CN101131445A - 无源消偏器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用在具有象平面的光学系统中的无源消偏器。该无源消偏器包括结合有单片双折射材料层的图案化半波片。该单片层包括具有至少四个不同取向的快轴的多个区域。因此，进入该图案化半波片的偏振光束在所述象平面是基本消偏振的。

Description

无源消偏器
技术领域
[0001]本发明通常涉及一种消偏器和图案化波片。更特别地，本发明涉及一种包括图案化半波片的无源消偏器。
背景技术
[0002]许多光学元件对光的偏振敏感。当将这种光学元件用在光学系统中时，它们的偏振灵敏度将引入显著的误差。为了抵制不合需要的偏振灵敏度效应，消偏器可被用来降低或试图随机化光的偏振。
[0003]例如，用在分光计中的典型衍射光栅具有固有的偏振灵敏度，即它们的衍射效率取决于光的偏振。当在宽的波长范围上操作时，分光计可利用多个不同的光栅，每一个都具有不同的偏振灵敏度。如果入射光是偏振的，则不同光栅的输出将是不同的。因此，分光计的性能将同样取决于其所用的光栅而不同，导致测量误差。通过在定位于分光计的象平面处的光栅的前面插入消偏器，该问题可以被最小化。
[0004]如McGuire和Chipman的名称为“Analysis of spatial pseudo-depolarizers inimaging systems”(Optical Engineering，1990，VOL.12，pp.1478-1484)的文章中所述，消偏器将偏振的光束转变成由不同的偏振态的集合组成的光束。从理想的消偏器输出的光束将包括时间和空间任意的偏振态。然而，这种理想的消偏器是不存在。实际的消偏器提供由空间、时间或波长域中连续的偏振态组成的光束。当将这些偏振态叠加在光学系统的象平面时，将产生偏振杂乱的图象。当这种光束穿过定位在象平面处的偏振分析仪并入射到光功率计上时，通过改变偏振分析仪的取向而探测到的传输功率没有明显的变化。
[0005]许多用在光学系统中的现有消偏器是基于波片的(波片也称为延迟器)。波片，其通常由双折射材料层组成，可改变光束的两个正交偏振分量间的相对相位。单轴双折射材料以单快轴(也称为光轴或各向异轴)为特征。平行于快轴的偏振分量比垂直于快轴的偏振分量更快地穿过材料。换句话说，该平行分量经历较小的折射率n1，而该垂直分量经历较大的折射率n2。材料的双折射Δn定义为Δn＝n2-n1。
[0006]如果波片具有适当的厚度，光束的两正交分量之间可以产生相移。对于具有双折射Δn和厚度d的波片，波长为λ的光束的相移Γ由Γ＝(2πΔnd)/λ确定。
[0007]例如，选择半波片的厚度以产生半波长(π)或相当多个半波长((2m+1)π，其中m是整数)的相移，这样d＝λ(2m+1)/(2Δn)。当线性偏振光束入射到半波片上时，从半波片出射的光束同样是线性偏振的，但是其偏振态以与快轴成一角度取向，该角度是入射光束的偏振态与快轴所成角度的两倍。因此，半波片可用作偏振态“旋转器”。
[0008]一种类型的现有消偏器是Lyot型消偏器，其包括具有2∶1的厚度比的两个平行的双折射材料波片。波片以它们的快轴彼此成45°取向而堆叠。例如，Norton等人的US专利No.6,667,805；No.7,099,081和No.7,158,229中描述了这种装置的变体。另一种类型的现有消偏器包含楔形波片。Hanle(亨勒)消偏器由两个光楔组成，其中至少一个光楔是双折射材料。Cornu消偏器由两个双折射材料光楔组成，它们的快轴以相反的方向取向。例如，Kremen的US专利No.4,198,123，Yao的US专利No.6,498,869，Kaneko等人的US专利No.6,744,506，Li等人的US专利No.6,819,810和No.7,039,262及Fiolka的US专利申请No.2007/0014504中描述了这些装置的变体。
[0009]Yao的US专利No.6,498,869也公开了一种由大量双折射材料结晶芯片制造的消偏器。芯片是四分之一波片，并且它们的快轴在平面内任意取向。Schuster的US专利No.6,191,880；No.6,392,800和No.6,885,502中公开了相似的装置，在这种情况下是放射状地偏振一束偏振光。Schuster的径向偏振镜包括多个双折射材料腔面(facet)。这些腔面是半波片，并且它们的快轴在平面内以不同的图案排列。
[0010]Bulpitt等人的US专利No.5,028,134公开了一种有源消偏器，其包括半波片和旋转该半波片的装置。
[0011]所有上述装置都具有两个或多个部件。这种多部件装置的制造是非常昂贵的，这限制了它们的应用。简单并易于制造的无源单片消偏器是光学系统所需要的。一种可能是基于图案化波片的消偏器。在现有技术中已经描述了具有空间变化的快轴取向的图案化波片，但是没有一个公开的装置是消偏器。
[0012]Segre的US专利No.3,617,934描述了一种包括电光晶体和施加电场到该晶体的装置的有源偏振转换器。在该装置中，施加电场可以可逆地转换该晶体到图案化半波片。
[0013]May的US专利No.5,548,427描述了一种用在可调的全息装置中的具有两个不同快轴取向的交替区域的图案化半波片。Kurtz等人的US专利No.7,023,512和Silverstein等人的US专利No.7,061,561公开了图案化波片用作液晶显示器(LCD)的偏振补偿器。在这些装置中，波片快轴取向的图案与LCD的图案相关。Woodgate等人的US专利No.6,055,103公开了一种用作三维(3D)显示中的偏振调制光学元件的具有两个不同快轴取向的交替区域的图案化半波片。相似地，Gillian等人的US专利No.5,861,931公开了一种用作3D显示中的偏振旋转光学元件的具有两个不同旋转方向的交替区域的图案化波片。
发明内容
[0014]本发明的一个目的是通过提供可以最小化光学系统中的不合需要的偏振灵敏度效应的消偏器来克服现有技术的上述缺点。不同于现有的消偏器，本发明的消偏器是无源和单片的。其包括具有可选择的快轴取向的图案化半波片，以在光学系统的象平面处对偏振光束进行显著地消偏振。
[0015]因此，本发明涉及一种用在具有象平面的光学系统中的无源消偏器，包括具有入射表面和相对的出射表面的图案化半波片，其中该图案化半波片包括单片双折射材料层，其中该单片层包括具有不同快轴的多个区域，并且其中快轴在单片层的平行于入射表面的横截面内具有至少四个不同取向，以致于进入入射表面的偏振光束在象平面处基本是消偏振的。
附图说明
[0016]下面将参考代表本发明优选实施例的附图更详细地描述本发明，其中：
[0017]图1是具有象平面的光学系统中的图案化半波片的侧视图的示意图；
[0018]图2是单片双折射材料层的横截面的示意图，其中定义了快轴取向、参考轴和位置坐标；
[0019]图3是单片双折射材料层的横截面的示意图，具有依据θ＝aφ+b且a＝2、b＝0的快轴取向的图案；以及
[0020]图4是单片双折射材料层的横截面的示意图，具有依据θ＝cx+d且c＝360°、d＝0的快轴取向的图案。
具体实施方式
[0021]参考图1，本发明提供一种包括图案化半波片100的消偏器。图案化半波片100具有入射表面110和出射表面120，并包括单片双折射材料层130。优选地，图案化半波片100可由单片双折射材料层130组成，或也可以包括可选的光定向层(photo-alignment layer)140，其可以相邻于入射表面110或出射表面120。
[0022]如上所述，可根据入射光束150的平均波长λ和单片层130的双折射材料的双折射Δn确定图案化半波片100的理想厚度d。入射光束150可以是线偏振光或椭圆偏振光，并优选地其平均波长大约为400-2000nm。优选地，双折射材料的双折射大约为0.05-0.5。优选地，单片层130的实际厚度接近于理想值(在大约10％内)。
[0023]优选地，半波片100的入射表面110和出射表面120基本是平坦的。优选地，通过输入口(未示出)或可选的光学元件(例如准直透镜；未示出)进入入射表面110的偏振光束150垂直于入射表面110。因此，从半波片100出射的光束160由多个不同偏振态组成。当这些偏振态通过聚焦透镜180和可选的光学元件(未示出)叠加在光学系统的象平面170处时，图象190将基本是消偏振的。
[0024]本发明的重要特征是图案化半波片100包含单片层130，该单片层130包括多个具有不同取向的快轴的区域。例如，单片层130可以包括具有不同快轴取向的多个圆扇形或多个平行截面。如图2中所示，每个快轴的取向201以相对于单片层130的平行于入射表面110的横截面内的参考轴210成0-360°范围内的面内角θ为特征；正角方向按逆时针确定。图2所示的单片层130具有具有四个不同快轴取向201、202、203和204的四个区域231、232、233和234(每个都是圆扇形)。
[0025]所需的是快轴在单片层130的平行于入射表面110的横截面内具有至少四个不同取向。优选地，快轴具有至少八个不同取向。在某些情况下，快轴可具有多至48或更多个不同取向。实际上，快轴的取向可以连续地变化。快轴取向的这种连续的变化有利于降低不合需要的衍射效应。
[0026]优选地，快轴的取向按规则的图案变化。该图案可能由于面内角相对于单片层130的平行于入射表面110的横截面内的位置坐标作线性变化而生成。如图2所示，位置坐标可以是极坐标，即径向坐标r或方位角φ；该方位角定义为距离参考轴210的逆时针角。例如，面内角θ可根据θ＝aφ+b相对于方位角φ作线性变化，其中a是斜率，b是φ为0时的面内角。图3中所示的是具有在a＝2且b＝0时产生的快轴取向图案的单片层130的横截面。所示的单片层130中包括具有四个不同快轴取向301、302、303和304的八个不同区域331、332、333、334、335、336、337和338。
[0027]可替换地，如图2所示，面内角可相对于单片层130的平行于入射表面110的横截面内的笛卡儿坐标(即x或y坐标)而作线性变化；x轴相当于参考轴210，且x轴的长度经归一化为1。例如，面内角θ可根据θ＝cx+d相对于x坐标作线性变化，其中c是斜率，而d是x为0时的面内角。图4中所示的是具有在c＝360°且d＝0时生成的快轴取向图案的单片层130的横截面。所示的单片层130包括具有八个不同快轴取向401、402、403、404、405、406、407和408的17个区域431、432、433、434、435、436、437、438、439、440、441、442、443、444、445、446和447(每个都是平行区域)。
[0028]无疑地，根据a(优选地，a≥1)和b，或c(优选地，c≥180°)和d的不同选择可以生成其它的快轴取向图案。作为变化，根据坐标位置的不同选择也可以生成其它图案。此外，也可以改变单片层130内的区域数目和不同快轴取向的数目。例如，根据任一这种图案，快轴取向可以在单片层130内有效地连续变化。
[0029]对于入射到入射表面110上的偏振光束150，当它们穿过图案化半波片110内的不同区域时，光束的不同区域将使它们的偏振态“旋转”不同的量，这取决于每个区域上的快轴的取向。因此，该装置起到将偏振光束150转变成在其横截面内具有多个不同偏振态的光束160的空间消偏器的作用。如果入射光束150是线性偏振的，则出射光束160将由多个线性偏振态组成。如果入射光束150是椭圆偏振的，则出射光束160将由多个椭圆偏振态组成。如果入射光束150是消偏振的，则出射光束160也将是消偏振的。因此，多个偏振的光束150也可以由图案化半波片100来实现消偏振。
[0030]例如，图案化半波片100可以通过利用紫外(UV)光由光控取向方法制造，这类似于Gillian等人的US专利No.5,861,931，Woodgate等人的US专利No.6,055,103，Silverstein等人的US专利No.7,061,561，以及Seiberle等人的名称为“Photo-AlignedAnisotropic Optical Thin Films”(SID International Symposium Digest of Technical Papers，2003，Vol.34，pp.1162-1165)文章中所公开的方法。在此通过参考，将所有上述文献合并入本申请中。
[0031]作为这种方法中的第一步骤，生成光定向层140，其作为图案化半波片100的一部分。施加光聚合材料到衬底，该衬底通常是玻璃板。然后利用线偏振的UV光照射该光敏(photo-polymerizable)材料以提供在所得到的光定向层140内的定向排列。优选地，光敏预聚合物被用作光敏材料，且所得到的光定向层140由光敏聚合物组成。作为第二步骤，可交联的(cross-linkable)材料被施加到光定向层140上并根据光定向层140的定向排列来取向。然后通过暴光于UV光，交联可交联的材料以产生双折射材料单片层130，该单片层130作为图案化半波片100的一部分。优选地，液晶预聚合物被用作可交联材料，并且得到的双折射材料单片层130由液晶聚合物组成。合适的光敏预聚合物和液晶预聚合物可由Rolic Technologies Ltd.(Allschwil，Switzerland)处得到。
[0032]在光定向层140的形成期间通过改变图案中的线偏振的UV光的偏振态可将取向图案形成在光定向层140中。如Seiberle等人所述，这种取向图案可通过光掩模、取向模板(alignment master)、激光扫描、或线偏振UV光束和衬底的同步移动生成。在将可交联连接的材料施加到光定向层140并且随后交联之后，得到的双折射材料单片层130将具有在相应于取向图案的图案中变化取向的快轴。
[0033]例如，单片层130，其包括具有不同快轴取向的多个区域，可由通过光敏材料通过适当数量的图案化光掩模而对线偏振的UV光的一系列暴光而产生的光定向层140产生。可替换地，当以适当的图案移动衬底时，可利用通过缝隙暴光光敏材料于线偏振的UV光而生成的光定向层140实现单片层130内快轴取向的连续变化。

Claims (15)

1.一种用在具有象平面的光学系统中的无源消偏器，包括：
图案化半波片，其具有入射表面和相对的出射表面，
其中，所述图案化半波片包括单片双折射材料层，
其中，所述单片层包括具有各自快轴的多个区域，以及
其中，所述快轴在所述单片层的平行于所述入射表面的横截面内具有至少四个不同的取向，以使进入所述入射表面的偏振光束在所述象平面处被基本上消偏振。
2.根据权利要求1所述的无源消偏器，其中，所述图案化半波片由单片双折射材料层组成。
3.根据权利要求1所述的无源消偏器，其中，所述入射表面和所述出射表面基本是平坦的。
4.根据权利要求1所述的无源消偏器，其中，所述单片层包括具有各自快轴的多个圆扇形。
5.根据权利要求1所述的无源消偏器，其中，所述单片层包括具有各自快轴的多个平行区域。
6.根据权利要求1所述的无源消偏器，其中，所述快轴在所述单片层的平行于所述入射表面的横截面内具有至少八个不同取向。
7.根据权利要求1所述的无源消偏器，其中，所述快轴的取向是连续变化的。
8.根据权利要求1所述的无源消偏器，其中，所述快轴的取向按规则图案变化。
9.根据权利要求8所述的无源消偏器，其中，所述每个快轴的取向都是以相对于所述横截面内的参考轴成0-360度的范围内的面内角为特征，并且，其中所述面内角相对于所述横截面内的位置坐标作线性变化。
10.根据权利要求9所述的无源消偏器，其中，所述位置坐标是极坐标。
11.根据权利要求9所述的无源消偏器，其中，所述位置坐标是笛卡儿坐标。
12.根据权利要求1所述的无源消偏器，其中，所述单片双折射材料层由液晶聚合物组成。
13.根据权利要求12所述的无源消偏器，其中，所述图案化半波片还包括光定向层。
14.根据权利要求13所述的无源消偏器，其中，所述光定向层由光敏聚合物组成。
15.根据权利要求13所述的无源消偏器，其中，所述图案化半波片是利用紫外光实现光取向。
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