CN106575054A - 用于电磁干扰屏蔽的光学偏振器的系统、设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供用于屏蔽性和反射性光学偏振器的系统、设备与方法。该偏振器包括光学反射且导电的线的细线阵列；及光学反射且导电的线的粗栅格。细线阵列与粗栅格彼此电耦接且耦接至接地终端。公开了多个额外的方面。

Description

用于电磁干扰屏蔽的光学偏振器的系统、设备及方法
相关申请的交叉引用
本申请主张于2014年8月14日提出申请的、题为“用于电磁干扰屏蔽光学偏振器的系统、设备与方法”的美国临时申请No.62/037,412的优先权权益，其全部内容出于所有目的通过引用结合于此。
技术领域
本发明涉及光学偏振器，且更具体地涉及用于提供电磁干扰(EMI)屏蔽的光学偏振器的系统、设备与方法。
背景技术
现有的液晶显示器(LCD)通过将液晶(LC)置放于交叉(如相对于彼此旋转90度)偏振的两个光学偏振器之间来调制光。考虑光子穿过笛卡儿空间(Cartesian space)朝向一对交叉的光学偏振器移动。如果光子沿着x轴偏振且沿着z轴传播，如果第一光学偏振器沿着x轴对齐，则光子将穿过第一光学偏振器。当该光子抵达沿着y轴对齐的第二、交叉的偏振器时，根据偏振器的类型，光子将被吸收或反射。原则上，没有光会通过交叉的偏振器。然而，在偏振器之间设置的LC材料的定向可以旋转光子的极向以允许光通过堆叠。制造于LCD内的薄膜晶体管(TFT)所控制的电场决定旋转的量。
传统的光学偏振器是吸收性的。例如，LCD的背光产生的超过50％的非偏振光被第一偏振器单独吸收。此布置本质上消耗光，从而将能量转换成第一偏振器内的热，因此是没有效率的。
光学滤光器(除了偏振器)用于调整显示器的性能特性，如中性度与传输颜色的水平、反射的辐射水平，以及不希望的近红外光与电磁干扰(EMI)辐射的透射水平。带有EMI屏蔽的这些滤光器已经被发展为可以调节可见光辐射、红外光辐射、调整颜色、减少反射，以及可以提供在装置内各式电子组件(包括显示屏)之间互相的EMI辐射屏蔽。一般来说，许多不同光学滤光器膜连同单独的EMI屏蔽膜(如带有透明导电网孔配置的膜)已经用于产生装置的最后的所需视觉输出。这些光学滤光器中的一些已经采用交替的导体与电介质的干涉堆叠(如Fabry-Pérot)以调整滤光器的光学性能特性，同时也提供EMI屏蔽。这些堆叠中的导体通常是分离的金属层而电介质通常是金属氧化层。金属氧化层可能具有很低的沉积率，从而可能导致高生产成本。为了获得所需性能特性而在电子装置中使用多个光学滤光器可能增加成本、使装置体积变大，以及可能导致在所需图像的传输中相当大的损失。
因此，所需的是用于同时有效提供光学偏振与EMI屏蔽而没有增加花费与显示器的体积的改善系统、设备与方法。
发明内容
在某些实施例中，本发明提供液晶显示屏系统。LCD系统包括第一屏蔽性反射光学偏振器；邻近于第一屏蔽性反射光学偏振器设置的彩色滤光器；邻近于彩色滤光器设置的薄膜晶体管与液晶层；邻近于薄膜晶体管与液晶层设置的第二屏蔽性反射光学偏振器；以及包含光源、散光器与背反射器的背光组件，该背光组件邻近于第二屏蔽性反射光学偏振器设置。
在某些其他实施例中，本发明提供屏蔽性与反射性光学偏振器设备。偏振器设备包括光学反射且导电的线的细线阵列；以及光学反射且导电的线的粗栅格。细线阵列与粗栅格彼此电耦接且电耦接至接地端子。
在又一实施例中，本发明提供用于制造偏振器设备的方法。该方法包括在基板上形成细线阵列，其中细线阵列包含导电性与反射性线；在细线阵列上形成粗栅格，其中粗栅格包含导电性与反射性线；以及将细线阵列和粗栅格电耦接至接地端子。
本发明的其他特征、方面与优点将通过描绘多个示例性实施例与实施方式(包含构想到用于实施本发明的最佳模式)而从以下详尽的说明、所附权利要求以及附图中得到更全面性的了解。在不背离本发明的精神与范围下，本发明实施例也可用于其他和不同应用，且其若干细节可在不同方面中变化。因此，图示与说明书事实上被视为示例性的，而不是作为其限制。本发明图示不必依比例绘制。本说明书意欲涵盖落于权利要求书的范围与精神内的所有变化、等效物及替代物。
附图说明
图1是描绘根据本发明实施例的示例液晶显示器(LCD)系统的示意性框图。
图2是描绘根据本发明实施例的包含触控传感器层的替代示例LCD系统的示意性框图。
图3A-3E示出根据本发明实施例的用于制造电磁干扰(EMI)屏蔽的光学偏振器设备的示例处理步骤。
图4是示出根据本发明实施例的制造EMI屏蔽的光学偏振器设备的第一示例方法。
图5是示出根据本发明实施例的通过线栅格偏振器的光透射基于线高度与光波长变化的曲线图。
图6A至图6C示出根据本发明实施例的制造EMI屏蔽的光学偏振器设备的第二示例方法。
具体实施方式
本发明实施例提供用于电磁干扰(EMI)屏蔽的光学偏振器的系统、设备与方法。如上所提到的，传统偏振器是吸收性的。LCD背光产生的光中的大约50％被第一偏振器(如背光与LC/TFT层之间的偏振器)吸收。相反地，本发明实施例的偏振器是反射性的。带有与反射偏振器的偏振相反的光子(该光子通常会在传统偏振器中被吸收)被反射回背光与下偏振器(lower polarizer)之间的散光板。背光的背反射器(back reflector)将光“重新反射”回通过散光器，该散光器对光的偏振置乱(scramble)使得该被重新反射的光中的大约50％会通过第一偏振器。其余大约50％的被重新反射的光将再次从第一偏振器反射开且接着从背反射器反射开，并且以大约50％穿过及大约50％被反射的方式再次反射回通过散射器至偏振器。在几乎所有光以正确的偏振穿过偏振器之前，此光循环会一直重复。会被吸收的“循环”光的现有技术方法会使用昂贵的额外的层(如可从3M公司获得的VikuitiTM反射偏振器膜(DBEF))，这对LCD系统增加额外的成本与厚度。因此，本发明实施例显著改善LCD的能量效率而无需带来额外的花费与堆叠厚度。
除了没有效率之外，传统LCD遭受在LCD内集成的各式装置间的电噪声。最显著的是用于感测LCD表面上的触摸的电子电路和控制液晶(LC)(如薄膜晶体管(TFT)阵列)定向的LCD内的电路之间的电噪声。也有可能有若干其他电路产生的电噪声，该等其他电路包括：控制背光(如局部调光)的电路、与可内置于显示器的其他传感器(如压力、温度、光传感器)相关联的电路、以及装置内的与显示无直接相关的其他电路。此外，诸如向显示器用户提供仿真触觉反馈的触觉装置的较新的科技包括邻近LC控制电路的电路，从而亦可能产生干扰噪声。这些噪声源限制LCD上的设计、减少传感器的灵敏度，以及可能干扰使用LCD的装置的操作。
本发明实施例的反射偏振器也提供这些各式电路可能产生的电磁噪声的屏蔽。通过使用电接地的导电线栅格(如包括平行细导电线的阵列)，反射偏振器提供控制LC定向的LCD内的电路与全部其他外部电路之间的电屏蔽层，其他外面电路可以包括如触控传感器、压力传感器、温度传感器、光传感器与其他传感器，以及控制背光与靠近LC控制电路的其他装置(如触觉装置)的电路。在某些实施例中，反射性与导电性偏振器可以被连接至各线的导电周边边界围绕，其中周边边界接地。
为了用作可见光偏振器，导电并行线是薄且紧密间隔的。例如，为了偏振400nm的光(人类眼睛所能辨别的最短波长)，偏振器会具有数条(如三或更多)以一个波长内间隔的线。例如，可以使用带有约60nm至约130nm线间距(line pitch)与约10nm至约30nm线宽度的细线阵列。在某些实施例中，可以使用带有约100nm间距与约20nm线宽度的阵列线。也可以使用其他间距与线宽度。在某些实施例中，可以使用光学光刻(optical lithography)技术以在膜或玻璃基板上产生如此紧密间隔的导电线，且在其他实施例中，可以采用压印光刻(imprint lithography)技术。
另外，在某些实施例中，除了细线阵列外，反射、导电性线的第二粗栅格可以与细线阵列一起(如覆盖于其上或与其集成)在膜或基板上形成。粗栅格可以经图案化以与未与像素的发光部分直接对齐的显示器区域(如黑色矩阵(black matrix)与TFT)匹配及对齐。如此进一步改善EMI屏蔽与光反射。具体言之，穿过黑色矩阵与TFT的光是不期望的，因为这些区域会显现暗灰色，其无法向LCD上的图像提供吸引人的外观。此外，如果此光泄漏跨LCD改变，则对该图像可能有可见的失真，这是不可接受的。通过定位粗栅格而使得粗栅格与黑色矩阵及TFT对齐，此类光泄漏被最小化且黑色矩阵的暗度与一致性得到改善。此外，因为偏振器提供黑色矩阵区域中的反射且通过这些区域的光量减少，所以可以减少黑色矩阵的质量和/或黑色矩阵区域中的吸收层可以是不必要的。该好处可以进一步减少根据本发明的实施例的LCD系统的成本。
在某些实施例中，反射、导电性线的细阵列(如其提供偏振功能与屏蔽)以及与黑色矩阵和TFT的反射、导电性线对齐的粗栅格(如其同时增强屏蔽功能与反射功能)皆可以同时形成作为带有不同线宽度与间距的一个栅格。在其他实施例中，细阵列与粗栅格可以分别形成但形成在相同膜层上。此第二方法可以简化制造，因为对于在LC上将细阵列对齐的容差是宽的，而对于对齐粗栅格的容差是较窄的，但由于所牵涉更大区域所以仍是相对宽的。在以上两种中的任一状况中，细阵列与粗栅格的结合产生EMI屏蔽反射偏振器，其实现了能够有带有改善噪声防护的更好的能量效率、更薄的LCD。
在某些实施例中，为了各颜色像素的最大光透射，可以通过基于穿过的光波长(如颜色)调整线的高度、宽度与间距来将反射、导电线的细阵列(如其提供极化功能与屏蔽)优化。换句话说，通过基于线穿过的像素颜色来改变导电线距基板的高度、相对于间距的线宽度和/或线的间距，可以优化透射穿过偏振器的光量。可以通过对于各不同颜色区域具有不同压印图案使用压印光刻技术来制造此类具有不同高度、宽度和/或间距的细阵列结构，使得将在半透明压印结构上沉积的金属层蚀刻会在适当位置产生具有不同高度的细阵列。
现在回到图1，描绘根据本发明实施例的一简化示例LCD系统100。系统100在两个偏振器(如上偏振器106与下偏振器108)之间包括两个玻璃基板(如上玻璃基板102与下玻璃基板104)。在玻璃基板102、104之间，液晶110设置于包括黑色矩阵116内的像素112与TFT114的彩色滤光器之下。间隔物118用于支撑彩色滤光器与上玻璃基板102且将彩色滤光器与上玻璃基板102从下玻璃基板104分开。密封件120围绕液晶110。光由背光提供，背光可以包括照明背反射器124的LED或CCFL灯管122，背反射器124使光传递通过光导板126、棱镜片128与散光器130。在某些实施例中，LCD系统100可以包括在液晶110上方的对齐薄膜132。也包括在液晶110下方的行电极(row electrode)134层以及于液晶110上方的列电极(columnelectrode)136层。在某些实施例中，LCD系统100可以包括在列电极136上的覆盖膜(overcoat film)138。
如以上解释，会被传统非反射偏振器吸收的光通过将任何未穿过下偏振器108的光反射回而被循环。此外，未穿过上偏振器106的光被上偏振器106反射回并循环。
图2描绘包括透镜202的替代LCD系统200的部分，该系统包括透镜202具有介于透镜202与上偏振器206之间的传感器204(如触控传感器、温度传感器、触觉装置等中的一个或多个)。彩色滤光器208与TFT层210(如TFT阵列、LC、电极等)设置于上偏振器206下。在TFT层210之下，下偏振器212设置于背光组件214与TFT层210之间。根据本发明的实施例，传感器204产生的EMI噪声被上偏振器206阻挡而无法到达TFT层210，上偏振器206除了是反射光学偏振器之外，也是接地导电EMI屏蔽。
图3A至3E描绘根据本发明的实施例的建构EMI屏蔽的反射光学偏振器的示例顺序。如图3A所示，细线阵列300A在基板或薄膜上形成。细线阵列300A以规则的平行导电反射线覆盖整个基板。如上讨论，为了用作可见光偏振器，导电并行线是薄且紧密间隔的。例如，为了偏振>400nm的光，偏振器会具有间隔在一个波长内的数条(如3或更多)线。例如，可以使用具有约60nm至约130nm的线间距及约10nm至约30nm的线宽度的细线阵列。在某些实施例中，可以使用具有约100nm的间距及约20nm线宽度的阵列线。可以使用其他间距与线宽度。在某些实施例中，光学光刻技术可以用于在膜或玻璃基板上产生如此紧密间隔的导电线，而在其他实施例中，可以采用压印光刻技术。
例如，在某些实施例中，可以通过使用纳米压印光刻技术首先在膜或玻璃基板上产生压印而制造细线阵列300A。接着使用例如铝或其他金属的物理气相沉积(PVD)填充压印。在某些实施例中，首先将薄透明氧化物沉积于经压印的基板上，并接着以导电与反射金属填充该压印，这样做是有光学优势的。也可以使用PVD来沉积氧化物。接着可以将多余金属蚀刻掉，仅留下会成为细线阵列300A的压印区域内的金属。
在替代实施例中，可以通过首先经由PVD将毯覆金属(如铝或其他反射金属)层沉积来制造细线阵列300A。然后在金属层上沉积压印层。接着压印模板的图案被压印入压印层且该压印层以活化能(如UV光、热、电子束等)固化。固化的压印层中的压印图案是相对较深(如固化材料的薄层)的地方，其中底层金属层被移除，以及相对浅(如固化材料的较厚层)的地方，其中金属被保留。固化材料接着被用作后续蚀刻步骤中的屏蔽，在后续的蚀刻步骤中，固化材料与金属皆被蚀刻(如使用真空反应离子蚀刻(RIE)或湿蚀刻技术)直到只有细线阵列300A留下。
图3B描绘粗栅格300B从细线阵列300A分离以作说明用途。注意，粗栅格300B具有与黑色矩阵像素井(black matrix pixel wells)及TFT(如TFT区域是在各像素井的下角落中的方形)相同的图案。在某些实施例中，粗栅格300B可以与细线阵列300A不同地图案化。例如，在细线阵列300A形成后，可以使用光刻技术将粗栅格300B在细线阵列300A的顶部上形成。可替代地，可以形成粗栅格300B然后在粗栅格上形成细线阵列300A。在另一个替代实施例中，细线阵列300A与粗栅格300B可以在两个分开的层上形成。如以上所述，因为细线阵列独立于特定LCD系统的像素图案而粗栅格300B是特定于像素图案，所以分别形成细线阵列300A与粗栅格300B可以简化制造。此外，在某些实施例中，因为图案化的粗栅格300B部分的分辨率不必如此精准，所以压印细线阵列300A并且对于粗栅格300B使用光刻技术可以较为简单。在又一实施例中，可以使用压印光刻技术将细线阵列300A与粗栅格300B同时形成。
不论使用哪一个替代方法，所得到的屏蔽偏振器图案300C在图3C中描绘。为了提供最佳的接地，屏蔽偏振器图案300C的导电线耦接至图案周边的接地框且被接地框环绕而产生如图3D所示的EMI屏蔽反射光学偏振器300D。图3E描绘带有EMI屏蔽反射光学偏振器300D的LCD系统300E的顶视图，EMI屏蔽反射光学偏振器300D设置于TFT/LC层上且与TFT/LC层对齐。
现在转到图4，提供描绘制造EMI屏蔽的反射光学偏振器的示例方法400。注意此处呈现的方法400的组成顺序不是为了将方法400限制为特定顺序。其他顺序是可能的。在薄膜或基板上形成细线阵列(402)。细线阵列包括规则分隔的导电性与反射性线，导电性与反射性线分隔且尺寸经调整以用作可见光的偏振器。粗栅格与细线阵列同时、在细线阵列之前、或接着细线阵列，与细线阵列一起形成，或在细线阵列上形成(404)。粗栅格经图案化以匹配不传送光的LCD的区域。换言之，粗栅格匹配LCD的黑色矩阵与TFT的图案。粗栅格的线也是导电性与反射性，且电耦接至细线阵列的线。细线阵列与粗栅格电耦接至接地端子(406)以及细线阵列与粗栅格与LCD系统的液晶与彩色滤光器对齐(408)。
图5是示出通过线栅格偏振器的光透射因为基于线高度与光波长的干涉现象变化的曲线图500。作为示例，三个不同波长的光(如450nm(蓝)、550nm(绿)与650nm(红))导向穿过具有自50nm至300nm变化的高度的偏振器。如图表500所示，可以发现具有约140nm高度的偏振器透射最大量的450nm波长光；具有约180nm高度的偏振器透射最大量的550nm波长光；以及具有约220nm高度的偏振器透射最大量的650nm波长光。因此，通过基于子像素(线设置在该子像素上)颜色来改变细阵列线的高度，可以达到子像素的光的优化透射。注意，导电线的间距与宽度(与高度分开或结合而改变)也可不同以实现优化透射。
图6A至图6C描绘示出具有不同导电线高度的屏蔽性反射光学偏振器的小部分的示例形成过程的放大截面图。在图6A中，示出透明基板602的部分经由压印光刻技术或其他合适方法将不同高度的结构604形成于透明基板602的部分上。不同高度的结构604由如透明阻抗(resist)材料形成。在描绘的示例实施例中，不同高度的结构604以固定间距P规则地间隔。选择不同高度HB、HR、HG以用于与不同子像素颜色(如蓝、红与绿)对应的不同高度的结构604。同样地，选择不同宽度WB、WR、WG以用于与不同子像素颜色对应的不同高度的结构604。选择间距P、高度HB、HR、HG与宽度WB、WR、WG来优化穿过不同高度的结构604的光透射。例如，在某些实施例中，可以选择HB为约140nm来优化(如最大化)450nm波长蓝光的透射；可以选择HR为约220nm来优化(如最大化)650nm波长红光的透射；及可以选择HG为约180nm来优化(如最大化)550nm波长绿光的透射。同样地，在某些实施例中，可以选择WB为间距P的约20％；可以选择WR为间距P的约49％；以及可以选择WG为间距P的约38％。在某些实施例中，可以选择间距P为约150nm。可以使用其他值。
如图6B所示，接着将金属606沉积毯覆(如经由PVD)于不同高度的结构604与基板602上使得实现实质平坦顶表面。金属606可以选择为反射性且可以包括铝或其他金属。在图6C中，在蚀刻金属606后，不同高度导电、反射线的图案填充不同高度的结构604之间的沟槽。例如，用于偏振蓝450nm波长光的导电、反射性线608的高度是约等于HB；用于偏振红650nm波长光的导电、反射性线610的高度是约等于HR；以及用于偏振绿550nm波长光的导电、反射性线612的高度是约等于HG。
选择不同高度的结构604的宽度以使得大约相等体积的金属606沉积于不同高度的结构604间的沟槽中。沉积于沟槽中的具有大约相等体积的金属606允许蚀刻处理根据顶表面面积暴露于蚀刻的量来以不同速率消耗金属606。因为不同高度的结构604以固定间距P设置，所以不同高度的结构604越宽、沟槽/线宽度(WWB、WWR、WWG)越窄、越少的顶表面面积暴露于蚀刻，在沟槽/线宽度更窄的地方蚀刻处理地更慢，而当蚀刻停止时，产生更高的线高度。换言之，不同高度的结构604的宽度可以用于控制最后的线高度。下表示出基于以上示例性值的示例性配置。
下表提供用于计算以上示例性值的数学等式。
注意，更宽与更短的金属线614在反射线608、610、612群组之间形成。这些金属线对应于图3B的粗栅格300B中的竖直线。
在此公开中描述了诸多实施例，且只作为示例性用途呈现。所述实施例不作为，也不意欲作为任何意义上的限制。现在公开的发明广泛地应用于诸多实施例，而其轻易地自该公开彰显。本领域技术人员会认识到所公开的发明可按各式变化与替代来实施，如结构、逻辑、软件与电子变化。虽然所公开发明的特定特征可参考一个或多个特定实施例和/或图示而描述，但应了解除非明确指示，否则这些特征不局限于参考其所描述的一个或多个特定实施例或图示中的用途。
前述说明只公开了本发明的示例实施例。落于本发明范围内的上述公开的设备、系统与方法的变化对于本领域技术人员将是显而易见的。例如，除了本说明所描绘的显示器之外，本说明书所述的EMI屏蔽的反射光学偏振器可以与其他类型的显示器一起使用。
因此，虽然本发明连同其示例实施例已经被公开，但应理解其他实施例可落入如所附权利要求范围所界定的本发明的精神与范围内。

Claims (15)

1.一种液晶显示器系统，包括：
第一屏蔽性反射光学偏振器；
彩色滤光器，所述彩色滤光器邻近于所述第一屏蔽性反射光学偏振器设置；
薄膜晶体管与液晶层，所述薄膜晶体管与液晶层邻近于所述彩色滤光器设置；
第二屏蔽性反射光学偏振器，所述第二屏蔽性反射光学偏振器邻近于所述薄膜晶体管与液晶层设置；以及
背光组件，所述背光组件包含光源、散光器和背反射器，所述背光组件邻近于所述第二屏蔽性反射光学偏振器设置。
2.如权利要求1所述的系统，进一步包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器邻近于所述第一屏蔽性反射光学偏振器设置。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述第一与第二屏蔽性反射光学偏振器包括反射性与导电性线的细线阵列。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述细线阵列经由压印光刻技术形成。
5.如权利要求3所述的系统，其中所述细线阵列经调整间隔与尺寸来偏振可见光。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述第一与第二屏蔽性反射光学偏振器包括反射性与导电性线的粗栅格。
7.如权利要求6所述的系统，其中所述粗栅格被图案化来与所述彩色滤光器的图案匹配。
8.一种偏振器设备，包括：
光学反射且导电的线的细线阵列；以及
光学反射且导电的线的粗栅格，其中所述粗栅格电耦接至所述细线阵列。
9.如权利要求8所述的设备，进一步包括接地框，所述接地框电耦接至所述细线阵列与所述粗栅格。
10.如权利要求8所述的设备，其中所述细线阵列经由压印光刻技术形成。
11.如权利要求8所述的设备，其中所述粗栅格被图案化来匹配液晶显示器的彩色滤光器的图案。
12.如权利要求8所述的设备，其中所述细线阵列与所述粗栅格在单一层上集成地形成。
13.如权利要求8所述的设备，其中所述细线阵列与所述粗栅格在彼此的顶部上形成。
14.一种用于制造偏振器设备的方法，所述方法包括以下步骤：
在基板上形成细线阵列，其中所述细线阵列包含导电性与反射性线；
在所述细线阵列上形成粗栅格，其中所述粗栅格包含导电性与反射性线；以及
将所述细线阵列与所述粗栅格电耦接至接地端子。
15.如权利要求14所述的方法，进一步包括以下步骤：将所述细线阵列和所述粗栅格与LCD系统的彩色滤光器对齐。
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