專利名稱：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 國專利申請公開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到1000:1以上，而反射端的消光比往往只能達到 20:1左右。考慮到人眼的辨別能力，希望消光比能夠達到150:1甚至200:1 以上，因此上述反射端的圖像質(zhì)量是讓人無法接受的。解決方案可以采用 中國專利申請公開CN1570704A中披露的采用四個McNeil型偏振分光棱 鏡組合而成的米字型組合偏振分光棱鏡，但顯然這會降低系統(tǒng)的光利用效 率，而且會增加系統(tǒng)的體積和重量。這個缺陷嚴重限制了其在便攜式投影 顯示，而未來顯示的一個重要發(fā)展方向是便攜式的投影顯示(參見中國專 利申請No. 200610083624.X)。
針對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(參見美國專利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
射圖像會產(chǎn)生畸變。另外，美國Kodak公司對金屬線柵偏振分光器件進行 了改善，增加了一些匹配層，使得反射端的消光比有所提高(參見美國專 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)明公開了一種包含有全介質(zhì)亞波長光柵的新型偏振分光器件。它 利用了全介質(zhì)亞波長光柵可以等效于一個單軸晶體，從而其折射率是各向 異性的特點，將全介質(zhì)亞波長光柵夾在兩塊高折射率的光學(xué)棱鏡中，并通 過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，幾乎全部透射過去， 從而能近乎完美地將這兩種偏振光分開來。本發(fā)明的偏振分光器件可以在 較寬的光譜范圍內(nèi)實現(xiàn)良好的分光，而且可以用于非平行光束，例如F2.5 的會聚光束，因此具有很好的實用性。
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)亞波長光柵的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2圖示了亞波長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)明的一個實施例的o光和e光的透過率曲線； 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 一個實施例；
圖6圖示了當(dāng)會聚光入射時的o光和e光的透過率曲線；
圖7圖示了二維亞波長光柵的結(jié)構(gòu)示意圖8圖示了二維亞波長光柵的折射率各向異性特性的示意圖。
具體實施例方式
下面參考

本發(fā)明的具體實施例。
圖1圖示了一種全介質(zhì)亞波長光柵的結(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技術(shù)生長在基底材
料1上，然后再刻蝕成線柵。當(dāng)該線柵的周期A遠小于入射光的波長吋， 這種結(jié)構(gòu)就稱為亞波長光柵10。根據(jù)使用情況，入射光可以是可見光或紅 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,這時由亞波長
近似可得
"r五=x + (1 _ /)三"。
其中o光為TM光,e光為TE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"。> ，所以該亞波長光柵就等價 于一個負單軸晶體，其光軸方向如圖中標號3所示。根據(jù)通常的投影顯示 應(yīng)用，亞波長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入射到該亞波長光 柵10時的折射率分布圖?？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，該亞波 長光柵就對e光全反射，而對o光幾乎全透射，從而實現(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 小于某個值，例如1%時，即可認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。亞波長光柵10被兩 個光學(xué)棱鏡11和12夾在當(dāng)中。這兩個光學(xué)棱鏡可以是任意形狀，但通常 我們還是習(xí)慣用兩個等腰直角棱鏡，合成一個立方棱鏡15。這兩個光學(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，通過鍍 膜、刻蝕等工藝直接制作上去。這個立方棱鏡15的入射面與出射面上都 可以根據(jù)需要鍍上增透膜(在圖中沒有畫出)。當(dāng)光學(xué)棱鏡11、 12的折
射率與亞波長光柵的折射率能滿足上述關(guān)系時，該立方棱鏡15就幾乎是
一個完美的偏振分光棱鏡。以下以一個具體的實施例來說明它的偏振分光 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°角入射時的e光和o光的透過率曲線如圖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-透過率，在圖屮 不詳細畫出)，可以算出，在420—680nm波長范圍內(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。如果進一步在光柵與棱鏡11、 12的兩個接觸面上加上相對 于亞波長光柵的增透膜，則能進一步提高消光比。例如，在亞波長光柵兩 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到3300: l和400: 1，這已是一個相當(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) 的一個實施例。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 分準直后，再經(jīng)場透鏡60到達本發(fā)明的由偏振分光棱鏡11、 12和亞波長 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 的時候，投影出來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 息分別對應(yīng)于左眼視覺和右眼視覺時，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。事實上，我們在實際應(yīng)用時也的確不用平行光，而 是采用有一定會聚角的會聚光束，會聚角的大小可以由光束的光圈數(shù)(F
數(shù))算出。在上述實施例中，當(dāng)入射光束是F2.5的會聚光束時，其o光和 e光透過率曲線如圖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)合面周圍最好用密封材料封閉，例如在真空或干 燥的氮氣中將兩塊棱鏡合在一起，最后用密封材料將周邊封閉。
為進一步提高性能，或者合理降低工藝難度，還可以在兩塊棱鏡中夾 入多于一個的亞波長光柵。
以上結(jié)合附圖詳細描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例。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光柵和兩塊光學(xué)棱鏡，所述亞波長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光柵 和光學(xué)棱鏡設(shè)置為使得入射到所述亞波長光柵的光中，第一偏振態(tài)在所述 亞波長光柵處發(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邊所在的表面相對，所述 亞波長光柵位于所述兩個相對表面之間。
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光 柵是在所述光學(xué)棱鏡中至少一塊的所述相對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方棱鏡，所述亞波長光柵位于所 述方棱鏡的對角面處。
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直角邊所在的表面上鍍有相對于空氣的增透射膜 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 的三角形截面長邊所在的表面上鍍有相對于所述亞波長光柵的增透射膜 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亞波長光柵，而 所述的兩個硅上液晶微顯示器件在該方棱鏡的兩個相鄰面處。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種偏振分光器件，它包括至少一個亞波長光柵和兩個光學(xué)棱鏡，且該亞波長光柵被夾在上述兩個光學(xué)棱鏡之間。該亞波長光柵可以等效于一個單軸晶體，它對于兩個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)過光學(xué)棱鏡并以一定角度照射到該亞波長光柵上時，其中的一個偏振方向的光可能會滿足全反射條件，從而全部反射出去；而另一個與它正交偏振方向的光則可能正好滿足折射率匹配，幾乎沒有損失地全部透射出去。從而達到了將兩個偏振方向的光分開的目的。本發(fā)明還公開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G03B21/00GK101295076SQ20071010303
公開日2008年10月29日 申請日期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 申請人:晶熒光學(xué)科技有限公司