用于產生一總體上為偏振光束的偏振裝置的制作方法

專利名稱：用于產生一總體上為偏振光束的偏振裝置的制作方法
背景技術：
1.發明領域本發明涉及可見光譜和近可見光譜中用的光學系統，該系統包括一用于從一束總體上為未偏振的源光束中產生一束總體上為偏振光束的偏振裝置。更準確地說，本發明涉及這樣的光學系統，它由一組光學元件組成，其中的一個元件含有一種偏振器，該偏振器具有一些總體上為平行排列的細長的元件，設置在源光束中，用來與源光束的電磁波相互作用，以從總體上(i)透過或通過具有與該元件長度垂直的偏振方向的光，和(ii)反射具有與該元件長度平行的偏振方向的光。
2.現有技術偏振光用于各種應用領域，例如液晶顯示(LCDs)和投影系統。液晶顯示通常用于膝上計算機的顯示和別的信息顯示設備例如表和計算器。液晶投影儀也用于顯示信息，但它是把這些信息或圖象投影到遠處的屏幕上。這樣的投影儀通常帶有它們自己的大功率光源。
在這些投影儀中的液晶顯示裝置利用偏振器，并結合液晶元件的特性，以有選擇性地透射或吸收光，產生一亮暗象素組成的圖樣，從而形成滿意的圖象。光的開或關的性能引起一種象液晶光閥那樣的常規標志。它們起作用，是通過利用液晶材料在適當地創立和對準時能夠旋轉光的偏振的優點，以及這種適當的對準可以由一外電場來改變的特點。
典型地是，采用兩個偏振器，在該液晶元件的每一邊各放一，組合起來形成一光閥。該偏振器的作用在于為該液晶元件提供偏振光，然后解析通過該液晶元件的光，并且屏幕不需要的偏振光。
應當理解，為液晶元件提供光的第一偏振器不必緊鄰該液晶元件。但是，為了提供一質量好、對比度高的圖象，就必須要求到達該液晶元件的光是好的平面偏振光。所以，由距離該液晶元件一定間隔的偏振器產生的偏振光束可以作為第一偏振器。當然，偏振光束還有其它的應用，例如在多種科學儀器和某些型號的照明系統中均可發現。
“偏振的”或“偏振光”一詞是指通常具有單一線性或平面偏振的光束，該偏振由與之類似取向的電磁波限定。另一方面，一束自然光通常是非偏振的，或具有由光源發出的電磁波所限定的多個偏振平面。這種自然光或非偏振光可能以含有兩個正交的線性(平面)偏振光為特征。
特定的偏振態或取向的電磁波可以從其中包含該特定偏振成分和與之正交的偏振成分的非偏振源中分離出來。分出特定偏振成分的器件叫偏振片，可以用它來獲得一束總體上具有單一偏振的光或線偏振光。
偏振光和某些偏振器的概念已經存在一個多世紀了。但令人吃驚的是，大部分現代的和先進的偏振光應用領域仍然采用那些30多年前以來基本上未變的偏振片。這種狀況令人驚訝是由于這些偏振片作用的基礎物理機制不能為大部分的應用提供理想的偏振片。由此而得到的性能上的局限性嚴重地限制了光學系統設計上的靈活性、光學效能、系統成本和整體性能。結果，這些局限引起了提高偏振片性能的嘗試，這種嘗試從特別是包含在一或多個特征中的性能出發以獲得在另外的特征中較少限制的性能。
從考查偏振片的歷史和它們在光學系統中提供偏振光束的應用中可知，偏振片組件是采用偏振光束表現出以下一或多個特征的基本的和最重要的因素，這些特征包括低效率、與顏色相關的性能變化、需要高準直性的光和復雜的光學系統。
可能，已知的第一偏振片是一由方解石晶體制成的雙折射偏振片。目前，雙折射偏振片可以由許多種晶體也可以由某些拉伸的聚合物制成。雙折射偏振片形成于那些在一個方向上具有與別的方向上不同的光學折射率的材料，盡管這種光學折射率不同的程度會隨著光的顏色的改變而改變。這種不同的光學折射率可以被用于把一個線偏振的光束與別的偏振光分開，盡管這種分離常常含有一小角度的偏移。這種窄帶的分離可能需要應用復雜的光學系統。它還可能需要使光在有效量的材料中傳輸或通過一條拉長的光路，這將導致一龐大的光學組件或設計。最終，該窄帶分離很難利用兩個偏振成分，這就意味著通常是光的一半被通過吸收或別的方式放棄或浪費。
雙折射偏振片的使用通常以低效、性能隨顏色變化、需要高準直性的光和復雜的光學系統為特征。龐大的光學系統和拉長的光路將帶來其它的性能上和設計上的不利。基于這些理由，雙折射偏振片通常不能用于例如圖象投影儀這樣的光學系統中。
另一種發展于20世紀30年代而仍然在膝上計算機顯示中作為基本偏振器的偏振器是二向色性偏振器。二向色性偏振器是一種吸收一種偏振成分而通過另一種偏振成分的偏振器。現在已經發展了許多種二向色性偏振器，但最常見的類型由一片聚合物組成，該聚合物被拉伸以使它的分子定向，然后用碘和/或別的材料處理而使得這些定向的分子吸收一個方向的所有偏振成分。
關于二向色性偏振器的最重要的問題是它們的光吸收。典型的拉伸聚合物片偏振器吸收一種偏振中幾乎所有的成分和15％或更多的適宜的或通過的偏振成分，這將導致光的低效應用。所有聚合物偏振器還有其它方面的問題，例如它們的低抗熱性和對光子的敏感性都會誘導化學變化，隨著應用和使用年限，這些化學變化將使材料變黃或變脆。隨著光學系統亮度的增加，這些問題變得日趨尖銳。所有二色性偏振器固有的低效特性以及大多數通用聚合物片偏振器對環境(熱和光)的敏感性使得我們需要考慮很多的問題。
還有另一種基本的偏振器技術是薄膜偏振器。它應用布儒斯特效應，其中以布儒斯特角(約45°)入射到玻璃或別的媒質表面上的光被轉化成兩束偏振光，一束透過而另一束被反射。利用布儒斯特角使光偏振僅可以有效地在一非常窄的角度范圍內完成。這種類型偏振器的例子是1946年7月9日出版的授于MacNeilli的美國專利2,403,731。MacNeilli偏振器包括許多有助于擴大這種偏振器接收角度范圍的片層結構，盡管在許多器件中該接收角度范圍仍然被限制到幾度。MacNeilli棱鏡通常由置于兩個楔子的大表面間的偏振薄膜制成，形成一具有置于該立方體對角線上的薄膜的立方體。這樣，該立方體的寬和深相等。
由于布儒斯特角會隨著光的顏色的改變而有所改變，所以，MacNeilli棱鏡也同樣遇到與顏色相關的性能上的困擾，這就降低了該偏振器對于寬帶可見光應用中的效率。MacNeilli偏振器和與偏振器有關的裝置的另一方面的局限性在于未透過的偏振部分以與該系統的光軸成直角被反射到該系統一側。這對于沒被利用的光來說是一不便的位置，而且大大限制了這種類型偏振器的利用。結果，為了獲得適當的物理孔徑，這種類型的偏振器變得十分龐大，這是由于當MacNeilli偏振器的寬度或孔徑增加時，深度也要隨之增加，這種增加源于在立方體中薄膜的斜放。另外，體積不太龐大或深度較小的MacNeilli偏振器可以由許多并排放置的小立方體形成，以跨越一較寬的區域或產生一較大的物理孔徑。然而，這需要一復雜的裝配過程，這個過程對于制作來說是困難的和花費高的。
由于在改善這些傳統偏振器的局限性中失敗，所以，到20世紀60年代這種嘗試轉向了膽甾型偏振器領域。不象以前那樣直接把兩個線性偏振成分分離，膽甾型偏振器產生圓偏振光。膽甾型偏振器采用具有一種能與光相互作用的分子結構的特殊的材料和化學成分，從而產生圓偏振。膽甾型偏振器將反射一種圓偏振光并透過與之正交的圓振光。
膽甾型偏振器的一個問題是圓偏振光不總是有用的而且必須將它轉化為線偏振光。這種偏振器的另一問題是它們在較大的角度范圍中或在一大的入射角范圍內不能有效地運行。還有一問題是膽甾型偏振器是非寬帶的或具有有限的光學帶寬。針對發展中的膽甾型偏振器所做的嘗試暴露了傳統偏振器的缺點和對投身于探索進步所做的努力的夸大。
在最近的10年，偏振器已經得到了發展，其中拉伸聚合物片被做成雙折射。例如可以參見美國專利5,612,820。這種拉伸片反射一種偏振成分而透過其它的成分。這種類型的偏振器的一問題是它約為15的低消光比。雖然在一些應用中是有用的，但這個消光比對于沒有第二偏振器的成象應用領域是不夠的，而且這種器件的基本物理學使得對低消光比這個特征能被極大提高產生懷疑。這種類型的偏振器也受到前面所述的環境問題的影響。
傳統的偏振器所存在的問題給偏振光的應用帶來嚴重的影響，前面已經討論了其中的一些。例如光的低效率在許多應用例如圖象投影中都是不令人滿意的，在此功率的花費較大或它的浪費較多而且得到不好的結果。一開始，光本身的產生就是一低效的過程。由電能轉換為光能的最有效的轉換發生在熒光，它具有約40％的效率。然而，熒光不是光學亮光源。另一方面，象例如弧光燈和金屬鹵化物燈這樣的亮光源在產生光時是低效的，具有10％以下的效率。而且，象例如弧光燈這樣的亮光源通常需要昂貴的功率調節器。由于僅在產生光能中所固有的低效率，所以，充分利用所產生的光是很重要的。
因為非偏振的自然光由兩個正交的線偏振光組成，所以，基本的光偏振過程僅能提供所得到的適宜偏振成分中的50％。任何吸收或放棄不需要偏振成分的偏振器都會使光學系統付出一較大的性能代價。因而，需要擁有一能利用不需要的偏振成分以增加能效的偏振器。
除了在產生光中消耗功率以外，低效偏振器還存在別的損耗和帶來不良后果。例如對于一給定的應用，由于過多的光被放棄，所以低效偏振器需要產生額外的光。較大功率的光源產生較多的熱、較大的重量和體積。需要用風扇來散熱，該風扇也需要能量、增加重量、增加體積、增加消費、增加噪音和產生振蕩。因此，低效偏振器使得制作和使用系統的花費昂貴，且該系統笨重、龐大和有噪音。在任何光學設計中的一主要的難題是有效利用可以利用的光，這個目標對于傳統的偏振器來說是相當困難的。對這種效率的有用度量是發光效率(又被稱為發光效力)，它是在圖象中傳輸的光功率與向光源提供的功率之比。
除了吸收或浪費光能量以外還存在其它重要的光學限制。一重要的參數是入射角范圍，在此范圍內光能夠射入并能與該偏振器進行適宜的相互作用而被恰當偏振。這個特性可以用例如數值孔徑、錐角、擴展(etendue)或光速等許多術語加以討論或描述。在光學設計和理論中，所有這些術語是在不同的環境下討論光學元件可以被接收的角寬。為了討論的目的，我們將指接收角，意思是指從垂直于偏振器的位置出發、存在光而且光仍被該器件適當或正確偏振的最大角度。
對于圖象投影系統或其它偏振光束的應用來說，較亮的光束總是所需要的。偏振光束的亮度由幾個方面決定。當然，第一因素是光源本身。在其它條件相同的情況下，一較小的、較大功率的光源將提供一束較亮的光。另一關鍵的因素是該光學系統聚集來自于光源的光和把它變為有用的光束的能力。對于非偏振的自然光，這種能力基本上依賴于光學系統的接收角。采用具有窄的或有限的接收角的偏振器的系統不能聚集象采用具有較寬的或較廣的接收角的偏振器的系統那樣多的、來自一給定的發散源的光。由于源于給定光源的更多的光被利用，所以，寬接收角的另一優點在于它具有包括使光學系統更簡潔、使光源成本更低和功率更小的潛力，以及其它相關的優點。
寬接收角的另一重要的優點在于它為光學設計提供有效的的自由度。例如具有窄接收角的偏振器必須放在光學系統中與光軸相關的有限位置和角度范圍內。這種限制的后果可以在MacNeille棱鏡的情形中看到，其中對被放棄的光的重俘獲必須發生在光學系統兩邊之外的區域。這個位置很不便，它增加了整個系統的尺寸和寬度，需要附加的部件(那是別的方式不需要的)來把光重射到有用的偏振光束中。當然，所有這些限制影響光學系統的成本和利用。另一方面，較寬的接收角會使得偏振器可以被放置在能使被放棄的光處于對該光學系統的設計十分方便的位置處，這為光學技術人員提供了選擇和可能性，這在以前是不可能的。
非吸收和大接收角這兩個重要的特性是在傳統偏振器中相互排斥的。由于偏振器不必置于可接收的窄入射角范圍內和相對于源光定向，所以，具有大接收角的偏振器允許更為靈活的設計。此外，具有大接收角的偏振器可以用于更為發散的源光。另一方面，由于被放棄的偏振成分可被重新獲得，所以，非吸收型偏振器可以更有效。然而，這兩個特征對于既要效率又要靈活性的偏振器而言是必需的。
為了在偏振光束的產生中獲得好的特性，已經針對傳統類型偏振器的改善作了巨大的努力。這種努力可在許多專利申請中得以證實，它們大多是針對膽甾型偏振器和MacNeille棱鏡型偏振器的。可見于美國專利5,153,752、5,200,843、5,283,600、5,295,009、5,357,370、5,422,756、5,555,186、5,570,215、5,579,138、5,626,408和5,653,520。在大部分例子中，這些器件的效率是通過把放棄的偏振平面返回給光源或旋轉偏振平面且改變其方向這樣的方式提高的。一些系統甚至把兩個偏振成分分離，在每個偏振中產生一部分圖象，然后仔細地把每個偏振中的圖象組合起來得到最后的圖象。用于描述恢復或利用光束中的兩個偏振成分的光學系統的常用術語包括偏振補救(polarizationsaving)、偏振恢復(polarization recovery)和偏振回收(polarizationrecycling)。
然而，盡管有非常多的專利授予實現不同偏振恢復方案的偏振裝置，但是，目前在市場上僅有幾種實現它的經濟型器件。美國專利5,555,186描述了這些器件。它所引入的第一器件采用MacNeille棱鏡和一細致的且復雜的光學設計來處理以上所討論的局限性。實質上，該器件是把多個MacNeille棱鏡排列組合起來，在兩個棱鏡之間留有空間。來自光源的光通過一多透鏡光學陣列射向棱鏡。一種偏振成分直接透過棱鏡，而另一偏振成分從邊路射向兩個棱鏡之間的空間。置于這些空間中的反射鏡使另一偏振成分再射到有用的束中。也置于該空間中的波片使另一偏振成分旋轉，使得它與透過的偏振成分相同。這種器件遭遇與前面所討論的MacNeille棱鏡同樣的問題，這些問題包括把另一偏振成分限定到與光軸垂直的方向或棱鏡的邊側外。此外，接收角很窄，把對光源的選擇限制到很小的、亮的弧光燈上，這種弧光燈很貴，而且設計為輸出高于幾百瓦。另一問題是精密的光學系統可能變得失調，影響它的性能。
該器件是對為提高效率而已經排列好和使用的傳統偏振器的一定程度上的例證。另外，該器件是對由偏振器的局限而引起的在系統的設計上的限制的例證。例如由MacNeille棱鏡接收的入射角的窄范圍要求源光基本上是非發散的，特別是源光和偏振器的位置和方向是彼此相關的。而且，被放棄的偏振成分基本上被正交重射在光軸上，并限定其它光學元件的位置和方向。在這種情況下，需要在棱鏡之間的空間中放置反射鏡，作為重新俘獲被放棄的偏振成分的復雜系統中的一部分。
用于提高偏振器效率的另一種不太復雜且不太完美的方法和器件是采用一漫反射器。目前這個概念用于平面圖片顯示中，例如膝上計算機。被放棄的偏振光被反射回漫反射器上，該漫反射器使光散射并干擾偏振成分。然后，光在偏振器中被重新定向。對于單一的光傳輸，這種方案不可能超過75％的效率。而且，在某些應用例如圖象投影中，特別不希望有散射光。
正如以上的討論，為獲得一種效率高且靈活性好的偏振器的嘗試是極不成功的，盡管可見光偏振器已經具有很長的歷史。雖然，已有一些改進措施成功地提高了傳統器件的效率，但是，它們很復雜而且引發了多個設計上的局限。另一些偏振器相對要靈活一些，但不能有效地偏振。至此，所發展起來的偏振器沒有一種具有將一源光束轉化為一束總體上為偏振光束所必需的有效性和靈活性的特點。至此，對一些上述的特點或標準僅作了有限的討論，但包括在下面的描述中首要的特征是偏振器以非常小的光損耗將源光束分為兩束正交的偏振光束。因此，例如，偏振器應當不吸收、散射或使一束或兩束光都被誤導(聚焦很差)。這對于二向色性偏振器來說是個問題，該偏振器吸收一種偏振成分，且系統采用散射一種偏振成分的漫反射器。
另一必要或需要的特征是該偏振器有效地把一種偏振成分與另一種偏振成分分離開。換句話說，每一束光都必須被很好地偏振。這是用消光比表示，該消光比是所需要的偏振光的量與不需要的偏振光的量之比。可接受的消光比的標準是根據不同的應用而變化的。例如目前的顯示應用中要求比例至少為100∶1，但該比例正迅速增加到1000∶1。消光比為3∶1這樣低可能是有用的，但需要另外的處理。然而，應當注意到，消光比會影響液晶顯示和投影儀的對比度，高的消光比將提供好的對比度。在任何情況下，偏振器本身都希望獲得高的消光比，以減少對其它方面處理的需要。這對于雙折射和膽甾型偏振器來說是個問題。
另一必要或需要的特征是該偏振器在整個可見光譜區或通常在450至700nm的波長內是消色的。當然，這同樣用于兩個光束。消色的特性意味著偏振器性能不依賴于顏色或僅對某些顏色起作用。傳統的偏振器通常表現出對顏色依賴的變化特性。這對于膽甾型、雙折射型和MacNeille型偏振器而言是一特殊的問題。
另一必要或需要的特征是該偏振器是光學快響應的或可以收集大量的光。這是由該偏振器接收角直接帶來的結果。第一，為了有效地俘獲到達該器件的所有光，該偏振器應當具有一大的接收角。第二，偏振器應當足夠大，以盡可能多地俘獲所有入射光。所以，偏振器應當具有大的接收角和大的物理口徑。如果偏振器被作得具有很大的面積而僅有一窄的接收角，這是沒有多大用處的，或者，如果接收角很大而使制作一大的偏振器受到限制也是不足取的。這對于雙折射、MacNeille和膽甾型偏振器來說是一問題，其原因在于接收角通常是很小的，尤其是對于MacNeille偏振器而言，因為要使它們的接收角大，將會導致一體積非常龐大或很復雜的光學裝置。
另一必要或需要的特征是偏振器應當給該光學系統的設計施加較少的限制，如果有的話。根據一有效系統的需要而不是根據該偏振器的需要確定適宜的光學元件的位置，這應當是可能的。此外，偏振器不應當限制投影系統或別的設備的光學性能。而且，偏振器應當能使這兩個正交的偏振成分在任何選定的方向上射出，并具有任何適當的聚焦度。這對于傳統的偏振分束器來說，可能是最難達到的標準。所有以上提到的傳統偏振器都給入射光和出射光的定向帶來了不期望的限制。
另一特征是偏振器應當是堅固的和難于被損壞的。這要有幾方面。第一，偏振器應當能承受迅速升溫和長時間的高溫照射，具有承受幾百攝氏溫度的能力，而這種溫度是很需要的。第二，偏振器應當能抗震且不會損壞。第三，偏振器的性能應當不會隨著環境例如熱和運輸的改變而改變。最后，偏振器應當不會發生因為光化學而引起的老化或由所通過的光所激發的其它的老化過程。
另一特征是偏振器應當廉價且容易制作。這涉及到偏振器本身和任何相關的光學元件或基片，不管是分部件制作還是以具有超過一種光學性能的單元進行制作。
這些特點和標準是不相排斥的，但是應把對于偏振有效和靈活所必要的許多重要因素加以排序。到目前，還沒有一種偏振器成功地表現出所有這些特征。
另一種叫做線柵偏振器(wire grid polarizer)的偏振裝置，由于它通常不用在可見光應用領域中，所以，到目前還沒有描述過它。基本上是，線柵偏振器是一種由其長度比寬度大得多的均勻地平行分開的電導體所組成的平面組件。具有一平行于該導體的偏振成分的波大部分被反射，而具有垂直偏振成分的波被透射或通過該柵格。
這種線柵偏振器通常不用在可見光應用領域是不奇怪的。事實上，線柵偏振器的歷史發展著重在于射頻發射的應用。例如線柵偏振器是在19世紀80年代首次發明的，而且是用射頻波證實的。將一條導線繞在一對分開的棒上制得了這種線柵偏振器。在20世紀20年代，線柵偏振器開始在紅外領域尋找實際的用途。在20世紀40年代，線柵偏振器開始在雷達領域尋找用途。目前，線柵偏振器主要用在雷達、微波和紅外領域。把線柵偏振器應用在這些領域是因為沒有其它的替代器件，尤其是對于較長的波長，而且，這種線柵偏振器很容易制作且好用，并對較長的波長具有最大的便利。
除各自的發展途徑不同之外，線柵偏振器和其它已經發展起來的傳統的偏振器所處的領域以不同的目的、前景、需要和應用為特征。以上所廣泛討論的傳統的偏振器專門為可見光和紫外光領域而發展起來，從1850年以來，科學儀器已經采用偏振的可見光和紫外光。可見光譜的特征在于波長短，其范圍在400到700nm(納米)之間。而且，可見光占據了非常窄的光譜范圍，所覆蓋的區域小于一倍頻程，這就意味著在可見光偏振器中很寬的帶寬不重要。由于可見光的獨特性，它被用于獨有的應用中。這些應用包括成象和信息的傳輸、照明和所有我們用眼睛可見到的一切。所以，在可見領域中的重點已經轉向效率、亮度、對比度、對所有顏色一致的特性，并用于人眼的需要。
相反，線柵偏振器是為紅外、微波和雷達領域而發展起來的。這些領域以寬波長為特征，其波長范圍在1微米到10毫米(1000nm到10,000,000nm)之間。紅外、微波和雷達波占據了一寬的譜線范圍，但這當然是看不見的。這些波長以與可見光根本不同的方式與物質相互作用，且被用于不同的應用領域。所以，在這些領域中其重點是彼此不同的，而且是與可見光領域不同的。
也許，線柵偏振器沒有在可見光應用中被普遍采用的另一原因是在這些應用領域中沒有認識到對線柵偏振器的需要。正如以上所說，大量的偏振器已經可用于可見光應用。所以，沒有確定的理由不發展線柵偏振器，以使它適用于可見光。
也許，使線柵偏振器應用于可見光應用受阻的最重要的因素是這種流行的觀點，即線柵偏振器以相對較低的消光比為特征。可見光應用中通常需要高于線柵偏振器所能提供的消光比。在可見光領域，用其它具有較高消光比的偏振器是可行的。
如可以看見的那樣，在它們的結構和物理機制上，應用于以雷達波、微波和紅外線為特征的長波的偏振技術與通常用于可見光譜的偏振器是不同的。這種情況是由在這些領域中技術發展各自的歷史、適宜的可選技術的可行性以及那些適于每個技術領域中的技術人員的不同目的所得到的一自然的結果。甚至到現在，這些差異還繼續使得用于可見光的偏振器與用于長波的偏振器分離開來。
在1987年8月25日授予Grinberg等人的美國專利4,688,897中公開的是線柵偏振器在可見光應用中的孤立事件之一。Grinberg等人披露了一種用于液晶顯示以減少視差的線柵偏振器。本質上講，這種概念是把該線柵偏振器用作一反射鏡以反射一單獨的偏振成分。線柵偏振器相對較薄，而且，在化學性質上與液晶材料相容。因此，它可以被放置于臨近液晶的地方而不產生化學反應，并且在該液晶與偏振器之間沒有間隙。限制著這個間隙的大小就是限制顯示中的視差。
很象以上討論的傳統偏振器，線柵偏振器的這種應用的一個問題是效率。僅是射入該顯示器的光中被反射的偏振成分用于產生圖象。被透射的偏振光成分通過該偏振器且被放棄。在這種應用中線柵偏振器的目的不在于以任何方式產生偏振的光束，而在于解決一種特定類型的液晶顯示中的一特殊的問題，即視差。而且，線柵偏振器在已存在的光學系統中僅是一改進的替代元件而已。
在1995年1月17日授予的Hegg等人的美國專利5,383,053中公開的是少數幾種線柵偏振器用于可見光領域中的又一種。Hegg等人披露了線柵偏振器用于虛擬圖象顯示系統以提高建立在傳統分束器之上的反射/傳輸效率。本質上講，這個概念是把線柵偏振器用作一種分束器。該系統首先遇到的是從分束器上反射一圖象，然后通過分束器反射回去。由于少于入射光50％的光被首先反射，然后少于該反射光50％的光被透射，所以，傳統的分束器是低效的。換句話說，該系統的純效率低于25％。Hegg等人公開的這種把線柵偏振器與偏振的圖象源一起使用是由于該線柵偏振器的反射/透射效率相對較高。所以，盡管線柵偏振器具有低的消光比，但它仍然被用作高效的分束器，至少它可以提供好的偏振光。此外，在這種應用中，線柵偏振器的目的不在于以任何方式產生一束偏振光(光早已被偏振了)，而在于解決虛擬圖象顯示中的一問題，即低效分束器。另外，在已有的光學系統中，線柵偏振器僅被用作一替代元件。
正如以上Hegg等人所指出的那樣，我們已經知道線柵偏振器可用作分束器。作為另一例子，1971年12月28日授予的Rogers的美國專利3,631,288則公開了一種用于發射偏振光的汽車前燈。該前燈的目的是通過在汽車的擋風玻璃上設置一方向垂直于該前燈偏振方向的偏振器而為臨近的汽車減少眩光。
該前燈具有一置于一殼體中的光源和一拋物面反射偏振器，該殼體由一拋物線形的拋光金屬的反射表面制成。具有第一偏振的光透過該偏振器，而具有第二垂直偏振的光從該偏振器反射回來。Rogers披露該偏振器可以為多層結構雙折射偏振器或玻璃線柵陣列。由該偏振器出來的反射光被反射回金屬反射表面，在此光被反射回該偏振器。
另外，該金屬表面把線性偏振的反射光束變為橢圓偏振光。“少量的”橢圓偏振光是第一偏振成分，且從偏振器中透過，而其余的又被該偏振器反射回該反射金屬表面。這個過程在偏振器和金屬表面之間不斷來回往復，而使“少量的”光在每個循環中透過該偏振器的過程被“無限”重復。
該裝置的一問題是效率低。熟知的反射金屬表面，銀，反射不超過98％的入射光。因而，隨著光從金屬表面反射來反射去這個過程的重復進行，越來越多的光被損耗。
此外，由于發射光源置于反射殼體中，所以，很多反射光徑直回到發射器。在這里“光源”被限定為光發射器和那些可以聚集發射器中發出的光并使之成為一束的光學元件。
與以上的專利相似，1971年2月23日授予Makas的美國專利3,566,099公開了一種用于發射偏振光的汽車前燈。該前燈具有一置于殼體中的光源和一反射偏振器，該殼體由一拋物線形的拋光金屬的反射表面制成。Makas僅披露了該偏振器可以是漫射或干涉型。在該偏振器的前面放置一四分之一波帶片。具有第一偏振的光透過該偏振器，而具有第二垂直偏振的光從該偏振器反射回來。當反射光在偏振器和反射器之間通過時，波帶片改變它的偏振。象已有的專利那樣，Makas使反射光束徑直回到光源。
把光源置于反射殼體中使得從偏振器反射出的具有該偏振的光必須回到光源，這不是我們所希望的。當把一高亮度的光源例如帶在頭上的小型照明燈或更亮的光源用于目前的液晶光閥投影系統之中是通常可以接受的，但把光反射回光源中，而在此它會遭遇或被燈絲吸收，這是我們所不希望的。射到燈絲上的反射光將使燈絲過熱，導致光源過早地損壞。它對于儲存光能也不是一好的方法，這是因為被燈絲重吸收的光能不被重新輻射成為所需要方向上同樣波長的光，而是作為跨越紅外到紫外區域的在各個方向上傳輸的電磁能。采用拋物線型反射器，且把光源燈絲放在它的焦點位置上，這對于產生一束準直的光束來說是非常適宜的，但這樣特別容易導致這樣的問題，這是由于它把大部分的光準直到光源中的燈絲上。
Rogers教導采用“松線圈”燈絲以盡量去除這個麻煩，但這又將影響增加燈絲的寬度，減小由拋物線型反射器所產生的準直程度，并可能減小光源的能-光轉換效率。Rogers還推測改變燈絲與拋物線型反射器焦點間的幾何關系可能對于多個方面都是適宜的。對與燈絲相遇的反射光的減小作用的本質上的改變，也可能減小整個光學系統的效率。由于這些和其它的原因，作為增加偏振效率方案的一部分，我們希望特別避免把光反射回光源。
由于這些和另外的原因，用于可見光偏振的線柵偏振器繼續被光學技術人員和器件的制作者忽視。那些投影和顯示領域的技術人員通過改進傳統可見光偏振器而繼續尋求改善。盡管這些努力已經使傳統的偏振器系統得到了多方面靈巧的變化，但是，這些裝置仍然受到偏振器本身固有局限的限制。
所以，發展一種可工作于可見光譜和近可見光譜中的偏振器和偏振裝置，使源光束的兩個正交的偏振成分自然退耦成為兩束偏振光，并沿基本上任何方向上選擇性地射出這些光束，應當是有利的。發展基本上可以任何入射角置于一裝置中的這樣一種器件，使得在設計方面的重要約束不施加于光學系統，但基本上設計靈活，這也應是有利的。發展這樣一種器件，用于從一總體上為非偏振光源有效地產生一總體上為線性偏振光束，而不浪費該光源的很大一部分且不需要復雜而精密的光學系統，也應是有利的。發展一種具有可以接收相對發散光的大接收角的器件，也應是有利的。
發明的目的和概述本發明的一目的是提供一種使源光束的兩個相互正交的偏振自然退耦而成為兩束偏振光的偏振器。
本發明的另一目的是提供這樣一種基本上可以任何角度選擇性地射出兩束偏振光中的任一束或兩束的偏振器。
本發明的再一目的是提供這樣一種能聚焦兩束偏振光中的任一束或兩束的偏振器。
本發明的再一目的是提供這樣一種偏振裝置，當把它定位在相對于源光束基本上以任意入射角時，它能適當地工作。
本發明的又一目的是提供這樣一種具有能接收比較發散光的大接收角的偏振器。
本發明的再一目的是提供一種能從一總體上為未偏振的光源光束中有效且簡單地產生一總體上為線性偏振光束的偏振器和偏振裝置。
本發明的進一步目的是提供這樣一種用于圖象投影系統、光投影系統和/或顯示系統中的偏振器和偏振系統。
本發明的這些和其它的目的以及優點是在一偏振裝置中實現的，該偏振裝置具有設置在源光束中的一些總體上為平行排列的細長的元件。這些元件與源光束的電磁波相互作用，以從總體上(i)透過具有與該元件長度垂直的偏振方向的光，和(ii)反射具有與該元件長度平行的偏振方向的光。透過的光限定一具有第一偏振態X的透射光束，反射光限定一具有第二偏振態Y的反射光束。
這些排列的元件基本上可以任意入射角相對于源光束定位。另外，這些排列的元件可接收相對發散的源光。而且，這些排列的元件可以定位在基本上以任意方向有選擇地射出反射光束。這些優點的結果是使得設計具有靈活性，并且得到一種不限制該偏振裝置應用的偏振器。
這些元件可以設置在一基片之上或之中。該基片為這些元件提供保護和支撐。透射光通過這些元件和基片。
該偏振裝置可以用于從一總體上為未偏振的源光束中有效且靈活地產生一總體上為偏振的光束。源光束射在所述排列的元件上，其透過與這些元件相垂直的偏振成分而反射與這些元件相平行的偏振成分。在反射光束中放置一例如反射鏡之類的重俘獲光學元件以改變該光束的方向，使得兩束光都射向一共同的區域。所述排列的這些元件和光重俘獲器件使光束定向，使得它們不再射回到光源。在反射光束中放置一諸如波帶片之類的偏振重定向器件以改變光束的方向，使得兩束光具有相同的取向或偏振。這個偏振重定向器件在一單循環中基本上改變所有反射光的偏振取向。
所述排列的這些元件、重俘獲光學元件、偏振重定向器件和其它光學元件可以根據需要或期望定位和放置。這些元件可被定位以將反射光束射向重俘獲光學元件或偏振重定向器件。其它的光學元件可進一步按所需要的那樣處理這些光束。
所述排列的這些元件可被配置來對該反射光束聚焦或以其它方式施加影響。這些元件可以被加工成非平面層，例如柱面、球面、橢圓或拋物面形狀以及其它復雜的指定的光學形狀。另外，可以配置基片，使之聚焦或以別的方式影響透射光。基片可以制成非平面外形，例如柱面、球面、橢圓或拋物面形狀以及其它復雜的指定的光學形狀。
這些元件可以與別的光學元件例如波帶片、透鏡、棱鏡等組合。而且，基片可由光學元件形成。
偏振裝置可以是投影或顯示系統的一部分。
通過對以下結合附圖的詳細描述的考察，本發明的這些和其它的目的、特征、優點和可供選擇的方面對于那些本技術領域中的技術人員來說是顯而易見的。


圖1是本發明偏振器的一優選實施例的透視圖；圖2是本發明偏振器的一優選實施例沿圖1中2-2線所取的橫截面圖；圖3是表示本發明偏振器的一優選實施例中可能的入射角寬范圍和可能的反射角寬范圍的示意圖；圖4是本發明的偏振裝置的一優選實施例的總體運作的示意圖；圖5是本發明的偏振裝置的另一實施例的總體運作的示意圖；
圖6是本發明的偏振裝置的另一實施例的總體運作的示意圖；圖7是本發明的偏振裝置的另一實施例的總體運作的示意圖；圖8是本發明的偏振裝置的另一實施例的總體運作的示意圖；圖9是本發明的偏振裝置的另一實施例的總體運作的示意圖。
發明的詳細描述現在將參照附圖討論本發明，以使本領域技術人員能夠制造和應用本發明，其中本發明的各種元件將用數字標記表示。
如圖1和圖2所示，其中表示本發明的偏振器的一優選實施例，總體上用10來表示。偏振器10具有一些總體上為平行排列的薄而細長的元件12。元件12通常設置在圖2中由14所表示的層中。盡管元件12在圖中被表示為置于一平面中，但材料本身的不理想可能引起元件有一些不平。另外，元件12和層14可以是更平一點，或可以是彎曲的或是在以下更詳細的討論中所指定的別的形狀。
元件12相對長且寬度窄。這些元件的尺寸和這些元件排列的尺寸由所用的波長來確定。以下所給出的尺寸是為寬的或全部光譜的可見光所設計的。每個元件12有一長度，在圖1中用L表示，它通常大于可見光的波長。由此，元件12具有至少約0.7μm(微米)或700nm(納米)的長度。然而，典型的長度可能更大些。
此外，這些元件被設置為通常相互平行的排列，其中各元件中心-中心的距離或中心距小于光的波長，在圖2中用P表示。因此，該間距將小于0.4μm(微米)或400nm(納米)。更可取的是，該間距將小于光波長的三分之一，或約0.13μm(微米)或130nm(納米)。另外，每個元件12具有一寬度，在圖2中用W表示，它的范圍可以是間距P的10％到90％。這樣，各元件分開的距離具有一在圖2中用S表示的寬度，它的范圍將是間距P的90％到10％。元件12還有一厚度，在圖2中用H表示，它優選大于約200或20nm。而且，元件12最好是有規律地或等距離排列。
對于特定的應用，可以選擇元件的寬度W和間距S以最優化該偏振器的性能。增加這些元件相對于中心距的寬度將使對平行偏振的反射率增加到近于100％，同時也使對垂直偏振的反射率增加到高于0％的理想值。因此，元件寬度與間距的大比率將為透射光提供高的消光比(因為沒有平行偏振成分透過)，但不一定高效(因為有一些垂直偏振成分將被反射)。相反，元件寬度與中心距之間的低比率將為反射光束提供一高的消光比，但不一定高效。當元件的寬度與中心距之比為40％到60％時，可能會得到由平行光束反射率和垂直光束透射率的總和所決定的最高的總效率。
正如以上所指出的那樣，這些尺寸是為寬的或全光譜的可見光所設計的。對于特定的波長，例如可見光或包括近紅外(IR)波長和近紫外(UV)波長的近可見光中的特定顏色，其它的尺寸可能是適合的。
如圖1和圖2所示，所述排列的這些元件12沒有按比例繪制，而且，為了示意清楚，所以作了很大的夸張。實際上，所述排列的這些元件是用裸眼看不見的，當不把它極度放大而觀察時，它好象是一部分反射表面。元件12可由能夠形成為一寬帶譜線反射鏡的任何材料制成，例如一種金屬。優選的是，這種材料是用于可見光領域的銀或鋁。
偏振器10還有一基片18，用于支撐所述排列的元件12。該基片18有一第一表面20和一在其對面的第二表面21，所述元件12或元件層14置于第一表面上。基片18為元件12提供支撐和一定程度的保護。另一種方式是，可以把元件12夾在兩個基片之間或為了更多的保護和支撐而把元件12形成于基片本身之內。元件還可以配置在基片的兩個面上或設置在一或多層中。基片18是由能使光通過的任何材料形成的。這種材料如以下將更充分討論的那樣，可以透過光或與光相互作用。優選該基片18由玻璃材料制成。另一種方式是，該基片可由聚合物或水晶材料制成。其他與在此所公開的原理相符的基片當然是可以的，且應當被認為是包含在本發明的范圍內。
如圖1所示，其中表示偏振器10的優選實施例的總體運作。一源光束22由光源23產生，并射向含有所述排列元件12的偏振器10。源光束22和它的各個分支形成不同的路徑，在圖中用箭頭表示。源光束22通常是非偏振的U，它包含一具有第一偏振態X和一第二偏振態Y的電磁波，其中第二偏振成分與第一偏振成分垂直。在圖中用標記X、Y、U表示一特定光束所具有的偏振狀態。
元件12與源光束22的電磁波相互作用。元件12透射或通過具有偏振方向與該元件長度方向垂直的光。該通過的光限定一具有第一偏振(用X表示)的通過或透射的光束24。該元件12也方便地反射具有與該元件長度方向平行偏振的光。該反射光限定一具有第二偏振(用Y表示)的反射光束26。基片18允許通過的光束24通過。因此，偏振器10使源光束22的兩個正交偏振的成分X和Y自然退耦，第一偏振X通過元件12，第二偏振Y被元件鏡面反射。
當然可以理解所述排列的元件12以一定的效率或消光比使源光束的兩個偏振成分分離。換句話說，該元件通常透過偏振方向與該元件長度方向垂直的偏振成分，但同樣也可通過偏振方向與該元件長度方向平行的一定量的偏振成分。更可取的是，所述排列的元件基本上透射所有的偏振方向與該元件長度方向垂直的偏振成分，且基本上反射所有的偏振方向與該元件長度方向平行的偏振成分。這樣，幾乎是一半的光透射，而另一半的光被反射。如以上所述，該元件的效率、或消光比可以由、或至少部分由元件的寬度和間距決定。
本發明的偏振器10代表在已有的可見光偏振器技術的重大改進，已有的可見光偏振器是吸收或散射光的一種偏振成分而不是提供鏡面反射。由于所述排列的元件12反射第二偏振Y，所以，現在該偏振成分可以被重俘獲或重新定向和利用。另外，由于所述排列的元件是鏡面或類似反射鏡和反射鏡的，所以，源光束22的入射角28等于反射光束26的反射角30，如圖2所示。(入射角28相對于垂直于該元件或該偏振器的軸29來測量。)如圖3所示，偏振器10或所述排列的元件12優選基本上可以任意的入射角(用32表示)相對于源光束22定位。
實際上，本發明的偏振器10代表了對現有可見光偏振器技術的一重大進步，這是因為，源光束基本上可以任意角度遭遇該元件。許多現有的偏振器嚴格限定源光束可能遭遇偏振器的角度范圍，而僅提供供一窄的工作窗口。由于偏振器可以根據自己的意愿相對于源光束定位，所以，本發明的偏振器使設計變得靈活。另外，偏振器10有利于接收相對發散的光。如以上所述，源光束22是由角度有小差別的多條單獨光線組成，這些光線來源于有一點發散或會聚的錐形光束。該偏振器能夠處理發散光或光束本身所含的不同入射角，除源光束的入射角外。本發明的偏振器10還代表對現有可見光偏振器技術的一重大進步，現有的可見光偏振器不能接收發散光，除非是窄的發散光。由此，本發明的偏振器可以利用較為發散的光源，且從這些源中較為有效地收集光。結果是，利用不太先進、不太昂貴且功率不太高的光源可以獲得相似的結果。
另外，偏振器10或所述排列的元件12有利于在一大反射角范圍內選擇性地射出反射光束26。對于被反射的偏振，該偏振器作為反射鏡有效地工作，這樣，反射角與該偏振器表面法線的另一邊的入射角是相對稱的。然而，由于偏振器10可以相對于源光束置于基本上任意的角度上，所以，可以選擇入射角，使反射光束在任何希望的角度上(仍用32表示)。
本發明的偏振器10還代表了對現有偏振器技術的一重大進步，現有的偏振器嚴格地限制反射光束的方向或可能的反射角范圍，使其處于一窄的窗口。由于反射光束可以相對于別的光學元件根據需要定位，所以，這種改進的偏振器10使設計變得靈活。因而，可以在角度范圍32內的任何位置放置光的重俘獲光學元件。
偏振器10的主要目的是使源光束22的兩個正交的偏振X和Y自然退耦成為兩個總體上為偏振的光束24和26，這樣可以分別控制它們。例如，偏振器可以在基本任意的方向上有選擇地射出反射光束，而不影響垂直偏振的透射光束。而且，偏振器10不會給該器件施加相對于源光束22的不適當的位置和方向限制或給源光束的發散度施加不適當的限制。已有的可見光偏振器則嚴格限制相對于源光束的方位的任意選擇。類似的限制也存在于關于反射光束的任意投射或接收上，除非是窄發散的光源。
偏振器10的另一優點是它能承受迅速升溫和長時間的高溫。與典型的精密偏振器相反，本發明的偏振器是不平的。高溫和迅速升溫不會顯著地影響該元件透射和反射光的能力。由于元件受到基片的保護，所以，該器件也能抗震。另外，該器件不會因為在結構中發生光化學反應而引起老化。這些特征對于制作和維護都節約了花費，而且，為許多以前認為不切實際的新的應用領域打開了門。
有關本發明偏振器的另一優點是它能在可見光的寬帶寬中協調一致地工作。在可見光中的大部分偏振器應用需要統一的性能，對于所有顏色或從大約450nm到700nm的波長都基本上相同。除了某些二色性偏振器外，已有技術的偏振器僅可以通過折衷它們性能中的其它重要方面和增加制造和運行成本而獲得這種寬帶、消色差性能。本發明的消色差特性將使該器件以最低的要求作用于各種應用領域而實現最優化，又使得在制造中成本節約且效率高。
除以上所述的以外，偏振器10還可以投射透射光束和反射光束，如以下將更充分地討論的那樣。而且，偏振器10還聚焦反射光束和/或透射光束，又如以下將更充分地討論的那樣。使反射光束和透射光束都投射和聚焦，這擴大了本發明的偏振器應用于在已有技術的可見光偏振器中幾乎沒有耳聞的領域的光學處理的可能性。所以，為了其它需要偏振光的應用，例如投影和顯示系統，偏振光束24和26可以被進一步處理。
圖4所示為偏振裝置40一優選實施例的總體運作。這樣一種裝置特別適用于投影和顯示系統。源光束22由光源23產生。選擇光源23以適合特定應用的需要和要求。自身較小的光源(指實際產生光的結構的尺寸)更為可取，這是因為它提供固有的光學優點，但是，為了適于需要更高功率的應用，例如投影系統，較大的光源可能是必要的。另外，可以采用其它的光源，例如白熾燈、激光、輝光放電等。
典型的是，光源23通常是非偏振的，但在某些情況下，例如使用激光器時，可以是部分偏振的。對于一用于投影或顯示系統中的偏振器的優選實施例，光源23應當產生能生成滿意圖象質量和顏色全區域的波長譜線。可選的是，單色和多色光源對于別的應用可能是令人滿意的。此外，支撐(未示出)和提供能源的觸點(未示出)應當小，而且設計和放置都應使光束中不受歡迎的陰影、閃爍和別的人工因素減小或消除。
光源23典型地具有一置于殼體(未示出)內的光產生元件42。另外，反射器44和46典型地放在元件42的周圍，以增加進入具有理想準直程度的所期望的輸出束22中的光的量。反射器44和46可以是一種曲面或經計算所得的圖形，以使光成為具有適宜的準直度和方向的光束，用于圖象投影或別的預定的用途。最低的限制應該是施加于光源的。光源的作用是產生足夠準直的一束光或具有適當顏色組合的錐形光和提供足夠的光學亮度以滿足預定用途的需要。
如上所述，源光束22和它的分支走不同的路徑。在附圖中，這些路徑用箭頭表示。該源光束22通常是非偏振的，用U表示，它包括具有一用X表示的第一偏振成分和一用Y表示的第二偏振成分的電磁波，第二偏振成分垂直于第一偏振成分。
有利的是，偏振裝置40具有一設置于源光束22中的偏振器10，使得光束入射到該偏振器上。偏振器10是以上所述的類型，具有一些總體上為平行排列的元件，用于透射和反射源光束中正交的偏振成分。同前面一樣，垂直偏振的X通過，它限定通過或透射光束24，平行偏振的Y被反射，它限定反射光束26。由此，大約一半光被透射而一半光被反射。所述排列的元件22在一可能的入射角的寬范圍中相對于源光束22定向，以射出反射光束26。
偏振裝置40還具有一放在反射光束26路徑中的重俘獲光學元件50，用于截取反射光束。該重俘獲光學元件50也使反射光束26沿所需求的方向再射出。更可取的是，該重俘獲光學元件50使反射光束26沿與透射光束24相同的方向射出，或使得兩束光都射到一公共區域。該重俘獲光學元件50優選為反射鏡，但任何適宜的光學元件包括透鏡、棱鏡、光導、光纖等也是可以的。該重俘獲光學元件50截取反射光束26，并把它投射，使得該光束被射向一公共區域，或使得兩束光可重組。更可取的是，反射和透射光束24和26重新組合，使得兩束光共軸，或使得分離后的光束的一部分成為共軸。此外，反射和透射光束最好具有相同的發散度。另一種情形是，投射兩束光，使得它們臨近或相互平行配置以形成單束。另一種情形是，一束光填滿另一束光中的暗斑。當然，也可以確定為其它有用的設置。
應當注意，反射光束26不會被射回光源23的反射器44和46中。偏振器10以一定取向被放在反射光束26中，使得反射光束26不被射回光源23。所以，反射光束26不被光源42重吸收、發散或消偏。盡管對重俘獲光學元件50的描述是把它作為使反射光束26回到透射光束24中來說的，但該重俘獲光學元件50還可以把反射光束26射回到偏振器10和所述元件12中。采用重俘獲光學元件50與所述元件12相結合，通過重俘獲和利用被反射的偏振成分，這代表了對已有技術的偏振器的一重大改進，已有技術的偏振器則吸收或放棄被廢棄的偏振成分。
還應當注意到，重俘獲光學元件50是與光源23或光源23的反射器44和46相分離的。重俘獲光學元件50實際上是放在與光源23不同的位置上。所以，反射光束26不被反射回反射器44和46，也因而不會回到發光元件42中。
在此，反射和透射光束24與26具有正交的偏振成分。然而，偏振裝置40具有一置于反射光束26中用于使反射光束26的偏振態從偏振態Y旋轉為偏振態X的偏振重定向裝置52，偏振態Y平行于元件12，偏振態X垂直于元件12，而且與透射光束24的偏振方向相同。偏振重定向裝置52優選為波帶片或類似的相位遲滯光學元件。在這種情況下，波帶片是二分之一波片，當反射光束26通過該波片時，它使反射光束26的方向從偏振態Y旋轉為偏振態X。
偏振重定向裝置本質上是改變偏振方向，使一種線性偏振改變為與之垂直的線性偏振，與之相對的是圓偏振或橢圓偏振。例如，偏振重定向裝置本質上是改變反射光束的偏振方向，使第二偏振Y改為第一偏振X。另外，偏振重定向裝置優選改變基本上所有以一單一通道或最多兩個通道通過該偏振重定向裝置的光束的反射光束的偏振方向，這與繼續使該光束循環通過該偏振重定向裝置不同。例如，當反射光束通過該偏振重定向裝置，且在單通道中通過時，幾乎所有光束的偏振方向都從第二偏振變為第一偏振。以下將要描述的本發明的偏振裝置的另一優選實施例，將說明采用兩個通道通過該偏振重定向裝置。
概括地說，本發明的以上裝置表示對已有技術的偏振器的重大改進。偏振裝置從一通常非偏振光束中有效而靈活地產生一總體上偏振的光束。該裝置是有效的，且不會放棄或吸收其中的一種偏振成分。而且，該裝置的設計，例如各種光學元件安放和方向，是靈活的。該偏振器可以在一可能的寬角度范圍放在該裝置中，以使反射光束射向重俘獲光學元件。該重俘獲光學元件和偏振重定向裝置可以靈活地放置和定向，以獲得滿意的光束。由于這種靈活性而帶來的優點可以包括使光學系統更小、更輕、功率更高和更有效率，以及在這種系統中減少一些光學元件。在優選實施例中描述了這些優點中的某些。
如圖4所示，偏振重定向裝置52放在重俘獲光學元件50之后的反射光束中。然而，偏振重定向裝置52也可以放在重俘獲光學元件50之前的反射光束中。而且，偏振重定向裝置可以放在反射光束中使得反射光束26通過位于重俘獲光學元件50之前或之后的器件52。如果偏振重定向裝置50是波帶片，那么，可以采用和放置四分之一波帶片，使得反射光束26通過在重俘獲光學元件之前或之后的四分之一波帶片。
當反射光束26通過該偏振重定向裝置52后，它具有與透射光束24相同的偏振或偏振X。反射光束26有利于與透射光束24重新組合，成為所獲得光束的同方向、同軸的成分，使得幾乎所有的源光束22都被轉化為一束具有單一偏振態X的偏振光束。如圖4所示，可以通過偏振重定向裝置52將反射光束26重新定向為偏振態X，再通過重俘獲光學元件50射回到透射光束24中。由于在一單通道或最多兩個通道中幾乎所有反射光束26的偏振方向都從偏振Y改為偏振X，所以，反射光束26不必射回到偏振器10中，也不需要返回該路徑中的任何部分。
在偏振重定向裝置52放在反射光束中使得反射光束26在重俘獲光學元件50之前和之后通過裝置52的情況下，實際上，反射光束26是從兩條路徑通過該偏振重定向裝置52的，而不是沿路返回。在第一路徑中，反射光束的偏振態被改變為橢圓偏振，但其后在第二路徑中，又變回到垂直線性偏振。由于偏振重定向裝置52是特意為了使反射光束26必須通過兩次而放置的，所以，在一單通道中，偏振重定向裝置52不能使偏振態從第一線性偏振變為第二垂直偏振，或者光束將本質上保持不變。
反射光束26從偏振器10中射到重俘獲光學元件50，然后回到透射光束24中，這個路徑限定了一單循環，其中幾乎所有反射光束26的偏振方向都從一第一線性偏振Y變為一第二垂直偏振X。反射光束26最好是僅使其中的兩個或更少的部分通過偏振重定向裝置52或一單循環。
然而，這樣的結構是可以與一反射光束被分成多束而繼續通過或在偏振重定向裝置中循環而生成在橢圓偏振光束中所需要方向的少量線性偏振光的系統相區別的。所以，設置偏振重定向裝置52，使反射光束必須兩次通過僅被認為是一單循環(它不再沿路返回)，也是與本發明的基本原理相符的，其中幾乎所有光束的偏振方向都從一第一線性偏振變為一第二垂直偏振，而不需要繼續使光在其中循環以使在每一重復循環中得到最少量需要的偏振成分。
反射光束26也可以被射回到偏振器10中。由于重新使反射光束26定向到偏振X上，所以，反射光束26將同透射光束24一樣通過所述元件12，它仍然是偏振X。在任一種情形下，源光束22基本上都被轉化為單一偏振，而不放棄或吸收某一特定的偏振成分。所以，本發明的偏振裝置40比已有技術中的器件更有效。
如前所述，元件12的層結構14可以做成用于聚焦或以其它方式影響反射光束26的形狀。例如，層結構14可以制成例如柱面、球面、橢圓或拋物線形和其它更為復雜的指定的光學形狀的非平面輪廓。采用曲面型或指定形狀的偏振器表示了相對于通常要把偏振器限定為平面形狀(例如薄膜和棱鏡)的已有技術的偏振器是一種巨大的進步。已有技術的偏振器對入射角的限制從根本上限制了已有技術偏振器的外形，而僅能采用平面。
仍如前所述，基片18可以類似地做成使透射光束24聚焦或以別的方式影響透射光束24的形狀。例如，基片18可以制成例如柱面、球面、橢圓或拋物線形和其它更為復雜的指定的光學形狀的非平面輪廓。所以，反射光束26和透射光束24都可以根據需要一起或分別被聚焦或進行其它的處理。
此外，層結構14可以與其它的光學元件相結合，例如波帶片、透鏡或棱鏡，以使單獨的一元件就可以完成幾種功能。該光學元件可以成為基片，在其上設置元件12的層結構14。例如，元件12的層結構14可以設置在一波帶片的表面上，使得光束遭遇線柵偏振器的序列得以保持。而且，元件12的層結構14可以配置在光學元件之中或放在它們的兩個側面上。
以上描述和列舉了本發明的偏振裝置的總體運行過程。可以加入其它的光學元件，例如透鏡和反射鏡，以進一步改善所產生的光束的光學品質，提高偏振轉換的效率或僅為方便。另外，可以修正光路或給出不同配置的光路。增加的光學元件和光路的各種配置可以與以上所述元件12的各種變更相結合，以獲得滿意的光束。其中的一些可能情況將在以下特別列出的另一實施例中描述和列舉。
如圖5所示，其中表示本發明的偏振裝置70的另一實施的一般運作，其中采用了一種曲面的或指定的元件層結構和/或基片，用72表示。所述排列的元件或元件的層結構被置于一基片的彎曲表面上。基片的非曝光表面73可以是如圖所示的曲面或平面。此外，用四分之一波帶片作為偏振重定向裝置，并放在源光束中，以使源光束22在到達層結構72之前通過該波帶片，而且使得反射光束26在通過重俘獲光學元件76之前和之后都通過它。應當注意，重俘獲光學元件76也可以同時用來填補圖4中反射器46的功能。為此目的，光學元件76的兩個表面可以給定為不同的曲面。重俘獲光學元件76的一個表面充當光源23的反射器，而另一個表面充當重俘獲光學元件。這樣，盡管兩個表面形成于同一結構部件的不同側面，但是重俘獲光學元件76是與光源23分開的，這是因為反射光束26不被射回元件42中。
源光束22通過四分之一波帶片，并遭遇元件72的層結構。如上所述，由于偏振態X垂直于所述排列的元件，所以，源光束22的偏振態X通過元件72并限定一透射光束24。源光束22的偏振態Y被元件72反射并限定一反射光束26。由于元件72的層結構是彎曲的，所以，反射光束26以一種類似的方式所期望地從一凹面鏡反射而被投射并聚焦在重俘獲光學元件76上，在這種情形中該重俘獲光學元件是一凸面鏡。在到達重俘獲光學元件76之前，反射光束26通過該四分之一波帶片74，并由其將偏振態Y轉化為橢圓偏振，用E表示。橢圓偏振E意味著光束26現在包含X和Y兩種成分，其中這兩種成分間有一位相延遲，使得偏振矢量在空間中作為時間的函數旋轉。重俘獲光學元件76反射和再準直橢圓偏振成分E中的反射光束26，使其返回到所述元件上。一旦從重俘獲光學元件76處反射回來，該橢圓偏振成分E就具有螺旋形交變，或者說旋轉方向交變。反射光束26再一次通過該四分之一波帶片74，且橢圓偏振E被轉換為X偏振，它隨后通過該元件72。
如圖6所示，其中表示本發明的偏振裝置80的另一實施例的一般運作，其中的重俘獲光學元件包括多個光學元件82和84。另外，元件86的層結構相對于源光束22以一傾斜角設置在源光束中。換句話說，元件86的布置相對于源光束的光軸來說是傾斜的，這是為了根據需要投射反射光束26。在這種下情況，反射光束被射向重俘獲光學元件82，例如一凹面鏡，被設計來將反射光束26聚焦和反射到另一重俘獲光學元件84上(例如一凹面鏡)，以反射和準直該反射光束26。
源光束22被射向一斜置的偏振裝置86或所述元件。如上所述，由于元件86的層結構相對于光軸是傾斜的，所以，反射光束26以一種類似的方式期望從一反射鏡反射，且被射向重俘獲光學元件82和84上。反射光束26從重俘獲光學元件82和84反射出來后，通過一例如半波帶片的偏振重定向裝置88。然后，該反射光束26通過所述元件86。
如圖7所示，其中表示本發明的偏振裝置90的另一實施例的一般運作，其中，所述元件92與一特別是透鏡的折射光學元件相組合，以形成一其光學特性類似于一彎曲的或指定形狀的所述元件的器件，但是，制作它并不困難也不貴。除了把所述元件與光學元件結合在一起以外，所述元件還可以嵌在光學元件中或設置在光學元件之間。在這種情況下，所述元件92設置在一平-凸透鏡94和一平-凹透鏡96之間或嵌在其中。所述元件或元件的層結構可以放在平-凸透鏡或平-凹透鏡的平表面上，透鏡的其它表面是曲面。
源光束22射向偏振器元件92和光學元件94和96。圖中所示的透鏡94和96被設計來使它們的凈光焦度為零；然而，也可以選擇其它適宜的值。如果它們的凈光焦度為零，則透射光束將通過透鏡94和96以及所述元件92，而不需要較大的改變。由于有平-凸透鏡94，所以，反射光束26以一種類似于所期望的方式由具有約兩倍光焦度的雙凸透鏡反射和折射。反射光束26被聚焦到例如四分之一波帶片這樣的偏振重定向裝置98和例如反射鏡這樣用于反射和準直該反射光束的重俘獲光學元件100上。而后，反射光束26通過所述元件92和透鏡94和96。
為了得到保護，可以將所述排列的元件92嵌在透鏡94和96之間。另外，可以設計透鏡94和96的光焦度，使得透鏡的有效作用是產生偏振光的發散或會聚光束，而不是準直光束。而且，偏振重定向裝置98和重俘獲光學元件100可以結合在一起，例如通過在一具有適當光學位相延遲的平-凸透鏡的凸面上鍍銀或通過把一四分之一波帶片粘合到一平-凸透鏡的平表面上且對凸面鍍銀的方式。
如圖8所示，其中表示本發明的偏振裝置110的另一實施例的一般運作，它特別適用于圖象投影系統。首先，源光束通過第一透鏡陣列112，用于產生源光束的的多個象，它們被聚焦在一分段的反射鏡115的許多孔114上。然后，源光束22遭遇到第二透鏡陣列116和例如四分之一波帶片的偏振重定向裝置118。所述排列的元件120設置在相對于光軸有一點傾斜的光路中。這樣，反射光束26被射向分段的反射鏡115的反射鏡部分。反射光束26具有一第二偏振態Y，通過四分之一波帶片118，它隨即被轉化為橢圓偏振E。第二透鏡陣列116使得反射光束26聚焦到分段的反射鏡115的反射鏡部分上。
由于所述元件120是傾斜放置的，所以，反射光束26被射向分段的反射鏡115的反射鏡部分而不是孔114上。反射鏡115把反射光束26反射回四分之一波帶片118上，而且，它的偏振態被改為第一偏振態X，隨后它通過所述元件120。
如圖9所示，其中表示本發明的偏振裝置130的另一實施例的一般運作，它特別適用于帶有場鏡132的圖象投影系統。這個實施例與圖8的實施例類似，除了使分段的反射鏡與第三透鏡陣列的功能組合在一起以及使第二透鏡陣列的功能融入場鏡132之外。重復上述過程，第一透鏡陣列112產生源光束的的多個象，并使它們在第二透鏡陣列134處聚焦，成為一平面點陣，該第二透鏡陣列134使這些象傳輸到整個場鏡132的孔徑。在光到達例如四分之一波帶片的偏振重定向裝置136之前，場鏡132使之準直。所述元件138也相對于光軸有一點傾斜地放置，以把反射光束26射回第二透鏡陣列134。第二透鏡陣列134具有鍍銀的部分，以將反射光束26反射回去且通過場鏡。當反射光束26通過場鏡132時，它使反射光束26聚焦，使之成為由第一透鏡陣列112產生的原圖象的拷貝。由于所述元件138是斜置的，所以，這些拷貝圖象位于第一圖象與第一圖象間隔之間。
以上所述的偏振裝置的不同實施例可以與其它部件例如圖象投影部件、光投影部件或圖象顯示部件光學耦合，以成為適宜的系統，例如圖象投影系統、光投影系統或圖象顯示系統。
如以上所描述和列舉的幾個實施例，許多不同的光學路徑和光學元件的布局是可以的。以上的實施例也表示了本發明的偏振器和偏振裝置所具有的靈活性。可以根據偏振器本身的需要，投射和聚焦反射光束和/或透射光束。而且，偏振器的位置使得對于光學路徑的定位和定向和/或光學元件的形狀的設計都具有靈活性。
應當理解，本發明所描述的實施例可以有多種形式。例如，所描述的實施例可以比已有技術的線柵偏振器更通用，而且，不應推斷為僅限制到這些類型的偏振器中。例如，已有技術的線柵偏振器不會以一種為了獲得性能或制作上的某些優點的可控方式，預想出一通常為平行分布的許多元件，該分布限定一形狀而不是一平面，或者，該分布可以是多層結構的組合而不是單一的一層，或者，該分布可以隨著厚度或隨著在跨越表面時的位置而改變。
可以理解，本發明所描述的實施例僅是一種列舉，而且，對于本領域的普通技術人員來說是可以進行修改的。本領域的普通技術人員當然可以在由本本發明所得到的已有技術基礎上進行修改，使之成為能較大提高設計靈活性的其它替代方式。據此，本發明將不被認為是限定到所披露的實施例中，而僅被限定到在此所附的權利要求所確定的范圍內。
權利要求
1.一種用于從一具有正交的第一和第二偏振的總體上為未偏振源光束中有效地產生一總體上為偏振光束的偏振裝置，該裝置包括一用于設置于源光束中的一些總體上為平行排列的薄而細長的元件，這些元件為與源光束的電磁波發生相互作用提供手段，以從總體上(i)透射一具有與該元件垂直的偏振取向并限定一具有第一偏振的透射光束的光，和(ii)鏡面反射一具有與該元件平行的偏振取向并限定一具有第二偏振的反射光束的光；一實際上定位于距光源不同的位置上的光重俘獲裝置，被用來配置在反射光束中，用于截取反射光束和改變其方向，使得反射光束不射回到光源方向，這個光的重俘獲裝置使反射光束重定向并射回到所述排列的元件；和一用于配置在反射光束中的偏振重定向裝置，用于改變幾乎所有反射光束的偏振方向，以使反射光束和透射光束總體上具有相同的偏振，因而，幾乎把所有源光束都轉化為單一偏振。
2.如權利要求1所述的偏振裝置，其中光的重俘獲裝置包含一鏡面反射光學元件。
3.如權利要求1所述的偏振裝置，其中偏振重定向裝置包括一設置在到達所述排列的一些細長的元件之前的反射光束中的波帶片。
4.如權利要求1所述的偏振裝置，其中所述排列的元件總體上被設置在一平面層中。
5.如權利要求1所述的偏振裝置，其中所述排列的元件總體上被設置在一彎曲的層中。
6.如權利要求1所述的偏振裝置，其中所述排列的元件被設置在一透鏡之中或之上。
7.一種用于使可見光譜和/或近可見光譜中的源光束的兩個正交的偏振具體有效地解耦成為兩束總體上偏振的光束，并重新定向反射光束偏振態的偏振裝置，該裝置包括一用于發射可見光譜源光束的光源；一設置于源光束中的總體上為平行排列的許多薄而細長的元件，這些元件為與源光束的電磁波發生相互作用提供手段，以從總體上(i)透射一具有與該元件垂直的偏振取向并限定一具有第一偏振的透射光束的光，和(ii)鏡面反射一具有與該元件平行的偏振取向并限定一具有第二偏振的反射光束的光，所述排列的元件以一定取向設置在源光束中，以使反射光束不會射回到光源；和一設置在反射光束中的偏振重定向裝置，用于改變反射光束的偏振取向而使得反射光束和透射光束總體上具有相同的偏振，從而，幾乎把所有源光束都轉化為單一偏振。
8.如權利要求7所示的偏振器件，其中偏振重定向裝置包括一放置在反射光束中的波帶片；還包括一放置在反射光束中的鏡面反射光學元件，以將反射光束射回所述排列的元件。
9.一種用于使可見光譜和/或近可見光譜中的源光束的兩個正交的偏振具體有效地解耦成為兩束總體上偏振的光束，并至少重俘獲兩束光中的一束的偏振裝置，該裝置包括一用于發射可見和/或近可見光譜源光束的光源；一設置于源光束中的總體上為平行排列的許多薄而細長的元件，這些元件為與源光束的電磁波發生相互作用提供手段，以從總體上(i)透射一具有與該元件垂直的偏振取向并限定一具有第一偏振的透射光束的光，和(ii)鏡面反射一具有與該元件平行的偏振取向并限定一具有第二偏振的反射光束的光；和一與光源分開并放在反射光束中的光的重俘獲裝置，用于截取反射光束和改變其方向，使得反射光束和透射光束總體上射向一公共區域，這個光的重俘獲裝置被定向以將反射光束射回所述排列的元件。
10.如權利要求9所述的偏振裝置，其中光的重俘獲裝置包括一放置在反射光束中的鏡面反射光學元件，該鏡面反射光學元件被定向以使反射光束總體上與透射光束同軸向射出，并使反射光束射回到所述排列的元件。
11.一種使于使源光束中的兩個正交的偏振實際上解耦成為兩束總體上的偏振光束，并進一步處理兩束光中的至少一束的偏振器，該偏振器包括一設置于源光束中的總體上為平行排列的一些薄而細長的元件，這些元件具有的寬度、長度和厚度尺寸，以與源光束的電磁波發生相互作用，以從總體上(i)透射一具有與該元件長度垂直的偏振取向并限定一透射光束的光，和(ii)反射一具有與該元件長度平行的偏振取向并限定一反射光束的光；所述排列的元件被設置在一通常彎曲的層中。
12.如權利要求11所示的偏振器，其中所述排列的元件被設置在一透鏡之中或之上。
全文摘要
一種具有被設置在非偏振源(42)的光束中的一些總體上為平行排列的元件(12)的偏振器,用于透射與這些元件垂直的偏振成分(24),反射與這些元件平行的偏振成分(26)。這些元件基本上可以任一入射角設置,并且基本上可以任何角度反射該反射光束。可以把這些元件置于一基片之上或嵌入一基片之中。可以把這些元件置于一彎曲的層中。基片也可以具有彎曲表面。一偏振裝置還可以具有一用于改變透射或反射光束方向或重俘獲的反射鏡,以使它們具有相似的方向或射向一公共區域。該裝置還可以具有一用于改變透射光束或反射光束偏振態的波帶片,以使它們具有相同的偏振。
文檔編號G02B27/28GK1307689SQ99807509
公開日2001年8月8日 申請日期1999年5月7日 優先權日1998年5月14日
發明者道格拉斯·P·漢森, 約翰·岡澤 申請人:莫科斯泰克公司