用于偏振基向量转换的延迟器堆栈对的制作方法

用于偏振基向量转换的延迟器堆栈对
1.本技术是申请日为2019年2月28日，申请号为201980027293.3，发明名称为“用于偏振基向量转换的延迟器堆栈对”的申请的分案申请。
2.相关申请的交叉引用
3.本技术要求于2018年3月2日提交的美国临时申请no.62/634,832的优先权权益，将其内容通过引用完全包括于此。


背景技术：

4.具有设计的脉冲响应的延迟器堆栈对于波长选择性偏振转换很有用。光学系统中延迟器堆栈的使用的一个实际问题是可容易得到的单轴延迟器材料的厚度-方向延迟(r
th
)。r
th
可以具有限制由于脉冲-响应偏离法向的恶化而导致的延迟器堆栈的接受角的效果。特定的偏振-频谱需求驱动脉冲的数目以及因此可以确定合成r
th
的延迟器层的数目。这强调了脉冲串中的样本数目与当使用这种材料时的延迟器堆栈的有用的接受角之间可能存在折衷。
5.也在现有技术中描述了与延迟器堆栈对相关联的更多设计约束的脉冲-响应，其中延迟器厚度和角度中的关系可以在堆栈的每一个相应层之间存在，以实现期望的脉冲-响应或者偏振频谱。约束可以采取附加要求的形式，即在堆栈之间和在该对的输出两者处生成特定偏振状态(sop)。该示例是频谱开关(堆栈对之间的液晶装置)，其中在堆栈之间的位置处的sop确定lc装置可以在其上切换sop的波长范围(例如参见美国专利no.6,882,384，通过引用包括于此)。
6.延迟器堆栈对也可用于从第一偏振基向量(pbv1)(例如，线性的)到第二偏振基向量(pbv2)(例如，圆形的)的转换。这可以用于解决系统中使用的不同类型的偏振光学组件(例如，线性偏振器和胆甾型液晶)之间的兼容性问题。第二堆栈然后可以恢复pbv1。通常需要这种基向量转换是波长和入射角度不敏感的。
7.延迟器堆栈对角度关系的示例例如在robinson,chen和sharp的polarization engineering for lcd projection的第6章(143-151页)中描述，将其通过引用包括于此。其中，这包括(1)逆序(ro)，(2)具有反射的逆序，(3)逆序反射/旋转和(4)逆序旋转(也称为交叉的逆序(roc))。堆栈之间的某些对称可以用于约束确定pbv2的脉冲-响应。
8.在这种背景下，已经开发了在这里描述的技术。


技术实现要素：

9.在这里公开了用于操纵光的偏振的装置，包括：将输入光的偏振从第一偏振基向量(pbv1)转换为第二偏振基向量(pbv2)的第一延迟器堆栈(堆栈1)，堆栈1具有多个层，其中，选择堆栈1中的层的数目、延迟值和层的方向以产生在规定的波长范围上实质上光谱均匀的pbv2。它还包括将光的偏振从pbv2返回到pbv1的第二延迟器堆栈(堆栈2)，其中，pbv1是组合的堆栈1和堆栈2的非平凡本征偏振，堆栈2具有多个层，其中，堆栈2与堆栈1串联地布置。它另外包括堆栈1和堆栈2之间的一个或多个光学功能层。
10.堆栈1和堆栈2中的每一个可以具有基础延迟器层，且堆栈1和堆栈2的基础延迟器层每个具有r
th
≥re/2。堆栈2的层可以具有相对于堆栈1的层的逆序(ro)布置。堆栈1和堆栈2中的每一个可以具有基础延迟器层，且堆栈1和堆栈2的基础延迟器层每个具有接近零的双折射色散。堆栈1和堆栈2中的每一个可以具有基础延迟器层，且堆栈1和堆栈2的基础延迟器层具有互逆的双折射色散。堆栈1和堆栈2中的每一个可以具有基础延迟器层，且堆栈1和堆栈2的基础延迟器层可以是环状烯烃聚合物、环状烯烃共聚合物或者聚碳酸酯之一。
11.堆栈1和堆栈2的层可以彼此溶剂粘合。pbv1可以是线性偏振，且pbv2可以是pbv1的
±
45
°
旋转的版本。堆栈1可以包括两个或更多半波延迟器。正c-板(c-plate)和交叉的负a-板(a-plate)之一或者两者可以插入在堆栈1和堆栈2之间以减小合成r
th
。
12.pbv1可以是线性偏振且pbv2可以是圆形偏振。该装置可以进一步包括在堆栈1之前的第一线性偏振器和在堆栈2之后的第二线性偏振器，其中第一和第二线性偏振器具有平行的吸收轴。第一线性偏振器层可以由具有r
th
《5nm的保护性衬底覆盖。pbv2的椭圆率场比在频谱的红、绿和蓝色部分可以至少是0.95。pbv2的椭圆率场比在频谱的红、绿和蓝色部分可以至少是0.98。堆栈2的层可以具有相对于堆栈1的层的关于零的逆序反射(roraz)布置。堆栈1可以包括之后是四分之一波延迟器的一个或多个半波延迟器。堆栈1可以包括具有以角(α1,α2…
αm)定向的慢轴的m个半波延迟器，以使得(α2》2α1,α3》2α2…
),产生具有方向β＝2(α
m-α
m-1
α
m-2
‑…
)的准线性旋转的sop，之后是具有实质上沿着α0＝(β π/4)的慢轴方向的四分之一波延迟器。该装置可以进一步包括插入在堆栈1和堆栈2之间的正c-板和交叉的负a-板之一或者两者以减小合成r
th
。
13.还公开了用于操纵光的偏振的装置，包括将前向传播光的偏振在规定的波长范围上从线性偏振(pbv1)转换为圆形偏振(pbv2)的延迟器堆栈，其中，延迟器堆栈具有每个具有r
th
≥re/2的基础延迟器层，其中，延迟器堆栈包括具有以角(α1,α2…
αm)定向的慢轴的m个半波延迟器，以使得(α2》2α1,α3》2α2…
),产生具有以角β＝2(α
m-α
m-1
α
m-2
‑…
)的准线性旋转的sop，之后是具有实质上沿着α0＝(β π/4)定向的慢轴的四分之一波延迟器，且其中，选择m和特定角度以产生具有在规定的波长范围上近似一致的椭圆率的pbv2；和反射器，产生偏振保留的反射，将前向传播光的至少一部分以相反手性返回到延迟器堆栈，其中，返回光经历延迟器堆栈的有效的逆序(ro)传递，以使得出射偏振实质上与pbv1正交。
14.该装置可以进一步包括在堆栈1之前的线性偏振器。该线性偏振器层可以以具有r
th
《5nm的保护性衬底覆盖。该装置可以进一步包括插入在堆栈1和反射器之间的正c-板和交叉的负a-板之一或者两者以减小合成r
th
。m可以等于1，α1可以近似是14.5
°
，α0可以近似是74
°
，且c-板延迟可以是50nm≤r
th
≤300nm。m可以等于3，α1可以近似是2
°
，α2可以近似是14
°
，且α3可以近似是48
°
，α0可以近似是-63
°
，且c-板延迟可以是50nm≤r
th
≤300nm。在前向传播中出射延迟器堆栈的总椭圆率场比可以在频谱的红、绿和蓝色部分中》0.91。在前向传播中出射延迟器堆栈的总椭圆率场比可以在频谱的红、绿和蓝色部分中》0.98。
附图说明
15.图1示出了具有匹配的延迟和一般角度关系的现有技术的延迟器堆栈对。
16.图2示出了现有技术的交叉的逆序(roc)延迟器堆栈对。
17.图3示出了用于在入射角和波长的宽范围上在线性和圆形偏振之间转换的、在这
里公开的类型的逆序(ro)延迟器堆栈。
18.图4示出了使用图3的配置的本公开的隔离器的适光对比度。
19.图5示出了用于在入射角和波长的宽范围上在线性和圆形偏振之间转换的、本公开的关于零的逆序反射(roraz)堆栈对。
20.图6示出了与现有技术的逆序-交叉配置相比的，本公开的图5的配置的适光对比度对入射角(在最坏情况方位角)；两者都是无补偿的。
21.图7示出了具有200nm的 c-板补偿的与现有技术的逆序-交叉配置相比的，图5配置的对比度对入射角(在最坏情况方位角)。
22.图8示出了用于三个配置：(a)无补偿，(b)130nm的 c-板补偿，和(c)每个具有130nm的延迟的一对cnap延迟器的绿色(540nm)对比度对以30
°
入射角的方位角。
23.图9示出了用于在线性和45
°
旋转的线性偏振之间转换的本公开的延迟器堆栈对。
24.图10示出了用于图9配置的适光对比度对现有技术的逆序-交叉配置。
具体实施方式
25.虽然在这里公开的实施例易经历各种修改和替代形式，但是在图中已经通过示例的方式示出且在这里具体描述其特定实施例。但是，应该理解，不意在将本发明限于公开的特定形式，而是本发明要覆盖如由权利要求定义的本发明的实施例的所有修改、等效和替代。参考附图描述本公开，其中，相似的附图标记表示实质上相似的要素。
26.本发明总的来说可以关于由线性延迟器堆栈产生的偏振转换。由于可用的各向异性材料特性中的缺陷，经常没有必要使用延迟器堆栈。这种缺陷可以影响法向入射和/或偏离法向行为。例如，从线性到圆形偏振的消色差转换原则上可以使用允许指定在所有相关波长的双折射色散的线性延迟器材料而在单层中实现。对于消色差延迟，光学路径长度-差异的增大(即，双折射率的增大)可以补偿波长的增大，维持恒定的相位延迟。此外，如果可以以在厚度方向的延迟(r
th
)是零的方式控制双轴性，则理想性能可以维持偏离法向。在没有这种材料的情况下，延迟器堆栈可以是用于合成法向入射偏振转换频谱的有吸引力的替代。但是，这种堆栈的厚度-方向延迟当使用单轴延迟器时可以限制有用的接受角。
27.对于典型的单轴延伸的聚合物延迟器膜，平面内路径长度差异由re＝(n
x-ny)d给出，其中n
x
是在延伸方向(通常机器方向)的折射系数，ny是横向(或者跨网络)的折射系数，d是膜厚度。这些折射系数是取决于波长的，以使得差异(也称为双折射率)典型地随波长减小。通常的相位延迟是与(依赖于波长的)路径长度差异与波长的比率相关联的角度。
28.平均平面内折射系数的增大创建厚度方向上的路径长度差异，由以下给出：
[0029][0030]
其中，nz是厚度方向上的折射率。对于典型的单轴(也称为a-板)延迟器，ny＝nz＝n
o and n
x
＝ne(即，普通折射率和超常折射率)。一般的正单轴延迟器具有比厚度方向上更大的平面内平均折射系数(re)。关联的路径长度差异总的来说是平面内路径长度差异的一半，或者r
th
＝ re/2。
[0031]
当光偏离法向地入射时，厚度方向延迟具有修改延迟器堆栈的脉冲链的复振幅的效果，其典型地恶化偏振转换。恶化的特定性质取决于相对于堆栈中延迟器的分布的入射
面(poi)方位角方向。但是，这些通常是真的；(a)性能随着入射角(aoi)增大而逐渐地变坏，和(b)增加层的数目以改进特定转换的质量增大合成(或者累积)r
th
，导致性能随aoi的更快的下降。该问题的解决方案包括更特殊和/或更复杂的延迟器堆栈材料的使用，或者以更准直的输入设计光学系统。在某些应用中，这些都不可行。
[0032]
图1示出了现有技术的特定延迟器堆栈对，其中，堆栈1的每一层的法向入射延迟(γi)与堆栈2中的对应层的相同。对应层是关于中点镜像的，如图所示。堆栈1的层的特定光轴角(αi)取决于从pbv1到pbv2的转换中的期望的脉冲响应。如果目标是要(例如)恢复pbv1，则可以进一步拘束堆栈1和堆栈2(α
′i)的对应层的每一个的角度之间的关系。
[0033]
在现有技术的设计方法学中，这可以如下实现：
[0034]
1.通过迫使从特定pbv1到特定pbv2直接拘束第一堆栈设计。替代地，以迫使特定pbv2的方式约束具有特定对称性的堆栈对的脉冲响应。
[0035]
2.布置第二堆栈以形成交叉逆序(roc)堆栈对，如图2所示。在roc布置中，堆栈1中的每一层具有相同延迟且与堆栈2中的对应层交叉。该配置保证合成琼斯矩阵是以法向入射的单位矩阵，与pbv2无关，因此在所有波长恢复初始pbv1。
[0036]
3.按照需要插入r
th
补偿以在入射角和波长的范围上最好地维持法向入射脉冲响应。
[0037]
在roc布置中，用于组合的堆栈1和堆栈2的琼斯矩阵总的来说是单位矩阵(即，非对角项相同为零，且对角分量具有相同的复振幅)。在这里这被称为“平凡情况”，因为可以总是形成堆栈2而不考虑特定输入基向量(pbv1)或者到pbv2的特定转换。在更宽的解空间中，经由设计最小化非对角项的幅值(等效于表明对角项的幅值对于无损延迟器堆栈是一致的)，但是在pbv1空间中的对角分量之间可能存在任意相位差。该相位差在这里被称为“线性混合延迟”，且是可以采用来标识具有低合成r
th
的设计的变量。因为琼斯矩阵总的来说是对角的，所以其被称为组合的堆栈1和堆栈2的“本征偏振”。概括地说，本发明的设计表示pbv1空间中的琼斯矩阵，其表示组合的堆栈1和堆栈2的非平凡的本征偏振。再次，在该更宽的设计空间中的解是优选的，其具有比平凡情况固有地更低的内在aoi敏感性。
[0038]
问题是现有技术的方法可能过度拘束设计空间的事实。也就是，本公开认识到在有些情况下堆栈对转换不需要是单位矩阵。重要的是，用于pbv1的恢复的roc布置可能限制内在aoi敏感性和/或补偿方案在减轻aoi依赖性方面的有效性。在有些情况下，r
th
的方位角和波长依赖性可能使得roc解的有效补偿实际上不可能。在本发明的一个方面中，延迟器堆栈对实现需要的pbv转换，具有最小合成r
th
，其对用于在宽范围的波长和入射角上保持性能的实际补偿方案良好响应。在一定程度上，r
th
的方位角依赖性可以与简单补偿器(例如，c-板)匹配，其幅值上相等且符号相反，该结构可以保持对于所有aoi的法向-入射脉冲响应。
[0039]
在大部分一般观念中，堆栈1产生在其上偏振从pbv1转换到pbv2的一个(或更多)频谱带。其可以进一步包括这样的设计，其中一个(或更多)频谱带保持pbv1，以及其中sop是中间偏振态的一个(或更多)转换频谱带。用于设计堆栈1的方法是直接约束脉冲响应。有限脉冲响应(fir)滤波器设计方法论已知对于标识堆栈设计是有用的，虽然它们总的来说不允许指定偏振转换。线性系统理论可以将功率传输与脉冲响应相关，其中可以标识产生特定透射光谱(典型地在线性偏振器之间)的一组设计。在本公开中，目标是标识从满足功率传输频谱约束的更一般的解，产生特定偏振转换频谱的堆栈设计的子集。可以使用具有
某些(延迟/角)对称性的延迟器堆栈对来施加该附加约束。
[0040]
对于线性偏振输入，可能需要堆栈之间的sop(pbv2)是中间的；比如圆形，
±
45
°
旋转线性的，或者位于庞加莱球(poincare sphere)的(s2/s3)平面中的其他椭圆偏振。但是，到pbv2的转换和关联的波长依赖性实际上是任意的，如应用可能需要的。可以进一步要求第二堆栈恢复pbv1，或者到另一基向量的转换。
[0041]
在有些情况下，存在使用堆栈1从消色差(也称为宽带)第一偏振基向量(pbv1)转换到第二消色差偏振基向量(pbv2)，然后使用堆栈2将光返回到pbv1的堆栈对设计的需求。在这种情况下，本公开认识到输入偏振可以考虑为组合的堆栈1和堆栈2的本征偏振。换句话说，该组合表示(无损的)对角化琼斯矩阵。物理上，该结构具有波长稳定和与输入偏振平行/垂直的混合光轴。需要附加约束以标识从pbv1到pbv2的转换的特定堆栈设计。如讨论的，现有技术的解决方案是标识后者，然后构造交叉逆序(roc)布置。在roc的情况下，琼斯矩阵表示单位矩阵，这是足够的但是不必要的约束。物理上，roc布置在法向入射呈现各向同性，且根据定义，将在传输中保持输入偏振。本公开研究除了roc之外的解，意在标识具有最小合成r
th
或者当光偏离法向地入射时相对鲁棒的脉冲响应的堆栈。它进一步包括对可用的补偿方案良好响应的设计。
[0042]
在其他实例中感兴趣的是使用堆栈1从消色差第一偏振基向量(pbv1)转换到第二消色差偏振基向量(pbv2)，然后使用堆栈2将光转换到与pbv1正交的状态的堆栈对设计。在一个示例中，该堆栈对具有逆序(ro)关系，或者以反射模式操作(例如，堆栈1之后的回射器)，其是有效地ro。该示例是光隔离器，其中堆栈1从线性转换到圆形偏振，堆栈1的逆序传递从圆形转换为正交线性偏振。光沿着线性偏振器的吸收轴方向，因此被消除。当然，该布置也可以通过布置堆栈2以形成传输模式中的ro结构而构造。如讨论的，在波长的宽范围上有效地从线性转换为圆形偏振的堆栈可能需要几个层，给出优良的法向-入射行为，但是通常以性能(例如，隔离器对比度)不正常为代价。
[0043]
本公开的目标是使用可用的(例如，正单轴)材料和实际补偿标识在入射角的范围上最好地保持法向-入射脉冲响应的最优堆栈设计。补偿典型地是指对在法向入射的偏振转换没有贡献，但是当光偏离法向地入射时尝试校正偏振误差的延迟器层。代替补偿延迟器堆栈的每一层，本发明的一个方法是研究用于将补偿统一到(例如)堆栈对之间的单个位置的解的设计空间。用于在单轴堆栈中从入射角敏感性去耦法向-入射性能的补偿的方法在题为“wide-angle compensation of uniaxial retarder-stack pairs”的共同未决的美国专利申请公开no.2019/0018177中描述，通过引用包括其内容。本公开寻求标识用于执行必要的偏振转换的解的更宽的集合(例如，不限于roc)，其显著益处是对称性使能更好的aoi性能。这通过(例如)采用足够地约束解的堆栈之间的对称性来实现。
[0044]
近来的应用已经驱动在线性和圆形偏振之间精确地前向/后向转换的偏振光学器件的需要。通常该转换必须对波长和入射角两者不敏感。通常建造模块限于可以创建描述的设计挑战的正单轴延迟器。示例包括胆甾型液晶、几何相位衍射光学元件(镜头、束操纵器等)和具有圆形本征偏振的全息光学元件。线性偏振器是非常普通的，因此需要转换以在偏振基向量之间切换，以优化每个偏振光学器件的性能。
[0045]
另一示例包括偏振开关，比如液晶装置。例如，(如美国专利no.5,619,355和美国专利no.6,882,384描述的，其每个通过引用包括于此)，lc可变延迟器可以用于切换输入偏
振态的方向、椭圆率、相位或者旋度。延迟器堆栈可以用于将sop转换为用于这种调制的先决条件。在本发明中，具有宽的接受角的宽带转换可以与宽角度的宽带lc开关结合以创建新类型的调制器。后者的示例在题为“self-compensating liquid crystal retardation switch”的共同未决的美国专利申请no.16/195,618中公开，将其全部内容通过引用包括于此。
[0046]
另一示例包括基于偏振的隔离器，典型地由之后是四分之一波延迟器的线性吸收性偏振器组成。在该布置中，只要返回光来自于下游纯镜面反射，且延迟器在往返传播中提供半波延迟，则在前向传播中由偏振器透射的光由其在反向传播中吸收。这些简单的隔离器用在比如消除来自crt监视器的眩光的应用中。今天它们(例如)与移动电话的日光可读性相关。对于oled显示器尤其如此，因此oled显示器极易受到寻址结构的反射的影响。但是因为oled不需要偏振器(例如与lcd比较)，且因为返回实际上是镜面的，所以这种隔离器可能非常有效。典型地，隔离器对比度受到从线性到准圆形的转换的波长和入射角依赖性的限制。因而，本发明的设计与oled显示器高度相关。
[0047]
另一示例包括如在题为“hollow triple-pass optical elements”的共同未决美国专利申请no.16/260,903中描述的广角准直仪，将其全部内容通过引用包括于此。在该情况下，前向传播(堆栈1 堆栈2)必须恢复输入sop，而后续的堆栈2的双倍传播(即，ro)必须从输入sop转换为正交sop。这典型地需要经由堆栈1的pbv转换从线性到圆形，其中堆栈2的双倍传播用作消色差半波延迟器。这种结构必须典型地在全部可见频带上，且在宽范围的入射角上操作，以避免杂散光和幻像。对于以下说明性示例，目标是明确地使用堆栈1尽可能地最大化从pbv1到pbv2的转换的频谱范围的带宽和动态范围。随着层的数目增大以加宽频谱覆盖，合成r
th
也会增加，这可以修改(且在许多实例中增大)补偿需求。后者也特定于偏振转换，如将在示例1和2中示出的那样。
[0048]
如先前描述的，通常是在堆栈1和堆栈2之间插入一个或多个层的情况。这些层通常被称为“光学功能”层，且它们优选地接受对比pbv1，具有pbv2的光。光学功能层包括全部上述示例，包括补偿层、无源/有源组件、偏振光学器件、折射元件、反射元件、衍射元件。到pbv2的偏振转换意在从一个或多个光学功能层产生比引入pbv1更接近最佳状态的光学响应。在有些情况下，pbv2表示最优sop，因此它应该是波长和aoi稳定的。
[0049]
在本公开的示例1中，正单轴延迟器堆栈1用于在宽范围的波长上从线性转换为圆形偏振。堆栈2形成逆序(ro)堆栈以转换为正交sop，或者堆栈1之后是反射镜以迫使反向传播中的有效的ro布置。该设计需要在宽范围的可见光波长上操作，并在单个位置经由 c-板补偿来保持行为偏离法向。
[0050]
在有关的示例2中，堆栈对在中点从线性基向量(pbv1)转换为圆形偏振基向量(pbv2)，在第二堆栈之后恢复pbv1。
[0051]
该示例中使用的设计步骤如下：
[0052]
1.约束逆序(ro)堆栈(包括奇数层)，以将尽可能宽的频谱带转换为正交sop。该约束可以使用傅里叶正弦级数中的脉冲响应的非对角项的扩展。在该情况下，所有层具有相同的延迟，该延迟在设计波长处为半波。
[0053]
2.将ro堆栈划分一半形成堆栈1。因为堆栈对具有奇数层，所以最后的层总的来说是在设计波长的四分之一波长延迟器。为了ro堆栈转换为正交sop，必须仅以在延迟(零旋
转)的情况下进行。因而，在中点的sop被约束为圆形的。
[0054]
3.将堆栈2形成为堆栈1的关于零的逆序反射(roraz)布置。也就是，roraz是堆栈1角度的符号在堆栈2中翻转的逆序堆栈。roraz的特性是它使来自堆栈1的任何延迟无效，同时加倍旋转。因为ro设计不被约束为具有最小旋转，所以roraz布置可以恢复初始sop。
[0055]
4.插入堆栈对之间的补偿以抑制合成r
th
，最小化法向入射脉冲响应的角度依赖性。
[0056]
在步骤1中标识的特定解取决于旁瓣能级和频谱覆盖之间的数字滤波折衷。典型地，该解的集合的数目和基本特性是一致的，具有来自折衷的小角度调整。对于该示例，功率谱的旁瓣能级(与对比度-确定偏振纯度相关联)维持低于0.001，这显著地确定每个设计的频谱覆盖。一个例外是n＝3的情况，其中允许较高的旁瓣以给出足够的可见频谱覆盖。注意到n＝3的ro解非常接近在没有信号处理算法的益处的情况下由pancharatnam在20世纪50年代对于消色差半波延迟器导出的解。
[0057]
重要的是注意到，具有低层数的设计典型地不能同时具有高度偏振控制和宽频谱覆盖。在该情况下，影响在法向入射的适光对比度的光渗漏可能导致旁瓣、不足的频谱覆盖(即，频带边缘)或者两者的组合。延迟移位偏离法向可能增大旁瓣能级，将频带边缘进一步移位到可见光中，或者两者。因此，虽然设计可以在法向入射充分地执行，但是可能需要增大层数以随着增大aoi而保持性能。
[0058]
通常存在由步骤1产生的具有相同脉冲响应的多个设计。生成用于n＝3、5、7和9层的ro解。例如，(n＝3)情况产生两个解，(n＝5)具有四个解，(n＝7)具有八个解，且(n＝9)具有12个具有相同脉冲响应的解。表1的项表示其中hw层具有“扇形”角度布置的特定的解的集合。
[0059]
根据步骤1具有n层和ro对称性的堆栈对产生具有(n 1)/2层的堆栈1设计。表1示出了具有3、5、7和9层的用于ro设计的优选的堆栈1延迟/角的示例。该表也示出了根据步骤3从堆栈1导出的堆栈2层的延迟/角。
[0060]
本公开认识到不是所有具有相同(法向-入射)脉冲响应的堆栈设计都具有相同的偏离法向行为。此外，不是所有堆栈设计可以使用可用的(例如，c-板)补偿器来有效地补偿。图3图示了一个优选的解的族，包括之后是单个四分之一波(qw)延迟器的半波(hw)延迟器的特定布置。特别地，hw延迟器具有连续增大的方向(即，α2》2α1,α3》2α2,等),如表1所示，以使得在庞加莱球上观察到的偏振转换的幅值随每个hw延迟器增长。净效应是在设计波长的旋转线性状态，其中出射最终hw延迟器的偏振的方向相对于qw延迟器的光轴形成45
°
的角度。hw堆栈的目的是预调节sop，将椭圆率频谱与由qw延迟器在最终转换中引入的椭圆率频谱匹配。在理想情况下，该匹配允许qw延迟器将所有有关波长转换为庞加莱球的极点。
[0061]
如上所述，增大半波层的数目可以增大脉冲响应的精度，允许延迟器堆栈的频谱覆盖和动态范围的增大。关于这点，半波堆栈的目标是产生固定的偏振方向(即，在庞加莱球上所有具有相同经度的波长)，其椭圆率频谱与四分之一波延迟器的椭圆率频谱(即，在赤道之上/之下的纬度的椭圆率的频谱分布)匹配。对于可见应用，绿光可以位于赤道上，蓝光在赤道以下，且红光在赤道以上，以使得qw延迟器将所有三个频带映射到极点。当层的数目增大时该转换可以变得更精确，且通过足够的hw层，该转换可以是与由qw延迟器引入的实质相同的匹配。出射qw的光因此可以原则上具有在所有波长一致的椭圆率。
[0062]
本公开预期将宽范围的波长从线性转换为圆形sop(且反之亦然)的特定延迟器堆栈设计的需要，其也使用可用的材料(例如， c-板延迟器)有效地补偿。 c-板延迟器是用于显示行业的，其使用可以直接应用于延迟器堆栈的反应性介晶或者液晶聚合物涂层。符合图3的堆栈设计的族可以具有这些特性，且相比具有相同脉冲响应的其它设计是优选的。
[0063]
以下是可以用于估计本公开的延迟器堆栈对的性能的量度的示例：
[0064]
1.pbv2的法向入射偏振椭圆率频谱。再次，这受材料(散射)特性，n和稍微地由中心波长的选择限制。用于评估此的方法是建模/测量与堆栈1的ro版本配对的堆栈1和评估(例如)并联偏振器之间的适光对比度。堆栈对转换到正交sop的能力是pbv2的椭圆率的指示。
[0065]
2.pbv1的法向入射恢复。目前，在不使用roc的情况下，这也可能由n和中心波长影响。性能可以由交叉偏振器之间的堆栈对的(例如，适光)对比度给出。回想roc这里对于所有pbv2给出无限的对比度，但是在这里讨论的解可能要求pbv1是组合堆栈的稳定的本征偏振。关联的转换可能是不完美的，限制对比度。
[0066]
3.用于补偿的堆栈1的pbv2的偏振椭圆率频谱的aoi依赖性。如在量度1中，建模/测量这个的可能的方式是将堆栈1与堆栈1的ro版本配对和评估并联偏振器之间的对比度极坐标图。
[0067]
4.依赖于pbv1的恢复的aoi。如量度2中，建模/测量这个的可能的方式是通过将补偿的堆栈1和堆栈2配对和评估交叉偏振器之间的对比度极坐标图。
[0068]
在本公开的示例1中，使用以上的量度3特性化性能。选择的设计是使用三个hw层，具有表1示出的角度。在该情况下，模型表示堆栈1的真双倍传播，其中选择c-板补偿延迟以最小化在返回传播中通过偏振器的偏离法向的泄露。为了参考，理想隔离器对于所有有关波长和入射角在堆栈1的双倍传播之后产生沿着偏振器吸收轴的线性sop。该值的倒数给出隔离器的对比度。
[0069]
根据本公开，选择图3的hw角以产生大约β＝2(α
m-α
m-1
α
m-2-α
m-3

…
)的旋转角，其中qw方向大约由α0＝(β π/4)给出。对于表1的三-hw示例，β＝65.2
°
，给出-69.8
°
的计算的qw角度。图4是作为入射角的函数的、在最坏情况方位角的线图到对比度极坐标图。将对比度计算为假定平顶输入频谱在堆栈的双倍传播之后通过偏振器的输入流明除以泄露流明的比率。它示出了在法向入射的、到正交sop的》30,000:1的功率转换，其中在19
°
aoi是1,000:1。hw/qw延迟器是无色散的，具有500nm的中心波长，且无色散的c-板具有80nm的正r
th
(单个传播)。偏振器具有沿着吸收轴的零传输和正交方向上的单位传输。
[0070]
在本发明的示例2中，在这里教导的四个设计步骤用于经由堆栈1从线性pbv1转换为圆形pbv2，之后是经由堆栈2的输入sop的恢复。性能以相对于使用现有技术roc方法的设计为基准，其中所有四个量度是相关的。在该示例中，使用在表1中的最简单的堆栈(n＝3)，具有对于示例1给出的相同材料特性。本发明和现有技术两者的设计方法可以标识相同的堆栈1，所以假定以上的量度1对于两者是相同的。可以通过选择最大化堆栈对的角度性能的c-板延迟来优化量度3。量度2对于roc布置是示例性的，因为它产生单位矩阵，虽然它对于在这里教导的技术是设计依赖的。比较很大程度聚焦于关于量度4的比较。
[0071][0072]
表1.根据示例2步骤的堆栈设计
[0073]
取决于光学配置(例如，宽角度准直器)，根据步骤4，用于量度3和量度4的优化补偿可以独立地进行。目标是标识优化pbv2的偏离法向的稳定性的堆栈1补偿，这也与组合堆栈的补偿兼容。例如，具有延迟γ1的c-板补偿器可以优化pbv2，而具有延迟γ2的c-板补偿器优化总体转换。这可以使用具有延迟γ1和延迟(γ
2-γ1)的一对c-板实现。图5是此示例。
[0074]
图5示出了根据示例2的优化的设计的布置。图6比较用于在这里教导的技术和roc布置的、在最坏情况下的方位角的对比度对入射角(空气中)。该图验证甚至在堆栈对之间插入任何补偿之前，后者也具有相对差的性能。注意到，随着aoi达到零，roc解收敛到无限对比度，所以对于低于8
°
的角度，它的性能优于在这里教导的技术的该roraz示例。但是，交叉对比度大约是4,000:1；高于甚至在法向入射的典型系统度量。注意到，在法向-入射的较高适光对比度可以通过添加附加层，或者对n＝3设计做出小的调整而获得，其典型地具有在频谱的绿色/黄色部分中增强性能的效果。
[0075]
基于最大化堆栈对的对比度极坐标图(量度4)(即，r
th
＝-200nm))选择200nm的正组合c-板延迟。确定用于 c-板的最优延迟对于roc情况较高(240nm)，这可以创建用于两个情况的pbv2角度性能之间的微小的差异。图7比较补偿的roc布置的依赖于角度的对比度和在最坏情况方位角的在这里教导的技术的依赖于角度的对比度。如前所述，roc设计在小角度具有更好的性能，虽然现在交叉对比度大约是6,000:1。对于所有较大角度，在这里教导的技术实质上更好地执行。比较图6到图7示出，虽然roc情况具有随补偿递增的对比度改进，但是roraz情况具有显著的改进。再一次，这是由于由r
th
偏离法向引入的大部分延迟在方位角具有相对均匀的行为，因而，可以以单个 c-板补偿。对于示例2roraz设计，图7示出了1,000:1对比度边界在大约26
°
aoi，500:1在32
°
，200:1在41
°
，且在46
°
超过100:1。对于24
°
以上的任何aoi，与补偿的roc情况相比，在这里教导的技术提供8-9倍高的对比度。
[0076]
对于堆栈r
th
的补偿可以采取许多形式。当使用正单轴材料时，r
th
为正，通常需要具有负r
th
的补偿器。其示例包括正c-板(具有与衬底正交的光轴的正单轴材料)，或者具有匹配的延迟的交叉负a-板(具有在平面内的光轴的负单轴材料)。典型的解决方案包括双轴延伸的单轴膜、液晶聚合物甚至无机晶体。这些行为之间的主要差异是施加的补偿的方位角依赖性。没有补偿器影响在法向入射的sop。在堆栈之间的sop实质上是圆形的情况下，两个补偿器都对任何光入射偏离法向施加延迟移位。补偿的幅值随aoi增大。差异是用于c-板的投影的光轴方向总的来说包括在入射面(poi)中，而交叉负a-板(cnap)配置的光轴实质上在方向上固定。在包括cnap光轴的poi中，两个补偿器实质上执行相同操作(假定都具有相同基本延迟)。但是，当poi对此处于
±
45
°
时，两个补偿器光轴方向之间的方位角的差异
最大。另外，在该方位角，cnap延迟器的光轴由于几何旋转不再显示为交叉的。
[0077]
需要的补偿的量(和其波长依赖性)取决于特定堆栈设计。c-板和cnap补偿器的组合可以用于各种配置以最好地实现这个目标。示例2的roraz设计表现出其中与该堆栈设计一起使用正c-板和cnap补偿器的两个简单情况之间的差异。这里使用的量度是用于出射堆栈1的sop相对于庞加莱球的赤道的仰角(ea)，其是pbv2的椭圆率的度量。理想仰角当然是90
°
，或者一致椭圆率。图8示出了对于无补偿的堆栈1、以130nm c-板的补偿和以一对130nm cnap延迟器的补偿的、在30
°
aoi的绿色(540nm)中的庞加莱ea的方位角依赖性。补偿的有效性当然在其他波长不同。注意到，当poi包括cnap的光轴时庞加莱ea对于这些补偿方案是相同的。在该情况下，cnap光轴在
±
45
°
。还注意到，在该特定情况下当使用c-板时比当使用cnap时以方位角的ea中的峰值对谷值调制更大，虽然两个实质上都受益于由每个类型引入的-r
th
补偿。
[0078]
椭圆率也可以表示为椭圆偏振的帧中的场比，其中场比(fr)对于圆形sop是一致的。对于具有|ey|《|e
x
|,的椭圆sop，场比(≤1)经由角度ε＝tan-1
fr，或者ε＝tan-1
|ey|/|e
x
|与椭圆率相关。例如，比如在这里公开的高性能延迟器堆栈在使用无色散零阶延迟器时，可以在全部可见光谱上，以n＝3产生》0.95的总fr，和以n＝7产生》0.98的总fr。在将眼睛用作传感器的情况下，总椭圆率场比也可以表示为感光加权。补偿器的目的是最小化合成r
th
，以在尽可能宽的入射角范围上维持总fr接近一致。
[0079]
示例3.另一示例是需要坐标的消色差旋转的情况。在该示例中，堆栈对在中点生成消色差45
°
旋转的线性偏振基向量(pbv2)，而在第二堆栈之后恢复pbv1。该示例中使用的设计步骤如下：
[0080]
1.约束roraz堆栈(包括偶数层)以将尽可能宽的频谱带转换到正交sop。该约束可以使用傅里叶余弦级数中的脉冲响应的非对角项的扩展。在该情况下，所有层具有在设计波长半波的相同延迟。
[0081]
2.将roraz堆栈划分为一半，形成堆栈1。因为堆栈对具有偶数层，所以堆栈1的所有层是在设计波长的半波。为了roraz堆栈转换为正交sop，它必须仅以旋转这样做(零延迟)。因而，在中点的sop被约束为45
°
线性。
[0082]
3.将堆栈2形成为堆栈1的逆序(ro)布置。ro的特性在于它使来自堆栈1的任何旋转无效，同时加倍延迟。因为ro设计不被约束为具有最小旋转，所以该布置可以恢复初始sop。
[0083]
具有n层的根据步骤1具有roraz对称性的堆栈对产生具有n/2层的堆栈1设计。表2示出了用于具有4、6、8和10层的ro设计的堆栈1角度，其中所有层是在设计波长的半波延迟器，且旁瓣能级保持低于0.001。再次注意到存在具有相同脉冲响应的多个设计。例如，(n＝4)情况具有四个解，(n＝6)具有八个解，(n＝8)具有16个解，且(n＝10)具有32个解。表2示例表示特定的解的集合，其中如在示例2中，hw层具有“扇形”特性。
[0084]
该表也示出了从堆栈1导出的堆栈2角度。
[0085][0086][0087]
表2.根据示例2的堆栈对设计步骤。所有层是在设计波长的半波。
[0088]
在示例3中，如图6所示，使用具有n＝6的堆栈对。该层是具有零双折射色散的在530nm的所有半波延迟器。
[0089]
示例3(转子)设计的特性之一在于用于延迟的补偿可以具有小的影响。虽然使用单轴材料的合成r
th
总的来说非零，但是它的重要部分可以以具有光轴稳定和与输入对准的线性合成延迟的形式。因而，在该情况下使用量度4以比较示例3的本地对比度性能与roc对应性能。
[0090]
图9示出了对于示例3设计和对于roc对应在最坏情况方位角的(量度4)对比度对比入射角。roc设计提供低于8
°
的较高对比度，但是如图10所示，示例3的对比度对于小于此的角度保持10,000:1以上。对于大于16
°
的角度，示例3设计提供大于roc设计的3-4倍之间的对比度。
[0091]
在本发明的一方面中，堆栈1可以设计用于产生特定pbv转换。然后在堆栈1和堆栈2之间采用设计角度对称性以恢复输入pbv(例如，示例2和3)。如在示例1中，可以替代地用于转换到第三pbv。该解的集合总的来说可以在中点补偿以减轻法向-入射脉冲响应的恶化。这应用于任意pbv情况，给出三个示例以说明该设计方法论。它也包括(例如)从线性到正交线性、圆形到线性、圆形到(相反手性的)圆形的pbv转换等。给出的示例是说明性的，但是不意在限制本发明的范围。
[0092]
宽角度的波长选择性偏振转换例如也用于图像投影和直接显象、图像捕获、传感器、偏振计量学、增强/虚拟/混合现实头戴式耳机、太阳眼镜、光谱测定法和远程通信。在这里教导的技术可以应用于其中当光偏离法向地入射时必须保持延迟器堆栈的法向-入射脉冲响应的维持的任何情况。这些技术在其中构造模块是单轴延迟器，或者具有非零r
th
的任何延迟器的情况下特别有用。在这里教导的设计可以应用于任何频谱带，包括uv、近红外和红外波段。
[0093]
可应用的材料包括用作线性延迟器的任何有机或者无机层。拉伸的有机延迟器材料包括聚碳酸酯(pc)、聚碳酸酯共聚合物、聚苯乙烯和环状烯烃聚合物(cop)或者环状烯烃共聚合物(coc)。进一步包括液晶聚合物/反应性液晶元。无机材料包括比如石英、铌酸锂和蓝宝石的晶体。
[0094]
设计用于宽带(例如消色差)的本发明的实施例受益于具有低双折射色散的基本延迟器材料。例如，cop具有比pc低的双折射色散，所以特定的消色差堆栈设计具有比前者更宽的频谱覆盖。换句话说，存在使用更少的层对比pc使用cop实现相同性能的可能性。但是，本公开认识到超出此的值；使用具有倒转-散射(即，双折射率随着波长增大)的基膜形
成消色差延迟器堆栈。在该情况下，已经是准消色差的基膜可以使用仅具有几层的简单堆栈设计产生具有极端的波长不敏感的延迟器堆栈。例如，teijin制造出可以用作消色差延迟器堆栈的基膜的具有这种倒转散射(wr-m)的共聚合物。例如，表1的三个-hw层堆栈可以用于创建具有比示例1示出的零散射情况更宽的频谱覆盖的隔离器。替代地，足够的消色差的基膜可以使用两个hw层，或者可能甚至一个hw层产生三个-hw层堆栈的法向-入射性能。虽然已经在图中图示和在先前描述中具体描述了本发明的实施例，但是这种图示和描述在文字上被认为是示例而并非限制性的。例如，在上文中描述的某些实施例可以与其他描述的实施例组合和/或以其它方式布置(例如，可以以其他序列执行处理要素)。因此，应当理解仅示出和描述了其示例实施例和变型。