TW200528777A - Polarization integrator - Google Patents

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200528777 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於將無偏光之光分離成p偏光與s偏光，且將 一者偏光變換成他方偏光而加以統合之偏光整合器之改 善。此種偏光整合器例如可適合使用於液晶投影機。 【先前技術】 圖7係以模式的區塊圖圖解以往之液晶投影機之一例。此 液晶投影機含有光源1，該光源1為提高光之利用效率，配 置於圓頂狀或拋物面狀之反射鏡2内。光源i所放射之光被 準直透鏡3變成平行光後，利用第1全反射鏡mi射向第1二 向色反射鏡DM1。第1二向色反射鏡DM1僅使藍色光b透過 而反射其他色光。透過第1二向色反射鏡DM1之藍色光B經 由第2全反射鏡M2與第1聚光透鏡CL1聚光於第^夜晶面板 LC1 上。 被第1二向色反射鏡DM1反射之光射向第2二向色反射鏡 DM2。第2二向色反射鏡DM2僅反射綠色光G而透過剩下之 紅色光R。第2二向色反射鏡DM2所反射之綠色光G被第2聚 光透鏡CL2聚光於第2液晶面板LC1上。透過第2二向色反射 鏡DM2之紅色光R經由第3全反射鏡M3、第4全反射鏡M4及 第3聚光透鏡CL3聚光於第3液晶面板LC3上。 向第1液晶面板LC1、第2液晶面板LC2、第3液晶面板LC3 聚光之藍色光B、綠色光G、及紅色光R透過分別對應之液 晶面板後被稜鏡4所統合。而，被稜鏡4所統合之3原色光係 被投射透鏡5投影於螢幕（未圖示）上。 98848.doc 200528777 如/(λ所週知，液晶面板含有配置成矩陣狀之多數像素， 將電信號施加至各像素時，可控制光之透過與阻斷。為了 可施行光之透過與阻斷，利用2片偏光板挾持液晶層。即， 液晶面板所接受之光僅為平行於特定之直線方向之被偏光 之光。但，通常使用於液晶投影機之光源所放射之光係無 偏光之光（或P过機偏光之光）。因此，光源所放射之光透過液 晶面板而可被利用作為投影光之光之利用效率為其光源光 之1/2以下。因此，在液晶投影機中，為改善無偏光之光源 光所引起之低的光之利用效率，近年來，利用偏光整合器。 圖8係圖解偏光整合器之基本的原理之模式的剖面圖（參 照西田#夫編、「大晝面顯示器」、共立出版、2〇〇2年出版 發行）。在此偏光整合器中，包覆在圓頂狀反射鏡2之光源j 所放射之光被準直透鏡（未圖示）變成平行光而照射於偏光 分束器11。此稜鏡11含有PBS (偏光分束器）膜12。即，PBS 膜12具有在光源光中，可透過P偏光而反射s偏光之作用。 該種PBS膜可利用介電多層膜形成。 透過PBS膜12之P偏光係利用1/2波長板13旋轉偏光方向 而被變換成S偏光。另一者面，PBS膜12所反射之s偏光被 全反射鏡14反射而與通過1/2波長板13之s偏光平行。而， 被全反射鏡14反射之S偏光與通過1/2波長板13後之s偏光 在透鏡（未圖示）被統合，該被統合之S偏光照射於液晶面板 上。 又，在圖8之例中，可瞭解：1/2波長板丨3可適用於透過 PBS膜12之P偏光，但相反地，1/2波長板13也可適用於被 98848.doc 200528777

p偏光束統合而照射於液晶面板上。 【發明内容】

脂製作稜鏡，但隨著投影機之高亮度化， 奢面，雖亦可以樹 ’樹脂之财熱性也 將成問題。另外，1>88膜12需要利用介電多層膜施行多達數 十層之偏光分離塗敷，故有成本高昂之問題。 鑒於此種以往之偏光整合器之問題，本發明之目的在於 以簡便且低成本提供可達成輕量化與小型化且耐熱性優異 之偏光整合器。 本發明之偏光整合器之特徵在於包含將來自光源之光分 離成P偏光與S偏光之偏光分束器、第1微透鏡、1/2波長板、 及第2微透鏡；第1微透鏡係被配置成可將偏光分束器所分 離之P偏光與S偏光聚光於互異之位置，1/2波長板係被配置 於P偏光或S偏光被聚光之位置而可執行將p偏光或s偏光變 換成S偏光或p偏光之作用，第2微透鏡可執行統合通過1/2 波長板而被偏光變換後之S偏光或P偏光與未通過1/2波長 板之S偏光或p偏光之作用，偏光分束器、第1微透鏡、1/2 波長板、及第2微透鏡中至少一係利用DLC (diamond-like carbon :鑽石狀碳）膜形成。 又，偏光分束器與1/2波長板中至少一者可利用形成於 98848.doc 200528777 DLC膜中之折射率調制型繞射光栅形成。又，第1微透鏡與 第2微透鏡至少一者可為形成於dlc膜中之折射型微透鏡 與折射率調制型之繞射型微透鏡中之一種。另外，偏光分 弟彳放透鏡、1 /2波長板、及第2微透鏡之組之多數可 在來自光源之光束剖面内週期地排列。而，該種偏光整合 器可適合於使用於液晶投影機。 【貫施方式】 首先，在執行本案發明之際，本發明人等確認··對透光 性DLC (diamond_like carbon :鑽石狀碳）膜照射能量束時， 可提高其折射率。該種DLC膜可在矽基板、玻璃基板、或 其他各種基板上，利用電漿CVD (化學氣相沉積）形成。利 用邊種電漿CVD所得之透光性DLC膜通常具有155程度之 折射率。 作為提高DLC膜之折射率用之能量束，可使用離子束、 電子束、同步加速放射（SR)光、紫外（UV)光等。在現狀下， 已可確認：在此等能量束中，照射He離子可將〇]1(：：膜之最 大折射率變化5提南至△fOM程度。又，現狀下，利用 SR光照射，亦可將Dlc膜之最大折射率變化量提高至八 n=0.50程度。另外，現狀下，利用uv光照射，亦可將 膜之最大折射率變化量提高至△FO.ao程度。可知：此等 DLC膜之利用能量束所產生之折射岸變化量與以往利用玻 璃之離子交換所產生之折射率變化量（頂多或利 用石英系玻璃之UV光照射所產生之折射率變化量（△ η=0·01以下程度）相比，顯然較大。 98848.doc 200528777 圖1係以模式的剖面圖圖解作為本發明之實施型態之一 例之偏光整合器。在此偏光整合器中，光源1係配置於圓頂 狀或拋物面狀之反射鏡2内。光源1所放射之光被準直透鏡 (未圖示）變成平行光，照射於偏光分束器5 1。即，偏光分束 為5 1將光源光分離成p偏光與s偏光，第1微透鏡5 2將p偏光 束聚光於1/2波長板53上，並將S偏光束聚光於未配置1/2波 長板5 3之區域。 1/2波長板53將P偏光變換成s偏光，利用第2微透鏡54與 透鏡55之作用統合透過1/2波長板53後之s偏光束與通過未 配置1/2波長板53之區域之S偏光束，利用聚光透鏡。!^將其 照射於液晶面板LC上。當然，含於該液晶面板LC之偏光板 係被設定成可接受S偏光。 又，在圖1之例中，可瞭解·· 1/2波長板53可適用於p偏光， 但相反地，1/2波長板53也可適用於S偏光。即，在該情形， 利用偏光分束器5 1將光源光束分離成p偏光束與8偏光束而 利用1/2波長板53將其S偏光束變換成p偏光束後，將該等^ 種P偏光束統合而照射於液晶面板LC上。當然，含於該液 晶面板LC之偏光板係被設定成可接受p偏光。 如以上所述，利用偏光整合器將無偏光之光源光統合成p 偏光或S偏光中之-者時，可改善在液晶投影機之光源光之 利用效率。 在此，在本發明中，含於偏光整合器之偏光分束器、第i 微透鏡、W2波長板、及第2微透鏡中至少—種係利用咖 膜形成。當然，則膜係薄的膜，具有輕且優異之耐埶性。 98848.doc 200528777 因此’若能利用DLC膜製成偏光分束器、第1微透鏡、1 /2 波長板、及第2微透鏡中至少一種，便可達成偏光整合器之 小型化、輕量化、及低廉化，進而達成液晶投影機之小型 化、輕量化、及低廉化。 在圖2中’以模式的剖面圖圖解本發明之折射型微透鏡陣 列之製作方法之一例。此種折射型微透鏡陣列可使用作為 圖1中之第1微透鏡52或第2微透鏡54。 在圖2A中，在£^(：膜21上形成光罩層22,作為光罩層22， 可使用具有可限制能量束23之通過之機能之種種材料，但 使用金較為理想。此光罩層22具有排列成陣列狀之微小之 凹部22a。該等凹部22a分別具有由概略球面之一部分或概 略圓柱面之一部分構成之底面。透過含有該等凹部22 a之陣 列之光罩層22而將能量束23照射於DLC膜21。 在圖2 B中，月b里束2 3照射後，除去光罩層2 2時，可獲得 形成於DLC膜21中之微透鏡陣列21a。即，利用能量束23之 照射，可對應於光罩層22之凹部22a之陣列，而在^^匸膜^ 内形成高折射率區域21a之陣列。此時，光罩層22之凹部 具有球面狀或圓柱面狀之底面，故隨著由凹部22&之中央向 周緣移動，光罩層厚度會增大。即，能量束23，在中央部 比在凹部22a之周緣部更容易透過。因此，具有高折射率區 域21a之深度在其中央部較深，在周緣部較淺之球面狀凸透 鏡或圓柱面狀凸透鏡之形狀。其結果，此等高折射率區域 2 1 a分別具有可直接作為一個微透鏡之作用。 又，利用如圖2所示之能量束23製作微透鏡陣列時，可藉 98848.doc 200528777 由調節概略球面或概略圓柱面之凹部22a之深度，以調節微 透鏡21 a之厚度，即，可調節其焦距。又，即使不改變凹部 22a之深度，亦可藉改變所照射之能量束23之透過能而調節 微透鏡21 a之焦距。例如，使用He離子束作為能量束23時，

利用提高其離子之加速能而提高透過能，以縮短微透鏡2U 之焦距。又，對DLC膜之能量束23之摻雜量愈高，折射率 變化量Δη愈大，故利用調節其摻雜量，亦可調節微透鏡2U 之焦距。 含有具有如圖2A所示之概略球面或概略圓柱面之底面之 凹。卩2 2 a之光罩層2 2可利用種種方法製作。例如可在d l c膜 21上形成均勻厚度之光罩層22，在其上形成排列成具有陣 列狀之微小孔或平行排列之線狀開口之光阻層。而，利用 由該光阻層之微小孔或平行排列之線狀開口施行各向同性 的#刻’可在該微小孔下之光罩層22内形成概略半球面或 概略半圓柱面之凹部22a。 含有具有如圖2A所示之概略球面或概略圓柱面之底面之 凹部22a之光罩層22亦可利用如圖3之模式的剖面圖圖解之 方法製作之壓痕模簡便地加以製作。 在圖3 A中，例如，在二氧化矽之基板3 1上形成光阻圖案 32。此光阻圖案32係在基板3 1上形成於排列成陣列狀之多 數微小之圓形區域上或平行排列之多數細的帶狀區域上。 在圖3 B中，加熱熔融光阻圖案3 2，而熔融於各微小圓形 區域上或細的帶狀區域上之光阻膜32a因其表面張力而成 為概略球面或概略圓柱面之凸透鏡形狀。 98848.doc -12- 200528777 在圖3C中，與概略凸透鏡形狀之光阻膜32b同時將二氧化 矽基板3 la施以RIE (Reactive Ion Etching:反應性離子蝕 刻），以RIE—面縮小光阻膜32b之徑或寬，一面蝕刻二氧化 碎基板3 1 a。 其結果，如圖3D所示，最終可獲得排列著概略球面狀或 概略圓柱面狀之凸部3 lb之二氧化矽之壓痕模3 lc。又，凸 部3 lb之高度可利用調節圖3C之光阻膜32b之蝕刻速度與二 乳化石夕基板3 1 a之颠刻速度之比率而加以調節。 如此獲得之麼痕模3 1 c可適合於使用含如圖2 A之凹部22a 之光罩層22之製作。即，例如，以金材料形成光罩層22時， 由於金富有延展性，故以壓痕模31c在該金光罩層22壓痕 時’即可簡便地形成凹部22a。又，一度製作壓痕模3 1〇以 後，即可重複使用，故遠比利用蝕刻形成光罩層22之凹部 22a之情形，更可簡便且低廉地形成凹部22a。 又，如在本發明一般，使用DLC膜之折射型微透鏡陣列 與使用以彺之玻璃基板之情形相比，由於可利用照射能量 束獲得高折射率之透鏡，故可在遠比玻璃基板更薄 膜中形成折射型微透鏡陣列。但，即使是使用DLC膜之折 射型微透鏡，與繞射型微透鏡相比，也需要較厚之Dlc膜， 需要10 μηι至20 μχη成度以上之厚度（作為例用繞射效應之 微透鏡之例，參照「微透鏡（陣列）之超精密加工與量產化技 術」、技術情報協會出版、2〇〇3年第71〜81頁）。 在圖4Α之模式的平面圖與圖4Β之模式的剖面圖中，圖解 本發明之另一實施型態之繞射型微透鏡。尤其，折射率調 98848.doc 200528777 制型之繞射型微透鏡可製成顯著地比折射型微透鏡更薄， 可在1〜2 μηι程度之厚度之DLC薄膜中製作繞射型微透鏡。 即’此折射率調制型之繞射型微透鏡4〇也可利用DLC膜41 製作，含有同心圓狀之多數帶狀環區域Rmil。在此，符號 Rmii係表示第㈤個環區域中之第^個帶狀環區域，同時也表 示由同心圓之中心至其帶狀環區域之外周之半徑。該等帶 狀環區域Rmn距離同心圓之中心愈遠，愈具有愈減少之寬 度。 互相鄰接之帶狀環區域Rmn具有互異之折射率。圖4之繞 射型Μ透鏡在其為2段之折射率調制之繞射型微透鏡之情 形，含有第m=3個以下之含第η=2個以下之帶狀環區域之環 區域。而，在相同之環區域中，具有内側之帶狀環區域比 外側高之折射率。 由此將可類推：在含有4段之折射率調制之繞射型微透鏡 中在個锹區域中，含第η==4個以下之帶狀環區域，此時， 在相同之環區域中，愈接近内側之帶狀環區域，亦愈具有 高之，射率。即，在—個環區域中，由内周側向外周側形 成4段之折射率變化。而，該種4段之折射率變化會在各埽 區域中重複ηι次。 又，帶狀環區域Rmn之外周半徑依據含標量近似之繞射 理論’可依照了式⑴加以設I在此式⑴中，[表示透鏡 =%射位準’ λ表不光之波長’而£表示透鏡之焦距。又， 最大之折射率變化量必須為可產生相位調制振幅 =2 7Γ (L-1)/l之變化量。 98848.doc > 14- 200528777 數1

在圖5之模式的剖面圖中，圖解如圖4所示之2段之繞射型 在圖5A中，在DLC膜41上，利用習知之EB (電子幻蒸錢 法形成例如Ni之導電層42。在此Ni導電層42上，以覆蓋^ 應於圖4中之n=1之帶狀環區域Rmn (m=1〜3)方式形成光阻 圖案43。在該光阻圖案43之開口部利用電鍍形成金罩料。 在圖5B中，除去光阻圖案43而殘留金罩料。而，通過該 金罩44之開口部將能量束45照射於DLC膜41。其結果，可 提高被能量束45照射之帶狀環區域（41a)Rml之折射率，能 1束45被遮蔽之帶狀環區域（4丨b) Rm2之折射率維持當初 之DLC膜之折射率。即，可獲得如圖4所示之2段之繞射型 微透鏡。 又，在圖5之例中，係依照各〇]1(：：膜在其上形成光罩層， 但當然亦可使用個別製作之獨立光罩將能量束照射於dlc 膜。且可瞭解：使用逐次調整圖案之光罩重複將能量束照 射於DLC膜時，可形成多段之繞射型微透鏡。 另外’取代如圖3D所示之壓痕模，而使用含厚度多段變 化之同心圓狀之帶狀環區域之壓痕模在DLC膜上之金罩層 壓痕’經由該壓痕之金罩層照射能量束時，也可利用一次 之能量束照射製作多段之繞射型微透鏡。 98848.doc -15- 200528777 再者，在有關繞射型微透鏡之上述實施型態中，雖說明 對應於折射型微透鏡之球面狀凸透鏡之繞射型微透鏡，但 當可瞭解本發明也可同樣適用於對應於折射型微透鏡之柱 面狀凸透鏡之繞射型微透鏡。在該情形下，只要形成被折 射率凋制之互相平行之多數帶狀區域，以取代被折射率調 制之同心圓狀之多數帶狀區域即可。此情形，例如在圖4B 之剖面圖中，被折射率調制之互相平行之多數帶狀區域可 對该圖之紙面垂直地延伸。又，在該情形下，圖5 B中之金 罩44也只要對該圖之紙面垂直地延伸即可。 另外’在本發明中，圖i之偏光分束器51可利用DLc膜製 作。即，此偏光分束器51含有形成於DLC膜之折射率調制 型繞射光栅。又，可利用繞射光柵偏光分離之現象已在例 如 Applied 0扣以，¥〇1，41，2002，卯.3558〜3566有其說明。 圖6係以模式的剖面圖表示含折射率調制型繞射光栅之 〇1^0：膜構成之偏光分束器51人。即，此〇1^(：膜51八含有相對 低折射率區域51a與相對高折射率區域51b。低折射率區域 5 1 a係未照射能量束之區域，例如具有丨· 5 5之折射率。另一 者面’局折射率[^域5 1 b係以例如620 (mA/min2)之同步加速 為條件照射同步加速放射（SR)光而可使其折射率例如提高 至1.90。又，高折射率區域51b與低折射率區域5U之界面 係對DLC膜表面例如傾斜40度。 此種偏光分束器5 1A可利用如以下方式製作。例如只要在 DLC膜上，形成具有以週期1 μηι重複排列寬〇·5 _之金帶 之線與間隙之圖案之金罩，其後，對DLC膜表面，以4〇度 98848.doc -16 - 200528777 交之方向照射SR光即 之傾斜角且向與金帶之長度方向正 〇 含S偏光與P偏光之光入射於如圖6所示2Dlc膜之偏光 分束器51時，S偏光會以0次繞射光透過（相當於以波），？偏 光會以1次繞射光繞射（相當於TM波）。即，p偏光與s偏光可 互相分離。 另外，在本發明中，圖1中之1/2波長板53也可利用DLC 膜製作。即，可利用類似於含如圖6所示之折射率調制型繞 射光栅之繞射光柵之DLC膜產生1/2波長板之作用。該種1/2 波長板53可利用如以下方式製作。例如只要在]〇1^(：膜上， 形成具有以週期1 μηι重複排列寬〇·5 μιη之金帶之線與間隙 之圖案之金罩’其後’對傾斜於DLC膜表面之方向照射sr 光即可。對含有如此所得之折射率調制型繞射光栅之DLC 膜之1 /2波長板5 3，例如使Ρ偏光通過時，可將其直線偏光 面旋轉90度而變換成s偏光。當然，亦可利用該種1/2波長 板，將S偏光變換成ρ偏光。 又’在圖7中，雖顯示透光型之液晶投影機，但本發明之 偏光整合器當然亦可直接適用於反射型之液晶投影機（參 照前述文獻「大畫面顯示器」）。 如以上所述，依據本發明，可利用DLC膜形成含於偏光 整合器之偏光分束器、第1微透鏡、1/2波長板、及第2微透 鏡中至少一種，可簡便且低成本地提供輕量化且小型化之 偏光整合器。 【產業上之可利用性】 98848.doc 200528777 本發明之偏光整合器可達成輕量化且小型化，可簡便且 低成本地提供。該種偏光整合器可達成液晶投影機之輕量 化、小型化及低成本化。 【圖式簡單說明】 圖1係模式地圖解本發明之偏光整合器之一例之剖面圖。 圖2A、B係模式地圖解利用Dlc膜製作圖1之偏光整合器 所含之折射型微透鏡陣列之方法之剖面圖。 圖3 A-D係模式地圖解可利用於圖2之折射型微透鏡之製 作方法之壓痕模之形成方法之剖面圖。 圖4A-B係模式地圖解圖！之偏光整合器所含之DLC膜之 繞射型微透鏡之剖面圖。 圖5 A、B係模式地圖解圖4之折射型微透鏡之製作方法之 剖面圖。 圖6係模式地圖解圖丨之偏光整合器所含之〇乙^膜之偏光 分束器之剖面圖。 圖7係圖解以往之液晶投影機之模式的剖面圖。 圖8係模式地圖解以往之偏光整合琴 口爺之基本原理之剖面 圖。 【主要元件符號說明】 2 3 4 5 98848.doc 光源 反射鏡 準直透鏡 稜鏡 投射透鏡 -18- 200528777 11 稜鏡 12 PBS膜 13 1/2波長板 14 全反射鏡 21 DLC膜 21a 高折射率區域 22 光罩層 22a 凹部 23 能量束 31 二氧化矽之基板 31a 二氧化矽基板 31b 凸部 31c 壓痕模 32 光阻圖案 32a 光阻膜 32b 光阻膜 40 繞射型微透鏡 41 DLC膜 41a 帶狀環區域 41b 帶狀環區域 42 Ni導電層 43 光阻圖案 44 金罩 45 能量束 98848.doc -19- 200528777 51 偏光分束器（PBS) 52 第1微透鏡 53 1/2波長板 54 第2微透鏡 55 透鏡 51a 低折射率區域 51b 高折射率區域 51A 偏光分束器 P 偏光 S 偏光 CL 聚光透鏡 LC 液晶面板 B 藍色光 G 綠色光 R 紅色光 CL1 第1聚光透鏡 CL2 第2聚光透鏡 CL3 第3聚光透鏡 Ml 第1全反射鏡 M2 第2全反射鏡 M3 第3全反射鏡 M4 第4全反射鏡 LC1 第1液晶面板 LC2 第2液晶面板 98848.doc -20- 200528777 LC3 DM1 DM2 第3液晶面板 第1二向色反射鏡 第2二向色反射鏡

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Claims (1)

1. 200528777 十、申請專利範圍： 1 · 一種偏光整合器，其特徵在於包含：將來自光源之光分 離成P偏光與S偏光用之偏光分束器、第1微透鏡、1/2波長 板、及第2微透鏡； 前述第1微透鏡係被配置成可將前述偏光分束器所分 離之P偏光與S偏光聚光於互異之位置； 别述1/2波長板係被配置於前述p偏光或前述s偏光被 聚光之位置而可執行將P偏光或s偏光變換成s偏光或p偏 光之作用； 前述第2微透鏡可執行統合通過前述1/2波長板而被偏 光變換後之S偏光或P偏光與未通過前述1/2波長板之3偏 光或P偏光之作用； 前述偏光分束器、前述第丨微透鏡、前述1/2波長板、及 前述第2微透鏡中至少一係利用DLC膜形成者。 2.如請求項1之偏光整合器，其中前述偏光分束器與前述ι/2 波長板中至少-者係利用形成於DLC膜中之折射率調制 型繞射光栅形成者。 夂如請求項1或2之偏光整合器’其中前述第i微透鏡與前述 第2微透鏡至少一者係形成於DLC膜中之折射型微透鏡與 折射率調制型之繞射型微透鏡中之一種者。 4.如:青求項!至3中任一項之偏光整合器，其中前述偏光分 束器、前述第1微透鏡、前述1/2波長板、及前述第2微透 鏡之組之多數係在來自前述光源之光束剖面内週期地排 列者。 5· 一種液晶投影機，其特徵在於包含如請求項1JL4中任一 項之偏光整合器者。 98848.doc