CN101065692A - 使用线栅偏振器校正可见光束的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于提供具有所需特性的光束(30，46，50，66，70，78，82)的光学系统(10，10b，10c，10d)和方法，包括光源(14)，其产生限定光学元件链的光束(18，18b)。在光学元件链中设置光学元件(26，62)，以产生修正光束(30，66，70)，该光学元件能够引入连续转变所述修正光束的至少一部分的不希望的特性(34，74)。在光学元件链中设置线栅偏振器(38)，该线栅偏振器具有多个细长的元件(42)，所述元件的至少一部分连续地变为不同的特性。该线栅偏振器定位和取向成使得所述不同的特性与所述修正光束的不希望的特性相对应，以获得在基本整个可见光束上具有所需特性的可见光束。

Description

使用线栅偏振器校正可见光束的方法和设备

技术领域

本发明总体涉及在可见光谱中的线栅偏振器，以校正可见光束或者补偿另一光学元件。

背景技术

当某些光学元件暴露于平面偏振光时，它们导致偏振态发生改变。在没有完全退偏振的情况下，这些光学元件可以旋转偏振平面，可以导致光束具有一定的椭圆偏振，或者二者。这种变化可以均匀地出现在整个光束上，或者，这些变化可以仅出现在光束的某些部分上。无论如何，所得到的光束无法通过另一线性偏振器有效地消光，在光学元件链(optical train)中可能需要该线性偏振器(例如，以在液晶投影显示器中产生图像对比度)。一种方案是在该元件背后放置“清除”偏振器，以阻挡错误偏振的光。然而，这样使部分透射光束变暗，并且可能不足以在整个光束上恢复足够的对比度。强度的降低，尤其在整个光束上的强度和/或对比度的不均匀性在很多应用中是有害的，尤其在成像系统中。

作为例子，考虑非二向色性或者非双折射的球面透镜。这种透镜通过下述机制旋转偏振光。沿着透镜轴的光线在其路径上是不偏转的，并且完全保持其偏振。由于透镜的作用，其它光线的路径发生改变，从而导致该光线的偏振方向发生一定度的旋转。结果，从透镜中射出的光具有保持其偏振方向的一些光线和具有旋转偏振方向的其它光线。人们希望校正这些偏振像差。

存在几种类型的偏振器：

双折射晶体棱镜偏振器通常与其宽度一样长(近似立方形的)。它们由抛光的仔细取向的晶体棱镜制成。结果，它们是昂贵的，并且，只要它具有非常低的发散或者会聚，它就使光偏振。

MacNielle立方偏振器不是由双折射材料制成的，但是，在很多方面，它与晶体偏振器相似。对于这两个，厚度、低受光角和成本使它们无法有效地使用。

较薄的偏振器可以由取向的已处理的聚合物片制成。虽然它们透射一种偏振态的大部分光，但是实际上它们通常吸收正交偏振态的全部光。这样在强光中产生严重的发热问题，并且，聚合物通常在低于200℃的温度下退化。因为吸收颗粒分散在聚合物中，所以需要一定的厚度(大约0.05mm)，以便充分吸收不需要的偏振光。另外，在温度和湿度经常变化的环境下，聚合物材料不是非常稳定。

已经提出通过如下方法来制造更耐热的偏振器：使嵌入在玻璃中的扁长的金属球体取向，假设与要偏振的光相比较，球体的尺寸小。然而，这种偏振器可能难以制造。例如，参见美国专利5,122,907。

另一种类型的聚合物类偏振器不含有吸收体，但是利用具有对比折射率的倾斜区域分开两种偏振态。光从V形膜的开口侧进入，从一侧反射到另一侧，然后射出。关于该工作的逆向反射偏振器，“V”的两侧必须都存在。它们具有适度的厚度，不能耐高温，并且限制角度孔径。此外，这种偏振器不容易制造。例如，参见美国专利5,422,765。

耐热偏振器可以由具有不同折射率的无机材料制成。这种偏振器可以是薄的(约0.1μm至10.0μm)，因为它们是成一定角度沉积在衬底上的不均匀的膜，该衬底可以是薄的。然而，放置透明的氧化物柱状物存在很大的随机性，所述柱状物被沉积以给偏振器提供各向异性的结构。该随机性限制了性能，从而，透射率仅为约40％，偏振度仅为约70％。对于大多数而言，该光学性能是不够的。例如，参见美国专利5,305,143。

由于随机性，另一种蒸镀薄膜偏振器也是无效的。该种类型的偏振器通过斜向蒸镀两种材料而制成，其中的至少一种材料是双折射的。例如，参见美国专利5,245,471。

上述偏振器中的很多偏振器或者吸收正交偏振态的光，或者将其反射至难以使用的方向。

发明内容

人们公认为开发校正可见光束并且/或者补偿由另一光学元件引入到光束中的不希望的特性的方法和/或者设备是有益的。人们公认为开发能够偏振可见光的偏振装置是有益的。另外，人们公认为开发这样一种偏振装置是有益的：该偏振装置能够处理或者影响可见光束，使得经过它所得到的透射光束和/或者反射光束具有受控制的或者构图的偏振方向，其中，控制或构图取决于应用。另外，人们公认为开发这样一种偏振装置是有益的：该偏振装置以不同的方式处理或者影响光束的不同部分，使得所得到的透射光束和/或者反射光束包含具有不同偏振方向的部分，这可以用来补偿其它的光学元件，或者用于其它应用。

本发明提供一种用于获得具有所需特性的光束例如可见光束的方法。用光学元件改变光束，以得到修正光束，其中，光学元件能够引入连续转变该修正光束的至少一部分的不希望的特性。该修正光束的不希望的特性被具有多个细长元件的线栅偏振器补偿。所述细长元件的至少一部分连续地变为与该修正光束的不希望的特性相对应的不同特性，以得到在基本整个光束上具有所需特性的光束。

根据本发明的更详细的方面，该修正光束的不希望的特性是偏振态的不希望的连续变化。所述细长元件获得具有基本上均匀的偏振态的光束。

另外，本发明提供一种光学系统，以提供具有所需特性的光束。光源产生限定光学元件链的可见光束。光学元件设置在光学元件链中，以产生修正光束。另外，该光学元件能够引入连续转变该修正光束的至少一部分的不希望的特性。线栅偏振器设置在该光学元件链中。该线栅偏振器具有多个细长元件，所述细长元件的至少一部分连续地变为不同的特性。该线栅偏振器在该光学元件链中定位和取向成使得所述不同的特性与所述修正光束的不希望的特性相对应，以获得在基本整个光束上具有所需特性的光束。

附图说明

根据下面结合附图的详细描述，本发明的其它特征和优点将显而易见，这些附图通过示范的方式一起示出本发明的特征，其中：

图1是根据本发明实施例的具有补偿由光学元件所引入的不希望的特性的线栅偏振器的光学元件链的侧视图，其中，该线栅偏振器设置在透过该光学元件的光束中，并且提供被该线栅偏振器反射的补偿光束，或者提供透过该线栅偏振器的补偿光束；

图2是根据本发明实施例的具有补偿能够引入不希望的特性的光学元件的线栅偏振器的另一光学元件链的侧视图，其中，该线栅偏振器设置在该光学元件之前，并且提供被该线栅偏振器反射的补偿光束，或者提供透过该线栅偏振器的补偿光束，该光学元件设置在所述反射光束或者所述透射光束中；

图3是根据本发明实施例的具有补偿由光学元件所引入的不希望的特性的线栅偏振器的另一光学元件链的侧视图，其中，该线栅偏振器设置在被该光学元件反射的光束或者透过该光学元件的光束中，并且提供被该线栅偏振器反射的补偿光束，或者提供透过该线栅偏振器的补偿光束；

图4是根据本发明实施例的具有补偿能够引入不希望的特性的光学元件的线栅偏振器的另一光学元件链的侧视图，其中，该线栅偏振器设置在该光学元件之前，并且提供被该线栅偏振器反射的补偿光束，或者提供透过该线栅偏振器的补偿光束，该光学元件设置在所述反射光束或者所述透射光束中；

图5和图6是示出引入不希望的特性到光束中的光学元件的侧视图；

图7a和图7b是根据本发明实施例的线栅偏振器的正视图；

图8是根据本发明实施例的线栅偏振器的正视图；

图9是根据本发明实施例的线栅偏振器的正视图；

图10是根据本发明实施例的线栅偏振器的侧视图；

图11a至图11d是根据本发明实施例的线栅偏振器的正视图；

图12a至图12d是根据本发明实施例的线栅偏振器的正视图；

图13a至图13d是根据本发明实施例的线栅偏振器的正视图；

图14是根据本发明实施例的线栅偏振器的透视图；以及

图15是图14的线栅偏振器的示意性的截面端视图。

现在参照附图说明示例性实施例，并且在本文中使用特定的语言描述该示例性实施例。然而，应该这样理解，本发明的范围不应当受限于此。

具体实施方式

本发明提供用于校正或补偿由光学元件所引入的不希望的特性的方法和线栅偏振器。不希望的特性可以是偏振态的变化。例如，光学元件可以是引入椭圆偏振方向或者旋转光束的线性偏振态的透镜，如图5所示。作为另一个例子，光学元件可以是反射式液晶阵列，如图6所示。在这种两种情况下，光束可以例如通过具有恒定的厚度、宽度、间距和取向的直的细长元件的线栅偏振器而偏振。

本发明提供以这样的方式制造的线栅偏振器，使得在该偏振器的整个光学孔径上具有以受控制的方式变化的特性。可能以受控制的方式变化的特性包括，但不限于，偏振对比度、透射率和偏振方向。这种线栅偏振器可以设计成主要校正由光学系统中的另一部件例如透镜所引起的偏振态的像差。因此，该系统能够实现优于采用其它方法校正偏振像差的系统例如清除偏振器的性能。

如图1至图4所示，示出了根据本发明的示例性方法和光学元件链或者光学系统。该光学元件链或者光学系统可以是各种光学系统例如图像投影系统，或者可以形成各种光学系统例如图像投影系统中的部分。如图7b至图14所示，示出了根据本发明的示例性线栅偏振器，该线栅偏振器具有校正或补偿由光学元件所引入的不希望的特性例如偏振态变化的结构。如下面更详细的描述所示，本发明的线栅偏振器具有这样的特性：为了连续地改变光束的特性或者偏振态，元件在偏振器的光学孔径的至少一部分上连续地变化。例如，元件的连续变化可以包括取向(成角的元件或者弯曲元件)、厚度、宽度、间距等的变化。因此，本发明的线栅偏振器可以在整个光束的不同位置上不同地影响该光束，并且可以产生在光束的至少一部分上偏振态连续变化的光束。例如，线栅偏振器可以构造成下述两种形式：1)产生在光束的至少一部分上具有比较均匀的偏振态的光束；或者2)产生在光束的至少一部分上具有连续变化的偏振态的光束，以得到所需的光束或者校正光束。

不希望的特性可以引入到光束中，并且，随后可以通过设置在光学元件之后的线栅偏振器校正或者补偿，如图1和图3所示。另外，光学元件能够将不希望的特性引入到光束中，但是，通过设置在光学元件之前的线栅偏振片校正或者补偿，如图2和图4所示。

光学元件通过使光束从其透过而可以引入或者能够引入不希望的特性，如图1和图2所示。透射的光学元件的例子包括透镜、透射式液晶阵列、光学延迟器、波片、棱镜、透射式衬底、透射式偏振器等。另外，光学元件通过使光束从其反射而可以引入或者能够引入不希望的特性，如图3和图4所示。反射的光学元件的例子包括反射镜、反射式液晶阵列等。

参照图1，示出用于获得具有所需的特性的可见光束并且/或者用于校正或者补偿由光学元件所施加的不希望的光学效应的光学元件链10或者光学系统和方法。如上所述，所需的特性可以是比较均匀的偏振态，例如，在整个光束上基本上均匀的连续的线性偏振态。同样地，不希望的光学效应可以是引入不同的线性偏振态，或者旋转所需的偏振态。

光学元件链10可以由光路和设置在光路中并引导和影响光路的光学部件限定。例如，光学元件链可以形成投影显示器等的至少一部分。光学元件链10包括光源14，该光源14提供由线18表示的可见光束。光源14可以是高强度放电灯、作为单个元件或者作为LED阵列的发光二极管(LED)、高压汞弧灯、等离子体光源等。可见光束18的波长在可见光谱内，或者在约400nm(纳米)至700nm或0.4μm(微米)至0.7μm之间。或者，光束的波长可以在其它区域内，例如，在紫外区(从190nm至420nm)或者红外区(从700nm至10,000nm)内。

光学元件链可以包括其它光学部件，以准直、成形、聚焦、引导或者处理可见光束18。例如，偏振器22可以设置在可见光束18中，以使光束偏振，或者将可见光束限制为基本上单一的偏振态，其由x表示。(可见光束的偏振态可以由两个相对的或者正交的偏振态构成，全部表示为x和y。偏振态通常用s和p表示，但是，在本文中使用x和y，x表示s或p，y表示另一种偏振态)。偏振器22可以包括一个或多个偏振器，并且，偏振器可以是任何类型的偏振器，包括线栅偏振器、二向色性偏振器、薄膜偏振器等。或者，可见光束可以是非偏振的，由u表示(图2)。

作为另一例子，光学元件链10可以包括设置在可见光束18中的光学元件26。光学元件26可以提供所需的功能，或者基本上可以按所需的方式改变可见光束。例如，光学元件26可以准直、成形、聚焦、引导或者处理可见光束，以得到所需的结果。这样，光学元件26可以是透镜(如图所示)、多个透镜、透射式液晶阵列(一个或多个)、光学延迟器(一个或多个)、波片(一个或多个)、棱镜(一个或多个)、透射式衬底(一个或多个)、透射式偏振器(一个或多个)等。透镜可以是平凸的、平凹的、凸凹的、凸平的、凹平的等。光学元件26可以构造成使可见光束从其透过，以产生由线30表示的修正光束。修正光束30基本上可以包含所需的特性，例如，所需的偏振态。另外，可以通过光学元件26改变修正光束，以使其聚焦、准直等。

另外，光学元件26可能不希望地改变可见光束18或者其一部分，以得到具有不希望的特性的不希望的修正光束。例如，不希望的修正光束34可以具有不希望的旋转偏振态或者椭圆偏振态，用o表示。(或者，光学元件能够引入不希望的特性，如下所述。)不希望的特性可以在修正光束30的至少一部分上连续变化，用线34的可变长度表示。例如，光学元件26可以引入不希望的旋转偏振态或者椭圆偏振态o，从而其大小在光束的整个横截面上从较小变为较大的或者增大。可以通过可引入偏振态连续变化的透镜来实现上述情形。

光学元件26在某一方面可能具有不希望的特性。例如，光学元件26或者透镜可以具有曲率或者变化的厚度，从而可能引入不希望的特性，例如，偏振态的变化。将会了解，光学元件的特性可以既是希望的又是不希望的。例如，透镜的曲率或者变化的厚度相对于使光束聚焦而言是希望的，但是相对于改变偏振态而言是不希望的。

将会了解，不希望的特性或者偏振态的不希望的变化可以负面地影响光学元件链的性能，从而导致其它光学部件以不同于预期的方式处理光束。例如，如果光学元件链形成具有液晶阵列或者检偏器的投影显示器等的一部分，则不希望的特性或者偏振态的变化可以导致光束上的图像信息被液晶阵列误旋转或者被检偏器误阻挡或误允许，从而产生畸变的或者不正确的图像。图5示出一个实例，其中，典型的偏振器35，例如，具有直的恒定不变的元件的线栅偏振器，设置在光学元件26之后的修正光束30中。偏振器35的预期目的可以是使修正光束30偏振，或者将修正光束30分成不同的偏振态x和y。例如，偏振器35应当可以透射一种偏振态x的透射光束36，并且反射相对的偏振态y的反射光束37。然而，因为光学元件26已经引入不希望的特性o到光束34的一部分中，偏振器35的预期目的不能完全实现。例如，具有不希望的特性o的光束34的那一部分可以不被偏振器35处理或者被偏振器35误处理，由虚线36b和37b表示。例如，虚线36b和37b表示可以无意识地消光、无意识地透射、无意识地反射的光束的部分，或者表示现在具有不希望的偏振态的光束的部分等等。

因此，再次参照图1，下面将更全面地描述上述的根据本发明的线栅偏振器38，该线栅偏振器38可以设置在光学元件链中，或者可以设置在光学元件26之后的修正光束30中，以补偿修正光束30的不希望的特性或者不希望的偏振态变化。如下面更详细的描述所示，线栅偏振器38具有多个细长的元件42，所述元件中的至少一部分对应于修正光束的不希望的特性通过偏振器的光学孔径连续转变成不同特性。因此，线栅偏振器38或者元件42的连续转变获得在基本整个可见光束上具有所需特性的所需的可见光束46或者50。如下所述，线栅偏振器38可以将修正光束30基本分成相对的或者正交的偏振态x和y，并且可以构造成透射所需的光束46并且/或者反射所需的光束50。

线栅偏振器38的元件42连续转变成不同特性可以包括：变成不同的角度方向、不同的周期、不同的宽度、不同的厚度、不同的形状和/或曲率或者不同的曲率。若干特性可以按照协同的方式一起改变，或者可以仅有一个特性改变。所述元件的全部或者仅一些可以改变。另外，只有元件的一部分可以改变。举例来说，线栅偏振器38的元件42的一些在图1中示出为变成曲线或者不同的角度方向。线栅偏振器38的元件42的特性的连续变化可以与修正光束30的不希望的特性的连续变化相对应，或者与修正光束30的不希望的偏振态的连续变化相对应。或者，线栅偏振器38的元件42的连续变化的特性可以与光学元件26的不希望的特性相对应。因此，线栅偏振器38可以定位并且/或者取向成与修正光束30或者光学元件26相对应。或者，元件42可以构造成连续变化以与修正光束的不希望的特性的连续变化相匹配。将会了解，光学元件26可以具有对一方面而言是希望的特性，例如，使光束聚焦的曲率，并且可以具有对另一方面而言是不希望的另一特性(或者同一特性)，例如，使光束的偏振态旋转的曲率。因此，元件24可以构造成与光学元件的不希望的特性例如曲率相对应并且补偿光学元件的不希望的特性。

还将会了解，光学元件26可以设置在非偏振的光束中，即没有偏振器22，并且，线栅偏振器38既可以使来自光学元件26的修正光束30偏振，也可以校正或补偿，如上所述。

参照图2，示出用于获得具有所需特性的可见光束并且/或者用于校正或补偿由光学元件所施加的不希望的光学效应的另一光学元件链10b和方法。光学元件链10b和方法在很多方面与上述光学元件链和方法相似。因此，为了避免冗余，很多描述将不再赘述，但是，应该理解，上述关于图1的描述适用于这里关于图2的描述。然而，光学元件链10b可以包括设置在光学元件26之前的根据本发明的线栅偏振器38，以补偿或校正该光学元件能够施加的不希望的光学效应。因此，线栅偏振器38可以在光学元件不希望地改变光束之前补偿不希望的光学效应，从而修正光束在光学元件不希望地改变光束之后具有所需的特性。线栅偏振器38可以设置在可见光束18b中，该可见光束可以是非偏振的，用u表示。线栅偏振器38可以使可见光束18b偏振，即，将可见光束分成两个不同的光束，反射光束54和透射光束58，它们具有相应不同的偏振态x和y。(如上所述，偏振态x和y可以分别是s偏振态和p偏振态，或者p偏振态和s偏振态。)

反射光束54和/或透射光束58基本上可以是偏振的(或者基本上可以具有均匀的线性偏振态)，并且可以从各自的主偏振态x或y连续地变为各自不同的偏振态x’或者y’。例如，反射光束54可以具有基本上均匀的偏振态x，但是可以具有从偏振态x连续地变为不同的偏振态x’的至少一部分54b。同样，透射光束58可以具有基本上均匀的偏振态y，但是可以具有从偏振态y连续地变为不同偏振态y’的至少一部分58b。不同的偏振态x’和/或y’可以变为旋转偏振态或者椭圆偏振态(或者其大小或度数改变)，或者可以分别变为相对的偏振态y或x。或者，除了具有主要的偏振态之外，光束的大部分可以从一种偏振态变为另一种偏振态。

如上所述，被线栅偏振器38反射的光束54或者从线栅偏振器38透射的光束58的偏振态的改变可以设置成与光学元件26的不希望的特性相对应。这样，偏振态的改变可以补偿光学元件26的不希望的特性，使得修正光束30具有所需的特性，例如，基本上均匀的偏振态x或y。因此，线栅偏振器38既可以使可见光束18b偏振，又可以校正或者补偿光学元件26。

光学元件26可以设置在线栅偏振器38之后的透射光束58中，如实线所示。或者，光学元件26可以设置在线栅偏振器38之后的反射光束54中，如虚线所示。另外，光学元件26可以构造成透射修正光束30。因此，修正光束30可以是通过线栅偏振器校正或者补偿的所需光束。

如上面就图5所述的那样，没有线栅偏振器38，光学元件26将不希望地改变光束。

参照图3，示出用于获得具有所需特性的可见光束并且/或者用于校正或者补偿由光学元件所施加的不希望的光学效应的另一光学元件链10c和方法。该光学元件链10c和方法在很多方面与上述的光学元件链和方法相似。因此，为了避免冗余，很多描述不再赘述，但是，应该理解，上面关于图1和图2的描述适用于这里关于图3的描述。然而，光学元件链10c可以包括设置在可见光束18中的不同类型的光学元件62。光学元件62可以是透射式光阀或者反射式光阀或者液晶阵列，其可以透射或者反射具有特定偏振态的光的部分，并且可以选择性地旋转光束的特定部分的偏振态。在透射式光阀或者液晶阵列的情况中，光学元件62可以透射这样的修正光束66，所述修正光束66被编码图像信息，或者其部分具有被选择性地构图的不同偏振态x或y。因此，修正光束66基本上可以包含所需的特性，例如，所需的图像信息。或者，在反射光阀或者液晶阵列的情况中，光学元件62可以反射修正光束70，如虚线所示，在该修正光束上编码图像信息。反射光阀或者液晶阵列是反射式光学元件的一个例子。其它的反射光学元件可以包括平面的或者平坦的反射镜、凸反射镜、凹反射镜等。

另外，光学元件62可能不希望地改变可见光束18或者其部分，而得到具有不希望特性的不希望的修正光束，用线74表示。例如，不希望的修正光束74可以包括不希望的旋转偏振态或者椭圆偏振态，用o表示。(或者，光学元件能够引入不希望的特性。)不希望的特性可以在修正光束66或者70的至少一部分上连续地变化，用线74的可变长度表示。例如，光学元件62可以引入不希望的旋转偏振态或者椭圆偏振态0，其大小在光束的整个横截面上从较小变为较大或者增大。其实例示于图6中，其中，典型的偏振器35，例如，具有直的恒定不变的元件的线栅偏振器，设置在光学元件62之前。偏振器35的预期目的可以是给光学元件62提供偏振光，而光学元件62的预期目的可以是提供偏振态的正确图像或者正确图案。例如，光学元件62可以用来透射透射光束64，或者反射反射光束65，所述光束具有正交偏振态x和y的图案。但是，因为光学元件62已经引入不希望特性o到光束64b或者65b的一部分中，所以光学元件62的预期目的无法完全实现。例如，具有不希望特性o的光束64b或者65b的那一部分可以不被后面的检偏器(或者偏振器)处理或者被后面的检偏器(或者偏振器)误处理，由此无意识地被消光、无意识地被透射、无意识地被反射等，从而导致不正确的或者不完整的图像。

因此，再次参照图3，根据本发明的线栅偏振器38可以设置在光学元件链中，或者可以设置在光学元件62之后的修正光束30中，以补偿修正光束30的不希望特性或者偏振态的不希望变化。线栅偏振器38可以设置在透射光束66中，该透射光束66透过或者通过光学元件62，如实线所示。或者，线栅偏振器38可以设置在反射光束70中，该反射光束70被光学元件62反射，如虚线所示。线栅偏振器38基本上可以将来自光学元件62的光束(或者透射光束66或者反射光束70)分成相对的或者正交的偏振态x和y，并且可以构造成透射所需的光束78或者反射所需的光束82。

参照图4，示出用于获得具有所需特性的可见光束并且/或者用于校正或者补偿由光学元件所施加的不希望光学效应的另一光学元件链10d和方法。该光学元件链10d和方法在很多方面与上述的光学元件链和方法。因此，为了避免冗余，很多描述将不再赘述，但是，应该理解，上述关于图1至图3的描述适用于这里关于图4的描述。然而，光学元件链10d可以包括设置在光学元件62之前的根据本发明的线栅偏振器38，以补偿或校正该光学元件能够施加的不希望的光学效应。因此，线栅偏振器38可以设置在可见光束18b中，该可见光束可以是非偏振的，用u表示。线栅偏振器38可以使可见光束18b偏振，即，将可见光束分成两个不同的光束，反射光束54和透射光束58，它们具有相应不同的偏振态x和y。(如上所述，偏振态x和y可以分别是s偏振态和p偏振态，或者p偏振态和s偏振态。)

反射光束54和/或透射光束58可以是基本上偏振的(或者可以具有基本上均匀的线性偏振态)，并且可以从各自的主偏振态x或y连续地变为各自不同的偏振态x’或者y’。例如，反射光束54可以具有基本上均匀的偏振态x，但是可以具有从偏振态x连续地变为不同的偏振态x’的至少一部分54b。同样，透射光束58可以具有基本上均匀的偏振态y，但是可以具有从偏振态y连续地变为不同偏振态y’的至少一部分58b。不同的偏振态x’和/或y’可以变为旋转偏振态或者椭圆偏振态(或者其大小或度数改变)，或者可以分别变为相对的偏振态y或x。或者，除了具有基本上均匀的偏振态之外，光束的大部分可以从一种偏振态变为另一种偏振态。

如上所述，被线栅偏振器38反射的光束54或者从线栅偏振器38透射的光束58的偏振态的改变可以设置成与光学元件62的不希望的特性相对应。这样，偏振态的改变可以补偿光学元件62的不希望的特性，使得修正光束66或者70具有所需的特性，例如，基本上均匀的偏振态x或y。因此，线栅偏振器38既可以使可见光束18b偏振，又可以校正或者补偿光学元件62。

光学元件62可以设置在线栅偏振器38之后的透射光束58中，如实线所示。或者，光学元件62可以设置在线栅偏振器38之后的反射光束54中，如虚线所示。另外，光学元件62可以构造成透射修正光束66或者反射修正光束70。

如上所述，光学元件62可以是透射式光阀或者反射式光阀或者液晶阵列，其可以透射或者反射具有特定偏振态的光的部分，并且可以选择性地旋转光束的特定部分的偏振态。因此，光学元件62可以透射修正光束66或者反射修正光束70，在该修正光束上编码图像信息，或者其部分具有不同的偏振态x或y。因此，修正光束66或者70可以基本上包含所需的特性，例如，所需的图像信息。反射光阀或者液晶阵列是反射式光学元件的一个例子。其它的反射光学元件可以包括平面的或者平坦的反射镜、凸反射镜、凹反射镜等。

如上所述，线栅偏振器38具有多个细长的元件42，所述元件可以与可见光相互作用，以将光基本上分成相对的或者正交的偏振态x和y。(如上所述，偏振态x和y可以分别是s偏振态和p偏振态，或者p偏振态和s偏振态。)

具体来说，元件42被制作成一定的尺寸和间距，以与可见光相互作用。因此，元件42相对较长和较薄，并且按基本上平行的阵列的形式设置，或者，各个部分具有平行的阵列。尺寸由所用的波长决定。对于全部光谱的可见光，认为下面的尺寸是优选的。元件优选具有比可见光波长大的长度，或者具有大于700nm(0.7μm)的长度。然而，该长度可以更长。在一个方面中，元件的中心至中心的间距、节距或者周期小于可见光的波长，或者小于400nm(0.4μm)。在另一方面中，元件的节距或者周期小于可见光波长的一半，或者小于200nm(0.2μm)。在另一方面中，元件的宽度在节距或者周期的10％至90％的范围内。

元件42通常与可见光相互作用，从而一般1)透射具有基本上均匀的恒定不变的线性偏振态的透射光束，并且2)反射也具有基本上均匀的恒定不变的线性偏振态的反射光束。元件通常透射具有方向与元件局部地正交或者横向的第一偏振态的光，并且元件通常反射具有方向与元件平行的第二偏振态的光。将会了解到，线栅偏振器将以一定程度的效率分离光的偏振态，或者，这两个偏振态中的一些可以透射并且/或者反射。还将会了解到，元件中的一部分将构造成透射或者反射不同的偏振态。

另外，元件42的至少一部分连续地变为不同的特性，该特性与修正光束的不希望的特性或者光学元件的不希望特性相对应。如上所述，线栅偏振器38的元件42的连续地变为不同特性可以包括下述性质的改变：不同的角度方向；不同的周期；不同的宽度；不同的厚度；不同的形状；和/或曲线或者不同的曲率。这些元件中的全部或者仅一些可以改变。另外，仅有元件的一部分可以改变。

参照图7a和图7b，元件42或者其部分可以包括从直的或者线性部分连续地变为弯曲的或者弓形的部分80和84，在元件的平面内具有曲率。(为了清楚起见，示意性地示出图7a和图7b)。弓形部分80可以是凹的，或者朝外延伸，如图7a所示。或者，弓形部分84可以是凸的，或者朝内延伸，如图7b所示。曲率可以是简单的或者复杂的。线栅偏振器38和38b可以具有设置在角落附近的弓形部分80和84，使得元件42从中心、顶部、底部和侧部的直的或者线性的部分变为角落附近的弓形部分80和84。因此，大部分元件42可以比较直，并且彼此平行，其中的弓形部分80和84相对于直的元件具有曲率。图7a和图7b中的元件42、80和84可以构造成与方形光学元件一起使用，该方形光学元件容易在其角落处引入像差。弯曲部分的大小、形状、方向和位置由校正的像差的类型和位置决定。

参照图8，线栅偏振器38c可以具有元件42，该元件从直的或者线性的部分连续地变为具有与其余元件42不同的角度方向的不同的直的或者线性的部分。(为了清楚起见，图8的线栅偏振器示意性地示出，并且表示几种不同的变化。)例如，一些元件和/或元件的部分86可以是直的或者线性的，但是具有朝外延伸的角度方向。类似，一些元件和/或元件的部分88可以朝内延伸。成角的部分86和88相对于其余元件42的角度可以是钝角的。另外，成角的部分88或者92相对于彼此可以是平行的，但是相对于其它元件成钝角的角度。因此，大部分元件42可以是比较直的，并且相对于彼此是平行的，但是，其成角的部分86和88相对于其它元件42成钝角的角度。同样，成角的部分86和88可以设置在线栅偏振器的末端角落处。因此，线栅偏振器38c可以具有元件42，该元件从中心、顶部、底部和侧部上的直的或者线性部分变为角落附近的成角部分88和92。将会了解到，单个元件可以从一个角度方向变为另一角度方向，或者，第二元件可以具有不同的角度方向。成角的部分86和88以及其余元件42可以限定其中元件42变为不同的角度部分86和88的变化、或者点或线。该变化可以是直的或者线性的，并且，其方向相对于元件42可以是正交和平行的。或者，其它的成角的部分90可以形成直的或者线性的变化，该变化的方向相对于这两个元件都是成锐角的角度，例如45度。其它的成角的部分92可以形成曲线的或者弓形的变化。这些元件或者线栅偏振器可以构造成与方形光学元件一起使用，该光学元件倾向于在其角落处引入像差。变化的角度、形状、变化的方向和变化的位置由校正的像差的类型和位置决定。

参照图9，线栅偏振器38d可以具有元件或其部分，该元件或其部分连续地变为不同的宽度和/或不同的间距。(为了清楚起见，示意性地示出图9的线栅偏振器，并且表示几种不同的变化。)大部分元件42可以具有恒定不变的并且/或者均匀的厚度，例如，在中心、顶部、底部和侧部处，其中的部分94和96具有不同的宽度。一些元件或者部分94可以较宽并具有较窄的间距或者间隙，并且/或者一些元件或部分96可以较窄或具有较宽的间距或者间隙。这些元件可以从一种宽度变为不同的宽度。该变化可以是直的或者线性的，如上所述，并且其方向与元件垂直和平行。其它部分98的变化方向可以是锐角的角度，例如45度。其它成角的部分100可以形成曲线的或者弓形的变化。这些元件或者线栅偏振器可以构造成与方形光学元件一起使用，该光学元件倾向于在其角落处引入像差。变化的宽度、间距、方向以及变化的位置由校正的像差的类型和位置决定。

参照图10，线栅偏振器38e可以具有变为不同厚度的元件或部分104和108。例如，大部分元件42可以具有恒定不变的并且/或者均匀的厚度，例如，在中心、顶部、底部和侧部处，但是，沿着元件的长度变为较厚的部分104和较薄的部分108。较厚的部分和较薄的部分的位置由校正的像差的类型和位置决定。如上所述，这些元件可以按各种不同的图案变为较厚或者较薄。

线栅偏振器可以具有其特性以图案的形式改变的元件。参照图11a和图11b，线栅偏振器38f和38g可以具有这样一种元件，该元件的宽度按同心圆或者同心环形区域的图案从一种宽度变为另一种宽度。因此，图案可以是离散的。例如，元件120至124可以从中心的较窄宽度变为周边的较宽宽度，如图11a所示。作为另一例子，元件126至130可以从中心的较宽宽度周边为周边的较窄宽度，如图11b所示。这种同心图案可以用于校正圆形光学元件。将会了解到，可以提供多个同心图案。另外，这些元件可以沿着元件的长度连续地变化。例如，线栅偏振器38b可以具有这样一种元件132，该元件可以增大其远侧端134处的宽度(并且可以降低其中部或者中间的部分136处的宽度)，并且形成圆形的图案，用虚线表示，如图11e所示。作为另一例子，线栅偏振器38i可以具有这样一种元件138，该元件可以降低其远侧端140处的宽度(并且可以增大其中部或者中间的部分142处的宽度)，并且形成圆形的图案，用虚线表示，如图11d所示。

参照图12a和图12b，线栅偏振器38j和38k可以具有这样一种元件，该元件的角度方向按同心圆或者同心环形区域的图案从一个角度变为另一个角度。同样，这些区域或者同心圆可以是离散的。例如，元件144至128的角度可以从中心变为朝外延伸的较大的钝角的角度，如图12a所示。作为另一个例子，元件150至154可以朝内延伸，如图12b所示。作为另一个例子，线栅偏振器38l和38m可以具有元件156至160和162至166，所述元件可以形成为沿着元件的长度行进的相邻顺序区域的形式，相邻区域中的元件的相对角度方向增大或者减小，如图12c和图12d所示。

参照图13a，线栅偏振器38n可以具有这样一种元件168至172，该元件在相邻的区带或者区域内从一个周期或者间距变为另一个周期或者间距。例如，这些元件可以具有与元件垂直的细长区域，其中，每个区域中的节距增大或者减小了相邻的区域。参照图13b，线栅偏振器38o可以具有这样一种元件174至178，该元件在相邻的区带或者区域内从一种宽度变为另一宽度。例如，这些元件可以具有与元件垂直的细长的区域，其中，每个区域中的宽度增大或者减小了相邻的区域。作为另一个例子，线栅偏振器38p可以具有这样一种元件180，该元件的宽度可以沿着其长度以线性的方式增大并且/或者减小，如图13c所示。作为另一个例子，线栅偏振器39q可以具有这样一种元件182或184，该元件的宽度可以沿着其长度以曲线的或者弓形的方式增大并且/或者减小，如图13d所示。

应该理解，元件的特性的改变可以包括上述特性中的一个或者多个。例如，元件可以从直的变为曲线的、较厚的等。另外，元件的厚度可以沿着其长度改变。例如，元件的中部或者中间的部分可以比较薄，而其远侧端可以比较厚。或者，元件的中部可以比较厚，而远侧端比较薄。

参照图14和图15，代表性线栅偏振器38示出将一束电磁波200大致地分离成两个正交的偏振态。光束200可以入射在偏振器38的表面上，或者入射在元件上，如图所示，尤其在带有图像或者信息的光束的情况中。或者，光束可以入射在衬底上。线栅偏振器38可以包括设置在衬底204上的多个细长的间隔开的元件42。元件42可以例如通过光刻技术设置在衬底402上。元件42可以是导电元件或导电线，并且可以由铝或银形成，已经发现铝或银是有效的。衬底可以是玻璃、塑料或石英等。衬底204可透过电磁波或者可见光，从而电磁波或光可以透过或者通过该衬底。因此，衬底204可以具有透射电磁波或者可见光的光学性质。在一个方面中，光学元件14或者衬底28可以透射电磁波或光，而不会改变它，例如，不会改变相位、角度等。将会了解到，其它的结构、材料或者层可以设置在元件42和衬底204之间，包括，例如，肋、间隙、凹槽、层、膜等。另外，可以在元件和衬底之间形成区域，该区域具有低的折射率(或者其折射率低于衬底的折射率)和受控制的厚度。将元件和衬底分开的低折射率区域可以使最长的波长共振点向较短的波长偏移，并且可以减少被偏振器反射的p偏振的电磁波或光的部分。

元件42相对比较长和薄。元件42中的全部或者大部分的长度通常可以大于所需的电磁波例如可见光的波长。因此，对于可见光的应用，元件42的波长至少为约0.7μm(微米)。然而，典型的长度可以更大。对于可见光应用，元件42的厚度或者高度t可以小于所需的电磁波或光的波长，或者小于0.4μm(微米)。在一个方面中，对于可见光应用，该厚度可以小于0.2μm。另外，这些元件42按大致平行的布置定位，其中，元件的间距、节距或者周期P小于所需的电磁波或光的波长。因此，对于可见光应用，元件42的节距P小于0.4μm(微米)。在一个方面中，对于可见光应用，节距P可以是光的波长的大约一半，或者约0.2μm。对于可见光应用，元件42的宽度w也可以小于周期P，或者小于0.4μm或者0.2μm。在一个方面中，对于可见光应用，该宽度可以小于0.1μm至0.2μm。应该注意，具有较长周期(大于光波长的约两倍或者1.4μm)的阵列可以充当衍射光栅，而具有较短周期(小于光波长的约一半或者0.2μm)的阵列充当偏振器，然而具有在过渡区域内的周期的阵列(在约0.2μm和1.4μm之间)也充当衍射光栅，并且具有称为共振的突变或者反常的特征。因此，将会了解，元件42的实际尺寸非常小，实际上，用肉眼观看，元件42的阵列看起来似乎象连续的反射表面。然而，如图所示，元件42的阵列实际上产生非常小的结构，或者具有在10^-8米的数量级上的尺寸或者规模的纳米结构。

另外，元件42的阵列的尺寸和结构设计成与电磁波或者可见光相互作用，以基本透射一种偏振态的电磁波，并且基本反射另一种偏振态的电磁波。如上所述，光束200可以入射在偏振器38上。偏振装置38可以将光束200分成镜面反射部分208和非衍射的透射部分212。使用S偏振态和P偏振态的正常定义，具有S偏振态的波或光具有与入射平面正交的偏振矢量，由此与导电元件平行。相反，具有P偏振态的波或光具有与入射平面平行的偏振矢量，由此与导电元件正交。

一般来说，偏振器38反射其电场矢量与元件42平行的(或者S偏振态)波或光，并且透射其电场矢量与元件垂直的(或者P偏振态)的波或光。理想地说，偏振器可以充当关于一种偏振态的波或光例如S偏振光的全反射镜，并且对于另一种偏振态例如P偏振光可以是完全透明的。然而，在应用中，即使用作反射镜的最强反射性的金属也会吸收一部分入射光，并且仅反射90％至95％，并且，由于表面反射，平玻璃也不会透射100％的入射光。

另外，因为光束可能不会被准直或者完全平行，所以，光束中的不同部分以不同的角度或者以不同的方式入射在偏振器上。

线栅偏振器、光学元件链和/或投影系统/显示系统的各个方面示于美国专利5,986,730、6,081,376、6,122,103、6,208,463、6,243,199、6,288,840、6,348,995、6,108,131、6,452,724、6,710,921、6,234,634、6,447,120和6,666,556中，其在此引用作为参考。

虽然线栅偏振器已经示出为面向光源或者其细长的元件面向光源，但是应该理解，这仅仅是为了示例性的目的。本领域的技术人员将会了解，为了避免带图像的光束通过衬底的简单目的，线栅偏振器可以定向成面向该带图像的光束例如来自液晶阵列的光束，从而避免产生与光通过介质相关的重像或者多次反射。这种结构可以导致线栅偏振器背向光源。

尽管上述实例在一个或多个具体应用中说明了本发明的原理，但是，对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的原理和构思的情况下，不用经过创造性的劳动就可以对实施的形式、用途和细节进行大量的修改。因此，除了受下面阐述的权利要求的限制之外，本发明不应当是限制性的。

Claims (30)

1.一种用于获得具有所需特性的可见光束的方法，包括以下步骤：

a)提供可见光束；

b)用光学元件修正所述可见光束，以获得修正光束，所述光学元件能够引入连续转变所述修正光束的至少一部分的不希望的特性；以及

c)用具有多个细长的元件的线栅偏振器补偿所述修正光束的不希望的特性，其中所述细长的元件的至少一部分连续地转变为与所述修正光束的不希望的特性相对应的不同特性，以获得在基本整个所述可见光束上具有所需特性的可见光束。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述修正的步骤还包括，用具有不希望特性的光学元件修正所述可见光束；并且，所述补偿的步骤还包括，补偿所述光学元件的不希望特性。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述修正光束的不希望的特性包括偏振态的不希望的连续变化；并且，所述多个细长的元件的至少一部分连续地变为与所述修正光束的偏振态的不希望的连续变化相对应的不同特性，以获得具有基本上均匀的偏振态的可见光束。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述补偿的步骤还包括设置具有多个细长的元件的线栅偏振器的步骤，所述细长的元件连续地变为不同的特性，所述不同的特性选自：

不同的角度方向；

不同的周期；

不同的宽度；

不同的厚度；

不同的形状；以及

曲率。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述修正步骤还包括在所述可见光束中设置光学元件的步骤，所述光学元件选自：

透镜；

透射式液晶阵列；

反射式液晶阵列；

光学延迟器；

波片；

棱镜；

衬底；

反射镜；

凹反射镜；

凸反射镜；以及

偏振器。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述补偿的步骤还包括在所述光学元件之前的所述可见光束中设置所述线栅偏振器的步骤。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述补偿的步骤还包括在所述光学元件之后的所述修正光束中设置所述线栅偏振器的步骤。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述可见光束透过所述光学元件。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述可见光束被所述光学元件反射。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，补偿光束透过所述线栅偏振器。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，补偿光束被所述线栅偏振器反射。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述线栅偏振器的所述多个细长的元件具有小于可见光波长的周期和大于可见光波长的长度。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光学元件包括这样的修正部分，其能够不希望地改变所述光束的至少一部分，而从所需的偏振态变为不同的不需要的偏振态，以及，所述方法还包括：

定位所述线栅偏振器，使得到不同特性的连续变化与从所需的偏振态到不同的不需要的偏振态的变化相对应。

14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述线栅偏振器的所述多个细长的元件具有按同心圆环区域的图案变化的特性。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述特性选自：不同的角度方向、不同的周期、不同的宽度、不同的厚度、不同的形状、曲率及其组合。

16.一种构造成提供具有所需特性的可见光束的光学系统，包括：

a)可见光源，其产生限定光学元件链的可见光束；

b)光学元件，其被设置在所述光学元件链中以产生修正光束，该光学元件能够引入连续转变所述修正光束的至少一部分的不希望的特性；以及

c)线栅偏振器，其被设置在所述光学元件链中，具有多个细长的元件，所述元件的至少一部分连续地变为不同的特性，该线栅偏振器在所述光学元件链中被定位和取向，以使得所述不同的特性与所述修正光束的不希望的特性相对应，以获得在基本整个可见光束上具有所需特性的可见光束。

17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述光学元件具有不希望的特性，并且，所述线栅偏振器相对于所述光学元件定位和取向，使得所述不同的特性与所述光学元件的所述不希望的特性相对应。

18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述修正光束的不希望的特性包括偏振态的不希望的连续变化；并且，所述多个细长的元件的至少一部分连续地变为与所述修正光束的偏振态的不希望的连续变化相对应的不同特性，以获得具有基本上均匀的偏振态的可见光束。

19.根据权利要求16所述的系统，其中，所述不同的特性选自：

不同的角度方向；

不同的周期；

不同的宽度；

不同的厚度；

不同的形状；以及

曲率。

20.根据权利要求16所述的系统，其中，所述光学元件选自：

透镜；

透射式液晶阵列；

反射式液晶阵列；

光学延迟器；

波片；

棱镜；

衬底；

反射镜；

凹反射镜；

凸反射镜；以及

偏振器。

21.根据权利要求16所述的系统，其中，所述线栅偏振器被设置在所述光学元件之前的所述光学元件链中。

22.根据权利要求16所述的系统，其中，所述线栅偏振器被设置在所述光学元件之后的所述光学元件链中。

23.根据权利要求16所述的系统，其中，所述光学元件通过其透射所述可见光束。

24.根据权利要求16所述的系统，其中，所述光学元件从其反射所述可见光束。

25.根据权利要求16所述的系统，其中，所述线栅偏振器被设置成透射补偿光束。

26.根据权利要求16所述的系统，其中，所述线栅偏振器被设置成反射补偿光束。

27.根据权利要求16所述的系统，其中，所述线栅偏振器的所述多个细长的元件具有小于可见光波长的周期和大于可见光波长的长度。

28.根据权利要求16所述的系统，其中，所述光学元件包括这样的修正部分，其能够不希望地改变所述光束的至少一部分以从所需的偏振态变为不同的不需要的偏振态，以及，该系统还包括：

线栅偏振器，所述线栅偏振器被定位，以使得所述到不同特性的连续变化与从所需的偏振态到不同的不需要的偏振态的变化相对应。

29.根据权利要求16所述的系统，其中，所述线栅偏振器的所述多个细长的元件具有按同心圆环区域的图案变化的特性。

30.根据权利要求29所述的系统，其中，所述特性选自：不同的角度方向、不同的周期、不同的宽度、不同的厚度、不同的形状、曲率及其组合。

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