CN101495911B - 具有偏振分离的微结构的反射性偏振器 - Google Patents

Abstract

一种反射性偏振器，其包括：(a)光入射介质(42)，其包括光入射表面(51)和具有一系列棱形结构(46)的微结构化表面(44)，各个棱形结构的第一和第二侧壁(47a，47b)相对于光入射表面的倾斜角大于53度；(b)位于所述一系列棱形结构上的偏振选择性薄膜光学涂层(48)，其用来透射第一偏振光并反射第二偏振光；(c)位于所述偏振选择性薄膜光学涂层上的光出射介质(43)，其提供平滑的光出射表面(52)。

Description

具有偏振分离的微结构的反射性偏振器

发明领域

本发明涉及一种反射性偏振膜(reflective polarizer film)，其优选地透射一种偏振光并且反射正交的偏振光。更具体来说，本发明涉及一种反射性偏振膜，其包含棱形界面微结构，这种微结构具有取决于偏振的薄膜光学涂层。本发明特别适合用来增大LCD背光源的亮度和效率。

发明背景

反射性偏振器被广泛应用于液晶显示器(LCD)的背光源中，用来提高图像亮度和光利用效率。反射性偏振器经常作为预偏振器，用来回收可能会被LCD的吸收偏振器所吸收的偏振分量(polarization component)。现有的LCD主要使用两种反射性偏振器，DBEF和DRPF，它们都是基于双折射聚合物，由3M公司销售。人们已经提出了将具有以下结构的偏振器用作LCD背光源的反射性偏振器：在具有90度顶角的棱形表面界面上具有光学薄膜的偏振器。但是，迄今为止，这样的棱形反射性偏振器由于性能差且生产成本高，尚未商业应用。

图1是美国专利第5,422,756号的图3，其中显示了由光入射介质12所组成的棱形反射性偏振器10，所述光入射介质12包括由一系列棱形结构16组成的微结构化表面14。包括交替的高折射率材料薄层和低折射率材料薄层的薄膜光学涂层18被安置在微结构化表面14上。所述光学涂层18设计成优选透射一种偏振光并且反射正交的偏振光。反向结构化表面20与光学涂层18光学地相连，提供平坦的光出射面22。50年前，Geffcken等人在1956年6月5日授权的名为“用于偏振光的光源、探照灯等(LIGHTSOURCE，SEARCHLIGHT OR THE LIKE FOR POLARIZED LIGHT)”的美国专利第2,748,659号中首先提出了这类棱形反射性偏振器。以下文献中揭示了对该方法的改进，主要是用于LCD背光源中的应用：Ogura，美国专利第5,061,050号，1991年10月29日出版，″偏振器(POLARIZER)″；Weber，美国专利第5,422,756号，1995年6月6日出版，″使用回射偏振器的背光系统(BACKLIGHTING SYSTEM USING A RETROREFLECTINGPOLARIZER)″；以及Weber的美国专利第5,559,634号，1996年9月24日出版，“回射偏振器(RETROREFLECTING POLARIZER)”。

如图1所示，入射到棱形结构16的第一侧壁17a上的光线经光学涂层18透射(p偏振光30)或反射(s-偏振光32)。然后p偏振光30不受影响地离开棱形反射性偏振器10。但是，一次反射的s偏振光34被棱形结构16的第二侧壁17b第二次反射。因此，s偏振光32作为两次反射的s偏振光36回射到来源处。为了棱形反射性偏振器10发挥功能，所述棱形结构16的顶角24应为80-100度，优选为90度。因此，相对于光入射介质12的光入射面21，倾斜角应约为45度。

所述光学涂层18包含四分之一波长(相对于材料内光的波长)厚度的高折射率层和低折射率层的叠层。如Weber在第′634号专利中所述，对于LCD背光源中可见光的应用，需要对整个可见光谱进行光回收，此时光学涂层18包括大量子叠层。每个子叠层设计成可见光谱不同部分的四分之一波长层。第′634号专利中揭示的涉及总共包括28个层，用来包括全部的可见光谱。这样的高层数对于大面积低成本地进行生产是一个极大的挑战。另外，如第′634号专利所述，涂层的角度性能将所述棱形反射性偏振器10在空气中可用的功能限制在大约+/-10度的角度范围。受限制的角度性能很大程度上是由于光是以与表面法线成约45度的角度入射到薄膜光学涂层18上的。本领域众所周知，当入射角为45度的时候，要比略大的角更难设计偏振光学膜叠层，而且具有更窄的性能范围。

现有技术的棱形反射性偏振器具有两个显著的难题：1)严重的角度和波长敏感性，限制了适当的应用范围，2)大量交替的高折射率层和低折射率层，导致了高生产成本。通过增加层数可以降低波长敏感性，但是这会进一步增大生产成本。因此人们需要一种棱形反射性偏振器，使其能够在很大范围的入射角和波长进行工作，而且能够以合理的成本进行生产。

发明内容

本发明提供了一种反射性偏振器，其包括：

(a)光入射介质，其包括光入射表面和具有一系列棱形结构的微结构化表面，每个棱形结构的第一侧壁和第二侧壁相对于光入射表面的入射角大于53度；

(b)位于所述一系列棱形结构上的偏振选择性薄膜光学涂层，其用来透射第一偏振光并反射第二偏振光；以及

(c)位于所述偏振选择性薄膜光学涂层上的光出射介质，其用来提供平坦的光出射表面。

本发明还包括一种制造所述偏振器和包括所述偏振器的LCD显示器的方法。与其它已知的棱形反射性偏振器相比，具有所述入射角的本发明的偏振器对于入射角和波长的容许范围更大一些，并且可以以较低的成本制造。

附图说明

图1是美国专利第5,422,756号所述的现有技术的截面示意图。

图2是本发明偏振器的截面示意图。

图3a-3d显示了偏振器的制造顺序。

图4显示了用于本发明偏振器的样品多层涂层设计。

图5a至5c显示了图4的偏振器对于三种不同波长的光的透射曲线。

图6显示了图4的偏振器在40度入射角范围内求平均得到的65度倾斜角的透射率。

图7显示本发明偏振器简单的三层设计。

图8显示图7的偏振器在40度入射角范围内的透射曲线。

图9显示使用金属层的多层设计。

图10显示图9的偏振器在40度入射角范围内平均得到的透射曲线。

图11显示表1的多层偏振器在40度入射角范围内平均得到的透射曲线。

图12显示使用本发明的偏振器的背光源组件。

图13显示使用隔离体帮助防止与相邻的光控制膜浸润的偏振器。

图14显示具有三个微结构化表面的反射性偏振器的实施方式。

图15显示了未能完成所需s偏振光的反射的各种方式。

图16显示了使用大于53度的倾斜角的影响。

图17显示了使用小于70度的倾斜角的影响。

图18显示了在偏振选择性薄膜光学涂层上具有三次反射的本发明的一个实施方式。

图19a显示了本发明偏振器的七层涂层设计，其能够容忍均匀层厚度变化。

图19b显示了七层涂层，其中每一层的厚度是图19a厚度的150％。

图20a和20b分别显示了在图19a和19b相应的40度入射角范围内取平均得到的透射曲线。

具体实施方式

本发明具体涉及用于形成根据本发明的设备的一部份的元件，或者涉及与根据本发明的设备更直接地协作的元件。应当理解所述元件并不仅限于图中具体显示或描述的那些，可以具有本领域技术人员众所周知的各种变化形式。

图2显示了本发明的棱形反射性偏振器40，其可以设计成同时在整个可见光谱范围内和很宽的入射角范围内提供良好的性能。另外，本发明可以以较低的成本制造。所述棱形反射性偏振器40包括光入射介质42，其具有光入射表面51和相反的微结构化表面44，所述微结构化表面44包括一系列棱形结构46。包括交替的高折射率材料薄层和低折射率材料薄层的薄膜光学涂层48被安置在微结构化表面44上。在一个优选的实施方式中，所述光学涂层48被设计成优选地透射p偏振光30并反射s偏振光32。反向结构的表面50与光学涂层48光学地相连，并且提供平坦的光出射面52。如本领域众所周知，对于p偏振光，电场平行于包括入射光线和表面法线的入射面，而对于s偏振光，电场垂直于入射面。

入射到棱形结构46的第一侧壁47a上的光线经光学涂层48透射(p偏振光30)或被反射(s-偏振光32)。然后p偏振光30不受影响地通过光出射介质53从而离开棱形反射性偏振器40。如图2所示，一次反射的s偏振光34主要透射穿过棱形结构46的第二侧壁47b上的光学涂层48。然后这些光线在光出射介质53的平坦的光出射表面52上发生内全反射(TIR)。两次反射的s偏振光36返回微结构化表面44，通过第一侧壁47a，在第二侧壁47b上反射。因此，s偏振光32主要地作为三次反射的s偏振光38而回射到来源处。对于这样设计运作的棱形反射性偏振器40，侧壁的倾斜角56应大于53度。如下文所述，优选的倾斜角56是55-70度。对于图2中所述种类的对称型微结构化表面44，该倾斜角范围对应于40-70度的顶角。更优选的是，倾斜角56应为60-70度，相对应的顶角为40-60度。

所述棱形结构46可具有三角形的横截面，具有较平坦的第一侧壁47a和第二侧壁47b，或者所述侧壁可以略微变圆。另外，沿整个棱形反射性偏振器40，所述棱形结构可以是连续的或非连续的。对于非对称性微结构化表面44，其中第一和第二侧壁47a和47b相对于棱形反射性偏振器40的表面具有不同的角度，倾斜角的值为两个侧壁的平均值。

图2仅显示了棱形反射性偏振器40的若干条光路，以说明其基本功能。对于本领域技术人员而言，很明显，在实际中存在大量的光路。例如，根据光学涂层48的设计，一部份一次反射的s偏振光34可以被第二侧壁47b反射，再被第一侧壁47a反射一次，从而在光入射表面51处从所述棱形反射性偏振器40出射。

图3a至3c显示了制造棱形反射性偏振器40的一种可能的制造工序。通过电子束蒸发、热蒸发、溅射、化学气相沉积(CVD)或本领域技术人员众所周知的其它沉积方法将薄膜光学涂层真空沉积在微观图案化的棱形膜基材62的图案化表面上。所述棱形膜基材62优选由合适的透明塑料(例如聚碳酸酯或PMMA)制成。或者，其可以由玻璃或者其它具有足够透明度的材料制成(例如对于红外波长使用硅)。所述包括薄膜光学涂层48的高折射率层和低折射率层可以选自许多合适的材料。对于高折射率层，这些材料包括TiO₂和ZnS，对于低折射率层，这些材料包括SiO₂，MgF₂，LiF和BaF₂。所述棱形膜基材62可以通过各种热压纹和挤出辊模塑微型图案化方法由整体型聚合物浇铸片材制得，例如采用Benson等人在美国专利申请第2005/0275122号，″用于模塑辊的平坦顺应带(SMOOTH COMPLIANT BELTFOR USE WITH MOLDING ROLLER)″以及Bourdelais等人在美国专利申请第2005/0275132号，″用于模塑辊的顺应性辊上的带(BELT OVERCOMPLIANT ROLLER USED WITH MOLDING ROLLER)″所述的方法。或者，所述膜基材上的棱形图案可以通过包括本领域技术人员众所周知的紫外固化技术的方法制造，例如Lu在1993年2月2日公开的美国专利第US5183597号，″具有微结构的复合塑料制品的模塑方法(METHOD OFMOLDING MICROSTRUCTURE BEARING COMPOSITE PLASTICARTICLES)″中所述的方法。然后将可紫外固化的丙烯酸类树脂厚层64涂覆在所述真空沉积的层上，并且用紫外光曝光。也可使用其他种类的可紫外固化的或可热固化的树脂来涂覆所述真空沉积层。例如，在此实施方式中，可以使用环氧树脂、聚氨酯或聚硅烷作为外涂层。外涂层还可以通过溶剂浇铸法制得，所述溶剂浇铸法包括将合适的聚合物的浓溶液(粘稠液)浇铸在棱形表面上，然后通过干燥除去溶剂。可以通过这种方式施加的材料包括、但不限于许多种纤维素、聚碳酸酯和丙烯酸类热塑性聚合物。为了确保微结构表面特征不会出现在最终的光入射和光出射表面上，如图3d所示，可以将平滑的片材66放置在环氧树脂顶部之上。应当注意根据设计，所述棱形膜62可以是光入射介质42或光出射介质43。

出于本发明的目的，用于形成光入射介质42或光出射介质43的聚合物平滑化层(polymeric planarizing layer)可以通过各种方法来施加，包括层叠法、熔融挤出法或液体涂覆法。为了能够对形貌特征进行最优的填充，优选采用液体涂覆法，特别是使用较低粘度涂料制剂进行液体涂覆。所述涂料制剂可以是水基的或基于有机溶剂的。根据制剂的组成和所需的涂覆速度，可以有效地使用很多种液体涂覆方法。合适的方法包括挤出料斗涂覆、滑动粒料涂覆、照相凹板涂覆、幕涂、喷涂、刮涂等。

为了在得到所需厚度的平滑化层所必需的高固体含量的情况下实现较低的粘度，需要使用包含分散的聚合物粘合剂或低分子量单体或低聚物材料的涂料制剂。

本发明的聚合物平滑化层可包含辐射固化或热固化的组合物。紫外(UV)辐射和电子束辐射是辐射固化法最常用的辐射。可紫外固化的组合物特别可用来制备本发明的平滑化层，可以使用两大类固化化学法(自由基化学法和阳离子性化学法)固化。丙烯酸酯单体(反应性稀释剂)和低聚物(反应性树脂和漆)是基于自由基的制剂的主要组分，赋予固化的涂层大部分的物理特性。要求光引发剂能够吸收紫外光能，分解产生自由基，进攻丙烯酸酯基C＝C双键，引发聚合反应。阳离子性化学法使用脂环环氧树脂和乙烯基醚单体作为主要组分。光引发剂吸收紫外光，形成路易斯酸，路易斯酸进攻环氧环，引发聚合反应。UV固化表示紫外固化，包括使用波长为280-420纳米的紫外辐射，优选波长为320-410纳米。

可用于本发明的平滑化层的可紫外辐射固化的树脂和漆的例子是源自可光致聚合的单体和低聚物的那些，例如丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯低聚物(在本文中，术语″(甲基)丙烯酸酯″表示丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯)，多官能化合物，例如多元醇以及它们包含(甲基)丙烯酸酯官能团的衍生物，例如乙氧基化三羟甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯，三丙二醇二(甲基)丙烯酸酯，三羟甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯，二乙二醇二(甲基)丙烯酸酯，季戊四醇四(甲基)丙烯酸酯，季戊四醇三(甲基)丙烯酸酯，二季戊四醇六(甲基)丙烯酸酯，1，6-己二醇二(甲基)丙烯酸酯，或者新戊二醇二(甲基)丙烯酸酯以及它们的混合物，以及源自以下树脂的丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯低聚物：低分子量聚酯树脂，聚醚树脂，环氧树脂，聚氨酯树脂，醇酸树脂，螺缩醛树脂，环氧丙烯酸酯，聚丁二烯树脂，以及聚硫醇-多烯树脂等以及它们的混合物，以及包含较大量的反应性稀释剂的可离子辐射固化的树脂。可用于本发明的反应性稀释剂包括单官能单体，例如(甲基)丙烯酸乙酯，(甲基)丙烯酸乙基己酯，苯乙烯，乙烯基甲苯，以及N-乙烯基吡咯烷酮，以及多官能单体，例如三羟甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯，己二醇(甲基)丙烯酸酯，三丙二醇二(甲基)丙烯酸酯，二乙二醇二(甲基)丙烯酸酯，季戊四醇三(甲基)丙烯酸酯，二季戊四醇六(甲基)丙烯酸酯，1，6-己二醇二(甲基)丙烯酸酯或者新戊二醇二(甲基)丙烯酸酯。

在本发明中，便于适应于平滑化层中的可辐射固化漆包括氨基甲酸酯基(甲基)丙烯酸酯低聚物。这些物质是通过以下方式得到的：使得二异氰酸酯与低聚(聚合)酯多元醇或者低聚(聚合)醚多元醇反应，生成异氰酸酯封端的聚氨酯。然后，羟基封端的丙烯酸酯与异氰酸酯端基反应。该丙烯酰化反应为低聚物的端部提供了不饱和基团。所述氨基甲酸酯丙烯酸酯的脂族或芳族性质通过二异氰酸酯的选择来决定。芳族二异氰酸酯，例如甲苯二异氰酸酯将制得芳族氨基甲酸酯基丙烯酸酯低聚物。通过选择脂族二异氰酸酯，例如异佛尔酮二异氰酸酯或己基甲基二异氰酸酯，将得到脂族氨基甲酸酯丙烯酸酯。除了选择异氰酸酯以外，多元醇骨架对于决定最终低聚物的性能具有关键的作用。多元醇通常为酯、醚或者这两类的组合。所述低聚物骨架由两个或更多个丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯单元封端，这些单元作为自由基引发的聚合反应的反应性位点。通过对异氰酸酯、多元醇以及丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯端部单元进行选择，可以在很大的范围内得到氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物。氨基甲酸酯丙烯酸酯像大多数低聚物一样，通常具有高分子量和高粘度。这些低聚物是多官能的，包含多个反应性位点。因为反应性位点数量的增加，固化速率提高，最终产物交联。低聚物的官能度可以为2-6。

其中，用于平滑化层的便于使用的可辐射固化的树脂还包括源自多元醇的多官能丙烯酸类化合物以及它们的衍生物，例如季戊四醇的丙烯酸酯衍生物(例如季戊四醇四丙烯酸酯)与源自异佛尔酮二异氰酸酯的季戊四醇三丙烯酸酯官能化的脂族氨基甲酸酯的混合物。可用来实施本发明的市售氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物的一些例子包括购自萨托默公司(SartomerCompany)(美国宾夕法尼亚州，艾克斯顿(Exton，PA))的低聚物。便于用来实施本发明的树脂的例子是购自萨托默公司的

除了辐射固化的涂料以外，制剂还包含水分散或溶剂分散的聚合物粘合剂，其中包括丙烯酸类聚合物、聚氨酯类聚合物、聚氨酯-丙烯酸类杂合物、苯乙烯聚合物、烯烃等。特别优选丙烯酸类聚合物、聚氨酯或聚氨酯-丙烯酸类聚合物的水分散体。所述涂料可以通过加入合适的交联剂而热固化，或者可以不用固化。为了为这些厚的平滑化层提供低的膜卷曲，需要使用对层进行涂覆、干燥和固化之后不会产生高应力的制剂。因此，需要使用在干燥和固化过程中发生有限的收缩、同时具有适中的硬度(模量)的制剂。

棱形反射性偏振器40的某些实施方式中，光入射介质42或光出射介质43具有较低的折射率，以获得改进的角度和波长操作。合适的低折射率材料包括折射率小于1.48、优选为1.35-1.40的含氟均聚物或共聚物。合适的含氟均聚物和共聚物包括：氟代烯烃(例如氟代乙烯，偏二氟乙烯，四氟乙烯，六氟乙烯，六氟丙烯，全氟-2，2-二甲基-1，3-二氧代)，部分氟化或完全氟化的(甲基)丙烯酸的烷基酯衍生物，以及完全氟化或部分氟化的乙烯基醚。

入射到薄膜光学涂层48上的光线以入射角为中心，该入射角是相对于表面法线的夹角，等于倾斜角56。因为等于或大于53度的倾斜角56是较大的，所以与针对45度设计的情况相比，光学涂层48可以被设计成用更少的层将p偏振光30与s偏振光32分离。所述涂层还可设计成在很宽范围的入射角和波长下运作。

图4显示了一种五层涂层设计，其包括交替的TiO₂和SiO₂层，具有光入射介质可UV固化的丙烯酸类树脂(n＝1.49)和光出射介质聚碳酸酯(n＝1.59)。

为了能够在较宽的角度和波长范围内操作，层厚度的选择不限于四分之一波长的倍数。图5a至5c显示了在450nm(蓝色)，550nm(绿色)和625nm(红色)的波长处，s偏振和p偏振的模型(modeled)透射率与相对于光入射介质中表面法线的入射角的曲线。因为TiO₂和SiO₂的吸收性都极小，该设计的反射率数值可以简单地通过用100减去透射率得到。这种涂层设计当用于倾斜角56为60-70度的微结构化表面44上的时候可以很好地运作。图6显示了光入射介质中，在45-85度的40度的入射角范围内(均匀地)求平均得到的65度倾斜角56的透射率曲线。这相当于空气中约60度的角度范围。图6中的曲线显示该涂层可以在很宽的入射角范围内，在大部分可见光谱上，透射超过90％的p偏振，反射超过80％的s偏振。

为了使得涂覆过程中的吞吐量最大化，需要将层数和厚度保持在最小。图7显示了简单的三层设计，又使用了TiO₂和SiO₂，其具有两层很薄的TiO₂层。因为TiO₂的涂覆速率通常远低于SiO₂，保持薄的TiO₂层有助于使得制造生产量最大化。图8显示了将所述涂层施涂于具有65度倾斜角56的微结构化表面44上时，在40度角度内取平均的透射率曲线。该透射率曲线也是在45-85度入射角范围内取平均的。

另一种涂层的选择是在所述一个或多个层中使用极薄的金属涂层，优选银。图9显示了银微型空腔设计，将MgF₂加载两层非常薄的8纳米的银层之间。相应的40度角度平均化透射率曲线示于图10，其中倾斜角56也是65度。通过使用极薄的银代替高折射率电介质，例如TiO₂和ZnS，因为对厚度要求较低，同时具有较高的沉积速率，所以能够具有更高的制造生产量。但是，与仅包括电介质层的设计不同的是，所述金属层具有一定百分比的吸收损失，当用于LCD背光源的时候会降低总体光回收能力。

通过增加层的数量，可以显著减少s偏振光的透射，同时在很宽的角度和波长范围内保持良好的性能。下表中给出的薄膜设计提供了极低的s偏振光的透射率(以及高反射率)。相应的40度角度平均化透射率曲线示于图11，其中倾斜角56是65度。本领域技术人员众所周知，薄膜叠层的设计还可包括两种以上不同的材料。

表1

聚碳酸酯(光出射介质)

ZnS         34.73nm

SiO₂        56.72

ZnS         39.23

SiO₂        64.06

ZnS         44.32

SiO₂        72.37

ZnS         50.06

SiO₂        81.75

ZnS         56.54

SiO₂        92.33

ZnS         63.86

SiO₂        104.29

ZnS         72.14

SiO₂        117.81

ZnS         81.49

SiO₂        133.07

ZnS         92.04

SiO₂        150.32

ZnS         97.83

n＝1.4(光入射介质)

众所周知，在具有倾斜侧壁的结构上进行真空沉积可以通过遮蔽作用在结构上产生薄膜厚度变化，厚度变化取决于结构的几何特征、真空涂覆器几何特征和涂覆工艺本身。对于本发明的棱形反射性偏振器，在沉积薄膜光学涂层过程中的这种结构遮蔽可能会造成结构峰附近的层厚度大于谷附近的结构厚度，在谷和峰之间的单调厚度增大。因为薄膜光学涂层中所有层的遮蔽作用通常是相同的，厚度变化是均匀的，即每一层的变化具有相同的百分比。本领域技术人员众所周知，可以通过法线入射涂覆机几何结构和/或保角涂覆工艺(例如溅射)来减少厚度变化。或者，所述薄膜涂层设计可以设计成对厚度变化具有容忍能力。这样的能够容忍厚度变化的设计的一个例子见图19a、19b、20a和20b。

图19a显示了一种七层涂层设计，其包括交替的TiO₂和SiO₂层，具有光入射介质可UV固化的丙烯酸类树脂(n＝1.49)和光出射介质，其也是丙烯酸类树脂(PMMA，n＝1.49)。图20a显示了当该涂层施用于具有55度倾斜角56的微结构化表面44时的40度角度内取平均的透射率曲线，所述透射率曲线是在35-75度的入射角范围内取平均值。作为薄膜沉积过程中出现严重的厚度不均的一个例子，图19b显示了一种七层的涂层，其中每一层的厚度是图19b的150％，相应的角度取平均的透射率曲线示于图20b。将图20b的曲线与图20a的曲线相比较，很明显可以看出图19a的设计对可能沿着棱形反射性偏振器的侧壁出现的任意均匀的厚度变化具有很大的容忍能力。如图19a和19b所示，观察到从薄膜叠层的一侧向另一侧厚度单调增大的光学薄膜设计对厚度的变化的容忍性优于其他的设计。

图12显示了用于LCD显示器的偏振背光源组件，其结合了棱形反射性偏振器40和若干光控制膜。将大量光源70，例如冷阴极荧光灯或发光二极管安装在光盒72结构内或安装在光波导板端部。使用体积和/或表面漫射器74使得辐照均一化，就减少了与光源自身相关联的热斑点，并且为反射回来的s偏振光提供去偏振化，以回收光线。为了提高轴上亮度，背光源组件可以结合亮度提高棱形片材76，例如购自3M公司的BEF，或者亮度提高微透镜阵列。通过采用这种结构，从棱形反射性偏振器出射的光主要是单一(线性)偏振的。

当所述棱形反射性偏振器用于某些背光源结构，设计成光入射介质的折射率低于光出射介质的折射率的时候，偏离显示器法线方向的亮度可能略微高于轴上亮度。这种效果可以使用如下的反射性偏振器设计而得到缓解：在这种设计中，光入射介质的折射率大于或等于光出射介质的折射率。

本领域众所周知，两种或更多种光控制膜可以在LCD显示器之内(光学)接触和“浸润”。因为内全反射(TIR)发生在平滑的光出射表面52，优选地当使用棱形反射性偏振器40的时候避免有任何浸润区域。图13显示了被添加到光出射表面52上的一系列用于防止浸润的稀疏的隔离体80。这些特征在光出射表面上占据的区域应小于10％，以免显著改变光学性能。另一种选择是在平滑的光出射表面52上使用间隔珠粒。应当理解，所述平滑的光出射表面52应足够平滑，以便在大部分表面积上提供光的内全反射。在图13的具有隔离体的实施方式中，平滑的光出射表面的一部份区域应当不是完美的平坦形状，而是具有突起的形状。图13还显示了任选的延迟膜82，其能够使从棱形反射性偏振器40中出射的p偏振光旋转，使得光的偏振与LCD面板的入射偏振轴对齐。因为入射偏振轴随着LCD面板种类的不同而不同，最优化的延迟轴的选择取决于面板的种类。

图14中显示了具有多个微结构化的表面92、94和96的棱形反射性偏振器90的一个实施方式。该方法可被用于优化性能，例如，通过具有用于每种颜色(RGB)的独立的薄膜光学涂层和微结构化表面而实现这种优化。

可以对所述棱形反射性偏振器的设计进行优化，以限制一些可能导致不希望出现的s偏振光的向前透射的因素。如图15所示，通过光入射表面垂直返回的s偏振光可以通过以下方式而穿过光出射表面：1)直接透射穿过所述薄膜光学涂层；或者2)被微结构化表面两次反射而射向向前的方向；3)以小于临界角的角度入射到光出射表面上，造成内全反射的损失。

如之前关于图4、图7和表1所述，可以通过增加交替的高折射率层和低折射率层的数量以及对这些层的厚度进行最优化，减少透射过光学涂层的s偏振光。当被棱形结构上的薄膜光学涂层反射的s偏振光被阻断且被相邻的棱形结构反射的时候，会发生向前的两次反射。如图16中的曲线所示，图中显示了向前两次反射的s偏振光通量百分数随顶角的变化，通过将顶角限制在约低于60度，即将倾斜角限制在大于60度，可以减少这种影响。最后，如图17的曲线所示，顶角应保持在约高于40度，或者倾斜角小于70度，以确保大部分s偏振光通量在光出射表面发生内全反射。

另一种用来消除向前两次反射和内全反射的方法示于图18。在所述棱形反射性偏振器100的这个实施方式中，所述偏振选择性薄膜光学涂层108设计成用来为高入射角提供良好的偏振分离，并且为法线入射光提供高反射率。优选的顶角约为60度。本发明的实施方式都优选透射光的一种偏振，通常是p偏振，使其沿着向前的方向通过微结构化表面上的偏振选择性薄膜光学涂层，通过至少三次反射，使得第二偏振，通常是s偏振，沿着向后的方向返回。所有的反射都如图18所示在所述偏振选择性薄膜光学涂层上发生，或者一次或多次反射可以通过光出射表面的内全反射发生，如图2所示。

已经结合一些实施方式对本发明进行了描述。但是，应当理解，本领域普通技术人员可以在不背离本发明范围的前提下进行各种变化和改良。本说明书中所描述的专利和其它公开文献的全部内容都参考全部结合入本文中。

部件列表：

10 棱形反射性偏振器

12 光入射介质

14 微结构化表面

16  棱形结构

17a 第一侧壁

17b 第二侧壁

18  薄膜光学涂层

20  反向结构化表面

21  光入射表面

22  光出射表面

24  顶角

26  倾斜角

30  p-偏振光

32  s-偏振光

34  一次反射s偏振光

36  两次反射s-偏振光

38  三次反射s-偏振光

40  棱形反射性偏振器

42  光入射介质

43  光出射介质

44  微结构化表面

46  棱形结构

47a 第一侧壁

47b 第二侧壁

48  薄膜光学涂层

50  反向结构化表面

51  光入射表面

52  光出射表面

54  顶角

56  倾斜角

62  棱形膜基材

64  可紫外固化的数值

66  平滑的片材

70  光源

72  光箱

76  亮度提高棱形片材

80  隔离体

82  减缓膜

90  棱形反射性偏振器

92  微结构化表面

94  微结构化表面

96  微结构化表面

100 棱形反射性偏振器

108 薄膜光学涂层

Claims (10)

1.一种反射性偏振器，其包括：

(a)光入射介质，其包括光入射表面和具有一系列棱形结构并与光入射表面相对的微结构化表面，其中每个棱形结构的第一侧壁和第二侧壁相对于光入射表面的倾斜角大于53度；

(b)位于所述一系列棱形结构上的偏振选择性薄膜光学涂层，其用来透射第一偏振光并反射第二偏振光；

(c)位于所述偏振选择性薄膜光学涂层上的光出射介质，其用来提供平滑的光出射表面。

2.如权利要求1所述的反射性偏振器，其特征在于，所述倾斜角不大于70度。

3.如权利要求1所述的反射性偏振器，其特征在于，所述倾斜角介于60度和70度之间。

4.如权利要求1所述的反射性偏振器，其特征在于，在所述偏振器的光出射表面上提供隔离体，以在所述偏振器以及与光出射表面相邻的表面之间提供空气间隙。

5.一种LCD显示器，包括结合了权利要求1所述的反射性偏振器的背光源。

6.如权利要求1所述的反射性偏振器，其特征在于，所述光入射介质或光出射介质包含环氧树脂。

7.如权利要求6所述的反射性偏振器，其还包括位于所述环氧树脂上的平滑的片材。

8.如权利要求1所述的反射性偏振器，其特征在于，所述偏振选择性薄膜光学涂层包括10个层或更少的层。

9.一种制造反射性偏振器的方法，该方法包括以下步骤：

(a)提供棱形基材，其具有光入射表面和微结构化表面，所述微结构化表面具有一系列棱形结构，其中每个棱形结构的第一侧壁和第二侧壁相对于光入射表面的倾斜角大于53度；

(b)在所述一系列棱形结构上沉积偏振选择性薄膜光学涂层，其用来透射第一偏振光并反射第二偏振光；

(c)在所述偏振选择性薄膜光学涂层的顶部上施涂环氧树脂；以及

(d)通过附着平坦的平滑片材，在环氧树脂上形成第二平滑的表面。

10.一种用于制造反射性偏振器的方法，该方法包括以下步骤：

(a)提供棱形基材，其具有光入射表面和微结构化表面，所述微结构化表面具有一系列棱形结构，其中每个棱形结构的第一侧壁和第二侧壁相对于光入射表面的倾斜角大于53度；

(b)在所述一系列棱形结构上沉积偏振选择性薄膜光学涂层，其用来透射第一偏振光并反射第二偏振光；

(c)在所述偏振选择性薄膜光学涂层的顶部上施涂环氧树脂；以及

(d)在所述环氧树脂上形成第二平滑表面。

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