具有偏振光栅的偏振转换系统及相关制造方法

摘要

一种偏振转换系统包括：透镜元件、包括具有空间变化的局部光轴的衍射元件的偏振光栅以及延迟器元件。偏振光栅被布置成接收从透镜元件输出的光，并且延迟器元件被布置成接收从偏振光栅输出的不同偏振状态的偏振光并将所述不同偏振状态变成相同的偏振状态。还讨论了相关设备和制造方法。

说明书

优先权要求

本申请根据美国法典第35条第119款要求2011年10月7日提交的题为“Polarization Conversion Systems With Polarization Gratings And Related Fabrication Methods”的美国临时专利申请号61/544,888的优先权，该申请的公开通过引用被整体地结合到本文中。

技术领域

本发明涉及偏振转换及相关系统。

背景技术

许多投影显示系统和直视平板显示器使用非偏振光源（例如，灯、发光二极管（LED）、环境光等）。然而，采用液晶（LC）材料的许多设备、包括硅上LC（LCOS）微显示器或LC显示器（LCD）可能要求此光是偏振的。虽然常规偏振元件能够通过允许具有期望偏振的光从中穿过而从非偏振光产生偏振光（包括偏振片或各种双折射棱镜），但它们可能固有地是低效的，因为它们通常通过或者吸收不想要的光或者使其在不想要的方向上改向来进行工作。这可能甚至在光进入光电部件之前导致大于50%的光效率损失。这样大的损失通常是不期望的，尤其是在高亮度显示系统或其中电池寿命有限的便携式电池供电显示系统中。

某些方法已被用来改善偏振元件的转换效率，使得超过50%的非偏振光被转换成偏振光。一个此类方法通过将具有不想要的偏振的光反射回到光源本身而使光再循环，其中期望其偏振将被扰乱并且随后以至少某期望偏振被重新发射。这样的方法可保持从光源输出的光的集光率（或扩散程度），并且一般地导致约55-70%的转换效率。例如在美国专利号6,025,897和美国专利申请号12/154,314中描述了这种方法。

被称为偏振转换系统（PCS）的对偏振转换的另一方法将具有不想要的偏振的入射光转换成期望偏振、而不是将其从输出中吸收或改向，并且例如在美国专利号5,995,284和美国专利号6,621,533中对其有描述。例如，一组元件（诸如复眼透镜和折射偏振分束器（PBS））可在空间上将入射光分离成两个不同偏振，并且然后后续元件（诸如百叶窗半波片）可选择性地将这些偏振中的一个转换成另一个。虽然这种方法能够导致非偏振光到偏振光的高达约60-70%的转换效率，但该方法使光源的集光率加倍。

在美国专利号7,692,759中被描述的另一方法使用与反射镜相组合或与波片和微棱镜阵列相组合的一个或多个偏振光栅（PG）来实现偏振转换。然而，前一种布置可能要求相对大的体积，而后一种方法可能具有有限的实用性（例如，要求极其准直的光）。另外，已经说明了采用放置在复眼透镜前面的偏振光栅（后面是百叶窗半波片）的PCS。然而，此构造中的每一个元件是分离的，并且这些元件被分别地排列并利用某个外部固定装置被安装在一起，这可能是麻烦的、昂贵的且可能降低转换效率。

发明内容

根据本文所述的某些实施例，偏振转换系统包括透镜元件、包括具有空间变化的局部光轴的衍射元件的偏振光栅以及延迟器元件。偏振光栅被布置成接收从透镜元件输出的光，并且延迟器元件被布置成接收从偏振光栅输出的不同偏振状态的偏振光并将不同偏振状态中的每一个变成相同的偏振状态。

在某些实施例中，透镜元件可以是具有并排地布置在同一平面中或共面布置中的至少两个小透镜元件的透镜阵列。

在某些实施例中，偏振光栅可位于透镜阵列与其焦平面之间，或者在焦平面处或其附近。在某些实施例中，延迟器元件可以是空间图案化延迟板，其包括并排地位于共面布置中的两组或更多组交替延迟区域。延迟器元件的交替延迟区域可与透镜阵列的各小透镜对准。例如，延迟器元件可位于透镜阵列的焦平面处并与透镜阵列的小透镜的焦点对准。

在某些实施例中，可将透镜阵列的至少两个小透镜元件配置成使入射光聚焦成各射线或射束。可将偏振光栅配置成将从小透镜元件输出的各射束衍射成第一和第二射束以限定在透镜阵列的焦平面处交织或空间偏移的焦斑的第一和第二阵列。第一和第二阵列在某些实施例中可部分地重叠，但是在其他实施例中可不重叠。从偏振光栅输出的第一和第二射束可具有正交偏振状态。可将延迟器元件配置成将第一和第二射束的正交偏振状态转换成线偏振状态而基本上不改变其各自的传播方向。

在某些实施例中，焦斑的第一和第二交织阵列可由正交圆偏振射束限定。例如，可由具有右旋圆偏振的第一射束来限定第一阵列，并且可由具有左旋圆偏振的第二射束来限定焦斑的第二阵列。延迟器元件可将从偏振光栅输出的具有右旋圆偏振的第一射束和具有左旋圆偏振的第二射束转换成具有线偏振的光束。

在某些实施例中，百叶窗延迟器可以是其中交替延迟区域的光轴分开约90°的四分之一波片。在某些实施例中，延迟器元件可包括提供四分之一波延迟的第一和第二交替条带或区域，其中，第一条带提供相应条带中的电场的两个正交分量之间的+90°的光学延迟，并且第二条带提供-90°的光学延迟。每组交替域可与第二透镜阵列的行和/或列中的相应小透镜对准。

在某些实施例中，从偏振光栅输出的偏振光包括具有相反螺旋性的正交圆偏振状态的发散射束。从偏振光栅输出的发散射束可包括入射在透镜阵列上的光强的大于约90%。入射在透镜阵列上的光可具有大于约±5°、大于约±7°、大于约±9°或大于约±11°的发散角。

在某些实施例中，偏振转换系统还可包括具有并排地布置在共面布置中并被定位成接收从延迟器元件输出的光的至少两个小透镜元件的第二透镜阵列。可将第二透镜阵列配置成使从延迟器元件输出的光重新准直。例如，可将第二透镜阵列定位成接收从延迟器元件输出的具有相同偏振状态的光束，并且可将其所述至少两个小透镜元件配置成使所述具有相同偏振状态的光束准直以提供从偏振转换系统输出的基本上线偏振的光。延迟器元件可相对于第二透镜阵列对准，使得每组交替域通过第二透镜阵列的同一小透镜而使光会聚。在某些实施例中，基本上线偏振的光输出可包括具有期望线偏振的约80%或更多（并且在某些实施例中，为87%或更多）的光。

在某些实施例中，从偏振转换系统输出的光可具有为入射在第一透镜阵列上的光的集光率的约两倍或以下的集光率。

在某些实施例中，第一和第二透镜阵列可以是被布置为使得其各自的小透镜元件面对相反方向的相似的阵列。

在某些实施例中，透明隔离元件或层可位于偏振光栅与延迟器元件之间。例如，隔离层可以是刚性或半刚性的玻璃或聚合物层。隔离层还可位于第一透镜阵列与偏振光栅之间，和/或在某些实施例中在延迟器元件与第二透镜阵列之间。

在某些实施例中，可将第一透镜阵列、偏振光栅、隔离元件、延迟器元件以及第二透镜阵列对准并层压以提供单片光学元件。

在某些实施例中，延迟器元件可以是包括至少一个手性液晶层的多绞延迟器，如在美国临时专利申请号61/544,936中所述，该申请的公开通过引用被整体地结合到本文中。例如，延迟器元件可包括具有在其各自的厚度上以不同的扭绞角旋转的各自的分子取向的第一和第二手性液晶层，其中，扭绞角中的至少一个是非零的。

在某些实施例中，偏振转换系统还可包括位于偏振光栅与百叶窗延迟器之间的单域四分之一波延迟器。可将单域四分之一波延迟器配置成将从偏振光栅输出的光转换成正交线偏振状态。百叶窗延迟器可包括被定位成接收从单域四分之一波延迟器输出的正交线偏振状态并输出单个偏振状态的交替半波和零延迟区域。

在某些实施例中，入射在透镜阵列上的光可能是至少部分准直的。例如，入射在透镜阵列的光可被准直在约±20°内或者在某些实施例中在约±10°内。在其他实施例中，入射在透镜阵列上的光可被准直在约±7°至约±9°内。在其他实施例中，入射在透镜阵列上的光可以是完全准直的。在其他实施例中，入射在透镜阵列上的光可以是非准直的。

在某些实施例中，投影仪系统可包括被配置成输出被作为入射光提供给本文所述的第一透镜阵列的至少部分准直光的光源、被定位和对准以接收从本文所述的第二透镜阵列输出的光的微显示器以及被定位和对准以接收从微显示器输出的光作为输入光的投影透镜。

在某些实施例中，背光单元可包括被配置成输出非偏振光作为到本文所述的第一透镜阵列的入射光的发光元件和被定位并对准以接收从第二透镜阵列输出的光的波导。在某些实施例中，可在直视显示器中提供背光。

在某些实施例中，电信系统可包括红外光源、被定位并对准以接收由红外光源输出的光并向本文所述的透镜元件输出准直光的准直仪以及被配置成接收从本文所述的延迟器元件输出的光的光学元件。

根据本文所述的其他实施例，一种制造偏振转换系统的方法包括将包括具有空间变化的单轴双折射的衍射元件的偏振光栅布置成接收从透镜元件输出的光，并将延迟器元件布置成接收从偏振光栅输出的不同偏振状态的偏振光并将不同偏振状态中的每一个变成相同的偏振状态。

在审阅以下附图和详细描述后，根据某些实施例的其他设备和/或方法将变得对于本领域的技术人员而言显而易见。意图在于除上述实施例的任何和所有组合之外，所有这样的附加实施例被包括在本描述内、在本发明的范围内，并且受到所附权利要求的保护。

附图说明

图1A是图示出根据本发明的实施例的偏振转换的示意图。

图1B是图示出根据本发明的实施例的偏振光栅（PG）特性和几何结构的示意图。

图2A是图示出根据本发明的实施例的包括偏振光栅、两个透镜阵列以及延迟器元件的单片偏振转换系统的示意图。

图2B是图示出图2A的偏振转换系统的立体图。

图2C是图示出根据本发明的实施例的在层压在一起以限定单片元件之前的图2A和2B的各个元件的分解图。

图2D是可在图2A-C的偏振转换元件中使用的百叶窗延迟器元件的一部分的放大图。

图2E图示出在透射通过百叶窗延迟器元件之前从根据本发明的实施例的PG输出的光。

图3是图示出根据本发明的实施例的PG针对可见光范围内的各种输入光发散度的一阶衍射效率的图表。图3的插图是图示出如被根据本发明的实施例的PG衍射的非偏振、白色LED光的照片。

图4是图示出根据本发明的实施例的百叶窗延迟器元件针对圆偏振到线偏振的转换的偏振转换效率的图表。图4的插图是图示出百叶窗延迟器元件的两个区之间的对比度的图片。

图5A和5B分别图示出根据本发明的实施例的在传播通过偏振转换系统之前的输入光源和光阵列的输出的特性。

图6A是图示出根据本发明的某些实施例的用于偏振转换系统的光学装置的示意图。

图6B是图示出根据本发明的某些实施例的偏振转换的透光度特性的图表。

图6C是图示出屏幕上的根据本发明的某些实施例的偏振转换系统的照明的照片。

图6D图示出根据本发明的某些实施例的偏振转换系统的具有正确偏振的输出光剖面图。

图7是图示出根据本发明的某些实施例的针对偏振转换系统的各种输入发散角的正确偏振的透光度的图表。

图8A是图示出根据本发明的某些实施例的包括偏振转换系统的原型微型投影仪的布局的示意图。

图8B是图8A的微型投影仪的照片。

图8C是指示被投射图像的相对辉度值的被图8A的微型投影仪所投射的图像的照片。

具体实施方式

现在将在下文中参考附图来更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的实施例。然而，可以许多不同形式来体现本发明，并且不应将其理解为局限于本文所阐述的实施例。相反，提供这些实施例，使得本公开将是透彻的且完整的，并且将全面地向本领域的技术人员传达本发明的范围。在附图中，为了明了起见可将层和区域的尺寸和相对尺寸放大。相同的附图标记自始至终指示相似的元件。

将理解的是，虽然在本文中可使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受到这些术语的限制。这些术语只能用来将一个元件、部件、区域层或部分与另一区域、层或部区别开。因此，在不脱离本发明的讲授内容的情况下，可以将下文所讨论的第一元件、部件、区域、层或部分称为第二元件、部件、区域、层或部分。

在本文中为了便于描述可以使用空间相对术语，诸如“下面”、“之下”、“下部”、“下方”、“之上”、“上部”等，来描述如图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。将理解的是，除了图中所描绘的取向之外，空间相对术语还意图涵盖设备在使用或操作中的不同取向。例如，如果图中的设备被翻转，则被描述为在其他元件或特征“之下”或“下面”或“下方”的元件则将被定向为在所述其他元件或特征“上面”。因此，示例性术语“以下”和“下方”能够涵盖之上和之下的两种取向。另外可以以其它方式对设备进行定向（旋转90度或处于其他取向），并且相应地解释本文中所用的空间相对描述词。另外，还将理解的是，当将层称为在两个层“之间”时，其可以是两个层之间的唯一层，或者还可存在一个或多个中间层。

在此使用的术语仅是为了描述特定实施例，且不旨在限制本发明。如在此使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”还旨在包括复数形式，除非上下文另外清楚地指明。还将理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指明存在所述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。如在此所使用的，术语“和/或”包括关联的所列项目中的一个或多个的任何和所有组合。

将理解的是，当将元件或层被称为在另一元件或层“上面”、“被连接到其”、“被耦合到其”或“邻近其”时，该元件或层可以直接在所述另一元件或层上、被连接到其、耦合到其或邻近其，或者可存在中间元件或层。相反，当将元件被称为“直接在另一元件或层上面”、“被直接连接到”“被直接耦合到”或“直接邻近于”另一元件或层时，不存在中间元件或层。

在本文中参考作为本发明的理想化实施例（和中间结构）的示意性图示的横截面图来描述本发明的实施例。这样，将预期作为例如制造技术和/或公差的结果的图示的形状的变化。因此，不应将本发明的实施例理解为局限于本文所示的区域的特定形状，而是将包括例如由制造引起的形状方面的偏差。相应地，图中所示的区域本质上是示意性地的，并且其形状并不意图图示出设备的区域的实际形状，并且并不意图限制本发明的范围。

除非另外定义，否则本文所使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有与本发明所属领域的普通技术人员一般理解的相同的意义。还将理解的是，应将诸如常用的词典中所定义的那些术语的术语解释为具有与它们在相关技术的上下文和/或本说明书中的意义一致的意义，并且将不会以理想化或过度形式化的意义被解释，除非在本文中明确地这样定义。

在本文中参考液晶（LC）材料及其在制造偏振光栅中的使用来描述本发明的某些实施例。液晶可包括其中存在分子的有序排列的液体。通常，LC分子可以是各向异性的，具有或者细长（杆状）或者扁平（圆盘状）的形状。由于各向异性分子的排序，块体LC常常在其物理性质方面显示出各向异性性，诸如其机械、电、磁和/或光学性质方面的各向异性性。如本文所使用的，液晶可以具有向列相、手性向列相、近晶相、铁电相和/或另一相。由于杆状或圆盘状性质，LC分子的取向的分布可在光学应用中起到重要作用。在这些应用中，LC配向可由配向表面指定。可处理配向表面，使得LC以可预测且可控的方式相对于表面配向。在某些实施例中，配向表面可确保通过LC层的单个域。在其他实施例中，配向表面可提供许多域和/或许多不连续性。可使用多个经摩擦的或可光聚合的聚合物作为配向层以产生本文所述的偏振光栅。在授予Crawford等人的美国专利号7,196,758中还讨论了液晶配向方法的附加示例。此外，本文所述的某些结构可涉及到通过旋涂工艺和液晶材料的平衡进行的精确制造。在授予Escuti等人的美国专利号7,692,759中讨论了供与本发明的某些实施例一起使用的附加结构和/或方法，其公开通过引用被整体地结合到本文中。

本领域的技术人员将理解的是，如本文所使用的，“可聚合液晶”可以指代能够被聚合的相对低分子量液晶材料，并且在本文中还可被描述为“反应性胆甾相”。相反，“非反应性液晶”可以指代可能未被聚合的相对低分子量液晶材料。

并且，如本文所使用的，“零阶”光在基本上平行于入射光的方向的方向上、即以基本上相似的入射角传播，并且在本文中可被称为“同轴”光。相反，诸如“一阶”光的“非零阶光”在不平行于入射光的方向上传播，并且在本文中被称为“离轴”光。如本文所使用的，“部分准直的”光可描述基本上相互平行地传播但可具有某发散（例如，随着与源的距离的光束直径方面的差）的光线或光束。相反，“完全准直的”光可描述不具有发散的光线或光束。

本领域的技术人员将理解的是，如本文所使用的，“透射的”或“透明的”基板可允许入射光中的至少某些穿过。换言之，本文所述的透射或透明元件不需要是完全透明的，并且可吸收某些入射光。在某些实施例中透明基板可以是玻璃基板。相反，如本文所述的“反射性”基板可反射入射光中的至少某些。

本发明的实施例可源自于这样的认识，即传统PCS方法存在的若干问题可归因于偏振分离元件。特别地，虽然若干方法可采用小偏振分束器阵列（也称为PBS阵列），但这样的方法对于相对于PBS阵列的光轴从±5°开始以较大角度入射的光（在本文中也称为“离轴”光）在效率方面可能经历显著退化。效率方面的此退化在很大程度上受到偏振分裂或分离元件（即，PBS阵列）的限制。由于许多光源可发射超过这些角度的光，所以这提出实际限制。PBS阵列还可提供制造中的挑战，并且多个单独元件要以所需精度对准可能是有挑战性的。

本发明的某些实施例提供了光学元件的一种构造，在本文中也被称为偏振转换系统（PCS），其以较宽的角度范围接受非偏振入射光（例如，具有多样化且不可预测的偏振的输入光），并以大于约50%且在某些实施例中大于约90%的转换效率将此非偏振光转换成具有基本上相同的偏振或单个期望偏振的光。本发明的实施例能够例如在投影和直视显示系统中使用，其中，大多数光源（充其量）是部分偏振和部分准直的。

特别地，本发明的实施例除其他元件之外还采用偏振光栅，以便以微乎其微的损失将非偏振入射光转换成几乎完全偏振的，并且能够被实现成被容易地集成到光学系统中。偏振光栅使同轴射束改向成近似相等强度的两个分散射束，使得在两个射束中包含大部分（例如，大于约95%）的入射光强度。这样，偏振光栅以高效率改变偏振状态并改变入射光的传播方向（例如，光栅使入射光偏振并将其衍射）。偏振光栅可以是具有周期性、空间变化局部光轴的双折射材料，并且可使用全息图案化过程来形成。

根据本发明的实施例的偏振光栅（PG）可以是透明的薄膜分束器，其周期性地改变从其中穿过的光的局部偏振状态和传播方向两者。例如，针对相当大的入射角和宽带宽，PG可以高效率地（约95%至99%）将非偏振光分裂成两个正交圆偏振。相反地，常规线性起偏器可通过将入射光转换成单偏振状态、允许该偏振状态的光从其中穿过但吸收其他偏振状态的光而进行工作。在某些实施例中，可使用一个或多个聚合双折射液晶层来实现本文所述的PG、延迟器元件、它们之间的元件和/或相邻元件。在其他实施例中，可使用被配置成在第一状态与第二状态之间进行切换的双折射液晶层来实现PG、延迟器元件、其之间的元件和/或相邻元件，所述第一状态基本上不影响从其中穿过的光的偏振，而所述第二状态改变从其中穿过的光的偏振（例如，将光转换成其相反的或正交的偏振）。

根据本发明的某些实施例的偏振光栅可以是具有空间可变单轴双折射（例如，nx=[cos(πx/Λ)], sin(πx/Λ), 0]）的衍射光学元件，并且可提供达到100%的衍射效率。如本文所述的偏振光栅可实现线性相位剖面，例如，                                                ，其中，Λ是恒定光栅周期。角度Φ定义PG基板的表面处的局部光轴取向。如本文所述的偏振光栅可类似于在美国专利申请号60/912,044和美国专利申请号60/912,039中公开的宽带光栅，上述美国专利申请的公开通过引用被结合到本文中；然而，在本发明的实施例中也可采用典型的窄带PG（如例如在授予Crawford等人的美国专利号7,196,758中所述）。

图1A和1B图示出根据本发明的实施例的包括偏振光栅的偏振转换系统。如图1B中所示，PG 105的输出衍射角由光栅方程sinθ_±1⁼ λ/Λ + sinθ_in决定，其中，λ是波长，Λ是光栅周期，并且θ_±1和θ_in分别是一阶衍射角和入射角。PG 105能够用来产生非偏振入射光并将其分离成正交偏振的两个射束，并且后续元件能够用来将正交偏振中的每个转换成相同的偏振状态。

特别地，如图1A中所示，本发明的实施例提供一种PCS设计100，其通过在第一透镜元件110之后布置PG 105和波片或延迟器元件115来实现高偏振转换效率（通常在70-95%的范围内）。非偏振入射光190被透镜元件110会聚并被PG 105衍射成在透镜元件110的焦平面f处的相应光斑处被聚焦的两个射束。焦斑对应于被PG 105衍射的一阶射束θ₊₁、θ_-1。聚焦在两个光斑处的射束是圆偏振的，具有正交或相反的螺旋性。例如，如图1A中所示，聚焦在上光斑处的射束是右旋圆偏振的（RCP；示为实线），而聚焦在下光斑上的射束是左旋圆偏振的（LCP；示为短划线）。图案化延迟器元件115包括两个交替延迟区域（在本文中也称为‘域’或‘区’），并被布置在透镜元件110的焦平面f处。延迟器元件115被配置成自始至终提供宽带四分之一波延迟，但是在两个区中的每一个中提供不同的光轴（它们分开90度）。更特别地，在图1A中，延迟器元件115的上部区以其光轴处于+45度而被定向以提供从PG 105输出的光的+90度延迟或相移，并且延迟器元件115的下部区以其光轴处于-45度而被定向以提供从PG 105输出的光的-90度延迟或相移。这样，延迟器元件115将两个正交圆偏振转换成同一偏振199（例如，线偏振）。PG周期Λ被选择成使得在中心波长λ（例如550 nm）处或其附近的准直光被衍射到这两个区的中心。此几何结构定义衍射角θ_±1 = tan^-1(D/4f)，其中，D是透镜直径且f是焦距。PG周期Λ是使用光栅方程Λ = λ /sin(tan^-1(D/4f))计算出的。

本文所述的本发明的其他实施例提供单片布置，其包括至少一个透镜阵列（每个具有至少两个小透镜元件）、偏振光栅以及百叶窗延迟器元件或波片（其能够一起以高转换效率将非偏振光转换成偏振光）。例如，如图2A（以截面图形式）和图2B（以立体图形式）的实施例中所示，偏振转换元件200包括第一或前多透镜阵列210a、偏振光栅PG 205、隔离层220、延迟器元件215（被示为百叶窗四分之一波片LWP）以及第二或后多透镜阵列210b。偏振光栅PG 205可位于第一透镜阵列210a与其焦平面之间或在焦平面处或其附近。百叶窗延迟器元件215可位于第一透镜阵列210a的焦平面处或其附近，并与第一透镜阵列210a的小透镜元件的焦点对准。包括偏振光栅205和延迟器元件215的偏振转换元件200在本文中也称为基于PG的PCS或“PG-PCS”元件。

参考图2A，非偏振入射光290入射在第一透镜阵列210a上并被其接收。第一透镜阵列210a可包括约2至约20或更多行和/或列的小透镜元件，并且在某些实施例中为约7至约11行和/或列。入射光290可以是至少部分准直的、完全准直的或者在某些实施例中甚至是非准直的。例如，输入光290可在至少一个维度上被部分准直在约±20°内，且在某些实施例中是在±10°内。在特定实施例中，入射在第一透镜阵列上的输入光290可被准直在约±7°至约±9°内。偏振光栅205被定位成接收从第一或前透镜阵列210a输出的光，并且延迟器元件215被定位成接收从偏振光栅205输出的光。由偏振光栅205和延迟器元件215实现的偏振变化的组合提供具有相同的期望偏振状态（被示为线偏振）的输出光299，如在下面更详细地讨论的。第二或后透镜阵列210b被定位成接收并指引来自延迟器215元件的输出光；然而，将理解的是，可以并不是在所有实施例中都使用第二或后透镜阵列。在图2A和2B中，第一和第二透镜阵列210a和210b是被布置为使得它们的凸透镜表面相对于彼此相对或面向外面的相似透镜阵列。第一和/或第二透镜阵列210a和/或210b的每个小透镜在某些实施例中可具有约0.5毫米（mm）至约2 mm的维度（诸如长度、宽度或直径），并且在平面图中可以是正方形或矩形的。隔离层220可以是放置在偏振光栅205与百叶窗延迟器215之间的刚性玻璃或聚合物隔离物。还可在透镜阵列210a与PG 205之间（诸如图2C中所示的层220'）、在隔离层220与延迟器元件215之间（诸如图2C中所示的层220"）和/或在延迟器元件215与透镜阵列210b之间（未示出）提供附加隔离层。

图2A和2B中所示的单片PG-PCS元件200可例如在投影应用中被实现。投影仪中的功能性PCS应是紧凑的，并且输出角度可能要求重新准直。这样，可将透镜阵列210a和210b实现为分别放置在输入端和输出端处的微透镜阵列（MLA）。这些MLA可以是二维（2D）阵列，但是在某些实施例中也可以是一维的（1D）。阵列210a和/或210b的每个小透镜可以类似于图1A中所示的分立透镜元件110的方式运行，从而导致焦平面处的两个正交偏振光斑网格，它们是散布的但在空间上分离（如例如图2E中所示）。可以选择光栅周期Λ和/或焦距f以改善和/或优化偏振转换，但是它们可受到入射光的发散度和对小透镜尺寸的限制（例如，可实现的透镜曲率、横向尺寸以及基板厚度）的约束。当输入发散角     ±θ_DIV为θ_±1 = sin^-1 (λ/Λ)时，可发生近似完全偏振转换，因为通常不存在每个焦平面光斑到其相邻图案化延迟器上的重叠。然而，即使当±θ_DIV > θ_±1时，退化也可能是最小的。应注意的是，以上等式是近似值，并且可使用光学射线轨迹建模工具来确定改善的或最佳的设计。

如图2A和2B中所示，上述层或元件被布置、对准以及层压在一起以提供单片元件200。单片偏振转换元件200减少层之间的界面的数目和对准要求，这能够改善转换效率并促进改善的功能。特别地，减少的界面数目可减少由于界面反射而引起的损耗，并且可简化PCS元件200到光学系统中的对准。另外，可在非平面表面面朝外的情况下将所有元件层压在一起。并且，在没有附加固定装置的情况下，单片元件200能够更易于集成在其他设备或系统中。因此，不仅提高了转换效率，而且降低了总体制造成本和集成复杂性。

图2C是图示出根据本发明的实施例的被层压在一起以限定单片元件200的图2A和2B的各个元件的分解图。如图2C的实施例中所示，将具有1.0毫米（mm）和0.3 mm的厚度的层分别地用于偏振光栅（PG）205和百叶窗波片（LWP）215。特别地，分别地将PG 205和LWP 215层压成1.0 mm和0.3 mm的玻璃基板，并且然后分割。在分割之后，在第一和第二透镜阵列210a和210b之间组装PG 205和LWP 215，其中在PG 205与LWP 215之间具有0.4mm的玻璃基板隔离层220。还可分别地在第一透镜阵列210a与PG 205之间以及PG 205与LWP 215之间提供附加的透明隔离层220'和220"。第二透镜阵列210b可被定位为邻近或接近于LWP 215，并且与第一透镜阵列210a配准，以便使输出在被附加光学元件中继到微显示器上之前被均匀化并被重新准直。虽然在图2A-2C中被示为面朝外（例如，相互背对），但将理解的是，第一透镜阵列210a和/或第二透镜阵列210b的凸表面在某些实施例中面朝内/朝向PG 205和LWP 215。此外，第二透镜阵列210b可不同于第一透镜阵列210a，或者在某些实施例中甚至可完全省略。并且，透镜阵列210a、210b不需要是对称的，并且在某些实施例中可具有圆形、椭圆形和/或多边形底座。

图2D是可在图2A-C的偏振转换元件200中使用的百叶窗或图案化延迟器元件215的一部分的放大图。图案化延迟器元件215是具有两个或更多图案化区域的双折射光学元件，在每一个图案化区域内光轴是恒定的，但不同于周围区域，其被设计成不同地改变穿过每个区域的光的偏振状态光。如图2D中所示，图案化延迟器元件215可包括并排地位于共面布置中的两个或更多交替延迟区域（在本文中也称为‘域’或‘区’）215a、215b。特别地，图2D图示出四分之一波延迟的交替条带，其中一个条带215a具有处于+45°的光轴，并且另一条带215b具有处于-45°的光轴。可以相对于第二透镜阵列来布置百叶窗延迟器215，使得每组交替域（+45°、-45°）通过第二透镜阵列210b的同一小透镜而使光会聚。换言之，也被称为百叶窗波片（LWP）的图案化延迟器元件215在某些实施例中在对应于PG衍射平面的单个维度上每个小透镜具有两个区215a、215b。两个区215a、215b提供相同的消色差四分之一波延迟，但是具有正交光轴。在LWP 215被布置在第一透镜阵列210a的焦平面附近（例如，在焦距f处或其附近）的情况下，正交圆形光斑（在图2E中示出）的两个网格被转换成相同的线偏振。

在某些实施例中，可使用包括具有不同扭曲的第一和第二延迟器层的多层延迟器来实现延迟器元件215，如例如在美国临时专利申请号61/544,936（代理人档案号5051-805PR）中所述，其公开通过引用被结合到本文中。特别地，延迟器元件215可以是包括相反螺旋性的第一和第二手性液晶层的堆叠结构。诸如本文所述的百叶窗延迟器215之类的延迟器可经由光学旋转或双折射延迟或其任何组合来实现偏振改变，但可以不显著影响或改变从其中穿过的光的传播方向。相反地，诸如本文所述的PG 205的偏振光栅提供从其中穿过的光的衍射（即，传播方向的改变）。

图2E图示出在透射通过百叶窗延迟器元件215之前从根据本文所述的某些实施例的偏振光栅205输出的光。如图2E中所示，PG 205被配置成使从第一透镜阵列210a的小透镜元件输出的各射束偏振并将其衍射成发散的第一和第二偏振射束，以在第一透镜阵列210a的焦平面处限定焦斑的第一和第二射束网格阵列250r和250l。第一和第二射束网格阵列250r和250l是交织的或空间偏移的。第一和第二射束网格阵列250r和250l在某些实施例中可部分地重叠，但是在其他实施例中可以是不重叠的。从偏振光栅205输出的第一和第二射束可具有正交偏振状态。例如，可由具有右旋圆偏振（RCP；实线）的第一射束来限定第一射束网格阵列250r，并且可由具有左旋圆偏振（LCP；短划线）的第二射束来限定焦斑的第二射束网格阵列250l。可将延迟器元件215（位于第一透镜阵列210a的焦平面处或其附近）配置成将图2E中所示的射束网格阵列250r和250l的第一和第二射束的正交偏振状态转换成相同的偏振状态。例如，延迟器元件215可以是将从偏振光栅输出的具有右旋圆偏振的第一射束和具有左旋圆偏振的第二射束转换成具有线偏振299的射束的百叶窗四分之一波片，如图2A中所示。

在根据本文所述实施例的示例性PCS中，可使用商用材料和处理来制造PG 205和LWP 215，并且可使用传统方法来制造定制微透镜阵列（MLA）210a、210b。例如，在某些实施例中，透镜阵列210a、210b可以是相同的MLA，并且可通过丙烯酸成型树脂（诸如Plexiglas（树脂玻璃））到小透镜的5×9网格的注塑成型来形成，每个具有1.4 mm×0.77 mm的方形尺寸和1.1 mm的球形曲率半径。可在小透镜外表面上施加单层防反射（AR）涂层。可使用1mm厚度的玻璃隔离物来将LWP 215定位于第一MLA 210a的焦平面处。可在1英寸的正方形基板上制造PG 205、LWP 215以及玻璃隔离物，并且随后进行分割以匹配MLA 210a、210b的尺寸。然后可例如使用偏振光学显微镜将这些元件胶合在一起以配准或对准MLA 210a、210b和LWP 215。结果产生的单片PG-PCS 200可以为约4mm厚。

另外，在某些实施例中，可使用材料LIA-C001作为光配向聚合物并使用掺杂有手性LC CB-15和MLC-6247的反应性LC预聚合物混合物RMS10-025（?n ~ 0: 16）来形成PG 205和LWP 215中的一者或两者。可使用旋涂在1mm厚的硅酸硼玻璃基板上形成PG 205和LWP 215中的一者或两者。可使用光学粘合剂NOA-65将所有元件层压在一起。在如下所述的特定示例中，使用UV激光偏振全息术和方法将PG形成为具有约3.6μm的周期，其可在约530 nm下提供约±8.5度的一阶衍射角。例如，可在基板上形成光配向层并使用UV激光全息术来将其图案化以在其中定义周期性图案，并且可在图案化光配向层上形成液晶层，使得液晶层的分子与配向层中的周期性图案对准。然后可使液晶层聚合以限定PG 205。

使用根据本文所述的本发明的实施例制造的偏振光栅，针对各种输入发散角来测量对于非偏振输入光的总一阶（η₊₁ + η_-1）衍射效率。特别地，图3图示出针对可见光范围内的输入光的由具有3.6μm光栅周期的PG提供的一阶光（η₊₁ + η_-1）的衍射效率。图3的插入照片图示出如被根据本发明的实施例的PG衍射的非偏振白色LED光的光输出。

如图3的图表中所示，PG针对具有显著发散角（包括±11°）的入射光提供到一阶中的高衍射效率（例如，大于约95%）。特别地，如由图3中的插入图表提供的放大图中所示，根据本发明的实施例的PG针对被准直在约±3°、±5°、±7°、±9°、±11°或以上内的输入光可保持大于95%的效率。相应地，偏振光栅（诸如本文所述的PG 105和205）可针对入射/输入光在比PBS阵列更大的角度范围或更宽的角度孔径上提供高衍射效率。由PG提供的该更宽的角度孔径是如本文所述的基于PG的PCS元件可提供比基于PBS阵列的PCS更高的吞吐量的原因。

图4图示出被配置成将圆偏转转换成线偏振的LWP的偏振转换效率。图4的插图是放置在交叉起偏器之间的LWP的图片，其中，第二非百叶窗QWP被插在LWP与起偏器之间以示出两个LWP延迟区域/区（被示为较暗和较亮区）之间的对比。图4中所示的偏振转换效率是使用包含起到类似于具有±45度光轴取向的宽带四分之一波片（QWP）的作用的交替域或区的LWP来实现的，该LWP是使用在美国临时专利申请号61/544,936（代理人档案号5051 -805PR）中所述的方法制造的。

例如，在某些实施例中，可通过经由铬掩膜使光配向材料暴露于UV灯来形成LWP或其他延迟器，所述铬掩膜具有0.7mm宽的交替透明区和不透明区，其被安装在平移台上，以使光配向材料图案化。此曝光可以是两步过程，其中，当相应区被暴露时，使用线性起偏器来将曝光方向调整至0度和90度。可用被连续地相互上下堆叠的第一和第二LC聚合物层来涂敷图案化配向层，以限定宽带QWP（在本文中也称为多绞延迟器（MTR））。特别地，可在图案化光配向层上沉积第一LC聚合物层以使得其分子结构在与光配向层的界面处对准到光配向层中的图案，并且然后可使其聚合。第一LC层可以是具有在其厚度上扭绞的分子结构的手性LC层。在图4的实施例中，第一LC层的主导取向在其厚度上被扭绞约-90度的扭绞角。第一LC层的厚度为约1.36μm。可相似地在第一LC层上沉积第二LC层（使得第二LC层的分子结构在与第一LC层的界面处与第一LC层的分子结构对准）并使其聚合。第二LC层可以是具有与第一LC层相反的螺旋性的手性LC层。在图4的实施例中，第二LC层的主导取向在其厚度上被扭绞约+60度的扭绞角。第二LC层的厚度为约0.83μm。

仍参考图4，圆偏振输入光被透射到LWP的±45度区中的一个中，并且具有正确或期望的线偏振（例如，S偏振）和不正确或非期望的线偏振（例如，P偏振）的光输出的分数被测量。测量的转换效率对于±45区两者而言是基本上相同的。如图4中所示，在整个可见光范围上从LWP输出的光主要是线偏振的（其中大于约97%具有正确偏振，并且小于约3%具有不正确偏振）。使用商用测量工具获得类似测量结果。

如上所述的本发明的实施例如图5A和5B中所示地在商用射线轨迹模拟工具内被建模，并且稍后被组装并以实验方式被测试。在图5A和5B中，示出了面向左侧的输入侧，其中，非偏振光进入第一透镜阵列210a（其后面是偏振光栅205，然后是百叶窗波片215）中，并且在本实施例中通过在右侧的输出端处的第二透镜阵列210b结束。第一透镜阵列210a、偏振光栅205、隔离层220、百叶窗波片215以及第二透镜阵列210b是以如下这样的方式被布置，即使得它们以光学方式被耦合或层压在一起成为一个块，在元件之间没有空气界面。这提供了单片PCS元件200，其中与某些传统布置相反，所有元件在没有任何附加固定装置的情况下被胶合或层压在一起。

该光学模拟工具还被用来说明本发明的实施例的偏振转换。特别地，使用在其输入面处填充PCS元件200的区域的具有±7°发散角的非偏振光源。图5A中所示的图表图示出在传播通过本文所述的PCS元件之前此输入光源的特性。

使用具有小透镜（具有1.25 mm的球形曲率半径和1×0.583 mm的方形尺寸）的7×12网格和单层防反射涂层的两个相同透镜阵列作为第一和第二透镜阵列。当以配准的对准将这两个透镜阵列布置为分开约3 mm并与隔离物一起以光学方式层压且在它们之间没有其他光学元件时，它们可限定复眼透镜（FEL）。图5B图示出当在图5A中定义的光源入射在此FEL上而未穿过本文所述的偏振光栅和延迟器元件时这样的FEL的输出的示例。如图5B中所示，在没有偏振转换的情况下，输出保持与输入相同的偏振。

然而，在本发明的实施例中，偏振光栅205和百叶窗波片215被定位在两个透镜阵列210a、210b之间，如图2A-2C中的示例中所示。第一透镜阵列210a被配置成使从其中穿过的光聚焦以在其焦平面处限定焦斑阵列。由于偏振光栅205位于第一透镜阵列210a与其焦平面之间，所以偏振光栅205将这些射线分裂成焦斑的两个交织网格250l和250r，每个具有正交偏振状态，如例如图2E中所示。百叶窗波片215近似位于第一透镜阵列210a的焦距f处，并将从偏振光栅205输出的每个正交偏振转换成相同的偏振状态。第二透镜阵列210b使从LWP 215输出的光重新准直，其是几乎完全线偏振的，其中约90%为正确或期望的偏振且小于约4%为不正确或非期望的偏振。

图6A图示出根据本发明的某些实施例的包括基于PG的PCS元件600的示例性光学装置。PCS元件600可类似于上文所讨论的PCS元件200。如图6A中所示，具有可控发散角（例如孔径660所允许的约3度至约11度的发散角）的宽带非偏振白光源690向PCS元件600提供输入光。从PCS 600输出的光被旋转底座中的线性起偏器680分析，并被收集到连接至光纤光谱仪的积分球670中。在本文所讨论的结果中，起偏器680本身的吸收被归一化掉，使得完美或无损耗PCS将显示出100%的效率，并且空测量（根本无PCS）将显示出50%的效率。

如图6B中所示，对于具有约±7度发散角的来自输入光源690的光，从PCS元件600输出的光对于大部分可见光范围（约520-650 nm）而言包含约90%的正确线偏振（其中，“正确”指示期望的PCS输出偏振，例如竖直线性的）以及低的（小于约4%）不正确偏振（其中，“不正确”指的是与期望的PCS输出正交的偏振，例如水平线性的）。通常可用净化偏振光学器件、诸如PBS立方体或偏振片来去除不正确的偏振。由根据本发明的实施例的基于PG的PCS元件600实现的此90%峰值显著高于具有PBS阵列的常规PCS。

在图6C中示出了示例性基于PG的PCS 600和来自其的输出射束699的照片。输出射束699具有分别地在x和y方向上的±7度和±14度的发散（从而确认了集光率相对于输入光源的预期加倍），具有良好的亮度和色彩均匀度。在图6D中在极坐标iso坎德拉图（左侧）和矩形坎德拉分布图（右侧）中图示出如本发明的实施例所提供的具有正确偏振的输出光剖面图。

本发明的实施例认识到并解决了可负面地影响PCS性能的多个因素。例如，由于反射、吸收、雾霾以及到较大角度中的偏转，MLS的基线透光度可仅为95%（即，包含仅玻璃隔离物的空PCS并且无PG或LWP）。另外，PG和LWP可显示出针对倾斜入射光（例如，具有大于约±15度的入射角的光）的非理想特性。PG衍射效率可随着光漏入零阶方向（仍是非偏振的）和/或随着LWP延迟偏离四分之一波而降低。并且，MLA丙烯酸材料本身可显示出某个可测量但微小的双折射，其能够导致输出偏振劣化。此外，PCS的元件的相对位置和取向方面的不对准能够引起损耗；特别地，第一MLA与LWP之间的距离可能是关键的。最后，在较大发散角下，LWP处的一阶焦斑可能开始与其邻居重叠，这能够进一步降低转换效率，即使PG的衍射效率可能仍是高的。MLA的AR涂层的改善和LWP的延迟补偿对甚至进一步地提高转换效率和有效接受角可以是有效的。

在图7中示出了基于PG的PCS元件针对各种发散角的性能以研究对角度孔径的依赖性。在图7中还示出了正确偏振的分数。现在参考图7，对于较小的输入发散角（例如，±3度或±5度），从基于PG的PCS输出的几乎所有（例如，约92%或以上）光都具有正确或期望的偏振，接近空PCS曲线（95%）。这可指示各个元件是很好地对准的，并且两者之间的差可用LWP的不正确偏振转换（如图4中所示）和PG的小的零阶泄漏（如图3中所示）的某种组合来解释。对于较大的发散角（例如，±9度或±11度），发生某些退化，这可能是由于PG和LWP上的较大倾斜入射。然而，图7图示出根据本发明的实施例的PCS的偏振转换即使在约±11度或以上的输入发散角下仍是高的（约80%至约87%）。

在上述非限制性示例中，从偏振光栅输出的射束是正交圆偏振的（例如RCP和LCP），并且每个被百叶窗波片LWP转换成线偏振，百叶窗波片LWP具有分开90°的相邻延迟区域或百叶窗的光轴，诸如图2D中所示的示例性百叶窗延迟器元件215。然而，将理解的是，在某些实施例中能够将单域四分之一波延迟器布置成接收从偏振光栅输出的光以首先将其转换成正交线偏振，并且可将百叶窗波片定位成接收从单域四分之一波延迟器输出的光。此类百叶窗波片可包括交替区域或百叶窗，所述交替区域或百叶窗中的一个是半波延迟器，并且其中的另一个被保持为空的，没有任何双折射元件。能够将单域和百叶窗波片的其他布置和/或组合定位成接收光斑的两个穿插正交偏振网格，并且输出根据本发明的实施例的单个或几乎单个的偏振状态。更一般地，虽然上文参考被布置成将非偏振输入光转换成具有相同线偏振的输出光的元件的特定组合来讨论，但将理解的是，本发明的实施例包括将具有多样化和/或不可预测的偏振的输入光转换成具有任何期望偏振的光的其他布置。

在本文所述的本发明的实施例中，PC被布置在第一透镜阵列后面且可能在第二透镜阵列前面，有点类似于在FEL本身内部。本发明的此布置相对于传统PCS布置（尤其是未提供具有被层压在一起的层的单个单片元件的那些）能够改善性能、可制造性以及到光学系统中的集成的容易性。

在某些实施例中，能够将上述PCS元件200布置在液晶（LC）投影仪内。特别地，LC投影仪可包括被布置成将非偏振光作为输入提供给PCS元件200的LED光源或灯，后面是偏振元件（诸如偏振片或PBS立方体（例如，MacNeille或其他）），后面是光被指引到其上面的反射或透射LC微显示器，并且后面是被定位和对准成接收从微显示器输出的光作为输入光的投影透镜。将理解的是，这是非限制性示例，并且能够将偏振元件、微显示器以及投影透镜的许多组合与本文所述的PCS元件一起使用。更一般地，反射或透射投影显示器可以包括将部分准直的光作为输入光提供给本文所述的PCS元件的宽带光源、可选偏振元件、微显示器以及投影透镜。

为了说明根据本发明的实施例的基于PG的PCS在显示系统内的有效性，图8A和8B图示出包括基于PG的PCS元件800（类似于上述PG-PCS 200）的原型微型投影仪801的示例。如图8A中所示，来自3个LED 880r、880g、880b的光被相应二向色镜870r、870g、870b组合，被中继到PBS立方体860中，并被指引到WVGA（854×480）硅上LC（LCoS）微显示器855上。PG-PCS 800位于PBS立方体860前面，具有与上文所述的那些相比仅略有不同的参数（即，更短的MLA焦距和更小的PG周期）。微型投影仪801显示出12 lm/W的高效力、在0.83 W下的10 lm亮度以及在60 Hz纯色帧速率下200:1的对比率（全开-全闭）。如图8B中所示，整个投影仪801的‘盒子’体积可约为6.2 cm³，具有约6.8 mm的厚度。

本发明的实施例可允许被投影图像的良好亮度均匀性。图8C是由微型投影仪801产生的图像的照片。如图8C中所示，数字的3×3阵列指示图像内的那些位置处的相对辉度值，示出了对于白色和单独地所有色彩的约86%的均匀度比（基于图像的相对于最大辉度的最小辉度）以及0.064的标准偏差。

为了比较，以类似方式测量商用微型投影仪（Sony录像摄像机HDR-PJ260 V），并且其提供9±1流明/瓦（lm/W）的效力、11 lm的亮度、250:1的对比度、nHD（640×360）的分辨率。最特别地，该商用微型投影仪提供了约57%的均匀度比和0.29的标准偏差，从而产生对于观察者而言明显不那么均匀的图像。根据本发明的实施例的微型投影仪801还有利地与现有基于PG的PCS投影仪相比较，该现有基于PG的PCS投影仪提供9 lm/W的效力、9 lm的亮度以及在10 cm³内的约70%的均匀度。

为了将PG-PCS本身的效果隔离，用空PCS来替换PG-PCS，这导致亮度降低到约6.1 lm，从而表明根据本发明的实施例的PG-PCS 800将亮度提高到约1.64倍。这意味着此特定投影仪中的PG-PCS以82%的偏振转换（包括适光加权）运行，类似于图7中的辐射度量曲线。

总而言之，根据本发明的实施例的基于PG的偏振转换系统使得微型投影仪原型801能够表现得非常好，从而在更小体积中产生更均匀的图像且具有比某传统PCS显著更高的效力。根据本发明的基于PG的PCS还能够以类似的益处在较大LC投影仪内使用，并且能够适合于用于使用偏振光的任何显示器的背光/正面光。

例如，在某些实施例中，能够将上述PG-PCS元件200布置直视LCD电视/监视器中在其背光单元（BLU）中。可将PG-PCS元件200定位为邻近于发光元件（例如，LED或灯）以将从发光元件输出的非偏振光转换成具有期望偏振的光，并将具有期望偏振的光提供给BLU波导。在某些实施例中，可将PG-PCS元件200布置在LED与边缘发光BLU中的波导之间。

在某些实施例中，可以将上述PG-PCS元件200与来自光纤和到光纤的光相组合，以实现接受具有多样化且不可预测的偏振的光并将该光转换成单个期望偏振的类似目的。在电信系统中，具有能够量化为偏振模色散（PMD）的多样化偏振的自然存在光可导致损耗、较低的通信带宽和/或增加的复杂性和成本。相应地，可将来自单模或多模光源（诸如光纤）的红外光引导通过准直仪并通过准直仪将其扩展，并且然后将其布置成穿过上述PG-PCS元件200。可使用PG-PCS元件200来将入射光转换成已知的均匀且固定的偏振，其然后可被引导到在电信中使用的各种后续部件中，包括放大器、衰减器、滤波器或到第二光纤中的第二准直仪。

相应地，本发明的实施例提供以高效率将非偏振光转换成线偏振光的基于PG的PCS。其基于将入射光有角度地分离成具有正交圆偏振的发散射束的宽带PG，同时LWP将每个射束转换成相同的线偏振，其中PG和LWP两者被布置在两个MLA之间并被层压。根据本发明的实施例的基于PG的PCS元件针对具有约±7度的发散的输入光能够提供大于约90%的峰值转换效率以及针对具有约±11度的发散的输入光能够提供80-87%的转换效率。与某些现有方法相反，PG-PCS是紧凑的且容易对准的单片元件。PG-PCS被实现在微型投影仪中，从而导致12 lm/W的发光效力、10lm的亮度、领先的图像均匀度以及6.2 cm³的体积，这证明了PG-PCS的高效率益处。

根据本发明的实施例的PG-PCS可因此提供较高效率，具有减小的厚度、较少的部件层以及增加的制造和搬运方面的容易性，从而允许更简单且更廉价的设备。此外，本文所述的PG-PCS元件可依赖于衍射性分离元件，从而避免在某些现有方法中可使用的分离元件的不同区域之间的边界。

虽然在本文中的多个实施例中以示例的方式被举例说明为包括第一和第二透镜阵列，但将理解的是，根据本文所述的某些实施例，能够省略被定位成接收从延迟器元件输出的光的第二透镜阵列。并且，根据本发明的实施例，可在与环境介质（例如，空气）接口的一个或多个表面上施加防反射涂层。

将理解的是，如本文所述的，术语“延迟器元件”、“延迟器”以及“延迟板”可以互换地使用以指代任何双折射板，包括均质波片。此类双折射板也可以是单轴的、双轴的或不均质的。如本文所述的延迟器可以是宽带的（即，消色差的）或窄带的（即，彩色的）。如本文所述的延迟器因此可经由光学旋转或双折射延迟或其任何组合来实现偏振改变，但是可以不显著地影响或改变从其中穿过的光的传播方向。

还应理解的是，虽然上文主要参考非偏振输入光来描述，但在某些实施例中，入射在第一透镜阵列上的光可以是椭圆偏振或部分偏振的光（例如，诸如由某些激光二极管和/或LED光源所提供的光）。

并且，如上所述，将理解的是，在某些实施例中，能够可选地将单域波片布置在PG前面或后面，并与百叶窗波片（除上文所述的那些之外）相组合地采用以适应或匹配任何期望的偏振。

结合以上描述和附图，在本文中已公开了许多不同实施例。将理解的是，逐字地描述和举例说明这些实施例的每个组合和子组合将是过度重复且令人困惑的。因此，应将包括附图在内的本说明书理解成组成对本文所述实施例的所有组合和子组合以及制造和使用它们的方式和过程的完全编写描述，并且应支持对任何此类组合或子组合要求保护的权利要求。

在附图和说明书中，已公开了本公开的实施例，虽然采用了特定术语，但它们仅仅在一般性和描述性意义上而不是出于限制的目的而被使用。因此，应理解的是，前述内容对本发明进行说明且不应将其理解为局限于公开的特定实施例，并且对公开的实施例的修改以及其他实施例意图被包括在本发明的范围内。