光学微结构及光学微结构层的制作方、导光组件及显示装置的制作方法

本发明涉及显示技术领域，具体地，涉及一种光学微结构及光学微结构层的制作方法、导光组件及显示装置。

背景技术：

对于大尺寸产品上复杂精细的光学微结构的制备，目前业界普遍推荐采用纳米压印技术。纳米压印技术的基本原理是将一具有纳米图案的模版以机械力(高温、高压)在涂有高分子材料的基板上等比例压印复制纳米图案。由于省去了光学光刻掩膜版和使用光学成像设备的成本，因此，具有低成本、高产出的经济优势。

但是，在实际的产业化应用中，纳米压印技术存在大尺寸产品的压印模板的制备困难、跨尺度微结构压印时易引发不良、因膜层间贴合或填充造成的全息透镜中相位分布改变等问题，从而限制了量产可行性和产品信赖性。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种光学微结构及光学微结构层的制作方法、导光组件及显示装置，其可以实现大尺寸产品的制备、跨尺度的光线微结构的分块制备，同时可以避免因膜层间贴合或填充造成的全息透镜中相位分布改变，而且具有较好的量产可行性和产品信赖性。

为实现本发明的目的而提供一种光学微结构的制作方法，包括：

形成光致聚合物膜层；

对所述光致聚合物膜层进行全息曝光，形成平面化折射率调制的位相型微结构。

优选的，所述对所述光致聚合物膜层进行全息曝光，包括：

对激光束进行相位调制，形成所需的激光波前调制；

利用调制后的所述激光束对所述光致聚合物膜层进行曝光。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种光学微结构层的制作方法，其包括：

形成光致聚合物膜层；

对所述光致聚合物膜层中的待形成光学微结构的区域进行全息曝光，形成平面化折射率调制的位相型微结构；

对整个所述光致聚合物膜层进行均匀曝光。

优选的，所述对所述光致聚合物膜层中的待形成光学微结构的区域进行全息曝光，形成平面化折射率调制的位相型微结构，包括：

所述利用调制后的所述激光束包括多条曝光光路，且多条所述曝光光路同时对所有所述待形成所述位光学微结构的区域中的至少一部分区域进行曝光。

优选的，所述光致聚合物膜层形成在导光板的入光面或出光面，且所述待形成光学微结构的区域对应入射光直接照射在所述导光板上的照射区，所述光学微结构用于使所述入射光在所述导光板中以全反射形式进行传播。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种导光组件，包括导光板；还包括光学微结构层，所述光学微结构层设置在所述导光板的入光面或出光面，且包括对应所述入射光直接照射在所述导光板上的照射区的光学微结构，用于使入射光在所述导光板中以全反射形式进行传播。

优选的，所述光学微结构为光栅结构。

优选的，所述光栅结构被均分或非均分成多个子光栅结构，多个所述子光栅结构的份数满足：使所述子光栅结构接收到的入射光在所述导光板中以全反射形式进行传播。

优选的，多个所述子光栅结构均为环形，且以所述照射区的中心为圆心呈同心环分布。

优选的，多个所述子光栅结构呈矩形阵列分布。

优选的，所述导光组件还包括网点结构，所述网点结构设置在所述导光板的入光面和/或出光面，用于使耦合入所述导光板中的光线出射。

优选的，所述网点结构包括网点膜层；所述光学微结构层和所述网点膜层分别设置在所述导光板的入光面和出光面；或者，所述光学微结构层和所述网点膜层依次设置在所述导光板的出光面；

或者，所述网点结构包括局部膜层，所述局部膜层对应所述非照射区设置；所述光学微结构和所述局部膜层同层设置，且位于所述导光板的入光面或者出光面。

优选的，所述网点结构还包括设置在所述导光板的入光面和/或出光面上，且位于所述非照射区的多个深孔。

优选的，所述深孔的深度大于50μm，或者所述深孔贯通所述导光板。

优选的，所述深孔的径向截面形状为不规则的曲线形状。

优选的，在所述深孔中填充有介质材料，所述介质材料的折射率与所述导光板的折射率的差值大于预设数值。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种显示装置，包括本发明提供的上述导光组件。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的光学微结构及光学微结构层的制作方法、导光组件及显示装置的技术方案中，通过对光致聚合物膜层进行全息曝光，可以形成平面化折射率调制的位相型微结构，从而可以实现大尺寸产品的制备、跨尺度的光学微结构的分块制备，同时平面化光学微结构可以避免因膜层间贴合或填充造成的全息透镜中相位分布改变，而且具有较好的量产可行性和产品信赖性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的光学微结构的制作方法的流程框图；

图2为本发明实施例提供的光学微结构的制作方法的过程图；

图3a为本发明第一实施例提供的导光组件的结构图；

图3b为本发明第一实施例中导光板的区域分布图；

图3c为本发明第一实施例中导光板对应任意一个led芯片的区域分布图；

图3d为图3c中沿x方向上的位相型微结构的分布图；

图3e为本发明第一实施例提供的导光组件的另一种结构图；

图4a为本发明第二实施例采用的反射式位相型微结构的光路图；

图4b为本发明第二实施例采用的投射式位相型微结构的光路图；

图4c为本发明第二实施例采用的位相型微结构的各级衍射波的示意图；

图4d为第一种优化结果图；

图4e为第二种优化结果图；

图5为本发明第二实施例采用的子位相型微结构的一种结构图；

图6为本发明第二实施例采用的子位相型微结构的另一种结构图；

图7a为本发明第二实施例采用的一种具有光栅层的显示装置的结构图；

图7b为本发明第二实施例采用的具有偏振依赖的光栅层的结构图；

图8a为本发明第三实施例提供的导光组件的结构图；

图8b为本发明第三实施例提供的导光组件的另一种结构图；

图9a为本发明第四实施例提供的导光组件的结构图；

图9b为本发明第四实施例中深孔的结构图；

图9c为本发明第四实施例中深孔的另一种结构图；

图9d为本发明第四实施例提供的显示模组的另一种结构图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的光学微结构的制作方法、导光组件及显示装置进行详细描述。

请参阅图1，本发明提供的光学微结构的制作方法，其包括：

100，形成光致聚合物膜层；

200，对该光致聚合物膜层进行全息曝光，形成平面化折射率调制的位相型微结构。

上述光致聚合物膜层是一种透明树脂，其具有高感光灵敏度、高分辨率、高衍射效率以及高信噪比等的优点。该光致聚合物膜层能够在被曝光后内部折射率产生变化，形成折射率调制分布(折射率随明暗相间的三维空间干涉条纹的变化而变化)。所谓平面化，是由于光致聚合物膜层内部的折射率产生变化，其表面仍然为平面。

本发明提供的光学微结构的制作方法可以实现大尺寸产品的制备、跨尺度的光学微结构的分块制备，同时平面化光学微结构可以避免因膜层间贴合或填充造成的全息透镜中相位分布改变，而且具有较好的量产可行性和产品信赖性。

下面对上述制作方法的具体实施方式进行详细描述。具体地，如图2所示，上述步骤200进一步包括：

对激光束进行相位调制，形成所需的激光波前调制。

利用调制后的激光束对上述光致聚合物膜层78进行曝光。

所述对激光束进行相位调制所采用的设备包括沿光路依次设置的激光器71、分束镜72、反射镜73、两个扩束器74、两个准直透镜75、两个相位空间光调制器76和两个汇聚透镜77。其中，通过计算机控制相位空间光调整器(slm，spatiallightmodulator)76对激光束进行调制，生成所需的激光波前调制。调制后的激光束照射在光致聚合物膜层78上进行曝光，形成平面化折射率调制的位相型微结构。

作为另一技术方案，本发明还提供一种光学微结构层的制作方法，其包括：

形成光致聚合物膜层；

对光致聚合物膜层中的待形成光学微结构的区域进行全息曝光，形成位相型微结构；

对整个光致聚合物膜层进行均匀曝光。

通过对整个光致聚合物膜层进行均匀曝光，可以将其他区域的折射率固定下来，以完成整个光致聚合物膜层的制备。

优选的，为了加快曝光速率，利用调制后的激光束包括多条曝光光路(图2中示出了两条曝光光路)，且多条曝光光路同时对所有待形成光学微结构的区域中的至少一部分区域进行曝光，从而同时完成多个位相型微结构的制备。另外，不同的曝光光路可以完成相同或不同的位相型微结构的制备。

在实际应用中，上述光致聚合物膜层的厚度的取值范围在300nm～5mm，具体厚度由具体设计(设计中所需的δn*d)以及所选材料决定。其中，δn是指全息聚合物经过曝光后，曝光区和非曝光区所能形成的最大折射率差值；d是指光致聚合物膜层的厚度；δn*d表征了膜层的最大位相调节能力。另外，位相型微结构的每个周期中折射率的分布可以由软件优化得出。具体地，考虑到工艺实现的难易，可以限定位相型微结构每个周期中的折射率分布方式，以平衡工艺实现和器件性能。

另外，上述光致聚合物膜层可以在导光板的入光面或出光面上形成，且待形成光学微结构的区域对应入射光(由led芯片发出的光线)直接照射在该导光板上的照射区，该光学微结构用于使入射光在导光板中以全反射形式进行传播。通过使导光板中的光线自非照射区散射出去，可以平衡照射区和非照射区的出光效率，进而有利于背光模组出光的均匀化。在这种情况下，位相型微结构的全息折射率调制分布是针对led芯片出光的波前分布进行设计的，可以将led芯片出光的波前(近似朗伯分布)转换为在导光板中以全反射形式进行传播的波导模式。具体地，位相型微结构的位相分布可以表示为xy坐标的幂次形式：x0+y0+a10x+a01y+a20x²+a02y²+a11xy+a30x³+a03y³+a21x²y+a12xy²+…，其中xy坐标系位于位相型微结构的表面，原点位于位相型微结构的中心。

另外，对于位相微结构的相位分布产生了和菲涅尔透镜相类似的光学调制效果时，可以表示为以上幂级数的二次形式。位相微结构的具体设计可以通过仿真算法(标量理论、角谱理论、rcwa-严格耦合波分析算法、fdtd-时域有限差分算法、fem-有限元算法等)结合数值优化算法(遗传算法、模拟退火算法、蜂群算法等)，针对所需要的设计(将led芯片的出光高效地转变成在导光板中以全反射形式进行传播的波导模式)得出，即给出以上幂次形式的各阶系数。

作为另一个技术方案，请一并参阅图3a～图3e，本发明第一实施例提供的导光组件，其包括导光板3和光学微结构层4，该光学微结构层4用作全息透射镜设置在导光板3的入光面，且包括对应入射光直接照射在导光板3上的照射区的光学微结构41，用于使入射光在导光板3中以全反射形式进行传播。该光学微结构41例如可以为光栅结构。

在本实施例中，上述导光组件所在的背光模组包括反射层1和led层2，导光板3位于该led层2的出光方向一侧。其中，led层2包括多个led芯片21，且多个led芯片21相对于导光板3阵列排布，以在导光板3上形成照射区b(被led芯片21直接照射的区域)和非照射区d(未被led芯片21直接照射的区域)，a区域为led芯片21所在区域，如图3b所示。

led芯片21一般为无机半导体芯片(包括micro-led芯片)，或者也可以为oled芯片。led芯片21的出光颜色可以为蓝色或者紫外。相邻的两个led芯片21之间的间距为1～50mm，具体间距可以由产品设计中背光功耗/局部调光(localdiming)的调控精细程度之间的平衡决定。

反射层1用于实现可见光全波段的反射或者实现某一色光波段的反射。该反射层1可以为单层金属膜层，其厚度的取值范围在50～200nm；或者，反射层1也可以为镀有金属反射膜的膜层，其厚度的取值范围在0.1～2mm；或者，反射层1还可以为多层介质膜层。此外，反射层1可以为整层膜层，且设置在led层2的背离出光方向的一侧。或者，反射层1还可以设置在led层2的出光方向一侧，且分布在除led芯片21之外的区域。

如图3a所示，光学微结构层4位于led层2的出光方向一侧，且位于导光板3的入光面。该光学微结构层4包括通过对光致聚合物膜层进行全息曝光而获得的光学微结构41，该光学微结构41对应上述照射区b，如图3b所示，光学微结构41所在区域c覆盖照射区b。该光学微结构41用于将来自led芯片21的其中一部分光线透射过去，将其中另一部分光线耦合入导光板3中，并以全反射形式(即波导模式)进行传播，然后通过使导光板3中的光线自非照射区d散射出去，可以平衡照射区b和非照射区d的出光效率，进而有利于背光模组出光的均匀化。传播方向如图3a中导光板3中的箭头所示。

在本实施例中，请一并参阅图3c和图3d，光学微结构41沿照射区b的径向形成所需的折射率分布的多个光栅组411。如图3d所示，在任意一个径向x上，多个光栅组411间隔设置。

由于上述光学微结构层是通过对光致聚合物膜层进行全息曝光而获得的，这可以实现大尺寸产品的制备、跨尺度的光线微结构的分块制备，同时可以避免因膜层间贴合或填充造成的全息透镜中相位分布改变，而且具有较好的量产可行性和产品信赖性。

请参阅图3a，导光组件还包括网点结构，该网点结构设置在导光板3的入光面和/或出光面，用于使耦合入导光板3中的光线出射。具体地，网点结构包括网点膜层5，该网点膜层5位于导光板3的出光侧，用于将耦合入导光板3中的光线散射出去。也就是说，由光学微结构41耦合入导光板3中以全反射形式进行传播的光线，被网点膜层5破坏了全反射形式，并自非照射区d散射出去。

在本实施例中，还包括荧光膜层6，用于将led芯片21发出的蓝光转换为白光。当然，在实际应用中，若led芯片21为白光芯片，或者为包含r、g、b的led芯片，则可以不设置荧光膜层6，当然，处于改善亮度均匀性和色彩品质等目的，也可以设置荧光膜层6。

需要说明的是，在本实施例中，光学微结构层4和网点膜层5分别设置在导光板3的入光面和出光面。但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，如图3e所示，光学微结构层4和网点膜层5也可以依次设置在导光板3的出光面。在这种情况下，光学微结构层4中的光学微结构41是利用其反射特性将光线耦合入导光板3中以全反射形式进行传播，因此，该光学微结构41的全息折射率调制分布与前述光学微结构41的的全息折射率调制分布存在差异。

还需要说明的是，在实际应用中，还可以根据具体需要在上述荧光膜层6上设置扩散膜层、棱镜膜层和/或增亮膜层等，且这些功能膜层的叠放次序可以任意设计，以满足不同的产品需求。

请一并参阅图4a～4c，本发明第二实施例提供的导光组件，其与上述第一实施例相比，其区别仅在于：位相型微结构上的折射率调制分布分区设计。具体地，位相型微结构被均分或非均分成多个子位相型微结构，多个子位相型微结构的份数满足：使子位相型微结构接收到的入射光的发射角满足要求，即，通过设定足够多的子位相型微结构的份数，来使该反射角足够小，以将子位相型微结构的光耦合效率最大化。

如图4a所示，尺寸为d(一般大于5um)的光学微结构41设置在厚度为h的导光板3的出光面，用作全息反射镜。并且，该光学微结构41被均分或非均分成多个子位相型微结构，由任意一个尺寸为l的led芯片发出的光线被不同的子位相型微结构反射之后，均耦合入导光板3中以全反射形式进行传播，如图4a中光线路径所示。

如图4b所示，尺寸为l的光学微结构41设置在厚度为h的导光板3的入光面，用作全息透射镜。任意一led芯片距离该光学微结构41的距离为h1。与前述相似的，光学微结构41被均分或非均分成多个尺寸为p的子位相型微结构，由任意一个led芯片发出的光线被不同的子位相型微结构透射之后，均耦合入导光板3中以全反射形式进行传播，如图4b中光线路径所示。

通过将光学微结构41均分或非均分成多个子位相型微结构，不同的子位相型微结构的折射率可以根据入射光角度及亮度的不同分别进行设计，以实现更精细地调节背光模组的亮度均匀性。

如图4c所示，光学微结构41的周期的设计具体为：在理论上，光栅的m级衍射波的衍射角θ仅由光栅周期p、入射波的波长λ以及入射角θ0决定，其中，

透射波：n2sinθ-n1sinθ0＝mλ/p，(m＝0,±1,±2,…)；

反射波：n1sinθ-n1sinθ0＝mλ/p，(m＝0,±1,±2,…)。

其中，n1为入射介质折射率，n2为透射介质折射率。一般情况下，光栅的0级和/或一级衍射的衍射强度比较大，而高阶的衍射级次相比前两者要小得多；0级衍射波是沿入射光方向的，而高级衍射波的衍射方向可以由光栅的周期进行调控。

为了实现将led芯片21出光的波前转换为在导光板3中以全反射形式进行传播，需要光学微结构41在较大的衍射角上具有较高的衍射效率。例如，介质折射率为1.5时，该介质与空气界面的全反射角为40°。

另外，光学微结构41的周期以1～2um为宜，这样光学微结构41的每个周期内可以在对入射光波产生有效调制的前提下，有足够多的折射率分布方式可以选择，或者周期为200～1000nm的复杂微结构(体光栅等)，同时，光学微结构41的周期不应过大，以使衍射级次不会太高。

下面对位相型微结构的设计和优化的具体方法进行详细说明。具体地，包括：

一、选择基本设计规格。

设计规格包括折射率、光栅周期、光栅厚度和折射率分布方式等。其中，入射折射率例如为1；波导折射率例如为1.5。光栅周期例如为1.6um。

二、选择优化目标。

优化目标包括衍射级次、光学变量、波长范围、入射角度和偏振。其中，衍射级次例如为4级，衍射角例如约为49°。光学变量例如为透射波对应衍射的投射系数。波长范围例如为450nm，也可以对宽光谱加权处理获得。入射角度例如为0°，也可以对入射角度分布加权处理。偏振例如为te偏振、tm偏振、部分偏振或者非偏振。

三、选择仿真和优化算法。

仿真算法包括rcwa(严格耦合波分析)算法、fdtd(时域有限差分)算法和fem(有限元)算法等。优化算法包括遗传算法、模拟退火算法和蜂群算法等。

四、输出优化结果。

使用上述示例参数，选择te偏振光，rcwa(严格耦合波分析)算法进行仿真和优化，假定光致聚合物的折射率调制范围为1.0～1.5，选择1.0的折射率值时，可以获得如图4d所示的结果。与之相类似的，选择1.5的折射率值时，选择tm偏振光，可以获得如图4e所示的结果。

表1为优化结果示例。

下面对光学微结构41被均分或非均分成多个子位相型微结构的两种分布方式进行详细描述。具体地，光学微结构41为光栅结构。第一种分布方式为：如图5所示，多个子光栅结构42均为环形，且以照射区b的中心为圆心呈同心环分布。而且，多个子光栅结构42的份数满足：使子光栅微结构42接收到的来自led芯片21的光线的发射角满足要求，即，通过设定足够多的子光栅42的份数，来使该反射角足够小，以将子光栅42的光耦合效率最大化。

第二种分布方式为：如图6所示，多个子光栅结构43呈矩形阵列分布。这同样可以实现根据入射光角度及亮度的不同分别进行设计不同的子光栅结构43的折射率，以实现更精细地调节背光模组的亮度均匀性。

请一并参阅图7a～图7b，对于一种具有光栅层的显示装置，其由下而上依次包括led层81、光栅层82、下偏振层83、显示面板84和上偏振层85。其中，光栅层82即为上述光学微结构层。为了进一步优化该光栅层82，在二维光栅的两个正交方向(e方向和f方向)上，均优化与下偏振层85的偏振方向一致的偏振光。例如，图7b示出了在光栅层82的水平截面的e方向和f方向上的两个一维光栅，二者叠加形成二维的组合光栅。其中，a大于全反射临界角。水平双向箭头和圆圈分别表示下偏振层85相对光栅的偏振方向。

由于上述光栅层28的微结构是波长或波长以下尺度的，此时光栅本身对te偏振和tm偏振的光波的响应本身就有差异，即有一定的偏振依赖性。在这种情况下，通过调整光栅单个周期内的微结构形态及分布，可以把这种偏振的依赖性最大化，形成具有较强偏振依赖的光栅，此时光栅对一种偏振光在某一衍射级次上具有强烈的衍射，而另一种偏振光在该衍射级次上衍射很弱。

请参阅图8a，本发明第三实施例提供的导光组件，其与上述第一、第二实施例相比，其区别仅在于：网点结构和光学微结构41的结构不同。

具体地，在本实施例中，网点结构包括局部膜层5，该局部膜层5和光学微结构41同层设置，且位于导光板3的入光面。其中，该局部膜层5对应非照射区d。光学微结构41对应照射区b。

光学微结构41用于将一部分光线耦合入导光板3中，并以全反射形式(即波导模式)进行传播。局部膜层5破坏了全反射形式，并将光线自非照射区d散射出去，从而可以平衡照射区b和非照射区d的出光效率，进而有利于背光模组出光的均匀化。

在实际应用中，如图7b所示，同层的光学微结构41和局部膜层5也可以位于导光板3的出光面。

请一并参阅图9a～图9b，本发明第四实施例提供的导光组件，其是在上述第三实施例的基础上所做的改进，具体地，网点结构在包括上述局部膜层5的基础上，还包括设置在导光板3的入光面上，且位于非照射区d的多个深孔31。

具体地，在导光板3的出光面是依次设置有同层的光学微结构41和局部膜层5。并且，在导光板3的入光面上，且位于非照射区d的多个深孔31。该深孔31的深度大于50μm，或者深孔31贯通导光板3，以获得高散射效率。可以通过调节多个深孔31的密度分布，来获得理想的出光效率。

优选的，如图9c所示，深孔31的轴向截面形状为等腰三角形，且该等腰三角形的两个腰之间的夹角a为锐角，这可以增大破坏全反射形式的几率。该锐角的大小的取值范围可以在20～60°。

进一步优选的，深孔31的径向截面形状为不规则的曲线形状，这同样能够增大破坏全反射形式的几率。

另外，优选的，为了进一步提高散射效率，在深孔31中填充有介质材料，该介质材料的折射率与导光板的3折射率的差值大于预设数值。该数值优选为0.5以上。上述介质材料可以选择高折射率胶材、无机介质(例如si3nx、zro、si等)或者二者的混合物。或者，上述介质材料还可以包括金属纳米颗粒胶材。利用金属纳米颗粒(如al、ag、au等)的表面等离子体的共振效应所带来的超大散射截面特性，将金属纳米颗粒分散的胶材填充在深孔31中，以提高散射效率，同时又不会较大的影响导光板3的透过率。金属纳米颗粒的直径范围在10-200nm。

需要说明的是，如图9d所示，还可以使同层的光学微结构41和局部膜层5设置在导光板3的入光面上。在这种情况下，在导光板3的出光面上，且位于非照射区d设置有多个深孔31。

还需要说明的是，网点结构也可以省去上述局部膜层5，而仅采用设置在导光板3的出光面上，且位于非照射区d的多个深孔31。具体地，网点结构包括设置在导光板3的入光面上，且位于非照射区d的多个深孔31；并且，光学微结构层4设置在导光板3的出光面上。或者，网点结构包括设置在导光板3的出光面上，且位于非照射区d的多个深孔31；并且，光学微结构层4设置在导光板3的入光面上。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种显示装置，其采用本发明上述各个实施例提供的导轨组件。

综上所述，本发明上述各个实施例提供的光学微结构及光学微结构层的制作方法、导光组件及显示装置的技术方案中，通过对光致聚合物膜层进行全息曝光，可以形成平面化折射率调制的位相型微结构，从而可以实现大尺寸产品的制备、跨尺度的光学微结构的分块制备，同时平面化光学微结构可以避免因膜层间贴合或填充造成的全息透镜中相位分布改变，而且具有较好的量产可行性和产品信赖性。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。