CN112567288A - 可转移薄膜光学器件 - Google Patents

Abstract

提供了一种可转移薄膜光学器件和头戴式显示器。可转移薄膜光学器件包括提供至少一个预定光学功能的薄膜层。薄膜层被配置为可移除地附着到基板，使得用于薄膜层的至少一个预定光学功能的分子图案在移除后被保留。

Description

可转移薄膜光学器件

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年2月12日提交的美国非临时专利申请第16/274,211号的优先权，申请16/274,211要求于2018年8月8日提交的美国临时申请第62/716,129号的利益，上述申请的全部内容通过引用被并入本文。

背景

薄膜器件应用于几乎所有现代科学仪器，且这些器件、尤其是薄膜光学器件在仪器的性能方面起重要的作用，因此它们吸引越来越多的关注。现在存在很多种类的薄膜光学器件，且它们的应用是非常多样化的。薄膜光学器件可以起透射或反射光学元件例如棱镜、透镜、光束折射器、透镜/棱镜阵列、相位延迟器的作用。然而，目前这些类型的光学元件常常直接印刷在基板上，使得从基板移除将对薄膜引起撕裂或应力，这可能干扰薄膜的图案并相应地使光学元件的光学性质降级。此外，目前这些类型的光学元件实质上难以在不使光学元件的光学性质降级的情况下被转移和/或操纵。

本公开的简要概述

本公开的一个方面提供了一种可转移薄膜光学器件。可转移薄膜光学器件包括提供至少一个预定光学功能的薄膜层。薄膜层被配置为可移除地附着到基板，使得用于薄膜层的至少一个预定光学功能的分子图案在移除后被保留。

本公开的另一方面提供了一种头戴式显示器(HMD)。头戴式显示器(HMD)包括光学地耦合到HMD并且在从基板分离之后附着到HMD的表面的薄膜光学器件。薄膜光学器件提供至少一个预定光学功能，并且包括提供至少一个预定光学功能并且被配置为可移除地附着到基板的薄膜层，使得用于薄膜层的至少一个预定光学功能的分子图案在移除后被保留。

根据本公开的描述、权利要求和附图，本公开的其他方面可以由本领域中的技术人员理解。

根据本发明的实施例特别是在针对可转移薄膜光学器件和头戴式显示器(HMD)的所附权利要求中被公开，其中在一个权利要求类别例如可转移薄膜光学器件中提到的任何特征也可以在另一个权利要求类别例如HMD、系统、方法、存储介质和计算机程序产品中被要求保护。在所附权利要求中的从属性或反向引用仅为了形式原因而被选择。然而，也可以要求保护由对任何前面权利要求的有意往回引用(特别是多项引用)而产生的任何主题，使得权利要求及其特征的任何组合被公开并可被要求保护，而不考虑在所附权利要求中选择的从属性。可以被要求保护的主题不仅包括如在所附权利要求中阐述的特征的组合，而且还包括在权利要求中的特征的任何其他组合，其中，在权利要求中提到的每个特征可以与在权利要求中的任何其他特征或其他特征的组合相结合。此外，本文描述或描绘的实施例和特征中的任一个可以在单独的权利要求中和/或以与本文描述或描绘的任何实施例或特征的任何组合或以与所附权利要求的任何特征的任何组合被要求保护。

在一个实施例中，可转移薄膜光学器件可以包括：

提供至少一个预定光学功能的薄膜层，

其中薄膜层被配置成可移除地附着到基板，使得用于薄膜层的至少一个预定光学功能的分子图案在移除后被保留。

薄膜层可以使用剥离方法从基板可分离。

薄膜层可以使用热释放带从基板可分离。

薄膜层可以使用非剥离方法从基板可分离。

薄膜层可以通过可溶性元件可移除地附着到基板。

当薄膜层可移除地附着到基板时，阻挡层可以布置在基板和薄膜层之间，并且阻挡层可以是可溶性合成聚合物层。

薄膜层的至少一个预定光学功能可以由在薄膜层中的液晶分子的光轴取向确定。

薄膜层中的液晶分子的光轴取向可以由对齐的光配向(photo-alignment)材料确定。

薄膜层可以是液晶聚合物层。

薄膜层可以是用感生双折射光交联的体光配向材料层(bulk photo-alignmentmaterial layer)。

可转移薄膜光学器件可以是Pancharatnam Berry相位(PBP)元件。

可转移薄膜光学器件可以是透射或反射棱镜、透镜、光束偏转器、透镜阵列、棱镜阵列和相位延迟器中的一个或更多个。

薄膜层可以包括向列液晶、扭曲-弯曲液晶和手性向列液晶之一。

在一个实施例中，可转移薄膜光学器件可以包括：

多个电极，其被配置为向薄膜层提供驱动电压，其中多个电极中的电极包括柔性透明导电层。

在一个实施例中，可转移薄膜光学器件可以包括：

粘合剂层，

其中薄膜层具有面向基板的第一表面和远离基板的相反的第二表面，以及

粘合剂层布置在薄膜层的第二表面上。

粘合剂层可以是紫外线(UV)可固化的各向同性粘合剂层。

粘合剂层的折射率可以是可调的，使得粘合剂层被配置为折射率匹配层或折射率不匹配层。

在一个实施例中，头戴式显示器(HMD)可以包括：

特别是根据本文提到的实施例的薄膜光学器件，其光学地耦合到HMD并且在从基板分离之后附着到HMD的表面，薄膜光学器件提供至少一个预定光学功能并且包括：

薄膜层，其提供至少一个预定光学功能并被配置为可移除地附着到基板，使得用于薄膜层的至少一个预定光学功能的分子图案在移除后被保留。

薄膜层的至少一个预定光学功能可以由在薄膜层中的液晶分子的光轴取向确定。

薄膜层中的液晶分子的光轴取向可以由所排列的光配向材料确定。

在一个实施例中，一个或更多个计算机可读非暂时性存储介质体现软件，该软件可操作来在被执行时在根据本发明的或在上面提到的实施例中的任一个内的系统中执行。

在一个实施例中，计算机实现的方法使用根据本发明的或在上面提到的实施例中的任一个内的系统。

在一个实施例中，优选地包括计算机可读非暂时性存储介质的计算机程序产品在根据本发明的或在上面提到的实施例中的任一个内的系统中被使用。

附图简述

图1示出了与所公开的实施例一致的可转移薄膜光学器件的例子；

图2A-2B示出了与所公开的实施例一致的可转移薄膜光学器件的应用例子；

图3A-3B示出了与所公开的实施例一致的可转移薄膜光学器件的其他例子；

图4A示出了与所公开的实施例一致的透射可转移和柔性薄膜液晶(LC)光学器件的例子；

图4B示出了与所公开的实施例一致的当图4A中的薄膜LC光学器件是LC相位延迟器时的LC取向的例子；

图4C示出了与所公开的实施例一致的当图4A中的薄膜LC光学器件是Pancharatnam Berry相位(PBP)LC透镜时的LC取向的例子；

图4D示出了与所公开的实施例一致的图4C中的PBP LC透镜中的LC取向的一部分；

图4E示出了与所公开的实施例一致的当图4A中的薄膜LC光学器件是PBP LC光栅时的LC取向的例子；

图4F示出了与所公开的实施例一致的图4E中的PBP LC光栅中的LC取向的一部分；

图4G示出了与所公开的实施例一致的当图4E中的PBP LC光栅具有双扭曲结构时的LC取向的例子；

图5A示出了与所公开的实施例一致的反射可转移和柔性薄膜LC光学器件的例子；

图5B示出了与所公开的实施例一致的当图5A中的薄膜LC光学器件是反射PBP LC光栅时的LC取向的例子；

图6A示出了与所公开的实施例一致的头戴式显示器的实施例的图；以及

图6B示出了与所公开的实施例一致的图6A中的头戴式显示器的前刚性主体的横截面。

详细描述

现在将详细参考本公开的示例性实施例，实施例在附图中被示出。在下文中，将参考附图描述与本公开一致的实施例。在附图中，为了清楚起见，形状和尺寸可能被放大、变形或简化。只要有可能，相同的参考数字就在全部附图中用于指相同或相似的部分，并且其详细描述可以被省略。

此外，在本公开中，所公开的实施例和所公开的实施例的特征可以在没有冲突的条件下组合。显然，所描述的实施例是本公开的实施例中的一些但不是全部。基于所公开的实施例，本领域中的普通技术人员可以得出与本公开一致的其他实施例，所有实施例都在本公开的范围内。

图1示出了与所公开的实施例一致的可转移薄膜光学器件100的例子。如图1所示，可转移薄膜光学器件100可以包括提供至少一个预定光学功能的薄膜层110。在一些实施例中，薄膜层110可以在结构上被配置或制造成具有用于可转移薄膜光学器件100的预定光学功能的分子图案。可转移薄膜光学器件100可以可移除地附着到第一基板210，使得用于薄膜层的预定光学功能的分子图案在移除后被保留。在一些实施例中，薄膜层110可以具有可以通过分离过程来保留的液晶(LC)配向，即，用于薄膜层110的至少一个预定光学功能的分子图案可以在移除后被保留。

可转移薄膜光学器件100可以起透射或反射光学元件例如棱镜、透镜、光束折射器、透镜/棱镜阵列和相位延迟器等的作用。目前，这些类型的光学元件可以直接印刷在基板上，然而，从基板移除将对薄膜层引起撕裂或应力，这可能干扰分子图案并且相应地使光学元件的光学功能降级。

此外，可转移薄膜光学器件100可以是柔性薄膜光学器件。也就是说，可转移薄膜光学器件100可以是弯曲的、弧形的或卷起的等，即，实现可转移和柔性薄膜光学器件，其可在刚性光学元件不可以安装在例如弯曲表面或柔性结构上的场合被应用。

在一些实施例中，在与第一基板分离之后，可转移薄膜光学器件可以转移到第二基板而不影响预定光学功能。图2A-2B示出了与所公开的实施例一致的可转移薄膜光学器件100的应用例子。如图2A所示，可转移薄膜光学器件100可以最初布置在第一基板210上，且然后从第一基板210移除并重新附着在第二基板220上。特别是，因为可转移薄膜光学器件100是柔性的，所以可转移薄膜光学器件100被附着于的第二基板220的表面可以是平坦的、弯曲的或以任何合适的形状。此外，可转移薄膜光学器件100可以附着到任何合适的表面，或者多个可转移薄膜光学器件100可以堆叠在一起以形成光学系列。

在一些实施例中，第一基板210可用于制造可转移薄膜光学器件100，存储可转移薄膜光学器件100，运输可转移薄膜光学器件100，或者光学地耦合到可转移薄膜光学器件100以使用由可转移薄膜光学器件100提供的光学功能，等等。类似地，第二基板220也可以用于制造可转移薄膜光学器件100，存储可转移薄膜光学器件100，运输可转移薄膜光学器件100，或者光学地耦合到可转移薄膜光学器件100以使用由可转移薄膜光学器件100提供的光学功能，等等。

也就是说，可转移薄膜光学器件100可以可移除地附着到第一基板210，且然后转移到第二基板220而不影响可转移薄膜光学器件100的光学特性(即，预定光学功能)。在一些实施例中，可转移薄膜光学器件100还可以转移到第三基板，等等，并且第三基板可以被配置为光学地耦合到可转移薄膜光学器件100以使用由可转移薄膜光学器件100提供的光学功能。

此外，转移过程可以在各种应用情形中出现。例如，第一基板210可用于制造可转移薄膜光学器件100，且然后可转移薄膜光学器件100可从第一基板210移除并附着到第二基板220用于存储和/或运输，或者可附着到第二基板220用于提供光学功能。第一基板210也可用于存储或运输可转移薄膜光学器件100，且然后可转移薄膜光学器件100可从第一基板210移除并附着到第二基板220用于提供光学功能。此外，可转移薄膜光学器件100可附着到第一基板210并提供光学功能，然后可转移薄膜光学器件100可从第一基板210移除并附着到第二基板220用于提供光学功能。也可以包括其他情形。

各种方法可以用于将可转移薄膜光学器件100从基板分离。在一些实施例中，可以使用剥离方法，例如热释放方法。例如，如图2A所示，使用热释放带，可转移薄膜光学器件100可以从第一基板210被剥掉，且然后转移到第二基板220。

在一些实施例中，非剥离方法可以用于将可转移薄膜光学器件100从基板分离。例如，薄膜层可以通过可溶性元件可移除地附着到基板，并且可转移薄膜光学器件100可以通过溶解可溶性元件而与第一基板210分离。在一个实施例中，如图2B所示，阻挡层230可以布置在第一基板210和可转移薄膜光学器件100之间。阻挡层230的厚度可以为约0.1-10μm。通过移除阻挡层230，可转移薄膜光学器件100可以从第一基板210分离，然后转移到第二基板220。

在一些实施例中，阻挡层230可以是由例如光配向材料(PMA)、聚乙烯醇(PVA)制成的可溶性合成聚合物层。通过溶解阻挡层230，可转移薄膜光学器件100可以从第一基板210分离，然后转移到第二基板220。其他方法也可以用于将可转移薄膜光学器件100从基板分离，这些方法不被本公开限制。

此外，可转移薄膜液晶光学器件110可以包括用于各种实现的其他结构配置。图3A-3B示出了与所公开的实施例一致的可转移薄膜光学器件的其他例子。

如图3A所示，薄膜层110具有面向基板210的第一表面和远离基板210的相反的第二表面。可转移薄膜光学器件100还可以包括布置在薄膜层110的第二表面上的粘合剂层120。粘合剂层120可以被配置成提供柔性特征和额外保护。由于由粘合剂层120提供的额外保护，可转移薄膜液晶光学器件110可以例如为了各种用途而被操纵、运输等而不用担心损坏薄膜层110。

在一些实施例中，为了不同的光学设计目的，粘合剂层120的折射率可以被调整为折射率匹配层或折射率不匹配层。在一些实施例中，粘合剂层120可以是紫外线(UV)可固化的各向同性粘合剂层。在一些实施例中，薄膜层110的厚度可为约0.5～l0μm，且粘合剂层120的厚度可为约1～60μm。

此外，组合的粘合剂层120和薄膜层110可以作为单个实体被转移。也就是说，粘合剂层120和薄膜层110可以使用剥离或非剥离方法一起从基板210分离。

在一些实施例中，可转移薄膜光学器件100可以是无源器件，即不可切换的(non-switchable)。在一些实施例中，可转移薄膜光学器件100可以是有源器件，即可切换的(switchable)，并且在这种情况下，如图3B所示，可转移薄膜光学器件100还可以包括电极130，其夹住薄膜层110以向薄膜层110提供驱动电压。电极130可以包括布置在塑料膜(例如PET)上的柔性透明导电层(例如氧化铟锡(ITO))。

此外，组合的电极130和薄膜层110可以作为单个实体被转移。也就是说，电极130和薄膜层110可以使用剥离或非剥离方法一起从基板210剥离。如图3B所示，透明导电层130在可转移薄膜光学器件100从第一基板210移除之前形成，然而在一些实施例中，透明导电层130可以在可转移薄膜液晶光学器件100从第一基板210移除之后形成。

返回到图1，可转移薄膜光学器件100可以是可转移薄膜液晶(LC)光学器件。薄膜层110可具有可通过分离过程来保留的LC配向，即，用于薄膜层110的至少一个预定光学功能的LC分子图案可在移除后被保留。在下面的描述中，为简略起见，可转移薄膜LC光学器件被称为薄膜LC光学器件。

在一些实施例中，薄膜LC光学器件100中的薄膜层110可以是包括混合的LC材料和光交联聚合物的液晶聚合物(LCP)层。在一些实施例中，薄膜层110可以是体光配向材料(PAM)层，其利用偏振光被对齐并且利用感生双折射被光交联。体PAM层可以由提供光-配向和双折射两者的多功能聚合物形成。特别是，多功能聚合物可以包括引入不同功能的不同类型的侧基，例如，光致变色基团在线性偏振辐射时导致各向异性的产生，且介晶基团有助于在聚合物中的液晶性质的建立，等等。在一些实施例中，光致变色基团可以包括偶氮苯基团、肉桂酸酯基团等。

LCP层或体PAM层可以在结构上被配置或制造成具有LC分子(即介晶分子)的某种图案，从而提供薄膜LC光学器件100的光学功能。根据LC分子的结构化图案，薄膜LC光学器件100可以起透射或反射光学元件例如棱镜、透镜、光束折射器、透镜/棱镜阵列、相位延迟器等的作用，这对自适应的、易高效的、重量轻的和定制的光学元件开辟了可能性。

薄膜LC光学器件100可以是有源的或无源的。如上面在图3B中所讨论的，为了实现有源可转移薄膜光学器件，电极130可以夹住薄膜层110以向薄膜层110提供驱动电压。特别地，在有源薄膜LC光学器件100中，电极130可以夹住LCP层和PAM层两者或者夹住体PAM层。在无源薄膜LC光学器件100中，粘合剂层和基板可以夹住LCP层和PAM层两者或者夹住体PAM层，然而在一些实施例中，粘合剂层可以被省略。

在一些实施例中，在有源薄膜LC光学器件100中的LC材料(即介晶材料)可以包括向列LC、扭曲-弯曲LC或手性向列LC(或具有手性掺杂剂的LC)等，而在无源薄膜LC光学器件100中的LC材料可以包括向列LC或手性向列LC(或具有手性掺杂剂的LC)等。LC材料可以具有正的或负的介电各向异性。

此外，薄膜LC光学器件100可以具有扭曲或非扭曲结构。手性向列LC(或具有手性掺杂剂的LC)可以使薄膜LC光学器件100具有扭曲结构。例如，除了在薄膜LC光学器件中的光传播方向以外，双扭曲或多扭曲结构层还可以在薄膜LC光学器件100中提供针对效率的消色差性能。除了在薄膜LC光学器件中的光传播方向以外，非扭曲结构还可以比扭曲结构制造起来更简单，然而非扭曲结构可以仅针对单色光被优化。

在一些实施例中，薄膜LC光学器件100的光学功能(即LC分子的结构化图案)可以基于在LCP层/体PAM层中的LC分子的光轴的操纵。这样的薄膜LC光学器件通常被称为Pancharatnam Berry相位(PBP)元件、几何相位(GP)元件、摆线衍射波片(CDW)、偏振元件、偏振体元件或偏振体全息图(PVH)元件。

在一些实施例中，在LCP层中的LC分子的光轴的操纵可以通过将在LCP层中的LC分子在图案化或均匀对齐的PAM层上对齐来实现。在一些实施例中，在体PAM层中的LC分子的光轴的操纵可以通过在图案化或均匀对齐的体PAM层中对齐LC分子来实现。

根据在LCP层/体PAM层中的LC分子的光轴的所形成的图案(即LC取向)，薄膜LC光学器件100可以起透射或反射光学元件例如棱镜、透镜、光束折射器、透镜/棱镜阵列、相位延迟器的作用。下面讨论薄膜LC光学器件的各种设计。应注意，这些设计仅仅是说明性的，且可以使用本文描述的原理来产生薄膜LC光学器件的其他设计。

图4A是与所公开的实施例一致的透射可转移和柔性薄膜LC光学器件400的例子。根据在LCP层/体PAM层中的LC分子的光轴的所形成的图案(即LC取向)，薄膜LC光学器件400可以起透射光学元件例如棱镜、透镜、光束折射器、透镜/棱镜阵列、相位延迟器等的作用。

图4B示出了与所公开的实施例一致的当图4A中的薄膜LC光学器件是LC相位延迟器410时的LC取向的例子。如图4B所示，LC分子的光轴可以具有跨越整个LC相位延迟器410的均匀取向，这可以通过将在LCP层中的LC分子在均匀对齐的PAM层上对齐或者将LC分子在均匀对齐的体PAM层中对齐来实现。在没有施加电压的情况下，由于均匀对齐的PAM层/均匀对齐的体PAM层，所有LC分子可以被对齐。当LC相位延迟器410是有源元件时，LC相位延迟器410可以允许透射光的相位的有源控制。LC相位延迟器常常被使用来代替常规波片，因为LC相位延迟器可以被精确地调谐以在宽光谱范围上使透射光延迟多达波长的一半。

为了仅仅改变透射光的相位，线偏振入射光可以被配置为使它的偏振轴与LC相位延迟器410的光轴对齐。当施加的电压逐渐增加时，在透射光中的相位偏移可以减小。

此外，LC相位延迟器410也可以有效地用作偏振管理部件。例如，当LC相位延迟器410是半波片时，具有第一偏振方向的线偏振入射光可以被转换成具有垂直于第一偏振方向的第二偏振方向的线偏振输出光；当LC相位延迟器410是半波片时，圆偏振入射光可以被转换成具有相反旋向性的圆偏振输出光；当LC相位延迟器410是四分之一波片时，线偏振入射光可以被转换成圆偏振输出光。当使用LC相位延迟器410来控制入射光的偏振时，线偏振入射光的偏振轴可以相对于LC相位延迟器410的光轴成45°角取向。

图4C示出了当图4A中的薄膜LC光学器件是PBP LC透镜420时的LC取向的例子。如图4C所示，PBP LC透镜420可以经由LC分子的平面内取向(方位角θ)来产生相应的透镜剖面，其中相位差T＝2θ。LC分子的方位角可以从PBP LC透镜420的中心424到边缘422以变化的节距Λ连续地变化。节距以LC分子的方位角从初始状态旋转180°的方式被定义。相比之下，常规LC透镜经由液晶的双折射(Δn)和层厚度(d)以及菲涅耳区的数量(#)来产生透镜剖面(如果它是菲涅耳透镜设计)，其中相位差T＝dΔn*#*2π/λ。因此，PBP LC透镜420可以具有大孔径尺寸，并且可以用非常薄的LC层被制成，这允许以快切换速度使透镜通电/断电。

图4D是沿图4C的PBP LC透镜420的y轴截取的LC取向430的截面。如图4D所示，从液晶取向430，节距变化的速率可以是距透镜中心424的距离的函数。节距变化的速率可以随着距透镜中心424的距离而增加。例如，在透镜中心424处的节距(Λ₀)最慢，以及在边缘422处的节距(Λ_r)最快，即Λ₀>Λ₁>...>Λ_r。在x-y平面中，为了制造具有透镜半径(r)和透镜光焦度(+/-f)的PBP LC透镜，方位角θ可以满足θ＝r²/2f*(π/λ)，其中λ是入射光的波长。

此外，PBP元件可以是有源的或无源的。例如，有源PBP元件具有三种光学状态：加性状态、中性状态和减性状态。有源PBP元件的状态由入射在有源PBP元件上的光的偏振的旋向性和施加的电压确定。在一些实施例中，有源PBP元件可以响应于具有左旋圆偏振的入射光和零施加电压(或更一般地低于某个最小值)而在减性状态中操作，响应于具有右旋圆偏振的入射光和零施加电压(或更一般地低于某个最小值)而在加性状态中操作，以及响应于大于阈值电压的施加电压而在中性状态中操作(不考虑偏振)，该阈值电压使LC连同电场一起与正介电各向异性对齐。

相比之下，无源PBP元件具有两种光学状态：加性状态和减性状态。无源PBP元件的状态由入射在无源PBP元件上的光的偏振的旋向性确定。在一些实施例中，无源PBP元件可以响应于具有左旋偏振的入射光而在减性状态中操作，并且响应于具有右旋偏振的入射光而在加性状态中操作。

对于图4C所示的PBP LC透镜420，有源PBP LC透镜是具有三个离散焦点状态(也被称为光学状态)的光学元件。这三种光学状态是加性状态、中性状态和减性状态。加性状态向系统增加光焦度(即具有正焦距“f”)，中性状态不影响系统的光焦度(且不影响穿过PBPLC透镜的光的偏振)，以及减性状态从系统减去光焦度(即具有负焦距“-f”)。有源PBP LC透镜的状态由入射在有源PBP LC透镜上的光的偏振的旋向性和施加电压确定。相比之下，无源PBP LC透镜具有两种光学状态：向系统增加光焦度的加性状态(即具有正焦距“f”)和从系统减去光焦度的减性状态(即具有负焦距“-f”)。

图4E示出了当图4A中的薄膜LC光学器件是PBP LC光栅440时的LC取向的例子，并且图4F示出了沿着在图4E中的PBP LC光栅440中的y轴截取的LC取向450的截面。如图4E-4F所示，在PBP LC光栅/偏转器440中，LC分子的方位角可以以线性重复的图案从PBP LC光栅440的中心444到边缘442以均匀的节距Λ改变。PBP LC光栅440的节距Λ可以是沿着y轴在图案的重复部分之间的距离的一半。节距Λ可以部分地确定PBP LC光栅440的光学性质。例如，沿着PBP LC光栅440的光轴(即z轴)入射的圆偏振光可以具有包括分别对应于衍射级m＝+1、-1和0的初级光、共轭光和泄漏光的光栅输出。节距Λ可以确定在不同衍射级中的光的衍射角(例如光束转向角)。通常，对于给定波长的光，节距Λ越小，衍射角越大。

对于图4E所示的PBP LC光栅440，有源PBP LC光栅具有类似于有源PBP LC透镜的光学状态的三种光学状态：加性状态、中性状态和减性状态。在加性状态中，有源PBP LC光栅将特定波长的光衍射到相对于减性状态的衍射角为正的角。在减性状态中，有源PBP LC光栅将特定波长的光衍射到相对于加性状态的正角为负的角。在中性状态中，PBP LC光栅不导致光衍射，且不影响穿过有源PBP LC光栅的光的偏振。相比之下，无源PBP LC光栅具有两种光学状态：加性状态和减性状态。

图4G示出了当图4E中的PBP LC光栅440具有双扭曲结构时的LC取向460的例子。如图4G所示，LC分子沿着y轴的指向矢可以与非扭曲PBP LC光栅相同，而沿着z轴，LC分子的指向矢可以从底部到横越LCP层的半途扭曲到某个程度，然后通过顶部扭曲回来。也就是说，垂直节距Λz可以是薄膜层的厚度的一半。

除了图4A-4G所示的透射薄膜LC光学器件之外，反射薄膜LC光学器件也可以被实现。图5A示出了与所公开的实施例一致的反射可转移和柔性薄膜LC光学器件500的例子，并且图5B示出了与所公开的实施例一致的当图5A中的薄膜LC光学器件是反射PBP LC光栅时的LC取向510的例子。

反射PBP LC光栅由于其物理性质也被称为反射偏振体光栅(RPVG)。如图5B所示，RPVG 500可以比图4G所示的双扭曲透射PBP LC光栅合并沿z方向的更高程度的扭曲(即，小得多的垂直节距Λz)。尽管RPVG 500的器件结构与图4G所示的双扭曲透射PBP LC光栅的器件结构有些相似，但是偏转机制完全不同。不是调制输入光的相位，RPVG 500通过布拉格反射(或倾斜的多层反射)来使光偏转。特别是，这个差异在更仔细地观察作为膜厚度(即，在z方向上的薄膜层的厚度)的函数的效率时表现出来。对于图4G所示的双扭曲透射PBP LC光栅，当膜厚度增加到超过第一最佳厚度时，效率下降。然而，对于图5A所示的RPVG 500，效率随着厚度单调地增加，且然后逐渐饱和。

所公开的可转移薄膜光学器件可以在各种各样的领域例如成像、光通信、显示器和生物医学应用等中具有广泛的应用，这可以显著减小包括一个或更多个可转移薄膜光学器件的系统的重量并增强其外观。例如，目前在AR/VR/MR HMD中使用的各种光学部件常常是昂贵的、刚性的、且对尺寸减小是困难的等。为了满足复杂的显示功能同时保持小形状因子、紧凑性和轻重量，在AR/VR/MR HMD中的光学部件被高度期望是自适应的、易高效的和重量轻的。

在附着到任何表面例如透镜、波导、其他光学元件等之后，所公开的可转移薄膜光学器件可用于构建可在AR/VR/MR HMD中使用的光学部件，例如眼睛跟踪部件、多焦距或可变焦距的调节部件、显示分辨率增强部件、光瞳转向元件和作为偏振管理部件的宽带波片(例如四分之一波片或半波片)等，其可以显著减小AR/VR/MR HMD的重量并增强外观，因而对未来的AR/VR/MR HMD开辟了可能性。

图6A示出了与所公开的实施例一致的头戴式显示器600的实施例的图，以及图6B示出了与所公开的实施例一致的图6A中的头戴式显示器的前刚性主体的横截面650。头戴式显示器600可以包括一个或更多个所公开的可转移和柔性薄膜光学器件。

如图6A所示，HMD 600可以包括前刚性主体605和带610。前刚性主体605可以包括电子显示器(未示出)的一个或更多个电子显示元件、惯性测量单元(IMU)615、一个或更多个位置传感器620和定位器625。在图6A所示的实施例中，位置传感器620可以位于IMU 615内，并且IMU615和位置传感器620可以都对用户是不可见的。IMU 615、位置传感器620和定位器625。HMD 600可以充当VR或AR或MR器件，当HMD 600充当AR或MR器件时，HMD 600的部分及其内部部件可以是至少部分地透明的。

如图6B所示，前刚性主体605可以包括一起向出射光瞳670提供图像光的电子显示器655和变焦块660。出射光瞳670可以是用户的眼睛665所位于的前刚性主体605的位置。为了说明的目的，图6B示出了与单只眼睛665相关联的横截面650，但与变焦块660分离的另一个变焦块向用户的另一只眼睛提供改变的图像光。另外，HMD 600可以包括眼睛跟踪系统(未示出)。眼睛跟踪系统可以包括例如照亮用户的一只或两只眼睛的一个或更多个光源以及捕获用户的一只或两只眼睛的图像的一个或更多个摄像机。

电子显示器655可以向用户显示图像。在一些实施例中，对于用户的每只眼睛665，电子显示器655可以包括波导显示器或堆叠式波导显示器。例如，堆叠式波导显示器可以是通过堆叠具有不同颜色的相应单色源的波导显示器而创建的多色显示器(例如，红绿蓝(RGB)显示器)。波导显示器可以包括产生图像光的源组件和向用户的眼睛665输出扩展图像光的输出波导。输出波导可以包括用于将来自源组件的光耦合到输出波导中的一个或更多个耦合元件、用于将来自输出波导的光与用户的眼睛665去耦的去耦元件以及用于将来自耦合元件的光引导到去耦元件的引导元件。

在现有HMD中，耦合元件、引导元件和去耦元件每个可以是例如衍射光栅、全息光栅、一个或更多个级联反射器、一个或更多个棱柱表面元件和/或全息反射器的阵列。然而，在所公开的实施例中，耦合元件、引导元件和去耦元件可以由具有相应的结构化LC图案的所公开的薄膜LC光学器件例如图4E-4G和图5A-5B所示的PBP LC光栅实现。

与在现有HMD中使用的各种光栅例如表面浮雕光栅(SRG)和全息光栅(HG)相比，PBP LC光栅可以在大视场和较宽的光谱宽度上具有高效率，且因此可为用于VR、AR或MR应用的波导耦合HMD提供大优势。此外，具有双扭曲结构的PBP LC光栅可以提供横越所有可见波长的消色差效率。此外，因为在图5A-5B中所示的RPVG仅对一个圆偏振光允许偏转而另一偏振将透射通过，所以当RPVG用作将所显示的图像和真实世界集成在AR HMD中的组合器时，真实世界光的总透射率可以增加。

此外，变焦块660可以调整从电子显示器655发射的光的距离，使得它出现在离用户的特定焦距处。变焦块660可以包括在光学系列中的一个或更多个变焦结构。变焦结构是被配置为根据来自变焦系统的指令来动态地调整它的焦距的光学器件。变焦结构可以包括具有固定光焦度的常规透镜和/或具有可调光焦度的可变透镜，这可以由具有相应的结构化LC图案的所公开的薄膜LC光学器件例如图4C所示的PBP LC透镜实现。

用于VR、AR或MR应用的HMD的设计规范通常需要大范围的光焦度来适应人眼辐辏调节(例如，约±2屈光度或更大)、快速切换速度(例如，约300ms)和良好的图像质量。注意，常规LC透镜可能不太适合于这些应用，因为常规LC透镜通常需要LC材料具有相对高的折射率或相对厚(这减小了切换速度)。相比之下，PBP LC透镜能够使用具有相对低的折射率的LC材料满足设计规范，且此外，PBP LC透镜是薄的(例如，单个液晶层可以是约2μm)并且具有高切换速度(例如300ms)。

变焦结构还可以包括控制入射到PBP LC透镜上的圆偏振光的旋向性的一个或更多个偏振管理部件，并且偏振管理部件也可以由具有相应的结构化LC图案的所公开的薄膜LC光学器件例如图4B所示的LC相位延迟器实现。

另外，在一些实施例中，变焦块660可以放大接收到的光，校正与图像光相关联的光学误差，并将校正后的图像光呈现给HMD 600的用户。变焦块660可以另外包括在光学系列中的一个或更多个光学元件，例如光圈、菲涅耳透镜、凸透镜、凹透镜、滤波器或影响模糊图像光的任何其他合适的光学元件，其也可以由具有相应的结构化LC图案的所公开的薄膜LC光学器件实现。

在HMD中的薄膜LC光学器件的上面提到的应用仅仅是为了说明的目的。此外，所公开的薄膜LC光学器件还可以用于实现眼睛跟踪部件、显示分辨率增强部件和光瞳转向元件等，这不被本公开限制。薄膜LC光学器件是自适应的、易高效的、重量轻的和定制的光学元件，且因此通过在HMD中使用薄膜LC光学器件作为多功能光学部件，HMD的重量可以显著减小，同时外观可以增强，因此对未来的AR/VR/HMD开辟了可能性。

为了说明的目的，提出了本公开的实施例的前述描述。它并没有被规定为无遗漏的或将本公开限制到所公开的精确形式。相关领域中的技术人员可以认识到，按照上面的公开，许多修改和变化是可能的。

本描述的一些部分从对信息的操作的算法和符号表示方面描述了本公开的实施例。数据处理领域的技术人员通常使用这些算法描述和表示来向本领域的其他技术人员有效地传达他们工作的实质。这些操作虽然在功能上、计算上或逻辑上进行了描述，但应理解为将由计算机程序或等效电路、微代码等来实现。此外，将操作的这些布置称为模块有时候也被证明是方便的而不失一般性。所描述的操作和它们的相关模块可以体现在软件、固件、硬件或其任何组合中。

可以利用一个或更多个硬件或软件模块单独地或与其他设备组合地来执行或实现本文描述的任何步骤、操作或过程。在一个实施例中，利用包括包含计算机程序代码的计算机可读介质的计算机程序产品来实现软件模块，该计算机程序代码可以由计算机处理器执行，用于执行所描述的任何或全部步骤、操作或过程。

本公开的实施例也可以涉及用于执行本文的操作的装置。该装置可以被特别构造成用于所需的目的，和/或它可以包括由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算设备。这样的计算机程序可以存储在非暂时性的、有形的计算机可读存储介质或者适合于存储电子指令的任何类型的介质中，这些介质可以耦合到计算机系统总线。此外，在说明书中提到的任何计算系统可以包括单个处理器，或者可以是为了增加的计算能力而采用多处理器设计的架构。

本公开的实施例也可以涉及由本文所述的计算过程产生的产品。这样的产品可以包括由计算过程产生的信息，其中信息被存储在非暂时性的、有形的计算机可读存储介质上且可以包括计算机程序产品或本文所述的其他数据组合的任何实施例。

最后，在说明书中使用的语言主要为了可读性和指导目的而被选择，并且它可以不被选择来描绘或限制创造性主题。因此，意图是本公开的范围不由该详细描述限制，而是由在基于其的申请上发布的任何权利要求限制。因此，实施例的公开旨在对本公开的范围是说明性的，而不是限制性的，在所附权利要求中阐述了本公开的范围。

Claims (35)

1.一种可转移薄膜光学器件，包括：

薄膜层，其提供至少一个预定光学功能，

其中，所述薄膜层被配置为可移除地附着到基板，使得用于所述薄膜层的至少一个预定光学功能的分子图案在移除后被保留。

2.根据权利要求1所述的可转移薄膜光学器件，其中：

所述薄膜层使用剥离方法从所述基板可分离。

3.根据权利要求2所述的可转移薄膜光学器件，其中：

所述薄膜层使用热释放带从所述基板可分离。

4.根据权利要求1所述的可转移薄膜光学器件，其中：

所述薄膜层使用非剥离方法从所述基板可分离。

5.根据权利要求1所述的可转移薄膜光学器件，其中：

所述薄膜层通过可溶性元件可移除地附着到所述基板。

6.根据权利要求5所述的可转移薄膜光学器件，其中：

当所述薄膜层可移除地附着到所述基板时，阻挡层布置在所述基板和所述薄膜层之间，并且所述阻挡层是可溶性合成聚合物层。

7.根据权利要求1所述的可转移薄膜光学器件，其中：

所述薄膜层的所述至少一个预定光学功能由在所述薄膜层中的液晶分子的光轴取向确定。

8.根据权利要求7所述的可转移薄膜光学器件，其中：

所述薄膜层中的所述液晶分子的所述光轴取向由对齐的光配向材料确定。

9.根据权利要求7所述的可转移薄膜光学器件，其中：

所述薄膜层是液晶聚合物层。

10.根据权利要求7所述的可转移薄膜光学器件，其中：

所述薄膜层是用感生双折射光交联的体光配向材料层。

11.根据权利要求1所述的可转移薄膜光学器件，其中：

所述可转移薄膜光学器件是Pancharatnam Berry相位(PBP)元件。

12.根据权利要求1所述的可转移薄膜光学器件，其中：

所述可转移薄膜光学器件是透射或反射棱镜、透镜、光束偏转器、透镜阵列、棱镜阵列和相位延迟器中的一个或更多个。

13.根据权利要求1所述的可转移薄膜光学器件，其中：

所述薄膜层包括向列液晶、扭曲-弯曲液晶和手性向列液晶之一。

14.根据权利要求1所述的可转移薄膜光学器件，还包括：

多个电极，其被配置为向所述薄膜层提供驱动电压，其中，所述多个电极中的电极包括柔性透明导电层。

15.根据权利要求1所述的可转移薄膜光学器件，还包括：

粘合剂层，

其中，所述薄膜层具有面向所述基板的第一表面和远离所述基板的相反的第二表面，以及

所述粘合剂层布置在所述薄膜层的所述第二表面上。

16.根据权利要求15所述的可转移薄膜光学器件，其中：

所述粘合剂层是紫外线(UV)可固化的各向同性粘合剂层。

17.根据权利要求15所述的可转移薄膜光学器件，其中：

所述粘合剂层的折射率是可调的，使得所述粘合剂层被配置为折射率匹配层或折射率不匹配层。

18.一种头戴式显示器(HMD)，包括：

薄膜光学器件，其光学地耦合到所述HMD并且在从基板分离之后附着到所述HMD的表面，所述薄膜光学器件提供至少一个预定光学功能并且包括：

薄膜层，其提供所述至少一个预定光学功能并被配置为可移除地附着到所述基板，使得用于所述薄膜层的所述至少一个预定光学功能的分子图案在移除后被保留。

19.根据权利要求18所述的HMD，其中：

所述薄膜层的所述至少一个预定光学功能由在所述薄膜层中的液晶分子的光轴取向确定。

20.根据权利要求18所述的HMD，其中：

所述薄膜层中的所述液晶分子的所述光轴取向由对齐的光配向材料确定。

21.一种可转移薄膜光学器件，包括：

薄膜层，其提供至少一个预定光学功能，

其中，所述薄膜层被配置为可移除地附着到基板，使得用于所述薄膜层的所述至少一个预定光学功能的分子图案在移除后被保留。

22.根据权利要求21所述的可转移薄膜光学器件，其中：

所述薄膜层使用剥离方法从所述基板可分离；

可选地，其中：

所述薄膜层使用热释放带从所述基板可分离。

23.根据权利要求21或22所述的可转移薄膜光学器件，其中：

所述薄膜层使用非剥离方法从所述基板可分离。

24.根据权利要求21到23中的任一项所述的可转移薄膜光学器件，其中：

所述薄膜层通过可溶性元件可移除地附着到所述基板；

可选地，其中：

当所述薄膜层可移除地附着到所述基板时，阻挡层布置在所述基板和所述薄膜层之间，并且所述阻挡层是可溶性合成聚合物层。

25.根据权利要求21到24中的任一项所述的可转移薄膜光学器件，其中：

所述薄膜层的所述至少一个预定光学功能由在所述薄膜层中的液晶分子的光轴取向确定。

26.根据权利要求25所述的可转移薄膜光学器件，其中：

所述薄膜层中的所述液晶分子的所述光轴取向由对齐的光配向材料确定；和/或

其中：

所述薄膜层是液晶聚合物层；和/或

其中：

所述薄膜层是用感生双折射光交联的体光配向材料层。

27.根据权利要求21到26中的任一项所述的可转移薄膜光学器件，其中：

所述可转移薄膜光学器件是Pancharatnam Berry相位(PBP)元件。

28.根据权利要求21到27中的任一项所述的可转移薄膜光学器件，其中：

所述可转移薄膜光学器件是透射或反射棱镜、透镜、光束偏转器、透镜阵列、棱镜阵列和相位延迟器中的一个或更多个。

29.根据权利要求21到28中的任一项所述的可转移薄膜光学器件，其中：

所述薄膜层包括向列液晶、扭曲-弯曲液晶和手性向列液晶之一。

30.根据权利要求21到29中的任一项所述的可转移薄膜光学器件，还包括：

多个电极，其被配置为向所述薄膜层提供驱动电压，其中，所述多个电极中的电极包括柔性透明导电层。

31.根据权利要求21到30中的任一项所述的可转移薄膜光学器件，还包括：

粘合剂层，

其中，所述薄膜层具有面向所述基板的第一表面和远离所述基板的相反的第二表面，以及

所述粘合剂层布置在所述薄膜层的所述第二表面上。

32.根据权利要求31所述的可转移薄膜光学器件，其中：

所述粘合剂层是紫外线(UV)可固化的各向同性粘合剂层；和/或

其中：

所述粘合剂层的折射率是可调的，使得所述粘合剂层被配置为折射率匹配层或折射率不匹配层。

33.一种头戴式显示器(HMD)，包括：

特别是根据权利要求21到32中的任一项所述的薄膜光学器件，其光学地耦合到所述HMD并且在从基板分离之后附着到所述HMD的表面，所述薄膜光学器件提供至少一个预定光学功能并且包括：

薄膜层，其提供所述至少一个预定光学功能并被配置为可移除地附着到所述基板，使得用于所述薄膜层的所述至少一个预定光学功能的分子图案在移除后被保留。

34.根据权利要求33所述的HMD，其中：

所述薄膜层的所述至少一个预定光学功能由在所述薄膜层中的液晶分子的光轴取向确定。

35.根据权利要求33或34所述的HMD，其中：

所述薄膜层中的所述液晶分子的所述光轴取向由对齐的光配向材料确定。

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