偏振光源器件的制作方法

本发明一般在光源领域并涉及偏振光源器件，作为在显示器件中的背光单元特别有用。

背景技术：

以下列出被认为是与本公开主题内容相关的作为背景技术的参考文献：

1.US 2011/0299001

2.WO 2012/059931

3.US 2013/0026506

4.US 8,471,969

5.US 2012/0113672

6.WO 2012/021643

7.WO 2010/0155749

8.US 5,825,543,

9.WO 2008/027936

10.US 7,278,775,

11.US 8,033,674

12."A polarized laser backlight using a zero-zero-birefringence polymer for liquid crystal displays",Takahiro Kurashima,Koichi Sakuma,Takayuki Arai,Akihiro Tagaya,Yasuhiro Koike,Optical Review,Volume 19,Issue 6,pp.415-418(2012)

13.US 6,746,130

14.US 2008/0285255

15.US 6,111,696

16."Novel wide viewing liquid crystal display with improved off-axis image quality in a twisted nematic configuration",Seongmo Hwang et al.,Samsung Electronics Co.Ltd,Optical Engineering48(11),p.114001(November 2009).

在此承认以上参考文献不应被解读成它们与本公开主题内容的可专利性有任何关联。

背景

平面显示器被广泛地使用在诸如计算机、移动电话以及电视机的各种各样的设备中。液晶显示器(LCD)占平面显示器的主要部分。LCD利用背照明的LC面板，其中LC面板通常是多层结构并包括配置用来调制向着观众的光的透射的液晶层。通过改变液晶的偏振态来控制通过每个像素的光透射。

LCD利用偏振的背光照明。目前的彩色LCD显示器使用发射非偏振的一般为白色的光(即不具有特定偏振的多色光)的背光单元，以及在所发射的非偏振光的光路中的偏振器。因此，选择特别的偏振会以能量的损失为代价：示例性的，超过50％的由光源发射的光可能由于光通过偏振器而被损失。这个问题对于节能是关键因素的LCD显示器来说非常重要。该问题在电池寿命和增大的背光亮度是重要因素的便携式设备(笔记本、手机、平板电脑等)中被进一步地增强。

基于纳米结构的发射性质的背光照明器已经被开发并在例如转让给本申请的受让人的WO 2012/059931中被描述。根据这个技术，提供可被用作显示器的彩色偏振光源的光学有源结构。该结构包含在响应于泵浦场(pumping field)而由此发射的光的波长和偏振中的至少一个上相互不同的至少两个不同的组的光学有源纳米棒。相同组的纳米棒均匀地与某对准轴对准。

技术实现要素：

现有技术中需要用于基于发射性纳米结构来配置偏振光源以最大化与纳米结构相互作用的光的偏振以及最大化偏振光的输出效率的新颖的方案。

本发明提供一种偏振光源，包括一个或多个光学有源层/膜，该一个或多个光学有源层/膜包含具有选取的尺寸的对准的纳米棒以响应于激发场(光学的或电学的泵浦场)而发射具有确定的偏振的光；以及偏振保留光(导向/引导/提取)组件。后者可以与光学有源层/膜一体化，或者可以在其外部。

应当注意，一般来说，对于通过LCD背光单元内部常用的各种各样的光学元件的或与该各种各样的光学元件相互作用的光，光的偏振应当被保留。这样的光学元件一般可以包括反射器、光导、扩散器以及增亮膜等。因此，这样的偏振光源的结构和组成要被仔细地设计以维持输出光的期望的偏振，使得入射在液晶层(例如像素矩阵)上的光被合意地保持偏振。为了这个目的，本发明提供各种各样的背光膜堆叠配置以通过将偏振光源与背光单元(BLU)的互补的光学元件集成在一起而获得基于偏振发射的背光照明(backlighting)。

此外，应当注意成本降低、更低的功率消耗以及对于用户的改进的观看体验是LCD的设计中重要的考虑。基于偏振发射背光照明的本发明的偏振光源提供更低的功率消耗和/或更亮的屏幕。为了这个目的，由对准的纳米结构阵列提供的有效的光发射伴随着从发射层的有效的光提取，同时维持偏振以最小化损失。偏振发射来源于包括各向异性的纳米结构(特别是胶状的半导体纳米棒)的对准的阵列的偏振光源。

为了背光单元的目的，偏振光源可以含有至少两组在发射波长上彼此不同的光学有源纳米棒的均匀的混合物。优选地，这样的混合物的层含有发射绿光(中心波长在520～560nm范围内)和红光(中心波长在600～640nm范围内)的纳米棒。偏振光源可以被来自例如LED的泵浦光源的蓝光(中心波长在440～460nm，优选地，450nm)激发。有源层中的发射性纳米棒的浓度被调整以允许入射的泵浦光中的部分被传送通过层，同时激发层中的纳米棒以发射生成白光需要的互补的绿光和红光。在一些配置中，层可以另外地包括发射蓝光的纳米棒，并被配置成响应于紫外泵浦光(中心波长在350～405nm)而发射光。在这样的配置中，选择纳米棒的浓度以吸收泵浦光的较高部分，以及可以使用另外的滤波器来阻挡泵浦光的剩余部分。

应当注意，纳米棒的发射波长一般根据纳米棒的尺寸、几何形状以及纳米棒的材料组成来决定。也应当注意，一般适合的泵浦波长范围通过适当选择纳米棒的材料组成来决定。

在本发明的所有实施例中，偏振光源包括含有这样的纳米棒(或其它各向异性的纳米结构)的光学有源结构：纳米棒被布置在一个或者更多层中并沿着不同的(distinct)对准轴均匀地取向。在一些实施例中，纳米棒被嵌入在诸如聚合物膜、粘合剂基质(环氧树脂)、硅树脂基质或玻璃的基质介质中。在其它一些实施例中，纳米棒可以位于/被沉积于基底的表面上。纳米棒沿着特有的轴的对准(意指细长形轴平行于对准轴)可以通过多个适合的技术，诸如在经特别的化学或者物理处置的基底(例如经图案化的槽状图案)上沉积、应用电场、聚合物膜拉伸或应用机械力、或引起优选对准的任何其它已知的适合的技术来实现。(通过对准技术中的任何技术的)纳米棒的对准导致大体上沿着特有的轴(也被称作“偏振轴”)偏振的光的发射。

如以上所指出，在一些实施例中，偏振光源包括嵌入在聚合物基质中的对准的纳米棒。这样的聚合物的示例包括聚丙烯酰胺的聚合物、聚丙烯酸的聚合物、环烯烃共聚物、聚丙烯腈的聚合物、聚苯胺的聚合物、聚二苯甲酮的聚合物、聚(甲基丙烯酸甲酯)的聚合物、聚酯的聚合物、硅树脂聚合物、聚双酚的聚合物、聚丁二烯的聚合物、聚二甲基硅氧烷的聚合物、聚乙烯的聚合物、聚异丁烯的聚合物、聚丙烯的聚合物、聚苯乙烯的聚合物以及聚乙烯醇聚合物(聚乙烯醇以及聚乙烯醇缩丁醛)。在这些情况下的光学有源结构的厚度可以示例性地在1μm～1000μm(微米)之间，或者在1μm～300μm之间，或者优选地在5μm～200μm之间的范围内。另外，光学有源结构可以由在表面上带有多个纳米棒的基底配置。应当注意，在这样的配置中，光学有源结构可以具有在0.05μm～5μm之间，并且优选地在0.1μm～1μm之间的厚度。

含有这样的具有对准的纳米棒的光学有源介质的本发明的偏振光源一般适合被并入任何类型的LCD器件的背光单元。这样的LCD器件可以包括位于背光单元和LC层/结构之间的底部偏振器。在这个情况下，偏振光源以允许所发射的偏振光通过底部偏振器的透射增强的方式被放置于背光单元中。这可以通过以下实现：将“偏振轴”的取向固定成与偏振器的透射轴大体平行，使得相比于通常非偏振的背光单元配置，从光源发射的偏振光的明显较高的部分透射通过偏振器。

如以上所指出，通过LCD的背光单元内部常用的各种各样的光学元件(例如反射器、光导、扩散器以及增亮膜等)的光的偏振维持是一个公开的挑战。本发明使用偏振发射膜与其他互补的光学元件一起提供为获得基于偏振发射的背光照明所要求的各种各样的背光膜堆叠配置。

更具体地，本发明提供光提取方法，其维持从光学有源介质(例如膜)、被特别地配置以维持偏振的光重导向膜和其他背光光学元件(例如增亮膜(BEF)、扩散器、光导、反射器、微透镜膜、反向棱镜膜(reverse prisms film))、边缘照明偏振纳米棒膜、光学有源膜与光导的直接接合、以及光学有源膜与LC晶胞的底部偏振器的直接接合中提取的光的偏振。

根据本发明的光提取方法，基于将对准的发射性纳米棒与双折射粒子/聚合物一起混合来制备偏振相关的散射膜。这是各向异性的偏振发射性材料(纳米棒)与这样的各向异性的偏振散射元件共同的组合，被配置成保留所发射和提取的光的偏振。

在一些实施例中，可以使用位于从光学有源结构发射的光的光路中的另外的扩散层。该扩散层可以被用于提供均衡的照明并补偿纳米棒密度和/或泵浦光的强度分布的变化。扩散层被优选地配置成具有在50％～95％范围内的雾度因子(haze factor)。另外或者可替换地，扩散层可以被附接在光学有源结构的表面。在这些配置中，扩散层被配置成在使用背面泵浦时增强泵浦光的均衡性，和/或通过变化从层内发射的光的方向性来提高光提取效率。

如以上所指出，在一些实施例中，使用偏振纳米棒膜的边缘照明和/或偏振保留光导和/或反向棱镜膜以维持由纳米棒发射的光的偏振。

因此，根据本发明的广泛方面，提供一种偏振光源，包含：

至少一个光学有源结构，包含被配置成响应于激发泵浦场而发射具有一个或多个波长的光的多个纳米棒，所述多个纳米棒包含与预定的对准轴对准的纳米棒以便生成发射光的期望的偏振方向；以及

光导向组件，包含在从光发射结构发射的光的光路中的一个或者多个重导向光学元件，所述一个或者多个重导向光学元件中的每一个被配置为影响与所述重导向光学元件相互作用的光的传输方向，而基本上不影响所述光的偏振，所述光导向组件由此被配置成通过优化输出光的偏振(例如方向和/或偏振态)以及强度分布来增强从发射结构发射的光的输出。

在一些实施例中，光学有源结构包含其中嵌入有发射性纳米棒的主体基质结构。基质结构被配置成增强从其发射的光的输出，同时在所发射的光通过基质结构时，基本上维持所发射的光的偏振特性。主体基质结构可以例如包含主体材料和与纳米棒混合的散射粒子，配置是这样的：使得主体材料与散射粒子具有不同的双折射。例如，相比于散射粒子的双折射快、慢轴之间的差别，主体材料(基质)具有零或者较低的双折射；或者相比于主体材料的双折射快、慢轴之间的差别，散射粒子具有零或者较低的双折射。在这方面，术语“低双折射”如下被用于指示主体基质的材料组成的不同主轴(慢、快轴)的折射率之间的最小差别，使得累积引起的光程差(retardation)是最小的。

应当注意，通过某材料的光的偏振方向一般由被该材料引起的光程差来决定。更具体地，光程差被定义成沿着材料的快、慢轴具有偏振的光分量的光路上的差别，即(Δn*d)，其中Δn＝|n_o-n_e|，d是层的厚度。一般来说，根据本发明，由光学有源结构引起的光程差不超过100nm，优选在50nm以下，而更加优选地，光学有源结构的光程差可以在25nm以下。

一般来说，散射粒子可以被配置(例如在各向异性粒子的情况下相对于所述纳米棒的对准轴而取向)成针对具有垂直于所述对准轴的偏振取向的光分量提供折射率匹配，而针对沿着所述对准轴偏振的光分量提供折射率失配。

在一些实施例中，光导向组件包含位于向着发射结构传输的泵浦光的光路中的扩散器。

光导向组件可以包含位于从发射结构传输的发射光的光路中的扩散器。

一般来说，或者在泵浦光向着光学有源结构的光路中的扩散器或者从光学有源结构发射的光的光路中的扩散层，在被使用时，优选地被配置成具有在50％～95％之间，更优选地在80％～95％之间的雾度因子。另外或者可替换地，这些扩散器可以从光学有源结构的任何一侧被附接于该光学有源结构。

在一些实施例中，偏振光包括生成泵浦光的光学泵浦组件。光学泵浦组件一般被配置成产生以及导向用来激发所述光学有源结构的泵浦光。光学有源结构和光学泵浦组件可以被配置使得泵浦光沿着基本平行于偏振光源的光输出方向的轴进入发射结构(背光泵浦光组件)，或者可以被配置使得泵浦光沿着基本垂直于偏振光源的光输出方向的轴进入发射结构。因此，泵浦组件可以被配置成提供直接背光泵浦和/或侧面照明泵浦(边缘发光式背光单元)。

光学泵浦结构可以包括用于从泵浦源接收泵浦光以及将它向着发射结构导向的光导。

如以上所指出，光导向组件一般包含用于重导向从发射结构出现的光的一个或者多个光学元件。光重导向光学元件可以被配置用于导向从光学有源结构发射的光分量以由此优化从器件输出的光的偏振和强度分布。光重导向光学元件可以优选地包含诸如光回收(recycling)光学元件、反射层和扩散层的光学元件。光重导向光学元件也可以被配置成对准以使得其主轴与纳米棒的对准轴平行。因此，双折射快轴或双折射慢轴基本平行于或者基本垂直于发射性纳米棒的对准轴，由此保留所发射的光的偏振特性。另外或者可替换地，光重导向光学元件可以被配置成具有减少的光程差，优选地，在100nm以下，更优选地，在50nm以下。

根据本发明的另一些实施例，光学有源结构可以包含被配置成对所述光学有源结构提供机械支撑、应力保护以及化学保护中的至少一者的保护层结构。可以利用以下配置中的至少一个来配置所述保护层结构：所述保护层结构被取向成使得其主轴与所述纳米棒的所述对准轴平行；以及所述保护层结构被配置成引起在100nm以下的光程差。

根据本发明的另一些实施例，光学有源结构可以包含被配置成对所述光学有源结构提供机械支撑或应力保护以及化学保护中的至少一者的保护层；所述保护层被配置以引起在100nm以下的光程差。

一般来说，该保护层可以被配置成以下的至少一个：透明包覆层、阻碍层和机械支撑膜。

根据一些实施例，本发明提供如以上所指出的偏振光源；其中所述至少一个光学有源结构和所述光导向组件共同定义包含至少两个层的光学堆叠布置，该至少两个层被取向成使得所述至少两个层的双折射主轴相互平行。光学堆叠由此基本上保留了从光学有源结构发射的并且通过所述光学堆叠的光的预定的偏振性质。

根据另一些实施例，本发明提供了包含上述的偏振光源以及配置用来变化该偏振光源的输出光的空间分布的空间调制单元的显示器件，以由此提供所显示的图像。

根据本发明的另一个广泛的方面，提供一种适合用在照明器件中的光学堆叠布置。光学堆叠布置包含一个或者多个层，该一个或者多个层被取向使得所述一个或者多个层的双折射主轴相互平行；所述光学堆叠由此基本上保留了通过其中的光的预定的偏振性质。该光学堆叠可以进一步包含至少一个扩散层，该至少一个扩散层被配置成用来提高通过其中的光的均衡性。

光学堆叠可以包含光学有源结构，该光学有源结构包含沿着与该光学堆叠的所述主轴平行的预定轴对准的多个纳米棒。

根据本发明的另一个广泛的方面，提供用于在显示器件中使用的背光单元。该背光单元包含上述的泵浦光源以及光学堆叠。

根据本发明的另一个广泛的方面，提供一种显示器件，包含上述的背光单元以及配置用来变化发射光的空间分布的空间调制单元(例如液晶晶胞)以由此提供所显示的图像。

附图说明

为了更好地理解这里公开的主题内容并示例它怎样可以在实践中被实施，现在将参照附图，仅以非限制性示例的方式描述实施例，在附图中：

图1示意性例示基于扩散器的偏振光源器件，该扩散器被光学附接于含有纳米棒的光学有源层；

图2和图3分别展示本发明的光学有源结构的配置的两个示例，其中对准的发射性纳米棒被嵌入主体基质并且与散射粒子混合；

图4A～图4C示意性例示使用与对准的纳米棒混合的散射粒子的原理，其中图4A例示对于入射到不含散射体的膜上的外部光的光传输方案，以及具有小于全内反射的临界角的角度的光束的光锥，图4B以及图4C例示对于由本发明的光学有源结构内部的纳米棒发射的光线的光传输方案；

图5A以及图5B例示从嵌入在光学有源结构中的单个纳米棒发射的光与基本上与纳米棒的长轴平行地(图5A)和与纳米棒的长轴垂直地(图5B)对准的更大的各向异性散射体的相互作用的方案；

图6例示利用根据本发明配置的背光单元的LCD器件的示例；

图7展示偏振背光单元的示意图，该偏振背光单元利用光学有源结构到光导的直接附接，使用纳米棒膜作为颜色转换器；

图8示例其中本发明的背光单元利用光学有源结构到液晶晶胞的直接附接的配置；

图9示意性展示其中含有纳米棒的条被放置在光导的边缘的本发明的偏振背光单元；

图10A和图10B例示适合在本发明中使用的BEF的示例；

图11示例适合在本发明中使用的光重导向光学元件(LROE)，其中使用具有双折射性质的外部层来对于通过两个膜的组合的光补偿LROE双折射；

图12示意性例示具有有源光调制模块和本发明的背光单元的LCD器件；

图13展示对于具有对准的发射红色的纳米棒的偏振光源的示例的发射光强度的实验结果，其中测量由偏振光源传送的蓝色泵浦光以及由对准的纳米棒发射的红光的强度，此时对于仅有含有纳米棒的层的情况(图中左侧)，以及对于在含有纳米棒的层的前方使用具有与纳米棒的对准轴对准的双折射轴的特定的BEF的情况(图中右侧)，偏振器的优选的偏振平面被与纳米棒平行地对准，以及

图14展示利用对准的发射红光的纳米棒与发射绿光的纳米棒的混合物的偏振光源的示例的发射光强度的实验结果，其中对于偏振器的优选的偏振平面被平行于纳米棒的对准轴对准并且BEF膜由不同的聚合物材料：PET、PC以及PMMA组成的情况，测量红光和绿光的强度总和。

具体实施方式

本发明提供特别适合在LCD器件的背光单元中使用的新颖的偏振光源，以及利用这样的偏振光源的LCD器件。本发明的偏振光源包括光学有源结构以及偏振保留组件，光学有源结构包括至少一层可被泵浦场(光的和/或电的)激发的对准的发射纳米结构，偏振保留组件包括与该光学有源结构一体化(嵌入于该光学有源结构)的一个或多个元件和/或在该光学有源结构外部的一个或多个元件。

在以下的描述中，为了简单起见，光学有源结构被称为“膜”，但是应当理解，这样的结构可以是单层或多层结构。也应当注意，这样的膜可以由发射不同颜色的光的纳米结构的层形成。这样的膜还可以包括被附接于提供发射性纳米材料的基底的另一层的纳米材料结构/层。更具体地，根据本发明，可以由在其中嵌入多个发射性纳米棒的基质(例如聚合性基质)或在其上沉积多个纳米棒的基底来配置光学有源结构。光学有源结构还可以被配置成具有两层或者多层，该两个层或者多个层包括带有发射在不同波长范围的光的纳米棒的一个或者多个基质层。另外，这样的两个层或者多个层配置可以被用于沉积在基底上的纳米棒，即，包括两层或多层在其上沉积纳米棒的基底的两个层或多个层。一般来说，也可以使用嵌入在基质中的纳米棒和沉积在衬底上的纳米棒的组合。

这里使用的术语阻碍层或者保护层还指被施加在光学有源结构上并被配置成对光学有源结构提供机械支撑和/或化学保护的层或涂覆层材料。在这方面，应当注意，在光学有源结构包括沉积在基底上的纳米棒的实施例中，保护层被优选地施加在纳米棒上以防止对纳米棒的氧化、磨损以及其它化学损害。在利用嵌入在基质中的纳米棒的实施例中，除了保护层以外，阻碍层或涂覆材料也可以被施加在光学有源结构上。这样的阻碍层/涂覆可以被施加在光学有源结构的任何一侧或两侧。在一些情况下，可以使用多个保护层(例如防氧层、防水层)。

在以下的描述中，偏振保留组件的元件有时也被称作光提取和/或光增强和/或光回收。但应当注意，一般来说，这样的元件形成被配置成增强从发射结构发射的偏振光的输出、同时基本上维持与光导向组件的元件相互作用的光的偏振特性的光导向组件。在这方面，应当理解将被维持的偏振特性实际上包括偏振和偏振方向两者。更具体地，偏振光强度和偏振方向两者都应当被至少部分地维持。此外，应当理解这样的光导向组件可以被并入光学有源结构中，或被形成为独立的/分离的组件，或者光导向组件的元件中的一些可以被并入光学有源结构，一些可以在光学有源结构的外部。

因此，在本发明的偏振光源器件中，膜(构成包括一个或多个层的对准的发射性纳米结构的光学有源结构)可以在该结构(膜)的一个或两个表面上包括各种各样的光导向组件。这样的光导向组件可以包括以下中的一个或多个：棱镜、角锥、微透镜、微透镜阵列、金属反射表面等，它们被配置成增强从发射结构发射的偏振光的输出，同时基本上维持从膜发射的光的偏振和偏振方向。该膜可以利用在光方向和偏振保留方面进行协助的具有选取的不同的折射率的各种各样的结构/界面(例如具有梯度折射率的类透镜结构)进行配置。光导向组件可以包括从光学有源结构的一侧或多侧被附接于该光学有源结构的一个或多个偏振保留扩散器膜。光学有源膜可以另外或者可替换地包括可以增强偏振性质的规则形状和非规则形状的光散射粒子的各种各样的组合。

光学有源结构可以包括对准的发射性纳米棒被嵌入其中的主体基质。应当注意，在这样的配置中，从嵌入的纳米棒发射的光可能由于在基质/周围环境(例如空气)界面处的全内反射(TIR)而基本上被限制在基质内。为了增大偏振光源的效率，光提取技术可以被用于发射光的有效的出耦合(out-coupling)，并抑制基质的波导行为。

一般已知在发射性结构内混合高浓度(重量百分比高达1％)的散射粒子(诸如TiO₂、SiO₂、BaTiO₃、BaSO₄以及ZnO)。但是，这样的高扩散性基质由于各向同性的散射特性而对光去偏振。因此，这个已知的技术本身在发射结构是要发射偏振光的本发明的光源中不是优选的。

参考图1，其示例本发明的用于有效率地提取和导向来自偏振光发射结构的光的技术，即最大化从发射结构发射的偏振光的提取，同时保留所发射的光的偏振特性的技术。在这个示例中，通过使用附接(接合)于光学有源结构的后侧(光输入侧)的扩散层，从而造成从结构内的纳米棒发射出的光打破全内反射的条件，而由此造成光通过结构的与扩散器的表面相反的表面离开光学有源结构(膜)，来促进对来自纳米棒层的光的偏振保留光导向。应当注意，这样的扩散层可以另外地或者可替换地被附接于光学有源结构的前侧(光输出侧)。如所示，光源器件100包括以对准的纳米棒膜形式的与泵浦单元104关联的光学有源结构102。在这个示例中，泵浦单元104包括被光学耦接于光导108的边缘的光学泵浦源106(例如蓝色LED)。在器件100中进一步提供接合于结构/膜102的后表面的扩散层110，结构/膜102用扩散层110面对光导108的光输出表面。泵浦光L_p因此从光导108出耦合并通过扩散层110进入纳米棒膜102。扩散层110消除全内反射并增强从纳米棒膜102的发射L_em(例如红色或绿色发射)。来自纳米棒膜102的发射光L_em然后通过另一个偏振保留扩散器112以提高亮度均衡性，因此优化发射光的强度分布。

因此，在这个示例中，光导向组件可以包括例如具有雾度范围在50％～95％之间以及更优选地在80％～95％之间的扩散层。扩散层被配置以及可操作为造成光散射，同时至少部分地维持光分量的偏振。应当注意扩散层被优选地配置为充分地维持所散射的光的偏振。这个扩散层消除或者至少显著地减少全内反射效应，并增强光从偏振光源(例如泵浦光和光学有源结构)的前向发射。一般来说，扩散器可以由几个相互级联的扩散层，和/或被附接于光学有源膜的后侧和前侧的扩散层配置。例如，这样的偏振维持扩散层可以基于丙烯酸聚合物，像是可从3M购得的“Magic^TM带”中使用的丙烯酸聚合物。但应当注意，扩散层可以由配置成保留所扩散的光的偏振的任何适合的透明或半透明的材料制成。这样的扩散层可以含有一个或多个橡胶层、硅树脂层或基于丙烯酸的改性聚合物层。

一般来说，本发明也可以通过获得偏振散射来利用偏振保留光导向组件，由于偏振散射，在偏振轴中的光被散射，而不是被全内反射限制在光学有源单元内。在现有技术中已知各种各样的用于实现偏振散射的配置。在本发明中，各向异性的发射性纳米粒子(诸如被用于提供偏振光发射的纳米棒)，可以被并入具有各向异性的偏振散射性质的散射介质(膜)，散射介质(膜)被设计成散射偏振发射光，同时维持偏振。一般来说，介质的或者嵌入介质中的散射粒子的散射性质可以被定制(tailor)为使得具有确定的选取的偏振态的光分量经历散射，而散射介质对具有正交偏振态的光分量是基本不可见的/透明的。

在一些实施例中，散射介质被配置为嵌入在双折射膜(基质)中的非双折射散射体的形式。在其它一些实施例中，使用嵌入在非双折射膜－基质中的双折射散射体。在这方面，应当理解一般来说，散射体和基质两者都可以在某种程度上是双折射的，但是在两者的双折射上有一定的差别。换句话说，散射体或基质材料中一个被考虑成双折射相，而另一个被考虑成非双折射相，其中非双折射相与双折射相相比(即，与双折射相的两个轴之间的双折射差别相比)，具有相对低的双折射性。例如，如果基质具有折射率n_1e和n_1o而散射体具有折射率n_2e和n_2o，则散射体被优选地配置为使得Δn_e＝|n_1e-n_2e|和Δn_o＝|n_1o-n_2o|中的至少一个远小于另一个。

根据一些实施例，偏振光源可以包括光学有源结构/膜102，光学有源结构/膜102包括分散在双折射主体聚合物基质中的对准的纳米棒和散射粒子的混合物。这被示例在图2和图3中。在这些示例中，散射粒子被配置成用于各向同性和偏振无关的散射(图2)或被配置成用于利用适当的双折射特性的选择性散射(图3)。在如图2中所示的这个配置中，光学有源结构102被配置为偏振散射膜，由混合嵌入对准的纳米棒130与散射粒子120的双折射主体聚合物基质140制成。散射粒子120一般是各向同性以及非双折射的。一般来说，散射粒子(散射体)可以被配置具有任何形状，例如，散射体可以是球形的、细长形的或者具有任何几何形状。选择主体基质140和散射体120的折射率以对于一个偏振方向提供匹配的折射率，同时沿着另一个轴提供一定的折射率失配。更具体地，聚合物基质140对于寻常轴和非常轴具有折射率n_o和n_e并且被优选地配置使得纳米棒130的对准轴与基质140的寻常轴和非常轴中的一个平行。另外，由具有折射率n_s的材料配置散射体130，折射率n_s被选择成尽可能的靠近(优选地等于)基质140的n_o和n_e中的至少一个。这提供沿着光偏振的一个轴(例如为x轴的非常轴)的造成光的散射的折射率失配，而沿着正交的轴，折射率匹配并消除或者至少显著减少散射。这个折射率失配被配置以提供从纳米棒发射出的偏振光的有效的散射，使得所发射的光从基质140出耦合。沿着正交的轴，例如y轴，基质和散射体的折射率基本匹配以消除或者至少显著减少在对应的偏振态的光的散射。因此，具有优选的偏振(例如沿着x轴)的光分量从基质140出耦合，而具有正交的偏振方向的光分量一般透过基质或者被全内反射限制在基质中。应注意，主体聚合物基质140的双折射和纳米棒130的对准可以例如通过主体聚合物基质140的机械拉伸而被同时获得。因此，如以上所指出，在这个配置中，挑选散射粒子120的折射率使得连续的基质140和散射粒子120在一个轴(偏振轴)是基本失配的，而在正交的轴是基本匹配的。这个配置导致沿着对准的纳米棒的偏振轴的光的散射增大，这导致优选的具有期望的偏振的光提取。正交的偏振被透过散射相并被TIR限制住。主体基质和分散的粒子的折射率在匹配的方向中可以通常相差小于0.03，更优选地，小于0.02，最优选地，小于0.01。主体和分散相的折射率在失配的方向中优选地相差至少0.03，更优选地，至少0.1，最优选地，至少0.2。

在另一个示例中，纳米棒可以与呈现双折射效应的对准的各向异性的散射体一起在非双折射的主体基质中混合。这被示例在图3中，图3展示由包括对准的纳米棒130和各向异性的散射粒子120的聚合性主体基质140制成的光学有源膜102。这里，光学有源结构被配置为偏振散射膜102，并包括具有与各向异性的粒子120混合嵌入在其中的发射性纳米棒130的主体聚合物基质140。各向异性的散射体和纳米棒两者在主体基质140中都沿着优选的轴(例如x轴)对准。更具体地，各向异性的散射体的较长的轴与纳米棒的偏振轴平行。选择沿着对应的寻常轴和非常轴具有折射率的各向异性的粒子120，使得沿着一个轴，折射率与聚合物基质140的折射率匹配，而沿着另一个轴(各向异性轴)，粒子120和基质140的折射率失配。这导致沿着与纳米棒的对准轴平行的优选轴(x轴)偏振的光的有效的散射。沿着正交轴，例如y轴(例如x轴)，粒子和基质的折射率是匹配的，于是沿着这个轴偏振的光被透过膜并被全内反射限制。因此，在这个配置中，对于沿着偏振轴的光存在折射率失配，而对于正交的轴，折射率是匹配的。主体基质和分散粒子的折射率在匹配的方向中相差小于0.03，更优选地，小于0.02，最优选地，小于0.01。主体基质和分散相的折射率在失配的方向中优选地相差至少0.03，更优选地，至少0.1，最优选地，至少0.2。

在上述的两个配置中，沿着对准的纳米棒的偏振轴偏振的光分量由于在分散粒子和主体基质之间的折射率失配而散射。垂直于偏振轴偏振的光由于在两个相之间的折射率匹配而被透过膜。这导致偏振光从偏振光源有效的出耦合。分散相可以包括各向异性散射体，诸如聚合物纤维或细长形的聚合物粒子，或者可替换地，无机的各向异形的粒子。在一些实施例中，纳米棒可以被嵌入在各向异性散射体的内部。

如以上所指出，已知各种各样的偏振散射技术。这些在例如以下的专利公开中被描述：US 5,825,543、WO 2008/027936、US 7,278,775以及US 8,033,674。根据这些技术，优选地，散射体的浓度高，即，在体积上5％～15％，以及更优选地在体积上15％～30％，并且在要求的平面中的折射率失配至少是0.07。在这样的膜中，对于入射在膜上的光，在与膜的界面处的折射角低于全内反射的临界角(基于斯涅尔定律)。这意指无散射或弱散射的光通过膜的光路是在膜厚度的量级(数十微米)。为这个原因，散射体的浓度一般相对高，且即使在高散射光的情况下，光路一般在膜厚度的数倍内。

在图4A～图4C中示例光散射、折射以及限制在膜内的一些特性。图4A示意性展示光透射通过膜/结构400，图4B和4C展示从嵌入在膜/层内的纳米棒发射出的光分量的传输。图4A展示在空气(n₁＝1)中行进并以角度θ₁撞击在膜(n₂)上的光线401；如所示，光线在进入膜后以角度θ₂被折射。这个折射射线在具有折射率n₂的膜内行进，并在透射出膜时在界面处被再次折射，从而以角度θ₁进入空气传输。基于斯涅耳定律，在一般的情况下，当膜的折射率高于周围环境的折射率时，所有的入射射线以小于全内反射临界角的角度折射进入膜。图4A也展例示指示从周围环境进入膜的光射线的可能的角度范围的角度锥404。以这些角度在膜内部传输的光线不受限制，并将出耦合离开膜(假定是平行的界面)。在锥内的所有射线将不会经受全内反射，因此他们在膜内的光路约为膜厚度h的大小(下限是h，上限是～h/cos(θ_c)，例如对于具有折射率1.5的典型聚合物是～1.34*h)。

图4B和图4C例示从位于膜内的纳米棒发射出的光分量的传输路径。这些图示例光学有源结构(膜)405，其包括由嵌入在其中的纳米棒所形成的内部发射源。换句话说，发射(例如红色、绿色以及可能的蓝色波长)来源于嵌入在光学有源结构中的发射性纳米棒。因此，从纳米棒发射的光射线410以高于和低于TIR的临界角的各种各样的角度撞击膜－空气界面。以低于全内反射的临界角到达界面的光分量被从膜提取。但是，由于纳米棒的发射属性，光线的大部分(诸如射线430)以大于全内反射的临界角的角度撞击在界面上，并被限制在膜内。因此，所发射的光的相当大的部分会被限制在膜内，可能要求适合的提取元件去优化膜的操作。如以上所指出，本技术和所使用的光学有源膜/层提供对有效的光提取适合的散射体或表面特征的配置以防止能量损失。

一般来说，从纳米棒发射的光线的多数经历了全内反射，意指光线的大多数所用的路径长度是膜长度L的约1-1.5倍的量级。因此，散射体的浓度可以被显著地减少，因为散射的概率与路径长度和散射体在膜内的分布密度的乘积成正比。因此，对于在膜的内部沿着具有膜的长度(L)的量级的长度的路径传输的光线，可以利用在体积上低于5％，更优选地在体积上低于1％，甚至更优选地在体积上低于0.5％的散射体浓度实现充足的光散射。

可替换地，在使用呈现小于0.07的折射率失配(因而在单个粒子的水平上将呈现更小的散射概率)的粒子时，散射体的浓度可以依然很高。例如，对于具有约1μm尺寸和n＝1.5介质折射率的散射体，使用n＝1.57的散射体的散射截面是2.8μm²。但是，随着散射体的折射率减小到1.53(Δn＝0.03，而不是Δn＝0.07)，散射截面被减小5倍到0.55μm²。因此，应当注意，散射体和基质之间的折射率失配越低，散射体的浓度越高。

在一些实施例中，散射粒子可以远大于所发射光的波长，例如，在尺寸上超过10毫米。在图3中示例的配置中，纳米棒和各向异性散射体在光学有源结构内被彼此平行地对准。对于这个配置，由于来自纳米棒的发射图案是各向异性的(与偶极辐射图案类似)，纳米棒发射的光线的散射和与散射粒子的相互作用的概率被增大。这被示例在图5A，图5A例示从嵌入在光学有源结构1300中的单个纳米棒1310发射的光与基本上平行地与纳米棒对准的更大的各向异性的散射体1330的相互作用。来自纳米棒的辐射输出在空间分布中一般是偶极类似的。因此，从纳米棒发射的并在层内传输的光1320由于散射体1330在这个方向(K X d)的更大的截面而可能具有更大的被散射体1330散射的概率。这个效应对于低散射体浓度(例如，在体积上低于1％)是突出的。纳米棒和和各向异性散射体被取向成彼此垂直的相反的情况被示例在图5B中，图5B展示从嵌入在光学有源结构1350中的单个纳米棒1360的发射与垂直地与纳米棒对准的更大的各向异性的散射体1380的相互作用。来自纳米棒1360的偶极辐射1370由于散射体1380的截面更小(约)而具有更小的被散射体1380散射1390的概率。与“平行”配置类似，这个效应对于低散射体浓度(例如，在体积上低于1％)是突出的。

参考图6，其例示显示器件200的示例。器件200一般与在以上指示的转让给本申请的受让人的公开WO 2012/059931中公开的类似，并利用背光照明单元。背光单元包括泵浦光源204和光学有源结构202。系统200可以一般分为显示部分201(像素布置)和背光部分203，显示部分201被配置以提供期望的输出光的空间调制以由此对观众显示图像，背光部分203被配置以生成基本均衡的且白色/多色的照明。光学有源结构202被优选地配置用于在期望的颜色温度处的多色发射。像素布置201可以被配置为一个LC面板205，与在该LC面板205的输出处的偏振器206相关联。显示器件200还可以包括颜色滤波器216。另外地，显示器件一般还可以包括另外的偏振器207，另外的偏振器207位于发光部分的输出处，并且一般被提供以获得干净的偏振态，即阻挡可能由于未对准以及由于纳米棒以有限的偏振比率发射光的事实而由纳米棒产生的具有不想要的偏振态的光分量。显示器件200还可以包括在空间上均匀化光分布的并可以被光学附接于光学有源结构202的扩散器208；可以被用来通过回收光来提升亮度的增亮膜(BEF)210、或反射偏振器(例如双重增亮膜，DBEF)212；也可以包括被适当地用以重新循环来自光源和其它元件的泵浦光中的一些的反射器214。

应当注意，扩散器208、BEF 210、光源204和反射器212膜可以或可以不被附接于彼此和/或显示器的任何其它元件。也应当注意，扩散器208在被光学附接于有源层202时可以被配置成通过对有源层202内的光分量引入另外的散射而从该层提取光，以及变化对应的传输角度。

上述的利用背光单元中的发射纳米管的显示器件可以被修改以增大偏振光的发射以及提高它从光学有源结构出耦合。在一些实施例中，光学有源结构202被放置在光导的上面，而泵浦源(例如蓝色LED)在光导的边缘处被耦接于光导(即边缘照明)。泵浦光从光导出耦合并撞击在偏振光源上。在另一个实施中，光学有源结构202通过折射率匹配层(例如具有1.4-1.5的折射率的光学胶)被光学耦接/附接于光导。这被示例在图7中。图7展示使用纳米膜作为颜色转换器的偏振背光的示意图。如所示，泵浦源(例如蓝色LED)500被使用作为耦接入光导505的侧面照明光源。非偏振泵浦光通过光导并通过中间的折射率匹配层510向着含有对准的纳米棒(例如通过拉伸而对准)、定义光学有源结构515的聚合物层传输。纳米棒层被密封在保护结构515免于损害(例如水气和氧气损害)的阻碍膜520中。层515包括被配置成发射在选择的波长范围中的基本上偏振的光(例如绿光和红光)的对准的纳米棒，同时允许蓝色激发源的部分透射。应注意，光学有源结构515可以被配置成也发射在与蓝色关联的波长范围和另外的选取范围中的光，以提供期望的颜色温度。在这样的配置中，泵浦光可以具有蓝色、紫色和/或紫外谱，并且另外的一个或者多个波长选择滤波器可以被使用。

从光学有源层515发射的偏振光在到达液晶之前通过偏振保留扩散器530以提高背光的颜色和亮度的均衡性(强度分布)。另外，反射层540可以被放置在光导505的后表面并协助回收可能从含有对准的纳米棒(例如通过拉伸对准)的聚合物层515向后发射的光。将从背光单元发射的偏振光通过底部的偏振器(可选的)，然后到液晶晶胞550。

背光单元的配置被优选地配置成消除光导505和光学有源结构515之间的空气隙，使泵浦光从光导出耦合进入光学有源结构515得以增加(由于全内反射减少)。这个配置显著增加了在光学有源结构内的激发光的强度，使得来自纳米棒的发射显著增加。另外，系统的背光单元和显示部分被配置成维持通过其中的光的偏振。为了这个目的，如在图6和图7中所示的不同层以及它们之间的界面的选择和布置，是根据每个层的偏振透射特性提供的。显示系统的层被优选地取向使得不同层的双折射轴(如果存在)与发射光的偏振方向对准或者垂直于发射光的偏振方向。这是为了消除，或者至少显著地减少由不想要的双折射轴造成的光路变化引起的光偏振的旋转。

根据本发明的背光单元的一些其它实施例/配置，光学有源结构被直接附接于液晶晶胞。这被示例在图8中，图8例示用于在显示器件中使用的光学堆叠。在这个示例中，泵浦光源(例如蓝色LED)600被使用作为侧面照明式光源，被光学耦接于用于向光学有源结构/膜透过泵浦光的光导610。非偏振泵浦光615通过光导610，向着可以位于光导和光学有源膜630之间以提高泵浦光的均衡性的偏振保留扩散膜620传输。这是为了优化泵浦光的强度分布，并因此也优化所发射光的强度分布。在这个示例中，光学有源结构包括密封在阻碍层640中的对准的纳米棒层630，阻碍层640保护对准的纳米棒层630免于水气和氧气损害。泵浦光615激发纳米棒层630，纳米棒层630发射通常不同于泵浦光的一个或多个波长范围的偏振光635(例如绿光和红光)。一般来说，泵浦光615的部分可以被透过光学有源层630并且可以被使用作为照明单元的输出。可替换地，泵浦光被透过的部分可以被波长选择滤波层阻拦，例如在UV泵浦光的情况下。阻碍膜640被折射率匹配附接层650直接附接于底部偏振器655和液晶晶胞660。另外的颜色滤波层670可以位于液晶层660的上游或下游。颜色滤波层670包括与液晶层660的像素对准的波长选择滤波器阵列以实现显示器的不同像素之间的颜色变化。同样，光学堆叠的一些配置可以利用位于液晶层660的下游，但是可能在颜色滤波层(当被使用时)670的上游或下游的另外的扩散层680。一般使用另外的扩散层680以通过提供器件的每个像素的均衡照明而提高显示品质。背向光回收可以由反射层570提供，反射层570可以被放置在光导610的后表面以重导向从光学有源层630向后发射的光。因此，反射层570通过防止或者至少减少由在向后方向传输的光分量所造成的损失而增加照明的效率。

因此，在这个情况中，泵浦光615(例如蓝光)被光导610导向，并通过偏振保留扩散膜620以提高光均衡性并使从光导输出的光在向前方向偏离。来自偏振光源630的偏振白光635通过折射率匹配层650，直接进入液晶660晶胞的底部偏振器655。反射层570被优选地放置在光导610的后方以回收从纳米棒层630向后发射的光。

应当注意，所有以上示例的配置和技术一般是为了有效率地从光发射结构/层提取偏振发射光以及导向该发射光在期望的方向(向着观众)传输。本发明的技术可类似地用于光发射光学有源结构，不论光学有源层相对于光导(如果有)的相对位置如何。应当注意，泵浦光可以通过在专用的光导内传输以及通过光的自由传输被导向于光学有源层。可替换地，光学有源膜在被使用时可以一般位于光导的边缘处，或在光导的上方。

针对泵浦光的光导，同时被配置用来散射所发射的光以由此减少光导的限制，并在期望的波长范围提供有效的照明。因此，根据本发明的一些实施例，偏振背光也可以通过侧光式照明构造(例如，如在相同的受让人的更早的专利公开WO 2012/059931中所述，通过将含有对准的纳米棒(例如通过拉伸对准)的聚合物层放置在泵浦光源(边缘发光式)附近，在泵浦源和光导边缘中间)获得。

这个配置被示例在图9中，图9示意性地展示使用被放置在光导710的边缘的含有纳米棒的条730(具有对准的纳米棒)这样的偏振背光单元。泵浦光源700被用作边缘照明光源。来自光源700的泵浦光撞击在条730(充当光学有源层/膜)上并激发纳米棒发射一个或者多个预定的波长范围的光。含有纳米棒的条730被放置在泵浦光源700和光导710之间，并被配置使得从在条730中的纳米棒发射出的光从条输出以耦合至光导710。纳米棒膜730被优选地密封在被配置成保护纳米棒膜730免于例如氧气和/或水或另外的材料的伤害的(基于玻璃或聚合物的)透明的阻碍介质740中。

来自纳米棒条的偏振光被耦合入光导710并在波导内传输以向着光堆叠出耦合。可以利用在波导上创造的光栅或者类光栅的图案，如以上参照图2和3所述的位于波导内的散射体，和/或通过被附接于波导的偏振保留扩射器780将所发射的偏振光出耦合。这样的偏振保留扩射器780可以无论如何被用来在背光到达液晶晶胞770的底部偏振器(可选的)之前提高背光的颜色和亮度均衡性。与图8中的示例类似，反射层570被优选地放置在光导710的后表面以回收光。如所示，光导710可以优选地导向以及出耦合在一个或多个波长范围的发射光以及在一些情况下的泵浦光中的部分，在图中以735R、735G以及735B示例三个这样的波长范围。

在一些配置中，含有纳米棒的条730可以被光学接合于光导710的边缘以增强光的耦合。这可以利用折射率匹配粘合剂(例如具有适合的折射率的光学胶)，以及利用适合的光学组件，也通过接触点的合适设计来达成。一般来说，条730被放置在光导上，伴随着对准轴与光导的边缘垂直，或更优选地，对准轴与光导的边缘平行。

从光导710输出的光的偏振程度可以通过使用除了标准的注射成型的PMMA光导的由非双折射聚合物混合物制成的光导来提高。这样的有效的偏振保持光导被Koike教授示例[optical reviews,Vol 19(6),415-418(2012)]。其他可以被使用的用于实现非双折射光导的技术涉及不在聚合物链中造成取向的处理方法，例如，浇筑、或以慢速度对聚合物挤压成型或双向拉伸。

在其他一些配置中，可以利用如例如在美国专利No.6,746,130中所述的光控制膜来获得具有窄的角分布的偏振光，这里通过对此非限定示例的参照，并入该专利。更具体地，来自偏振光源条的光被耦合入光导，该光导被设计成以大角度出耦合光的大多数，而不是将光出耦合在向前的方向。经特定设计的反向棱镜片材被放置在光导的上方，附接于光导的输出面。反向棱镜片材有效率地重导向从光导输出的光并偏转光传输路径以使光在向前的方向向着LC晶胞透过。但是，根据本技术，反向棱镜片材可以优选地基于非双折射聚合物基底。

如以上所指出，根据本发明的一些实施例，光学有源结构以及整个偏振光源单元可以被配置成膜堆叠。在这方面，应注意以下，通常来说，来自偏振光源的光可以通过偏振保留扩散器以提高从背光单元输出的所发射偏振光的颜色均衡性和亮度均衡性。常见的背光扩散器包括嵌入在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜中的散射粒子(诸如氧化钛、硫酸钡、压克力珠或空气间隙)。这样的高扩散性膜引起对通过其中的光完全去偏振的光散射。因此，为了提供偏振维持堆叠，背光单元可以要求使用偏振保留扩散器以维持发射光的偏振。为了这个目的，光学堆叠可以优选地利用表面式扩散器。会基于表面结构(诸如引起表面粗糙性的微透镜或其他表面特征部)仔细地设计这样的表面式扩散器以造成通过光的散射，同时消除，或者至少显著地减少由光散射造成的偏振旋转和损失。优选地，扩散层基于带有表面散射特征部的无双折射或低双折射的聚合物基底。这样的聚合物基底可以由以下的一个或者多个形成：聚丙烯酸酯(例如PMMA)、聚碳酸酯(PC)、环烯烃共聚物(COP)或三醋酸纤维素(TAC)。

在典型的配置中，偏振光源(包括光学有源结构)被放置在被配置成将光从泵浦光源引导至光学有源层的光导的顶部。一般来说，泵浦光在光导的一个或多个边缘处被耦合至光导(即边缘照明)，并被从光导的顶面出耦合而撞击在光学有源结构上。诸如棱角膜、增亮膜(BEF)或者发射偏振器(诸如双重增亮膜(DBEF))的另外的光学膜可以被用于有效的光回收和亮度增强，并位于光学有源结构/膜的顶部或者上游。

光学有源结构含有通常响应于泵浦光而在向前和向后的两个方向并且一般在各种各样的另外的方向发射光的适合的纳米棒。因此，高发射膜被优选地放置在光导的后表面以回收被向后发射的光，并使它向着光导返回。这样的反射膜被优选地配置成具有95％以上以及更优选地98％以上的反射率。反射膜还可以包括含有散射珠子(压克力、二氧化钛或硫酸钡)的高扩散片材。可替换地，反射膜可以被配置成充当镜面反射器的多层片材(例如可从3M购得的ESR膜)。一般来说，反射膜/层可以是任何反射器类型。但应当注意，反射膜可以优选地基于涂覆在基底(例如聚合物、塑料)上的一个或者多个金属层(例如银或者铝)。

一般来说，在如上所述的配置成用来保留光的偏振性质的光重导向(例如反射、引导、散射)光学元件方面应当注意以下。一般用于光学堆叠的聚合物膜可以也可以不被配置成具有一定水平的双折射性质。双折射的部分通常为聚合物的固有特性，同时适合的制造工艺可以提供增大的和/或减少的双折射性质。更具体地，适合用在光学重导向中的一些聚合物(例如聚对苯二甲酸乙二醇酯、PET)具有明显的双折射性质。典型的聚合物操作可以使主轴的方向和/或双折射的水平变化。例如，聚合物的拉伸可以改变平行于或者垂直于拉伸方向偏振的光的折射率。

以下是一些适合用在根据本发明的显示器件或者背光单元的光学堆叠中的光重导向光学元件(LROE)的已知示例：增亮膜(BEF)，在膜的一个表面(BEF以该表面面对LC层)时常具有棱镜形状而将光重导向到垂直于膜的期望方向，并且也使用光回收来生成这个结果；反向棱镜膜(RPF)，具有面对光导的棱镜，并且与经特定设计的光导一起被使用；扩散膜(例如光整形扩散器(可从Lumin购得)或定制的微扩散器(可从WaveFront科技得到))，具有配置用来重导向光的表面或者体积特征；光导，重导向经常在边缘处进入的光并且将它重导向在垂直于光导表面的方向中。应当注意，如这里使用的术语LROE或者光重导向光学元件应当被广义地解读成指可以被用在光学堆叠并且被配置成变化通过其中的光传输的任何光学元件。如以上所指出，这样的变化可以包括光的反射、散射和扩散以及光分量的吸收和再发射。

但应当注意，一般来说，具有双折射性质的LROE或光学堆叠的任何其他层可能在通过其中的光的偏振上造成变化。更具体地，如果LROE的双折射性质相对于与发射光的偏振方向相关的主轴的取向不是均匀的。应当注意，在传统的可购得的基于LC的显示器件中，层的均匀的双折射具有低的重要性，因为背光不是特定地偏振地，而是使用一个或者多个偏振器而起偏。因此，针对本发明的目标，一般现有的LROE组件通常不适合在偏振维持膜堆叠中使用，因为通过一般现有的LROE组件的层的光的偏振状态和/或取向可能被改变。

本发明提供光重导向结构的新配置，其利用经特定设计的被配置成通过具有适合的选择的折射特征的折射来重导向光的光学元件。这样的折射特征可以例如与光学元件的表面几何形状，以及适合的散射粒子(在扩散性元件的情况下)相关联。被适当配置的光学元件能够将入射在其上的光相对于光传输的角度进行重导向。例如，光学元件可以被配置成将具有大的入射角的输入光重导向成具有更小角度范围的输出光。这个效应可以被用以增大导向至更小视角的光强度，使得视线与显示器中心垂直的用户可以观看图像。可替换地，相反的变化可以被用来向用户提供更宽的角度选择。如所指出的，可以利用LROE膜的合适的表面几何形状/形状变化来配置这样的光学元件。这样的光重导向光学元件被示例在展示具有预定的表面特征部以进行偏振保留光重导向的双折射重导向膜800的图10A～图10B中。这样的膜可以例如被配置为增亮膜(BEF)。图10A是双折射重导向膜800(例如被配置为BEF)的示意性例示。利用在支撑层840上的多个棱镜(或类棱镜)特征部830配置重导向膜800。表面特征部830沿着与被选择与支撑层840的光学轴(双折射光学轴)平行或垂直的预定的轴延伸。图10B展示带有表面特征部(垂直线对应棱镜的尖端)830的光重导向膜800的俯视图。在图10B中还例示了标示层840的两个主轴的方向的重导向膜800的快轴810和慢轴820的方向。

具体地，应当注意表面特征部830可以被优选地配置成沿着预定的轴延伸使得预定的轴平行于重导向膜800的层840的主轴中的一个，即平行于快轴810或慢轴820。在表面特征部的材料具有不可忽略的双折射的情况下，表面特征部830被优选地配置使得特征部的预定轴也与表面特征部材料/层的快/慢轴对准。应当注意虽然图10B展示平行于重导向膜800的慢轴820延伸的表面特征部830，但利用平行于快轴810延伸的表面特征部830一般获得类似的效果。

棱镜的830的角度、宽度和高度以及LROE 800的其它部分的各种各样的设计可以被用来提供期望的光的重导向。应当注意，表面特征部830可以被配置成棱镜或类棱镜特征部(例如具有取代传统的棱镜锐利尖端的弧形尖端的“修改的棱镜”)，或提供期望的光重导向的任何其它类型的特征部。还应当注意本发明的光学元件被配置使其表面特征部相对于支撑层840的双折射慢轴和快轴以预定的角度关系对准。一般来说，本发明的LROE膜可以被配置成具有如下性质的一个或者多个：

LROE膜可以被配置成具有“零－零”双折射性质，即膜材料被制备成不具有双折射或对于慢轴和快轴具有类似的折射率(例如，如在Koike等人[12]所述那样)。

LROE膜(例如，如[14]中所述)可以由低水平的双折射材料(诸如TAC(三醋酸纤维素))配置。另外的低双折射聚合物可以包括环烯烃共聚物(COP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸酯(PC)。

LROE膜可以由对于沿着快轴和慢轴(例如在图10A、10B中的810和820)具有不同偏振的光具有差异的光程差的性质的膜制成。双折射性质在整个膜上是均匀的。特别地，膜被对准使得双折射的优选的轴是沿着细长的特征部的长轴或垂直于该轴。

应当注意，LROE膜可以具有上述配置中的任何一个。另外，也可以利用增加的分离的膜来配置LROE，该分离的膜被选取且对准以补偿双折射轴对准中的不平衡/角度变化。一般来说，这样的补偿膜被配置并且对准以平衡由LROE膜引起的相对于沿着LROE膜的快轴和慢轴偏振的光分量(寻常和非常偏振态的光)的光路的光程差。这被示例在图11中，其展示带有表面图案并且被放置在外部层910的顶部的LROE膜900，外部层910被配置用来平衡具有选取的偏振态的光的光路。补偿膜910被配置成具有预选的对于通过两个膜的组合的光补偿LROE双折射的双折射性质。为了这个目的，膜910被选取使得当它与LROE 900结合(即堆叠)使用时，该双膜组合提供零或者接近零的双折射，或者被取向成与纳米棒方向平行或者垂直对准的双折射。

还应当注意，虽然本发明是关于光重导向膜被示例的，但对于根据本发明的光学堆叠中的各种各样的膜/层，如上所述的适合的双折射对准以及补偿膜的使用可以被优选。还应当注意，为了提供能量有效的显示系统(即利用最小的能量的高亮显示器)，光学堆叠被配置成保留通过其中的光的偏振。更具体地，光学堆叠的不同的层/膜(包括光学有源层、光导、LC面板布置、扩散膜等)被优选地配置成通过合适的双折射性质的选择以及快/慢轴相对于光发射性纳米棒的对准轴的对准来维持偏振。如以上所指示的，这个可以分别地或者以任意组合方式地使用上述的“零－零”、低双折射以及补偿膜而实现。另外，应当注意在一些实施例中，在光学堆叠中的不同层可以被配置以充当堆叠的其它层的补偿膜。

因此，一般来说，根据本发明的一些实施例的光重导向光学元件，或光学堆叠中其它任何层(光有源膜、光导、扩散器等)可以被实际配置为选择性双折射LROE(SBLROE)，即，这样的膜/元件不对通过(与它相互作用)的光去偏振并且不旋转光的偏振。这样的偏振维持性质可以通过SBLROE的慢或快轴相对于电场或磁场向量的偏振方向的合适对准来提供。因此，由于光的偏振轴与SBLROE的快/慢轴平行，偏振方向基本上不被旋转，或者是仅被部分地旋转。本发明的SBLROE光学堆叠可有利地用在LCD背光模块的光学堆叠中。

在这方面，参考图12，其示例具有有源光调制模块1002以及背光单元1004的LCD器件1000。LCD器件1000被配置成包括反射境1104、光源1204(例如包括如上述的光导)以及偏振光源膜1404(光学有源结构)的层状堆叠。背光单元1004还可以包括位于光学有源层1404的上游1604或下游1304的一个或者多个扩散层。另外，背光单元可以包括一个或者多个增亮膜(例如1704和1804)、反射偏振器(例如双重增亮膜DBEF，1904)，以及一个或者多个用于滤除具有非期望波长的光(例如泵浦光)的波长选择滤波器1914。同样如上所述，光学有源层1404可以被附接于被配置成增强光从有源层1404的出耦合的光提取层1504。一般来说，背光单元1004的层中的每一个被如上所述配置成保留通过其中的光的偏振，在这方面，以下显示器件1000的元件一般被考虑是LROE类的元件：反射器1104、光导1204、扩散器1304和1604、光提取层1504、BEF膜1704和1804。

应当注意，虽然没有被具体的展示，背光单元1004还可以包括一个或者多个被配置成对选取的层(例如光学有源层1404和光源1204等)提供适合的保护的阻碍膜。

还应当注意，在一些实施例中，背光单元1004可以包括以级联形式布置(即一个LROE被放置在另一个LROE的顶部)的两个或两个以上的LROE。这样的级联LROE布置可以被用来进一步重导向光，例如提供相对于可以由单层LROE提供的角分布的更宽的角分布。应当注意，同样如上所述，每个LROE被优选地配置成具有零或低双折射性质(即对通过其中的光引起减少的光程差)，和/或使它的双折射光学轴或者平行或者垂直于其它LROE的双折射光学轴和发射光的偏振方向(纳米棒的对准轴)。

此外，同样如以上所指示的，这样的零或低双折射以及在双折射是不可避免的性质的情况下的快/慢轴的合适的对准相对于背光单元1004的另外的元件/层来说一般是优选的，以提供有效的照明和防止损失。例如，在背光单元1004中用以在一个或者多个选取的波长范围中增强亮度的一个或者多个BEF元件也可以被优选地配置成保留发射光的偏振。被配置为嵌入在基质中或者沉积在基底上的纳米棒的光学有源结构1404被优选地配置使得基质/基底的主轴和阻碍层(当使用时)与纳米棒的对准轴对准。

应当理解，相对于双折射性质的对准的类似对准可以被使用在采用如以上所提及的具有偏振性质的照明(包括后照明和侧照明)的其它器件中。在一些实施例中，在单元/器件中使用的SBLROE可以为被配置成接收从预定的方向到达的偏振光并在预定的(不同的)方向发射它的光导的形式。具有不同形式的另外的SBLROE可以被放置在光导的顶部以提供另外的重导向性质，诸如散射和亮度增强。

因此，本发明的光学堆叠，以及其中选取的膜/层(例如SBLROE、扩散层、光学有源层、波长滤波器等)被配置成通过消除或者至少显著减少双折射性质，和/或维持双折射的快/慢轴相对于发射光的偏振方向的对准来维持通过其中的光的偏振。这样的光学元件以及其中的堆叠可以在要求偏振照明和维持输出光的期望的偏振方向以及增大光输出方向性的各种各样的应用中与偏振光源一起或作为偏振光源的一部分被使用。

如上所述，光学有源结构、背光照明单元以及对应的光学堆叠，被优选地配置使得其中的光学元件的所有或者一些不具有或者至少具有减少的双折射性质(即引起最小的光程差)。另外或者可替换地，光学有源结构和另外的层被优选地取向使得其主轴(即，快轴或慢轴)与发射光的偏振方向平行。还应当注意，被配置成对选取的元件(例如纳米棒或光学有源层阻碍)提供适合的保护的具有低旋光性或者不具有旋光性的膜/层，诸如包覆膜和阻碍膜(例如在图5和图6中的元件520和640)，还优选地被配置成通过消除/减少双折射性质或者至少通过快/慢轴的合适的对准来恰当地维持偏振。

以下是由发明人进行的本发明的选取的实施例的实验实现的描述。

示例1

为了构建背光单元，对准的纳米棒膜被放置在耦接于泵浦光源的光导板(厚板)的表面，泵浦光源为蓝色发射LED条(中心波长是450nm，FWHM＝20nm，边缘发光式)形式。基于银涂覆层的高反射片材被放置在光导的后表面以回收向后发射的光。

从纳米棒层输出的偏振光被导向通过偏振维持扩散器(在这个非限制示例中使用可从Luminit购得的LSD^TM的全景扩散器，30度环形)以提高亮度均衡性。

使用可从Orafol Europe GmbH购得的Reflexite准直膜(RCF^TM)作为光重导向膜。特定的一个批次具有期望的沿着光重导向膜的棱镜的面的双折射对准轴。平行于纳米棒对准轴地或以垂直对准的方式放置这个膜。在两个对准中，来自纳米棒膜的偏振属性都被部分地维持(实现1.6的偏振比率)。偏振比率是针对膜的偏振性能的品质因数，并且通过将偏振器平行于棒对准轴和垂直于棒对准轴地放置在膜的前面来测量。两个强度之间的比率为偏振比率。本示例展示偏振的“部分保留”，因为偏振比率被从3改变至1.6。SBLROE膜对具有期望的偏振的蓝光提供56％的增加以及对具有期望的偏振的红色分量提供46％的增加。

这在图13中被例示，图13展示针对单色(红色)膜演示的通过使用SBLROE获得的向波导的前方发射的经提高的光的实验结果。这些结果对应来自背光的光通过偏振器而偏振器的传送轴平行于光学有源膜的主偏振轴的实验。做这是为了获得更加充分的光的偏振性质。应当注意，虽然没有维持3的偏振比率值，但1.6的偏振比率水平相比于使用对光完全去偏振的BEF(偏振比率等于1)提供另外23％的光。

示例2

为了构建背光单元，对准的纳米棒膜被放置在耦接于蓝色发射LED条(中心波长是450nm，FWHM＝20nm，边缘发光式)的光导板(厚板)的表面。基于银涂覆层(可从Oike购得的"BL膜")的高反射片材被放置在光导的后表面以回收向后发射的光。

使用具有160um间距和具有90度角的棱镜的棱镜膜作为光重导向膜。挑选具有非双折射的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基底(具有低于25nm的光程差的250微米基底)的特定的膜。平行于纳米棒对准轴地或以垂直对准的方式放置这个膜。在两个对准中，所接收的偏振比率是2。与使用基于双折射聚合物基底的棱镜膜所获得的10％～40％的增加相比，LROE膜对于绿光和红光提供60％～80％的增加。比较被展示在图14中。此图展示LROE基底在偏振光提取的效率上的效应。实验结果展示通过具有完全相同的棱镜结构和不同的作为基底聚合物材料的LROE(棱镜膜)获得的提高的平行于纳米棒的对准轴以及波导的前方向的光发射(所发射的红和绿光分量的总和与无BEF时的膜的发射的这个总和相比；在图中，y轴是按照百分比％单位)。相对于呈现双折射的聚碳酸酯(PC)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底，基于非双折射的PMMA基底的LROE呈现提高的效率。应当注意，这里使用的所有的BEF膜具有完全相同的棱镜结构。

因此，如上所述，本发明提供基于包括对准的发射性纳米棒的光学有源结构的偏振发射的新的偏振光源，并利用所发射的光的路径中的光学元件的合适布置。本发明的偏振光源被配置成最大化合意地偏振的光的发射以及它被维持偏振态地从光学有源结构的出耦合。