CN103959159B - 用于宽带偏振变换的多扭曲延迟器及相关制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种光学元件包括具有相应局部光轴的至少两个堆叠双折射层，所述相应局部光轴在所述至少两层的相应厚度上旋转相应扭曲角，并且沿着所述至少两层之间的相应界面对准。相应扭曲角和/或相应厚度不同。所述至少两个堆叠双折射层可以是液晶聚合物光学延迟器层。还讨论了相关设备和制造方法。
Description
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 PolarizationGratings 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 AndRelated 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***。
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SIN可以通过以下关系：SOUT=M·SIN变换成输出偏振SOUT。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（extraordinaryindex 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）。
宽带偏振变换元件的附加类别包括单个非均匀双折射层，其典型地由具有并非贯穿厚度而一致的局部光轴的单轴双折射材料形成。这些双折射层已经被使用在LCD和其它光学设备中。这些双折射层可以形成可寻址层，诸如90°扭曲的向列（TN）和超扭曲的向列（STN）LCD，以及具有正和负双折射率的补偿膜。虽然这些双折射层可以充当偏振变换元件（通常具有一些消色差行为），但是它们可能具有关于可以变换的输入和输出偏振类型的限制。例如，90°-TN和STN双折射层仅仅可以将线偏振变换至近线偏振，并且许多补偿膜可能仅仅对偏振做出小调整。而且，单个扭曲层可以用作延迟器以在相对狭窄的带宽范围上部分地将圆偏振转换至线偏振（对于单个波长）。虽然该单个扭曲层可以与胆甾偏振器组合，但这些元件可以分离地形成并且随后与彼此组装，从而类似地造成关于制造成本、厚度、性能等的问题。
扭曲层的组合也已被用于宽带偏振变换。例如，美国专利No.6,765,635描述了在单轴半波层的任一侧上的两个135°扭曲向列层可以被采用作为电控偏振调制器。在另一情况下，通过使用分离制造并随后组装的两个扭曲向列盒（nematic cell）来提供宽带四分之一波长延迟器。
发明内容
根据本文所描述的本发明的一些实施例，光学膜包括第一光学层，其中相应的局部光轴在限定于第一光学层的相对面之间的第一厚度上旋转第一扭曲角，以及第二光学层，其中相应的局部光轴在限定于第二光学层的相对面之间的第二厚度上旋转第二扭曲角。例如，第一层的局部各向异性可以在第一厚度上具有第一连续可变相移，第二层的局部各向异性可以在第二厚度上具有第二连续可变相移。在一些实施例中，第一和第二层（以及因而，它们的局部光轴）的分子的相应相对定向沿着其间的界面对准。
在一些实施例中，第一和第二光学层可以是第一和第二延迟器层，其更改由此穿过的光的偏振状态而在宽带波长范围上基本上不影响其传播方向。例如，第一和/或第二光学层的分子的相对定向在横向维度上可以基本上一致，以便基本上不更改由此穿过的光的传播方向。在其它实施例中，第一和/或第二光学层的分子的相对定向可以在横向维度上连续变化。
在一些实施例中，第一和第二层可以被组装以限定单片结构。例如，第二光学层可以直接在第一光学层上，并且第二光学层的分子可以通过第一光学层的分子对准。
在一些实施例中，光学膜可以包括具有在其中限定基本上一致的畴（domain）的对准条件的对准表面。对准表面可以基本上不影响由此行进的光的局部偏振状态。第一光学层可以直接在对准表面上，并且第一层的分子可以根据对准表面的对准条件来对准。第一层、第二层和/或对准表面可以基本上是透明的。
在一些实施例中，第一光学层可以是其中包括具有第一捻向（twist sense）的手性液晶分子的第一手性液晶层，并且第二光学层可以是其中包括具有第二捻向的手性液晶分子的第二手性液晶层。在一些实施例中第一捻向可以与第二捻向相同或相反。
在一些实施例中，第一和第二厚度不同。在一些实施例中，第一和第二扭曲角不同。例如，在一些实施例中，第二扭曲角可以为大约0度，并且第一扭曲角可以大于或小于0度，或者反之亦然。
在一些实施例中，第一和第二光学层中的至少一个可以是聚合的或可聚合的液晶层。在其它实施例中，第一和第二光学层中的至少一个可以是非反应性可切换液晶层。在一些实施例中，第一和第二光学层中的至少一个可以是可切换液晶层，其可以在基本上不影响由此行进的光的偏振的第一状态与反转或者以别的方式更改由此行进的光的偏振的第二状态之间切换。
在一些实施例中，第一和/或第二扭曲角和/或第一和/或第二厚度被配置成在宽带波长范围上提供四分之一波长延迟。在一些实施例中，第一和/或第二扭曲角和/或第一和/或第二厚度被配置成在宽带波长范围上提供半波延迟。宽带波长范围可以包括可见波长的范围，例如大约400nm（纳米）到大约800nm。在其它实施例中，宽带波长范围可以包括近红外范围（例如，大约1000nm到大约1600nm）、中波红外范围（例如，大约4000nm到大约10,000nm）、或紫外范围（例如，大约180nm到大约400nm）。延迟在特定波长范围上可以是基本上消色差的，或者波长范围的不同区域可以具有不同的延迟。
根据本发明的另外的实施例，一种形成光学膜的方法包括形成其中包括对准图案的对准表面，以及形成具有分子结构的第一光学层，其中分子相应的相对定向在限定于第一光学层的相对面之间的第一厚度上旋转第一扭曲角。第一层的分子依照对准表面的对准图案沿着其间的界面而对准。第二光学层形成在第一光学层的与对准层相对的表面上。第二光学层具有分子结构，其中分子相应的相对定向在限定于第二光学层的相对面之间的第二厚度上旋转第二扭曲角。第二光学层的分子基于第一光学层的表面而对准，使得第一和第二层的分子相应的相对定向沿着其间的界面而对准。
根据本发明的仍另外的实施例，双折射延迟器包括具有空间一致的方位和倾角边界条件的对准表面，以及至少两个广义扭曲向列液晶层。第一层具有第一扭曲角和厚度，并且第二层具有第二扭曲角和厚度，其中第一和第二扭曲角或者第一和第二厚度中的至少一个是不同的，并且其中第一和第二扭曲角中的至少一个不为零。第一层直接施加于对准表面上并通过其对准，并且第二层直接通过其在之上形成的第一层的表面而对准，从而形成单片结构。
根据本文描述的本发明的一些实施例，光学元件包括多个堆叠的双折射层，包括第一和第二堆叠的双折射层，其具有在第一和第二层的相应厚度上旋转相应扭曲角的相应局部光轴。局部光轴沿着第一和第二层之间的界面对准，并且相应扭曲角和/或相应厚度不同。例如，第一和第二堆叠双折射层可以是分别被配置成更改偏振而基本上不更改由此穿过的光的传播方向的光学延迟器层。
在一些实施例中，第一和第二堆叠双折射层的相应局部光轴可以在沿着其间的界面的方向上是非周期的。例如，相应的局部光轴可以在沿着界面的一个或多个不同区域中基本上一致，或者可以沿着界面连续变化。
在一些实施例中，第一和第二堆叠双折射层的相应局部光轴可以在沿着其间的界面的方向上基本上一致或不变。
在一些实施例中，第一和第二堆叠双折射层直接在彼此上并且限定了单片结构。
在一些实施例中，光学元件可以包括具有基本上一致的对准条件的对准表面。第一和第二堆叠双折射层之一可以直接在对准表面上，使得其相应局部光轴根据对准条件而对准。
在一些实施例中，相应的扭曲角可以具有相同或相反的捻向。在一些实施例中，相应扭曲角可以在大小上基本上相等并且在捻向上相反。在一些实施例中，相应扭曲角可以在大小上不同，并且扭曲角之一可以非零。
在一些实施例中，第一和第二堆叠双折射层可以分别包括第一和第二邻近区域。第一和第二双折射层的相应局部光轴可以在第一和第二区域的每一个中沿着其间的界面基本上一致，但是在第一和第二区域中的相应局部光轴可以不同。
在一些实施例中，第一和第二堆叠双折射层可以包括第一液晶层和堆叠在其上的第二液晶层。第一和第二液晶层的相应分子定向可以沿着其间的界面对准，并且第一和第二液晶层中的至少一个可以是手性层。
在一些实施例中，第一和第二液晶层中的至少一个可以是聚合的液晶层。
在一些实施例中，第一和第二液晶层中的另一个可以是可切换的液晶层。
在一些实施例中，第三手性液晶层可以堆叠在第二液晶层上。
在一些实施例中，光学元件此外可以包括线偏振器。第一和第二光学层可以堆叠在线偏振器上，在偏振器与光学层之间具有对准表面或粘合层。
在一些实施例中，第一和第二光学层的相应扭曲角和/或厚度可以被配置成提供在大约200nm或更大的宽带波长范围上基本上消色差的半波延迟。
在一些实施例中，第一和第二光学层的相应扭曲角和/或厚度被配置成提供在大约200nm或更大的宽带波长范围上基本上消色差的四分之一波长延迟。
根据本文描述的本发明的另外的实施例，一种制造光学元件的方法包括提供第一双折射层，并且提供堆叠在第一双折射层上的第二双折射层。第一和第二双折射层具有在其相应厚度上旋转相应扭曲角并且沿着其间的界面对准的相应局部光轴，并且相应扭曲角和/或相应厚度不同。
在一些实施例中，第一和第二双折射层的相应局部光轴可以在沿着其间的界面的方向上是非周期的。
在一些实施例中，第一和第二双折射层可以是分别被配置成更改偏振而基本上不更改由此穿过的光的传播方向的光学延迟器层。
在一些实施例中，第一和第二双折射层的相应局部光轴可以在沿着其间的界面的方向上基本上一致或不变。
在一些实施例中，第一和第二双折射层可以限定单片结构。例如，第一和第二双折射层可以是液晶层，并且第二双折射层可以直接形成在第一双折射层上，使得其相应的分子定向根据第一双折射层的相应分子定向沿着其间的界面而对准。
在一些实施例中，在形成第一和第二双折射层之前，可以形成具有非周期对准条件的对准表面。非周期的对准条件可以包括一个或多个基本上一致的区域，或者可以是连续变化的。第一双折射层可以直接形成在对准表面上，使得其相应的分子定向根据对准条件而对准。
在一些实施例中，第一双折射层可以是可聚合的液晶层。第一双折射层可以在其上形成第二双折射层之前被光聚合到对准表面上。
在一些实施例中，第三液晶层可以直接形成在第二双折射层上，使得其相应的局部光轴根据第二双折射层的相应局部光轴沿着其间的界面而对准。
在一些实施例中，对准表面可以形成为包括连续变化的对准条件。
在一些实施例中，对准表面可以形成为在其邻近的第一和第二区域中包括相应的基本上一致的对准条件，其中在对准表面的第一和第二区域中的基本上一致的对准条件不同。
因此，本发明的一些实施例提供了光学延迟器元件，其包括具有相应的局部光轴的至少两个堆叠的光学层，所述局部光轴在其相应厚度上的方向上连续变化，并且在沿着其间的相应界面的方向上对准（但是可以或可以不变化）。
在本领域技术人员回顾以下附图和详细描述时，根据一些实施例的其它设备和/或方法将变得对其显而易见。意图在于，除了包括在本描述内的以上实施例的任何和所有组合之外，所有这样的附加实施例在本发明的范围内，并且受随附权利要求保护。
附图说明
图1是图示了根据本发明的一些实施例的包括两个或更多堆叠的双折射层的光学延迟器元件的示意图。
图2A和2B是针对如图1中所示的根据本发明的一些实施例的光学延迟器装置在宽带波长范围上分别图示了输出S3参数和椭圆率的图解。
图3是针对根据本发明的一些实施例的三个示例光学元件在宽带波长范围上图示了所测量椭圆率的图解。
图4A-4C是图示了相比于宽带四分之一波长参考膜，在不同偏振器布置之间的根据本发明的一些实施例的三个光学元件的图片。
图5A是图示了根据本发明的一些实施例的包括三个堆叠双折射层的光学延迟器元件的示意图。
图5B和5C是针对如图5A中所示的根据本发明的实施例的光学延迟器装置分别图示了输出S3参数和椭圆率的图解。
图6A和6B是根据本发明的一些实施例分别图示了通过在线偏振器上使用两个和三个堆叠双折射层所形成的圆偏振器的示意图。
图7A和7B是针对根据本发明的一些实施例的包括两个堆叠双折射层的光学延迟器装置分别图示了输出S3参数和椭圆率的图解。
图8是针对根据本发明的一些实施例的两个示例光学元件图示了所测量椭圆率的图解。
图9A是图示了根据本发明的一些实施例的在对准表面上包括两个堆叠双折射层的光学延迟器元件的示意图，所述对准表面包括具有基本上一致但不同的对准条件的两个或更多邻近畴。
图9B是图示了如图9A中所示的根据本发明的一些实施例的光学延迟器元件的输出的图片。
图10A和10B是图示了根据本发明的一些实施例的在对准表面上包括两个和三个堆叠双折射层的光学延迟器元件的示意图，所述对准表面包括连续变化的对准条件。
图11A-11C是图示了针对一些商用光学膜的反射特性的图解。
图12A和12B是根据本发明的一些实施例分别图示了包括两个和三个堆叠双折射层的光学延迟器元件的反射特性的图解。
图13是图示了根据本发明的一些实施例的在单个基片和对准层上包括两个或更多个堆叠双折射层的多扭曲延迟器元件的示意图。
图14A图示了根据本发明的一些实施例的双层MTR设计。
图14B图示了由如图14A中所示的根据本发明的一些实施例的双层MTR提供在庞加莱（Poincare）球上的输出斯托克斯分量。
图15A图示了根据本发明的一些实施例的三层MTR设计。
图15B图示了由如图15A中所示的根据本发明的一些实施例的三层MTR提供在庞加莱球上的输出斯托克斯分量。
图16A-16D是图示了在与用于线（水平）输入偏振的已知光学膜相比较时的根据本发明的一些实施例的双层四分之一波长MTR的输出的图解。
图17A-17D是图示了在与用于线（水平）输入偏振的已知光学膜相比较时的根据本发明的一些实施例的三层四分之一波长MTR的输出的图解。
图18A和18B是根据本发明的一些实施例分别图示了双层和三层线到线偏振变换设计的输出的图解。
图18C和18D是根据本发明的一些实施例分别图示了双层和三层圆到圆偏振变换设计的输出的图解。
图19A-19D是图示了根据本发明的一些实施例的形成多扭曲延迟器元件的示例制造过程的示意图。
图20A和20B是根据本发明的一些实施例分别图示了双层和三层四分之一波长MTR的延迟的图解。
图21是比较了根据本发明的一些实施例的MTR的性能趋势的直方图。
图22A和22B是图示了在与用于线（水平）输入偏振的已知光学膜相比时的根据本发明的一些实施例的三层四分之一波长MTR的输出的图解。
图22C和22D是图示了在与用于圆输入偏振的已知光学膜相比时的根据本发明的一些实施例的三层四分之一波长MTR的输出的图解。
具体实施方式
以下参照附图更加全面地描述本发明，其中示出本发明的实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来具体化，并且不应当被解释为受限于本文所陈述的实施例。相反地，这些实施例被提供来使得本公开将是透彻和完整的，并且将完全把本发明的范围传达给本领域技术人员。在各图中，层和区域的尺寸和相对尺寸为了清楚起见可能被夸大。由始至终同样的标号是指同样的元件。
将理解的是，尽管术语第一、第二、第三等等在本文中可以被用来描述各种元件、部件、区域、层和/或区段，但是这些元件、部件、区域、层和/或区段不应当受这些术语的限制。这些术语仅仅用于将一个元件、部件、区域、层或区段从另一区域、层或区段中区分开来。因此，在不脱离于本发明的教导的情况下，以下所讨论的第一元件、部件、区域、层或区段可以被称作第二元件、部件、区域、层或区段。
诸如“在……下方”、“在……下面”、“下部”、“在……之下”、“在……上面”、“上部”等等之类的空间相对术语在本文中可以为了易于描述而被用来描述如图中所图示的一个元件或特征与另外的（多个）元件或（多个）特征的关系。将理解的是，空间相对术语旨在涵盖除了图中所描绘的定向之外的使用或操作中的设备的不同定向。例如，如果图中设备被翻转，则描述为在其它元件或特征“下面”或“下方”或“之下”的元件将会于是被定向成在其它元件或特征的“上面”。因此，示例性术语“在……下面”和“在……之下”可以涵盖在上定向和在下定向二者。设备可以被另行定向（旋转90度或以其它定向）并且本文中使用的空间相对描述符被相应地解释。另外，还将理解的是，当层被称为在两层“之间”时，它可以是两层之间的唯一层，或者还可以存在一个或多个中间层。
本文中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的并且不旨在限制本发明。如本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述”旨在还包括复数形式，除非上下文另行清楚指示。此外将理解的是，术语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时指明规定的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加。如本文中所使用的，术语“和/或”包括关联列举项中的一个或多个的任何和所有组合。
将理解的是，当元件或层被称为“在……上”、“连接到”、“耦合到”或“邻近于”另一元件或层时，它可以直接在所述另一元件或层上、连接到、耦合到或邻近于所述另一元件或层，或者可以存在中间元件或层。相比之下，当元件被称为“直接在……上”、“直接连接到”、“直接耦合到”或“紧接邻近于”另一元件或层时，不存在中间元件或层。
本文中参照横截面图示来描述本发明的实施例，所述横截面图示为本发明的理想化实施例（和中间结构）的示意性图示。因而，要预期到作为例如制造技术和/或容差的结果的从图示形状的变型。因此，本发明的实施例不应当被解释为受限制于本文中图示的区域的特定形状，而是将包括例如由制造导致的形状偏离。因此，图示在图中的区域本质上是示意性的并且它们的形状不旨在图示设备区域的实际形状并且不旨在限制本发明的范围。
除非另行限定，本文中所使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同意义。此外将理解的是，诸如在通常使用的字典中限定的那些之类的术语应当被解释为具有这样的意义：即所述意义与它们在相关领域和/或本说明书的上下文中的意义一致，并且将不在理想化或过度正式的意义上被解释，除非本文中明确这样限定。
本文中参照液晶（LC）材料描述了本发明的实施例。LC可以包括其中存在分子的有序布置的液体。典型地，LC分子可以是各向异性的，具有细长（杆状）或扁平（盘状）形状。由于各向异性分子的排序，大量LC通常在其物理属性上展现出各向异性，诸如在其机械、电、磁和/或光学属性上的各向异性。如本文中所使用的，LC可以具有向列相、手性向列相、近晶相、手性近晶相（包括铁电LC）和/或另外的相。作为杆状或盘状性质的结果，LC分子的定向分布可以在诸如液晶显示器（LCD）之类的光学应用中扮演重要角色。在这些应用中，LC对准可以由对准表面指示。可以处理对准表面来使得LC相对于表面以可预测和可控制的方式对准。在一些实施例中，对准表面可以确保通过LC层的单畴。在其它实施例中，对准表面可以提供遍及LC层的许多畴和/或许多不连续。
诸如摩擦或可光聚合的聚合物之类的许多聚合物可以被用作对准层以创建本文中所描述的光学层。这些聚合物可以相对于LC是惰性的、应当在LC设备的操作温度范围上（例如，从大约-50℃到大约100℃）提供稳定的对准、并且应当与本文中所描述的制造方法兼容。可以用作本文中的对准层的聚合物的一些示例包括聚酰亚胺、肉桂酸酯（cinnamate）、查耳酮环氧材料以及香豆素侧链型聚酰亚胺。液晶对准方法的附加示例也在Crawford等人的美国专利No.7,196,758中被讨论。此外，本文中所描述的一些结构可以牵涉通过旋涂工艺和液晶材料的平衡的精确制造。
本领域技术人员将理解的是，如本文中所使用的，“可聚合的液晶”可以指可以被聚合的相对低分子量液晶材料，并且还可以在本文中被描述为“活性液晶基元（reactivemesogen）”。相比之下，“非活性液晶”可以指不可以被聚合的相对低分子量液晶材料。而且，“透射性”或“透明”基片或元件可以允许入射光中的至少一些由此穿过。换言之，本文中所描述的透射性或透明元件不需要是完美透明的，并且可以具有各向同性或二向色性吸收特性和/或可以另行吸收入射光中的一些。在一些实施例中，透明基片可以是玻璃基片。相比之下，“反射性”基片或元件可以反射入射光中的至少一些。
本发明的一些实施例提供了可以实现宽带偏振变换的方法和设备，借此具有特定偏振的输入光可以改变成目标或所期望的偏振。这与通过常规偏振器元件实现的借以准许所期望的偏振的光通过而不想要的光被吸收或重定向的偏振转换形成对比。宽带光的精确偏振变换可以用在许多应用中，包括LCD、光学存储装置、双折射光学器件、光学遥感和光纤网络。使用单一双折射元件（其分离形成并且随后组装）的单独和多个堆叠的常规方法可能不能够实现所期望的宽带偏振变换性能，和/或不能容易地提供大的通光孔径、小厚度和/或可接受的成本。
特别地，本文所描述的本发明的实施例提供了包括两个或更多双折射层的光学元件，在本文中被称作多扭曲延迟器（MTR），其提供了宽带偏振变换的有效控制。例如，MTR可以包括至少两个广义向列液晶层在单个基本上一致的对准表面上的布置，其中所述层中的至少一个具有在层的厚度上扭曲的向列引向器（即局部光轴），并且其中后续层直接通过先前层的暴露表面来对准。这允许不太复杂的制造，实现自动层配准，并且导致具有在其厚度上连续变化的局部光轴的单片膜。相比之下，在许多常规途径中，层典型地分离形成并且随后组装，并且在一层的末尾处的扭曲角典型地不与下一扭曲层的起始角对准或平行。
另外，根据本发明的实施例的结构形成单片双折射片，其为所期望的几乎任何波长、带宽或入射角范围实现良好受控的偏振变换，包括在关于中心波长（例如550nm）的大于约15%（例如100nm）、约35%（例如200nm）或更多的波长范围上的宽带（即消色差的）四分之一波长和半波延迟。在特定实施例中，可以使用两层或三层来实现具有优良性能和潜在极低成本的宽带四分之一波长和半波延迟。附加层可以使得能够实现根据波长或视角的对偏振变换轮廓（profile）的甚至更精细的控制，这以类似于傅里叶级数中附加项的方式。在一些实施例中，这样的附加层的使用可以允许MTR设计具有真实光轴，即，线偏振沿着其而被保持的方向。输入和输出偏振之间所期望的确切关系可以独立于波长（如在本文中所描述的宽带四分之一波长和半波示例中），或者其可以是取决于应用的波长的某种非恒定和非平凡函数（如在本文中所描述的补偿膜和电信示例中）。由于其不太复杂的制造和多自由度，如本文所描述的MTR可以特别良好地适合于图案化的消色差延迟器，并且可以实现可见直到红外波长内的大的带宽和/或延迟的低变化。然而，虽然本文中参照相对宽的波长范围上的消色差（或近似恒定）的延迟光谱进行了一般描述，但是将理解，根据本发明的实施例的MTR可以不这样被限制，并且可以被配置成提供在给定光谱的不同区域上的不同延迟。例如，非消色差延迟光谱的一个实施例将会是被配置成对于绿波长（例如落在对应于绿颜色的可见光谱范围内的波长）提供近似半波延迟而对于红和蓝波长通过近似零延迟的MTR。在非消色差延迟光谱的另一实施例中，MTR可以被配置成对于较长波长（例如红外）提供近似半波延迟并且对于较短波长（例如可见）提供不同的延迟。
相关美国专利申请No.60/912,044也描述了一种消色差偏振变换，其使用在对准表面上限定单膜或单片元件的两个扭曲层。在其中描述的一些实施例中，对准表面可以由偏振全息图来图案化，使得存在空间非一致的周期性图案。因此，在那些实施例中所实现的对入射光的光学效应是衍射（即，改变传播方向），而不是如由本文所描述的本发明的实施例实现的延迟（即，改变偏振）。
如本文所描述的延迟器是双折射元件，其可以通过诱发电磁波的正交电场分量之间的不同相移来变换偏振而基本上不影响传播方向，并且其还被称作波片。一些基本的延迟器可以通过均匀单轴双折射率和厚度d定义，并且可以具有相位延迟，其随波长λ强烈变化。
可以在波长的宽范围上精确受控的宽带（包括消色差）偏振变换在牵涉人类感知或不同波长处的多个同步通道的应用中可能尤为重要。不幸的是，许多光学材料的双折射率的光谱色散典型地不能使得能够在一片内实现宽带偏振变换。代替地，已经发展了牵涉多个双折射片的经由延迟补偿原理实现宽带行为的若干技术，其中一片的延迟中的不足至少部分地由后续片校正；然而，由于使用了单独制造并随后对准的多个元件，这些技术可能遭受类似于先前途径的制造复杂化。制造复杂化在其中每个LC元件包括两个基片和两个LC对准层（带有其自身的对准挑战）的实例中可能被进一步放大。
相比之下，根据本发明的一些实施例的光学膜或元件包括单个对准表面，在其顶上布置了至少两个扭曲双折射光学延迟器层（例如，广义扭曲向列液晶层），并且在本文中可以一般地称为多层扭曲延迟器或多扭曲延迟器（MTR）。由图中所示的圆柱形状表示的局部光轴（例如液晶的向列引向器）通过其下的表面的对准方向建立（在任何层的底部），从而提供具有在膜的厚度上连续变化的光轴的单片膜。
图1以横截面图示了根据本发明的一些实施例的光学元件或膜（本文中称为MTR）100。如图1中所示，在第一光学延迟器层101上形成第二光学延迟器层102以形成多层结构。第一和第二层101和102可以具有根据相对于彼此相同或相反的捻向而在其相应的厚度d 1 和d 2 上旋转的分子结构。例如，第一和第二层101和102可以包括相同或相反旋向性的手性分子（即，具有不同左旋和右旋形式的非对称分子）。因而，在一些实施例中，第二层102可以在厚度d 2 上具有它的与第一层101在厚度d 1 上的不同和/或相反的局部各向异性图案的相移。在图1中，第一和第二层101和102被图示为手性液晶（LC）层。厚度d 1 和d 2 分别限定在第一和第二光学层101和102的相对面之间，并且在一些实施例中厚度d 1 和d 2 可以不同。更一般地，在本文所描述的实施例中，光学膜可以包括两个或更多层，其中层中的至少两个具有不同的扭曲角（包括不同的捻向）和/或不同的厚度。
具体地，如图1中所示，第二层102的分子是为相比于第一层101的分子（例如左旋）的相反的旋向性（例如右旋）。例如，第一层101可以掺杂有手性分子，使得其中分子的定向可以在层101的厚度d 1 上旋转或“扭曲”扭曲角 1，并且第二层102可以掺杂有另一手性分子，使得其中分子的定向可以在层102的厚度d 2 上旋转或“扭曲”不同的扭曲角 2。第一扭曲角 1或第二扭曲角 2在一些实施例中可以是0°。在制造第一和第二层101和102中，向列LC混合物可以掺杂有被配置成在其中诱发相应扭曲角而没有实质缺陷的手性LC分子。相应扭曲角 1和 2可以通过变化手性掺杂剂的量和/或变化光学延迟器层的厚度来更改。在每个光学层101、102中分子的“扭曲”可以在其相应厚度d 1 、d 2 上提供局部各向异性图案中的连续相移。
如图1中此外图示的，第一和第二光学层101和102的分子在其间的界面109处对准或同相。具体地，第一和第二光学层101和102的相应分子状分子在沿着界面109的平面或方向的方向上具有基本上一致（例如非空间变化）的定向。因而，第一和第二光学层101和102限定了单片光学元件或膜100，其在沿着其相应厚度的方向上具有连续变化的分子定向，并且在沿着其间界面的方向上具有非变化或基本上一致的分子定向。
在图1中图示的示例中，第一和第二光学层101和102被提供在对准表面115上，其在对准表面115的平面内具有以某一方位角（本文中还称为起始角 0）的基本上一致的从左到右对准方向。第一层101内的向列引向器定向从与对准表面115的界面处的该方位角 0开始，并且然后贯穿其厚度d 1 扭曲通过第一层101中采用的扭曲向列液晶材料的手性性质所诱发的扭曲角 1，至某一最终方位角 0+ 1，其提供对于第二层102的对准。第二层102内的向列引向器定向在与第一层101的界面109处可以或可以不对应于对准表面115上的对准条件，这取决于 1的值。第二层102的向列引向器定向从与第一层101的界面109处的角 0+ 1开始，并且贯穿其厚度d 2 扭曲了扭曲角 2至某一最终方位角 0+ 1+ 2。这类似地继续以用于可以形成在第二层102上的后续扭曲向列层，这采用以下一般原则：第一层101通过对准表面115对准，并且每个后续层通过先前表面对准以形成单个不可分的薄膜。
在一些实施例中，第一和第二层101和102可以通过使用液晶预聚合物和溶剂混合物来形成。例如，第一层101可以通过旋铸（spin-casting）第一手性向列LC材料（即掺杂有手性液体以提供预定旋向性或捻向的非手性向列液晶层）而形成在对准表面115上，使得其达到所期望的厚度d 1 。在一些实施例中，对准表面115可以是通过本文将不进一步讨论的技术形成在诸如玻璃基片之类的透明基片上的摩擦聚酰亚胺对准层或光对准层（photo-alignment）。第一手性LC材料的分子可以通过由对准表面115提供的一致对准条件（例如沿着方位角 0）来对准，并且第一手性LC材料可以例如通过使用全面紫外（UV）曝光（blanketultraviolet exposure）而聚合，以永久地固定其中的光学各向异性以形成第一光学层101。被掺杂以提供相同或相反旋向性/捻向的第二手性向列LC混合物可以被旋铸或否则直接施加在第一层101上，直到其同样具有所期望的厚度d 2 ，并且第二手性LC材料的分子可以根据在其间的界面109处的第一层101的分子来对准。换言之，第一层101的表面可以充当对于第二手性LC混合物的对准表面。第二手性LC混合物然后可以被聚合以形成第二层102。其它的掺杂剂也可以包括在扭曲液晶层101和102的任何一个内，诸如二向色或荧光染料或纳米颗粒。
在其它实施例中，可以形成可切换的液晶光学膜。更具体地，第一层101可以如以上所描述的那样在第一对准表面上形成为具有预定旋向性或捻向和所期望的厚度d 1 。其上包括第二对准表面的相对透射性基片（诸如玻璃基片）可以以对应于所期望厚度d 2 的盒间隙被层压到第一层101。第二对准表面可以包括这样的对准条件，其是相对于基于第一光学层101的捻向的第一光学层101表面的对准条件的偏移。第二对准表面与第一层101之间的间隙可以填充有具有相反捻向的手性向列LC材料以提供作为第二层102的液晶层并且从而限定可切换的液晶光学膜。第二层102的分子定向可以在基本上不影响由此行进的光的偏振的第一状态与响应于施加于第二层102的电压而更改由此行进的光的偏振的第二状态之间切换。
在一些实施例中，摩擦聚合物或线性可光聚合的聚合物（LPP）可以被用于形成对准表面115。激光或包括一些灯的任何窄带光源（有时在UV波长范围中）可以被用于将具有空间一致的方位和倾角边界条件的对准条件曝光或形成到光对准表面115上。曝光后，第一和第二光学层101和102可以通过旋涂而沉积在对准表面115上。第一层101可以是由RMS03-001C（Merck Ltd，在589nm处Δn~0.16）与少量（~0.3%）的手性掺杂剂CB15（Merck Ltd，右旋向性）构成的混合物。第二层102可以直接沉积在第一层101顶上，并且可以由掺杂有少量（~0.3%）的不同手性掺杂剂ZLI-811（Merck Ltd，左旋向性）的RMS03-001C构成，服从不同厚度、捻向和/或扭曲角。然而，将理解，在一些实施例中可以使用许多其它对准表面，包括但不限于摩擦聚合物（例如聚酰亚胺或PVA）、拉伸的聚合物膜、充当偏振器的对准的分子、之前的液晶层（例如胆甾液晶）和/或基片本身。
如本文所描述的本发明的实施例已经通过使用数值计算方法（Berreman 4x4传递矩阵方法）进行了模拟，然后通过使用理论公式进行分析，并且在实验上进行了测试。为了简明性，参照上文中的全部来讨论本发明的实施例的功能原理。
由于本文中所描述的光学膜或其它双折射元件的装置起偏振变换器的作用，因此存在各种方式来观察其光学行为，其中的一些可以取决于变换的类型。例如，延迟（Δnd；以长度的单位）描述了来自双折射层的偏振光输出的两个正交分量之间的相对相位差。称作延迟率的类似但正规化的量（Δnd/λ；以波的单位）可以用于跨宽范围的波长而进行分析。另外，在一些情况下，专门的量可以被用于分析。这样的专门的量可以包括斯托克斯参数中的一个，或者以此计算的某一函数，诸如椭圆率，其为输入线偏振光到输出圆偏振光的变换质量的度量。
对于本文中所描述的示例和实施例，可以假设对波长（即色散）具有某种依赖性的现实双折射率（，其中波长以nm为单位）。该特定双折射率色散对应于液晶聚合物RMS03-001C（Merck Ltd）。虽然在本文中参照其特定材料和特性描述了示例，但是将理解，本发明的实施例绝不限制于这样的特定材料。
图2A和2B是针对图1中图示的多层扭曲延迟器装置100分别图示了输出S3参数和椭圆率的图解。具体地，图2A和2B指明了根据本发明的实施例的两种设计，其提供了用于水平线偏振输入光（即S1=1）的宽带四分之一波长延迟（即，目标S3=+1.0），作为代表性情况。如图1所示，采用两个扭曲层101和102，其具有表1（下文）中列表显示的角和厚度，并且在本文中被称作实施例1a和1b。在图2A-2B中针对实施例1a（实线）和实施例1b（虚线）示出的输出椭圆率和S3参数二者在基本上较宽的带宽或波长范围上都较接近于目标或期望的S3=+1.0。椭圆率甚至进一步地强调了这点：实施例1a（实线）具有椭圆率>0.9的较宽带宽，而实施例1b（虚线）在光谱中心处的较宽区域上具有较高的椭圆率（>0.95）。
根据上文所描述的实施例的光学膜已经通过使用商用液晶和对准材料在实验上被制造，具有图3中示出的结果。手性浓度和旋涂机处理条件稍微变化。具体地，在图4中图示了对于根据本发明的实施例的三个不同的样本光学膜300a、300b和300c的测量的椭圆率，其中曲线示出与实施例1的装置一致的宽带椭圆率。另外，图4A-4C是图示了相比于商用宽带四分之一波长参考膜“AQW2”膜（供应商ColorLink Japan Ltd）的在不同偏振器布置之间的三个样本膜300a、300b、300c的图片。具体地，图4A图示了在平行偏振器之间的三个膜300a、300b、300c，图4B图示了以45度角布置的偏振器之间的三个膜300a、300b、300c，并且图4C图示了在交叉偏振器（以90度角布置）之间的三个膜300a、300b、300c。对于平行（图4A）和交叉（图4C）情况的现象几乎相同，从而强调了结果的质量。
图5B和5C是针对如图5A中所示并且在本文中被称为实施例2的根据本发明的实施例的包括三个堆叠双折射层501、502、503的光学延迟器装置500分别图示了输出S3参数和椭圆率的图解。实施例2提供了实现比实施例1甚至更宽的宽带四分之一波长延迟的多层扭曲延迟器500。具体地，三个扭曲层501、502、503形成在对准表面515上，具有如表1中所示的扭曲角（ 1， 2， 3）和厚度（d1，d2，d3）。如图5B和5C中所示，实施例2（实线）表明，对于整个400-800nm范围，输出斯托克斯参数S3接近于+1，并且椭圆率e>0.95，这提供了超过示例1（点划线）和示例2（点点线）的相当大改善。
本发明另外的实施例可以提供通过组合线偏振器695与根据实施例1或2形成的宽带四分之一波长延迟器而形成的圆偏振器，如图6A和6B中分别示出的。具体地，图6A图示了包括堆叠在线偏振器695上的对准表面615上的两个双折射层601、602的装置600a，其中每层601和602具有不同的厚度d 1 和d 2 以及有相反捻向的扭曲角 1和 2。同样地，图6B图示了包括堆叠在线偏振器695上的对准表面615上的三个双折射层601、602、603的装置600b，其中层601具有与层602和603的厚度d 2 和d 3 不同的厚度d 1 ，并且其中层601和603具有有着相同捻向的扭曲角 1和 3，其与层602的扭曲角 2的捻向相反。然而，将理解，对准表面615在光学层的制造之后可以被移除和/或在一些实施例中可以使用粘合剂来将光学层堆叠在偏振器695上。
在一些情况下（诸如光学存储设备），采用具有各种波长的多个激光，并且因此可以仅指定或要求在那些波长处或靠近那些波长的偏振变换。例如，使用在集成BR/DVD/CD播放器的光路中的四分之一波长延迟器可能需要在405nm（BR）、650nm（DVD）和780nm（CD）周围的接近于1.0的椭圆率。图7A和7B是针对包括两个堆叠光学层的另一多层扭曲延迟器装置（在本文中称为实施例3）分别图示了输出S3参数和椭圆率e的图解。在实施例3中，两个堆叠的扭曲层且具有表1示出的不同扭曲角和厚度，并且对于这些波长带中的每一个实现接近于0.9的椭圆率。具体地，图8图示了实施例3的装置的椭圆率（实线）在405nm、650nm和780nm处接近于0.9。类似于本文所描述的其它实施例，由于实施例3形成在具有自对准层的单个基片上，制造复杂性（和因此的成本）相比于一些当前产品可以相当大地降低。
表1
| 实施例 | 起始角 0 | 第一扭曲角 1 | 第一厚度d1 | 第二扭曲角 2 | 第二厚度d2 | 第三扭曲角 3 | 第三厚度d3 |
| 1a | 5° | 18° | 1.7μm | 77° | 1.0μm | -- | -- |
| 1b | 60° | 30° | 0.8μm | -90° | 1.4μm | -- | -- |
| 2 | 85° | -3° | 1.1μm | -44° | 1.9μm | -84° | 0.8μm |
| 3 | 5° | 24° | 1.6μm | 69° | 0.9μm | -- | -- |
| 4a | 5° | 16° | 1.7 | 73° | 1.1μm | -- | -- |
| 4b | 88° | -2° | 2.5μm | -31° | 2.0μm | -73° | 0.9μm |
根据本文所描述的实施例3的光学膜也已经通过使用商用液晶和对准材料在实验上被制造，具有图8中所示的结果。手性浓度和旋涂机处理条件稍微变化。具体地，针对若干不同样本800a、800b的测量的椭圆率示出在图8中，其中曲线示出在用于BR/DVD/CD设备的激光波长周围接近于0.9的椭圆率，与实施例3一致。
尽管上文参照层的数量、厚度和扭曲角的特定组合进行了描述，但是将理解，这些参数中的一个或多个可以根据本发明的实施例变化以实现所期望的结果。例如，尽管上文参照四分之一波长延迟进行了描述，但是一些实施例可以提供包括被配置成提供宽带半波延迟或关于波长相对恒定的任何其它延迟性的两个扭曲层的多层扭曲延迟器装置。
本发明另外的实施例可以提供包括被配置成提供用于宽视场的宽带延迟性的两个或三个扭曲层的多层扭曲延迟器装置，这例如通过改变层的数量、扭曲角和/或每层的厚度。具体地，本发明的一些实施例可以被设计成除了增强的宽带特性之外，还提供增强的视角特性。例如，光学组件可以包括线偏振器、四分之一波长多层扭曲延迟器、以及镜，其中光以若干极角和方位角入射。该组件本质上提供与镜组合的圆偏振器，并且除了其它使用之外，尤其可以被用于为OLED显示器提供增强的对比率。具体地，线偏振器将入射光转换至线偏振（例如，至水平线偏振），四分之一波长延迟器将线偏振转换至一种旋向性（例如右旋）的圆偏振，所述镜反射并且还反转圆偏振的旋向性（例如，至左旋），其然后通过四分之一波长延迟器回传以变成线偏振的（例如，成为垂直线偏振），其然后由偏振器吸收。
当延迟器提供四分之一波长延迟时，这样的组件将不反射入射非偏振光（即，将看似是暗的），并且当延迟不是四分之一波长时（例如，当延迟器提供除了四分之一波长延迟之外的延迟时，例如半波延迟），其将看似是灰的或有色的。此外，即使当沿着法线方向（即0°极角）满足四分之一波长延迟条件时，较大的漏光也可能发生在较大角处（即30°或更大）。对此的两个比较性示例示出在图11A和11B中，其中图11A图示了窄带波片的反射特性而图11B图示了三层非扭曲宽带波片的反射特性，其类似于上文分别参照图2A和2B讨论的示例1和2的四分之一波长延迟器。示出在图11C中并且在本文中称为示例3的第三比较性示例图示了其中四分之一波长延迟器为单个扭曲层（例如，为在美国专利No.7,187,424中讨论的类型）的反射特性。针对每个装置的各层的具体特性示出在图例中。在所有三个比较性示例中，在某些波长和某些角处存在大量漏光。
为了论证多层扭曲延迟器装置能够改善视角特性，根据本发明的实施例的两种设计的结果示出在图12A和12B中。图12A中示出的图解图示了具有两个扭曲层的MTR的反射特性，所述MTR在本文中称为实施例4a，其具有上文表1中示出的特定细节。图12B中示出的图解图示了具有三个扭曲层的MTR的反射特性，所述MTR在本文中称为实施例4b，其具有上文表1中的特定细节。如图12A和12B中所示，对于实施例4a和4b二者，当与图11A-11C的比较性示例进行比较时，对于几乎所有波长和角而言反射率降低。
根据上文所描述的本发明的实施例形成的图案化宽带延迟器还可以以共面或并排的方式来布置以提供多个离散畴。更具体地，可以将对准表面图案化到多个（即两个或更多）离散畴中，其中方位角 0在每个畴内恒定，但是从畴到畴不同，并且畴的所有横向尺寸比光的波长（以及双折射层的厚度）大得多(>100λ)以便避免衍射。
图9A图示了在对准表面915上包括两层901和902的多层扭曲延迟器装置900，所述对准表面915包括两个邻近的畴或区域915a和915b，其在每个中具有基本上一致但不同的对准条件。当第一层901形成在图案化的、多畴对准表面915上时，第一层901的分子可以根据每个畴915a和915b的方位角 0a、 0b来对准并一致地定向，并且第二层902可以通过第一层901来对准。后续附加层（未示出）也可以被形成并通过下面的层来对准。同样，一个或多个附加和/或替换畴/区域可以被提供在对准表面915中邻近第二畴/区域915b。因此，本发明的实施例可以提供具有空间变化的偏振变换，例如接受线偏振光并将其转换成圆偏振光的四分之一波长延迟，其中每个畴具有不同的旋向性，或反之亦然。这样的图案化的延迟器可以用在3D LCD、偏振成像相机以及包括偏振转换***（PCS）的其它光学***中。本文所描述的实施例还可以用作1D隔栅（louver），如以下实验结果中所示，并且还可以是2D网格图案，其中对准表面在畴内提供一致的定向。
根据图9A的实施例的光学膜也已经通过使用商用液晶和对准材料在实验上被制造，具有图9B的图片中示出的结果。首先，对准表面915（这里，光对准聚合物）使用偏振光光刻通过铬掩模被图案化，所述铬掩模被用于限定多个邻近的区域或畴915a、915b，其中的每一个都具有空间一致的对准条件。如本文所讨论的，空间一致的对准或边界条件被理解为在每个畴915a、915b内一致，并且具有比波长大得多的尺寸以避免衍射。对准表面915然后以类似于上文参照图1和/或实施例1描述的方式被涂覆有液晶材料。图9B的图片示出一个样本，其中两个畴1、2在它们之间创建有尖锐的边界9，其中畴1、2二者具有宽带四分之一波长特性，但是其中畴1的有效光轴（以及表面方位角 0a）与畴2的有效光轴（以及表面方位角 0b）正交。
根据上文描述的本发明的实施例形成的图案化的宽带延迟器还可以提供连续变化的光轴。更具体地，对准表面可以被图案化，使得方位角 0以一个或多个横向维度（例如仅在x方向或y方向上，或者在x和y方向二者上，如由对准表面的平面所定义的那样）、在对准表面上连续变化。
具体地，图10A图示了在基片1010上包括堆叠在对准表面1015上的两个双折射层1001、1002的多层扭曲延迟器装置1000a。对准表面1015包括连续可变的对准条件，并且每层1001和1002具有相同或不同的厚度d 1 和d 2 以及有相同或相反捻向的相应扭曲角 1和 2。在一些实施例中，对准图案或条件由方位角 0(x)或 0(x,y)控制，而每层1001、1002内的扭曲 1、 2可以在每个厚度d 1 、d 2 内相同。同样地，图10B图示了包括堆叠在包括连续变化的对准条件的对准表面1015上的三个双折射层1001、1002、1003的装置1000b，其中层1001、1002和1003中的一个或多个具有相同或不同的厚度d 1 、d 2 、d 3 ，并且其中层1001、1002、1003具有有着相同或相反捻向的相应扭曲角 1、 2、 3。因此本发明的实施例可以提供在一个或多个维度上具有连续空间变化的偏振变换。
在下文中更加详细地进一步描述根据本发明的一些实施例的偏振变换元件的特定非限制性示例。具体地，本发明的一些实施例通过使用单个对准层和基片上的多扭曲LC层来提供宽带延迟器，其在本文中称为多扭曲延迟器（MTR）。在每个MTR中，后续LC层直接通过先前的那些来对准，从而产生可以利用不太复杂的制造来生产的单片膜，并且能够对几乎任意带宽和形状进行延迟控制。如本文明确描述的本发明的一些实施例允许零扭曲角（即，均匀层）作为一个可能的扭曲层。换言之，根据本发明的一些实施例的MTR包括两个或更多自对准层，其中两层中的至少一个具有非零扭曲。
当与一些传统途径比较时，由MTR提供的自由度可以被用于改善偏振变换性能。根据本发明的实施例的MTR的附加特征在于它们更易于施加在图案化的基片上，包括隔栅的波片、矢量涡流片（vortex-plate）和/或宽带偏振光栅。
由于根据本发明的实施例的MTR包括至少两个扭曲双折射层，可以使用可形成到聚合物网络中的LC（例如“可聚合”LC）。LC聚合物（LCP）（也称作活性液晶基元）初始是低分子量LC，其可以通过表面（以及固有手性）而对准到复杂轮廓中，并且然后可以通过光聚合而被固化成固体聚合物膜，从而产生“聚合的”LC层。根据本发明的实施例的MTR的一个特征是从先前层到后续层的传播对准——自动克隆对准。换言之，根据本文中描述的制造过程形成的MTR可以允许后续层的自发对准，只要后续层形成在其上的先前层被很好地排序和聚合。虽然几乎任何LCP可以用于如本文所描述的MTR，但是一些实施例是参照RMS10-025（Merck Chemicals Inc.）来描述的，其具有据报告的的双折射率色散。假设这种真实世界的双折射率色散以用于本文所描述的模拟。
如图13中所示，根据本发明的实施例的MTR 1300的单元盒（unit cell）包括两个或更多的双折射率层1301、1302…130m，其中层1301、1302…130m中的至少一些具有不同的扭曲角 1， 2，… m和/或不同的厚度d 1 ，d 2 ，…d m 。层1301、1302…130m中每一个的分子定向通过下面的层建立，使得层1301、1302…130m中每一个的相应分子定向在其间的相应界面处对准。如本文所描述的，不同的扭曲角 1， 2，… m可以指的是大小中的差异和/或方向/捻向中的差异（例如，在符号上的正/负）。多个扭曲的总效应可以通过使用传递矩阵技术来计算。对于给定的材料，具有总共M层的MTR 1300具有2M+1个参数：每层m具有其自身的扭曲 m和厚度d m ，加上由基片1310上的对准层1315设定的第一扭曲层的起始角 0。通过使用这些约束，任何特定层的米勒矩阵Tm可以写作
在上文中，每层具有正规化的延迟，参数和偏置均值。函数。如本文所描述的，光轴平行于LC向列引向器；对于正Δn材料，这是慢轴。整个MTR的米勒矩阵因此为
并且输出偏振可以建立为，其中和 分别为用于针对每个波长的输入偏振光和输出偏振光的斯托克斯矢量。可以通过使用若干途径来测量。由于MTR可以具有单轴双折射率的非均匀轮廓，它们在整体上一般可以既不是单轴的也不是双轴的。虽然如此，可以通过对于相同输入偏振，将斯托克斯输出与预期来自标准均匀延迟器的输出进行比较来对于整个结构计算有效延迟和光轴方向。
设计MTR典型地牵涉选择2M+1个参数。原则上，这可以直接使用矩阵T MTR 来完成。如果一般偏振变换问题牵涉针对N个特定设计波长的一组已知的输入和期望的输出偏振，则可以可能的是解决由等式（6）产生的方程***用以在可行的确切MTR解决方案存在时找到它们。在高层级，一种设计过程为如下：设置成本函数f，并且搜索其全局（并且有时为局部）最小值。该成本函数（给定已知输入）可以是特定解的目标和输出偏振光谱的函数，或者它可以是的分量之一的函数。示例包括和。通常可能合期望的是应用甚至更加非线性的成本函数，使得搜索更加快速地收敛，诸如，其中为椭圆率。注意到，f还可以被设置成包括其它约束，例如制造偏好或限制。
即便在对于d和的保守边界内，该计算也可能导致很多局部最小值，其中的许多是具有近似相同f结果的等价全局最小值。在这种欠定的情形中，便利的解决方案可以是排等级和选择。
本发明的一些实施例此外提供了对于四分之一波长和半波相位延迟器的改进或最优的设计。为了简明和清楚起见，参照光的可见波长讨论这些实施例；然而，将理解，本发明的实施例的功能性不限于可见波长，并且在红外和/或紫外波长上同样可以是可操作的。此外，在一些实施例中，对于不同波长范围的设计可以通过缩放单独层的厚度来获得而无需改变扭曲角。
四分之一波长（QW）延迟器将输入光变换到线偏振（例如Si=(1,1,0,0)T）和圆偏振（例如St=(1,0,0,1)T）或从线偏振（例如Si=(1,1,0,0)T）和圆偏振（例如St=(1,0,0,1)T）变换输入光。因此，如本文所讨论的，，，并且，确切地针对特定波长，或者针对给定带宽几乎如此。以下所讨论的示例覆盖了两种情况：在大约200nm（例如450到650nm）的带宽范围上具有M=2层的消色差QW MTR，以及在大约400nm（例如400至800nm）的带宽上具有M=3层的超消色差QW MTR。为了便利起见，这些设计分别被称为2TR和3TR设计，并且概括在表2中。
表2
图14A图示了根据本发明的一些实施例的2层MTR设计1400。虽然众多2TR消色差QW设计可以是可能的，但图14A中示出的横截面一般地图示了可以被改变以用于这样的设计的参数。具体地，MTR 1400包括第一和第二双折射层1401和1402，其分别具有在不同厚度d 1 和d 2 上和/或按不同扭曲 1和 2旋转的的分子定向，其中第一层1401的相应分子定向通过基片1410上的对准表面1415中的基本上一致的对准条件（其提供起始角 0）建立，并且其中第二层1402的相应分子定向通过在其上的第一层1401的表面处所提供的基本上一致的分子定向来建立。以下参照图20A描述了一个特定解决方案。然而，这种和其它解决方案可以通过使用成本函数的数值优化在大约450-650nm的带宽内找到。
在表2中示出的一个示例实施例（2TR QW-A）中，第一层1401可以具有大约0度的扭曲角（例如“零扭曲”层），并且第二层1402可以具有非零扭曲角（例如“非零扭曲”层）。如表2中所示，其它示例实施例（2TR QW-B和2TR QW-C）牵涉两个非零扭曲层，其分别具有相同和相反的手性旋向性。在一些方面中，2TR QW-B和2TR QW-C装置可以分别类似于实施例1a和1b的装置。
针对2TR QW-A（实线）、2TR QW-B（虚线）和2TR QW-C（点划线）在图16A-16D中示出根据本发明的一些实施例的对于线（水平）输入偏振的2TR QW设计的输出。具体地，图16A图示了，在450nm到650nm波长范围上输出斯托克斯分量S3近似等于1。同样地，在450nm到650nm波长范围上，图16B图示了，根据一些实施例的2TR MTR提供了大约90°的有效净延迟（net retardation），而图16C图示了，来自MTR的光输出的椭圆率e为大约0.95到大约1。图16D图示了在450nm到650nm波长范围上光轴定向在近似45度的角处。还示出（以虚线）的是来自包括两个均匀片的传统消色差QW设计的比较结果，所述两个均匀片分别具有1.75和0.88μm的厚度，并且其中它们的光轴定向在15度和74度处。如图16A-16D中所示，由根据本发明的一些实施例的MTR提供的输出斯托克斯分量S 3、净延迟、输出椭圆率e和有效光轴定向角基本上类似于由传统QW设计所提供的。
图14B图示了由根据本发明的一些实施例的MTR提供在庞加莱球上的输出斯托克斯分量S1S2S3。庞加莱球帮助解释2TR QW如何起作用。具体地，图14B示出了跨450nm到650nm光谱通过2TR QW-A的厚度的偏振演变。2TR QW设计1400的第一层1401将输入线偏振变换成非平凡椭圆偏振，其然后由第二层1402变换成目标圆偏振。这不同于通过图16A-16D中的比较所示出的传统设计所采取的路径，其第一层将偏振带到赤道，并且然后从那里升到极地。因而，与一些常规途径相比，由MTR 1400提供的附加自由度允许通向更加可能的偏振轨道，从而提供在调谐最终偏振光谱分布中的更多灵活性。
对于QW延迟器的实际带宽可以定义为S 3≥0.995并且等价地e≥0.9所针对的适当波长范围除以中心波长。因此，根据本发明的实施例的一些2TR QW设计可以具有近似37%的带宽。虽然这对于许多应用而言是有用的，但是基本上更宽的带宽可以通过添加附加层来提供，如图15A所示。
图15A图示了根据本发明的一些实施例的3层MTR设计1500。图15A一般地图示了包括可以针对若干3TR超消色差QW设计而变化的参数的横截面，其具有比图14A的2TR消色差QW设计更宽的操作带宽。与图14A的实施例中相同的数值优化途径和f被使用，但是跨400到800nm的增加的波长范围。具体地，MTR 1500包括第一、第二和第三双折射层1501和1502和1503，其分别具有在不同厚度d 1 ，d 2 和d 3 上和/或按不同扭曲 1， 2和 3旋转的分子定向，其中第一层1501的相应分子定向通过在基片1510上的对准表面1515中提供起始角 0的基本上一致的对准条件来建立，其中第二层1502的相应分子定向通过在其上的第一层1501的表面处所提供的基本上一致的分子定向来建立，并且其中第三层1503的相应分子定向通过在其上的第二层1502的表面处所提供的基本上一致的分子定向来建立。
在表2中示出的一个示例实施例中（3TR QW-A）中，第一层1501可以具有零扭曲，并且其它两层1502和1503可以具有任何非零扭曲。在另一实施例中（3TR QW-B），移除了零扭曲限制。
针对3TR QW-A（实线）和3TR QW-B（点划线）在图17A-17D中示出了根据本发明的一些实施例的一些3TR QW设计的输出，其具有与2TR设计的许多类似之处，但是具有更宽的带宽。具体地，图17A图示了，在400nm到800nm波长范围上输出斯托克斯分量S3近似等于1。同样地，在400nm到800nm波长范围上，图17B图示了根据一些实施例的2TR MTR提供了大约90°的有效净延迟，而图17C图示了来自MTR的光输出的椭圆率e为大约0.94到大约1。图17D图示了在400nm到800nm波长范围上光轴定向在近似45度的角处。还示出（以虚线）的是来自包括三个均匀片的传统超消色差QW设计的比较结果，所述三个均匀片分别具有厚度1.6、1.6和0.8μm，并且其中它们的光轴定向在7°、27°和65°处。如图17A-17D中所示，由根据本发明的一些实施例的MTR提供的输出斯托克斯分量S 3、净延迟、输出椭圆率e和有效光轴定向角基本上类似于由传统超消色差QW设计所提供的。
图15B图示了由根据本发明的一些实施例的MTR提供在庞加莱球上的输出斯托克斯分量S1S2S3。具体地，图15B示出了跨425到775nm光谱通过3TR QW-A的厚度在庞加莱球上的偏振演变。3TR QW设计的第一层1501适度地将输入线偏振附近的偏振扇出（fan out）。这些偏振然后由第二层1502跨半球变换，并且最终由第三层1503带上到极地。这不同于传统三片设计所采取的路径，其中前两个均匀HW延迟器以特定角对准，使得它们将水平输入旋转至沿着以45°对准的子午线落到第三均匀延迟器的三个偏振状态，其分布在赤道周围以准确地匹配第三均匀延迟器的色散，所述第三均匀延迟器将它们发送到极地。
根据本发明的实施例的3TR QW设计可以具有~75%的带宽，是图14A中示出的2TR的2倍。因而，虽然不希望被束缚于特定理论，但是如本文所描述的本发明的一些实施例图示了通过添加更多的双折射层可以实现更宽的带宽。
由本发明的实施例提供的另一偏振元件是半波（HW）延迟器，其从一个线偏振变换到另一（旋转）线偏振或者将另一（旋转）线偏振变换到该线偏振（线-线），并且可以被用于实现光学旋转。类似地，HW延迟器可以被用于将圆偏振变换到正交圆偏振（圆-圆）。以下讨论的示例覆盖实现这两种变换的两种HW MTR设计。分别针对带宽450-650nm和400-800nm的特定2TR和3TR设计示出在表3中。以下结果示出2-和3-TR HW设计的带宽类似于上文所描述的相似的QW MTR（即，对于消色差2TR和超消色差3TR分别为37%和75%）。在该HW情况下，相似带宽定义是|S（1或3）|≥0.99所针对的波长范围除以中心波长。
表3
虽然单个扭曲LC层可以实现适度带宽上的线偏振旋转，但是MTR可以被用于实现以相对较小厚度的较宽带宽。对于表3中示出的线-线HW MTR（例如2TR HW-A和3TR HW-A设计），使用了具有水平线偏振的输入光，并且目标输出偏振设置为垂直线性（例如）。
针对2TR QW-A（虚线）和3TR QW-A（实线）在图18A-18B中示出了根据本发明的一些实施例的2-和3-MTR HW-A（线-线）设计的输出。具体地，图18A和18B分别图示了，输出斯托克斯分量S1近似等于-1并且有效净延迟近似为180°。还示出的是来自包括两个均匀片的消色差HW设计以及包括三个均匀片的设计的比较结果，所述两个均匀片二者都具有厚度1.77μm和以22.5°与67.5°的光轴（虚线），所述三个均匀片分别具有厚度3.2、1.6和1.6μm以及以19°、93°和48°的光轴（点划线）。因此，根据本发明的一些实施例的2TR HW-A和3TR HW-A设计可以为线-线变换实现消色差和超消色差的HW行为。
根据本发明的实施例的MTR还可以被用于提供圆-圆HW变换，而不管单个扭曲LC层并未模仿用于圆偏振光的HW延迟器这一事实。对于表3中示出的圆-圆HW MTR（例如2TR HW-B和3TR HW-B设计），具有圆偏振（例如）的输入光被使用，并且目标输出偏振被设置为正交于输入圆偏振（例如）。针对2TR QW-B（虚线）和3TR QW-B（实线）在图18C-18D中示出根据本发明的一些实施例的2-和3-MTR HW-B（圆-圆）设计的输出。具体地，图18C和18D分别图示了，输出斯托克斯分量S 3近似为-1并且有效净延迟近似为180°。还示出的是包括分别具有厚度0.83、1.66和0.83μm、其中光轴以16°、59.3°和16°（虚线）的三个均匀片的消色差设计以及包括分别具有厚度0.81、3.22和0.81μm、其中光轴以19.7°、74.1°和19.7°（点划线）的三个均匀片的另一设计的比较结果，这二者都具有与2TRHW-B和3TR HW-B设计基本上类似的重叠。因此，根据本发明的一些实施例的2TR HW-B和3TRHW-B设计可以为圆-圆变换实现消色差和超消色差的HW行为。
图19A到19D图示了可以被用于形成根据本发明的一些实施例的MTR的示例制造过程。图19A-19D的制造过程可以采用标准工具和材料来为MTR提供优越的光学属性。如图19A-19D中所示，MTR制造牵涉涂覆至少三个聚合物层。具体地，如图19A中所示，对准层1915被施加于基片1910。在图19B中，LCP层1901’被涂覆在对准层1915上，使得其分子被定向成对准于下面的对准层1915中的对准条件。在图19C中，例如通过（UV）光聚合1990来固化LCP层1901’以在LCP 1901中形成交联的聚合物网络。在图19D中，一个或多个附加层LCP 1902’被涂覆在层1901上并且被固化，使得层1902’的分子通过紧接的先前LCP层1901的顶面处的分子定向来对准，用以定向它们各自的起始角，直到完成完整的MTR 1900。在实践中，图19A-19D的制造过程可以是相对快速（例如几分钟）、可重复，并且可缩放于大面积（例如2到6英寸直径元件）。还可以将玻璃端盖层压到暴露的LCP最终层（在本示例中，层1902）上，以用于保护和抗反射效应。
在特定示例中，光对准材料LIA-C001（DIC Corp）被用于对准层1915，并且被提供在用于基片1910的borofloat玻璃（PG&O）上。随后为以100℃热板烘烤1min的1500rpm旋转过程被用于沉积对准层1915，其然后被暴露于UV LED源（0.5J/cm2，365nm，ClearstoneTechnologies），其中线偏振器被布置成在对准层1915中设定期望的起始角 0。后续LCP层1901、1902基于RMS10-025，其掺杂有分别具有正和负捻向的各种少量手性试剂CB-15和MLC-6247（Merck Chemicals Inc），连同溶剂PGMEA（Fisher Scientific）。LCP层1901、1902在干燥氮气环境下光聚合，其利用如用于光对准层1915的相同的非偏振UV源和能量密度（但是没有前述的偏振器）。通过使用表5中所示的旋转方案开发了若干混合物，如表4中所列出的。
表4
表5
使用安装在精确旋转台（Thorlabs Ltd）内的线偏振器（Edmund Optics Ltd）的测量工具，以及如图5A-5C中所示的高质量消色差QW延迟器（AQW2，Colorlink Japan，Ltd）被用于表征根据本发明的实施例的示例MTR连同其它参考样本。通过跨期望的波长范围由分光计（Ocean Optics Ltd）收集的一系列强度测量来测量斯托克斯参数，并且数据在MATLAB中进行后处理以估计斯托克斯参数，并且随后计算相关参数，包括有效延迟、有效光轴定向和椭圆率。测量工具通过使用已知延迟器来进行校准，并且使用商用测量工具（Axoscan）在一系列延迟器上确认测量。
来自根据本发明的实施例所制造的QW MTR的输出示出在图20A-20B中。从QW-A设计所测量的延迟对应于图16B和17B中的光谱。最小平方最佳拟合导致在表2中的目标值的±4%内的所估计厚度和扭曲。在商用AQW2延迟器上的延迟测量以及商用超消色差QW延迟器（AQWO05M-600，Thorlabs）的供应商提供的延迟被用作基准。
如图20A中所示，针对2TR QW-A样本的所测量延迟跨450-650nm的消色差波长范围接近于90°的所期望的值。对于水平偏振输入，来自该元件的输出的平均椭圆率测得为，其指示射出/输出光可以被几乎完美地圆偏振，并且基本上与商用AQW2延迟器上的测量相同。
图20B图示了针对3TRQW-A样本的所测量延迟，其跨400-800nm的大得多的波长范围同样接近于90°的所期望的值。对于水平偏振输入，平均输出椭圆率测得为。使用在图20B中示出的示例中的制造过程类似于2TR QWP的制造过程，其中仅添加了一个额外扭曲层。3TR QWA样本还在商用AQWO05M-600延迟器的性能上进行了改善，其延迟光谱跨相同波长范围具有较宽偏离。
根据本发明的实施例的MTR提供了可以被设计用于一般偏振操控并且可以通过使用不太复杂的方法进行制造的相位延迟器。图21是比较了根据本发明的一些实施例的MTR的性能趋势的直方图。如图21中所示和上文所讨论的，MTR的操作带宽可以随层M的数量增加而增加。因而，包括4或5或更多层的MTR可以提供甚至更大的带宽，并且可以尤其良好地适合于短、中和长波红外波长。根据本发明的实施例的MTR还可以通过使用显示出其自身材料中的负色散的LC混合物来形成。这样的LC混合物独自可以在单层中实现（即，相比于几乎所有其它材料的）某种带宽增强（例如大约15%），并且因此可以被采用在本文所描述的MTR中以实现具有进一步改善的性能的延迟器。
将理解，由于其非均匀的性质，MTR设计一般而言（以及上文讨论的比较示例中的许多）可能不具有真实光轴、线偏振沿其保持的方向。然而，如果事实上这样的性态是所期望的，则在根据本发明的一些实施例的使用附加层的MTR中实现这一点是可能的。
为了将MTR设计为具有延迟Γ和良好定义的光轴的波片，按照以下米勒矩阵分量来写出一些设计条件：并且。作为示例，对三层MTR设计进行模拟以实现消色差四分之一波长片（），其具有跨450-650nm的波长范围的真实光轴。该3TR QW-C设计具有以下设计参数： 。为了比较，对QHQ-QW设计进行模拟，其包括堆叠在彼此之上的三个均匀波片，具有以下设计参数：。可以在两种情况下核实这些波片的真实光轴性质。在图22A和22B中，3TR QW-C（粗体）和QHQ-QW（虚线）可以实现水平输入（）到右圆输出（）的宽带变换。另外从相同侧，这两种设计能够将左圆输入（）变换回至水平偏振输出（），如分别由图22C和22D指示的那样。通过使用所讨论的原理可以跨任意延迟和波长获得类似的结果。
MTR的另一属性是它们的接受角（即孔径张角）。本文中所描述的初步模拟和实验观察暗示了，根据本发明的实施例的QW和HW MTR对于具有至少30°或更大的入射角的输入光表现一致。因此，在本发明的实施例中，输入光可以被完全或部分地偏振，其具有任何偏振、任何波长和/或高达约20度或更大的角偏向。
由于其自对准的行为，本文中所描述的MTR的层可以施加于图案化的基片上，以使得能够实现复杂的双折射光学器件。根据本发明的实施例的MTR还可以例如用作偏振转换***内的波片，以提供更加高效的便携式投影仪，如例如描述在题为“Polarization Conversion Systems With Polarization Gratings And Related Fabrication Methods（具有偏振光栅的偏振转换***及相关制造方法）”的共同所有的美国临时专利申请No.61/544,888中的那样，其公开内容通过引用并入于此。
如本文所描述的，本发明的实施例通过使用单个基片上的多个扭曲双折射层而提供了宽带延迟器，其也被称为多扭曲延迟器（MTR）。当利用手性LC形成时，这些层是自对准的，使用单个对准层，并且当与使用多个均匀延迟器的途径比较时其制造起来更便宜且更容易。此外，根据本发明的实施例的MTR可以提供相对于此类其它途径的改善的性能（例如，在带宽、有效延迟和定向角方面）。
将理解，本文中描述的实施例还可以包括以上实施例中的任一个的倒置。例如，根据本发明的实施例，对准表面可以被提供在另一侧上和/或层的顺序可以颠倒。而且，本文中所描述的特定MTR设计的输入和输出侧可以颠倒；然而，当这样做时应当小心，用以提供所期望的偏振变换。例如，在表2中说明的2TR QW-A设计在输入侧为层1401时将把线偏振变换到圆偏振，并且在输入侧为1402时把圆偏振变换到线偏振。然而，如果MTR被布置成使得圆偏振输入到层1401中，则来自层1402的偏振输出将不是线性的。此外，上文所描述的任何特定扭曲层可以经由相同材料的子层来制造，以使得在一些情况下能够实现较为容易或成本较低的薄膜涂覆。
如本文中所描述的，在讨论使用在光学设备中的双折射元件时，术语“片”与术语膜、平板、片材或层同义。而且，当偏振变换效应可以参照两种类别（延迟器和旋转器）来描述时，术语“延迟器”在本文中一般被用于描述以某种方式改变偏振的双折射元件，例如涵盖光学旋转和双折射率延迟二者。将理解，如本文中所描述的，术语“双折射延迟器”、“延迟器”、“延迟片”、和“补偿膜”可以可互换地用于指任何双折射片，包括均匀波片。这样的双折射片还可以是单轴的、双轴的或非均匀的。如本文所描述的延迟器可以是宽带（即消色差）或窄带（即色差）的。如本文所描述的延迟器因此可以经由光学旋转或双折射率延迟或其任何组合来实现偏振改变，但是可以不显著影响或更改由此穿过的光的传播方向。
本文中已经参照其中所有层由具有相同双折射率的相同材料形成的一些实施例描述了本发明；然而，将理解，本发明的实施例不限于此，并且可以针对每一层使用不同的液晶材料。而且，如本文所描述的，当在没有限定条件的情况下使用时，短语“扭曲向列”可以指任何广义扭曲向列（GTN）液晶，包括正、负或甚至零的所有扭曲角。广义扭曲向列（GTN）层可以由层的总扭曲Φ和相位延迟角Γ来表征。单层上的四种一般方法（regime）：绝热波导、双折射、布拉格（bragg）、形状双折射（form-birefringence）。当Φ<<Γ时，则光学旋转发生在单个扭曲层中（称作绝热波导，或者Mauguin方法）；当Φ~Γ时，则双折射率延迟发生；当Φ>Γ并且（其中P为螺距）时，则圆偏振的布拉格反射发生；并且最后当Φ>>Γ时，则形状双折射发生。虽然上文所描述的实施例牵涉其中主导光学效应为双折射率延迟和光学旋转二者的叠加的范围中的扭曲层，但是任何GTN方法可以使用在本文所描述的一个或多个层中。
本发明的实施例可以提供基本上为单轴、双轴（还称为三折射）或二者皆不是（即没有总光轴的复杂延迟器）的双折射膜。
虽然本文中主要参照由向列液晶材料形成的光学延迟器层来进行描述，但是将理解，根据本发明的实施例的其它材料（包括，例如形状双折射、超材料（metamaterial）、和/或纳米颗粒/线/管）可以被用于实现本文所描述的光学效应，因为光学原理可以保持相同。例如，具有子波长结构的各向同性材料可以创建能够以与上文所描述的相同或类似的方式结构化的形状双折射。因而，将理解，本发明的实施例不限于本文所描述的特定材料，而是可以通过使用如本文所描述的那样起作用的任何和所有材料层来实现。
在本文中，结合以上描述和附图已经公开了许多不同实施例。将理解，照字面地描述和说明这些实施例的每种组合和子组合将会是过度重复和模糊的。因此，本说明书（包括附图）应当被解释成构成本文中所描述的实施例的所有组合和子组合以及制成和使用它们的方式和过程的完整书面描述，并且应当使权利要求支持任何这样的组合或子组合。
在附图和说明书中，已经公开了公开内容的实施例，并且尽管采用了特定术语，但是它们仅仅在一般和描述性意义上被使用，而并不是出于限制的目的。因此要理解，上文对本发明是说明性的，并且将不被解释为受限于所公开的特定实施例，并且对所公开的实施例以及其它实施例的修改意图包括在本发明的范围内。
Claims (25)
1.一种用于偏振变换的光学元件，包括：
具有相应局部光轴的第一和第二堆叠双折射层，所述相应局部光轴在第一和第二层的相应厚度上旋转相应扭曲角并且沿着第一和第二层之间的界面对准，
其中相应扭曲角不同，其中相应的扭曲角在的范围中，其中是第一和第二堆叠双折射层的相应相位延迟角，并且其中第一和第二堆叠双折射层的相应局部光轴在沿着其间界面的方向上是非周期性的并且变化。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其中第一和第二堆叠双折射层包括分别被配置成更改偏振而不更改由此穿过的光的传播方向的光学延迟器层。
3.根据权利要求1所述的光学元件，其中第一和第二堆叠双折射层直接堆叠在彼此上并且限定单片结构。
4.根据权利要求3所述的光学元件，此外包括：
其中具有非周期的对准条件的对准表面，
其中第一和第二堆叠双折射层中的一个直接在对准表面上，使得其相应局部光轴根据对准条件对准。
5.根据权利要求3所述的光学元件，其中相应扭曲角具有相同的捻向。
6.根据权利要求3所述的光学元件，其中相应扭曲角在大小上相等并且在捻向上相反。
7.根据权利要求3所述的光学元件，其中扭曲角中的一个非零。
8.根据权利要求1所述的光学元件，其中第一和第二堆叠双折射层的相应局部光轴在沿着其间界面的方向上连续变化。
9.根据权利要求1所述的光学元件，其中第一和第二堆叠双折射层分别包括第一和第二邻近区域，其中第一和第二双折射层的相应局部光轴在第一和第二区域中的每一个中沿着其间界面一致，并且其中第一和第二区域中的相应局部光轴不同。
10.根据权利要求1所述的光学元件，其中第一和第二堆叠双折射层包括第一液晶层和堆叠在其上的第二液晶层，其中第一和第二液晶层的相应分子定向沿着其间界面对准，并且其中第一和第二液晶层中的至少一个为手性层。
11.根据权利要求10所述的光学元件，其中第一和第二液晶层中的至少一个包括聚合的液晶层。
12.根据权利要求11所述的光学元件，其中第一和第二液晶层中的另一个包括可切换的液晶层。
13.根据权利要求11所述的光学元件，此外包括堆叠在第二液晶层上的第三手性液晶层，其中第二和第三液晶层的相应分子定向沿着其间的界面对准。
14.根据权利要求1所述的光学元件，此外包括：
线偏振器，
其中第一和第二堆叠双折射层堆叠在线偏振器上，在其间具有对准层或粘合层。
15.根据权利要求1所述的光学元件，其中第一和第二堆叠双折射层的相应扭曲角和/或厚度被配置成提供在大约200nm或更大的宽带波长范围上消色差的半波延迟。
16.根据权利要求1所述的光学元件，其中第一和第二堆叠双折射层的相应扭曲角和/或厚度被配置成提供在大约200nm或更大的宽带波长范围上消色差的四分之一波长延迟。
17.一种制造用于偏振变换的光学元件的方法，所述方法包括：
提供第一双折射层；以及
在第一双折射层上提供第二双折射层，
其中第一和第二双折射层具有相应局部光轴，所述相应局部光轴在其相应厚度上旋转相应扭曲角并且沿着其间界面对准，其中相应扭曲角不同，其中相应的扭曲角在的范围中，其中是第一和第二双折射层的相应相位延迟角，并且其中第一和第二双折射层的相应局部光轴在沿着其间界面的方向上是非周期性的并且变化。
18.根据权利要求17所述的方法，其中第一和第二双折射层包括分别被配置成更改偏振而不更改由此穿过的光的传播方向的光学延迟器层。
19.根据权利要求17所述的方法，其中第一和第二双折射层限定单片结构。
20.根据权利要求19所述的方法，其中第一和第二双折射层包括液晶层，并且其中提供第二双折射层包括：
直接在第一双折射层上形成第二双折射层，使得其相应分子定向根据第一双折射层的相应分子定向沿着其间界面来对准。
21.根据权利要求20所述的方法，此外包括在形成第二双折射层之前的以下各项：
形成具有非周期性对准条件的对准表面；以及
直接在对准表面上形成第一双折射层，使得其相应分子定向根据对准条件沿着与对准表面的界面来对准。
22.根据权利要求20所述的方法，其中第一和第二双折射层中的至少一个包括手性液晶层。
23.根据权利要求20所述的方法，其中第一双折射层包括可聚合的液晶层，并且所述方法此外包括：
在其上形成第二双折射层之前在对准表面上光聚合第一双折射层。
24.根据权利要求20所述的方法，此外包括：
直接在第二双折射层上形成第三液晶层，使得其相应分子定向根据第二双折射层的相应分子定向沿着其间界面对准。
25.根据权利要求21所述的方法，其中形成对准表面包括：
形成对准表面以包括连续变化的对准条件。
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