一種液晶投影顯示用的偏振轉換器件及其製備方法
2023-08-06 05:13:11
專利名稱：一種液晶投影顯示用的偏振轉換器件及其製備方法
技術領域：
本發明涉及光學領域，特別是一種液晶投影顯示用的偏振轉換器件。
近年來，高清晰度電視(HDTV)的技術發展非常迅速，發展起了許多新型的顯示技術，如等離子體顯示(PDP)技術、薄膜電晶體(TFT)顯示技術、數字微反射鏡顯示(DMD)技術、以及矽基液晶反射式(LCOS)顯示技術等等。其中，TFT和LCOS顯示技術都屬於液晶顯示技術，由於具有解析度高、成本低、容易實現大規模生產等優點，被認為是下一代的主流顯示技術。
液晶顯示技術基本上都是利用光的偏振效應來實現的。但現實生活中的光源所發出的光基本上都是不帶偏振的自然光。因此，起偏器是液晶顯示系統中的重要部件。傳統的起偏方法是採用偏振稜鏡或有機極性分子材料，這種方法的缺點是只能利用某一偏振方向的光，而其它偏振方向的光則被浪費掉了，因此它對光源的利用效率最高也不會超過50％。而在液晶顯示系統中，光源的利用效率是一個非常重要的因素。針對此，近年來發展出了一種用多個小偏振分光稜鏡和二分之一波片膠合組合而成的偏振轉換器件，可以把自然光轉換成線偏振光。但這種偏振轉換器件的成本較高，而且由於膠合面很多等原因，實際的光效率也只能達到70％左右。
本發明的目的在於提供一種結構簡單、成本低廉、光轉換效率高、消光比高、可靠性和耐固性好的偏振轉換器件。
本發明的方法是先在一塊平板玻璃上用真空蒸鍍的方法鍍上寬帶增透膜、金屬反射膜(如鋁、銀、銠膜等)和介質增反膜，再在其上塗布光刻膠，然後將其放在由兩束雷射束相干涉而形成的幹涉細條紋圖象中進行曝光，經定影后，形成固化的光刻膠條紋，用刻蝕方法將條紋開口部分的反射膜去除，再將剩餘的光刻膠洗掉，形成超細金屬膜線柵的反射膜圖案。當該超細金屬膜線柵的周期小於光波長的二分之一時，由於光的電磁波效應，只有與該線柵方向垂直的偏振光分量能無阻礙地透過該線柵，而與該線柵方向平行的偏振光分量則被反射回去。
最後再在該超細金屬膜線柵基片的另一面均鍍上增透膜，並與另一片鍍有增透膜的相位波片組裝在一起，即構成本發明的偏振轉換器件。當光源發出的光照射到該器件時，一個偏振方向的光無阻礙地透過該器件，而與該偏振方向正交的另一偏振方向的光則被線柵反射回去，經四分之一相位波片後，其偏振方向旋轉45°並投射到光源反射鏡上，經光源反射鏡反射後，該部分光再次經過四分之一相位波片，其偏振方向再次旋轉45°變成與線柵方向垂直，從而能透過該線柵，如此則有效地實現了偏振轉換功能。
本發明
如下圖1為現有的偏振轉換器件示意圖。
圖2為超細金屬膜線柵的截面結構示意圖。
圖3為製備超細金屬膜線柵的一種方法示意圖。
圖4為本發明的偏振轉換器件的應用示意圖。
下面結合附圖對本發明作詳細闡述。但並不限制本發明的內容。
圖1是目前常用的偏振轉換器件的示意圖。它是由多個偏振分光稜鏡1膠合而成，在各個偏振分光稜鏡的分光面上分別鍍有偏振分光膜2和高反射膜3，另外在各相間的偏振分光稜鏡的出光面上分別貼有二分之一波片4。當入射光線5入射到該偏振轉換器件時，一部分偏振方向的光(s偏振光)被偏振分光膜2反射後，再經高反射膜3的反射後射出，仍保持s方向偏振(光線7)。而另一部分偏振方向的光(p偏振光)則透過偏振分光膜2，然後在出光面上被二分之一波片4將其偏振方向旋轉90°後變成s方向偏振光6射出，從而實現了自然光的偏振轉換。這種偏振轉換器件需要配合柱面透鏡列陣組使用，在理論上的轉換效率很高，但在實際應用中，由於膠合面很多等因素，實際的轉換效率只能達到70％左右。而且，它製作的難度很高，因而製作成本也很高。
圖2則是本發明所用到的超細金屬膜線柵器件12的截面結構示意圖。它的基本結構就是在一塊平板玻璃8上鍍有高反射率金屬膜(鋁、銀、或銠等)並經刻蝕成超細線柵9。金屬膜線柵的線寬為t1，線柵的間隔為t2，則線柵的周期T＝t1+t2。當線柵的周期T小於入射光波長的二分之一時(T＜λ0/2)，由於光的電磁波效應，則只有垂直於線柵的偏振光可以透過該器件，而平行於線柵的偏振光則被反射回去，或被吸收掉。由於這是光的電磁波效應引起的偏振現象，因此它的偏振度可以達到很高。可以在線柵金屬膜上再鍍制介質增反膜10，可以提高對於平行於線柵的偏振光的反射率，從而降低吸收。同樣地，在平板玻璃的兩面均鍍上寬帶增透膜11，可以進一步提高垂直於線柵的偏振光的透過率。
在可見光波段，要用上述超細金屬膜線柵方法來實現起偏，要求線柵的周期T小於0.2微米，用通常的線柵製備方法無法滿足這一要求。圖3是本發明的製備上述超細金屬膜線柵的一種方法的示意圖。一個紫外或可見波段的雷射器13發射出的雷射束被一個半透半反分光鏡14分成兩束光，其中一束光經反射鏡16的折射後穿過一個位相延遲器18，再由另一個反射鏡17的折射後，在另一個半透半反分光鏡15處與另一束光會合併相干，兩束相干後的光束再分別投射到兩塊塗有光刻膠的樣品19和20上進行曝光，經顯影、定影、並刻蝕後，就可製得相對應於幹涉條紋的線柵結構。通過調整位相延遲器18的鍥角和厚度，或通過改變反射鏡16、17的相對角度和位置，可以得到要求的線寬和間隔。
圖4為本發明的偏振轉換器件的應用示意圖。將上述超細金屬膜線柵器件12與一片可見光波段的四分之一相位波片21組合在一起，當光源22發射出的自然光照射到該組合器件時，只有與線柵方向垂直的偏振光分量能透過該器件，而與線柵方向平行的偏振光分量則被反射回去，在經過四分之一相位波片21時，其偏振方向被旋轉45°，該部分光然後再被光源反射鏡23反射回來，在經過四分之一相位波片21時，其偏振方向被再次旋轉45°，從而變成與線柵方向垂直，因而也能透過該器件。以此該組合器件實現了偏振轉換的功能。
實際上，一個亞波長的線柵結構也可以等效成一個負單軸晶體，因此適當調整上述超細金屬膜線柵器件中的介質增反膜和寬帶增透膜的厚度和折射率，可以使其等效成一個四分之一相位波片，從而使一片器件就能起到偏振轉換的功能。
本發明具有如下有益效果1.採用本發明的方法可以將自然光高效率地轉換成高偏振度的線偏振光。
2.採用本發明的方法可以大大降低偏振轉換器件的生產成本，有利於推廣應用。
3.本發明的方法可以在液晶投影系統、頭戴式液晶顯示裝置等多種利用偏振效應的顯示系統方面得到廣泛應用。
權利要求
1.一種液晶投影顯示用的偏振轉換器件，包括超細金屬膜線柵、相位波片、光源及光源反射鏡等部件，其特徵在於使用超細金屬膜線柵與相位波片的組合，達到將光源發出的自然光高效率地轉換成線偏振光的目的。
2.如權利要求1所述的偏振轉換器件，其特徵在於使用超細金屬膜線柵作為起偏元件，使自然光中與該線柵方向垂直的偏振分量幾乎無阻礙地透過該超細金屬膜線柵元件，而與該線柵方向平行的偏振分量則被反射回去。
3.如權利要求1所述的偏振轉換器件，其特徵是採用相位波片，並使被反射回去的與線柵方向平行的偏振分量兩次透過該波片，而使其偏振方向改變90°，從而使該線偏振光的偏振方向改變成垂直於線柵，因而能透過該超細金屬膜線柵元件。
4.如權利要求2中所述的超細金屬膜線柵元件，其特徵在於其線柵寬度在0.02微米～0.4微米之間。
5.如權利要求4所述的超細金屬膜線柵元件，其特徵在於採用金屬線柵上鍍制多層介質增反層的結構，可以有效降低吸收損耗，同時可以有效保護金屬膜。
6.如權利要求4所述的超細金屬膜線柵元件，其特徵在於在它的兩個表面上均鍍有可見光波段的寬帶增透膜，可以提高透過效率。
7.如權利要求5和6所述的超細金屬膜線柵元件，其特徵在於其介質增反膜與寬帶增透膜間的等效折射率之比和位相差的關係可使其等效成一個相位波片。
8.一種製備如權利要求4所述的超細金屬膜線柵元件的方法，其特徵在於將兩束紫外或可見波段的雷射束相干涉後的條紋圖象投射到已塗有光刻膠的基片上進行曝光並定影，然後再用刻蝕法製作成超細金屬膜線柵元件。
全文摘要
本發明提供了一種液晶投影顯示用的偏振轉換器件及其製備方法，它使用超細金屬膜線柵作為起偏器件，對可見光波段起偏振作用，再配合波片和光源反射鏡使用後，可起到偏振轉換作用，具有轉換效率高、消光比高、結構簡單、成本低廉等特點。可應用於各種液晶投影顯示系統。
文檔編號G02F1/01GK1428628SQ0113920
公開日2003年7月9日 申請日期2001年12月25日 優先權日2001年12月25日
發明者邵劍心, 樊斌 申請人:邵劍心, 樊斌