專利名稱：偏振增亮型光子晶體光學(xué)薄膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種液晶顯示技術(shù)領(lǐng)域的薄膜，具體是一種偏振增亮型光子晶體
光學(xué)薄膜。
背景技術(shù)：
薄膜晶體管-液晶顯示(TFT-LCD)的原理是利用液晶來控制偏振光的通過與否來 實(shí)現(xiàn)顯示功能。傳統(tǒng)的TFT-LCD面板的主要結(jié)構(gòu)，通常由液晶面板，背光模組及光源組成。 其中，液晶面板包括兩個(gè)正交的偏振片P偏振片和s偏振片，玻璃基板，配向膜，液晶層，彩 色濾光片。其原理是通過在ITO導(dǎo)電單元上施加電壓，進(jìn)而在液晶層上形成電場(chǎng)來控制液 晶的取向，從而控制從P偏振片出射的出射光的偏振態(tài)，繼而控制從s偏振片的出光量大 小，形成控制光通量的光閥；然后通過彩色濾光片進(jìn)行紅、綠、藍(lán)三色濾光以形成彩色像素， 達(dá)到顯示功能。由于液晶本身不具有發(fā)光特性，背光模組的作用是向液晶顯示面板提供高 亮度且分布均勻的面光源，由反射板，導(dǎo)光板，光學(xué)擴(kuò)散膜以及棱鏡增透膜或DBEF膜組成。
傳統(tǒng)液晶顯示有以下主要問題一是前偏振片是吸收型的偏振片，當(dāng)接近自然光 的背光源出射光射到前偏振片時(shí)，有近1/2的光被吸收，光能利用率低；二是為了達(dá)到背 光模組高亮度和高均勻度的要求，傳統(tǒng)背光模組中要有擴(kuò)散膜與增亮膜等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本 高。 經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，3M公司發(fā)明了一種叫DBEF的增亮片，置于p偏振 片和背光模組之間。與吸收型P偏振片不同的是，該增亮片是反射型，P偏振光能直接通過 增亮片，同時(shí)原來被P偏振片吸收的s偏振光被增亮片反射回背光模組，經(jīng)過背光源各層材 料后，s偏振光被消偏振，又成為非偏振光重新射出背光模組，使光能被反復(fù)循環(huán)利用。使 用該方法雖然能有效地提高光源的利用率，但需要增加器件尺寸和成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種偏振增亮型光子晶體光學(xué)薄膜， 可實(shí)現(xiàn)偏振出光、高效率、高均勻度和具有反射式偏振濾波功能，基于透射型二維光子晶體 單元實(shí)現(xiàn)的光學(xué)薄膜。 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明所述的光子晶體光學(xué)薄膜包括一個(gè)出 光面、一個(gè)底面和四個(gè)側(cè)面，其中出光面與底面相對(duì)設(shè)置，四個(gè)側(cè)面依次連接且其上端與 下端分別與底面和出光面相連，所述的出光面上設(shè)有透射型二維光子晶體單元陣列。
所述的透射型二維光子晶體單元陣列中的二維光子晶體單元以貝塞爾函數(shù)方式 排布。 所述的二維光子晶體單元的特征尺寸為2iim-200iim，單元內(nèi)的二維光子晶體的 周期和晶格為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)并且透射型二維光子晶體單元陣列中各個(gè)二維光子晶體的晶格 相互平行且晶格形狀為平行四邊形，各個(gè)二維光子晶體單元衍射出光的偏振方向一致，即 二維光子晶體單元中二維光子晶體晶格的取向一致。
所述的二維光子晶體單元的寬度為v，厚度為u，其中(v/u) > 2。
所述的二維光子晶體單元的兩個(gè)基矢方向的晶格周期分別為a與b，高度為h，通過調(diào)整兩個(gè)基矢方向的晶格周期a與b的大小和比例控制衍射出光的衍射效率和偏振方向，通過調(diào)整兩個(gè)基矢方向的占空比同樣調(diào)整衍射出光的偏振比，其中偏振比優(yōu)選為(b/a) > 2 ;占空比為0. 4-0. 6。 與現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是通過對(duì)各個(gè)二維光子晶體單元高度及面積的選擇，可以精確控制薄膜上各單元的出光效率，以實(shí)現(xiàn)更高的均勻度，由此可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散膜、增亮膜等結(jié)構(gòu)的功能。通過調(diào)整點(diǎn)陣中二維光子晶體單元的兩個(gè)基矢方向的周期和占空比可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于出光偏振態(tài)的控制，當(dāng)所有單元衍射出光的偏振方向一致的時(shí)候，可以實(shí)現(xiàn)液晶面板中底層偏振片及DBEF的功能；如果在導(dǎo)光板底部設(shè)置了偏振轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)可以使導(dǎo)光板的光能利用率提高近一倍。另外二維光子晶體的集成度高，可以有效減少液晶顯示器的厚度與成本；同時(shí)二維光子晶體的制備簡(jiǎn)單，對(duì)于不同形狀和分布的二維光子晶體單元陣列只需制作相應(yīng)的壓印模版通過巻對(duì)巻壓印就可以大規(guī)模生產(chǎn)。


圖1為本發(fā)明剖面示意圖。 圖2為本發(fā)明俯視圖。 圖3為實(shí)施例1局部放大示意圖。 圖4為實(shí)施例1俯視圖。 圖5為實(shí)施例1立體圖。 圖6為實(shí)施例1出光均勻度控制示意圖。 圖7為實(shí)施例2局部放大示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。 如圖1所示，本實(shí)施例所述的光子晶體光學(xué)薄膜包括一個(gè)出光面1、一個(gè)底面2和四個(gè)側(cè)面3，其中出光面1與底面2相對(duì)設(shè)置，四個(gè)側(cè)面3依次連接且其上端與下端分別與底面2和出光面1相連；所述的光子晶體光學(xué)薄膜是大小為30mmX40mm厚度一致的薄膜，材料為透明的壓克力制成。 如圖2所示，所述的出光面1上設(shè)有透射型二維光子晶體單元陣列4。所述的透射
型二維光子晶體單元陣列4中的二維光子晶體單元5以貝塞爾函數(shù)方式排布。 如圖3所示，所述的二維光子晶體單元5的特征尺寸為100iim，二維光子晶體單元
的周期和晶格為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)并且透射型二維光子晶體單元陣列中各個(gè)二維光子晶體的晶
格相互平行且晶格形狀為矩形，各單元之間的間隔為10ym。 如圖4所示，本實(shí)施例中設(shè)有光源6為線光源冷陰極熒光燈(CCFL)，光子晶體薄膜貼合在導(dǎo)光板7的出光面的情況。在靠近光源6區(qū)域的二維光子晶體單元5的高度稍低，遠(yuǎn)離FP腔共振條件，即光子晶體的單元的衍射效率較低。隨著離光源越來越遠(yuǎn)，光子晶體高度逐漸變高，逐漸接近FP腔的共振條件，光子晶體單元的衍射效率逐漸變高。從而使得
隨著入射光的光強(qiáng)逐漸由強(qiáng)變?nèi)酰銎骄苌湫视尚∽兇?，從而控制出光均勻度?br> 如圖5所示，為使用二維光子晶體薄膜背光模組的原理結(jié)構(gòu)圖，其中導(dǎo)光板底部
為一個(gè)反射式一維金屬光柵，有偏振轉(zhuǎn)換功能?？蓪⒂杀∧こ龉饷娣瓷浠貋淼钠窆獾钠?br> 振方向轉(zhuǎn)換成90度之后再次射向薄膜出光面，把由光子晶體薄膜反射回的s偏振的光9經(jīng)
轉(zhuǎn)換，使由一維金屬光柵反射回的光10的p偏振方向能量更高，再次射入二維光子晶體薄膜。 如圖6所示，為一種線光源的側(cè)入式薄膜結(jié)構(gòu)，從距離光源近到遠(yuǎn)，光的衍射效率
依次為P p P 2， P 3， P 4. P n，其中P ! < P 2 < P 3 < P 4. < P n。假設(shè)一束射入第一
個(gè)二維光子晶體單元的光線的強(qiáng)度為①p透射出的光為①^i，反射出的光為①J1-P》；假定從第一個(gè)二維光子晶體單元反射出的光經(jīng)導(dǎo)光板底部反射的效率為100%，則射入第二個(gè)二維光子晶體單元的光為02 =①i(l-P》，透射出的光為。2P2 =①J1-P》P2 ;以此類推，第三個(gè)單元透射的光為。3P3= 02(1_P2)P3=①J1-P》(1_P2) P3，第四個(gè)單元透射的光為04P4 =①J1-P》(1_P2) (1_P3) P4。通過設(shè)定合理的P2， P3，
P4， ... Pn，使①！P!=①一2 =①3P3 = 。4P4 =...①n P n，側(cè)可達(dá)到出光面出光均勻的要求。 陣列中所有的二維光子晶體單元晶格取向相同，使出光的能量較高偏振方向與液
晶面板中的p偏振片偏振方向相同，降低p偏振片的吸收損耗。利用非對(duì)稱二維光子晶體，使不同方向具有不同的有效折射率，從而具有各向異性的特性，和光源垂直方向的晶格周
期a小于另一個(gè)方向的周期b，使得偏振態(tài)平行于a的光耦合效率大于另一個(gè)方向，為了保證偏振比，要求b/a比值大于2，本實(shí)施例中取a為大小為100nm，另一個(gè)方向的晶格周期b為lOOOnm;當(dāng)該薄膜放置于導(dǎo)光板的出光面時(shí)，為了反射回的光為較高偏振比的p偏振光這個(gè)目的，可以在導(dǎo)光板底部與反射板之間設(shè)置一個(gè)1/4波片，或相似的結(jié)構(gòu)，此波片的光軸面與出光面的偏振方向成45度夾角。也可以在反射板的位置，或直接在導(dǎo)光板底部設(shè)置一層反射型的一維金屬光柵，此一維金屬光柵的晶格取向與出光面的光子晶體的晶格取向成45°夾角，這樣偏振平行于和垂直于光柵方向的反射光將具有不同的相位延遲，因此可以使薄膜反射回來的s偏振光發(fā)生旋轉(zhuǎn)，變?yōu)楹衟偏振分量的光，在入射光以45度方位角入射時(shí)偏振轉(zhuǎn)換效率最高。此一維金屬光柵可以是在一維PMMA光柵的基礎(chǔ)上涂敷一層金屬來實(shí)現(xiàn)，此光柵的周期是100nm，高度在150nm，涂敷金屬鋁，厚度在50nm以上。
實(shí)施例2 如圖7所示，本實(shí)施例中的所述的二維光子晶體單元陣列4由矩形晶格的二維光子晶體單元5構(gòu)成。二維光子晶體單元5兩個(gè)基矢方向的晶格周期分別為a與b，高度為h。 本實(shí)施例為了實(shí)現(xiàn)衍射出光有較高的偏振比，對(duì)于出光的均勻性不做要求，那么可以通過調(diào)整a與b的大小和比例可以控制衍射出光的衍射效率和偏振方向，為了實(shí)現(xiàn)有足夠高的線偏振特性，a與b不能相同。通過調(diào)整兩個(gè)基矢方向的占空比同樣可以調(diào)整衍射出光的偏振比，本實(shí)施例中占空比為0.5，若要求衍射光為白光，無濾波作用，則a在100nm，若要求較好的偏振比要求(b/a) > 2 ;對(duì)于格點(diǎn)的形貌，要求(v/u) > 2，其中v為300nm，u為30nm。
權(quán)利要求
一種偏振增亮型光子晶體光學(xué)薄膜，所述的光子晶體光學(xué)薄膜包括一個(gè)出光面、一個(gè)底面和四個(gè)側(cè)面，其中出光面與底面相對(duì)設(shè)置，四個(gè)側(cè)面依次連接且其上端與下端分別與底面和出光面相連，其特征在于所述的出光面上設(shè)有透射型二維光子晶體單元陣列。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振增亮型光子晶體光學(xué)薄膜，其特征是，所述的透射型二 維光子晶體單元陣列中的二維光子晶體單元以貝塞爾函數(shù)方式排布。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振增亮型光子晶體光學(xué)薄膜，其特征是，所述的二維光子晶體單元的特征尺寸為2 ii m-200 ii m。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振增亮型光子晶體光學(xué)薄膜，其特征是，所述的二維光子 晶體單元內(nèi)的二維光子晶體的周期和晶格為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)并且透射型二維光子晶體單元陣列中各個(gè)二維光子晶體的晶格相互平行且晶格形狀為平行四邊形，高度為0. 1 m-10 m。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的偏振增亮型光子晶體光學(xué)薄膜，其特征是，所述的二 維光子晶體單元中二維光子晶體晶格的取向一致。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的偏振增亮型光子晶體光學(xué)薄膜，其特征是，所述的二 維光子晶體單元的寬度為v，厚度為u，寬度厚度比大于2。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的偏振增亮型光子晶體光學(xué)薄膜，其特征是，所述的二 維光子晶體單元的兩個(gè)基矢方向的晶格周期分別為a與b，高度為h，通過調(diào)整兩個(gè)基矢方 向的晶格周期a與b的大小和比例控制衍射出光的衍射效率和偏振方向，通過調(diào)整兩個(gè)基 矢方向的占空比同樣調(diào)整衍射出光的偏振比。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的偏振增亮型光子晶體光學(xué)薄膜，其特征是，所述的偏振比要 求(b/a) > 2。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的偏振增亮型光子晶體光學(xué)薄膜，其特征是，所述占空比為 0. 4-0. 6。
全文摘要
一種液晶顯示技術(shù)領(lǐng)域的偏振增亮型光子晶體光學(xué)薄膜，所述的光子晶體光學(xué)薄膜包括一個(gè)出光面、一個(gè)底面和四個(gè)側(cè)面，其中出光面與底面相對(duì)設(shè)置，四個(gè)側(cè)面依次連接且其上端與下端分別與底面和出光面相連，所述的出光面上設(shè)有透射型二維光子晶體單元陣列。本發(fā)明能夠提高液晶顯示器的光學(xué)效率和集成度，降低背光模組的厚度與成本，實(shí)現(xiàn)均勻的二維光子晶體薄膜出光。
文檔編號(hào)G02F1/01GK101699331SQ20091030979
公開日2010年4月28日 申請(qǐng)日期2009年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月16日
發(fā)明者葉志成, 崔晴宇, 蘇翼凱 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)