专利名称：光栅偏振片的制作方法
技术领域：
本发明涉及偏振片技术领域，特别涉及一种光栅偏振片。
技术背景
偏振片，例如金属光栅偏振片，是液晶显示、光学测量、光通信等系统中的一种非常重要的光学元件，其具有非常广阔的市场。金属光栅偏振片具有独特的偏振性能，其原因在于垂直于光栅矢量(TM偏振)和平行于光栅矢量(TE偏振)偏振光的边界条件不同，其等效折射率也不同。现有的金属光栅偏振片主要分为单层和双层结构，为了提高TM光的透射效率，一般来说，要求金属光栅的周期小于200nm。对于双层结构，目前大多利用倾斜蒸镀金属的方式来获得双层结构，以避免相邻金属之间的开口被堵住。
由于目前对金属光栅的周期要求较高，一般都要求在200nm以下，这样会造成金属光栅偏振片的制备难度较大。另外，现有的金属光栅的金属凸起为矩形结构，蒸镀金属时极容易把开口堵住，从而会降低TM光的透射效率和消光比(即TM光的透射效率/TE光的透射效率)。即使采用倾斜蒸镀金属的方式，也无法有效提高TM光的透射效率和消光比。
因此，如何设计一种制备简单、易于加工、性价比高的光栅偏振片，成为该领域研究发展的趋势。发明内容
因此，本发明提供光栅偏振片，以克服现有偏振片技术中存在的问题。
具体地，本发明实施例提出的一种光栅偏振片，包括基底以及多个光栅结构；多个光栅结构周期性地设置在基底上，其中每个光栅结构分别包括介质层、第一金属层以及第二金属层；介质层设置在基底上，且介质层包括靠近基底的底面、远离基底的顶面、和两个连接底面和顶面的侧面，介质层的顶面的长度大于底面的长度；第一金属层设置在介质层之上；第二金属层设置在基底上且位于介质层的一侧。
在本发明实施例中，上述介质层的高度大于第二金属层的高度。
在本发明实施例中，上述介质层的截面为梯形结构。
在本发明实施例中，上述介质层的连接底面和顶面的侧面为弧状的曲面。
在本发明实施例中，上述介质层和基底采用同种材料而制成。
在本发明实施例中，上述介质层和基底采用不同的材料而制成。
在本发明实施例中，上述介质层和基底的折射率相同。
在本发明实施例中，上述介质层和基底的折射率为1. 5。
在本发明实施例中，上述介质层采用对可见光吸收小的透光率高的光刻胶材料而制成。
此外，本发明实施例提出的一种光栅偏振片，其包括基底、第一光栅阵列以及第二光栅阵列，第一光栅阵列具有多个第一光栅结构，其中每个第一光栅结构分别包括介质层和金属层，介质层设置在基底上，而金属层设置在介质层上，且介质层包括靠近基底的底面、远离基底的顶面、和两个连接底面和顶面的侧面，每个第一光栅结构中介质层的顶面的长度大于底面的长度；第二光栅阵列具有多个非透光的第二光栅结构，其中每个第二光栅结构分别设置在基底上且位于对应的第一光栅结构的介质层的一侧。
本发明上述实施例由于介质层的顶面的长度大于底面的长度，这样在不需降低光栅结构的周期的前提下就可以大幅度提高TM光的透射效率、抑制了 TE光的泄露，同时还可以提高光栅偏振片的消光比，即提高了 TM光的透射效率/TE光的透射效率的抑制比，其大于30 1，这样完全满足液晶显示亮度提高的要求。此外，在光栅偏振片的制备过程中由于介质层大致采用倒梯形结构，这样第一金属层和第二金属层的金属沉积也不容易挡住开口， 从而使得光栅偏振片的制备过程较简单。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段， 而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
图1是本发明实施例提出的光栅偏振片的结构示意图。
图2A是现有的一种光栅偏振片的TM光、TE光的透射效率与入射光的波长的关系图。
图2B是由图2A得到的消光比与入射光的波长的关系图。
图3A是图1的光栅偏振片的TM光、TE光的透射效率与入射光的波长的关系图。
图;3B是由图3A得到的消光比与入射光的波长的关系图。
图4是图1的光栅偏振片在其介质层与第二金属层之间的高度差为第一高度差时，TM光的透射效率与入射光的波长的关系图。
图5A是图1的光栅偏振片在其介质层与第二金属层之间的高度差为第二高度差时，TM光的透射效率与入射光的波长的关系图。
图5B是图1的光栅偏振片在其介质层与第二金属层之间的高度差为第二高度差时，TE光的透射效率与入射光的波长的关系图。
图5C是由图5A与图5B得到的消光比与入射光的波长的关系图。
图6是本发明另一实施例提出的光栅偏振片的结构示意图。
图7A是图6的光栅偏振片的TM光的透射效率与入射光的波长的关系图。
图7B是图6的光栅偏振片的TE光的透射效率与入射光的波长的关系图。
图8是由图7A与图7B得到的消光比与入射光的波长的关系图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的光栅偏振片其具体实施方式
、结构、特征及功效， 详细说明如后。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例详细说明中将可清楚的呈现。通过具体实施方式
的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。
图1是本发明实施例提出的光栅偏振片的结构示意图。请参考图1，本实施例的光栅偏振片包括基底11以及多个光栅结构12，其中这些光栅结构12周期性地设置在基底11 上。且每个光栅结构12分别包括介质层121、第一金属层122和第二金属层123。
基底11可由透明材料制成，例如可以由玻璃或塑料薄膜等材料制成。
每个光栅结构12中的介质层121设置在基底11上，其包括靠近基底11的底面 121b、远离基底11的顶面121a、和两个连接底面121b和顶面121a的侧面121c。在本发明中，介质层121的顶面121a的长度大于其底面121b的长度。优选地，在本实施例中，介质层121的截面为梯形结构。
此外，介质层121的材料与基底11的材料可以相同，也可以不相同，例如介质层 121的材料可以采用对可见光吸收小的透光率高的光刻胶等材料而制成。当然，在本发明中，介质层121和基底11的材料也可采用对可见光不吸收的材料。介质层121和基底11 的折射率相同或者接近，例如大约为1. 5。
第一金属层122设置在介质层121之上。优选地，第一金属层122的截面可为长方形，且其底边与介质层121的顶面121a的长度一致。
第二金属层123设置在基底11上且位于介质层121的一侧。优选地，第二金属层 123的截面也可为长方形，且介质层121的高度hi大于第二金属层123的高度h。第一金属层122和第二金属层123的材料可以为铝、金、银、或铜等。
换句话说，在本发明中，光栅偏振片可包括基底11、第一光栅阵列和第二光栅阵列，其中，第一光栅阵列包括多个由介质层121和第一金属层122所组成的第一光栅结构， 而第二光栅阵列包括多个由第二金属层123所组成的非透光的第二光栅结构。介质层121 设置在基底11上，而第一金属层122设置在介质层121上，且介质层121包括靠近基底11 的底面121b、远离基底11的顶面121a、和两个连接底面121b和顶面121a的侧面121c。而第二光栅阵列中作为非透光第二光栅结构的每个第二金属层123分别设置在基底11上且位于对应的第一光栅结构中的介质层121的一侧。每个第一光栅结构中介质层121的截面大致为梯形结构，即其顶面121a的长度大于其底面121b的长度。
由于在本发明中的介质层121的截面大致为梯形结构，因此第二金属层123和介质层121之间会形成开口，且在制备第一金属层122和第二金属层123的过程中，第一金属层122和第二金属层123中金属的沉积不容易挡住开口 126、127，从而使得本发明光栅偏振片的制备过程较简单。
此外，由于本发明中每个光栅结构12中的介质层121的截面为梯形结构，即其顶面121a的长度大于底面121b的长度，且介质层121的高度大于第二金属层123的高度，因此本发明的光栅偏振片的光学特性较好。下面通过实验验证本发明实施例提出的光栅偏振片在不需降低光栅偏振片的光栅结构12的周期的前提下具有较高的TM光的透射效率、较低的TE光的透射效率(即TE光的泄露被抑制)和较高的消光比，从而可以克服现有的光栅偏振片对光栅结构12的周期要求高的缺点。
假设入射光的波长仍介于0.4μπι到0.8μπι之间。图1的光栅偏振片的结构参数如下光栅结构12的周期p=150nm，介质层121的顶面121a的长度wl=100nm，介质层121 的底面121b的长度w2=100nm，且介质层121的高度hl=100nm。此外，介质层121的高度hi与第二金属层123的高度h之间的高度差Ah介于IOnm到40nm之间。这样，在此结构参数wl= w2下的光栅偏振片中的介质层121为矩形结构。在此条件下，TM光及TE光的透射效率与入射光的波长的关系如图2A所示，其中曲线21、22、23、M分别是Δh为40nm、30nm、 20nm、IOnm下TM光的透射效率。曲线25、洸、27、沘分别是Ah为40nm、30nm、20nm、IOnm 下TE光的透射效率。由图2A得到的消光比与入射光的波长的关系如图2B所示，其中曲线 201、202、203、204 分别是 Ah 为 40nm、30nm、20nm、IOnm 下的消光比。
假设入射光的波长介于0.4μπι到0.8μπι之间。本发明图1的光栅偏振片的结构参数如下光栅结构12的周期p=150nm，介质层121的顶面121a的长度wl=100nm，介质层 121的底面121b的长度w2=80nm，第二金属层123的高度为h，介质层121的高度为hl，介质层121的高度hi与第二金属层123的高度h之间的差为Ah。Ah= hl_h，Ah介于IOnm 到40nm之间。在此条件下，TM光及TE光的透射效率与入射光的波长的关系如图3A所示， 其中曲线31、32、33、34分别是Δ h为40nm、30nm、20nm、IOnm下TM光的透射效率。曲线35、 36、37、38分别是Ah为40nm、30nm、20nm、IOnm下TE光的透射效率。由图3A得到的消光比与入射光的波长的关系如图3B所示，其中曲线301、302、303、304分别是Δ h为40nm、30nm、 20nm、IOnm下的消光比。通过将图2A与图3A的比较可以看出图3A中在Δh为40nm、30nm、 20nm、IOnm下TM光的透射效率较高、TE光的透射效率较低，特别在入射光为短波长时TM光的透射效率较高、TE光的透射效率较低。通过将图2B与图;3B的比较可以看出图:3B比图 2B中的消光比在Ah为40nm、30nm、20nm、10nm下也显著提高。因此上述实验结果证明采用梯形结构的介质层121可以大幅度提高入射光为短波长时TM光的透射效率，而入射光为长波长时TM光的透射效率变化很小，消光比也显著提高，其大于30:1，完全满足液晶显示亮度提高的要求。
假设入射光的波长介于0.4μπι到0.8μπι之间。图1的光栅偏振片的结构参数如下光栅结构12的周期p=150nm，介质层121的顶面121a的长度wl=100nm，介质层121的底面121b的长度w2介于40nm到IOOnm之间，介质层121的高度hi与第二金属层123的高度h之间的差Ah=30nm。在此条件下，TM光的透射效率与入射光的波长的关系如图4所示，其中曲线41、42、43、44分别是w2为40nm、60nm、80nm、IOOnm下TM光的透射效率。其中曲线44中的结构参数wl= w2，此结构参数下的光栅偏振片中的介质层为矩形结构。曲线 41、42、43代表的均为本发明光栅偏振片的TM光的透射效率。将本发明光栅偏振片的结构与介质层为矩形结构的光栅偏振片相比较，从图4可以看出，本发明光栅偏振片的结构可以大幅度提高入射光为短波长时TM光的透射效率，而入射光为长波长时TM光的透射效率变化很小。
假设入射光的波长介于0.4μπι到0.8μπι之间。图1的光栅偏振片的结构参数如下光栅结构12的周期p=150nm，介质层121的顶面121a的长度wl=100nm，介质层121的底面121b的长度w2介于40nm到IOOnm之间，介质层121的高度hi与第二金属层123的高度h之间的差Ah=20nm。在此条件下，TM光的透射效率与入射光的波长的关系如图5A 所示，其中曲线501、502、503、504分别是w2为40nm、60nm、80nm、IOOnm下TM光的透射效率。在此条件下，TE光的透射效率与入射光的波长的关系如图5B所示，其中曲线508、507、 506、505分别是w2为40nm、60nm、80nm、IOOnm下TE光的透射效率。在此条件下，由图5A、 图5B得到的消光比与入射光的波长的关系如图5C所示，其中曲线509、510、511、512分别是w2为40nm、60nm、80nm、IOOnm下的消光比。从图5A和图5B可以看出，TM光的透射效率随着介质层121的底面121b的长度w2的减小提高也很明显，同时TE光的透射效率随着介质层121的底面121b的长度w2的减小也显著降低，即TE光的泄露也被抑制。从图5C可以看出，消光比随着介质层121的底面121b的长度w2的减小而显著提高。
图6是本发明另一实施例提出的光栅偏振片的结构示意图。请参考图6，图6的光栅偏振片与图1的光栅偏振片的区别在于介质层521的侧面521c大致为圆弧形状的曲面。主要是由于实际制备的工艺的影响使得介质层521的侧面521c不能为图1的直线形状，即介质层521不能为图1所示的标准梯形结构，而为大致的梯形结构。第一金属层522 的结构和位置关系与图1均相同，不再赘述。
下面通过实验验证图6的光栅偏振片在不需降低光栅偏振片的光栅结构的周期的前提下也具有较高的TM光的透射效率、较低的TE光的透射效率和较高的消光比。从而同样可以克服现有的光栅偏振片对光栅结构的周期要求高的缺点。假设入射光的波长介于 0. 4 μ m到1 μ m之间。图6中光栅偏振片的结构参数如下光栅结构52的周期为p5=150nm， 介质层521的顶面521a的长度w51=100nm，介质层521的底面521b的长度w52介于40nm 到IOOnm之间，介质层521的高度h51与第二金属层523的高度h5之间的差Ah5=20nm。 在此条件下，TM光的透射效率与入射光的波长的关系如图7A所示，其中曲线60、61、62、63、 64分别是w2为40nm、50nm、60nm、80nm、IOOnm下TM光的透射效率。在此条件下，TE光的透射效率与入射光的波长的关系如图7B所示，其中曲线65、66、67、68、69分别是w2为lOOnm、 80nm、60nm、50nm、40nm下TE光的透射效率。在此条件下，由图7A、图7B得到的消光比与入射光的波长的关系如图8所示，其中曲线81、82、83、84、85分别是w52为40nm、50nm、60nm、 80nm、100nm下的消光比。从图7A和图7B可以看出，TM光的透射效率随着介质层521的底面521b的长度w52的减小提高也很明显，同时TE光的透射效率随着介质层521的底面 521b的长度w52的减小也显著降低，即TE光的泄露也被抑制。从图8可以看出，消光比随着介质层521的底面521b的长度w52的减小而显著提高。
综上所述，本发明之光栅偏振片由于采用大致为梯形结构的介质层121、521，即介质层121、521的顶面的长度大于其底面的长度，这样在不需降低光栅偏振片的光栅结构 12、52的周期的前提下就可以大幅度提高入射光为短波长时TM光的透射效率、抑制了 TE光的泄露，同时还可以提高光栅偏振片的消光比，即提高了 TM光的透射效率/TE光的透射效率的抑制比，其大于30:1，这样完全满足液晶显示亮度提高的要求。此外，在光栅偏振片的制备过程中由于介质层大致采用梯形结构，这样第一金属层和第二金属层的金属沉积也不容易挡住开口，从而使得光栅偏振片的制备过程较简单。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
1.一种光栅偏振片，其特征在于，其包括 基底；和多个光栅结构，周期性地设置在该基底上，其中每个光栅结构分别包括介质层，设置在该基底上，且该介质层包括靠近该基底的底面、远离该基底的顶面、和两个连接该底面和该顶面的侧面；第一金属层，设置在该介质层之上；以及第二金属层，设置在该基底上且位于该介质层的一侧； 其中，该介质层的该顶面的长度大于该底面的长度。
2.根据权利要求1所述的光栅偏振片，其特征在于，该介质层的高度大于该第二金属层的高度。
3.根据权利要求2所述的光栅偏振片，其特征在于，该介质层的截面为梯形结构。
4.根据权利要求2所述的光栅偏振片，其特征在于，该介质层的连接该底面和该顶面的该侧面为弧状的曲面。
5.根据权利要求1所述的光栅偏振片，其特征在于，该介质层和该基底采用同种材料而制成。
6.根据权利要求1所述的光栅偏振片，其特征在于，该介质层和该基底采用不同的材料而制成。
7.根据权利要求1所述的光栅偏振片，其特征在于，该介质层和该基底的折射率相同。
8.根据权利要求7所述的光栅偏振片，其特征在于，该介质层和该基底的折射率为1. 5。
9.根据权利要求1所述的光栅偏振片，其特征在于，该介质层采用对可见光吸收小的透光率高的光刻胶材料而制成。
10.一种光栅偏振片，其特征在于，其包括基底；第一光栅阵列，具有多个第一光栅结构，其中每个第一光栅结构分别包括介质层和金属层，该介质层设置在该基底上，而该金属层设置在该介质层上，且该介质层包括靠近该基底的底面、远离该基底的顶面、和两个连接该底面和该顶面的侧面；第二光栅阵列，具有多个非透光的第二光栅结构，其中每个第二光栅结构分别设置在基底上且位于对应的该第一光栅结构的该介质层的一侧；其中，每个第一光栅结构中该介质层的该顶面的长度大于该底面的长度。
全文摘要
本发明涉及光栅偏振片，其包括基底以及多个光栅结构；多个光栅结构周期性地设置在基底上，其中每个光栅结构分别包括介质层、第一金属层以及第二金属层；介质层设置在基底上，且介质层包括靠近基底的底面、远离基底的顶面、和两个连接底面和顶面的侧面，介质层的顶面的长度大于底面的长度；第一金属层设置在介质层之上；第二金属层设置在基底上且位于介质层的一侧。本发明由于介质层的顶面的长度大于底面的长度，因此在不需降低光栅结构的周期的前提下提高了TM光的透射效率、抑制了TE光的泄露，同时还提高了光栅偏振片的消光比。
文档编号G02B5/30GK102540299SQ20121002984
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月10日 优先权日2012年2月10日
发明者叶志成, 崔宏青 申请人:上海交通大学, 南京大学, 昆山龙腾光电有限公司