CN101339335A - 非蚀刻的平面偏振选择衍射光学元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种偏振选择衍射光学元件，包括由基底支撑的液晶聚合物膜。所述液晶聚合物膜包括像素阵列，每个像素用固定的液晶指向矢编码，使得每个液晶指向矢在垂直于所述液晶聚合物膜的普通平面内排列，且提供了预定方式的面外斜度。选择所述阵列中像素的尺寸和预定方式，以使所述液晶聚合物膜形成用以衍射平行于所述普通平面偏振的光的相位全息图，和用以垂直于所述普通平面偏振的光的零阶衍射光栅。这种非蚀刻且平面的相位全息图适于大范围应用。

Description

非蚀刻的平面偏振选择衍射光学元件

相关申请的交叉引用

[01]本申请要求2007年7月3日递交的申请号为60/947,690的美国临时申请的优先权，该临时申请在此通过引用被结合入本文中。

缩微胶片附录

[02]不适用

技术领域

[03]本申请一般涉及衍射光学元件，尤其涉及一种非蚀刻的且平面偏振选择的衍射光学元件。

背景技术

[04]已经积极地研究了编码在可编程的基于液晶(LC)的空间光调制器(SLMs)上的衍射光栅和更加复杂的薄膜全息图，来作为改变光束的波阵面的方法。例如，这些LC/SLMs可在合成相位天线阵或者通信束控制开关中被用于自适应光相位校正。LC/SLMs典型地基于透射或者反射类型的微型显示面板，以提供小的像素间距条件。使用带有面内(例如使用向列型LC和铁电LC的平面转换(IPS))和面外(如平面或者平行排列(PA)和垂直排列(VA)的向列LC)转动LC指向矢的LCs。如果用二相位配置全息图，所述铁电LC(FLC)将是偏振不灵敏的。偏振不灵敏对于诸如用在通信网络中的光束控制开关这样的，光源具有未知或者混杂偏振的系统是很重要的。另一方面，由于面外转换向列LCs(如PA和VA向列LC)是众所周知偏振敏感的，录制在这些LC/SLMs上的全息图一般需要已知的偏振。因此，典型地这些LC全息图的类型仅仅在光源偏振的光学系统和使用仪器中有用。

[05]尽管编码在LC/SLMs上的可编程薄膜全息图有非常多用途的，但是这些有源部分对很多应用不是经济有效的。另外，已知这些可编程薄膜全息图提供相对小的操作角度。例如，现有技术的硅基液晶显示器(LCoS)面板具有小于10μm的像素间距，在0.5μm的波长且使用最少每个光栅周期两个像素时，提供大约1.4度的最大光束偏转角。所有其他的可编程全息输出(如术语为重播)将具有更加小的偏转角。

[06]然而，对基于这些有源设备来形成无源衍射光栅或全息图已经引起关注。例如，在专利号为6,304,312的美国中，衍射光栅通过在两个透明的基底底之间注入液晶单体来形成，每一个基底底用取向层涂覆。在一个例子中，取向层是均匀的，且衍射光栅受到对在透明的基底底上提供的有图案的电极施加电压的影响。在另一例子中，有图案的取向层(如使用光刻技术来组成图案)对衍射光栅有影响。在液晶层被排列后，随后它们被聚合和/或交联来固定排列。应当注意在该参考文献中液晶聚合物像素限于具有垂直排列(即垂直于基底)或者平面排列(如与基底底平行)。据报告所产生的二元光栅(如具有大约8μm的间距)仅仅提供大约百分之四十的衍射率。

[07]近来，已经提出了具有相当小像素间距(如1μm或者更短)的具有图案的光控取向层。例如，在美国7,375,784号专利中公开了微型具有图案的取向层。当该取向层限于仅具有垂直排列(即垂直于基底底)和平面排列(即平行于基底)时，液晶可以在面外角范围内被排列。更加具体地，规定液晶的局部取向由垂直排列和平面排列区域下面的平均面积确定。不幸地，由于液晶的取向是与不能精确构图的不同区域的平均值相关，因此不适用于很多应用。

[08]事实上，为了最优化精度和成本效率，需要无源全息图(passive holograms)的大多数应用使用具有物理阶跃的衍射光学元件。不幸地，用来形成这些衍射光学元件的蚀刻和/或成型步骤是相对复杂且耗时的。另外，表面浮雕结构一般需要复杂的光学薄膜涂覆步骤来保护精密的结构。

[09]提供一种制作薄膜光栅或者全息图的相对简单、低成本和/或适于更多应用的方法是有利的。

发明简述

[10]本发明涉及一种用薄液晶聚合物层形成衍射光栅和/或全息图的方法。在一个实施例中，薄液晶聚合物被形成在取向层上，取向层已经用穿过遮光模的以非正态入射的线性偏振光照射。在该实施例中，所述遮光模被形成图案，从而光以不同能量密度入射在取向层的不同区域上。有利地，用不同能量密度照射的取向层的每一个区域，在涂覆在其上的液晶聚合物的表层区域上提供了不同的面外倾斜角度。因此，容易精确地形成具有零至九十度之间的多个倾斜角的全息图。由此，为了广泛的应用可以容易地设计相对复杂的全息图结构。另外由于液晶聚合物膜被涂覆在单个的基底底上，并且不用蚀刻和/或成型来构成图案，所产生的全息图是平面的，且可以较低的成本提供。

[11]本发明还涉及一种使用这些非蚀刻且平面的(NEF)的全息图形成的衍射光学元件，其中液晶(LC)面外倾斜以预定方式随横向空间坐标变化。在一个实施例中，所产生的NEF薄膜衍射光学元件在沿着给定的方位角平面排列的全息图的每一个像素中具有LC指向矢(director)。包含LC指向矢分布的平面也是倾斜平面。仅仅沿着倾斜平面偏振的光线受到连续编码的或者像素化方式的变量延迟的影响。所述变量延迟显示了作为横向空间坐标的函数的可变的光程长度调制。相反地，沿着垂直于倾斜平面的方向偏振的光线不考虑LC的直接倾斜仅仅取值普通的折射率。不需要可变的光程长度调制，并且这种正交的偏振本质上经历了零阶光栅。换而言之，这些高效的光栅是偏振选择的。对于第一线性偏振，入射光线允许衍射至非零阶位置，而对于第二正交线性偏振，入射光线没有衍射且其光能保留在零阶衍射内。

[12]本发明还涉及NEF衍射光栅和/或全息图在各种应用中的使用。

[13]根据本发明的一个方面，提供了一种偏振选择衍射光学元件，包括：基底；放置在该基底上的取向层；和放置在该取向层上的液晶聚合物膜；该液晶聚合物膜包括平行于第一平面排列的多个液晶指向矢，该第一平面垂直于该液晶聚合物膜的表面，多个液晶指向矢的面外倾斜以预定的方式随着横向空间坐标变化。选择所述的预定模式，使得该液晶聚合物膜形成了偏振选择相位全息图，由此具有第一偏振的线性偏振光以相对相位延迟被传输通过液晶聚合物膜的第一和第二空间离散区域，以提供非零阶衍射输出，并且具有第二偏振的线性偏振光以实质为零的相对相位延迟被传输通过第一和第二空间离散区域，来提供零阶衍射输出，该第一偏振平行于该第一平面，该第二偏振垂直于该第一偏振，该第一区域包括第一液晶指向矢，该第二区域包括第二液晶指向矢，该第一和第二液晶指向矢具有不同的面外倾斜。

[14]依照本发明的另一个方面，提供了一种制作偏振选择衍射光学元件的方法，该方法包括：用线性偏振的UV光穿过遮光膜以斜角照射取向层；在已照射的取向层上涂覆液晶层，该液晶层包括液晶聚合物前驱体(precursor)；照射该液晶层来形成液晶聚合物膜，该液晶聚合物膜包括平行于第一平面排列的多个液晶指向矢，该第一平面垂直于液晶聚合物膜的表面，多个液晶指向矢的面外倾斜以预定方式随横向空间坐标变化，选择所述的预定方式使得该液晶聚合物膜形成偏振选择的相位全息图，由此具有第一偏振的线性偏振光以相对相位延迟被传输通过液晶聚合物膜的第一和第二空间离散区域，以提供非零阶衍射输出，并且具有第二偏振的线性偏振光以实质为零的相对相位延迟被传输通过第一和第二空间离散区域，来提供零阶衍射输出，该第一偏振平行于该第一平面，该第二偏振垂直于该第一偏振，该第一区域包括第一液晶指向矢，该第二区域包括第二液晶指向矢，该第一和第二液晶指向矢具有不同的面外倾斜。

[15]依照本发明的另一个方面，提供了一种偏振选择衍射光学元件，该元件包括：基底；由该基底支撑的液晶层，所述液晶层为有像素阵列区域的薄平面膜的形式，该像素区域阵列使用有限数量的不同液晶指向矢排列来编码，其中在每一个像素区域中的液晶指向矢排列实质上是一致的，且永远穿过像素，其中每一个像素域中的液晶指向矢排列处于垂直于基底的表面的公共平面，来给平行于该液晶指向矢的所述平面偏振的阵列上入射的线性偏振光引入相位延迟，并且对在垂直于该液晶指向矢的平面偏振的阵列上入射的线性偏振光没有实质的相位延迟效果，并且其中像素阵列中的相位延迟的排列、像素大小和像素形状是预先设定的，使得液晶层对平行于液晶指向矢平面偏振的光提供非零阶衍射输出，和对垂直于液晶指向矢平面偏振的光提供零阶衍射输出。

[16]依照本发明的另一个方面，提供了一种光学读取单元，包括：用于发射具有第一偏振的线性偏振光的光源；用于校准该线性偏振光的准直透镜；用于将该以校准的线偏振光聚焦在光盘上的物镜；放置在所述准直透镜和所述物镜之间的四分之一波片，用于提供四分之一波片相移量，从而从光盘反射的光向第一透镜传输作为具有第二偏振的线性偏振光，该第二偏振垂直于第一偏振；和放置在所述准直透镜和所述四分之一波片之间的偏振选择衍射光学元件，该偏振选择衍射光学元件包括基底、放置在该基底上的取向层，和放置在该取向层上的液晶聚合物膜，该液晶聚合物膜包括平行于第一平面排列的多个液晶指向矢，该第一平面垂直于该液晶聚合物膜的表面，该多个液晶指向矢的面外倾斜以预定方式随着横向空间坐标变化，选择该预定方式，使得该液晶聚合物膜形成偏振选择相位全息图，其中放置该偏振选择衍射光学元件，使得该第一偏振垂直于该第一平面偏振，并且使得所述偏振选择相位全息图对具有第一偏振的线性偏振光提供了零阶衍射，并且对具有第二偏振的线性偏振光提供了非零阶衍射，该非零阶衍射提供足够来将具有第二偏振的线性偏振光远离光源且将其转向检波器的射束偏转。

附图说明

[17]本发明的进一步的特征和优点将结合附图从下面详细的描述中变得明显，其中：

[18]图1是带有方位角分布的现有技术LC全息图的折射率特性曲线投影(indexindicatrix projection)侧视图；

[19]图2是图1a中示出的LC全息图的平面图；

[20]图2a是依照本发明一个实施例的具有极角分布的LC全息图的折射率特性曲线侧视图；

[21]图2b是图2a中示出的LC全息图的平面图；

[22]图2c是具有极角分布的LC全息图的指向矢方向的平面图，其中倾斜平面与光栅向量不符；

[23]图3是显示设置用于LPP的LPUV曝光系统用以在LCP层中施加可变倾斜排列的示意图；

[24]图4是显示作为LPP取向层的LPUV放射量的函数的有效面内双折射和有效面外LC指向矢倾斜的示意图；

[25]图5示出了给出不对称重放和具有四个分离状态的LC极角倾斜的σ＝-1/4偏振选择光栅的面外极角倾斜图；

[26]图6示出了面内和面外双折射部分中的单轴O板双折射的投影；

[27]图7示出了与A板配置的像素相比，在λ＝400nm使用专利的LCP单轴材料的给定的LC指向矢倾斜的相差；

[28]图8示出了给出对称的重放和具有两个分离状态的LC极角倾斜的σ＝±1/2偏振选择光栅的面外极角倾斜图；

[29]图9a示出了带有σ＝±1/2分数阶的二元光栅的空间相位图，其中暗/亮的条纹表示具有光程差是π相位的两个LC极角倾斜；

[30]图9b示出了对称点阵列生成器的二元全息图的空间相位图，其中σ＝±1/2和τ＝±1/2分数阶；

[31]图9c示出了非等距点阵列生成器的二元全息图的空间相位图，其中σ＝±1/8，τ＝±3/8分数阶；

[32]图10是现有技术3波长HD-DVD/DVD/CD光学读取单元(OPU)的示意图；

[33]图11是包括用作偏振选择波阵面相差补偿器的非周期相位掩模的现有技术OPU的示意图；

[34]图12是包括环形区域的现有技术非周期相位掩模的示意图，其中单轴A板的光轴是穿过所有光瞳位置均匀定向的；

[35]图13示出了图12中示出的沿着XZ截面的相位掩模的相位图；

[36]图14是依照本发明一个实施例用作偏振选择波阵面相差补偿器的包括偏振选择非蚀刻平面(NEF)全息光学元件的OPU的示意图；

[37]图15示出了根据本发明一个实施例的LC全息图的极角倾斜图(上图示出了用于两个最大LC指向矢倾斜角度的情况在每一个相位掩模区域中的面外极角倾斜图，而中间和底图分别显示了沿着XZ和YZ截面所需的折射率指示投影)；

[38]图16是包括作为偏振选择光束控制设备的表面浮雕结构(SRS)和/或平面全息图的现有技术OPU的示意图；

[39]图17是依照本发明一个实施例，包括作为偏振选择光束控制设备的偏振选择非蚀刻平面全息光学元件的OPU的示意图；

[40]图18示出了将光束控制到第一阶的三波长周期光栅结构；

[41]图19示出了图18中所示的相位图的三波长BD/DVD/CD系统的衍射角光谱，其中每一个编码像素是1μm；

[42]图20是示出了包括作为偏振选择波阵面相差补偿器和光束控制设备的偏振选择非蚀刻平面全息光学元件的部分OPU的示意图；

[43]图21是示出了包括作为用于在盘跟踪、物镜聚焦、控制和反馈中分接子光束的偏振选择光束控制设备的偏振选择非蚀刻平面全息光学元件的部分OPU的示意图；

[44]图22是依照本发明一个实施例，结合有四分之一波片的薄的LC全息图的示意图；

[45]图23是依照本发明一个实施例，设置在反射基底上或者设置在透明的基底上的反射层上的薄LC全息图的示意图；

[46]图24是用于偏振选择光束控制的平面LC全息图的示意图；

[47]图25是使用诸如方解石或者α-BBO的负向单轴双折射液晶的现有技术Rochon偏光器的示意图；

[48]图26是使用plano-plano反射镜的外腔激光器的示意图，其中所述激光器包括激光晶体，平面LC全息偏振选择波束控制设备和第二谐波型晶体；

[49]图27是双阶平面LC全息光束控制设备的示意图，其中在两个阶中选择的偏振是平行的；

[50]图28是带有平面LC全息光束控制设备的双阶光束置换器的示意图，其中在两个阶中选择的偏振是平行的，且衍射角的识别是相反的；

[51]图29是双阶平面LC全息光束控制设备的示意图，其中在两阶中选择的偏振是正交的，并且两个偏振子光束偏离至相反的角方向；

[52]图30是双阶平面LC全息光束消除设备的示意图，其中在两个阶中选择的偏振是正交的，且两个偏振子光束是偏离至相同的角方向；

[53]图31示出了GSolver模拟的单阶光栅(a)和双阶右-右(b)和左-右(c)闪耀光栅；

[54]图32是产生平行于o光束和e光束输出的双阶平面LC全息光束消除设备的示意图；

[55]图33时设置在基底上并产生平行于o光束和e光束输出的双阶平面LC全息光束消除设备的示意图；

[56]图34是用于光学低通滤波的两维波束消除设备的示意图；

[57]图35是显示正方形2D消除(a)和菱形2D消除(b)的示意图；

[58]图36是(a)第一阶LC全息图，(b)第二阶QWP，和(c)带有正交控制的第三阶LC全息图的平面图；

[59]图37是(a)带有平面光栅向量的第一阶LC全息图，(b)第一阶LC全息图和与新的坐标基础平行和正交的其分解的部件的正交线性偏振输出，和(c)带有正交控制(垂直光栅向量)和转动的倾斜平面的第二阶LC全息图的平面图；

[60]图38是带有可移动的顶端双折射楔的现有技术Babinet-Soleil′s补偿器的示意图；

[61]图39是依照本发明一个实施例，带有具有极角分布的LC膜的可变延迟器的示意图。

[62]应当注意，在所有附图中，同样的特征是通过同样的参考标记来识别。

具体实施方式

[63]现有技术薄膜液晶(LC)全息图结构如图1中所示，该图是沿着光栅向量的厚度横截面图。光栅向量是光由衍射效应被分散的平面。光栅向量也是1D光栅或者全息图的像素化方向。全息图5包括基底1、在该基底上设置了具有可变方位角的LC指向矢取向的像素阵列10。四个分立的方位角的LC指向矢取向如11、12、13和14所示。更具体地，示出了在图平面(XZ平面)上的LC折射率特性曲线的投影。像素11具有与X轴平行排列的投影指向矢，而像素13具有与Y轴平行排列的投影指向矢。另外两个状态，像素12和14具有包含在XY平面内，但并不平行于X和Y轴的投影指向矢。全息图元件5还包括AR涂层堆叠2和3以有助于传输效率。

[64]在操作中，沿着Z轴20入射的光线由全息图空间取值，其中空间相位编码使得光束在角22作为输出光线21被操作。应当注意，根据全息图设计，除了光线21之外的其他的衍射阶也可以在输出时出现。输出光线还包含零阶(未衍射的)光，作为衍射无效的结果。

[65]这个现有技术LC全息图的关键特征是所有的像素都配置成带有可变的LC指向矢方位角取向的A板(即具有与层平面平行取向的非常轴的光学延迟元件)或者O板(即具有与层平面倾斜取向的非常轴的光学延迟元件)。换而言之，LC指向矢的面外倾斜没有变化。参见图1b，示出了穿过几个像素的LC指向矢方位角取向中的变化。四个分立的像素状态11、12、13和14相对全息矢量25分别具有大约在1、45、90和135度排列的LC指向矢。

[66]应当注意，在图1a和1b中示出的全息图结构是偏振敏感的。尤其，希望对于一个圆偏振来说四个像素状态表示日益增加的相位分布，并且因此光被朝一个方向操作。对于圆偏振的相反旋向性(opposite handedness)，相同的四个像素编码表示日益增加的延迟相位分布，并且光被操作向对称阶。但是，当该LC光栅是偏振敏感的时，LC光栅不是偏振选择的。衍射效应不能全部避开，即使已经全部控制了入射偏振。两个圆的艾根(Eigen)偏振经常重放为对称模式。其他偏振(线性或者一般为椭圆)是两个圆形状态的结合，因此重放为两个圆偏振输出的某些混合。没有任何输入偏振选择能够保存在未衍射阶中的所有的光能。

[67]参见图2a和2b，示出了依照本发明一个实施例的偏振选择全息图。图2a是沿着光栅矢量45的截面图。全息图30包括基底31，在该基底31上设置有连续变化或者像素化的LC层40。该全息图元件30还包括AR涂层堆叠32和33以有助于传输效率。偏振选择通过排列具有可变量的面外倾斜的不同像素中的LC取向矢来提供，同时维持一致的方位角取向。四个分立的像素状态41、42、43和44分别用大约为0、33.6、53.1和90度的面外倾斜角示出。在名义λ＝400nm处，普通折射率值n_o和非寻常波折射率值n_e分别是1.61和1.75，从而这四个像素相对于A板配置像素41是每单位长度相位差上升到[0-0.0461 -0.0921 -0.1382]。对于厚度大约为2.17μm的LC膜，这四个像素提供[0，π/2，π，3π/2]相位编码，这是四阶唯相全息图(four-level phase-only hologram)的最佳离散状态。

[68]在操作中，沿着Z轴入射的X偏振输入光50被操作为带有偏转角52的主衍射阶51。应当注意，根据全息图的设计，除了51的其他的衍射阶数也可以在输出时出现。输出还可包括零阶(未衍射的)光，作为衍射无效的结果。具有正交线性偏振输入(例如Y偏振)，LC全息图30没有光程调制。该光不经衍射，并且包含在零阶输出光中。换而言之，通过配置LC全息图作为可变倾斜编码像素阵列，薄膜全息图被制成偏振选择的。具有一个线性偏振，全息图衍射。具有正交线性偏振，全息图是高透明的。

[69]参见图2b，倾斜平面46平行于全息矢量45。一系列的黑色箭头指示了有效的面内双折射。一般，全息矢量指示了光线衍射的方向，而倾斜平面指示了见证LC全息图的线性偏振。衍射的线性偏振是被平行于倾斜平面排列的。该正交于倾斜平面的线性偏振是未衍射的。

[70]参见图2c，示出了依照本发明另一个实施例的偏振选择全息图。在该实施例中，LC全息图35的全息矢量45a平行于X轴，但是给全息矢量选择了带有方位角偏移量57的倾斜平面46a。因此，平行于倾斜面46a偏振的光线沿着平行于光栅矢量46a的平面衍射。应当注意在每一个像素中的LC指向矢的面外角在各像素间变化时，LC指向矢的方位角在像素间是相同的。

[71]参见图3，其示出了依照本发明的一个实施例制作平面非蚀刻的偏振选择衍射光学元件(如全息图)的系统。光学装置60包括用于支撑在制作装置下面的装置65的装配支架，线性偏振紫外线(LPUV)曝光系统70和遮光模75。在制作设备下面的装置65包括基底66，在该基底66上设置有线性光固化聚合(linear photo-polymerizable，LPP)取向层67。该LPUV曝光系统70包括UV光源71、准直透镜72和UV偏振器73。所述遮光模75被形成图案，来以预先设定的方式向取向层提供可变等级的光。特别是，该遮光模75被形成图案，作为横向空间坐标的函数向取向层提供可变等级的能量密度。在一个实施例中，该遮光模75是可变的传输掩模，在另一个实施例中，该遮光模75是可变大小的孔眼掩模。

[72]操作中，光源71在与基底66的表面成斜角的位置提供LPUV光线。在该实施例中，示出光源相对水平基底倾斜。在另一实施例中，基底相对光源倾斜。非正态LPUV光线入射并且其能量密度剂量引起取向层67中的变化，这导致在随后设置的LCP前驱物层中的LC指向矢以斜角排列(在一些方位角倾斜出基底平面)。在该实施例中，具有高传输性的UV偏振器73被定向用于传输平行于附图平面(如其是入射平面)偏振的UV光。根据LPP材料的化学性质，这种配置将典型地导致随后设置的LCP层的LC指向矢在与LPUV入射平面平行或者正交的方位角平面内被排列。LC指向矢的实际面外倾斜依赖于发送给LPP取向层67的LPUV能量密度剂量。由于遮光模75以预定方式向取向层67提供各种能量密度，因此导致具有可变的面内延迟的空间可变的倾斜LCP膜。尽管LC指向矢的面外倾斜穿过膜以预定方式变化，但是LC指向矢的方位角是不变的，如在图2b和2c中示出。例如，在一个实施例中，LC指向矢沿着单一方位角但具有可变的倾斜角的平面均匀排列。一旦LPP层以这种方式被LPUV曝光，随后薄层液晶聚合物前驱物被涂覆在取向层上。然后，该层被UV光曝光(如其不必被偏振)来交联LCP前驱物并将LC指向矢固定在预定的斜角。因此，该方法允许衍射光栅和更加复杂的薄膜全息图被编码在薄的LCP层上，以提供稳定的适用于广泛应用的衍射光学元件，该LCP层由单一基底支撑。另外，由于LCP膜仅需要由单一基底支撑，因此薄NEF偏振选择衍射元件易于与其他光学元件整合。

[73]应当注意，这种制作技术已经参见LCP前驱物进行描述，该LCP前驱物优选地用随后的UV照射交联来将其转换为LCP。一般，LCP层可使用现有技术中已知的LPP和液晶化合物的任何一种来形成，液晶化合物可以用UV照射和/或加热来进行聚合和/或交联。例如在一个实施例中，LPP层由2wt％LPP的环戊酮溶剂旋转涂覆在玻璃基底上(如3000RPM 60秒)形成，以获得50nm厚的取向层。在另一实施例中，LPP层使用其他的如漆包线漆膜、铭刻(gravur)涂覆和条缝涂覆等涂覆方法来形成。通常包括苯乙烯酸衍生物和/或阿魏酸衍生物的LPP层在现有技术中是众所周知的。根据本发明，LPP层是在随后应用的LC或者LCP层中生成面外倾斜的类型。适于形成LPP层的各种化合物可从Rolic(Allschwil，CH)公司获得。在一个实施例中，LPP涂膜玻璃在通过遮光模LPUV照射之前在预定温度(如180度)烘干预定时间(如5分钟)。在一个实施例中，LPP用两个步骤来照射。在第一步骤中，层在没有遮光模的情况下被曝光在线性偏振光中(如通过传统小孔，在所有位置设置在最低倾斜角)。在第二步骤中，层通过遮光模被曝光在线性偏振光中(如在对应于遮光模的传输区域的选择区域设置较大的倾斜角)。在该实施例中，与仅曝光在第一照射步骤中的那些区域相比，在那些曝光在第一和第二照射步骤中的区域传送的总的能量密度(即剂量)要高些。一般，所需的能量密度和照射波长与LPP材料有关，一般能量密度通常在30-300mJ/cm2之间，而波长范围通常在280和365nm之间。在上面示出的实施例中，遮光模被形成图案，来提供可变量的能量。在其他实施例中，遮光模是相对基底可移动的，来提供可变量的能量。在每一种情况下，LPUV的入射角通常在20和60度之间。如上所论，经照射的LPP层被用作用于随后涂敷LCP层的取向层。在一个实施例中，LCP层是由液晶材料形成，该液晶材料包括液晶聚合物前驱物。例如包括交联二丙烯酸向列型液晶化合物这样的LCP前驱物材料在现有技术中众所周知。根据本发明，LCP材料是一种适于响应倾斜倾向的LPP层的材料。适于形成LCP层的各种LCP前驱物化合物可从Rolic公司(Allschwil，CH)获得。在一个实施例中，用作15wt％苯甲醚溶剂的LCP前驱物层是被旋转涂覆在LPP层上。在另一实施例中，LCP层使用其他的诸如漆包线漆膜、铭刻(gravur)涂覆和条缝涂覆等涂覆方法来形成。所随后，所得到的LLP/LCP装置通常被烘干(即退火)一定时间，来促进LCP对LPP取向层的更好的排列。有利地，随后的LCP层的光化学交联被认为在高能量照射和短波长激光曝光下提供了改进的可靠性。

[74]用于LPP/LCP系统的LPUV曝光剂量的响应曲线的例子如图4所示。实线图示出作为LPUV剂量密度函数的面内双折射。在建立可变延迟器情况下，LPUV剂量密度对应横向空间坐标。有效的面内双折射通过将全部的LC指标投影在设备平面上来获得。随着的LPUV能量密度的升高，有效双折射的降低表明面外LC指向矢的倾斜随着LPUV能量密度而增加。LC指向矢的倾斜如图4中虚线所示。

[75]一般，遮光模75根据希望的应用被形成图案。在一个实施例中，遮光模75被形成图案，来以像素化的方式向取向层67提供可变的能量密度。在其他实施例中，遮光模75被形成图案，来以随后分级的方式向取向层67提供可变的能量密度。在一个实施例中，像素是周期性的(如每隔一定间隔)。在另一个实施例中，像素是非周期的(如随机或以预定模式)。有利地，遮光模75的使用允许LCP层构成带有大量相位分布等级和改进的精度的图案。在一个实施例中，遮光模75被形成图案，来提供两个等级的相位。在另一个实施例中，遮光模75被形成图案，来提供两个等级以上的相位。一般，大多数应用需要至少4级相位分布，以提供合理的衍射效应。衍射效应的相位分布等级在下面进行描述。

[76]最简单薄膜全息图是规则光栅，其中光栅周期具有和像素一样多的不同相位等级。唯相位光栅也称之为开诺全息照片。衍射表达式描述了m等级光栅生成了效率为η_p ^m的p阶衍射输出：

${\mathrm{\η}}_p^m=\sin c{\left(\frac{\mathrm{p\π}}{m}\right)}^2---\left(1\right)$

其中sinc(x)是sin(x)/x，sinc(0)＝1且p＝...-2m+1，-m+1，1，m+1，2m-1，...

[77]P阶衍射角由以下公式得到：

$\sin \left({\mathrm{\θ}}_p\right)=\frac{\mathrm{p\λ}}{\mathrm{\Λ}}---\left(2\right)$

其中λ是照射波长，且Λ是光栅周期(即间距)。取小角近似值(如sin(θ)～θ)和傅立叶变换透镜焦距f，

$\mathrm{\Δx}=f{\mathrm{\θ}}_p=p\frac{\mathrm{f\λ}}{2w}---\left(3\right)$

其中Δx是衍射输出的空间变换，且w是像素间距，上述表达式可概括为：

$\mathrm{\Δx}=\mathrm{\σ}\frac{\mathrm{f\λ}}{w}\mathrm{and}(\mathrm{\Δx},\mathrm{\Δy})=(\mathrm{\σ},\mathrm{\τ})\frac{\mathrm{f\λ}}{w},---\left(4\right)$

分别对于1D和2D全息重放，其中(σ，τ)表示位于零阶复制区域内的全息主衍射分数阶，且fλ/w是以光轴为中心的物理尺寸(如参见K.L.Tan等人的“Dynamic holography foroptical interconnections.II.Routing holograms with predictable location and intensity ofeach diffraction order，”J.Opt.Soc.Am.A，18(1)，pp.205-215，2001)。分数阶存在于±1/2复制区域中。在该符号中，空间取值和复制(即全息图记录装置和全息图重放的伪影)从全息图产生时被减弱。对每一个光栅记录，除非所有m等级相位跃迁出现在光栅中，且总的可用相位范围是2π*(m-1)/m，并且每一个编码单元具有100％像素填充占空比，第一重放阶的衍射效应将低于在等式(1)中的描述。

[78]假定LC全息图记录和重放操作是理想化(无失真的)，则用于几个唯相位光栅的理想的第一阶衍射效应由以下给定：

m＝2，η₁＝40.5％，m＝4，η₁＝81.1％，m＝8，η₁＝95.0％，m＝12，η₁＝97.7％以及m＝16，η₁＝98.7

(5)

因此，对于高效全息图重放，分立的相位等级数将大于8。

[79]四级唯相位全息图如图5中所示。上面的图表示显示沿着倾斜平面取向的LC指向矢的侧视图。面外极角倾斜结构的下面的图显示了需要来实现无失真四相相位全息图的离散倾斜跃迁。该结构经常被称为-1/4分数阶重放，这是因为光主要被控制到距离中心重放复制(central replay replication)内的零阶的左侧1/4的间隔。这个σ＝-1/4偏振选择周期性相位掩模(如光栅)，该掩模显示了非对称重放，具有线性偏振输入的衍射光平行于附图平面，并且对正交线性偏振是透明的。如上所讨论的，这四等级全息图是期望在第一衍射阶中产生最大81％的衍射率。为了提高衍射率，需要更多的相位等级。不失一般性，单一的编码元件能被表示为相对于Z轴倾斜一角度的，且包含在XZ平面内的LC指向矢。参见图6，LC指向矢81相对于Z轴形成极角偏移量82θ_c。LC指向矢面外倾斜83θ_t是通过π2-θ_c给定的。从描述折射率椭球的二次方程式，面内n_a和面外n_c有效折射率通过在XY平面80上的投影和沿着Z轴85投影来表示的。这些有效折射率是由下式给定的：

$\frac{1}{{\left[n_a({\mathrm{\θ}}_t;\mathrm{\λ})\right]}^2}=\frac{{\cos }^2\left({\mathrm{\θ}}_t\right)}{{\left[n_e\left(\mathrm{\λ}\right)\right]}^2}+\frac{{\sin }^2\left({\mathrm{\θ}}_t\right)}{{\left[n_o\left(\mathrm{\λ}\right)\right]}^2},$ 和(6)

$\frac{1}{{\left[n_c({\mathrm{\θ}}_t;\mathrm{\λ})\right]}^2}=\frac{{\sin }^2\left({\mathrm{\θ}}_t\right)}{{\left[n_e\left(\mathrm{\λ}\right)\right]}^2}+\frac{{\cos }^2\left({\mathrm{\θ}}_t\right)}{{\left[n_o\left(\mathrm{\λ}\right)\right]}^2},---\left(7\right)$

其中n_e(λ)和n_o(λ)是单轴材料的非寻常波和普通波折射率的差量。就增加相位而言，相对于A板排列的像素(θ_t＝0)，等式(6)给出了随着面外倾斜度的增加而相位斜度的非线性增加。相对于A板配置的像素(即n_a(θ_t；λ)-n_e(λ))的相位差在图7中被示出。从该图可看出，与LC倾斜～56.7°排列的编码的像素产生每单位长度-0.1的相差。换而言之，2μm的像素高度相对于A板像素提供200nm相位超前。这在λ＝400nm给出了所需的π相位跃迁。在多级相位全息图中经常需要的线性相位斜度可从每单位长度相位对倾斜角的曲线中获得。

[80]参见图8和9a-c，示出了具有两个相位阶的薄的偏振选择全息图的多个实施例。图8示出了二元LC全息图，编码为交互的A板/C板像素。上部图示出了显示LC指向矢沿着倾斜平面取向的侧视图。下图显示了面外极角倾斜曲线。σ＝±-1/2偏振选择周期相位掩模(如光栅)给出了对称重放，且将平行于附图平面的具有线性偏振输出的光进行衍射，且该掩模对正交线性偏振是透明的。如上所论的，该二元全息图期望来在第一衍射阶中产生最大40.5％衍射率。为了提高衍射效率，需要增加更多的相位阶。应当注意，该全息图在给定的最小像素尺寸给出了最高频率编码容量。用与上述计算中使用的相同的LC材料，该全息图仅仅1.45μm厚，足够产生具有全LC双折射的π相位跃迁。这种二元LC全息图的图像可被表示为连续条纹，如图9a中所示。在该实施例中，亮纹表示0相像素，而暗纹表示π相像素。在其他实施例中，亮纹表示π相像素，而暗纹表示0相像素(即两个LC极角倾斜具有π相的光程差)。参见图9b，显示了2D光束控制全息图的实施例。该棋盘式全息图控制了光线在X和Y方向最大的空间频率位置。图9c显示了达曼交叉光栅的实施例。该全息图在Y方向控制的光线为沿着X方向控制的光线3倍远。在三个二元全息图例子中，假定全息图在标量衍射区域中操作。TE和TM波的有效率不受像素化的影响。而是，全息编码中的倾斜平面表明了全息图衍射的线性偏振，和全息图为透明的正交线性偏振，倾斜平面在整个全息图上是均匀的，且可以和或者可以不和任何一个1D或者2D的控制平面一致。

[81]根据本发明一个实施例的偏振选择全息图的一个应用是在光学读取单元(OPU)中。例如，考虑在图10中示出的现有技术OPU系统。该OPU100包括一排半导体激光源110，该激光源的输出由一排偏振光束合并(PBC)棱镜130空间复用，由透镜系统160校准，由漏镜140交迭，并且通过第二物镜元件161在旋转光盘媒介150上的单一的“凹陷”区域被成像(聚焦)。该漏镜允许小部分(如5％)入射光束能量被分接，并且通过另一个透镜元件165被聚焦在监视光敏二极管(PD)175上。一排半导体激光源110被示出为3个分立的激光二极管(LD)，包括λ＝400nm的第一LD111，λ＝660nm的第二LD112和λ＝780nm的第三LD113。一排LD110的输出实质上是线性偏振的(如相对于PBC斜边表面的“S”偏振)。线性偏振光束穿过一排低规格偏振器120，该偏振器防止LD源110有不需要的反馈，正交偏振线由阵列130中的第一131、第二132和/或第三133PBC反射向激光器的腔内。

[82]在操作中，在每一个LD源中的主光束沿着普通路径180被控制朝向光盘媒介150中的信息层(IL)。在获得消色差的四分之一波片(QWP)145之前，光束实质上是线性偏振的。消色差的QWP 145将线性偏振(LP)转换成圆偏振(CP)，其旋向性是依赖于消色差的QWP145的光轴的方向(如给定的S或者P偏振输入)。在该例子中，其中“S”偏振被输入至消色差的QWP145，如果消色差的QWP 145的光轴(即慢轴)相对于PBC的P平面在45°逆时针(CCW)排列(如，假设为直观的RH-XYZ坐标系统，同时光束射向观察者)，将会产生反时针的圆偏振。当旋转光盘媒介150预先记录在压缩盘(CD)或者数字通用光盘(DVD)时，其中有已记录凹陷的物理压痕，凹陷和其周围的“槽脊”之间的在1/6至1/4波长的光学路程差引起破坏性干扰(如至少部分)，并且减少了位于PBC立方阵列130上的主光敏二极管探测的光。在没有凹陷的情况下，没有破化性干扰，并且在双通道上，光将会由消色差QWP145从S偏振有效地转换至P偏振，从而实质上相同的光能可返回至PBC立方阵列130。

[83]当旋转光盘媒介150包括光盘的每一侧上有一个以上的信息层，诸如DVD双层(DL)光盘，在两个IL层之间的分隔通常在20-30μm之间，以当读取光盘时减少一致的色度亮度干扰。尽管物镜161易于被调整以聚焦在所需的IL深度，这种重聚焦引起球面相差。对于带有大约0.6数值孔径(NA)和使用650nm的照射波长的DVD数据源系统，IL深度中的变化是关键的。但是，在其他DL格式中(如Blu-ray(BD)和高清晰度(HD)-DVD)，当高NA物镜重新聚焦在第二IL深度上时(如带有1.5折射率的大约20μm间隔层的双层磁盘格式)，NA中的相应增加(如用于BD的0.85NA)和照射波长的下降(如大约405nm)会引起大约200-300mλ的球面像差。有各种方式来减少失真。例如，通常机械调整在复合物镜中的元件和/或调整准直透镜的位置，来改变对物镜的入射光束的光折射度数。可选择地，已提出了各种非机械失真校正方案。

[84]参见图11，示出了包括非机械失真校正的OPU的一个例子(即类似于在美国专利申请号6,947,368中提出的OPU系统)。在该图中，那些与图10中描述的元件类似的元件用相同的数字被提及。除了图10中描述的光学部分，图11中的OPU200还包括有源转换LC单元210和非周期性相位掩模220，其被插入在准直透镜160和物镜161之间的平行光束区中。应当注意准直透镜160放置在PBC131之前而不是之后。

[85]在操作中，PBC131偏离90度的光束相对于PBC斜边平面是S偏振。这种光束穿过活动LC单元210，从而两个正交线性偏振中的一个是输出(如相对于PBC斜边的S偏振和P偏振(也分别平行于Y轴和X轴))。根据LC操作模式，用于产生给定输出(如图11中示出的S偏振)的电子驱动状态(开或者关)可以是不同的。对90度扭曲向列LC单元，该单元不得不被引离来生成与输入相同的偏振输出。对于VA向列LC单元，在没有驱动该单元的情况下获得了与输入中相同的偏振输出。然而诸如FLC和IPS向列LC这样的其他LC模式需要合适的电压驱动，来改变偏振或者保持入射光束的偏振。

[86]在图11中，S偏振照射出现在相位掩模220中。该相位掩模220包括在双折射层或者双折射基底上蚀刻的一系列物理阶跃。一般，制作这些物理阶跃是使用照相平版印刷术和干/湿蚀刻技术来实现的。在一个实施例中，相位掩模220的蚀刻台阶被曝光在空气中。在另一个实施例中，相位掩模220通过填充从用均质材料形成图案和蚀刻中获得的空气缝隙来形成，其可以拥有或者不拥有与双折射媒介折射率一样的折射率。在该实施例中，空气/双折射相位掩模220具有与P平面(如图11中的附图平面)平行排列的一致的慢轴取向，并且对于空气和n_e折射率，阶跃高度被配置为2π相位跃变。因此，当S偏振通过相位掩模220传输时，其实现了相位调制。当P偏振(未示出)允许穿过LC单元210时，相位掩模是不活动的。

[87]当物镜在名义焦点(如在深度100m的内部信息层154上聚焦的)时，LC单元210传输穿过四分之一波片145的，且通过透镜163在探测器170上反射且聚焦的P偏振光(未示出)。当读取/写入外部信息层153(如80μm深度)时，物镜重新聚焦。不改变入射至物镜上的光束的光折射度数而重新聚焦会引起球面像差。为了减少球面像差，当聚焦位置从名义值改变时，LC单元210被用来传输S偏振。该S偏振对在相位掩模220中的n_o折射率取值，来产生需要的波阵面。

[88]应当注意，相位掩模220是包括一系列环带的表面浮雕结构(SRS)。例如，考虑图12中示出的现有技术相位掩模250，该掩模250具有中心参考相位环带。双折射材料具有沿着X轴排列的光轴252。入射S偏振光束253与Y轴排成一列。入射光束在相位掩模中取值空气分段的区域，表示相对于中心环带的相位超前。当焦距取自100μm至80μm的IL深度时，入射光取值是在聚焦光束相反段。穿过XZ截面251的相位结构如图13所示。需要表示接近总相位范围中1.2π的例子，来减少rm波阵面失真，因此焦点从大约200mλ至40mλ变化。校正的波阵面失真是被限定在操作波长的衍射。

[89]再次参见图11，与LC开关210结合的蚀刻的相位掩模220允许两个偏振状态，以选择性地校正波阵面失真，依赖于该波阵面失真信息层在光盘上读取。对于给定的名义物镜聚焦(内部或者外部信息层)，当执行重新聚焦时，相关失真的补充相位结构可以被编码在相位掩模上。通过转换LC单元输出偏振，每一个信息层使用包含在衍射极限中的波阵面失真来读取。

[90]不幸地，由于相位掩模220通常通过蚀刻双折射元件来制作，因此一般考虑为相对昂贵的光学元件。根据本发明的一个实施例，用预定相位结构编码的光固化LCP层(如使用参见图3描述的倾斜光取向技术来对有效的面内双折射构成图案来形成的)被用在非机械失真校正方案中。

[91]参见图14，示出了根据本发明一个实施例的OPU 300的示意图。在该图中，与图10和11所描述的元件相似的元件参见相似的数字。应当注意，提供了非蚀刻且平面的(NEF)LC相位掩模310来替代传统的蚀刻的相位掩模220。

[92]操作中，准直的光束作为S偏振231通过PBC131的反射端口被耦合进入普通路程。LC开关210将S偏振转换成正交P偏振232(如相对于PBC斜边)。该P偏振平行于附图平面，且还平行于薄NEF LC相位掩模310的均匀的方位角取向。NEF相位掩模具有可变的LC面外倾斜，作为光瞳位置的函数。有效的非寻常波折射率随LC指向矢的倾斜而变化。因此，光程通过配置LC倾斜来调整。在活动的相位校正情况下，当在不同于物镜被配置为无失真的第一信息层的深度读取第二信息层时，以需要建立与改变物镜的名义焦点相关的补充相位结构的方式，P偏振对每一个不同地编码像素的相位取值。在具有从LC单元(未示出)的第二线性偏振输出的非活动相位校正情况下，不考虑每一个编码像素中的倾斜，光束还是取值n_o折射率。LC全息图是透明的零阶光栅，且不会影响光束的相位预处理，

[93]然后，这种预处理的光束穿过四分之一波片145，该四分之一波片将第一线性偏振232转换成第一圆偏振233。在信息层上反射后，获得第二(相反的旋向性)圆偏振234。该光束通过四分之一波片145再次转换成第二线性偏振235。根据LC单元转换，相位校正在第一通过时是活动的，但在第二通过时是不活动的，并且反之亦然。由于光束没有在光电探测器重新聚焦，因此第二通过的相位校正没有作用。

[94]在图15中示出了穿过光瞳坐标的LC指向矢斜面结构。图(a)示出了面外LC指向矢倾斜用以最大斜度70和90度的两种情况，以产生如图13中所示的离散阶跃的相位结构。计算波长是400nm，且在该波长时，普通光折射率n_o和非寻常光折射率n_e值分别是1.61和1.75。所需的LC膜厚是大约1.94μm和1.74μm，用以分别产生带有70度和90度最大斜度的1.2π最大相位范围。该膜非常薄，且其具有穿过孔的不变的物理厚度。在相位校正函数中给出了穿过光瞳的极角分布。该LC指向矢(也指慢轴)是沿着普通平面排列，例如沿着给定例子的XZ平面。沿着XZ平面，也就是倾斜平面，几个分离像素的LC指向矢结构在图15的图(b)中示出。此外中心环带具有LC膜n_e折射率提供的参考相位。从光瞳中心开始处理，通过取值有效的折射率，相位首先在LC膜的n_e和n_o之间超前，直到LC在最大斜度(70度或者90度)排列的区域#7。超过该环带，通过降低LC斜度，到中心区域的相差快速下降至光瞳的极限。沿着与斜平面正交的平面，有效地LC折射率特性曲线的投影在图15的图(c)中示出。由于其是垂直平面，对于名义入射线而言，较长的折射率像素给出较低的有效延迟，因此超前相位对应较短的折射率像素。

[95]在图14描述的实施例中，根据本发明的偏振选择全息图被用于非机械失真校正方案中。有利地，非周期掩模310穿过通光口径具有一致的层厚度。当单轴LC材料的光轴被排列成倾斜的斜面，以及所需的平面且垂直排列时，相位掩模310可与液晶单元210一起使用，来提供偏振选择波阵面相位校正或者总透明度。有利地，偏振选择相位掩模310使用线性偏振，该线性偏振可方便地由具有高极化纯度的激光二极管光源提供。因此，偏振选择相位掩模310不需要被放置在四分之一波片145之后，其中没有纯的圆偏振的光可减少衍射率。

[96]在其他实施例中，根据本发明的偏振选择全息图被用作OPU中的光束控制元件。例如，考虑图16中所示的现有技术OPU系统，其中偏振选择周期光栅410提供了类似于图10中所示的PBS立方130的功能。在该系统400中，其相似于日本专利申请JP-A-2001-174614和美国专利申请2006/0239171中提出的系统，光栅410被用来有角度地(且空间地)分离来自激光二极管照射的光盘的返回光束。尤其，光栅410使用在胆甾液晶的反射带边界附近的，且在有机染料蚀刻的吸收带附近的大的光学旋转能量分散，来优选地衍射所需的圆偏振至+1阶(如用于二元周期性光栅的±1阶)，而对正交圆偏振是透明的(如只有一点没有衍射，且光大多数出现在零阶)。

[97]OPU系统400包括成套的激光二极管和探测器模块305。模块305的激光二极管部分向准直透镜162发射发散光束，该准直透镜162产生第一线性偏振231的平行光束(即其被示意性示出正交于附图平面)。线性偏振231在穿过四分之一波片145之后被转换为第一圆偏振233。对于优选的具有像圆偏振输入的相反的旋向性的胆甾型螺旋扭曲，这种圆偏振233不受周期性光栅410的影响。然后光束通过高NA物镜161聚焦在光盘媒介150上。更具体地，光束聚集在光盘中的信息层153上，信息层覆盖有保护层152，并且放置在基底151上。光盘的反射改变了圆偏振的旋向性，使得反射束234具有与第一偏振相反的第二圆偏振。由于第二圆偏振具有与胆甾型螺旋扭曲相同的旋向性，因此光束由胆甾型/全向性周期光栅410在返回道次上控制。当光束通过四分之一波片145再一次被传输时，产生第二线性偏振236(如正交于第一线性偏振)。根据光栅间距和操作的波长，返回的光束根据光栅公式(2)偏离一定角度320。该角偏转通过透镜162被转换为空间偏移量，导致光束偏移量Δx 321。

[98]换而言之，偏振选择周期光栅410充当全息射束分裂器，该分裂器在向前的传播方向不提供光束控制，以保留发送给光盘150的射束能量，并且在向后的传播方向提供光束控制，以从输入光束分离承载信息的光束。虽然该方案是很有前途的，但是还有些于偏振选择周期光栅410有关的缺点。首先，周期光栅410的波长选择性是指多波长OPU系统(如图10中所示的BD/DVD/CD系统)的仅仅一个波长能被配置成在给定圆偏振上衍射或者不衍射。因此，为了全息射束分裂器在BD/DVD/CD系统中工作，全息射束分裂器必须被设计具有三个光栅层。这就增加了成本和重量，该重量用于计算降低分量大小的目标值。应当注意，波长选择性有可能与光栅在胆甾型反射带边界工作有关。偏振选择周期光栅410的第二个缺点是其用圆偏振光。在OPU系统中，圆偏振光仅在四分之一波片145和光盘150之间可获得。另外，光栅410的功效依赖于在四分之一波片后产生的圆偏振光的纯度。第三个缺点是周期光栅410通常使用图案化的和蚀刻的基底来制作，并且通常通过填充蚀刻的基底来制作。如上所论的，这些制作技术经常是耗时和高成本的。而且，当蚀刻的表面填充有其他材料时，穿过所有感兴趣的波带时，很有可能填充材料的折射率与双折射光栅的折射率不匹配。在不衍射的情况下，胆甾型像素和全向性像素通常不具有相同的折射率值，并且在所有的操作波长上完成抑制不想要的圆偏振是不可能的。第四个缺点是获得光栅分辨率一般是有限的。例如，考虑美国专利No.2006/0239171中的第一个例子。在该例子中，胆甾型LC具有相当高的线性双折射(如Δn＝0.2)，4x4矩阵模式的圆形双折射大约是0.04(如在λ＝660nm的π相位跃迁，并且二元光栅的物理跃迁高度是8.8μm)。这种大的跃迁影响获得的光栅的分辨率。例如，建立1μm像素宽度，需要9∶1的屏幕高宽比(高与宽比)，这使得蚀刻步骤很困难。对更高效的多级相位光栅，所需的相位范围接近2π，需要更加高的屏幕高宽比。换而言之，现有技术被限于制作具有糟糕的光栅分辨率的二元相栅，这种光栅没效率且具有较小的控制角度。

[99]参见图17，示出了根据本发明实施例的OPU 500的示意图，其中偏振选择周期LC衍射光栅510被提供来替代图16中使用的偏振选择周期光栅410。这种非蚀刻且平面的(NEF)(LC)衍射光栅510使用可变的倾斜LCP膜来建立一排可变的延迟元件。所有光栅像素的慢轴在同一个方位角平面内排列，但是具有不同大小的极角斜度。

[100]在操作中，成套的激光二极管和探测器模块305向准直透镜162发射发散光束，该准直透镜产生第一线性偏振231的平行光束(如仅为示意性目的示出了正交于附图平面)。该线性偏振231正交于偏振选择LC全息图510的倾斜平面。由于LC全息图对该线性偏振是透明的，因此发射的光线被包含在零阶，并且在穿过四分之一波片145之后转换为第一圆偏振233。然后该光束通过高数值孔径(NA)物镜161被聚焦在光盘介质150上。在光盘150上的反射改变了圆偏振的旋向性，并且在返回时，光束234具有光束233的第二(相反)的旋向性。然后该第二圆偏振再次穿过四分之一波片145，来提供第二线性偏振236。该第二线性偏振由偏振选择LC周期光栅510在返回道次上控制。根据光栅间距和操作的波长，返回光束根据光栅等式(2)偏离了一个角度320。角偏转通过透镜162被转换为空间偏移量，导致光束偏移量Δx321。

[101]与上述的现有技术圆偏振选择光栅410相比，偏振选择LC周期光栅510是根据线性偏振输入的状态可选的全息图和透明设备。与全向填充光栅410可替换的接近带边界胆甾型的窄带相比，偏振选择LC周期光栅510可在相对宽带上操作。

[102]举例来说，对于Blu-ray光盘(BD)或者高清晰度(HD)-DVD/DVD/CD OPU系统中的三个分离的波长来说图18示出了用来控制光到仅仅第一衍射阶的简单的光栅结构。LC全息倾斜结构被配置为660nm媒介波长的无损唯相光栅。相位斜度通过改变在连续像素中的LC斜度来配置。在设计波长660nm处，16级相位光栅扫描0至15π/8，并且每一个编码的像素被假定具有1μm宽度。如果0至90度的斜面是可用的，则带有上述LC材料的LC膜厚度是5.9μm。在长于780nm波长处，LC混合物的自然色散导致至少2π的相位斜坡。在该波长的全息衍射将具有零阶未衍射的光输出。相反地，在短波400nm加上较短的全波光程差要求的增加的双折射导致在λ＝400nm处将近4π的相位倾斜。这是指第一阶衍射角大约对所有的三个分离的波长是一样的(如在λ＝400nm，其波长是λ＝780nm的近一半，但是空间光栅周期也是NIR光栅的近一半)。用于平行于LC倾斜平面的偏振输入的薄LC光栅的角谱如图19所示。设计的波长信道具有大约98％的第一阶衍射率(DE)。其他两个光信道具有大约88％的第一阶衍射率。另外，当输入偏振正交于LC倾斜平面时，LC全息图在任何照射波长处表现为零阶光栅。如果极化纯度是确定的且没有外部AR损失，则零阶光栅可无损。

[103]在美国专利申请2006/0239171中，二元胆甾型/全向性光栅的全部厚度大约是10μm(如与上面描述的5.9μm相似)。但是，对称重放是指第一阶DE最好是40％。在其他一些波带上，所报道的理论DE由于染色材料的相位编码的无效是小于10％的。对于现有技术中的小圆振双折射，加上进行影印石版术和蚀刻的需要，屏幕高宽比将不允许超过几个相位的跳跃。而且，这种方式制作的单一的光栅不允许多信道的同时操作，这是因为圆振双折射来自接近吸收/反射带边界。

[104]有利地，使用偏振选择全息图510解决了现有技术的上述问题(如不充分的相位调制、严格的高宽比、低衍射率、缺少多信道操作、材料蚀刻等。)。

[105]参见图20，示出了根据本发明实施例的OPU 600的示意图，其中是周期光栅的第一NEF薄全息图510，用作全息光束分裂器，并且是非周期相位掩模的第一NEF薄全息图310，当物镜重新聚焦在非设计的信息层深度时，预处理读/写光束的波阵面。在该实施例中，第一510和第二310NEF薄全息图分别如图17和14所描述的运行。光盘150被示出包括有第一信息层153和第二信息层154，该信息层都被放置在基底151上且用间隔层155分开。

[106]参见图21，示出了根据本发明另一实施例的OPU700的示意图，其中NEF薄全息图710被用来分接少量的返回光束。在商用OPU系统中，经常分接少量的返回光束，以跟踪光盘介质上的螺旋槽，光盘扭曲引起的散光和/或相对于读/些光束光盘倾斜放置。分接光束经常被成像在多个元件排列的探测器上。实际的信号光束被允许穿至主光敏二极管。在这种情景下，LC全息图设计寻求将主光束包含在零阶中，并且允许小部分(5％)光到一个或多个重放阶。OPU系统700通过PBC 131的反射口向通用信道发射激光二极管输出的一个或多个信道。S偏振在第一通过中没有被偏振选择LC全息图710衍射。在返回通道上，偏振被转换为平行于LC全息图倾斜平面的偏振。现设计LC全息图，并被编码来重放大的零阶。因此，成套的探测器阵列705包括用于探测主信号的主光敏二极管721，以及用于探测跟踪光束的一个或多个辅助光探测器722。例如通过有意提供不充分的相位范围完成该主要的零阶重放。理想的相位范围(如可用以像素编码的第一至最后相位跳跃的差)是2π*(m-1)/m，其中m是相位级的数目。例如，无损二元和四元唯相全息图需要π和1.5π相位范围。零阶未衍射光(如几何中心重放的总和)和所有的高复制中心是下式给定：

$\mathrm{DC}={\sin c}^2{\left(\frac{m}{(m-1)}\frac{\mathrm{\Φ}}{2}\right)}^2/{\sin c}^2{\left(\frac{1}{(m-1)}\frac{\mathrm{\Φ}}{2}\right)}^2---\left(8\right)$

其中Φ是用于编码达到m级相位跳跃的总的相位范围，sinc(x)＝sin(x)/x和sinc(0)＝1。对于二元相位全息图，DC未衍射的光分数是cos²(Φ/2)。二元全息图最适于在OPU中跟踪，其中对称重放阶被用在探测几何相位差中，且大多数光被包含在零阶中(即衍射阶不必有效)。例如，如果90％的光保持在零阶，二元光栅仅需要具有37度的相位调制。在理想的编码条件下，包括0和37度均等的像素宽度，相位跃迁，±1^st阶被期望来产生大约4％光输出用以跟踪目的。在另一个实施例中，偏振选择LC全息图可被配置来重放信号光束至第一衍射阶，并且跟踪光束至其他重放阶。

[107]在上述的实施例中，偏振选择薄LC全息图提供了用于一个线性偏振的相位图，并且对正交线性偏振是透明的。例如，在一个实施例中，相位图是失真校正非周期波阵面图。在另外实施例中，相位图是周期光栅或者提供光束控制的全息图。在这些实施例中，偏振选择薄LC全息图由分开安装在相应的OPU系统中的单一的基底支持。如上所述，偏振选择薄LC全息图由另一个光学元件支持也是有可能的。例如，参见图21，偏振选择薄LC全息图710可以和四分之一波片145整合。

[108]参见图22，根据本发明一实施例的复合偏振选择设备1100包括基底901，在该基底上设置LC全息图1010。LC全息图1010包括几个像素1011、1012、1013、1014构成图案来影响光束控制。LC倾斜平面与XZ平面平行排列，使得平行于XZ平面的线性偏振是光束控制的，而平行于Y轴的线性偏振不受影响。在基底901的相对侧，设置了具有一个或多个双折射材料层的四分之一波片1120。QWP1120的慢轴和快轴通常相对于X或Y轴成45度排列。因此，所示的特性曲线1121是在附图平面上的所有特性曲线的投影。设备1100还包括光学AR涂膜902和903，来增强全面的透射率。在图22描述的实施例中，QWP被集成在基底的相对侧。在另一个实施例中，QWP被集成在基底有LC全息图的一侧，或者在LC全息层的上面或者下面。无论哪种配置，当该复合元件1100被用在OPU中时，参见图21所描述的，其更适于放置使得LC全息图在OPU的线性偏振部分中。

[109]操作时，平行于Z轴920入射的光束是在1010中由编码的相位结构空间调制的。该离开的光束偏离光谱方向一个小角度。该光束穿过QWP1120，其将该线性偏振转换成圆偏振。然后当921与922具有角度偏移时，该光束退出集成组件。

[110]参见图23，示出了根据本发明另一实施例的复合偏振选择设备1200。该复合设备1200包括设置在反射镜1203上的LC全息图1010，该反射镜1203依次设置在透明基底901上。LC全息图的相对面涂覆有AR涂层902。

[111]操作中，入射光束902通过设备1200发射，使得波阵面在朝向反射镜的第一通道中取值，并且再次从反射镜返回通道。因此，所需的相位范围是传输LC光栅设备的一半。输出光束1221被控制朝向具有密集像素的角方向(即具有A板或者在光栅周期中的n_e折射率的像素)。对与图17所示的传输LC光栅设备500同样的LC全息图结构(如相同的像素尺寸，相位范围，在每个像素编码的相位和操作波长)，设备1200通过两倍衍射角进行控制。但是，应当注意，由于双通道对较少的相位跳跃的影响，衍射率不能被保持。

[112]在上面描述的实施例中，NEF薄LC全息图用作线性偏振选择光束控制设备。当被配置为单点高效光栅重放时，LC全息图发送了未受影响的普通波，并以小角度控制非寻常波。角偏移大约是波长和光栅间距长度的比例(等式2)。在可视的和NIR波长带中，且带有实际是微米大小的像素，16像素光栅能被配置来控制主光束在＞98％的效率到大约2度(sin^-1(0.55/16)为控制角)。这个离散角的量在很多应用中是很有用的。

[113]参见图24，高效LC光栅被用作单独的光束控制设备1300。该设备1300包括透明基底1319，用于支撑LC光栅膜1310。当需要时，LC光栅膜1310包括带有受排列LC面外倾斜影响的调整相位结构的多个像素。相位像素中的一个1311被示出具有C板光学对称。另一个像素1312示出具有A板光学对称。干涉像素(如在1311和1312之间)示出被配置为具有O板光学对称的像素。

[114]操作中，光1320的非偏振的光束在设备1300的左边入射。未偏振光束1320包括平行LC倾斜面偏振的光和垂直于LC倾斜面偏振的光等量的光，如1321所指示的。当非偏振的光束1320穿过LC光栅1310时，正交于LC倾斜面的线性偏振对光栅像素的O波折射率取值，并且不受影响的传输。该o光束作为具有垂直于倾斜面1331的线性偏振1330离开。另一方面，平行于LC倾斜面的线性偏振对光栅像素的有效的e波折射率取值。光栅1310的空间相位结构就能够建立不同的相位波阵面，该波阵面沿着平行于光栅矢量平面的方向将e波控制为非零阶输出角。e波1340离开具有平行于倾斜平面的线性偏振的LC光栅设备1300。转向角由1345给定。应当注意，一般倾斜面不必平行于光栅矢量平面。倾斜平面选择衍射的线性偏振，而光栅矢量选择平面衍射。

[115]特别地，该单一阶LC全息设备1300功能上相当于现有技术由两个晶体楔形片构成的Rochon偏振器。图25示出了Rochon偏振器的示意图。晶体偏振器1350包括第一楔形片1360，该楔形片与其平行于名义光束方向的光轴对准排列，和第二楔形片1361，该楔形片与正交于附图平面的光轴对准排列。具有与附图平面平行和正交的偏振分量的光线输入1370对普通折射率取值，而通过第一楔形片的传播未改变。在楔形片的边界，平行与附图平面的线性偏振继续对第二楔形片中的普通折射率取值，并且因此退出未受影响的偏振器(没有在偏振和波束方向中的改变)。正交于附图平面的其他线性偏振在第二楔形片中对非寻常波折射率取值。使用负单轴晶体材料，产生的下降的折射率值是指光线从法线被折射向楔形片边界。当离开偏振器时，第二线性偏振被控制一定角度。如果楔形片是由方解石晶体构成的，在λ＝550nm具有n_o和n_e折射率1.66和1.49，计算大的双折射在第二楔形片中提供大约7度的波束控制，其空气中大约为10度。特别地，根据本发明的很多实施例的NEF衍射光学元件已经被计算来产生大约2度的1μm像素宽度的16相位阶。当光束控制不是这么大时，NEF衍射元件提供了大孔和薄格式因素的优势。

[116]根据本发明一个实施例的偏振选择全息图的另一个应用是作为在外腔激光器中的光束控制元件。在外腔激光器系统中，线性偏振经常被用来优选地选择发出激光的偏振。偏振器吸收/反射不期望的偏振，并且允许所需的偏振来在离开外腔之前继续建立往返放大。有机吸收偏振器经常缺少高功率操作的可靠性。反射型金属丝制的偏振器产生了诸如电解清洗和金属层吸收这样的问题。

[117]参见图26，外腔固态激光器系统示出包括具有前端面涂层的激光晶体1501，被设置在透明基底1504上的偏振选择光束控制设备1503，和带有后端(出口)面反射器1506的第二谐波改进型晶体1505。激光晶体1501通常掺杂有稀土金属元素，如Nd:YAG(钕掺杂钇铝石榴石)，Nd:YV_O4(钕掺杂钇钒酸)等，以产生所需波长的发射。例如，二极管泵浦光可以为808nm，而发射的是1064nm。第二谐波改进型晶体，例如KTP(磷酸钛氧钾)是一批非线性晶体，其将激光晶体发射转换成另一种波长(如1064nm输入光为532nm)。第二谐波改进型晶体还可在周期性还原铌酸锂的限制波导模式中获得。偏振选择光栅1503允许激光器腔中的基频光至激光器的单偏振。用倍频晶体生成的第二谐波光随后输出同样的偏振。

[118]操作中，二极管泵浦通过泵浦光HT(高传输)涂层1502将光束1510(如λ＝808nm)发射到激光晶体1501中。该光被激光晶体1501吸收，这引起基频光的发射(如λ＝1064nm)。发射的光沿具有平行于附图平面1521和垂直于附图平面1522的两个正交的线性偏振混合的光线方向1520传播。偏振选择LC光栅1503允许o波(如垂直于附图平面的线性偏振)传输通过，而不背离光束1530，当光束1540具有较小的偏转1545时，该光束衍射e波(如平行于附图平面的线性偏振)。在第一穿过LC光栅之后，空气中相同的偏转角θ₁是sin^-1(λ/Λ)。在从高反射器1506在基频光反射后，反射的光束和光束1550一样与系统成轴-θ₁角度传送。该光束再次入射到偏振选择光栅1503上，并且像被进一步地偏离系统轴控制的光束1560一样被传输。该第二通过光束保持平行于附图平面1561的线性偏振，相当于在空气中偏转角sin(θ₂)＝sin(-θ₁)-λ/Λ；sin(θ₂)＝-2λ/Λ。两次穿过LC光栅的光束在前端面反射器1502上反射，并且像光束1570一样在与系统轴成-θ₂的角度朝向LC光栅传播。该光束再次偏离，指定为1580，并且具有偏离角1585，由sin(θ₃)＝sin(-θ₂)+λ/Λ、sin(θ₃)＝3λ/Λ给定。可看出平行于附图平面的线性偏振偏离激光系统的光学系统，每次传输通过偏振选择LC光栅。因此，具有该偏振的光高度偏离激光晶体的增益部分，从而使得相干激光动作不被允许。对应LC光栅的e波的线性偏振被抑制在激光系统中，并且该偏振的第二改进型谐波光也被抑制。当平行于附图平面的线性偏振日益偏离激光系统的光轴时，垂直于附图平面的线性偏振像光束1530一样沿着理论轴被反射多次。在前端面1502和后端面1506反射器的每次反射后，形成了垂直于附图平面偏振的基频光的振幅。某些基频光被非线性晶体1505转换成其第二谐波光。该第二谐波光通过高传输后端面涂层1506离开激光器。

[119]有利的是，NEF偏振选择LC全息图通过转离不希望的线性偏振用作外腔激光器中的偏振鉴频器。被抑制在该系统中的该线性偏振可通过倾斜面选择。LC全息图是完全平面的，且有助于整合、处理和清理。在该应用中，LC全息图的功能类似于Rochon偏振器(如第一线偏振的一个光束不偏离，而正交光束被稍微衍射)。对于激光系统放大，往返穿过的非常小的角度偏离足以降低增益，且导致偏离的偏振没有激光发射动作。另外，NEF偏振选择LC光栅具有大的孔径且相对薄的波形因子。应当注意，光栅矢量平面选择在轴的对称激光系统中是不重要的。

[120]在上面描述的实施例中，NEF衍射光学元件已经是单层LC光栅膜，例如其已经被用于OPU系统中的失真校正和全息光束分裂，和在外腔激光器中的激光极化选择。在另一实施例中，NEF衍射光学元件由一个以上LC光栅层形成。

[121]参见图27，根据本发明的一个实施例的双级装置1600包括类似于图24所示的连续设置的两个LC光栅。更具体地，复合设备1600包括第一NEF衍射光学元件1310和第二NEF衍射光学元件1610，它们制作成尽量一样，并且被设置使得来自二级的偏转角以相同的角被排列。例如，在一个实施例中，LC倾斜平面和光栅向量在每个第一和第二级LC光栅中是相同的。

[122]操作中，包括两个线性偏振1321的光束1320由LC光栅1310分裂为o波1330和e波1340，然后被放置在第一LC光栅1310后面的第二LC光栅1610再次控制e波，给定复合偏转角sin(θ)＝2λ/Λ，其中λ是照射波长，且Λ是光栅间距。从二级设备输出的e波1640具有平行于附图平面的线性偏振1641，具有偏转角1645。垂直于附图平面的未受影响的线性偏振像带有偏振1631的光束1630一样出射。如果LC光栅厚度不能被配置在所需偏转角来提供单级控制，该两级配置是有用的。

[123]参见图28，根据本发明另一个实施例的双级装置1700包括图24所示的连续设置的两个LC光栅。更具体地，复合设备1700包括第一NEF衍射光学元件1310和第二NEF衍射光学元件1710，它们被制作成尽量一样，并且被设置使得来自二级的偏转角以相反的角度被排列。例如，在一个实施例中，尽管LC倾斜平面和光栅向量不必一致，但在第一和第二级LC光栅中他们是平行的。应当注意，尽管倾斜平面在两光栅中平行，光栅被设置使面外斜面在相反方向。例如，在一个实施例中，第二LC光栅1710被放置在第一LC光栅1310后，使得光栅1710定位在旋转180度的方位角位置，并使得两个LC光栅在相反的符号角度控制光束。

[124]操作中，包括两个线性偏振1321的光束1320被LC光栅1310分裂为o波1330和e波1340。从第一级LC光栅1310输出的e波偏离角度 $\sin .\left(\mathrm{\θ}\right)\underset{\·}{=}\mathrm{\λ}/\mathrm{\Λ},$ 并且这就变成在第二级LC光栅1710中的入射角。第二级全息图的e波输出通过恢复输入光束方向的-si.^n-1(λ/Λ)来控制入射光束。但是，由于对于给定长度l1750，光束在级1和级2之间的角θ上传播，因此光束有横向偏移Δx。该横向偏移1751大约是由空气中 $\mathrm{\Δx}=l*\mathrm{ta}\underset{\·}{n}$ )给定。因此，两级设备1700用作光束消除元件或者光束置换器。

[125]因此，根据本发明一个实施例偏振选择全息图的另一个应用是用作光学循环器、隔离器、光学低通滤波器等中的光束置换器。因此，用作带有平行普通光(o光线)和非寻常光(e光线)输出的消除设备的偏振选择全息图通过级联两个相似的光栅来制作。特别是，第一线光栅(1D)设置高效单阶光栅重播，使得该射出光束朝特征偏转角传播，直到第二反向符号角控制1D光栅校正非正态光束角。对于给定的光栅几何构型并根据两个全息阶之差，相应地设置平行o射线和e射线之间的横向偏移。

[126]参见图29，根据本发明另一个实施例的双级设备1800包括图24所示的连续设置的两个LC光栅。更具体地，复合设备1800包括第一NEF衍射光学元件1310和第二NEF衍射光学元件1810，它们被制作成尽量一样，并且被设置成两个LC光栅级的LC倾斜平面相互垂直排列，并且使得两个LC全息级作用在正交线性偏振上。更具体地，第二级LC光栅1800被设置成其光栅矢量平面平行于1310的平面，但LC斜面垂直于1310的平面。所示的LC特性曲线是在附图面上的投影。第二级LC光栅同样被配置来操作同第一级LC光栅一样的相反的符号角。这种配置后，从第一LC全息图输出的o波1330和e波1349分别作为e波1840和o波1830离开第二LC光栅。E波1840在角度-sin^-1(λ/Λ)被控制，而o波1830输出不受影响(在原始控制角sin^-1(λ/Λ)射出)。

[127]参见图30，根据本发明另一个实施例的双级设备1900包括图24所示的连续设置的两个LC光栅。更具体地，复合设备1900包括第一NEF衍射光学元件1310和第二NEF衍射光学元件1910，它们被制作成尽量一样，并且被设置成两个LC光栅级的LC倾斜平面相互垂直排列，并且使得输入到设备的两个线性偏振是光束控制的。更具体地，第二级LC光栅1910被设置成其光栅矢量平面平行于1310的平面，但LC斜面垂直于1310的平面。所示的LC特性曲线是在附图面上的投影。第二级LC光栅还配置来控制同第一级LC光栅相同的符号角。这种配置后，从第一LC全息图输出的o波1330和e波1340分别作为e波1940和o波1930离开第二LC光栅。通过角sin^-1(λ/Λ)来控制e波1840，而o波1830输出不受影响(在原始控制角sin^-1(λ/Λ)出射)。复合设备上的o和e波平行。在此，唯一的功能就是复合光栅不再是偏振选择。由于LC光栅的厚度(几个微米)妨碍小的横向偏移，任何偏振输入通过与光轴成θ角度来控制。在描述的设备1319和1919中的两个基底通过在单一基底上连续涂覆LC光栅层1310和1910而省略。

[128]上述的四个双级配置1600、1700、1800和1900中的每一个，所述设备已经被配置以具有级一和级二中的平行的光栅矢量。在其他实施例中，提供了具有任意的第一级和第二级控制平面(光栅矢量指示的)的双级配置。在这种情况下，第一和第二光栅中的LC斜面是平行或垂直的，以接收线性偏振输入。

[129]两级LC全息图已用RCWA(严格耦合波分析，Gsolver by Grating SolverDevelopment Company，Allen，Texas，version 4.20b)模拟，通过表示LC光栅为具有宽度为1μm的16相位像素非偏振选择空气/绝缘体炫耀光栅，在λ＝550nm编程。结果如图31所示。当观察者仰视光束时，右侧的闪光是阶梯状的相位斜度，其在具有较长光程的单光栅的右边。该闪耀光栅控制光束为第一阶，如图31(a)所示，该第一阶位于零阶的右边。在这种情况下，DE接近92％，在空气/1.5折射率光栅上没有AR涂层。在图31(b)中，第一右侧闪耀空气/1.5折射率光栅在第二右闪耀空气/1.5折射率光栅的后面。与单一的光栅相比(指示为阶数2)，该双级光栅控制输出光为空间频率的两倍，在模拟中，光栅不是AR涂覆的，并且内部光栅层不具有1.5折射率和220μm物理厚度。光束置换器如图31(c)所示。复合光栅具有接近入射的第一左闪耀光栅，紧接着邻近基底的第二右闪耀光栅。两个光栅由1.5折射率和220μm物理厚度的内部光栅层分开。两个光栅具有一样的16相级，形成16-μm光栅间距长度的斜度。结果显示第一级光栅施加的控制角由第二级光栅校正。输出光束是共线的，但是空间上偏移了一定量(未示出在衍射模拟中)。两级模拟例子产生约82％的主阶效率。

[130]参见图32，第一LC光栅1310和第二LC光栅1710示出分别被设置在单个基底2010的相对侧。应当注意，NEF衍射光学元件2000功能上与复合NEF衍射光学元件1700相同。在这些图中，相同的数字被用来限定相同的元件。透明基底2010支撑LC光栅层，并且充当内部光栅层。使用之前描述的2级控制例子(如1μm像素间距的16像素光栅)并假定内部光栅层2010是1.5折射率，～220μm内部光栅层将增加大约5μm的光束偏移。平行且垂直于光栅矢量偏振的该射出光束是平行的。这种5μm的消除满足了光学低通滤波器应用的要求。在数字成像系统中，反锯齿技术使用光束消除，以确保最小的图像点尺寸被聚焦在电子CCD/CMOS阵列底板上。通常使用45度切除适当厚度的单轴晶体板来实现该消除。晶体板生产昂贵。可替换地，旋转涂覆的均匀的LC膜在45度排列可被用来提供合适的消除(如美国专利7,088,510)。但是，在所需的45度斜面制作厚LC层相关的难度使得制作均匀的LC膜不切实际。相比较，通过在第一LC光栅中提供光束控制功能，允许偏转光束来由内部光栅层累计空间偏移以及最后由第二LC光栅校正光束角度，两层LC光栅2000完成光束偏移。

[131]参见图33，示出了本发明另一个实施例，其中LC光栅由设置的内部光栅层分离，并且被提供在基底的一侧上。更加具体地，设备2050包括透明基底1719，在该基底上提供有第一LC光栅1310和第二LC光栅1710，其中第一和第二LC光栅层由内部光栅层2010分开。相似的数字具有如图28和32中相同的定义。射出光束是正交偏振的并且是共线的。在出口处的光束分离由下式给定：

Δx＝l*tan(sin^-1(λ/(nΛ)))，(9)

其中l是具有折射率n的内部光栅层的层厚度，λ是照射波长，且Λ是光栅间距。

[132]本发明NEF衍射光学元件的另一个应用如光学低通滤波器(OLPF)中的二维(2D)消除元件。例如，在一个实施例中，相似于图28中示出的消除设备的多个阶被级联来形成用来切除在数字成像系统中的高空间频率成像成分的OLPF。参见图34，2D消除设备2100包括第一消除LC光栅设备2000，第二正交轴消除LC光栅设备2110和偏振扰频器2120。对于具有两个正交线性偏振1321的输出波1320，第一消除LC光栅设备2000将e波光束1740由相对于未受影响的o波光束1730偏移了预定量1751。在正交线性偏振，两个共线光束(在传播方向中平行)随后由偏振扰频器2120扰频，来产生正交线性偏振用于每一个光束。在一个实施例中，偏振扰频器2120是延迟元件，如四分之一波片。包括平行且垂直于附图平面的线性偏振的两个光束传播至第二消除LC光栅设备2110。用于第二LC光栅设备2110的光栅矢量被设置为正交于第一光栅设备2000的光栅矢量。通过这种设置，第一光栅设备2000的输出沿着附图平面偏移，而第二光栅设备2110的输出垂直于附图平面偏移。

[133]当偏振扰频器2120是四分之一波片时，四分之一波片(QWP)的快/慢轴通常相对于附图平面成±45度排列。离开第一消除LC光栅设备的两光束1730和1740被QWP转换为圆偏振(即沿着任何两个正交方向有等量的线性偏振)。一般选择斜面与第二消除LC光栅设备的光栅矢量平行(如图34所示)或者正交(未示出)。大约，每一个光能的一半由第二消除LC光栅设备偏移到附图平面内。两个光束的这种设置在图34中示为2133和2134。它们是平行于第二消除LC光栅设备的倾斜面偏振。未受影响的余下的两个光束2131和2132垂直于第二消除LC光栅设备的倾斜面偏振。因此，2D OLPF产生四个光束点，用以正方形栅格中的每一个光束输入排列(或者如果第一阶的偏移量与第二阶偏移量不一样，则是矩形栅格)。

[134]光束消除模式如图35(a)所示。第一阶消除将单一的输入光束偏移成两个大约相等亮度的点，如实线箭头所指。在第二阶消除之前，光束的偏振被扰频。然后沿着正交轴的第二阶消除产生四个光束点，该四个光束点分布在四个邻近的CCD/CMOS像素上。

[135]在通过45度切除晶体板消除和没有使用偏振扰频器的情况下，第二阶消除可被安排来具有与第一消除阶输出成±45度的e波轴。每一个第一阶消除输出光束被分解为半e波和半o波。该e波沿着±45度对角线被进一步偏移，导致菱形的消除模式(如图35中(b)所示)。

[136]在通过偏振选择LC光栅消除的情况下，偏振扰频器在没有理想的正方形消除模式下可忽略。具有四分之一波片偏振扰频器的两级消除OPLF的平面图如图36所描述。在(a)中示出了带有水平光栅矢量的消除LC光栅设备2000。在附图平面上投影的LC特性曲线如2001和2002所示，用于第一消除设备中的第一层和第二层。四分之一波片2120示出具有与第一消除设备的光栅矢量成45度排列的慢轴2121(如见图(b))。第二消除光栅设备2110具有垂直排列的光栅矢量(如垂直于第一光栅矢量)。如之前所述的，第二光栅设备的斜面可以随机选择，由于偏振扰频器产生了输入至第二消除光栅设备的圆偏振。图(c)示出了沿第二光栅矢量排列的斜面。投影在附图平面上的LC特性曲线标记为2111和2112。第二消除光栅设备将光束在垂直方向偏移，用以在垂直偏振积累部分能量。

[137]如上所述的，还有可能在没有媒介偏振扰频器的情况下来配置OPLE。该方案参见图37。第一消除光栅设备如图(a)中所示，具有水平面中的第一光栅矢量，相似于图36(a)所述的。离开第一消除光栅设备的两个光束是平行2006且垂直于2007附图平面偏振的。第二消除光栅设备的斜面相对于第一光栅矢量成±45度角排列，以在没有偏振扰频的情况下从每个光束获得大约相等的e波和o波功率分数。第二消除光栅设备中的第一和第二光栅层的LC特性曲线投影如2113和2114所示。具有90度的第二光栅矢量取向的第二消除光栅设备的输入如2008和2009所示，每个具有沿着斜面的大约一半的光束能量。e波分数被垂直偏移(如90度方位角方向)，而o波分数不受影响。具有两级消除光栅设备但不具有偏振绕频器的整个设备产生四个光束点用以每一个入射光束点。

[138]如上所述的本发明实施例中，NEF偏振选择衍射光学元件提供了薄全息元件，通过按预定方式合理地设置LC面外斜面穿过横向空间坐标，在近轴衍射极限中操作。产生的NEF薄全息图具有沿着给定的方位角平面均匀地排列的LC指向矢。包含指向矢分布的平面也是斜面。仅沿着斜面偏振的光线受到可变量的连续编码延迟或者像素化的影响。可变量的延迟是作为横向空间坐标函数的可变光程调制的显示。相反地，不管LC指向矢如何倾斜，沿着与斜面正交的方向偏振的光线仅看到一般性折射率。没有可变光程调制且该正交偏振主要经历零阶光栅。

[139]有利的是，这些NEF薄全息图的偏振选择性被应用在使用线偏振光的各种应用中。与偏振选择性相关的一些应用已被概述，其包括OPU系统中的失真补偿和全息光束分裂，外腔固态激光器中的基于偏振选择的光束控制，以及光学低通滤波器中的光束消除设备。显然，可用单层LC全息图或者偏振选择的多层或多阶LC全息图来识别更多的应用。偏振选择性与均匀方位角取向在LC设备中是固有特性。但是，在一些应用中，该选择性被有意的避开，例如通过将两个LC全息层与正交斜面取向连接。更有利的是，用来建立NEF衍射光学元件的制作技术允许多级唯相全息图被记录，从而获得高衍射率。

[140]然而NEF衍射光学元件的另一个应用是可变幅度双折射补偿器。例如，考虑现有技术的Babinet-Soleil补偿器，其包括邻近正交的双折射轴排列的另一个双折射片设置的两个双折射晶体楔形片(如石英)。通过机械地平移楔形片中的一个，可变量的延迟出现在窄径探测光束中。

[141]传统的Babinet-Soleil补偿器如图38所示。该可变延迟补偿器2200包括第一匀质排列A板2201，其与两个双折射楔形片2202和2203制成的另一个双折射板连接。A板2201具有与条带方向平行排列的光轴。双折射楔形片2202/2203通常从晶体材料上被切下，并且与平行于条带方向的光轴对准。换而言之，楔形片的光轴彼此平行，但是与第一双折射板的光轴正交。上部的双折射楔形片2203可在平行于第一双折射板的光轴的方向(即沿着2204)机械平移，该上双折射楔形片2203具有面向另一楔形片2203的倾斜面的斜面。这种横向平移导致通过结合两个楔形片来提供有效的延迟。然后该延迟幅度偏移第一双折射板提供的第二延迟幅度。延迟差是光输入2220可见的有效延迟。该设备结构相似于多阶波片，其带有由两个交联的轴延迟器的每个中实现的延迟之差提供的所需的延迟。在Babinet-Soleil补偿器2200的情况下，延迟的净值由最外层楔形片的横向平移调整。

[142]根据本发明的一个实施例，NEF衍射光学元件被用作可变幅度双折射补偿器。尤其，LC面外指向矢分布被形成图像，以提供精准和精确的可变幅度双折射。参见图39，可变延迟器2300包括单层LCP，其中LC指向矢以某种预定方式分布，从而沿着给定横向空间坐标得到的的延迟以所需方式变化(如线性对X坐标)。该单片可变延迟器2300被示出具有LC指向矢分布的几个分段，如C板2301、O板2302和A板2303。对于给定的物理LC厚度，A板分段出现相对于O板和/或C板分段最大量的延迟。如果对横向空间坐标的线性延迟结构是希望的，LC斜面结构以非线性方式调整。整个可变的延迟器由机械驱动装置2304平移，以获得不同量的延迟用以给定的光输入位置2320，使得不同的空间域对准输入光束。本发明宽带可变延迟器是可行的，如现有技术晶体板方案。例如，覆盖λ＝400nm至1600nm，在最长波长处有大约大至1波的延迟的可变延迟器，可配置具有可从C板至A板变化的连续LC指向矢的单层LC膜。LC膜假定在长波边界产生大约0.1的双折射。因此，LC膜大约16μm厚。由于在该频带中的普通材料折射率色散，短波长可见有超过1波的延迟。

[143]有利地，该可调谐延迟器通过选择合适的设备厚度，提供了大至几个λ的可变延迟，该可调谐延迟器是在维持给定方位角方向的情况下，连续地展开作为线位置函数的LC面外斜率来获得的。

[144]更加有利地，处理非蚀刻、平面延迟器技术的大基底允许多个延迟器的幅度设计为有图案的，且放置在大幅基底上。在晶片等级，获得了光栅/全息类型的粗分辨率图案。大晶片基底中的每个“周期”在分离阶段能被分成不连续的可变延迟器。通常，单可变延迟器的慢/快轴可以沿着如与减速器的矩形几何成±45度的所需方位角均匀锚定。尽管该NEF衍射光学元件由于均匀方位角取向，偏振选择性是固有的，但是在使用时探测光束通常与可变延迟器的尺寸(如1mm光束大小对10mm端对端平移范围)相关，从而可变延迟器不必用做偏振选择衍射光学元件。

[145]在上述描述的每个实施例中，用来建立NEF衍射光学元件的制作技术仅需要单一基底，并因此产生较薄的无源光学元件，无源光学元件相对便宜且适于更大范围的应用。相比较，现有技术文献美国专利7,375,784和美国专利6,304,312都需要两个透明基底，其共同引起相对厚的液晶单元中的液晶的对准。另外，这些现有技术制作技术与提供多级唯相全息图不兼容。相比较，本发明提供具有1μm或更小的特征的多级唯相全息图(如当以预定方式提供可变光程区域的阵列时)。显著地，用于NEF衍射光学元件的制作技术不需要提供表面浮雕结构(SRS)的传统掩模和蚀刻过程。本发明制作技术也不需要像介质步骤一样的液晶单元的制作，且不需要应用LC排列的电脉冲的透明电极。而且，不像基底吸收型(absorption-based)(如亮度调制)全息图，所得的唯相全息图可为无损的。这些无源唯相LC全息图由于当与有源转换LC全息图相比时有较好的像素填充占空比控制，也被希望来产生较高的衍射率，其中SLM像素阵列需要行/列寻址线和像素寻址电路。

[146]当然，上述实施例仅为例子。本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明精神和范围下可进行各种修改、变换配置和/或等同替换。例如，各种周期性和非周期性图案可用来形成偏振选择相位全息图(如用于光束控制)。在一些实施例中，这些偏振选择相位全息图具有连续的位相分布。因此，本发明的范围由附加的权利要求来单独限制。

Claims (17)

1、一种偏振选择衍射光学元件，包括：

基底；

设置在所述基底上的取向层；和

设置在所述取向层上的液晶聚合物膜，所述液晶聚合物膜包括平行于第一平面排列的多个液晶指向矢，所述第一平面垂直于所述液晶聚合物膜的表面，所述多个液晶指向矢的面外倾斜以预定方式随着横向空间坐标而变化，选择所述预定方式，以使所述液晶聚合物膜形成偏振选择相位全息图，

其中具有第一偏振的线性偏振光以相对相位延迟被传输通过所述液晶聚合物膜的第一和第二空间离散区域，以提供非零阶衍射输出，且具有第二偏振的线性偏振光以实质为零的相对相位延迟被传输通过所述第一和第二空间离散区域，以提供零阶衍射输出，所述第一偏振平行于所述第一平面，所述第二偏振垂直于所述第一偏振，所述第一区域包括第一液晶指向矢，所述第二区域包括第二液晶指向矢，所述第一和第二液晶指向矢具有不同的面外斜度。

2、根据权利要求1所述的偏振选择衍射光学元件，其特征在于，选择所述预定方式，以使所述液晶聚合物膜包括多个像素，每个像素用单一液晶指向矢排列编码。

3、根据权利要求2所述的偏振选择衍射光学元件，其特征在于，所述预定方式包括有限数量的不同的面外倾斜角度，所述的有限数量大于2且小于65。

4、根据权利要求1所述的偏振选择衍射光学元件，其特征在于，所述相位全息图包括平行于或正交于所述第一平面的光栅矢量。

5、根据权利要求1所述的偏振选择衍射光学元件，其特征在于，所述相位全息图包括与所述第一平面成斜角的光栅矢量。

6、根据权利要求1-5中任意一项所述的偏振选择衍射光学元件，其特征在于，所述预定方式被选择用来形成非周期相位掩模，以提供光学读取单元中的失真校正。

7、根据权利要求1-5中任意一项所述的偏振选择衍射光学元件，其特征在于，所述预定方式被选择用来形成光栅，该光栅用于将从放置在远离输入光程的光学读取单元中的光盘反射的光束重新定向。

8、根据权利要求1-5中任意一项所述的偏振选择衍射光学元件，其特征在于，所述预定方式被选择用来形成光栅，该光栅用于提供在外腔激光器中的偏振识别。

9、根据权利要求2所述的偏振选择衍射光学元件，其特征在于，所述像素的尺寸和所述预定方式被选择用来形成光栅，该光栅用于对具有所述第一偏振的光进行光束控制。

10、根据权利要求9所述的偏振选择衍射光学元件，其特征在于，所述液晶聚合物膜被与第二液晶聚合物膜串联设置，所述第二液晶聚合物膜包括与第二平面平行排列的第二多个液晶指向矢，所述第二平面垂直于所述第二液晶聚合物膜的表面，所述第二多个液晶指向矢的面外倾斜以预定方式随着横向空间坐标而变化。

11、根据权利要求10所述的偏振选择衍射光学元件，其特征在于，所述第一平面和所述第二平面基本平行。

12、根据权利要求11所述的偏振选择衍射光学元件，其特征在于，所述液晶聚合物膜相对于所述第二液晶聚合物膜被定向，使得入射在所述偏振选择衍射光学元件上的未偏振的光束被转换为带有正交偏振的两个基本平行的光束。

13、根据权利要求1所述的偏振选择衍射光学元件，其特征在于，所述基底包括至少波片和反射表面之一。

14、一种制作偏振选择衍射光学元件的方法，包括：

经过遮光模用线性偏振紫外光以倾斜的角度照射取向层；

在所述已照射的取向层上涂覆液晶层，所述液晶层包括液晶聚合物前驱物；

照射所述液晶层来形成液晶聚合物膜，所述液晶聚合物膜包括平行于第一平面排列的多个液晶指向矢，所述第一平面垂直于所述液晶聚合物膜的表面，所述多个液晶指向矢的面外斜面以预定方式随着横向空间坐标而变化，选择所述预定方式，以使所述液晶聚合物膜形成偏振选择相位全息图，

由此具有第一偏振的线性偏振光以相对相位延迟被传输通过所述液晶聚合物膜的第一和第二空间离散区域，以提供非零阶衍射输出，且具有第二偏振的线性偏振光以实质为零的相对相位延迟被传输通过所述第一和第二空间离散区域，以提供零阶衍射输出，所述第一偏振平行于所述第一平面，所述第二偏振垂直于所述第一偏振，所述第一区域包括第一液晶指向矢，所述第二区域包括第二液晶指向矢，所述第一和第二液晶指向矢具有不同的面外斜度。

15、根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述遮光模包括可变传输掩模和可变尺寸孔径掩模中的一个。

16、一种偏振选择衍射光学元件，包括：

基底；

液晶层，所述液晶层由所述基底支撑，所述液晶层为薄平面膜的形式，该薄平面膜具有使用有限数量的不同的液晶指向矢排列编码的像素区域阵列，

其中在每一个像素区域中的所述液晶指向矢排列基本一致且永远穿过像素，

其中所述每一个像素域中的所述液晶指向矢排列位于垂直于所述基底的表面的公共平面，以对入射在所述阵列上的平行于所述液晶指向矢的所述平面偏振的线性偏振光施加相位延迟，而对入射在所述阵列上的垂直于所述液晶指向矢的所述平面偏振的线性偏振光没有相位延迟作用，和

其中，在所述像素阵列中的相位延迟的设置、像素尺寸和像素形状是预定的，使得所述液晶层对平行于所述液晶指向矢的所述平面偏振的光提供非零阶衍射输出，和对垂直于所述液晶指向矢的所述平面偏振的光提供零阶衍射输出。

17、一种光学读取单元，包括：

用于发射具有第一偏振的线性偏振光的光源；

用于校准所述线性偏振光的准直透镜；

用于将所述已校准的线性偏振光聚焦在光盘上的物镜；

放置所述准直透镜和物镜之间的四分之一波片，用于提供四分之一波延迟，使得从所述光盘反射的光被传输到所述第一透镜，作为具有第二偏振的线性偏振光，所述第二偏振垂直于所述第一偏振；和

设置在所述准直透镜和所述四分之一波片之间的偏振选择衍射光学元件，所述偏振选择衍射光学元件包括基底；设置在所述基底上的取向层；和设置在所述取向层上的液晶聚合物膜，所述液晶聚合物膜包括平行于第一平面排列的多个液晶指向矢，所述第一平面垂直于所述液晶聚合物膜的表面，所述多个液晶指向矢的面外倾斜以预定方式随着横向空间坐标而变化，选择所述预定方式，以使所述液晶聚合物膜形成偏振选择相位全息图，

其中设置所述偏振选择衍射光学元件使得所述第一偏振被垂直于所述第一平面偏振，并且使得所述偏振选择相位全息图对具有所述第一偏振的所述线性偏振光提供了零阶衍射，和对具有所述第二偏振的所述线性偏振光提供了非零阶衍射，所述非零阶衍射提供足够对具有所述第二偏振的所述线性偏振光进行重定向以远离所述光源，而朝向探测器的光束偏转。

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