專利名稱：色散元件、衍射光柵、組合衍射光柵、彩色顯示裝置、多路信號分離器和制造衍射光柵的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及色散元件及其類似物，更具體地涉及例如在光學(xué)儀器中使用的透射光柵的色散元件及其類似物。
背景技術(shù)：
各種光學(xué)儀器中都使用衍射光柵。具體地，在分光計(jì)、濾波器以及類似物中使用許多衍射光柵以利用衍射光柵的強(qiáng)烈色散特性。此外，可以制造衍射光柵并任意確定衍射光柵的柵距。因此，衍射光柵在使用例如激光的光源的儀器中有時(shí)用作角度變化元件、光的分離和混合元件或者類似物。衍射光柵的應(yīng)用也擴(kuò)展到顯示器領(lǐng)域，在該領(lǐng)域中光是用作一種表達(dá)手段而不是通信手段。
例如，已存在大量的涉及衍射光柵的基礎(chǔ)研究和實(shí)現(xiàn)示例，這些被編入“衍射光學(xué)元件導(dǎo)論”(Introduction to diffractive optical elements)(由日本應(yīng)用物理協(xié)會附屬的日本光學(xué)協(xié)會光學(xué)設(shè)計(jì)研究組編輯，由光電子學(xué)有限公司出版)或類似物中。為了提高衍射效率，透射光柵包括閃耀型光柵、二元型(binary type)光柵等。
圖11的視圖解釋了傳統(tǒng)上使用的閃耀型衍射光柵的構(gòu)造。閃耀型衍射光柵被設(shè)計(jì)為其橫截面是具有兩條直線邊的三角形，以提高針對特定波長的衍射效率。也就是說，如圖11所示，閃耀型衍射光柵的表面形狀被形成為具有三角形(鋸齒狀)橫截面的一些槽，并且這個(gè)三角形的一個(gè)底角等于一閃耀角。
同時(shí)，一種未示出的二元型衍射光柵包括精細(xì)布置的在橫截面形狀上的不同層級的矩形。這種形狀是通過微影術(shù)(lithography)或電子束繪制(electron beam drawing)而形成的。
同時(shí)，除了衍射光柵以外，還存在一種通過布置作為偏光器的金屬細(xì)線而形成的元件(“Basic optics”，由Gendai Kogaku Sha的Keiei Kudo和Fumiya Uehara共同寫作的)。這種元件是通過將金屬細(xì)線例如金屬絲均勻排列成一網(wǎng)格而形成的，并且這種元件被設(shè)置為利用吸收或反射與該些細(xì)線平行的偏振分量并只透射與該些細(xì)線垂直的偏振光的功能。這種元件通常稱為線柵偏光器。通常，該些細(xì)線之間可形成的最小間隔是1μm。因此，該線柵偏光器的應(yīng)用限制于用于例如紅外線的線性偏光器。根據(jù)同樣的原理，也提供一種稱作小階梯光柵的具有淺的閃耀角的反射光柵，在該光柵中通過利用金屬斜向蒸鍍在其上形成金屬細(xì)線減小了光柵常數(shù)。
圖12的視圖示出了線柵偏光器的示例。這里，利用作為反射光柵的小階梯光柵的形狀以通過金屬斜向蒸鍍在頂脊部分形成金屬細(xì)線。通過縮小光柵常數(shù)，可以在從接近紅外線到可見光的范圍內(nèi)將該線柵偏光器用作線性偏光器。在這種偏振元件中，通過僅在具有三角形橫截面的衍射光柵的頂脊部分蒸鍍金屬使金屬細(xì)線的寬度盡量小。這是因?yàn)?，金屬?xì)線寬度的增加會因?yàn)榈谝患壯苌涔馐膹?qiáng)度的增加而降低偏光器的效率。通常，除非設(shè)定細(xì)線的間隔等于或小于波長的十分之一并且設(shè)定細(xì)線寬度為波長的百分之一，否則偏光器不能正確工作。因?yàn)檫@類元件是以相對于元件表面垂直入射和透射的方式使用的，所以就抑制了這類元件作為小階梯光柵的原始功能。
同時(shí)，在專利出版物中公開的相關(guān)技術(shù)中，例如存在一種用作制造在光致抗蝕劑中使用的衍射光柵的方法的技術(shù)，在該技術(shù)中僅在衍射光柵的一個(gè)傾斜表面形成金屬沉積圖案(例如，見專利文獻(xiàn)1)。此外，還公開了一種技術(shù)，該技術(shù)中包括的步驟有通過斜向蒸鍍僅在一個(gè)傾斜表面上形成一抗蝕劑薄膜，蝕刻，和隨后去除該被斜向蒸鍍的抗蝕劑薄膜(例如，見專利文獻(xiàn)2)。
〔專利文獻(xiàn)1〕
日本未審查的專利公布第63(1988)-71851號(第3頁，圖1)〔專利文獻(xiàn)2〕日本未審查的專利公布第59(1984)-210403號(第2到第3頁，圖1)。
在上述的二元型衍射光柵中，必須精細(xì)地布置在橫截面形狀上的不同層級的矩形。因此，需要許多制造步驟，并且獲得的衍射光柵是非常昂貴的。另一方面，只要準(zhǔn)備好了模具，就可通過擠壓加工進(jìn)行模塑或樹脂模塑制造閃耀型光柵。因此，閃耀型光柵在具有大批量生產(chǎn)能力的情況下是較低廉和優(yōu)秀的。然而，閃耀型透射光柵的第一級衍射效率的最大值被限制為大約20％。因此，當(dāng)為一特定波長而提高效率時(shí)，處理多種顏色光源的裝置例如顯示器中會出現(xiàn)問題，因?yàn)槠渌ㄩL的效率降低了。因此，當(dāng)該閃耀型透射光柵用作一個(gè)衍射元件時(shí)，必須提高衍射效率并且特別要減小零級透射光。
就是說，當(dāng)使用透射光柵時(shí)，不可避免地出現(xiàn)零級衍射光，即被直接透射的入射光。然而，該零級衍射光不僅降低了光的利用效率并給鄰近的其它光學(xué)裝置帶來雜散光，并從而導(dǎo)致在裝置布置和精確性方面出現(xiàn)問題。因此，為了提高衍射效率，降低該零級透射光是有效的。
同時(shí)，為了提高衍射效率，必須使該衍射光柵的衍射光柵構(gòu)件形成最佳形狀。然而，這種最佳形狀是復(fù)雜而且精細(xì)的。因此，在形成過程中必須使用電子束繪制、微影術(shù)等。因?yàn)閷τ谠诠鈱W(xué)通信領(lǐng)域或類似領(lǐng)域中的應(yīng)用，小尺寸是足夠的，所以這樣的工藝過程相對容易。然而，為了在顯示器或投影儀中使用，每個(gè)衍射光柵構(gòu)件的尺寸需要從到幾個(gè)厘米到30厘米。這樣的衍射光柵構(gòu)件難以加工，即使加工出來，可應(yīng)用的加工成本也是巨大的。因?yàn)檫@個(gè)原因，在例如顯示系統(tǒng)領(lǐng)域中，對于具有大尺寸、低形成成本的能力、高衍射效率而且特別地可降低零級透射光的性能的衍射光柵，存在著不斷增加的需求。尤其在不使用濾光器及其類似物的液晶顯示器的領(lǐng)域中，這種需求是很高的。
使用如圖12所示的小階梯光柵的線柵偏光器，不是用作用于選擇特定波長的光的色散元件中的衍射光柵或類似物，而是僅僅用作吸收/反射平行于該些細(xì)線的偏振分量的偏光器。因此，僅在凹凸不平表面的頂脊部分蒸鍍金屬。當(dāng)將這種元件用作衍射光柵時(shí)，不能減小零級衍射光和提高衍射效率。
同時(shí)，盡管在根據(jù)專利文獻(xiàn)2的技術(shù)中進(jìn)行了斜向蒸鍍，但是由該斜向蒸鍍形成的薄膜是一抗蝕薄膜并且在完成的產(chǎn)品中去除了該蒸鍍薄膜。因此，在生產(chǎn)出的衍射光柵上沒有形成金屬薄膜。因此，不可能通過減小在作為色散元件的衍射光柵中的零級透射光來提高衍射效率。
此外，盡管根據(jù)專利文獻(xiàn)1斜向蒸鍍金屬，但是專利文獻(xiàn)1的技術(shù)是旨在用作光致抗蝕劑的，而不是為了在作為色散元件的衍射光柵中使用而設(shè)計(jì)的。因此，根據(jù)專利文獻(xiàn)1的技術(shù)考慮了當(dāng)衍射光柵的投影圖案的對比率最大時(shí)的情況，并因此選擇一種半透明薄膜作為將要被斜向蒸鍍的金屬薄膜，從而零級衍射光和第一級衍射光之間的強(qiáng)度比變?yōu)?比1。更精確地說，將金屬例如氧化鉻以10到100nm的厚度稀疏地進(jìn)行蒸鍍。因此，即使采用根據(jù)專利文獻(xiàn)1的技術(shù)，也不可能通過減小零級衍射光而提高衍射效率。因此，這種技術(shù)難以獲得近年來要在色散元件中使用的衍射光柵所需的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決了上述的技術(shù)難題。本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種能夠提高衍射效率并大大降低制造成本的作為色散元件的透射光柵。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是通過盡量抑制零級透射的衍射光并積極地利用第一級衍射光來大大提高衍射效率。
為了達(dá)到這些目的，一種根據(jù)本發(fā)明的色散元件包括一個(gè)由多個(gè)衍射光柵構(gòu)件組成的衍射光柵，每個(gè)衍射光柵構(gòu)件分別具有被兩條直線和一條曲線中的任何一個(gè)圍繞的橫截面形狀；和多個(gè)光屏蔽構(gòu)件，每個(gè)光屏蔽構(gòu)件都是在相應(yīng)的一個(gè)衍射光柵構(gòu)件上在該衍射光柵構(gòu)件沿該橫截面形狀的直線和曲線中的任何一個(gè)的一側(cè)上形成的。這里，為了能多建立一個(gè)具有高的光利用效率的系統(tǒng)，優(yōu)選地設(shè)置這種光屏蔽構(gòu)件以相對于入射光減小零級透射光并提高第一級透射光的衍射效率。此外，該光屏蔽構(gòu)件的特征是，在該衍射光柵構(gòu)件上在該衍射光柵構(gòu)件沿該橫截面形狀的直線或斜線中的任何一個(gè)的一側(cè)上從傾斜方向蒸鍍金屬。而且，當(dāng)該光屏蔽構(gòu)件的特征是在該衍射光柵構(gòu)件上在該衍射光柵構(gòu)件沿該橫截面形狀的直線或斜線中的任何一個(gè)的一側(cè)上以200nm或以上的厚度蒸鍍金屬時(shí)，該色散元件能夠很好地更多地抑制零級透射光和提高作為反射薄膜的效能。另外，該衍射光柵的這種衍射光柵構(gòu)件的特征是具有一個(gè)由兩個(gè)直線圍繞的三角形橫截面形狀，并且通過在該衍射光柵構(gòu)件的一個(gè)傾斜表面上蒸鍍金屬形成該光屏蔽構(gòu)件。
這里，該“光屏蔽構(gòu)件”也可稱為“反射構(gòu)件”。銀或鋁金屬可用作這種“反射構(gòu)件”，并且在所使用波長上，它的反射率被設(shè)為90％或更高。
同時(shí)，一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的衍射光柵包括一個(gè)樹脂層和多個(gè)位于該樹脂層內(nèi)的金屬表面，該些金屬表面被周期性地設(shè)置，每個(gè)金屬表面具有與該薄膜表面成一給定的閃耀角的傾角。這里，當(dāng)確定該金屬表面的給定的閃耀角以便相對于入射光抑制零級透射光和提高第一級透射光的衍射效率時(shí)，能夠更好地顯著提高透射效率。
此外，根據(jù)本發(fā)明的一種組合衍射元件包括一個(gè)具有多個(gè)金屬表面的透射光柵，該些金屬表面被設(shè)置為在一個(gè)方向上傾斜以便相對于入射光屏蔽零級透射光；和一個(gè)將來自該透射光柵的相對于入射光的零級反射光返回到該透射光柵的反射元件。這里，這個(gè)透射光柵的特征是，它是通過從該衍射光柵的一側(cè)斜向蒸鍍金屬而形成的。而且優(yōu)選地，當(dāng)設(shè)置該反射元件使之與該衍射光柵的基底近似平行時(shí)，能夠使該零級反射光以與該入射光相同的角度再次入射到該透射光柵上。另外，當(dāng)設(shè)置多個(gè)反射鏡時(shí)，該組合衍射元件能夠很好地循環(huán)利用該反射光。
從另一個(gè)觀點(diǎn)看，根據(jù)本發(fā)明的一種組合衍射元件包括一光源；一用于引導(dǎo)從該光源發(fā)出的光的光導(dǎo)；和一與該光導(dǎo)結(jié)合在一起的衍射光柵，該衍射光柵具有高反射率的、并以一閃耀角為傾角周期性設(shè)置的諸金屬表面。這里，這個(gè)衍射光柵的特征是，該衍射光柵以一種粘合劑粘合，該粘合劑的折射率比該光導(dǎo)的折射率低。此外，這個(gè)衍射光柵的特征是，它是利用折射率低于該光導(dǎo)的樹脂來形成的。
同時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的一種彩色顯示裝置包括一光源，一用于將該光源發(fā)出的光分離成位于多個(gè)波長范圍內(nèi)的光分量的衍射光柵，和一透鏡，該透鏡用于接受由該衍射光柵分離出的光分量并聚集位于給定波長范圍內(nèi)的光分量以便相應(yīng)于一個(gè)給定的子像素，其中，該衍射光柵的特征是，以一個(gè)閃耀角為傾角周期性地設(shè)置具有高反射率的諸金屬表面。這里，該彩色顯示裝置還可以包括一用于引導(dǎo)來自該光源的光的波導(dǎo)；和一用于將已被該波導(dǎo)引導(dǎo)的光向該衍射光柵反射的反射板。此外，還可以包括一個(gè)液晶單元，該液晶單元用于透射和屏蔽由該衍射光柵分離出的和由該透鏡聚集的光分量。
另一方面，本發(fā)明可看作一種多路信號分離器(demultiplexer)。該多路信號分離器的一方面包括一用于引導(dǎo)光的波導(dǎo)；一與該波導(dǎo)相鄰的用于分離在該波導(dǎo)中傳播的光并抑制零級透射光的透射光柵元件；和一用于檢測由該透射光柵元件分離出光的檢測元件。該透射光柵的特征是，具有多個(gè)被周期性地設(shè)置的金屬表面，每個(gè)金屬表面具有與該薄膜表面成一給定的閃耀角的一傾角。此外，該波導(dǎo)的特征是，包括一個(gè)中心層和一個(gè)折射率小于該中心層的包層，而且在該中心層和包層之間形成該透射光柵元件。
或者，根據(jù)本發(fā)明的另一種多路信號分離器包括一用于引導(dǎo)位于臨界角內(nèi)的光的波導(dǎo)，該臨界角將由一中心層和一包層的折射率之間的差來確定；和一位于該波導(dǎo)內(nèi)的該中心層和該包層之間的透射光柵元件，在該透射光柵元件中斜向地和周期性地設(shè)置諸金屬表面。
此外，一種根據(jù)本發(fā)明的制造一衍射光柵的方法包括如下步驟利用一模具和樹脂形成一衍射光柵，在該形成的衍射光柵上從一傾斜方向蒸鍍金屬，通過用樹脂掩埋來使具有被蒸鍍的金屬的該衍射光柵的一表面平坦。
根據(jù)本發(fā)明，有可能例如在應(yīng)用于一個(gè)色散元件時(shí)獲得高衍射效率。


為了更全面地理解本發(fā)明及其優(yōu)勢，現(xiàn)參照下面的描述，并結(jié)合附圖閱讀。
圖1的視圖用于解釋一種根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的透射光柵。
圖2的圖表示出在該透射光柵上蒸鍍金屬之前和之后所測量的各自的效率。
圖3A和3B的視圖示出了一組合衍射光柵的實(shí)施例。
圖4的視圖用于解釋根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的第二透射光柵。
圖5A到5C的視圖用于解釋一種制造所述透射光柵的方法。
圖6A到6C的視圖用于解釋入射角、閃耀角和柵距之間的關(guān)系。
圖7的視圖示出在一單面板投影儀(single panel projector)中的應(yīng)用的一示例。
圖8的視圖示出在一彩色無濾光器的液晶顯示裝置(一彩色無濾光器直觀式(direct view)液晶顯示裝置)中的應(yīng)用的一示例。
圖9A和9B的視圖示出在由一光導(dǎo)(波導(dǎo))構(gòu)成背光(backlight)的一集成系統(tǒng)中的應(yīng)用的一示例。
圖10A和10B的視圖示出一個(gè)將根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的衍射光柵附裝到一波導(dǎo)上以作為一多路信號分離器的構(gòu)造示例。
圖11的視圖用于解釋一種傳統(tǒng)的用作閃耀型的衍射光柵的構(gòu)造。
圖12的視圖示出一個(gè)線柵偏光器的示例。
具體實(shí)施例方式
下面將參照

本發(fā)明的實(shí)施例。
圖1的視圖解釋了根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的第一透射光柵。在圖1中所示的一透射光柵10中，在作為基底的一玻璃基底11上通過使用鋸齒狀透明樹脂構(gòu)件12形成一閃耀型衍射光柵。在圖1所示的透射光柵10中，將該透明的樹脂構(gòu)件12的一部分朝上放置。在此閃耀型透射光柵中的鋸齒形狀的一條邊上的傾斜表面(構(gòu)成三角形橫截面形狀的兩條直線中的一條的每個(gè)傾斜表面)上蒸鍍金屬構(gòu)件13。該金屬構(gòu)件13優(yōu)選地在所使用波長上有低的吸收性并且可容易地被蒸鍍。因此，例如可使用鋁、銀或類似物。考慮到本實(shí)施例是在一色散元件中使用的，以200nm或以上的厚度蒸鍍該金屬構(gòu)件13。例如，這與傳統(tǒng)的蒸鍍技術(shù)有很大的不同，傳統(tǒng)的蒸鍍技術(shù)以從10到100nm的厚度蒸鍍金屬薄膜，來實(shí)現(xiàn)例如在光掩膜中所使用的半透射。此外，在此實(shí)施例中，將在每一件金屬構(gòu)件13和該玻璃基底11的表面之間形成的角度定義為α，其對應(yīng)一閃耀角。通常，閃耀角是指由在衍射光柵中刻的槽形成的角度。當(dāng)在該閃耀型衍射光柵的一表面上蒸鍍該金屬構(gòu)件13例如鋁時(shí)，有可能減小零級透射的衍射光(直接透過的光)并提高第一級衍射效率。
透射和衍射的基本公式如下sinθt1-sinθi＝sinθr1-sinθi＝mλ/pθt0＝θr0＝θi其中，θi是入射光的入射角，θt1是第一級透射的衍射光的出射角，θr1是第一級被反射的衍射光的出射角，λ是該入射光的波長，p是該光柵的柵距。此外，m是衍射級數(shù)。在針對第一級透射衍射光的公式中，m等于1。
從上述公式可清楚地看到，衍射角(該被透射的衍射光的出射角和該被反射的衍射光的出射角)由該衍射光柵的柵距p、該入射光的波長λ和該入射角θi確定。在該衍射光柵10的情況中，對于衍射效率需要進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算；然而，衍射是由表面形狀、材料(吸收特性和色散特性)、折射率等確定的。
在此實(shí)施例中，位于槽的一側(cè)面上的蒸鍍的金屬對該零級透射光的路徑進(jìn)行屏蔽(不是完全屏蔽而是大約到0)，由此一反射表面被改造成為一個(gè)新的衍射表面。盡管衍射方向是由該柵距p確定的(級數(shù)由公式中的m確定)，但是此金屬構(gòu)件13的金屬表面的影響減小了對零級透射的能量分配，并且該減小量被分配到第一級透射和零級反射中。這種分配的一部分是由該橫截面形狀確定的(特別由該閃耀角確定)。因此，該入射光受到限制；具體的，該入射角被限制到從α到90°的范圍內(nèi)，α是閃耀角。同時(shí)，可從入射到蒸鍍有該金屬構(gòu)件13的表面的一側(cè)的方向和入射到其相對側(cè)的方向中選擇入射方向。然而優(yōu)選地是允許光入射到該相對側(cè)上。盡管該衍射光柵的柵距是由其中使用的入射光的波長和角度確定的，但對于基本可見的光或紅外線，優(yōu)選地柵距在0.4mm到5mm的范圍內(nèi)。
這里，在圖1所示的示例中，在鋸齒形的該樹脂構(gòu)件12的一個(gè)傾斜表面上，也就是在構(gòu)成該三角形橫截面的兩條直線的一條邊上，形成該金屬構(gòu)件13，該金屬構(gòu)件13是一光屏蔽構(gòu)件(一反射構(gòu)件)。然而，該樹脂構(gòu)件12的橫截面的形狀可包括由一完整的弧組成的形狀或其一邊是一弧的形狀。也就是說，當(dāng)該橫截面的形狀的一邊是一直線并且其另一邊是一曲線時(shí)，可以在該直線邊或該曲線邊上蒸鍍金屬構(gòu)件13。也可以在整個(gè)弧的曲線的一邊上形成金屬構(gòu)件13。在這種情況下形成的作為光屏蔽構(gòu)件的金屬構(gòu)件13中，在該弧的切線和底面之間形成的角可認(rèn)為是閃耀角α。
下面，將描述制造圖1中所示的透射光柵10的一種通用方法。
首先，在進(jìn)行金屬蒸鍍前制造閃耀型衍射光柵。作為制造這種閃耀型衍射光柵的方法，例如使用一種被稱為刻線機(jī)的切削機(jī)械在金屬例如銅或鎳上刻出具有三角形橫截面的槽。實(shí)際的切削部分是一金剛石刀片(切削刀)。預(yù)先把該切削刀形成為該橫截面形狀。僅通過該刻線機(jī)進(jìn)行切削就可完成一個(gè)反射光柵；然而，進(jìn)行各相異性離子束蝕刻以增加該些槽表面的平坦性。因此，完成了具有由該平坦表面形成一個(gè)側(cè)面的閃耀型衍射光柵。通過電鑄來反模(reverse)這個(gè)母模具以形成一模具，而后通過使用透明樹脂進(jìn)一步使這個(gè)模具經(jīng)受模塑。這樣，可形成可透射型的閃耀型衍射光柵。
在用于在進(jìn)行金屬蒸鍍前制造該閃耀型衍射光柵的另一種方法中，例如通過使用一硅基底的晶體的邊緣以一掩膜進(jìn)行各相異性離子蝕刻以形成在槽的兩個(gè)表面上都有平坦表面的閃耀型衍射光柵。然后，通過電鑄反模這個(gè)母模具以形成一模具，然后用透明樹脂模塑可形成該衍射光柵10。還存在一種通過利用電鑄復(fù)制該母模具然后進(jìn)行覆蓋(tiling)來形成一種較大尺寸——例如30cm×30cm或更大——的較大模具的方法。當(dāng)如上所述形成此模具后，因?yàn)橥ㄟ^對樹脂進(jìn)行模塑或擠壓加工可形成該衍射光柵，所以可以以低成本大批量地生產(chǎn)該衍射光柵。該樹脂可以是一種熱固性的樹脂或一種光固化(photocuring)的樹脂。只要該樹脂在所使用的波長范圍內(nèi)是透明的并且能夠容易地從模具上剝離，則該樹脂可以是任何類型的樹脂。所生產(chǎn)的衍射光柵可以是塊狀或片狀。
此后，將該衍射光柵放入一蒸鍍裝置并經(jīng)受金屬構(gòu)件13的斜向蒸鍍。一種一般的方法可以用作斜向蒸鍍的方法，并且可以利用在磁帶上蒸鍍磁物質(zhì)所應(yīng)用的斜向蒸鍍方法等。如上所述，金屬構(gòu)件13優(yōu)選地在所使用的波長處有低的吸收性并且容易被蒸鍍。因此，優(yōu)選地可使用例如鋁、銀或類似物。根據(jù)上述的制造方法可制造圖1中所示的透射光柵10。
下面將根據(jù)一個(gè)示例進(jìn)行說明。其中作為試驗(yàn)實(shí)際生產(chǎn)出并測量一元件。對于作為試驗(yàn)而生產(chǎn)的該元件，通過電鑄來反模基于一母模具的形狀以生成一模具，該母模具是通過對硅進(jìn)行各相異性蝕刻而形成的，然后使用該模具模塑光固化樹脂(光聚合物)以形成一衍射光柵。這里使用的光聚合物是從對可見光透明度很高并且適合該衍射光柵10的材料中挑選的。將鋁13在上述形成的鋸齒形的衍射光柵上斜向蒸鍍，以作為金屬構(gòu)件。試驗(yàn)條件如下光柵柵距 1800線/mm(556nm)閃耀角 58°折射率(光固化樹脂) 1.49鋁沉積厚度 200nm蒸鍍角 60°同時(shí)，測量條件如下入射角 80°使用的波長 543nm(激光)圖2的圖表示出在由上述示例得到的透射光柵10上蒸鍍金屬構(gòu)件13之前或之后各自效率的測量結(jié)果。如圖2所示，對于第一級透射效率，對于S-偏振光，在金屬蒸鍍后效率有輕微的降低(從24.1％到22.2％)。另一方面，對于P-偏振光，效率增加了大約4倍(從6.6％到25.1％)。同時(shí)，關(guān)于零級透射效率，對于這兩種偏振光，效率都大大降低了(對于S-偏振光從19.8％到3.0％，以及對于P-偏振光從48.4％到10.7％)。同時(shí)，對于S-偏振光，零級反射光的效率增加(從41.9％到57.1％)。這是因?yàn)榱慵壨干浔辉撔毕蛘翦兊慕饘贅?gòu)件13屏蔽并且其能量分配給了第一級透射光和反射光。在反射的衍射光方面，對于該透射類型使該閃耀角α最優(yōu)，從而將其能量的大部分分配給零級衍射光。根據(jù)這些結(jié)果，很明顯看出，這兩種偏振光中的光的利用效率都增加了1.5倍或更高。此外很明顯，最大情況下該零級透射光被抑制到10％。
如上所述，通過在該閃耀型透射光柵10上斜向蒸鍍金屬構(gòu)件13可提高衍射效率并減小零級透射光。另一個(gè)實(shí)驗(yàn)也得出的結(jié)論是，即使該衍射光柵的形狀不是一確切的三角形，上述效果也是顯著的。通常，與通過模塑形成衍射光柵相比，當(dāng)通過擠壓加工形成衍射光柵時(shí)復(fù)制精度下降。然而，因?yàn)閿D壓不需要例如涂層或固化樹脂等工藝過程，所以可以以低成本大批量地生產(chǎn)該種衍射光柵。已確認(rèn)，即使是在由擠壓形成的衍射光柵中，效率也提高了3倍或3倍以上(例如對于第一級衍射效率而言，從5％到15％)。
盡管僅通過衍射光柵自身就可以提高衍射效率，但是也可以設(shè)想循環(huán)利用增加的零級反射光。總之，可以通過準(zhǔn)備一反射鏡來構(gòu)建一具有高的光利用效率的組合衍射光柵。
圖3A和3B的視圖示出了一組合光柵的實(shí)施例。圖3A示出一構(gòu)造示例，其中衍射光柵10和反射鏡15平行放置。當(dāng)將衍射光柵10和反射鏡15平行放置時(shí)，可使零級反射光以與入射光相同的角度再次入射到該透射光柵上。同時(shí)，圖3B示出一構(gòu)造示例，其中布置兩個(gè)鏡子(一半透明反射鏡16和一反射鏡17)以循環(huán)利用該反射光。將該半透明反向鏡16用作允許入射光進(jìn)入的鏡子。至于該反射鏡，優(yōu)選地具有棱鏡或三面直角棱鏡的全反射。然而，也可以使用一平常的鏡子或菲涅耳鏡。當(dāng)然，根據(jù)預(yù)期應(yīng)用可以插入一透鏡、一狹縫、一針孔或一濾光器例如一偏光器，它們是另一光學(xué)元件。圖3A或3B中示出的組合衍射光柵構(gòu)成一個(gè)在一大面積上具有高的光利用效率的色散(或光耦合)照明系統(tǒng)。計(jì)算由于循環(huán)利用該反射光而得到的光利用效率的值并在圖2中作為效率示出。通過使用此實(shí)施例中所示的構(gòu)造，可以確定，效率的計(jì)算結(jié)果增加了1.6倍或以上(從24.2％到39.5％)。
下面將描述另一種透視光柵。
圖4的視圖解釋了根據(jù)本實(shí)施例的第二透射光柵。圖4中示出的透射光柵20的結(jié)構(gòu)是，在一個(gè)樹脂層22中周期性地設(shè)置小金屬板23。在圖1所示的透射光柵10中，通過斜向蒸鍍具有高反射率的金屬構(gòu)件13可以僅在閃耀表面(或另一傾斜表面)上蒸鍍金屬。采用這種構(gòu)造，可以大大降低零級透射的衍射光的強(qiáng)度并提高第一級透射的衍射光的強(qiáng)度。然而，這種透射光柵10具有不規(guī)則的表面，并且當(dāng)將該光柵緊密附裝到不同的光學(xué)元件或基底上時(shí)會帶來問題。這種情況下，當(dāng)將由一樹脂層22a(稍后將描述)構(gòu)成的衍射光柵的一不規(guī)則表面掩埋到一個(gè)具有與樹脂層22a相同的折射率的樹脂層22b(稍后將描述)中時(shí)，如圖4中所示的透射光柵20，可以形成一種結(jié)構(gòu)，其中被斜向蒸鍍的小金屬板23僅周期性地設(shè)置在具有相同的折射率的介質(zhì)內(nèi)。因此，該衍射光柵的兩側(cè)都具有平坦的表面并且易于操作。周期性地設(shè)置與一薄膜表面的傾角為該閃耀角α的小金屬板23，從而構(gòu)成該衍射光柵。通過采用這種結(jié)構(gòu)，該衍射光柵與應(yīng)用小金屬板23作為反射表面的反射光柵在原理上是相同的，它可獲得高的第一級衍射效率并大大降低零級透射光的強(qiáng)度。
下面，將描述一種制造圖4中所示的透射光柵的方法。
圖5A到5C的視圖解釋了制造該衍射光柵20的方法。首先，如圖5A所示，使用一模具在一基底上形成由樹脂層22a構(gòu)成的衍射光柵。此外也形成了樹脂層22b，該樹脂層22b被設(shè)計(jì)為大約位于該樹脂層22b的凹凸不平表面之上。例如，可以使用同樣類型的樹脂構(gòu)成樹脂層22a和樹脂層22b。可通過金屬切削制造將用于形成光柵的模具。熱固性樹脂或光固化樹脂可用作樹脂層22a來形成該衍射光柵。接著，如圖5B中所示，在每個(gè)衍射光柵表面的一側(cè)上斜向蒸鍍小金屬板23。優(yōu)選地，該些小金屬板23具有高的折射率。因此，優(yōu)選地為銀或鋁。然后，利用如圖5A中所示形成的樹脂層22b使斜向蒸鍍該些小金屬板23后的衍射光柵表面平坦，并且如圖5C中所示形成透射光柵20。這樣，可以在該樹脂層22內(nèi)形成小金屬板23，該些小金屬板23以相對于薄膜表面的某一角度周期性地設(shè)置，并且該些小金屬板23構(gòu)成該衍射光柵。
應(yīng)注意，用于實(shí)現(xiàn)平坦化的該樹脂層22b的材料不總是必須與形成該衍射光柵的樹脂層22a有同樣的折射率。適當(dāng)?shù)臅r(shí)候可使用一種具有不同折射率的材料。此外，為了提高與不同元件之間的粘合，在該平坦的表面或基底表面上覆蓋上其它樹脂或另一種粘合劑，或是對前述兩個(gè)表面中的任何一個(gè)表面進(jìn)行紫外線處理或放電處理都是有效的。
例如，采用如此制造出來的圖4中所示的透射光柵的構(gòu)造的一個(gè)優(yōu)勢是，該透射光柵20容易操作，因?yàn)樵摴鈻疟砻姹苊饬酥苯咏佑|。另一個(gè)優(yōu)勢是提高了與不同的元件或基底的粘合并且可以更緊湊地形成一元件或裝置。此外，因?yàn)樵撔〗饘侔?3沒有暴露在空氣中并且避免被氧化從而避免被腐蝕，所以該透射光柵20可以很好地保持高反射率。應(yīng)注意，入射角度存在限制。當(dāng)該些小金屬板23與該薄膜表面的方向之間的夾角(等于閃耀角)是如圖4所示的α?xí)r，則入射角θi需要等于或大于α。
下面將說明入射角、閃耀角和柵距之間的關(guān)系。
圖6A到6C的視圖對該些關(guān)系進(jìn)行了解釋。圖6A示出一種掩埋的類型，該類型也在圖4中示出，圖6B示出一種朝下的類型，圖6C示出一種向上的類型，該類型也在圖1中示出。
圖6A示出一色散衍射光柵的最簡單情況，其中小金屬板(圖4A中所示的小金屬板23)被斜向設(shè)置。這里，θi是具有波長λ的入射光的入射角，θt1是第一級透射衍射光的出射角，α是小金屬板23和一基底表面之間的夾角(等于閃耀角)，p是柵距，φ是入射到該樹脂層22的光的折射角，n是一樹脂基材料的折射率。現(xiàn)在，在已給出入射角θi和出射角θt1的前提下，可如下所述地得到閃耀角α和柵距p
首先，可由如下所述公式得到柵距p，該公式是一通用衍射公式sinθt1-sinθi=λp]]>〔公式1〕其等價(jià)于p=λsinθt1-sinθi]]>〔公式2〕同時(shí)，如此確定該閃耀角，從而基于小金屬板的作用相當(dāng)于一鏡子的假設(shè)，在傳播中沒有發(fā)生衍射的光的出射方向與由一期望的出射角θt1定義的方向相一致。也就是說，應(yīng)選擇滿足如下公式的αsinφ=sinθin]]>sinθt1＝n sin(φ+2α) 〔公式3〕更詳細(xì)地，可將α表示為α={arcsin(sinθt1n)-arcsin(sinθin)}/2]]>〔公式4〕圖6B示出了槽的表面向下放置的情況?？砂凑张c圖6A相同的原理(〔公式1〕和〔公式2〕)得到柵距p。此外，φ1表示一個(gè)當(dāng)光入射到該樹脂基材料時(shí)相對于槽的傾斜表面的垂直方向折射的光的折射角。
當(dāng)光束直接傳播而沒有發(fā)生衍射時(shí)，該光束在該樹脂內(nèi)發(fā)生折射并且被該金屬表面反射，然后再次傳播到空氣中。這種情況下，如此選擇α和β，以便該光到空氣的出射角等于該期望角度θt1。這種條件可寫成如下公式sinφ1=sin(θi-β)n]]>sinθt1＝n sin(π-2α-β-φ1) 〔公式5〕具體地，當(dāng)β＝θi時(shí)該反射光變?yōu)樽畹筒⑶倚试黾印＿@種情況下，α可表示為α={arcsin(sinθt1n)+π-θi}/2]]>〔公式6〕
圖6C示出將該些鋸齒形狀的傾斜表面向上放置的情況，這與圖1中所示的情況相同。這里，φ1表示當(dāng)光入射到該樹脂基材料的底部表面時(shí)相對于底部表面的垂直方向的折射角，并且φ2表示當(dāng)光從該樹脂基材料的傾斜表面出射時(shí)相對于該傾斜表面的垂直方向的折射角。
按照與圖6A相同的原理(〔公式1〕和〔公式2〕)可得到柵距p。此外，與圖6A和6B相同，可得到α和β。該結(jié)果表示如下sinφ1=sinθin]]>sinφ2＝n sin(φ1-β)θt1＝π-(φ2+2α+β)〔公式7〕具體的，當(dāng)φ1＝β時(shí)效率變得最高。在這種情況下，可由下式得到α和ββ=arcsin(sinθin)]]>α=π-(θt1+β)2]]>〔公式8〕下面將解釋上述透射光柵10和20的應(yīng)用示例。下面將根據(jù)在一單面板投影儀中的應(yīng)用、在一彩色無濾光器的液晶顯示器中的應(yīng)用、在具有一構(gòu)成背光的光導(dǎo)的集成系統(tǒng)中的應(yīng)用和在附加到一波導(dǎo)上的多路信號分離器中的應(yīng)用來進(jìn)行描述。
圖7的視圖示出了一個(gè)在一單面板投影儀中的應(yīng)用示例。由于圖1中所示的透射光柵10和圖4中所示的透射光柵20幾乎不產(chǎn)生(或產(chǎn)生很少的)零級透射光的優(yōu)點(diǎn)，所以可以將這些透射光柵應(yīng)用于單面板投影儀。液晶投影儀有兩種類型，即三面板類型和單面板類型。這兩種類型是通過其中使用的有源矩陣液晶顯示器的數(shù)量來區(qū)分的。三面板類型包括對應(yīng)于相應(yīng)顏色(紅(R)、綠(G)和藍(lán)(B))的三個(gè)有源矩陣液晶顯示器。圖7示出了單面板投影儀的一示例。圖7中所示的單面板投影儀包括一例如由白氙(white xenon)燈以及類似物構(gòu)成的光源101、一用于引導(dǎo)色散光的微透鏡陣列102、一用于調(diào)制相互獨(dú)立地色散成各R、G和B子像素的R、G和B的有源矩陣液晶顯示器(TFT LCD)103和一用于將該被調(diào)制的光投映到一屏幕上的投影透鏡104。
當(dāng)將白氙燈及其類似物用作光源101時(shí)，考慮到光的利用效率，必須使用不同的液晶顯示來分別調(diào)制色散成R、G和B的光。在該三面板類型中，通常使用二向色性的鏡子使光色散成R、G和B。然而，三面板類型需要用于R、G和B的三個(gè)液晶面板以及三個(gè)向色性的鏡子。因此，三面板類型會導(dǎo)致成本增加并同時(shí)難以進(jìn)行緊湊的安裝。所以公開了一種如圖7中所示的僅使用一個(gè)有源矩陣液晶顯示器(TFT LCD)103的單面板類型。在該單面板類型中，將一衍射光柵或一全息圖用作色散元件(衍射元件)。
從光源101發(fā)出的并被透射光柵10或20色散的光以根據(jù)R、G和B的波長的角度出射，其中透射光柵10或20是一衍射元件。然后，該光通過微透鏡陣列102并入射到有源矩陣液晶顯示器103上。該有源矩陣液晶顯示器103包括用于R、G和B的子像素，并且各自的光分量入射到其相應(yīng)的子像素上以獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)調(diào)制。通過投影透鏡104將通過該有源矩陣液晶顯示器103的光投映到屏幕上。
這里，在使用衍射光柵的情況下通常使用一反射光柵，而在使用全息圖的情況下使用一透射光柵。在該反射類型的情況中，該光源101和該有源矩陣液晶顯示器103位于同一側(cè)。因此，由于必須屏蔽來自該光源101的光，所以這就產(chǎn)生一個(gè)布局問題。同時(shí)，在該透射類型的情況中，當(dāng)對于一特定波長減小零級透射光時(shí)，不可能同時(shí)對于其它的波長進(jìn)行類似的減小。也存在一種對應(yīng)于R、G和B的層壓全息圖結(jié)構(gòu)。然而，總的來說在此結(jié)構(gòu)中光的利用效率下降了。而且，用于全息圖的材料是有限的，這些材料昂貴而且在抗熱和均勻性上存在大問題。
然而，在如這個(gè)實(shí)施例中示出的受到金屬蒸鍍的衍射光柵10或20中，可以與波長無關(guān)地減小零級透射光。因此，可以通過該衍射光柵使該光源101和該有源矩陣液晶顯示103分隔開，并由此減小雜散光。此外，與反射類型的情況不同，該光源101和該有源矩陣液晶顯示103或屏幕位于該衍射光柵的不同側(cè)。因此，容易進(jìn)行布置并可以使裝置緊湊。
圖8的視圖示出一個(gè)在一彩色無濾光器液晶顯示裝置(一彩色無濾光器直觀式液晶顯示裝置)的應(yīng)用的示例。這種彩色無濾光器液晶顯示裝置包括一例如使用一直形白色熒光燈的光源201、一用于引導(dǎo)來自該光源201的光的入射光學(xué)系統(tǒng)202、一例如形狀為楔形的波導(dǎo)203、一例如由金屬構(gòu)成的反射片(反射板)204和根據(jù)本實(shí)施例的透射光柵10或20，該透射光柵作為色散元件用于使白入射光色散成R、G和B光分量。該彩色無濾光器液晶顯示裝置還包括一用于進(jìn)行光透射和光屏蔽的液晶單元209，一柱面透鏡陣列206，該柱面透鏡陣列是一具有多個(gè)柱面透鏡或透鏡的光學(xué)元件(聚光元件)，一偏振薄膜207和一漫射薄膜208。在該液晶單元209中，在兩個(gè)玻璃基底之間密封了一個(gè)液晶層。
從該光源201發(fā)射出的光通過該入射光學(xué)系統(tǒng)202入射到該波導(dǎo)203中。入射到該波導(dǎo)203的光被該波導(dǎo)203一下表面(位于該反射板204一側(cè)的表面)和一上表面(位于該液晶顯示單元209一側(cè)的表面)反復(fù)反射，由此該光的角度逐漸變得更陡。當(dāng)該光的方向超過該上表面上的一臨界角時(shí)，該光從該上表面出射。該出射光由透射光柵色散成R、G和B的光分量，該透射光柵具有位于其中的傾斜表面上的金屬表面。該色散光被偏振薄膜207偏振并入射到該柱面透鏡陣列206中。該柱面透鏡陣列206包括多個(gè)柱面透鏡，并且每個(gè)柱面透鏡對應(yīng)于例如一個(gè)像素。一個(gè)像素包括用于R、G和B的三個(gè)子像素。由該液晶單元209內(nèi)的相應(yīng)子像素控制該些被色散和偏振的光分量的透射和屏蔽。通過該液晶單元的相應(yīng)子像素的光分量進(jìn)一步通過偏振薄膜207。此后，該些光分量由漫射薄膜208漫射，然后輸出。以這種方式，對于圖8中所示的液晶顯示裝置，使用根據(jù)本實(shí)施例的衍射光柵10或20可以增加該液晶顯示裝置的亮度。此外，通過組合該金屬反射板204可形成一個(gè)具有高的光利用效率的組合衍射元件。
圖9A和9B的視圖示出一個(gè)在一集成系統(tǒng)中的應(yīng)用的示例，該系統(tǒng)具有構(gòu)成一背光的一光導(dǎo)(一波導(dǎo))。圖9A給出一個(gè)背光的示例，其中通過粘合將一衍射光柵和一光導(dǎo)集成。而圖9B示出一種設(shè)定構(gòu)成該透射光柵10或20的樹脂構(gòu)件12或22(見圖1和圖4)的折射率使之小于該光導(dǎo)的折射率的情況。通過使該衍射光柵和光導(dǎo)集成，可以減少元件數(shù)量和層壓層的數(shù)量。此外，還有一個(gè)優(yōu)勢是可避免空氣的干涉并由此提高光的利用率。
圖9A中示出的平面背光(flat backlight)包括一例如使用一直形白色熒光燈的光源301，一光導(dǎo)302，該光導(dǎo)是一例如形狀是楔形的用于引導(dǎo)來自光源301的光的波導(dǎo)，一具有例如通過蒸鍍鋁或銀形成的鏡面的反射片303，一用于粘合該光導(dǎo)302和該透射光柵10或20的粘合劑304，一用于控制光透射和屏蔽的液晶單元(TFT LCD)305和一用于使光漫射的漫射薄膜306。在圖9A中所示的示例中，使用這樣一種材料作為該粘合劑304，該材料的折射率低于作為該光導(dǎo)302的主要材料的丙烯酸樹脂的折射率。因?yàn)楸┧針渲恼凵渎适谴蠹s1.49，所以可以使用具有較低折射率(折射率從1.3到1.5)的碳氟光固化樹脂及其類似物。通過使用這種低折射率的材料作為粘合劑304來如圖91A中所示使該透射光柵10或20和光導(dǎo)集成，平行光可入射到該透射光柵10或20上并色散地出射而不損害該光導(dǎo)302的內(nèi)部全反射。
同時(shí)，如圖9B中所示，通過使用折射率低的材料作為該樹脂構(gòu)件12或22以形成該透射光柵10或20，可在該光導(dǎo)302上直接形成透射光柵10或20。在這種構(gòu)造中，當(dāng)該衍射光柵的柵距p增加時(shí)，盡管衍射的效果降低了，但該背光的作用可相當(dāng)于一透射的菲涅耳鏡。
圖10A和10B的視圖示出使用根據(jù)本實(shí)施例的衍射光柵作為一個(gè)附裝到一波導(dǎo)上的多路信號分離器的構(gòu)造示例。圖10A示出一個(gè)將來自該波導(dǎo)的光色散到位于基底404上的一元件(一檢測元件405)的構(gòu)造示例，而圖10B示出了一個(gè)將來自于基底404上的一元件(一光發(fā)射元件406)的光學(xué)信號耦合到該波導(dǎo)的構(gòu)造示例。因?yàn)楦鶕?jù)這個(gè)實(shí)施例的透射光柵10或20可以大大降低零級透射光，所以可通過將該透射光柵10或20附裝到該波導(dǎo)上來利用該透射光柵。在圖10A或10B中，提供具有稍微不同的折射率的層即中心層402和包層401來作為該波導(dǎo)。包層401將中心層402夾在中間以便形成一個(gè)位于該中心層402和該包層401之間的衍射光柵。同時(shí)，在圖10A中，該多路信號分離器包括一個(gè)用于聚集從由該中心層402和包層401組成的波導(dǎo)出射的光的透鏡403，和具有用于檢測來自該透鏡403的光的檢測元件405的基底404。根據(jù)該透射光柵10或20的柵距改變?nèi)肷涔獾难苌浣?。因此，可以通過閃耀角和該光柵的總長度來控制分光比(splitting ratio)。自該波導(dǎo)分光出的光通過該聚光透鏡(透鏡403)入射到位于該基底404上的檢測元件405上，并被轉(zhuǎn)化成電信號。
另一方面，在圖10B中，該多路信號分離器包括具有光發(fā)射元件406例如垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)的基底404，和用于將這個(gè)光發(fā)射元件406輸出的光引入該波導(dǎo)的透鏡403。這里，光從與圖10B中所示的光的方向相反的方向進(jìn)入。在圖10B中所示的多路信號分離器中，通過使用該光發(fā)射元件406例如一半導(dǎo)體激光器將來自于該基底404上的每個(gè)元件的電信號轉(zhuǎn)化成光信號，并且該光信號被輸出到位于該基底404下面的波導(dǎo)。該被輸出的光進(jìn)入該透射光柵10或20并隨后進(jìn)入該波導(dǎo)中。這種情況下，向左衍射和向右衍射之間的比率受到金屬構(gòu)件12(小金屬板23)的斜向蒸鍍的影響而變化很大。這樣，可以引導(dǎo)該光在一個(gè)方向上傳播。
對于構(gòu)成該波導(dǎo)的中心層402和包層401，設(shè)定該中心層402的折射率使之高于該包層401的折射率。設(shè)定這種折射率的差值使之在從大約0.01到0.1的范圍內(nèi)。因此，在該中心層402內(nèi)傳播的光高度平行。光進(jìn)入該中心層402并以等于或大于一臨界角的角度傳播(即重復(fù)進(jìn)行光的全反射)，該臨界角是由該中心402和該包層401之間的折射率的差值確定的。具體地，多模波導(dǎo)的中心層402的直徑較大，其范圍從10mm到100mm，并且這樣的多模波導(dǎo)用于短距離通信。此波導(dǎo)在基底的一表面層部分上(或內(nèi)部)形成，并且傳送和接受去往和來自位于該基底404上的芯片(例如該檢測元件405或光發(fā)射元件406)的光。具體地，為了將來自該波導(dǎo)的光信號傳送到多個(gè)芯片，必須將光分光，因而需要一個(gè)所謂的多路信號分離器。
在此實(shí)施例中，當(dāng)形成該波導(dǎo)時(shí)，在該中心層402和該包層401之間形成該衍射光柵，并且具體地，插入這樣的透射光柵10或20，該透射光柵10或20的結(jié)構(gòu)中包括斜向設(shè)置的小金屬板。這樣，該裝置被用作一多路信號分離器。盡管在該中心層402中傳播的光僅具有等于或大于臨界角的角度，但光以位于從該臨界角到90°(多模)的范圍內(nèi)的各種角度進(jìn)行傳播。當(dāng)將一簡單的鏡子插入該波導(dǎo)中時(shí)，會將這樣的角發(fā)散直接輸出到空氣中。因此，可能存在該透鏡403不能充分地聚集該些光的情況。因?yàn)檠苌渫哥R提供了角度的選擇性，所以該衍射透鏡可以只將具有某一角度(從該衍射光柵的觀點(diǎn)看其對應(yīng)于入射角)的光分支到朝上的方向上。同時(shí)，使用一衍射光柵或一鏡子將承載信號的光分支到位于該基底404上的相應(yīng)芯片中。在這種情況下，因?yàn)楫?dāng)形成該波導(dǎo)時(shí)可以整體地形成該衍射光柵，所以就該工藝過程而言，使用該衍射光柵是方便的。當(dāng)使用一透射光柵時(shí)，零級透射光的量一般較大，并且該零級透射光不僅導(dǎo)致?lián)p耗，而且會帶來導(dǎo)致S/N比率降低的散射光。通過使用根據(jù)本實(shí)施例的透射光柵(例如10和20)可防止出現(xiàn)這種散射光。
這樣，當(dāng)將根據(jù)本實(shí)施例的衍射光柵應(yīng)用于多路信號分離器時(shí)，可以大大降低零級透射光并由此降低功率損耗。盡管也增加了零級反射光，但該反射光在該波導(dǎo)內(nèi)傳播因此不會造成損耗。此外，可以增加具有窄的角發(fā)散的、期望的第一級透射光。因此，通過利用透鏡403聚光可以確保光信號傳輸?shù)轿挥诨?04上的芯片中。此外，可將這種結(jié)構(gòu)設(shè)置成雙向的。因此，可使光從相反的路線進(jìn)入該波導(dǎo)。
如上面詳細(xì)描述的，根據(jù)本實(shí)施例，在可以以低成本大批量生產(chǎn)的該透射光柵內(nèi)可以提高第一級透射光的衍射效率并大大降低到零級透射光的發(fā)散。此外，通過使用與該透射光柵平行布置的一鏡子或類似物反射該被反射的衍射光，可以循環(huán)利用該反射光并由此構(gòu)建一個(gè)具有高的光利用效率的系統(tǒng)。因此，在使用這些衍射光柵的顯示裝置例如一液晶顯示器或一投影儀中，可以增加亮度，并同時(shí)減小部件的數(shù)量。
除了彩色無濾光器的直觀式液晶顯示裝置外，本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)示例包括諸如彩色無濾光器的液晶投影裝置的彩色顯示裝置、在具有一構(gòu)成背光的光導(dǎo)的集成系統(tǒng)中的應(yīng)用、將附裝到一波導(dǎo)上的多路信號分離器等。
盡管已詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但應(yīng)理解在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以進(jìn)行各種改變、替換和變型，本發(fā)明由所附的權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
1.一種色散元件，包括一衍射光柵，其由多個(gè)各自具有一被兩條直線和一條曲線中的任何一個(gè)圍繞的橫截面形狀的衍射光柵構(gòu)件構(gòu)成；多個(gè)光屏蔽構(gòu)件，每一個(gè)均在該些衍射光柵構(gòu)件中相應(yīng)的一個(gè)上在所述衍射光柵構(gòu)件沿該橫截面形狀的該直線和該曲線中的任何一個(gè)的一側(cè)面上形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的色散元件，其特征在于，所述光屏蔽元件減小了相對于入射光的零級透射光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的色散元件，其特征在于，所述光屏蔽構(gòu)件是通過在該衍射光柵構(gòu)件上在該衍射光柵構(gòu)件沿該橫截面形狀的該直線和該曲線中的任何一個(gè)的一側(cè)面上從一傾斜方向蒸鍍金屬而形成的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的色散元件，其特征在于，所述光屏蔽構(gòu)件是通過在該衍射光柵構(gòu)件上在該衍射光柵構(gòu)件沿該橫截面形狀的該直線和該曲線中的任何一個(gè)的一側(cè)面上以200nm或200nm以上的厚度蒸鍍金屬而形成的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的色散元件，其特征在于，該衍射光柵的所述衍射光柵構(gòu)件具有三角形的橫截面形狀，以及該光屏蔽元件是通過在該衍射光柵構(gòu)件的一傾斜表面上蒸鍍金屬而形成的。
6.一種衍射光柵，包括一樹脂層；以及位于該樹脂層內(nèi)的多個(gè)金屬表面，該些金屬表面是周期性設(shè)置的，每個(gè)金屬表面具有一與該薄膜表面成一給定的閃耀角的傾角。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的衍射光柵，其特征在于，確定該金屬表面的給定的閃耀角以便相對于入射光抑制零級透射光并提高第一級透射光的衍射效率。
8.一種組合衍射元件，包括一透射光柵，其包括多個(gè)被設(shè)置為在一個(gè)方向上傾斜以便相對于入射光屏蔽零級透射光的金屬表面；以及一反射構(gòu)件，其用于將來自該透射光柵的相對于入射光的零級反射光返回到該透射光柵。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的組合衍射元件，其特征在于，該透射光柵是通過從該衍射光柵的一側(cè)斜向蒸鍍金屬而形成的。
10.一種組合衍射元件，包括一光源；一用于引導(dǎo)從該光源發(fā)出的光的光導(dǎo)；以及一與該光導(dǎo)集成在一起的衍射光柵，該衍射光柵包括具有高反射率的以一閃耀角為傾角周期性設(shè)置的諸金屬表面。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的組合衍射元件，其特征在于，該衍射光柵是使用一折射率小于該光導(dǎo)的粘合劑粘合的。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的組合衍射元件，其特征在于，該衍射光柵是使用折射率小于該光導(dǎo)的樹脂形成的。
13.一種彩色顯示裝置，包括一光源；一衍射光柵，其用于將從該光源發(fā)出的光分離成多個(gè)波長范圍的光分量；以及一透鏡，其用于接受被該衍射光柵分離出的光分量并聚集一給定波長范圍的光分量以便相應(yīng)于一給定的子像素，其中該衍射光柵包括具有高反射率并以一給定角度的傾角周期性設(shè)置的諸金屬表面。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的彩色顯示裝置，其特征在于，還包括一液晶單元，其用于透射和屏蔽被該衍射光柵分離并被該透鏡聚集的光分量。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的彩色顯示裝置，其特征在于，還包括一波導(dǎo)，其用于引導(dǎo)來自該光源的光；以及一反射板，其用于將已被該波導(dǎo)引導(dǎo)的光向該衍射光柵反射。
16.一多路信號分離器，包括一波導(dǎo)，其用于引導(dǎo)光；一透射光柵元件，其用于分光在該波導(dǎo)中傳導(dǎo)的光并同時(shí)抑制零級透射光，該透射光柵元件緊鄰該波導(dǎo)；以及一用于檢測被該透射光柵元件分光的光的檢測元件。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的多路信號分離器，其特征在于，該透射光柵元件包括周期性設(shè)置的多個(gè)金屬表面，每個(gè)金屬表面具有一與一薄膜表面成一給定閃耀角的傾角。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的多路信號分離器，其特征在于，該波導(dǎo)包括一中心層和一包層，該包層的折射率小于該中心層，以及該透射光柵元件是在該中心層和該包層之間形成的。
19.一多路信號分離器，包括一波導(dǎo)，其用于引導(dǎo)在一臨界角內(nèi)的光，該臨界角由一中心層和一包層之間的折射率的差來確定；一透射光柵元件，其位于在該波導(dǎo)中該中心層和該包層之間，該透射光柵元件中傾斜地和周期性地設(shè)置了諸金屬表面。
20.一種用于制造一種衍射光柵的方法，包括如下步驟使用一模具和樹脂形成一衍射光柵；從一傾斜的方向在該形成的衍射光柵上蒸鍍金屬；通過用樹脂掩埋來使具有該蒸鍍的金屬的該衍射光柵的一表面平坦。
全文摘要
在一個(gè)作為一色散元件的透射光柵中，衍射效率提高而制造成本大大降低。一色散元件包括用于形成一衍射光柵的樹脂構(gòu)件，該衍射光柵由多個(gè)各自具有一被兩條直線圍繞的橫截面形狀例如三角形形狀的衍射光柵構(gòu)件以及作為光屏蔽構(gòu)件的金屬構(gòu)件構(gòu)成，每一個(gè)金屬構(gòu)件均在該些衍射光柵構(gòu)件中相應(yīng)的一個(gè)上在該衍射光柵構(gòu)件沿由樹脂構(gòu)成的該衍射光柵構(gòu)件的該橫截面形狀的該直線或該曲線中的任何一個(gè)的一側(cè)面上形成。設(shè)置該金屬構(gòu)件以減小相對于入射光的零級透射光，并提高第一級透射光的衍射效率。
文檔編號G02B6/34GK1605892SQ200410080729
公開日2005年4月13日 申請日期2004年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月9日
發(fā)明者平洋一, 中野大樹 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司