CN101290371A

CN101290371A - 一种亚波长光栅结构偏振片及其制作方法

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Publication number: CN101290371A
Application number: CNA2008101237108A
Authority: CN
Inventors: 周云; 陈林森; 叶燕; 周小红; 浦东林; 申溯; 魏国军; 解正东
Original assignee: SUDA WEIGE DIGITAL OPTICS CO Ltd SUZHOU; Suzhou University
Current assignee: SUDA WEIGE DIGITAL OPTICS CO Ltd SUZHOU; Suzhou University
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2008-10-22

Abstract

本发明公开了一种亚波长光栅结构偏振片，包括透明基底、介质光栅、第一金属层和第二金属层，所述介质光栅具有周期性间隔设置的脊部和沟槽，所述第一金属层覆盖于介质光栅的脊部，所述第二金属层覆盖于介质光栅的沟槽中，介质光栅的周期小于入射光波长，其特征在于：在所述透明基底和介质光栅之间，设有高折射率介质层，所述高折射率介质层的折射率在1.6至2.4之间。通过在透明基底和介质光栅之间增加高折射率介质层，提高了偏振片的TM光的透射效率和消光比。在整个可见光波段，该偏振片具有高透射效率、高消光比、宽广的入射角度范围。在工艺上，采用纳米压印技术加工制作，制作过程简便易操作，不需要刻蚀工艺，降低了加工成本。

Description

一种亚波长光栅结构偏振片及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种适用于可见光的偏振片，具体涉及一种亚波长光栅结构的偏振片，可应用于背光显示领域。

背景技术

偏振片是液晶显示、光学测量、光通信等系统中使用的一种非常重要的光学组件，具有非常广阔的市场。这些系统中要求偏振片具有高消光比、宽广的入射角度范围和非常紧凑的体积。传统的偏振片体积过大、制作过程复杂，而且仅仅在较小的波长范围内具有大的消光比，已经不能满足显示行业轻量型、超薄型、低成本的要求。因此，如何设计结构紧凑、易于加工、性价比高的偏振片，成为该领域研究发展的趋势。

研究发现，金属光栅结构具有独特的偏振性能，引起了人们的关注。

金属光栅结构具有偏振性能的原因在于垂直于光栅矢量(TE偏振)和平行于光栅矢量(TM偏振)偏振光的边界条件不同，其等效折射率也不同。附图1为一维矩形金属光栅的结构图及产生偏振性能的原理图。其中，11为透明基底，12为金属光栅，金属光栅的周期为P，脊部宽度为W，高度为H，13为光源。由光源13产生的非偏振光(包含TM偏振光和TE偏振光)以入射角θ入射到该偏振片。TE偏振(又称s偏振)激发金属线的电子而产生电流，使得该方向的偏振光反射，而TM偏振(又称p偏振)由于该方向上有空气间隙将金属线隔离而无法引发电流，此时光波会透射过去。这样就实现了入射光中振动方向互相垂直的两个偏振态p、s的分离，表现出强烈的偏振特性。

影响光栅的偏振特性的主要因素是光栅的周期和入射波长之间的关系。当周期比入射波长大时，光栅不具有偏振性能；当周期比入射波长小很多时，光栅具有偏振性能，反射与光栅方向平行的电场分量，而透射与光栅方向垂直的电场分量；当周期在入射波长的一半到两倍之间时，光栅属于过渡区域，光栅的透射效率及反射效率都有急剧的变化。

对于周期小于入射波长的光栅(称为亚波长光栅)，传统的标量衍射理论已不再适用，需要用严格的矢量衍射理论来描述。研究表明，能够用于可见光光谱范围的性能较好(高透射效率、高消光比)的金属偏振光栅的周期都很小，通常要求小于100nm。电子束曝光、反应离子刻蚀、纳米压印技术等微纳米加工技术的发展，使得加工线宽小于100nm的光栅成为可能。通常用消光比来衡量偏振片的性能的好坏。透过率的消光比是指TM光的透射效率与TE光的透射效率的比值。

由于亚波长金属光栅体积小、易于集成、偏振特性好，很多科研人员对其相应的理论分析、结构设计、制作工艺等进行了深入研究。

美国专利US7158302公开了一种双金属层偏振片，在500-700nm波长范围，TM光的透射效率大部分在70％以上，但是在400nm波长时，TM光的透射效率为63％，TM光的透射效率有待提高。

中国专利说明书CN1363048A中公开了一种用于可见光谱的宽带线栅偏振器，通过在金属光栅和衬底之间设置一折射率低于衬底的折射率的区域，扩展了没有谐振效应发生的可见波长带，从而提供了适用于可见光光谱的单层金属光栅偏振器。该专利主要分析了增加的低折射率区域对偏振器的透射性能的影响，未给出其对消光性能的影响。

因此，针对可见光波段，在设计结构紧凑的偏振片时，需要解决的问题是：降低加工成本、提高透射效率、增大消光比。

发明内容

本发明目的是提供一种新型的亚波长光栅结构偏振片，该偏振片不仅适用于可见光波段、具有宽广的入射角度范围，而且具有高透射效率和高消光比。

本发明的另一个目的是提供该种偏振片的制作方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种亚波长光栅结构偏振片，包括透明基底、介质光栅、第一金属层和第二金属层，所述介质光栅具有周期性间隔设置的脊部和沟槽，所述第一金属层覆盖于介质光栅的脊部，所述第二金属层覆盖于介质光栅的沟槽中，介质光栅的周期小于入射光波长，在所述透明基底和介质光栅之间，设有高折射率介质层，所述高折射率介质层的折射率在1.6至2.4之间。

上文中，所述透明基底为玻璃或者塑料薄膜，其中，塑料薄膜可以采用聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚丙烯(BOPP)。所述金属层为金、银、铜、铝层。所述介质光栅可以采用聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚丙烯(BOPP)等材料。

上述技术方案中，所述介质光栅的周期小于等于250纳米；脊部宽度与周期的比值为0.3～0.6；所述第一金属层和第二金属层的厚度为50～100纳米；所述介质光栅的脊部厚度大于金属层的厚度。

所述高折射率介质层的厚度为10～200纳米。

所述透明基底厚度为500～1000微米。

为实现本发明的另一发明目的，采用的方案是，一种亚波长光栅结构偏振片的制作方法，包括下列步骤：

(1)在透明基底上沉积高折射率介质层，所述高折射率介质层的折射率在1.6至2.4之间；

(2)在高折射率介质层上涂布介质层；

(3)用光栅模板在介质层表面形成周期介质光栅结构；

(4)在周期介质光栅结构表面利用物理溅射方法沉积金属层，即获得所需的亚波长光栅结构偏振片。

其中，所述步骤(3)中，介质光栅结构通过纳米压印方法制作形成。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明通过在基底和介质光栅之间增加高折射率介质层，TM光可以从亚波长光栅结构偏振片中透射出来，而TE光被亚波长光栅结构偏振片反射，具有很高的分光和偏振转换效果，从而提高透射效率和消光比。

2.本发明的偏振片，在整个可见光波段(400nm-700nm)，具有高透射效率、高消光比；入射光的入射角度在0度～50度范围变化，具有宽广的入射角度范围。

3.在工艺上，本发明可以采用纳米压印技术加工制作，制作过程简便易操作，不需要刻蚀工艺，降低了加工成本。

4.与传统的偏振片不同，本发明通过调整高折射率介质的折射率、厚度、介质光栅的厚度、脊部宽度、周期、金属层的厚度等参数可以获得高TM光透射效率和高消光比，设计更灵活。

5.本发明的偏振片可以用在液晶显示的导光板中进行分光，p光可以从亚波长光栅结构偏振片中透射出来，而s光被亚波长光栅结构偏振片反射，具有很高的分光和偏振转换效果，最终可以提高光能利用效率。

附图说明

图1为一维矩形金属光栅的结构图及产生偏振性能的原理图。

图2为本发明实施例中设计的亚波长光栅结构偏振片的结构示意图。

图3为本发明实施例一中亚波长光栅结构偏振片的TM光的透射效率与入射波长的关系图。

图4为本发明实施例二中亚波长光栅结构偏振片的TM光的透射效率与入射波长的关系图。

图5为本发明实施例三中亚波长光栅结构偏振片的TM光的透射效率与入射波长的关系图。

图6为本发明实施例四中亚波长光栅结构偏振片的高折射率介质层的厚度h1与TM光的透射效率之间的关系图。

图7为本发明实施例四中亚波长光栅结构偏振片的高折射率介质层的厚度h1与TE光的透射效率之间的关系图。

图8为本发明实施例五中亚波长光栅结构偏振片的TM光的透射效率与入射波长的关系图。

图9为本发明实施例六中亚波长光栅结构偏振片的TM光的透射效率与入射角度的关系图。

图10为本发明实施例七中亚波长光栅结构偏振片的TM光的透射效率与入射波长的关系图。

图11是本发明实施例中设计的亚波长光栅结构偏振片的加工过程示意图。

图12是实施例九中亚波长光栅结构偏振片在液晶显示的导光板中的应用示意图。

具体实施方式

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2，为亚波长光栅结构偏振片的示意图。

透明基底22由玻璃或者塑料薄膜构成，厚度为500-1000um。塑料可以为聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚丙烯(BOPP)。

高折射率介质层25的折射率大于基底的折射率。

高折射率介质层25可以为TiO₂、Ta₂O₅、ZnS等等。

介质光栅24由塑料构成，塑料可以为聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚丙烯(BOPP)。

金属层23可以是金、银、铜、铝层。

其中，介质光栅的周期p小于等于250nm；

介质光栅的脊部宽度w与周期p的比值F为0.3-0.6；

高折射率介质层的折射率N：1.6-2.4；

高折射率介质层的厚度h1范围10-200nm；

金属层的厚度h3范围50-100nm；

介质光栅的厚度h2大于金属层的厚度h3。

由图中可见，在基底和介质光栅之间设有高折射率介质层。入射光21为可见光，波长为400nm-700nm，入射角为0度；基底22为玻璃，折射率为1.52；金属层23为铝；介质光栅24为PMMA，折射率为1.48；高折射率介质层25为ZnS，折射率为2.4。偏振片的结构参数如下：基底厚度为1000um，高折射率介质层厚度h1为0.04um，介质光栅的高度h2＝0.1um，金属层的高度h3＝0.07um，介质光栅的周期p＝0.1um，脊部宽度w＝0.05um。在此条件下，TM光的透射效率与波长的关系如附图3所示。在波长为400nm、470nm、550nm、610nm、700nm处TM光的透射效率、TE光的透射效率、消光比如表1所示。

表1

从表1可以看出，在整个可见光波段，本发明设计的偏振片具有良好的透射和偏振性能(TM光的透射效率大于71％，消光比大于692)。

实施例二：

参见图2，在基底和介质光栅之间增加高折射率介质层(ZnS)。入射光21为可见光，波长为400nm-700nm，入射角为0度；基底22为聚碳酸酯薄膜(PC)，折射率为1.58；金属层23为铝；介质光栅24为PMMA，折射率为1.48；高折射率介质层25为ZnS，折射率为2.4。偏振片的结构参数如下：基底厚度为1000um，高折射率介质层厚度h1为0.04um，介质光栅的高度h2＝0.1um，金属层的高度h3＝0.07um，介质光栅的周期p＝0.1um，脊部宽度w＝0.05um。

在此条件下，TM光的透射效率与波长的关系如图4所示。在400nm波长处，TM光的透射效率为77％，TE光的透射效率为0.000026，消光比为29615。

实施例三：

参见图2，在基底和介质光栅之间增加高折射率介质层(ZnS)。入射光21为可见光，波长为400nm-700nm，入射角为0度；基底22为聚酯薄膜(PET)，折射率为1.48；金属层23为铝；介质光栅24为PMMA，折射率为1.48；高折射率介质层25为ZnS，折射率为2.4。偏振片的结构参数如下：基底厚度为1000um，高折射率介质层厚度h1为0.04um，介质光栅的高度h2＝0.1um，金属层的高度h3＝0.07um，介质光栅的周期p＝0.1um，脊部宽度w＝0.05um。

在此条件下，TM光的透射效率与波长的关系如图5所示。在400nm波长处，TM光的透射效率为79％，TE光的透射效率为0.000026，消光比为30384。

实施例四：

改变实施例一中高折射率介质层(ZnS)的厚度h1，其他参数不变。入射波长为400nm时，高折射率介质层的厚度h1对TM光的透射效率、TE光的透射效率的影响如图6、图7所示。随着h1的增加，TM光的透射效率在47％-79％范围周期性变化，TE光的透射效率在0.000017-0.000041范围周期性变化。

为了减小镀高折射率介质层的难度，增加镀高折射率介质层的牢固度，通过优化高折射率介质层的折射率和厚度这两个参数，可以得到易加工的具有高透射效率、高消光比的偏振片。

实施例五：

改变实施例一中入射角为45度，其他参数不变。入射光21为可见光，波长为400nm-700nm。在此条件下，TM光的透射效率与入射波长的关系如图8所示。在400nm波长处，TM光的透射效率为78％，TE光的透射效率为0.000012，消光比为65000。在整个可见光波段，斜入射时，偏振片具有高透射效率、高消光比(透射效率大于78％，消光比大于1157)。

实施例六：

以入射光波长为400nm为例。改变实施例二中入射角，其他参数不变，入射光的入射角度对TM光的透射效率的影响如图9所示。随着入射角度的增加，TM光的透射效率降低。在0度到55度范围，TM光的透射效率大于70％，消光比大于30000，说明本发明设计的偏振片具有宽广的入射角度范围。

实施例七：

参见图2，以F为0.4为例。其他参数为：入射光21为可见光，波长为400nm-700nm，入射角为0度；基底22为玻璃，折射率为1.52；金属层23为铝；介质光栅24为PMMA，折射率为1.48；高折射率介质层的折射率为2。偏振片的结构参数如下：基底厚度为1000um，高折射率介质层厚度h1为0.04um，介质光栅的高度h2＝0.09um，金属层的高度h3＝0.07um，介质光栅的周期p＝0.1um，宽度w＝0.04um。

在此条件下，TM光的透射效率与波长的关系如图10所示。在400nm波长处，TM光的透射效率为86％，TE光的透射效率为0.000026，消光比为33077。在整个可见光波段，该偏振片具有良好的透射和消光性能(透射效率大于72％，消光比大于720)。

实施例八：

图11是本发明设计的亚波长光栅结构偏振片的加工过程。第一步，在透明基底131的上表面通过物理蒸镀或者溅射沉积高折射率介质层132。第二步，在高折射率介质层表面涂布一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)133，加热至高于聚甲基丙烯酸甲酯的玻璃化相变点温度。第三步，将预制的金属镍版模板134以一定的压力压入聚甲基丙烯酸甲酯。保持这种压力不变，降低温度至相变点温度以下。第四步，将模板抬起脱模，在聚甲基丙烯酸甲酯表面得到了周期图案。第五步，在聚甲基丙烯酸甲酯的周期图案上利用物理溅射沉积金属层135。

实施例九：

图12是本发明设计的亚波长光栅结构偏振片在液晶显示的导光板中的应用示意图。其中，顶部是本发明设计的亚波长光栅结构偏振片141，底部是反射片142，反射片142具有随机位相结构。非偏振光入射到偏振片141上，P光可以从偏振片中透射出去，而S光被偏振片反射。被反射回来的光入射到反射片上，具有随机位相结构的反射片可以让光线的偏振方向发生随机改变，使得不断有满足偏振片入射条件的光出射，从而提高光能利用效率。

Claims

1.一种亚波长光栅结构偏振片，包括透明基底、介质光栅、第一金属层和第二金属层，所述介质光栅具有周期性间隔设置的脊部和沟槽，所述第一金属层覆盖于介质光栅的脊部，所述第二金属层覆盖于介质光栅的沟槽中，介质光栅的周期小于入射光波长，其特征在于：在所述透明基底和介质光栅之间，设有高折射率介质层，所述高折射率介质层的折射率在1.6至2.4之间。

2.根据权利要求1所述的亚波长光栅结构偏振片，其特征在于：所述介质光栅的周期小于等于250纳米；脊部宽度与周期的比值为0.3～0.6；所述第一金属层和第二金属层的厚度为50～100纳米；所述介质光栅的脊部厚度大于金属层的厚度。

3.根据权利要求1所述的亚波长光栅结构偏振片，其特征在于：所述高折射率介质层的厚度为10～200纳米。

4.根据权利要求1所述的亚波长光栅结构偏振片，其特征在于：所述透明基底厚度为500～1000微米。

5.一种亚波长光栅结构偏振片的制作方法，其特征在于，包括下列步骤：

(2)在高折射率介质层上涂布介质层；

(3)用光栅模板在介质层表面形成周期介质光栅结构；

6.根据权利要求5所述的亚波长光栅结构偏振片的制作方法，其特征在于：所述步骤(3)中，介质光栅结构通过纳米压印方法制作形成。