TW201335636A - 反射式偏光片 - Google Patents

Abstract

一種反射式偏光片包含一透光基板以及一光柵結構。光柵結構設置透光基板上，並包含一第一光柵層以及一第二光柵層。第一光柵層包含多個第一金屬單元之一第一陣列。第二光柵層堆疊於第一光柵層。第二光柵層包含多個第二金屬單元之一第二陣列，其中第一金屬單元以及第二金屬單元為相異之金屬材料。上述之反射式偏光片可在不增加奈米結構模具之製作困難度的前提下，改善短波長之穿透率以提升元件之光譜響應均勻性。

Description

反射式偏光片

本發明是有關一種偏光片，特別是一種具有多種金屬材質之奈米光柵之反射式偏光片。

一種習知之反射式偏光片是利用奈米光柵結構來調制入射光之偏極性，使特定偏極方向之光線透射，而其它偏極方向之光線反射。此種反射式偏光片之透光頻譜與奈米光柵結構之幾何設計有絕對的相依性。奈米光柵結構之尺寸越小於操作波長，將可獲得越均一與效率高之零階繞射穿透頻譜，且消光比也較高。然而，由於具良好穿透特性之奈米光柵結構之週期小、結構線寬小以及深寬比較大，導致製程難度大幅提升。

為了增加穿透特性，可使用金屬(例如鋁)與介電材料疊合之雙層光柵結構來設計製作。然而，此種金屬-介電材料雙層結構之奈米光柵對入射電磁波之調控作用有限。若要達到全可見光頻段的高透光性與高消光比，高深寬比之光柵結構將導致製程難度提高。

若欲得到良好之消光比，以單一金屬(例如鋁)作為奈米光柵之結構週期將需達到100 nm等級，且深寬比需達3至4以上。上述光柵結構雖可改善消光比，但其透射率卻因金屬層厚度增加而下降，另一方面，其製程難度上亦增加許多。反之，若考量製程能力而採用較大線寬之光柵結構，將使得消光特性降低與頻譜穿透率均勻性大幅下降。請參照圖1，其顯示一結構週期為100 nm、深寬比為4以及結構高度為220 nm之鋁材奈米光柵元件之光學特性曲線，其中實線為透射曲線、長虛線為反射曲線、短虛線為吸收曲線。由圖1之穿透曲線可知，短波長(藍光波段)之穿透率低於紅光、綠光波段約15-25%，此現象在應用上會造成元件之色偏現象，而限制了此元件的應用範圍。

綜上所述，如何增加奈米光柵元件之光學特性的調制自由度，以及可在不增加奈米結構模具之製作困難度的前提下，改善短波長穿透率以提升奈米光柵元件之光譜響應均勻性便是目前極需努力的目標。

本發明提供一種反射式偏光片，其是利用兩種金屬材料的堆疊來增加奈米光柵元件之光學特性的調制自由度，而可在不增加奈米結構模具之製作困難度的前提下，改善短波長穿透率以提升奈米光柵元件之光譜響應均勻性。

本發明一實施例之反射式偏光片包含一透光基板以及一光柵結構。透光基板具有一第一表面以及一相對之第二表面。光柵結構設置於第一表面以及第二表面至少其中之一，並包含一第一光柵層以及一第二光柵層。第一光柵層包含多個第一金屬單元之一第一陣列。第二光柵層堆疊於第一光柵層。第二光柵層包含多個第二金屬單元之一第二陣列，其中第一金屬單元以及第二金屬單元為相異之金屬材料。

以下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

請參照圖2，本發明之一實施例之反射式偏光片包含一透光基板11以及一光柵結構12。透光基板11具有一第一表面111以及一相對之第二表面112。光柵結構12設置於透光基板11之第一表面111。但不限於此，光柵結構12亦可設置於透光基板11之第二表面112，或者同時設置透光基板11之第一表面111以及第二表面112。

光柵結構12包含一第一光柵層121以及一第二光柵層122。第一光柵層121包含多個第一金屬單元121a所組成一第一陣列。舉例而言，第一金屬單元121a可為矩形、梯形、曲面朝向單一方向延伸之長條結構。第二光柵層122包含多個第二金屬單元122a所組成一第二陣列。同樣地，第二金屬單元122a亦可為與第一金屬單元121a相同或相異之矩形、梯形、曲面朝向單一方向延伸之長條結構。第二光柵層122堆疊於第一光柵層121上，且第一金屬單元121a以及第二金屬單元122a為相異之金屬材料。

依據實際之應用情形，第一光柵層121之第一陣列可為週期性陣列或非週期性陣列。同樣地，第二光柵層122之第二陣列亦可為週期性陣列或非週期性陣列。於一實施例中，第一光柵層121之第一陣列以及第二光柵層122之第二陣列為週期性陣列，且週期小於入射光波長的二分之一。當透光基板11之第一表面111以及第二表面112皆設置光柵結構12時，第一表面111以及第二表面112之光柵結構之週期可以相同或相異。

於圖2所示之實施例中，第二光柵層122之第二金屬單元122a平行堆疊於第一光柵層121之第一金屬單元121a上。但不限於此，請參照圖6，第二光柵層122之第二金屬單元122a之延伸方向可垂直於第一光柵層121之第一金屬單元121a之延伸方向。換言之，第一金屬單元121a之延伸方向以及第二金屬單元122a之延伸方向之夾角可為0至90度。舉例而言，第二金屬單元122a可直接堆疊至第一金屬單元121a上。或者，在第一金屬單元121a之間填充介電材料後，再第二金屬單元122a堆疊至第一金屬單元121a上。此外，第一金屬單元121a以及第二金屬單元122a可先分別形成於兩個基板11上，兩個基板11再相對疊合在一起。

於一實施例中，當第二金屬單元122a之延伸方向平行於第一金屬單元121a之延伸方向時，第一金屬單元121a之寬度W1以及第二金屬單元122a之寬度W2之合小於或等於第一金屬單元121a之週期P。於一實施例中，當第二金屬單元122a之延伸方向垂直於第一金屬單元121a之延伸方向時，第一金屬單元121a可具有較高之消光係數，例如折射率虛部較高之金屬材料，而第二金屬單元122a具有較高之導電性。舉例而言，第一金屬單元121a之金屬材料可為鋁或其合金，第二金屬單元122a之金屬材料可為高導電性材料，例如金、銀、銅或包含以上任一金屬之合金。

於一實施例中，第一金屬單元121a之高度H1以及寬度W1與第二金屬單元122a之高度H2以及寬度W2可為相同或相異。較佳者，第二金屬單元122a之高度H2小於第一金屬單元121a之高度H1。

請參照圖3，其顯示一結構週期P為100 nm、深寬比為4、第一金屬單元121a為鋁且其高度H1以及寬度W1分別為170 nm以及55 nm、第二金屬單元122a為銀且其高度H2以及寬度W2分別為50 nm以及33 nm之奈米光柵元件之光學特性曲線，其中實線為透射曲線、長虛線為反射曲線、短虛線為吸收曲線。相較於圖1，由圖3之穿透曲線可知，短波長(藍光波段)之穿透率獲得15-20%之顯著改善，不僅反射量有明顯降低，且未影響長波長(紅光、綠光波段)之穿透率分佈。因此，本發明之反射式偏光片可有效降低元件的色偏現象。

請參照圖4，其顯示一結構週期P為100 nm、深寬比為4、第一金屬單元121a為鋁且其高度H1以及寬度W1分別為170 nm以及55 nm、第二金屬單元122a為銀且其高度H2以及寬度W2分別為0-70 nm以及33 nm之奈米光柵元件之光學特性曲線。由圖4之結果可知，隨著第二金屬單元122a的高度H2(分別以0h-70h標示)增加，可逐漸改善短波長(藍光波段)之穿透率。

請參照圖5，其顯示一結構週期P為100 nm、深寬比為4、第一金屬單元121a為鋁且其高度H1以及寬度W1分別為170 nm以及55 nm、第二金屬單元122a為金、銀或銅且其高度H2以及寬度W2分別為50 nm以及33 nm之奈米光柵元件之光學特性曲線。由圖4之結果可知，改變第二金屬單元122a之金屬材料(分別以Au、Ag以及Cu標示)，對於改善短波長(藍光波段)之穿透率有不同的效果。

綜合上述，本發明之反射式偏光片是利用兩種金屬材料的堆疊來形成奈米光柵元件，因此，本發明之反射式偏光片不僅可藉由改變奈米光柵之週期、線寬、線高等參數來調整元件之光學特性，亦可藉由不同金屬材料的組合、改變上層金屬單元之週期、線寬、線高等參數來調整元件之光學特性，因而提昇元件之光學特性的調制自由度。此外，本發明之反射式偏光片可在不增加奈米結構模具之製作困難度的前提下，改善短波長之穿透率以提升奈米光柵元件之光譜響應均勻性。

以上所述之實施例僅是為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

11．．．透光基板

111．．．第一表面

112．．．第二表面

12．．．光柵結構

121．．．第一光柵層

121a．．．第一金屬單元

122．．．第二光柵層

122a．．．第二金屬單元

H1．．．第一金屬單元之高度

H2．．．第二金屬單元之高度

P．．．週期

W1．．．第一金屬單元之寬度

W2．．．第二金屬單元之寬度

圖1為一曲線圖，顯示習知之反射式偏光片之光學特性曲線。

圖2為一示意圖，顯示本發明一實施例之反射式偏光片。

圖3為一曲線圖，顯示本發明一實施例之反射式偏光片之光學特性曲線。

圖4為一曲線圖，顯示本發明另一實施例之反射式偏光片之光學特性曲線。

圖5為一曲線圖，顯示本發明又一實施例之反射式偏光片之光學特性曲線。

圖6為一示意圖，顯示本發明另一實施例之反射式偏光片。

11．．．透光基板

111．．．第一表面

112．．．第二表面

12．．．光柵結構

121．．．第一光柵層

121a．．．第一金屬單元

122．．．第二光柵層

122a．．．第二金屬單元

H1．．．第一金屬單元之高度

H2．．．第二金屬單元之高度

P．．．週期

W1．．．第一金屬單元之寬度

W2．．．第二金屬單元之寬度

Claims (13)

1. 一種反射式偏光片，包含：一透光基板，其具有一第一表面以及一相對之第二表面；以及一光柵結構，其設置於該第一表面以及該第二表面至少其中之一，並包含：一第一光柵層，其包含多個第一金屬單元之一第一陣列；以及一第二光柵層，其堆疊於該第一光柵層，該第二光柵層包含多個第二金屬單元之一第二陣列，其中該第一金屬單元以及該第二金屬單元為相異之金屬材料。
2. 如請求項1所述之反射式偏光片，其中該第一金屬單元之延伸方向以及該第二金屬單元之延伸方向之夾角為0至90度。
3. 如請求項1所述之反射式偏光片，其中該第二金屬單元之延伸方向平行於該第一金屬單元之延伸方向，且該第一金屬單元以及該第二金屬單元之寬度合小於或等於該第一金屬單元之週期。
4. 如請求項1所述之反射式偏光片，其中該第二金屬單元平行堆疊於該第一金屬單元上。
5. 如請求項1所述之反射式偏光片，其中該第二金屬單元之延伸方向垂直於該第一金屬單元之延伸方向，且該第一金屬單元具有較高之消光係數，該第二金屬單元具有較高之導電性。
6. 如請求項1所述之反射式偏光片，其中該第一金屬單元以及該第二金屬單元之高度以及寬度為相同或相異。
7. 如請求項1所述之反射式偏光片，其中該第二金屬單元之高度小於或等於該第一金屬單元之高度。
8. 如請求項1所述之反射式偏光片，其中該第一陣列或該第二陣列為週期性陣列或非週期性陣列。
9. 如請求項1所述之反射式偏光片，其中該第一陣列以及該第二陣列為週期性陣列，且週期小於入射光波長之二分之一。
10. 如請求項1所述之反射式偏光片，其中該透光基板之該第一表面以及該第二表面設置該光柵結構，且該第一表面以及該第二表面之該光柵結構之週期相同或相異。
11. 如請求項1所述之反射式偏光片，其中該第一金屬單元或該第二金屬單元為矩形、梯形或曲面朝單一方向延伸之結構。
12. 如請求項1所述之反射式偏光片，其中該第一金屬單元包含鋁或其合金。
13. 如請求項1所述之反射式偏光片，其中該第二金屬單元包含金、銀、銅或包含以上任一金屬之合金。