專(zhuān)利名稱：一種偏振分光器件及使用其的投影顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及一種偏振分光器件，具體而言，涉及一種主要用于 投影顯示的偏振分光器件。本發(fā)明還涉及使用該偏振分光器件的投影顯示 裝置。
背景技術(shù)：
硅上液晶(LCoS)投影顯示已是一種重要的新型顯示方式。特別是中 國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)CN1570704A披露了一種新型顯示方式，它采用兩塊彩色 LCoS器件可以極其方便地實(shí)現(xiàn)三維立體顯示和六基色高逼真彩色顯示， 并在這兩種顯示方法間自由轉(zhuǎn)換。這種新型顯示方式很有可能是未來(lái)顯示 方向的主流。在這種顯示系統(tǒng)中，用到了一種偏振分光棱鏡，它可以使兩 種互相正交的線偏振光分別投射到兩塊不同的LCoS器件上。但是，常規(guī) 的McNeil型偏振分光棱鏡的透射端和反射端的消光比是不一樣的。通常 透射端的消光比可以達(dá)到1000:1以上，而反射端的消光比往往只能達(dá)到 20:1左右?？紤]到人眼的辨別能力，希望消光比能夠達(dá)到150:1甚至200:1 以上，因此上述反射端的圖像質(zhì)量是讓人無(wú)法接受的。解決方案可以采用 中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)CN1570704A中披露的采用四個(gè)McNeil型偏振分光棱 鏡組合而成的米字型組合偏振分光棱鏡，但顯然這會(huì)降低系統(tǒng)的光利用效 率，而且會(huì)增加系統(tǒng)的體積和重量。這個(gè)缺陷嚴(yán)重限制了其在便攜式投影 顯示，而未來(lái)顯示的一個(gè)重要發(fā)展方向是便攜式的投影顯示(參見(jiàn)中國(guó)專(zhuān) 利申請(qǐng)No. 200610083624.X)。
針對(duì)McNeil型偏振分光棱鏡的缺陷，已經(jīng)出現(xiàn)了一些新型的偏振分 光器件，例如美國(guó)3M公司發(fā)明了用多層聚合物薄膜復(fù)合并拉伸的方法， 利用拉伸產(chǎn)生的微小折射率變化，制作出了透射端和反射端的消光比都能 滿足要求的偏振分光器件(參見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利US5，962，114)。但由于這種偏振分光器件的多層聚合物薄膜復(fù)合后的表面不是光學(xué)表面，因此，它的反
射圖像會(huì)產(chǎn)生畸變。另外，美國(guó)Kodak公司對(duì)金屬線柵偏振分光器件進(jìn)行 了改善，增加了一些匹配層，使得反射端的消光比有所提高(參見(jiàn)美國(guó)專(zhuān) 利US6，532，111)。但這種提高尚嫌不夠，反射端的消光比仍然小于 100:1。
因此，需要一種新型的偏振分光器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開(kāi)了一種包含有全介質(zhì)亞波長(zhǎng)光柵的新型偏振分光器件。它 利用了全介質(zhì)亞波長(zhǎng)光柵可以等效于一個(gè)單軸晶體，從而其折射率是各向 異性的特點(diǎn)，將全介質(zhì)亞波長(zhǎng)光柵夾在兩塊高折射率的光學(xué)棱鏡中，并通 過(guò)角度安排使得某一方向的偏振光滿足全反射條件，全部反射出去；而與 其正交的另一方向偏振光則能滿足折射率匹配條件，幾乎全部透射過(guò)去， 從而能近乎完美地將這兩種偏振光分開(kāi)來(lái)。本發(fā)明的偏振分光器件可以在 較寬的光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的分光，而且可以用于非平行光束，例如F2.5 的會(huì)聚光束，因此具有很好的實(shí)用性。
應(yīng)用到三維/六基色的彩色LCoS投影顯示系統(tǒng)，這種新型偏振分光器 件能顯著降低系統(tǒng)的體積和重量，并有效地提高了光的利用效率。


圖1圖示了一種全介質(zhì)亞波長(zhǎng)光柵的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2圖示了亞波長(zhǎng)光柵的折射率各向異性特性的示意圖； 圖3圖示了本發(fā)明的偏振分光器件的示意圖； 圖4圖示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的o光和e光的透過(guò)率曲線； 圖5圖示了根據(jù)本發(fā)明的偏振分光器件用于3D/6P投影顯示系統(tǒng)的另 一個(gè)實(shí)施例；
圖6圖示了當(dāng)會(huì)聚光入射時(shí)的o光和e光的透過(guò)率曲線；
圖7圖示了二維亞波長(zhǎng)光柵的結(jié)構(gòu)示意圖8圖示了二維亞波長(zhǎng)光柵的折射率各向異性特性的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面參考

本發(fā)明的具體實(shí)施例。
圖1圖示了一種全介質(zhì)亞波長(zhǎng)光柵的結(jié)構(gòu)示意圖。在一塊基底材料1 上制作上周期性的介質(zhì)線柵浮雕圖案2，該線柵2的材料可以是和基底材 料1相同的材料，也可以是將不相同的材料用薄膜生長(zhǎng)技術(shù)生長(zhǎng)在基底材
料1上，然后再刻蝕成線柵。當(dāng)該線柵的周期A遠(yuǎn)小于入射光的波長(zhǎng)吋， 這種結(jié)構(gòu)就稱為亞波長(zhǎng)光柵10。根據(jù)使用情況，入射光可以是可見(jiàn)光或紅 外光等。令該介質(zhì)光柵材料的折射率為w&占空比為戶L/A,這時(shí)由亞波長(zhǎng)
近似可得
"r五=x + (1 _ /)三"。
其中o光為T(mén)M光,e光為T(mén)E光，并已假定了線柵之間的空隙部分的折射 率為1 (即是空氣或真空)。由于此時(shí)"。> ，所以該亞波長(zhǎng)光柵就等價(jià) 于一個(gè)負(fù)單軸晶體，其光軸方向如圖中標(biāo)號(hào)3所示。根據(jù)通常的投影顯示 應(yīng)用，亞波長(zhǎng)光柵可以由折射率不低于2.0的透明介質(zhì)材料形成的周期性 浮雕圖案構(gòu)成，光柵周期可以在50nm 300nm之間，而浮雕圖案寬度相應(yīng) 地可以在10nm 60nm之間，深度可以在30nm 2000nm之間。
圖2圖示了當(dāng)光軸3垂直于入射面，在光線以450入射到該亞波長(zhǎng)光 柵10時(shí)的折射率分布圖?？梢钥闯?，當(dāng)入射介質(zhì)的折射率n滿足 <"sin45Q (稱為全反射條件)且"。-"(稱為匹配條件)時(shí)，該亞波 長(zhǎng)光柵就對(duì)e光全反射，而對(duì)o光幾乎全透射，從而實(shí)現(xiàn)了偏振分光的目 的。上述匹配條件取決于應(yīng)用情況，即當(dāng)二者之間的差別使o光的反射率 小于某個(gè)值，例如1%時(shí)，即可認(rèn)為光柵與棱鏡材料的折射率是匹配的。
圖3圖示了本發(fā)明的偏振分光器件15的示意圖。亞波長(zhǎng)光柵10被兩 個(gè)光學(xué)棱鏡11和12夾在當(dāng)中。這兩個(gè)光學(xué)棱鏡可以是任意形狀，但通常 我們還是習(xí)慣用兩個(gè)等腰直角棱鏡，合成一個(gè)立方棱鏡15。這兩個(gè)光學(xué)棱 鏡可以由透明材料制成，例如折射率不低于1.6的透明材料。而亞波長(zhǎng)光柵可以是先制作在一塊平板介質(zhì)基底上，然后再用光學(xué)膠粘合到光學(xué)棱鏡 11和/或12的斜面上；也可以直接把該光學(xué)棱鏡的斜面作為基底，通過(guò)鍍 膜、刻蝕等工藝直接制作上去。這個(gè)立方棱鏡15的入射面與出射面上都 可以根據(jù)需要鍍上增透膜(在圖中沒(méi)有畫(huà)出)。當(dāng)光學(xué)棱鏡11、 12的折
射率與亞波長(zhǎng)光柵的折射率能滿足上述關(guān)系時(shí)，該立方棱鏡15就幾乎是
一個(gè)完美的偏振分光棱鏡。以下以一個(gè)具體的實(shí)施例來(lái)說(shuō)明它的偏振分光 特性。
選擇光學(xué)棱鏡11、 12的折射率n=L87，而亞波長(zhǎng)光柵的浮雕部分折 射率"c^2.5,光柵常數(shù)A=100nm，而浮雕部分的線寬L=32nm，浮雕部分的 深度d=640nm。根據(jù)上述亞波長(zhǎng)公式可得偏振分光器件15的戶0.32， 打。=1.64， =1.17。它在0°角入射時(shí)的e光和o光的透過(guò)率曲線如圖4所示 (由于是全介質(zhì)材料，因而不存在吸收，反射率就等于l-透過(guò)率，在圖屮 不詳細(xì)畫(huà)出)，可以算出，在420—680nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，其透射端的平均 消光比為1300: 1，而反射端的平均消光比為160: 1，基本上能滿足偏振 分光的要求。如果進(jìn)一步在光柵與棱鏡11、 12的兩個(gè)接觸面上加上相對(duì) 于亞波長(zhǎng)光柵的增透膜，則能進(jìn)一步提高消光比。例如，在亞波長(zhǎng)光柵兩 側(cè)的接觸面上用n=2.15、厚度均為110nm的材料設(shè)置增透膜，則兩偏振態(tài) 的消光比可以分別達(dá)到3300: l和400: 1，這已是一個(gè)相當(dāng)完美的結(jié)果。
圖5圖示了根據(jù)本發(fā)明的偏振分光器件用于彩色LCoS投影顯示系統(tǒng) 的一個(gè)實(shí)施例。由光源40發(fā)出的光經(jīng)該楔型光棒50的多次反射均化并部 分準(zhǔn)直后，再經(jīng)場(chǎng)透鏡60到達(dá)本發(fā)明的由偏振分光棱鏡11、 12和亞波長(zhǎng) 光柵IO組成的偏振分光棱鏡15，被該分光棱鏡15分成兩束光， 一束反射 的e偏振光照射到彩色LCoS器件20上，另一束透射的o偏振光則照射到 另一塊彩色LCoS器件30上。分別被彩色LCoS器件20和30調(diào)制過(guò)的光 改變了其原先的偏振狀態(tài)，并帶上圖像信息，再經(jīng)上述偏振分光棱鏡15 到投影物鏡70投影成象。當(dāng)彩色LCoS器件20和30上的圖像信息是相同 的時(shí)候，投影出來(lái)的是普通的二維圖像，但可以提供出比使用單片彩色 LCoS器件時(shí)更豐富色彩的圖像；而當(dāng)彩色LCoS器件20和30上的圖像信 息分別對(duì)應(yīng)于左眼視覺(jué)和右眼視覺(jué)時(shí)，則可投影出立體的三維圖像。從圖5的系統(tǒng)中可以看出，入射到所發(fā)明的偏振分光器件的光束，不 一定是0°角的平行光。事實(shí)上，我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用時(shí)也的確不用平行光，而 是采用有一定會(huì)聚角的會(huì)聚光束，會(huì)聚角的大小可以由光束的光圈數(shù)(F
數(shù))算出。在上述實(shí)施例中，當(dāng)入射光束是F2.5的會(huì)聚光束時(shí)，其o光和 e光透過(guò)率曲線如圖6所示(注意這是已包含了增透膜的結(jié)果)。其透 過(guò)端和反射端的消光比分別為580:1和280:1，還是能滿足偏振分光的要求 的。
除了圖1所示的亞波長(zhǎng)光柵浮雕圖案，其它一些圖案也能起到偏振分 光的作用。例如，圖7是一種二維的亞波長(zhǎng)光柵浮雕圖案，其光軸方向位 于與基底平面垂直的方向上；圖8是它在45。角入射時(shí)的折射率分布圖。 可以看出只要選擇合適的入射媒質(zhì)折射率，它同樣也具有偏振分光的功 能。
需要注意的是由于浮雕圖案間的空隙均是納米量級(jí)的微小縫隙，因 此它們極容易在空氣中吸附水份，從而導(dǎo)致折射率的改變，性能的下降。 因此，兩塊光學(xué)棱鏡的結(jié)合面周?chē)詈糜妹芊獠牧戏忾]，例如在真空或干 燥的氮?dú)庵袑蓧K棱鏡合在一起，最后用密封材料將周邊封閉。
為進(jìn)一步提高性能，或者合理降低工藝難度，還可以在兩塊棱鏡中夾 入多于一個(gè)的亞波長(zhǎng)光柵。
以上結(jié)合附圖詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人 員應(yīng)當(dāng)理解，上述內(nèi)容只是示例性的，本發(fā)明的范圍僅由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種偏振分光器件，其特征在于包括至少一塊亞波長(zhǎng)光柵和兩塊光學(xué)棱鏡，所述亞波長(zhǎng)光柵被夾在所述兩塊光學(xué)棱鏡之間。
2. 如權(quán)利要求1所述的偏振分光器件，其特征在于所述亞波長(zhǎng)光柵 是全介質(zhì)光柵。
3. 如權(quán)利要求2所述的偏振分光器件，其特征在于所述亞波長(zhǎng)光柵 和光學(xué)棱鏡設(shè)置為使得入射到所述亞波長(zhǎng)光柵的光中，第一偏振態(tài)在所述 亞波長(zhǎng)光柵處發(fā)生全反射，而與所述第一偏振態(tài)正交的第二偏振態(tài)在所述 亞波長(zhǎng)光柵中的折射率與在所述光學(xué)棱鏡中的折射率匹配。
4. 如權(quán)利要求3所述的偏振分光器件，其特征在于，所述亞波長(zhǎng)光柵 和所述光學(xué)棱鏡的折射率匹配使所述第二偏振態(tài)的反射率小于1% 。
5. 如權(quán)利要求4所述的偏振分光器件，其特征在于所述亞波長(zhǎng)光柵是由折射率不低于2.0的透明介質(zhì)材料形成的周期性浮雕圖案構(gòu)成。
6. 如權(quán)利要求5所述的偏振分光器件，其特征在于所述亞波長(zhǎng)光柵的光柵周期在50nm 300nm之間，所述浮雕圖案的寬度在10nm 60nm之 間。
7. 如權(quán)利要求5所述的偏振分光器件，其特征在于所述浮雕圖案的 深度在30nm 2000nm之間。
8. 如權(quán)利要求1所述的偏振分光器件，其特征在于所述光學(xué)棱鏡均是由折射率不低于1.6的透明材料制成。
9. 如權(quán)利要求8所述的偏振分光器件，其特征在于所述兩塊光學(xué)棱鏡均是直角等腰三棱柱鏡，二者的三角形截面長(zhǎng)邊所在的表面相對(duì)，所述 亞波長(zhǎng)光柵位于所述兩個(gè)相對(duì)表面之間。
10. 如權(quán)利要求9所述的偏振分光器件，其特征在于所述亞波長(zhǎng)光 柵用光學(xué)膠膠合在所述光學(xué)棱鏡中至少一塊的所述相對(duì)表面上。
11. 如權(quán)利要求9所述的偏振分光器件，其特征在于所述亞波長(zhǎng)光 柵是在所述光學(xué)棱鏡中至少一塊的所述相對(duì)表面上直接用鍍膜加刻蝕的方 法制作的。
12. 如權(quán)利要求9到11中任意一項(xiàng)所述的偏振分光器件，其特征在 于所述兩塊光學(xué)棱鏡合在一起組成一個(gè)方棱鏡，所述亞波長(zhǎng)光柵位于所 述方棱鏡的對(duì)角面處。
13. 如權(quán)利要求12所述的偏振分光器件，其特征在于所述光學(xué)棱鏡 的三角形截面至少一個(gè)直角邊所在的表面上鍍有相對(duì)于空氣的增透射膜 層。
14. 如權(quán)利要求12所述的偏振分光器件，其特征在于所述光學(xué)棱鏡 的三角形截面長(zhǎng)邊所在的表面上鍍有相對(duì)于所述亞波長(zhǎng)光柵的增透射膜 層。
15. 如權(quán)利要求12所述的偏振分光器件，其特征在于所述兩塊光學(xué) 棱鏡的結(jié)合面的四周具有密封材料。
16. —種投影顯示裝置，包括偏振分光器件和兩個(gè)硅上液晶微顯示器 件，其特征在于，所述偏振分光器件是由兩塊直角光學(xué)棱鏡組合而成的方 棱鏡，所述兩塊直角光學(xué)棱鏡的組合面之間帶有至少一個(gè)亞波長(zhǎng)光柵，而 所述的兩個(gè)硅上液晶微顯示器件在該方棱鏡的兩個(gè)相鄰面處。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種偏振分光器件，它包括至少一個(gè)亞波長(zhǎng)光柵和兩個(gè)光學(xué)棱鏡，且該亞波長(zhǎng)光柵被夾在上述兩個(gè)光學(xué)棱鏡之間。該亞波長(zhǎng)光柵可以等效于一個(gè)單軸晶體，它對(duì)于兩個(gè)互相正交的線偏振光(o光和e光)分別具有不同的折射率，這使得一束光經(jīng)過(guò)光學(xué)棱鏡并以一定角度照射到該亞波長(zhǎng)光柵上時(shí)，其中的一個(gè)偏振方向的光可能會(huì)滿足全反射條件，從而全部反射出去；而另一個(gè)與它正交偏振方向的光則可能正好滿足折射率匹配，幾乎沒(méi)有損失地全部透射出去。從而達(dá)到了將兩個(gè)偏振方向的光分開(kāi)的目的。本發(fā)明還公開(kāi)了采用上述偏振分光器件的硅上液晶(LCoS)投影顯示裝置。
文檔編號(hào)G03B21/00GK101295076SQ20071010303
公開(kāi)日2008年10月29日 申請(qǐng)日期2007年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月29日
發(fā)明者斌 樊, 邵劍心 申請(qǐng)人:晶熒光學(xué)科技有限公司