包含各向异性衍射层的波导制造技术

本发明专利技术涉及一种装有可耦合出线偏振光的倾斜各向异性全息层的边光板状波导。本发明专利技术涉及一种新的适用在本发明专利技术的波导上的倾斜各向异性全息层、制造所述层的方法以及包含本发明专利技术的波导的装置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种新的波导，所述波导适用于例如液晶显示器(LCD)。此外，本专利技术涉及一种新的适用在波导上的层、制造所述波导和所述层的方法以及包含本专利技术的波导的装置。LCD使用消耗大量能量的照明系统。需要提高这些照明系统的能量效率。例如，对于具有LCD的便携式设备，照明系统的效率极大地影响设备的电池寿命和/或显示器的亮度。对于LCD，已知存在两种不同类型的照明系统背光系统和前光系统。透射式和/或半透射反射式显示器通常使用背光系统。其中，来自光源的光在波导中耦合并向观察者发射(最常见地，将基于点模式或表面起伏结构散射扩散器用于耦合输出)。然后，此光线穿过不同的光学层(例如偏振器、滤色器)、补偿层和光电电池。在典型的半透射反射式显示器中，使用半透明镜(半透射反射器)，其反射环境光并透射来自背光的光。在明亮的环境光中关闭照明系统，并用环境光实现显示器的可视化。在暗环境中，打开背光系统来照亮显示器。半透射反射式显示器的光效率高于透射式显示器的光效率。然而，由于例如不同光学层(偏振器、滤色器)的光吸收特性，这些常规LCD的光效率仍然较低。前光系统通常结合到反射式LCD中。在反射式LCD中，由于全反射镜(反射器)的存在，环境光被十分有效地利用以照亮显示器。这使得对环境光的运用更高效并且提高亮度和/或电池寿命。但是，目前的前光系统装备有使LCD图像失真的光耦出结构。此外，这样的前光系统向LCD发射未偏振的光(白光)，因此仍需要吸收偏振器和滤色器，而这导致光效率降低。对已知构造的主要挑战是改善对光的运用以减少LCD的功率消耗，并同时产生优异的与例如图像质量相关的显示特性。节省能量的一种选择是用更具光效率的相应部件取代偏振器和可选的吸收式滤色器中的一个。Jagt等的US 6,750,996公开了使用全息层作为可替代的耦出系统。该方法公开了在透明材料中在波导顶部形成倾斜透射体积全息图，从而产生单向、偏振且分色的发射(附图说明图1)。此外，倾斜相位栅在直接观察下(几乎)是不可见的，并且光可以直接对准观察者。换言之，可以省略(额外的)光耦出结构，从而改善显示器的视觉效果。如果全息图是以所谓的波导模式记录，其中全息装置的激光束之一的传播方向垂直于感光全息层，而另一束的传播方向位于感光层平面并与第一束干涉，则在这些全息图中可以获得较大的倾斜角度，并且可以得到较大的偏振对比度(图2b)。偏振对比度定义为分别由P与S偏振耦合出来的并在膜的法向附近测量的光强度之比。图2b还示出，偏振对比度在偏离法向的角度上迅速下降，这是这些全息图的严重局限性。以波导模式记录也具有一些实际缺陷。因此，还研究了以透射模式记录并具有高偏振对比度的倾斜全息图。US 6,750,996还公开了，在透射模式中，优选用UV激光辐射(例如351nm)记录光栅，以使记录以非常简单且标准的透射全息几何进行(图3)。然而，此装置的操作以及线偏振光的产生关键依赖于乘积(nhigh-nlow)(d/λ)，其中nhigh和nlow分别为倾斜全息图中高和低折射率区间的折射率值，d为全息图层厚度，为λ操作波长。如果此乘积足够大，则透射全息图可被“过调制”，以使一个线性偏振的衍射较强，而正交偏振的衍射接近于零。此方法的缺点是难以找到高质量的具有足够高的折射率差(nhigh-nlow)的全息材料来满足使用薄层的需要。例如，使用或多或少的常规的全息记录材料导致偏振对比度不佳，因为乘积(nhigh-nlow)(d/λ)太低。而且，已公开的全息图的偏振对比度还固有地依赖于用于照亮显示器的光的波长(颜色)。例如，如果用白光来照亮显示器，则对于蓝光、绿光和红光将得到不同的偏振对比度。本专利技术的一个目的是提供一种可获得高偏振对比度的可替代方案，所述方案具有更高的能量效率。令人惊讶地，此目的通过边光板状(edge-lit slab)波导实现，所述波导装有可耦合出线偏振光的倾斜各向异性全息层。已发现，这样的层可以得到较高的偏振对比度，通常至少等于或高于3，优选至少等于或高于5。合适的偏振对比度依赖于波导的应用。在便携式电话中，约15-20的偏振对比度通常是足够的，而对于TV应用则需要至少200。已发现，与清除(clean-up)(偏振)滤光器结合，本专利技术的波导可轻松达到至少200的偏振对比度而不明显损失光强度。此外，已发现，当使用各向异性全息层时，该层的性质较少地依赖于所用层的厚度，从而能够使用薄层，这是本专利技术的波导的另一个优点。一个附加优点是可以获得独立于波长(颜色)的偏振对比度。另一个附加优点是这样的全息层可以以透射模式记录。本领域的技术人员知道如何使用全息技术以及光刻技术来制备这样的层，即采用高分辨率的阻光掩膜用于曝光，而不是利用干涉或利用相掩膜。因此，在本文中使用全息技术之处，也可以采用光刻技术。倾斜的各向异性全息层可直接涂覆在波导上或涂覆在合适的基材(例如膜)上。波导可以具有许多形式。它可以包括波导基材，所述基材上层压作为一个独立层的体积全息图，或者该体积全息图可以与基材形成整体。体积全息图可以位于基材面向或背向显示器的一侧，或甚至嵌入波导基材内部。波导可以包括两个或多个彼此分离的全息图，其中每个均层压在波导基材上或与波导基材形成整体。波导可以在波导基材的相对侧提供或彼此堆叠在顶部。波导可以具有单一的进入侧面或多于一个的进入侧面。如果侧面超过一个，则设置体积全息图以衍射通过任意进入面耦合进来的波导光。如果只有一个进入侧面，则波导可以具有楔行，以将耦合出的光平均分布在整个表面区域上。合适的基材材料包括玻璃和透明陶瓷。但是优选地，基材由热固性或热塑性聚合物制成。合适的聚合物可以是(半)晶态的或非晶态的。例子包括PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PS(聚苯乙烯)、PC(聚碳酸酯)、COC(环烯烃共聚物)、PET(聚对苯二甲酸乙二酯)、PES(聚醚砜)，以及交联的丙烯酸酯、环氧化物、氨基甲酸酯和硅酮橡胶。然后在随后的处理步骤中将此基材与波导结合。如果波导是多个光学上不同的元件、层等的组件，并且在第一元件的边界面与第二元件的边界面相遇处形成界面，则可能需要使用粘结层来连接该第一和第二元件的边界面。这使波导具有机械完整性和/或避免产生假反射和由例如界面处形成的空间捕集的空气所导致的光学非均匀性。这样的粘结层的例子以及使用这种粘结层适合的条件和环境对于本领域的技术员是已知的。因此，当在本文中提及装配两个独立的光学元件以形成界面时，应当理解该界面也可以包括这样的粘结层。本专利技术将术语“波导”定义为仅包括打算作为照明装置的装置，其中光从边缘耦合进入(边光)并在板状波导的相(侧)上耦合出来。合适的波导材料通常对波导发射的光是透明的。合适的波导材料包括玻璃和透明陶瓷。但是优选地，波导由热固性或热塑性透明聚合物制成。合适的聚合物可为(半)晶态或非晶态的热固性或热塑性聚合物。例子包括PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PS(聚苯乙烯)、PC(聚碳酸酯)、COC(环烯烃共聚物)、PET(聚对苯二甲酸乙二酯)、PES(聚醚砜)，以及交联的丙烯酸酯、环氧化物、氨基甲酸酯和硅酮橡胶。在本专利技术的另一种实施方式中，本专利技术的波导可以在不同角度耦合出不同波长的线偏振光。这允许使用合适的在空间上分离的成红-绿-蓝(RGB)像素的微本文档来自技高网...

【技术保护点】
装有可耦合出线偏振光的倾斜各向异性全息层的边光板状波导。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：卡洛斯桑切斯，科尼利厄斯威廉默斯玛丽亚巴司蒂安森，迪克布尔，迈克尔詹姆士艾斯魁特，克里斯汀图斯马蒂纳斯范赫实，
申请(专利权)人：斯蒂茨丁荷兰聚合物学会，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]