現(xiàn)。得到的GPH元件具有恒定的局部延遲和空間變化的光軸。在2013年10月15日提交的通常指定的國(guó)際申請(qǐng)?zhí)朠CT/US2013/064939中描述了使用直接寫(xiě)入光刻制作GPH元件的一些方法，其公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用合并于此。
[0090]許多光學(xué)元件可以形成為GPH，所述光學(xué)元件包括但不限于透鏡、棱鏡、表面起伏元件、衍射光學(xué)元件和微光學(xué)器件。當(dāng)被改換成GPH時(shí)，它們的全息版本可以是薄膜，基本上更加緊湊并且在許多情況下具有附加的有利特征。例如，如本文中描述的GPH元件可以比一些傳統(tǒng)微透鏡陣列提供關(guān)于入射光的更大的孔徑或者接受角。注意GPH是偏振全息圖的子集。此外，注意可以將偏振光柵(PG)視為具有以線(xiàn)性方式變化的光軸取向的特定類(lèi)型的 GPH。
[0091]圖案化延遲器(PR)是具有兩個(gè)或更多個(gè)圖案化區(qū)的雙折射光學(xué)延遲器元件，在所述兩個(gè)或更多個(gè)圖案化區(qū)中的每一個(gè)內(nèi)光軸是恒定的或均勻的但不同于周邊的區(qū)，并且被配置成不同地更改穿過(guò)每個(gè)區(qū)的光的偏振狀態(tài)，如圖4A-4B中更詳細(xì)示出的。例如，PR可以被布置成接收從GPH輸出的不同偏振狀態(tài)的偏振光，并且可以被配置成將所述不同偏振狀態(tài)改變成同一偏振狀態(tài)。在一些實(shí)施例中，使用例如消色差PG和多扭轉(zhuǎn)延遲器(MTR)技術(shù)，GPH、PR和/或PG可以是寬帶的。
[0092]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105的幾何相位全息圖偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(GPH-PCS)布置100?，F(xiàn)在參考圖1，GPH-PCS 100包括幾何相位全息圖(GPH)元件110和被布置成接收從GPH元件110輸出的光的圖案化延遲器元件120。來(lái)自至少一個(gè)非偏振光源105的光入射在GPH元件110上，該GPH元件110實(shí)施透鏡相位剖面，并且在本文中也被稱(chēng)為幾何相位透鏡。幾何相位透鏡110將入射光衍射成具有正交圓偏振狀態(tài)RCP (右手圓偏振)或LCP (左手圓偏振)的聚焦111或散焦112光束，其中光束之間的發(fā)散角基于局部光軸取向而不同。幾何相位透鏡110將一個(gè)圓偏振(此處，RCP)聚焦到焦斑上或者在焦距“尸處或靠近焦距“尸的區(qū)130上的線(xiàn)117上，從而提供會(huì)聚(例如，凸面)透鏡的效應(yīng)，同時(shí)使正交圓偏振(此處，LCP)散焦到較寬的角度，從而提供發(fā)散(例如，凹面)透鏡的效應(yīng)。這在遠(yuǎn)離幾何相位透鏡110的焦距距離處或靠近焦距距離導(dǎo)致依賴(lài)偏振的強(qiáng)度。
[0093]PR元件120提供被配置成提供將一個(gè)圓偏振轉(zhuǎn)換成目標(biāo)輸出偏振(例如，線(xiàn)性的)的正延遲(例如，四分之一波)的至少一個(gè)區(qū)125a、125b以及被配置成提供將正交圓偏振轉(zhuǎn)換成相同目標(biāo)輸出偏振的不同或負(fù)延遲的至少一個(gè)其它區(qū)130。在一些實(shí)施例中，輸出光因此可以利用單個(gè)或同一期望偏振進(jìn)行幾乎完全偏振；然而，將理解的是，在實(shí)踐中，少于百分之百的輸出光可以具有相同偏振。另外，盡管未圖示出，可以在GPH與PR元件之間布置可選的透明隔片元件，使得GPH元件110與PR元件120之間的距離對(duì)應(yīng)于GPH元件110的焦距“尸。而且，在一些實(shí)施例中可以在光源105與GPH元件110之間定位準(zhǔn)直透鏡或光導(dǎo)以控制光的發(fā)散角度。
[0094]圖2A圖示了依照本文中描述的一些實(shí)施例的在限定一維透鏡的GPH元件210a中的空間變化光軸剖面的一個(gè)示例，其中線(xiàn)條215a指示局部光軸方向/取向，并且Φ (X)指示光軸取向215a根據(jù)位置相對(duì)于X軸的角度，本文中也被稱(chēng)為光軸剖面。如圖2A中所示，光軸剖面Φ (X)沿著元件210a的表面在一個(gè)維度上以非線(xiàn)性方式變化以限定圖案Λ (X)。圖案Λ (χ)的局部周期變化，其中中心處的周期大于邊緣的周期。作為示例，函數(shù)可以近似為Φ(χ) = k Ji χ2，其中“k”是與GPH元件210a的焦距有關(guān)的非零常數(shù)。該圖案表示用作偏振敏感的柱面透鏡的GPH元件的一個(gè)特定示例。
[0095]圖2B圖示了依照本文中描述的一些實(shí)施例的在限定二維透鏡的GPH元件210b中的空間變化光軸剖面的一個(gè)示例，其中線(xiàn)條215b指示局部光軸方向，并且Φ (X，y)指示光軸取向215b相對(duì)于χ軸的角度。如圖2B中所示，光軸剖面Φ (χ, y) = k JT (x2 + y2)沿著元件210b的表面在兩個(gè)維度上非線(xiàn)性地變化。圖2B的GPH元件210b可以充當(dāng)偏振敏感的球面透鏡。圖2A和2B的兩個(gè)示例，以及具有類(lèi)似聚焦/散焦屬性的其他示例，可以被稱(chēng)為幾何相位(GP)透鏡。將理解的是，雖然一些GPH光軸剖面是完全連續(xù)地變化，所述GPH光軸剖面諸如參考圖2A-2B討論的那些，但是其他GPH光軸剖面在區(qū)內(nèi)可以具有連續(xù)變化并且在區(qū)之間具有離散邊界。
[0096]如具有非線(xiàn)性光軸剖面的圖2A和2B的示例所示，GPH元件210a或210b可以被認(rèn)為是具有沿著其表面的其光柵周期的一維或二維變化的更復(fù)雜版本的標(biāo)準(zhǔn)偏振光柵(PG)。例如在其中GPH元件是具有在其厚度內(nèi)旋轉(zhuǎn)的分子結(jié)構(gòu)的手性液晶層的實(shí)施例中，該GPH元件的局部光軸也可以在第三維度上(例如，在其厚度內(nèi))變化。
[0097]圖3 A和3B圖示了 PG 310a,310b的空間變化光軸剖面的示例。特別地，圖3A圖示了具有在X方向上的光軸變化(由線(xiàn)條315a指示)和衍射的PG 310a，而圖3B圖示了具有在I方向上的光軸變化(由線(xiàn)條315b指示)和衍射的PG 310b。如圖3A和3B中所示，PG310a或310b可以被認(rèn)為是替代地實(shí)施線(xiàn)性相位剖面(例如，Φ (χ) = π χ /Λ或Φ (y)=Ji y / Λ )的GPH的特定示例，其中Λ是恒定光柵周期。
[0098]圖4Α和4Β圖示了依照如本文中描述的本發(fā)明的實(shí)施例的圖案化延遲器元件420a、420b的示例。圖案化延遲器元件420a或420b是具有兩個(gè)或更多個(gè)不同延遲區(qū)(本文中也稱(chēng)為‘域’或‘帶’)的雙折射元件，在所述兩個(gè)或更多個(gè)不同延遲區(qū)中的每一個(gè)內(nèi)光軸取向是均勻的但不同于周邊的區(qū)。照此，每個(gè)延遲區(qū)被配置成不同地更改穿過(guò)其的光的偏振狀態(tài)。不同的延遲區(qū)可以并排定位在共面布置中。延遲區(qū)的光軸在一些實(shí)施例中可以是正交的。
[0099]特別地，圖4A圖示了依照本文中描述的一些實(shí)施例的、適合例如供圖2A的一維幾何相位透鏡使用的用于帶有具有以-45°取向的光軸的一個(gè)中心線(xiàn)性延遲區(qū)430a和具有以+45°取向的光軸的周邊延遲區(qū)425a的圖案化延遲器元件420a的一個(gè)示例光軸剖面。圖4B圖示了依照本文中描述的一些實(shí)施例的、適合例如供圖2B的二維幾何相位透鏡使用的用于帶有具有以-45°取向的光軸的的中心“斑點(diǎn)”延遲區(qū)430b和具有以+45°取向的光軸的周邊延遲區(qū)425b的圖案化延遲器元件420b的一個(gè)示例光軸剖面。
[0100]延遲器元件420a或420b可以相對(duì)于GPH進(jìn)行配置和布置，使得GPH元件的不同透鏡區(qū)將光集中在或以其他方式導(dǎo)向域(+45°，-45°)中的不同一個(gè)上。例如，在圖4A和4B中，-45°延遲區(qū)430a或430b的尺寸和/或形狀可以基于在圖案化延遲器元件420a或420b被定位在GPH元件的焦距f處或靠近GPH元件的焦距f時(shí)提供凸透鏡效應(yīng)的GPH元件的部分所產(chǎn)生的焦斑點(diǎn)的尺寸進(jìn)行配置。
[0101 ] 在一些實(shí)施例中，如本文中描述的延遲器元件的區(qū)可以使用包括如例如在美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?3/646，166 (代理人案號(hào)5051-805)中描述的、包括具有不同扭轉(zhuǎn)的第一和第二延遲器層的多層延遲器來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)的公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用合并于此。特別地，延遲器元件可以包括堆疊結(jié)構(gòu)，該堆疊結(jié)構(gòu)包括相反旋光性的第一和第二手性液晶層。本文中描述的延遲器可以經(jīng)由光學(xué)旋轉(zhuǎn)或雙折射延遲或其任何組合實(shí)現(xiàn)偏振改變，而可以不顯著影響或更改穿過(guò)其的光的傳播方向。相比之下，本文中描述的GPH元件的一些區(qū)可以提供穿過(guò)其的光的衍射(即，傳播方向的改變)。
[0102]圖5A和5B分別圖示了依照本文中描述的一些實(shí)施例的、具有多個(gè)光源505(包括505’、505’ ’、505’ ’ ’)的幾何相位全息圖偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(GPH-PCS)布置500的俯視圖和透視圖。如圖5A和5B中所示的，單個(gè)GPH元件510可以包括提供凸透鏡效應(yīng)的多個(gè)部分，并且GPH元件510的提供凸透鏡效應(yīng)的所述部分中的每一個(gè)對(duì)齊或以其他方式定位以聚焦從各自的光源505’、505’ ’接收的光，從而在焦平面處產(chǎn)生同一(示出為圓的)偏振的各自的焦斑點(diǎn)517。PR元件520定位在焦距/處或者靠近焦距/?接收從GPH 510輸出的光，并且包括與焦斑點(diǎn)517對(duì)齊的各自的延遲區(qū)530以實(shí)現(xiàn)如本文中描述的那樣將從GPH元件510輸出的偏振光轉(zhuǎn)換成同一偏振狀態(tài)(不出為線(xiàn)偏振)。盡管參考具有以不同角度取向的光軸的離散延遲區(qū)525、530進(jìn)行圖示，但是將理解的是，在PR元件520中可以存在相鄰延遲區(qū)525、530之間的一定的重疊。在一些實(shí)施例中，GPH元件510限定的透鏡的數(shù)目/數(shù)量可以對(duì)應(yīng)于光源505’、505’’、505’’’的數(shù)目/數(shù)量；然而，本發(fā)明的實(shí)施例不限于此，并且GPH元件可以包括關(guān)于光源的數(shù)目的任何數(shù)目的透鏡。
[0103]圖6圖示了依照本文中描述的一些實(shí)施例的類(lèi)似于圖1但進(jìn)一步包括添加的偏振片640的一個(gè)GPH-PCS布置600。如圖6中所示，偏振片640布置在PR元件620之后(例如，以接收從PR元件620輸出的光)。特別地，從一個(gè)或多個(gè)光源605輸出的光傳播通過(guò)GPH610以在焦平面處產(chǎn)生焦斑點(diǎn)617，PR元件620以類(lèi)似于如前面參考圖1討論的方式定位在所述焦斑點(diǎn)617處或靠近所述焦斑點(diǎn)617。從PR元件620的各自的區(qū)625、630輸出的光傳播通過(guò)附加偏振片640 (例如，如經(jīng)常在LCD中使用的線(xiàn)偏振片)，其可以通過(guò)移除具有不同于目標(biāo)或期望偏振狀態(tài)的偏振狀態(tài)的殘余光來(lái)“清理”輸出偏振。
[0104]圖7A和7B分別是圖示出依照本文中描述的一些實(shí)施例的包括添加的光導(dǎo)760和隔片750的一個(gè)GPH-PCS布置700的俯視圖和透視圖。如圖7A中所示，隔片750是布置在GPH元件710與PR元件720之間的透明元件。從所述一個(gè)或多個(gè)光源705輸出的光傳播通過(guò)GPH 710、隔片750和PR元件720。光導(dǎo)760布置在PR元件720的輸出處。光導(dǎo)760可以是透明元件，其在鄰近PR 720的其邊緣處接收從PCS 700輸出的光，并且使用全內(nèi)反射原理引導(dǎo)所述光遍及其體積，使得所述光可以可控地發(fā)射出其前表面760f或后表面760b，如圖7B中所示。光發(fā)射可以如實(shí)踐中一樣是空間均勻的。
[0105]光導(dǎo)(或“厚板”)760可以是具有恒定厚度的平坦或平面板，或者可以具有其中其厚度變化的楔形或其他形狀。圖7A和7B的實(shí)施例不提供關(guān)于從光導(dǎo)760的出耦合的限制；然而，在一些實(shí)施例中光導(dǎo)可以被配置成基本保持傳播通過(guò)其的光的偏振(例如，零雙折射光導(dǎo))。光導(dǎo)也可以包括將光從光導(dǎo)導(dǎo)出和/或從一端導(dǎo)向另一端同時(shí)在從該光導(dǎo)出射時(shí)保持其偏振的結(jié)構(gòu)和/或材料。這樣的結(jié)構(gòu)和/或材料可以包括例如棱鏡、微透鏡、平面薄膜和/或零雙折射聚合物或樹(shù)脂。當(dāng)在直視型顯示器系統(tǒng)中采用時(shí)，像素模塊可以布置在觀看者與光導(dǎo)760之間，并且源705/PCS 700/光導(dǎo)760系統(tǒng)可以為顯示器系統(tǒng)提供“背光”。替換地，光導(dǎo)760可以布置在觀看者與像素模塊之間，從而為顯示器系統(tǒng)提供“前光”當(dāng)用作前光時(shí)，可選的透明隔片元件750也可以布置在GPH與PR之間，如圖7A和7B中所圖示的。而且，圖6中所示的偏振片640可以被包括和定位在PR元件720與光導(dǎo)760之間。如本文中描述的