具有几何相位全息图的偏振转换系统的制作方法
【专利说明】具有几何相位全息图的偏振转换系统
[0001]优先权要求
本申请要求来自2013年3月13日提交的美国临时专利申请号61/779，304的优先权，其公开内容通过引用完整合并于此。
技术领域
[0002]本发明涉及一种偏振转换和有关的系统。
【背景技术】
[0003]许多光学器件和系统可能需要偏振光以进行操作。这样的器件可以见于包括例如平板显示器、投影显示器、光纤网络和/或光学传感器的各种各样的应用领域内。然而，许多光源可能是非偏振的，所述光源包括例如发光二极管(LED)、冷阴极荧光灯(CCFL)、白炽灯和/或自然光。
[0004]诸如偏振层板或各种双折射棱镜之类的偏振元件可以用来将非偏振光转换成偏振光。然而，这样的偏振元件可能内在地有损耗，因为它们通常通过吸收不需要的光或者通过将不需要的光重定向离开期望方向而操作。这可能甚至在光进入显示部件之前导致大于约50%的光功率损耗。这样大的损耗通常是不期望的，尤其在高亮度显示系统或其中电池寿命有限的便携式电池供电显示系统中。
[0005]已经使用一些方法来减少偏振元件中的损耗，使得被转换成偏振光的非偏振光的量(本文中被称为“转换效率”)大于约50%。一个这样的方法选择性地使期望的偏振通过到显示器中并且将不需要的偏振反射回到光照系统中，预期不需要的偏振将被扰乱或者被转换成期望的偏振并且随后以期望的偏振中的至少一些重新发射。这样的方法可以保存从光源输出的光的展度(或扩展范围)。
[0006]另一个偏振转换方法(被称为偏振转换系统(PCS))将具有不需要的偏振的入射光转换成期望的偏振而不是吸收它或将其从输出重定向，并且在例如美国专利号5，995，284和美国专利号5，986，809中进行描述。这可能导致具有通常60-80%效率的偏振转换。
[0007]PCS方法的一个困难可能牵涉偏振分离元件。特别地，许多方法可能采用小偏振分束器阵列(PBS阵列)。这样的阵列可以满意地用于较小的入射角，但是对于以约±5°或更大的角度离轴入射的光而言可能经历很大的劣化。在美国专利号6，621，533中描述的替换的PCS采用具有块液晶的闪耀微棱镜阵列的复杂组合；然而，这样的复杂结构可能难以制作和/或可能具有性能限制。
[0008]另外，已经与反射镜或波片以及微棱镜阵列相结合使用一个或多个偏振光栅(PG)来实现偏振转换。然而，前一布置可能需要相对大的体积，而后一布置可能对于除极其准直的光之外所有都缺少实用性。
[0009]而且，已经演示了采用传统折射微透镜阵列、偏振光栅和百叶式波片的两个PCS的布置。然而，这样的配置可能对于跨相对大的区域的制作和配准(registrat1n)提出挑战，因为它们可能涉及必须单独制作且仔细对齐的至少五个元件。此外，对于微棱镜阵列可能的尺寸和f数(焦距与透镜直径之比)的实际限制经常限制性能或增加成本。
【发明内容】
[0010]依照本文中描述的一些实施例，用于偏振转换的装置或系统包括被定位成接收从至少一个光源输出的光的几何相位全息图和被定位成接收从几何相位全息图输出的光的图案化延迟器。
[0011 ] 在一些实施例中，从光源输出的光可以具有小于几何相位全息图的区域的发射区域。
[0012]在一些实施例中，从光源输出的光可以具有宽带的光谱。
[0013]在一些实施例中，从光源输出的光可以至少部分地非偏振。
[0014]在一些实施例中，几何相位全息图可以被配置成使一个圆偏振聚焦并且使一个正交圆偏振散焦。几何相位全息图可以因此被配置成实施其相位剖面(profile)中的透镜功會K。
[0015]在一些实施例中，图案化延迟器可以被定位在几何相位全息图的焦平面处或者靠近几何相位全息图的焦平面。
[0016]在一些实施例中，图案化延迟器可以具有消色差四分之一波延迟。
[0017]依照本文中描述的一些实施例，偏振转换系统包括具有带有在沿着其表面至少一个维度上非线性变化的局部光轴取向的光学各向异性的几何相位元件。延迟器元件被布置成接收从几何相位元件输出的光。
[0018]在一些实施例中，几何相位元件的光学各向异性可以具有沿着其表面的恒定量值。
[0019]在一些实施例中，局部光轴取向可以限定具有沿着几何相位元件的表面变化的周期性的双折射图案。
[0020]在一些实施例中，变化的周期性可以限定沿着几何相位元件的表面的各自的透镜区。
[0021]在一些实施例中，在几何相位元件的中心部分处的周期性可以大于在几何相位元件的边缘部分处的周期性。
[0022]在一些实施例中，局部光轴取向可以在沿着几何相位元件的表面的第一和第二维度上变化。
[0023]在一些实施例中，几何相位元件的表面的区域可以大于几何相位元件上的入射光提供的光照的区域。
[0024]在一些实施例中，几何相位元件可以被布置成直接从非偏振光源接收入射光而在其间没有介入透镜元件。
[0025]在一些实施例中，几何相位元件可以被配置成将至少部分地非偏振入射光衍射成具有正交偏振状态的第一和第二发散光束。
[0026]在一些实施例中，几何相位元件可以进一步被配置成使第一光束在与其相关联的焦距处聚焦并且使第二光束在所述焦距处散焦。
[0027]在一些实施例中，延迟器元件可以被定位成邻近几何相位元件的焦距。延迟器元件可以被配置成将第一和第二光束的正交偏振状态转换成同一偏振状态而基本上不更改其各自的传播方向。
[0028]在一些实施例中，第一和第二光束可以具有相反旋向性的正交圆偏振状态。延迟器元件可以被配置成将正交圆偏振状态中的每一个转换成同一线偏振状态。
[0029]在一些实施例中，延迟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迟区。几何相位元件可以被配置成将第一光束导向第一延迟区，并且将第二光束导向第二延迟区。
[0030]在一些实施例中，第一延迟区的区域可以对应于几何相位元件的焦距处的焦斑的区域。
[0031 ] 在一些实施例中，延迟器元件可以是四分之一波片并且第一和第二延迟区的光轴可以分开约90°。
[0032]在一些实施例中，一个或多个光源可以被布置使得从其输出的光入射在几何相位元件上。光源中的每一个可以与几何相位元件的透镜区之一对齐。
[0033]在一些实施例中，从各自的透镜区输出的光可以限定在几何相位元件的焦平面处具有同一偏振状态的各自的斑点。
[0034]在一些实施例中，偏振元件可以被布置成接收从延迟器元件输出的光。
[0035]在一些实施例中，光导可以被布置成接收从延迟器元件输出的光，并且可以被配置成保持从其表面输出且遍及其体积的光的偏振。
[0036]在一些实施例中，光导可以包括一个或多个光学结构，所述光学结构被配置成将从延迟器元件输出的光导向穿过该光学结构，同时保持其偏振。
[0037]在一些实施例中，光学结构可以包括棱镜结构、微透镜和/或平面薄膜。
[0038]在一些实施例中，偏振光栅可以被布置在几何相位元件与延迟器元件之间。
[0039]在一些实施例中，延迟器元件可以是半波延迟器元件。偏振光栅可以被定位成接收从半波延迟器元件输出的光，并且四分之一波延迟器元件可以被定位成接收从偏振光栅输出的光。
[0040]在一些实施例中，透明隔片元件可以被定位在几何相位元件与延迟器元件之间。可以层压几何相位元件、隔片元件和延迟器元件以提供单片结构。
[0041 ] 在一些实施例中，延迟器元件可以包括至少一个手性液晶层。
[0042]在一些实施例中，至少一个手性液晶层可以是具有在其各自的厚度内旋转不同扭转角的各自的分子取向的第一和第二手性液晶层。扭转角中的至少一个可以非零。
[0043]在一些实施例中，所述系统可以被包括在投影仪中。所述投影仪可以包括被配置成提供入射在几何相位元件上的至少部分地准直的光的光源、被布置成接收从延迟器元件输出的光的微显示器以及被布置成接收从微显示器输出的光的投影透镜。
[0044]在一些实施例中，所述系统可以被包括在直视型显示器的照明单元中。所述照明单元可以包括被配置成提供入射在几何相位元件上的非偏振光的发光元件以及被布置成接收从延迟器元件输出的光的波导。
[0045]在一些实施例中，所述系统可以被包括在电信系统中。所述电信系统可以包括被配置成提供入射在几何相位元件上的红外光的红外光源以及被配置成接收从延迟器元件输出的光的光纤元件。
[0046]依照本文中描述的一些实施例，一种方法包括:提供具有带有在沿着其表面至少一个维度上非线性变化的局部光轴取向的光学各向异性的几何相位元件；以及将延迟器元件布置成接收从几何相位兀件输出的光。
[0047]在一些方法实施例中，延迟器元件被布置成从几何相位元件接收具有正交偏振状态的第一和第二发散光束。
[0048]在一些方法实施例中，布置延迟器元件进一步包括将延迟器元件定位为邻近几何相位元件的焦距，使得第一和第二光束的正交偏振状态被转换成同一偏振状态而基本上不更改其各自的传播方向。
[0049]在一些方法实施例中，延迟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迟区，其中第一光束被导向第一延迟区，并且其中第二光束被导向第二延迟区。
[0050]—些方法实施例进一步包括:将几何相位元件布置成直接从一个或多个非偏振光源接收入射光而在其间没有介入透镜元件。
[0051]在一些方法实施例中，局部光轴取向限定具有限定沿着几何相位元件的表面的各自透镜区的变化的周期性的双折射图案，并且光源中的每一个与几何相位元件的透镜区之一对齐。
[0052]一些方法实施例进一步包括:将几何相位元件和隔片元件与其间的透明延迟器元件层压以提供单片结构。
[0053]一些方法实施例进一步包括:将偏振元件布置成接收从延迟器元件输出的光。
[0054]一些方法实施例进一步包括:将光导布置成接收从延迟器元件输出的光，其中光导被配置成保持从表面输出且遍及其体积的光的偏振。
[0055]一些方法实施例进一步包括:将偏振光栅布置在几何相位元件与延迟器元件之间。
[0056]一些方法实施例进一步包括:将偏振光栅定位成接收从延迟器元件输出的光，其中延迟器元件是半波延迟器元件，以及将四分之一波延迟器元件定位成接收从偏振光栅输出的光。
[0057]在审阅以下图和【具体实施方式】时，依照一些实施例的其他装置和/或方法对于本领域技术人员而言将变得显而易见。所意图的是除了前面实施例的任何及全部组合之外，所有这样的附加实施例都被包括在本说明书之内、在本发明的范围之内以及受所附权利要求保护。
【附图说明】
[0058]图1图示了依照本文中描述的一些实施例的具有单个光源的几何相位全息图偏振转换系统(GPH-PCS )布置。
[0059]图2A图示了依照本文中描述的一些实施例的在几何相位全息图(GPH)中用于一维透镜的空间变化光轴剖面的一个示例，其中线条指示局部光轴方向，并且φ(χ)指示光轴相对于X轴的角度。
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