CN109844617A - 光学隔离装置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及光学隔离装置。本申请提供了具有优异的隔离比的光学隔离装置，其可以简单地且以低成本形成。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、或者用于隐藏和掩蔽的用途。

Description

光学隔离装置
技术领域
本申请要求基于2016年10月13日提交的韩国专利申请第10-2016-0132840号的优先权权益，其公开内容通过引用整体并入本文。
本申请涉及一种光学隔离装置。
背景技术
光学隔离装置是其中在正向上的透光率高于在反向上的透光率的装置，其也称作光学二极管。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，或者其也可以应用于建筑物或汽车玻璃以用于安全或隐私保护等。光学隔离装置也可以应用于诸如各种显示器中的亮度增强或者用于隐藏和掩蔽的军用产品的应用。
作为光学隔离装置，存在使用法拉第效应的法拉第光学隔离器。法拉第光学隔离器的原理在图1中示出。法拉第光学隔离器包括第一起偏振器(101)、法拉第旋转器(102)和第二起偏振器(103)，其中第一起偏振器(101)和第二起偏振器(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起偏振器而线性偏振的入射光旋转45度，由此入射光透射过第二起偏振器(正向)。相反，如果透射过第二起偏振器的线偏振光通过法拉第旋转器同等地旋转45度，则其变成平行于第一起偏振器的吸收轴的线偏振光，使得其不能透射过第一起偏振器(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，并且必须向其应用昂贵的材料，因此难以使其尺寸变大。
发明内容
技术问题
本申请涉及一种光学隔离装置。
技术方案
术语光学隔离装置可以意指配置成使得在任一方向上入射的光的透射率相对地大于在相反方向上入射的光的透射率的装置。在光学隔离装置中，具有大的入射光透射率的方向可以称为正向，相反的方向可以称为反向。在此，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。
在本说明书中，光学特性如术语透射率、延迟值、反射率和折射率的参考波长可以根据待通过使用光学隔离装置隔离的光来确定。例如，参考波长可以为待使用该装置隔离的光的波长。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为例如基于具有400nm至700nm范围内或约550nm的任何波长的光的值；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，由根据以下方程式1的隔离比(isolation ratio，IR)，在正向上入射的光的透射率与在反向上入射的光的透射率之比可以为约3dB或更大。隔离比的上限没有特别限制，因为其表明数值越高，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、约5dB或更小、约4.5dB或更小、或者约4dB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为以下描述的包括在光学隔离装置中的光学隔离元件的数目，F(正向)为在正向上入射在光学隔离装置上的光的透射率，B(反向)为在反向上入射在光学隔离装置上的光的透射率。
在光学隔离装置的正向上入射的光的透射率可以为约50％或更大、约55％或更大、约60％或更大、约65％或更大、约70％或更大、约为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，在光学隔离装置的反向上入射的光的透射率可以小于约50％，可以为约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％。
光学隔离装置可以包括至少一个或更多个光学隔离元件。术语光学隔离元件为单独具有光学隔离功能的形成光学隔离装置的单元元件。因此，光学隔离元件也被配置成使得在正向上入射的光的透射率相对地大于在反向上入射的光的透射率，其中隔离比、正向透射率和反向透射率的范围可以通过光学隔离装置中提及的内容等同地应用。
光学隔离元件可以包括偏振转换元件(PCS：偏振转换系统)和起偏振器。如图2中示意性所示，偏振转换元件(201)和起偏振器(202)可以定位成使得入射在偏振转换元件(201)侧的光可以透射过元件(201)，然后面向起偏振器(202)。在本说明书中，从偏振转换元件(201)面向起偏振器(202)的方向可以称为正向，朝向起偏振器(202)和偏振转换元件(201)的方向可以称为反向。
偏振转换元件被配置成使得其可以将在第一方向上入射的非偏振光转换成线偏振光并将其向第二方向输出。在此，向第二方向输出的线偏振光可以为一种线偏振光。即，向第二方向输出的线偏振光可以不包括具有彼此不同的偏振方向的两种或更多种线偏振光。第一方向和第二方向可以为基本上平行于正向的方向。在偏振转换元件中，在第一方向上入射至第二方向的光的透射率可以为约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。透射率的上限可以为约100％。即，偏振转换元件可以被配置成使得其可以将在第一方向上入射的非偏振光的约50％或更多、约55％或更多、约60％或更多、约65％或更多、约70％或更多、约75％或更多、约80％或更多、约85％或更多、约90％或更多、或者约95％或更多转换成线偏振光并将所述线偏振光向第二方向输出，并且适当地，所述偏振转换元件可以将约100％的非偏振入射光转换成线偏振光并将其向第二方向输出。
能够将在第一方向上入射的非偏振光转换成线偏振光并将其向第二方向输出的偏振转换元件的配置是已知的。例如，这样的偏振转换元件从美国专利第4,913,529号、美国专利第5,884,991号、美国专利第6,139,157号和美国专利申请公开第2013-0027656号中获知，其公开内容作为本说明书的一部分并入。
在一个实例中，偏振转换元件可以至少包括偏振分离器和延迟器。
在此，偏振分离器可以为将入射光分离成正交模对的偏振光的元件。在此，正交模对可以包括偏振方向彼此垂直的两种线偏振光或者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基本上垂直、水平、平行或正交，其中可能存在例如在±10度内、在±8度内、在±6度内、在±4度内、在±2度内、在±1度内、或在±0.5度内的误差。此外，本文中的术语圆偏振光为还包括所谓的椭圆偏振光的概念。
能够执行上述功能的偏振分离器是多方面已知的，其实例可以例示为所谓的反射式偏光镜。反射式偏光镜是正交模对的偏振光中的任一种偏振光被透射而另一种偏振光被反射的起偏振器。这样的反射式偏光镜包括偏振分束器、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，可以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、胆甾醇型液晶膜中的液晶的间距或旋转方向等将具有期望波长范围的光分离成正交模对。可应用于本申请的反射式起偏振器的类型不限于上述起偏振器，其中可以应用已知能够将入射光分离成正交模对的偏振光的所有反射式起偏振器。
偏振转换元件包括延迟器。作为延迟器，可以应用λ/2板或λ/4板。术语λ/2板为称为所谓的HWP(半波片)的延迟器，其为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板为称为所谓的QWP(四分之一波片)的延迟器，其为能够将线偏振光和圆偏振光彼此转换的元件。
可以充当如上所述的λ/2板或λ/4板的延迟器在本领域中是多方面已知的。例如，延迟器可以为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。可以通过本领域已知的方法适当地拉伸这样的膜来形成延迟器。此外，作为液晶聚合物膜，可以例示通过使已知的液晶膜如向列型液晶或盘状液晶取向并聚合而获得的膜。
在本领域中可以充当λ/2板或λ/4板的延迟器是已知的，并且可以在本申请中使用这样的膜而没有限制。
参照附图，将描述通过偏振分离器和延迟器使偏振光转换的过程。
图3为示意性地示出了当使用用于将入射光分离成具有彼此垂直的偏振方向的两种线偏振光(即，P偏振光和S偏振光)的分离器(301)(例如，如上所述的偏振分束器、金属线栅起偏振器或双亮度增强膜)作为偏振分离器(301)时偏振转换元件的图，其中该偏振转换元件可以包括偏振分离器(301)和延迟器(302)。在这种情况下，作为延迟器(302)，可以使用λ/2板。
如图3，入射光(LI)首先进入分离器(301)并且被分离成S偏振光(LS)和P偏振光(LP)。当上述延迟器(302)存在于如上所述分离的S偏振光和P偏振光中的任一者通过的路径中并且适当地控制延迟器(302)的光轴的方向时，穿过延迟器(302)的偏振光可以被转换成与未穿过延迟器(302)的偏振光相同种类的偏振光。图3示出了其中S偏振光(LS)在穿过延迟器(302)时被转换成P偏振光(LP)的情况，但不限于此。如图3所示，偏振转换元件可以包括用于控制光的路径的一个或更多个光路控制器(303)，其中这样的光路控制器(303)可以例示为棱镜、反射板等。
这样的光路控制器可以例如用作用于使穿过延迟器的偏振光的行进方向与未穿过延迟器的偏振光的行进方向相匹配的用途，如图3所示。
图4为示意性地示出了当使用用于将入射光分离成旋转方向彼此相反的两种椭圆偏振光的分离器(301)(例如，上述胆甾醇型液晶膜)作为偏振分离器(301)时偏振转换元件的图。在这种情况下，偏振转换元件可以包括作为延迟器的第一延迟器(3021)、第二延迟器(3022)和第三延迟器(3023)。在这种情况下，作为第一延迟器和第二延迟器(3021、3022)，可以使用λ/4板，作为第三延迟器(3023)，可以使用λ/2板。
如图4，入射光(LI)首先进入分离器(301)并且被分离成左旋圆偏振光(LL)和右旋圆偏振光(LR)。如上分离的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光中的任一种偏振光(LR)可以经由第一延迟器(3021)被转换成S偏振光和P偏振光中的任一种偏振光，例如，S偏振光(LS)。另一方面，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光中的另一种偏振光(LL)可以通过光路控制器(302)控制，然后穿过第二延迟器(3022)，并且该偏振光可以被转换成穿过第一延迟器(3021)的垂直模对的偏振光，例如，P偏振光(LP)，所述偏振光随后可以穿过第三延迟器(3022)并且被转换成与穿过第一延迟器(3021)的偏振光相同的偏振光。
图5为使用用于将入射光分离成旋转方向彼此相反的两种椭圆偏振光的分离器(301)作为偏振分离器(301)的情况的另一种示意图。在图5的情况下，光路控制器(303)可以在控制圆偏振光的路径的同时改变旋转方向。例如，当光路控制器为反射板时，圆偏振光可以在被反射板反射时使旋转方向变成相反方向。在这种情况下，即使没有第三延迟器(3023)，偏振转换元件也可以产生相同的线偏振光。
如图3至5中所述，偏振转换元件包括偏振分离器和延迟器，其中偏振分离器和延迟器可以设置成使得通过偏振分离器分离的垂直模对的偏振光中的任一种偏振光透射过延迟器，而另一种偏振光不透射过延迟器。这种情况适用于这样的情况：其中通过偏振分离器产生具有彼此垂直的偏振方向的两种线偏振光(即P偏振光和S偏振光)，其中可以使用λ/2板作为延迟器。
在另一个实例中，偏振转换元件包括偏振分离器和延迟器，其中偏振分离器和延迟器可以设置成使得通过偏振分离器分离的所有垂直模对的偏振光可以透射过延迟器。在这种情况下，垂直模对的偏振光中的任一种偏振光透射过延迟器的过程中的相位延迟值与另一种偏振光透射过延迟器的过程中的相位延迟值之间的差的绝对值可以为λ/2。在此，λ可以为入射光的波长。这适用于这样的情况：其中如在图4的情况下通过偏振分离器产生旋转方向彼此相反的两种圆偏振光，其中延迟器可以包括至少一个λ/2板和至少一个λ/4板。图4示出了具有两个λ/4板的情况，但是通过适当地控制光路，也可以通过一个λ/4板确保与图4中相同的效果。
在另一个实例中，偏振转换元件包括偏振分离器和延迟器，其中偏振分离器和延迟器可以设置成使得通过偏振分离器分离的所有垂直模对的偏振光可以透射过延迟器。在这种情况下，垂直模对的偏振光中的任一种偏振光透射过延迟器的过程中的相位延迟值与另一种偏振光透射过延迟器的过程中的相位延迟值可以基本上彼此相等。这种情况适用于这样的情况：其中如在图5的情况下通过偏振分离器产生旋转方向彼此相反的两种圆偏振光，其中延迟器可以为λ/4板。
如图3至5中所证实的，如有必要，偏振转换元件还可以包括光路控制器，例如棱镜或反射板。
光学隔离元件包括起偏振器连同上述偏振转换元件，其中起偏振器设置于在正向上行进并透射过光学隔离元件的线偏振光可以进入的位置处。作为起偏振器，例如，可以使用吸收型线性起偏振器。吸收型线性起偏振器在本领域中是多方面已知的，并且例如，可以使用所谓的PVA(聚乙烯醇)起偏振器。该吸收型起偏振器具有在一个方向上形成的透射轴和在垂直于透射轴的方向上形成的吸收轴，其中起偏振器可以设置成使得透射轴平行于通过透射过偏振转换元件而产生的线偏振光的偏振方向。在这样的情况下，在正向上入射并透射过偏振转换元件的光理论上可以100％透射，并且在反向上透射的光的至少50％被吸收型线性起偏振器吸收和阻挡。
光学隔离元件还可以包括相位延迟板。在此，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，为了将其与包括在偏振转换元件中的延迟器区分开，将其称为相位延迟板。相位延迟板可以位于在正向上行进的光在透射过起偏振器后进入的位置处。这样的相位延迟板可以解决一旦在正向上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出现的问题。即，由于相位延迟板的存在而反射的光将被转换成平行于吸收型起偏振器的吸收轴的线偏振光，从而被吸收回起偏振器。
在这种情况下，可以使用上述λ/4板作为相位延迟板。λ/4板的具体类型如上所述。
在这种情况下，相位延迟板可以设置成使得其光轴(例如，慢轴)与吸收型起偏振器的透射轴形成在约40度至50度的范围内，例如，约45度，或者在130度至140度的范围内，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光路控制器，例如棱镜或反射板，其可以另外地控制光路。
此外，除了上述之外，如有必要，光学隔离元件还可以包括附加的光学部件。例如，光学隔离元件可以包括光学部件，例如望远镜。
在这种情况下，望远镜可以存在于光的正向行进路径的入射侧，例如，在光进入偏振转换元件之前可以穿过的位置处。这样的望远镜可以用于通过控制光的入射面积将光透射至偏振转换元件。例如，望远镜可以用于通过将光的入射面积减小至约1/2倍来将光透射至偏振转换元件。可能需要这样的光学部件来使光学隔离装置中光的正向入射面积和反向入射面积相等。
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，每个光学隔离元件可以设置成使得沿正向透射过任一个光学隔离元件的光可以进入另外的光学隔离元件的偏振转换元件的侧面。通过应用复数个如上所述的光学隔离元件，可以进一步提高光学隔离比。例如，参照图6，理论上，在正向上透射过多个光学隔离元件的光继续透射而没有损失，但是在反向上透射的光的情况下，其继续以1/2的指数减少。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
本申请提供了具有优异的光学隔离比的光学隔离装置，其可以简单地且以低成本形成。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、或者用于隐藏和掩蔽的用途。
附图说明
图1为示意性地示出法拉第光学隔离器的图。
图2为示出了本申请的光学隔离元件的基本配置的图。
图3至图5为用于说明偏振转换元件的原理的图。
图6为示意性地示出包括多个光学隔离元件的情况的图。
具体实施方式
在下文中，将参照以下实施例和比较例对本申请进行详细描述，但是本申请的范围不限于以下实施例。
实施例1
制造了如图5中的类型的元件并且对其性能进行测试。在该过程中，使用反射板(镜)作为光路控制器，使用来自Thorlabs的产品(WPQ05M-532)作为延迟器(3021、3022)，以及还应用来自Thorlabs的PBS(偏振分束器)产品(PBS251)作为偏振分离器。使来自CoherentInc.的Genesis MX SLM激光(功率10mW)入射到如上所述的元件上以测试该元件。以这种方式获得的正向透射率为约76％，反向透射率为约36％，以及隔离比(IR)为约3.2dB。

Claims (16)

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包括顺序设置的偏振转换元件和起偏振器，
所述偏振转换元件被配置成使得其能够将在第一方向上入射的非偏振光转换成线偏振光并将所述偏振光在第二方向上输出，以及
所述起偏振器为吸收型线性起偏振器，所述吸收型线性起偏振器具有在一个方向上形成的透射轴和在垂直于所述透射轴的方向上形成的吸收轴，其中所述透射轴在平行于所述线偏振光的方向上形成。
2.根据权利要求1所述的光学隔离装置，其中在所述第一方向上入射的光的透射率大于50％，以及由以下方程式1限定的隔离比(IR)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为在正向上入射在所述光学隔离装置上的光的透射率，以及B为在反向上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，其中所述偏振转换元件包括延迟器和用于将所述入射光分离成垂直模对的偏振光的偏振分离器。
4.根据权利要求3所述的光学隔离装置，其中所述偏振分离器为偏振分束器、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3所述的光学隔离装置，其中所述偏振转换元件中的所述延迟器设置在这样的位置处：其中通过所述偏振分离器分离的所述垂直模对的偏振光中的任一种偏振光穿过所述延迟器而另一种偏振光不穿过所述延迟器。
6.根据权利要求5所述的光学隔离装置，其中所述延迟器为λ/2板。
7.根据权利要求3所述的光学隔离装置，其中所述偏振转换元件中的所述延迟器设置在这样的位置处：其中通过所述偏振分离器分离的所有所述垂直模对的偏振光均穿过所述延迟器，并且所述垂直模对的偏振光中的任一种偏振光穿过所述延迟器的过程中的相位延迟值与另一种偏振光穿过所述延迟器的过程中的相位延迟值之间的差的绝对值为λ/2。
8.根据权利要求7所述的光学隔离装置，其中所述延迟器包括λ/2板和λ/4板。
9.根据权利要求3所述的光学隔离装置，其中所述偏振转换元件中的所述延迟器设置在这样的位置处：其中通过所述偏振分离器分离的所有所述垂直模对的偏振光均穿过所述延迟器，并且所述垂直模对的偏振光中的任一种偏振光穿过所述延迟器的过程中的相位延迟值与另一种偏振光穿过所述延迟器的过程中的相位延迟值相等。
10.根据权利要求9所述的光学隔离装置，其中所述延迟器包括λ/4板。
11.根据权利要求3所述的光学隔离装置，其中所述偏振转换元件还包括用于控制光的路径的棱镜或反射板。
12.根据权利要求1所述的光学隔离装置，还包括相位延迟板，所述相位延迟板在沿所述第一方向透射过所述起偏振器的光能够进入的位置处。
13.根据权利要求12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起偏振器的所述透射轴形成在40度至50度范围内的任一角度或者在130度至140度范围内的任一角度。
14.根据权利要求12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。
15.根据权利要求1所述的光学隔离装置，还包括望远镜，所述望远镜存在于在第一方向上行进的光在入射在所述偏振转换元件上之前能够入射的位置处。
16.根据权利要求1所述的光学隔离装置，还包括光路控制元件，所述光路控制元件用于控制沿所述第一方向从所述起偏振器输出的光的行进方向。
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