CN109906392A - 两侧均具有高反射率的嵌入式线栅偏振器 - Google Patents

两侧均具有高反射率的嵌入式线栅偏振器 Download PDF

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Abstract

一种线栅偏振器(WGP)(10)可以包括夹在第一对薄膜层(21)与第二对薄膜层(22)之间的线材(15)，该第一薄膜层具有第一透明层(11)和第二透明层(12)，该第二薄膜层具有第三透明层(13)和第四透明层(14)。每个外部透明层(11和14)的折射率可以相应地大于相邻的内部透明层(12和13)的折射率。这些外部透明层(11和14)的材料成分可以与相邻的内部透明层(12和13)的材料成分相同，并且这些相邻的内部透明层的材料成分相同。对于入射到该WGP的任一侧上的光，可以存在对一种偏振的高反射性(例如Rs1>93％、并且Rs2>93％)。为了保护，该线材可以是嵌入式的。

Description

两侧均具有高反射率的嵌入式线栅偏振器
技术领域
本申请总体上涉及线栅偏振器。
背景技术
线栅偏振器(WGP)可以传输一种偏振(例如p偏振)、并且反射或吸收反相偏振(例如s偏振)。反相偏振的高反射率(例如高Rs)可能是重要的，这是因为一些应用使用了两种偏振光束(例如s和p)。反相偏振的高吸收性/低反射率(例如低Rs)在一些应用中可能是重要的，这是因为这种偏振的反射(Rs)可能会干扰光学系统。例如，被反射的s偏振可以致使图像投影仪出现重影。一些WGP被设计成对于s偏振具有高反射性、而另一些被设计成对于s偏振具有高吸收性。
一种偏振的高透光量(例如高Tp)可能是WGP重要的特征，以便将光源功率需求降至最小。反相偏振的低透光量(例如Ts)对于改进的光图像分辨率可能是重要的。WGP的质量或性能可以通过效能(Tp*Rs)和高对比度(Tp/Ts)示出。
尤其是用于可见光或紫外光的偏振的WGP线材可以是具有纳米级间距、纳米级线材宽度和纳米级线材高度的小而精细的线材。WGP用于需要高性能的系统(例如计算机投影仪、半导体检验工具等)。WGP中的小缺陷(例如折叠的线材)可能显著地降低系统性能(例如来自计算机投影仪的畸变图像)。因此，保护线材免于损坏可能是重要。
发明内容
一些应用需要WGP的相反两侧具有较高的线栅偏振器(WGP)性能。本发明涉及WGP的相反两侧中的每一侧对一种偏振(例如s偏振)具有高反射性(例如高Rs)的WGP的多个不同的实施例。为了保护，WGP的线材可以是嵌入式的。
WGP可以包括透明基板，该透明基板具有第一侧以及与第一侧相反的第二侧。线材阵列可以位于该透明基板的第一侧的上方，在相邻的线材之间具有通道。第一对薄膜层可以位于该线材阵列与该透明基板之间；可以是连续的并且可以跨越这些通道；并且可以包括离该透明基板更近的第一透明层和离该线材阵列更近的第二透明层。第二对薄膜层可以位于该线材阵列的与该透明基板相反的一侧；可以是连续的并且可以跨越这些通道；并且可以包括离该线材阵列更近的第三透明层和离该线材阵列更远的第四透明层。
在一个实施例中，对于光的可见光谱中的至少100nm的波长范围，该第一透明层的折射率(n1)可以大于该第二透明层的折射率(n2)；并且该第四透明层的折射率(n4)可以大于该第三透明层的折射率(n3)。
在另一个实施例中，该第一透明层的材料成分可以与该第四透明层的材料成分相同；并且该第二透明层的材料成分可以与该第三透明层的材料成分相同，但是与该第一透明层和该第四透明层的材料成分不同。
在另一个实施例中，来自该WGP的第一侧的入射光的一种偏振的反射百分率(Rs1)可以大于93％，并且来自WGP的第二侧的入射光的一种偏振的反射百分率(Rs2)可以大于93％。
附图说明(附图可能不是按比例绘制的)
图1是根据本发明的实施例的线栅偏振器(WGP)10的示意性截面侧视图，该线栅偏振器包括位于透明基板17上方并且夹在第一对薄膜层21(包括第一透明层11和第二透明层12)与第二对薄膜层22(包括第三透明层13和第四透明层14)之间的线材阵列15。
图2是根据本发明的实施例的WGP 20的示意性透视图，与图1的WGP 10相似，为了清楚地示出线材阵列15而没有显示第一对薄膜层21和第二对薄膜层22。
图3是根据本发明的实施例的WGP 30的示意性截面侧视图，除了第三透明层13延伸到线材15之间的通道18中并且填充该通道之外，与WGP 10相似。
图4是根据本发明的实施例的WGP 40的示意性截面侧视图，与WGP 10和WGP 30相似，但是进一步包括第三对薄膜层43和第四对薄膜层44。
图5至图6是根据本发明的实施例的示出了制造WGP中的步骤50和步骤60的示意性截面侧视图。
图7是根据本发明的实施例的立方体偏振光束分光器70的示意性端视图，该偏振光束分光器包括WGP 71，该WGP可以是夹在两个棱镜72之间的WGP 10、WGP 30或WGP 40。
定义
如本文所使用的，术语“长形的”是指线材13的长度L远大于线材宽度W或线材厚度Th13(例如L可以比线材宽度W和/或线材厚度Th13大至少10倍、至少100倍、至少1000倍或至少10000倍)。
如本文所使用的，术语“填充通道(fills channels)”、“填充通道(fillchannels)”是指完全填充、在正常制造公差内填充或几乎完全填充，使得任何与完全填充的偏差对于装置的常规使用而言具有的影响将会忽略不计。
如本文中使用的，术语“光”可以指在X光、紫外光、可见光和/或红外光、或电磁光谱的其他区域中的光或辐射。
如本文中使用的，术语“位于……上”或“位于……上方”是指直接位于其上或在其间有一些其他固体材料的情况下位于其之上；并且术语“直接位于……上”是指位于其之上并且不与其间的其他固体材料邻接。
如本文中使用的，术语“位于离……最近的位置”和“位于离……最远的位置”是指所提及的材料、层或结构，但是可以存在没有提及的位于离其更近或离其更远的位置的其他固体材料。
如本文中使用的，术语“nm”是指纳米。
如本文所使用的，术语“平行的”是指完全平行、在正常制造公差内平行或几乎平行，使得任何与完全平行的偏差对于装置的常规使用而言具有的影响将会忽略不计。
如本文中使用的，术语“基板”包括基部材料，例如玻璃晶圆。术语“基板”包括单个材料，并且还包括多个材料，例如在晶圆表面上具有至少一个薄膜的玻璃晶圆，该至少一个薄膜与该晶圆一起用作基材。
如本文中使用的，术语“薄膜”是指没有划分成栅格并且根据感兴趣的光谱而具有小于10μm、小于1μm或小于0.5μm的厚度的连续层。
在光学结构中使用的材料可以吸收某些光、反射某些光并且传输某些光。以下定义对主要是吸收性的、主要是反射性的或主要是透明性的材料之间进行了区分。每种材料可以被认为在特定波长范围(例如紫外光谱、可见光谱或红外光谱)中是吸收性的、反射性的或透明性的，并且在不同波长范围内可以具有不同性质。基于反射比R、折射率n的实部和折射率/吸光系数k的虚部，这种材料被分成吸收性、反射性和透明性材料。等式1用于确定在正入射时空气与均厚材料板之间的界面的反射比R：
等式1：
除非本文中另作明确指定，在指定波长范围内k≤0.1的材料是“透明性”材料，在指定波长范围内k>0.1且R≤0.6的材料是“吸收性”材料，并且在指定波长范围内k>0.1且R>0.6的材料是“反射性”材料。
具体实施方式
如图1所展示的，示出了线栅偏振器10(WGP)，该线栅偏振器包括透明基板17，该透明基板具有第一侧17f以及与第一侧17f相反的第二侧17s。线材阵列15可以位于透明基板17的第一侧17f的上方，在相邻的线材15之间具有通道18。线材阵列15可以是反射性的。线材阵列15可以是平行的且长形的。线材阵列15可以包括数量非常大的线材，例如>103、>104或>106。
线材阵列15可以夹在第一对薄膜层21与第二对薄膜层22之间。第一对薄膜层21可以位于线材阵列15与透明基板17之间。第二对薄膜层22可以位于线材阵列15的与透明基板17相反的一侧。
第一对薄膜层21和第二对薄膜层22可以是连续的(即没有被划分成与线材15相似的栅格)并且可以跨越通道18。第一对薄膜层21可以包括第一透明层11和第二透明层12。第一透明层11可以比第二透明层12离透明基板17更近。第二对薄膜层22可以包括第三透明层13和第四透明层14。第三透明层13可以比第四透明层14离线材阵列15更近。
虽然透明层11-14的材料是透明的，但是当与叠层中的线材15结合时，它们可以增强对线材15的一种偏振(例如s偏振)的反射。在专利US7,961,393和US 8,755,113中描述了线材15(通常是可见光用金属)和透明层11-14和45-48的材料(例如电介质)，这些专利通过引用并入本文。线材15和透明层11-14和45-48可以是固体材料。
第一透明层11可以邻接(即直接接触)透明基板17和/或可以邻接第二透明层12；可替代地，在第一透明层11与透明基板17和/或第二透明层12之间可以存在其他(多个)层。线材15可以邻接第三透明层13和/或第二透明层12；可替代地，在线材15与第三透明层13和/或第二透明层12之间可以存在其他(多个)层。第四透明层14可以邻接第三透明层13；或在第四透明层14与第三透明层13之间可以存在其他(多个)层。
通道18可以填充有空气、液体或真空。可替代地，如图3中的WGP 30上示出的，第三透明层13可以延伸到通道18中并且可以部分或完全填充该通道。例如，第三透明层13可以填充通道18的至少80％、至少90％、至少95％或至少99％。
以下是WGP 10和WGP 30的特定实施例，包括对一种偏振的反射的特定值以及透明层11-14的折射率之间的关系。对一种偏振的反射以及折射率随入射光的波长而变化。以下的特定值可能涉及光的特定波长范围，例如，光的可见光谱中的至少100nm的波长范围、光的可见光谱中的至少200nm的波长范围、或以下光谱中的一个或多个的波长范围：紫外光、可见光和红外光。
一种偏振状态(例如p偏振)可以主要通过WGP 10和WGP 30传输，并且反相偏振状态(例如s偏振)可以主要反射离开WGP 10和WGP 30。通过WGP 10和WGP 30的适当设计，对于入射到基板17的第一侧17f和第二侧17s两侧上的光，WGP 10和WGP 30可以具有对一种偏振的高反射性(例如高Rs)。因此，WGP 10和WGP 30可以是针对入射到任一侧的光的有效偏振光束分光器。
例如，Rs1和/或Rs2可以>92％、>93％、>95％或>97％。Rs1是来自WGP 10、WGP 30或WGP 40的第一侧10f的s偏振光的反射百分率。Rs2是来自WGP 10、WGP 30或WGP 40的第二侧10s的s偏振光的反射百分率。s偏振光是入射光的主要反射偏振。WGP 10、WGP 30或WGP 40的第一侧10f是WGP 10、WGP 30或WGP 40的线材阵列15所在的一侧。WGP 10、WGP 30或WGP40的第二侧10s与WGP 10、WGP 30或WGP 40的第一侧10f相反，并且是WGP 10、WGP 30或WGP40的透明基板17所在的一侧。
为了提高Rs1和Rs2，透明层11-14的折射率之间可以存在一种关系。第一透明层的折射率(n1)可以大于第二透明层的折射率(n2)和/或第四透明层的折射率(n4)可以大于第三透明层的折射率(n3)。第一透明层的折射率(n1)可以接近于第四透明层的折射率(n4)或与其相同。第二透明层的折射率(n2)可以接近于第三透明层的折射率(n3)或与其相同。例如，在这些指数之间可以存在以下关系中的一项或多项：n1>n2、n1-n2>0.1、n1-n2>0.2、n1-n2>0.5、n1-n2>1；n4>n3、n4-n3>0.1、n4-n3>0.2、n4-n3>0.5、n4-n3>1；n1＝n4、|n1-n4|<0.2、|n1-n4|<0.1；n2＝n3、|n2-n3|<0.2、|n2-n3|<0.1。
为了提高Rs1和Rs2，n1和n4具有高折射率、并且n2和n3具有低折射率可能是有益的。例如，折射率可以具有以下各值中的一个或多个：n1>2.0、n1>1.65、n4>2.0、n4>1.65、n2<1.55、n3<1.55。
图4中所示的WGP 40可以具有以上描述的WGP 10和WGP 30的特征，并且还具有以下特征。通过包括交替地具有高折射率和低折射率的附加的成对的层43和44，WGP 40可以具有提高的Rs1和Rs2。
第三对薄膜层43可以位于第一对薄膜层21与透明基板17之间。第三对薄膜层43可以是连续的(即没有划分成与线材15相似的栅格)并且可以跨越通道18。第三对薄膜层43可以包括具有折射率n5的第五透明层45和具有折射率n6的第六透明层46。第五透明层45可以比第六透明层46离透明基板17更近。
第四对薄膜层44可以位于线材阵列15的与透明基板17相反的一侧，并且比第二对薄膜层22离线材阵列更远。第四对薄膜层44可以是连续的并且可以跨越通道18。第四对薄膜层44可以包括具有折射率n7的第七透明层47和具有折射率n8的第八透明层48。第七透明层47可以比第八透明层48离线材阵列15更近。
以下是这些附加层45、46、47和48的折射率之间的可能的关系及其值：n5>n6；n8>n7；n5-n6>0.1、n5-n6>0.2、n5-n6>0.5、n5-n6>1；n8-n7>0.1、n8-n7>0.2、n8-n7>0.5、n8-n7>1；n5＝n8、|n5-n8|<0.2、|n5-n8|<0.1；n6＝n7、|n6-n7|<0.2、|n6-n7|<0.1；n5>2.0、n5>1.65、n8>2.0、n8>1.65、n6<1.55、n7<1.55。除了所示的那些之外，在叠层中可以存在附加的成对的高折射率层和低折射率层，并且这些附加层可以具有折射率之间的相似关系。虽然WGP 40可以具有优于WGP 10和WGP 30的改进的性能，但是添加的层45-48可能会增加制造成本。因此，可以基于成本和所需性能而在WGP 10与WGP 30与WGP 40之间进行选择。
根据本申请，可能有益的是在Rs1与Rs2之间存在较小差异。例如：一方面|Rs1-Rs2|<0.5％、另一方面|Rs1-Rs2|<1％、另一方面|Rs1-Rs2|<2％、另一方面|Rs1-Rs2|<3％、或另一方面|Rs1-Rs2|<5％。实现这种Rs1与Rs2之间的较低差异的一种方式是在线材15的两侧具有透明材料的镜像。
因此，第一透明层11的材料成分可以与第四透明层14的材料成分相同。而且，第二透明层12的材料成分可以与第三透明层13的材料成分相同，但是与第一透明层11和第四透明层14的材料成分不同。对于WGP 40，还可以是，第五透明层45与第八透明层48的材料成分相同，并且第六透明层46与第七透明层47的材料成分相同。
材料成分的一个实例是第一透明层11、第四透明层14、第五透明层45和第八透明层48中的一层或多层可以是二氧化钛或可以包括二氧化钛。材料成分的另一个实例是第二透明层12、第三透明层13、第六透明层46和第七透明层47中的一层或多层可以是二氧化硅或可以包括二氧化硅。由于透明层11-14和45-48的材料的沉积的不完全性，这些化学式未必是精确的化学计量比。例如，术语“二氧化钛”是指大约每两个氧原子有一个钛原子，例如TixOy，其中0.9≤x≤1.1、并且1.9≤y≤2.1。作为另一个实例，二氧化硅通常是指SiO2，但是如本文中使用的，术语二氧化硅是指大约每两个氧原子有一个硅原子，例如SivOz，其中0.9≤v≤1.1、并且1.9≤z≤2.1。
虽然第一透明层11和第四透明层14的组成物的材料可以相同，并且第二透明层12和第三透明层13的组成物的材料可以相同，但是可能需要等效层的厚度不同以使Rs1与Rs2相等，这是由于在WGP的一侧的材料相对于相反一侧的材料可能是不同的。例如，第一透明层11可能与玻璃相邻，并且第四透明层14可能与空气相邻。可以遵循以下方法来使Rs1与Rs2即使在侧边(例如玻璃基板)的一端的材料相对于相反一侧(例如空气)的材料不同的情况下也会相等或几乎相等。以下制造WGP 10、WGP 30或WGP 40的方法可以包括按照步骤a)、步骤b)、步骤c)、然后是步骤d)的顺序进行的以下步骤：
a)对于|Rs1-Rs2|<1％，计算以下各项：
■第一透明层的厚度，从而限定第一厚度Th1；
■第二透明层的厚度，从而限定第二厚度Th2；
■第三透明层的厚度，从而限定第三厚度Th3；以及
■第四透明层的厚度，从而限定第四厚度Th4；
b)按照以下顺序沉积以下各项(见图5)：
■具有第一厚度Th1的第一透明层11；
■具有第二厚度Th2的第二透明层12；以及
■线材阵列55的材料；
c)对线材阵列55的材料进行蚀刻以形成线材阵列15(见图6)；
d)按照以下顺序沉积以下各项：
■具有第三厚度Th3的第三透明层13(没有对WGP 10的通道18进行填充或没有对WGP 30的通道18进行填充)；以及
■具有第四厚度Th4的第四透明层14(见图1和图3)。
每层的厚度Th1、Th2、Th3、Th4、Th5、Th6、Th7、Th8和Thr可以比所期望的偏振的波长范围中的最短波长更短，并且每个厚度可以小于400nm。如果WGP 10、WGP 30或WGP 40夹在棱镜之间以形成立方体50，则以下按照材料的镜像的厚度关系可以使Rs1和Rs2相等：Th8＝Th5、Th7＝Th6、Th4＝Th1、以及Th3＝Th2。厚度的实例：第二透明层12的Th2、第三透明层13的Th3、第六透明层46的Th6和第七透明层47的Th7可以是：＝80nm；>40nm、或>60nm；以及<110nm、或<150nm。第一透明层11的Th1、第四透明层14的Th4、第五透明层45的Th5和第八透明层48的Th8可以是：＝50nm；>10nm、或>30nm；以及<80nm、或<110nm。
如图7所示，以上所描述的WGP 10、WGP 30或WGP 40(在图7中示为WGP 71)可以夹在一对棱镜72之间，从而形成了立方体偏振光束分光器70。

Claims (10)

1.一种线栅偏振器(WGP)，该线栅偏振器包括：
透明基板，该透明基板具有第一侧以及与该第一侧相反的第二侧；
线材阵列，该线材阵列位于该透明基板的第一侧的上方，在相邻的线材之间具有通道；
第一对薄膜层：该第一薄膜层位于该线材阵列与该透明基板之间；该第一对薄膜层是连续的并且跨越这些通道；并且包括离该透明基板更近的第一透明层和离该线材阵列更近的第二透明层；
第二对薄膜层：该第二对薄膜层位于该线材阵列的与该透明基板相反的一侧；该第二对薄膜层是连续的并且跨越这些通道；并且包括离该线材阵列更近的第三透明层和离该线材阵列更远的第四透明层；并且
对于可见光谱中的至少100nm的波长范围：该第一透明层的折射率(n1)大于该第二透明层的折射率(n2)；并且该第四透明层的折射率(n4)大于该第三透明层的折射率(n3)。
2.如权利要求1所述的WGP，进一步包括：
第三对薄膜层：该第三对薄膜层位于该第一对薄膜层与该透明基板之间；该第三薄膜层是连续的并且跨越这些通道；并且包括第五透明层和第六透明层，其中该第五透明层比该第六透明离该透明基板更近；
第四对薄膜层：该第四对薄膜层位于该线材阵列的与该透明基板相反的一侧、并且比该第二对薄膜层离该线材阵列更远；该第四对薄膜层是连续的并且跨越这些通道；并且包括第七透明层和第八透明层，其中该第七透明层比该第八透明层离该线材阵列更近；并且
对于可见光谱中的至少100nm的波长范围：该第五透明层的折射率大于该第六透明层的折射率；并且该第八透明层的折射率大于该第七透明层的折射率。
3.如权利要求1所述的WGP，其中，对于可见光谱中的至少100nm的波长范围：n1-n2>0.5、并且n4-n3>0.5。
4.如权利要求1所述的WGP，其中，对于可见光谱中的至少100nm的波长范围：n1>2.0、n4>2.0、n2<1.55、并且n3<1.55。
5.如权利要求1所述的WGP，其中：
该第一透明层的材料成分与该第四透明层的材料成分相同；并且
该第二透明层的材料成分与该第三透明层的材料成分相同，但是与该第一透明层和该第四透明层的材料成分不同。
6.如权利要求5所述的WGP，其中
该第一透明层的材料成分和该第四透明层的材料成分包括二氧化钛；并且
该第二透明层的材料成分和该第三透明层的材料成分包括二氧化硅。
7.如权利要求1所述的WGP，其中，对于光的可见光谱中的至少100nm的波长范围，Rs1>93％、并且Rs2>93％，其中：Rs1是来自该WGP的第一侧的s偏振光的反射百分率；Rs2是来自该WGP的第二侧的s偏振光的反射百分率；s偏振光是入射光的主要反射偏振；该WGP的第一侧是该WGP的该线材阵列所在的一侧；并且该WGP的第二侧与该WGP的第一侧相反并且是该WGP的该透明基板所在的一侧。
8.如权利要求7所述的WGP，其中，对于可见光谱中的至少100nm的波长范围：|Rs1-Rs2|<2％。
9.一种制造权利要求8所述的WGP的方法，该方法包括：按以下顺序进行的以下步骤：
计算该第一透明层的厚度，从而限定第一厚度；计算该第二透明层的厚度，从而限定第二厚度；计算该第三透明层的厚度，从而限定第三厚度；以及计算该第四透明层的厚度，从而限定第四厚度；对于|Rs1-Rs2|<1％，其中：Rs1是来自该WGP的第一侧的s偏振光的反射百分率；Rs2是来自该WGP的第二侧的s偏振光的反射百分率；s偏振光是入射光的主要反射偏振；该WGP的第一侧是该WGP的该线材阵列所在的一侧；并且该WGP的第二侧与该WGP的第一侧相反并且是该WGP的该透明基板所在的一侧：
按照以下顺序沉积以下各项：具有该第一厚度的第一透明层；具有该第二厚度的第二透明层；然后是该线材阵列的材料；
对该线材阵列的材料进行蚀刻以形成该线材阵列；
按照以下顺序沉积以下各项：具有该第三厚度的第三透明层；然后是具有该第四厚度的第四透明层。
10.如权利要求1所述的WGP，进一步包括：一对棱镜，该WGP夹在这对棱镜之间，从而形成立方体偏振光束分光器(立方体PBS)。
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