CN101470226A - 消色差的光偏振空间分布转换器 - Google Patents

消色差的光偏振空间分布转换器 Download PDF

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CN101470226A CNA2008101773143A CN200810177314A CN101470226A CN 101470226 A CN101470226 A CN 101470226A CN A2008101773143 A CNA2008101773143 A CN A2008101773143A CN 200810177314 A CN200810177314 A CN 200810177314A CN 101470226 A CN101470226 A CN 101470226A
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Abstract

本发明描述了从预定的第一偏振分布转换至预定的第二偏振分布的消色差的偏振空间分布转换器。所述转换器包括多个经光取向的四分之一波或者半波液晶聚合物层，其中所述层的取向样式彼此关联以使得偏振转换消色差。可以形成消色差的偏振涡旋。已证明在大部分可见光谱上偏振转换效率超过97％。所述偏振转换器可以用于成像，光刻，光镊，微加工以及其他应用。

Description

消色差的光偏振空间分布转换器
技术领域
[0001]本发明涉及用于将光的偏振空间分布从预定的第一偏振空间分布转换至预定的第二偏振空间分布的光学元件，特别是用于在宽的光波长范围上实现所述分布转换。
背景技术
[0002]波片或光学延迟器，是一种通过对入射光的两个正交偏振的分量间引入预定的相移来改变入射光偏振状态的光学器件。通常，所引入的相移被称为波片相位延迟，用波长的2π倍数的分数来衡量。在正交偏振分量间引入π相移的被称为半波片(HWP)，引入π/2的被称为四分之一波片(QWP)。
[0003]对入射光的两个正交偏振分量有着不同折射率的材料被称为双折射材料。在任一双折射材料中有至少一个轴被称为光轴。波片可以由双折射材料制成。当一个线偏振光垂直于波片的双折射材料光轴方向通过波片时，该光波分为在相互垂直方向线性偏振的两个波，被称为寻常波和非常波。由于不同的折射率，这两个光波以不同速度通过该材料，从而导致了两个光波之间相移。当波片为半波片(HWP)时，相移导致光波偏振轴旋转一定角度，这个角度等于偏振轴和波片光轴夹角的两倍。
[0004]传统应用中通常使用空间均一波片来改变均一偏振光束的偏振态。均一偏振光束是指在其横截面上偏振态不变化的光束。但是最近，研究人员发现对均一偏振光束引入空间偏振变化是一种有用的波前成形工具。当使用线起偏器来分析偏振随空间变化的光束时，净效果是被称为Pancharatnam-Berry相位的随空间变化的相移被附加到该光束。正如通过参考而引入本文的Bomzon等人的文章“具有计算机产生的亚波长光栅的空间变化Pancharatnam-Berry相位光学元件(Space-variant Pancharatnam-Berry phase opticalelements with computer-generated subwavelength gratings)”，Opt.Lett.，Vol.27，No.13，p.1141-1143(2002)所显示的，使用起偏器来分析光束随空间变化的偏振导致光束的波阵面特定成形。而且，可以使用空间可变波片来形成线偏振光束，其中，光束的偏振方向即光束辐射的电场矢量方向，在光束横截面上变化。径向偏振光束或切向偏振光束就是一个具有偏振随空间变化的线性偏振的光束实例，其中，局部偏振轴为与局部点和光束中心的连线相平行的径向，或是与该连线垂直的切向。
[0005]光束无论径向还是切向偏振，其偏振方向仅取决于特定空间位置的方位角α，而不取决于距离光束轴的径向距离r。这些类型的偏振光束有时被称为圆柱矢量光束或偏振涡旋光束。术语“偏振涡旋”与“光学涡旋”相关。一个光学涡旋是指光束截面上一个点，这一点处相位异常，致使在其周围的任何闭合路径上光束辐射的电场均以π的整数倍衍进。类似的，偏振涡旋是指一种线偏振状态，其偏振方向绕光束轴成π的整数倍衍进。当这种光束被聚焦时，在光束轴处强度为0。偏振涡旋光束具有许多独特属性，而这些属性有利于其应用于诸如粒子捕获(光镊技术)、显微镜分辨率增强技术和光刻技术等各种实际应用中。
[0006]通过让均一偏振光束穿过具有绕波片轴以π/2的整数倍衍进的空间变化的偏振轴方向的半波片(HWP)，可以很容易的得到光学偏振涡旋光束。由于上面提到的半波片的角度加倍特性，通过这种波片的光束的偏振方向将绕光束轴以π的整数倍衍进。参见例如Stalder等人的名称为“具有由液晶偏振转换器产生的轴对称性的线偏振光(Linearlypolarized light with axial symmetry generated by liquid-crystal polarization converters)”，Opt.Lett.，Vol.21，No.23，pp.1948-1950，Dec.1，1996的文献，其通过参考引入本文。Stalder讲述了一种液晶晶层排列随空间变化的液晶元件，该液晶元件常被用来产生双折射液晶延迟器的随空间变化的偏振轴方向。
[0007]现有的产生偏振涡旋束的方法都存在一个共同的缺陷，该缺陷涉及这样一个事实，即现有的随空间变化的半波片仅在一种波长上有半个波长的相位延迟。因此，仅能形成单色偏振涡旋。例如，可以使用单色激光束产生应用于光镊的单色偏振涡旋。但是，许多重要的光学应用需要多色光束，例如，与视觉和成像领域相关的大部分应用(如显示器技术或显微镜技术)都是多色的。可见光波长范围大约是从380nm到680nm，即相对于其中心波长530nm，可见光变化超过了56％。另一些要求相应光学系统多色特性的应用实例包含多波长光数据的存储，其中，不同波长的激光源被用于在盘上读写数据，或飞秒微加工应用，因为飞秒光脉冲本身就是多色的。许多潜在的应用要求偏振分布成形光学元件具有消色差或多色的性能，因此，现有技术无法对其提供实际解决方法。
[0008]现有的许多方法可以得到具有消色差性能的随空间而变的光学延迟器。其中被广泛应用于液晶显示产业中的一种方法是，在液晶显示光学叠层上附加一种空间上均一的光学延迟薄膜或光学延迟层，以使显示器的对比度消除更多的色差，同时改善显示器的可视角。例如Tillin的美国专利6,900,865中所提到的，在液晶显示器叠层结构上附加一个光学延迟器，该文献通过参考引入本文。还有Sharp等人在美国专利6,380,997、6,078,374和6,046,786中所提到的，在液晶显示器上附加均一液晶延迟器，通过参考引入本文。在Sharp提到的液晶显示器中使用了已知的非空间可变混合波片的消色差的性能，来实现显示器多达4种亮度状态的消色差的性能。应该注意到非空间可变混合的消色差的波片已经出现很长时间了，见Koester的“半波片的消色差组合(Achromaticcombinations of half-wave plates)，”J.Opt.Soc.Of America Vol.49(4)，p.405-409(1959)，其通过参考引入本文。
[0009]另一种方法则是Deng等人在文献题目为“通过使用压印光刻技术制造的用于光学拾取单元的消色差波片(Achromatic wave plates for optical pickup units fabricated by useofimprint lithography)”，Opt.Lett.，Vol.30，p.2614-2616(2005)中所述的，使用纳米压印光刻技术制作消色差的亚波长光栅型光学延迟器结构，其通过参考引入本文。消色差的亚波长光栅也可以用传统的中远红外光子学应用领域的微光刻方法来制作，如Chun等在“用于极化成像的消色差波片阵列(Achromatic waveplate array for polarimetricimaging)”，SPIE-Int.Soc.Opt.Eng.，vol.4481，p.216-27(2002)中所述，其通过参考引入本文。
[0010]使用均一延迟膜或液晶层实现空间可变光学延迟器的消色差性能的方法的缺点在于，所得到的消色差输出偏振态范围受限。基于亚波长光栅的方法没有上述缺点，但其至少在可见光谱范围内必须依赖如纳米压印光刻等相当不稳定且不成熟的技术。另外，现有的如液晶显示或离散的亚波长光栅阵列的像素化(pixelated)的延迟器结构中，在延迟值变化的不同区域的陡峭边界处会发生不期望的光衍射。
发明内容
[0011]有益的是，本发明中的消色差的转换器元件克服了上述缺点。它可以将诸如可见光等具有宽波长范围的光偏振的空间分布，以平滑连续的方式高效率地从任一预定的输入偏振分布转换到任一其他的预定的输出偏振分布，并且避免陡峭边界处的衍射效应。另外，有利地且优选地，本发明中的偏振转换器可以采用完善且成熟的多种液晶技术来制造成各种各样的结构。而且，有利的是，本发明中的偏振转换器与现有的单色偏振转换器或现有的零阶波片相比，本质上对延迟层厚度变化的敏感度较小。
[0012]根据本发明，提供一种用于将光束偏振的横向分布从预定的第一偏振横向分布转换到预定的第二偏振横向分布的光学元件，所述光束具有至少一个波段，该波段由中心波长和带宽所表征，其中所述光学元件包含双折射层叠层，其中，所述叠层中每一层的双折射由在该层内基本上恒定的延迟和在该层内平滑且逐渐地变化的局部双折射轴的方向来表征，并且其中所述各层的局部双折射轴方向的变化彼此协调，以将所述光束的偏振分布在该光束的整个波段上从第一偏振分布转换到第二偏振分布。
[0013]本发明的一个特别令人感兴趣之处在于光学涡旋元件，其中所述第一偏振横向分布和所述第二偏振横向分布是线偏振分布，其中局部输出偏振轴的角度仅决定于局部方位角坐标，这使得该角度在围绕该光学元件的通光孔径的中心点而成的任何闭合路径上的变化为π的倍数，该中心点被称为“涡旋中心”。
[0014]根据本发明的另一个方面，进一步提供一偏振转变的起偏器，其包括：第一光学元件，用于接收一光束并转换该光束的偏振横向分布；起偏器元件，其被光耦合到所述第一光学元件；以及第二光学元件，其被光耦合到所述起偏器元件，用于进一步转换该光束的偏振横向分布，并用于输出该光束。
[0015]根据本发明的又一个方面，进一步提供上述光学元件的用途，其包括校正空间偏振像差(polarization aberrations)；和/或产生偏振涡旋；和/或降低在视觉显示，偏振显微术，光刻，成像，光学数据存储，识别文件、产品或物件，以及飞秒微加工中的菲涅尔损耗。
附图说明
[0016]结合以下附图对示例性实施例进行描述：
[0017]图1是在一对起偏器之间的现有技术的单色和消色差波片，以及对应的传输光谱；
[0018]图2A和2B是根据本发明的一个示例性实施例的偏振涡旋波片和从其中穿过的多色光束的等轴测视图；
[0019]图3A是根据本发明的偏振转变起偏器的等轴测视图；
[0020]图3B是图3A的偏振转变起偏器的分解视图；
[0021]图4是与偏振涡旋对应的偏振的输入和输出的横向分布图；
[0022]图5是在根据本发明的两层消色差偏振转换器中所要求的偏振旋转量对层的局部光轴角度图；
[0023]图6是在根据本发明一实施例的两层消色差偏振转换器中的x-和y-位置对层的局部光轴角度图；
[0024]图7是根据本发明一实施例的两层消色差偏振转换器的偏振转换效率(PCE)谱图；
[0025]图8是在根据本发明另一实施例的两层消色差偏振转换器中的x-和y-位置对层的局部光轴角度图；
[0026]图9是根据与图8对应的本发明实施例的两层消色差偏振转换器的PCE谱图；
[0027]图10是输入和输出的偏振横向分布图，其中该输出横向分布绕垂直中心轴对称；
[0028]图11是在本发明的对应于图10的偏振轴分布的两层消色差偏振转换器中的x-和y-位置对层的局部光轴角度图；
[0029]图12是根据与图10的偏振轴分布对应的本发明的两层消色差偏振转换器的PCE谱图；
[0030]图13和14分别是：在根据本发明的具体实施例A的三层消色差偏振转换器中，所要求的偏振旋转量对层的局部光轴角度图，以及相应的PCE谱图；
[0031]图15和16分别是：在根据本发明的具体实施例B的三层消色差偏振转换器中，所要求的偏振旋转量对层的局部光轴角度图，以及相应的PCE谱图；
[0032]图17和18分别是：在根据本发明的具体实施例C的三层消色差偏振转换器中，所要求的偏振旋转量对层的局部光轴角度图，以及相应的PCE谱图；
[0033]图19和20分别是：在根据本发明的具体实施例D的三层消色差偏振转换器中，所要求的偏振旋转量对层的局部光轴角度图，以及相应的PCE谱图；
[0034]图21和22分别是：在根据本发明的具体实施例E的三层消色差偏振转换器中，所要求的偏振旋转量对层的局部光轴角度图，以及相应的PCE谱图；
[0035]图23为展示了系列光学元件的偏振显微镜的电路图，其包含了本发明的偏振校正元件，并且展示了沿所述系列的相应的光学偏振分布；
[0036]图24是应用本发明的偏振转换元件的背部投影电视机的侧面剖视图；
[0037]图25是已使用以及未使用本发明的偏振转换元件的，照亮图24的背部投影电视机屏幕的光束的光偏振图示。
具体实施方式
[0038]虽然结合各种具体实施例和示例对本发明的教导进行了描述，但这并不意味着本教导限制在这些实施例中。相反，正如本领域的技术人员将意识到的一样，本教导包含各种变型、改进和等同替换。
[0039]参见图1，虚线100表示在相交的起偏器104和106之间旋转了45°的半波片(HWP)102的传输光谱，其中，所述光谱100是dΔn/λ的函数，其中d和Δn分别是该HWP102的厚度和双折射率。可以看到，当dΔn/λ＝0.5时，即处于HWP 102的中心波长时，该传输光谱100在点111处达到其最大值。实线110表示放置在相交的起偏器114和116之间的、由两个波片112A和112B组成的复合半波片112的传输光谱，其中该光谱110是dΔn/λ的函数。可以看到，当dΔn/λ＝0.5时，该传输光谱110同样在点111处达到最大值。然而，在最大值点111附近，与复合波片112相对应的且由箭头118所示的光谱110比与复合波片102相对应的且由箭头108所示的光谱100平坦。波片112A和112B的延迟值和光轴的相对方向经选择以使得光谱110尽量平坦，这样确保波片112的消色差，以及与波片102厚度公差相比，放宽了波片112A和112B厚度公差。关于选择光轴角度以及相位延迟的值的方法在以上引用的Koester的参考文件中已教导。
[0040]下面对光学偏振空间分布的转换器进行说明。该转换器由至少两个具有随空间而变的光轴的双折射层组成，其中，这些局部光轴方向的式样彼此协调，以获得该转换器总的消色差性能。参见图2A，展示了切向偏振涡旋200，其由将具有偏振线性分布204的多色光束202通过消色差的偏振空间分布转换器206而得到。重要且有利的是，由于所述层的局部光轴角度分布的特殊选择，光束202中包括寻求偏振分布200的那部分的光谱208在通过该转换器206后基本保持不变，这将在下文详细描述，并通过图4至图22解释说明。
[0041]参见图2B，展示了径向偏振涡旋201，其由将具有偏振线性分布204的多色光束202通过消色差的偏振空间分布转换器207而得到。重要且有利的是，由于所述层的局部光轴角度分布的特殊选择，光束202中的包括寻求偏振分布201的那部分的光谱208在通过该转换器207后基本保持不变。
[0042]以上公开的随空间而变的消色差波片可以与普通的线起偏器结合，以产生随空间而变的消色差起偏器和/或检偏器。随空间而变的消色差的起偏器或检偏器可通过将起偏器元件层压在随空间而变的波片元件上或者通过直接在起偏器元件上制作随空间而变的波片元件而制成。当让光先入射到起偏器元件、再入射到波片元件时，得到非均匀起偏器。当光先入射到随空间而变的消色差波片，再入射到起偏器时，得到非均匀检偏器。
[0043]参见图3A和3B，展示了这样的非均匀起偏器307的例子。将具有偏振分布303的多色光束302通过转换偏振空间分布的该非均匀起偏器307得到一径向偏振涡旋301。分布303是已变形的均一的偏振分布，例如由于光学系统中存在偏振像差而产生变形，图中未显示。在图3B的分解视图中可以看出，该消色差偏振转换器或者称为非均匀起偏器307包含线起偏器309和消色差偏振转换器310，线起偏器将该非均一分布303转变为均一分布304，消色差偏振转换器与图2B中的转换器207类似。重要且有利的是，由于起偏器309的存在，该消色差偏振转换器307的性能不受局部偏振分布变形的影响。线栅起偏器、偏振分束器、二向色起偏器、胆甾型起偏器、棱镜起偏器、布鲁斯特角起偏器和干涉型起偏器可被用作该起偏器309。
[0044]当同时需要起偏器和检偏器性能时，需要将该起偏器元件309与两个随空间而变的波片元件(图中未显示)结合，图中未显示，其中光首先入射到第一个随空间而变的波片元件，然后入射到该起偏器元件309，再入射到第二个随空间而变的波片元件。该起偏器元件可以选择：线栅起偏器、偏振分束器、二向色起偏器、胆甾型起偏器、棱镜起偏器、布鲁斯特角起偏器和干涉型起偏器。
[0045]包括图2A的消色差转换器206、图2B的消色差转换器207以及图3B的转换器310的双折射层，优选为如下的结构：对可线性极化的光致聚合物层进行光取向而形成的光取向液晶层，接着在所述层涂敷可交联液晶(LC)材料层并使用UV-交联所述涂敷的LC层而形成的结构。取向角度的特殊分布通过在光取向步骤中改变用于聚合所述光致聚合层的线偏振UV光的偏振轴而得到。有利地，多层可以是一个沉积在另一个上部，以使得由两个或更多个具有空间变化的偏振轴方向的双折射层组成的多层结构可以在单一衬底上形成。可选地，薄且均一的LC流体层可以由经线性光取向的可光致聚合取向层取向。或者，可光致聚合的聚合物可以与LC流体混合并且延展成薄层形式。然后，对该聚合物进行光致聚合，形成遍布该层空间的聚合细线网状物。所述LC流体填充所述网状物的间隙，并且根据该经聚合细线的网状物的取向式样由该网状物取向。然而，在这后两种情况下，将需要多个衬底以构造消色差偏振转换器。
[0046]如我们所注意到的，包括本发明的偏振转换器的所述双折射层可以由经光取向的可聚合光致聚合物组成，其中所述层的局部双折射轴的方向根据经光取向后的光致聚合物的取向方向变化而不断变化。本发明可以利用组成这样的线性可聚合光致聚合物层的取向层，或者具有变化的磨光方向的经磨光的聚合物层，或者自组织层，或者具有变化的沉积角度的倾斜沉积取向层。该空间构图可能涉及到通过光掩模的多次线偏振紫外(LPUV)曝光的使用和/或者衬底、LPUV方向以及光掩模的同步相对平移或旋转的使用。本发明新颖之处在于对多层液晶层进行随空间变化的光取向的使用，以使得这些层形成具有消色差性能的随空间变化的偏振转换器或者波片。本发明中LCP延迟层的使用提供了一灵活性，可以构造用于将一给定的随空间而变的输入偏振状态转换成一预期的随空间而变的输出偏振状态的光偏振转换器。而且，消色差性能的带宽可以通过优化标称设计参量而调节，这将在下文中说明。
[0047]本发明的随空间而变的波片或偏振转换器，可以在适合所感兴趣的波长范围的任何衬底上制作，包括玻璃、透明聚合物、石英、硅、蓝宝石，等等。该波片结构可具有其他光学涂层，诸如反射膜、抗反膜以及吸收膜等等。该波片可具有其他功能性涂层、材料或者衬底，诸如防潮屏障、脱氧膜以及粘合剂等等。该波片可层压到其他衬底和/或者波片上。所述随空间变化的偏振转换器的各单独层的可以堆叠在另一层的顶部；或者可以被分别制造，然后各层之间不需要直接接触地顺序放置。在所述后一种情况中，所述层之间的间隙可以填充空气、粘合剂、其他衬底、其他光学涂层、其他光学材料或者其他功能性材料。
[0048]现在详细说明所述双折射层的光轴角度分布的选择。除了上述Koester的复合波片参考文献外，与接下来的讨论有关的还有以下现有技术复合波片文献：Title的＂Improvement of birefringent filters.2：Achromatic waveplates＂，Applied Optics，Vol.14，p.229-237(1975)，其描述了3层和9层波片的消色差组合，并解析地解出了用于一般化的延迟水平的参量；Title等人所著的文献＂Achromatic retardation plates＂，SPIEVol.308：Polarizers and Applications p.120-125(1981)，其给出了用于构造消色差延迟元件的多种技术的简要概述，并确定了一些特定的有用设计：3层HWP，3层Pancharatnam四分之一波片(QWP)，以及4层哈里斯·麦金太尔(Harris McIntyre)QWP；Pancharatnaman所著的文献＂Achromatic combinations of birefringent plates，Part I：An achromatic circularpolarizer，″Indian Academy Science Proceed.Vol.41，p.130-136(1955)，其描述了包含一线起偏器以及一特定的3层双折射波片组合的消色差圆偏振起偏器；Pancharatnaman所著的文献＂Achromatic combinations of birefringent plates，Part II：An achromatic quarter-waveplate＂，Indian Academy Science Proceed.Vol.41，p.137-144(1955)，其描述了具有以一特定角度放置在两个QWP之间的可旋转HWP消色差的可变延迟器；以及McIntyre等人所著的文献＂J.Opt.Soc.Of America Vol.58(12)，p.1575-1580(1968)，其描述了6层和10层AQWP设计。这些文献作为参考文献都包含在此文内。
[0049]在接下来的章节中，使用以下符号：
Figure A200810177314D00171
是输出线偏振分布
Figure A200810177314D00172
方位角和输入线偏振分布
Figure A200810177314D00173
方位角之间的局部偏振轴的局部方位角的差分；Γi和θi(x，y)分别是第i层双折射层的延迟和局部光轴方位角。注意，认为Γi在第i层双折射层中恒定。
[0050]偏振转换效率的计算
[0051]在此引入偏振转换效率(PCE)参数，以度量输入线偏振分布
Figure A200810177314D00174
到输出线偏振分布
Figure A200810177314D00175
的转变程度。其定义为Pout/Pin，其中Pout是在偏振转换器输出处具有寻求的线偏振分布
Figure A200810177314D00176
的光束部分的光功率，Pin是在偏振转换器输入处具有预定的入射线偏振分布的光束部分的光功率。为了简化起见，Pin＝1。一假定方向为的空间变化的线检偏器可用来方便地在每个(x，y，λ)处根据以下公式计算PCE：
Figure A200810177314D00179
其中
Figure A200810177314D001710
其中
Figure A200810177314D001711
M转换器(x，y，λ)＝M层1(x，y，λ)·M层2(x，y，λ)·...·M层N(x，y，λ)，          (3)
[0052]其中M层i(x，y，λ)是该偏振转换器叠层的第i层的Mueller矩阵，其中光传播的次序是从层N到层1，并且
Figure A200810177314D001713
对于
Figure A200810177314D001714
(90°或-90°)的两层消色差线偏振旋转器
[0053]如Koester所描述的基本的消色差HWP，或者称为消色差旋转器，是由两个经选择以在一波长范围内对于
Figure A200810177314D001715
(90°或-90°)使线偏振状态的方位角旋转最优化的延迟器层组成。这种波片的参数是Γ1，nom、θ1、Γ2，nom和θ2。角度θ1和θ2与任意输入线偏振方向相关。层1和层2的延迟Γ1，nom、Γ2，nom在标称上彼此相等，且在一些设计波长λnom处为半波延迟，该波长λnom基于期望的消色差带宽和所用的双折射材料的色散曲线而选定。为了接下来的说明和示例，延迟值将根据Rolic研究公司(Rolic Research Ltd.)的称为ROF5151 LCP的材料而选择，该Rolic研究公司位于Gewerbestrasse 18，CH-4123Allschwil，Switzerland。ROF5151 LCP材料具有某一已知的色散曲线Δn(λ)。所述的两层的光轴方向经选择以使得它们的方位角方向相对于输入偏振状态方向
Figure A200810177314D00181
为和
Figure A200810177314D00183
该角度δ是一小的修正角度，其对于一给定旋转
Figure A200810177314D00184
根据期望的消色差范围而被特定地优化。因此，对于
Figure A200810177314D00185
的从
Figure A200810177314D00186
到的旋转，该光轴方向为θ1＝3π/8-δ或67.5°-δ，以及θ2＝π/8+δ或22.5°+δ。在这个例子中，选择δ＝0将导致偏振状态在设计波长上的精确
Figure A200810177314D00188
(90°)旋转，以及对于设计波长附近一适度波长谱带(谱带形状向长波长方向倾斜)具有接近100％PCE的近似π/2旋转。这得到覆盖λ＝420～680nm的具有相对较高PCE的谱带，具有在λnom＝502nm处近乎完美的转换和在475～550nm处非常好的转换。然而，可以调整δ的值，用来以标称波长λnom处的效率下降一些为代价而增加/减少消色差带宽。例如，通过选择δ＝2°，消色差转换范围更宽，但是在该范围内PCE的水平多少有所下降。
[0054]对于任意
Figure A200810177314D00189
的两层消色差线偏振分布转换器
[0055]偏振转换器的这一特定实施例用于消色差地将输入线偏振分布
Figure A200810177314D001810
旋转
Figure A200810177314D001811
作为结果的PCE光谱带宽对于任何
Figure A200810177314D001812
都基本相同，并且PCE的值不小于前述考虑的特定情况
Figure A200810177314D001813
的值，该特定实施例由具有延迟Γnom＝λnom/2和如下定义的局部光轴角度θ1和θ2分布的两个双折射层组成：
其中a＝3/4，b＝1/4，并且δ固定在一经选择的最佳值以对于
Figure A200810177314D001816
的旋转产生期望的消色差范围以及偏振转换水平。已经发现在δ～2.0°时，在可见光波长范围很多达到高的PCE；然而，也可以使用0°≤δ≤6°的值。
[0056]如果角度θ1和θ2被限制在仅仅两个象限内，也就是，象限I，IV的-π/2到π/2；或者从0到π，即象限I，II，那么
Figure A200810177314D00192
唯一值的范围是π，被限制包括0，并且较佳地包括以下合适间隔中的一个：-π/2到π/2，其允许均等的正方位角旋转和负方位角旋转；0到π，其仅允许正方位角旋转；以及-π到0，其仅允许负方位角旋转。
[0057]如果在所有四个象限中定义角度
Figure A200810177314D00193
θ1和θ2，也就是，象限I～IV的-π到π，那么唯一值的范围是2π，并被限制到-π到π。这允许达至±π的均等的正旋转和负旋转。
[0058]虽然方位角角度的二象限限定和四象限限定在任何给定位置(x，y)处得到实质上类似的PCE的最终结果，但是随空间而变的角度θ1(x，y)和θ2(x，y)在二象限限定和四象限限定的情况下会有所不同。这是因为对于二象限系统的每一角度，四象限系统都给出θ1(x，y)和θ2(x，y)的两个解。对于本发明，两种限定方式都可行；然而，每一个都有其优点和缺点。二象限限定比较简单，但θ1(x，y)和θ2(x，y)的某些空间不连续，该空间不连续可能出现在
Figure A200810177314D00195
突然变至
Figure A200810177314D00196
被限定的所在间隔的相反的位置处。另一方面，如果使用四象限限定，这样的不连续出现可能性要少一点，但是对双折射层期望的输入/输出线偏振方向的说明可能变得更复杂。
[0059]现在给出使用公式(5)和(6)的特定例子。参见图4，描绘了输入和输出的偏振横向分布图，其中所述图分别对应于实线箭头所示的水平偏振输入的偏振分布
Figure A200810177314D00197
以及虚线箭头所示的径向偏振涡旋输出的偏振分布
Figure A200810177314D00198
在图5所示的计算结果中使用这一分布，其中角度θ1和θ2被绘为
Figure A200810177314D00199
的函数。通过使用公式(5)和(6)以及上述的两象限角度限定来计算角度θ1和θ2。角度随
Figure A200810177314D001910
的变化看起来是线性的，然而，由于δ＝2.0°的非零值，实际上存在对线性的小偏移。图6在具有方向根据(5)和(6)而定的局部光轴的20x20mm的两层消色差偏振转换器中的25个点处，显示局部光轴方向对x-和y-位置。第一层和第二层的光轴分别用实线和虚线箭头显示。
[0060]现在参见图7，展示了图6所示波片的PCE随波长的变化。取决于图6所示的特定计算点1...25的位置，图7所绘的PCE最小值从97％变至几乎100％。注意100％的PCE对应于PCE图中的1.0。本技术领域的技术人员能意识到，在实际器件中，PCE某种程度上可以稍微更低，例如95％或者甚至90％。
[0061]现在参见图8，展示了在20x20mm两层消色差偏振转换器中层的局部光轴方向对x-和y-位置，局部光轴方向根据(5)和(6)定向以及四象限角度限定。第一层和第二层的光轴分别用实线和虚线箭头显示。通过将图8与图6比较，可以马上看出，即使在两种情况中使用相同公式，不同的角度限定得到双折射层局部光轴角度的不同值。
[0062]现在参见图9，展示了图8所示波片的PCE随波长的变化。取决于图8所示的特定计算点1...25的位置，图9所绘的PCE最小值从97％变至几乎100％。该PCE谱图与图7非常相似。
[0063]现在参见图10，展示了输入和输出的偏振横向分布图，其中该分布对应于径向偏振输入的偏振分布
Figure A200810177314D00201
以及周期地沿x轴变化且关于y轴对称的输出偏振分布
Figure A200810177314D00202
该第一分布
Figure A200810177314D00203
如实线箭头所示，该第二分布
Figure A200810177314D00204
如虚线箭头所示。这些分布在计算如图11和图12所示结果中使用。在图11中，展示了根据公式(5)和(6)而构造的两层消色差偏振转换器中的层的局部光轴方向图。第一层和第二层的光轴分别用实线和虚线箭头表示。在图12中，展示了作为结果的PCE随波长的变化。取决于图11所示的特定计算点1...25的位置，图12所绘的PCE最小值从97％到几乎100％。
[0064]对于任意
Figure A200810177314D00205
的三层消色差线偏振分布转换器
[0065]为了进一步改善消色差性能的波长范围和整体PCE，为两层偏振转换器而开发的形式可以被扩展到更多数量的层。随着更多层的增加，控制各层的光轴方向分布的方程不同于在两层系统中所说明的方程(5)和(6)。对于三层系统，有很多方法用于选择作为和
Figure A200810177314D00207
函数的适当光轴角度θ1、θ2和θ3。以下，介绍这些方法中的五种，称为实施例A、实施例B、实施例C、实施例D和实施例E。
[0066]实施例A
[0067]偏振转换器的这一特定实施例用于消色差地将输入线偏振分布
Figure A200810177314D00208
旋转
Figure A200810177314D00209
作为结果的PCE光谱带宽对于任何
Figure A200810177314D002010
都基本相同，并且PCE的值不小于先前考虑的特定情况
Figure A200810177314D002011
的值。该特定实施例由具有延迟Γnom＝λnom/2和如下定义的局部光轴角度θ1，θ2和θ3分布的三个双折射层组成：
Figure A200810177314D002012
Figure A200810177314D002013
Figure A200810177314D002014
其中a＝7/8，b＝1/2，c＝1/8，并且δ是一修正角度，其被调整以对于
Figure A200810177314D00211
产生期望的消色差范围以及偏振转换水平。经优化的δ值1.5°～2.0°使得可以在大部分可见光谱上达到高的偏振转换度；然而，也可以使用0°≤δ≤6°的值，其最终性能也相当不错。
[0068]现在参见图13，角度θ1，θ2和θ3为
Figure A200810177314D00212
的函数。角度θ1，θ2和θ3通过使用公式(7)到(9)而计算。在图13中，角度随
Figure A200810177314D00213
的变化看起来是线性的，然而，由于δ＝1.5°的非零值，实际上存在对线性的小偏移。现在参见图14，展示了对于依照图13的光轴角度，对应于特定的值0、10、20......180°，PCE随波长的变化。取决于
Figure A200810177314D00215
值的不同，图14所绘的PCE最小值从97％变化至几乎100％。即使与之前考虑的两层转换器相比较，在这一实施例中，PCE最小值没有得到改进，但具有由方程(7)到(9)所控制的光轴分布的三层转换器改进了平均PCE。
[0069]公式(7)到(9)是基于Koester所教导的改进，Koester建议对于每一个
Figure A200810177314D00216
值，手动调整该修正参数δ。在本发明中，公开了角度θ1，θ2和θ3对
Figure A200810177314D00217
的函数相关性，其中使用了单一的修正参数δ，这极大简化了计算。而且，在这里公开了θ1和θ3的函数相关性对于
Figure A200810177314D00218
和
Figure A200810177314D00219
不同。
[0070]实施例B
[0071]实施例B是上述实施例A的改进，特别是对于
Figure A200810177314D0021135314QIETU
。偏振转换器的这一特定实施例用于消色差地将输入线性偏振分布in(x，y)旋转
Figure A200810177314D002110
作为结果的PCE光谱带宽对于任何
Figure A200810177314D002111
都基本相同，并且PCE的值不小于先前考虑的特定情况
Figure A200810177314D002112
的值，该特定实施例由具有延迟Γnom＝λnom/2和分别与(7)、(8)和(9)中的相同方式定义的局部光轴角度θ1，θ2和θ3分布的三个双折射层组成。然而，参数a和c的限定不同：
Figure A200810177314D002113
b＝1/2                                  (11)
Figure A200810177314D002114
[0072]经优化的δ值1.5°～2.0°使得对于
Figure A200810177314D002115
可以在大部分可见光谱上达到高的偏振转换度；然而，仍然可以使用0°≤δ≤6°的值。
[0073]现参照图15，角度θ1，θ2和θ3被绘作
Figure A200810177314D00221
的函数。角度θ1，θ2和θ3通过使用公式(7)到(12)而计算。在这一情况下，角度对
Figure A200810177314D00222
的相关性显然是非线性的。参数δ被设为1.5°。
[0074]参见图16，展示了，对于依照图15的光轴角度，对应于
Figure A200810177314D00223
值0、10、20......180°，PCE随波长的变化。根据特定
Figure A200810177314D00224
值，图16所绘的PCE最小值从99.5％变化至几乎100％。可以看出，与两层偏振转换器和具体实施例A中的三层偏振转换器相比，使用由公式(10)到(12)给出的经改进的参数a、b和c可得到高得多的PCE。这是因为在这里叙述的实施例B中，对于参数a和c对应从7/8变至1和从1/8变至0。这一变化提供了对实施例A的极大改进，在具体实施例A中，对于
Figure A200810177314D00226
消色差逐渐变差。
[0075]实施例C
[0076]偏振转换器的这一特定实施例用于消色差地将输入线偏振分布
Figure A200810177314D00227
旋转
Figure A200810177314D00228
作为结果的PCE光谱带宽对于任何
Figure A200810177314D00229
都基本相同，并且PCE的值不小于先前考虑的特定情况
Figure A200810177314D002210
的值，该特定实施例由具有延迟Γnom＝λnom/2和如下定义的局部光轴角度θ1，θ2和θ3分布的三个双折射层组成：
Figure A200810177314D002212
Figure A200810177314D002213
其中a＝7/8，b＝1/2，c＝1/8，并且δ是一修正角度，其被调整以对于
Figure A200810177314D002214
在大部分可见光谱上产生期望的消色差范围以及偏振转换水平。经优化的δ值1.5°～2.0°使得可以在大部分可见光谱上达到高的偏振转换度。可以使用0°≤δ≤6°的值以达到相当好的性能。
[0077]现在参见图17，角度θ1，θ2和θ3被绘作的函数。角度θ1，θ2和θ3通过使用公式(13)到(15)而计算。δ＝1.5°，此时角度θ1，θ2和θ3对
Figure A200810177314D00232
的相关性是非线性的。参见图18，展示了，对于依照图17的光轴角度，对应于
Figure A200810177314D00233
值0、10、20......180°，PCE随波长的变化。根据特定的
Figure A200810177314D00234
图18所绘的PCE最小值从99.5％变化至几乎100％。在这里叙述的实施例C中，对于
Figure A200810177314D00235
角度θ1和θ3分别从
Figure A200810177314D0023135256QIETU
至π和从
Figure A200810177314D00236
至0线性变化。这一变化提供了对实施例A的改进，在实施例A中，对于消色差逐渐变差。
[0078]实施例D
[0079]偏振转换器的这一特定实施例用于消色差地将输入线偏振分布
Figure A200810177314D00238
旋转
Figure A200810177314D00239
作为结果的PCE光谱带宽对于任何
Figure A200810177314D002310
都基本相同，并且PCE的值不小于先前考虑的特定情况的值，该特定实施例由具有延迟Γnom＝λnom/2和如下定义的局部光轴角度θ1，θ2和θ3分布的三个双折射层组成：
Figure A200810177314D002312
Figure A200810177314D002313
Figure A200810177314D002314
其中a＝5/6，b＝1/2，c＝1/6，并且δ是一修正角度，其被调整以对于
Figure A200810177314D002315
在大部分可见光谱上产生期望的消色差范围以及偏振转换水平。已经找到δ的优化值为-1.0°，在这一值处，在许多可见光谱上达到高PCE。可以使用-4°≤δ≤0°的值以达到相当好的性能。
[0080]现在参见图19，角度θ1，θ2和θ3被绘作
Figure A200810177314D002316
的函数。角度θ1，θ2和θ3通过使用公式(16)到(18)而计算。δ＝-1.0°，此时角度对
Figure A200810177314D002317
的相关性是非线性的。参见图20，展示了，对于依照图19的光轴角度，对应于
Figure A200810177314D002318
的值0、10、20......180°，PCE随波长的变化。根据特定的
Figure A200810177314D002319
图20所绘的PCE最小值从98.5％变化至几乎100％。
[0081]实施例E
[0082]偏振转换器的这一特定实施例用于消色差地将输入线偏振分布
Figure A200810177314D002320
旋转
Figure A200810177314D002321
作为结果的PCE光谱带宽对于任何
Figure A200810177314D002322
都基本相同，并且PCE的值不小于先前考虑的特定情况
Figure A200810177314D00241
的值，该特定实施例由具有延迟Γnom＝λnom/2和如下定义的局部光轴角度θ1，θ2和θ3分布的三个双折射层组成：
Figure A200810177314D00242
Figure A200810177314D00244
其中δ是一修正角度，其被调整以对于
Figure A200810177314D00245
在大部分可见光谱上产生期望的消色差范围以及偏振转换水平。已经找到δ的优化值为1.0°，在这一值处，在许多可见光谱上达到高PCE，0°≤δ≤4°的值仍然可用以达到相当好的性能。
[0083]现在参照图21，角度θ1，θ2和θ3被绘作
Figure A200810177314D00246
的函数，δ＝1.0°。角度θ1，θ2和θ3通过使用公式(19)到(21)而计算。在这一情况下，角度对
Figure A200810177314D00247
的相关性是线性的。参见图22，展示了，对于依照图21的光轴角度，对应于
Figure A200810177314D00248
的值0、10、20......180°，PCE随波长的变化。根据特定的
Figure A200810177314D00249
图22所绘的PCE最小值从97.3％变化至几乎100％。
[0084]采用的方程(19)至(21)来自上述Title所著的参考文献。这一实施例的优点在于它的简化，并且结果PCE随
Figure A200810177314D002410
的变化相对较少。然而，在这一实施例中，可达到的PCE和消色差没有上述的其它实施例好。
[0085]对于任意 的两层消色差线偏振-圆偏振转换器
[0086]偏振转换器的这一特定实施例用于消色差地将输入线偏振分布
Figure A200810177314D002412
转换为圆偏振，作为结果的PCE光谱带宽对于任何
Figure A200810177314D002413
都基本相同，该特定实施例由具有延迟Γnom1＝λnom/4和Γnom2＝λnom/2以及如下定义的局部光轴角度θ1和θ2分布的两个双折射层组成：
Figure A200810177314D002415
其中光先通过层2再通过层1传播，根据所要求的是左旋圆偏振还是右旋圆偏振，k＝+1或-1，δ是修正角度，其经选择以对于线偏振光-圆偏振光转换优化消色差带宽和PCE水平。已经找到优化值为δ＝1.2°，可在420～680nm取得高转换效率，使用的是来自Rolic研究公司的双折射材料ROF5151。可以使用0°≤δ≤4°的值以获得相当好的性能。
[0087]如前述的线偏振转换器(旋转器)的例子中，假定方向为
Figure A200810177314D002416
的输入线偏振状态的随空间而变的场量，可以根据方程(22)和(23)空间改变层1和层2的光轴方向。如前所述，已经给出了对于每个
Figure A200810177314D002417
的复合多层Mueller矩阵的公式表示。线偏振-圆偏振转换的PCE的计算与不同定向线偏振状态之间的转换效率相似，除了在计算中使用圆检偏器外。因此，对于这一元件，输出偏振状态将对感兴趣波段内的所有波长实现高度圆偏振。
[0088]输入状态为左圆偏振或右圆偏振时，由方程(22)和(23)所描述的两层转换器也可以用在相反传播方向。由于光传播的可逆性，输出状态将高效率地被转换至随空间而变的线偏振状态。
[0089]方程(5)至(23)可以重写为更一般的形式，以允许修正系数δ作为
Figure A200810177314D00251
和，或
Figure A200810177314D00252
的函数连续变化，而不是如以上方程中所假定的那样保持固定值。如果以这样的方式重写，所述方程将可以获得更高水平的PCE和更宽的消色差波长范围。然而，在这里所呈现的方程在允许达到在宽波长范围上高水平的偏振转换消色差的同时，具有简单这一优点。本技术领域的技术人员明白，在这里所呈现的随空间而变的消色差偏振转换器这一概念，可以应用到其他已知的基本消色差波片构造方式。也能明白在实际的转换器中，PCE可以比在图7、9、12、14、16、18、20和22中所呈现的稍微更低一些。例如，根据方程(5)至(23)构造的实际转换器的PCE可以为95％或者甚至90％。
[0090]随空间而变的偏振转换器的应用示例
[0091]现在给出本发明的消色差偏振转换器的应用实例。涉及偏振像差校正的一个应用领域。参见图23，呈现了偏振显微镜的电路示意图，显示光学元件系列230，其包括光源231、起偏器232、样品233、物镜234、偏振校正元件235和检偏器236。圆形237A-237D代表沿光学元件系列230的相应光偏振分布，用虚线238所示。在应用中，由光源231发射的光239被起偏器232起偏，并且被引至照亮样品233，样品233由物镜234成像。在样品233之前的光239的偏振分布，如圆形237A所象征性显示的一样，是垂直线偏振的均一分布。在物镜234之后的偏振分布，如圆形237B所显示，由于物镜234中存在的偏振像差而不再是均一的。偏振校正元件235的功能是让偏振分布回到线偏振，如圆形237C所象征性显示的一样，其中，该偏振校正元件235可以被制作为，例如，根据以上所述的本发明的两层元件或者三层元件。最后，偏振检偏器236，其偏振方向与起偏器232偏振方向正交，用于分析样品233所成像的偏振分布。检偏器之后的偏振分布如圆形237D所示。如果没有偏振转换元件235，由于被物镜234所引入的如圆形237B所示的偏振像差，从目镜(图中未示)中看，成像区域237D的外围将显得光亮。因此，偏振转换元件235可以降低背景光亮并且更好地突出样品233的偏振图像(图中未示)。
[0092]现在参见图24，呈现了使用本发明的偏振转换元件241的背部投影电视机240的侧面剖视图，该背部投影电视机240包括具有亮度增强棱镜薄膜243的屏幕242，其中该亮度增强棱镜薄膜243被从发光引擎245发出的图像光244照亮，由此而产生输出光束246。可以使用菲涅尔透镜代替该棱镜薄膜243。
[0093]该发光引擎245发射的图像光244具有均一的垂直偏振线偏振分布。然而，由于陡的投影角度问题，入射到屏幕242的棱镜薄膜243上的光244的偏振分布在穿过棱镜薄膜243时造成不均一的菲涅尔反射损耗，这导致了屏幕242照亮的空间不均一。图25说明了最后一点。在图25中，呈现了在有与没有偏振转换元件241的情况下，照亮背部投影电视机240的屏幕242的图24中的光束244的光偏振图样。没有偏振转换元件241时的线偏振轴方向如实线箭头252所示。偏振转换元件241使得入射到屏幕242的棱镜薄膜243上的光的偏振分布围绕点250径向地被偏振。虚线箭头251显示的相应的偏振分布。将该偏振分布转换至这样径向偏振，使得入射光244在棱镜薄膜243的所有位置上关于棱镜薄膜243而p-偏振。这极大地降低了在棱镜薄膜243中的菲涅尔损耗并且校平了对屏幕242的照明亮度。菲涅尔损耗是由于对p-偏振光所遵守的布鲁斯特效应而降低。以相似的方式，通过使用径向偏振涡旋形成偏振转换器(例如图2B的转换器207，或者图3A、3B的转换器307)，可以极大地降低具有陡峭光场分布的旋转对称元件(例如一个高数值孔径的非球面透镜)的菲涅尔损耗。
[0094]与投影电视机主要竞争产品之一的平板电视机的薄侧面外形相比，投影电视机相对厚的侧面外形是一个不利因素。在这个例子中，本发明的偏振分布校正转换器允许相当地降低了投影电视机的侧面外形，使其接近于平板电视机外形。因此，通过应用本发明，背部投影电视机的竞争力被极大提高了。关于随空间而变的延迟器在投影系统中的一般应用的更详细的内容，可以在以下文献找到：Sarayeddine等人所著，“AchromaticSpace Variant Retarder for Micro-Display Based Projection Systems”，SID 2008proceedings，56.2，p.850-853。
[0095]本发明的偏振转换元件的其他应用包括了偏振度随空间变化的以下应用：光刻、光数据存储，以及识别文件、物品或者文献。偏振转换器的消色差使得在光学系统中使用多于一个波长的固有特性这一重要优点可以实现。由于目前光子学的大多数应用涉及多于一个波长的光，因此本发明的偏振转换器的应用是难以尽数的。例如，多波长荧光和非线性光学显微镜方法可以使用偏振转换器，用于同时在多个波长上增强偏振对比度。消色差偏振处理可以用于在使用衍射限制光学的高端成像应用中改变光学相位，从而能增强光学分辨率。具有特定的偏振空间分布的光场(例如偏振涡旋)可以用于在诸如光镊和飞秒微加工的应用中操控聚焦光场的光偏振和空间分布。由于飞秒光脉冲不可避免地为多色，消色差偏振转换器可以有利地用于产生超短光脉冲的定制的偏振分布。

Claims (32)

1.用于转换光束的偏振横向分布的光学元件，所述光束具有至少一个由中心波长和带宽所表征的波段，其中所述转换从预定的第一偏振横向分布向预定的第二偏振横向分布进行，所述光学元件包括：
材料层的叠层，其中所述层是双折射的，且所述叠层的每一层的双折射由在该层内基本恒定的延迟和在该层内连续且逐渐变化的局部双折射轴的方向表征，
所述层的所述局部双折射轴的方向的变化彼此协调，以将所述光束的偏振分布在所述光束的整个波段上从所述第一偏振分布转换到所述第二偏振分布，且
其中所述光束的所述偏振分布转换的程度由参数偏振转换效率PCE表征，所述偏振转换效率被定义为具有所述第二偏振横向分布的光束的光功率对具有所述第一偏振横向分布的光束的光功率的比率。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述波段的带宽至少是所述波段的中心波长的10％，且PCE≥95％。
3.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述光束具有两个不重叠的波段，其中每一波段的带宽至少是该波段的相应中心波长的5％，且每一波段中的PCE至少是95％。
4.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述波段的带宽至少是所述波段的中心波长的40％，且PCE≥90％。
5.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述第一偏振横向分布和所述第二偏振横向分布是位于所述光学元件的通光孔径内的线偏振分布，由在具有坐标(x，y)的任意点处的局部线偏振轴表征，其中：
所述第一横向分布的所述局部线偏振轴和所述光学元件的预定义参考轴成角度
Figure A200810177314C00021
且
所述第二横向分布的所述局部线偏振轴和所述光学元件的预定义参考轴成角度
6.根据权利要求5所述的光学元件，其中，所述角度
Figure A200810177314C00023
和
Figure A200810177314C00024
的横向分布中的一个是独立于x和y的均一分布。
7.根据权利要求5所述的光学元件，其中：
所述线偏振的第二横向分布的所述局部线偏振轴在极坐标系统的任意局部点(α，r)处与所述预定义参考轴成角度ψout(α)，所述极坐标系统的原点在位于所述光学元件的外表面平面中的涡旋点处，其中：α是方位角角度；r是所述局部点与所述极坐标系统的所述涡旋点之间的距离；且所述角度ψout(α)仅仅是的α的函数，不依赖于r；且
ψout(α)的值在围绕所述涡旋点而成的任何闭合路径上的变化是π的倍数。
8.根据权利要求7所述的光学元件，其中所述光学元件的涡旋轴垂直于所述光学元件的所述外表面且包含其中的所述涡旋点；且在所述光学元件的所述通光孔径的每一点处的所述第二横向线偏振分布的局部偏振轴通过其所述涡旋轴。
9.根据权利要求5所述的光学元件，其中所述双折射层叠层由第一层和第二层组成，所述第一层具有第一角度θ1(x，y)，所述第一角度θ1(x，y)是其在点(x，y)处的局部双折射轴和所述参考轴之间的夹角，所述第二层具有第二角度θ2(x，y)，所述第二角度θ2(x，y)是其在点(x，y)处的局部双折射轴和所述参考轴之间的夹角，其中，
Figure A200810177314C00031
Figure A200810177314C00032
其中每一双折射层的延迟基本上等于所述光束波长的一半；
Figure A200810177314C00033
Figure A200810177314C00035
θ1＝θ1(x，y)；θ2＝θ2(x，y)；
Figure A200810177314C00036
a＝3/4；b＝1/4；且0°≤δ≤6°。
10.根据权利要求5所述的光学元件，其中所述双折射层叠层由以下组成：
具有第一角度θ1(x，y)的第一层，所述第一角度θ1(x，y)是其在点(x，y)处的局部双折射轴和所述参考轴之间的夹角；
具有第二角度θ2(x，y)的第二层，所述第二角度θ2(x，y)是其在点(x，y)处的局部双折射轴和所述参考轴之间的夹角；及
具有第三角度θ3(x，y)的第三层，所述第三角度θ3(x，y)是其在点(x，y)处的局部双折射轴和所述参考轴之间的夹角，
其中：
Figure A200810177314C00037
Figure A200810177314C00038
Figure A200810177314C00041
其中每一双折射层的延迟基本上等于所述光束波长的一半；
Figure A200810177314C00042
Figure A200810177314C00043
Figure A200810177314C00044
θ1＝θ1(x，y)；θ2＝θ2(x，y)；θ3＝θ3(x，y)；
Figure A200810177314C00045
a＝7/8；b＝1/2；c＝1/8；且0°≤δ≤6°。
11.根据权利要求5所述的光学元件，其中所述双折射层的叠层由以下组成：
具有第一角度θ1(x，y)的第一层，所述第一角度θ1(x，y)是其在点(x，y)处的局部双折射轴和所述参考轴之间的夹角；
具有第二角度θ2(x，y)的第二层，所述第二角度θ2(x，y)是其在点(x，y)处的局部双折射轴和所述参考轴之间的夹角；及
具有第三角度θ3(x，y)的第三层，所述第三角度θ3(x，y)是其在点(x，y)处的局部双折射轴和所述参考轴之间的夹角，
其中：
Figure A200810177314C00046
Figure A200810177314C00047
Figure A200810177314C00048
其中每一双折射层的延迟基本上等于所述光束波长的一半；
Figure A200810177314C00049
Figure A200810177314C000411
θ1＝θ1(x，y)；θ2＝θ2(x，y)；θ3＝θ3(x，y)；
Figure A200810177314C000413
b＝1/2；
Figure A200810177314C000414
且0°≤δ≤6°。
12.根据权利要求5所述的光学元件，其中所述双折射层的叠层由以下组成：
具有第一角度θ1(x，y)的第一层，所述第一角度θ1(x，y)是其在点(x，y)处的局部双折射轴和所述参考轴之间的夹角；
具有第二角度θ2(x，y)的第二层，所述第二角度θ2(x，y)是其在点(x，y)处的局部双折射轴和所述参考轴之间的夹角；及
具有第三角度θ3(x，y)的第三层，所述第三角度θ3(x，y)是其在点(x，y)处的局部双折射轴和所述参考轴之间的夹角，
其中：
Figure A200810177314C00051
Figure A200810177314C00052
Figure A200810177314C00053
其中每一双折射层的延迟基本上等于所述光束波长的一半；
Figure A200810177314C00054
Figure A200810177314C00055
θ1＝θ1(x，y)；θ2＝θ2(x，y)；θ3＝θ3(x，y)；
Figure A200810177314C00057
a＝7/8；b＝1/2；c＝1/8；且0°≤δ≤6°。
13.根据权利要求5所述的光学元件，其中所述双折射层的叠层由以下组成：
具有第一角度θ1(x，y)的第一层，所述第一角度θ1(x，y)是其在点(x，y)处的局部双折射轴和所述参考轴之间的夹角；
具有第二角度θ2(x，y)的第二层，所述第二角度θ2(x，y)是其在点(x，y)处的局部双折射轴和所述参考轴之间的夹角；及
具有第三角度θ3(x，y)的第三层，所述第三角度θ3(x，y)是其在点(x，y)处的局部双折射轴和所述参考轴之间的夹角，
其中：
Figure A200810177314C00061
Figure A200810177314C00062
其中每一双折射层的延迟基本上等于所述光束波长的一半；
Figure A200810177314C00064
Figure A200810177314C00065
Figure A200810177314C00066
θ1＝θ1(x，y)；θ2＝θ2(x，y)；θ3＝θ3(x，y)；
Figure A200810177314C00067
a＝5/6；b＝1/2；c＝1/6；且-4°≤δ≤0°。
14.根据权利要求5所述的光学元件，其中所述双折射层的叠层由以下组成：
具有第一角度θ1(x，y)的第一层，所述第一角度θ1(x，y)是其在点(x，y)处的局部双折射轴和所述参考轴之间的夹角；
具有第二角度θ2(x，y)的第二层，所述第二角度θ2(x，y)是其在点(x，y)处的局部双折射轴和所述参考轴之间的夹角；及
具有第三角度θ3(x，y)的第三层，所述第三角度θ3(x，y)是其在点(x，y)处的局部双折射轴和所述参考轴之间的夹角，
其中：
Figure A200810177314C00068
Figure A200810177314C00069
Figure A200810177314C000610
其中每一双折射层的延迟基本上等于所述光束波长的一半；
Figure A200810177314C000611
Figure A200810177314C000612
Figure A200810177314C000613
θ1＝θ1(x，y)；θ2＝θ2(x，y)；θ3＝θ3(x，y)；
Figure A200810177314C000614
且0°≤δ≤4°。
15.根据权利要求1所述的光学元件，其中：
所述第一偏振横向分布是由位于所述光学元件的通光孔径内的任意点(x，y)处的局部线偏振轴表征的线偏振分布，其中所述第一横向分布的所述局部线偏振轴与所述光学元件的预定义参考轴成角度
Figure A200810177314C000615
且
所述第二偏振横向分布完全由左旋圆偏振或右旋圆偏振组成。
16.根据权利要求15所述的光学元件，其中所述双折射层的叠层由第一层和第二层组成，所述第一层具有第一角度θ1(x，y)，所述第一角度θ1(x，y)是其在点(x，y)处的局部双折射轴和所述参考轴之间的夹角，所述第二层具有第二角度θ2(x，y)，所述第二角度θ2(x，y)是其在点(x，y)处的局部双折射轴和所述参考轴之间的夹角，其中，
Figure A200810177314C00071
Figure A200810177314C00072
其中所述第一层和第二层的延迟分别基本上等于所述光束波长的四分之一和一半；
Figure A200810177314C00073
θ1＝θ1(x，y)；θ2＝θ2(x，y)；对于右旋圆偏振和左旋圆偏振的第二偏振横向分布，分别为k＝+1或-1，且0°≤δ≤4°。
17.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述双折射层包括经光取向聚合的光致聚合物，其中所述层的所述局部双折射轴的方向根据所述经光取向的光致聚合物的取向方向的空间变化而空间变化。
18.根据权利要求17所述的光学元件，其中所述双折射层包括被取向到所述经光取向聚合的光致聚合物且通过交联而被凝固的可交联液晶材料层。
19.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述双折射层包括取向层和由所述取向层取向的液晶层，其中所述层的局部双折射轴的方向根据所述取向层的取向方向的空间变化而空间变化。
20.根据权利要求19所述的光学元件，其中所述取向层包括以下的其中之一：经光取向的线性可聚合光致聚合物层；经磨光聚合物层；自组织层；以及倾斜沉积取向层。
21.根据权利要求1所述的光学元件，还包括光耦合至所述双折射层叠层的反射器，以形成穿过所述双折射层叠层的双通道光路。
22.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述双折射层包括双折射亚波长光栅结构。
23.根据权利要求1所述的光学元件，还包括光耦合至所述双折射层叠层的线偏振起偏器元件或圆偏振起偏器元件，以形成随空间变化的偏振状态起偏器。
24.根据权利要求23所述的光学元件，其中所述起偏器元件选自包括以下元件的组：线栅起偏器、偏振光束分束器、二向色起偏器、胆甾型起偏器、棱镜起偏器、布鲁斯特角起偏器和干涉型起偏器。
25.偏振转变起偏器，其包括：
根据权利要求1所述的第一光学元件，用于接受所述光束且将其偏振横向分布转换至中间偏振分布；
光耦合至所述第一光学元件的起偏器元件，用于对具有所述中间偏振分布的所述光束起偏；且
根据权利要求1所述的第二光学元件，其被光耦合至所述起偏器元件，用于进一步转换所述光束的偏振横向分布，且用于输出所述光束。
26.根据权利要求25所述的光学元件，其中所述起偏器元件选自包括以下元件的组：线栅起偏器、偏振光束分束器、二向色起偏器、胆甾型起偏器、棱镜起偏器、布鲁斯特角起偏器和干涉型起偏器。
27.权利要求1所述的光学元件的用途，用于将光的偏振状态消色差地随空间变化的应用中，所述应用选自包括以下应用的组：偏振显微镜，光刻，成像，视觉显示，光学数据存储，识别文件、产品或物件，以及飞秒微加工。
28.权利要求1所述的光学元件的用途，用于在光学系统中消色差地校正空间偏振像差。
29.根据权利要求28所述的光学元件的用途，用于在投影显示系统中消色差地校正空间偏振像差。
30.权利要求1所述的光学元件的用途，用于增强分辨率的应用，所述应用选自包括以下应用的组：偏振显微镜术，光刻，成像，光学数据存储，以及飞秒微加工。
31.权利要求7所述的光学元件的用途，用于在光镊系统或飞秒微加工系统中产生消色差偏振涡旋。
32.权利要求1所述的光学元件的用途，用于在光学成像系统中降低菲涅尔损耗。
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