專(zhuān)利名稱(chēng)：具有偏振分離的微結(jié)構(gòu)的反射性偏振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)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(lái)說(shuō)，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(gòu)，這種微結(jié)構(gòu)具有取決于偏振的薄膜光學(xué) 涂層。本發(fā)明特別適合用來(lái)增大LCD背光源的亮度和效率。
背景技術(shù)：
反射性偏振器被廣泛應(yīng)用于液晶顯示器(LCD)的背光源中，用來(lái)提高圖 像亮度和光利用效率。反射性偏振器經(jīng)常作為預(yù)偏振器，用來(lái)回收可能會(huì) 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(xiāo)售。人們已經(jīng)提出了將具有以下結(jié)構(gòu)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(xué)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(yīng)用。
圖l是美國(guó)專(zhuān)利第5,422,756號(hào)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(gòu) 16組成的微結(jié)構(gòu)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(xué)涂層18被安置在微結(jié)構(gòu)化表面14上。所述光學(xué)涂層18設(shè) 計(jì)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(gòu)化表面20與光 學(xué)涂層18光學(xué)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(quán)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(guó)專(zhuān)利第2,748,659號(hào)中首先提出了這類(lèi)棱形反射性偏振器。以下文獻(xiàn)中揭 示了對(duì)該方法的改進(jìn)，主要是用于LCD背光源中的應(yīng)用Ogura，美國(guó)專(zhuān)
4利第5,061,050號(hào)，1991年10月29日出版，"偏振器(POLARIZER)"; Weber， 美國(guó)專(zhuān)利第5,422,756號(hào)，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(guó)專(zhuān)利第5,559,634號(hào)，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(gòu)16的第一側(cè)壁17a上的光線經(jīng)光學(xué)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(kāi)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(gòu)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(lái)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(gòu)16的 頂角24應(yīng)為80-100度，優(yōu)選為90度。因此，相對(duì)于光入射介質(zhì)12的光 入射面21，傾斜角應(yīng)約為45度。
所述光學(xué)涂層18包含四分之一波長(zhǎng)(相對(duì)于材料內(nèi)光的波長(zhǎng))厚度的高 折射率層和低折射率層的疊層。如Weber在第'634號(hào)專(zhuān)利中所述，對(duì)于LCD 背光源中可見(jiàn)光的應(yīng)用，需要對(duì)整個(gè)可見(jiàn)光譜進(jìn)行光回收，此時(shí)光學(xué)涂層 18包括大量子疊層。每個(gè)子疊層設(shè)計(jì)成可見(jiàn)光譜不同部分的四分之一波長(zhǎng) 層。第'634號(hào)專(zhuān)利中揭示的涉及總共包括28個(gè)層，用來(lái)包括全部的可見(jiàn)光 譜。這樣的高層數(shù)對(duì)于大面積低成本地進(jìn)行生產(chǎn)是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。另外， 如第'634號(hào)專(zhuān)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(xué)涂層18上的。 本領(lǐng)域眾所周知，當(dāng)入射角為45度的時(shí)候，要比略大的角更難設(shè)計(jì)偏振光 學(xué)膜疊層，而且具有更窄的性能范圍。
現(xiàn)有技術(shù)的棱形反射性偏振器具有兩個(gè)顯著的難題l)嚴(yán)重的角度和 波長(zhǎng)敏感性，限制了適當(dāng)?shù)膽?yīng)用范圍，2)大量交替的高折射率層和低折射率 層，導(dǎo)致了高生產(chǎn)成本。通過(guò)增加層數(shù)可以降低波長(zhǎng)敏感性，但是這會(huì)進(jìn)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(zhǎng)進(jìn)行工作，而且能夠以合理的成本進(jìn)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(gòu)的微結(jié)構(gòu)化 表面，每個(gè)棱形結(jié)構(gòu)的第一側(cè)壁和第二側(cè)壁相對(duì)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(gòu)上的偏振選擇性薄膜光學(xué)涂層，其用來(lái)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(xué)涂層上的光出射介質(zhì)，其用來(lái)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(duì)于入射角和波長(zhǎng)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(guó)專(zhuān)利第5,422,756號(hào)所述的現(xiàn)有技術(shù)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(shè)計(jì)。 圖5a至5c顯示了圖4的偏振器對(duì)于三種不同波長(zhǎng)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(jiǎn)單的三層設(shè)計(jì)。
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(shè)計(jì)。
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(rùn)的偏振器。 圖14顯示具有三個(gè)微結(jié)構(gòu)化表面的反射性偏振器的實(shí)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(xué)涂層上具有三次反射的本發(fā)明的 一個(gè)實(shí)施方式。
圖19a顯示了本發(fā)明偏振器的七層涂層設(shè)計(jì)，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(yīng)的40度入射角范圍內(nèi)取 平均得到的透射曲線。
具體實(shí)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(shè)備的一部份的元件，或者涉
及與根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備更直接地協(xié)作的元件。應(yīng)當(dāng)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(lǐng)域技術(shù)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(shè)計(jì)成同時(shí)在整個(gè) 可見(jiàn)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(gòu)化表面44，所述微結(jié)構(gòu)化表面44包括一 系列棱形結(jié)構(gòu)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(xué)涂層48被安置在微結(jié)構(gòu)化表面44上。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中， 所述光學(xué)涂層48被設(shè)計(jì)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(gòu)的表面50與光學(xué)涂層48光學(xué)地相連，并且提供平坦的光出射面52。 如本領(lǐng)域眾所周知，對(duì)于p偏振光，電場(chǎng)平行于包括入射光線和表面法線 的入射面，而對(duì)于s偏振光，電場(chǎng)垂直于入射面。
入射到棱形結(jié)構(gòu)46的第一側(cè)壁47a上的光線經(jīng)光學(xué)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(guò)光出射介 質(zhì)53從而離開(kāi)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(guò)棱形結(jié)構(gòu)46的第二側(cè)壁47b上的光學(xué)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(gòu)化表面44，通過(guò)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(lái)源處。對(duì)于這樣設(shè)計(jì)運(yùn)作的棱形反射性偏振器40，側(cè)壁的傾斜角56 應(yīng)大于53度。如下文所述，優(yōu)選的傾斜角56是55-70度。對(duì)于圖2中所 述種類(lèi)的對(duì)稱(chēng)型微結(jié)構(gòu)化表面44，該傾斜角范圍對(duì)應(yīng)于40-70度的頂角。 更優(yōu)選的是，傾斜角56應(yīng)為60-70度，相對(duì)應(yīng)的頂角為40-60度。
所述棱形結(jié)構(gòu)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(gè)棱形反射性偏 振器40，所述棱形結(jié)構(gòu)可以是連續(xù)的或非連續(xù)的。對(duì)于非對(duì)稱(chēng)性微結(jié)構(gòu)化 表面44,其中第一和第二側(cè)壁47a和47b相對(duì)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(gè)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(shuō)明其基本功能。 對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，很明顯，在實(shí)際中存在大量的光路。例如，根 據(jù)光學(xué)涂層48的設(shè)計(jì)， 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(guò)電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)、濺射、化學(xué)氣相沉積(CVD)或本領(lǐng)域技術(shù)人員眾 所周知的其它沉積方法將薄膜光學(xué)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?，其可以由玻璃或者其它具有足夠透明度的材 料制成(例如對(duì)于紅外波長(zhǎng)使用硅)。所述包括薄膜光學(xué)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(duì)于高折射率層，這些材料包 括Ti02和ZnS，對(duì)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(guò)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(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)第 2005/0275122號(hào)，"用于模塑輥的平坦順應(yīng)帶(SMOOTH COMPLIANT BELT FOR USE WITH MOLDING ROLLER)"以及Bourdelais等人在美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng) 第2005/0275132號(hào)，"用于模塑輥的順應(yīng)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(guò)包括本領(lǐng)域技術(shù)人員眾所周知的紫 外固化技術(shù)的方法制造，例如Lu在1993年2月2日公開(kāi)的美國(guó)專(zhuān)利第 US51S3597號(hào)，"具有微結(jié)構(gòu)的復(fù)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(lèi)樹(shù)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(lèi)的可紫 外固化的或可熱固化的樹(shù)脂來(lái)涂覆所述真空沉積層。例如，在此實(shí)施方式 中，可以使用環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯或聚硅烷作為外涂層。外涂層還可以通過(guò) 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(guò)干燥除去溶劑?？梢酝ㄟ^(guò)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(lèi)熱塑性聚合物。為 了確保微結(jié)構(gòu)表面特征不會(huì)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(shù)脂頂部之上。應(yīng)當(dāng)注意根據(jù)設(shè)計(jì)， 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(guò)各種方法來(lái)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(jìn)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(jìn)行液體涂覆。所述 涂料制劑可以是水基的或基于有機(jī)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(dòng)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(shí)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(lái)制備本發(fā)明的平滑化層，可以使用兩大類(lèi)固化化學(xué)法(自由基化 學(xué)法和陽(yáng)離子性化學(xué)法)固化。丙烯酸酯單體(反應(yīng)性稀釋劑)和低聚物(反應(yīng) 性樹(shù)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(jìn)攻丙烯酸 酯基C二C雙鍵，引發(fā)聚合反應(yīng)。陽(yáng)離子性化學(xué)法使用脂環(huán)環(huán)氧樹(shù)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(jìn)攻環(huán)氧環(huán)，引發(fā)聚合反應(yīng)。UV固化表示紫外固化，包括使用波長(zhǎng)為
280-420納米的紫外輻射，優(yōu)選波長(zhǎng)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(shù)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(shù)語(yǔ)"(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(tuán)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(shù)脂的丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯低聚物低分子量聚酯樹(shù) 脂，聚醚樹(shù)脂，環(huán)氧樹(shù)脂，聚氨酯樹(shù)脂，醇酸樹(shù)脂，螺縮醛樹(shù)脂，環(huán)氧丙烯 酸酯，聚丁二烯樹(shù)脂，以及聚硫醇-多烯樹(shù)脂等以及它們的混合物，以及包 含較大量的反應(yīng)性稀釋劑的可離子輻射固化的樹(shù)脂?？捎糜诒景l(fā)明的反應(yīng) 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(yīng)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(guò)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(yīng)，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(yīng)。該丙烯?；磻?yīng)為低聚物的端部提供了不飽和基團(tuán)。所述氨基甲酸酯丙烯酸酯的脂族或芳族性質(zhì)通過(guò)二異氰酸酯的選擇來(lái)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(guò)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(duì)于決定最終低聚物的性能具有關(guān)鍵的作用。多元醇通常為酯、醚或者這兩類(lèi)的組合。所述低聚物骨架由兩個(gè)或更多個(gè)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(yīng)的反應(yīng)性位點(diǎn)。通過(guò)對(duì)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(jìn)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(gè)反應(yīng)性位點(diǎn)。因?yàn)榉磻?yīng)性位點(diǎn)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(shù)脂還包括源自多元醇的多官能丙烯酸類(lèi)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?lái)實(shí)施本發(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(gòu)自薩托默公司(SartomerCompany)(美國(guó)賓夕法尼亞州，艾克斯頓(Exton, PA))的低聚物。便于用來(lái)實(shí)施本發(fā)明的樹(shù)脂的例子是購(gòu)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(lèi)聚合物、聚氨酯類(lèi)聚合物、聚氨酯-丙烯酸類(lèi)雜合物、苯乙烯聚合物、烯烴等。特別優(yōu)選丙烯酸類(lèi)聚合物、聚氨酯或聚氨酯-丙烯酸類(lèi)聚合物的水分散體。所述涂料可以通過(guò)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(duì)層進(jìn)行涂覆、干燥和固化之后不會(huì)產(chǎn)生高應(yīng)力的制劑。因此，需要
11使用在干燥和固化過(guò)程中發(fā)生有限的收縮、同時(shí)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(shí)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(jìn)的角度和波長(zhǎng)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(xué)涂層48上的光線以入射角為中心，該入射角是相對(duì)于表面法線的夾角，等于傾斜角56。因?yàn)榈扔诨虼笥?3度的傾斜角56是較大的，所以與針對(duì)45度設(shè)計(jì)的情況相比，光學(xué)涂層48可以被設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)成在很寬范圍的入射角和波長(zhǎng)下運(yùn)作。
圖4顯示了一種五層涂層設(shè)計(jì)，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(lèi)樹(shù)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(zhǎng)范圍內(nèi)操作，層厚度的選擇不限于四分之-一波長(zhǎng)的倍數(shù)。圖5a至5c顯示了在450 nm (藍(lán)色)，550 nm (綠色)和625nm (紅色)的波長(zhǎng)處，s偏振和p偏振的模型(modeled)透射率與相對(duì)于光入射介質(zhì)中表面法線的入射角的曲線。因?yàn)門(mén)i02和Si02的吸收性都極小，該設(shè)計(jì)的反射率數(shù)值可以簡(jiǎn)單地通過(guò)用100減去透射率得到。這種涂層設(shè)計(jì)當(dāng)用于傾斜角56為60-70度的微結(jié)構(gòu)化表面44上的時(shí)候可以很好地運(yùn)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(dāng)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(jiàn)光譜上，透射超過(guò)90X的p偏振，反射超過(guò)80X的s偏振。
為了使得涂覆過(guò)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(jiǎn)單的三層設(shè)計(jì)，又使用了 Ti02和Si02，其具有兩層很薄的Ti02層。因?yàn)門(mén)i02的涂覆速率通常遠(yuǎn)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(gòu)化表面44上時(shí)，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(gè)或多個(gè)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(shè)計(jì)，將MgF2加載兩層非常薄的8納米的銀層之間。相應(yīng)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(guò)使用極薄的銀代替高折射率電介質(zhì)，例如Ti02和ZnS,因?yàn)閷?duì)厚度要求較低，同時(shí)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(shè)計(jì)不同的是，所述金屬層具有一定百分比的吸收損失，當(dāng)用于LCD背光源的時(shí)候會(huì)降低總體光回收能力。
通過(guò)增加層的數(shù)量，可以顯著減少s偏振光的透射，同時(shí)在很寬的角度和波長(zhǎng)范圍內(nèi)保持良好的性能。下表中給出的薄膜設(shè)計(jì)提供了極低的s偏振光的透射率(以及高反射率)。相應(yīng)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(lǐng)域技術(shù)人員眾所周知，薄膜疊層的設(shè)計(jì)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(gòu)上進(jìn)行真空沉積可以通過(guò)遮蔽作用在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生薄膜厚度變化，厚度變化取決于結(jié)構(gòu)的幾何特征、真空涂覆器幾何特征和涂覆工藝本身。對(duì)于本發(fā)明的棱形反射性偏振器，在沉積薄膜光學(xué)涂層過(guò)程中的這種結(jié)構(gòu)遮蔽可能會(huì)造成結(jié)構(gòu)峰附近的層厚度大于谷附近的結(jié)構(gòu)厚度，在谷和峰之間的單調(diào)厚度增大。因?yàn)楸∧す鈱W(xué)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(lǐng)域技術(shù)人員眾所周知，可以通過(guò)法線入射涂覆機(jī)幾何結(jié)構(gòu)和/或保角涂覆工藝(例如濺射)來(lái)減少厚度變化?；蛘?，所述薄膜涂層設(shè)計(jì)可以設(shè)計(jì)成對(duì)厚度變化具有容忍能力。這樣的能夠容忍厚度變化的設(shè)
計(jì)的一個(gè)例子見(jiàn)圖19a、 19b、 20a和20b。
圖19a顯示了一種七層涂層設(shè)計(jì)，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(lèi)樹(shù)脂(n-1.49)和光出射介質(zhì)，其也是丙烯酸類(lèi)樹(shù)脂(PMMA， n= 1.49)。圖20a顯示了當(dāng)該涂層施用于具有55度傾斜角56的微結(jié)構(gòu)化表面44時(shí)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(guò)程中出現(xiàn)嚴(yán)重的厚度不均的一個(gè)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(yīng)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(shè)計(jì)對(duì)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(xué)薄膜設(shè)計(jì)對(duì)厚度的變化的容忍性?xún)?yōu)于其他的設(shè)計(jì)。
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(gòu)內(nèi)或安裝在光波導(dǎo)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(guān)聯(lián)的熱斑點(diǎn)，并且為反射回來(lái)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(gòu)自3M公司的BEF，或者亮度提高微透鏡陣列。通過(guò)采用這種結(jié)構(gòu)，從棱形反射性偏振器出射的光主要是單一(線性)偏振的。
當(dāng)所述棱形反射性偏振器用于某些背光源結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)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(shí)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(shè)計(jì)而得到緩解在這種設(shè)計(jì)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(lǐng)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(xué))接觸和"浸潤(rùn)"。因?yàn)閮?nèi)全反射(TIR)發(fā)生在平滑的光出射表面52，優(yōu)選地當(dāng)使用棱形反射性偏振器40的時(shí)候避免有任何浸潤(rùn)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(rùn)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(yīng)小于10%,以免顯著改變光學(xué)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(yīng)當(dāng)理解，所述平滑的光出射表面52應(yīng)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(shí)施方式中，平滑的光出射表面的一部份區(qū)域應(yīng)當(dāng)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(duì)齊。因?yàn)槿肷淦褫S隨著LCD面板種類(lèi)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(lèi)。
圖14中顯示了具有多個(gè)微結(jié)構(gòu)化的表面92、 94和96的棱形反射性偏振器90的一個(gè)實(shí)施方式。該方法可被用于優(yōu)化性能，例如，通過(guò)具有用于每種顏色(RGB)的獨(dú)立的薄膜光學(xué)涂層和微結(jié)構(gòu)化表面而實(shí)現(xiàn)這種優(yōu)化。
可以對(duì)所述棱形反射性偏振器的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，以限制一些可能導(dǎo)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(guò)光入射表面垂直返回的S偏振光可以通過(guò)以下方式而穿過(guò)光出射表面l)直接透射穿過(guò)所述薄膜光學(xué)涂層；或者2)被微結(jié)構(gòu)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(guān)于圖4、圖7和表1所述，可以通過(guò)增加交替的高折射率層
和低折射率層的數(shù)量以及對(duì)這些層的厚度進(jìn)行最優(yōu)化，減少透射過(guò)光學(xué)涂
層的s偏振光。當(dāng)被棱形結(jié)構(gòu)上的薄膜光學(xué)涂層反射的s偏振光被阻斷且被相鄰的棱形結(jié)構(gòu)反射的時(shí)候，會(huì)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?jǐn)?shù)隨頂角的變化，通過(guò)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(yīng)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(lái)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(gè)實(shí)施方式中，所述偏振選擇性薄膜光學(xué)涂層108設(shè)計(jì)成用來(lái)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(shí)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(guò)微結(jié)構(gòu)化表面上的偏振選擇性薄膜光學(xué)涂層，通過(guò)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(xué)涂層上發(fā)生，或者一次或多次反射可以通過(guò)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(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述。但是，應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以在不背離本發(fā)明范圍的前提下進(jìn)行各種變化和改良。本說(shuō)明書(shū)中所描述的專(zhuān)利和其它公開(kāi)文獻(xiàn)的全部?jī)?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(gòu)化表面.X 16棱形結(jié)構(gòu)
17a第一側(cè)壁
17b第二側(cè)壁
18薄膜光學(xué)涂層
20反向結(jié)構(gòu)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(gòu)化表面
46棱形結(jié)構(gòu)
47a第一側(cè)壁
47b第二側(cè)壁
48薄膜光學(xué)涂層
50反向結(jié)構(gòu)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(gòu)化表面94微結(jié)構(gòu)化表面96微結(jié)構(gòu)化表面100棱形反射性偏振器108薄膜光學(xué)涂層
18
權(quán)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(gòu)的微結(jié)構(gòu)化表面，其中每個(gè)棱形結(jié)構(gòu)的第一側(cè)壁和第二側(cè)壁相對(duì)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(gòu)上的偏振選擇性薄膜光學(xué)涂層，其用來(lái)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(xué)涂層上的光出射介質(zhì)，其用來(lái)提供平滑的光出射表面。
2. 如權(quán)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(quán)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(quán)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(quán)利要求1所述的反射性偏振器的 背光源。
6. 如權(quán)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(shù)脂。
7. 如權(quán)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(shù)脂上 的平滑的片材。
8. 如權(quán)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(xué)涂層包括IO個(gè)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(gòu)化表面，所述微結(jié)構(gòu)化表面具有一系列棱形結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)棱形結(jié)構(gòu)的第一側(cè)壁和第二側(cè)壁相 對(duì)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(gòu)上沉積偏振選擇性薄膜光學(xué)涂層，其用來(lái)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(xué)涂層的頂部上施涂環(huán)氧樹(shù)脂；以及 (d)通過(guò)附著平坦的平滑片材，在環(huán)氧樹(shù)脂上形成第二平滑的表面。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，每個(gè)棱形結(jié)構(gòu)的第一側(cè) 壁和第二側(cè)壁相對(duì)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(gòu)化表面，所述微結(jié)構(gòu) 化表面具有一系列棱形結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)棱形結(jié)構(gòu)的第一側(cè)壁和第二側(cè)壁相 對(duì)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(gòu)上沉積偏振選擇性薄膜光學(xué)涂層，其用來(lái)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(xué)涂層的頂部上施涂環(huán)氧樹(shù)脂；以及(d) 在所述環(huán)氧樹(shù)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(gòu)(46)的微結(jié)構(gòu)化表面(44)，各個(gè)棱形結(jié)構(gòu)的第一和第二側(cè)壁(47a，47b)相對(duì)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(gòu)上的偏振選擇性薄膜光學(xué)涂層(48)，其用來(lái)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(xué)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(hào)G02F1/1335GK101495911SQ200780028531
公開(kāi)日2009年7月29日 申請(qǐng)日期2007年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月5日
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