CN117826304A - 偏振薄膜及其制作方法、光波导镜片、显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种偏振薄膜及其制作方法、光波导镜片、显示装置。偏振薄膜包括：透明基底；介质光栅，位于透明基底上，介质光栅具有周期性间隔设置的脊部和沟槽；以及金属层，金属层覆盖介质光栅的脊部的顶面和侧面，且暴露出介质光栅的沟槽的至少部分底部。本发明提供了一种新型结构的偏振薄膜，通过对介质光栅和金属层的结构进行上述优化设计，能够兼顾低吸收损耗、高消光比和广入射角度的光学性能，有利于广泛应用。此外，本发明还涉及一种上述偏振薄膜的制作方法以及包括上述偏振薄膜的光波导镜片及显示装置。
Description
技术领域
本发明涉及显示技术领域，特别是涉及一种偏振薄膜及其制作方法、光波导镜片、显示装置。
背景技术
偏振薄膜是液晶显示、光学测量和光通信等系统中使用的一种非常重要的光学组件，非常适用于需要高对比度偏振的应用，例如微型投影机、偏振分光棱镜以及平视显示器等显示装置。这些系统中要求偏振薄膜具有高消光比、宽广的入射角度范围和非常紧凑的体积。偏振薄膜设计用于传输所需的偏振状态同时又可反射不需要的状态，同时可在高达45°的入射角中实现频谱平坦性能，因此广泛作为偏振分光棱镜使用。此外，基于金属线栅的偏振反射薄膜可在高温或高湿度环境中实现耐久性，同时也可在400nm至1200nm的可见与近红外光谱范围中提供出色偏振分束性能。
然而，传统的偏振薄膜无法兼顾低吸收损耗、高消光比和广入射角度等光学性能，不利于广泛应用。
发明内容
基于此，有必要针对如何兼顾低吸收损耗、高消光比和广入射角度的光学性能的问题，提供一种能够兼顾低吸收损耗、高消光比和广入射角度的光学性能的偏振薄膜及其制作方法、光波导镜片、显示装置。
一种偏振薄膜，所述偏振薄膜包括：
透明基底；
介质光栅，位于所述透明基底上，所述介质光栅具有周期性间隔设置的脊部和沟槽；以及
金属层，所述金属层覆盖所述介质光栅的脊部的顶面和侧面，且暴露出所述介质光栅的沟槽的至少部分底部。
在一个可行的实现方式中，所述介质光栅的周期为50nm～150nm，所述介质光栅的占空比为0.1～0.5，所述介质光栅的脊部厚度为30nm～110nm，所述金属层于所述脊部的顶面部分的厚度为30nm～150nm，所述金属层于所述脊部的侧面部分的厚度为5nm～50nm。
在一个可行的实现方式中，所述透明基底的折射率为1.3～1.9，所述介质光栅的折射率为1.3～1.7。
在一个可行的实现方式中，所述金属层位于所述介质光栅的沟槽底部部分的宽度为0nm～50nm，所述金属层位于所述介质光栅的沟槽底部部分的厚度为0nm～50nm。
在一个可行的实现方式中，所述金属层完全暴露出所述介质光栅的沟槽的底部。
在一个可行的实现方式中，所述金属层的材质选自金、银、铜、铝和钨中的至少一种。
在一个可行的实现方式中，所述介质光栅的材质为树脂类固化胶。
在一个可行的实现方式中，所述透明基底为柔性基底。
在一个可行的实现方式中，所述柔性基底的材质选自聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯和三醋酸纤维素中的至少一种。
在一个可行的实现方式中，所述透明基底的厚度为0.5μm～500μm。
在一个可行的实现方式中，所述偏振薄膜还包括保护层，所述保护层覆盖所述透明基底、所述介质光栅和所述金属层。
在一个可行的实现方式中，所述保护层的折射率为1.3～1.7，所述保护层远离所述透明基底的表面与所述金属层之间的距离为0nm～300nm。
在一个可行的实现方式中，所述保护层的材质选自SiO2、MgF2和SiON中的至少一种。
本发明的偏振薄膜，金属层覆盖介质光栅的脊部的顶面和侧面，由于介质光栅和金属层具有不同的折射率，导致S光和P光的等效折射率的值不一样，和纯金属光栅相比，本发明的光栅结构提高了S光的反射率和P光的透射率，因而本发明的偏振薄膜具备降低吸收损耗，提高消光比的光学性能。此外本发明设计的偏振薄膜具备较大的角度宽容性，这对于大角度的应用场景具备很好的适用性。因此能够兼顾低吸收损耗、高消光比和广入射角度的光学性能，有利于广泛应用。
一种偏振薄膜的制作方法，包括如下步骤：
在透明基底上形成介质光栅，所述介质光栅具有周期性间隔设置的脊部和沟槽；以及
在所述介质光栅上形成金属层，所述金属层覆盖所述介质光栅的脊部的顶面和侧面，且暴露出所述介质光栅的沟槽的至少部分底部，得到偏振薄膜。
在一个可行的实现方式中，在透明基底上形成介质光栅的操作为：将透明基底与压印模板贴合，所述透明基底与所述压印模板之间涂覆有压印胶，之后挤压所述透明基底与所述压印模板，待所述压印胶固化之后将所述压印模板从所述压印胶上脱模，即在所述透明基底上形成介质光栅。
在一个可行的实现方式中，在所述介质光栅上形成金属层的操作为：通过镀膜工艺在所述介质光栅上形成金属层，通过镀膜工艺在所述介质光栅上形成金属层，其中，金属镀Al，镀膜厚度为5nm～200nm，镀膜速率为0.1A/S～10A/S，蒸发功率为0～60％，工作真空为5E-6Torr，温度为25℃～35℃。
采用上述偏振薄膜的制作方法能够制作得到本发明新型结构的偏振薄膜，经过试验验证，上述偏振薄膜能够兼顾低吸收损耗、高消光比和广入射角度的光学性能，有利于广泛应用。
一种显示装置，包括上述任一的偏振薄膜。
在一个可行的实现方式中，所述显示装置为投影机、偏振分光棱镜或者平视显示器。
一种光波导镜片，所述光波导镜片包括：
光波导，所述光波导具有用以接收光线的受光面和位于所述受光面另一侧的背光面；以及
上述任一的偏振薄膜，所述偏振薄膜位于所述光波导的背光面上，且所述偏振薄膜的透明基底远离所述光波导设置；
其中，所述光波导与所述偏振薄膜之间具有空隙。
在一个可行的实现方式中，所述偏振薄膜对S偏振光的透过率小于5％，所述偏振薄膜对P偏振光的透过率大于等于60％。
在一个可行的实现方式中，所述光波导与所述偏振薄膜之间的距离为1μm～5cm。
在一个可行的实现方式中，所述偏振薄膜通过粘结胶固定于所述光波导上，所述粘结胶位于所述偏振薄膜和所述光波导的边缘位置。
在一个可行的实现方式中，所述光波导镜片还包括用以支撑所述偏振薄膜的刚性衬底，所述刚性衬底贴合于所述偏振薄膜远离所述光波导的一侧。
经过试验验证，上述偏振薄膜能够兼顾更低吸收损耗、更高消光比和广入射角度的光学性能，从而提升了采用上述偏振薄膜的显示装置和光波导镜片的性能，使得上述显示装置和光波导镜片有利于广泛应用。
附图说明
图1为本发明实施方式的偏振薄膜的光学特性示意图；
图2为本发明一实施方式的偏振薄膜的结构示意图；
图3为本发明另一实施方式的偏振薄膜的结构示意图；
图4为本发明一实施方式的偏振薄膜的制作方法的流程图；
图5为本发明一实施方式的光波导镜片的整体示意图；
图6为本发明一实施方式的光波导镜片的光线示意图；
图7为本发明实施例1的偏振薄膜在P光和S光正入射时的透过率光谱图；
图8为本发明实施例1的偏振薄膜的P光和S光的反射率光谱图；
图9为本发明实施例1的偏振薄膜在不同入射角度的P光和S光的透过率光谱图；
图10为本发明实施例1的偏振薄膜在不同入射角度的P光和S光的反射率光谱图；
图11为本发明实施例1～5的偏振薄膜在0度入射下P光和S光可见光波段透过率光谱图；
图12为本发明实施例1和6～9的偏振薄膜在0度入射下P光和S光可见光波段透过率光谱图；
图13为本发明实施例1和10～13的偏振薄膜在0度入射下P光和S光可见光波段透过率光谱图；
图14为本发明实施例1和14～17的偏振薄膜在0度入射下P光和S光可见光波段透过率光谱图；
图15为本发明实施例14的偏振薄膜在P光和S光正入射时的透过率光谱图；
图16为本发明实施例15的偏振薄膜在P光和S光正入射时的透过率光谱图；
图17为本发明实施例16的偏振薄膜在P光和S光正入射时的透过率光谱图；
图18为本发明实施例17的偏振薄膜在P光和S光正入射时的透过率光谱图；
图19为本发明实施例14的偏振薄膜在不同入射角度的P光和S光的透过率光谱图；
图20为本发明实施例14的偏振薄膜在不同入射角度的P光和S光的透过率光谱图；
图21为本发明实施例14的偏振薄膜在不同入射角度的P光和S光的透过率光谱图；
图22为本发明实施例14的偏振薄膜在不同入射角度的P光和S光的透过率光谱图；
图23为本发明实施例1和18～21的偏振薄膜在0度入射下P光和S光可见光波段透过率光谱图；
图24为本发明实施例18的偏振薄膜在P光和S光正入射时的透过率光谱图；
图25为本发明实施例19的偏振薄膜在P光和S光正入射时的透过率光谱图；
图26为本发明实施例20的偏振薄膜在P光和S光正入射时的透过率光谱图；
图27为本发明实施例21的偏振薄膜在P光和S光正入射时的透过率光谱图；
图28为本发明实施例18的偏振薄膜在不同入射角度的P光和S光的透过率光谱图；
图29为本发明实施例19的偏振薄膜在不同入射角度的P光和S光的透过率光谱图；
图30为本发明实施例20的偏振薄膜在不同入射角度的P光和S光的透过率光谱图；
图31为本发明实施例21的偏振薄膜在不同入射角度的P光和S光的透过率光谱图；
图32为本发明实施例1和22～26的偏振薄膜在0度入射下P光和S光可见光波段透过率光谱图；
图33为本发明实施例22的偏振薄膜在P光和S光正入射时的透过率光谱图；
图34为本发明实施例23的偏振薄膜在P光和S光正入射时的透过率光谱图；
图35为本发明实施例24的偏振薄膜在P光和S光正入射时的透过率光谱图；
图36为本发明实施例25的偏振薄膜在P光和S光正入射时的透过率光谱图；
图37为本发明实施例26的偏振薄膜在P光和S光正入射时的透过率光谱图；
图38为本发明实施例22的偏振薄膜在不同入射角度的P光和S光的透过率光谱图；
图39为本发明实施例23的偏振薄膜在不同入射角度的P光和S光的透过率光谱图；
图40为本发明实施例24的偏振薄膜在不同入射角度的P光和S光的透过率光谱图；
图41为本发明实施例25的偏振薄膜在不同入射角度的P光和S光的透过率光谱图；
图42为本发明实施例26的偏振薄膜在不同入射角度的P光和S光的透过率光谱图；
图43为本发明实施例27的偏振薄膜在P光和S光正入射时的透过率光谱图；
图44为本发明实施例27的偏振薄膜的P光和S光的反射率光谱图；
图45为本发明实施例27的偏振薄膜在不同入射角度的P光和S光的透过率光谱图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
图1为本发明的偏振薄膜的光学特性示意图，当包含S光和P光的入射光入射偏振薄膜时，可令P光具备较高的透过率Tp，S光具备较低的透过率Ts；同时，P光具备较低的反射率Rp，S光具备较高的反射率Rs。
请参见图2，本发明一实施方式的偏振薄膜100包括透明基底110、介质光栅120和金属层130。其中，介质光栅120位于透明基底110上，介质光栅120具有周期性间隔设置的脊部121和沟槽122。其中，金属层130覆盖介质光栅120的脊部121的顶面和侧面，且暴露出介质光栅120的沟槽122的至少部分底部。
上述实施方式中，透明基底110为位于上层的介质光栅120和金属层130提供支撑，透明基底110在可见光下的透过率大于80％。
上述实施方式中，介质光栅120的脊部121和沟槽122交替间隔设置，相邻两个脊部121之间为沟槽122。介质光栅120的脊部121位于金属层130和透明基底110围成的封闭空间内。
上述实施方式中，金属层130暴露出介质光栅120的沟槽122的至少部分底部，有利于入射光从介质光栅120的沟槽122处透过，从而提高P光的透过率。
在前述实施方式的基础上，介质光栅120的周期p为50nm～150nm，介质光栅120的占空比f为0.1～0.5，介质光栅120的脊部121厚度h1为30nm～110nm，金属层130于脊部121的顶面部分的厚度h2为30nm～150nm，金属层130于脊部121的侧面部分的厚度w1为5nm～50nm。其中，介质光栅120的周期p例如可以为50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、110nm、120nm、130nm、140nm或者150nm。其中，介质光栅120的占空比f指的是介质光栅120的脊部121宽度与周期的比值。介质光栅120的占空比f例如可以为0.1、0.2、0.3、0.4或者0.5。介质光栅120的脊部121厚度h1例如可以为30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm或者110nm。金属层130于脊部121的顶面部分的厚度h2例如可以为30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、110nm、120nm、130nm、140nm或者150nm。金属层130于脊部121的侧面部分的厚度w1例如可以为5nm、10nm、20nm、30nm、40nm或者50nm。
本实施方式通过对偏振薄膜100的周期、占空比、脊部厚度、金属层的厚度等结构参数进行上述优化设计，能够兼顾低吸收损耗、高消光比和广入射角度的光学性能，对制作新型光学器件具有重要的实用意义。
在前述实施方式的基础上，透明基底110的折射率N1为1.3～1.9，介质光栅120的折射率N2为1.3～1.7。其中，透明基底110的折射率N1例如可以为1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8或者1.9；介质光栅121的折射率N2例如可以为1.3、1.4、1.5、1.6或者1.7。当然，本发明的偏振薄膜中，透明基底的折射率N1和介质光栅的折射率N2均不限于此，还可以为其他数值。
在前述实施方式的基础上，金属层130位于介质光栅120的沟槽122底部部分的宽度h3为0nm～50nm，金属层130位于介质光栅120的沟槽122底部部分的厚度h4为0nm～50nm。
在前述实施方式的基础上，金属层130的材质独立选自金、银、铜、铝和钨中的至少一种。
在前述实施方式的基础上，介质光栅120的材质为树脂类固化胶。具体的，树脂类固化胶可以为UV胶，当然，还可以为其他树脂类固化胶。
在前述实施方式的基础上，透明基底110为柔性基底。当透明基底110为柔性基底时，能够适用于偏振薄膜100的柔性制造，应用于一些需要柔性偏振薄膜100的场景，拓展了偏振薄膜100的应用范围。
在前述实施方式的基础上，柔性基底的材质选自聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯(PP)和三醋酸纤维素(TAC)中的至少一种。
在前述实施方式的基础上，透明基底110的厚度为0.01mm～1mm。
在前述实施方式的基础上，偏振薄膜100还包括保护层(未图示)，保护层覆盖透明基底110、介质光栅120和金属层130。保护层能够对透明基底110、介质光栅120和金属层130起到保护作用，并能够防止金属层130氧化。
在前述实施方式的基础上，保护层的折射率为1.3～1.7，保护层远离透明基底110的表面与金属层130之间的距离为0nm～300nm。
在前述实施方式的基础上，保护层的材质选自SiO2、MgF2和SiON中的至少一种。
需要说明的是，本发明的偏振薄膜的结构不限于上述实施方式的偏振薄膜100，还可以为其他的新型结构。
请参见图3，本发明另一实施方式的偏振薄膜200包括透明基底210、介质光栅220和金属层230。其中，介质光栅220位于透明基底210上，介质光栅220具有周期性间隔设置的脊部221和沟槽222。其中，金属层230覆盖介质光栅220的脊部221的顶面和侧面。
本实施方式中，金属层230完全暴露出介质光栅220的沟槽的底部。这样有利于入射光从介质光栅220的沟槽222处透过，从而提高P光的透过率。
本发明的偏振薄膜的类型不限，可以为反射薄膜、透射薄膜或者衍射薄膜等。
本发明的偏振薄膜，金属层覆盖介质光栅的脊部的顶面和侧面，由于介质光栅和金属层具有不同的折射率，导致S光和P光的等效折射率的值不一样，和纯金属光栅相比，本发明的光栅结构提高了S光的反射率和P光的透射率，因而本发明的偏振薄膜具备降低吸收损耗，提高消光比的光学性能。此外本发明设计的偏振薄膜具备较大的角度宽容性，这对于大角度的应用场景具备很好的适用性。因此能够兼顾低吸收损耗、高消光比和广入射角度的光学性能，有利于广泛应用。
请参见图4，本发明一实施方式的偏振薄膜的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S10、在透明基底上形成介质光栅，介质光栅具有周期性间隔设置的脊部和沟槽。
在其中一个可行的实现方式中，在透明基底上形成介质光栅的操作为：将透明基底与压印模板贴合，透明基底与压印模板之间涂覆有压印胶，之后挤压透明基底与压印模板，待压印胶固化之后将压印模板从压印胶上脱模，即在透明基底上形成介质光栅。其中，压印模板为具有刻槽结构的硬质母模板，且刻槽结构与介质光栅的结构和尺寸相匹配。
此外，将透明基底与压印模板贴合之前，在透明基底或者压印模板上涂覆压印胶。
当然，还可以采用其他可行的方法在透明基底上形成介质光栅。
S20、在介质光栅上形成金属层，金属层覆盖介质光栅的脊部的顶面和侧面，且暴露出介质光栅的沟槽的至少部分底部，得到偏振薄膜。
在一个可行的实现方式中，在介质光栅上形成金属层的操作为：通过镀膜工艺在介质光栅上形成金属层，其中，金属镀Al，镀膜厚度为5nm～200nm，镀膜速率为0.1A/S～10A/S，蒸发功率为0～60％，工作真空为5E-6Torr，温度为25℃～35℃。
其中，镀膜工艺的具体操作为：利用高温胶带将透明基底和介质光栅贴合至治具上，之后共同放入镀膜设备中，之后抽真空，通入O2和Ar2，设置镀膜参数(包括镀膜种类、镀膜时间、镀膜速率等)，镀膜完成后在介质光栅上形成金属层。
采用上述偏振薄膜的制作方法能够制作得到本发明新型结构的偏振薄膜，经过试验验证，上述偏振薄膜能够兼顾低吸收损耗、高消光比和广入射角度的光学性能，有利于广泛应用。
本发明一实施方式的显示装置(未图示)，包括上述任一的偏振薄膜。
在前述实施方式的基础上，显示装置为投影机、偏振分光棱镜或者平视显示器。更具体的，显示装置例如可以为投影光学系统、ar/vr系统、电视、电脑、消费类电子显示器件或者偏光眼镜。
经过试验验证，上述偏振薄膜能够兼顾更低吸收损耗、更高消光比和广入射角度的光学性能，从而提升了采用上述偏振薄膜的显示装置的性能，使得上述显示装置有利于广泛应用。
本发明一实施方式的光波导镜片，包括上述任一的偏振薄膜。请一并参见图5和图6，本发明一实施方式的光波导镜片300包括光波导310和上述偏振薄膜100。其中，光波导310具有用以接收光线的受光面311和位于受光面311另一侧的背光面312。其中，偏振薄膜100用于反射S偏振光且透射P偏振光；偏振薄膜100位于光波导310的背光面312上，且偏振薄膜100的透明基底远离光波导310设置；其中，光波导310与偏振薄膜100之间具有空隙330。
上述实施方式的光波导镜片300中，光波导310包括光波导本体313，光波导本体313的表面存在两个功能性区域，分别为耦入区域314和耦出区域315。光束先投射到耦入区域314，经光栅衍射和波导全反射作用，耦合光束进耦出区域315，以一定方向输出光束至人眼，实现全息衍射波导镜片的增强现实显示。另外，图像光从波导镜片耦入区域314入射，耦出区域315出射，实现水平方向视场扩大。其中，上述两个功能性区域的形状可以为圆形、矩形、锥形等，且不局限于上述形状。此外需要说明的是，光波导本体313的表面还可以存在其他功能性区域，具体可以根据实际需求进行设置。
上述实施方式的光波导镜片中，偏振薄膜100的作用是阻止从光波导310出射至背光面312的光线，具体的，偏振薄膜100具备偏振分束功能，针对S偏振光具备较低的透过率，因而正面投影光线无法透过偏振薄膜100被接收；而针对P偏振光具备较高的透过率，因而环境光中的P偏振光可以透过偏振薄膜100被观察者接收，从而不会影响观察者观察现实空间。
上述实施方式的光波导镜片中，光波导310与偏振薄膜100之间具有空隙330，能够避免偏振薄膜影响光波导成像。其中，空隙330的内部为空气。当然，空隙330的内部亦可以填充其他不影响光波导成像的气体。
在前述实施方式的基础上，偏振薄膜100对S偏振光的透过率小于5％，偏振薄膜100对P偏振光的透过率大于等于60％。此时，偏振薄膜100针对S偏振光具备极低的透过率，因而正面投影光线无法透过偏振薄膜100被接收；而针对P偏振光具备较高的透过率，因而环境光中的P偏振光可以透过偏振薄膜100被观察者接收，从而不会影响观察者观察现实空间。
在前述实施方式的基础上，光波导310与偏振薄膜100之间的距离(即光波导310与偏振薄膜100之间空隙的宽度)为1μm～5cm。此时，偏振薄膜100不会影响光波导310成像，保证最终的成像效果。
在前述实施方式的基础上，偏振薄膜100通过粘结胶340固定于光波导310上，所述粘结胶位于偏振薄膜100和光波导310的边缘位置。粘接胶340可以为OCA胶或者其他类似粘接胶。
在前述实施方式的基础上，光波导镜片还包括用以支撑偏振薄膜100的刚性衬底(未图示)，刚性衬底贴合于偏振薄膜100远离光波导310的一侧。刚性衬底用以支撑偏振薄膜100，为偏振薄膜100提供刚性支撑作用，避免偏振薄膜100完全贴合于光波导310上而影响成像效果。
需要说明的是，本发明上述实施方式的光波导镜片中的偏振薄膜不限于上述实施方式的偏振薄膜100，还可以为上述另一实施方式的偏振薄膜200。
应用上述两种实施方式的光波导镜片，能够避免正面投影，提高了显示的隐私性，有利于广泛应用。
经过试验验证，上述偏振薄膜能够兼顾更低吸收损耗、更高消光比和广入射角度的光学性能，从而提升了采用上述偏振薄膜的光波导镜片的性能，使得上述光波导镜片有利于广泛应用。
参照上述实施内容，为了使得本申请的技术方案更加具体清楚、易于理解，现对本申请技术方案进行举例，但是需要说明的是，本申请所要保护的内容不限于以下实施例1～27。
实施例1～实施例26
实施例1～实施例26的偏振薄膜200的结构如图3，相关结构参数见表1。其中，实施例1的偏振薄膜200中，透明基底210的材质为聚碳酸酯(PC)，介质光栅220的材质为UV胶，金属层230的材质均为铝。
实施例1的偏振薄膜200的制作方法如下：
S1、提供透明基底和压印模板。
S2、在透明基底上涂覆压印胶，之后将透明基底与压印模板贴合，之后通过辊筒挤压透明基底与压印模板，之后对压印胶进行紫外光照射，待压印胶固化之后揭开透明基底，将压印模板从压印胶上脱模，即在透明基底上形成介质光栅。
S3、利用高温胶带将透明基底和介质光栅贴合至治具上，之后共同放入镀膜设备中，之后抽真空，设置镀膜的工艺参数：镀膜速率为5A/S，蒸发功率为20％，工作真空为5E-6Torr，温度为30℃；镀膜完成后即在介质光栅上形成金属层。
实施例2～实施例26的偏振薄膜200通过3D结构模型拟合得到。
实施例27
实施例27的偏振薄膜100的结构如图2，相关结构参数见表1。其中，透明基底110的材质为聚碳酸酯(PC)，介质光栅120的材质为UV胶，金属层130的材质为铝。
实施例27的偏振薄膜100的制作方法如下：
S1、提供透明基底和压印模板。
S2、在透明基底上涂覆压印胶，之后将透明基底与压印模板贴合，之后通过辊筒挤压透明基底与压印模板，之后对压印胶进行紫外光照射，待压印胶固化之后揭开透明基底，将压印模板从压印胶上脱模，即在透明基底上形成介质光栅。
S3、利用高温胶带将透明基底和介质光栅贴合至治具上，之后共同放入镀膜设备中，之后抽真空，镀膜的工艺参数为：镀膜速率为2A/S，蒸发功率为10％，工作真空为5E-6Torr，温度为30℃；镀膜完成后即在介质光栅上形成金属层。
表1实施例1～27的偏振薄膜的结构参数表
其中，表1中的“/”表示该项不存在。
性能测试(针对实施例1～26)：
(1)透过率
将实施例1的偏振薄膜200带入3D结构模型并标定参数后基于严格耦合波理论进行仿真计算P光和S光正入射时的透过率，如图7所示。从图7可以看到，P光在400nm～800nm波段的透过率平均在75％，最高处83％；S光在400nm～800nm波段的透过率平均在0.0024％。
通过计算波长450nm、550nm、650nm处的Tp和Tc，可以计算得到对应的消光比数值，见表2。从表2的数据可以看出，实施例1的偏振薄膜200的消光比在波长450nm处为44.09dB，在波长550nm处为46.11dB，在波长650nm处为46.23dB。上述表明实施例1的偏振薄膜200具有较低的吸收损耗和较高的消光比。
表2实施例1的偏振薄膜200的测试数据表
| 波长 | 450nm | 550nm | 650nm |
| 透过率Tp | 77.02％ | 81.8％ | 84.05％ |
| 透过率Tc | 0.003％ | 0.002％ | 0.002％ |
| 消光比EXT | 44.09dB | 46.11dB | 46.23dB |
(2)反射率
将实施例1的偏振薄膜200带入3D结构模型并标定参数后基于严格耦合波理论进行仿真计算P光和S光的反射率，如图8所示。从图8可以看到，P光在400nm～800nm波段的反射率平均在5％；S光在400nm～800nm波段的反射率平均在88％，最高为89.8％。上述表明实施例1的偏振薄膜200具有较低的吸收损耗和较高的消光比。
(3)入射角度变化
对实施例1的偏振薄膜200进行不同入射角度(0～60°)的照射，得到不同入射角度的P光和S光的透过率光谱图，如图9所示。从图9可以看到，入射角度从0～60°变化时，对于P光和S光在可见光波段范围的透过率光谱影响不大，说明本发明设计的偏振薄膜具备较大的角度宽容性，这对于大角度的应用场景具备很好的适用性。
对实施例1的偏振薄膜200进行不同入射角度(0～60°)的照射，得到不同入射角度的P光和S光的反射率光谱图，如图10所示。从图10可以看到，入射角度从0～60°变化时，对于P光和S光在可见光波段范围的反射率光谱影响不大，同样说明本发明设计的偏振薄膜具备较大的角度宽容性，这对于大角度的应用场景具备很好的适用性。
上述表明实施例1的偏振薄膜200适用于较广的入射角度。
(4)透明基底的折射率N1变化
将实施例1～5的偏振薄膜200带入模型进行仿真，得到0度入射下P光和S光可见光波段透过率光谱，如图11所示。从图11可以看到，当N1折射率在1.3～1.9之间变化，对于P光和S光在可见光波段范围的透过率光谱影响不大。
(5)介质光栅的折射率N2变化
将实施例1和6～9的偏振薄膜200带入模型进行仿真，得到0度入射下P光和S光可见光波段透过率光谱，如图12所示。从图12可以看到，当N2折射率在1.3～1.7之间变化，P光在可见光波段范围的透过率光谱影响不大，S光在可见光波段范围的透过率随着折射率增加而基本不变。
(6)介质光栅的周期p变化
将实施例1和10～13的偏振薄膜200带入模型进行仿真，得到0度入射下P光和S光可见光波段透过率光谱，如图13所示。从图13可以看到，当周期p在50nm～150nm之间变化，周期在50nm时，P光在可见光波段范围的透过率极低，当周期大于50nm时，P光在可见光波段范围的透过率陡升；S光在可见光波段范围的透过率随着周期p增加而变化幅度不大。
(7)介质光栅的占空比f变化
将实施例1和14～17的偏振薄膜200带入模型进行仿真，得到0度入射下P光和S光可见光波段透过率光谱，如图14所示。从图14可以看到，当占空比f在0.1～0.5之间变化，P光在可见光波段范围的透过率逐渐降低；S光在可见光波段范围的透过率随着占空比f增加而降低。
将实施例14～17的偏振薄膜200带入模型进行仿真计算P光和S光正入射时的透过率，依次如图15～18所示。从图15～18可以看出，P光在400nm～800nm波段的平均透过率较高；S光在400nm～800nm波段的平均透过率较低。表明实施例14～17的偏振薄膜200具有较低的吸收损耗。
实施例14～17的偏振薄膜200在波长450nm、550nm、650nm处的Tp和Tc，以及计算得到的消光比数值见表3。从表3的数据可以看出，实施例14～17的偏振薄膜200具有较高的消光比。
表3实施例14～17的偏振薄膜200的测试数据表
对实施例14～17的偏振薄膜200进行不同入射角度(0～60°)的照射，得到不同入射角度的P光和S光的透过率光谱图，如图19～22所示。从图19～22可以看到，入射角度从0～60°变化时，对于P光和S光在可见光波段范围的透过率光谱影响不大，表明实施例14～17的偏振薄膜200适用于较广的入射角度。
(8)介质光栅的脊部厚度h1变化
将实施例1和18～21的偏振薄膜200带入模型进行仿真，得到0度入射下P光和S光可见光波段透过率光谱影响，如图23所示。从图23可以看到，当介质光栅的脊部厚度h1在30nm～110nm之间变化，P光在可见光波段范围的透过率逐渐增加；S光在可见光波段范围的透过率随着深度h1增加而增加。
将实施例18～21的偏振薄膜200带入模型进行仿真计算P光和S光正入射时的透过率，依次如图24～27所示。从图24～27可以看出，P光在400nm～800nm波段的平均透过率较高；S光在400nm～800nm波段的平均透过率较低。表明实施例18～21的偏振薄膜200具有较低的吸收损耗。
实施例18～21的偏振薄膜200在波长450nm、550nm、650nm处的Tp和Tc，以及计算得到的消光比数值见表4。从表4的数据可以看出，实施例18～21的偏振薄膜200具有较高的消光比。
表4实施例18～21的偏振薄膜200的测试数据表
对实施例18～21的偏振薄膜200进行不同入射角度(0～60°)的照射，得到不同入射角度的P光和S光的透过率光谱图，如图28～31所示。从图28～31可以看到，入射角度从0～60°变化时，对于P光和S光在可见光波段范围的透过率光谱影响不大，表明实施例18～21的偏振薄膜200适用于较广的入射角度。
(9)介质光栅的金属层厚度h2变化
将实施例1和22～26的偏振薄膜200带入模型进行仿真，得到0度入射下P光和S光可见光波段透过率光谱影响，如图32所示。从图32可以看到，当介质光栅的金属层于脊部的侧面部分的厚度w1在5nm～45nm之间变化，P光在可见光波段范围的透过率变化剧烈，在厚度5nm处趋于高值；S光在可见光波段范围的透过率随着介质光栅的金属层于脊部的侧面部分的厚度w1增加急速降低。
将实施例22～26的偏振薄膜200带入模型进行仿真计算P光和S光正入射时的透过率，依次如图33～37所示。从图33～37可以看出，P光在400nm～800nm波段的平均透过率较高；S光在400nm～800nm波段的平均透过率较低。表明实施例22～26的偏振薄膜200具有较低的吸收损耗。
实施例22～26的偏振薄膜200在波长450nm、550nm、650nm处的Tp和Tc，以及计算得到的消光比数值见表5。从表5的数据可以看出，实施例22～26的偏振薄膜200具有较高的消光比。
表5实施例22～26的偏振薄膜200的测试数据表
对实施例22～26的偏振薄膜200进行不同入射角度(0～60°)的照射，得到不同入射角度的P光和S光的透过率光谱图，如图38～42所示。从图38～42可以看到，入射角度从0～60°变化时，对于P光和S光在可见光波段范围的透过率光谱影响不大，表明实施例22～26的偏振薄膜200适用于较广的入射角度。
性能测试(针对实施例27)：
(1)透过率
将实施例27的偏振薄膜100带入3D结构模型并标定参数后基于严格耦合波理论进行仿真计算P光和S光正入射时的透过率，如图43所示。从图43可以看到，P光在400nm～700nm波段的透过率平均在80％，最高处88％；S光在400nm～700nm波段的透过率平均在0.03％。
通过计算实施例27的偏振薄膜100在波长450nm、550nm、650nm处的Tp和Tc，可以计算得到对应的消光比数值，见表6。从表6的数据可以看出，实施例27的偏振薄膜100的消光比在波长450nm处为35.28dB，在波长550nm处为35.65dB，在波长650nm处为35.18dB。上述表明实施例27的偏振薄膜100具有较低的吸收损耗和较高的消光比。
表6实施例27的偏振薄膜100的测试数据表
(2)反射率
将实施例27的偏振薄膜100带入模型进行仿真计算P光和S光的反射率，如图44所示。从图44可以看到，P光在400nm～700nm波段的反射率平均在2％；S光在400nm～700nm波段的反射率平均在88％。上述表明实施例27的偏振薄膜100具有较低的吸收损耗和较高的消光比。
(3)入射角度
对实施例27的偏振薄膜100进行不同入射角度(0～60°)的照射，得到不同入射角度的P光和S光的透过率光谱图，如图45所示。从图45可以看到，入射角度从0～60°变化时，对于P光和S光在可见光波段范围的透过率光谱影响不大，表明实施例27的偏振薄膜100适用于较广的入射角度。
本发明的偏振薄膜，金属层覆盖介质光栅的脊部的顶面和侧面，由于介质光栅和金属层具有不同的折射率，导致S光和P光的等效折射率的值不一样，和纯金属光栅相比，本发明的光栅结构提高了S光的反射率和P光的透射率，因而本发明的偏振薄膜具备降低吸收损耗，提高消光比的光学性能。此外本发明设计的偏振薄膜具备较大的角度宽容性，这对于大角度的应用场景具备很好的适用性。因此能够兼顾低吸收损耗、高消光比和广入射角度的光学性能，有利于广泛应用。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (23)
1.一种偏振薄膜，其特征在于，所述偏振薄膜包括：
透明基底；
介质光栅，位于所述透明基底上，所述介质光栅具有周期性间隔设置的脊部和沟槽；以及
金属层，所述金属层覆盖所述介质光栅的脊部的顶面和侧面，且暴露出所述介质光栅的沟槽的至少部分底部。
2.根据权利要求1所述的偏振薄膜，其特征在于，所述介质光栅的周期为50nm～150nm，所述介质光栅的占空比为0.1～0.5，所述介质光栅的脊部厚度为30nm～110nm，所述金属层于所述脊部的顶面部分的厚度为30nm～150nm，所述金属层于所述脊部的侧面部分的厚度为5nm～50nm。
3.根据权利要求1所述的偏振薄膜，其特征在于，所述透明基底的折射率为1.3～1.9，所述介质光栅的折射率为1.3～1.7。
4.根据权利要求1所述的偏振薄膜，其特征在于，所述金属层位于所述介质光栅的沟槽底部部分的宽度为0nm～50nm，所述金属层位于所述介质光栅的沟槽底部部分的厚度为0nm～50nm。
5.根据权利要求1所述的偏振薄膜，其特征在于，所述金属层完全暴露出所述介质光栅的沟槽的底部。
6.根据权利要求1、4和5中任一项所述的偏振薄膜，其特征在于，所述金属层的材质选自金、银、铜、铝和钨中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的偏振薄膜，其特征在于，所述介质光栅的材质为树脂类固化胶。
8.根据权利要求1所述的偏振薄膜，其特征在于，所述透明基底为柔性基底。
9.根据权利要求8所述的偏振薄膜，其特征在于，所述柔性基底的材质选自聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯和三醋酸纤维素中的至少一种。
10.根据权利要求1或8所述的偏振薄膜，其特征在于，所述透明基底的厚度为0.5μm～500μm。
11.根据权利要求1所述的偏振薄膜，其特征在于，所述偏振薄膜还包括保护层，所述保护层覆盖所述透明基底、所述介质光栅和所述金属层。
12.根据权利要求11所述的偏振薄膜，其特征在于，所述保护层的折射率为1.3～1.7，所述保护层远离所述透明基底的表面与所述金属层之间的距离为0nm～300nm。
13.根据权利要求11或者12所述的偏振薄膜，其特征在于，所述保护层的材质选自SiO2、MgF2和SiON中的至少一种。
14.一种偏振薄膜的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
在透明基底上形成介质光栅，所述介质光栅具有周期性间隔设置的脊部和沟槽；以及
在所述介质光栅上形成金属层，所述金属层覆盖所述介质光栅的脊部的顶面和侧面，且暴露出所述介质光栅的沟槽的至少部分底部，得到偏振薄膜。
15.根据权利要求14所述的偏振薄膜的制作方法，其特征在于，在透明基底上形成介质光栅的操作为：将透明基底与压印模板贴合，所述透明基底与所述压印模板之间涂覆有压印胶，之后挤压所述透明基底与所述压印模板，待所述压印胶固化之后将所述压印模板从所述压印胶上脱模，即在所述透明基底上形成介质光栅。
16.根据权利要求14所述的偏振薄膜的制作方法，其特征在于，
在所述介质光栅上形成金属层的操作为：通过镀膜工艺在所述介质光栅上形成金属层，其中，金属镀Al，镀膜厚度为5nm～200nm，镀膜速率为0.1A/S～10A/S，蒸发功率为0～60％，工作真空为1E-6Torr～10E-6Torr，温度为25℃～35℃。
17.一种显示装置，其特征在于，包括权利要求1～13中任一项所述的偏振薄膜。
18.根据权利要求17所述的显示装置，其特征在于，所述显示装置为投影机、偏振分光棱镜或者平视显示器。
19.一种光波导镜片，其特征在于，所述光波导镜片包括：
光波导，所述光波导具有用以接收光线的受光面和位于所述受光面另一侧的背光面；以及
权利要求1～13中任一项所述的偏振薄膜，所述偏振薄膜位于所述光波导的背光面上，且所述偏振薄膜的透明基底远离所述光波导设置；
其中，所述光波导与所述偏振薄膜之间具有空隙。
20.根据权利要求19所述的光波导镜片，其特征在于，所述偏振薄膜对S偏振光的透过率小于5％，所述偏振薄膜对P偏振光的透过率大于等于60％。
21.根据权利要求19所述的光波导镜片，其特征在于，所述光波导与所述偏振薄膜之间的距离为1μm～5cm。
22.根据权利要求19所述的光波导镜片，其特征在于，所述偏振薄膜通过粘结胶固定于所述光波导上，所述粘结胶位于所述偏振薄膜和所述光波导的边缘位置。
23.根据权利要求19所述的光波导镜片，其特征在于，所述光波导镜片还包括用以支撑所述偏振薄膜的刚性衬底，所述刚性衬底贴合于所述偏振薄膜远离所述光波导的一侧。
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