CN112567289A - 宽视场偏振开关和制造具有预倾斜的液晶光学元件的方法 - Google Patents

宽视场偏振开关和制造具有预倾斜的液晶光学元件的方法 Download PDF

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Abstract

一种可切换光学组件包括可切换波片，该可切换波片被配置为被电激活和去激活以选择性地改变入射在其上的光的偏振状态。可切换波片包括第一表面和第二表面以及被设置在第一表面与第二表面之间的第一液晶层。第一液晶层包括多个液晶分子，该多个液晶分子围绕与中心轴平行的相应轴旋转，其中该旋转随着围绕中心轴的方位角而变化。可切换波片另外包括多个电极以跨所述第一液晶层地施加电信号。

Description

宽视场偏振开关和制造具有预倾斜的液晶光学元件的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年6月15日提交的名称为“WIDE FIELD-OF-VIEW POLARIZATIONSWITCHES AND METHODS OF FABRICATING LIQUID CRYSTAL OPTICAL ELEMENTS WITHPRETITLT(宽视场偏振开关和制造具有预倾斜的液晶光学元件的方法)”的美国临时专利申请号62/685,858的优先权益，其全部内容通过引用的方式在此被整体并入本文。
通过引用的并入
本申请通过引用包含以下每个专利申请的全部内容：2014年11月27日提交的序列号为14/555,585，于2015年7月23日被公开为美国公开2015/0205126的美国申请；2015年4月18日提交的序列号为14/690,401，于2015年10月22日被公开为美国公开2015/0302652的美国申请；2014年3月14日提交的序列号为14/212,961，现为2016年8月16日公开的美国专利9,417,452的美国申请；以及2014年7月14日提交的序列号为14/331,218，于2015年10月29日被公开为美国公开2015/0309263的美国申请；2017年10月26日提交的序列号为15/795,067，于2018年5月24日被公开为美国公开2018/0143470的美国申请；2017年11月16日提交的序列号为15/815,449，于2018年5月24日被公开为美国公开2018/0143485的美国申请；2018年10月25日提交的序列号为PCT/US2018/057604，于2019年5月2日被公开为国际申请WO2019/084334的国际申请。
技术领域
本公开涉及显示系统，更具体地，涉及增强和虚拟现实显示系统。
背景技术
现代计算和显示技术促进了用于所谓的“虚拟现实”或“增强现实”体验的系统的开发，其中数字再现的图像或其部分以看起来或可以被感知为真实的方式呈现给用户。虚拟现实或“VR”场景通常涉及对其它实际的真实世界视觉输入不透明地呈现数字或虚拟图像信息；增强现实或“AR”场景通常涉及呈现数字或虚拟图像信息作为对用户周围实际世界的可视化的增强。混合现实或“MR”场景是一种AR场景，并且通常涉及整合到自然世界中并响应于自然世界的虚拟对象。例如，在MR场景中，AR图像内容可以被真实世界中的对象遮挡或者被感知为与真实世界中的对象交互。
参考图1，示出了增强现实场景10，其中，AR技术的用户看到真实世界的公园式设置环境20，该设置环境以人、树、位于背景中的建筑物以及混凝土平台30为特征。除了这些项目之外，AR技术的用户还感知到他“看到”“虚拟内容”，例如站在真实世界平台30上的机器人雕像40，以及飞过的卡通式化身角色50，该角色看上去是大黄蜂的化身，即使这些元素40、50在真实世界中不存在。由于人类视觉感知系统复杂，因此产生便于从其它虚拟或真实世界图像元素当中舒适、自然、丰富地呈现虚拟图像元素的AR技术极具挑战性。
本文公开的系统和方法解决了与AR和VR技术相关的各种挑战。
发明内容
在一个方面中，可切换光学组件包括可切换波片，该可切换波片被配置为被电激活和去激活以选择性地改变入射在其上的光的偏振状态。可切换波片包括第一表面和第二表面以及设置在第一表面与第二表面之间的第一液晶层。第一液晶层包括围绕与中心轴平行的相应轴旋转的多个液晶分子，其中旋转随着围绕中心轴的方位角而变化。可切换波片另外包括多个电极以跨所述第一液晶层地施加电信号。
在另一方面，可切换光学组件包括可切换波片，该可切换波片被配置为被电激活和去激活以选择性地改变入射在其上的光的偏振状态。可切换波片包括第一表面和第二表面以及设置在第一表面与第二表面之间的液晶层。液晶层包括沿着相应的纵向方向长于宽度的多个液晶分子，其中液晶分子被定向成使得纵向方向在从所述轴开始的多个径向方向上从第一表面和第二表面和液晶层的轴径向地延伸。可切换波片另外包括多个电极以跨所述液晶层地施加电信号。
在另一方面，一种制造光学元件的方法包括提供基板，该基板沿水平方向延伸并且具有在垂直方向上指向其的法线。该方法另外包括提供第一垂直配向层和提供第二水平配向层。该方法还包括提供液晶层，该液晶层包括相对于第一垂直配向层和第二水平配向层的液晶分子，以使得液晶分子相对于垂直和水平方向以倾斜角被定向。第一垂直配向层使液晶分子被定向得比没有第一垂直配向层更垂直，第二水平配向层使液晶分子比没有第二水平配向层更水平。
在另一方面，光学元件包括基板，该基板沿水平方向延伸并且具有在垂直方向上指向其的法线。光学元件另外包括提供第一垂直配向层和提供第二水平配向层。光学元件还包括液晶层，该液晶层包括相对于第一垂直配向层和第二水平配向层的液晶分子，以使得液晶分子相对于垂直和水平方向以倾斜角被定向。第一垂直配向层使液晶分子被定向得比没有第一垂直配向层更垂直，第二水平配向层使液晶分子比没有第二水平配向层更水平。
为了概括本发明以及所实现的优于现有技术的优势，本文描述了某些目的和优点。当然，应当理解，不一定需要根据任何特定实施例实现所有这些目的或优点。因此，例如，本领域技术人员将认识到，可以以能够实现或优化一个优点或一组优点，而不一定实现其它目的或优点的方式体现或执行本发明。
所有这些实施例都旨在本文公开的本发明的范围内。通过参考附图的以下详细描述，这些和其它实施例对于本领域技术人员将变得显而易见，本发明不限于任何特定公开的实施例。
附图说明
图1示出了用户通过AR设备看到的增强现实(AR)的视图。
图2示出了用于为用户模拟三维图像的传统显示系统。
图3A至3C示出了曲率半径与焦半径之间的关系。
图4A示出了人类视觉系统的适应-聚散(accommodation-vergence)响应的表示。
图4B示出了用户的一双眼睛的不同适应状态和聚散状态的示例。
图4C示出了用户经由显示系统观看内容的俯视图表示的示例。
图4D示出了用户经由显示系统观看内容的俯视图表示的另一示例。
图5示出了用于通过修改波前发散来模拟三维图像的方法的各方面。
图6示出了用于向用户输出图像信息的波导堆叠的示例。
图7示出了由波导输出的出射光束的示例。
图8示出了堆叠波导组件的示例，其中每个深度平面包括使用多种不同组分颜色形成的图像。
图9A示出了分别包括耦入光学元件的一组堆叠波导的示例的横截面侧视图。
图9B示出了图9A的多个堆叠波导的示例的透视图。
图9C示出了图9A和9B的多个堆叠波导的示例的俯视平面图。
图9D示出了可穿戴显示系统的示例。
图10示出了包括一对自适应透镜组件的显示系统的示例。
图11A示出了在虚拟深度平面处向用户显示虚拟内容的图10的显示系统的示例。
图11B示出了向用户提供真实世界内容的视图的图10的显示系统的示例。
图12A示出了包括液晶的波片透镜组件的示例。
图12B示出了包括液晶的可切换波片透镜的示例。
图13A示出了包括扭曲向列液晶层的可切换波片的示例的截面图。
图13B示出了在激活或去激活可切换波片的情况下操作的可切换波片组件的示例，该可切换波片组件包括介于一对四分之一波片之间的图13A的可切换波片。
图13C示出了包括多个扭曲向列液晶层的四分之一波片的示例。
图13D示出了可切换波片组件的示例，该可切换波片组件包括介于使用粘合剂层整合为单个堆叠的一对四分之一波片之间的图13A的可切换波片。
图13E示出了可切换波片组件的示例，该可切换波片组件包括介于整合为单个堆叠的一对四分之一波片之间的扭曲向列液晶层。
图13F示出了可切换波片组件的示例，该可切换波片组件包括介于整合为单个堆叠的图13C的一对四分之一波片之间的扭曲向列液晶层。
图14A示出了用于切换液晶层的一对透明电极中的一者的示例的透视图。
图14B示出了用于切换液晶层的一对透明电极中的另一者的示例的透视图。
图14C示出了用于切换液晶层的一对垂直分离的透明电极的示例的透视图。
图15A示出了用于切换液晶层的一对水平交错的透明电极的示例的平面图。
图15B示出了包括图15A的一对水平交错的透明电极的可切换波片组件的示例的截面图。
图16A示出了包括液晶的波片透镜的示例的平面图。
图16B示出了包括液晶的波片透镜的示例的平面图。
图16C示出了波片透镜的示例，该波片透镜根据光的偏振和光的入射侧来提供不同的光焦度以发散或会聚穿过其中的光。
图16D示出了波片透镜的示例，该波片透镜根据光的偏振和光的入射侧来提供不同的光焦度以发散或会聚穿过其中的光。
图17A示出了包括波片透镜和可切换波片的自适应透镜组件的示例。
图17B示出了在可切换波片被激活的情况下操作的图17A的自适应透镜组件的示例。
图17C示出了在可切换波片被去激活的情况下操作的图13A的自适应透镜组件的示例。
图18A示出了在可切换波片被激活的情况下操作的显示设备的示例，该显示设备包括位于一对自适应透镜组件之间的波导，每个自适应透镜组件包括波片透镜和可切换波片。
图18B示出了在可切换波片被去激活的情况下操作的图18A的显示设备的示例。
图19A示出了包括液晶的宽带波片透镜的最靠近基板的液晶分子的示例布置的平面图。
图19B示出了包括如图19A所示布置的液晶的宽带波片透镜，该宽带波片透镜会聚具有第一圆偏振的光。
图19C示出了包括如图19A所示布置的液晶的宽带波片透镜，该宽带波片透镜发散具有第二圆偏振的光。
图20A示出了包括多个扭曲向列液晶层的宽带波片透镜的液晶分子的示例布置的平面图。
图20B示出了包括多个扭曲向列液晶层的宽带波片透镜的示例的截面图。
图21示出了包括液晶层的宽带波片透镜的示例的截面图，该液晶层具有随着波长的增大而增大的双折射率。
图22A示出了发散和翻转具有第一圆偏振的光的偏振的被去激活的可切换宽带波片透镜的示例的截面图。
图22B示出了会聚和翻转具有第二圆偏振的光的偏振的被去激活的可切换宽带波片透镜的示例的截面图。
图22C示出了使圆偏振光在基本不发生会聚或发散的情况下通过，同时保持其偏振的激活的可切换宽带波片透镜的示例的截面图。
图23A示出了在其中全部两个可切换波片透镜被去激活的情况下操作的包括一对宽带可切换波片透镜的宽带自适应波片透镜组件的示例。
图23B示出了在其中可切换波片透镜中的一者被激活的情况下操作的图23A的宽带自适应波片透镜组件。
图23C示出了在可切换波片透镜中的一者被激活的情况下操作的图23A的宽带自适应波片透镜组件。
图23D示出了在全部两个可切换波片透镜被激活的情况下操作的包括一对宽带可切换波片透镜的宽带自适应波片透镜组件的示例。
图24A示出了包括介于一对有源宽带可切换波片透镜之间的可切换宽带波片透镜的集成宽带自适应波片透镜组件的示例。
图24B示出了作为宽带半波片透镜的组合操作的图24A的宽带自适应波片透镜组件。
图24C示出了在可切换宽带波片被激活的情况下操作的图24B的宽带自适应波片透镜组件。
图24D示出了在可切换宽带波片被去激活的情况下操作的图24B的宽带自适应波片透镜组件。
图25A示出了在可切换宽带波片被激活的情况下图24A的宽带自适应波片透镜组件的模拟的衍射效率与可见光谱内的波长的关系。
图25B示出了在可切换宽带波片被去激活的情况下图24A的宽带自适应波片透镜组件的模拟的衍射效率与可见光谱内的波长的关系。
图26A示出了包括三个宽带可切换波片透镜的示例宽带自适应波片透镜组件的模拟的实际净光焦度与目标净光焦度的关系，其中针对蓝色波长使用单个透镜状态和多个透镜状态。
图26B示出了包括三个宽带可切换波片透镜的示例宽带自适应波片透镜组件的模拟的实际净光焦度与目标净光焦度的关系，其中针对绿色波长使用单个透镜状态和多个透镜状态。
图26C示出了包括三个宽带可切换波片透镜的示例宽带自适应波片透镜组件的模拟的实际净光焦度与目标净光焦度的关系，其中针对红色波长使用单个透镜状态和多个透镜状态。
图27A至27C示出了宽带波片或宽带波片透镜的示例制备方法。
图28示出了使用双光束曝光来配置配向层以对准宽带波片或宽带波片透镜中的液晶分子的示例方法。
图29A至29B示出了使用主透镜来配置配向层以对准宽带波片或宽带波片透镜中的液晶分子的示例方法。
图30A至30B示出了使用主透镜和单光束曝光来配置纳米压印配向层以对准宽带波片或宽带波片透镜中的液晶分子的示例方法。
图30C示出了使用图30A至30B的示例方法来对准宽带波片透镜的液晶分子的示例纳米压印配向层。
图31A至31C示出了使用间隙填充工艺来制备包括液晶的可切换宽带波片或包括液晶的可切换宽带波片透镜的示例方法。
图32A至32E示出了使用层转移工艺来制备包括液晶的可切换宽带波片或包括液晶的可切换宽带波片透镜的示例方法。
图33示出了形成在基板的一部分上的包括液晶的可切换宽带波片或包括液晶的可切换宽带波片透镜的示例。
图34示出了通过选择性涂布在基板的一部分上形成包括液晶的可切换宽带波片或包括液晶的可切换宽带波片透镜的示例方法。
图35A至35C示出了通过毯式涂布(blanket coating)液晶层以及消减去除(subtractively removing)而在基板的一部分上形成包括液晶的可切换宽带波片或包括液晶的可切换宽带波片透镜的示例方法。
图36A至36C示出了通过使用配向层的选择性光学图案化而在基板的一部分上形成包括液晶的可切换宽带波片或包括液晶的可切换宽带波片透镜的示例方法。
图37A至37B示出了通过使用配向层的选择性纳米压印而在基板的一部分上形成包括液晶的可切换宽带波片或包括液晶的可切换宽带波片透镜的示例方法。
图38示出了自适应透镜组件的示例，该自适应透镜组件包括波片透镜和接收来自宽视场的光的可切换波片。来自视场外围上的对象的光以一定角度入射在可切换波片上，这降低了偏振被旋转的效率。当这样的元件用作增强现实设备的可变聚焦元件时，该自适应透镜在错误的深度平面处产生重影。
图39是示出了可切换波片旋转以不同角度入射到其上的光的偏振的效率的曲线图。明亮部分(例如，在外围)指示降低的效率。
图40示出了用于可切换波片的又一示例设计，该可切换波片被配置为增加对来自视场外围上的对象的光的偏振旋转效率。可切换波片包括液晶层，该液晶层包括围绕与穿过可切换波片的中心轴平行的轴旋转的分子。旋转量和因此的分子的取向随着围绕中心轴的方位角而变化，以使得狭长分子通常形成围绕中心轴的同心环。分子的纵向方向4332可以沿着至少3、4、5、6、8、9、10、12、14、20、40或更多(或这些值中的任何之间的任何范围)个同心环形路径被布置。即使对于高度离轴视场角，这种配置也提高了可切换波片的偏振旋转效率的均匀性。
图41示出了可切换波片的又一示例设计，该可切换波片被配置为增加对来自视场外围上的对象的光的偏振旋转效率。可切换波片包括液晶层，该液晶层包括沿其纵向方向长于宽度的分子。分子被定向成使得针对从穿过可切换波片的中心轴开始的多个径向方向，纵向方向从中心轴径向地延伸。即使对于高度离轴视场角，这种配置也提高了可切换波片的偏振旋转效率的均匀性。
图42A和42B示出了包括多层扭曲液晶层的可切换波片的示例，其中宽视场结构与图40或图41类似，以在与图20B类似的波长上提供宽带操作。
图43A-43D示出了使用包括例如垂直和水平配向层的具有不同取向的第一和配向层来对准LC分子的方法。在该示例中，水平配向层包括图案化纳米结构。
在所有附图中，可以重复使用参考标号以指示所引用的元素之间的对应关系。提供附图是为了说明本文中描述的示例实施例，而非旨在限制本公开的范围。
具体实施方式
AR系统可以向用户或观看者显示虚拟内容，同时仍然允许用户看到他们周围的世界。优选地，该内容在例如作为眼镜的一部分的头戴式显示器上显示，该头戴式显示器将图像信息投射到用户的眼睛。此外，该显示器还可以将来自周围环境的光透射到用户的眼睛，以允许观看周围环境。如本文所使用的，应当理解，“头戴式”或“可头戴的”显示器是可以被戴在观看者或用户的头部上的显示器。
在一些AR系统中，可以配置多个波导以在多个虚拟深度平面(在本文中也被简称为“深度平面”)处形成虚拟图像。多个波导中的不同波导可具有不同的光焦度，并且可以在相对于用户眼睛的不同距离处形成。该显示系统还可以包括多个提供或另外提供光焦度的透镜。波导和/或透镜的光焦度可以在不同的虚拟深度平面处提供图像。不利地，波导和透镜中的每一者都会增加显示器的总厚度、重量和成本。
有利地，在本文描述的各种实施例中，可以利用自适应透镜组件来提供可变光焦度，以例如修改传播通过透镜组件的光的波前发散，从而在相对于用户的不同感知距离处提供虚拟深度平面。自适应透镜组件可以包括一对波片透镜，该对波片透镜之间设置有可切换波片。第一和第二波片透镜中的每一者可被配置为改变穿过其中的光的偏振态，并且可切换波片在多个状态之间可切换，例如在允许光通过而不改变光的偏振的第一状态和改变光的偏振(例如，通过改变偏振的旋向性)的第二状态之间可切换。在一些实施例中，波片透镜中的一者或全部两者可以在该第一状态和第二状态之间切换，并且可以省略上述中间可切换波片。
应当理解，自适应透镜组件可以包括多个波片透镜和多个可切换波片的堆叠。例如，自适应透镜组件可以包括多个子组件，所述多个子组件包括具有中间可切换波片的一对波片透镜。在一些实施例中，自适应透镜组件可以包括交替的波片透镜和可切换波片。有利地，这种交替布置通过使相邻的可切换波片共享公共的波片透镜而允许减小厚度和重量。在一些实施例中，通过切换堆叠中的可切换波片的各种组合的状态，可以提供多于两个的离散光焦度水平。
在一些实施例中，自适应透镜组件形成显示设备，该显示设备具有波导组件以在不同的虚拟深度平面处形成图像。在各种实施例中，该显示设备包括中间插入有波导组件的一对自适应透镜组件。波导组件包括被配置为在其中传播(例如，经由全内反射)光(例如可见光)并耦出光的波导。例如，光可以沿着垂直于波导主表面的光轴方向耦出。该对自适应透镜组件中的一者可以形成在波导组件的第一侧上，并且可被配置为提供可变光焦度以修改穿过自适应透镜组件的光的波前，从而在多个虚拟深度平面中的每一者处形成图像。例如，自适应透镜组件可以会聚或发散从波导组件接收的耦出光。为了补偿由于传播通过自适应透镜组件和/或波导组件的环境光的会聚或发散所引起的真实世界视图的修改，该对自适应透镜组件中的另一者另外设置在波导组件的与第一侧相反的第二侧上。当每个自适应透镜组件的可切换波片呈现出对应状态时，自适应透镜组件可具有符号相反的光焦度，使得自适应透镜组件中的另一者校正由波导组件的第一侧上的自适应透镜组件引起的畸变。
有利地，相对于具有连续可变光学元件的连续可变自适应透镜，利用可在两个状态之间切换的可切换波片简化了自适应透镜组件的驱动，并且降低了确定如何适当地激活自适应透镜组件以获得理想光焦度所需的计算能力。另外，通过允许自适应透镜组件修改由波导输出的光的波前发散，相对于其中每个波导提供特定波前发散量的布置减少了提供多个深度平面所需的波导数量。
现在将参考附图，在所有附图中，相同的参考标号表示相同的部件。除非另外指出，否则这些附图是示意性的，不一定按比例绘制。
示例显示系统
图2示出了用于为用户模拟三维图像的传统显示系统。将理解，用户的眼睛是间隔开的，并且当观看空间中的真实对象时，每只眼睛具有稍微不同的对象视图，并且可以在每只眼睛的视网膜上的不同位置处形成对象的图像。这可以被称为双眼视差，并且可以被人类视觉系统用于提供深度感。传统的显示系统通过呈现具有对同一虚拟对象的略微不同的视图的两个不同图像190、200(每只眼睛210、220对应一个图像)来模拟双目视差，这些图像对应于将被每只眼睛看成所需深度处的真实对象的虚拟对象的视图。这些图像提供双眼线索，用户的视觉系统可以解释该双眼线索以获得深度感。
继续参考图2，图像190、200与眼睛210、220在z轴上间隔开一距离230。z轴平行于眼睛注视观看者正前方的光学无限远处的对象的观看者的光轴。图像190、200是平坦的并且与眼睛210、220保持固定距离。基于分别呈现给眼睛210、220的图像中的虚拟对象的略微不同的视图，眼睛可以自然地旋转，以使得对象的图像落在每只眼睛的视网膜上的相应点上，以保持单一双眼视觉。该旋转可以使得每只眼睛210、220的视线会聚到虚拟对象被感知存在于的空间点上。因此，提供三维图像通常涉及提供双眼线索，这些线索可以操纵用户眼睛210、220的聚散度，并且被人类视觉系统解释以提供深度感。
然而，产生逼真且舒适的深度感是具有挑战性的。应当理解，来自与眼睛相距不同距离的对象的光具有发散量不同的波前。图3A至3C示出了距离与光线发散之间的关系。对象和眼睛210之间的距离按照距离减小的顺序R1、R2和R3表示。如图3A至3C所示，随着到对象的距离减小，光线变得更加发散。相反，随着距离的增加，光线变得更加准直。换言之，可以说，由点(对象或对象的一部分)产生的光场具有球面波前曲率，其是该点离用户眼睛多远的函数。曲率随着对象和眼睛210之间的距离的减小而增大。虽然为了清楚地说明在图3A至3C和本文的其它图中仅示出了单只眼睛210，但是关于眼睛210的讨论可应用于观看者的双眼210和220。
继续参考图3A至3C，来自观看者的眼睛所注视的对象的光可以具有不同程度的波前发散。由于波前发散量不同，光可以通过眼睛的晶状体不同地聚焦，这反过来可能需要晶状体呈现不同的形状以在眼睛的视网膜上形成聚焦图像。在视网膜上没有形成聚焦图像的情况下，所产生的视网膜模糊充当适应线索，该适应引起眼睛晶状体形状的改变，直到在视网膜上形成聚焦图像。例如，适应线索可以触发眼睛晶状体周围的睫状肌舒张或收缩，从而适应施加到保持晶状体的悬韧带的力，从而使眼睛晶状体的形状改变，直到消除或最小化注视对象的视网膜模糊，从而在眼睛的视网膜(例如，中央凹)上形成注视对象的聚焦图像。眼睛晶状体改变形状的过程可被称为适应，并且可以将在眼睛的视网膜(例如，中央凹)上形成注视对象的聚焦图像所需的眼睛晶状体形状称为适应状态。
现在参考图4A，示出了人类视觉系统的适应-聚散响应的表示。眼睛移动以注视对象导致眼睛接收来自对象的光，其中光在眼睛的每个视网膜上形成图像。在视网膜上形成的图像中视网膜模糊的存在可以提供适应线索，并且图像在视网膜上的相对位置可以提供聚散线索。适应线索导致适应发生，从而使得眼睛晶状体分别呈现特定适应状态，该状态在眼睛的视网膜(例如，中央凹)上形成对象的聚焦图像。另一方面，聚散线索导致聚散运动(眼睛旋转)发生，使得在每只眼睛的每个视网膜上形成的图像处于保持单个双眼视觉的相应视网膜点处。在这些位置中，可以说，眼睛已经呈现特定的聚散状态。继续参考图4A，适应可以被理解为眼睛实现特定适应状态的过程，并且聚散可以被理解为眼睛实现特定聚散状态的过程。如图4A所示，如果用户注视另一对象，则眼睛的适应和聚散状态可以改变。例如，如果用户注视z轴上的不同深度处的新对象，则适应状态可能改变。
不受理论的限制，可以认为对象的观看者可能由于聚散和适应的组合而将对象感知为“三维的”。如上所述，两只眼睛相对于彼此的聚散运动(例如，眼睛旋转以使得瞳孔朝向或远离彼此移动以使眼睛的视线会聚而注视对象)与眼睛晶状体的适应紧密相关。在正常情况下，根据被称为“适应-聚散反射”的关系，改变眼睛晶状体形状以将焦点从一个对象改变到不同距离处的另一对象将自动导致到同一距离的匹配聚散变化。同样，在正常情况下，聚散的变化将触发晶状体形状的匹配变化。
现在参考图4B，示出了眼睛的不同适应状态和聚散状态的示例。一双眼睛222a注视光学无限远处的对象，而一双眼睛222b注视小于光学无限远处的对象221。值得注意的是，每双眼睛的聚散状态是不同的，其中一双眼睛222a望向正前方，而一双眼睛222会聚在对象221上。形成每双眼睛222a和222b的眼睛的适应状态也是不同的，如晶状体210a、220a的不同形状所示。
不期望地，传统“3D”显示系统的许多用户发现，这样的传统系统由于这些显示器中适应和聚散状态之间的失配而令人感到不舒服或者可能根本不能感知深度感。如上所述，许多立体或“3D”显示系统通过向每只眼睛提供略微不同的图像来显示场景。这样的系统对于许多观看者来说是不舒服的，因为除了其他之外，这样的系统仅提供场景的不同呈现并且引起眼睛聚散状态的改变，但是这些眼睛的适应状态未发生相应的变化。相反，图像由相对于眼睛处于固定距离处的显示器示出，使得眼睛在单个适应状态下查看所有图像信息。这种安排通过在适应状态未发生匹配变化的情况下引起聚散状态改变来应对“适应-聚散反射”。这种失配被认为会引起观看者的不适。在适应和聚散之间提供更好匹配的显示系统可以形成更逼真和舒适的三维图像模拟。
不受理论的限制，可以认为人眼通常可以解释有限数量的深度平面以提供深度感。因此，可以通过向眼睛提供与这些有限数量的深度平面中的每一者相对应的不同图像呈现来实现高度可信的感知深度模拟。在一些实施例中，不同的呈现可以同时提供聚散线索和匹配的适应线索，从而提供生理上正确的适应-聚散匹配。
继续参考图4B，示出了两个深度平面240，这两个深度平面对应于相对于眼睛210、220的不同空间距离。对于给定深度平面240，可以通过为每只眼睛210、220显示具有适当不同的透视的图像来提供聚散线索。此外，对于给定深度平面240，形成提供给每只眼睛210、220的图像的光可以具有与由该深度平面240的距离处的点所产生的光场对应的波前发散。
在所示实施例中，包含点221的深度平面240沿z轴的距离是1米。如本文所使用的，可以利用位于用户眼睛出射光瞳处的零点来测量沿z轴的距离或深度。因此，位于1米深度处的深度平面240对应于用户眼睛的光轴上的距用户眼睛的出射光瞳1米的距离，其中眼睛指向光学无限远。作为近似，沿z轴的深度或距离可以从用户眼睛前方的显示器(例如，从波导的表面)测量，加上该设备与用户眼睛出射光瞳之间的距离的值。该值可以被称为出瞳距离并且对应于用户眼睛出射光瞳与用户在眼睛前方穿戴的显示器之间的距离。在实践中，出瞳距离的值可以是对于所有观看者通用的标准化值。例如，可以假设出瞳距离是20mm，并且处于1米深度处的深度平面可以在显示器前面980mm的距离处。
现在参考图4C和4D，分别示出了匹配的适应-聚散距离和失配的适应-聚散距离的示例。如图4C所示，显示系统可以向每只眼睛210、220提供虚拟对象的图像。这些图像可以使眼睛210、220呈现一聚散状态，在该聚散状态下，眼睛会聚在深度平面240上的点15处。此外，图像可以由具有与该深度平面240处的真实对象相对应的波前曲率的光形成。结果，眼睛210、220呈现一适应状态，在该适应状态下，图像聚焦在这些眼睛的视网膜上。因此，用户可以将虚拟对象感知为位于深度平面240上的点15处。
应当理解，眼睛210、220的适应和聚散状态中的每一者与z轴上的特定距离相关联。例如，距眼睛210、220特定距离处的对象使得这些眼睛基于对象的距离呈现特定适应状态。与特定适应状态相关联的距离可以被称为适应距离Ad。类似地，存在与特定聚散状态相关联的特定聚散距离Vd或相对于彼此的位置。在适应距离和聚散距离匹配的情况下，可以说适应和聚散之间的关系在生理学上是正确的。这被认为是对于观看者最舒适的场景。
然而，在立体显示器中，适应距离和聚散距离可能不总是匹配。例如，如图4D所示，显示给眼睛210、220的图像可以以对应于深度平面240的波前发散被显示，并且眼睛210、220可以呈现特定适应状态，在该适应状态下，该深度平面上的点15a、15b焦点对准。然而，显示给眼睛210、220的图像可以提供聚散线索，此线索导致眼睛210、220会聚在不位于深度平面240上的点15处。因此，在一些实施例中，适应距离对应于从眼睛210、220的出射光瞳到深度平面240的距离，而聚散距离对应于从眼睛210、220的出射光瞳到点15的更大距离。适应距离不同于聚散距离。因此，存在适应-聚散失配。这种失配被认为是不合需要的并且可能引起用户的不适。应当理解，失配对应于距离(例如，Vd-Ad)并且可以使用屈光度来表征。
在一些实施例中，应当理解，可以使用眼睛210、220的出射光瞳以外的参考点来确定用于确定适应-聚散失配的距离，只要相同的参考点被用于适应距离和聚散距离即可。例如，可以测量从角膜到深度平面，从视网膜到深度平面，从目镜(例如，显示设备的波导)到深度平面的距离等等。
不受理论限制，认为在适应-聚散失配本身不导致明显不适的情况下，用户仍然可以将最高为0.25屈光度，最高为0.33屈光度和最高为约0.5屈光度的适应-聚散失配感知为在生理上正确的。在一些实施例中，本文公开的显示系统(例如，图6中的显示系统250)向观看者呈现具有约0.5屈光度或更小的适应-聚散失配的图像。在一些其它实施例中，由显示系统提供的图像的适应-聚散失配为约0.33屈光度或更小。在另外一些实施例中，由显示系统提供的图像的适应-聚散失配为约0.25屈光度或更小，其中包括约0.1屈光度或更小。
图5示出了用于通过修改波前发散来模拟三维图像的方法的各方面。该显示系统包括波导270，该波导270被配置为接收用图像信息编码的光770，并将该光输出到用户的眼睛210。波导270可以输出具有限定量的波前发散的光650，该波前发散与所需深度平面240上的点产生的光场的波前发散对应。在一些实施例中，为在该深度平面上呈现的所有对象提供相同的波前发散量。另外，将说明可以向用户的另一只眼睛提供来自类似波导的图像信息。
在一些实施例中，单个波导可被配置为输出具有设定量的波前发散的光，该波前发散对应于单个深度平面或有限数量深度平面的波前发散，和/或波导可被配置为输出有限波长范围的光。因此，在一些实施例中，可以利用多个波导或波导堆叠来为不同的深度平面提供不同量的波前发散和/或输出不同波长范围的光。如本文所使用的，应当理解，深度平面可以是平面的，或者可以具有曲面轮廓。
图6示出了用于将图像信息输出给用户的波导堆叠的示例。显示系统250包括波导堆叠或堆叠的波导组件260，波导组件260可被用于使用多个波导270、280、290、300、310向眼睛/大脑提供三维感知。应当理解，在一些实施例中，显示系统250可以被视为光场显示器。此外，波导组件260也可以被称为目镜。
在一些实施例中，显示系统250可被配置为提供基本连续的聚散线索和多个离散的适应线索。可以通过向用户的每只眼睛显示不同的图像来提供聚散线索，并且可以通过输出具有可选择的离散量的波前发散的用于形成图像的光来提供适应线索。换言之，显示系统250可被配置为输出具有可变波前发散水平的光。在一些实施例中，每个离散水平的波前发散对应于特定深度平面，并且可以由波导270、280、290、300、310中的特定一者提供。
继续参考图6，波导组件260还可包括波导之间的多个特征320、330、340、350。在一些实施例中，特征320、330、340、350可以是一个或多个透镜。波导270、280、290、300、310和/或多个透镜320、330、340、350可被配置为以各种级别的波前曲率或光线发散向眼睛发送图像信息。每个波导级别可以与特定深度平面相关联，并且可被配置为输出与该深度平面相对应的图像信息。图像注入设备360、370、380、390、400可以用作波导的光源，并且可以被用于将图像信息注入到波导270、280、290、300、310中，如本文所述，每个波导可以被配置为使入射光分布跨过每个相应的波导，以朝向眼睛210输出。光从图像注入设备360、370、380、390、400的输出表面410、420、430、440、450出射，并且被注入到波导270、280、290、300、310的对应的输入表面460、470、480、490、500中。在一些实施例中，输入表面460、470、480、490、500中的每一者可以是对应波导的边缘，或者可以是对应波导的主表面的部分(即，直接面向世界510或观看者眼睛210的波导表面中的一者)。在一些实施例中，可以将单个光束(例如，准直光束)注入到每个波导中以输出克隆的准直光束的整个场，所述克隆的准直光束以特定角度(和发散量)被导向眼睛210，所述特定角度(和发散量)对应于与特定波导相关联的深度平面。在一些实施例中，图像注入设备360、370、380、390、400中的单个可与波导270、280、290、300、310中的多个(例如，三个)相关联并将光注入其中。
在一些实施例中，图像注入设备360、370、380、390、400是离散显示器，每个离散显示器分别产生用于注入到对应的波导270、280、290、300、310中的图像信息。在一些其他实施例中，图像注入设备360、370、380、390、400是单个多路复用显示器的输出端，例如，该多路复用显示器可以经由一个或多个光学导管(例如，光纤光缆)将图像信息通过管道传输到图像注入设备360、370、380、390、400中的每一者。应当理解，由图像注入设备360、370、380、390、400提供的图像信息可以包括不同波长或颜色的光(例如，如本文所讨论的不同的组分颜色)。
在一些实施例中，注入到波导270、280、290、300、310中的光由光投射器系统520提供，光投射器系统520包括光模块530，光模块530可包括光发射器，例如发光二极管(LED)。来自光模块530的光可以经由分束器550被光调制器540(例如，空间光调制器)引导和修改。光调制器540可以被配置为改变注入到波导270、280、290、300、310中的光的感知强度以用图像信息对光进行编码。空间光调制器的示例包括液晶显示器(LCD)，LCD包括硅上液晶(LCOS)显示器。应当理解，图像注入设备360、370、380、390、400被示意性地示出，并且在一些实施例中，这些图像注入设备可以表示公共投射系统中的不同光路和位置，该公共投射系统被配置为将光输出到波导270、280、290、300、310中的关联的波导中。在一些实施例中，波导组件260中的波导可以用作理想透镜，同时将注入到波导中的光中继输出到用户的眼睛。在该概念中，对象可以是空间光调制器540，并且图像可以是深度平面上的图像。
在一些实施例中，显示系统250可以是扫描光纤显示器，扫描光纤显示器包括一个或多个扫描光纤，一个或多个扫描光纤被配置为以各种图案(例如，光栅扫描、螺旋扫描、利萨如(Lissajous)图案等)将光投射到一个或多个波导270、280、290、300、310中，并且最终投射到观看者的眼睛210。在一些实施例中，所示的图像注入设备360、370、380、390、400可示意性地表示单个扫描光纤或扫描光纤束，单个扫描光纤或扫描光纤束被配置为将光注入到一个或多个波导270、280、290、300、310中。在一些其他实施例中，所示的图像注入设备360、370、380、390、400可以示意性地表示多个扫描光纤或多个扫描光纤束，多个扫描光纤或多个扫描光纤束中的每一者被配置为将光注入到波导270、280、290、300、310中的关联波导中。应当理解，一个或多个光纤可以被配置为将光从光模块530传输到一个或多个波导270、280、290、300、310。应当理解，可以在一个或多个扫描光纤与一个或多个波导270、280、290、300、310之间设置一个或多个居间光学结构，以例如将从扫描光纤出射的光重定向到一个或多个波导270、280、290、300、310中。
控制器560控制堆叠波导组件260中的一个或多个的操作，包括图像注入设备360、370、380、390、400、光源530和光调制器540的操作。在一些实施例中，控制器560是本地数据处理模块140的部分。控制器560包括编程(例如，非暂时性介质中的指令)，该编程根据例如本文公开的各种方案中的任何方案，调节定时和向波导270、280、290、300、310提供图像信息。在一些实施例中，控制器可以是单个整体设备，或者是通过有线或无线通信信道连接的分布式系统。在一些实施例中，控制器560可以是处理模块140或150(图9D)的部分。
继续参考图6，波导270、280、290、300、310可以被配置为通过全内反射(TIR)在每个相应的波导内传播光。波导270、280、290、300、310可以各自是平面的或具有另一种形状(例如，弯曲的)，具有顶部主表面和底部主表面以及在这些顶部主表面和底部主表面之间延伸的边缘。在所示的配置中，波导270、280、290、300、310可各自包括耦出光学元件570、580、590、600、610，耦出光学元件570、580、590、600、610被配置为通过重定向光来从波导中提取光，在各自对应的波导内部传播，从波导出射以将图像信息输出到眼睛210。所提取的光也可以被称为耦出光，而耦出光学元件光也可以被称为光提取光学元件。所提取的光束可以在波导中传播的光照射到光提取光学元件的位置处由波导输出。如本文进一步讨论的，耦出光学元件570、580、590、600、610可以例如是光栅，光栅包括衍射光学特征。虽然被示出为设置在波导270、280、290、300、310的底部主表面处，但是为了便于描述和绘制清楚，在一些实施例中，如本文进一步讨论的，耦出光学元件570、580、590、600、610可以被设置在顶部和/或底部主表面处，和/或可以被直接设置在波导270、280、290、300、310的体积内。在一些实施例中，耦出光学元件570、580、590、600、610可以被形成在附接到透明基板的材料层中，以形成波导270、280、290、300、310。在一些其他实施例中，波导270、280、290、300、310可以是单片材料，并且耦出光学元件570、580、590、600、610可以被形成在该片材料的表面上和/或内部中。
继续参考图6，如本文所讨论的，每个波导270、280、290、300、310被配置为输出光以形成与特定深度平面对应的图像。例如，最靠近眼睛的波导270可以被配置为将准直光(其被注入到这样的波导270中)传递到眼睛210。该准直光可以代表光学无限远焦平面。下一上行波导280可以被配置为发出准直光，该准直光在可以到达眼睛210之前传输通过第一透镜350(例如，负透镜)；这样的第一透镜350可以被配置为产生轻微凸起的波前曲率，使得眼睛/大脑将来自该下一上行波导280的光解释为来自从光学无限远向内更靠近眼睛210的第一焦平面。类似地，第三上行波导290使其输出光在到达眼睛210之前传输通过第一透镜350和第二透镜340两者；第一透镜350和第二透镜340的组合光焦度可以被配置为产生波前曲率的另一增量，使得眼睛/大脑将来自第三波导290的光解释为来自从光学无限远向内比来自向下一上行波导280的光进一步更靠近人的第二焦平面。
其它波导层300、310和透镜330、320被类似地配置，其中堆叠中的最高波导310通过其与眼睛之间的所有透镜发送其输出，以获得代表与人最靠近的焦平面的总焦度。为了在观察/解释来自堆叠波导组件260的另一侧上的世界510的光时补偿透镜堆叠320、330、340、350，可以在堆叠的顶部设置补偿透镜层620以补偿下面的透镜堆叠320、330、340、350的总焦度。这种配置提供与可用的波导/透镜配对一样多的感知焦平面。波导的耦出光学元件和透镜的聚焦方面都可以是静态的(即，不是动态的或电活性的)。在一些替代实施例中，通过使用电活性特征，它们中的一者或全部两者可以是动态的。
在一些实施例中，波导270、280、290、300、310中的两个或更多个可具有相同的关联深度平面。例如，多个波导270、280、290、300、310可以被配置为将图像集输出到相同深度平面，或者波导270、280、290、300、310中的多个子集可以被配置为将图像集输出到相同的多个深度平面，每个深度平面一个集。这可以为形成平铺图像提供优势，以在那些深度平面处提供扩展的视野。
继续参考图6，耦出光学元件570、580、590、600、610可以被配置为既将光重定向到它们相应的波导之外，也为与该波导相关联的特定深度平面输出具有适当的发散量或准直量的该光。结果，具有不同的关联深度平面的波导可以具有不同配置的耦出光学元件570、580、590、600、610，不同配置的耦出光学元件570、580、590、600、610根据关联的深度平面输出具有不同发散量的光。在一些实施例中，光提取光学元件570、580、590、600、610可以是体积特征或表面特征，其可以被配置为以特定角度输出光。例如，光提取光学元件570、580、590、600、610可以是体积全息、表面全息和/或衍射光栅。在一些实施例中，特征320、330、340、350可以不是透镜；相反，它们可以简单地是间隔物(例如，包层和/或用于形成气隙的结构)。
在一些实施例中，耦出光学元件570、580、590、600、610是形成衍射图案的衍射特征，或“衍射光学元件”(在本文中也称为“DOE”)。优选地，DOE具有足够低的衍射效率，使得只有一部分光束借助DOE的每个交叉点向眼睛210偏转，而其余部分经由TIR继续前进通过波导。因此，携带图像信息的光被分成多个相关的出射光束，这些出射光束在多个位置处从波导出射，并且对于在波导内弹跳的此特定准直光束，结果是向眼睛210出射的相当均匀的图案。
在一些实施例中，一个或多个DOE可以在它们活跃地衍射的“开启”状态和它们不显著衍射的“关闭”状态之间可切换。例如，可切换的DOE可以包括聚合物分散液晶层，其中，微滴包括处于主体介质中的衍射图案，并且微滴的折射率可以被切换为基本匹配主体材料的折射率(在这种情况下，图案不会显著地衍射入射光)或者微滴可以被切换为与主体介质的折射率失配的折射率(在这种情况下，图案活跃地衍射入射光)。
在一些实施例中，可提供相机组件630(例如，数码相机，包括可见光相机和红外光相机)以捕获眼睛210和/或眼睛210周围的组织的图像，以例如检测用户输入和/或监视用户的生理状态。如此处所使用的，相机可以是任何图像捕获设备。在一些实施例中，相机组件630可以包括图像捕获设备和光源，以将光(例如，红外光)投射到眼睛，然后光可以被眼睛反射并被图像捕获设备检测。在一些实施例中，相机组件630可以被附接到框架80(图9D)并且可以与处理模块140和/或处理模块150电连通，处理模块140和/或处理模块150可以处理来自相机组件630的图像信息。在一些实施例中，每个眼睛可以使用一个摄像机组件630，以分别监视每只眼睛。
现在参考图7，示出了由波导输出的出射光束的示例。示出了一个波导，但应当理解，波导组件260(图6)中的其他波导可以类似地起作用，其中，波导组件260包括多个波导。光640在波导270的输入表面460处被注入波导270，并通过TIR在波导270内传播。在光640照射在DOE570上的点处，一部分光作为出射光束650从波导出射。出射光束650被示为基本平行，但是如本文所讨论的，它们也可以被重定向以一角度(例如，形成发散的出射光束)传播到眼睛210，该角度取决于与波导270相关联的深度平面。应当理解，基本上平行的出射光束可以指示具有耦出光学元件的波导，耦出光学元件耦出光以形成看起来设置在距离眼睛210的远距离处(例如，光学无穷远)的深度平面上的图像。其他波导或耦出光学元件的其他集合可以输出更加发散的出射光束图案，这将要求眼睛210适应更近的距离以使更加发散的出射光束图案聚焦在视网膜上并且将被大脑解释为来自比光学无限远更靠近眼睛210的距离处的光。
在一些实施例中，可以通过在组分颜色(例如，三种或更多种组分颜色)中的每一者中叠加图像来在每个深度平面处形成全色图像。图8示出了堆叠波导组件的示例，其中，每个深度平面包括使用多种不同组分颜色形成的图像。所示的实施例示出了深度平面240a-240f，但也可以预期更多或更少的深度。每个深度平面可以具有与其相关联的三个或更多个组分颜色图像，包括：第一颜色G的第一图像；第二颜色R的第二图像；以及第三颜色B的第三图像。对于字母G，R和B之后的屈光度(dpt)，在图中通过不同的数字表示不同的深度平面。仅作为示例，这些字母中的每一者后面的数字表示屈光度(1/m)，或该深度平面距观看者的距离倒数，并且图中的每个框表示单独的组分颜色图像。在一些实施例中，为了考虑眼睛对不同波长的光的聚焦的差异，不同组分颜色的深度平面的精确放置可以变化。例如，给定深度平面的不同组分颜色图像可以被放置在与距用户不同距离相对应的深度平面上。这样的布置可以增加视敏度和用户舒适度，和/或可以减少色差。
在一些实施例中，每种组分颜色的光可以由单个专用波导输出，因此，每个深度平面可以具有与其相关联的多个波导。在这样的实施例中，图中包括字母G、R或B的每个框可以被理解为表示单独的波导，并且每个深度平面可以提供三个波导，其中，每个深度平面提供三个组分颜色图像。尽管为了便于描述，在此图中与每个深度平面相关联的波导被示出为邻近彼此，但应当理解，在物理设备中，波导可以全部布置为每层一个波导的堆叠形式。在一些其他实施例中，多个组分颜色可以由相同的波导输出，使得例如每个深度平面可以仅提供单个波导。
继续参考图8，在一些实施例中，G是绿色，R是红色，B是蓝色。在一些其他实施例中，除了红色、绿色或蓝色之外，可以使用与其他波长的光(包括品红色和青色)相关联的其他颜色，或者这些其他颜色可以替代红色，绿色或蓝色中的一种或多种。
应当理解，贯穿本公开对给定颜色的光的提及将被理解为包括在被观看者感知为具有该给定颜色的光的波长范围内的一个或多个波长的光。例如，红光可以包括在约620-780nm范围内的一个或多个波长的光，绿光可以包括在约492-577nm范围内的一个或多个波长的光，并且蓝光可以包括在约435-493nm范围内的一个或多个波长的光。
在一些实施例中，光源530(图6)可以被配置为发射观看者的视觉感知范围之外的一个或多个波长的光，例如红外和/或紫外波长的光。此外，显示器250的波导的耦入、耦出和其他光重定向结构可以被配置为引导此光并使此光从显示器出射朝向用户的眼睛210，例如，用于成像和/或用户刺激应用。
现在参考图9A，在一些实施例中，可能需要将照射在波导上的光重定向以将该光耦入到波导中。可以使用耦入光学元件将光重定向并且耦入到其对应的波导中。图9A示出了多个堆叠波导或堆叠波导组660的示例的横截面侧视图，每个堆叠波导包括耦入光学元件。波导可以被各自配置为输出一个或多个不同波长的光，或一个或多个不同波长范围的光。应当理解，堆叠660可以对应于堆叠260(图6)，并且除了来自一个或多个图像注入设备360、370、380、390、400的光从需要光被重定向以耦入的位置被注入波导中之外，堆叠660的所示波导可以与多个波导270、280、290、300、310中的部分对应。
图示的堆叠波导组660包括波导670、680和690。每个波导包括关联的耦入光学元件(其也可以被称为波导上的光输入区域)，其中例如耦入光学元件700被设置在波导670的主表面(例如，顶部主表面)上，耦入光学元件710被设置在波导680的主表面(例如，顶部主表面)上，耦入光学元件720被设置在波导690的主表面(例如，顶部主表面)上。在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720中的一个或多个可以被设置在相应波导670、680、690的底部主表面上(特别是在一个或多个耦入光学元件是反射性的偏转光学元件的情况下)。如图所示，耦入光学元件700、710、720可以被设置在它们相应的波导670、680、690(或下一下行波导的顶部)的顶部主表面上，特别是在那些耦入光学元件的是透射性的偏转光学元件的情况下。在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720可以被设置在相应的波导670、680、690的体中。在一些实施例中，如本文所讨论的，耦入光学元件700、710、720是波长选择性的，使得它们选择性地重定向一个或多个波长的光，同时透射其他波长的光。尽管在它们相应的波导670、680、690的一侧或角上示出，但是应当理解，在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720可以被设置在它们相应的波导670、680、690的其他区域中。
如图所示，耦入光学元件700、710、720可以被彼此横向偏移。在一些实施例中，每个耦入光学元件可以被偏移，使得耦入光学元件接收光，而光无需传输通过另一耦入光学元件。例如，如图6所示，每个耦入光学元件700、710、720可以被配置为从不同的图像注入设备360、370、380、390和400接收光，并且可以从其他耦入光学元件700、710、720分开(例如，横向间隔开)，使得该耦入光学元件基本上不接收来自耦入光学元件700、710、720中的其他耦入光学元件的光。
每个波导还包括关联的光分布元件，其中，例如，光分布元件730被设置在波导670的主表面(例如，顶部主表面)上，光分布元件740被设置在波导680的主表面(例如，顶部主表面)上，光分布元件750被设置在波导690的主表面(例如，顶部主表面)上。在一些其他实施例中，光分布元件730、740、750可以被分别设置在关联的波导670、680、690的底部主表面上。在一些其他实施例中，光分布元件730、740、750可以被分别设置在关联的波导670、680、690的顶部主表面上和底部主表面上；或者光分布元件730、740、750可以被分别设置在不同的关联的波导670、680、690中的顶部主表面和底部主表面中的不同主表面上。
波导670、680、690可以被例如气体、液体和/或固体材料层间隔开并分隔开。例如，如图所示，层760a可以使波导670和波导680分隔开；并且层760b可以使波导680和波导690分隔开。在一些实施例中，层760a和760b由低折射率材料(即，具有比形成紧邻的波导670、680、690中的一个波导的材料的折射率低的材料)形成。优选地，形成层760a、760b的材料的折射率与形成波导670、680、690的材料的折射率相差0.05或更大，或0.10或更小。有利地，较低折射率层760a、760b可以作为包层，包层促进通过波导670、680、690的光的全内反射(TIR)(例如，在每个波导的顶部主表面与底部主表面之间的TIR)。在一些实施例中，层760a、760b由空气形成。尽管未示出，但应当理解，所示波导组660的顶部和底部可包括紧邻的包层。
优选地，为了便于制造和其他考虑，形成波导670、680、690的材料相似或相同，并且形成层760a、760b的材料相似或相同。在一些实施例中，形成波导670、680、690的材料在一个或多个波导之间可以是不同的，和/或形成层760a、760b的材料可以是不同的，同时仍然保持上述各种折射率关系。
继续参考图9A，光线770、780、790入射在波导组660上。应当理解，光线770、780、790可以通过一个或多个图像注入设备360、370、380、390、400(图6)注入到波导670、680、690中。
在一些实施例中，光线770、780、790具有不同的特性，例如，对应于不同的颜色的不同的波长或不同的波长范围。耦入光学元件700、710、720各自使入射光偏转，使得光通过TIR传播通过波导670、680、690中的相应的一个。在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720各自选择性地使一个或多个特定波长的光偏转，同时将其他波长透射到下面的波导和关联的耦入光学元件。
例如，耦入光学元件700可以被配置为使具有第一波长或第一波长范围的光线770偏转，同时分别透射具有不同的第二波长或第二波长范围的光线780和具有第三波长或第三波长范围的光线790。透射光线780照射在耦入光学元件710上并被耦入光学元件710偏转，该耦入光学元件710被配置为使第二波长或第二波长范围的光偏转。光线790被耦入光学元件720偏转，该耦入光学元件720被配置为选择性地使第三波长或第三波长范围的光偏转。
继续参考图9A，偏转的光线770、780、790被偏转为使得光线770、780、790传播通过对应的波导670、680、690；也就是说，每个波导的耦入光学元件700、710、720将光偏转到该对应的波导670、680、690中，以将光耦入到该对应的波导中。光线770、780、790以一定角度被偏转，该角度使光通过TIR传播通过相应的波导670、680、690。光线770、780、790通过TIR传播通过相应的波导670、680、690，直到照射到波导的对应的光分布元件730、740、750上。
现在参考图9B，示出了图9A的多个堆叠波导的示例的透视图。如上所述，耦入的光线770、780、790分别被耦入光学元件700、710、720偏转，然后分别在波导670、680、690内通过TIR传播。然后，光线770、780、790分别照射在光分布元件730、740、750上。光分布元件730、740、750使光线770、780、790偏转，使得光线770、780、790分别朝向耦出光学元件800、810、820传播。
在一些实施例中，光分布元件730、740、750是正交光瞳扩展器(OPE)。在一些实施例中，OPE将光偏转或分布到耦出光学元件800、810、820，并且在一些实施例中，还可以在光向耦出光学元件传播时增加此光的光束或光斑尺寸。在一些实施例中，可以省略光分配元件730、740、750，并且耦入光学元件700、710、720可以被配置为将光直接偏转到耦出光学元件800、810、820。例如。参考图9A，光分布元件730、740、750可分别被耦出光学元件800、810、820代替。在一些实施例中，耦出光学元件800、810、820是出射光瞳(EP)或出射光瞳扩展器(EPE)，其将光导入观看者的眼睛210(图7)。应当理解，OPE可以被配置为在至少一个轴上增大眼框(eye box)的尺寸，并且EPE可以在与OPE的轴相交(例如正交)的轴上增大眼框。例如，每个OPE可以被配置为将到达OPE的光的一部分重定向到同一波导的EPE，同时允许光的剩余部分继续沿波导传播。在再次照射到OPE上时，剩余光的另一部分被重定向到EPE，并且该部分的剩余部分继续沿波导进一步传播，依此类推。类似地，在到达EPE时，照射光的一部分被朝向用户导出波导，并且该光的剩余部分继续传播通过波导，直到它再次到达EPE，此时照射光的另一部分被导出波导，依此类推。因此，每当单束耦入光的一部分被OPE或EPE重定向时，该光可以“被复制”，从而形成克隆光束的场，如图6所示。在一些实施例中，OPE和/或EPE可以被配置为修改光束的尺寸。
因此，参考图9A和图9B，在一些实施例中，波导组660包括：波导670、680、690；耦入光学元件700、710、720；光分布元件(例如，OPE)730、740、750；以及耦出光学元件(例如，EP)800、810、820，用于每种组分颜色。波导670、680、690可以被堆叠有每个波导之间的气隙/包层。耦入光学元件700、710、720将入射光(其中不同耦入光学元件接收不同波长的光)重定向或偏转到其波导中。然后光以一角度传播，该角度将导致相应波导670、680、690内的TIR。在所示的示例中，光线770(例如，蓝光)被第一耦入光学元件700偏转，然后继续沿波导反弹，以先前描述的方式与光分布元件(例如，OPE)730和耦出光学元件(例如，EP)800相互作用。光线780和光线790(例如，分别为绿光和红光)将传输通过波导670，其中光线780照射在耦入光学元件710上并被其偏转。然后，光线780经由TIR沿波导680反弹，前进到其光分配元件(例如，OPE)740，然后前进到耦出光学元件(例如，EP)810。最后，光线790(例如，红光)传输通过波导690而照射在波导690的光耦入光学元件720上。光耦入光学元件720使光线790偏转为使得该光线通过TIR传播到光分布元件(例如，OPE)750，然后通过TIR传播到耦出光学元件(例如，EP)820。然后，耦出光学元件820最终将光线790耦出到观看者，观看者还从其他波导670、680接收耦出光。
图9C示出了图9A和图9B的多个堆叠波导的示例的俯视平面图。如图所示，波导670、680、690以及每个波导的关联的光分配元件730、740、750和关联的耦出光学元件800、810、820可以垂直对准。然而，如本文所讨论的，耦入光学元件700、710、720不是垂直对准的；相反，耦入光学元件优选地是不重叠的(例如，当在俯视图中观看时横向间隔开)。如本文进一步讨论的，此不重叠的空间布置有助于将来自不同资源的光一对一地注入到不同波导中，从而允许特定光源被唯一地耦合到特定波导。在一些实施例中，包括不重叠的空间分离的耦入光学元件的布置可以被称为移位的光瞳系统，并且这些布置内的耦入光学元件可以与子光瞳对应。
图9D示出了可穿戴显示系统60的示例，本文公开的各种波导和相关系统可以被整合到该可穿戴显示系统60中。在一些实施例中，显示系统60是图6的系统250，其中图6示意性地更详细示出该系统60的某些部件。例如，图6的波导组件260可以是显示器70的一部分。
继续参考图9D，显示系统60包括显示器70，以及支持该显示器70的功能的各种机械和电子模块和系统。显示器70可以被耦接到框架80，该框架80是可由显示系统用户或观看者90佩戴的，并且该框架80被配置为将显示器70定位在用户90的眼睛的前方。在一些实施例中，显示器70可以被视为是眼镜。在一些实施例中，扬声器100被耦接到框架80并且被配置为位于邻近用户90的耳道(在一些实施例中，另一个扬声器(未示出)可以可选地位于邻近用户的另一个耳道，以提供立体/可塑形声音控制)。显示系统60还可以包括一个或多个麦克风110或其他设备以检测声音。在一些实施例中，麦克风被配置为允许用户向系统60提供输入或命令(例如，语音菜单命令的选择、自然语言问题等)，和/或可以允许与其他人(例如，与类似的显示系统的其他用户)的音频通信。麦克风可以进一步被配置为外围传感器以收集音频数据(例如，来自用户和/或环境的声音)。在一些实施例中，显示系统还可以包括外围传感器120a，该传感器120a可以与框架80分离，并且被附接到用户90的身体(例如，在用户90的头部、躯干、四肢等上)。在一些实施例中，外围传感器120a可以被配置为获取表征用户90的生理状态的数据。例如，传感器120a可以是电极。
继续参考图9D，显示器70通过通信链路130(例如，通过有线引线或无线连接)可操作地耦接到本地数据处理模块140，本地数据处理模块140可以以各种配置来安装，诸如固定地附接到框架80，固定地附接到由用户佩戴的头盔或帽子，嵌入耳机中，或以其他方式(例如，以背包式配置、以腰带耦接式配置)可移除地附接到用户90。类似地，传感器120a可以通过通信链路120b(例如，有线引线或无线连接)可操作地耦接到本地处理和数据模块140。本地处理和数据模块140可以包括硬件处理器以及数字存储器，诸如非易失性存储器(例如，闪存或硬盘驱动器)，两者都可被用于辅助数据的处理、缓存和存储。可选地，本地处理和数据模块140可以包括一个或多个中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、专用处理硬件等等。数据可以包括a)从传感器(其可以例如可操作地耦接到框架80或以其他方式附接到用户90)捕获的数据，传感器诸如为图像捕获设备(诸如相机)、麦克风、惯性测量单元、加速计、指南针、GPS单元、无线电设备、陀螺仪和/或本文公开的其他传感器；和/或b)使用远程处理模块150和/或远程数据储存库160(包括与虚拟内容有关的数据)获取和/或处理的数据，可能用于在这样的处理或检索之后向显示器70传送。本地处理和数据模块140可以通过通信链路170、180诸如经由有线或无线通信链路可操作地耦接到远程处理模块150和远程数据储存库160，使得这些远程模块150、160可操作地彼此耦接，并且可用作本地处理和数据模块140的资源。在一些实施例中，本地处理和数据模块140可以包括图像捕获设备、麦克风、惯性测量单元、加速计、指南针、GPS单元、无线电设备和/或陀螺仪中的一者或多者。在一些其他实施例中，这些传感器中的一者或多者可以被附接到框架80，或者可以是通过有线或无线通信路径与本地处理和数据模块140通信的独立结构。
继续参考图9D，在一些实施例中，远程处理模块150可以包括被配置为分析和处理数据和/或图像信息的一个或多个处理器，例如，包括一个或多个中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、专用处理硬件等等。在一些实施例中，远程数据储存库160可以包括数字数据存储设施，其可以通过因特网或“云”资源配置中的其他网络配置获得。在一些实施例中，远程数据储存库160可以包括一个或多个远程服务器，所述远程服务器向本地处理和数据模块140和/或远程处理模块150提供信息，例如，用于生成增强现实内容的信息。在一些实施例中，在本地处理和数据模块中存储所有数据，并且执行所有计算，允许从远程模块完全自主地使用。可选地，包括CPU、GPU等的外部系统(例如，一个或多个处理器、一个或多个计算机的系统)可以执行至少一部分处理器(例如，生成图像信息，处理数据)，并且例如经由无线或有线连接向模块140、150、160提供信息，以及从这些模块接收信息。
宽带自适应波片透镜组件的液晶材料
通常，液晶具有介于常规流体和固体之间的物理特性。尽管液晶在某些方面类似于流体，但与大多数流体不同，液晶中分子的排列呈现出某种结构性有序。不同类型的液晶包括热致液晶、溶致液晶和聚合液晶。本文公开的热致液晶可以以各种物理状态(例如，相)实现，其中包括向列态/相、近晶态/相、手性向列态/相或手性近晶态/相。
如本文所述，处于向列态或相的液晶可具有棒状(棒形)或盘状(碟形)有机分子，这些有机分子具有相对少的位置性有序，同时具有长程方向性有序，其中这些分子的长轴大致平行。因此，有机分子可自由流动，其质心位置像在液体中一样随机分布，同时仍保持其长程方向性有序。在一些实施方式中，处于向列相的液晶可以是单轴的；即，液晶具有一个较长的优先轴，而其它两个轴大致相等。在一些实施方式中，液晶分子沿其长轴取向。在其它实施方式中，液晶可以是双轴的；即，除了沿其长轴取向之外，液晶还可以沿次轴取向。
如本文所述，处于近晶态或相的液晶可具有形成相对限定良好的层的有机分子，这些层能够在彼此之上移动。在一些实施方式中，处于近晶相的液晶可以沿一个方向位置性有序。在一些实施方式中，分子的长轴可以沿基本垂直于液晶层平面的方向取向，而在其它实施方式中，分子的长轴可以相对于垂直于层平面的方向倾斜。
在本文和整个公开中，向列液晶由棒状分子组成，其中相邻分子的长轴彼此大致对准。为了描述这种各向异性结构，可以使用被称为指向矢(director)的无量纲单位矢量n来描述液晶分子的优先取向的方向。
在本文和整个公开中，使用方位角或旋转角
Figure BDA0002938915960000321
描述液晶分子围绕层法线方向或者与液晶层的主表面垂直的轴的旋转角，该角在与液晶层或基板的主表面平行的平面(例如，x-y平面)中测量以及在配向方向(例如，伸长方向或指向矢的方向)和平行于该主表面的方向(例如，y方向)之间测量。
在本文和整个公开中，当诸如旋转角
Figure BDA0002938915960000322
之类的角度被提及为在不同区域之间基本相同或不同时，应当理解，平均角度例如可以在彼此的约0.1％、约5％或约10％内，但在某些情况下，平均角度可能更大。
如本文所述，处于向列态或近晶态的一些液晶也可以在层法线方向上呈现出扭曲。这种液晶被称为扭曲向列(TN)液晶或扭曲近晶(SN)液晶。TN或SN液晶可呈现出分子围绕垂直于指向矢的轴的扭曲，其中分子轴平行于指向矢。当扭曲度较大时，扭曲液晶可以被称为处于手性相或胆甾相。
如本文所述，可以将TN或SN液晶描述为具有扭曲角或净扭曲角
Figure BDA0002938915960000323
其例如可以指跨液晶层的指定长度(例如厚度)的最上面液晶分子和最下面液晶之间的相对方位角旋转。
如本文所述，“可聚合液晶”可以指可以被聚合(例如，原位光聚合)的液晶材料，在本文中也可被描述为反应性液晶元(RM)。
在一些实施例中，液晶分子可以是可聚合的，并且一旦被聚合，便可与其它液晶分子形成大的网络。例如，液晶分子可以通过化学键或链接性化学物质而与其它液晶分子链接。一旦被接合在一起，液晶分子可以形成液晶畴，这些液晶畴具有与链接在一起之前基本相同的取向和位置。术语“液晶分子”可以指聚合前的液晶分子和指由这些分子在聚合后形成的液晶畴。一旦被聚合，聚合网络便可被称为液晶聚合物(LCP)。
在一些实施例中，未聚合的液晶分子或被聚合之前的可聚合液晶分子可具有至少有限的旋转自由度。这些未聚合的液晶分子例如可以在导致光学特性改变的电刺激下旋转或倾斜。例如，通过施加电场，一些包括未聚合的液晶分子的液晶层可以在具有不同的衍射或偏振改变特性的一个或多个状态之间切换。
发明人已经认识到，液晶或反应性液晶元(RM)的上述特性可以有利地被应用于本文公开的宽带可切换波片和波片透镜的各种部件。例如，在一些未聚合的RM中，LC分子的取向可在沉积之后改变，例如通过施加外部刺激(例如电场)来实现。基于这种认识，发明人在此公开了可通过施加外部刺激而在多个状态之间切换的波片和波片透镜。
另外，发明人已经认识到，当未聚合时，一些LC或RM的表面或界面处的LC分子的取向可以通过控制其上形成LC分子的表面或界面来对准。例如，可以形成多个LC层的堆叠，其中通过控制最靠近LC层表面的LC分子的取向，可以控制下一LC层中紧邻的LC分子的取向，例如，使其具有与上一LC层中最靠近表面的LC分子相同的取向，或者具有与相邻层中的狭长型微结构相同的取向。另外，表面或界面处的LC分子之间的LC分子可以被控制为具有预定扭曲量。基于对这些和其它属性(包括双折射、手性和易于多层涂布)的认识，发明人在此公开了具有有用特性的波片和波片透镜，这些有用特性例如包括具有定制光学特性(例如衍射效率、光焦度和偏振性，等等)的宽带能力。
具有可切换宽带自适应波片透镜组件的显示设备
如上文参考图6所述，根据实施例的一些显示系统包括波导组件260，波导组件260被配置为在多个虚拟深度平面处形成图像。波导组件260包括分别被配置为通过全内反射(TIR)传播光的波导270、280、290、300、310，并且包括分别被配置为通过重定向光而将光从波导270、280、290、300、310中的相应一者提取出的耦出光学元件570、580、590、600、610。波导270、280、290、300、310中的每一者被配置为输出光以形成对应于特定深度平面的图像。波导组件260还可以可选地包括位于波导之间的多个透镜320、330、340、350，以提供不同的光焦度来在不同的虚拟深度平面处形成图像。
在图6中的波导组件260的所示实施例中，深度平面数量可以与波导和透镜的数量成正比。然而，发明人已经认识到与实现被配置为通过具有成比例数量的波导和透镜在多个深度平面处显示图像的波导组件相关联的各种挑战。例如，大量波导270、280、290、300、310和大量相应的透镜320、330、340、350会不合需要地增加波导组件260的总厚度、重量、成本和制造挑战。例如，当由常规透镜材料(例如玻璃)形成时，透镜320、330、340、350中的每一者可以在显示器上增加数毫米或数十毫米的厚度以及相应的重量。另外，大量波导和透镜会对用户产生不希望的光学作用，例如相对较高的吸收损耗。因此，一方面，发明人已经认识到能够以较少波导数量、较少透镜数量、较薄和较轻的波导和透镜和/或每个波导较少的透镜数量在多个深度平面处产生图像的显示系统在某些情况下的潜在益处。
仍然参考图6，应当理解，透镜320、330、340、350可被配置为通过向来自波导310、300、290和280的光施加相应的光焦度而在不同深度平面处形成图像。在各种实施例中，从波导耦出的光可具有偏振，例如圆偏振。然而，当从波导耦出的偏振光穿过由液晶形成的波片透镜或波片时，透射通过其中的耦出光的不到100％可能受到光学影响，例如，发生衍射性发散、会聚或改变偏振，从而导致一部分耦出光在没有受到光学影响的情况下通过。在以这种方式未受到光学影响的情况下穿过透镜的光有时被称为漏光。漏光可能会在下游光路中不合需要地聚焦、散焦或改变偏振，或者根本不受影响。当穿过波片或波片透镜的光的很大一部分构成漏光时，用户可能体验到不希望的影响，例如“重影”图像，这些图像是在非期望的深度平面处对用户可见的一个或多个非期望的图像。发明人已经认识到，除了其它原因之外，这种漏光还可能源于由被配置为在可见光谱的相对较窄的波长范围内具有相对较高的衍射效率的液晶形成的波片透镜或波片。因此，另一方面，发明人已经认识到，需要一种在受可见光谱中宽波长范围上的漏光的不希望的影响较少的情况下，可以在多个深度平面处产生图像的宽带自适应波片透镜组件。为了满足这些和其它需求，各种实施例包括宽带自适应波片透镜组件，其包括基于被配置为提供可变光焦度的液晶的可切换波片透镜或可切换波片。由液晶形成的波片透镜和波片可以提供实现这些目标的各种优点，包括厚度小、重量轻和分子级可配置度高。在本文描述的各种实施例中，显示设备被配置为使用波导组件在不同虚拟深度平面处形成图像，该波导组件被配置为在平行于波导输出表面的横向方向上引导光，并且通过输出表面将被引导的光耦出到一个或多个宽带自适应波片透镜组件。在各种实施例中，宽带自适应波片透镜组件被配置为耦入并在其中衍射来自波导的耦出光。宽带自适应透镜组件包括第一波片透镜，该第一波片透镜包括液晶(LC)层，该液晶层被布置为使得波片透镜具有在从第一波片透镜的中心区域径向向外的方向上变化的双折射率(Δn)，该波片透镜可被配置为在包括至少450nm至630nm的宽带波长范围内以大于90％，大于95％，甚至大于99％的衍射效率衍射耦出光。在一些实施例中，与传统透镜相比，根据实施例的宽带自适应波片透镜组件明显更轻、更薄(微米级)，并且可以有利地提供宽带波长范围内的可变光焦度。有利地，这些宽带自适应透镜组件可以减小波导组件(诸如波导组件260(图6))的数量、厚度和重量，以及减少或消除由漏光引起的不希望的影响。
如本文所使用的，光焦度(P，也被称为屈光能力、聚焦能力或会聚能力)是指透镜、反射镜或其它光学系统会聚或发散光的程度。它等于设备焦距的倒数：P＝1/f。即，高光焦度对应于短焦距。光焦度的SI单位是米的倒数(m-1)，通常被称为屈光度(D)。
如本文所述，对穿过其中的光聚焦的会聚透镜被描述为具有正光焦度，而对穿过其中的光散焦的发散透镜被描述为具有负光焦度。不受理论的束缚，当光穿过彼此相对靠近的两个或更多个薄透镜时，组合透镜的光焦度可以近似为各个透镜的光焦度之和。因此，当光穿过具有第一光焦度P1的第一透镜并且进一步穿过具有第二光焦度P2的第二透镜时，该光可被理解为根据光焦度之和Pnet＝P1+P2会聚或发散。
具有取决于光的偏振和传播方向的折射率的介质被称为双折射的(或重折的)。如在整个说明书中所描述的以及在相关工业中所理解的，光的偏振垂直于双折射介质的光轴，该双折射介质被描述为具有寻常折射率(no)，光的偏振平行于双折射介质的光轴，该双折射介质被描述为具有异常折射率(ne)，并且在双折射介质材料中观察到的折射率之差ne–no被描述为具有双折射率Δn。在不同的λ处，具有双折射率Δn的材料介质中的光的相位延迟可被表示为Г＝2πΔnd/λ，其中d为介质厚度。
通常，光学各向异性材料(例如液晶)显示出双折射率(Δn)的正色散，该Δn随着光波长λ的变长而减小。Δn的正色散在不同λ处导致不同的相位延迟Г＝2πΔnd/λ，其中d为介质厚度。如本文所公开的，显示出双折射率(Δn)的负色散的各向异性材料是指其中双折射率随着光波长λ的变长而增大的材料。
如上所述，在减小或最小化各种不希望的光学效应时，波片透镜或波片的衍射效率的波长依赖性会是重要的考虑因素。如本文所述，诸如液晶层的双折射介质的衍射效率(η)可表示为η＝sin2(πΔnd/λ)，其中Δn为双折射率，λ为波长，d为厚度。由于通过衍射部件传播的光的相位延迟随传统双折射介质的波长而变化，因此，包括波片透镜和波片的一些衍射部件显示可见光范围内衍射效率足够高的相对较窄的波长范围或带宽。相反，根据实施例的波片透镜和波片显示可见光谱内衍射效率对于本文描述的各种应用足够高的相对较宽的波长范围或带宽。
根据各种实施例，宽带波片透镜或波片可被描述为具有归一化带宽(Δλ/λ0)，其中λ0是跨大约400至800nm波长范围的可见光谱内的中心波长，可见光谱包括以下一者或多者：具有大约620至780nm波长范围的红色光谱、具有大约492至577nm波长范围的绿色光谱，以及具有大约435至493nm波长范围的蓝色光谱，并且Δλ是以λ0为中心的波长范围，该范围内的衍射效率超过70％、80％、90％、95％、99％或由这些值限定的范围内的任何值。
根据各种实施例，当波片透镜或波片被描述为宽带波片透镜或宽带波片时，其应理解为在跨大约400至800nm波长范围的可见光谱的至少一部分(包括以下一者或多者：包括大约620至780nm范围内的波长的红色光谱、包括大约492至577nm范围内的波长的绿色光谱，以及大约435至493nm范围内的蓝色光谱)内，或者在由大约400至800nm内的可见光谱内的任何波长限定的波长范围(例如400至700nm、430至650nm或450至630nm)内，具有超过70％、80％、90％、95％、99％或这些值中任何值内的百分比的衍射效率的平均值、瞬时值、均值、中值或最小值。
基于上面针对衍射效率描述的关系η＝sin2(πΔnd/λ)，当Δn/λ的比具有相对恒定的正值时，宽带波片透镜或波片具有对于固定的d的效率。如本文所述，具有Δn/λ的正比值的介质被称为具有负色散。根据实施例，本文所述的宽带波片透镜或宽带波片具有负色散，或上述随着波长范围内的波长(λ)的增大而增大的双折射率(Δn)。
根据各种实施例，宽带波片透镜或波片可被描述为在上述可见光谱的任何范围内为正值的比值Δn/λ的瞬时值、均值、中值、最小值或最大值。另外，宽带波片透镜或波片具有相对较高的比值Δλ/λ0，其中Δλ是上述可见光谱的任何范围内的波长范围，λ0是Δλ内的中心波长。根据各种实施例，高归一化带宽Δλ/λ0可具有约0.3至1.0、0.3至0.7、0.4至0.7、0.5至0.7、0.6至0.7的值或具有由这些值限定的任何范围内的值。另外，宽带波片透镜或波片具有在上述可见光谱内的各种波长范围内相对恒定的比值Δn/λ。例如，比值Δn/λ可以具有相对于比值Δn/λ的均值、中值、最小值或最大值的不超过大于30％、20％、10％、5％、1％或这些值中任何值内的百分比的偏差(例如，标准偏差)。
如本文所述，“透射性”或“透明”结构(例如，透明基板)可以允许至少一些(例如至少20％、30％、50％、70％或90％的)入射光穿过其中。因此，在一些实施例中，透明基板可以是玻璃、蓝宝石或聚合物基板。相反，“反射性”结构(例如，反射性基板)可以从其反射至少一些(例如至少20、30、50、70、90％或更多的)入射光。
图10示出了显示设备1000的示例(例如，可穿戴显示设备)，其包括一个或多个宽带自适应透镜组件，例如光路1016中的中间插入有波导组件1012的一对宽带自适应透镜组件1004、1008。如上文所述，波导组件包括被配置为在全内反射下传播光(例如，可见光)，并且沿着从波导的光输出表面(例如，波导的主表面)延伸的光轴(例如，沿着垂直于波导的光输出表面的方向)耦出光的波导。在一些实施例中，光可以通过衍射光栅耦出。宽带自适应透镜组件1004、1008中的每一者可被配置为至少部分地在其中透射耦出光。在所示的实施例中，自适应透镜组件中的每一者可被配置为接收来自波导组件1012的耦出光并且在光轴方向上会聚或发散耦出光。宽带自适应透镜组件1004、1008中的每一者包括波片透镜，波片透镜包括液晶，液晶被布置为使得波片透镜具有在来自波片透镜中心区域的径向方向上变化并且随着可见光谱范围内的波长(λ)的增大而减小的双折射率(Δn)。宽带自适应透镜组件被配置为在具有不同光焦度的多个状态之间选择性地切换。宽带自适应透镜组件被配置为在被激活(例如，电气地激活)时改变穿过其中的耦出光的偏振态。
如本文所使用的，自适应透镜组件是指这样的透镜组件：该透镜组件具有至少一个可以使用外部刺激来调节(例如可逆地激活和去激活)的光学特性。除其它特性外，可以被可逆地激活和去激活的示例光学特性包括光焦度(焦距)、相位、偏振、偏振选择性、透射率、反射率、双折射率和衍射特性。在各种实施例中，自适应透镜组件能够电气地改变穿过其中的光的光焦度和偏振态。
在所示的实施例中，该对宽带自适应透镜组件1004、1008中的每一者被配置为在至少两个状态之间选择性地切换，其中，在第一状态下，每一者被配置为使耦出光穿过其中而不改变其偏振态，而在第二状态下，每一者被配置为改变穿过其中的耦出光的偏振态。例如，在第二状态下，宽带自适应透镜组件1004、1008中的每一者使圆偏振光的旋向性反转，而在第一状态下，宽带自适应透镜组件1004、1008中的每一者保持圆偏振光的旋向性。
仍然参考图10，显示设备1000进一步包括介于该对自适应透镜组件1004、1008之间的波导组件1012。波导组件1012可以类似于上面关于图6所述的波导组件260，其包括一个或多个波导，这些波导类似于图6中的一个或多个波导270、280、290、300、310。如上面例如关于图6和7所述，波导可被配置为沿着平行于波导主表面的横向方向在全内反射下传播光。波导还可被配置为例如在垂直于波导主表面的方向上耦出光。
仍然参考图10，该对自适应透镜组件中的第一自适应透镜组件1004被设置在波导组件1012的第一侧上，例如由用户观察到的世界510的一侧，而该对透镜组件中的第二自适应透镜组件1008被设置在波导组件1012的第二侧上，例如用户的眼睛210的一侧。如下文所述，该对被配置的自适应透镜组件在多个虚拟深度平面处向用户提供来自波导组件1012的虚拟内容并且还提供真实世界视图。在一些实施例中，不存在或很少有由于自适应透镜组件的存在而导致的畸变。如下面关于图11A和11B所述，在第一和第二自适应透镜组件1004、1008被激活时，虚拟内容和真实世界视图被提供给用户。
图11A和11B示出了显示设备1100A/1100B的示例，每个显示设备包括在操作中向用户输出图像信息的自适应透镜组件。处于未供电状态的显示设备1100A和1100B在结构上相同。显示设备1100A在此被用于描述向用户输出虚拟图像，而显示设备1100B在此被用于描述通过显示设备1100B向用户传输真实世界图像。显示设备1100A/1100B包括被配置为例如通过施加电压或电流而被电气地激活的一对可切换透镜组件1004、1008。在一些实施例中，在去激活状态下(例如，当未施加电压或电流时)，第一和第二可切换透镜组件1004、1008中的每一者具有低光焦度(例如，大约为零)。在一些实施例中，在激活状态下(例如，当施加电压或电流时)，世界侧的第一自适应透镜组件1004可以提供具有第一符号(例如，正光焦度)的第一净光焦度(Pnet1)。当处于激活状态时，用户侧的第二自适应透镜组件1008可以提供具有第二符号(例如，负光焦度)的第二净光焦度(Pnet2)。
图11A示出了根据一些实施例的在虚拟深度平面处向用户显示虚拟内容的图10的显示系统的示例。如上文所述，介于该对自适应透镜组件1004、1008之间的波导组件1012包括被配置为接收包含虚拟图像信息的光，并在全内反射下传播该光的波导。波导组件1012被进一步配置为通过例如衍射光栅朝着眼睛210耦出光。该耦出光在进入眼睛210之前穿过第二自适应透镜组件1008。当被激活时，第二自适应透镜组件1008具有第二净光焦度Pnet2，其可具有负值，使得用户在虚拟深度平面1104处看到虚拟图像。
在一些实施例中，可以对第二净光焦度Pnet2进行电气调整，以调整第二自适应透镜组件1008的第二净光焦度(Pnet2)，从而调整到虚拟深度平面1104的距离。例如，当虚拟对象在虚拟三维空间内相对于眼睛210往近或往远“移动”时，可以相应地调整第二自适应透镜组件1008的第二净光焦度Pnet2，使得虚拟深度平面1104发生调整以跟踪虚拟对象。因此，用户可能经受超过可接受阈值的相对较小的适应/聚散失配，或者不经受任何适应/聚散失配。在一些实施例中，可通过不连续的步骤调整到虚拟深度平面1104的距离的大小，而在一些其它实施例中，可以连续调整到虚拟深度平面1104的距离的大小。
图11B示出了根据一些实施例的向用户提供真实世界内容的视图的图10的显示系统的示例。当第二自适应透镜组件1008被激活以具有第二净光焦度(Pnet2)，从而在虚拟深度平面1104处显示虚拟内容时，穿过第二自适应透镜组件1008的来自真实世界的光也可以根据被激活的第二自适应透镜组件1008的Pnet2而被会聚或发散。因此，真实世界中的对象可能会看起来失焦。为了减轻这种畸变，根据实施例，当被激活时，第一和第二自适应透镜组件1004、1008可被配置为具有符号相反的光焦度。在一些实施例中，穿过第一和第二自适应透镜组件1004、1008的光根据组合的光焦度而会聚或发散，该组合的光焦度的大小约为第一和第二自适应透镜组件1004、1008的第一和第二净光焦度Pnet1、Pnet2的大小之差。在一些实施例中，波导组件1012也可具有光焦度，并且自适应透镜组件1008可被配置为解决由透镜组件1004和波导组件1012两者引起的畸变。例如，自适应透镜组件1008的光焦度的符号可以与透镜组件1004和波导组件1012的光焦度之和相反。
在一些实施例中，第一自适应透镜组件1004被配置为具有第一净光焦度Pnet1，该第一净光焦度Pnet1的大小与第二自适应透镜组件1008的第二净光焦度Pnet2的大小接近或相同。因此，当同时激活第一和第二自适应透镜组件1004、1008时，真实世界中的对象看起来相对不受用于显示虚拟内容而提供的第二自适应透镜组件1008的光焦度的影响。
在一些实施例中，第一自适应透镜组件1004可被配置为使得当被激活时，第一净光焦度Pnet1动态地与第二自适应透镜组件1008的第二净光焦度Pnet2匹配。例如，当调整第二可切换组件1008的光焦度Pnet1以跟踪虚拟三维空间内的移动虚拟对象时，可以动态地调整第一自适应透镜组件1004的第一净光焦度Pnet1，使得组合的光焦度的大小P＝Pnet1+Pnet2可以保持小于预定值。因此，根据实施例，可以通过使用第一自适应透镜组件1004的第一净光焦度(Pnet1)补偿可具有负值的第二自适应透镜组件1008的第二净光焦度(Pnet2)，使得组合的光焦度P＝Pnet1+Pnet2保持较小(例如，接近约0m-1)，来防止真实世界中的对象出现不可接受的失焦。
用于宽带自适应波片透镜组件的可切换波片和可切换波片透镜
如上所述，在具有较少波导的多个深度平面处形成图像的优点之一是显示设备(例如，图10中的显示设备1000)的厚度和重量的总体减小。因此，本文描述的各种实施例提供了紧凑、重量轻的自适应波片透镜组件，并提供了各种光学功能，例如高带宽能力和可变光焦度。另外，本文描述的各种实施例提供了具有相对少量漏光的自适应透镜组件。
为了在宽可见光谱范围内以高效率在多个深度平面处提供图像，根据各种实施例的宽带自适应透镜组件包括波片透镜(分别为图12A、12B中的1154A、1154B)，波片透镜包括液晶，液晶被布置为使得波片透镜具有在从第一波片透镜中心区域起的径向方向上变化并且随着可见光谱范围内的波长(λ)的增大而或减小的双折射率(Δn)。如上所述，根据各种实施例，宽带自适应波片透镜组件可以通过被配置为在具有不同光焦度的多个状态之间选择性地切换而在多个深度平面处生成图像。如本文所讨论的，宽带透镜组件的选择性切换又可以通过切换包括在根据实施例的宽带自适应波片透镜组件中的波片透镜或波片来执行。
参考图12A，在一些实施例中，宽带自适应透镜组件1150A被配置为通过采用位于与波片透镜1154A相同的光路中的可切换波片1158而在不同的光焦度状态之间切换，可切换波片1158包括液晶。波片透镜1154A可以是无源透镜，并且宽带自适应透镜组件1150A可以通过电气地激活和去激活可切换波片1158而在不同状态之间选择性地切换。
仍然参考图12A，根据各种实施例，在操作中，波片透镜1154A被配置为使其根据光的偏振(例如，圆偏振)发散或会聚穿过其中的入射光1162A、1162B。当被配置为半波片(HWP)透镜时，所示的波片透镜1154A(可以是无源波片透镜)被配置为将入射在波片透镜1154A上的右旋圆偏振(RHCP)光束1162B会聚成左旋圆偏振(LHCP)光束1166A。另一方面，波片透镜1154A被配置为将入射在波片透镜1154A上的LHCP光束1162A发散成右旋圆偏振(RHCP)光束1166B。
仍然参考图12A，在被波片透镜1154A根据入射在其上的光的圆偏振而聚焦或散焦之后，LHCP光束1166A或RHCP光束1166B入射在可切换波片1158上。可切换波片1158的液晶被配置为使得当被激活(例如，电气地激活)时，保持穿过其中的圆偏振光的偏振(未示出)。即，LHCP光束1166A和RHCP光束1166B不受影响地穿过可切换波片1158。另一方面，当被去激活(例如，电气地激活)时，穿过其中的圆偏振光的偏振被翻转(已示出)。即，LHCP光束1166A被变换为RHCP光束1170A，RHCP光束1166B被变换为LHCP光束1170B。
参考图12B，在一些其它实施例中，宽带自适应透镜组件1150B被配置为通过采用包括液晶的可切换波片透镜1154B而在不同的光焦度状态之间切换。自适应透镜组件1150B可以通过电气地激活和去激活可切换波片透镜1154B而在不同状态之间选择性地切换。
根据各种实施例，在操作中，波片透镜1154B的液晶被配置为使得波片透镜1154B根据入射光的偏振(例如，圆偏振)发散或会聚穿过其中的入射光1162A、1162B。当被配置为半波片透镜时，在被去激活(例如，电气地去激活)的情况下，所示的波片透镜1154B被配置为将入射在波片透镜1160B上的RHCP光束1162B会聚成LHCP光束1166A。相反地，当被去激活时，波片透镜1154B被配置为将入射在波片透镜1154B上的左旋偏振(LHCP)光束1162A发散成RHCP光束1166B。另一方面，当被激活(例如，被电气地去激活)时，穿过其中的圆偏振光的偏振被保持(未示出)，并且入射在其上的LHCP光束1162A和RHCP光束1162B穿过波片透镜1154B而基本上不发生会聚或发散。在各种实施例中，通过配置响应于切换信号(例如，电场)而重新布置的液晶，可以激活或去激活波片透镜组件1150A、1150B以根据圆偏振光的偏振会聚或发散，以及翻转或保持其偏振。
宽带可切换波片
如上所述，根据各种实施例，通过在具有不同光焦度的多个透镜状态之间选择性地切换宽带波片透镜组件，可以将宽带自适应波片透镜组件用于在多个深度平面处生成图像。如上所述，在一些实施例中，宽带自适应波片透镜组件可被配置为通过电气地激活包括在宽带自适应波片透镜组件中的宽带可切换波片，在多个透镜状态之间选择性地切换。在下文中，公开了这种宽带可切换波片的实施例。
在一些实施例中，宽带可切换波片包括未聚合扭曲向列(TN)液晶(LC)层，并且被配置为在跨TN LC层的整个厚度施加电场时进行切换。不受任何理论的束缚，可通过改变跨TN LC层的整个厚度的未聚合LC分子的取向来实现切换。
参考图13A至13F，根据各种实施例，宽带可切换波片包括扭曲向列(TN)液晶(LC)层。图13A示出了包括TN LC层的可切换波片的示例的截面图。TN LC可切换波片1300A包括被设置在一对透明基板1312之间的TN LC层1302。透明基板1312中的每一者的内表面上形成有导电透明电极1316、1320。
透明电极1316、1320和/或基板1312的表面可被配置为使得与上电极1316接触或紧邻的TN LC分子倾向于以其在第一横向方向上延伸地取向，而与下电极1320接触或紧邻的TN LC分子倾向于以其长轴在第二横向方向上延伸地取向，第二横向方向可以与第一横向方向交叉，例如相对于第一横向方向形成约90度角。紧邻下电极1320的TN LC分子和紧邻上电极1316的TN LC分子之间的TN LC分子发生扭曲。如所配置的，TN LC可切换波片1300A被配置为宽带波片。
仍然参考图13A，在操作中，在没有跨TN LC层1302的电场(去激活状态)时，TN LC分子的向列指向矢在TN LC层1302的整个厚度上发生90度平滑扭曲。在该状态下，在第一方向(与最靠近下电极1312的LC分子同向)上偏振的入射光1308入射在TN LC层1302上。TN LC层1302内的LC分子的扭曲布置然后充当光波导，并在到达上电极1316之前将偏振平面旋转四分之一圈(90度)。在该状态下，TN LC层1302用于将穿过其中的线偏振光的偏振方向从一个线偏振方向变为另一线偏振方向。因此，透射光1304在与第一方向相反的第二方向(与最靠近上电极1316的LC分子同向)上偏振。
另一方面，当跨电极1316、1320施加超过TN LC可切换波片1300A的阈值电压(V>Vth)的电压(激活状态)时，TN LC层1306内的TN LC分子趋向于与所产生的电场对准，并且失去上面关于去激活状态描述的TN LC层1304的光波导特性。在该状态下，TN LC层1306用于保持穿过其中的光的偏振方向。因此，入射光1308和透射光1304B在相同的第一方向(与最靠近下电极1312的LC分子同向)上偏振。
当关断电场时，TN LC分子弛豫回到其扭曲状态，并且处于激活状态的TN LC层1306的TN LC分子返回到处于去激活状态的TN LC层1302的TN LC分子的配置。
如上所述，关于图13A描述的TN LC可切换波片1300A用于改变线偏振光的偏振方向。然而，本文描述的各种宽带波片透镜组件包括可切换波片，该可切换波片被配置为用于使圆偏振光的旋向性反转的可切换半波片。因此，在关于图13B至13D的下文中，根据实施例描述被配置为可切换半波片的可切换波片。
图13B示出了根据实施例的被配置为半波片的可切换宽带波片1300B的截面图。可切换宽带波片1300B包括关于图13A所示的TN LC可切换波片1300A。另外，为了用作用于圆偏振光的宽带半波片，可切换宽带波片1300B另外包括一对消色差四分之一波片(QWP)1324、1326。
在操作中，在可切换宽带波片1300B的激活状态下，当具有第一旋向性的入射圆偏振光束1324(例如，左旋圆偏振(LHCP)光束)穿过第一QWP 1324时，第一QWP 1324将圆偏振光束1324变换为具有第一线偏振的第一线偏振光束1328。随后，当穿过激活的TN LC可切换波片1300A时，第一线偏振光束1328被变换为具有第二线偏振的第二线偏振光束1332。接着，当穿过第二QWP 1326时，第二线偏振光束1332被变换为具有与第一旋向性相反的第二旋向性的出射圆偏振光束1340，例如变换为RHCP光束。因此，当被激活时，可切换宽带波片1300B用作使圆偏振光束的偏振反转的半波片。
另一方面，当可切换宽带波片1300B被去激活时，在入射圆偏振光束1324如上所述穿过第一QWP 1324并随后穿过去激活的TN LC可切换波片1300A之后，第一线偏振光束1328的偏振被保持。此后，在穿过第二QWP 1326时，第一线偏振光束1328被变换为具有第一旋向性的出射圆偏振光束1340，例如变换为LHCP光束。因此，当被去激活时，宽带波片1300B用作保持圆偏振光束的偏振的透明介质。
在本文描述的各种实施例中，第一和/或第二QWP 1324、1326是与TN LC可切换波片1300A相比具有相似带宽的宽带四分之一波片。根据实施例，可以使用聚合TN LC层形成四分之一波片。为了提供宽带能力，根据各种实施例的QWP包括多个TN LC层。当TN LC层中的每一者形成在自己的基板上时，所得的宽带四分之一波片和/或所得的堆叠的光吸收变得不可接受地厚。因此，在下文中，描述了包括在单个基板上形成的多个TN LC层的QWP的实施例，用于与TN LC可切换波片1300A有效地集成。
图13C示出了宽带QWP 1300C的截面图，宽带QWP 1300C可以是上面关于图13B所示的第一和/或第二QWP 1324、1326，其包括在形成于基板1312上的配向层1302-0上堆叠的多个(M个)TN LC层1302-1、1302-2、…1302-M。在本说明书的其它地方更详细地描述的配向层1302-0被配置为引发第一TN LC层1302-1中与配向层1302-0紧邻的LC分子的伸长方向在第一方向上对准。通过配向层1302-0对准的LC分子上方的LC分子发生第一扭曲，使得第一TNLC层1302-1中的LC分子(紧邻第二TN LC层1302-2)在第二方向上伸长。除了最靠近前一层的LC分子在与前一层的最顶部LC分子相同的方向上对准之外，后续TN LC层1302-2至1302-M中的每一者中的LC分子的对准以与第一TN LC层1302-1类似的方式对准。例如，第一TN LC层1302-1中的最顶部LC分子和第二TN LC层1302-1中的最底部LC分子在相同的第二方向上对准。第二TN LC层1302-2中的LC分子发生第二扭曲，使得第二TN LC层1302-2中的最顶部LC分子在第三方向上伸长。由所接触的相邻层中的LC分子的对准导致的给定TN LC层中的LC分子的这种对准有时被称为自对准，因为它们之间未插入任何中间配向层。因此，在一些实施例中，宽带QWP包括多个TN LC层，这些TN LC层中具有两个或更多个自对准的TN LC层，每个自对准的TN LC层分别具有非零扭曲。
在实施例中，TN LC层包括使用例如反应性液晶元(mesogen)形成的聚合LC分子(LCP)。如上所述，反应性液晶元最初是低分子量LC，低分子量LC与常规LC一样，可以通过表面和扭曲进行对准以具有复杂的分布，但是低分子量LC接着通过光聚合被固化成固体聚合物膜。
图13D示出了集成可切换宽带波片1300D的截面图，其中，将与上面关于图13A描述的TN LC可切换波片相类似的TN LC可切换波片1300A集成到具有与上面关于图13C描述的一对宽带QWP相类似的一对宽带QWP 1324、1326的单个堆叠中。在所示的实施例中，通过使用粘合剂层1348将该对宽带四分之一波片1324、1326附接在单个堆叠的相反两侧上来将TNLC可切换波片1300A集成到单个堆叠中。
图13E示出了集成可切换宽带波片1300E的截面图，其中，以与上面关于图13D描述的类似的方式将类似于上面关于图13A描述的TN LC可切换波片1300A集成到具有一对宽带四分之一波片1324、1326的单个堆叠中，但是替代使用粘合剂形成集成的堆叠，将该对宽带四分之一波片1324、1326中的一者用作其上可以直接形成TN LC可切换波片1300A(图13A)的基板。例如，在QWP 1324、1326中的一者的表面上，可以直接形成TN LC可切换波片1300A的不同层。有利地，可以省略TN LC可切换波片1300A的基板1312中的一者或全部两者。因此，TN LC可切换波片1300A通过被直接形成在该对宽带QWP 1324、1326中的一者上且然后在其上形成该对宽带QWP 1324、1326中的另一者而被集成到紧凑的单个堆叠中。
在上面关于图13D和13E所示的每个实施例中，宽带QWP可以由基于液晶的材料或其它基于非液晶的材料(例如，石英和MgF2)形成。在下文中，关于图13F，示出这样的实施例：其中，包括液晶的宽带QWP特别有利地与TN LC可切换波片集成为单个堆叠，以不仅用作QWP，而且还用作TN LC可切换波片的配向层。
图13F示出了集成的可切换宽带波片1300F的截面图，该集成的可切换宽带波片1300F集成了类似于上面关于图13描述的TN LC可切换波片1300A。可切换宽带波片1300F包括一对宽带QWP 1324、1326，其以与上面关于图13E所述类似的方式布置，但是替代宽带QWP1324、1326作为用于TN LC层1302的基板，宽带QWP 1324、1326包括形成在基板1312的相应表面上的薄聚合LC层，以及TN LC层1302的LC分子通过限定TN LC层1302的厚度的间隔物1350而被插入到形成在宽带QWP 1324、1326的相对表面之间的间隙中。插入LC分子的方法在说明书的其它地方描述。另外，TN LC可切换波片1300A的不同层和宽带QWP 1324、1326的不同层一体地被形成为单个堆叠。例如，第一宽带QWP 1324包括其上形成有下透明电极1316的基板1312，接着是配向层1302-2和多个TN LC层1302-1、1302-2。类似地，第二宽带QWP 1326包括其上形成有上透明电极1320的基板1312，接着是配向层1302-0和多个TN LC层1302-1、1302-2。
仍然参考图13F，有利地，第一宽带QWP 1324的TN LC层1302-2的面向间隙的最外部LC分子和第二宽带QWP 1326的TN LC层1302-2的面向间隙的最外部LC分子被布置为用作可切换TN LC层1302的配向层，使得TN LC层1302的最外部LC分子以类似于上面关于图13C描述的方式自对准。另外，通过一体化地堆叠TN LC可切换波片1300A的不同层与宽带QWP1324、1326的不同层，可以显著减小整个堆叠的总厚度。例如，虽然机械地接合图13A所示的TN LC可切换波片1300A与图13C所示的宽带四分之一波片1324、1326可能导致多达四个基板，但是可切换宽带波片1300F的整个堆叠只有两个基板。
参考图13F和整个说明书中的各种实施例，可切换LC层(例如，插入在间隙中的TNLC层1302)具有约1μm至50μm、1至10μm、10至20μm、20至30μm、30至40μm、40至50μm或由这些值限定的任何范围内的值的厚度。另外，无源LC层(例如，TN LC层1302-1、1302-2)可具有约0.1μm至50μm、0.1至1μm、1至10μm、10至20μm、20至30μm、30至40μm、40至50μm或由这些值限定的任何范围内的值的厚度。
在本文描述的各种实施例中，配向层(例如，图13C、13F中的1302-2)被用于对准LC分子，例如沿着特定方向对准LC分子的伸长方向。例如，如上面关于图13A至图13F所述，配向层可被用于在预定方向上限定指向矢(n)或狭长LC分子的局部平均伸长方向。在一些其它实施例中，配向层可以由有机聚合物形成，例如被机械摩擦的聚酰亚胺和聚酰胺、倾斜沉积的无机氧化物(例如SiO2)或长链脂族硅氧烷。在一些实施例中，非接触式配向层可以由有机聚合物形成，其中使用平面偏振光以产生表面各向异性，该表面各向异性进而限定指向矢。例如，使用可被直接沉积或溶解到标准定向层(例如，聚酰亚胺)或LC混合物中的偶氮染料的顺反式光异构化能够在不进行摩擦的情况下在配向层中产生定向效应。使用偶氮发色团的非接触式配向层有时采用强激光来诱发染料分子的异构化。
在一些其它实施例中，纳米结构的图案可用作用于对准LC分子的配向层。有利地，在一些实施例中，纳米结构的图案可以被形成为电极层的一部分，以提高光透射率，减少工艺步骤，和进一步减小例如上面关于图13A至13F描述的宽带波片的总厚度。为了实现此目的，图14A示出了根据实施例的纳米结构1400A的图案的透视图，该纳米结构1400A例如是形成在透明基板1312上的纳米线，其起到配向层以及电极层的双重作用。可以使用例如在本说明书的其它地方详细描述的光刻或纳米压印技术在基板1312上对纳米结构1400A的图案进行图案化。纳米结构可以由被图案化为狭长金属线的足够薄的导电材料形成。例如，导电材料可以是金、银、铜、铝或ITO或任何合适的导电材料，所述合适的导电材料的厚度和电阻率使得所得的纳米结构图案可以同时用作配向层和电极层。在所示的实施例中，纳米结构1400A的图案包括在第一方向(例如，x方向)上延伸的周期性导线1404A，这些周期性导线1404A被连接到向其供应电流或电压的轨道(rail)1408A。在各种实施例中，周期性导线1404A可具有1μm至1000μm、5μm至500μm、10μm至100μm或由这些值限定的范围内的任何值的间距。导线1404可具有10nm至1μm、100nm至1000nm、100nm至500nm、200nm至300nm或由这些值限定的范围内的任何值的宽度。周期性导线1404可具有10nm至1μm、100nm至1000nm、100nm至500nm、400nm至500nm或由这些值限定的范围内的任何值的厚度。可以选择周期性导线1404A的材料、厚度和宽度的组合，使得所得的周期性导线1404A的薄层电阻为约1欧姆/
Figure BDA0002938915960000491
至100欧姆/
Figure BDA0002938915960000492
、2欧姆/
Figure BDA0002938915960000493
至50欧姆/
Figure BDA0002938915960000494
、5欧姆/
Figure BDA0002938915960000495
至20欧姆/
Figure BDA0002938915960000497
或由这些值限定的范围内的任何值，例如约10欧姆/
Figure BDA0002938915960000496
。此外，可以选择导线1404A的材料和厚度的组合，使得所得的可见光谱中的透射率为80％至99％、90％至99％、95％至99％、97％至99％或由这些值限定的范围内的任何值，例如约98％。其它尺寸、配置和值也是可能的。
图14B示出了纳米结构1400B的图案的透视图，该纳米结构1400B的图案类似于上面关于图14A描述的纳米结构1400A的图案，只是纳米结构1400B的图案包括沿第二方向(例如，y方向)延伸的周期性导线1404B，周期性导线1404B被连接到用于向其供应电流的轨道1408B。
图14C示出了根据实施例的一对电极1400C的透视图。该对电极1400C包括纳米结构1400A的图案和纳米结构1400B的图案，这些图案被布置为使得周期性导线1404A和周期性导线1404B彼此面对并且交叉，并且通过间隙1412而被分离，间隙1412被配置为在其中布置一个或多个LC层，例如TN LC层。有利地，已经发现，纳米结构1400A和1400B的图案中的每一者可用作与上面关于图13C、13F描述的配向层1302-0类似的配向层，使得当向列LC分子(例如，反应性液晶元)在其上形成时，与纳米结构1400A和1400B的图案中的每一者紧邻的LC分子可以变得对准，例如，其中向列LC分子的指向矢在与周期性导线1404A、1404B的伸长方向相同的方向上大致对准。另外，与周期性导线1404A、1404B紧邻的LC分子之间的LC分子可被配置为使用扭曲剂进行扭曲，使得可以形成与上面关于图13A描述的TN LC层1302类似的未聚合TN LC层，以及与上面关于图13C描述的TN LC层1302-1、1302-2、...1302-M类似的聚合TN LC层。
返回参考图13F，应当理解，在一些实施例中，通过组合电极和配向层的功能，纳米结构1400A的图案可以代替透明电极1316和宽带QWP 1324的配向层1302-0的组合，并且纳米结构1400B的图案可以代替透明电极1320和宽带QWP 1326的配向层1302-0的组合，从而允许更紧凑的整体堆叠。
仍然参考图14C，在操作中，具有和不具有电场以及对光偏振的相应影响的LC分子的布置类似于上面关于图13A描述的情况。
图15A和15B分别示出了根据实施例的TN LC可切换宽带波片1500的平面图和截面图。与上面关于图13A、图13F所示的具有垂直分离的切换用电极的宽带波片不同，该TN LC可切换宽带波片包括面内横向分离的切换用电极。TN LC可切换宽带波片1500包括配向(alignment)电极堆叠1524和配向层堆叠1526。以与上面关于图13F所述类似的方式，LC分子被插入到由配向电极堆叠1524和配向层堆叠1526的相对表面之间的间隔物1350形成的间隙中。插入LC分子的方法在说明书的其它地方描述。配向电极堆叠1524包括形成在上透明基板1312上的第一和第二电极1500A、1500B，并且进一步包括可选的上配向层1302-0。配向层堆叠1526包括形成在下透明基板1312上的下配向层1302-0。
参考图15A，配向电极堆叠1524包括第一和第二电极1500A、1500B，其分别包括第一和第二周期性导线1504A、1504B中的相应一者。周期性导线1504A与周期性导线1504B叉指或交错并交替。第一和第二周期性导线1504A、1504B中的每一者分别以与上面关于图案化纳米结构1400A(图14A)、1400B(图14B)所述类似的方式绑在轨道1508A、1508B上。交替的周期性导线1504A、1504B的材料、厚度、宽度和间距可以类似于上面关于图案化纳米结构1400A(图14A)、1400B(图14B)描述的那些。然而，与上面关于图14C描述的垂直分离的一对电极1400C不同，周期性导线1504A在横向方向(例如，x方向)上与周期性导线1504B交替，使得周期性导线1504A和周期性导线1504B之间的电场在横向方向上定向。
参考图15B中的TN LC可切换单元1500的截面图，以与上面关于图13F所述类似的方式，将LC分子插入在配向电极堆叠1524和配向层堆叠1526的相对表面之间形成的间隙中，使得可以形成类似于TN LC层1302(图13A)的TN LC层(未示出)。插入LC分子的方法在说明书的其它地方描述。
在一些实施例中，以与上面关于图14C所述类似的方式，配向电极堆叠1524中交替的周期性导线1504A、1504B和/或上配向层1302-0可用作用于在间隙1412中形成的TN LC层1302的最外部LC分子的配向层，其方式类似于上面关于图13A描述的配向层1316和上面关于图14C描述的导线1404B。当交替的周期性导线1504A、1504B用作配向层时，在一些实施例中，可以省略上配向层1302-0。以与上面关于图13A描述的配向层1320和上面关于图14C描述的导线1404A类似的方式，下配向层1302-0可用于对准间隙1412中与其紧邻的LC分子。
尽管未示出，但是在一些实施例中，所示的TN LC可切换宽带波片1500可以以与上面关于图1300F所述类似的方式集成多个TN LC层，所述多个TN LC层类似于在交替的周期性导线1504A、1504B和间隙1412中的LC分子之间，和/或在下配向层1302-0和间隙1412中的LC分子之间的TN LC层1302-1、1302-2、....1302-M(图13F，未示出)，从而以与上面关于图13F所述类似的方式提供集成的QWP功能。
仍然参考图15A、15B，在操作中，在没有电场的情况下，交替的周期性导线1504A、1504B用作用于与周期性导线1504A、1504B紧邻的LC分子的配向层，使得LC分子具有大致平行于周期导线1504A、1504B延伸的指向矢。在去激活状态下，以与上面关于图13A所述类似的方式，可切换宽带波片1500被配置为使线偏振光的偏振翻转。另一方面，当在周期性导线1504A和周期性导线1504B之间在横向方向(例如，y方向)上施加电场时，紧邻的周期性导线1504A、1504B之间的LC分子对准，其中其伸长方向在偏离平行于(例如，介于平行和垂直之间)或垂直于周期导线1504A、1504B的方向上。在激活状态下，以与上面关于图13A所述类似的方式，可切换宽带波片1500被配置为保持线偏振光的偏振。
在一些实施例中，除了组合电极和配向层的功能之外，第一和第二电极1500A、1500B例如可以代替透明电极1316、1320和宽带波片1300F(图13F)的上下配向层1302-2的组合，从而由于电极层减半而使整体堆叠进一步更紧凑，并进一步提高了透射率。
基于液晶的波片透镜
如上面关于图12A所述，为了在宽可见光谱范围内高效地在多个深度平面处提供图像，根据实施例的一些宽带自适应波片透镜组件包括可切换波片和一个或多个波片透镜，其可以是无源的或可切换的，由双折射液晶薄膜形成。在下文中，公开了包括液晶的示例波片透镜，所述液晶在波片平面中的取向适于聚焦在其中透射通过的光和/或改变在其中透射通过的光的偏振态。在下文中，描述由液晶形成的透镜和波片的各种实施例。
基于液晶的波片透镜的一个示例关于图16A和16B示出。
图16A和16B分别示出了波片透镜1200A和1200B的示例，每个波片透镜包括其上形成有液晶分子1208的透明基板1204(例如，玻璃基板)，液晶分子1208沿着相对于与沿着基板1204的主表面的轴向(例如，x方向或y方向)平行的方向的不同伸长方向伸长。即，液晶分子1208绕着与基板1204的主表面垂直的方向(例如，z方向)，以不同的旋转角
Figure BDA0002938915960000531
旋转，其中
Figure BDA0002938915960000532
被描述为液晶分子的伸长方向相对于与层法线平行的方向(例如，x方向或y方向)之间的角度。
在所示的实施方式中，位于相对于中心轴C或透镜中心的给定半径处的液晶分子1208具有相同的旋转角
Figure BDA0002938915960000533
如所布置的，液晶分子1208被配置为将准直光束聚焦到焦距处的点。不受任何理论的束缚，液晶分子1208的旋转角
Figure BDA0002938915960000534
可以与r的幂成比例，其中r为距C的径向距离，并且具有约1到3之间的值，例如2。在一种实施方式中，角度
Figure BDA0002938915960000535
可以与+/-k0r2/f成比例，其中r为距C的径向距离，并且k0＝2π/λ为将被衍射波片透镜聚焦的光的波数，λ为光波长，f为波片透镜1200A、1200B的焦距。+和-符号可对应于液晶分子1208相对于最靠近波片透镜1200A、1200B的中心C的液晶分子1208的旋转方向。
应当理解，波片透镜1200A和1200B的液晶分子1208的图案表示彼此的翻转图像。即，可通过绕着轴向(例如，x方向或y方向)将波片透镜1200B和1200B中的一者旋转180度来获得波片透镜1200A和1200B中的另一者。如所配置的，波片透镜1200A和1200B的焦距和光焦度大小相同，但符号相反。
在一些实施方式中，波片透镜1200A和1200B中的每一者可用作半波片透镜。当被配置为半波片透镜时，波片透镜1200A和1200B中的每一者将线偏振光的平面相对于输入光束的偏振旋转角度2α，其中α是输入偏振方向和波片轴之间的角度。对于圆偏振光束，此角度变化转换为相移和偏振旋向性的反转。因此，可以在圆偏振光束中产生±2α相移，其中相移符号取决于偏振旋向性。
图16C示出了根据一些实施例的光波片透镜的示例，该光波片透镜根据光的偏振和光的入射侧而发散或会聚穿过其中的光。当被配置为半波片透镜时，所示的波片透镜1200A可被配置为将入射在第一侧上的右旋圆偏振(RHCP)光束1212发散成左旋圆偏振(LHCP)光束1216。另一方面，波片透镜1200A可被配置为将入射在与第一侧相反的第二侧上的RHCP光束1220会聚成左旋圆偏振(LHCP)光束1224。
对于波片透镜1200B，情况相反。如图16D所示，当被配置为半波片时，波片透镜1200B可被配置为将入射在第一侧上的LHCP光束1228会聚成RHCP光束1232。另一方面，波片透镜1200B可被配置为将入射在与第一侧相反的第二侧上的LHCP光束1236发散成RHCP光束1240。
因此，通过控制液晶1208的旋转角度方向和径向分布，可以将波片透镜配置为会聚或发散具有任一旋向性的圆偏振光。应当理解，基于液晶旋转角度之间的关系，可以增加或减小光焦度。另外，在一些实施例中，可以通过施加电场来使液晶对准和不对准。因此，应当理解，在光焦度接近零的极限中，波片透镜可用作波片，例如可切换波片。
包括可切换波片的宽带自适应波片透镜组件
如上面关于图12A所述，为了在宽可见光谱范围内高效地在多个深度平面处提供图像，根据实施例的一些宽带自适应波片透镜组件包括可切换波片和一个或多个波片透镜，其可以是无源的或可切换的，由双折射材料(例如，液晶)薄膜形成。在下文中，公开了包括可切换宽带波片的宽带自适应波片透镜组件的实施例。例如，可切换宽带波片可以是上面关于图13A至13F、图14A至14C和图15A至15B描述的宽带可切换波片之一。
图17A示出了根据一些实施例的包括波片透镜(例如，无源波片透镜)和可切换波片的宽带自适应波片透镜组件1700的示例。宽带自适应波片透镜组件1700例如可被配置为上面关于图10、11A和11B描述的一对可切换波片组件1004、1008中的任一者。图17B示出了在激活图17A所示的自适应透镜组件1700的可切换波片的情况下操作的宽带自适应波片透镜组件1700A，而图17C示出了在去激活图17A所示的自适应透镜组件1700的可切换波片的情况下操作的宽带自适应波片透镜组件1700B。自适应透镜组件1700被配置为耦合并在其中透射从波片组件1012(图10、11A、11B)耦出的光。自适应透镜组件1700包括第一波片透镜(L1/HWP1)1704(例如，第一半波片透镜)、第二波片透镜(L2/HWP2)1708(例如，第二半波片透镜)，以及可切换波片(HWP3)1712(例如，可切换半波片)。
在各种实施例中，L1/HWP1 1704和L2/HWP2 1708中的每一者被配置为用作透镜和半波片。如上面关于图12A和12B所述，当被配置为半波片时，L1/HWP1 1704和L2/HWP2 1708中的每一者被配置为将具有第一旋向性(第一HCP)的圆偏振的光变换为具有第二旋向性(第二HCP)的圆偏振的光。即，L1/HWP1 1704和L2/HWP2 1708中的每一者被配置为分别将穿过其中的光从具有LHCP或RHCP变换为具有RHCP或LHCP的光。
在各种实施例中，L1/HWP1 1704和L2/HWP2 1708中的每一者被配置为用作透镜，对于给定的偏振，具有第一透镜效应或与第二透镜效应相反的第二透镜效应。即，L1/HWP11704和L2/HWP2 1708中的每一者被配置为会聚或发散穿过其中的光。在各种实施例中，L1/HWP1 1704和L2/HWP2 1708中的每一者可被配置为具有相反的透镜效应，具体取决于入射光的偏振态。例如，L1/HWP1 1704和L2/HWP2 1708中的每一者可被配置为使入射在其上的具有第一HCP的光聚焦，同时被配置为使入射在其上的具有第二HCP的光散焦。
在一些实施例中，L1/HWP1 1704和L2/HWP2 1708被配置为对于具有给定HCP的光具有相同的透镜效应。即，L1/HWP1 1704和L2/HWP2 1708两者都可被配置为使具有LHCP的光聚焦，使具有RHCP的光聚焦，使具有LHCP的光散焦，或使具有RHCP的光散焦。
在一些实施例中，L1/HWP1 1704和L2/HWP2 1708中的每一者可以包括被伸长和旋转的液晶分子，使得位于距各个波片透镜1704、1708的中心轴给定半径处的液晶具有相同的旋转角
Figure BDA0002938915960000551
如上面关于图12A和12B所述。第一和第二波片透镜1704、1708中的每一者被配置为改变穿过其中的光的偏振态，例如使偏振态反转。可切换波片1712被配置为在被电气地去激活时改变穿过其中的光的偏振态，例如使偏振态反转，同时被配置为在被激活时基本使光通过而不改变穿过其中的光的偏振态。用于切换可切换波片1712的电信号(例如电流信号或电压信号)可以由与其电连接的开关电路1716提供。
在各种实施例中，当被去激活(例如，使用由开关电路1716提供的电压或电流信号而被电气地去激活)时，HWP3 1712B(图17C)用作半波片。即，当被去激活时，HWP3 1712B(图17C)用作半波片，该半波片被配置为分别将穿过其中的光从具有LHCP或RHCP的光变换为具有RHCP或LHCP的光。因此，当被去激活时，L1/HWP1 1704、L2/HWP2 1708和HWP3 1712B(图17C)中的每一者被配置为将具有第一旋向性(第一HCP)的圆偏振的光变换为具有第二旋向性(第二HCP)的圆偏振的光。
在各种实施例中，当被激活(例如，使用由开关电路1716提供的电压或电流信号而被电气地激活(例如，通过去除电压或电流信号))时，HWP3 1712A(图17B)用作光透射介质而不影响偏振或不提供任何透镜效应。
在一些实施例中，单个波片透镜1704和/或1708可以既用作波片透镜又用作可切换半波片。在这样的实施例中，可以省略专用的可切换半波片1712。
图17B示出了根据一些实施例的在可切换波片被激活的情况下操作的图17A的自适应透镜组件的示例。当可切换波片1712被激活时，例如当开关电路1716未将电流或电压施加到可切换波片1712时，可以激活自适应透镜组件1700A。自适应透镜组件1700A可对应于第一自适应透镜组件1004(位于世界侧)或第二自适应透镜组件1008(位于用户侧)。仅作为示例，自适应透镜组件1700A将被描述为对应于第一自适应透镜组件1004或第二自适应透镜组件1008，作为向用户显示真实世界的视图而不显示虚拟图像的显示设备1000(图10)的一部分。例如，显示设备1000(图10)可用作普通眼镜或普通护目镜。L1/HWP1 1704和L2/HWP2 1708中的每一者可被配置为对穿过其中的具有第一HCP(例如LHCP)的光具有第一透镜效应(例如，发散效应)。L1/HWP1 1704和L2/HWP2 1708中的每一者还可被配置为对穿过其中的具有相反的HCP(例如RHCP)的光具有与第一透镜效应相反的第二透镜效应(例如，会聚效应)。
在所示的实施例中，当显示设备1700A被用作普通眼镜或护目镜而不显示虚拟内容时，光束1720可以表示来自世界的光束，其入射在第一自适应透镜组件1004(位于世界侧)或第二自适应透镜组件1008(位于用户侧)中的任一者上。仅作为示例，具有第一HCP(例如LHCP)的光束1720行进(例如在正z方向上行进)，直到光束1720照射在L1/HWP 1704上并透射穿过其中。L1/HWP1 1704将具有LHCP的光束1720变换为具有RHCP的光束1724。由于L1/HWP1 1704也被配置为透镜，因此L1/HWP1 1704也根据L1/HWP1 1704的第一光焦度P1使光束1720发散。
具有RHCP的光束1724随后入射在处于激活状态的HWP3 1712A上。由于HWP3 1712A被激活，因此具有RHCP的光束1724透射穿过HWP3 1712A，在偏振或透镜效应方面基本不受影响，将作为具有RHCP的光束1728A入射在H2/HWP2 1708上。如上所述，当被配置为用户侧的自适应透镜组件(例如，图10中的第二自适应透镜组件1004)时，L2/HWP2 1708类似于所示实施例中的L1/HWP1 1704进行配置，即，变换偏振并且使具有LHCP的光发散，同时使具有RHCP的光会聚。因此，具有RHCP的光束1728A被变换回具有LHCP的光束1732。因此，当HWP31712A被激活时，L1/HWP1 1704和L2/HWP2 1704透射具有相反偏振的光束，使得L1/HWP11704和L2/HWP2 1708对穿过其中的光具有相反的透镜效应。即，由于入射在L2/HWP2 1704上的光束1728A具有RHCP，因此从L2/HWP2 1708出射的光束1732A根据第二光焦度P2而被会聚，这不同于根据第一光焦度P1而被发散的从L1/HWP1 1704出射的光束1724。此后，当从处于激活状态的自适应透镜组件1700A出射时，光束1732A可以被眼睛看到。
在一些实施例中，当HWP3 1712A被激活时，L1/HWP1 1704的第一光焦度P1(可以为负，即发散的)和L2/HWP2 1708的第二光焦度P2(可以为正，即会聚的)可具有基本相同或匹配的大小。在这些实施例中，由于L1/HWP1 1704和L2/HWP2 1708的透镜效应的补偿，因此自适应透镜组件1700A的净光焦度Pnet(可以近似为-P1+P2)可以基本为零。然而，实施例不限于此，并且第一和第二光焦度P1、P2可具有不同的大小，使得净光焦度Pnet可具有非零值。例如，在一些实施例中，非零Pnet可以等于用户的眼镜处方，从而允许校正用户眼睛的聚焦误差(例如，屈光聚焦误差)。
应当理解，尽管在所示的实施例中，入射光束1720具有LHCP，但是当入射光束1720具有RHCP时，将产生相似的结果。即，当光束1720具有RHCP时，光束1724和1728A具有LHCP，并且与所示的实施例不同，光束1724和1728A相对于光束1720会聚。同样，L2/HWP2 1708发散由L1/HWP1 1704会聚的光束1728A，使得净光焦度Pnet可以基本为零。
应当理解，L1/HWP1 1704和L2/HWP2 1708的透镜效应以及针对上面关于图17B描述的入射光束的偏振态的透镜效应的选择性仅作为一个示例，其它配置也是可能的。例如，尽管在图17B中，L1/HWP1 1704和L2/HWP2 1708被配置为发散具有LHCP的光，同时会聚具有RHCP的光，但是在其它实施例中，L1/HWP1 1704和L2/HWP2 1708可被配置为会聚具有LHCP的光，同时发散具有RHCP的光。
总之，在一些实施例中，当自适应透镜组件1700A的HWP3 1712A处于激活状态时，由于L1/HWP1 1704的P1和L2/HWP2 1708的P2之间的透镜效应的补偿，出射光束1732A具有与入射光束1720相同的HCP，并且在透镜效应方面与入射光束1720基本匹配。因此，当用户不观看虚拟内容时，世界视图相对地不受自适应透镜组件(图10、11A、11B中的1004、1008)存在的影响。
图17C示出了根据一些实施例的在可切换波片被去激活的情况下操作的图17A的自适应透镜组件的示例。当可切换波片1712B被去激活时，例如当开关电路1716将电流或电压施加到可切换波片1712B时，自适应透镜组件1700B可被去激活。自适应透镜组件1700B例如可对应于第一自适应透镜组件1004(位于世界侧)或第二自适应透镜组件1008(位于用户侧)。在下文中，作为示例，自适应透镜组件1700B将首先被描述成被配置为用户侧的第二自适应透镜组件1008，作为向用户输出虚拟图像的显示设备(例如，图11A中的显示设备1100A)的一部分。接着，自适应透镜组件1700B将被描述成被配置为世界侧的第一自适应透镜组件1004，作为同时向用户传输真实世界视图并输出虚拟图像的显示设备1100B(图11B)的一部分，以减少或基本消除由第二自适应透镜组件1008的透镜效应导致的真实世界视图的畸变。
当被配置为用户侧的第二自适应透镜组件1008(图11A)时，L1/HWP1 1704和L2/HWP2 1708中的每一者可被配置为发散穿过其中的具有其中一种HCP(例如LHCP)的光。L1/HWP1 1704和L2/HWP2 1708中的每一者还可被配置为会聚穿过其中的具有另一种HCP(例如RHCP)的光。
如上面关于图11A所述，在波导组件1012内例如通过全内反射在x方向上传播的一些光可以在z方向上被重定向或耦出。从波导组件1012(图11A)耦出的光可作为具有LHCP的圆偏振光束1720入射在可切换透镜组件1700B上。光束1720例如沿着正z方向行进，直到光束1720照射在L1/HWP 1704上以透射穿过其中。L1/HWP1 1704将具有LHCP的光束1720变换为具有RHCP的光束1724。由于L1/HWP1 1704被配置为发散具有LHCP的光，因此光束1724也根据L1/HWP1 1704的第一光焦度P1发散。
具有RHCP的光束1724随后入射在处于去激活状态的HWP3 1712B上。与上面关于图17B示出的激活的HWP 1712A不同，由于HWP3 1712B被去激活，因此透射穿过HWP3 1712B的具有RHCP的光束1724被变换为具有LCHP的光束1728B。随后，具有LHCP的光束1728B入射在L2/HWP2 1708上。由于与上面关于图17B所示的光束1728A不同，入射在L2/HWP2 1708上的光束1728B具有LHCP，因此L2/HWP2 1708根据第二光焦度P2进一步将光束1728B发散为具有RHCP的光束1732B。即，与关于图17B所示的HWP 1712A的激活状态不同，由于HWP 1712B被去激活，因此L1/HWP1 1704和L2/HWP1 1704被配置为透射具有相同偏振LHCP的光束。因此，与具有关于图17B所示的补偿效应的L1/HWP1 1704和L2/HWP2 1708不同，图17C中的L1/HWP11704和L2/HWP2 1708对穿过其中的光具有叠加的透镜效应。即，由于入射在L1/HWP1上的光束1720和入射在L2/HWP2 1704上的光束1728B二者都具有LHCP，因此，从L2/HWP2 1708出射的光束1732B除了被L1/HWP1 1704发散之外，还被进一步发散。此后，当从处于去激活状态的自适应透镜组件1700B出射时，光束1732A可以被眼睛看到。
在一些实施例中，L1/HWP1 1704的第一光焦度P1和L2/HWP2 1708的第二光焦度P2二者都可以为负(即，发散的)，并且可具有基本相同或匹配的大小。在这些实施例中，由于L1/HWP1 1704和L2/HWP2 1708的组合的叠加透镜效应，自适应透镜组件1700B的净光焦度Pnet(可以近似为P1+P2)可以基本为P1或P2的两倍。然而，实施例不限于此，并且第一和第二光焦度P1、P2可具有不同的大小。
应当理解，尽管在所示的实施例中，入射光束1720具有LHCP，但是当入射光束1720具有RHCP时，将产生平行结果。即，当光束1720具有RHCP时，与所示的实施例不同，所得光束1732B具有LHCP，并且由L1/HWP1 1704和L2/HWP2 1708根据净光焦度Pnet会聚，该净光焦度的大小近似地等于第一和第二光焦度P1和P2的大小之和。
应当理解，L1/HWP1 1704和L2/HWP2 1708的透镜效应以及这些透镜效应对上面关于图17C描述的入射光束的偏振态的依赖性仅是一个示例，其它配置也是可能的。例如，尽管在图17B中，L1/HWP1 1704和L2/HWP2 1708被配置为发散具有LHCP的光，同时会聚具有RHCP的光，但是在其它实施例中，L1/HWP1 1704和L2/HWP2 1708可以相反地被配置为发散具有LHCP的光，同时会聚具有RHCP的光。
因此，在一些实施例中，当自适应透镜组件1700B的可切换半波片1712B处于去激活状态时，出射光束1732B具有与入射光束1720相反的HCP，并且可以根据叠加的L1/HWP11704的光焦度P1和L2/HWP2 1708的光焦度P2发散。因此，当用户观看虚拟内容时，虚拟内容根据其值近似为Pnet＝P1+P2的净光焦度被聚焦到眼睛210中。
在上文中，已经描述了被配置为上面关于图11A描述的显示设备1100A的用户侧的第二自适应透镜组件1008时的处于去激活状态的自适应透镜组件1700B。然而，如上面关于图11B所述，在没有任何补偿效应的情况下激活第二自适应透镜组件1008以向用户的眼睛210显示虚拟内容可能导致不希望出现的真实世界视图的散焦或畸变。因此，希望将世界侧的第一自适应透镜组件1004配置为至少部分地补偿或抵消被去激活以显示虚拟内容时的第二自适应透镜组件1008的透镜效应。
返回参考图17C，当被配置为用于抵消用户侧的第二自适应透镜组件1008(图11B)的透镜效应的世界侧的第一自适应透镜组件1004(图11B)时，自适应透镜组件1700B的部件可以按照类似于上面关于图11B所述的方式配置。即，当从世界510透射到眼睛210的光穿过第一和第二自适应透镜组件1004、1008时，可以按照上面关于自适应透镜组件1700B(关于图17C描述)描述的方式配置第一和第二自适应透镜组件1004、1008中的每一者。在操作中，如上所述，通过第一自适应透镜组件1004从世界传输的光的偏振从第一偏振态变换为第二偏振态，例如从RHCP变换为LHCP。随后，通过第二自适应透镜组件1008透射的光的偏振从第二偏振态变换回第一偏振态，例如从LHCP变换为RHCP。此外，如上面关于图11B所述，通过第一自适应透镜组件1004从世界传输的光根据具有第一符号(例如正号)的第一净光焦度Pnet1＝P1+P2经历第一透镜效应(例如，会聚效应)。随后，透射通过第二自适应透镜组件1008的光根据具有第二符号(例如负号)的第二净光焦度Pnet2＝P1'+P2'而经历与第一透镜效应相反的第二透镜效应(例如，发散效应)，这是因为入射在第二自适应透镜组件1008上的光具有与入射在第一自适应透镜组件1004上的光相反的偏振。当Pnet1和Pnet2具有基本相似的大小时，由P＝Pnet1+Pnet2近似的总透镜效应可以基本为零。因此，当用户通过激活第二透镜组件1008来观看虚拟内容以及观看周围世界中的真实对象时，通过第一透镜组件1004的补偿效应，世界视图相对不受影响。
在各种实施例中，当被去激活时，第一和第二自适应透镜组件1004、1008中的每一者可以提供在大约±5.0屈光度和0屈光度之间、±4.0屈光度和0屈光度之间、±3.0屈光度和0屈光度之间、±2.0屈光度和0屈光度之间、±1.0屈光度和0屈光度之间的范围(包括由这些值限定的任何范围，例如±1.5屈光度)内的净光焦度(正或负)。
包括具有可切换半波片和波片透镜的自适应透镜组件的显示设备
在下文中，描述了根据一些实施例的集成了包括波片透镜和可切换波片的自适应透镜组件(例如，上面关于图17A至17C描述的自适应透镜组件1300)的显示设备(上面关于图10、11A和11B描述的显示设备)的示例。可切换波片例如可以是上面关于图13A至13F、图14A至14C和图15A至15B描述的宽带可切换波片之一。
图18A和18B示出了示例性显示设备1800A/1800B，每个显示设备包括介于第一宽带自适应波片透镜组件1004和第二宽带自适应波片透镜组件1008之间的波导组件1012。显示设备1800A类似于上面关于图11A/11B描述的显示设备1100A/1100B，其中第一和第二自适应透镜组件1004、1008中的每一者包括：第一波片透镜(L1/HWP1)1704，例如第一半波片透镜；第二波片透镜(L2/HWP2)1708，例如第二半波片透镜；以及可切换波片(HWP3)1712，例如可切换半波片。
参考图18A，描述了在上面关于图17A描述的第一和第二自适应透镜组件1004、1008二者都被激活的情况下操作的显示设备1800A。当可切换波片1712(图17A)被激活时，例如当没有电流或电压被开关电路1816、1816’施加到可切换波片1712时，第一和第二自适应透镜组件1004、1008可被激活。如所配置的，显示设备1800A可被配置为例如向用户显示真实世界视图，而不显示虚拟图像。例如，显示设备1800A可被配置为用作普通眼镜或普通护目镜，如关于图17B详细描述的。类似于图17A，第一和第二自适应透镜组件1004、1008中的每一者包括：第一波片透镜(L1/HWP1)1804，例如第一半波片透镜；第二波片透镜(L2/HWP2)1808，例如第二半波片透镜；以及可切换波片(HWP3)1812，例如可切换半波片。如关于图17A所述，L1/HWP1 1804和L2/HWP2 1808中的每一者可被配置为对穿过其中的具有第一HCP(例如LHCP)的光具有第一透镜效应(例如，发散效应)。另外，L1/HWP1 1804和L2/HWP21808中的每一者还可被配置为对穿过其中的具有相反HCP(例如RHCP)的光具有与第一透镜效应相反的第二透镜效应(例如，会聚效应)。当被去激活(例如，使用由开关电路1816、1816’提供的电压或电流信号而被电气地去激活)时，HWP3 1712B(图17C)用作波片，例如半波片。如上面关于图17C所述，当被去激活时，HWP3 1712B(图17C)用作半波片，其被配置为分别将穿过其中的具有LHCP或RHCP的光变换为具有RHCP或LHCP的光。另一方面，当被激活(例如使用由开关电路1816、1816'提供的电压或电流信号而被电气地激活(例如通过去除电压或电流信号))时，HWP3 1712A(图17B)用作不影响偏振的光传输介质。上面已经关于图17A和17B提供了包括L1/HWP1 1804、L2/HWP2 1808和HWP3 1812A的第一和第二自适应透镜组件1004、1008的详细操作原理，此处将其省略。
基于关于图17B和17C详细描述的操作原理，当第一和第二自适应透镜组件1004、1008处于激活状态时，从第一和第二自适应透镜组件1004和1008中的每一者出射的光束(例如，图17B中的1732A)具有与入射在其上的光束(例如，图17B中的1720)相同的HCP。另外，如上面关于图13B所述，由于第一和第二透镜组件1004、1008的净光焦度的补偿，入射光束1720和出射光束1732A在透镜光焦度大小方面基本匹配。
图18B示出了根据一些实施例的在去激活可切换波片的情况下操作的图18A的显示设备的示例。第一和第二自适应透镜组件1004、1008通过激活相应的可切换波片1712(图17A)，例如通过使用开关电路1816、1816’对可切换波片1712施加电流或电压来实现。在下文中，描述了显示设备1800B的操作，其向用户输出虚拟图像，同时还以减少或基本消除由自适应透镜组件1004、1008的透镜效应导致的畸变的方式透射来自真实世界中的对象的光。
当显示虚拟图像时，如上面关于图11A和图17C所述，在波导组件1012内的波导中沿x方向传播的一些光可以在z方向上重定向或耦出。光束1720例如沿着正z方向行进，直到光束1720照射在第二自适应透镜组件1008的L1/HWP 1804上。基于上面关于图17C描述的第二自适应透镜组件1008的操作原理，当第二自适应透镜组件1008处于去激活状态时，出射光束(例如，图17C中的1732B)具有与入射光束(例如，图17C中的1720)相反的HCP，并且根据第二净光焦度Pnet2发散，以在相应的虚拟深度平面处显示虚拟内容。
在各种实施例中，当被去激活时，第一和第二自适应透镜组件1004、1008中的每一者可以提供在约±5.0屈光度和0屈光度之间、±4.0屈光度和0屈光度之间、±3.0屈光度和0屈光度之间、±2.0屈光度和0屈光度之间、±1.0屈光度和0屈光度之间的范围(包括由这些值限定的任何范围，例如±1.5屈光度)内的净光焦度(正或负)。在一些实施例中，位于波导组件1012和世界之间的第一自适应透镜组件1004可具有正光焦度，而位于波导组件1012和用户之间的第二自适应透镜组件1008可具有负光焦度，使得在观看世界时，第一和第二可切换组件1004、1008的光焦度彼此补偿。
因此，仍然参考图18A和18B，显示设备1800A/1800B包括位于世界510和眼睛210之间的光路中的一对自适应透镜组件1004、1008，其中该对自适应透镜组件1004、1008中的每一者包括可切换波片(例如，图17A/17B中的1712A/1712B)，其被配置为在被电气地去激活时改变穿过其中的光的偏振态。当被电气地去激活时，该对自适应透镜组件具有符号相反的净光焦度(Pnet1、Pnet2)，使得穿过该对自适应透镜组件的光根据组合的光焦度而会聚或发散，该组合的光焦度的大小约为该对自适应透镜组件的光焦度的大小之差。用户可以根据Pnet2(其可以为负)在深度平面处观看到虚拟内容，而世界的视图相对不受至少部分地被Pnet1(其可以为正)补偿的Pnet2的影响。
在一些实施例中，该对自适应透镜组件中的每一者具有相应的净光焦度(Pnet1、Pnet2)，这些净光焦度可以使用开关电路1816、1816’电调整或调制到多个值之一。如上所述，当由波导组件1012耦出的光产生的虚拟对象的图像在3D中移动时，用户侧的第二自适应透镜组件1008的第二净光焦度(Pnet2)被调整为适应虚拟深度平面的变化的深度。同时，根据实施例，使用开关电路1816、1816′相应地调整第一自适应透镜组件1004的第一净光焦度(Pnet1)，使得真实世界视图不会发生不合需要的散焦或畸变。为了满足这个以及其它需求，在一些实施例中，显示设备1800A/1800B包括控制器1804，该控制器被配置为使得当该对自适应透镜组件1004、1008中的第一自适应透镜组件的第一净光焦度(Pnet1)被电调整时，该对自适应透镜组件中的第二自适应透镜组件的第二光焦度(Pnet2)被相应地调整，使得组合的光焦度(Pnet1+Pnet2)保持大约恒定(例如，大约为零)。控制器电路和可切换波片1812被配置为使得切换第一和第二净光焦度Pnet、Pnet2，以便如本文所述使用第二自适应透镜组件1008调整虚拟深度平面，以及使用第一自适应透镜组件1004补偿真实世界视图的时间小于约100毫秒，小于约50毫秒，小于约小于约10毫秒，小于约5毫秒，小于约1毫秒，或由这些值中任何值限定的范围内的值。
宽带可切换波片透镜
如上所述，根据各种实施例，宽带自适应波片透镜组件可以通过在具有不同光焦度的多个状态之间选择性地切换来在多个深度平面处生成图像。在上述一些实施例中，可以通过与宽带可切换波片(例如，图12A中的1158)耦合的一个或多个宽带无源波片透镜(例如，图12A中的1154A)来实现宽带自适应波片透镜组件的宽带能力。在一些其它实施例中，可以通过不含宽带可切换波片的宽带可切换波片透镜(例如，图12B中的1154B)来实现宽带自适应波片透镜组件的宽带能力。在下文中，描述了根据实施例的宽带可切换波片透镜和具有宽带可切换波片透镜的宽带自适应透镜组件的液晶层的结构和配置。
图19A示出了根据各种实施例的包括形成在透明基板上的LC分子层的宽带波片透镜1900的平面图。可以根据图19A示出的箭头图案来分配最底部LC分子或最靠近基板的LC分子的伸长方向，和/或由此产生的LC分子的局部指向矢的空间分布。在所示的实施例中，位于相对于中心区域的给定半径处的最靠近基板的LC分子具有大致相同的伸长方向。
在一些实施例中，波片透镜1900是具有径向对称和径向调制的双折射分布的偏振型菲涅耳波带片(Fresnel Zone Plate,FZP)透镜。在一些实施例中，LC分子的伸长方向取向或局部指向矢可以根据数学函数随半径变化。在所示的实施例中，LC分子的局部指向矢的方位角
Figure BDA0002938915960000661
可具有在相对于波片透镜1900的中心的不同半径处设置的不同区域中的离散值。例如，第m个区域中的
Figure BDA0002938915960000662
可表示为
Figure BDA0002938915960000663
其中f为焦距，r为距波片透镜1900的中心的距离。
在一些其它实施例中，LC分子的伸长方向或局部指向矢的空间分布或由此产生的局部双折射类似于上面关于图16A和16B所述的情况。
在一些实施例中，最底部LC分子上方的LC分子的局部取向方向(例如，伸长方向)可以与最靠近基板的最底部LC分子的局部取向方向大致相同。在一些其它实施例中，最底部LC分子上方的LC分子的局部取向方向可以与最靠近基板的最底部LC分子的局部取向方向大致不同。例如，最底部LC分子上方的LC分子的局部取向方向可被连续地扭曲，如下文所述(例如，图20A、20B)。
在操作中，以与上面关于图16A和16B描述的波片透镜类似的方式，宽带波片透镜1900具有偏振选择性透镜作用，既充当凸(或正)透镜(图19B)，用于具有第一偏振(例如，右旋圆偏振(RHCP))的入射光1162B，又充当凹(或负)透镜(图19C)，用于具有第二偏振(例如，左旋圆偏振(LHCP))的入射光束1162A。另外，宽带波片透镜1900使衍射光的偏振翻转。即，如图19B所示，具有RHCP的入射光1162B被宽带波片透镜1900变换为具有LHCP的光1166A，而如图19C所示，具有LCHP的入射光1162A被波片透镜1900变换为具有RHCP的光1166B。如上所述，未衍射的漏光1904的相对比例决定衍射效率。
发明人已经发现，通过特别地在一个或多个LC层内垂直地配置LC分子的扭曲布置(例如，图20A、20B)，或通过采用负色散LC材料(图21)，可以进一步提高波片透镜的高带宽能力，以进一步减少未衍射的漏光1904并提高衍射效率，进而进一步减少不希望的视觉效应(例如重影图像)，如下所述。
图20A和20B示意性地示出了根据实施例的包括多个LC层的宽带波片透镜2000的平面图和截面图。所示出的宽带波片透镜2000包括两个LC层2004、2008的堆叠，这两个LC层具有扭曲方向(twist sense)相反的LC分子，使得LC层2004、2008中的一者导致的光延迟由LC层2004、2008中的另一者进行补偿。仅出于说明性目的，图20A和20B示出了以特定方式示意性地横向变化的LC分子的相对取向。然而，应当理解，在z方向上的给定深度处的跨x-y平面的LC分子的横向布置可具有上述各种布置中的任一种，包括上面关于图16A和16B以及关于图19A所示的那些。例如，在一些实施例中，以与上面关于图19A所述类似的方式，最靠近基板的LC分子在相对于中心区域的给定半径处具有大致相同的局部取向方向(例如，局部伸长方向或局部指向矢)，和/或具有随半径变化的取向方向。另外，两个LC层2004、2008中给定柱状区域中的LC分子的布置可表示为具有向列指向矢n，其根据下式随LC层内的垂直位置而变化：
n(x，z)＝[cosφ(x，z)，sinφ(x，z)，0]
其中
Figure BDA0002938915960000671
为指向矢n在x-z平面中的方位角。即，对于在LC层2004、2008中的一者内具有第一扭曲方向的给定LC分子列，LC层2004、2008中的另一者内对应的LC分子列具有相反的扭曲方向。换句话说，两个LC层2004、2008中的LC分子关于两个LC层2004、2008之间的界面具有彼此的镜像。
根据实施例，可以采用反应性液晶元在两个LC层2004、2008中产生LC分子布置。例如，通过在基板1312上适当地配置配向层1302-0，第一LC层2004中最靠近配向层1302-0的最底部LC分子可被布置为具有第一方位角。
第一方位角例如可以根据上面关于图16A、16B和19A中任一者描述的LC分子伸长方向的布置来定义。另外，通过向第一LC层2004中添加手性剂，第一LC层2004中最底部LC分子上方的LC分子可被配置为具有第一扭曲，使得最靠近第一LC层2004的表面的最顶部LC分子具有第二方位角。此后，通过适当地配置第一LC层2004的表面区域，可以将第二LC层2008中最靠近第一LC层2004的最底部LC分子布置为具有第二方位角。另外，通过向第二LC层2008中添加手性剂，第二LC层2008中最底部LC分子上方的LC分子可被配置为具有第二手性扭曲，使得最靠近第二LC层2008的表面的最顶部LC分子具有第三方位角。在一些实施例中，第一和第二手性扭曲大致相同，使得第一LC层2004的最底部LC分子和第二LC层2008的最顶部LC分子具有相同的第一方位角。
在一个示例配置中，通过将LC层2004、2008配置为具有例如在约1μm和2μm之间或在约1.5μm和2μm之间(例如，约1.7μm)合适的厚度，以及在约50度和90度之间或在约60度和80度之间(例如，约70度)的合适的手性扭曲，可以实现大于40％、50％或60％(例如，约56％)的相对宽度Δλ/λ0，根据实施例，在该波长范围内，衍射效率大于99％。
如上所述，衍射效率(η)可表示为η＝sin2(πΔnd/λ)，其中Δn为双折射率，λ为波长，d为厚度。通常，光学各向异性材料显示随λ的增大而减小的Δn(在此被称为Δn的正色散)。然而，Δn的正色散在不同的λ处导致不同的相位延迟Г＝2πΔnd/λ。发明人已经认识到，通过采用显示随λ的增大而增大的Δn(在此被称为Δn的负色散)的光学各向异性材料，相位延迟Г可以在不同的λ处保持相对恒定，并且根据实施例，衍射效率η可以在相对宽的波长范围内保持相对较高和恒定。
图21示出了根据实施例的宽带波片透镜2100的截面图，该宽带波片透镜2100包括形成在基板1312上的负色散(ND)液晶(LC)层2104和配向层1312-0。类似于上面关于图19A和图20A/20B描述的宽带波片透镜，为提供透镜效应，例如可以通过适当地布置配向层1312-0来布置ND LC层2104，使得波片透镜2100具有在从中心区域开始的径向方向上变化的双折射率(Δn)。另外，在一些实施例中，以与上面关于图16A、16B和19A所述类似的方式，例如，使用按照本说明书的其它地方讨论的方式配置的配向层1312-0，可以将最靠近基板1312的最底部LC分子布置为在相对于中心区域的给定半径处大致具有相同的取向方向，以及大致具有随半径变化的取向方向。
在各种实施例中，负色散(ND)液晶(LC)层2104可具有以下双折射率(Δn)的平均值、局部值、均值、中值、最大值或最小值：0.05至0.10、0.15至0.20、0.20至0.25、0.25至0.30、0.30至0.35、0.35至0.40、0.40至0.45、0.45至0.50、0.50至0.55、0.55至0.60、0.60至0.65、0.65至0.70或由这些值中任何值限定的范围内的值。另外，负色散(ND)液晶(LC)层2104可具有以下的层内双折射率(Δn)范围：0.01至0.05、0.05至0.10、0.15至0.20、0.20至0.25、0.25至0.30、0.30至0.35、0.35至0.40或由这些值中任何值限定的范围内的值。
仍然参考图21，与上面关于图20A和20B描述的LC分子不同，ND LC层2104可以是垂直同质的。例如，在ND LC层2104中，形成在最底部LC分子上方的LC晶体可以不扭曲。替代地，在一些实施例中，在给定柱状区域内，局部指向矢n在ND LC层2104的整个厚度上可以是基本恒定的。在一些其它实施例中，在给定柱状区域内，局部指向矢n在LC层2104的整个厚度上可以是基本随机的。
根据各种实施例，ND LC层2104可以由具有以下材料特性的材料(例如，反应性液晶元)形成：该材料特性使得Δn在400至800nm内的可见光谱的至少一部分内随着波长(λ)的增大而增大，所述可见光谱的至少一部分包括以下一者或多者：包括约620至780nm范围内的波长的红色光谱、包括约492至577nm范围内的波长的绿色光谱，以及约435至493nm范围内的蓝色光谱，或由约400nm至800nm内的可见光谱内的任何波长限定的波长范围(例如400至700nm、430至650nm或450至630nm)内的光谱。在一些实施例中，在这些波长范围中的任何范围内，NC LC层2104具有异常折射率ne的色散，该色散小于寻常折射率no的色散。
在一些实施例中，ND LC层2104包括近晶液晶(LC)，例如近晶LC-聚合物复合材料。
有利地，在一些实施例中，宽带波片透镜2100包括具有双折射率的单个ND LC层2104，其不同于例如上面关于图20A和20B描述的具有多个层的宽带波片透镜2000。
根据实施例，在上面关于图16A、16B、19A、20A/20B和21所述的宽带波片透镜的各种实施例中，LC层可被配置为是无源的或可切换的。当被配置为无源透镜时，LC分子层可以由聚合LC(LCP)形成，而当被配置为可切换透镜时，LC分子层可以由未聚合LC分子或反应性液晶元形成。以与上面关于上述各种实施例所述类似的方式，当被配置为可切换透镜时，上面关于图16A、16B、19A、20A/20B和21描述的波片透镜进一步包括位于LC分子层的两侧(例如，图14C)或同一侧(例如，图15A/15B)的透明电极。
图22A至22C示出了操作中的可切换宽带波片透镜2200，其可以类似于上面关于图16A、16B、19A、20A/20B和21描述的任一宽带波片透镜。图22A、22B和22C示出了上面入射有LHCP光束的去激活的可切换宽带波片透镜2200，上面入射有RHCP光束的去激活的可切换宽带波片透镜2200，以及上面入射有LHCP光束1162A或RHCP光束1162B的激活的可切换宽带波片透镜2200。
参考图22A，可切换宽带波片透镜2200包括如上面关于图16A、16B、19A、20A/20B和21所述布置的液晶，并且被配置为通过电气地激活和去激活而在不同透镜状态之间选择性地切换。根据各种实施例，在操作中，可切换宽带波片透镜2200被配置为根据取决于入射光1162A、1162B的偏振(例如圆偏振)的光焦度-P发散光，以及根据取决于入射光1162A、1162B的偏振(例如圆偏振)的光焦度P会聚光。
参考图22A，当被去激活时，可切换宽带波片透镜2200被配置为根据光焦度-P将入射在其上的LHCP光束1162A发散为RHCP光束1166B。相反，参考图22B，当被去激活(例如，电气地去激活)时，可切换宽带波片透镜2200被配置为根据光焦度P将入射在其上的RHCP光束1162B会聚为LHCP光束1166A。另一方面，参考图22C，当被激活(例如，被电气地激活)时，穿过其中的圆偏振光的偏振被保持(未示出)，入射在其上的RHCP光束1162B和LHCP光束1162A穿过可切换宽带波片透镜2200而基本上不被会聚或发散(即，光焦度
Figure BDA0002938915960000712
)。
具有可切换波片透镜的宽带自适应波片透镜组件
如上面关于图22A至22C所述，根据实施例的可切换宽带波片透镜可被配置为使得当被去激活时，它可以施加取决于入射光的偏振的光焦度P或-P，而当被激活时，它基本上不施加光焦度。发明人已经认识到，通过组合两个或更多个可切换宽带波片透镜，可以获得更多透镜状态以在许多不同焦深处显示虚拟图像。在下文中，描述了包括多个可切换宽带波片透镜的宽带自适应透镜组件，其中通过将宽带波片透镜配置为具有不同光焦度，可针对具有给定偏振的入射光获得2n个不同的光焦度状态。
图23A至23D示出了宽带自适应透镜组件2300，该宽带自适应透镜组件2300包括第一可切换宽带波片透镜2204和第二可切换宽带波片透镜2208，它们中的每一者可以以与上面关于图22A至22C所述的可切换波片透镜类似的方式操作。可切换宽带波片透镜2204、2208中的每一者可以以与上面关于图16A、16B、19A、20A/20B和21描述的任一宽带波片透镜类似的方式布置。图23A、23B、23C和23D示出了其中第一可切换宽带波片透镜2304/第二可切换宽带波片透镜2308分别被去激活/去激活、去激活/激活、激活/去激活，以及激活/激活的状态组合。
在所示的实施例中，第一可切换宽带波片透镜2304以与上面关于图22A至22C描述的宽带波片透镜2200类似的方式配置。即，当被去激活时，第一可切换宽带波片透镜2304被配置为根据光焦度-P1将入射在其上的LHCP光束1162A发散为RHCP光束1166B。另外，尽管未示出，但是当被去激活时，第一可切换宽带波片透镜2304被配置为根据光焦度+P1将入射在其上的RHCP光束会聚为LHCP光束。另一方面，当被激活时，第一可切换宽带波片透镜2304被配置为基本保持穿过其中的圆偏振光的偏振而基本上不会聚或发散该光(即，光焦度
Figure BDA0002938915960000711
)。
另一方面，当被去激活时，就施加的光焦度的符号而言，第二可切换宽带波片透镜2308被配置为以与上面关于图22A至22C描述的宽带波片透镜2200相反的方式操作。即，当被去激活时，第二可切换宽带波片透镜2308被配置为根据光焦度+P2将入射在其上的LHCP光束1162A会聚为RHCP光束1166B。另外，尽管未示出，但是当被去激活时，第二可切换宽带波片透镜2308被配置为根据光焦度-P2将入射在其上的RHCP光束发散为LHCP光束。另一方面，当被激活时，第二可切换宽带波片透镜2308被配置为基本保持穿过其中的圆偏振光的偏振而基本上不会聚或发散该光(即，光焦度
Figure BDA0002938915960000721
)。
参考图23A，第一可切换宽带波片透镜2304被去激活，并且根据光焦度–P1将入射在其上的LHCP光束1162A发散为RHCP光束1166B。此后，第二可切换宽带波片透镜2208被去激活，并且根据光焦度-P2将入射在其上的RHCP光束1166B发散为LHCP光束1170A。总之，入射在宽带自适应透镜组件2300上的LHCP光束1162A根据净光焦度-(P1+P2)被发散为LHCP光束1170A。
参考图23B，第一可切换宽带波片透镜2304被去激活，并且根据光焦度–P1将入射在其上的LHCP光束1162A发散为RHCP光束1166B。此后，第二可切换宽带波片透镜2208被激活，并且保持穿过其中的RHCP光束1166B的偏振而基本上不会聚或进一步发散。总之，入射在宽带自适应透镜组件2300上的LHCP光束1162A根据净光焦度–P1而被发散为RHCP光束1166BA。
参考图23C，第一可切换宽带波片透镜2304被激活，并且保持穿过其中的LHCP光束1162A的偏振而基本上不会聚或发散。此后，第二可切换宽带波片透镜2308被去激活，并且根据光焦度+P2将入射在其上的LHCP光束1162A会聚为RHCP光束1170B。总之，入射在宽带自适应透镜组件2300上的LHCP光束1162B根据净光焦度+P2而被会聚为RHCP光束1170B。
参考图23D，第一和第二可切换宽带波片透镜2304、2308二者都被激活，并且保持穿过其中的LHCP光束1162A的偏振而基本上不会聚或发散。因此，入射在宽带自适应透镜组件2300上的LHCP光束1162A基本上不受影响地出现为LHCP光束1162A。
总之，如图23A至23D所示，根据实施例，通过选择性地切换第一和第二可切换宽带波片透镜2304、2308，宽带自适应透镜组件2300可具有四种不同的光焦度状态：0、-P1、+P2和-(P1+P2)。
另外，尽管未示出，但是按照类似的方式，当入射光是RHCP光束时，通过选择性地切换第一和第二可切换宽带波片透镜2304、2308，宽带自适应透镜组件2300可具有四种不同的光焦度状态：0、+P1、-P2和+(P1+P2)。
另外，尽管未示出，但是在一些实施例中，第二可切换宽带波片透镜2308可被配置为在光焦度符号对入射光偏振的依赖性方面按照与第一可切换宽带波片透镜2304相同的方式操作。在这些实施例中，例如，当入射光是LHCP光束时，所得到的四个不同的光焦度状态将是0、-P1、-P2和-(P1-P2)。
另外，如果第二可切换宽带波片透镜2308被配置为在光焦度符号对入射光偏振的依赖性方面按照与第一宽带波片透镜2304相同的方式操作，则当入射光是RHCP光束时，所得到的四个不同的光焦度状态将是0、P1、P2和(P1-P2)。
在图23A至23D中，所示的宽带自适应透镜组件2300被配置为通过独立地切换透镜本身(例如，第一和第二可切换宽带波片透镜2304、2308)来实现可变的光焦度。然而，这样的其它实施例也是可能的：其中，第一和第二可切换宽带波片透镜2204、2208中的一者或全部两者被无源波片透镜和可切换波片的组合代替，这类似于上面关于图12A描述的无源波片透镜1154A和可切换波片1158的组合。
图24A示出了根据实施例的集成式宽带自适应透镜组件2400，其包括类似于上面关于图19A、20A/20B和21描述的可切换LC分子层。集成式宽带自适应透镜组件2400包括可切换LC层2304，其可以类似于上面关于图19A、20A/20B和21描述的那些，只是可切换LC层2304介于一对无源波片透镜堆叠2308、2312之间。以与上面关于图13F所述类似的方式，LC分子被插入到由通过间隔物1350彼此面对的无源波片透镜堆叠2308、2312的表面之间形成的间隙中，该插入方法在说明书的其它地方描述。第一无源波片透镜堆叠2308包括上面形成有下透明电极1316的基板1312，其后是配向层2302和下聚合LC(LCP)层2302-1。类似地，第二无源波片透镜堆叠2312包括上面形成有上透明电极1320的基板1312，其后是配向层2302和上聚合LC(LCP)层2302-2。
第一和第二无源波片透镜堆叠2308、2312中的每一者用作波片透镜以及用于对准可切换LC层2304中的LC分子的配向层。以与上面关于图13F所述类似的方式，下LCP层2302-1中最靠近间隙的LC分子和上LCP层2302-2中最靠近间隙的LC分子被布置为使得可切换LC层2304的最外部LC分子自对准,以与上面关于图13C所述类似的方式。然而，实施例不限于此，并且在一些其它实施例中，可切换LC层2204的最外部LC分子可通过配向层2302充分地对准，从而省略第一和第二LCP层2302-1、2302-2中的一者或全部两者。
参考图24A和整个说明书中的各种实施例，可切换LC层(例如，插入到间隙中的可切换LC层2304)的厚度为约1μm至50μm、1至10μm、10至20μm、20至30μm、30至40μm、40至50μm或由这些值限定的任何范围内的值。另外，无源LC层(例如，LCP层2302-1、2302-2)的厚度可以为约0.1μm至50μm、0.1至1μm、1至10μm、10至20μm、20至30μm、30至40μm、40至50μm或由这些值限定的任何范围内的值。
在所示的实施例中，LCP层2302-1、2302-2中的每一者的LC分子可以具有30至90度、40至80度、50至70度，例如，约60度，的净扭曲。
在一些实施例中，可切换LC层2304可以是单个层，其类似于上面关于图21描述的LC层。然而，实施例不限于此。例如，可切换LC层2204可以以与上面关于图20A/20B所述类似的方式包括多个LC层。
在操作中，本文关于图24A描述的集成式宽带自适应透镜组件2400共享类似于上面关于图13F描述的可切换波片1300F的一些特征。例如，在这两个实施例中，可切换波片元件(图13F中的可切换TN LC层1302和图24A中的可切换LC层2304)介于一对无源波片元件(图13F中的多个TN LC层1302-1、1302-2；聚合LC(LCP)层2302-1、2302-2)之间。在这两个实施例中，可切换波片元件被配置为将穿过其中的光的偏振改变为正交偏振光。类似地，在这两个实施例中，无源波片元件类似地通过相应的配向层对准，使得当可切换波片元件被电气地激活以使光在不发生衍射的情况下穿过其中时，无源波片元件彼此具有抵消作用。另一方面，当可切换波片元件被电气地去激活以衍射穿过其中的光时，无源波片元件具有互补作用。在特定实施例中，当无源波片元件具有相同的光焦度时，以及当可切换波片元件被激活时，组件的净光焦度约为零，并且光的偏振不变。另一方面，当可切换波片元件被去激活时，组件的净光焦度是具有不同符号的可切换波片元件和无源波片元件的光焦度的净和。在下文中，关于图24B至24D，描述了一个特定实施例，其中无源波片元件是半波片透镜，可切换波片元件也是半波片。
图24B至24D示出了操作中的集成式宽带自适应透镜组件2400，其类似于上面关于图17A至17C描述的自适应透镜组件，只是中间的可切换半波片被配置成施加光焦度的透镜。
图24B在光学功能方面示出了上面关于图24A描述的集成式宽带自适应透镜组件2400。图24C示出了在图24B所示的自适应透镜组件2400的可切换波片透镜2304被激活的情况下操作的集成式宽带自适应透镜组件2400A(图24A)，而图24D示出了在图24B所示的集成式宽带自适应透镜组件2400的可切换波片透镜2304被去激活的情况下操作时的可切换组件2400B。集成式宽带自适应透镜组件2400被配置为耦合并在其中透射从波导组件1012(图10、11A、11B)耦出的光。集成式宽带自适应透镜组件2400包括：与无源波片透镜堆叠2308(图24A)对应的第一波片透镜(L1/HWP1)2308(例如，第一半波片透镜)；与无源波片透镜堆叠2312(图24A)对应的第二波片透镜(L2/HWP2)2312(例如，第二半波片透镜)；以及与可切换LC层2304(图24A)对应的可切换半波片(L3/HWP3)2304。
在图24B至24D中，处于去激活状态的L3/HWP 2304B(图24D)、L1/HWP1 2308和L2/HWP2 2312用作无源半波片透镜，其被配置为分别施加光焦度P3、P1和P2，并且将穿过其中的圆偏振光的旋向性从第一旋向性(第一HCP)翻转到第二旋向性(第二HCP)。另一方面，处于激活状态的L3/HWP 2304A(图24C)被配置为保持穿过其中的圆偏振光的旋向性。
另外，当被去激活(例如，使用由开关电路1716提供的电压或电流信号而被电气地去激活)时，L3/HWP3 2304B(图24D)用作具有光焦度P3的半波片透镜。另一方面，当使用开关电路1716(例如，通过去除电压或电流信号)而被激活时，L3/HWP3 2304A(图24C)用作不影响偏振或不提供任何实质透镜效应的光传输介质。
图24C示出了在L3/HWP 2304A被激活的情况下操作的集成式宽带自适应透镜组件2400B。集成式宽带自适应透镜组件2400B可对应于第一自适应透镜组件1004(图10，位于世界侧)或第二自适应透镜组件1008(图10，位于用户侧)。仅作为示例，集成式宽带自适应透镜组件2400A将被描述为对应于第一自适应透镜组件1004或第二自适应透镜组件1008，作为向用户显示真实世界视图而不显示虚拟图像的显示设备1000(图10)的一部分。例如，显示设备1000(图10)可用作普通眼镜或普通护目镜。L1/HWP1 2308和L2/HWP2 2312中的每一者可被配置为对穿过其中的具有第一HCP(例如LHCP)的光具有第一透镜效应(例如，发散效应)。尽管未示出，但是L1/HWP1 2308和L2/HWP2 2312中的每一者还可被配置为对穿过其中的具有相反HCP(例如RHCP)的光具有与第一透镜效应相反的第二透镜效应(例如，会聚效应)。
在所示的实施例中，光束1720可以表示来自世界的光束，其入射在第一自适应透镜组件1004(位于世界侧)或第二自适应透镜组件1008(位于用户侧)中的任一者上，同时显示设备1000(图10)被用作不显示虚拟内容的普通眼镜或护目镜。仅作为示例，具有第一HCP(例如LHCP)的光束1720例如沿着正z方向行进，直到光束1720穿过L1/HWP 2308，以从中透射通过并被变换为具有RHCP的光束1724，同时根据第一光焦度-P1发散光束1720。
仍然参考图24C，随后，由于L3/HWP3 2304A被激活，因此具有RHCP的光束1724透射通过L3/HWP3 2304A，在偏振或透镜效应方面基本不受影响，以作为具有RHCP的光束1728A入射在L2/HWP2 2312上。如上所述，当被配置为用户侧的自适应透镜组件(例如，图10中的第二自适应透镜组件1004)时，L2/HWP2 2313类似于L1/HWP1 1704(图17B)进行配置，即，变换偏振并且发散具有LHCP的光，同时会聚具有RHCP的光。因此，具有RHCP的光束1728A被变换回具有LHCP的光束1732A。因此，当L3/HWP3 2304A被激活时，L1/HWP1 2308和L2/HWP22312透射具有相反偏振的光束，使得L1/HWP1 2308和L2/HWP2 2312对穿过其中的光具有相反的透镜效应。即，由于入射在L2/HWP2 2312上的光束1728A具有RHCP，因此从L2/HWP22312出射的光束1732A根据第二光焦度+P2会聚，这不同于根据第一光焦度-P1发散的从L1/HWP1 1704出射的光束1724。此后，当从处于激活状态的自适应透镜组件1700A出射时，光束1732A可以被眼睛看到。
在一些实施例中，当L3/HWP3 2304A被激活时，L1/HWP1 2308的第一光焦度-P1和L2/HWP2 2312的第二光焦度+P2可具有基本相同或匹配的大小，同时具有相反的符号。在这些实施例中，集成式宽带自适应透镜组件2400的净光焦度Pnet(可以近似为-P1+P2)可以基本为零，使得对于观看者而言世界视图基本不受影响。但是，实施例不限于此，并且第一和第二光焦度-P1、+P2可具有不同的大小，使得净光焦度Pnet可具有非零值。例如，在一些实施例中，非零Pnet可以等于用户的眼镜处方，从而允许校正用户眼睛的聚焦误差(例如，屈光聚焦误差)。
尽管在所示的实施例中，入射光束1720具有LHCP，但是当入射光束1720具有RHCP时，将产生相似的结果。即，当入射光束1720具有RHCP时，光束1724和1728A具有LHCP，并且与所示的实施例不同，光束1724和1728A根据光焦度+P1而被会聚。同样，光束1728A根据光焦度-P2而被发散，使得净光焦度Pnet可以为+P1-P2，其可以基本为零。
应当理解，L1/HWP1 2308和L2/HWP2 2312的透镜效应以及对上面关于图24C描述的入射光束的偏振态的透镜效应选择性仅作为一个示例，其它配置也是可能的。例如，尽管在图24C中，L1/HWP1 2408和L2/HWP2 2312被配置为发散具有LHCP的光，同时会聚具有RHCP的光，但是在其它实施例中，L1/HWP1 2308和L2/HWP2 2312可被配置为会聚具有LHCP的光，同时发散具有RHCP的光。
总之，在一些实施例中，当L3/HWP3 2304A处于激活状态时，由于L1/HWP1 2308的P1和L2/HWP2 2312的P2之间的透镜效应的补偿，出射光束1732A具有与入射光束1720相同的HCP，并且在透镜效应方面与入射光束1720基本匹配。因此，当用户不观看虚拟内容时，世界视图相对地不受自适应透镜组件(图10、11A、11B中的1004、1008)的存在的影响。
图24D示出了在L3/HWP3 2304B被去激活的情况下操作的图24B的自适应透镜组件的示例。集成式宽带自适应透镜组件2400B例如可对应于第一自适应透镜组件1004(位于世界侧)或第二自适应透镜组件1008(位于用户侧)。在下文中，作为示例，集成式宽带自适应透镜组件2400B将首先被描述成被配置为用户侧的第二自适应透镜组件1008，作为向用户输出虚拟图像的显示设备(例如，图11A中的显示设备1100A)的一部分。接着，集成式宽带自适应透镜组件2400B将被描述成被配置为世界侧的第一自适应透镜组件1004，作为同时向用户透射真实世界视图和输出虚拟图像的显示设备1100B(图11B)的一部分，从而减少或基本消除由第二自适应透镜组件1008的透镜效应导致的真实世界视图的畸变。
当被配置为用户侧的第二自适应透镜组件1008(图11A)时，L1/HWP1 2308和L2/HWP2 2312中的每一者可被配置为发散穿过其中的具有其中一种HCP(例如LHCP)的光。L1/HWP1 2308和L2/HWP2 2312中的每一者还可被配置为会聚穿过其中的具有另一种HCP(例如RHCP)的光。
如上面关于图11A所述，在波导组件1012内例如通过全内反射在x方向上传播的一些光可以在z方向上被重定向或耦出。从波导组件1012(图11A)耦出的光可作为具有LHCP的圆偏振光束1720入射在集成式宽带自适应透镜组件2400B上。光束1720例如沿着正z方向行进，直到光束1720透射通过L1/HWP 2308并被变换为具有RHCP的光束1724，同时还根据L1/HWP1 2308的第一光焦度-P1而被发散。
随后，由于L3/HWP3 2304B被去激活，透射通过L3/HWP3 2304B的具有RHCP的光束1724被变换为具有LCHP的光束1728B，同时还根据第三光焦度-/+P3而被发散或会聚。随后，具有LHCP的光束1728B入射在L2/HWP2 2312上。与上面关于图24C所示的光束1728A不同，由于入射在L2/HWP2 2312上的光束1728B具有LHCP，因此L2/HWP2 2312根据第二光焦度-P2将光束1728B进一步发散为具有RHCP的光束1732B。因此，与关于图24C所示的配置不同，图24D中的L1/HWP1 2308、L2/HWP2 2312和L3/HWP3 2304B可具有叠加的透镜效应。此后，在从处于去激活状态的自适应透镜组件1700B出射时，光束1732A可以被眼睛看到。
在一些实施例中，L1/HWP1 2308的第一光焦度-P1和L2/HWP2 2312的第二光焦度-P2可以都为负的(即，发散的)，并且可具有基本相同或匹配的大小。另外，L3/HWP3 2304B的第三光焦度-P3可以为负的。在这些实施例中，集成式宽带自适应透镜组件2400B的净光焦度Pnet可以被近似为-(P1+P2+P3)。然而，实施例不限于此，并且在一些其它实施例中，L3/HWP3 2304B的第三光焦度+P3可以为正的。在这些实施例中，集成式宽带自适应透镜组件2400B的净光焦度Pnet可以被近似为-(P1+P2)+P3。另外，第一和第二光焦度P1、P2可具有不同的大小。
尽管在所示的实施例中，入射光束1720具有LHCP，但是当入射光束1720具有RHCP时，将产生平行结果。即，当光束1720具有RHCP时，与所示的实施例不同，所得到的光束1732B具有LHCP，并且可以由L1/HWP1 2308、L2/HWP2 2312和L3/HWP3 2304B根据净光焦度Pnet＝+(P1+P2+P3)而被会聚。
上面关于图24D描述的L1/HWP1 2308、L2/HWP2 2312和L3/HWP 2304B的透镜效应以及透镜效应对入射光束的偏振态的依赖性只是一个示例，其它配置也是可能的。例如，与所示的实施例不同，L1/HWP1 2308、L2/HWP2 2312和去激活的L3/HWP3 2304B可分别被配置为会聚具有LHCP的光，同时发散具有RHCP的光。
在上文中，已经描述了当被配置为上面关于图11A描述的显示设备1100A的用户侧的第二自适应透镜组件1008时的处于去激活状态的集成式宽带自适应透镜组件2400B。然而，如上面关于图11B所述，激活第二自适应透镜组件1008以在没有任何补偿效应的情况下向用户的眼睛210显示虚拟内容可导致真实世界视图的散焦或畸变，这是不希望的。因此，希望将世界侧的第一自适应透镜组件1004配置为至少部分地补偿或抵消被去激活以显示虚拟内容的第二自适应透镜组件1008的透镜效应。
返回参考图24D，当被配置为世界侧的第一自适应透镜组件1004(图11B)以抵消用户侧的第二自适应透镜组件1008(图11B)的透镜效应时，自适应透镜组件1700B的部件可以按照上面关于图11B所述类似的方式进行配置。即，当从世界510传输到眼睛210的光穿过第一和第二自适应透镜组件1004、1008时，每个自适应透镜组件可以按照上面关于集成式宽带自适应透镜组件2400B(关于图24D描述)描述的方式配置。在操作中，如上所述，通过第一自适应透镜组件1004从世界传输的光的偏振被从第一偏振态变换为第二偏振态，例如从RHCP变换为LHCP。随后，透射通过第二自适应透镜组件1008的光的偏振被从第二偏振态变换回第一偏振态，例如从LHCP变换为RHCP。此外，如上面关于图11B所述，通过第一自适应透镜组件1004从世界传输的光根据具有第一符号(例如正号)的第一净光焦度Pnet1＝(P1+P2+P3)而经历第一透镜效应(例如，会聚效应)。随后，透射通过第二自适应透镜组件1008的光根据具有第二符号(例如负号)的第二净光焦度Pnet2＝-(P1′+P2′+P3′)而经历与第一透镜效应相反的第二透镜效应(例如，发散效应)，这是因为入射在第二自适应透镜组件1008上的光具有与入射在第一自适应透镜组件1004上的光相反的偏振。当Pnet1和Pnet2具有基本相似的大小时，由P＝Pnet1+Pnet2近似的总透镜效应可以基本为零。因此，当用户通过激活第二透镜组件1008来观看虚拟内容以及观看周围世界中的真实对象时，通过第一透镜组件1004的补偿效应，世界视图相对不受影响。
在各种实施例中，当被去激活时，第一和第二自适应透镜组件1004、1008中的每一者可以提供在约±5.0屈光度和0屈光度之间、±4.0屈光度和0屈光度之间、±3.0屈光度和0屈光度之间、±2.0屈光度和0屈光度之间、±1.0屈光度和0屈光度之间的范围(包括由这些值限定的任何范围，例如±1.5屈光度)内的净光焦度(正或负的)。
图25A和25B是示出与集成式宽带自适应透镜组件2400(图24A/24B)对应的透射光谱的曲线图2500A、2500B，其中L3/HWP3 2304分别被去激活(图24C)和被激活(图24D)。该模拟对应于集成式宽带自适应透镜组件2400，其中L3/HWP3 2304包括由厚度为10μm、Δn为0.2的未聚合的LC层(例如，图23中的可切换LC层2304)形成的可切换LC层2304，而L1/HWP12308和L2/HWP2 2312中的每一者包括由扭曲角为60度的聚合扭曲LC分子形成的聚合LC层(例如，图24A中的上和下聚合LC(LCP)层2302-1、2303-2)。如曲线图2500A所示，当L3/HWP32304A被去激活时(图24C)，衍射效率高，从而漏光低(最大值约20％)，表明入射光被集成式宽带自适应透镜组件2400A有效地衍射，在400nm至800nm之间基本上没有漏光。另一方面，如曲线图2500B所示，当L3/HWP3 2304B被激活时(图24D)，衍射效率非常低，入射光几乎在没有衍射的情况下被透射(大约100％)，表明在400nm至800nm之间通过集成式宽带自适应透镜组件2400A，入射光大部分未被衍射。
宽带自适应透镜组件中的色差减少
尽管在宽波长范围内具有高效率，但是一些宽带自适应透镜组件可具有基本上取决于光波长的焦距或光焦度，从而导致显著的色差。这是因为，对于较大的焦距，透镜光焦度与相应的波长成比例。即，对于不同波长的波片透镜，光焦度P(λ)的依赖性可以被近似为：P(λB)＝P(λG)λB/λG和P(λR)＝P(λG)λR/λG，其中B、G和R分别对应于蓝色光谱中的波长、绿色光谱中的波长和红色光谱中的波长。因此，存在减少宽带自适应透镜组件中的色差的需求。在下文中，根据实施例描述了减小色差的方法。
在上文中，例如，关于图23A至23D，已经公开了具有两个可切换宽带波片透镜的宽带自适应透镜组件的实施例，其针对具有圆偏振的光产生22＝4个光焦度状态。通过扩展，可以形成包括多于两个(N)可切换宽带波片透镜的堆叠，其具有2N个光焦度状态。例如，对于具有三个可切换宽带波片透镜(N＝3)的宽带自适应透镜组件，可以实现8个光焦度状态。表1示出了包括三个可切换宽带波片透镜的宽带自适应组件的计算出的光焦度，其中每个可切换宽带波片透镜类似于上面例如关于图22A至22C描述的可切换宽带波片透镜。
表1
Figure BDA0002938915960000821
对于具有三个可切换宽带波片透镜的宽带自适应组件，净透镜光焦度可被表示为Pnet＝((S1*P1+P2)*S2+P3)*S3，其中Pi和Si＝±1(i＝1,2,3)是各个可切换宽带波片透镜的光焦度和光焦度状态。例如，激活状态可被表示为S＝+1，而去激活状态可被表示为S＝-1。参见表1，被标记为“状态1”至“状态8”的列对应于三个透镜中的每一者的不同透镜状态，行“蓝色”、“绿色”和“红色”分别表示在450nm、525nm和632nm的波长(分别代表光的蓝色、绿色和红色)处的计算出的光焦度。在计算中，假设只有具有一个偏振(例如，第一圆偏振)的光到达眼睛，而其它光被再循环或被反射。出于说明的目的，在绿色波长(525nm)处，三个单独的宽带波片透镜的光焦度被计算为0.5D、0.5D和1.5D。基于表1可以看出，为了获得0.5D、1.5D和2.5D的目标净光焦度，可以选择透镜状态3、状态5和状态1。然而，观察到，对于红色波长的2.5D的目标净光焦度，蓝色和红色波长(450nm和632nm)处的净光焦度会引起显著色差，例如大至0.51D。
然而，发明人已经认识到，如果代替使用一个状态来实现表1所示的三种颜色的一个目标净光焦度，而是使用多于一个状态来实现不同颜色的给定目标净光焦度，则可以大大减少色差。表2中示出了这种方法。
表2
Figure BDA0002938915960000831
参见表2，通过使用多于一个状态来实现不同颜色的给定目标净光焦度和略有不同的目标透镜焦度，可以显著减少色差。在此，三个单独的宽带波片透镜的光焦度在绿色波长(525nm)处分别为0.4D、0.7D和1.6D。基于表2可以看出，为了获得0.5D的目标净光焦度，可以选择单个透镜状态3。然而，为了减少色差，对于1.5D的目标净光焦度，可以选择状态5和状态7，而对于2.5D的目标净光焦度，可以选择状态1和状态5。与表1所示的2.5D的目标净光焦度的色差0.51D相比，通过对不同颜色使用多于一个状态，红色波长的2.5D的目标净光焦度的色差可被减小到0.2。
图26A、26B和26C是根据实施例的曲线图2600A、2600B和2600C，其分别示出了蓝色、绿色和红色波长的计算的目标净光焦度与实际净光焦度的关系，示出了通过使用借助不同透镜状态来针对不同颜色波长实现目标净光焦度的方法而获得的改进的色差性能。在曲线图2600A、2600B和2600C中的每一者内，黑色实线2612、2622和2632表示目标净光焦度，虚线2604、2614和2624表示使用借助单个透镜状态获得上面关于表1描述的给定光焦度的方法时的计算的光焦度，并且灰色实线2608、2618和2628表示使用借助多个透镜状态获得上面关于表2描述的给定光焦度的方法时的计算的光焦度。如所观察到的，当使用多个透镜状态获得给定光焦度时，实际光焦度更接近目标光焦度。
使用光对准技术制备宽带波片和波片透镜
图27A至27C示出了宽带波片或宽带波片透镜的示例制备方法。参考图27A的中间结构2700A，提供了上面形成有配向层1302-0的透明基板1312。透明基板1312可以包括例如二氧化硅、蓝宝石或任何合适的透明材料。应当理解，尽管未示出，但是根据本文描述的各种实施例，基板1312上可以存在另外的结构和层，导致配向层1302-0的形成。借助示例，当形成可切换波片1300F(图13F)时，在形成配向层1302-0之前，透明电极层1316、1320中的第一透明电极层可以在形成配向层1302-0之前存在于基板1312上。
在一些实施例中，配向层1302-0可以是光配向层，当沉积LC分子时，例如由于光配向层对液晶分子施加的锚定能量，因此，光配向层上的LC分子可以变得沿着优先方向取向。光配向层的示例包括作为几个示例的聚酰亚胺、线性偏振光聚合的聚合物(LPP)、含偶氮的聚合物、含香豆素的聚合物和含肉桂酸酯的聚合物，以及上面参考图13C、13F描述的其它化合物。
配向层1302-0可通过将前体(例如，单体)溶解在合适的溶剂中，然后使用合适的工艺(例如，旋转涂布、狭缝式涂布、刮刀涂布、喷雾涂布、喷射(喷墨)涂布以及其它沉积工艺)将溶液涂布在基板1312上来形成。此后可以从涂布溶液中去除溶剂。在准备配向层1302-0上的LC分子的后续对准时，也可以使用偏振器固化配向层1302-0(例如，UV固化)。
参考图27B的中间结构2700B，在涂布配向层1302-0之后，对配向层1302-0进行光学图案化或记录。可以通过全息双光束曝光工艺(图28)或使用主透镜和单光束曝光工艺的光学复制工艺(图29A、29B)来执行光学图案化。
参考图27C的中间结构2700C，在涂布配向层1302-0之后，在其上形成LC层2704。LC层2704可以通过使用合适的工艺(包括例如旋转涂布、狭缝式涂布、刮刀涂布、喷雾涂布和喷墨涂布以及其它沉积工艺)在配向层1302-0上沉积反应性液晶元混合物(包括例如液晶单体、溶剂、光引发剂和表面活性剂)来形成。
如上所述，当LC层2704被集成为无源波片透镜或可切换波片的一部分时，LC层2704可被固化(例如，被UV固化)以对LC层2704进行光聚合，使得LC分子可以变为固定取向。
与此形成对比，如上所述，当LC层2704被集成为可切换波片透镜或可切换波片的一部分时，可以在不聚合LC层2704的情况下进一步处理LC层2704，使得LC分子可以响应于切换信号而重新自取向。
在沉积时，至少液晶(LC)层2704中位于配向层1302-0的紧接上方的最底部LC分子可以根据配向层1302-0的配置进行自组织，具体取决于本文所述的各种应用。例如，如上所述，当LC层2704形成宽带波片透镜的一部分时，配向层1302-0被配置为使得最底部LC分子具有沿着LC层2704的半径(在从如例如上面关于图16A、16B、19A描述的中心区域径向向外的方向上)变化的局部取向或指向矢。另外，当LC层2704形成宽带波片的一部分时，配向层1302-0被配置为使得最底部LC分子具有以其长轴大致在如例如关于图13A、13C所述的第一横向方向上延伸的方式取向的局部取向或指向矢。仍然参考图27C，在一些实施例中，如在本申请的其它地方所述，LC层2704中位于最底部LC分子上方的LC分子可被配置为以与LC层2704中的最底部LC分子不同的方式布置。例如，LC层2704中的最顶部LC分子可以通过形成在LC层2704上的第二配向层而被不同地对准。此外，最顶部LC分子和最底部LC分子之间的LC分子可以具有扭曲，如关于各种实施例所述，其中包括图13C和20A/20B。
沉积LC层2704并可选地聚合之后，中间结构2700C可被进一步处理以形成另外的结构和/或层，如根据本文描述的各种实施例所述。例如，当形成可切换波片1300F(图13F)时，在形成LC层2704之后，中间结构2700C可被进一步处理，以例如在LC层2704上形成第二配向层1302-0，并且形成透明电极层1316、1320中的第二透明电极层。此外，在一些实施例中，可以在LC层2704上形成另外的LC层，其中后续LC层的最底部LC分子与上一LC层的最顶部LC分子对准，如图13F和24A所述。
图28示出了使用有时被称为偏振全息的双光束曝光工艺来配置上面关于图27C所述的配向层以使宽带波片或宽带波片透镜中的LC分子对准的示例方法。尽管大多数传统全息术使用强度调制，但是偏振全息由于具有不同偏振的光的干涉而涉及偏振态调制。参考图28的中间结构2800，所示出的方法包括在基板1312上形成未聚合的光配向层1302-0，如上面关于图27A所述。此后，具有不同偏振的多个相干光束(例如，RHCP光束2808和LHCP光束2804)被引导到配向层1302-2。在所示的实施例中，RHCP光束2808和LHCP光束2804是正交的圆偏振光束。当可作为参考光束的RHCP光束2808和LHCP光束2804中的一者准直的同时，可作为记录光束的RHCP光束2808和LHCP光束2804中的另一者会聚或发散。然而，实施例不限于此。例如，正交偏振光束可以包括线性垂直偏振光束和线性水平偏振光束或±45度的线偏振光束。在一些实施方式中，可以使用具有正交圆偏振的UV激光(例如，HeCd，325nm)来执行将配向层1302-0双光束曝光到偏振全息。取决于液晶材料和光栅参数(例如，厚度d)，典型的记录剂量可以为约若干J·cm-2。此后，涂布反应性液晶元混合物(包括例如液晶单体、溶剂、光引发剂和表面活性剂)以使其根据通过双光束曝光形成的表面图案而对准，如上面关于图27A至27C所述。
图29A至29B示出了通过制备具有LC分子的主配向图案(master alignmentpattern)的主波片或波片透镜，并且使用主波片或波片透镜将LC分子的主配向图案复制到目标配向层上，来配置配向层以使宽带波片或宽带波片透镜中的液晶分子对准的示例方法。与上面关于图28描述的其中采用两个正交偏振光束的干涉直接配置配向层的双光束曝光方法不同，在该所示实施例中，使用主波片透镜和一个偏振光束在近场中产生类似的偏振全息。因此，一旦制备出具有LC分子的主配向图案的主透镜，便可将其用作模板并使用相对简单的单光束曝光来制备多个波片和波片透镜。
图29A示出了主波片或波片透镜2904。主波片或波片透镜2904可以使用例如上面关于图27A至27C和28描述的工艺来制备，其中包括使用例如通过双光束曝光工艺形成的光干涉图案来形成配向层，之后形成与配向层自对准的反应性液晶元(RM)混合物层(包括例如液晶单体、溶剂、光引发剂和表面活性剂)，然后对RM混合物层执行毯覆式UV固化以聚合RM混合物层中的LC分子。图29A进一步示出了主波片或波片透镜2904的操作图2900A，该主波片或波片透镜被设计为具有有限衍射效率，使得仅一部分偏振入射光被衍射，同时使一部分不受影响地通过。例如，在所示的实施例中，主波片或波片透镜2904被配置为将具有第一偏振(例如RHCP)的入射光2908的一部分(例如，30-70％、40％-60％、45-55％或这些值内的任何值，例如，约50％)衍射为具有第二偏振(例如LHCP)的衍射光2912，同时使入射光2908的一部分(例如，30-70％、40％-60％、45-55％或这些值内的任何值，例如，约50％)作为漏光2916(例如，零级漏光，其具有与入射光束2908相同的第一偏振(例如RHCP))穿过主透镜2904而不衍射。
图29B示出了如上面关于图29A所述制备和配置的主透镜2904，以及包括用于对准宽带波片或宽带波片透镜中的LC分子的配向层1302-0的中间结构的示例制备配置2900B。参考图29B的制备配置2900B，如上面关于图27A所述，所示的中间结构包括位于基板1312上的未聚合的光配向层1302-0。制备配置2900B包括布置在未聚合的光配向层1302-0上方的主透镜2904。具有第一偏振(例如RHCP)的入射光束2908被导向到配向层1302-2。如上面关于图29A所述，由于主波片或波片透镜被设计为仅衍射一部分入射光，因此在穿过主波片或波片透镜2904时，具有相反偏振的两个光束入射在配向层1302-0上。实际上，入射在配向层1302-0上的两个光束的作用类似于上面关于图28A、28B描述的双光束曝光的作用。在所示的示例中，透射通过主波片或波片透镜2904并入射在配向层1302-0上的是衍射光束2912和漏光束2916，衍射光束2912具有与入射光束2908的第一偏振(例如RHCP)相反的第二偏振(例如LHCP)，漏光束2916具有与入射光束2908相同的第一偏振(例如RHCP)。因此，以与上面关于图28所述类似的方式，衍射光束2912可以会聚或发散，可用作记录光束，而漏光束2916可用作参考光束。衍射光束2912和漏光束2915的干涉以与上面关于图20所述类似的方式使配向层1302-0发生。此后，可以涂布反应性液晶元混合物(包括例如液晶单体、溶剂、光引发剂和表面活性剂)以使其根据通过双光束曝光形成的表面图案进行对准，如上面关于图27A至27C所述。因此，有利地，一旦使用上面关于图28描述的相对复杂的双光束曝光方法制备了主透镜2904，便可使用上面关于图29B描述的相对简单的单光束曝光来执行配向层的后续配置。有利地，在某些情况下，可以使用完全相干的光源(例如，激光器)或部分相干的光源(例如，UV灯或发光二极管等)，与上面关于图28A至28B描述的双光束曝光方法相比，以较低精度的光学器件、较少的振动控制和较松的对准，来执行关于图29B所示的方法。
使用纳米压印配向层制备宽带波片和波片透镜
如在整个申请中所述，在各种实施例中，可以使用配向层(例如，可以使用光来配置的光配向层)来对准根据各种实施例的宽带波片和波片透镜的LC层中的LC分子。在其它实施例中，可以使用图案化纳米结构来对准LC分子。在关于图30A和30B的下文中，描述了使用图案化纳米结构对准LC分子的方法，随后关于图30C描述适合用作波片透镜的图案化纳米结构的示例。
图30A和30B分别示出了根据一些实施例的处于使用纳米压印工艺的不同制备阶段的中间结构3000A、3000B的截面图。
参考图30A的中间结构3000A，其中以与上面关于各种实施例所述类似的方式提供透明基板1312。使纳米压印模板(未示出)或纳米压印模具与毯状基础聚合物层(未示出)接触，所述纳米压印模板或纳米压印模具具有预定义的拓扑图案，这些拓扑图案被配置为形成随后形成的LC层2704(图30B)中的LC分子(例如，至少是LC层2704中最靠近基板1312的最底部LC分子)的配向图案。随后，将模板压入毯状基础聚合物层中，该毯状基础聚合物层可以在特定温度下(例如，高于毯状基础聚合物层的玻璃化温度)包括热塑性聚合物，从而将模板图案转移到软化的毯状基础聚合物层中，以形成压印的配向层3004。在冷却后，使模板与压印的配向层3004分离，该压印的配向层包括具有预定义的拓扑图案的配向图案，所述拓扑图案被配置为形成随后形成的LC层2704中的LC分子的配向图案(图30B)。在一些其它方法中，在被压入基础聚合物层中之后，压印的配向层3004通过在UV光下交联而硬化。
压印的配向层3004可以包括尺寸为亚波长的特征。例如，压印的配向层3004可以包括尺寸(例如，长度、宽度和/或深度)约为数纳米、数百纳米和/或数微米的特征。作为另一示例，压印的配向层3004可以包括长度大于或等于约20nm且小于或等于约100nm的特征。作为又一示例，压印的配向层3004可以包括宽度大于或等于约20nm且小于或等于约100nm的特征。作为又一示例，压印的配向层3004可以包括深度大于或等于约10nm且小于或等于约100nm的特征。在各种实施例中，特征的长度和/或宽度可以大于特征的深度。然而，在一些实施例中，深度可以近似地等于特征的长度和/或宽度。压印的配向层3004的每个畴(domain)的特征可被布置为在每个畴内形成复杂几何图案，其中连续特征之间的方向和/或周期沿着大约数纳米、数百纳米和/或数微米的长度尺度变化。
尽管关于图30A描述了用于形成纳米压印的配向层3004的纳米压印的示例过程，但是，实施例不限于此。在其它实施例中，可以使用包括光刻和蚀刻的其它图案化技术来制备压印的配向层3004。另外，尽管将压印的配向层3004描述为由聚合物材料形成，但是实施例不限于此，并且在各种其它实施例中，压印的配向层3004可以包括电介质材料，例如硅或玻璃材料。
参考图30B的中间结构3000B，在形成配向层3004之后，根据上面关于图27A至27C描述的沉积工艺，在其上沉积未聚合的LC层2704，例如反应性液晶元层。不受任何理论的束缚，压印的配向层3004用作使LC层2704的LC分子根据压印的配向层3004的图案对准的配向层。例如，畴内LC分子的伸长方向可以大致在与压印的配向层3004中的纳米结构的局部伸长方向平行的方向上对准。不受任何理论的束缚，LC分子与压印的配向层3004的图案的对准可以归因于与液晶分子的空间相互作用和/或由压印的配向层3004施加在沉积的LC分子上的锚定能量。
仍参考图30B的中间结构3000B，可以根据上面关于图27A至27C描述的不同实施例进一步处理LC层2704，其中包括聚合，进一步对准最底部LC分子上方的LC分子，以及堆叠多个LC层。
图30C示出了根据上面关于图30A至30B描述的方法制备的纳米压印的配向层3004的平面图。压印的配向层3004可用作配向层以形成具有如本文所述的各种横向布置的LC分子层，其中包括例如上面关于图13A、13C、16A、16B、19A、40、41描述的布置以及其它布置。
根据各种实施例，当根据压印的配向层3004形成的LC层形成波片透镜的一部分时，根据各种实施例的压印的配向层3004包括多个区域，例如x-y平面中的同心区域3008-1、3008-2、......3008-n。压印的配向层3004的每个区域内的压印纳米结构沿着特定方向取向。相邻区域中液晶材料的分子的取向可以不同。例如，各个区域3008-1、3008-2、......3008-n中LC分子的伸长方向或局部指向矢可以根据依赖于距中心位置的半径的幂rn的函数而沿径向方向连续地旋转，其中n可以从约1到3变化，如例如关于图16A/16B和图19所述。
压印纳米结构和所形成的液晶分子可以具有在不同区域3008-1、3008-2、......3008-n中不同的伸长方向。例如，连续区域中的压印纳米结构的伸长方向可以沿顺时针方向相对于彼此旋转约18度的角度。然而，实施例不限于此，连续区域之间的相对旋转角度可以小于1度，在约1度至45度之间，在约1度至18度之间或在约18度至45度之间。
具有宽带波片和/或波片透镜的宽带自适应透镜组件的集成
根据上述各种实施例，例如宽带自适应透镜组件包括集成的波片和波片透镜。在下文中，根据实施例描述了集成波片和波片透镜的方法。图31A至31C示出了使用间隙填充工艺制备包括液晶的可切换宽带波片或包括液晶的可切换宽带波片透镜的示例方法。根据各种实施例，该方法包括提供下堆叠，该下堆叠包括位于第一基板上的第一电极层和形成在第一电极层上的第一配向层，该方法还包括提供上堆叠，该上堆叠包括位于第二基板上的第二电极层和形成在第二电极层上的第二配向层。然后将第一堆叠和第二堆叠堆叠成单个堆叠，使得第一和第二配向层彼此面对，其中在下堆叠和上堆叠之间形成间隔物以在其间产生间隙，随后用液体LC层材料填充该间隙。参考图31A，该方法包括按照与上面例如关于图27A所述类似的方式提供基板1312，然后按照上面例如关于图27A所述类似的方式在基板1312上形成第一电极层1320，例如透明电极层。之后，参考图31B，在基板1312上形成第一配向层1302-0，从而形成下堆叠3100A。配向层1302-2可以是类似于上面关于例如图27A至27C、28和29描述的光配向层，或者是类似于上面关于例如图30A至30C描述的压印的配向层。
参考图31C，按照与形成下堆叠3100A类似的方式，形成上堆叠3100B，上堆叠3100B包括第二基板1312，在第二基板1312上按照与关于形成下堆叠3100A所述类似的方式(如上面关于图31B所述)形成第一电极层1320(例如，透明电极层)和第二配向层1302-0。
在一些实施例中，第一和第二配向层1302-0(可以是光配向层或压印的配向层)可以被不同地配置，如上面关于各种实施例所述，使得紧邻第一和第二配向层1302-0的LC分子不同地对准，例如对准而使得LC分子的伸长方向或指向矢方向彼此交叉，例如以约90度角彼此交叉。
仍然参考图31C，随后将上堆叠和下堆叠3100B、3100A堆叠成单个堆叠，使得第一和第二配向层1302-0彼此面对，在其间形成间隙1302。间隙1302可以由形成在下堆叠和上堆叠3100A、3100B之间的间隔物1350形成。
间隔物1350可以由合适的材料形成，例如具有产生间隙的直径的二氧化硅珠，该间隙的距离限定随后插入的LC材料的目标厚度。在一些实施方式中，可以使用干法工艺将二氧化硅珠形式的间隔物1350分散在上堆叠和下堆叠3100B、3100A中的一者或全部两者的表面上。在其它实施方式中，可以将二氧化硅珠形式的间隔物1350与粘合剂混合，并且施加在上堆叠和下堆叠3100B、3100A中的一者或全部两者的表面边缘处。之后，对上堆叠和下堆叠3100B、3100A相向地施压，直到获得与所得到的LC层厚度对应的最终间隙距离。可以使用法布里-珀罗干涉条纹来监控间隙距离。
在形成间隙1302之后，将LC材料插入到间隙1302中。如上所述，插入的LC材料可以是反应性液晶元混合物，其包括例如液晶单体、溶剂、光引发剂和表面活性剂。LC材料可以通过毛细作用力而被插入在间隙1302中。在一些实施方式中，在真空下执行该插入。
上面关于图31A至31C描述的集成过程可应用于本文描述的任何合适的实施例。例如，该方法可用于形成类似于上面关于图13F所述的可切换宽带波片，所述可切换宽带波片包括由上述插入到间隙1302中的可切换TN LC层1302(图13F)隔开的一对宽带QWP 1324、1326(图13F)。在这些实施例中，下堆叠3100A包括被配置为用作QWP 1324(图13B)的多个TNLC层1302-1、1302-2(图13F)，上堆叠3100B类似地包括被配置为用作QWP 1326(图13B)的多个TN LC层1302-1、1302-2(图13F)。
为提供另一示例，可以将上面关于图31A至31C描述的集成过程应用于形成类似于上面关于图24A所述的集成式宽带自适应透镜组件，该集成式宽带自适应透镜组件包括由可切换TN LC层2304(图24A)隔开的一对聚合LC(LCP)层2302-1、2302-2(图34A)，可切换TNLC层2304被插入到上述间隙1302中以用作L3/HWP3 2304(图23B至24D)。在这些实施例中，下堆叠3100A包括用作L1/HWP2 2308(图24B至24D)的下聚合LC(LCP)层2302-1(图24A)，上堆叠3100B类似地包括用作L2/HWP2 2312(图24B至24D)的上聚合LC(LCP)层2302-2(图24A)。
在下文中，描述了根据一些其它实施例的集成波片和波片透镜的方法。在图32A至32E中，制备包括液晶的可切换宽带波片或包括液晶的可切换宽带波片透镜的示例方法采用层转移工艺。在层转移工艺中，LC层形成在可以是柔性的施主、牺牲或载体基板上，然后被转移到可以是刚性的永久基板上。在这样的载体基板上形成LC层可以允许更高的制备生产量和/或更高的制造成品率。
图32A示出了包括载体基板3204的中间结构3200A，该载体基板可以是具有足够柔韧性，同时具有足够热稳定性以用于后续工艺(包括配向层1302-0形成于其上的LC层的聚合)的适合的基板。配向层1302-0可以是以与上面关于例如图27A至27C、28和29所述类似的方式形成和配置的光配向层，或者可以是以与上面关于例如图30A至30C所述类似的方式形成和配置的压印的配向层。
图32B示出了包括形成在配向层3208上的剥离层(release layer)3208的中间结构3200B，图32C示出了包括形成在剥离层3208上的LC层3212的中间结构3200C，从而将LC层3212暂时接合在配向层3208上。LC层3212可以以与上面关于图27C所述类似的方式形成和配置。
在一些实施例中，剥离层3208包括通过表面处理形成的薄表面层，该薄表面层减弱了LC层3212和配向层1302-0之间的粘合强度，但基本上不影响配向层3208的对准特性。
在一些实施例中，剥离层3208是涂布在配向层1302-0上的单独的合适薄膜，该薄膜与下方的层的粘合强度高于与剥离层3208上方的层的粘合强度。在所示的示例中，剥离层3208形成在配向层1302-0和LC层3212之间(图32C)。因此，根据一些实施例，剥离层3208由这样的适合材料形成：该材料与配向层形成与LC层3212相比更强的粘合界面，从而当施加机械力时，与配向层3202-2相比，剥离层3208相对较容易从LC层3212分离。
在一些实施例中，剥离层3208包括涂布在剥离层3208上的单独的液体状可固化粘合剂，当暴露在用于固化LC层3212的UV光下时，该粘合剂可被原位固化。固化将粘合剂层转化为在分离前抗流动的3D聚合物网络。在一些其它实施例中，剥离层3208包括涂布在剥离层3203上的单独的热塑性接合材料，而不是可固化的粘合剂材料。热塑性接合材料包括热塑性聚合物，所述热塑性聚合物不交联或固化，而是可逆地软化，然后在冷却至室温时重新硬化为玻璃态。在室温下，热塑性接合材料形成一种刚性的且有弹力的接合剂，这种接合剂允许在不发生实质性变形的情况下执行后续工艺。
图32D示出了包括使用胶层3216而被附接到LC层3212上的目标基板1312(该基板可以是永久基板)的中间结构3200D。基板1312可以是在本说明书的其它地方描述的任何透明基板。
图32E示出了中间结构3200e，其中，包括通过胶层3216而被附接到LC层3212上的目标基板1312的目标堆叠从包括载体基板3204、配向层1302-0和剥离层3208的载体堆叠分离。在一些实施例中，通过机械去接合(debonding)来执行该分离(有时被称为剥离分离)。分离发生在剥离层3208和LC层3212之间的界面处，例如发生在经表面处理的剥离层3208或上述不同类型的单独沉积的剥离层之一处。单独的剥离层3208或表面处理被设计为在其界面处具有充分的粘附力，使得接合的结构可承受正常的过程中应力，但接合强度还不是太强，因此需要可中断薄器件晶片的强力来在这些层之间分离。分离过程可以包括使用引起分离的极小力，在边缘界面(此边缘界面在剥离层3208和LC层3212之间的整个界面上延伸)处引发剥离层3208和LC层3212之间的层离(delamination)。热塑性接合材料和低表面能聚合物剥离层(其可以是可固化的或热塑性组合物)的使用适合于机械去接合。然而，实施例不限于此，并且在一些其它实施例中，分离涉及滑动去接合。这些实施例利用了热塑性接合材料的可逆软化行为。在这种模式下，将接合的结构加热到接合材料的软化温度以上，并对器件和载体晶片施加相反的剪切力，使它们缓慢地滑过彼此，直到结构被分离。在另外一些其它实施例中，分离涉及激光去接合。在这些实施例中，当扫描激光照射穿过载体基板3204时，激光束用于烧蚀剥离层3208或将剥离层3208分解成气态副产物和少量含碳残留物。
仍然参考图32E，由此分离的目标堆叠上的LC层2704可被进一步处理，可以根据不同的实施例被进一步处理，如上面关于图27A至27C所述，其中包括聚合、进一步对准最底部LC分子上方的LC分子，以及堆叠多个LC层。
宽带自适应透镜组件在选定的基板区域上的形成
如上面关于各种显示设备(例如，可穿戴显示设备1000(图10))所述，可以在光路1016中形成宽带自适应透镜组件(例如，一对宽带自适应透镜组件1004、1008)，这些宽带自适应透镜组件之间插入有波导组件1012以显示虚拟图像和世界图像。然而，在一些实施方式中，作为可穿戴显示设备的一部分，宽带自适应透镜组件可以形成在基板的一部分上，例如形成在眼睛210预期在其上观看虚拟图像的波导组件1012的一部分或护目镜的透镜的一部分上。在下文中，描述了在选定的基板区域上形成宽带自适应透镜组件的各种实施例。
图33示出了在基板3300的一部分上形成的包括液晶的可切换宽带波片或包括液晶的可切换宽带波片透镜的示例。基板3300可以表示例如波导组件1012的一部分或诸如护目镜或眼镜的可穿戴显示设备1000(图10)的一部分。基板3300包括：透镜区3204，其上将形成光学有源可切换宽带波片或可切换宽带波片透镜；以及空白区域(clear region)3308，其将保持没有可切换宽带波片或可切换宽带波片透镜。
图34示出了通过选择性地在透镜区3204上涂布或沉积可切换宽带波片或宽带波片透镜的LC层3404，同时防止它们在空白区3308中形成，来在基板3400的一部分上形成包括液晶的可切换宽带波片或包括液晶的可切换宽带波片透镜的第一示例方法。如上面关于图27A至27C所述，首先以反应性液晶元混合物层(包括例如液晶单体、溶剂、光引发剂和表面活性剂)的形式涂布LC层3404，随后执行合适的后续工艺，例如溶剂蒸发和可选的聚合(对于聚合的LC层)。在一些实施例中，可以使用合适的非接触或接触工艺沉积每一层来执行选择性涂布，例如狭缝-模具涂布工艺、凹版涂布工艺或喷射(喷墨)涂布工艺。
图35A至35C示出了通过毯覆式涂布液晶层并执行消减去除而在基板的一部分上形成包括液晶的可切换宽带波片或包括液晶的可切换宽带波片透镜的示例方法。参考图35A，首先以与上面关于27A至27C所述类似的方式在基板3300(图33)的整个区域上形成反应性液晶元层3504(可以包括例如液晶单体、溶剂、光引发剂和表面活性剂)，随后执行适当的后续工艺，例如溶剂蒸发。之后，参考图35B，使用光学掩模或光罩选择性地固化透镜区域3304中的反应性液晶元层，以遮挡空白区域3308中的UV光，从而在透镜区域3304中形成聚合的LC层3508，同时空白区域中未固化的反应性液晶元层3512保持未固化(即，未聚合)。接着，参考图35C，使用合适的溶剂从空白区域3308中选择性地去除未固化的反应性液晶元层3512，从而产生选择性涂布的基板3500C，基板3500C具有选择性地仅保留在透镜区域3304中的聚合的LC层3508。
图36A至36C示出了通过使用配向层的选择性光学图案化在基板的一部分上形成包括液晶的可切换宽带波片或包括液晶的可切换宽带波片透镜的示例方法。参考图36A所示的中间结构3600A，在毯覆式沉积光配向层之后，第一光学掩模或光罩3604被用于覆盖透镜区3304，同时将空白区域3308暴露在均匀的线偏振光下。之后，参考图36B所示的中间结构3600B，通过使用其掩模图案可与第一光学掩模3604相反的第二光学掩模或光罩3616，使用例如上面关于图29描述的利用正交偏振的UV激光束的双光束曝光工艺将透镜区3304曝光到偏振全息，同时空白区域3308被覆盖。如上面关于图28和29A/29B所述，具有正交偏振的光的干涉使得配向层被配置为根据关于上述各种实施例描述的波片图案或波片透镜图案来对准随后形成在其上的LC晶体分子。因此，作为第一和第二光学掩模3604、3616的布置的结果，配向层3616(图36B)的位于透镜区中的部分被选择性地配置为对准随后形成在其上的LC分子。与此形成对比，配向层3608(图36A)的位于空白区中的部分被不同地配置，并且没有关于上述各种实施例描述的波片图案或波片透镜图案。之后，参考图36C所示的中间结构3600C，以与上面关于图27A至27C所述类似的方式，将反应性液晶元层3620(其可以包括例如液晶单体、溶剂、光引发剂和表面活性剂)毯覆式沉积在包括空白区域和透镜区的整个基板区域上，随后执行合适的后续工艺，包括例如溶剂蒸发和可选的UV固化。在图36C中的所得中间结构3600C中，尽管整个表面区域被LC分子覆盖，但是透镜区域上方的LC分子根据下伏的配向层的配置而被对准，并具有用作根据上述各种实施例的波片或波片透镜的系统取向，而空白区域上方的LC分子没有用作波片或波片透镜的系统取向。
图37A至37B示出了通过使用选择性纳米压印配向层而在基板的一部分上形成包括液晶的可切换宽带波片或包括液晶的可切换宽带波片透镜的示例方法。参考图37A所示的中间结构3700A，在基板表面上方形成纳米压印的配向层，其中纳米压印的配向层在透镜区域3304和空白区域3308之间具有不同的图案。特别地，纳米压印的配向层3708(图37A)的位于透镜区域3304中的部分被配置为根据关于上述各种实施例描述的波片图案或波片透镜图案来对准随后形成在其上的LC晶体分子。与此形成对比，透镜配向层3608(图37A)的位于空白区域中的部分被不同地配置，并且没有关于上述各种实施例描述的波片图案或波片透镜图案。随后，参考图37B所示的中间结构3700B，以与上面关于图27A至27C所述类似的方式，将反应性液晶元层3712(其可以包括例如液晶单体、溶剂、光引发剂和表面活性剂)毯覆式沉积在空白区域3308和透镜区域3304上，随后执行合适的后续工艺，包括例如溶剂蒸发和可选的UV固化。在所得的中间结构3600C中，尽管整个表面区域被LC分子覆盖，但是透镜区域3304上方的LC分子根据下伏的压印的配向层的配置而被对准，并具有用作根据上述各种实施例的波片或波片透镜的系统取向，而形成在空白区域3308上方的LC分子没有用作波片或波片透镜的系统取向。
被配置为提供宽视场的偏振开关
上面讨论了包括接收来自宽视场的光的波片透镜和可切换波片的自适应透镜组件的各种示例。如上文参考图13A-13F所描述的，此类自适应透镜组件的各种实施方式可包括一个或多个扭曲向列(TN)液晶(LC)分子层。然而，开关将TN LC分子从第一偏振状态转换为第二偏振状态的效率至少部分地取决于光入射在其上的角度。因此，增加TN LC层(例如，在可切换波片中)上的光的入射角可导致更改(例如，旋转)入射光的偏振状态的能力降低。该特性可以使从视场中宽地偏离轴的对象引导的光不同于直接沿着自适应透镜组件的与可切换波片和波片透镜垂直的光轴传播的光而被影响。
图38示出了自适应透镜组件3800的示例，该自适应透镜组件3800包括诸如液晶(LC)衍射透镜的液晶透镜(例如，波片透镜)3802和接收来自宽视场的光3806的偏振开关或可切换波片(例如，包括至少一个TN LC分子层的可切换波片)3804。来自视场的外围3810上或附近的对象3808的光被示出为以角度θ入射到可切换波片3804上。该入射角θ相对于可切换波片3804的法线3812被测量。偏振开关3804可被配置为使得当偏振开关处于一种状态时，偏振开关或可切换波片3804旋转入射在其上的光的偏振。例如，入射在诸如可切换波片的偏振开关3804上的右旋圆偏振(RHCP)光可以被旋转成左旋圆偏振(LHCP)光。这样的效应可以例如针对垂直入射在偏振开关或可切换波片3804上的光而发生。具有较大入射角θ的光可以不被完全地从右旋偏振光转换成左旋偏振光。
因此，例如，以大于零的角度θ入射在偏振开关或可切换波片3804上的来自视场的外围3810中的离轴对象3808的光可能不会经历偏振的完全转换(例如，从右旋圆偏振光到左旋圆偏振光)。结果可以是对从视场的不同区域引导到偏振开关3804和自适应透镜组件3800上的光的非均匀处理。当该自适应透镜用作增强现实设备的可变聚焦元件时，自适应透镜组件3800可因此在错误的深度平面处产生重影图像。因此，需要增加如图38所示的可切换波片3804的视场。
图39示出了这种非均匀性的示例。图39是示出了可切换波片3804的示例LC层转换以不同角度入射到其上的光的偏振的效率的曲线图3900。该轮廓图绘制了通过在其间具有电控双折射(ECB)LC单元的平行圆形偏振器漏光的光的模拟百分比。ECB LC单元是简单的可切换波片，其中LC分子全部在相同方向上平行对准，例如，沿着所示坐标系中的x轴对准。通常选择LC层(d)的厚度，使得Δn*d＝λc2，其中Δn是LC双折射率，λc是中心波长。当没有施加外部电压时，该LC单元可以将右旋圆偏振光转换成左旋圆偏振光，反之亦然。转换的量可被测量为在视场上通过平行圆形偏振器的光漏光的百分比(％)。坐标系是极坐标系统，其映射(map)以不同角度入射到偏振开关或可切换波片3804上的入射光的偏振转换或旋转效率。中心3906对应于垂直入射在偏振开关或可切换波片3804上的光，例如，沿着穿过偏振开关或可切换波片的中心轴或光轴。标记了45、135、225和315度的方位角。极性栅格还具有表示相对于穿过偏振开关或可切换波片3804的示例TN LC层的中心轴或光轴的10、20和30度的仰角的圆圈3908a、3908b和3908c。
曲线图中的基本上暗的区域3902示出对于不同角度的光的大部分，偏振被有效地转换或旋转。然而，曲线图的一些光区域3904示出了对于在与视场的较少中心区域对应的较高角度的一些光，偏振不被高效地转换或旋转。本文公开的各种偏振开关或可切换波片设计被配置为针对与视场中的更多外围位置3810对应的各种高角度提供更有效的偏振转换/旋转。
图40示出了可切换波片4204的设计，其被配置为增加用于来自视场的外围4210上或附近的对象的光的偏振旋转或转换的效率。可切换波片4204包括液晶层，该液晶层包括围绕相应的局部轴4201旋转的分子4205，该相应的局部轴4201平行于穿过可切换波片的中心轴4224。如图所示，局部轴4201穿过液晶分子的中心并平行于中心轴或光轴4224。分子4205的旋转量由角度
Figure BDA0002938915960000991
表示。这种旋转取决于分子4205的位置。具体地，分子4205的取向围绕中心轴4224随方位角Φ而变化，该方位角与分子相对于中心轴的位置对应。因此，在所示出的实施方式中，狭长的(elongated)分子大体上沿着围绕中心轴4224的同心环4203布置。此配置即使对于高度离轴视场角也潜在地增加可切换波片4204的偏振旋转的效率的均匀性。
图40具体示出了自适应透镜组件4200的示例，该自适应透镜组件4200包括诸如液晶(LC)衍射透镜的液晶透镜(例如，波片透镜)4202和偏振开关(例如，可切换波片)4204，其中可切换波片是平坦的或平面的。偏振开关或可切换波片4204具有第一和第二表面(例如，外表面和内表面)和设置在它们之间的液晶层。在该示例中，第一表面和第二表面是平坦的或平面的。来自视场的外围4210上或附近的对象4208的光被示出为入射在可切换波片4204上。
图40示出了包括多个液晶分子4205的液晶层，液晶分子4205围绕与中心轴或光轴4224平行的局部轴4201旋转。这些分子相对于诸如地平线的参考轴(reference)4215围绕局部轴4201旋转相应的角度
Figure BDA0002938915960001001
局部轴4201被示出为与图40中的z轴平行。同样地，角度旋转
Figure BDA0002938915960001002
位于与x-y平面平行的平面中。类似地，在各种实施方式中，角度旋转
Figure BDA0002938915960001003
位于与第一表面和第二表面平行的平面中。该旋转可以被称为针对分子4205围绕与中心轴4224平行的相应局部轴4201(例如，与分子的中心相交)的方位角旋转。
液晶分子4205被定位在围绕中心轴4224的不同位置。因此，方位角Φ可用于指定例如在特定分子4205相对于中心轴4224的极坐标中的位置。在可切换波片4204的各种实施方式中，例如图40中所示的实施方式，液晶分子4205围绕穿过分子的相应局部轴4201旋转角度(例如，方位角)旋转
Figure BDA0002938915960001004
该旋转的量取决于分子的位置而变化。具体地，旋转量取决于与位置相对应的方位角Φ，该位置例如在特定分子相对于中心轴4224的极坐标中。因此，在各种实施方式中，液晶分子4205通常沿着纵向方向4232长于宽度。此外，多个液晶分子4205围绕与中心轴4224平行的相应局部轴4201旋转，使得分子具有沿着纵向方向4232延伸的面向中心轴的一侧。因此，在各种实施方式中，分子具有特定的空间布置。在各种实施方式中，例如，分子4205形成围绕可切换波片4204的中心轴4224的同心环4203。在各种实施方式中，分子可以以这些环4203布置，使得分子4205的狭长侧可以面向中心轴4224。在某些实施方式中，特定环4203中的分子4205具有距中心轴或光轴4224的相同的径向距离。然而，对于不同的环4203，分子4205距中心轴4224的径向距离是不同的。在一些实施方式中，多个液晶分子4205围绕与中心轴4224平行的局部轴4201旋转，使得纵向方向4232与从中心轴到分子中心的径向方向正交。
与其中针对所有位置(例如，所有垂直或所有水平位置)分子被以相同方向定向的空间布置相比，分子的这种空间布置可导致偏振转换或旋转跨偏振开关4204而更均匀。沿着穿过偏振开关4204(例如，穿过第一和第二表面以及液晶层)的中心轴4224(例如，光轴)入射的光的偏振转换或旋转例如可以类似于来自位于视场的外围4210的对象4208的离轴光的偏振转换或旋转。该结果可以各个液晶分子4105的旋转取向的结果，这增加了来自视场中的不同对象4108的光的入射角基本上相同的可能性。在图40中采取的方法遵循在图39的液晶层中发现的缺陷。当入射平面接近LC对准方向或与其垂直时，即使针对高入射角，偏转转换也是相对高的，从而有效地导致跨偏振开关4204的偏振转换沿着图39的0°和90°方位角在基本暗区域3902或低漏光区域内操作。因此，通过改变Φ以增加入射平面平行或垂直于LC对准方向的可能性，可以增加跨视场实现的偏振转换性能的均匀性。
为了清楚地观看，图40中没有具体示出具有沿着厚度(例如，平行于z轴)分布的液晶分子4205的堆叠的液晶层的厚度。相反，示出了跨可切换波片4202的横向和/或径向空间范围(例如，第一和第二表面)地分布的液晶分子4205的空间布置的前视图。如上文所讨论的，在所示出的示例中，空间布置对应于液晶分子4205的多个环4203。在各种实施方式中，穿过液晶层的厚度复制此空间布置。例如，在某些实施方式中，液晶层可以被概念化为液晶片的堆叠，其中每个片包括具有在图40中示出的相同空间布置(例如，围绕中心轴的同心环4203)的分子4205。对于层上的给定横向或径向位置，针对位于从片到片穿过层的厚度的不同距离处(例如，在z方向上)的不同分子，分子4205的取向(例如，旋转角
Figure BDA0002938915960001011
)保持相同。这通常导致窄带操作，其中在视场上的偏振转换效率的改善适用于以先前限定的中心波长λc为中心的窄的或有限的波长范围。然而，其它配置是可能的，例如，如图42A中所见的配置，其中穿过层的厚度，分子的取向不相同，这可用于增加此偏振转换的带宽，例如，提供宽带操作。
在各种实施方式中，可切换波片4204上的第一表面和第二表面包括基板上的表面。例如，液晶层可以被设置在第一基板与第二基板之间。在各种实施方式中，诸如图40所示的设计，第一表面和第二表面包括平面基板上的平面表面。基板可包括玻璃或塑料材料。在一些实施方式中，基板可包括光学元件，例如四分之一波片。
如本文所描述的其它示例性可切换透镜组件，在各种实施方式中，偏振开关或可切换波片4204还可以包括多个电极(未示出)，该多个电极被配置为跨液晶层地施加电信号。该电信号可以用于切换液晶和偏振开关或可切换波片4204的状态。因此，偏振开关或可切换波片4204可以被配置为使得当偏振开关处于一种状态时，入射在其上的光的偏振旋转或以其他方式被转换成不同的偏振状态。例如，入射在偏振开关或可切换波片4204上的右旋圆偏振(RHCP)光可以被旋转或转换成左旋圆偏振(LHCP)光。然而，当偏振开关4104处于另一种状态时，这种转换或旋转通常不发生。
图41示出了可切换波片4304的另一示例设计，该可切换波片被配置为增加对来自视场外围4310上或附近的对象的光的偏振旋转或转换效率。可切换波片4304包括液晶层，该液晶层包括沿着其纵向方向4332长于宽度的分子4305。对于从中心轴的多个径向方向4303，分子4305被定向成使得纵向方向4332从穿过可切换波片4304的中心轴4324径向延伸。以与图40中所见的配置类似的方式，即使对于高度离轴视场角，该配置也潜在地增加了可切换波片4304的偏振旋转或转换效率的均匀性。虽然图40是其中Φ变化以使得入射平面大致或基本上跨视场地与Φ平行的示例配置，在图41中，入射平面通常或基本上跨视场地与Φ垂直。图40和41中所示的两种配置旨在跨视场地实现图39内的基本上暗区域3902(例如，对应于0°和90°方位角)的相对高的偏振转换性能。
可切换波片4304包括液晶层，该液晶层包括以与图40中所示的可切换波片不同的方式(例如，在不同方向上)旋转的分子4305。图41中所示的可切换波片4304中的液晶分子4305围绕与穿过可切换波片的中心轴4324平行的局部轴4301旋转。如图所示，局部轴4301穿过液晶分子4305的中心且与中心轴或光轴4241平行。因此，在各种实施方式中，分子4305的纵向方向4332与第一表面和第二表面平行，且因此旋转可被称为位于与第一表面和第二表面平行的平面中。分子4305的旋转量由角度
Figure BDA0002938915960001031
表示。该旋转取决于分子4305的位置。具体地，分子4305的取向(例如，围绕局部轴的相应角度
Figure BDA0002938915960001032
的旋转)可以随着围绕中心轴4324的方位角Φ而变化，该方位角对应于分子相对于中心轴的位置。在所示的实施方式中，例如，狭长的分子4305通常围绕中心轴4324在多个径向延伸方向4303上被布置。
具体地，图41示出了包括诸如液晶(LC)衍射透镜的液晶透镜(例如，波片透镜)4302和偏振开关(例如，可切换波片)4304的自适应透镜组件4300的示例，其中偏振开关或可切换波片4304是平坦的或平面的。偏振开关或可切换波片4304具有第一和第二表面(例如，外表面和内表面)和设置在它们之间的液晶层。在该示例中，第一表面和第二表面是平坦的或平面的。如图所示，中心轴与第一和第二表面垂直。相反，来自视场的外围4310上或附近的对象4308的光被示出为入射在可切换波片4304上。
图41示出了包括多个液晶分子4305的液晶层，多个液晶分子4305围绕与中心轴或光轴4432平行的局部轴4301旋转。这些分子4305相对于诸如地平线的参考轴4315围绕局部轴4301旋转相应的角度
Figure BDA0002938915960001033
局部轴4301被示出为与图41中的z轴平行。同样地，角度旋转
Figure BDA0002938915960001034
位于与x-y平面平行的平面中。类似地，在各种实施方式中，角度旋转
Figure BDA0002938915960001035
位于与第一表面和第二表面平行的平面中。该旋转可以被称为围绕与中心轴4324平行的关于分子4305(例如，与分子的中心相交)的相应的(“局部”)轴4301的方位角旋转。
液晶分子4305定位在围绕中心轴4432的不同位置。因此，方位角Φ可用于指定特定分子4305相对于中心轴4432的极坐标中的位置。在可切换波片4304的各种实施方式中，例如图41所示的实施方式中，液晶分子4305围绕穿过分子的局部轴4301旋转角度(例如，方位角)旋转
Figure BDA0002938915960001036
该旋转的量取决于分子的位置而变化。具体地，旋转量
Figure BDA0002938915960001037
取决于方位角Φ，该方位角对应于例如在特定分子相对于中心轴4324的极坐标中的位置。在各种实施方式中，液晶分子4305通常沿着纵向方向4332长于宽度。另外，多个液晶分子4305围绕与中心轴4324平行的局部轴4301旋转，使得分子的纵向方向4332从中心轴沿径向方向延伸。因此，在各种实现中，分子4305具有特定的空间布置。在各种实施方式中，例如，分子4305形成围绕可切换波片4304的中心轴4324设置并且从该中心轴4324延伸的径向引导线。因此，在一些实施方式中，分子4305可以以这些星星形状或星号形状图案来布置。多个液晶分子4305可围绕与中心轴4324平行的局部轴4301旋转，使得相应分子的纵向方向4332与从中心轴到分子中心的径向方向平行，从而形成此星星或星号图案。分子4305的纵向方向4332可以沿着至少3个、4个、5个、6个、8个、9个、10个、12个、14个、20个或更多个(或由这些值中的任何限定的范围内的任何整数值)布置，每个线性路径在公共点(诸如中心)处相交。在各种实施方式中，具有纵向方向4332的液晶分子4305的布置形成相对于轴而对称的图案。该图案可以例如具有相对于轴(例如，中心轴)的至少3重、4重、5重、6重、7重、8重、9重、10重、11重、12重、20重的旋转对称性，或者可以具有在由这些值中的任何限定的范围内的整数值的对称度。
与其中针对所有位置(例如，所有垂直或所有水平位置)分子被以相同方向定向的空间布置相比，分子4305的这种空间布置可导致偏振转换或旋转跨偏振开关4304而更均匀。沿着穿过偏振开关4304(例如，穿过第一和第二表面以及液晶层)的中心轴4324(例如，光轴)入射的光的偏振转换或旋转例如可以类似于来自位于视场的外围4310的对象4308的离轴光的偏振转换或旋转。该结果可以各个液晶分子4305的旋转取向的结果，这增加了来自视场中的不同对象4308的光的入射角基本上相同的可能性。在一些实施方式中，例如，自适应透镜组件4300被配置为将光传输到位于距自适应透镜组件4300的距离d处的观看者的眼睛4320。另外，液晶分子4305的纵向方向4332沿着从观看者的眼睛4320的视场中的相应位置4308到观看者的眼睛的光路4334的被投影到液晶层上的相应投影延伸。该布置旨在针对宽范围的入射角(例如，总是基本上垂直的)来提供入射平面基本上与Φ垂直，从而模仿图39中所示的90°方位角性能。
为了清楚地观看，图41中没有具体示出具有沿着厚度(例如，平行于z轴)分布的分子4305的堆叠的液晶层的厚度。相反，示出了跨可切换波片4302的横向和/或径向空间范围(例如，第一和第二表面)地分布的液晶分子4305的空间布置的前视图。如上文所讨论的，在所示出的示例中，空间布置对应于液晶分子4305的多个径向引导线。空间布置可包括例如星星形状或星号形状图案。在各种实施方式中，穿过液晶层的厚度复制此空间布置。例如，在某些实施方式中，液晶层可以被概念化为液晶片或子层的堆叠，其中每个片包括具有在图41中示出的相同空间布置(例如，围绕中心轴设置并从延伸径向引导线4303)的分子4305。对于层上的给定横向或径向位置，针对位于从片到片穿过层的厚度的不同距离处(例如，在z方向上)的不同分子，分子4305的取向(例如，旋转角
Figure BDA0002938915960001051
)保持相同。如前所述，这可能导致窄带操作。然而，其它配置是可能的，例如，对于宽带操作，可以改变穿过层的厚度的分子的位置。
在各种实施方式中，可切换波片4404上的第一表面和第二表面包括基板的表面。例如，液晶层可以被设置在第一基板与第二基板之间。在各种实施方式中，诸如图41所示的设计，第一表面和第二表面包括平面基板的平面表面。基板可包括玻璃或塑料材料。在一些实施方式中，基板可包括光学元件，例如一个或多个四分之一波片。
如本文所描述的其它示例性可切换透镜组件，在各种实施方式中，偏振开关或可切换波片4304还可以包括多个电极(未示出)，该多个电极被配置为跨液晶层地施加电信号。该电信号可以用于切换液晶和偏振开关或可切换波片4304的状态。因此，偏振开关或可切换波片4304可以被配置为使得当偏振开关处于一种状态时，入射在其上的光的偏振旋转或以其他方式被转换成不同的偏振状态。例如，入射在偏振开关或可切换波片4304上的右旋圆偏振(RHCP)光可以被旋转或转换成左旋圆偏振(LHCP)光。然而，当偏振开关4304处于另一种状态时，这种转换或旋转通常不发生。
偏振开关/可切换波片的性能可以被量化为漏光。例如，为了转换圆偏振的旋向性，漏光可以被定义为穿过其间设置有偏振开关/可切换波片的一对平行的圆形偏振器(右/左)泄漏的光的百分比(％)，其中在其间未设置开关的情况下从偏振器计算或测量的为100％基线。此外，该漏光可以在目标视场(例如，±35°锥角)和操作波长范围(例如，420nm至680nm以覆盖大部分可见范围)而被平均。也可以使用诸如椭圆计的工具来测量该偏振漏光以与理论预测进行比较。作为示例，从现成的ECB单元测量的偏振漏光(其具有与图39中所示的那些类似的特性)可以是在±35°入射锥角且跨420nm至680nm平均的约10％，这可以导致一些应用中的实质视觉伪影。利用图40、41和42中的方法，该漏光值可以从10％提高到<5％或<2％，这是显著的改进。因此，漏光可小于或等于5％、4％、3％、2％1％或具有由这些值中的任何限定的任何范围内的值。作为将性能量化为漏光百分比的替代，可以用衍射效率百分比来表征性能。
在一些设计中，例如在图40和41中描述的那些，具有随着围绕所述中心轴的方位角而变化的所述旋转的多个液晶分子包括在跨液晶层和/或波片的至少1、2、3、4、5、6、8、10、12cm2或更大的范围(或者在由这些值中的任何限定的任何范围)内延伸的分子的至少50％、60％、70％、80％、90％、95％或更多(或者在由这些值中的任何限定的任何范围中的百分比)。类似地，多个液晶分子可以以同心环来布置，该同心环具有至少1、2、3、4、5、6、8、10、12cm2或更大的尺寸(或者在由这些值中的任何限定的任何范围内的尺寸)。在其他示例中，多个液晶分子可以以星状物或星形物的形状来布置，该星状物或星形物具有至少1、2、3、4、5、6、8、10、12cm2或更大的尺寸(或者在由这些值中的任何限定的任何范围内的尺寸)。在各种实施方式中，具有纵向方向4332的液晶分子的布置形成相对于轴而对称的图案。该图案可以例如具有相对于轴(例如，中心轴)的至少3重、4重、5重、6重、7重、8重、9重、10重、11重、12重或20重或者具有在由这些值中的任何限定的范围内的整数值的对称度。
如上面结合图13C、20A和20B所讨论的，波片的高带宽能力(例如，跨多个或宽范围的波长的性能的均匀性)可以通过在一个或多个液晶层内垂直地配置液晶分子的扭曲布置来实现，如图42A所示。这样的配置可以例如增加衍射效率，这进而增加经历偏振旋转或转换的光的量。
图42A示意性地示出了包括多个液晶层4418A、4418B的宽带可切换波片4404的横截面图。所示的宽带波片透镜4404包括具有相反扭曲方向(sense)的液晶分子4405的两个液晶层4418A、4418B。与仅控件和/或单个液晶层相比，两个层4418A、4418B的厚度和扭曲角提供额外的自由度以增加、改善或优化较宽范围的波长内的偏振转换。因此，层4118A、4118B可以具有在更宽的波长范围内提供(并且可能增加)偏振转换效率的厚度(可能是不同的)。图42A描绘了液晶层4418A、4418B的横截面图。
液晶层4418A、4418B被示出为被包括在标记为单元1和单元2的两个单元4450A、4450B中。在图42A中示意性示出的实施方式中，与第一单元4450A(单元1)相关联的第一液晶层4418A设置在一对基板4452A、4452B和一对电极4454A、4454B之间。与第二单元4450B(单元2)相关联的第二液晶层4418B设置在一对基板4456A、4456B和一对电极4458A、4458B之间。界面4460将两个单元4450A、4450B以及因此两个液晶层4418A、4418B分隔开。配向层(未示出)可以被包括在两个单元4450A、4450B中的液晶层4418A、4418B附近，以辅助对准液晶分子4405的取向。例如，在第一单元4450A中，配向层可以邻近第一基板4452A和/或第一电极4454A而被设置在第一液晶层4418A附近。类似地，在第二单元4450B中，配向层可以邻近第一基板4156A和/或第一电极4458A而被设置在第二液晶层4418B附近。间隔物珠或结构(未示出)可添加在配向层之间以增加或改善液晶层在设备的有源区域内的厚度的均匀性。基板、电极和/或配向层的其它布置是可能的。
在图42A中所示的横截面中示意性地示出了液晶分子4405的扭曲布置的一个示例。液晶层4418A和4418B的厚度可以被选择为围绕先前限定的半波厚度。第一和第二液晶层4418A、4418B中的液晶分子4405具有相反的扭曲方向，例如相反的扭曲角。例如，第二液晶层4418B中的液晶分子4405可以以距第一液晶层4418A的距离(例如，沿着z方向)扭曲，以便镜像第一液晶层中的分子的扭曲。第一和第二液晶层4418A、4418B的液晶分子4405可以例如相对于第一层与第二层之间的界面4460对称地扭曲。此扭曲可具有介于约60度与80度之间的净角度。例如，对于第一和第二单元4450A、4450B中的第一和第二液晶层4418A、4418B，扭曲角可以分别为70°和-70°。在一些实施方式中，可以通过用手性剂掺杂液晶材料和/或调整与液晶层相邻的配向层的取向角来引入扭曲。
然而，跨与z方向上的给定平面处的x-y平面平行的平面的液晶分子4405的横向布置可以根据可切换波片4404的设计而变化，并且可以例如具有上述各种布置中的任一种，上述各种布置包括上面关于图40所示的空间布置以及其他的布置。例如，在一些实施方式中，以与如上相对于图40所述的类似的方式，最接近第一基板4452A的液晶分子4405通常可具有局部取向方向，例如，局部伸长方向或局部导向器(director)，其随分子位置的函数而变化(例如，如由相对于中心区域或中心轴的方位角Φ指定)。在一些实施方式中，例如，液晶分子4405沿着纵向方向长于宽度，并且可以具有沿着纵向方向的面向中心区域或中心轴的狭长侧，以便形成液晶分子的多个环形布置，如图40所示。液晶分子的其他横向布置和局部取向也是可能的。
此外，在两个液晶层4418A、4418B中的给定柱状区域中的液晶分子4405的布置(参见图42A)可以表示为具有随着液晶层4418A、4418B内的垂直位置(沿z方向的深度)而变化的向列导向器n。如上所述，在各种设计中，给定列的液晶分子4405将随着穿过相应的液晶层4418A、4418B的深度而扭曲。此外，在诸如图42A所示的各种设计中，针对液晶层4418A、4418B中的一个中的具有在第一扭曲方向的给定列的液晶分子4405，在液晶层4418A、4418B中的另一个中的对应列的液晶分子具有相反的扭曲方向。换句话说，如上所述，两个液晶层4418A、4418B中的液晶分子4405具有可形成围绕两个液晶层4418A、4418B之间的界面4160的镜像的布置。在一些实施方式中，与仅具有第一液晶层4418A或第二液晶层4418B中的一者的配置相比，第一和第二液晶层4418A、4418B的此配置可在跨多个波长地改变入射于其上的光的偏振状态方面提供增加的均匀性。在一些情况下，这种配置可以增加可切换波片在一定波长范围内的衍射效率。可切换波片可例如被配置为在包括至少450nm到630nm的波长范围内以大于90％或大于95％、可能96％、97％、98％、99％、99.5％、99.9％或100％(或由这些值中的任何限定的任何范围内的百分比)的衍射效率来衍射光。
在一些设计中，可采用反应性液晶基元(mesogen)来在两个液晶层4418A、4418B中产生液晶分子4405的布置。在一些实施方式中，可以使用具有低分子量的反应性液晶基元，使得分子4405可以由表面对准并且具有扭曲以创建复杂的轮廓。
例如，通过适当地配置最远离第二液晶层4418B(例如，接近第一基板4452A和/或第一电极4454A)的配向层，最靠近该配向层的液晶分子(例如，图42A中最左边的)可以被布置为具有液晶分子4405的伸长方向的第一多个局部方位角(φ)。这些围绕与中心轴平行的局部轴的局部方位角φ可以例如具有如以上关于图40所描述的布置。另外，与第一液晶层4418A中的这些液晶分子(例如，最左边的)邻近的液晶分子4405可被配置为通过将手性剂添加到第一液晶层4418A而具有第一扭曲，使得例如最接近第二液晶层4418B的液晶分子(例如，图42A中最右边的)具有第二多个方位角φ。此后，通过例如接近第一基板4456A来适当地配置配向层，在第二单元4450B中，第二液晶层4418B中最靠近第一液晶层4418A的液晶分子4405可以被布置为具有液晶分子4405的伸长方向的第三多个局部方位角φ。此外，第二液晶层4418B中的相邻液晶分子4405可以被配置为通过将手性剂添加到第二液晶层4418B来具有第二手性扭曲，使得距第一液晶层4418A最远的例如最靠近第二单元4456B中的第二基板4456B和/或第二电极4458B的液晶分子(例如，在图42A中最右边的)具有第四多个局部方位角φ。在一些实施例中，第一和第二手性扭曲大约相同，使得第一液晶层4418A中的距第二液晶层4418B最远的例如最靠近第一基板4452A和/或电极4454A的液晶分子4405(例如，在图42A中最左边)和第二液晶层4418B中的距第一液晶层4418A最远的液晶分子4405(例如，图42A中最右边)具有相同的方位角。
因此，图42A示出了包括含有液晶分子4405的多个子层4466A、4466B、4466C、4466D的第一液晶层4418A。子层4466A、4466B、4466C、4466D包括第一液晶层4446A中距第二液晶层4418B最远的第一子层4466A。第一液晶层4418A中的子层4466A、4466B、4466C、4466D包括具有液晶分子4405的附加子层4466B、4466C、4466D，该液晶分子4405可以在x-y平面(例如，横向或径向)中通常具有与第一子层4466A中包括的围绕与中心轴平行的局部轴逐渐扭曲的液晶分子4405相同的位置。扭曲量随着距第一子层4466A的距离而增加。
第二液晶层4418B还可包括多个子层4468A、4468B、4468C、4468D。该多个子层4468A、4468B、4468C、4468D具有液晶分子4405，该液晶分子4405通常可以在x-y平面(例如，横向或径向)上具有与第二液晶层4418B的第一子层4468A中所包括的液晶分子相同的位置。第二液晶层4418B中的多个子层4468B、4468C、4468D中的液晶分子4405围绕与中心轴平行的局部轴逐渐扭曲，扭曲量随着距第二液晶层4418B中的第一子层4468A的距离而增加。
如图所示，第二液晶层4418B中最靠近第一液晶层4418A的液晶子层4468A可以具有与第一液晶层4418A中最接近第二液晶层4418B的子层4466D中的多个液晶分子4405相同的取向的液晶分子4405。
还如图所示，第二液晶层4418B可以具有离第一液晶层4418A最远的液晶子层4468D，其中该液晶分子4405具有与第一液晶层4418A中的第一子层4466A中的多个液晶分子4405相同的取向。
因此，第一和第二液晶层4418A、4418B中的液晶分子4405可相反地扭曲。这种相反的扭曲可以提供更多的宽带性能，例如，增加跨多个波长的衍射效率和/或偏振旋转和/或转换效率。
在一个示例性配置中，液晶层4418A、4418B具有合适的厚度，例如在约1μm至2μm之间或在约1.5μm至2μm之间(例如约1.7μm)。合适的手性扭曲可以是，但不限于，在约50度至90度之间或在约60度至80度之间(例如约70度)或在这些值中的任何之间的任何范围内。相对带宽Δλ/λo可以是，但不限于，大于40％、50％或60％(例如约56％)或在这些值的任何值之间的任何范围内的百分比。根据某些实施方式，在诸如以上波长范围的工作波长范围内，衍射效率可以大于90％、95％、97％、98％、99％或99.5％中的任一个或这些值中的任何值之间的任何范围中的百分比。这些范围和值的任何组合是可能的。另外，其它值也是可能的。
如本文中所描述的，液晶设备可以是可切换的。例如，可切换波片可具有多个状态，其中通过将电信号施加到液晶层4418A和/或4418B而使液晶分子4405改变取向。例如，如图42B所示，第一和第二电源4470A、4470B分别向第一和第二液晶层4418A、4418B施加电信号(例如，电压)。第一电源4470A例如被示出为电连接到围绕第一液晶层4418A设置的第一和第二电极4454A、4454B。类似地，第二电源4470B例如被示出为电连接到围绕第二液晶层4418B设置的第一和第二电极4458A、4458B。因此，与其中没有示出被施加到液晶层的电信号的图42A中所示的液晶分子的取向相比，图42B示出了由于施加电信号而使第一和第二层4418A、4418B中的液晶分子4405被不同地定向。其他配置也是可能的。例如，电极的布置和/或放置可以是不同的。类似地，尽管在图42A中将零电压或电信号描绘为施加到液晶层4418A、4418B，但是也可施加其它电压或信号。
可以使用宽范围的向列型液晶分子来构建本文所述的各种实施例。另外，可以将手性掺杂剂添加到液晶中以控制扭曲角。诸如默克公司(Merck Ltd)、迪爱生公司(DICCorporation Ltd)的卖方是这样的材料的供应商。另外，也可以使用在开关与其它元件之间转换偏振的无源波片。例如，这些波片或延迟器可以是在线性与圆形偏振状态之间转换的四分之一波片。这些或延迟器可以例如由液晶材料、双折射矿物(方解石、石英等)、拉伸聚合物(聚碳酸酯等)或其他方式或这些的组合形成。
可以采用各种方法来制造这样的液晶光学元件，方法包括在美国专利申请公开No.2018/0143470和No.2018/0143485中公开的方法，这两者通过引用被整体并入本文中。
包括倾斜的液晶分子的光学元件的制造
各种方法可用于定向液晶分子并提供相对于基板的期望倾斜量。本文中所描述的技术可用于制造光学元件，且可有益于利用液晶设备的其它光学技术。示例应用包括液晶显示器(透射和硅上液晶(LCoS))、可调光闸/调光器等。下面提供这些示例性方法中的一些。
在某些设计中，结合使用一个或多个垂直配向层和水平配向层以定向液晶分子并提供期望的斜的倾斜角或预倾斜。为了诱导液晶的垂直对准，使用标准技术(旋涂槽涂覆等)将某些聚酰亚胺材料涂覆成薄膜、烘烤、然后机械摩擦以在施加外部电压时产生倾斜的优选方位角方向。也可以使用其他材料和方法。
图43A示出了包括一对基板4501A、4502A和一对相应的垂直配向层4503A、4504A的设备450A的横截面图。LC分子层4505A设置在两个配向层4503A、4504A之间。图43A中所示的设备4500A中的垂直配向层4503A、4504A产生LC分子4506A的同向对准。如图所示，液晶层4505A中的液晶(LC)分子4506A具有长于宽度的长度，并且被定向为其长度沿着与该对基板4501A、4502A和该对相应的垂直配向层4503A、4504A的主表面交叉(例如，正交)的方向而指向。在该示例中，长度被与z轴平行地定向，z轴与该对基板4501A、4502A以及该对相应的垂直配向层4503A、4504A垂直。LC分子4506A的长轴相对于基板4501A、4502A和垂直配向层4503A、4504A约垂直或约90°地定向。同样地，图43A示出LC分子4506A相对于基板4501A、4502A和垂直配向层4503A、4504A具有约90°的取向角θ。该方向被称为垂直方向。垂直配向层4503A、4504A被配置为使所述液晶(LC)分子4506A定向成使得所述长度更加沿此垂直方向上(且正交于水平方向)被定向。
图43B和43C示出了与图43A类似的设备4500B/4500C的透视图。图43B/图43C示出了包括基板对4501B/4501C、4502B/4502C和相应的垂直配向层对4503B/4503C、4504B/4504C的设备4502B/4502C。此外，图43B-43C的设备4500B/4500C还包括水平配向层对4507B/4507C、4508B/4508C。包括液晶分子4506B/4506C的液晶层4505B/4505C设置在该基板对4501B/4501C、4502B/4502C之间。类似地，液晶层4505B/4505C设置在垂直配向层对4503B/4503C、4504B/4504C之间。液晶层4505B/4505C也设置在水平配向层对4507B/4507C、4508B/4508C之间。在图43B中，水平配向层彼此平行以在整个液晶层中维持均匀的对准，而在图43C中，水平配向层彼此垂直，以便在液晶层中引起扭曲。如上所述，液晶4505B/4505C层中的液晶(LC)分子4506B/4506C具有比宽度长的长度。另外，如上文关于图43A所论述，垂直配向层4503B/4503C、4504B/4504C被配置为使得液晶(LC)分子4506B/4506C被定向为与水平方向(例如，x方向)相比，LC分子的长度更沿着垂直方向(例如，z方向)而指向。相反，水平配向层4507B/4707C、4508B/4508C被配置为使得液晶(LC)分子4506B/4506C被定向为与垂直方向相比，LC分子的长度更沿着所述水平方向而指向。在各种实施方式中，垂直配向层4503B/4503C、4504B/4504C使液晶分子4506B/4506C被定向得比没有垂直配向层和水平配向层的液晶分子更垂直。在各种实施方式中，水平配向层4507B/4507C、4508B/4508C使得液晶分子4506B/4506C比没有垂直配向层的液晶分子更水平。在各种实施方式中，垂直配向层4503B/4504C、4504B/4504C被配置为使与其接近的液晶(LC)分子4506B/4506C与所述水平方向相比更沿着垂直方向被定向。类似地，在各种实施方式中，第二水平配向层4507B/4507C、4508B/4508C被配置为使与其接近的液晶(LC)分子4506B/4506C与垂直方向相比更沿着水平方向。
仍然参考图43B和43C，垂直配向层4503B/4503C、4504B/4504C、4507B/4507C、4508B/4508C与基板4501B/4501C、4502B/4502C平行。因此，与垂直和平行配向层4503B/4503C、4504B/4504C、4507B/4507C、4508B/4508C垂直的法线与穿过基板4501B/4501C、4502B/4502C的法线平行。同样地，在各种实施方式中，垂直配向层4503B/4503C、4504B/4504C被配置为使液晶(LC)分子4506B/4506C被定向成使得，与平行于基板4501B/4501C、4502B/4502/C和垂直配向层4503B/4503C、4504B/4504C和/或水平配向层4507B/4507C、4508B/4508C相比，长度更沿着与基板、垂直配向层和/或水平配向层正交的垂直方向来被定向。
在各种实施方式中，垂直配向层4503B/4503C、4504B/4504C、4507B/4507C、4508B/4508C的贡献是使液晶分子4506B/4506C相对于水平和垂直方向倾斜。液晶层4505B/4505C相对于垂直和水平配向层4503B/4503C、4504B/4504C、4507B/4507C、4508B/4508C设置，使得液晶分子4506B/4506C的取向受垂直和水平配向层4503B/4503C、4504B/4504C、4507B/4507C、4508B/4508C的影响，并且相对于垂直和水平方向以倾斜角被定向。因此，液晶分子4506B/4506C具有预倾斜角。
LC分子4506B/4506C的纵向方向的预倾斜角或倾斜角可被控制为相对于基板4501B/4501C、4502B/4502C、垂直配向层4503B/4503C、4504B/4504C和/或水平配向层4507B/4507C、4508B/4508C的法线并且相对于与图43B-43C中所示的x-y平面正交的z轴在0°到90°之间。预倾斜的量或倾斜角可取决于垂直和水平配向层4503B/4504C、4504B、4507B、4508B对LC分子的取向的贡献的相对对准强度。在一些实施方式中，大多数LC分子4506B的预倾斜角或倾斜角可以在5°到85°之间。在一些实施方式中，预倾斜角或倾斜角可在45°到90°之间，例如对于大多数LC分子4506B/4506C在50°到85°之间。在一些实施方式中，预倾斜角或倾斜角可在0°到45°之间，例如对于大多数LC分子4506B/4506C在5°到40°之间。由这些值中的任何限定的范围中的任何值也是可能的。在一些实施方式中，LC分子4506B/4506C的至少一部分处于0°和/或90°。在各种设计中，大多数LC分子4506B/4506C可具有相对于垂直方向和水平方向倾斜的预倾斜角或被倾斜地定向(例如，具有不同于90°或不同于90°或0°的取向)。
如图43B和43C所示，一个或多个水平配向层4507B/4507C、4508B/4508C可以具有被配置为影响接近其的液晶分子4506B的取向的形貌起伏。一个或多个水平配向层4507B/4507C、4508B/4508C可以例如包括诸如表面起伏特征(例如，诸如线的狭长特征)的特征，其被配置为影响接近其的液晶分子4506B/4506C的取向。
因此，一个或多个水平配向层4507B/4507C、4508B/4508C可包括图案化层。一个或多个水平配向层4507B/4507C、4508B/4508C可包括压印层，该压印层可例如通过压印(例如，使用压印模板)形成。在一些实施方式中，一个或多个水平配向层4507B/4507C、4508B/4508C可以包括纳米压印层，该纳米压印层例如通过纳米压印(例如，利用纳米压印模板)形成。
描述了用于形成关于图30A的压印配向层3004的压印形貌变化的水平配向层4507B/4507C、4508B/4508C的示例工艺。然而，在一些实施方式中，可在相应的垂直配向层4503B/4503C、4504B/4504C上执行形成图43B-43C中的形貌变化的水平配向层4507B/4507C、4508B/4508C的工艺。
虽然描述了用于形成成相对于图43B-43C的形貌变化的水平配向层4507B/4507C、4508B/4508C的用于形成形貌变化的水平配向层的示例性压印工艺(例如，纳米压印工艺)，但是其他实施例不限于此。在其他实施例中，可以使用包括光刻和蚀刻的其他图案化技术来制造水平配向层4507B/4507C、4508B/4508C。
此外，虽然形貌变化的配向层4507B/4507C、4508B/4508C被描述为由聚合材料形成，但是设计不限于此，并且在各种其它实施例中，水平配向层4507B/4507C、4508B/4508C可以包括电介质材料，例如硅或玻璃材料
仍然参考图43B和43C，如上所述，形貌变化的水平配向层4507B/4507C、4508B/4508C可以具有被配置为影响液晶分子4506B/4506C的取向的变化形貌表面(例如，诸如狭长特征的特征)。特征的特性可对这些特征影响接近其的液晶分子4506B/4506C的取向的量有影响。在一些设计中，例如，形貌变化的水平配向层4507B/4507C、4508B/4508C的对准强度由变化的形貌表面和特征(例如，形貌特征或表面特征)的高度、宽度、节距(pitch)、占空比(线宽与间隔)、轮廓(圆形与正方形轮廓)或纵横比或其的任何组合来控制。特征可以包括例如具有尺寸(例如，高度、宽度、长度或其的任何组合)的形貌特征或表面起伏特征，该尺寸可以例如变化，例如增大或减小以至少在这些特征的接近度上增加或减少水平配向层4507B/4507C、4508B/4508C对液晶分子4506B/4506C的取向的影响。特征可以包括例如间隔开的多个特征或表面起伏特征(具有规则的间隔和周期性或不规则的间隔/周期性或它们的组合))且可具有节距、周期性、间隔或其的任何组合，所述节距、周期性、间隔或其的任何组合可以变化，例如增大或减小以至少在这些特征的接近度上增加或减少水平配向层4507B/4507C、4508B/4508C对液晶分子4506B/4506C的取向的影响(例如，影响的强度)。特征可包括例如具有例如横截面轮廓的形状或轮廓(例如，圆形与正方形、矩形、三角形或其它或其组合)、纵横比(例如，高度对宽度或高度对长度或长度对宽度或其组合)或其的任何组合的多个特征或表面起伏特征，所述形状或轮廓、纵横比或其组合可以变化，例如增大或减小以至少在这些特征的接近度上增加或减少水平配向层4507B/4507C、4508B/4508C对液晶分子4506B/4506C的取向的影响(例如，影响的强度)。特征可包括例如具有诸如具有占空比的横截面轮廓(例如，对应于具有诸如高度变化的形貌变化的表面的高部分的区域与对应于低部分的区域的比率)的形状或轮廓的多个特征或表面起伏特征，该形状或轮廓可以变化，例如增大或减小以至少在这些特征的接近度上增加或减少水平配向层4507B/4507C、4508B/4508C对液晶分子4506B的取向的影响(例如，影响的强度)。可以改变和/或控制水平配向层4507B/4507C、4508B/4508C的特征、表面形貌或其它特性的其它变化，以影响、增加或减少水平配向层4507B/4507C、4508B/4508C对液晶分子4506B/4506C的取向的影响(例如，影响的强度)。
如下面所讨论的(参见图43D)，水平配向层4507B/4507C、4508B/4508C可以具有不同的区域，该不同的区域对接近其的液晶分子4506B/4506C的取向影响不同的量。因此，LC分子4506B/4506C的取向(例如，预倾斜)可以跨液晶层4505B/4505C而变化。例如，第一区域可被配置为使接近其的液晶分子4506B/4506C比更接近第二区域的液晶分子4506B/4506C更水平。以这种方式，液晶分子4506B/4506C的取向(例如，预倾斜)可以跨光学元件而变化。
在一些实施方式中，垂直对准强度受垂直配向层的厚度控制和/或影响。较厚的垂直配向层4503B/4503C、4504B/4504C可例如能够更强烈地影响LC分子4506B/4506C以使其具有垂直取向(例如，具有大于宽度的长度，该长度与垂直方向更平行地对准)。例如，如果与较薄的垂直配向层相对的较厚的垂直配向层4503B/4503C、4504B/4504C与水平配向层4507B/4507C、4508B/4508C结合使用，则与相同的水平配向层4507B/4507C、4508B/4508C组合使用的较薄的垂直配向层4503B/4503C、4504B/4504C相比，在较厚配向层的情况下，预倾斜角可更平行于垂直方向。
类似地，垂直配向层4503B/4503C、4504B/4504C可以具有不同的区域，该不同的区域对接近其的液晶分子4506B/4506C的取向影响不同的量。例如，第一区域可被配置为使接近其的液晶分子4506B/4506C比更接近第二区域的液晶分子4506B/4506C更垂直。垂直配向层4503B/4503C、4504B/4504C的厚度可以在跨垂直配向层4503B/4503C、4504B/4504C的不同区域中变化(例如，增大或减小)，以至少在相应区域的接近度上增加或减少垂直配向层对液晶分子4506B/4506C的取向的影响(例如，影响的强度)。因此，LC分子4506B/4506C的取向(例如，预倾斜)可以跨液晶层4505B/4505C而变化。以此方式，液晶4506B/4506C的取向(例如，预倾斜)可跨光学元件而变化。
在一些实施方式中，水平配向层4507B/4507C、4508B/4508C可以包括被配置为不使所述倾斜角更水平的区域。因此，水平配向层4507B/4507C、4508B/4508C可包括被配置为不引起预倾斜的至少一个区域，该至少一个区域在水平配向层4507B/4507C、4508B/4508C的被配置为引入倾斜角或引起预倾斜的两个区域之间。
类似地，在一些实施方式中，垂直配向层4503B/4503C、4504B/4508C可包括被配置为不致使更垂直的区域。因此，垂直配向层4503B/4503C、4504B/4504C可包括被配置为不致使LC分子4506B/4506C垂直的至少一个区域，该至少一个区域被设置在垂直配向层4503B/4503C、4504B/4504C的被配置为使LC分子更垂直的两个区域之间。
图43D示出了具有不同区域的水平配向层的示例，该不同区域对接近其的液晶分子的取向影响不同的量。具体地，图43D示出了包括基板4502D、垂直配向层4504D和水平配向层的设备4500D的一部分。水平配向层包括形貌变化的表面特征4508D、4510D，该特征影响接近其的液晶分子4518D、4522D的取向。水平配向层包括设备的具有以图案(例如，纳米结构图案)布置的形貌表面特征(例如，纳米特征)4508D、4510D的区域4512D、4516D中的多个区域，该形貌表面特征被配置为影响接近其的LC分子4518D、4522D的取向。水平配向层还包括设备的不具有这样的形貌表面特征(例如，纳米特征)的区域4514D中的区域，该形貌表面特征被配置为影响接近其的LC分子4520D的取向。其中水平配向层不包括这样的形貌表面特征(例如，纳米特征)(其影响接近其的LC分子4520D的取向)的该区域4514D被设置在两个区域4512D、4516D之间，在这两个区域中，水平配向层具有形貌表面特征4508D、4510D，该特征被配置为影响接近其的LC分子4518D、4522D的取向。
设备中与不同区域4512D、4514D、4516D对应的不同区域具有不同量的强度以影响LC分子4518D、4522D、4520D在那些区域中的对准的取向。因此，不同区域4512D、4514D、4516D中的LC分子4518D、4522D、4520D具有不同量的预倾斜角和不同的取向角(θ1、θ2、θ3)。在其中水平配向层不具有图案化的纳米结构的区域4514D中的LC分子主要受垂直配向层的影响。结果，分子的取向角(分子相对于水平方向的长度)为约90°。在图43D中，该区域4514D中的LC分子4520D被示出为具有约90°的角度θ2。
相反，周围区域4512D、4516D中的垂直配向层被配置为使这些区域中的LC分子4518D、4522D具有预倾斜和倾斜角θ1、θ3。此外，形貌特征4508D、4510D具有不同的特性，即不同的尺寸，使得周围区域4512D、4516D中的垂直配向层对这些区域中的LC分子4518D、4522D的取向影响不同的量。具体地，区域4516D中的狭长形貌特征4510D具有比区域4512D中的狭长形貌特征4508D更大的高度和宽度。同样地，区域4516D中的狭长形貌特征4510D对相应LC分子4518D、4522D的取向具有比区域4512D中的狭长形貌特征4508D更大的影响。因此，区域4516D中的LC分子4522D比区域4512D中的LC分子4518D更水平。在所示示例中，如图43D所示，例如，θ1>θ3。区域4512D中的LC分子4518D比区域4516D中的LC分子4522D更垂直。
虽然在图43A-43D中示出了示例性配置，但是其他配置和变型的宽范围是可能的。例如，水平配向层中的特征可以更渐进地变化，例如，以产生液晶分子取向的渐进变化，如图41所示。其它布置也是可能的。另外，方法可用于改变LC分子的取向并产生包括液晶的各种各样的光学元件，该光学元件包括波片，诸如可切换波片(例如，配备有电极以施加电信号以切换波片的状态)、宽带波片和波片透镜。另外，虽然此类方法可用于改变诸如波片的光学元件中的LC分子的取向，但所述方法可用于其它类型的光学元件。用于制造光学元件的方法的变型也是可能的。例如，尽管可以使用本文描述的那些类似的诸如纳米压印技术的压印技术，但是也可以采用制造技术的变型以及其他方法和制造技术。
附加示例-I
1、一种可切换光学组件，包括：
可切换波片，其被配置为被电激活和去激活以选择性地改变入射在其上的光的偏振状态，所述可切换波片包括：
第一表面和第二表面；
设置在所述第一表面与所述第二表面之间的第一液晶层，所述第一液晶层包括多个液晶分子，所述多个液晶分子围绕与中心轴平行的轴旋转，所述旋转随围绕所述中心轴的方位角而变化；以及
多个电极，其用于跨所述第一液晶层地施加电信号。
2、根据示例1所述的可切换光学组件，其中，所述第一表面和所述第二表面包括平面表面。
3、根据示例1或2所述的可切换光学组件，其中，所述第一表面和所述第二表面包括平面基板上的平面表面。
4、根据示例1-3中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述中心轴与所述第一表面和所述第二表面垂直。
5、根据示例1-4中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述液晶分子中的每一者沿着纵向方向长于宽度，并且所述液晶分子围绕与所述中心轴平行的轴旋转，以使得所述液晶分子中的每一者具有沿着所述纵向方向的面向所述中心轴的相应狭长侧。
6、根据示例1-5中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述液晶分子中的每一者沿着纵向方向长于宽度，并且所述液晶分子围绕与所述中心轴平行的轴旋转，以使得所述液晶分子形成围绕所述中心轴的同心环。
7、根据示例1-6中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述液晶分子中的每一者沿着纵向方向长于宽度，并且所述液晶分子围绕与所述中心轴平行的轴旋转，以使得所述纵向方向与从所述中心轴到所述液晶分子的径向方向正交。
8、根据示例1-7中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述多个液晶分子具有使得所述多个液晶分子被布置成围绕所述中心轴的旋转对称布置的取向。
9、根据示例1-8中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述第一液晶层包括多个子层，并且所述液晶分子被包括在所述多个子层中的第一子层中。
10、根据示例9所述的可切换光学组件，其中，所述多个子层包括附加子层，所述附加子层中的液晶分子与被包括在所述第一子层中的液晶分子相同地被横向或径向定位并被相同地定向。
11、根据示例9所述的可切换光学组件，其中，所述多个子层包括附加子层，所述附加子层中的液晶分子与被包括在所述第一子层中的液晶分子相同地被横向或径向定位，并且围绕与所述中心轴平行的所述轴被逐渐地扭曲，扭曲量随着距所述第一子层的距离增加而增加。
12、根据示例1-11中任一项所述的可切换光学组件，进一步包括第二液晶层。
13、根据示例12所述的可切换光学组件，其中，所述第二液晶层包括多个子层，所述多个子层具有与所述第一液晶层中的所述第一子层包括的所述液晶分子相同地被横向或径向定位的液晶分子，所述第二液晶层中的所述多个子层中的所述液晶分子围绕与所述中心轴平行的所述轴被逐渐扭曲，扭曲量随着距所述第一液晶层的距离而增加。
14、根据示例12或13所述的可切换光学组件，其中，所述第二液晶层具有随着距所述第一液晶层的距离而扭曲以镜像所述第一液晶层中的液晶分子的扭曲的液晶分子。
15、根据示例12-14中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述第一液晶层包括多个子层，并且其中所述第二液晶层包括多个子层，其中所述第二液晶层中最靠近所述第一液晶层的子层包括具有与所述第一液晶层中最靠近所述第二液晶层的子层中的液晶分子基本相同的取向的液晶分子。
16、根据示例12-15中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述第一液晶层包括多个子层，并且其中所述第二液晶层包括多个子层，其中所述第二液晶层中离所述第一液晶层最远的子层包括具有与所述第一液晶层中离所述第二液晶层最远的子层中的液晶分子基本相同的取向的液晶分子。
17、根据示例12-16中任一项所述的可切换光学组件，其中，与具有所述第一液晶层和所述第二液晶层中的一者而不具有另一者的光学组件相比，所述第一液晶层和所述第二液晶层在跨多个波长改变入射在其上的光的偏振状态方面提供增加的均匀性。
18、根据示例12-17中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述可切换波片被配置为在包括至少450nm至630nm的波长范围内以大于95％的衍射效率来衍射光。
19、根据示例12-18中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述第一液晶层和所述第二液晶层中的液晶分子具有相反的扭曲方向。
20、根据示例12-19中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述第一液晶层和所述第二液晶层具有相反的扭曲角。
21、根据示例12-20中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述第一液晶层和所述第二液晶层中的液晶分子相对于所述第一层和所述第二层之间的界面以约60度至80度之间的净角度来对称地扭曲。
22、根据示例12-21中任一项所述的可切换光学组件，进一步包括被配置为跨所述第二液晶层地施加信号的至少一个电极。
23、根据示例1-22中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述可切换光学组件进一步包括第一波片透镜，所述第一波片透镜包括液晶层，所述第一波片透镜对于入射在其上的不同偏振光具有不同的光焦度，以及
其中，所述可切换光学组件被配置为在至少两个透镜状态之间选择性地切换，所述至少两个透镜状态包括：
第一透镜状态，其被配置为具有第一光焦度，以及
第二透镜状态，其被配置为具有不同于所述第一光焦度的第二光焦度。
24、根据示例23所述的可切换光学组件，其中，所述第二光焦度是零光焦度。
25、根据示例1-24中任一项所述的可切换光学组件，其中，具有随着围绕所述中心轴的方位角而变化的所述旋转的所述多个液晶分子包括跨所述第一液晶层在至少1cm2的范围上延展的至少50％的液晶分子。
26、根据示例1-24中任一项所述的可切换光学组件，其中，具有随着围绕所述中心轴的方位角而变化的所述旋转的所述多个液晶分子包括跨所述第一液晶层在至少2cm2的范围上延展的至少50％的液晶分子。
27、根据示例1-24中任一项所述的可切换光学组件，其中，具有随着围绕所述中心轴的方位角而变化的所述旋转的所述多个液晶分子包括跨所述第一液晶层在至少1cm2的范围上延展的至少80％的液晶分子。
28、根据示例1-24中任一项所述的可切换光学组件，其中，具有随着围绕所述中心轴的方位角而变化的所述旋转的所述多个液晶分子包括跨所述第一液晶层在至少2cm2的范围上延展的至少80％的液晶分子。
29、根据示例1-28中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述多个液晶分子具有使得所述多个液晶分子具有围绕所述中心轴的至少4重旋转对称性的取向。
30、一种可切换光学组件，包括：
可切换波片，其被配置为被电激活和去激活以选择性地改变入射在其上的光的偏振状态，所述可切换波片包括：
第一表面和第二表面；
设置在所述第一表面与所述第二表面之间的液晶层，所述液晶层包括每一者都沿着纵向方向长于宽度的多个液晶分子，所述液晶分子被定向成使得所述纵向方向在从所述轴开始的多个径向方向上从所述第一表面和所述第二表面和所述液晶层的轴径向地延伸；以及
多个电极，其用于跨所述液晶层地施加电信号。
31、根据示例30所述的可切换光学组件，其中，所述第一表面和所述第二表面包括平面表面。
32、根据示例30或31所述的可切换光学组件，其中，所述第一表面和所述第二表面包括平面基板上的平面表面。
33、根据示例30-32中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述轴与所述第一表面和所述第二表面垂直。
34、根据示例30-33中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述多个液晶分子围绕与所述轴平行的轴旋转。
35、根据示例30-34中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述液晶分子中的每一者的所述纵向方向与所述第一表面和所述第二表面平行。
36、根据示例30-35中任一项所述的可切换光学组件，其被配置为将光传输到距所述可切换光学组件一定距离处的观看者的眼睛，其中所述液晶分子中的每一者的所述纵向方向沿着从所述观看者的眼睛的视场中的相应位置到所述观看者的眼睛的光路的被投影到所述液晶层上的相应投影而延伸。
37、根据示例30-36中任一项所述的可切换光学组件，进一步包括波片透镜，所述波片透镜包括衍射透镜。
38、根据示例30-37中任一项所述的可切换光学组件，进一步包括波片透镜，所述波片透镜包括液晶层，其中所述波片透镜的液晶层被布置成使得所述波片透镜具有在从所述第一波片透镜的中心区域径向向外的方向上变化的双折射率(Δn)。
39、根据示例30-38中任一项所述的可切换光学组件，其中，当所述可切换波片处于第一状态时，所述可切换波片用作半波片，所述半波片被配置为使穿过其的圆偏振光的旋向性翻转，而当所述可切换波片处于第二状态时，所述可切换波片被配置为保留穿过其的所述圆偏振光的旋向性。
40、根据示例30-39中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述液晶层包括多个子层，并且所述液晶分子被包括在所述多个子层的第一子层中。
41、根据示例40所述的可切换光学组件，其中，所述多个子层包括附加子层，所述附加子层具有与所述第一子层所包括的液晶分子相同地被横向或径向定位液晶分子。
42、根据示例30-41中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述可切换光学组件进一步包括第一波片透镜，所述第一波片透镜包括液晶层，所述第一波片透镜对于入射在其上的不同偏振光具有不同的光焦度，以及
其中所述可切换光学组件被配置为在至少两个透镜状态之间选择性地切换，所述至少两个透镜状态包括：
第一透镜状态，其被配置为具有第一光焦度；以及
第二透镜状态，其被配置为具有与所述第一光焦度不同的第二光焦度。
43、根据示例42所述的可切换光学组件，其中，所述第二光焦度是零光焦度。
44、根据示例30-43中任一项所述的可切换光学组件，其中，被定向成使得相应的纵向方向在从所述轴开始的多个径向方向上从所述轴径向地延伸的多个液晶分子包括跨所述液晶层在至少1cm2的范围上延展的至少50％的液晶分子。
45、根据示例30-43中任一项所述的可切换光学组件，其中，被定向成使得相应的纵向方向在从所述轴开始的多个径向方向上从所述轴径向地延伸的多个液晶分子包括跨所述液晶层在至少2cm2的范围上延展的至少50％的液晶分子。
46、根据示例30-43中任一项所述的可切换光学组件，其中，被定向成使得相应的纵向方向在从所述轴开始的多个径向方向上从所述轴径向地延伸的多个液晶分子包括跨所述液晶层在至少1cm2的范围上延展的至少80％的液晶分子。
47、根据示例30-43中任一项所述的可切换光学组件，其中，被定向成使得相应的纵向方向在从所述轴开始的多个径向方向上从所述轴径向地延伸的多个液晶分子包括跨所述液晶层在至少2cm2的范围上延展的至少80％的液晶分子。
48、根据示例30-47中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述轴包括所述第一表面、所述第二表面和所述液晶层的中心轴。
49、一种制造光学元件的方法，包括：
提供基板，所述基板沿水平方向延伸并且具有在垂直方向上指向其的法线；
提供第一垂直配向层；
提供第二水平配向层；以及
提供液晶层，所述液晶层包括相对于所述第一垂直配向层和所述第二水平配向层的液晶分子，以使得所述液晶分子相对于所述垂直和水平方向以倾斜角被定向，所述第一垂直配向层使所述液晶分子被定向得比没有所述第一垂直配向层更垂直，所述第二水平配向层使所述液晶分子比没有所述第二水平配向层更水平。
50、根据示例49所述的方法，其中，所述第一垂直配向层被配置为使接近其的液晶分子被定向得与所述水平方向相比更沿着所述垂直方向。
51、根据示例49或50所述的方法，其中，所述第二水平配向层被配置为使接近其的液晶分子与所述垂直方向相比更沿着所述水平方向。
52、根据示例49-51中任一项所述的方法，其中，所述第二水平配向层包括图案化层。
53、根据示例52所述的方法，其中，所述第二水平配向层包括压印层。
54、示例52或53的方法，其中，所述第二水平配向层包括纳米压印层。
55、根据示例54所述的方法，其中，使用纳米压印模板形成所述纳米压印层。
56、根据示例55所述的方法，其中，使用光刻技术或蚀刻技术形成所述图案化层。
57、根据示例49-56中任一项所述的方法，其中，所述第一垂直配向层和所述第二水平配向层被设置在所述基板上。
58、根据示例49-57中任一项所述的方法，其中，所述第一垂直配向层被设置在所述第二水平配向层与所述基板之间。
59、根据示例49-58中任一项所述的方法，其中，所述第二水平配向层被设置在所述第一垂直配向层与所述基板之间。
60、根据示例49-59中任一项所述的方法，其中，所述第二水平配向层具有第一区域和第二区域，所述第一区域被配置为与所述第二区域相比，使所述液晶分子更水平。
61、根据示例60所述的方法，其中，所述第二水平配向层的所述第一区域和所述第二区域包括特征，并且其中所述第一区域中的所述特征具有比所述第二区域中的所述特征更大的尺寸，以使得更接近所述第一区域的所述液晶分子比更接近所述第二区域的所述液晶分子更水平。
62、根据示例60或61所述的方法，其中，所述第二水平配向层的所述第一区域和所述第二区域包括特征，并且其中所述第一区域中的所述特征具有比所述第二区域中的所述特征更大的高度，以使得更接近所述第一区域的所述液晶分子比更接近所述第二区域的所述液晶分子更水平。
63、根据示例60-62中任一项所述的方法，其中，所述第二水平配向层的所述第一区域和所述第二区域包括特征，并且其中所述第一区域中的所述特征比所述第二区域中的所述特征更宽，以使得更接近所述第一区域的所述液晶分子比更接近所述第二区域的所述液晶分子更水平。
64、根据示例60-63中任一项所述的方法，其中，所述第二水平配向层的所述第一区域和所述第二区域包括特征，并且其中所述第一区域中的所述特征具有比所述第二区域中的所述特征更高的节距，以使得更接近所述第一区域的所述液晶分子比更接近所述第二区域的所述液晶分子更水平。
65、根据示例60-64中任一项所述的方法，其中，所述第二水平配向层的所述第一区域和所述第二区域包括特征，并且其中所述第一区域中的所述特征具有比所述第二区域中的所述特征更高的占空比，以使得更接近所述第一区域的所述液晶分子比更接近所述第二区域的所述液晶分子更水平。
66、根据示例60-65中任一项所述的方法，其中，所述第二水平配向层的所述第一区域和所述第二区域包括特征，并且其中所述第一区域中的所述特征具有与所述第二区域中的所述特征不同的轮廓，以使更接近所述第一区域的所述液晶分子比更接近所述第二区域的所述液晶分子更水平。
67、根据示例60-66中任一项所述的方法，其中，所述第二水平配向层的所述第一区域和所述第二区域包括特征，并且其中所述第一区域中的所述特征具有与所述第二区域中的所述特征不同的纵横比，以使更接近所述第一区域的所述液晶分子比更接近所述第二区域的所述液晶分子更水平。
68、根据示例49-67中任一项所述的方法，其中，所述第二水平配向层包括被配置为不使所述倾斜角更水平的区域。
69、根据示例49-69中任一项所述的方法，其中，所述第二水平配向层包括被配置为不使所述倾斜角更水平的至少一个区域，所述至少一个区域被设置在所述第二水平配向层的被配置为使所述倾斜角更水平的两个区域之间。
70、根据示例49-69中任一项所述的方法，其中，所述第一垂直配向层具有第一区域和第二区域，所述第一区域被配置为与所述第二区域相比，使所述液晶分子更垂直。
71、根据示例70所述的方法，其中，所述第一水平配向层的所述第一区域和所述第二区域具有不同的厚度，以使得更接近所述第一区域的所述液晶分子比更接近所述第二区域的液晶分子更垂直。
72、根据示例49-71中任一项所述的方法，其中，所述第一垂直配向层包括被配置为不使所述倾斜角更垂直的区域。
73、根据示例49-72中任一项所述的方法，其中，所述第一垂直配向层包括被配置为不使所述倾斜角更垂直的至少一个区域，所述至少一个区域被设置在所述第一垂直配向层的被配置为使所述倾斜角更垂直的两个区域之间。
74、根据示例49-73中任一项所述的方法，其中，所述倾斜角取决于所述第一垂直配向层和所述第二水平配向层的相对强度。
75、根据示例49-74中任一项所述的方法，进一步包括：
提供第三垂直配向层；以及
提供第四水平配向层，
其中，所述第一垂直配向层使所述液晶层被定向得比没有所述第三垂直配向层更垂直，以及所述第四水平配向层使所述液晶分子比没有所述第四水平配向层更水平。
76、根据示例75所述的方法，其中，所述液晶层被设置在所述第一垂直配向层与所述第三垂直配向层之间。
77、根据示例75或76所述的方法，其中，所述液晶层被设置在所述第二垂直配向层与所述第四垂直配向层之间。
78、根据示例49-77中任一项所述的方法，其中，所述倾斜角相对于所述水平方向在0°-90°之间。
79、根据示例49-77中任一项所述的方法，其中，针对所述液晶层中的大多数液晶分子，所述倾斜角相对于所述水平方向在5°-85°之间。
80、根据示例49-79中任一项所述的方法，其中，针对所述液晶层中的大多数液晶分子，所述倾斜角相对于所述水平方向在5°-45°之间。
81、根据示例49-80中任一项所述的方法，其中，所述光学元件包括波片。
82、根据示例49-80中任一项所述的方法，其中，所述光学元件包括可切换波片。
83、根据示例49-82中任一项所述的方法，进一步包括形成被配置为向所述液晶层施加电信号的电极。
84、根据示例48-83中任一项所述的方法，其中，所述光学元件包括波片透镜。
附加示例-II
1、一种光学组件，包括：
波片，其被配置为改变入射在其上的光的偏振状态，所述波片包括：
第一表面和第二表面；
设置在所述第一表面与所述第二表面之间的第一液晶层，所述第一液晶层包括多个液晶分子，所述多个液晶分子围绕与中心轴平行的轴旋转，所述旋转随围绕所述中心轴的方位角而变化。
2、根据示例1所述的光学组件，其中，所述第一表面和所述第二表面包括平面表面。
3、根据示例1或2所述的光学组件，其中，所述第一表面和所述第二表面包括平面基板上的平面表面。
4、根据示例1-3中任一项所述的光学组件，其中，所述中心轴与所述第一表面和所述第二表面垂直。
5、根据示例1-4中任一项所述的光学组件，其中，所述液晶分子中的每一者沿着纵向方向长于宽度，并且所述液晶分子围绕与所述中心轴平行的轴旋转，以使得所述液晶分子中的每一者具有沿着所述纵向方向的面向所述中心轴的相应狭长侧。
6、根据示例1-5中任一项所述的光学组件，其中，所述液晶分子中的每一者沿着纵向方向长于宽度，并且所述液晶分子围绕与所述中心轴平行的轴旋转，以使得所述液晶分子形成围绕所述中心轴的同心环。
7、根据示例1-6中任一项所述的光学组件，其中，所述液晶分子中的每一者沿着纵向方向长于宽度，并且所述液晶分子围绕与所述中心轴平行的轴旋转，以使得所述纵向方向与从所述中心轴到所述液晶分子的径向方向正交。
8、根据示例1-7中任一项所述的光学组件，其中，所述多个液晶分子具有使得所述多个液晶分子被布置成围绕所述中心轴的旋转对称布置的取向。
9、根据示例1-8中任一项所述的光学组件，其中，所述第一液晶层包括多个子层，并且所述液晶分子被包括在所述多个子层中的第一子层中。
10、根据示例9所述的光学组件，其中，所述多个子层包括附加子层，所述附加子层中的液晶分子与被包括在所述第一子层中的液晶分子相同地被横向或径向定位并被相同地定向。
11、根据示例9所述的光学组件，其中，所述多个子层包括附加子层，所述附加子层中的液晶分子与被包括在所述第一子层中的液晶分子相同地被横向或径向定位，并且围绕与所述中心轴平行的所述轴被逐渐地扭曲，扭曲量随着距所述第一子层的距离增加而增加。
12、根据示例1-11中任一项所述的光学组件，进一步包括第二液晶层。
13、根据示例12所述的光学组件，其中，所述第二液晶层包括多个子层，所述多个子层具有与所述第一液晶层中的所述第一子层包括的所述液晶分子相同地被横向或径向定位的液晶分子，所述第二液晶层中的所述多个子层中的所述液晶分子围绕与所述中心轴平行的所述轴被逐渐扭曲，扭曲量随着距所述第一液晶层的距离而增加。
14、根据示例12或13所述的光学组件，其中，所述第二液晶层具有随着距所述第一液晶层的距离而扭曲以镜像所述第一液晶层中的液晶分子的扭曲的液晶分子。
15、根据示例12-14中任一项所述的光学组件，其中，所述第一液晶层包括多个子层，并且其中所述第二液晶层包括多个子层，其中所述第二液晶层中最靠近所述第一液晶层的子层包括具有与所述第一液晶层中最靠近所述第二液晶层的子层中的液晶分子基本相同的取向的液晶分子。
16、根据示例12-15中任一项所述的光学组件，其中，所述第一液晶层包括多个子层，并且其中所述第二液晶层包括多个子层，其中所述第二液晶层中离所述第一液晶层最远的子层包括具有与所述第一液晶层中离所述第二液晶层最远的子层中的液晶分子基本相同的取向的液晶分子。
17、根据示例12-16中任一项所述的光学组件，其中，与具有所述第一液晶层和所述第二液晶层中的一者而不具有另一者的光学组件相比，所述第一液晶层和所述第二液晶层在跨多个波长改变入射在其上的光的偏振状态方面提供增加的均匀性。
18、根据示例12-17中任一项所述的光学组件，其中，所述波片被配置为在包括至少450nm至630nm的波长范围内以大于95％的衍射效率来衍射光。
19、根据示例12-18中任一项所述的光学组件，其中，所述第一液晶层和所述第二液晶层中的液晶分子具有相反的扭曲方向。
20、根据示例12-19中任一项所述的光学组件，其中，所述第一液晶层和所述第二液晶层具有相反的扭曲角。
21、根据示例12-20中任一项所述的光学组件，其中，所述第一液晶层和所述第二液晶层中的液晶分子相对于所述第一层和所述第二层之间的界面以约60度至80度之间的净角度来对称地扭曲。
22、根据示例12-21中任一项所述的光学组件，进一步包括被配置为跨所述第二液晶层地施加信号的至少一个电极。
23、根据示例1-22中任一项所述的光学组件，其中，所述光学组件进一步包括第一波片透镜，所述第一波片透镜包括液晶层，所述第一波片透镜对于入射在其上的不同偏振光具有不同的光焦度，以及
其中，所述光学组件被配置为在至少两个透镜状态之间选择性地切换，所述至少两个透镜状态包括：
第一透镜状态，其被配置为具有第一光焦度，以及
第二透镜状态，其被配置为具有不同于所述第一光焦度的第二光焦度。
24、根据示例23所述的光学组件，其中，所述第二光焦度是零光焦度。
25、根据示例1-24中任一项所述的光学组件，其中，具有随着围绕所述中心轴的方位角而变化的所述旋转的所述多个液晶分子包括跨所述第一液晶层在至少1cm2的范围上延展的至少50％的液晶分子。
26、根据示例1-24中任一项所述的光学组件，其中，具有随着围绕所述中心轴的方位角而变化的所述旋转的所述多个液晶分子包括跨所述第一液晶层在至少2cm2的范围上延展的至少50％的液晶分子。
27、根据示例1-24中任一项所述的光学组件，其中，具有随着围绕所述中心轴的方位角而变化的所述旋转的所述多个液晶分子包括跨所述第一液晶层在至少1cm2的范围上延展的至少80％的液晶分子。
28、根据示例1-24中任一项所述的光学组件，其中，具有随着围绕所述中心轴的方位角而变化的所述旋转的所述多个液晶分子包括跨所述第一液晶层在至少2cm2的范围上延展的至少80％的液晶分子。
29、根据示例1-28中任一项所述的光学组件，其中，所述多个液晶分子具有使得所述多个液晶分子具有围绕所述中心轴的至少4重旋转对称性的取向。
30、一种光学组件，包括：
波片，其被配置为改变入射在其上的光的偏振状态，所述波片包括：
第一表面和第二表面；以及
设置在所述第一表面与所述第二表面之间的液晶层，所述液晶层包括每一者都沿着纵向方向长于宽度的多个液晶分子，所述液晶分子被定向成使得所述纵向方向在从所述轴开始的多个径向方向上从所述第一表面和所述第二表面和所述液晶层的轴径向地延伸。
31、根据示例30所述的光学组件，其中，所述第一表面和所述第二表面包括平面表面。
32、根据示例30或31所述的光学组件，其中，所述第一表面和所述第二表面包括平面基板上的平面表面。
33、根据示例30-32中任一项所述的光学组件，其中，所述轴与所述第一表面和所述第二表面垂直。
34、根据示例30-33中任一项所述的光学组件，其中，所述多个液晶分子围绕与所述轴平行的轴旋转。
35、根据示例30-34中任一项所述的光学组件，其中，所述液晶分子中的每一者的所述纵向方向与所述第一表面和所述第二表面平行。
36、根据示例30-35中任一项所述的光学组件，其被配置为将光传输到距所述光学组件一定距离处的观看者的眼睛，其中所述液晶分子中的每一者的所述纵向方向沿着从所述观看者的眼睛的视场中的相应位置到所述观看者的眼睛的光路的被投影到所述液晶层上的相应投影而延伸。
37、根据示例30-36中任一项所述的光学组件，进一步包括波片透镜，所述波片透镜包括衍射透镜。
38、根据示例30-37中任一项所述的光学组件，进一步包括波片透镜，所述波片透镜包括液晶层，其中所述波片透镜的液晶层被布置成使得所述波片透镜具有在从所述第一波片透镜的中心区域径向向外的方向上变化的双折射率(Δn)。
39、根据示例30-38中任一项所述的光学组件，其中，当所述波片处于第一状态时，所述波片用作半波片，所述半波片被配置为使穿过其的圆偏振光的旋向性翻转，而当所述波片处于第二状态时，所述波片被配置为保留穿过其的所述圆偏振光的旋向性。
40、根据示例30-39中任一项所述的光学组件，其中，所述液晶层包括多个子层，并且所述液晶分子被包括在所述多个子层的第一子层中。
41、根据示例40所述的光学组件，其中，所述多个子层包括附加子层，所述附加子层具有与所述第一子层所包括的液晶分子相同地被横向或径向定位液晶分子。
42、根据示例30-41中任一项所述的光学组件，其中，所述光学组件进一步包括第一波片透镜，所述第一波片透镜包括液晶层，所述第一波片透镜对于入射在其上的不同偏振光具有不同的光焦度，以及
其中所述光学组件被配置为在至少两个透镜状态之间选择性地切换，所述至少两个透镜状态包括：
第一透镜状态，其被配置为具有第一光焦度；以及
第二透镜状态，其被配置为具有与所述第一光焦度不同的第二光焦度。
43、根据示例42所述的光学组件，其中，所述第二光焦度是零光焦度。
44、根据示例30-43中任一项所述的光学组件，其中，被定向成使得相应的纵向方向在从所述轴开始的多个径向方向上从所述轴径向地延伸的多个液晶分子包括跨所述液晶层在至少1cm2的范围上延展的至少50％的液晶分子。
45、根据示例30-43中任一项所述的光学组件，其中，被定向成使得相应的纵向方向在从所述轴开始的多个径向方向上从所述轴径向地延伸的多个液晶分子包括跨所述液晶层在至少2cm2的范围上延展的至少50％的液晶分子。
46、根据示例30-43中任一项所述的光学组件，其中，被定向成使得相应的纵向方向在从所述轴开始的多个径向方向上从所述轴径向地延伸的多个液晶分子包括跨所述液晶层在至少1cm2的范围上延展的至少80％的液晶分子。
47、根据示例30-43中任一项所述的光学组件，其中，被定向成使得相应的纵向方向在从所述轴开始的多个径向方向上从所述轴径向地延伸的多个液晶分子包括跨所述液晶层在至少2cm2的范围上延展的至少80％的液晶分子。
48、根据示例30-47中任一项所述的光学组件，其中，所述轴包括所述第一表面、所述第二表面和所述液晶层的中心轴。
49、一种光学元件，包括：
基板，其沿水平方向延伸并且具有在垂直方向上指向其的法线；
第一垂直配向层；
第二水平配向层；以及
液晶层，其包括相对于所述第一垂直配向层和所述第二水平配向层的液晶分子，以使得所述液晶分子相对于所述垂直和水平方向以倾斜角被定向，所述第一垂直配向层使所述液晶分子被定向得比没有所述第一垂直配向层更垂直，所述第二水平配向层使所述液晶分子比没有所述第二水平配向层更水平。
50、根据示例49所述的光学元件，其中，所述第一垂直配向层被配置为使接近其的液晶分子被定向得与所述水平方向相比更沿着所述垂直方向。
51、根据示例49或50所述的光学元件，其中，所述第二水平配向层被配置为使接近其的液晶分子与所述垂直方向相比更沿着所述水平方向。
52、根据示例49-51中任一项所述的光学元件，其中，所述第二水平配向层包括图案化层。
53、根据示例52所述的光学元件，其中，所述第二水平配向层包括压印层。
54、示例52或53的光学元件，其中，所述第二水平配向层包括纳米压印层。
55、根据示例54所述的光学元件，其中，使用纳米压印模板形成所述纳米压印层。
56、根据示例55所述的光学元件，其中，使用光刻技术或蚀刻技术形成所述图案化层。
57、根据示例49-56中任一项所述的光学元件，其中，所述第一垂直配向层和所述第二水平配向层被设置在所述基板上。
58、根据示例49-57中任一项所述的光学元件，其中，所述第一垂直配向层被设置在所述第二水平配向层与所述基板之间。
59、根据示例49-58中任一项所述的光学元件，其中，所述第二水平配向层被设置在所述第一垂直配向层与所述基板之间。
60、根据示例49-59中任一项所述的光学元件，其中，所述第二水平配向层具有第一区域和第二区域，所述第一区域被配置为与所述第二区域相比，使所述液晶分子更水平。
61、根据示例60所述的光学元件，其中，所述第二水平配向层的所述第一区域和所述第二区域包括特征，并且其中所述第一区域中的所述特征具有比所述第二区域中的所述特征更大的尺寸，以使得更接近所述第一区域的所述液晶分子比更接近所述第二区域的所述液晶分子更水平。
62、根据示例60或61所述的光学元件，其中，所述第二水平配向层的所述第一区域和所述第二区域包括特征，并且其中所述第一区域中的所述特征具有比所述第二区域中的所述特征更大的高度，以使得更接近所述第一区域的所述液晶分子比更接近所述第二区域的所述液晶分子更水平。
63、根据示例60-62中任一项所述的光学元件，其中，所述第二水平配向层的所述第一区域和所述第二区域包括特征，并且其中所述第一区域中的所述特征比所述第二区域中的所述特征更宽，以使得更接近所述第一区域的所述液晶分子比更接近所述第二区域的所述液晶分子更水平。
64、根据示例60-63中任一项所述的光学元件，其中，所述第二水平配向层的所述第一区域和所述第二区域包括特征，并且其中所述第一区域中的所述特征具有比所述第二区域中的所述特征更高的节距，以使得更接近所述第一区域的所述液晶分子比更接近所述第二区域的所述液晶分子更水平。
65、根据示例60-64中任一项所述的光学元件，其中，所述第二水平配向层的所述第一区域和所述第二区域包括特征，并且其中所述第一区域中的所述特征具有比所述第二区域中的所述特征更高的占空比，以使得更接近所述第一区域的所述液晶分子比更接近所述第二区域的所述液晶分子更水平。
66、根据示例60-65中任一项所述的光学元件，其中，所述第二水平配向层的所述第一区域和所述第二区域包括特征，并且其中所述第一区域中的所述特征具有与所述第二区域中的所述特征不同的轮廓，以使更接近所述第一区域的所述液晶分子比更接近所述第二区域的所述液晶分子更水平。
67、根据示例60-66中任一项所述的光学元件，其中，所述第二水平配向层的所述第一区域和所述第二区域包括特征，并且其中所述第一区域中的所述特征具有与所述第二区域中的所述特征不同的纵横比，以使更接近所述第一区域的所述液晶分子比更接近所述第二区域的所述液晶分子更水平。
68、根据示例49-67中任一项所述的光学元件，其中，所述第二水平配向层包括被配置为不使所述倾斜角更水平的区域。
69、根据示例49-69中任一项所述的光学元件，其中，所述第二水平配向层包括被配置为不使所述倾斜角更水平的至少一个区域，所述至少一个区域被设置在所述第二水平配向层的被配置为使所述倾斜角更水平的两个区域之间。
70、根据示例49-69中任一项所述的光学元件，其中，所述第一垂直配向层具有第一区域和第二区域，所述第一区域被配置为与所述第二区域相比，使所述液晶分子更垂直。
71、根据示例70所述的光学元件，其中，所述第一水平配向层的所述第一区域和所述第二区域具有不同的厚度，以使得更接近所述第一区域的所述液晶分子比更接近所述第二区域的液晶分子更垂直。
72、根据示例49-71中任一项所述的光学元件，其中，所述第一垂直配向层包括被配置为不使所述倾斜角更垂直的区域。
73、根据示例49-72中任一项所述的光学元件，其中，所述第一垂直配向层包括被配置为不使所述倾斜角更垂直的至少一个区域，所述至少一个区域被设置在所述第一垂直配向层的被配置为使所述倾斜角更垂直的两个区域之间。
74、根据示例49-73中任一项所述的光学元件，其中，所述倾斜角取决于所述第一垂直配向层和所述第二水平配向层的相对强度。
75、根据示例49-74中任一项所述的光学元件，进一步包括：
第三垂直配向层；以及
第四水平配向层，
其中，所述第一垂直配向层使所述液晶层被定向得比没有所述第三垂直配向层更垂直，以及所述第四水平配向层使所述液晶分子比没有所述第四水平配向层更水平。
76、根据示例75所述的光学元件，其中，所述液晶层被设置在所述第一垂直配向层与所述第三垂直配向层之间。
77、根据示例75或76所述的光学元件，其中，所述液晶层被设置在所述第二垂直配向层与所述第四垂直配向层之间。
78、根据示例49-77中任一项所述的光学元件，其中，所述倾斜角相对于所述水平方向在0°-90°之间。
79、根据示例49-77中任一项所述的光学元件，其中，针对所述液晶层中的大多数液晶分子，所述倾斜角相对于所述水平方向在5°-85°之间。
80、根据示例49-79中任一项所述的光学元件，其中，针对所述液晶层中的大多数液晶分子，所述倾斜角相对于所述水平方向在5°-45°之间。
81、根据示例49-80中任一项所述的光学元件，其中，所述光学元件包括波片。
82、根据示例49-80中任一项所述的光学元件，其中，所述光学元件包括可切换波片。
83、根据示例49-82中任一项所述的光学元件，进一步包括形成被配置为向所述液晶层施加电信号的电极。
84、根据示例48-83中任一项所述的光学元件，其中，所述光学元件包括波片透镜。
85、根据示例1-29中任一项所述的光学组件，其中，所述波片是可切换波片，所述可切换波片包括多个电极，所述多个电极被配置为跨所述第一液晶层地施加电信号，以使得所述可切换波片被配置为被电激活和去激活以选择性地改变入射在其上的光的偏振状态。
86、根据示例30-48中任一项所述的光学组件，其中，所述波片是可切换波片，所述可切换波片包括多个电极，所述多个电极被配置为跨所述第一液晶层地施加电信号，以使得所述可切换波片被配置为被电激活和去激活以选择性地改变入射在其上的光的偏振状态。
其它考虑事项
在上述说明书中，已经参考本发明的具体实施例对本发明进行了描述。然而显而易见的是，在不偏离本发明的更广泛的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种修改和更改。因此，说明书和附图应该被视为出于说明的目的，而非进行限制。
实际上，将理解，本公开的系统和方法各自具有若干创新性方面，它们中没有一个独立地单独导致本文公开的所需属性或者是本文公开的所需属性所必需的。上述各种特征和处理可以彼此独立地使用，或者可以以各种方式进行组合。所有可能的组合和子组合均旨在落入本公开的范围内。例如，参考图15，应当理解，一个或多个自适应透镜组件1504-1至1504-3可被设置在波导1012a、1012b和/或1012c中的各个波导之间。
在本说明书中在分开的实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实施。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以分开或者以任何合适的子组合在多个实施例中实施。此外，尽管上文可以将特征描述为以某些组合起作用并且甚至最初如此要求，但是来自所要求保护的组合的一个或多个特征可以在一些情况下从组合中删除，并且所要求保护的组合可以针对子组合或变体的子组合。没有单个特征或特征组对于每个实施例是必要或是必不可少的。
将理解，除非另有明确说明，否则本文中使用的条件语言，诸如“能够”、“可能”“应该”、“可以”、“例如”等等，或者在上下文中以其他方式理解的，为一般地意在表达某些实施例包括，而其他实施例不包括某些特征、元件和/或步骤。因此，这样的条件语言通常不旨在暗示特征、元素和/或步骤以任何方式对于一个或多个实施例是必需的，或者一个或多个实施例必然包括用于在有或者没有作者输入或提示的情况下决定是否这些特征、元件和/或步骤包括在任何特定实施例中或将在任何特定实施例中执行。术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义词，并且以开放式的方式包含性地使用，并且不排除附加的元件、特征、动作、操作等等。此外，术语“或”以其包含性含义(而不是其专有含义)使用，因此当用于例如连接元素列表时，术语“或”表示一个、一些或全部列表中的元素。另外，除非另有说明，否则本申请和所附权利要求中使用的冠词“一”、“一个”和“所述”应被解释为表示“一个或多个”或“至少一个”。类似地，尽管可以在特定顺序中在附图中描绘操作，但应认识到，这些操作不需要以所示出的特定顺序或按顺序执行，或者所有所示操作都要执行，以实现理想的结果。此外，附图可以以流程图的形式示意性地描绘一个或多个示例过程。然而，未示出的其他操作可以并入示意性说明的示例性方法和过程中。例如，可以在任何所示操作之前、之后、同时或之间执行一个或多个附加操作。另外，在其他实施中，操作可以重新安排或重新排序。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，上述实施例中的各种系统组件的分离不应该被理解为在所有实施例中都需要这种分离，并且应该理解，所描述的程序组件和系统通常可以一起集成在单个软件产品中或者封装到多个软件产品。另外，其他实施例在以下权利要求的范围内。在一些情况下，权利要求中列举的动作可以以不同的顺序执行并且仍然实现期望的结果。
因此，权利要求并非旨在限于此处所示的实施例，而是被赋予与此处披露的本公开、原理和新颖特征一致的最广泛的范围。

Claims (84)

1.一种可切换光学组件，包括：
可切换波片，其被配置为被电激活和去激活以选择性地改变入射在其上的光的偏振状态，所述可切换波片包括：
第一表面和第二表面；
设置在所述第一表面与所述第二表面之间的第一液晶层，所述第一液晶层包括多个液晶分子，所述多个液晶分子围绕与中心轴平行的相应轴旋转，所述旋转随围绕所述中心轴的方位角而变化；以及
多个电极，其用于跨所述第一液晶层地施加电信号。
2.根据权利要求1所述的可切换光学组件，其中，所述第一表面和所述第二表面包括平面表面。
3.根据权利要求1或2所述的可切换光学组件，其中，所述第一表面和所述第二表面包括平面基板上的平面表面。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述中心轴与所述第一表面和所述第二表面垂直。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述液晶分子沿着相应的纵向方向长于宽度，并且所述液晶分子围绕与所述中心轴平行的相应轴旋转，以使得所述液晶分子具有沿着所述相应的纵向方向的面向所述中心轴的相应狭长侧。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述液晶分子沿着相应的纵向方向长于宽度，并且所述液晶分子围绕与所述中心轴平行的相应轴旋转，以使得所述液晶分子形成围绕所述中心轴的一个或多个同心环。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述液晶分子沿着相应的纵向方向长于宽度，并且所述液晶分子围绕与所述中心轴平行的相应轴旋转，以使得所述相应的纵向方向与从所述中心轴到所述液晶分子的径向方向正交。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述多个液晶分子具有使得所述多个液晶分子被布置成围绕所述中心轴的旋转对称布置的取向。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述第一液晶层包括多个子层，并且所述液晶分子被包括在所述多个子层中的第一子层中。
10.根据权利要求9所述的可切换光学组件，其中，所述多个子层包括附加子层，所述附加子层中的液晶分子与被包括在所述第一子层中的液晶分子相同地被横向或径向定位并被相同地定向。
11.根据权利要求9所述的可切换光学组件，其中，所述多个子层包括附加子层，所述附加子层中的液晶分子与被包括在所述第一子层中的液晶分子相同地被横向或径向定位，并且围绕与所述中心轴平行的所述轴被逐渐地扭曲，扭曲量随着距所述第一子层的距离增加而增加。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的可切换光学组件，进一步包括第二液晶层。
13.根据权利要求12所述的可切换光学组件，其中，所述第二液晶层包括多个子层，所述多个子层具有与所述第一液晶层中的所述第一子层包括的所述液晶分子相同地被横向或径向定位的液晶分子，所述第二液晶层中的所述多个子层中的所述液晶分子围绕与所述中心轴平行的所述轴被逐渐扭曲，扭曲量随着距所述第一液晶层的距离而增加。
14.根据权利要求12或13所述的可切换光学组件，其中，所述第二液晶层具有随着距所述第一液晶层的距离而扭曲以镜像所述第一液晶层中的液晶分子的扭曲的液晶分子。
15.根据权利要求12-14中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述第一液晶层包括多个子层，并且其中所述第二液晶层包括多个子层，其中所述第二液晶层中最靠近所述第一液晶层的子层包括具有与所述第一液晶层中最靠近所述第二液晶层的子层中的液晶分子基本相同的取向的液晶分子。
16.根据权利要求12-15中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述第一液晶层包括多个子层，并且其中所述第二液晶层包括多个子层，其中所述第二液晶层中离所述第一液晶层最远的子层包括具有与所述第一液晶层中离所述第二液晶层最远的子层中的液晶分子基本相同的取向的液晶分子。
17.根据权利要求12-16中任一项所述的可切换光学组件，其中，与具有所述第一液晶层和所述第二液晶层中的一者而不具有另一者的光学组件相比，所述第一液晶层和所述第二液晶层在跨多个波长改变入射在其上的光的偏振状态方面提供增加的均匀性。
18.根据权利要求12-17中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述可切换波片被配置为在包括至少450nm至630nm的波长范围内以大于95％的衍射效率来衍射光。
19.根据权利要求12-18中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述第一液晶层和所述第二液晶层中的液晶分子具有相反的扭曲方向。
20.根据权利要求12-19中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述第一液晶层和所述第二液晶层具有相反的扭曲角。
21.根据权利要求12-20中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述第一液晶层和所述第二液晶层中的液晶分子相对于所述第一层和所述第二层之间的界面以约60度至80度之间的净角度来对称地扭曲。
22.根据权利要求12-21中任一项所述的可切换光学组件，进一步包括被配置为跨所述第二液晶层地施加信号的至少一个电极。
23.根据权利要求1-22中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述可切换光学组件进一步包括第一波片透镜，所述第一波片透镜包括液晶层，所述第一波片透镜对于入射在其上的不同偏振光具有不同的光焦度，以及
其中，所述可切换光学组件被配置为在至少两个透镜状态之间选择性地切换，所述至少两个透镜状态包括：
第一透镜状态，其被配置为具有第一光焦度，以及
第二透镜状态，其被配置为具有不同于所述第一光焦度的第二光焦度。
24.根据权利要求23所述的可切换光学组件，其中，所述第二光焦度是零光焦度。
25.根据权利要求1-24中任一项所述的可切换光学组件，其中，具有随着围绕所述中心轴的方位角而变化的所述旋转的所述多个液晶分子包括跨所述第一液晶层在至少1cm2的范围上延展的至少50％的液晶分子。
26.根据权利要求1-24中任一项所述的可切换光学组件，其中，具有随着围绕所述中心轴的方位角而变化的所述旋转的所述多个液晶分子包括跨所述第一液晶层在至少2cm2的范围上延展的至少50％的液晶分子。
27.根据权利要求1-24中任一项所述的可切换光学组件，其中，具有随着围绕所述中心轴的方位角而变化的所述旋转的所述多个液晶分子包括跨所述第一液晶层在至少1cm2的范围上延展的至少80％的液晶分子。
28.根据权利要求1-24中任一项所述的可切换光学组件，其中，具有随着围绕所述中心轴的方位角而变化的所述旋转的所述多个液晶分子包括跨所述第一液晶层在至少2cm2的范围上延展的至少80％的液晶分子。
29.根据权利要求1-28中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述多个液晶分子具有使得所述多个液晶分子具有围绕所述中心轴的至少4重旋转对称性的取向。
30.一种可切换光学组件，包括：
可切换波片，其被配置为被电激活和去激活以选择性地改变入射在其上的光的偏振状态，所述可切换波片包括：
第一表面和第二表面；
设置在所述第一表面与所述第二表面之间的液晶层，所述液晶层包括沿着相应的纵向方向长于宽度的多个液晶分子，所述液晶分子被定向成使得所述纵向方向在从所述轴开始的多个径向方向上从所述第一表面和所述第二表面和所述液晶层的轴径向地延伸；以及
多个电极，其用于跨所述液晶层地施加电信号。
31.根据权利要求30所述的可切换光学组件，其中，所述第一表面和所述第二表面包括平面表面。
32.根据权利要求30或31所述的可切换光学组件，其中，所述第一表面和所述第二表面包括平面基板上的平面表面。
33.根据权利要求30-32中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述轴与所述第一表面和所述第二表面垂直。
34.根据权利要求30-33中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述多个液晶分子围绕与所述轴平行的轴旋转。
35.根据权利要求30-34中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述液晶分子的所述纵向方向与所述第一表面和所述第二表面平行。
36.根据权利要求30-35中任一项所述的可切换光学组件，其被配置为将光传输到距所述可切换光学组件一定距离处的观看者的眼睛，其中所述液晶分子的所述纵向方向沿着从所述观看者的眼睛的视场中的相应位置到所述观看者的眼睛的光路的被投影到所述液晶层上的相应投影而延伸。
37.根据权利要求30-36中任一项所述的可切换光学组件，进一步包括波片透镜，所述波片透镜包括衍射透镜。
38.根据权利要求30-37中任一项所述的可切换光学组件，进一步包括波片透镜，所述波片透镜包括液晶层，其中所述波片透镜的液晶层被布置成使得所述波片透镜具有在从所述第一波片透镜的中心区域径向向外的方向上变化的双折射率(Δn)。
39.根据权利要求30-38中任一项所述的可切换光学组件，其中，当所述可切换波片处于第一状态时，所述可切换波片用作半波片，所述半波片被配置为使穿过其的圆偏振光的旋向性翻转，而当所述可切换波片处于第二状态时，所述可切换波片被配置为保留穿过其的所述圆偏振光的旋向性。
40.根据权利要求30-39中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述液晶层包括多个子层，并且所述液晶分子被包括在所述多个子层的第一子层中。
41.根据权利要求40所述的可切换光学组件，其中，所述多个子层包括附加子层，所述附加子层具有与所述第一子层所包括的液晶分子相同地被横向或径向定位液晶分子。
42.根据权利要求30-41中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述可切换光学组件进一步包括第一波片透镜，所述第一波片透镜包括液晶层，所述第一波片透镜对于入射在其上的不同偏振光具有不同的光焦度，以及
其中所述可切换光学组件被配置为在至少两个透镜状态之间选择性地切换，所述至少两个透镜状态包括：
第一透镜状态，其被配置为具有第一光焦度；以及
第二透镜状态，其被配置为具有与所述第一光焦度不同的第二光焦度。
43.根据权利要求42所述的可切换光学组件，其中，所述第二光焦度是零光焦度。
44.根据权利要求30-43中任一项所述的可切换光学组件，其中，被定向成使得所述相应的纵向方向在从所述轴开始的多个径向方向上从所述轴径向地延伸的多个液晶分子包括跨所述液晶层在至少1cm2的范围上延展的至少50％的液晶分子。
45.根据权利要求30-43中任一项所述的可切换光学组件，其中，被定向成使得所述相应的纵向方向在从所述轴开始的多个径向方向上从所述轴径向地延伸的多个液晶分子包括跨所述液晶层在至少2cm2的范围上延展的至少50％的液晶分子。
46.根据权利要求30-43中任一项所述的可切换光学组件，其中，被定向成使得所述相应的纵向方向在从所述轴开始的多个径向方向上从所述轴径向地延伸的多个液晶分子包括跨所述液晶层在至少1cm2的范围上延展的至少80％的液晶分子。
47.根据权利要求30-43中任一项所述的可切换光学组件，其中，被定向成使得所述相应的纵向方向在从所述轴开始的多个径向方向上从所述轴径向地延伸的多个液晶分子包括跨所述液晶层在至少2cm2的范围上延展的至少80％的液晶分子。
48.根据权利要求30-47中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述轴包括所述第一表面、所述第二表面和所述液晶层的中心轴。
49.一种制造光学元件的方法，包括：
提供基板，所述基板沿水平方向延伸并且具有在垂直方向上指向其的法线；
提供第一垂直配向层；
提供第二水平配向层；以及
提供液晶层，所述液晶层包括相对于所述第一垂直配向层和所述第二水平配向层的液晶分子，以使得所述液晶分子相对于所述垂直和水平方向以倾斜角被定向，所述第一垂直配向层使所述液晶分子被定向得比没有所述第一垂直配向层更垂直，所述第二水平配向层使所述液晶分子比没有所述第二水平配向层更水平。
50.根据权利要求49所述的方法，其中，所述第一垂直配向层被配置为使接近其的液晶分子被定向得与所述水平方向相比更沿着所述垂直方向。
51.根据权利要求49或50所述的方法，其中，所述第二水平配向层被配置为使接近其的液晶分子与所述垂直方向相比更沿着所述水平方向。
52.根据权利要求49-51中任一项所述的方法，其中，所述第二水平配向层包括图案化层。
53.根据权利要求52所述的方法，其中，所述第二水平配向层包括压印层。
54.权利要求52或53的方法，其中，所述第二水平配向层包括纳米压印层。
55.根据权利要求54所述的方法，其中，使用纳米压印模板形成所述纳米压印层。
56.根据权利要求55所述的方法，其中，使用光刻技术或蚀刻技术形成所述图案化层。
57.根据权利要求49-56中任一项所述的方法，其中，所述第一垂直配向层和所述第二水平配向层被设置在所述基板上。
58.根据权利要求49-57中任一项所述的方法，其中，所述第一垂直配向层被设置在所述第二水平配向层与所述基板之间。
59.根据权利要求49-58中任一项所述的方法，其中，所述第二水平配向层被设置在所述第一垂直配向层与所述基板之间。
60.根据权利要求49-59中任一项所述的方法，其中，所述第二水平配向层具有第一区域和第二区域，所述第一区域被配置为与所述第二区域相比，使所述液晶分子更水平。
61.根据权利要求60所述的方法，其中，所述第二水平配向层的所述第一区域和所述第二区域包括特征，并且其中所述第一区域中的所述特征具有比所述第二区域中的所述特征更大的尺寸，以使得更接近所述第一区域的所述液晶分子比更接近所述第二区域的所述液晶分子更水平。
62.根据权利要求60或61所述的方法，其中，所述第二水平配向层的所述第一区域和所述第二区域包括特征，并且其中所述第一区域中的所述特征具有比所述第二区域中的所述特征更大的高度，以使得更接近所述第一区域的所述液晶分子比更接近所述第二区域的所述液晶分子更水平。
63.根据权利要求60-62中任一项所述的方法，其中，所述第二水平配向层的所述第一区域和所述第二区域包括特征，并且其中所述第一区域中的所述特征比所述第二区域中的所述特征更宽，以使得更接近所述第一区域的所述液晶分子比更接近所述第二区域的所述液晶分子更水平。
64.根据权利要求60-63中任一项所述的方法，其中，所述第二水平配向层的所述第一区域和所述第二区域包括特征，并且其中所述第一区域中的所述特征具有比所述第二区域中的所述特征更高的节距，以使得更接近所述第一区域的所述液晶分子比更接近所述第二区域的所述液晶分子更水平。
65.根据权利要求60-64中任一项所述的方法，其中，所述第二水平配向层的所述第一区域和所述第二区域包括特征，并且其中所述第一区域中的所述特征具有比所述第二区域中的所述特征更高的占空比，以使得更接近所述第一区域的所述液晶分子比更接近所述第二区域的所述液晶分子更水平。
66.根据权利要求60-65中任一项所述的方法，其中，所述第二水平配向层的所述第一区域和所述第二区域包括特征，并且其中所述第一区域中的所述特征具有与所述第二区域中的所述特征不同的轮廓，以使更接近所述第一区域的所述液晶分子比更接近所述第二区域的所述液晶分子更水平。
67.根据权利要求60-66中任一项所述的方法，其中，所述第二水平配向层的所述第一区域和所述第二区域包括特征，并且其中所述第一区域中的所述特征具有与所述第二区域中的所述特征不同的纵横比，以使更接近所述第一区域的所述液晶分子比更接近所述第二区域的所述液晶分子更水平。
68.根据权利要求49-67中任一项所述的方法，其中，所述第二水平配向层包括被配置为不使所述倾斜角更水平的区域。
69.根据权利要求49-69中任一项所述的方法，其中，所述第二水平配向层包括被配置为不使所述倾斜角更水平的至少一个区域，所述至少一个区域被设置在所述第二水平配向层的被配置为使所述倾斜角更水平的两个区域之间。
70.根据权利要求49-69中任一项所述的方法，其中，所述第一垂直配向层具有第一区域和第二区域，所述第一区域被配置为与所述第二区域相比，使所述液晶分子更垂直。
71.根据权利要求70所述的方法，其中，所述第一水平配向层的所述第一区域和所述第二区域具有不同的厚度，以使得更接近所述第一区域的所述液晶分子比更接近所述第二区域的液晶分子更垂直。
72.根据权利要求49-71中任一项所述的方法，其中，所述第一垂直配向层包括被配置为不使所述倾斜角更垂直的区域。
73.根据权利要求49-72中任一项所述的方法，其中，所述第一垂直配向层包括被配置为不使所述倾斜角更垂直的至少一个区域，所述至少一个区域被设置在所述第一垂直配向层的被配置为使所述倾斜角更垂直的两个区域之间。
74.根据权利要求49-73中任一项所述的方法，其中，所述倾斜角取决于所述第一垂直配向层和所述第二水平配向层的相对强度。
75.根据权利要求49-74中任一项所述的方法，进一步包括：
提供第三垂直配向层；以及
提供第四水平配向层，
其中，所述第一垂直配向层使所述液晶层被定向得比没有所述第三垂直配向层更垂直，以及所述第四水平配向层使所述液晶分子比没有所述第四水平配向层更水平。
76.根据权利要求75所述的方法，其中，所述液晶层被设置在所述第一垂直配向层与所述第三垂直配向层之间。
77.根据权利要求75或76所述的方法，其中，所述液晶层被设置在所述第二垂直配向层与所述第四垂直配向层之间。
78.根据权利要求49-77中任一项所述的方法，其中，所述倾斜角相对于所述水平方向在0°-90°之间。
79.根据权利要求49-77中任一项所述的方法，其中，针对所述液晶层中的大多数液晶分子，所述倾斜角相对于所述水平方向在5°-85°之间。
80.根据权利要求49-79中任一项所述的方法，其中，针对所述液晶层中的大多数液晶分子，所述倾斜角相对于所述水平方向在5°-45°之间。
81.根据权利要求49-80中任一项所述的方法，其中，所述光学元件包括波片。
82.根据权利要求49-80中任一项所述的方法，其中，所述光学元件包括可切换波片。
83.根据权利要求49-82中任一项所述的方法，进一步包括形成被配置为向所述液晶层施加电信号的电极。
84.根据权利要求48-83中任一项所述的方法，其中，所述光学元件包括波片透镜。
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