專利名稱：嵌有細(xì)金屬線的偏振光分離器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種用于液晶顯示器、投影顯示器以及車頭燈的偏振光分離器件。
背景技術(shù)：
偏振光分離器件可選擇性地使得在特定方向上振動(dòng)的線性偏振光穿透，并且可使得在該特定方向的正交方向上振動(dòng)的線性偏振光反射。習(xí)知的偏振光分離器件如下由數(shù)種反射非等向性不同的聚合膜多層積層物所形成的器件以及金屬線柵型器件。金屬線柵型偏振光分離器件例如是WO 00/079317號(hào)(即日本專利早期公開第2003-502758號(hào))以及日本專利早期公開第10-73722號(hào)。這一些金屬線柵型偏振光分離器件是藉由反射在平行于線柵方向上振動(dòng)的線性偏振光以及穿透在垂直線柵方向上振動(dòng)的線性偏振光來分離偏振光。
傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造技術(shù)已經(jīng)可以用來制造這種金屬線柵型偏振光分離器件。制造方法的實(shí)例包括以全息干涉光刻在光刻膠中形成細(xì)線和小間隙的結(jié)構(gòu)，然后，再利用離子束蝕刻來將這一個(gè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到下方的金屬膜；另一種方法是直接以電子束光刻形成掩膜圖案，然后，再利用反應(yīng)性離子蝕刻法將圖案轉(zhuǎn)移至金屬膜；另一種方法是以高解析度光刻技術(shù)，包括準(zhǔn)紫外光光刻以及X-光光刻來形成掩膜圖案；以及另一種方法是以另一種蝕刻機(jī)制來將掩膜的圖案轉(zhuǎn)移到金屬膜。以這一些方法所制造的金屬線柵型偏振光分離器件，其偏振光分離的能力佳，這是因?yàn)榇似骷?xì)微的結(jié)構(gòu)可被精確地形成。
傳統(tǒng)的金屬線柵形成在基板的表面上后，金屬線柵的結(jié)構(gòu)易碎，影響其耐久性。而且，傳統(tǒng)的金屬線柵通常是以批次程序(batch processing)來制造的，因此不容易應(yīng)用在面積在100平方公分或面積更大的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高效能偏振光分離器件，其具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)以及絕佳的耐久性，并且易于大面積制造。
本發(fā)明提出一種偏振光分離器件，此偏振光分離器件包括多個(gè)細(xì)金屬線，其彼此平行排列嵌在一個(gè)平面基板中，其各細(xì)金屬線的間距(P)為100nm至300nm，各細(xì)金屬線的寬度(D)和間距(P)之間的比例(D/P)為0.1至0.6，且各金屬線垂直于縱向的截面的高度(H)為50nm至500nm。關(guān)于此細(xì)金屬線，其表面上覆蓋著金屬氧化膜。較佳的平面基板為一聚合樹脂膜。
本發(fā)明的偏振光分離器件的金屬線柵具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)以及絕佳的耐久性，并且易于大面積制造。
為讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉較佳實(shí)施例，并配合所附圖式，作詳細(xì)說明如下。


圖1繪示一種金屬線柵型偏振光分離器件的實(shí)例的示意圖。
圖2是依照本發(fā)明一實(shí)例所示的偏振光分離器件剖視圖。
圖3是依照本發(fā)明另一實(shí)例所示的偏振光分離器件剖視圖。
圖4是依照本發(fā)明又一實(shí)例所示的偏振光分離器件剖視圖。
圖5是依照本發(fā)明再一實(shí)例所示的偏振光分離器件剖視圖。
圖6是是依照本發(fā)明另一實(shí)例所示的偏振光分離器件剖視圖。
圖7是繪示模擬概念的立體示意圖。
圖8是繪示模擬中單元的模型。
10基板20、21、22、23、24、25細(xì)金屬線30計(jì)算區(qū)域33、34、35平面38光線40單元41面邊界42重心座標(biāo)P間距D寬度具體實(shí)施方式
本發(fā)明將配合圖式詳細(xì)說明如后。圖1繪示一種金屬線柵型偏振光分離器件的實(shí)例的示意圖；圖2至6是依據(jù)本發(fā)明的實(shí)例所繪示的偏振光分離器件的剖視圖。圖7是繪示進(jìn)行光學(xué)模擬的實(shí)例中嵌有細(xì)金屬線的偏振光分離器件的示意圖。圖7是繪示模擬概念的示意圖。圖8是繪示模擬中的單元模型。
金屬線柵型偏振光分離器件具有多個(gè)金屬柵20，金屬線柵20是彼此平行排列在平面基板10上，如圖1所示。習(xí)知這一些細(xì)金屬線20是以光刻技術(shù)等方法凸出形成在平面基板10的表面上。相反地，本發(fā)明的偏振光分離器件則是將金屬線20排列嵌在基板10之中。
另外，本發(fā)明的金屬線20的間距(P)為100nm至300nm，金屬線20的寬度(D)和間距(P)之間的比例(D/P)為0.1至0.6，亦即，0.1≤(D/P)≤0.6。此外，細(xì)金屬線20中與縱向垂直的截面的高度(H)為50至500nm。
平面基板10可以是玻璃板或聚合樹脂膜，從長(zhǎng)度長(zhǎng)且面積大的卷繞狀態(tài)的觀點(diǎn)來說，較佳的是聚合樹脂膜。聚合樹脂膜的實(shí)例包括丙烯酸樹脂膜、聚酯樹脂膜、聚羧酸樹脂膜、具有冰片烯或其衍生物開環(huán)或加成環(huán)聚合所衍生的結(jié)構(gòu)單元的環(huán)聚烯烴樹脂膜、聚烯烴樹脂、聚醚砜樹脂膜以及環(huán)氧樹脂膜。聚酯樹脂膜的實(shí)例包括聚對(duì)苯二甲酸二乙酯以及聚丁酸乙二酯(polyethylene butyrate)。聚烯烴樹脂膜的實(shí)例包括JSR公司所販?zhǔn)鄣摹癆RTON”以及OPTES有限公司或Nippon Zone股份有限公司所販?zhǔn)鄣摹癦EONOR”以及“ZEONEX”。在使用聚合樹脂膜的例子中，由形狀穩(wěn)定性的觀點(diǎn)來說，其線膨脹系數(shù)以低于玻璃的較佳。
平面基板10的厚度并沒有特別限制，例如是1μm至5nm，較佳的是40μm或更高，或是至500μm或更低。較佳的平面基板10是具有高透明度，且在加熱和濕度的情況下，其尺寸僅有少許的改變。
關(guān)于細(xì)金屬線20，細(xì)金屬線20是形成在平面基板10之中，間距(P)，亦即細(xì)金屬線20之間的距離為100nm至300nm。當(dāng)細(xì)金屬線20的間距(P)小于100nm時(shí)，不易制造所期望的偏振光分離器件，且難以得到一致的特性。另外，若是細(xì)金屬線20的間距(P)大于300nm時(shí)，則很容易產(chǎn)生繞射，而導(dǎo)致著色(coloring)。
金屬線20的寬度(D)和間距(P)之間的比例(D/P)為0.1至0.6，較佳的是0.1至0.3。當(dāng)(D/P)小于0.1時(shí)，其結(jié)構(gòu)難以形成，且偏振分離的能力會(huì)下降。再者，當(dāng)(D/P)大于0.6時(shí)，干涉作用會(huì)顯著，使得穿透光被著色，導(dǎo)致不好的情況。
垂直于縱向的截面的細(xì)金屬線20高度(H)為50nm至500nm。較佳的細(xì)金屬線20的高度(H)為100nm或更高，或300nm或更低。當(dāng)高度低于50nm時(shí)，偏振光分離的能力下降。而當(dāng)高度大于500nm時(shí)，則會(huì)使得結(jié)構(gòu)難以形成。
構(gòu)成細(xì)金屬線20的金屬的實(shí)例包括鋁、金、銀和銅。較佳的是鋁，這是因?yàn)榉瓷涔廨^少被著色，且有一層金屬氧化層覆蓋在表面上以增加化學(xué)穩(wěn)定性。
因此，細(xì)金屬線的表面可被一金屬氧化膜覆蓋，以構(gòu)成細(xì)金屬線的一部份。以鋁為金屬的例子中，與空氣接觸的是覆蓋在表面上的氧化鋁層。典型的金屬氧化膜的厚度是2nm或更厚，較佳的是10nm或更厚。相鄰的細(xì)金屬線之間的間隙可填入金屬氧化層。當(dāng)鋁上覆蓋著金屬氧化層，如覆蓋著氧化鋁時(shí)，穿透光的波長(zhǎng)相依性減少，而導(dǎo)致較佳的狀況。
例如，可以采用以下的方法來將細(xì)金屬線20嵌在平面基板10中(1)在平面基板10上形成金屬線20，并在金屬線20的表面上覆蓋與基板材質(zhì)相同或不相同的材料；以及(2)在平面基板10的整個(gè)表面上形成金屬膜，之后，將金屬帶狀氧化，留下來沒有被氧化的金屬部分則為細(xì)金屬線20。
較佳的方法可以在平面基板10上形成金屬線20，例如是以奈米壓印法(nano imprinting method)在滾筒表面上預(yù)先形成預(yù)定的形狀，然后，將滾筒推在基板10的表面上以形成凹凸的形狀，之后，再將金屬嵌在凹陷處。將卷筒表面的不規(guī)則轉(zhuǎn)移到基板的表面上的方法，可將細(xì)金屬線20形成在卷膜中，如此可輕易以大面積來制造。
適合用來在凹陷部中嵌入金屬的方法，可以采用濺鍍法或是真空沈積法在基板10的表面上形成一層金屬層的方法，或是采用嵌入金屬糊的方法。在一例中，金屬層不僅僅是填在凹陷部而是覆蓋在整個(gè)基板的表面上時(shí)，覆蓋在基板凸出部上的金屬可研磨基板而移除，或是將金屬表面氧化成金屬氧化物，僅留下凹陷部中的金屬線柵。金屬線柵的形成方法也可以采用沈積法或是濺鍍法在平面基板10上形成一層金屬層，之后，再將帶狀或是條狀的金屬部分移除。
在基板10的表面上形成細(xì)金屬線20并在細(xì)金屬線20的表面上覆蓋與基板10材質(zhì)相同或不同的材料的例子中，覆蓋的材料的實(shí)例包括丙烯酸樹脂、聚酯樹脂、聚羧酸樹脂、具有冰片烯或其衍生物開環(huán)或加成環(huán)聚合所衍生的結(jié)構(gòu)單元的環(huán)聚烯烴樹脂、聚烯烴樹脂、聚醚砜樹脂、環(huán)氧樹脂、硅酮樹脂、醇酸樹脂以及低反射率的氟樹脂。特別是，反射率低的樹脂，其具有較高的偏振光分離特性，可導(dǎo)致較好的情況。
另一方面，其結(jié)構(gòu)可以是在聚合膜的表面上形成有一層熟化的樹脂層，而該樹脂層中嵌有金屬線柵。熟化的樹脂層例如是其反射率大約在1.3至1.6范圍內(nèi)。反射率愈低，偏振光分離能力愈高，較佳的反射率為1.3至1.5。形成熟化樹脂層的樹脂的實(shí)例包括丙烯酸樹脂、聚酯樹脂、聚羧酸樹脂、具有冰片烯或其衍生物開環(huán)或加成環(huán)聚合所衍生的結(jié)構(gòu)單元的環(huán)聚烯烴樹脂、聚烯烴樹脂、聚醚砜樹脂、環(huán)氧樹脂、硅酮樹脂、醇酸樹脂以及低反射率的氟樹脂。上述的方法可以適當(dāng)?shù)剡x擇，以在這一些熟化的樹脂層中形成金屬線柵。
金屬線柵的細(xì)金屬線的截面形狀可以是矩形、方形、梯形、三角形、圓形或橢圓形。其邊角可以圓的。具有高偏振光分離能力的形狀是矩形、梯形、三角形或橢圓形。細(xì)金屬線20可彼此平行的形成在同一個(gè)平面上或是形成在不同的深度上或是形成在數(shù)個(gè)平面上。
本發(fā)明的偏振光分離器件的數(shù)個(gè)實(shí)例如圖2至6所示，其繪示與細(xì)金屬線的縱向正交的截面的示意圖。圖2所示的實(shí)例是數(shù)個(gè)細(xì)金屬線21在列的方向以一預(yù)定的間距P平行嵌在平面基板10的一個(gè)表面上，且其截面大致為寬為D且高為H的矩形。在此例中，所嵌入的細(xì)金屬線21的截面的矩形的長(zhǎng)邊方向和平面基板10的厚度方向相同。
圖3的實(shí)例是數(shù)個(gè)細(xì)金屬線22在列的方向以一預(yù)定的間距P平行嵌在平面基板10的一個(gè)表面上，且其截面大致是高為H的梯形。在此例中，細(xì)金屬線22的截面在其高度方向的寬度不同，其較佳的平均值是高度方向的中心處的橫向尺寸，其標(biāo)示為寬度D。而且，在此例中，所嵌入的細(xì)金屬線22，其截面的長(zhǎng)邊方向和平面基板10的厚度方向相同。
圖4的實(shí)例是數(shù)個(gè)細(xì)金屬線23在列的方向以一預(yù)定的間距P平行嵌在平面基板10的一個(gè)表面上，且其截面大致是高為H的等腰三角形。在此例中，以相同于圖3的方法，較佳的是將細(xì)金屬線23截面的高度方向的中心處的橫向尺寸標(biāo)示為寬度D。而且，在此例中所嵌入的細(xì)金屬線23，其截面的長(zhǎng)邊方向和平面基板10的厚度方向相同。
圖5的實(shí)例與圖2的實(shí)例相似，數(shù)個(gè)細(xì)金屬線24在列的方向上以一預(yù)定的間距P嵌在平面基板10的一個(gè)表面上，且其截面大致為寬為D且高為H的矩形，但是，細(xì)金屬線24是以平行的兩列大致嵌在平面基板10的一個(gè)表面中以及另一個(gè)表面中。而且在此例中，所嵌入的細(xì)金屬線24，其截面的長(zhǎng)邊方向和平面基板10的厚度方向相同。
在另一個(gè)例子中，細(xì)金屬線的截面形狀并不是如同圖2至5的等向性，其長(zhǎng)邊的方向較佳的是在平面基板10的厚度方向上，亦即偏振光分離器件的厚度方向。
圖6所示的實(shí)例是數(shù)個(gè)細(xì)金屬線25，其截面是直徑為D的圓，且是以一預(yù)定的間距P成兩列平行嵌在平面基板10中。從平面基板10的一個(gè)表面來看，這兩列的細(xì)金屬線25、25是交替設(shè)置。因此，在這種兩列的細(xì)金屬線25是交替設(shè)置的例子中，較佳的是以間距P表示各列細(xì)金屬線25、25之間的距離，以決定本發(fā)明所提供的(D/P)值。在此例中，細(xì)金屬線的截面是圓形，因此，其高度等于圓的直徑D。
在細(xì)金屬線20至25是以規(guī)則的距離排列在平面基板10的實(shí)例中，較佳的是各個(gè)間距是表示成(P)。但是，在間距是不規(guī)則的實(shí)例中，較佳的是以與平面基板10的一個(gè)表面平行方向上的細(xì)金屬線之間的平均間距來表示間距(P)，以決定本發(fā)明所提供的(D/P)值。在間距(P)是不規(guī)則的例子中，較佳的是其所有的間距均在100nm至300nm的范圍內(nèi)。同樣地，在細(xì)金屬線20至25的寬度是不是規(guī)則的例子中，較佳的是將寬度的平均值表示成寬度(D)，以決定(D/P)值。在各個(gè)相鄰的細(xì)金屬線的(D/P)值不是規(guī)則的例子中，較佳的是所有相鄰的細(xì)金屬線的(D/P)值均在0.1至0.6的范圍內(nèi)。另外，在細(xì)金屬線20至25的高度(H)是不規(guī)則的例子中，較佳的是其寬度的平均值在本發(fā)明所提供的50至500nm的范圍內(nèi)。在高度(H)是不規(guī)則的例子中，較佳的是其所有的值均在50至500nm中。
上述的結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的本發(fā)明的偏振光分離器件，具有高偏振光分離能力。偏振光分離能力的定義如下式(1)P=Tp-TcTp+Tc---(1)]]>在式(1)中，Tp和Tc分別表示各種波長(zhǎng)λ的穿透方向Tp(λ)以及反射方向Tc(λ)的穿透率的光度因子校正值，其定義分別如下式(2)和(3)。
Tp(λ)＝[kp(λ)×kp(λ)+kc(λ)×kc(λ)]/2(2)Tc(λ)＝kp(λ)×kc(λ) (3)其中kp(λ)是與細(xì)金屬線正交的線性偏振光的穿透率(在入射光主要穿透的方向)；kc(λ)是與細(xì)金屬線平行的線性偏振光的穿透率(在入射光主要反射的方向)。由kp(λ)和kc(λ)計(jì)算而得的Tp(λ)和Tc(λ)，可由下式(4)校正光度因子來計(jì)算Tp和Tc。
T=∫400700S(λ)y(λ)T(λ)dλK---(4)]]>在式(4)中，S(λ)表示C光源的強(qiáng)度分布(依照J(rèn)IS Z 8701)；y(λ)表示光度校正因子(依照J(rèn)IS Z 8701)；T(λ)是Tp(λ)或Tc(λ)；k是以下式(5)計(jì)算而得的定值。
K=∫400700S(λ)y(λ)T(λ)dλ---(5)]]>實(shí)例本發(fā)明的細(xì)金屬線柵型光偏振分離器件的實(shí)例將基于模擬的結(jié)果詳細(xì)說明如后。
首先，概述模擬概要。以時(shí)域有限差分方法(FDTD法)來計(jì)算金屬線柵型光偏振分離器件的特性，其中FDTD法是一種電磁波分析法。文獻(xiàn)中詳述此分析方法的例子包括以下文獻(xiàn)1。
文獻(xiàn)1CORONA出版有限公司發(fā)行，由TOHRU UNO所著的“以FDTD法分析電磁場(chǎng)和天線”(1998)。
參考此文獻(xiàn)中的資料即可進(jìn)行以下所述的模擬，當(dāng)然除此之外還有許多已知的文獻(xiàn)。初始文獻(xiàn)的實(shí)例包括以下文獻(xiàn)2。
文獻(xiàn)2K.S.Yee；IEEE Trans，Antennas Propagat 14，302(1996)。
在FDTD法中是以具有1/ε半波寬88nm的高斯脈沖平面波做為入射波。此脈沖具有一個(gè)大于可見光范圍的波長(zhǎng)分量。此脈沖可垂直通過金屬線柵型偏振光分離器件，以計(jì)算電磁場(chǎng)的時(shí)間變化。在上述的文獻(xiàn)1中有提供計(jì)算式和計(jì)算的方法。入射電磁場(chǎng)脈沖波被設(shè)成包括平行于細(xì)金屬線的偏振光以及垂直于細(xì)金屬線的偏振光，其之間的比值設(shè)定成1∶1。在時(shí)間t，通過金屬線柵后，在一位置的電磁場(chǎng)Ex(t)、Ey(t)、Ez(t)、Hx(t)、Hy(t)和Hz(t)可計(jì)算而得。Ex(t)表示電場(chǎng)向量在x軸方向的分量，為時(shí)間t的值。同樣地，Ey(t)和Ez(t)分別表示在時(shí)間t時(shí)電場(chǎng)向量在y軸和z軸方向的分量。而且，Hx(t)、Hy(t)和Hz(t)分別表示在時(shí)間t時(shí)磁場(chǎng)向量在x軸、y軸和z軸方向的分量。
其后，說明穿透的波長(zhǎng)頻譜的計(jì)算。FDTD法的結(jié)果是以電磁場(chǎng)的時(shí)間變化來表示，藉此，無法直接得到在各波長(zhǎng)穿透率的值。然后，對(duì)時(shí)間變化波形做傅里葉轉(zhuǎn)換(FFT)，藉以得到關(guān)于電場(chǎng)和磁場(chǎng)所通過的脈沖的頻率分量以及穿透金屬線的脈沖的頻譜。在做傅里葉轉(zhuǎn)換時(shí)是以矩形做為視窗函數(shù)(window function)，這是因?yàn)槿肷涞碾姶艌?chǎng)波的條件是脈沖波，而不是連續(xù)波。在真空下，光頻f和波長(zhǎng)λ與光速c之間滿足λ＝c/f的關(guān)系，因此，可得波長(zhǎng)頻譜。為得到各種偏振光的能量穿透率，以傅里葉轉(zhuǎn)換所得到的頻率振幅Ex(t)、Ey(t)、Ez(t)、Hx(t)、Hy(t)和Hz(t)來分別計(jì)算關(guān)于平行于細(xì)金屬線以及垂直于細(xì)金屬線的各偏振光在穿透方向上的坡印廷向量分量(Poynting vector component)。也就是，光行進(jìn)的方向沿為x軸，細(xì)金屬線的寬度方向?yàn)閥軸，細(xì)金屬線的縱向?yàn)閦軸，與細(xì)金屬線正交的偏振光的能量Sxy(f)以及與細(xì)金屬線平行的偏振光的能量Sxz(f)，可分別由Sxy(f)＝Ey(f)×Hz(f)以及Sxz(f)＝Ez(f)×Hy(f)來計(jì)算。在模擬時(shí)，以具有金屬線柵的例子和沒有金屬線柵的例子來計(jì)算。具有金屬線柵的例子和沒有金屬線柵的例子的計(jì)算結(jié)果分別以下標(biāo)1和下標(biāo)0表示如下。
kc(f)＝Sxz1(f)/Sxz0(f)kp(f)＝Sxy1(f)/Sxy0(f)以上述的λ＝c/f的關(guān)系式將計(jì)算而得的kc(f)和kp(f)轉(zhuǎn)換成kc(λ)和kp(λ)。
FDTD法中采用“Drude模型”，這是因?yàn)橛?jì)算時(shí)必須考慮金屬的物理特性。此模型說明金屬的光學(xué)特性，并且具有自由電子的慣性以及自由路徑值等各種參數(shù)。此后是使用鋁的參數(shù)，但本發(fā)明的范圍及模擬的應(yīng)用范圍并不限于鋁。模擬所使用的Drude模式參數(shù)可由以下文獻(xiàn)3的鋁的復(fù)電容率(complex permittivity)所述的合適值來決定。
文獻(xiàn)3Hagemann，H.J.，Gudat，W.，Kunz，C.；DESY SR-74/7，Hamburg(1974)。
然而，關(guān)于鋁，在可見光范圍的短波長(zhǎng)處，帶和帶之間的轉(zhuǎn)移會(huì)有所影響。帶和帶的轉(zhuǎn)移是一種電子被原子核束縛的現(xiàn)象，且其是假設(shè)轉(zhuǎn)移幾乎不影響金屬線柵的偏振光分離作用，其中自由電子是主要的影響?！癉rude模型”的參數(shù)是由紅外線區(qū)的復(fù)電容率來決定的，以FDTD法來計(jì)算時(shí)，紅外線區(qū)的束縛電子影響較小且鋁之中的自由電子的行為有比較大的影響。計(jì)算時(shí)所使用的參數(shù)如下(FDTD計(jì)算參數(shù))邊界條件較佳的完全匹配層(perfectly Matched Layer，PML)吸收的邊界條件8層三次(8 layer tertiary)，反射系數(shù)為1×10-10周期的邊界條件單元尺寸dx＝5nm；時(shí)間步dt＝9×10-18秒(Drude參數(shù))Drude式可以下式(6)來表示，其中等離子角頻ωp設(shè)在1.88×1016秒-1且碰撞頻率νc設(shè)在1.13×1014秒-1。
ϵ(ω)=1-ωp2ω(ω+ivc)---(6)]]>其中，ε是復(fù)電容率，為光角頻ω的函數(shù)；光角頻ω與光頻f的關(guān)系是ω＝2pf。i是虛數(shù)。以片段線性遞回回旋積法(Piecewise-LinearRecursive Convolution Method，PLRC Method)計(jì)算Drude模型。在此說明FDTD法的計(jì)算參數(shù)的意義；而PML法和PLRC法的詳細(xì)說明如上述文獻(xiàn)1所述。
以上所述的模擬概念如圖7的立體圖所示。在此例中，構(gòu)成偏振光分離器件的細(xì)金屬線20是嵌在基板中，其截面呈矩形且具有無限長(zhǎng)度(infinite length)。偏振光分離器件的厚度方向(細(xì)金屬線20的矩形截面的高度方向)為x軸，細(xì)金屬線20的周期陣列方向(細(xì)金屬線20的矩形截面的寬度方向)為y軸，以及細(xì)金屬線20的縱向?yàn)閦軸。另外，細(xì)金屬線20被視為在y軸方向上無限周期排列。
FDTD計(jì)算區(qū)域30包括細(xì)金屬線20的區(qū)域，且其長(zhǎng)邊設(shè)在x軸的方向上(在圖7中，被粗線環(huán)繞的矩形平行六面體在橫方向上較長(zhǎng))。以FDTD計(jì)算區(qū)域30時(shí)，垂直于x軸方向的平面33(圖7的矩形的平行六面體中，在右手側(cè)具有右下斜線的平面)做為PML吸收邊界條件的作用面。垂直于y軸方向的平面34(圖7的矩形的平行六面體中，在右邊側(cè)具有右下斜線以及右上斜線的平面)以及垂直于z軸方向的平面35(圖7的矩形的平行六面體中，在右邊側(cè)具有右上斜線的平面)做為周期邊界條件的作用面。此FDTD計(jì)算區(qū)域30的x軸方向被視為光線38的行進(jìn)方向，且此FDTD計(jì)算區(qū)域30被分割成多個(gè)單元40，單元40是由立方體構(gòu)成，且高度在z軸方向做為立方體的一邊。
圖8繪示模擬的單元模型。在圖8中，是以一個(gè)正方形40來表示一個(gè)單元，黑點(diǎn)41來表示其重心座標(biāo)。細(xì)金屬線的截面呈圓形或橢圓形，細(xì)金屬線和基板之間的面邊界42為圓弧狀，如圖中的粗線所示。在圓弧的面邊界42之內(nèi)是細(xì)金屬線20；而圓弧的面邊界42之外是基板10。單元是以細(xì)金屬線20或是以基板10來做為介質(zhì)(medium)，是由重心座標(biāo)41是在細(xì)金屬線20的那一側(cè)還是在基板10的那一側(cè)來決定的。在圖8中，進(jìn)行模擬的條件是將具有斜線的單元視為細(xì)金屬線20的介質(zhì)；而將沒有斜線的白色單元視為基板10的介質(zhì)。
其后，詳述模型的計(jì)算。關(guān)于FDTD，將待計(jì)算的結(jié)構(gòu)的光學(xué)常數(shù)設(shè)給所要進(jìn)行計(jì)算的單元中。例如，在進(jìn)行半徑為r的柱狀金屬線陣列模擬的例子中，將金屬的光學(xué)常數(shù)設(shè)給金屬線柵之內(nèi)的立方體單元，并將聚合樹脂的光學(xué)常數(shù)(電容率)設(shè)給其他的單元。因此，模擬時(shí)所采用的細(xì)金屬線的形狀例如其截面為柱狀、方桿狀、三角桿或梯形。
FDTD法所準(zhǔn)備的計(jì)算區(qū)域是一個(gè)陣列，其在光行進(jìn)的x軸方向上具有大約1600個(gè)單元(cell)，在細(xì)金屬線呈周期性排列的y軸方向上大約有50個(gè)單元(依據(jù)細(xì)金屬線的間距)，其中，且在細(xì)金屬線延伸的z軸方向上為1個(gè)單元。在計(jì)算時(shí)，是將PML吸收邊界條件應(yīng)用到垂直于x軸方向的面邊界的計(jì)算區(qū)域上，并將周期邊界條件應(yīng)用于垂直于y軸的面邊界34上以及垂直于z軸的面邊界35上。也就是，所進(jìn)行的模擬是細(xì)金屬線20是在y軸方向上無限排列，并且是在z軸方向上無限延伸。
例1細(xì)金屬線是以鋁來形成的，且其截面的形狀大致呈矩形，其寬為78nm，高為150nm。并且，這一些細(xì)金屬線的整個(gè)表面覆蓋著20nm厚的氧化鋁膜。此外，這一些細(xì)金屬線是嵌在反射率大約為1.5的聚合膜的一個(gè)表面之中，其間距為150nm，且細(xì)金屬線的截面的高度方向是聚合膜的厚度方向，且細(xì)金屬線是彼此平行排列成一列。細(xì)金屬線的寬度與間距之間的比值(D/P)為78/150＝0.52。此偏振光分離器件的截面的形狀與圖2所示大致相同。此偏振光分離器件的偏振光分離能力大約是89％。
例2細(xì)金屬線是以鋁來形成的，且其截面的形狀大致呈梯形(楔形)，其長(zhǎng)邊的長(zhǎng)度是50nm，短邊的長(zhǎng)度是30nm，高為150nm。此外，這一些細(xì)金屬線是嵌在反射率大約為1.5的聚合膜的一個(gè)表面之中，其間距為150nm，且細(xì)金屬線的截面的梯形的高度方向是聚合膜的厚度方向，且細(xì)金屬線是彼此平行排列成一列。細(xì)金屬線的寬度與梯形的高度方向的中間處的細(xì)金屬線的間距之間的比值(D/P)為40/150＝0.26。此偏振光分離器件的截面的形狀與圖3所示大致相同。此偏振光分離器件的偏振光分離能力大約是89％。
例3細(xì)金屬線是以鋁來形成的，且其截面的形狀大致呈等腰三角形，其底為80nm，高為150nm。此外，這一些細(xì)金屬線是嵌在反射率大約為1.5的聚合膜的一個(gè)表面之中，其間距為150nm，且細(xì)金屬線的截面的等腰三角形高度方向是聚合膜的厚度方向，且細(xì)金屬線是彼此平行排列成一列。細(xì)金屬線的寬度與三角形高度方向的中間處的細(xì)金屬線的間距之間的比值(D/P)為40/150＝0.26。此偏振光分離器件的截面的形狀與圖4所示大致相同。此偏振光分離器件的偏振光分離能力大約是89％。
例4細(xì)金屬線是以鋁來形成的，且其截面的形狀大致呈等腰三角形，其底的長(zhǎng)度是80nm，高為150nm。此外，這一些細(xì)金屬線是嵌在反射率大約為1.3的聚合膜的一個(gè)表面之中，其間距為150nm，且細(xì)金屬線的截面的等邊三角形高度方向是聚合膜的厚度方向，且細(xì)金屬線是彼此平行排列成一列。細(xì)金屬線的寬度與三角形高度方向的中間處的細(xì)金屬線的間距之間的比值(D/P)為40/150＝0.26。此偏振光分離器件的截面的形狀與圖4所示大致相同。此偏振光分離器件的偏振光分離能力大約是94％。
本發(fā)明的偏振光分離器件可做為一個(gè)增亮膜，以有效地利用在特定向振動(dòng)的線性偏振光所穿透的光以及反射在其正交方向振動(dòng)的線性偏振光，此反射光是把來自液晶顯示器中的光源中的自然光反射回背光模組側(cè)，做為反射之用。偏振光分離器件亦可替代偏振分光片(PBS)，可以應(yīng)用于投影顯示器并且可以用來取出汽車頭燈的線性偏振光。其任何一種偏振光分離器件都可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定有效捕捉各種強(qiáng)光源所發(fā)出的中性光中在單一方向振動(dòng)的偏振光。此偏振光分離器件具有穩(wěn)定的金屬線柵結(jié)構(gòu)，并且具有絕佳的耐久性。具備此偏振光分離器件的大面積產(chǎn)品可以輕易地制造，因此，此器件對(duì)于大面積的顯示器特別有用。
雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟習(xí)此技藝者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動(dòng)與潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視后附的申請(qǐng)專利范圍所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種偏振光分離器件，其特征在于其包括多個(gè)細(xì)金屬線，其彼此平行排列嵌在一平面基板中，其中各該細(xì)金屬線的間距(P)為100nm至300nm；各該細(xì)金屬線的寬度(D)和間距(P)之間的比例(D/P)為0.1至0.6；以及各該金屬線垂直于縱向的截面的高度為50nm至500nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振光分離器件，其特征在于其中所述的細(xì)金屬線的一表面被一金屬氧化膜覆蓋。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的偏振光分離器件，其特征在于其中所述的平面基板為一聚合樹脂膜。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高效能偏振光分離器件，其具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)以及絕佳的耐久性，并且易于大面積制造。此偏振光分離器件包括多個(gè)細(xì)金屬線(21)，其彼此平行排列嵌在一平面基板(10)中，其中細(xì)金屬線(21)和(21)的間距(P)為100至300nm，各細(xì)金屬線(21)的寬度(D)和間距(P)之間的比例(D/P)為0.1至0.6，且各金屬線(21)垂直于縱向的截面的高度(H)為50至500nm。金屬導(dǎo)線(21)的表面上可覆蓋著金屬氧化膜。較佳的平面基板(10)為一聚合樹脂膜。
文檔編號(hào)G02B27/28GK1737618SQ20051009052
公開日2006年2月22日 申請(qǐng)日期2005年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月20日
發(fā)明者林成年, 藤井貴志 申請(qǐng)人:住友化學(xué)株式會(huì)社