CN1192254C - 偏振装置和偏振器 - Google Patents

Abstract

一种偏振系统，其具有一光源(23)和一偏振器(10)。该偏振器具有一基片(18)，和配置在该基片上或基片中的许多总体上平行排列的薄而细长的元件(12)。该偏振器被设置在未偏振的源光束(22)中，用于透射具有第一偏振的透射光束(24)和反射具有第二偏振的反射光束(26)。

Description

偏振装置和偏振器

发明背景

1.发明领域

本发明涉及可见光谱和近可见光谱中用的光学系统，该系统包括一用于从一束总体上为未偏振的源光束中产生一束总体上为偏振光束的偏振装置。更准确地说，本发明涉及这样的光学系统，它由一组光学元件组成，其中的一个元件含有一种偏振器，该偏振器具有一些总体上为平行排列的细长的元件，设置在源光束中，用来与源光束的电磁波相互作用，以从总体上(i)透过或通过具有与该元件长度垂直的偏振方向的光，和(ii)反射具有与该元件长度平行的偏振方向的光。

2.现有技术

偏振光用于各种应用领域，例如：液晶显示(LCDs)和投影系统。液晶显示通常用于膝上计算机的显示和别的信息显示设备例如表和计算器。液晶投影仪也用于显示信息，但它是把这些信息或图象投影到远处的屏幕上。这样的投影仪通常带有它们自己的大功率光源。

在这些投影仪中的液晶显示装置利用偏振器，并结合液晶元件的特性，以有选择性地透射或吸收光，产生一亮暗象素组成的图样，从而形成满意的图象。光的开或关的性能引起一种象液晶光阀那样的常规标志。它们起作用，是通过利用液晶材料在适当地创立和对准时能够旋转光的偏振的优点，以及这种适当的对准可以由一外电场来改变的特点。

典型地是，采用两个偏振器，在该液晶元件的每一边各放一，组合起来形成一光阀。该偏振器的作用在于为该液晶元件提供偏振光，然后解析通过该液晶元件的光，并且屏幕不需要的偏振光。

应当理解，为液晶元件提供光的第一偏振器不必紧邻该液晶元件。但是，为了提供一质量好、对比度高的图象，就必须要求到达该液晶元件的光是好的平面偏振光。所以，由距离该液晶元件一定间隔的偏振器产生的偏振光束可以作为第一偏振器。当然，偏振光束还有其它的应用，例如在多种科学仪器和某些型号的照明系统中均可发现。

“偏振的”或“偏振光”一词是指通常具有单一线性或平面偏振的光束，该偏振由与之类似取向的电磁波限定。另一方面，一束自然光通常是非偏振的，或具有由光源发出的电磁波所限定的多个偏振平面。这种自然光或非偏振光可能以含有两个正交的线性(平面)偏振光为特征。

特定的偏振态或取向的电磁波可以从其中包含该特定偏振成分和与之正交的偏振成分的非偏振源中分离出来。分出特定偏振成分的器件叫偏振片，可以用它来获得一束总体上具有单一偏振的光或线偏振光。

偏振光和某些偏振器的概念已经存在一个多世纪了。但令人吃惊的是，大部分现代的和先进的偏振光应用领域仍然采用那些30多年前以来基本上未变的偏振片。这种状况令人惊讶是由于这些偏振片作用的基础物理机制不能为大部分的应用提供理想的偏振片。由此而得到的性能上的局限性严重地限制了光学系统设计上的灵活性、光学效能、系统成本和整体性能。结果，这些局限引起了提高偏振片性能的尝试，这种尝试从特别是包含在一或多个特征中的性能出发以获得在另外的特征中较少限制的性能。

从考查偏振片的历史和它们在光学系统中提供偏振光束的应用中可知，偏振片组件是采用偏振光束表现出以下一或多个特征的基本的和最重要的因素，这些特征包括：低效率、与颜色相关的性能变化、需要高准直性的光和复杂的光学系统。

可能，已知的第一偏振片是一由方解石晶体制成的双折射偏振片。目前，双折射偏振片可以由许多种晶体也可以由某些拉伸的聚合物制成。双折射偏振片形成于那些在一个方向上具有与别的方向上不同的光学折射率的材料，尽管这种光学折射率不同的程度会随着光的颜色的改变而改变。这种不同的光学折射率可以被用于把一个线偏振的光束与别的偏振光分开，尽管这种分离常常含有一小角度的偏移。这种窄带的分离可能需要应用复杂的光学系统。它还可能需要使光在有效量的材料中传输或通过一条拉长的光路，这将导致一庞大的光学组件或设计。最终，该窄带分离很难利用两个偏振成分，这就意味着通常是光的一半被通过吸收或别的方式放弃或浪费。

双折射偏振片的使用通常以低效、性能随颜色变化、需要高准直性的光和复杂的光学系统为特征。庞大的光学系统和拉长的光路将带来其它的性能上和设计上的不利。基于这些理由，双折射偏振片通常不能用于例如图象投影仪这样的光学系统中。

另一种发展于20世纪30年代而仍然在膝上计算机显示中作为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种吸收一种偏振成分而通过另一种偏振成分的偏振器。现在已经发展了许多种二向色性偏振器，但最常见的类型由一片聚合物组成，该聚合物被拉伸以使它的分子定向，然后用碘和/或别的材料处理而使得这些定向的分子吸收一个方向的所有偏振成分。

关于二向色性偏振器的最重要的问题是它们的光吸收。典型的拉伸聚合物片偏振器吸收一种偏振中几乎所有的成分和15％或更多的适宜的或通过的偏振成分，这将导致光的低效应用。所有聚合物偏振器还有其它方面的问题，例如它们的低抗热性和对光子的敏感性都会诱导化学变化，随着应用和使用年限，这些化学变化将使材料变黄或变脆。随着光学系统亮度的增加，这些问题变得日趋尖锐。所有二色性偏振器固有的低效特性以及大多数通用聚合物片偏振器对环境(热和光)的敏感性使得我们需要考虑很多的问题。

还有另一种基本的偏振器技术是薄膜偏振器。它应用布儒斯特效应，其中以布儒斯特角(约45°)入射到玻璃或别的媒质表面上的光被转化成两束偏振光，一束透过而另一束被反射。利用布儒斯特角使光偏振仅可以有效地在一非常窄的角度范围内完成。这种类型偏振器的例子是1946年7月9日出版的授于MacNeilli的美国专利2,403,731。MacNeilli偏振器包括许多有助于扩大这种偏振器接收角度范围的片层结构，尽管在许多器件中该接收角度范围仍然被限制到几度。MacNeilli棱镜通常由置于两个楔子的大表面间的偏振薄膜制成，形成一具有置于该立方体对角线上的薄膜的立方体。这样，该立方体的宽和深相等。

由于布儒斯特角会随着光的颜色的改变而有所改变，所以，MacNeilli棱镜也同样遇到与颜色相关的性能上的困扰，这就降低了该偏振器对于宽带可见光应用中的效率。MacNeilli偏振器和与偏振器有关的装置的另一方面的局限性在于未透过的偏振部分以与该系统的光轴成直角被反射到该系统一侧。这对于没被利用的光来说是一不便的位置，而且大大限制了这种类型偏振器的利用。结果，为了获得适当的物理孔径，这种类型的偏振器变得十分庞大，这是由于当MacNeilli偏振器的宽度或孔径增加时，深度也要随之增加，这种增加源于在立方体中薄膜的斜放。另外，体积不太庞大或深度较小的MacNeilli偏振器可以由许多并排放置的小立方体形成，以跨越一较宽的区域或产生一较大的物理孔径。然而，这需要一复杂的装配过程，这个过程对于制作来说是困难的和花费高的。

由于在改善这些传统偏振器的局限性中失败，所以，到20世纪60年代这种尝试转向了胆甾型偏振器领域。不象以前那样直接把两个线性偏振成分分离，胆甾型偏振器产生圆偏振光。胆甾型偏振器采用具有一种能与光相互作用的分子结构的特殊的材料和化学成分，从而产生圆偏振。胆甾型偏振器将反射一种圆偏振光并透过与之正交的圆振光。

胆甾型偏振器的一个问题是圆偏振光不总是有用的而且必须将它转化为线偏振光。这种偏振器的另一问题是它们在较大的角度范围中或在一大的入射角范围内不能有效地运行。还有一问题是胆甾型偏振器是非宽带的或具有有限的光学带宽。针对发展中的胆甾型偏振器所做的尝试暴露了传统偏振器的缺点和对投身于探索进步所做的努力的夸大。

在最近的10年，偏振器已经得到了发展，其中拉伸聚合物片被做成双折射。例如可以参见美国专利5,612,820。这种拉伸片反射一种偏振成分而透过其它的成分。这种类型的偏振器的一问题是它约为15的低消光比。虽然在一些应用中是有用的，但这个消光比对于没有第二偏振器的成象应用领域是不够的，而且这种器件的基本物理学使得对低消光比这个特征能被极大提高产生怀疑。这种类型的偏振器也受到前面所述的环境问题的影响。

传统的偏振器所存在的问题给偏振光的应用带来严重的影响，前面已经讨论了其中的一些。例如：光的低效率在许多应用例如图象投影中都是不令人满意的，在此功率的花费较大或它的浪费较多而且得到不好的结果。一开始，光本身的产生就是一低效的过程。由电能转换为光能的最有效的转换发生在荧光，它具有约40％的效率。然而，荧光不是光学亮光源。另一方面，象例如弧光灯和金属卤化物灯这样的亮光源在产生光时是低效的，具有10％以下的效率。而且，象例如弧光灯这样的亮光源通常需要昂贵的功率调节器。由于仅在产生光能中所固有的低效率，所以，充分利用所产生的光是很重要的。

因为非偏振的自然光由两个正交的线偏振光组成，所以，基本的光偏振过程仅能提供所得到的适宜偏振成分中的50％。任何吸收或放弃不需要偏振成分的偏振器都会使光学系统付出一较大的性能代价。因而，需要拥有一能利用不需要的偏振成分以增加能效的偏振器。

除了在产生光中消耗功率以外，低效偏振器还存在别的损耗和带来不良后果。例如：对于一给定的应用，由于过多的光被放弃，所以低效偏振器需要产生额外的光。较大功率的光源产生较多的热、较大的重量和体积。需要用风扇来散热，该风扇也需要能量、增加重量、增加体积、增加消费、增加噪音和产生振荡。因此，低效偏振器使得制作和使用系统的花费昂贵，且该系统笨重、庞大和有噪音。在任何光学设计中的一主要的难题是有效利用可以利用的光，这个目标对于传统的偏振器来说是相当困难的。对这种效率的有用度量是发光效率(又被称为发光效力)，它是在图象中传输的光功率与向光源提供的功率之比。

除了吸收或浪费光能量以外还存在其它重要的光学限制。一重要的参数是入射角范围，在此范围内光能够射入并能与该偏振器进行适宜的相互作用而被恰当偏振。这个特性可以用例如数值孔径、锥角、扩展(etendue)或光速等许多术语加以讨论或描述。在光学设计和理论中，所有这些术语是在不同的环境下讨论光学元件可以被接收的角宽。为了讨论的目的，我们将指接收角，意思是指从垂直于偏振器的位置出发、存在光而且光仍被该器件适当或正确偏振的最大角度。

对于图象投影系统或其它偏振光束的应用来说，较亮的光束总是所需要的。偏振光束的亮度由几个方面决定。当然，第一因素是光源本身。在其它条件相同的情况下，一较小的、较大功率的光源将提供一束较亮的光。另一关键的因素是该光学系统聚集来自于光源的光和把它变为有用的光束的能力。对于非偏振的自然光，这种能力基本上依赖于光学系统的接收角。采用具有窄的或有限的接收角的偏振器的系统不能聚集象采用具有较宽的或较广的接收角的偏振器的系统那样多的、来自一给定的发散源的光。由于源于给定光源的更多的光被利用，所以，宽接收角的另一优点在于它具有包括使光学系统更简洁、使光源成本更低和功率更小的潜力，以及其它相关的优点。

宽接收角的另一重要的优点在于它为光学设计提供有效的的自由度。例如：具有窄接收角的偏振器必须放在光学系统中与光轴相关的有限位置和角度范围内。这种限制的后果可以在MacNeille棱镜的情形中看到，其中对被放弃的光的重俘获必须发生在光学系统两边之外的区域。这个位置很不便，它增加了整个系统的尺寸和宽度，需要附加的部件(那是别的方式不需要的)来把光重射到有用的偏振光束中。当然，所有这些限制影响光学系统的成本和利用。另一方面，较宽的接收角会使得偏振器可以被放置在能使被放弃的光处于对该光学系统的设计十分方便的位置处，这为光学技术人员提供了选择和可能性，这在以前是不可能的。

非吸收和大接收角这两个重要的特性是在传统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围内和相对于源光定向，所以，具有大接收角的偏振器允许更为灵活的设计。此外，具有大接收角的偏振器可以用于更为发散的源光。另一方面，由于被放弃的偏振成分可被重新获得，所以，非吸收型偏振器可以更有效。然而，这两个特征对于既要效率又要灵活性的偏振器而言是必需的。

为了在偏振光束的产生中获得好的特性，已经针对传统类型偏振器的改善作了巨大的努力。这种努力可在许多专利申请中得以证实，它们大多是针对胆甾型偏振器和MacNeille棱镜型偏振器的。可见于美国专利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，这些器件的效率是通过把放弃的偏振平面返回给光源或旋转偏振平面且改变其方向这样的方式提高的。一些系统甚至把两个偏振成分分离，在每个偏振中产生一部分图象，然后仔细地把每个偏振中的图象组合起来得到最后的图象。用于描述恢复或利用光束中的两个偏振成分的光学系统的常用术语包括偏振补救(polarizationsaving)、偏振恢复(polarization recovery)和偏振回收(polarizationrecycling)。

然而，尽管有非常多的专利授予实现不同偏振恢复方案的偏振装置，但是，目前在市场上仅有几种实现它的经济型器件。美国专利5,555,186描述了这些器件。它所引入的第一器件采用MacNeille棱镜和一细致的且复杂的光学设计来处理以上所讨论的局限性。实质上，该器件是把多个MacNeille棱镜排列组合起来，在两个棱镜之间留有空间。来自光源的光通过一多透镜光学阵列射向棱镜。一种偏振成分直接透过棱镜，而另一偏振成分从边路射向两个棱镜之间的空间。置于这些空间中的反射镜使另一偏振成分再射到有用的束中。也置于该空间中的波片使另一偏振成分旋转，使得它与透过的偏振成分相同。这种器件遭遇与前面所讨论的MacNeille棱镜同样的问题，这些问题包括把另一偏振成分限定到与光轴垂直的方向或棱镜的边侧外。此外，接收角很窄，把对光源的选择限制到很小的、亮的弧光灯上，这种弧光灯很贵，而且设计为输出高于几百瓦。另一问题是精密的光学系统可能变得失调，影响它的性能。

该器件是对为提高效率而已经排列好和使用的传统偏振器的一定程度上的例证。另外，该器件是对由偏振器的局限而引起的在系统的设计上的限制的例证。例如：由MacNeille棱镜接收的入射角的窄范围要求源光基本上是非发散的，特别是源光和偏振器的位置和方向是彼此相关的。而且，被放弃的偏振成分基本上被正交重射在光轴上，并限定其它光学元件的位置和方向。在这种情况下，需要在棱镜之间的空间中放置反射镜，作为重新俘获被放弃的偏振成分的复杂系统中的一部分。

用于提高偏振器效率的另一种不太复杂且不太完美的方法和器件是采用一漫反射器。目前这个概念用于平面图片显示中，例如膝上计算机。被放弃的偏振光被反射回漫反射器上，该漫反射器使光散射并干扰偏振成分。然后，光在偏振器中被重新定向。对于单一的光传输，这种方案不可能超过75％的效率。而且，在某些应用例如图象投影中，特别不希望有散射光。

正如以上的讨论，为获得一种效率高且灵活性好的偏振器的尝试是极不成功的，尽管可见光偏振器已经具有很长的历史。虽然，已有一些改进措施成功地提高了传统器件的效率，但是，它们很复杂而且引发了多个设计上的局限。另一些偏振器相对要灵活一些，但不能有效地偏振。至此，所发展起来的偏振器没有一种具有将一源光束转化为一束总体上为偏振光束所必需的有效性和灵活性的特点。至此，对一些上述的特点或标准仅作了有限的讨论，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损耗将源光束分为两束正交的偏振光束。因此，例如，偏振器应当不吸收、散射或使一束或两束光都被误导(聚焦很差)。这对于二向色性偏振器来说是个问题，该偏振器吸收一种偏振成分，且系统采用散射一种偏振成分的漫反射器。

另一必要或需要的特征是该偏振器有效地把一种偏振成分与另一种偏振成分分离开。换句话说，每一束光都必须被很好地偏振。这是用消光比表示，该消光比是所需要的偏振光的量与不需要的偏振光的量之比。可接受的消光比的标准是根据不同的应用而变化的。例如：目前的显示应用中要求比例至少为100∶1，但该比例正迅速增加到1000∶1。消光比为3∶1这样低可能是有用的，但需要另外的处理。然而，应当注意到，消光比会影响液晶显示和投影仪的对比度，高的消光比将提供好的对比度。在任何情况下，偏振器本身都希望获得高的消光比，以减少对其它方面处理的需要。这对于双折射和胆甾型偏振器来说是个问题。

另一必要或需要的特征是该偏振器在整个可见光谱区或通常在450至700nm的波长内是消色的。当然，这同样用于两个光束。消色的特性意味着偏振器性能不依赖于颜色或仅对某些颜色起作用。传统的偏振器通常表现出对颜色依赖的变化特性。这对于胆甾型、双折射型和MacNeille型偏振器而言是一特殊的问题。

另一必要或需要的特征是该偏振器是光学快响应的或可以收集大量的光。这是由该偏振器接收角直接带来的结果。第一，为了有效地俘获到达该器件的所有光，该偏振器应当具有一大的接收角。第二，偏振器应当足够大，以尽可能多地俘获所有入射光。所以，偏振器应当具有大的接收角和大的物理口径。如果偏振器被作得具有很大的面积而仅有一窄的接收角，这是没有多大用处的，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。这对于双折射、MacNeille和胆甾型偏振器来说是一问题，其原因在于：接收角通常是很小的，尤其是对于MacNeille偏振器而言，因为要使它们的接收角大，将会导致一体积非常庞大或很复杂的光学装置。

另一必要或需要的特征是偏振器应当给该光学系统的设计施加较少的限制，如果有的话。根据一有效系统的需要而不是根据该偏振器的需要确定适宜的光学元件的位置，这应当是可能的。此外，偏振器不应当限制投影系统或别的设备的光学性能。而且，偏振器应当能使这两个正交的偏振成分在任何选定的方向上射出，并具有任何适当的聚焦度。这对于传统的偏振分束器来说，可能是最难达到的标准。所有以上提到的传统偏振器都给入射光和出射光的定向带来了不期望的限制。

另一特征是偏振器应当是坚固的和难于被损坏的。这要有几方面。第一，偏振器应当能承受迅速升温和长时间的高温照射，具有承受几百摄氏温度的能力，而这种温度是很需要的。第二，偏振器应当能抗震且不会损坏。第三，偏振器的性能应当不会随着环境例如热和运输的改变而改变。最后，偏振器应当不会发生因为光化学而引起的老化或由所通过的光所激发的其它的老化过程。

另一特征是偏振器应当廉价且容易制作。这涉及到偏振器本身和任何相关的光学元件或基片，不管是分部件制作还是以具有超过一种光学性能的单元进行制作。

这些特点和标准是不相排斥的，但是应把对于偏振有效和灵活所必要的许多重要因素加以排序。到目前，还没有一种偏振器成功地表现出所有这些特征。

另一种叫做线栅偏振器(wire grid polarizer)的偏振装置，由于它通常不用在可见光应用领域中，所以，到目前还没有描述过它。基本上是，线栅偏振器是一种由其长度比宽度大得多的均匀地平行分开的电导体所组成的平面组件。具有一平行于该导体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过该栅格。

这种线栅偏振器通常不用在可见光应用领域是不奇怪的。事实上，线栅偏振器的历史发展着重在于射频发射的应用。例如：线栅偏振器是在19世纪80年代首次发明的，而且是用射频波证实的。将一条导线绕在一对分开的棒上制得了这种线栅偏振器。在20世纪20年代，线栅偏振器开始在红外领域寻找实际的用途。在20世纪40年代，线栅偏振器开始在雷达领域寻找用途。目前，线栅偏振器主要用在雷达、微波和红外领域。把线栅偏振器应用在这些领域是因为没有其它的替代器件，尤其是对于较长的波长，而且，这种线栅偏振器很容易制作且好用，并对较长的波长具有最大的便利。

除各自的发展途径不同之外，线栅偏振器和其它已经发展起来的传统的偏振器所处的领域以不同的目的、前景、需要和应用为特征。以上所广泛讨论的传统的偏振器专门为可见光和紫外光领域而发展起来，从1850年以来，科学仪器已经采用偏振的可见光和紫外光。可见光谱的特征在于波长短，其范围在400到700nm(纳米)之间。而且，可见光占据了非常窄的光谱范围，所覆盖的区域小于一倍频程，这就意味着在可见光偏振器中很宽的带宽不重要。由于可见光的独特性，它被用于独有的应用中。这些应用包括成象和信息的传输、照明和所有我们用眼睛可见到的一切。所以，在可见领域中的重点已经转向效率、亮度、对比度、对所有颜色一致的特性，并用于人眼的需要。

相反，线栅偏振器是为红外、微波和雷达领域而发展起来的。这些领域以宽波长为特征，其波长范围在1微米到10毫米(1000nm到10,000,000nm)之间。红外、微波和雷达波占据了一宽的谱线范围，但这当然是看不见的。这些波长以与可见光根本不同的方式与物质相互作用，且被用于不同的应用领域。所以，在这些领域中其重点是彼此不同的，而且是与可见光领域不同的。

也许，线栅偏振器没有在可见光应用中被普遍采用的另一原因是在这些应用领域中没有认识到对线栅偏振器的需要。正如以上所说，大量的偏振器已经可用于可见光应用。所以，没有确定的理由不发展线栅偏振器，以使它适用于可见光。

也许，使线栅偏振器应用于可见光应用受阻的最重要的因素是这种流行的观点，即：线栅偏振器以相对较低的消光比为特征。可见光应用中通常需要高于线栅偏振器所能提供的消光比。在可见光领域，用其它具有较高消光比的偏振器是可行的。

如可以看见的那样，在它们的结构和物理机制上，应用于以雷达波、微波和红外线为特征的长波的偏振技术与通常用于可见光谱的偏振器是不同的。这种情况是由在这些领域中技术发展各自的历史、适宜的可选技术的可行性以及那些适于每个技术领域中的技术人员的不同目的所得到的一自然的结果。甚至到现在，这些差异还继续使得用于可见光的偏振器与用于长波的偏振器分离开来。

在1987年8月25日授予Grinberg等人的美国专利4,688,897中公开的是线栅偏振器在可见光应用中的孤立事件之一。Grinberg等人披露了一种用于液晶显示以减少视差的线栅偏振器。本质上讲，这种概念是把该线栅偏振器用作一反射镜以反射一单独的偏振成分。线栅偏振器相对较薄，而且，在化学性质上与液晶材料相容。因此，它可以被放置于临近液晶的地方而不产生化学反应，并且在该液晶与偏振器之间没有间隙。限制着这个间隙的大小就是限制显示中的视差。

很象以上讨论的传统偏振器，线栅偏振器的这种应用的一个问题是效率。仅是射入该显示器的光中被反射的偏振成分用于产生图象。被透射的偏振光成分通过该偏振器且被放弃。在这种应用中线栅偏振器的目的不在于以任何方式产生偏振的光束，而在于解决一种特定类型的液晶显示中的一特殊的问题，即：视差。而且，线栅偏振器在已存在的光学系统中仅是一改进的替代元件而已。

在1995年1月17日授予的Hegg等人的美国专利5,383,053中公开的是少数几种线栅偏振器用于可见光领域中的又一种。Hegg等人披露了线栅偏振器用于虚拟图象显示系统以提高建立在传统分束器之上的反射/传输效率。本质上讲，这个概念是把线栅偏振器用作一种分束器。该系统首先遇到的是从分束器上反射一图象，然后通过分束器反射回去。由于少于入射光50％的光被首先反射，然后少于该反射光50％的光被透射，所以，传统的分束器是低效的。换句话说，该系统的纯效率低于25％。Hegg等人公开的这种把线栅偏振器与偏振的图象源一起使用是由于该线栅偏振器的反射/透射效率相对较高。所以，尽管线栅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，在这种应用中，线栅偏振器的目的不在于以任何方式产生一束偏振光(光早已被偏振了)，而在于解决虚拟图象显示中的一问题，即：低效分束器。另外，在已有的光学系统中，线栅偏振器仅被用作一替代元件。

正如以上Hegg等人所指出的那样，我们已经知道线栅偏振器可用作分束器。作为另一例子，1971年12月28日授予的Rogers的美国专利3,631,288则公开了一种用于发射偏振光的汽车前灯。该前灯的目的是通过在汽车的挡风玻璃上设置一方向垂直于该前灯偏振方向的偏振器而为临近的汽车减少眩光。

该前灯具有一置于一壳体中的光源和一抛物面反射偏振器，该壳体由一抛物线形的抛光金属的反射表面制成。具有第一偏振的光透过该偏振器，而具有第二垂直偏振的光从该偏振器反射回来。Rogers披露：该偏振器可以为多层结构双折射偏振器或玻璃线栅阵列。由该偏振器出来的反射光被反射回金属反射表面，在此光被反射回该偏振器。

另外，该金属表面把线性偏振的反射光束变为椭圆偏振光。“少量的”椭圆偏振光是第一偏振成分，且从偏振器中透过，而其余的又被该偏振器反射回该反射金属表面。这个过程在偏振器和金属表面之间不断来回往复，而使“少量的”光在每个循环中透过该偏振器的过程被“无限”重复。

该装置的一问题是效率低。熟知的反射金属表面，银，反射不超过98％的入射光。因而，随着光从金属表面反射来反射去这个过程的重复进行，越来越多的光被损耗。

此外，由于发射光源置于反射壳体中，所以，很多反射光径直回到发射器。我们把“光源”限定为光发射器和那些可以聚集发射器中发出的光并使之成为一束的光学元件。

与以上的专利相似，1971年2月23日授予Makas的美国专利3,566,099公开了一种用于发射偏振光的汽车前灯。该前灯具有一置于壳体中的光源和一反射偏振器，该壳体由一抛物线形的抛光金属的反射表面制成。Makas仅披露了该偏振器可以是漫射或干涉型。在该偏振器的前面放置一四分之一波带片。具有第一偏振的光透过该偏振器，而具有第二垂直偏振的光从该偏振器反射回来。当反射光在偏振器和反射器之间通过时，波带片改变它的偏振。象已有的专利那样，Makas使反射光束径直回到光源。

把光源置于反射壳体中使得从偏振器反射出的具有该偏振的光必须回到光源，这不是我们所希望的。当把一高亮度的光源例如带在头上的小型照明灯或更亮的光源用于目前的液晶光阀投影系统之中是通常可以接受的，但把光反射回光源中，而在此它会遭遇或被灯丝吸收，这是我们所不希望的。射到灯丝上的反射光将使灯丝过热，导致光源过早地损坏。它对于储存光能也不是一好的方法，这是因为：被灯丝重吸收的光能不被重新辐射成为所需要方向上同样波长的光，而是作为跨越红外到紫外区域的在各个方向上传输的电磁能。采用抛物线型反射器，且把光源灯丝放在它的焦点位置上，这对于产生一束准直的光束来说是非常适宜的，但这样特别容易导致这样的问题，这是由于：它把大部分的光准直到光源中的灯丝上。

Rogers教导：采用“松线圈”灯丝以尽量去除这个麻烦，但这又将影响增加灯丝的宽度，减小由抛物线型反射器所产生的准直程度，并可能减小光源的能-光转换效率。Rogers还推测：改变灯丝与抛物线型反射器焦点间的几何关系可能对于多个方面都是适宜的。对与灯丝相遇的反射光的减小作用的本质上的改变，也可能减小整个光学系统的效率。由于这些和其它的原因，作为增加偏振效率方案的一部分，我们希望特别避免把光反射回光源。

由于这些和另外的原因，用于可见光偏振的线栅偏振器继续被光学技术人员和器件的制作者忽视。那些投影和显示领域的技术人员通过改进传统可见光偏振器而继续寻求改善。尽管这些努力已经使传统的偏振器系统得到了多方面灵巧的变化，但是，这些装置仍然受到偏振器本身固有局限的限制。

所以，发展一种可工作于可见光谱和近可见光谱中的偏振器和偏振装置，使源光束的两个正交的偏振成分自然退耦成为两束偏振光，并沿基本上任何方向上选择性地射出这些光束，应当是有利的。发展基本上可以任何入射角置于一装置中的这样一种器件，使得在设计方面的重要约束不施加于光学系统，但基本上设计灵活，这也应是有利的。发展这样一种器件，用于从一总体上为非偏振光源有效地产生一总体上为线性偏振光束，而不浪费该光源的很大一部分且不需要复杂而精密的光学系统，也应是有利的。发展一种具有可以接收相对发散光的大接收角的器件，也应是有利的。

发明的目的和概述

本发明的一目的是提供一种使源光束的两个相互正交的偏振自然退耦而成为两束偏振光的偏振器。

本发明的另一目的是提供这样一种基本上可以任何角度选择性地射出两束偏振光中的任一束或两束的偏振器。

本发明的再一目的是提供这样一种能聚焦两束偏振光中的任一束或两束的偏振器。

本发明的再一目的是提供这样一种偏振装置，当把它定位在相对于源光束基本上以任意入射角时，它能适当地工作。

本发明的又一目的是提供这样一种具有能接收比较发散光的大接收角的偏振器。

本发明的再一目的是提供一种能从一总体上为未偏振的光源光束中有效且简单地产生一总体上为线性偏振光束的偏振器和偏振装置。

本发明的进一步目的是提供这样一种用于图象投影系统、光投影系统和/或显示系统中的偏振器和偏振系统。

本发明的这些和其它的目的以及优点是在一偏振装置中实现的，该偏振装置具有设置在源光束中的一些总体上为平行排列的细长的元件。这些元件与源光束的电磁波相互作用，以从总体上(i)透过具有与该元件长度垂直的偏振方向的光，和(ii)反射具有与该元件长度平行的偏振方向的光。透过的光限定一具有第一偏振态X的透射光束，反射光限定一具有第二偏振态Y的反射光束。

所述排列的这些元件基本上可以任意入射角相对于源光束定位。另外，这些排列的元件可接收相对发散的源光。而且，这些排列的元件可以定位在基本上以任意方向有选择地射出反射光束。这些优点的结果是使得设计具有灵活性，并且得到一种不限制该偏振装置应用的偏振器。

这些元件可以设置在一基片之上或之中。该基片为这些元件提供保护和支撑。透射光通过这些元件和基片。

该偏振装置可以用于从一总体上为未偏振的源光束中有效且灵活地产生一总体上为偏振的光束。源光束射在所述排列的元件上，其透过与这些元件相垂直的偏振成分而反射与这些元件相平行的偏振成分。在反射和/或透过的光束中放置一例如反射镜之类的重俘获光学元件以改变该光束的方向，使得两束光都射向一共同的区域。所述排列的这些元件和光重俘获器件使光束定向，使得它们不再射回到光源。在反射和/或透过的光束中放置一诸如波带片之类的偏振重定向器件以改变光束的方向，使得两束光具有相同的取向或偏振。这个偏振重定向器件在一单循环中基本上改变所有反射光的偏振取向。

所述排列的这些元件、重俘获光学元件、偏振重定向器件和其它光学元件可以根据需要或期望定位和放置。这些元件可被定位以将反射光束射向重俘获光学元件或偏振重定向器件。其它的光学元件可进一步按所需要的那样处理这些光束。

所述排列的这些元件可被配置来对该反射光束聚焦或以其它方式施加影响。这些元件可以被加工成非平面层，例如柱面、球面、椭圆或抛物面形状以及其它复杂的指定的光学形状。另外，可以配置基片，使之聚焦或以别的方式影响透射光。基片可以制成非平面外形，例如柱面、球面、椭圆或抛物面形状以及其它复杂的指定的光学形状。

这些元件可以与别的光学元件例如波带片、透镜、棱镜等组合。而且，基片可由光学元件形成。

偏振装置可以是投影或显示系统的一部分。

具体来说，本发明提供了一种偏振装置，用于有效地产生一总体上为偏振的光束，该装置包括：用于发射在可见光谱或近可见光谱范围内的源光束的光源；用来设置到源光束中的基片；用于设置到源光束中的一些总体上为平行排列的薄而细长的元件，这些元件由所述基片支承，具有小于约0.4微米的间距，提供与源光束的电磁波相互作用的手段，以从总体上(i)透过具有与所述元件的纵轴垂直的偏振方向从而限定一具有第一偏振的透射光束的光，以及(ii)镜面反射具有与所述元件的纵轴平行的偏振方向从而限定一具有第二偏振的反射光束的光；一光重俘获装置，与光源相分离，用来设置到反射或透射光束中，用于截取各反射或透射光束并改变其方向，使该反射光束不会射回到该光源中，该反射光束不会射回上述排列的元件；以及一偏振重定向装置，用来设置到所述反射光束或透射光束中，用于改变基本上整个的相应反射光束或透射光束的偏振方向，以使反射光束和透射光束二者具有大体相同的偏振，从而基本上将整个源光束转变成单偏振。

本发明还提供了一种偏振器，包括：一用于在可见或者近可见光谱区内发射一源光束的光源；一基片，其包括用来设置到源光束中的单个光学元件，并且具有一总体上为平面的第一表面，和一与第一表面相反的总体上为弯曲的第二表面；以及用来设置在该基片的总体上为平面的第一表面上的一些总体上为平行排列的薄而细长的元件，这些元件的宽度和长度设计为与源光束的电磁波相互作用，以从总体上(i)透过具有垂直于所述元件长度的偏振取向从而限定一透射光束的光；以及(ii)反射具有平行于所述元件长度的偏振取向从而限定一反射光束的光，从而提供两总体上偏振的光束。

通过对以下结合附图的详细描述的考察，本发明的这些和其它的目的、特征、优点和可供选择的方面对于那些本技术领域中的技术人员来说是显而易见的。

附图说明

图1是本发明偏振器的一优选实施例的透视图；

图2是本发明偏振器的一优选实施例沿图1中2-2线所取的横截面图；

图3是表示本发明偏振器的一优选实施例中可能的入射角宽范围和可能的反射角宽范围的示意图；

图4是本发明的偏振装置的一优选实施例的总体运作的示意图；

图5是本发明的偏振装置的另一实施例的总体运作的示意图；

图6是本发明的偏振装置的另一实施例的总体运作的示意图；

图7是本发明的偏振装置的另一实施例的总体运作的示意图；

图8是本发明的偏振装置的另一实施例的总体运作的示意图；

图9是本发明的偏振装置的另一实施例的总体运作的示意图；

图10是本发明的偏振装置的另一实施例的总体运作的示意图；

图11是本发明的偏振装置的另一实施例的总体运作的示意图。

发明的详细描述

现在将参照附图讨论本发明，以使本领域技术人员能够制造和应用本发明，其中本发明的各种元件将用数字标记表示。

如图1和图2所示，其中表示本发明的偏振器的一优选实施例，总体上用10来表示。偏振器10具有一些总体上为平行排列的薄而细长的元件12。元件12通常设置在图2中由14所表示的层中。尽管元件12在图中被表示为置于一平面中，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和层14可以是更平一点，或可以是弯曲的或是在以下更详细的讨论中所指定的别的形状。

元件12相对长而且薄。这些元件的尺寸和这些元件排列的尺寸由所用的波长来确定。以下所给出的尺寸是为宽的或全部光谱的可见光所设计的。每个元件12有一长度，在图1中用L表示，它通常大于可见光的波长。由此，元件12具有至少约0.7μm(微米)或700nm(纳米)的长度。然而，典型的长度可能更大些。

此外，这些元件被设置为通常相互平行的排列，其中各元件中心-中心的距离或中心距小于光的波长，在图2中用P表示。因此，该间距将小于0.4μm(微米)或400nm(纳米)。更可取的是，该间距将小于光波长的三分之一，或约0.13μm(微米)或130nm(纳米)。另外，每个元件12具有一宽度，在图2中用W表示，它的范围可以是间距P的10％到90％。这样，各元件分开的距离具有一在图2中用S表示的宽度，它的范围将是间距P的90％到10％。元件12还有一厚度，在图2中用H表示，它优选大于约200或20nm。而且，元件12最好是有规律地或等距离排列。

对于特定的应用，可以选择元件的宽度W和间距S以最优化该偏振器的性能。增加这些元件相对于中心距的宽度将使对平行偏振的反射率增加到近于100％，同时也使对垂直偏振的反射率增加到高于0％的理想值。因此，元件宽度与间距的大比率将为透射光提供高的消光比(因为没有平行偏振成分透过)，但不一定高效(因为有一些垂直偏振成分将被反射)。相反，元件宽度与中心距之间的低比率将为反射光束提供一高的消光比，但不一定高效。当元件的宽度与中心距之比为40％到60％时，可能会得到由平行光束反射率和垂直光束透射率的总和所决定的最高的总效率。

正如以上所指出的那样，这些尺寸是为宽的或全光谱的可见光所设计的。对于特定的波长，例如可见光或包括近红外(IR)波长和近紫外(UV)波长的近可见光谱的特定颜色，其它的尺寸可能是适合的。

如图1和图2所示，所述排列的这些元件12没有按比例绘制，而且，为了示意清楚，所以作了很大的夸张。实际上，所述排列的这些元件是用裸眼看不见的，当不把它极度放大而观察时，它好象是一部分反射表面。元件12可由能够形成为一宽带谱线反射镜的任何材料制成，例如一种金属。优选的是，这种材料是用于可见光领域的银或铝。

偏振器10还有一基片18，用于支撑所述排列的元件12。该基片18有一第一表面20和一在其对面的第二表面21，所述元件12或元件层14置于第一表面上。基片18为元件12提供支撑和一定程度的保护。另一种方式是，可以把元件12夹在两个基片之间或为了更多的保护和支撑而把元件12形成于基片本身之内。元件还可以配置在基片的两个面上或设置在一或多层中。基片18是由能使光通过的任何材料形成的。这种材料如以下将更充分讨论的那样，可以透过光或与光相互作用。优选该基片18由玻璃材料制成。另一种方式是，该基片可由聚合物或水晶材料制成。其他与在此所公开的原理相符的基片当然是可以的，且应当被认为是包含在本发明的范围内。

如图1所示，其中表示偏振器10的优选实施例的总体运作。一源光束22由光源23产生，并射向含有所述排列元件12的偏振器10。源光束22和它的各个分支形成不同的路径，在图中用箭头表示。源光束22通常是非偏振的U，它包含一具有第一偏振态X和一第二偏振态Y的电磁波，其中第二偏振成分与第一偏振成分垂直。在图中用标记X、Y、U表示一特定光束所具有的偏振状态。

元件12与源光束22的电磁波相互作用。元件12透射或通过具有偏振方向与该元件长度方向垂直的光。该通过的光限定一具有第一偏振(用X表示)的通过或透射的光束24。该元件12也方便地反射具有与该元件长度方向平行偏振的光。该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允许通过的光束24通过。因此，偏振器10使源光束22的两个正交偏振的成分X和Y自然退耦，第一偏振X通过元件12，第二偏振Y被元件镜面反射。

当然可以理解：所述排列的元件12以一定的效率或消光比使源光束的两个偏振成分分离。换句话说，该元件通常透过偏振方向与该元件长度方向垂直的偏振成分，但同样也可通过偏振方向与该元件长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与该元件长度方向垂直的偏振成分，且基本上反射所有的偏振方向与该元件长度方向平行的偏振成分。这样，几乎是一半的光透射，而另一半的光被反射。如以上所述，该元件的效率、或消光比可以由、或至少部分由元件的宽度和间距决定。

本发明的偏振器10代表在已有的可见光偏振器技术的重大改进，已有的可见光偏振器是吸收或散射光的一种偏振成分而不是提供镜面反射。由于所述排列的元件12反射第二偏振Y，所以，现在该偏振成分可以被重俘获或重新定向和利用。另外，由于所述排列的元件是镜面或类似反射镜和反射镜的，所以，源光束22的入射角28等于反射光束26的反射角30，如图2所示。(入射角28相对于垂直于该元件或该偏振器的轴29来测量。)

如图3所示，偏振器10或所述排列的元件12优选基本上可以任意的入射角(用32表示)相对于源光束22定位。

实际上，本发明的偏振器10代表了对现有可见光偏振器技术的一重大进步，这是因为，源光束基本上可以任意角度遭遇该元件。许多现有的偏振器严格限定源光束可能遭遇偏振器的角度范围，而仅提供一窄的工作窗口。由于偏振器可以根据自己的意愿相对于源光束定位，所以，本发明的偏振器使设计变得灵活。另外，偏振器10有利于接收相对发散的光。如以上所述，源光束22是由角度有小差别的多条单独光线组成，这些光线来源于有一点发散或会聚的锥形光束。该偏振器能够处理发散光或光束本身所含的不同入射角，除源光束的入射角外。本发明的偏振器10还代表对现有可见光偏振器技术的一重大进步，现有的可见光偏振器不能接收发散光，除非是窄的发散光。由此，本发明的偏振器可以利用较为发散的光源，且从这些源中较为有效地收集光。结果是，利用不太先进、不太昂贵且功率不太高的光源可以获得相似的结果。

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围内选择性地射出反射光束26。对于被反射的偏振，该偏振器作为反射镜有效地工作，这样，反射角与该偏振器表面法线的另一边的入射角是相对称的。然而，由于偏振器10可以相对于源光束置于基本上任意的角度上，所以，可以选择入射角，使反射光束在任何希望的角度上(仍用32表示)。

本发明的偏振器10还代表了对现有偏振器技术的一重大进步，现有的偏振器严格地限制反射光束的方向或可能的反射角范围，使其处于一窄的窗口。由于反射光束可以相对于别的光学元件根据需要定位，所以，这种改进的偏振器10使设计变得灵活。因而，可以在角度范围32内的任何位置放置光的重俘获光学元件。

偏振器10的主要目的是使源光束22的两个正交的偏振X和Y自然退耦成为两个总体上为偏振的光束24和26，这样可以分别控制它们。例如，偏振器可以在基本任意的方向上有选择地射出一或两条偏振光束。而且，偏振器10不会给该器件施加相对于源光束22的不适当的位置和方向限制或给源光束的发散度施加不适当的限制。在这之前，已有的可见光偏振器则严格限制相对于源光束的方位的任意选择。类似的限制也存在于关于反射光束的任意投射或接收上，除非是窄发散的光源。

偏振器10的另一优点是它能承受迅速升温和长时间的高温。与典型的精密偏振器相反，本发明的偏振器是不平的。高温和迅速升温不会显著地影响该元件透射和反射光的能力。由于元件受到基片的保护，所以，该器件也能抗震。另外，该器件不会因为在结构中发生光化学反应而引起老化。这些特征对于制作和维护都节约了花费，而且，为许多以前认为不切实际的新的应用领域打开了门。

有关本发明偏振器的另一优点是它能在可见光的宽带宽中协调一致地工作。在可见光中的大部分偏振器应用需要统一的性能，对于所有颜色或从大约450nm到700nm的波长都基本上相同。除了某些二色性偏振器外，已有技术的偏振器仅可以通过折衷它们性能中的其它重要方面和增加制造及运行成本而获得这种宽带、消色差性能。本发明的消色差特性将使该器件以最低的要求作用于各种应用领域而实现最优化，又使得在制造中成本节约且效率高。

除以上所述的以外，偏振器10还可以投射透射光束和反射光束，如以下将更充分地讨论的那样。而且，偏振器10还聚焦反射光束和/或透射光束，又如以下将更充分地讨论的那样。使反射光束和透射光束都投射和聚焦，这扩大了本发明的偏振器应用于在已有技术的可见光偏振器中几乎没有耳闻的领域的光学处理的可能性。所以，为了其它需要偏振光的应用，例如投影和显示系统，偏振光束24和26可以被进一步处理。

图4所示为偏振装置40一优选实施例的总体运作。这样一种装置特别适用于投影和显示系统。源光束22由光源23产生。选择光源23以适合特定应用的需要和要求。自身较小的光源(指实际产生光的结构的尺寸)更为可取，这是因为它提供固有的光学优点，但是，为了适于需要更高功率的应用，例如投影系统，较大的光源可能是必要的。另外，可以采用其它的光源，例如白炽灯、激光、辉光放电等。

典型的是，光源23通常是非偏振的，但在某些情况下，例如使用激光器时，可以是部分偏振的。对于一用于投影或显示系统中的偏振器的优选实施例，光源23应当产生能生成满意图象质量和颜色全区域的波长谱线。可选的是，单色和多色光源对于别的应用可能是令人满意的。此外，支撑(未示出)和提供能源的触点(未示出)应当小，而且设计和放置都应使光束中不受欢迎的阴影、闪烁和别的人工因素减小或消除。

光源23典型地具有一置于壳体(未示出)内的光产生元件42。另外，反射器44和46典型地放在元件42的周围，以增加进入具有理想准直程度的所期望的输出束22中的光的量。反射器44和46可以是一种曲面或经计算所得的图形，以使光成为具有适宜的准直度和方向的光束，用于图象投影或别的预定的用途。最低的限制应该是施加于光源的。光源的作用是产生足够准直的一束光或具有适当颜色组合的锥形光和提供足够的光学亮度以满足预定用途的需要。

如上所述，源光束22和它的分支走不同的路径。在附图中，这些路径用箭头表示。该源光束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电磁波，第二偏振成分垂直于第一偏振成分。

有利的是，偏振装置40具有一设置于源光束22中的偏振器10，使得光束入射到该偏振器上。偏振器10是以上所述的类型，具有一些总体上为平行排列的元件，用于透射和反射源光束中正交的偏振成分。同前面一样，垂直偏振的X通过，它限定通过或透射光束24，平行偏振的Y被反射，它限定反射光束26。由此，大约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宽范围中相对于源光束22定向，以射出反射光束26。

偏振装置40还具有一放在反射光束26路径中的重俘获光学元件50，用于截取反射光束。该重俘获光学元件50也使反射光束26沿所需求的方向再射出。更可取的是，该重俘获光学元件50使反射光束26沿与透射光束24相同的方向射出，或使得两束光都射到一公共区域。换个办法，如图5所示，光重俘获光学元件可被设置在光路中，以截取透射光束24并使其改变为与反射光束26相同的方向。重俘获光学元件50优选为一反射镜，但它可以是任何适合的光学元件，包括透镜、棱镜、光波导、纤维光学等。重俘获光学元件50截取反射光束26并将其射出，以使这些光束被射向一共同的区域，或者使这两条光束可被再组合。该反射光束24和透射光束26最好被再组合，以使这两条光束同轴，或者使这些光束的一部分被分开之后变成同轴。此外，该反射和透射光束最好具有相同的发散度。换个办法，这两条光束可以被改变方向，使得它们相邻配置并相互平行，以组成单光束。换个办法，一条光束可以充满另一条光束中的黑斑(dark spot)。当然，其它有用的配置可被限定。

应当注意，反射光束26不会被射回光源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、发散或消偏。尽管对重俘获光学元件50的描述是把它作为使反射光束26回到透射光束24中来说的，但该重俘获光学元件50还可以把反射光束26射回到偏振器10和所述元件12中。采用重俘获光学元件50与所述元件12相结合，通过重俘获和利用被反射的偏振成分，这代表了对已有技术的偏振器的一重大改进，已有技术的偏振器则吸收或放弃被废弃的偏振成分。

还应当注意到，重俘获光学元件50是与光源23或光源23的反射器44和46相分离的。重俘获光学元件50实际上是放在与光源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，也因而不会回到发光元件42中。

在此，反射和透射光束24与26具有正交的偏振成分。然而，偏振装置40具有一置于反射光束26中用于使反射光束26的偏振态从偏振态Y旋转为偏振态X的偏振重定向装置52，偏振态Y平行于元件12，偏振态X垂直于元件12，而且与透射光束24的偏振方向相同。偏振重定向装置52优选为波带片或类似的相位迟滞光学元件。在这种情况下，波带片是二分之一波片，当反射光束26通过该波片时，它使反射光束26的方向从偏振态Y旋转为偏振态X。

偏振重定向装置本质上是改变偏振方向，使一种线性偏振改变为与之垂直的线性偏振，与之相对的是圆偏振或椭圆偏振。例如，偏振重定向装置本质上是改变反射光束的偏振方向，使第二偏振Y改为第一偏振X。另外，偏振重定向装置优选改变基本上所有在一单通道或两个通道中通过该偏振重定向装置的光束的偏振方向，以与继续使该光束循环通过该偏振重定向装置相反。例如，当反射光束通过该偏振重定向装置时，几乎所有光束的偏振方向都从第二偏振变为第一偏振，如在一单通道或两个通道中通过时那样。

概括地说，本发明的以上器件表示对已有技术的偏振器的重大改进。该偏振器件从一通常非偏振光束中有效而灵活地产生一总体上偏振的光束。该器件是有效的，且不会放弃或吸收其中的一种偏振成分。而且，该器件的设计，例如各种光学元件安放和方向，是灵活的。该偏振器可被定位在一可能的宽角度范围内，以使反射光束射向重俘获光学元件。该重俘获光学元件和偏振重定向装置可以灵活地放置和定向，以获得满意的光束。由于这种灵活性而带来的优点可以包括：使光学器件更小、更轻、功率更高和更有效率，以及在这种系统中减少一些光学元件。在优选实施例中描述了这些优点中的某些。

如图4所示，偏振重定向装置52放在重俘获光学元件50之后的反射光束中。然而，偏振重定向装置52也可以放在重俘获光学元件50之前的反射光束中。而且，偏振重定向装置可以放在反射光束中使得反射光束26通过位于重俘获光学元件50之前或之后的器件52。如果偏振重定向装置50是波带片，那么，可以采用和放置四分之一波带片，使得反射光束26通过在重俘获光学元件之前或之后的四分之一波带片。

当反射光束26通过该偏振重定向装置52后，它具有与透射光束24相同的偏振或偏振X。反射光束26有利于与透射光束24重新组合，成为所获得光束的同方向、同轴的成分，使得几乎所有的源光束22都被转化为具有X偏振的单偏振。如图4所示，可以通过偏振重定向装置52将反射光束26重新定向为偏振态X，再通过重俘获光学元件50射回到透射光束24中。由于在一单通道或两个通道中几乎所有反射光束26的偏振方向都从偏振Y改为偏振X，所以，反射光束26不必射回到偏振器10中。

在偏振重定向装置52放在反射光束中使得反射光束26在重俘获光学元件50之前和之后通过装置52的情况下，实际上，反射光束26是从两条路径通过该偏振重定向装置52的。在第一路径中，反射光束的偏振态被改变为椭圆偏振，但其后在第二路径中，又变回到垂直线性偏振。由于偏振重定向装置52是特意为了使反射光束26必须通过两次而放置的，所以，在一单通道中，偏振重定向装置52不能使偏振态从第一线性偏振变为第二垂直偏振，或者光束将本质上保持不变。

反射光束26从偏振器10中射到重俘获光学元件50，然后回到透射光束24中，这个路径限定了一单循环，其中几乎所有反射光束26的偏振方向都从一第一线性偏振Y变为一第二垂直偏振X。反射光束26最好是仅使其中的两个或更少的部分通过偏振重定向装置52或一单循环。

然而，这样的结构是可以与一反射光束被分成多束而继续通过或在偏振重定向装置中循环而随机生成椭圆偏振光束之中一小部分线性偏振光的系统相区别的。所以，设置偏振重定向装置52，使反射光束必须两次通过仅被认为是一单循环，也是与本发明的基本原理相符的，其中几乎所有光束的偏振方向都从一第一线性偏振变为一第二垂直偏振，而不需要继续使光在其中循环以使在每一重复循环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将同透射光束24一样通过所述元件12，它仍然是偏振X。在任一种情形下，源光束22基本上都被转化为单一偏振，而不放弃或吸收某一特定的偏振成分。所以，本发明的偏振装置40比已有技术中的器件更有效。

如前所述，元件12的层结构14可以做成用于聚焦或以其它方式影响反射光束26的形状。例如，层结构14可以制成例如柱面、球面、椭圆或抛物线形和其它更为复杂的指定的光学形状的非平面轮廓。采用曲面型或指定形状的偏振器表示了相对于通常要把偏振器限定为平面形状(例如薄膜和棱镜)的已有技术的偏振器是一种巨大的进步。已有技术的偏振器对入射角的限制从根本上限制了已有技术偏振器的外形，而仅能采用平面。

仍如前所述，基片18可以类似地做成使透射光束24聚焦或以别的方式影响透射光束24的形状。例如，基片18可以制成例如柱面、球面、椭圆或抛物线形和其它更为复杂的指定的光学形状的非平面轮廓。所以，反射光束26和透射光束24都可以根据需要一起或分别被聚焦或进行其它的处理。

此外，层结构14可以与其它的光学元件相结合，例如波带片、透镜或棱镜，以使单独的一元件就可以完成几种功能。该光学元件可以成为基片，在其上设置元件12的层结构14。例如，元件12的层结构14可以设置在一波带片的表面上，使得光束遭遇线栅偏振器的序列得以保持。而且，元件12的层结构14可以配置在光学元件之中或在它们的两个侧面上。

以上描述和列举了本发明的偏振装置的总体运行过程。可以加入其它的光学元件，例如透镜和反射镜，以进一步改善所产生的光束的光学品质，提高偏振转换的效率或仅为方便。另外，可以修正光路或给出不同配置的光路。增加的光学元件和光路的各种配置可以与以上所述元件12的各种变更相结合，以获得满意的光束。其中的一些可能情况将在以下特别列出的另一实施例中描述和列举。

再一次参见图5，其表示本发明另一实施例的偏振装置60的总体运作。本实施例与图4所示的实施例类似，除了重俘获光学元件62被设置透射光束中以截取透射光束24而非反射光束26之外。此外，偏振重定向装置64已被设置在透射光束中，以将偏振光束24的取向从第一偏振X改变到第二偏振Y而非反射光束26。而且，重俘获光学元件62被定向，以使透射光束26不会射回到光源23中。

如图6所示，其中表示本发明的偏振装置70的另一实施的一般运作，其中采用了一种曲面的或指定的元件层结构和/或基片，用72表示。所述排列的元件或元件的层结构被置于一基片的弯曲表面上。基片的非曝光表面73可以是如图所示的曲面或平面。此外，用四分之一波带片作为偏振重定向装置，并放在源光束中，以使源光束22在到达层结构72之前通过该波带片，而且使得反射光束26在通过重俘获光学元件76之前和之后都通过它。应当注意，重俘获光学元件76也可以同时用来填补图4和图5中反射器46的功能。为此目的，光学元件76的两个表面可以给定为不同的曲面。重俘获光学元件76的一个表面充当光源23的反射器，而另一个表面充当重俘获光学元件。这样，尽管两个表面形成于同一结构部件的不同侧面，但是重俘获光学元件76是与光源23分开的，这是因为反射光束26不被射回元件42中。

源光束22通过四分之一波带片，并遭遇元件72的层结构。如上所述，由于偏振态X垂直于所述排列的元件，所以，源光束22的偏振态X通过元件72并限定一透射光束24。源光束22的偏振态Y被元件72反射并限定一反射光束26。由于元件72的层结构是弯曲的，所以，反射光束26以一种类似的方式所期望地从一凹面镜反射而被投射并聚焦在重俘获光学元件76上，在这种情形中该重俘获光学元件是一凸面镜。在到达重俘获光学元件76之前，反射光束26通过该四分之一波带片74，并由其将偏振态Y转化为椭圆偏振，用E表示。椭圆偏振E意味着光束26现在包含X和Y两种成分，其中这两种成分间有一位相延迟，使得偏振矢量在空间中作为时间的函数旋转。重俘获光学元件76反射和再准直椭圆偏振成分E中的反射光束26，使其返回到所述元件上。一旦从重俘获光学元件76处反射回来，该椭圆偏振成分E就具有螺旋形交变，或者说旋转方向交变。反射光束26再一次通过该四分之一波带片74，且椭圆偏振E被转换为X偏振，它随后通过该元件72。

如图7所示，其中表示本发明的偏振装置80的另一实施例的一般运作，其中的重俘获光学元件包括多个光学元件82和84。另外，元件86的层结构相对于源光束22以一倾斜角设置在源光束中。换句话说，元件86的布置相对于源光束的光轴来说是倾斜的，这是为了根据需要投射反射光束26。在这种下情况，反射光束被射向重俘获光学元件82，例如一凹面镜，被设计来将反射光束26聚焦和反射到另一重俘获光学元件84上(例如一凹面镜)，以反射和准直该反射光束26。

源光束22被射向一斜置的偏振装置86或所述元件。如上所述，由于元件86的层结构相对于光轴是倾斜的，所以，反射光束26以一种类似的方式期望从一反射镜反射，且被射向重俘获光学元件82和84上。反射光束26从重俘获光学元件82和84反射出来后，通过一例如半波带片的偏振重定向装置88。然后，该反射光束26通过所述元件86。

如图8所示，其中表示本发明的偏振装置90的另一实施例的一般运作，其中，所述元件92与一特别是透镜的折射光学元件相组合，以形成一其光学特性类似于一弯曲的或指定形状的所述元件的器件，但是，制作它并不困难也不贵。除了把所述元件与光学元件结合在一起以外，所述元件还可以嵌在光学元件中或设置在光学元件之间。在这种情况下，所述元件92设置在一平-凸透镜94和一平-凹透镜96之间或嵌在其中。所述元件或元件的层结构可以放在平-凸透镜或平-凹透镜的平表面上，透镜的其它表面是曲面。

源光束22射向偏振器元件92和光学元件94和96。图中所示的透镜94和96被设计来使它们的净光焦度为零；然而，也可以选择其它适宜的值。如果它们的净光焦度为零，则透射光束将通过透镜94和96以及所述元件92，而不需要较大的改变。由于有平-凸透镜94，所以，反射光束26以一种类似于所期望的方式由具有约两倍光焦度的双凸透镜反射和折射。反射光束26被聚焦到例如四分之一波带片这样的偏振重定向装置98和例如反射镜这样用于反射和准直该反射光束的重俘获光学元件100上。而后，反射光束26通过所述元件92和透镜94和96。

为了得到保护，可以将所述排列的元件92嵌在透镜94和96之间。另外，可以设计透镜94和96的光焦度，使得透镜的有效作用是产生偏振光的发散或会聚光束，而不是准直光束。而且，偏振重定向装置98和重俘获光学元件100可以结合在一起，例如通过在一具有适当光学位相延迟的平-凸透镜的凸面上镀银或通过把一四分之一波带片粘合到一平-凸透镜的平表面上且对凸面镀银的方式。

如图9所示，其中表示本发明的偏振装置110的另一实施例的一般运作，它特别适用于图象投影系统。首先，源光束通过第一透镜阵列112，用于产生源光束的的多个象，它们被聚焦在一分段的反射镜115的许多孔114上。然后，源光束22遭遇到第二透镜阵列116和例如四分之一波带片的偏振重定向装置118。所述排列的元件120设置在相对于光轴有一点倾斜的光路中。这样，反射光束26被射向分段的反射镜115的反射镜部分。反射光束26具有一第二偏振态Y，通过四分之一波带片118，它随即被转化为椭圆偏振E。第二透镜阵列116使得反射光束26聚焦到分段的反射镜115的反射镜部分上。

由于所述元件120是倾斜放置的，所以，反射光束26被射向分段的反射镜115的反射镜部分而不是孔114上。反射镜115把反射光束26反射回四分之一波带片118上，而且，它的偏振态被改为第一偏振态X，随后它通过所述元件120。

如图10所示，其中表示本发明的偏振装置130的另一实施例的一般运作，它特别适用于带有场镜132的图象投影系统。这个实施例与图9的实施例类似，除了使分段的反射镜与第三透镜阵列的功能组合在一起以及使第二透镜阵列的功能融入场镜132之外。重复上述过程，第一透镜阵列112产生源光束的的多个象，并使它们在第二透镜阵列134处聚焦，成为一平面点阵，该第二透镜阵列134使这些象传输到整个场镜132的孔径。在光到达例如四分之一波带片的偏振重定向装置136之前，场镜132使之准直。所述元件138也相对于光轴有一点倾斜地放置，以把反射光束26射回第二透镜阵列134。第二透镜阵列134具有镀银的部分，以将反射光束26反射回去且通过场镜。当反射光束26通过场镜132时，它使反射光束26聚焦，使之成为由第一透镜阵列112产生的原图象的拷贝。由于所述元件138是斜置的，所以，这些拷贝图象位于第一图象与第一图象间隔之间。

如图11所示，其表示本发明又一实施例的偏振装置150的总体运作，其中利用了总体上为平面结构的细长元件152。如果需要，所述排列的一些元件也可以配置在光学元件如透镜之上或之中。所述排列的一些元件152被放置在平面反射镜154之前，其间成θ角。该反射镜154和所述排列的一些元件152以与光束156的传播矢量成一定角度被置于总体上为准直的未偏振光束156中。该光束的未偏振属性用U表示。如图所示，该光束156可以由光源42和反射器44的组合来产生，虽然技术上已知的其它光学结构也可以使用。

反射镜154和所述排列的元件152按照以下方式作用于光束156。所述排列的元件152将光束156分成两条光束，即X偏振的透射光束24和Y偏振的反射光束26。所述排列的元件152被放在源光束156中，以使Y偏振的反射光束26基本上如所需要的那样射出去。X偏振的透射光束24以与反射光束26不同的方向由反射镜154反射，以致于作为两种偏振的偏振光束24和26在空间中传播，实际上它们将变成分开的。一种偏振旋转装置158(如波片)被定位在这种实际分开的大小和位置得以满足的点上，以使X偏振的透射光束的偏振矢量旋转，从而使其偏振矢量变成为Y偏振的反射光束26的偏振矢量一致。

沿不同于反射光束26的方向传播的透过光束24，也可被引向这点，以使其沿与反射光束26相同的方向传播。一种可被用来将透射光束24再引向其它装置的棱镜160，也可以使用。透射光束24也可与反射光束26在某些公共区域重叠或以其它在光学方面有用的方向重新投射。

当然应当理解，透射光束24遭遇偏振重定向装置158和棱镜160的顺序也可以相互交换。此外，偏振重定向装置158可以放在反射光束26中以将反射光束26的偏振矢量从Y偏振旋转，从而使其与X偏振的透射光束24一致。另外，棱镜160和偏振重定向装置158中的每一个可被设置在光束24或26之一中，以使一光束具有重新定向的传播矢量，另一光束具有被旋转的偏振矢量。

以上所述的偏振装置的不同实施例可以与其它部件例如图象投影部件、光投影部件或图象显示部件光学耦合，以成为适宜的系统，例如图象投影系统、光投影系统或图象显示系统。

如以上所描述和列举的几个实施例，许多不同的光学路径和光学元件的布局是可以的。以上的实施例也表示了本发明的偏振器和偏振装置所具有的灵活性。可以根据偏振器本身的需要，投射和聚焦反射光束和/或透射光束。而且，偏振器的位置使得对于光学路径的定位和定向和/或光学元件的形状的设计都具有灵活性。

应当理解，本发明所描述的实施例可以有多种形式。例如，所描述的实施例可以比已有技术的线栅偏振器更通用，而且，不应推断为仅限制到这些类型的偏振器中。例如，已有技术的线栅偏振器不会以一种为了获得性能或制作上的某些优点的可控方式，预想出一通常为平行分布的许多元件，该分布限定一形状而不是一平面，或者，该分布可以是多层结构的组合而不是单一的一层，或者，该分布可以随着厚度或随着在跨越表面时的位置而改变。

可以理解，本发明所描述的实施例仅是一种列举，而且，对于本领域的普通技术人员来说是可以进行修改的。例如，虽然并未专门给出被反射的偏振光束返回光源且被允许再吸收或以其它方式与光源相互作用的实例，但从所描述的实施例中显见这是可能的。无疑，如果容许这种情况发生，则在某些情况下可以获得某些效果或其它一些好处。对于本领域的技术熟练人员来说，越过现有技术显著提高设计柔韧性作出的其它一些改变当然也会发生，均可通过本发明达到。据此，本发明将不被认为是限定到所披露的实施例中，而仅被限定到在此所附的权利要求所确定的范围内。

Claims (36)

1.一种偏振装置，用于有效地产生一总体上为偏振的光束，该装置包括：

用于发射在可见光谱或近可见光谱范围内的源光束的光源；

用来设置到源光束中的基片；

用于设置到源光束中的一些总体上为平行排列的薄而细长的元件，这些元件由所述基片支承，具有小于约0.4微米的间距，提供与源光束的电磁波相互作用的手段，以从总体上(i)透过具有与所述元件的纵轴垂直的偏振方向从而限定一具有第一偏振的透射光束的光，以及(ii)镜面反射具有与所述元件的纵轴平行的偏振方向从而限定一具有第二偏振的反射光束的光；

一光重俘获装置，与光源相分离，用来设置到反射或透射光束中，用于截取各反射或透射光束并改变其方向，使该反射光束不会射回到该光源中，该反射光束不会射回上述排列的元件；以及

一偏振重定向装置，用来设置到所述反射光束或透射光束中，用于改变基本上整个的相应反射光束或透射光束的偏振方向，以使反射光束和透射光束二者具有大体相同的偏振，从而基本上将整个源光束转变成单偏振。

2.如权利要求1所述的偏振装置，其中所述光重俘获装置用来配置在透射光束中，用于截取该透射光束并改变其方向。

3.如权利要求2所述的偏振装置，其中所述光重俘获装置将该透射光束再射回上述的元件排列。

4.如权利要求1所述的偏振装置，其中所述光重俘获装置包括至少两个反射镜。

5.如权利要求1所述的偏振装置，其中所述的元件排列实质上可以任意入射角相对源光束取向。

6.如权利要求1所述的偏振装置，其中所述元件是等间隔的。

7.如权利要求1所述的偏振装置，其中所述元件具有小于约0.13微米的间距。

8.如权利要求1所述的偏振装置，其中所述元件具有一宽度和一间距，且其宽度与间距之比约为40％至60％。

9.如权利要求1所述的偏振装置，其中所述元件通常具有约大于0.7微米的长度。

10.如权利要求1所述的偏振装置，其中所述元件具有一间距，和一通常为该间距的90％至10％的宽度。

11.如权利要求1所述的偏振装置，其中所述排列的元件被配置在一总体上为平面的层中。

12.如权利要求1所述的偏振装置，其中所述排列的元件被配置在一总体上为弯曲的层中。

13.如权利要求1所述的偏振装置，其中所述排列的元件被配置在一总体上为圆柱形的层中。

14.如权利要求1所述的偏振装置，其中所述排列的元件被配置在一总体上为球面的层中。

15.如权利要求1所述的偏振装置，其中所述排列的元件被配置在一总体上为抛物面的层中。

16.如权利要求1所述的偏振装置，其中所述排列的元件被配置在一椭圆层中。

17.如权利要求1所述的偏振装置，其中所述基片为一透镜。

18.如权利要求1所述的偏振装置，其中所述基片为一棱镜。

19.如权利要求1所述的偏振装置，其中所述排列的元件被配置在该基片的总体上为平面的第一表面上，且此基片具有总体上弯曲的第二相对表面。

20.如权利要求1所述的偏振装置，其中所述排列的元件被配置在该基片的总体上弯曲的第一表面上，且此基片具有总体上弯曲的第二相对表面。

21.如权利要求1所述的偏振装置，其中所述排列的元件被配置在该基片的第一表面上以及该基片的第二相对表面上。

22.如权利要求1所述的偏振装置，其中所述排列的元件相对于源光束倾斜，以射出反射光束。

23.如权利要求1所述的偏振装置，其中所述光重俘获装置包括用于改变至少一光束方向的装置，以使反射和透射的两光束相互平行。

24.如权利要求23所述的偏振装置，其中所述反射和透射光束具有基本上共线的部分。

25.如权利要求23所述的偏振装置，其中所述反射和透射光束具有基本上相同的发散度。

26.如权利要求1所述的偏振装置，进一步包括一些与该偏振装置光学耦合的图象投影元件，并可作为一图象投影系统工作。

27.如权利要求1所述的偏振装置，进一步包括一些与该偏振装置光学耦合的光投影元件，并可作为一光投影系统工作。

28.如权利要求1所述的偏振装置，进一步包括一些与该偏振装置光学耦合的图象显示元件，并可作为一图象显示系统工作。

29.一种偏振器，包括：

一用于在可见或者近可见光谱区内发射一源光束的光源；

一基片，其包括用来设置到源光束中的单个光学元件，并且具有一总体上为平面的第一表面，和一与第一表面相反的总体上为弯曲的第二表面；以及

用来设置在该基片的总体上为平面的第一表面上的一些总体上为平行排列的薄而细长的元件，这些元件的宽度和长度设计为与源光束的电磁波相互作用，以从总体上(i)透过具有垂直于所述元件长度的偏振取向从而限定一透射光束的光；以及(ii)反射具有平行于所述元件长度的偏振取向从而限定一反射光束的光，从而提供两总体上偏振的光束。

30.如权利要求29所述的偏振器，其中该弯曲表面是抛物面。

31.如权利要求29所述的偏振器，其中该弯曲表面是椭圆面。

32.如权利要求29所述的偏振器，其中该弯曲表面是圆柱面。

33.如权利要求29所述的偏振器，其中该弯曲表面是球面。

34.如权利要求29所述的偏振器，其中该基片为透镜。

35.如权利要求29所述的偏振器，其中该基片为棱镜。

36.如权利要求29所述的偏振器，其中所述排列的元件被设置在该基片的第一表面上以及该基片的第二表面上。

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