CN1509422A - 具有偏振光分光器的图像投影系统 - Google Patents

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Abstract

一个具有线栅偏振光分光器(14)的图像投影系统(10)，该线栅分光器在系统中起到偏振器和检偏器的作用。光源(20)生成一束光源光束射向分光器，分光器反射一束偏振光并透射其余的光。在反射的或透射的光束中放置一个液晶阵列(26)。该阵列调制光束的偏振，对其上的图像信息进行编码，并将已调制的光束射回分光器。分光器再次反射一束偏振光并透射其余的光，从而被编码的图像或被反射或被透射至屏幕(25)。分光器可被嵌入线栅偏振光分光器，其具有平行、伸长且彼此分隔元件的阵列，并被夹于第一和第二层(201，203)之间。这些元件之间形成多个间隙，其折射率小于第一或第二层的折射率。

Description

具有偏振光分光器的图像投影系统
技术领域
本发明涉及一种可工作在可见光谱、包括一个偏振光分光器的图像投影系统，该分光器反射一束线偏振光并透射其余的光。本发明具体涉及这样一种图像投影系统，其具有由下述组成的分光器：多个伸长的、反射式元件，这些元件被置于衬底从而减少由此产生的光束的几何失真、像散和/或彗形象差；和/或这些元件被嵌入的或用来保护元件的器件。
背景技术
偏振光在某些应用中，诸如：投影液晶显示器(LCD)是必要的。这类显示器通常由下述组成：一个光源；光学元件，比如：用来会聚和聚焦光的透镜；偏振器，其透射一束偏振光至液晶阵列；液晶阵列，用于对偏振光进行操作从而在其上编码图像信息；用于寻址阵列的每个像素以改变或保留偏振光的装置；第二偏振器(被称为检偏器)，其从所选像素中滤去不想要的光；以及一图像会聚在其上的屏幕。
有可能用一个单个的偏振光分光器当作第一偏振器和第二偏振器(检偏器)使用。如果液晶阵列是反射式的，比如：硅基液晶(LCOS)光阀，它可以将来自偏振器的光束通过修正所选像素的偏振对图像编码后直接反射回偏振器。Takanashi(美国专利5,239,322)预见了这样一个系统。Fritz和Gold(美国专利5,513,023)详细描述了这个概念。这些类似的方法均给出了光学设计和特性方面的重要优点。然而，因为常规的偏振光分光器具有的缺陷，上述的任一个都没能在实际中实现。在投影液晶显示中使用常规的偏振光分光器的缺点包括：图像不明亮，对比度不好，具有非均匀的色平衡或是非均匀的亮度(由于光锥的非均匀特性)。除此之外，很多常规的偏振光分光器由于过加热导致使用寿命很短，并且非常昂贵。
为使这类的图像投影系统可以成功地投入商业应用，它必须可以投射出比由常规的阴极射线管(CRT)电视显示器给出的图像质量好得多的图像，因为很有可能这样一个系统会比用常规的CRT技术实现的昂贵得多。因此，该图像投影系统必须提供：(1)具有合适的色彩或色平衡的明亮的图像；(2)良好的图像对比度；(3)尽可能便宜。由于偏振光分光器(PBS)是决定显示系统主要性能的限制性元件，所以改进的PBS是实现这一目的的一个重要部分。
显著影响显示性能的PBS特征为：(1)偏振器起作用的孔径角或f-值；(2)与使用PBS相关的吸收或能量损失；以及(3)PBS的耐久度。在光学中，孔径角或f-值描述了PBS可以使用或保持想要的性能水准的锥形光束的角度。由于大些的锥形允许更多的光会聚在光源处，从而具备更高能量效率及紧凑的系统，所以人们想要更大的锥形或更小的f-值。
和使用PBS有关的吸收和能量损失明显地影响系统的明亮度，这是因为如果在光学元件中能量损失越大，则剩下的被投射给视屏的光就越少。另外，由偏振器吸收的光能量的量会影响其耐久度，特别是在通过光学系统的光非常密集、每平方厘米以瓦数量级计的这类图像投影系统中。如此密集的光可轻易损坏一般的偏振器，比如Polaroid偏光片。实际上，耐久度的问题限制了偏振器在这些应用中的使用。
耐久度是很重要的，这是因为把投影系统做得越小越轻，该产品就越便宜并符合人们的要求。然而为了实现这一目标，就需要把亮度提得更高，从而给PBS造成更大压力，减少了它的有用寿命。
常规的PBS装置的一个存在问题的缺点即低转换效率，而转换效率是显示器的主要的决定因素。转换效率是描述光源所需的电能有多少被转化成了用户可以从屏幕或面板上看到的光强度是度量。它用屏幕上总的光能量除以光源所需的电能量的比值来表示。常规的单位为每瓦多少流明。人们想要大些的比值有多个理由。比如，低转换效率需要更明亮的光源，伴随它需要更大的电源，过热，更大的外壳或机壳等。另外，低转换效率的所有后果即提高了投影系统的成本。
低转换效率的一个根本原因就是光效率低，而光效率低和光学系统的f-值直接相关。一个f-值为另一同等系统的f-值一半的系统，其有可能具有四倍于另一系统会聚的从光源发出的光的效率。因此，人们希望有一种改进的偏振光分光器(PBS)，其通过提供明显更小的可能的f-值(更大角度的孔径)从而允许更有效地获得光能量，并因此提高用流明/瓦量度的转换效率。
常规的偏振光分光器被用作投影系统中的分光器时，其在转换效率方面性能不佳有多条理由。首先，如果光不以一定角度(或者至少在该主要入射角的一个狭窄锥形角度范围内)射在现有分光器上，它们就会作用不佳。主要射线偏离这个角度会引起各种类型的偏振光分光器亮度下降，偏振纯度降低，和/或色平衡下降。这适用于来自光源和反射自液晶阵列的光束。该主要角度取决于PBS的设计和结构，以及这些各种分光器中使用的偏振机制的物理特性。目前已有的偏振光分光器不能在电磁波频谱的可见光部分、在远离分光器的主要偏振角的角度上进行有效地工作。这一限制使得某些有前景的光学设计和商业上有前景的显示器的设计无法得以实现。
即使主要射线以分开两个偏振光的最佳角度打在偏振器上，其它射线也不能远离该角度的射线，或它们的视觉质量将会下降。因为必须使打在偏振器上的光强会聚或分散才能有效利用典型光源发出的光，所以这是显示装置一个严重的缺陷。它通常用光学系统的f-值表示。对一个单个的透镜来说，f-值为孔径与焦距的比值。对于一般的光学元件来说，f-值被定义为
F/#＝1/(2nSinθ)
其中n为光学元件被放置的空间内的折射率，θ为锥形角度的一半。F-值越小，透镜聚集的辐射通量φc就越大，并且该装置会更高效地显示明亮图像。辐射通量增加，F/#的平方反比也增加。在一光流中，具有最大F/#的光学元件将会成为其光学效率的限制性因素。对于使用常规偏振器的显示器来说，限制性的元件几乎总是偏振器，并且因此PBS限制转化效率。很清楚，发展一种具有比任何目前现有的F/#都小的PBS是有用的。
由于还没有具有小F/#的常规偏振器，设计者通常通过指明一个更小、更明亮的光源来强调转换效率的问题。这类光源，典型地如弧光灯，是现有的但却需要昂贵且沉重、体积大的电源，并且还需要在操作时持续冷却。降温用风扇会造成不想要的噪音和震动。这些特性对投影仪和类似的显示器的效用是有害的。此外，具有小F/#的PBS可以有效地聚集来自低能量、安静和常规光源的光。
常规的偏振光分光器的另一个重要的缺点为消光比低，从而导致图像的对比度差。消光比为通过偏振器的想要的偏振光与被滤去的不想要的偏振光的比值。在一个高效的显示器中，该比值必须在光通过PBS的全锥形中保持在最小值。因此，人们希望有一种偏振光分光器，其具有高消光比，从而得到高对比度的图像。
常规的偏振光分光器的第三个缺点是在可见光谱内的非均匀响应，或色彩保真度差。其结果是色平衡差，这样导致投影显示系统的效率进一步降低，这是因为为了适应偏振光分光器的缺点必须去掉明亮色彩的某些光。因此，人们希望有一种改进的偏振光分光器，其在可见光谱内有均匀的响应(或良好的色彩保真度)，从而得到具有更有效的良好色平衡的图像。该分光器必须是消色差的而不是使投影的色彩失真，并且其必定不允许偏振器之间有串扰，因为这会降低图像的敏锐度和对比度。这些特征必须适用于偏振器的所有部分及入射在偏振器的所有角度。术语“薄层的”(spathic)被创造(R.C.Jones，Jour.Optical Soc.Amer.39，108，1949)，用来对一个偏振器进行描述，其保存截面的面积、立体角以及偏振光波长相对强度的分布。一个起到偏振器和检偏器作用的PBS对于透射和反射必须是薄层的，即使在大角度的孔径的光束中亦是如此。
常规的偏振光分光器的第四个缺点是耐久度差。很多常规的偏振光分光器遭受过加热和光化学反应引起的劣化。因此，人们希望有一种改进的偏振光分光器，其可以经受住数千小时的密集的光子通量而没有劣化的迹象。另外，人们希望有一种偏振光分光器，其可以被经济地、大规模制造。
为了满足这些及其它标准的需要使得只有很少类型的偏振器在投影系统中有实际的应用。人们做了很多尝试将大孔径角和高保真度偏振结合进同一分光装置。下面对由此努力而相对取得的成就进行描述。薄膜干涉滤光片是制造也作为检偏器使用的偏振光分光器时最经常被引用的类型的偏振器。MacNeille是描述在广阔的谱范围内有效的这类偏振器的第一人(美国专利2,403,731)。该偏振器由通常在玻璃立方体中的、与入射光对角放置的多层薄膜组成，所以其较之片状的偏振器体积大且重量沉。除此以外，其必须被设计为针对一个单独的入射角，通常为45°，并且即使入射角偏差了2°，性能也不佳。其他一些人改进了该设计(如：J.Dobrowolski，Applied Optics 13，2221-2225，1996)。他们都发现如果要增加孔径角，就一定要减小波长范围。这某已经在些设计中实现了(美国专利5,658,060和5,798,819)，其中在光到达偏振光分光器之前，光学设计将其分为合适的色带。这样就有可能减少对分光器谱带宽度的需求并且扩展它的孔径角，但是这些额外的元件及复杂度却显著增加了系统的成本、体积和重量。
即使这样，这些改进过的分光器立方体已经开始出现在市场上，并且目前可以从一些知名的供应商，如Balzers和OCLI得到。他们通常提供的F/#为f/2.5-f/2.8，虽然这相对于两年前来说已有明显的改进，但是和必定能够达到光学投影系统中其它关键元件要求的F/1.2-F/2.0范围还存在着很大的差距。达到该f-值就有可能将系统效率提高四倍。如果这样，投影显示工程师就可以用以前不可能的设计进行折衷从而实现其它目标，比如减小实际尺寸和重量、降低成本等。
在远离可见光的光学系统，即雷达的技术中，已经成功使用线栅来偏振长波长的雷达波。这些线栅偏振器也被用作为反射器。它们也被常用在红外(IR)光学元件中，其中它们主要被用作透射的偏振器元件。
虽然没有得到证明，但是一些人已经假定在光谱的可见光部分的显示应用中使用线栅偏振器。比如，Grinberg(美国专利4,688,897)建议线栅偏振器在液晶显示器中作为反射器和电极(但并不同时作为检偏器使用)使用。
其他人提出可能使用线栅偏振器来代替二向色性的偏振器，从而改进实际的图像显示的效率(见美国专利5,383,053)。然而在该栅偏振器中，明确不考虑对于对比度或消光比的要求，并且栅主要被用作偏振感光控制装置。在5,383,053专利中，它既不起到检偏器也不起到偏振器的作用。从文中还可以清楚知道，如果有宽带偏振立方体分光器的话，它也会起到相同的作用。然而这项技术因为对可接受的角度的限制性太强，以至于无法起作用，并且昂贵得难以负担，所以不予考虑。
另一专利(美国专利4,679,910)描述了为测试IR相机和其它IR仪器所设计的图像系统中的栅偏振器的使用。在这种情况下，该应用需要用于波长长的红外线的分光器，其中栅偏振器是唯一的可行方案。此专利并没有提出可见光波段的实用性，甚至未提到对大孔径角的需要。它既没有强调对将光转化为可视图像的有效转换的要求，也没有强调对宽带性能的要求。
还有其它用于红外频谱的专利(如：美国专利4,514,479，4,743,093和5,177,635)。除了刚刚提到的外，只强调IR谱中偏振器的透射性能。
这些参考文献显示了多年来已知的线栅阵列通常可以起到偏振器的作用。然而，很明显它们没被建议并被发展为图像投影系统。线栅偏振器没有被用于可见光谱的一个可能的原因在于制造它的不易。美国专利4,514,479教导了一种用于在近红外区域，使用光致抗蚀剂的全息曝光以及随后在离子铣上的蚀刻制造线栅偏振器的方法。在美国专利5,122,907中，将小的、伸长的金属椭圆体嵌入一个透明的基质(matrix)，该基质随后被拉伸并使诸金属椭圆体的长轴在某种程度上对准。虽然透射的光束被偏振，但是该装置却不能较好地反射。除此之外，该椭圆微粒尚未做得小到可在电磁波谱的可见光部分使用。因此，通常实际的应用被限于在IR谱段中更长的波长内。
另一现有技术偏振器通过擦地角蒸发淀积得到了更细的线(美国专利4,456,515)。遗憾的是，由于该诸线的横截面太小以至于与可见光的交感作用微弱，所以其用于生成图像的光学效率太低。正如现有技术所做几种努力那样，该装置的线具有大致随机的形状和间隔。这类随机会降低性能，这是因为元件间隔小的区域不能很好地透射，并且元件间隔大的区域的反射性不好。只要这两种情况中的一种或两种发生，而只要放置是随机的话就一定会发生，形成的偏振度(消光比)就会小于最大值。
对于完美(以及近乎完美)的规律性，为栅格而发展的数学是非常适用的。反之，对于随机的线(即使它们有相同的取向)，分散理论给出了最佳描述。已经对自单个的圆柱线的分散做出了描述(H.C.Van de Hulst，Light Scattering by Small Particles，Dover，1981)。目前的随机-线栅的线整个嵌在衬底上。不仅线的位置有些随机，而且直径亦是如此。很明显分散射线的相位是随机的，所以反射不会是严格的镜面反射的并且透射不会保持高间隙或图像保真度。这样对光束的降级会阻止它被用于传输高分辨率、高信息密度的图像。
现有技术从没有显示或建议线的有序的阵列可以或者应被用来作为薄片状(spathic)的PBS工作于整个可见光波段，至少没被用于当它起到偏振器和检偏器作用时所需要的角度上。事实上，已经对制造这种操作所需的窄、高且均匀间隔的线的难度给予了大量的关注(见Zeitner等人，AplliedOptics，38，11 pp.2177-2181(1999)，以及Schnabel等人，OpticalEngineering 38，2 pp.220-226(1999))。因此，就不奇怪为什么用于图像投影的现有技术都没有给出任何启发使用薄片状的PBS作为显示装置的一部分。
Tamada和Matsumoto(美国专利5,748,368)公开了一种线栅偏振器，其可工作于红外和可见光谱的一部分；然而，其基于下述的概念，即在可见光波段，粗且间隔大的线会生成出乎意料的短波长的谐振和偏振。遗憾的是，该装置只在可见波长的一个窄带内工作良好，而不是在全部可见光谱内。因此其不适用于生成全色的图像。由于偏振器对于图像投影系统必须是实质上消色差的，所以这样的装置在实际中无法用于图像显示。
线栅偏振器被忽视的另一个原因在于人们通常以及长时间有一种看法，即当光束的入射角变大，则典型的线栅偏振器的性能会变差(G.R.Birdand M.Parrish，Jr.，“The Wire Grid as a Near-infrared Polarizer，”J.Opt.Soc.Am.，50，pp.886-891，(1960)；the Handbook of Optics，Michael Bass，Volume II，p.3-34，McGraw-Hill(1995))。在可见光谱中，尚无入射角大于35°还可良好工作的设计的报道。亦没有人确定导致这种对入射角限制的重要设计因素。当人们意识到一个成功的分光器需要在透射和反射方面同时都具备适当的性能时，此已被感觉到的设计上的限制显得更加明显。
这个重要的问题值得重视。记录用于IR和可见光的线栅偏振器现有的文字及专利的历史几乎全部集中在它们作为透射偏振器的使用上，而没有涉及反射的特性。几十年来，技术文献对线栅偏振器一直有所探求和报道，并且从20世纪60年代开始变得越来越普及。尽管在此领域已做了大量的工作，但几乎没有，即使有也是极少的将线栅偏振器作为反射式偏振器的生产和应用方面的详细的讨论，并且文献中也没有有关它们同时作为透射式和反射式的偏振器的内容，而这对于薄片状的偏振光分光器在图像装置中的使用是必要的。由文献对这类讨论的缺乏，合理的调查者会认为任何可能的将线栅偏振器作为宽带可见光分光器的使用都不是显而易见的，或技术领域普遍理解为它们在这样一个应用中的使用是不实际的。
由于上面所描述的常规的偏振器是目前仅有的，Takanashi(美国专利5,239,322)不可能将其投影装置付诸实施而获得任何结果，只能是没有什么结果。没有任何偏振器提供了Takanashi的发明所需要的性能，即在整个可见光谱内消色差、大角度接受、对想要的偏振光透射和反射的损耗低，以及良好的消光比。
需要专门的透射性能和反射性能的图像显示系统具有多个重要的特征。对于一个投影仪，如果光源的光要被有效地放置在屏幕上，P偏振透射和S偏振反射(RsTp)的乘积必定大。另一方面，对于需要在屏幕上获得高信息密度的分辨率和对比度，互逆的乘积(RpTs)必须很小(即S偏振光的透射被P偏振光的反射的乘积必须小)。
另一个重要的性能是大的可接受的角度。如果从光源聚集光，则可接受的角度必须大，因此转换效率最大。人们希望半角大于20°的光锥(或分散或会聚)是可以被接受的。
这个可以接受更大光锥的能力并且可以在大角度良好工作的重要结果是图像系统的光学设计不再受限制了。继而可以使用常规的光源，其具有下述优点：成本低、冷操作、尺寸小和重量轻。角度范围大使得设计者可以在有利的位置定位其它光学元件，从而改进显示器的尺寸和操作。
另一个重要的特性为尺寸和重量。常规的技术需要使用一块玻璃立方体。该立方体对系统有某些要求和不利影响。所施加的要求包括需要处理加在该大片玻璃上的热载荷以及需要没有应力双折射的高质量的材料等，二者增加了额外的成本。除此之外，立方体本身额外的重量和体积增加了难度。因此，人们希望分光器不占据太大空间并且不很重。
另一个重要的特性为强壮性。现代的光源当光亮后迅速在分光器产生很高的热梯度。它可以感应会在偏振间引起串扰的热双折射。另外，在密集光下长时间的暴露使某些材料改变特性(通常由光(致)氧化变黄)。因此，人们希望分光器可以承受高温和来自光源的长时间的强辐射。
又一个重要的特性是分光器在入射光锥内具有均匀消光比(或对比度)性能。McNeille类型的薄膜堆栈型偏振器由于对S偏振光和对P偏振光的反射率的不同而生成偏振光。因为对S和P偏振的定义取决于光线的入射平面，入射在偏振器的光在光锥内改变方向，McNeille类型的偏振器在全锥形内并非同样良好地工作。McNeille类型偏振器的这一缺陷已经广为人知。在投影系统设计中的该缺陷必须通过限制光锥的角度大小，以及通过使用附加的光学元件在光学系统的其它地方进行补偿来解决。McNeille棱镜的这一主要缺陷增加了目前投影系统的成本和复杂度，并且通过对f-值或分光器光学效率的限制，限制了系统的性能。
其它重要的特性包括是否容易对准。生产成本及维护都直接受到了装配标准的影响。无需低公差排列的元件可以显著地降低这些成本。
现有专利(6,234,634)有利地提出了在图像投影系统中，将线栅偏振器作为起到偏振器和检偏器作用的PBS使用。然而，线栅偏振器本身带来了各种挑战。比如，线栅对于高湿度、有明显空气污染或其它情况的环境中的破坏是脆弱和易受损坏的。因此，人们希望可以保护线栅。由于线栅偏振器为对波长敏感的光学装置，将偏振器嵌入折射率大于1的材料或介质，相对于同样结构但放在空气中的偏振器，性能会有所改变。通常这种改变使偏振器变得不适用于想要的应用。然而，偏振器的嵌入带来了其它的好处。比如，虽然对偏振器本身的性能或偏振可能会有不利的影响，但是将偏振器嵌入可以提供其它的有利的光学性能，并且可以保护偏振器。因此，人们希望获得这类嵌入的线栅偏振器的最佳的性能。
线栅通常被放置在比如玻璃这样一个衬底的外表面上。某些线栅已经完全被包在衬底材料或玻璃中。比如，于1940年12月10颁发给Brown的美国专利而形成偏振器。同样，于1981年9月15日颁发给Garvin等人的美国专利4,289,381公开了通过在衬底上淀积一层金属化层从而形成栅，然后在栅上淀积衬底材料，最终形成偏振器。在上述两种情况下，线和栅被与和衬底相同的材料所包围。如上所述，如此对线或栅的包围有害于栅的光学性能。
于1998年5月5日颁发给Tamada等人的美国专利5,748,368公开了具有置于衬底的窄带偏振器，以及置于栅上的楔形玻璃面。将匹配的油也涂在元件上，所述的油使之与衬底具有相同的折射率。因为匹配的油具有相同的折射率，所以栅基本上被包围在衬底或玻璃中间。另外，如此对栅的包围有害于栅的光学性能。
决定线栅偏振器的性能的关键因素是平行的栅元件的中心到中心的间隔或间距与入射辐射波长的关系。如果栅的间隔比波长长，则栅的作用为折射光栅，而不是偏振器，它根据已知的原理折射两种偏振(不必要具有相同的效率)。如果栅的间隔或间距比波长小得多，则栅的作用为偏振器，它反射与栅元件平行的偏振电磁辐射，并透射正交的辐射。
在过渡区域，栅的间距在波长的大致一半到二倍的范围内，其特征在于栅的透射和反射特性会突然改变。特别是，对于与栅元件成直角偏振的光，反射率的突然增加和相应透射的降低会以任意给定的入射角在一个或多个特定的波长上发。这些效应首先由Wood报道于1902年(PhilosophicalMagazine，September 1902)，并且经常被引用为“伍德变异”(Wood’sAnomalies)。随后，Rayleigh分析了Wood的数据并且洞察到在更高的折射量级出现的地方结合波长和角度会发生该变异(Philosophical Magazine，vol.14(79)，pp.60-65，July 1907)。Rayleigh推导出了一个公式来预测变异发生的位置(通常文献上被称为“瑞雷谐振”(Rayleigh Resonances))。
角度依赖性的效应为当角度增加时，从透射区域转移至更长的波长。当偏振器被试图用作偏振光分光器或者偏振转向镜时，这很重要，因为这类使用需要大的入射角。
线栅偏振器由衬底支撑的多个平行的传导电级组成。此类装置的特征在于导体的节距和间距；单个导体的宽度；以及导体的厚度。一束由光源产生的光与法线成θ角入射在偏振器上，其入射平面正交于导电元件。线栅偏振器将该束光分为一个镜面反射成分和一个非折射的透射成分。对于比最长的谐振波长短的波长，至少有一个更高量级的折射成分。使用对S和P偏振的常规定义，S偏振的光的偏振矢量与入射平面成直角，并且因此平行于导电元件。反之，P偏振光的偏振矢量与入射平面平行，并且与导电元件成直角。
总的来说，线栅偏振器的电场矢量与栅的线平行时，线栅偏振器反射光，其电场矢量与栅的线正交时透射光，但是入射平面可以也可以不正交于所讨论的栅的线。
理想地，线栅偏振器对某种偏振光，如S偏振光作用为一个完美的镜面，并且对于其余的偏振光，如P偏振光是完全透明的。然而实际上，即使作为镜面使用的反射性最强的金属也会吸收小部分的入射光并且只反射90％或95％的光，并且由于表面反射，平面玻璃并不会100％透射入射光。
申请人之在先专利(美国专利6,122,103)示出具有两个谐振的线栅偏振器的透射和反射，该谐振只显著影响P偏振的偏振器特性。对于S方向偏振的入射光，偏振器的反射接近完美。在从0.4μm到0.7μm的可见光谱内，对于S偏振的反射效率大于90％。在此波段，小于2.5％的S偏振光被透射，平衡被吸收。除了小的透射的成分，S偏振的线栅偏振器的特性非常类似于连续的铝镜面。
对于P偏振和大入射角，线栅偏振器的透射和反射效率受到了波长在大约0.5μm以下的谐振的影响。在大于0.5μm的波长，线栅偏振器的结构表现为对P偏振光的有损耗的介电层。在该层的损耗和表面的反射共同限制了对P偏振光的透射。
申请人的在先专利(美国专利6,122,103)还示出了不同类型的现有技术的线栅偏振器的计算出的性能，如Tamada在美国专利5,748,368中所述。如上所述，在两个衬底间使用了系数匹配流体，这样栅就被折射率恒定的介质所包围。此线栅结构显示出在波长0.52μm左右的一个单谐振。从0.58至0.62μm为一个窄的波长区域，其中P偏振的反射率非常接近零。美国专利5,748,368描述了一个线栅偏振器，其利用这一效应从而实现具有高消光比的窄带线栅偏振器。Tamada专利说明书中给出的例子使用的栅间隔为550nm，并且根据栅的厚度、导体的宽度和形状以及入射角生成一个波长从800到950nm的谐振。Tamada所采用的谐振效应与上面所描述位置的谐振不同。虽然这两种谐振也许正好巧合，但不一定如此。Tamada采用第二种谐振。另外，薄膜干涉效应也许会起作用。偏振器的带宽，其中对正交偏振光的反射率小于几个百分点，通常为中心波长的5％。虽然这种类型的窄带偏振器有一些应用，然而众多诸如液晶显示器之类的可见光系统要求在可见光谱波长从400nm到700nm的范围内，偏振光学元件具有均匀的特性。
对宽带偏振器的一个必要的要求是最长波长谐振点必须或被抑制或被转移至短于想用频谱的波长。最长波长共振点的波长可由下述三种方法减少。第一种，可以减少栅的间距。然而，减少栅间距增加了制造栅结构的难度，特别因为须保持栅元件的厚度从而保证反射的偏振足够的反射率的缘故。第二种方法，可以限定入射角为近法线入射。然而，对入射角的限定会大大降低偏振装置的实用性，并且使其无法在诸如希望集中在45度角的广角度带宽的投影液晶显示器样的应用中使用。第三种方法，可以降低衬底的折射率。然而，唯一低成本并可用于大批量生产偏振装置的衬底是几种薄片状的玻璃，比如：Corning type 1737F或Schott type AF45，它们的折射率均在可见光谱内从1.5到1.53变化。
如上所述，线栅偏振器可以包括由衬底支撑的多个平行的传导电极。然而衬底本身会带来某种光学后果，其会限制在比如上述图像显示器中使用的线栅偏振器的有用性。比如，如果一束非准直光束穿过倾斜一定角度的衬底，衬底会产生像差和彗形象差。有时会使用立方体偏振光分光器的一个原因是射入这类立方体分光器的光的光轴为立方体表面的法线方向，因此可以最小化这些异常。
不沿法线方向入射的打在衬底上的光会沿着衬底的斜度方向的位置上产生一个横向偏移。结果，打在衬底上的一束分散的光锥遭受像散差以及彗差，其导致光束的本应圆形的区域沿一个方向拉长。当多色光从倾斜的衬底分散，其结合色差(颜色分离)，导致高质量图像光学系统中无法接受的失真。不论衬底的平坦度如何这些异常都会发生。因此，除非异常被纠正或被忽略不计，扁平板透射光学设备不能用于图像应用。
发明内容
人们已经认识到，研制一个可以提供明亮的图像和良好的图像对比度并且价格低廉的图像投影系统是有利的。人们还认识到，研制具有下述偏振光分光器的图像投影系统是有利的，该分光器可以减少象差和彗差和/或生成几何失真减少了的透射或反射的光束。人们还认识到研制具有下述偏振光分光器的图像投影系统也是有利的，该分光器在减少会对分光器性能的保护有害的影响的同时，被保护以防止环境恶化及其它破坏源对它的影响。
人们认识到研制一个具备下述偏振光分光器的图像投影系统是有利的，该分光器可以使用分散的光(或是具有一个更小的F/#)，还可以有效使用光能量或具备高转换效率并且耐用。人们还认识到研制具备下述偏振光分光器的图像投影系统是有利的，其分光器具有高消光比、在可见光谱段的均匀响应、良好的色彩保真度，其为薄层状、强壮且可以抵抗热梯度。
人们还认识到研制具备下述偏振光分光器的图像投影系统是有利的，该分光器基本上可以被定位在任何入射角，这样就不会有显著的设计上的限制施加于图像投影系统，却又允许大致设计的灵活性。人们还认识到研制具备下述偏振光分光器的图像投影系统是有利的，该分光器在入射光的整个光锥内的全部角度上有效地透射P偏振光并反射S偏振光。人们还认识到研制具有重量轻且紧凑的偏振光分光器的图像投影系统是有利的。人们还认识到研制具有容易对准的偏振光分光器的图像投影系统是有利的。
本发明给出了一种具有偏振光分光器的图像投影系统，该分光器有利地为一个线栅偏振器。该线栅偏振器具有大致平行排列的薄且伸长的诸元件。该排列被设置且元件的大小被设计为可以与光源光束的电磁波相互作用，从而使一种偏振透过诸元件，并使另一种偏振从诸元件反射出来。透射下述的光并由此限定一束透射的光束，该束光将偏振取向为正交于一个平面，该平面包括诸元件中的至少一个元件以及入射光束的方向。反射与之相反的偏振并由此限定一束反射的光束，该束光将偏振取向为平行于该平面，该平面包括诸元件中的至少一个元件以及入射光束的方向。
该系统包括用于生成可见光束的光源。偏振光分光器位于光束中最接近光源的位置。该系统还包括一个反射式的液晶阵列。该阵列可以位于或者反射或者透射的光束中最接近偏振光分光器的位置。该阵列对光束的偏振进行调制，并生成调制的光束。阵列被取向为将已调制的光束射回分光器。分光器元件的排列与已调制的光束的电磁波相互作用，从而再次大致透射一种偏振光并反射另一种的偏振光。因此，已调制的光束的反射部分限定了第二反射光束，同时透射部分限定第二透射光束。该阵列改变光束的偏振从而在已调制的光束上编码图像信息。分光器将已调制的偏振光与未调制的光束分开，从而可以在屏幕上看到图像。
将一个屏幕置于第二反射或第二透射的光束中。如果阵列被放置在反射的光束中，则将屏幕放在第二透射的光束中。如果阵列被放置在透射的光束中，则将屏幕放在第二反射的光束中。
与现有技术的大且沉重的分光器不同，本发明的分光器大致为一块平板。此分光器效率也很高，所以提供系统更高的照明效率。
依照本发明的一个方面，分光器有利地包括嵌入的线栅偏振器，其具有一个被夹在第一和第二层之间的平行、伸长且彼此隔开的诸元件的阵列。元件间形成多个道间隙，并且道间隙的折射率小于第一或第二层的折射率。道间隙最好包括空气或具有真空。
依照本发明的另一个方面，可将线栅偏振器的元件放置在一衬底上。最好衬底很薄，或者其厚度小于约5毫米，从而减少像散、彗形象差和/或色差。另外，该线栅偏振器及衬底最好透射几何失真减少了的透射光束，失真最好小于每英寸约3个标准波长。
依照本发明的另一个方面，最好衬底的表面平坦度为每英寸偏移小于约3个标准波长，从而减小反射的光束的失真。
依照本发明的另一个方面，分光器能相对于光束和已调制的光束在约0到80度之间的入射角进行取向。
依照本发明的另一个方面，光束的有用的分散光锥的半角在大约10°到25°之间。分光器用于小F-值，最好在大约1.2到2.5之间。
依照本发明的另一个方面，分光器具有由S偏振反射的光和P偏振透射的光的乘积(RsTp)所限定的至少50％的转化效率。另外，S偏振透射光和P偏振反射光都小于5％。除此之外，已调制的光束中的反射光和透射光的百分比大于约67％。
依照本发明的另一个方面，系统可以包括放置在光源和分光器之间的前置-偏振器，和/或放置在分光器和屏幕之间的后置-偏振器。
本发明的其它特性和优越性将通过下述结合附图的详细描述而变得更加明了，附图结合说明书通过举例的方式共同描述了本发明的特点。
附图说明
图1a为使用本发明的线栅偏振光分光器的本发明的图像投影系统的一个优选实施例的操作的示意图；
图1b和图1c为本发明不同结构的图像投影系统的示意图；
图2a为本发明的线栅偏振光分光器的优选实施例中的波长和对S和P偏振透射比之间的关系；
图2b为本发明的线栅偏振光分光器的优选实施例中的波长和对S和P偏振反射比之间的关系；
图2c为本发明的线栅偏振光偏振器的优选实施例中的波长、效率和透射消光比之间的关系；
图3为将本发明的线栅偏振光分光器的优选实施例的性能作为入射角的一个函数的图解；
图4a为本发明的线栅偏振光分光器的一个可选实施例理论通过量的图解；
图4b为示出本发明的线栅偏振光分光器的一个可选实施例的理论消光比；
图4c为示出本发明的线栅偏振光分光器的一个可选实施例理论消光比的图解；
图5a为本发明的图像投影系统的一个可选实施例的操作示意图；
图5b和图5c为本发明不同结构的图像投影系统的示意图；
图6为本发明的图像投影系统的一个可选实施例的操作示意图；
图7为本发明的线栅偏振光分光器的透视图；
图8为本发明的线栅偏振光分光器的截面侧视图；
图9为本发明嵌入的线栅偏振器的截面图。
具体实施方式
现在参照附图描述的示意性的实施例，并使用特定的语言来进行描述。然而应该理解到这并不是为了限制本发明的范围。相关领域的技术人员可以对这里所展示的发明特征作出变更和进一步的改进，并进一步应用本发明的原则，所有这些都属于本发明的范围。
如图1a所述，示出了由标号10大致示出代表的本发明的图像投影系统的显示光流。如14大致示出的，图像投影系统10有利地具有一个作为分光器的线栅偏振器。该线栅偏振光分光器14(WGP-PBS)有效地将一束偏振光从光源20反射至反射式的液晶阵列26，然后有效地将反射的相反偏振的光透射至显示屏25。
为了得到足够大的光学效率，WGP-PBS 14必须对来自光源20想要的偏振具有高反射率(Rs)，并且对来自液晶阵列26的相反偏振具有高透射率(Tp)。因为转换效率与两者的乘积RsTp成比例，所以其中一个因素的缺乏可以通过在某种程度上改进另一者而得到补偿。
本发明的线栅偏振光分光器14的例子有利地示出下述特征，其阐明了在可见光谱部分使用本发明的WGP-PBS14作为显示装置的偏振器和检偏器的优势。进一步改进的理论计算表明甚至会有更好的偏振光分光器。
参照图2a和图2b，分别示出了测量出的WGP-PBS的S和P偏振的透射率和反射率。在图2c中，所示WGP-PBS的效率为透射率与反射率的乘积。另外，图2c还示出了消光比。在图2a-2c中，WGP-PBS被取向为当入射角为30°、45°和60°时，反射S偏振并透射P偏振。对于比如投影仪这类的图像投影系统，如果光源的光被有效地放置在屏幕上，则反射的S偏振和透射的P偏振的乘积(RsTp)必定大。另一方面，对于为获得屏幕上的高信息密度所需的分辨率，重要的是相逆的乘积(RpTs)一定要很小(即S偏振光的透射率乘以P偏振光的反射率一定要小)。从图中可以清楚地看到，本发明的线栅偏振光分光器在全部的频谱内达到这些标准，而不由Rayleigh谐振或其它现象降低性能。
另一个重要的特点是广的接收角。如果从光源会聚光及因此转换效率最大，则此角度一定要大。参照图3，其示出了对于在倾斜45°的光轴附近会聚的光锥的不同部分，本发明的线栅偏振光分光器的性能。在图3中，第一参考角度为在入射平面内的角度，而第二参考角度为正交于入射平面的该平面内的角度。很明显本发明的WGP-PBS可以接受半角在大约10°到25°之间的光锥(或分散或会聚)。
参照图4a-4c，对线栅偏振光分光器的一个可选实施例的理论计算表明明显更大的光锥和/或其它的增强是可能的。图4a和图4b分别示出线栅偏振光分光器的间隔p减至130nm时的理论上的通过量和消光比。另外，栅的高度或厚度为130nm；线间隔比值为0.48；衬底凹槽的深度为50nm；并且该衬底为BK7玻璃。需注意到，图4a中的通过量比图2c示出的归类更加紧密。因此，通过减少间距p可以提高性能。需注意到，图4b中的消光比较之图2c有显著的增加。
图4c示出间距p进一步减小了的线栅偏振光分光器的另一个可选实施例的理论消光比。其中波长为420nm并且入射角为30°。需注意到，当间距p减小，消光显著增加。
如上所指出的，可以接受能在大角度良好作用的WGP-PBS的更大光锥的能力的一个重要的结果就是，PBS不会再限制图像系统的光学设计。因此，可以使用常规的光源，它们具有成本低、冷操作、尺寸小和重量轻的优点。在WGP-PBS可良好作用的大范围角度使得设计人员可以将其它光学元件放在有利的位置，从而改进显示器的尺寸和操作。参照图1b和图1c，展示了本发明的PBS的大范围角度给出的设计灵活性。如图1b所示，光源20和阵列26可以被放置得更近，它们相对于PBS14都有相对小的入射角。这样的放置对于系统10元件的紧凑设计是有利的。可选地，如图1c所示，光源20和阵列26可以被放置得更远，且都具有相对大的入射角。需注意到在任何一种情况下，入射角较之常规的分光器通常所要求的45度角有很大的改变。
然而线栅的其它特性给出了用于显示单元的优越性。常规技术要求使用玻璃立方体。该立方体对系统施加某些要求和不利影响。施加的要求包括需要处理加在该大片玻璃上的热载荷以及需要没有应力双折射的高质量的材料等，这就增加了额外的成本以及额外的重量和立方体自身体积。本发明的WGP-PBS有利地为分开或做成图形的薄膜，其不占据多少空间并且也没有多重。其还可以被并入比如滤色片这样的其它光学元件或与这些元件集成到一起，从而进一步降低投影系统的部件数、重量和体积。
本发明的WGP-PBS还很强壮。当光点亮后，现代光源马上在偏振器中产生非常高的热梯度。它可以感应会在偏振间引起串扰的热和应力双折射。最坏地，它会使多层偏振器分层或导致立方体分光器粘合的界面分开。除此之外，在密集光下长时间的曝露使某些材料改变特性(通常由光(致)氧化变黄)。然而，线栅偏振器由很好地粘在玻璃或其它衬底材料的化学惰性金属做成。它们已经显示可以承受高温和来自光源的长时间的强辐射。
本发明的WGP-PBS还容易对准。只需要调整单个部件使光源的光束射向液晶阵列。这与用在平面镜的简单程序相同。还有另外一个调整参数，即绕到WGP表面的法线的角度旋转。它决定了光束中偏振的方向。因为WGP只是作为它自己的检偏器并且在这个意义上来讲不可能对不准，所以该调整并不是关键的。如果光流中有其它的偏振元件，WGP-PBS应该相对于它们的偏振来取向，但是稍有对不准影响不大，因为根据马吕斯定律(Malus’law)，如果偏振器的偏振轴接近平行(或正交)，角度的变化对通过偏振器透射的强度影响不大。
为了与常规的偏振器竞争，乘积RsTp必须大于约50％。这代表了较低的估计，只有在WGP-PBS可以从光源显著会聚比常规的偏振光分光器更多的光时才实用。估计值50％来自下述假设，即最好的常规分光器——现代的MacNeille立方体分光器最好可以给出的f/#为f/2.5。一个两倍速或可以会聚两倍的光的光学系统的f/#值为此值的1/2或f/1.8，当然这是光学投影系统中一个合理的f/#。两倍速并且因此可以会聚两倍来自光源的光的光学系统，可以大致补偿常规立方体分光器的上的RsTp乘积的系数为2的减少，导致一个等效的投影系统性能。事实上，因为WGP-PBS可能可以在小于f/1.2(增加4倍)的情况下使用，这个似乎低的限制仍旧可以产生非常明亮的图像。当然，大于此最小值的RsTp乘积会给出更好的性能。
另一个重要的性能因素是由亮暗像素光强度之比值所定义的图像对比度。WGP-PBS一个显著的优点为较之现有技术的比如McNeille棱镜的立方体分光器在复合入射角内改进的对比度。McNeille棱镜的物理性能通过利用S和P偏振在某角度反射率的差别对光进行偏振。因为S和P偏振是相对于入射平面定义的，当考虑到光锥内的各种射线时，对光锥内特定射线有效的S和P偏振相对于沿光轴的射线旋转。此性能的后果即已为人知的复合角度问题，其中对于通过偏振光分光器的光锥内某个角度范围，偏振器的消光比显著降低，从而显著降低了光锥内的平均对比度。
然而，WGP-PBS采用了不同的物理机制来实现光的偏振，从而大致避免了这个问题。这种性能的不同基于这样一个事实，即偏振是由分光器中的线栅形成的，线栅具有相同的空间取向而不管光锥内特定射线的入射平面。因此，即使入射在McNeille棱镜或WGP上时，对于任意特定的射线的入射平面都一样，McNeille棱镜的情况下，偏振效果只取决入射平面，这意味着WGP的复合角度的性能较之立方体分光器所给出的有很大的提高。
WGP-PBS的功能与入射平面无关，这意味着WGP-PBS确实可以使用任何方向取向的线或元件。本发明的优选实施例具有取向平行于轴的元件，偏振器倾斜于其周围使得光以某角度打在WGP-PBS上面。这一特定的取向是优选的，这是因为它使得来自衬底的表面反射的偏振效应与来自栅的偏振效应叠加。然而，有可能生成一种WGP-PBS，其通过旋转栅元件使其与WGP-PBS倾斜的光轴正交，从而在入射角的某范围内反射P偏振并透射S偏振(与这里已经大致描述过的正好相反)。同样，可以将栅元件放置在相对于倾斜的轴任意的角度从而得到一种WGP-PBS，其作用为透射并反射偏振与该任意角在光束中波阵面的投影对准的光。因此可以清楚知道，本发明包括反射P偏振并透射S偏振，或反射并透射偏振具有某任意角度取向的光的WGP-PBS。
WGP-PBS的复合角度性能优越性给出在全光锥内固有的更均匀的对比度，并且这是WGP适合非常小的f-数的一个原因。但是，当然这并不是影响图像对比度的唯一因素。图像对比度很大程度上受到不想要的偏振低损失的控制，但是在这种情况下，乘积TsRp不是重要的参数，这是因为在第一次之后但在第二次遇到分光器之前，图像生成阵列还对图像对比度的产生起到了作用。因此，最终的系统的对比度取决于光阀性能以及偏振器消光比。然而，可以由下述假设确定对所需要的分光器性能的更低的限制，即假设光阀的性能很充分使得可以假定它具有接近无穷的对比度。这样，系统的对比度就完全取决于分光器的性能。
参照图1a，分光器14起到了两种不同的作用。第一种是在偏振光打在液晶阵列26或其它适合的图像生成装置之前先准备好偏振光。这里要求对光偏振得足够好到可以充分检测或分析出光阀产生的对光束的偏振的任何变化，这样最终的图像可以达到想要的性能。同样，分光器14必须具备足够好的性能来分析由光阀射回分光器的光，这样才可以获得想要的系统对比度。
可以轻易地确定这种较低的限制。出于实用性和图像质量的原因，人们怀疑对比度小于10∶1(明亮像素比相邻的暗像素)的图像还有多大实用性。这样的显示对于比如密集文本是不可用的。如果假定显示系统的最小对比度为10∶1，则要求入射光束具有相对于不想要的偏振状态具有至少10倍的想要的偏振状态。根据偏振器的性能，这应该被描述为具有10∶1或简单说10的消光比。
第二次与将要分析图像的分光器14相遇，必须能够让正确的偏振状态的光通过，同时消除不想要状态的大部分的光。另外，根据上面所述，假设一光束在偏振状态被编码，并且假设该光束具有10∶1的比率，那么就希望有一个分光器保持这个10∶1的比值从而达到系统对比度为10∶1的目标。换言之，人们想将不想要的偏振光相对于正确偏光减少为十分之一(1/10)。这又使得分光器的分析功能的最小消光比性能为10∶1。
很清楚，如果起到偏振器和检偏器中的一种或两种作用的分光器具有更高的消光比性能，就会产生更高的系统对比度。还很清楚，并不要求分光器同时作为检偏器和偏振器的性能充分匹配图像投影系统。更难确定分光器的偏振器和检偏器的上限，但很清楚在本应用中不需要消光比超过约20,000。高质量影剧院中高质量的电影投影系统通常不具备高于1000的图像对比度，并且人们怀疑人眼是否可以可靠地区分对比度的范围为几千和上万的图像。考虑到需要生产对比度为几千的图像，并假设可以满足这样的光阀存在，分光器消光比的上限在10,000到20,000的范围已经足够了。
上述对线栅分光器的最小和最大限制的描述是有教育意义的，但是由上面示出的线栅分光器显示的和理论上的性能可以清楚知道，还可以得到比这更好的性能。依照此信息，如图2a-2c所示，优选实施例的RsTp 65％且Rp或Ts或两者都67％。优选实施例也会在下述模式下采用线栅偏振光分光器，其中被反射的光束射向图像生成阵列，该阵列将光射回分光器，这样光就通过、或透射过分光器。图1a示出了此优选实施例。
可选地，如图5a中的图像显示系统60所示，线栅偏振光分光器14将来自光源20的一个偏振的光有效地透射到液晶阵列26，然后将被反射回的相反偏振的光有效地反射到显示屏25。图像投影系统60的第二实施例类似于图1a中示出的优选实施例，不同的是分光器14这样工作：源光束的光透过或穿过分光器14，射在图像生成阵列26上，然后被射回分光器14，在这里光被分光器反射并在显示在屏25之前先被检偏。
另外，参照图5b和图5c，其显示了本发明的PBS的大范围角度给出的设计灵活性。如图5b所示，阵列26和屏幕25可被放置得更加靠近，它们相对PBS都有一个相对小的入射角。可选地，如图5c所示，阵列26和屏幕25可被放置得距离更远，且都具有一个相对大的入射角。
如图6所示，图像投影系统80的第三实施例给出了一个可选的系统设计，其会帮助获得想要的系统性能。该第三实施例包括一个或更多附加的透射式或反射式的偏振器，其可以和线栅偏振光分光器串联工作从而增加偏振和检偏功能中的一个或两个的消光比，进而获得必要的系统对比度性能。需要附加的偏振器的另一个原因为偏振恢复方案的实施会增加系统的效率。在光源光束中，光源20和WGP-PBS14之间放置一个前置偏振器82。在已调制的光束中放置一个后置偏振器或清除(clean-up)偏振器84，或放置在从阵列26反射出的光束中，阵列26和屏幕25之间，或在WGP-PBS14和屏幕25之间。第三实施例仍旧可以实现线栅分光器更大的光锥、耐久度以及其它上面所讨论过的优点。
如图所示，图像显示系统还会使用光会聚光学装置90和投影光学装置92。
参照图7和图8，更详细地示出本发明的线栅偏振光分光器14。与本申请一起待授权的美国专利申请09/390,833(申请日为1999年9月7日，题目为“偏振光分光器”)中更详细地讨论了偏振光分光器，其作为参考结合到本申请中。
如在该待授权申请中所描述的，偏振光分光器14具有栅格30，或被放置在衬底40上的平行且导电的元件的阵列。光源20产生的光源的光束130，其光轴与法线成θ角，入射在偏振光分光器14上，并且入射平面最好正正交于导电元件。一个可选的实施例中入射平面与导电元件的平面的夹角θ为45°。另一个可选的实施例中入射平面与导电元件的平面平行。偏振光分光器14将光束130分成一个镜面反射的成分140和一个透射的成分150。使用对S和P偏振的标准定义，S偏振光的偏振矢量正交于入射平面，且因此平行于导电元件。反之，P偏振光的偏振矢量平行于入射平面，且因此正交于导电元件。
理想地，偏振光分光器14对于S偏振光作用为一个完美的镜面，对于P偏振光是完全透明的。然而在实际中，即使作为镜面使用的反射性最强的金属也会吸收部分入射光，且因此WGP只反射90％到95％的光，并且由于平坦玻璃表面的反射，其不能透射100％的入射光。
线栅偏振器的关键的物理参数必须作为一组来被优化从而获取所要求的性能，该组参数包括：线栅30的间距p，栅元件30的高度或厚度，栅元件30的宽度，以及栅元件侧面的斜度。应当注意，观察图8可以发现，栅元件30的横截面通常自然地就是梯形或矩形。此通常形状也是优选实施例中的偏振光分光器的一个必要的特征，但是也允许根据制造工艺做微小的改变，比如做圆外倒角50，以及栅元件30基部的内倒角54。
还应注意到线栅30的间距p必须是规则的，这样才能获得为达到分光器14所要求的图像保真度所需的镜面反射特性。显然，栅30为规则且均匀的会更好，但是某些应用可以有更宽松的要求，在这些应用中这不是最关键的。然而，人们相信为了获得必要的性能，在图像(比如文本显示中单个字符的大小或一个图像中的多个像素)中有意义的尺寸上，要求间距p的改变小于10％。
同样，只要不实质性地影响显示性能，特别是当分光器14不为光学系统的显示平面的时候，在分光器14内对其它描述过的参数的合理的变化也是可能的，比如栅元件30的宽度w，栅元件的高度t，侧面的斜度，或者甚至周边圆滑的外倒角50以及内倒角53，而情况往往如此。这些变化表现为条纹以及透射效率、反射效率和色彩均匀性的变化等，甚至在成品分光器14中也是可以看到的，并且这些变化仍提供了投影图像系统中特定应用的有用的部分。
必须通过对这些参数的优化来达到的设计目标为生成可能的最大效率或通过量，同时满足应用的对比度要求。如上所述，偏振光分光器所要求的最小的实际消光比在10这个数量级上。已经知道，为了具有有价值的乘积，所要求的分光器14的最小通过量(RsTp)为约50％，这意味着Rp和Ts中的两者或一者必须大于约67％。当然，分光器的通过量和消光比的更高的性能也是有价值的，并给出更好的乘积。为了理解这些参数如何影响线栅分光器的性能，就有必要在入射角为45°或其它可能的有关角度处，检测每个参数生成的性能的改变。
线栅分光器14的性能为间距p的函数。尽管本领域的技术人员清楚地知道，对期望显示少于全可见光谱，比如只有红光，红光和绿光等的系统，其中更大的间距是有用的，线栅元件30的间距必须在大约0.21μm以下，使生成的分光器14在可见光谱内具有合理的性能。
线栅分光器14的性能为元件高度或厚度t的函数。线栅的高度t必须介于0.04和0.5μm之间，从而提供需要的性能。
线栅分光器14的性能为元件30的宽度和间距的比值(w/p)的函数。栅元件30的宽度w相对于间距p必须大致落在0.3到0.76这个范围之内，从而给出需要的性能。
线栅分光器14的性能为元件30的侧面的斜度的函数。栅元件30侧面的斜度最好与水平成68度角以上，从而给出需要的性能。
如上面所指出的，其它的因素可以影响WG-PBS的性能和/或耐久度。比如，WG-PBS会经受严酷的光学环境的影响，比如高通量照明和其它物理上恶劣的环境，长时间就会影响WG-PBS的耐久度。因此人们希望保护WG-PBS。然而如上所述，将偏振器嵌入具有折射率大于1的材料或介质通常会相对于同样结构但放在空气中的偏振器的性能有所改变。因此，人们希望在优化偏振器性能的同时保护它。
如图9所述，示出了本发明的嵌入的线栅偏振器，并标为200。偏振器200包括第一光学介质、材料、层或衬底201；第二光学介质、材料或层203；以及多个插在其间、并且加在第一层201和第二层203之间的伸长的元件205。如上所指出的，虽然通过包围或将元件嵌入可以获得某些优点，但是元件的偏振或性能受到了有害的影响。因此，本发明的偏振器10被设计成在嵌入时优化性能，下面将进行讨论。
第一和第二层201和203具有各自的第一和第二表面202和204，它们彼此相对并和元件205相对。层201和203，或者层的材料，还有各自的第一和第二折射率。第一和第二光学介质201和203的每个都有一厚度tL1和tL2，并且从光学意义上来讲是厚的。它们可以是比如玻璃片或聚合物、一种光学质量的油或其它流体，或者是其它类似的光学材料。厚度tL1和tL2从程度上来讲可以是从几微米到基本上无限。层201和层203的厚度tL1和tL2最好大于一微米。光学介质201和203可以是相同的材料，比如两块玻璃薄片，它们可以被选为不同的材料，比如203的材料为油，201的材料为玻璃。元件205需由第一层或衬底201支撑。
插在中间的阵列205包括多个平行、伸长、彼此隔开且导电的元件205。诸元件205包括相对的第一和第二面205a和205b，其中第一面205a面向第一表面202或第一层201，并且第二面205b面向第二表面204或第二层203。如图9所示，元件的第一面205a可以与第一层201上的第一表面202接触并相连，同时第二面205b可以与第二层203上的第二表面204接触并相连。元件205的阵列被排列为与可见光谱范围内的电磁波相互作用，从而大致反射绝大部分的第一偏振光，并透射绝大部分的第二偏振光。
根据所用的波长确定元件205的尺寸以及诸元件205排列的尺寸，并针对宽的或全可见光谱对该尺寸进行调整。元件205相对长且薄。最好每个元件205的长度大致长于可见光波的波长。因此，元件205的长度为至少约0.7μm(微米)。然而典型的长度可以大得多。另外，元件205被大致平行地放置，彼此之间的间隔、节距或间距p小于光的波长。因此，节距小于0.4μm(微米)。
通过元件205的间距以及对光学介质201和203的材料的选择来获得并增强和光射线209、211和213之间想要的相互作用。光射线209通常为非偏振光束，其包括数量大致相等的本领域称为S偏振和P偏振的这两种偏振。然而，在特定应用中，光射线209可能会改变从而部分或主要是两种偏振中的某一种。选择元件205的间距p使得线栅镜面反射大部分的S偏振光211，并透射大部分的P偏振光213。
光学材料也是针对这一工艺选择的。比如，有可能选择光学材料201，其对S偏振和P偏振相等同地透射，还可能选择光学材料203，其吸收P偏振光或者要不然透射P偏振光并反射S偏振光。在优选的实施例中，组成层201和203的光学材料是玻璃。根据特定的应用，其它的材料也是适合的。比如，第二层203可以为一片玻璃或塑料。另外，第二层还可以为真空沉积膜或光学薄膜，比如：二氧化硅、氮化硅、氟化镁、氧化钛等。第二层203还可以通过化学处理元件的表面得到一层，比如：六甲基二硅氮烷(hexamethyl disilazane)的薄膜来形成。这样的表面可以是一层或多层原子的单层，其对环境条件不太敏感。可选地，这种化学处理可被选择来积极地阻止会在恶劣的环境中导致对线栅结构破坏的物理机制。第二层还可以包括多层此处提到过的材料的薄膜。
插入的伸长的元件205并不很大。它们通常以一种规则、有序的阵列排列，并具有0.3μm或更小的数量级的间距p，各根205的宽度WR以及分隔元件的间距或间隙207的宽度Ws为0.15μm或更小的数量级。可以该变元件205的宽度以及间隔207从而得到想要的光学性能的效果，下面将对此进一步描述。诸元件205的高度或厚度通常介于从需要元件光学不透明的厚度(对于铝大约为40nm)直到可能1μm的厚度。通过考虑制造上的实用性以及光学性能来确定上限。在优选实施例中，如果将在整个可见光谱内使用该偏振器，元件205通常由比如铝或银这样的材料组成。然而，如果只要求在特定情况下给出实现于光谱中的一部分(比如在红光中)的分光器，则也可以使用比如铜或金之类的其它材料。
获取嵌入的线栅偏振器200的最优性能的一个重要的因素为放置在间隔或间隙207之内的材料。形成于诸元件205之间的间隙207，有利地给出了小于层201和203中至少一层，比如第一层201的折射率。申请人已经发现，当间隙207给出一个较低的折射率时，偏振器200的性能相对于被完全密封在具有恒定折射率的材料里的线栅有所提高。在优选的实施例中，该材料为空气或真空，但在某些应用中，由于实用性或性能的原因，可以使用其它的材料。
人们希望这种材料在满足其它必要的设计限制比如可制造性的同时，具有可能的最低的折射率n。这些其它的限制要求填充伸长的元件205之间间隔207的材料为与组成光学材料201和203两者之一或全部的材料相同的材料。或者，填充伸长的诸元件205之间的间隔207的材料可以被选为和光学材料201和203不同的某种材料。
如上所述，在优选的实施例中，间隔207中的材料为空气或真空。其它也可以使用的材料包括水(折射率1.33)、氟化镁(折射率1.38)或其它可以使用下述方法沉积的一般的光学薄膜材料：蒸发、溅镀或各种化学气相沉积工艺，光学油，液体碳氢化合物，比如：石脑油、甲苯等，或其它具有合适的低(折射)率的材料。间隙207中的材料还可以包括塑料、或氟化碳氢化合物(Teflon)。
另外，WG-PBS的衬底201(图9)或40(图7)可能影响WG-PBS的性能。如上所述，将WG-PBS的衬底取向为相对于光的某一角度会在当非准直光通过该衬底时导致象散或彗差。这种象差不论衬底的平坦度如何都会发生。因此，除非象差被纠正或可以被忽略不计，否则在图像应用中不能使用平板透射式的光学装置。
如果包含图像的光束被从板的前表面反射而不是透过它，那么在图像应用中就可以避免这个问题，这是因为通过倾斜的衬底的投射导致了光学象差，比如沿着衬底的斜度方向的位置上产生一个横向偏移。这样的设置就需要一个平坦的衬底，从而避免会导致最终图像失真的光束中的失真。基于本申请，平坦度小于每英寸约3个标准波长的偏离较好；平坦度小于每英寸约1个标准波长的偏离更好；并且平坦度小于每英寸约1/10个标准波长的偏离最好。
人们希望可以减少透射的光束的象散和色差。因此，衬底最好很薄，或具有小于约5毫米的厚度。
对本发明的图像系统的另一个重要的考虑为使透射自WG-PBS的波完全不受几何失真的影响。对于此透射的光束，通常失真是由偏离衬底的两个表面的平行所引起的。透射光的几何失真小于每英寸约3个标准波长的偏离较好；透射光的几何失真小于每英寸约1个标准波长的偏离更好；并且透射光的几何失真小于每英寸约1/10个标准波长的偏离最好。
应该理解，上述的布置只是为了说明本发明原理的应用。可以在不偏离本发明精神和范围的情况下做出多种改进和可选择的布置，同时本发明已由附图示出并连同认为是最合理的优选实施例在上文全部加以描述，很明显本领域技术人员可以在不偏离权利要求所阐述的本发明的原理和概念的范围内做出多种改进。

Claims (37)

1.一种图像投影系统包括：
a)可以生成可见光束的光源；
b)偏振光分光器，位于所述光束中靠近所述光源的地方且相对于所述光束取向为一个角度，所述分光器包括：
1)第一透明衬底，其具有位于所述光束中的第一表面，所述光束以某角度打在第一表面上，且所述衬底具有某折射率；
2)第二层，与所述第一透明衬底分开，并具有一折射率；以及
3)大致平行排列的薄的、伸长的且彼此隔开的元件，被放置于所述第一透明衬底和所述第二层之间，并且所述元件之间形成多道间隙，所述间隙的折射率小于所述第一透明衬底或所述第二层的折射率，所述排列被设置且所述元件的大小被设计为可以与所述光源光束的电磁波相互作用，从而大致地i)将偏振取向正交于某平面的光透射过所述诸元件，该平面包括所述诸元件中的至少一个元件和所述入射光束的方向，由此限定一个透射光束，以及ii)将偏振取向平行于所述平面的光从元件反射出去，所述平面包括所述元件中的至少一个元件和所述入射光束的方向，由此限定反射的光束；以及
c)反射阵列，位于靠近所述偏振光分光器的所述或反射或透射的光束中，所述阵列通过有选择地改变所述光束的偏振从而对其上的图像信息进行编码来调制所述光束的偏振，并产生一束已调制的光束，所述阵列被取向为将所述已调制的光束射回所述偏振光分光器；
d)所述分光器还位于所述已调制的光束中并相对于所述已调制的光束取向为一个角度，并且所述分光器的所述元件的排列与所述已调制的光束中的电磁波相互作用，从而i)将偏振取向正交于所述平面的光透射过所述元件，该平面包括诸元件中的至少一个元件和所述入射光束的方向，由此限定一个第二透射光束以及ii)将偏振取向平行于所述平面的光从元件反射出去，所述平面包括元件中的至少一个元件和所述入射光束的方向，并由此限定第二反射光束，从而将未改变的偏振从已调制的光束中分出；
e)一屏幕，位于所述第二反射光束或第二透射光束中，用于显示已编码的图像信息。
2.根据权利要求1的系统，其中所述透明的衬底具有小于约5毫米的厚度。
3.根据权利要求1的系统，其中所述透明的衬底的平坦度小于每英寸约3个标准波长的偏离。
4.根据权利要求1的系统，其中所述第一透射光束的几何失真小于每英寸约3个标准波长的偏离。
5.根据权利要求1的系统，其中所述诸元件之间的所述间隙包括空气。
6.根据权利要求1的系统，其中所述诸元件之间的所述间隙包括真空。
7.根据权利要求1的系统，其中所述元件之间的所述间隙包括一种与所述第一透明衬底和所述第二层的材料都不同的材料。
8.根据权利要求1的系统，其中所述间隙包括一种与所述第二层的材料相同的材料。
9.根据权利要求1的系统，其中所述间隙包括一种与所述第一透明衬底的材料相同的材料。
10.根据权利要求1的系统，其中所述元件之间的间隙包括水。
11.根据权利要求1的系统，其中所述元件之间的间隙包括氟化镁。
12.根据权利要求1的系统，其中所述元件之间的间隙包括油。
13.根据权利要求1的系统，其中所述元件之间的间隙包括碳氢化合物。
14.根据权利要求1的系统，其中所述元件之间的间隙包括塑料。
15.根据权利要求1的系统，其中所述元件之间的间隙包括氟化的碳氢化合物。
16.根据权利要求1的系统，其中所述排列的结构和所述元件的大小通常会在可见光谱内，与所述层或衬底之一结合产生谐振效应；并且其中具有比所述层或衬底之一的折射率更低折射率的间隙，致使通常发生的谐振效应漂移到更低的波长，因此，使无谐振效应发生的可见光波长的带宽加宽。
17.根据权利要求1的系统，其中所述第二层包括一层膜。
18.根据权利要求1的系统，其中所述第二层包括多层膜。
19.根据权利要求1的系统，其中所述第二层包括选自下述组的真空沉积的膜：二氧化硅、氮化硅、氟化镁和氧化钛。
20.根据权利要求1的系统，其中所述第二层包括一片玻璃。
21.根据权利要求1的系统，其中所述第二层包括一片塑料。
22.根据权利要求1的系统，其中所述第二层包括六甲基二硅氮烷。
23.根据权利要求1的系统，其中所述分光器为大致平坦的片。
24.根据权利要求1的系统，其中所述分光器相对于所述光束或所述已调制的光束以约0到80度之间的入射角进行取向。
25.根据权利要求1的系统，其中所述分光器相对于所述光束或所述已调制的光束以大于47度或小于43度的入射角进行取向。
26.根据权利要求1的系统，其中所述光束的有用分散光锥具有约10到25°之间的半角。
27.根据权利要求1的系统，其中所述分光器用于f-数小于约f/2.5处。
28.根据权利要求1的系统，其中所述分光器的至少50％的通过量是由部分P偏振透射光和部分S偏振反射光的乘积来确定的；并且其中S偏振透射光和P偏振反射光均小于5％。
29.根据权利要求1的系统，其中所述分光器的至少50％的通过量是由部分S偏振透射光和部分P偏振反射光的乘积确定的；并且其中P偏振透射光和S偏振反射光均小于5％。
30.根据权利要求1的系统，其中通过所述分光器的通过量为光束的至少65％，所述通过量是由部分反射光和部分透射光的乘积确定的；并且其中反射光或透射光的百分比大于约67％。
31.根据权利要求1的系统，其中所述阵列被放置在反射的光束中；并且其中所述屏幕被放置在所述第二透射光束中。
32.根据权利要求1的系统，其中所述阵列被放置在透射的光束中；并且其中所述屏幕被放置在所述第二反射光束中。
33.根据权利要求1的系统，其中
a)所述元件的排列具有小于约0.21微米的间距，
b)所述元件的厚度介于约0.04到0.5微米之间，以及
c)所述元件的宽度介于约间距的30％到76％之间。
34.一种用于投影图像的方法包括：
a)使用光源生成波长范围在约0.4到0.7微米的光源光束；
b)使用放置在光源光束中的偏振光分光器基本上分开光源光束的偏振，所述偏振光分光器包括：
1)具有一折射率的第一层；
2)第二层，与所述第一层分开，具有一折射率；
3)大致平行排列的薄的、伸长的且彼此隔开的元件，其被放置于所述第一层和所述第二层之间，所述排列被设置且所述元件的大小被设计为可以与所述光源光束的电磁波相互作用，从而大致地i)将偏振取向正交于某平面的光透射过所述元件，该平面包括所述诸元件中的至少一个元件和入射光束的方向，由此限定透射光束，以及ii)将偏振取向在所述平面上的光从所述元件反射出去，所述平面包括所述元件中的至少一个元件和入射光束的方向，由此限定反射的光束；
4)多个间隙，形成于所述元件之间并且在所述第一层和所述第二层之间，被设置从而给出小于所述第一或第二层折射率的折射率；以及
c)调制透射或反射光束并通过使用放置在透射或反射光束中的阵列有选择地改变光束的偏振从而生成已调制的光束；
d)使用放置在所述已调制的光束中的所述偏振光分光器，基本上分开所述已调制的光束的偏振，所述元件与所述已调制的光束的电磁波相互作用从而大致地i)将偏振取向正交于一个平面的光透射过所述元件，该平面包括所述元件中的至少一个元件和入射光束的方向，由此限定第二透射光束，以及ii)将偏振取向在所述平面上的光从元件反射出去，所述平面包括所述元件中的至少一个元件和入射光束的方向，由此限定第二反射的光束；以及
e)在屏幕上显示第二透射光束或第二反射光束。
35.一种图像投影系统，包括：
a)生成可见光束的光源；
b)一偏振光分光器，位于所述光束中靠近所述光源的地方且相对于所述光束取向为一个角度，所述分光器包括：
1)第一透明衬底，具有一位于所述光束中的第一表面，所述光束以一个角度打在所述第一表面上；
2)所述第一透明衬底的厚度小于约5毫米；以及
3)大致平行排列的薄的、伸长的且彼此分隔的元件，其被放置于所述第一透明衬底上，所述排列被设置且所述元件的大小被设计为可以与所述光源光束的电磁波相互作用，从而大致地i)将偏振取向正交于一个平面的光透射过所述元件，该平面包括所述元件中的至少一个元件和入射光束的方向，由此限定透射光束，以及ii)将偏振取向平行于所述平面的光从元件反射出去，所述平面包括所述元件中的至少一个元件和入射光束的方向，由此限定反射的光束；
c)反射阵列，位于靠近所述偏振光分光器的所述反射或透射的光束中，所述阵列通过有选择地改变所述光束的偏振从而对其上的图像信息进行编码来调制所述光束的偏振，并产生一束已调制的光束，所述阵列被取向为将所述已调制的光束射回所述偏振光分光器；
d)所述分光器还位于所述已调制的光束中并相对于所述已调制的光束取向为一个角度，并且所述分光器的所述元件的所述排列与所述已调制的光束中的电磁波相互作用，从而大致地i)将偏振取向正交于所述平面的光透射过所述元件，该平面包括诸元件中的至少一个元件和入射光束的方向，从而限定一个第二透射光束，以及ii)将偏振取向平行于所述平面的光从元件反射出去，所述平面包括元件中的至少一个元件和入射光束的方向，并由此限定第二反射光束，从而将未改变的偏振从已调制的光束中分出；
d)一屏幕，位于或第二反射光束或第二透射光束中，用于显示编码的图像信息。
36.一种图像投影系统，包括：
a)生成可见光束的光源；
b)一偏振光分光器，位于所述光束中靠近所述光源的地方且相对于所述光束取向为一个角度，所述分光器包括：
1)第一透明衬底，其具有一位于所述光束中的第一表面，所述光束以一个角度打在所述第一表面上；
2)所述第一透明衬底的平坦度小于每英寸约3个标准波长的偏离；以及
3)大致平行排列的薄的、伸长的且彼此分隔的元件，被放置于所述第一透明衬底上，所述排列被设置且所述诸元件的大小被设计为可以与所述光源光束的电磁波相互作用，从而大致地i)将偏振取向正交于一个平面的光透射过所述元件，该平面包括所述元件中的至少一个元件和入射光束的方向，由此限定透射光束，以及ii)将偏振取向平行于所述平面的光从元件反射出去，所述平面包括所述元件中的至少一个元件和入射光束的方向，由此限定反射的光束；
c)反射阵列，位于靠近所述偏振光分光器的所述或反射或透射的光束中，所述阵列通过有选择地改变所述光束的偏振从而对其上的图像信息进行编码来调制所述光束的偏振，并产生一束已调制的光束，所述阵列被取向为将所述已调制的光束射回所述偏振光分光器；
d)所述分光器还位于所述已调制的光束中并相对于所述已调制的光束取向为一个个角度，并且所述分光器的所述元件的所述排列与所述已调制的光束中的电磁波相互作用，从而大致地i)将偏振取向正交于所述平面的光透射过所述元件，该平面包括诸元件中的至少一个元件和入射光束的方向，从而限定一个第二透射光束，以及ii)将偏振取向平行于所述平面的光从元件反射出去，所述平面包括元件中的至少一个元件和入射光束的方向，并由此限定第二反射光束，从而将未改变的偏振从已调制的光束中分出；
e)一屏幕，其位于或第二反射光束或第二透射光束中，用于显示编码的图像信息。
37.一种图像投影系统，包括：
a)生成可见光束的光源；
b)一偏振光分光器，位于所述光束中靠近所述光源的地方且相对于所述光束取向为一个角度，所述分光器包括：
1)第一透明衬底，其具有一位于所述光束中的第一表面，所述光束以一个角度打在所述第一表面上；
2)大致平行排列的薄的、伸长的且彼此分隔的元件，被放置于所述第一透明衬底上，所述排列被设置且所述元件的大小被设计为可以与所述光源光束的电磁波相互作用，从而大致地i)将偏振取向正交于一个平面的光透射过所述元件，该平面包括所述元件中的至少一个元件和入射光束的方向，由此限定透射光束，以及ii)将偏振取向平行于所述平面的光从元件反射出去，所述平面包括所述元件中的至少一个元件和入射光束的方向，由此限定反射的光束；
c)反射阵列，位于靠近所述偏振光分光器的所述反射或透射的光束中，所述阵列通过有选择地改变所述光束的偏振从而对其上的图像信息进行编码来调制所述光束的偏振，并产生一束已调制的光束，所述阵列被取向为将所述已调制的光束射回所述偏振光分光器；
d)所述分光器还位于所述已调制的光束中并相对于所述已调制的光束取向为一个个角度，并且所述分光器的所述元件的所述排列与所述已调制的光束中的电磁波相互作用，从而大致地i)将偏振取向正交于所述平面的光透射过所述元件，该平面包括元件中的至少一个元件和入射光束的方向，以及ii)将偏振取向平行于所述平面的光从元件反射出去，所述平面包括元件中的至少一个元件和入射光束的方向，并由此限定第二反射光束，从而将未改变的偏振从已调制的光束中分出；以及
e)一屏幕，其位于或第二反射光束或第二透射光束中，用于显示编码的图像信息；以及
f)所述第一和第二透射光束的几何失真小于每英寸约3个波长。
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