CN115079327B - 兼具偏振和滤波功能的光学薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种兼具偏振和滤波功能的光学薄膜的制备方法，包括：形成聚合物多层滤光膜；在塑料薄膜的表面形成金属层；将塑料薄膜上形成有金属层的一面与聚合物多层滤光膜贴合，形成光学薄膜前驱体；利用纳米压印方法压印光学薄膜前驱体，将金属层压印成包括多条金属线的金属线栅。本发明还提供利用上述方法得到的光学薄膜，包括金属线栅，包括多条相互平行的金属线，适用于反射入射光中电场矢量方向与金属线栅的延伸方向平行的TE波，透射入射光中电场矢量与金属线栅的延伸方向垂直的TM波；聚合物多层滤光膜，包括周期性堆叠的多层折射率不同的聚合物层，适用于选择性透过预定波长的TM波；其中，多条金属线周期性排布在聚合物多层滤光膜的一侧。

Description

兼具偏振和滤波功能的光学薄膜及其制备方法
技术领域
本发明的至少一种实施例涉及一种光学薄膜的制备方法，尤其涉及一种兼具偏振和滤波功能的光学薄膜及其制备方法。
背景技术
在相关技术中，金属线栅偏振片的制作受限于加工技术，其性能一直未能得到较大发展。现有的金属线栅偏振片一方面主要是使用光刻技术来制作，成本较高并且分辨率受限；另一方面在液晶等应用领域使用偏振片时会有波长选择的功能需求，现有的金属线栅偏振片无法满足该需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种光学薄膜及其制备方法，以同时实现偏振与滤光的功能。
作为本发明的一个方面，本发明提供一种光学薄膜的制备方法，包括：形成聚合物多层滤光膜；在塑料薄膜的表面形成金属层；将塑料薄膜上形成有金属层的一面与聚合物多层滤光膜贴合，形成光学薄膜前驱体；利用纳米压印方法压印光学薄膜前驱体，将金属层压印成包括多条金属线的金属线栅。
根据本发明的实施例，利用纳米压印方法压印光学薄膜前驱体，将金属层压印成包括多条金属线的金属线栅包括：利用具有压印模板的压印装置对光学薄膜前驱体进行压印，将金属层压印成包括多条金属线的金属线栅；其中，压印模板上设置有用于压印金属线栅的压印图案。
根据本发明的实施例，利用具有压印模板的压印装置对光学薄膜前驱体进行压印，将金属层压印成包括多条金属线的金属线栅包括：在利用具有压印模板的压印装置对光学薄膜前驱体进行压印的过程中，脱除被压印模板压印的金属层，保留未被压印模板压印的金属层，得到金属线栅。
根据本发明的实施例，金属层与聚合物多层滤光膜之间涂覆有压印胶；脱除被压印模板压印的金属层，保留未被压印模板压印的金属层，得到金属线栅包括：挤压被压印模板压印的金属层对应的压印胶，以便被压印模板压印的金属层和聚合物多层滤光膜之间脱离吸附；在被压印模板压印的金属层和聚合物多层滤光膜之间脱离吸附的情况下，脱除被压印模板压印的金属层，保留未被压印模板压印的金属层，得到金属线栅。
作为本发明的另一个方面，本发明还提供一种利用上述的制备方法得到的光学薄膜，包括：金属线栅，包括多条相互平行的金属线，适用于反射入射光中电场矢量方向与金属线栅的延伸方向平行的TE波，并透射入射光中电场矢量方向与金属线栅的延伸方向垂直的TM波；聚合物多层滤光膜，包括周期性堆叠的多层折射率不同的聚合物层，适用于选择性透过预定波长的TM波；其中，多条金属线周期性排布在聚合物多层滤光膜的一侧。
根据本发明的实施例，聚合物多层滤光膜包括周期性堆叠的第一聚合物层和第二聚合物层；其中，第一聚合物层的折射率与第二聚合物层的折射率不相同。
根据本发明的实施例，金属线栅的材料包括以下至少之一：金、银、铝、铬。
根据本发明的实施例，金属线栅的排布周期远小于入射光的波长。
根据本发明的实施例，聚合物多层滤光膜的厚度可调；聚合物多层滤光膜堆叠的层数大于20。
根据本发明上述的实施例提供的光学薄膜，可以同时实现偏振作用和滤波功能，在液晶显示等领域具备广阔的应用前景。
附图说明
图1为根据本发明的实施例的光学薄膜的制备方法的流程图；
图2为根据本发明的实施例的光学薄膜前驱体的剖视图；
图3为根据本发明的实施例的利用双滚桶滚动型纳米压印装置进行纳米压印的示意图及局部放大示意图；
图4为根据本发明的实施例的光学薄膜的俯视示意图；
图5为根据本发明的实施例的光学薄膜的正视示意图及局部放大示意图；以及
图6为根据本发明的实施例的聚合物多层滤光膜的光透过率示意图。
【附图标记说明】
1聚合物多层滤光膜；
11-第一聚合物层；
12-第二聚合物层；
2-金属膜；
21-金属线栅；
3-塑料薄膜；
4-压印胶；
5-双滚桶滚动型纳米压印装置；
51-压印辊轮；
52-紫外光源；
53-石英支撑辊轮；
P-金属线栅的排布周期；
W-金属线栅的宽度；
T1-聚合物多层滤光膜的厚度；
d1-第一聚合物层的厚度；
d2-第二聚合物层的厚度；
T2-金属线栅的厚度；
T3-塑料薄膜的厚度；
λ-入射光的波长。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。但是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使发明彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同元件。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
金属线栅偏振片的结构是在基底材料上制作出多条相互平行的纳米级尺度周期性的金属线，当金属线的排布周期远小于入射光的波长，并适当地调节其他结构参数，就可以在较宽的波长范围内具有良好的偏振性能。此时，可依据金属线栅中的金属线的延伸方向将入射波分解为电场矢量方向平行于金属线延伸方向的TE波和电场矢量方向垂直于金属线延伸方向的TM波。由于TE波的电场矢量平行于金属线，因此电场会驱动金属线中的电子沿着金属线方向震荡并发生内部碰撞，这会使TE波的传播发生严重衰减；而TM波的电场矢量方向垂直于金属线，电子沿着该方向没有足够的运动的空间，传播时的衰减就会大幅减弱。因此，金属线栅可以实现入射光的TE波的高反射以及入射光的TM波的高透射。
利用一系列具有不同折射率并周期性交替叠加组成的多层滤光薄膜，在特定的波段会产生一个很强的反射带，类似半导体材料的禁带，这种在一个方向上具有交替周期结构使得在特定波段具有高反射带，又被称作一维光子晶体带隙。传统的多层滤光薄膜通常由两种高低折射率的无机氧化物材料，例如高折射率的TiO2和低折射率的SiO2，在真空条件下交替磁控溅射厚度为四分之一波长的多层膜形成。
纳米压印技术是一种微纳加工技术。纳米压印技术相比于常规的光刻技术具有成本低、效率高、制造工艺简便等特点，在微纳器件、集成光学等方面具有广阔的应用前景。
有鉴于此，本发明利用金属线栅的偏振性能结合纳米压印技术和薄膜滤波技术，设计了同时具备偏振和滤波功能的光学薄膜。
图1为根据本发明的实施例的光学薄膜的制备方法的流程图。
根据本发明的一种示例性实施例，本发明提供一种光学薄膜的制备方法，参考图1所示，包括：步骤S01～S04。
在步骤S01，形成聚合物多层滤光膜1。
根据本发明的实施例，聚合物多层滤光膜1包括周期性堆叠的多层折射率不同的聚合物层，用于选择性透过预定波长范围的光。需要说明的是，聚合物多层滤光膜1的组成与结构可根据实际滤光波长范围的要求进行调节。
根据本发明的实施例，聚合物多层滤光膜1堆叠的层数大于20，例如，可以为32、64、128等。
根据本发明的实施例，聚合物多层滤光膜1包括周期性堆叠的第一聚合物层11和第二聚合物层12；其中，第一聚合物层11的折射率n1与第二聚合物层12的折射率n2不相同。
根据本发明的实施例，第一聚合物层11的折射率n1、厚度d1和第二聚合物层12的折射率n2、厚度d2与滤光膜1的反射波长范围的中心波长满足如下关系：
其中，聚合物多层滤光膜1在反射波长范围内形成强反射带，而透射其他波长范围内的光，从而，聚合物多层滤光膜1可以用于选择性透过预定波长范围的光。
根据本发明的实施例，聚合物滤光膜可以在玻璃化转变温度下进行拉伸和减薄，以调整反射波长范围，进而可以调整滤光波长范围。
根据本发明的实施例，采用层叠倍增共挤技术来制备聚合物多层滤光膜1，具体地，将多种不同的聚合物组合成具有结构可控的分层结构，具有成膜效率高、厚度可精确控制、生产成本低等优势。
根据本发明的实施例，聚合物多层滤光膜1的厚度T1可调；例如，聚合物多层滤光膜1的厚度T1为10μm、100μm。
在步骤S02，在塑料薄膜3的表面形成金属层2。
根据本发明的实施例，塑料薄膜3的材料在此不做具体限制，可以在其上沉积金属膜2且具有较好的机械加工性能和长期稳定性即可，例如，可以为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)。塑料薄膜3的厚度T3在此不做具体限制，可根据实际工艺要求和成本来确定，例如，可以为30μm。
根据本发明的实施例，采用真空镀膜工艺在塑料薄膜3的表面制作金属层2。金属层2的材料可以包括：金、银、铝、铬等；例如，由于铝的偏振性能优异，与塑料薄膜3易附着，因此可以为铝。
在步骤S03，将塑料薄膜3上形成有金属层2的一面与聚合物多层滤光膜1贴合，形成光学薄膜前驱体。
图2为根据本发明的实施例的光学薄膜前驱体的剖视图。
参考图2所示，塑料薄膜3上形成有金属膜2的一面与聚合物多层滤光膜1贴合并进行真空吸附，且在聚合物多层滤光膜1与金属层2之间涂覆有一层压印胶4，其中，压印胶4为紫外固化胶层。
在步骤S04，利用纳米压印方法压印光学薄膜前驱体，将金属层压印成包括多条金属线的金属线栅。
根据本发明的实施例，利用纳米压印方法压印光学薄膜前驱体，将金属层2压印成包括多条金属线的金属线栅21包括：利用具有压印模板的压印装置对光学薄膜前驱体进行压印，将金属层2压印成包括多条金属线的金属线栅21；其中，压印模板上设置有用于压印金属线栅21的压印图案。
根据本发明的实施例，利用具有压印模板的压印装置对光学薄膜前驱体进行压印，将金属层2压印成包括多条金属线的金属线栅21包括：在利用具有压印模板的压印装置对光学薄膜前驱体进行压印的过程中，脱除被压印模板压印的金属层，保留未被压印模板压印的金属层，得到金属线栅21。
根据本发明的实施例，脱除被压印模板压印的金属层，保留未被压印模板压印的金属层，将金属层2压印成包括多条金属线的金属线栅21包括：挤压被压印模板压印的金属层对应的压印胶4，以便被压印模板压印的金属层和聚合物多层滤光膜1之间脱离吸附；在被压印模板压印的金属层和聚合物多层滤光膜1之间脱离吸附的情况下，脱除被压印模板压印的金属层，保留未被压印模板压印的金属层，得到金属光栅21。
根据本发明的实施例，压印装置为双滚桶滚动型纳米压印装置5。
图3为根据本发明的实施例的利用双滚桶滚动型纳米压印装置进行纳米压印的示意图及局部放大示意图。
参考图3所示，双滚桶滚动型纳米压印装置5上的压印辊轮51由金属材质形成并作为压印模板，压印辊轮51上具有微纳结构的压印图案，其中，压印图案的尺寸与要形成的金属线栅21的尺寸相对应。双滚桶滚动型纳米压印装置5上的紫外光源52用于发射紫外光并照射压印胶4。双滚桶滚动型纳米压印装置5上的石英支撑辊53由透明石英材质制成，石英支撑辊53的表面覆盖一层透明光滑橡胶，以保证透过紫外光的同时提供具有韧性的支撑。
根据本发明的实施例，被压印模板压印的金属层和聚合物多层滤光膜1之间脱离吸附后，在压印结束进行脱模的过程中，被压印模板压印的金属层会被脱除。未被压印模板压印的金属层和聚合物多层滤光膜1之间的紫外固化胶充足，经紫外光源52发出的紫外光照射后会强力吸附于聚合物多层滤光膜1的表面，在压印结束进行脱模的过程中，未被压印模板压印的金属层形成金属线栅21，完成光学薄膜的制备。
图4为根据本发明的实施例的光学薄膜的俯视示意图。
图5为根据本发明的实施例的光学薄膜的正视示意图及局部放大示意图。
根据本发明的实施例，参考图4～5所示，利用上述的制备方法得到的光学薄膜，包括：金属线栅21，金属线栅21包括多条相互平行的金属线，适用于反射入射光的TE波，并透射入射光的TM波；聚合物多层滤光膜1，包括周期性堆叠的多层折射率不同的聚合物膜，适用于选择性透过预定波长的TM波；其中，多条金属线周期性排布在聚合物多层滤光膜1的一侧。
根据本发明的实施例，金属线栅21的排布周期P远小于入射光的波长λ。从而，入射光中电场矢量方向与金属线栅21的延伸方向平行的TE波会被反射，入射光中电场矢量方向与金属线栅21的延伸方向垂直的TM波会被透射。
根据本发明的实施例，金属线栅21的排布周期P远小于入射光的波长，例如，金属线栅21的排布周期P为入射光波长的1/7、1/8、1/9或1/10。需要说明的是，金属线栅21的排布周期越小，TM波的透过率和偏振消光比越高。
需要说明的是，填充率FF表示金属线栅21的宽度W与金属线栅21的排布周期P的比率。填充率FF越高，TM波的透过率越小，偏振消光比越高。
根据本发明的实施例，金属线栅21的宽度W、金属线栅21的厚度T2、填充率FF在此不做限制，可根据实际的偏振要求来确定。需要说明的是，金属线栅21的厚度T2越高，TM波的透过率越小，偏振消光比越高。
图6为根据本发明的实施例的聚合物多层滤光膜的光透过率示意图。
根据本发明的实施例，参考图5和图6所示，聚合物多层滤光膜1的波长选择范围为660nm～720nm的红光。聚合物多层滤光膜1包括周期性堆叠的第一聚合物层11和第二聚合物层12，共128层(64对)；其中，第一聚合物层为PC膜，折射率nPC＝1.59；第二聚合物层为PMMA膜，折射率nPMMA＝1.49。具体地，采用PC膜和PMMA膜制作出64对(128层)周期结构的基础膜系，再调整上述的PC膜和PMMA膜的厚度至大约为100μm，使得到的聚合物多层滤光膜1能透过波长范围为660nm～720nm的红光。
根据本发明的实施例，金属线栅21的宽度W为50nm；金属线栅21的排布周期P为100nm，填充率为50％。上述制备得到的光学薄膜能够反射TE波，透射波长范围为660nm～720nm的红光的TM波，且偏振消光比优于40dB(10000/1)，同时实现了偏振和滤光的功能。
根据本发明上述的实施例提供的光学薄膜，可以同时实现偏振作用和滤波功能，在液晶显示等领域具备广阔的应用前景。
根据本发明上述的实施例提供的光学薄膜的制备方法，采用双滚筒滚动型纳米压印技术形成金属线栅，可以快速准确地将金属线栅的图形转移至聚合物多层滤光膜的表面，进而高效制备高分辨率的金属线栅，降低了制备成本。同时，克服了传统光刻技术对特殊曝光光源、高精度光学系统的依赖以及衍射极限对光刻分辨率的限制。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种光学薄膜的制备方法，其特征在于，包括：
形成聚合物多层滤光膜（1）；
在塑料薄膜（3）的表面形成金属层（2）；
将所述塑料薄膜（3）上形成有金属层（2）的一面与所述聚合物多层滤光膜（1）通过压印胶（4）真空吸附贴合，形成光学薄膜前驱体；
利用纳米压印方法压印所述光学薄膜前驱体，将所述金属层（2）压印成包括多条金属线的金属线栅（21）；
其中，利用纳米压印方法压印所述光学薄膜前驱体，将所述金属层（2）压印成包括多条金属线的金属线栅（21）包括：利用具有压印模板的双滚筒滚动型纳米压印装置对所述光学薄膜前驱体进行压印，将所述金属层（2）压印成包括多条金属线的金属线栅（21）。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
所述压印模板上设置有用于压印所述金属线栅（21）的压印图案。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，利用具有压印模板的压印装置对所述光学薄膜前驱体进行压印，将所述金属层（2）压印成包括多条金属线的金属线栅（21）包括：
在利用所述具有压印模板的压印装置对所述光学薄膜前驱体进行压印的过程中，脱除被所述压印模板压印的金属层，保留未被所述压印模板压印的金属层，得到所述金属线栅（21）。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，
脱除被所述压印模板压印的金属层，保留未被所述压印模板压印的金属层，得到所述金属线栅（21）包括：
挤压被所述压印模板压印的金属层对应的压印胶，以便被所述压印模板压印的金属层和所述聚合物多层滤光膜（1）之间脱离吸附；
在被所述压印模板压印的金属层和所述聚合物多层滤光膜（1）之间脱离吸附的情况下，脱除被所述压印模板压印的金属层，保留未被所述压印模板压印的金属层，得到所述金属线栅（21）。
5.一种利用权利要求1~4中任一项所述的制备方法得到的光学薄膜，其特征在于，包括：
金属线栅（21），包括多条相互平行的金属线，适用于反射入射光中电场矢量方向与所述金属线栅（21）的延伸方向平行的TE波，并透射所述入射光中电场矢量方向与所述金属线栅（21）的延伸方向垂直的TM波；
聚合物多层滤光膜（1），包括周期性堆叠的多层折射率不同的聚合物层，适用于选择性透过预定波长的所述TM波；
其中，多条所述金属线周期性排布在所述聚合物多层滤光膜（1）的一侧。
6.根据权利要求5所述的光学薄膜，其特征在于，所述聚合物多层滤光膜（1）包括周期性堆叠的第一聚合物层（11）和第二聚合物层（12）；其中，所述第一聚合物层（11）的折射率与所述第二聚合物层（12）的折射率不相同。
7.根据权利要求5所述的光学薄膜，其特征在于，所述金属线栅（21）的材料包括以下至少之一：金、银、铝、铬。
8.根据权利要求7所述的光学薄膜，其特征在于，所述金属线栅（21）的材料为铝。
9.根据权利要求5所述的光学薄膜，其特征在于，所述金属线栅（21）的排布周期远小于所述入射光的波长。
10.根据权利要求5所述的光学薄膜，其特征在于，所述聚合物多层滤光膜（1）堆叠的层数大于20。
11.根据权利要求5所述的光学薄膜，其特征在于，所述聚合物多层滤光膜（1）的厚度可调。
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