CN106575007A - 布拉格液晶偏振光栅 - Google Patents

Abstract

一种光学元件包括多个堆叠双折射子层，诸如液晶子层，其被配置成根据布拉格条件而改变光通过其的传播方向。堆叠双折射子层分别地包括局部光轴，其沿着在堆叠双折射子层中的相邻一些之间的相应界面而变化以限定相应光栅周期。堆叠双折射子层的相应厚度可以小于光的波长。还讨论了相关装置和操作方法。

Description

布拉格液晶偏振光栅

优先权声明

本申请要求来自在2014年7月31日提交的且标题为“Bragg Liquid Crystal Polarization Gratings”的美国临时专利申请号62/031,260的优先权，其公开通过引用以其整体被并入在本文中。

技术领域

本发明涉及偏振光栅，并且更特别地涉及液晶偏振光栅和相关设备的制作。

背景技术

偏振光栅（PG）是通过用光学各向异性对薄膜进行图案化而形成的衍射光学元件。更具体地PG具有沿着与光轴其本身共面（例如，XY平面）的方向线性地变化（例如，）的局部光轴，并且除其它特征之外，还具有均匀各向异性量值。这可以提供可以为PG独有的光学性质，包括但不限于高衍射效率、有限衍射级和/或偏振选择性。使用光定向和液晶（LC）材料，在可切换和聚合性（polymerizable）LC两者中可以用高质量制作PG。在后一种情况下，可以将PG形成为具有单个定向层的LC的多个子层（sublayer）。通过向反应性液晶基元（mesogens）（也称为低分子量聚合性LC（LCP））添加手性掺杂剂，可以实现每个层中的手性扭曲。此手性扭曲可以用来修整高衍射效率的带宽。

光与衍射光栅的相互作用可以受到材料和几何参数两者的复杂组合的影响。在衍射光栅领域中可能常见的是使用无量纲参数Q来识别特定光栅结构（configuration）的光学行为的方法（regime）：

其中，λ是真空光的波长，d是光栅厚度，Λ是光学元件的光栅周期（即，节距），并且n是平均折射率。在此框架中，可以将布拉格方法限定为Q＞1，可以将Raman-Nath方法限定为Q＜1，并且Q～1可以指代具有两者的性质的混合方法。

可以在Raman-Nath方法中配置典型PG，即大致上对应于所谓的近轴近似的结构。在此方法中，PG可以显示出高（～100%）衍射效率和通常可以通过简明的分析理论来很好描述的光学行为。如在Escuti等人的美国专利号7,692,759中所描述，高衍射布置可以在半波延迟条件下发生在此方法中，所述半波延迟条件可以在处于厚度的非手性单轴双折射材料中实现，其中是双折射率（birefringence），并且其中ne和no分别地是超常和普通折射率。在其它典型布置中，可以通过多个手性LC层的某些组合来实现半波条件，如例如在Escuti等人的美国专利号8,305,523和8,339,566中所描述。当满足此半波条件时，PG典型地在理论上可以在圆偏振输入情况下100%衍射成单个一阶和/或在线性或非偏振光情况下50%衍射成每个一阶。近年来，已物理地实现了这样的PG，其中数个团体报告＞99%效率（且本质上没有雾度（haze）），尤其是对于具有比用体LC材料的操作波长λ大得多的光栅周期Λ的PG而言。

发明内容

本发明的实施例提供在大的衍射角下实现高衍射效率的光学元件。

根据本发明的某些实施例，一种用于衍射光的光学元件或装置包括至少一个液晶偏振光栅，其具有光栅周期、厚度以及平均折射率，使得针对操作波长达到布拉格条件（Q＞1）。例如，针对大约400 nm至大约1700 nm的操作波长范围，本装置包括多个堆叠的液晶子层，其具有大约100 nm至大约10000 nm的合计厚度和大约300 nm至大约5000 nm的光栅周期。在特定实施例中，针对大约1530 nm至大约1565 nm的操作波长范围和大约1000 nm的光栅周期，本装置可以包括多个堆叠的液晶子层，其具有大约100 nm至大约300 nm的相应厚度和大约6000 nm的合计厚度。

在某些实施例中，偏振光栅可以包括在基板（substrate）上提供的多个堆叠聚合向列液晶子层。该基板可以是透明的或反射的。

在某些实施例中，液晶子层中的每个可以具有小于光栅周期的厚度。

在某些实施例中，液晶子层可以具有局部光轴，其可以由在子层之间的界面处对准的液晶分子取向限定。

在某些实施例中，液晶子层可以包括手性层，其具有在其相应厚度上旋转的相应局部光轴。液晶子层的手性以及入射在其上面的光的入射角和/或偏振可以影响从那里输出的光的衍射角。

根据本发明的另外的实施例，一种光学元件包括多个堆叠双折射子层，其被配置成根据布拉格条件而改变光通过其的传播方向，并改变光的偏振。堆叠双折射子层分别地包括局部光轴，其沿着在堆叠双折射子层中的相邻的一些之间的相应界面而变化以限定相应子层光栅周期。

在某些实施例中，所述堆叠双折射子层具有可以小于光的波长的相应厚度。

在某些实施例中，堆叠双折射子层可以具有小于相应光栅周期和/或小于由此限定的光学元件的光栅周期Λ的相应厚度，并且包括相应厚度的和的合计厚度可以大于相应光栅周期和/或大于光学元件的光栅周期Λ。

在某些实施例中，光的波长包括波长λ，相应光栅周期限定光学元件的周期Λ，合计厚度包括厚度d，并且堆叠双折射子层的平均折射率包括折射率n，使得变量Q对于波长λ而言大于1，其中。

在某些实施例中，堆叠双折射子层可以包括具有小于大约0.4的双折射率的材料。

在某些实施例中，堆叠双折射子层可以分别地包括具有限定局部光轴的液晶分子取向的液晶子层。

在某些实施例中，堆叠双折射子层中的一个或多个的局部光轴可以在其相应厚度上旋转以限定相应扭曲角。

在某些实施例中，相应扭曲角和/或相应厚度中的一个在堆叠双折射子层之间可以是不同的。

在某些实施例中，所述多个堆叠双折射子层可以被配置成将光衍射成零阶光束和一阶光束，其具有大体上相同的偏振，该偏振不同于光的入射偏振。

在某些实施例中，所述多个堆叠双折射子层可以被配置成响应于以近似等于布拉格角的入射角接收到光而以大约90%或更大的衍射效率将光衍射成一阶光束。

在某些实施例中，响应于以近似等于布拉格角的入射角接收到光，在零阶与一阶光束的不同传播角之间的差异可以大于大约45度、大于约60或达近似90度。

在某些实施例中，零阶和一阶光束的大体上相同的偏振可以是相同旋向（handedness）的近似圆偏振。

在某些实施例中，可以将反射元件布置或定位成接收从堆叠双折射子层输出的零阶光束和/或一阶光束并将该零阶光束和/或一阶光束朝向其反射回去。

在某些实施例中，可以将该反射元件配置成响应于从堆叠双折射子层接收到零阶光束和/或一阶光束而输出具有多个不同偏振的光。

在某些实施例中，堆叠双折射子层的相应光栅周期小于光的波长。

在某些实施例中，可以将透明基板光学耦合到所述多个堆叠双折射子层。所述多个堆叠双折射子层可以被配置成以大于用于在透明基板之内的全内反射（TIR）的临界角的角将光衍射成一阶光束。

在某些实施例中，所述多个堆叠双折射子层可以是具有相应第一光栅周期的第一双折射子层，并且可以被配置成根据布拉格条件而改变通过其的光的第一波长的传播方向。多个堆叠第二双折射子层可以在第一双折射子层上，并且可以被分别地配置成根据布拉格条件而改变通过其的光的第二波长的传播方向。第二双折射子层可以具有沿着在其之间的相应界面变化以限定相应第二光栅周期的相应局部光轴。第一和第二双折射子层可以被配置成将光的第一和第二波长分别地衍射成相应一阶光束。

在某些实施例中，相应一阶光束可以具有大体上相同的传播方向。

在某些实施例中，第二光栅周期、第二双折射子层的合计厚度和/或第二双折射子层的平均折射率可以不同于第一双折射层的那些。

在某些实施例中，堆叠双折射子层可以分别地包括具有不同局部光栅周期的第一和第二并排第二区。

在某些实施例中，相应光栅周期可以为大约1000纳米或更小，并且其中堆叠双折射子层具有大约100 nm至大约300 nm的相应厚度。

在某些实施例中，光的波长可以为大约400纳米（nm）至大约1700 nm。

在某些实施例中，堆叠双折射子层可以具有小于或等于相应光栅周期的一半的相应厚度。

根据本发明的还有另外的实施例，一种衍射光学元件包括至少一个液晶层，其具有厚度d（即，具有厚度d的在单个步骤中形成的液晶层或由具有共同厚度d的多个子层形成的液晶层）、平均折射率n，并且包括液晶分子取向，所述液晶分子取向在沿着其表面的方向上变化以限定衍射光学元件的光栅周期Λ、使得变量Q对于光的操作波长λ而言大于1，其中。

在某些实施例中，衍射光学元件的光栅周期Λ可以小于光的操作波长λ。

在某些实施例中，光栅周期Λ可以在所述至少一个液晶层之内变化。例如，所述至少一个液晶层可以包括不同的区段或部分，每个在该区段或部分之内具有不同的局部光栅周期。更一般地，所述至少一个液晶层的一个部分可以用一组参数限定布拉格偏振光栅，而所述至少一个液晶层的另一部分可以具有不同的布拉格偏振光栅参数，或者甚至可以具有对应于另一类型的元件（例如，非布拉格偏振光栅）的参数。

在某些实施例中，所述至少一个液晶层可以是多个堆叠聚合向列液晶子层，并且堆叠聚合液晶子层的相应厚度可以小于光的操作波长λ。

在某些实施例中，堆叠聚合向列液晶子层的相应厚度可以小于衍射光学元件的光栅周期Λ。堆叠聚合向列液晶子层的相应厚度可以共同地限定厚度d，其大于衍射光学元件的光栅周期Λ和光的操作波长λ。

在某些实施例中，堆叠聚合向列液晶子层中的一个或多个的液晶分子取向可以在其相应厚度上旋转以限定相应扭曲角φ，其中，相应扭曲角φ和/或相应厚度在堆叠聚合向列液晶子层之间可以是不同的。

本发明的某些实施例因此包括分别地被配置成改变光通过其的偏振和方向的多个堆叠双折射子层，子层具有在沿着子层之间的相应界面的方向上变化以限定相应光栅周期的相应局部光轴，其中，堆叠双折射子层的相应光栅周期、相应厚度以及平均折射率限定针对光的波长的布拉格条件。

在回顾以下绘图和详细描述时，根据某些实施例的其它装置和/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被包括在本描述之内、在本发明的范围之内且由所附权利要求保护。

附图说明

图1是图示根据本发明的某些实施例的布拉格液晶偏振光栅（LCPG）的结构和参数的图。

图2是图示根据本发明的某些实施例的在透射布拉格LCPG下的光波行为的图。

图3A是图示根据本发明的某些实施例的用于透射布拉格LCPG衍射效率测量的装备（setup）的图。

图3B是图示来自根据本发明的某些实施例制作的透射布拉格LCPG的测量透射比的曲线图。

图4是图示根据本发明的某些实施例的在反射布拉格LCPG下的光波行为的图。

图5A是图示根据本发明的某些实施例的用于反射布拉格LCPG衍射效率测量的装备的图。

图5B是图示来自根据本发明的某些实施例制作的反射布拉格LCPG的测量反射率的曲线图。

图6是图示根据本发明的某些实施例的在倾斜布拉格LCPG下的光波行为的图。

图7是图示根据本发明的某些实施例的在透射倾斜布拉格LCPG下的光波行为的图。

图8是图示根据本发明的某些实施例的在反射倾斜布拉格LCPG下的光波行为的图。

图9是图示根据本发明的某些实施例的在被配置成实现到波导中的全内反射的透射倾斜布拉格LCPG下的光波行为的图。

图10A是图示根据本发明的某些实施例的用于倾斜布拉格LCPG衍射效率测量的装备的图，其中一阶衍射在波导之内实现全内反射（TIR）。

图10B是图示根据本发明的某些实施例的从波导的边缘出来的测量透射比的曲线图。

图11是图示根据本发明的某些实施例的在被配置成实现到波导中的全内反射的反射倾斜布拉格LCPG下的光波行为的图。

图12是图示根据本发明的某些实施例的堆叠布拉格LCPG的图。

图13是图示根据本发明的某些实施例的在被配置成充当偏振分光器（PBS）的透射布拉格LCPG下的光波行为的图。

图14是图示根据本发明的某些实施例的在与反射表面组合的充当PBS的透射布拉格LCPG下的光波行为的图。

图15是图示根据本发明的某些实施例的在与反射LC显示器组合以实现图像控制系统的充当PBS的透射布拉格LCPG下的光波行为的图。

图16A是图示根据本发明的某些实施例的使用全息光刻术来制作布拉格PG的方法的图。

图16B是图示根据本发明的某些实施例的使用光栅复制方法来制作布拉格PG的方法的图。

具体实施方式

在下文中参考附图来更全面地描述本发明，在所述附图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体现，并且不应解释为限于在本文中阐述的实施例。相反地，这些实施例被提供以便本公开将是透彻且完整的，并且将向本领域的技术人员全面地传达本发明的范围。在绘图中，可以为了简洁起见而将层和区的尺寸和相对尺寸放大。相同的数字自始至终指代相同元件。

将理解的是，虽然在本文中可以使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件、部件、区、层和/或区段，但这些元件、部件、区、层和/或区段不应该由这些术语的限制。这些术语仅用来将一个元件、部件、区、层或区段与另一区、层或区段区别开。因此，在不脱离本发明的教导的情况下，可以将下面所讨论的第一元件、部件、区、层或区段称为第二元件、部件、区、层或区段。

在本文中可以为了便于描述而使用诸如“在下面”、“以下”、“下部”、“在…之下”、“以上”、“上部”等空间相对术语来描述如在图中所图示的一个元件或特征与另外（一个或多个）元件或（一个或多个）特征的关系。将理解的是该空间相对术语意图除在图中描绘的取向之外还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，则被描述为在其它元件或特征“以下”或“下面”或“之下”的元件然后将在其它元件或特征“以上”定向。因此，术语“以下”和“在…之下”可以涵盖以上和以下的取向两者。设备可以被另外定向（旋转90度或处于其它取向）并因此而解释在本文中使用的空间相对描述符。另外，还将理解的是当层被称为在两个层“之间”时，其可以是两个层之间的唯一层，或者一个或多个中间层还可以存在。

在本文中使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的且并不意图限制本发明。如在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”意图也包括复数形式，除非上下文另外清楚地指示。将进一步理解的是术语“包括”当在本说明书中使用时规定声明的特征、整体、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、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加。如在本文中所使用的，术语“和/或”包括关联列举项目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另一元件或层“上”、“被连接到”、“被耦合到”或“邻近于”另一元件或层时，其可以直接地其它元件或层上、被直接地连接到、耦合到或邻近于其它元件或层，或者中间元件或层可以存在。相反地，当元件被称为“直接地在另一元件或层上”、“被直接地连接到”、“被直接地耦合到”或“直接地邻近于”另一元件或层、时，没有中间元件或层存在。

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示来描述本发明的实施例。照此，作为例如制造技术和/或公差的结果的与图示的形状的不同将被预期。因此，不应将本发明的实施例解释为限于在本文中图示的区的特定形状，而是将包括例如由制造引起的形状方面的偏差。因此，在图中图示的区本质上是示意性的，并且其形状并不意图图示设备的区的实际形状且并不意图限制本发明的范围。

除非另外限定，在本文中所使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有与本发明所属技术领域的普通技术人员一般地理解的相同的意义。将进一步理解的是应该将术语（诸如，在一般使用的词典中定义的那些）解释为具有与其在相关技术的背景和/或本说明书中的意义一致的意义，并且将不以理想化或过度形式化的意义来解释，除非在本文中明确地如此限定。

Raman-Nath方法中的某些常规PG可具有接近于λ的光栅周期Λ（即，Λ～λ），其中，该厚度可以大致上对应于半波延迟条件。可以将针对法向入射的衍射角θ定义为：

其中，由于Λ接近于λ（Λ～λ），θ变得越来越大且最后为90°。当Λ＜λ时，θ变成虚数的，光可以在光栅之内进行波导。然而，在大衍射角下的高衍射效率（即，当Λ接近于λ时）可能是不可能或不可行的。例如，根据某些数值模拟，可以通过使用具有越来越高的双折射率的材料来实现在大衍射角下的高衍射效率；然而，对于接近于λ的Λ而言，要求的双折射率可能高到不可行（即，∆n＞0.4）。其它数值模拟看起来支持这些发现，其中的某些可以认识到当使用液晶时，制造可能由于需要高到不可行的双折射率∆n而具有挑战性。同样地，可以认识到在实验上不可以实现具有Λ ≲ λ 的基于液晶的偏振光栅，因为即使是具有∆n～0.59的理想模拟情况，最高的预测衍射效率可以为30%左右。

布拉格方法中的偏振光栅（PG）的常规使用已略微受限，可能是因为较小的PG周期可能更加难以制作和/或可能要求更复杂的理论分析。然而，这种方法可能是重要的，因为某些应用可以优选大的衍射角以增加光学系统的角孔径。这样的应用可以包括电信、显示器、成像传感器以及非机械激光光束控制。

本发明的某些实施例可以起因于这样的认识，即布拉格方法中的PG的常规使用典型地集中于其中光栅周期Λ大于入射光的波长λ（在本文中也称为操作波长）、即其中Λ＞λ（例如，其中λ接近于Λ）的情况。在布拉格PG的早期示例中，实验性研究采用光敏聚合物（基于在偶氮苯部分（azobenzene moiety）下的体光致分子重新排列）以实现≥90%的衍射效率，其中Λ＝2 µm、 d＝ 100 µm且λ＝633 nm。然而，此类别的材料的限制可能是针对厚膜的雾度（即，散射）的显示和吸收，并且对于具有较小Λ的布拉格PG而言可能要求许多较厚的膜。例如，为了达到在先情况中相同的Q但其中Λ＝λ＝633 nm，等式（1）示出在相同材料下的厚度将需要是(2/0.633)² =10倍大或者d＝1 mm，其为雾度和吸收在其处将可能使该膜不可用的厚度。

虽然某些数值模拟和理论分析可以指示在布拉格方法中如100%那么高的衍射效率可以是可能的，但这可能典型在厚度比半波延迟厚度大得多时且在光倾斜地入射时被观察到。然而，以上模拟和分析提供很少或没有关于如何制作具有良好的衍射效率和低损耗的PG的指示。照此，常规PG针对大的衍射角可以不使用液晶（LG），部分是因为其可能厚到不可行或不可能和/或要求具有高到不可能的双折射率Δn的材料，该双折射率Δn指示液晶材料的超常ne和普通no折射率的差。此外，常规布拉格PG可能未认识到使用体LC材料的可能性。

本发明的实施例可以通过提供具有达大约90°（即，λ接近于Λ）的大衍射角θ和高效率两者的PG来处理以上和/或其它问题。用具有被选择成使得针对操作的波长达到布拉格条件（Q＞1）的光栅周期Λ、厚度d和/或平均折射率n的LC材料形成的布拉格PG可以使这成为可能，并且可以不以与Raman-Nath PG相同的方式由材料双折射率限制。由本发明的实施例处理的其它问题包括与处于任何衍射角（无论是小还是大）的常规布拉格PG相关联的吸收（等）损耗和/或制作困难。根据本发明的某些实施例的布拉格液晶偏振光栅（LCPG）是透明的，并且可以变得更容易被制作，因为其可以采用常规的LC材料和过程。

更具体地，本发明的实施例可以采用体LC材料和被单独地涂布并聚合的多个子层（其可以具有小于将通过其的光的操作波长的相应厚度）来实现针对布拉格方法所要求的大厚度，并且由此回避现有技术中的常规方法和材料的限制以在物理上实现显示出高折射效率（例如，近似或达100%）的低损耗和高质量布拉格PG。

图1图示根据本发明的某些实施例的布拉格LCPG 100。布拉格LCPG 100包括基板110、光定向层（photoalignment layer）115以及多个堆叠双折射子层（被图示为体向列LC层105a、105b、...105n），其具有在沿着其之间的界面的方向上变化的相应局部光轴，其中的每一个可以被单独地涂布和聚合，并且其相关参数被布置或选择以便Q＞1。在图1的示例中，在层105a、105b、...105n中的每一个中的液晶分子取向限定沿着在层105a、105b、...105n之间的相应界面变化的局部光轴，但是在层105a、105b、...105n的相应厚度上是均匀的。基板110可以是刚性或柔性的和/或透明或反射的。光定向层115可以是线性光聚合性聚合物（linearly photopolymerizable polymer）（LPP），其已被图案化使得定向方向遵循。

可以将体向列LC层105a、105b、...105n描述为聚合反应性LC单体层，并且为了方便和一致性，在本文中可以将其称为LC聚合物（LCP）子层。每个薄LCP子层105a、105b、...105n具有其自己的厚度（d1、d2、...、dN），其共同地限定等式（1）的总或总体布拉格PG厚度d（＝d1 + d2 +、...+ dN），并且具有在与以上和以下子层的界面处对准的局部光轴。注意到，两个或更多子层105a、105b、...105n可以均具有相同的厚度，但是本发明的实施例不被如此限制，而是可以包括具有不同厚度的子层105a、105b、...105n。同样地，每个LCP子层105a、105b、...105n具有相应子层或表面光栅周期，其可以限定针对元件100的总光栅周期（更一般地在本文中被称为光学元件光栅周期）。虽然在图1的实施例中光学元件光栅周期被图示为等于子层光栅周期（即，＝），但在其它实施例中光学元件光栅周期可以小于或等于子层光栅周期（即，≤）。此外注意到，每个子层厚度d1、d2、...、dN可以小于操作波长λ和/或光学元件光栅周期（例如，小于或等于大约光学元件光栅周期的一半，即d#＜/2），以促进高质量LC定向（参照Escuti等人的美国专利号8,064,035，其公开被通过引用被并入本文中），同时在某些实施例中合计或总体布拉格PG厚度d可以大于光学元件光栅周期和/或操作波长λ。更一般地，其它参数是恒定的，布拉格效应所要求的厚度d可以随着光学元件光栅周期增加而增加。

应该注意到在这里，LCP层与常规液晶聚合物不同。在本发明的某些实施例中所采用的LCP薄膜包括低分子量反应性LC分子，它们按照表面（它们被涂布或者另外形成在该表面上）的特性而对准，并且随后被聚合成刚性聚合物网。特别地，布拉格PG的周期性图案可以被记录到光定向层的表面中，而不是被直接记录到LCP层中。相反地，许多常规液晶聚合物可以是具有液晶组分的高分子量聚合物，并且布拉格PG的周期性图案典型地例如经由光致分子重新排列而被直接记录到材料中。

图2示出图示图1的布拉格LCPG 100当被形成或安装于透明基板210（其可以不同于图1的基板110）上时如何操作的光学元件200。除寄生反射和泄漏之外，当光290的入射角满足布拉格角关系（其中，被称为布拉格角）时，以角入射的光波290将仅（或大体上）被布拉格LCPG 100分成两个衍射级299、299'，分别对应于沿着角和的零（m＝0）和一（m＝1）阶。根据图2中的符号，，遵循传统衍射等式。换言之，意味着入射角和一阶输出光束299'的衍射角与布拉格角是同样的，但是一阶输出光束299'的衍射角在方向上（相对于垂直于元件200的方向）是相反的。相对于垂直于元件200的方向，零阶输出光束299的衍射角等于入射角。此外，在给定入射光波参数（即，和λ）的情况下，可以选择光栅参数（即，Λ、d、和∆n）以实现改善的或最佳的衍射效率。在某些实施例（例如，其中布拉格LCPG 100完全衍射）中，输出光波或光束299、299'可以具有大体上相同的圆偏振，并且其相对效率可以部分地由入射偏振确定。特别地，当入射光波290具有圆偏振并且沿着所谓的布拉格角输入时，到一阶299'（具有相反的圆偏振）中的达100%衍射效率理论上是可能的。在其它实施例（例如，其中布拉格LCPG 100部分衍射，诸如50%有效）中，一阶输出光束299'可以被圆偏振，而零阶输出光束299可以具有椭圆、非圆偏振。如在本文中描述的布拉格LCPG因此改变入射光的偏振和传播方向两者。

作为图2的实施例的代表示例，针对波长λ＝1550 nm的布拉格LCPG被制作于在一侧上具有抗反射涂层的透明玻璃基板上。针对光学元件的光栅节距被选择成Λ＝1μm或1000线/mm，就是说使得光栅节距或周期Λ小于操作波长λ。使用LPP材料LIA-COO1（日本DIC公司），其被使用使具有正交圆偏振的两个相干UV激光光束（355 nm）干涉的PG全息光刻术方法而曝光。针对LCP，使用RMS03-001C（默克化工技术有限公司，其中在1550 nm处∆n～0.1并且n～1.57）。使用与例如在Komanduri等人Optics Express 21,404-420 (2013)的“Multi-twist retarders: Broadband retardation control using self-aligning reactive liquid crystal layers”中报导的那些相似的技术而在LPP层上旋涂近似30个薄层的此LCP（其中相应厚度为～216 nm，其小于光学元件光栅周期Λ和操作波长λ）。选择总体厚度d～6.5μm（其表示30个LCP子层的厚度的和）以增加衍射效率或者使其最大化。在本文中描述的布拉格LCPG的某些实施例可以具有达大约20μm的总体厚度d。第二透明玻璃基板被胶合到LCP上以保护薄膜并减少空气-玻璃反射损耗或使其最小化。针对本示例，Q～40，很好地进入布拉格方法。

图3A示出被用来表征以上描述的示例中的布拉格LCPG的测量装备309。来自1550nm激光器310的线性偏振光通过四分之一波片（QWP）320以调整偏振状态从而提供圆偏振光390，其被以入射角提供给布拉格LCPG 300。通过旋转样本布拉格LCPG 300而使角变化。通过使用光检测器330、330'来测量在零阶399和一阶399'中衍射的光的量。

图3B示出在各种入射角处针对以上讨论的透射样本布拉格LCPG 300测量的数据。如在图3B中所示出，零阶透射比在输入光390被圆偏振时达到最小值。在此结构中，在入射角变化时，在51°处测量到零阶中的绝对最小值，其非常接近于被计算为 的布拉格角。如在图3B中看到，在此角（51°）处在0阶中观察到＜ 1%的入射光，其中～94%的入射光390被衍射成一阶。～4%的损耗可以主要归因于空气-玻璃界面的剩余反射，其包括于针对法向入射而被选择或优化的抗反射涂层。通过将此效应归一化出去，在此测量中实现～99%衍射效率（=0.94/(0.94+0.01)）。不仅这是用LCPG进行布拉格衍射的确认，而且这些结果满足或超过从根据不同方法和材料形成的现有技术布拉格PG和常规布拉格光栅（即，非PG类型）观察到的那些。另外，两级399、399'的衍射效率可以是偏振敏感的。随着（通过旋转QWP 320）使入射光390的偏振状态在正交圆偏振之间变化，大体上所有功率从一阶399'转移至零阶399。针对两级399、399'，偏振对比率（其被定义为在这些级中的最大比最小功率）被测量为～130：1。还注意到，零阶399和一阶399'两者的偏振状态被测量并且确认为圆形的且具有相同旋向。

在图4中示出包括根据本发明的另外实施例的布拉格LCPG布置的光学元件400，其是图2的实施例200的反射版本。与图1相似的布拉格LCPG层100'被形成或安装于反射基板410（诸如，金属反射镜或半导体）上，其中总体厚度d为图2的LCPG层100的厚度的近似一半。入射光波490以与在图2中相似的方式表现，只是输出光或光束499、499'的所有角由于由反射基板410反射而在元件400的相同侧上。就是说，分别地对应于零（m＝0）和一（m＝1）阶输出光束499和499'的衍射角和与在图2中示出的那些相等但相反。因为在此实施例中的光波必须通过LCPG层100'两次，所以LCPG 100'的总体厚度d应该被选择为在先情况的厚度的近似一半。

作为图4的实施例400的代表示例，针对波长λ＝1550 nm的布拉格LCPG被制作于在一侧具有抗反射涂层的透明玻璃基板上。所有参数、材料以及制作方法是与先前代表示例的那些相似的或同样的，除通过涂布近似15个LCP子层而实现的总体厚度d＝3μm之外。薄膜然后被层压到铝反射镜上。图5A示出用以评价布拉格LCPG样本500的测量装备509，并且图5B示出在不同衍射角处测量的零阶和一阶反射率。特别地，使来自1550 nm激光器510的线性偏振光通过四分之一波片（QWP）520以调整偏振状态从而提供圆偏振光590，其被以入射角被提供给布拉格LCPG 500。角通过旋转样本布拉格LCPG 500而变化。通过使用光检测器530、530'来测量在零阶599和一阶599'中衍射的光的量。与关于图2的实施例的先前示例相反，在图5B中图示的数据示出随着入射角变化的强振荡。然而，在51°的相同布拉格角处观察到零阶中的局部最小值（～13%），在所述布拉格角处最大反射率（～83%）出现于一阶中。这对应于86%衍射效率（=0.83/(0.83+0.13)）。虽然这不是尽可能高的（由于LCP厚度在此情况下可能已轻微太薄），然而其是由于LCPG的布拉格衍射的证明。

在图6中示出根据本发明的又另外的实施例的布拉格LCPG 600，其与在图1中的实施例100相似，除LCP材料和所得到的结构之外。在此情况下，采用可聚合手性向列LC混合物作为LCP，其导致z方向上的螺旋扭曲。因此，每个薄LCP子层605a、605b、...605n具有其自己的厚度（d1、d2、...、dN）以及其自己的手性扭曲（φ ₁、φ ₂、...、φ _N），其加起来达针对总元件600的φ的总体扭曲。换言之，子层605a、605b、...605n中的一个或多个的液晶分子取向限定局部光轴，其不仅沿着子层605a、605b、...605n之间的相应界面变化，而且在子层605a、605b、...605n的相应厚度d1、d2、...、dN上变化以限定相应扭曲角φ ₁、φ ₂、...、φ _N。这还实现“倾斜的”布拉格LCPG，类似于在某些常规倾斜的布拉格光栅中的周期性结构的角倾斜。注意到，子层605a、605b、...605n均可以具有相同的厚度和扭曲，但是本发明的实施例不被如此限制，并且可以包括具有不同厚度和/或扭曲的子层605a、605b、...605n。此外注意到每个子层厚度可以小于操作波长λ和/或光栅周期Λ（即，），以促进高质量LC定向（参照Escuti等人的美国专利号8,064,035）。更特别地，每个LCP子层605a、605b、...605n具有相应子层或表面光栅周期，其限定针对元件600的总光学光栅周期（也被称为光学元件光栅周期Λ）。光学元件光栅周期Λ在图6的实施例中示出的倾斜的布拉格LCPG中小于子层光栅周期（即，），但是在其它实施例中可以等于子层光栅周期（即，）。

在图7和8中图示图6的实施例的代表示例，其中，图6的倾斜的布拉格LCPG 600将一阶衍射成不同的角（参照图2和3）。此倾斜经由手性向列LCP材料其自身的自发螺旋扭曲动作而实现，并且在入射布拉格角和/或一阶衍射角上提供附加控制，从而允许其被修改成与另外等同未倾斜（即，非手性）版本相比更大或更小。可以向非手性向列LC添加手性分子以精确地控制扭曲角，如例如在Escuti等人的标题为“LOW-TWIST CHIRAL LIQUID CRYSTAL POLARIZATION GRATINGS AND RELATED FABRICATION METHODS”的美国专利申请号12/596,189（现在为美国专利号8,339,566）中所描述，其公开被通过引用被并入在本文中。注意到，当子层具有不同的手性扭曲时，可能的是控制布拉格LCPG性质的附加方面，包括带宽和角响应，如在Escuti等人的标题为“MULTI-TWIST RETARDERS FOR BROADBAND POLARIZATION TRANSFORMATION AND RELATED FABRICATION METHODS”的美国专利申请号13/646,166中所描述，其公开被通过引用被并入在本文中。

特别地，图7的光学元件700图示当形成或安装于透明基板710上时的图6的布拉格LCPG 600的操作。如在图7中所示出，以角入射的光波790被布拉格LCPG 600分成仅（或大体上）两个衍射级799、799'，其分别地对应于沿着角和的零（m＝0）和一（m＝1）阶。

图8的光学元件800图示与图6相似的布拉格LCPG 600'当形成或安装于反射基板810（诸如，金属反射镜或半导体）上时的操作。因为此实施例中的光波必须通过LCPG层600'两次，所以LCPG层600'的总体厚度d为图7的LCPG层600的厚度的近似一半。入射光波890以与在图7中相似的方式表现，只是输出光或光束899、899'的所有角由于由反射基板810反射而在元件800的相同侧上。

在图9中示出包括根据本发明的还有另外的实施例的布拉格LCPG布置的光学元件900，其中，图6的倾斜布拉格LCPG 600被光学耦合到透明基板910，并且其中，一阶光输出光束999'在该基板910之内的的一阶衍射角大于临界角且导致全内反射（TIR）。这有时称为波导耦合，由于输入光波990被引导到支持TIR的波导的模式中。存在用以实现光学耦合的各种方式，包括但不限于直接地在基板910上形成布拉格LCPG 600或在不同的基板上形成布拉格LCPG 600并随后将其层压到最终基板910，在那里TIR发生。注意到，在此相同结构的情况下相反的性质发生——如果入射光波或光束已经正以适当的角且用适当的波长在基板910内进行波导，则倾斜布拉格LCPG 600可以将其衍射出基板。这有时称为出耦合。用布拉格LCPG进行波导入耦合和出耦合在许多应用中是有用的，所述应用包括但不限于平面光波电路、光纤耦合器、分布式反馈激光器、光学传感器、近眼式和平视（head-up）显示器、针对背光（等）的转向膜以及太阳集中器。零阶输出光束999的衍射角等于相对于垂直于元件900的方向的入射角。

作为图9的实施例的代表示例，针对波长λ＝1550 nm的倾斜布拉格LCPG被制作于在一侧上具有抗反射涂层的透明玻璃基板上。所有参数、材料以及制作方法是与关于图2的实施例的代表示例的那些相似的或同样的，除手性向列LCP材料的使用之外。通过向LCP基料RMS03-001C中添加少量（按重量计2%）的手性掺杂剂CB15（默克化工技术有限公司）来制备此手性向列LC。估计这在相似的厚度d（～6μm）的情况下创建扭曲。注意到，用于光学元件的总光栅节距保持相同，为Λ＝1 μm或1000线/mm。这些参数被选择成当输入光从几乎垂直于表面的方向入射时实现一阶衍射到玻璃基板（折射率～1.5）中的TIR。

图10A示出被用来表征图9的示例的透射倾斜布拉格LCPG的测量装备1009。特别地，使来自1550 nm激光器1010的线性偏振光通过四分之一波片（QWP）1020以调整偏振状态以提供圆偏振光1090，其被以入射角提供给布拉格LCPG 1000，所述入射角通过旋转样本布拉格LCPG 1000而变化。通过使用光检测器1030、1030'来测量在零阶1099和一阶1099'中衍射的光的量。图10B示出当输入光1090被圆偏振且入射角变化时的结果。针对小的入射角，零阶功率是低的，在＝5°处具有～7%的最小值。几乎或大体上所有其余的光被耦合到波导（即，基板）中并经历TIR多次。由于样本中的不均匀性，在波导之内经历某散射损耗。尽管如此，此光中的大部分（～64%）最后从基板逸出到检测器中。通过将在与倾斜布拉格LCPG的相互作用之后发生的此效应归一化出去，实现至少～90%衍射效率（=0.64/(0.64+0.07)）。通过调整手性浓度和/或LCP厚度和/或通过调整最佳入射角可以进一步改善效率。

在图11中示出包括根据本发明的又还有另外的实施例的布拉格LCPG布置的光学元件1100，其是图9的实施例900的变体。在这种情况下，倾斜布拉格LCPG 600'是反射类型（参见图8），并被布置在入射光1190的相反侧。如在图9中，一阶衍射方向也是沿着对于其而言TIR发生的方向。特别地，如在图11中所示出，布拉格LCPG 600'被形成或安装于反射基板1110b（诸如，金属反射镜或半导体）上，并被光学耦合到与反射基板1110b相反的透明基板1110a。因为本实施例中的光波必须通过LCPG层600'两次，所以LCPG层600'的总体厚度d为图9的LCPG层600的厚度的近似一半。入射光1190通过透明基板1110a被透射到倾斜布拉格LCPG 600'并被衍射成零和一阶光束，其被反射基板1110b反射并通过倾斜布拉格LCPG600'（其使光束的偏振反向）被透射回来而向透明基板1110a提供零阶1199和一阶1199'光输出光束。在基板1110a之内的一阶光输出光束1199'的衍射角θ _m=1大于临界角并导致全内反射（TIR）。零阶光输出光束1199的衍射角等于入射角，但是相对于垂直于元件1100的方向而言与之相反。

在图12中示出包括根据本发明的其它实施例的布拉格LCPG布置的光学元件1200，其中，两个或更多布拉格LCPG 1201、1202可选地用在中间的粘合剂1205、基板和/或其它平面元件而被布置到基板1210上的堆叠结构中。每个布拉格LCPG 1201、1202可以例如根据图1和/或6的实施例100和/或600而形成，并且可以被配置成具有相互不同的至少一个参数（例如，光学元件光栅周期Λ、厚度d和/或扭曲φ）。作为示例，两个布拉格LCPG 1201和1202可以被配置成以高的或最佳效率将包括两个不同波长λ1和λ2的入射光1290衍射成大体上相同的一阶方向（由输出光束1299'示出），其至少可以要求每个布拉格LCPG 1201、1202具有不同的光学元件光栅周期Λλ1和Λλ2。此外，用附加布拉格LCPG，这样的堆叠可以被设计成使得大体上所有光以与在使用布拉格LCPG的偏振性质的偏振转换系统（PCS）中大体上相同的偏振沿着法线方向被重定向。在许多应用之内可以优先地采用堆叠布拉格LCPG，所述应用包括但不限于近眼式和平视显示器、针对背光（等）的转向膜、投影仪、太阳能集中器、光纤耦合器、分布式反馈激光器、光束控制以及光学数据存储设备。

在图13中示出根据本发明的某些实施例的偏振分光器（PBS）1300，其中，根据图6的实施例的布拉格LCPG 600被配置成充当偏振分光器（PBS）。布拉格LCPG 600被配置成以某些入射角θ（例如，接近45°）接受入射光1390，并且将输出光1399、1399'衍射成两个输出衍射级（零阶输出光1399和一阶输出光1399'；也称为透射光波1399和衍射光波1399'），其优选地沿离彼此大于大约45°、离彼此大于大约60°或者离彼此达近似90°的方向，其中每个衍射级1399、1399'可以用相同的旋向被近似圆偏振，不管输入偏振状态。可选地可以在布拉格LCPG 600的任一侧上添加延迟器以控制输入和输出偏振状态两者，但这不是所要求的。图13示出其中入射光1390仅从布拉格LCPG 600的一侧进入的单次通过（single pass）结构1300。PBS元件1300在包括光谱学、显示器、全息照相术以及偏振测定法的数个应用中可以是有用的。

图14中的PBS结构1400与图13的实施例相似，但是进一步包括具有反射表面1410、对象或设备的布拉格LCPG PBS 600。可以在图13的透射1399或衍射1399'光输出路径处配置或布置反射表面。在图14的示例中，零阶光束1499被透射，而反射表面1410被置于一阶/衍射光束路径1499'中。反射表面1410可以具有产生偏振的多样性的特征和/或性质，并且至少部分地使具有这样混合偏振状态的光1480朝着布拉格LCPG 600重定向回去用于第2次通过。反射表面1410可以许多形式实现，包括但不限于图案化双折射结构、拓扑高度差和/或多个材料。被朝着布拉格LCPG 600反射回去的光1480根据其偏振而被分析，其中光1489'中的某些被衍射并且光1489中的某些被透射，如在图14中所示出。这样的实施例对于包括计量学、偏振测定法、遥感以及成像的各种应用可以是有用的。

图15图示与图14的实施例相似的PBS结构1500，但是其中反射表面1510是LC显示系统诸如LC微显示器，例如作为投影显示系统的部分。然而注意到，布拉格LCPG PBS在布置中与LC微显示器的组合是对于包括自适应光学和全息照相术的许多其它应用有用的一般组件，并且不限于投影显示应用。在图15中，第1次通过中的透射零阶光波1599被光束截捕器（beam stop）阻挡，以减少或防止被发送回到LCPG 600的寄生反射并确保投影图像中的高对比度。衍射一阶光波1599'被引导到反射LC显示器1510上，并由此被反射。与图14的实施例相似，反射表面1510可以具有导致偏振的多样性的特征和/或性质，并且在某些实施例中至少部分地使具有这样混合的偏振状态的光1580朝着布拉格LCPG 600重定向回去。来自LC显示器1510的反射光束1580包含图像信息，其被偏振敏感布拉格LCPG 600选择性地分离成零阶/透射和一阶/排斥光束1589和1589'，其中透射光波1589被引导到投影透镜，例如用于到屏幕上的投影和放大。衍射光波1589'被阻挡或再循环。此结构1500可以在各种LC投影显示系统中使用，并且因此与这样的应用相关。

在以上描述中，“标准PG全息光刻术方法”可以指代在图16A和16B中所示出的布置。图16A和16B示出两个可能方法1600a和1600b，其用以使用光定向材料和LC材料（如例如在Escuti等人的美国专利号8,358,400中所描述，其公开通过引用被并入在本文中）在LPP之内将PG定向条件图案化以限定足以使得所得到的LCPG满足布拉格条件（Q＞1）的光学元件光栅周期。空间变化的偏振图案被LPP记录为定向方向。针对PG，偏振图案可以自始至终主要被线性偏振的，但是具有线性依赖于位置的取向角（即，）。光源可以是高度相干且准直的光源1610（例如，激光器），或者其可以是部分相干和/或部分准直的光源1610b（例如，高压灯或发光二极管（LED）），其被透射通过偏振器1612。光源1610a、1610b可以发射紫外（UV）波长，但这不是要求的。图16A的第一方法1600a称为全息光刻术，因为在光源1610a的输出通过分光器1603、反射镜1607以及波片1608之后，两个所得到的光束（被图示为具有相反圆偏振）在记录表面1615处干涉，并被用于在本文中所描述的示例中的数个中。图16B的第二方法1600b称为接近式光刻术或全息复制，因为掩膜图案1616被拷贝到复制品PG 1617上，如例如在Escuti等人的美国专利号8,358,400中所描述。任一者可以被用于在本文中描述的布拉格LCPG的图案化和制作。

在本文中描述的实施例已主要集中于其中给定布拉格LCPG中的光学元件光栅周期全部恒定的布置。然而，将理解的是相同布拉格LCPG的不同区可以具有不同的局部光栅周期，有效地提供A(x,y)，导致潜在地二维1>（x,y）的光轴角。将进一步理解的是在本文中描述的实施例的任何这样的修改被包括在本发明的范围中。

因此，本发明的实施例提供称为布拉格液晶偏振光栅（LCPG）新类别的光学元件，其提出了克服在布拉格方法中实现在PG中的高效率衍射的现有技术问题的结构、方法以及使用，其还包括大的衍射角。某些实施例包括用于使用布拉格LCPG向/从波导进行入耦合/出耦合的膜。本发明的实施例可以用在布拉格PG中的偏振选择性以比常规元件更简单的方式在更低损耗下实现高衍射效率和有限衍射级，并且可以支持更宽的设计参数空间。本发明的实施例可以在各种应用中使用，所述应用包括但不限于偏振测定法和椭圆率测量术（ellipsometry）、生物成像、磁光数据存储、偏振复用/解复用、基于偏振的光调制器、偏振开关以及分光器。

根据本发明的实施例制作的某些布拉格LCPG元件可以具有宽带频谱，使用例如消色差（achromatic）PG和MTR的技术，如在Escuti等人的标题为“LOW-TWIST CHIRAL LIQUID CRYSTAL POLARIZATION GRATINGS AND RELATED FABRICATION METHODS”的美国专利申请号12/596,189和Escuti等人的标题为“MULTI-TWIST RETARDERS FOR BROADBAND POLARIZATION TRANSFORMATION AND RELATED FABRICATION METHODS”的13/646,166中所描述，其公开被通过引用被并入在本文中。

在本文中参考液晶（LC）材料描述了本发明的实施例。液晶可以包括其中有序分子布置存在的液体。典型地，液晶（LC）分子可以是各向异性的，具有细长（棒状）或平坦（盘状）形状。作为各向异性分子的排序的结果，体LC常常在其物理性质方面展现出各向异性，诸如在其机械、电、磁和/或光学性质方面的各向异性。如在本文中所使用的，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。作为棒状或盘状性质的结果，LC分子的取向的分布可以在光学应用中（诸如，在液晶显示器（LCD）中）起重要作用。在这些应用中，LC定向可以由定向表面所控制。可以处理定向表面，以便LC以可控方式相对于该表面对准。可以使用许多光聚合性聚合物作为定向层以创建在本文中描述的偏振光栅。除了是光聚合性的之外，这些材料相对于LC可以是惰性的，如果在LC设备的工作温度范围内（例如，从大约-50°C至大约100°C）提供稳定定向并且与在本文中所描述的制造方法兼容的话。在Escuti等人的PCT公布号WO 2006/092758中讨论了供本发明的某些实施例使用的附加结构和/或方法，其公开通过引用以其整体被并入在本文中。

本领域中的技术人员将理解的是，如在本文中所使用，“透射”或“透明”基板或元件可以允许入射光中的至少一些通过其。换言之，在本文中描述的透射或透明元件不需要是完全透明的，并且可以具有各向同性和/或二色性吸收特性和/或另外可以吸收入射光中的一些。相反地，如在本文中描述的“反射”基板可以反射入射光中的至少一些。在某些实施例中透明基板或间隔物可以是玻璃基板。

而且，“光聚合性液晶”可以指代可以被聚合的相对低分子量液晶材料，并且在本文中还可以被描述为“反应性液晶基元”。相反地，“非反应性液晶”可以指代不可以被聚合的相对低分子量液晶材料。

如在本文中所使用的，“零阶”光在与入射光的方向大体上平行的方向上（即，以大体上相似的入射角）传播，并且在本文中可以被称为“轴上”光。相反地，诸如“一阶”光之类的“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。如本文中所描述的“部分准直”光可以描述大体上相互平行地传播的光线和光束，但是可以具有一定的发散（例如，在光束直径中随着离源的距离的差异）。

将进一步理解的是在某些实施例中光源可以提供椭圆偏振或部分偏振光（例如，诸如来自某激光二极管和LED光源的光）。

还将理解的是，可以在与周围介质（例如，空气）对接的所有表面上施加抗反射涂层。还将理解的是在本文中描述的光学元件在某些情况下可以被层压在一起而在其中间没有气隙，并且在其它情况下可以被布置其中在中间具有气隙。

将理解的是，如在本文中描述的，术语“延迟器”和“波片”可以被互换地使用，并且以下附加术语也将被认为是等价的，除非另外指示：为单轴、二轴或非均匀的任何“延迟片”、“补偿膜”和“双折射片”。如在本文中所描述的延迟器可以是宽带的（即，消色差的）或窄带的（即，彩色的）。

还将理解的是本发明的实施例不限于在本文中描述的特定材料，而是可以使用如在本文中描述那样起作用的任何和所有材料层来实现。

在本文中已结合以上描述和绘图公开了许多不同实施例。将理解的是逐字描述并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模糊的。因此，本说明书（包括绘图）应被解释成组成在本文中描述的本发明的实施例的所有组合和子组合的、以及制造和使用它们的方式和过程的完整书面描述，并且应支持任何这样的组合或子组合的权利要求。

在绘图和说明书中，已公开了本公开的实施例，并且虽然采用特定术语，但它们仅仅以一般的且描述性意义被使用并且不用于限制目的。

Claims (26)

1.一种光学元件，包括：

多个堆叠双折射子层，其被配置成根据布拉格条件而改变光通过其的传播方向，

其中，所述堆叠双折射子层分别地包括局部光轴，其沿着在堆叠双折射子层中的相邻一些之间的相应界面而变化以限定相应光栅周期。

2.权利要求1的光学元件，其中，所述堆叠双折射子层具有小于光的波长的相应厚度。

3.权利要求2的光学元件，其中，相应厚度小于由其局部光轴限定的相应光栅周期，并且其中包括相应厚度的和的合计厚度大于相应光栅周期。

4.权利要求3的光学元件，其中，光的波长包括波长λ，相应光栅周期限定光学元件的周期Λ，合计厚度包括厚度d，并且堆叠双折射子层的平均折射率包括折射率n，使得变量Q对于波长λ而言大于1，其中。

5.权利要求4的光学元件，其中，所述堆叠双折射子层包括具有小于大约0.4的双折射率的材料。

6.权利要求5的光学元件，其中，所述堆叠双折射子层分别地包括具有限定局部光轴的液晶分子取向的液晶子层。

7.权利要求4的光学元件，其中，所述堆叠双折射子层中的一个或多个的局部光轴在其相应厚度上旋转以限定相应扭曲角。

8.权利要求7的光学元件，其中，相应扭曲角和/或相应厚度中的一些在堆叠双折射层之间是不同的。

9.权利要求1的光学元件，其中，所述多个堆叠双折射子层被配置成将光衍射成零阶光束和一阶光束，其具有大体上相同的偏振，该偏振不同于光的入射偏振。

10.权利要求1的光学元件，其中，所述多个堆叠双折射子层被配置成响应于以近似等于布拉格角的入射角接收到光而以大约94%或更大的衍射效率将光衍射成一阶光束。

11.权利要求10的光学元件，其中，响应于以近似等于布拉格角的入射角接收到光，零阶光束和一阶光束的传播角之间的差异大于大约45度。

12.权利要求9的光学元件，其中，零阶和一阶光束的大体上相同的偏振包括相同旋向的至少近似圆偏振。

13.权利要求2的光学元件，还包括：

反射元件，其被定位成接收从堆叠双折射子层输出的零阶光束和/或一阶光束并将该零阶光束和/或一阶光束朝向其反射回去。

14.权利要求13的光学元件，其中，所述反射元件被配置成响应于从堆叠双折射子层接收到零阶光束和/或一阶光束而输出具有多个不同偏振的光。

15.权利要求1的光学元件，其中，所述堆叠双折射子层的相应光栅周期小于光的波长。

16.权利要求15的光学元件，还包括：

透明基板，其被光学耦合到所述多个堆叠双折射子层，

其中，所述多个堆叠双折射子层被配置成以大于用于在透明基板之内的全内反射（TIR）的临界角的角将光衍射成一阶光束。

17.权利要求1的光学元件，其中，所述多个堆叠双折射子层包括具有相应第一光栅周期的第一双折射子层，并且被配置成根据布拉格条件而改变光的第一波长通过其的传播方向，并且还包括：

多个堆叠第二双折射子层，其在所述第一双折射子层上，并且被分别地配置成根据布拉格条件而改变光的第二波长通过其的传播方向，

所述第二双折射子层具有沿着在其之间的相应界面变化以限定相应第二光栅周期的相应局部光轴，

其中，所述第一和第二双折射子层被配置成将光的第一和第二波长分别地衍射成相应一阶光束。

18.权利要求17的光学元件，其中，所述相应一阶光束具有大体上相同的传播方向。

19.权利要求17的光学元件，其中，所述第二光栅周期、所述第二双折射子层的合计厚度和/或所述第二双折射子层的平均折射率不同于第一双折射层的那些。

20.权利要求2的光学元件，其中，光的波长为大约400纳米（nm）至大约1700 nm。

21.权利要求20的光学元件，其中，所述相应光栅周期为大约1000纳米（nm）或更小，并且其中所述相应厚度为大约100 nm至大约300 nm。

22.一种衍射光学元件，包括：

至少一个液晶层，其具有厚度d、平均折射率n，并且包括液晶分子取向，所述液晶分子取向在沿着其表面的方向上变化以限定衍射光学元件的光栅周期Λ使得变量Q对于光的操作波长λ而言大于1，其中。

23.权利要求22的衍射光学元件，其中，所述至少一个液晶层包括多个堆叠聚合向列液晶子层，其中所述堆叠聚合液晶子层的相应厚度小于光的操作波长λ。

24.权利要求23的衍射光学元件，其中，所述堆叠聚合液晶子层的相应厚度小于所述衍射光学元件的光栅周期Λ，并且其中所述堆叠聚合向列液晶子层的相应厚度共同地限定厚度d，其大于衍射光学元件的光栅周期Λ和光的操作波长λ。

25.权利要求23的衍射光学元件，其中，所述堆叠聚合向列液晶子层中的一个或多个的液晶分子取向在其相应厚度上旋转以限定相应扭曲角φ，其中，相应扭曲角φ和/或相应厚度在堆叠聚合向列液晶子层之间是不同的。

26.权利要求22的衍射光学元件，其中，所述衍射光学元件的光栅周期Λ小于光的操作波长λ。