CN101295076A - 一种偏振分光器件及使用其的投影显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振分光器件，它包括至少一个亚波长光栅和两个光学棱镜，且该亚波长光栅被夹在上述两个光学棱镜之间。该亚波长光栅可以等效于一个单轴晶体，它对于两个互相正交的线偏振光(o光和e光)分别具有不同的折射率，这使得一束光经过光学棱镜并以一定角度照射到该亚波长光栅上时，其中的一个偏振方向的光可能会满足全反射条件，从而全部反射出去；而另一个与它正交偏振方向的光则可能正好满足折射率匹配，几乎没有损失地全部透射出去。从而达到了将两个偏振方向的光分开的目的。本发明还公开了采用上述偏振分光器件的硅上液晶(LCoS)投影显示装置。

Description

一种偏振分光器件及使用其的投影显示装置

技术领域

本发明一般地涉及一种偏振分光器件，具体而言，涉及一种主要用于投影显示的偏振分光器件。本发明还涉及使用该偏振分光器件的投影显示装置。

背景技术

硅上液晶(LCoS)投影显示已是一种重要的新型显示方式。特别是中国专利申请公开CN1570704A披露了一种新型显示方式，它采用两块彩色LCoS器件可以极其方便地实现三维立体显示和六基色高逼真彩色显示，并在这两种显示方法间自由转换。这种新型显示方式很有可能是未来显示方向的主流。在这种显示系统中，用到了一种偏振分光棱镜，它可以使两种互相正交的线偏振光分别投射到两块不同的LCoS器件上。但是，常规的McNeil型偏振分光棱镜的透射端和反射端的消光比是不一样的。通常透射端的消光比可以达到1000∶1以上，而反射端的消光比往往只能达到20∶1左右。考虑到人眼的辨别能力，希望消光比能够达到150∶1甚至200∶1以上，因此上述反射端的图像质量是让人无法接受的。解决方案可以采用中国专利申请公开CN1570704A中披露的采用四个McNeil型偏振分光棱镜组合而成的米字型组合偏振分光棱镜，但显然这会降低系统的光利用效率，而且会增加系统的体积和重量。这个缺陷严重限制了其在便携式投影显示，而未来显示的一个重要发展方向是便携式的投影显示(参见中国专利申请No.200610083624.X)。

针对McNeil型偏振分光棱镜的缺陷，已经出现了一些新型的偏振分光器件，例如美国3M公司发明了用多层聚合物薄膜复合并拉伸的方法，利用拉伸产生的微小折射率变化，制作出了透射端和反射端的消光比都能满足要求的偏振分光器件(参见美国专利US5,962,114)。但由于这种偏振分光器件的多层聚合物薄膜复合后的表面不是光学表面，因此，它的反射图像会产生畸变。另外，美国Kodak公司对金属线栅偏振分光器件进行了改善，增加了一些匹配层，使得反射端的消光比有所提高(参见美国专利US6,532,111)。但这种提高尚嫌不够，反射端的消光比仍然小于100∶1。

因此，需要一种新型的偏振分光器件。

发明内容

本发明公开了一种包含有全介质亚波长光栅的新型偏振分光器件。它利用了全介质亚波长光栅可以等效于一个单轴晶体，从而其折射率是各向异性的特点，将全介质亚波长光栅夹在两块高折射率的光学棱镜中，并通过角度安排使得某一方向的偏振光满足全反射条件，全部反射出去；而与其正交的另一方向偏振光则能满足折射率匹配条件，几乎全部透射过去，从而能近乎完美地将这两种偏振光分开来。本发明的偏振分光器件可以在较宽的光谱范围内实现良好的分光，而且可以用于非平行光束，例如F2.5的会聚光束，因此具有很好的实用性。

应用到三维/六基色的彩色LCoS投影显示系统，这种新型偏振分光器件能显著降低系统的体积和重量，并有效地提高了光的利用效率。

附图说明

图1图示了一种全介质亚波长光栅的结构示意图；

图2图示了亚波长光栅的折射率各向异性特性的示意图；

图3图示了本发明的偏振分光器件的示意图；

图4图示了本发明的一个实施例的o光和e光的透过率曲线；

图5图示了根据本发明的偏振分光器件用于3D/6P投影显示系统的另一个实施例；

图6图示了当会聚光入射时的o光和e光的透过率曲线；

图7图示了二维亚波长光栅的结构示意图；

图8图示了二维亚波长光栅的折射率各向异性特性的示意图。

具体实施方式

下面参考附图说明本发明的具体实施例。

图1图示了一种全介质亚波长光栅的结构示意图。在一块基底材料1上制作上周期性的介质线栅浮雕图案2，该线栅2的材料可以是和基底材料1相同的材料，也可以是将不相同的材料用薄膜生长技术生长在基底材料1上，然后再刻蚀成线栅。当该线栅的周期Λ远小于入射光的波长时，这种结构就称为亚波长光栅10。根据使用情况，入射光可以是可见光或红外光等。令该介质光栅材料的折射率为n_G，占空比为f＝L/Λ，这时由亚波长近似可得：

$n_{\mathrm{TE}}=\sqrt{f\×{n_G}^2+(1-f)}\≡n_o$

$n_{\mathrm{TM}}=\sqrt{\frac{1}{\frac{f}{n_G^2}+(1-f)}}\≡n_e$

其中o光为TM光，e光为TE光，并已假定了线栅之间的空隙部分的折射率为1(即是空气或真空)。由于此时n_o＞n_e，所以该亚波长光栅就等价于一个负单轴晶体，其光轴方向如图中标号3所示。根据通常的投影显示应用，亚波长光栅可以由折射率不低于2.0的透明介质材料形成的周期性浮雕图案构成，光栅周期可以在50nm～300nm之间，而浮雕图案宽度相应地可以在10nm～60nm之间，深度可以在30nm～2000nm之间。

图2图示了当光轴3垂直于入射面，在光线以45°入射到该亚波长光栅10时的折射率分布图。可以看出，当入射介质的折射率n满足n_e＜nsin45°(称为全反射条件)且n_o≈n(称为匹配条件)时，该亚波长光栅就对e光全反射，而对o光几乎全透射，从而实现了偏振分光的目的。上述匹配条件取决于应用情况，即当二者之间的差别使o光的反射率小于某个值，例如1％时，即可认为光栅与棱镜材料的折射率是匹配的。

图3图示了本发明的偏振分光器件15的示意图。亚波长光栅10被两个光学棱镜11和12夹在当中。这两个光学棱镜可以是任意形状，但通常我们还是习惯用两个等腰直角棱镜，合成一个立方棱镜15。这两个光学棱镜可以由透明材料制成，例如折射率不低于1.6的透明材料。而亚波长光栅可以是先制作在一块平板介质基底上，然后再用光学胶粘合到光学棱镜11和/或12的斜面上；也可以直接把该光学棱镜的斜面作为基底，通过镀膜、刻蚀等工艺直接制作上去。这个立方棱镜15的入射面与出射面上都可以根据需要镀上增透膜(在图中没有画出)。当光学棱镜11、12的折射率与亚波长光栅的折射率能满足上述关系时，该立方棱镜15就几乎是一个完美的偏振分光棱镜。以下以一个具体的实施例来说明它的偏振分光特性。

选择光学棱镜11、12的折射率n＝1.87，而亚波长光栅的浮雕部分折射率n_G＝2.5，光栅常数Λ＝100nm，而浮雕部分的线宽L＝32nm，浮雕部分的深度d＝640nm。根据上述亚波长公式可得偏振分光器件15的f＝0.32，n_o＝1.64，n_e＝1.17。它在0°角入射时的e光和o光的透过率曲线如图4所示(由于是全介质材料，因而不存在吸收，反射率就等于1-透过率，在图中不详细画出)，可以算出，在420-680nm波长范围内，其透射端的平均消光比为1300∶1，而反射端的平均消光比为160∶1，基本上能满足偏振分光的要求。如果进一步在光栅与棱镜11、12的两个接触面上加上相对于亚波长光栅的增透膜，则能进一步提高消光比。例如，在亚波长光栅两侧的接触面上用n＝2.15、厚度均为110nm的材料设置增透膜，则两偏振态的消光比可以分别达到3300∶1和400∶1，这已是一个相当完美的结果。

图5图示了根据本发明的偏振分光器件用于彩色LCoS投影显示系统的一个实施例。由光源40发出的光经该楔型光棒50的多次反射均化并部分准直后，再经场透镜60到达本发明的由偏振分光棱镜11、12和亚波长光栅10组成的偏振分光棱镜15，被该分光棱镜15分成两束光，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偏振光则照射到另一块彩色LCoS器件30上。分别被彩色LCoS器件20和30调制过的光改变了其原先的偏振状态，并带上图像信息，再经上述偏振分光棱镜15到投影物镜70投影成象。当彩色LCoS器件20和30上的图像信息是相同的时候，投影出来的是普通的二维图像，但可以提供出比使用单片彩色LCoS器件时更丰富色彩的图像；而当彩色LCoS器件20和30上的图像信息分别对应于左眼视觉和右眼视觉时，则可投影出立体的三维图像。

从图5的系统中可以看出，入射到所发明的偏振分光器件的光束，不一定是0°角的平行光。事实上，我们在实际应用时也的确不用平行光，而是采用有一定会聚角的会聚光束，会聚角的大小可以由光束的光圈数(F数)算出。在上述实施例中，当入射光束是F2.5的会聚光束时，其o光和e光透过率曲线如图6所示(注意：这是已包含了增透膜的结果)。其透过端和反射端的消光比分别为580∶1和280∶1，还是能满足偏振分光的要求的。

除了图1所示的亚波长光栅浮雕图案，其它一些图案也能起到偏振分光的作用。例如，图7是一种二维的亚波长光栅浮雕图案，其光轴方向位于与基底平面垂直的方向上；图8是它在45°角入射时的折射率分布图。可以看出只要选择合适的入射媒质折射率，它同样也具有偏振分光的功能。

需要注意的是：由于浮雕图案间的空隙均是纳米量级的微小缝隙，因此它们极容易在空气中吸附水份，从而导致折射率的改变，性能的下降。因此，两块光学棱镜的结合面周围最好用密封材料封闭，例如在真空或干燥的氮气中将两块棱镜合在一起，最后用密封材料将周边封闭。

为进一步提高性能，或者合理降低工艺难度，还可以在两块棱镜中夹入多于一个的亚波长光栅。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施例。但是，本领域技术人员应当理解，上述内容只是示例性的，本发明的范围仅由权利要求限定。

Claims (16)

1.一种偏振分光器件，其特征在于：包括至少一块亚波长光栅和两块光学棱镜，所述亚波长光栅被夹在所述两块光学棱镜之间。

2.如权利要求1所述的偏振分光器件，其特征在于：所述亚波长光栅是全介质光栅。

3.如权利要求2所述的偏振分光器件，其特征在于：所述亚波长光栅和光学棱镜设置为使得入射到所述亚波长光栅的光中，第一偏振态在所述亚波长光栅处发生全反射，而与所述第一偏振态正交的第二偏振态在所述亚波长光栅中的折射率与在所述光学棱镜中的折射率匹配。

4.如权利要求3所述的偏振分光器件，其特征在于，所述亚波长光栅和所述光学棱镜的折射率匹配使所述第二偏振态的反射率小于1％。

5.如权利要求4所述的偏振分光器件，其特征在于：所述亚波长光栅是由折射率不低于2.0的透明介质材料形成的周期性浮雕图案构成。

6.如权利要求5所述的偏振分光器件，其特征在于：所述亚波长光栅的光栅周期在50nm～300nm之间，所述浮雕图案的宽度在10nm～60nm之间。

7.如权利要求5所述的偏振分光器件，其特征在于：所述浮雕图案的深度在30nm～2000nm之间。

8.如权利要求1所述的偏振分光器件，其特征在于：所述光学棱镜均是由折射率不低于1.6的透明材料制成。

9.如权利要求8所述的偏振分光器件，其特征在于：所述两块光学棱镜均是直角等腰三棱柱镜，二者的三角形截面长边所在的表面相对，所述亚波长光栅位于所述两个相对表面之间。

10.如权利要求9所述的偏振分光器件，其特征在于：所述亚波长光栅用光学胶胶合在所述光学棱镜中至少一块的所述相对表面上。

11.如权利要求9所述的偏振分光器件，其特征在于：所述亚波长光栅是在所述光学棱镜中至少一块的所述相对表面上直接用镀膜加刻蚀的方法制作的。

12.如权利要求9到11中任意一项所述的偏振分光器件，其特征在于：所述两块光学棱镜合在一起组成一个方棱镜，所述亚波长光栅位于所述方棱镜的对角面处。

13.如权利要求12所述的偏振分光器件，其特征在于：所述光学棱镜的三角形截面至少一个直角边所在的表面上镀有相对于空气的增透射膜层。

14.如权利要求12所述的偏振分光器件，其特征在于：所述光学棱镜的三角形截面长边所在的表面上镀有相对于所述亚波长光栅的增透射膜层。

15.如权利要求12所述的偏振分光器件，其特征在于：所述两块光学棱镜的结合面的四周具有密封材料。

16.一种投影显示装置，包括偏振分光器件和两个硅上液晶微显示器件，其特征在于，所述偏振分光器件是由两块直角光学棱镜组合而成的方棱镜，所述两块直角光学棱镜的组合面之间带有至少一个亚波长光栅，而所述的两个硅上液晶微显示器件在该方棱镜的两个相邻面处。

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