專利名稱：偏振光學(xué)元件以及包括此偏振光學(xué)元件的顯示器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到偏振光學(xué)元件以及包括此偏振光學(xué)元件的顯示器件。
背景技術(shù)：
在各種類型的偏振器中，目前使用最廣泛的是吸收分色偏振器。借助于將具有光吸收各向異性的化合物(例如碘或分色染料)吸附到伸展的聚合物膜上并使化合物定向，來得到吸收分色偏振器。此偏振器將進(jìn)入的光分解成彼此以直角相交的偏振分量，吸收平行于分色染料吸收軸的偏振分量，而透射垂直于吸收軸的偏振分量。因此，已經(jīng)透射通過偏振器的光變成線偏振光。但若這樣的吸收偏振器被用于顯示器件中，則對自然光的透射率原則上絕對超過不了50％，導(dǎo)致低的光學(xué)效率。
為了盡可能減小由進(jìn)入這種吸收分色偏振器的光的吸收引起的損耗，開發(fā)并已經(jīng)實際使用了另一種偏振器，此偏振器反射具有特殊偏振方向的線偏振光且透射具有其它方向的偏振光。這種線偏振光反射偏振器是一種非吸收介電材料的疊層(例如借助于將二種不同類型的聚合物A和B交替層疊成ABABA...而得到)。借助于交替層疊二種材料A和B，然后將其擠壓到一起，來形成這種偏振器。因此，層疊的材料沿一個軸(此處稱為“x軸”)被伸展，但很少沿另一軸(此處稱為“y軸”)被伸展。這就是偏振器對沿x方向偏振的線偏振光呈現(xiàn)高的反射率而對沿y方向偏振的線偏振光呈現(xiàn)高的透射率的原因。若此疊層被設(shè)計成各個層的厚度垂直地改變，則能夠得到對寬廣范圍的可見光呈現(xiàn)高反射率的反射偏振器。
具有微金屬光柵(金屬絲光柵)的偏振器是另一種熟知的線偏振光反射偏振器(例如見日本公開No.9-90122)。此偏振器具有這樣一種結(jié)構(gòu)，其中，由同一種金屬材料組成的金屬絲被彼此平行地排列。各個金屬絲的直徑比入射光的波長足夠小。這種金屬絲光柵偏振器具有反射平行于金屬絲的偏振分量(亦即TE波)和透射垂直于金屬絲的偏振分量(亦即TM波)的偏振特性。
當(dāng)反射偏振器被用于顯示器件時，偏振器對進(jìn)入偏振器上表面和下表面的相同偏振的光線呈現(xiàn)完全相同的反射率，從而提高了光學(xué)效率。但若這種偏振器自身被用于顯示器件，則由于光衰減小而實現(xiàn)不了暗顯示，屏幕上的反差因而降低。為了得到暗顯示，顯示器件需要包括反射偏振器和吸收偏振器的組合。在此情況下，所需元件的數(shù)目和制造成本都增加。此外，顯示器件的厚度也由于吸收偏振器的厚度(約為100微米)而增大。
發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述問題，本發(fā)明的優(yōu)選實施方案提供了一種偏振光學(xué)元件，此偏振光學(xué)元件薄，確保了優(yōu)異的光學(xué)效率，且即使當(dāng)自身用于顯示器件時，也得到了高的反差比。
根據(jù)本發(fā)明一個優(yōu)選實施方案的偏振光學(xué)元件，優(yōu)選根據(jù)入射光的偏振狀態(tài)而改變其光反射率和/或透射率。此光學(xué)元件最好包括包括沿預(yù)定方向延伸的多個條形部分的第一光柵層；以及包括沿此預(yù)定方向延伸的多個條形部分的第二光柵層。第一和第二光柵層的平均光柵間距最好都被確定為小于入射光的波長。第一光柵層最好由對入射光呈現(xiàn)光反射特性的第一材料組成。第二光柵層最好由降低來自第一光柵層的入射光的反射的第二材料組成。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，第二材料最好呈現(xiàn)光吸收特性。
在另一優(yōu)選實施方案中，第二材料對入射光呈現(xiàn)的反射率最好小于第一材料對光所呈現(xiàn)的反射率。
在另一優(yōu)選實施方案中，第一光柵層的多個條形部分最好具有與第二光柵層的條形部分相同的形狀，并與第二光柵層的條形部分相重疊。
在另一優(yōu)選實施方案中，第一光柵層的各個所述條形部分和第二光柵層的相關(guān)一個條形部分，最好構(gòu)成被支持在襯底上的多層結(jié)構(gòu)。
在此特定的優(yōu)選實施方案中，當(dāng)繞沿預(yù)定方向確定的軸旋轉(zhuǎn)180度時，多層結(jié)構(gòu)最好不對稱。
作為變通或除此之外，第一光柵層可以是多層結(jié)構(gòu)的最下層或最上層。
在另一優(yōu)選實施方案中，第一光柵層最好被提供在襯底的一個表面上，且第二光柵層最好被提供在襯底的另一表面上。
在另一優(yōu)選實施方案中，第一光柵層最好對線偏振可見光線呈現(xiàn)超過50％的反射率。
在另一優(yōu)選實施方案中，光學(xué)元件最好還包括透明層，此透明層覆蓋多個條形部分并具有基本上平坦的表面。
在一個具體的優(yōu)選實施方案中，此透明層最好由介電材料組成。
根據(jù)本發(fā)明一個優(yōu)選實施方案的顯示器件包括根據(jù)上述本發(fā)明優(yōu)選實施方案的任何一個的偏振光學(xué)元件。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案的液晶顯示器件最好包括第一襯底、第二襯底、以及夾在第一和第二襯底之間的液晶層，以便借助于將電壓施加到液晶層而進(jìn)行顯示工作。此液晶顯示器件最好還包括提供在第一襯底與液晶層之間的偏振光學(xué)元件，以便根據(jù)入射光的偏振狀態(tài)而改變其光反射率和/或透射率。此偏振光學(xué)元件最好具有多層結(jié)構(gòu)，此多層結(jié)構(gòu)包括排列在第一襯底上沿預(yù)定方向延伸的多個條形部分。多層結(jié)構(gòu)的平均光柵間距最好被確定為小于入射光的波長。此多層結(jié)構(gòu)最好包括由對入射光呈現(xiàn)光反射特性的第一材料組成的第一光柵層；以及較之第一光柵層更靠近液晶層而被提供的由降低來自第一光柵層的入射光的反射率的第二材料組成的第二光柵層。
上述本發(fā)明的各種優(yōu)選實施方案提供了一種偏振光學(xué)元件，此偏振光學(xué)元件薄，且確保了優(yōu)異的光學(xué)效率。于是，借助于將根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方案的偏振光學(xué)元件應(yīng)用于顯示器件，能夠顯示高反差的圖象。
從參照附圖的本發(fā)明優(yōu)選實施方案的下列詳細(xì)描述中，本發(fā)明的其它特點、元件、工藝、步驟、特性、以及優(yōu)點將變得更為明顯。
圖1A和1B是剖面圖，示意地示出了偏振光學(xué)元件的工作原理，此偏振光學(xué)元件分別包括其襯底一個表面上的反射光柵層以及另一表面上的吸收光柵層。
圖2是剖面圖，示意地示出了根據(jù)本發(fā)明第一具體優(yōu)選實施方案的偏振光學(xué)元件。
圖3是剖面圖，示意地示出了根據(jù)本發(fā)明第二具體優(yōu)選實施方案的偏振光學(xué)元件。
圖4是剖面圖，示意地示出了根據(jù)本發(fā)明第三具體優(yōu)選實施方案的偏振光學(xué)元件。
圖5曲線示出了本發(fā)明第三優(yōu)選實施方案的偏振光學(xué)元件對已經(jīng)從其保護(hù)涂層上方進(jìn)入光學(xué)元件的TE波所呈現(xiàn)的光學(xué)特性。
圖6曲線示出了本發(fā)明第三優(yōu)選實施方案的偏振光學(xué)元件對已經(jīng)從其上提供多層結(jié)構(gòu)的襯底背面進(jìn)入光學(xué)元件的TE波所呈現(xiàn)的光學(xué)特性。
圖7曲線示出了本發(fā)明第三優(yōu)選實施方案的偏振光學(xué)元件對TM波呈現(xiàn)的光學(xué)特性。
圖8A-8F是剖面圖，示意地示出了用來制造本發(fā)明第三優(yōu)選實施方案的偏振光學(xué)元件的各個工藝步驟。
圖9是剖面圖，示意地示出了根據(jù)本發(fā)明第五具體實施方案的透射反射液晶顯示器件。
圖10A是剖面圖，示意地示出了本發(fā)明第五優(yōu)選實施方案的透射反射液晶顯示器中偏振光學(xué)元件在沒有電場被施加到其液晶層時的工作情況。
圖10B是剖面圖，示意地示出了本發(fā)明第五優(yōu)選實施方案的透射反射液晶顯示器中偏振光學(xué)元件在電場被施加到其液晶層時的工作情況。
圖11是剖面圖，示意地示出了常規(guī)的透射反射液晶顯示器件。
圖12是剖面圖，示意地示出了借助于將吸收偏振器和反射偏振器鍵合到一起而得到的常規(guī)偏振器單元。
圖13是剖面圖，示意地示出了包括圖12所示偏振器單元的常規(guī)透射反射液晶顯示器件。
具體實施例方式
在根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方案的偏振光學(xué)元件中，包括具有抗反射效應(yīng)的光柵膜和具有光反射特性的光柵膜(此處有時稱為“光反射膜”)的多層結(jié)構(gòu)，最好被提供在襯底上。此多層結(jié)構(gòu)可以包括金屬、介質(zhì)、半導(dǎo)體等。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方案的偏振光學(xué)元件最好包括包含沿預(yù)定方向延伸的多個條形部分的第一光柵層以及包含沿與第一光柵層對應(yīng)物相同的方向延伸的多個條形部分的第二光柵層。第一和第二光柵層的平均光柵間距都小于進(jìn)入此光學(xué)元件的光的波長。如此處所使用的那樣，“平均光柵間距”指的是沿光柵層橫向測得的二個相鄰條形部分中心線之間的距離。第一光柵層最好由對入射光呈現(xiàn)光反射特性的第一材料組成。例如，第一光柵層可以對線偏振可見光呈現(xiàn)超過50％的反射率。另一方面，第二光柵層最好由降低來自第一光柵層的入射光的反射率的第二材料組成。
為了用具有抗反射效應(yīng)的膜(亦即第二光柵層)來盡可能減小來自光反射膜(亦即第一光柵層)的反射，可以例如(A)借助于提供較之金屬的光反射膜更靠近光源的非干涉光吸收膜而得到抗反射，或(B)借助于用薄膜干涉和吸收來控制光反射膜與重疊的多層結(jié)構(gòu)之間的光導(dǎo)納而得到抗反射。后者抗反射(B)包括(B1)借助于提供較之光反射膜更靠近光源的透明膜而得到抗反射、(B2)借助子提供較之光反射膜更靠近光源的光吸收膜而得到抗反射、以及(B3)借助于提供多層涂層作為光反射膜的干涉過濾器而得到的抗反射。根據(jù)抗反射技術(shù)(B)，僅僅借助于提供具有抗反射作用的單個膜，就滿足了對具有特定波長的單色光線的總抗反射的條件。而且，若采用多個這種抗反射膜，則在寬廣的波長范圍內(nèi)得到了抗反射。例如，利用包括幾個抗反射膜的多層結(jié)構(gòu)，并恰當(dāng)?shù)卮_定各個層的材料和厚度，能夠得到在整個可見光輻射范圍內(nèi)達(dá)到抗反射的偏振光學(xué)元件。這種在寬廣波長范圍內(nèi)達(dá)到抗反射的偏振光學(xué)元件能夠具有更廣闊的應(yīng)用(例如能夠被有效地用于直接觀察型彩色顯示器件)。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方案的偏振光學(xué)元件具有這種構(gòu)造，從而能夠根據(jù)入射光的偏振狀態(tài)恰當(dāng)?shù)馗淖児夥瓷浜?或透射。更具體地說，若沿條形部分延伸的方向振蕩的線偏振光線TE入射在第一光柵層上，則大部分線偏振光線TE被反射。但若線偏振光線TE入射在第二光柵層上，則大部分線偏振光線被吸收于其中。另一方面，大部分沿垂直于條形部分延伸的方向振蕩的線偏振光線TM被透射通過第一和第二光柵層。因此，入射在光學(xué)元件一個表面(此處稱為“表面I”)上的光線的反射率可以由第一光柵層控制，而入射在其其它表面(此處稱為“表面II”)上的光線的反射率可以由第二光柵層控制。若第二光柵層的第二材料呈現(xiàn)光吸收特性，則借助于將此光學(xué)元件應(yīng)用于顯示器件而實現(xiàn)了高反差顯示。而且，第二材料可以具有比第一材料更低的反射率。金屬、介質(zhì)、半導(dǎo)體、或任何其它適當(dāng)?shù)牟牧?，可以被用作第一或第二材料?br>
以這種方式，根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方案的偏振光學(xué)元件不僅能夠用作吸收或反射偏振器，而且能夠用作此二種偏振器的組合的偏振器單元。而且，當(dāng)用于顯示器件時，借助于選擇適當(dāng)?shù)牟牧献鳛榈谝缓偷诙牧?，此偏振光學(xué)元件能夠提高顯示反差。此外，根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方案的偏振光學(xué)元件的厚度(例如，當(dāng)光柵層涂敷有保護(hù)涂層時，約為0.2微米，或最多約為1微米)比常規(guī)吸收或反射偏振器的厚度(例如約為100微米)小得多。于是，此光學(xué)元件以及包括此光學(xué)元件的顯示器件能夠具有明顯地減小了的厚度。特別在此光學(xué)元件的厚度能夠是用于常規(guī)顯示器件的包括吸收偏振器和反射偏振器組合的偏振器單元的大約百分之一。
第一光柵層的條形部分可以具有與第二光柵層的條形部分相同的形狀，并與第二光柵層的條形部分重疊。借助于將第一和第二材料淀積在襯底的同一個表面上的相同圖形中，然后將疊層圖形化成這種條形形狀，來得到這種光柵層。由于此二層能夠同時被圖形化，故能夠簡化制造工藝。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方案的偏振光學(xué)元件可以具有多層結(jié)構(gòu)，此多層結(jié)構(gòu)由包括第一和第二光柵層的至少2層組成。此多層結(jié)構(gòu)最好被圖形化成包括沿預(yù)定方向延伸的多個條形部分。若當(dāng)繞沿預(yù)定方向確定的軸旋轉(zhuǎn)180度時各個條形部分不對稱，則多層結(jié)構(gòu)的上表面和下表面可以具有相互不同的反射率。例如，第一光柵層可以被用作多層結(jié)構(gòu)的最上層，而反射率比第一光柵層更小和/或呈現(xiàn)光吸收特性的另一光柵層可以被用作最下層。而且，此多層結(jié)構(gòu)可以被提供在襯底上。借助于將具有這種多層結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件用于顯示器件，能夠提高反差同時保持足夠高的光學(xué)效率。此多層結(jié)構(gòu)的厚度為0.05-1微米，比常規(guī)偏振器薄得多。
作為變通，第一光柵層可以被提供在襯底的一個表面(亦即I)上，而第二光柵層可以被提供在襯底的另一表面(亦即II)上。在此情況下，襯底表面I和II上的光反射能夠被獨立地控制。借助于分別在襯底的表面I和II上形成第一和第二材料的薄膜，然后分別對這些薄膜進(jìn)行圖形化，能夠得到這種光學(xué)元件。由于圖形化工藝是在二個表面上逐個進(jìn)行的，故能夠提高圖形化精度，并容易得到以非常接近光學(xué)設(shè)計時的計算數(shù)值的各種數(shù)值為代表的高的光學(xué)性能。而且，由于無須對準(zhǔn)第一光柵層的條形部分與第二光柵層的對應(yīng)物，故能夠減輕制造工藝的負(fù)擔(dān)。
以下參照附圖來描述無須對準(zhǔn)第一光柵層的條形部分與第二光柵層的條形部分的原因。圖1A和1B示出了一種偏振光學(xué)元件，其中，反射金屬的第一光柵層32被提供在襯底31的表面I31a上，且光吸收材料的第二光柵層33被提供在襯底31的表面II31b上。在此例子中，在第一光柵層32的條形部分與第二光柵層33的條形部分之間不進(jìn)行對準(zhǔn)。但此二個光柵層32和33的所有條形部分都沿同一個方向延伸。而且，第一和第二光柵層32和33的線寬被假設(shè)為足夠小于可見光的波長(例如小于可見光輻射波長的1/4，或小于100nm)。
首先參照圖1A來描述從襯底31的上方表面I31a入射的光如何被反射或透射。
當(dāng)具有平行于第一和第二光柵層32和33的條形部分振蕩的電矢量的偏振可見光線(TE波)36從襯底31的上方表面I31a被入射在偏振光學(xué)元件上時，大部分TE波從襯底31的表面I31a上的第一光柵層32被反射，不達(dá)及襯底31的表面II31b。另一方面，當(dāng)具有垂直于第一和第二光柵層32和33的條形部分振蕩的電矢量的TM波35從襯底31的上方表面I31a被入射在偏振光學(xué)元件上時，TM波35不識別，而是通過第一光柵層32，被透射通過襯底31，然后達(dá)及襯底31的表面II31b。在此情況下，TM波35是也平行于第二光柵層33的條形部分的線偏振光線，因而也不識別，而是通過第二光柵層32。因此，無論第一光柵層32的條形部分是否與第二光柵層33的條形部分對準(zhǔn)，大部分TM波35都被透射通過此偏振光學(xué)元件。
接著，參照圖1B來描述從襯底31的下方表面II31b入射的光。
當(dāng)具有平行于第一和第二光柵層32和33的條形部分振蕩的電矢量的偏振可見光線(TE波)38從襯底31的下方表面II31b被入射在偏振光學(xué)元件上時，大部分TE波38被吸收到第二光柵層33中，而部分TE波38不被吸收到第二光柵層33中，而是達(dá)及襯底31的表面I31a。然后，已經(jīng)達(dá)及襯底31表面I31a的大部分TE波38從第一光柵層32被反射，然后被再次吸收到襯底31表面II31b上的第二光柵層33中。另一方面，當(dāng)具有垂直于第一和第二光柵層32和33的條形部分振蕩的電矢量的偏振可見光線(TM波)37從襯底31的下方表面II31b被入射在偏振光學(xué)元件上時，TM波37不識別，而是通過第二光柵層33，被透射通過襯底31，然后達(dá)及襯底31的表面I31a。在此情況下，TM波37是也平行于第一光柵層32的條形部分的線偏振光線，因而也不識別，而是通過第一光柵層32。因此，無論第一光柵層32的條形部分是否與第二光柵層33的條形部分對準(zhǔn)，大部分TM波37都被透射通過此偏振光學(xué)元件。
以這種方式，提供在襯底31表面I31a上的反射性第一光柵層32和提供在襯底31表面II31b上的吸收性第二光柵層33彼此獨立地起作用。于是就無須彼此對準(zhǔn)光柵層32和33的條形部分。
在所示的例子中，第一和第二光柵層32和33被假設(shè)為具有簡單的條形形狀。但光柵層32和33僅僅需要具有在襯底31平面上呈現(xiàn)某些各向異性的結(jié)構(gòu)。例如，各個光柵層32和33可以由沿一定方向(亦即長軸方向)各具有等于或大于光波長的長度以及沿垂直于長軸方向的短軸方向足夠小于光波長的寬度的單元部分組成。而且，一種光柵層32的結(jié)構(gòu)可以不同于另一種光柵層33的結(jié)構(gòu)。應(yīng)該指出的是，無論光柵層32和33的結(jié)構(gòu)如何，這些光柵層32和33的光柵圖形不一定要彼此匹配，其間夾有襯底31。
可選的是，在這些光柵層已經(jīng)被提供在襯底的至少一個表面上之后，可以用覆蓋這些條形部分的透明層來整平襯底的表面。例如，此透明層可以由介質(zhì)材料組成。然后得到具有基本上平坦表面的偏振光學(xué)元件，從而可以更容易地在偏振光學(xué)元件上提供電極、對準(zhǔn)膜、以及其它膜。此外，此透明層還用作例如防止光柵層被劃傷的保護(hù)性涂層。結(jié)果，能夠盡可能減小偏振光學(xué)元件光學(xué)特性的退化。
以下參照附圖來描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，其中，用相同的參考號來表示出現(xiàn)在多個層中但具有基本上相同功能的任何部件。在下列描述中，實施方案1、2、3、4分別是利用抗反射技術(shù)A、B(2)、B(3)、B(1)的偏振光學(xué)元件。
實施方案1圖2說明了根據(jù)本發(fā)明第一具體優(yōu)選實施方案的偏振光學(xué)元件。
本優(yōu)選實施方案的偏振光學(xué)元件最好包括襯底1、提供在襯底1的一個表面1a上的具有光反射特性的第一光柵層2、提供在襯底1的另一表面1b上的第二光柵層3、以及分別覆蓋這些光柵層2和3的保護(hù)涂層4和5。
襯底1可以由例如光學(xué)各向同性的玻璃組成。第一光柵層2可以由例如具有高反射特性且厚度為150nm的鋁膜組成，并最好被腐蝕成由多個線和間隔組成的光柵圖形。線寬、間隔寬度、以及平均光柵間距(2p)可以分別是80nm、70nm、以及150nm。
第二光柵層3可以由例如具有光吸收特性且厚度為150nm的鎢膜組成，并最好被腐蝕成由沿與第一光柵層2的對應(yīng)物相同的方向延伸的多個線和間隔組成的光柵圖形。線寬、間隔寬度、以及平均光柵間距(3p)可以分別是80nm、70nm、以及150nm。
在此優(yōu)選實施方案中，第一和第二光柵層2和3無須彼此對準(zhǔn)，致使第二光柵層3的條形部分完全重疊第一光柵層2的對應(yīng)物。
分別覆蓋第一和第二光柵層2和3的保護(hù)涂層4和5，可以由例如透明的可光固化的樹脂組成。保護(hù)涂層4和5最好足夠厚，以便防止進(jìn)入襯底的光引起任何薄膜干涉。保護(hù)涂層4和5的厚度可以為500-5000nm(例如，在本優(yōu)選實施方案中約為1000nm)。借助于提供這種保護(hù)涂層4和5，有可能防止具有精細(xì)光柵圖形的光柵層被退化或損傷。于是，能夠得到壽命足夠長的偏振光學(xué)元件。
以下來描述制造此偏振光學(xué)元件的方法。
首先，諸如鋁膜之類的光反射膜被淀積在襯底1的表面1a上。接著，用光抗蝕劑覆蓋光反射膜，以便用光刻和腐蝕工藝圖形化成由線條和間隔組成的光柵。在此優(yōu)選實施方案中，精細(xì)抗蝕劑圖形由使用全息攝影術(shù)的干涉光刻工藝來確定，然后，利用Ar離子束腐蝕工藝，通過抗蝕劑圖形被暴露的光反射膜部分被選擇性地清除。以這種方式，能夠得到具有約為100nm的非常小的光柵間距的第一光柵層2。
隨后，抗蝕劑圖形被剝離，且透明的可光固化的樹脂被涂敷到襯底1的整個表面1a上，然后借助暴露于輻照而被固化。以這種方式，能夠得到保護(hù)第一光柵層2的精細(xì)線條圖形的保護(hù)涂層4。
然后，諸如鎢膜之類的光吸收膜被淀積在襯底1的另一表面1b上，再用與用來圖形化光反射膜的方法相同的方法對其進(jìn)行圖形化。光吸收膜被腐蝕成由沿與第一光柵層2的對應(yīng)物相同的方向延伸的線條和間隔組成的光柵圖形。結(jié)果就在襯底1的表面1b上形成了第二光柵層3。應(yīng)該指出的是，第二光柵層3的圖形必須具有足夠小于可見光輻射波長的平均光柵間距并由沿與第一光柵層2的對應(yīng)物相同的方向延伸的線條和間隔組成，但不一定要具有與第一光柵層2的圖形準(zhǔn)確相同的線寬和間隔寬度。亦即，第二光柵層3不必被圖形化成與第一光柵層2對準(zhǔn)。
最后，用與用來提供保護(hù)涂層4的方法相同的方法，在第二光柵層3上提供另一保護(hù)涂層5，從而完成偏振光學(xué)元件。
在此優(yōu)選實施方案中，第一光柵層2由呈現(xiàn)光反射特性的膜組成。光反射膜的優(yōu)選材料不僅包括具有良好導(dǎo)電性的鋁，而且包括銀、鎳、鉑及其合金。應(yīng)該指出的是，“光反射膜”或“具有光反射特性的膜”此處意味著此膜至少具有光反射特性。于是，此膜除了光反射特性之外還可以具有光透射特性和/或光吸收特性。
另一方面，第二光柵層3由光吸收膜組成。光吸收膜的優(yōu)選材料例子不僅包括鎢，而且還包括鉻、鉬、鉻-鉬合金、碳黑、碘絡(luò)合物、染料、或顏料?？蛇x的是，此光吸收膜可以是包括至少這些材料中的二種的組合的薄膜。
第一和第二光柵層2和3的平均光柵間距可以足夠小于可見光輻射的波長，優(yōu)選為5-200nm。在各個這些光柵層中，光柵間距不一定要恒定，而是可以具有一定的分布。
而且第一和第二光柵層2和3的線寬最好最多約為入射光波長的1/4。
第一光柵層2最好對線偏振可見光線呈現(xiàn)超過50％的反射率。這是因為當(dāng)反射率大于50％時，在顯示器件中利用此偏振光學(xué)元件可得到高的反差比。
可選的是，第二光柵層3可以呈現(xiàn)光反射特性以及光吸收特性。但在此情況下，第二光柵層3的反射率最好小于第一光柵層2的反射率。
形成備向異性光柵圖形的優(yōu)選方法不僅包括上述的離子束腐蝕工藝，而且還包括其它熟知的精細(xì)線條圖形化工藝。更具體地說，光敏抗蝕劑被涂敷到要圖形化的膜上，并用光刻工藝在抗蝕劑層中確定所需圖形(亦即潛影)，然后進(jìn)行顯影工藝，從而得到用作腐蝕掩模的抗蝕劑掩模。然后，利用任何一種濕法腐蝕和/或干法腐蝕技術(shù)，未被抗蝕劑掩模覆蓋的光反射膜部分被選擇性地清除，以便暴露襯底。作為變通，也可以采用已經(jīng)用電子束刻蝕工藝直接腐蝕成所需圖形的抗蝕劑掩模來代替執(zhí)行這種光刻工藝。而且，也可以用電子束或激光束來直接圖形化此膜，而不使用任何抗蝕劑掩模。可選的是，也可以采用復(fù)制方法或光學(xué)全息攝影術(shù)方法。
在上述優(yōu)選實施方案中，借助于圖形化單層金屬膜而形成各個第一和第二光柵層。但這些光柵層僅僅需要由具有所需特性(亦即光反射特性和/或光吸收特性)的膜組成。因此，光柵層可以由單層膜或包括金屬材料、半導(dǎo)體材料、和/或介質(zhì)材料的多層結(jié)構(gòu)組成。于是，在對這些膜的圖形化中，最好根據(jù)光反射或光吸收膜的材料和厚度來選擇恰當(dāng)?shù)姆椒ā?br>
本發(fā)明人評估了用上述方法制造的偏振光學(xué)元件的光學(xué)特性。結(jié)果如下。當(dāng)入射光(波長為1000nm)被入射在第一光柵層(亦即鋁膜)2上方的偏振光學(xué)元件的表面4a上時，入射光的TE波具有87％的反射率，而其TM波具有80％的透射率。另一方面，當(dāng)入射光(波長為1000nm)被入射在第二光柵層(亦即鎢膜)3下方的偏振光學(xué)元件的相反表面5b上時，入射光的TE波具有31％的反射率，而其TM波具有80％的透射率。這些結(jié)果表明，當(dāng)波長為1000nm的光入射在本實施方案的偏振光學(xué)元件上時，通過表面4a已經(jīng)進(jìn)入偏振光學(xué)元件的大部分TE波從鋁膜被反射，而通過表面5b已經(jīng)進(jìn)入偏振光學(xué)元件的大部分TE波被吸收到鎢膜中。亦即，通過表面5b已經(jīng)進(jìn)入偏振光學(xué)元件的TE波從鋁膜的反射，被鎢膜明顯地降低了。還可以看到，無論入射光是經(jīng)由表面4a還是經(jīng)由表面5b通過，入射光的大部分TM波都經(jīng)由光柵層2和3的光柵被透射。
如上所述，本優(yōu)選實施方案的偏振光學(xué)元件不僅可應(yīng)用于可見光線，而且還可應(yīng)用于紅外光線。
實施方案2圖3說明了根據(jù)本發(fā)明第二具體優(yōu)選實施方案的偏振光學(xué)元件。本優(yōu)選實施方案的偏振光學(xué)元件最好包括襯底1、提供在襯底1的一個表面1a上的第二光柵層3、提供在第二光柵層3上的具有光反射特性的第一光柵層2、以及覆蓋這些光柵層2和3的保護(hù)涂層4。襯底1可以由例如光學(xué)各向同性的玻璃組成。第一光柵層2可以由例如具有高的光反射特性且厚度為150nm的鋁膜組成，而第二光柵層3可以由例如具有光吸收特性且厚度為150nm的碳黑膜組成。第一和第二光柵層2和3最好被腐蝕成由多個線條和間隔組成的相同的光柵圖形。線寬、間隔寬度、以及平均光柵間距(2p)可以分別是80nm、70nm、以及150nm。
覆蓋第一和第二光柵層2和3的保護(hù)涂層4，可以由例如透明的可光固化的樹脂組成。保護(hù)涂層4最好足夠厚，以便防止進(jìn)入襯底的光引起任何薄膜干涉。保護(hù)涂層4的厚度可以約為1000nm。
以下來描述制造此偏振光學(xué)元件的方法。
首先，諸如碳黑膜之類的光吸收膜和諸如鋁膜之類的光反射膜按此順序被層疊在襯底1的表面1a上。接著，用抗蝕劑涂敷光反射膜，然后，用電子束刻蝕技術(shù)將這些膜腐蝕成光柵圖形(平均光柵間距約為150nm)，從而形成具有光吸收特性的第二光柵層3和具有光反射特性的第一光柵層2。在此優(yōu)選實施方案中，用同一個抗蝕劑圖形，層疊的光反射膜和光吸收膜被同時腐蝕。作為變通，可以用決定于其材料的最佳方法來分別圖形化光反射膜和光吸收膜。
隨后，抗蝕劑圖形被剝離，且透明的可光固化的樹脂被涂敷到襯底1的整個表面1a上，然后借助暴露于輻照而被固化。以這種方式，能夠得到保護(hù)第一和第二光柵層2和3的精細(xì)線條圖形的保護(hù)涂層4，從而完成偏振光學(xué)元件。
在此優(yōu)選實施方案中，光反射膜和光吸收膜不一定要由上述材料組成，而是也可以由如上面對第一優(yōu)選實施方案所述的各種其它材料組成。這些膜的圖形化方法不局限于上面所述的，也可以是適當(dāng)選自如上述優(yōu)選實施方案那樣的各種其它的方法。
本發(fā)明人評估了用上述方法制造的偏振光學(xué)元件的光學(xué)特性。結(jié)果如下。當(dāng)入射光(波長為1000nm)被入射在第一光柵層(亦即鋁膜)2上方的偏振光學(xué)元件的表面4a上時，入射光的TE波具有80％的反射率，而其TM波具有78％的透射率。另一方面，當(dāng)入射光(波長為1000nm)被入射在第二光柵層(亦即碳黑膜)3下方的偏振光學(xué)元件的相反表面1b上時，入射光的TE波具有35％的反射率，而其TM波具有78％的透射率。這些結(jié)果表明，當(dāng)波長為1000nm的光被入射在圖3所示的偏振光學(xué)元件上時，通過表面4a已經(jīng)進(jìn)入偏振光學(xué)元件的大部分TE波從鋁膜被反射，而通過表面1b已經(jīng)進(jìn)入偏振光學(xué)元件的大部分TE波通過襯底1被透射，然后被吸收到碳黑膜中。亦即，通過表面1b已經(jīng)進(jìn)入偏振光學(xué)元件的TE波從鋁膜的反射，被碳黑膜明顯地降低了。還可以看到，無論入射光是經(jīng)由表面4a還是經(jīng)由表面1b通過，入射光的大部分TM波都經(jīng)由光柵層2和3的光柵被透射。
實施方案3圖4說明了根據(jù)本發(fā)明第三具體優(yōu)選實施方案的偏振光學(xué)元件。本優(yōu)選實施方案的偏振光學(xué)元件最好包括襯底1、提供在襯底1的一個表面1a上的多層結(jié)構(gòu)10、以及覆蓋此多層結(jié)構(gòu)10的保護(hù)涂層4。襯底1可以由例如光學(xué)各向同性的玻璃組成。多層結(jié)構(gòu)10最好包括按此順序?qū)盈B在襯底1的表面1a上的具有光反射特性的第一光柵層2、第一介質(zhì)層6、第二光柵層3、以及第二介質(zhì)層7。第一光柵層2可以由具有高的光反射特性且厚度150nm的銀(Ag)膜組成，而第二光柵層3可以由具有光吸收特性且厚度為12.8nm的鎢膜組成。第一介質(zhì)層6可以是厚度為66.4nm的二氧化硅膜組成，而第二介質(zhì)層7可以由厚度為114.1nm的ZrO2膜組成。多層結(jié)構(gòu)10已經(jīng)被腐蝕成由多個線條和間隔組成的光柵圖形。線寬、間隔寬度、以及平均光柵間距(2p)可以分別是80nm、70nm、以及150nm。覆蓋多層結(jié)構(gòu)10的保護(hù)涂層4，可以由例如透明的可光固化的樹脂組成。保護(hù)涂層4最好足夠厚，以便防止進(jìn)入襯底的光引起任何薄膜干涉。保護(hù)涂層4的厚度例如可以約為1000nm。
在此優(yōu)選實施方案中，第二光柵層3以及介質(zhì)層6和7具有抗反射作用。以這種方式不僅利用光吸收到第二光柵層3中，而且利用用介質(zhì)層6和7引起的薄膜干涉，能夠在更廣闊的波長范圍內(nèi)降低光反射。
以下參照圖8A-8E來描述圖4所示偏振光學(xué)元件的制造方法。
首先，如圖8A所示，光反射膜(例如Ag膜)2A、介質(zhì)膜(例如二氧化硅膜)6A、光吸收膜(例如鎢膜)3A、以及另一介質(zhì)膜(例如ZrO2膜)7A，按此順序被層疊在襯底1的表面上。接著，如圖8B所示，抗蝕劑圖形8被確定在是為最上層的ZrO2膜的表面上，并用電子束刻蝕技術(shù)將此疊層腐蝕成圖8C所示的由多個線條和間隔組成的光柵圖形。然后，如圖8D所示，當(dāng)抗蝕劑圖形8被剝離時，就能夠得到多層結(jié)構(gòu)(厚度約為0.2微米)。然后，若有需要，是為n為1.5的透明介質(zhì)的可光固化的樹脂被涂敷到襯底1的整個表面1a上，再借助暴露于輻照而被固化。以這種方式，就能夠得到圖8E所示的保護(hù)精細(xì)線條光柵圖形的保護(hù)涂層4。保護(hù)涂層4最好足夠厚，以便防止進(jìn)入襯底的光引起任何薄膜干涉。保護(hù)涂層4的厚度例如可以約為1000nm。以這種方式，就完成了被支持在襯底1上的偏振光學(xué)元件20。
包括在多層結(jié)構(gòu)10中的各個層的材料和厚度不局限于上面所述的那些。借助于改變?nèi)魏芜@些層的折射率或厚度，能夠控制經(jīng)由表面4a(亦即從多層結(jié)構(gòu)10的上方)已經(jīng)進(jìn)入偏振光學(xué)元件的光的反射率、經(jīng)由襯底1的表面1b已經(jīng)進(jìn)入偏振光學(xué)元件的光的反射率、以及它們的反射率分色比率。例如，借助于增大第一光柵層2的厚度，能夠提高第一光柵層2的光反射率，因此，經(jīng)由表面1b(亦即從多層結(jié)構(gòu)10的第一光柵層2的下方)已經(jīng)進(jìn)入偏振光學(xué)元件的TE波能夠以更高的反射率被反射。更具體地說，為了得到足夠高的反射率，Ag膜的厚度最好至少為50nm。若Ag膜具有50nm或以上的厚度，則經(jīng)由表面1b已經(jīng)進(jìn)入偏振光學(xué)元件的TE波能夠以更高的反射率被反射，且經(jīng)由表面1b通過的光能夠具有提高的反射率分色比率。此外，經(jīng)由偏振光學(xué)元件表面4a通過的光對經(jīng)由表面1b通過的光的反差比(即各個反射率的比率)也能夠被提高。若有需要，多層結(jié)構(gòu)10的任何這些層可以由具有雙折射的材料組成。而且，包括在多層結(jié)構(gòu)10中的層的數(shù)目不一定要是4，而是可以為5或以上。
在本優(yōu)選實施方案中，多層結(jié)構(gòu)10的厚度最好為0.05-1微米。于是，本優(yōu)選實施方案的偏振光學(xué)元件能夠比常規(guī)偏振器薄得多。
本發(fā)明人得到了進(jìn)入已經(jīng)用上述方法制作的偏振光學(xué)元件的各個偏振光線的反射率譜和透射率譜。此反射率和透射率是在形成保護(hù)涂層4之前測量的。結(jié)果被示于圖5、6、7中。
圖5曲線示出了反射率隨經(jīng)由襯底表面1b進(jìn)入偏振光學(xué)元件的TE波的波長的變化。在圖5中，TE波的反射率主要由第一光柵層2控制。圖6曲線示出了反射率和透射率隨經(jīng)由襯底表面1a進(jìn)入偏振光學(xué)元件的TE波的波長的變化。如從圖6可見，TE波的反射率在寬廣的波長范圍內(nèi)被減到了最小。由于透射率也幾乎等于0，故大部分入射TE波可能已經(jīng)被吸收到第二光柵層3中。下面來描述此多層結(jié)構(gòu)10具有這種抗反射作用的原因。一般說來，在包括反射層和吸收層的多層結(jié)構(gòu)中，借助于調(diào)節(jié)這些層的光導(dǎo)納而得到抗反射作用。在本優(yōu)選實施方案中，Ag的第一光柵層2是反射層，W的第二光柵層3是吸收層，二氧化硅的介質(zhì)層6控制著反射層與吸收層之間的光導(dǎo)納，而ZrO2的介質(zhì)層7控制著吸收層與空氣之間的光導(dǎo)納。圖7曲線示出了經(jīng)由表面1a和1b進(jìn)入偏振光學(xué)元件的TW波的透射率隨波長的變化。根據(jù)這些譜線，可以如下計算偏振光學(xué)元件的光學(xué)特性。
當(dāng)具有單一波長539nm的光經(jīng)由襯底1的表面1b進(jìn)入偏振光學(xué)元件時，入射光的TE波具有94％的反射率，而其TM波具有82％的透射率。另一方面，當(dāng)具有單一波長539nm的光經(jīng)由襯底1的表面1a(亦即從多層結(jié)構(gòu)10的上方)進(jìn)入偏振光學(xué)元件時，入射光的TE波具有1％的反射率，而其TM波具有82％的透射率。這些結(jié)果表明，當(dāng)波長為539nm的光進(jìn)入偏振光學(xué)元件時，通過表面1b的大部分TE波經(jīng)由襯底1被透射，然后從Ag的第一光柵層2被反射，而通過表面1a的大部分TE波經(jīng)由ZrO2膜被透射，然后被吸收到鎢的第二光柵層3中。亦即，已經(jīng)經(jīng)由表面1a通過的TE波從Ag膜的反射，被鎢膜明顯地降低了。還可以看到，無論光是經(jīng)由表面1a還是經(jīng)由表面1b通過，入射光的大部分TM波都經(jīng)由多層結(jié)構(gòu)10的光柵被透射。
當(dāng)波長為380nm-780nm的可見光進(jìn)入偏振光學(xué)元件時，經(jīng)由襯底1的表面1b進(jìn)入偏振光學(xué)元件的TE波具有91％的平均反射率，而進(jìn)入此路的TM波具有75％的平均透射率。另一方面，經(jīng)由襯底1的表面1a進(jìn)入偏振光學(xué)元件的TE波具有3％的平均反射率，而進(jìn)入此路的TM波具有75％的平均透射率。這些結(jié)果表明，本實施方案的偏振光學(xué)元件不僅在特定的波長下呈現(xiàn)優(yōu)異的光學(xué)特性，而且還在380-780nm的寬廣的可見輻射范圍內(nèi)呈現(xiàn)優(yōu)異的光學(xué)特性。
實施方案4根據(jù)本發(fā)明第四具體優(yōu)選實施方案的偏振光學(xué)元件具有與圖3所示第二優(yōu)選實施方案對應(yīng)物幾乎相同的構(gòu)造。但本優(yōu)選實施方案的偏振光學(xué)元件采用透明介質(zhì)膜作為第二光柵層3。
在本優(yōu)選實施方案的偏振光學(xué)元件中，第二光柵層3是消光系數(shù)k＝0的透明介質(zhì)層。此透明介質(zhì)層可以是例如厚度為25nm的氧化鈦。而且，在本優(yōu)選實施方案中，如在上述第二優(yōu)選實施方案中那樣，第一光柵層2是具有導(dǎo)電性和光反射特性的金屬膜(例如厚度為150nm的鎢膜)。這些光柵層2和3已經(jīng)被腐蝕成例如具有100nm線寬、100nm間隔寬度、以及200nm光柵間距的光柵圖形。而且，這些光柵層2和3被厚度約為1000nm的保護(hù)涂層4覆蓋。
可以用與用來制作上述第二優(yōu)選實施方案的偏振光學(xué)元件的方法相同的方法，來制造第四優(yōu)選實施方案的偏振光學(xué)元件。
首先，諸如氧化鈦膜之類的透明膜和諸如鎢膜之類的光反射膜，按此順序被層疊在襯底1的表面1a上。接著，用光刻工藝，光反射膜被抗蝕劑涂敷，然后，用Ar濺射工藝，這些膜被腐蝕成光柵圖形(平均光柵間距約為200nm)，從而形成透明的第二光柵層3和具有光反射特性的第一光柵層2。隨后，抗蝕劑圖形被剝離，并利用與第二優(yōu)選實施方案所述相同的方法，在襯底1的整個表面1a上形成保護(hù)涂層4。
在本優(yōu)選實施方案中，光反射膜和光透射膜不一定要由上述的材料組成，也可以由上面第一優(yōu)選實施方案所述的各種其它的材料組成。對這些膜進(jìn)行圖形化的方法不局限于上述的方法，也可以適當(dāng)?shù)剡x自上述優(yōu)選實施方案中那樣的各種其它的方法。
本發(fā)明人評估了用上述方法制造的偏振光學(xué)元件的光學(xué)特性。結(jié)果如下。當(dāng)入射光(波長為530nm)被入射在第一光柵層(亦即鎢膜)2上方偏振光學(xué)元件的表面4a上時，入射光的TE波具有37％的反射率，而其TM波具有87％的透射率。另一方面，當(dāng)入射光(波長為530nm)入射在第二光柵層(亦即氧化鈦膜)3下方偏振光學(xué)元件的相反表面1b上時，入射光的TE波具有2％的反射率，而其TM波具有87％的透射率。在本優(yōu)選實施方案中，經(jīng)由表面1b通過的TE波，經(jīng)由襯底1和氧化鈦膜被透射，然后被部分地吸收到鎢膜中，但大部分從鎢膜被反射。反射的光由于氧化鈦膜與鎢膜之間的薄膜干涉而被減弱，從而不從表面1b出射。亦即，已經(jīng)經(jīng)由表面1b從鎢膜進(jìn)入光學(xué)元件的TE波的反射，被氧化鈦膜明顯地降低了。還可以看到，無論入射光經(jīng)由表面4a還是表面1b通過，入射光的大部分TM波都經(jīng)由光柵層2和3的光柵被透射。
實施方案5本發(fā)明的第五具體優(yōu)選實施方案是一種包括上述第三優(yōu)選實施方案的偏振光學(xué)元件的透射反射液晶顯示器件。如上所述，與采用單一波長的光相比，第三優(yōu)選實施方案的偏振光學(xué)元件導(dǎo)致稍許更低的反差比。但依賴于其光學(xué)設(shè)計，此偏振光學(xué)元件也能夠在寬廣的可見光輻射范圍內(nèi)呈現(xiàn)與由單一波長得到的同樣良好的光學(xué)特性。因此，此偏振光學(xué)元件可以被用作顯示器件的偏振器。
以下來描述包括上述第三優(yōu)選實施方案的偏振光學(xué)元件的透射反射液晶顯示器件的構(gòu)造及其制造方法。
首先，參照圖8A-8E，用第三優(yōu)選實施方案已經(jīng)描述的方法制造偏振光學(xué)元件20。用透明絕緣保護(hù)涂層(亦即鈍化膜)4涂敷偏振光學(xué)元件20。
接著，如圖8F所示，透明電極11被形成在偏振光學(xué)元件20的保護(hù)涂層4上，然后用對準(zhǔn)膜12涂敷透明電極11的表面。然后，對對準(zhǔn)膜進(jìn)行摩擦處理，從而得到液晶顯示器件的第一襯底21。
隨后，制備面對第一襯底21的第二襯底22。正如第一襯底21那樣，第二襯底22也是借助于將透明電極11和對準(zhǔn)膜12提供在透明襯底的表面上，使對準(zhǔn)膜12面對液晶層，然后對對準(zhǔn)膜進(jìn)行摩擦處理而得到的。
然后，隔板被分布在第一和第二襯底21和22之間，以便在其中產(chǎn)生和保持幾微米的間隙，然后將第一和第二襯底21和22鍵合到一起，使它們的對準(zhǔn)膜12的摩擦方向彼此垂直，從而形成液晶盒。隨后，用密封劑將液晶盒密封起來。最后，液晶材料被注入到此液晶盒中，從而完成包括液晶層23的液晶盒24。在液晶層23中，液晶分子具有TN取向。
圖9是剖面圖，示意地示出了包括液晶盒24的透射反射液晶顯示器件的構(gòu)造。如圖9所示，吸收偏振器25被提供在液晶盒24的一個表面上，使之位于較之液晶盒24更靠近觀察者的位置。吸收偏振器25被鍵合成其透射軸與第一襯底21中的偏振光學(xué)元件20的透射軸以直角相交。而且，在液晶盒24后面提供后照光26和光波導(dǎo)27。
以下來描述圖9所示的顯示器件的工作原理。圖10A示意地示出了顯示器件在沒有電場被施加到液晶層23的情況下如何產(chǎn)生明亮的顯示狀態(tài)。另一方面，圖10B示意地示出了顯示器件在電場被施加到液晶層23的情況下如何產(chǎn)生黑暗的顯示狀態(tài)。
首先，參照圖10A來描述顯示器件在沒有電場被施加到液晶層23的情況下如何產(chǎn)生明亮的顯示狀態(tài)。
在透射顯示模式中，后照光26被用作光源，以便向著液晶盒24發(fā)射各種偏振狀態(tài)的光線。在這些入射光線中，其偏振方向平行于第一襯底21中的偏振光學(xué)元件20的透射軸的線偏振光線B1，經(jīng)由偏振光學(xué)元件20被透射，然后具有被TN液晶層23旋轉(zhuǎn)了90度的偏振方向。然后線偏振光線B1還經(jīng)由吸收偏振器25向著觀察者被透射，于是在透射模式中產(chǎn)生明亮的狀態(tài)。在后照光26的其它出射光線中，其偏振方向與線偏振光線B1以直角相交的線偏振光線B2，被偏振光學(xué)元件20的(第一光柵層)和提供在光波導(dǎo)27背面上的反射層30反復(fù)地反射，然后如情況可能的那樣反復(fù)利用。
另一方面，在反射顯示模式中，外部光被用作光源，且如在透射顯示模式中那樣，各種偏振狀態(tài)的光線進(jìn)入液晶盒24。在這些入射光線中，其偏振方向平行于第二襯底22中的吸收偏振器25的透射軸的線偏振光線F1，經(jīng)由吸收偏振器25被透射，然后具有被TN液晶層23旋轉(zhuǎn)了90度的偏振方向。然后，線偏振光線F1經(jīng)由第一襯底21的偏振光學(xué)元件20被透射，再從光波導(dǎo)27背面上的反射層30被反射。如在先前過程中那樣，被反射的線偏振光線F1再次經(jīng)由偏振光學(xué)元件20被透射，具有被TN液晶層旋轉(zhuǎn)了的偏振方向，并然后經(jīng)由吸收偏振器25被透射指向觀察者。結(jié)果，在反射模式中也實現(xiàn)了明亮狀態(tài)。但在其它外部入射光中，其偏振方向與線偏振光線F1的偏振方向以直角相交的線偏振光線F2，被吸收到第二襯底22中的吸收偏振器25內(nèi)，因而對顯示工作沒有貢獻(xiàn)。
接著，參照圖10B來描述當(dāng)電場被施加到液晶層23時顯示器件如何產(chǎn)生黑暗顯示狀態(tài)。
在透射顯示模式中，在從作為光源的后照光26發(fā)射的光線中，其偏振方向平行于第一襯底21中的偏振光學(xué)元件20的透射軸的線偏振光線B1，經(jīng)由偏振光學(xué)元件20被透射，但不能經(jīng)由面對觀察者的吸收偏振器25被透射。這是因為其上施加了電場的液晶層23保持了入射光線的偏振狀態(tài)。于是在透射模式中產(chǎn)生黑暗狀態(tài)。在后照光26的其它出射光線中，其偏振方向與線偏振光線B1的偏振方向以直角相交的線偏振光線B2，被偏振光學(xué)元件20反射，且對顯示工作沒有直接貢獻(xiàn)。
另一方面，在反射顯示模式中，在作為光源的外部光線中，其偏振方向平行于第二襯底22中的吸收偏振器25的透射軸的線偏振光線F1，經(jīng)由吸收偏振器25和液晶層23被透射，然后被吸收到第一襯底21中的偏振光學(xué)元件20中。結(jié)果，在反射模式中也實現(xiàn)了黑暗狀態(tài)。但在其它外部入射光線中，其偏振方向與線偏振光線F1的偏振方向相交的線偏振光線F2，被吸收到第二襯底22中的吸收偏振器25中，因而對顯示工作沒有直接的貢獻(xiàn)。
如上所述，利用第三優(yōu)選實施方案的偏振光學(xué)元件20作為液晶顯示器件的偏振器，能夠保持顯示反差，還能夠有效地使用后照光26的出射光或外部光，從而實現(xiàn)明亮而反差高的圖象顯示。
在常規(guī)液晶顯示器件中，(厚度例如為100微米的)偏振器或(厚度例如為300微米的)偏振器單元，被提供在第一襯底21和后照光26之間。相反，在本優(yōu)選實施方案中，偏振光學(xué)元件20被包括在液晶顯示器件的第一襯底21中，因此，要求的第一襯底21的偏振器厚度基本上等于多層結(jié)構(gòu)10的厚度(約為0.2微米)。即使提供了保護(hù)涂層4來覆蓋多層結(jié)構(gòu)10，要求的厚度仍然僅僅等于保護(hù)涂層4的厚度(例如1微米)。結(jié)果，此優(yōu)選實施方案的液晶顯示器件的厚度能夠比常規(guī)液晶顯示器件的厚度小得多。
上面參照圖10A和10B，根據(jù)即使在已經(jīng)從光波導(dǎo)27后面的反射層30被反射之后各個光線仍然保持其偏振狀態(tài)的假設(shè)，已經(jīng)描述了顯示器件的工作原理。因此，若顯示器件被設(shè)計成借助于在液晶層與反射層之間提供相位層或借助于用反射層30使光廣泛地擴(kuò)散而使光線在從反射層30反射時的偏振狀態(tài)改變，則已經(jīng)從反射層30被反射的線偏振光線B2部分，能夠透射第一襯底21中的偏振光學(xué)元件20。結(jié)果，從后照光26發(fā)射的線偏振光線B2能夠更有效地反復(fù)利用。但若反射層30以這種方式被修正，則外部入射的線偏振光線F1部分不能夠經(jīng)由偏振光學(xué)元件20被透射，因而在已經(jīng)從反射層30被反射之后，對顯示工作就不再有貢獻(xiàn)。亦即，在線偏振光線F1中引起了一些損耗。于是，借助于根據(jù)這些考慮而控制反射層30對偏振狀態(tài)的作用，就能夠根據(jù)各個平板的應(yīng)用而在透射模式與反射模式之間確定恰當(dāng)?shù)牧炼缺嚷省?br>
在上述優(yōu)選實施方案中，液晶顯示器件被制作成包括其第一襯底21中的第三優(yōu)選實施方案偏振光學(xué)元件20。但本發(fā)明決不局限于此具體優(yōu)選實施方案。例如，偏振光學(xué)元件20可以照樣被提供在常規(guī)液晶顯示器件的第一襯底與后照光之間。雖然如此，為了充分利用根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方案的偏振光學(xué)元件的有利特點(例如其減小了的厚度和提高了的反差比)，如上所述，偏振光學(xué)元件20最好被結(jié)合到顯示器件中。在其它方面，若偏振光學(xué)元件20的多層結(jié)構(gòu)10如在上述優(yōu)選實施方案中那樣被提供在液晶顯示器件的襯底上，則能夠省略偏振光學(xué)元件20的襯底1。于是，不僅能夠有利地減小顯示器件的厚度，而且還能夠有利地降低其制造成本。
根據(jù)本優(yōu)選實施方案，以明顯減小了的顯示器件厚度，光能夠得到非常有效的利用。以下借助于將其與常規(guī)的透射反射液晶顯示器件進(jìn)行比較，來詳細(xì)地描述本優(yōu)選實施方案的透射反射液晶顯示器件的這些有利特點。
在本例子中，諸如圖11所示的顯示器件被用作常規(guī)透射反射液晶顯示器件。此器件采用與第二襯底22的吸收偏振器25完全相同的吸收偏振器200作為第一襯底210的偏振器。吸收偏振器200被提供在第一襯底210與后照光26之間，使吸收偏振器200的吸收軸與第二襯底22的吸收偏振器25的吸收軸以直角相交。
當(dāng)圖11所示的透射反射液晶顯示器件工作于透射模式時，在已經(jīng)從后照光26發(fā)射的光中僅僅其偏振方向平行于吸收偏振器200的透射軸的偏振光線B1被用于顯示目的。于是，假設(shè)從后照光26發(fā)射的光的量為B，則能夠用于顯示目的的光的量最多為0.5B。另一方面，已經(jīng)從后照光26發(fā)射且具有平行于吸收偏振器200的吸收軸的偏振方向的偏振光線B2，被吸收到吸收偏振器200中，因而不被用于顯示目的。
另一方面，在反射模式中，在外部入射光線中，其偏振方向平行于吸收偏振器25的吸收軸的偏振光線F1，被吸收到吸收偏振器25中，因而不能用于顯示目的。但其偏振方向與偏振光線F1的偏振方向以直角相交的偏振光線F2經(jīng)由液晶層23通過，而與此同時其偏振方向被旋轉(zhuǎn)，經(jīng)由吸收偏振器200被透射，然后從光波導(dǎo)27后面的反射層30被反射。然后，偏振光線F2經(jīng)由吸收偏振器200和液晶層23通過，再次返回到觀察者。在此情況下，若由光波導(dǎo)27和反射層30引起的消偏振度為α(其中0＜α＜1)，則已經(jīng)以量F外來進(jìn)入顯示器件再最后返回到觀察者的光的量，能夠被表示為0.5αF。
因此，在圖11所示的常規(guī)透射反射顯示器件中，能夠用于顯示目的的光的量理想地為已經(jīng)以量B從后照光26發(fā)射的光以及已經(jīng)以量F從外部進(jìn)入顯示器件的光中的0.5B+0.5αF。
另一方面，在圖9所示的第五優(yōu)選實施方案的透射反射液晶顯示器件中，在已經(jīng)以量B從后照光26發(fā)射的光中，不僅其偏振方向平行于偏振光學(xué)元件20的透射軸的偏振光線B1(亦即光量為0.5B的TM波)，而且還有其偏振方向與偏振光線B1的偏振方向以直角相交的TE波B2部分，都能夠被用于顯示目的。TE波B2不被吸收到偏振光學(xué)元件20中，而是從偏振光學(xué)元件20被反射，然后從光波導(dǎo)27后面的反射層30以及從偏振光學(xué)元件20被反復(fù)反射。同時，TE波B2部分被光波導(dǎo)和反射層30消偏振，從而能夠經(jīng)由偏振光學(xué)元件20被透射，并被用于顯示目的。因此，已經(jīng)以量B從后照光26發(fā)射且然后能夠被用于顯示目的的光的量，最終被理想地表示為0.5B+0.5αB+0.5(1-α)αB+...，其中，α(0＜α＜1)是由光波導(dǎo)和反射層30引起的消偏振度。
另一方面，在外部(以量F)入射的光中，其偏振方向平行于吸收偏振器25的吸收軸的偏振光線F1，被吸收到吸收偏振器25中，因而不能用于顯示目的。但其偏振方向與偏振光線F1的偏振方向以直角相交的偏振光線F2(量為0.5F)經(jīng)由液晶層23通過，而與此同時其偏振方向被旋轉(zhuǎn)，經(jīng)由偏振光學(xué)元件20被透射，然后從光波導(dǎo)27后面的反射層30被反射。然后，偏振光線F2經(jīng)由偏振光學(xué)元件20和液晶層23通過，再次返回到觀察者。在此情況下，若由光波導(dǎo)27和反射層30引起的消偏振度為α(其中0＜α＜1)，則已經(jīng)以量F從外部進(jìn)入顯示器件且能夠最終用于顯示目的的光的量，被理想地表示為0.5αF+0.5(1-α)αF+...。
結(jié)果，本優(yōu)選實施方案的透射反射顯示器件能夠在已經(jīng)以量B從后照光26發(fā)射的光和已經(jīng)以量F從外部進(jìn)入顯示器件的光中，將其總量大于0.5B+0.5αB+0.5(1-α)αB+0.5αF+0.5(1-α)αF的光，用于顯示目的。此總光量大于常規(guī)透射反射顯示器件能夠用于顯示目的的光量(0.5B+0.5αF)。于是可見，根據(jù)本優(yōu)選實施方案能夠提高光學(xué)效率。
如上所述，圖11所示的常規(guī)透射反射液晶顯示器件僅僅得到了低的光學(xué)效率，并顯示相當(dāng)暗淡的圖象。于是，為了提高光學(xué)效率，例如日本公開No.9-90122提出了一種采用線偏振光反射偏振器以及吸收偏振器的透射反射液晶顯示器件。如圖12所示，這種顯示器件包括偏振器單元(例如厚度為300微米)，此偏振器單元包括吸收偏振器200(例如厚度為100微米)和反射偏振器201(例如厚度為200微米)的組合，并依賴于其入射角而以不同的反射率反射TE波。
以下借助于將其與包括圖12所示偏振器單元的常規(guī)透射反射液晶顯示器件進(jìn)行比較，來描述本優(yōu)選實施方案的透射反射液晶顯示器件的有利特點。
圖13是剖面圖，示意地示出了包括圖12所示偏振器單元的透射反射液晶顯示器件。此顯示器件包括第一襯底210中的吸收偏振器200(例如厚度為0.10mm)與后照光26之間的線偏振光反射偏振器201(例如厚度為0.20mm)。此反射偏振器201對具有特殊偏振方向的線偏振光線進(jìn)行反射，而對其偏振方向與此線偏振光線的偏振方向以直角相交的偏振光線進(jìn)行透射。線偏振光反射偏振器201是一種非吸收介質(zhì)材料的疊層(例如借助于將二種不同類型聚合物A和B交替層疊成ABABA...而得到)。
圖13所示的透射反射液晶顯示器件采用組合的吸收偏振器200和反射偏振器201，因此能夠與第五優(yōu)選實施方案的顯示器件一樣重復(fù)利用從后照光和環(huán)境光發(fā)射的各部分的光。圖13所示的顯示器件得到了幾乎與第五優(yōu)選實施方案顯示器件得到的一樣高的重復(fù)利用效率和光學(xué)效率。但圖13所示的顯示器件包括偏振器單元，因而具有更大的厚度。具體地說，假設(shè)觀察者側(cè)的吸收偏振器的厚度為0.1mm，液晶屏的厚度為1.4mm，背面上的偏振器單元的厚度為0.3mm，且后照光單元的厚度為1.5mm，則圖13所示的顯示器件的總厚度為3.3mm。另一方面，圖9所示第五優(yōu)選實施方案的顯示器件的總厚度為3.0mm。于是可見，第五優(yōu)選實施方案的顯示器件比圖13所示的對應(yīng)物大約薄0.3mm。這一0.3mm的厚度差別說明約為顯示器件總厚度的10％。
結(jié)果，根據(jù)本優(yōu)選實施方案，利用偏振光學(xué)元件20(其多層結(jié)構(gòu)10的厚度為0.2微米)代替吸收偏振器200(厚度為0.10mm)和反射偏振器201(厚度為0.20mm)，能夠保持光學(xué)效率足夠高，并仍然能夠明顯地減小顯示器件的厚度。
上述的本發(fā)明各種優(yōu)選實施方案提供了一種偏振光學(xué)元件，即使當(dāng)自身被應(yīng)用于顯示器件時，此偏振光學(xué)元件也實現(xiàn)了高反差顯示，并以明顯地減小了的厚度確保了優(yōu)異的光學(xué)效率。
根據(jù)上述的本發(fā)明各種優(yōu)選實施方案中任何一個的偏振光學(xué)元件，能夠被有效地作為用于透射顯示器件、反射顯示器件、或透射反射顯示器件的偏振器。
雖然對其優(yōu)選實施方案已經(jīng)描述了本發(fā)明，但本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員可以理解的是，所公開的發(fā)明可以以各種各樣的方式進(jìn)行修正，并可以提出上面具體所述之外的許多實施方案。因此認(rèn)為所附權(quán)利要求覆蓋了本發(fā)明構(gòu)思與范圍內(nèi)的所有本發(fā)明的修正。
權(quán)利要求
1.一種偏振光學(xué)元件，它根據(jù)入射光的偏振狀態(tài)而改變其光反射率和/或透射率，此光學(xué)元件包含包括沿預(yù)定方向延伸的多個條形部分的第一光柵層；以及包括沿該預(yù)定方向延伸的多個條形部分的第二光柵層；其中，第一和第二光柵層的平均光柵間距都被確定為小于入射光的波長，其中，第一光柵層由對入射光呈現(xiàn)光反射特性的第一材料組成，且其中，第二光柵層由降低來自第一光柵層的入射光的反射的第二材料組成。
2.權(quán)利要求1的偏振光學(xué)元件，其中，第二材料呈現(xiàn)光吸收特性。
3.權(quán)利要求1的偏振光學(xué)元件，其中，第二材料對入射光呈現(xiàn)的反射率小于第一材料對該光所呈現(xiàn)的反射率。
4.權(quán)利要求1的偏振光學(xué)元件，其中，第一光柵層的多個條形部分具有與第二光柵層的條形部分相同的形狀，并與第二光柵層的條形部分相重疊。
5.權(quán)利要求1的偏振光學(xué)元件，其中，第一光柵層的每一所述條形部分和第二光柵層的相關(guān)一個條形部分，構(gòu)成被支持在襯底上的多層結(jié)構(gòu)。
6.權(quán)利要求5的偏振光學(xué)元件，其中，當(dāng)繞沿預(yù)定方向確定的軸旋轉(zhuǎn)180度時，多層結(jié)構(gòu)不對稱。
7.權(quán)利要求5的偏振光學(xué)元件，其中，第一光柵層是多層結(jié)構(gòu)的最下層或最上層。
8.權(quán)利要求1的偏振光學(xué)元件，其中，第一光柵層被提供在襯底的一個表面上，且第二光柵層被提供在襯底的另一表面上。
9.權(quán)利要求1的偏振光學(xué)元件，其中，第一光柵層對線偏振可見光線呈現(xiàn)超過50％的反射率。
10.權(quán)利要求1的偏振光學(xué)元件，還包含透明層，該透明層覆蓋多個條形部分并具有基本上平坦的表面。
11.權(quán)利要求10的偏振光學(xué)元件，其中，透明層由介電材料組成。
12.一種顯示器件，它包含權(quán)利要求1的偏振光學(xué)元件。
13.一種液晶顯示器件，它包含第一襯底、第二襯底、以及夾在第一和第二襯底之間的液晶層，以便借助于將電壓施加到液晶層而進(jìn)行顯示工作，其中，液晶顯示器件還包括提供在第一襯底與液晶層之間的偏振光學(xué)元件，以便根據(jù)入射光的偏振狀態(tài)而改變其光反射率和/或透射率，且其中，偏振光學(xué)元件具有多層結(jié)構(gòu)，該多層結(jié)構(gòu)包括排列在第一襯底上沿預(yù)定方向延伸的多個條形部分，多層結(jié)構(gòu)的平均光柵間距被確定為小于入射光的波長，且其中，多層結(jié)構(gòu)包括由對入射光呈現(xiàn)光反射特性的第一材料組成的第一光柵層；以及較之第一光柵層更靠近液晶層而被提供的由降低來自第一光柵層的入射光的反射的第二材料組成的第二光柵層。
全文摘要
偏振光學(xué)元件根據(jù)入射光的偏振狀態(tài)而改變其光反射率和/或透射率。此光學(xué)元件包括包括沿預(yù)定方向延伸的多個條形部分的第一光柵層；以及包括沿此預(yù)定方向延伸的多個條形部分的第二光柵層。第一和第二光柵層的平均光柵間距都被確定為小于入射光的波長。第一光柵層由對入射光呈現(xiàn)光反射特性的第一材料組成。第二光柵層由降低來自第一光柵層的入射光的反射的第二材料組成。
文檔編號G02B5/30GK1576907SQ200410062019
公開日2005年2月9日 申請日期2004年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月25日
發(fā)明者植木俊, 田口登喜生, 柴田諭, 箕浦潔, 清水雅宏 申請人:夏普株式會社