使用偏振体光栅的偏振转换的制作方法

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使用偏振体光栅的偏振转换

背景技术：

1.许多光学系统使用光的偏振作为用以在光学系统内引导和/或调制光的特性。例如，许多显示设备使用液晶显示(lcd)面板来空间调制偏振光的角度和/或相位以显示图像。类似地，光学系统还可以使用部件偏振敏感部件来引导系统内的光，例如通过使用偏振分束器和液晶元件以及其他光学部件。

技术实现要素：

2.提供本发明内容是为了以简化形式介绍概念的选择，这些概念将在下面的详细描述中进一步描述。本发明内容不旨在识别所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在用于限制所要求保护主题的范围。此外，所要求保护的主题不限于解决本公开的任何部分中指出的任何或所有缺点的实现。
3.一个示例提供了一种光学设备，包括光源，其被配置为输出非偏振光；偏振分束器，其被配置为将非偏振光分为第一偏振状态的光和第二偏振状态的光；以及偏振体光栅，其被配置为接收第一偏振状态的光和第二偏振状态的光，在不将第一偏振状态的光改变为不同偏振状态的情况下透射第一偏振状态的光，并将第二偏振状态的光转换为第一偏振状态，从而形成偏振输出光。
附图说明
4.图1示意性地示出了偏振体光栅。
5.图2示意性地示出了光穿过透射偏振体光栅。
6.图3示意性地示出了包括偏振光栅和透射偏振体光栅的偏振转换器。
7.图4示意性地示出了包括第一偏振光栅、透射偏振体光栅和第二偏振光栅的偏振转换器。
8.图5示意性地示出了包括非偏振光源和示例偏振转换器的光学设备。
9.图6示出了描述用于操作光学设备的示例方法的流程图。
10.图7示出了示例计算设备的框图。
具体实施方式
11.如上所述，许多光学系统使用偏振作为在光学系统内引导和/或调制光的特性。例如，许多显示设备使用液晶显示(lcd)面板来空间调制偏振光的幅度和/或相位以显示图像。类似地，光学系统可以使用部件偏振敏感部件来引导系统内的光，和/或引导离开系统的光，例如通过使用诸如偏振分束器和液晶或其他双折射光束控制元件之类的元件。
12.一些这样的光学设备可以使用发射非偏振光的光源。这种光源的示例包括垂直腔表面发射激光器(vcsel)和发光二极管。在这种设备中，各种类型的偏振器可以被用于从通过光源产生的非偏振光形成偏振光。示例包括吸收偏振器，这样的吸收偏振器被用于在液晶显示器(lcd)，以及分束偏振器中。
13.使用偏振器从非偏振光形成偏振光会导致来自光源的强度损失一半以上。为了补偿这种强度损失，可以以相对较高的功率操作光源，以增加光学设备输出的光的亮度。然而，与以较低强度操作光源相比，以相对较高强度操作光源也增加了功率使用。对于移动电池供电设备，这可能会影响设备在电池充电前的可以运行多长工作时间。
14.为了避免这种强度损失，光学系统可以利用偏振分束器将非偏振光分成两个相反偏振的分量，旋转一个分量的偏振(例如，用半波片或其他合适的分量)，以及然后重新组合光。然而，这种布置会利用比在较小的移动设备上可用的空间更多的空间。
15.因此，公开了与薄膜偏振转换器相关的示例，该薄膜偏振转换器可以在相对较小的空间量中将非偏振光转换为偏振光，并且强度损失很小。简言之，所公开的示例利用偏振分束器与偏振体光栅组合以形成偏振光。这些部件可以被实现为薄膜，以及因此可以被布置成堆叠，以在小体积的空间内将非偏振光转换成偏振光。在一些示例中，可以使用附加的偏振光栅来重定向由偏振体光栅输出的偏振光。在使用的地方，该附加偏振光栅也可以被实施为薄膜。所公开的示例可用于将非偏振光转换为偏振光的任何光学系统中，并且可在电池供电设备中特别有用，其中较低功率操作可帮助增加电池充电之间的操作时间。
16.图1示出了利用液晶的偏振体光栅(pvg)100的示意图。在opt.express 24,17746-17759(2016)的y.weng、d.xu、y.zhang、x.li和s.wu的“polarization volume grating with high efficiency and large diffraction angle(具有高效率和大衍射角的偏振体光栅)”中更详细地描述了示例pvg。在所示的pvg 100中，顶部基板116被配置为以周期λ
x
改变液晶分子(由箭头的螺旋阵列102、104、106、108、110、112、114示意性地示出)的光轴在xz平面中的旋转位置。此外，液晶分子呈现出沿y轴的周期λy为的螺旋结构。该结构产生一系列具有倾斜角度的倾斜和周期性折射率平面118a、118b、118c和118d，其中λ
x
和λy分别是x和y中的周期长度。
17.根据倾斜角pvg可以在反射或透射中工作。图2示出了示例性透射pvg 200。当入射角θi＝0
°
时，倾斜角和一阶衍射角θ
diff
之间的关系由以下反射和透射pvg给出。
[0018][0019]
pvg衍射具有与螺旋扭曲相同的旋向性的圆偏振光。对于透射pvg，衍射光束的偏振被转换到正交方向。更具体地，具有右旋圆偏振(rcp)的光被转换为具有左旋圆偏振(lcp)的光，反之亦然。当入射光束具有与pvg的螺旋扭曲相反的右旋性时，入射光束以零级穿过pvg，而其偏振或方向没有任何变化。
[0020]
因此，在透射模式下操作的pvg与pvg上游的偏振分束器结合，可以用作偏振转换器，以将非偏振光转换为偏振光。图3示意性地示出了包括偏振分束器304和pvg 306的示例性偏振转换器300。来自光源302的非偏振光被引导到偏振分光器304(pg1)上。偏振分束器304将光分成右旋圆偏振(rcp)分量和左旋圆偏振(lcp)分量。将非偏振光分成两个正交偏振分量可以在强度损失很小的情况下完成。接下来，rcp和lcp光分量穿过pvg 306，这里被示例性地为右旋pvg，其将入射rcp光转换成lcp，同时透射入射lcp光而不改变其偏振。rcp
光到lcp光的转换也导致强度损失很小。所得到的偏振输出光可以具有原始非偏振光的95％或更大的强度，并且可以提供给其他偏振敏感光学部件。例如，在偏振转换器300被结合到显示设备(无论是显示面板还是显示投影仪)中的情况下，所得到的偏振输出光可以被提供给lcd面板或其他偏振敏感空间光调制器以用于图像产生。类似地，在偏振转换器300被结合到针对深度传感器的投影仪中的情况下，所得到的偏振输出光可以被提供给偏振敏感光束转向器，以将光引导到正在成像的环境的选定区域。虽然所描绘的示例使用右旋pvg，但应当理解，也可以使用左旋pvg，这将导致rcp输出光的产生。
[0021]
在图3的示例中，基于pvg和偏振分束器光栅的周期，输出光以与系统的光轴成一定角度(如光源和pg1之间的箭头所示)离开pvg 306。pg1和pvg可以被配置为以任何合适的角度输出光。在一些示例中，偏振输出光可以以相对更接近光轴的角度发射，这可以有助于抗反射涂层(arc)的设计，有助于减少杂散光，并且与偏振转换器相比减小孔径尺寸，其中偏振输出光以相对于光轴更高的角度发射。
[0022]
在其他示例中，可以使用附加的偏振光栅以期望的角度重定向来自pvg的偏振光，无论是沿着光轴还是在任何其他合适的方向。图4示意性地示出了示例偏振转换器400，其包括光源402光学下游的第二偏振光栅(pg2)408、用作偏振分束器的第一偏振光栅(pg1)404和pvg 406，如图4所示，pg2408的使用使入射光的偏振旋转，这样使得pg2 408输出的光与入射到pg2 408上的光相比具有正交偏振状态。
[0023]
上述偏振光栅和pvg可以被实施为薄膜。在一些示例中，pg1、pvg和可选pg2各自可以在其自己的衬底上被实现，其中每个衬底可以具有几十微米量级的厚度。因此，包括pg1、pvg和pg2的偏振转换器膜堆叠的总厚度可以在几十微米的范围内。此外，在一些示例中，pvg和pg1或pg2之一可以被形成在同一衬底上，这可以帮助减小膜厚度。
[0024]
所公开的示例性偏振转换器可以提供不具有有限孔径的优点。这样，所公开的偏振转换器可以与光源或光源阵列一样宽。所公开的示例偏振转换器可用于各种不同的设备，包括但不限于增强现实和混合现实头戴式显示系统(其可利用硅上液晶或微型lcd显示器)、移动电话和其他便携式设备，以及电视、监视器和其他更大格式的设备。在一些示例中，包括膜堆叠的偏振转换器可以直接放置在非偏振光源上(例如与光源接触)。在其他示例中，包括膜堆叠的偏振转换器可以被放置在光学系统内的任何其他合适位置，例如在另一光学部件的表面上。
[0025]
图5示出了光学设备500的示意图，该光学设备500包括非偏振光源502、位于光源上方的薄膜偏振转换器504和接收来自偏振转换器504的光的偏振敏感光学部件512。薄膜偏振转换器504包括第一pg 506、pvg 508和第二pg 510。在其他示例中，可以省略第二pg 510。在一些示例中各种光学部件可以位于偏振敏感光学部件512和偏振转换器504之间，而在其他示例中，偏振敏感光学部件512直接从偏振转换器504接收偏振输出光(即，光源和偏振转换器可以被组合在用于显示的集成背光单元中)。偏振敏感光学部件512可以表示光学系统中的任何合适的光学部件。例如，偏振敏感光学部件512可以是被配置为调制光的偏振角和/或相位的液晶面板，或者是双折射光束转向设备(例如，液晶光束转向设备)。偏振转换器300和400是用作偏振转换器504的合适结构的非限制性示例。光学设备500还包括在与偏振敏感光学部件512和非偏振光源502中通信的控制器514。控制器514可用于形成显示图像(例如，部件512是显示面板)或引导光投射到环境中(例如，部件512是光束转向器)。光学
设备500还包括可选电池516，例如在光学设备500表示包括基于偏振的显示器(例如lcd或lcos显示器)和/或利用双折射光束转向器的深度传感器的移动设备的示例中。如上所述，与传统偏振器相比，使用偏振转换器504可以帮助保持光源输出的光的亮度，以及因此可以允许较低的功率操作，这可以帮助延长设备500可以在电池充电之间使用的时间量。
[0026]
图6示出了描述用于操作光学设备的示例方法600的流程图。示例光学设备包括但不限于显示设备和包括投影仪的深度传感器。方法600包括在602处从光源发射非偏振光。可以使用任何合适的非偏振光源，包括但不限于vcsel阵列和led。方法600还包括，在604，使非偏振光穿过偏振分束器，从而将非偏振光分为第一偏振状态的光和第二偏振状态的光，其中第一偏振状态的光是右旋圆偏振光和左旋圆偏振光中的一种，并且其中第二偏振状态是右旋圆偏振光和左旋圆偏振光中的另一种。
[0027]
方法600还包括，在606，使第一偏振状态的光和第二偏振状态的光穿过pvg，该pvg被配置为在不将第一偏振状态的光改变为不同的偏振状态的情况下透射第一偏振状态的光，并且将第二偏振状态的光转换为第一偏振状态，从而形成偏振输出光。在各种示例中，pvg可以是右旋pvg或左旋pvg。此外，在一些示例中，偏振分束器和偏振体光栅包括膜堆叠中的层。
[0028]
在一些示例中，可以在pvg的光学下游使用第二偏振光栅。这样，方法600包括，在608，使偏振输出光穿过偏振体光栅光学下游的第二偏振光栅，以重定向偏振输出光。在从非偏振光形成偏振输出光之后，方法600包括，在610，将偏振光提供给偏振敏感光学部件。在各种示例中，偏振敏感光学部件可以包括液晶显示面板、双折射光束转向器或任何其他合适的偏振敏感部件。
[0029]
在一些实施例中，本文所描述的方法和过程可以绑定到一个或多个计算设备的计算系统。特别地，这样的方法和过程可以被实现为计算机应用程序或服务、应用编程接口(api)、库和/或其他计算机程序产品。
[0030]
图7示意性地示出了可以实施上述方法和过程中的一个或多个的计算系统700的非限制性实施例。计算系统700以简化形式示出。计算系统700可以采取一个或多个个人计算机、服务器计算机、平板电脑、家庭娱乐计算机、网络计算设备、游戏设备、移动计算设备、移动通信设备(例如，智能电话)和/或其他计算设备的形式。作为示例，计算系统700可以代表控制器514。
[0031]
计算系统700包括逻辑子系统702和存储子系统704。计算系统700可以可选地包括显示子系统706、输入子系统708、通信子系统710和/或图7中未示出的其他部件。
[0032]
逻辑子系统702包括被配置为执行指令的一个或多个物理设备。例如，逻辑子系统702可以被配置为执行作为一个或多个应用、服务、程序、例程、库、对象、部件、数据结构或其他逻辑构造的一部分的指令。这样的指令可以被实现为执行任务、实现数据类型、转换一个或多个部件的状态、实现技术效果或以其他方式获得期望的结果。
[0033]
逻辑子系统702可以包括被配置为执行软件指令的一个或多个处理器。附加地或替代地，逻辑子系统702可以包括被配置为执行硬件或固件指令的一个或多个硬件或固件逻辑机器。逻辑子系统702的处理器可以是单核或多核的，并且在其上执行的指令可以被配置用于顺序、并行和/或分布式处理。逻辑子系统702的各个部件可选地可以分布在两个或多个单独的设备之间，这些设备可以被远程定位和/或配置用于协调处理。逻辑子系统702
的各方面可以由配置在云计算配置中的远程可访问的联网计算设备来虚拟化和执行。
[0034]
存储子系统704包括一个或多个物理设备，其被配置为保存可由逻辑机器执行的指令，指令用以实现此处中描述的方法和过程。当实现这样的方法和过程时，存储子系统704的状态可以被转换，例如，以保存不同的数据。
[0035]
存储子系统704可以包括可移动和/或内置设备。存储子系统704可以包括光学存储器(例如cd、dvd、hd-dvd、蓝光光盘等)、半导体存储器(例如ram、eprom、eeprom等)和/或磁存储器(例如硬盘驱动器、软盘驱动器、磁带驱动器、mram等)等。存储子系统704可以包括易失、非易失、动态、静态、读/写、只读、随机访问、顺序访问、位置可寻址、文件可寻址和/或内容可寻址设备。
[0036]
应当理解，存储子系统704包括一个或多个物理设备。然而，本文中所描述的指令的方面可替换地可由物理设备在有限持续时间内不保持的通信介质(例如，电磁信号、光信号等)传播。
[0037]
逻辑子系统702和存储子系统704的各方面可以一起集成到一个或多个硬件逻辑部件中。例如，这样的硬件逻辑部件可以包括现场可编程门阵列(fpga)、程序专用集成电路(pasic/asic)、程序和应用专用标准产品(pssp/assp)、片上系统(soc)和复杂可编程逻辑器件(cpld)。
[0038]
当包括时，显示子系统706可用于呈现由存储子系统704保存的数据的视觉表示。该视觉表示可采用图形用户界面(gui)的形式。由于本文所描述的方法和过程改变了存储机器所保持的数据，并因此改变了存储计算机的状态，因此显示子系统706的状态同样可以被转换为可视地表示底层数据的变化。显示子系统706可以包括一个或多个利用几乎任何类型的技术的显示设备。这样的显示设备可以与共享外壳中的逻辑子系统702和/或存储子系统704组合，或者这样的显示设备可以是外围显示设备。
[0039]
当被包括时，输入子系统708可以包括一个或多个用户输入设备，例如键盘、鼠标、触摸屏或游戏控制器，或者与一个或更多个用户输入设备接口。在一些实施例中，输入子系统708可以包括所选择的自然用户输入(nui)部件或与之交互。这种部件可以是集成的或外围的，并且可以在板上或板外处理输入动作的转换和/或处理。示例nui部件可以包括用于语音和/或语音识别的麦克风；用于机器视觉和/或手势识别的红外线、彩、立体和/或深度相机；用于运动检测和/或意图识别的头部跟踪器、眼睛跟踪器、加速计和/或陀螺仪；以及用于评估大脑活动的电场感测部件。
[0040]
当被包括时，通信子系统710可以被配置为将计算系统700与一个或多个其他计算设备通信地耦合。通信子系统710可以包括与一个或多个不同通信协议兼容的有线和/或无线通信设备。作为非限制性示例，通信子系统可以被配置为经由无线电话网络或有线或无线局域网或广域网进行通信。在一些实施例中，通信子系统可以允许计算系统700经由诸如因特网的网络向其他设备发送和/或从其他设备接收消息。
[0041]
另一示例提供了一种光学设备，包括光源，其被配置为输出非偏振光；偏振分束器，其被配置为将非偏振光分为第一偏振状态的光和第二偏振状态的光；以及偏振体光栅，其被配置为接收第一偏振状态的光和第二偏振状态的光，并且在不将第一偏振状态的光改变为不同偏振状态的情况下透射第一偏振状态的光，并且将第二偏振状态的光转换为第一偏振状态，从而形成偏振输出光。第一偏振状态的光可以附加地或替代地是右旋圆偏振光
和左旋圆偏振光中的一种，并且第二偏振状态可以附加地或者替代地是左旋圆偏振光和右旋圆偏振光中另一种。偏振分束器和偏振体光栅可以附加地或替代地包括膜堆叠中的层。在偏振分束器是第一偏振光栅的情况下，光学设备可以附加地或替代地包括偏振体光栅光学下游的第二偏振光栅，以重定向偏振输出光。在光学设备是显示设备的情况下，光学设备可以附加地或替代地包括液晶显示面板。光学设备可以附加地或替代地包括投影仪。光学设备可以附加地或替代地包括电池。光源可以附加地或替代地包括垂直腔表面发射激光器和发光二极管中的一个或多个。
[0042]
另一个实施例提供了一种在光学设备上实施的方法，该方法包括从光源发射非偏振光，使非偏振光穿过偏振分束器，从而将非偏振光分为第一偏振状态的光和第二偏振状态的光，以及使第一偏振状态的光和第二偏振状态的光穿过偏振体光栅，该偏振体光栅被配置为在不将第一偏振状态的光改变为不同偏振状态的情况下透射第一偏振状态的光，并且将第二偏振状态的光转换为第一偏振状态，从而形成偏振输出光。第一偏振状态的光可以附加地或替代地是右旋圆偏振光和左旋圆偏振光中的一种，并且第二偏振状态可以附加地或者替代地是左旋圆偏振光和右旋圆偏振光中另一种。偏振分束器和偏振体光栅可以附加地或替代地包括膜堆叠中的层。在偏振分束器是第一偏振光栅的情况下，该方法可以附加地或替代地包括使偏振输出光穿过偏振体光栅光学下游的第二偏振光栅，以重定向偏振输出光。该方法可以附加地或替代地包括使用偏振输出光经由液晶显示面板形成图像。该方法可以附加地或替代地包括在投影仪中使用偏振输出光。发射非偏振光可以附加地或替代地包括经由垂直腔表面发射激光器发射非偏振光和经由发光二极管发射非偏振光中的一个或多个。
[0043]
另一示例提供了一种光学设备，包括被配置为输出非偏振光的光源，第一偏振光栅包括偏振分束器，其被配置成为将非偏振光分为偏振态光和第二偏振状态的光；偏振体光栅，其被配置为接收偏振状态的光和第二偏振状态的光，并且在不将偏振状态的光改变为不同偏振状态的情况下透射偏振状态的光，并将第二偏振状态的线转换为该偏振状态，从而形成偏振输出光，以及在偏振体光栅的光学下游的第二偏振光栅，以重定向偏振输出光。第一偏振状态的光可以附加地或替代地是右旋圆偏振光和左旋圆偏振光中的一种，并且第二偏振状态可以附加地或者替代地是左旋圆偏振光和右旋圆偏振光中另一种。偏振分束器和偏振体光栅可以附加地或替代地包括膜堆叠中的层。在光学设备是显示设备的情况下，光学设备可以附加地或替代地包括液晶显示面板。光源可以附加地或替代地包括垂直腔表面发射激光器和发光二极管中的一个或多个。
[0044]
应当理解，这里描述的配置和/或方法本质上是示例性的，并且这些特定实施例或示例不应被视为限制性的，因为许多变化是可能的。这里描述的特定例程或方法可以表示任意数量的处理策略中的一个或多个。这样，所示出和/或描述的各种动作可以以所示出的和/或所描述的顺序、以其他顺序、并行或省略来执行。同样，可以改变上述处理的顺序。
[0045]
本公开的主题包括本文公开的各种过程、系统和配置以及其他特征、功能、动作和/或特性的所有新颖的和不明显的组合和子组合，以及它们的任何和所有等价物。

技术特征：

1.一种光学设备，包括：光源，其被配置为输出非偏振光；偏振分束器，其被配置为将所述非偏振光分为第一偏振状态的光和第二偏振状态的光；以及偏振体光栅，其被配置为接收所述第一偏振状态的光和所述第二偏振状态的光，以及在不将所述第一偏振状态的光改变为不同的偏振状态的情况下透射所述第一偏振状态的光，并且将所述第二偏振状态的光转换为所述第一偏振状态，从而形成偏振输出光。2.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述第一偏振状态的光是右旋圆偏振光和左旋圆偏振光中的一种，并且其中所述第二偏振状态是右旋圆偏振光和左旋圆偏振光中的另一种。3.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述偏振分束器和所述偏振体光栅包括膜堆叠中的层。4.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述偏振分束器是第一偏振光栅，并且还包括第二偏振光栅，所述第二偏振光栅在所述偏振体光栅的光学下游，以重定向所述偏振输出光。5.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述光学设备是显示设备，并且还包括液晶显示面板。6.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述光学设备是投影仪。7.根据权利要求1所述的光学设备，还包括电池。8.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述光源包括：垂直腔表面发射激光器和发光二极管中的一个或多个。9.一种在光学设备上实施的方法，包括：从光源发射非偏振光；使所述非偏振光穿过偏振分束器，从而将所述非偏振光分为第一偏振状态的光和第二偏振状态的光；以及使所述第一偏振状态的光和所述第二偏振状态的光穿过偏振体光栅，所述偏振体光栅被配置为在不将所述第一偏振状态的光改变为不同的偏振状态的情况下透射所述第一偏振状态的光，并且将所述第二偏振状态的光转换为所述第一偏振状态，从而形成偏振输出光。10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一偏振状态的光是右旋圆偏振光和左旋圆偏振光中的一种，并且其中所述第二偏振状态是右旋圆偏振光和左旋圆偏振光中的另一种。11.根据权利要求9所述的方法，其中所述偏振分束器和所述偏振体光栅包括膜堆叠中的层。12.根据权利要求9所述的方法，其中所述偏振分束器是第一偏振光栅，并且还包括使所述偏振输出光穿过在所述偏振体光栅的光学下游的第二偏振光栅，以重定向所述偏振输出光。13.根据权利要求9所述的方法，还包括：使用所述偏振输出光经由液晶显示面板形成图像。
14.根据权利要求9所述的方法，还包括：在投影仪中使用所述偏振输出光。15.根据权利要求9所述的方法，其中发射非偏振光包括：经由垂直腔表面发射激光器发射所述非偏振光和经由发光二极管发射非偏振光中的一项或多项。

技术总结

一个示例提供一种光学设备，包括：光源，其被配置为输出非偏振光；偏振分束器，其被配置为将非偏振光分为第一偏振状态的光和第二偏振状态的光；以及偏振体光栅，其被配置为接收第一偏振状态的光和第二偏振状态的光，并且在不将第一偏振状态的光改变为不同的偏振状态的情况下透射第一偏振状态的光，并且将第二偏振状态的光转换为第一偏振状态，由此形成偏振输出光。输出光。输出光。