CN103201674B

CN103201674B - 偏振照明系统

Info

Publication number: CN103201674B
Application number: CN201180053264.8A
Authority: CN
Inventors: 乌里·巴宁; 哈加伊·阿贝尔
Original assignee: Q Optical Nano Technology Co Ltd; Yissum Research Development Co of Hebrew University of Jerusalem
Current assignee: Yissum Research Development Co of Hebrew University of Jerusalem
Priority date: 2010-11-05
Filing date: 2011-11-06
Publication date: 2016-07-20
Anticipated expiration: 2031-11-06
Also published as: US9529228B2; KR20130140689A; JP2014502403A; KR101995309B1; EP2635934A1; IL225057A; CN103201674A; EP2635934B1; WO2012059931A1; JP6084572B2; US20140009902A1

Abstract

提供了一种光学活性结构（100），其包括至少两个不同组（G1、G2）的光学活性纳米棒（104A、104B）。纳米棒组在其响应于泵浦光而发射的光的波长和偏振中的至少一个上彼此不同。同一组的纳米棒与同至少一个其他组的纳米棒的对准轴基本上平行或基本上垂直的特定对准轴均一地对准，使得所述至少两组纳米棒具有一个或两个对准轴。光学活性结构用作显示器的彩色偏振光源。

Description

偏振照明系统

技术领域

本发明总体上属于偏振照明系统领域，并涉及作为显示器的背光系统是特别有用的光泵浦偏振照明系统。

背景技术

光的偏振特性用于各种光学应用（产品和方法）中：从平板液晶显示器（LCD）到显微术、冶金检测以及光通信。大多数光源生成的光不具备特定的偏振，并且使用各种类型的偏振器来进行典型偏振的选择。使用偏振器选择特定偏振以能量损失作为代价；当使用简单的无源（非发射性）偏振器来提供使用非偏振光源的偏振照明时，可能会损失大约50%的入射光。该问题对于其中节能是重要因素的用于LCD显示器的背光系统具有特别重要的意义。该问题在其中电池寿命是关键因素的移动设备（膝上型电脑、手机、相机等）中被进一步强化。

可以通过在发射光的光路中定位具有特殊表面的复杂的无源（非发射性）聚合物膜来实现由非偏振光源发射的光的相对有效的偏振选择。这些膜可以使一部分光再循环，从而增强具有期望偏振的光的透射。光的再循环基于将具有不需要的偏振的光分量反射至反射表面，由此产生在后续的反射后消去了偏振的、倍增的反射光分量，由此在每次反射后至少一些光分量被透射。然而，这样的无源系统复杂并且制造昂贵，因为为了有效的再循环需要多个层（甚至数十个层）。使通过偏振器输出的背光再循环的另一种“无源”方法使用反射性纳米线栅偏振器（Ge,Zhibing和Wu,Shin-Tson.“Nanowiregridpolarizerforenergyefficientandwide-viewliquidcrystaldisplays”，应用物理快报，93，121104，2008）。

上述无源方法使得背光系统的设计变得复杂，并且是昂贵的。所述方法在增强发射光的色域的品质方面也不活跃（inactive），这是因为所述方法是波长相关的。事实上，对保持原始背光的色域的需要使得背光系统的层结构更加复杂。

各向异性（细长形）纳米粒子，例如纳米棒（在本文中有时还被称为“棒”）被认为能够提供偏振化发射。这在转让给本申请的受让人的WO2010/095140中也进行了描述。

在以下公布中描述了提供偏振化发射的一些纳米棒系统：

X.Peng等人的“ShapecontrolofCdSenanocrystals”，自然404,59-61，2000，其描述了嵌入在聚合物中的基于胶质的半导体核（无壳）CdSe纳米棒。可以从单个棒获得几乎全偏振；

T.Mokari和U.Banin的“SynthesisandpropertiesofCdSe/ZnSrod/shellnanocrystals”,材料化学15（20），3955-3960,2003，其描述了借助于在棒结构上生长壳的棒的发射增强；

D.V.Talapin等人的“SeededGrowthofHighlyLuminescentCdSe/CdSNanoheterostructureswithRodandTetrapodMorphologies”,Nanoletters7（10），pp2951-2959，2007，其描述了针对晶种纳米棒粒子来实现量子产率提高；

C.Carbone等人的“SynthesisandMicrometer-ScaleAssemblyofColloidalCdSe/CdSNanorodsPreparedbyaSeededGrowthApproach”，Nanoletters，7（10），pp2942-2950，2007，其描述了晶种棒的偶极型发射，即从棒中心而不是从棒的尖端产生发射。

发明内容

在现有技术中需要对使得实现在各种应用（即能量有效的照明，例如用于显示器特别是彩色显示器以及具有3D特征的显示器的背光照明等）中高效使用的偏振光源的新颖方法。

本发明的实施方式提供了通常使用胶态各向异性纳米粒子特别是具有强偏振化发射的胶态纳米棒的能量有效的偏振背光和显示系统的设计。这样的系统采用包含对准的各向异性纳米粒子的活性（指发射性）层或膜，其中，所述对准的各向异性纳米粒子将来自背光源的非偏振光转换为部分偏振或全偏振光。这种层或膜以下被称为“光学活性结构（opticallyactivestructure）”或有时被称为“活性偏振光发射层”或APEL。应当指出，本发明的光学活性结构（或APEL）可以与偏振泵浦照明以及非偏振泵浦照明一起使用，以发射偏振光或部分偏振光。

根据本发明的一个广义方面，提供了一种光学活性结构，该光学活性结构包括至少两组光学活性纳米棒，该至少两组光学活性纳米棒在其响应于泵浦光而发射的光的波长和偏振中的至少一个上彼此不同，所述至少两组的所述纳米棒的布置限定一个或两个对准轴，使得同一组的纳米棒以与至少一个其他组的纳米棒的对准轴基本上平行或基本上垂直的对准轴来均一地定向。

本发明的一些实施方式提供了一种包括各向异性纳米粒子的光学活性结构。在一些实施方式中，光学活性结构是位于基底上的各向异性纳米粒子层。在一些实施方式中，光学活性结构包括嵌入在介质中的各向异性纳米粒子。在一些实施方式中，介质可以为通过例如溶胶-凝胶工艺制备的聚合物介质或玻璃介质。在一些实施方式中，各向异性粒子在介质中使它们的长轴沿着对准轴进行对准。可以通过拉伸介质而引起该对准，而无需使用任何电场。在一些实施方式中，对准可以是部分的。在其他实施方式中，对准可以是完全的。在具有对准的各向异性纳米粒子的一些实施方式中，通过入射光辐射来激发各向异性纳米粒子，以发射偏振光。激发纳米粒子，而无需使用电场。发射光的偏振可以是部分的或全部的并且通常处于纳米粒子的长轴方向。仅由光辐射引起各向异性纳米粒子的激发以及所生成的光的偏振发射。

在一些实施方式中，该结构包括如下纳米棒：所述纳米棒发射基本上相同的波长的光并沿着两个垂直的对准轴定向，从而产生正交偏振光。

该结构可以包括如下至少一个区域：所述至少一个区域包含分别发射至少两种不同波长的光的至少两组的均一地对准的纳米棒的混合物。

该结构可以包括分别包含两组纳米棒的至少一对间隔开的区域，或者通常包括以间隔开的关系沿着至少一个轴布置的区域的阵列，其中沿着所述至少一个轴对准的每两个相邻区域包含不同的组的纳米棒。

该结构可以具有级联布置，即可以包括沿泵浦光的传播方向的轴间隔开的至少两个层，其中发射所述至少两种不同波长的光的至少两组光学活性纳米棒分别位于至少两个不同的层中。在本实施方式中，所述至少两组纳米棒可以被布置在所述至少两个层中，使得：相对于泵浦光的传播方向，发射所述至少两种波长的发射光中的相对较短波长的光的纳米棒位于发射相对较长波长的光的纳米棒的下游。

纳米棒可以被布置在至少一个膜中，纳米棒被沉积于基底载体（例如玻璃基底）上，或者纳米棒具有其中嵌入有纳米棒的基体或载体的形式。在任何情况下，载体对于泵浦光和发射光是光学透明的或部分透明的。

纳米棒可由一种或更多种半导体材料制成，并具有合适的细长几何形状，例如具有至少1.8的长宽比。纳米棒可以具有核-壳配置和/或被配置为具有球形或棒状晶种的晶种棒。

在一些实施方式中，光学活性结构被包括在背光系统中，例如用于显示器的背光中。在这样的系统中，由光源（还被称为“激发源”）来激发光学活性结构。在一些实施方式中，光源提供短波长光，短波长光被光学活性结构中的各向异性纳米粒子吸收。激发源可以包括例如发光二极管（LED）。针对可见范围内的背光，一些激发源可以发射480nm以下的光，例如，在蓝光区域内例如大约460nm的光、或在紫光区域内例如大约405nm的光。其他激发源可以发射在紫外（UV）区域内的光（400nm以下，优选地为大约360nm）。另外一些激发源可以发射蓝-UV光，例如未覆有磷光层的冷阴极荧光（CCFL）源。因此，取决于各向异性纳米粒子的发光颜色，光学活性结构可以发射待在显示器上显示的不同颜色的偏振光。在一些实施方式中，激发源朝向光学活性结构的一个宽表面发射光。在一些实施方式中，激发源以所谓的“波导”配置朝向光学活性结构的窄侧（横截面）发射光。在一些实施方式中，由激发源发射的光的一部分传输通过光学活性结构而不与纳米粒子进行相互作用，并且可以被直接用于显示装置以提供附加的非偏振颜色。

在背光显示系统的一些实施方式中，可以使用至少两种不同的光学活性结构以分别提供具有不同颜色的偏振光。在一些实施方式中，单个光学活性结构可以包括不同类型的各向异性纳米粒子，所述不同类型的各向异性纳米粒子可被光激发以发射不同颜色的偏振光。在一些实施方式中，光学活性结构可以为具有矩形或类多边形形状的带形式。带形式或任何其他形式的不同光学活性结构可以被组装至包含像素（或类像素）装置的单个层中。因此具有不同光学活性带/像素的单个层可以提供具有不同颜色的偏振光或以重复的带/像素装置来提供两种正交偏振。在一些实施方式中，从光学活性结构发射的光的偏振是线性的。在其他实施方式中，线性偏振可以被转换为圆形偏振。

纳米棒特别适合应用于LCD显示装置中的背光照明。根据本发明，由对准的纳米棒构成的膜可以被结合在任何类型的基于LC的显示/投影系统中。由泵浦光（典型地为非偏振的，但也可以使用偏振或部分偏振的泵浦光）来照明包含纳米棒的膜，所述泵浦光使得纳米棒以期望的波长发射基本上偏振的光。如以下将进一步描述的，关于颜色品质、对比度、效率以及偏振度，从基于对准的纳米棒的照明装置获得的光具有显著的优点。应当指出，偏振品质可以消除对昂贵的DBEF层的需要。此外，存在优于由量子点（QD）构成的膜的方向性（在至少一个轴上）收益，这会导致照明装置的更高效率。因此包含纳米棒的层还可以代替针对亮度增强目的而设计的BEF层。然而，在例如从包含/嵌入有纳米棒的膜发射的光的路径上，即在所述膜与LC面板/结构之间，可以使用BEF层、反射器或其他光学部件，以提供更加理想的方向性、聚焦以及亮度增强。

在本说明书中，光转换/发射层/结构有时被称为“膜”。该膜可以在一个或两个表面（例如棱镜、棱锥镜、显微镜等）上包括各种光提取特征。根据本发明，光提取特征优选地被配置成保持从膜（例如显微镜（或显微镜阵列）、金属反射表面等）发射的光的偏振。膜还可以具有还能够有助于光提取和偏振保持的各种折射率结构/界面（例如梯度指数透镜状结构）。偏振保持扩散膜可从一侧或更多侧附接至APEL。膜还可以包括可以增强偏振特性的规则形状以及不规则形状的光分散粒子的各种组合。应当理解，术语“膜”应当被广义地解释为还涵盖任何其他几何形状的层，例如密堆积结构的层，所述层能够提供相同偏振和光转换功能，例如球、棒、编织线等的密堆积布置。

根据本发明的另一个广义方面，提供了一种照明装置，该照明装置包括光学活性结构，该光学活性结构包括至少两组光学活性纳米棒，所述至少两组光学活性纳米棒在其响应于泵浦光而发射的光的波长和偏振中的至少一个上彼此不同，所述至少两组的所述纳米棒的布置限定一个或两个定向轴，使得同一组的纳米棒以与至少一个其他组的纳米棒的定向轴基本上平行或基本上垂直的定向轴来均一地定向。

本发明的光学活性结构沿基本上在与纳米棒的对准轴（其为纳米棒的长轴）垂直的平面内的多个方向来发射光。使用这样的结构的本发明的照明装置优选地被配置成通过特定的大体传播方向来传播发射光。为此，照明装置可以包括位于由光学活性结构发射的光的光路中的至少一个光偏转表面和/或至少一个折射表面，以将发射光导向所述光传播的大体方向。

根据本发明的又一个广义方面，提供了一种光学活性结构，该光学活性结构包括两组光学活性纳米棒，同一组的纳米棒与同另一组的纳米棒的对准轴基本上垂直的对准轴均一地对准，从而发射正交偏振光。

纳米棒可以包括发射两种或更多种不同波长的光的纳米棒。光学活性结构可以包括至少一对间隔开的区域，所述至少一对间隔开的区域包含以基本上垂直的定向轴定向的两组纳米棒。在一些实施方式中，光学活性结构包括沿至少一个轴以间隔开的关系布置的区域的阵列，沿着至少一个轴的每两个相邻区域包含以基本上垂直的定向轴定向的两组纳米棒。这种配置可以使得：沿至少一个轴以间隔开的关系布置的每两个相邻区域包含发射两种不同波长的光的两组纳米棒。光学活性结构可以包括至少一个区域，该至少一个区域包含发射至少两种不同波长的光的所述至少两组纳米棒的混合物。

光学活性结构可以具有级联布置。至少两组光学活性纳米棒包括响应于泵浦光而发射至少两种不同波长的光的纳米棒，并且发射所述至少两种不同波长的光的纳米棒分别位于至少两个不同的平面中。可以沿泵浦光的传播轴以间隔开的关系布置所述至少两个不同的平面。所述至少两组纳米棒可以被布置在所述至少两个平面中，使得：相对于泵浦光朝向光学活性结构的传播方向，发射所述至少两种波长的发射光中的相对较长波长的光的纳米棒位于发射相对较短波长的光的纳米棒的下游。

根据本发明的再一个方面，提供了一种光学活性结构，该光学活性结构包括至少两组光学活性纳米棒，所述至少两组光学活性纳米棒在其响应于泵浦光而发射的光的波长上彼此不同，所述光学活性纳米棒包括沿对准轴均一地定向从而响应于所述泵浦光而发射基本上偏振的光的多个纳米棒。

附图说明

为了理解本发明并了解其在实践中如何被实施，现在将参照附图并仅通过非限制性示例来描述实施方式，在附图中：

图1A至图1C分别示意性地示出了用于在诸如为显示器的背光源的照明装置或使用空间光调制器的任何其他装置中使用的本发明的光学活性结构的三个示例，其中图1A例示了其中将两个不同组的纳米棒混合（位于同一区域内）的光学活性结构；图1B例示了其中两个不同组的纳米棒位于不同区域中的光学活性结构；以及图1C例示了包括不同的纳米棒组的光学活性结构的级联配置；

图1D和图1E示出了由包含对准的光学活性纳米棒的层所发射的光的空间强度分布的理论测量值和实验测量值；

图2A至图2D示意性地示出了本发明的被配置成用于例如背光系统中并利用暴露于侧面泵浦照明的光学活性结构的照明装置的实施方式，图2A和图2B示出了泵浦和输出照明方案，图2C和图2D例示了光学活性纳米棒可以如何分布在光学活性结构内；

图3A至图3C示意性地例示了使用类楔形光导作为光学活性结构（图3A）或用于对发射光进行导向（图3B和图3C）；

图4A至图4E示出了在多色和/或3D显示/投影仪系统中使用的光学活性纳米棒的像素装置的若干示例；

图5A至图5C示出了利用用于提供从照明装置输出的定向偏振（或部分偏振）光的各种技术方案的本发明的实施方式；其中图5A示出了由侧面安装的LED进行光泵浦的照明装置/单元，该照明装置/单元被配置成提供准直照明和聚焦照明的组合；图5B示出了由背面安装的LED进行光泵浦的照明单元；以及图5C示出了具有用于背面光泵浦的替代性设计的照明单元，该照明单元被配置成提供准直照明或部分准直照明；以及

图6示意性地示出了基于LC面板的显示系统，该显示系统包括基于本发明的光学活性结构的背光单元。

具体实施方式

参照图1A至图1C，图1A至图1C示出了在照明装置（例如显示器的背光源）中使用的本发明的光学活性结构100的示例。本发明的光学活性结构100包括两组或更多组光学活性纳米棒（即被光泵浦用于发射光），图1A和图1B中示出了两个这样的组G1和G2，图1C中示出了三个组G1、G2和G3。纳米棒组在发射光的波长和/或发射光的偏振上彼此不同。两组或更多组的纳米棒被布置成限定一个或两个定向/对准轴，使得同一组的纳米棒以与至少一个其他组的对准轴基本上平行或基本上垂直的对准轴来均一地定向。

在这一点上，应当指出，纳米棒组G1和G2在图1B中被例示为沿相互垂直的定向/对准轴A1和A2被对准并发射不同波长λ₁和λ₂的光。然而，本发明并不限制于这些特征的组合，结合不同发射波长示出了不同定向，仅为了便于说明不同组的纳米棒。

图1A示出了根据本发明的实施方式的光学活性结构100。该结构100限定单个层102（膜），并分别包含不同的组G1和G2的发射各向异性纳米粒子（纳米棒）104A和104B。不同的组G1和G2的纳米棒104A和104B当暴露于泵浦照明时发射不同波长的光。在本示例中，所述两个（或更多个）组的纳米棒彼此混合于膜的同一区域内。此外，在本示例中，不同的纳米棒全部沿基本上平行的轴对准，但是被有区别地配置（材料和/或尺寸），从而响应于泵浦光108发射出不同波长的且具有基本上相似的偏振的至少两种光分量L1和L2。

在本发明的任一实施方式中，纳米棒可以例如被配置成响应于UV或紫泵浦来发射原色（R、G、B）的波长，或者可以包括响应于蓝泵浦来发射红光和绿光的纳米棒。如上面所指出的，纳米棒可以被对准成使得一组的纳米棒的对准轴与另一组的纳米棒的对准轴平行或垂直。

图1B示出了光发射结构100，其与前面的示例相似，限定单个层102（膜），并分别包含不同的组G1和G2的发射各向异性纳米粒子（纳米棒）104和106。每个组的纳米棒被均一地定向，并且可以具有与其他组的纳米棒相比相同或垂直的定向。可以存在多于两组的纳米棒，但是仍然存在纳米棒的定向的一个或两个垂直轴。与图1A中的示例不同，在图1B的示例中，不同的组的纳米棒分别具有垂直的定向，并且这些组是空间上分离的，即位于空间上分离的区域中。此外，在图1B的示例中，纳米棒104和106通过发射出具有不同偏振的光分量L1和L2来响应泵浦光108。

应当指出，在一些实施方式中，与垂直的对准轴对准的纳米棒组（发射正交偏振光）还可以包括发射不同波长的光以提供多色（白）光的纳米棒。

因此，在本发明的照明装置中，光学活性结构100暴露于泵浦或激发光108，泵浦或激发光108通常具有比由纳米棒作为响应而发射的波长短的波长，例如UV激发光引起可见光谱中的发射。泵浦光可以是偏振的或非偏振的，且来自光源110。应当理解，结合在照明装置中的光源110可以由光发射器（其可以是任意合适的光发射器）（例如单个LED、以合适方式布置的多个LED、CCFL）构成，和/或可以由与外部光发射器相关联的光导（例如波导、光纤）构成。纳米粒子104和106当被（偏振的或非偏振的）泵浦光108激发时，发射基本上偏振（全偏振或部分偏振）的光112，如以上所表明的，所述光112具有比激发光更长的波长（更小的能量），并且具有通过纳米棒的对准轴（通常指平行于纳米棒的对准轴）限定的优选偏振。在图1B的示例中，光分量L1具有偏振轴114，光分量L2具有偏振轴116。

在一些实施方式中，各向异性纳米粒子可以具有使得它们以不同的基色发射以实现所需色域的组分和尺寸，参见例如转让给本申请的受让人的PCT公布WO2010/095140。以下将进一步举例说明适于在本发明中使用的纳米棒的一些参数（材料组分和尺寸）。

泵浦光108被层102中的纳米棒104和106有效地吸收，所述层102然后将光108下转换为由纳米粒子的特性（材料组分和尺寸）所限定的较长波长的发射光分量L1和L2。应当理解，本发明的光学活性结构是光可激发的，而不需要电刺激或任何其他刺激。由于纳米粒子在结构100中被对准，所以发射光L1和/或L2是基本上偏振的（部分偏振或全偏振），例如在明确定义的优选偏振内具有至少51%的发射强度，或至少60%的强度。在一些配置中，光学活性结构可以发射光，使得发射光强度的大约80%或更多具有期望的偏振。

图1C示出了光学活性结构100的又一个示例，其中纳米棒被布置在至少两个间隔开的层中，在本示例中示出了三个这样的层102A、102B和102C，它们沿泵浦光108的大体传播方向D的轴被间隔开。不同层的纳米棒包括不同的各向异性粒子104A、104B和104C，从而响应于波长为λ₀的泵浦光108的光激发而发射不同颜色（由不同波长λ₁、λ₂、λ₃标记）的光。在该配置中，层（将纳米棒嵌入的基体或承载纳米棒的基底）相对于泵浦光的波长是部分透射的。例如，第一（底）层102A包括红光发射纳米棒104A（λ₁），第二（中间）层102B包括绿光发射纳米棒104B（λ₂），以及第三（顶）层102C包括蓝光发射纳米棒104C（λ₃）。虽然该配置由于其包括三个层而更加复杂，但是其可以由于再吸收作用而允许更好地定制具有降低的损失的色域。应当指出，这样的级联配置（cascadedconfiguration）通常可以由不同纳米棒的至少两个层/膜来形成。泵浦光108照射到层102A上且被层102A中的纳米棒部分地吸收，从而引起从其发射λ₁。泵浦光（其一部分）和发射光二者朝向层102B传播并与层102B相互作用，从而引起发射波长为λ₂的光，如此产生的波长为λ₀、λ₁以及λ₂的三个光分量照射到层102C上，导致与泵浦光一起的三种输出颜色λ₁、λ₂以及λ₃，该泵浦光随后可以被用作输出光的部分或者可以被滤除（即被吸收或被偏转离开从所述装置输出的光的大体传播方向）。为此，在一些实施方式中，本发明的照明装置还可以可选地包括反射性滤光层，该反射性滤光层使泵浦（激发）波长透过但反射所发射的偏振色。使照射/泵浦光透过但反射所发射的光的这样的波长选择滤光器也可以置于层之间，例如使波长λ₀透过但反射波长λ₁的波长选择滤光器可以置于层102A和层102B之间。这样的配置在发射的波长在连续的层之间增大时是更有用的。在一些实施方式中，可以使用UV（泵浦光）阻挡层，该阻挡层吸收残留的泵浦能量以获得更好的色纯度（针对紫光）或安全性（针对UV光）。

应当理解，连续发射的光分量的顺序可以不同。该布置可以使得：连续发射的光具有从层到层增大或减小的波长，或具有另外的交替（alternating）方式。如果该布置使得后续层（关于泵浦光的大体传播方向）发射比前一层更长的波长，则会是如下情况：由前一层发射的光在与后续层的纳米棒相互作用时引起从后续层发射光。

由结构100（具有上述配置中的任一种）发射的偏振光可以用作例如在显示器或SLM（空间光调制器）装置（未示出）中的透射模式LC面板的背光照明。偏振光特性通过降低基于无源偏振器的背光系统所共有的损失来提供节能。与由已知背光系统生成的、穿过无源偏振器从而损失了大约一半的背光能量的非偏振光相比，由本发明的照明装置中的结构100生成的偏振光具有显著更小的损失，从而节能。由于来自结构100的光是已偏振的（部分偏振或全偏振），所以其可以高效地传输通过适当地沿其传输轴对准的无源偏振器，由此更加增加偏振化程度。

如上面所表明的，除了偏振特性之外，由结构100发射的光线通常具有如下的强度分布：其使得在位于相对于与相应的纳米棒组的对准轴垂直的平面的小角度内的方向上的强度高于在相对于所述平面的较大角度的方向上的强度。因此，获得了具有更大强度的发射光的优选传播平面，其垂直于纳米棒的对准轴。这种作用降低了可能从照明装置的侧面逃逸的光的量并且使得能够实现用于照明的更高能效。

关于这一点，参照图1D和图1E，图1D和图1E示出了分别作为相对于纳米棒的长轴（对准轴）的光传播仰角（Theta）和方位角（Psi）的函数的发射光强度分布的理论值（P1和P1’）和实验值（P2和P2’）。明显的是，从在光学活性结构中对准的纳米棒发射的光优先在位于相对于与纳米棒的对准轴垂直的平面的小角度内的方向上传播。在一些实施方式中，由于这样的发射方向性，包含纳米棒的层可以有利地消除对在显示装置中的亮度增强膜（BEF）等的需要。应当指出，在从纳米棒发射的光的路径中，即在包含纳米棒的层/结构与LC面板的像素装置之间，使用亮度增强膜、反射器或光学部件以提供附加的方向性以及聚焦作用仍然是可以的并且是有益的。以下将对此进一步举例说明。

总体上，在本发明的光学活性结构中可以使用能够进行偏振发射的任何纳米粒子（即各向异性纳米粒子或纳米棒）。这样的纳米棒一般具有至少1.8的长宽比（aspectratio）（其长度与横截面尺寸之间的比值）。在一些实施方式中，纳米粒子可以是各向异性半导体纳米棒。纳米棒可以是单一组分的半导体纳米棒、或具有第一半导体的核以及第二半导体的壳层的核/壳纳米棒。后一结构增强了纳米棒的发射。还可以使用核/多壳纳米棒，类似地，可以使用其中壳具有渐变组分（gradedcomposition）的核/壳配置型纳米粒子。可替代地，纳米棒可以是晶种（seeded）棒，其中一种半导体的近似球形核晶种或棒状晶种被第二半导体的棒状壳包覆，其给予了发射的各向异性特性。所有这样的各向异性棒发射沿着与该结构的长轴平行的轴偏振的光（改变偏振度成为可能）。晶种本身也可以具有细长形状或者甚至棒结构（例如具有1.8或更高的长宽比），从而进一步增强最终结构的偏振度。在转让给本发明的受让人的PCT/IL2011/000734中描述了适于在本发明的光学活性结构中使用的晶种棒的一些示例。

在本发明的各个实施方式中有用的各向异性纳米粒子通常可以由半导体材料（例如II-VI、III-V或IV-VI半导体、以及它们的组合）制成。还在上述转让给本申请的受让人的WO2010/095140中更加详细地描述了这样的材料。半导体材料可以选自CdS、CdSe、CdTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、ZnO、GaAs、GaP、GaAs、GaSb、HgS、HgSe、HgTe、InAs、InP、InSb、AlAs、AlP、AlSb、Cu₂S、Cu₂Se、CuInS₂、CuInSe₂、Cu₂(ZnSn)S₄、Cu₂(InGa)S₄、TiO₂、它们的合金、以及它们的混合物。材料的列表可以指棒材料（在纳米棒的情况下），或者指核和壳材料（在核/壳纳米棒的情况下），或者指晶种棒结构中的晶种和棒材料。晶种纳米棒可以具有不对称地位于细长壳内的晶种（或核）。核一般可以位于细长粒子上的大约四分之一至一半长度处，但是其他位置也可以。晶种的一般尺寸可以在1nm至20nm的直径之间，更特别地在2nm至10nm的直径之间。除了第一壳之外，为了稳定性和光学功能，可以包括另外的壳层。可以调整所述组合以提供应用所需要的发射颜色。

在一些实施方式中，可以在整个纳米粒子结构上覆以表面配体（ligand）。还可以使用附加的配体以改进配方（formulation）。通常使用的配体包括磷化氢和氧化膦，例如三辛基氧化膦（TOPO）、三辛基膦（TOP）以及三丁基膦（TBP）；膦酸，例如十二烷基膦酸（DDPA）、十三烷基膦酸（TDPA）、十八烷基膦酸（ODPA）以及己基膦酸（HPA）；胺，例如十二烷胺（DDA）、十四烷胺（TDA）、十六烷胺（HDA）以及十八烷胺（ODA）；硫醇，例如十六烷硫醇和己烷硫醇；以及巯基羧酸，例如巯基丙酸和巯基十一烷酸。还可以使用为了特定目的而定制的另外的配体。示例性地，整个纳米棒结构的长度可以在8nm至500nm的范围内以及更好地在10nm至160nm之间。示例性地，棒的整体直径可以在1nm至20nm之间，更具体地在1nm至10nm之间。一般的纳米棒具有1.5以上或优选地3以上的长宽比的长度/直径。通过控制尺寸和组分，可以针对不同样品调整各向异性纳米棒的发射颜色以提供显示器所需要的基色。例如，针对单色显示器的单色背光源可以使用单一类型的棒样品，或者针对彩色显示器可以使用以不同颜色发射的两种或更多种不同棒的组合。

如上面所表明的，本发明的光学活性结构100可以作为层被制造在由玻璃或聚合物制成的基底上。示例性地，其厚度可以在10nm至若干微米（例如2微米或更厚）的范围内。可替代地，结构100可以包括嵌入有纳米棒并提供期望的机械、化学和光学特性的基体材料。基体材料可以选自以下材料：例如聚合物（由液态或半固态前驱体材料（例如单体）形成）、环氧树脂、硅酮、玻璃、或硅酮和环氧树脂的混合物。聚合物的具体示例包括选自以下的聚合物：氟化聚合物、聚丙烯酰胺聚合物、聚丙烯酸聚合物、聚丙烯腈聚合物、聚本胺聚合物、聚二苯甲酮聚合物、聚（甲基丙烯酸甲酯）聚合物、硅酮聚合物、铝聚合物、聚双酚聚合物、聚丁二烯聚合物、聚二甲基硅氧烷聚合物、聚乙烯的聚合物（polymersofPolyethylene）、聚异丁烯聚合物、聚丙烯聚合物、聚苯乙烯聚合物、以及聚乙烯聚合物（Polyvinylpolymers）。在一个实施方式中，聚合物可以选自聚乙烯聚合物和氟化聚合物。在其他实施方式中，聚合物也可以为聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇或聚甲基丙烯酸甲酯。示例性地，具有嵌入纳米棒的这样的基体的厚度可以在从1微米至1毫米或更厚的范围内。该厚度可以优选地在10微米至800微米之间，更优选地在50微米至350微米之间。

在一个实施方式中，将来自基本上均匀的源的相对短波长的光（例如UV或紫光）引导至结构100上，在该结构100中，各向异性纳米粒子可以具有发射不同波长的光的若干个群（组），且所有波长都比泵浦光的波长长，例如以蓝色、绿色以及红色进行发射的群。纳米粒子可以吸收部分的UV或紫光并发射蓝光、绿光以及红光这些较长波长的光，从而将光从短波长转换为较长波长。

现在参照图2A至图2D，其示出了利用包含对准的纳米棒并暴露于泵浦光108的光学活性结构（APEL）100的本发明的照明装置（或背光系统）300的其他实施方式。在这些示例中，使用了所谓的侧面泵浦，其中APEL被照明并从层的至少一个边缘被泵浦。如上面所表明的，泵浦光可以是随机偏振的或者可以不是随机偏振的，其来自任意合适类型的内部或外部光发射器。APEL吸收泵浦光，并通过发射根据在该层中存在的纳米棒的参数而确定的一种或更多种颜色的基本偏振光来转换所述泵浦光。根据特定系统的需要，例如根据基于LC的显示系统的参数，确定发射光的偏振和颜色方案。同样如上面所表明的，包含对准的纳米棒的APEL发射如下光：其优先沿在相对于与纳米棒的对准轴垂直的平面的小角度内的方向进行传播，并可以被引导至显示装置的LC面板。

如图所示，照明装置300通常被配置成限定从该装置输出的光的大体传播轴d。为此，可以利用各种合适的技术来使发射光朝向沿轴d的一个或更多个方向偏转。考虑侧面泵浦，将到达结构100的泵浦光的大体传播方向的轴D与输出光的大体传播轴d之间的相对取向被选择为相交的轴，优选地为基本上垂直的轴。

在图2A的示例中，在该结构的一侧使用反射表面214，以将在所述侧处发射的光朝向大体方向d反射。此外，可选地，在装置300中设置有另外的光导向装置或所谓的光提取元件209，其在本示例中为位于结构100的另一侧的层。这样的光提取元件209可以是波长选择偏转器（例如光栅、多层薄膜覆层、多层聚合物膜）、或限定一个或更多个折射界面的折射元件，例如扩散透镜阵列或该结构的倾斜表面（楔形或类楔形表面）。光提取元件209可以与光学活性结构100成一体，附在结构100的外部，或者其可以与结构100间隔开，从而在光提取元件209与结构100之间产生间隙。这样的间隙可以填充有提供折射率匹配的材料。考虑其中对准的纳米棒被嵌入至基体或载体中的结构100的配置，后者可以被配置为关于泵浦光波长的波导。应当指出，尽管在图中将波导的形状例示为具有矩形横截面，但是为了本文中提出的目的，也可以使用其他形状，例如类楔形形状、曲面楔形以及其他几何形状。图2B例示了本发明的照明装置300的一个或更多个配置，所述照明装置被配置成提供在沿输出光传播的大体轴d的两个相反方向上输出的基本上偏振的光。在本示例中，光提取元件209被设置在光学活性结构100的两个相反的表面上。这样的配置可以用于被配置成在显示面板的两侧均提供图像的显示系统。

图2C和图2D示出了适于在上述图2A和图2B的偏振照明装置中使用的具体但非限制性示例的光学活性结构APEL100的顶视图。在图2C的示例中，该结构包括由嵌入在载体中并在载体中对准的（同一组或不同组的）纳米棒104形成的层，其中纳米棒沿与侧面泵浦方向D平行的轴以递增的密度（浓度）来分布。该载体可以被配置为波导。针对来自该结构的最优发射来定制浓度梯度以及变化的浓度。在图2C的示例中，纳米棒的浓度是非均匀的，并存在如下梯度：远离泵浦光源棒越多，而越接近泵浦光源棒越少。从结构100发射的偏振光沿与激发光的方向D垂直的、输出光的大体传播轴d（例如向上朝向显示部）被导向。在图2C和图2D中，纳米棒被垂直于方向D进行对准。然而，应当指出，对准轴的其他取向也是可以的，并且是适时优选的。例如，在图的平面中，纳米棒可以沿相对于方向D成45度或135度定向的轴进行对准。这样的对准角有时由屏幕制造商在偏振设计中使用。该配置可以补偿沿该结构的泵浦光的吸收，使得可以在整个装置上实现基本上均一的照明。纳米棒的空间分布还可以具有特定的2D模式，以适应于由该结构中的光分布所引起的2D效应。

在图2D的示例中，结构100与单独的光导向器312相关联，光导向器312位于与结构100（包含对准的纳米棒）的一侧相邻/对接。泵浦照明可以沿各个方向照射到结构100上。特别地，可以将泵浦照明（泵浦光108）沿特定的大体方向D导向至结构100，以在与光导向器312对接的一侧相反的一侧照射到结构100上。可替代地或另外地，可以从其他方向将泵浦光导向到结构100上，图2D中示出了一个这样的方向：泵浦光108A从与方向D垂直的方向入射到该结构上。在该示例中，对准的纳米棒可以被嵌入到载体中或沉积在基底上，并且具有沿载体/基底的基本上均匀的浓度分布。如图所示，光导向元件312优选地被配置为针对发射光波长的波导，并且进一步如图所示，波导可以被配置有楔形或类楔形表面，该表面被配置成中断光的全反射并作为光提取层来工作。波导312还可以包括在其另一表面（图2D中的底表面）上的反射层（优选地为偏振保持反射器）。这样的配置可以更加经济，这是因为其在结构中需要较少的各向异性纳米粒子。在发射的偏振光被外部元件312朝向需要的方向导向之前，在由结构100限定的有限空间内出现光被下转换为偏振发射光的效果。

应当指出，可以从各个方向将激发纳米棒以发射偏振光辐射的泵浦光108导向至结构100。例如，泵浦光的大体传播方向D可以与输出光（即，由光学活性结构100发射并且然后与光导向元件312相互作用的传播光）的期望的大体传播方向d基本上平行。可替代地或另外地，泵浦光可以从各个其他方向照射到光学活性结构100上，一个这样的方向在图2D中被例示为泵浦光108A与结构100中的纳米棒的对准轴基本上平行地传播。

如上面所表明的，本发明的照明装置可以使用光提取元件（例如，图2B中的元件209）。在由纳米棒发射的光的光路中使用类楔形导光元件或一般的折射结构/界面还可以有利地利用纳米棒的发射的方向性，从而进一步改进装置的亮度。应当指出，纳米棒的发射的方向性导致仅一小部分光强度传播至与纳米棒的对准轴垂直的波导的两个面（facet），从而简化了将发射的光导向至期望的传播方向。

应当理解，对准的纳米棒可以被嵌入到类楔形载体中和/或嵌入到与被配置为具有或不具有类楔形表面的波导的外部光导向器对接的载体/基底中。这在图3A至图3C中进行了举例说明，图3A至图3C示出了可以被配置成提供偏振照明并可以被用于背光照明系统的光学活性结构。图3A至图3C的示例示出了类楔形光导向器的使用，该光导向器为用于纳米棒的载体（例如纳米棒被嵌入在这样的载体中）或单独的光导向单元。此外，从纳米棒发射的辐射的方向性导致了大部分发射光在类楔形的波导的可接受角度内传播。

图3A示出了光学活性结构100，其由嵌入在类楔形载体/基体中的、具有共同对准轴A的相同或不同组（例如，发射相同或不同波长）的多个纳米棒形成。该结构100暴露于侧面泵浦108，即，泵浦方向D与该结构的输出光传播d基本上垂直，并且在该示例中还与对准轴垂直。应当理解，通常利用侧面泵浦，泵浦方向与纳米棒的对准轴平行或者相交（例如垂直），但是与输出光的传播轴相交（优选地为垂直）。

图3B和图3C例示了光学活性结构100的两种配置，其中纳米棒或纳米棒的载体/基底与类楔形的光导向器元件312对接。更具体地，结构100为带状膜或圆柱形封装，其包含具有相同对准轴的、相同或不同组的纳米棒，并且该结构与楔形元件312的较宽侧对接。纳米棒与楔形元件的底表面基本上垂直（图3B）以及平行（图3C）地对准，而且在这两种情况下纳米棒沿所述界面（楔形元件的相应侧）延伸。图3C中的配置会有利于偏振目的，这是因为一大部分发射的辐射沿前进方向进入波导，其偏振矢量粗略平行于板的表面被定向。因此，在随后的来自板的侧面的内反射中，光的偏振不会被显著地影响。应当指出，可以使用除了在图3B和图3C中示出的纳米棒对准角之外的纳米棒对准角，只要它们可以提供较好的偏振输出以及较好的耦合即可。

应当指出，使用纳米棒将光耦合到楔形（或板状）波导中提供了超越各向同性纳米粒子（例如量子点（QD））的各种优点。更具体地，在一些实施方式中，如在图3C中所看到的，纳米棒与圆柱形封装的长轴基本上平行地对准，一大部分辐射沿前进方向进入波导，其偏振矢量粗略平行于板面定向。因此，在随后的来自板的侧面的内反射中，光的偏振基本上被保持，从而提供偏振光输出并提供显著的节能。如以上所例示的，在一些其他实施方式中，可以将包含垂直于楔形元件（或板）的平面定向的纳米棒的带状膜或圆柱形封装使用为在波导与泵浦源之间放置在波导的宽端。所产生的辐射的方向性意味着更多的光落在波导的可接受角度内。

参照图4A至图4E，其例示了本发明如何被用作彩色偏振光源以及用于3D显示器/投影仪的光源。

图4A示出了层形式的光学活性结构100，其具有位于间隔开的区域中的多组（在该示例中为3个组G1、G2和G3）不同的各向异性纳米粒子104A、104B以及104C。每个区域包括以特定颜色进行发射的各向异性纳米粒子，例如，纳米棒104A的区域包括红光发射纳米棒，纳米棒104B包括绿光发射纳米棒，以及纳米棒104C包括蓝光发射纳米棒。所有组/区域中的所有纳米棒沿相同对准轴来对准，从而发射具有相同偏振的光。这样的布置可以提供用于彩色显示器的背光。当然可以具有多于3个的组/区域（来自不同各向异性纳米粒子的颜色）以增大色域。

图4B示出了被配置成大致与以上描述的图4A中的示例相似的光学活性结构100，即纳米棒具有不同的组并被排列成二维区域阵列（总体以R示出）。然而，在图4B的示例中，沿至少一个轴（在本示例中，沿两个轴）的位于相邻的区域的纳米棒具有基本上垂直的对准轴A1和A2。关于颜色特征，其同样可以在该配置中使用：例如，位于相邻的区域可以包括具有不同发射波长的纳米棒，或者每个区域可以包括不同发射纳米棒的混合物。在又一个示例中，该结构可以包括两个或更多个这样的层的级联，每个层具有不同地对准的但具有相同发射波长的纳米棒组，而不同层包括不同发射纳米棒。图4C例示了被配置成大致与以上描述的图4A和图4B中的示例相似的光学活性结构100。然而，在图4C的示例中，位于沿阵列的一个轴的相邻区域中的纳米棒组的发射光的波长不同，而位于沿阵列的另一个轴的相邻区域中的纳米棒组与基本上垂直的对准轴进行对准。这样的配置可以用于彩色3D显示器/投影仪系统。

各种显示系统（例如，广告牌显示器）可以利用不同颜色的带状形式的彩色照明。这例示在图4D和图4E中，图4D和图4E示意性地示出了光学活性结构100的两种配置，其中纳米粒子被放置在间隔开的细长区域（带状形式）502、504及506中。与前面的示例相似，带状布置与通常具有三种（在一些情况下为四种或更多种）基色的彩色显示装置的带状布置相一致，从而提供不同颜色的像素的布置。每个带包括以不同基色进行发射的不同群（组）的纳米棒。在图4D中，如上所述，每个带的纳米棒与其相邻带的纳米棒平行地对准，以提供具有到目前为止不同颜色的发射光所示的所有特性的各项异性偏振发射。在图4E中，一些相邻带的不同之处仅在于纳米棒的对准轴（相互垂直），而一些另外的相邻带的不同之处在于纳米棒的对准和发射颜色。与图4B和图4C中的配置相似，图4E中的配置适合用于3D显示系统中。通常适合于大型显示系统的这些配置可以消除或至少显著降低对显示系统中的滤色层的需要。因此，总体上，在这些示例中，以交替的方式来布置偏振和/或颜色不同的不同组。

应当指出，尽管未具体示出，当在三维显示器中使用本发明的光学活性结构100时，使用合适的偏振旋转器（例如，四分之一波长片），由其偏振与其至少一个相邻组的纳米棒的偏振垂直的一组纳米棒构成的像素的线性偏振可以被转换为顺时针以及逆时针圆偏振光。这样做例如以与3D观看设备（例如，圆偏振3D眼镜）兼容。

现在参照图5A至图5C，图5A至图5C例示了本发明的另外的实施方式，该实施方式利用各种技术方案以提供来自照明装置400的定向且偏振的输出光。在图5A、5B以及5C中示出的装置还可以用作大面积显示器的像素元件以提供偏振且定向的光。照明装置400采用根据本发明配置的APEL结构100，即包括沿一个轴均一对准的纳米棒（沿两个轴对准也是可以的）。图5A、5B以及5C描绘了如下装置：其中光学活性结构具有圆柱形配置并且纳米棒的长轴或结构100的对准轴垂直于图中的平面延伸。通过使用对准的纳米棒并利用被配置成基本上保持由结构100发射的光的偏振（当从其反射或通过时）的反射和/或折射光学元件/界面，输出光112’可以基本上沿纳米棒的对准原始轴偏振。

APEL结构100可以包括发射光的波长彼此不同的一个或更多个纳米棒组。纳米棒组被均一地对准，使得一组的纳米棒平行于或垂直于另外一组的纳米棒进行对准。

因此，照明装置400包括APEL结构100和与发射光相关联的光导向/偏转单元214，其中APEL结构100包含嵌入在载体中或沉积在基底上的均一对准的纳米棒。照明装置400通过泵浦光108被激发，泵浦光108可以如图5A所示从侧面（与图中的平面垂直）导向至APEL结构，或如图5B和图5C所示从图中平面内的任意方向导向至APEL结构。泵浦光108从光源110（例如，LED或如上面所表明的任何其他光源或光导）导向至APEL100，光源110可以包括用于对泵浦光108进行准直、聚焦或其他操作/光学处理的附接光学元件（例如透镜、衍射透镜）111（图5B中所示）。在其他实施方式中，例如在图5C中，照明装置400包括与来自光源110的泵浦光相关联的光导向/偏转单元314，该光导向/偏转单元314被配置成将泵浦光导向至APEL100。由于纳米棒的方向性以及偶极式发射，从结构100发射出的大部分光沿处于相对于图中的平面（即垂直于纳米棒的对准轴）的小角度内的各个方向进行传播，因此照明装置可以具有基本上圆柱形（类圆柱形）的配置，并可以沿对准轴是对称的。因此，可以采用例如圆柱形对称的折射元件、反射元件以及衍射元件，然而还可以使用具有不同几何形状的其他光学元件，例如球面镜或透镜。

本发明的一些实施方式可以利用包含相互垂直对准的纳米棒组的区域（例如针对3D显示系统）。在这些实施方式，照明装置可以基于照明单元阵列，每个照明单元如图5A至图5C所示的那样进行配置并被布置为使得相邻单元沿垂直的平面延伸。同样地，可以使用多个空间上分离的光源，所述光源沿具有球形或圆柱形可选透镜附件的棒的长轴进行布置。另外，光源元件110和可选附接透镜111可以具有不同的对称性。

光导向单元214包括光偏转器122（例如圆柱形-圆形镜或圆柱形-抛物面镜）以及光学单元120（例如，一个或更多个透镜，一般为圆柱形透镜系统）。由光源110发射的泵浦光108激发光学活性结构100的纳米棒。光泵浦激发纳米棒以发射光112，光112优先沿处于相对于与纳米棒的对准轴垂直的平面的小角度内的轴（沿其方向）进行传播。发射光112的一些光分量从光反射器122朝向光学单元120反射，而一些光分量直接传播至光学单元120。利用光导向单元214来提供离开装置的发射光的适当限定的大体传播方向，同时基本上保持输出光的偏振状态。光导向单元214还提供用于降低光泄露，从而提供用于节能。从APEL结构100发射的光由此以适合于照明装置400的使用的合适的预定的大体传播方向进行导向。

图5A和图5B示出了具有抛物线横截面的光偏转器122的使用，当与透镜单元120组合作用时，光偏转器122提供准直和聚焦作用的组合，即输出准直光112’以及聚焦光112’’。相反，在图5C的示例中，偏转单元122是具有圆形横截面的反射镜，由此提供来自该装置的准直的输出光112’。光学活性结构100优选地位于透镜单元120的前焦平面，并优选地定位成使得结构100的中心与光偏转器122的曲率中心相一致。这样的配置提供了基本平行的光输出（准直光）112’而不需要聚焦部件。

应当指出，光偏转器122和透镜单元120的使用的上述示例应当被广义地解释，并且可以使用各种其他配置（例如，多边形光偏转器等）。还应当指出，光学元件与APEL结构100的相对位置可以根据从装置输出的光的期望的照明模式和角分布而不同。

图5C例示了光偏转器126（例如反射器）以及与泵浦光108相关联且被包括在光导向单元314中的光学单元124（例如一个或更多个透镜）的使用。图5C还例示了被配置成提供准直的输出光122’的圆柱形光偏转器122的使用。通过泵浦光108来激发光学活性结构100的纳米棒，该泵浦光108由光导向单元314导向至结构100。从非定向光源110（例如LED）发射的泵浦光沿各个方向进行传播，并被光偏转器126朝向该结构反射，同时还可以被透镜单元124聚焦至结构100。光偏转器122可以是波长选择性的，即，可以被配置成透射泵浦光108的波长范围的光而反射发射光112的波长范围的光（例如，二色性光学元件），并且可以例如被配置为具有基本上圆形的横截面（或任何其他几何形状）的圆柱形光偏转器，该圆柱形光偏转器被配置成提供从装置输出的光的期望的模型/分布。光偏转器122可以具有波长选择性透射（例如，二色性镜的区域）模式（例如，间隔开的区域），从而提供波长选择性区域（光圈），以使泵浦光传播至APEL而留下偏转器的内表面（其面对APEL）的其他部分作为用于发射光的反射器。根据一些实施方式，光偏转器122可以具有二色性（波长选择性）平坦区，该平坦区被具有内反射表面的圆柱形光偏转器的区域所围绕。

从在图5A至图5C中示出的照明装置400出来的光可以被进一步耦合到光导向元件中（例如图2A或图3A中的元件312）。照明装置400或光导向元件214可以被配置成使得输出光落在根据预定的期望照明模式/光分布选择的可接受角度130内。更具体地，如果透镜单元120的前焦平面被配置成与光偏转单元122（优选地为抛物面状）的焦点区域（其可以为空间中的点或线）相符，并且APEL结构100位于其上，则发射光将是准直光和聚焦光的组合（如图5B所示）。可替代地，如果透镜单元120的前焦平面被配置成位于光偏转单元122的焦点区域上方（相对于光传播的大体方向的下游）的较短距离处，并且APEL结构100位于焦平面的位置之间，则透镜单元120提供具有变化的程度的聚焦光。相反，如果透镜单元120的前焦平面位于抛物面状的偏转单元122的焦点区域下方（相对于光传播的大体方向的上游），则取决于光学活性结构100的精确位置，发射光112’的一些或全部将发散。最普遍地，根据要获得的输出光112’的期望的角分布来选择照明装置的准确配置，即：结构100相对于光导向/提取元件的位置以及这样的光导向/提取光学元件的类型（例如，具有各种焦距）。可以实现输出光的最佳发散/会聚角，同时保持照明模型、能效以及照明装置/单元的整体尺寸之间的平衡。

现在参照图6，图6示意性地示出了利用背光单元（构成照明装置）的显示系统200的具体但非限制性示例，该背光单元包括泵浦光源110和本发明的光学活性结构APEL100。系统200可以被大致划分为显示部201（像素装置）以及背光部203。光学活性结构100优选地被配置用于多色发射，并且可以具有任何以上所例示的配置（例如平面的或级联的）。像素装置201被配置为LC面板204，相应地，系统200包括在LC面板的输出处的第一偏振器206。此外，系统200包括光学滤色器216以及在照明装置203的输出处的第二偏振器202。

在使用中，来自泵浦光源110的短波长非偏振发射（具有波长λ₀）对光学活性结构100进行照射，该结构100发射针对显示装置具有需要的色域（例如波长λ₁、λ₂、λ₃）的偏振光。从结构100发射的偏振光通过可选偏振器202，然后经过液晶结构204并经过偏振器206。在也可以具有RGB滤色器以及附接至RGB滤色器的偏振器（未示出）的两个玻璃片之间，可以放置LC材料。可以使用偏振器202以获得干净的、更完美的偏振状态。可以将LC结构204用作空间光调制器以调制像素的输出。LC结构204的像素单元可以阻挡光在其中通过，或可替代地，可以改变光偏振的角度从而使得所修改的光在偏振器206中被吸收以及改变对透射光的强度的调制。另外可选地在系统200中设置一个或更多个光学元件，例如漫射器208、亮度增强膜（BEF）210或双亮度增强膜（DBEF）212，所述漫射器208可以使光的分布在空间上均匀化，并且如果其直接被光附接至结构100，则还可以有助于从其进行光提取。可以使用元件210和212以通过使光再循环来提高亮度。在非限制性的本示例中，系统200还包括偏转器214（该偏转器214的设置是可选的），偏转器214与结构100相对地布置在泵浦光源110的另一侧。偏转器可以使来自光源和其他元件的一些泵浦光再循环。尽管被示出为分离的部件，但应当理解，各个层/结构可以以不同的配置进行结合或组合，同时保持它们的基本功能。滤色层216是可选的并用于限定彩色显示器的颜色像素。

以下是用于制备具体的光学活性结构的一些具体但非限制性示例。

示例1：制备了包括聚合物基体内的对准纳米棒的光学活性结构。通过聚合物膜的机械拉伸在聚合物膜内对准棒。作为第一步骤，纳米棒与聚乙烯醇缩丁醛（PVB，200mg）和甲苯（2.4ml）的单体溶液进行混合。通过添加至膜中的量来控制膜中的纳米棒浓度，通常以重量计在PVB重量的0.5-3%的范围内。可以获得非散射性混合物。然后，将溶解到模具中的聚合物/纳米棒浇铸成块，并允许该块在真空下干燥12小时，从而得到直径为1英寸并且厚度为0.4mm的膜。对于拉伸步骤，该块被放置在机械拉伸装置中。在拉伸过程中，通过在样品前放置红外发射灯将样品加热至110^°。然后通过沿一个方向缓慢地（0.5mm/分钟）拉拽样品，将样品进行各向异性拉伸。一旦该膜被拉长8倍，拉伸停止，拉伸后的膜以其新的配置冻结。机械拉伸动作引导纳米棒优先沿拉伸方向进行对准。这产生独立的聚合物膜，其具有发射优选地沿对准轴偏振的光的优选地对准的纳米棒。测量发射，并提取该发射的偏振值。取决于具体条件，所测量的平行于对准轴与垂直于对准轴的发射之间的偏振比为2.4-3.3。通过更显著的拉伸可以实现更高的值。

例如，针对单色显示，使用具有CdSe晶种的CdS棒（棒尺寸为41×5.3nm），从而以620nm进行发射。针对双色显示，使用具有不同尺寸的CdSe晶种的CdS棒的两种样品的混合物。第一样品（红棒，棒尺寸为36×7nm）以630nm进行发射，而第二样品（绿棒，棒尺寸为25×3nm）以550nm进行发射。

重要的是，在上下文中注意在本示例中使用的晶种棒提供对它们的发射的较低的自吸收。这在以下方案中特别重要：其中使用DBEF膜以使不需要的偏振光再循环多次，直至实现较高的偏振为止。即使小量的自吸收也可以使DBEF变得低效。此外，与点相比较，红光发射纳米棒在绿光区域中具有很小的吸收。这允许包含混合有绿光纳米棒和红光纳米棒的膜具有更好的性能，这是因为红光仅由蓝光或UV输入光来激发。因此，纳米棒的附加特性使得这样的膜能够优于以规则的量子点制备的相似膜。在转让给本申请的受让人的WO/2011/092646中公开了这样的纳米棒的一些特征，通过参引一些示例，该公布的公开内容被合并到本文中。

为了构造背光单元，上述光学活性结构被放置在蓝光发射光源上（发射大约450nm、20mW、2.4坎德拉的光）。绿棒和红棒的浓度被调整以提供需要的色域，并可以被用作双色显示器的背光。在另一种实现中，浓度被调整以允许部分蓝光被传递通过，以提供全色显示。活性各向异性纳米粒子层之后的光通过偏振器，偏振器的传递轴与光学活性结构的主对准轴平行。这样做以获得光的更多全偏振特性。重要地，在这种情况下由于非偏振光而导致的光损失最小，从而提供高能效。然后，光被传递至液晶调制器和显示器的其余部分。

示例2：制备了包括独立纳米棒的光学活性结构。使用的棒是具有CdSe晶种的、尺寸为67×5nm且以622nm进行发射的CdS棒。棒在玻璃基底上或聚合物膜上被对准。在第一方法中，纳米棒从溶液中被沉积至玻璃上并且然后借助于通过丝绒布摩擦的技术被对准。可替代地，在摩擦处理中，施加棒的溶液。丝绒布引导纳米棒优先地沿摩擦方向进行对准。这生成了具有发射优选地沿对准轴偏振的光的优选地对准的纳米棒的层。这可以使用在单色显示器中。

已经例证了用于显示器的双色背光单元，该双色背光单元可以扩展至用于显示器的三色背光单元，其中以通过膜的非吸收蓝光发射作为第三种颜色。应用具有不同尺寸的CdSe晶种的CdS棒的两种样品的混合物。以622nm进行发射的第一样品（红棒）以及以540nm进行发射的第二样品（绿棒）产生其发射显示出两个峰的组合。纳米棒的发射的偏振和方向性被测量并描述如下：

由在光谱的蓝光区域中发射的LED照明具有622nm发射的样品膜。由该层发射的光通过滤光器以去除透射的蓝光并隔离该发射。然后，使用CCD来测量该发射的强度。偏振器允许总强度的测量以及沿两种偏振（即沿纳米棒的方向和正交方向）的强度的测量。被定义为具有期望偏振的光强度与正交偏振的光强度的比值的偏振比（PR）为3.3:1。当通过其轴在与纳米棒的长方向相同的方向上的偏振器时，纳米棒的发射显示77%的透射，而与规则的非偏振光相比，则显示50%的透射（不考虑在偏振器本身中出现的损失）。如针对偶极式发射器所期望的，发现发射在沿位于相对于与纳米棒的对准轴垂直的平面的小角度内的轴的方向上更集中，而在纳米棒的端部的方向上减小，以及在水平面内的方位角方向上大体上是均匀的。设计了如下理论模型：首先假设纳米棒在膜内不是完全有序的，而是沿由单一参数（SIGMA，分布的标准偏差）所表征的方向的分布来对准的。另外，在单个层上，假设纳米棒不像纯偶极一样进行发射，纯偶极针对单个棒可以转化成无限的（最大）PR值。反而，在溶液中的纳米棒的先前测量值表示单独取得的棒的6个PR值。与理论分析的比较暗示摩擦实现了具有10度的SIGMA值的对准。在图1D中显示了与纳米棒130的长轴平行地偏振的光强度随着仰角（Theta）的变化以及与数值仿真140的匹配。在图1E中示出了与纳米棒150的长轴平行地偏振的光强度随着方位角（Psi）的变化以及与数值仿真160的相应匹配。

如所期望的，发现发射在子午面中更强，在端部方向上降低，以及在方位角方向上大体上均匀。与理论分析的比较暗示摩擦实现了具有10度的SIGMA的对准。在图1D和图1E中示出了强度和偏振随着极角和方位角的变化以及与数值仿真的匹配。

为了构造背光单元，将上述活性各向异性纳米粒子层放置在蓝光发射光源上（发射大约460nm的光）。绿棒和红棒的浓度被调整以提供需要的色域，并且可以被用作双色显示器。在另一种实现中，调整浓度以允许部分蓝光传递通过。光学活性结构之后的光通过偏振器，该偏振器的传递轴与光学活性结构的主对准轴平行。这样做以获得光的更多全偏振特性。重要地，在这种情况下由于非偏振光而导致的光损失最小，从而提供高能效。然后，光被传递至液晶调制器以及显示器的其余部分。

示例3：制备了包括独立纳米棒的光学活性结构。如在以上提及的转让给本申请的受让人的WO/2010/095140中描述的那样，将棒在具有图案化电极的玻璃基底上对准。在该方法中，当在电极之间施加交流电场时，将纳米棒从溶液沉积至玻璃上。在溶液干燥期间，纳米棒优先与所施加的电场的方向平行地对准。这生成了具有发射优选地沿对准轴偏振的光的优选地对准的纳米棒的层。偏振比的典型值在2至4.7之间，其中每个颜色发射器可以根据使用的纳米棒的特定类型、纳米棒的沉积以及对准条件而具有不同的偏振比值。为了构造背光单元，将上述活性各向异性纳米粒子层放置在蓝光发射光源上（发射大约460nm的光）。绿棒和红棒的浓度被调整以提供需要的色域，并且可以被用作双色显示器。在另一种实现中，调整浓度以允许部分蓝光传递通过。光学活性结构之后的光通过偏振器，该偏振器的传递轴与光学活性结构的主对准轴平行。这样做以获得光的更多的全偏振特性。重要地，在这种情况下由于非偏振光而导致的光损失最小，从而提供高能效。然后，光被传递至液晶调制器以及显示器的其余部分。

因此，本发明提供了一种使用光学活性结构的偏振光源的新方法，该光学活性结构基于沿一个或两个轴均一地对准的纳米棒以向显示器/投影仪提供各种颜色和/或正交偏振的偏振光。这样的方法优于将背光导向至无源偏振器的已知方法。事实上，本发明由于背光的偏振化而提供了显著改进的能效，这是因为本发明的光学活性结构发射偏振光并因而可以针对完全偏振的光将偏振器透射的光增加几乎2倍。即使对于部分偏振的光，增加也会是显著的。例如，针对与液晶第一偏振器具有相同轴的90%的偏振光，所述倍数约为1.8=90/50。这提供了可以等效甚至超过复杂且昂贵的DBEF膜的性能的廉价且有效的方案。另外，本发明提供了对背光系统结构的简化，这是因为光学活性结构发射已偏振的光，因此其提供了使用更少层来实现可比较的甚至更好的性能。这与在光学活性结构内的纳米棒的附加特性有关，这是因为发射强度角度变化与偶极相似。越少的光发射到长轴方向，朝向与长轴方向垂直的方向提供的发射越强。这允许更好地使用针对需要方向而发射的光。另外，本发明提供了针对非常大且灵活的色域具有潜力的背光系统，这是因为可以在活性各向异性纳米粒子层中放置以期望的基色进行发射的纳米粒子的组合。

Claims

1.一种光学活性结构，包括：

至少两个不同组的光学活性纳米棒，所述至少两个不同组的光学活性纳米棒在其响应于泵浦光而发射的光的波长和偏振中的至少一个上彼此不同，同一组的纳米棒与同至少一个其他组的纳米棒的对准轴基本上平行或基本上垂直的特定对准轴均一地对准，使得所述至少两组的纳米棒具有一个或两个对准轴；以及

至少一个光提取特征，被配置成保持发射光的偏振。

2.根据权利要求1所述的结构，其中所述纳米棒被嵌入在载体中或被沉积在载体上。

3.根据权利要求2所述的结构，其中所述载体对于所述泵浦光和发射光是光学透明的。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的结构，包括所述结构的至少一个区域，所述至少一个区域包含发射至少两种不同波长的光的所述至少两组的均一地对准的纳米棒的混合物。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的结构，包括下述纳米棒：所述纳米棒发射基本上相同波长的光，并且沿两个垂直的对准轴定向，从而产生正交偏振光。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的结构，包括分别包含所述两组的纳米棒的至少一对间隔开的区域。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的结构，包括沿至少一个轴以间隔开的关系布置的区域阵列，沿所述至少一个轴布置的每两个相邻区域包含不同组的纳米棒。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的结构，包括沿所述泵浦光的传播方向的轴间隔开的至少两个层，所述至少两组光学活性纳米棒发射至少两种不同波长的光并且分别位于所述至少两个不同的层中，从而形成所述光学活性结构的级联布置。

9.根据权利要求8所述的结构，其中，所述至少两组纳米棒被布置在所述至少两个层中，使得：相对于所述泵浦光的传播方向，发射所述至少两种波长的发射光中的相对较短波长的光的纳米棒位于发射相对较长波长的光的纳米棒的下游。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的结构，其中，所述纳米棒被布置在至少一个层中。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的结构，其中，所述纳米棒由一种或更多种半导体材料制成。

12.根据权利要求1至3中任一项所述的结构，其中，所述纳米棒具有长宽比为至少1.8的细长几何形状。

13.根据权利要求1至3中任一项所述的结构，其中，所述纳米棒具有核-壳配置。

14.根据权利要求1至3中任一项所述的结构，其中，所述纳米棒被配置为晶种棒。

15.根据权利要求14所述的结构，其中，在所述晶种棒中的晶种具有球形或棒状的几何形状。

16.一种照明装置，包括：根据权利要求1至15中任一项所述的光学活性结构；以及泵浦光源。

17.一种被配置为彩色显示装置的照明装置，所述照明装置包括：根据权利要求1至16中任一项所述的光学活性结构；用于激发所述光学活性结构的泵浦光源；以及暴露于由所述光学活性结构发射的光的像素装置。

18.根据权利要求16或17所述的照明装置，其中，所述光学活性结构被配置为背光照明单元并能够作为背光照明单元来工作。

19.根据权利要求16或17所述的照明装置，被配置成沿第一大体传播方向来对发射光进行导向，所述装置包括所述泵浦光的光源，所述泵浦光的光源限定所述泵浦光朝向所述光学活性结构的第二大体传播方向，其中所述第二方向沿着与由输出光的所述第一大体传播方向限定的轴相交的轴。

20.根据权利要求16或17所述的照明装置，包括位于由所述光学活性结构发射的光的光路中的至少一个光偏转表面。

21.根据权利要求16或17所述的照明装置，包括位于由所述光学活性结构发射的光的光路中的至少一个光折射表面。

22.一种光学活性结构，包括至少两组光学活性纳米棒以及至少一个光提取特征，所述至少两组光学活性纳米棒在其响应于泵浦光而发射的光的波长上彼此不同，所述至少一个光提取特征被对应地形成在所述光学活性结构的至少一个表面上并且被配置成保持发射光的偏振，所述光学活性纳米棒包括沿对准轴均一地定向从而响应于所述泵浦光而发射基本上偏振的光的多个纳米棒。