專利名稱：偏振性衍射型濾光片及疊層偏振性衍射型濾光片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能夠通過(guò)同時(shí)使用偏振片、旋光片、移相片等的偏振元件來(lái)改變透射波長(zhǎng)的偏振性衍射型濾光片，以及疊層偏振性衍射型濾光片而得到的疊層偏振性衍射型濾光片。
背景技術(shù)：
作為有選擇性地使特定波長(zhǎng)透射的濾光片，一般廣泛地使用介質(zhì)多層膜濾光片、以及使顏料分散的濾色器等。另外，作為更簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)與這些相同功能的裝置，提出了一種使用衍射光柵的波長(zhǎng)選擇濾光片。這種波長(zhǎng)選擇濾光片是設(shè)置了形成在透明基板上的周期性的凹凸的裝置，因?yàn)樵摪疾颗c凸部的對(duì)于入射光的位相差為特定波長(zhǎng)的整數(shù)倍，所以對(duì)于上述特定的波長(zhǎng)，能夠得到很高的透射特性。
另外，例如在特開(kāi)2000-348366號(hào)中敘述了一種利用這個(gè)波長(zhǎng)選擇濾光片的衍射型二向色性濾光片(波長(zhǎng)選擇濾光片)，。如果根據(jù)該專利文獻(xiàn)，則該衍射型二向色性濾光片，對(duì)于光源中使用振蕩波長(zhǎng)為660nm及790nm的2種半導(dǎo)體激光器的光學(xué)頭裝置，由于凹凸高低平面差引起的入射光的位相差為660nm的大概2倍，所以波長(zhǎng)660nm的光透射，同時(shí)由于波長(zhǎng)為790nm的光發(fā)生衍射，而能夠起到作為遮光(以下稱為衍射遮光)濾光片的作用。
但是，在上述衍射型濾光片中，透射及衍射的波長(zhǎng)是通過(guò)由衍射光柵的深度決定的位相差唯一決定的，不能自由地改變(切換)透射的波長(zhǎng)。另外，即使對(duì)于上述介質(zhì)多層膜濾光片及使顏料分散的濾色器，透射的波長(zhǎng)也是固定的，不可能改變(切換)需要波長(zhǎng)的光進(jìn)行透射。
另外，被衍射型濾光片衍射遮光的特定波長(zhǎng)的光相對(duì)于透射波長(zhǎng)的光，根據(jù)衍射光的波長(zhǎng)λ與衍射光柵的凹凸的周期P，以下式的關(guān)系所決定的衍射角θ進(jìn)行分離。
sinθ＝λ/P
因此，如果想要確保這個(gè)衍射分離角很大，則光柵周期必須減小，但是在光柵周期減小的情況下，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生對(duì)于透射波長(zhǎng)的光的透射率降低的問(wèn)題。
本發(fā)明正是鑒于上述問(wèn)題而提出的，目的在于提供一種偏振性衍射型濾光片，其具有高透射率及衍射遮光性，而且能夠使透射波長(zhǎng)變化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明揭示了下述內(nèi)容。
1.提供了一種偏振性衍射型濾光片，其特點(diǎn)是入射2種以上的峰值波長(zhǎng)不同的光，同時(shí)在上述2種以上的光之中，至少有1種峰值波長(zhǎng)的光由于衍射而遮光，其它的峰值波長(zhǎng)的光發(fā)生透射，上述偏振性衍射型濾光片是在透明基板上形成構(gòu)成衍射光柵的周期性的凹凸部，同時(shí)對(duì)凹部填充光學(xué)構(gòu)件，而且構(gòu)成上述凹凸部的構(gòu)件或者填充該上述凹部的光學(xué)構(gòu)件之中，至少有1個(gè)包含液晶性材料。
如果為上述結(jié)構(gòu)，則具有在透明基板上形成的周期性的凹凸部而構(gòu)成凸部的材料或者填充凹部的材料的一部分，是以有雙折射性的液晶材料構(gòu)成的，通過(guò)這樣能夠改變透射波長(zhǎng)。
2.上述1的偏振性衍射型濾光片上述液晶性材料的表現(xiàn)出非常光折射率的液晶分子的取向軸方向是在上述衍射光柵的附近，與上述衍射光柵的縱向平行。
如果為上述結(jié)構(gòu)，則因?yàn)槭贡硎疽壕圆牧系姆浅９庹凵渎实娜∠蜉S與光柵的縱向平行，所以能夠利用光柵壁面對(duì)于液晶性材料的取向限制力來(lái)使液晶分子取向。
3.上述1或者2中的偏振性衍射型濾光片構(gòu)成上述衍射光柵的凹凸部是利用在透明基板上形成的薄膜來(lái)形成的。
如果為上述結(jié)構(gòu)，則由于衍射光柵的凹凸部是通過(guò)在透明基板上形成的薄膜來(lái)形成的，所以能夠由具有與透明基板不同的任意折射率的材料來(lái)形成，能夠擴(kuò)大光學(xué)構(gòu)件的選擇范圍。
4.形成疊層偏振性衍射型濾光片，使衍射光柵相對(duì)向疊層上述1、2或者3中所述的偏振性衍射型濾光片，上述光學(xué)構(gòu)件包含液晶性材料，同時(shí)填充在上述相對(duì)的衍射光柵之間，上述相對(duì)的衍射光柵的縱向相互垂直那樣配置，從而形成疊層偏振性衍射型濾光片。
如果為上述結(jié)構(gòu)，則因?yàn)?個(gè)衍射光柵的配置為衍射方向垂直，所以在第1入射的衍射光柵上產(chǎn)生的衍射光，利用第2入射的衍射光柵進(jìn)一步衍射產(chǎn)生的衍射光，沿與透射光不同的方向前進(jìn)。根據(jù)這個(gè)，通過(guò)使用2塊偏振性衍射型濾光片，能夠抑制遮光波長(zhǎng)的透射率，從而使與透射波長(zhǎng)的消光比增大。
5.上述4中的疊層偏振性衍射型濾光片配置上述光學(xué)構(gòu)件，使得上述光學(xué)構(gòu)件包含的液晶性材料的表現(xiàn)出非常光折射率的液晶分子的取向軸方向繞垂直于上述透明基板面的方向旋轉(zhuǎn)90度。
如果為上述結(jié)構(gòu)，則因?yàn)樵谘苌涔鈻胖g的液晶能夠起到作為旋光片的作用，因此垂直的2個(gè)衍射光柵的偏振特性實(shí)質(zhì)上相同，通過(guò)疊層能夠提高消光比，同時(shí)能夠抑制衍射雜光的影響。
6.上述4或者5中的疊層偏振性衍射型濾光片具有至少在所述衍射光柵的凹部上形成的透明導(dǎo)電膜，形成所述透明導(dǎo)電膜，使得能夠向與所述透明基板垂直或者與所述衍射光柵縱向垂直的方向上施加電壓，驅(qū)動(dòng)所述液晶性材料。
如果為上述結(jié)構(gòu)，則因?yàn)槔孟騼?nèi)置的電極上施加的電壓能夠驅(qū)動(dòng)液晶，所以能夠成為內(nèi)置具有使偏振光變化的功能的元件、使透射波長(zhǎng)變化的衍射濾光片。特別是，向與上述衍射光柵的光柵縱向垂直的方向上，即向與衍射光柵的衍射方向平行的方向上施加電壓的情況下，因?yàn)橐壕圆牧系谋憩F(xiàn)出非常光折射率的取向軸在面內(nèi)變化，所以能夠在不施加電壓時(shí)選擇透射波長(zhǎng)。
7.疊層偏振性衍射型濾光片是疊層第1偏振性衍射型濾光片及第2偏振性衍射型濾光片，從而形成疊層偏振性衍射型濾光片，第1及第2偏振性衍射型濾光片是上述1、2或者3中的偏振性衍射型濾光片，對(duì)于具有相互垂直的偏振方向的第1及第2直線偏振光，第1偏振性衍射型濾光片使第1直線偏振光實(shí)質(zhì)上完全透射，同時(shí)使第2直線偏振光發(fā)生衍射；第2偏振性衍射型濾光片使第1直線偏振光發(fā)生衍射，同時(shí)使第2直線偏振光實(shí)質(zhì)上完全透射。
如果為上述結(jié)構(gòu)，則因?yàn)槭墙M合設(shè)置只對(duì)垂直的直線偏振光的一方起作用的衍射濾光片，所以能夠利用入射的全部偏振光，能夠提高利用效率。
8.疊層偏振性衍射型濾光片是疊層第1偏振性衍射型濾光片及第2偏振性衍射型濾光片，從而形成疊層偏振性衍射型濾光片，第1及第2偏振性衍射型濾光片是上述1、2或者3中的偏振性衍射型濾光片，第1偏振性濾光片對(duì)于峰值波長(zhǎng)的光而產(chǎn)生的位相差是第2偏振性濾光片對(duì)于峰值波長(zhǎng)的光而產(chǎn)生的位相差的實(shí)質(zhì)上2倍。
如果為上述結(jié)構(gòu)，則在波長(zhǎng)取決于透射光的強(qiáng)度的關(guān)系中，能夠減少為半輻值。
另外，因?yàn)槭褂蒙鲜龅难苌湫蜑V光片，即使使用其中的任何的濾光片來(lái)作為構(gòu)成元件使用，能夠成為價(jià)格便宜且設(shè)計(jì)自由度大的光學(xué)頭裝置以及圖像處理裝置。
如果采用本發(fā)明，則填充在透明基板上形成的周期性的凹凸部或者凹凸部的凹部的填充部分中的至少一部分，由于是以具有雙折射性的液晶性材料構(gòu)成，所以能夠使透射峰值波長(zhǎng)變化。


圖1表示的是本發(fā)明第1實(shí)施形態(tài)中的疊層偏振性衍射型濾光片元件的結(jié)構(gòu)例子的立體圖。
圖2表示的是本發(fā)明第2實(shí)施形態(tài)中的疊層偏振性衍射型濾光片元件的結(jié)構(gòu)例子的立體圖。
圖3表示的是本發(fā)明的疊層偏振性衍射型濾光片的透射特性的曲線圖。
圖4表示的是本發(fā)明第3實(shí)施形態(tài)中的疊層偏振性衍射型濾光片元件的結(jié)構(gòu)例子的立體圖。
圖5表示的是本發(fā)明第3實(shí)施形態(tài)中的疊層偏振性衍射型濾光片元件的結(jié)構(gòu)例子的立體圖。
圖6表示的是本發(fā)明第3實(shí)施形態(tài)中的疊層偏振性衍射型濾光片的透射特性的曲線圖。
標(biāo)號(hào)說(shuō)明10、20、30、40疊層偏振性衍射型濾光片11、13、21、23、31、33、41、43透明基板12、22、24、32、34、42、44衍射光柵14、25、35、45透明導(dǎo)電膜15、26、36、46液晶具體實(shí)施方式
以下，參照附圖來(lái)詳細(xì)地說(shuō)明關(guān)于本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)。而且在下面，峰值波長(zhǎng)僅僅用「波長(zhǎng)」來(lái)表示。這里，峰值波長(zhǎng)意味著在波長(zhǎng)分布光譜中成為峰值的波長(zhǎng)。
在以下的說(shuō)明中，與偏振性衍射型濾光片相對(duì)地疊層衍射光柵，從而以疊層偏振性衍射型濾光片作為對(duì)象。
(第1實(shí)施形態(tài))圖1表示的是本發(fā)明第1實(shí)施形態(tài)中的疊層偏振性衍射型濾光片元件的結(jié)構(gòu)例子的立體圖，該疊層偏振性衍射型濾光片10，在折射率為nS的玻璃等透明基板11上形成周期性的凹凸深度為d的衍射光柵12。在衍射光柵12上形成由ITO等薄膜來(lái)形成的透明導(dǎo)電膜14。同樣地，在表面形成ITO作為透明導(dǎo)電膜14，作為相對(duì)的透明基板13。在透明基板11及13的單面上形成沒(méi)有圖示的取向膜，在與衍射光柵12的光柵縱向平行的方向，即在與衍射光柵的衍射方向垂直的方向上實(shí)施取向處理。另外如下所述，在與透明導(dǎo)電膜14相對(duì)的透明基板11、13之間的空間填充液晶性材料(液晶)15，從而構(gòu)成液晶單元。
下面，說(shuō)明本實(shí)施例的疊層偏振性衍射型濾光片10的制造方法。
(1)首先，準(zhǔn)備折射率為nS的玻璃等透明基板11。然后在其單面上利用光刻法形成周期性的凹凸深度為d的衍射光柵12。
本實(shí)施例的衍射光柵12可以是直接加工透明基板11，也可以是加工在透明基板11上形成的無(wú)機(jī)膜或有機(jī)膜。在使用同種材料時(shí)，最好形成衍射光柵12的材料的折射率不在使用的液晶性材料的非常光折射率ne到尋常光折射率no的范圍內(nèi)，這是由于通過(guò)中間電壓下折射率一致，不發(fā)生不產(chǎn)生衍射的狀態(tài)。特別是，最好是比非常光折射率ne高、且比尋常光折射率no低的折射率，但是最好使用與液晶性材料的折射率足夠分離的折射率的材料，能夠使光柵的深度變淺。
另外，作為高折射率材料，能夠使用TiO2、Ta2O5、Nb2O5等，作為低折射率材料，除了SiO2、MgF2等，還可以使用由于對(duì)于波長(zhǎng)有足夠小的空穴而形成有效的低折射率的材料。
為了抑制由于與使用的透明基板11的折射率之差而產(chǎn)生的界面反射(菲涅耳反射)損失所引起的透射率降低，最好使用低折射率材料。
另外，形成衍射光柵12的材料(構(gòu)件)不一定要由單一的材料組成的一樣的折射率，也能夠由多種材料來(lái)組成。例如，也可以將由折射率之差產(chǎn)生的位相分解為固定部分與可變部分，作為固定部分是由折射率差取得較大的高折射率材料與低折射率材料的組合而來(lái)產(chǎn)生一定的位相，作為可變部分則使用液晶材料與中間折射率材料的組合。
在這種情況下，最好利用液晶的驅(qū)動(dòng)來(lái)增加設(shè)定變化的位相范圍的自由度。另外，也能夠以介質(zhì)多層膜用作為光柵材料，也能夠以優(yōu)化疊層結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)透射率、有效折射率等與波長(zhǎng)的相對(duì)關(guān)系。
另外，作為光柵材料也能夠加工具有雙折射性的液晶性高分子來(lái)使用。在這種情況下，光柵凹部能夠用作為光學(xué)構(gòu)件、從包含空氣的低折射率材料到高折射率材料的各種各向同性材料填充。再者，因?yàn)閷?duì)光柵凹部填充具有雙折射性的液晶，所以對(duì)于凸部及凹部中的任何一部分也都可以是使用雙折射性材料的結(jié)構(gòu)。
另外，在用透明基板11上形成的材料來(lái)形成光柵時(shí)，能夠在光柵的凹凸部的下部(底面)、上部(上面)的任何一個(gè)面上，形成構(gòu)成透明電極的透明導(dǎo)電膜14。但是，為了抑制由于形成光柵凸部的材料而引起的施加電壓降低，最好只在光柵最上面及底面、即在凹凸部的表面上形成電極，這樣向液晶施加的電壓不會(huì)降低，在被透明基板夾住的均勻液晶層很難發(fā)生位相調(diào)制。
另外，在用透明基板11上形成的材料來(lái)形成光柵時(shí)，如上述中表現(xiàn)的凹凸部的下部一樣，也能夠在形成光柵的薄膜的下面同樣地配置構(gòu)成透明電極的透明導(dǎo)電膜14，在被透明基板夾住的均勻液晶層的厚度足夠大、光柵部件相對(duì)于均勻液晶層產(chǎn)生的電壓降的影響很小時(shí)，施加的電壓的均勻性好，工藝也簡(jiǎn)便，這是所希望的。
(2)然后，在透明基板11的形成衍射光柵12的一個(gè)單面上以及透明基板13的與衍射光柵12相對(duì)的單面上，分別形成沒(méi)有圖示的取向膜，在與(衍射光柵12的)光柵縱向平行的方向上實(shí)施取向處理之后，為了維持期望的間隔，而使用包含沒(méi)有圖示的隔件的周圍密封，從而粘接兩個(gè)透明基板11及13。
(3)之后，在兩個(gè)透明基板11與13之間的空間中，注入非常光折射率為ne、尋常光折射率為no(這里ns≠ne≠no)的液晶性材料15，形成使用液晶的疊層偏振性衍射型濾光片10。另外，作為液晶性材料15，要使用在液晶分子內(nèi)有聚合基的液晶，也能夠使用以紫外線照射等方法來(lái)聚合固化的液晶。在這種情況下，也可以通過(guò)以另外設(shè)置的位相片及旋光片等來(lái)切換偏振狀態(tài)，同樣地切換透射波長(zhǎng)及衍射波長(zhǎng)。
在本實(shí)施形態(tài)的疊層偏振性衍射型濾光片10中，當(dāng)在透明導(dǎo)電膜14之間不施加電壓的時(shí)候，設(shè)入射了波長(zhǎng)為λ、與光柵的縱向平行的直線偏振光。這種情況下，如果使用透明基板11的折射率ns、以及與液晶性材料15的光柵平行的非常光折射率ne，則決定透射光相對(duì)于向上述的液晶單元的周期性的凹凸界面入射的直線偏振光的透射率的位相差Φ，由(1)式來(lái)決定。
Φ＝2π·(ne-ns)·d/λ…(1)式中，d凹凸深度另一方面，通過(guò)向透明導(dǎo)電膜14施加矩形交流電，驅(qū)動(dòng)液晶，則相對(duì)于上述直線偏振光的非常光折射率ne向著尋常光折射率no連續(xù)地變化。因此，決定相對(duì)于入射直線偏振光的透射率的位相差Φ能夠向著(2)式表示的位相差Φ連續(xù)地變化。
Φ＝2π·(no-ns)·d/λ…(2)通過(guò)調(diào)整向透明導(dǎo)電膜14施加的電壓，例如，相對(duì)于V0、V1、V2的施加電壓的位相差能夠?yàn)?πλ1/λ、2πλ2/λ、2πλ3/λ，起到作為疊層偏振性衍射型濾光片的作用，即在施加的電壓為V0、V1、V2時(shí)，該衍射光柵透射的波長(zhǎng)變?yōu)棣?、λ2、λ3。另外，以同樣施加的電壓也能夠切換衍射遮光的波長(zhǎng)。
(第2實(shí)施形態(tài))然后，參照?qǐng)D2來(lái)說(shuō)明關(guān)于本發(fā)明第2實(shí)施形態(tài)的疊層偏振性衍射型濾光片20。
該疊層偏振性衍射型濾光片20的不同之處在于，在透明基板21與23相對(duì)的面上，分別形成與本發(fā)明第1實(shí)施形態(tài)的疊層偏振性衍射型濾光片10相同的衍射光柵22、24，使光柵的縱向相互垂直地疊層。
也就是說(shuō)，本實(shí)施形態(tài)的疊層偏振性衍射型濾光片20的結(jié)構(gòu)是在相對(duì)的透明基板23上也配置與在透明基板21上形成的衍射光柵22結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上相同的衍射光柵24。該衍射光柵22、24與第1實(shí)施形態(tài)相同，因?yàn)槭窃谂c光柵平行的方向上實(shí)施取向處理，所以液晶的取向大約扭曲90度(旋轉(zhuǎn))，也同時(shí)具有作為旋光片的功能。
這里，液晶的取向意味著液晶分子的取向。以下也一樣。
在2塊透明導(dǎo)電膜25之間不施加電壓時(shí)，設(shè)以波長(zhǎng)λ的與光柵的縱向平行的直線偏振光作為入射光的情況下，設(shè)置在透明基板21上的衍射光柵22與第1實(shí)施形態(tài)相同，構(gòu)成以透明基板21的折射率ns、以及液晶性材料26的與光柵縱向平行的非常光折射率ne形成的透射特性。利用透明基板21與相對(duì)的透明基板23之間的液晶的取向方向的扭曲(旋轉(zhuǎn))，入射直線偏振光旋轉(zhuǎn)大約90度。結(jié)果，即使是在相對(duì)的透明基板23的衍射光柵24上，也與透明基板21相同，構(gòu)成以透明基板23及液晶性材料26的與光柵縱向平行的非常光折射率ne形成的透射特性。
結(jié)果，例如在透明導(dǎo)電膜25之間施加電壓V0時(shí)，設(shè)第1實(shí)施形態(tài)的單一的衍射光柵12的透射率，例如對(duì)于波長(zhǎng)λ1、λ2、λ3，分別為T1、T2、T3(T1＞T2＞T3)，則在第2實(shí)施形態(tài)的情況下，分別為T12、T22、T32(T12＞＞T22＞＞T32)，能夠改善透射波長(zhǎng)的光與衍射遮光波長(zhǎng)的光之間的消光比。另外，如果施加的電壓足夠大，則液晶的取向方向垂直于透明基板21、23，雖然液晶單元沒(méi)有了作為旋光片的功能，但是兩者的衍射光柵22、24同時(shí)構(gòu)成以透明基板21、23的折射率ns與液晶性材料的尋常光折射率no形成的透射特性，同樣能夠提高消光比。
圖3表示的是本實(shí)施形態(tài)中的濾光片特性。圖3中的實(shí)線A表示的是沒(méi)有施加電壓的透射率。圖3中的點(diǎn)線B及虛線C分別表示在施加V1、V2的電壓(這里V1＜V2＝時(shí)的透射率。由圖3可知，由于施加電壓增大，透射波長(zhǎng)移向短波波長(zhǎng)一側(cè)。
(第3實(shí)施形態(tài))下面，參照?qǐng)D4來(lái)說(shuō)明關(guān)于本發(fā)明的第3實(shí)施形態(tài)的疊層偏振性衍射型濾光片30。
本實(shí)施形態(tài)的疊層偏振性衍射型濾光片30與第2實(shí)施形態(tài)不同，在透明基板31、33上形成的具有周期性的凹凸的衍射光柵32、34的形成材料的折射率是，對(duì)于一方的衍射光柵32(或者34)與非常光折射率相等，對(duì)于另一方的衍射光柵34(或者32)則與尋常光折射率相等。另外，在本實(shí)施形態(tài)中，液晶36的取向方向是，對(duì)于一方的衍射光柵32(或者34)與光柵的縱向平行，對(duì)于另一方的衍射光柵34(或者32)則與光柵的縱向垂直，這點(diǎn)也與第2實(shí)施形態(tài)不同。
接著，來(lái)說(shuō)明本實(shí)施形態(tài)的疊層偏振性衍射型濾光片30的制作方法。
(1)首先，在透明基板31上，形成具有與使用的液晶性材料的尋常光折射率no實(shí)質(zhì)上相等的折射率的各向同性材料膜，利用光刻法，形成由具有與使用的液晶性材料的尋常光折射率no實(shí)質(zhì)上相等的折射率的材料構(gòu)成的、周期性的凹凸的深度為d的第1衍射光柵32。另一方面，在與此相對(duì)的透明基板33上，形成具有與使用的液晶性材料的非常光折射率ne實(shí)質(zhì)上相等的折射率的各向同性材料膜，形成由具有與使用的液晶性材料的非常光折射率ne實(shí)質(zhì)上相等的折射率的材料構(gòu)成的、周期性的凹凸的深度為d的第2衍射光柵34。
(2)另外，在兩者的衍射光柵32、34的凹凸上，與第1、第2實(shí)施形態(tài)相同，分別在各透明基板31、33的相對(duì)的面上形成透明導(dǎo)電膜35。對(duì)于衍射光柵32，在與光柵方向平行的方向上實(shí)施取向處理，對(duì)于相對(duì)的透明基板33上的衍射光柵34，則實(shí)施與光柵方向垂直的取向處理。
(3)接著，與第2實(shí)施形態(tài)相同，將2塊相對(duì)的透明基板31、33在光柵方向?qū)嵸|(zhì)上垂直的狀態(tài)下，保持規(guī)定的空間來(lái)粘接兩者的透明基板31、33之后，注入非常光折射率為ne、尋常光折射率為no的液晶性材料，作為液晶單元。
在本實(shí)施形態(tài)的疊層偏振性衍射型濾光片30中，當(dāng)不向2個(gè)透明導(dǎo)電膜35之間的液晶施加電壓之時(shí)，在以波長(zhǎng)為λ的與第1衍射光柵32的光柵方向平行的直線偏振光入射時(shí)，對(duì)于第1衍射光柵32，它對(duì)于入射的直線偏振光的透射率，其位相差為Φ＝2π·(ne-ns)·d/λ，對(duì)于第2衍射光柵34，其位相差大約為零。另一方面，在將波長(zhǎng)為λ的與第1衍射光柵32的光柵方向垂直的直線偏振光作為入射光時(shí)，對(duì)于第1衍射光柵32，其位相差大約為零，對(duì)于第2衍射光柵34，其位相差為Φ＝2π·(ne-ns)·d/λ。
另一方面，通過(guò)向液晶施加電壓，因?yàn)檠苌涔鈻?2與衍射光柵34的位相差表現(xiàn)出大約相等的變化，所以對(duì)于入射光的全部的偏振狀態(tài)相同，能夠改變位相差即透射率。
在以上說(shuō)明的本發(fā)明的第1至第3實(shí)施形態(tài)中，因?yàn)橛霉饪谭ㄐ纬裳苌涔鈻?，所以也可以在光入射的區(qū)域中只有特定的一部分設(shè)置濾光片，也容易根據(jù)不同區(qū)域改變光柵的縱向、深度、周期等。
另外，第1至第3實(shí)施形態(tài)的衍射濾光片，例如能夠配置在同時(shí)使用波長(zhǎng)405nm頻帶、660nm頻帶、790nm頻帶的光的光盤裝置的光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)來(lái)使用，能夠用作為對(duì)于有效區(qū)域的全部或者一部分使得使用的波長(zhǎng)的光透射、而衍射遮光不使用的波長(zhǎng)的光的波長(zhǎng)選擇濾光片。
另外，對(duì)于使用可視區(qū)域的光的圖像顯示裝置及圖像讀入裝置，能夠用作為例如對(duì)于波長(zhǎng)450nm頻帶、550nm頻帶、650nm頻帶的藍(lán)、綠、紅光起作用的可變?yōu)V光片。
(第4實(shí)施形態(tài))
下面，參照?qǐng)D5來(lái)說(shuō)明關(guān)于本發(fā)明的第4實(shí)施形態(tài)的疊層偏振性衍射型濾光片40。
本發(fā)明第2實(shí)施形態(tài)的疊層偏振性衍射型濾光片20(參照?qǐng)D2)使用具有實(shí)質(zhì)上相同的特性的衍射光柵22、24，而該疊層偏振性衍射型濾光片40與它不同，其不同點(diǎn)是，在透明基板41、43相對(duì)的面上分別形成特性不同的衍射光柵42、44，光柵的縱向相互垂直而相對(duì)疊層。
也就是說(shuō)，本實(shí)施形態(tài)的疊層偏振性衍射型濾光片40的結(jié)構(gòu)是，在相對(duì)的透明基板43上，還配置由于結(jié)構(gòu)與在透明基板41上形成的衍射光柵42不同而特性不同的衍射光柵44。該衍射光柵42、44與第1實(shí)施形態(tài)相同，通過(guò)在與光柵平行的方向上實(shí)施取向處理，所以與第2實(shí)施形態(tài)的疊層偏振性衍射型濾光片20相同，液晶的取向?yàn)榇蠹s扭曲90度(旋轉(zhuǎn))，同時(shí)還具有作為旋光片的功能。
當(dāng)不向2塊透明導(dǎo)電膜45之間施加電壓時(shí)，當(dāng)將波長(zhǎng)λ的與光柵的縱向平行的直線偏振光作為入射光時(shí)，對(duì)于設(shè)置在透明基板41上的衍射光柵42，與第1實(shí)施形態(tài)相同，構(gòu)成以透明基板41的折射率ns、以及與液晶性材料46的光柵縱向平行的非常光折射率ne形成的透射特性。利用在透明基板41與相對(duì)的透明基板43之間的液晶的取向方向的扭曲(旋轉(zhuǎn))，使入射直線偏振光旋轉(zhuǎn)大約90度。結(jié)果，即使是在相對(duì)的透明基板43的衍射光柵44中，也與透明基板41相同，構(gòu)成以透明基板43及與液晶性材料46的光柵縱向平行的非常光折射率ne形成的透射特性。
決定透射光相對(duì)于向液晶單元的周期性的凹凸界面入射的直線偏振光的透射率的位相差Φ與第1實(shí)施形態(tài)相同，通過(guò)施加電壓，則由1式向2式變化。通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x定衍射光柵42、44的光柵深度，例如在為V0、V1、V2的施加電壓時(shí)的位相差，對(duì)于第1衍射光柵來(lái)說(shuō)，能夠是2πλ1/λ、2πλ2/λ、2πλ3/λ，對(duì)于第2衍射光柵來(lái)說(shuō)，能夠是2×(2πλ1/λ)、2×(2πλ2/λ)、2×(2πλ3/λ)。在這種情況下，在某透射波長(zhǎng)的周圍，第2衍射光柵的對(duì)于透射光譜的波長(zhǎng)的半輻值比第1衍射光柵的透射光譜的波長(zhǎng)的半輻值要小，提高了色純度。其效果是，雖然第1衍射光柵的位相差與第2衍射光柵的位相差不必相等，只要是使任何一方成為透射的波長(zhǎng)的整數(shù)倍即可，但是在抑制透射率的下降、以及位相差以波長(zhǎng)的整數(shù)倍增加時(shí)，為了能夠抑制目的透射波長(zhǎng)以外的波長(zhǎng)發(fā)生的透射峰值的數(shù)量，位相最好要小，以上述的理由，2個(gè)衍射光柵的位相差最好為透射波長(zhǎng)的1倍及2倍的組合。
作為這樣的組合的位相差的結(jié)果，例如在向2個(gè)透明導(dǎo)電膜45之間施加電壓V0時(shí)，例如對(duì)于波長(zhǎng)λ1、λ2、λ3，若設(shè)第1衍射光柵42的透射率分別為T11、T21、T31；例如對(duì)于波長(zhǎng)λ1、λ2、λ3，若設(shè)第2衍射光柵44的透射率分別為T12、T22、T32，則在第4實(shí)施形態(tài)的情況下，元件透射后的特性分別為T11×T12、T21×T22、T31×T32。通過(guò)適當(dāng)?shù)卦O(shè)定第1衍射光柵與第2衍射光柵的透射特性，比較第1實(shí)施形態(tài)與第2實(shí)施形態(tài)所得的特性，能夠提高消光比，能夠提高波長(zhǎng)λ1、λ2、λ3之間的對(duì)比度。圖6表示的是本實(shí)施形態(tài)的濾光片特性的一個(gè)例子。圖6中的點(diǎn)線A表示第1衍射光柵的透射率，虛線B表示第2衍射光柵的透射率。由于2個(gè)衍射光柵的光柵縱向互相垂直地疊層，圖6中以實(shí)線C來(lái)表示透射率，可知在透射峰值波長(zhǎng)周圍的半輻值變窄。
實(shí)施例以下舉出實(shí)施例來(lái)更加具體地說(shuō)明本發(fā)明。
「例1」在本實(shí)施例中，參照?qǐng)D1來(lái)說(shuō)明與第1實(shí)施形態(tài)相關(guān)的疊層偏振性衍射型濾光片10的具體的制作方法。
作為透明基板11，使用折射率為1.46的石英玻璃基板，在該石英玻璃基板的表面上，利用光刻法，以光柵周期為10μm來(lái)形成深2μm的衍射光柵12。接著，作為透明導(dǎo)電膜14，是用濺射法，在衍射光柵12上以及對(duì)面的透明基板13上形成厚度為20nm的ITO膜。然后，在涂敷聚酰亞胺樹(shù)脂后，進(jìn)行燒結(jié)，利用摩擦實(shí)施取向處理，使得取向方向與光柵12的方向平行，作為沒(méi)有圖示的取向膜。再然后，在透明基板13的周邊，印刷含有沒(méi)有圖示的10μm的玻璃纖維隔件的環(huán)氧樹(shù)脂的周邊密封，通過(guò)熱壓接來(lái)與透明基板11粘接，從而形成液晶單元，使得相對(duì)的取向方向平行。在該單元中，用真空注入法注入封接非常光折射率為1.76、尋常光折射率為1.51的液晶15，形成疊層偏振性衍射型濾光片10。
如果為該衍射濾光片10，則對(duì)于與光柵的縱向平行的直線偏振光的入射光，而該入射光透過(guò)了設(shè)置在衍射型濾光片10的前側(cè)位置上的沒(méi)有圖示的偏振片，這時(shí)在不向透明導(dǎo)電膜14之間施加電壓的狀態(tài)下，對(duì)于波長(zhǎng)為650nm的光的透射率高達(dá)85％以上，對(duì)于波長(zhǎng)為450nm的光的透射率低于15％。
另一方面，通過(guò)在透明電極14之間施加頻率為1kHz的矩形交流電壓以使其變化，則透射的波長(zhǎng)的峰值慢慢地移向短波長(zhǎng)一側(cè)，施加大約3V的電壓，則波長(zhǎng)為450nm的光有85％以上透射，而波長(zhǎng)為650nm的光的透射率在15％以下。對(duì)于隨機(jī)入射的偏振光的利用率，雖然使用設(shè)置在前側(cè)位置的偏振片會(huì)使光量減半，但是大約得到了透射波長(zhǎng)的40％。
「例2」在本實(shí)施例中，參照?qǐng)D4來(lái)說(shuō)明先前所說(shuō)的與第3實(shí)施形態(tài)相關(guān)的疊層偏振性衍射型濾光片30的具體的制作方法。
作為透明基板31，使用折射率為1.51的玻璃基板，以等離子體CVD法形成調(diào)整了組成比的厚度為2.6μm的SiON膜，使得與在該表面上使用的液晶材料的尋常光折射率1.51實(shí)質(zhì)上相等。在相對(duì)的透明基板33的表面上同樣形成調(diào)整為不同組成比的厚度為2.6μm的SiON膜，使得與使用的液晶材料的非常光折射率1.76實(shí)質(zhì)上相等。
對(duì)于兩種SiON膜，通過(guò)光刻法來(lái)形成光柵周期為25μm、深2.6μm的衍射光柵32及34。作為透明導(dǎo)電膜35，是以濺射法在衍射光柵32及34的上面形成厚度20nm的ITO膜。然后，作為沒(méi)有圖示的取向膜，是涂敷聚酰亞胺樹(shù)脂再燒結(jié)，并利用摩擦實(shí)施取向處理，使得取向方向相對(duì)于衍射光柵32是與光柵的縱向平行，而對(duì)于衍射光柵34是與光柵的縱向垂直。
然后，在透明基板33的周邊，印刷含有沒(méi)有圖示的10μm的玻璃纖維隔件的環(huán)氧樹(shù)脂的周邊密封，通過(guò)熱壓接來(lái)粘接兩個(gè)透明基板31、33，從而形成液晶單元，使得相對(duì)的取向方向平行。在該單元中，用真空注入法注入封接非常光折射率為1.76、尋常光折射率為1.51的液晶36，形成疊層偏振性衍射型濾光片30。
因?yàn)檠苌涔鈻?2及34對(duì)于垂直的直線偏振光獨(dú)立地起作用，所以對(duì)于隨機(jī)偏振光的入射，在不施加電壓的狀態(tài)下，對(duì)于波長(zhǎng)為650nm的光的透射率高達(dá)85％以上，而對(duì)于波長(zhǎng)為450nm的光的透射率在10％以下。通過(guò)向2個(gè)透明導(dǎo)電膜35之間施加頻率為1kHz的矩形交流電壓，則透射的波長(zhǎng)的峰值慢慢地移向短波長(zhǎng)一側(cè)，施加大約2.5V的電壓，則波長(zhǎng)為450nm的光的透射率為85％以上，波長(zhǎng)為650nm的光的透射率為10％以下。與例1不同，由于不使用配置在前側(cè)的偏振片，對(duì)于透射波長(zhǎng)的利用率大約可以得到80％。
「例3」在本實(shí)施例中，參照?qǐng)D5來(lái)說(shuō)明先前所說(shuō)的與第4實(shí)施形態(tài)相關(guān)的疊層偏振性衍射型濾光片40的具體的制作方法。
作為透明基板41，使用折射率為1.51的玻璃基板，在其表面上，同樣用濺射法來(lái)形成厚度為20nm的ITO膜，作為透明導(dǎo)電膜45。在透明導(dǎo)電膜45的上面，用真空蒸鍍法來(lái)形成折射率約為2.2、厚度為1.2μm的Ta2O5膜。在相對(duì)的透明基板43的表面上，也同樣依次地形成作為透明導(dǎo)電膜45的厚度為20nm的ITO膜，以及折射率約為2.2、厚度為2.4μm的Ta2O5膜。
對(duì)于兩者的Ta2O5膜，利用光刻法形成光柵周期2μm、深度1.2μm的衍射光柵42以及光柵周期2μm、深度2.4μm的衍射光柵44。然后，作為沒(méi)有圖示的取向膜，是涂敷使液晶沿照射的紫外線的偏振方向取向的聚乙烯肉桂酸鹽(polyvinyl cinamate)樹(shù)脂再燒結(jié)，并利用偏振紫外線照射實(shí)施取向處理，使得無(wú)論是對(duì)于衍射光柵42還是對(duì)于衍射光柵44，取向方向都與光柵的縱向平行。
然后，在透明基板43的周邊，印刷含有沒(méi)有圖示的10μm的玻璃纖維隔件的環(huán)氧樹(shù)脂的周邊密封，利用熱壓接來(lái)粘接透明基板41、43，從而形成液晶單元，使得相對(duì)的光柵的縱向與取向方向垂直。在該單元中，用真空注入法注入封接非常光折射率為1.76、尋常光折射率為1.51的液晶46，形成疊層偏振性衍射型濾光片40。
如果為疊層偏振性衍射型濾光片40，則對(duì)于與光柵的縱向平行的偏振方向的直線偏振光的入射光，而該入射光透過(guò)了設(shè)置在疊層偏振性衍射型濾光片40的前側(cè)位置上的沒(méi)有圖示的偏振片，這時(shí)在不向2個(gè)透明導(dǎo)電膜45之間施加電壓的狀態(tài)下，對(duì)于波長(zhǎng)為450nm的光的透射率高達(dá)80％以上，而對(duì)于波長(zhǎng)為550nm及650nm的光的透射率在10％以下。
另一方面，通過(guò)在透明電極45之間施加頻率為1kHz的矩形交流電壓以使其變化，則透射的波長(zhǎng)的峰值慢慢地移向短波長(zhǎng)一側(cè)，施加大約3V的電壓，波長(zhǎng)為550nm的光有80％以上透射，而波長(zhǎng)為450nm及650nm的光的透射率在10％以下。通過(guò)再進(jìn)一步施加電壓，則波長(zhǎng)為650nm的光的透射率80％以上，波長(zhǎng)為450nm及550nm的光的透射率為10％以下。
另外，本發(fā)明并非被上述實(shí)施形態(tài)有任何限定，在不脫離宗旨的范圍內(nèi)能夠以各種形態(tài)進(jìn)行實(shí)施。
工業(yè)上的實(shí)用性本發(fā)明由于透射或者衍射遮光的波長(zhǎng)可變，因此用作為向使用多種波長(zhǎng)的光盤進(jìn)行信息的記錄或者再生的光學(xué)頭裝置、以及使用整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)域的波長(zhǎng)范圍的圖像顯示或者圖像處理裝置的元器件，所以裝置能夠簡(jiǎn)單，可減少元器件的數(shù)量，達(dá)到小型、輕量化，并且便宜。
另外，在這里引用了于2004年7月29日提出的日本專利申請(qǐng)2004-221265號(hào)的說(shuō)明書、權(quán)利要求的范圍、附圖以及說(shuō)明書摘要的全部?jī)?nèi)容，是用作為本發(fā)明的說(shuō)明的揭示內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種偏振性衍射型濾光片，其特征在于，入射2種以上的峰值波長(zhǎng)不同的光，同時(shí)在所述2種以上的光之中至少有1種峰值波長(zhǎng)的光由于衍射而遮光，其它的峰值波長(zhǎng)的光發(fā)生透射，所述偏振性衍射型濾光片是在透明基板上形成構(gòu)成衍射光柵的周期性的凹凸部，同時(shí)對(duì)凹部填充光學(xué)構(gòu)件，而且構(gòu)成所述凹凸部的構(gòu)件或者填充該所述凹部的光學(xué)構(gòu)件之中至少有1個(gè)包含液晶性材料。
2.如權(quán)利要求1中所述的偏振性衍射型濾光片，其特征在于，所述液晶性材料的表現(xiàn)出非常光折射率的液晶分子的取向軸方向，在所述衍射光柵的附近與所述衍射光柵的縱向平行。
3.如權(quán)利要求1中所述的偏振性衍射型濾光片，其特征在于，利用在透明基板上形成的薄膜，形成構(gòu)成所述衍射光柵的凹凸部。
4.一種疊層偏振性衍射型濾光片，其特征在于，對(duì)一對(duì)權(quán)利要求1、2或3中所述的偏振性衍射型濾光片進(jìn)行疊層使衍射光柵相對(duì)向，從而形成疊層偏振性衍射型濾光片，所述光學(xué)構(gòu)件包含液晶性材料，同時(shí)填充在所述相對(duì)的衍射光柵之間，配置成所述對(duì)向的衍射光柵的縱向相互垂直。
5.如權(quán)利要求4中所述的疊層偏振性衍射型濾光片，其特征在于，配置所述光學(xué)構(gòu)件，使得所述光學(xué)構(gòu)件包含的液晶性材料的表示非常光折射率的液晶分子的取向軸方向繞垂直于所述透明基板面的方向旋轉(zhuǎn)90度。
6.如權(quán)利要求4或5中所述的疊層偏振性衍射型濾光片，其特征在于，所述光學(xué)元件包含的液晶性材料的表示出非常光折射率的液晶分子的取向軸方向，在對(duì)向的衍射光柵各自的附近與所述衍射光柵的縱向平行。
7.如權(quán)利要求4、5或6中所述的疊層偏振性衍射型濾光片，其特征在于，具有至少在所述衍射光柵的凹部上形成的透明導(dǎo)電膜，形成所述透明導(dǎo)電膜，使得能夠向與所述透明基板垂直或者與所述衍射光柵縱向垂直的方向上施加電壓，驅(qū)動(dòng)所述液晶性材料。
8.一種疊層偏振性衍射型濾光片，其特征在于，對(duì)第1偏振性衍射型濾光片及第2偏振性衍射型濾光片進(jìn)行疊層，從而形成疊層偏振性衍射型濾光片，第1偏振性衍射型濾光片及第2偏振性衍射型濾光片是權(quán)利要求1、2或3中的偏振性衍射型濾光片，對(duì)于具有相互垂直的偏振方向的第1直線偏振光及第2直線偏振光，第1偏振性衍射型濾光片使第1直線偏振光實(shí)質(zhì)上完全透射、同時(shí)使第2直線偏振光發(fā)生衍射，第2偏振性衍射型濾光片使第1直線偏振光發(fā)生衍射、同時(shí)使第2直線偏振光實(shí)質(zhì)上完全透射。
9.一種疊層偏振性衍射型濾光片，其特征在于，對(duì)第1偏振性衍射型濾光片及第2偏振性衍射型濾光片進(jìn)行疊層，從而形成疊層偏振性衍射型濾光片，第1偏振性衍射型濾光片及第2偏振性衍射型濾光片是權(quán)利要求1、2或3中的偏振性衍射型濾光片，第1偏振性濾光片對(duì)于峰值波長(zhǎng)的光而產(chǎn)生的位相差是第2偏振性濾光片對(duì)于峰值波長(zhǎng)的光而產(chǎn)生的位相差的實(shí)質(zhì)上2倍。
全文摘要
提供一種可以改變透射或者衍射遮光的波長(zhǎng)的疊層偏振性衍射型濾光片。該偏振性衍射型濾光片是有2個(gè)以上不同的峰值波長(zhǎng)的光入射，同時(shí)利用衍射來(lái)遮去這2個(gè)光之中至少1個(gè)峰值波長(zhǎng)的光，而其它的峰值波長(zhǎng)的光發(fā)生透射，在透明基板(11)、(13)上，形成構(gòu)成衍射光柵的周期性的凹凸部(12)，同時(shí)向凹凸部(12)填充光學(xué)構(gòu)件的液晶性材料，從而構(gòu)成衍射型濾光片，疊層2個(gè)偏振性衍射型濾光片，使得偏振性衍射型濾光片的衍射光柵的縱向互相垂直，從而構(gòu)成疊層偏振性衍射型濾光片。
文檔編號(hào)G02B5/18GK1989441SQ200580025138
公開(kāi)日2007年6月27日 申請(qǐng)日期2005年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月29日
發(fā)明者佐藤弘昌 申請(qǐng)人:旭硝子株式會(huì)社