CN109844615B - 光学隔离装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及光学隔离装置。本申请提供了具有高正向透射率和优异隔离比的光学隔离装置。这样的光学隔离装置可以应用于各种应用，例如光通信或激光光学领域、安全或隐私保护领域、显示器的亮度增强、或者用于隐藏和遮蔽的用途。

Description

光学隔离装置

技术领域

本申请要求基于在2016年10月13日提交的韩国专利申请第10-2016-0132843号的优先权的权益，其公开内容通过引用整体并入本文。

本申请涉及光学隔离装置。

背景技术

光学隔离装置是正向透光率高于反向透光率的装置，其也称为光学二极管。光学隔离装置可以用于防止光通信或激光光学领域中不必要的反射光，或者它还可以应用于建筑物或汽车玻璃以用于安全或隐私保护等。光学隔离装置还可以应用于诸如各种显示器中的亮度增强或者隐藏和遮蔽用军用产品的应用。

作为光学隔离装置，存在使用法拉第效应(Faraday effect)的法拉第光学隔离器。法拉第光学隔离器的原理示于图1中。法拉第光学隔离器包括第一反射式偏振镜(101)、法拉第旋转器(102)和第二反射式偏振镜(103)，其中第一反射式偏振镜(101)和第二反射式偏振镜(103)的吸收轴被设置成彼此形成45度。法拉第旋转器使通过穿过第一反射式偏振镜而线偏振的入射光旋转45度，由此使入射光透射过第二反射式偏振镜(正向)。相反，如果透射过第二反射式偏振镜的线偏振光同样被法拉第旋转器旋转45度，则它变成与第一反射式偏振镜的吸收轴平行的线偏振光，因此它不能透射过第一反射式偏振镜(反向)。

由于法拉第光学隔离器需要非常大的外部磁场来驱动，并且必须对其应用昂贵的材料，因此难以使其尺寸变大。

发明内容

技术问题

本申请涉及光学隔离装置。

技术方案

术语光学隔离装置可以意指这样的装置，其被配置成使得以任一方向入射的光的透射率相对大于以相反方向入射的光的透射率。在光学隔离装置中，入射光的透射率大的方向可以称为正向，相反的方向可以称为反向。这里，正向和反向可以彼此形成约160度至200度的角度，但不限于此。在一个实例中，正向可以是在下面将描述的光学隔离元件中从第一全息元件的光进入表面朝向光出射表面的方向，该方向也可以称为第一方向。另外，反向可以是在下面将描述的光学隔离元件中从第一全息元件的光出射表面朝向光进入表面的方向，该方向也可以称为第二方向。

在该说明书中，诸如术语透射率、延迟值、反射率和折射率的光学特性的参考波长可以根据待使用光学隔离装置隔离的光来确定。例如，参考波长可以是待隔离的光的波长。例如，当光学隔离装置旨在隔离可见光区域中的光时，透射率等的参考波长可以是例如基于具有在400nm至700nm范围内或约550nm的任意波长的光的值；在旨在隔离红外区域中的光的情况下，透射率等可以基于波长为1,000nm的光来确定；以及在旨在隔离紫外区域中的光的情况下，透射率等可以基于波长为250nm的光来确定。

在光学隔离装置中，通过根据下面方程式1的隔离比(isolation ratio，IR)，以正向入射的光的透射率与以反向入射的光的透射率之比可以为约3dB或更大。在另一个实例中，隔离比可以为约3.5dB或更大。隔离比的上限没有特别限制，因为它显示的数值越高，光学隔离效果越好。在一个实例中，隔离比可以为约10dB或更小、约9.5dB或更小、约9dB或更小、约8.5dB或更小、约8dB或更小、约7.5dB或更小、约7dB或更小、约6.5dB或更小、约6dB或更小、约5.5dB或更小、或者约5dB或更小。

[方程式1]

IR＝10×n×log(F/B)

在方程式1中，IR为隔离比，n为包括在光学隔离装置中的下面描述的光学隔离元件的数目，F为以正向入射在光学隔离装置上的光的透射率，以及B为以反向入射在光学隔离装置上的光的透射率。

光学隔离装置的以正向入射的光的透射率可以为约5％或更大、约10％或更大、约15％或更大、约20％或更大、约25％或更大、约30％或更大、约35％或更大、约40％或更大、约45％或更大、约50％或更大、约55％或更大、约60％或更大、约65％或更大、约70％或更大、约75％或更大、约80％或更大、约85％或更大、约90％或更大、或者约95％或更大。正向透射率的上限可以为约100％。此外，光学隔离装置的以反向入射的光的透射率可以小于约50％，为约45％或更小、约40％或更小、约35％或更小、约30％或更小、约25％或更小、约20％或更小、约15％或更小、约10％或更小、或者约5％或更小。反向透射率的下限可以为约0％。

另外，以正向透射过光学隔离装置的光可以基本上仅包括下面将描述的正交模式对的偏振光中的任一种偏振光。例如，90％或更多或者95％或更多的透射过光学隔离装置的光可以是一种偏振光。理想地，100％的透射过该装置的光可以仅是一种偏振光。

光学隔离装置可以包括至少一个或更多个光学隔离元件。术语光学隔离元件是形成光学隔离装置的单元元件，其仅具有光学隔离功能。因此，光学隔离元件也被配置成使得以正向入射的光的透射率相对大于以反向入射的光的透射率，其中隔离比、正向透射率和反向透射率的范围可以通过在光学隔离装置中提到的内容同等地应用。

光学隔离元件可以包括至少第一全息元件和第二全息元件、延迟器、和反射式偏振镜。全息元件、延迟器和反射式偏振镜可以各自具有光进入表面和光出射表面。这里，各个元件可以按照第一全息元件、第二全息元件、延迟器和反射式偏振镜的顺序包括在内。即，第一全息元件的光出射表面与第二全息元件的光进入表面、第二全息元件的光出射表面与延迟器的光进入表面、以及延迟器的光出射表面与反射式偏振镜的光进入表面可以彼此相对。

在本申请中，除非另有说明，否则术语入射角是基于光进入表面的法线测量的角度，其中基于法线在顺时针方向上测量的角度由正数表示，以及在逆时针方向上测量的角度由负数表示。此外，在本申请中，除非另有说明，否则术语输出角是基于光出射表面的法线测量的角度，其中基于法线在顺时针方向上测量的角度由正数表示，以及在逆时针方向上测量的角度由负数表示。

这里，第一全息元件可以是这样的光学元件：能够使以作为第一角度的入射角入射的光以作为第二角度的输出角出射。这里，第一角度和第二角度可以是彼此不同的角度。这里，第一角度可以是大于-90度且小于90度的角度。第一角度可以为-80度或更大、-70度或更大、-60度或更大、-50度或更大、-40度或更大、-30度或更大、-20度或更大、-10度或更大、或者-5度或更大，并且第一角度可以为80度或更小、70度或更小、60度或更小、50度或更小、40度或更小、30度或更小、20度或更小、10度或更小、或者5度或更小，以及可以基本上为0度。

这里，第二角度可以大于0度且小于90度。在另一个实例中，第二角度可以为5度或更大、10度或更大、15度或更大、20度或更大、或者25度或更大，或者可以为85度或更小、80度或更小、75度或更小、70度或更小、65度或更小、60度或更小、55度或更小、50度或更小、45度或更小、40度或更小、或者35度或更小。第二角度可以基本上为约30度。在另一个实例中，第二角度可以大于-90度且小于0度。在另一个实例中，第二角度可以为-5度或更小、-10度或更小、-15度或更小、-20度或更小、或者-25度或更小，或者可以为-85度或更大、-80度或更大、-75度或更大、-70度或更大、-65度或更大、-60度或更大、-55度或更大、-50度或更大、-45度或更大、-40度或更大、或者-35度或更大。第二角度可以基本上为约-30度。

另一方面，第二全息元件可以是这样的光学元件：能够透射以第三角度的入射角入射在光进入表面或光出射表面上的入射光，并且使以第四角度的入射角入射在光进入表面或光出射表面上的入射光以与入射光的方向平行的方向反射。

这里，第三角度和第四角度是彼此不同的角度。

在一个实例中，第三角度和第四角度可以各自大于0度且小于90度。在另一个实例中，第三角度和第四角度可以各自为5度或更大、10度或更大、15度或更大、20度或更大、或者25度或更大，或者可以为85度或更小、80度或更小、75度或更小、70度或更小、65度或更小、60度或更小、55度或更小、50度或更小、45度或更小、40度或更小、或者35度或更小。第二角度可以基本上为约30度。在另一个实例中，第三角度和第四角度可以各自大于-90度且小于0度。在另一个实例中，第三角度和第四角度可以各自为-5度或更小、-10度或更小、-15度或更小、-20度或更小、或者-25度或更小，或者可以为-85度或更大、-80度或更大、-75度或更大、-70度或更大、-65度或更大、-60度或更大、-55度或更大、-50度或更大、-45度或更大、-40度或更大、或者-35度或更大。第三角度和第四角度可以基本上为-30度。

在这样的状况下，第一全息元件和第二全息元件可以被设置成使得第二角度与第三角度之差的绝对值在0度至10度的范围内。在另一个实例中，所述差的绝对值可以为9度或更小、8度或更小、7度或更小、6度或更小、5度或更小、4度或更小、3度或更小、2度或更小、或者1度或更小。即，第二角度和第三角度可以是彼此基本上相同的角度。

另外，它们可以被设置成使得第三角度与第四角度之和的绝对值在0度至10度的范围内。在另一个实例中，所述和的绝对值可以为9度或更小、8度或更小、7度或更小、6度或更小、5度或更小、4度或更小、3度或更小、2度或更小、或者1度或更小。即，第三角度与第四角度可以彼此符号相反，同时，其值可以是基本上相同的角度。

延迟器可以存在于经由第一全息元件透射过第二全息元件的光可以入射的位置处。作为延迟器，可以应用λ/2板或λ/4板。术语λ/2板是称为所谓的HWP(半波板)的延迟器，其是当线偏振光入射时可以使线偏振光的偏振方向旋转约90度的元件；术语λ/4板是称为所谓的QWP(四分之一波板)的延迟器，其是能够将线偏振光和圆偏振光彼此转换的元件。可以用作λ/2板或λ/4板的延迟器是该领域公知的。例如，延迟器可以是聚合物拉伸膜或液晶聚合物膜。作为聚合物拉伸膜，例如，可以例示丙烯酸类膜，聚烯烃膜如聚乙烯膜或聚丙烯膜，环烯烃聚合物(COP)膜如聚降冰片烯膜，聚氯乙烯膜，聚丙烯腈膜，聚砜膜，聚乙烯醇膜或纤维素酯聚合物膜如TAC(三乙酰纤维素)膜，或者形成聚合物的单体中的两种或更多种单体的共聚物膜，等等。延迟器可以通过该领域已知的方法适当地拉伸这样的膜来形成。另外，作为液晶聚合物膜，可以例示通过使诸如向列液晶或盘状液晶的已知的液晶膜取向并聚合而获得的膜。

在该领域中可以用作λ/2板或λ/4板的延迟器是已知的，并且可以在本申请中没有限制地使用这样的膜。

反射式偏振镜可以被设置在透射过延迟器的光可以入射的位置处。反射式偏振镜是透射正交模式对的偏振光中的任一种偏振光并且反射另一种偏振光的起偏振器。这样的反射式偏振镜包括偏振分束器、线栅起偏振器(WGP)(例如金属线栅起偏振器)、双亮度增强膜(DBEF)或胆甾醇型液晶(CLC)膜，其通过应用所谓的各向异性材料偏振分离器或薄膜涂层型起偏振器而表现出上述效果。例如，通过控制金属线栅起偏振器中的栅格的尺寸或间距、双亮度增强膜的层合结构、胆甾醇型液晶膜中液晶的间距或旋转方向等，可以将具有期望波长范围的光分成正交模式对。适用于本申请的反射式偏振镜的类型不限于上述，其中可以应用已知能够将入射光分成正交模式对的偏振光的所有反射式偏振镜。

此外，这里，正交模式对可以包括偏振方向彼此垂直的两种线偏振光或旋转方向彼此相反的两种圆偏振光。如本文所使用的术语垂直、水平、平行或正交可以意指考虑到误差的基本上垂直、水平、平行或正交，其中可以存在例如在±10度内、在±8度内、在±6内、在±4度内、在±2度内、在±1度内或在±0.5度内的误差。另外，本文中的术语圆偏振光是也包括所谓的椭圆偏振光的概念。在本申请中，为了便于区分，可以将正交模式对的偏振光中的任一种偏振光称为第一偏振光，并且可以将另一种偏振光称为第二偏振光。

如上所述的反射式偏振镜可以定位成使得透射过延迟器的光以作为第五角度的入射角入射在反射式偏振镜上。因此，入射在反射式偏振镜上的正交模式对的第一偏振光和第二偏振光中的任一种偏振光透射过反射式偏振镜，并且另一种偏振光以与第五角度的符号不同而与其值相同的角度被反射。

在该反射式偏振镜中，第五角度与第三角度之差的绝对值可以在0度至10度的范围内。在另一个实例中，所述差的绝对值可以为约9度或更小、8度或更小、7度或更小、6度或更小、5度或更小、4度或更小、3度或更小、2度或更小、或者1度，或者可以基本上为0度。即，第五角度和第三角度可以是基本上相同的角度。

将参照图2描述具有这样的配置的元件的原理。图2是示意性示出根据本申请的一个方面的光学隔离元件的图。图中的偏振转换元件包括第一全息元件(100)、第二全息元件(200)、延迟器(300)和反射式偏振镜(400)，其中图中光的行进路径由箭头指示。在该图中，假设使用λ/4板作为延迟器(300)，并且入射光(L1)由具有彼此正交的偏振方向的两种线偏振光构成且垂直地进入第一全息元件(100)的光进入表面。

如在该图中，入射光(L1)以第一角度(约0度)进入第一全息元件(100)。以这种方式入射的入射光(L1)被第一全息元件折射并以第二角度(假设在该图中为约30度)出射。出射的光由L2表示。在这种状态下出射的光(L2)仍然是非偏振状态。因此，光(L2)同样地透射过延迟器(300)并入射在反射式偏振镜(400)上。入射在反射式偏振镜(400)上的光(L2)仍然是非偏振状态，并且当该光(L2)入射在反射式偏振镜(400)上时，呈非偏振状态的光中的第一偏振光(P)透射过反射式偏振镜(400)并且第二偏振光(S)被反射。此时，在反射角中，该值与到达反射式偏振镜(400)的入射角(即，第五角度)基本上相同，但符号相反。

然而，由于第五角度和第三角度是基本上相同的角度，并且第三角度和第四角度是值基本上相同但符号相反的角度，所以被反射式偏振镜(400)反射的第二偏振光(S)经由延迟器(300)以第四角度入射在第二全息元件(200)的光出射表面上。因此，第二偏振光(S)再被第二全息元件(200)反射。然而，由于第二偏振光(S)在上述过程中穿过延迟器(300)两次，因此延迟器(300)引起的相位延迟值基本上变为λ/2，并因此被第二全息元件(200)反射并经由延迟器(300)入射在反射式偏振镜(400)上的光成为第一偏振光(P)状态。因此，第一偏振光(P)可以透射过反射式偏振镜(400)。

根据上述原理，理论上，以正向(从第一全息元件的光进入表面朝向其光出射表面的方向)入射在光学隔离元件上的光以第一偏振光(P)状态几乎100％透射，但是以反向(从第一全息元件的光出射表面朝向其光进入表面的方向)入射的光首先遇到反射式偏振镜(400)，并因此至少50％被反射。

通过这样的原理，可以实现正向透射率大于反向透射率的光学隔离元件。

如上所述的光学隔离元件还可以包括另外的配置。例如，光学隔离元件还可以包括棱镜或反射板，其用于控制沿着从第一全息元件的光进入表面朝向光出射表面的方向透射过反射式偏振镜的光的光路。也就是说，如从图2确定的，透射过反射式偏振镜(400)的光可以是为彼此相同种类的偏振光的第一偏振光(P)，但具有不同的行进方向。因此，棱镜或反射板可以被设置在适当的位置处以匹配行进方向。

光学隔离装置还可以包括相位延迟板，所述相位延迟板位于沿着从第一全息元件的光进入表面朝向光出射表面的方向透射过反射式偏振镜的光可以进入的位置处。

这里，相位延迟板是具有与上述延迟器相同的概念的光学元件，但是在本申请中，为了将其与上述延迟器区分开，将它称为相位延迟板。相位延迟板可以位于以正向行进的光在透射过反射式偏振镜之后进入的位置处。这样的相位延迟板可以解决在曾经以正向透射过光学隔离元件的光通过反射等再次朝向光学隔离元件行进时可能发生的问题。也就是说，由于相位延迟板的存在而被反射的光将被转换成与反射式偏振镜的反射轴平行的线偏振光，从而被反射式偏振镜反射回来。

在这种情况下，上述λ/4板可以用作相位延迟板。λ/4板的具体类型如上所述。

在这种情况下，相位延迟板可以被设置成使得其光轴(例如，慢轴)与吸收型反射式偏振镜的透射轴形成在约40度至50度范围内(例如，约45度)的角度，或者在130度至140度范围内(例如，约135度)的角度。

除了包括在上述偏振转换元件中的那些之外，如有必要，光学隔离元件还可以包括可以另外控制光路的光路控制器，例如棱镜或反射板。

此外，如有必要，光学隔离元件可以包括除上述之外的附加光学部件。例如，光学隔离元件可以包括诸如下面的百叶窗板(louver plate)的光学部件。

这样的百叶窗板等可以存在于例如以正向行进的光最终出射的一侧(例如，如上所述的反射式偏振镜或相位延迟板)之后。

光学隔离装置可以包括一个或两个或更多个如上所述的光学隔离元件。当包括两个或更多个光学隔离元件时，光学隔离元件各自可以被设置成使得沿正向透射过任一光学隔离元件的光可以进入另一光学隔离元件的偏振转换元件侧。通过如上所述应用复数个光学隔离元件，可以更加改善光学隔离比。例如，参照图3，理论上，以正向透射过多个光学隔离元件的光没有损失地连续透射，但是在以反向透射的光的情况下，它以1/2的指数连续减小。因此，通过控制光学隔离元件的数目，可以使光学隔离比最大化。

有益效果

本申请提供了具有高正向透射率和优异光学隔离比的光学隔离装置。这样的光学隔离装置可以应用于各种应用，例如光通信或激光光学领域、安全或隐私保护领域、显示器的亮度增强、或者用于隐藏和遮蔽的用途。

附图说明

图1是示意性示出法拉第光学隔离器的图。

图2是本申请的光学隔离元件的示意图。

图3是示意性示出包括多个光学隔离元件的情况的图。

具体实施方式

下文中，将参照以下实施例和比较例详细描述本申请，但是本申请的范围不限于以下实施例。

实施例1.

在制造具有如图2所示的结构的元件之后，使来自Coherent的Genesis MX SLM激光器带入相应元件(功率10mW)以测试该元件。作为用于制造元件的全息光学元件(图2中的100和200)，使用以已知方式制造的元件。也就是说，对厚度为约5μm至30μm的光聚合物在使用来自Coherent的波长为532nm的Genesis MX SLM激光器作为光源的干涉仪中以约200mW的激光功率制造全息光学元件。光聚合物在曝光前的折射率为约1.5，并且在曝光后的干涉图案的折射率差为约0.03。

在图2的元件中，使用对入射光表现出λ/4的相位延迟特性的λ/4板作为延迟器(300)，使用WGP(线栅起偏振器)作为反射式偏振镜(400)。

通过用如图2所示的光(L1)照射具有上述形状的元件获得的正向透射率(T1)(正向照射)与通过以相反方向使光透射确定的反向透射率(T2)之比(T1/T2)为约2.6，并且以正向透射的光中的第一偏振光的比率为约94.1％。

此外，对于元件确定的隔离比(IR)为约4.1dB。

Claims (9)

1.一种光学隔离装置，包括至少一个光学隔离元件，

其中所述光学隔离元件按照以下顺序包括各自包括光进入表面和光出射表面的第一全息元件、第二全息元件、延迟器和反射式偏振镜，

所述第一全息元件是这样的光学元件：能够使以在大于-90度且小于90度的范围内的第一角度的入射角入射在所述光进入表面上的入射光以不同于所述第一角度的第二角度的输出角出射，

所述第二全息元件是这样的光学元件：能够透射以第三角度的入射角入射在所述光进入表面或所述光出射表面上的入射光，并且使以不同于所述第三角度的第四角度的入射角入射在所述光进入表面或所述光出射表面上的入射光以与相应入射光的方向平行的方向反射，

所述第二角度至所述第四角度各自在大于0度且小于90度的范围内，或者在大于-90度且小于0度的范围内，

所述第二角度与所述第三角度之差的绝对值在0度至10度的范围内，以及

所述第三角度与所述第四角度之和的绝对值在0度至10度的范围内。

2.根据权利要求1所述的光学隔离装置，其中所述光学隔离装置的由下面方程式1所定义的隔离比为3dB或更大：

[方程式1]

IR＝10×n×log(F/B)

其中，IR为隔离比，n为包括在所述光学隔离装置中的光学隔离元件的数目，F为以从所述第一全息元件的所述光进入表面朝向所述光出射表面的方向入射在所述光学隔离装置上的光的透射率，以及B为以从所述第一全息元件的所述光出射表面朝向所述光进入表面的方向入射在所述光学隔离装置上的光的透射率。

3.根据权利要求1所述的光学隔离装置，其中所述延迟器是λ/4板。

4.根据权利要求1所述的光学隔离装置，其中所述反射式偏振镜是线栅起偏振器、双亮度增强膜或胆甾醇型液晶膜。

5.根据权利要求1所述的光学隔离装置，其中所述反射式偏振镜被定位成使得透射过所述延迟器的光以为第五角度的入射角入射在所述反射式偏振镜上，并且所述第五角度与所述第三角度之差的绝对值在0度至10度的范围内。

6.根据权利要求1所述的光学隔离装置，还包括棱镜或反射板，所述棱镜或反射板用于控制沿着从所述第一全息元件的所述光进入表面朝向所述光出射表面的方向透射过所述反射式偏振镜的光的光路。

7.根据权利要求1所述的光学隔离装置，还包括相位延迟板，所述相位延迟板位于沿着从所述第一全息元件的所述光进入表面朝向所述光出射表面的方向透射过所述反射式偏振镜的光能够进入的位置处。

8.根据权利要求7所述的光学隔离装置，其中所述相位延迟板被设置成使得其慢轴与所述反射式偏振镜的透射轴形成在约40度至50度范围内的任一角度或在130度至140度范围内的任一角度。

9.根据权利要求7所述的光学隔离装置，其中所述相位延迟板包括λ/2板和λ/4板。

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