具有幾何相位全息圖的偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】具有幾何相位全息圖的偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)
[0001]優(yōu)先權(quán)要求
本申請(qǐng)要求來自2013年3月13日提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)?1/779，304的優(yōu)先權(quán)，其公開內(nèi)容通過引用完整合并于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及一種偏振轉(zhuǎn)換和有關(guān)的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0003]許多光學(xué)器件和系統(tǒng)可能需要偏振光以進(jìn)行操作。這樣的器件可以見于包括例如平板顯示器、投影顯示器、光纖網(wǎng)絡(luò)和/或光學(xué)傳感器的各種各樣的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)。然而，許多光源可能是非偏振的，所述光源包括例如發(fā)光二極管(LED)、冷陰極熒光燈(CCFL)、白熾燈和/或自然光。
[0004]諸如偏振層板或各種雙折射棱鏡之類的偏振元件可以用來將非偏振光轉(zhuǎn)換成偏振光。然而，這樣的偏振元件可能內(nèi)在地有損耗，因?yàn)樗鼈兺ǔＭㄟ^吸收不需要的光或者通過將不需要的光重定向離開期望方向而操作。這可能甚至在光進(jìn)入顯示部件之前導(dǎo)致大于約50%的光功率損耗。這樣大的損耗通常是不期望的，尤其在高亮度顯示系統(tǒng)或其中電池壽命有限的便攜式電池供電顯示系統(tǒng)中。
[0005]已經(jīng)使用一些方法來減少偏振元件中的損耗，使得被轉(zhuǎn)換成偏振光的非偏振光的量(本文中被稱為“轉(zhuǎn)換效率”)大于約50%。一個(gè)這樣的方法選擇性地使期望的偏振通過到顯示器中并且將不需要的偏振反射回到光照系統(tǒng)中，預(yù)期不需要的偏振將被擾亂或者被轉(zhuǎn)換成期望的偏振并且隨后以期望的偏振中的至少一些重新發(fā)射。這樣的方法可以保存從光源輸出的光的展度(或擴(kuò)展范圍)。
[0006]另一個(gè)偏振轉(zhuǎn)換方法(被稱為偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(PCS))將具有不需要的偏振的入射光轉(zhuǎn)換成期望的偏振而不是吸收它或?qū)⑵鋸妮敵鲋囟ㄏ颍⑶以诶缑绹鴮＠?hào)5，995，284和美國專利號(hào)5，986，809中進(jìn)行描述。這可能導(dǎo)致具有通常60-80%效率的偏振轉(zhuǎn)換。
[0007]PCS方法的一個(gè)困難可能牽涉偏振分離元件。特別地，許多方法可能采用小偏振分束器陣列(PBS陣列)。這樣的陣列可以滿意地用于較小的入射角，但是對(duì)于以約±5°或更大的角度離軸入射的光而言可能經(jīng)歷很大的劣化。在美國專利號(hào)6，621，533中描述的替換的PCS采用具有塊液晶的閃耀微棱鏡陣列的復(fù)雜組合；然而，這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)可能難以制作和/或可能具有性能限制。
[0008]另外，已經(jīng)與反射鏡或波片以及微棱鏡陣列相結(jié)合使用一個(gè)或多個(gè)偏振光柵(PG)來實(shí)現(xiàn)偏振轉(zhuǎn)換。然而，前一布置可能需要相對(duì)大的體積，而后一布置可能對(duì)于除極其準(zhǔn)直的光之外所有都缺少實(shí)用性。
[0009]而且，已經(jīng)演示了采用傳統(tǒng)折射微透鏡陣列、偏振光柵和百葉式波片的兩個(gè)PCS的布置。然而，這樣的配置可能對(duì)于跨相對(duì)大的區(qū)域的制作和配準(zhǔn)(registrat1n)提出挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈兛赡苌婕氨仨殕为?dú)制作且仔細(xì)對(duì)齊的至少五個(gè)元件。此外，對(duì)于微棱鏡陣列可能的尺寸和f數(shù)(焦距與透鏡直徑之比)的實(shí)際限制經(jīng)常限制性能或增加成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]依照本文中描述的一些實(shí)施例，用于偏振轉(zhuǎn)換的裝置或系統(tǒng)包括被定位成接收從至少一個(gè)光源輸出的光的幾何相位全息圖和被定位成接收從幾何相位全息圖輸出的光的圖案化延遲器。
[0011 ] 在一些實(shí)施例中，從光源輸出的光可以具有小于幾何相位全息圖的區(qū)域的發(fā)射區(qū)域。
[0012]在一些實(shí)施例中，從光源輸出的光可以具有寬帶的光譜。
[0013]在一些實(shí)施例中，從光源輸出的光可以至少部分地非偏振。
[0014]在一些實(shí)施例中，幾何相位全息圖可以被配置成使一個(gè)圓偏振聚焦并且使一個(gè)正交圓偏振散焦。幾何相位全息圖可以因此被配置成實(shí)施其相位剖面(profile)中的透鏡功會(huì)K。
[0015]在一些實(shí)施例中，圖案化延遲器可以被定位在幾何相位全息圖的焦平面處或者靠近幾何相位全息圖的焦平面。
[0016]在一些實(shí)施例中，圖案化延遲器可以具有消色差四分之一波延遲。
[0017]依照本文中描述的一些實(shí)施例，偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括具有帶有在沿著其表面至少一個(gè)維度上非線性變化的局部光軸取向的光學(xué)各向異性的幾何相位元件。延遲器元件被布置成接收從幾何相位元件輸出的光。
[0018]在一些實(shí)施例中，幾何相位元件的光學(xué)各向異性可以具有沿著其表面的恒定量值。
[0019]在一些實(shí)施例中，局部光軸取向可以限定具有沿著幾何相位元件的表面變化的周期性的雙折射圖案。
[0020]在一些實(shí)施例中，變化的周期性可以限定沿著幾何相位元件的表面的各自的透鏡區(qū)。
[0021]在一些實(shí)施例中，在幾何相位元件的中心部分處的周期性可以大于在幾何相位元件的邊緣部分處的周期性。
[0022]在一些實(shí)施例中，局部光軸取向可以在沿著幾何相位元件的表面的第一和第二維度上變化。
[0023]在一些實(shí)施例中，幾何相位元件的表面的區(qū)域可以大于幾何相位元件上的入射光提供的光照的區(qū)域。
[0024]在一些實(shí)施例中，幾何相位元件可以被布置成直接從非偏振光源接收入射光而在其間沒有介入透鏡元件。
[0025]在一些實(shí)施例中，幾何相位元件可以被配置成將至少部分地非偏振入射光衍射成具有正交偏振狀態(tài)的第一和第二發(fā)散光束。
[0026]在一些實(shí)施例中，幾何相位元件可以進(jìn)一步被配置成使第一光束在與其相關(guān)聯(lián)的焦距處聚焦并且使第二光束在所述焦距處散焦。
[0027]在一些實(shí)施例中，延遲器元件可以被定位成鄰近幾何相位元件的焦距。延遲器元件可以被配置成將第一和第二光束的正交偏振狀態(tài)轉(zhuǎn)換成同一偏振狀態(tài)而基本上不更改其各自的傳播方向。
[0028]在一些實(shí)施例中，第一和第二光束可以具有相反旋向性的正交圓偏振狀態(tài)。延遲器元件可以被配置成將正交圓偏振狀態(tài)中的每一個(gè)轉(zhuǎn)換成同一線偏振狀態(tài)。
[0029]在一些實(shí)施例中，延遲器元件可以包括在共面布置中并排或同心定位的第一和第二延遲區(qū)。幾何相位元件可以被配置成將第一光束導(dǎo)向第一延遲區(qū)，并且將第二光束導(dǎo)向第二延遲區(qū)。
[0030]在一些實(shí)施例中，第一延遲區(qū)的區(qū)域可以對(duì)應(yīng)于幾何相位元件的焦距處的焦斑的區(qū)域。
[0031 ] 在一些實(shí)施例中，延遲器元件可以是四分之一波片并且第一和第二延遲區(qū)的光軸可以分開約90°。
[0032]在一些實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)光源可以被布置使得從其輸出的光入射在幾何相位元件上。光源中的每一個(gè)可以與幾何相位元件的透鏡區(qū)之一對(duì)齊。
[0033]在一些實(shí)施例中，從各自的透鏡區(qū)輸出的光可以限定在幾何相位元件的焦平面處具有同一偏振狀態(tài)的各自的斑點(diǎn)。
[0034]在一些實(shí)施例中，偏振元件可以被布置成接收從延遲器元件輸出的光。
[0035]在一些實(shí)施例中，光導(dǎo)可以被布置成接收從延遲器元件輸出的光，并且可以被配置成保持從其表面輸出且遍及其體積的光的偏振。
[0036]在一些實(shí)施例中，光導(dǎo)可以包括一個(gè)或多個(gè)光學(xué)結(jié)構(gòu)，所述光學(xué)結(jié)構(gòu)被配置成將從延遲器元件輸出的光導(dǎo)向穿過該光學(xué)結(jié)構(gòu)，同時(shí)保持其偏振。
[0037]在一些實(shí)施例中，光學(xué)結(jié)構(gòu)可以包括棱鏡結(jié)構(gòu)、微透鏡和/或平面薄膜。
[0038]在一些實(shí)施例中，偏振光柵可以被布置在幾何相位元件與延遲器元件之間。
[0039]在一些實(shí)施例中，延遲器元件可以是半波延遲器元件。偏振光柵可以被定位成接收從半波延遲器元件輸出的光，并且四分之一波延遲器元件可以被定位成接收從偏振光柵輸出的光。
[0040]在一些實(shí)施例中，透明隔片元件可以被定位在幾何相位元件與延遲器元件之間?？梢詫訅簬缀蜗辔辉?、隔片元件和延遲器元件以提供單片結(jié)構(gòu)。
[0041 ] 在一些實(shí)施例中，延遲器元件可以包括至少一個(gè)手性液晶層。
[0042]在一些實(shí)施例中，至少一個(gè)手性液晶層可以是具有在其各自的厚度內(nèi)旋轉(zhuǎn)不同扭轉(zhuǎn)角的各自的分子取向的第一和第二手性液晶層。扭轉(zhuǎn)角中的至少一個(gè)可以非零。
[0043]在一些實(shí)施例中，所述系統(tǒng)可以被包括在投影儀中。所述投影儀可以包括被配置成提供入射在幾何相位元件上的至少部分地準(zhǔn)直的光的光源、被布置成接收從延遲器元件輸出的光的微顯示器以及被布置成接收從微顯示器輸出的光的投影透鏡。
[0044]在一些實(shí)施例中，所述系統(tǒng)可以被包括在直視型顯示器的照明單元中。所述照明單元可以包括被配置成提供入射在幾何相位元件上的非偏振光的發(fā)光元件以及被布置成接收從延遲器元件輸出的光的波導(dǎo)。
[0045]在一些實(shí)施例中，所述系統(tǒng)可以被包括在電信系統(tǒng)中。所述電信系統(tǒng)可以包括被配置成提供入射在幾何相位元件上的紅外光的紅外光源以及被配置成接收從延遲器元件輸出的光的光纖元件。
[0046]依照本文中描述的一些實(shí)施例，一種方法包括:提供具有帶有在沿著其表面至少一個(gè)維度上非線性變化的局部光軸取向的光學(xué)各向異性的幾何相位元件；以及將延遲器元件布置成接收從幾何相位兀件輸出的光。
[0047]在一些方法實(shí)施例中，延遲器元件被布置成從幾何相位元件接收具有正交偏振狀態(tài)的第一和第二發(fā)散光束。
[0048]在一些方法實(shí)施例中，布置延遲器元件進(jìn)一步包括將延遲器元件定位為鄰近幾何相位元件的焦距，使得第一和第二光束的正交偏振狀態(tài)被轉(zhuǎn)換成同一偏振狀態(tài)而基本上不更改其各自的傳播方向。
[0049]在一些方法實(shí)施例中，延遲器元件包括在共面布置中并排或同心定位的不同的第一和第二延遲區(qū)，其中第一光束被導(dǎo)向第一延遲區(qū)，并且其中第二光束被導(dǎo)向第二延遲區(qū)。
[0050]—些方法實(shí)施例進(jìn)一步包括:將幾何相位元件布置成直接從一個(gè)或多個(gè)非偏振光源接收入射光而在其間沒有介入透鏡元件。
[0051]在一些方法實(shí)施例中，局部光軸取向限定具有限定沿著幾何相位元件的表面的各自透鏡區(qū)的變化的周期性的雙折射圖案，并且光源中的每一個(gè)與幾何相位元件的透鏡區(qū)之一對(duì)齊。
[0052]一些方法實(shí)施例進(jìn)一步包括:將幾何相位元件和隔片元件與其間的透明延遲器元件層壓以提供單片結(jié)構(gòu)。
[0053]一些方法實(shí)施例進(jìn)一步包括:將偏振元件布置成接收從延遲器元件輸出的光。
[0054]一些方法實(shí)施例進(jìn)一步包括:將光導(dǎo)布置成接收從延遲器元件輸出的光，其中光導(dǎo)被配置成保持從表面輸出且遍及其體積的光的偏振。
[0055]一些方法實(shí)施例進(jìn)一步包括:將偏振光柵布置在幾何相位元件與延遲器元件之間。
[0056]一些方法實(shí)施例進(jìn)一步包括:將偏振光柵定位成接收從延遲器元件輸出的光，其中延遲器元件是半波延遲器元件，以及將四分之一波延遲器元件定位成接收從偏振光柵輸出的光。
[0057]在審閱以下圖和【具體實(shí)施方式】時(shí)，依照一些實(shí)施例的其他裝置和/或方法對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將變得顯而易見。所意圖的是除了前面實(shí)施例的任何及全部組合之外，所有這樣的附加實(shí)施例都被包括在本說明書之內(nèi)、在本發(fā)明的范圍之內(nèi)以及受所附權(quán)利要求保護(hù)。
【附圖說明】
[0058]圖1圖示了依照本文中描述的一些實(shí)施例的具有單個(gè)光源的幾何相位全息圖偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(GPH-PCS )布置。
[0059]圖2A圖示了依照本文中描述的一些實(shí)施例的在幾何相位全息圖(GPH)中用于一維透鏡的空間變化光軸剖面的一個(gè)示例，其中線條指示局部光軸方向，并且φ(χ)指示光軸相對(duì)于X軸的角度。
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