CN1605892A - 色散元件、衍射光栅、组合衍射光栅、彩色显示装置、多路信号分离器和制造衍射光栅的方法 - Google Patents

Abstract

在一个作为一色散元件的透射光栅中，衍射效率提高而制造成本大大降低。一色散元件包括用于形成一衍射光栅的树脂构件，该衍射光栅由多个各自具有一被两条直线围绕的横截面形状例如三角形形状的衍射光栅构件以及作为光屏蔽构件的金属构件构成，每一个金属构件均在该些衍射光栅构件中相应的一个上在该衍射光栅构件沿由树脂构成的该衍射光栅构件的该横截面形状的该直线或该曲线中的任何一个的一侧面上形成。设置该金属构件以减小相对于入射光的零级透射光，并提高第一级透射光的衍射效率。

Description

色散元件、衍射光栅、组合衍射光栅、彩色显示装置、多路信号分离器和 制造衍射光栅的方法

技术领域

本发明一般涉及色散元件及其类似物，更具体地涉及例如在光学仪器中使用的透射光栅的色散元件及其类似物。

背景技术

各种光学仪器中都使用衍射光栅。具体地，在分光计、滤波器以及类似物中使用许多衍射光栅以利用衍射光栅的强烈色散特性。此外，可以制造衍射光栅并任意确定衍射光栅的栅距。因此，衍射光栅在使用例如激光的光源的仪器中有时用作角度变化元件、光的分离和混合元件或者类似物。衍射光栅的应用也扩展到显示器领域，在该领域中光是用作一种表达手段而不是通信手段。

例如，已存在大量的涉及衍射光栅的基础研究和实现示例，这些被编入“衍射光学元件导论”(Introduction to diffractive optical elements)(由日本应用物理协会附属的日本光学协会光学设计研究组编辑，由光电子学有限公司出版)或类似物中。为了提高衍射效率，透射光栅包括闪耀型光栅、二元型(binary type)光栅等。

图11的视图解释了传统上使用的闪耀型衍射光栅的构造。闪耀型衍射光栅被设计为其横截面是具有两条直线边的三角形，以提高针对特定波长的衍射效率。也就是说，如图11所示，闪耀型衍射光栅的表面形状被形成为具有三角形(锯齿状)横截面的一些槽，并且这个三角形的一个底角等于一闪耀角。

同时，一种未示出的二元型衍射光栅包括精细布置的在横截面形状上的不同层级的矩形。这种形状是通过微影术(lithography)或电子束绘制(electron beam drawing)而形成的。

同时，除了衍射光栅以外，还存在一种通过布置作为偏光器的金属细线而形成的元件(“Basic optics”，由Gendai Kogaku Sha的Keiei Kudo和Fumiya Uehara共同写作的)。这种元件是通过将金属细线例如金属丝均匀排列成一网格而形成的，并且这种元件被设置为利用吸收或反射与该些细线平行的偏振分量并只透射与该些细线垂直的偏振光的功能。这种元件通常称为线栅偏光器。通常，该些细线之间可形成的最小间隔是1μm。因此，该线栅偏光器的应用限制于用于例如红外线的线性偏光器。根据同样的原理，也提供一种称作小阶梯光栅的具有浅的闪耀角的反射光栅，在该光栅中通过利用金属斜向蒸镀在其上形成金属细线减小了光栅常数。

图12的视图示出了线栅偏光器的示例。这里，利用作为反射光栅的小阶梯光栅的形状以通过金属斜向蒸镀在顶脊部分形成金属细线。通过缩小光栅常数，可以在从接近红外线到可见光的范围内将该线栅偏光器用作线性偏光器。在这种偏振元件中，通过仅在具有三角形横截面的衍射光栅的顶脊部分蒸镀金属使金属细线的宽度尽量小。这是因为，金属细线宽度的增加会因为第一级衍射光束的强度的增加而降低偏光器的效率。通常，除非设定细线的间隔等于或小于波长的十分之一并且设定细线宽度为波长的百分之一，否则偏光器不能正确工作。因为这类元件是以相对于元件表面垂直入射和透射的方式使用的，所以就抑制了这类元件作为小阶梯光栅的原始功能。

同时，在专利出版物中公开的相关技术中，例如存在一种用作制造在光致抗蚀剂中使用的衍射光栅的方法的技术，在该技术中仅在衍射光栅的一个倾斜表面形成金属沉积图案(例如，见专利文献1)。此外，还公开了一种技术，该技术中包括的步骤有通过斜向蒸镀仅在一个倾斜表面上形成一抗蚀剂薄膜，蚀刻，和随后去除该被斜向蒸镀的抗蚀剂薄膜(例如，见专利文献2)。

〔专利文献1〕

日本未审查的专利公布第63(1988)-71851号(第3页，图1)

〔专利文献2〕

日本未审查的专利公布第59(1984)-210403号(第2到第3页，图1)。

在上述的二元型衍射光栅中，必须精细地布置在横截面形状上的不同层级的矩形。因此，需要许多制造步骤，并且获得的衍射光栅是非常昂贵的。另一方面，只要准备好了模具，就可通过挤压加工进行模塑或树脂模塑制造闪耀型光栅。因此，闪耀型光栅在具有大批量生产能力的情况下是较低廉和优秀的。然而，闪耀型透射光栅的第一级衍射效率的最大值被限制为大约20％。因此，当为一特定波长而提高效率时，处理多种颜色光源的装置例如显示器中会出现问题，因为其它波长的效率降低了。因此，当该闪耀型透射光栅用作一个衍射元件时，必须提高衍射效率并且特别要减小零级透射光。

就是说，当使用透射光栅时，不可避免地出现零级衍射光，即被直接透射的入射光。然而，该零级衍射光不仅降低了光的利用效率并给邻近的其它光学装置带来杂散光，并从而导致在装置布置和精确性方面出现问题。因此，为了提高衍射效率，降低该零级透射光是有效的。

同时，为了提高衍射效率，必须使该衍射光栅的衍射光栅构件形成最佳形状。然而，这种最佳形状是复杂而且精细的。因此，在形成过程中必须使用电子束绘制、微影术等。因为对于在光学通信领域或类似领域中的应用，小尺寸是足够的，所以这样的工艺过程相对容易。然而，为了在显示器或投影仪中使用，每个衍射光栅构件的尺寸需要从到几个厘米到30厘米。这样的衍射光栅构件难以加工，即使加工出来，可应用的加工成本也是巨大的。因为这个原因，在例如显示系统领域中，对于具有大尺寸、低形成成本的能力、高衍射效率而且特别地可降低零级透射光的性能的衍射光栅，存在着不断增加的需求。尤其在不使用滤光器及其类似物的液晶显示器的领域中，这种需求是很高的。

使用如图12所示的小阶梯光栅的线栅偏光器，不是用作用于选择特定波长的光的色散元件中的衍射光栅或类似物，而是仅仅用作吸收/反射平行于该些细线的偏振分量的偏光器。因此，仅在凹凸不平表面的顶脊部分蒸镀金属。当将这种元件用作衍射光栅时，不能减小零级衍射光和提高衍射效率。

同时，尽管在根据专利文献2的技术中进行了斜向蒸镀，但是由该斜向蒸镀形成的薄膜是一抗蚀薄膜并且在完成的产品中去除了该蒸镀薄膜。因此，在生产出的衍射光栅上没有形成金属薄膜。因此，不可能通过减小在作为色散元件的衍射光栅中的零级透射光来提高衍射效率。

此外，尽管根据专利文献1斜向蒸镀金属，但是专利文献1的技术是旨在用作光致抗蚀剂的，而不是为了在作为色散元件的衍射光栅中使用而设计的。因此，根据专利文献1的技术考虑了当衍射光栅的投影图案的对比率最大时的情况，并因此选择一种半透明薄膜作为将要被斜向蒸镀的金属薄膜，从而零级衍射光和第一级衍射光之间的强度比变为1比1。更精确地说，将金属例如氧化铬以10到100nm的厚度稀疏地进行蒸镀。因此，即使采用根据专利文献1的技术，也不可能通过减小零级衍射光而提高衍射效率。因此，这种技术难以获得近年来要在色散元件中使用的衍射光栅所需的性能。

发明内容

本发明解决了上述的技术难题。本发明的一个目的是提供一种能够提高衍射效率并大大降低制造成本的作为色散元件的透射光栅。

本发明的另一个目的是通过尽量抑制零级透射的衍射光并积极地利用第一级衍射光来大大提高衍射效率。

为了达到这些目的，一种根据本发明的色散元件包括：一个由多个衍射光栅构件组成的衍射光栅，每个衍射光栅构件分别具有被两条直线和一条曲线中的任何一个围绕的横截面形状；和多个光屏蔽构件，每个光屏蔽构件都是在相应的一个衍射光栅构件上在该衍射光栅构件沿该横截面形状的直线和曲线中的任何一个的一侧上形成的。这里，为了能多建立一个具有高的光利用效率的系统，优选地设置这种光屏蔽构件以相对于入射光减小零级透射光并提高第一级透射光的衍射效率。此外，该光屏蔽构件的特征是，在该衍射光栅构件上在该衍射光栅构件沿该横截面形状的直线或斜线中的任何一个的一侧上从倾斜方向蒸镀金属。而且，当该光屏蔽构件的特征是在该衍射光栅构件上在该衍射光栅构件沿该横截面形状的直线或斜线中的任何一个的一侧上以200nm或以上的厚度蒸镀金属时，该色散元件能够很好地更多地抑制零级透射光和提高作为反射薄膜的效能。另外，该衍射光栅的这种衍射光栅构件的特征是具有一个由两个直线围绕的三角形横截面形状，并且通过在该衍射光栅构件的一个倾斜表面上蒸镀金属形成该光屏蔽构件。

这里，该“光屏蔽构件”也可称为“反射构件”。银或铝金属可用作这种“反射构件”，并且在所使用波长上，它的反射率被设为90％或更高。

同时，一个根据本发明的衍射光栅包括一个树脂层和多个位于该树脂层内的金属表面，该些金属表面被周期性地设置，每个金属表面具有与该薄膜表面成一给定的闪耀角的倾角。这里，当确定该金属表面的给定的闪耀角以便相对于入射光抑制零级透射光和提高第一级透射光的衍射效率时，能够更好地显著提高透射效率。

此外，根据本发明的一种组合衍射元件包括：一个具有多个金属表面的透射光栅，该些金属表面被设置为在一个方向上倾斜以便相对于入射光屏蔽零级透射光；和一个将来自该透射光栅的相对于入射光的零级反射光返回到该透射光栅的反射元件。这里，这个透射光栅的特征是，它是通过从该衍射光栅的一侧斜向蒸镀金属而形成的。而且优选地，当设置该反射元件使之与该衍射光栅的基底近似平行时，能够使该零级反射光以与该入射光相同的角度再次入射到该透射光栅上。另外，当设置多个反射镜时，该组合衍射元件能够很好地循环利用该反射光。

从另一个观点看，根据本发明的一种组合衍射元件包括：一光源；一用于引导从该光源发出的光的光导；和一与该光导结合在一起的衍射光栅，该衍射光栅具有高反射率的、并以一闪耀角为倾角周期性设置的诸金属表面。这里，这个衍射光栅的特征是，该衍射光栅以一种粘合剂粘合，该粘合剂的折射率比该光导的折射率低。此外，这个衍射光栅的特征是，它是利用折射率低于该光导的树脂来形成的。

同时，根据本发明的一种彩色显示装置包括：一光源，一用于将该光源发出的光分离成位于多个波长范围内的光分量的衍射光栅，和一透镜，该透镜用于接受由该衍射光栅分离出的光分量并聚集位于给定波长范围内的光分量以便相应于一个给定的子像素，其中，该衍射光栅的特征是，以一个闪耀角为倾角周期性地设置具有高反射率的诸金属表面。这里，该彩色显示装置还可以包括一用于引导来自该光源的光的波导；和一用于将已被该波导引导的光向该衍射光栅反射的反射板。此外，还可以包括一个液晶单元，该液晶单元用于透射和屏蔽由该衍射光栅分离出的和由该透镜聚集的光分量。

另一方面，本发明可看作一种多路信号分离器(demultiplexer)。该多路信号分离器的一方面包括：一用于引导光的波导；一与该波导相邻的用于分离在该波导中传播的光并抑制零级透射光的透射光栅元件；和一用于检测由该透射光栅元件分离出光的检测元件。该透射光栅的特征是，具有多个被周期性地设置的金属表面，每个金属表面具有与该薄膜表面成一给定的闪耀角的一倾角。此外，该波导的特征是，包括一个中心层和一个折射率小于该中心层的包层，而且在该中心层和包层之间形成该透射光栅元件。

或者，根据本发明的另一种多路信号分离器包括：一用于引导位于临界角内的光的波导，该临界角将由一中心层和一包层的折射率之间的差来确定；和一位于该波导内的该中心层和该包层之间的透射光栅元件，在该透射光栅元件中斜向地和周期性地设置诸金属表面。

此外，一种根据本发明的制造一衍射光栅的方法包括如下步骤：利用一模具和树脂形成一衍射光栅，在该形成的衍射光栅上从一倾斜方向蒸镀金属，通过用树脂掩埋来使具有被蒸镀的金属的该衍射光栅的一表面平坦。

根据本发明，有可能例如在应用于一个色散元件时获得高衍射效率。

附图说明

为了更全面地理解本发明及其优势，现参照下面的描述，并结合附图阅读。

图1的视图用于解释一种根据本发明的一实施例的透射光栅。

图2的图表示出在该透射光栅上蒸镀金属之前和之后所测量的各自的效率。

图3A和3B的视图示出了一组合衍射光栅的实施例。

图4的视图用于解释根据本发明的一实施例的第二透射光栅。

图5A到5C的视图用于解释一种制造所述透射光栅的方法。

图6A到6C的视图用于解释入射角、闪耀角和栅距之间的关系。

图7的视图示出在一单面板投影仪(single panel projector)中的应用的一示例。

图8的视图示出在一彩色无滤光器的液晶显示装置(一彩色无滤光器直观式(direct view)液晶显示装置)中的应用的一示例。

图9A和9B的视图示出在由一光导(波导)构成背光(backlight)的一集成系统中的应用的一示例。

图10A和10B的视图示出一个将根据本发明实施例的衍射光栅附装到一波导上以作为一多路信号分离器的构造示例。

图11的视图用于解释一种传统的用作闪耀型的衍射光栅的构造。

图12的视图示出一个线栅偏光器的示例。

具体实施方式

下面将参照附图说明本发明的实施例。

图1的视图解释了根据本发明的一实施例的第一透射光栅。在图1中所示的一透射光栅10中，在作为基底的一玻璃基底11上通过使用锯齿状透明树脂构件12形成一闪耀型衍射光栅。在图1所示的透射光栅10中，将该透明的树脂构件12的一部分朝上放置。在此闪耀型透射光栅中的锯齿形状的一条边上的倾斜表面(构成三角形横截面形状的两条直线中的一条的每个倾斜表面)上蒸镀金属构件13。该金属构件13优选地在所使用波长上有低的吸收性并且可容易地被蒸镀。因此，例如可使用铝、银或类似物。考虑到本实施例是在一色散元件中使用的，以200nm或以上的厚度蒸镀该金属构件13。例如，这与传统的蒸镀技术有很大的不同，传统的蒸镀技术以从10到100nm的厚度蒸镀金属薄膜，来实现例如在光掩膜中所使用的半透射。此外，在此实施例中，将在每一件金属构件13和该玻璃基底11的表面之间形成的角度定义为α，其对应一闪耀角。通常，闪耀角是指由在衍射光栅中刻的槽形成的角度。当在该闪耀型衍射光栅的一表面上蒸镀该金属构件13例如铝时，有可能减小零级透射的衍射光(直接透过的光)并提高第一级衍射效率。

透射和衍射的基本公式如下：

              sinθ_t1-sinθ_i＝sinθ_r1-sinθ_i＝mλ/p

                        θ_t0＝θ_r0＝θ_i

其中，θ_i是入射光的入射角，θ_t1是第一级透射的衍射光的出射角，θ_r1是第一级被反射的衍射光的出射角，λ是该入射光的波长，p是该光栅的栅距。此外，m是衍射级数。在针对第一级透射衍射光的公式中，m等于1。

从上述公式可清楚地看到，衍射角(该被透射的衍射光的出射角和该被反射的衍射光的出射角)由该衍射光栅的栅距p、该入射光的波长λ和该入射角θ_i确定。在该衍射光栅10的情况中，对于衍射效率需要进行复杂的计算；然而，衍射是由表面形状、材料(吸收特性和色散特性)、折射率等确定的。

在此实施例中，位于槽的一侧面上的蒸镀的金属对该零级透射光的路径进行屏蔽(不是完全屏蔽而是大约到0)，由此一反射表面被改造成为一个新的衍射表面。尽管衍射方向是由该栅距p确定的(级数由公式中的m确定)，但是此金属构件13的金属表面的影响减小了对零级透射的能量分配，并且该减小量被分配到第一级透射和零级反射中。这种分配的一部分是由该横截面形状确定的(特别由该闪耀角确定)。因此，该入射光受到限制；具体的，该入射角被限制到从α到90°的范围内，α是闪耀角。同时，可从入射到蒸镀有该金属构件13的表面的一侧的方向和入射到其相对侧的方向中选择入射方向。然而优选地是允许光入射到该相对侧上。尽管该衍射光栅的栅距是由其中使用的入射光的波长和角度确定的，但对于基本可见的光或红外线，优选地栅距在0.4mm到5mm的范围内。

这里，在图1所示的示例中，在锯齿形的该树脂构件12的一个倾斜表面上，也就是在构成该三角形横截面的两条直线的一条边上，形成该金属构件13，该金属构件13是一光屏蔽构件(一反射构件)。然而，该树脂构件12的横截面的形状可包括由一完整的弧组成的形状或其一边是一弧的形状。也就是说，当该横截面的形状的一边是一直线并且其另一边是一曲线时，可以在该直线边或该曲线边上蒸镀金属构件13。也可以在整个弧的曲线的一边上形成金属构件13。在这种情况下形成的作为光屏蔽构件的金属构件13中，在该弧的切线和底面之间形成的角可认为是闪耀角α。

下面，将描述制造图1中所示的透射光栅10的一种通用方法。

首先，在进行金属蒸镀前制造闪耀型衍射光栅。作为制造这种闪耀型衍射光栅的方法，例如使用一种被称为刻线机的切削机械在金属例如铜或镍上刻出具有三角形横截面的槽。实际的切削部分是一金刚石刀片(切削刀)。预先把该切削刀形成为该横截面形状。仅通过该刻线机进行切削就可完成一个反射光栅；然而，进行各相异性离子束蚀刻以增加该些槽表面的平坦性。因此，完成了具有由该平坦表面形成一个侧面的闪耀型衍射光栅。通过电铸来反模(reverse)这个母模具以形成一模具，而后通过使用透明树脂进一步使这个模具经受模塑。这样，可形成可透射型的闪耀型衍射光栅。

在用于在进行金属蒸镀前制造该闪耀型衍射光栅的另一种方法中，例如通过使用一硅基底的晶体的边缘以一掩膜进行各相异性离子蚀刻以形成在槽的两个表面上都有平坦表面的闪耀型衍射光栅。然后，通过电铸反模这个母模具以形成一模具，然后用透明树脂模塑可形成该衍射光栅10。还存在一种通过利用电铸复制该母模具然后进行覆盖(tiling)来形成一种较大尺寸——例如30cm×30cm或更大——的较大模具的方法。当如上所述形成此模具后，因为通过对树脂进行模塑或挤压加工可形成该衍射光栅，所以可以以低成本大批量地生产该衍射光栅。该树脂可以是一种热固性的树脂或一种光固化(photocuring)的树脂。只要该树脂在所使用的波长范围内是透明的并且能够容易地从模具上剥离，则该树脂可以是任何类型的树脂。所生产的衍射光栅可以是块状或片状。

此后，将该衍射光栅放入一蒸镀装置并经受金属构件13的斜向蒸镀。一种一般的方法可以用作斜向蒸镀的方法，并且可以利用在磁带上蒸镀磁物质所应用的斜向蒸镀方法等。如上所述，金属构件13优选地在所使用的波长处有低的吸收性并且容易被蒸镀。因此，优选地可使用例如铝、银或类似物。根据上述的制造方法可制造图1中所示的透射光栅10。

下面将根据一个示例进行说明。其中作为试验实际生产出并测量一元件。对于作为试验而生产的该元件，通过电铸来反模基于一母模具的形状以生成一模具，该母模具是通过对硅进行各相异性蚀刻而形成的，然后使用该模具模塑光固化树脂(光聚合物)以形成一衍射光栅。这里使用的光聚合物是从对可见光透明度很高并且适合该衍射光栅10的材料中挑选的。将铝13在上述形成的锯齿形的衍射光栅上斜向蒸镀，以作为金属构件。试验条件如下：

光栅栅距：           1800线/mm(556nm)

闪耀角：             58°

折射率(光固化树脂)： 1.49

铝沉积厚度：         200nm

蒸镀角：             60°

同时，测量条件如下：

入射角：             80°

使用的波长：         543nm(激光)

图2的图表示出在由上述示例得到的透射光栅10上蒸镀金属构件13之前或之后各自效率的测量结果。如图2所示，对于第一级透射效率，对于S-偏振光，在金属蒸镀后效率有轻微的降低(从24.1％到22.2％)。另一方面，对于P-偏振光，效率增加了大约4倍(从6.6％到25.1％)。同时，关于零级透射效率，对于这两种偏振光，效率都大大降低了(对于S-偏振光从19.8％到3.0％，以及对于P-偏振光从48.4％到10.7％)。同时，对于S-偏振光，零级反射光的效率增加(从41.9％到57.1％)。这是因为零级透射被该斜向蒸镀的金属构件13屏蔽并且其能量分配给了第一级透射光和反射光。在反射的衍射光方面，对于该透射类型使该闪耀角α最优，从而将其能量的大部分分配给零级衍射光。根据这些结果，很明显看出，这两种偏振光中的光的利用效率都增加了1.5倍或更高。此外很明显，最大情况下该零级透射光被抑制到10％。

如上所述，通过在该闪耀型透射光栅10上斜向蒸镀金属构件13可提高衍射效率并减小零级透射光。另一个实验也得出的结论是，即使该衍射光栅的形状不是一确切的三角形，上述效果也是显著的。通常，与通过模塑形成衍射光栅相比，当通过挤压加工形成衍射光栅时复制精度下降。然而，因为挤压不需要例如涂层或固化树脂等工艺过程，所以可以以低成本大批量地生产该种衍射光栅。已确认，即使是在由挤压形成的衍射光栅中，效率也提高了3倍或3倍以上(例如对于第一级衍射效率而言，从5％到15％)。

尽管仅通过衍射光栅自身就可以提高衍射效率，但是也可以设想循环利用增加的零级反射光。总之，可以通过准备一反射镜来构建一具有高的光利用效率的组合衍射光栅。

图3A和3B的视图示出了一组合光栅的实施例。图3A示出一构造示例，其中衍射光栅10和反射镜15平行放置。当将衍射光栅10和反射镜15平行放置时，可使零级反射光以与入射光相同的角度再次入射到该透射光栅上。同时，图3B示出一构造示例，其中布置两个镜子(一半透明反射镜16和一反射镜17)以循环利用该反射光。将该半透明反向镜16用作允许入射光进入的镜子。至于该反射镜，优选地具有棱镜或三面直角棱镜的全反射。然而，也可以使用一平常的镜子或菲涅耳镜。当然，根据预期应用可以插入一透镜、一狭缝、一针孔或一滤光器例如一偏光器，它们是另一光学元件。图3A或3B中示出的组合衍射光栅构成一个在一大面积上具有高的光利用效率的色散(或光耦合)照明系统。计算由于循环利用该反射光而得到的光利用效率的值并在图2中作为效率示出。通过使用此实施例中所示的构造，可以确定，效率的计算结果增加了1.6倍或以上(从24.2％到39.5％)。

下面将描述另一种透视光栅。

图4的视图解释了根据本实施例的第二透射光栅。图4中示出的透射光栅20的结构是，在一个树脂层22中周期性地设置小金属板23。在图1所示的透射光栅10中，通过斜向蒸镀具有高反射率的金属构件13可以仅在闪耀表面(或另一倾斜表面)上蒸镀金属。采用这种构造，可以大大降低零级透射的衍射光的强度并提高第一级透射的衍射光的强度。然而，这种透射光栅10具有不规则的表面，并且当将该光栅紧密附装到不同的光学元件或基底上时会带来问题。这种情况下，当将由一树脂层22a(稍后将描述)构成的衍射光栅的一不规则表面掩埋到一个具有与树脂层22a相同的折射率的树脂层22b(稍后将描述)中时，如图4中所示的透射光栅20，可以形成一种结构，其中被斜向蒸镀的小金属板23仅周期性地设置在具有相同的折射率的介质内。因此，该衍射光栅的两侧都具有平坦的表面并且易于操作。周期性地设置与一薄膜表面的倾角为该闪耀角α的小金属板23，从而构成该衍射光栅。通过采用这种结构，该衍射光栅与应用小金属板23作为反射表面的反射光栅在原理上是相同的，它可获得高的第一级衍射效率并大大降低零级透射光的强度。

下面，将描述一种制造图4中所示的透射光栅的方法。

图5A到5C的视图解释了制造该衍射光栅20的方法。首先，如图5A所示，使用一模具在一基底上形成由树脂层22a构成的衍射光栅。此外也形成了树脂层22b，该树脂层22b被设计为大约位于该树脂层22b的凹凸不平表面之上。例如，可以使用同样类型的树脂构成树脂层22a和树脂层22b。可通过金属切削制造将用于形成光栅的模具。热固性树脂或光固化树脂可用作树脂层22a来形成该衍射光栅。接着，如图5B中所示，在每个衍射光栅表面的一侧上斜向蒸镀小金属板23。优选地，该些小金属板23具有高的折射率。因此，优选地为银或铝。然后，利用如图5A中所示形成的树脂层22b使斜向蒸镀该些小金属板23后的衍射光栅表面平坦，并且如图5C中所示形成透射光栅20。这样，可以在该树脂层22内形成小金属板23，该些小金属板23以相对于薄膜表面的某一角度周期性地设置，并且该些小金属板23构成该衍射光栅。

应注意，用于实现平坦化的该树脂层22b的材料不总是必须与形成该衍射光栅的树脂层22a有同样的折射率。适当的时候可使用一种具有不同折射率的材料。此外，为了提高与不同元件之间的粘合，在该平坦的表面或基底表面上覆盖上其它树脂或另一种粘合剂，或是对前述两个表面中的任何一个表面进行紫外线处理或放电处理都是有效的。

例如，采用如此制造出来的图4中所示的透射光栅的构造的一个优势是，该透射光栅20容易操作，因为该光栅表面避免了直接接触。另一个优势是提高了与不同的元件或基底的粘合并且可以更紧凑地形成一元件或装置。此外，因为该小金属板23没有暴露在空气中并且避免被氧化从而避免被腐蚀，所以该透射光栅20可以很好地保持高反射率。应注意，入射角度存在限制。当该些小金属板23与该薄膜表面的方向之间的夹角(等于闪耀角)是如图4所示的α时，则入射角θ_i需要等于或大于α。

下面将说明入射角、闪耀角和栅距之间的关系。

图6A到6C的视图对该些关系进行了解释。图6A示出一种掩埋的类型，该类型也在图4中示出，图6B示出一种朝下的类型，图6C示出一种向上的类型，该类型也在图1中示出。

图6A示出一色散衍射光栅的最简单情况，其中小金属板(图4A中所示的小金属板23)被斜向设置。这里，θ_i是具有波长λ的入射光的入射角，θ_t1是第一级透射衍射光的出射角，α是小金属板23和一基底表面之间的夹角(等于闪耀角)，p是栅距，φ是入射到该树脂层22的光的折射角，n是一树脂基材料的折射率。现在，在已给出入射角θ_i和出射角θ_t1的前提下，可如下所述地得到闪耀角α和栅距p：

首先，可由如下所述公式得到栅距p，该公式是一通用衍射公式：

${\sin \mathrm{\θ}}_{t1}-{\sin \mathrm{\θ}}_i=\frac{\mathrm{\λ}}{p}$                                 〔公式1〕

其等价于：

$p=\frac{\mathrm{\λ}}{{\sin \mathrm{\θ}}_{t1}-{\sin \mathrm{\θ}}_i}$                                  〔公式2〕

同时，如此确定该闪耀角，从而基于小金属板的作用相当于一镜子的假设，在传播中没有发生衍射的光的出射方向与由一期望的出射角θ_t1定义的方向相一致。也就是说，应选择满足如下公式的α：

$\sin \mathrm{\φ}=\frac{{\sin \mathrm{\θ}}_i}{n}$

sinθ_t1＝n sin(φ+2α)                   〔公式3〕

更详细地，可将α表示为：

$\mathrm{\α}=\{\arcsin \left(\frac{{\sin \mathrm{\θ}}_{t1}}{n}\right)-\arcsin \left(\frac{{\sin \mathrm{\θ}}_i}{n}\right)\}/2$                                            〔公式4〕

图6B示出了槽的表面向下放置的情况。可按照与图6A相同的原理(〔公式1〕和〔公式2〕)得到栅距p。此外，φ₁表示一个当光入射到该树脂基材料时相对于槽的倾斜表面的垂直方向折射的光的折射角。

当光束直接传播而没有发生衍射时，该光束在该树脂内发生折射并且被该金属表面反射，然后再次传播到空气中。这种情况下，如此选择α和β，以便该光到空气的出射角等于该期望角度θ_t1。这种条件可写成如下公式：

${\sin \mathrm{\φ}}_1=\frac{\sin ({\mathrm{\θ}}_i-\mathrm{\β})}{n}$

sinθ_t1＝n sin(π-2α-β-φ₁)              〔公式5〕

具体地，当β＝θ_i时该反射光变为最低并且效率增加。这种情况下，α可表示为：

$\mathrm{\α}=\{\arcsin \left(\frac{{\sin \mathrm{\θ}}_{t1}}{n}\right)+\mathrm{\π}-{\mathrm{\θ}}_i\}/2$                                                   〔公式6〕

图6C示出将该些锯齿形状的倾斜表面向上放置的情况，这与图1中所示的情况相同。这里，φ₁表示当光入射到该树脂基材料的底部表面时相对于底部表面的垂直方向的折射角，并且φ₂表示当光从该树脂基材料的倾斜表面出射时相对于该倾斜表面的垂直方向的折射角。

按照与图6A相同的原理(〔公式1〕和〔公式2〕)可得到栅距p。此外，与图6A和6B相同，可得到α和β。该结果表示如下：

${\sin \mathrm{\φ}}_1=\frac{{\sin \mathrm{\θ}}_i}{n}$

sinφ₂＝n sin(φ₁-β)

θ_t1＝π-(φ₂+2α+β)        〔公式7〕

具体的，当φ₁＝β时效率变得最高。在这种情况下，可由下式得到α和β：

$\mathrm{\β}=\arcsin \left(\frac{{\sin \mathrm{\θ}}_i}{n}\right)$

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\π}-({\mathrm{\θ}}_{t1}+\mathrm{\β})}{2}$                                                〔公式8〕

下面将解释上述透射光栅10和20的应用示例。下面将根据在一单面板投影仪中的应用、在一彩色无滤光器的液晶显示器中的应用、在具有一构成背光的光导的集成系统中的应用和在附加到一波导上的多路信号分离器中的应用来进行描述。

图7的视图示出了一个在一单面板投影仪中的应用示例。由于图1中所示的透射光栅10和图4中所示的透射光栅20几乎不产生(或产生很少的)零级透射光的优点，所以可以将这些透射光栅应用于单面板投影仪。液晶投影仪有两种类型，即三面板类型和单面板类型。这两种类型是通过其中使用的有源矩阵液晶显示器的数量来区分的。三面板类型包括对应于相应颜色(红(R)、绿(G)和蓝(B))的三个有源矩阵液晶显示器。图7示出了单面板投影仪的一示例。图7中所示的单面板投影仪包括一例如由白氙(white xenon)灯以及类似物构成的光源101、一用于引导色散光的微透镜阵列102、一用于调制相互独立地色散成各R、G和B子像素的R、G和B的有源矩阵液晶显示器(TFT LCD)103和一用于将该被调制的光投映到一屏幕上的投影透镜104。

当将白氙灯及其类似物用作光源101时，考虑到光的利用效率，必须使用不同的液晶显示来分别调制色散成R、G和B的光。在该三面板类型中，通常使用二向色性的镜子使光色散成R、G和B。然而，三面板类型需要用于R、G和B的三个液晶面板以及三个向色性的镜子。因此，三面板类型会导致成本增加并同时难以进行紧凑的安装。所以公开了一种如图7中所示的仅使用一个有源矩阵液晶显示器(TFT LCD)103的单面板类型。在该单面板类型中，将一衍射光栅或一全息图用作色散元件(衍射元件)。

从光源101发出的并被透射光栅10或20色散的光以根据R、G和B的波长的角度出射，其中透射光栅10或20是一衍射元件。然后，该光通过微透镜阵列102并入射到有源矩阵液晶显示器103上。该有源矩阵液晶显示器103包括用于R、G和B的子像素，并且各自的光分量入射到其相应的子像素上以独立地实现调制。通过投影透镜104将通过该有源矩阵液晶显示器103的光投映到屏幕上。

这里，在使用衍射光栅的情况下通常使用一反射光栅，而在使用全息图的情况下使用一透射光栅。在该反射类型的情况中，该光源101和该有源矩阵液晶显示器103位于同一侧。因此，由于必须屏蔽来自该光源101的光，所以这就产生一个布局问题。同时，在该透射类型的情况中，当对于一特定波长减小零级透射光时，不可能同时对于其它的波长进行类似的减小。也存在一种对应于R、G和B的层压全息图结构。然而，总的来说在此结构中光的利用效率下降了。而且，用于全息图的材料是有限的，这些材料昂贵而且在抗热和均匀性上存在大问题。

然而，在如这个实施例中示出的受到金属蒸镀的衍射光栅10或20中，可以与波长无关地减小零级透射光。因此，可以通过该衍射光栅使该光源101和该有源矩阵液晶显示103分隔开，并由此减小杂散光。此外，与反射类型的情况不同，该光源101和该有源矩阵液晶显示103或屏幕位于该衍射光栅的不同侧。因此，容易进行布置并可以使装置紧凑。

图8的视图示出一个在一彩色无滤光器液晶显示装置(一彩色无滤光器直观式液晶显示装置)的应用的示例。这种彩色无滤光器液晶显示装置包括一例如使用一直形白色荧光灯的光源201、一用于引导来自该光源201的光的入射光学系统202、一例如形状为楔形的波导203、一例如由金属构成的反射片(反射板)204和根据本实施例的透射光栅10或20，该透射光栅作为色散元件用于使白入射光色散成R、G和B光分量。该彩色无滤光器液晶显示装置还包括一用于进行光透射和光屏蔽的液晶单元209，一柱面透镜阵列206，该柱面透镜阵列是一具有多个柱面透镜或透镜的光学元件(聚光元件)，一偏振薄膜207和一漫射薄膜208。在该液晶单元209中，在两个玻璃基底之间密封了一个液晶层。

从该光源201发射出的光通过该入射光学系统202入射到该波导203中。入射到该波导203的光被该波导203一下表面(位于该反射板204一侧的表面)和一上表面(位于该液晶显示单元209一侧的表面)反复反射，由此该光的角度逐渐变得更陡。当该光的方向超过该上表面上的一临界角时，该光从该上表面出射。该出射光由透射光栅色散成R、G和B的光分量，该透射光栅具有位于其中的倾斜表面上的金属表面。该色散光被偏振薄膜207偏振并入射到该柱面透镜阵列206中。该柱面透镜阵列206包括多个柱面透镜，并且每个柱面透镜对应于例如一个像素。一个像素包括用于R、G和B的三个子像素。由该液晶单元209内的相应子像素控制该些被色散和偏振的光分量的透射和屏蔽。通过该液晶单元的相应子像素的光分量进一步通过偏振薄膜207。此后，该些光分量由漫射薄膜208漫射，然后输出。以这种方式，对于图8中所示的液晶显示装置，使用根据本实施例的衍射光栅10或20可以增加该液晶显示装置的亮度。此外，通过组合该金属反射板204可形成一个具有高的光利用效率的组合衍射元件。

图9A和9B的视图示出一个在一集成系统中的应用的示例，该系统具有构成一背光的一光导(一波导)。图9A给出一个背光的示例，其中通过粘合将一衍射光栅和一光导集成。而图9B示出一种设定构成该透射光栅10或20的树脂构件12或22(见图1和图4)的折射率使之小于该光导的折射率的情况。通过使该衍射光栅和光导集成，可以减少元件数量和层压层的数量。此外，还有一个优势是可避免空气的干涉并由此提高光的利用率。

图9A中示出的平面背光(flat backlight)包括一例如使用一直形白色荧光灯的光源301，一光导302，该光导是一例如形状是楔形的用于引导来自光源301的光的波导，一具有例如通过蒸镀铝或银形成的镜面的反射片303，一用于粘合该光导302和该透射光栅10或20的粘合剂304，一用于控制光透射和屏蔽的液晶单元(TFT LCD)305和一用于使光漫射的漫射薄膜306。在图9A中所示的示例中，使用这样一种材料作为该粘合剂304，该材料的折射率低于作为该光导302的主要材料的丙烯酸树脂的折射率。因为丙烯酸树脂的折射率是大约1.49，所以可以使用具有较低折射率(折射率从1.3到1.5)的碳氟光固化树脂及其类似物。通过使用这种低折射率的材料作为粘合剂304来如图91A中所示使该透射光栅10或20和光导集成，平行光可入射到该透射光栅10或20上并色散地出射而不损害该光导302的内部全反射。

同时，如图9B中所示，通过使用折射率低的材料作为该树脂构件12或22以形成该透射光栅10或20，可在该光导302上直接形成透射光栅10或20。在这种构造中，当该衍射光栅的栅距p增加时，尽管衍射的效果降低了，但该背光的作用可相当于一透射的菲涅耳镜。

图10A和10B的视图示出使用根据本实施例的衍射光栅作为一个附装到一波导上的多路信号分离器的构造示例。图10A示出一个将来自该波导的光色散到位于基底404上的一元件(一检测元件405)的构造示例，而图10B示出了一个将来自于基底404上的一元件(一光发射元件406)的光学信号耦合到该波导的构造示例。因为根据这个实施例的透射光栅10或20可以大大降低零级透射光，所以可通过将该透射光栅10或20附装到该波导上来利用该透射光栅。在图10A或10B中，提供具有稍微不同的折射率的层即中心层402和包层401来作为该波导。包层401将中心层402夹在中间以便形成一个位于该中心层402和该包层401之间的衍射光栅。同时，在图10A中，该多路信号分离器包括一个用于聚集从由该中心层402和包层401组成的波导出射的光的透镜403，和具有用于检测来自该透镜403的光的检测元件405的基底404。根据该透射光栅10或20的栅距改变入射光的衍射角。因此，可以通过闪耀角和该光栅的总长度来控制分光比(splitting ratio)。自该波导分光出的光通过该聚光透镜(透镜403)入射到位于该基底404上的检测元件405上，并被转化成电信号。

另一方面，在图10B中，该多路信号分离器包括具有光发射元件406例如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的基底404，和用于将这个光发射元件406输出的光引入该波导的透镜403。这里，光从与图10B中所示的光的方向相反的方向进入。在图10B中所示的多路信号分离器中，通过使用该光发射元件406例如一半导体激光器将来自于该基底404上的每个元件的电信号转化成光信号，并且该光信号被输出到位于该基底404下面的波导。该被输出的光进入该透射光栅10或20并随后进入该波导中。这种情况下，向左衍射和向右衍射之间的比率受到金属构件12(小金属板23)的斜向蒸镀的影响而变化很大。这样，可以引导该光在一个方向上传播。

对于构成该波导的中心层402和包层401，设定该中心层402的折射率使之高于该包层401的折射率。设定这种折射率的差值使之在从大约0.01到0.1的范围内。因此，在该中心层402内传播的光高度平行。光进入该中心层402并以等于或大于一临界角的角度传播(即重复进行光的全反射)，该临界角是由该中心402和该包层401之间的折射率的差值确定的。具体地，多模波导的中心层402的直径较大，其范围从10mm到100mm，并且这样的多模波导用于短距离通信。此波导在基底的一表面层部分上(或内部)形成，并且传送和接受去往和来自位于该基底404上的芯片(例如该检测元件405或光发射元件406)的光。具体地，为了将来自该波导的光信号传送到多个芯片，必须将光分光，因而需要一个所谓的多路信号分离器。

在此实施例中，当形成该波导时，在该中心层402和该包层401之间形成该衍射光栅，并且具体地，插入这样的透射光栅10或20，该透射光栅10或20的结构中包括斜向设置的小金属板。这样，该装置被用作一多路信号分离器。尽管在该中心层402中传播的光仅具有等于或大于临界角的角度，但光以位于从该临界角到90°(多模)的范围内的各种角度进行传播。当将一简单的镜子插入该波导中时，会将这样的角发散直接输出到空气中。因此，可能存在该透镜403不能充分地聚集该些光的情况。因为衍射透镜提供了角度的选择性，所以该衍射透镜可以只将具有某一角度(从该衍射光栅的观点看其对应于入射角)的光分支到朝上的方向上。同时，使用一衍射光栅或一镜子将承载信号的光分支到位于该基底404上的相应芯片中。在这种情况下，因为当形成该波导时可以整体地形成该衍射光栅，所以就该工艺过程而言，使用该衍射光栅是方便的。当使用一透射光栅时，零级透射光的量一般较大，并且该零级透射光不仅导致损耗，而且会带来导致S/N比率降低的散射光。通过使用根据本实施例的透射光栅(例如10和20)可防止出现这种散射光。

这样，当将根据本实施例的衍射光栅应用于多路信号分离器时，可以大大降低零级透射光并由此降低功率损耗。尽管也增加了零级反射光，但该反射光在该波导内传播因此不会造成损耗。此外，可以增加具有窄的角发散的、期望的第一级透射光。因此，通过利用透镜403聚光可以确保光信号传输到位于基底404上的芯片中。此外，可将这种结构设置成双向的。因此，可使光从相反的路线进入该波导。

如上面详细描述的，根据本实施例，在可以以低成本大批量生产的该透射光栅内可以提高第一级透射光的衍射效率并大大降低到零级透射光的发散。此外，通过使用与该透射光栅平行布置的一镜子或类似物反射该被反射的衍射光，可以循环利用该反射光并由此构建一个具有高的光利用效率的系统。因此，在使用这些衍射光栅的显示装置例如一液晶显示器或一投影仪中，可以增加亮度，并同时减小部件的数量。

除了彩色无滤光器的直观式液晶显示装置外，本发明的实现示例包括诸如彩色无滤光器的液晶投影装置的彩色显示装置、在具有一构成背光的光导的集成系统中的应用、将附装到一波导上的多路信号分离器等。

尽管已详细描述了本发明的优选实施例，但应理解在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替换和变型，本发明由所附的权利要求书限定。

Claims (20)

1.一种色散元件，包括：

一衍射光栅，其由多个各自具有一被两条直线和一条曲线中的任何一个围绕的横截面形状的衍射光栅构件构成；

多个光屏蔽构件，每一个均在该些衍射光栅构件中相应的一个上在所述衍射光栅构件沿该横截面形状的该直线和该曲线中的任何一个的一侧面上形成。

2.根据权利要求1的色散元件，其特征在于，所述光屏蔽元件减小了相对于入射光的零级透射光。

3.根据权利要求1的色散元件，其特征在于，所述光屏蔽构件是通过在该衍射光栅构件上在该衍射光栅构件沿该横截面形状的该直线和该曲线中的任何一个的一侧面上从一倾斜方向蒸镀金属而形成的。

4.根据权利要求1的色散元件，其特征在于，所述光屏蔽构件是通过在该衍射光栅构件上在该衍射光栅构件沿该横截面形状的该直线和该曲线中的任何一个的一侧面上以200nm或200nm以上的厚度蒸镀金属而形成的。

5.根据权利要求1的色散元件，其特征在于，该衍射光栅的所述衍射光栅构件具有三角形的横截面形状，以及

该光屏蔽元件是通过在该衍射光栅构件的一倾斜表面上蒸镀金属而形成的。

6.一种衍射光栅，包括：

一树脂层；以及

位于该树脂层内的多个金属表面，该些金属表面是周期性设置的，每个金属表面具有一与该薄膜表面成一给定的闪耀角的倾角。

7.根据权利要求6的衍射光栅，其特征在于，确定该金属表面的给定的闪耀角以便相对于入射光抑制零级透射光并提高第一级透射光的衍射效率。

8.一种组合衍射元件，包括：

一透射光栅，其包括多个被设置为在一个方向上倾斜以便相对于入射光屏蔽零级透射光的金属表面；以及

一反射构件，其用于将来自该透射光栅的相对于入射光的零级反射光返回到该透射光栅。

9.根据权利要求8的组合衍射元件，其特征在于，该透射光栅是通过从该衍射光栅的一侧斜向蒸镀金属而形成的。

10.一种组合衍射元件，包括：

一光源；

一用于引导从该光源发出的光的光导；以及

一与该光导集成在一起的衍射光栅，该衍射光栅包括具有高反射率的以一闪耀角为倾角周期性设置的诸金属表面。

11.根据权利要求10的组合衍射元件，其特征在于，该衍射光栅是使用一折射率小于该光导的粘合剂粘合的。

12.根据权利要求10的组合衍射元件，其特征在于，该衍射光栅是使用折射率小于该光导的树脂形成的。

13.一种彩色显示装置，包括：

一光源；

一衍射光栅，其用于将从该光源发出的光分离成多个波长范围的光分量；以及

一透镜，其用于接受被该衍射光栅分离出的光分量并聚集一给定波长范围的光分量以便相应于一给定的子像素，

其中该衍射光栅包括具有高反射率并以一给定角度的倾角周期性设置的诸金属表面。

14.根据权利要求13的彩色显示装置，其特征在于，还包括：

一液晶单元，其用于透射和屏蔽被该衍射光栅分离并被该透镜聚集的光分量。

15.根据权利要求13的彩色显示装置，其特征在于，还包括：

一波导，其用于引导来自该光源的光；以及

一反射板，其用于将已被该波导引导的光向该衍射光栅反射。

16.一多路信号分离器，包括：

一波导，其用于引导光；

一透射光栅元件，其用于分光在该波导中传导的光并同时抑制零级透射光，该透射光栅元件紧邻该波导；以及

一用于检测被该透射光栅元件分光的光的检测元件。

17.根据权利要求16的多路信号分离器，其特征在于，该透射光栅元件包括周期性设置的多个金属表面，每个金属表面具有一与一薄膜表面成一给定闪耀角的倾角。

18.根据权利要求16的多路信号分离器，其特征在于，该波导包括一中心层和一包层，该包层的折射率小于该中心层，以及该透射光栅元件是在该中心层和该包层之间形成的。

19.一多路信号分离器，包括：

一波导，其用于引导在一临界角内的光，该临界角由一中心层和一包层之间的折射率的差来确定；

一透射光栅元件，其位于在该波导中该中心层和该包层之间，该透射光栅元件中倾斜地和周期性地设置了诸金属表面。

20.一种用于制造一种衍射光栅的方法，包括如下步骤：

使用一模具和树脂形成一衍射光栅；

从一倾斜的方向在该形成的衍射光栅上蒸镀金属；

通过用树脂掩埋来使具有该蒸镀的金属的该衍射光栅的一表面平坦。

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