CN1221815C - 带有阻挡层的光学器件、光学系统以及投影仪装置 - Google Patents

Abstract

一种光学器件，包括一具有一多层膜和设置在其多层膜一侧上的阻挡层的透光光学基板。该透光光学基板的折射率N_s(在632.8nm参考波长下)处于1.7≤N_s≤1.9范围之内，而阻挡层的折射率N_b(在632.8nm参考波长下)处于-0.1≤N_b-N_s≤0.1范围之内。

Description

带有阻挡层的光学器件、 光学系统以及投影仪装置

相关申请

本申请要求2002年1月18日提出的日本专利申请No.2002-010767的优先权。

技术领域

本发明涉及一种光学器件，其中在具有一阻挡层的透明基板上形成一多层膜；一种使用该光学器件的光学系统；以及一种使用该光学器件的投影仪装置。具体来说，本发明涉及一种光学器件，一种光学系统，以及一种投影仪装置，当该多层膜起二向色薄膜等作用时它们是适宜的。

背景技术

在彩色液晶投影仪装置等的照明光学系统/颜色组合光学系统中，例如，传统上使用具有二向色多层膜的颜色分解或组合棱镜，以便将光源光分解成三种颜色，或者将来自相应光阀的各个被调制的光分量组合。

要求这种二向色多层膜在用强光光源照射的状态下在整个可见光波长区域保持良好的光谱特性和相差特性。

另一方面，要求形成有二向色多层膜的玻璃基板，即棱镜具有低光弹性系数和低光吸收系数，以便保持良好的偏振态，从而使用包含大量PbO等的玻璃材料作为其构成材料。

不过，连续地用强光源光(尤其是在较短波长侧的光)照射这种棱镜，从而该棱镜中包含的Pb分子等有可能扩散到二向色多层膜中，在某些情况下有可能达到其最外层。在这种情形中，Pb分子等与例如构成二向色多层膜的TiO₂中的Ti等反应，从而使TiO₂等变黑，这有可能增大二向色多层膜的光吸收系数。

作为解决该问题的手段，可以在玻璃基板上设置一阻挡层，以抑制分子在玻璃基板与多层膜之间扩散。

传统性已知的使用阻挡层的光学器件是，其中在基板与减反射多层膜之间插入一由MgF₂或SiO₂制成的阻挡层，以防止在基板与减反射多层膜之间的边界处发生反应，从而抑制边界附近的光吸收(日本未审专利公开No.2000-275402)。

如果采用上述的现有技术来克服上面提到的问题，该阻挡层有可能扰乱光谱特性和相差特性，从而在作为要求在整个可见光区域具有良好光谱特性以及能保持偏振状态的相差特性的用于彩色液晶投影仪装置的颜色分解或合成棱镜等的性能方面，该产品可能变差。

如果调节上述现有技术中阻挡层的厚度，使得多层膜和阻挡层整体上获得良好的光谱和相差特性，那么该阻挡层将太薄(例如几到十几纳米)，以致不能起到阻挡层的作用。

当将薄膜设计为多层膜与阻挡层的组合时，必须注意不要影响多层膜的功能，从而难以进行设计，因此研制要花费大量的时间和费用。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种具有一多层膜和一位于该多层膜一侧的阻挡层的光学器件，它能够获得良好的光谱和相差特性，同时良好地保持作为阻挡层的功能，并且节省设计该薄膜的时间和费用。

本发明的另一个目的在于提供一种使用这种光学器件的光学系统。

本发明的再一个目的在于提供一种使用这种光学器件的投影仪装置。

本发明提供一种光学器件，该光学器件包括由一多层膜和一设置在其多层膜一侧的阻挡层形成的透光光学基板；

其中该透光光学基板的折射率N_s在632.8nm参考波长下处于1.7≤Ns≤1.9的范围之内；并且；

其中该阻挡层的折射率N_b在632.8nm参考波长下处于-0.1≤N_b-N_s≤0.1的范围之内。

最好，在该光学器件中，该阻挡层由La_2xAl_2yO_3(x+y)构成，其中0.5≤x，且y≤1.5。

最好，该阻挡层的物理薄膜厚度为至少20nm。

最好，该透光光学基板由包含至少50％重量比的PbO、Nb₂O₅和TiO₂至少其中之一的玻璃材料构成。

最好，N_b-N_s的值处于±0.05的范围之内。

最好，该多层膜包括交替层叠的TiO₂和SiO₂层。

本发明提供一种包含上述光学器件的光学系统。

此处，该多层膜可以为二向色薄膜。

本发明提供一种包含上述光学器件的投影仪装置。

此处，该多层膜可以是二向色薄膜。

附图说明

图1为剖面图，示意性的说明根据本发明一实施例的光学器件的层结构；

图2为示意性平面图，表示在根据本发明一实施例的投影仪装置中配备有该光学器件的光学系统；

图3为表示根据本发明实例1的阻挡层和二向色多层膜的光谱透射特性的曲线；

图4为表示根据本发明实例1的阻挡层和二向色多层膜中反射光的相差特性的曲线；

图5为表示根据本发明实例2的阻挡层和二向色多层膜的光谱反射特性的曲线；

图6为表示根据对比例1的二向色多层膜的光谱透射特性的曲线；

图7为表示根据对比例1的二向色多层膜中反射光的相差特性的曲线；

图8为表示根据对比例2的阻挡层和二向色多层膜的光谱透射特性的曲线；

图9为表示根据对比例2的阻挡层和二向色多层膜中反射光的相差特性的曲线；

图10为表示根据对比例3的减反射多层膜的光谱反射特性的曲线；以及

图11为表示根据对比例4的阻挡层和减反射多层膜的光谱反射特性的曲线。

具体实施方式

下面，将参照附图解释根据本发明的光学器件、光学系统和投影仪装置的实施例。

图2为示意性平面图，表示在根据本发明一实施例的投影仪装置中具有一光学器件的光学系统。在这种情形中，该光学器件、光学系统和投影仪装置分别由一颜色分解/合成棱镜，一照明光学系统，和一反射型投影仪装置组成。在颜色分解/合成棱镜中每对棱镜元件之间插入一二向色多层膜和一阻挡膜，将在下面进行详细说明。

在图2中，从光源103输出的作为非偏振白光的照明光，被偏振片104处理成预定的S-偏振光，然后入射在偏振分束器5上。此处，光源103配备有一反射器，用于有效地利用光。所使用的光源103的例子包括金属卤化物灯，氙灯，钨卤素灯等。

由于入射在偏振分束器5上的照明光是S-偏振光，所以它被偏振分离表面(a polarization seperating surface)5A反射，从而入射在与偏振分束器5相连的颜色分解/合成棱镜1上。

颜色分解/合成棱镜1由相结合的三个棱镜元件1A，1B，1C组成。即，从偏振分束器5一侧沿光轴方向相继设置第一棱镜元件1A，第二棱镜元件1B和第三棱镜元件1C。第一棱镜元件1A和第二棱镜元件1B通过一适合于仅反射绿色光成分的第一二向色/阻挡层101D而彼此相连。第二棱镜元件1B和第三棱镜元件1C通过一适合于反射红色光成分、并透过蓝色光成分的第二二向色/阻挡层101E而彼此相连。因而，从第一棱镜元件1A进入颜色分解/合成棱镜1的光通量被分解成B、R、G三元色光分量，然后从棱镜元件1A，1B，1C相应的光学I/O端面101A，101B，101C发射。所发射的彩色光分量照射相应的反射型液晶显示板2，3，4，并且再次进入其相应棱镜元件1A，1B，1C的光学I/O端面101A，101B，101C，同时处于载有液晶显示板2，3，4上所形成的彩色光成分的相应物体图像信息的状态。

然后，由于显示相应彩色光成分的物体像的反射型液晶显示板2，3，4而使其载有物体图像信息的彩色光成分，通过各自入射光路被引导到相应反射型液晶显示板2，3，4，然后被颜色分解/合成棱镜1组合。所组合的光通过偏振分束器5的偏振分离表面5A，从而由投影透镜6将所需的彩色物体像放大投影到屏幕上。

此处，由于入射在每个反射型液晶显示板2，3，4上的S-偏振光被转换成P-偏振光，故从显示板2，3，4返回的光将通过偏振分束器5的偏振分离表面5A。

如上所述，第一棱镜元件1A与第二棱镜元件1B通过适合于仅反射绿色光成分的第一二向色/阻挡层101D而彼此相连，而第二棱镜元件1B与第三棱镜元件1C通过适合于反射红色光成分但是从中透过蓝色光成分的第二二向色/阻挡层101E而彼此相连。

为了便于解释，图1中示意性地表示出形成在一个棱镜基板上的层结构。

即，每个二向色/阻挡层包括层叠在棱镜基板10上的一阻挡层12和一二向色多层膜14。

此处，棱镜基板10包含大量的PbO，从而表现出1.7≤N_s≤1.9的高折射率(在632.8nm的参考波长下，下面同上)。最好是，PbO的含量至少为50％重量比，从而在这种情况下，折射率N_s处于1.8≤N_s≤1.9范围内。

阻挡层12的折射率N_b(在632.8nm的参考波长下，下面同上)必须在-0.1≤N_b-N_s≤0.1范围内。并且，要求它具有不同棱镜基板10化学反应的成分，同时表现出高填充因数ρ(ρ≥0.95)。此处，最好N_b-N_s的绝对值尽可能小，并且最好在±0.05范围之内。

适用作阻挡层12的材料为La_2xAl_2yO_3(x+y)〔产品名称：Merck有限公司制造的Substance M3 Patinal(注册商标)〕，其中x和y满足0.5≤x且y≤1.5。

通过汽相沉积(或者离子电镀法等)，上述的La_2xAl_2yO_3(x+y)可以很容易地形成满足折射率处于-0.1≤N_s≤0.1范围之内，并且填充因数ρ≥0.95的薄膜。此处，La必须增大阻挡层12的折射率N_b，由于这根本不会对光学性质造成不利影响，所以是极好的。通过选择x和y的值，阻挡层能得到所需的折射率N_b。

二向色多层膜14由，例如交替层叠的TiO₂层14a和SiO₂层14b的总共12层组成。

假设本实施例中如此构成的阻挡层12能够阻止棱镜基板10中包含的Pb分子扩散到二向色多层膜14中，便可防止Pb分子与构成二向色多层膜14的TiO₂中的Ti分子反应，阻止由于TiO₂变黑引起的二向色多层膜14的光吸收系数升高。

并且，由于使阻挡层12的折射率非常接近于棱镜基板10的折射率，故可以极好地保持光谱和相差特性，无需减小其薄膜厚度，从而可以获得具有良好光学特性的光学器件，而不损失阻挡层12固有的功能。

可以彼此独立地设计阻挡层12和二向色多层膜14，从而可以节省研究和设计所需的时间，且能降低制造成本。并且，增加薄膜设计的自由度。

可以用多种方式对根据本发明的光学器件、光学系统和投影仪装置进行变型，而不限于所述实施例。例如，构成阻挡层12的成分不限于La_2xAl_2yO_3(x+y)，而是可以选择多种其他成分，只要它们能使阻挡层12的折射率接近于透光光学基板的折射率，而不对其光学性质产生不利影响。

作为透光光学基板，最好具有低光弹性系数和低光吸收系数，以便保持良好的偏振态。具体来说，不仅那些包含大量PbO的，而且包含大量Nb₂O₅或TiO₂的基板也是较好的。如同在PbO情形中那样，Nb₂O₅或TiO₂的含量最好至少为50％重量比。

不特别限制本发明光学器件中的多层膜的类型。本发明不仅能应用于上述的二向色多层膜，而且自然也适用于减反射多层膜等。

例子

实例1

在使用包含大量PbO的PBH55(产品名称)的玻璃基板10上形成厚度为87nm的La_2xAl_2yO_3(x+y)〔产品名称：Merck有限公司制造的Substance M3 Patinal(注册商标)〕，作为阻挡层12，在其上形成一具有12个层(TiO₂/SiO₂交替的层)的二向色多层膜14。利用汽相沉积形成该阻挡层12和二向色多层膜14。玻璃基板10的温度为300℃。此处，玻璃基板10的折射率为1.84，阻挡层12的折射率为1.84，二向色多层膜14中TiO₂层14a和SiO₂层14b的折射率分别为2.30和1.47。表1表示每个膜的折射率和厚度。

在如此形成的光学器件中，没有发现Pb与TiO₂之间发生反应，而在薄膜内光学吸收基本上为零。

图3和4分别表示阻挡层12与二向色多层膜14的光谱透射特性〔在30℃的入射角下，(p-偏振光量+s-偏振光量)/2〕，和其中的反射光的相差特性。其光谱透射特性和反射光的相差特性极好。

实例2

在使用包含大量PbO的PBH55(产品名称)的玻璃基板10上形成厚度为100nm的La_2xAl_2yO_3(x+y)〔产品名称：Merck有限公司制造的Substance M3 Patinal(注册商标)〕，作为阻挡层12，在其上形成一具有4个层(TiO₂/SiO₂交替的层)的减反射多层膜14。利用汽相沉积形成该阻挡层12和减反射多层膜14。玻璃基板10的温度为300℃。此处，玻璃基板10的折射率为1.84，阻挡层12的折射率为1.82，减反射多层膜14中TiO₂层14a和SiO₂层14b的折射率分别为2.30和1.47。表2表示每个膜的折射率和厚度。

在如此形成的光学器件中，没有发现Pb与TiO₂之间发生反应，而在薄膜内光学吸收基本上为零。

图5表示阻挡层12与减反射多层膜14的光谱透射特性〔在0℃的入射角下，(p-偏振光量+s-偏振光量)/2〕。该光谱透射特性极好。

对比例1

在使用包含大量PbO的PBH55(产品名称)的玻璃基板10上形成一具有12个层(TiO₂/SiO₂交替的层)的二向色多层膜14，没有阻挡层12。利用汽相沉积形成该二向色多层膜14。玻璃基板10的温度为300℃。此处，玻璃基板10的折射率为1.84，二向色多层膜14中TiO₂层14a和SiO₂层14b的折射率分别为2.30和1.47。表3表示每个膜的折射率和厚度。

将所形成的光学器件安装到一投影仪装置中，并用照明光照射。在大约1到10小时之后，发现Pb分子扩散到TiO₂层14a中，从而观察到其间的反应导致TiO₂变黑。并且，观察到该薄膜内的光学吸收。

如图6和7所示，分别对二向色多层膜14的光谱透射特性〔在30℃的入射角下，(p-偏振光量+s-偏振光量)/2〕，和其中的反射光的相差特性进行优化。

对比例2

在使用包含大量PbO的PBH55(产品名称)的玻璃基板10上形成一SiO₂层作为阻挡层12，在其上形成一具有12个层(TiO₂/SiO₂交替的层)的二向色多层膜14。利用汽相沉积形成该阻挡层12和二向色多层膜14。玻璃基板10的温度为300℃。此处，玻璃基板10的折射率为1.84，阻挡层12的折射率为1.47，二向色多层膜14中TiO₂层14a和SiO₂层14b的折射率分别为2.30和1.47。表4表示每个膜的折射率和厚度。

此处，设定每个薄膜的厚度，以便对阻挡层12和二向色多层膜14的光谱透射特性〔在30℃的入射角下，(p-偏振光量+s-偏振光量)/2〕和其中的反射光的相差特性进行优化。如图8和9分别所示，阻挡层12与二向色多层膜14的光谱透射特性和其中的反射光的相差特性极好。

不过，由于优化其光谱透射特性和反射光的相差特性，所以构成阻挡层12的SiO₂层的薄膜厚度为大约17nm，从而阻挡层12不能充分地表现出其固有的功能，而其薄膜厚度难于控制。

对比例3

在使用包含大量PbO的PBH55(产品名称)的玻璃基板10上形成一具有4个层(TiO₂/SiO₂交替的层)的减反射多层膜14。利用汽相沉积形成该减反射多层膜14。玻璃基板10的温度为300℃。此处，玻璃基板10的折射率为1.84，减反射多层膜14中TiO₂层14a和SiO₂层14b的折射率分别为2.30和1.47。表5表示每个膜的折射率和厚度。

将所形成的光学器件安装到一投影仪装置中，并用照明光照射。在大约1到10小时之后，发现Pb分子扩散到TiO₂层14a中，从而观察到其间的反应导致TiO₂变黑。并且，观察到该薄膜内的光学吸收。

图10表示减反射多层膜14的光谱透射特性〔在0℃的入射角下，(p-偏振光量+s-偏振光量)/2〕。其光谱透射特性极好。

对比例4

在使用包含大量PbO的PBH55(产品名称)的玻璃基板10上形成一SiO₂层，作为阻挡层12，在其上形成一具有4个层(TiO₂/SiO₂交替的层)的减反射多层膜14。利用汽相沉积形成该阻挡层12和减反射多层膜14。玻璃基板10的温度为300℃。此处，玻璃基板10的折射率为1.84，阻挡层12的折射率为1.47，减反射多层膜14中TiO₂层14a和SiO₂层14b的折射率分别为2.30和1.47。表6表示每个膜的折射率和厚度。

此处，设定每个薄膜的厚度，以便对阻挡层12和减反射多层膜14的光谱透射特性〔在30℃的入射角下，(p-偏振光量+s-偏振光量)/2〕进行优化。如图11所示，挡层12与减反射多层膜14的光谱透射特性极好。

不过，由于优化了光谱透射特性，故构成阻挡层12的SiO₂层的薄膜厚度为大约6nm，从而阻挡层12不能充分地表现出其固有的功能，而其薄膜厚度难于控制。

如前面所解释的，在具有阻挡层的透光光学基板上形成一诸如二向色薄膜的多层膜的光学器件中，具有根据本发明的阻挡层的光学器件限定了该阻挡层的折射率相对透光光学基板的折射率的范围，从而有可能获得具有极好光谱和相差特性以及极好光学特性的光学器件，同时确保阻止透光光学基板中Pb等扩散到多层膜中、然后与多层膜的成分反应的功能，以便阻止多层膜的光学吸收系数增大。

另外，可以彼此独立地设计阻挡层和二向色多层膜，从而可以节省研究和设计所需的时间，且能降低制造成本。

本发明的光学系统和投影仪装置可以获得类似的效果，因为它们安装有具有根据本发明的阻挡层的光学器件。

表1

        N      d

      1.84             玻璃基板

      1.84    87.1     阻挡层

1     2.30    70.2     TiO₂

2     1.47    125.1    SiO₂

3     2.30    61.9     TiO₂

4     1.47    111.1    SiO₂

5     2.30    67.5     TiO₂

6     1.47    108.2    SiO₂

7     2.30    59.2     TiO₂

8     1.47    120.3    SiO₂

9     2.30    64.7     TiO₂

10    1.47    96.2     SiO₂

11    2.30    77.0     TiO₂

12    1.47    33.1     SiO₂

表2

        N       d

      1.84             玻璃基板

      1.82    100.0    阻挡层(SiO₂)

1     2.30    110.3    TiO₂

2     1.47    167.4    SiO₂

3     2.30    100.6    TiO₂

4     1.47    73.4     SiO₂

表3

        N       d

      1.84           玻璃基板

1     2.30    70.2     TiO₂

2     1.47    125.1    SiO₂

3     2.30    61.9     TiO₂

4     1.47    111.1    SiO₂

5     2.30    67.5     TiO₂

6     1.47    108.2    SiO₂

7     2.30    59.2     TiO₂

8     1.47    120.3    SiO₂

9     2.30    64.7     TiO₂

10    1.47    96.2     SiO₂

11    2.30    77.0     TiO₂

12    1.47    33.1     SiO₂

表4

        N       d

      1.84             玻璃基板

      1.47    17.6     阻挡层(SiO₂)

1     2.30    80.1     TiO₂

2     1.47    123.0    SiO₂

3     2.30    59.4     TiO₂

4     1.47    114.4    SiO₂

5     2.30    66.4     TiO₂

6     1.47    110.4    SiO₂

7     2.30    57.4     TiO₂

8     1.47    122.4    SiO₂

9     2.30    63.3     TiO₂

10    1.47    98.6     SiO₂

11    2.30    76.0     TiO₂

12    1.47    35.1     SiO₂

表5

       N       d

     1.84           玻璃基板

1    2.30    110.3    TiO₂

2    1.47    167.4    SiO₂

3    2.30    100.6    TiO₂

4    1.47    73.4     SiO₂

表6

       N      d

     1.84             玻璃基板

     1.47    6.1      阻挡层(SiO₂)

1    2.30    113.9    TiO₂

2    1.47    167.6    SiO₂

3    2.30    100.3    TiO₂

4    1.47    73.6     SiO₂

Claims (10)

1.一种光学器件，该光学器件包括由一多层膜和一设置在其所述多层膜一侧的阻挡层形成的透光光学基板，

其中，所述透光光学基板的折射率N_s在632.8nm参考波长下处于1.7≤N_s≤1.9的范围之内；并且

其中所述阻挡层的折射率N_b在632.8nm参考波长下处于-0.1≤N_b-N_s≤0.1的范围之内。

2.根据权利要求1所述的光学器件，其中所述阻挡层由La_2xAl_2yO_3(x+y)构成，其中0.5≤x，且y≤1.5。

3.根据权利要求1所述的光学器件，其中所述阻挡层的物理薄膜厚度为至少20nm。

4.根据权利要求1所述的光学器件，其中所述透光光学基板由包含至少50％重量比的PbO、Nb₂O₅和TiO₂至少其中之一的玻璃材料构成。

5.根据权利要求1所述的光学器件，其中N_b-N_s的值处于±0.05的范围之内。

6.根据权利要求1所述的光学器件，其中所述多层膜包括交替层叠的TiO₂和SiO₂层。

7.一种光学系统，包括一种光学器件，该光学器件包括由一多层膜和一设置在其所述多层膜一侧的阻挡层形成的透光光学基板，

其中，所述透光光学基板的折射率N_s在632.8nm参考波长下处于1.7≤N_s≤1.9的范围之内；并且

其中所述阻挡层的折射率N_b在632.8nm参考波长下处于-0.1≤N_b-N_s≤0.1的范围之内。

8.根据权利要求7所述的光学系统，其中所述多层膜为二向色薄膜。

9.一种投影仪装置，包括一种光学器件，该光学器件包括由一多层膜和一设置在其所述多层膜一侧的阻挡层形成的透光光学基板，

其中，所述透光光学基板的折射率N_s在632.8nm参考波长下处于1.7≤N_s≤1.9的范围之内；并且

其中所述阻挡层的折射率N_b在632.8nm参考波长下处于-0.1≤N_b-N_s≤0.1的范围之内。

10.根据权利要求9所述的投影仪装置，其中所述多层膜为二向色薄膜。

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