具有偏振光栅的偏振转换系统及相关制造方法技术方案

一种偏振转换系统包括：透镜元件、包括具有空间变化的局部光轴的衍射元件的偏振光栅以及延迟器元件。偏振光栅被布置成接收从透镜元件输出的光，并且延迟器元件被布置成接收从偏振光栅输出的不同偏振状态的偏振光并将所述不同偏振状态变成相同的偏振状态。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】优先权要求 本申请根据美国法典第35条第119款要求2011年10月7日提交的题为“Polarization Conversion Systems With Polarization Gratings And RelatedFabrication Methods”的美国临时专利申请号61/544，888的优先权,该申请的公开通过引用被整体地结合到本文中。
本专利技术涉及偏振转换及相关系统。
技术介绍
许多投影显示系统和直视平板显示器使用非偏振光源(例如，灯、发光二极管(LED)、环境光等)。然而，采用液晶(LC)材料的许多设备、包括硅上LC (LCOS)微显示器或LC显示器(IXD)可能要求此光是偏振的。虽然常规偏振元件能够通过允许具有期望偏振的光从中穿过而从非偏振光产生偏振光(包括偏振片或各种双折射棱镜)，但它们可能固有地是低效的，因为它们通常通过或者吸收不想要的光或者使其在不想要的方向上改向来进行工作。这可能甚至在光进入光电部件之前导致大于50%的光效率损失。这样大的损失通常是不期望的，尤其是在高亮度显示系统或其中电池寿命有限的便携式电池供电显示系统中。某些方法已被用来改善偏振元件的转换效率，使得超过50%的非偏振光被转换成偏振光。一个此类方法通过将具有不想要的偏振的光反射回到光源本身而使光再循环，其中期望其偏振将被扰乱并且随后以至少某期望偏振被重新发射。这样的方法可保持从光源输出的光的集光率(或扩散程度)，并且一般地导致约55-70%的转换效率。例如在美国专利号6，025，897和美国专利申请号12/154,314中描述了这种方法。被称为偏振转换系统(PCS)的对偏振转换的另一方法将具有不想要的偏振的入射光转换成期望偏振、而不是将其从输出中吸收或改向，并且例如在美国专利号5，995，284和美国专利号6，621，533中对其有描述。例如，一组元件(诸如复眼透镜和折射偏振分束器(PBS))可在空间上将入射光分离成两个不同偏振，并且然后后续元件(诸如百叶窗半波片)可选择性地将这些偏振中的一个转换成另一个。虽然这种方法能够导致非偏振光到偏振光的高达约60-70%的转换效率，但该方法使光源的集光率加倍。在美国专利号7，692，759中被描述的另一方法使用与反射镜相组合或与波片和微棱镜阵列相组合的一个或多个偏振光栅(PG)来实现偏振转换。然而，前一种布置可能要求相对大的体积，而后一种方法可能具有有限的实用性(例如，要求极其准直的光)。另外，已经说明了采用放置在复眼透镜前面的偏振光栅(后面是百叶窗半波片)的PCS。然而，此构造中的每一个元件是分离的，并且这些元件被分别地排列并利用某个外部固定装置被安装在一起，这可能是麻烦的、昂贵的且可能降低转换效率。
技术实现思路
根据本文所述的某些实施例，偏振转换系统包括透镜元件、包括具有空间变化的局部光轴的衍射元件的偏振光栅以及延迟器元件。偏振光栅被布置成接收从透镜元件输出的光，并且延迟器元件被布置成接收从偏振光栅输出的不同偏振状态的偏振光并将不同偏振状态中的每一个变成相同的偏振状态。在某些实施例中，透镜元件可以是具有并排地布置在同一平面中或共面布置中的至少两个小透镜元件的透镜阵列。在某些实施例中，偏振光栅可位于透镜阵列与其焦平面之间，或者在焦平面处或其附近。在某些实施例中，延迟器元件可以是空间图案化延迟板，其包括并排地位于共面布置中的两组或更多组交替延迟区域。延迟器元件的交替延迟区域可与透镜阵列的各小透镜对准。例如，延迟器元件可位于透镜阵列的焦平面处并与透镜阵列的小透镜的焦点对准。在某些实施例中，可将透镜阵列的至少两个小透镜元件配置成使入射光聚焦成各射线或射束。可将偏振光栅配置成将从小透镜元件输出的各射束衍射成第一和第二射束以限定在透镜阵列的焦平面处交织或空间偏移的焦斑的第一和第二阵列。第一和第二阵列在某些实施例中可部分地重叠，但是在其他实施例中可不重叠。从偏振光栅输出的第一和第二射束可具有正交偏振状态。可将延迟器元件配置成将第一和第二射束的正交偏振状态转换成线偏振状态而基本上不改变其各自的传播方向。在某些实施例中，焦斑的第一和第二交织阵列可由正交圆偏振射束限定。例如，可由具有右旋圆偏振的第一射束来限定第一阵列，并且可由具有左旋圆偏振的第二射束来限定焦斑的第二阵列。延迟器元件可将从偏振光栅输出的具有右旋圆偏振的第一射束和具有左旋圆偏振的第二射束转换成具有线偏振的光束。在某些实施例中，百叶窗延迟器可以是其中交替延迟区域的光轴分开约90°的四分之一波片。在某些实施例中，延迟器元件可包括提供四分之一波延迟的第一和第二交替条带或区域，其中，第一条带提供相应条带中的电场的两个正交分量之间的+90°的光学延迟，并且第二条带提供-90°的光学延迟。每组交替域可与第二透镜阵列的行和/或列中的相应小透镜对准。在某些实施例中，从偏振光栅输出的偏振光包括具有相反螺旋性的正交圆偏振状态的发散射束。从偏振光栅输出的发散射束可包括入射在透镜阵列上的光强的大于约90%。入射在透镜阵列上的光可具有大于约±5°、大于约±7°、大于约±9°或大于约±11°的发散角。在某些实施例中，偏振转换系统还可包括具有并排地布置在共面布置中并被定位成接收从延迟器元件输出的光的至少两个小透镜元件的第二透镜阵列。可将第二透镜阵列配置成使从延迟器元件输出的光重新准直。例如，可将第二透镜阵列定位成接收从延迟器元件输出的具有相同偏振状态的光束，并且可将其所述至少两个小透镜元件配置成使所述具有相同偏振状态的光束准直以提供从偏振转换系统输出的基本上线偏振的光。延迟器元件可相对于第二透镜阵列对准，使得每组交替域通过第二透镜阵列的同一小透镜而使光会聚。在某些实施例中，基本上线偏振的光输出可包括具有期望线偏振的约80%或更多(并且在某些实施例中，为87%或更多)的光。在某些实施例中，从偏振转换系统输出的光可具有为入射在第一透镜阵列上的光的集光率的约两倍或以下的集光率。在某些实施例中，第一和第二透镜阵列可以是被布置为使得其各自的小透镜元件面对相反方向的相似的阵列。在某些实施例中，透明隔离元件或层可位于偏振光栅与延迟器元件之间。例如，隔离层可以是刚性或半刚性的玻璃或聚合物层。隔离层还可位于第一透镜阵列与偏振光栅之间，和/或在某些实施例中在延迟器元件与第二透镜阵列之间。在某些实施例中，可将第一透镜阵列、偏振光栅、隔离元件、延迟器元件以及第二透镜阵列对准并层压以提供单片光学元件。在某些实施例中，延迟器元件可以是包括至少一个手性液晶层的多绞延迟器，如在美国临时专利申请号61/544，936中所述，该申请的公开通过引用被整体地结合到本文中。例如，延迟器元件可包括具有在其各自的厚度上以不同的扭绞角旋转的各自的分子取向的第一和第二手性液晶层，其中，扭绞角中的至少一个是非零的。在某些实施例中，偏振转换系统还可包括位于偏振光栅与百叶窗延迟器之间的单域四分之一波延迟器。可将单域四分之一波延迟器配置成将从偏振光栅输出的光转换成正交线偏振状态。百叶窗延迟器可包括被定位成接收从单域四分之一波延迟器输出的正交线偏振状态并输出单个偏振状态的交替半波和零延迟区域。在某些实施例中，入射在透镜阵列上的光可能是至少部分准直的。例如，入射在透镜阵列的光可被准本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种偏振转换系统，包括：透镜元件；偏振光栅，其包括具有空间变化的局部光轴的衍射元件且被布置成接收从所述透镜元件输出的光；以及延迟器元件，其被布置成接收从偏振光栅输出的不同偏振状态的偏振光并将所述不同偏振状态变成相同的偏振状态。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.10.07 US 61/544,8881.一种偏振转换系统,包括: 透镜兀件； 偏振光栅，其包括具有空间变化的局部光轴的衍射元件且被布置成接收从所述透镜元件输出的光；以及 延迟器元件，其被布置成接收从偏振光栅输出的不同偏振状态的偏振光并将所述不同偏振状态变成相同的偏振状态。2.权利要求1的系统，其中，所述透镜元件包括具有并排地位于共面布置中的至少两个小透镜元件，并且其中所述偏振光栅位于所述透镜阵列与其焦平面之间。3.权利要求2的系统，其中，所述延迟器元件包括并排地位于共面布置中且与所述透镜阵列的各小透镜元件对准的两组或更多组交替延迟区域。4.权利要求3的系统，其中，所述延迟器元件包括其中交替延迟区域的光轴分开约90°的四分之一波片。5.权利要求2的系统，其中: 所述偏振光栅被配置成将从所述小透镜兀件输出的各射束衍射成具有正交偏振状态的第一和第二射束，以在所述透镜阵列的焦平面处限定焦斑的第一和第二空间偏移阵列；以及 所述延迟器元件位于所述透镜阵列的焦平面处并被配置成将第一和第二射束的所述正交偏振状态转换成线偏振状态而基本上不改变其各自的传播方向。6.权利要求1的系统，其中，所述偏振光栅被配置成输出偏振光，该偏振光包括具有相反螺旋性的正交圆偏振状态的发散射束。7.权利要求6的系统，其中，所述发散射束包括入射在所述透镜阵列上的光的强度的大于约90%。8.权利要求7的系统，其中，入射在所述透镜阵列上的光具有约±5°或以上的发散角。9.权利要求7的系统，其中，入射在所述透镜阵列上的光具有约±10°或以上的发散角。10.权利要求3的系统，其中，所述透镜阵列包括第一透镜阵列，并且还包括: 第二透镜阵列，其具有并排地位于共面布置中的至少两个小透镜元件， 其中，所述第二透镜阵列被定位为邻近于所述延迟器元件以通过第二透镜阵列的相应小透镜元件使从每组交替域输出的光会聚。11.权利要求10的系统，其中，所述第二透镜阵列被配置成使从所述延迟器元件输出的光准直以提供包括约80%或更多线偏振的从偏振转换系统输出的光。12.权利要求10的系统，进一步包括: 透明的隔离元件，其位于所述偏振光栅与所述延迟器元件之间、所述第一透镜阵列与所述偏振光栅之间和/或所述延迟器元件与所述第二透镜阵列之间。13.权利要求12的系统，其中，所述第一透镜阵列、所述偏振光栅、所述隔离元件、所述延迟器元件以及所述第二透镜阵列被层压以提供单片光学元件。14.权利要求1的系统，其中，所述延迟器元件包括至少一个手性液晶层。15.权利要求14的系统，其中，所述至少一个手性液晶层包括具有在其各自的厚度...

【专利技术属性】
技术研发人员：MJ埃斯库蒂，RK科曼杜里，J金，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