或者一段橢圓形弧線。在兩端用兩個藍(lán)色發(fā)光二極管43照亮的成型體在其表面的一些位置上設(shè)置有結(jié)構(gòu)45或46，因而在這些位置就射出熒光。
實(shí)例7圖5表示由成型體51，52，53構(gòu)成的光學(xué)顯示器，它們各有各不相同的熒光材料，它們由三個具有不同發(fā)射波長的發(fā)光二極管54，55，56從一端起照射。成型體57，58，59的未照射端布置在一個支座60里，相互緊靠從而使觀察者只是見到成型體的兩端，但見不到照明的光源。在未照射的端部范圍有一部分成型體表面配有結(jié)構(gòu)61，62，63。在有結(jié)構(gòu)的位置上61，62，63對應(yīng)于熒光物質(zhì)而各射出彩色光，如圖5下俯視圖里所見到的。
權(quán)利要求
1.光學(xué)顯示器至少包括有一個成型體(1)，成型體由一種或多種透明或半透明的塑料制成并包含有一種或多種發(fā)熒光的物質(zhì)(4)，其特征在于，其特征在于，成型體具有用于有目標(biāo)地實(shí)現(xiàn)光輸出的機(jī)構(gòu)，而且有一個或多個光源(6)，其布置方式應(yīng)使其光線在成型(1)表面的規(guī)定部位處射入并在成型體(1)里繼續(xù)傳導(dǎo)，并在成型體表面的由用于有目標(biāo)地實(shí)現(xiàn)光線輸出的機(jī)構(gòu)確定的整個規(guī)定的其它部位輸出。
2.按權(quán)利要求1所述的光學(xué)顯示器，其特征在于，用作為使光線輸出的機(jī)構(gòu)是一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)(5)，一種表面結(jié)構(gòu)(2)，(7)，或者在表面上的一種光散射層。
3.按權(quán)利要求2所述的光學(xué)顯示器，其特征在于，內(nèi)部結(jié)構(gòu)或者表面結(jié)構(gòu)都是由散射光線的顆粒組成，如玻璃球、玻璃纖維、金屬氧化物、SiO2或礦物質(zhì)。
4.按權(quán)利要求3所述的光學(xué)顯示器，其特征在于，散射光線的顆粒本身含有發(fā)熒光的物質(zhì)。
5.按權(quán)利要求2至4中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)顯示器，其特征在于，制造表面結(jié)構(gòu)的方法是使顆粒在用于成型體材料的溶劑里懸浮起來，用一個壓模涂覆在成型體表面上并壓入表面里，接著使溶劑揮發(fā)。
6.按權(quán)利要求2所述的光學(xué)顯示器，其特征在于，內(nèi)部結(jié)構(gòu)通過在成型體里封入氣體而形成。
7.按權(quán)利要求2所述的光學(xué)顯示器，其特征在于，成型體的表面結(jié)構(gòu)通過表面內(nèi)刻槽(7)、刻痕、通道和/或孔而構(gòu)成。
8.按權(quán)利要求7所述的光學(xué)顯示器，其特征在于，通道的棱都經(jīng)過倒棱。
9.按權(quán)利要求2所述的光學(xué)顯示器，其特征在于，光散射層是一種印花漿或者顏料。
10.按權(quán)利要求1至9中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)顯示器，其特征在于，成型體在不輸出光線的表面部位處涂覆有一種全反射涂層。
11.按權(quán)利要求1至10中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)顯示器，其特征在于，光源(6)是一種發(fā)光的二極管，優(yōu)選在藍(lán)色波長范圍內(nèi)，或者是一種電致發(fā)光的單元。
12.按權(quán)利要求1至11所述的光學(xué)顯示器，其特征在于，多個光源(6)具有各不相同的發(fā)射光譜。
全文摘要
光學(xué)顯示器包含有一個或多個成型體(41)和一個光源(43)。成型體(43)由一種透明的或半透明的塑料制成。這塑料含有一種或多種發(fā)熒光的物質(zhì)。應(yīng)這樣來布置一個或多個光源(43),以使其光線在成型體(41)表面的規(guī)定部位處射入成型體并繼續(xù)在其中傳導(dǎo)。成型體含有用于有目標(biāo)地實(shí)現(xiàn)光線輸出耦合的機(jī)構(gòu),從而在成型體(41)表面的整個規(guī)定部位處使光線由成型體(41)有目標(biāo)地輸出。
文檔編號F21V8/00GK1333867SQ99815620
公開日2002年1月30日 申請日期1999年11月8日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月18日
發(fā)明者R·維爾曼, H·W·霍伊爾 申請人:拜爾公司