專利名稱：：一種亞波長光柵結構偏振片及其制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種適用于可見光的偏振片，具體涉及一種亞波長光柵結構的偏振片，可應用于背光顯示領域。
背景技術：
：偏振片是液晶顯示、光學測量、光通信等系統中使用的一種非常重要的光學組件，具有非常廣闊的市場。這些系統中要求偏振片具有高消光比、寬廣的入射角度范圍和非常緊湊的體積。傳統的偏振片體積過大、制作過程復雜，而且僅僅在較小的波長范圍內具有大的消光比，已經不能滿足顯示行業輕量型、超薄型、低成本的要求。因此，如何設計結構緊湊、易于加工、性價比高的偏振片，成為該領域研究發展的趨勢。研究發現，金屬光柵結構具有獨特的偏振性能，引起了人們的關注。金屬光柵結構具有偏振性能的原因在于垂直于光柵矢量(TE偏振)和平行于光柵矢量(TM偏振)偏振光的邊界條件不同，其等效折射率也不同。附圖1為一維矩形金屬光柵的結構圖及產生偏振性能的原理圖。其中，11為透明基底，12為金屬光柵，金屬光柵的周期為P，脊部寬度為W,髙度為H，13為光源。由光源13產生的非偏振光(包含TM偏振光和TE偏振光)以入射角6入射到該偏振片。TE偏振(又稱s偏振)激發金屬線的電子而產生電流，使得該方向的偏振光反射，而TM偏振(又稱p偏振)由于該方向上有空氣間隙將金屬線隔離而無法引發電流，此時光波會透射過去。這樣就實現了入射光中振動方向互相垂直的兩個偏振態P、s的分離，表現出強烈的偏振特性。影響光柵的偏振特性的主要因素是光柵的周期和入射波長之間的關系。當周期比入射波長大時，光柵不具有偏振性能；當周期比入射波長小很多時，光柵具有偏振性能，反射與光柵方向平行的電場分量，而透射與光柵方向垂直的電場分量；當周期在入射波長的一半到兩倍之間時，光柵屬于過渡區域，光柵的透射效率及反射效率都有急劇的變化。對于周期小于入射波長的光柵(稱為亞波長光柵)，傳統的標量衍射理論已不再適用，需要用嚴格的矢量衍射理論來描述。研究表明，能夠用于可見光光譜范圍的性能較好(高透射效率、高消光比)的金屬偏振光柵的周期都很小，通常要求小于100nm。電子束曝光、反應離子刻蝕、納米壓印技術等微納米加工技術的發展，使得加工線寬小于100nm的光柵成為可能。通常用消光比來衡量偏振片的性能的好壞。透過率的消光比是指TM光的透射效率與TE光的透射效率的比值。由于亞波長金屬光柵體積小、易于集成、偏振特性好，很多科研人員對其相應的理論分析、結構設計、制作工藝等進行了深入研究。美國專利US7158302公開了一種雙金屬層偏振片，在500-700nm波長范圍，TM光的透射效率大部分在70。/。以上，但是在400nm波長時，TM光的透射效率為63%,TM光的透射效率有待提髙。中國專利說明書CN1363048A中公開了一種用于可見光譜的寬帶線柵偏振器，通過在金屬光柵和襯底之間設置一折射率低于襯底的折射率的區域，擴展了沒有諧振效應發生的可見波長帶，從而提供了適用于可見光光譜的單層金屬光柵偏振器。該專利主要分析了增加的低折射率區域對偏振器的透射性能的影響，未給出其對消光性能的影響。因此，針對可見光波段，在設計結構緊湊的偏振片時，需要解決的問題是降低加工成本、提髙透射效率、增大消光比。
發明內容本發明目的是提供一種新型的亞波長光柵結構偏振片，該偏振片不僅適用于可見光波段、具有寬廣的入射角度范圍，而且具有髙透射效率和髙消光比。本發明的另一個目的是提供該種偏振片的制作方法。為達到上述目的，本發明采用的技術方案是一種亞波長光柵結構偏振片，包括透明基底、介質光柵、第一金屬層和第二金屬層，所述介質光柵具有周期性間隔設置的脊部和溝槽，所述第一金屬層覆蓋于介質光柵的脊部，所述第二金屬層覆蓋于介質光柵的溝槽中，介質光柵的周期小于入射光波長，在所述透明基底和介質光柵之間，設有髙折射率介質層，所述髙折射率介質層的折射率在1.6至2.4之間。上文中，所述透明基底為玻璃或者塑料薄膜，其中，塑料薄膜可以采用聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚丙烯(BOPP)。所述金屬層為金、銀、銅、鋁層。所述介質光柵可以采用聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚丙烯(BOPP)等材料。上述技術方案中，所述介質光柵的周期小于等于250納米；脊部寬度與周期的比值為0.30.6;所述第一金屬層和第二金屬層的厚度為50100納米；所述介質光柵的脊部厚度大于金屬層的厚度。所述髙折射率介質層的厚度為10200納米。所述透明基底厚度為5001000微米。為實現本發明的另一發明目的，采用的方案是，一種亞波長光柵結構偏振片的制作方法，包括下列步驟(1)在透明基底上沉積髙折射率介質層，所述髙折射率介質層的折射率在1.6至2,4之間；(2)在高折射率介質層上涂布介質層；(3)用光柵模板在介質層表面形成周期介質光柵結構；(4)在周期介質光柵結構表面利用物理濺射方法沉積金屬層，即獲得所需的亞波長光柵結構偏振片。其中，所述步驟(3)中，介質光柵結構通過納米壓印方法制作形成。由于上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點1.本發明通過在基底和介質光柵之間增加髙折射率介質層，TM光可以從亞波長光柵結構偏振片中透射出來，而TE光被亞波長光柵結構偏振片反射，具有很髙的分光和偏振轉換效果，從而提高透射效率和消光比。2.本發明的偏振片，在整個可見光波段(400nm—700nm)，具有髙透射效率、髙消光比；入射光的入射角度在0度50度范圍變化，具有寬廣的入射角度范圍。3.在工藝上，本發明可以采用納米壓印技術加工制作，制作過程簡便易操作，不需要刻蝕工藝，降低了加工成本。4.與傳統的偏振片不同，本發明通過調整髙折射率介質的折射率、厚度、介質光柵的厚度、脊部寬度、周期、金屬層的厚度等參數可以獲得髙TM光透射效率和髙消光比，設計更靈活。5.本發明的偏振片可以用在液晶顯示的導光板中進行分光，p光可以從亞波長光柵結構偏振片中透射出來，而s光被亞波長光柵結構偏振片反射，具有很髙的分光和偏振轉換效果，最終可以提髙光能利用效率。圖1為一維矩形金屬光柵的結構圖及產生偏振性能的原理圖。圖2為本發明實施例中設計的亞波長光柵結構偏振片的結構示意圖。圖3為本發明實施例一中亞波長光柵結構偏振片的TM光的透射效率與入射波長的關系圖。圖4為本發明實施例二中亞波長光柵結構偏振片的TM光的透射效率與入射波長的關系圖。圖5為本發明實施例三中亞波長光柵結構偏振片的TM光的透射效率與入射波長的關系圖。圖6為本發明實施例四中亞波長光柵結構偏振片的髙折射率介質層的厚度hl與TM光的透射效率之間的關系圖。圖7為本發明實施例四中亞波長光柵結構偏振片的髙折射率介質層的厚度hl與TE光的透射效率之間的關系圖。圖8為本發明實施例五中亞波長光柵結構偏振片的TM光的透射效率與入射波長的關系圖。圖9為本發明實施例六中亞波長光柵結構偏振片的TM光的透射效率與入射角度的關系圖。圖10為本發明實施例七中亞波長光柵結構偏振片的TM光的透射效率與入射波長的關系圖。圖11是本發明實施例中設計的亞波長光柵結構偏振片的加工過程示意圖。圖12是實施例九中亞波長光柵結構偏振片在液晶顯示的導光板中的應用示意圖。具體實施方式下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述實施例一參見附圖2，為亞波長光柵結構偏振片的示意圖。透明基底22由玻璃或者塑料薄膜構成，厚度為500-1000um。塑料可以為聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚丙烯(BOPP)。髙折射率介質層25的折射率大于基底的折射率。髙折射率介質層25可以為Ti02、Ta205、ZnS等等。介質光柵24由塑料構成，塑料可以為聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚丙烯(BOPP)。金屬層23可以是金、銀、銅、鋁層。其中，介質光柵的周期p小于等于250nm;介質光柵的脊部寬度w與周期p的比值F為0.3—0.6;髙折射率介質層的折射率N:1.6—2.4;髙折射率介質層的厚度hl范圍10-200nm;金屬層的厚度h3范圍50-100nm;介質光柵的厚度h2大于金屬層的厚度h3。由圖中可見，在基底和介質光柵之間設有髙折射率介質層。入射光21為可見光，波長為400nm—700nm，入射角為O度基底22為玻璃，折射率為1.52:金屬層23為鋁；介質光柵24為PMMA，折射率為1.48;高折射率介質層25為ZnS,折射率為2.4。偏振片的結構參數如下基底厚度為1000um,高折射率介質層厚度hl為0.04um，介質光柵的高度h2=0.1um,金屬層的髙度h3=0.07um,介質光柵的周期p=0.1um，脊部寬度w=0.05um。在此條件下，TM光的透射效率與波長的關系如附圖3所示。在波長為400nm、470nm、550nm、610nm、700nm處TM光的透射效率、TE光的透射效率、消光比如表1所示。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>從表1可以看出，在整個可見光波段，本發明設計的偏振片具有良好的透射和偏振性能(TM光的透射效率大于71%,消光比大于692)。實施例二參見圖2，在基底和介質光柵之間增加髙折射率介質層(ZnS)。入射光21為可見光，波長為400nm—700nm，入射角為O度；基底22為聚碳酸酯薄膜(PC),折射率為1.58;金屬層23為鋁；介質光柵24為PMMA，折射率為1.48;髙折射率介質層25為ZnS，折射率為2.4。偏振片的結構參數如下基底厚度為1000um，髙折射率介質層厚度hl為0.04um,介質光柵的髙度h2=0.1um,金屬層的髙度h3=0.07um,介質光柵的周期p=0.1um,脊部寬度w=0.05um。在此條件下，TM光的透射效率與波長的關系如圖4所示。在400nm波長處，TM光的透射效率為77%,TE光的透射效率為0.000026，消光比為29615。實施例三參見圖2,在基底和介質光柵之間增加髙折射率介質層(ZnS)。入射光21為可見光，波長為400nm—700nm，入射角為0度；基底22為聚酯薄膜(PET),折射率為1.48;金屬層23為鋁；介質光柵24為PMMA,折射率為1.48;髙折射率介質層25為ZnS,折射率為2.4。偏振片的結構參數如下基底厚度為lOOOum,髙折射率介質層厚度hi為0.04um，介質光柵的髙度h2=0.1um，金屬層的髙度h3=0.07um，介質光柵的周期p=0.1um,脊部寬度w=0.05um。在此條件下，TM光的透射效率與波長的關系如圖5所示。在400nm波長處，TM光的透射效率為79%,TE光的透射效率為0.000026,消光比為30384。實施例四改變實施例一中髙折射率介質層(ZnS)的厚度hl,其他參數不變。入射波長為400nm時，髙折射率介質層的厚度hl對TM光的透射效率、TE光的透射效率的影響如圖6、圖7所示。隨著hl的增加，TM光的透射效率在47%—79%范圍周期性變化，TE光的透射效率在0.000017—0.000041范圍周期性變化。為了減小鍍髙折射率介質層的難度，增加鍍高折射率介質層的牢固度，通過優化髙折射率介質層的折射率和厚度這兩個參數，可以得到易加工的具有髙透射效率、髙消光比的偏振片。實施例五改變實施例一中入射角為45度，其他參數不變。入射光21為可見光，波長為400nm—700iim。在此條件下，TM光的透射效率與入射波長的關系如圖8所示。在400nm波長處，TM光的透射效率為78%,TE光的透射效率為0.000012，消光比為65000。在整個可見光波段，斜入射時，偏振片具有高透射效率、高消光比(透射效率大于78%,消光比大于1157)。實施例六以入射光波長為400nm為例。改變實施例二中入射角，其他參數不變，入射光的入射角度對TM光的透射效率的影響如圖9所示。隨著入射角度的增加，TM光的透射效率降低。在0度到55度范圍，TM光的透射效率大于70%,消光比大于30000,說明本發明設計的偏振片具有寬廣的入射角度范圍。實施例七參見圖2,以F為0.4為例。其他參數為入射光21為可見光，波長為400nm—700nm，入射角為O度；基底22為玻璃，折射率為1.52;金屬層23為鋁；介質光柵24為PMMA，折射率為1.48;髙折射率介質層的折射率為2。偏振片的結構參數如下基底厚度為lOOOiim，髙折射率介質層厚度hi為0.04um，介質光柵的髙度h2=0.09um,金屬層的髙度h3=0.07um，介質光柵的周期p-O.lum，寬度w-0.04um。在此條件下，TM光的透射效率與波長的關系如圖IO所示。在400nm波長處，TM光的透射效率為86%,TE光的透射效率為0.000026,消光比為33077。在整個可見光波段，該偏振片具有良好的透射和消光性能(透射效率大于72%，消光比大于720)。實施例八圖11是本發明設計的亞波長光柵結構偏振片的加工過程。第一步，在透明基底131的上表面通過物理蒸鍍或者濺射沉積髙折射率介質層132。第二步，在髙折射率介質層表面涂布一層聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)133，加熱至髙于聚甲基丙烯酸甲酯的玻璃化相變點溫度。第三步，將預制的金屬鎳版模板134以一定的壓力壓入聚甲基丙烯酸甲酯。保持這種壓力不變，降低溫度至相變點溫度以下。第四步，將模板抬起脫模，在聚甲基丙烯酸甲酯表面得到了周期圖案。第五步，在聚甲基丙烯酸甲酯的周期圖案上利用物理濺射沉積金屬層135。實施例九圖12是本發明設計的亞波長光柵結構偏振片在液晶顯示的導光板中的應用示意圖。其中，頂部是本發明設計的亞波長光柵結構偏振片141，底部是反射片142，反射片142具有隨機位相結構。非偏振光入射到偏振片141上，P光可以從偏振片中透射出去，而S光被偏振片反射。被反射回來的光入射到反射片上，具有隨機位相結構的反射片可以讓光線的偏振方向發生隨機改變，使得不斷有滿足偏振片入射條件的光出射，從而提髙光能利用效率。權利要求1.一種亞波長光柵結構偏振片，包括透明基底、介質光柵、第一金屬層和第二金屬層，所述介質光柵具有周期性間隔設置的脊部和溝槽，所述第一金屬層覆蓋于介質光柵的脊部，所述第二金屬層覆蓋于介質光柵的溝槽中，介質光柵的周期小于入射光波長，其特征在于在所述透明基底和介質光柵之間，設有高折射率介質層，所述高折射率介質層的折射率在1.6至2.4之間。2.根據權利要求1所述的亞波長光柵結構偏振片，其特征在于所述介質光柵的周期小于等于250納米；脊部寬度與周期的比值為0.30.6;所述第一金屬層和第二金屬層的厚度為50100納米；所述介質光柵的脊部厚度大于金屬層的厚度。3.根據權利要求1所述的亞波長光柵結構偏振片，其特征在于所述髙折射率介質層的厚度為10200納米。4.根據權利要求1所述的亞波長光柵結構偏振片，其特征在于所述透明基底厚度為5001000微米。5.—種亞波長光柵結構偏振片的制作方法，其特征在于，包括下列步驟(1)在透明基底上沉積髙折射率介質層，所述髙折射率介質層的折射率在1.6至2.4之間；(2)在高折射率介質層上涂布介質層；(3)用光柵模板在介質層表面形成周期介質光柵結構；(4)在周期介質光柵結構表面利用物理濺射方法沉積金屬層，即獲得所需的亞波長光柵結構偏振片。6.根據權利要求5所述的亞波長光柵結構偏振片的制作方法，其特征在于所述步驟(3)中，介質光柵結構通過納米壓印方法制作形成。全文摘要本發明公開了一種亞波長光柵結構偏振片，包括透明基底、介質光柵、第一金屬層和第二金屬層，所述介質光柵具有周期性間隔設置的脊部和溝槽，所述第一金屬層覆蓋于介質光柵的脊部，所述第二金屬層覆蓋于介質光柵的溝槽中，介質光柵的周期小于入射光波長，其特征在于在所述透明基底和介質光柵之間，設有高折射率介質層，所述高折射率介質層的折射率在1.6至2.4之間。通過在透明基底和介質光柵之間增加高折射率介質層，提高了偏振片的TM光的透射效率和消光比。在整個可見光波段，該偏振片具有高透射效率、高消光比、寬廣的入射角度范圍。在工藝上，采用納米壓印技術加工制作，制作過程簡便易操作，不需要刻蝕工藝，降低了加工成本。文檔編號G02B5/30GK101290371SQ200810123710公開日2008年10月22日申請日期2008年5月30日優先權日2008年5月30日發明者燕葉,云周,周小紅,浦東林,溯申,解正東,陳林森,魏國軍申請人:蘇州大學;蘇州蘇大維格數碼光學有限公司