CN1378654A - 改进的线格偏振分束器 - Google Patents

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Abstract

线格偏振分束器(14)在基底(40)上有大致平行的细长元件(30)装置,该分束器与源光束电磁波发生相互作用,基本透射或传输一个偏振方向的光和反射另一个偏振方向的光。该元件装置的吞吐量约大于50%,而消光比约大于100。此外,该元件装置的周期约小于0.21μm,而宽度(w)周期(p)比约在0.25至0.76之间。元件的厚度约在0.05μm至0.5μm之间。

Description

改进的线格偏振分束器
发明背景
1.发明领域
本发明涉及可以工作在可见光谱的分束器，该分束器反射一个线偏振方向的光和透射其他线偏振方向的光。本发明具体涉及这样的分束器，该分束器利用线格偏振器作为工作光学元件。此外，本发明涉及在整个可见光谱内获得理想功能的分束器重要参数。
2.现有技术
线格偏振器(WGP)一直用于偏振光学系统，但是没有在分束器中得到有效使用。例如，线格偏振器是在红外和长波长区域中得到开发1。已经报导使用0.115μm精细线格间隔或周期的结构2。我们已知道可以提高线格偏振器性能的许多概念。例如，Garvin3和Keilmann4提出改进工作在红外波段垂直入射的线格偏振器性能的方法。作为另一个例子，Tamada5提出利用光栅结构中共振效应的概念以制作窄频带偏振元件，该偏振元件并不要求光栅间隔远远小于入射光的波长。但工作在宽频带的线格偏振器，例如，工作在可见光谱内，要求光栅间隔远远小于入射光的波长。Tamada方案的一个缺点是，他提出的偏振分束器工作在给定的角度和两个分光束之间具有给定的强度比。与其他人一样，Tamada仅讨论工作在近乎垂直入射的结构。
文献中偶尔讨论利用大角度入射的红外线格偏振器的概念。例如，Stenkamp测量80°入射角下周期为100nm的线格偏振器的透射率。Stenkamp观察到消光比在波长为670nm时增大。然而，Stenkamp6没有测量反射的辐射强度，且这些数据仅适用于一个波长。作为另一个例子，Bird7说明斜入射效应的定性试验，他指出线格的透射率在偏离正入射的30°内与斜入射角几乎无关，他的结果与Pursley8的仔细分析一致。
光学手册9中指出线格偏振器可用于具有高数值孔径的光学系统。具体地说，引用Young10的文献，在中红外(12μm)偏振器用于从0°至45°入射角的情况下，没有发现偏振光百分比的减小，而透射率减小量大于30％(0.55至小于0.40)。
可用于设计偏振分束器的重要线格参数包括：周期(p)，线宽(w)，线深或厚度(t)，光栅材料特性(例如，折射率)，基底材料特性(例如，折射率)，入射角，入射辐射的波长和诸如瑞利共振的光栅共振效应。例如，Haggans11研究这些参数对从线格反射的光束影响。似乎Haggans的大部分计算只考虑45°入射角，而不考虑透射率。作为另一个例子，Schnable12说明改变金属材料不是非常有用的，因为仅有少量的例外，其中与某个波长范围内的铬比较可以增大偏振效应。
此外，Haidner13描述这样一种偏振反射式光栅偏振器，该偏振器仅工作在垂直入射和使用一个波长(10.6μm)的情况。
我们需要的一种线格偏振分束器是，在整个可见光谱内有很高和均匀的透射效率；在整个可见光谱内有很高和均匀的反射效率；在整个可见光谱内有高透射和/或反射消光比(extinction)；该分束器有大的数值孔径，例如，在透射和反射效率和消光比必须保持在一定的光锥内；且光锥的锥角在20°至30°的范围内仍工作得很好。为了满足这些准则，在整个可见光谱内有均匀性能的实际设计必须考虑和控制光栅共振效应，例如，瑞利共振。如以上所指出的，一些参考文献讨论斜入射时影响线格偏振器性能的某些线格参数，而其他的参考文献揭露这些相同参数所起作用的矛盾。然而，没有任何参考文献把设计可见光谱的成像应用中线格偏振分束器所需概念放在一起考虑。
为了保证线格偏振分束器的功能达到理想的程度，重要的概念或物理参数必然是互相关联和需要集中考虑的，这些参数包括：线格轮廓的结构和形状；导线或线格元件的高度或厚度；线格相对于光偏振方向的取向；线格材料；入射角；会聚度，发散度或锥角；以及一些现象的效果，例如，瑞利共振。为了获得有效线格偏振分束器的理想功能必须知道这些概念。
所以，开发这样一种利用线格偏振器的分束器是有益的，该分束器在宽频谱范围内有效地反射一个偏振方向的光和透射其他偏振方向的光。开发这样一种分束器也是有益的，该分束器能够放置在各种入射角下，因此它不会对光学系统产生严重的设计约束，而是具有很大的设计灵活性。开发这样一种分束器也是有益的，该分束器考虑到各种重要的设计概念或参数，例如，线格轮廓，线格轮廓尺寸，线格材料，线格取向，波长范围，入射角，锥角，瑞利共振效应，等等。开发这样一种分束器也是有益的，该分束器具有很大的接收角，它能够接收相对发散的光。
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.4,289,381
4.Keilmann，U.S.Pat.5,177,635
5.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”Opt.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)
发明内容
本发明的一个目的是提供一种可以工作在可见光谱内的分束器装置，用于反射一个偏振方向的可见光和透射其他偏振方向的可见光。
本发明的另一个目的是提供一种组合各个设计参数或概念的分束器装置，例如，线格轮廓，线格尺寸，线格材料，线格取向，波长范围，入射角，锥角，和瑞利谐振效应，组合这些参数以提供有效和高效的性能。
本发明的另一个目的是提供这样一种分束器装置，它能够放置在各种入射角下以增大设计的灵活性。
本发明的另一个目的是提供这样一种具有大接收角的分束器装置，它能够接收相对大的发散光。
本发明的另一个目的是提供这样一种分束器装置，它可用于图像投影系统，光投影系统，和/或显示系统。
本发明的这些和其他目的和优点是在线格偏振分束器中实现的，该分束器有大致平行的细长元件装置。该装置的配置和元件的尺寸适合与源光束电磁波发生相互作用，用于透射或传输一个偏振方向的光和反射其他偏振方向的光。偏振方向垂直于一个平面的光被透射，这个平面包含该元件和入射光束方向，而偏振方向平行于这个平面的光被反射，这个平面至少包含该元件和入射光束方向二者之一。
该元件装置的吞吐量(throughput)最好约大于50％，吞吐量的定义是反射光分数与透射光分数的乘积。此外，该元件装置的消光比最好约大于50。因此，该元件装置至少反射一个偏振方向光的67％和/或至少透射另一个偏振方向光的67％。此外，该元件装置的入射角取向最好是在0度至80度之间。
该元件装置的周期最好约小于0.21μm，而宽度周期比约在0.25至0.76之间。此外，该元件的厚度是在约0.04μm至0.5μm之间。此外，每个元件有梯形横截面，两个侧边与底边形成的夹角是在68度至112度之间。
一种设计和制作线格偏振分束器的方法，该分束器可以工作在所需的入射角范围内，且在可见光谱内有大致相同的性能和预定的消光比，该方法包括：利用可见光谱的下限首先确定在各种元件厚度下预定入射角上限和下限的透射效率。选取的其他重要参数至少包括周期和宽度周期比。在入射角上限和下限的透射效率基本相同的条件下计算该元件的厚度。在入射角上限和下限所确定元件厚度的条件下计算消光比。若计算的性能是可接受的，则这个设计是合适的。若计算的性能是不可接受的，则在至少改变一个参数条件下重复以上的过程，直至达到预定的消光比。可以在所需范围内各种不同入射角和可见光谱内各种波长的条件下确定透射效率。在至少改变一个参数的条件下重复以上的过程，直至获得理想的分束器效率且在可见光谱范围内大致相等。
根据以下的详细描述并结合附图，本领域的专业人员可以清楚地知道本发明的这些和其他特征，优点以及其他方面。
附图说明
图1是利用本发明线格偏振分束器的显示设备总体工作示意图。
图2a是本发明线格偏振分束器的一个优选实施例的透视图。
图2b是本发明线格偏振分束器的一个优选实施例的横截面侧视图。
图2c是本发明线格偏振分束器的另一个优选实施例的横截面侧视图。
图2d是本发明线格偏振分束器的另一个优选实施例的横截面侧视图。
图3a是在波长为450nm，550nm，和650nm的条件下S偏振光反射和P偏振光透射的效率作为线格周期函数的曲线图。
图3b是在波长为450nm，550nm，和650nm的条件下线格分束器的吞吐量(RsTp)效率作为线格周期函数的曲线图。
图3c是在波长为450nm，550nm，和650nm的条件下线格偏振器的消光比作为线格周期函数的曲线图。
图3d在入射角为0°，30°，45°，和60°的条件下发生瑞利共振的波长作为线格周期函数的曲线图。
图3e是基于瑞利共振开始的最大有用周期作为入射角函数的曲线图。
图4a是在波长为450nm，550nm，和650nm的条件下P偏振光透射和S偏振光反射的效率作为线格元件高度函数的曲线图。
图4b是吞吐量(RsTp)作为线格元件高度函数的曲线图。
图4c是线格偏振器的消光比作为线格元件高度函数的曲线图。
图5a是在波长为450nm，550nm，和650nm的条件下S偏振光反射率和P偏振光透射率作为宽度周期比或线-空间比函数的曲线图。
图5b是在波长为450nm，550nm，和650nm的条件下吞吐量(RsTp)作为宽度周期比或线-空间比函数的曲线图。
图5c是在波长为450nm，550nm，和650nm的条件下消光比作为宽度周期比或线-空间比函数的曲线图。
图6a是吞吐量(RsTp)作为具有梯形线格元件的线格偏振器波长函数的曲线图。
图6b是消光比作为具有梯形线格元件的线格偏振器波长函数的曲线图。
图7a是在波长为450nm，550nm，和650nm的条件下吞吐量(RsTp)作为线格元件顶角半径函数的曲线图。
图7b是在波长为450nm，550nm，和650nm的条件下消光比作为元件顶角半径函数的曲线图。
图7c是吞吐量(RsTp)作为具有正弦形横截面元件的线格波长函数的曲线图。
图7d是消光比作为具有正弦形横截面元件的线格波长函数的曲线图。
图8a是在入射角为30°和60°的条件下P偏振光透射率作为线格元件高度函数的曲线图。
图8b是在入射角为30°和60°的条件下透射消光比作为线格元件高度函数的曲线图。
图8c是在入射角为30°和60°的条件下P偏振光透射率作为线格元件高度函数的曲线图。
图8d是在入射角为30°和60°的条件下透射消光比作为线格元件高度函数的曲线图。
图8e是优化设计的P偏振透射率的曲线图。
具体实施方式
现在参照各个附图，在这些附图中对本发明各个元件给出数字标识并讨论本发明的内容，从而使本领域专业人员可以利用本发明。
线格偏振分束器的优选实施例适用于图1所示的光学系统。如图1所示，标识为10的图像投影系统的显示光学系统有线格偏振器作为标识为14的分束器。图像投影系统10可以包括：光源20，聚光器22，线格偏振分束器14，光投影系统24，和某种类型的显示屏25，图像发生液晶阵列或光阀26，和成像或中继光学系统27。当然，应当明白，包含线格偏振分束器的其他装置也是可能的。
对于图1所示的光学系统，线格PBS 14对来自光源20的所需偏振方向必须有高的反射率(Rs)，例如，s偏振方向；而对在来自液晶阵列26的相对立偏振方向必须有高的透射率(Tp)，例如，p偏振方向。光学系统的效率正比于这两个量Rs与Tp的乘积，因此，一个因子的不足在某种程度上可以用另一个因子补偿，其目标是产生可能的最大乘积RsTp。在以下的讨论中，术语吞吐量用于表示乘积RsTp。
另一个重要的性能因子是图像对比度，它定义为亮像素强度与暗像素强度之比率。这在很大程度上是受不需要偏振方向低泄漏的控制，但在此情况下，反射消光比与透射消光比的乘积不是重要的参数，因为图像发生阵列26也参与图像对比度的产生，该阵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，最终的系统对比度取决于光阀性能和偏振器消光比。我们发现，反射和透射消光比为50是诸如图1系统的合理有用的最小值，它没有附加的偏振器元件。
分束器14可以完成两个不同的功能。第一个功能是在入射到液晶阵列26或其他合适图像发生装置之前制备偏振光。此时要求光具有足够好的偏振性，因此，光阀26引起的光束偏振方向变化可以被分束器14正确地检测或分析，所以，最终的图像满足理想的性能水平。类似地，分束器14的第二个功能是分析被光阀26引导回分束器14的光，因此，获得理想的系统对比度性能。
所以，这个优选实施例的线格偏振分束器14设计成使吞吐量(RsTp)最大，而同时对反射光束R和透射光束T提供所需的偏振消光比。这里有几个本发明的重要参数或物理特性，它们对于获得这种理想性能水平是至关重要的，以下参照图2a和2b描述这些参数。
参照图2a和2b，偏振分束器14有放置在基底40上的线格30，即，平行导体元件阵列。偏振分束器14放置在光束中，使该光束以入射角θ入射到线格上。线格分束器14的重要物理参数包括：线格30的周期p，线格元件30的高度或厚度t，线格元件30的宽度w，和线格元件侧边的斜率α，这些物理参数必须作为整体给予优化以获得所需的性能水平。
除了制作这些尺寸之间具有合适关系的细长元件阵列以外，重要的是构成具有合适光学特性的合适材料元件。对于必须工作在整个可见光谱的分束器，最好的材料是铝或银。所用的铝或银具有最佳光学质量是很重要的。必须非常小心制备铝或银，使它具有大致类似于Palik手册中列出的光学质量(例如，光学常数n和k)，Handbook ofOptical Constants of Solids，Part I，Edward D.Palik，Ed.，1985，pp.350-357和369-406，Palik中引用的原始数据或类似的数据表格。例如，银的理想光学常数是，若波长为459.2nm，则n＝0.144和k＝2.56；若波长为563.6nm，则n＝0.120和k＝3.45；和若波长为652.6nm，则n＝0.140和k＝4.15。类似地，铝的合适数值是，若波长为450nm，则n＝0.618和k＝5.47；若波长为550nm，则n＝0.958和k＝6.69；和若波长为650nm，则n＝1.47和k＝7.79。我们发现铝的性能优于银的性能，因为铝有很高的k值。特别是，我们发现，若所用铝的n或k或二者的值不超过以上这些值的约50％，则会大大增加制作具有合适功能分束器的困难。若我们使用银，则它的n或k或二者的值必须大于上述值的约80％。
在研究图2b时注意到，线格元件30的整体横截面是梯形或矩形。这种整体形状也是这个优选实施例偏振分束器14的特征，但允许在制造过程中引起的自然细微变化，例如，线格元件30顶部有圆角50，和线格元件30底部有倒角54。
应当注意，线格元件侧边的斜率可以是不同的，因为利用线格元件30左侧和右侧引入的不同斜率，使线格结构中引入的各向异性有助于调谐线格元件30的角度性能。然而，这似乎是一种辅助效应。
或者，线格元件30的整体横截面可以是图2c所示的光滑曲线，或图2d所示的正弦形。例如，线格元件30的横截面可以类似于部分的正弦曲线，如图2d所示。在元件底部进行充分加工制成大的倒角，可以制作这种曲线形状或正弦形状的横截面。作为另一个例子，元件的顶部可以是大范围的曲线形状或充分加工制成大圆角，如图2c所示。
还应当注意，线格30的周期p必须是有规则的，为的是获得所需的光谱反射性能以满足这个优选实施例中分束器14的成像保真度要求。虽然，最好是完全规则和均匀的线格30，但在对形状没有严格要求的一些应用中可以有所放松。然而，我们相信，在图像的有意义部分，例如，纹理显示中单个字符的尺寸，或图像中的少量像素，要求周期p的变化小于10％以获得所需的性能。当然，线格偏振分束器的非成像应用对于周期p的变化可以有较大的容差。
类似地，分束器14中其他上述参数的合理变化，例如，线格元件30的宽度w，线格元件高度t，侧边斜率α，或甚至圆角50的RC，和倒角54的RF，在没有根本影响显示性能的条件下也是可能的，特别是，分束器14不是在图像面上，通常也是这样一种情况。这些变化在制成的分束器14中甚至是可见的，例如，条纹，透射效率，反射效率，色均匀度的变化，等等，这些变化仍能提供特殊应用的有用部分。
在满足应用中对比度要求的同时，优化这些参数达到的设计目标是产生尽可能最佳的吞吐量RsTp。如上所述，偏振分束器14所要求的最小消光比的数值约为50。我们发现，分束器14中得到有价值乘积的最小要求吞吐量(RsTp)约为50％，这意味着，Rs或Tp或二者必须超过67％。当然，分束器的吞吐量和消光比都具有高性能是有价值的，它可以给出较好的结果。为了知道这些参数是如何影响线格分束器的性能，需要研究每个参数产生的性能变化。
参照图3a-3e，其中展示线格分束器14的性能与周期p之间的关系。格栅是由铝线格元件构成，其光学常数取自Paliks手册中BK7玻璃基底。每个铝线格元件的高度或厚度t为1,000，即，100nm。入射角θ为30°，线宽周期比为0.45。图3a表示在波长为450nm，550nm，和650nm的条件下S偏振光反射效率和P偏振光透射效率作为格栅周期p的函数。
图3b表示在波长为450nm，550nm，和650nm的条件下吞吐量(RsTp)效率作为周期p的函数。图3b中显示的数据指出，周期p可以高达0.21μm，其吞吐量仍然有50％。
图3c给出消光比作为周期p的函数。在最差的情况下，即，波长λ＝450nm，在周期p等于0.21μm时，消光比大于100。
图3d表示瑞利波长作为周期p的函数，瑞利波长是发生格栅共振的波长(λ＝p[ns±sinθ]，其中ns＝1.525)。同样在入射角θ为30°和波长λ＝450nm，的情况下，线格周期p可以等于0.21μm。
图3e表示可允许的周期p作为入射角θ的函数。在波长为450nm的入射角条件下，最大有用周期是基于瑞利共振的开始。该曲线指出，在周期为0.21μm或更短的条件下，线格偏振器可以工作在大的入射角。
所以，图3a-3e指出，上述参数规定的线格偏振器必须有小于0.21μm的周期p，以便在整个可见光谱内产生具有合理性能的分束器。当然，应当明白，较大线格周期的分束器可用于显示小于全部可见光谱的系统，例如，仅仅有红光，红绿光等的系统。
现在参照图4a-4c，其中展示线格分束器性能与元件高度或厚度t之间的关系。偏振器是铝线格元件阵列，其光学特性取自Paliks手册中BK7玻璃基底。周期为0.15μm，线-空间比为0.5，和入射角θ为60°。图4a表示在波长为450nm，550nm，和650nm的条件下S偏振光反射效率和P偏振光透射效率作为元件高度或厚度t的函数。薄膜效应在图4a中是很明显的，但是对于所有实际的元件高度，即，200至0.5μm以上，P偏振光透射效率保持在大于60％。当然，对于非铝的不同光学特性材料，可以有不同的结果。
图4b表示在波长为450nm，550nm，和650nm的条件下吞吐量作为元件高度或厚度t的函数。对于所有在200至0.5μm之间的实际元件高度，即，20nm至500nm，吞吐量大于50％。
图4c表示在波长为450nm，550nm，和650nm的条件下消光比作为元件高度的函数。消光比为50要求元件高度t至少为500，即，50nm。
所以，图4a-4c指出线格元件高度t必须落在500与0.5μm之间以提供所需的性能。
现在参照图5a-5c，其中展示线格分束器14的性能与线-空间比之间的关系。偏振器是铝线格元件阵列，其光学特性取自Paliks手册中BK7玻璃基底。周期为0.16μm，铝元件高度t为0.13μm，并且入射角θ为60°。
图5a表示在波长为450nm，550nm，和650nm的条件下S偏振方向反射效率和P偏振方向透射效率作为线宽周期比(w/p)的函数。对于在0.16与0.76之间的线-空间比，P透射效率保持高值。
图5b表示在波长为450nm，550nm，和650nm的条件下吞吐量作为线宽周期比的函数。对于在0.16与0.76之间的线宽周期比，获得良好的吞吐量性能。
图5c给出在波长为450nm，550nm，和650nm的条件下消光比作为线宽周期比的函数。在整个可见光谱范围内消光比为50要求线宽周期比至少是0.25。当然，仅用于较长波长范围内(红光，红绿光)的分束器可以要求线宽周期比小于0.20。
所以，图5a-5c指出线宽周期比(w/p)必须落在0.25与0.76之间的范围内以提供所需的性能。
现在参照图6a-6b，其中展示线格分束器14与元件横截面形状之间的关系，即，横截面形状为梯形。这些附图中表示的偏振器是铝线格元件阵列，其光学特性取自Paliks手册中BK7玻璃基底。周期为0.16μm，入射角θ为45°，梯形元件的高度t为1,000。梯形线格元件的横截面积与矩形线格元件的相同，其线-空间比为0.45。
图6a表示线格阵列的吞吐量作为波长λ的函数，该阵列是由梯形横截面的元件构成，其侧壁与基底之间的夹角为68°。大于50％的吞吐量发生在大于或等于415nm的所有波长。
图6b给出线格阵列的消光比作为波长λ的函数，该阵列是由梯形横截面的元件构成，其侧壁与基底之间的夹角为68°。在大于或等于390nm的所有波长下，其消光比大于50。
所以，如图6a和6b所示，具有梯形横截面和坡度角为68°的线格元件提供所需的性能。根据图6a和6b所示，坡度角从112°开始经过90°直到到68°基本上不会使性能下降。
现在参照图7a-7b，其中展示线格分束器14的性能与圆角50的半径rc之间的关系。偏振器是铝线格元件阵列，其光学特性取自Paliks手册中1737F玻璃基底。周期为0.16μm，铝元件高度t为0.115μm，和入射角θ为45°。
图7a表示在波长为450nm，550nm，和650nm的条件下吞吐量(RsTp)作为角半径的函数。在所有的半径下获得良好的吞吐量性能，即，大于50％。
图7b表示在波长为450nm，550nm，和650nm的条件下消光比作为角半径的函数。对于所有的角半径，大于100的消光比是可能的。
现在参照图7c-7d，其中展示线格分束器14的性能与元件横截面形状之间的关系，即，横截面形状为正弦形。偏振器是铝线格元件阵列，其光学特性取自Paliks手册中BK7玻璃基底。线格元件有正弦形横截面，其高度t为0.15μm。其他参数与图7a和7b中使用的参数相同。
图7c表示在正弦形横截面条件下吞吐量(RsTp)作为波长的函数。在波长大于400nm的情况下，可以获得良好的吞吐量性能，即，大于50％。
图7d表示在正弦形横截面条件下消光比作为波长的函数。在波长大于400nm的情况下，消光比大于50是可能的。
所以，图7a-7d说明线格元件的角可以是圆的，必要时或为了便于制造，线格元件的角甚至可以正弦形的。
以上的信息从广义上规定线格偏振分束器14中全部参数的要求范围，但是它没有说明共同选取这些参数以获得理想分束器性能的方法。我们关心的问题是平衡各个角度下的性能，各个角度下的透射率，各个角度下的消光比，等等。除了以上给出的宽范围之外，在具体的应用中从规定的范围内选取合适的具体参数，以及确定一些如何选取这些参数的通用规则也是很重要的。
现在参照图8a-8d，我们说明一个设计例子。其目的是制作这样一种线格偏振分束器，该分束器可以工作在入射角θ从30°至60°的范围内，在可见光波长450nm至650nm的范围内有大致平坦的响应，消光比至少为200，而效率或吞吐量至少为70％。设计是利用迭代方法完成的。首先，利用波长450nm，计算入射角为30°和60°的条件下P-透射率作为线格元件高度t的函数。450nm的短波长给出最坏的情况，而长波长给出较好的结果。根据图5b可以清楚地知道，选择宽度周期比为0.5接近于最佳值，而在实际考虑到诸如成本和产量的其他问题时周期应当是小的。把两个计算结果画在相同的图上。在两条曲线相交处找到线格元件高度t值。现在计算两个角度下消光比作为线格元件高度t的函数，在相交高度t处找到消光比。若性能不能令人满意，则改变其中一个重要参数，重复以上设计过程。为了找到最佳的设计，可以计算响应表面方法，例如，A.I.Khuri and J.A.Cornell，Response Surfaces：Design and Analysis，2nd Ed.，Marcel Dekker Inc.，NY 1996中所描述的方法。若消光比性能是令人满意的，则计算450nm，550nm，和650nm的三种不同波长下P透射率作为入射角θ的函数。若透射率是在80％左右且曲线在规定的角度范围内相当地平坦，则设计就完成了。
例如，图8a表示P透射率作为偏振器中线格元件高度t的函数，偏振器是铝线格元件阵列，其光学特性取自Paliks手册中BK7玻璃基底。线格周期为0.16μm，线宽周期比为0.45，入射角θ为30°和60°，波长λ为450nm。相交值约0.09μm。
图8b表示在这些参数条件下消光比作为线格元件高度t的函数。在相交值为0.09μm的情况下，入射角θ为30°和60°的消光比分别是86和161。因此，其性能是不能令人满意的。采用线-空间比为0.50重复该过程。
除了线-空间比改变成0.50之外，图8c与图8a的相同。现在相交值约为0.10μm。
图8d表示在图8c中所用参数的条件下消光比作为线格元件高度t的函数。在相交值为0.10μm的情况下，入射角θ为30°和60°的消光比分别是258和484。因此，偏振器的性能是令人满意的。利用与图8c和8d中的相同参数，和线格元件高度t为0.100μm，现在通过计算波长为450nm，550nm，和650nm的条件下P透射率作为入射角θ的函数检查该结果，如图8e所示。在波长为450nm的条件下，透射率在整个角度范围内是平坦的；而在波长为550nm和650nm的条件下，透射率从30°时的80％上升到60°时的88％。
虽然没有画出效率，但效率是随角度的增大而上升。因此，参照图8a-8e，展示线格偏振器在可见光谱范围内具有良好性能的设计方法。
应当明白，我们描述的本发明实施例仅仅用于说明，本领域专业人员可以对它作各种改动。例如，在基底上包括光功率的线格分束器，从而使线格分束器与其他元件进行组合以缩减需要的光学元件数目，减轻系统重量，减轻系统体积，或获得其他所需的功能。本领域专业人员当然还可以作其他的改动，通过本发明获得比现有技术更大的设计灵活性。因此，本发明不应当局限于所公开的几个实施例，本发明仅仅受所附权利要求书所规定的限制。

Claims (42)

1.  一种线格偏振分束器，用于有效地反射一个偏振方向的可见光和透射其他偏振方向的可见光，该分束器包括：
放置在可见光中大致平行的细长元件装置，该装置的配置和元件的尺寸适合与源光束电磁波发生相互作用，(i)基本透射偏振方向垂直于一个平面的光，这个平面至少包含该元件和入射光束方向二者之一，和(ii)基本反射偏振方向在这个平面的光，这个平面至少包含该元件和入射光束方向二者之一；和
其中元件装置的吞吐量约大于50％，吞吐量的定义是一个偏振方向反射光的分数量相对于反射光总量与另一个偏振方向透射光的分数量相对于透射光总量的乘积；和
其中元件装置在反射方向和透射方向的消光比都约大于50。
2.按照权利要求1的分束器，其中元件装置至少反射一个偏振方向光的67％。
3.按照权利要求1的分束器，其中元件装置至少透射一个偏振方向光的67％。
4.按照权利要求1的分束器，其中元件装置的入射角取向约在0度至80度之间。
5.按照权利要求1的分束器，其中元件装置的周期约小于0.21μm。
6.按照权利要求1的分束器，其中元件的厚度约在0.05μm至0.5μm之间。
7.按照权利要求1的分束器，其中元件的宽度周期比约在0.25至0.76之间。
8.按照权利要求1的分束器，其中每个元件有梯形横截面，梯形横截面有底边，与底边相对的顶部，和相对的左右侧边；和其中两个侧边与底边形成的夹角约在68度至112度之间。
9.按照权利要求1的分束器，其中每个元件有梯形横截面，梯形横截面有底边，与底边相对的顶部，和相对的左右侧边；和其中两个侧边与底边形成不同的夹角。
10.按照权利要求1的分束器，其中每个元件有圆形顶部。
11.按照权利要求1的分束器，其中每个元件有正弦形横截面。
12.按照权利要求1的分束器，其中各个元件是由光学常数为n的铝制成，若波长为450nm，则n约大于50％的0.618；若波长为550nm，则n约大于50％的0.958；和若波长为650nm，则n约大于50％的1.47。
13.按照权利要求1的分束器，其中各个元件是由光学常数为k的铝制成，若波长为450nm，则k约大于50％的5.47；若波长为550nm，则k约大于50％的6.69；和若波长为650nm，则k约大于50％的7.79。
14.按照权利要求1的分束器，其中各个元件是由光学常数为n的银制成，若波长为459.2nm，则n约大于80％的0.144；若波长为563.6nm，则n约大于80％的0.120；和若波长为652.6nm，则n约大于80％的0.140。
15.按照权利要求1的分束器，其中各个元件是由光学常数为k的银制成，若波长为459.2nm，则k约大于80％的2.56；若波长为563.6nm，则k约大于80％的3.45；和若波长为652.6nm，则k约大于80％的4.15。
16.一种线格偏振分束器，用于有效地反射一个偏振方向可见光和透射其他偏振方向可见光，该分束器包括：
放置在可见光中大致平行的细长元件装置，该装置的配置和元件的尺寸适合与源光束电磁波发生相互作用，(i)基本透射偏振方向垂直于一个平面的光，这个平面至少包含该元件和入射光束方向二者之一，和(ii)基本反射偏振方向在这个平面的光，这个平面至少包含该元件和入射光束方向二者之一；和
其中元件装置的吞吐量约大于50％，吞吐量的定义是一个偏振方向反射光的分数量相对于反射光总量与另一个偏振方向透射光的分数量相对于透射光总量的乘积；
其中元件装置的消光比约大于50；和
其中元件装置的周期约小于0.21μm。
17.按照权利要求16的分束器，其中元件的厚度约在0.05μm至0.5μm之间。
18.按照权利要求16的分束器，其中元件的宽度周期比约在0.25至0.76之间。
19.按照权利要求16的分束器，其中元件装置至少反射一个偏振方向光的67％。
20.按照权利要求16的分束器，其中元件装置至少透射一个偏振方向光的67％。
21.按照权利要求16的分束器，其中元件装置的入射角取向约在0度至80度之间。
22.按照权利要求16的分束器，其中每个元件有梯形横截面，梯形横截面有底边，与底边相对的顶部，和相对的左右侧边；和其中两个侧边与底边形成的夹角约在68度至112度之间。
23.按照权利要求16的分束器，其中每个元件有梯形横截面，梯形横截面有底边，与底边相对的顶部，和相对的左右侧边；和其中两个侧边与底边形成不同的夹角。
24.按照权利要求16的分束器，其中每个元件有圆形顶部。
25.按照权利要求16的分束器，其中每个元件有正弦形横截面。
26.按照权利要求16的分束器，其中各个元件是由光学常数为n的铝制成，若波长为450nm，则n约大于50％的0.618；若波长为550nm，则n约大于50％的0.958；和若波长为650nm，则n约大于50％的1.47。
27.按照权利要求16的分束器，其中各个元件是由光学常数为k的铝制成，若波长为450nm，则k约大于50％的5.47；若波长为550nm，则k约大于50％的6.69；和若波长为650nm，则k约大于50％的7.79。
28.按照权利要求16的分束器，其中各个元件是由光学常数为n和k的银制成；其中若波长为459.2nm，则n约大于80％的0.144；若波长为563.6nm，则n约大于80％的0.120；和若波长为652.6nm，则n约大于80％的0.140；以及其中若波长为459.2nm，则k约大于80％的2.56；若波长为563.6nm，则k约大于80％的3.45；和若波长为652.6nm，则k约大于80％的4.15。
29.一种线格偏振分束器，用于有效地反射一个偏振方向的可见光和透射其他偏振方向的可见光，该分束器包括：
光源，用于发射波长约在0.4μm至0.7μm之间范围内的源光束；
放置在源光束中大致平行的细长元件装置，该装置的配置和元件的尺寸适合与源光束电磁波发生相互作用，(i)基本透射偏振方向垂直于一个平面的光，这个平面至少包含该元件和入射光束方向二者之一，和(ii)基本反射偏振方向在这个平面的光，这个平面至少包含该元件和入射光束方向二者之一；和
其中元件装置的周期约小于0.21μm；
其中元件的厚度约在0.05μm至0.5μm之间；和
其中元件的宽度周期比约在0.25至0.76之间。
30.按照权利要求29的分束器，
其中元件装置的吞吐量约大于50％，吞吐量的定义是一个偏振方向反射光的百分比分数量相对于反射光总量与另一个偏振方向透射光的分数量相对于透射光总量；和
其中元件装置的消光比约大于50。
31.按照权利要求29的分束器，其中元件装置至少反射一个偏振方向光的67％。
32.按照权利要求29的分束器，其中元件装置至少透射一个偏振方向光的67％。
33.按照权利要求29的分束器，其中元件装置的入射角取向约在0度至80度之间。
34.按照权利要求29的分束器，其中每个元件有梯形横截面，梯形横截面有底边，与底边相对的顶部，和相对的左右侧边；和其中两个侧边与底边形成的夹角约在68度至112度之间。
35.按照权利要求29的分束器，其中每个元件有梯形横截面，梯形有底边，与底边相对的顶部，和相对的左右侧边；和其中两个侧边与底边形成不同的夹角。
36.按照权利要求29的分束器，其中每个元件有圆形顶部。
37.按照权利要求29的分束器，其中每个元件有正弦形横截面。
38.按照权利要求29的分束器，其中各个元件是由光学常数为n和k的铝制成；若波长为450nm，则n约大于50％的0.618；若波长为550nm，则n约大于50％的0.958；和若波长为650nm，则n约大于50％的1.47；以及其中若波长为450nm，则k约大于50％的5.47；若波长为550nm，则k约大于50％的6.69；和若波长为650nm，则k约大于50％的7.79。
39.按照权利要求29的分束器，其中各个元件是由光学常数为n的银制成；若波长为459.2nm，则n约大于80％的0.144；若波长为563.6nm，则n约大于80％的0.120；和若波长为652.6nm，则k约大于80％的0.140。
40.按照权利要求29的分束器，其中各个元件是由光学常数为k的银制成；若波长为459.2nm，则k约大于80％的2.56；若波长为563.6nm，则k约大于80％的3.45；和若波长为652.6nm，则k约大于80％的4.15。
41.一种设计线格偏振分束器的方法，该分束器可以工作在所需的入射角范围内和在可见光谱内有大致相同的性能，且有预定的消光比，该方法包括：
利用可见光谱的下限确定各种元件厚度下预定入射角上限和下限的透射效率；
选取至少包括周期和宽度周期比的其他参数；
确定入射角上限和下限的透射效率是相同的元件厚度；
确定入射角上限和下限时所确定元件厚度的消光比；和
在至少改变一个参数的条件下重复以上的步骤，直至达到预定的消光比。
42.按照权利要求41的方法，还包括：
确定所需范围内各种不同入射角和可见光谱范围各种波长的透射效率；和
在至少改变一个参数的条件下重复以上的步骤，直至透射效率至少为80％且在可见光谱内大致相等。
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