用于宽带偏振变换的多扭曲延迟器及相关制造方法技术

一种光学元件包括具有相应局部光轴的至少两个堆叠双折射层，所述相应局部光轴在所述至少两层的相应厚度上旋转相应扭曲角，并且沿着所述至少两层之间的相应界面对准。相应扭曲角和/或相应厚度不同。所述至少两个堆叠双折射层可以是液晶聚合物光学延迟器层。还讨论了相关设备和制造方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】一种光学元件包括具有相应局部光轴的至少两个堆叠双折射层，所述相应局部光轴在所述至少两层的相应厚度上旋转相应扭曲角，并且沿着所述至少两层之间的相应界面对准。相应扭曲角和/或相应厚度不同。所述至少两个堆叠双折射层可以是液晶聚合物光学延迟器层。还讨论了相关设备和制造方法。【专利说明】相关申请的交叉引用: 本申请是美国专利申请12/596，189的部分延续，其为具有2008年4月16日的国际申请日的PCT国际申请N0.PCT/US2008/004888的35 USC § 371国家阶段申请，该PCT国际申请要求 2007 年 4 月 16 日提交的题为 “Low-Twist Chiral Liquid Crystal PolarizationGratings and Related Fabrication Methods (低扭曲手性液晶偏振光栅及相关制造方法)”的美国临时专利申请N0.60/912, 044的优先权，其公开内容通过引用如同在其全部中陈述的那样在此并入本文中。本申请还在35 U.S.C.§ 119之下要求2011年10月7日提交的题为“Mult1-Twist Retarders For Broadband Polarization Transformation AndRelated Fabrication Methods ()”的美国临时专利申请N0.61/544，936的优先权，其公开内容通过引用以其全部并入于此。
本专利技术涉及偏振变换和相关系统。
技术介绍
通过指定波的电场在振荡的一个周期上在空间点处的定向来描述光的偏振。偏振变换使用在许多光学设备中，包括但不限于，液晶显示器(LCD)、光学存储装置(例如CD/DVD/蓝光)、3D电影院、光学遥感以及光纤网络。可以精确控制以用于在波长的宽范围上的入射光的偏振变换被称作宽带(或消色差的)偏振变换，并且可以用在牵涉人类感知或不同波长处的多个同步通道的应用中。偏振是光的非标量的量，其可以是完全偏振、部分偏振或不偏振。描述偏振的一种方式是斯托克斯(Stokes)矢量，其将可能的偏振状态描述为四个强度=S=BciS1S2S3]τ。变换偏振的光学元件可以用最常被布置成4x4米勒矩阵M的16个参数来描述。因此，输入偏振Sin可以通过以下关系=Stot=M.Sin变换成输出偏振Sot。对于在本上下文中使用的几乎所有双折射部件，矩阵M的元素中的许多可以随波长强烈地变化，这可能使宽带偏振变换具有挑战性。提供偏振变换的元件的一些示例是四分之一波长(quarterwave)延迟元件(其可以被用于将具有线偏振的光变换至圆偏振，或者反之亦然)，以及半波延迟元件(其可以将具有线偏振的光变换至不同的线偏振方向，或者反之亦然)。窄带(或强烈色差的)偏振变换可以通过具有单轴双折射率的均匀延迟器来实现，典型地称为 波片。这些波片具有随着波长强烈变化的相位延迟(即 二2_ν...%:)(Μ2πΔ?€?/λ,其中Λη = (Ui^nlJ为双折射率)和不随波长强烈变化的沿异常指标方向(extraordinary index direction)的光轴。波片可以由各式各样的材料形成,包括但不限于，双折射晶体、拉伸的聚合物膜以及液晶层。宽带偏振变换可以通过以使得其快和慢光轴相对的方式组合由不同材料形成的至少两个波片来实现。该途径可以依赖于在材料双折射率的色散中具有适当差异。例如，结晶石英和氟化镁波片可以用于宽带偏振变换。然而，除了涉及性能的其它限制以外，这样的天然矿物或生长晶体的可用性以及这样的元件的尺寸和成本在许多情况下可能是阻碍性的。可替换地，宽带偏振可以通过使用典型地由相同材料形成的两个或更多个离散波片来实现，其中波片的光轴定向和单独延迟不是经常正交的。该技术的一些示例牵涉三个波片，但是还可能实现具有两个、五个、六个或更多波片的实施例。虽然这些波片可以由许多类型的可用双折射膜(诸如上文提及的用于窄带波片的那些，包括液晶层)形成，但是可能必需将每个离散波片就其本身而言形成为物理分离的元件，并且于是随后以相对于其它元件的高精度水平对每个分离的元件进行组装。除其它限制以外，该途径可能相当大地添加制造成本，可能经常导致厚(即，数mm或cm)部件，并且可能造成受约束的孔径张角(angular aperture)。宽带偏振变换元件的附加类别包括单个非均匀双折射层，其典型地由具有并非贯穿厚度而一致的局部光轴的单轴双折射材料形成。这些双折射层已经被使用在LCD和其它光学设备中。这些双折射层可以形成可寻址层，诸如90°扭曲的向列(TN)和超扭曲的向列(STN)IXD，以及具有正和负双折射率的补偿膜。虽然这些双折射层可以充当偏振变换元件(通常具有一些消色差行为)，但是它们可能具有关于可以变换的输入和输出偏振类型的限制。例如，90° -TN和STN双折射层仅仅可以将线偏振变换至近线偏振，并且许多补偿膜可能仅仅对偏振做出小调整。而且，单个扭曲层可以用作延迟器以在相对狭窄的带宽范围上部分地将圆偏振转换至线偏振(对于单个波长)。虽然该单个扭曲层可以与胆留偏振器组合，但这些元件可以分离地形成并且随后与彼此组装，从而类似地造成关于制造成本、厚度、性能等的问题。扭曲层的组合也已被用于宽带偏振变换。例如，美国专利N0.6，765，635描述了在单轴半波层的任一侧上的两个135°扭曲向列层可以被采用作为电控偏振调制器。在另一情况下，通过使用分离制造并随后组装的两个扭曲向列盒(nematic cell)来提供宽带四分之一波长延迟器。
技术实现思路
根据本文所描述的本专利技术的一些实施例，光学膜包括第一光学层，其中相应的局部光轴在限定于第一光学层的相对面之间的第一厚度上旋转第一扭曲角，以及第二光学层，其中相应的局部光轴在限定于第二光学层的相对面之间的第二厚度上旋转第二扭曲角。例如，第一层的局部各向异性可以在第一厚度上具有第一连续可变相移，第二层的局部各向异性可以在第二厚度上具有第二连续可变相移。在一些实施例中，第一和第二层(以及因而，它们的局部光轴)的分子的相应相对定向沿着其间的界面对准。在一些实施例中，第一和第二光学层可以是第一和第二延迟器层，其更改由此穿过的光的偏振状态而在宽带波长范围上基本上不影响其传播方向。例如，第一和/或第二光学层的分子的相对定向在横向维度上可以基本上一致，以便基本上不更改由此穿过的光的传播方向。在其它实施例中，第一和/或第二光学层的分子的相对定向可以在横向维度上连续变化。在一些实施例中，第一和第二层可以被组装以限定单片结构。例如，第二光学层可以直接在第一光学层上，并且第二光学层的分子可以通过第一光学层的分子对准。在一些实施例中，光学膜可以包括具有在其中限定基本上一致的畴(domain)的对准条件的对准表面。对准表面可以基本上不影响由此行进的光的局部偏振状态。第一光学层可以直接在对准表面上，并且第一层的分子可以根据对准表面的对准条件来对准。第一层、第二层和/或对准表面可以基本上是透明的。在一些实施例中，第一光学层可以是其中包括具有第一抢向(twist sense)的手性液晶分子的第一手性液晶层，并且第二光学层可以是其中包括具有第二捻向的手性液晶分子的第二手性液晶层。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学元件，包括：具有相应局部光轴的第一和第二堆叠双折射层，所述相应局部光轴在第一和第二层的相应厚度上旋转相应扭曲角并且沿着第一和第二层之间的界面对准，其中相应扭曲角和/或相应厚度不同，并且其中第一和第二堆叠双折射层的相应局部光轴在沿着其间界面的方向上是非周期性的。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：MJ埃斯库蒂，RK科曼杜里，KF小劳勒，
申请(专利权)人：北卡罗莱纳州立大学，
类型：发明
国别省市：美国;US