一种基于微纳结构的偏光转换元器件

技术领域

本发明涉及光学元器件技术领域，尤其涉及一种基于微纳结构的偏光转换元器件。

背景技术

相关技术中的偏光转换元器件通常为图1所示的结构，其中，偏光转换元器件由许多拼接条10拼接而成，且每个拼接条10上都要镀透P反S膜20，镀膜完成后还需要切割贴合，之后再在背面对应出条柱上间隔贴1/2相位延时片30，最终得到现有的偏光转换元器件，其偏光转换原理如下：当P偏振和S偏振混合的光入射后，S光经透P反S膜20两次反射后直接出射，P偏振光透过透P反S膜20后再经1/2相位延时片30偏转后变成S偏振光，从而把混合偏振光转换成单一方向的偏振光。

然而，上述相关技术中的偏光转换元器件具有以下缺陷：（1）加工复杂，成本高昂，对制造装配过程中的对准精度要求非常高。（2）由于透P反S膜20入射角度为45度，且镀膜时要考虑可见光红绿蓝三色光源的透过反射效率，因此透P反S膜20光学效率较低，且PCS条之间的贴合及1/2相位延时片30的贴合都对光效有较大影响。（3）由于PBS条贴合材料、1/2相位延时片30的贴合材料及1/2相位延时片30本身为有机膜材，导致了装置的耐久性存在时限问题，也即装置的耐高温及耐老化性能较差。

发明内容

本发明提供一种基于微纳结构的偏光转换元器件，用以解决现有技术中结构复杂的缺陷，实现如下技术效果：结构简单且装配方便，节省了大量加工工时，为规模化量产提供了更多的可能性；此外，本装置的耐高温及耐光老化性能得到显著提升，以及其偏光转换性能得到显著提升。

根据本发明第一方面实施例的基于微纳结构的偏光转换元器件，包括：

玻璃基底，具有相对设置的入射表面和出射表面；

第一微纳结构，设置在所述玻璃基底的入射表面上；

第二微纳结构，设置于所述玻璃基底的出射表面上，且所述第一微纳结构与所述第二微纳结构在上下方向上错位分布；

其中，混合入射光以设定入射方向入射至所述第一微纳结构，所述混合入射光经过所述第一微纳结构以被分为第一偏振光和第二偏振光；

所述第一微纳结构用于按照设定折射角度对所述第一偏振光发生折射以及对所述第二偏振光发生透射，所述第一偏振光在经过所述第一微纳结构后被折射至所述第二微纳结构，所述第二微纳结构用于按照所述设定折射角度对所述第一偏振光发生折射并将所述第一偏振光转化为第二偏振光。

根据本发明的一个实施例，所述设定折射角度为45°。

根据本发明的一个实施例，所述第一微纳结构的数量为至少两个，所有所述第一微纳结构在所述入射表面上沿上下方向间隔分布；

对应地，所述第二微纳结构的数量与所述第二微纳结构的数量相等或者相差一个，且所有所述第二微纳结构在所述出射表面上沿上下方向间隔分布。

根据本发明的一个实施例，相邻的两个所述第一微纳结构之间形成第一间隙，所述第二微纳结构沿所述设定入射方向与所述第一间隙相对设置；

相邻的两个所述第二微纳结构之间形成第二间隙，所述第一微纳结构沿所述设定入射方向与所述第二间隙相对设置。

根据本发明的一个实施例，在所述第一间隙和所述第二间隙的数量均为至少两个的情况下，所有所述第一间隙沿上下方向上的尺寸均相同，且所有所述第二间隙沿上下方向上的尺寸均相同。

根据本发明的一个实施例，所述第一微纳结构的尺寸与相对其的所述第二间隙的尺寸相同，且所述第二微纳结构的尺寸与相对其的所述第一间隙的尺寸相同。

根据本发明的一个实施例，所述第一间隙的尺寸与所述第二间隙的尺寸相同，且所述第一微纳结构的尺寸与所述第二微纳结构的尺寸相同。

根据本发明的一个实施例，所述第一微纳结构和所述第二微纳结构均为矩形结构，且所述第一微纳结构和所述第二微纳结构由二氧化硅和二氧化钛等无机材料制造而成。

根据本发明的一个实施例，所述第一微纳结构和所述第二微纳结构通过光刻、电子束光刻或者飞秒激光直写光刻的加工方式一体成型于所述玻璃基底。

根据本发明的一个实施例，所述第一微纳结构和所述第二微纳结构均为独立于所述玻璃基底的膜材结构，且所述第一微纳结构和所述第二微纳结构通过纳米压印的方式安装于所述玻璃基底。

根据本发明的一个实施例，偏光转换元器件还包括：

复眼，设置于所述玻璃基底的前侧且与所述玻璃基底前后间隔排列。

根据本发明的一个实施例，所述玻璃基底上的所述第一微纳结构的宏观尺寸、所述第二微纳结构的宏观尺寸与所述复眼的子眼的尺寸相匹配，且所述第一微纳结构的窄条宽度以及所述第二微纳结构的窄条宽度均等于所述复眼的子眼的长边的尺寸的一半。

本发明提出的偏光转换元器件，可以克服相关技术中的技术缺陷并具有以下技术效果：（1）本装置仅需要在整块玻璃基底上加工微纳结构，然后按实际需求进行裁切，无需执行PBS条贴合、1/2相位延时片对准贴合等贴合操作，节省了大量加工工时，为规模化量产提供了更多的可能性。（2）微纳结构所采用的超构材料主要为二氧化硅和二氧化钛等，其均为无机材质，因此本装置的耐高温及耐光老化性能得到显著提升。（3）由于玻璃基底为整体，且不需要各种胶贴合，不需要镀膜，而是通过亚波长的微纳结构直接做在玻璃基底上，因此光效可以显著提升，从而提高了本装置的偏光转换性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是相关技术中的偏光转换元器件的结构示意图；

图2是本发明实施例1提供的偏光转换元器件的结构示意图；

图3是本发明实施例2提供的偏光转换元器件的结构示意图。

附图标记：

10、拼接条；20、透P反S膜；30、1/2相位延时片；

1、玻璃基底；11、入射表面；12、出射表面；2、第一微纳结构；21、第一间隙；3、第二微纳结构；31、第二间隙；4、复眼。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面参考附图描述本发明提出的一种基于微纳结构的偏光转换元器件，需要说明的是，偏光转换指的是将入射光束转化为特定线性偏振光，偏光转换元器件的英文全称为polarizing conversion system，简称PCS。其中，上述偏光转换元器件通常应用于液晶显示系统中，比如以LCD或者LCOS作为图像调制单元的系统。

如图2和图3所示，根据本发明实施例的偏光转换元器件，包括玻璃基底1、第一微纳结构2和第二微纳结构3。

玻璃基底1具有相对设置的入射表面11和出射表面12，入射表面11也即玻璃基底1的前侧表面，出射表面12也即玻璃基底1的后侧表面。

第一微纳结构2设置在玻璃基底1的入射表面11上，第二微纳结构3设置于玻璃基底1的出射表面12上，并且第一微纳结构2与第二微纳结构3在上下方向上错位分布。

其中，混合入射光以设定入射方向入射至第一微纳结构2，混合入射光经过第一微纳结构2以被分为第一偏振光和第二偏振光。

第一微纳结构2用于按照设定折射角度对第一偏振光发生折射以及对第二偏振光发生透射，第一偏振光在经过第一微纳结构2后被折射至第二微纳结构3，第二微纳结构3用于按照设定折射角度对第一偏振光发生折射并将第一偏振光转化为第二偏振光。

根据本发明实施例的偏光转换元器件，其具体工作过程如下：混合入射光通过复眼4等结构被入射到第一微纳结构2上，混合入射光首先经过第一微纳结构2，混合入射光在经过第一微纳结构2后被分为第一偏振光和第二偏振光。

其中，在第一微纳结构2的折射作用下，第一偏振光以设定折射角度被折射至第二微纳结构3，随后第一偏振光经过第二微纳结构3，并在第二微纳结构3的折射作用下按照设定折射角度发生二次折射，并被转化为第二偏振光，最后，转化后的第二偏振光以平行于设定入射方向的方向从第二微纳结构3中射出。

由于第一微纳结构2对第二偏振光发生透射作用，因此第二偏振光在经过第一微纳结构2后其传播方向不变，此时第二偏振光仍按照设定入射方向继续向前传播，由于第一微纳结构2和第二微纳结构3错位分布，也即第一微纳结构2在沿着设定入射方向上所对应的区域为玻璃基底1的出射表面12，因此第二偏振光将会直接入射至出射表面12，最后，在玻璃基底1的透射作用下，第二偏振光以平行于设定入射方向的方向从出射表面12射出。

需要解释的是，本发明的偏光转换元器件通过在玻璃基底1上设置微纳结构（包括第一微纳结构2和第二微纳结构3），使得本装置构成了超构透镜结构。

具体地，超构透镜是一种二维平面透镜结构，是由超表面（具有亚波长尺寸的3D超材料）聚焦光的光学元件制成，超构透镜通常在其表面设置微纳结构以形成超表面。超透镜的设计原则是基于超表面的两个特殊特征：超表面相位分布的选择和纳米尺度结构的几何设计。其中，研发人员可以通过几何结构（也即微纳结构）的设计和制造来实现对光波特性（包括相位、幅度和偏振）的控制，调整亚波长结构的轮廓、位置和角度，从而控制超透镜的聚焦和成像特性。

其中，超透镜有三种基本相位调控方法：共振相位调控、传播相位调控、几何相位调控（又称 PB 相位调控）。共振相位调控是通过改变共振频率来实现相位突变，共振频率由纳米级结构的几何形状控制。传播相位是由于电磁波在传播的过程中会产生光程差，利用这一特性可实现对相位的调控，具体地，在微纳米结构高度固定时，可通过改变微纳米结构的形状、尺寸和结构单元周期等进行光波特性的调节。几何相位是一种通过调整具有相同尺寸微纳结构的旋转角度，实现光波的相位突变，从而实现对相位梯度或分布的人工控制。

上述即为三种超构表面的基本相位调控原理，然而，任何单独的相位调制都无法实现消色差成像或全彩色成像。在实际应用中，制作超透镜时通常会混合两种或以上的原理实现相位调控。

根据上述对超构透镜技术的介绍可知：在超构透镜技术以及微纳结构被应用到本发明的偏光转换元器件后，人员可以通过调节微纳结构的高度、形状、尺寸和结构单元周期等参数，以使得微纳结构实现对不同光束的折射或者透射作用，以及使得微纳结构实现对偏振光线的偏振角度以及折射角度的调节。例如，人员通过设计第一微纳结构2的高度、形状、尺寸和结构单元周期等参数，使得第一微纳结构2实现按照设定折射角度对第一偏振光发生折射，以及实现对第二偏振光发生透射；并且，人员通过设计第二微纳结构3的高度、形状、尺寸和结构单元周期等参数，使得第二微纳结构3实现按照设定折射角度对第一偏振光发生折射。

相关技术中，偏光转换元器件通常应用于液晶显示系统中，其中，液晶显示器的结构主要包含光源、液晶面板、以及分别位于液晶面板前后两侧的二偏光组件。液晶显示器的显像方式，是由光源发出光线，发出的光线先到达靠近光源这一侧的偏光转换元器件，其中约一半的特定线性偏振光可通过偏光转换元器件，其余则被偏光转换元器件吸收或反射，通过的特定线性偏振光则进一步通过液晶面板与另一侧的偏光组件而呈现影像。

相关技术中的偏光转换元器件通常为图1所示的结构，其中，偏光转换元器件由许多拼接条10拼接而成，且每个拼接条10上都要镀透P反S膜20，镀膜完成后还需要切割贴合，之后再在背面对应出条柱上间隔贴1/2相位延时片30，最终得到现有的偏光转换元器件，其偏光转换原理如下：当P偏振和S偏振混合的光入射后，S光经透P反S膜20反射后直接出射，P偏振光透过透P反S膜20后再经1/2相位延时片30偏转后变成S偏振光，从而把混合偏振光转换成单一方向的偏振光。

然而，上述相关技术中的偏光转换元器件具有以下缺陷：（1）加工复杂，成本高昂，对制造装配过程中的对准精度要求非常高。（2）由于透P反S膜20入射角度为45度，且镀膜时要考虑可见光红绿蓝三色光源的透过反射效率，因此透P反S膜20光学效率较低，且PCS条之间的贴合及1/2相位延时片30的贴合都对光效有较大影响。（3）由于PBS条贴合材料、1/2相位延时片30贴合材料及1/2相位延时片30本身为有机膜材，导致了装置的耐久性存在时限问题，也即装置的耐高温及耐老化性能较差。

为了解决上述相关技术中的技术问题，发明人将超构透镜技术巧妙结合至偏光转换元器件内，通过在玻璃基底1的入射表面11和出射表面12分别设置第一微纳结构2和第二微纳结构3，并在经过多次实验验证后设计第一微纳结构2和第二微纳结构3的参数，使得第一微纳结构2实现对第一偏振光的折射以及对第二偏振光的透射，以及使得第二微纳结构3实现对第一偏振光的折射和转换，进而使得本装置通过更简单的结构实现了效果更佳的偏光转换功能，并且装置的制造装配过程效率更高且成本更低。

综上，本发明提出的偏光转换元器件，可以克服相关技术中的技术缺陷并具有以下技术效果：（1）本装置仅需要在整块玻璃基底1上加工微纳结构，然后按实际需求进行裁切，无需执行PBS条贴合、1/2相位延时片30对准贴合等贴合操作，节省了大量加工工时，为规模化量产提供了更多的可能性。（2）微纳结构所采用的超构材料主要为二氧化硅和二氧化钛等，其均为无机材质，因此本装置的耐高温及耐光老化性能得到显著提升。（3）由于玻璃基底1为整体，且不需要各种胶贴合，不需要镀膜，而是通过亚波长的微纳结构直接做在玻璃基底1上，因此光效可以显著提升，从而提高了本装置的偏光转换性能。

如图2和图3所示，根据本发明的一些实施例，设定折射角度为45°。其中，人员可以通过设计第一微纳结构2以及第二微纳结构3的高度、形状、尺寸和结构单元周期等参数，使得第一偏振光可以按照45°的折射角度发生折射并被转换成第二偏振光。

如图2和图3所示，根据本发明的一些实施例，第一微纳结构2的数量为至少两个，所有第一微纳结构2在入射表面11上沿上下方向间隔分布。

对应地，第二微纳结构3的数量与第二微纳结构3的数量相等或者相差一个，且所有第二微纳结构3在出射表面12上沿上下方向间隔分布。

这样，在玻璃基底1前方设置有复眼4的情况下，每对第一微纳结构2和第二微纳结构3均能对应复眼4中的至少一个小透镜（也即复眼的至少一个子眼），使得复眼4出射的各个光束均能通过对应的第一微纳结构2和第二微纳结构3以实现偏光转换。

例如图2和图3所示，玻璃基底1前方间隔设置有复眼4，复眼4包括在上下方向上设置的多组小透镜（也即多组子眼），第一微纳结构2和第二微纳结构3的数量均为四个且均交错分布，每组小透镜均对应一对第一微纳结构2和第二微纳结构3。

如图2和图3所示，根据本发明的一些实施例，相邻的两个第一微纳结构2之间形成第一间隙21，第二微纳结构3沿设定入射方向与第一间隙21相对设置。相邻的两个第二微纳结构3之间形成第二间隙31，第一微纳结构2沿设定入射方向与第二间隙31相对设置。

这样，通过对第一微纳结构2和第二微纳结构3之间相对位置的严格限定，保证经过第一微纳结构2的第一偏振光都可以准确折射到第二微纳结构3上，以及保证经过第一微纳结构2的第二偏振光都可以准确透射到出射表面12上（也即位于第二间隙31内的出射表面12上）。

如图2和图3所示，进一步地，在第一间隙21和第二间隙31的数量均为至少两个的情况下，所有第一间隙21沿上下方向上的尺寸均相同，且所有第二间隙31沿上下方向上的尺寸均相同。

也即，所有第一微纳结构2均在入射表面11上均匀分布，且各个第一间隙21高度均相等；所有第二微纳结构3均在出射表面12上均匀分布，且各个第二间隙31的高度均相等。

如图2和图3所示，进一步地，第一微纳结构2的宏观尺寸与相对其的第二间隙31的尺寸相同，且第二微纳结构3的宏观尺寸与相对其的第一间隙21的尺寸相同。也即，在沿着设定入射方向的投影面上，第一微纳结构2的投影的边界与第二微纳结构3的投影的边界重合。这样，可以避免入射光线由于存在微纳结构无法覆盖的空白区域而无法实现偏光转换功能。

如图2和图3所示，进一步地，第一间隙21的尺寸与第二间隙31的尺寸相同，且第一微纳结构2的宏观尺寸与第二微纳结构3的宏观尺寸相同。这样，便于第一微纳结构2和第二微纳结构3的生产制造以及安装装配过程。

根据本发明的一些实施例，第一微纳结构2和第二微纳的整体宏观形状相匹配，并且第一微纳结构2和第二微纳的整体形状可以为矩形、圆形、三角形或者多边形等形状，本发明在此不做特殊现在，该形状可以根据偏光转换元器件的具体使用场景具体设置。

例如图2和图3所示，第一微纳结构2和第二微纳结构3均为矩形结构。进一步地，第一微纳结构2和第二微纳结构3均在左右方向上横跨整个玻璃基底1，从而避免混合入射光线从玻璃基底1的边沿直接透射而无法实现偏光转换。

第一微纳结构2和第二微纳结构3由二氧化硅和二氧化钛等无机材料制造而成。

根据本发明的一些实施例，第一微纳结构2和第二微纳结构3通过光刻、电子束光刻或者飞秒激光直写光刻的加工方式一体成型于玻璃基底1。可以理解，在本实施例中，人员可以直接在整块玻璃基底1上进行光刻加工，从而在玻璃基底1的表面形成第一微纳结构2和第二微纳结构3。

根据本发明的另一些实施例，第一微纳结构2和第二微纳结构3均为独立于玻璃基底1的膜材结构，且第一微纳结构2和第二微纳结构3通过纳米压印的方式安装于玻璃基底1，从而大幅降低成本。

如图2和图3所示，根据本发明的一些实施例，偏光转换元器件还包括复眼4。复眼4设置于玻璃基底1的前侧且与玻璃基底1前后间隔排列，其中，复眼4包括多组外凸的小透镜（即子眼）。

进一步地，玻璃基底1的宏观尺寸与复眼4的尺寸相匹配。例如，玻璃基底1上的第一微纳结构2的宏观尺寸、第二微纳结构3的宏观尺寸与复眼4的子眼的尺寸均相匹配，且第一微纳结构2的窄条宽度以及第二微纳结构3的窄条宽度均等于复眼4的子眼的长边的尺寸的一半。

下面参考附图描述根据本发明的偏光转换元器件的一些具体实施例。

如图2和图3所示，偏光转换元器件包括复眼4和带有微纳结构（包括第一微纳结构2和第二微纳结构3）的玻璃基底1，复眼4和带有微纳结构的玻璃基底1在前后方向上间隔排列。玻璃基底1朝向复眼4的一侧表面形成入射表面11，玻璃基底1背离复眼4的一侧表面形成出射表面12。

入射表面11上沿上下方向分布有多个第一微纳结构2，多个第一微纳结构2间隔且均匀排列，相邻的两个第一微纳结构2之间形成第一间隙21；出射表面12上沿上下方向分布有多个第二微纳结构3，多个第二微纳结构3间隔且均匀排列，相邻的两个第二微纳结构3之间形成第二间隙31。

在水平方向上，第一微纳结构2与第二间隙31相对设置且高度相等，第二微纳结构3与第一间隙21相对设置且高度相等，并且第一微纳结构2和第二微纳结构3的尺寸相等且其形状均为矩形。

如图2所示，在实施例1中，第一微纳结构2可以为透P折S微纳结构，对应地，第二微纳结构3为折S转P微纳结构，此时偏光转换的过程如下：当混合偏振光（既有P偏振光又有S偏振光）入射时，P偏振光直接透过第一微纳结构2以及出射表面12以射出，S偏振光通过第一微纳结构2折射45度角并在玻璃基底1内直线传播，随后S偏振光到达第二微纳结构3，第二微纳结构3使S偏振光反向折射45度角，并将S偏振光转换成P偏振光，此时，从该偏光转换元器件内出射的光便都转换为水平方向上的P偏振光。

如图3所示，在实施例2中，第一微纳结构2可以为透S折P微纳结构，对应地，第二微纳结构3为折P转S微纳结构，此时偏光转换的过程如下：当混合偏振光（既有P偏振光又有S偏振光）入射时，S偏振光直接透过第一微纳结构2以及出射表面12以射出，P偏振光通过第一微纳结构2折射45度角并在玻璃基底1内直线传播，随后P偏振光到达第二微纳结构3，第二微纳结构3使S偏振光反向折射45度角，并将P偏振光转换成S偏振光，此时，从该偏光转换元器件内出射的光便都转换为垂直方向上的S偏振光。

需要说明的是，本发明中对于第一微纳结构2和第二微纳结构3的尺寸、数量和形状的限定，均属于宏观层面上的限定，也即本发明的上述实施例中对第一微纳结构2和第二微纳结构3的宏观尺寸、宏观数量和宏观形状进行了限定，可以理解，上述宏观尺寸指的是第一微纳结构2或者第二微纳结构3内部众多微纳单元构成的整体的尺寸，并非单个微纳单元的尺寸；此外，上述宏观数量和宏观形状的解释与上述宏观尺寸的解释相似，在此不再赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。