CN101699331A - 偏振增亮型光子晶体光学薄膜 - Google Patents

Abstract

一种液晶显示技术领域的偏振增亮型光子晶体光学薄膜，所述的光子晶体光学薄膜包括：一个出光面、一个底面和四个侧面，其中：出光面与底面相对设置，四个侧面依次连接且其上端与下端分别与底面和出光面相连，所述的出光面上设有透射型二维光子晶体单元阵列。本发明能够提高液晶显示器的光学效率和集成度，降低背光模组的厚度与成本，实现均匀的二维光子晶体薄膜出光。

Description

偏振增亮型光子晶体光学薄膜

技术领域

本发明涉及的是一种液晶显示技术领域的薄膜，具体是一种偏振增亮型光子晶体光学薄膜。

背景技术

薄膜晶体管-液晶显示(TFT-LCD)的原理是利用液晶来控制偏振光的通过与否来实现显示功能。传统的TFT-LCD面板的主要结构，通常由液晶面板，背光模组及光源组成。其中，液晶面板包括两个正交的偏振片p偏振片和s偏振片，玻璃基板，配向膜，液晶层，彩色滤光片。其原理是通过在ITO导电单元上施加电压，进而在液晶层上形成电场来控制液晶的取向，从而控制从p偏振片出射的出射光的偏振态，继而控制从s偏振片的出光量大小，形成控制光通量的光阀；然后通过彩色滤光片进行红、绿、蓝三色滤光以形成彩色像素，达到显示功能。由于液晶本身不具有发光特性，背光模组的作用是向液晶显示面板提供高亮度且分布均匀的面光源，由反射板，导光板，光学扩散膜以及棱镜增透膜或DBEF膜组成。

传统液晶显示有以下主要问题：一是前偏振片是吸收型的偏振片，当接近自然光的背光源出射光射到前偏振片时，有近1/2的光被吸收，光能利用率低；二是为了达到背光模组高亮度和高均匀度的要求，传统背光模组中要有扩散膜与增亮膜等，结构复杂、成本高。

经对现有技术的文献检索发现，3M公司发明了一种叫DBEF的增亮片，置于p偏振片和背光模组之间。与吸收型p偏振片不同的是，该增亮片是反射型，p偏振光能直接通过增亮片，同时原来被p偏振片吸收的s偏振光被增亮片反射回背光模组，经过背光源各层材料后，s偏振光被消偏振，又成为非偏振光重新射出背光模组，使光能被反复循环利用。使用该方法虽然能有效地提高光源的利用率，但需要增加器件尺寸和成本。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种偏振增亮型光子晶体光学薄膜，可实现偏振出光、高效率、高均匀度和具有反射式偏振滤波功能，基于透射型二维光子晶体单元实现的光学薄膜。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明所述的光子晶体光学薄膜包括一个出光面、一个底面和四个侧面，其中：出光面与底面相对设置，四个侧面依次连接且其上端与下端分别与底面和出光面相连，所述的出光面上设有透射型二维光子晶体单元阵列。

所述的透射型二维光子晶体单元阵列中的二维光子晶体单元以贝塞尔函数方式排布。

所述的二维光子晶体单元的特征尺寸为2μm-200μm，单元内的二维光子晶体的周期和晶格为非对称结构并且透射型二维光子晶体单元阵列中各个二维光子晶体的晶格相互平行且晶格形状为平行四边形，各个二维光子晶体单元衍射出光的偏振方向一致，即二维光子晶体单元中二维光子晶体晶格的取向一致。

所述的二维光子晶体单元的宽度为v，厚度为u，其中：(v/u)＞2。

所述的二维光子晶体单元的两个基矢方向的晶格周期分别为a与b，高度为h，通过调整两个基矢方向的晶格周期a与b的大小和比例控制衍射出光的衍射效率和偏振方向，通过调整两个基矢方向的占空比同样调整衍射出光的偏振比，其中：偏振比优选为(b/a)＞2；占空比为0.4-0.6。

与现有技术对比，本发明的优点是：通过对各个二维光子晶体单元高度及面积的选择，可以精确控制薄膜上各单元的出光效率，以实现更高的均匀度，由此可以实现扩散膜、增亮膜等结构的功能。通过调整点阵中二维光子晶体单元的两个基矢方向的周期和占空比可以实现对于出光偏振态的控制，当所有单元衍射出光的偏振方向一致的时候，可以实现液晶面板中底层偏振片及DBEF的功能；如果在导光板底部设置了偏振转换的结构可以使导光板的光能利用率提高近一倍。另外二维光子晶体的集成度高，可以有效减少液晶显示器的厚度与成本；同时二维光子晶体的制备简单，对于不同形状和分布的二维光子晶体单元阵列只需制作相应的压印模版通过卷对卷压印就可以大规模生产。

附图说明

图1为本发明剖面示意图。

图2为本发明俯视图。

图3为实施例1局部放大示意图。

图4为实施例1俯视图。

图5为实施例1立体图。

图6为实施例1出光均匀度控制示意图。

图7为实施例2局部放大示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例所述的光子晶体光学薄膜包括一个出光面1、一个底面2和四个侧面3，其中：出光面1与底面2相对设置，四个侧面3依次连接且其上端与下端分别与底面2和出光面1相连；所述的光子晶体光学薄膜是大小为30mm×40mm厚度一致的薄膜，材料为透明的压克力制成。

如图2所示，所述的出光面1上设有透射型二维光子晶体单元阵列4。所述的透射型二维光子晶体单元阵列4中的二维光子晶体单元5以贝塞尔函数方式排布。

如图3所示，所述的二维光子晶体单元5的特征尺寸为100μm，二维光子晶体单元的周期和晶格为非对称结构并且透射型二维光子晶体单元阵列中各个二维光子晶体的晶格相互平行且晶格形状为矩形，各单元之间的间隔为10μm。

如图4所示，本实施例中设有光源6为线光源冷阴极荧光灯(CCFL)，光子晶体薄膜贴合在导光板7的出光面的情况。在靠近光源6区域的二维光子晶体单元5的高度稍低，远离FP腔共振条件，即光子晶体的单元的衍射效率较低。随着离光源越来越远，光子晶体高度逐渐变高，逐渐接近FP腔的共振条件，光子晶体单元的衍射效率逐渐变高。从而使得随着入射光的光强逐渐由强变弱，出平均衍射效率由小变大，从而控制出光均匀度。

如图5所示，为使用二维光子晶体薄膜背光模组的原理结构图，其中：导光板底部为一个反射式一维金属光栅，有偏振转换功能。可将由薄膜出光面反射回来的偏振光的偏振方向转换成90度之后再次射向薄膜出光面，把由光子晶体薄膜反射回的s偏振的光9经转换，使由一维金属光栅反射回的光10的p偏振方向能量更高，再次射入二维光子晶体薄膜。

如图6所示，为一种线光源的侧入式薄膜结构，从距离光源近到远，光的衍射效率依次为ρ₁，ρ₂，ρ₃，ρ₄...ρ_n，其中ρ₁＜ρ₂＜ρ₃＜ρ₄...＜ρ_n。假设一束射入第一个二维光子晶体单元的光线的强度为Φ₁，透射出的光为Φ₁ρ₁，反射出的光为Φ₁(1-ρ₁)；假定从第一个二维光子晶体单元反射出的光经导光板底部反射的效率为100％，则射入第二个二维光子晶体单元的光为Φ₂＝Φ₁(1-ρ₁)，透射出的光为Φ₂ρ₂＝Φ₁(1-ρ₁)ρ₂；以此类推，第三个单元透射的光为Φ₃ρ₃＝Φ₂(1-ρ₂)ρ₃＝Φ₁(1-ρ₁)(1-ρ₂)ρ₃，第四个单元透射的光为Φ₄ρ₄＝Φ₁(1-ρ₁)(1-ρ₂)(1-ρ₃)ρ₄。通过设定合理的ρ₁，ρ₂，ρ₃，ρ₄，...ρ_n，使Φ₁ρ₁＝Φ₂ρ₂＝Φ₃ρ₃＝Φ₄ρ₄＝...Φ_nρ_n，侧可达到出光面出光均匀的要求。

阵列中所有的二维光子晶体单元晶格取向相同，使出光的能量较高偏振方向与液晶面板中的p偏振片偏振方向相同，降低p偏振片的吸收损耗。利用非对称二维光子晶体，使不同方向具有不同的有效折射率，从而具有各向异性的特性，和光源垂直方向的晶格周期a小于另一个方向的周期b，使得偏振态平行于a的光耦合效率大于另一个方向，为了保证偏振比，要求b/a比值大于2，本实施例中取a为大小为100nm，另一个方向的晶格周期b为1000nm；当该薄膜放置于导光板的出光面时，为了反射回的光为较高偏振比的p偏振光这个目的，可以在导光板底部与反射板之间设置一个1/4波片，或相似的结构，此波片的光轴面与出光面的偏振方向成45度夹角。也可以在反射板的位置，或直接在导光板底部设置一层反射型的一维金属光栅，此一维金属光栅的晶格取向与出光面的光子晶体的晶格取向成45°夹角，这样偏振平行于和垂直于光栅方向的反射光将具有不同的相位延迟，因此可以使薄膜反射回来的s偏振光发生旋转，变为含有p偏振分量的光，在入射光以45度方位角入射时偏振转换效率最高。此一维金属光栅可以是在一维PMMA光栅的基础上涂敷一层金属来实现，此光栅的周期是100nm，高度在150nm，涂敷金属铝，厚度在50nm以上。

实施例2

如图7所示，本实施例中的所述的二维光子晶体单元阵列4由矩形晶格的二维光子晶体单元5构成。二维光子晶体单元5两个基矢方向的晶格周期分别为a与b，高度为h。

本实施例为了实现衍射出光有较高的偏振比，对于出光的均匀性不做要求，那么可以通过调整a与b的大小和比例可以控制衍射出光的衍射效率和偏振方向，为了实现有足够高的线偏振特性，a与b不能相同。通过调整两个基矢方向的占空比同样可以调整衍射出光的偏振比，本实施例中占空比为0.5，若要求衍射光为白光，无滤波作用，则a在100nm，若要求较好的偏振比要求(b/a)＞2；对于格点的形貌，要求(v/u)＞2，其中v为300nm，u为30nm。

Claims (9)

1.一种偏振增亮型光子晶体光学薄膜，所述的光子晶体光学薄膜包括：一个出光面、一个底面和四个侧面，其中：出光面与底面相对设置，四个侧面依次连接且其上端与下端分别与底面和出光面相连，其特征在于：所述的出光面上设有透射型二维光子晶体单元阵列。

2.根据权利要求1所述的偏振增亮型光子晶体光学薄膜，其特征是，所述的透射型二维光子晶体单元阵列中的二维光子晶体单元以贝塞尔函数方式排布。

3.根据权利要求1所述的偏振增亮型光子晶体光学薄膜，其特征是，所述的二维光子晶体单元的特征尺寸为2μm-200μm。

4.根据权利要求1所述的偏振增亮型光子晶体光学薄膜，其特征是，所述的二维光子晶体单元内的二维光子晶体的周期和晶格为非对称结构并且透射型二维光子晶体单元阵列中各个二维光子晶体的晶格相互平行且晶格形状为平行四边形，高度为0.1μm-10μm。

5.根据权利要求2或3或4所述的偏振增亮型光子晶体光学薄膜，其特征是，所述的二维光子晶体单元中二维光子晶体晶格的取向一致。

6.根据权利要求2或3或4所述的偏振增亮型光子晶体光学薄膜，其特征是，所述的二维光子晶体单元的宽度为v，厚度为u，宽度厚度比大于2。

7.根据权利要求2或3或4所述的偏振增亮型光子晶体光学薄膜，其特征是，所述的二维光子晶体单元的两个基矢方向的晶格周期分别为a与b，高度为h，通过调整两个基矢方向的晶格周期a与b的大小和比例控制衍射出光的衍射效率和偏振方向，通过调整两个基矢方向的占空比同样调整衍射出光的偏振比。

8.根据权利要求7所述的偏振增亮型光子晶体光学薄膜，其特征是，所述的偏振比要求(b/a)＞2。

9.根据权利要求7所述的偏振增亮型光子晶体光学薄膜，其特征是，所述占空比为0.4-0.6。

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