用于偏振和波长滤波的微结构光学装置的制作方法

专利名称：用于偏振和波长滤波的微结构光学装置的制作方法
用于W^波&虑波的微结构光学装置
絲领域
本发明涉及一种滤波光波#滤波光 的光学装置。波^^ >虑波器
在显示器、室内照明、舰械态成像照相才;L2L^^封沐标各中是常用的光
，最重要地，用作液晶显示背:彩^滤色器阵列的廉阶、高效i的^
背景技术：
基于液晶4沐的薄、平的信息^LM显示器专门用于便携式计^l^i者如 移动电#个人数据助理(PDA)的手#^置。正在台式计#^^家用庭^！^ 市场中，液晶显示器或LCDs 'tfel替代了阴旨线管(CRT)显示器。
用于膝上型计算机或电视的典型LCD包括两个主要模失液晶面板，以 及称为背光的光源和分布系统。液晶面板^^成百万个独立图像M或像素， 其 >电子信号时用作快门以阻断或透狄自背光的光。将吸齡了窄范围
的颜色，典型的红色、绿色和蓝色w卜的所有颜色的染料iy^白絲源^:
^f象素之间以生成全色显示器。
为了产生快门^，将可作为有机、长链、圆柱形分子的溶剂的液晶材料 夹在^^虑》^的片或 ^间。每^S^器具有唯一的轴，^5^5Ut过电 场振动与该轴平行的光，级^^斤有其它的光。通it^"两^H^器定向使它们的 轴正交一旋转90度一没有itit4t。当长銜良晶^^^交的 恭之间配向 时，经it^-H^器的光的皿^^皮旋转到配向为第二,器的it^轴-允许 it^)"。液晶分子的旋^iiit^片状皿恭t间、沿液晶分子配向的方向;^p 电场而^^作用。当施加电场时，快门关闭，光被阻断。
滤色染W^^片两者中的吸^P艮制了⑩皿晶《象素的光量。经过一对 配向的标准偏振片膜的白光的透射率小于20% ，而单个滤色器的⑩率最多是 70%。專^Ni色像素的组^t射率小于来自背光的可用光的12。/。。该弱的M射率很多年限制了 LCD的市场M。
迫切需要更高魏率的條和滤色膜以提高LCD的狄。近年来，3M公 司推出了一种具有高it^率的^HW^]"f^^LCD中的第^MI (见 2003年4月8日^Hf"的US6，543，153)。这种与其它^Jt增强膜(BEF)組合的 单个3M膜使LCDit^的光加倍，其允许显示器在更广范围的环嫂中可见。另
由3M生产的A^WM高^杂和昂贵。3M條器由涂覆在塑料片 上的超过6百层薄膜的叠层组成。一J1^覆，薄膜叠层在一个或更多个方向上 拉伸以产生对于生成^#^所需的各向异性。
表面浮^#緣构可净颠己置为产生对^^^￡#^的相^^^置。已使 用表面浮雕^^兌明了半波片和1/4波片。l Lfll制技术可大量低价地生产 这样的结构。当^ Me^的顶部上(或在 ^间的凹部内)选棒I^^定 积薄金属层时，條糾能由表面浮雕^W，成。这样的装置称为线_*^ 振器。线- ^11"#^于 ^卜光，但尚未被接受利用可见itiM吏用，
(nm)的数量级)的需求，该极小itMt/l被图案^^例如显示器应用中的 大面积丄。线- ^器可利用投影系统中使用的賴湿示器来使用。
,技术中已知有两种类型表面浮^^结构肯,)j光学波W虑波^ft用。 第一种类型在文献中被称为"Aztec"结构，由Cowan在美国专利4,839^50、 4874^213和4，888 260中/^和完整描述。Aztec表面结构勤以于台阶状金字塔， 其中每个台阶高;M"应于在M时将相干i(k^加的光波长的一半。Aztec结构将 从宽波长的光源中錄窄范围波长。Aztec结构通常在光條时絲出很小的效 果，且实际上常常被专门设计为如美国专利6,707,518和6,791,757所讨论的对 ^!^敏感的。
用于樣面浮^f機构产生光学滤波功能的第^t技术是利用表面结构波 导^。 M, Aztec结构或诸如孑L^柱的结构的简单阵列肯M皮^A高折射率区 域以产生波导谐振控。这样的三维或二维结构滤波器已^最近的it^信和光 计算的文献中受到了很大关注，其中它们被称作"光子带隙"装置。^ 1二#
三维波导模态的波导谐振器作为滤波器 ^技术中几乎不为人所知，但e^
文献中描idit。(见Magnuwon美国专利5,216,680、 5,598300和6，154，480。还有S. Peng和GM.Morris， "Resonant Scattering from two-dimensional gratings", J. Opt Soc. Am. A， VoL13， No.5， p.993， May 1996; R Magnusson和S. S. Wang， "New Principle for optical filters", AppL Phys. Lett, 61， No. 9， p. 1022， August 1992.)
为了产生谐#^[，波导模态的表面结构滤波器由具有小于在照明光中使 用的形皮长的尺寸(高度、t^和间隔)的元件《J^。因为该结构由具有比周
围介质更高密度的材^UaA，所以波导在垂直于传播方向的方向上产生。照明 光中的波长范围#^艮制并絲构平面内絲^^^^巨离，在该构中照明
皿经^#。在平面内向外;^Mt^^播的波将与M构^t的光干涉，允 许所限制的it^漏到平面外，在与A4t方向相反的方向上传播。在P车列中该 结构的大小、形#《試决定了滤波器带宽、滤波带通分布和中心波长。
波导谐M构易于产生在M时操怍的滤波器。为了产生⑩式滤波器， 将波"!4皆4W构置于在传统的Fabiy-Perot谐，配置中的宽带高^gJt镜结构 之间。这一概念直絲似于在 ^内妙固##准具以产生窄线宽，勤目干 ^!或如贿技术中已知的"单频"辦。薄膜絲滤波H^^非吸收介电材料 的叠层来生成Fabiy-Perot腔。对于M向方向上传播的^f到了腔谐振。相反 的，结构化的波导谐4^虑波器5McS&置为a向g向方向Ji^生成谐振，有效 械少了实现窄带絲所需要的层数。波"H皆^i^t滤波器由Magn鹏oii在美 国专利5，598，300中乂》听，JL^斤有的结构化的波导谐^iMl"滤波器i殳计由Hobbs 在参考文献(Hobbs， D.S. "Laser-Line Rejection or TVansmission Filters Based on Surface Structures Built on Infrared Transmitting Materials", Proceedings SPIE Vol. 5786， Window and Dome Technologies and Materials IX， March 2005)中示 出
当表面结构波导滤波器中的元件^S&置为高度圆形对称时，在结构化的波 导中传播的it^在所有方向Jiit^相同的A^,并JMff^A^出波导而与照 明光的*态无关。这种，独立性是由Hobbs和Cowan在美国专利 6,707,518、 6,791,757和6,870,624中乂iHf的装置的主要方面之一。
对偏振絲作的表面结构波导滤波器可由》bit过使用非对称结构如一维线 阵列()或矩形元件的二维P车列;^造。在美国专利5,598^00中，Magnusson 声称乂>开的波导谐^>虑波器可用作偏1^虑波器和非Brewster角 的' ^镜。Magn鹏on没有教示表面结构波导滤波器:M^对^iit^t， ^^殳有教导 滤波器:^可用作包括宽光潜范围的非^^光源的*器。

发明内容
在以下描述中，公开了^^面结构波导滤波器，该滤波器用来当^Jt正 交^^态时，波^^定范围的特定,态。该刻尿是通过由诸如线P车列的非 对称iL^MM的表面结构》皮导产生的。结构化波导的元件将在平#^ ^偏 振的光的一个波^Ji谐振，JL^垂直于;3yt线的方向上^lL的光的另一波^Ji 谐振。用结构的4阵列会产生同样的效果，其中^元件是例如矩形的非对 称的，或者其中在一个方向上的阵列的结构间隔不同于扭妙向上的结构间 隔。当照明光源包^t^t^jt^4l管(LED)光源的窄范围波长时，* 表面结构波导滤波器可^S己置为^Mt^J"与^t^ LED波长匹配的^^光。 由随才;1^的宽带光源照明的同一滤波11#>^或，以正交状态 的两个 窄带光镨区域。通过设计同时对多个波长波带操作的非对称表面结构波导滤波 器，能实现,多波带滤波器，^能够^^用于照明液晶显示器的典型的荧 iUT和LED光源的分立的光镨范围。该发明装JJ且合了^面浮^^機构光学 ^器和波导谐板虑波器中可见的简刺氐賴制造与>|^^伸的介电膜叠层中可 见的j^员耗大面积^^功能的优点。
多波带匹配的滤波装^t照明光的A^f角特别敏感。依赖于结构化波导配
置，照明角度的范围可以象偏离设计轴;ui那样小。对于需要宽角度传播或光
4^形的照明的应用，*滤波11^; _好的选择。当结构化波导层位于结构化 的或均匀的高反射层之间产生Fabry-Perot腔时，生成了波导谐g面结构, 滤波器。#由高M结构^^/或均匀的波导层形成的腔内谐振的;5bj^it^。 利用形成波导的非对称结构，仅在窄范围波长内的S偏振iW满足谐振条降并
*^回去。对于P偏振光不生成谐振控，且宽带P偏振ifc^^it射。对于在 波长的窄范围内的P^^光，生成了#面结构波导内的谐振，Jil些波长被 叠加在S ^^fit^上而M回去。不通过孩機构或由微结构配置设置的谐 #^谐振的照明*波长的宽范围上偏艮。因此与前述的产生具有与特定照明 源的光漆范围匹配的谐#>皮带的^滤色器的^匹酉^巨波滤波器相比， 滤波器设计要求4fi皆拟皮带定^光源不发射的光波Wi。作为产生基于孩機构的宽带^f條器的结果，期望使利用樣燥构谐振的光的带宽最小化，并且
甚至引入波导缺陷，该波导缺陷有^w制或最小化谐振而仅留下宽带偏振功
能。利用由在m构的波导层之间的最小化的相干性，三维结构可预见为具有
It^斤有三个轴变化的平均折射率的爭;^bH"料(bulkmaterial)。 m构波导的特 性产生了大的折射率变化，其允许很少量的层4^亍与具有用大量层和小折射率 变^^J建的装置等同的功能。
在用于照明LCD的背光中发现非吸收宽带孩媳构^H^器的大量应用。 如上所述，LCD辆选棒歸吸收一镇振态的所有光的吸收條器。基于微 结构的非吸>1^^# 11^过将有效*器#^吸收,器^^€供在LCD 亮^Ji的大幅提高，该有效 |1#不 "的*态^)"回光源，在光源中偏 振,^^经受^##换并被作为舰;^环.m构会允"i^HM^^^量地制造 这种^M，该^M食t^当前被3M公司用它们的DBEF产品独占地享有的 十亿美元的^H^器市场Ji^效竟争。
本发明的一方面包括对包含在宽带光源中的窄范围光波长同时滤波和* 的波导模态的谐g面结构光学滤波器。该表面结构^^虑波器提供对于* 光的高^#或，，没有如在常规 ^置和滤色器中发现的由于吸》1^斤导 致的损耗。i^titl制包括^^虑波器的表面浮,构而获剩^^的制造。 本发明的另一方面旨在^^光学滤波器阵列，该P车列具有多个波导模态表 面结构以^t或it^^A4t光的宽光谱中的一个或多个分立的光波长波带中的 ^^光。表面结构滤波器净妙艮定ffi定区域，每个区^l皮以预&巨离在空间上 隔开，_@1^维阵列中重_1±述区域。阵列中的每个滤波区絲"窗" 己置为 ^iU^或透射不同的光波长。例如，由分别透射偏振的红光(R)、绿&G) 和蓝^6(B)的三个滤波窗的重复組构成的阵列会形成RGB滤色器阵列，与在大 多数液晶显示器中使用的刻以。这样的^RGB滤色器阵列^f^/RXCD 中使用的标准吸收型染料滤色器阵列和>^#式^#^两者。^iMh虑波阵列 的可替换实施方案会>^^^ 的RGB光以产生用于大多数数字摄#^系统中 的青色(C)、洋红(M)、黄色(Y)或CMY彩色图式。偏振滤波阵列的另一 可替换实施方案会^^卜光宽光镨中^t窄波长范围内的^^光，以产生用于 夜视应用的彩色和^H^^成^^测器。
本发明的另一方面旨在^^光学滤波器，该滤波器具有一个或多个波导模态表面结构以^j"或it^^A^"光的宽光潜中的一个或多个分立的光波长的
波带中的^^光。表面结构被i^il^叠为使得照明宽带^^^^t^^遇 到每个滤波器。叠层内的^个滤波器^L设计为^Ml^t或iM与照明源的光 语成分匹配的窄带波长。叠层内的每个滤波器泉嚴至少与照明光源一样大的面 积。例如，分别^f^Jt或絲红光(R)、绿々G)和j^ib(B)的三^^ 面结构滤波器肯^fc^层，以形成RGB滤色器片，其中RGB滤波器被设置为与 在大多数液晶显示器中使用的光源的光谱范围相匹配。这样的^^虑波片M
本发明的另一方面旨在^^光学滤波器，该滤波器具有同时^j"或it^在 ^UOf光的宽光镨中的两个或多个分立的ib皮长的波带中的^^光的^波导 模态表面结构。在该实施賴中，形成波导模态滤波器的结构的维度被调整， 以支持多于"HS皆4^皮长。通常，在两^^五个分立的波带之间負lii行从单个 表面浮雕结构的偏(^^Jt或i^。通过将照明光源的光^^布与表面结构滤 波器的谐翻目匹配，提供了育^典型地于液晶显示器中iM)的光源上#^的高 效條片。以同样的方式，^#^面结构滤波器負1*@己置为絲或絲与感兴 趣的目标特树目匹配的特^tit^布，该目标特征例如火箭喷流或喷气式飞机 发动机的^M6^征、或例如用在'^yi讯系统中的处于分立波"M^/或分立偏 振态中的携带信息的#^编码的光源的^1^#征。
这些方面通常通过提供由^t预定形状的介电体(如在1^面上重复的、 并以例如具有it^或矩形或直角三角形阵列的预定非对称图案iU的线、或者 椭圆或矩形柱或孔)形成的波导模态表面结构滤波器而获得。要注意的是^Eit 里^fM的术洽'体"可包括充满空U某些其它介电材料的"孔"。
在另一应用中，^式^#^面结构光学滤波器能用作' 6^镜，或者透 射式滤波器能i^'^i^质的表面上。两个滤波器^^提供与激光窄带^沐 结合的泵浦^ 、明的高絲率的特定优点。另外，滤波器能由^^质本身构 造，以减少热透镜问题和在^ )大功率'絲器的多层薄膜滤波器上常常看到的 热损伤。
在另一应用中，育fea供包括^MM^两种结构的表面结构滤波器。能
^it:过以预定波^,态编码的滤波器的宽带光4Ji^^信息。能利用多个 预定波带。在又一个应用中，^^^^面结构滤波器来提高激^t信系统中的信
号分辨。调幅信息肯t^'a光源的一个或多^H^态上编码。例如，当^E相 对于絲的MaK棘自太阳的背景絲强时，^ ^^Hc^之间的自由空间激 itit信系统能利用偏振^H^窄带滤波器，以对于扩展的时间支#^信。
本发明特征在于用于滤波和^电磁波的装置，该装置包拾具有表面浮 ，构的第一基板，该表面浮雕结构包含至少一怖^A寸小于经滤波的电磁
波波长的介电体，该结构以至少;t^第一^L4面的-"^分的一^l二维阵列
形式重复，并JL^4i^的表面浮雕结构由足以形成波导模态谐松虑波器的材
#^1 ^^^#料，并JLi斤述介电体^St置为在与包含J^的平面平行的
平面内xte时具有并不相等的尺寸，或所述介电^^维阵列的一个方向上的 重复周期不等于4^交方向上的重复周期。
表面浮雕结构的尺寸可被调整，以滤波和 多于一个的电磁波波长范围。
经滤波的电磁波的波长范围可对应于冷阴极B灯的波长分布，或对应于LED 光源的波长分布。在表面紋理中的M介电体可以是在^L4面上以阵列形式 重复的线。^^电体可具有圆锥形、椭圆形、正方形、矩形、正弦、六边形 或yXii形的截面轮廓。^4面紋理中的名^h介电体可以是在l^L^面上以P车列
重复的矩形或椭圓形的M孔。^Hh电体可具有圓锥形、椭圆形、正方形、 矩形、正弦、六边形或/xii形的截面轮廓。
该装置可进一步包括一个或多个包^il种表面浮雕结构的1^，在每个基 Kh的表面浮雕结构净iLS己置为滤波和^lL来自照明电磁波的不同波长区域，并 JL^斤i4i4l被叠加以^m明电磁波连续i^皮每个^^虑波。可替换地，该装置 还可包括在包^t种表面浮麟构的每个^i^的局^M匕区域，在^-"局^M匕 区域内的表面浮麟构,icS己置为滤波和^^自照明电磁波的不同波长区域，
并JL^斤i^命化区域以;tJJ^L的阵列形式重复，以使照明电磁波的不同区域 并行地同时被不同的局斧f匕区域滤波。
特4ii^于LCD显示器，其包拾光源；A^f條器，选棒f她以一个 條态魏来自光源的光并^1"具有正交 态的光；和液晶微，接收净议
4t^器iMi"的光，该液晶^包^ta上所述的^F车列。特^ii^于包括上 ii^置的潮jyt镜。更进一步的，本发明的特征在于光学编码装置，其包括 光源；和上述的装置，该装置接餘自光源的光并錄至少一个波长的且具有一^N^态的光，it^至少一个其它波长的且具有正交,态的光。
本发明的另一方面的特絲于^t色器，包括分离像素的阵列，每个 像素包括多个分立的滤色器窗，每个滤色窗i^3"可见光i普的不同窄部分，每个 窗包^上所述的^^置。又一方面构想了包括上^^^置的^#>虑波器，^"有 由具有第一折射率的材料的均匀层定义的波导和由具有第二浙射率的材料制成 的表面浮，构，其中第一折射率大体上大于第二折射率。
本发明的这些优点将由下述说明书^M'J^求而变得^a清楚。


^^置的示意图。 、 ， ，， 、，— 、；<"
图2是图1所示的^L光学滤波器模型的预测A^的图4c
图3示出根提图1所示的模型制造的原型^^L光学滤波装置的扫描电子显
微镜(SEM)图像。
图4是图3所示的^^光学滤^^置的测量M的图表。
图5是被构造为与图1示出的设计严密匹配的,的^L光学滤波装置的
测量M的图表。
图6是才娥本发明特定原理的被设计为对绿ib^ff^怍的偏振光学滤波装 置的示意图。
图7是图6所示的偏振光学滤波器模型的预测反射的图夂 图8是示出根据本发明特定原理的被设计为对蓝ife^红;fci^沐怍的两个 ^1^光学滤波装置的预测反射的合成图表。
图9是示出^^^页域^^原理的滤色器的重复阵列的平面视图的图。
图10是示出典型用于液晶显示装置中的分立滤色器的,率的图表。
图ll是描述背侧照射的液晶显示器的截面图的图表。
图12示出用来照明液晶显示器的光源的光^^布的两个图表。
图13a和13b示出根椐图6所示模型制造的原型偏振光学滤波装置的SEM图像。
图14a是图13a示出的^^光学滤i^^置的测量^f率的图l 图14b是图13b示出的^^光学滤^^置的测量^f率的图表。图15a是说明了才娥本发明特定原理的形成一个颜色的一^f象素的分立偏
#^虑色器和^^^f^X的i殳计的图。
图15b是说明^^);^域公知方法^复制图15a的偏振滤色器的示意图。 图16是才Nt本发明特定原理的被设计为同时对蓝ibfp绿ib^沐怍的偏
振光学滤^^置的示意图。
图17是图16示出的^^li光学滤波器模型的预测的絲率的图表。 才Mt本发明特定原理的被设计为同时对红光、绿it^^^沐怍的滤波装置。
图19是图18示出的^^光学滤波器模型的预测絲率的图表。 图20是说明本发明特定原理的m^技术非^lL光学滤波器的测量A^率 的图l
^dt置的示意图。
图22是图21示出的^^光学滤波器模型的预测M率的图表。
图23示出才緣本发明特^^理的被设计为对可见^i^^t的可替换配
置的俏振光学滤波装置的多个示意图。
图24是才娥本发明特^f、理的被设计为同时对^^绿光的多个波带进
##怍的偏1#1光学滤波装置的示意图。
图25是图24所示的^^光学滤波器模型的预测的g率的图表。
图26是说明M^:量复制图24所示的偏振光学滤波器的方法的示意图。
图27是##本发明特定原理的被设计为同时对红ife^绿光的多个波带进
^#怍的偏振光学滤波装置的示意图。
图28是图27所示的^^光学滤波器模型的预测的i^率的图l
图29是^^本发明特定原理的^S己置为对^te^怍的如图27所示的
^^光学滤波器才莫型的预测的it^率的图表。
图30a是通过插入的截面图说明的涂覆有三个均匀材料层的塑料膜的预测
的iMj"率的图l
图30b是说明自^^量复制图27所示的偏振光学滤波装置的方法的示意图。
图31狄于图27所示的模型的2iii^i光学滤波器模型的预观'J的絲率的图表。
图32 AJ^于图27所示的模型的改进"^^光学滤波器模型的预测A^f率的
图l
图33是通过#^本发明特定原理的图27的设计的两个^^光学滤波器的 预测的iMf率的图表。
图34是通过才娘本发明特定原理的图27的设计的两个^^光学滤波器的 预测的i^率的图表。
本发明的前ii^^其它目的、特色和优点 过下面的如附图所说明的本发 明M实;^案的更具体的描述而显而易见，其中，在不同视图中相同的参考 字符指代同-"^分。附图不必成比例，取而4化，其重点在fS兑明本发明的原 理。
^f^实施方式
图1示出表面结构偏振光学滤波器10的截面的逸f见图，该滤波器肯^Jt 宽光诿中的、以直角入紂而撞击装置的随^ 的光束20中的特定波长范围和 特定电场配向24P和24S或 态的光。it4t光束22包含与Ajt光束20相同 的随才咸振宽光谱光，除了以正交于絲光24P和24S的电场配向传播的波长 26P和26S。注意，在下文中，标i 身'S"和'P"的^^指代正交电场方向，S意 指平^ff"f表面结构的^JL方向4^动的电场，P表示^it交方向Ji^垂直于表面 结构的"^1方向的方向上^^动的电场。
^#^面结构光学滤波器10设在具有光学折射率n2的平台i^板12上。 滤波器由折射率为n3的均匀材料层14和表面浮雕结构16组成，表面浮雕结构 16 ^S己置为线阵列，该线阵列由折射率为n4的材,'J成，具有常规矩形截 面轮廓。在线16之间的空间填^^斤射率为nl的材料。线16在a 12上的 均匀材料层14的表面上以周期间隔或间距为A的阵列形式重复。线16的阵列 ^L^技术中^^为;5W。为了起到光学滤波器的作用，，间距必须小于要 滤波的光波长。这样的^t^iW技术中被称为"子波长"。另外，偏板虑波器 10必须用形成波导的材料制成。这需要材料层的折射率是n2<n3>nl,且n3^n4。
使用严格矢量衍4^十算，以^#^面结构光学滤波器设计10的性能。 该软件才對Wi过由多个构造的均匀材^^且成的由用户定义的三*面紋理，预测宽光谱光的光镨^t率和it^率。该计算考虑了任意偏振态和iLMt角。包
^#料库的光学常数的测量数据。图2示出图1所示的^^虑波器设计的预测 性能的图表。该模型釆用了用作材料层14的113=2.1的五萄/^& (Ta205),用 作ib^ 16的n4=1.62的感光聚*，112=1.48的^C璃J^nl-l的空，竞。 雄间距AiU 550nm，;5y^的^l和高^^别i劲275nm和卯nm。 Ta205 层14的厚度iU 150nm。当宽带絲20垂直于滤波器结构的平面A^t时，模 型预测到850nm波长的P偏振絲作为光束24P被絲，925nm波长的S偏 振iW作为光束24S祐，。透射的宽带光束22将包含波长分别在850nm和 925nm波长的S和P ^^光语成分26P和26S。装置10想,波錄^l(4^虑波器 的作用。图2说明了條函数的潜^t率iiS'j 100%，也^l:说包含在絲20 内的850nm波长的P偏振光的100 %#fA^j"。当光束20没有,时，装置 10将850nm的光的50 。/。^Jt为P *态，将850nm的光的50%,为S ■ 态。在925nm波长，光的一半将^^Jt成S偏振态，另一半将以P條态透射。
制造图1的偏振滤波器设计的原型以说明偏，应。涂覆有150nm的 Ta205层的玻璃J^^被80nm厚的作为光刻l^斤公知的感光聚^^层阶涂覆。 ^"胶使用干涉光刻技术用间距530nm的光柵图案来膝光。在标准湿i^影处 理后，光刻胶包含由线阵列组成的表面结构。所制造结构的iE^L图和截面视图 被示在图3的扫描电子显微镜(SEM)图像中。絲12、均匀材料层14和光 貞16在显微图中示出。
图4是图3所示的^E波器原型的测量^t率的图l示出了两条曲线， 其中虚线示出当用以直角A4t的S ,宽带itm明时装置的M率，实线示出 当用也以直角A^、 P偏振宽带光照明时装置的M率。^^I光纤^^光源和 称为铝>6^镜的基于 的光5#^^行测量。^Mt率对于两偏4^皮长波带 都是大约80%，波带间隔是75nm。偏銜虑波器波带的形状、位置和间隔与由 图2计算所预测的紧密匹配。
图5是紧密匹配图1设计的^S&置为具有iW^构的^^虑波器原型的测 量M率的图表。如图4中所示，示出了两条曲线，其中虚线示出当用以直角 A^的S^^宽带光照明时装置的A^率，实线示出当用也以直角A^的P偏 振宽带iy 、明时装置的M率。光il^C测量示出对于以925nm为中心的S * 光的偏^t率为102 °Zq ，并JJ寸于以860nm为中心的P偏振光的效率为大约95% 。(在效率测量时的误差是由于用于偏振白光源的常规吸收型偏振器的透射
率变化。)偏4^虑波器波带的形状、位置和间隔与通过图2的计算而预测的非常
匹配，偏4^t率高度显示了^應-波材Wfc^或彬虑波材^h及收而导致的最小光 损耗。
对于4艮多应用，例如用于LCD的滤色器阵列和A^^器，期望在更宽 的波长波带上产生滤波响应，以与光源的光i昏范围匹配。另夕卜，与主^MJt偏 振^a术需要的几百个材料层相关联的^f目比，用更少的^^"层来产生^#> 滤波功負巨将絲l^[氐制it^。图6示出被设计为对以540nm为中心的绿M 行操作的偏振滤波结构30，其中540nm ^J I于LCDs中的冷阴极荧光灯 (CCFL)和^t^4l管(LED)发射的常用波长。装置30由单一材料层34 纟M，该单一材料层34由皿12支撑且包含表面浮自构36。这样的结构能 容易舰过^^]常规的、；^C^量梅)J辊的复制方法在弹^塑料^Ji制成。与 装置10同#^^1^>虑波11#用的装置30由符合关系nl<n3>n2的材^J成， 表面浮雕结构36的间距A必须小于经滤波的光的波长，表面浮雕结构36必须 净颠&置为高度非对称的以产生偏皿应。
图7示出来自图6的偏4^虑波设计的预测M率。与前面的图4^所有下 面l^的图表一样，示出了两条曲线，其中虚线示出当用以直角入紂的 宽带光照明时图6 ^^型的预测M率，实线示出当用也以直角4的P *宽 带光照明时图6模型的预测a率。该模型釆用用于组合材料以^构层34和 36的Ta205 U3-2.1 )，具有n2=1.48的玻璃狄，具有nl-l的空^f^。光 栅间距A设为350nm，錢线36的ti/l和高妙别设为175nm (间距的一半 或50Q/。占空比)和75nm。 Ta205层34的厚度iU 75nm。当宽带絲20垂直 于滤波器结构的平面A^j"时，该模型预测585nm波长的S偏(l^fe^Ht为it^24S ^L^J", 540nm波长的P偏振絲作为光束24P被反射。透射的宽带光束22 将包含分别在波长585nm和540nm处的S和P偏振光镨成分26P和26S。
装置30 'j用于在半高全宽(full-width half-maximum FWHM)点测得 的15到20nm宽、间隔45nm的两个波长波带的有效,器的作用。偏^M皮带 的中心波长,iUt^的间距支配性地确定。图8示出Mjyt间多EiM吏^^虑 波器波带以蓝色的430nm为中心和以红色的610nm为中心的预测效果，这两 个波^P是CCFL发射的标准波长。示出了四条曲线，其中两#"是4树> 间距iU 400nm的红色滤波器;^型，两^bl:4树iyt间i 巨i殳为250rnn的蓝色滤 波器模型。所有其它的装置^lt如图6模型所示的i议。模型结U明由固定 的材料^^赋的一种类型的结构，该结构能用于产絲大多数LCD和数石射目 机中^JD的滤色器阵列的典型红、鄉蓝 ^虑波器波带。然后能产生像素化 的主结构，其中像素阵列由三付区糊成，每付区域包含不同的她间距。 主阵列能^U标准点阵干涉光刻工具而制成。标准to'J^l制技术能一次 将包含几十万像素的^#>虑色器阵列复制到弹性塑料片上。
图9示出了典型滤色器阵列120的平面视图，该阵列 己置为具有Cl到 C1024的1024列和R1到R768的768行的图像元件(像素)121，每^H象素包 ^-^Eit^对应于红色R、绿色G和蓝色B的可见光i瞽的窄部分的三个滤色器 窗。阵列120是例如4^±型计#^几、台式计^^监视器和电祸机中使用的平 板LCDs的典型组件。
图10示出了可见ife^i^卜光(M 380nm -780nm波长范围)透过由 日本DaiNippon打印公司生产的吸收型染料滤色材料的乂/HH^t率。示出了与 用于大多数LCD滤色器阵列的红色(点化线)、绿色(实线)和蓝色(虛线) 材料的透射率对应的三条曲线。三种材料中的^""种由硬化聚*的均匀层组 成，上述硬化聚^ 包含以最小吸JM^射窄带波长、同时强烈吸收具有该通 带以外波长的光的染料。每种染料的通带被优化为具有峰^i^射率，以匹配用 于LCDs的典型CCFL灯的光if^布。本发明的目的是#^€常在阵列120中 釆用的、具有非吸#偏4^虑色器的吸收型染料滤波器，该非级^^^偏#^虑色 器iMfiUJt窄范围的波长、并且循环^J"滤色带以外的所有波长。
为了进一步说明本发明装置的应用，图11示出了显示典型的背侧照明 LCD截面的示意图。LCD由液晶微IOO, ifeA形、分布和^ #^130，以及 光源140纟JL^。光源140包含CCFL灯146 (或可替舰，LEDs阵列) 到光i^^Mt表面144的光波导142。非偏振光122被142和144的组合展开， 以 ^示器的区域并向液晶才狭100传播。^ijii^:100之前，在大角度 范围发射的非偏振光122 it^了用于减少照明传播的角度以产生光124的窄光 锥的光准直膜134和133。膜134和133典型地形成为以截面配置设置的三角形 轮廓 132。可替换的设计辆孩iit镜阵列。这些光准直或棱^M通常4^ 技术中被称为亮度提高膜或BEF 。当照明光124敲'lS^j"條器136时，照明光124是非條的，该A^偏 振器136选棒14iikit射具有线性條态的光128 JL^f具有正交偏振态的光 126。这样的反射 器136用于通过消除对不沿着液晶模块100的,轴 1 的光的吸收(如上所述)并在^ 133、 134、 142和144的多次A^j"后被转^ 條光128的絲光126的最终絲剩作为贿絲中細环的妙的鰣)， 錄高透ii^ 100的光。^Jt^條器136的功f^极少絲于照明光的色 彩，应有^W轴Ji^上至离轴30^A^的ibii^^t。如Ji^W， 3M公 司对LCD市场提供了占主导It的^f^^^。 3M的膜已知为DBEF。本发 明更进一步的目的是提供基于能以^A本大量生产的微结构的可替换、非吸收 型、皿环宽带^ 。
接下来^4^光128 A^"到由基板106和液晶材料114构造的液晶模块100 上。^^光128的^#^配向与常^^吸收型皿层103的i^f轴一致。接着， 光128通过包^t明导电膜116的窗阵列传播，所述窗连接到个沐的晶体管以 允i^a如上所述的电信号。层118用于将液晶分子配向在基态，该基态負诚 过电子信号改变。^if过层114和118后，光128A4t到包含分立的红色108、 绿色110和蓝色112滤波窗的滤色器阵列120上。具有变化的光脊范围的, M过阵列120, JLit过逸明导电层105和J^板106传播。依靠 口的电信号， 透&虑色器阵列120的;^沿着吸收型< 器层104的透过轴或消，而被偏
振。平行于层104的透过轴而,的it^过^^j"层102, ^5里可,ic;Jl^到。
本发明的进一步目标是提供基于微结构的偏振阵列的改进滤色器阵列 120,上述孩機构能由还4^^t明导电层105、夕HI^器104和潜在配向层118 功能的材^料制成。
本发明的进一步目标是提供基于鄉构的可替换的、非吸收型、规环的 宽带^ 136，该微结构能以^A^;t^量制造并JJ^yi供足以允许去RHL 收型條器103的偏滅率。
本发明的特别目标是提供負^t作对利用LCD ^^的照明光源进^Mt的 ^虑波器。图12a和12b示出通常净iUMl来照明LCD的两个光源的光it^^布。 图12a是示出在610nm、 540nm和430nm处的三条窄带发射线的CCFL背光 的输出的图表。焚it^射线的光镨t/t对于蓝线和红线小于3nm FWHM，对 于驗大约10nm FWHM。图12b是使用中心在630nm、 535nm和465nm处的三个LED光源构造的背光的光"if^布的组合图。每个LED的光傳3tl在 25nm到40nm FWHM之间。
用于使滤色^^的图6设i"H皮简化，以在^Li殳计为从白光源中提取, 的红光的几个原型的制造中实践。涂覆有150nm的Ta205层的玻璃1^^被 385nm厚的^^ 个凃覆。^^干涉ife^技术以具有405nm间距的;^图样 对光刻胶膝光。在标准湿 影工艺后，光刻M包含了由线阵列组成的表面 结构。然后ife^]^^被用作牺iN^模，通过该牺 ^模，使用已知为活性离子 蚀刻(active ion etching)或RIE的干式蚀刻才支术，蚀刻下面的Ta205层。在 图13a的SEM图像中示出在REE后錄去除剩辆it^胶掩^^之前的所制 it^构的JE^L图和截面图。以显微图示出基t112、均匀材料层34和iW^36。 图13b示出以与图13a原型相似的方式制造的皿滤色器原型，除了剩余的光 刻胶掩;JPt^^去除。
图14a是图13a示出的 >虑色器原型的测量^#率的图表。示出了两条 曲线，其中虛线示出当用以直角入紂的8 宽带光照明时装置的^率，实 线示出当用也以直角A4t的P^^宽带iy 、明时装置的M率。^ J光纤M 的光源和以铝^H^7参考的基于，的光"i制iUMi行测量。偏^^L率对于中
心在633nm的P 90 %以上，633nm波长是对应于，M气体g
器的发射的波长。观测到对于中心在675nm的S偏振光，偏^t率为100 % 。 在两波带上，i^肖光tbil对比"絲出200: 1， i^的实际^L被测量系统 所限制。图14a原型可产生有效的^y^f镜，提供能用刊l定^^率和 减少对典型Brewster窗的需要的^#^馈。
图14b示出图13b原型的^^:率。在该原型中，带宽被明^if加，波 带以610nm为中心以匹配来自CCFL光源的红色发射光。注意，波带以外的反 射率是极小的——t^M蓝;^绿光的高⑩率。这样的滤波^#对应于CMY 色彩方案中的青色。
图15说明可絲来产^于#^构的 >虑色器阵列120的简单制ii^r 法。该阵列的"HW象素121被示出为由包树应于红色、绿色和蓝^Jt (或 青色、洋红、黄色絲)的三^"像素窗《咸。该结构的截面150被示出，其 中被折射率nl的环>^;斤包围的、具有折射率n3的材料层由具有折射率n2的基 板支撑，使得nKn3、2。滤波器的设计遵循图6模型，其中结构化层以均匀材料层制成，以使得结构的;級小于材料层厚度的一半。n3折射率材料层可由具 有在1.7到1.9范围内的折射率n3的高温聚#树脂^^。 1^1可是具有在1.4 到1.65范围内的折射率的玻璃或塑料，聚乙烯或PET片塑^f"^l^示膜的常规 选择(n3=1.6 )。系统160可用于在iMl包含突出部162的滚筒辊164的一^it 过(singlepass)复制工艺中实 "滤色器阵列的錢构图，突出部162用于将 120和150中示出的图鈔印到高折射率材料中。可替换地，高折射率材料可包 ^f吏得暴露于光源146的材料硬化(固化)的光引发剂，该光源146典型贿 射在紫外到蓝色光脊范围的光。
在许多LCD应用中，偏私虑波器必须在由照明光源发射的多至五个的分 立波带上操作。通it^4^发明装置的结构，偏椒虑波器可被制作为同时在多 个波带上工作。图16示出被设计为同时A^^^^^绿光的偏振光学滤波 装置40。由正弦轮廓线组成的表面浮雕iW^构46被构建在由基仗12支撑的 材^1"层44的表面内。材料的折射率又被iM为nl<n3>n2，其W生波导谐振 必需的^#。 ；5 #构46的^1和间多^1均匀层44的厚度被调整为糊 多个谐^^皮带。通过将层44和; 46的厚度从如图6设计中的大约四分之一 谐4^皮，加到大约四分t谐4^皮长，可产生了两^H^^虑波器波带。
图17示出透錄置40的絲率的计算结果，该装置40是利用玻璃絲 12 U2-1.48)和被空气nl-l包围的碗4匕锌44， 46 (n3=2.4)结构层而构成的。 均匀ZnS层44的厚度被设为180nm，光tf^JL被设为195nm,光栅间i^皮设 为253nm。图9中的实线示出P偏振; W"被以540nm和440nm为中心的两波 银宽光镨絲20絲，分别如图16的24P和25P所示。仅仅如图8的26S 和27S所示的S^M^波长540nm和440nm处,iCi^。图17中的虚线示出 S偏振光将以550nm和450nm为中心的两波"^宽光镨光束20发射，分别如 图16中的24S和25S所示。仅仅如图16的26P和27P所示的P偏振絲波长 550nm和450nm处净Ait射。以波长550nm、 540nm、 450nm和440nm为中心 的偏^4^虑波器波f^皮图17中的阴影区域高亮显示，并JL^该图中表示为G2、 Gl、 B2和B1。
通过将均匀材料层厚度增;^皆拟皮长的另外四分之一，可产生第三 的 滤波器波带。图18示出用与装置40相同材^H殳计的、但包含具有矩形轮廓线 的表面浮雕结构56、并JL^54的厚度增加到240nm的偏4^虑^^置50。雄线的宽度被减少到仅为本示例中的被i^; 280nm的光柵间距的40%。
图19示出透it^置50的i^率的计算结果。图19中的实线示出P 被以595nm、 490nm和425nm为中心的三个波M宽光镨光束20 M出， 分别如图10的23P、 24P和25P所示。仅仅如图18的28S、 26S和27S所示的 S偏振it^波长595nm、 490nm和425nm处^fot^j"。图19中的虚线示出S偏 振iW"被以610nm、 520nm和430nm为中心的三个波M宽光"i普光束20 M 出，分别如图18中的23S、 24S和25S所示。仅仅如图18的26P和27P所示 的P偏振絲波长610nm、 520nm和430rnn处^it^f。以波长610nm、 595nm、 520nm、 495nm、 440nm和430nm为中心的偏#^虑波器波舉故图19中的阴影 区域高亮显示，并JL在图中表示为R2、 Rl、 G2、 Gl、 B2和B1。
在图20中示出来自被设计为对i^M^iff^ft的^口、非<^>皮导 谐4^虑波器的测得的M^:据。滤波器是^^淀积vj^L璃^i^Ui的ZnS层制 造的。在ZnS层内以大约二分之""i皆拟皮长的厚度制造台面结构(蜂窝图案) 的圆形对称阵列。该数据表明波导谐板虑波器^f皮设计和制造为使大多IUt源 的发射光镨与比同榉性能的多层薄膜滤波器薄的筒单结构相匹配。
图21示出被i殳计为偏振来自CCFL背光的分立发射波带的偏振光学滤波 装置60。三个未^^皮长波带72、 74、 76以正^A^照明装置60。 #实施
基板12的表面:这*腿过将该结构凹凸;刷到塑料基板中，或通ii^"覆到基 紅的聚*层中复制所^构来实现，这两个技^KM与图15中所示相似 的低M、大容量、梅ij^l制工艺来进行。然后， 12中的表面结构68 被材料层64所涂覆，材料层64复制如同在层64顶表面的表面结构66—样的 表面结构68。材料的折射率又被设置为使得nKn3〉n2,其中对于空气nl-l， 对于ZnSn3-2.4，对于玻璃n2-1.48。，结构66、 68的深度和间多E^均匀层 64的厚度被调整为产生匹配CCFL发射线的三^H皆4^皮带。所建模的图案间距 是230nm，光tt^H是80nm,层64的厚度是335nm。
图22示出当用可见光镨内的S (虛线)和P (实线)^^光两者照明时偏 #>虑波器60的预测的透射率。四个^^皮^^皮以波长615nm、 545nnm、 480nm 和430nm为中心而预测，并,顿it^示注为R、 G、 B2和B的叠加灰色波带所 高亮显示。^Ut些波带中，S^^fe^Jt回光源，如图21中的72S、 74S和76S所示。仫^仅P偏振it^些波"M:净iCii射，如图21中的72P、 74P和76P 所示。来自CCFL光源的发射光"if^叠加在该图中。注意仅仅在540nm的光i普 ^R^置60适当ilk^。通过与层64的厚度""^^调整;^66、 68的间i 巨、线 宽和^>1,在435nm和610nm的CCFL光语线負fe^L有^M^。
图23示出可脊氏实施方案的偏>^虑波结构的俯阮、JE^截面图。示出 了两种类型的结构，其中在前述实施方案中可见的线结构阵列,妙巨形或正方形 结构的二维阵列所取代。在图的左半部分，示出了矩形阵列，其中阵列中矩形 的间隔在两个方向上是相等的。用;jM^f(^^应所需要的矩形结构的非对称 性負^^劲如截面视图中所示的线与间隔的比例或占空比的^差异。在方向1 上,的;feit^不同的谐振条泮，将以与正^r向上,的光不同的波^^i"。 这样的矩形阵列能^U常规的双;5t^干涉;5t^技术制造，在该技术中通过^^ 刻1^^在啄紋间旋转90度并在一次膝光内 膝光能量以产生更宽特征，从 而i^f亍两i^t图案^^。
图23的右，分示出4#^虑波阵列的又一实施方案。^^例中，均 匀和结构4^gr,W且合在单个波导结构中。^^通^± 正^向上结构的间距 而产生的对##征，来产生需要的非对称性。i^X现出对于在一个方向上偏 振的光与对于^EW向上偏振的i^斤不同的谐振^K 二维阵列提供额外参 数的优势以^肯^L许对于滤波带位置的增加的控制的图案对称性。
很多其它类型的非对称结构适合于生产^>虑波器。可^J^诸如具有垂直 或锥形侧壁和椭圆M的锥或孔的结构。使用直角三角形朝^'形式的三it^干 涉光刻，易于产^Jt方形H(^Ji的椭圆孔阵列。
前述实齢案的一个方面是当用宽光漆范围的i!6m明时，在幼狄中隔 离出偏#>皮带。4it射中，偏l^皮带叠加在非偏振宽带it^Ji。这样的装置在 l Lt技术中公知为拒波滤波器。在某些滤色器阵列应用中，期望偏振和隔离透 射^中的波带以^#所有其它波长。这些装置^L^技术中Z/^为iMj"滤 波器。通常，皿滤波器对于以大角JLA^的光具有更大的容许限度，在LCD 例子中，当被^^虑波器絲时，^虑波和未條的光倉^背光准直(图11中 的130、 140)和分布膜中循环。这种循环允许更多的M过LCD，产生更明亮 的显示。
^^面结构iMb虑波器育M皮设计为循环非偏振光。图24示出被设计为同时^^CCFL背it^射的jL^绿光的^(l^光学i^滤波器90。对于前述 实施方案，该装置由建^^L12上的材料层中的表面结构^a^，其中材^Ht循 关系nKn3〉n2。在装置90中，均匀层94净力定积v fe^12上，由矩形^"廓线 的P车列^L^的结构层95建在以折射率近似n2的材辨'j成的材料层94的顶部。 然后结构层95被折射率为n3的另一材^1"层涂覆，以佳表面结构95被如同表面 结构96那样复制。^St置中，结构化波导錄于高絲层之间，即一个结构 ^^96和一个均匀层94之间，以产生Fabiy-Perot腔。仅M由结构化波导层 和均匀波导层94、 95形成的腔内谐振的ib^Nfc^。对于形成波导的非对称结 构，仅棘波长的窄范围内的S^^珊满足谐振糾并^it^。具有波长不 在腔内谐振的S ^#>^#^^到图中所示的束92S。对于P ^^光，不能产 生谐#^，宽带P ^^光作为束92P ^Cit^。对于在波长窄范围内的P <1&^光， 产生在均匀波导94内的谐振,这些波长与S 92S相叠加^Mt^回来。
对于图24的设计，利用m构或由微结构配置设置的谐^J^殳有谐振的光 在波长的宽范围上*。因此与所有前面的产生具有与特定照明源的光镨范围 匹配的谐振带的偏f^虑色器的实施方案相比，图24设计要求#^振带安5^光 源不4i射的光波长处。因此为了产生基于##构的宽带^,器，期望最小 化与孩機构谐振的光的带宽，甚至引入波扭陷，所i^皮扭陷有^W制或 最小化仅留下宽带> 功能的谐振。利用微结构波导层之间的最小化的相干性， 可预J^维结构为具有^^斤有三个轴变化的平均折射率的柏^t料。微结构波 导的特性产生大的折射率变化，i^L许很小数量的层来^ff与以大量层和小折 射率变^^I建的装置同等的功能。
图25示出对于以正交撞击到装置的S (虛线)和P (实线)^j^光的通过 装置卯的预测的,率。樹站^Jj仗12的折射率n2对于玻璃来说等于1.5, 均匀波导层94的折射率对于ZnS为2.4、厚度为280nm。结构层95的折射率 n3 ^t^皮设为1.5、总厚度为U0nm，其中的80nm被矩形截面的; 所调制。 ZnSi^f皮i^涂^^料96的4斤射率，；fvl^80nm，空^i皮it^it^撞击^^置 ^:前在其中传播的介质。雄间距A被i5^275nm，规占空J^皮i5^ 50%。 包含从400nm到800nm的波长范围的宽带白光92以正交A^"撞击装置。
如上所述，由模型预测的絲光的特4树于S和P ^4^U:明显不同的。对于S偏振光，两个窄带#鍵射，M于P偏振光，预测的透射率在宽带上较
高，仅M个窄波长波f^sJ时。该实施方案示出位于比前述实施方^ _得
宽得多的波长范围的谐#>皮带"卜的有效^^皮带。对于前述图，偏r^^^皮 标注未G、 B2、 B和B3的灰色条所高亮显示。CCFL光i普在图25中再次被叠 加。注意，六个CCFL发射线中的四个^^置卯有^lk^。
图26示出说明辆;*^^量制妙法的示意图180， ^Jfl该方法在柔性塑料 片膜12的^Ji产生图24的发明'Iii^置。塑料片膜12是PET、聚^l旨或其它 满足图24设计^U范的材料，^^^覆有诸如ZnS的更高折射率材料的均匀层。 涂覆有ZnS的塑料片膜由于其用于^^息图和身份证而食W多种来源购买。 经涂覆的塑料片膜通过一系列的圆柱形辊186、 188和184被^i^过系统180。 辊184包含围绕其圆周的一系列突出线182,该突出^^^形和定位为使得当辊 转动时，浮雕结构的重复阵列負Mt塑料层的表面内产生。塑料层最初作为液体 194从漏斗192分布在辊184和塑料片之间，然后通iij^露于紫外光185 (或可 替^kifit^露于热或电子束)而转化成固体。剥离辊186用于M筒辊184 #^硬化塑料。然后孩機构片膜被引AJ^覆室198， ^i^覆室198中另一层i勤口 ZnS的高折射率材料196以共形的方式淀积在,并填^^面浮雕;tt^t间 的谷部。
图27表^^皮设计用于宽带,和减小的i^^皮带数量的偏4^緣构滤波 器170。模型包拾具有折射率n2=1.62以;j^以PET膜的J^L 12、以高折射率 材料(n3=2.4以模拟ZnS)构成并且^A PET M^面中的微结构光栅，该 孩機构具有320nm的it^周期A, 60。/。的;^占空比和85nm的调制^JL。被 设置为n4=1.5以銜W更化聚合物或环攀树脂的^^斤射率材料175层以共形的方 iC^^覆在结构174的顶部，4t悉厚度达到170nm以偵jynt结构174在层175 表面内祸^>]。第二高折射率材料(再次n3-2.4以模拟ZnS)以共形的方式3皮 淀积85mn厚度，以产生净树于空U nl=l的夕MP介质包围的iW^构176。 包含从400nm到800nm范围波长的宽带白光172以正交A^t撞击装置。
图28示出对于S (虚线)和P (实线)偏振光的通it^置170的预测的透 射率。在可见光傳的绿#红光区域中预测两个宽偏#^皮带，并且该两个宽偏 4^皮f^皮标注为R和G的叠加灰色波带所高亮显示。^it些波带中，S偏振光 #^回光源，如图27中的172S所示。仅:仅P偏振it^it些波长^it射，如图27中的172P所示。来自CCFL光源的光语发射也在图中被叠加。该模型显 示了装置170将以绿色中的超过90: 1和对于红^^射线的超过100: 1的微 对比度，有^k^由CCFL源发射的绿*红光。偏振带以外的^将以平 均大约70%被透射，剩余的30%^#回光源。注意由于结构波导层的减小的厚 度，消除了对于S偏振光的谐振带，对于P偏振光的谐振f^皮有皿窄化和压 缩。
^5U'j用从320nm到260nm周期的;ttH、司隔的简单^，图28中所示的偏 ^^皮f^皮箭测为转换到如图29中所示的蓝绿光i务范围，图29与在前的图表一 样，对于S和P偏振光的通it^置170的预测的i^^^别由虚线和实线所显 示，两个宽偏#>皮带和一个更不有效的偏#^皮带#^可见光镨的绿色和蓝色区 域中预测，iW皮标注为Bl、 B2和G的叠加灰色波带所高亮显示。^jfc^些波带 中，S^jy^JN"回光源，如图27中的172S所示。仅仅P^^t^il些波 ^blfet^，如图27中的172P所示。来自CCFL光源的光镨发射也叠加在图 中。模型显示了装置170将以超过90: 1的^W比度有^itM^大多数由 CCFL光源JL射的M。
图30a和30b表示一种制造图27的^S^^^虑波器设计的手段。该工 艺开始于涂^^有由ZnS (n3=2.4)和Si02 (n4^1.5)或丙烯酸(n4=1.48)纽成 的三层薄膜叠层的柔性塑料片膜(PET， n2-l,62)的辊。ZnS层的厚度dl被 i殳为85nm,丙烯酸层的厚度d2为170nm。将膜叠层和^4l的截面图示出为插 A^通it^涂覆的膜片的可见波带光的正^Aiat^率的图。注意，对于S和 P條光的絲率是相等的——t樣更有^^。
图30b表示用于直M图27 ;5 #构压印到经涂覆的PET膜中的^J'J辊 制造系统200。经涂覆的PET膜通过圆柱状辊188、 186和204 4皮^1^过系统。 辊188以足^f汰面突出部202 ^t^:fe薄g的力向着辊204按压经PET涂 覆的膜，以^i方形截面凹槽的重t^列净ill制在每个薄M^内和在PET膜的 表面内。剥离辊186用于>^辊202#^印膜。
通过图30b的制it工艺，期望与图27设计的较小改动，例如对于临近PET 膜的材料层的倾斜的凹槽侧壁和斷氐的结构深度。这些结构缺陷中的每个将用 于抑制产生的窄带谐振，而不减少^W比度。图31示出通过净i^ii以包皿 斜側壁凹槽和不等的层厚度的图27结构的可见波带光的预测的,率。所有其它錄与图29模型4湖目同。在蓝色光i普区域内的有效條带宽被增加到接近 100nm以强烈抑制P^^^光的谐振之一。^^皮带以阴影灰色区錄示，并被 才和主为BB。叠加的CCFL光镨发4t^示出肯l^得所有发射的蓝-紫色光的有 效i为了阐明通过图31模型预测的性能，图32示出才娥本发明结构的可 见光的预测的絲的图l在该图表中，用虛錄示的S^M^f对于蓝-紫 色波长被强烈iik^，而P #^蓝-紫色光(实线)将经历很小的狄。在该 图表中4M色LED的发射光^tM皮叠加，以说明^^得的用于LCD的典型 光源的有效,。图32示出与图31中所示曲 倒的曲线，证实了当用于背 光LCD应用时本发明装置的i^员特'^^t环光的潜能。
作为来自A4^!,器136的反射结果，在LCD背光中循环的光的fe念 ,A4t的皿态从S到P态或从P到S态的旋转。期望在来自BEF133、 134 ^fclt膜144的多:^Jt后，，态将从净>^^1 器136 M的状态转4匕 为被透射的状态。某些^)"光可能仅仅需要;U^Jt来M振态从被阻挡态转 化到通过态，而其它的光可能进行了几百i^^，增加了系统" L^壳体^J^员 耗的可能性。为了M来自^Sjm偏振器装置的反射光的偏振态的更决转化， 可采用相^i^器件。在仅仅两次通过其非常光浙射率晶轴相对于本发明装置
的ifc^r向^45度配向的单轴晶体四分之一波勤目^^教降，将产生M 振态90度的絲，将S^Mt^^J，JP^4^M从P到S。 ；^发明的另一个目 的是提皿过并入位于^m,器和背光LCD的照明源之间的四分之一波 勤目^^H^而透过该公开的^Mt^偏振器装置的铺振光的增强i^率。该 目的食腿过^J I标;^i伸的薄膜四分之一波长塑料片或4ff"波长周期、高織 比ibfe压印到诸如PET的^t塑料膜的表面中来完成。所发明的装置170 于to实施方案中使用的PET;i4l背侧上并Ail种经压印的四分之一波^id 结构。
再一次参考图28、图29和图31，注意到^^皮带夕卜的絲率很高，这暗 示着图28装置的功能能^地与图29或图30装U且合，以产生有效^^整个 可见光镨的宽带^ *器装置。图28装置能与图29或图30装^l且合的一 种方iU:将两侧Ji^覆的PET膜与图30a膜叠层压印，然后分离M同时# 膜的HJl^印困28装置和在膜的相对侧Ji^印图29或30装置。
图33示出了透itW两侧上的如图27中示出的PET膜支撑结构的可见光的预测的it4t率。图28和图29模型被模拟以产生图33的结果。P偏振光的 ⑩率用实线表示，S ^^^光的it^率用虚线表示。CCFL光源的光i瞽再一次 包括在图中。该图示出由CCFL光源发射的光的^h光"i普将:R^发明的装置偏 振，对于强的红色、绿色和蓝^C射线将产生高度有效的條。这些有效的偏 振带由图中的灰色区J^^示，并标注为B1、 B2、 G和R。注意在光语的蓝色区 域中的减小iMl"率不表示;3y员耗。在该区域中没有透射的光将,il^回LCD光 源，^EJ)5里它^^J^斤^^皮循环。
图34也示出了透it^M两侧上的如图27中示出的PET膜支撑结构的可 见光的预测的,率。为了示出对组合结构的谐振的抑制^，图30的模型与 图28的模型组合，以产生图34的结果。P ^^光的itlt率用实线表示，S ■ 光的,率用虛线表示。ccfl光源的光镨再次包括在图中。该图示出由ccfl 源发射的光的整个光i瞽将^^s发明的装置m，对于强的红色、绿色和蓝^ 射线将产生高度有效的偏振。这些有效的偏振带由图中灰色区^^示，并被标 注为B1、 B2、 G和R。利用该设计，P偏振ifeit^率中的谐振槽口^l在蓝色 区域中被减小和抑制。S偏振光的舰桃在200nm带宽上大;UW少，贿 由于谐振光导致的较小峰值。特别地，可见光的平均^W"比yt^过80: 1。
权利要求
1.一种用于滤波和偏振电磁波的装置，该装置包括具有表面浮雕结构的第一基板，该表面浮雕结构包含至少一个物理尺寸小于经滤波的电磁波波长的介电体，该结构以至少覆盖第一基板表面的一部分的一维或二维阵列形式重复，并且所述基板的表面浮雕结构由足以形成波导模态谐振滤波器的材料组成或浸入所述材料，并且所述介电体被配置为在与包含基板的平面平行的平面内观察时具有并不相等的尺寸，或所述介电体在二维阵列的一个方向上的重复周期不等于在正交方向上的重复周期。
2. :H5U'j要求1所述的装置，^#絲于表面浮麟构的尺寸被调整，以 滤波和 多于一个的电磁波波长范围。
3. 如权矛j^求2所述的装置，其特征在于经滤波的电磁波的波长范围对应于冷阴极荧ibtr的波长^^布。
4. 如权矛J^求2所述的装置，其特征在于经滤波的电磁波的波长范围对应 于LED光源的波长^^布。
5. :H5U'J^求1所述的装置，^4t;^于a面故理中的^^介电体是在 _^^14面上以阵列形式重复的线。
6. ^ ，漆求5所述的装置，其特4i^于^Nh电^Mr有圆锥形、椭圆形、正方形、矩形、正弦、六边形或vxii形的截面轮廓。
7. 如权矛溪求i所述的装置，^^^于M面紋理中的VHh电体是在J41^面上以阵列重复的矩形或椭圆形的M孔。
8. :H5U，澳求7所述的装置，其特4i^于VNh电M"有圆锥形、椭圆形、正方形、矩形、正弦、六边形或/Mi形的截面轮廓。
9. :H5U'漆求1所述的装置，还^#:一个或多个包^H5Uf'决求l中的表面浮雕结构的基仗，在每个J^上的表面浮雕结构^cs己置为滤波和^^来自照明电磁波的不同波长区域，并且所i^S^皮叠加以"^^明电磁波连续il^皮每个J^^虑波。
10. 如权利要求l所述的装置，还包括在包^^'J^"求i中的表面浮雕结构的每个J^的局4M匕区域，在每 一局命化区域内的表面浮，构^1己置为滤波和^#^自照明电磁波的不同》皮 长区域，和所^命f匕区域以aJJ^l的阵列形式重复，以^^^明电磁S皮的不同区域并行地同时被不同的局部化区域滤波。
11. 一种LCD显示器，包括 光源；M,器，选棒,以"HS^态it^来自光源的光并M具有正交偏 振态的光；和液晶微，接收^^H^^器iMJ"的光，该液晶微包括包^5U，]^"求l 的^^的^f车列。
12. —种包^M'溪求l的装置的'^yt镜。
13. —种光学编码装置，包括 光源；和^U，漆求1的装置，所述权矛漆求1的装置接#自光源的光并a至少 一个波长的且具有一^S^态的光，透射至少一个其它波长的且具有正交條 态的光。
14. 一种^t色器，包拾分离l象素的阵列，每^H象素包括多个分立的滤色器窗，每个滤色窗,可 见光i普的不同窄部分，每个窗包^U'J要求1的装置。
15. —种包^U，溪求1的装置的^^虑波器，^^有由具有第一折射率 的材料的均匀层定义的波导和由具有第二折射率的材料制成的表面浮，构， 其中第一折射率大体上大于第"^斤射率。
全文摘要
描述了一种基于微结构的偏振器。该装置用作光谱光学区域内的电磁波滤波器，滤波多个波长波段和偏振态。该装置包括具有表面浮雕结构的基板，该表面浮雕结构包含物理尺寸小于经滤波的电磁波波长的介电体，所述结构以至少涂覆基板表面的一部分的阵列形式重复。该揭示的结构作为液晶显示器中的反射型偏振器、或显示器中每个像素的偏振型滤色器元件特别有用。通过该装置实现了其它应用，例如偏振编码的安全标记、偏振室内照明和用于电子成像系统的滤色器阵列。
文档编号G02F1/1335GK101617263SQ200680016855
公开日2009年12月30日 申请日期2006年5月18日 优先权日2005年5月18日
发明者道格拉斯·S·霍布斯 申请人:道格拉斯·S·霍布斯