CN101246232A - 有源反射偏振器、使用其的液晶显示器及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光学装置，具体而言，提供了大尺寸的有源反射偏振器以及使用其的液晶显示器(LCD)。该光学装置包括：具有多个磁颗粒以及基本防止这些磁颗粒之间的聚集的绝缘介质的磁材料层；以及施加磁场到磁材料层的磁场生成单元。

Description

有源反射偏振器、使用其的液晶显示器及其方法

技术领域

本发明的设备和方法涉及诸如有源反射偏振器或光闸(optical shutter)的光学装置以及使用有源反射偏振器的液晶显示器(LCD)，并且更具体的，涉及能够容易地制造的大尺寸有源反射偏振器，以及使用该大的有源反射偏振器的LCD。

背景技术

图1是线栅(wire grid)偏振器16的透射图。参照图1，线栅偏振器16包括透明基板16a以及导电金属线16b，导电金属线16b在透明基板16a上彼此平行地以规则间隔排列。线栅偏振器16当金属线16b的间距P大于光的波长时充当衍射光栅(diffraction grating)，并且当金属性线16b的间距P小于光的波长时充当偏振器。在后一种情形中，线栅偏振器16反射具有平行于金属线16b的偏振分量的光并且透射具有垂直于金属线16b的偏振分量的光。

为了让线栅偏振器16在可见光范围内充当偏振器，金属线16b的间距(pitch)P应该小于大约100nm。电子束光刻(E-beam litho)，在半导体工业中广泛使用的一种光刻技术，用以在实验室水平的如此狭小的间距P内排列金属线16b。然而，这种技术是非常昂贵且慢的工艺，在处理典型的微米级尺寸的装置的半导体工艺中其不是很大问题，但是当制造显示器中使用的线栅偏振器时则成为严重问题，因为其表面积通常从若干到几百平方厘米(cm²)。尽管在可见光范围内可用的小的线栅偏振器在实验室(应用电子束光刻)中已被制造，大批量制造适合于显示器装置的大尺寸线栅偏振器的制造技术仍然需要开发。

发明内容

本发明提供了光学装置，具体的，涉及能够以低成本大批量制造的大尺寸有源反射偏振器。

本发明也提供了使用该有源反射偏振器的背光单元、液晶面板、以及液晶显示器。

根据本发明的一个方面，提供的光学装置包括：具有多个磁颗粒以及为基本防止磁颗粒之间的聚集的绝缘介质的磁材料层；以及将磁场施加到磁材料层的磁场生成单元。

磁材料层可具有大于磁材料层的磁衰减长度的厚度。

磁材料层可由芯壳型磁颗粒形成。

磁材料层可通过将芯壳型磁颗粒和糊态的绝缘材料混和、以及在透明基板上涂覆和固化所形成的产物而形成。

磁材料层可通过将芯壳型磁颗粒浸入溶液、以及在透明基板上涂覆和固化所形成的产物而形成。

每个芯壳型磁颗粒包括由磁材料形成的芯以及围绕芯的绝缘壳。

光沿着其行进路径遇到的芯壳的数目n给出如下：

n≥s/d；

其中s表示磁材料层在感兴趣的波长处的磁衰减长度，以及d表示芯的直径。

绝缘壳可由围绕芯的透明绝缘材料形成。

绝缘壳可由围绕芯的透明聚合物型绝缘表面活性剂形成。

芯的磁材料可为选自由钛、钴、铁、镍、铝、钡、铂、钠、锶、镁、镝、锰、钆、银、铜、铬、钴铂(Co_xPt_y)、以及铁铂(Fe_vPt_z)、MnZn(Fe₂O₄)₂、MnFe₂O₄、Fe₃O₄、Fe₂O₃以及Sr₈CaRe₃Cu₄O₂₄、Co_xZr_yNb_z、Ni_xFe_yNb_z、Co_xZr_yNb_zFe_v的组成的群组中的任一种，这里x，y，z以及v代表成分比率。

磁材料层可由两种不同类型的芯壳结构的混合物形成，其中第一类型芯壳结构具有由表面活性剂围绕的磁芯(core)，第二类型芯壳结构具有由表面活性剂围绕的透明介电芯。

磁材料层可通过将两种不同类型的芯壳结构混合入溶液以及通过退火工艺消除附着到每个芯的表面活性剂而形成。

第一类型芯壳结构的芯可由钴铂(Co_xPt_y)或铁铂(Fe_vPt_z)形成，这里x，y，z以及v代表成分比率，并且第二类型芯壳结构的芯由氧化锆(ZrO₂)或硅酸盐(SiO₂)形成。

磁材料层可通过将磁聚合物膜附着到透明基板上形成。

磁场生成单元包括在磁材料层的周围以规则间隔排列的多条线以及施加电流到多条线的电源。

相邻线之间的空间可由透明材料填充。

光学装置进一步包括涂覆在磁材料层的表面上以防止磁材料层内的磁矩涂到线之间的空间的透明保护膜。

透明保护膜的厚度可小于50nm。

所述线可由选自由铝、铜、银、金、钡、铬、钠、锶、镁以及铂组成的组中的任一种形成。

线可由诸如碘掺杂的聚乙炔的高导电聚合物形成。

线的间隔可在50nm到10nm的范围内。

线的厚度可大于线在感兴趣的波长处的趋肤深度长度。

线可围绕磁材料层排列。

线可排列在磁材料层的上表面上或者下表面上。

磁场生成单元包括围绕磁材料层设置的透明板电极以及施加电流到透明电极的电源。

透明板电极可由铟锡氧化物(ITO)形成。

透明板电极可围绕磁材料层设置。

透明板电极可设置在磁材料层的上表面上或者下表面上。

光学装置可用作有源反射偏振器，当导通时透射光的第一偏振分量以及反射垂直于第一偏振分量的光的第二偏振分量，并且当关闭时反射光的两种偏振分量。

光学装置可用作当导通时透射光以及当关闭时阻挡光的光闸。

根据本发明的另一方面，提供的液晶面板包括：液晶层；设置在液晶层的前表面上的前偏振器；以及设置在液晶层的后表面上的后偏振器，其中后偏振器包括：具有多个磁颗粒以及为充分防止这些磁颗粒之间的聚集的绝缘介质的磁材料层；以及施加磁场到磁材料层的磁场生成单元。

根据本发明的另一方面，提供的液晶显示器包括：显示图像的液晶面板；向液晶面板提供光的背光单元；设置在液晶面板和背光单元之间的有源反射偏振器；以及设置在背光单元下面并且反射由有源反射偏振器反射到液晶面板的光的反射板，其中有源反射偏振器包括：具有多个磁颗粒以及为了基本阻止磁颗粒之间的聚集的绝缘介质的磁材料层；以及施加磁场到磁材料层的磁场生成单元。

根据本发明的另一方面，提供了用于向图像显示装置提供光的背光单元，背光单元包括：出光表面、以及设置在出光表面上的有源反射偏振器。

在本发明的另一方面中，提供偏振电磁能量的方法，该方法包括：在磁层处接收电磁能；在第一方向上产生磁场以定向磁层内的多个磁颗粒的磁矩；反射基本平行于第一方向的电磁能的分量；以及通过磁层透射基本垂直于第一方向的电磁能的分量。

附图说明

通过参照示例性实施例的附图的详细描述，本发明的上述和其它特征以及优势将变得更加显而易见，附图中：

图1是传统线栅偏振器的透射图；

图2是根据本发明的实施例的当有源反射偏振器处于关闭状态时有源反射偏振器的透射图；

图3A到3D示出了根据本发明的实施例的在图2中的有源反射偏振器中使用的磁颗粒的各种的芯壳(core-shell)结构；

图4A到4D是根据本发明的实施例的在图2中的有源反射偏振器中使用的磁颗粒的各种其它芯壳结构；

图5是根据本发明的实施例的具有在磁材料层内分布的芯壳型的磁颗粒的图2中的有源反射偏振器的透射图；

图6是图5中的有源反射偏振器的横截面图；

图7示出了包括两种不同类型芯壳的混合物的磁材料层的一个例子；

图8示出了包含单畴磁材料的磁材料层的另一例子；

图9示出了当有源反射偏振器处于关闭状态时排列在图2的有源反射偏振器内的磁聚合物；

图10是当有源反射偏振器处于导通状态时，图2中的有源反射偏振器的透射图；

图11A到11F是示出了各种可能的线排列方式的沿图10中的线AA’的有源反射偏振器的横截面图；

图12A到12D是示出了在磁材料层的上和下表面上的线之间的各种可能接触的沿图10中的线BB’的有源反射偏振器的横截面图；

图13示出了当有源反射偏振器处于导通状态时，在图2中的有源反射偏振器内排列的分子；

图14是示出了图10中的有源反射偏振器的一变型的透射图；

图15是根据本发明的另一实施例的有源反射偏振器的透射图；

图16是示出了图15中的有源反射偏振器的一变型的透射图；

图17和18是示出了根据本发明的实施例的通过有源反射偏振器的磁场的图；

图19是示出了根据本发明的实施例的垂直于有源反射偏振器的光的透射率与平行于有源反射偏振器的光的透射率之比的对数值的图；

图20是示出了根据本发明的实施例的平行于有源反射偏振器的光的透射率与垂直于有源反射偏振器的光的透射率之比的绝对值的图；

图21是示出了响应于入射光的磁矩的角度波动的图；以及

图22是使用根据本发明的有源反射偏振器的LCD设备的横截面图。

具体实施方式

下面将参照附图更全面地描述本发明，附图中示出了本发明的示例性实施例。

为理解根据本发明的有源反射偏振器的操作，现在解释线栅偏振器的原理。图1是线栅偏振器16的透射图。入射在线栅偏振器16上的光被分离成两个偏振E_‖和E_⊥，这里E_‖是电场平行于金属线16b的偏振光的电场，E_⊥是电场垂直于金属线16b的另一偏振光的电场，如图1所示。为简单起见，对于图1所示的与线栅偏振器有关的图示，我们用其偏振E_‖和E_⊥来表示反射光和透射光。

当光E_‖入射在线栅偏振器16上时，沿着线16b的长度感应电流，线16b的长度是沿着X轴的方向。因为源场本身随时间改变，沿着线16b的长度感应电流也随时间改变。根据电磁辐射理论，时变的感应电流产生电磁波，其中产生的电磁波在所有方向上传播。经线栅偏振器16行进的电磁波，即，在-z方向行进，在它传播的时侯遭遇到衰减损失；如果金属线16b的高度“h”大于在感兴趣的波长处金属线16b的趋肤深度，将没有E_‖偏振光经线栅偏振器16透射。另一方面，在z方向上辐射的电磁波，即，在离开线栅偏振器16的方向，未遭受任何衰减损失，因而可以认为被完全反射。

对于入射在两个金属线16b之间的空白空间(empty space)上的E_‖，可以看出，当在该偏振器-z方向上行进时电磁波遭到衰减损失，该偏振器有效地是二维平行板波导。假设线16b的高度“h”足够大，通常，远大于它的趋肤深度长度，可证明电磁波满足公式1中给出的关系式。

E＝-V-(A/t)＝0    …(1)

因此，对于偏振光E_‖，理想情形下的线栅偏振器16作为全反射器。

对于入射在线栅偏振器16的金属线16b上的另一偏振光E_⊥，其电场沿着金属线16b的宽度即y轴也感应电流。因为金属线16b具有大约50nm的狭小宽度，在金属线16b的宽度方向上产生的感应电流远小于沿金属线16b的长度方向产生的感应电流。通过金属线16b透射的电磁波遭遇到衰减损失，并且，假设金属线的高度“h”大于在感兴趣的波长处金属的趋肤深度长度，其不经过线栅偏振器透射。另一方面，与关于偏振E_‖的反射波相比，在金属线16b的表面处偏振E_⊥的反射波的幅度更小，其贡献可忽略。

相反的，对于入射在线栅偏振器16的两个相邻金属线16b之家的空间上的偏振光E_⊥，当它经空白空间传播时不遭受任何衰减损失。因为光E_⊥进入两个相邻金属线16b之间的自由空间时不经历折射率上的任何变化，当偏振光E_⊥入射在线栅偏振器16上的两个相邻金属线16b之间的空间上时，没有源自线栅偏振器16的反射发生。因此，对于偏振光E_⊥，理想情形下的线栅偏振器16作为全透射器(perfect transmitter)。

线栅偏振器，尽管理论上不错，但由于前面相关技术中所述的困难，难于以显示器装置所需的大尺寸制造。本发明的基本思想来自入射的电磁能量的波印廷(Poynting)矢量S总是成对的电场E和磁场H这一事实，如公式2所示。

S＝E_‖×H_‖+E_⊥×H_⊥    ...(2)

为简单起见，本发明全文中的反射的以及透射的电磁辐射由公式(2)中的波印廷矢量S的电场(E_‖，E_⊥)或者磁场分量(H_‖，H_⊥)来表示。例如，在图1中，反射的电磁辐射由E_‖表示并且透射的电磁辐射由E_⊥表示。在随意方向的磁矩的特殊情形的图2中，反射的电磁辐射由(H_‖，H_⊥)表示；并且，在图10，14，15以及16中，反射波由H_‖表示并且透射的电磁辐射由H_⊥来表示。

在传统的线栅偏振器中，波印廷矢量S的电场部分决定哪个偏振反射以及哪个偏振透射。与线栅偏振器相反，在本发明中，波印廷矢量S的磁场部分决定通过有源反射偏振器哪个偏振光反射以及哪个透射。

图2是根据本发明的实施例的有源反射偏振器20的关闭状态的透射图。参照图2，有源反射偏振器20包括设置在透明基板21上的磁材料层22。磁材料层22可由无聚集的磁颗粒嵌入到绝缘介质中形成，绝缘介质可为如“胶(jell)”状的牙膏形式，其可在透明基板21上涂敷或旋涂。或者，磁材料层22可由下列形式形成：将芯壳(core-shell)类型的磁颗粒浸入到溶液中，然后在透明基板21上旋涂或深度涂覆(deep coating)，并且最后固化所得产物。或者，磁材料层22可通过在透明基板21上直接附着磁聚合物膜而形成。

图3A到3D以及4A到4D示出了根据本发明的实施例的在图2的有源反射偏振器20中使用的磁颗粒26的各种芯壳结构。参照图3A到3D以及4A到4D，每个磁颗粒26包括由磁材料形成的芯26a以及围绕芯26a的绝缘壳26b或26b’。每个磁颗粒26可具有圆形、椭圆形、方形、或者随意形状。表示磁矩颗粒26的芯壳型结构的磁芯26a可为铁磁或超顺磁金属或合金，包括选自由钴、铁以及镍组成的群中的任意金属，这里用于磁芯的合金的例子有钴铂(Co_xPt_y)和铁铂(Fe_vPt_z)，其中x，y，z，v表示成分比率；磁芯26a也可选自顺磁金属或合金，包括选自由钛、铝、钡、铂、钠、锶、镁、镝、锰以及钆组成的群中的任意金属；磁芯26a可为抗磁性金属或合金，包括选自由银、铜构成的群中的任意一种；磁芯26a可选自反铁磁性金属诸如铬，在超过奈耳(Neel)温度时变成顺磁性；并且磁芯26a也可选自诸如MnZn(Fe₂O₄)₂、MnFe₂O₄、Fe₃O₄、Fe₂O₃以及Sr₈CaRe₂Cu₄O₂₄的亚铁磁物质，其具有小的或可忽略的电导率但是相对大的磁化率(magnetic susceptibility)。

芯壳型磁颗粒26中的壳26b或26b’防止两个芯26a聚集或相互直接接触。由诸如SiO₂、ZrO₂等绝缘材料形成的壳26b可如图3A到3D所示围绕芯26a。壳26b并不局限于SiO₂或ZrO₂而可以是任何光学透明电介质材料。供选地，由聚合物型绝缘表面活化剂(surfactant)形成的壳26b’可如图4A到4D所示地围绕芯26a。在这种情形下，要求绝缘的表面活化剂为光学透明的。

芯壳型磁颗粒26的的芯26a可具有在1纳米到数十纳米(nm)的范围内的直径。例如，芯26a的直径可在大约1-200nm的范围(但不只局限于这个尺寸的范围)，尽管依赖于芯26a的材料而有些差异。需要选择芯26a的尺寸以使在芯26a内存在有效单磁畴。壳26b或26b’可足够厚以防止两个相邻的芯26a相互传导。

需要提醒的是，磁材料层22内磁矩的芯壳结构中的壳26b或26b’存在仅为了保持两个磁芯26a不相互聚集。如果磁芯26a能够在磁材料层22内不聚集地分布，壳26b或26b’是不必要的。前面提到的通过无聚集地在绝缘介质内嵌入磁芯形成的磁材料层22就是一个例子，绝缘介质可为如“胶”状的牙膏的形式，其可在透明基板21上涂敷或旋涂。在这种情形中，胶状介质充当磁芯的绝缘壳，于是不需要芯壳或任何类芯壳结构。

图5是根据本发明的实施例的图2的具有分布在磁材料层22内的芯壳型磁颗粒26的图2的有源反射偏振器20的透射图。图6为图5的有源反射偏振器20的横截面图。尽管如图5和图6所示磁颗粒26在整个磁材料层22示出为稀疏分布，有意这么做是为了清楚地图示，并且在实际的装置中，磁颗粒26在整个磁材料层22稠密分布。参照图6，区域22a可由诸如SiO₂、ZrO₂等透明电介质材料、或透明聚合物、或透明表面活化剂、或任何一种可以与用于芯壳型磁颗粒26的壳26b和26b’的材料相同或不同的透明绝缘材料构成。

供选地，磁材料层22可通过混合不同类型的芯壳结构形成，如图7中所示。例如，在图7中，芯‘a’26a可由磁材料形成并且芯‘b’27a可由透明电介质材料形成。芯‘a’26a的例子为钴铂(Co_xPt_y)或铁铂(Fe_vPt_z)，这里的x，y，z，v表示成分比率；并且芯‘b’27a的例子为锆氧化物(ZrO₂)或硅酸盐(SiO₂)。分别附着在芯‘a’26a和‘b’27a的表面的表面活化剂26b’以及27b’可是相同或不同类型。当该两种不同的芯壳结构混合到溶液中后，表面活化剂26b’和27b’可通过退火工艺消除。退火工艺之后，介电芯‘b’27a如图7所图示地防止磁芯‘a’26a相互聚集。在退火工艺期间表面活化剂26b’以及27b’得到消除的情形中，不需限制表面活化剂26b’以及27b’为透明的。

磁芯26a的内部可完全由磁材料填充，但是可包含空隙或电介质材料。磁芯26a可采用任意形状，只要其体积，即包含磁材料的体积，是单畴尺寸的体积。

图8示出了磁材料层22’的另一例子，其中包含没有绝缘壳的单畴磁颗粒26’。磁材料层22’通过溅射方法或可应用模板(template)或预图案化的任意方法形成。在适宜的阳极氧化条件下，能够得到在每个六边形的中心具有圆孔的非常规则的自有序的蜂巢状的六边形阵列；并且能够用作模板的这种结构称为阳极氧化铝膜(AAM)或阳极氧化铝氧化物(AAO)或者简化为阳极氧化物(AO)。

图8所示的是使用这些方法形成的磁材料层22’。图8中的磁颗粒26’可呈现任意形状(例如，正方形、矩形、圆柱形、球形、椭圆形)，只要其包含的体积满足磁单畴条件。两个相邻的磁颗粒26’被相互很好地分离以避免导电。磁颗粒26’之间的空间可由绝缘材料22a’填充。另外，磁材料层22’的上和下表面分别由绝缘层22’i覆盖。在图8中，绝缘层22’i需要为光学透明的。图8中所示的绝缘层22’i能够以多个层的形式层叠从而形成更厚的磁材料层。在这种情形中，绝缘材料22’a需要为光学透明的，除非每个层能够完美定向。

另外，代替使用单畴尺寸的磁材料26a和26’，磁材料层22和22’也可形成为薄膜层。与需要若干特斯拉(Tesla)的磁场使材料饱和为单畴的情况中的大块磁材料相比，磁材料的薄膜层利用将其块材对应物饱和为单畴所需磁场的仅十分之一就可以饱和为单畴。薄膜磁层的厚度例如可小于一微米(μm)。

图2示出的是没有外部磁场施加到磁材料层22的情形。在该情形中，磁材料层22中的磁矩如图2中箭头所示在整个磁材料层22中随机定向。在图2中，符号‘·’表示磁矩指向+x方向，符号‘×’表示磁矩指向-x方向。磁材料层22内的磁矩在两垂直即-z方向以及图2放大部分所示的x-y平面内随机定向。对于磁材料层22由磁聚合物构成的情形中，外部磁场的缺失，B_app＝0，导致磁聚合物在任意方向上排列，其使得如图9所示净磁化M＝0。

对于光入射在如图4所示的包含任意方向上的磁矩的磁介质层22上的情形中，所有偏振由于下列原因被反射：当H_‖和H_⊥经过磁介质层22传播时，H_‖和H_⊥至少一次遇到不完全垂直于H_‖或H_⊥的磁矩，并且因此导致反射。当H_‖和H_⊥通过磁介质层22传播时，并且在H_‖和H_⊥到达另一表面端之前，这个过程继续发生，剩下的H_‖和H_⊥非常小，以致于可忽略。

图10是当围绕磁材料层22施加磁场时图2的有源反射偏振器的透射图。对于用以在磁材料层22内产生磁场的磁场产生元件，多个导线24被围绕磁材料层22排列。形成围绕磁材料磁22的环的每个导线24可以规则或不规则间距布置。线24可由诸如铟锡氧化物(ITO)的透明导电材料形成。然而，当线24之间的距离d2大于或等于线24的宽度d1时，线24可选自诸如铝、铜、金、铂、或银等具有低电阻的金属或诸如碘掺杂聚乙炔(iodine-dopedpolyacetylene)的导电聚合物。在该情形中，光不经过由线24覆盖的部分透射但是经过线24之间的部分透射。如果线24之间的距离d2远大于线24的宽度d1，与通过线24之间的部分透射的光相比线24阻挡的光可忽略。另一方面，如果d1和d2都达到liru 50nm的量级时，线24充当线栅偏振器。

图11A到11F示出了线24的各种可能的布局。图11A到11F给出了沿线AA’切开的可能的横截面图的示意。如图11A到11D以及11F所示，设置在基板21以及层21p之间的相邻线24之间的空间可由光学透明电介质材料21w填充。光学透明材料21w的作用是防止将磁材料层22内的磁矩涂到线24之间的空间中，这里的磁场或者为零或者非常小。如果两条线24之间的距离d2太大时，磁材料层22的部分，当正好放置到线24以及光学透明填充物21w之上时，不会经历平行于基板21的均匀磁场。为确使磁材料层22只暴露于均匀磁场(即，平行于基板21的磁场)，光学透明层21p可添加到线24和磁材料层22之间的空间。通过使层21p足够厚从而满足hp＞＞d2，磁材料层22可确保位于磁场是均匀的并且其磁向量平行于基板21的区域中。层21p的厚度hp依赖于两条相邻线24之间的相邻距离d2。若线24以非常近的间隔设置，例如d2非常小，hp可小于d2(或者甚至是不必要的)并且仍然保持用于磁材料层22的合理均匀磁场。在没有21p的情况下，需要光学透明填充物21w以防止磁矩填充相邻线24之间的间隙。存在21p的情况下，填充物21w省略。

用于光学透明基板21的相同材料可用于层21w和21p。如果磁材料层22足够刚性，从而没有磁矩能够进入导线24之间的空间，并且线放置得足够近从而使磁材料层22暴露于均匀磁场，那么层21p和21w可省略。

图12A到12D示出了沿边线BB’切开的横截面图的各种可能布局。边线BB’表示有源反射偏振器20的边缘，磁材料层22的上表面以及下表面上的线24在该处连接。如图12A和12B所示，通过将磁材料层22的上表面上的线延伸到磁材料层22的下表面上的另一条线可建立接触。类似地，如图12C和12D所示，整个边缘可被导电板30封闭以连接磁材料层22的两表面上的线24。

通过使用图12B所示的方案连接磁材料层22的上和下表面上的线24，可得到用于层22的线24的螺线管状的线圈。为产生螺线管型线圈，可以将图12B所示的接触设计应用到磁材料层22的两边缘。这里，‘两边缘’指线BB’代表一端以及边缘BB’的另一相对端。螺线管线圈的始点可连接到例如电源的正极，并且螺线管线圈的终点可连接到电源的负极。

参照图10，每条线24内的电流在磁材料层22内感应磁场。这个感应的磁场排列磁材料层22内的磁矩，从而如图10所示感应净磁化M。

对于磁材料层22内的磁矩，可使用磁聚合物。图13所示的是在通过施加电流到线24产生的外部磁场(B_app≠0)的影响下磁聚合物的排列。通过使用外部施加磁场来定向磁聚合物，根据下述磁场方向的状态，入射光能够被反射或透射。

电磁波的磁场可分解为平行H_‖和垂直分量H_⊥，这里H_‖和H_⊥分别为如图10所示分别平行和垂直于磁化M的磁场。当垂直分量H_⊥入射在其中磁矩在M的方向上定向的磁介质层22上时，通过有源反射偏振器20透射，因为它不与磁矩相互作用。相反地，平行分量H_‖入射在其中磁矩在M的方向上定向的磁介质层22上时，与磁矩相互作用并且导致感应辐射。然而，当它通过磁材料层22传播时遭受衰减损失，并且只要磁材料层22的厚度t远大于磁衰减长度(与电场的趋肤深度长度相似)，与透射的H_⊥相比，透射的H_‖可忽略。总之，平行于磁化的磁场从有源反射偏振器20反射，并且垂直于磁化的磁场通过有源反射偏振器20透射。参照公式2，于平行于磁化M的磁场相关的大部分光能(S_‖＝E_‖和×H_‖)从有源反射偏振器20反射，并且与垂直于磁场M的光能(S_⊥＝E_⊥×H_⊥)通过有源反射偏振器20透射。

在磁材料层22内使用上述讨论的芯壳的情形中，为确使任何非所需的光的偏振在磁材料层22内得到完全的衰减，需要使光在行进道路中碰到数量足够多的芯壳。假设芯壳是均匀的且紧密分布在磁材料层22的x-y平面上的单层上，并且多个相同单层沿磁材料层22的z方向堆叠。那么，光沿其行进路径遇到的芯壳的数目n(或单层的数目n)给出如下：

n≥s/d，

这里s为磁材料层22的在感兴趣的波长处的磁衰减长度且d为芯壳的磁芯的直径。例如，如果用于芯壳的芯的材料在感兴趣的波长处具有35nm的磁衰减长度并且芯直径为7nm，光沿其行进路径必须至少遇到5个芯壳或可需要5个单层。

同时，磁材料层22的上以及下表面上的多条线24类似如图1所示的线栅偏振器。有效地，可以认为，图10所示的有源反射偏振器20被认为是夹在两个线栅偏振器之间的磁材料层22，一个在磁材料层22的上表面上并且另一个在磁材料层22的下表面上。

在图1所示的传统的线栅偏振器16中，哪个偏振光被反射以及哪个偏振光透射单独由电场E决定。如指定E_‖作为平行于导线栅的电场分量，并且指定E_⊥作为垂直于导线栅的电场分量，反射光就由波印廷矢量关系S_‖＝E_‖×H_‖来表示并且透射光由S_⊥＝E_⊥×H_⊥来表示，这里S＝S_‖+S_⊥。因为磁场部件不参与决定在线栅偏振器中哪个反射或透射，为了使线栅偏振器16在可见波长范围内有效地充当偏振器，通过导线16b的周期排列形成的光栅(grating)具有小于大约100nm的周期；并且图1中线的高度‘h’必须大于感兴趣的波长处的趋肤深度长度。这里，当然，趋肤深度长度不要与磁衰减长度弄混。光栅周期的严格要求使线栅偏振器是在工业中非常难于采用的技术。

磁材料层22，当界定于其中的磁矩在指定方向上排列时，根据在相互作用过程中光拥有的磁场的方向状态反射或透射光。如果我们用H_‖表示平行于磁化M的光的磁场分量，并且指定H_⊥代表垂直于磁化M的光的磁场分量，反射光就具有由S_‖＝E_‖×H_‖给出的波印廷矢量并且透射光具有波印廷矢量S_⊥＝E_⊥×H_⊥。与磁材料层22内磁矩相关的，是磁场(H_‖，H_⊥)而非电场分量(E_‖，E_⊥)决定哪个光反射以及哪个光透射。

对于用作偏振器的磁材料层22，它需要一个方案去感应外部电场以在其内定向磁矩。许多可能方案之一为如图10所示地进行，这里导线24的光栅放置在磁材料层22的表面上并且电流允许流经线24。当然，这就是在整个工作中我们称为“有源反射偏振器”的本发明。当光入射在有源反射偏振器20上时，反射光S_‖＝E_‖×H_‖以及透射光S_⊥＝E_⊥×H_⊥可使其电场以及磁场分量都参与该过程。例如，在反射光S_‖＝E_‖×H_‖的情形中，E_‖的分布可来自导线24的光栅并且H_‖的分布可来自磁材料层22内定向的磁矩。类似地，在透射光S_⊥＝E_⊥×H_⊥的情形中，E_⊥使光通过导线24的光栅，因为它垂直于导线24，并且H_⊥使光经过磁材料层22，因为其垂直于磁矩。

因此，更优选但非必要地，图10中线24的高度‘d3’大于在感兴趣的波长处线24所用材料的趋肤深度长度。在该情形中，因为E_‖和H_‖都参与有源反射偏振器20，E_‖(或H_‖)中产生的任何缺陷能够通过H_‖(或E_‖)来弥补。例如，因为具有100nm或更小的光栅周期(grating period)的线栅偏振器难于制造，我们可满足于线24的光栅周期范围为大约500nm到10nm。然而，该光栅中增大的周期导致E_‖的缺陷，其影响了线栅偏振器作为适宜的光场偏振器的整体性能。在有源反射偏振器20中，E_‖的缺陷通过使磁材料层22具有更稠密的磁矩而可在H_‖中弥补。类似的，我们也可以反过来进行所讨论的过程，这里磁材料层22的质量的降低因此产生了H_‖内的缺陷。H_‖内的缺陷可通过使导线24的光栅周期尽可能小来增加E_‖的性能而在E_‖内弥补。

图14是使用线配置生成磁场以定向磁矩的的另一透射图。与图10所示不同，电流允许经过仅设置在磁材料层22的一侧的线24。因为磁材料层22的厚度最大为几微米或更小的量级，并且已知事实：从每条线24产生的磁场具有距离平方的反比关系，图14所示的配置能够容易产生足够强度的磁场以定向磁材料层22中的磁矩。

作为产生外部磁场以定向磁介质层22内的磁矩的另一实施例，设置在磁材料层22周围的透明板电极25可用作磁场生成单元，如图15所示。图15是根据本发明的另一实施例的有源反射偏振器的透射图。透明电极25可由诸如ITO的透明导电材料形成。然而，由诸如铝、铜、银、金、铂等高导电性金属形成的非常薄的金属膜可用作透明电极25。当诸如铝、铜、银、金、铂等的光学非透明金属涂覆为小于其电趋肤深度长度的厚度时，它们就变为光学透明。使用透明板电极25的有源反射偏振器比图10和14的线方案在排列磁矩方面可得到更大均匀性。

虽然在图15中透明板电极25完全围绕磁材料层22，透明板电极25可如图16所示部分围绕磁材料层22。在图16中，透明板电极25可设置在磁材料层22的上表面上或者下表面上，并且依旧产生足够的外部磁场以定向磁材料层22内的磁矩。

供选地，有产生磁场的其它本领域已知方式。

在本发明的另一方面，提供了根据上述操作偏振电磁能的方法。在一个实施例中，该方法包括在磁层处接收电磁能；在第一方向上产生磁场以定向磁层内的多个磁颗粒的磁矩；反射基本平行于第一方向的电磁能分量；以及通过磁层透射基本垂直于第一方向的电磁能分量。

图17是示出了根据本发明的实施例的通过有源反射偏振器20的随时间变化的磁场的图。图18是图17的图的一部分的放大图。在产生图17和18的图的计算中，为方便，磁材料层22内的磁芯的电导率以及磁化率为钛的电导率和磁化率。电导率和磁化率的值有意从钛获得，是因为尽管钛具有相对高的电导率，但钛的磁化率小，因为它是顺磁材料。换句话说，如其对基于钛的磁矩有效，其无疑将对基于更好的磁芯的磁矩有效。另外，假设入射光具有大约550nm的波长以及大约100V/m的强度。已知在室温20℃时钛具有大约2.38×10⁶S的电导率，这里S＝西门子(Siemens)，以及磁化率为大约18×10^-5S。在产生图17和18的图的理论计算中，为方便，钛芯允许具有1nm的直径并且每个钛芯假设相互完全绝缘。参照图17和18，磁场垂直于磁材料层22的磁化M的光经过有源反射偏振器20透射，没有任何衰减损失，而与磁材料层22增加的厚度无关。反过来，磁场平行于磁材料层22的磁化M的光急剧衰减，在大约60nm振幅近乎0。因为钛芯假设具有1nm的直径，60nm可解释为光已经经过了60个钛芯。因此，当磁材料层22由钛形成并且磁材料层22的厚度大于60nm时，对于具有550nm波长的光能够实现几乎完全偏振分离。

图19是示出了对比率CR的log₁₀CR的图以及图20为示出了对比率CR的|CR|的图。对比率CR是磁场垂直于有源反射偏振器20的磁化M的光的透射率与磁场平行于有源反射偏振器20的磁化M的光的透射率的比率。例如，如果“W1”是需要被透射的光以及“W2”是出于某种原因被透射但非想要的光，对比率CR就定义为W1/W2。在根据本实施例的有源反射偏振器20中，“W1”为S_⊥＝E_⊥×H_⊥以及“W2”为S_‖＝E_‖×H_‖。参照图17和18，随着磁材料层22的厚度增加，磁场平行于磁化M的光的透射下降并且磁场垂直于磁化M的光的透射保持不变。因此在图19和20中，示出了随着磁材料层22的厚度增加而增加的对比率。对图3A到3D所示的磁矩的芯壳26，其中的金属芯26a是具有大约1nm的直径的钛的金属芯时，为了得到大于1000的对比率CR，磁材料层22的厚度不需超过45nm。

在铁磁、顺磁以及超顺磁源的情形中，磁矩通过使其自身平行于施加的磁场而响应磁场。在抗磁性源的情形中，磁矩通过在场的相反方向上定向响应施加的磁场。从磁矩的角度看，光的磁场分量，与来自导线24或者封闭磁材料层22的透明板电极25的外部施加磁场没有区别。如果磁材料层22的磁矩的方向能够容易地被入射光影响，有源反射偏振器20的性能可降低。然而，简单的计算表明，即使磁矩的惯性矩为1×10^-15kg·m²这么小，一旦通过外部施加磁场定向，该定向很难由进入光的磁场分量影响，这由图21示出。

图21是示出了当磁矩响应入射光的磁场时磁矩的角度波动的图。对于图21示出的计算，磁材料层22的每个磁矩被分配磁矩值1×10^-15kg·m²并且磁矩使用强度为H_app～265A/m的外部施加磁场被初始地定向。进入光选择为具有550nm的波长并且给定足够大功率1327W。图21中的纵轴的单位为度，并且图21中的水平轴的单位为毫微微秒(fs)时间，其必须再乘因子0.0036692。参照图21，因为入射光是预定周期的正弦波，磁矩取向上的角度波动按照入射光的振幅以正弦波的形式变化。响应入射光的磁矩的角度波动具有周期1.8346fs。从图21可以看出，由于入射光的影响导致的磁矩的角度波动的峰值振幅非常小，其影响可从进一步的考虑中忽略。即，由于入射光导致的磁矩的角度波动可忽略。

如上所述，在根据本发明如上所述构造的有源反射偏振器20的情形中，通过将芯壳型磁颗粒26与糊状绝缘材料混以及在透明基板21上涂覆和固化所得产物，或通过在溶液中浸芯壳型磁颗粒26以及在透明基板21上涂覆和固化所得产物，或者将当前可得的磁聚合物薄膜直接附着到透明基板21上，可形成磁材料层22。因此，根据本发明的有源反射偏振器20能够比线栅偏振器更容易制造，在线栅偏振器中非常细的金属线在透明基板上以非常小的间隔排列。另外，根据本发明的有源反射偏振器20从制造工艺角度而言并不在尺寸上局限。它能够以任意尺寸容易地制造。

因此，根据本发明的有源反射偏振器20能够以各种方式用于诸如液晶显示器(LCDs)的显示设备。例如，图22示出了使用根据本发明的有源反射偏振器20的LCD设备的横截面图。参照图22，LCD设备包括液晶面板15以及面对液晶面板15的后表面并且发射光到液晶面板15的背光单元11。液晶面板15包括液晶层13、前部偏振器14以及作为后部偏振器的有源反射偏振器20。在这样的配置中，导通状态的有源反射偏振器20只透射从背光单元11发射的光的一半到液晶层13并且反射剩下的一半。反射光再次在设置在背光单元11下面的反射板18上反射到有源反射偏振器20。背光单元11通常包括漫射板(未示出)，通过它反射光均匀地偏振。因此，背光单元11发射的大部分光能够被使用。

尽管图22示出了有源反射偏振器20用作液晶面板15的后部偏振器，液晶面板15可具有作为后部偏振器的传统吸收偏振器，并且有源反射偏振器20可设置在液晶面板15和背光单元11之间。而且，根据本发明的有源反射偏振器20可作为背光单元11的一部分附着到背光单元11的发光表面。

在有源反射偏振器20用到显示装置或背光单元中的情形中，磁材料层22内的磁矩可具有铁磁源(origin)。具有铁磁源的磁矩几乎不能返回到任意定向状态，而是即使当外部磁场关闭时也保持在所定向的方向。因此，当显示设备开启时，一旦在磁材料层22内具有铁磁源的磁矩通过施加电流到有源反射偏振器20在预定方向上定向，则不必再继续施加电流到有源反射偏振器20。

另外，根据本发明的有源反射偏振器20也能够用作诸如光闸的其它光学器件。在磁材料层22内的磁矩是顺磁、超顺磁或抗磁性源的情形中，，通过经由外部施加磁场定向这些磁矩，光闸允许透射一种偏振并且反射另一种。通过去除外部施加磁场，光闸允许反射光的两种偏振。因此，根据本发明的光闸能够被控制以透射或者阻挡光。

在磁材料层22内的磁矩是铁磁源的情形中，，通过经由外部施加磁场定向这些磁矩，光闸允许透射一种偏振并且反射另一种。然而，这时，外部施加磁场的去除不会导致磁矩随意定向状态并且磁矩仍保持定向。

贯穿本发明，术语“单畴”磁颗粒或材料，在解释本发明的工作原理时广泛使用。由定义，磁畴就是所有磁矩相互平行的区域。一个颗粒或材料，如果它的体积(尺寸)仅足够容纳一个磁畴，就被称为是单畴的。相反，如果一个颗粒或材料足够大以容纳多于一个磁畴，就称其为多畴磁颗粒或材料。

尽管属于相同畴的磁矩彼此平行，不同磁畴的磁矩不必彼此平行。实际上，不同磁畴的磁矩相对于彼此随机取向。

多畴磁颗粒或材料通过施加外部磁场能够成为单畴。当原先是磁多畴的颗粒(或材料)通过施加外部磁场变为单畴对应物时，就称材料被饱和(saturated)。

大块磁材料包含庞大数目的磁畴并且需要强度在大约几特斯拉范围内的外部磁场以到达到饱和点，即单畴状态。另一方面，尽管它依赖于材料的类型，足够大以包含若干磁畴的磁材料的薄层(薄磁膜)或磁颗粒能够以相对弱例如千分之一特斯拉的外部磁场达到饱和点。

尽管贯穿本发明使用了术语“单畴颗粒”，重要的是单畴条件而非颗粒的实际尺寸。如果提供充分强的外部磁场，包含多数目的磁畴的任意尺寸的磁材料，能够被充分饱和到可近似认为是磁单畴的点。总之，我们强调，磁颗粒的物理尺寸不局限于单畴尺寸，而是可大到足以包含多个磁畴。

尽管本发明已参照其示例性实施例进行了特定示出和描述，本领域一般技术人员能够理解，在不脱离本发明所附权利要求定义的精神和范围下可进行形式和细节上的各种变化。

Claims (25)

1.一种光学装置，包括：

在第一方向上磁化的磁材料层，所述磁材料层反射具有平行于所述第一方向的磁场分量的电磁辐射并透射具有垂直于所述第一方向的磁场分量的电磁辐射。

2.如权利要求1的所述光学装置，其中所述磁材料层由多个磁颗粒以及透明绝缘介质形成，在透明绝缘介质中嵌入所述多个磁颗粒而没有所述多个磁颗粒之间的聚集。

3.如权利要求1的所述光学装置，其中所述磁材料层当磁场施加到其上时在所述第一方向上磁化并且当所述磁场从其去除以后继续在所述第一方向上磁化。

4.如权利要求1的所述光学装置，其中所述磁材料层只在磁场施加到其上时在所述方向上磁化。

5.如权利要求1的所述光学装置，其中所述磁材料层具有大于所述磁材料层的磁衰减长度的厚度。

6.  如权利要求2的所述光学装置，其中所述多个磁颗粒的每一个由透明绝缘壳或透明聚合物型绝缘表面活性剂包围。

7.如权利要求2的所述光学装置，其中所述多个磁颗粒具有球形、椭圆形、正方形、矩形、圆柱形、椭圆形或任意形状。

8.如权利要求1的所述光学装置，进一步包括在所述磁材料层的两相对表面上的绝缘层。

9.如权利要求1的所述光学装置，进一步包括透明基板，所述磁材料层设置在所述透明基板上。

10.如权利要求2的所述光学装置，其中所述多个磁颗粒包括铁磁材料、超顺磁材料、顺磁材料、抗磁材料以及亚铁磁材料中的一种或多种。

11.如权利要求2的所述光学装置，其中所述多个磁颗粒选自由钛、钴、铁、镍、铝、钡、铂、钠、锶、镁、镝、锰、钆、银、铜、铬、钴铂Co_xPt_y、铁铂Fe_vPt_z、MnZn(Fe₂O₄)₂、MnFe₂O₄、Fe₃O₄、Fe₂O₃、以及Sr₈CaRe₃Cu₄O₂₄、Co_xZr_yNb_z、Ni_xFe_yNb_z、Co_xZr_yNb_zFe_v组成的群组，这里x，y，z以及v代表成分比率。

12.如权利要求2的所述光学装置，其中所述多个磁颗粒具有在1到1000nm的范围内的直径。

13.如权利要求1的所述光学装置，其中所述磁材料层由厚度小于1微米的磁薄膜形成。

14.如权利要求1的所述光学装置，其中所述磁材料层包含磁聚合物。

15.如权利要求1的所述光学装置，其中所述磁材料层由磁和透明绝缘材料的不同颗粒的混和物形成。

16.如权利要求1的所述光学装置，进一步包括涂覆在所述磁材料层的表面上的透明保护膜。

17.如权利要求1的所述光学装置，进一步包括设置在所述磁材料层的至少一侧以向所述磁材料层施加磁场的导电元件。

18.如权利要求17的所述光学装置，进一步包括与所述导电元件相连的电源。

19.如权利要求17的所述光学装置，其中所述导电元件具有排列在所述磁材料层上的多条线。

20.如权利要求19的所述光学装置，其中所述多条线的相邻线之间的空间用透明绝缘材料填充。

21.如权利要求17的所述光学装置，其中所述导电元件是透明板电极。

22.一种产生偏振的电磁辐射的方法，包括：

在第一方向上磁化磁材料层；

在所述磁材料层处接收电磁辐射；

反射具有平行于所述第一方向的磁场分量的所述电磁辐射的第一分量；以及

透射具有垂直于所述第一方向的磁场分量的所述电磁辐射的第二分量。

23.一种产生偏振的电磁辐射的方法，包括：

在第一方向上磁化的磁材料层处接收电磁辐射；

反射具有平行于所述第一方向的磁场分量的所述电磁辐射的第一分量；以及

透射具有垂直于所述第一方向的磁场分量的所述电磁辐射的第二分量。

24.一种液晶面板，包括：

液晶层；以及

偏振器，包括在第一方向上磁化的磁材料层，所述磁材料层反射具有平行于所述第一方向的磁场分量的光并朝所述液晶面板透射具有垂直于所述第一方向的磁场分量的光。

25.一种液晶显示器，包括：

液晶层；

提供光的背光单元；

偏振器，设置在所述背光单元与所述液晶层之间，所述偏振器包括在第一方向上磁化的磁材料层，所述磁材料层反射具有平行于所述第一方向的磁场分量的所述光的第一分量以及透射具有垂直于所述第一方向的磁场分量的所述光的第二分量。

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