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CN101738668B - 偏振立方体及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种偏振立方体及其制造方法，其中偏振立方体包括：薄复合板，包括直线平面阵列，所述直线平面阵列由反射材料制造，沿平行方向空间分离并由第一透射材料围绕覆盖；以及一对对称的三棱镜，由第二透射材料制造成，分别结合于所述薄复合板的相对面上，并夹设所述薄复合板；其中所述薄复合板和所述一对对称的三棱镜均相对于所述偏振立方体的对角面光对称。本发明可以提高投影显示应用中的系统集成度和稳固性。

Description

偏振立方体及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种投影显示应用中使用的光偏振核心，尤其涉及一种微显示投影应用中使用的偏振立方体，用作光引擎核心，其中包含具有平面对角结构的集成线栅偏振器。
背景技术
线栅偏振器(Wire Grid Polarizer，简称：WGP)不仅被用在偏振光系统中，而且还被有效地用作分束器，尤其还被应用于基于液晶的微显示投影应用中。这种分束器工作在相当宽的可见光频谱范围内，其反向一路线性偏振光并使其他的光透射，在众多优点中具有相当高的对比度和光效率。
偏振线栅设置于设置于透光基板(如玻璃)的外表面。如汉森(Hansen)的美国专利号6,243,199中所公开的那样，传统的线栅偏振器基本包括延伸用空间分离的线栅，由纳米级的反射材料(如铝)制成，采用平面阵列粘合在平板玻璃面板上。很显然，这种结构在恶劣的组装和应用条件下容易损坏，在这种条件下，在这些纤细的金属栅格上极易发生物理及化学损伤。基于薄板的传统结构，有很多物理结构上的改进，以提高稳固性并保持和加强所设计的偏振光性能及分束性能。
图1a为现有技术中传统线栅偏振面板10的示意图。这种线栅偏振面板10的结构包括布设于玻璃板1上的延伸反射单元阵列2。当进行制造和处理时，这些陈列对于外部损害非常脆弱。图1b显示了一种简易的光引擎5，用于投影显示。其中应用一线栅偏振面板10，与反射成像器90及光源95相关联。该线栅偏振面板10对处于一种偏振态P的入射光进行反射，使反射光照射到反射成像器90用于形成投影显示，另外，让具有其他偏振态S的入射光通过。
即便在这种简易结构中，也有必要改进光引擎5及其核心组件(如线栅偏振面板10和反射成像器90)的集成度和稳固性稳固性。其中两个关键组件线栅偏振面板10和反射成像器90要具有更佳的集成度和对准性，而使他们之间的光误差达到最小。
发明内容
本发明实施例提供一种偏振立方体及其制造方法，用以提高投影显示应用中的系统集成度和稳固性。
本发明实施例提供了一种偏振立方体，其中包括：
薄复合板，包括直线平面阵列，所述直线平面阵列由反射材料制造，沿平行方向空间分离并由第一透射材料围绕覆盖；以及
一对对称的三棱镜，由第二透射材料制造成，分别结合于所述薄复合板的相对面上，并夹设所述薄复合板；
其中所述薄复合板和所述一对对称的三棱镜均相对于所述偏振立方体的对角面光对称。
本发明另一实施例提供了一种制造上述偏振立方体的方法，其中包括：
设置由第一透射材料覆盖的第一基板；
将由反射材料制成的片状膜沉积于第一基板上；
对所述片状膜进行光刻以形成直线平面阵列，所述直线平面阵列沿平行方向空间分离并由一组空隙分隔；
沉积由第一透射材料制成的覆盖膜，将所述空隙完全填充并覆盖所述直线平面阵列；
对所述覆盖膜进行削薄，使削薄后的覆盖膜在所述直线平面阵列之上具有第一厚度；
将由第二透射材料制成的具有第二厚度的第一厚基板结合于所述削薄后的覆盖膜表面上；
将承载有所述第一厚基板的所述第一基板削薄为所述第一厚度；
将由第二透射材料制成的具有第二厚度的第二厚基板结合到削薄后的第一基板上，与所述第一厚基板相对，以形成包含所述第一厚基板、薄复合板及第二厚基板的厚复合板；
沿四个四联垂直面切割所述厚复合板，每个所述四联垂直面与被夹设的薄复合板成45度角，以形成延伸立体棒，该延伸立体棒具有第一组相对面和第二组相对面，且相对于薄复合板对称；以及
沿一对截平面对所述延伸立体棒进行切割，所述一对截平面垂直于所述薄复合板及所述第一组相对面和第二组相对面。
本发明实施例可以提高投影显示应用中的系统集成度和稳固性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a为现有技术中传统线栅偏振面板10的示意图；
图1b为现有技术中使用传统线栅偏振面板10作为偏振分束器并具有反射成像器90和光源95的简易光引擎5的截面视图；
图2a为集成有直线平面阵列110的偏振立方体100的侧视图，该偏振立方体100在本发明一实施例中用作线栅偏振器和分束器；
图2b显示了图2a所示偏振立方体100一角的分解放大图；
图3a、3b及3c显示本发明所述偏振立方体100的制造方法实施例各阶段的截面视图；
图4a、4b、4c、4d及4e显示本发明所述偏振立方体100的制造方法另一实施例各阶段的截面视图；
图5为从厚复合板108中最终机械加工出偏振立方体100的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图2a为本发明一实施例所述用作线栅偏振器和分束器的偏振立方体100的侧视图，其中集成有直线平面阵列110，图2b显示了该偏振立方体100一角的分解放大图。该偏振立方体100相对于对角面140物理对称，在该对角面140上对称布设有直线平面阵列110，并由于一对对称的三棱镜(即上三棱镜150和下三棱镜160)进行夹设。下三棱镜160的一个四联垂直面，即光接收面195，用于接收如图1b所示的处于一种偏振态的入射光，并让其通过并到达直线平面阵列110。该直线平面阵列110将处于这种偏振态的入射光反射到三棱镜160的成像器安装面190上，在该成像器安装面190上可以安装反射成像器90(图1b)。
在本发明一实施例中，偏振立方体100包括两个对称的三棱镜(即上三棱镜150和下三棱镜160)及包含直线平面阵列110的薄复合板105，其中，该薄复合板10由上述对称的三棱镜150和160进行夹设，并相对于对角面140对称。如图2b所示，直线平面阵列110中的每一条直线均沿其中线相对于对角面140对称。位于复合板105中的所述直线平面阵列110由第一透射材料围绕，而所述对称的三棱镜150和160由第二透射材料制成。第一透射材料和第二透射材料之一或二者可以为二氧化硅，并且进一步地，第一透射材料和第二透射材料可以具有相同的成分。
在本发明另一实施例中，偏振立方体100中与薄复合板105共享一个边缘的四个面，如面190、192、193和195，这些面上可以涂敷抗反射涂层，以减小表面反射损耗，从而改进光效率及光引擎的性能。该偏振立方体100可在用在类似于图1所示结构中，用以进行投影显示。
同时，也可以在垂直于薄复合板105的两个面180和185涂敷光吸收材料，以减小给投影应用中的正常光路带来的不需要的闪耀效果。可选地，垂直薄复合板105的两个面180和185中任一个面上可以附着有光电面板，用于将散射的光转换为电荷以备存储和再用。
在实际情况中，直线平面阵列110可以由包括银、铝、钛和金等反射金属中的之一或任意组成制成。
图3a、3b及3c显示本发明所述偏振立方体100的制造方法实施例各阶段的截面视图。首先，如图3a所示，将一层由反射材料制成的具有所需厚度的片状膜110a设置于由第一透射材料覆盖的第一基板120上。这种平行方向空间分离的直线平面阵列110可以通过光刻及微机械加工(如干蚀刻)形成，其沿平行方向空间分离并由一组空隙115分隔，该空隙115可以为直线形空隙。如图3b所示，沉积由上述相同的第一透射材料制成的覆盖膜130，使得将直线110分隔的空隙115被完全填充，沉积该覆盖膜130时使其具有所需厚度。具体可以采用化学气相沉积法来沉积由二氧化硅制成的覆盖膜130。该覆盖膜130可以进一步采用化学机械抛光方法进行削平，以便从覆盖膜130上去除不平整的部分130a，从而形成薄复合板105。
如图3c所示，可以通过使用粘合等方式，将具有第二厚度的由第二透射材料制成的第一厚基板135无缝结合于覆盖膜130的经过削薄后的表面上，从而结合于薄复合板105上，并与由第一透射材料覆盖的第一基板120相对。在实践中，可以使用常用晶片到晶片的结合方法，如阳级结合和融合结合等方法来实现这种结合。
如图3c所示，在本发明一实施例中，该第一基板120被削薄以形成与由第一透射材料制成的削平后的覆盖膜130的厚度相同的厚度，其中使用结合的具有第二厚度的第一厚基板135作为进行削薄处理的载体。然后，将由第二透射材料制成的具有与第一厚基板135相同的第二厚度的第二厚基板125结合到削薄后的第一基板120上，并与第一厚基板135相对，以形成厚复合板108。。该厚复合板108包括第一厚基板135、薄复合板105及第二厚基板125。
在本发明实施例中，第一透射材料和第二透射材料可以为二氧化硅或玻璃。为了在前述方法中提高所述透射材料的透光率，可以进行一次或多次热处理，只要在该热处理中的温度大致低于上述所有材料(如反射材料、第一透射材料和第二透射材料等)的熔化温度即可。当使用硅和二氧化硅时，钢化玻璃非常有利于实现本实施例所述各步骤。
图4a、4b、4c、4d及4e显示本发明所述偏振立方体100的制造方法另一实施例各阶段的截面视图。将由第一透射材料制成的具有第一厚度的第一透射膜121制造于由牺牲材料制成的牺牲基板122上。该牺牲材料可以为硅，第一透射材料可以为二氧化硅。可以使用热氧化或化学气相沉积或这两种方法的组合来生产具有所需第一厚度的第一透射膜121。
然后，类似于图3a～3c所示方法，如图4a所示，将由反射材料制成的片状膜110a沉积于第一透射膜121上，进行光刻以形成沿平行方向空间分离的且由空隙115分隔的直线平面阵列110。沉积由第一透射材料制成的覆盖膜130，完全填充空隙115以覆盖直线平面阵列110。
如图4b所示，对第一透射材料制成的覆盖膜130进行削薄，使削薄后的覆盖膜130位于直线平面阵列110之上具有第一厚度，从而形成薄复合板105。然后，如图4c所示，将由第二透射材料制成的具有第二厚度的第一厚基板135结合到覆盖膜130削薄后的面上。如图4d所示，可以通过化学机械抛光或选择性湿法蚀刻或这两种方法的组合有选择地将牺牲基板122从第一透射膜121去除，以便将第一透射膜121的相对面曝露给第二厚基板125，从而形成类似于前述实施例中图3所述的结构。如图4e所示，可以采用类似于图3c所示方法形成厚复合板108，该厚复合板108包括第一厚基板135、薄复合板105和第二厚基板125。
图5为从厚复合板108中最终机械加工出偏振立方体100的示意图。进行结合后，首先沿四个四联垂直面211、212、213和214对复合板108进行切割，这四个四联垂直面211、212、213和214彼此垂直，且相对于薄复合板105具有45度角，并且被夹设于两个厚基板，即第一厚基板135和第二厚基板125之间，从而形成一组具有第一组相对面和第二组相对面的延伸立体棒230，每个延伸立体棒230均包含相对于该延伸立体棒230的对角面140对称的薄复合板105。
沿截平面221和222进行进一步切割，这两个截平面221和222垂直于每个包含薄复合板105的延伸立体棒230的第一组相对面和第二组相对面，从而制成一组偏振立方体100。可以对偏振立方体100上的四个面做进一步表面处理，如抛光等。
本发明可以改进投影显示应用的集成度和稳固性。所述结构的偏振器在进行制造时可以采用常用的半导体晶片制造工艺，包括光刻图案形成、空隙介电填充、削平、晶片削薄、粘合、及切割等。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。例如，通过本发明上述实施例可以提高在可见光频谱范围内用于投影显示的线栅偏振器和反射成像器的集成度和系统稳固性，但本发明还可以应用于其他领域，如红外线等其他频谱范围的光的偏振。因此，本发明并不限定于实施例公开的内容。

Claims (10)

1.一种偏振立方体，其特征在于包括：
薄复合板，包括直线平面阵列，所述直线平面阵列由反射材料制造，沿平行方向空间分离并由第一透射材料围绕覆盖；以及
一对对称的三棱镜，由第二透射材料制造成，分别结合于所述薄复合板的相对面上，并夹设所述薄复合板；
其中所述薄复合板和所述一对对称的三棱镜均相对于所述偏振立方体的对角面光对称，且
所述偏振立方体中垂直于所述薄复合板的两个面中的任一面上设置有光电面板。
2.根据权利要求1所述的偏振立方体，其特征在于所述第一透射材料和/或所述第二透射材料为二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的偏振立方体，其特征在于所述第一透射材料与所述第二透射材料相同。
4.根据权利要求1所述的偏振立方体，其特征在于所述偏振立方体中与所述薄复合板共享一个边缘的四个面上分别涂敷有抗反射涂层。
5.根据权利要求1所述的偏振立方体，其特征在于所述偏振立方体中垂直于所述薄复合板的两个面上分别涂敷有光吸收材料。
6.根据权利要求1所述的偏振立方体，其特征在于所述直线平面阵列由从银、铝、钛和金构成的组中选择的反射金属之一或多个的组合制成。
7.一种制造偏振立方体的方法，其特征在于包括：
设置由第一透射材料覆盖的第一基板；
将由反射材料制成的片状膜沉积于第一基板上；
对所述片状膜进行光刻以形成直线平面阵列，所述直线平面阵列沿平行方向空间分离并由一组空隙分隔；
沉积由第一透射材料制成的覆盖膜，将所述空隙完全填充并覆盖所述直线平面阵列；
对所述覆盖膜进行削薄，使削薄后的覆盖膜在所述直线平面阵列之上具有第一厚度，从而形成薄复合板；
将由第二透射材料制成的具有第二厚度的第一厚基板结合于所述削薄后的覆盖膜表面上；
将承载有所述第一厚基板的所述第一基板削薄为所述第一厚度；
将由第二透射材料制成的具有第二厚度的第二厚基板结合到削薄后的第一基板上，与所述第一厚基板相对，以形成包含所述第一厚基板、薄复合板及第二厚基板的厚复合板；
沿四个四联垂直面切割所述厚复合板，每个所述四联垂直面与被夹设的薄复合板成45度角，以形成延伸立体棒，该延伸立体棒具有第一组相对面和第二组相对面，且相对于薄复合板对称；以及
沿一对截平面对所述延伸立体棒进行切割，所述一对截平面垂直于所述薄复合板及所述第一组相对面和第二组相对面，
在所述一对截平面的任一面上设置光电面板。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述设置由第一透射材料覆盖的第一基板包括：
设置由牺牲材料制成的牺牲基板；及
在所述牺牲基板的顶部制造由所述第一透射材料制成的具有第一厚度的第一透射膜；以及
在将所述第一基板削薄为第一厚度之后且结合所述第二厚基板之前，所述方法还包括：将所述牺牲基板选择性地从所述第一透射膜去除。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述牺牲基板由硅制成，所述第一透射膜通过热氧化和化学气相沉积之一或组合被制造于所述牺牲基板上。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于进一步包括一次或多次热处理，所述热处理的温度低于所述反射材料、第一透射材料和第二透射材料中最低的熔化温度。
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