CN113167951A - 具有角度敏感透射的基于偏振的滤光器 - Google Patents

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Abstract

本文所公开的基于偏振的光学角度滤光器可以被工程化成根据入射角和方位角的函数来透射规定的光量。这样的滤光器可以透射光而不会引入伪像，使其适合于光学系统的图像路径。一个示例可以包括具有输入圆偏振器、分析圆偏振器和定位于圆偏振器之间的延迟器的角度滤光器，该延迟器具有厚度方向的延迟。选择延迟器的厚度方向延迟(Rth)以产生规定的入射角相关的透射率函数，并且圆偏振器减少透射率函数中的方位角相关的量。

Description

具有角度敏感透射的基于偏振的滤光器
交叉引用
本申请要求于2018年10月12日提交的美国临时申请No.62/745,060的权益，其内容通过全文引用并入本文中。
背景技术
可以通过在特定位置处插入滤光器来增强某些光学系统的性能，该特定位置的透射率取决于入射角(相对于表面-法线的角度和方位角)，并且在某些情况下取决于位置。角度滤光器可以有效地将光源的辐射模式(例如，单位为每立体角瓦特/流明的强度)从(例如)朗伯型改变为更受限的模式。例如，棱柱形的光控制膜(prismatic light-controlfilms)(例如，通过3M)可以按入射角和方位角的函数确定哪些入射射线角被有效地透射以及哪些入射射线角被反射。这样的滤光器在照明路径中特别有用，在该照明路径中在图像路径中所需的光学质量不太重要。
发明内容
所描述的是基于偏振的光学滤光器，其被工程化为按射线角度(即相对于法线的角度和方位角)的函数来产生规定的透射率。在某些实例下，有益的是设计滤光器，该滤光器可以有效地透射近法线入射的角度范围内的光。在某些情况下，指定期望的角度截止和角度过渡带宽是有益的。还可能需要指定超出其中透射率最小化的过渡带的角度带。在某些实例下，该截止角是方位角相关的，而在其他情况下，它优选地对方位角不敏感。先前描述了方位角不变的低通角度滤光器。在某些实例下，滤光器函数的波长相关性被最小化，以给出在(例如)可见光波段的中性的角度滤光器轮廓。在其他情况下，可能优选的是，角度过滤轮廓具有特定的波长相关性。本文所描述的角度滤光器潜在地用于改进显示装置、图像捕获装置中的视力(例如，户外眼镜)，并且通常用于改进成像系统的性能。它们还可以通过(例如)在透射承载信息的光时衰减杂散光来提高辐射计量系统(radiometric systems)的性能。
本文所公开了角度滤光器，该角度滤光器包括输入圆偏振器；分析圆偏振器；以及定位在圆偏振器之间的延迟器，该延迟器具有厚度方向延迟。选择延迟器的厚度方向延迟(Rth)以产生规定的入射角相关的透射率函数，并且圆偏振器减少透射率函数中的方位角相关的量。
圆偏振器可以各自由与四分之一波延迟器组合的线偏振器构成。线偏振器中的每一个可以是吸收式偏振器、反射式偏振器或晶体偏振器中的一个。分析圆偏振器可以是绕偏振器轴线翻转的输入圆偏振器。四分之一波延迟器具有反向色散，使得红色的光程差大于蓝色的光程差。四分之一波延迟器可以具有Rth＜Re/2，其中Re是平面内延迟。四分之一波延迟器可以具有Rth＝0。偏振器可以是平行的，并且QW光轴可以以±45°交叉。四分之一波延迟器可以是拉伸聚合物，反应性介晶延迟器或晶体延迟器中的一个。
延迟器可以是C板、O板或双轴延迟器中的一个。延迟器可以具有Rth＜0或Rth>0。延迟器可以是幅度为|Rth|>400nm的C板。透射率函数可以是低通滤光器、带通滤光器或高通滤光器中的一个。50％透射角的方位角的变化可以小于±10％。50％透射角的方位角的变化可以小于±20％。可以在输入线偏振器与四分之一波延迟器之间、分析线偏振器与四分之一波延迟器之间或两者之间放置几何补偿器。
一副眼镜可包含如上所述的角度滤光器，其中，角度滤光器具有减少杂散光量的规定的角度相关的透射率函数。一种图像捕获装置可包含如上所述的角度滤光器，其中，角度滤光器具有用于减少杂散光量的规定的角度相关的透射率函数。一种显示装置可以包含如上所述的角度滤光器，其中该角度滤光器具有规定的角度相关的透射率函数，用于减少显示器反射的杂散光量，减少背光单元的光展量或两者。一种辐射计量系统可以包括如上所述的角度滤光器，其出于减少光展量的目的而放置在接收器路径、照明路径或两者中。
还公开了一种串联布置的两级角度滤光器，其包括第一级，该第一级包括第一输入圆偏振器；第一分析圆偏振器；和在第一圆偏振器之间的第一延迟器。两级角度滤光器包括第二级，该第二级包括第二输入圆偏振器；第二分析圆偏振器；和在第二圆偏振器之间的第二延迟器。选择第一延迟器的厚度方向延迟(Rth1)和第二延迟器的厚度方向延迟(Rth2)以产生规定的入射角相关的透射率函数，并且圆偏振器减少透射率函数中方位角相关的量。
圆偏振器可以由与四分之一波延迟器组合的线偏振器构成。第一级的分析圆偏振器和第二级的输入圆偏振器共享公共线偏振器。偏振器可以全部是平行的，并且第一级和第二级中的QW光轴可以以±45°交叉。延迟器可以是C板、O板或双轴延迟器中的一个。第一延迟器和第二延迟器可以是幅度|Rth|>400nm的C板。透射率函数可以是低通滤光器、带通滤光器或高通滤光器中的一个。50％透射角的方位角的变化可以小于±10％。50％透射角的方位角的变化可以小于±20％。可以在一级或两级中，在输入线偏振器与四分之一波长延迟器之间、在分析线偏振器与四分之一波长延迟器之间或在两者之间放置几何补偿器。
附图说明
图1示出了本文所公开的单级角度滤光器的截面视图。
图2a示出了近法线入射的角度滤光器的透射响应。
图2b示出了临界截止角θC处的角度滤光器的透射响应。
图3示出了入射角(该入射角处透射的光通量值被最小化)与(负)C板延迟Γ的函数关系。
图4示出了针对单级滤光器的示例性的角度相关的明视透射率函数。该示例是针对600nm的(负)C板延迟和具有138nm延迟的交叉零阶QW延迟器。
图5示出了使用消色差延迟器和600nm C板延迟器的最小透射率的波长与入射角的函数关系。
图6示出了使用消色差QW和消色差C板延迟器的单级角度滤光器的透射率与入射角的关系。
图7示出了两级角度滤光器，其中第一级具有C板延迟Γ1并且第二级具有C板延迟Γ2.。
图8示出了针对图7的设计的滤光器透射率的角度相关性，其中Γ1＝400nm和Γ2＝700nm。
图9示出了单级高对比度的单色低通角度滤光器。
图10示出了两级高对比度的单色低通角度滤光器。
图11示出了两级高对比度的单色低通角度滤光器的透射率与入射角的关系，用于选择方位角的值。
图12示出了单级高对比度的单色带通角度滤光器。
图13示出了零方位角的单级单色带通角度滤光器的透射率与入射角的关系。
图14示出了角度滤光器在眼镜中的使用，以改进明亮条件下的观看质量。
图15示出了用于逐渐减少相机镜头的接收角度内的光透射率的角度滤光器的使用。
图16示出了在显示装置上用于改进明亮条件下的观看质量的角度滤光器的使用。
图17示出了用于逐渐减少显示装置的发射光的透射率的角度滤光器的使用。
具体实施方式
本文中示出的实施例不受各种修改和替代例形式影响，其指定的实施例已经作为示例示出。然而，应该理解的是，不旨在将本发明限制为所公开的特定形式，而是本发明涵盖由权利要求书所限定的所有修改、等同和替代例。
在某些实例下，需要低通角度滤光器，其中可以包括以下规范：
1.法向入射时透射率高，直到规定的最大角透射率极少减少。
2.角度过渡带，通常表征为透射率降至(例如)90％、50％和10％的角度点。
3.角度拒绝带，通常表征为不能超过的透射率或平均带外透射率。还可以包括的是拒绝带宽，因为可能存在一个重要的角度范围，在该角度范围内透射率不能超过某个值，随后是一个“不关注”带宽，超出该带宽透射率对系统性能不重要。
4.例如在滤光器存在于图像路径位置的情况下，可能有必要保持透射波的光学质量。
5.上述要求的方位角相关性可能存在特定的公差，并且在某些情况下，上述具有最小的方位角相关性可以是重要的。
6.上述要求的波长相关性可能存在特定的公差，并且在某些情况下，上述具有最小的波长相关性可以是重要的。
7.滤光器可能存在于偏振相关性不重要的位置(例如，非偏振输入/输出)，或者系统可能有必要容纳特定的输入和输出偏振状态。
用于引入入射角(AOI)相关的透射率的重要元件是偏振光学件，该偏振光学件在厚度方向上的折射率与平均平面内折射率实质上不同。例如，C板(延迟器)具有各向同性的平面内折射率，其法线方向折射率高于或低于平面内折射率。当将C板放置在一对(例如，平行的)偏振器之间时，可以创建的AOI相关的透射率轮廓(取决于C板的光程差)是高度方位角相关的。由于C板光轴(OA)的投射方向被包含在入射平面中，因此仅当投射延迟为半波且投射OA与偏振器吸收轴成±45°时，才可以出现高对比度的透射率最小值。这意味着高对比度的角度滤波只能出现在对比度极坐标图的四个小区域中。本文所公开的技术试图扩大可在其上出现高对比度角度滤波的方位角空间。在一些实例下，目的是获得方位角不变的角度滤光器轮廓。
图1示出了本文所公开的单级角度滤光器的一些基本元件。一对平行线偏振器界定了一对外部四分之一波(QW)延迟器，其界定中央C板延迟器。虽然图中的椭圆表示负C板，但是正C板或负C板均有效。C板的延迟表示为Γ＝2πΔnd/λ，其中Δnd是光程差，并且λ是入射波长。系数ΔIn是平面内折射率与厚度方向折射率之差。
在更一般的意义上，本文所公开的C板由一对圆偏振器界定。这样，可以使用现有技术的任何圆偏振器来代替线偏振器QW延迟器组合。在图1中，本文所公开的圆偏振器可以具有相同的构造(即，相同旋向性)，其中分析CP与绕偏振器吸收轴线翻转的输入CP相同。本文所公开的圆偏振器单元的功能是使角度滤光操作均匀化，使得通常在方位角空间的仅四个极性取向中在它们缺失时通常可以出现的情况可以扩展到宽范围的方位角。
在上述的单个C板配置中，与方位角相比的快速下降主要由与POI方位角一致的投射OA的旋转决定。但是，应注意，本文所公开的技术可以具有附加的几何旋转，其可能需要在高性能配置中进行补偿。在简单的C板示例中，这典型地体现为对比极坐标图中的小方位角旋转。尽管对于偏振器之间的C板的示例，这对功能的影响相对较小，但在更复杂的配置中它可能是性能限制器。
基于偏振的角度滤光器可以使用为显示和光子学行业开发的偏振光学件进行工程化。潜在有用的构建块包括(例如)线片层偏振器，该偏振器使用确定染料/碘溶液的分子取向的拉伸的聚乙烯醇膜制成。还可以使用反射型的线偏振器，诸如Asahi-Kasei、Moxtek和来自3M的多层共挤型的线栅偏振器(wire-grid polarizers)。而且，可以使用基于晶体的偏振器，诸如Glan-Thomson偏振器。它还可以包括使用浇铸/挤出的聚碳酸酯、环烯烃聚合物膜等制造的线延迟器，将其加热并拉伸以产生规定的光程差。单轴平面内拉伸膜是常规的延迟器，其在两个入射波(Re)之间产生相位差。它还可以包括在本领域中也已知的双轴平面内拉伸的膜，以产生特定的平面内延迟(Re)和厚度方向的延迟(Rth)。其子集包括被双轴拉伸以具有零平面内延迟和规定的Rth值的C板延迟膜。本文所公开的技术还可以利用在平面内和在厚度方向上均拉伸的双轴膜来最小化Rth。普通聚合物当被拉伸时会产生增加的折射率(增加Rth)，但是某些聚合物当被拉伸时具有降低的Rth。前者可以产生负C板，后者可以产生正C板。还包括的是无机(晶体)材料，诸如石英、蓝宝石、铌酸锂等，它们是拉伸膜的替代物。这些材料可以具有正或负固有双折射。一些无机各向异性晶体被掺杂在聚合物中以产生特定的(例如，消色差)波长相关的延迟。C板还可以使用蒸发的薄膜涂层的堆叠体来制造。
可以使用双轴拉伸的延迟膜或适当切割/抛光的无机晶体(如c切割蓝宝石)的单层来制造C板延迟器。可能难以制造出Rth的延迟大于300nm的拉伸膜，因此可以完成多层的叠压以实现所需的值。可以以使用压力敏感的粘合剂(PSA)或溶剂接合的卷对卷的方式来叠压这些膜。C板延迟器也可以使用垂直(homeotropically)对准的液晶材料和可交联的反应性介晶(RM)材料生产。正C板通常由在厚度方向上均匀的垂直LC/RM形成。可替代地，高度扭转的LC结构可以相对于厚度方向折射率增加平均平面内折射率，从而使得可以形成负C板延迟器。四分之一波(QW)延迟器通常是通过拉伸膜或对准RM生产。当制造宽带角度滤光器时，色散控制的单层延迟器可以减轻与延迟误差与波长的关系相关联的性能影响。类似地，考虑到必须管理Rth对性能的效应，工程化的延迟器堆叠体可以提供类似的功能。在单色系统中，生产具有最优Re值的QW延迟器相对简单。示例性的QW延迟器可以附加地具有零Rth值，使得在所有相关的入射角处产生圆偏振。这可以使更多各向同性的角度滤波成为可能。当厚度方向折射率与平均平面内折射率匹配时，可以产生零Rth。通过若干设计示例来图示本文所公开的技术。这些设计使用严格的Berreman 4x4矩阵方法进行建模，该方法通过多层各向异性结构传播偏振矢量。
示例1：单级彩色低通滤光器
考虑期望的情况(即项目5以上)在可见波段上具有方位角不变的角度透射率函数。新型角度滤光器的简单形式如图1所示。它包括线输入偏振器、线分析偏振器、一对交叉的四分之一波(QW)延迟器(±45°)以及中央C板延迟器。近法线入射的输入QW延迟器负责生成偏振的圆形状态(SOP)，并且输出QW延迟器负责恢复输入线性SOP。C板延迟器负责引入入射角相关的延迟，该延迟在法线入射时为零，并以相对于入射角以规定速率增加。
C板延迟器的光轴垂直于基板，因此在法线入射时仅生成单个波且偏振态没有改变。当光偏离法线入射时，投射的光轴位于入射平面内，实质上不与方位角相关。当C板放置在具有在0或者90°处的吸收轴线的平行偏振器之间时，所有偏离法线入射角的透射率在这些方位角处保持统一。这是因为光轴投射到偏振器吸收轴上，并且仅生成单个波。但是，在±45°方位角上会生成两个实质上等幅的波，其中透射的SOP取决于入射角和C板的延迟。即，用于高对比度的空值的条件是振幅分割实质上为50：50，并且相位差实质上为半波。这描述了高度方位角相关的配置，这在某些应用中可能是不期望的。QW延迟器可以起到减少由中央C板延迟器延迟引起的透射率的方位角相关性的作用，使得0/90°方位角的透射率轮廓更接近±45°方位角的透射率轮廓。
图1的滤光器可以被认为是双束干涉仪，其中相位延迟随入射角增加。当两个生成的波的振幅近似匹配时，会出现最小透射点(在平行偏振器之间)，并且所引起的延迟表示设计波长处的半波(HW)。对于大于此的角度，透射率增加并且通常是振荡的，就像典型的双束干涉仪。考虑以下情况：(a)偏振器是理想的(沿吸收轴线的所有波长的透射率为零，而沿正交方向的透射率实质上统一)；(b)QW是在550nm处的无色散单轴四分之一波延迟器，并且；(c)允许(无色散的、负的)C板延迟变化。
图2a图示了当光法线入射时穿过每个部件后的SOP。在C板之后，偏振器/QW引入的LH圆SOP保持不变。第二QW恢复输入SOP，分析仪有效地透射光。图2b说明了以临界角θC引入光的情况，其中C板延迟和交叉的QW延迟器的组合产生投射延迟的HW。后者是指交叉的单轴QW延迟器贡献Rth延迟的QW的事实。在临界角处，C板反转圆SOP的旋向性，并且第二QW透射正交的线性SOP。以该角度，实质上所有的光都被分析偏振器阻挡。
图1(和图2)的滤光器可以通过庞加莱球上的三个变换序列来描述。第一种将赤道上的光变换为(例如)北极上的光。在近法线入射时，C板保持SOP不变，因此图2a的第二变换是微不足道的。第三变换重新追迹第一变换的路径，并且所有的光都通过分析偏振器透射。在临界角处(图2b)，C板沿着取决于入射平面的经度路径将SOP从北极变换到南极。第二QW将SOP从南极变换到赤道，与庞加莱球上的输入SOP径向相对(即正交偏振)。
图3示出了图1的配置中明视透射率最小的入射角与C板延迟的函数关系。自然地，随着基底C板延迟增加，该角度变得更小。同样，当C板延迟太低(典型地低于400nm)时，也不会产生光谱透射率最小值。假设平顶的输入光谱，所示的透射率对应于明视最小值。对于图中所示的所有情况，峰值明视对比度(即，明视透射率的倒数)近似相同，为33∶1。这种对比度限制是由于每个波长的HW延迟入射角均不同的事实。图3对应于入射平面平行于/垂直于偏振器的吸收轴线的方位角情况。虽然透射率是完全与方位角无关，但由于QW延迟器的几何旋转和色移而使得±45°方位角中趋于更强的泄漏。
引入离位(off-norma)的C板光程差可能实质上与波长无关。然而，相位延迟确定透射率，并且它与光程差与波长之比成比例。结果是，对于每个波长，角度滤光器的透射率轮廓离位都不同。如果材料具有显著的双折射色散，则波长相关性是组合的。色移可能会发生离位，并随着投射延迟在可见光中接近半波而增加。光谱透射率函数可以被认为是“滑动最小值”，其随入射角而红移。图4示出了使用具有600nm的光程差的C板的示例性明视透射率函数。由于透射率最小值的密度可能很高(33：1)，因此透射的色彩可能会相当饱和。这种色移可能在很小的入射角范围内显著变化，这在某些应用中可能是令人反感的。如前所述，图4示出对于大于临界角的入射角，透射率会增加。
示例2：单级消色差低通滤光器
使用图1的设计制作方位角不变的消色差角度滤光器有两个重要方面。第一方面是线SOP与圆SOP之间的映射，与入射角和波长无关，以便使方位角相关性均匀化。第二方面是经由与波长无关的C板引入相位延迟。这些目的可以直接使用色散控制的延迟器材料的单层，或间接地使用更常规的延迟器材料的堆叠体来实现。前者是指(例如)共聚物或RM产生的光程差随波长增加，从而使相位延迟在规定的光谱波带上更加均匀。后者是指例如由Pancharatnam首先描述的延迟器的消色差组合，其产生随波长增加的有效光程差。在当前实例下，进一步重要的是，当偏离法线地引入光时，这些解决方案中的任何一个都以指定方式表现。
对于示例2，考虑使用色散控制的延迟器材料进行图2的设计。光谱最小值的密度可以受QW延迟器的波长相关延迟的影响。也就是说，完美消色差的QW延迟器可以在对应于投射的C板延迟的HW的入射角处产生高密度光谱零值。当C板为彩色时，这可以增加透射的色彩的饱和度。考虑QW延迟器受色散控制的情况(参见表1)，但C板的光程差固定为600nm。
层 取向 n<sub>o</sub> n<sub>e</sub> d(微米)
QW1 45° 1.50+0.00006/λ<sup>4</sup> 1.51-0.00006/λ<sup>4</sup> 16.25
C板 - 1.51 1.50+0.0008/λ<sup>2</sup> 60.0
QW2 -45° 1.50+0.00006/λ<sup>4</sup> 1.51-0.00006/λ<sup>4</sup> 16.25
表1：用于消色差角度滤光器模型的参数。色散匹配的波长以微米为单位。
使用表1的参数，QW延迟器的延迟为0.21波(450nm)、0.26波(550nm)和0.23波(650nm)。这种匹配非常适合Teijin提供的用于拒绝OLED显示器中的背板反射的商业产品。图5示出了最小光谱透射率的波长与入射角的关系。它示出(对于该C板值)，零值在近似20°的范围内扫描大部分可见波段。表2示出了在相同角度范围内与滑动最小值相关联的大色移。
入射角 x y
50° 0.485 0.427
55° 0.528 0.359
60° 0.216 0.097
65° 0.167 0.142
70° 0.192 0.196
表2：对于600nm C板示例，色坐标与入射角的关系。
在还使用色散控制的C板，则可以大幅减少色移。使用表1的参数，C板的总延迟为0.81波(450nm)、0.80波(550nm)和0.75波(650nm)。图6示出了使用三层色散控制的设计的光通量透射率与入射角的函数关系。因为透射率轮廓的波长相关性大大降低，因此临界角处的对比度可能更高。与先前33∶1相比，此设计示出了增加到167∶1。
示例3：两级彩色低通角度滤光器
当需要特定的角度过渡带宽时，图7的滤光器是有用的，随后一定范围的角度的漏光受到限制。该滤光器是两级装置，其中可以通过使用所需的附加级增加附加的角度性能。类似于(例如，Lyot)偏振干涉滤光器，每一级可以具有独特的角度响应，其中复合透射率是两级的乘积。替代地，可以通过简单地使用具有相同C板值的冗余级来增加性能。注意到，此版本对于每个附加级都需要附加分析器。这可以是高透射率的碘偏振器，其内部透射率可以为97-98％，以最小化吞吐量损失。其他版本的滤光器从单级延迟器的堆叠体或混合多级滤光器中实现规定的角度性能。另外，可以使用如先前示例中所描述的色散控制的延迟器来实现多级滤光器。
对于图7的示例，一级的C板延迟为400nm，而第二级的C板延迟为700nm。图8示出了视光透射率(在偏振器吸收轴线的平面中)与入射角的函数关系。
示例4：单级高对比度单色低通角度滤光器
考虑与单色输入一起使用的低通角度滤光器，该滤光器需要在方位角空间中各向同性的滤光器轮廓。在这种情况下，选择任意波长(532nm)。在该示例中，使用示例性QW延迟器，其最优133nm Re和零Rth。任意选择700nm的负C板延迟，可得到约40°的截止50％角和近似60°的零值角。因为维持示例性的QW延迟，所以在这种情况下，性能受到几何旋转问题的限制。即，存在由于QW光轴与偏振器吸收轴线之间的角度的误差而导致最大对比度降低的方位角。为了校正这一点，可以在滤光器的一个或两个位置中引入几何补偿器。这可以在第一偏振器与第一QW延迟器之间、在第二QW延迟器与第二偏振器之间或两者之间。几何补偿器(GC)典型地用在显示器中，特别是用于校正平面内开关(IPS)模式LCD中交叉偏振器的漏光。如图9所示，一种版本是正A板(平面内具有OA的单轴延迟器)和正C板的组合。
图9的单级含有两个GC，每个GC在每个偏振器与QW之间是A板/C板组合。应用的校正使在所有方位角处出色的零值对比度成为可能，同时维持截止角的弱方位角相关性。表3示出了针对一些方位角的图9的设计的模型行为。由于滤光器轮廓具有非常平滑的行为的事实，因此对方位角的这种粗略采样是足够的。表3示出了50％的点在整个方位角都维持在1°内。它还示出了零值点维持在方位角的1.7°内，零值的对比度至少维持在10,000：1。如先前示例所示，透射率再次以大于临界角的角度上升。在需要阻带的更广泛覆盖范围的事件中，则可以使用两级(或更多级)版本。另外，如果滤光器需要在较宽的波长范围内(例如>30nm)操作，则可以需要对QW延迟器、可能C板进行色散控制。
Figure BDA0003096646410000111
表3：图9设计在几个方位角的性能。
示例5两级高对比度单色低通角度滤光器
图10示出了使用先前示例的设计原理的两级角度滤光器。在这种情况下，除了C板延迟在第一级为500nm、在第二级为700nm以外，各级结构相同。如前所述，示出了532nm的输入波长的结果。图11给出对数刻度透射率函数，示出了两级的乘积可以产生两个高对比度的零值。使用C板值的这种选择，这些零值之间的旁瓣维持在近似200∶1。如果增加第三级，将存在可用的附加的空值，其可用于增加角度覆盖范围、增加拒绝率或某种程度上两者的组合。图11示出了与以15°为增量的方位角对应的若干迹线。如单级情况，两级滤光器示出极好的方位角不变性。
示例6单级单色带通角度滤光器
新型角度滤光器不必限于低通配置。还启用了其他配置，诸如带通、高通和带阻滤光器。在示例6中，通过对图9的布置的修改来形成单级带通角度滤光器。修改的配置如图12所示，其中分析偏振器(与相邻的几何补偿器一起)旋转了90°，并且C板延迟增加到1,000nm。如示例6中，对比度极坐标图保持方位角不变性，因此图13中仅示出了单个方位角。圆环透射率轮廓示出了法线入射时的零透射率、49°处的完全透射率、以及另一个阻带以78°为中心。与以前一样，可以通过添加附加级来进行进一步的改进。例如，可以通过添加49°处也达到峰值但具有较窄轮廓的较高分辨率级来增加选择性。较高分辨率级的附加透射率峰值不重要，只要它们与较低分辨率级的空值重合即可。在滤光器的另一种版本中，可以通过减少C板延迟来实现高通配置。同样，可以通过使用一个或多个附加级来实现进一步的改进。
其他配置
还有其他方法，其中可以在对比度极坐标图中实现方位角不变性。在特定级具有方位角与透射率轮廓的相关性的事件中，可以将其与具有相似方位角相关性但具有位移(例如45°旋转)的另一级配对。在两级角度滤光器的一种配置中，几何补偿器引入方位角相关的Rth，该Rth将极坐标图从准圆形轮廓畸变为一个更矩形的轮廓。第二几何补偿器可以创建类似的畸变的矩形极坐标图，该极坐标图旋转了近似45°。系统极坐标图由来自每个级的极坐标图的乘积给出。该布置的益处在于，可以在两级中都使用单个C板延迟，以扩展拒绝的角覆盖范围，同时使方位角相关性均匀化。具体而言，两级的乘积可以创建具有准方位角不变性的极坐标图，但同时也具有两级滤光器的选择性优势。
可以修改图1的配置以适应特定的输入/输出偏振。例如，如果QW延迟器具有平行光轴并且偏振器交叉，则可以获得类似的角度响应。带通/高通角度滤光器的反射模式版本可以使用QW延迟器、然后C板延迟器、接着反射器来实现。此外，如果系统已经在圆偏振的基础上操作，则可以省去QW延迟器。通常具有手性(chirality)的某些光学部件(例如，胆甾醇液晶和布拉格偏振光栅)可以具有圆形本征偏振。
在需要透射率函数的更多的方位角控制(例如，方位角的非对称函数)的情况下，则可以用一个或多个O板延迟器来代替C板延迟器。O板的光轴是中间的(即，既不在平面内、也不垂直于基板的角度)。该O板的特性可以是近法线入射的更大的角度相关性。可以经由以指定的倾斜角切割晶体，或者(例如)经由将液晶聚合物相对于法线以特定角度对准来制造O板。
在图1的配置中，可以用A板(平面内单轴)和O板的组合替换C板。在法线入射时，A板延迟可以与O板的投射延迟相匹配，从而在法线入射时的SOP不发生改变。但是，O板的投射延迟会随入射角而快速变化，这当光轴倾斜角为±45°时最大。在这种情况下，当A板的总延迟为O板总延迟的一半时，复合平面内延迟在法线入射时为零。该配置给出了一阶延迟移位相对于与近法线入射的C板相关联的二阶延迟移位的关系。该配置的延迟移位在方位角上也是不对称的。
诸如本文所教导的那些角度滤光器可以在受益于入射角相关的透射率或反射率函数的任何光学系统中使用。这些技术的好处是，当部件放置在图像路径中时可以保持光学质量。这可以与结构化的光控制膜形成对比，这可能引入幻影图像和其他伪影。后者的示例可以包括全内反射棱镜、导光结构和体积全息图的阵列。
新型角度滤光器的应用众多；涉及可以在任何光学波段(UV到红外)中操作的系统。光学系统可以涉及成像，或者它可以与辐射计量系统相关联(例如，降低照明源的光展量)或限制接收器的光展量。光学系统改变了(例如)置于眼前的装置，以改进真实世界的图像质量以及诸如虚拟现实系统之类的合成图像。角度滤光器可以用于近眼部的应用，诸如太阳镜(例如，作为渐变涂层的替换)，以减少过多的定向光(例如，来自太阳/天空)。图14中所示的示例是一副太阳镜或夹式附件，其可能实质上减少位于视锥外的光线的透射率。透射率的减弱在视觉上可能不明显的，但是衰减可能实质上减少(例如)导致杂散光疲劳和不适的定向照明光。这表示在现有技术太阳镜中使用的梯度反射/吸收涂层的替代例，该梯度反射/吸收涂层依赖于透镜位置与入射光的到达角之间的对应度。唯一地，本文所公开的技术是空间不变的，并且仅基于到达角来衰减光。
另一个应用是图像捕获，如图15所示。相机(例如DSLR、移动电话或电影摄像机)利用用于在CMOS传感器上形成高质量图像的多元件镜头。在某些情况下，将诸如遮光罩或梯度折射率涂层的装置放置在镜头的输入处，以阻挡创建伪影(诸如耀斑)的定向光。可以将新型角度滤光器放置在光具组的各个位置，以实现相似的功能，但具有空间不变性。
另一个应用是在显示器中，诸如移动电话、移动计算装置、台式监视器和电视。环境光通常是性能限制器，明亮的定向照明从显示装置的表面镜面反射。图16示出了观看者与显示装置之间的角度滤光器。例如，在有机发光二极管(OLED)显示器中，经常将圆偏振器(偏振器，随后宽带四分之一波延迟器)放置在显示器上方，以消除从背板镜面反射的环境光。但是，CP的性能可能在大入射角时不稳定，从而导致降低对比度的漏光。所示的角度滤光器在第一表面上具有宽带抗反射涂层。角度滤光器的插入损耗可能非常低，因为它涉及仅向显示器添加一个附加偏振器。这样，根据视角需求，显示器的光有效地透射穿过具有设计的减弱函数的角度滤光器。从背板镜面反射的环境光通过了角度滤光器两次，从而平方化透射率函数，并且改进了关于图像光的拒绝能力。
图17示出了在显示器(例如LCD)与背光单元之间角度滤光器的使用。背光单元可以具有广角(朗伯型)发射，而观看者可能需要小得多的发射角。角度滤光器可以使发射逐渐减弱，使得观看者接收到具有足够亮度和均匀度的图像，而在此范围之外发射的光会被强烈衰减。

Claims (30)

1.一种角度滤光器，包括：
输入圆偏振器；
分析圆偏振器；以及
延迟器，定位在所述圆偏振器之间，所述延迟器具有厚度方向的延迟。
其中，选择所述延迟器的厚度方向延迟(Rth)以产生规定的入射角相关的透射率函数，并且
其中，所述圆偏振器减少所述透射率函数中的方位角相关的量。
2.根据权利要求1所述的角度滤光器，其中，所述圆偏振器分别由与四分之一波延迟器组合的线偏振器构成。
3.根据权利要求2所述的角度滤光器，其中，所述线偏振器中的每一个是吸收式偏振器、反射式偏振器或晶体偏振器中的一个。
4.根据权利要求2所述的角度滤光器，其中，所述分析圆偏振器是绕所述偏振器轴线翻转的输入圆偏振器。
5.根据权利要求2所述的角度滤光器，其中，所述四分之一波延迟器具有反向色散，使得红色的光程差大于蓝色的光程差。
6.根据权利要求2所述的角度滤光器，其中，所述四分之一波延迟器具有Rth＜Re/2。
7.根据权利要求2所述的角度滤光器，其中，所述四分之一波延迟器具有Rth＝0。
8.根据权利要求2所述的角度滤光器，其中，所述偏振器是平行的，并且所述四分之一波长光轴以±45°交叉。
9.根据权利要求2所述的角度滤光器，其中，所述四分之一波延迟器是拉伸聚合物、反应性介晶延迟器或晶体延迟器中的一个。
10.根据权利要求1所述的角度滤光器，其中，所述延迟器是C板、O板或双轴延迟器中的一个。
11.根据权利要求1所述的角度滤光器，其中，所述延迟器具有Rth＜0或Rth＞0。
12.根据权利要求10所述的角度滤光器，其中，所述延迟器是幅度|Rth|＞400nm的C板。
13.根据权利要求1所述的角度滤光器，其中，所述透射率函数是低通滤光、带通滤光或高通滤光中的一个。
14.根据权利要求13所述的角度滤光器，其中，在50％的透射角中的方位角的变化小于±10％。
15.根据权利要求13所述的角度滤光器，其中，在50％的透射角中的方位角的变化小于±20％。
16.根据权利要求2所述的角度滤光器，其中在所述输入线偏振器与所述四分之一波延迟器之间、在所述分析线偏振器与所述四分之一波延迟器之间或两者之间放置几何补偿器。
17.一副眼镜，包含根据权利要求1所述的角度滤光器，其中，所述角度滤光器具有减少杂散光量的规定的角度相关的透射率函数。
18.一种图像捕获装置，包含根据权利要求1所述的角度滤光器，其中，所述角度滤光器具有用于减少杂散光量的规定的角度相关的透射率函数。
19.一种显示装置，包含根据权利要求1所述的角度滤光器，其中，所述角度滤光器具有用于减少所述显示器反射的杂散光量的规定的角度相关的透射率函数，减少背光单元的光展量或两者。
20.一种辐射计量系统，其中，出于减少光展量的目的，将如权利要求1所述的角度滤光器放置在接收器路径、照明路径或两者中。
21.一种串联布置的两级角度滤光器，包括：
第一级，包括：
第一输入圆偏振器；
第一分析圆偏振器；和
在第一圆偏振器之间的第一延迟器；
第二级，包括：
第二输入圆偏振器；
第二分析圆偏振器；和
在第二圆偏振器之间的第二延迟器；
其中，选择所述第一延迟器的厚度方向延迟(Rth1)和第二个延迟器的厚度方向延迟(Rth2)以产生规定的入射角相关的透射率函数，并且
其中，所述圆偏振器减少所述透射率函数中的方位角相关的量。
22.根据权利要求21所述的角度滤光器，其中，所述圆偏振器由与四分之一波延迟器组合的线偏振器构成。
23.根据权利要求22所述的角度滤光器，其中，所述第一级的分析圆偏振器和所述第二级的输入圆偏振器共享公共线偏振器。
24.根据权利要求23所述的角度滤光器，其中，所述偏振器全部是平行的，并且所述第一级和所述第二级中的四分之一波长光轴以±45°交叉。
25.根据权利要求21所述的角度滤光器，其中，所述延迟器是C板、O板或双轴延迟器中的一个。
26.根据权利要求25所述的角度滤光器，其中，所述第一延迟器和所述第二延迟器是幅度|Rth|＞400nm的C板。
27.根据权利要求21所述的角度滤光器，其中，所述透射率函数是低通滤光、带通滤光或高通滤光中的一个。
28.根据权利要求21所述的角度滤光器，其中，50％的透射角中的方位角的变化小于±10％。
29.根据权利要求21所述的角度滤光器，其中，50％的透射角中的方位角的变化小于±20％。
30.根据权利要求22所述的角度滤光器，其中，在一级或两级中，在所述输入线偏振器与所述四分之一波延迟器之间、在所述分析线偏振器与所述四分之一波延迟器之间或在两者之间放置几何补偿器。
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