CN102928984A

CN102928984A - 分光元件及其制造方法

Info

Publication number: CN102928984A
Application number: CN2011102297644A
Authority: CN
Inventors: 王介文; 彭伟捷; 李卫华
Original assignee: Silitek Electronic Guangzhou Co Ltd; Lite On Technology Corp
Current assignee: Silitek Electronic Guangzhou Co Ltd; Lite On Technology Corp
Priority date: 2011-08-09
Filing date: 2011-08-09
Publication date: 2013-02-13
Also published as: US20130038933A1

Abstract

本发明是有关于一种分光元件及其制造方法，所述分光元件包含：一基板单元，以及二个位于该基板单元的两相反侧的表面上的棱镜。该基板单元包括至少一基板，以及一披覆在该基板上并具有分光作用的分光薄膜，该分光薄膜包括数层堆叠设置的薄膜层，所述薄膜层的材料为无机材料。借由在平板状的基板上镀膜，比起以往在形状立体的棱镜上镀膜要容易许多，具有易于制造的优点。而且该分光薄膜为无机材料，耐热、耐UV光、耐压，所述薄膜层之间以真空镀膜方式直接堆叠结合，工艺简单方便。

Description

分光元件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种分光元件及其制造方法，特别是涉及一种能应用于投影设备或其它光学系统中，并将不同强度或者不同偏振方向的光分开的分光元件及其制造方法。

背景技术

分光元件(beam splitter)用于将入射光线分成两部分，而且依据不同的分光功能，可区分为波段(或色光)分光元件、光强分光元件及偏极分光元件。如图1所示，为一种已知偏极分光元件1，包括两个固定结合的棱镜11，以及一个位于所述棱镜11的结合面之间的分光膜12，该分光膜12可用于将一入射光A的垂直方向偏振光(S偏振光)A1反射，并使该入射光A的平行方向偏振光(P偏振光)A2通过，达到偏极分光的作用。

而该偏极分光元件1在制造时，必需先在其中一棱镜11表面镀膜而形成该分光膜12，再将另一棱镜11与该形成有分光膜12的棱镜11，经过对位调整后而胶合固定。但由于棱镜11形状通常为立体三角柱状，不像长方体、正方体或板片物等物体的形状较规则，所以在形成该分光膜12时，必需用特殊的夹持治具固定该棱镜11，但要在三角柱状的棱镜11上形成分光膜12的难度较高，而且也受限于棱镜11的形状，所述棱镜11镀膜时的设置密度受限，无法一次对大量棱镜11镀膜，造成镀膜成本高、各元件的膜层品质变异较大。

另外，如图2所示，为美国US7,329,006号专利案所揭示的一种分光元件2(该案的图15所示的实施例)，其结构包含：一基材21、一分光膜22，以及二个棱镜23、24。其中，该基材21是由玻璃或高分子材料制成而且厚度渐变，且该基材21用于将该分光膜22固定于其中一个棱镜23的表面上，而另一棱镜24则固定在该分光膜22的表面上。所述分光膜22实际上是由数百层高分子薄膜堆叠后一起拉伸(pulling)形成的，而且薄膜之间为高、低折射率的交错排列。该高分子材料制成的分光膜22的厚度较厚，如其说明书所揭示，厚度约为225微米(μm)左右，此种厚膜使该分光元件2容易产生像散(astigmatism)，所以必需借由该厚度渐变的基材21来减轻像散问题。

该分光膜22除了容易导致像散外，还有制作过程繁复的缺点，因为该分光膜22具有数百层薄膜，这些薄膜无法只单纯借由膜层间的键结力量而固定地堆叠结合，而是每当堆叠到一定数量的薄膜后，就必须利用胶粘或热熔方式，与另一披预定数量的薄膜固定住，依此方式重复数次后，最后才能形成该分光膜22，所以制作过程繁复。而且分光膜22的高分子材料耐压性较差，只能承受单边的外力，如果分光膜22的两相反侧皆受压时，就容易使分光膜22中的薄膜分离而脱层。此外，因为高分子材料受到紫外光(UV)照射会有黄化现象，同时高分子材料的耐温性也较差，导致元件使用一段时间后，材料容易老化、功能变差。

由此可见，上述现有的分光元件及其制造方法在产品结构、制造方法与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品及方法又没有适切的结构及方法能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新的分光元件及其制造方法，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种易于制造、耐紫外光、耐热，薄膜不易脱层的分光元件及其制造方法。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种分光元件，包含两个棱镜，该分光元件还包含一个基板单元，该基板单元包括至少一个基板，以及一个披覆在该基板上并具有分光作用的分光薄膜，该分光薄膜包括数层堆叠设置的薄膜层，所述薄膜层的材料为无机材料；所述两棱镜位于该基板单元的两个相反侧的表面上。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

较佳地，前述的分光元件，其中该基板单元包括一个基板，该基板包括一个供该分光薄膜披覆的结合面，以及一个相反于该结合面的棱镜安装面，所述其中一个棱镜位于该基板的棱镜安装面上，另一个棱镜位于该分光薄膜的表面上。

较佳地，前述的分光元件，该基板单元包括两个基板，每一个基板都包括一个朝向另一个基板的结合面，以及一个相反于该结合面的棱镜安装面，该分光薄膜位于所述两基板的结合面之间，所述两棱镜各别位于所述两基板的棱镜安装面上。

较佳地，前述的分光元件，该分光薄膜的厚度小于或等于15微米。

较佳地，前述的分光元件，该分光薄膜的厚度小于或等于5微米。

较佳地，前述的分光元件，所述薄膜层的材料为无机介电材料。

较佳地，前述的分光元件，所述基板与所述棱镜的折射率相同。

较佳地，前述的分光元件，该分光元件是一个偏极分光元件。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种分光元件的制造方法，该分光元件的制造方法包含以下步骤：步骤A：制备一个包括至少一个基板及一个分光薄膜的基板单元，此步骤是利用真空镀膜方式在该基板上披覆数层堆叠设置的薄膜层以形成该分光薄膜，所述薄膜层的材料为无机材料；步骤B：将两个棱镜各别固定在该基板单元的两个相反侧的表面上。

较佳地，前述的分光元件的制造方法，其中所述基板的数量为一个，该分光薄膜是形成于该基板的一个结合面上，步骤B是将其中一个棱镜固定在该基板的一个相反于该结合面的棱镜安装面上，并将另一个棱镜固定在该分光薄膜的表面上。

较佳地，前述的分光元件的制造方法，其中所述基板数量为两个，所述基板都包括一个朝向另一个基板的结合面，以及一个相反于该结合面的棱镜安装面，步骤A是使该分光薄膜形成于所述两基板的结合面之间，步骤B是将所述两棱镜各别固定在所述两基板的棱镜安装面上。

较佳地，前述的分光元件的制造方法，其中所述棱镜是利用胶合方式固定。

较佳地，前述的分光元件的制造方法，其中该分光薄膜的厚度小于或等于15微米。

较佳地，前述的分光元件的制造方法，其中该分光薄膜的厚度小于或等于5微米。

较佳地，前述的分光元件的制造方法，其中所述薄膜层的材料为无机介电材料。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明分光元件及其制造方法至少具有下列优点及有益效果：本发明借由在平板状的基板上镀膜，比起以往在形状立体的棱镜上镀膜要容易许多，具有易于制造、缩短工艺时间的优点。而且该分光薄膜为无机材料，具有耐热、耐UV光、耐压等优点，所述薄膜层与薄膜层之间利用真空镀膜方式直接堆叠结合，工艺简单方便。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是一种已知偏极分光元件的示意图；

图2是美国US7,329,006号专利案所揭示的分光元件的示意图；

图3是本发明分光元件的一第一实施例的示意图；

图4是本发明分光元件的制造方法的第一实施例的流程示意图，主要显示制造图3的分光元件的流程；

图5是本发明分光元件的一第二实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明，要注意的是，在以下的说明内容中，类似的元件是以相同的编号来表示。

参阅图3，本发明分光元件的第一实施例为偏极分光元件(polarization beam splitter，简称PBS)，可应用在投影设备或其它光学系统中，用于反射垂直方向振动的光(S偏振光)，并供平行方向振动的光(P偏振光)通过。所述分光元件包含：一基板单元3，以及二个位于该基板单元3的两相反侧的表面上的棱镜4、4’。

该基板单元3包括一基板31，以及一披覆在该基板31上的分光薄膜32。其中，该基板31为透明板片状的玻璃基板，其具体材料例如BK7-like玻璃，但不限于此，也可以使用其它种折射率更高的材料，或者塑胶基板31。该基板31包括一个结合面311，以及一相反于该结合面311的棱镜安装面312。

该分光薄膜32披覆在该结合面311上，并包括数十层堆叠设置的薄膜层321(一般约为24～100层，图中仅示意两层)，所述薄膜层321为至少两种不同材料，且为高折射率与低折射率材料交错设置，每一薄膜层321的厚度约为入射光波长的四分之一，借由上述搭配设计产生分光效果。

每一薄膜层321的材料为可透可见光的无机材料，并且可以为介电材料，也可以为稍具导电性的材料，使用导电性材料的优点是可导电，但可能会有轻微吸光现象。薄膜层321材料例如氧化物、氮化物、硫化物、氟化物等等，具体例为Ta₂O₅、TiO₂、ZnS、SiO₂、MgF₂、冰晶石(Cryolite)等等，所述Ta₂O₅、TiO₂、ZnS的折射率大于SiO₂、MgF₂、冰晶石的折射率，因此该分光薄膜32可以为Ta₂O₅/SiO₂、TiO₂/SiO₂、ZnS/SiO₂、TiO₂/MgF₂、ZnS/MgF₂...等等的高、低折射率材料交错配置，当然，每一薄膜层321也可以使用混合材料，以混制出不同折射率的膜层，例如TiO₂可以与Ta₂O₅混合。其它材料例如氧化锌(ZnO)、Al₂O₃、HfO₂、Y₂O₃、ZrO₂也可使用。

所述薄膜层321堆叠后所构成的该分光薄膜32会随着膜层层数的增加，两偏极分光比值会越高，波长的带宽也会变宽，也就是偏极化的对比越好，相对地生产成本会因为膜层数与厚度的增加而增加。然而，若分光薄膜32的厚度太厚，将使膜层较易脱落，因此厚度当小于或等于15微米为佳，更佳地小于或等于5微米。

所述棱镜4、4’的材质可以为透明玻璃或塑胶，两棱镜4、4’的材质可以相同也可以不同，但若使用塑胶材质射出的棱镜4、4’时，必需注意塑胶折射率的整体均匀性。其中一个棱镜4位于该基板31的棱镜安装面312上，另一个棱镜4’位于该分光薄膜32的表面上，而且棱镜4、4’的折射率与该基板31的折射率接近，棱镜4、4’与该基板31的折射率可以相同，也可以不同。当棱镜4、4’与该基板31折射率相同时，能选用相同材料制作，而且光线自该基材31通过该棱镜4时也较不会偏折。所述棱镜4、4’用于光程补偿，达到补正像散、减少像差的效果。

当一入射光B通过其中一棱镜4’，并以布鲁斯特角(Brewster’s angle)入射到该棱镜4’与该分光薄膜32的界面时，该入射光B中的S偏振光B1会被该分光薄膜32反射，而其P偏振光B2则可通过该分光薄膜32，并经由该基板31及另一棱镜4射出，达到偏极分光的作用。需要说明的是，图3的入射光B与该P偏振光B2呈一直线，此乃为了方便示意，实际上若各构件的折射率不同，会使光线折射而导致P偏振光B2有略微的偏折。

参阅图3、图4，本发明分光元件的制造方法的第一实施例，包含以下步骤：

(1)首先制备所述基板单元3，此步骤是利用蒸镀或溅镀...等等的真空镀膜方式，在该基板31的该结合面311上镀着披覆数层薄膜层321，互相堆叠的薄膜层321就构成该分光薄膜32，并使该分光薄膜32的厚度小于或等于15微米，而所述薄膜层321的材料如前述，在此不再说明。

(2)将所述两棱镜4、4’各别固定在该基板单元3的两相反侧的表面上，其具体方式是将该棱镜4胶合固定在该基板31的棱镜安装面312上，并将另一棱镜4’胶合固定在该分光薄膜32的表面上。所述胶合固定方式，是在该棱镜安装面312及该分光薄膜32的表面涂布紫外光固化胶(UV胶)，再将两棱镜4、4’设置在所述涂胶的表面上，并照射紫外光使UV胶固化，就可以使棱镜4、4’与该基板单元3固定结合。

综上所述，由于本发明是在平板状的基板31上镀膜，比起以往在形状立体的棱镜上镀膜要容易许多，因此本发明的分光薄膜32可以使用蒸镀、溅镀方式作大面积平板镀膜，进而缩短工艺时间并降低制造成本，且降低各个分光元件之间的膜层变异，维持稳定且良好的品质。

而本发明与先前技术的美国专利US7,329,006号案相比较，由于本发明的分光薄膜32为无机材料，而且是由数层的薄膜层321堆叠形成，可以使用半导体工艺中的真空镀膜方式沉积，因为真空镀膜技术发展成熟，使沉积出的分光薄膜32的品质及厚度容易掌控，以达到预定的分光效果。而且真空镀膜所形成的薄膜层321与薄膜层321之间能够直接堆叠结合，不需要另外以胶粘方式固定或热熔固定，工艺简单方便。该无机材料制成的分光薄膜32较耐热，且不怕UV光照射，因此能减轻光与热对于膜层品质造成的影响，同时该分光薄膜32较耐压，受压后不会有脱层现象。此外，该分光薄膜32的厚度够小，能减缓像散问题，所以本发明确实改善前述美国专利的缺点。

需要说明的是，本发明不限于应用在偏极分光元件，因为本发明上述的基板31、分光薄膜32及两棱镜4、4’的配合结构，也可以应用于光强分光元件，所述光强分光元件是按照一定的光强度比而将光束分成两部分。当然，应用在光强分光元件的分光薄膜设计有所不同，并且在满足特定的分光条件下才会达到光强分光作用，但由于光强分光元件的分光薄膜设计非本发明改良重点，故不再说明。

参阅图5，本发明分光元件的第二实施例与该第一实施例大致相同，不同的地方在于：本实施例的基板单元3包括两个基板31、31’，每一基板31(31’)都包括一个朝向另一基板31’(31)的结合面311，以及一相反于该结合面311的棱镜安装面312。本实施例的分光薄膜32是位于所述两基板31、31’的结合面311之间。所述两棱镜4、4’各别位于所述两基板31、31’的棱镜安装面312上。

本实施例在制造上，是先利用真空镀膜方式在该基板31的结合面311上镀着披覆该分光薄膜32，再将另一基板31’的结合面311朝向该分光薄膜32，并使用UV胶将该基板31’通过该分光薄膜32而与该基板31胶粘固定，最后再将所述两棱镜4、4’各别利用UV胶胶合固定在两基板31、31’的棱镜安装面312上，就制造完成。

本实施例的基板单元3也可以使用另一种制作方式：取一个大面积的基板(图未示)镀着数层薄膜层，再将该镀膜后的基板等面积地裁切成两半，将两个被裁切后的基板的薄膜层相向，并将两基板通过薄膜层而胶合固定，就完成本发明的基板31、分光薄膜32与基板31’的组合结构。

本实施例借由增加设置另一基板31’，使该基板单元3包括两个对称的基板31、31’，并且使本实施例的分光元件整体以该分光薄膜32为界而呈两侧对称，使入射光线的反射光与透射光的光程相同。补充说明的是，由于图3所示的第一实施例的基板单元3并非对称结构，因此图3的两棱镜4、4’的大小不同，是为了补偿反射光与透射光的光程差。

本实施例的分光效果及达成功效与该第一实施例相同，故不再说明。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种分光元件，包含两个棱镜，其特征在于：该分光元件还包含一个基板单元，该基板单元包括至少一个基板，以及一个披覆在该基板上并具有分光作用的分光薄膜，该分光薄膜包括数层堆叠设置的薄膜层，所述薄膜层的材料为无机材料；所述两棱镜位于该基板单元的两个相反侧的表面上。

2.如权利要求1所述的分光元件，其特征在于：该基板单元包括一个基板，该基板包括一个供该分光薄膜披覆的结合面，以及一个相反于该结合面的棱镜安装面，所述其中一个棱镜位于该基板的棱镜安装面上，另一个棱镜位于该分光薄膜的表面上。

3.如权利要求1所述的分光元件，其特征在于：该基板单元包括两个基板，每一个基板都包括一个朝向另一个基板的结合面，以及一个相反于该结合面的棱镜安装面，该分光薄膜位于所述两基板的结合面之间，所述两棱镜各别位于所述两基板的棱镜安装面上。

4.如权利要求1至3中任一项所述的分光元件，其特征在于：该分光薄膜的厚度小于或等于15微米。

5.如权利要求4所述的分光元件，其特征在于：该分光薄膜的厚度小于或等于5微米。

6.如权利要求1至3中任一项所述的分光元件，其特征在于：所述薄膜层的材料为无机介电材料。

7.如权利要求1至3中任一项所述的分光元件，其特征在于：所述基板与所述棱镜的折射率相同。

8.如权利要求1所述的分光元件，其特征在于：该分光元件是一个偏极分光元件。

9.一种分光元件的制造方法，其特征在于该分光元件的制造方法包含以下步骤：

步骤A：制备一个包括至少一个基板及一个分光薄膜的基板单元，此步骤是利用真空镀膜方式在该基板上披覆数层堆叠设置的薄膜层以形成该分光薄膜，所述薄膜层的材料为无机材料；

步骤B：将两个棱镜各别固定在该基板单元的两个相反侧的表面上。

10.如权利要求9所述的分光元件的制造方法，其特征在于：所述基板的数量为一个，该分光薄膜是形成于该基板的一个结合面上，步骤B是将其中一个棱镜固定在该基板的一个相反于该结合面的棱镜安装面上，并将另一个棱镜固定在该分光薄膜的表面上。

11.如权利要求9所述的分光元件的制造方法，其特征在于：所述基板数量为两个，所述基板都包括一个朝向另一个基板的结合面，以及一个相反于该结合面的棱镜安装面，步骤A是使该分光薄膜形成于所述两基板的结合面之间，步骤B是将所述两棱镜各别固定在所述两基板的棱镜安装面上。

12.如权利要求9所述的分光元件的制造方法，其特征在于：所述棱镜是利用胶合方式固定。

13.如权利要求9至12中任一项所述的分光元件的制造方法，其特征在于：该分光薄膜的厚度小于或等于15微米。

14.如权利要求13所述的分光元件的制造方法，其特征在于：该分光薄膜的厚度小于或等于5微米。

15.如权利要求9至12中任一项所述的分光元件的制造方法，其特征在于：所述薄膜层的材料为无机介电材料。