线栅偏振器散热片的制作方法

本申请总体上涉及线栅偏振器。

发明背景

线栅偏振器(wgp)可以用于高温应用中，例如计算机投影仪。因为计算机投影仪由于客户需求而尺寸减小且亮度增加，所以对可以耐受高温环境的wgp的需求也有所增加。

选择性吸收的wgp特别容易受到高光强度计算机投影仪中的损坏的影响，这是由于它们吸收了大部分入射光。这类wgp典型地具有线材，这些线材包括反射部分(例如铝)和吸收部分(例如硅)。吸收部分可以吸收一种光偏振的大约80％，并且因此可以吸收光的总量的大约40％。来自所吸收的光的大部分热量传导到线材的可能会熔化的反射部分，从而破坏wgp。

技术实现要素：

已经认识到提供可以耐受高温的线栅偏振器(wgp)将是有利的。本发明涉及满足该需求的wgp的多个不同的实施例。

wgp可以包括线材阵列，该线材阵列在透明基板的面的上方，在相邻的线材之间具有通道。这些线材中的每一个都可以包括反射层和吸收层。wgp可以进一步包括散热层，该散热层可以位于线材阵列上方、在线材的阵列与透明基板之间。该散热层可以是连续层。该散热层可以具有高电阻率和高导热系数。

附图说明(附图可能不是按比例绘制的)

图1是根据本发明的实施例的线栅偏振器(wgp)10的示意性截面侧视图，该wgp包括：在透明基板11的面11f上方的线材阵列12，在相邻的线材12之间具有通道13，线材12中的每一个都包括反射层14和吸收层15；位于线材阵列12上方的散热层16；以及夹在反射层14与散热层16之间的吸收层15。

图2是根据本发明的实施例的wgp20的示意性截面侧视图，与wgp10相似，但是其中散热层16延伸到通道13中并且沿吸收层15的侧边延伸以与反射层14直接接触。

图3是根据本发明的实施例的wgp30的示意性截面侧视图，与wgp10相似，但是其中反射层14夹在吸收层15与散热层16之间。

图4是根据本发明的实施例的wgp40的示意性截面侧视图，与wgp10、wgp20和wgp30相似，但是其中散热层16延伸到通道13中并且填充通道。

图5是根据本发明的实施例的wgp50的示意性截面侧视图，与wgp10相似，除了线材12中的每一个都进一步包括夹在反射层14与吸收层15之间的隔热层18之外。

图6是根据本发明的实施例的wgp60示意性截面侧视图，与wgp10相似，除了散热层16夹在线材阵列12与透明基板11之间之外，其中吸收层15夹在反射层14与散热层16之间。

图7是根据本发明的实施例的wgp70的示意性截面侧视图，与wgp60相似，但是其中反射层14夹在吸收层15与散热层16之间。

图8是根据本发明的实施例的wgp80的示意性截面侧视图，与wgp60相似，除了线材12中的每一个进一步包括夹在反射层14与吸收层15之间的隔热层18之外。

图9是根据本发明的实施例的wgp90的示意性截面侧视图，与wgp10相似，但上进一步包括第二吸收层15b和第二散热层16b。

图10是根据本发明的实施例的wgp100的示意性截面侧视图，与wgp90相似，但是其中散热层16延伸到通道13中并且沿吸收层15的侧边15s延伸以与反射层14直接接触。

图11是根据本发明的实施例的wgp110的示意性截面侧视图，与wgp90相似，除了线材12中的每一个进一步包括夹在反射层14与每个相邻的吸收层15之间的隔热层18之外。

图12是根据本发明的实施例的wgp120的示意性截面侧视图，与本文所描述的其他wgp相似，但是进一步包括散热片121。

图13是根据本发明的实施例的wgp130的示意性截面侧视图，与本文所描述的其他wgp相似，但是进一步包括减反射层131的，该减反射层包含位于散热层16上的多个薄膜层132。

图14是根据本发明的实施例的wgp140的示意性截面侧视图，与本文所描述的其他wgp相似，但是进一步包括减反射层131，该减反射层包含位于散热层16上的突起142。

图15是根据本发明的实施例的wgp150的示意性透视图，与本文所描述的其他wgp相似，但是为了清楚地示出线材阵列12的结构而没有散热层16。

图16是wgp160的示意性截面侧视图，其中连续薄膜层161夹在反射层14与吸收层15之间，从而形成两个分离且不同的线材阵列12a和12b。术语

如本文所使用的，术语“在……上”、“位于……上”、“位于……处”以及“位于……上方”是指直接位于其上或在其间有一些其他材料的情况下位于其上方。术语“直接位于……上”、“邻接(adjoin)”、“邻接(adjoins)”以及“邻接(adjoining)”是指在其间没有其他固体材料的情况下直接且紧密接触。

如本文所使用的“连续的”是指可以包括一些间断处(例如针孔)、但是没有较大的间断处(例如分割成栅格或单独的线材)的层。

如本文所使用的，术语“长形的”是指线材12的长度l(延伸到图1-14和图16的页面中并且还在图15的透视图中示出的长度)远大于线材宽度w12或线材厚度th12更大(例如l可以比线材宽度w12和/或线材厚度th12大至少10倍、至少100倍、至少1000倍或至少10000倍)。

如本文所使用的，术语“填充(fill)”、“填充(fills)”以及“填充(filling)”，如在“填充通道”中，是指完全填充、在正常制造公差内填充或几乎完全填充，使得任何与完全填充的偏差对于装置的常规使用而言具有的影响将会忽略不计。

如本文所使用的，术语“平行的”是指完全平行、在正常制造公差内平行或几乎平行，使得任何与完全平行的偏差对于装置的常规使用而言具有的影响将会忽略不计。

如本文所使用的，术语“热接触”是指彼此处于热接触的装置(a)直接触碰；或(b)并非直接触碰，而是装置之间的所有(多个)材料具有至少2.0w/(m*k)的导热系数。

如本文所使用的，术语“光学薄膜”是指所具有的厚度小于10μm、小于1μm、小于0.5μm或小于0.3μm的薄层，取决于感兴趣的光谱。

在光学结构中使用的材料可以吸收某些光，反射某些光并且传输某些光。以下定义对主要是吸收性的、主要是反射性的或主要是透明性的材料之间进行了区分。每种材料可以被认为在特定波长范围(例如紫外光谱、可见光谱或红外光谱)中是吸收性、反射性的或透明性的并且在不同波长范围中可以具有不同性质。基于反射比r、折射率n的实部和折射率/吸光系数k的虚部，这种材料被分成吸收性、反射性和透明性材料。等式1用于确定在正入射时空气与材料的均厚板之间的接口的反射比r：

等式1：

除非本文中另作明确指定，在指定波长范围内k≤0.1的材料是“透明性”材料，在指定波长范围内k>0.1且r≤0.6的材料是“吸收性”材料，并且在指定波长范围内k>0.1且r>0.6的材料是“反射性”材料。

具体实施方式

如图1-14所展示的，示出了各自被配置成用于使入射到其上的光偏振的线栅偏振器(复数个wgp或单数个wgp)10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130和140，包括线材阵列12，该线材阵列在透明基板11的面11f上方，在相邻的线材12之间具有通道13。线材12中的每一个都可以包括反射层14和吸收层15。线材阵列12可以是长形的且平行的。

对于每个线材12来说，反射层14和吸收层15可以与垂直于透明基板11的面11f且平行于线材12的长度l的平面17对齐。因此，每个平面17可以穿过相应的线材12的反射层14和吸收层15两者。每个线材12的侧边12s可以与平行于平面17。

如图1-14和图16所示，wgp可以进一步包括(多个)散热层16。散热层16可以是光学薄膜并且可以是连续层。散热层16可以从线材阵列12吸取热量，并且可以将该热量传导至如下文所述的外部散热片121，或者可以通过对流或辐射将该热量从wgp传递出去。例如，吸收层15可以从所吸收的光中产生热量，并且散热层16可以将该热量从反射层14传导出去。

如图1-5和图13-14所示，散热层16可以位于线材阵列12上方并且比线材阵列12更远离透明基板11。如图6-8所示，散热层16可以位于或夹在线材阵列12与透明基板11之间。

如图9-10中的wgp90和wgp100上所示，每个线材12都可以包括第一吸收层15a和第二吸收层15b，在它们之间夹有反射层14。wgp90和wgp100包括两个散热层16，包括位于线材阵列12上方并且离透明基板11较远的第一散热层16a、以及位于线材阵列12下方并且更靠近透明基板11的第二散热层16b。线材阵列12可以夹在第一散热层16a与第二散热层16b之间，第一吸收层15a更靠近第一散热层16a、而第二吸收层15b更靠近第二散热层16b。

基于入射光的方向、必须要消散掉的热量、可制造性以及wgp的性能需求，可以决定散热层16位于何处以及散热层16的数量。

散热层16可以具有高电阻率，以便使每个线材12与相邻的线材12电气隔离。例如，散热层16可以具有>10⁴ω*cm、>10⁵ω*cm、>10⁶ω*cm、>10⁷ω*cm、>10⁸ω*cm、>10⁹ω*cm或>10¹⁰ω*cm的电阻率。本文指定的所有电阻率值都是在20℃下测量的。

散热层16可以具有高导热系数k，以将热量从线材阵列12有效地传导出去。例如，散热层16可以具有>5w/(m*k)、>10w/(m*k)、>15w/(m*k)、>20w/(m*k)或>25w/(m*k)的导热系数k。本文指定的所有导热系数k值都是在25℃下测量的。

满足散热层16的以上需求的材料的一个实例是氧化铝。例如，散热层16可以包括≥50％、≥75％、≥90％、≥95％或≥99％的氧化铝。由于材料沉积的缺陷，氧化铝可以按非化学计量比沉积。因此，本文所使用的术语氧化铝(al2o3)是指每三个氧原子大约有两个铝原子，例如alxoy，其中1.9≤x≤2.1并且2.9≤y≤3.1。

线材阵列12和散热层16可以由用于使光偏振的材料制成或可以包括用于使光偏振的材料，包括如典型地在线栅偏振器的线材中使用的金属和/或电介质。参见例如us7,961,393和us8,755,113，其通过引用并入本文。

如图1、图3、图5、图9、和图11-12所示，散热层16可以跨越通道13并且没有延伸到通道13中、或仅最小程度地延伸到通道13中。通道13可以被空气填充。

如图2、图10和图13-14所示，散热层16可以部分地延伸到通道13中，并且通道13可以部分地被空气填充。通道13可以大部分填充有散热层16或大部分被空气填充。如果吸收层15夹在反射层14与散热层16之间、并且散热层16延伸到通道13中并且沿吸收层15的侧边延伸以与反射层14直接接触，则使通道13部分地填充有散热层16是特别有益的。图13-14中的wgp130和wgp140是典型的形状，在每个线材12上具有火柴头形状的散热层16，长在一起以形成连续薄膜。这种形状是有益：(a)因为吸收层15与散热层16之间的较大的接触面积，以及(b)因为增加了离开散热层16的对流和辐射热传递的面积(由于外表面上的波浪形或弯曲的形状)。在专利公开书us2012/0075699中描述了对这种形状的层的制造，该专利公开书通过引用结合于此。如图4所示，散热层16可以延伸到通道13中并且可以填充该通道。

图16的wgp160包括连续层161，该连续层在与透明基板11的面11f平行的平面162中，夹在反射层14与吸收层15之间。因此，该连续层161产生两个单独的线材阵列12a和线材阵列12b，而不是如图1-14所示的具有单个线材阵列12。通过该连续层161使上部线材阵列12a的侧壁12as与下部线材阵列12b的侧壁12bs中断。该连续层161可以干扰wgp的适当的性能并且可以产生制造困难。此外，在上部线材阵列12a之间的通道13a与下部线材阵列12b的通道13b分隔开，并且因此单个通道不会延伸跨过反射层14和吸收层15两者。

相比之下，图1-14中的wgp的线材12中的每个线材的侧壁12s从反射层14延伸到吸收层15而未被与透明基板17的面平行的平面162中的任何连续层打断。因此，每个反射层14与每个线材12中的吸收层15是成对的。并且，通道13中的每一个都可以从线材阵列12的离透明基板11最近的近端12p延伸至线材阵列12的离透明基板11最远的远端12d。

在图1-2、图5-6和图8-14中，吸收层15夹在反射层14与散热层16之间。在图3-4和图7中，反射层14夹在吸收层15与散热层16之间。在图3-4、图6和图8中，吸收层15的位置比反射层14更靠近透明基板11。可以基于可制造性、应用的性能需求以及需要被消散掉的光量而在这些设计之间作出选择。

为了允许将热量充分排除至散热层16，可能有益的是在吸收层15与散热层16之间具有最小热传递阻力。因此，如图1-2、图4-6、图8-11和图13-14所示，吸收层15可以邻接散热层16。替代性地，通过具有较小的单位面积的热传导的热阻(ra)、例如<10^-6k*m²/w、<10^-7k*m²/w、<10^-8k*m²/w、<10^-9k*m²/w、<10^-10k*m2/w的材料(例如图12中的层126)，可以使吸收层15与散热层16分隔开。术语单位面积的热传导的热阻(ra)是指材料126的厚度(例如th126)除以导热系数(k)。因此，ra＝th/k；因此对于100nm厚的al层，ra＝100nm/[205w/(m*k)]＝5x10^-10k*m²/w；并且对于10nm厚的sio2层，ra＝10nm/[0.96w/(m*k)]＝10^-8k*m²/w。

替代性地或此外，为了允许将热量充分排除至散热层16，可能有益的是在反射层14与散热层16之间具有最小热传递阻力。因此，如图2、图4、图7、图10和图13-14所示，反射层14可以邻接散热层16。替代性地，通过具有较小的单位面积的热传导的热阻(ra)、例如<10^-6k*m²/w、<10^-7k*m²/w、<10^-8k*m²/w、<10^-9k*m²/w、<10^-10k*m2/w的材料(例如图3中的层36)，可以使反射层14与散热层16分隔开。

有时光以脉冲的形式入射到wgp上，并且仅具有散热片来存储所吸收的热量、然后使其逐渐消散可能就足够了。散热层16可以是用于由吸收层15吸收的热量的散热片。增加的散热层16的体积可能是有益的，以允许足够的体积来吸收该热量。因此，例如，散热层16的体积可以比吸收层15的体积大至少两倍、至少三倍、至少五倍、至少八倍、至少十二倍或至少十八倍。

用于对增加的散热层16的尺寸进行描述的另一种方式是通过将其厚度th16与吸收层15的厚度th15相比。散热层16的厚度th16是从线材阵列12的离透明基板11最远的远端12d到散热层16的最外侧表面的直线距离。吸收层15的厚度th15和散热层16的厚度th16都是垂直于透明基板11的面11f进行测量的。以下是这些对比厚度的示例关系：th16≥2*th15、th16≥3*th15、th16≥5*th15或th16≥10*th15。以下是吸收层15和散热层16的示例厚度：th15≥5nm或th15≥20nm；th15≤200nm或th15≤100nm；th16≥50nm、th16≥100nm、th16≥200nm或th16≥400nm；以及th16≤2000nm、th16≤1000nm或th16≤500nm。

对一些应用来说，离开散热层16的对流和/或辐射热传递可以使wgp保持处于足够低的温度。对于其他应用来说，基于增加的热量输入和/或wgp中的熔化温度较低的材料，可能需要到散热片的传导性热传递。如图12所示，散热片121可以被联接至散热层16并且可以将热量从散热层16传导出去，并且因此从线材阵列12传导出去。散热片121可以位于线材阵列12的外侧。

散热片121可以包括多个翅片121f，例如，如图12所示，包括至少五个翅片121f。翅片121f中的每一个所具有的宽度wf和厚度thf可以比线材12的宽度w12和厚度th12大得多并且大到足以将热量从wgp120传递至周围空气。例如，翅片121f中的每一个都可以具有≥0.01mm、≥0.1mm、≥1mm或≥100*w12的宽度wf；以及≥0.1mm、≥2mm、≥6mm或≥100*th12的厚度thf。包括翅片121f的散热片121可以具有高导热系数k，例如>10w/(m*k)、>40w/(m*k)或>60w/(m*k)，其中w＝瓦特，m＝米，并且k＝凯氏度数。

为了允许足以将热量从散热层16传递至散热片121，散热片121可以邻接散热层16(见图12中的散热片121b)。替代性地，如图12中的散热片121a上所示，如果散热片121通过具有较小的热传导热阻(r)的材料122与散热层16分隔开，则足够的热量可以传递至散热片121。例如r<1k/w、r<10k/w、r<50k/w、r<100k/w，其中w＝watt，k＝degreeskelvin，r＝l122/(k*a122)，l122是散热层16与散热片121之间的材料122的长度，a122是热传递材料的面积(延伸到图12的页面中)，并且k是导热系数。

添加散热层16可以导致wgp性能的下降。可以通过添加减反射层131来避免或缓和这种wgp性能的下降，该减反射层位于散热层16上方、比散热层16更远离基板11，散热层16夹在减反射层与线材阵列12之间，如图13-14中的wgp130和wgp140上所示。散热层16可以提供用于施加减反射层131的基底或基础。

如图13中的wgp130上所示，减反射层131可以包括在散热层16上的多个薄膜层132。这些薄膜层132可以连续延伸跨过散热层16，并且可以减小入射光在散热层16上的反射。薄膜减反射层131的一个实例是至少两对133薄膜层132，其中每一对133都包括二氧化硅薄膜层132以及95％的zro2加5％的tio2的薄膜层132。每个层的厚度th132的实例在30纳米与300纳米之间。

如图14中的wgp140上所示，减反射层131可以包括以阵列形式形成的、位于散热层16上的多个突起142。突起141可以被设计成用于减小入射光在散热层16上的反射。例如，突起141中的每一个可以具有<300nm、<700nm或<1200nm宽度w142和高度h142。

如图1-4、图6-7、图9-10和图12-14所示，反射层14可以邻接吸收层15。替代性地，如图5和图8所示，这些线材12中的每一个都可以进一步包括夹在反射层14与吸收层15之间的隔热层18。如图11所示，这些线材12中的每一个都可以进一步包括两个隔热层18，其中一个隔热层夹在反射层14与第一吸收层15a之间，并且另一个隔热层夹在反射层14与第二吸收层15b之间。隔热层18可以使得从吸收层15传递至反射层14的热量最小化，因此使得使反射层14熔化的机会最小化。隔热层18可以具有低导热系数，例如<8w/(m*k)、<4w/(m*k)、<2w/(m*k)或<1.5w/(m*k)。

为了改进从吸收层15到散热层16的热传递，在两个材料之间可以存在较大的接触面积。例如，散热层16可以覆盖吸收层15的≥50％、≥80％、≥90％或≥95％的暴露表面，吸收层15的暴露表面是吸收层15的不与线材阵列12的透明基板11或材料直接接触的任何表面(例如反射层14或隔热层18)。