CN1910513A

CN1910513A - 偏振积分器

Info

Publication number: CN1910513A
Application number: CNA2005800021346A
Authority: CN
Inventors: 后利彦; 大久保总一郎; 松浦尚
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2004-01-08
Filing date: 2005-01-07
Publication date: 2007-02-07
Also published as: KR20060132636A; WO2005066710A1; TW200528777A; EP1703319A1; EP1703319A4; US20070182931A1; JP2005195919A; CA2550520A1

Abstract

偏振积分器包括用于将光源1的光分离为P偏振光和S偏振光的偏振分束器(PBS)，第一微透镜52，1/2波片53和第二微透镜54；第一微透镜被设置为使得由PBS分离的P偏振光和S偏振光被聚焦到互不相同的位置上；1/2波片被设置在P偏振光被聚焦的位置上，并且将P偏振光转换为S偏振光；第二微透镜将透射通过1/2波片并且经过偏振转换的S偏振光与没有通过1/2波片的S偏振光合成；以及该偏振分束器、该第一微透镜、该1/2波片或是该第二微透镜中的至少之一是利用DLC膜形成的。

Description

偏振积分器

技术领域

本发明涉及对用于将非偏振光分离为P偏振光和S偏振光、以及用于将一种偏振光转换为另一种偏振光、并合成光线的偏振积分器(polarization integrator)的改进。这种偏振积分器可令人满意地用于例如液晶投影仪中。

背景技术

图7以示意性简图的方式示出了传统液晶投影仪的一个例子。液晶投影仪包括光源1。为了提高光的利用率，将光源1置于圆顶形或抛物线形反射镜2的内部。来自光源1的反射光线通过准直透镜3成为平行光线，然后由第一全反射镜M1将其引向第一分色镜DM1。第一分色镜DM1仅透射蓝光B，而反射其它颜色光。已透射通过第一分色镜DM1的蓝光B经第二反射镜M2和第一聚光透镜CL1聚焦到液晶面板LC1上。

由第一分色镜DM1反射的光被引向第二分色镜DM2。第二分色镜DM2仅反射绿光G，而透射剩余的红光R。由第二分色镜DM2反射的绿光G被第二聚光透镜CL2聚焦到液晶面板LC2上。由第二分色镜透射的红光经由第三全反射镜M3、第四全反射镜M4和第三聚光透镜CL3聚焦到第三液晶面板LC3上。

被聚焦到第一液晶面板LC1、第二液晶面板LC2和第三液晶面板LC3上的蓝光B、绿光G和红光R在透射通过各自对应的液晶面板后由棱镜4合成。然后，由棱镜4合成的三原色被投影透镜5投影到显示屏(图中未示出)上。

众所周知，液晶面板包括多个呈矩阵排列的像素，并且能够通过对每个像素施加电信号来透射光或是遮光。为了能够遮光，将液晶层夹在两个偏振片之间。具体地说，液晶面板接收到的光是平行于预定直线方向的偏振光。但是，由一般用在液晶投影仪中的光源辐射的光都是非偏振光(或是任意偏振光)。因此，由光源辐射并且透射通过液晶面板的投影光的利用率不到光源辐射光的1/2。近些年来，偏振积分器已经被用于提高由于在液晶投影仪中使用非偏振光源而导致的较低的光利用率。

图8是描绘偏振积分器基本原理(参见Nobuo Nishida，“LargeScreen Displays”，Kyoritsu Publishing，2002)的示意性剖视图。在这种偏振积分器中，由覆盖有圆顶形反射镜2的光源1所发出的光线通过准直透镜(图中未示出)成为平行光线，并入射到偏振分光棱镜11。棱镜11包括PBS(偏振分束器)膜12。PBS膜12发挥作用以透射来自光源的P偏振光并反射来自光源的S偏振光。

用1/2波片13使透射通过PBS膜12的P偏振光的偏振方向发生旋转，并且使之转换为S偏振光。另一方面，被PBS膜12反射的S偏振光被全反射镜14反射后，变得与透射通过1/2波片13的S偏振光平行。然后，由全反射镜14反射的S偏振光和透射通过1/2波片13的S偏振光被透镜(图中未示出)合成，并且使该合成后的S偏振光入射到液晶面板上。

应注意的是，在图8中将1/2波片应用于透射通过PBS膜12的P偏振光，但也应认识到，相反地，还可以将1/2波片13应用于被PBS膜12反射的S偏振光。在这种情况中，光源光束被分离为P偏振光束和S偏振光束。一旦S偏振光束被转换为P偏振光束，则两束P偏振光束被合成并入射到液晶面板上。

发明内容

图8中所示类型的偏振积分器包括偏振分光棱镜11。从减小液晶投影仪尺寸的观点来看，这种类型的棱镜并不理想。如果棱镜是由玻璃制造的，那么会相对较重并难于加工。棱镜还可以由树脂制造，这样投影仪发光度增大，但随之也带来了树脂的耐热性差的问题。此外，PBS膜需要数十层使用多层电介质膜的偏振分束器涂层，这使得成本提高。

考虑到传统偏振涂层的这些问题，本发明的一个目的是提供一种能够减小重量和尺寸、具有优异耐热性、形式简单并且成本低的偏振积分器。

本发明的偏振积分器包括将光源的光分离为P偏振光和S偏振光的偏振分束器、第一微透镜、1/2波片和第二微透镜，其特征在于：第一微透镜被设置为使得由偏振分束器分离的P偏振光和S偏振光被聚焦到互不相同的位置上；1/2波片被设置在P偏振光或是S偏振光被聚焦的位置上，并且将P偏振光或S偏振光转换为S偏振光或是P偏振光；第二微透镜将透射通过1/2波片并且经过偏振转换的S偏振光或是P偏振光与没有透射通过1/2波片的S偏振光或是P偏振光合成；并且该偏振分束器、该第一微透镜、该1/2波片或是该第二微透镜中的至少之一是利用DLC(类金刚石碳)膜形成的。

偏振分束器或是1/2波片中的至少之一可由在DLC膜中形成的折射率调制衍射光栅制成。至少第一微透镜或是第二微透镜可以是在DLC膜中制成的折射透镜或是折射率调制衍射透镜。另外，每一组都具有偏振分束器、第一微透镜、1/2波片和第二微透镜的多个组可在光源发出的光束的截面内循环排列。这类偏振积分器可优选用在液晶投影仪中。

附图说明

图1是示意性描述根据本发明的偏振积分器一个例子的剖视图；

图2是示意性描述用DLC膜制造被包括在图1所示偏振积分器中的折射微透镜阵列的方法的剖视图；

图3是示意性描述压印方法的剖视图，可将其用作制造图2所示折射微透镜的方法；

图4是示意性描述被包括在图1所示偏振积分器中的DLC膜衍射微透镜的剖视图；

图5是示意性描述用于制造图4所示衍射微透镜的方法的剖视图；

图6是示意性描述被包括在图1所示偏振积分器中的DLC膜偏振分束器的剖视图；

图7是示意性描述传统液晶投影仪的剖视图；

图8是示意性描述传统偏振积分器基本原理的剖视图。

本发明的最佳实施方式

首先，在作出本发明的过程中，本发明人证实：通过使能量束入射到透射性DLC(类金刚石碳)膜上可增大折射率。这种DLC膜可在硅石基底、玻璃基底或是各种其它类型的基底上利用等离子体CVD(化学汽相沉积)形成。如此通过等离子体CVD获得的透明DLC膜一般具有约为1.55的折射率。

可使用离子束、电子束、同步加速器辐射(SR)光、紫外(UV)光等作为增大DLC膜折射率的能量束。通常确认的是：在这些能量束中，He离子辐射使得DLC膜折射率的最大变化达到约Δn＝0.65。SR光辐射一般也允许DLC膜折射率的最大变化达到约Δn＝0.50。另外，利用UV辐射也可达到使DLC膜折射率的最大增幅约为Δn＝0.20。可以看出，与由传统的玻璃离子交换而导致的折射率变化(最大为Δn＝0.17)或是由石英玻璃受UV辐射而引起的折射率变化(小于约Δn＝0.01)相比，利用能量束辐射DLC膜而产生的折射率变化量非常大。

图1是示意性描述本发明实施方式的一个例子中的偏振积分器的剖视图。在这种偏振积分器中，将光源1置于圆顶形或是抛物线形反射镜2的内部。由光源1辐射的光经过准直透镜(图中未示出)变为平行光，然后入射到偏振分束器51上。也就是说，偏振分束器51将光源发出的光分离为P偏振光和S偏振光。第一微透镜52将P偏振光束聚焦到1/2波片53上，并将S偏振光束聚焦到没有设置1/2波片的区域上。

1/2波片53将P偏振光转换为S偏振光。透射通过1/2波片53的S偏振光束和通过没有设置1/2波片53的区域的S偏振光束由第二微透镜54和透镜55合成，并由准直透镜CL入射到液晶面板LC上。液晶面板LC所包括的偏振片当然被设置为接收S偏振光。

在图1所示的实施例中，将1/2波片53应用于P偏振光，但应当理解的是，也可将1/2波片53应用于S偏振光。在这种情况中，光源光束被偏振分束器51分离为P偏振光束和S偏振光束，并且在S偏振光束被1/2波片53转换为P偏振光束之后，这两束P偏振光束被合成并入射到液晶面板LC上。当然，液晶面板LC所包括的偏振片被设置为接收P偏振光。

通过利用偏振积分器将光源发出的非偏振光合成为S偏振光或P偏振光，可由此提高液晶投影仪中光源光线的利用率。在本发明中，构成偏振积分器的偏振分束器、第一微透镜、1/2波片和第二微透镜中的至少之一是利用DLC膜形成的。DLC膜当然是又薄又轻并且耐热性优异。因此，使构成偏振积分器的偏振分束器、第一微透镜、1/2波片和第二微透镜中的至少之一能够利用DLC膜形成，可以使偏振积分器的尺寸、重量和成本降低，并且进一步来说，可以使液晶投影仪的尺寸、重量和成本降低。

图2是根据本发明用于制造折射微透镜阵列的方法的一个例子的示意性剖视图。可以将这种类型的折射微透镜阵列用作图1所示的第一微透镜52或是第二微透镜54。

在图2A中，在DLC膜21上形成掩模层22。能够限制能量束23透射的各种材料都可以用于掩模层22；优选使用金。掩模层22具有呈阵列排列的非常小的凹陷22a。这些凹陷22a中的每一个都具有包含近似球面的一部分或是近似圆柱面的一部分的底面。能量束23经由包括这些凹陷22a的掩模层22射到DLC膜21上。

在图2B中，在被能量束23辐射之后，去除掩模层22，在DLC膜21中形成微透镜阵列21a。也就是说，被能量束23辐射使得在DLC膜21中，形成了对应于掩模层22的凹陷22a阵列的高折射率区域21a阵列。在这一情况下，掩模层凹陷22a具有球形或圆柱形底面；因此，掩模层的厚度从凹陷22a的中心部分向周边增大。换句话说，这意味着能量束23透射通过凹陷22a的中心部分可能比透射通过其周边更容易。因此，高折射率区域21a的深度具有球形凸透镜或是圆柱形凸透镜的形状，并且其中心部分较深，而周边较浅。结果，每一个高折射率区域21a可作为单个的微透镜来使用。

当如图2所示利用能量束23制造微透镜阵列时，通过调节球形或是圆柱形凹陷22a的深度可以调节微透镜21a的厚度；即，可调节焦距。即使是不调节凹陷22a的深度，也可以通过改变入射能量束23的透射率来调节微透镜21a的焦距。例如，如果把He离子束用作能量束23，则可以通过增大它的离子加速度能量来提高透射率，从而可缩短微透镜阵列21a的焦距。随着相对于DLC膜而言能量束23的剂量增大，折射率变化Δn也增大了，因此微透镜21a的焦距也可以通过调节剂量来调节。

可通过各种方法制造如图2A所示的、具有近似球形或是近似圆柱形的凹陷22a的掩模。例如，可以在DLC膜21上形成厚度均匀的掩模层22，在掩模层的顶部上形成带有微孔阵列或是平行的线性开口阵列的保护层。通过从保护层中的小孔或是线性开口开始各向同性地进行蚀刻，可在这些非常小的孔之下的掩模层22中形成近似球形或是近似圆柱形的凹陷22a。

使用可以由图3中以剖视图示意性描述的方法制成的冲压模，可以容易地制造出掩模层22，该掩模层22具有如图2A所示的近似球形或近似圆柱形底面的凹陷22a。

在图3A中，例如在硅石基底31上形成保护图案32。在基底31上的以阵列布置的多个非常小的圆形区域上或是在基底31上的多个平行排列的细带形区域上形成保护图案32。

在图3B中，加热并熔化保护图案32。在每个非常小的圆形区域或是细带形区域上熔化的保护剂32a由于其表面张力而呈现出近似球形或是近似圆柱形的凸透镜形状。

在图3C中，对硅石基底31a和近似为凸透镜形状的保护剂32b一起进行RIE(反应离子蚀刻)，在RIE引起保护剂32b的直径或是宽度缩小时，导致硅石基底31a受到蚀刻。

结果，最终获得如图3D所示的具有近似球形或是近似圆柱形凸起部分31b的阵列的硅石冲压模31c。可通过调节图3c中保护剂32b与硅石基底31a的蚀刻速度的相对百分比来调节凸起部分31b的高度。

由此获得的冲压模31c可优选用于制造带有例如图2A所示的凹陷22a的掩模层22。也就是说，如果例如用材料金形成掩模层22，金的良好延展性则意味着通过用冲压模31c在金掩模层22上压印就可以容易地形成凹陷22a。因为一旦制造出冲压模31c，就可以重复使用该冲压模，所以使用此方法形成凹陷22a可以远比通过蚀刻在掩模层22中形成凹陷22a更容易和更便宜。

根据本发明利用DLC膜形成的折射微透镜阵列，使得能够通过用能量束辐射形成与传统所使用的玻璃基底相比而言具有更高折射率的透镜，因此能够在DLC膜中形成比玻璃基底薄得多的折射微透镜阵列。然而，即使是有了使用DLC膜的折射微透镜，仍需要比下述的衍射型微透镜更薄的DLC膜；要求约10至20μm的厚度(作为使用衍射效应的微透镜的一个例子，参阅“Ultra Precise Processing andHigh Volume Manufacturing Technology for Micro Lens(Arrays)”，Technical Information Institute Co.，Ltd.，2003，pp.71-81)。

图4A的示意性平面图以及图4B的示意性剖视图描述了根据本发明另一种实施方式的衍射微透镜。尤其是，可以制造出与折射微透镜相比而言非常薄的折射率调制衍射微透镜。可以在厚度约为1至2μm的DLC薄膜中制造衍射微透镜。也就是说，折射率调制衍射微透镜40利用DLC膜41制造而成，并包括多个同心带状环形区域Rmn。此处，符号“Rmn”表示第m个环区中第n个带状环形区域，并且还表示从同心圆的中心至带状环形区域的外边缘的半径。越是远离同心圆中心的带状环形区域Rmn，其宽度被减小得越多。

相邻的带状环形区域Rmn各自具有不同的折射率。如果图4所示的衍射微透镜是包括两个折射率调制级别的衍射透镜，则该透镜包括3个环区(即m最大为3)，每个环区包括2个带状环形区域(即n最大为2)。在同一环区中，内侧的带状环形区域比外侧的带状环形区域具有较高的折射率。

由上述可推测：在具有四个折射率调制级别的衍射透镜中，一个环区包括4个带状环形区域(即n最大为4)。在这种情况中，在给定环区中，也是越靠近同心圆中心的折射率越大。也就是说，从单个环区的内圆周侧到外圆周侧形成四级折射率变化。这四级折射率变化的循环在每个环区都重复，共重复了m次。

可根据下面基于衍射理论的等式(1)来确定带状环形区域Rmn的外圆周半径，该半径属于标量近似值。在等式(1)中，L表示透镜衍射级，λ表示光波长，f表示透镜焦距。最大的折射率变化量Δn必须能够产生最大的相位调制幅度：Δφ＝2π(L-1)/L。

等式1

Rmn = \sqrt{\frac{2 mnfλ}{L} + {(\frac{mnλ}{L})}^{2}} . . . (1)

图5的示意性剖视图描述了制造图4所示类型的二级衍射微透镜的方法。

在图5A中，例如，镍传导层42通过EB(电子束)汽相沉积法形成在DLC膜41上。保护图案43形成在该传导层42上，以覆盖对应于图4中n＝1的带状环形区域Rmn(m＝1-3)。金掩模44通过电镀形成在保护图案43的开口部分。

在图5B中，去除保护图案43，留下金掩模44。能量束45通过金掩模44中的开口部分入射到DLC膜41上。这导致带状环区域(41a)Rm1受能量束45的辐射，使得折射率增大，而屏蔽掉了能量束45的带状环区域(41b)Rm2则保持DLC膜的原始折射率。也就是说，获得了图4所示类型的二级衍射微透镜。

在图5的例子中，在各个DLC膜上形成掩模层，但不用说，也可以使能量束通过单独制造的独立掩模辐射DLC膜。应当理解的是，可通过依次利用调整了图案的掩模、用能力束重复辐射DLC膜而获得多级衍射微透镜。

另外，在DLC膜上，通过使用包括多个厚度级别的同心带状环区域的冲压模来冲压金掩模层，而不是使用图3D所示的冲压模类型，并且用能量束经由冲压后的金掩模层进行辐射，也有可能利用单行程的能量束辐射制成多级衍射微透镜。

此外，在上述衍射微透镜的实施方式中，尽管对应于圆柱形凸透镜衍射透镜说明了衍射微透镜，但应理解的是，本发明也可以应用在对应于圆柱形凸透镜折射透镜的折射微透镜中。在这种情况中，应形成取代多个折射率调节型同心带状环形区域的多个折射率调节型平行带状区域。在这种情况中，例如将图4B剖视图中的多个折射率调节型平行带状区域相对于示图所在纸面垂直拉伸。在这种情况中，将图5B中的金掩模44也相对于示图所在纸面垂直拉伸。

此外，在本发明中，可利用DLC膜制造图1的偏振分束器51。也就是说，偏振分束器51包括在DLC膜中形成的折射率调制衍射光栅。例如，在Applied Optics，Vol.41，2002，pp.3558-3566中说明了用衍射光栅实现偏振分光的能力。

图6示出了包括DLC膜的偏振分束器51A的示意性剖视图，该DLC膜具有折射率调制衍射光栅。也就是说，DLC膜51A包括相对较低的折射率区域51a和相对较高的折射率区域51b。低折射率区域51a是没有被能量束辐射的区域，其具有例如1.55的折射率。另一方面，高折射率区域51b是已用SR(同步加速器辐射)光在例如620(mA/min/mm²)的同步加速器条件下辐射过的区域，其折射率被提高到例如1.90。高折射率区域51b和低折射率区域51a之间的分界面相对于DLC膜表面例如以40度倾斜。

这种类型的偏振分束器51A可按下述方法制造。例如，可在DLC膜上形成具有线条和空白相间图案的金掩模，该图案中0.5μm宽的金条带以周期为1μm的重复图案排列。然后SR光在垂直于金条带的纵向方向上相对于DLC膜表面以40度角入射。

如果包含有S偏振光和P偏振光的光如图6所示入射到DLC膜偏振分束器51上，则S偏振光会作为零级衍射光(相当于TE波)通过，而P偏振光会作为一级衍射光(相当于TM波)被衍射。也就是说，P偏振光和S偏振光彼此分离。

另外，也可以利用本发明的DLC膜制造图1中的1/2波片。即，利用这样的DLC膜可导致产生1/2波片的作用，该DLC膜包括与图6所示的折射率调制衍射光栅相似的衍射光栅。可如下述方法制造这种类型的1/2波片53。例如，可在DLC膜上形成具有线条和空白相间图案的金掩模，该图案中0.5μm宽的金条带以周期为1μm的重复图案排列。然后，用SR光以垂直于DLC膜表面的方向照射。使P偏振光通过例如具有如上所述获得的折射率调制衍射光栅的DLC膜1/2波片，线性偏振光平面被旋转90度而被转换为S偏振光。当然，也可能利用1/2波片将S偏振光转换为P偏振光。

图7示出了透射型液晶投影仪，但不必说，本发明的偏振积分器也可以用于反射型液晶投影仪(参见文献同前，“Large ScreenDisplays”)。

如上所述，在本发明中，包括在偏振积分器中的偏振分束器、第一微透镜、1/2波片和第二微透镜中的至少一个是利用DLC膜形成的，因此，能够更简单并且更廉价地获得更轻更小型化的偏振积分器。

工业适用性

本发明的偏振分束器可减小重量和尺寸，并具有更简单的结构和更低的成本。这种偏振分束器还可以使液晶投影仪的重量、尺寸和成本也降低。

Claims

1.一种偏振积分器，包括用于将光源的光分离为P偏振光和S偏振光的偏振分束器，第一微透镜，1/2波片和第二微透镜，其特征在于：

所述第一微透镜被设置为使得由所述偏振分束器分离的P偏振光和S偏振光被聚焦到互不相同的位置上；

所述1/2波片被设置在P偏振光或是S偏振光被聚焦的位置上，并且起到将P偏振光或是S偏振光转换为S偏振光或是P偏振光的作用；

所述第二微透镜将透射通过所述1/2波片并且经过偏振转换的S偏振光或是P偏振光与没有通过所述1/2波片的S偏振光或是P偏振光合成；以及

所述偏振分束器，所述第一微透镜，所述1/2波片和所述第二微透镜中的至少之一是利用DLC膜形成的。

2.如权利要求1所述的偏振积分器，其特征在于：

所述偏振分束器或是所述1/2波片中的至少之一是由在DLC膜中形成的折射率调制衍射光栅制成的。

3.如权利要求1或2所述的偏振积分器，其特征在于：

至少所述第一微透镜或是所述第二微透镜是在DLC膜中形成的折射透镜或是折射率调制衍射透镜。

4.如权利要求1至3中任一项所述的偏振积分器，其特征在于：每一组都具有所述偏振分束器、所述第一微透镜、所述1/2波片和所述第二微透镜的多个组在所述光源发出的光束的截面内循环排列。

5.一种包含权利要求1至4中任一项所述的偏振积分器的液晶投影仪。