CN107422403A - 用于控制光出射方向的光学部件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及金属表面等离子和发光显示技术领域，提供一种用于控制光出射方向的光学部件及其制造方法。用于控制光出射方向的光学部件，包括；透明基底；在所述透明基底表面上并列等间距排布并沿与所述排布的方向垂直的方向延伸的多个金属膜条；以及形成在所述多个金属膜条上的介质光栅，其中所述介质光栅的狭缝沿所述多个金属膜条的延伸方向延伸。利用金属表面产生的表面等离子体对光束的方向在纳米领域进行控制，从而实现对LED出射光方向的整体控制。

Description

用于控制光出射方向的光学部件及其制造方法

技术领域

本公开涉及金属表面等离子和发光显示技术领域，具体而言，涉及一种用于控制光出射方向的光学部件及其制造方法。

背景技术

LED作为常用的光源，在各个行业的作用越来越重要，包括电视、电视、手机等背光结构，对于LED出射光方向的控制具有重要的意义。如果使用传统的控制方法，很难满足高准直、超衍射的光束，在纳米领域对于光束进行控制是一种可行的办法。

金属表面等离子技术虽然发展时间较短，但是随着加工工艺的进展，人类对于表面等离子特性的进一步了解，表面等离子技术已经成为目前社会发展的一个热点，形成包括表面等离子体共振技术、表面光谱增强技术等，以这些技术为基础的传感器广泛的应用于生物医学、机械、物理、化学等领域。

表面等离子技术作为一种新兴技术，如何将其特有的性质应用于LED 出射光的方向控制是目前该技术领域新兴的课题。

发明内容

本公开的目的在于提供一种用于控制光出射方向的光学部件及其制造方法，利用金属表面产生的表面等离子体对光束的方向在纳米领域进行控制，从而实现对LED出射光方向的整体控制。

本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得清晰，或者部分地通过本公开的实践而习得。

根据本公开的第一方面，提供一种用于控制光出射方向的光学部件，包括；

透明基底；

在所述透明基底表面上并列等间距排布并沿与所述排布的方向垂直的方向延伸的多个金属膜条；以及

形成在所述多个金属膜条上的介质光栅，其中所述介质光栅的狭缝沿所述多个金属膜条的延伸方向延伸。

在本公开的一种示例性实施方式中，所述介质光栅的介质折射率为 1.6-1.8。

在本公开的一种示例性实施方式中，所述介质光栅的介质折射率为 1.72。

在本公开的一种示例性实施方式中，所述多个金属膜条的间距、厚度及所述介质光栅的厚度、周期中任一的尺度与出射光的波长为同一数量级。

在本公开的一种示例性实施方式中，所述多个金属膜条的间距为 100nm、厚度为250nm，所述介质光栅的厚度为80nm，其中位于所述多个金属膜条中的奇数金属膜条上的介质光栅的周期为305nm，位于所述多个金属膜条中的偶数金属膜条上的介质光栅的周期为503nm。

在本公开的一种示例性实施方式中，所述多个金属膜条的间距为 100nm、厚度为250nm，所述介质光栅的厚度为80nm，其中位于所述多个金属膜条中的奇数金属膜条上的介质光栅的周期为503nm，位于所述多个金属膜条中的偶数金属膜条上的介质光栅的周期为305nm。

在本公开的一种示例性实施方式中，所述金属膜条由包括银的材料构成。

在本公开的一种示例性实施方式中，所述光学部件还包括形成在所述透明基底下的光源。

在本公开的一种示例性实施方式中，所述光源为面光源。

在本公开的一种示例性实施方式中，所述光源为LED光源。

根据本公开的第二方面，提供一种用于控制光出射方向的光学部件的制造方法，包括：

形成透明基底；

在所述透明基底表面上形成并列等间距排布并沿与所述排布的方向垂直的方向延伸的多个金属膜条；以及

在所述多个金属膜条上形成介质光栅，其中所述介质光栅的狭缝沿所述多个金属膜条的延伸方向延伸。

在本公开的一种示例性实施方式中，所述制造方法还包括：

在形成所述透明基底之前先形成光源，然后再在所述光源上形成所述透明基底。

根据本公开的一些实施例的用于控制光出射方向的光学部件，利用金属表面产生的表面等离子体对光束的方向在纳米领域进行控制，从而实现对LED出射光方向的整体控制，能够改善光源模组中LED等与导光板的耦合。

根据本公开的一些实施例的用于控制光出射方向的光学部件，利用金属表面产生的表面等离子体能够实现光源模组中光源的入射方向和角度的精确控制。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施例，本发明的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出表面等离子体波的光学原理图。

图2示出根据本公开示例实施方式的一用于控制光出射方向的光学部件的截面图。

图3示出根据本公开示例实施方式的一用于控制光出射方向的光学部件的俯视图。

图4示出根据本公开示例实施方式的另一用于控制光出射方向的光学部件的截面图。

图5示出根据本公开示例实施方式的一用于控制光出射方向的光学部件的制造方法的流程图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。

需要指出的是，在附图中，为了图示的清晰可能会夸大层和区域的尺寸。而且可以理解，当元件或层被称为在另一元件或层“上”时，它可以直接在其他元件上，或者可以存在中间的层。另外，可以理解，当元件或层被称为在另一元件或层“下”时，它可以直接在其他元件下，或者可以存在一个以上的中间的层或元件。另外，还可以理解，当层或元件被称为在两层或两个元件“之间”时，它可以为两层或两个元件之间唯一的层，或还可以存在一个以上的中间层或元件。通篇相似的参考标记指示相似的元件。

本公开提供一种用于控制光出射方向的光学部件及其制造方法。用于控制光出射方向的光学部件包括；透明基底；在所述透明基底表面上并列等间距排布并沿与所述排布的方向垂直的方向延伸的多个金属膜条；以及形成在所述多个金属膜条上的介质光栅，其中所述介质光栅的狭缝沿所述多个金属膜条的延伸方向延伸。用于控制光出射方向的光学部件的制造方法包括：形成透明基底；在所述透明基底表面上形成并列等间距排布并沿与所述排布的方向垂直的方向延伸的多个金属膜条；以及在所述多个金属膜条上形成介质光栅，其中所述介质光栅的狭缝沿所述多个金属膜条的延伸方向延伸。利用金属表面产生的表面等离子体对光束的方向在纳米领域进行控制，从而实现对LED出射光方向的整体控制，能够改善光源模组中 LED等与导光板的耦合；同时，利用金属表面产生的表面等离子体能够实现光源模组中光源的入射方向和角度的精确控制，为进一步技术开发打下基础。

下面结合图1-5分别对本公开的用于控制光出射方向的光学部件及其制造方法进行详细说明，其中，图1示出表面等离子体波的光学原理图；图2示出根据本公开示例实施方式的一用于控制光出射方向的光学部件的截面图；图3示出根据本公开示例实施方式的一用于控制光出射方向的光学部件的俯视图；图4示出根据本公开示例实施方式的另一用于控制光出射方向的光学部件的截面图；图5示出根据本公开示例实施方式的一用于控制光出射方向的光学部件的制造方法的流程图。

首先结合图1-3对本公开一示例实施方式的用于控制光出射方向的光学部件进行详细说明，其中，图1示出表面等离子体波的光学原理图；图 2示出根据本公开示例实施方式的一用于控制光出射方向的光学部件的截面图；图3示出根据本公开示例实施方式的一用于控制光出射方向的光学部件的俯视图。

金属表面存在有自由移动的电子，会迫使电子出现集体的震荡，但是在垂直于金属和介质的表面的电子震荡由于金属的阻挡作用，会出现一个电子疏密波的形式，这种形成的波就是表面等离子体。此时可以看做是由金属的正离子、震荡的电子和中性粒子组成的存在于金属表面的等离子体，即被称为是表面等离子体。

当气体加热到一定程度时，会出现电离的现象，这种呈中性的气体被称为等离子体。同理，金属表面存在有自由移动的电子，当外加磁场作用于金属表面时，比如在光照的作用下(光是一种电磁波)，由于光照的能量的存在，其能量能够引起金属表面的电子出现集体的震荡，但是在垂直于金属和介质(空气或其他介质)的表面方向上的电子震荡由于金属的阻挡作用，会出现一个电子疏密波的形式，这种形成的波类似于等离子气体，可以看做是由金属的正离子、震荡的电子和中性粒子组成的存在于金属表面的等离子体，因此被称为表面等离子体，当入射的光波与电子震荡引起的波场相互作用时，称为表面等离子体激元，即表面等离子激元就是一种混合的波。这种波会在金属表面传播，衰减极快，因此表面等离子体波的能量主要是集中在金属表面，会使金属表面的进场强度显著增强。从而金属表面对于各个特征的变化非常敏感。这就是表面等离子技术应用的理论基础。

如果需要利用表面等离子体波，首先需要满足的是表面等离子波能够与入射的光波发生相互作用，可知其频率相差较大，不能直接发生相互作用，需要一定的技术手段才能满足。目前最常用的方法是棱镜全反射方法，当一定波长的入射光透过棱镜介质，发生全反射时，在金属与棱镜的接触面会产生表面等离子激元，并且产生的表面等离子激元能够与入射光发生相互作用。

光是一种电磁波，具有电磁波的所有特性。真空中的电磁波是电场和磁场的相互激发产生的，所以其电场强度和磁场强度符合麦克斯韦方程组。如图1所示的光学系统，介质1和介质2是相对介电常数分别是ε_1r和ε_2r的介质，并且两种介质没有自由电荷、自由电流，也没有磁性。

根据符合麦克斯韦方程组与边界条件，对其进行求解能得到表面等离子体波的色散关系：

根据金属电子气的振荡的电磁波的频率式和波矢之间的关系 k_p＝w_p/c,可以将公式进一步变形为

入射光的波矢量在界面的分量可以表示为进一步变换有：

由于sinθ<1,而因此对于任何频率的入射光，表面等离子体波波矢的水平分量总是大于入射光的电磁波的波矢的水平分量。二者不可能存在交点。如果要能够使二者发生共振，必须要满足二者的色散曲线存在交点。为满足要求，目前主要的方法有三种，一是利用棱镜的全内反射，二是利用金属表面周期起伏结构的衍射，三是利用亚波长的表面形貌或探针的散射。利用上述的控制，可以使表面等离子体与入射光互相耦合，达到控制光束的作用。

基于上述原理和分析，如图2-3所示，本公开提供一种用于控制光出射方向的光学部件，包括；透明基底1；在所述透明基底表面上并列等间距排布并沿与所述排布的方向垂直的方向延伸的多个金属膜条2；以及形成在所述多个金属膜条上的介质光栅3，其中所述介质光栅3的狭缝沿所述多个金属膜条的延伸方向延伸。利用金属表面产生的表面等离子体对光束的方向在纳米领域进行控制，从而实现对LED出射光方向的整体控制。

在本公开的一种示例性实施方式中，所述介质光栅的介质折射率为 1.6-1.8，在此折射率范围内，表面等离子体与入射光互相耦合的程度更大或者说两者的反应强度更大，相应的对光出射方向的控制能力也更强。所述介质光栅可由如光学玻璃等无机玻璃材料构成，如K9、K10、K11和 K12等光学玻璃，但本公开不限于此，也可以是由PET(Polyethylene terephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PP(polypropylene，聚丙烯) 和PVC(聚氯乙烯，Polyvinyl chloride)等有机材料构成。

在本公开的一种示例性实施方式中，所述介质光栅的介质折射率为 1.72，此时可达到最佳的表面等离子体与入射光的耦合效果。

在本公开的一种示例性实施方式中，所述多个金属膜条的间距、厚度及所述介质光栅的厚度、周期中任一的尺度与出射光的波长为同一数量级。

在本公开的一种示例性实施方式中，所述多个金属膜条的间距为 100nm、厚度为250nm，所述介质光栅的厚度为80nm，其中位于所述多个金属膜条中的奇数金属膜条上的介质光栅的周期为305nm，位于所述多个金属膜条中的偶数金属膜条上的介质光栅的周期为503nm。

在本公开的一种示例性实施方式中，所述多个金属膜条的间距为 100nm、厚度为250nm，所述介质光栅的厚度为80nm，其中位于所述多个金属膜条中的奇数金属膜条上的介质光栅的周期为503nm，位于所述多个金属膜条中的偶数金属膜条上的介质光栅的周期为305nm。

具体来说，用玻璃为透明基底1，在由Ag构成的金属膜上加工了多条宽度为100nm的狭缝(即两个相邻金属膜条2的间距为100nm)，在某一狭缝两侧的金属膜条表面上有厚度为80nm的介质光栅3，介质折射率为1.72。当狭缝两侧的介质光栅周期分别为305nm(光栅3A)和503nm(光栅3B)时，由于光栅3A和光栅3B分别在光束入射角不同时才会激发SPP(Surface Plasmon Polariton，表面等离极化激元)谐振，即表面等离子体波与入射光波发生相互作用，因此所形成的束流光束会发生偏离，偏离角约为 20.2°。

根据理论分析出射光的角度θ，k_sp是表面等离子体的波矢，k₀是入射光的波矢，m是整数，P是周期，其相互之间的关系为

综上可知，根据上述表示光栅周期p与出射光角度θ之间相互关系的公式，可以通过控制光栅的周期等参数，从而控制出射光线的方向/角度。当然也可以通过调整多个金属膜条的间距、厚度及所述介质光栅的介质折射率等参数来调整表面等离子体的波矢k_sp从而最终实现控制出射光线的方向/角度。

在本公开的一种示例性实施方式中，所述透明基底可为玻璃基底，但本公开不限于此，也可以是其他的透明无机或有机材料。

在本公开的一种示例性实施方式中，所述金属膜条由包括银即Ag 的材料构成，但本公开不限于此，也可以是其他性质类似的铝、金等金属材料，或者是在银膜条上再覆盖抗氧化层，抗氧化层可由金或其它抗氧化能力强的金属构成。

在本公开的一种示例性实施方式中，所述光学部件还包括形成在所述透明基底下的光源。

在本公开的一种示例性实施方式中，所述光源为面光源，如图4所示。

在本公开的一种示例性实施方式中，所述光源为LED光源，但本公开不限于此，也可以是荧光灯等其他光源。

图5示出根据本公开示例实施方式的一用于控制光出射方向的光学部件的制造方法的流程图。如图5所示，用于控制光出射方向的光学部件的制造方法如下。

在S502，形成透明基底，所述透明基底可为玻璃基底，但本公开不限于此，也可以是其他的透明无机或有机材料。

在S504，在所述透明基底表面上形成并列等间距排布并沿与所述排布的方向垂直的方向延伸的多个金属膜条，但本公开不限于此，也可以是其他性质类似的铝、金等金属材料。

在S506，在所述多个金属膜条上形成介质光栅，其中所述介质光栅的狭缝沿所述多个金属膜条的延伸方向延伸。

其中，多个金属膜条的间距、厚度及所述介质光栅的厚度、周期中任一的尺度与出射光的波长为同一数量级。

在本公开的一种示例性实施方式中，所述制造方法还包括：

在形成所述透明基底之前先形成光源，然后再在所述光源上形成所述透明基底。

在本公开的一种示例性实施方式中，所述光源为面光源。

在本公开的一种示例性实施方式中，所述光源为LED光源，但本公开不限于此，也可以是荧光灯等其他光源。

通过以上的详细描述，本领域的技术人员易于理解，根据本公开实示例性实施方式的用于控制光出射方向的光学部件及其制造方法具有以下优点中的一个或几个。

根据本公开的一些实施例的用于控制光出射方向的光学部件，利用金属表面产生的表面等离子体对光束的方向在纳米领域进行控制，从而实现对LED出射光方向的整体控制，能够改善光源模组中LED等与导光板的耦合。

根据本公开的一些实施例的用于控制光出射方向的光学部件，利用金属表面产生的表面等离子体能够实现光源模组中光源的入射方向和角度的精确控制，为进一步技术开发打下基础。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (12)

1.一种用于控制光出射方向的光学部件，包括；

透明基底；

在所述透明基底表面上并列等间距排布并沿与所述排布的方向垂直的方向延伸的多个金属膜条；以及

形成在所述多个金属膜条上的介质光栅，其中所述介质光栅的狭缝沿所述多个金属膜条的延伸方向延伸。

2.根据权利要求1所述的光学部件，其特征在于，所述介质光栅的介质折射率为1.6-1.8。

3.根据权利要求1所述的光学部件，其特征在于，所述介质光栅的介质折射率为1.72。

4.根据权利要求1所述的光学部件，其特征在于，所述多个金属膜条的间距、厚度及所述介质光栅的厚度、周期中任一的尺度与出射光的波长为同一数量级。

5.根据权利要求1所述的光学部件，其特征在于，所述多个金属膜条的间距为100nm、厚度为250nm，所述介质光栅的厚度为80nm，其中位于所述多个金属膜条中的奇数金属膜条上的介质光栅的周期为305nm，位于所述多个金属膜条中的偶数金属膜条上的介质光栅的周期为503nm。

6.根据权利要求1所述的光学部件，其特征在于，所述多个金属膜条的间距为100nm、厚度为250nm，所述介质光栅的厚度为80nm，其中位于所述多个金属膜条中的奇数金属膜条上的介质光栅的周期为503nm，位于所述多个金属膜条中的偶数金属膜条上的介质光栅的周期为305nm。

7.根据权利要求1所述的光学部件，其特征在于，所述金属膜条由包括银的材料构成。

8.根据权利要求1所述的光学部件，其特征在于，所述光学部件还包括形成在所述透明基底下的光源。

9.根据权利要求8所述的光学部件，其特征在于，所述光源为面光源。

10.根据权利要求8所述的光学部件，其特征在于，所述光源为LED光源。

11.一种用于控制光出射方向的光学部件的制造方法，包括：

形成透明基底；

在所述透明基底表面上形成并列等间距排布并沿与所述排布的方向垂直的方向延伸的多个金属膜条；以及

在所述多个金属膜条上形成介质光栅，其中所述介质光栅的狭缝沿所述多个金属膜条的延伸方向延伸。

12.根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于，所述制造方法还包括：

在形成所述透明基底之前先形成光源，然后再在所述光源上形成所述透明基底。