TW200912386A - Non-etched flat polarization-selective diffractive optical elements - Google Patents

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TW200912386A
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Taiwan
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polarization
liquid crystal
plane
phase
grating
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TW097124916A
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Kim Leong Tan
David M Shemo
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Jds Uniphase Corp
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Description

200912386 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明一般係關於繞射光學元件，而且特定言之係關於 非蝕刻及扁平偏振選擇性繞射光學元件。 此申請案主張2007年7月3曰申請的美國臨時申請案第 60/947,690號之優先權，該申請案係以引用之方式併入本 文中。 【先前技術】 已積極研究編碼於以可程式液晶（LC)為基礎的空間光調 變器（SLM)上之繞射光柵以及較複雜的薄全像圖為改變一 光束之波前的方式。例如，此等LC/SLM可用於合成相位 陣列或電信光束操縱開關中的適應性光學相位校正。該等 LC/SLM係通常基於透射或反射型微顯示面板以便提供小 像素間距要求。利用具有LC指向矢之平面内（例如，使用 向列LC及鐵電LC的平面内切換（IPS))及平面外（例如，平 面或平行對準（PA)及垂直對準（VA)向列LC)旋轉的LC。若 採用二個相位位準組態全像圖，則鐵電LC(FLC)為偏振不 敏感的。偏振不敏感性對光源具有未知或擾亂偏振的系統 (例如電信網路中使用的光束操縱開關）可能係較重要。另 一方面，因為平面外切換向列LC(例如，PA及VA向列LC) 係瞭解為偏振敏感的，所以記錄於此等LC/SLM上的全像 圖一般需要一已知偏振。因此，此等類型的LC全像圖通常 132686.doc 200912386 僅可在偏振光源的光學系統及儀器中使用。 儘管編碼於LC/SLM上的可程式薄全像圖係極通用的， 但是此等主動組件對於許多應用並非成本有效的。另外， 此等可程式薄全像圖係瞭解為提供相對較小操縱角。例 如，最先進的矽上LC(LCoS)面板可具有小於1〇 μηι的像素 間距，其在0·5 μηι的波長下並利用每光柵週期最少二個像 素來提供約1.4度的最大光束偏轉角。所有其他可程式全 像圖輸出（例如，稱為播放）將具有更小的偏轉角。
不過，一直對形成基於此等主動裝置的被動繞射光柵或 全像圖感興趣。例如，在美國專利第6,3〇4,312號中，藉由 在二個透明基板之間注入液晶單體而形成一繞射光柵，採 用對準層塗布該等基板之每一者。在一個範例中，該對 準層係均勻的而且藉由施加電壓於提供在該等透明基板上 的圖案化電極來實現該繞射光栅。在另—範射，採用_ 圖案化對準層(例如使用光微影技術加以圖案化)來實現該 ㈣光柵。在對準液晶層之後，聚合並交叉連結該等層^ 固定對準。應注意此參考中的液晶聚合物像素係限於具有 垂直對準(即，垂直於基板)或平面對準(即，平行於基 板報告所得二進制光栅(例如，具有約的間距)以： 供僅約百分之四十的繞射效率。 更近地’已建議具有更小像素間距（例如，i陣或更短） 的圖案化光對準層。例如’在美國專利第7,375,784號中揭 不-微圖案化對準層。雖然對準層係限於僅具有垂直對準 (即’垂直於基板）及平面對準（即，平行於基板），但是液 132686.doc 200912386 晶可與-範圍的平面外角度對準。更明確而言，液晶之本 地對準係陳述為藉由底層垂直對準及平面對準區域之平均 面積來決定。遺憾地，因為液晶之對準係與不同區域之平 均值相關，所以其不能採用精度加以圖案化並因此不適合 於許多應用。 ° 事實上’為了最佳化精度及成本效益，需要被動全像圖 的大多數應用使用具有實體段差的繞射光學元件。遺憾 地，用以形成此等繞射光學元件的蝕刻及/或模製程序係 相對較複雜且耗時的。另外，表面起伏結構—般需要複雜 光學薄膜塗布程序以保護精密結構。 有利的係提供製造薄膜光柵或全像圖之方法，其係相對 簡單、低成本及/或適合於較廣範圍的應用。 【發明内容】 本發明係關於一種採用薄液晶聚合物層形成繞射光柵及/ 或全像圖之方法。在-具體實施例中，在已採用線性偏振 光以非正常入射透過光罩所照射的一對準層上形成一薄液 晶聚合物。在此具體實施例中，圖案化該光罩以便光係採 用不同能量密度入射在該對準層之不同區域上。有利地， 採用不同能量密度照射的該對準層之每一區域在塗布於其 上的液晶聚合物之覆蓋區域中提供一不同平面外傾斜角。 因此，輕易地採用精度形成具有零與九十度之間的複數個 傾斜角之一全像圖。因此，為較廣範圍的應用輕易設計相 對較複雜全像圖結構。另外，因為液晶聚合物膜係在單一 基板上塗布並且圖案化而無需蝕刻及/或模製，所以所得 132686.doc 200912386 全像圖係扁平的而且能以低成本加以提供。 本發明亦係關於使用此等非蝕刻及扁平（NEF)全像圖形 成的繞射光學元件，其中液晶(LC)平面外傾斜採用預定方 式隨橫向空間座標而變化。在一具體實施例中，所得 薄繞射光學元件在沿一給定方位平面對準的全像圖之每— 像素中具有LC指向矢。包含LC指向矢分佈的平面亦為傾 斜平面。冑沿傾斜平面偏振的光線受連續地或採用像素化 方：所編碼之可變數量的阻滯之影響。可變數量的阻滞係 與橫向空間座標成函數關係的可變光學路徑長度調變之表 現相反地，沿正交於傾斜平面之方向偏振的光線僅取樣 γ通折射率而不管LC指向傾斜。缺少可變光學路徑長度調 變而且此正交偏振本質上經歷零階光柵。換言之，此等高 效率光栅係偏振選擇性的。對於第一線性偏：，入射光： 經允許繞射至非零階位置；而對於第二正交線性偏振，入 射光線並未繞射而且其光能量係保存在零繞射階内。 本發明亦係關於NEF繞射光柵及/或全像圖在各種應用中 的使用。 依據本發明之一態樣，提供一種偏振選擇性繞射光學元 件，其包含··—基板；—對準層其係佈置在該基板上； 以及-液晶聚合物膜’其係佈置在該對準層上，該液晶聚 合物臈包括平行於一第一平面對準的複數個液晶指向矢， 該::平面係垂直於該液晶聚合物膜之—表面，該複數個 液曰4向矢之一平面外傾斜以一預定圖案隨橫向空間座標 而變化’選擇該預定圖案以便該液晶聚合物膜形成一偏振 132686.doc 200912386 選擇性相位全像圖，因此透過具有相對相位延遲的該液晶 聚合物膜之第一及第二空間不同區域來透射具有一第一偏 振的線性偏振光以提供非零階繞射輸出’而且透過具有實 質上零相對相位延遲的第一及第二空間不同區域來透射具 有一第二偏振的線性偏振光以提供零階繞射輪出，該第一 偏振係平行於該第一平面，該第二偏振係正交於該第—偏 振，第-區域包括一第一液晶指向矢，第二區域包括一第
二液晶指向矢，該等第一及第二液晶指向矢具有不同平面 外傾斜。 據本發明之另-態樣’提供-種製造偏振選擇性繞射 光子兀件的方法’丨包含：採用線性偏振uv光透過光罩 二斜角照射—對準層；在該照射對準層上塗布-液晶層， 忒液S曰層包括一液晶聚合物前驅物；照射該液晶層以形成 -液晶聚合物膜，該液晶聚合物膜包括平行於一第一平面 對準的複數個液晶指向矢，該第一平面垂直於該液晶聚合 勿：之-表面，該複數個液晶指向矢之一平面外傾斜以一 =圖案隨橫向空間座標而變化，選擇該預定圖案以便液 曰曰聚合物膜形成-偏振選擇性相位全像圖，因此透過具有 相對相位延遲的該液晶聚合物膜之第一及 =透射具有-第-偏振的線性偏振光以提二 :而且透過具有實質上零相對相位延遲的第—及第二 零繞：區域來透射具有一第二偏振的線性偏振光以提供 =射輪出，該第一偏振係平行於該第一平面 二 偏振係正交於該第-偏振，第—區域包括—第—液晶指向 132686.doc -10- 200912386 2 ’匕第-區域包括—第二液晶指向矢’該等第—及第二液 晶指向矢具有不同平面外傾斜。
-根據本發明之另—態樣，提供_種偏振選擇性繞射光學 疋件，其包含：一基板；一液晶層，其係藉由該基板以具 有已採用有限數目的不同液晶指向矢對準加以編碼的像素 區域之-陣列的薄平面膜之形式來支樓，其中每一像素區 域中的液晶指向矢對準在整個像素中係實質上均句且永久 的，其中每-像素區域中的液晶指向矢對準位於垂直於該 基板之-表面之-共同平面中，以便給予—相位延遲至入 射在料列上平行於㈣液晶指向矢之該平㈣振的線性 偏振光而且對人射在該陣列上垂直於該等液晶指向矢之該 平面2振的線性偏振光實質上沒有相位延遲影響，而且其 中預定像素陣列中的相位延遲之配置、像素大小以及像素 形狀，以便該液晶層提供用於平行於該等液晶指向矢之該 平面偏振的光之非零階繞射輸出以及用於垂直於該等液晶 指向矢之該平面偏振的光之零階繞射輸出。 根據本發明之另一態樣，提供一種光學拾取單元，其包 含·-光源’其用於發射具有—第一偏振的線性偏振光； 一準直透鏡，其用於校準線性偏振光；一物鏡，其用於將 校準的線性偏振光聚焦於一光碟上；一四分之一波板，其 係佈置在該準直透鏡與該物鏡之間以提供四分之一波阻 滯，以便從該光碟反射的光係朝該第一透鏡透射為具有一 第二偏振的線性偏振光，該第二偏振係正交於該第一偏 振，以及一偏振選擇性繞射光學元件，其係佈置在該準直 132686.doc 200912386 透鏡與該四分之-波板之間，該偏振選擇性繞射光學元件 匕括基4反#置在该基板上的一對準層以及佈置在該對 準層上的一液晶聚合物臈，該液晶聚合物膜包括平行於一 第一平面對準的複數個液晶指向矢，該第一平面係垂直於 該液日曰聚合物膜之一表面，該複數個液晶指向矢之一平面 外傾斜以-預定圖案隨橫向空間座標而變化，選擇該預定 圖案以便5亥液晶聚合物膜形成一偏振選擇性相位全像圖， 其中佈置該偏振選擇性繞射光學元件以便該第—偏振係垂 直於該第-平面偏振的偏振而且以便該偏振選擇性相位全 像圖為具有第-偏振的線性偏振光提供零階繞射而且為具 =第二偏振的線性偏振光提供非零階繞射，該非零階繞射 提供二束偏轉，其係足以重新引導具有第二偏振的線性 偏振光遠離該光源並朝向一偵測器。 【實施方式】 在沿光柵向量之厚度斷面圖的圖】中解說一先前技術薄 液晶⑽全像圖結構。光柵向量係藉由繞射效應分散光的 平面。其亦為1D光柵或全像圖的像素化方向。全像圖$包 括-基板！，其上佈置具有不同方位Lc指向矢定向的像素 之一陣列。四個離散方me指向矢定向係顯示為n、 12 13及14。更明確而言’顯示Lc^射率指示線於圖平面 ㈤平面）上的㈣。像素11使其投影指向矢平行於又軸對 準:而像素13使其投影指向矢平行於丫軸對準。另外二個 狀態’即像素12及14,使其投影指向矢包含在乂丫平面内 但並非平行於軸二者。全像圖元件5亦包括爾層堆 132686.doc 12 200912386 鲞2及3以有助於透射效率。 在操作中’沿ζ軸20入射的光線係藉由該全像圖在空間 上取樣’其中空間相位編碼使光束以角度22操縱為輸出光 線2 1。應注意，取決於全像圖設計除2丨以外的其他繞射 階亦可出現在輸出中。該輸出亦可包含零階（未繞射）光， 作為繞射無效率之結果。 此先前技術LC之一關鍵特徵係將所有像素組態為具有 可變LC指向矢方位定向的八板（即，使其異常轴定向為平 行於層之平面的光學阻滯元件）或〇板（即，使其異常軸定 向為與層之平面斜交的光學阻滯元件換言之，在[^指 向矢之平面外傾斜中不存在變化❶參考圖lb，顯示橫跨數 個像素之LC指向矢方位定向中的變化。四個離散像素狀 態，即11、12、13及14,使其LC指向矢分別相對於全像圖 向量25以0、45、90及135度近似對準。 應注意圖la及lb中所解說的全像圖組態係偏振敏感的。 特定言之，預期對於一個圓形偏振，四個像素狀態代表逐 漸超前的相位分佈並因此光將朝一個方向操縱。對於圓形 偏振之相反左或右手習慣，同一四像素編碼代表逐漸延遲 的相位分佈並且光係操縱至對稱階。然而，雖然kLC光柵 係偏振敏感的，但是其並非偏振選擇性的。不能完全關閉 繞射效應，即使具有對傳入偏振的完全控制。二個圓形本 徵偏振始終播放至對稱圖案。其他偏振（線性或一般橢圓） 係一個圓形狀態的組合並因此播放至二個圓形偏振輸出之 某混合物。沒有輸入偏振選擇能夠將所有光功率保存在未 132686.doc -13- 200912386 繞射階_。 參考圖2a及2b，其顯示依據本發明之—具體實施例的一 偏振選擇性全像圖。圖2a係沿光拇向量倒斷面圖。全像 =30包括—基板31，其上佈置連續變化或像素化LC層4〇。 ，像圖元件30亦包括AR塗層堆#32及33以有助於透射效 率。藉由將不同像紊中 J像京肀的LC#曰向矢與可變數量的平面外傾 斜對準，同時維持一均勾方位定向來提供偏«擇性。四 個離散像素狀態41、42、43及44係顯示為分別具有近似 0 33.6、53.1及90度的平面外傾斜角。在標稱人，⑽ 曰通折射率〜及異常折射率〜數值分別係1 ^及 以便此四個像素引起相對於A板組態像素41的每單 位長度之[0 -0.0461 ·〇〇92ι ·〇ΐ382]相位差。對於 近似2.17_似膜厚度，此四個像素提供[0、π/2、π、 破]相位編碼，其係四位準唯相位全像圖的最佳離散狀態。 在操作中，沿Ζ軸人勒& & & 于的X偏振輸入光50係採用偏轉角 5 2操縱至主要繞射階5 1 座 尤耵P白51。應注意，取決於全像圖設計，除 51以外的其他繞射階亦可出現在輸出中。由於繞心效率 之結果，該輸出亦可包含零階（未繞射）光。經由正 偏振輸入（例如Y偏振），LC全像圖3Q呈現無光學路經長产 調變。此先並未繞射而且係包含在零階輸出中。換古之= 藉由組壯C全像圖為可變傾斜編碼像素之一陣列，使薄全 像圖變為^振選擇性的。經由—個線性偏振，該 繞射=正交線性偏振，該全像圖成為高度透明的。 參考圖I傾斜平面46係平行於全像圖向量45。系列黑 132686.doc 14 200912386 暗箭頭指示有效平面内雙折射。更-般而t，該全像圖向 量規定光線繞射所處的方向，而傾斜平面規定看見LC全像 圖的線性錢。繞射⑽㈣㈣平行於傾斜平面對準。 正交於傾斜平面的線性偏振係未繞射的。 參考圖2C ’其顯示依據本發明之另-具體實施例的一偏 振選擇14全像圖。在此具體實施例中，LC全像圖35之全像 圖向量45a係平行於㈣，但是傾斜平面偏係選擇為具有 與全像圖向量的方位值狡 万位偏移57。因此，平行於傾斜平面46a 偏振的光線係沿平行於光柵向量術的—平面繞射。應注 意’雖然每一像素中的-r . 、的LC私向矢之平面外角度在像素之間 變化，但是LC指向矢之方位角在像素之間係相同的。 參考圖3其顯示用於製造依據本發明之一具體實施例 的一扁平錢刻偏振選擇性繞射光學元件（例如，全像圖） 之系統。光學設置60包括用於支撐製造中裝置65的一底 座、一線性偏振紫外線（LPUV)光曝光系統70以及一光罩 75製&中裝置65包括一基板66，其上沈積線性光可聚合 (LPP)對準層67。LPUV曝光系統7G包括UV光源71、一準 直透鏡72以及—uv偏振器73。光罩75經圖案化用以採用 預定方式提供變化位準的光至對準層。特定言之，光罩75 經圖案化用以提供變化位準的能量密度至對準層以與橫向 空間座標成函數關係。在一具體實施例中，光罩75係一可 變透射光罩。在另一具體實施例中，光罩75係一可變大小 孔徑光罩。 在操作中，光源71以一斜角提供LPUV光至基板66之表 132686.doc -15- 200912386 面。在此具體實施例中，光源係顯示為相對於水平基板而 傾斜。在其他具體實施例中，該基板係相對於該光源而傾 斜非垂直LPUV光入射及其能量密度劑量誘發對準層” 中的一變化，其使隨後沈積的LCP前驅層中的LC指向矢以 斜角（以某方位角在該基板之平面外傾斜）而對準。在此 具體實施例中，UV偏振器73經定向用以採用高透射率來 透射平行於圖平面（例如，其為入射平面）偏振的1;¥光。取 決於LPP材料之化學性，此組態將通常導致隨後沈積的 LCP層之LC指向矢在平行或正交kLPUVa射平面的一方 位平面中對準。LC指向矢的實際平面外傾斜絲決於遞送 至LPP對準層能量密度劑量。因為光罩乃以預定 圖案提供各種能量密度至對準層67，所以產生具有可變平 面内阻滯的空間可變傾斜Lcp膜。儘管[。指向矢之平面外 傾斜採用預定方式橫跨該膜而變化，但是£(：指向矢之方位 角係恆定的，如（例如）在圖沘及“中所解說。例如，在一 具體實施例中，LC指向矢係沿單—方位平面但採用可變傾 斜角而均勻對準。—旦LPP層係採用此方式曝露於LPUV， 則在對準層上塗布液晶聚合物前驅物之薄層。此層係接著 曝露於uv光(例如，其不必加以偏振)以交又連結Lcp前驅 物並以預定斜角固定LC指向矢。因此，此方法允許繞射光 栅及較複雜的薄全像圖編碼於藉由單—基板所支擇的薄 LCP層上’以提供適合於大範圍的應用之穩定繞射光學元 件。另外，因為LCP膜僅需要藉由單一基板加以支樓所 以薄卿偏振選擇性繞射元件係輕易地與其他光學元件整 132686.doc ' 16 - 200912386 合0 應注意此製造技術已參考LCP前驅物說明，該前驅物係 較佳地與一隨後UV照射交叉連結以將其轉換為lcp。_般 地，LCP層可使用LPP及該技術中已知的液晶化合物之任 一者來形成，其後者可與UV照射及/或以熱方式聚合及/或 交又連結。例如在一具體實施例中，在玻璃基板上藉由在 環戊酮中旋塗2 wt%的LPP溶液來形成LPP層（例如，以 3 000 RPM在60秒内）以獲得5〇 nm厚的對準層。在其他具體 實施例中，使用另一塗布方法（例如導線塗布、凹版塗 布、狹縫式塗布等）來形成LPP層。通常包括桂皮酸衍生物 及/或阿魏酸衍生物的LPP層在該技術中已為人熟知。依據 本發明’ LPP層將為用以在隨後施加的lc或LCP層中產生 平面外傾斜的類型。可從R〇lic(Allschwil，CH)公司購得 適合於形成LPP層的各種化合物》在一具體實施例中， LPP塗布玻璃係在透過光罩加以lpuV照射之前在預定溫度 (例如，180度）下於預定時間（例如，5分鐘）内烘烤。在一 具體實施例中，在二個步驟程序中照射Lpp。在第一步驟 中，該層係曝露於線性偏振光而無需光罩（例如，透過標 準孔徑，以在所有位置處設定最低傾斜角）。在第二步驟 中’該層係透過光罩曝露於線性偏振光（例如，以在對應 於光罩之透射區域的選擇位置處設定較高的傾斜角）。在 此具體實施例中，與僅在第一照射步驟中曝露的區域比 較’遞送的總能量密度（即劑量）於在第一及第二照射步驟 中曝露的區域中將係較高。一般地，所需要的能量密度及 132686.doc •17· 200912386 照明波長將取決於LPP材料。一般地，能量密度通常係在 30至300 mJ/cm2之間，而波長範圍通常係在280與365 nm 之間。在以上所示的具體實施例中，光罩經圖案化用以提 供變化數量的能量。在其他具體實施例中，光罩係相對於 該基板移動以提供變化數量的能量。在每一情況下， LPUV之入射角通常係在20與60度之間。如以上所說明， 照射的LPP層係用作隨後塗布的LCP層之定向層。在一具 體實施例中，採用包括液晶聚合物前驅物的液晶材料形成 LCP層。例如可包括可交叉連結二丙烯酸鹽向列液晶化合 物的LCP前驅物材料在該技術中已為人熟知。依據本發 明，LCP將為近似回應於誘發LPP層的傾斜之類型。可從 Rolic(Allschwil，CH)公司購得適合於形成LCP層的各種 LCP前驅化合物。在一具體實施例中，LCP前驅層係旋塗 於LPP層上作為苯曱醚中的15 wt%溶液。在其他具體實施 例中，使用另一塗布方法（例如導線塗布、凹版塗布、狹 縫式塗布等）來形成LCP層。所得LLP/LCP裝置係接著通常 在預定時間内烘烤（即退火）以促進LCP與LPP對準層的良好 對準。有利地，咸信LCP層之隨後光化學交叉連結以在高 功率照明及短波長雷射曝光下提供改良可靠性。 圖4中顯示LPP/LCP系統的LPUV曝光劑量之回應曲線之 一範例。實線繪製與LPUV劑量密度成函數關係的平面内 雙折射。在建立可變阻滯劑的情況下，LPUV劑量密度對 應於橫向空間座標。藉由將完全LC指示線投影於裝置平面 上來獲得有效平面内雙折射。具有增加LPUV能量密度的 132686.doc -18- 200912386 =低有效雙折射指示平面外LC指向矢傾斜隨Lpuv能量密 度而增加。在圖4中將LC指向矢傾斜输製為虛線。
一般地，取決於預計應用來圖案化光單75。在—具體實 :二，光罩75經圖案化用以採用像素化方式提供變化能 ㈣度至對準層^在其他具體實施财，光罩Μ經圖串 化用以採用連續分級方式提供變化能量密度至對準層67。 在-具體實施例中，該等像素係週期性的(例如，以規則 間隔在另-具體實_中，該等像素係非週期性的（例 如，隨機Μ預定圖案）。有利地，光罩75之使用允許Up 層採用大量相位輪麻位準並採用增加精度加以圖案化。在 一具體實施财，光罩75_案化用以提供二個位準的相 位輪廓。在另-具體實施例中，光罩75經圖案化用以提供 二個以上位準的相位輪廓。一般地，纟多數應用需要至少 4個位準的相位輪廓以便提供合理繞射效率。以下說明繞 射效率上的相位輪廓之位準。
最簡單的薄全像圖為規則光柵，其中光栅週期具有與不 同相位位準一樣多的像素。唯相位光柵亦稱為基諾形式 (kin〇f〇rm)。繞射表達式預測所位準光柵產生p階繞射輪 出’其具有下列效率η/ :
其中 sinc(x)係 sin(x)/x，sinyohi 以及户= _.._2w+1、_所+1 1、w+1、2/«-1、…。 户階繞射角受下列控制： 132686.doc •19- 0) 200912386 sin(〜) =亨， Λ (2: 其中λ係照明之波長而且八係光拇週期（即，間距）。取下列 小角度近似值（例如，sin⑼〜θ)及聚焦長度/之傅立葉 (Fourier)變換透鏡： ” (3) 而且冰係像素間距，以上 2w
其中Δχ係繞射輸出之空間平移 表達式能歸納為： Δχ = σ·^ 及(Δχ，Δ_ν) = (σ，Γ)^ι， ^ 分別用於1D及2D全像圖播放，其申（σ，τ)代表零階複製區 域内的部分全像圖主要繞射階位置，而且灿係光學軸中 心的實體大小（例如，參見K.L. Tan等人，，，光學互連的動 態全像術II.具有每一繞射階之可預測位置及密度的選路全 像圖”，·/. 敲J，18⑴，第2〇5至215頁， 2001)。分數階位於±1/2複製區域内。採用此記號，從全像 圖產生解耦空間取樣及複製（即，全像圖記錄裝置及全像 圖播放之假影）。對於每一光柵記錄，除非所有所位準相位 段差係出現在光柵中而且總可用相位範圍係27i*(w_l)/w， 並且每一編碼單元具有i 00%像素填充工作循環比率，否 則第一播放階之繞射效率將低於等式（1)中所預測的繞射效 率。 假定LC全像圖記錄及播放操作係理想（無損失）的則數 132686.doc • 20- 200912386 個唯相位光柵的理想第一階繞射效率係提供如下： 讲=2、ηι=40·5%、w=4、ηι = 81.1〇/0、w=8、η】=95 〇%、 w-12、1^ = 97.70/^:^ 及 W=16、1=98.7。 (5) 因此，對於高效率全像圖播放，不同相位位準的數目應 該係大於8。 ~ 圖5中解說四位準唯相位全像圖。頂料圖代表沿傾斜 平面的LC指向矢定向之側視圖。為平面外極角傾斜輪廓的 Ο 底U顯不實現無損失四元相位全像圖所需要的離散傾 斜段差。此組態係通常稱為_1/4部分播放，因為光係主要 操縱至離中心播放複製内的零階之左側的1/4距離。展現 不對稱播放的此σ=· 1 /4偏振選擇性週期性相位光罩（例如， 光柵）繞射具有平行於圖平面之線性偏振輸入並對正交線 性偏振係透明的光。如以上所說明，此四位準全像圖係預 期在第-繞射階中產生最大81%的繞射效率。為了增加繞 射效率’需要較多相位位準。在不損失一般性情況下單 '編碼元件能代表為LC指向矢，其係相對於ζ軸傾斜成角 並包含在ΧΖ平面内。參考圖6， “ *号圖6 Lc^向矢81與Z軸形成極 角偏移心。藉由削e提供LC指向矢平面外傾斜㈣。 從說明折射率橢圓體的二 人寺式，藉由於ΧΥ平面80上的 投影以及沿Ζ軸85的投影苻矣巫品免 鼾Π “代表千面内〜及平面外“效折 射率。糟由下列提供此等有效折射率： r_____-一 J . \f7t I kb)]2、⑷]2，以及 1 cos2(^), ， 132686.doc (6) 200912386 _1__sin2fe) cos2fe) ⑺
[nc{0,-,X)f [ne(A)f kW 其中⑽)权(λ)係單軸材料之異常及普通折射率的差量。 根據超前相位，相對於八板對準像素（㈣），等式⑹提供 隨平面外傾斜之增加的相位斜坡之非線性增力”圖7中緣 製相對於Α板組態像素的相位差（即，ΜΘι;λ)-〜(λ))。從 該繪圖可看出，與LC傾斜〜56.7。對準的編碼像素產生每單 位長度的相位差·〇·1。換言之’ 2㈣像素高度提供相對於 Α板像素的200㈣相位超前。此在_⑽情況下提供需 要的π相位攸差。能從每單位長度的相位對傾斜角輪廓組 態多位準相位全像圖中通常需要的線性相位斜坡。 $考圖8及9a至c，其顯不具有二個相位位準的薄偏振選 擇性全像圖之各種具體實施例。圖8顯示編碼為交替八板/C 板像素的二進制LC全像圖。頂部繪圖代表—側視圖，其沿 傾斜平面的LC指向矢定向顯示。底部繪圖顯示平面外極角 傾斜輪廓。此σ=±_1/2偏振選擇性週期性相位光罩（例如， 光柵成供對稱㈣並繞射具有平行於时面之線性偏振 輸入並對正交線性偏振係透明的光。如以上所說明，此二 位準全像圖係預期在第—繞射階中產生最大4() 5%的繞射 效率。為了增加繞射效率，需要較多相位位準。應注意此 王像圖以給疋最小像素大小提供最高頻率編碼能力。在以 上說明的計算中使用同—LC材料的情況下，此全像圖僅為 .45 μιη厚，其足以建立具有完全匕匸雙折射的^相位段差。 此二進制LC全像圖之影像可呈現為一系列條紋，如圖知中 132686.doc -22- 200912386 所示。在此具體實施例令，明亮條 黑暗條紋代表π相位像素。在| 表〇相位像素，而 紋代表π相位像素，而黑暗條體實施例中’明亮條 LC極角傾斜具有π相位之光學路0相位像素(即’二個 扣光束操縱全像圖之一具體實施此2圖外，其顯示 光至X及Y方向二者的最 棋盤式全像圖操縱 達曼⑽麵贿）光柵之一具體實施例。1入圖/，不父又 上如其沿X方向操縱光—樣遠地操縱光二f ®在向 二進制全像圖範例中，已假定該：-人。：所有三個 操作。ΤΕ及ΤΜ波的有效折射率像：純夏繞射域内 士访, 午不又像素化的影響。相反 在整個全像圖内係均勾的而且可以或可以不與m或 2叫 呆縱平面之任一者相符的全像圖編碼内的傾斜平面規定 全像圖因其而繞射的線性偏振以及全像圖因其而為透明的 正交線性偏振。
依據本發明之-具體實施例的偏振選擇性全像圖之一個 應用係光學拾取單元（0PU)。例如，考量圖1〇中所解說的 先前技術OPU系統。0PU 100包括半導體雷射源11〇之一陣 列，其輸出係在空間上藉由一偏振光束組合器（pBC)立方 體陣列130多工，藉由透鏡系統16〇校準，藉由漏鏡14〇摺 疊，並且經由第二物鏡元件161成像（聚焦）於旋轉碟片媒體 15 0上的單一 ”凹坑"區域。漏鏡允許小部分（例如5%)入射 光束能量流出並經由另一透鏡元件165聚焦於監視器光二 極體（PD) 175上。半導體雷射源11 〇之該陣列係顯示為3個 離散雷射二極體（LD)，包括λ=4〇〇 nm情況下的第一 LD 132686.doc -23- 200912386 111、λ=660 nm情況下的第二LD 112以及λ=78〇 nm情況下 的第三LD 113。自LD 110之該陣列的輸出實質上得以線性 偏振（例如，相對於PBC直角三角形斜邊表面的"s "偏振）。 線性偏振光束穿過低規格偏振器120之一陣列，該等偏振 器在藉由陣列13〇中的第一PBC 131、第二pBC 132及/或第 三PBC 133朝雷射空腔反射正交偏振光線的情況下保護 來源110免於不合需要的回授。 在操作中，該等LD來源之每一者中的主要光束係沿共 同路徑1 80朝碟片媒體1 5〇内的資訊層（IL)操縱。在到達消 色差四分之一波板（qWP)145之前，該光束實質上得以線 I·生偏振。消色差QWP 145將線性偏振（LP)變換成圓形偏振 (cp)，其左或右手習慣係取決於消色差Qwp 145之光學軸 的定向（例如，對於給定S!P偏振輸入p在此範例中，在 ”s"偏振係輸入至消色差QWP 145的情況下，若消色差 QWP 145之光學軸（即，慢軸）係相對於pBC之p平面以45〇 反時針（ccw)對準（例如，假定直覺RH_XYZ座標系統，同 時觀看達到觀察者的光束），則產生左手圓形偏振。當旋 轉碟片媒體150係預記錄光碟（CD)或數位多功能碟片 (DVD)時，在存在一記錄凹坑之實體壓痕的情況下，一凹 坑與其周圍”平台”之間的光學路徑長度差以1/6至1/4波引 起破壞性干擾（例如，至少部分）並減少藉由定位在pBC立 方體陣列130之第二埠處的主要光二極體丨7〇所偵測的光。 在缺少一凹坑時，不存在破壞性干擾而且光在從初始3偏 振至P偏振雙穿過之後將藉由消色差Q wp】45有效地變 132686.doc •24· 200912386 換，以便實質上相同的光功率朝pBc立方體陣列13〇返 回。 當旋轉碟片媒體150包括每碟片（例如DVD雙層（DL)碟 片）之單一側一個以上資訊層時，二個江層之間的分離通 常係在20至30 μΐΏ之間以便減小存取該碟片時的相干串 擾。儘管輕易地調整物鏡161以聚焦於需要的山深度上， 但疋此重新聚焦引起球面像差。對於帶具有約〇 6數值孔 徑（ΝΑ)並利用650 nm的照明波長之物鏡的DVD舊有系統， IL深度中的變化可能並不關鍵。然而，在其他格式（例 如’藍光（BD)及⑤清晰度（HD)-DVD)中，NA中的對應增 加（例如，BD的0.85 ΝΑ)以及照明波長中的減小（例如，近 似405 nm)在將高ΝΑ物鏡重新聚焦於第二IL深度上時引起 約200至300 ιηλ的球面像差（例如，對於具有帶~15的折射 率之近似20 μιη間隔物層的雙層碟片格式）。存在減小此像 差的各種方式。例如，通常機械地調整複合物鏡中的元件 及/或調整準直透鏡之位置以改變輸入光束至物鏡的聚散 度。或者，已建議各種非機械像差校正方案。
參考圖11 ’其顯示包括非機械像差校正的一 OPU之一個 範例（即’其係類似於美國專利第6,947,368號中建議的 OPU系統）。在此圖中，採用相同數字參考類似於圖丨〇中 所說明的元件之元件。除圖1 〇中所說明的光學組件以外， 圖11中的OPU 200亦包括一主動切換LC單元210及一非週 期性相位光罩220 ’其係插入在準直透鏡1 60與物鏡161之 間的平行光束區段中。應注意準直透鏡ΜΟ係定位在PBC 132686.doc -25- 200912386 1 3 1前面而非後面。
在操作中，藉由PBC 1 3 1偏轉90度的光束係相對於pbc 直角二角形斜邊平面S偏振。此光束穿過主動lc單元210 以便輸出二個正交線性偏振之一（例如，相對於pBC直角三 角形斜邊的S偏振及p偏振（亦分別平行於丫軸及又軸））。取 決於LC的操作模式，用於產生一給定輸出（例如圖丨丨中所 示的S偏振）的電性驅動狀態（開啟或關閉）能係不同的。採 用一 90度扭曲向列LC單元，必須驅逐該單元以產生與輸入 相同的偏振輸出。採用一 VA向列LC單元，在不驅動該單 元的情況下獲得與輸入中相同的偏振輪出。其他Lc模式 (例如FLC及IPS向列LC)需要適當電壓驅動文變偏振或維 持傳入光束之偏振。 在圖11中，s偏振輻射係呈現至相位光罩22(^相位光罩 220包括蝕刻於雙折射層或雙折射基板中的一系列實體段 差 叙地使用光微影及乾式/濕式触刻技術達到此等 實體段差的製造。在一具體實施例中，相位光罩22〇之蝕 刻段差係曝露於空氣。在另一具體實施例中，藉由填充從 圖案化iM木用一等向性材料蝕刻所獲得的空氣間隙來形成 相位光罩220 ’該材料可以或可以不擁有與雙折射媒體主 要折射率之一相同的折射率。在此具體實施例中空氣/ 雙折射相位光罩22〇具有平行於p平面（例如，圖^工的圖 平面）對準的均讀轴定向而且將段差高度組態為空氣的 2π相位跳變以及〜折射率。因此，當S偏振透過相位光罩 220透射時’其給予相位調變。當允許ρ偏振（未顯示）穿過 132686.doc -26 - 200912386 LC單元2 1 0時，相位光罩係不主動的。
當物鏡係在標稱焦點（例如，以深度〜1〇〇 聚焦於内資 訊層154上）時，LC單元210透射Ρ偏振光（未顯示），其穿過 四分之一波板145並經由透鏡163反射回而且聚焦在偵測器 170上。當讀取/寫入至外資訊層153(例如，以~8〇 深度） 時，重新聚焦物鏡。重新聚焦而不改變達到物鏡的光束之 聚散度引起球面像差。為了減小球面像差，當從標稱值改 變聚焦位置時使用LC單元210以透射s偏振。s偏振取樣相 位光罩220中的„。折射率，以產生所需波前。 應注意相位光罩220係包括一系列環形區的表面起伏結 構（SRS)。例如，考量圖12中所解說的先前技術相位光罩 250 ’其具有-中心參考相位區。雙折射材料使其光學轴 252沿X軸對準。傳入S偏振光束253係與γ軸對準。在傳入 光束取樣該相位光罩内的空氣片段時，該傳入光束代表相 對於中心環形區的相位超前。當聚焦距離係從~i〇〇 恢 復至〜80 μηι IL深度時在聚焦光束中情況係相反的。圖13 中顯示橫跨ΧΖ斷面251的相位輪廓。要求指示為接近於 以的總相位範圍之範例減小謂波前像差，作為從近似 200 d至〜40 g的聚焦變化之結果。校正的波前像差在操 作波長情況下受繞射限制。 再久參考圖11 ’與LC開關21〇組合的#刻相位光罩22〇允 許二個偏振狀態為在碟片上存取資訊層所取決於的波前像 差而選擇性地校正。對於—认— 、、、°疋彳示稱物鏡焦點（至内或外 資訊層），當實施重新平隹Ddt i ^焦時相關聯像差之補充相位輪廓 132686.doc -27- 200912386 此編碼於該相位光罩上。藉由切換LC單元輸出偏振，採用 包含在繞射極限内的波前像差存取每一資訊層。 遺憾地，因為相位光罩22〇通常係藉由蝕刻雙折射元件 來製造，所以其—般係考量為相對昂貴的光學元件。依據 本發明之一具體實施例，在非機械像差校正方案中使用採 用預疋相位輪廓編碼的一光固化LCp層（例如，藉由使用參 考圖3說明的斜光對準技術圖案化有效平面内雙折射而形 成）。 參考圖14，其顯示依據本發明之一具體實施例的一 〇PU 則之示意圖。在此圖巾，採用相同數字參考類似於圖 及η中所說明的元件之元件。應注意提供—非㈣及扁平 (NEF)LC相位光罩3 i 〇代替傳統蝕刻相位光罩22〇。 在操作中，校準光束係作為s偏振231透過PBC 131之反 射埠耦合於共同路徑中。LC開關210將5偏振轉換為正交P 偏振232(例如，相對於pBC直角三角形斜邊）。此p偏振係 平行於圖平面而且亦平行於薄NEF 位光罩31〇之均勻 方位定向。該NEF相位光罩具有與光瞳位置成函數關係的 可變LC平面外傾斜。有效異常折射率隨[(：指向矢傾斜而 改變。因此，藉由組態LC傾斜來修剪光學路徑長度。在主 動相位校正情況下，當以不同於已將物鏡組態為無像差情 況下的第一資訊層之深度來存取第二資訊層時，p偏振採 用建立與改變物鏡之標稱聚焦點相關聯的互補相位輪廓所 需要的方式不同地取樣每一編碼像素之相位。在非主動相 位校正情況下，採用自LC單元（未顯示）的第二線性偏振輸 132686.doc •28- 200912386 出，該光束取樣〜折射率而不管每一編瑪像素内的傾斜。 LC全像圖係透明零階光柵而且不影響該光束之相位預調 /r/r 即 〇 此預調節光束接著橫過四分之一波板145，其將第一線 性偏振232轉換成第一圓形偏振233。在資訊層中反射之 後，獲得第二（相反左或右手習慣）圓形偏振234 ^此光束係 藉由四分之一波板145再次轉換為第二線性偏振235。相位 校正在第一行程中係主動的但是相位校正在第二行程中係 不主動的且反之亦然，取決於LC單元切換。第二行程相位 才父正無關緊要，因為該光束並非在至光偵測器途中緊密地 重新聚焦。 圖15中顯示橫跨光瞳座標的LC指向矢傾斜輪廓。繪圖 (a)顯示二個最大傾斜情況：7〇及9〇度的平面外1^指向矢 傾斜，以便產生如圖13中所示的離散段差相位輪廓。計算 波長係400 nm而且在此波長下，普通折射率〜及異常折射 率〜數值分別係i ·61及丨.75。需要的LC膜厚度係近似〖％ 卜也及！·” μιη以分別建立具有7〇度及9〇度最大傾斜的丨以 最大相位範圍。此膜係極薄而且其具有橫跨孔徑的恆定實 體厚度。橫跨光瞳的極角分佈提供相位 矢（亦稱為慢軸）係沿-共同平面（例如沿給定^中^ 平面）對準。圖15之繪圖（b)中解說數個離散像素沿χζ平面 (亦j爯為傾斜平面）的LC指向矢輪廓。再者，中心環形區具 有精由LC膜之〜折射率提供的一參考相位。從光瞳中心向 外發展，該相位藉由取樣“膜的〜與〜之間的—有效折射 132686.doc •29- 200912386 率而初始地超前，直至以最大傾斜（70度或90度）對準該Lc 的區#7。超出此環形區以外，至中心區的相位差藉由減小 LC傾斜而朝光瞳之極限逐漸地減小。圖丨5之繪圖中顯 示有效LC折射率指示線投影，其係沿正交於傾斜平面的一 平面。因為此係一垂直平面，所以較長指示線像素提供用 於正常入射光線的較低有效阻滯並因此提供超前相位對較 短指示線像素。
在參考圖14說明的具體實施例中，在非機械像差校正方 案中使用依據本發明之一偏振選擇性全像圖。有利地非 週期性光罩3 1 0在橫跨通光孔徑的層厚度中係均勻的。當 單軸LC之光學軸係與斜傾斜對準以及需要平面及垂直對準 時，相位光罩310可用於液晶單元21〇以提供偏振選擇性波 如相位杈正或總透明度。有利地，偏振選擇性相位光罩 3 10與藉由具有高偏振純度的雷射二極體光源方便地提供 之線性偏振一起作業。因此，偏振選擇性相位光罩3 並 不需要在四分之-波板145之後加以定位，其中圓形偏振 光的純度之缺乏可能會減小繞射效率。 在其他具體實施射，依據本發明之—偏振選擇性全像 圖係用作-OPU中的光束操縱元件。例如，考量圖16中所 解說的先前技術0明統_，#中偏振選擇性週期性光 柵❻提供類似於圖10中所解說的PBS立方體130之功能。 在類似於日本專射請㈣_a_2_，174614及美國專利申 請案第2_/G239171號中建議之系統的此系統中 栅㈣係料㈣自雷f的_有角度 132686.doc •30- 200912386 上）分離自光碟的返回光束。特定言之，光栅41〇利用膽固 醇型液晶之反射頻帶邊緣附近及有機染料之吸收頻帶邊緣 附近的較大光學旋轉功率差量以優先繞射需要的圓形偏振 至±1P白（例如，亦為用於二進制週期性光柵的±1階），同時 對正交圓形偏振係透明的(例如，存在很少繞射至不存在 繞射，而且光大部分地顯現在零階中）。 OPU系統400包括一共同封裝雷射二極體及偵測器模組 305模組305之雷射二極體區段朝準直透鏡162發出發散 光束，該準直透鏡產生第一線性偏振231之平行光束（即， 其基於解說㈣而顯示為正交於圖平面、線性偏振231係 在穿過四分之一波板145之後轉換為第一圓形偏振233。對 於具有相反左或右手習慣作為圓形偏振輸入的優選膽固醇 型螺旋扭曲，此圓形偏振233不受週期性光柵4丨〇的影響。 接著藉由尚NA物鏡161將該光束聚焦於碟片媒體15〇上。 更明確而言，該光束係聚焦於該碟片中的資訊層153上， 該碟片係採用保護層152覆蓋並佈置在基板151上。自該碟 片的反射會改變圓形偏振的左或右手習慣以便反射光束 234具有與第一圓形偏振相反的第二圓形偏振。因為此第 一圓形偏振具有與膽固醇型螺旋扭曲相同的左或右手習 慣’所以該光束係藉由返回行程中的膽固醇型/等向性週 期性光柵410所操縱。當在一第二時間内透過四分之一波 板145透射該光束時’會產生第二線性偏振236(例如，其 係正交於第一線性偏振）。取決於操作的光柵間距及波 長，藉由角度320依據光柵等式（2)偏轉返回光束。藉由透 132686.doc -31- 200912386 鏡162將角偏轉轉換為允μ />t. 俠局工間偏移，從而產生光束偏移Δχ 32卜 換έ之，偏振選擇性週期性光柵41〇用作全像分光器， 其在正向傳播方向上並不提供光束操縱以便保存透射至碟 片15〇的光束能量，而且在反向傳播方向上提供光束操縱 以便從輸入光束分離資訊承載光束。雖然此方案係有希望 的，但是存在與偏振選擇性週期性光栅41〇相關的數個缺 點。首先，週期性光柵41〇之波長選擇性意指多波長〇ρυ 系統（例如，圖1〇中所解說的之僅一個波 長能經組態為在給定圓形偏振下繞射或非繞射。因此，為 使全像分光器在BD/DVD/CD系統中作業’其必須採用三 個光栅層加以設計。此添加成本及重量，此違背減小組件 大小之目標。應注意，波長選擇性很可能與光柵在膽固醇 型反射頻帶邊緣附近作業的事實相關。偏振選擇性週期性 光栅410之第二缺點係其與圓形偏振光一起作業。在— OPU系統中，圓形偏振光係僅可用於四分之一波板145與 碟片150之間。另外，光栅41〇之功效係取決於四分之一波 板之後產生的圓形偏振光之純度。一第三缺點係通常藉由 圖案化並蝕刻一基板，並且通常藉由填充蝕刻基板來製造 週期性光柵410。如以上所說明，此等製造技術係通常耗 時且相對較高成本的。另外，當採用另一材料填充蝕刻表 面時’很可能的係填充材料之折射率將不與橫跨所有重要 波長頻帶的雙折射光柵之折射率匹配。在非繞射情況下， 膽固醇型像素及等向性像素通常沒有相同的折射率值而且 132686.doc -32- 200912386 所有操作波長下不合需要的圓形偏振之完全抑制可能不可 行。一第四缺點係可達到的光柵解析度通常受到限制。例 如’考量在美國專利第2006/0239171號中所提供的第一範 例。在此範例中，在膽固醇型LC具有甚高線性雙折射（例 如’ Δη=0·2)的情況下’ 4x4矩陣模型化圓形雙折射係近似 0.04(例如，λ=660 nm情況下的π相位段差以及8·8 μιη之二 進制光柵的實體段差高度）。此大段差會影響可達到的光 柵解析度。例如，為了建立1 μηι像素寬度，需要9:1的縱 檢比（尚度與寬度比）’此使得敍刻步驟較困難。對於較高 效率多位準相位光柵，需要的相位光柵可接近2π，從而需 要更大的縱橫比。換言之，先前技術係在實務上限於具有 較粗光柵解析度的二進制相位光柵，其並非有效率的而且 具有較小操縱角。 參考圖17，其顯示依據本發明之一具體實施例的一 〇ρυ 5〇〇之示意圖，其中提供偏振選擇性週期性[(：：繞射光柵5ι〇 以取代圖16中使用的偏振選擇性週期性光柵41〇。此非钱 刻及扁平@£[)1^繞射光柵510利用可變傾斜[〇?膜以建立 可變阻滯劑元件之一陣列。所有光柵之慢軸係在同一方位 平面中對準，但是具有不同數量的極角傾斜。 在操作中，共同封裝雷射二極體及偵測器模組3〇5朝準 直透鏡162發出發散光束，該準直透鏡產生第一線性偏振 231之平行光束（即，其基於解說目的而顯示為正交於圖平 面）。此線性偏振23 1係正交於偏振選擇性Lc全像圖5ι〇之 傾斜平面。因為LC全像圖對此線性偏振係透明的，所以透 132686.doc •33· 200912386 射光係包含在零階中而且係在穿過四分之一波板i45之後 轉換為第-圓形偏振233。接著藉由高數值孔徑（NA)物鏡 161將該光束聚焦於碟片媒體15〇上。碟片15〇上的反射會 改變圓形偏振的左或右手習慣並且在返回之後，光束234 上有光束233之第二（相反）左或右手習慣。第二圓形偏振接 者在一第二時間内穿過四分之一波板145以提供一第二線 性偏振236。&第二線性偏振係藉由返回行程中的偏振選 擇性LC週期性光栅510操縱。取決於操作的光柵間距及波 長，返回光束係藉由角度320依據光柵等式（2)偏轉。藉由 透鏡162將角偏轉轉換為空間偏移，從而產生光束偏移Δχ 321 ° 與以上說明的先前技術圓形偏振選擇性光柵41〇形成對 比，偏振選擇性LC週期性光栅51〇選擇性地為一全像圖及 一透明裝置，取決於線性偏振輸入的狀態。與隨等向性填 充光柵410交替的近頻帶邊緣膽固醇型之窄頻帶特性形成 對比’偏振選擇性LC週期性光柵5 1 〇可在相對較寬頻帶内 操作。 舉例而言，圖18中解說簡單光柵結構，其預計為藍光碟 片（BD)或高清晰度（HD)-DVD/DVD/CD OPU系統之三離散 波長操縱光至僅第一繞射階。LC全像圖傾斜輪廓係組態為 以中間波長660 nm的無損失唯相位光柵。藉由改變連續像 素中的LC傾斜來組態相位斜坡。在設計波長66〇 下，16 位準相位光柵跨越0至1 5π/8而且每一編碼像素係假定為具 有寬度1 μηι。採用以上說明的LC材料，若可用〇至9〇度傾 132686.doc -34- 200912386 斜的完全範圍，則LC膜厚度係5·9 μηι。在較長78〇11111波長 下，LC混合物的自然差量會產生小於以相位斜坡。此波 長下的全像圖繞射將具有零階未繞射光輸出。相反地與 較短完全波光學路徑差要求耦合之較短4〇〇 nm波長的增加 雙折射會產生λ-400 nm情況下接近4π的相位斜坡。此意指 第一階繞射角對於所有三個離散波長係近似相同的（例 如，在λ=400 nm下，波長係接近λ=78〇 ηηΐ2波長的一半， 但是其空間光柵週期亦係NIR光栅之空間光柵週期的一 半）。圖19中顯示用於平行於LC傾斜平面之偏振輸入的薄 LC光柵之角頻譜。設計波長通道具有近似％%的第一階繞 射效率（DE)。其他二個光通道具有近似88%的第一階DE。 另外，當輸入偏振係正交於LC傾斜平面時，全像圖表 現為任何照明波長下的零階光栅。若確保偏振純度並且排 除外部AR損失，則零階光栅可能係無損失的。 在美國專利申請案2006/0239171中，其二進制膽固醇型/ 專向性光柵的總厚度係近似1 〇 pm(例如，其係類似於以上 說明的5.9 μηι)。然而’對稱播放意指第一階de係最多 4〇% °在一些其他波長頻帶中，報告的理論DE係由於以染 料為基礎的材料之相位編碼無效率而小於丨〇%。採用先前 技術中與實行光微影及蝕刻的需要耦合之低圓形雙折射， 縱松比約束將不准許數個以上的相位段差。此外，採用此 方式製造的單一光柵將不准許同時操縱多個通道，因為圓 形雙折射係得自接近於吸收/反射頻帶邊緣。 有利地’偏振選擇性全像圖5丨〇的使用解決以上說明的 132686.doc •35· 200912386 先前技術問題(例如，不充分的相位調變、嚴重的縱橫 比、低繞射效率、多個通道操作之缺乏、材料之蝕刻 等）。
參考圖20，其顯示依據本發之一具體實施例的一 600之不意圖，其中為週期性光柵的第一NEF薄全像圖 用作全像分光器，而且為非週期性光罩的第二nef薄全像 圖3 10在物鏡係重新聚焦於非設計資訊層深度上時預調節 讀取/寫入光束之波前。在此具體實施例中，第一51〇及第 二310 NEF薄全像圖分別如參考圖17及14所說明而發揮功 能。碟片15〇係顯示為包括第一資訊層153及第二資訊層 154，其係佈置在基板151上並與間隔物層155分離。 之另一具體實施例的一 參考圖21 ’其顯示依據本發明 OPU 700之示意圖，其中一NEF薄全像圖71〇係用以使少量 的返回光束流出。在商用0PU系統中，少量返回光束係頻 繁流出以便追縱該碟片媒體上的螺方走溝槽、藉由碟片麵曲 誘發的散光、及/或碟片以一角度的放置對讀取/寫入光 束。流出光束係通常成像至多個元件陣列式偵測器。允許 實際信號光束穿過主要光二極體。在此方案中，lc全像圖 設計可尋求包含零階内的主要光束並允許小部分（比如％ 光進入一或多個播放階。〇PU 7〇〇經由pBC ΐ3ι之反射埠 發出雷射二極體輸出之一或多個通道至共同路徑。在第一 行程中並非藉由偏振選擇性LC全像圖71〇繞射s偏振。在 返回订程中，將該偏振轉換為平行MLC全像圖之傾斜平面 的偏振。現在設計並編碼LC全像圖以播放較大零階。因 132686.doc •36- 200912386 此’共同封裝偵測器陣列705包括用於偵測主要信號的主 要光一極體721以及用於偵測循轨光束的一或多個輔助光 偵測器722。能（例如）藉由故意地提供不充分的相位範圍來 凡成此突出零階播放。理想相位範圍（例如，可用於像素 編碼的第一至最後相位段差之差）係以”…丨）/所，其中所係 相位位準的數目。例如，無損失二進制及四元唯相位全像 圖需要π及1.5兀相位範圍。藉由下列提供零階未繞射光（例 如’幾何中心播放的總和）及所有高複製中心：
其中Φ係可用於編碼最多至所個位準的相位段差之總相位 範圍sinc(x)_sin(x)/x而且sinc(0)=l。對於二進制相位全 像圖，直流未繞射光部分係cos2(〇/2)。二進制全像圖可以 係最適合於一 0PU中的循執目的，其中對稱播放階可用於 偵測幾何偏斜而且大多數光必須包含在零階中（即，其中 繞射階不必係有效㈣）。例如，若9G%的光係保持為零 階，則二進制光栅僅必須具有〜37度的相位調變。在理想 編碼條件下，包括0及37度相位段差的相等像素寬度，土第 一階能預期基於循軌目的產生約4%的光輸出。在其他具 體實施例中’偏振選擇性LC全像圖可經組態用以播放信號 光束至第一繞射階及循軌光束至其他播放階。 在以上說明的具體實施例巾，偏振選擇性薄lc全像圖 132686.doc •37· 200912386 為一個線性偏振提供相位映射並為正交線性偏振顯現為透 明。例如，在一具體實施例中，相位映射係校正非週期性 波前映射的像差。在另一具體實施例中，相位映射係提供 光束操縱的週期性光栅或全像圖。在此等具體實施例中， 藉由分離地安裝在對應0PU系統中的單一基板來支撐偏振 選擇性薄LC全像圖。如以上所說明’亦可以藉由另—光學 元件來支撐偏振選擇性薄LC全像圖。例如，參考圖21，偏 振選擇性薄LC全像圖710可與四分之一波板145整合。 >考圖22依據本發明之一具體實施例的複合偏振選擇 性裝置11〇〇包括上面佈置一 LC全像圖1〇1〇的基板9〇1。 王像圖1 01 0包括經圖案化用以實現光束操縱的數個像素 1011、1012、1013、1014。IX傾斜平面係對準為平行於 XZ平面，以便平行於χζ平面的線性偏振得以光束操縱， 而平行於Υ軸的線性偏振不受影響。在基板901之相反側上 沈積具有一或多個雙折射材料層的四分之一波板112〇。 QWP 1120之慢及快軸係通常以相對於X或γ軸的±45度對 準。因此’所示的指示線丨丨21係完全指示線於圖平面上的 投影°裝置1100亦包括光學AR塗層902及903以增強總透 射。在參考圖22說明的具體實施例中，qwp係整合在該基 板之相反侧上。在另一具體實施例中，QWP係整合在與 LC全像圖相同的該基板之側上，在lc全像圖層以上或以 下。不管組態，當此複合元件丨丨〇〇係用在一 〇pu(例如參考 圖21說明的〇pu)中時’其較佳加以定位以便lC全像圖係 在該OPU之線性偏振片段内。 132686.doc -38- 200912386 在操作巾，平行於z軸920入射的光束係在空間上藉由 中的編碼相位輪廓所調變。退出光束從鏡面方向偏離 較小角度。該光束穿過QWP 1120,其將線性偏振轉換為 圓形偏振。此光束接著退出該裝配件為具有偏
921。 J 參考圖23，其顯示依據本發明之另一具體實施例的一複 纟偏振選擇性裝置1200。此複合裝置1200包括LC全像圖 r, ι〇10其係佈置在-反射器1203上，該反射器係依次佈置 在透月基板901上。採用AR塗層902塗布該LC全像圖之 相反側。 在操作中，傳入光束92〇係透過裝置12〇〇透射以便波前 係在朝該反射器的第一行程中取樣，並且在其從該反射器 的返回中第二次取樣。因此，需要的相位範圍係、透射^光 柵裝置的半。輸出光束1221係朝具有較稠密像素（即， 具有A板或光栅週期内的〜折射率之像素）的角方向操縱。 對於與圖17中所解說的透射LC光柵裝置500相同的Lc全像 圖組態（例如，相同像素大小、相位範圍、每一像素中的 相位編碼及操作波長），裝置1200將操縱二次為較大繞射 角。然而，應注意可能不會維持繞射效率，因為雙行程提 供具有更少相位段差的效應。 在以上說明的具體實施例中，NEF薄LC全像圖用作線性 偏振選擇性光束操縱裝置。當組態為單一光點高效率光柵 播放時，LC全像圖透射未受影響的普通波並藉由較小角操 縱異常波。角偏移係近似波長與光栅間距長度的比率（等 132686.doc •39- 200912386 式2)。在可見及NIR波長頻帶内並採用實務微米大小像 素，一 16像素光栅能經組態用以採用>98%效率操縱主要 光束至約2度（8111-1(0.55/16)為操縱角）。此離散角卜&1匕_〇££ angel)之量子可用於許多應用。 參考圖24，將一高效率LC光柵用作獨立光束操縱裝置 1300。裝置1300包括用於支撐一LC光柵膜1310的一透明基 板1319。LC光柵膜1310包括複數個像素，其具有按需要藉 由配置LC平面外傾斜所實現的修剪相位輪廓。相位像素 1311之一係顯示為具有C板光學對稱性。像素1312之另一 者係顯示為具有A板光學對稱性。中間像素（例如，在Η。 與131 2之間）係顯示為組態為具有〇板光學對稱性的像素。 在操作中，光1320之一未偏振光束係入射在裝置13〇〇之 左側上。光1320之該未偏振光束包括平行於LC傾斜平面偏 振的相等數量之光以及正交於LC傾斜平面偏振的光，如藉 由1321所才曰不。在光132〇之該未偏振光束穿過^光拇 時，正交於LC傾斜平面的線性偏振取樣光拇像素之。波折 射率並且係透射為未受影響。此。光束退出為具有垂直於 Z平面η"之線性偏振的咖。另—方面，平行於⑽ 線性偏振取樣光柵像素之有效e波折射率。光栅 ，”行位：廟建立—差動相位波前，其操me波至 屯且古P 十面之方向的非零輸出角。e波】340退 出八有平行於傾斜平面 p丄 深Γ生偏振1341之LC光柵裝置 。藉由〗345提供操縱角。 不必係平行於光栅工應，主忍，—般地，傾斜平面 平面。傾斜平面選擇繞射線性偏 132686.doc 200912386 振，而光柵向量選擇繞射平面。 顯著地，此單—級LC全像圖裝置1300係在功能上等效 於由二個晶體横塊製成的先前技術若雄（Rochon)偏振器。 圖25中顯不右雄偏振器之示意圖。晶體偏振器1350包括— 第一楔塊1360，其係與其平行於標稱光束方向的光學軸對 準，以及一第二楔塊1361，其係與其正交於圖平面的光學 軸對準。具有平行及正交於圖平面的偏振成分之光線輸入 1370取樣普通折射率，同時透過第一楔塊傳播為未改變。 在楔塊邊界處，平行於圖平面的線性偏振繼續取樣第二楔 塊中的普通折射率並因此退出偏振器為未受影響（不改變 偏振及光束方向）。正交於圖平面的另一線性偏振取樣第 二楔塊中的異常折射率。在使用負單轴晶體材料的情況 下，折射率值中的所得降落意指光線係從法線折射至楔塊 邊界。第二線性偏振係操縱至一角度，同時退出該偏振 器。若該等楔塊係由在λ=55〇㈣情況下具有”。及〜折射率 [/•66及1.49]的方解石晶體製成，則計算大雙折射以提供 第二楔塊内約7度的光束操縱，其係等效於空氣中的約 度。顯著地’已計算依據本發明之各種具體實施例的咖 繞射光學元件以為1 μηι像素寬度之16相位位準產生約2 度。雖然此光束操縱並不大，但是NEF繞射元件提供大孔 徑及薄波形因數之優點。 依據本發明之一具體實施例的一偏振選擇性全像圖之另 一應用係外部空腔雷射中的光束操縱元件。在外部空腔雷 射系統中’通常將一線性偏振器用以優先選擇發射雷射偏 132686.doc -41 · 200912386 振。該偏振器吸收/尺虹 射不口茜要的偏振並允許需要的偏 振在退出空腔之前繼嬙士… T而罟的偏 ，續構建彺返程放大。有機吸收偏振器 ^缺乏對高功率操作的可靠性要求。以反射型線栅為基 、偏振器建立其他問題’例如格柵清理及金屬層吸收。 參^圖26 ’ ―外部空腔固態雷射系統1500係顯示為包括 ’、有刖刻面塗層1502的雷射晶體1501、佈置在透明基板 1504上的偏振選擇性光束操縱裝置测、以及具有後（退 出）刻面反射$ 15〇6的第：諧波產生晶體15〇5。雷射晶體 1 5〇1係通吊採用稀土金屬元素摻雜以便產生所需波長之發 射’該等稀土金屬元素如Nd:YAG(敍摻雜⑽石權石）、 _ν〇4(敍換雜鈒酸紀）等。例如，二極體幫浦光可以為 8〇8 nm ’而發射為1〇64 nm。諸如κτρ(鱗酸欽化卸）的第二 遺波產生晶體係體積非線性晶體，其將雷射晶體發射轉換 成另一波長（例如，532 nm，其中輸入光為1〇64 nm)。亦 可在週期性成極鈮酸鋰之限制波導模式内獲得第二諳波產 生。偏振選擇性光栅1503允許基本頻率光之單一偏振在雷 射空腔内發射雷射。採用頻率雙晶體產生的第二諧波光接 著將輸出同一偏振。 在操作中，二極體幫浦透過幫浦光HT(高透射）塗層15〇2 發出光束1510(例如，λ=808 nm)於雷射晶體15〇1中。此光 係藉由雷射晶體1501吸收，該雷射晶體引起基本頻率光 (例如，λ=1064 nm)的發射。發射的光向前傳播為光線方 向1520 ’其具有平行於圖平面1521並垂直於圖平面1522的 個正乂線性偏振之混合物。偏振選擇性[匚光柵1 5 〇3允許 132686.doc •42- 200912386 〇波（例如，垂直於圖平面的線性偏振）透射而無需偏離為光 束1 53 0 ’同時繞射e波（例如，平行於圖平面的線性偏振）為 具有小偏轉1545的光束1540。在透過LC光柵的第一行程之 後空氣中的等效偏轉角θι係sin-1 (λ/Λ)。在以基本頻率光從 高反射器1 506反射之後’偏轉光束以_θ〗行進至系統軸作為 光束1550。此光束係再次入射在偏振選擇性光柵15〇3上， 而且係透射為光束1 560，其係進一步從系統軸操縱。此第 二行程光束將平行於圖平面1561的線性偏振維持在空氣中 的一等效偏轉角 ’ λ/Λ; 8ίη(θ2)=-2λ/Λ。已 通過LC光柵二次的光束係在前刻面反射器丨5〇2中反射並以 相對於系統軸的-Θ2朝LC光栅傳播為光束1 570。此光束係 再次偏轉第三次，從而提供1580並具有藉由Sin(03)=sin(；_ ㊀2)士λ/Λ ; sin(e3) = 3X/A提供的偏轉角1585。能看出平行於 圖平面的線性偏振係隨每次透過偏振選擇性LC光柵而偏轉 遠離雷射系統之光學系統。因此，具有此偏振的光係從雷 射晶體之增益片段高度地偏離以便不准許相干發射雷射動 作。在雷射系統中抑制對應於光栅之6波的線性偏振並 且亦抑制此偏振中的第二諧波光產生。雖然平行於圖平面 的線性偏振係逐漸地偏轉遠離雷射系統之光學轴，但是垂 直於圖平面的線性偏振係沿主軸反射多次為光束153〇。在 前刻面1502及後刻面15〇6反射器之每一反射情況下，構建 垂直於圖平面偏振的基本頻率光之振幅。藉由非線性晶體 1505將此基本頻率光之—些轉換成其第二错波光。第二错 波光經由南透射後刻面塗層丨5 〇6退出雷射。 132686.doc -43- 200912386 f利地，卿偏振選擇性Lc全像圖藉由操縱掉不合需要 ^ 振在㈣空㈣財料偏振㈣n而作業。能 藉由傾斜平面選擇在哕备 ^ 統中抑制的線性偏振。LC全像圖 :7"王、而且有助於整合、處理及清理。在此應用 J:像圖之功能係類似於若雄偏振器之功能（例如， /、線I·生偏振之—個光束並未偏轉，而正交光束得以 繞射）。對於雷射“放大，隨每-往返程穿越的
極輕微角偏轉係足以減小增益並且不產生偏轉的偏振之發 射雷射動作。另外，NEF偏振選擇性lc光栅具有較大孔徑 及相對較薄波形因數。應注意光柵向量平面選擇在徑向對 稱雷射系統中係不那麼重要。 在以上說明的具體實施例中，刪繞射光學元件已為單 層LC光柵膜，其（例如）已用於咖系統中的像差校正及 象刀光以及外部空腔雷射中的發射雷射偏振選擇。在其 他具體實施例中’採用—個以上LC光柵層形成卿繞射光 學元件。 ^考圖27，依據本發明之一具體實施例的雙級裝置16〇〇 包括一個LC光柵，其係類似於圖24中解說為串聯佈置的 LC光柵。更明確而言，複合裝置16〇〇包括第一繞射光 學疋件131〇及第二>^17繞射光學元件161〇，其係製造為接 近相同，而且其加以佈置以便相對於二個級的偏轉角係與 同一角感測對準。例如，在一具體實施例中LC傾斜平面及 光柵向量二者在第一及第二級LC光柵之每一者中係相同 的。 132686.doc -44 - 200912386 在操作中，包括二個線性偏振1321的光束132〇係藉由 光柵13 10分為。波1330及e波1340。放在第一！X光柵 1310後面的第二Lc光柵161〇因此第二次操縱e波，從而提 供複合偏轉角8ίη(θ) = 2λ/Λ，其中λ係照明波長而且λ係光柵 間距。自該二級裝置的e波輸出164〇具有平行於圖平面的 線性偏振1641，其中偏轉角為1645。垂直於圖平面之未受 影響的線性偏振退出為具有偏振1631的光束163〇。光 柵厚度不能經組態用以在需要的偏轉角下提供單一級操 縱’則可使用此二級組態。 參考圖28，依據本發明之另一具體實施例的雙級裝置 1 700包括二個LC光栅’其係在圖24中解說為串聯佈置。更 明確而言，複合裝置17〇〇包括第一 NEF繞射光學元件131〇 及第二NEF繞射光學元件1710，其係製造為接近相同，而 且其加以佈置以便相對於二個級的偏轉角係在相反角感測 中對準。例如，在一具體實施例中LC傾斜平面及光柵向量 係在苐一及弟一級L C光桃中平行’儘管其不必相符。應注 意該等傾斜平面在二個光柵中是平行的，佈置該等光柵以 便平面外傾斜係在相反方向上。例如，在一具體實施例中 第二LC光柵1710係放在第一LC光柵1310後面以便其得以 定向’其中其方位位置旋轉1 80度，而且以便二個LC光柵 採用正負號相反的角操縱光束。 在操作中，包括二個線性偏振1321的光束1320係藉由 LC光栅1310分為〇波1330及e波1340。自第一級LC光柵 1310的e波輸出係採用角度sin(0)=X/A予以偏轉而且此變為 132686.doc -45- 200912386 第二級LC光柵1710中的入射角。第二級全像圖之e波輸出 現在藉由恢復輪入光束方向的一8ίη-ιλ/Λ；操縱傳入光束。然 而，由於針對給定距離/丨7 5 〇以級1與級2之間的角度㊀傳 播，該光束經歷橫向平移Μ。藉由空氣中的ΔΛ：=/*^η(θ)近 似提供此橫向平移1 75 1。因此，此二級裝置1 7〇〇用作光束 離散（beam walk-off)元件或光束位移器。 因此，依據本發明之一具體實施例的一偏振選擇性全像 圖之另一應用係光學循環器、隔離器、光學低通濾波器等 中的光束位移器。有利地，藉由亊聯二個類似光柵來製造 偏振選擇性全像圖，其係用作具有平行普通光線（〇光線）及 異常光線（e光線）輸出的離散裝置。特定言之，第一線性光 柵（1D)設定高效率單一階光柵播放以便退出光束以特性偏 轉角向則傳播，直至操縱1D光栅的一第二相反正負號角校 正非正常光束角。對於一給定光栅幾何結構並取決於二個 全像圖級之間的間隙，相應地設定平行〇光線與6光線之間 的橫向偏移。 參考圖29，依據本發明之另一具體實施例的雙級裝置 1 800包括二個LC光柵，其係在圖24中解說為串聯佈置。更 明確而言，複合裝置1800包括第一NEF繞射光學元件1310 及第二NEF繞射光學元件1 8 1 〇，其係製造為接近相同，而 且其加以佈置以便二個L C光柵級之L C傾斜平面係垂直對 準’而且以便一個L C全像圖級作用於正交線性偏振。更明 確而言，第二級LC光柵1 810經配置用以使其光柵向量平面 平行於1310之光柵向量平面，但是Lc傾斜平面在與131〇之 132686.doc •46- 200912386 平面垂直的平面上。所示的LC指示線係於圖平面上的投 影。第二級LC光柵亦經組態用以操縱至與第—級光栅 正負號相Μ肖。作為此組態之結果，從第_Lc全像圖輸 出的〇波1330及6波1340退出第二LC光柵分別作為。皮184〇 及〇波1830。透過角-sin-h/Λ)操縱遣184〇，而〇波183〇輸 出不受影響（以原始操縱角δίη-ι(χ/Λ)退出）。 參考圖30，依據本發明之另一具體實施例的雙級裝置 1900包括二個LC光柵，其係在圖24中解說為串聯佈置。更 明確而言，複合裝置1900包括第一 NEF繞射光學元件i3i〇 及第二NEF繞射光學元件1910，其係製造為接近相同，而 且其加以佈置以便二個LC光柵級之LC傾斜平面係垂直對 準，而且以便至該裝置的二個線性偏振輸入得以光束操 縱。更明確而言，第二級LC光柵1910經配置用以使其光栅 向量平面平行於1310之光栅向量平面，但*LC傾斜平面在 與1310之平面垂直的平面上。所示的指示線係於圖平面 上的投影。第二級LC光柵亦經組態用以操縱至與第一級 LC光栅正負號相同的角。作為此組態之結果，從第一 LC 全像圖輸出的〇波1330及e波1340退出第二LC光栅分別作為 6波1940及0波1930。透過角δίη'λ/Λ)操縱e波1840 ,而〇波 1830輸出不受影響（以原始操縱角8ίη-1(λ/Λ)退出）。〇及^波 二者平行退出複合裝置。此處的獨特功能係此複合光栅係 不再偏振選擇性的。禁止由於LC光柵之厚度（例如數微米） 所致的小橫向偏移’藉由角度Θ操縱任何偏振輸入至光學 轴。藉由在單一基板上連續地塗布Lc光柵層1310及1910二 132686.doc -47- 200912386 者’可省略描述之裝置1319及1919中的二個基板。 以上說明四個雙級組態1600、1700、1800及1900之每一 者，該等裝置已經組態用以在級一及級二中具有平行光柵 向量。在其他具體實施例中，提供具有任意第一級及第二 級操縱平面（藉由光柵向量所規定）的一雙級組態。在此情 況下，第一及第二光栅中的LC傾斜平面將係平行或垂直的 以接受二個線性偏振輸入。 已採用RCWA[嚴格耗合波分析，藉由德州Allen光柵解 決器發展公司發展的〇8〇1¥61'，版本4.201)]程式以人=55〇11111 藉由表示LC光柵為分別具有1 寬度的16個相位像素之 非偏振選擇性空氣/介電質炫耀光柵而模擬二級LC全像 圖。圖3 1中顯示結果。一右炫耀係階梯狀相位斜坡，其中 當觀察者係在觀看光束正面時單一光栅間距之右側具有較 長光學路徑長度。此炫耀光栅操縱光束至第一階，其係定 位至零階之右側，如圖3 1之繪圖（a)中所示。在此情況下， DE接近92%，其中空氣/1.5折射率光柵上沒有ar塗層。在 圖31之繪圖（b)中，第一右炫耀空氣/15折射率光栅係後隨 第二右炫耀空氣/1.5折射率光柵。與單一光栅（繪製為2階） 比較，此雙級光柵操縱輸出光二倍的空間頻率。在模擬 中，任一光柵均未加以AR塗布而且光柵間層具有丨5折射 率以及22〇 μιη實體厚度。藉由圖31之繪圖（c)中的結果說 明光束位移裔。複合光柵具有較接近於入射的第一左炫耀 光柵’後隨鄰近於該基板的第二右炫耀光柵。藉由1.5折 射率及220 μιη實體厚度之光栅間層來分離二個光柵。二個 132686.doc -48- 200912386 光柵具有相同的16個相位位準，從而在16 μηι光柵間距長 度上形成一斜坡。結果顯示藉由第二級光柵校正由第一級 光柵施加的操縱角。輸出光束係共線性的但係藉由某一數 量（繞射模擬中未顯示）所空間偏移。二個雙級模擬範例產 生約8 2 %的主要階效率。 參考圖32，第一LC光柵1310及第二IX光柵171〇係分別 顯不為佈置在單一基板2〇1 〇之相反側上。應注意NEF繞射 光學元件2000係在功能上等效於複合NEF繞射光學元件 1 700。在此等圖中，將相同數字用以定義相同元件。透明 基板20 10支撐LC光栅層並用作光柵間層。使用先前說明的 2度操縱範例（例如，丨μηι像素間距下的16像素光栅）並假 定光柵間層2010的折射率為丨5，一〜22〇 μιη光栅間層將引 起近似5 μιη的光束位移。平行及垂直於光柵向量偏振的退 出光束係平行朝向的。此〜5 μιη的離散符合光學低通濾波 器應用之要求。在數位成像系統中，一抗混淆技術係利用 光束離散以確保最小影像光點大小係聚焦於電子 CCD/CMOS陣列底板上。通常採用合適厚度之45度切割單 軸晶體板來實施該離散。晶體板的製造係較昂貴。或者， 以45度對準的旋塗均勻LC膜能用以提供合適的離散（例 如參見美國專利7,〇88,5 10)。然而，在需要的45度傾斜 下與厚LC層（數十微米）的製造相關聯的困難使均勻傾斜 膜不切實際。比較而言，二層LC光柵2〇〇〇藉由下列方式完 成光束位移：首先提供第一LC光柵中的光束操縱功能，從 而允許偏轉光束藉由光柵間層累積空間偏移並最終藉由第 132686.doc -49- 200912386 二LC光柵·校正光束角。 參考圖33’其顯示本發明之另一具體實施例，其中二匸 光栅係藉由沈積的光栅間層分離，並係提供在一基板之單 一側上。更明確地，裝置2050包括一透明基板1719 ,其上 提供第一 LC光栅1310及第二LC光柵1710，其中該等第一 及第二LC光柵層係藉由一光柵間層2010分離。相同數字具 有與圖28及32中的定義相同之定義。退出光束係正交地偏 振並且係共線性的。藉由下列提供退出情況下的光束分 離·
Ax=/*tan(sin_1(X/(«A)))， ⑼ 其中/係具有折射率《之光柵間層的層厚度，λ係照明波 長，以及Λ係光柵間距。 本發明之NEF繞射光學元件的另一應用係作為一光學低 通濾波器（OLPF)中的二維（2D)離散元件。例如在一具體實 施例中，類似於圖28中所示的離散裝置之一離散裝置的多 個級經串聯用以形成一 OLPF，其係用以切掉數位成像系 統中的高空間頻率影像成分。參考圖34，離散裝置21〇〇 包括第一離散LC光栅裝置2000、第二正交軸離散光栅 裝置211 〇、以及偏振擾亂器2120 ^對於具有二個正交線性 偏振1321的輸入波1320，第一離散LC光柵裝置2〇〇〇相對於 未受影響的〇波光束1730藉由預定數量1751位移e波光束 1740。因此藉由偏振擾亂器212〇擾亂正交線性偏振中的二 個共線性光束（在傳播方向上平行）以產生用於每一光束的 二個正交線性偏振。在一具體實施例中，偏振擾亂器212〇 132686.doc -50- 200912386 係一阻滯劑元件，例如四分之一波板。包括平行及垂直於 圖平面的線性偏振之二個光束傳播至第二離散LC光栅裝置 2110。用於第二離散]；^光柵裝置211〇的光栅向量係配置為 正交於第一光柵裝置2〇〇〇之光柵向量。藉由此配置，第一 光栅裝置2000之輸出係沿圖平面位移，而第二光柵裝置 2110之輸出係垂直於圖平面位移。 當偏振擾亂器2120係一四分之一波板時，該四分之一波 板（QWP)之快/慢軸係通常以相對於圖平面的±45度對準。 藉由QWP將退出第一離散LC光栅裝置的二個光束173〇及 1 740轉換為圓形偏振（即沿二個正交方向存在相等數量的 線性偏振）。通常可選擇傾斜平面為平行（圖34中所示）或正 交（未顯示）於用於第二離散[(：光柵裝置的光栅向量。每一 光束功率之近似一半係藉由第二離散LC光栅裝置位移於圖 平面中。—個光束之此集係在圖34中顯示為2133及2丨34。 其係偏振為平行於該第二離散LC光柵裝置之傾斜平面。未 受影響的其餘二個光束2131及2132係偏振為垂直於該第二 離散LC光柵裝置之傾斜平面。因此，該2D 〇LpF為正方形 格柵(或第一級的位移之量子並非與第二級相同情況下的 形格栅）中的每一光束輸入配置產生四個光束光點。 該光束離散圖案係在圖35中顯示為繪圖（a)。第一級離散 位移單輸入光束於二個近似相等密度光點中，如藉由實 、’' 7 -員所私示。在第二級離散之前，擾亂二個光束之偏 振。沿—正交軸的第二級離散因此產生分佈在四個鄰近 CCD/CMOS像素中的四個光束光點。 132686.doc -51 - 200912386 在經由45度切割晶體板而不使用偏振擾亂器的情況下， 第二級離散可經配置用以具有以相對於第一離散級輸出的 ±45度之e波。每一第一級離散輸出光束係分辨為半e波及 知波。e波係進-步沿±45度對角線位移，從而產生菱形 形狀離散圖案（例如，參見圖35中的纷圖⑻）。 在經由偏振選擇性LC光柵的離散情況下，可省略偏振 擾亂器級而不犧牲理想正方形離散圖案。圖％中描述呈有 四分之一波板偏振擾亂器的二級離散〇pLk平面圖。在 ⑷中離散LC光柵裝置200係顯示為具有水平光柵向量。於 圖平面上的LC指示線投影係顯示為顧及·2，其係用於 第一離散裝置内的第_層及第二層。四分之—波板㈣係 顯示，具有一慢軸2121，其係以相對於第一離散裝置之光 柵向里的45度對準(例如，參見圖⑼)。第二離散光柵裝置 ，吏其光栅向量垂直地對準(例如，垂直於第一光栅向 里）如先Μ所陳述’能任意選擇第二光柵裝置之傾斜平 因為偏光擾亂益產生至第二離散光柵裝置的圓形偏振 輸、，⑷中的圖解$沿第二光拇向量對準的傾斜平面。於 圖平面上的LC指示線投影係標識為2U1及2112。第二離散 " 在垂直方向上為以垂直偏振對準的功率之部分位 移光束。 D 、上所說明，亦可以組態〇pLF而無需中間偏振擾亂 器 > 考圖37解3兒此方案。第一離散光拇裝置係在⑷中顯 丁為^有水平平面中的第_光栅向量，類似於圖％之⑷中 所不的光栅向^。退出第—離散光栅裝置的二個光束係偏 132686.doc -52· 200912386 振為平行2006及垂直2007於圖平面。為了從每一光束獲得 近似相等e波及〇波功率部分而無需偏振擾亂，第二離= 柵裝置之傾斜平面必須以相對於第一光拇向量的± * 5度對 準。第二離散光栅裝置内的第一及第二光柵層之[。指示線 投影係顯示為2113及2114。至具有90度第二光柵向量對準 之第二離散光柵裝置的輸入係顯示為2〇〇8及2〇〇9，其每一 ' I具有沿傾斜平面的近似半光束功率。垂直地位移〇皮部 刀（例如，90度方位方向）’而〇波部分不受影響。整個裝置 I生用於每—傳人光束光點的四個光束光點，其具有二級 離散光栅裝置而且無需一偏振擾亂器。 在以上說明的本發明之具體實施例中，NEF偏振選擇性 繞射光學元件提供薄全像圖元件，其在近轴繞射極限内藉 、預疋方式檢跨杈向空間座標而公平地配置平面外傾 斜來操作。所得NEF薄全像圖具有沿一給定方位平面均句 ί準的LC&向矢。含有LCs向矢分佈的平面亦為傾斜平 ο ®。僅沿傾斜角偏振的光線受連續地或以像素化方式所編 碼的阻滯之可變數量的影響。阻滯之可變數量係與橫向空 間座標成函數關係的可變光學路徑長度調變之表現。相反 地’沿正交於傾斜平面之方向偏振的光線僅看見通常折射 率而不管LC指向矢傾斜。缺少可變光學路徑長度調變而且 此正交偏振本質上經歷零階光柵。 有利地，此等卿薄全像圖之偏振選擇性係用於使用線 !生偏振光的各種應用。已概述與偏振選擇性相關的一些應 用’其包括OPU系統中的像差補償及全像圖分光、外部空 132686.doc -53- 200912386 腔固態雷射中以光束操縱為基礎的偏振選擇、以及光學低 通m中的光束離散裝置。顯然:地，能採用為偏振選擇 性的單-層LC全像圖或多層或多級LC全像圖識別較多庫 用。偏振選擇性係具有均勾方位定向之1〇裝置中固有的。 然而，在-些應用巾，故意關閉選擇性，例如藉由將二個 LC全像圖層與正交傾斜平面定向麵合。進—步有利地，用 以建立卿繞射光學元件的製造技術允許多位準唯相位全 像圖加以記錄以便獲得高繞射效率。 刪繞射光學元件之另一應用係作為可變量值雙折射補 償器。例如’考量先前技術巴比内索雷依(Babinet_s〇㈣ 補償器，其包括二個雙折射晶體楔塊（例如，石英），其係 佈置成鄰近於正交雙折射軸對準的另一雙折射板。藉由機 械地平移該等楔塊之一，將可變數量的阻滯呈現至窄直徑 探測光束。 圖38中解說一傳統巴比内索雷依補償器。此可變阻滞補 償器2200包括第一均勻對準A板2201，其係耦合至由二個 雙折射楔塊2202及2203製成的另一雙折射板。八板22〇1使 其光學軸平行於條紋方向對準。雙折射楔塊22〇2/22〇3係 通常從結晶材料切割而且係與其平行於條紋方向之光學軸 對準。換言之，該等楔塊之光學軸係彼此平行，但是係正 乂於第一雙折射板之光學軸。使其有角刻面面對另一楔塊 22〇3之有角刻面的頂部雙折射楔塊22〇3能在平行於第一雙 折射板之光學軸的方向上（即，沿22〇4)加以機械地平移。 此杈向平移產生藉由組合式二個楔塊所提供的有效阻滯。 132686.doc •54- 200912386 此阻滯量值係因此從藉由第—雙折射板所提供的第二阻滞 量值偏移”且滞差係藉由光輸入222崎看見的有效阻滞: 此裝置組態係類似於多階波板，纟中藉由在二個交又轴阻 滯劑之每一者中實現的阻滯中的差來提供需要的阻滯。在 =比内索雷依補償器22GG之情況下，可藉由最頂部検塊之 橫向平移調整淨數量的阻滯。 依據本發明之一具體實施例，NEF繞射光學元件係用作 可變量值雙折射補償器。特定言之，LC平面外指向矢分佈 經圖案化用以提供精確且準確的可變量值雙折射。來考圖 3:’可變阻滞劑2300包括單一 LCp層，其中以某預定方式 採用下列方法分佈LC指向矢：以需要的方式（例如，線性 對X座標）改變沿一給定橫向空間座標的所得阻滯。此單石 可變阻滯劑2300係顯示為具有LC指向矢分佈的數個片段， 例如C板23〇1、〇板2302以及八板23〇3。a板片段呈現相對 於一給定實體LC厚度的〇板及板的最大數量的阻滯。 若相對於橫向空間座標需要線性阻滯輪廓，則以非線性方 式修剪LC傾斜輪廓。為了獲得一給定光輸入位置232〇之不 同數量的阻滯，藉由機械致動構件23〇4平移整個可變阻滞 劑以便一不同空間區域係與輸入光束對準。依據本發明之 一寬頻帶可變阻滯劑係可行的，如在先前技術晶體板方案 中一樣。例如，能採用具有可從c板變化至八板的連續LC 指向矢之單一層LC膜來組態最長波長的可變阻滯劑，其涵 蓋λ=400 nm至1600 nm最多至1阻滯波。LC膜係假定為在 長波長邊緣產生約0.1雙折射。因此’ LC膜係約16 μιη厚。 132686.doc -55- 200912386 短波長將看見由於此頻帶内的正常材料折射率差量所致的 1阻滯波以上。
有利地，藉由連續地展開與線性位置成函數關係的LC 平面外傾斜，同時維持一給定方位方向獲得的此可調阻滯 劑為最多至Xdambda)之小倍數的可變阻滯提供裝置厚度之 適當選擇。 & 進-步有利地，非蝕刻、扁平阻滯劑技術之較大基板處 理能力允許多個阻滞劑量值斜坡得以圖案化並曝露於較大 格式基板上。在晶圓位準，獲得光拇/全像圖型粗解析度 圖案。大晶圓基板内的每―"週期"能切塊成單—級中的離 散可變阻滯劑。一般地’單石可變阻滯劑之慢/快軸將沿 需要的方位（例如±45度對阻滯劑之矩形幾何結構）均勻地 錨定。儘管偏振選擇性在此卿繞射光學元件中由於均勻 方位定向而係固㈣，但是在使用中，探測光束通常係小 :可變阻滯劑的尺寸（例如，！随光束大小對ig麵端對 端平移範圍），以便可變阻滯劑將不必用作偏振選擇性繞 射光學元件。 在以上說明的具體實施例之每—者_，用以建立卿繞 射光學元件的製造技術僅需要單一基板，而且因此產生較 厚的被動光學元件，其係相對較便宜而且其係適合於較廣 範圍的應用。比較而言，先前技術參考美國專利第 7’仍，784號及美國專利第6,3〇4,312號皆需要二個透明基 板，其，作以誘發相對較厚液晶單元中的液晶之對準^ 外，此等先前技術製造技術並非與提供多位準唯相位全像 132686.doc -56- 200912386 圖相谷相反，本發明提供具有為1 μπ!或較小的特徵之多 位準唯相位全像圖（例如，當以預定方式提供可變光學路 仅區域之一陣列）。顯著地，用於NEF繞射光學元件的製造 技術並不需要提供表面起伏結構（SRS)的傳統遮蔽及蝕刻 程序。用於本發明的製造技術亦不需要製造作為中間段差 、 單元而且不耑要用於為LC對準施加電性脈衝的透明 電極。另外，不像以吸收為基礎（例如，強度調變）的全像 圖一樣，能使所得唯相位全像圖無損失。當與其中slm像 素陣列需要列/行定址線及像素定址電路的主動切換LC全 像圖比較時’此等被動唯相位LC全像圖亦預期由於像素填 充工作循環比率之較佳控制而產生較高繞射效率。 田然，以上具體實施例已提供為範例。熟習技術人士應 瞭解可使用各種修改、替代性組態及/或等效物而不脫離 本發明之精神與料。例如，各種週期性及非㈣性圖案 能用以形成偏振選擇性相位全像圖， 縱在—些具體實施射，此等偏振選擇性相== 具有像素化相位輪廓^在其他具體實施例中，該等偏振選 擇性相位全像圖具有連續相位輪廟。據此，因而預期本發 明之範疇僅受隨附申請專利範圍之範疇限制。 【圖式簡單說明】 從結合附圖之以上詳細說明將明白本發明之另外的特徵 及優點，在該等附圖中： 圖la係具有方位角分佈之先前技術LC全像圖的折射率指 示線投影之側視圖； 132686.doc -57- 200912386 圖lb係圖la中所示的lC全像圖之平面圖； 分佈之— 圖2a係依據本發明之一具體實施例的具有極角 LC全像圖的折射率指示線之側視圖； 圖2b係圖2a中所示的LC全像圖之平面圖； 圖2c係其中傾斜平面並不與光柵向量相符的具 佈之一 LC全像圖的指向矢定向之平面圖； ”極角分 圖3係顯示用於施加lCP層中的可變傾斜斜對 LPUV曝光系統設置的示意圖； ，的LPP之
圖4係顯示與LPP對準層之Lpuv劑量成函數關 平面内雙折射及有效平面外LC指向矢傾斜之示意圖：有效 圖5顯示提供不對稱播放並具有咖角傾斜:四個 狀態的σ^/4偏振選擇性光栅之平面外極角傾斜輪廊；散 件=6顯示單軸〇板雙折射投影於平面内及平面外雙折射組 圖7顯示與八板組態像素比較，使用以卜4〇〇打仿的 LCP單軸材料之—給定…指向矢傾斜的相位差； ▲圖8顯示提供對稱播放並具有LC極角傾斜之二個離散狀 態的σ=±1/2偏振選擇性光柵之平面外極角傾斜輪廓； 圖知解說具有σ=±1/2分數階的二進制LC光柵之空間相位 輪廓，其中黑暗/明亮條紋代表具有π相位 (㈣的二個LC極角傾斜； 先子路位差 圖9b解說-對稱光點陣列產生器的二進制全像圖之空間 相位輪廓，其中σ=±1/2而且τ=±ι/2分數階； 圖9C解說非相等間隔光點陣列產生器的二進制全像圖之 132686.doc •58· 200912386 空間相位輪廓，其中σ=±1/8，τ=±3/8分數階； 圖10係先前技術3波長HD-DVD/DVD/CD光學拾取單元 (OPU)之示意圖； 圖11係包括用作偏振選擇性波前像差補償器之非週期性 相位光罩的先前技術OPU之示意圖； 圖12係包括環形區域的先前技術非週期性相位光罩之示 意圖’其中單軸Α板之光學軸係均勻地橫跨所有光曈位置 而定向；
圖13顯示圖12中所解說的相位光罩沿χζ斷面的相位輪 廓； 圖14係依據本具體實施例之一具體實施例，包括用作偏 振選擇性波前像差補償器的偏振選擇性非蝕刻扁平（nef) 全像光學元件的一 OPU之示意圖； 圖15顯示依據本發明之一具體實施例的L c全像圖之極 角傾斜輪廓（頂部繪圖顯示對於最大1^(：指向矢傾斜角之二 個十月況的母一相位光罩區域内的平面外極角傾斜輪庵，而 t間及底部繪圖分別顯示沿斷面平面父2及丫2之需要的折 射率指示線投影）； 圖⑽作為偏振選擇性光束操縱裝置的包括表面起伏結 構（SRS)及/或平面全像圖的先前技術〇pu之示意圖丨 圖1 7係依據本發明之— 之具體實施例，包括作為偏振選擇 性光束操縱裝置的偏括，登埋ω > 又k擇性非蝕刻扁平全像光學 一 OPU之示意圖； 甲兀仵的 的三波長週期性光柵結構； 階 圖18顯示操縱光束至第 132686.doc -59- 200912386 圖19顯示對於圓18中所示的相 则_心系統之繞射角頻譜， —吝皮長 . ’、甲母編碼像素係1 JLtill ， 圖20係顯示包括作為偏振選擇性波前像差補償器及光束 操縱裝置的偏振選擇性非钮刻扁平全像光學 之示意圖； J Uru 物二ΓΓ顯示包括作為用於使碟片循軌中的小光束流出及 選：二二 回授的偏振選擇性光束操縱裝置之偏振 選擇性_刻扁平全像光學元件的-ορυ之示意圖； 併m採用依據本發明之一具體實施例的四分之一波板 併入的溥LC全像圖之示意圖； 、圖23係依據本發明之一具體實施例，安裝在反射基板上 或在透明基板上的反射層上的薄Lc全像圖之示意圖； 圖24係用於偏振選擇性光束操縱的扁平lc全像圖之示 意圖； ^5係利用諸如方解石或α_ΒΒ〇之負單軸雙折射晶體的 先前技術若雄偏振器之示意圖； 圖26係利用平_平反射器的一外部空腔雷射之示意圖， 其中該田射包括一雷射晶體、一扁平^全像圖偏振選擇性 光束操縱裝置以及第二諧波產生晶體。 圖27係雙級扁平LC全像圖光束操縱裝置之示意圖，其 中二個級中的選定偏振係平行的； 圖28係具有扁平LC全像圖光束操縱裝置的雙級光束位 移器之示意圖，其中二個級中的選定偏振係平行的而且繞 132686.doc 200912386 射角感測係相反的； 圖29係雙級扁平LC全像圖光束操縱裝置之示意圖，其 中二個級中的選定偏振係正交的而且二個偏振小光束係偏 轉至相反角方向； 圖30係雙級扁平LC全像圖光束離散裝置之示意圖，其 ' 中二個級中的選定偏振係正交的而且二個偏振小光束係偏 • 轉至相同角方向； 圖31顯示GSolver模擬單一級光柵（a)及雙級右_右（b)與 〇 左-右（c)炫耀光栅； 圖32係產生平行〇光束及e光束輸出的雙級扁平lc全像圖 光束離散裝置之示意圖； 圖33係安裝於基板上並產生平行〇光束及e光束輸出的雙 級扁平LC全像圖光束離散裝置之示意圖； 圖34係用於光學低通濾波的二維光束離散裝置之示音 圖； 圖35係顯示正方形2D離散⑷及菱形2D離散（b)的示咅 ^ μ 圖； 圖3 6係具有正交操縱的第一級LC全像圖、第二級 QWP以及（c)第三級LC全像圖之平面圖； 圖37係（a)具有水平光栅向量的第一級lc全像圖、（b)第 一級LC全像圖之正交線性偏振輸出以及其平行及正交於新 座標基礎的分辨組件、以及（c)具有正交操縱（垂直光栅向 量）及旋轉傾斜平面的第二級LC全像圖之平面圖； 圖3 8係具有可移動頂部雙折射楔塊的先前技術巴比内索 132686.doc -61 - 200912386 雷依補償器之示意圖；以及 圖39係依據本發明之一具體實施例，帶具有極角分佈的 LC膜之可變阻滞劑的示意圖。 應注意，在所有附圖中，藉由相同參考數字來識別相同 特徵。 【主要元件符號說明】 1 基板 2 AR塗層堆疊 3 AR塗層堆疊 5 全像圖元件 10 像素 11 像素 12 像素 13 像素 14 像素 20 Z車由 21 光線 22 角度 25 全像圖向量 30 全像圖 31 基板 32 AR塗層堆疊 33 AR塗層堆疊 35 LC全像圖 132686.doc -62- 200912386 40 LC層 41 像素狀態 42 像素狀態 43 像素狀態 44 像素狀態 45 光桃向量/全像圖向量 45a 全像圖向量/光棚向量 46 傾斜平面 46a 傾斜平面 50 X偏振輸入光 51 主要繞射階 52 偏轉角 57 方位偏移 60 光學設置 65 製造中裝置 66 基板 67 線性光可聚合（LPP)對準層 70 線性偏振紫外線（LPUV)光曝光系統 71 U V光源 72 準直透鏡 73 UV偏振器 75 光罩 80 XY平面 81 LC指向矢 132686.doc -63 - 200912386 82 極角偏移 83 LC指向矢平面外傾斜 85 Z軸
100 OPU 110 半導體雷射源
111 第一 LD
112 第二 LD
113 第三LD 120 低規格偏振器 130 偏振光束組合器（PBC)立方體陣列
131 第一 PBC
132 第二 PBC
133 第三PBC 140 漏鏡 145 消色差四分之一波板（QWP) 150 碟片媒體 151 基板 152 保護層 153 外資訊層/第一資訊層 154 内資訊層/第二資訊層 155 間隔物層 160 透鏡系統/準直透鏡 161 第二物鏡元件/物鏡/高數值孔徑（NA)物鏡 162 準直透鏡 132686.doc -64· 200912386 163 透鏡 165 透鏡元件 170 主要光二極體/偵測器 175 光二極體（PD) 180 共同路徑
200 OPU 210 LC單元/LC開關 220 相位光罩 231 S偏振/第一線性偏振 232 正交P偏振/第一線性偏振 233 第一圓形偏振/光束 234 第二圓形偏振/光束 235 第二線性偏振 236 第二線性偏振 250 相位光罩 251 XZ斷面 252 光學軸 253 S偏振光束
300 OPU 305 共同封裝雷射二極體及偵測器模組 310 非蝕刻及扁平（NEF)LC相位光罩/非週期性光罩/ 第二薄NEF全像圖 320 角度 321 光束偏移Δχ 132686.doc -65- 200912386 400 OPU系統 410 偏振選擇性週期光柵 500 OPU/透射LC光柵裝置 510 LC繞射光栅/LC全像圖/第一薄NEF全像圖 600 OPU 700 OPU 705 共同封裝偵測器陣列 710 全像圖 721 主要光二極體 722 輔助光偵測器 901 基板 902 光學AR塗層 903 光學AR塗層 920 Z軸/光束 921 光束 922 偏移角 1010 LC全像圖 1011 像素 1012 像素 1013 像素 1014 像素 1100 複合偏振選擇性裝置 1120 四分之一波板/QWP 1121 指示線 132686.doc -66 - 200912386 1200 複合偏振選擇性裝置 1203 反射器 1221 輸出光束 1300 裝置 1310 LC光柵膜/第一NEF繞射光學元件/第一lc光栅 1311 相位像素 1312 像素 1319 透明基板 ( 13 20 光/光束/輸入波 1321 線性偏振 1330 〇波 1331 傾斜平面 1340 e波 1341 線性偏振 1345 操縱角 13 5 0 晶體偏振器 13 60 第一楔塊 13 61 第二楔塊 13 70 光線輸入 1500 雷射系統 1501 雷射晶體 1502 如刻面塗層 1503選擇性光束操縱裝置/偏振選擇性光柵 1504 透明基板 132686.doc -67- 200912386 1505 第二諧波產生晶體 1506 後（退出）刻面反射器/高反射器 1510 光束 1520 光線方向 1521 圖平面 1522 圖平面 1530 光束 1540 光束 1545 偏轉 1550 光束 1560 光束 15 61 圖平面 1570 光束 1 585 偏轉角 1600 雙級裝置/複合裝置 1610 第二NEF繞射光學元件 1630 光束 1631 偏振 1640 e波輸出 1641 線性偏振 1645 偏轉角 1700 雙級裝置/複合裝置 1710 第二NEF繞射光學元件/第二LC光柵 1719 透明基板 132686.doc -68- 200912386 1730 〇波光束 1740 e波光束 1751 橫向平移/預定數量 1800 雙級裝置/複合裝置 1810 第二NEF繞射光學元件/第二級LC光柵 1830 〇波 1840 e波 1900 雙級裝置/複合裝置 1910 第二NEF繞射光學元件/第二級LC光栅 1919 裝置 1930 〇波 1940 e波 2000 NEF繞射光學元件/LC光柵/第一離散LC光柵裝置 2001 LC指示線投影 2002 LC指示線投影 2010 單一基板/光柵間層 2050 裝置 2100 2D離散裝置 2110 第二正交軸離散LC光柵裝置 2111 LC指示線投影 2112 LC指示線投影 2113 LC指示線投影 2114 LC指示線投影 2120 偏振擾亂器/四分之一波板 132686.doc -69- 200912386 2121 2131 2132 2133 2134 2200 2201 2202 (' 2203 2220 2300 2301 2302 2303 2304 2320 慢軸 光束 光束 光束 光束 可變阻滯補償器 A板 雙折射楔塊 雙折射楔塊 光輸入 可變阻滯劑 C板 〇板 A板 機械致動構件 光輸入位置
132686.doc -70

Claims (1)

  1. 200912386 十、申請專利範圍： 1. 一種偏振選擇性繞射光學元件，其包含： 一基板； 一對準層，其係佈置在該基板上；以及 一液晶聚合物膜，其係佈置在該對準層上，該液晶聚 7物膜包括平行—第一平面對準的複數個液晶指向矢， 該第—平面垂直於該液晶聚合物膜之—表面，該複數個 =晶指向矢之—平面外傾斜以—預定圖案隨橫向空間座 杯而I化’選擇该預定圖案使該液晶聚合物膜形成—偏 振選擇性相位全像圖， 錯此採用一相對相位延遲透過該⑨晶聚合物膜之第— 及第二空間不同區域來透射具有一第一偏振的線性偏振 先以提供-非零階繞射輸出，而且採用實質上零相對相 位延遲透過該等第—及第二空間不同區域來透射具有— 第二偏振的線性偏振光以提供一零階繞，； 偏振平行於兮笛— 弟―
    ' ，該第二偏振正交於該第一值 振’該第一區域知括—楚 括一笛[域匕括第-液晶指向矢’該第二區域包 第-液晶指向矢’該等第一及第二液晶 不同的平面外傾斜。 ，、有 2. 3. 2請求項1之偏振選擇性繞射光學元件， 疋圖。案使該液晶聚合物膜包括複數個像素 用-單-液晶指向矢對準加以編碼。 其中選擇該預 ，每—像素採 如請求項2之偏振選擇i繞射光學元件 案包括有限數目的不同平面外傾斜角， ，其中該預定圖 該有限數目係大 132686.doc 200912386 於二且小於六十五。 5. I :二ί:1之偏振選擇性繞射光學元件，其中該相位全 =括平行或正交於該第一平面的一光拇向量。 6. 像二Γ之偏振選擇性繞射光學元件，其中該相位全 a 與該第-平面成-斜角的-光柵向量。 求項1至5中任—項之偏振選擇性繞射光學元件，其 :該預定圖案經選擇用以形成用於提供一光學拾取單： 的像差校正之一非週期性相位光罩。 /长員1至5中任一項之偏振選擇性繞射光學元件，其 中該預疋圖案經選擇用以形成—光栅，該光柵係用於重 新引：從佈置在一光學拾取單元中的一光碟反射的一光 束以遠離一輸入光學路徑。 8·如請求項1至5中任一項之偏振選擇性繞射光學元件，其 中該預定圖案經選擇用以形成用於提供一外部空腔雷射 +的偏振鑑別之一光栅。 9.如請求項2之偏振選擇性繞射光學元件，其中該等像素 之一大小以及該預定圖案經選擇用以形成用於為具有該 第一偏振的光提供光束操縱的一光柵。 10如β求項9之偏振選擇性繞射光學元件，其中該液晶聚 合物臈係與一第二液晶聚合物膜串聯佈置，該第二液晶 聚合物膜包括平行於一第二平面對準的第二複數個液晶 指向矢，該第二平面垂直於該第二液晶聚合物膜之一表 面該第一複數個液晶指向矢之一平面外傾斜以該預定 圖案隨橫向空間座標而變化。 132686.doc 200912386 11.如請求項10之偏振選擇性繞射光學元件，其中該第一平 面及該第二平面係實質上平行的。 12_如請求項U之偏振選擇性繞射光學元件，其中相對於該 第二液晶聚合物膜定向該液晶聚合物膜，以便將入射在 該偏振選擇性繞射光學元件上的一未偏振光束轉換為具 有正交偏振的二個實質上平行光束。 13. 如請求項1之偏振選擇性繞射光學元件，其中該基板包 括一波板及一反射表面的至少一項。 14. 一種製造一偏振選擇性繞射光學元件之方法，其包含： 採用線性偏振UV光透過一光罩以斜角照射一對準層； 在該照射對準層上塗布—液晶層，該液晶層包括一液 晶聚合物前驅物； 照射該液晶層以形成一?夜晶聚合物膜，該液晶聚合物 膜包括平行於-第一平面對準的複數個液晶指向矢，該 第一平面垂直於該液晶聚合物膜之一表面，該複數個液 晶指向矢之-平面外料以一預U案隨橫向空間座標 而變化’選擇該預定圖案使該液晶聚合物臈形成一偏振 選擇性相位全像圖， 藉此採用一相對相位延遲透過該液晶聚合物膜之第一 及第二以1不同區域來透射具有―第—偏振的線性偏振 光以提供—非零階繞射輸出，而且㈣實質上零相對相 :延遲透過該等第一及第二空間不同區域來透射具有一 第二偏振的隸偏振光以提供_零階繞射輸出，該第一 偏振平行於該第—平*，該第 132686.doc 200912386 振’該第-區域包括—第一液晶指向矢 括一笛- 不一區域包 向矢具有 弟一液晶指向矢，該等第一及第二液晶 不同平面外傾斜。 15. 16. 17. ==方法’ m光罩包含一可變透射光罩及 J雙大小孔徑光罩之一者。 一種偏振選擇性繞射光學元件，其包含： 一基板； ^晶層’其係藉由該基板以具有已採用有限數目的 *液晶指向矢對準加以編碼的像素區域之-陣列的一 薄平面膜之形式來支撐， =中每-像素區域中的該液晶指向矢對準在整個該像 素中係實質上均勻且永久的， :其中母-像素區域中的該液晶指向矢對準位於垂直於 該基板之—表面的—共同平面中，以便給予-相位延遲 至入射在平仃於該等液晶指向矢之該平面偏振之該陣列 、，的線I·生偏振光並對入射在垂直於該等液晶指向矢之該 -面偏振之。亥陣列上的線性偏振光實質上沒有相位延遲 影響，以及 其中預疋该像素陣列中的相位延遲之-配置、像素大 :乂及像素形狀’使該液晶層提供用於平行於該等液晶 才曰向矢，該平面偏振的光之非零階繞射輸出以及用於垂 直於該等液晶指向矢之該平面偏振的光之零階繞射輸 出。 一種光學拾取單元，其包含： 132686.doc 200912386 一光源，其用於發射具有一第一偏振的線性偏振光； 一準直透鏡，其用於校準該線性偏振光； 一物鏡，其用於將該校準線性偏振光聚焦於一光碟 上； 一四分之一波板，其係佈置在該準直透鏡與該物鏡之 間以提細分之一波阻滯以便從該光碟反㈣光係朝該 第一透鏡透射為具有一第二偏振的線性偏振光，該第二 偏振正交於該第一偏振；以及 一偏振選擇性繞射光學元件，其係佈置在該準直透鏡 與該四分之一波板之間，該偏振選擇性繞射光學元件包 括一基板、佈置在該基板上的一對準層、以及佈置在該 對準層上的一液晶聚合物臈，該液晶聚合物膜包括平行 於第一平面對準的複數個液晶指向矢，該第一平面垂直 於該液晶聚合物膜之一表面，該複數個液晶指向矢之一 平面外傾斜角以一預定圖案隨橫向空間座標而變化，選 擇乂預& ®案，纟5亥液晶聚合物膜形成一偏振選擇性相 位全像圖， 其中該偏振選擇性繞射光學元件經佈置使該第一偏振 縣直於該第—平面偏振，且使該偏振選擇性相位全像 圖提供用於具有該第—偏振之該線性偏振光的零階繞射 以及用於具有該第二偏振之該線性偏振光的非零階繞 射，該非零pm射提供-光束偏轉，該光束偏轉足以重 新引導具有該第二偏振的該線性偏振光遠離該光源並朝 向一偵測器。 132686.doc
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