專利名稱：基于二維金屬光子晶體的帶偏振功能的導(dǎo)光板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種液晶顯示技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種基于二維金屬光子晶
體的帶偏振功能的導(dǎo)光板。
背景技術(shù)：
薄膜晶體管-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(tǒng)的TFT-LCD面板的主要部分的結(jié)構(gòu)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后兩個(gè)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(tài)，從而控制從后偏振 片的出光量大小，達(dá)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(dǎo)光板、光學(xué)擴(kuò)散膜以及棱鏡增透膜。傳統(tǒng)的TFT-LCD面板 存在一些明顯的不足一是產(chǎn)生線偏振的傳統(tǒng)吸收型偏振片會(huì)導(dǎo)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(xué)擴(kuò)散膜以及棱鏡增透膜等多種器件，增加了 面板的厚度和成本。 經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，美國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)US007252424B2，記載了一種 "BACKLIGHT MODULE CAPABLE OF INTERCHANGING POLARIZED STATES OF LIGHT"(具有偏 振轉(zhuǎn)化功能的背光模塊)，其中背光結(jié)構(gòu)包括光學(xué)膜、亞微米光柵層、導(dǎo)光板、微結(jié)構(gòu)、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(fā)生改變。這樣一種結(jié)構(gòu)可以使光源中的非線偏 振光在導(dǎo)光板中得到反復(fù)循環(huán)利用，并最終以TM線偏振光出射，提高了光學(xué)效率，并減少 液晶面板中前偏片的使用，但是，該技術(shù)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，膜層結(jié)構(gòu)較多，而且， 一維亞微米光柵 只能在一個(gè)方向上進(jìn)行調(diào)控。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于二維金屬光子晶體的帶偏振 功能的導(dǎo)光板，直接在導(dǎo)光板上制作透射式和反射式金屬光柵，簡(jiǎn)化了背光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降 低了背光的厚度，并且二維透射式光柵能從兩個(gè)方向上進(jìn)行調(diào)節(jié)出光性能，增加了設(shè)計(jì)的 靈活性。 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括導(dǎo)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于導(dǎo)光板基體的出光面，金屬層和一維光柵分 別位于導(dǎo)光板基體上與出光面相對(duì)的底面，導(dǎo)光板基體的出光面和底面之間分別為入光面 和側(cè)面。 所述的金屬光子陣列的每個(gè)格點(diǎn)為一個(gè)透射型二維金屬光子晶體單元，且金屬光 子陣列覆蓋整個(gè)出光面。 所述的格點(diǎn)為圓形或多邊形結(jié)構(gòu)，格點(diǎn)的高度為2iim-200iim。 所述的格點(diǎn)優(yōu)選為矩形，格點(diǎn)垂直于入光面方向上的格點(diǎn)邊長(zhǎng)以貝塞爾函數(shù)遞增，在平行于入光面方向上的格點(diǎn)邊長(zhǎng)一致，這樣使得近光源處格點(diǎn)面積小，遠(yuǎn)光源處格點(diǎn) 面積大，達(dá)到出光均勻的效果。 所述的格點(diǎn)內(nèi)設(shè)有二維投射式金屬光子晶體，所有格點(diǎn)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(tài)的光從出光面
出射，該二維金屬光子晶體包括兩個(gè)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、銀或鋁制成，其高度為10-500nm。 所述的一維光柵為壓克力材料制成的反射型一維光柵，其外表面設(shè)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(dǎo)光板基體的側(cè)面設(shè)有反射率大于98%的反射層。 與現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是該偏振導(dǎo)光板不但能使光均勻出射，還能同時(shí) 具有偏振片功能，相比傳統(tǒng)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(shí)可以節(jié)省光學(xué)擴(kuò)散膜以及棱鏡增透膜，大大提高面板器件的集成度，減小面板的厚度和 成本。采用的二維光子晶體兩個(gè)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(dǎo)光板結(jié)構(gòu)不僅適用于側(cè)光式光源，對(duì)直下式光源也同樣適用。


圖1為實(shí)施例偏振導(dǎo)光板剖面示意圖。 圖2為實(shí)施例偏振導(dǎo)光板俯視示意圖。 圖3為實(shí)施例一個(gè)子單元的二維光子晶體示意圖。 圖4為實(shí)施例偏振導(dǎo)光板底面示意圖。 圖5為實(shí)施例偏振導(dǎo)光板原理示意。
具體實(shí)施例方式
下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。 如圖1和圖2所示，本實(shí)施例包括導(dǎo)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位于導(dǎo)光板基體1的出光面5，金屬層3和一維光柵4分別 位于導(dǎo)光板基體1上與出光面5相對(duì)的底面6，導(dǎo)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(cè)面8。 所述的金屬光子陣列2覆蓋整個(gè)出光面5，每個(gè)矩形的格點(diǎn)9為一個(gè)透射型二維金 屬光子晶體10。格點(diǎn)9大小在出光面5上的分布規(guī)律為在垂直于入光面7的方向上的格 點(diǎn)邊長(zhǎng)按貝塞爾函數(shù)分布遞增，在平行于入光面7的方向上的格點(diǎn)邊長(zhǎng)一致，保持不變。
所述的格點(diǎn)9為矩形結(jié)構(gòu)，格點(diǎn)9的高度為100 ii m。 如圖3所示，所述的格點(diǎn)9內(nèi)設(shè)有二維金屬光子晶體10，所有格點(diǎn)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(tài)的光從出光 面7出射，該二維金屬光子晶體包括兩個(gè)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只 允許特定偏振態(tài)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(shí)在導(dǎo)光板介質(zhì)和金屬的表面會(huì)激發(fā)表面等離子 體共振，表面等離子體共振對(duì)不同偏振態(tài)的光耦合能力不一樣，只對(duì)偏振態(tài)垂直于入射晶 格周期a方向的光具有耦合和出射能力，偏振態(tài)平行于入射晶格周期a方向的光將反射回 導(dǎo)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(zhì)為金。 所述的反射型一維光柵4位于導(dǎo)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(shí)又能改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)，使得反射回去的光的偏振態(tài)能旋轉(zhuǎn)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(huán)利用可提高光學(xué)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)，在其外表面涂覆了 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?yàn)樵诮饘俸蚉MMA之間激發(fā)的表面等離子體共振能改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)，在入射光 以45度方位角入射時(shí)偏振轉(zhuǎn)換效率最高。 所述的反射型一維光柵4周期為125nm，高度為5iim，表面涂覆的金屬的厚度為 100nm。 所述的導(dǎo)光板的側(cè)面8涂有高反射率的材料，其反射率大于98%。
該偏振導(dǎo)光板的工作原理如圖5所示。隨機(jī)偏振態(tài)的光源11發(fā)出的垂直于入射 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于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(tài)轉(zhuǎn)換為垂直于 入射平面，從而又能通過出光面5形成出射光，如此循環(huán)，提高光源的利用率。
權(quán)利要求
一種基于二維金屬光子晶體的帶偏振功能的導(dǎo)光板，其特征在于，包括導(dǎo)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于導(dǎo)光板基體的出光面，金屬層和一維光柵分別位于導(dǎo)光板基體上與出光面相對(duì)的底面，導(dǎo)光板基體的出光面和底面之間分別為入光面和側(cè)面，其特征在于，所述的金屬光子陣列的每個(gè)格點(diǎn)為一個(gè)透射型二維金屬光子晶體單元，且金屬光子陣列覆蓋整個(gè)出光面。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二維金屬光子晶體的帶偏振功能的導(dǎo)光板，其特征是，所述的格點(diǎn)為圓形或多邊形結(jié)構(gòu)，格點(diǎn)的高度為2 m-200 m。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于二維金屬光子晶體的帶偏振功能的導(dǎo)光板，其特征 是，所述的格點(diǎn)為矩形，格點(diǎn)垂直于入光面方向上的格點(diǎn)邊長(zhǎng)以貝塞爾函數(shù)遞增，在平行于 入光面方向上的格點(diǎn)邊長(zhǎng)一致。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二維金屬光子晶體的帶偏振功能的導(dǎo)光板，其特征是， 所述的格點(diǎn)內(nèi)設(shè)有二維投射式金屬光子晶體，所有格點(diǎn)的二維金屬光子晶體在晶格取向上 相互平行。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二維金屬光子晶體的帶偏振功能的導(dǎo)光板，其特征是， 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(gè)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(jù)權(quán)利要求1或4或5所述的基于二維金屬光子晶體的帶偏振功能的導(dǎo)光板，其 特征是，所述的二維金屬光子晶體，其高度為10-500nm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或4或5所述的基于二維金屬光子晶體的帶偏振功能的導(dǎo)光板，其 特征是，所述的二維金屬光子晶體為金、銀或鋁制成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二維金屬光子晶體的帶偏振功能的導(dǎo)光板，其特征是， 所述的一維光柵為壓克力材料制成的反射型一維光柵，其外表面設(shè)有50nm-200nm金屬層。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的基于二維金屬光子晶體的帶偏振功能的導(dǎo)光板，其特征 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(jù)權(quán)利要求1所述的基于二維金屬光子晶體的帶偏振功能的導(dǎo)光板，其特征是， 所述的導(dǎo)光板基體的側(cè)面設(shè)有反射率大于98%的反射層。
全文摘要
一種液晶顯示技術(shù)領(lǐng)域的基于二維金屬光子晶體的帶偏振功能的導(dǎo)光板，包括導(dǎo)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于導(dǎo)光板基體的出光面，金屬層和一維光柵分別位于導(dǎo)光板基體上與出光面相對(duì)的底面，導(dǎo)光板基體的出光面和底面之間分別為入光面和側(cè)面。本發(fā)明直接在導(dǎo)光板上制作透射式和反射式金屬光柵，簡(jiǎn)化了背光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低了背光的厚度，并且二維透射式光柵能從兩個(gè)方向上進(jìn)行調(diào)節(jié)出光性能，增加了設(shè)計(jì)的靈活性。
文檔編號(hào)F21V8/00GK101699152SQ20091030978
公開日2010年4月28日 申請(qǐng)日期2009年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月16日
發(fā)明者劉芳菲, 葉志成, 歐陽世宏, 蘇翼凱 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)