專利名稱：具有偏振分離的微結(jié)構的反射性偏振器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種反射性偏振膜(reflective polarizer film),其優(yōu)選地透射 一種偏振光并且反射正交的偏振光。更具體來說，本發(fā)明涉及一種反射性 偏振膜，其包含棱形界面微結(jié)構，這種微結(jié)構具有取決于偏振的薄膜光學 涂層。本發(fā)明特別適合用來增大LCD背光源的亮度和效率。
背景技術：
反射性偏振器被廣泛應用于液晶顯示器(LCD)的背光源中，用來提高圖 像亮度和光利用效率。反射性偏振器經(jīng)常作為預偏振器，用來回收可能會 被LCD的吸收偏振器所吸收的偏振分量(polarization component)?，F(xiàn)有的 LCD主要使用兩種反射性偏振器，DBEF和DRPF，它們都是基于雙折射聚 合物，由3M公司銷售。人們已經(jīng)提出了將具有以下結(jié)構的偏振器用作LCD 背光源的反射性偏振器在具有90度頂角的棱形表面界面上具有光學薄膜 的偏振器。但是，迄今為止，這樣的棱形反射性偏振器由于性能差且生產(chǎn)
成本高，尚未商業(yè)應用。
圖l是美國專利第5,422,756號的圖3,其中顯示了由光入射介質(zhì)12所 組成的棱形反射性偏振器10，所述光入射介質(zhì)12包括由一系列棱形結(jié)構 16組成的微結(jié)構化表面14。包括交替的高折射率材料薄層和低折射率材料 薄層的薄膜光學涂層18被安置在微結(jié)構化表面14上。所述光學涂層18設 計成優(yōu)選透射一種偏振光并且反射正交的偏振光。反向結(jié)構化表面20與光 學涂層18光學地相連，提供平坦的光出射面22。 50年前，Geffcken等人 在1956年6月5日授權的名為"用于偏振光的光源、探照燈等(LIGHT SOURCE, SEARCHLIGHT OR THE LIKE FOR POLARIZED LIGHT)"的美 國專利第2,748,659號中首先提出了這類棱形反射性偏振器。以下文獻中揭 示了對該方法的改進，主要是用于LCD背光源中的應用Ogura，美國專
4利第5,061,050號，1991年10月29日出版，"偏振器(POLARIZER)"; Weber， 美國專利第5,422,756號，1995年6月6日出版，"使用回射偏振器的背光系 統(tǒng) (BACKLIGHTING SYSTEM USING A RETROREFLECTING POLARIZER)";以及Weber的美國專利第5,559,634號，1996年9月24曰 出版，"回射偏振器(RETROREFLECTING POLARIZER)"。
如圖1所示，入射到棱形結(jié)構16的第一側(cè)壁17a上的光線經(jīng)光學涂層 18透射(p偏振光30)或反射(s-偏振光32)。然后p偏振光30不受影響地離 開棱形反射性偏振器10。但是， 一次反射的s偏振光34被棱形結(jié)構16的 第二側(cè)壁17b第二次反射。因此，s偏振光32作為兩次反射的s偏振光36 回射到來源處。為了棱形反射性偏振器IO發(fā)揮功能，所述棱形結(jié)構16的 頂角24應為80-100度，優(yōu)選為90度。因此，相對于光入射介質(zhì)12的光 入射面21，傾斜角應約為45度。
所述光學涂層18包含四分之一波長(相對于材料內(nèi)光的波長)厚度的高 折射率層和低折射率層的疊層。如Weber在第'634號專利中所述，對于LCD 背光源中可見光的應用，需要對整個可見光譜進行光回收，此時光學涂層 18包括大量子疊層。每個子疊層設計成可見光譜不同部分的四分之一波長 層。第'634號專利中揭示的涉及總共包括28個層，用來包括全部的可見光 譜。這樣的高層數(shù)對于大面積低成本地進行生產(chǎn)是一個極大的挑戰(zhàn)。另外， 如第'634號專利所述，涂層的角度性能將所述棱形反射性偏振器IO在空氣 中可用的功能限制在大約+/-10度的角度范圍。受限制的角度性能很大程度 上是由于光是以與表面法線成約45度的角度入射到薄膜光學涂層18上的。 本領域眾所周知，當入射角為45度的時候，要比略大的角更難設計偏振光 學膜疊層，而且具有更窄的性能范圍。
現(xiàn)有技術的棱形反射性偏振器具有兩個顯著的難題l)嚴重的角度和 波長敏感性，限制了適當?shù)膽梅秶?)大量交替的高折射率層和低折射率 層，導致了高生產(chǎn)成本。通過增加層數(shù)可以降低波長敏感性，但是這會進一 步增大生產(chǎn)成本。因此人們需要一種棱形反射性偏振器，使其能夠在很大 范圍的入射角和波長進行工作，而且能夠以合理的成本進行生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種反射性偏振器，其包括
(a) 光入射介質(zhì)，其包括光入射表面和具有一系列棱形結(jié)構的微結(jié)構化 表面，每個棱形結(jié)構的第一側(cè)壁和第二側(cè)壁相對于光入射表面的入射角大 于53度；
(b) 位于所述一系列棱形結(jié)構上的偏振選擇性薄膜光學涂層，其用來透 射第一偏振光并反射第二偏振光；以及
(c) 位于所述偏振選擇性薄膜光學涂層上的光出射介質(zhì)，其用來提供平 坦的光出射表面。
本發(fā)明還包括一種制造所述偏振器和包括所述偏振器的LCD顯示器 的方法。與其它已知的棱形反射性偏振器相比，具有所述入射角的本發(fā)明 的偏振器對于入射角和波長的容許范圍更大一些，并且可以以較低的成本 制造。


圖1是美國專利第5,422,756號所述的現(xiàn)有技術的截面示意圖。 圖2是本發(fā)明偏振器的截面示意圖。 圖3a-3d顯示了偏振器的制造順序。 圖4顯示了用于本發(fā)明偏振器的樣品多層涂層設計。 圖5a至5c顯示了圖4的偏振器對于三種不同波長的光的透射曲線。 圖6顯示了圖4的偏振器在40度入射角范圍內(nèi)求平均得到的65度傾 斜角的透射率。
圖7顯示本發(fā)明偏振器簡單的三層設計。
圖8顯示圖7的偏振器在40度入射角范圍內(nèi)的透射曲線。
圖9顯示使用金屬層的多層設計。
圖IO顯示圖9的偏振器在40度入射角范圍內(nèi)平均得到的透射曲線。 圖11顯示表1的多層偏振器在40度入射角范圍內(nèi)平均得到的透射曲線。
圖12顯示使用本發(fā)明的偏振器的背光源組件。
6圖13顯示使用隔離體幫助防止與相鄰的光控制膜浸潤的偏振器。 圖14顯示具有三個微結(jié)構化表面的反射性偏振器的實施方式。
圖15顯示了未能完成所需s偏振光的反射的各種方式。 圖16顯示了使用大于53度的傾斜角的影響。 圖17顯示了使用小于70度的傾斜角的影響。
圖18顯示了在偏振選擇性薄膜光學涂層上具有三次反射的本發(fā)明的 一個實施方式。
圖19a顯示了本發(fā)明偏振器的七層涂層設計，其能夠容忍均勻?qū)雍穸?變化。
圖19b顯示了七層涂層，其中每一層的厚度是圖19a厚度的150%。 圖20a和20b分別顯示了在圖19a和19b相應的40度入射角范圍內(nèi)取 平均得到的透射曲線。
具體實施例方式
本發(fā)明具體涉及用于形成根據(jù)本發(fā)明的設備的一部份的元件，或者涉
及與根據(jù)本發(fā)明的設備更直接地協(xié)作的元件。應當理解所述元件并不僅限 于圖中具體顯示或描述的那些，可以具有本領域技術人員眾所周知的各種 變化形式。
圖2顯示了本發(fā)明的棱形反射性偏振器40,其可以設計成同時在整個 可見光譜范圍內(nèi)和很寬的入射角范圍內(nèi)提供良好的性能。另外，本發(fā)明可 以以較低的成本制造。所述棱形反射性偏振器40包括光入射介質(zhì)42，其具 有光入射表面51和相反的微結(jié)構化表面44，所述微結(jié)構化表面44包括一 系列棱形結(jié)構46。包括交替的高折射率材料薄層和低折射率材料薄層的薄 膜光學涂層48被安置在微結(jié)構化表面44上。在一個優(yōu)選的實施方式中， 所述光學涂層48被設計成優(yōu)選地透射p偏振光30并反射s偏振光32。反 向結(jié)構的表面50與光學涂層48光學地相連，并且提供平坦的光出射面52。 如本領域眾所周知，對于p偏振光，電場平行于包括入射光線和表面法線 的入射面，而對于s偏振光，電場垂直于入射面。
入射到棱形結(jié)構46的第一側(cè)壁47a上的光線經(jīng)光學涂層48透射(p偏
7振光30)或被反射(s-偏振光32)。然后p偏振光30不受影響地通過光出射介 質(zhì)53從而離開棱形反射性偏振器40。如圖2所示， 一次反射的s偏振光 34主要透射穿過棱形結(jié)構46的第二側(cè)壁47b上的光學涂層48。然后這些 光線在光出射介質(zhì)53的平坦的光出射表面52上發(fā)生內(nèi)全反射(TIR)。兩次 反射的s偏振光36返回微結(jié)構化表面44，通過第一側(cè)壁47a，在第二側(cè)壁 47b上反射。因此，s偏振光32主要地作為三次反射的s偏振光38而回射 到來源處。對于這樣設計運作的棱形反射性偏振器40，側(cè)壁的傾斜角56 應大于53度。如下文所述，優(yōu)選的傾斜角56是55-70度。對于圖2中所 述種類的對稱型微結(jié)構化表面44，該傾斜角范圍對應于40-70度的頂角。 更優(yōu)選的是，傾斜角56應為60-70度，相對應的頂角為40-60度。
所述棱形結(jié)構46可具有三角形的橫截面，具有較平坦的第一側(cè)壁47a 和第二側(cè)壁47b，或者所述側(cè)壁可以略微變圓。另外，沿整個棱形反射性偏 振器40，所述棱形結(jié)構可以是連續(xù)的或非連續(xù)的。對于非對稱性微結(jié)構化 表面44,其中第一和第二側(cè)壁47a和47b相對于棱形反射性偏振器40的表 面具有不同的角度，傾斜角的值為兩個側(cè)壁的平均值。
圖2僅顯示了棱形反射性偏振器40的若干條光路，以說明其基本功能。 對于本領域技術人員而言，很明顯，在實際中存在大量的光路。例如，根 據(jù)光學涂層48的設計， 一部份一次反射的s偏振光34可以被第二側(cè)壁47b 反射，再被第一側(cè)壁47a反射一次，從而在光入射表面51處從所述棱形反 射性偏振器40出射。
圖3a至3c顯示了制造棱形反射性偏振器40的一種可能的制造工序。 通過電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)、濺射、化學氣相沉積(CVD)或本領域技術人員眾 所周知的其它沉積方法將薄膜光學涂層真空沉積在微觀圖案化的棱形膜基 材62的圖案化表面上。所述棱形膜基材62優(yōu)選由合適的透明塑料(例如聚 碳酸酯或PMMA)制成?；蛘撸淇梢杂刹ＡЩ蛘咂渌哂凶銐蛲该鞫鹊牟?料制成(例如對于紅外波長使用硅)。所述包括薄膜光學涂層48的高折射率 層和低折射率層可以選自許多合適的材料。對于高折射率層，這些材料包 括Ti02和ZnS，對于低折射率層，這些材料包括Si02, MgF2, LiF和BaF" 所述棱形膜基材62可以通過各種熱壓紋和擠出輥模塑微型圖案化方法由整體型聚合物澆鑄片材制得，例如采用Benson等人在美國專利申請第 2005/0275122號，"用于模塑輥的平坦順應帶(SMOOTH COMPLIANT BELT FOR USE WITH MOLDING ROLLER)"以及Bourdelais等人在美國專利申請 第2005/0275132號，"用于模塑輥的順應性輥上的帶(BELT OVER COMPLIANT ROLLER USED WITH MOLDING ROLLER)"所述的方法?；?者，所述膜基材上的棱形圖案可以通過包括本領域技術人員眾所周知的紫 外固化技術的方法制造，例如Lu在1993年2月2日公開的美國專利第 US51S3597號，"具有微結(jié)構的復合塑料制品的模塑方法(METHOD OF MOLDING MICROSTRUCTURE BEARING COMPOSITE PLASTIC ARTICLES)"中所述的方法。然后將可紫外固化的丙烯酸類樹脂厚層64涂 覆在所述真空沉積的層上，并且用紫外光曝光。也可使用其他種類的可紫 外固化的或可熱固化的樹脂來涂覆所述真空沉積層。例如，在此實施方式 中，可以使用環(huán)氧樹脂、聚氨酯或聚硅烷作為外涂層。外涂層還可以通過 溶劑澆鑄法制得，所述溶劑澆鑄法包括將合適的聚合物的濃溶液(粘稠液) 澆鑄在棱形表面上，然后通過干燥除去溶劑?？梢酝ㄟ^這種方式施加的材 料包括、但不限于許多種纖維素、聚碳酸酯和丙烯酸類熱塑性聚合物。為 了確保微結(jié)構表面特征不會出現(xiàn)在最終的光入射和光出射表面上，如圖3d 所示，可以將平滑的片材66放置在環(huán)氧樹脂頂部之上。應當注意根據(jù)設計， 所述棱形膜62可以是光入射介質(zhì)42或光出射介質(zhì)43。
出于本發(fā)明的目的，用于形成光入射介質(zhì)42或光出射介質(zhì)43的聚合 物平滑化層(polymeric planarizing layer )可以通過各種方法來施加，包括層 疊法、熔融擠出法或液體涂覆法。為了能夠?qū)π蚊蔡卣鬟M行最優(yōu)的填充， 優(yōu)選采用液體涂覆法，特別是使用較低粘度涂料制劑進行液體涂覆。所述 涂料制劑可以是水基的或基于有機溶劑的。根據(jù)制劑的組成和所需的涂覆 速度，可以有效地使用很多種液體涂覆方法。合適的方法包括擠出料斗涂 覆、滑動粒料涂覆、照相凹板涂覆、幕涂、噴涂、刮涂等。
為了在得到所需厚度的平滑化層所必需的高固體含量的情況下實現(xiàn)較 低的粘度，需要使用包含分散的聚合物粘合劑或低分子量單體或低聚物材 料的涂料制劑。
9本發(fā)明的聚合物平滑化層可包含輻射固化或熱固化的組合物。紫外 (UV)輻射和電子束輻射是輻射固化法最常用的輻射?？勺贤夤袒慕M合物 特別可用來制備本發(fā)明的平滑化層，可以使用兩大類固化化學法(自由基化 學法和陽離子性化學法)固化。丙烯酸酯單體(反應性稀釋劑)和低聚物(反應 性樹脂和漆)是基于自由基的制劑的主要組分，賦予固化的涂層大部分的物 理特性。要求光引發(fā)劑能夠吸收紫外光能，分解產(chǎn)生自由基，進攻丙烯酸 酯基C二C雙鍵，引發(fā)聚合反應。陽離子性化學法使用脂環(huán)環(huán)氧樹脂和乙烯 基醚單體作為主要組分。光引發(fā)劑吸收紫外光，形成路易斯酸，路易斯酸 進攻環(huán)氧環(huán)，引發(fā)聚合反應。UV固化表示紫外固化，包括使用波長為
280-420納米的紫外輻射，優(yōu)選波長為320-410納米。
可用于本發(fā)明的平滑化層的可紫外輻射固化的樹脂和漆的例子是源自
可光致聚合的單體和低聚物的那些，例如丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯低聚物 (在本文中，術語"(甲基)丙烯酸酯"表示丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯)，多官能 化合物，例如多元醇以及它們包含(甲基)丙烯酸酯官能團的衍生物，例如乙 氧基化三羥甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯，三丙二醇二(甲基)丙烯酸酯，三羥 甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯，二乙二醇二(甲基)丙烯酸酯，季戊四醇四(甲基) 丙烯酸酯，季戊四醇三(甲基)丙烯酸酯，二季戊四醇六(甲基)丙烯酸酯，1,6-己二醇二(甲基)丙烯酸酯，或者新戊二醇二(甲基)丙烯酸酯以及它們的混合 物，以及源自以下樹脂的丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯低聚物低分子量聚酯樹 脂，聚醚樹脂，環(huán)氧樹脂，聚氨酯樹脂，醇酸樹脂，螺縮醛樹脂，環(huán)氧丙烯 酸酯，聚丁二烯樹脂，以及聚硫醇-多烯樹脂等以及它們的混合物，以及包 含較大量的反應性稀釋劑的可離子輻射固化的樹脂。可用于本發(fā)明的反應 性稀釋劑包括單官能單體，例如(甲基)丙烯酸乙酯，(甲基)丙烯酸乙基己酯， 苯乙烯，乙烯基甲苯，以及N-乙烯基吡咯垸酮，以及多官能單體，例如三羥 甲基丙垸三(甲基)丙烯酸酯，己二醇(甲基)丙烯酸酯，三丙二醇二(甲基)丙 烯酸酯，二乙二醇二(甲基)丙烯酸酯，季戊四醇三(甲基)丙烯酸酯，二季戊 四醇六(甲基)丙烯酸酯，1，6-己二醇二(甲基)丙烯酸酯或者新戊二醇二(甲基) 丙烯酸酯。
在本發(fā)明中，便于適應于平滑化層中的可輻射固化漆包括氨基甲酸酯
10基(甲基)丙烯酸酯低聚物。這些物質(zhì)是通過以下方式得到的使得二異氰酸酯與低聚(聚合)酯多元醇或者低聚(聚合)醚多元醇反應，生成異氰酸酯封端
的聚氨酯。然后，羥基封端的丙烯酸酯與異氰酸酯端基反應。該丙烯?；磻獮榈途畚锏亩瞬刻峁┝瞬伙柡突鶊F。所述氨基甲酸酯丙烯酸酯的脂族或芳族性質(zhì)通過二異氰酸酯的選擇來決定。芳族二異氰酸酯，例如甲苯二異氰酸酯將制得芳族氨基甲酸酯基丙烯酸酯低聚物。通過選擇脂族二異氰酸酯，例如異佛爾酮二異氰酸酯或己基甲基二異氰酸酯，將得到脂族氨基甲酸酯丙烯酸酯。除了選擇異氰酸酯以外，多元醇骨架對于決定最終低聚物的性能具有關鍵的作用。多元醇通常為酯、醚或者這兩類的組合。所述低聚物骨架由兩個或更多個丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯單元封端，這些單元作為自由基引發(fā)的聚合反應的反應性位點。通過對異氰酸酯、多元醇以及丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯端部單元進行選擇，可以在很大的范圍內(nèi)得到氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物。氨基甲酸酯丙烯酸酯像大多數(shù)低聚物一樣，通常具有高分子量和高粘度。這些低聚物是多官能的，包含多個反應性位點。因為反應性位點數(shù)量的增加，固化速率提高，最終產(chǎn)物交聯(lián)。低聚物的官能度可以為2-6。
其中，用于平滑化層的便于使用的可輻射固化的樹脂還包括源自多元醇的多官能丙烯酸類化合物以及它們的衍生物，例如季戊四醇的丙烯酸酯衍生物(例如季戊四醇四丙烯酸酯)與源自異佛爾酮二異氰酸酯的季戊四醇三丙烯酸酯官能化的脂族氨基甲酸酯的混合物?？捎脕韺嵤┍景l(fā)明的市售
氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物的一些例子包括購自薩托默公司(SartomerCompany)(美國賓夕法尼亞州，艾克斯頓(Exton, PA))的低聚物。便于用來實施本發(fā)明的樹脂的例子是購自薩托默公司的CN 968 。
除了輻射固化的涂料以外，制劑還包含水分散或溶劑分散的聚合物粘合劑，其中包括丙烯酸類聚合物、聚氨酯類聚合物、聚氨酯-丙烯酸類雜合物、苯乙烯聚合物、烯烴等。特別優(yōu)選丙烯酸類聚合物、聚氨酯或聚氨酯-丙烯酸類聚合物的水分散體。所述涂料可以通過加入合適的交聯(lián)劑而熱固化，或者可以不用固化。為了為這些厚的平滑化層提供低的膜巻曲，需要使用對層進行涂覆、干燥和固化之后不會產(chǎn)生高應力的制劑。因此，需要
11使用在干燥和固化過程中發(fā)生有限的收縮、同時具有適中的硬度(模量)的制劑。
棱形反射性偏振器40的某些實施方式中，光入射介質(zhì)42或光出射介
質(zhì)43具有較低的折射率，以獲得改進的角度和波長操作。合適的低折射率材料包括折射率小于1.48、優(yōu)選為1.35-1.40的含氟均聚物或共聚物。合適的含氟均聚物和共聚物包括氟代烯烴(例如氟代乙烯，偏二氟乙烯，四氟乙烯，六氟乙烯，六氟丙烯，全氟-2，2-二甲基-l,3-二氧代)，部分氟化或完全氟化的(甲基)丙烯酸的垸基酯衍生物，以及完全氟化或部分氟化的乙烯基醚。
入射到薄膜光學涂層48上的光線以入射角為中心，該入射角是相對于表面法線的夾角，等于傾斜角56。因為等于或大于53度的傾斜角56是較大的，所以與針對45度設計的情況相比，光學涂層48可以被設計成用更少的層將p偏振光30與s偏振光32分離。所述涂層還可設計成在很寬范圍的入射角和波長下運作。
圖4顯示了一種五層涂層設計，其包括交替的Ti02和Si02層，具有光入射介質(zhì)可UV固化的丙烯酸類樹脂(11=1.49)和光出射介質(zhì)聚碳酸酯(11=1.59)。
為了能夠在較寬的角度和波長范圍內(nèi)操作，層厚度的選擇不限于四分之-一波長的倍數(shù)。圖5a至5c顯示了在450 nm (藍色)，550 nm (綠色)和625nm (紅色)的波長處，s偏振和p偏振的模型(modeled)透射率與相對于光入射介質(zhì)中表面法線的入射角的曲線。因為Ti02和Si02的吸收性都極小，該設計的反射率數(shù)值可以簡單地通過用100減去透射率得到。這種涂層設計當用于傾斜角56為60-70度的微結(jié)構化表面44上的時候可以很好地運作。圖6顯示了光入射介質(zhì)中，在45-85度的40度的入射角范圍內(nèi)(均勻地)求平均得到的65度傾斜角56的透射率曲線。這相當于空氣中約60度的角度范圍。圖6中的曲線顯示該涂層可以在很寬的入射角范圍內(nèi)，在大部分可見光譜上，透射超過90X的p偏振，反射超過80X的s偏振。
為了使得涂覆過程中的吞吐量最大化，需要將層數(shù)和厚度保持在最小。圖7顯示了簡單的三層設計，又使用了 Ti02和Si02，其具有兩層很薄的Ti02層。因為Ti02的涂覆速率通常遠低于Si02,保持薄的Ti02層有助于使得制造生產(chǎn)量最大化。圖8顯示了將所述涂層施涂于具有65度傾斜角56的微結(jié)構化表面44上時，在40度角度內(nèi)取平均的透射率曲線。該透射率曲線也是在45-85度入射角范圍內(nèi)取平均的。
另一種涂層的選擇是在所述一個或多個層中使用極薄的金屬涂層，優(yōu)選銀。圖9顯示了銀微型空腔設計，將MgF2加載兩層非常薄的8納米的銀層之間。相應的40度角度平均化透射率曲線示于圖10，其中傾斜角56也是65度。通過使用極薄的銀代替高折射率電介質(zhì)，例如Ti02和ZnS,因為對厚度要求較低，同時具有較高的沉積速率，所以能夠具有更高的制造生產(chǎn)量。但是，與僅包括電介質(zhì)層的設計不同的是，所述金屬層具有一定百分比的吸收損失，當用于LCD背光源的時候會降低總體光回收能力。
通過增加層的數(shù)量，可以顯著減少s偏振光的透射，同時在很寬的角度和波長范圍內(nèi)保持良好的性能。下表中給出的薄膜設計提供了極低的s偏振光的透射率(以及高反射率)。相應的40度角度平均化透射率曲線示于圖ll，其中傾斜角56是65度。本領域技術人員眾所周知，薄膜疊層的設計還可包括兩種以上不同的材料。
表1
聚碳酸酯(光出射介質(zhì))
ZnS 34.73 nm
Si02 56.72
ZnS 39.23
Si02 64.06
ZnS 44.32
Si02 72.37
ZnS 50.06
Si02 81.75
ZnS 56.54Si02 92.33
ZnS 63.86Si02104.29
ZnS72.14
Si02117.81
ZnS81.49
Si02133.07
ZnS92.04
Si02150.32
ZnS97.83
n= 1.4 (光入射介質(zhì))眾所周知，在具有傾斜側(cè)壁的結(jié)構上進行真空沉積可以通過遮蔽作用在結(jié)構上產(chǎn)生薄膜厚度變化，厚度變化取決于結(jié)構的幾何特征、真空涂覆器幾何特征和涂覆工藝本身。對于本發(fā)明的棱形反射性偏振器，在沉積薄膜光學涂層過程中的這種結(jié)構遮蔽可能會造成結(jié)構峰附近的層厚度大于谷附近的結(jié)構厚度，在谷和峰之間的單調(diào)厚度增大。因為薄膜光學涂層中所有層的遮蔽作用通常是相同的，厚度變化是均勻的，即每一層的變化具有相同的百分比。本領域技術人員眾所周知，可以通過法線入射涂覆機幾何結(jié)構和/或保角涂覆工藝(例如濺射)來減少厚度變化。或者，所述薄膜涂層設計可以設計成對厚度變化具有容忍能力。這樣的能夠容忍厚度變化的設
計的一個例子見圖19a、 19b、 20a和20b。
圖19a顯示了一種七層涂層設計，其包括交替的Ti02和Si02層，具有光入射介質(zhì)可UV固化的丙烯酸類樹脂(n-1.49)和光出射介質(zhì)，其也是丙烯酸類樹脂(PMMA， n= 1.49)。圖20a顯示了當該涂層施用于具有55度傾斜角56的微結(jié)構化表面44時的40度角度內(nèi)取平均的透射率曲線，所述透射率曲線是在35-75度的入射角范圍內(nèi)取平均值。作為薄膜沉積過程中出現(xiàn)嚴重的厚度不均的一個例子，圖19b顯示了一種七層的涂層，其中每一層的厚度是圖1%的150%,相應的角度取平均的透射率曲線示于圖20b。將圖20b的曲線與圖20a的曲線相比較，很明顯可以看出圖19a的設計對可能沿著棱形反射性偏振器的側(cè)壁出現(xiàn)的任意均勻的厚度變化具有很大的容忍能力。如圖19a和19b所示，觀察到從薄膜疊層的一側(cè)向另一側(cè)厚度單調(diào)增大的光學薄膜設計對厚度的變化的容忍性優(yōu)于其他的設計。
圖12顯示了用于LCD顯示器的偏振背光源組件，其結(jié)合了棱形反射性偏振器40和若干光控制膜。將大量光源70，例如冷陰極熒光燈或發(fā)光二極管安裝在光盒72結(jié)構內(nèi)或安裝在光波導板端部。使用體積和/或表面漫射器74使得輻照均一化，就減少了與光源自身相關聯(lián)的熱斑點，并且為反射回來的s偏振光提供去偏振化，以回收光線。為了提高軸上亮度，背光源組件可以結(jié)合亮度提高棱形片材76，例如購自3M公司的BEF，或者亮度提高微透鏡陣列。通過采用這種結(jié)構，從棱形反射性偏振器出射的光主要是單一(線性)偏振的。
當所述棱形反射性偏振器用于某些背光源結(jié)構，設計成光入射介質(zhì)的折射率低于光出射介質(zhì)的折射率的時候，偏離顯示器法線方向的亮度可能略微高于軸上亮度。這種效果可以使用如下的反射性偏振器設計而得到緩解在這種設計中，光入射介質(zhì)的折射率大于或等于光出射介質(zhì)的折射率。
本領域眾所周知，兩種或更多種光控制膜可以在LCD顯示器之內(nèi)(光學)接觸和"浸潤"。因為內(nèi)全反射(TIR)發(fā)生在平滑的光出射表面52，優(yōu)選地當使用棱形反射性偏振器40的時候避免有任何浸潤區(qū)域。圖13顯示了被添加到光出射表面52上的一系列用于防止浸潤的稀疏的隔離體80。這些特征在光出射表面上占據(jù)的區(qū)域應小于10%,以免顯著改變光學性能。另一種選擇是在平滑的光出射表面52上使用間隔珠粒。應當理解，所述平滑的光出射表面52應足夠平滑，以便在大部分表面積上提供光的內(nèi)全反射。在圖13的具有隔離體的實施方式中，平滑的光出射表面的一部份區(qū)域應當不是完美的平坦形狀，而是具有突起的形狀。圖13還顯示了任選的延遲膜82，其能夠使從棱形反射性偏振器40中出射的p偏振光旋轉(zhuǎn)，使得光的偏振與LCD面板的入射偏振軸對齊。因為入射偏振軸隨著LCD面板種類的不同而不同，最優(yōu)化的延遲軸的選擇取決于面板的種類。
圖14中顯示了具有多個微結(jié)構化的表面92、 94和96的棱形反射性偏振器90的一個實施方式。該方法可被用于優(yōu)化性能，例如，通過具有用于每種顏色(RGB)的獨立的薄膜光學涂層和微結(jié)構化表面而實現(xiàn)這種優(yōu)化。
可以對所述棱形反射性偏振器的設計進行優(yōu)化，以限制一些可能導致
15不希望出現(xiàn)的S偏振光的向前透射的因素。如圖15所示，通過光入射表面垂直返回的S偏振光可以通過以下方式而穿過光出射表面l)直接透射穿過所述薄膜光學涂層；或者2)被微結(jié)構化表面兩次反射而射向向前的方向；3)以小于臨界角的角度入射到光出射表面上，造成內(nèi)全反射的損失。
如之前關于圖4、圖7和表1所述，可以通過增加交替的高折射率層
和低折射率層的數(shù)量以及對這些層的厚度進行最優(yōu)化，減少透射過光學涂
層的s偏振光。當被棱形結(jié)構上的薄膜光學涂層反射的s偏振光被阻斷且被相鄰的棱形結(jié)構反射的時候，會發(fā)生向前的兩次反射。如圖16中的曲線所示，圖中顯示了向前兩次反射的s偏振光通量百分數(shù)隨頂角的變化，通過將頂角限制在約低于60度，即將傾斜角限制在大于60度，可以減少這種影響。最后，如圖17的曲線所示，頂角應保持在約高于40度，或者傾斜角小于70度，以確保大部分s偏振光通量在光出射表面發(fā)生內(nèi)全反射。
另一種用來消除向前兩次反射和內(nèi)全反射的方法示于圖18。在所述棱形反射性偏振器100的這個實施方式中，所述偏振選擇性薄膜光學涂層108設計成用來為高入射角提供良好的偏振分離，并且為法線入射光提供高反射率。優(yōu)選的頂角約為60度。本發(fā)明的實施方式都優(yōu)選透射光的一種偏振，通常是p偏振，使其沿著向前的方向通過微結(jié)構化表面上的偏振選擇性薄膜光學涂層，通過至少三次反射，使得第二偏振，通常是s偏振，沿著向后的方向返回。所有的反射都如圖18所示在所述偏振選擇性薄膜光學涂層上發(fā)生，或者一次或多次反射可以通過光出射表面的內(nèi)全反射發(fā)生，如圖2所示。
已經(jīng)結(jié)合一些實施方式對本發(fā)明進行了描述。但是，應當理解，本領域普通技術人員可以在不背離本發(fā)明范圍的前提下進行各種變化和改良。本說明書中所描述的專利和其它公開文獻的全部內(nèi)容都參考全部結(jié)合入本文中。
部件列表
10棱形反射性偏振器12光入射介質(zhì)14微結(jié)構化表面.X 16棱形結(jié)構
17a第一側(cè)壁
17b第二側(cè)壁
18薄膜光學涂層
20反向結(jié)構化表面
21光入射表面
22光出射表面
24頂角
26傾斜角
30p-偏振光
32 s-偏振光
34 —次反射s偏振光
36兩次反射s-偏振光
38三次反射s-偏振光
40棱形反射性偏振器
42光入射介質(zhì)
43光出射介質(zhì)
44微結(jié)構化表面
46棱形結(jié)構
47a第一側(cè)壁
47b第二側(cè)壁
48薄膜光學涂層
50反向結(jié)構化表面
51光入射表面
52光出射表面
54頂角
56傾斜角
62棱形膜基材
64可紫外固化的數(shù)值
1766平滑的片材
70光源72光箱
76亮度提高棱形片材80隔離體82減緩膜
90棱形反射性偏振器92微結(jié)構化表面94微結(jié)構化表面96微結(jié)構化表面100棱形反射性偏振器108薄膜光學涂層
18
權利要求
1.一種反射性偏振器，其包括(a)光入射介質(zhì)，其包括光入射表面和具有一系列棱形結(jié)構的微結(jié)構化表面，其中每個棱形結(jié)構的第一側(cè)壁和第二側(cè)壁相對于光入射表面的傾斜角大于53度；(b)位于所述一系列棱形結(jié)構上的偏振選擇性薄膜光學涂層，其用來透射第一偏振光并反射第二偏振光；(c)位于所述偏振選擇性薄膜光學涂層上的光出射介質(zhì)，其用來提供平滑的光出射表面。
2. 如權利要求1所述的反射性偏振器，其特征在于，所述傾斜角不大 于70度。
3. 如權利要求1所述的反射性偏振器，其特征在于，所述傾斜角介于 60度和70度之間。
4. 如權利要求l所述的反射性偏振器，其特征在于，在所述偏振器的 光出射表面上提供隔離體，以在所述偏振器以及與光出射表面相鄰的表面 之間提供空氣間隙。
5. —種LCD顯示器，包括結(jié)合了權利要求1所述的反射性偏振器的 背光源。
6. 如權利要求1所述的反射性偏振器，其特征在于，所述光入射介質(zhì) 或光出射介質(zhì)包含環(huán)氧樹脂。
7. 如權利要求6所述的反射性偏振器，其還包括位于所述環(huán)氧樹脂上 的平滑的片材。
8. 如權利要求1所述的反射性偏振器，其特征在于，所述偏振選擇性 薄膜光學涂層包括IO個層或更少的層。
9. 一種制造反射性偏振器的方法，該方法包括以下步驟 (a)提供棱形基材，其具有第一平滑表面和微結(jié)構化表面，所述微結(jié)構化表面具有一系列棱形結(jié)構，其中每個棱形結(jié)構的第一側(cè)壁和第二側(cè)壁相 對于光入射表面的傾斜角大于53度；(b)在所述一系列棱形結(jié)構上沉積偏振選擇性薄膜光學涂層，其用來透射第一偏振光并反射第二偏振光；(C)在所述偏振選擇性薄膜光學涂層的頂部上施涂環(huán)氧樹脂；以及 (d)通過附著平坦的平滑片材，在環(huán)氧樹脂上形成第二平滑的表面。
10. 如權利要求9所述的方法，其特征在于，每個棱形結(jié)構的第一側(cè) 壁和第二側(cè)壁相對于光入射表面的傾斜角大于53度。
11. 一種用于制造反射性偏振器的方法，該方法包括以下步驟(a) 提供棱形基材，其具有第一平滑表面和微結(jié)構化表面，所述微結(jié)構 化表面具有一系列棱形結(jié)構，其中每個棱形結(jié)構的第一側(cè)壁和第二側(cè)壁相 對于光入射表面的傾斜角大于53度；(b) 在所述一系列棱形結(jié)構上沉積偏振選擇性薄膜光學涂層，其用來透 射第一偏振光并反射第二偏振光；(c) 在所述偏振選擇性薄膜光學涂層的頂部上施涂環(huán)氧樹脂；以及(d) 在所述環(huán)氧樹脂上形成第二平滑表面。
全文摘要
一種反射性偏振器，其包括(a)光入射介質(zhì)(42)，其包括光入射表面(51)和具有一系列棱形結(jié)構(46)的微結(jié)構化表面(44)，各個棱形結(jié)構的第一和第二側(cè)壁(47a，47b)相對于光入射表面的傾斜角大于53度；(b)位于所述一系列棱形結(jié)構上的偏振選擇性薄膜光學涂層(48)，其用來透射第一偏振光并反射第二偏振光；(c)位于所述偏振選擇性薄膜光學涂層上的光出射介質(zhì)(43)，其提供平滑的光出射表面(52)。
文檔編號G02F1/1335GK101495911SQ200780028531
公開日2009年7月29日 申請日期2007年5月30日 優(yōu)先權日2006年6月5日
發(fā)明者C·C·安德森, J·格林納, M·W·科瓦茲 申請人:羅門哈斯丹麥金融有限公司