[发明专利]用于产生－总体上为偏振光束的偏振装置

说明书

                      发明背景

1．发明领域

本发明涉及可见光谱和近可见光谱中用的光学系统，该系统包括一用于从一束总体上为未偏振的源光束中产生一束总体上为偏振光束的偏振装置。更准确地说，本发明涉及这样的光学系统，它由一组光学元件组成，其中的一个元件含有一种偏振器，该偏振器具有一些总体上为平行排列的细长的元件，设置在源光束中，用来与源光束的电磁波相互作用，以从总体上(ⅰ)透过或通过具有与该元件长度垂直的偏振方向的光，和(ⅱ)反射具有与该元件长度平行的偏振方向的光。

2．现有技术

偏振光用于各种应用领域，例如：液晶显示(LCDs)和投影系统。液晶显示通常用于膝上计算机的显示和别的信息显示设备例如表和计算器。液晶投影仪也用于显示信息，但它是把这些信息或图象投影到远处的屏幕上。这样的投影仪通常带有它们自己的大功率光源。

在这些投影仪中的液晶显示装置利用偏振器，并结合液晶元件的特性，以有选择性地透射或吸收光，产生一亮暗象素组成的图样，从而形成满意的图象。光的开或关的性能引起一种象液晶光阀那样的常规标志。它们起作用，是通过利用液晶材料在适当地创立和对准时能够旋转光的偏振的优点，以及这种适当的对准可以由一外电场来改变的特点。

典型地是，采用两个偏振器，在该液晶元件的每一边各放一，组合起来形成一光阀。该偏振器的作用在于为该液晶元件提供偏振光，然后解析通过该液晶元件的光，并且屏幕不需要的偏振光。

应当理解，为液晶元件提供光的第一偏振器不必紧邻该液晶元件。但是，为了提供一质量好、对比度高的图象，就必须要求到达该液晶元件的光是好的平面偏振光。所以，由距离该液晶元件一定间隔的偏振器产生的偏振光束可以作为第一偏振器。当然，偏振光束还有其它的应用，例如在多种科学仪器和某些型号的照明系统中均可发现。

“偏振的”或“偏振光”一词是指通常具有单一线性或平面偏振的光束，该偏振由与之类似取向的电磁波限定。另一方面，一束自然光通常是非偏振的，或具有由光源发出的电磁波所限定的多个偏振平面。这种自然光或非偏振光可能以含有两个正交的线性(平面)偏振光为特征。

特定的偏振态或取向的电磁波可以从其中包含该特定偏振成分和与之正交的偏振成分的非偏振源中分离出来。分出特定偏振成分的器件叫偏振片，可以用它来获得一束总体上具有单一偏振的光或线偏振光。

偏振光和某些偏振器的概念已经存在一个多世纪了。但令人吃惊的是，大部分现代的和先进的偏振光应用领域仍然采用那些30多年前以来基本上未变的偏振片。这种状况令人惊讶是由于这些偏振片作用的基础物理机制不能为大部分的应用提供理想的偏振片。由此而得到的性能上的局限性严重地限制了光学系统设计上的灵活性、光学效能、系统成本和整体性能。结果，这些局限引起了提高偏振片性能的尝试，这种尝试从特别是包含在一或多个特征中的性能出发以获得在另外的特征中较少限制的性能。

从考查偏振片的历史和它们在光学系统中提供偏振光束的应用中可知，偏振片组件是采用偏振光束表现出以下一或多个特征的基本的和最重要的因素，这些特征包括：低效率、与颜色相关的性能变化、需要高准直性的光和复杂的光学系统。

可能，已知的第一偏振片是一由方解石晶体制成的双折射偏振片。目前，双折射偏振片可以由许多种晶体也可以由某些拉伸的聚合物制成。双折射偏振片形成于那些在一个方向上具有与别的方向上不同的光学折射率的材料，尽管这种光学折射率不同的程度会随着光的颜色的改变而改变。这种不同的光学折射率可以被用于把一个线偏振的光束与别的偏振光分开，尽管这种分离常常含有一小角度的偏移。这种窄带的分离可能需要应用复杂的光学系统。它还可能需要使光在有效量的材料中传输或通过一条拉长的光路，这将导致一庞大的光学组件或设计。最终，该窄带分离很难利用两个偏振成分，这就意味着通常是光的一半被通过吸收或别的方式放弃或浪费。

双折射偏振片的使用通常以低效、性能随颜色变化、需要高准直性的光和复杂的光学系统为特征。庞大的光学系统和拉长的光路将带来其它的性能上和设计上的不利。基于这些理由，双折射偏振片通常不能用于例如图象投影仪这样的光学系统中。