CN108351462B - 双重目的的吸收性反射性线栅偏振器 - Google Patents
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Abstract
WGP(10)可以包括定位在透明基板(11)的表面上的平行细长杆(14)的阵列，相邻杆(14)之间具有间隙(15)。杆(14)中的每个杆可以包括夹在肋(12)之间的反射线(13)。肋(12)中的一个肋可以是透明肋，并且一个可以是吸收性肋。WGP(10)对于在透明肋侧上进入的光可以具有高效率和高对比度，并且对于在吸收性肋侧上进入的光可以具有低Rs。
Description
技术领域
本申请总体上涉及线栅偏振器，特别是分束器。
背景技术
线栅偏振器(用于单数的WGP或用于复数的WGPs)可以透射一个偏振(例如p偏振)并反射或吸收相反的偏振(例如s偏振)。相反偏振的高反射率(例如高Rs)可能是重要的，因为一些应用使用两种偏振光束(例如s&p)。相反偏振的高吸收率/低反射率(例如低Rs)可能是重要的，因为该偏振(Rs)的反射会干扰光学系统。例如，反射的s偏振会在图像投影仪中引起重影。一些WGP被设计用于高反射，而其它用于高度吸收的S偏振。
一个偏振的高透射(例如高Tp)可以是WGP的重要特征，以便最小化光源功率要求。相反偏振的低透射(例如Ts)对于改善的光图像分辨率可能是重要的。WGP的质量或有效性可以通过效率(Tp*Rs)和对比度(Tp/Ts)来示出。要优化效率和对比度两者可能很困难，所以一个WGP设计可以针对效率进行优化，而另一个WGP设计可以针对对比度进行优化。
发明内容
对于期望的效率(Tp*Rs)和高对比度(Tp/Ts)两者来优化线栅偏振器(用于单数的WGP或用于复数的WGPs)将是有利的。本发明针对满足这些需求的WGP的各种实施例。每个实施例可以满足这些需求中的一个、一些或全部。
WGP可以包括定位在透明基板表面上的平行细长杆的阵列，相邻杆之间具有间隙。杆中的每一个杆可以包括夹在透明肋和吸收性肋之间的反射线。
附图说明
图1是线栅偏振器(用于单数的WGP或复数的WGPs)10的示意性横截面侧视图，其包括定位在透明基板11的表面上方的平行细长杆14的阵列，相邻杆14之间具有间隙15。杆14中的每一个杆可以包括夹在两个肋12之间的反射线13。根据本发明的实施例，肋12中的一个肋可以是透明肋，并且一个肋可以是吸收性肋。
图2是根据本发明的实施例的图1的WGP 10的示意性透视图。
图3-4示出根据本发明的实施例的每一个包括WGP 10的图像投影系统30和40。
图5a-c示出根据本发明的实施例的制造WGP的方法中的步骤。
具体实施方式
如在此所使用的，术语“对比度”是指通过主要传输偏振的WGP的透射分数(例如Tp)除以通过相反偏振的WGP的透射分数(例如Ts)。例如，对比度＝Tp/Ts。
如在此所使用的，术语“效率”是指通过主要传输偏振的WGP的透射分数(例如Tp)乘以WGP的相反偏振离开的反射分数(例如Rs)。例如，效率＝Tp*Rs。
如在此所使用的，术语“细长”是指杆14的长度L基本上大于杆宽度W和/或杆厚度Th14。例如，用于紫外或可见光的WGP可以具有20至100纳米的杆宽度W和50至500纳米的杆厚度；以及约为1毫米至20厘米或更多的杆长度L，这取决于应用。因此，细长杆14可以具有比杆宽度w和/或杆厚度Th14大许多倍的长度L(例如，在一个方面中至少10倍，在另一方面中至少100倍，在另一方面中至少1000倍或者在另一方面中至少10,000倍)。术语“细长”还可以指杆14的长度L比预期使用的波长范围中的任何波长更长。因此，长度L可以大于可见光的最长波长700nm。
如在此所使用的，术语“Rs”是指期望使透射最小化的偏振的百分比或分数反射。
光学结构中使用的许多材料会吸收一些光线、反射一些光线并透射一些光线。以下定义旨在在主要吸收性、主要反射性或主要透明的材料或结构之间区分。
1.如在此所使用的，术语“吸收性”是指关注的波长中的光的基本上吸收性。
a.材料是否“吸收性”与偏振器中使用的其它材料有关。因此，吸收性结构将比反射性或透明结构吸收显著更多。
b.材料是否“吸收性”取决于关注的波长。一种材料在一个波长范围内可以是吸收性的，但在另一个波长范围内则不能。
c.在一个方面中，吸收性结构可以吸收大于40％并且反射少于60％的所关注的波长中的光(假设吸收性结构是光学厚膜-即大于皮肤深度厚度)。
d.另一方面，相对于透明材料，吸收性材料可具有高消光系数(k)，诸如例如在一方面大于0.01或在另一方面大于1.0。
e.吸收性肋可用于选择性吸收光的一种偏振。
2.如在此所使用的，术语“反射性”是指在关注的波长中的光的显著反射性。
a.材料是否“反射性”与偏振器中使用的其它材料有关。因此，反射性结构将比吸收性或透明结构反射显著更多。
b.材料是否“反射性”取决于关注的波长。一种材料可以在一个波长范围内是反射性的，但在另一个波长范围内不可以。一些波长范围可以有效地利用高反射性材料。在其它波长范围处，特别是在较容易发生材料劣化的较低波长处，材料的选择可能更受限制，并且光学设计师可能需要接受比期望的反射率更低的材料。
c.在一个方面，反射性结构可以反射大于80％并且吸收小于20％的所关注波长中的光(假设反射性结构是光学厚膜-即大于皮肤深度厚度)。
d.金属通常用作反射性材料。
e.反射线可用于从光的相反偏振中分离光的一种偏振。
3.如在此所使用的，术语“透明”是指对于关注的波长中的光基本上透明。
a.材料是否“透明”与偏振器中使用的其它材料有关。因此，透明结构将比吸收性或反射性结构透射显著更多。
b.材料是否“透明”取决于关注的波长。材料在一个波长范围内可以是透明的，但在另一个波长范围内不可以。
c.在一个方面，忽略菲涅耳反射损失，透明结构可以在所关注的波长或使用的波长范围内透射大于90％并且吸收少于10％的光。
d.另一方面，透明结构可以具有在关注的波长或使用的波长范围处小于0.01或小于0.001的消光系数(k)。
4.如在这些定义中所使用的，术语“材料”是指特定结构的整体材料。因此，即使材料可以包括一些反射或透明部件，但是“吸收性”结构由总体上基本上是吸收性的材料制成。因此，例如，由足够量的吸收性材料制成的基本上吸收光的肋是吸收性肋，即使肋可以包括嵌入其中的一些反射或透明材料。
详细说明
如图1-2中所示，示出了线栅偏振器(用于单数的WGP或用于复数的WGPs)10，其包括定位在透明基板11(例如玻璃)的表面11S上方的平行细长杆14的阵列，相邻杆14之间具有间隙15。杆14中的每一个杆可以包括夹在两个肋12之间的反射线13。肋12中的一个肋可以是透明肋，并且一个肋可以是吸收性肋。
在一个实施例中，吸收性肋可以是定位为更接近基板11的肋12b，并且透明肋可以是定位为更远离基板11的肋12a。在另一个实施例中，透明肋可以是定位为更接近基板11的肋12b，以及定位为更远离基板11的吸收性肋12a。关于吸收性肋或透明肋是否是定位更接近基板11的肋12b的判断可以基于(1)入射光是否面向细长杆14位于其上的表面11s，或者入射光是否面向基板11的相对侧11o；(2)期望的光束是否主要被反射或透射；和(3)是否期望高反射(高Rs)或高吸收(低Rs)。
例如，如果吸收性肋定位更接近基板11并且光线面对细长杆14位于其上的表面11s，则透明肋与反射线13一起可以增加一个偏振的反射(例如增加Rs)并且吸收性肋可以增加对比度(例如增加Tp/Ts)。对于入射到基板11的相对侧11o上的光，吸收性肋可以吸收s偏振，并且因此减小Rs。因此，对于入射在细长杆14所位于的表面11s上的光，一个WGP 10可以具有高效率(Tp*Rs)和高对比度(Tp/Ts)二者，并且对于入射到基板11的相对侧11o上的光可以具有高s偏振吸收(低Rs)。
例如，对于在WGP的透明肋侧上从45°角入射的可见光波长(例如450、550或650纳米)，WGP 10在一个方面可以具有至少85％的效率，在另一方面为至少87％，或在另一方面为至少89％，和/或WGP10可具有在一方面至少2000，在另一方面至少3000，在另一方面至少3500，或在另一方面至少4000的对比度。另一个示例，对于在WGP的吸收性肋侧上从45°角入射的可见光波长(例如450、550或650纳米)，WGP 10可以具有在一方面小于15％，在另一方面小于10％或在另一方面小于5％的Rs。
具有高对比度和高效率的双重目的的吸收性、反射性WGP可用于图像投影仪，诸如例如图3中所示的图像投影仪30或图4中所示的图像投影仪40。图像投影仪30或40可以包括根据在此描述的WGP实施例的WGP10、能够发射光束33或43的光源31或41、投影透镜系统35和空间光调制器37。
投影透镜系统35可以被定位成接收光束33或43的至少一部分并且可以投影图像。在美国专利号6,585,378和6,447,120中描述了投影透镜系统35，其全部内容通过引用并入在此。
空间光调制器37可定位成在光源31或41与投影透镜系统35之间的光路中接收光束33或43的至少一部分。空间光调制器37可具有多个像素，每个像素都能够接收信号。信号可以是电子信号。取决于每个像素是否接收到信号或者信号的强度，像素可以旋转偏振光束33或者43的一部分，或者透射或者反射它，而不会引起光束33或者43的一部分的偏振变化。空间光调制器37可以是液晶装置/显示器(LCD)并且可以是透射的、反射的或半透反射(transflective)的。
在进入空间光调制器37之前，在离开空间光调制器37之后，或者二者，WGP 10可以定位在光束33或43的至少一部分中。取决于WGP 10的类型以及每个像素是否接收到信号，WGP 10通过透射、反射或吸收每个像素的光来帮助形成图像。
如图3中所示，图像投影仪30可以进一步包括分色光学器件32和颜色组合光学器件38。光源31可以发射最初可以为未被偏振的光束33。分色光学器件32可以定位成接收光束33的至少一部分，可以定位在光源31和空间光调制器37之间，并且可以将光束33分成定义彩色光束33c的多个不同颜色光束。彩色光束33c可以是原(primary)色。
颜色组合光学器件38可以定位在空间光调制器37和投影透镜系统35之间，并且可以被定位成接收彩色光束33c的至少一部分。颜色组合光学器件38可以将彩色光束33c的至少一部分重新组合成最终光束或组合光束33f。颜色组合光学器件38用于计算机投影仪，用于将不同颜色的光组合成要投影的单个图像。颜色组合光学器件38有时被称为X立方体、X立方体棱镜、X棱镜、光复合棱镜或交叉二向色棱镜。X立方体通常由四个直角棱镜制成，带有分色涂层，它们粘合在一起形成立方体。
投影透镜系统35可定位成接收组合光束33f并可投影彩色图像33i。彩色图像33i可被投影到屏幕36上或人的眼睛中。
空间光调制器37可以被定位成在分色光学器件32和颜色组合光学器件38之间的光路中接收彩色光束33c中的至少一个彩色光束。图像投影仪30可以包括用于彩色光束33c中的每一个彩色光束的空间光调制器37。在进入空间光调制器37之前，在离开空间光调制器37之后，或两者，WGP10可以定位在彩色光束33c中的至少一个彩色光束中。
如图4中的图像投影仪40上所示，光源41可以依次发射多个不同彩色光束，从而限定彩色光束43(因此光束41可以被定义为彩色光束43)。彩色光束43可以是原色。投影透镜系统35可以定位成接收彩色光束43并且可以投影彩色图像33i。彩色图像33i可被投影到屏幕36上或人的眼睛中。空间光调制器37可以定位成在光源41和投影透镜系统35之间的光路中接收彩色光束43。在进入空间光调制器37之前，在离开空间光调制器37之后，或两者，WGP10可以定位在彩色光束43中。
对于图像投影仪30和40二者，在透明肋侧上进入WGP 10的光可以以高对比度和高效率进行偏振；并且可以吸收在吸收性肋侧上进入WGP10的s偏振光。取决于是否期望高对比度和高效率或是否期望一个偏振的高吸收率，吸收性肋可以比透明肋更接近或更远离空间光调制器37、光源31或41或投影透镜系统35。
在一个实施例中，吸收性肋可以面向或更接近光源41或入射光束，和/或透明肋可以面向或更接近空间光调制器37。例如，吸收性肋可以是定位更接近基板11的肋12b。基板11的与细长杆14所位于的表面11s相对的侧面11o可以定位为更接近光源41。WGP可以选择性地吸收光的一个偏振(例如Ts)的大部分并且透射大部分相反的偏振(例如Tp)。透明肋可以是远离基板11而定位的肋12a，并且细长杆14所位于的表面11s可以更接近空间光调制器37。WGP可以选择性地反射来自空间光调制器37的光的大部分偏振(例如Tp)。
为了期望偏振的最优透射(例如对于高Tp)，透明肋具有高折射率(n)和低消光系数(k)可能是有利的。例如，透明肋可以在预期使用的光波长或波长范围处(例如可见光、400-500纳米、500-600纳米或600-700纳米)具有一方面大于1.9，在另一方面大于2.0，在另一方面大于2.2或在另一方面大于2.4的折射率(n)和/或在一方面小于0.01，在另一方面小于0.001，或者在另一方面小于0.0001的消光系数(k)。
透明肋的材料可以与透明基板11的材料不同。透明肋可以与透明基板11间隔开。
透明肋材料的示例包括氮化铝、氧化铪、碳化硅、氮化硅、五氧化二钽、二氧化钛、硫化锌或其组合。由于透明肋的沉积缺陷，这些化学组合不一定处于精确的化学计量比。例如，术语“二氧化钛”是指每两个氧原子大约一个钛原子，诸如例如TixOy，其中0.9≤x≤1并且1.9≤y≤2.1。作为另一个示例，氮化硅通常指Si3N4，但是如在此所使用的，术语氮化硅是指每四个氮原子大约三个硅原子，例如SixNz，其中2.9≤v≤3.1并且3.9≤z≤4.1。
通过选择具有适当折射率(n)和消光系数(k)的材料，透明肋可以具有高透射率和低吸收率。例如，忽略菲涅耳反射损失，在透明肋的厚度(Tha或Thb)处的透明肋的材料可以透射大于90％并且吸收小于10％的使用波长范围内的光。
吸收性肋相对于透明肋可以具有高消光系数(k)。例如，吸收性肋可以具有在一方面大于0.01或者在另一方面大于1.0的消光系数(k)。吸收肋可以包括至少80质量百分比的硅或至少80质量百分比的锗。
反射线13可以由诸如金属的导电和反射材料制成。例如，反射线13可以包括至少99质量百分比的铝。
如2015年11月10日提交的美国专利申请号14/937,488中所述，WGP可以包括多于一个的吸收性肋，其要求2015年1月16日提交的美国临时专利申请号62/104,371的优先权；这两个申请的全部内容通过引用结合于此。
制作WGP的方法可以包括以下步骤，其可以按所描述的顺序执行：
1.在透明基板11的表面11s上方沉积第一层51，参见图5a。
2.在第一层51的表面上方沉积第二层52，参见图5b。
3.在第二层52的表面上方沉积第三层53，参见图5c。
4.蚀刻三个层51-53以形成单独的杆14，参见图1-2。
第二层52可以是反射性材料。第一层51或第三层53中的一个可以是吸收性材料，而另一个可以是透明材料。
Claims (6)
1.一种线栅偏振器，包括：
定位在透明基板的表面上方的平行细长杆的阵列，相邻杆之间具有间隙；
所述杆中的每一个包括透明肋、在所述透明肋上的反射线和在所述反射线上的吸收性肋，所述透明肋与所述透明基板直接接触，所述吸收性肋与所述反射线直接接触；以及
所述透明肋的材料不同于所述透明基板的材料，
所述线栅偏振器对于在所述线栅偏振器的透明肋侧上从45°角入射的可见光的波长具有至少85％的效率和至少2000的对比度；以及
对于在所述线栅偏振器的吸收性肋侧上从45°角入射的可见光的所述波长，Rs小于15％。
2.根据权利要求1所述的线栅偏振器，其中所述间隙中的每一个从相邻杆的最靠近所述基板的基端而延伸到相邻杆的最远离所述基板的远端。
3.根据权利要求1所述的线栅偏振器，其中所述透明肋包括氮化铝、氧化铪、碳化硅、氮化硅、五氧化二钽、二氧化钛、硫化锌或其组合。
4.根据权利要求1所述的线栅偏振器，其中：
在预期使用的光波长处，所述透明肋的折射率(n)大于1.9；
在预期使用的光波长处，所述透明肋的消光系数(k)小于0.01；并且
忽略菲涅耳反射损失，所述透明肋的材料在所述透明肋的厚度处能够透射大于90％并且吸收小于10％的使用波长范围内的光。
5.根据权利要求1所述的线栅偏振器，所述吸收性肋的材料的光学厚膜能够反射小于60％并且吸收多于40％的使用波长范围内的光；并且
在预期使用的光波长处，所述吸收性肋的消光系数(k)大于0.01。
6.根据权利要求1所述的线栅偏振器，其中所述线栅偏振器形成图像投影仪的一部分，所述图像投影仪包括：
能够发射光束的光源；
投影透镜系统，其定位成接收所述光束的至少一部分并且能够投影图像；
空间光调制器：
其定位成在所述光源和所述投影透镜系统之间的光路中接收所述光束的至少一部分；以及
具有多个像素，每个像素能够接收信号并且基于所述信号发送所述光束的至少一部分，而不引起偏振变化或者而不引起旋转所述光束的至少一部分的偏振；
在进入所述空间光调制器之前或者在离开所述空间光调制器之后或者两者，所述线栅偏振器定位在所述光束的至少一部分中，其中所述透明肋面向所述空间光调制器。
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