CN112602012A - 具有带有预倾斜的液晶光学元件的宽视场偏振开关 - Google Patents

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液晶层。第一液晶层包括多个液晶分子。所述第一表面和所述第二表面可以是弯曲的。所述多个液晶分子可随着在多个径向方向上距穿过所述第一表面和所述第二表面以及所述液晶层的轴的向外径向距离而相对于所述第一表面和所述第二表面的倾斜变化。可切换波片另外包括第一多个电极以跨所述第一液晶层地施加电信号。

Description

具有带有预倾斜的液晶光学元件的宽视场偏振开关

优先权声明

本申请依据35 U.S.C.§119(e)要求2018年6月15日提交的美国临时申请No.62/685,857的优先权益。该优先权文件的全部公开内容通过引用的方式并入本文。

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。

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。

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17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，这降低了偏振被转换/旋转的效率。

图18是示出了可切换波片转换/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19示出了用于可切换波片的示例设计，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转换/旋转效率。可切换波片是弯曲的，以使得光更接近于离轴对象的法线而入射到可切换上。

图20示出了可切换波片的另一示例设计，该可切换波片被配置为增加对来自视场外围上的对象的光的偏振转换/旋转效率。该可切换波片包括液晶层，该液晶层包括随着距中心轴的向外径向距离的增大而倾斜的分子，以使得光更接近于离轴对象的法线而入射在该分子上。

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A_d。类似地，存在与特定聚散状态相关联的特定聚散距离V_d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，V_d-A_d)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。图像注入装置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。光从图像注入装置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，图像注入装置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，图像注入装置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，图像注入装置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装置360、370、380、390、400中的每一者。应当理解，由图像注入装置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，图像注入装置360、370、380、390、400被示意性地示出，并且在一些实施例中，这些图像注入装置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，所示的图像注入装置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，所示的图像注入装置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，包括图像注入装置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装置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装置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装置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

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

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

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细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(n_o)，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(n_e)，并且在双折射介质材料中观察到的折射率之差n_e-n_o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，该对经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)或细长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细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/

至100欧姆/

2欧姆/

至50欧姆/

5欧姆/

至20欧姆/

或由这些值限定的范围内的任何值，例如约10欧姆/

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QWP1324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

旋转，其中

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

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

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

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。

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现方式可包括一个或多个扭曲向列(TN)液晶(LC)分子层。然而，TN LC分子的光波导特性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17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(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3800可被配置为使得当偏振开关处于一种状态时，偏振开关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上的右旋圆偏振光(RHCP)可以被旋转成左旋圆偏振光(LHCP)。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，该自适应透镜在错误的深度平面处产生重影图像。因此，需要增加诸如图17所示的可切换波片的视场。

图18示出了这种非均匀性的示例。图18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。该轮廓图是通过在其间具有电控双折射(ECB)LC单元的平行圆形偏振器泄漏的光的模拟百分比。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，即，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泄漏的％。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19示出了被配置为增加对来自视场外围上的对象的光的偏振转换或旋转效率的一个这样的设计。具体地，图19示出了自适应透镜组件4000的示例，该自适应透镜组件4000包括诸如液晶(LC)衍射透镜的液晶透镜(例如，波片透镜)4002和偏振开关(例如，可切换波片)4004，其中可切换波片是弯曲的。也就是，偏振开关或可切换波片4004是弯曲的，使得针对来自宽视场的光，光垂直地或更接近垂直地入射在(与平坦可切换波片相比)可切换波片上。来自视场的外围4010上的对象4008的光被示出为以角度θ入射在可切换波片4004上。该入射角θ相对于可切换波片400的法线4012被测量。偏振开关或可切换波片4004被示出为接收以角度θ入射的该光，如垂直地或基本上垂直地入射在所述偏振开关上那样。

偏振开关或可切换波片4004具有第一和第二表面4014、4016(例如，外表面和内表面)和设置在它们之间的液晶层4018。在该示例中，第一表面4014和第二表面4016从观看者的眼睛2020的角度是凹的并且相对于世界2022是凸的。第一表面4014和第二表面4016可以是球形形状的，或者可以具有其他弯曲形状。在一些实现方式中，第一表面4014和第二表面4016可以具有相同或相似的曲率，但不限于此。其他曲率和形状是可能的。

图19示出了设置在第一弯曲表面4014与第二弯曲表面4016之间为同样弯曲的液晶层4018。液晶层4018可以类似地是弯曲的，使得LC层相对于观看者的眼睛4020是凹的并且相对于世界4022是凸的。在一些实现方式中，液晶层4018可为球形形状，但不需要如此限制。

图19中示出的偏振开关或可切换波片4004的曲率使得入射角θ入射的光垂直地或基本上垂直地入射在偏振开关400的第一外表面4014上。类似地，液晶层4018可以包括液晶，该液晶包括沿纵向方向长于宽的多个液晶分子，并且入射光的方向可以与被光入射在其上的分子的纵向方向正交。同样地，液晶分子可以具有沿着面向入射光的纵向方向的一侧。在一些情况下，液晶分子的被光入射的侧面可以与入射光垂直或接近垂直。随着光更一致地以相同或类似的角度入射在偏振开关4004和液晶分子上，偏振转换或旋转可以跨偏振开关上更均匀。沿着穿过所述偏振开关(例如，穿过所述第一和第二表面4014、4016和所述液晶层4018)的中心轴4024(例如，光轴)入射的光的偏振转换或旋转可以类似于来自位于视场的外围4010的对象4008的离轴光的偏振转换或旋转。该结果可以是偏振开关4004和液晶层4018的曲率的结果，这增加了来自视场中的不同对象的光的入射角基本上相同(例如，大约垂直)的可能性。

在各种实现方式中，可切换波片4004上的第一弯曲表面4014和第二弯曲表面4016包括位于弯曲基板(未示出)上的弯曲表面。例如，液晶层4018可以被设置在第一弯曲基板与第二弯曲基板之间。这些弯曲基板可以提供上面提到的第一和第二(外和内)弯曲表面4014、4016。基板可包括玻璃或塑料材料。在一些实现方式中，基板可包括光学元件，例如四分之一波片。

偏振开关或可切换波片4004还可以包括多个电极(未示出)以跨所述弯曲的液晶层4018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4004的状态。因此，偏振开关4004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4004上的右旋圆偏振光(RHCP)可以被转换成左旋圆偏振光(LHCP)。然而，当偏振开关4004处于另一种状态时，这种转换或旋转通常不发生。

图20示出了可切换波片的另一示例设计，该可切换波片被配置为增加对来自视场外围上的对象的光的偏振旋转效率。然而，可切换波片不是弯曲的而是平坦的或平面的。这样的配置可以使可切换波片更紧凑和/或更容易制造。为了提供增加的偏振转换或旋转效率，偏振开关包括液晶，该液晶包括随着向外径向距离增加而倾斜的分子，使得光更靠近或垂直于离轴对象而入射在分子上。

具体地，图20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)4102和偏振开关(例如，可切换波片)4104的自适应透镜组件4100的示例，其中可切换波片是平坦的或平面的，而不是弯曲的。来自视场的外围4110上的对象4108的光被示出为以角度θ入射在可切换波片4104上。该入射角θ相对于可切换波片4104的法线4112而被测量。

偏振开关或可切换波片4104具有第一和第二表面4114、4116(例如，外表面和内表面)和设置在它们之间的液晶层4118。在该示例中，第一表面4114和第二表面4116是平坦的或平面的。

图20示出了液晶层4118，该液晶层4118包括设置在第一弯曲表面4114与第二弯曲表面4116之间的多个分子4105的层4107。如被示意性地示出的，多个液晶分子4105可以以角度4128定向，该角度4128随着在多个径向方向上距中心轴或光轴4124的向外径向距离4130而变化，该中心轴穿过第一表面4114和第二表面4116以及液晶层4118。具体地，多个液晶分子4105随着在多个径向方向上距中心轴或光轴4124的向外径向距离4130而相对于第一表面4114和第二表面4116的倾斜可以变化，例如，倾斜增加。在诸如图20所示的各种实现方式中，中心轴或光轴4124垂直于所述第一表面和第二表面。

在一些配置中，例如，自适应透镜组件4100被配置为将光传输到位于距所述自适应透镜组件的距离d处的观看者的眼睛4120，并且多个液晶分子4105具有分别与沿着从观看者的眼睛的视场中的位置4108到观看者的眼睛的路径4130传播的光的入射角θ相匹配的倾斜角4128。类似地，分子4105可在纵向方向4132上长于宽。该纵向方向4132可相对于第一表面4114和/或第二表面4116以与从视场中的对象4108到眼睛4120的入射光或路径4130的入射角θ相匹配的角度4128倾斜。或者在一些实现方式中，分子4105的纵向方向4132可以以角度4128倾斜，该角度4128随着在多个径向方向上距中心轴4124的向外径向距离4130而增大。

在一些设计中，例如在图19和20中描述的那些，具有所述倾斜(该倾斜可以随着在径向方向上距中心轴的向外径向距离而增加)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)。在各种实现方式中，具有纵向方向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重或者可以包括这些值中的任何之间的范围的旋转对称。

图20是示出了偏振开关和液晶层4118在y-z平面中的横截面的截面图。因此，液晶分子4105被示出为倾斜与y-z平面平行的平面。例如，该倾斜随着在平行于y轴的径向方向上距中心轴4124的向外径向距离4130而增加。然而，在各种实现方式中，液晶分子4105的倾斜随着在其他径向方向上距中心轴4124的向外径向距离4130而增加。例如，液晶分子4105的倾斜可以随着在径向方向上距中心轴4124向外径向距离4130而增加，其处于相对于y轴(和正交x轴)(例如，部分在纸外)的倾斜(非平行和非垂直)角度(例如，20°、30°、40°)。

因此，液晶分子4105可具有沿着纵向方向4132面向入射光的一侧。在一些情况下，液晶分子4105的被光入射的侧面可以与入射光垂直或接近垂直。如上所述，在一些情况下，入射光的方向可以与被光入射在其上的分子的纵向方向3132正交。随着光以相同或至少更类似的角度更一致地入射在液晶分子4105上(例如，与在针对距中心轴4124的全部向外径向距离4130而在相同方向上定向的分子的情况比较)，偏振转换或旋转可以跨偏振开关4104更均匀。沿着穿过所述偏振开关4104(例如，穿过所述第一和第二表面4114、4116和所述液晶层4118)的中心轴4124(例如，光轴)入射的光的偏振转换或旋转可以类似于来自位于视场的外围4110的对象4108的离轴光的偏振转换或旋转。该结果可以是液晶分子4105的倾斜取向的结果(例如，随着距中心轴4124的径向距离的增大而增加倾斜)，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(例如，大约垂直)的可能性。

在各种实现方式中，可切换波片4104上的第一表面4114和第二表面4116包括基板4115、4117上的表面。例如，液晶层4118可以被设置在第一基板4115与第二基板4117之间。在各种实现方式中，诸如图20中所示的设计，第一表面4114和第二表面4116包括平面基板4115、4117上的平坦表面。这些基板4115、4117可以提供上面提到的第一和第二(外部和内部)表面4114、4116。基板4115、4117可包括玻璃或塑料材料。在一些实现方式中，基板4115、4117可包括光学元件，例如四分之一波片。

偏振开关或可切换波片4104还可包括多个电极(未示出)以跨所述液晶层4118地施加电信号。该电信号可用于切换液晶和偏振开关或可切换波片4104的状态。因此，偏振开关4104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被旋转或以其他方式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4104上的右旋圆偏振光(RHCP)可以被旋转或转换成左旋圆偏振光(LHCP)。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。

可以采用各种方法来制造包括液晶的光学元件，诸如在图20中示出的具有倾斜的液晶分子1405的可切换波片4104。如图20进一步所示的，液晶分子4105可相对于基板4115和4117在液晶层4118的任一侧上以不同的倾斜量倾斜。可以使用各种方法定向这样的液晶分子4104并提供相对于基板4115和4117的期望倾斜量4128。在美国专利申请公开No.2018/0143470和2018/0143485中公开了这样的制造方法的示例，两者通过引用被整体并入本文中。

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，可以采用诸如纳米压印技术的压印技术、制造技术的变形以及其他方法和制造技术。

示例

下面提供各种示例。

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：

第一弯曲表面和第二弯曲表面；

液晶层，其被设置在所述第一弯曲表面与所述第二弯曲表面之间，以使得所述液晶层是弯曲的；以及

多个电极，其用于跨所述弯曲的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，所述可切换波片上的所述第一弯曲表面和所述第二弯曲表面包括弯曲基板上的弯曲表面。

3、根据示例1所述的可切换光学组件，其中，所述第一弯曲表面和所述第二弯曲表面具有相同的曲率。

4、根据示例1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的光具有不同的光焦度；

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。

5、根据示例4所述的可切换光学组件，其中，所述第二光焦度是零光焦度。

6、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；

液晶层，其被设置在所述第一表面与所述第二表面之间，所述液晶层包括多个液晶分子，所述多个液晶分子随着在多个径向方向上距穿过所述第一表面、所述第二表面以及所述液晶层的轴的向外径向距离而相对于所述第一表面和所述第二表面的倾斜变化；以及

多个电极，其用于跨所述液晶层地施加电信号。

7、根据示例6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。

8、根据示例6-7中任一项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。

9、根据示例6-8中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述轴垂直于所述第一表面和所述第二表面。

10、根据示例6-9中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述多个液晶分子随着在所述多个径向方向上距所述轴的向外径向距离相对于所述第一表面和所述第二表面的倾斜增加。

11、根据示例6-10中任一项所述的可切换光学组件，其被配置为将光传输到位于距所述可切换光学组件一定距离处的观看者的眼睛，其中所述多个液晶分子具有倾斜角度，所述倾斜角度分别与沿着从所述观看者的眼睛的视场中的位置到所述观看者的眼睛的路径传播的光的入射角相匹配。

12、根据示例6-11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以围绕所述轴的旋转对称布置被布置的取向。

13、根据示例6-11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轴的4重旋转对称的取向。

14、根据示例6-13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的光具有不同的光焦度；

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。

15、根据权利要求14所述的可切换光学组件，其中，所述第二光焦度是零光焦度。

16、根据示例6-15中任一项所述的可切换光学组件，其中，随着在多个径向方向上距所述轴的向外径向距离而相对于所述第一表面和所述第二表面的倾斜变化的所述多个液晶分子包括跨所述第一层在至少1cm²的范围上延展的至少50％的所述分子。

17、根据示例6-15中任一项所述的可切换光学组件，其中，随着在多个径向方向上距所述轴的向外径向距离而相对于所述第一表面和所述第二表面的倾斜变化的所述多个液晶分子包括跨所述第一层在至少2cm²的范围上延展的至少50％的所述分子。

18、根据示例6-15中任一项所述的可切换光学组件，其中，随着在多个径向方向上距所述轴的向外径向距离而相对于所述第一表面和所述第二表面的倾斜变化的所述多个液晶分子包括跨所述第一层在至少1cm²的范围上延展的至少80％的所述分子。

19、根据示例6-15中任一项所述的可切换光学组件，其中，随着在多个径向方向上距所述轴的向外径向距离而相对于所述第一表面和所述第二表面的倾斜变化的所述多个液晶分子包括跨所述第一层在至少2cm²的范围上延展的至少80％的所述分子。

20、根据示例6-19中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述轴包括穿过所述第一表面、所述第二表面以及所述液晶层的中心轴。

下面提供各种附加示例。

21、一种光学组件，包括：

波片，其包括：

第一弯曲表面和第二弯曲表面；以及

液晶层，其被设置在所述第一弯曲表面与所述第二弯曲表面之间，以使得所述液晶层是弯曲的。

22、根据示例21所述的光学组件，其中，所述波片上的所述第一弯曲表面和所述第二弯曲表面包括弯曲基板上的弯曲表面。

23、根据示例21-22中任一项所述的光学组件，其中，所述第一弯曲表面和所述第二弯曲表面具有相同的曲率。

24、根据示例21-23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的光具有不同的光焦度。

25、一种光学组件，包括：

波片，其包括：

第一表面和第二表面；以及

液晶层，所述液晶层被设置在所述第一表面和所述第二表面之间，所述液晶层包括多个液晶分子，所述多个液晶分子随着在多个径向方向上距穿过所述第一表面和所述第二表面以及所述液晶层的轴的向外径向距离而相对于所述第一表面和所述第二表面的倾斜变化。

26、根据示例25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。

27、根据示例25-26中任一项所述的光学组件，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。

28、根据示例25-27中任一项所述的光学组件，其中，所述轴垂直于所述第一表面和所述第二表面。

29、根据示例25-28中任一项所述的光学组件，其中，所述多个液晶分子随着在所述多个径向方向上距所述轴的向外径向距离而相对于所述第一表面和所述第二表面的倾斜增加。

30、根据示例25-29中任一项所述的光学组件，其被配置为将光传输到位于距所述光学组件一定距离处的观看者的眼睛，其中所述多个液晶分子具有倾斜角度，所述倾斜角度分别与沿着从所述观看者的眼睛的视场中的位置到所述观看者的眼睛的路径传播的光的入射角相匹配。

31、根据示例25-30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以围绕所述轴的旋转对称布置被布置的取向。

32、根据示例25-30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轴的4重旋转对称的取向。

33、根据示例25-32中任一项所述的光学组件，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的光具有不同的光焦度。

34、根据示例25-33所述的光学组件，其中，随着在多个径向方向上距所述轴的向外径向距离而相对于所述第一表面和所述第二表面的倾斜变化的所述多个液晶分子包括跨所述第一层在至少1cm²的范围上延展的至少50％的所述分子。

35、根据示例25-33所述的光学组件，其中，随着在多个径向方向上距所述轴的向外径向距离而相对于所述第一表面和所述第二表面的倾斜变化的所述多个液晶分子包括跨所述第一层在至少2cm²的范围上延展的至少50％的所述分子。

36、根据示例25-33所述的光学组件，其中，随着在多个径向方向上距所述轴的向外径向距离而相对于所述第一表面和所述第二表面的倾斜变化的所述多个液晶分子包括跨所述第一层在至少1cm²的范围上延展的至少80％的所述分子。

37、根据示例25-33所述的光学组件，其中，随着在多个径向方向上距所述轴的向外径向距离而相对于所述第一表面和所述第二表面的倾斜变化的所述多个液晶分子包括跨所述第一层在至少2cm²的范围上延展的至少80％的所述分子。

38、根据示例25-37所述的光学组件，其中，所述轴包括穿过所述第一表面和所述第二表面以及所述液晶层的中心轴。

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 (20)

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：

第一弯曲表面和第二弯曲表面；

液晶层，其被设置在所述第一弯曲表面与所述第二弯曲表面之间，以使得所述液晶层是弯曲的；以及

多个电极，其用于跨所述弯曲的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，所述可切换波片上的所述第一弯曲表面和所述第二弯曲表面包括弯曲基板上的弯曲表面。

3.根据权利要求1所述的可切换光学组件，其中，所述第一弯曲表面和所述第二弯曲表面具有相同的曲率。

4.根据权利要求1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的光具有不同的光焦度；

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。

5.根据权利要求4所述的可切换光学组件，其中，所述第二光焦度是零光焦度。

6.一种可切换光学组件，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；

液晶层，其被设置在所述第一表面与所述第二表面之间，所述液晶层包括多个液晶分子，所述多个液晶分子随着在多个径向方向上距穿过所述第一表面、所述第二表面以及所述液晶层的轴的向外径向距离而相对于所述第一表面和所述第二表面的倾斜变化；以及

多个电极，其用于跨所述液晶层地施加电信号。

7.根据权利要求6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。

8.根据权利要求6-7中任一项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。

9.根据权利要求6-8中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述轴垂直于所述第一表面和所述第二表面。

10.根据权利要求6-9中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述多个液晶分子随着在所述多个径向方向上距所述轴的向外径向距离而相对于所述第一表面和所述第二表面的倾斜增加。

11.根据权利要求6-10中任一项所述的可切换光学组件，其被配置为将光传输到位于距所述可切换光学组件一定距离处的观看者的眼睛，其中所述多个液晶分子具有倾斜角度，所述倾斜角度分别与沿着从所述观看者的眼睛的视场中的位置到所述观看者的眼睛的路径传播的光的入射角相匹配。

12.根据权利要求6-11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以围绕所述轴的旋转对称布置被布置的取向。

13.根据权利要求6-11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轴的4重旋转对称的取向。

14.根据权利要求6-13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的光具有不同的光焦度；

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。

15.根据权利要求14所述的可切换光学组件，其中，所述第二光焦度是零光焦度。

16.根据权利要求6-15中任一项所述的可切换光学组件，其中，随着在多个径向方向上距所述轴的向外径向距离而相对于所述第一表面和所述第二表面的倾斜变化的所述多个液晶分子包括跨所述第一层在至少1cm²的范围上延展的至少50％的所述分子。

17.根据权利要求6-15中任一项所述的可切换光学组件，其中，随着在多个径向方向上距所述轴的向外径向距离而相对于所述第一表面和所述第二表面的倾斜变化的所述多个液晶分子包括跨所述第一层在至少2cm²的范围上延展的至少50％的所述分子。

18.根据权利要求6-15中任一项所述的可切换光学组件，其中，随着在多个径向方向上距所述轴的向外径向距离而相对于所述第一表面和所述第二表面的倾斜变化的所述多个液晶分子包括跨所述第一层在至少1cm²的范围上延展的至少80％的所述分子。

19.根据权利要求6-15中任一项所述的可切换光学组件，其中，随着在多个径向方向上距所述轴的向外径向距离而相对于所述第一表面和所述第二表面的倾斜变化的所述多个液晶分子包括跨所述第一层在至少2cm²的范围上延展的至少80％的所述分子。

20.根据权利要求6-19中任一项所述的可切换光学组件，其中，所述轴包括穿过所述第一表面、所述第二表面以及所述液晶层的中心轴。

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