專利名稱：改進(jìn)的線格偏振分束器的制作方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及可以工作在可見光譜的分束器，該分束器反射一個(gè)線偏振方向的光和透射其他線偏振方向的光。本發(fā)明具體涉及這樣的分束器，該分束器利用線格偏振器作為工作光學(xué)元件。此外，本發(fā)明涉及在整個(gè)可見光譜內(nèi)獲得理想功能的分束器重要參數(shù)。
2.現(xiàn)有技術(shù)線格偏振器(WGP)一直用于偏振光學(xué)系統(tǒng)，但是沒(méi)有在分束器中得到有效使用。例如，線格偏振器是在紅外和長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)域中得到開發(fā)1。已經(jīng)報(bào)導(dǎo)使用0.115μm精細(xì)線格間隔或周期的結(jié)構(gòu)2。我們已知道可以提高線格偏振器性能的許多概念。例如，Garvin3和Keilmann4提出改進(jìn)工作在紅外波段垂直入射的線格偏振器性能的方法。作為另一個(gè)例子，Tamada5提出利用光柵結(jié)構(gòu)中共振效應(yīng)的概念以制作窄頻帶偏振元件，該偏振元件并不要求光柵間隔遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于入射光的波長(zhǎng)。但工作在寬頻帶的線格偏振器，例如，工作在可見光譜內(nèi)，要求光柵間隔遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于入射光的波長(zhǎng)。Tamada方案的一個(gè)缺點(diǎn)是，他提出的偏振分束器工作在給定的角度和兩個(gè)分光束之間具有給定的強(qiáng)度比。與其他人一樣，Tamada僅討論工作在近乎垂直入射的結(jié)構(gòu)。
文獻(xiàn)中偶爾討論利用大角度入射的紅外線格偏振器的概念。例如，Stenkamp測(cè)量80°入射角下周期為100nm的線格偏振器的透射率。Stenkamp觀察到消光比在波長(zhǎng)為670nm時(shí)增大。然而，Stenkamp6沒(méi)有測(cè)量反射的輻射強(qiáng)度，且這些數(shù)據(jù)僅適用于一個(gè)波長(zhǎng)。作為另一個(gè)例子，Bird7說(shuō)明斜入射效應(yīng)的定性試驗(yàn)，他指出線格的透射率在偏離正入射的30°內(nèi)與斜入射角幾乎無(wú)關(guān)，他的結(jié)果與Pursley8的仔細(xì)分析一致。
光學(xué)手冊(cè)9中指出線格偏振器可用于具有高數(shù)值孔徑的光學(xué)系統(tǒng)。具體地說(shuō)，引用Young10的文獻(xiàn)，在中紅外(12μm)偏振器用于從0°至45°入射角的情況下，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)偏振光百分比的減小，而透射率減小量大于30％(0.55至小于0.40)。
可用于設(shè)計(jì)偏振分束器的重要線格參數(shù)包括周期(p)，線寬(w)，線深或厚度(t)，光柵材料特性(例如，折射率)，基底材料特性(例如，折射率)，入射角，入射輻射的波長(zhǎng)和諸如瑞利共振的光柵共振效應(yīng)。例如，Haggans11研究這些參數(shù)對(duì)從線格反射的光束影響。似乎Haggans的大部分計(jì)算只考慮45°入射角，而不考慮透射率。作為另一個(gè)例子，Schnable12說(shuō)明改變金屬材料不是非常有用的，因?yàn)閮H有少量的例外，其中與某個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的鉻比較可以增大偏振效應(yīng)。
此外，Haidner13描述這樣一種偏振反射式光柵偏振器，該偏振器僅工作在垂直入射和使用一個(gè)波長(zhǎng)(10.6μm)的情況。
我們需要的一種線格偏振分束器是，在整個(gè)可見光譜內(nèi)有很高和均勻的透射效率；在整個(gè)可見光譜內(nèi)有很高和均勻的反射效率；在整個(gè)可見光譜內(nèi)有高透射和/或反射消光比(extinction)；該分束器有大的數(shù)值孔徑，例如，在透射和反射效率和消光比必須保持在一定的光錐內(nèi)；且光錐的錐角在20°至30°的范圍內(nèi)仍工作得很好。為了滿足這些準(zhǔn)則，在整個(gè)可見光譜內(nèi)有均勻性能的實(shí)際設(shè)計(jì)必須考慮和控制光柵共振效應(yīng)，例如，瑞利共振。如以上所指出的，一些參考文獻(xiàn)討論斜入射時(shí)影響線格偏振器性能的某些線格參數(shù)，而其他的參考文獻(xiàn)揭露這些相同參數(shù)所起作用的矛盾。然而，沒(méi)有任何參考文獻(xiàn)把設(shè)計(jì)可見光譜的成像應(yīng)用中線格偏振分束器所需概念放在一起考慮。
為了保證線格偏振分束器的功能達(dá)到理想的程度，重要的概念或物理參數(shù)必然是互相關(guān)聯(lián)和需要集中考慮的，這些參數(shù)包括線格輪廓的結(jié)構(gòu)和形狀；導(dǎo)線或線格元件的高度或厚度；線格相對(duì)于光偏振方向的取向；線格材料；入射角；會(huì)聚度，發(fā)散度或錐角；以及一些現(xiàn)象的效果，例如，瑞利共振。為了獲得有效線格偏振分束器的理想功能必須知道這些概念。
所以，開發(fā)這樣一種利用線格偏振器的分束器是有益的，該分束器在寬頻譜范圍內(nèi)有效地反射一個(gè)偏振方向的光和透射其他偏振方向的光。開發(fā)這樣一種分束器也是有益的，該分束器能夠放置在各種入射角下，因此它不會(huì)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的設(shè)計(jì)約束，而是具有很大的設(shè)計(jì)靈活性。開發(fā)這樣一種分束器也是有益的，該分束器考慮到各種重要的設(shè)計(jì)概念或參數(shù)，例如，線格輪廓，線格輪廓尺寸，線格材料，線格取向，波長(zhǎng)范圍，入射角，錐角，瑞利共振效應(yīng)，等等。開發(fā)這樣一種分束器也是有益的，該分束器具有很大的接收角，它能夠接收相對(duì)發(fā)散的光。
1.H.Herz，Electric Waves(Macmillan and Company，Ltd.，London，1893)P.177；G.R.Bird and M.Parrish，Jr.，“The Wire Grid as aNear-Infrared Polarizer”，J.Opt.Soc.Am.50，pp.886-891，1960。
2.G.J.Sonek，D.K.Wanger，and J.M.Ballantyne，Appl.Opt.22，pp.1270-1272，1983。
3.Garvin，U.S.Pat.4,289,3814.Keilmann，U.S.Pat.5,177,6355.Tamada，U.S.Pat.5,748,368；and H.Tamada，et al.，“Al wire-gridpolarizer using the s-polarization resonance effect at the 0.8μm-wavelength band”，Optics Letters，22，No.6，pp.410-421(1996)6.B.Stenkamp，et al.，“Grid polarizer for the visible spectral region”，SPIE，2213，pp.288-296(1994)7.G.R.Bird and M.Parrish，Jr.，“The Wire Grid as a Near-InfraredPolarizer”，J.Opt.Soc.Am.，50，pp.886-891(1960)8.W.K.Pursley，Doctoral thesis，University of Michigan， (1956)9.Michael Bass，Editor in chief，The Handbook of Optics，VolumeII，p.3.34，McGraw-Hill，Inc.，New York(1995)10.J.B.Young，et al.，Appl.Opt.4，pp.1023-1026(1965)11.C.W.Haggans，et al.，“Lamellar gratings as polarizationcomponents for specularly reflected beams”，J.Mod.Optics，40，pp.675-686(1993)12. B.Schnable，et al.“Study on polarizing visible light bysubwavelength-period metal-stripe gratings”O(jiān)pt.Eng.38(2)，pp.220-276(1999)13.H.Haidner，et al.，“polarizing reflection grating beamsplitter for10.6μm wavelength”，Opt.Eng.，32(8)，1860-1865(1993)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種可以工作在可見光譜內(nèi)的分束器裝置，用于反射一個(gè)偏振方向的可見光和透射其他偏振方向的可見光。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種組合各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)或概念的分束器裝置，例如，線格輪廓，線格尺寸，線格材料，線格取向，波長(zhǎng)范圍，入射角，錐角，和瑞利諧振效應(yīng)，組合這些參數(shù)以提供有效和高效的性能。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供這樣一種分束器裝置，它能夠放置在各種入射角下以增大設(shè)計(jì)的靈活性。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供這樣一種具有大接收角的分束器裝置，它能夠接收相對(duì)大的發(fā)散光。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供這樣一種分束器裝置，它可用于圖像投影系統(tǒng)，光投影系統(tǒng)，和/或顯示系統(tǒng)。
本發(fā)明的這些和其他目的和優(yōu)點(diǎn)是在線格偏振分束器中實(shí)現(xiàn)的，該分束器有大致平行的細(xì)長(zhǎng)元件裝置。該裝置的配置和元件的尺寸適合與源光束電磁波發(fā)生相互作用，用于透射或傳輸一個(gè)偏振方向的光和反射其他偏振方向的光。偏振方向垂直于一個(gè)平面的光被透射，這個(gè)平面包含該元件和入射光束方向，而偏振方向平行于這個(gè)平面的光被反射，這個(gè)平面至少包含該元件和入射光束方向二者之一。
該元件裝置的吞吐量(throughput)最好約大于50％，吞吐量的定義是反射光分?jǐn)?shù)與透射光分?jǐn)?shù)的乘積。此外，該元件裝置的消光比最好約大于50。因此，該元件裝置至少反射一個(gè)偏振方向光的67％和/或至少透射另一個(gè)偏振方向光的67％。此外，該元件裝置的入射角取向最好是在0度至80度之間。
該元件裝置的周期最好約小于0.21μm，而寬度周期比約在0.25至0.76之間。此外，該元件的厚度是在約0.04μm至0.5μm之間。此外，每個(gè)元件有梯形橫截面，兩個(gè)側(cè)邊與底邊形成的夾角是在68度至112度之間。
一種設(shè)計(jì)和制作線格偏振分束器的方法，該分束器可以工作在所需的入射角范圍內(nèi)，且在可見光譜內(nèi)有大致相同的性能和預(yù)定的消光比，該方法包括利用可見光譜的下限首先確定在各種元件厚度下預(yù)定入射角上限和下限的透射效率。選取的其他重要參數(shù)至少包括周期和寬度周期比。在入射角上限和下限的透射效率基本相同的條件下計(jì)算該元件的厚度。在入射角上限和下限所確定元件厚度的條件下計(jì)算消光比。若計(jì)算的性能是可接受的，則這個(gè)設(shè)計(jì)是合適的。若計(jì)算的性能是不可接受的，則在至少改變一個(gè)參數(shù)條件下重復(fù)以上的過(guò)程，直至達(dá)到預(yù)定的消光比?？梢栽谒璺秶鷥?nèi)各種不同入射角和可見光譜內(nèi)各種波長(zhǎng)的條件下確定透射效率。在至少改變一個(gè)參數(shù)的條件下重復(fù)以上的過(guò)程，直至獲得理想的分束器效率且在可見光譜范圍內(nèi)大致相等。
根據(jù)以下的詳細(xì)描述并結(jié)合附圖，本領(lǐng)域的專業(yè)人員可以清楚地知道本發(fā)明的這些和其他特征，優(yōu)點(diǎn)以及其他方面。


圖1是利用本發(fā)明線格偏振分束器的顯示設(shè)備總體工作示意圖。
圖2a是本發(fā)明線格偏振分束器的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的透視圖。
圖2b是本發(fā)明線格偏振分束器的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的橫截面?zhèn)纫晥D。
圖2c是本發(fā)明線格偏振分束器的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的橫截面?zhèn)纫晥D。
圖2d是本發(fā)明線格偏振分束器的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的橫截面?zhèn)纫晥D。
圖3a是在波長(zhǎng)為450nm，550nm，和650nm的條件下S偏振光反射和P偏振光透射的效率作為線格周期函數(shù)的曲線圖。
圖3b是在波長(zhǎng)為450nm，550nm，和650nm的條件下線格分束器的吞吐量(RsTp)效率作為線格周期函數(shù)的曲線圖。
圖3c是在波長(zhǎng)為450nm，550nm，和650nm的條件下線格偏振器的消光比作為線格周期函數(shù)的曲線圖。
圖3d在入射角為0°，30°，45°，和60°的條件下發(fā)生瑞利共振的波長(zhǎng)作為線格周期函數(shù)的曲線圖。
圖3e是基于瑞利共振開始的最大有用周期作為入射角函數(shù)的曲線圖。
圖4a是在波長(zhǎng)為450nm，550nm，和650nm的條件下P偏振光透射和S偏振光反射的效率作為線格元件高度函數(shù)的曲線圖。
圖4b是吞吐量(RsTp)作為線格元件高度函數(shù)的曲線圖。
圖4c是線格偏振器的消光比作為線格元件高度函數(shù)的曲線圖。
圖5a是在波長(zhǎng)為450nm，550nm，和650nm的條件下S偏振光反射率和P偏振光透射率作為寬度周期比或線-空間比函數(shù)的曲線圖。
圖5b是在波長(zhǎng)為450nm，550nm，和650nm的條件下吞吐量(RsTp)作為寬度周期比或線-空間比函數(shù)的曲線圖。
圖5c是在波長(zhǎng)為450nm，550nm，和650nm的條件下消光比作為寬度周期比或線-空間比函數(shù)的曲線圖。
圖6a是吞吐量(RsTp)作為具有梯形線格元件的線格偏振器波長(zhǎng)函數(shù)的曲線圖。
圖6b是消光比作為具有梯形線格元件的線格偏振器波長(zhǎng)函數(shù)的曲線圖。
圖7a是在波長(zhǎng)為450nm，550nm，和650nm的條件下吞吐量(RsTp)作為線格元件頂角半徑函數(shù)的曲線圖。
圖7b是在波長(zhǎng)為450nm，550nm，和650nm的條件下消光比作為元件頂角半徑函數(shù)的曲線圖。
圖7c是吞吐量(RsTp)作為具有正弦形橫截面元件的線格波長(zhǎng)函數(shù)的曲線圖。
圖7d是消光比作為具有正弦形橫截面元件的線格波長(zhǎng)函數(shù)的曲線圖。
圖8a是在入射角為30°和60°的條件下P偏振光透射率作為線格元件高度函數(shù)的曲線圖。
圖8b是在入射角為30°和60°的條件下透射消光比作為線格元件高度函數(shù)的曲線圖。
圖8c是在入射角為30°和60°的條件下P偏振光透射率作為線格元件高度函數(shù)的曲線圖。
圖8d是在入射角為30°和60°的條件下透射消光比作為線格元件高度函數(shù)的曲線圖。
圖8e是優(yōu)化設(shè)計(jì)的P偏振透射率的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參照各個(gè)附圖，在這些附圖中對(duì)本發(fā)明各個(gè)元件給出數(shù)字標(biāo)識(shí)并討論本發(fā)明的內(nèi)容，從而使本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員可以利用本發(fā)明。
線格偏振分束器的優(yōu)選實(shí)施例適用于圖1所示的光學(xué)系統(tǒng)。如圖1所示，標(biāo)識(shí)為10的圖像投影系統(tǒng)的顯示光學(xué)系統(tǒng)有線格偏振器作為標(biāo)識(shí)為14的分束器。圖像投影系統(tǒng)10可以包括光源20，聚光器22，線格偏振分束器14，光投影系統(tǒng)24，和某種類型的顯示屏25，圖像發(fā)生液晶陣列或光閥26，和成像或中繼光學(xué)系統(tǒng)27。當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)明白，包含線格偏振分束器的其他裝置也是可能的。
對(duì)于圖1所示的光學(xué)系統(tǒng)，線格PBS 14對(duì)來(lái)自光源20的所需偏振方向必須有高的反射率(Rs)，例如，s偏振方向；而對(duì)在來(lái)自液晶陣列26的相對(duì)立偏振方向必須有高的透射率(Tp)，例如，p偏振方向。光學(xué)系統(tǒng)的效率正比于這兩個(gè)量Rs與Tp的乘積，因此，一個(gè)因子的不足在某種程度上可以用另一個(gè)因子補(bǔ)償，其目標(biāo)是產(chǎn)生可能的最大乘積RsTp。在以下的討論中，術(shù)語(yǔ)吞吐量用于表示乘積RsTp。
另一個(gè)重要的性能因子是圖像對(duì)比度，它定義為亮像素強(qiáng)度與暗像素強(qiáng)度之比率。這在很大程度上是受不需要偏振方向低泄漏的控制，但在此情況下，反射消光比與透射消光比的乘積不是重要的參數(shù)，因?yàn)閳D像發(fā)生陣列26也參與圖像對(duì)比度的產(chǎn)生，該陣列的依次排列是在第一次遇到分束器14之后但在第二次遇到分束器14之前。所以，最終的系統(tǒng)對(duì)比度取決于光閥性能和偏振器消光比。我們發(fā)現(xiàn)，反射和透射消光比為50是諸如圖1系統(tǒng)的合理有用的最小值，它沒(méi)有附加的偏振器元件。
分束器14可以完成兩個(gè)不同的功能。第一個(gè)功能是在入射到液晶陣列26或其他合適圖像發(fā)生裝置之前制備偏振光。此時(shí)要求光具有足夠好的偏振性，因此，光閥26引起的光束偏振方向變化可以被分束器14正確地檢測(cè)或分析，所以，最終的圖像滿足理想的性能水平。類似地，分束器14的第二個(gè)功能是分析被光閥26引導(dǎo)回分束器14的光，因此，獲得理想的系統(tǒng)對(duì)比度性能。
所以，這個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的線格偏振分束器14設(shè)計(jì)成使吞吐量(RsTp)最大，而同時(shí)對(duì)反射光束R和透射光束T提供所需的偏振消光比。這里有幾個(gè)本發(fā)明的重要參數(shù)或物理特性，它們對(duì)于獲得這種理想性能水平是至關(guān)重要的，以下參照?qǐng)D2a和2b描述這些參數(shù)。
參照?qǐng)D2a和2b，偏振分束器14有放置在基底40上的線格30，即，平行導(dǎo)體元件陣列。偏振分束器14放置在光束中，使該光束以入射角θ入射到線格上。線格分束器14的重要物理參數(shù)包括線格30的周期p，線格元件30的高度或厚度t，線格元件30的寬度w，和線格元件側(cè)邊的斜率α，這些物理參數(shù)必須作為整體給予優(yōu)化以獲得所需的性能水平。
除了制作這些尺寸之間具有合適關(guān)系的細(xì)長(zhǎng)元件陣列以外，重要的是構(gòu)成具有合適光學(xué)特性的合適材料元件。對(duì)于必須工作在整個(gè)可見光譜的分束器，最好的材料是鋁或銀。所用的鋁或銀具有最佳光學(xué)質(zhì)量是很重要的。必須非常小心制備鋁或銀，使它具有大致類似于Palik手冊(cè)中列出的光學(xué)質(zhì)量(例如，光學(xué)常數(shù)n和k)，Handbook ofOptical Constants of Solids，Part I，Edward D.Palik，Ed.，1985，pp.350-357和369-406，Palik中引用的原始數(shù)據(jù)或類似的數(shù)據(jù)表格。例如，銀的理想光學(xué)常數(shù)是，若波長(zhǎng)為459.2nm，則n＝0.144和k＝2.56；若波長(zhǎng)為563.6nm，則n＝0.120和k＝3.45；和若波長(zhǎng)為652.6nm，則n＝0.140和k＝4.15。類似地，鋁的合適數(shù)值是，若波長(zhǎng)為450nm，則n＝0.618和k＝5.47；若波長(zhǎng)為550nm，則n＝0.958和k＝6.69；和若波長(zhǎng)為650nm，則n＝1.47和k＝7.79。我們發(fā)現(xiàn)鋁的性能優(yōu)于銀的性能，因?yàn)殇X有很高的k值。特別是，我們發(fā)現(xiàn)，若所用鋁的n或k或二者的值不超過(guò)以上這些值的約50％，則會(huì)大大增加制作具有合適功能分束器的困難。若我們使用銀，則它的n或k或二者的值必須大于上述值的約80％。
在研究圖2b時(shí)注意到，線格元件30的整體橫截面是梯形或矩形。這種整體形狀也是這個(gè)優(yōu)選實(shí)施例偏振分束器14的特征，但允許在制造過(guò)程中引起的自然細(xì)微變化，例如，線格元件30頂部有圓角50，和線格元件30底部有倒角54。
應(yīng)當(dāng)注意，線格元件側(cè)邊的斜率可以是不同的，因?yàn)槔镁€格元件30左側(cè)和右側(cè)引入的不同斜率，使線格結(jié)構(gòu)中引入的各向異性有助于調(diào)諧線格元件30的角度性能。然而，這似乎是一種輔助效應(yīng)。
或者，線格元件30的整體橫截面可以是圖2c所示的光滑曲線，或圖2d所示的正弦形。例如，線格元件30的橫截面可以類似于部分的正弦曲線，如圖2d所示。在元件底部進(jìn)行充分加工制成大的倒角，可以制作這種曲線形狀或正弦形狀的橫截面。作為另一個(gè)例子，元件的頂部可以是大范圍的曲線形狀或充分加工制成大圓角，如圖2c所示。
還應(yīng)當(dāng)注意，線格30的周期p必須是有規(guī)則的，為的是獲得所需的光譜反射性能以滿足這個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中分束器14的成像保真度要求。雖然，最好是完全規(guī)則和均勻的線格30，但在對(duì)形狀沒(méi)有嚴(yán)格要求的一些應(yīng)用中可以有所放松。然而，我們相信，在圖像的有意義部分，例如，紋理顯示中單個(gè)字符的尺寸，或圖像中的少量像素，要求周期p的變化小于10％以獲得所需的性能。當(dāng)然，線格偏振分束器的非成像應(yīng)用對(duì)于周期p的變化可以有較大的容差。
類似地，分束器14中其他上述參數(shù)的合理變化，例如，線格元件30的寬度w，線格元件高度t，側(cè)邊斜率α，或甚至圓角50的RC，和倒角54的RF，在沒(méi)有根本影響顯示性能的條件下也是可能的，特別是，分束器14不是在圖像面上，通常也是這樣一種情況。這些變化在制成的分束器14中甚至是可見的，例如，條紋，透射效率，反射效率，色均勻度的變化，等等，這些變化仍能提供特殊應(yīng)用的有用部分。
在滿足應(yīng)用中對(duì)比度要求的同時(shí)，優(yōu)化這些參數(shù)達(dá)到的設(shè)計(jì)目標(biāo)是產(chǎn)生盡可能最佳的吞吐量RsTp。如上所述，偏振分束器14所要求的最小消光比的數(shù)值約為50。我們發(fā)現(xiàn)，分束器14中得到有價(jià)值乘積的最小要求吞吐量(RsTp)約為50％，這意味著，Rs或Tp或二者必須超過(guò)67％。當(dāng)然，分束器的吞吐量和消光比都具有高性能是有價(jià)值的，它可以給出較好的結(jié)果。為了知道這些參數(shù)是如何影響線格分束器的性能，需要研究每個(gè)參數(shù)產(chǎn)生的性能變化。
參照?qǐng)D3a-3e，其中展示線格分束器14的性能與周期p之間的關(guān)系。格柵是由鋁線格元件構(gòu)成，其光學(xué)常數(shù)取自Paliks手冊(cè)中BK7玻璃基底。每個(gè)鋁線格元件的高度或厚度t為1,000，即，100nm。入射角θ為30°，線寬周期比為0.45。圖3a表示在波長(zhǎng)為450nm，550nm，和650nm的條件下S偏振光反射效率和P偏振光透射效率作為格柵周期p的函數(shù)。
圖3b表示在波長(zhǎng)為450nm，550nm，和650nm的條件下吞吐量(RsTp)效率作為周期p的函數(shù)。圖3b中顯示的數(shù)據(jù)指出，周期p可以高達(dá)0.21μm，其吞吐量仍然有50％。
圖3c給出消光比作為周期p的函數(shù)。在最差的情況下，即，波長(zhǎng)λ＝450nm，在周期p等于0.21μm時(shí)，消光比大于100。
圖3d表示瑞利波長(zhǎng)作為周期p的函數(shù)，瑞利波長(zhǎng)是發(fā)生格柵共振的波長(zhǎng)(λ＝p[ns±sinθ]，其中ns＝1.525)。同樣在入射角θ為30°和波長(zhǎng)λ＝450nm，的情況下，線格周期p可以等于0.21μm。
圖3e表示可允許的周期p作為入射角θ的函數(shù)。在波長(zhǎng)為450nm的入射角條件下，最大有用周期是基于瑞利共振的開始。該曲線指出，在周期為0.21μm或更短的條件下，線格偏振器可以工作在大的入射角。
所以，圖3a-3e指出，上述參數(shù)規(guī)定的線格偏振器必須有小于0.21μm的周期p，以便在整個(gè)可見光譜內(nèi)產(chǎn)生具有合理性能的分束器。當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)明白，較大線格周期的分束器可用于顯示小于全部可見光譜的系統(tǒng)，例如，僅僅有紅光，紅綠光等的系統(tǒng)。
現(xiàn)在參照?qǐng)D4a-4c，其中展示線格分束器性能與元件高度或厚度t之間的關(guān)系。偏振器是鋁線格元件陣列，其光學(xué)特性取自Paliks手冊(cè)中BK7玻璃基底。周期為0.15μm，線-空間比為0.5，和入射角θ為60°。圖4a表示在波長(zhǎng)為450nm，550nm，和650nm的條件下S偏振光反射效率和P偏振光透射效率作為元件高度或厚度t的函數(shù)。薄膜效應(yīng)在圖4a中是很明顯的，但是對(duì)于所有實(shí)際的元件高度，即，200至0.5μm以上，P偏振光透射效率保持在大于60％。當(dāng)然，對(duì)于非鋁的不同光學(xué)特性材料，可以有不同的結(jié)果。
圖4b表示在波長(zhǎng)為450nm，550nm，和650nm的條件下吞吐量作為元件高度或厚度t的函數(shù)。對(duì)于所有在200至0.5μm之間的實(shí)際元件高度，即，20nm至500nm，吞吐量大于50％。
圖4c表示在波長(zhǎng)為450nm，550nm，和650nm的條件下消光比作為元件高度的函數(shù)。消光比為50要求元件高度t至少為500，即，50nm。
所以，圖4a-4c指出線格元件高度t必須落在500與0.5μm之間以提供所需的性能。
現(xiàn)在參照?qǐng)D5a-5c，其中展示線格分束器14的性能與線-空間比之間的關(guān)系。偏振器是鋁線格元件陣列，其光學(xué)特性取自Paliks手冊(cè)中BK7玻璃基底。周期為0.16μm，鋁元件高度t為0.13μm，并且入射角θ為60°。
圖5a表示在波長(zhǎng)為450nm，550nm，和650nm的條件下S偏振方向反射效率和P偏振方向透射效率作為線寬周期比(w/p)的函數(shù)。對(duì)于在0.16與0.76之間的線-空間比，P透射效率保持高值。
圖5b表示在波長(zhǎng)為450nm，550nm，和650nm的條件下吞吐量作為線寬周期比的函數(shù)。對(duì)于在0.16與0.76之間的線寬周期比，獲得良好的吞吐量性能。
圖5c給出在波長(zhǎng)為450nm，550nm，和650nm的條件下消光比作為線寬周期比的函數(shù)。在整個(gè)可見光譜范圍內(nèi)消光比為50要求線寬周期比至少是0.25。當(dāng)然，僅用于較長(zhǎng)波長(zhǎng)范圍內(nèi)(紅光，紅綠光)的分束器可以要求線寬周期比小于0.20。
所以，圖5a-5c指出線寬周期比(w/p)必須落在0.25與0.76之間的范圍內(nèi)以提供所需的性能。
現(xiàn)在參照?qǐng)D6a-6b，其中展示線格分束器14與元件橫截面形狀之間的關(guān)系，即，橫截面形狀為梯形。這些附圖中表示的偏振器是鋁線格元件陣列，其光學(xué)特性取自Paliks手冊(cè)中BK7玻璃基底。周期為0.16μm，入射角θ為45°，梯形元件的高度t為1,000。梯形線格元件的橫截面積與矩形線格元件的相同，其線-空間比為0.45。
圖6a表示線格陣列的吞吐量作為波長(zhǎng)λ的函數(shù)，該陣列是由梯形橫截面的元件構(gòu)成，其側(cè)壁與基底之間的夾角為68°。大于50％的吞吐量發(fā)生在大于或等于415nm的所有波長(zhǎng)。
圖6b給出線格陣列的消光比作為波長(zhǎng)λ的函數(shù)，該陣列是由梯形橫截面的元件構(gòu)成，其側(cè)壁與基底之間的夾角為68°。在大于或等于390nm的所有波長(zhǎng)下，其消光比大于50。
所以，如圖6a和6b所示，具有梯形橫截面和坡度角為68°的線格元件提供所需的性能。根據(jù)圖6a和6b所示，坡度角從112°開始經(jīng)過(guò)90°直到到68°基本上不會(huì)使性能下降。
現(xiàn)在參照?qǐng)D7a-7b，其中展示線格分束器14的性能與圓角50的半徑rc之間的關(guān)系。偏振器是鋁線格元件陣列，其光學(xué)特性取自Paliks手冊(cè)中1737F玻璃基底。周期為0.16μm，鋁元件高度t為0.115μm，和入射角θ為45°。
圖7a表示在波長(zhǎng)為450nm，550nm，和650nm的條件下吞吐量(RsTp)作為角半徑的函數(shù)。在所有的半徑下獲得良好的吞吐量性能，即，大于50％。
圖7b表示在波長(zhǎng)為450nm，550nm，和650nm的條件下消光比作為角半徑的函數(shù)。對(duì)于所有的角半徑，大于100的消光比是可能的。
現(xiàn)在參照?qǐng)D7c-7d，其中展示線格分束器14的性能與元件橫截面形狀之間的關(guān)系，即，橫截面形狀為正弦形。偏振器是鋁線格元件陣列，其光學(xué)特性取自Paliks手冊(cè)中BK7玻璃基底。線格元件有正弦形橫截面，其高度t為0.15μm。其他參數(shù)與圖7a和7b中使用的參數(shù)相同。
圖7c表示在正弦形橫截面條件下吞吐量(RsTp)作為波長(zhǎng)的函數(shù)。在波長(zhǎng)大于400nm的情況下，可以獲得良好的吞吐量性能，即，大于50％。
圖7d表示在正弦形橫截面條件下消光比作為波長(zhǎng)的函數(shù)。在波長(zhǎng)大于400nm的情況下，消光比大于50是可能的。
所以，圖7a-7d說(shuō)明線格元件的角可以是圓的，必要時(shí)或?yàn)榱吮阌谥圃欤€格元件的角甚至可以正弦形的。
以上的信息從廣義上規(guī)定線格偏振分束器14中全部參數(shù)的要求范圍，但是它沒(méi)有說(shuō)明共同選取這些參數(shù)以獲得理想分束器性能的方法。我們關(guān)心的問(wèn)題是平衡各個(gè)角度下的性能，各個(gè)角度下的透射率，各個(gè)角度下的消光比，等等。除了以上給出的寬范圍之外，在具體的應(yīng)用中從規(guī)定的范圍內(nèi)選取合適的具體參數(shù)，以及確定一些如何選取這些參數(shù)的通用規(guī)則也是很重要的。
現(xiàn)在參照?qǐng)D8a-8d，我們說(shuō)明一個(gè)設(shè)計(jì)例子。其目的是制作這樣一種線格偏振分束器，該分束器可以工作在入射角θ從30°至60°的范圍內(nèi)，在可見光波長(zhǎng)450nm至650nm的范圍內(nèi)有大致平坦的響應(yīng)，消光比至少為200，而效率或吞吐量至少為70％。設(shè)計(jì)是利用迭代方法完成的。首先，利用波長(zhǎng)450nm，計(jì)算入射角為30°和60°的條件下P-透射率作為線格元件高度t的函數(shù)。450nm的短波長(zhǎng)給出最壞的情況，而長(zhǎng)波長(zhǎng)給出較好的結(jié)果。根據(jù)圖5b可以清楚地知道，選擇寬度周期比為0.5接近于最佳值，而在實(shí)際考慮到諸如成本和產(chǎn)量的其他問(wèn)題時(shí)周期應(yīng)當(dāng)是小的。把兩個(gè)計(jì)算結(jié)果畫在相同的圖上。在兩條曲線相交處找到線格元件高度t值?，F(xiàn)在計(jì)算兩個(gè)角度下消光比作為線格元件高度t的函數(shù)，在相交高度t處找到消光比。若性能不能令人滿意，則改變其中一個(gè)重要參數(shù)，重復(fù)以上設(shè)計(jì)過(guò)程。為了找到最佳的設(shè)計(jì)，可以計(jì)算響應(yīng)表面方法，例如，A.I.Khuri and J.A.Cornell，Response SurfacesDesign and Analysis，2ndEd.，Marcel Dekker Inc.，NY 1996中所描述的方法。若消光比性能是令人滿意的，則計(jì)算450nm，550nm，和650nm的三種不同波長(zhǎng)下P透射率作為入射角θ的函數(shù)。若透射率是在80％左右且曲線在規(guī)定的角度范圍內(nèi)相當(dāng)?shù)仄教?，則設(shè)計(jì)就完成了。
例如，圖8a表示P透射率作為偏振器中線格元件高度t的函數(shù)，偏振器是鋁線格元件陣列，其光學(xué)特性取自Paliks手冊(cè)中BK7玻璃基底。線格周期為0.16μm，線寬周期比為0.45，入射角θ為30°和60°，波長(zhǎng)λ為450nm。相交值約0.09μm。
圖8b表示在這些參數(shù)條件下消光比作為線格元件高度t的函數(shù)。在相交值為0.09μm的情況下，入射角θ為30°和60°的消光比分別是86和161。因此，其性能是不能令人滿意的。采用線-空間比為0.50重復(fù)該過(guò)程。
除了線-空間比改變成0.50之外，圖8c與圖8a的相同?，F(xiàn)在相交值約為0.10μm。
圖8d表示在圖8c中所用參數(shù)的條件下消光比作為線格元件高度t的函數(shù)。在相交值為0.10μm的情況下，入射角θ為30°和60°的消光比分別是258和484。因此，偏振器的性能是令人滿意的。利用與圖8c和8d中的相同參數(shù)，和線格元件高度t為0.100μm，現(xiàn)在通過(guò)計(jì)算波長(zhǎng)為450nm，550nm，和650nm的條件下P透射率作為入射角θ的函數(shù)檢查該結(jié)果，如圖8e所示。在波長(zhǎng)為450nm的條件下，透射率在整個(gè)角度范圍內(nèi)是平坦的；而在波長(zhǎng)為550nm和650nm的條件下，透射率從30°時(shí)的80％上升到60°時(shí)的88％。
雖然沒(méi)有畫出效率，但效率是隨角度的增大而上升。因此，參照?qǐng)D8a-8e，展示線格偏振器在可見光譜范圍內(nèi)具有良好性能的設(shè)計(jì)方法。
應(yīng)當(dāng)明白，我們描述的本發(fā)明實(shí)施例僅僅用于說(shuō)明，本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員可以對(duì)它作各種改動(dòng)。例如，在基底上包括光功率的線格分束器，從而使線格分束器與其他元件進(jìn)行組合以縮減需要的光學(xué)元件數(shù)目，減輕系統(tǒng)重量，減輕系統(tǒng)體積，或獲得其他所需的功能。本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員當(dāng)然還可以作其他的改動(dòng)，通過(guò)本發(fā)明獲得比現(xiàn)有技術(shù)更大的設(shè)計(jì)靈活性。因此，本發(fā)明不應(yīng)當(dāng)局限于所公開的幾個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明僅僅受所附權(quán)利要求書所規(guī)定的限制。
權(quán)利要求
1. 一種線格偏振分束器，用于有效地反射一個(gè)偏振方向的可見光和透射其他偏振方向的可見光，該分束器包括放置在可見光中大致平行的細(xì)長(zhǎng)元件裝置，該裝置的配置和元件的尺寸適合與源光束電磁波發(fā)生相互作用，(i)基本透射偏振方向垂直于一個(gè)平面的光，這個(gè)平面至少包含該元件和入射光束方向二者之一，和(ii)基本反射偏振方向在這個(gè)平面的光，這個(gè)平面至少包含該元件和入射光束方向二者之一；和其中元件裝置的吞吐量約大于50％，吞吐量的定義是一個(gè)偏振方向反射光的分?jǐn)?shù)量相對(duì)于反射光總量與另一個(gè)偏振方向透射光的分?jǐn)?shù)量相對(duì)于透射光總量的乘積；和其中元件裝置在反射方向和透射方向的消光比都約大于50。
2.按照權(quán)利要求1的分束器，其中元件裝置至少反射一個(gè)偏振方向光的67％。
3.按照權(quán)利要求1的分束器，其中元件裝置至少透射一個(gè)偏振方向光的67％。
4.按照權(quán)利要求1的分束器，其中元件裝置的入射角取向約在0度至80度之間。
5.按照權(quán)利要求1的分束器，其中元件裝置的周期約小于0.21μm。
6.按照權(quán)利要求1的分束器，其中元件的厚度約在0.05μm至0.5μm之間。
7.按照權(quán)利要求1的分束器，其中元件的寬度周期比約在0.25至0.76之間。
8.按照權(quán)利要求1的分束器，其中每個(gè)元件有梯形橫截面，梯形橫截面有底邊，與底邊相對(duì)的頂部，和相對(duì)的左右側(cè)邊；和其中兩個(gè)側(cè)邊與底邊形成的夾角約在68度至112度之間。
9.按照權(quán)利要求1的分束器，其中每個(gè)元件有梯形橫截面，梯形橫截面有底邊，與底邊相對(duì)的頂部，和相對(duì)的左右側(cè)邊；和其中兩個(gè)側(cè)邊與底邊形成不同的夾角。
10.按照權(quán)利要求1的分束器，其中每個(gè)元件有圓形頂部。
11.按照權(quán)利要求1的分束器，其中每個(gè)元件有正弦形橫截面。
12.按照權(quán)利要求1的分束器，其中各個(gè)元件是由光學(xué)常數(shù)為n的鋁制成，若波長(zhǎng)為450nm，則n約大于50％的0.618；若波長(zhǎng)為550nm，則n約大于50％的0.958；和若波長(zhǎng)為650nm，則n約大于50％的1.47。
13.按照權(quán)利要求1的分束器，其中各個(gè)元件是由光學(xué)常數(shù)為k的鋁制成，若波長(zhǎng)為450nm，則k約大于50％的5.47；若波長(zhǎng)為550nm，則k約大于50％的6.69；和若波長(zhǎng)為650nm，則k約大于50％的7.79。
14.按照權(quán)利要求1的分束器，其中各個(gè)元件是由光學(xué)常數(shù)為n的銀制成，若波長(zhǎng)為459.2nm，則n約大于80％的0.144；若波長(zhǎng)為563.6nm，則n約大于80％的0.120；和若波長(zhǎng)為652.6nm，則n約大于80％的0.140。
15.按照權(quán)利要求1的分束器，其中各個(gè)元件是由光學(xué)常數(shù)為k的銀制成，若波長(zhǎng)為459.2nm，則k約大于80％的2.56；若波長(zhǎng)為563.6nm，則k約大于80％的3.45；和若波長(zhǎng)為652.6nm，則k約大于80％的4.15。
16.一種線格偏振分束器，用于有效地反射一個(gè)偏振方向可見光和透射其他偏振方向可見光，該分束器包括放置在可見光中大致平行的細(xì)長(zhǎng)元件裝置，該裝置的配置和元件的尺寸適合與源光束電磁波發(fā)生相互作用，(i)基本透射偏振方向垂直于一個(gè)平面的光，這個(gè)平面至少包含該元件和入射光束方向二者之一，和(ii)基本反射偏振方向在這個(gè)平面的光，這個(gè)平面至少包含該元件和入射光束方向二者之一；和其中元件裝置的吞吐量約大于50％，吞吐量的定義是一個(gè)偏振方向反射光的分?jǐn)?shù)量相對(duì)于反射光總量與另一個(gè)偏振方向透射光的分?jǐn)?shù)量相對(duì)于透射光總量的乘積；其中元件裝置的消光比約大于50；和其中元件裝置的周期約小于0.21μm。
17.按照權(quán)利要求16的分束器，其中元件的厚度約在0.05μm至0.5μm之間。
18.按照權(quán)利要求16的分束器，其中元件的寬度周期比約在0.25至0.76之間。
19.按照權(quán)利要求16的分束器，其中元件裝置至少反射一個(gè)偏振方向光的67％。
20.按照權(quán)利要求16的分束器，其中元件裝置至少透射一個(gè)偏振方向光的67％。
21.按照權(quán)利要求16的分束器，其中元件裝置的入射角取向約在0度至80度之間。
22.按照權(quán)利要求16的分束器，其中每個(gè)元件有梯形橫截面，梯形橫截面有底邊，與底邊相對(duì)的頂部，和相對(duì)的左右側(cè)邊；和其中兩個(gè)側(cè)邊與底邊形成的夾角約在68度至112度之間。
23.按照權(quán)利要求16的分束器，其中每個(gè)元件有梯形橫截面，梯形橫截面有底邊，與底邊相對(duì)的頂部，和相對(duì)的左右側(cè)邊；和其中兩個(gè)側(cè)邊與底邊形成不同的夾角。
24.按照權(quán)利要求16的分束器，其中每個(gè)元件有圓形頂部。
25.按照權(quán)利要求16的分束器，其中每個(gè)元件有正弦形橫截面。
26.按照權(quán)利要求16的分束器，其中各個(gè)元件是由光學(xué)常數(shù)為n的鋁制成，若波長(zhǎng)為450nm，則n約大于50％的0.618；若波長(zhǎng)為550nm，則n約大于50％的0.958；和若波長(zhǎng)為650nm，則n約大于50％的1.47。
27.按照權(quán)利要求16的分束器，其中各個(gè)元件是由光學(xué)常數(shù)為k的鋁制成，若波長(zhǎng)為450nm，則k約大于50％的5.47；若波長(zhǎng)為550nm，則k約大于50％的6.69；和若波長(zhǎng)為650nm，則k約大于50％的7.79。
28.按照權(quán)利要求16的分束器，其中各個(gè)元件是由光學(xué)常數(shù)為n和k的銀制成；其中若波長(zhǎng)為459.2nm，則n約大于80％的0.144；若波長(zhǎng)為563.6nm，則n約大于80％的0.120；和若波長(zhǎng)為652.6nm，則n約大于80％的0.140；以及其中若波長(zhǎng)為459.2nm，則k約大于80％的2.56；若波長(zhǎng)為563.6nm，則k約大于80％的3.45；和若波長(zhǎng)為652.6nm，則k約大于80％的4.15。
29.一種線格偏振分束器，用于有效地反射一個(gè)偏振方向的可見光和透射其他偏振方向的可見光，該分束器包括光源，用于發(fā)射波長(zhǎng)約在0.4μm至0.7μm之間范圍內(nèi)的源光束；放置在源光束中大致平行的細(xì)長(zhǎng)元件裝置，該裝置的配置和元件的尺寸適合與源光束電磁波發(fā)生相互作用，(i)基本透射偏振方向垂直于一個(gè)平面的光，這個(gè)平面至少包含該元件和入射光束方向二者之一，和(ii)基本反射偏振方向在這個(gè)平面的光，這個(gè)平面至少包含該元件和入射光束方向二者之一；和其中元件裝置的周期約小于0.21μm；其中元件的厚度約在0.05μm至0.5μm之間；和其中元件的寬度周期比約在0.25至0.76之間。
30.按照權(quán)利要求29的分束器，其中元件裝置的吞吐量約大于50％，吞吐量的定義是一個(gè)偏振方向反射光的百分比分?jǐn)?shù)量相對(duì)于反射光總量與另一個(gè)偏振方向透射光的分?jǐn)?shù)量相對(duì)于透射光總量；和其中元件裝置的消光比約大于50。
31.按照權(quán)利要求29的分束器，其中元件裝置至少反射一個(gè)偏振方向光的67％。
32.按照權(quán)利要求29的分束器，其中元件裝置至少透射一個(gè)偏振方向光的67％。
33.按照權(quán)利要求29的分束器，其中元件裝置的入射角取向約在0度至80度之間。
34.按照權(quán)利要求29的分束器，其中每個(gè)元件有梯形橫截面，梯形橫截面有底邊，與底邊相對(duì)的頂部，和相對(duì)的左右側(cè)邊；和其中兩個(gè)側(cè)邊與底邊形成的夾角約在68度至112度之間。
35.按照權(quán)利要求29的分束器，其中每個(gè)元件有梯形橫截面，梯形有底邊，與底邊相對(duì)的頂部，和相對(duì)的左右側(cè)邊；和其中兩個(gè)側(cè)邊與底邊形成不同的夾角。
36.按照權(quán)利要求29的分束器，其中每個(gè)元件有圓形頂部。
37.按照權(quán)利要求29的分束器，其中每個(gè)元件有正弦形橫截面。
38.按照權(quán)利要求29的分束器，其中各個(gè)元件是由光學(xué)常數(shù)為n和k的鋁制成；若波長(zhǎng)為450nm，則n約大于50％的0.618；若波長(zhǎng)為550nm，則n約大于50％的0.958；和若波長(zhǎng)為650nm，則n約大于50％的1.47；以及其中若波長(zhǎng)為450nm，則k約大于50％的5.47；若波長(zhǎng)為550nm，則k約大于50％的6.69；和若波長(zhǎng)為650nm，則k約大于50％的7.79。
39.按照權(quán)利要求29的分束器，其中各個(gè)元件是由光學(xué)常數(shù)為n的銀制成；若波長(zhǎng)為459.2nm，則n約大于80％的0.144；若波長(zhǎng)為563.6nm，則n約大于80％的0.120；和若波長(zhǎng)為652.6nm，則k約大于80％的0.140。
40.按照權(quán)利要求29的分束器，其中各個(gè)元件是由光學(xué)常數(shù)為k的銀制成；若波長(zhǎng)為459.2nm，則k約大于80％的2.56；若波長(zhǎng)為563.6nm，則k約大于80％的3.45；和若波長(zhǎng)為652.6nm，則k約大于80％的4.15。
41.一種設(shè)計(jì)線格偏振分束器的方法，該分束器可以工作在所需的入射角范圍內(nèi)和在可見光譜內(nèi)有大致相同的性能，且有預(yù)定的消光比，該方法包括利用可見光譜的下限確定各種元件厚度下預(yù)定入射角上限和下限的透射效率；選取至少包括周期和寬度周期比的其他參數(shù)；確定入射角上限和下限的透射效率是相同的元件厚度；確定入射角上限和下限時(shí)所確定元件厚度的消光比；和在至少改變一個(gè)參數(shù)的條件下重復(fù)以上的步驟，直至達(dá)到預(yù)定的消光比。
42.按照權(quán)利要求41的方法，還包括確定所需范圍內(nèi)各種不同入射角和可見光譜范圍各種波長(zhǎng)的透射效率；和在至少改變一個(gè)參數(shù)的條件下重復(fù)以上的步驟，直至透射效率至少為80％且在可見光譜內(nèi)大致相等。
全文摘要
線格偏振分束器(14)在基底(40)上有大致平行的細(xì)長(zhǎng)元件(30)裝置,該分束器與源光束電磁波發(fā)生相互作用,基本透射或傳輸一個(gè)偏振方向的光和反射另一個(gè)偏振方向的光。該元件裝置的吞吐量約大于50%,而消光比約大于100。此外,該元件裝置的周期約小于0.21μm,而寬度(w)周期(p)比約在0.25至0.76之間。元件的厚度約在0.05μm至0.5μm之間。
文檔編號(hào)G02B5/30GK1378654SQ00813907
公開日2002年11月6日 申請(qǐng)日期2000年9月7日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月7日
發(fā)明者道格拉斯·P·漢森, 雷蒙德·T·帕金斯, 埃里克·加德納爾 申請(qǐng)人:莫科斯泰克公司