用于可视光谱的嵌入式线栅偏振器制造技术

一种用于可见光谱的嵌入式线栅偏振器（１０），它包括一排夹在第一和第二层（１，３）之间的平行间隔开的细长元件（５）。这些元件在它们之间形成有多个间隙（７），这些间隙其折射率低于第一层的折射率。在这些元件以及第一和／或第二层之间可以形成有其折射率也低于所述层的折射率的区域。这些区域可以由形成在这些层中的薄膜层或肋条／凹槽形成。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及供电磁光谱的可见部分使用的偏振光学元件。更具体地说，本专利技术涉及有效地透射特定的偏振光同时有效地反射垂直偏振光的嵌入式或埋入式线栅偏振器。线栅通常设置在基底例如玻璃的外表面上。一些线栅已经完全被嵌入在基底材料或玻璃中。例如，于1940年10月10日授权给Brown的美国专利2224214披露了通过使包裹在金属线周围的粉末熔融然后拉伸该玻璃和金属线来形成偏振器。同样，于1981年9月15日授权给Garvin等人的美国专利4289381披露了通过在基底上沉积一层金属喷镀层来形成格栅然后将基底材料沉积在该格栅上来形成偏振器。在每一种情况中，金属线或格栅由与基底相同的材料包围。如上所述，金属线或格栅的这种嵌入对格栅的光学性能产生不利影响。于1998年5月5日授权给Tamada等人的美国专利5748368披露了一种窄带宽偏振器，该偏振器具有设置在基底上的格栅以及设置在格栅上的楔形玻璃板。还将匹配油施加在这些元件上面，该油匹配成具有与基底相同的折射率。因此，因为匹配油具有相同的折射率，所以该格栅基本上嵌入在基底或玻璃中。格栅的这种嵌入仍然会对格栅的光学性能产生不利的影响。使用一排平行的导线来偏振无线电波可以回溯至110多年以前。通常以一排由透明基底支撑的平行细导线的形式的线栅也曾经被用作用来电磁光谱的红外部分的偏振器。如在申请人的先前申请中所述，决定线栅偏振器性能的关键因素在于平行格栅元件的中心间距或周期和入射辐射的波长之间的关系。如果格栅间距或周期与波长相比较长的话，则格栅用作衍射光栅而不是偏振器，并且根据众所周知的原理使偏振光衍射(不必以相同的效率)。当格栅间距或周期比波长短得多时，该格栅用作偏振器，它反射与格栅元件平行地偏振的电磁辐射并且透射垂直偏振的辐射。格栅周期在大致一半波长至两倍波长的范围内的过渡区域的特征在于，在格栅的透射和反射特性中会出现突然变化。具体地说，反射率突然增加并且透射率相应减小对于垂直于格栅元件偏振的光而言将在任意给定的入射角的情况下在一个或多个特定波长处出现。这些效应在1902年首先由Wood报道(1902年9月的Philosophical杂志)，并且通常被称为”Wood异常”。随后，Rayleigh分析了Wood的数据并且认为在波长和出现更高衍射级的角度的组合情况下出现异常(1907年7月的Philosophical杂志，第14(79)卷，第60-65页)。Rayleigh导出一个等式，用来推算出现异常的位置(这在学术中通常也被称为“Rayleigh谐振”)。角关系的作用在于在角度增加时使透射区域转移到更大的波长上。这在该偏振器打算用作偏振光束分离器或偏振旋转镜的时候很重要。线栅偏振器由多个由基底支撑的平行导电电极构成。这种装置的特征在于这些导线的间距或周期；各个导线的宽度；以及这些导线的厚度。由光源发出的光束以与垂直方向成角度Θ入射在偏振器上，并且入射的平面垂直于导电元件。该线栅偏振器将该光束分成镜面反射分量和非衍射的透射分量。对于比最长的谐振波长短的波长而言，还将至少有一种更高级的衍射分量。采用S和P偏振的常规定义，具有S偏振的光具有垂直于入射平面并因此与导电元件平行的偏振矢量。相反，具有P偏振的光具有平行于入射平面并因此垂直于导电元件的偏振矢量。通常线栅偏振器将反射其电场矢量平行于格栅的导线的光并且透射其电场矢量垂直于格栅的导线的光，但是入射平面可以或不必如这里所述一样与格栅的导线垂直。理想的是，格栅偏振器将用作一种偏振光例如S偏振光的全反射镜，并且优选对于其它偏振光例如P偏振光而言是透明的。但是，实际上即使用作反射镜的大多数反射金属吸收一小部分入射光并且只反射90％至95％，并且普通无色玻璃由于表面反射的缘故所以不会透射100％入射光。申请人的在先申请显示出具有两种谐振的线栅偏振器的透射和反射，它们只是显著影响了偏振器对于P偏振的特性。对于沿着S方向偏振的入射光而言，偏振器的性能达到理想状态。S偏振的反射效率在从0.4μm到0.7μm的可见光谱上大于90％。在该波长带上，被透射的S偏振光小于2.5％，其余的被吸收。除了小部分被透射的分量之外，该线栅偏振器对于S偏振的特性非常类似于连续铝反射镜的特性。对于P偏振而言，该线栅的透射和反射效率由在低于约0.5μm的波长处的谐振效应所控制。在0.5μm以上的波长处，该线栅结构用作对P偏振光的有损耗介电层。在该层中的损耗和来自这些表面的反射一起减小了P偏振光的透射。申请人的在先申请还显示出不同类型的现有技术线栅偏振器的理论性能，如由Tamada在美国专利5748368中所述一样。如上所述，在两个基底之间已经使用了一种折射率相配的流体，从而该格栅由折射率恒定的介质所包围。该线栅结构在大约0.52μm的波长处呈现单谐振。存在有从大约0.58μm至0.62μm的狭窄波长区域，在那个区域中对于P偏振的反射率几乎接近于0。美国专利5748368披露了一种线栅偏振器，它利用了这个效应的优点从而实现了一种具有高消光比的窄带宽线栅偏振器。在Tamada专利说明书中给出的实施例采用了550nm的格栅周期，并且根据格栅厚度、导线宽度和形状以及入射角度产生出800至950nm的谐振波长。Tamada采用的谐振效应不同于其方位如上所述一样的谐振。虽然这两个谐振可以一致，但是它们不必是一致的。Tamada采用了这个第二谐振。另外，还会出现薄膜干涉效应。其中垂直偏振光的反射率小于百分之几的偏振器的带宽通常为中心波长的5％。虽然这种类型的窄带宽偏振器可以具有一些用途，但是许多可见光系统例如液晶显示器需要在400nm到700nm的可见光谱波长上具有均匀特性的偏振光学元件。如在申请人的在先申请中所述，对于宽带宽偏振器的必要要求是，最长波长谐振位置必须被制止或转移到比应用的预定光谱短的波长上。最长波长谐振位置的波长可以采用三种方式减小。首先，可以降低格栅周期。但是降低格栅周期增加了制造该格栅结构的难度，尤其是因为格栅元件的厚度必须被保持为能确保反射的偏振光有足够的反射率。第二，可以将入射角限制在接近垂直的入射角上。但是，限制入射角会极大地降低该偏振器装置的实用性，并且阻碍了其用在例如投影液晶显示器的用途中，其中要求宽角度带宽集中在45度上。第三，可以降低基底的折射率。但是，可用于偏振器装置的大批量生产的成本节约基底只有几种薄板玻璃，例如Corning型1737F或Schott型AF45，所有这些玻璃其折射率在可见光谱上为1.5至1.53。因此，需要一种在嵌入或埋入时性能最优的线栅偏振器。另外，需要这样一种线栅偏振器，它尤其用在需要宽波长带宽的可见光系统中。另外，需要这样一种偏振器结构，其中最长波长谐振位置可以消除或转移到更短的波长上。本专利技术的另一个目的在于提供这样一种嵌入式线栅偏振器，该偏振器在用在大范围的入射角度上时可以具有如此高的效率。本专利技术的这些和其它目的和优点可以在一种嵌入式线栅偏振器中实现，该偏振器包括一排夹在第一和第二层之间的平行间隔开的细长元件。这些元件在它们之间形成多个间隙，并且这些间隙的折射率小于第一或第二层的折射率。优选的是，这些间隙包含有空气或为真空。这排元件被构成为与可见光谱中的光的电磁波相互作用以大体上反射大部分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于可见光谱的嵌入式线栅偏振器，该偏振器包括： 第一层，具有折射率； 第二层，它与所述第一层分开并具有折射率； 一排平行间隔开的细长元件，它们夹在所述第一和第二层之间，并且在这些元件之间形成有多个间隙，这些间隙其折射率低于第一层的折射率。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷蒙德T珀金斯，埃里克W加德纳，道格拉斯P汉森，
申请(专利权)人：莫科斯泰克公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]