TW201337330A - 雙折射體，光束組合裝置及製造雙折射體方法 - Google Patents
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Abstract
本發明涉及一種雙折射體，一種製造雙折射體的方法及一種產生複數像素PK用的光學光束組合裝置BC。本發明尤其是要提出一種能夠以較低成本製造及可供大面積應用的雙折射體。本發明提出的光學光束組合裝置BC要能夠產生3D顯示場景用的複數像素PK，而且即使是應用於大型顯示器，也能夠達到足夠的尺寸及足夠的均勻性。為達到上述目的，本發明提出的雙折射體含有光學各向異性的雙折射材料的成分，這些成分以在空間中相同定向的方式埋在一種光學透明基質中，本發明提出的方法是將一種基質基本材料與光學各向異性的雙折射材料混合，然後使光學各向異性材料在混合物中空間相同定向，並使基質基本材料受空間相同定向的成分的影響而固化，同時本發明提出的光學光束組合裝置BC的雙折射平板含有本發明的雙折射體SP。
Description
本發明涉及一種雙折射體，一種製造雙折射體的方法及一種產生複數像素用的光學光束組合裝置，其中光束組合裝置包括一個帶有像素配置的光調制裝置、一個光學延遲元件、一個雙折射平面板、以及一個偏振元件。
雙折射是光學各向異性材料的一個特性。雙折射造成的效應是，當光線垂直入射到雙折射材料，所謂的規則光束在穿過雙折射材料的過程中不會改變方向。但是當光線垂直入射到雙折射材料，且該雙折射材料的光學軸與入射光線既非平行亦非垂直時，則非規則光束的pointing向量會發生方向改變。規則光束及非規則光束的區別在於其偏振方向，也就是其偏振狀態，也就是說二者區別在於電場的振動。這個特性可以被應用在各種不同的光學應用。例如可以應用於3D顯示器的光學元件，所謂3D顯示器是指以三度空間顯示場景的顯示器。
雙折射是光學各向異性材料的一個特性。雙折射造成的效應是，當光線垂直入射到雙折射材料，所謂的規則光束在穿過雙折射材料的過程中不會改變方向。但是當光線垂直入射到雙折射材料，且該雙折射材料的光學軸與入射光線既非平行亦非垂直時，則非規則光束的pointing向量會發生方向改變。規則光束及非規則光束的區別在於其偏振方向，也就是其偏振狀態，也就是說二者區別在於電場的振動。這個特性可以被應用在各種不同的光學應用。例如可以應用於3D顯示器的光學元件，所謂3D顯示器是指以三度空間顯示場景的顯示器。
解石及石英是已知的雙折射材料。但是對需要用到大型雙折射體(通常是製造成大片的平板)的應用而言，卻很難製作出大片的方解石板或石英板。合成的方解石結晶雖然能夠造製出足夠純度且直徑大於300mm的平板，但是製造成本非常高。目前預計，在未來10年內，這種尺寸與直視顯示器相當的合成方解石結晶板仍無法成為大量製造的產品。
例如，應用於3D顯示器的雙折射平板的作用是，在全像法中利用光學光束組合裝置從光調制器的兩個相位像素產生複數像素。例如，將光調制器的兩個不同相位的像素產生的TE波場(垂直偏振光)及TM波場(水平偏振光)--或至少是不同偏振的波場--疊在一起，因而達到能夠從兩個相位像素產生一個複數像素的光束組合。
一種可以取代應用於光學光束組合裝置之雙折射平板的替代方案是使用所謂的體積光柵，相應的光線在為此目的製造的合成體積光柵的光柵平面上會被繞射。為了達到雙折射平板的效應，必須使用兩個這種厚度由到待組合之像素的距離決定且彼此相距特定距離的體積光柵。WO 2010/149588 A1有詳細說明如何以雙折射平板及這種(繞射光學主動)體積光柵作為光學光束組合裝置。但是這種光學主動體積光柵(也就是繞射體積光柵)的厚度會受到限制，且其製造通常需用到配向層。此外，必須以非常高的精密度將墊片放置到兩個體積光柵之間，才能夠以無缺陷或缺陷率很低的方式將兩個相位像素結合成一個能夠用於全像顯示的複數像素。
將雙折射元件”插入”光學主動體積光柵，以使其達到其他的光學態的作法非常的複雜(參見”Multiplexed holographic transmission gratings recorded in holographic polymerdispersed liquid crystals: static and dynamic studies”, Sebastien lkmaria Camacho Perez, Raymond Chevallier, and Jean-Louis de Bougrenet dela Tocnaye, Applied Optics, Vol. 44, Issue 25, pp. 5273-5280(2005))，因為這種作法的體積光柵及其製造方法密度要求都非常高，才有可能達到所希望的繞射條件，同時又必須調整雙折射元件與光學主動體積光柵的配合方式，以符合應用上的要求。
此外，光學光束組合裝置還需要用到偏振器。先前技術使用的偏振器的一個例子是一種週期明顯小於λ/2的精細的金屬格柵。位於金屬線內的電子可以沿著金屬線自由移動，其中電子幾乎不能進行垂直於偶極子振動的移動。
這種各向異性電子移動性會使平行於金屬線振動的電場受到很大的電子有效截面的作用，這些電子可能被激發成偶極子振動，因而將入射光線反射。相反的，垂直於金屬線振動的電場則受到較小的電子有效截面的作用，由於這些電子不會被激發成偶極子振動，因此入射光線在通過時只有很小一部分光線會被反射。這種偏振元件的額定偏振的透過率的一個典型值是0.98，其中其正交偏振的反射值>0.95。
但是製造這種光柵是一件很麻煩的事。因此有必要找出一種製造成本較低的替代用偏振元件。
例如，應用於3D顯示器的雙折射平板的作用是，在全像法中利用光學光束組合裝置從光調制器的兩個相位像素產生複數像素。例如，將光調制器的兩個不同相位的像素產生的TE波場(垂直偏振光)及TM波場(水平偏振光)--或至少是不同偏振的波場--疊在一起，因而達到能夠從兩個相位像素產生一個複數像素的光束組合。
一種可以取代應用於光學光束組合裝置之雙折射平板的替代方案是使用所謂的體積光柵，相應的光線在為此目的製造的合成體積光柵的光柵平面上會被繞射。為了達到雙折射平板的效應，必須使用兩個這種厚度由到待組合之像素的距離決定且彼此相距特定距離的體積光柵。WO 2010/149588 A1有詳細說明如何以雙折射平板及這種(繞射光學主動)體積光柵作為光學光束組合裝置。但是這種光學主動體積光柵(也就是繞射體積光柵)的厚度會受到限制，且其製造通常需用到配向層。此外，必須以非常高的精密度將墊片放置到兩個體積光柵之間，才能夠以無缺陷或缺陷率很低的方式將兩個相位像素結合成一個能夠用於全像顯示的複數像素。
將雙折射元件”插入”光學主動體積光柵，以使其達到其他的光學態的作法非常的複雜(參見”Multiplexed holographic transmission gratings recorded in holographic polymerdispersed liquid crystals: static and dynamic studies”, Sebastien lkmaria Camacho Perez, Raymond Chevallier, and Jean-Louis de Bougrenet dela Tocnaye, Applied Optics, Vol. 44, Issue 25, pp. 5273-5280(2005))，因為這種作法的體積光柵及其製造方法密度要求都非常高，才有可能達到所希望的繞射條件，同時又必須調整雙折射元件與光學主動體積光柵的配合方式，以符合應用上的要求。
此外，光學光束組合裝置還需要用到偏振器。先前技術使用的偏振器的一個例子是一種週期明顯小於λ/2的精細的金屬格柵。位於金屬線內的電子可以沿著金屬線自由移動，其中電子幾乎不能進行垂直於偶極子振動的移動。
這種各向異性電子移動性會使平行於金屬線振動的電場受到很大的電子有效截面的作用，這些電子可能被激發成偶極子振動，因而將入射光線反射。相反的，垂直於金屬線振動的電場則受到較小的電子有效截面的作用，由於這些電子不會被激發成偶極子振動，因此入射光線在通過時只有很小一部分光線會被反射。這種偏振元件的額定偏振的透過率的一個典型值是0.98，其中其正交偏振的反射值>0.95。
但是製造這種光柵是一件很麻煩的事。因此有必要找出一種製造成本較低的替代用偏振元件。
本發明的目的是提出一種雙折射體，一種製造雙折射體的方法及一種產生複數像素及偏振元件用的光學光束組合裝置，以解決前面提及的問題。本發明尤其是要提出一種能夠以較低成本製造的大尺寸雙折射體，而且這種雙折射體能夠作為應用在大面積3D顯示器的光學元件。此外，本發明提出的光學光束組合裝置的作用是產生3D顯示場景用的複數像素，而且即使是應用於大型顯示器(也就是大於45吋的顯示器)，也能夠達到足夠的尺寸及足夠的均勻性。
採用申請專利範圍第1項的理論即可達到上述目的。附屬於申請專利範圍第1項之附屬申請專利項目的內容為各種相關的有利的實施方式及改良方式。
雙折射體含有光學各向異性的雙折射材料的成分。此處所謂的成分是指單一的元件、微粒及/或空間範圍受到一定限制的特定組件。
根據本發明，這些成分是以在空間中相同定向的方式埋在一種光學透明基質中。此處所謂的在空間中相同定向是指，這些成分的光學軸都指向一個所希望的方向。這些成分通常都是很穩固的埋入光學透明的基質中，所謂光學透明基質是指透明度很高的基質。光學透明基質的作用是作為光學各向異性的雙折射材料之定向成分的填充構架。在一種選擇方案中，基質材料可以根據偏振狀態定向。
根據本發明的一種特別的實施方式，光學各向異性材料的成分是埋在一種含有光學非活性體積光柵的光學透明基質中，其中光學非活性體積光柵的特性是對所使用之光線的所有波長都不會造成繞射。這表示光學非活性體積光柵對可見光的整個波長範圍都不會造成繞射。此處描述的光學非活性體積光柵亦在所謂的”布拉格失配”條件下應用於相應的波長範圍，並構成一種人工電介質。在”布拉格失配”條件下的應用可能涉及角度選擇性及/或波長選擇性。
光學非活性體積光柵具有一種至少在一維具有週期性的遠結構，而且其周期對所使用之光線的所有波長及光線入射方向可以不滿足布拉格繞射條件。這種在意義上相當於繞射光學非活性體積光柵基質支持光學各向異性的雙折射材料的成分的定向。在特殊情況下甚至只有光學非活性體積光柵基質能夠對光學各向異性的雙折射材料的成分的光學軸定向。
根據本發明另一種實施方式，光學非活性體積光柵是由雙光束干涉曝光或多光束干涉曝光產生的聚合物構成。因此以簡單的方法即可從單體及/或寡聚物及光學各向異性的雙折射材料的成分的混合物即可製造出一種固化的光學透明非活性體積光柵基質，且其內含有相同空間定向的雙折射成分。這樣就可以在不需配向層的情況下達到雙折射成分的定向，而且一直到mm範圍的厚度都可以保持相同的定向。
根據本發明的另一種實施方式，光學透明基質的固化材料也具有雙折射的特性。除了定向及固定功能外，這種具有雙折射特性的基質材料還能夠提高由基質及埋在基質中的具有相同空間定向的雙折射成分產生的人工介電質的雙折射效應。
定向埋入本身並不具備折射特性、但形狀並非旋轉對稱的微觀膨脹成分(例如具有次波長膨脹的玻璃橢圓體)能夠產生一種形狀雙折射。此外所謂的形狀雙折射是指，物體的雙折射特性並非源自基質材料或基質所含成分的雙折射特性，而是源自基質所含成分的其幾何形狀、內部結構及排列方式及/或基質本身的雙折射特性。僅是將本身並不具備折射特性的微觀膨脹成分(例如具有次波長膨脹的玻璃微粒)埋入具有可區別之折射率的週期性結構化材料，同樣可以產生形狀雙折射，也就是說，透過對埋入微粒(例如圓球狀的微粒)的空間區隔及沒有另外定向，亦可產生形狀雙折射。但是為了能夠以這種形狀雙折射體實現光學應用，這種形狀雙折射體的厚度必須遠大於本發明之雙折射體的厚度，其中本發明之雙折射體含有雙折射材料的成分，而且這些成分是以相同的空間定向被埋入光學透明基質。
但如果這種形狀雙折射體具有足夠的層厚度，同時使用這種形狀雙折射體的裝置也有足夠的空間可容這種形狀雙折射體，則視光學應用而定，也可以僅使用形狀雙折射體，例如用來實現光束組合。
但為了盡可能縮小光學應用(例如光學光束組合)所需的雙折射體的層厚度，可以埋入雙折射率很高的粒子，使最後達到的雙折射明顯大於形狀雙折射，例如大於引進繞射光學非活性體積光柵基質能夠達到的雙折射，也就是說大於透過這種成分本身的肱折射或定性埋入本身不具備雙折射特性、但不是旋轉對稱的成分所產生的雙折射。
根據本發明的另一種實施方式，埋入基質中的成分含有光學各向異性的雙折射材料，通常這種材料是微觀膨脹的可聚合的單體及/或寡聚物，尤其是可聚合的液晶(LC)。
如果存在一種形成擇優極化方向的體積光柵基質，則聚合成非對稱聚合物鏈或傾向於聚合成非對稱聚合物鏈的可聚合的液晶及單體及寡聚物對這種埋入光學透明基質中的相同空間定向的成分是一種特別有利的雙折射材料。
其中雙折射成分本身也可以被聚合，但並非一定要被聚合。也可以埋入不同材料的橢圓形奈米粒子，例如不同的介電材料或金屬，尤其是碳奈米管。
這樣做的優點是，除了液晶單體、液晶寡聚物及/或液晶聚合物定向至傾斜於表面的分子，或是液晶單體、液晶寡聚物及/或液晶聚合物定向至紫外線輻射的電場外，相應的雙折射成分也能夠在較厚的層中實現相同的空間定向，也就是說，其光學軸也能夠在較厚的層及/或較厚的物體中朝所希望的方向定位，其中在顯示器應用上，層厚度可能是d=50μm至d=500μm。
根據本發明的一種有利的實施方式，所選擇的光學透明基質的材料及光學各向異性材料的成分會使雙折射極大化及散射光所比例極小化。這對於可混合性很高的基質材料及光學各向異性材料的成分而言更是如此。
根據本發明的另一種有利的實施方式，可以透過控制元件及/或調整元件改變光學各向異性材料的成分的雙折射特性。透過控制元件及/或調整元件能夠對光學各向異性材料的成分的雙折射特性造成影響的可能的控制量及/或調整量的例子有：磁場、電場、輻射場(尤其是紫外線照射)、或是作用在雙折射體上的壓力。如果要利用電場改變光學各向異性材料的成分的雙折射特性，則可以用一個設置在雙折射體上的可控制電極(較佳是光學透明的電極)作為相應的控制元件及/或調整元件。透過這種控制元件及/或調整元件可以改變入射光線被雙折射體偏轉的角度，以平衡雙折射體的厚度變化及/或對入射光線的波長改變做出反應。
根據本發明的一種特別的實施方式，光學各向異性的雙折射材料的成分在光學透明基質中是空間週期性相同的定向。這表示在一個週期內在存不同定向的特定量的疇，或是光學各向異性材料的成分的定向在一個週期內以特定的方式連續變化。這樣就可以對雙折射體內的雙折射達到所需要的調制。視製造方法而定，可以是只在一個方向、複數個個方向或整個空間達到光學各向異性雙折射體的成分的相同定向的這種週期性變化。
根據本發明的另一種實施方式，光學各向異性的雙折射材料的成分在雙折射體的同一個範圍內被置於複數個特定的方向，以使其折射率-橢圓形體在空間中重疊。因此而產生的折射率體是多軸的。
採用具有申請專利範圍第10項之特徵的光學光束組合裝置即可達到前面提及的本發明關於裝置方面的目的。附屬於申請專利範圍第10項之附屬申請專利項目的內容為各種相關的有利的實施方式及改良方式。
本發明提出的產生複數像素用的光學光束組合裝置具有一個包含一個像素配置的光調制器、一個光學延遲元件、一個雙折射平板及一個偏振元件，其特徵為雙折射平板具有一個如前面所述之實施方式中的一種的雙折射體，且其厚度(d)及/或其他的特性使不同偏振的兩個像素的波場在通過雙折射平板後，可以結合成一個複數像素。光學光束組合裝置的光學延遲元件通常具有與光調制器之像素配置適配的延遲結構，例如光學延遲元件可以是由一個所謂的結構化半波長板構成，例如可以用一個所謂的45度偏振器作為可當作分析器用的偏振元件。
具有TE及TM偏振的兩個待結合之像素的光線位於雙折射平板之前。在雙折射平板之後設有一個進行線性偏振用的偏振濾光鏡(簡稱為”偏振器”)，其最大傳輸率的軸正好構成TE及TM偏振的電場的角等分線，也就是說朝二者各轉動45度。
這種光學光束組合裝置可具有如WO 2010/149588 A1第5圖、第10圖至第14圖、第17圖、或第21圖描述的結構。
此處需指出的是，光調制器的兩個像素之波場是否能結合成一個複數像素是由雙折射體的品質決定，尤其是由雙折射體的光學特性及厚度等特性決定。必要時可利用前面提及的控制元件及/或調整元件影響雙折射體(此處為雙折射平板)的雙折射特性，以平衡這些特性的變動。可以透過一個電場產生這個影響。為此可將可控制的電極以盡可能平行於裝有光學光束組合裝置之全像顯示器的編碼方向的方式設置在雙折射體上。
根據本發明的光學光束組合裝置的另一種實施方式，作為雙折射平板用的雙折射體具有一種含有光學非活性體積光柵的基質，其中該光學非活性體積光柵的光柵週期Λ及光柵傾斜角γ使照射雙折射體的光線的所有波長及光線的入射角都不會被雙折射體繞射。也就是說僅在所謂的”布拉格失配”條件下工作，因此光學非活性體積光柵不會或僅將很小一部分的入射光繞射。
一種有利的方式是，雙折射平板內的光學非活性體積光柵的光柵傾斜角，也就是光柵對平板基部的傾斜角，是在30度是50度之間。此處所謂的平板基部是指平板面對光調制器(SLM)的表面。一種特別有利的方式是，光柵傾斜角是在42度至45度之間，埋在光學非活性體積光柵中的空間相同定向的雙折射成分的光學軸是沿著光柵平面定向。如果含有單體、寡聚物或聚合物的雙折射液晶在一種含有單體、寡聚物或聚合物的體積光柵材料中被雙光束或多光束干涉曝光定向或固定住，這通常會出現這種情況。
根據本發明的光學光束組合裝置的另一種實施方式，光調制器的各單一顏色(紅，綠，藍)的像素間距是根據其波長在雙折射體中的橫向偏移(剪切距離si)來選擇。當然在根據其波長在雙折射體中的橫向偏移選擇像素間距時，也必須與相應的開口及光學延元件匹配。為本發明的光學光束組合裝置中不同波長的光程引進的橫向偏移的差異最好是小於5%。
根據一種特別的實施方式，透過選擇定向埋入基質中的成分，可以達到一個消色差及/或複消色差引入的光束偏移s，也就是不論使用何種波長均保持不變的光束偏移s，其中埋入基質中的成分可以是雙折射的成分，也可以是本身並非雙折射但形狀不是旋轉對稱的成分。例如可以埋入由不同成分組成的混合物，其中組成混合物的各成分的色散要能夠將最終的色散降至最低。
根據另一種實施方式，透過定向埋入雙折射成分實現的雙折射的色散可用於平衡所實現的形狀雙折射的色散，因而引入消色散或複消色散的光束偏移。
也可以利用由本發明的雙折射體所含有平面平行板構成的層堆疊實現較小的色散，這是因為這些平面平行板的色散會彼此抵消。
根據本發明的一種替代的實施方式，光學光束組合裝置具有一個器具，其作用是根據光線的波長配合光線在雙折射平板上的入射角，使光線的所有波長在通過光束組合裝置(BC)時，光束偏移始終保持不變。
這樣紅光、綠光及藍光就能夠分別以略有不同的入射角照射在雙折射平板上，以便即使在有色散存在的情況下，也能夠實現一個相同的光束偏移。例如藍光可以用-5度、紅光用0度(也就是垂直)及紅光用+3度的入射角照射在雙折射平板上。
顯示器的位於光束組合裝置之後的光學元件，例如在布拉格條件下繞射的體積光柵-場透鏡，可以配合位於雙折射平板之後的略有不同的出射角，以便將所有顏色聚焦到RGB(紅綠藍)多工場透鏡的一個焦點上。
根據本發明的另一種實施方式，光學光束組合器還具有一個顏色變跡法-濾光輝-光圈，其作用是平衡不同波長的光線(例如顯示彩色三維場景用的紅光、綠光及藍光)在通過雙折射平板時產生的橫向偏移。WO 2010/149588 A1有關於這種顏色變跡法-濾光鏡-光圈的說明，尤其是第16圖的說明。可以將顏色變跡法-濾光鏡-光圈設置在光調制器(SLM)的平面上或靠近光調制器(SLM)的平面的位置，也就是位於入射面之前，也可以設置在光束組合元件(例如雙折射平板)的出射面上。
根據本發明的另一種實施方式，光學光束組合器還具有另外一個雙折射平板，此雙折射平板具有如前述實施例中的一個雙折射體，其中光學光束組合器的兩個雙折射板是以彼此旋轉一個角度的方式設置，且二者的厚度使不同偏振的兩個相鄰像素的波場在通過兩個雙折射平板後，能夠結合成一個無光程差的複數像素。這種配置方式是對波長變動及入射角變動最不敏感的配置方式。為此通常是使用兩個相同的雙折射平板，也就是兩個具有相同厚度且含有相同之雙折射體的雙折射平板。雙折射平板的這種配置方式也稱為薩伐特板或薩伐特雙板。
本發明的光學光束組合裝置(其作用是將兩個不同定向的相位像素的波場的光束組合在一起)的一種可能的實施方式是使用兩個彼此繞對方轉動90度的相同的雙折射平板。這兩個雙折射平板各具有一個與其光束入射面之平面法線夾45度角的光學軸。第一個波場被第一個雙折射平板橫向偏移，第二個波場被第二個雙折射平板橫向偏移，因而波場在裝置的出射面以基本上無光程差的方式結合，其中這些波場較佳是彼此對中心，並在一個共同的方向上傳播。
根據本發明的光學光束組合裝置(其作用是將兩個不同定向的相位像素的波場的光束組合在一起)的另一種實施方式，第一個步驟是使第一個波場在第一個雙折射平板中在一個方向上橫向偏移一個特定的量，第2個步驟是利用一個半波長板使兩個待結合的相位像素的波長產生偏振旋轉，第三個步驟是使第二個波場在第二個相同的雙折射平板中在另一個方向上產生與第一個步驟相同的橫向偏移量，其中第二個雙折射平板相對於第一個雙折射平板繞光束入射面的平面法線轉動180度。同樣的，在一個共同方向上傳播的兩個波場也會在裝置的出射面以基本上無光程差的方式結合。
在光線以垂直方式入射到本發明的一個雙折射體上時，為非規則光束引進的偏轉角是由雙折射的量及光學軸對平面法線的定向決定，其中該雙折射體具有光學各向異性(也就是雙折射)材料的成分，且其折射率-橢圓體並非一個球，也就是說該折射率-橢圓體具有兩個或三個不同大小的主軸。如果光學軸的定向固定不變，則雙折射的正負號決定是朝向光學軸偏轉，或是遠離光學軸偏轉。例如，光學軸對平面法線的定向固定為43度，如果雙折射是正的，則非規則光束的pointing向量的偏轉方向會與雙折射是負的時候的偏轉方向相反。
如果所使用的本發明的雙折射體具有光學各向異性(也就是雙折射)材料的成分，且其折射率-橢圓體並非一個球，也就是說該折射率-橢圓體具有兩個或三個不同大小的主軸，則兩個入射光束的pointing向量也可以根據所使用的折射率-橢圓體的定向被橫向偏移，其中這個橫向偏移是在不同方向及以不同的偏移量進行。本發明的雙折射體的配置也必須配合光束組合進行調整。
根據本發明，可以製造及使用折射率-橢圓體具有兩個或三個不同大小的主軸的雙折射體，其中折射率-橢圓體相對於在以這個雙折射體或多個這種雙折射體構成的薄的平面平行板內位置的定向可以自由選擇。因此可以將具有不同的雙折射特性(尤其是負的雙折射及正的雙折射)且含有本發明的雙折射體的平面平行板結合到一個執行光學功能的層堆疊中。
本發明提出的人工雙折射體的另一個優點是可以最佳化所使用的波長的雙折射，例如最佳化紅光-綠光-藍光(RGB)的雙折射。這可以利用含有本發明的雙折射體的平面平行板構成的層堆疊獲得實現，其中這個層堆疊產生的色散較低。
根據一種有利的實施方式，本發明的光束組合裝置具有兩個雙折射平板，而且每一個雙折射平板都包含一個由至少兩個含有本發明之雙折射體的雙折射子平板構成的堆疊，其中至少有一個子平板能夠實現負色散，以及至少有一個子平板能夠實現正色散。
例如，在通過這種光束組合裝置時，三個不同波長的波場的橫向偏移在第一個半步驟中會在一個本發明的雙折射子平板中產生負色散，以及在第二個半步驟中會在一個本發明的雙折射子平板中產生正色散，或是反過來在第一個半步驟中會在一個本發明的雙折射子平板中產生正色散，以及在第二個半步驟中會在一個本發明的雙折射子平板中產生負色散，而且會使為三種顏色引進的偏移彼此之間的差異盡可能的小。如果第二個雙折射平板還含有另一個具有產生負色散的子平板及產生正色散的子平板的堆疊，但這兩個子平板的位置均相對於第一個具有由雙折射子平板構成之堆疊的雙折射平板轉動90度，或是還含有另一個位於第一個具有兩個分別產生負色散及正色散之雙折射子平板的堆疊的半波長板，其具有兩個繞第一個堆疊的兩個雙折射子平板轉動180度的雙折射子平板，則可形成一個光束組合裝置，此光束組合裝置使不同偏振的兩個相鄰像素的波場在通過兩個雙折射平板後，能夠以基本上與色散無關且無光程差的方式結合成一個複數像素。
本發明之光學光束組合裝置的優點是，由於使用本發明的雙折射體的關係，因此所製造出的光學光束組合裝置的尺寸是使用先前技術之石英板或方解石板及光學非活性體積光柵無法或很難達到的。尤其是可以製造出可應用於45吋或甚至更大的顯示器的具有足夠厚度的雙折射平板。此外，相對於使用石英板或方解石板，本發明的另一個優點是製造成本較低。
此外，將本發明的”人工製造”的雙折射體應用於光學光束組合裝置的另一個優點是可以有很大的自由度實現所希望的光學特性，尤其是雙折射及色散的大小及正負符號。
根據本發明的光學光束組合裝置，光學延遲元件也具有一個雙折射體，而且這個雙折射體含有光學各向異性的雙折射材料的成分，同時這些成分以在空間中相同定向的方式埋在一種光學透明基質中。因此能夠以相同的製程依序製造出本發明之光束組合裝置所需的雙折射平板/或雙折射平板的順序及光學延遲元件，或甚至是在同一個製程中製造出來。
因此根據本發明的光學光束組合裝置的另一種實施方式，光學延遲元件還具有一個如前面描述的本發明的雙折射體。
根據本發明的另一種實施方式，光學光束組合裝置還具有一個如以下描述的本發明的偏振元件。
採用具有申請專利範圍第23項之特徵的偏振元件即可達到本發明與裝置有關的目的。附屬於申請專利範圍第23項之附屬申請專利項目的內容為各種相關的有利的實施方式及改良方式。
本發明的偏振元件具一個雙折射體，而且這個雙折射體含有光學各向異性的雙折射材料的成分，同時這些成分以在空間中相同定向的方式埋在一種光學透明基質中，其中光學各向異性材料的成分具有金屬特性。
可自由移動的電荷載體，例如電子，是這種偏振元件的一個邊界條件。移動的電荷載體不必是在線內移動。使用在奈米-橢圓體上的移動即可足夠。如果這些橢圓體是定向的，則也會產生與偏振有關的反射及透射功能。
本發明的偏振元件也可以含有一種如前面描述的雙折射體，其中雙折射體之光學各向異性材料的成分具有金屬特性。
根據本發明的偏振元件的一種有利的實施方式，光學各向異性材料的成分含有具有金屬特性的橢圓形金屬奈米微粒及/或碳奈米管。
例如可以使用在體積光柵內及/或經由體積光柵定向的金屬奈米微粒。也可以用碳奈米管作為埋入材料，但前提是碳奈米管要能夠使電荷載體具有足夠的可移動性。此處要注意的是，電荷載體的可移動性與碳奈米管的形狀有關，可能會在純介電性、半導電性及金屬導電性之間變化。即使是埋入金屬碳奈米管或金屬橢圓形奈米微粒，所產生的材料也不是金屬材料。而且這種材料是不導電的，這是因為只有埋入的奈米微粒具有金屬特性，而且金屬特性被限制在奈米微粒中。
採用具有申請專利範圍第25項之特徵的方法即可達到本發明與方法有關的目的。附屬於申請專利範圍第25項之附屬申請專利項目的內容為各種相關的有利的實施方式及改良方式。
本發明提出的製造雙折射體的方法包括以下的步驟：
-- 將一種基質基本材料與光學各向異性的雙折射材料混合。在這個步驟結束時，這個混合物通常是均勻的。選擇一種在本發明的步驟結束後，尤其是在輸入能量後，會成為一種光學透明的固態基質的材料作為基質基本材料。
-- 透過外場的作用及/或與基質基本材料的交互作用，使光學各向異性材料在混合物中空間相同定向。這與製造許多繞射光學活性光柵(也就是將所使用射光繞射的光柵)不同的地方在於無需外界的配向協助。
-- 再輸入一次能量，使基質基本材料受空間相同定向的成分的影響而固化。這個步驟在光學透明基質中形成埋入的空間相同定向的成分。
本發明的製造雙折射體的方法的一種特殊的實施方式具有以下三個步驟中的至少兩個步驟：
-- 將基質-基本材料與光學各向異性的成分混合；
-- 將光學各向異性的雙折射材料定向；
-- 在空間相同定向的成分的影響下與時間並行或至少與時間部分並行使基質固化。通常這涉及雙折射成分的定向，當光學透明基質被固化後，這些雙折射成分才會保持其定向。
視所選擇的基質基本材料而定，本發明的製造雙折射體的方法的一種特殊的實施方式是在固化基質基本材料的期間發生轉換反應。因此可以聚合單體或寡聚物。還有許多其他的反應在輸入能量及/或在相應的環境中能夠產生固化的光學透明基質。例如充分氧化的矽或鋅。
根據本發明的製造雙折射體的方法的一種實施方式，透過將基質-基本材料與光學各向異性的成分混合及/或將光學各向異性的雙折射材料定向的步驟，可以決定光學各向異性材料的成分在固化的基質中的分佈輪廓。如前面所述，通常的做法是試圖使雙折射成分達到均勻的分佈。但是必要的情況下，另一種可能的方式是實現一種非均勻的分佈輪廓，以改良雙折射體內的雙折射特性。相較於以石英板及方解石板作為雙折射體，本發明的方法在這方面提供多一種選擇性。
有不同的可能性可以實現光學各向異性的雙折射材料的定向及/或基質基本材料的固化。
本發明的製造雙折射體的方法的一種實施方式是利用雷射及/或電場及/或磁場實現光學各向異性材料的成的定向及/或基質的固化。產生這種電場及/或磁場的方法是將磁鐵或電極置於基質基本材料及雙折射分成構成的混合物之外很靠近混合物的位置，以使混合物位於電場及/或磁場的作用範圍內。如果是利用雷射實現光學各向異性材料的成分的定向及/或基質的固化，其作法是以雷射大面積的照射材料，或是根據一個由希望實現的基質內部結構決定的特定圖形以雷射照射材料。
本發明的製造雙折射體的方法的另一種實施方式是利用泛光曝光實現光學各向異性材料的成分的定向及/或基質的固化。所謂泛光曝光是指均勻且同時間的照射所有的混合物，而且不使用掩模裝置，因為使用掩模裝置會只照射特定的範圍，及/或在空間及待照射的材料中形成干涉平面。
本發明的製造雙折射體的方法的另一種實施方式是利用雙光束干涉曝光或多光束干涉曝光實現光學各向異性材料的成分的定向及/或基質的固化。這也可以透過兩個不同的曝光來進行，其中在同一個曝光內是使用相干光束，但是兩個曝光彼此之間是使用非相干光束。因此會在兩個方向上各產生一個週期性結構，
空間干涉圖形雙光束干涉或多光束干涉可以產生一個空間干涉圖形，例如這個空間干涉圖形會在投入高劑量的地方觸發聚合反應。形成週期性結構的光柵使雙折射成分能夠定向。
空間干涉圖形也可以直接引起溶入混合物的成分的分離。例如接著可以利用平面非相干紫外線曝光將這個分離固定住。由於與光線的輻射場的交互作用的關係，金屬奈米微粒會被移動到低劑量投入的範圍，也就是干涉圖中較暗的範圍。感應雙極及永久雙極同樣也會在干涉圖形中被空間定向。
根據本發明的方法的一種特殊的實施方式，在使用這種曝光方法時，曝光步驟是在一個圖形的協助下進行，也就是在一種”複制模型”的協助下進行。這是一種作為掩模用的體積光柵，且具有與待產生的體積光柵相同的光柵週期，這個待產生的體積光柵決定應在那一個位置透過曝光將能量輸入基質基本材料及雙折射成分的混合物。例如，如果以一個平面波照射圖形光柵，而且這個平面波的繞射率大約是50%，則第0及第1繞射級會在圖形光柵之後產生一個對比度很高的干涉圖形，這個適於用對初始混合物進行曝光。
本發明的製造雙折射體的方法的一種特殊的實施方式包括以下的步驟：
-- 將一種(均勻的)體積光柵材料與一種光學各向異性材料的成分混合。體積光柵材料的選擇與光柵對光線繞射的方式無關，反而是應防止發生繞射。可以使用已知的材料及已知的方法製造出相應的體積光柵基質，以作為雙折射成分之空間定向及埋入的定向及填充構架及/或配向基質。
-- 透過其週期對所使用之光線的所有波長均會產生光學非活性(不會造成繞射)之體積光柵的雙光束干涉曝光或三光束干涉曝光，以時間並行的方式使光學各向異性材料的成分形成相同的空間定向，以及使體積光柵材料固化，其中光學各向異性材料的成分在所形成的光學非活性的體積光柵基質以相同的方式被定向固定。也就是說要以不會發生繞射的方式使用以上列舉的已知材料：雖然是以一般的方法對體積光柵進行曝光，但由於所選擇的光柵週期、相對於要使用的光線的波長及/或可見光的所有波長的曝光方向、以及光線的入射角的關係，所以不會發生繞射。在任何情況下都不會符合布拉格繞射條件。以這種方式產生的體積光柵在繞射上是非活性的，因此是一種人工介電質，但是含有分布在光柵中且具有相同空間定向的雙折射成分，同時這些雙折射成分會將其雙折射特性賦予所形成的雙折射體。
光學非活性體積光柵基質可以佔總體積的大約50%。如果埋入的成分彼此對準，則作為配向基質的光學非活性體積光柵基質佔總體積的比例甚至可以降低到25%以下。
本發明的製造雙折射體的方法的一種特殊的實施方式是以雙光束干涉或三光束干涉含有可聚合的非對稱單體及/或寡聚物的體積光柵材料進行曝光及使其聚合。
此外，本發明之方法的一種實施方式使用的是光學各向異性材料的成分含有液晶。液晶具有雙折射的功能。此外，如果要透過控制元件及/或調整元件改變雙折射特性，也比較容易影響液晶，以改變其雙折射特性。
這種實施方式的另一個優點是，除了使液晶單體/液晶寡聚物/液晶聚合物在傾斜於表面的分子上定向外，及/或使液晶單體/液晶寡聚物/液晶聚合物在紫外線輻射電場上定向外，還提供一種使具有很高的方向偏振的較厚的層定向的作用方式。
本發明的製造雙折射體的方法的另外一種實施方式是透過能量輸入使雙折射成分所含的液晶聚合。這樣做可以使這些成分的空間定向獲得更好的固定，尤其是相對於這些成分對要製造的雙折射體的雙折射特性具有直接影體力的光學軸的位置。
有多種不同可能性的可能性能夠以有利的方式實現及改良本發明的理論，及/或使前面描述的實施方式彼此組合。這些可能性均記載於申請專利範圍第1項、第8項及第18項的附屬申請專利項目，以及以下配合圖式對本發明之有利的實施例的說明中。
採用申請專利範圍第1項的理論即可達到上述目的。附屬於申請專利範圍第1項之附屬申請專利項目的內容為各種相關的有利的實施方式及改良方式。
雙折射體含有光學各向異性的雙折射材料的成分。此處所謂的成分是指單一的元件、微粒及/或空間範圍受到一定限制的特定組件。
根據本發明，這些成分是以在空間中相同定向的方式埋在一種光學透明基質中。此處所謂的在空間中相同定向是指，這些成分的光學軸都指向一個所希望的方向。這些成分通常都是很穩固的埋入光學透明的基質中，所謂光學透明基質是指透明度很高的基質。光學透明基質的作用是作為光學各向異性的雙折射材料之定向成分的填充構架。在一種選擇方案中，基質材料可以根據偏振狀態定向。
根據本發明的一種特別的實施方式，光學各向異性材料的成分是埋在一種含有光學非活性體積光柵的光學透明基質中，其中光學非活性體積光柵的特性是對所使用之光線的所有波長都不會造成繞射。這表示光學非活性體積光柵對可見光的整個波長範圍都不會造成繞射。此處描述的光學非活性體積光柵亦在所謂的”布拉格失配”條件下應用於相應的波長範圍，並構成一種人工電介質。在”布拉格失配”條件下的應用可能涉及角度選擇性及/或波長選擇性。
光學非活性體積光柵具有一種至少在一維具有週期性的遠結構，而且其周期對所使用之光線的所有波長及光線入射方向可以不滿足布拉格繞射條件。這種在意義上相當於繞射光學非活性體積光柵基質支持光學各向異性的雙折射材料的成分的定向。在特殊情況下甚至只有光學非活性體積光柵基質能夠對光學各向異性的雙折射材料的成分的光學軸定向。
根據本發明另一種實施方式，光學非活性體積光柵是由雙光束干涉曝光或多光束干涉曝光產生的聚合物構成。因此以簡單的方法即可從單體及/或寡聚物及光學各向異性的雙折射材料的成分的混合物即可製造出一種固化的光學透明非活性體積光柵基質，且其內含有相同空間定向的雙折射成分。這樣就可以在不需配向層的情況下達到雙折射成分的定向，而且一直到mm範圍的厚度都可以保持相同的定向。
根據本發明的另一種實施方式，光學透明基質的固化材料也具有雙折射的特性。除了定向及固定功能外，這種具有雙折射特性的基質材料還能夠提高由基質及埋在基質中的具有相同空間定向的雙折射成分產生的人工介電質的雙折射效應。
定向埋入本身並不具備折射特性、但形狀並非旋轉對稱的微觀膨脹成分(例如具有次波長膨脹的玻璃橢圓體)能夠產生一種形狀雙折射。此外所謂的形狀雙折射是指，物體的雙折射特性並非源自基質材料或基質所含成分的雙折射特性，而是源自基質所含成分的其幾何形狀、內部結構及排列方式及/或基質本身的雙折射特性。僅是將本身並不具備折射特性的微觀膨脹成分(例如具有次波長膨脹的玻璃微粒)埋入具有可區別之折射率的週期性結構化材料，同樣可以產生形狀雙折射，也就是說，透過對埋入微粒(例如圓球狀的微粒)的空間區隔及沒有另外定向，亦可產生形狀雙折射。但是為了能夠以這種形狀雙折射體實現光學應用，這種形狀雙折射體的厚度必須遠大於本發明之雙折射體的厚度，其中本發明之雙折射體含有雙折射材料的成分，而且這些成分是以相同的空間定向被埋入光學透明基質。
但如果這種形狀雙折射體具有足夠的層厚度，同時使用這種形狀雙折射體的裝置也有足夠的空間可容這種形狀雙折射體，則視光學應用而定，也可以僅使用形狀雙折射體，例如用來實現光束組合。
但為了盡可能縮小光學應用(例如光學光束組合)所需的雙折射體的層厚度，可以埋入雙折射率很高的粒子，使最後達到的雙折射明顯大於形狀雙折射，例如大於引進繞射光學非活性體積光柵基質能夠達到的雙折射，也就是說大於透過這種成分本身的肱折射或定性埋入本身不具備雙折射特性、但不是旋轉對稱的成分所產生的雙折射。
根據本發明的另一種實施方式，埋入基質中的成分含有光學各向異性的雙折射材料，通常這種材料是微觀膨脹的可聚合的單體及/或寡聚物，尤其是可聚合的液晶(LC)。
如果存在一種形成擇優極化方向的體積光柵基質，則聚合成非對稱聚合物鏈或傾向於聚合成非對稱聚合物鏈的可聚合的液晶及單體及寡聚物對這種埋入光學透明基質中的相同空間定向的成分是一種特別有利的雙折射材料。
其中雙折射成分本身也可以被聚合，但並非一定要被聚合。也可以埋入不同材料的橢圓形奈米粒子，例如不同的介電材料或金屬，尤其是碳奈米管。
這樣做的優點是，除了液晶單體、液晶寡聚物及/或液晶聚合物定向至傾斜於表面的分子，或是液晶單體、液晶寡聚物及/或液晶聚合物定向至紫外線輻射的電場外，相應的雙折射成分也能夠在較厚的層中實現相同的空間定向，也就是說，其光學軸也能夠在較厚的層及/或較厚的物體中朝所希望的方向定位，其中在顯示器應用上，層厚度可能是d=50μm至d=500μm。
根據本發明的一種有利的實施方式，所選擇的光學透明基質的材料及光學各向異性材料的成分會使雙折射極大化及散射光所比例極小化。這對於可混合性很高的基質材料及光學各向異性材料的成分而言更是如此。
根據本發明的另一種有利的實施方式，可以透過控制元件及/或調整元件改變光學各向異性材料的成分的雙折射特性。透過控制元件及/或調整元件能夠對光學各向異性材料的成分的雙折射特性造成影響的可能的控制量及/或調整量的例子有：磁場、電場、輻射場(尤其是紫外線照射)、或是作用在雙折射體上的壓力。如果要利用電場改變光學各向異性材料的成分的雙折射特性，則可以用一個設置在雙折射體上的可控制電極(較佳是光學透明的電極)作為相應的控制元件及/或調整元件。透過這種控制元件及/或調整元件可以改變入射光線被雙折射體偏轉的角度，以平衡雙折射體的厚度變化及/或對入射光線的波長改變做出反應。
根據本發明的一種特別的實施方式，光學各向異性的雙折射材料的成分在光學透明基質中是空間週期性相同的定向。這表示在一個週期內在存不同定向的特定量的疇，或是光學各向異性材料的成分的定向在一個週期內以特定的方式連續變化。這樣就可以對雙折射體內的雙折射達到所需要的調制。視製造方法而定，可以是只在一個方向、複數個個方向或整個空間達到光學各向異性雙折射體的成分的相同定向的這種週期性變化。
根據本發明的另一種實施方式，光學各向異性的雙折射材料的成分在雙折射體的同一個範圍內被置於複數個特定的方向，以使其折射率-橢圓形體在空間中重疊。因此而產生的折射率體是多軸的。
採用具有申請專利範圍第10項之特徵的光學光束組合裝置即可達到前面提及的本發明關於裝置方面的目的。附屬於申請專利範圍第10項之附屬申請專利項目的內容為各種相關的有利的實施方式及改良方式。
本發明提出的產生複數像素用的光學光束組合裝置具有一個包含一個像素配置的光調制器、一個光學延遲元件、一個雙折射平板及一個偏振元件，其特徵為雙折射平板具有一個如前面所述之實施方式中的一種的雙折射體，且其厚度(d)及/或其他的特性使不同偏振的兩個像素的波場在通過雙折射平板後，可以結合成一個複數像素。光學光束組合裝置的光學延遲元件通常具有與光調制器之像素配置適配的延遲結構，例如光學延遲元件可以是由一個所謂的結構化半波長板構成，例如可以用一個所謂的45度偏振器作為可當作分析器用的偏振元件。
具有TE及TM偏振的兩個待結合之像素的光線位於雙折射平板之前。在雙折射平板之後設有一個進行線性偏振用的偏振濾光鏡(簡稱為”偏振器”)，其最大傳輸率的軸正好構成TE及TM偏振的電場的角等分線，也就是說朝二者各轉動45度。
這種光學光束組合裝置可具有如WO 2010/149588 A1第5圖、第10圖至第14圖、第17圖、或第21圖描述的結構。
此處需指出的是，光調制器的兩個像素之波場是否能結合成一個複數像素是由雙折射體的品質決定，尤其是由雙折射體的光學特性及厚度等特性決定。必要時可利用前面提及的控制元件及/或調整元件影響雙折射體(此處為雙折射平板)的雙折射特性，以平衡這些特性的變動。可以透過一個電場產生這個影響。為此可將可控制的電極以盡可能平行於裝有光學光束組合裝置之全像顯示器的編碼方向的方式設置在雙折射體上。
根據本發明的光學光束組合裝置的另一種實施方式，作為雙折射平板用的雙折射體具有一種含有光學非活性體積光柵的基質，其中該光學非活性體積光柵的光柵週期Λ及光柵傾斜角γ使照射雙折射體的光線的所有波長及光線的入射角都不會被雙折射體繞射。也就是說僅在所謂的”布拉格失配”條件下工作，因此光學非活性體積光柵不會或僅將很小一部分的入射光繞射。
一種有利的方式是，雙折射平板內的光學非活性體積光柵的光柵傾斜角，也就是光柵對平板基部的傾斜角，是在30度是50度之間。此處所謂的平板基部是指平板面對光調制器(SLM)的表面。一種特別有利的方式是，光柵傾斜角是在42度至45度之間，埋在光學非活性體積光柵中的空間相同定向的雙折射成分的光學軸是沿著光柵平面定向。如果含有單體、寡聚物或聚合物的雙折射液晶在一種含有單體、寡聚物或聚合物的體積光柵材料中被雙光束或多光束干涉曝光定向或固定住，這通常會出現這種情況。
根據本發明的光學光束組合裝置的另一種實施方式，光調制器的各單一顏色(紅，綠，藍)的像素間距是根據其波長在雙折射體中的橫向偏移(剪切距離si)來選擇。當然在根據其波長在雙折射體中的橫向偏移選擇像素間距時，也必須與相應的開口及光學延元件匹配。為本發明的光學光束組合裝置中不同波長的光程引進的橫向偏移的差異最好是小於5%。
根據一種特別的實施方式，透過選擇定向埋入基質中的成分，可以達到一個消色差及/或複消色差引入的光束偏移s，也就是不論使用何種波長均保持不變的光束偏移s，其中埋入基質中的成分可以是雙折射的成分，也可以是本身並非雙折射但形狀不是旋轉對稱的成分。例如可以埋入由不同成分組成的混合物，其中組成混合物的各成分的色散要能夠將最終的色散降至最低。
根據另一種實施方式，透過定向埋入雙折射成分實現的雙折射的色散可用於平衡所實現的形狀雙折射的色散，因而引入消色散或複消色散的光束偏移。
也可以利用由本發明的雙折射體所含有平面平行板構成的層堆疊實現較小的色散，這是因為這些平面平行板的色散會彼此抵消。
根據本發明的一種替代的實施方式，光學光束組合裝置具有一個器具，其作用是根據光線的波長配合光線在雙折射平板上的入射角，使光線的所有波長在通過光束組合裝置(BC)時，光束偏移始終保持不變。
這樣紅光、綠光及藍光就能夠分別以略有不同的入射角照射在雙折射平板上，以便即使在有色散存在的情況下，也能夠實現一個相同的光束偏移。例如藍光可以用-5度、紅光用0度(也就是垂直)及紅光用+3度的入射角照射在雙折射平板上。
顯示器的位於光束組合裝置之後的光學元件，例如在布拉格條件下繞射的體積光柵-場透鏡，可以配合位於雙折射平板之後的略有不同的出射角，以便將所有顏色聚焦到RGB(紅綠藍)多工場透鏡的一個焦點上。
根據本發明的另一種實施方式，光學光束組合器還具有一個顏色變跡法-濾光輝-光圈，其作用是平衡不同波長的光線(例如顯示彩色三維場景用的紅光、綠光及藍光)在通過雙折射平板時產生的橫向偏移。WO 2010/149588 A1有關於這種顏色變跡法-濾光鏡-光圈的說明，尤其是第16圖的說明。可以將顏色變跡法-濾光鏡-光圈設置在光調制器(SLM)的平面上或靠近光調制器(SLM)的平面的位置，也就是位於入射面之前，也可以設置在光束組合元件(例如雙折射平板)的出射面上。
根據本發明的另一種實施方式，光學光束組合器還具有另外一個雙折射平板，此雙折射平板具有如前述實施例中的一個雙折射體，其中光學光束組合器的兩個雙折射板是以彼此旋轉一個角度的方式設置，且二者的厚度使不同偏振的兩個相鄰像素的波場在通過兩個雙折射平板後，能夠結合成一個無光程差的複數像素。這種配置方式是對波長變動及入射角變動最不敏感的配置方式。為此通常是使用兩個相同的雙折射平板，也就是兩個具有相同厚度且含有相同之雙折射體的雙折射平板。雙折射平板的這種配置方式也稱為薩伐特板或薩伐特雙板。
本發明的光學光束組合裝置(其作用是將兩個不同定向的相位像素的波場的光束組合在一起)的一種可能的實施方式是使用兩個彼此繞對方轉動90度的相同的雙折射平板。這兩個雙折射平板各具有一個與其光束入射面之平面法線夾45度角的光學軸。第一個波場被第一個雙折射平板橫向偏移，第二個波場被第二個雙折射平板橫向偏移，因而波場在裝置的出射面以基本上無光程差的方式結合，其中這些波場較佳是彼此對中心，並在一個共同的方向上傳播。
根據本發明的光學光束組合裝置(其作用是將兩個不同定向的相位像素的波場的光束組合在一起)的另一種實施方式，第一個步驟是使第一個波場在第一個雙折射平板中在一個方向上橫向偏移一個特定的量，第2個步驟是利用一個半波長板使兩個待結合的相位像素的波長產生偏振旋轉，第三個步驟是使第二個波場在第二個相同的雙折射平板中在另一個方向上產生與第一個步驟相同的橫向偏移量，其中第二個雙折射平板相對於第一個雙折射平板繞光束入射面的平面法線轉動180度。同樣的，在一個共同方向上傳播的兩個波場也會在裝置的出射面以基本上無光程差的方式結合。
在光線以垂直方式入射到本發明的一個雙折射體上時，為非規則光束引進的偏轉角是由雙折射的量及光學軸對平面法線的定向決定，其中該雙折射體具有光學各向異性(也就是雙折射)材料的成分，且其折射率-橢圓體並非一個球，也就是說該折射率-橢圓體具有兩個或三個不同大小的主軸。如果光學軸的定向固定不變，則雙折射的正負號決定是朝向光學軸偏轉，或是遠離光學軸偏轉。例如，光學軸對平面法線的定向固定為43度，如果雙折射是正的，則非規則光束的pointing向量的偏轉方向會與雙折射是負的時候的偏轉方向相反。
如果所使用的本發明的雙折射體具有光學各向異性(也就是雙折射)材料的成分，且其折射率-橢圓體並非一個球，也就是說該折射率-橢圓體具有兩個或三個不同大小的主軸，則兩個入射光束的pointing向量也可以根據所使用的折射率-橢圓體的定向被橫向偏移，其中這個橫向偏移是在不同方向及以不同的偏移量進行。本發明的雙折射體的配置也必須配合光束組合進行調整。
根據本發明，可以製造及使用折射率-橢圓體具有兩個或三個不同大小的主軸的雙折射體，其中折射率-橢圓體相對於在以這個雙折射體或多個這種雙折射體構成的薄的平面平行板內位置的定向可以自由選擇。因此可以將具有不同的雙折射特性(尤其是負的雙折射及正的雙折射)且含有本發明的雙折射體的平面平行板結合到一個執行光學功能的層堆疊中。
本發明提出的人工雙折射體的另一個優點是可以最佳化所使用的波長的雙折射，例如最佳化紅光-綠光-藍光(RGB)的雙折射。這可以利用含有本發明的雙折射體的平面平行板構成的層堆疊獲得實現，其中這個層堆疊產生的色散較低。
根據一種有利的實施方式，本發明的光束組合裝置具有兩個雙折射平板，而且每一個雙折射平板都包含一個由至少兩個含有本發明之雙折射體的雙折射子平板構成的堆疊，其中至少有一個子平板能夠實現負色散，以及至少有一個子平板能夠實現正色散。
例如，在通過這種光束組合裝置時，三個不同波長的波場的橫向偏移在第一個半步驟中會在一個本發明的雙折射子平板中產生負色散，以及在第二個半步驟中會在一個本發明的雙折射子平板中產生正色散，或是反過來在第一個半步驟中會在一個本發明的雙折射子平板中產生正色散，以及在第二個半步驟中會在一個本發明的雙折射子平板中產生負色散，而且會使為三種顏色引進的偏移彼此之間的差異盡可能的小。如果第二個雙折射平板還含有另一個具有產生負色散的子平板及產生正色散的子平板的堆疊，但這兩個子平板的位置均相對於第一個具有由雙折射子平板構成之堆疊的雙折射平板轉動90度，或是還含有另一個位於第一個具有兩個分別產生負色散及正色散之雙折射子平板的堆疊的半波長板，其具有兩個繞第一個堆疊的兩個雙折射子平板轉動180度的雙折射子平板，則可形成一個光束組合裝置，此光束組合裝置使不同偏振的兩個相鄰像素的波場在通過兩個雙折射平板後，能夠以基本上與色散無關且無光程差的方式結合成一個複數像素。
本發明之光學光束組合裝置的優點是，由於使用本發明的雙折射體的關係，因此所製造出的光學光束組合裝置的尺寸是使用先前技術之石英板或方解石板及光學非活性體積光柵無法或很難達到的。尤其是可以製造出可應用於45吋或甚至更大的顯示器的具有足夠厚度的雙折射平板。此外，相對於使用石英板或方解石板，本發明的另一個優點是製造成本較低。
此外，將本發明的”人工製造”的雙折射體應用於光學光束組合裝置的另一個優點是可以有很大的自由度實現所希望的光學特性，尤其是雙折射及色散的大小及正負符號。
根據本發明的光學光束組合裝置，光學延遲元件也具有一個雙折射體，而且這個雙折射體含有光學各向異性的雙折射材料的成分，同時這些成分以在空間中相同定向的方式埋在一種光學透明基質中。因此能夠以相同的製程依序製造出本發明之光束組合裝置所需的雙折射平板/或雙折射平板的順序及光學延遲元件，或甚至是在同一個製程中製造出來。
因此根據本發明的光學光束組合裝置的另一種實施方式，光學延遲元件還具有一個如前面描述的本發明的雙折射體。
根據本發明的另一種實施方式，光學光束組合裝置還具有一個如以下描述的本發明的偏振元件。
採用具有申請專利範圍第23項之特徵的偏振元件即可達到本發明與裝置有關的目的。附屬於申請專利範圍第23項之附屬申請專利項目的內容為各種相關的有利的實施方式及改良方式。
本發明的偏振元件具一個雙折射體，而且這個雙折射體含有光學各向異性的雙折射材料的成分，同時這些成分以在空間中相同定向的方式埋在一種光學透明基質中，其中光學各向異性材料的成分具有金屬特性。
可自由移動的電荷載體，例如電子，是這種偏振元件的一個邊界條件。移動的電荷載體不必是在線內移動。使用在奈米-橢圓體上的移動即可足夠。如果這些橢圓體是定向的，則也會產生與偏振有關的反射及透射功能。
本發明的偏振元件也可以含有一種如前面描述的雙折射體，其中雙折射體之光學各向異性材料的成分具有金屬特性。
根據本發明的偏振元件的一種有利的實施方式，光學各向異性材料的成分含有具有金屬特性的橢圓形金屬奈米微粒及/或碳奈米管。
例如可以使用在體積光柵內及/或經由體積光柵定向的金屬奈米微粒。也可以用碳奈米管作為埋入材料，但前提是碳奈米管要能夠使電荷載體具有足夠的可移動性。此處要注意的是，電荷載體的可移動性與碳奈米管的形狀有關，可能會在純介電性、半導電性及金屬導電性之間變化。即使是埋入金屬碳奈米管或金屬橢圓形奈米微粒，所產生的材料也不是金屬材料。而且這種材料是不導電的，這是因為只有埋入的奈米微粒具有金屬特性，而且金屬特性被限制在奈米微粒中。
採用具有申請專利範圍第25項之特徵的方法即可達到本發明與方法有關的目的。附屬於申請專利範圍第25項之附屬申請專利項目的內容為各種相關的有利的實施方式及改良方式。
本發明提出的製造雙折射體的方法包括以下的步驟：
-- 將一種基質基本材料與光學各向異性的雙折射材料混合。在這個步驟結束時，這個混合物通常是均勻的。選擇一種在本發明的步驟結束後，尤其是在輸入能量後，會成為一種光學透明的固態基質的材料作為基質基本材料。
-- 透過外場的作用及/或與基質基本材料的交互作用，使光學各向異性材料在混合物中空間相同定向。這與製造許多繞射光學活性光柵(也就是將所使用射光繞射的光柵)不同的地方在於無需外界的配向協助。
-- 再輸入一次能量，使基質基本材料受空間相同定向的成分的影響而固化。這個步驟在光學透明基質中形成埋入的空間相同定向的成分。
本發明的製造雙折射體的方法的一種特殊的實施方式具有以下三個步驟中的至少兩個步驟：
-- 將基質-基本材料與光學各向異性的成分混合；
-- 將光學各向異性的雙折射材料定向；
-- 在空間相同定向的成分的影響下與時間並行或至少與時間部分並行使基質固化。通常這涉及雙折射成分的定向，當光學透明基質被固化後，這些雙折射成分才會保持其定向。
視所選擇的基質基本材料而定，本發明的製造雙折射體的方法的一種特殊的實施方式是在固化基質基本材料的期間發生轉換反應。因此可以聚合單體或寡聚物。還有許多其他的反應在輸入能量及/或在相應的環境中能夠產生固化的光學透明基質。例如充分氧化的矽或鋅。
根據本發明的製造雙折射體的方法的一種實施方式，透過將基質-基本材料與光學各向異性的成分混合及/或將光學各向異性的雙折射材料定向的步驟，可以決定光學各向異性材料的成分在固化的基質中的分佈輪廓。如前面所述，通常的做法是試圖使雙折射成分達到均勻的分佈。但是必要的情況下，另一種可能的方式是實現一種非均勻的分佈輪廓，以改良雙折射體內的雙折射特性。相較於以石英板及方解石板作為雙折射體，本發明的方法在這方面提供多一種選擇性。
有不同的可能性可以實現光學各向異性的雙折射材料的定向及/或基質基本材料的固化。
本發明的製造雙折射體的方法的一種實施方式是利用雷射及/或電場及/或磁場實現光學各向異性材料的成的定向及/或基質的固化。產生這種電場及/或磁場的方法是將磁鐵或電極置於基質基本材料及雙折射分成構成的混合物之外很靠近混合物的位置，以使混合物位於電場及/或磁場的作用範圍內。如果是利用雷射實現光學各向異性材料的成分的定向及/或基質的固化，其作法是以雷射大面積的照射材料，或是根據一個由希望實現的基質內部結構決定的特定圖形以雷射照射材料。
本發明的製造雙折射體的方法的另一種實施方式是利用泛光曝光實現光學各向異性材料的成分的定向及/或基質的固化。所謂泛光曝光是指均勻且同時間的照射所有的混合物，而且不使用掩模裝置，因為使用掩模裝置會只照射特定的範圍，及/或在空間及待照射的材料中形成干涉平面。
本發明的製造雙折射體的方法的另一種實施方式是利用雙光束干涉曝光或多光束干涉曝光實現光學各向異性材料的成分的定向及/或基質的固化。這也可以透過兩個不同的曝光來進行，其中在同一個曝光內是使用相干光束，但是兩個曝光彼此之間是使用非相干光束。因此會在兩個方向上各產生一個週期性結構，
空間干涉圖形雙光束干涉或多光束干涉可以產生一個空間干涉圖形，例如這個空間干涉圖形會在投入高劑量的地方觸發聚合反應。形成週期性結構的光柵使雙折射成分能夠定向。
空間干涉圖形也可以直接引起溶入混合物的成分的分離。例如接著可以利用平面非相干紫外線曝光將這個分離固定住。由於與光線的輻射場的交互作用的關係，金屬奈米微粒會被移動到低劑量投入的範圍，也就是干涉圖中較暗的範圍。感應雙極及永久雙極同樣也會在干涉圖形中被空間定向。
根據本發明的方法的一種特殊的實施方式，在使用這種曝光方法時，曝光步驟是在一個圖形的協助下進行，也就是在一種”複制模型”的協助下進行。這是一種作為掩模用的體積光柵，且具有與待產生的體積光柵相同的光柵週期，這個待產生的體積光柵決定應在那一個位置透過曝光將能量輸入基質基本材料及雙折射成分的混合物。例如，如果以一個平面波照射圖形光柵，而且這個平面波的繞射率大約是50%，則第0及第1繞射級會在圖形光柵之後產生一個對比度很高的干涉圖形，這個適於用對初始混合物進行曝光。
本發明的製造雙折射體的方法的一種特殊的實施方式包括以下的步驟：
-- 將一種(均勻的)體積光柵材料與一種光學各向異性材料的成分混合。體積光柵材料的選擇與光柵對光線繞射的方式無關，反而是應防止發生繞射。可以使用已知的材料及已知的方法製造出相應的體積光柵基質，以作為雙折射成分之空間定向及埋入的定向及填充構架及/或配向基質。
-- 透過其週期對所使用之光線的所有波長均會產生光學非活性(不會造成繞射)之體積光柵的雙光束干涉曝光或三光束干涉曝光，以時間並行的方式使光學各向異性材料的成分形成相同的空間定向，以及使體積光柵材料固化，其中光學各向異性材料的成分在所形成的光學非活性的體積光柵基質以相同的方式被定向固定。也就是說要以不會發生繞射的方式使用以上列舉的已知材料：雖然是以一般的方法對體積光柵進行曝光，但由於所選擇的光柵週期、相對於要使用的光線的波長及/或可見光的所有波長的曝光方向、以及光線的入射角的關係，所以不會發生繞射。在任何情況下都不會符合布拉格繞射條件。以這種方式產生的體積光柵在繞射上是非活性的，因此是一種人工介電質，但是含有分布在光柵中且具有相同空間定向的雙折射成分，同時這些雙折射成分會將其雙折射特性賦予所形成的雙折射體。
光學非活性體積光柵基質可以佔總體積的大約50%。如果埋入的成分彼此對準，則作為配向基質的光學非活性體積光柵基質佔總體積的比例甚至可以降低到25%以下。
本發明的製造雙折射體的方法的一種特殊的實施方式是以雙光束干涉或三光束干涉含有可聚合的非對稱單體及/或寡聚物的體積光柵材料進行曝光及使其聚合。
此外，本發明之方法的一種實施方式使用的是光學各向異性材料的成分含有液晶。液晶具有雙折射的功能。此外，如果要透過控制元件及/或調整元件改變雙折射特性，也比較容易影響液晶，以改變其雙折射特性。
這種實施方式的另一個優點是，除了使液晶單體/液晶寡聚物/液晶聚合物在傾斜於表面的分子上定向外，及/或使液晶單體/液晶寡聚物/液晶聚合物在紫外線輻射電場上定向外，還提供一種使具有很高的方向偏振的較厚的層定向的作用方式。
本發明的製造雙折射體的方法的另外一種實施方式是透過能量輸入使雙折射成分所含的液晶聚合。這樣做可以使這些成分的空間定向獲得更好的固定，尤其是相對於這些成分對要製造的雙折射體的雙折射特性具有直接影體力的光學軸的位置。
有多種不同可能性的可能性能夠以有利的方式實現及改良本發明的理論，及/或使前面描述的實施方式彼此組合。這些可能性均記載於申請專利範圍第1項、第8項及第18項的附屬申請專利項目，以及以下配合圖式對本發明之有利的實施例的說明中。
P1、P2．．．光柵平面
SP、SP1、SP2．．．雙折射平板
Pi1、Pi2、PK．．．像素
HWP．．．結構化半波長板
SLM．．．光調制器
LC．．．液晶
BC．．．光學光束組合裝置
WGP．．．45度偏振元件
VG．．．光學非活性體積光柵
E1、E2．．．雙光束干涉曝光
F．．．正前方
S．．．側面
SP1T1、SP1T2、SP2T1、SP2T2．．．雙折射體及子平板
CNT．．．金屬奈米微粒及/或碳奈米管
以下除了配合圖式說明的本發明的有利的實施例外，也有關於本發明之理論的有利的實施方式及改良方式的說明。
各圖式的內容為：
第1圖：利用連續曝光形成兩個定向結構，以製造本發明的雙折射體的立體透視圖。
第2a，2b及2c圖：利用連續曝光形成兩個定向結構的俯視圖。
第3圖：本發明的光學光束組合裝置的側面圖，其中光學光束組合裝置包含一個具有本發明之雙折射體的平板。
第4a及4b圖：本發明的能夠以無光程差的方式組合光束的光學光束組合裝置的俯視圖及側面圖。
第5a，5b及5c圖：以示意方式顯示，使用本發明之光學光束組合裝置時，不同定向的兩個待結合的相位像素之光束組合的三種可能的變化方式的成像(投影在一個平面上及俯視圖)。
第6a及6b圖：本發明的能夠以無光程差及無色散/低色散的方式將不同波長的光束(例如紅光-綠光-藍光)組合在一起的光學光束組合裝置的俯視圖及側面圖。
第7圖：本發明之偏振元件的原理及作用方式。
各圖式的內容為：
第1圖：利用連續曝光形成兩個定向結構，以製造本發明的雙折射體的立體透視圖。
第2a，2b及2c圖：利用連續曝光形成兩個定向結構的俯視圖。
第3圖：本發明的光學光束組合裝置的側面圖，其中光學光束組合裝置包含一個具有本發明之雙折射體的平板。
第4a及4b圖：本發明的能夠以無光程差的方式組合光束的光學光束組合裝置的俯視圖及側面圖。
第5a，5b及5c圖：以示意方式顯示，使用本發明之光學光束組合裝置時，不同定向的兩個待結合的相位像素之光束組合的三種可能的變化方式的成像(投影在一個平面上及俯視圖)。
第6a及6b圖：本發明的能夠以無光程差及無色散/低色散的方式將不同波長的光束(例如紅光-綠光-藍光)組合在一起的光學光束組合裝置的俯視圖及側面圖。
第7圖：本發明之偏振元件的原理及作用方式。
為了製造雙折射體，將一種全像體積光柵材料作為基質材料(例如，一種液態光聚合混合物(例如以下產品的前級產物DuPont:HRF, Omnidx:Bayer Material Science:HX)，一種以 PMMA、PVA或聚氨酯丙烯酸為基的光聚合混合物，或是初前聚合物PN393(Merk)及1,1,1,3,3,3,3-六氟化異丙醇(Sigma-Aldrich)的混合物)與光學各向異性的雙折射材料的成分(含有液晶(LC)，例如E7，E8，E49，TL205(Nerck))均勻的混合。WO 2011/054792 A1有詳細描述所使用之全像體積光柵材料(也就是一種光聚合混合物)的組成成分。
接著透過兩個彼此獨立且彼此不相干的雙光束干涉曝光E1及E2，其中E1及E2的方向及週期對使其對所使用之光線的所有波長均會產生光學非活性(不會造成繞射)的體積光柵，以時間並行的方式使含有液晶(LC)的成分形成相同的空間定向，以及使體積光柵材料固化，其中光學各向異性材料的成分在所形成的光學非活性的體積光柵基質以相同的方式被定向固定。
第1圖顯示的第一曝光在所觀察的體積中形成一個週期性結構。第一曝光引發的聚合形成的平面以元件符號P1表示。週期會隨曝光波長的變短及接成像光束之間的角度變大而變短。平面P1的傾斜位置是由成像光束的二等分線決定。第二曝光在所觀察的體積中形成另一個週期性結構。第二曝光引發的聚合形成的平面以元件符號P2表示。兩個曝光E1及E2可以同時進行，例如使用兩個彼此不相干的雷射進行曝光。
第2圖顯示以前後連續的曝光E1及E2形成兩個定向結構的平面P1及P2的俯視圖，其中第一曝光E1形成第2a圖中的平面P1，第二曝光形成第2b圖中的平面P2，最後再結合成第2c圖中的總定向結構，也就是產生一種光學非活性(不會造成繞射)的體積光柵VG。
由於對這種產生光學非活性(不會造成繞射)的體積光柵的曝光的要求要小很多，因此要實現這種曝光比要實現產生光學活性(會造成繞射)的體積光柵的曝光容易很多。經過曝光後，含有液晶LC的雙折射成分會在體積光柵基質VG中被定向，同時體積光柵基質VG也作為填充構架，含有液晶LC的雙折射成分在這個填充構架中被長期固定這個所希望的定向。因此本發明的這種雙折射體可以實現較大的尺寸，尤其是較大的厚度d。
以這種方式產生的體積光柵VG是光學非活性(不會造成繞射)的透明的體積光柵，也就是一種人工介電質。但是含有分布在光柵中且具有相同空間定向的含有雙折射液晶LC的成分，同時這些雙折射成分會將其雙折射特性賦予所形成的雙折射體。
含有以這種方法製造的本發明的雙折射體的雙折射平板SP被應用於本發明的光學光束組合裝置BC中，以產生複數像素，其中本發明的雙折射體含有具有相同空間定性的雙折射液晶LC的成分，而且這些成分被穩固的埋在光學非活性(不會造成繞射)的透明的體積光柵VG中。第3圖顯示這種光學光束組合裝置BC的側面圖。光學光束組合裝置BC具有一個包含像素Pi2及Pi2配置的光調制器SLM、結構化半波長板HWP(其作用為改變光調制器SLM的一部分像素Pi的光線的偏振方向)、一個雙折射平板(SP)及一個作為分析用的45度偏振元件WGP。結構化半波長板HWP的結構主要是由光調制器SLM的含有像素Pi的列及行的尺寸決定。
垂直於第3圖中的投影面的含有雙折射體的雙折射平板SP之光柵平面P1的光柵傾斜角γ為43度，其中光柵傾斜角γ是光柵對雙折射平板SP之基部的傾斜角。平行於這個投影面的光柵平面P2的光柵傾斜角為90度。在兩個方向上，所選擇的光柵週期要使可見光的所有波長都不會被繞射。所選擇的含有雙折射體的平板SP的厚度d要使不同偏振的兩個像素Pi1，Pi2的波場在通過雙折射平板SP後，能夠結合成一個複數像素PK，其中非規則光束TM(平行偏振光)在通過雙折射平板SP時，會被橫向偏移一個像素寬度，因此在離開雙折射平板SP後，能夠與規則光束TE(垂直偏振光)互相干涉。互相干涉的光束的傳播方向基本上是相同的。
對某些應用而言，對稱的光程是有利或甚至是必要的。使光程對稱的目的是，透過光學介質避免兩個光程出現光學光程差OPD，尤其是在兩個光程通過將其橫向偏移的光學介質後，應在一個特定的位置互相干涉。這對於可以及/或應該以時間相干性較小的光線或與光程的橫向偏移不匹配的空間相干性運轉的裝置而言是很重要的。可以在調制單元之前，例如空間光調制器SLM的像素之前，也就是在入射照明單元或透光照明單元(前光照明或背光照明)中，形成這種避免光學光程差的對稱性。
但是也可以在這種光調制器SLM的平面之後形成這種對稱性，例如在遠場形成這種對稱性。光學光束組合裝置BC規律的使用這種方式。
第4a圖及第4b圖以示意方式顯示這種裝置的一個可能的變化方式，這種裝置的作用是使不同定向的兩個待結合的相位像素Pi1，Pi2形成基本上無光程差的光束組合，其中這種裝置包含兩個彼此繞對方轉動90度並具有雙折射體的雙折射平板SP1，SP2，其中雙折射平板SP1，SP2各有一個與平面法線夾大約45度角的光學軸。第4a圖顯示一個俯視圖，第4b圖顯示一個側面圖。第4a圖及第4b圖顯示，第一個雙折射平板SP1將第一個波場橫向偏移的方式及第二個雙折射平板SP2將第二個波場橫向偏移的方式，使波場在裝置的出射面結合，其中波場較佳是彼此對中心，並在一個共同的方向上傳播。使兩個正交偏振且彼此對中心及在同一個方向上傳播的波場具有干涉能力，在裝置輸出端設有一個偏振濾光鏡WGP。
例如，如果是以一個TE偏振及一個TM偏振作為輸入偏振，同時TM偏振光束對第一個雙折射平板SP1而言是非規則光束，TE偏振光束對第一個雙折射平板SP1而言是規則光束，則TM偏振光束的Pointing向量會被橫向偏移，但是TE偏振光束的Pointing向量不會被橫向偏移。設置第二個相同的雙折射平板SP2，其中第二個雙折射平板SP2相對於第一個雙折射平板SP1繞光束入射面的平面法線轉動90度，因此對雙折射材料之光學軸的定向會出現TE偏振及TM偏振交換的情況。這表示在通過第一個雙折射平板SP1時未被偏移的光束會在第二個雙折射平板SP2中被偏移，同時未在第一個雙折射平板SP1中被偏移的光束在過第二個雙折射平板SP2後，不會被橫向偏移。第二個雙折射平板SP2相對於第一個雙折射平板SP1轉動90度使應用在TE偏振光束及TM偏振光束上的操作互相交換，也就是說是在正交方向上進行偏移。
使第二個雙折射平板SP2相對於第一個雙折射平板SP1轉動180度，也可以達到交換偏移的作用，其中在兩個的通同的雙折射平板SP1，SP2之間有設置一個未結構化的半波長板。此時兩個偏移(各等於總偏移量的一半)會發生在同一個平面上，但彼此方向相反。為了減少使用的構件數量，一種有利的作法是使用不需要另外設置一個半波長板的配置方式。因此此處沒有繪出這種配置方式。
第5a圖至第5c圖示意方式顯示，使用本發明之光學光束組合裝置BC時，從正前方F及側面S看過去，在光束的傳播方向上的投視圖中，不同定向的兩個待結合的相位像素Pi1，Pi2之光束組合的三種可能的變化方式的成像。光束組合裝置BC具有一個或兩個含有本發明之雙折射體且相於對方轉動的雙折射平板SP1及/或P2，其中雙折射平板SP1及/或P2係設置在含有待結合之相位像素Pi1及Pi2的光調制SLM之後，其中雙折射平板SP1及/或SP2各有一個繞平面法線轉動約45度的光學軸。一個偏振濾光鏡WGP設置在相對於兩個輸出偏振轉動45度的位置。第5a圖至第5c圖在像素Pi1及Pi2的旁邊有顯示位於分析器之前的單一及結合的像素PK，也就是說在(未繪出的)偏振濾光鏡之前的平一及結合的像素PK。
在第5a圖的情況中，光學光束組合裝置BC僅具有一個雙折射平板SP。此裝置相當於第3圖中的光束組合裝置BC。第一個像素Pi1的波前在通過雙折射平板SP時不會被偏轉，但是垂直於像素Pi1被偏振的像素Pi2的波前在通過雙折射平板SP時會被偏轉。在為雙折射平板SP選擇適當的厚度d的情況下，像素Pi1及Pi2的波前在通過光束組合裝置BC之後會結合成一個複數像素PK，而且這個複數像素PK在正前方投影中位於第一個像素Pi1的位置。但是光學光束組合裝置的這種變化方式會有光學光程差。
在第5b圖的情況中，光學光束組合裝置BC具有兩個彼此繞其平面法線轉動180度的雙折射平板SP1及SP2，而且在兩個雙折射平板SP1及SP2之間有設置一個未結構化的半波長板。
因此兩個像素Pi1及Pi2的波前會如前面所述被偏轉，同時所產生的複數像素PK在正前投影中位於兩個像素Pi1及Pi2的中間。由於兩個像素經過的距離相同，因此在這種變化方式的光束組合基本上是無光程差的。
在第5c圖的情況中，兩個雙折射平板SP1及SP2彼此繞其平面法線轉動90度。這相當於第4a及4b圖的光學光束組合裝置BC。兩個雙折射平板SP1及SP2各引進一個橫向偏移∣sx∣=∣sy∣=∣s1∣，其中兩個平板引入的偏移sx及sy互相垂直。相對偏移量為： 。
接著透過兩個彼此獨立且彼此不相干的雙光束干涉曝光E1及E2，其中E1及E2的方向及週期對使其對所使用之光線的所有波長均會產生光學非活性(不會造成繞射)的體積光柵，以時間並行的方式使含有液晶(LC)的成分形成相同的空間定向，以及使體積光柵材料固化，其中光學各向異性材料的成分在所形成的光學非活性的體積光柵基質以相同的方式被定向固定。
第1圖顯示的第一曝光在所觀察的體積中形成一個週期性結構。第一曝光引發的聚合形成的平面以元件符號P1表示。週期會隨曝光波長的變短及接成像光束之間的角度變大而變短。平面P1的傾斜位置是由成像光束的二等分線決定。第二曝光在所觀察的體積中形成另一個週期性結構。第二曝光引發的聚合形成的平面以元件符號P2表示。兩個曝光E1及E2可以同時進行，例如使用兩個彼此不相干的雷射進行曝光。
第2圖顯示以前後連續的曝光E1及E2形成兩個定向結構的平面P1及P2的俯視圖，其中第一曝光E1形成第2a圖中的平面P1，第二曝光形成第2b圖中的平面P2，最後再結合成第2c圖中的總定向結構，也就是產生一種光學非活性(不會造成繞射)的體積光柵VG。
由於對這種產生光學非活性(不會造成繞射)的體積光柵的曝光的要求要小很多，因此要實現這種曝光比要實現產生光學活性(會造成繞射)的體積光柵的曝光容易很多。經過曝光後，含有液晶LC的雙折射成分會在體積光柵基質VG中被定向，同時體積光柵基質VG也作為填充構架，含有液晶LC的雙折射成分在這個填充構架中被長期固定這個所希望的定向。因此本發明的這種雙折射體可以實現較大的尺寸，尤其是較大的厚度d。
以這種方式產生的體積光柵VG是光學非活性(不會造成繞射)的透明的體積光柵，也就是一種人工介電質。但是含有分布在光柵中且具有相同空間定向的含有雙折射液晶LC的成分，同時這些雙折射成分會將其雙折射特性賦予所形成的雙折射體。
含有以這種方法製造的本發明的雙折射體的雙折射平板SP被應用於本發明的光學光束組合裝置BC中，以產生複數像素，其中本發明的雙折射體含有具有相同空間定性的雙折射液晶LC的成分，而且這些成分被穩固的埋在光學非活性(不會造成繞射)的透明的體積光柵VG中。第3圖顯示這種光學光束組合裝置BC的側面圖。光學光束組合裝置BC具有一個包含像素Pi2及Pi2配置的光調制器SLM、結構化半波長板HWP(其作用為改變光調制器SLM的一部分像素Pi的光線的偏振方向)、一個雙折射平板(SP)及一個作為分析用的45度偏振元件WGP。結構化半波長板HWP的結構主要是由光調制器SLM的含有像素Pi的列及行的尺寸決定。
垂直於第3圖中的投影面的含有雙折射體的雙折射平板SP之光柵平面P1的光柵傾斜角γ為43度，其中光柵傾斜角γ是光柵對雙折射平板SP之基部的傾斜角。平行於這個投影面的光柵平面P2的光柵傾斜角為90度。在兩個方向上，所選擇的光柵週期要使可見光的所有波長都不會被繞射。所選擇的含有雙折射體的平板SP的厚度d要使不同偏振的兩個像素Pi1，Pi2的波場在通過雙折射平板SP後，能夠結合成一個複數像素PK，其中非規則光束TM(平行偏振光)在通過雙折射平板SP時，會被橫向偏移一個像素寬度，因此在離開雙折射平板SP後，能夠與規則光束TE(垂直偏振光)互相干涉。互相干涉的光束的傳播方向基本上是相同的。
對某些應用而言，對稱的光程是有利或甚至是必要的。使光程對稱的目的是，透過光學介質避免兩個光程出現光學光程差OPD，尤其是在兩個光程通過將其橫向偏移的光學介質後，應在一個特定的位置互相干涉。這對於可以及/或應該以時間相干性較小的光線或與光程的橫向偏移不匹配的空間相干性運轉的裝置而言是很重要的。可以在調制單元之前，例如空間光調制器SLM的像素之前，也就是在入射照明單元或透光照明單元(前光照明或背光照明)中，形成這種避免光學光程差的對稱性。
但是也可以在這種光調制器SLM的平面之後形成這種對稱性，例如在遠場形成這種對稱性。光學光束組合裝置BC規律的使用這種方式。
第4a圖及第4b圖以示意方式顯示這種裝置的一個可能的變化方式，這種裝置的作用是使不同定向的兩個待結合的相位像素Pi1，Pi2形成基本上無光程差的光束組合，其中這種裝置包含兩個彼此繞對方轉動90度並具有雙折射體的雙折射平板SP1，SP2，其中雙折射平板SP1，SP2各有一個與平面法線夾大約45度角的光學軸。第4a圖顯示一個俯視圖，第4b圖顯示一個側面圖。第4a圖及第4b圖顯示，第一個雙折射平板SP1將第一個波場橫向偏移的方式及第二個雙折射平板SP2將第二個波場橫向偏移的方式，使波場在裝置的出射面結合，其中波場較佳是彼此對中心，並在一個共同的方向上傳播。使兩個正交偏振且彼此對中心及在同一個方向上傳播的波場具有干涉能力，在裝置輸出端設有一個偏振濾光鏡WGP。
例如，如果是以一個TE偏振及一個TM偏振作為輸入偏振，同時TM偏振光束對第一個雙折射平板SP1而言是非規則光束，TE偏振光束對第一個雙折射平板SP1而言是規則光束，則TM偏振光束的Pointing向量會被橫向偏移，但是TE偏振光束的Pointing向量不會被橫向偏移。設置第二個相同的雙折射平板SP2，其中第二個雙折射平板SP2相對於第一個雙折射平板SP1繞光束入射面的平面法線轉動90度，因此對雙折射材料之光學軸的定向會出現TE偏振及TM偏振交換的情況。這表示在通過第一個雙折射平板SP1時未被偏移的光束會在第二個雙折射平板SP2中被偏移，同時未在第一個雙折射平板SP1中被偏移的光束在過第二個雙折射平板SP2後，不會被橫向偏移。第二個雙折射平板SP2相對於第一個雙折射平板SP1轉動90度使應用在TE偏振光束及TM偏振光束上的操作互相交換，也就是說是在正交方向上進行偏移。
使第二個雙折射平板SP2相對於第一個雙折射平板SP1轉動180度，也可以達到交換偏移的作用，其中在兩個的通同的雙折射平板SP1，SP2之間有設置一個未結構化的半波長板。此時兩個偏移(各等於總偏移量的一半)會發生在同一個平面上，但彼此方向相反。為了減少使用的構件數量，一種有利的作法是使用不需要另外設置一個半波長板的配置方式。因此此處沒有繪出這種配置方式。
第5a圖至第5c圖示意方式顯示，使用本發明之光學光束組合裝置BC時，從正前方F及側面S看過去，在光束的傳播方向上的投視圖中，不同定向的兩個待結合的相位像素Pi1，Pi2之光束組合的三種可能的變化方式的成像。光束組合裝置BC具有一個或兩個含有本發明之雙折射體且相於對方轉動的雙折射平板SP1及/或P2，其中雙折射平板SP1及/或P2係設置在含有待結合之相位像素Pi1及Pi2的光調制SLM之後，其中雙折射平板SP1及/或SP2各有一個繞平面法線轉動約45度的光學軸。一個偏振濾光鏡WGP設置在相對於兩個輸出偏振轉動45度的位置。第5a圖至第5c圖在像素Pi1及Pi2的旁邊有顯示位於分析器之前的單一及結合的像素PK，也就是說在(未繪出的)偏振濾光鏡之前的平一及結合的像素PK。
在第5a圖的情況中，光學光束組合裝置BC僅具有一個雙折射平板SP。此裝置相當於第3圖中的光束組合裝置BC。第一個像素Pi1的波前在通過雙折射平板SP時不會被偏轉，但是垂直於像素Pi1被偏振的像素Pi2的波前在通過雙折射平板SP時會被偏轉。在為雙折射平板SP選擇適當的厚度d的情況下，像素Pi1及Pi2的波前在通過光束組合裝置BC之後會結合成一個複數像素PK，而且這個複數像素PK在正前方投影中位於第一個像素Pi1的位置。但是光學光束組合裝置的這種變化方式會有光學光程差。
在第5b圖的情況中，光學光束組合裝置BC具有兩個彼此繞其平面法線轉動180度的雙折射平板SP1及SP2，而且在兩個雙折射平板SP1及SP2之間有設置一個未結構化的半波長板。
因此兩個像素Pi1及Pi2的波前會如前面所述被偏轉，同時所產生的複數像素PK在正前投影中位於兩個像素Pi1及Pi2的中間。由於兩個像素經過的距離相同，因此在這種變化方式的光束組合基本上是無光程差的。
在第5c圖的情況中，兩個雙折射平板SP1及SP2彼此繞其平面法線轉動90度。這相當於第4a及4b圖的光學光束組合裝置BC。兩個雙折射平板SP1及SP2各引進一個橫向偏移∣sx∣=∣sy∣=∣s1∣，其中兩個平板引入的偏移sx及sy互相垂直。相對偏移量為：
兩個雙折射平板SP1，SP2的這種裝置可作為光學光束組合裝置BC，以便將兩個像Pi1，Pi2的相位值結合成一個複數像素PK的複數值z。其中複數像素PK的相位及強度是可以由選擇的。待結合的像素Pi1及Pi2不再像一般方式彼此相鄰，而是在兩個方向x及y上分別偏移∣sx∣=∣sy∣=∣s1∣因此總偏移量(對角線) 。
在光線的入射角與垂直於s2的方向略為傾斜的情況下，以及在雙折射平板SP1及SP2的構造相同且
∣sx∣=∣sy∣=∣s1∣的條件下，這種裝置會產生對兩個光程的長度保持不變的相對光程，因此兩個光束的光學光程差保持為零。因此垂直於光束組合之方向的輕微的角度誤差會被兩個待結合之相位像素之間的相對相位抵消。
第6a圖及第6b圖以示意方式顯示一種能夠以無光程差及無色散/低色散的方式將不同定向的兩個待結合的像素Pi1，Pi2的不同波長的光束(例如紅光-綠光-藍光)組合在一起的光學光束組合裝置的一種可能的變化方式的俯視圖(第6a圖)及側面圖(第6b圖)，其中此裝置具有兩個彼此轉動90度且含有本發明之雙折射體及子平板SP1T1，SP1T2，SP2T1，SP2T2的雙折射平板SP1，SP2，其中雙折射平板SP1，SP2各具有一個與平面法線大約夾45度角的光學軸。
本發明的光束組合裝置的這種有利的實施方式具有兩個雙折射平板SP1，SP2，而且這兩個平板各具有一個由含有本發明之雙折射體的兩個雙折射子平板SP1T1，SP1T2及SP2T1，SP2T2構成的堆疊，而且其中至少各有一個子平板SP1T1及SP2T1能夠實現負色散，以及至少各有一個子平板SP1T2及SP2T2能夠實現正色散。如前面所述，在通過這種光束組合裝置BC時，三個不同波長的波場的橫向偏移在第一個半步驟中會在一個本發明的雙折射子平板SP1T1中產生負色散，以及在第二個半步驟中會在一個本發明的雙折射子平板SP1T2中產生正色散。因此為三種顏色引進的偏移彼此供有很小的差異。如果第二個雙折射平板SP2還含有另一個具有產生負色散的子平板SP2T1及產生正色散的子平板SP2T2的堆疊，但這兩個子平板的位置均相對於第一個具有由雙折射子平板SP1T1，SP1T2構成之堆疊的雙折射平板轉動90度。這樣在通過兩個子平板SP2T1，SP2T2後，就可以完或至少是接近完全去除原本不同波長會出現的不同色散。這樣就可以利用這種光束組合裝置BC使不同偏振的兩個相鄰像素Pi2，Pi2的三種顏色(紅-綠-藍)的波場在通過兩個雙折射平板SP1，SP2後，以基本上無色散/低色散及無光程差的方式結合成一個複數像素PK。
此外，在前面所述的情況下，本發明的雙折射體可以作為偏振元件WGP使用。但是這種偏振元件在本發明的光學光束組合裝置中也可以單獨使用。第7圖說明本發明的偏振元件WGP的原理及作用方式，這種元件具有一個含有金屬奈米微粒及/或碳奈米管CNT的雙折射體。在電荷載體在金屬奈米微粒及/或碳奈米管CNT內具有足夠多向異性的可移動性。因此TM波場受到很強的交互作用，並被反射，其中TM波場內的電子的振動與金屬奈米微粒及/或碳奈米管內的電荷載體的移動性方向平行。TE波場只受到輕微的交互作用，並能夠通過WGP，其中TE波場內的電子的振動與金屬奈米微粒及/或碳奈米管內的電荷載體的移動方向垂直。
此處要特別指出的是，以上提及的實施例僅是用來說明本發明的理論，但是本發明的範圍並不受這些實施例的任何限制。尤其是以上提及的實施例可以彼此組合。
在光線的入射角與垂直於s2的方向略為傾斜的情況下，以及在雙折射平板SP1及SP2的構造相同且
∣sx∣=∣sy∣=∣s1∣的條件下，這種裝置會產生對兩個光程的長度保持不變的相對光程，因此兩個光束的光學光程差保持為零。因此垂直於光束組合之方向的輕微的角度誤差會被兩個待結合之相位像素之間的相對相位抵消。
第6a圖及第6b圖以示意方式顯示一種能夠以無光程差及無色散/低色散的方式將不同定向的兩個待結合的像素Pi1，Pi2的不同波長的光束(例如紅光-綠光-藍光)組合在一起的光學光束組合裝置的一種可能的變化方式的俯視圖(第6a圖)及側面圖(第6b圖)，其中此裝置具有兩個彼此轉動90度且含有本發明之雙折射體及子平板SP1T1，SP1T2，SP2T1，SP2T2的雙折射平板SP1，SP2，其中雙折射平板SP1，SP2各具有一個與平面法線大約夾45度角的光學軸。
本發明的光束組合裝置的這種有利的實施方式具有兩個雙折射平板SP1，SP2，而且這兩個平板各具有一個由含有本發明之雙折射體的兩個雙折射子平板SP1T1，SP1T2及SP2T1，SP2T2構成的堆疊，而且其中至少各有一個子平板SP1T1及SP2T1能夠實現負色散，以及至少各有一個子平板SP1T2及SP2T2能夠實現正色散。如前面所述，在通過這種光束組合裝置BC時，三個不同波長的波場的橫向偏移在第一個半步驟中會在一個本發明的雙折射子平板SP1T1中產生負色散，以及在第二個半步驟中會在一個本發明的雙折射子平板SP1T2中產生正色散。因此為三種顏色引進的偏移彼此供有很小的差異。如果第二個雙折射平板SP2還含有另一個具有產生負色散的子平板SP2T1及產生正色散的子平板SP2T2的堆疊，但這兩個子平板的位置均相對於第一個具有由雙折射子平板SP1T1，SP1T2構成之堆疊的雙折射平板轉動90度。這樣在通過兩個子平板SP2T1，SP2T2後，就可以完或至少是接近完全去除原本不同波長會出現的不同色散。這樣就可以利用這種光束組合裝置BC使不同偏振的兩個相鄰像素Pi2，Pi2的三種顏色(紅-綠-藍)的波場在通過兩個雙折射平板SP1，SP2後，以基本上無色散/低色散及無光程差的方式結合成一個複數像素PK。
此外，在前面所述的情況下，本發明的雙折射體可以作為偏振元件WGP使用。但是這種偏振元件在本發明的光學光束組合裝置中也可以單獨使用。第7圖說明本發明的偏振元件WGP的原理及作用方式，這種元件具有一個含有金屬奈米微粒及/或碳奈米管CNT的雙折射體。在電荷載體在金屬奈米微粒及/或碳奈米管CNT內具有足夠多向異性的可移動性。因此TM波場受到很強的交互作用，並被反射，其中TM波場內的電子的振動與金屬奈米微粒及/或碳奈米管內的電荷載體的移動性方向平行。TE波場只受到輕微的交互作用，並能夠通過WGP，其中TE波場內的電子的振動與金屬奈米微粒及/或碳奈米管內的電荷載體的移動方向垂直。
此處要特別指出的是，以上提及的實施例僅是用來說明本發明的理論，但是本發明的範圍並不受這些實施例的任何限制。尤其是以上提及的實施例可以彼此組合。
P1．．．光柵平面
SP．．．雙折射平板
Pi1、Pi2．．．像素
HWP．．．結構化半波長板
SLM．．．光調制器
LC．．．液晶
BC．．．光學光束組合裝置
WGP．．．45度偏振元件
VG．．．光學非活性體積光柵
Claims (36)
- 雙折射體，含有光學各向異性的雙折射材料的成分，這些成分以在空間中相同定向的方式埋在一種光學透明基質中，其特徵為：光學各向異性材料的成分埋在一種含有光學非活性體積光柵(VG)的光學透明基質中，其中光學非活性體積光柵(VG)對所使用之光線的所有波長及入射角都不會造成繞射。
- 如申請專利範圍第1項的雙折射體，其特徵為：光學各向異性材料的成分很穩固的埋在光學透明的基質中。
- 如申請專利範圍第1項的雙折射體，其特徵為：可以透過控制元件及/或調整元件改變光學各向異性材料的成分的雙折射特性。
- 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項的雙折射體，其特徵為：光學非活性體積光柵(VG)是由雙光束干涉曝光或多光束干涉曝光產生的聚合物構成。
- 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項的雙折射體，其特徵為：光學透明基質的材料也具有雙折射的特性。
- 如申請專利範圍第1項至第5項中任一項的雙折射體，其特徵為：埋在基質中的光學各向異性材料的成分含有可聚合的單體及/或寡聚物。
- 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項的雙折射體，其特徵為：所選擇的光學透明基質的材料及光學各向異性材料的成分使雙折射極大化及散射光所比例極小化。
- 如申請專利範圍第1項至第7項中任一項的雙折射體，其特徵為：光學各向異性的雙折射材料的成分是以空間週期相同定向的方式埋入光學透明基質中。
- 如申請專利範圍第1項至第8項中任一項的雙折射體，其特徵為：光學各向異性的雙折射材料的成分在雙折射體的同一個範圍內被置於複數個特定的方向，因此其折射率-橢圓形體在空間中重疊。
- 產生複數像素用的光學光束組合裝置(BC)，具有一個包含一個像素(Pi)配置的光調制器(SLM)、一個光學延遲元件(HWP)、一個雙折射平板(SP)及一個偏振元件(WGP)，其特徵為：雙折射平板(SP)具有一個雙折射體，這個雙折射體包含光學各向異性的雙折射材料的成分，這些成分以在空間中相同定向的方式埋在一種光學透明基質中，或是具有一個如申請專利範圍第1項至第9項中任一項的雙折射體，且其厚度(d)及/或其他的特性使不同偏振的兩個像素(Pi1，Pi2)的波場在通過雙折射平板(SP)後，可以結合成一個複數像素(PK)。
- 如申請專利範圍第10項的光學光束組合裝置(BC)，其特徵為：雙折射體具有一種含有光學非活性體積光柵(VG)的基質，其中該光學非活性體積光柵(VG)的光柵週期(Λ)及光柵傾斜角(γ)使照射雙折射體的光線的所有波長都不會被繞射。
- 如申請專利範圍第11項的光學光束組合裝置(BC)，其特徵為：雙折射平板(SP)的光柵傾斜角(γ)介於30度是50度之間，或最好是介於42度至45度之間。
- 如申請專利範圍第10項至第12項中任一項的光學光束組合裝置(BC)，其特徵為：光調制器(SLM)的各單一顏色的像素間距是根據其波長在雙折射體中的橫向偏移(si)來選擇。
- 如申請專利範圍第10項至第12項中任一項的光學光束組合裝置(BC)，其特徵為：光學光束組合裝置具有一個器具，其作用是根據光線的波長配合光線在雙折射平板(SP)上的入射角，使光線的所有波長在通過光束組合裝置(BC)時，光束偏移始終保持不變。
- 如申請專利範圍第10項至第14項中任一項的光學光束組合裝置(BC)，其特徵為：具有一個顏色變跡法-濾光鏡-光圈。
- 如申請專利範圍第10項至第15項中任一項的光學光束組合裝置(BC)，其特徵為：具有另外一個雙折射平板(SP)，此雙折射平板(SP)具有一個雙折射體，這個雙折射體包含光學各向異性的雙折射材料的成分，這些成分以在空間中相同定向的方式埋在一種光學透明基質中，或是此雙折射平板(SP)具有一個如申請專利範圍第1項至第9項中任一項的雙折射體，其中光學光束組合器的兩個雙折射板(SP1，SP2)是以繞其平面法線彼此旋轉一個角度的方式設置，且二者的厚度(d)使不同偏振的兩個相鄰像素(Pi1，Pi2)的波場在通過兩個雙折射平板(SP1，SP2)後，能夠結合成一個無光程差的複數像素(PK)。
- 如申請專利範圍第16項的光學光束組合裝置(BC)，其特徵為：第一個雙折射平板(SP1)及第二個雙折射平板(SP2)都包含一個由至少兩個雙折射子平板(SP1T1，SP1T2,…,SP2T1，SP2T2)構成的堆疊，而且其中至少有一個子平板能夠實現負色散，以及至少有一個子平板能夠實現正色散。
- 如申請專利範圍第16項或第17項的光學光束組合裝置(BC)，其特徵為：第二個雙折射平板(SP2)相對於第一個雙折射平板(SP1)繞其平面法線轉動90度。
- 如申請專利範圍第16項或第17項的光學光束組合裝置(BC)，其特徵為：第二個雙折射平板(SP2)相對於第一個雙折射平板(SP1)繞其平面法線轉動180度，其中在第一個雙折射平板(SP1)及第二個雙折射平板(SP2)之間還設有一個未結構化的半波長板。
- 如申請專利範圍第16項至第19項中任一項的光學光束組合裝置(BC)，其特徵為：雙折射平板(SP1，SP2)含有的雙折射體具有多種光學各向異性的雙折射材料的成分，且其折射率-橢圓體具有至少兩個不同大小的主軸。
- 如申請專利範圍第10項至第20項中任一項的光學光束組合裝置(BC)，其特徵為：光學延遲元件(HWP)具有一個雙折射體，這個雙折射體包含光學各向異性的雙折射材料的成分，這些成分以在空間中相同定向的方式埋在一種光學透明基質中，或是具有一個如申請專利範圍第1項至第9項中任一項的雙折射體。
- 如申請專利範圍第10項至第21項中任一項的光學光束組合裝置(BC)，其特徵為：具有如申請專利範圍第22項或第23頁的偏振元件(WGP)。
- 偏振元件(WGP)，其特徵為：具有一個雙折射體，這個雙折射體包含光學各向異性的雙折射材料的成分，這些成分以在空間中相同定向的方式埋在一種光學透明基質中，或是具有一個如申請專利範圍第1項至第9項中任一項的雙折射體，其中光學各向異性材料的成具具有金屬特性。
- 如申請專利範圍第23項的偏振元件(WGP)，其特徵為：光學各向異性材料的成分含有具有金屬特性的橢圓形金屬奈米微粒及/或碳奈米管(CNT)。
- 製造雙折射體的方法，其中：
-- 將一種基質基本材料與光學各向異性的雙折射材料混合；
-- 在沒有外界的配向協助的情況下，透過外場的作用及/或與基質基本材料的交互作用，使光學各向異性材料在混合物中空間相同定向；
-- 再輸入一次能量，使基質基本材料受空間相同定向的成分的影響而固化，並在光學透明基質中形成埋入的空間相同定向的成分。 - 如申請專利範圍第25項的製造雙折射體的方法，其特徵為：具有以下三個步驟中的至少兩個步驟：將基質-基本材料與光學各向異性的成分混合；將光學各向異性的雙折射材料定向；在空間相同定向的成分的影響下與時間並行或至少與時間部分並行使基質固化。
- 如申請專利範圍第25項或第26項的製造雙折射體的方法，其特徵為：光學各向異性材料的成分在基質材料固化期間被固定在基質基本材料中。
- 如申請專利範圍第25項至第27項中任一項的製造雙折射體的方法，其特徵為：透過將基質-基本材料與光學各向異性的成分混合及/或將光學各向異性的雙折射材料定向的步驟，決定光學各向異性材料的成分在固化的基質中的分佈輪廓。
- 如申請專利範圍第25項至第28項中任一項的製造雙折射體的方法，其特徵為：利用雷射及/或電場及/或磁場實現光學各向異性材料的成分的分定向及/或基質的固化。
- 如申請專利範圍第25項至第29項中任一項的製造雙折射體的方法，其特徵為：利用泛光曝光實現光學各向異性材料的成分的分定向及/或基質的固化。
- 如申請專利範圍第25項至第29項中任一項的製造雙折射體的方法，其特徵為：利用雙光束干涉曝光或三光束干涉曝光實現光學各向異性材料的成分的分定向及/或基質的固化。
- 如申請專利範圍第31項的製造雙折射體的方法，其特徵為：透過圖形進行曝光步驟。
- 如申請專利範圍第31項或第32項的製造雙折射體的方法，其特徵為：
-- 將一種(均勻的)體積光柵材料與一種光學各向異性材料的成分混合；
-- 透過其週期對所使用之光線的所有波長均會產生光學非活性(不會造成繞射)之體積光柵(VG)的雙光束干涉曝光或三光束干涉曝光，以時間並行的方式使光學各向異性材料的成分形成相同的空間定向，以及使體積光柵材料固化，其中光學各向異性材料的成分在所形成的光學非活性的體積光柵基質以相同的方式被定向固定。 - 如申請專利範圍第33項的製造雙折射體的方法，其特徵為：以雙光束干涉或三光束干涉含有可聚合的非對稱單體及/或寡聚物的體積光柵材料進行曝光及使其聚合。
- 如申請專利範圍第33項或第34項的製造雙折射體的方法，其特徵為：光學各向異性材料的成分含有液晶(LC)。
- 如申請專利範圍第35項的製造雙折射體的方法，其特徵為：輸入能量使液晶(LC)聚合。
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