CN107918241B - 偏振光栅的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开提供一种偏振光栅的制造方法。此方法包含：提供偏振敏感材料；以及使两束偏振态彼此正交的光扫描偏振敏感材料且在偏振敏感材料上会合，以便形成偏振光栅。
Description
本发明是中国发明专利申请(申请号：201410089081.7，申请日：2014年3月12日，发明名称：投影装置和偏振光栅的制造方法)的分案申请。
技术领域
本发明大体上涉及显示装置及其制造方法，且特别是涉及投影装置及偏振光栅的制造方法。
背景技术
在显示技术的领域中，当需要大的显示帧时，平板显示器需要具有相称的尺寸。然而，具有较小尺寸的投影装置可在屏幕上形成大的显示帧。因此，在许多人一起观看显示帧(例如，会议、简报或观看电影)的情况下，投影装置具有优点。因此，投影装置在显示技术的领域中具有不可替代的地位。
在常规硅上液晶(liquid-crystal-on-silicon,LCOS)投影仪中，使非偏振光束偏振且所述光束接着行进到硅上液晶面板。硅上液晶面板反射经偏振光束且调制所述经偏振光束的偏振状态。偏振分光器接着阻隔来自硅上液晶面板的经偏振光束中具有一偏振方向的部分且允许经偏振光束中具有另一垂直偏振方向的另一部分行进到投影镜头。当使非偏振光束偏振且所述光束通过偏振分光器时，硅上液晶投影仪的光学效率显着降低。对于常规彩色滤光片硅上液晶投影仪，其光学效率为约3％到4％。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有较高光学效率的投影装置。
本发明再一目的在于提供一种偏振光栅的制造方法，其可制造具有优良品质的偏振光栅。
根据本发明的实施例，提供一种投影装置，包含光源、反射式空间偏振调制器、偏振光栅和投影镜头。光源用以提供光束。反射式空间偏振调制器设置在光束的路径上且用以反射光束且调制光束的偏振状态。偏振光栅设置在光源与反射式空间偏振调制器之间的光束的路径上，其中反射式空间偏振调制器将来自偏振光栅的光束反射回偏振光栅。投影镜头设置在来自反射式空间偏振调制器的光束的路径上，其中偏振光栅设置在反射式空间偏振调制器与投影镜头之间的光束的路径上。
根据本发明的实施例，提供一种偏振光栅的制造方法。此方法包含：提供偏振敏感材料；以及使两束偏振态彼此正交的光扫描偏振敏感材料且在偏振敏感材料上会合。
鉴于上述内容，根据本发明的实施例的投影装置采用偏振光栅来衍射来自光源的光束，且被传送到投影镜头的光能可集中于具有某一衍射级的光束上。因此，投影装置的光学效率为优良的，以使得投影装置可提供具有高亮度的图像帧。另外，在偏振光栅的制造方法中，是通过光来处理偏振敏感材料，而不是通过使偏振敏感材料与配向层接触来处理偏振敏感材料。因此，可防止与配向层的接触问题。因此，偏振光栅的制造方法为简单的且可制造具有优良品质的偏振光栅。
附图说明
包含附图以提供对本发明的进一步理解，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。所述附图说明本发明的实施例，且与描述一起用以解释本发明的原理。
图1A为根据本发明的实施例的投影装置的示意图；
图1B为图1A中的反射式空间偏振调制器的示意性横截面图；
图1C为图1A中的偏振光栅的示意性俯视图；
图2为根据本发明的另一实施例的偏振光栅的示意性俯视图；
图3为根据本发明的另一实施例的投影装置的示意图；
图4A为说明偏振光栅的制造方法的示意图；
图4B为展示图4A中的光照射于图4A中的偏振敏感材料上的坐标和位置的示意图；
图4C为展示当图4A中的两束光在图4A中的偏振敏感材料上会合时所述两束光的组合偏振状态的示意图；
图5A和图5B分别为本发明的另一实施例中的图4B和图4C的其它变体。
主要元件标号说明
50：偏振敏感材料
60：原始光
62：偏振态彼此正交的光
64：偏振态彼此正交的光
70：激光源
80：偏振分光器
92：扫描镜
94：扫描镜
100：投影装置
100b：投影装置
105：屏幕
110：光源
112：光束
120：反射式空间偏振调制器
130：偏振光栅
130a：偏振光栅
131：慢轴
132：第一相位延迟条
133：慢轴
134：第二相位延迟条
135a：慢轴
140：投影镜头
150：全内反射棱镜
150c：反射器
152：棱镜
154：棱镜
156：全内反射表面
160：光屏蔽件
170：透镜
210：硅衬底
212：晶体管
222：像素电极
240：配向层
250：液晶层
260：配向层
270：透明导电层
280：彩色滤光片阵列
282：红色滤光片
284：绿色滤光片
286：蓝色滤光片
290：透明衬底
D1：第一方向
D2：第二方向
D3：第三方向
L：入射位置
P0：偏振方向
P1：偏振方向
P2：偏振方向
S1：第一侧衍射子光束
S2：第二侧衍射子光束
SC：中央衍射子光束
具体实施方式
现将详细参考本发明的实施例，其实例在附图中得以说明。只要可能，相同参考数字在附图和描述中用以指相同或相似部分。
图1A为根据本发明的实施例的投影装置的示意图；图1B为图1A中的反射式空间偏振调制器的示意性横截面图；且图1C为图1A中的偏振光栅的示意性俯视图。参看图1A到图1C，此实施例中的投影装置100包含光源110、反射式空间偏振调制器120、偏振光栅130和投影镜头140。光源110用以提供光束112。在此实施例中，光束112为白色光束，且光源110包含至少一个发射白色光束的白光发光二极管(light-emitting diode,LED)。然而，在其它实施例中，光源110可为发射白色光束的超高压(ultra-high-pressure,UHP)灯。或者，光束112可包含多个不同颜色的子光束，且这些不同颜色混合以形成白色。举例来说，光束112可包含红色、绿色和蓝色子光束，且此三种子光束混合以形成白色光束。此外，光源110可包含多个不同颜色的LED，且不同颜色的子光束可分别从不同颜色的LED发射。在一个实施例中，不同颜色的子光束同时从光源110发射。然而，在另一实施例中，不同颜色的子光束轮流从光源110发射。在另一实施例中，光源110可包含至少一个激光发射器，例如，至少一个激光二极管。
反射式空间偏振调制器120设置在光束112的路径上且用以反射光束112且调制光束112的偏振状态。反射式空间偏振调制器120可为硅上液晶(LCOS)面板。在此实施例中，反射式空间偏振调制器120为彩色滤光片硅上液晶面板。具体地说，在此实施例中，彩色滤光片硅上液晶面板包含硅衬底210、多个像素电极222、绝缘层230、配向层240、液晶层250、配向层260、透明导电层270、彩色滤光片阵列280和透明衬底290。多个晶体管212阵列式地排列在硅衬底210上。晶体管212可电耦接到硅衬底210上的多条扫描线和多条数据线。像素电极222分别电耦接到晶体管212且覆盖晶体管212。像素电极222由金属(例如，铝)制成。绝缘层230分离像素电极222。配向层240覆盖像素电极222。彩色滤光片阵列280设置在透明衬底290上。透明衬底290可由玻璃或任何其它适当的透明材料制成。彩色滤光片阵列280包含具有不同颜色的多个彩色滤光片。举例来说，彩色滤光片阵列280包含排成阵列的多个红色滤光片282、多个绿色滤光片284和多个蓝色滤光片286。透明导电层270覆盖彩色滤光片阵列280，且配向层260覆盖透明导电层270。透明导电层270例如由氧化铟锡(indium tinoxide,ITO)制成。液晶层250填充在配向层240与配向层260之间。
在此实施例中，彩色滤光片阵列280设置在配向层260与透明衬底290之间，但本发明不限于此。在其它实施例中，彩色滤光片阵列280设置在像素电极222与配向层240之间或可设置在任何其它适当位置。
在另一实施例中，可不采用彩色滤光片阵列280；即，在透明导电层270与透明衬底290之间不存在彩色滤光片阵列280。
偏振光栅130设置在光源110与反射式空间偏振调制器120之间的光束112的路径上，且反射式空间偏振调制器120将来自偏振光栅130的光束112反射回偏振光栅130。投影镜头140设置在来自反射式空间偏振调制器120的光束112的路径上，且偏振光栅130设置在反射式空间偏振调制器120与投影镜头140之间的光束112的路径上。来自偏振光栅130的光束112依序通过透明衬底290、彩色滤光片阵列280、透明导电层270、配向层260、液晶层250和配向层240以到达像素电极222。光束112接着被像素电极222反射且接着依序通过配向层240、液晶层250、配向层260、透明导电层270、彩色滤光片阵列280和透明衬底290以到达投影镜头140。
在此实施例中，偏振光栅130包含在第一方向D1上交替排列的多个第一相位延迟条132和多个第二相位延迟条134。第一相位延迟条132中的每一者沿着第二方向D2延伸，且第二相位延迟条134中的每一者沿着第二方向D2延伸。在此实施例中，第一方向D1和第二方向D2垂直于第三方向D3，且第三方向D3平行于偏振光栅130的法线，且第一方向D1垂直于第二方向D2。第一相位延迟条132的慢轴131垂直于第二相位延迟条134的慢轴133。第一相位延迟条132的慢轴131和第二相位延迟条134的慢轴133可为第一相位延迟条132和第二相位延迟条134的特别轴(extraordinary axis)，或可为第一相位延迟条132和第二相位延迟条134的普通轴(ordinary axis)。在此实施例中，第一相位延迟条132和第二相位延迟条134沿着第一方向D1周期性地排列布置。
在此实施例中，从光源110发射的光束112在行进到偏振光栅130之前为非偏振光束。光束112通过偏振光栅130主要衍射为+1衍射级子光束和-1衍射级子光束。当偏振光栅130设计良好时，0衍射级子光束的强度远小于+1衍射级子光束的强度且远小于-1衍射级子光束的强度。因此，可忽略0衍射级子光束。
首先如下描述光束112垂直入射在偏振光栅130上的状况。+1衍射级子光束可为顺时针圆偏振子光束且具有相对于偏振光栅130的法线的衍射角+θ。-1衍射级子光束可为逆时针圆偏振子光束且具有相对于偏振光栅130的法线的衍射角-θ。当反射式空间偏振调制器120的任何像素处于类似于镜面加透明层的状态(即，0波长相位延迟器)时，+1衍射级子光束由像素沿着相对于偏振光栅130的法线倾斜达角度+θ的方向反射且维持顺时针圆偏振。接着，+1衍射级子光束由偏振光栅130沿着相对于偏振光栅130的法线倾斜达角度+2θ的方向衍射且维持顺时针圆偏振，且在下文中被称作“第一侧衍射子光束S1”。此外，-1衍射级子光束由像素沿着相对于偏振光栅130的法线倾斜达角度-θ的方向反射且维持逆时针圆偏振。接着，-1衍射级子光束由偏振光栅130沿着相对于偏振光栅130的法线倾斜达角度-2θ的方向衍射且维持逆时针圆偏振，且在下文中被称作“第二侧衍射子光束S2”。另一方面，当反射式空间偏振调制器120的任何像素处于类似于镜面加四分之一波片的状态时，+1衍射级子光束由像素沿着相对于偏振光栅130的法线倾斜达角度+θ的方向反射且具有改变为逆时针圆偏振的偏振状态，且-1衍射级子光束由像素沿着相对于偏振光栅130的法线倾斜达角度-θ的方向反射且具有改变为顺时针圆偏振的偏振状态。接着，+1衍射级子光束和-1衍射级子光束由偏振光栅130沿着偏振的法线衍射，且组合成中央衍射子光束SC。
在此实施例中，光束112倾斜地入射在偏振光栅130上，以使得第一侧衍射子光束S1、第二侧衍射子光束S2和中央衍射子光束SC分别相对于上述状况中的第一侧衍射子光束S1、第二侧衍射子光束S2和中央衍射子光束SC倾斜。此外，在此实施例中，中央衍射子光束SC充当图像光束且进入投影镜头140，但第一侧衍射子光束S1和第二侧衍射子光束S2不行进到投影镜头140。投影镜头140将中央衍射子光束SC(即，图像光束)投影到屏幕上以在所述屏幕上形成图像帧。
在此实施例中，投影装置100还包含全内反射(total internal reflection,TIR)棱镜150，其设置在光源110与偏振光栅130之间的光束112的路径上和偏振光栅130与投影镜头140之间的光束112的路径上。全内反射棱镜150可包含两个棱镜152和154。棱镜152倚靠着棱镜154且具有面向棱镜154的全内反射表面(TIR表面)156。TIR表面156使来自光源110的光束112全反射到偏振光栅130，且允许中央衍射子光束SC通过且接着行进到投影镜头140。在此实施例中，投影装置100可还包含至少一个透镜170，其设置在棱镜152与光源110之间的光束112的路径上以聚集光束112。
在此实施例中，投影装置100还包含光屏蔽件160，其设置在从反射式空间偏振调制器120反射且由偏振光栅130衍射的光束112的路径上。光屏蔽件160用以阻隔具有部分衍射级的经衍射光束112(例如，第一侧衍射子光束S1和第二侧衍射子光束S2)行进到投影镜头140，且允许具有另一部分的衍射级的经衍射光束112(例如，中央衍射子光束SC)行进到投影镜头140。
在另一实施例中，也可不采用光屏蔽件160，且投影镜头140具有拥有较小孔径的孔径光阑，以使得中央衍射子光束SC可通过投影镜头140，但第一侧衍射子光束S1和第二侧衍射子光束S2无法通过。或者，在另一实施例中，第一侧衍射子光束S1可由TIR表面156全反射且因此无法行进到投影镜头140，且第二侧衍射子光束S2与偏振光栅130的法线之间的夹角足够大，以使得第二侧衍射子光束S2偏离投影镜头140。
在此实施例中，投影装置100采用偏振光栅130来衍射来自光源110的光束112，且被传送到投影镜头140的光能可集中于具有某一衍射级的光束112(例如，中央衍射子光束)上。因此，可不采用降低光学效率的偏振分光器(polarizing beam splitter,PBS)。因此，投影装置100的光学效率为优良的，以使得投影装置100可提供具有高亮度的图像帧。
图2为根据本发明的另一实施例的偏振光栅的示意性俯视图。参看图2，此实施例中的偏振光栅130a可替代图1A中的偏振光栅130来形成投影装置的另一实施例。在此实施例中，偏振光栅130具有慢轴135a，其沿着第一方向D1周期性地旋转地变化，且沿着第二方向D2不变化。
图3为根据本发明的另一实施例的投影装置的示意图。参看图3，此实施例中的投影装置100b类似于图1A中的投影装置100，且两者之间的差异如下。在投影装置100b中，采用反射器150c以替代全内反射棱镜150。反射器150c设置在光源110与偏振光栅130之间的光束112的路径上。反射器150c阻隔具有部分衍射级的经衍射光束112(例如，中央衍射子光束SC)行进到投影镜头140。在此实施例中，反射器150c反射中央衍射子光束SC，以便使中央衍射子光束SC不行进到投影镜头140。此外，反射器150c允许具有另一部分的衍射级的经衍射光束112(例如，第一侧衍射子光束S1和第二侧衍射子光束S2)行进到投影镜头140。这是因为来自偏振光栅130的第一侧衍射子光束S1和第二侧衍射子光束S2不被反射器150c阻隔。在此实施例中，反射器150c为镜面。然而，在其它实施例中，反射器150c可为反射棱镜。接着，第一侧衍射子光束S1和第二侧衍射子光束S2投影到屏幕105上。
图4A为说明偏振光栅的制造方法的示意图，图4B为展示图4A中的光照射于图4A中的偏振敏感材料上的坐标和位置的示意图，且图4C为展示当图4A中的两束光在图4A中的偏振敏感材料上会合时所述两束光的组合偏振状态的示意图。参看图4A到图4C，此实施例中的偏振光栅的制造方法可用以制造上述偏振光栅130。所述制造方法包含提供偏振敏感材料50。在此实施例中，偏振敏感材料50为液晶材料。接着，制造方法包含使两束偏振态彼此正交的光62和64扫描偏振敏感材料50且在偏振敏感材料50上会合。
在此实施例中，所述制造方法还包含发射原始光60且将原始光60分裂为两束偏振态彼此正交的光62和64。原始光60例如为激光。在此实施例中，激光源70可用以发射原始光60。此外，在此实施例中，偏振分光器(PBS)80设置在原始光60的路径上以将原始光60分裂为两束偏振态彼此正交的光62和64。在此实施例中，原始光60、光62和光64为线性偏振光。光62的偏振方向P1垂直于光64的偏振方向P2。原始光60的偏振方向P0和光62的偏振方向P1形成45°的夹角。原始光60的偏振方向P0和光64的偏振方向P2形成45°的夹角。采用两个扫描镜92和94以分别反射两束光62和64，以便使两束光62和64在偏振敏感材料50上会合。在此实施例中，夹角
形成在两束偏振态彼此正交的光62和64之间且在入射在偏振敏感材料50上的两束偏振态彼此正交的光62和64的入射位置L处。
当两个扫描镜92和94旋转时，两束光62和64沿着一方向(例如，x方向)扫描偏振敏感材料50。此时，两束光62和64之间的光程长度(optical path length)的差改变，以使得偏振敏感材料50上的两束光62和64的组合偏振状态改变。在图4C中，两束光62和64的组合偏振状态沿着x方向变化。偏振敏感材料50的液晶分子的特别轴旋转到垂直于组合偏振方向的方向。因此，偏振敏感材料50的慢轴沿着x方向周期性地改变但沿着y方向不改变。在两束光62和64扫描偏振敏感材料50之后，偏振敏感材料50被固化以形成图1C中的偏振光栅130，其中图4A中的x方向对应于图1C中的第一方向D1，图4A中的y方向对应于图1C中的第二方向D2，且z方向垂直于x方向和y方向。在图4C中，在两个邻近的正交线性偏振状态之间存在圆偏振状态和椭圆偏振状态，以使得邻近的第一相位延迟条132与第二相位延迟条134之间的边界实际上模糊。
在另一实施例中，参看图5A和图5B，两个四分之一波片可分别设置在PBS 80与偏振敏感材料50之间的光62和64的路径上，以使得两束正交圆偏振光在偏振敏感材料50上会合。举例来说，光62在到达偏振敏感材料50之前被转换成逆时针圆偏振光，且光64在到达偏振敏感材料50之前被转换成顺时针圆偏振光。在此状况下，当光62和64扫描偏振敏感材料50时，光62和64的组合偏振状态始终为线性的，且组合偏振状态的线性偏振方向沿着x方向周期性地旋转地变化且沿着y方向不变化。因此，在对偏振敏感材料50进行扫描及固化之后，形成偏振光栅130a。在又一实施例中，光62和64可为两束正交椭圆偏振光。
在此实施例中的偏振光栅的制造方法中，是通过光来处理偏振敏感材料50，而不是通过使偏振敏感材料与配向层接触来处理偏振敏感材料50。因此，可防止与配向层接触的问题(例如，污染)。因此，偏振光栅的制造方法为简单的且可制造具有优良品质的偏振光栅。此外，光62和64的光程长度易于调整，因此可自由地设计偏振光栅的空间周期。此外，偏振光栅的空间周期可小于常规光刻(photolithography)可实现的空间周期。也就是说，偏振光栅的制造方法可制造具有较小空间周期的偏振光栅。
总之，根据本发明的实施例的投影装置采用偏振光栅来衍射来自光源的光束，且被传送到投影镜头的光能可集中于具有某一衍射级的光束上。因此，投影装置的光学效率为优良的，以使得投影装置可提供具有高亮度的图像帧。另外，在偏振光栅的制造方法中，是通过光来处理偏振敏感材料，而不是通过使偏振敏感材料与配向层接触来处理偏振敏感材料。因此，可防止与配向层的接触问题。因此，偏振光栅的制造方法为简单的且可制造具有优良品质的偏振光栅。
所属领域的技术人员将明白，可在不脱离本发明的范围或精神的情况下对本发明的结构作各种修改和变化。鉴于以上内容，希望本发明涵盖本发明的修改和变化，只要所述修改和变化落入所附权利要求书和其等效物的范围内。
Claims (6)
1.一种偏振光栅的制造方法，其特征在于，包括：
提供偏振敏感材料；以及
使两束偏振态彼此正交的光扫描所述偏振敏感材料且在所述偏振敏感材料上会合，以便形成所述偏振光栅，其中当所述两束偏振态彼此正交的光扫描所述偏振敏感材料时，所述两束偏振态彼此正交的光之间的光程长度的差发生改变。
2.根据权利要求1所述的偏振光栅的制造方法，其中夹角形成在所述两束偏振态彼此正交的光之间且在入射在所述偏振敏感材料上的所述两束偏振态彼此正交的光的入射位置处。
3.根据权利要求1所述的偏振光栅的制造方法，其特征在于，还包括：
发射原始光；以及
将所述原始光分裂为所述两束偏振态彼此正交的光。
4.根据权利要求3所述的偏振光栅的制造方法，其中所述原始光为激光。
5.根据权利要求3所述的偏振光栅的制造方法，其中将所述原始光分裂为所述两束偏振态彼此正交的光的方法包括将偏振分光器设置在所述原始光的路径上以将所述原始光分裂为所述两束偏振态彼此正交的光。
6.根据权利要求1所述的偏振光栅的制造方法，其中所述偏振敏感材料为液晶材料。
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