CN109557606A - 偏振分束器和图像投影装置 - Google Patents

Abstract

公开了偏振分束器和图像投影装置。偏振分束器包括基板和多个构件，所述多个构件在第一方向上延伸并且在与第一方向正交的第二方向上以预定周期布置在基板中或在基板上。对于预定波长，每个构件具有2.8或更高的折射率和1或更小的消光系数。偏振分束器提供85％或更高的如下的乘积，所述乘积是在垂直于第一方向和偏振分束器上的入射光的入射方向的第一偏振方向上偏振的光的所述预定波长的透射率与在平行于第一方向的第二偏振方向上偏振的光的所述预定波长的反射率的乘积，其中所述入射光相对于第一方向形成90°的角度并且相对于第二方向形成45°的角度。

Description

偏振分束器和图像投影装置

技术领域

本发明涉及偏振分束器(polarization beam splitter)和使用偏振分束器的图像投影装置(投影仪)，更具体而言，涉及具有其周期小于使用(或工作)波长的光栅结构的偏振分束器和使用偏振分束器的图像投影装置。

背景技术

常规提出的线栅型偏振分束器具有以可见波长量级的精细周期部署的直线光栅结构以便分离偏振方向不同的光束。但是，线栅型偏振分束器中的直线光栅结构主要由金属制成并且由于金属而造成光量损失，并由此在用于图像投影装置时造成减少的光量。

Robert Magnusson和Mehrdad Shokooh-Saremi，“Physical basis for widebandresonant reflectors”，Optics express，The Optical Society，2008，第16卷，第5期，第3456-3462页(下文中称为“Magnusson等人”)提出了一种光学元件，其具有由能够抑制光量损失的高折射率材料制成的光栅结构。Magnusson等人公开的光学元件用作用于激光的窄带反射镜和宽带反射镜，并且以入射光垂直地进入元件表面为前提。换句话说，Magnusson等人公开的光学元件不应该应用于透射以特定入射角入射的偏振光并反射具有与入射光正交的偏振方向的偏振光的偏振分束器。

发明内容

本发明提供能够抑制光量损失的偏振分束器和使用偏振分束器的图像投影装置。

根据本发明的一方面的偏振分束器包括基板和多个构件，所述多个构件在第一方向上延伸并且在与第一方向正交的第二方向上以预定周期布置在基板中或在基板上。对于预定波长，每个构件具有2.8或更高的折射率和1或更小的消光系数。偏振分束器提供85％或更高的如下的乘积，所述乘积是在垂直于第一方向和偏振分束器上的入射光的入射方向的第一偏振方向上偏振的光的所述预定波长的透射率与在平行于第一方向的第二偏振方向上偏振的光的所述预定波长的反射率的乘积，其中所述入射光相对于第一方向形成90°的角度并且相对于第二方向形成45°的角度。

根据本发明另一方面的图像投影装置包括：上述偏振分束器；以及光调制元件，被配置成将透射通过偏振分束器的在第一偏振方向上偏振的光调制成在第二偏振方向上偏振的光，并且将在第二偏振方向上偏振的光射出到偏振分束器。

参考附图，根据对示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清楚。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的偏振分束器的示意图。

图2是偏振分束器的截面图。

图3是根据变形例的偏振分束器的截面图。

图4是偏振分束器的放大截面图。

图5图示了偏振分束器的说明性使用方法。

图6A和图6B是硅的折射率和消光系数的曲线图。

图7是根据第一实施例的偏振分束器的效率的曲线图。

图8A和图8B是根据第一实施例的偏振分束器的每个偏振光的光量损失的曲线图。

图9是根据第二实施例的偏振分束器的效率的曲线图。

图10是根据第三实施例的偏振分束器的效率的曲线图。

图11是根据第四实施例的偏振分束器的效率的曲线图。

图12是根据第五实施例的偏振分束器的效率的曲线图。

图13是根据第六实施例的偏振分束器的效率的曲线图。

图14是根据第七实施例的偏振分束器的效率的曲线图。

图15是根据第八实施例的偏振分束器的效率的曲线图。

图16是根据第九实施例的偏振分束器的效率的曲线图。

图17是根据第十实施例的偏振分束器的效率的曲线图。

图18是根据第十一实施例的偏振分束器的效率的曲线图。

图19是根据第十二实施例的偏振分束器的效率的曲线图。

图20是根据第十三实施例的偏振分束器的效率的曲线图。

图21是根据第十四实施例的偏振分束器的效率的曲线图。

图22是根据第十五实施例的偏振分束器的效率的曲线图。

图23是根据第十六实施例的偏振分束器的效率的曲线图。

图24是根据第十七实施例的偏振分束器的效率的曲线图。

图25是根据第十八实施例的偏振分束器的效率的曲线图。

图26是根据第十九实施例的偏振分束器的效率的曲线图。

图27是根据第二十实施例的偏振分束器的效率的曲线图。

图28图示了根据第二十一实施例的图像投影装置的配置。

具体实施方式

现在参考附图，将给出对于根据本发明的实施例的详细描述。在每个图中，对应的元件将由相同的标号指定，并且将省略重复的描述。

图1是根据本发明一个实施例的偏振分束器100的示意图。图2是偏振分束器100的截面图。偏振分束器100包括基板1和多个构件2，每个构件2在基板1上提供并沿着延伸方向(第一方向)延伸。基板1具有光栅结构，其中构件2沿着与延伸方向正交的正交方向(第二方向)以预定间隔布置。这个实施例在基板1上提供构件2，但是可以如图3所示在基板1中提供构件2。

线栅型偏振分束器(下文中称为线栅型偏振器)的光栅结构由金属材料制成。因此，在与构成光栅结构的构件的纵向(longitudinal)方向平行的方向上偏振的入射光主要被反射，这是因为自由电子在抵消电场的方向上移动。在垂直于纵向方向的方向上偏振的入射光主要透射，这是因为自由电子被限制而不能在抵消电场的方向上移动。因此，线栅型偏振器的效果是从金属得来的，并且构件2的材料的物理特性的使用波长中的消光系数需要高于预定值。

具有高于预定值的值的消光系数由于吸收而造成光量损失。因此，线栅型偏振器不能使在垂直于光栅结构中的构件的纵向方向的方向上偏振的入射光的透射率以及在平行于纵向方向的方向上偏振的入射光的反射率大于预定值。更具体而言，已知透射率和反射率的乘积约为80％。

根据这个实施例的偏振分束器100中的光栅结构与线栅偏振器的不同之处在于：由于结构的尺寸和折射率的差异，它生成共振现象。一般而言，通过将高折射率材料应用于光栅结构而生成特异现象的光栅结构被称为高对比度光栅(以下称为HCG)。HCG在构成光栅结构的构件与间隙介质之间使用高折射率比，以及由于由结构的尺寸带来的共振现象引起的效果(共振效果)。共振效果需要高折射率。为了生成共振效果，消光系数对于生成共振现象的光栅结构是不必要的，这是因为消光系数与透射和反射中的损失量相关，消光系数对于使用波长可以是低的。

根据这个实施例，为了获得共振效果，构件2对于使用波长具有2.8或更高的折射率n和1或更小的消光系数k。换句话说，与线栅型偏振器的栅格结构不同，根据这个实施例的光栅结构由对于使用波长具有高折射率和低消光系数的材料制成。当折射率n小于2.8时，构件2与构件间介质之间的折射率比以及构件2与基板1之间的折射率比变低，因此难以获得共振效果。此外，大于1的消光系数会增大透射和反射期间的光量损失。

具有包括有着高折射率和低消光系数的构件2的光栅结构的偏振分束器100可以使吸收量小于使用线栅偏振器时的吸收量。较小的吸收量可以降低热值，并且当偏振分束器100用于图像投影装置等时是受欢迎的。

构件2的折射率越高，折射率比越大，并且提供高效率的波长范围(波长带)越宽。对于使用波长，构件2的折射率n可以是3.5或更高，或4或更高。

构件2的消光系数变得越低，光量损失越小。因此，构件2的消光系数k可以是0.15或更小，更优选地是0.1或更小。

如图2中所示，在这个实施例中，构件2具有矩形截面形状，但是本发明不限于这个实施例。构件2可以具有圆角截面形状或圆形截面形状，诸如椭圆形。当应用以下条件表达式时，高度方向和宽度方向上的平均值可以用于具有这些形状的构件的宽度和高度中的每一个。

图5图示了根据这个实施例的偏振分束器100的说明性用法。在以下描述中假设第一表面是其上形成基板1的光栅结构的表面，并且第二表面是与第一表面相对的表面或其上未形成光栅结构的表面。

偏振分束器100被部署成与从光源(未示出)射出的入射光形成大约45°的角度。在这个实施例中，入射表面(入射面)是与构件2的延伸方向正交的表面或者包含平行于纸张表面的方向的表面。

从光源射出的入射光(下文中称为45°入射光)相对于偏振分束器100以大约45°的角度进入第二表面。偏振分束器100透射在入射光的第一偏振方向上偏振的P偏振光。第一偏振方向是垂直于延伸方向和入射光的入射方向的方向。引入从第二表面入射的P偏振光可以降低由于第二表面的反射导致的效率下降的影响。向第二表面提供抗反射膜可以进一步降低由反射造成的影响。光源可以射出单波长的光(诸如激光)，射出具有预定波长带的光谱的光，或者可以包括用于产生偏振光的偏振元件(诸如偏振板)。

光调制元件200通过将透射通过偏振分束器100的P偏振光的偏振方向改变90°来将P偏振光调制为在第二偏振方向上偏振的S偏振光，并将S偏振光射出到偏振分束器100。

第二偏振方向是与第一偏振方向正交的方向，并且在这个实施例中平行于延伸方向。这个实施例使用由液晶制成的光调制元件200，但是可以使用其他光调制器，只要偏振方向是可变的即可。

偏振分束器100通过反射从光调制元件200射出并进入第一表面的S偏振光来实现偏振分离。

偏振分束器100具有使用高折射率材料的光栅结构，并且可以抑制宽波长带中的光量损失并且通过使用该方法实现高效率。在本文中，如图5中所示，对于45°入射光，效率是P偏振光的透射率Tp和S偏振光的反射率Rs的乘积。高效率意味着P偏振光的透射率Tp和S偏振光的反射率Rs的乘积是85％或更高。特别地，偏振分束器100可以通过使用可见波长带(400nm至700nm)中的光来提高线栅型偏振器的效率。

根据这个实施例，第二表面仅反射已进入它的P偏振光。这是因为S偏振光在第一表面上反射并以足够小的强度进入第二表面，并且反射的影响可以被忽略。因此，偏振分束器100可以获得45°入射光的期望特性，这是因为第二表面上的反射仅有助于具有接近布儒斯特角的角度的P偏振光的反射并且有可能会降低反射率。

在偏振分束器100中，来自光栅结构侧(空气侧)的S偏振光的反射率Rs和来自基板1侧的S偏振光的反射率在消光系数不严格为0时彼此不同(来自空气侧的S偏振光的反射率Rs略高于来自基板1侧的S偏振光的反射率)。这是因为，当光栅结构包括均匀的膜时，空气与光栅结构之间的折射率差异大于基板1与光栅结构之间的折射率差异。因此，部署成反射来自光栅结构侧(空气侧)的S偏振光的偏振分束器100不太可能接收到损失，这是因为表面反射分量变高并且在光栅结构中透射的分量变小。

虽然这个实施例将入射光引入到第二表面、将其反射到光调制元件200上，然后在第一表面上反射它，但是入射光可以进入第一表面、被光调制元件200反射，然后在第二表面上被反射。

将给出对光栅结构的参数的适当范围的描述。图4是偏振分束器100的放大截面图，并且示出了周期P、构件2的宽度(构件宽度)W和高度t。

(周期)

这个实施例中的光栅结构的周期P满足以下条件表达式(1)，其中n_base是基板1对于使用波长λ的基板折射率，并且n是构件2对于使用波长λ的折射率。

λ/n<P<λ/n_base (1)

通过根据使用波长λ适当地设置周期P以满足条件表达式(1)，可以获得高效率和宽波长带。超出条件表达式(1)中的上限的条件值将生成一阶或更高的衍射分量。当条件值超出条件表达式(1)中的下限时，由于有效介质近似而难以获得共振效果。

虽然条件表达式(1)可以以85％或更高的效率利用任一波长被满足，其中85％或更高的效率被认为是高偏振分离效果，但是条件表达式(1)可以在效率为85％或更高的情况下利用所有波长被满足。

条件表达式(1)的数值范围可以被替换如下：

1.6×λ/n<P<0.8×λ/n_base (2)

条件表达式(1)的数值范围可以进一步被替换如下：

1.7×λ/n<P<0.65×λ/n_base (3)

(构件的宽度)

对于具有一定宽度或更宽的波长带，偏振分束器100可以具有偏振分离效果。诸如投影仪之类的光学装置使用同一偏振分束器分离在红色、绿色和蓝色当中的一种颜色的偏振，使得偏振分束器可以在与每种颜色对应的特定波长范围内具有偏振分离效果。当使用诸如激光器之类的单波长光源时，来自光源的光一般作为具有恒定角度范围的光束入射。因此，不仅对于45°入射光，而且对于相对于元件表面具有大约45°角的入射光(例如40°至50°的角度)，偏振分束器可以具有偏振分离效果。

由于入射角的变化引起的共振条件的变化，偏振分束器100引起波长移位(shift)，该波长移位近似地使效率最大化。因而，对于在可见波长带内使用时能够具有偏振分离效果的波长带，偏振分束器100可以具有等于或大于特定值(诸如40nm)的宽度。

偏振分束器100在透射特性和反射特性两方面都需要高效率，以便在特定波长带或更宽的波长带中获取高效率。因此，在这个实施例中，从光栅结构的填充率的观点来看，构件2在第二方向上的宽度W满足条件表达式(4)。

0.1≤W/P≤0.6 (4)

满足条件表达式(4)可以在更宽的波长范围内提供高偏振分离效果(效率为85％或更高)。当条件值超出条件表达式(4)中的上限时，过大的填充因子导致高折射材料的大贡献和P偏振光的高反射率。由此，P偏振光的透射率降低。当条件值超出条件表达式(4)中的下限时，高折射率材料的低贡献导致共振效果降低，并且不能提供更高的效率。由此，S偏振光的反射率降低。条件表达式(4)的数值范围可以设置如下：

0.2≤W/P≤0.5 (5)

条件表达式(4)的数值范围可以进一步设置如下：

0.25≤W/P≤0.4 (6)

(构件的高度)

由于构件在与第一和第二方向正交的方向上的高度t影响由于光栅结构引起的相位延迟量，因此有必要选择合适的高度以便增强S偏振光的反射。在这个实施例中，从构件2的纵横比的观点来看，高度t满足以下条件表达式(7)。

0.3≤t/W≤1.4 (7)

满足条件表达式(7)可以拓宽可以在其中获得偏振分离效果的波长带。超出条件表达式(7)中的上限的条件值减小了提供85％或更高效率和制造稳定性的波长带宽。超出条件表达式(7)中的下限值的条件值减小了提供85％或更高效率的波长带宽。

条件表达式(7)中的数值范围可以设置如下：

0.4≤t/W≤1.2 (8)

条件表达式(7)中的数值范围可以进一步设置如下：

0.8≤t/W≤1.1 (9)

(制造方法)

例如，通过经由气相沉积、旋涂等等在基板1上形成构件2的材料的均匀薄膜，并通过经由蚀刻等等形成光栅结构，制造偏振分束器100。换句话说，偏振分束器100可以通过在基板上或基板中形成光栅结构的少量处理步骤来制造。在构件2上形成用于蚀刻的掩模时，掩模材料可以在不显著影响偏振分束器100的特性的范围内保持在光栅结构上。当通过蚀刻等等形成光栅结构时，只要对偏振分束器100的特性的影响小，就可以刮擦基板1。虽然光栅结构的周期等于或小于使用波长，但是制造光栅结构比制造现有的以有效介质近似为前提的线栅或等更容易，这是因为该周期比使能有效介质近似的周期长。根据这个实施例的制造方法仅仅是说明性的，并且本发明不限于这个实施例。

(折射率比)

共振效果取决于构件2的折射率与间隙介质和基板1的折射率之比。如图2中所示，当在基板1上形成光栅结构时，基板1与构件2之间的折射率比(构件2的折射率除以基板1的折射率)可以是2或更高。例如，当基板1的折射率是1.5时，构件2的折射率可以是3或更高。如图3中所示，当在基板1中形成光栅结构时，基板1与构件2之间的折射率比(构件2的折射率除以基板1的折射率)可以是2.5或更高。当光栅结构在基板1上形成并且不同于基板1的另一种介质填充在构件之间和光栅结构中时，基板1与构件2之间的折射率比和间隙介质与构件2之间的折射率比之一可以是2.5或更高。基板1与构件2之间的折射率比和间隙介质与构件2之间的折射率比可以是2.5或更高。

(构件2的材料)

如上所述，对于使用波长，构件2可以具有更高的折射率n和更低的消光系数k。例如，对于可见光，当构件2包含硅(不包括非结晶状态)、铁酸铋和砷化镓(其在短波长下不合适)中的任何一种时，满足上述条件。构件2可以含有90％或更高的任何上述材料。上述材料中的硅适于构件2的成分，这是因为在可见波长带内硅具有高于3.5的折射率和低消光系数。图6A和图6B分别图示了硅的结晶状态下的折射率和消光系数。图6A和图6B中的折射率和消光系数的数值被用于计算以下实施例中的透射率和反射率。

(基板1的材料)

为了在偏振分束器100的透射和反射中都获得期望的偏振分离效果，必要的是：基板1对于使用波长是透明的(具有小的损失)。除了在基板1上形成的光栅结构之外，偏振分束器100还可以包括例如在其上没有形成光栅结构的第二表面上的抗反射膜。但是，在光路中使用高吸收材料层(诸如金属)的偏振分束器增大了光量损失。因此，消光系数为1或更高的介质(诸如金属)的厚度可以不形成10nm或更大。

例如，用于可见光的偏振分束器100所使用的基板1可以由普通光学玻璃制成。如上所述，更高的折射率比对于共振效果是必要的，并且基板1的折射率可以是低的。因此，用于可见光的偏振分束器100所使用的基板1可以是折射率为1.5或更小的基板，诸如石英基板。

(有效频带)

如上所述，偏振分束器100可以具有提供偏振分离效果的波长范围。以下条件表达式(10)可以被满足，以便满足上述条件表达式(1)至(9)中的任何一个或全部。

0.1≤Δλ/λ_max (10)

在本文中，Δλ是提供85％或更高效率的波长带的宽度(波长带宽)，λ_max是包含在提供85％或更高效率的波长带中的并且使效率最大化的波长。

满足条件表达式(10)意味着提供偏振分离效果的波长范围比特定值宽，并且可以具有更宽的波长范围或入射角。当偏振分束器100可应用于图像投影装置时，对于具有预定入射角的入射光束，可以提供85％或更高的效率和良好的特性。

条件表达式(10)中的数值范围可以设置如下：

0.14≤Δλ/λ_max (11)

第一实施例

如图1中所示，根据这个实施例的偏振分束器包括基板和在基板上形成的光栅结构。在光栅结构中，沿着延伸方向延伸的多个构件以230nm的周期沿着与延伸方向正交的正交方向规则地布置。构件的宽度和高度分别是68nm和60nm。每个构件由硅制成，并且基板由石英制成(假设对于可见波长带折射率为1.46，并且在计算透射率和反射率时没有分散)。根据这个实施例的偏振分束器对于波长在550nm附近的光具有偏振光分离功能。

假设45°入射光进入根据这个实施例的偏振分束器，Tp是在垂直于延伸方向和入射方向的偏振方向上偏振的光的可见波长带内的波长的透射率，并且Rs是在平行于延伸方向的偏振方向上偏振的光的可见波长带内的波长的反射率。图7图示了可见波长带内的波长的作为透射率Tp和反射率Rs的乘积的效率。透射率Tp和反射率Rs通过称为RCWA(严格耦合波分析)方法的方法来计算。在本文中，透射率Tp是P偏振光对于基板的透射率，并且不考虑基板背面上的反射影响。实际上，虽然基板表面的反射会降低在偏振分束器的使用中的效率，但是基板表面的反射率可以通过提供与基板的折射率匹配的抗反射膜来减小。

如图7中所示，根据这个实施例的偏振分束器可以获得提供85％或更高的透射率Tp和反射率Rs的乘积的良好特性。换句话说，根据这个实施例的偏振分束器对于如下的提供偏振分离的偏振分束器是有用的，其透射来自基板侧(未形成光栅结构的一侧)的在垂直于延伸方向和入射方向的偏振方向上偏振的光，并且反射来自光栅结构侧的在平行于延伸方向的偏振方向上偏振的光。

图7分别用点线和断线图示了入射角为40°的效率和入射角为50°的效率。即使当入射角在45°附近改变5°时，根据这个实施例的偏振分束器也可以对于在540nm至590nm范围内的波长维持85％或更高的效率。换句话说，根据这个实施例的偏振分束器对于用于具有预定入射角范围的光束的偏振分束器也是有用的。入射角与图2中所示的光栅结构的截面上的对于基板的入射角对应，并且也表示为(90°-(与正交方向形成的角度))[度]。

图8A图示了当45°入射光进入偏振分束器时P偏振光的透射率、反射率和光量损失。图8B图示了当45°入射光进入偏振分束器时S偏振光的透射率、反射率和光量损失。如由图8A和8B中的实线所指示的，P偏振光和S偏振光几乎没有损失。特别地，对于提供85％或更高效率的530nm至600nm范围内的波长，透射方面P偏振光的光量损失为1％或更小，并且反射方面S偏振光的光量损失小至5％或更小。即使利用高强度光源，这种配置也可以降低偏振分束器的热值。这个实施例使用具有低消光系数的材料(诸如硅)来构造光栅结构，并且可以实现具有很小损失的偏振分束器。

第二至第七实施例

根据第二至第七实施例的每个偏振分束器与根据第一实施例的偏振分束器的区别在于填充率(构件的宽度除以光栅结构的周期)。其它配置与根据第一实施例的偏振分束器的配置相同。图9至图14分别图示了根据第二至第七实施例的偏振分束器对于在可见波长带内的波长的效率。根据第二实施例的偏振分束器对于具有大约500nm的波长的光具有偏振分离功能。根据第三实施例的偏振分束器对于具有大约520nm的波长的光具有偏振分离功能。根据第四实施例的偏振分束器对于具有大约530nm的波长的光具有偏振分离功能。根据第五实施例的偏振分束器对于具有大约580nm的波长的光具有偏振分离功能。根据第六实施例的偏振分束器对于具有大约620nm的波长的光具有偏振分离功能。根据第七实施例的偏振分束器对于具有大约660nm的波长的光具有偏振分离功能。

通过满足条件表达式(4)，根据每个实施例的偏振分束器具有提供85％或更高效率的波长带并获得良好特性。通过满足表达式(5)，根据第三至第六实施例的偏振分束器具有提供85％或更高效率的更宽的波长并获得良好特性带。通过满足表达式(6)，根据第四和第五实施例的偏振分束器具有提供85％或更高效率的更宽的波长带并获得良好特性。

第八实施例

根据这个实施例的偏振分束器具有与根据第一实施例的偏振分束器的配置相同的配置。光栅结构的周期为280nm。构件的宽度和高度分别是84nm和70nm。构件由硅制成，并且基板由石英制成(假设在可见范围内折射率为1.46，在计算透射率和反射率时没有分散)。根据这个实施例的偏振分束器对于波长在650nm附近的光具有偏振分离功能。

图15图示了当45°入射光进入根据这个实施例的偏振分束器时在可见波长带内的波长处作为透射率Tp和反射率Rs的乘积的效率。如图15中所示，根据这个实施例的偏振分束器可以获得提供85％或更高的透射率Tp和反射率Rs乘积的这种良好特性。换句话说，根据这个实施例的偏振分束器对于如下的执行偏振分离的偏振分束器是有用的，其透射来自基板侧(未形成光栅结构的一侧)的在垂直于延伸方向和入射方向的偏振方向上偏振的光，并且反射来自光栅结构侧的在平行于延伸方向的偏振方向上偏振的光。

第九至第十三实施例

根据第九至第十三实施例的每个偏振分束器与根据第八实施例的偏振分束器的区别在于高度。其它配置与根据第八实施例的配置相同。图16至图20分别图示了根据第九至第十三实施例的偏振分束器对于可见波长带内的波长的效率。根据第九实施例的偏振分束器对于波长在610nm附近的光具有偏振分离功能。根据第十实施例的偏振分束器对于波长在620nm附近的光具有偏振分离功能。根据第十一实施例的偏振分束器对于波长在650nm附近的光具有偏振分离功能。根据第十二实施例的偏振分束器具有对于波长在650nm附近的光的偏振分离功能。根据第十三实施例的偏振分束器对于波长在640nm附近的光具有偏振分离功能。

通过满足条件表达式(7)，根据每个实施例的偏振分束器具有提供85％或更高效率的波长带并且获得良好特性。通过满足条件表达式(8)，根据第十至第十三实施例的偏振分束器具有提供85％或更高效率的更宽波长带并且获得良好特性。通过满足条件表达式(9)，根据第十一和第十二实施例的偏振分束器具有提供85％或更高效率的进一步更宽的波长带并且获得更好的特性。

第十四实施例

根据这个实施例的偏振分束器具有与第一实施例的配置相同的配置。光栅结构的周期是180nm。构件的宽度和高度分别是54nm和40nm。构件由硅制成，并且基板由石英制成(假设在可见波长带内折射率是1.46并且在计算透射率和反射率时没有分散)。根据这个实施例的偏振分束器对于波长在460nm附近的光具有偏振分离功能。

图21图示了当45°入射光进入根据这个实施例的偏振分束器时在可见波长带内的波长处作为透射率Tp和反射率Rs的乘积的效率。如图21中所示，根据这个实施例的偏振分束器可以获取提供85％或更高的透射率Tp和反射率Rs乘积的良好特性。换句话说，根据这个实施例的偏振分束器对于如下的提供偏振分离的偏振分束器是有用的，其透射来自基板侧(未形成光栅结构的一侧)的在垂直于延伸方向和入射方向的偏振方向上偏振的光，并且反射来自光栅结构侧的在平行于延伸方向的偏振方向上偏振的光。

第十五实施例

根据这个实施例的偏振分束器具有与第一实施例的配置相同的配置。光栅结构的周期是230nm。构件的宽度和高度分别是68nm和60nm。构件由硅制成，并且基板是折射率为2(无分散)的虚拟基板。根据这个实施例的偏振分束器对于波长大约为580nm的光具有偏振分离功能。

图22图示了当45°入射光进入根据这个实施例的偏振分束器时在可见波长带内的波长处作为透射率Tp和反射率Rs的乘积的效率。如图22中所示，根据这个实施例的偏振分束器可以获取提供85％或更高的透射率Tp和反射率Rs乘积的良好特性。换句话说，根据这个实施例的偏振分束器对于如下的执行偏振分离的偏振分束器是有用的，其透射来自基板侧(未形成光栅结构的一侧)的在垂直于延伸方向和入射方向的偏振方向上偏振的光，并且反射来自光栅结构侧的在平行于延伸方向的偏振方向上偏振的光。

第十六至十八实施例

根据第十六至第十八实施例的每个偏振分束器具有与根据第一实施例的偏振分束器的配置相同的配置。光栅结构的周期是230nm。构件的宽度和高度分别为68nm和60nm。根据第十六至第十八实施例的光栅结构由具有2.8、3和3.5的折射率的虚拟材料制成，并且没有折射率分散。基板由石英制成(假设在可见波长带内折射率是1.46并且在计算透射率和反射率时没有分散)。根据第十六实施例的偏振分束器对于波长在500nm附近的光具有偏振分离功能。根据第十七实施例的偏振分束器对于波长在500nm附近的光具有偏振分离功能。根据第十八实施例的偏振分束器对于波长在510nm附近的光具有偏振分离功能。

图23至图25图示了当45°入射光进入根据第十六至第十八实施例的偏振分束器时在可见波长带内的波长处作为透射率Tp和反射率Rs的乘积的效率。如图23至图25中所示，根据每个实施例的偏振分束器可以获取提供85％或更高的透射率Tp和反射率Rs乘积的良好特性。换句话说，根据每个实施例的偏振分束器对于如下的提供偏振分离的偏振分束器是有用的，其透射来自基板侧(未形成光栅结构的一侧)的在垂直于延伸方向和入射方向的偏振方向上偏振的光，并且反射来自光栅结构侧的在平行于延伸方向的偏振方向上偏振的光。第十九实施例

如图3中所示，根据这个实施例的偏振分束器包括基板和在基板中形成的光栅结构。光栅结构的周期是200nm。构件的宽度和高度分别是60nm和60nm。构件由硅制成，并且基板由石英制成(假设在可见波长带内折射率为1.46，并且在计算透射率和反射率时没有分散)。根据这个实施例的偏振分束器对于波长在510nm附近的光具有偏振分离功能。

图26图示了当45°入射光进入根据这个实施例的偏振光束时在可见波长带内的波长处作为透射率Tp和反射率Rs的乘积的效率。如图26中所示，根据这个实施例的偏振分束器可以获得提供85％或更高的透射率Tp和反射率Rs乘积的良好特性。换句话说，根据这个实施例的偏振分束器对于如下的提供偏振分离的偏振分束器是有用的，其透射来自基板侧(未形成光栅结构的一侧)的在垂直于延伸方向和入射方向的偏振方向上偏振的光，并且反射来自光栅结构侧的在平行于延伸方向的偏振方向上偏振的光。

第二十实施例

这个实施例的偏振分束器具有与根据第十九实施例的偏振分束器的结构相同的结构。光栅结构的周期是280nm。构件的宽度和高度分别是84nm和80nm。构件由硅制成，并且基板由石英制成(假设在可见波长带内折射率是1.46并且在计算透射率和反射率时没有分散)。根据这个实施例的偏振分束器对于波长在690nm附近的光具有偏振分离功能。

图27图示了当45°入射光进入根据这个实施例的偏振分束器时在可见波长带内的波长处作为透射率Tp和反射率Rs的乘积的效率。如图27中所示，根据这个实施例的偏振分束器可以获取提供85％或更高的透射率Tp和反射率Rs乘积的良好特性。换句话说，根据这个实施例的偏振分束器对于如下的提供偏振分离的偏振分束器是有用的，其透射来自基板侧(未形成光栅结构的一侧)的在垂直于延伸方向和入射方向的偏振方向上偏振的光，并且反射来自光栅结构侧的在平行于延伸方向的偏振方向上偏振的光。

第二十一实施例

图28图示了使用根据每个实施例的偏振分束器中的任何一个的液晶投影仪(图像投影装置)500的配置。液晶投影仪500包括光源灯21、偏振转换元件22、二向色镜24、波长选择性延迟板25以及偏振分束器10a和10b。偏振分束器10a和10b中的至少一个与任一实施例中描述的偏振分束器对应。偏振分束器可以使用在第一实施例中描述的绿色偏振分束器或第八实施例中描述的红色偏振分束器。

液晶投影仪500包括作为光调制元件的反射型液晶面板23g、23b和23r，延迟板22b、22g和22r，颜色组合棱镜27，以及投影透镜(投影光学系统)30。

从光源灯21射出的白光(包括绿光12g、蓝光12b和红光12r)通过包括偏振转换元件20的照明光学系统，变成平行光束11，并进入偏振转换元件20。

偏振转换元件20将从光源灯21入射的非偏振光转换成S偏振光(绿色偏振光13g、蓝色偏振光13b和红色偏振光13r)。接下来，入射在二向色镜24上的绿色偏振光13g、蓝色偏振光13b和红色偏振光13r中的绿色偏振光13g被二向色镜24反射，并且蓝色偏振光13b和红色偏振光13r通过二向色镜24。绿色偏振光13g被偏振分束器10a反射，通过延迟板22g，并进入绿色反射型液晶面板23g。蓝色偏振光13b和红色偏振光13r进入波长选择性延迟板25，并且红色偏振光13r的偏振方向被波长选择性延迟板25转换90°。由此，作为S偏振光的蓝色偏振光13b并且作为P偏振光的红色偏振光13r进入偏振分束器10b。

蓝色偏振光13b被偏振分束器10b反射，通过延迟板22b，并进入蓝色反射型液晶面板23b。红色偏振光13r通过偏振分束器10b，通过延迟板22r，并进入红色反射型液晶面板23r。从二向色镜24到偏振分束器10a和10b的光学系统与将来自光源的光分离成多个彩色光束的颜色分离光学系统对应。

每个反射型液晶面板根据图像信号反射和调制入射光，并生成图像光(绿色图像光26g、蓝色图像光26b和红色图像光26r)。由绿色反射型液晶面板23g调制的绿色图像光26g再次通过延迟板22g，通过偏振分束器10a，并进入颜色组合棱镜27。由蓝色反射型液晶面板23b调制的蓝色图像光26b再次通过延迟板22b，通过偏振分束器10b，并进入颜色组合棱镜27。由红色反射型液晶面板23r调制的红色图像光26r再次通过延迟板22r，被偏振分束器10b反射，并进入颜色组合棱镜27。

绿色光26g被颜色组合棱镜27中的二向色膜27a反射，并且蓝色图像光26b和红色图像光26r通过二向色膜27a。由此，绿色光26g、蓝色图像光26b和红色图像光26r彼此组合并进入投影透镜30，并通过投影透镜30投影到投影表面(诸如未示出的屏幕)上。偏振分束器10b和颜色合成棱镜27构成颜色组合光学系统。

这个实施例使得颜色分离光学系统和颜色组合光学系统成为一体的颜色分离和组合光学系统，但是颜色分离光学系统和颜色组合光学系统可以彼此分离，例如，在使用透射型液晶面板时。光调制元件可以使用除液晶面板以外的光调制元件(诸如数字微镜器件(DMD))。

根据这个实施例的液晶投影仪可以通过在偏振分束器10a和10b的至少一个中使用在任一实施例中描述的偏振分束器来抑制光量损失。

这个实施例使用偏振转换元件20将来自光源灯21的非偏振光转换成S偏振光，但是可以将其转换成P偏振光。这个实施例通过二向色镜24将绿光从白光中分离出来，但是可以分离其它颜色的光。

表1示出了根据每个实施例的光栅结构中的参数、提供最大效率的波长以及效率为85％或更高的波长带宽。

虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解的是，本发明不限于所公开的示例性实施例。以下权利要求的范围应被赋予最广泛的解释，以涵盖所有这些修改以及等同的结构和功能。

表1

Claims (11)

1.一种偏振分束器，包括：

基板；以及

多个构件，所述多个构件在第一方向上延伸并且在与第一方向正交的第二方向上以预定周期布置在基板中或在基板上，

其特征在于，对于预定波长，每个构件具有2.8或更高的折射率和1或更小的消光系数，

其中，偏振分束器提供85％或更高的如下的乘积，所述乘积是在垂直于第一方向和偏振分束器上的入射光的入射方向的第一偏振方向上偏振的光的所述预定波长的透射率与在平行于第一方向的第二偏振方向上偏振的光的所述预定波长的反射率的乘积，其中所述入射光相对于第一方向形成90°的角度并且相对于第二方向形成45°的角度。

2.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，所述多个构件被布置在基板的第一表面上，并且

其中，偏振分束器透射入射在与第一表面相对的第二表面上的在第一偏振方向上偏振的光，并且反射入射在第一表面上的在第二偏振方向上偏振的光。

3.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，以下条件表达式被满足：

λ/n<P<λ/n_base

其中，P是所述预定周期，λ是所述预定波长，n是每个构件对于所述预定波长的折射率，n_base是基板对于所述预定波长的折射率。

4.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，以下条件表达式被满足：

0.1≤W/P≤0.6

其中，P是所述预定周期，W是每个构件在第二方向上的宽度。

5.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，以下条件表达式被满足：

0.3≤t/W≤1.4

其中，t是每个构件在与第一方向和第二方向正交的方向上的高度，W是每个构件在第二方向上的宽度。

6.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，以下条件表达式被满足：

0.1≤Δλ/λ_max

其中，Δλ是实现85％或更高的乘积的波长带的带宽，λ_max是包含在实现85％或更高的乘积的波长带中并且使乘积最大化的波长。

7.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，所述多个构件被布置在基板上，并且以下条件表达式被满足：

2≤n/n_base

其中，n是构件对于所述预定波长的折射率，n_base是基板对于所述预定波长的折射率。

8.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，所述多个构件被布置在基板中，并且以下条件表达式被满足：

2.5≤n/n_base

其中，n是构件对于所述预定波长的折射率，n_base是基板对于所述预定波长的折射率。

9.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，每个构件含有硅、铁酸铋和砷化镓中的至少一种。

10.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，所述预定波长是从400nm至700nm的波长带中选择的波长。

11.一种图像投影装置，其特征在于，包括：

根据权利要求1至10中任一项所述的偏振分束器；以及

光调制元件，被配置成将透射通过偏振分束器的在第一偏振方向上偏振的光调制成在第二偏振方向上偏振的光，并且将在第二偏振方向上偏振的光射出到偏振分束器。