[发明专利]用于宽带偏振变换的多扭曲延迟器及相关制造方法

说明书

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No.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 Polarization Gratings 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No.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“Multi-Twist Retarders For Broadband Polarization Transformation And Related Fabrication Methods（用于宽带偏振变换的多扭曲延迟器及相关制造方法）”的美国临时专利申请No.61/544,936的优先权，其公开内容通过引用以其全部并入于此。

技术领域

本发明涉及偏振变换和相关系统。

背景技术

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=[S₀S₁S₂S₃]^T。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S_IN可以通过以下关系：S_OUT=M·S_IN变换成输出偏振S_OUT。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，其中为双折射率）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）。