CN106461962A - 线栅偏振器及制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种偏振光学制品，通过选择性地将导电涂层施加至由一系列线性波峰和波谷形成的结构化表面的一部分形成。
Description
相关申请
本申请要求于2014年2月6日提交的题为“Wire Grid Polarizer and Method ofManufacture(线栅偏振器及制造方法)”的临时申请序列号61/936,831的优先权，其全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及制造使光偏振的装置的装置和方法，并且更加具体地涉及采用线栅偏振器的装置。
背景技术
光学透镜的偏振功能性需要通过应用传达，并且通常是使用拉伸的聚酯或者聚乙烯醇(PVA)薄膜来提供，该薄膜随后吸入诸如碘酒或者适合的有机染料等导电材料。这种拉伸薄膜偏振片可以具有高达99.9％的偏振效率。然而，在这种高水平的效率下，光透射率通常减小至接近20％的水平。眼用透镜的应用空间需要将偏振薄膜材料夹带(entrain)在透镜包本身内。
拉伸薄膜的一种替代技术是线栅偏振器(WGP)。线栅偏振器通常仅用于相当长的波长应用(诸如，微波、红外线、IR以及更长的波长)，这是因为可用在偏振器中的线都太大而无法有效地使更短的波长偏振，诸如，在可见光谱内的波长，例如，大约390纳米至700纳米。为了能够使可见光偏振，线栅偏振器中的线的间隔需要小于可见光的波长，并且优选地极大地小于最小波长(例如，200纳米)。
因此，本领域中存在对如下线栅偏振器的需要，即，可操作以有效地使可见光光谱中相对较短的波长偏振的线栅偏振器。
发明目的和内容
本发明提供线栅偏振器，该线栅偏振器可操作以有效地使可见光光谱中相对较短的波长偏振。这些目的部分地通过提供如下所述来实现：透镜，该透镜具有第一表面和第二表面，透镜用户通过第一表面和第二表面进行观看；大体上均匀的一系列线性波峰和波谷，这一系列线性波峰和波谷形成在所述第一表面和所述第二表面中的一个上；以及导电涂层，该导电涂层施加至一系列波峰和波谷的整体的一部分，以便在所述透镜的所述第一表面和所述第二表面中的所述一个上形成一系列导电线。在某些实施例中，大体上均匀的一系列线性波峰和波谷被模制到所述第一表面和所述第二表面中的一个中。在某些实施例中，导电涂层仅仅被施加至大体上均匀的一系列线性波峰和波谷中的波峰的尖端的一部分。
本发明还提供用于制作线栅偏振器的方法，该线栅偏振器可操作以有效地使可见光光谱中相对较短的波长偏振。该方法部分地包括如下步骤：在光学制品上形成线性结构化表面；以及为线性结构化表面的整体的一部分涂上导电涂层以便在光学制品上形成大体上独特的单独的线。
可替代地，根据本发明的方法部分地包括：在眼用制品的表面上形成波峰和波谷的线性图案；以及从相对于通过眼用制品的表面的最优拟合线的、大于0度且小于90度的角度来为眼用制品的表面涂上导电涂层；以及通过所述涂层在眼用制品的表面的至少一部分上形成多个导电线。
附图说明
通过参照附图对本发明的实施例进行的如下描述，本发明的实施例能够实现的这些和其它方面、特征和优点将是显而易见的，在附图中：
图1是根据本发明的某些实施例的眼用制品的表面结构的显微图。
图2是根据本发明的某些实施例的眼用制品的表面结构的截面。
图3A是根据本发明的某些实施例的眼用制品的平面图。
图3B是根据本发明的某些实施例的眼用制品的立视图。
图4是根据本发明的某些实施例的眼用制品的透视图。
图5是根据本发明的某些实施例的眼用制品的透视图。
图6是根据本发明的某些实施例的眼用制品的表面结构的平面图。
图7是根据本发明的某些实施例的眼用制品的表面结构的平面图。
图8是根据本发明的某些实施例的眼用制品的表面结构的截面图。
具体实施方式
现在将参照附图对本发明的特定实施例进行描述。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，并且不应理解为限制于本文所列出的实施例；相反，提供这些实施例是为了使本发明详尽且完整，并且将本发明的范围充分地传达至本领域技术人员。对附图中图示的实施例的详细描述中使用的技术不意在限制本发明。在附图中，相同的附图标记指相同的元件。
一般来说，本发明实现了线栅偏振器的形成，该线栅偏振器使在可见光谱内的波长(例如，大约390纳米至700纳米)范围中的电磁辐射偏振。该目的是通过如下方式实现的：首先在眼用或者光学制品(诸如，透镜、薄膜或者薄膜叠层)上形成结构化表面。该结构化表面可以采用在几纳米至几百纳米的度量范围内的线性图案或者特征(诸如，波峰和波谷)的系统。
尽管采用这种结构化表面的光学制品只显示出中等水平的可见光偏振，但通过选择性地为结构化表面涂上导电涂层而极大地增加了偏振。选择性地为结构化表面涂上导电涂层，以便使光学制品的结构化表面仅仅允许该制品的结构化表面的某些部分(例如，波峰的一侧的一部分或者波峰的尖端的一部分)接收涂层。因此，结构化表面的选择性地涂层的部分在光学制品的表面上形成一系列线性线，这一系列线性线用作线栅偏振器。
在本发明的某些实施例中，其上形成有本发明的线栅偏振器的表面是：未完成的单焦点或多焦点光学透镜圆盘(puck)的前表面或者后表面，或者完成的单焦点或多焦点光学透镜的前表面或者后表面。
在本发明的某些实施例中，期望的表面结构在浇铸或者注射模制过程期间形成在光学制品上。例如，在透镜形成过程期间采用的诸如金属模具等的模具可以具有形成在如下表面上的期望结构：将在该表面上或者抵靠该表面形成光学制品。表面结构可以通过如下方式形成在模具上：例如，使用金刚石加工尖端对模具进行加工。通过采用相对粗糙的金刚石尖端(例如，具有5微米的曲率半径和35度的尖端角的尖端)，可以形成在线性特征或者切口的波峰之间具有在微米(例如，3微米)范围内的距离(即，间距)的结构。通过采用相对精细的金刚石尖端(例如，具有1微米的曲率半径和25度的尖端角的尖端)，可以形成在几百纳米范围内的间距。根据本发明的某些实施例，实现了在150纳米至1000纳米的范围内的表面结构，优选地实现了在150纳米至700纳米的范围内的表面结构，并且更加优选地实现了在150纳米至200纳米的范围内的表面结构。这种加工的光学模具可以称为直接调谐金属光学部件。
当光学制品形成在具有诸如上文描述的表面结构的模具凹腔中时，透镜基板(例如，聚碳酸酯树脂)与模具的结构化表面相一致。因此，当从模具上移除光学制品时，形成在模具的结构化表面上的光学制品的表面将具有如下所述的表面结构：该表面结构大体上与模具凹腔的表面结构或者与模具凹腔的表面结构的互承结构相同。
例如，在250摄氏度至350摄氏度的范围内(例如，295摄氏度)的模制温度下在金属模具中制备的、具有线性图案化表面结构的模制聚碳酸酯透镜将出人意料地具有与模具(其在该模具中形成)的结构化表面高度一致的结构化表面。
图1是在具有线性图案化表面结构的金属模具凹腔中模制出的光学制品的一部分的显微图的图像。模具的表面结构的线性图案形成有大约6微米的间距。如在图1中示出的，抵靠该模具的结构化表面形成的光学制品的表面也具有线性图案化表面结构。图2是抵靠该结构化表面模具的结构化表面形成的光学制品的同一结构化表面的一部分的表面轮廓。
在本发明的某些实施例中，期望的表面结构直接形成在完成的透镜、未完成的透镜或者毛坯透镜圆盘的前表面或者后表面中。例如，可以采用上文公开的金刚石切割技术来执行形成的透镜或者圆盘(例如，聚碳酸酯透镜或者圆盘)的表面的直接表面化或者结构化。
图3A和图3B分别是根据本发明的某些实施例的完成的或者半完成的透镜10的平面图和立视图，该透镜10具有前侧12和后侧14。透镜10采用在前表面12上的表面结构16，该表面结构16是在透镜模制过程期间形成或者是由于前侧12的直接表面化而形成。为了清楚，表面结构16的线性特征示出为似乎被放大并且未按照透镜的实际尺寸绘制。
在本发明的某些实施例中，期望的表面结构形成在薄膜或者薄膜叠层(例如，诸如光致变色叠层等功能叠层)的表面上。可以通过例如刻划或者其它适合的技术将结构化表面形成在薄膜或者薄膜叠层上。接着，表面结构化薄膜或者薄膜叠层可以独自用于形成具有本发明的线栅偏振器的偏振光学制品，或者可以通过注射模制或者浇铸进行模制以便形成叠层透镜，例如，单焦点或多焦点眼用透镜。图4示出了根据本发明的某些实施例的薄膜20，该薄膜20具有前侧22和后侧24。薄膜20在前表面22上采用表面结构16，该表面结构16是在薄膜20的形成期间或者是由于薄膜20的直接表面化而形成。为了清楚，将表面结构16的线性特征示出为似乎被放大并且未按照透镜的实际尺寸绘制。
图5示出了根据本发明的某些实施例的薄膜叠层30，该薄膜叠层30具有前侧32和后侧34以及叠层层38A、38B和38C。薄膜叠层30在前表面32上采用表面结构16，该表面结构16在叠层层38A的形成期间形成；由于在薄膜叠层30的形成之前叠层层38A的直接表面化；或者由于在薄膜叠层30的形成之后薄膜叠层的前侧32的直接表面化，即，由于在叠层30的形成过程之后前侧32的直接表面化(例如，呈聚碳酸酯片形式的前侧32的表面化或者图案化)。为了清楚，将表面结构16的线性特征示出为似乎被放大并且未按照透镜的实际尺寸绘制。
在本发明的某些实施例中，最终将用于形成本发明的性线栅偏振器的结构化表面采用如下结构化图案：一旦如下文所描述的那样进行了选择性的涂层，则该结构化图案将具有不同的区域，这些不同的区域使得不同方向上的光偏振。例如，如在图6中示出的，表面结构16可以在第一区域16A中采用线性结构并且在第二区域16B中采用定向为与第一区域16A中的线性结构呈非零度角度18的线性结构。
参照图7，在本发明的某些实施例中，最终将用于形成本发明的线栅偏振器的结构化表面采用同心圆16C的线性结构化图案。取决于佩戴者正通过光学制品观看的方向，采用这种表面结构的光学制品的偏振将具有与其相关联的某种方向性。例如，如果同心圆以用户的瞳孔为中心，则直视前方将具有大体上为零的平均偏振状态，向上或向下看将大体上水平地偏振，并且向左或向右看则将大体上垂直地偏振。
在本发明的某些实施例中，相同或者不同的表面结构图案可以组合在光学制品的表面上的单个连续区域中或者可以用在单独的不连续结构化区域中。换言之，在根据本发明的采用多个偏振区域的光学制品中，不同的区域可以形成在该制品的分散区域中并且不需彼此接触或者相邻。
为了形成本发明的线栅偏振器的“线”，选择性地为结构化表面涂上导电层或者涂层。可以通过例如采用喷射或者溅射涂层/沉积技术(例如，物理气相沉积)来施加或者涂覆该导电涂层。
术语“选择性的”意在表示，涂层过程的最终结果仅使结构化表面的某些部分被涂覆。例如，最终只有结构化表面的波峰的侧边或者波峰的尖端的一部分涂有导电层。实际上，选择性的涂层过程形成了空间频率、间距或者分隔在纳米级范围内的一系列独特的或者分立的线，有效地使在可见光光谱中的波长偏振。
在本发明的某些实施例中，这样形成的线是独特的或者分立的线或者大体上独立的或者分立的线。换言之，由于例如结构化过程和/或导电涂层过程的不完美，形成的导电线可能偶尔与一个或多个相邻的线接触。因此，术语“大体上独特的”意在表示，形成的线的大多数线性尺寸是独立于彼此的。
在某些实施例中，如在图8中示出的，通过将涂层40喷射或者施加至结构化表面16的波峰6的一部分来实现选择性的涂层或者金属喷镀。例如，选择性的涂层是通过从由箭头46表示的方向上施加涂层来实现的，该方向针对结构化表面16的最优拟合线或者平面42形成非零度且小于90度的角度44。从方向46上施加涂层40仅使表面结构16的一部分被涂覆，这是因为表面结构16起伏的表面状态阻挡或者遮蔽了表面结构16从观察或涂层方向46的直线方向的一部分。由于表面结构16的线性性质，所以涂层或者涂覆区40大体上在线性结构16的整个长度上延续，从而在表面结构16上形成大体上连续的导电线。
在本发明的某些实施例中，一旦使用结构化或者图案化的表面模具和生成的线来形成了透镜，就可以将附加涂层(例如，硬涂层和/或防反射涂层)施加至该结构化表面以便嵌入线栅偏振器并且为该偏振器提供物理和环境保护。
在本发明的某些实施例中，可以通过操纵结构化表面的波峰的间距以及用于选择性地形成涂层40的角度44来对根据本发明的线栅偏振器的反射率、透射率和偏振效率进行微调或者优化。
在本发明的某些实施例中，本发明的线栅偏振器在光学制品、薄膜或者薄膜叠层的一部分或者全部上形成分级偏振器。例如，从用户的角度来看，本发明的线栅偏振器从光学制品的顶部至底部可以发生变化，以便使透镜的上部具有比光学制品的下部更高的偏振效率。例如，当用户在开车时，该实施例可以是有利的。当通过光学制品的上部以一距离观看时，可以存在高度的偏振。然而，当通过光学制品的下部观看较近的物体(例如，车辆的驾驶舱内的数字显示器或者LCD屏幕)时，存在很少或者不存在干扰观看该装置的偏振。
在本发明的某些实施例中，用于形成线栅偏振器的导电涂层是反射金属类涂层。例如，反射导体层或者涂层可以采用导电金属，诸如，金、铝、铜、铌、铬、锡或者类似金属。该导电反射层可以形成多层结构或者更复杂的涂层的一部分，诸如，增强的镜面或者低辐射涂层，例如，在一种涂层中，在许多其它层的中间埋有银，该许多其它层用于保护该金属并且还提供美学特征。在某些实施例中，在导电反射涂层上施加防反射涂层，以便减小或者消除该导电反射涂层的反射性质。
在本发明的某些实施例中，用于形成本发明的线栅偏振器的导电涂层是非反射导体层。例如，非反射导体层可以采用：包含金属的低氧化物、包含金属的低氧化物的多层堆叠，或者嵌入在氧化物或者低氧化物层堆叠内的金属层。非反射导电涂层可以呈例如低辐射涂层的形式，在该低辐射涂层中，采用了诸如低氧化铬或者低氧化镍镉等金属低氧化物。可以将非反射导电涂层嵌入在非反射或者吸收性外层中以便增强非反射特性。可替代地，可以将该非反射或者吸收性外层定向在非反射导电层的下方、顶部或者在顶部和下方两处，以便产生不同的视觉修饰效果。
在本发明的某些实施例中，用于形成本发明的线栅偏振器的导电涂层是透明导电层。例如，透明导体层或者涂层可以采用透明导电涂层或者TCC。例如，透明导电涂层可以采用铟锡氧化物或者ITO、锌铝氧化物，或者诸如石墨等碳基导体。这种透明导电层允许形成透射率相对较高的偏振光学制品。在某些实施例中，透明导电氧化物与其它电介质层组合起来，这将实现与偏振效果一起达成的诸如反射、防反射和/或过滤等光学效果。
在某些实施例中，采用本发明的线栅偏振器的薄膜或者薄膜叠层又用于通过注射模制或者浇铸来形成诸如透镜等光学制品或者叠层光学制品，形成在薄膜或者薄膜叠层上的线将被(但不一定必须被)模制或者浇铸在光学制品的内部。换言之，参照图4和图5，在注射模制或者浇铸过程期间，将直接抵靠表面22或者表面32来模制或者浇铸透镜基板。在采用注射模制的某些实施例中，可以在模制过程期间使表面22或者表面32的实际表面结构平坦化或者如若不然就减小。
在本发明的一个实施例中，通过如下方式来形成线栅偏振器：首先为光学制品、薄膜或者薄膜叠层涂上导电涂层，并且然后通过移除导电涂层的线性部分(例如，通过光学制品、薄膜或者薄膜叠层的导电涂覆表面的直接表面化来移除导电涂层的线性部分)来形成线栅偏振器的线。在该实施例中，用于生产本发明的线栅偏振器的方法基本上与上文描述的方法相反，即，在基板的表面结构化之前将导电涂层施加至基板。在某些情况下，该实施例可以是有利的，这是因为通过导电涂层制备的线不会经受上文描述的选择性的定向性涂层。因此，可以更加容易地制备非线性或者发散偏振器。
根据本发明的线栅偏振器实现比如今在眼用透镜中使用的当前染料和拉伸薄膜技术更大的偏振效率。当前技术具有如下限制性：在约50％的透射率时偏振效率为约80％，并且在约40％的透射率时偏振效率为约96％。在98％的偏振效率下，当前使用的技术限制于约15％的透射率。根据本发明的线栅偏振器有利地且出人意料地提高了当前偏振技术的偏振效率和透射率。例如，根据本发明的线栅偏振器在约50％的光透射率下实现大于99％的偏振效率。
尽管已经针对特定实施例和应用对本发明进行了描述，但在不背离所要求的发明的精神或者超出其范围的情况下，本领域技术人员可以根据本教导生成附加实施例和修改例。因此，应理解，本文的附图和说明书是以示例的方式提供，以便促进对本发明的理解并且不应理解为限制其范围。
Claims (20)
1.一种用于形成偏振器的方法，包括：
在光学制品上形成线性结构化表面；以及
为所述线性结构化表面的整体的一部分涂上导电涂层以便在所述光学制品上形成大体上独特的单独的线。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述在光学制品上形成线性结构化表面的步骤包括：抵靠其上形成有线性结构的模具表面来模制所述光学制品。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述在光学制品上形成线性结构化表面的步骤包括：抵靠其上形成有线性结构的表面来浇铸所述光学制品。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述在光学制品上形成线性结构化表面的步骤包括：直接将所述线性结构化表面加工到所述光学制品的表面上。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述在光学制品上形成线性结构化表面的步骤包括：在完成的光学透镜的表面上形成所述线性结构化表面。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述在光学制品上形成线性结构化表面的步骤包括：在薄膜的表面上形成所述线性结构化表面。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述在光学制品上形成线性结构化表面的步骤包括：在所述光学制品的注射模制期间形成所述线性结构化表面。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述在光学制品上形成线性结构化表面的步骤包括：形成具有在150纳米至300纳米范围内的间距的一系列波峰和波谷。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述在光学制品上形成线性结构化表面的步骤包括：在所述光学制品上形成多个不同的线性结构化区域。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述的为所述线性结构化表面的整体的一部分涂上导电涂层以便在所述光学制品上形成大体上独特的单独的线的步骤包括：仅对所述线性结构化表面的多个波峰的尖端的一部分进行涂层。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述的为所述线性结构化表面的整体的一部分涂上导电涂层以便在所述光学制品上形成大体上独特的单独的线的步骤包括：从相对于通过所述光学制品的表面的最优拟合线的、大于0度且小于90度的角度来进行涂层。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述的为所述线性结构化表面的整体的一部分涂上导电涂层以便在所述光学制品上形成大体上独特的单独的线的步骤包括：涂覆反射导电涂层。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述的为所述线性结构化表面的整体的一部分涂上导电涂层以便在所述光学制品上形成大体上独特的单独的线的步骤包括：涂覆非反射导电涂层。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述的为所述线性结构化表面的整体的一部分涂上导电涂层以便在所述光学制品上形成大体上独特的单独的线的步骤包括：涂覆透明导电涂层。
15.一种用于形成偏振眼用制品的方法，包括：
在眼用制品的表面上形成波峰和波谷的线性图案；
从相对于通过所述眼用制品的表面的最优拟合线的、大于0度且小于90度的角度来为所述眼用制品的表面涂上导电涂层；以及
通过所述涂层在所述眼用制品的表面的至少一部分上形成多个导电线。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述的在眼用制品的表面上形成波峰和波谷的线性图案的步骤包括：将所述波峰和波谷的线性图案模制在所述眼用制品的表面上。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述的从相对于通过所述眼用制品的表面的最优拟合线的、大于0度且小于90度的角度来为所述眼用制品的表面涂上导电涂层的步骤包括：仅对所述波峰和波谷的线性图案的波峰的尖端的一部分进行涂层。
18.一种模制偏振眼用透镜，包括：
透镜，所述透镜具有第一表面和第二表面，透镜用户通过所述第一表面和所述第二表面进行观看；
大体上均匀的一系列线性波峰和波谷，所述一系列线性波峰和波谷形成在所述第一表面和所述第二表面中的一个上；以及
导电涂层，所述导电涂层施加至所述一系列波峰和波谷的整体的一部分，以便在所述透镜的所述第一表面和所述第二表面中的所述一个上形成一系列导电线。
19.根据权利要求18所述的透镜，其中，所述大体上均匀的一系列线性波峰和波谷被模制到所述第一表面和所述第二表面中的一个中。
20.根据权利要求18所述的透镜，其中，所述导电涂层仅仅施加至所述大体上均匀的一系列线性波峰和波谷中的波峰的尖端的一部分。
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