CN103389534B - 偏振转换器和偏振转换系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种偏振转换器和偏振转换系统。偏振转换器和偏振转换系统包括具有左旋和右旋偏振光栅域的图案化偏振光栅。偏振光栅域被构造成将入射非偏振光转换成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。

Description

偏振转换器和偏振转换系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年5月8日提出申请的美国临时专利申请第61/688,086号的优先权，该申请被引入本文以供参考。

技术领域

本发明涉及偏振转换器，具体地，涉及能以极高的转换效率将入射非偏振光转换为出射线偏振光或出射圆偏振光。

背景技术

光控配向技术可以在光控配向层上制作空间变化液晶配向图案，其中有代表性的一个应用便是偏振光栅(PG)。

PG属于由具有空间变化光轴的延迟膜层制成的正弦型相位光栅。不同于其他光学光栅，PG将几乎所有的入射光衍射之后集中到+1和-1衍射级，其他高级和低级的衍射光都几乎消失。此外，PG的衍射效率在所有光学光栅里面属于最高。同其他光学光栅一样，PG可以用于基于衍射光学器件的设备。通常，由于需要用到激光束干涉来在光控配向层上生成空间变化偏振的配向，用来配向光配向层，此方法对轻微的震动会非常敏感；甚至可能受到空气扰动的影响，因而制作难度比较大，一般只出现在光学实验室里面。

为了将规定偏振状态的入射光转换成另一种偏振状态的出射光，可以选择很多不同的偏振转换器以及偏振器。传统的偏振转换器和偏振器的效率很大程度上取决于入射光的偏振状态。如果入射光是非偏振的，传统的偏振转换器和偏振器的效率通常比较低。

发明内容

根据本发明的偏振转换器以及偏振转换系统能够将入射非偏振光转换为特定偏振状态的出射光，效率接近100%。因此，本发明可以用来制作更高效率的偏振转换器（高于传统偏振器的效率）来将非偏振光源转换为偏振光源。本发明的偏振转换器以及偏振转换系统包括图案化偏振光栅，该图案化偏振光栅具有左旋偏振光栅域（domain）和右旋偏振光栅域。偏振光栅域可以将入射非偏振光转换为左旋和右旋圆偏振出射光束。另外的实施例包括其他特征，例如延迟片、透镜阵列、反射镜以及玻璃基板。

附图说明

以下将基于例示性视图更详细地说明本发明。本发明不限于例示性实施例。在此说明和/或显示的所有特征在本发明的实施例中可以单独使用或以不同组合相结合。本发明的各个实施例的特征和优点将通过以下参照附图的详细说明变得清楚，在附图中：

图1是显示左旋偏振光栅和右旋偏振光栅的特性的例示图；

图2是显示左旋域和右旋域交替的图案化偏振光栅的例示图；

图3是显示具有图案化偏振光栅的偏振转换器的例示图；

图4是显示包括透镜阵列的偏振转换系统的例示图；

图5是显示包括透镜阵列和反射镜面阵列的偏振转换系统的例示图；以及

图6是显示图5中所示的偏振转换系统的一部分的例示图。

具体实施方式

本发明的实施例提供以高效率将入射非偏振光转换为出射圆偏振光或者线偏振光的偏振转换器。所述偏振转换器包含图案化偏振光栅。通过例如使用名称为“图案化偏振转换器（PatternedPolarizationConverter）”的美国专利申请第13/274,127号中记载的单步多域光控配向方法，能够克服在光控配向层和/或多域上难以制造图案化为空间变化配向的偏振光栅的问题，该美国专利申请在此整体引入供参考。

图1显示左旋偏振光栅101(图1左侧)和右旋偏振光栅102(图1右侧)的特性。如图1所示，偏振光栅将非偏振入射光转换为出射的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，出射的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光有不同的出射方向。左旋偏振光栅将左旋圆偏振光出射到右侧（如箭头112所示），而将右旋圆偏振光出射到左侧（如箭头111所示）。右旋偏振光栅将左旋圆偏振光出射到左侧（如箭头113所示），而将右旋圆偏振光出射到右侧（如箭头114所示）。圆偏振光的出射角度定义为一级衍射光线和入射光线之间的夹角。类似于其他衍射光栅，一级衍射角度取决于光栅的间距。

图2显示了根据本发明的一个示例性实施例的图案化为左旋PG域201,203和右旋PG域202的偏振光栅的一部分。将会认识到图中两边的省略号“……”表明图案化偏振光栅可以包括多个这种左旋偏振光栅和右旋偏振光栅交替的域。将会认识到域的实际尺寸和数量可以改变。使用光控配向技术可以制作物理尺寸和数量不同的图案化偏振光栅，其尺寸可以为1μm一直到非常大。根据不同的应用的要求，可以设计不同的图案化偏振光栅的尺寸。

当入射的非偏振平行光通过图案化偏振光栅200时，在图案化偏振光栅之上的一定距离处(如图中的虚线210所示)，从图案化偏振光栅出射的左旋圆偏振光线和右旋圆偏振光线将会分离并且呈交替排列（如图2所示左旋圆偏振光域和右旋圆偏振光域相交替）。使左旋圆偏振光线和右旋圆偏振光线完全分离的距离取决于偏振光栅的间距和图案的尺寸。虽然图2中的左旋偏振光栅域同右旋偏振光栅域大小相同，但是取决于不同的应用要求，此两域大小可不同。

参照图3，图案化四分之一波片301置于图案化偏振光栅之上的一定距离处。该距离对应于图2中的虚线210(在此距离处，出射的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光将会分开并呈交替排列)，以便形成根据本发明的示例性实施例的偏振转换器。图案化四分之一波片被图案化为与图案化偏振光栅的图案相匹配，优选地，图案化四分之一波片的域大小需要和图案化偏振光栅的域大小相匹配。图案化四分之一波片301将从图案化偏振光栅出射的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光转换为线偏振光出射。如图3所示，线偏振光的出射方向同转换之前圆偏振光的出射方向相同—即，四分之一波片仅改变光束的偏振状态而保持传播方向不变。

图3所示的结构为根据本发明的第一示例性实施例的偏振转换器。所述偏振转换器包括图案化偏振光栅，图案化偏振光栅包括左旋偏振光栅域201,203以及右旋偏振光栅域202。左旋偏振光栅域和右旋偏振光栅域的结构彼此镜像-即旋转180°。也就是说，对于相同的非偏振入射光，除了左旋偏振光栅域和右旋偏振光栅域在平面内相对于彼此旋转180°之外，来自右旋偏振光栅域的出射光与来自左旋偏振光栅域的出射光相同。偏振转换器还包括具有周期性地重复的两种类型域的图案化四分之一波片，所述两种类型域对应于来自图案化偏振转换器的两种类型的光输出。

当平行非偏振光垂直入射到偏振转换器中时，入射光通过图案化偏振转换器被转换为不同出射方向的左旋和右旋圆偏振光。如上所述，在远离图案化偏振光栅一定距离处，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光分成左旋圆偏振光域和右旋圆偏振光域。图案化四分之一波片（具有与两种入射圆偏振光域相对应的两种域）被定位在该距离处，使得左旋圆偏振光入射到图案化四分之一波片的一种域中，而右旋圆偏振光入射到图案化四分之一波片的另一种域中。其最终的效果就是，通过图案化四分之一波片的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光都会被转换为同样的线偏振光。

在另一个可选实施例中，图案化二分之一波片将替代上述的图案化四分之一波片。图案化二分之一波片将会把左旋圆偏振光和右旋圆偏振光转换为同样的圆偏振出射光，而图案化四分之一波片所转换产生的出射光是线偏振光。将会认识到图案化二分之一波片以与上述图案化四分之一波片相似的方式被图案化，即具有基于偏振光栅的图案的两种域。

基于以上图3所述的结构，偏振转换器的效率与入射光的准直性有关，也就是说，准直性越好的入射光，其转换效率将会越高。准直性较差的入射光将会使得通过图案化偏振光栅的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光不能完全分开，因而降低偏振转换效率。

在进一步的实施例中，为了能够更好的处理非准直光入射的情况，在图案化偏振光栅的前面放置透镜阵列，如图4所示。这里所述的透镜阵列包括多个透镜401和402，每个透镜对应一个左旋偏振光栅域或者一个右旋偏振光栅域。透镜阵列结合图案化偏振光栅可以将非偏振入射光转换为具有各自不同焦点的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。在图4所示的示例中，透镜阵列和图案化偏振光栅分成不同偏振状态的成对光束，并将所述光束聚集到图案化延迟片（例如图案化四分之一或二分之一波片）上的相应域中。

如图4所示，具有透镜阵列和图案化偏振光栅的偏振转换器以及图案化延迟片可用在硅基液晶（LCOS）应用中的偏振转换系统中。LCOS是比较新的技术。LCOS投影仪要求入射到LCOS芯片上的光为线偏振光。在传统的LCOS投影仪中，通常会使用偏振片（效率不超过50%）或偏振转换系统（PCS）以将非偏振光转换为线偏振光投射到LCOS芯片上。通常的典型的PCS系统需要一对复眼透镜（FEL）阵列和偏振分光镜（PBS）阵列或者还有线栅偏振片，从而导致PCS结构复杂且价格昂贵。

根据本发明的示例性实施例，用于LCOS的PCS包括透镜阵列和如图1-3所示的图案化偏振光栅，该图案化偏振光栅具有左旋偏振光栅域和右旋偏振光栅域。该图案化偏振光栅在距离图案化偏振光栅一定距离处将入射非偏振光分离成右旋圆偏振出射光域和左旋圆偏振出射光域。

如图4所示的PCS结构，入射光通过第一FEL阵列并通过图案化偏振光栅被转换为不同焦点的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。之后，图案化延迟片（例如，图案化四分之一波片）进一步将两种圆偏振光转换为线偏振光并入射到其他FEL阵列中（图4中未示出）。这种装置的转换效率根据模拟结果可以高达大约90%。

如图5所示，在另一个偏振转换器实施例中，透镜阵列包括多个透镜，其中每个透镜对应一个左旋偏振光栅域和一个右旋偏振光栅域。反射镜阵列501的每个反射镜在图案化偏振光栅的域之间的交界处垂直于图案化偏振光栅。反射镜阵列501被构造成反射具有左旋和右旋圆偏振状态中的一种状态的光束，以将具有左旋和右旋圆偏振状态中的一种状态的光束转换成具有左旋和右旋圆偏振状态中的另一种状态的光束。

入射光通过透镜阵列并通过图案化偏振光栅被转换成左旋和右旋圆偏振光，并且延迟片(例如，四分之一波片)将圆偏振光转换成不同偏振状态的偏振光。反射镜阵列的反射镜横跨图案化偏振光栅与延迟片之间的空间并将一种圆偏振状态转换成另一种圆偏振状态，如图6所示。用于反射镜的基板可以由布置成玻璃基板阵列的玻璃构成，从而有助于在光通过偏振光栅之后减少光的发散（这是由于光在玻璃中的发散由于玻璃的较高折射率而小于光在空气中的发散）。图5-6中所示的结构能够获得高于90%的效率且具有相对紧凑的结构。另外，可以知道，图5所示的结构中也可以使用未图案化的延迟片。

在用于LCOS的PCS的一个例示性实施例中，结构如图5所示具有一对FEL阵列，所述每个FEL阵列和反射镜阵列以及延迟片一起放置在偏振光栅的一边。

图4和图5中的图案化偏振光栅同图1-3中的一样，其中左旋配向域和右旋配向域除了彼此呈镜像-即旋转180°之外具有相同的结构。也就是说，如果入射光相同，从左旋偏振光栅出射的光在平面内转180°，就同从右旋偏振光栅出射的光线一样了。当非偏振光(不管是准直还是非准直的）入射到偏振转换器中时，所述非偏振光首先将通过图案化偏振转换器被转换成镜像传播方向的左旋和右旋圆偏振光。透镜阵列被设计成使得不同偏振状态的光束将聚集在不同的焦点处，以便确保光束被全部分离。图案化或未图案化的延迟片可以为将圆偏振光转换成线偏振光的四分之一波片，因此来自偏振转换器的最终出射光为线偏振光。

在此引用的所有参考文献，包括公开出版物、专利申请和专利被引入本文以供参考，正如每一个参考文献被独立且具体地表明在此整体被引入本文以供参考并进行阐述。

除非在此另外表明或者显然与上下文相矛盾，否则说明本发明的上下文（特别是在以下权利要求的上下文）中所使用的术语“一个”、“所述”和“至少一个”以及类似的引用要理解为涵盖单个和多个。除非在此另外表明或者显然与上下文相矛盾，否则跟随有一列一个或多个项目的术语“至少一个”(例如，“A和B中的至少一个”）要理解为表示选自所列项目（A或B）中的一个项目或所列项目（A或B）中的两个或更多个的任何组合。除非另外指出，否则术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”要理解为开放式术语（即，表示“包括但不限于”）。在此列举的数值范围仅用作单独表示落入所述范围内的每一个单独值的简写方法，除非在此另外表明，并且每一个单独值通过在此单独列举而被并入本说明书中。在此所述的所有方法可以以任何适当的顺序来执行，除非在此另外表明或者显然与上下文相矛盾。在此提供的任何示例和所有示例或者示例性措辞(例如“诸如”)的使用仅意指更好地说明本发明，而不是限制本发明的保护范围，除非另外主张。说明书中没有任何措辞应被理解为对实施本发明的非保护要素。

在此说明的优选实施例包括发明人已知的用于实施本发明的最佳模式。优选实施例的变型在阅读上述说明的基础上对本领域的技术人员是显而易见的。发明人能够预期到本领域的技术人员视情况而定来采用这种变型，并且发明人想以不同于在此具体说明的另外方式来实施本发明。因此，本发明包括适用法律所允许的所附权利要求中所列举的主题的所有修改和等效形式。此外，除非在此另外表明或者明显与上下文相矛盾，否则所有可能变型中列举的上述要素的任何组合都包括在本发明内。

Claims (14)

1.一种偏振转换器，包括：

图案化偏振光栅，所述图案化偏振光栅包括左旋偏振光栅域和右旋偏振光栅域，其中所述图案化偏振光栅域被构造成将入射非偏振光转换为出射左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，

其中，从所述左旋偏振光栅域出射的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光以及从所述右旋偏振光栅域出射的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光沿相对于彼此镜像的方向传播。

2.根据权利要求1所述的偏振转换器，其中，所述左旋偏振光栅域和所述右旋偏振光栅域横跨所述图案化偏振光栅均匀分布。

3.根据权利要求1所述的偏振转换器，还包括：

图案化延迟片，所述图案化延迟片具有至少两个延迟片域，其中所述至少两个延迟片域的光轴的方向不同。

4.根据权利要求3所述的偏振转换器，其中，所述图案化延迟片和所述图案化偏振光栅相隔一定距离，使得从所述图案化偏振光栅出射的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光能够分开，并使得至少一个左旋圆偏振光对应于所述图案化延迟片的第一延迟片域，至少一个右旋圆偏振光对应于所述图案化延迟片的第二延迟片域。

5.根据权利要求4所述的偏振转换器，其中，所述图案化延迟片是图案化四分之一波片，所述两个延迟片域的光轴相互正交，并且其中从所述偏振转换器出射的光为线偏振光。

6.根据权利要求4所述的偏振转换器，其中，所述图案化延迟片是图案化二分之一波片，所述两个延迟片域的光轴的夹角为45°，并且其中从所述偏振转换器出射的光为圆偏振光。

7.根据权利要求1所述的偏振转换器，还包括：

具有多个透镜的透镜阵列，其中每个透镜对应一个左旋偏振光栅域或者一个右旋偏振光栅域。

8.根据权利要求1所述的偏振转换器，还包括：

具有多个透镜的透镜阵列，其中每个透镜对应一个左旋偏振光栅域和一个右旋偏振光栅域。

9.根据权利要求8所述的偏振转换器，还包括：

反射镜阵列，所述反射镜阵列包括垂直于所述图案化偏振光栅的多个反射镜，其中每个反射镜被定位在所述左旋偏振光栅域和所述右旋偏振光栅域之间的交界处，所述反射镜阵列反射为左旋圆偏振状态和右旋圆偏振状态中的一种状态的光，以便将所述光转换成为左旋圆偏振状态和右旋圆偏振状态中的另一种状态的光。

10.根据权利要求9所述的偏振转换器，还包括：

玻璃基板阵列，所述反射镜阵列被沉积在所述玻璃基板阵列上。

11.一种偏振转换系统，包括：

一对复眼透镜阵列；

图案化偏振光栅，所述图案化偏振光栅具有定位在所述一对复眼透镜阵列之间的左旋偏振光栅域和右旋偏振光栅域，其中所述图案化偏振光栅将通过所述复眼透镜阵列的入射非偏振光转换为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；和

图案化延迟片，所述图案化延迟片具有至少两个延迟片域，其中所述至少两个延迟片域的光轴方向不同，

其中，从所述左旋偏振光栅域出射的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光以及从所述右旋偏振光栅域出射的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光沿相对于彼此镜像的方向传播。

12.根据权利要求11所述的偏振转换系统，其中，所述图案化延迟片和所述图案化偏振光栅间隔一定距离，使得左旋圆偏振光和右旋圆偏振光能够分开，并使得至少一个左旋圆偏振光对应于所述图案化延迟片的第一延迟片域，至少一个右旋圆偏振光对应于所述图案化延迟片的第二延迟片域。

13.一种偏振转换系统，包括：

一对复眼透镜阵列；

图案化偏振光栅，所述图案化偏振光栅具有定位在所述一对复眼透镜阵列之间的左旋偏振光栅域和右旋偏振光栅域，其中所述图案化偏振光栅将通过所述复眼透镜阵列的入射非偏振光转换为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；和

反射镜阵列，所述反射镜阵列包括垂直于所述图案化偏振光栅的多个反射镜，其中每个反射镜被定位在所述左旋偏振光栅域和所述右旋偏振光栅域之间的交界处，所述反射镜阵列反射为左旋圆偏振状态和右旋圆偏振状态中的一种状态的光，以便将所述光转换成为左旋圆偏振状态和右旋圆偏振状态中的另一种状态的光。

14.根据权利要求13所述的偏振转换系统，还包括：

玻璃基板阵列，所述反射镜阵列被沉积在所述玻璃基板阵列上。