基於二維金屬光子晶體的帶偏振功能的導光板的製作方法

2023-05-13 10:58:11

專利名稱：基於二維金屬光子晶體的帶偏振功能的導光板的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種液晶顯示技術領域的裝置，具體是一種基於二維金屬光子晶
體的帶偏振功能的導光板。
背景技術：
薄膜電晶體-液晶顯示(TFT-LCD)的原理是利用液晶形成偏振光來控制光線的通 過與否。傳統的TFT-LCD面板的主要部分的結構包括液晶夾層、背光模組等幾大部分組成。 其中液晶夾層包括前後兩個正交的偏振片、玻璃板、槽狀表面、液晶層、彩色濾光片等，其原 理是通過在液晶層上施加電壓，控制從前偏振片出射的光線的偏振態，從而控制從後偏振 片的出光量大小，達到顯示功能。背光模組的作用是向液晶面板提供亮度充分且分布均勻 的面光源，其包括光源、反射板、導光板、光學擴散膜以及稜鏡增透膜。傳統的TFT-LCD面板 存在一些明顯的不足一是產生線偏振的傳統吸收型偏振片會導致近1/2的光吸收損耗； 二是為了增加背光模組的出光均勻度需要光學擴散膜以及稜鏡增透膜等多種器件，增加了 面板的厚度和成本。 經對現有技術的文獻檢索發現，美國專利文獻號US007252424B2，記載了一種 "BACKLIGHT MODULE CAPABLE OF INTERCHANGING POLARIZED STATES OF LIGHT"(具有偏 振轉化功能的背光模塊)，其中背光結構包括光學膜、亞微米光柵層、導光板、微結構、相 位延遲片、反射層。該專利中，其亞微米光柵能夠使TE偏振光反射、TM偏振光透過；相位延 遲片和反射層能使光線的偏振和傳播方向發生改變。這樣一種結構可以使光源中的非線偏 振光在導光板中得到反覆循環利用，並最終以TM線偏振光出射，提高了光學效率，並減少 液晶面板中前偏片的使用，但是，該技術的結構複雜，膜層結構較多，而且， 一維亞微米光柵 只能在一個方向上進行調控。

發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種基於二維金屬光子晶體的帶偏振 功能的導光板，直接在導光板上製作透射式和反射式金屬光柵，簡化了背光系統的結構，降 低了背光的厚度，並且二維透射式光柵能從兩個方向上進行調節出光性能，增加了設計的 靈活性。 本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括導光板基體、金屬光子陣列、金 屬層和一維光柵，其中金屬光子陣列可以位於導光板基體的出光面，金屬層和一維光柵分 別位於導光板基體上與出光面相對的底面，導光板基體的出光面和底面之間分別為入光面 和側面。 所述的金屬光子陣列的每個格點為一個透射型二維金屬光子晶體單元，且金屬光 子陣列覆蓋整個出光面。 所述的格點為圓形或多邊形結構，格點的高度為2iim-200iim。 所述的格點優選為矩形，格點垂直於入光面方向上的格點邊長以貝塞爾函數遞增，在平行於入光面方向上的格點邊長一致，這樣使得近光源處格點面積小，遠光源處格點 面積大，達到出光均勻的效果。 所述的格點內設有二維投射式金屬光子晶體，所有格點的二維金屬光子晶體在晶 格取向上相互平行。 所述的二維金屬光子晶體為平行四邊形晶格且只允許特定偏振態的光從出光面
出射，該二維金屬光子晶體包括兩個晶格周期，分別為和光源垂直方向的入射晶格周期a
為10nm-200nm以及與之相垂直的垂直晶格周期b為20nm-1000nm，其中b/a > 2。所述的二維金屬光子晶體為金、銀或鋁製成，其高度為10-500nm。 所述的一維光柵為壓克力材料製成的反射型一維光柵，其外表面設有金屬層，該
金屬層為50nm-200nm的金、銀或鋁。 所述的一維光柵的周期為10nm-250nm，高度為0. 05iim-10iim，其晶格取向與二 維金屬光子晶體的晶格取向成40-55° 。 所述的導光板基體的側面設有反射率大於98%的反射層。 與現有技術對比，本發明的優點是該偏振導光板不但能使光均勻出射，還能同時 具有偏振片功能，相比傳統TFT-LCD，能有效地提高光源的利用率理論上可以增加l倍。同 時可以節省光學擴散膜以及稜鏡增透膜，大大提高面板器件的集成度，減小面板的厚度和 成本。採用的二維光子晶體兩個基矢方向都具有衍射能力，因此能控制出光的均勻度。該 偏振導光板結構不僅適用於側光式光源，對直下式光源也同樣適用。


圖1為實施例偏振導光板剖面示意圖。 圖2為實施例偏振導光板俯視示意圖。 圖3為實施例一個子單元的二維光子晶體示意圖。 圖4為實施例偏振導光板底面示意圖。 圖5為實施例偏振導光板原理示意。
具體實施例方式
下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施 例。 如圖1和圖2所示，本實施例包括導光板基體1、金屬光子陣列2、金屬層3和一 維光柵4，其中金屬光子陣列2位於導光板基體1的出光面5，金屬層3和一維光柵4分別 位於導光板基體1上與出光面5相對的底面6，導光板基體1的出光面5和底面6之間分別 為入光面7和側面8。 所述的金屬光子陣列2覆蓋整個出光面5，每個矩形的格點9為一個透射型二維金 屬光子晶體10。格點9大小在出光面5上的分布規律為在垂直於入光面7的方向上的格 點邊長按貝塞爾函數分布遞增，在平行於入光面7的方向上的格點邊長一致，保持不變。
所述的格點9為矩形結構，格點9的高度為100 ii m。 如圖3所示，所述的格點9內設有二維金屬光子晶體10，所有格點9的二維金屬光
4子晶體10在晶格取向上相互平行。 所述的二維金屬光子晶體10為平行四邊形晶格且只允許特定偏振態的光從出光 面7出射，該二維金屬光子晶體包括兩個晶格周期，分別為和光源垂直方向的入射晶格周 期a為100nm以及與之相垂直的垂直晶格周期b為400nm，為保證二維金屬光子晶體10隻 允許特定偏振態的光透過出光面5出射，(b/a) > 2，這樣能保證a與b方向具有不同的有 效折射率，從而具有各向異性的特性。同時在導光板介質和金屬的表面會激發表面等離子 體共振，表面等離子體共振對不同偏振態的光耦合能力不一樣，只對偏振態垂直於入射晶 格周期a方向的光具有耦合和出射能力，偏振態平行於入射晶格周期a方向的光將反射回 導光板的底面6。 所述的二維金屬光子晶體10的高度為250nm，其材質為金。 所述的反射型一維光柵4位於導光板的底面6，將從出光面5反射回的線偏振光反 射回出光面5，同時又能改變入射光的偏振態，使得反射回去的光的偏振態能旋轉90。或 從線偏振光變成圓偏振光，從而又能從出光面5透射出去，如此循環利用可提高光學效率。
如圖4所示，所述的反射型一維光柵4的材料為壓克力(PMMA)，在其外表面塗覆了 一層金。所述的反射型一維光柵4的晶格取向與出光面7的光子晶體的晶格取向成45。， 這是因為在金屬和PMMA之間激發的表面等離子體共振能改變入射光的偏振態，在入射光 以45度方位角入射時偏振轉換效率最高。 所述的反射型一維光柵4周期為125nm，高度為5iim，表面塗覆的金屬的厚度為 100nm。 所述的導光板的側面8塗有高反射率的材料，其反射率大於98%。
該偏振導光板的工作原理如圖5所示。隨機偏振態的光源11發出的垂直於入射 平面的偏振分量光能通過出光面5出射。剩下的偏振方向平行於入射平面的分量反射回底 面6，底面6的反射型一維光柵又通過表面等離子體共振使反射光的偏振態轉換為垂直於 入射平面，從而又能通過出光面5形成出射光，如此循環，提高光源的利用率。
權利要求
一種基於二維金屬光子晶體的帶偏振功能的導光板，其特徵在於，包括導光板基體、金屬光子陣列、金屬層和一維光柵，其中金屬光子陣列可以位於導光板基體的出光面，金屬層和一維光柵分別位於導光板基體上與出光面相對的底面，導光板基體的出光面和底面之間分別為入光面和側面，其特徵在於，所述的金屬光子陣列的每個格點為一個透射型二維金屬光子晶體單元，且金屬光子陣列覆蓋整個出光面。
2. 根據權利要求1所述的基於二維金屬光子晶體的帶偏振功能的導光板，其特徵是，所述的格點為圓形或多邊形結構，格點的高度為2 m-200 m。
3. 根據權利要求1或2所述的基於二維金屬光子晶體的帶偏振功能的導光板，其特徵 是，所述的格點為矩形，格點垂直於入光面方向上的格點邊長以貝塞爾函數遞增，在平行於 入光面方向上的格點邊長一致。
4. 根據權利要求1所述的基於二維金屬光子晶體的帶偏振功能的導光板，其特徵是， 所述的格點內設有二維投射式金屬光子晶體，所有格點的二維金屬光子晶體在晶格取向上 相互平行。
5. 根據權利要求1所述的基於二維金屬光子晶體的帶偏振功能的導光板，其特徵是， 所述的二維金屬光子晶體為平行四邊形晶格，該二維金屬光子晶體包括兩個晶格周期，分 別為和光源垂直方向的入射晶格周期a = 10nm-200nm和垂直晶格周期b = 20nm-1000nm， 其中b/a > 2。
6. 根據權利要求1或4或5所述的基於二維金屬光子晶體的帶偏振功能的導光板，其 特徵是，所述的二維金屬光子晶體，其高度為10-500nm。
7. 根據權利要求1或4或5所述的基於二維金屬光子晶體的帶偏振功能的導光板，其 特徵是，所述的二維金屬光子晶體為金、銀或鋁製成。
8. 根據權利要求1所述的基於二維金屬光子晶體的帶偏振功能的導光板，其特徵是， 所述的一維光柵為壓克力材料製成的反射型一維光柵，其外表面設有50nm-200nm金屬層。
9. 根據權利要求1或8所述的基於二維金屬光子晶體的帶偏振功能的導光板，其特徵 是，所述的一維光柵的周期為10nm-250nm，高度為0. 05 y m_10 y m，其晶格取向與二維金屬 光子晶體的晶格取向成40-55°
10. 根據權利要求1所述的基於二維金屬光子晶體的帶偏振功能的導光板，其特徵是， 所述的導光板基體的側面設有反射率大於98%的反射層。
全文摘要
一種液晶顯示技術領域的基於二維金屬光子晶體的帶偏振功能的導光板，包括導光板基體、金屬光子陣列、金屬層和一維光柵，其中金屬光子陣列位於導光板基體的出光面，金屬層和一維光柵分別位於導光板基體上與出光面相對的底面，導光板基體的出光面和底面之間分別為入光面和側面。本發明直接在導光板上製作透射式和反射式金屬光柵，簡化了背光系統的結構，降低了背光的厚度，並且二維透射式光柵能從兩個方向上進行調節出光性能，增加了設計的靈活性。
文檔編號F21V8/00GK101699152SQ20091030978
公開日2010年4月28日 申請日期2009年11月16日 優先權日2009年11月16日
發明者劉芳菲, 葉志成, 歐陽世宏, 蘇翼凱 申請人:上海交通大學