專利名稱：無源消偏器的制作方法
無源消偏器技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明通常涉及一種消偏器和圖案化波片。更特別地，本發(fā)明涉及一種包括圖案化半波片的無源消偏器。
背景技術(shù)：
許多光學(xué)元件對(duì)光的偏振敏感。當(dāng)將這種光學(xué)元件用在光學(xué)系統(tǒng)中時(shí)，它 們的偏振靈敏度將引入顯著的誤差。為了抵制不合需要的偏振靈敏度效應(yīng)，消偏器可 被用來降低或試圖隨機(jī)化光的偏振。
例如，用在分光計(jì)中的典型衍射光柵具有固有的偏振靈敏度，即它們的衍 射效率取決于光的偏振。當(dāng)在寬的波長(zhǎng)范圍上操作時(shí)，分光計(jì)可利用多個(gè)不同的光 柵，每一個(gè)都具有不同的偏振靈敏度。如果入射光是偏振的，則不同光柵的輸出將是 不同的。因此，分光計(jì)的性能將同樣取決于其所用的光柵而不同，導(dǎo)致測(cè)量誤差。通 過在定位于分光計(jì)的象平面處的光柵的前面插入消偏器，該問題可以被最小化。
io McGuire和Chipman的名稱為"Analysis of spatial pseudo-depolarizers in imaging systems" (Optical Engineering, 1990, VOL. 12, pp. 1478-1484)的文章中所述，消 偏器將偏振的光束轉(zhuǎn)變成由不同的偏振態(tài)的集合組成的光束。從理想的消偏器輸出的 光束將包括時(shí)間和空間任意的偏振態(tài)。然而，這種理想的消偏器是不存在。實(shí)際的消 偏器提供由空間、時(shí)間或波長(zhǎng)域中連續(xù)的偏振態(tài)組成的光束。當(dāng)將這些偏振態(tài)疊加在 光學(xué)系統(tǒng)的象平面時(shí)，將產(chǎn)生偏振雜亂的圖象。當(dāng)這種光束穿過定位在象平面處的偏 振分析儀并入射到光功率計(jì)上時(shí)，通過改變偏振分析儀的取向而探測(cè)到的傳輸功率沒 有明顯的變化。
許多用在光學(xué)系統(tǒng)中的現(xiàn)有消偏器是基于波片的(波片也稱為延遲器)。波 片，其通常由雙折射材料層組成，可改變光束的兩個(gè)正交偏振分量間的相對(duì)相位。單 軸雙折射材料以單快軸(也稱為光軸或各向異軸)為特征。平行于快軸的偏振分量比垂 直于快軸的偏振分量更快地穿過材料。換句話說，該平行分量經(jīng)歷較小的折射率""而該垂直分量經(jīng)歷較大的折射率"2。材料的雙折射定義為Deltan=n2-n1.
如果波片具有適當(dāng)?shù)暮穸龋馐膬烧环至恐g可以產(chǎn)生相移。對(duì)于具 有雙折射A"和厚度d的波片，波長(zhǎng)為A的光束的相移廠由r二(27iAmi0a確定。
例如，選擇半波片的厚度以產(chǎn)生半波長(zhǎng)(7i)或相當(dāng)多個(gè)半波長(zhǎng)((2附+ 1)兀， 其中附是整數(shù))的相移，這樣J= A(2w + 1)/(2A")。當(dāng)線性偏振光束入射到半波片上 時(shí)，從半波片出射的光束同樣是線性偏振的，但是其偏振態(tài)以與快軸成一角度取向， 該角度是入射光束的偏振態(tài)與快軸所成角度的兩倍。因此，半波片可用作偏振態(tài)"旋轉(zhuǎn) 器"。
—種類型的現(xiàn)有消偏器是Lyot型消偏器，其包括具有2:1的厚度比的兩個(gè) 平行的雙折射材料波片。波片以它們的快軸彼此成45。取向而堆疊。例如，Norton等人 的US專利No. 6,667,805; No. 7,099,081和No. 7,158,229中描述了這種裝置的變體。另 一種類型的現(xiàn)有消偏器包含楔形波片。Hanle(亨勒)消偏器由兩個(gè)光楔組成，其中至 少一個(gè)光楔是雙折射材料。Cornu消偏器由兩個(gè)雙折射材料光楔組成，它們的快軸以 相反的方向取向。例如，Kremen的US專利No. 4,198,123, Yao的US專利No. 6,498,869, Kaneko等人的US專利No. 6,744,506, Li等人的US專利No. 6,819,810和 No. 7,039,262及Fiolka的US專利申請(qǐng)No. 2007/0014504中描述了這些裝置的變體。
Yao的US專利No. 6,498,869也公開了 一種由大量雙折射材料結(jié)晶芯片制造 的消偏器。芯片是四分之一波片，并且它們的快軸在平面內(nèi)任意取向。Schuster的US 專利No. 6，191，880;No. 6,392,800和No. 6,885,502中公開了相似的裝置，在這種情況下 是放射狀地偏振一束偏振光。Schuster的徑向偏振鏡包括多個(gè)雙折射材料腔面(facet)。 這些腔面是半波片，并且它們的快軸在平面內(nèi)以不同的圖案排列。
Bulpitt等人的US專利No. 5,028,134公開了 一種有源消偏器，其包括半波片 和旋轉(zhuǎn)該半波片的裝置。
所有上述裝置都具有兩個(gè)或多個(gè)部件。這種多部件裝置的制造是非常昂貴 的，這限制了它們的應(yīng)用。簡(jiǎn)單并易于制造的無源單片消偏器是光學(xué)系統(tǒng)所需要的。 一種可能是基于圖案化波片的消偏器。在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)描迷了具有空間變化的快軸 取向的圖案化波片，但是沒有一個(gè)公開的裝置是消偏器。
Segre的US專利No. 3,617,934描述了 一種包括電光晶體和施加電場(chǎng)到該晶 體的裝置的有源偏振轉(zhuǎn)換器。在該裝置中，施加電場(chǎng)可以可逆地轉(zhuǎn)換該晶體到圖案化 半波片。
May的US專利No. 5,548,427描述了 一種用在可調(diào)的全息裝置中的具有兩個(gè) 不同快軸取向的交替區(qū)域的圖案化半波片。Kurtz等人的US專利No. 7,023,512和 Silverstein等人的US專利No. 7,061,561公開了圖案化波片用作液晶顯示器(LCD)的 偏振補(bǔ)償器。在這些裝置中，波片快軸取向的圖案與LCD的圖案相關(guān)。Woodgate等人 的US專利No. 6,055,103公開了一種用作三維(3D )顯示中的偏振調(diào)制光學(xué)元件的具有 兩個(gè)不同快軸取向的交替區(qū)域的圖案化半波片。相似地，Gillian等人的US專利No. 5,861,931公開了 一種用作3D顯示中的偏振旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件的具有兩個(gè)不同旋轉(zhuǎn)方向的交 替區(qū)域的圖案化波片。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是通過提供可以最小化光學(xué)系統(tǒng)中的不合需要的偏振靈 敏度效應(yīng)的消偏器來克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)。不同于現(xiàn)有的消偏器，本發(fā)明的消偏 器是無源和單片的。其包括具有可選擇的快軸取向的圖案化半波片，以在光學(xué)系統(tǒng)的象 平面處對(duì)偏振光束進(jìn)行顯著地消偏振。
因此，本發(fā)明涉及一種用在具有象平面的光學(xué)系統(tǒng)中的無源消偏器，包括 具有入射表面和相對(duì)的出射表面的圖案化半波片，其中該圖案化半波片包括單片雙折 射材料層，其中該單片層包括具有不同快軸的多個(gè)區(qū)域，并且其中快軸在單片層的平 行于入射表面的橫截面內(nèi)具有至少四個(gè)不同取向，以致于進(jìn)入入射表面的偏振光束在 象平面處基本是消偏振的。


下面將參考代表本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中
圖1是具有象平面的光學(xué)系統(tǒng)中的圖案化半波片的側(cè)視圖的示意圖2是單片雙折射材料層的橫截面的示意圖，其中定義了快軸取向、參考軸 和4立置坐標(biāo)；
圖3是單片雙折射材料層的橫截面的示意圖，具有依據(jù)^^a^ + b且a二2、 b =0的快軸取向的圖案；以及
圖4是單片雙折射材料層的橫截面的示意圖，具有依據(jù)^= cx + d且c = 360°、 d-O的快軸取向的圖案。
具體實(shí)施方式
參考圖l,本發(fā)明提供一種包括圖案化半波片100的消偏器。圖案化半波片 100具有入射表面110和出射表面120,并包括單片雙折射材料層130。優(yōu)選地，圖案化 半波片100可由單片雙折射材料層130組成，或也可以包括可選的光定向?qū)?(photo-alignment layer) 140，其可以相鄰于入射表面110或出射表面U0。
如上所述，可才艮據(jù)入射光束150的平均波長(zhǎng)義和單片層130的雙折射材料 的雙折射確定圖案化半波片100的理想厚度t/。入射光束150可以是線偏振光或橢 圓偏振光，并優(yōu)選地其平均波長(zhǎng)大約為400-2000 nm。優(yōu)選地，雙折射材料的雙折射大 約為0.05-0.5。優(yōu)選地，單片層130的實(shí)際厚度接近于理想值(在大約10%內(nèi))。
優(yōu)選地，半波片100的入射表面110和出射表面120基本是平坦的。優(yōu)選 地，通過輸入口 (未示出)或可選的光學(xué)元件(例如準(zhǔn)直透鏡；未示出)進(jìn)入入射表面 110的偏振光束150垂直于入射表面110。因此，從半波片100出射的光束160由多個(gè) 不同偏振態(tài)組成。當(dāng)這些偏振態(tài)通過聚焦透鏡180和可選的光學(xué)元件(未示出)疊加在 光學(xué)系統(tǒng)的象平面170處時(shí)，圖象190將基本是消偏振的。
本發(fā)明的重要特征是圖案化半波片100包含單片層130，該單片層130包括 多個(gè)具有不同取向的快軸的區(qū)域。例如，單片層130可以包括具有不同快軸取向的多個(gè) 圓扇形或多個(gè)平行截面。如圖2中所示，每個(gè)快軸的取向201以相對(duì)于單片層130的平 行于入射表面110的橫截面內(nèi)的參考軸210成0-360。范圍內(nèi)的面內(nèi)角e為特征；正角方 向按逆時(shí)針確定。圖2所示的單片層130具有具有四個(gè)不同快軸取向201、 202、 203和 204的四個(gè)區(qū)域231、 232、 233和234 (每個(gè)都是圓扇形)。
所需的是快軸在單片層130的平行于入射表面110的橫截面內(nèi)具有至少四個(gè) 不同取向。優(yōu)選地，快軸具有至少八個(gè)不同取向。在某些情況下，快軸可具有多至48 或更多個(gè)不同取向。實(shí)際上，快軸的取向可以連續(xù)地變化?？燧S取向的這種連續(xù)的變 化有利于降低不合需要的衍射效應(yīng)。優(yōu)選地，快軸的取向按規(guī)則的圖案變化。該圖案可能由于面內(nèi)角相對(duì)于單 片層130的平行于入射表面110的橫截面內(nèi)的位置坐標(biāo)作線性變化而生成。如圖2所示，位置坐標(biāo)可以是極坐標(biāo)，即徑向坐標(biāo)r或方位角#該方位角定義為距離參考軸 210的逆時(shí)針角。例如，面內(nèi)角6>可根據(jù)^-a^+b相對(duì)于方位角0作線性變化，其中 a是斜率，b是0為O時(shí)的面內(nèi)角。圖3中所示的是具有在a二2且b二0時(shí)產(chǎn)生的快軸 取向圖案的單片層130的橫截面。所示的單片層130中包括具有四個(gè)不同快軸取向 301、 302、 303和304的八個(gè)不同區(qū)域331、 332、 333、 334、 335、 336、 337和338。
可替換地，如圖2所示，面內(nèi)角可相對(duì)于單片層130的平行于入射表面110 的橫截面內(nèi)的笛卡兒坐標(biāo)(即x或y坐標(biāo))而作線性變化；x軸相當(dāng)于參考軸210,且 x軸的長(zhǎng)度經(jīng)歸一化為1。例如，面內(nèi)角^可根據(jù)6= cx + d相對(duì)于x坐標(biāo)作線性變 化，其中c是斜率，而d是;c為0時(shí)的面內(nèi)角。圖4中所示的是具有在c =360°且(1 =0 時(shí)生成的快軸取向圖案的單片層130的橫截面。所示的單片層130包括具有八個(gè)不同快 軸取向401、 402、 403、 404、 405、 406、 407和408的17個(gè)區(qū)域431、 432、 433、 434、 435、 436、 437、 438、 439、 440、 441、 442、 443、 444、 445、 446和447 (每個(gè) 都是平行區(qū)域)。
無疑地，根據(jù)a (優(yōu)選地，1)和b,或c (優(yōu)選地，c2 180°)和d的不 同選擇可以生成其它的快軸取向圖案。作為變化，根據(jù)坐標(biāo)位置的不同選擇也可以生 成其它圖案。此外，也可以改變單片層130內(nèi)的區(qū)域數(shù)目和不同快軸取向的數(shù)目。例 如，根據(jù)任一這種圖案，快軸取向可以在單片層130內(nèi)有效地連續(xù)變化。
對(duì)于入射到入射表面IIO上的偏振光束150,當(dāng)它們穿過圖案化半波片110 內(nèi)的不同區(qū)域時(shí)，光束的不同區(qū)域?qū)⑹顾鼈兊钠駪B(tài)"旋轉(zhuǎn)"不同的量，這取決于每個(gè) 區(qū)域上的快軸的取向。因此，該裝置起到將偏振光束150轉(zhuǎn)變成在其橫截面內(nèi)具有多個(gè) 不同偏振態(tài)的光束160的空間消偏器的作用。如果入射光束150是線性偏振的，則出射 光束160將由多個(gè)線性偏振態(tài)組成。如果入射光束150是橢圓偏振的，則出射光束160 將由多個(gè)橢圓偏振態(tài)組成。如果入射光束150是消偏振的，則出射光束160也將是消偏 振的。因此，多個(gè)偏振的光束150也可以由圖案化半波片IOO來實(shí)現(xiàn)消偏振。
例如，圖案化半波片IOO可以通過利用紫外(UV)光由光控取向方法制造， 這類似于Gillian等人的US專利No. 5,861,931, Woodgate等人的US專利No. 6,055,103, Silverstein等人的US專利No. 7,061,561,以及Seiberle等人的名稱為"Photo-AlignedAnisotropic Optical Thin Films" (SID International Symposium Digest of Technical Papers, 2003, Vol. 34, pp. 1162-1165)文章中所公開的方法。在此通過參考，將所有上述文獻(xiàn)合并 入本申請(qǐng)中。
作為這種方法中的第一步驟，生成光定向?qū)?40，其作為圖案化半波片100的一部分。施加光聚合材料到村底，該襯底通常是玻璃板。然后利用線偏振的uv光照射該光敏(photo-polymerizable)材料以提供在所得到的光定向?qū)?40內(nèi)的定向排列。 優(yōu)選地，光敏預(yù)聚合物被用作光敏材料，且所得到的光定向?qū)?40由光敏聚合物組成。 作為第二步驟，可交聯(lián)的(cross-linkable)材料被施加到光定向?qū)?40上并根據(jù)光定向 層140的定向排列來取向。然后通過暴光于UV光，交聯(lián)可交聯(lián)的材料以產(chǎn)生雙折射材 料單片層130,該單片層130作為圖案化半波片100的一部分。優(yōu)選地，液晶預(yù)聚合物 被用作可交聯(lián)材料，并且得到的雙折射材料單片層130由液晶聚合物組成。合適的光敏 預(yù)聚合物和液晶預(yù)聚合物可由Rolic Technologies Ltd. (Allschwil, Switzerland)處得到。
在光定向?qū)?40的形成期間通過改變圖案中的線偏振的UV光的偏振態(tài)可將 取向圖案形成在光定向?qū)?40中。如Seiberle等人所述，這種取向圖案可通過光掩模、 取向模板(alignmentmaster)、激光掃描、或線偏振UV光束和襯底的同步移動(dòng)生成。 在將可交聯(lián)連接的材料施加到光定向?qū)?40并且隨后交聯(lián)之后，得到的雙折射材料單片 層130將具有在相應(yīng)于取向圖案的圖案中變化取向的快軸。
例如，單片層130,其包括具有不同快軸取向的多個(gè)區(qū)域，可由通過光敏材 料通過適當(dāng)數(shù)量的圖案化光掩模而對(duì)線偏振的UV光的一系列暴光而產(chǎn)生的光定向?qū)?140產(chǎn)生?？商鎿Q地，當(dāng)以適當(dāng)?shù)膱D案移動(dòng)襯底時(shí)，可利用通過縫隙暴光光敏材料于線 偏振的UV光而生成的光定向?qū)?40實(shí)現(xiàn)單片層130內(nèi)快軸取向的連續(xù)變化。
權(quán)利要求
1、一種用在具有象平面的光學(xué)系統(tǒng)中的無源消偏器，包括圖案化半波片，其具有入射表面和相對(duì)的出射表面，其中，所述圖案化半波片包括單片雙折射材料層，其中，所述單片層包括具有各自快軸的多個(gè)區(qū)域，以及其中，所述快軸在所述單片層的平行于所述入射表面的橫截面內(nèi)具有至少四個(gè)不同的取向，以使進(jìn)入所述入射表面的偏振光束在所述象平面處被基本上消偏振。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無源消偏器，其中，所述圖案化半波片由單片雙折射材 料層組成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無源消偏器，其中，所述入射表面和所述出射表面基本 是平坦的。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無源消偏器，其中，所述單片層包括具有各自快軸的多 個(gè)圓扇形。
5 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的無源消偏器，其中，所述單片層包括具有各自快軸的多 個(gè)平行區(qū)域。
6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的無源消偏器，其中，所述快軸在所述單片層的平行于所 述入射表面的橫截面內(nèi)具有至少八個(gè)不同取向。
7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的無源消偏器，其中， 所述快軸的取向是連續(xù)變化的。
8 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的無源消偏器，其中， 所述快軸的取向按規(guī)則圖案變化。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的無源消偏器，其中 所述每個(gè)快軸的取向都是以相對(duì)于所述橫截面內(nèi)的參考軸成0-360度的范圍內(nèi)的面內(nèi)角為特征，并且，其中所述面內(nèi)角相 對(duì)于所述橫截面內(nèi)的位置坐標(biāo)作線性變化。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的無源消偏器，其中，所迷位置坐標(biāo)是極坐標(biāo)。
11、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的無源消偏器，其中，所迷位置坐標(biāo)是笛卡兒坐標(biāo)。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無源消偏器，其中，所述單片雙折射材料層由液晶聚合 物組成。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的無源消偏器，其中，所述圖案化半波片還包括光定向?qū)印?br> 14、 才艮據(jù)權(quán)利要求13所述的無源消偏器，其中，所迷光定向?qū)佑晒饷艟酆衔锝M成。
15、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的無源消偏器，其中，所述圖案化半波片是利用紫外光 實(shí)現(xiàn)光取向。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用在具有象平面的光學(xué)系統(tǒng)中的無源消偏器。該無源消偏器包括結(jié)合有單片雙折射材料層的圖案化半波片。該單片層包括具有至少四個(gè)不同取向的快軸的多個(gè)區(qū)域。因此，進(jìn)入該圖案化半波片的偏振光束在所述象平面是基本消偏振的。
文檔編號(hào)G02B5/30GK101131445SQ20071014754
公開日2008年2月27日 申請(qǐng)日期2007年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月25日
發(fā)明者斯科特·邁克爾東尼, 杰瑞·扎而巴, 邁克爾·紐厄爾 申請(qǐng)人:Jds尤尼弗思公司