專利名稱：帶有阻擋層的光學(xué)器件、光學(xué)系統(tǒng)以及投影儀裝置的制作方法
相關(guān)申請本申請要求2002年1月18日提出的日本專利申請No.2002-010767的優(yōu)先權(quán)。
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種光學(xué)器件，其中在具有一阻擋層的透明基板上形成一多層膜；一種使用該光學(xué)器件的光學(xué)系統(tǒng)；以及一種使用該光學(xué)器件的投影儀裝置。具體來說，本發(fā)明涉及一種光學(xué)器件，一種光學(xué)系統(tǒng)，以及一種投影儀裝置，當(dāng)該多層膜起二向色薄膜等作用時它們是適宜的。
現(xiàn)有技術(shù)的描述在彩色液晶投影儀裝置等的照明光學(xué)系統(tǒng)/顏色組合光學(xué)系統(tǒng)中，例如，傳統(tǒng)上使用具有二向色多層膜的顏色分解或組合棱鏡，以便將光源光分解成三種顏色，或者將來自相應(yīng)光閥的各個被調(diào)制的光分量組合。
要求這種二向色多層膜在用強光光源照射的狀態(tài)下在整個可見光波長區(qū)域保持良好的光譜特性和相差特性。
另一方面，要求形成有二向色多層膜的玻璃基板，即棱鏡具有低光彈性系數(shù)和低光吸收系數(shù)，以便保持良好的偏振態(tài)，從而使用包含大量PbO等的玻璃材料作為其構(gòu)成材料。
不過，連續(xù)地用強光源光(尤其是在較短波長側(cè)的光)照射這種棱鏡，從而該棱鏡中包含的Pb分子等有可能擴散到二向色多層膜中，在某些情況下有可能達到其最外層。在這種情形中，Pb分子等與例如構(gòu)成二向色多層膜的TiO2中的Ti等反應(yīng)，從而使TiO2等變黑，這有可能增大二向色多層膜的光吸收系數(shù)。
作為解決該問題的手段，可以在玻璃基板上設(shè)置一阻擋層，以抑制分子在玻璃基板與多層膜之間擴散。
傳統(tǒng)性已知的使用阻擋層的光學(xué)器件是，其中在基板與減反射多層膜之間插入一由MgF2或SiO2制成的阻擋層，以防止在基板與減反射多層膜之間的邊界處發(fā)生反應(yīng)，從而抑制邊界附近的光吸收(日本未審專利公開No.2000-275402)。
如果采用上述的現(xiàn)有技術(shù)來克服上面提到的問題，該阻擋層有可能擾亂光譜特性和相差特性，從而在作為要求在整個可見光區(qū)域具有良好光譜特性以及能保持偏振狀態(tài)的相差特性的用于彩色液晶投影儀裝置的顏色分解或合成棱鏡等的性能方面，該產(chǎn)品可能變差。
如果調(diào)節(jié)上述現(xiàn)有技術(shù)中阻擋層的厚度，使得多層膜和阻擋層整體上獲得良好的光譜和相差特性，那么該阻擋層將太薄(例如幾到十幾納米)，以致不能起到阻擋層的作用。
當(dāng)將薄膜設(shè)計為多層膜與阻擋層的組合時，必須注意不要影響多層膜的功能，從而難以進行設(shè)計，因此研制要花費大量的時間和費用。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個目的在于提供一種具有一多層膜和一位于該多層膜一側(cè)的阻擋層的光學(xué)器件，它能夠獲得良好的光譜和相差特性，同時良好地保持作為阻擋層的功能，并且節(jié)省設(shè)計該薄膜的時間和費用。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種使用這種光學(xué)器件的光學(xué)系統(tǒng)。
本發(fā)明的再一個目的在于提供一種使用這種光學(xué)器件的投影儀裝置。
本發(fā)明提供一種光學(xué)器件，包括一具有一多層膜和一設(shè)置在其多層膜一側(cè)上的阻擋層的透光光學(xué)基板；
其中該透光光學(xué)基板的折射率Ns(在632.8nm參考波長下)處于1.7≤Ns≤1.9范圍之內(nèi)；并且；其中該阻擋層的折射率Nb(在632.8nm參考波長下)處于-0.1≤Nb-Ns≤0.1范圍之內(nèi)。
最好，在該光學(xué)器件中，該阻擋層由La2xAl2yO3(x+y)構(gòu)成，其中0.5≤x，且y≤1.5。
最好，該阻擋層的物理薄膜厚度為至少20nm。
最好，該透光光學(xué)基板由包含至少50％重量比的PbO、Nb2O5和TiO2至少其中之一的玻璃材料構(gòu)成。
最好，Nb-Ns的值處于±0.05范圍之內(nèi)。
最好，該多層膜包括交替層疊的TiO2和SiO2層。
本發(fā)明提供一種包含上述光學(xué)器件的光學(xué)系統(tǒng)。
此處，該多層膜可以為二向色薄膜。
本發(fā)明提供一種包含上述光學(xué)器件的投影儀裝置。
此處，該多層膜可以是二向色薄膜。
附圖的簡要描述

圖1為剖面圖，示意性的說明根據(jù)本發(fā)明一實施例的光學(xué)器件的層結(jié)構(gòu)；圖2為示意性平面圖，表示在根據(jù)本發(fā)明一實施例的投影儀裝置中配備有該光學(xué)器件的光學(xué)系統(tǒng)；圖3為表示根據(jù)本發(fā)明實例1的阻擋層和二向色多層膜的光譜透射特性的曲線；圖4為表示根據(jù)本發(fā)明實例1的阻擋層和二向色多層膜中反射光的相差特性的曲線；圖5為表示根據(jù)本發(fā)明實例2的阻擋層和二向色多層膜的光譜反射特性的曲線；圖6為表示根據(jù)對比例1的二向色多層膜的光譜透射特性的曲線；圖7為表示根據(jù)對比例1的二向色多層膜中反射光的相差特性的曲線；圖8為表示根據(jù)對比例2的阻擋層和二向色多層膜的光譜透射特性的曲線；圖9為表示根據(jù)對比例2的阻擋層和二向色多層膜中反射光的相差特性的曲線；圖10為表示根據(jù)對比例3的減反射多層膜的光譜反射特性的曲線；以及圖11為表示根據(jù)對比例4的阻擋層和減反射多層膜的光譜反射特性的曲線。
最佳實施例的描述下面，將參照附圖解釋根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)器件、光學(xué)系統(tǒng)和投影儀裝置的實施例。
圖2為示意性平面圖，表示在根據(jù)本發(fā)明一實施例的投影儀裝置中具有一光學(xué)器件的光學(xué)系統(tǒng)。在這種情形中，該光學(xué)器件、光學(xué)系統(tǒng)和投影儀裝置分別由一顏色分解/合成棱鏡，一照明光學(xué)系統(tǒng)，和一反射型投影儀裝置組成。在顏色分解/合成棱鏡中每對棱鏡元件之間插入一二向色多層膜和一阻擋膜，將在下面進行詳細說明。
在圖2中，從光源103輸出的作為非偏振白光的照明光，被偏振片104處理成預(yù)定的S-偏振光，然后入射在偏振分束器5上。此處，光源103配備有一反射器，用于有效地利用光。所使用的光源103的例子包括金屬鹵化物燈，氙燈，鎢鹵素?zé)舻取?br> 由于入射在偏振分束器5上的照明光是S-偏振光，所以它被偏振分離表面(a polarization seperating surface)5A反射，從而入射在與偏振分束器5相連的顏色分解/合成棱鏡1上。
顏色分解/合成棱鏡1由相結(jié)合的三個棱鏡元件1A，1B，1C組成。即，從偏振分束器5一側(cè)沿光軸方向相繼設(shè)置第一棱鏡元件1A，第二棱鏡元件1B和第三棱鏡元件1C。第一棱鏡元件1A和第二棱鏡元件1B通過一適合于僅反射綠色光成分的第一二向色/阻擋層101D而彼此相連。第二棱鏡元件1B和第三棱鏡元件1C通過一適合于反射紅色光成分、并透過藍色光成分的第二二向色/阻擋層101E而彼此相連。因而，從第一棱鏡元件1A進入顏色分解/合成棱鏡1的光通量被分解成B、R、G三元色光分量，然后從棱鏡元件1A，1B，1C相應(yīng)的光學(xué)I/O端面101A，101B，101C發(fā)射。所發(fā)射的彩色光分量照射相應(yīng)的反射型液晶顯示板2，3，4，并且再次進入其相應(yīng)棱鏡元件1A，1B，1C的光學(xué)I/O端面101A，101B，101C，同時處于載有液晶顯示板2，3，4上所形成的彩色光成分的相應(yīng)物體圖像信息的狀態(tài)。
然后，由于顯示相應(yīng)彩色光成分的物體像的反射型液晶顯示板2，3，4而使其載有物體圖像信息的彩色光成分，通過各自入射光路被引導(dǎo)到相應(yīng)反射型液晶顯示板2，3，4，然后被顏色分解/合成棱鏡1組合。所組合的光通過偏振分束器5的偏振分離表面5A，從而由投影透鏡6將所需的彩色物體像放大投影到屏幕上。
此處，由于入射在每個反射型液晶顯示板2，3，4上的S-偏振光被轉(zhuǎn)換成P-偏振光，故從顯示板2，3，4返回的光將通過偏振分束器5的偏振分離表面5A。
如上所述，第一棱鏡元件1A與第二棱鏡元件1B通過適合于僅反射綠色光成分的第一二向色/阻擋層101D而彼此相連，而第二棱鏡元件1B與第三棱鏡元件1C通過適合于反射紅色光成分但是從中透過藍色光成分的第二二向色/阻擋層101E而彼此相連。
為了便于解釋，圖1中示意性地表示出形成在一個棱鏡基板上的層結(jié)構(gòu)。
即，每個二向色/阻擋層包括層疊在棱鏡基板10上的一阻擋層12和一二向色多層膜14。
此處，棱鏡基板10包含大量的PbO，從而表現(xiàn)出1.7≤Ns≤1.9的高折射率(在632.8nm的參考波長下，下面同上)。最好是，PbO的含量至少為50％重量比，從而在這種情況下，折射率Ns處于1.8≤Ns≤1.9范圍內(nèi)。
阻擋層12的折射率Nb(在632.8nm的參考波長下，下面同上)必須在-0.1≤Nb-Ns≤0.1范圍內(nèi)。并且，要求它具有不同棱鏡基板10化學(xué)反應(yīng)的成分，同時表現(xiàn)出高填充因數(shù)ρ(ρ≥0.95)。此處，最好Nb-Ns的絕對值盡可能小，并且最好在±0.05范圍之內(nèi)。
適用作阻擋層12的材料為La2xAl2yO3(x+y)[產(chǎn)品名稱Merck有限公司制造的Substance M3 Patinal(注冊商標(biāo))〕，其中x和y滿足0.5≤x且y≤1.5。
通過汽相沉積(或者離子電鍍法等)，上述的La2xAl2yO3(x+y)可以很容易地形成滿足折射率處于-0.1≤Ns≤0.1范圍之內(nèi)，并且填充因數(shù)ρ≥0.95的薄膜。此處，La必須增大阻擋層12的折射率Nb，由于這根本不會對光學(xué)性質(zhì)造成不利影響，所以是極好的。通過選擇x和y的值，阻擋層能得到所需的折射率Nb。
二向色多層膜14由，例如交替層疊的TiO2層14a和SiO2層14b的總共12層組成。
假設(shè)本實施例中如此構(gòu)成的阻擋層12能夠阻止棱鏡基板10中包含的Pb分子擴散到二向色多層膜14中，便可防止Pb分子與構(gòu)成二向色多層膜14的TiO2中的Ti分子反應(yīng)，阻止由于TiO2變黑引起的二向色多層膜14的光吸收系數(shù)升高。
并且，由于使阻擋層12的折射率非常接近于棱鏡基板10的折射率，故可以極好地保持光譜和相差特性，無需減小其薄膜厚度，從而可以獲得具有良好光學(xué)特性的光學(xué)器件，而不損失阻擋層12固有的功能。
可以彼此獨立地設(shè)計阻擋層12和二向色多層膜14，從而可以節(jié)省研究和設(shè)計所需的時間，且能降低制造成本。并且，增加薄膜設(shè)計的自由度。
可以用多種方式對根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)器件、光學(xué)系統(tǒng)和投影儀裝置進行變型，而不限于所述實施例。例如，構(gòu)成阻擋層12的成分不限于La2xAl2yO3(x+y)，而是可以選擇多種其他成分，只要它們能使阻擋層12的折射率接近于透光光學(xué)基板的折射率，而不對其光學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生不利影響。
作為透光光學(xué)基板，最好具有低光彈性系數(shù)和低光吸收系數(shù)，以便保持良好的偏振態(tài)。具體來說，不僅那些包含大量PbO的，而且包含大量Nb2O5或TiO2的基板也是較好的。如同在PbO情形中那樣，Nb2O5或TiO2的含量最好至少為50％重量比。
不特別限制本發(fā)明光學(xué)器件中的多層膜的類型。本發(fā)明不僅能應(yīng)用于上述的二向色多層膜，而且自然也適用于減反射多層膜等。
例子實例1在使用包含大量PbO的PBH55(產(chǎn)品名稱)的玻璃基板10上形成厚度為87nm的La2xAl2yO3(x+y)〔產(chǎn)品名稱Merck有限公司制造的Substance M3 Patinal(注冊商標(biāo))〕，作為阻擋層12，在其上形成一具有12個層(TiO2/SiO2交替的層)的二向色多層膜14。利用汽相沉積形成該阻擋層12和二向色多層膜14。玻璃基板10的溫度為300℃。此處，玻璃基板10的折射率為1.84，阻擋層12的折射率為1.84，二向色多層膜14中TiO2層14a和SiO2層14b的折射率分別為2.30和1.47。表1表示每個膜的折射率和厚度。
在如此形成的光學(xué)器件中，沒有發(fā)現(xiàn)Pb與TiO2之間發(fā)生反應(yīng)，而在薄膜內(nèi)光學(xué)吸收基本上為零。
圖3和4分別表示阻擋層12與二向色多層膜14的光譜透射特性〔在30℃的入射角下，(p-偏振光量+s-偏振光量)/2〕，和其中的反射光的相差特性。其光譜透射特性和反射光的相差特性極好。
實例2在使用包含大量PbO的PBH55(產(chǎn)品名稱)的玻璃基板10上形成厚度為100nm的La2xAl2yO3(x+y)〔產(chǎn)品名稱Merck有限公司制造的Substance M3 Patinal(注冊商標(biāo))〕，作為阻擋層12，在其上形成一具有4個層(TiO2/SiO2交替的層)的減反射多層膜14。利用汽相沉積形成該阻擋層12和減反射多層膜14。玻璃基板10的溫度為300℃。此處，玻璃基板10的折射率為1.84，阻擋層12的折射率為1.82，減反射多層膜14中TiO2層14a和SiO2層14b的折射率分別為2.30和1.47。表2表示每個膜的折射率和厚度。
在如此形成的光學(xué)器件中，沒有發(fā)現(xiàn)Pb與TiO2之間發(fā)生反應(yīng)，而在薄膜內(nèi)光學(xué)吸收基本上為零。
圖5表示阻擋層12與減反射多層膜14的光譜透射特性〔在0℃的入射角下，(p-偏振光量+s-偏振光量)/2〕。該光譜透射特性極好。
對比例1在使用包含大量PbO的PBH55(產(chǎn)品名稱)的玻璃基板10上形成一具有12個層(TiO2/SiO2交替的層)的二向色多層膜14，沒有阻擋層12。利用汽相沉積形成該二向色多層膜14。玻璃基板10的溫度為300℃。此處，玻璃基板10的折射率為1.84，二向色多層膜14中TiO2層14a和SiO2層14b的折射率分別為2.30和1.47。表3表示每個膜的折射率和厚度。
將所形成的光學(xué)器件安裝到一投影儀裝置中，并用照明光照射。在大約1到10小時之后，發(fā)現(xiàn)Pb分子擴散到TiO2層14a中，從而觀察到其間的反應(yīng)導(dǎo)致TiO2變黑。并且，觀察到該薄膜內(nèi)的光學(xué)吸收。
如圖6和7所示，分別對二向色多層膜14的光譜透射特性〔在30℃的入射角下，(p-偏振光量+s-偏振光量)/2〕，和其中的反射光的相差特性進行優(yōu)化。
對比例2在使用包含大量PbO的PBH55(產(chǎn)品名稱)的玻璃基板10上形成一SiO2層作為阻擋層12，在其上形成一具有12個層(TiO2/SiO2交替的層)的二向色多層膜14。利用汽相沉積形成該阻擋層12和二向色多層膜14。玻璃基板10的溫度為300℃。此處，玻璃基板10的折射率為1.84，阻擋層12的折射率為1.47，二向色多層膜14中TiO2層14a和SiO2層14b的折射率分別為2.30和1.47。表4表示每個膜的折射率和厚度。
此處，設(shè)定每個薄膜的厚度，以便對阻擋層12和二向色多層膜14的光譜透射特性〔在30℃的入射角下，(p-偏振光量+s-偏振光量)/2〕和其中的反射光的相差特性進行優(yōu)化。如圖8和9分別所示，阻擋層12與二向色多層膜14的光譜透射特性和其中的反射光的相差特性極好。
不過，由于優(yōu)化其光譜透射特性和反射光的相差特性，所以構(gòu)成阻擋層12的SiO2層的薄膜厚度為大約17nm，從而阻擋層12不能充分地表現(xiàn)出其固有的功能，而其薄膜厚度難于控制。
對比例3在使用包含大量PbO的PBH55(產(chǎn)品名稱)的玻璃基板10上形成一具有4個層(TiO2/SiO2交替的層)的減反射多層膜14。利用汽相沉積形成該減反射多層膜14。玻璃基板10的溫度為300℃。此處，玻璃基板10的折射率為1.84，減反射多層膜14中TiO2層14a和SiO2層14b的折射率分別為2.30和1.47。表5表示每個膜的折射率和厚度。
將所形成的光學(xué)器件安裝到一投影儀裝置中，并用照明光照射。在大約1到10小時之后，發(fā)現(xiàn)Pb分子擴散到TiO2層14a中，從而觀察到其間的反應(yīng)導(dǎo)致TiO2變黑。并且，觀察到該薄膜內(nèi)的光學(xué)吸收。
圖10表示減反射多層膜14的光譜透射特性〔在0℃的入射角下，(p-偏振光量+s-偏振光量)/2〕。其光譜透射特性極好。
對比例4在使用包含大量PbO的PBH55(產(chǎn)品名稱)的玻璃基板10上形成一SiO2層，作為阻擋層12，在其上形成一具有4個層(TiO2/SiO2交替的層)的減反射多層膜14。利用汽相沉積形成該阻擋層12和減反射多層膜14。玻璃基板10的溫度為300℃。此處，玻璃基板10的折射率為1.84，阻擋層12的折射率為1.47，減反射多層膜14中TiO2層14a和SiO2層14b的折射率分別為2.30和1.47。表6表示每個膜的折射率和厚度。
此處，設(shè)定每個薄膜的厚度，以便對阻擋層12和減反射多層膜14的光譜透射特性〔在30℃的入射角下，(p-偏振光量+s-偏振光量)/2〕進行優(yōu)化。如圖11所示，擋層12與減反射多層膜14的光譜透射特性極好。
不過，由于優(yōu)化了光譜透射特性，故構(gòu)成阻擋層12的SiO2層的薄膜厚度為大約6nm，從而阻擋層12不能充分地表現(xiàn)出其固有的功能，而其薄膜厚度難于控制。
如前面所解釋的，在具有阻擋層的透光光學(xué)基板上形成一諸如二向色薄膜的多層膜的光學(xué)器件中，具有根據(jù)本發(fā)明的阻擋層的光學(xué)器件限定了該阻擋層的折射率相對透光光學(xué)基板的折射率的范圍，從而有可能獲得具有極好光譜和相差特性以及極好光學(xué)特性的光學(xué)器件，同時確保阻止透光光學(xué)基板中Pb等擴散到多層膜中、然后與多層膜的成分反應(yīng)的功能，以便阻止多層膜的光學(xué)吸收系數(shù)增大。
另外，可以彼此獨立地設(shè)計阻擋層和二向色多層膜，從而可以節(jié)省研究和設(shè)計所需的時間，且能降低制造成本。
本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)和投影儀裝置可以獲得類似的效果，因為它們安裝有具有根據(jù)本發(fā)明的阻擋層的光學(xué)器件。表1N d1.84玻璃基板1.84 87.1 阻擋層12.30 70.2 TiO221.47 125.1SiO232.30 61.9 TiO241.47 111.1SiO252.30 67.5 TiO261.47 108.2SiO272.30 59.2 TiO281.47 120.3SiO292.30 64.7 TiO210 1.47 96.2 SiO211 2.30 77.0 TiO212 1.47 33.1 SiO2表2Nd1.84玻璃基板1.82 100.0阻擋層(SiO2)1 2.30 110.3 TiO22 1.47 167.4 SiO23 2.30 100.6 TiO24 1.47 73.4SiO2表3Nd1.84 玻璃基板1 2.3070.2 TiO22 1.47125.1 SiO23 2.3061.9 TiO24 1.47111.1 SiO25 2.3067.5 TiO26 1.47108.2 SiO27 2.3059.2 TiO28 1.47120.3 SiO29 2.3064.7 TiO210 1.4796.2 SiO211 2.3077.0 TiO212 1.4733.1 SiO2表4N d1.84 玻璃基板1.4717.6阻擋層(SiO2)1 2.3080.1 TiO22 1.47123.0 SiO23 2.3059.4 TiO24 1.47114.4 SiO25 2.3066.4 TiO26 1.47110.4 SiO27 2.3057.4 TiO28 1.47122.4 SiO29 2.3063.3 TiO2101.4798.6 SiO2112.3076.0 TiO2121.4735.1 SiO2表5N d1.84玻璃基板12.30110.3TiO221.47167.4SiO232.30100.6TiO241.4773.4 SiO2表6N d1.84 玻璃基板1.476.1阻擋層(SiO2)1 2.30113.9 TiO22 1.47167.6 SiO23 2.30100.3 TiO24 1.4773.6 SiO權(quán)利要求
1.一種光學(xué)器件，包括一具有一多層膜和一設(shè)置在其所述多層膜一側(cè)的阻擋層的透光光學(xué)基板，其中，所述透光光學(xué)基板的折射率Ns(在632.8nm參考波長下)處于1.7≤Ns≤1.9范圍之內(nèi)；并且所述阻擋層的折射率Nb(在632.8nm參考波長下)處于-0.1≤Nb-Ns≤0.1范圍之內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其中所述阻擋層由La2xAl2yO3(x+y)構(gòu)成，其中0.5≤x，且y≤1.5。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其中所述阻擋層的物理薄膜厚度為至少20nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其中所述透光光學(xué)基板由包含至少50％重量比的PbO、Nb2O5和TiO2至少其中之一的玻璃材料構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其中Nb-Ns的值處于±0.05范圍之內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其中所述多層膜包括交替層疊的TiO2和SiO2層。
7.一種光學(xué)系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)器件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中所述多層膜為二向色薄膜。
9.一種投影儀裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)器件。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中所述多層膜為二向色薄膜。
全文摘要
一種光學(xué)器件，包括一具有一多層膜和設(shè)置在其多層膜一側(cè)上的阻擋層的透光光學(xué)基板。該透光光學(xué)基板的折射率N
文檔編號G02B1/10GK1432823SQ0310171
公開日2003年7月30日 申請日期2003年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月18日
發(fā)明者小澤直樹, 榎本淳, 安田賢司, 小島良雄, 守屋哲, 茂田正信, 作間俊哉 申請人:富士寫真光機株式會社, 日本勝利株式會社