TWI427338B - 光學元件及形成一線柵之方法 - Google Patents

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Description

光學元件及形成一線柵之方法
本發明描述一種用於在增強光效率中使用之結合其他光學組件之線柵式偏振器。本發明描述一種製造低填充因數之線柵式偏振器之過程。
光閥實施於廣泛種類的顯示技術中。舉例而言，顯示面板及微顯示面板在許多應用中之風行度正不斷增加，且舉若干種應用為例，諸如，電視、電腦監視器、銷售點顯示器、個人數位助理，及電子攝像機。
許多光閥基於液晶(LC)技術。在某些LC技術中，在於面板之較遠表面處反射光後，光透射過LC設備(面板)，而在其他LC技術中，光橫穿過面板兩次。
在操作中，使用外場或電壓來選擇性地旋轉LC材料之分子的軸。如所熟知，藉由橫跨LC面板來施加此電壓，可控制LC分子之方向，且選擇性地改變反射光之偏振狀態。因此，藉由選擇性地切換陣列中的電晶體，可使用LC媒體來調變具有影像資訊之光。
在許多LCD系統中，光調變導致某些像元(像素)處之暗態光，及其他像元(像素)處的明態光，其中偏振狀態控制由每一像素元所透射之光量。藉此，藉由LC面板及光學器件之選擇性偏振轉換在螢幕上創造一影像，以形成影像或"圖像"。
當LCD設備在顯示及微顯示應用中正變得無處不在時，存在某些與已知設備相關聯的缺點。舉例而言，在已知設備中，某些來自光源之光可不可恢復地損耗，且影像之總體亮度受到負面影響。
顯示系統中之此光損耗可來自顯示系統內的各種源頭。在許多LCD系統中，來自光源之光在入射至LC面板上前於一特定定向上經選擇性地偏振。可由吸收式偏振器來達成此選擇性偏振。LC面板可具有經選擇性地施加來以某一方式定向材料之分子的電壓。在橫穿過LC層後，入射至LC面板上之光的偏振就選擇性地更改。在一線性偏振狀態中之光作為明態光由偏振器(通常稱作分析器)所透射，而正交偏振狀態之光作為暗態光由分析器所吸收。如可瞭解，由於第一線性偏振器的吸收，在該系統中損耗了約一半的光能量。
在其他顯示及微顯示結構中，可針對偏振來選擇性地使用反射偏振器。有時，將反射偏振器置放於光源與LC面板之間，以提供光(偏振)再循環，其中由反射偏振器如所要之透射一偏振狀態，且朝向光源反射回一偏振狀態。在使用反射偏振器之已知系統中，存在阻礙偏振再循環之競爭性目標。此等競爭性目標包括光透射效率及偏振消光。舉例而言，線柵式偏振器可用作反射偏振器。已知線柵式偏振器具有相對高之消光比。因為總光通量低得不可接受，所以該等已知線柵式偏振器在光再循環中為非所要的。此可導致觀測影像中之不可接受的對比度及亮度。
或者，可在顯示器中使用包含多層薄膜或不可混溶分層材料之塑膠反射偏振器。已知塑膠偏振器具有相對低之消光比及相對高的透射率。因為塑膠可由於光吸收而"變黃"，所以當隨極強之背光使用時，該等已知塑膠偏振器在光再循環中為非所要的。此可導致觀測影像之不可接受的染色。在2004年9月23日提出申請之美國申請案第10/948,345號中描述了克服至少以上所描述之已知設備之缺點的裝置。然而，某些問題仍然存在，例如，需要額外之獨立稜鏡光控制薄膜或組件，此增加了整個顯示系統的複雜性。
待由本發明解決的問題
待解決之問題為降低顯示系統中之個別光學元件的數目，且增加顯示環境的穩定性。
本發明之一目標為提供一種具有線柵之整合光學元件，其具有再循環非所要偏振之光及準直光的能力。
另一目標為提供一種具有線柵之整合光學元件，其具有對熱度及濕度改變之降低的敏感度。
本發明之此等及其他目標由一種光學元件實現，該光學元件包含一基板、一在該基板之一側上之線柵，及在該基板之另一側上的稜鏡光準直或光提取特徵。
本發明之有利效應
本發明提供了增強之光學效率、對熱度及濕度較不敏感之較少數目的光學元件。
在以下實施方式中，為了解釋及非限制之目的，闡明了揭示特定細節之實例實施例以提供本發明的全面理解。然而，已瞭解本揭示案之益處的一般熟習此項技術者將明白可在脫離本文所揭示之特定細節之其他實施例中實踐本發明。此外，可省略熟知之裝置及方法的描述，以免使該等實例實施例之描述難以理解。在執行實例實施例中，該等方法及裝置明顯在發明者的規劃內。盡可能地，在本文中相同數字指代相同特徵。
簡言之且如結合實例實施例所詳細描述地，揭示了一種線柵式偏振器及一種包括一線柵式偏振器的顯示系統。線柵式偏振器包括複數個具有一寬度、一高度及一節距的導體。在一實例實施例中，線柵式偏振器具有一經選擇以大體上最佳化總光通量之工作週期(duty cycle)，其為透過線柵式偏振器之第一偏振狀態之光的透射率及自線柵式偏振器之第二偏振狀態之光的反射率之函數。
在一實例實施例中，選擇線柵式偏振器之高度與節距之比以使得大體上最佳化總光通量。以此方式，較大百分比的光可經反射，且接著透射過線柵式偏振器及吸收式偏振器，且藉此改良經由顯示系統所提供之影像的亮度及對比度。
在另一實例實施例中，反射光可使用漫射反射體來消偏振，且反射回至偏振器。在又一實例實施例中，反射光可橫穿過四分之一波長延遲器、由反射體反射，及在入射至線柵式偏振器前第二次橫穿過四分之一波長延遲器。
圖1A為一實例實施例之光閥成像設備100的橫截面圖。成像設備100包括一透射光閥101，其說明性地為一LC面板。成像設備100亦包括一反射偏振器110，及一對吸收式偏振器102及103。可將較接近於導光體105之偏振器102稱作後偏振器。成像設備可亦包括一或多個光管理薄膜，其包括(但不限於)亮度增強薄膜及漫射體(未圖示)。
在操作中，經由導光體105提供來自一或多個光源104之未偏振光，該導光體105可具有一安置於一或多個外表面上的漫射反射體106。如一般熟習此項技術者易於瞭解，在將具有經設計以符合終端使用者所需要之角視場之光的角分布之均勻光分布提供至光閥101的情況下，導光體105、漫射反射體106，及該(該等)光管理薄膜為有用的。舉例而言，具有一亮度增強層之膝上型電腦具有一通常約±20度偏心軸之視角。在於2004年5月28日提出申請之頒予X.Mi等人且讓渡於本受讓人的發明名稱為"Diffuse Reflector Films for Enhanced Liquid Crystal Display Efficiency"之美國專利申請案第10/857,515號中詳細描述了背光總成及其組件的另外細節。
來自導光體105之光107入射至反射偏振器110上，該反射偏振器110透射第一偏振狀態(其與頁面平面垂直)之光108，且反射第二偏振狀態(其與頁面平面平行)的光109。在本實例實施例中，此光入射至導光體105上，且經由漫射反射層106轉換成未偏振光且與光107一起再引入至設備100。以此方式，可再引入或再循環光109，藉此經由改良之對比度及亮度來提供改良之光學效率及改良的光學效能。
如可易於瞭解，透射之光108之量越大，光學效率則越大。根據實例實施例，藉由增加反射偏振器110的透射率且從而降低損耗之光的量來達成光108之透射率的改良。如隨著本描述之繼續將變得更清楚，經由實例實施例之改良的反射偏振器來實現此改良。
圖1B為另一實例實施例之光閥成像設備111的橫截面圖。本實例實施例之設備111包括圖1A之實例實施例的許多相同特徵及元件，且經由自反射偏振器110所反射之光之至少一部分的偏振轉換來提供光再循環。根據一實例實施例，使用四分之一波長延遲器112及反射層113來執行偏振轉換。藉由四分之一波長延遲器112及反射層113來將第二偏振狀態之光109轉換成第一偏振狀態的光114。因此，達成光再循環所需要之必需的偏振轉換，且光114以所要之偏振狀態入射至反射偏振器上。
根據一實例實施例，當相較於已知反射偏振器(諸如，其他線柵式偏振器)時，反射偏振器110為具有改良之透射率及降低之損耗的線柵式偏振器。圖2A及圖2B中展示了一說明性線柵式偏振器200。圖2A為一橫截面圖，且圖2B為偏振器200之俯視圖。
圖2A及圖2B之實例實施例的線柵式偏振器200可用作反射偏振器110，以經由LCD結構(諸如，圖1A及圖1B之結構)中之光再循環來改良光學效率。偏振器200包括一基板201，其上安置有複數個導體(例如，線)202。如所展示，導體202中的每一者具有一高度(H)203、一寬度(W)204、一長度(L)，及一間距或節距(P)205。如隨著本描述之繼續將變得更清楚，在提供具有相較於已知設備之改良之透射率及降低之損耗的偏振器200的情況下，控制此等參數為有用的，藉此，改良光效率。
圖2C展示了又一線柵式偏振器220之俯視圖，其中線222彼此平行但為非直的。線(亦稱作導體)維持一大體方向224，但在沿線之任何點處，正切方向225在相對於大體方向224之小於約10度或更小的角α內。事實上，角α可為5度或更小。在線柵式偏振器中該等線與大體上"直線"之此相對較小的偏差可增加線柵相對於後偏振器透射軸之對準之容許度，然而，此角α在透射率及反射率方面將不會顯著影響線柵式偏振器220的效能。
圖2D展示了又一說明性實施例。在此實例實施例中，偏振器230具有以平均節距Pav 彼此大體上平行之線232，且該等線具有大於線之平均寬度Wav 約10倍的平均有限長度Lav (縱橫比)。因為較短之線可藉由此項技術中已知之技術形成為奈米金屬線或奈米管，所以在製造中相對於圖2B的相對較長之線，具有圖2D之實施例的相對較短之線的集合將為有益的。
根據一實例實施例，基板201可為玻璃、聚合物，或結晶材料，其在所選擇之波長或波長範圍上對光透明，且提供對導體202優良的黏著力。基板可對光漫射或可不對光漫射。導體202有用地為鋁或其他適當導體，諸如，銅、金及銀。通常，在目標波長範圍內為導體202所選擇之材料越導電，線柵式偏振器之效能越好。舉例而言，導電材料之優良選擇為鋁，此因為其提供大體上覆蓋全部可見光譜的寬頻反射偏振器。
此外，可使用已知製造技術來製造偏振器200。僅舉若干個實例，此等製造技術包括微影術及蝕刻及電子束蝕刻技術。應注意，所選擇之製造技術必須提供以下所論述之特徵尺寸、節距及均勻性。
可使用各種熟知技術來製造反射偏振器設備，且只要符合表面紋理的適當規格，製造技術之選擇對於本發明並非至關重要。一方法包含將鋁或銀之薄膜直接沈積及圖案化至一刻花基板上。可使用半導體工業所共同之各種沈積及圖案化技術來在刻花表面上形成良好界定的圖案，只要該方法提供足夠之視場深度。如Garvin在美國專利第4,049,944號中或Ferranti在美國專利第4,514,479號中所描述之全像微影術是提供足夠解析度及視場深度的方法。
可藉由基板之機械磨蝕(諸如，研磨或噴砂處理)或藉由基板之化學磨蝕(諸如，蝕刻玻璃之稀釋氫氟酸的熟知使用)來達成下伏基板201之所要的表面紋理。或者，如Shvartsman在美國專利第5,279,689號中所描述，可將可變形材料沈積至基板上，且接著藉由壓紋或藉由輻射輔助式鑄造來刻花。在又一方法中，可(例如使用Blenkhorn在美國專利第4,840,757號中所描述之方法)將刻花表面壓紋或鑄造至一連續塑膠薄膜上，其可接著層壓至一剛性基板。
用於製造漫射反射偏振器的又一方法為將平行導體之柵格沈積及圖案化至一在剛性基板上包含一聚合物薄膜之平滑表面上，且接著使用Sager在美國專利第5,466,319號中所描述的方法來壓紋表面紋理。在實例實施例之範疇內，製造技術之其他組合為確實可能的。
線柵式偏振器200提供入射至其上之光之正交偏振狀態的分離。舉例而言，分別在第一偏振狀態207及第二偏振狀態208中具有正交偏振分量之光206以相對於法線209之入射角(θ)(通常稱作極角)入射至偏振器200的平面。說明性地，第一偏振狀態207為S偏振光，其與頁面平面垂直，且第二偏振狀態為P偏振光，其與頁面平面平行。
經由偏振器200之作用，第一偏振狀態(S偏振)207之光210自偏振器200反射，且第二偏振狀態(P偏振)208的光211透射過偏振器。進一步注意在某些實例實施例中，亦可自法線至顯示表面且從而至線柵式偏振器來量測視角。應注意，在某些消費者應用中，視角為約＋20度至約±60度。因此，在此角範圍內最佳化光輸出為有用的。
在某些顯示應用中，最佳化入射至光閥(例如，光閥101)上且從而入射至終端使用者之光的量為有用的。如先前之參考，此在實例實施例中藉由增加透射之光211的量且藉由最小化在偏振器200之偏振分離過程期間所發生之光能量的損耗來達成。在某些說明性實施例中，此可藉由提供在某一範圍內之工作週期或填充因數來達成。說明性地，此藉由確定節距205 P之值且變化寬度204 W以實現所要的工作週期W/P來達成。此術語(W/P)通常稱作填充因數。
如一般熟習此項技術者將瞭解，導體202之寬度W直接影響入射光206之光能量的反射及吸收。為此，寬度204越大，反射之S偏振光之量越大，且由偏振器200的導電材料所吸收之光能量的量越大。然而，寬度204越大，透射之P偏振光之量越小。因此且如隨著本描述之繼續將變得更清楚，在可能之程度上，藉由變化導體元件之寬度與節距之比來選擇適當之優值為有用的。
在其他實例實施例中，藉由提供在某一範圍內之高度203 H與節距205 P之比來實現比較改良的總光通量。亦即，高度203越大，反射之S偏振光之量越大。然而，高度203越大，透射之P偏振光之量越小。因此，藉由變化寬度與節距之比來選擇適當優值亦為有用的。
藉由提供某一填充因數或藉由提供高度203與節距205之某一比(H/P)或藉由兩者，線柵式偏振器提供改良之總光通量及降低的光能量損耗。應注意，以顯著低於已知線柵式偏振器之消光比(例如，Tp /Ts ，其中Tp 及Ts 分別為S偏振及P偏振光之透射率)來達成實例實施例之改良的光通量。為此，在已知線柵式偏振器中，需要提供100或500或甚至1000之消光比。在許多應用中需要此量值之消光比，以改良系統的對比度比。為了達到此等相對高之消光比，需要提供一種具有導體之線柵式偏振器，該等導體具有可導致不可接受之反射及吸收的空間寬度及高度。因此，已知線柵式偏振器在需要光再循環之應用中並不有效。
根據實例實施例，消光比為約5：1至約20：1。儘管此等值相對低，但在系統(諸如，圖1A及圖1B之實例實施例的系統)中使用實例實施例之線柵式偏振器所實現之對比度比良好地在可接受的效能值內。事實上，申請人已發現在系統(諸如，圖1A及圖1B之系統)中，相對於具有顯著較高消光比之反射偏振器的使用，大於約10：1之消光比並不提供可觀增益。為此，申請人注意到，在實例實施例中，用作偏振再循環設備之反射偏振器110、200及高消光比的偏振器102、103確定光閥成像設備100及111之顯示對比度。在實例實施例中，大體上最佳化總光通量為有用的，該總光通量為第二偏振狀態之透射光Tp 211與第一偏振狀態210之反射光Rs 的組合。此組合促進系統(諸如，圖1A及圖1B之實例實施例之系統)中的改良之光學效率。當前描述實例實施例之此等態樣。
根據某些實例實施例，線柵式偏振器110、200用作偏振再循環設備，且經由相當易懂的分析，由以下等式給出透射過線柵式偏振器且在後偏振器102之透射軸中的總光通量T1： 或(當Rp <<Rs 時) 等式2
等式1及等式2應用於實例實施例之系統，其中使用一漫射反射體(諸如，反射層106)來達成再循環。應注意，R說明再循環反射薄膜之反射率，或與每一光再循環相關聯的效率。在理想情形中，R等於1，其意謂在光再循環中不存在光損耗。當R小於1時，光再循環路徑中存在少許光損耗。亦應注意，T1亦稱作此種基於漫射反射體之再循環系統的優值。
在併有反射體及四分之一波長延遲器來達成所要光再循環的系統中，優值由透射過線柵式偏振器且在後偏振器102之透射軸中的總光T2給出：T 2＝0.5T P (1＋RR s ) 等式3
再次，R為與每一光再循環相關聯之效率。
與實例實施例一致，不考慮所使用之再循環的類型，最佳化各別系統之優值為有益的，以改良經由實例實施例之顯示器所形成之影像的光的量(亮度)。
大體而言，需要六個參數(Ts、Tp、Rs、Rp、As、Ap)來描述以一給定入射角之線柵式偏振器的光學性質，其中Ts、Rs、As分別為S偏振光之透射率、反射率，及吸收率，且Tp、Rp、Ap分別為P偏振之透射率、反射率，及吸收率。其滿足Ts＋Rs＋As＝1及Tp＋Rp＋Ap＝1。因此，存在4個獨立參數。
等式1至等式3指示對於偏振再循環特別重要的兩個參數Tp 及Rs 。Tp 及Rs 兩者均可由工作週期(W/P)來控制。
大體而言，高工作週期線柵式偏振器產生一高反射率Rs 及一低透射率Tp ，且低工作週期線柵式偏振器產生一低反射率Rs 及一高透射率Tp 。如頒予Hansen等人之美國專利第6,108,131號所建議，當將總效率界定為Rs 與Tp 之總和時，已知線柵式偏振器可能具有在0.40至0.60之範圍內的工作週期(元件寬度與節距之比)。然而，如結合實例實施例所論述，偏振再循環之優值由等式1、等式2或等式3給出而非由Rs 與Tp 之總和給出。申請人已發現實例實施例之優值函數實際上提供了偏振再循環之線柵式偏振器的工作週期，其與具有0.40至0.60之範圍內之工作週期的已知線柵式偏振器之工作週期極為不同。亦即，且如藉由以下描述將變得更清楚，實例實施例之線柵式偏振器之工作週期在約0.18至約0.25的範圍內。
在實例實施例中，藉由提供一比較降低之寬度204或高度203或兩者來實現以反射率Rs 為代價之由於改良的透射率Tp 之改良的總光通量(T1或T2)。
為了進一步說明該等實例實施例，描述了以下圖解表示。應注意，此等圖解表示說明了由實例實施例所提供之益處，且並不意欲作為限制。
圖3A為強度對實例實施例之線柵式偏振器之工作週期的曲線圖。線柵式偏振器可為例如結合圖2所描述之類型，且具有安置於熔凝矽質基板201上之鋁導體202。圖3A及圖3B之曲線圖的資料來自具有140 nm之節距、140 nm之高度、具有550 nm之波長之正入射光的該結構。藉由變化寬度來變化工作週期。曲線301展示了P偏振狀態光之透射率，而曲線302展示了S偏振狀態光之反射率。
如可易於瞭解，透射率Tp 隨著工作週期而降低，且反射率Rs 隨著工作週期而增加。當工作週期較低(例如，接近約0.0)時，透射率Tp 為約97%，然而，反射率Rs 過低，僅3%。在相反極端下，當工作週期較高(例如，接近約1.00)時，反射率Rs 較高(接近於92%)，但透射率Tp 幾乎為0%。在任一極端情形下，線柵式偏振器在偏振再循環中並不有效。從而，在透射率Tp 與反射率Rs 之間必須有所取捨，以藉由變化寬度與節距之比及高度與節距之比來最大化總光通量(諸如，由等式1或等式3所描述)。
圖3B為根據實例實施例之評價函數對工作週期的曲線圖。在圖3B之曲線圖中所描繪之資料來自結合圖3A之實例實施例所描述的線柵式偏振器。曲線303展示了評價函數(T2)對安置於經由四分之一波長延遲器及反射元件來達成偏振再循環之顯示系統(諸如，圖1B之實例實施例的系統)中之線柵式偏振器之工作週期的關係。曲線304展示了評價函數(T1)對使用一漫射反射體來提供光再循環之顯示系統(諸如，圖1A之實例實施例的系統)中所實施之線柵式偏振器之工作週期的關係。
如可藉由曲線303及304兩者之觀察易於瞭解，評價函數在約0.18至約0.25之工作週期下為大體上最佳的，其中每一系統之峰值在約0.22。從而，若線柵式偏振器具有約0.18至約0.25之工作週期，則包括一線柵式偏振器及一光再循環之顯示器(其藉由一偏振狀態之光的漫射反射或藉由偏振轉換及反射)的總光輸出為最佳的。此與具有0.40至0.60之範圍之工作週期的已知設備之優值形成對比。如可瞭解，對於再循環並不有用之此等已知線柵式偏振器的優值顯著低於實例實施例之線柵式偏振器的優值(T1、T2)。
圖4A及圖4B圖解地展示了T1及T2對具有自約0.5(50%)變化至約1.0(100%)之R的工作週期的關係。自如結合實例實施例所描述之線柵式結構來計算資料，該線柵式結構具有約140.0 nm之節距、約140.0 nm的高度，及具有約550 nm之波長的正入射光。可見R之值越大，T1及T2越好。然而，不考慮R之值，當工作週期約在約0.18至約0.25之範圍中時，出現T1及T2的最佳值。換而言之，R並不顯著地影響T1及T2對工作週期的依賴性。為了簡潔起見，在以下論述中將R選擇為1。
在前述實例中，為了簡化之論述，已假定R為1。在R小於1之情況下，可將Rs 再定標為較小以說明R的影響。在該等實例中，T1及T2得以有益地改良，其明顯需要P偏振之透射率(Tp )與S偏振之反射率(Rs )之組合的改良。為此且如可易於瞭解，P偏振之透射率(Tp )越大且S偏振之反射率(Rs )越大，總通量越高。
圖3A、圖3B及圖4A至圖4B中所示的資料針對正入射光。實務上，光來自一給定視錐(viewing cone)中之所有方向。在此情形中，總光通量T1及T2為可用視錐上之平均值。雖然如此，申請人已發現儘管T1及T2的絕對值可變化，但藉由具有約0.18至約0.25之工作週期之實例實施例的線柵式偏振器，仍達到最大總光通量。
圖5A及圖5B分別為作為根據實例實施例之線柵式偏振器之入射波長的函數之透射率Tp (%)及反射率Rs 的圖解表示。在本實例實施例中，線柵式偏振器具有約140 nm之節距，及約0.20之工作週期。曲線501展示了橫跨整個波長範圍來大體上維持透射之P偏振狀態之光的透射率。類似地，反射偏振狀態(s偏振狀態)之光的反射率由曲線502所展示，且大體上與波長無關。在彩色顯示應用中需要該效能。
如先前之參考，至偏振器之入射角可影響線柵式偏振器之光輸出。圖6A及圖6B分別展示了透射偏振狀態之光的透射率Tp (%)及反射偏振狀態之反射率Rs (%)對線柵式偏振器之入射角(θ)的關係。
曲線601為透射率對具有0.45之工作週期之線柵式偏振器的θ的關係，而曲線602為具有0.20之工作週期之實例實施例之線柵式偏振器的透射率。
對於約0度與60度之間的入射角而言，透射率對於具有約0.20之工作週期之實例實施例的線柵式偏振器為大體上相同的。
類似地，且如在入射角之範圍內由圖6B中之曲線603所展示，與說明性實施例一致的具有0.20之工作週期之線柵式偏振器提供了幾乎恆定的反射率。此相較於由曲線604所展示之反射率，曲線604為具有0.45之工作週期的線柵式偏振器之反射率。
圖6A及圖6B亦展示了符合光再循環應用中之所要效能所需要之透射率Tp 與反射率Rs 之間的取捨。儘管具有0.2之工作週期的線柵式偏振器具有比具有0.45之工作週期(在正入射角下反射率為88%)的線柵式偏振器低之反射率Rs (84%)，但具有約0.20之工作週期的線柵式偏振器具有比具有0.45之工作週期(在正入射角下透射率約85%)的線柵式偏振器顯著高之透射率Tp (在正入射角下約97%或約0度極角)。總而言之，如參看圖4之論述，相比具有0.45之工作週期的線柵式偏振器，對於具有0.2之工作週期的線柵式偏振器而言，基於等式1、2或3之總光通量較高。
圖7A及圖7C分別為評價函數對併有一四分之一波長延遲器(亦即，T2)及一用於再循環之反射體的顯示設備及一併有一用於再循環之漫射反射體(亦即，T1)之顯示設備之工作週期的圖解表示。在實例實施例中，線柵式偏振器之工作週期在約0.0至約1.0的範圍內。在圖7A及圖7C之實例實施例的線柵式偏振器中，入射光具有約550 nm之波長、節距為約140 nm，且使用具有各種高度之導體的若干線柵式偏振器。亦即，曲線701至曲線712表示各種線柵式偏振器中之每一者的總光通量，該等線柵式偏振器具有相同節距但不同之工作週期，且具有自約80 nm至約200 nm之範圍內的導體高度(H)。因此，圖7A及圖7C提供了在每一類型之再循環系統之工作週期的範圍內導體高度對總透射率之影響的資料。
如可藉由圖7A及圖7C之觀察易於瞭解，不考慮導體的高度，在具有於0.18至約0.25之範圍內之工作週期的線柵式偏振器中，出現任一再循環結構之最佳總光通量(優值)。
圖7B及圖7D分別為圖7A及圖7C之分解圖(為了較好地觀測最大總光通量)。當高度在約80 nm至約200 nm的範圍內或高度與節距之比在約0.57至約1.43之範圍內時，總光通量在根據本實例實施例之參數所達到的最大位準處。當高度大於約200 nm或小於約80 nm時，總透射率降低。此由在如圖7B中之曲線706及圖7D中之曲線712所示之約200 nm處的總光通量T1或T2所指示，且由在如圖7B中的曲線701及圖7D中之曲線707所示之約80 nm處的總光通量T1或T2所指示，其低於高度為約100 nm、約120 nm、約140 nm，或約160 nm時的T1或T2。
圖8展示了根據實例實施例之線柵式偏振器800。線柵式偏振器800展示了橫截面為大體上矩形之導體202，以及由於製造而具有缺陷的導體801。如可瞭解，此等缺陷可造成線柵式偏振器800之高度、寬度及節距之變化。假設此等缺陷，可將每一高度z處的填充因數表達為： 其中w 0 (z )為高度z處之線的寬度。
整個高度H上之平均填充因數由以下等式給出： 其中，其為線之表面剖面下的面積。
藉由此等表達式，平均寬度或W av ≡F．P 。在確定具有在約0.18至約0.25之範圍內之平均工作週期之線柵式偏振器的參數中，此等表達式為有用的。
最後，應注意，光效率之某些改良經由實例實施例之線柵式偏振器所提供之改良的光再循環來實現。與實例實施例一致，圖1A及圖1B之實例實施例的顯示設備實現了約10%之光效率的總體改良。此外，可藉由併有抗反射層901來達到約4%至約5%之光效率的額外改良。圖9展示了一個實例實施例，其中抗反射層901、902安置於線柵式偏振器900之基板201的任一側上，其進一步增加了具有少許反射率Rs 之損耗的自97%至高達100%之P偏振光的透射率Tp 。此實例實施例展示於圖9中。
圖10展示了根據一實例實施例之低填充因數之線柵式偏振器結構1000。在本實例實施例中，線柵式偏振器與後吸收式偏振器1001整合，且共用一共同基板201。
圖11展示了另一實例實施例1100，其中亦可將其他光學組件(諸如，補償薄膜或延遲薄膜)與線柵式偏振器合併。圖11描繪了形成於基板201上之線柵式元件202。吸收式偏振器層1001展示為具有一額外功能層1101。層1101可包含(例如)一補償薄膜，但亦可預想其他功能層。儘管圖11並未指示黏接層、障壁層，或對準層的存在，但可瞭解在圖11之實施例中將發現該等額外層。
在圖12中所描繪的另一實例實施例中，線柵式偏振器安置於液晶顯示面板之頂部基板與底部基板之間。在此圖中，由線柵式總成1200來描繪如圖11中所示之類似結構，其中線柵式元件202直接定位於液晶晶格之基板1201的一表面上。液晶材料、電極、濾色器及其他面板元件及層並未展示，但理解為定位於基板1201之與線柵式元件相同的側上。
在另一實例實施例中，圖13中之所示，可使用一第二線柵式偏振器。第二線柵式偏振器可大體上與實例實施例之該等線柵式偏振器中的一者相同。由基板1301及線柵式元件1302來描繪總成1300之第二線柵式偏振器。此線柵式結構展示為鄰近於圖12之實例線柵式總成。在基板1301上之線柵式結構與液晶面板基板1003之間描繪了氣隙1303。此氣隙為選用的，且可由一黏著劑、一折射率匹配層，或選擇以產生最佳效能之其他材料所替代。包含元件1302及基板1301之額外線柵較佳定位於液晶面板的背光側上。標稱未偏振之光沖射此第一反射偏振器，有效地透射單一偏振狀態之光。由定位於LC面板內的線柵式偏振器來反射正交偏振狀態之任何剩餘光。吾人期望兩個線柵式偏振器之共同操作可提供足夠的偏振消光，以潛在地消除對於吸收式偏振器1101之需要。因此，配置該兩個線柵式偏振器，其中其線元件以一平行方式定向，以意欲進一步增強總成之偏振消光。
在LCD的背光單元中使用線柵式偏振器，以與其他光學組件組合來增加光學效率。可藉由以上所指定之工作週期來最佳化總體光學效率。然而，同樣需要解決與背光單元中之線柵式偏振器之使用相關聯的其他問題。
因為鄰近於導光體來置放線柵，所以線柵通常暴露於光源104所產生之熱中。線柵式偏振器之高熱膨脹係數導致導體配置之變形，且降級顯示器的影像品質。濕度亦可造成相同問題。防止變形之方法中的一者為例如藉由層壓來將線柵式偏振器與其他光學元件整合。光學元件之實例為準直薄膜、漫射體薄膜、吸收式偏振器及光提取薄膜。其他整合構件亦為可能的。舉例而言，基板201可為光學元件。光學元件之該直接整合消除了背光單元中所使用之薄膜的數目，且降低了LCD之生產成本及單元的厚度。在處理光學元件中之共同問題為由於靜電荷而附著於光學元件之表面的灰塵。因為線柵式偏振器含有導電線，所以整合給予抗靜電功能。如此項技術中所熟知，線柵式偏振器吸收紫外線區域中之顯著量的光。因此，線柵式偏振器可防止由於來自背光單元之累積UV輻射之光學元件的"變黃"。
該整合亦可為光學有利的。藉由消除在線柵式偏振器與其他光學組件之間的氣隙，降低由於費涅反射之損耗。LCD電視應用需要較少之準直光。特別在此情形中，與漫射體薄膜整合的線柵式偏振器為較佳的。在下文中，描述了線柵式偏振器與光學元件之整合的非限制實例。
在一實例實施例中，圖14A及圖14B中展示包含一線柵式偏振器之整合光學元件1400，該線柵式偏振器具有複數個導體(例如，線)202，及一準直薄膜205，其中一共同基板201處於其間。導體202面朝導光板1111或其等效物(在某些情形中，導光板1111可為具有若干諸如冷陰極螢光燈(CCFL)之個別光源的空腔)。準直薄膜較接近於液晶顯示器，該液晶顯示器具有一液晶層2115及一後偏振器2120及一前偏振器2110。導光板1111一般經由散射來自至少一光源之光來提供一漫射光發射。儘管在圖14中將準直薄膜205描繪為具有90度頂角之稜鏡，但準直薄膜205可為如美國專利第6,760,157號中所揭示的任何向上型亮度增強薄膜，或如美國專利第6,752,505號中所揭示之具有個別元件的光重定向薄膜。頂角可為圓形的且甚至可採用球體之一部分的形狀，其視所要之準直度而定。高度及頂角可在任一或兩個方向上橫跨基板來變化。整合光學元件1400進一步在一較佳方向上提供較高亮度，該較佳方向通常沿基板之法線方向。可藉由層壓如圖14B中所示之獨立製造的準直薄膜1403及線柵式偏振器200來形成相同元件。在此情形中，準直薄膜1403及線柵式偏振器200並不共用共同基板，但其經由疊層1401來層壓。
在另一實例實施例中，圖15中展示包含一線柵式偏振器之整合光學元件1500，該線柵式偏振器具有複數個導體(例如，線)202，及一準直薄膜206，其中一共同基板201處於其間。準直薄膜206面朝導光板1111或其等效物。再次，導光板1111一般經由散射來自至少一光源之光來提供漫射光發射。準直薄膜206為諸如共同擁有之美國專利申請公開案第20050041311號(其以引用方式併入本文)中所揭示之向下型準直薄膜。整合光學元件1400進一步在一較佳方向上提供較高亮度，該較佳方向可沿基板之法線方向，或在某些離軸角處。
在另一實例實施例中，圖16中展示包含一線柵式偏振器之整合光學元件1600，該線柵式偏振器具有複數個導體(例如，線)202，及一光提取薄膜207，其中一共同基板201處於其間，且進一步包含一導光板1114，其中光提取薄膜207與導光板1114光學接觸。導光板1114與圖14及圖15中所示之導光板1111不同，其在於導光板1114並不具有漫射元件，且僅基於全內反射將來自光源之光自一端導引至另一端，而導光板1111具有漫射元件，諸如，蝕刻圖案或印刷點。光提取薄膜207的功能為打破導光板1114中所截獲之光的全內反射條件、將光折射至光提取薄膜207中，且接著朝向一較佳方向(諸如，基板201之法線方向)來重定向光。由光提取薄膜210來提取例示性光210a，且例示性光211a經受在導光板1114與空氣208間之介面處的全內反射。大體而言，光提取薄膜207a之詳細規格與準直薄膜206之詳細規格不同，儘管該兩者在圖15及圖16中看起來類似。在朝向較佳方向重定向光後，具有一所要之偏振的部分透射過具有導體202之線柵式偏振器，且具有另一非所要之正交偏振的部分朝向光源反射回。反射回之非所要光可由圍繞光源之漫射元件來消偏振，或可藉由穿經與一鏡(圖中未展示)耦接之四分之一波長板兩次來轉換成所要的光。光提取薄膜207可採用各種形狀。其可為如美國專利第5,396,350號或美國專利第5,428,468號中所揭示之微稜鏡之陣列，其中每一微稜鏡具有一平行於一光輸出表面的光輸入表面，及自與導光體1114之表面垂直之方向以一角傾斜的至少一個側壁。如美國專利申請公開案第20050270798號中所揭示，光提取薄膜207亦可具有所謂光集中結構之陣列，其中每一光集中結構沿表面在長度方向上縱向延伸，且具有一對彎曲側壁，該等彎曲側壁約具有一拋物曲度。如美國專利申請公開案第20050185416號中所揭示，光提取薄膜207亦可具有楔形結構之陣列，其中每一該楔形結構具有一光輸入孔隙及一較大光輸出孔隙。
在圖14A、圖14B、圖15及圖16中，線柵式偏振器之導體202展示為平行於準直薄膜205、206及光提取薄膜208。此配置在共平面切換型LCD或垂直對準型LCD中較佳，其中後偏振器2120之透射軸平行於長度方向301或寬度方向302(參見圖17)。
圖17展示了關於導體202及光準直薄膜205、206或光提取薄膜207(當其或多或少以線性方式配置時)之相對定向之整合光學元件1400、1500及1600的示意性俯視圖。數字209表示準直薄膜205、206或光提取薄膜207之峰或谷。導體202平行於後偏振器2120之透射軸而配置。後偏振器2120的透射軸通常在相對於扭轉向列型LCD之液晶顯示器(LCD)之長度方向301或寬度方向302的45(或135)度處，而其在相對於共平面切換型LCD及垂直對準型LCD之LCD之長度方向301a或寬度方向302a的0(或90)度處。在扭轉向列型LCD中，較佳具有以相對於準直薄膜205、206或光提取薄膜207之伸長方向之45度所定向的導體202。此配置最大化準直薄膜205、206或光提取薄膜207之準直及提取效率，且同時最大化線柵式偏振器之偏振再循環效率。由於在導體202與薄膜205、206、207之間之未對準，可在並無四分之一波板及漫射元件的情況下實施偏振再循環。
應注意，在圖14A至圖17中，相比薄膜205、206、207之間距及尺寸誇示導體202之間距及尺寸。實際上，導體202的間距及尺寸小於200 nm，而薄膜205、206、207之間距及尺寸通常大於20微米(micron)。
圖18展示了包含複數個貼合於一起之較小尺寸線柵式偏振器305的較大尺寸線柵式偏振器1700，該複數個較小尺寸線柵式偏振器305在2公分與20公分之範圍內。在兩個較小線柵式偏振器之間，可存在導體之較小移位或旋轉。其他貼合組態亦為可能的，諸如，六角形或蜂巢型圖案。
圖19A展示了具有以相對於基板201之傾斜角所定向之導體202之替代線柵式偏振器1800的橫截面圖。在此情形中，基板201可與導光板相同。需要額外光重定向薄膜來將光自較大角轉至較佳方向。
圖19B展示了具有以相對於基板201之傾斜角所定向之導體202之另一替代線柵式偏振器1900的橫截面圖。導體202自一傾斜方向303沈積於一基本微結構302上。
對於較大角之光(諸如，在楔形導光板中之情形)而言，具有傾斜導體的線柵式偏振器較有效。針對光之各種入射角來最佳化線柵之Φ的傾角。圖19C展示了具有圖19A中所示之結構之線柵式偏振器的Tp之入射角依賴性的實例。填充因數(或工作週期)為0.2。針對兩個波長350 nm及500 nm來獲得Tp。若入射光方向平行於平鋪顯示方向(諸如，箭頭203所指示之方向)，則入射角視為正。另一方面，在箭頭204之情形中，入射角為負。圖19C清楚地證明了傾斜線柵的益處。若入射角為50°，則藉由將線柵式結構自0°傾斜至35°來將波長350 nm處之Tp自72%增加至93%。500 nm處之增加係自83%至92%。最佳傾角Φ未必與入射角相同。Φ的較佳值在10°至55°之間，且更佳在15°至40°之間。
圖20A至圖20C展示了製造一低填充因數之線柵式偏振器的過程。第一，在圖20A中，使用以上所論述之任何已知方法來在基板201上製備一介電柵格501。可使用諸如光微影、與反應性離子蝕刻組合之奈米壓模微影術的標準微影方法來製備介電柵格501。在此情形中，介電結構501可為金屬氧化物或金屬氮化物，諸如，二氧化矽及氮化矽。第二，使用習知真空沈積或濺鍍程序，橫跨如圖20B中所示之基板來沈積薄金屬層(諸如，鋁)502。最後，移除金屬層502的一部分，留下側壁503，其具有在18%至25%之範圍內的低填充因數。為了部分地移除塗佈有金屬之頂部部分(自圖20B至圖20C之過程)，可使用定向蝕刻方法，諸如，反應性離子蝕刻過程。反應性離子蝕刻由於其在蝕刻過程中的定向性將選擇性地移除金屬塗層502之頂部部分，留下側壁502。其後，可視情況來移除介電柵格501。
如一般熟習此項技術者將瞭解，藉由實例實施例，原本將損耗之光可再引入至顯示系統中，且藉此改良所形成之影像的亮度及對比度。藉由觀察所描述之實例實施例，對於一般熟習此項技術者而言，此等及其他益處將變得易於瞭解。
根據說明性實施例，可在顯示器中使用線柵式偏振器，以提供相較於在導光體之某些表面上包括單向反射體的已知結構之改良的光學效率(亮度)。另外，僅作為實例而非以任何限制意義來包括各種方法、材料、組件及參數。因此，所描述之實施例為說明性的且在提供有益背光總成中為有用的。鑒於此揭示案，熟習此項技術者可實施各種實例設備及方法來達成改良之背光效率，且同時保持在隨附申請專利範圍的範疇內。
100．．．光閥成像設備
101．．．透射光閥
102．．．吸收式偏振器
103．．．吸收式偏振器
104．．．光源
105．．．導光體
106．．．漫射反射體
107．．．光
108．．．光
109．．．光
110．．．反射偏振器
111．．．光閥成像設備
112．．．四分之一波長延遲器
113．．．反射層
114．．．光
200．．．線柵式偏振器
201．．．熔凝矽質基板
202．．．複數個導體
203．．．高度
203a．．．傾斜角
204．．．寬度
204a．．．傾斜角
205．．．節距
206．．．光
207．．．第一偏振狀態
207a．．．光提取薄膜
208．．．第二偏振狀態
209．．．法線
210．．．第一偏振狀態
210a．．．透射光射線
211．．．透射光
211a．．．反射光射線
220．．．線柵式偏振器
222．．．線
224．．．大體方向
225．．．正切方向
230．．．偏振器
232．．．線
301．．．曲線
301a．．．長度方向
302．．．曲線
302a．．．寬度方向
302b．．．基本微結構
303．．．曲線
303a．．．傾斜方向
304．．．曲線
305．．．線柵式偏振器之平鋪方向柵格
501．．．曲線
501a．．．介電柵格
502．．．曲線
502a．．．金屬層
503．．．具有部分移除金屬之側壁
601．．．曲線
602．．．曲線
603．．．曲線
604．．．曲線
701．．．曲線
702．．．曲線
703．．．曲線
704．．．曲線
705．．．曲線
706．．．曲線
707．．．曲線
708．．．曲線
709．．．曲線
710．．．曲線
711．．．曲線
712．．．曲線
800．．．線柵式偏振器
801．．．導體
900．．．線柵式偏振器
901．．．抗反射層
902．．．抗反射層
1000．．．線柵式偏振器結構
1001．．．後吸收式偏振器
1003．．．液晶面板基板
1100．．．線柵式偏振器
1101．．．吸收式偏振器
1111．．．導光板
1114．．．導光板
1200．．．線柵式總成
1201．．．基板
1300．．．總成
1301．．．基板
1302．．．線柵式元件
1303．．．氣隙
1400．．．整合光學元件
1401．．．疊層
1403．．．準直薄膜
1500．．．整合光學元件
1600．．．整合光學元件
1700．．．較大尺寸線柵式偏振器
1800．．．替代線柵式偏振器
1900．．．替代線柵式偏振器
2000．．．製造之線柵式偏振器
2110．．．前偏振器
2115．．．液晶層
2120．．．後偏振器
F．．．H上之平均填充因數
H．．．高度
Lav ．．．平均有限長度
P．．．節距
Pav ．．．平均節距
Rs ．．．反射率(s偏振光)
S．．．表面剖面下的面積
T1．．．評價函數
T2．．．評價函數
Tp ．．．透射率(p偏振光)
Ts ．．．透射率(s偏振光)
W．．．寬度
Wav ．．．平均寬度
(W/P)．．．填充因數
α．．．角
θ．．．角
圖1A為根據實例實施例之液晶顯示設備的橫截面圖。
圖1B為根據實例實施例之液晶顯示設備的橫截面圖。
圖2A為根據實例實施例之線柵式偏振器的橫截面圖。
圖2B為根據實例實施例之線柵式偏振器的俯視圖。
圖2C為根據另一實施例之展示非直平行線之線柵式偏振器的俯視圖。
圖2D為根據線柵式偏振器之另一實施例之展示任意配置的有限長度L之平行線之線柵式偏振器的俯視圖。
圖3A及圖3B為展示第一偏振狀態之光的透射強度及第二偏振狀態之光的反射偏振狀態對根據實例實施例之線柵式偏振器之工作週期的圖解表示。
圖4A及圖4B為展示透射強度對根據實例實施例之線柵式偏振器之工作週期的圖解表示。
圖5A為展示偏振光之透射率對根據實例實施例之線柵式偏振器之波長的圖解表示。
圖5B為展示偏振光之反射率對根據實例實施例之線柵式偏振器之波長的圖解表示。
圖6A為展示偏振光之透射率對根據實例實施例之線柵式偏振器之入射角(自法線至偏振器之平面)的圖解表示。
圖6B為展示偏振光之反射率對根據實例實施例之線柵式偏振器之入射角(自法線至偏振器之平面)的圖解表示。
圖7A為展示包括一四分之一波長延遲器及一反射體之顯示系統的評價函數對根據實例實施例之線柵式偏振器之工作週期的圖示。
圖7B為圖7A之分解圖。
圖7C為展示包括一漫射反射體之系統的評價函數對根據實例實施例之線柵式偏振器之工作週期的圖解表示。
圖7D為圖7C之分解圖。
圖8為根據實例實施例之線柵式偏振器的橫截面圖。
圖9為根據實例實施例之線柵式偏振器的橫截面圖。
圖10為根據實例實施例之線柵式偏振器的橫截面圖。
圖11為根據實例實施例之與一或多個額外功能層整合之線柵式偏振器的橫截面圖。
圖12為根據實例實施例之液晶面板內之線柵式偏振器的橫截面圖。
圖13為根據實例實施例之在顯示應用中所使用之兩個線柵式偏振器的橫截面圖。
圖14A為根據實例實施例之在顯示應用中所使用之線柵式偏振器及準直薄膜之整合光學元件的橫截面圖。
圖14B為根據實例實施例之在顯示應用中所使用之線柵式偏振器及準直薄膜之整合光學元件的橫截面圖。
圖15為根據另一實例實施例之在顯示應用中所使用之線柵式偏振器及準直薄膜之整合光學元件的橫截面圖。
圖16為根據另一實例實施例之在顯示應用中所使用之線柵式偏振器、光提取構件及導光板之整合光學元件的橫截面圖。
圖17為具有線柵式偏振器之整合光學元件之示意性俯視圖。
圖18為較大尺寸之線柵式偏振器的示意性俯視圖。
圖19A為根據實例實施例之線柵式偏振器的橫截面圖。
圖19B為根據另一實例實施例之線柵式偏振器的橫截面圖。
圖19C為根據一實例之具有圖19A中所示之結構的線柵式偏振器之Tp的入射角依賴性的曲線。
圖20A為根據實例實施例之線柵式偏振器之中間剖面的橫截面圖。
圖20B為自圖20A之中間剖面所產生之線柵式偏振器之另一中間剖面的橫截面圖。
圖20C為自圖20B中所示之線柵式偏振器之中間剖面所產生之線柵式偏振器的橫截面圖。
201．．．熔凝矽質基板
202．．．複數個導體
205．．．節距
1111．．．導光板
1400．．．整合光學元件
2110．．．前偏振器
2115．．．液晶層
2120．．．後偏振器

Claims (11)

  1. 一種光學元件，其包含一基板、一在該基板之一側上的線柵，及在該基板之另一側上的稜鏡光準直或光提取特徵，其中該線柵包含複數個具有一節距(P)、一寬度(W)、一高度(H)，及一長度(L)之平行導體；一填充因數(W/P)在約0.18至約0.25的範圍內；且一縱橫比(L/P)大於約10。
  2. 如請求項1之光學元件，其中該等稜鏡特徵包含三角形橫截面之特徵。
  3. 如請求項1之光學元件，其中該等稜鏡特徵包含梯形橫截面之特徵。
  4. 如請求項1之光學元件，其中該基板包含該線柵及該等光準直特徵之基底材料的一疊層。
  5. 如請求項1之光學元件，其進一步具備一鄰近該等光準直特徵之導光板。
  6. 如請求項1之光學元件，其進一步具備一鄰近該線柵之導光板。
  7. 如請求項1之光學元件，其中該線柵的該等線並不與該等光準直特徵平行。
  8. 如請求項1之光學元件，其中該線柵的該等線大體上與該等光準直特徵平行。
  9. 如請求項1之光學元件，其中該寬度為一由給出之平均 寬度，其中，且w 0 (z )為一作為高度z之一函數的該等導體的寬度。
  10. 如請求項1之光學元件，其中該等導體具有一平均長度Lav 及 一平均節距Pav ；且係以一彼此平行之大體上隨意的方式配置，且具有一大於約10之Lav /Pav 的平均縱橫比。
  11. 一種形成一線柵之方法，其包含提供一具有介電線特徵之基板、以金屬來塗佈該基板及該等介電線特徵、將該金屬自該基板及離該基板最遠之該等介電線特徵的部分移除，其中該線柵包含複數個具有一節距(P)、一寬度(W)、一高度(H)，及一長度(L)之平行導體；一填充因數(W/P)在約0.18至約0.25的範圍內；且一縱橫比(L/P)大於約10。
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