CN113424097A - 有源柔性液晶光学设备 - Google Patents

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Abstract

提供了一种设备和头戴式显示器(HMD)。该设备包括被配置为向该设备提供驱动电压的第一柔性电极和第二柔性电极；双折射材料层，其耦合到第一柔性电极和第二柔性电极，并且在结构上被图案化以提供该设备的至少一个预定光学功能；以及夹着双折射材料层的第一光对准(PAM)层和第二PAM层。双折射材料层的结构化图案基于对双折射材料层中双折射材料分子的光轴的操纵。

Description

有源柔性液晶光学设备
背景
本公开总体上涉及显示技术，并且具体地，涉及有源和柔性液晶(LC)光学设备。
智能眼镜是可佩戴的计算机眼镜，该眼镜将信息叠加在用户看到的真实世界图像旁边或之上或者能够实时改变其光学特性。将信息叠加到智能眼镜的视场上通常是通过光学头戴式显示器(HMD)或透明平视显示器(HUD)来实现的，HMD或HUD具有反射投影数字图像的能力，以及允许用户看透它，或者用它看得更清楚。
非常希望未来的智能眼镜具有好看的、重量轻的、无色的和节能的，并且因此，希望智能眼镜中的光学部件是自适应的、光高效的和重量轻的。降低增强现实(AR)/虚拟现实(VR)/混合现实(MR)HMD中光学部件的重量是非常有必要的。所公开的设备旨在解决上述一个或更多个问题以及其他问题。
公开内容的简要概述
本公开的一个方面提供了一种设备。该设备包括被配置为向该设备提供驱动电压的第一柔性电极和第二柔性电极；双折射材料层，其耦合到第一柔性电极和第二柔性电极，并且在结构上被图案化以提供该设备的至少一个预定光学功能；以及夹着双折射材料层的第一光对准(PAM)层和第二PAM层。双折射材料层的结构化图案基于对双折射材料层中双折射材料分子的光轴的操纵。
本公开的另一个方面提供了一种头戴式显示器(HMD)。HMD包括光学耦合到HMD表面并提供至少一个预定光学功能的设备。该设备包括被配置为向该设备提供驱动电压的第一柔性电极和第二柔性电极；
双折射材料层，其耦合到第一柔性电极和第二柔性电极，并且在结构上被图案化以提供该设备的至少一个预定光学功能；以及夹着双折射材料层的第一光对准(PAM)层和第二PAM层。双折射材料层的结构化图案基于对双折射材料层中双折射材料分子的光轴的操纵。
根据本公开的描述、权利要求和附图，本领域技术人员可以理解本公开的其他方面。
在针对设备和头戴式显示器(HMD)的所附权利要求中具体公开了根据本发明的实施例，其中，在一个权利要求类别(例如设备)中提到的任何特征也可以在另一个权利要求类别(例如HMD、系统、方法、存储介质和计算机程序产品)中被要求保护。在所附权利要求中的从属性或往回引用仅为了形式原因而被选择。然而，也可以要求保护由对任何前面权利要求的有意往回引用(特别是多项引用)而产生的任何主题，使得权利要求及其特征的任何组合被公开并可被要求保护，而不考虑在所附权利要求中选择的从属性。可以被要求保护的主题不仅包括如在所附权利要求中阐述的特征的组合，而且还包括在权利要求中的特征的任何其他组合，其中，在权利要求中提到的每个特征可以与在权利要求中的任何其他特征或其他特征的组合相结合。此外，本文描述或描绘的实施例和特征中的任一个可以在单独的权利要求中和/或以与本文描述或描绘的任何实施例或特征的任何组合或以与所附权利要求的任何特征的任何组合被要求保护。
在实施例中，设备可以包括：
第一柔性电极和第二柔性电极，所述第一柔性电极和所述第二柔性电极被配置为向所述设备提供驱动电压；
双折射材料层，所述双折射材料层耦合到所述第一柔性电极和所述第二柔性电极，并且在结构上被图案化以提供所述设备的至少一个预定光学功能；和
第一光对准(PAM)层和第二PAM层，所述第一光对准(PAM)层和所述第二PAM层夹着所述双折射材料层，
其中，所述双折射材料层的结构化图案基于对所述双折射材料层中双折射材料分子的光轴的操纵。
对双折射材料分子的光轴的操纵可以通过将已经被图案化或均匀对准的第一PAM层和/或第二PAM层上的双折射材料分子对准来实现。
该设备可以是在操作至少一个预定光学功能的操作状态和擦除至少一个预定光学功能的非操作状态之间可切换的。
在电场不存在的情况下，双折射材料层的结构化图案可以由第一PAM层和/或第二PAM层控制，并且设备可以处于操作状态；并且在电场存在的情况下，双折射材料层的结构化图案可以由电场控制，并且设备处于非操作状态。
该设备可以是透射或反射光学元件。
该设备可以是透射或反射棱镜、透镜、光束偏转器、透镜阵列、棱镜阵列和相位延迟器中的一个或更多个。
双折射材料层可以包括液晶(LC)材料或反应性液晶基元(mesogen)。
LC材料可以包括向列(nematic)LC、扭弯LC和手性向列(chiral nematic)LC中的一种。
第一柔性电极和第二柔性电极可以分别与第一PAM层和第二PAM层设置在一起；并且双折射材料层可以夹在第一柔性电极和第二柔性电极之间。
在实施例中，设备可以包括：
绝缘层，所述绝缘层与所述第一PAM层设置在一起，并且设置在所述第一柔性电极和所述第二柔性电极之间；和
基底，所述基底与所述第二PAM层设置在一起，
其中，所述第一柔性电极和所述第二柔性电极设置在所述双折射材料层的同一侧。
基底可以是粘合剂层，该粘合剂层被配置为向该设备提供柔性和保护。
第一柔性电极或第二柔性电极可以是包括多个条状电极的图案化电极。
第一柔性电极和第二柔性电极中的每一个可以包括设置在塑料薄膜上的柔性透明导电层。
该设备可以是柔性设备。
在一个实施例中，头戴式显示器(HMD)可以包括：
设备，所述设备光学耦合到所述HMD的表面并且提供至少一个预定光学功能，所述设备包括：
第一柔性电极和第二柔性电极，所述第一柔性电极和所述第二柔性电极被配置为向所述设备提供驱动电压；
双折射材料层，所述双折射材料层耦合到所述第一柔性电极和所述第二柔性电极，并且在结构上被图案化以提供所述设备的所述至少一个预定光学功能；和
第一光对准(PAM)层和第二PAM层，所述第一光对准(PAM)层和所述第二PAM层夹着所述双折射材料层，
其中，所述双折射材料层的结构化图案基于对所述双折射材料层中双折射材料分子的光轴的操纵。
对双折射材料分子的光轴的操纵可以通过将已经被图案化或均匀对准的第一PAM层和/或第二PAM层上的双折射材料分子对准来实现。
该设备可以是在操作至少一个预定光学功能的操作状态和擦除至少一个预定光学功能的非操作状态之间可切换的。
该设备可以是柔性设备。
在实施例中，一个或更多个计算机可读非暂时性存储介质体现软件，该软件在被执行时，可操作来在根据本发明或任何上述实施例的设备或HMD或系统中执行。
在实施例中，计算机实现的方法使用根据本发明或任何上述实施例的设备或HMD或系统。
在实施例中，在根据本发明或任何上述实施例的设备或HMD或系统中使用优选包括计算机可读非暂时性存储介质的计算机程序产品。
附图简述
图1A-1B示出了与所公开的实施例一致的液晶(LC)光学设备的示例；
图2A-2B示出了与所公开的实施例一致的LC光学设备的另一个示例；
图3示出了与所公开的实施例一致的LC光学设备的应用示例；
图4A示出了与所公开的实施例一致的透射式LC光学设备的示例；
图4B示出了与所公开的实施例一致的当图4A中的LC光学设备是LC相位延迟器时的LC取向的示例；
图4C示出了与所公开的实施例一致的当图4A中的LC光学设备是PancharatnamBerry相位(PBP)LC透镜时的LC取向的示例；
图4D示出了与所公开的实施例一致的图4C中的PBP LC透镜中的LC取向的一部分；
图4E示出了与所公开的实施例一致的当图4A中的LC光学设备是PBP LC偏转器时的LC取向的示例；
图4F示出了与所公开的实施例一致的图4E中的PBP LC偏转器中的LC取向的一部分；
图4G示出了与所公开的实施例一致的当图4E中的PBP LC偏转器具有双扭曲结构时的LC取向的示例；
图5A示出了与所公开的实施例一致的反射式LC光学设备的示例；
图5B示出了与所公开的实施例一致的当图5A中的LC光学设备是反射式PBP LC偏转器时的LC取向的示例；
图6A示出了与所公开的实施例一致的头戴式显示器的实施例的图示；和
图6B示出了与所公开的实施例一致的图6A中的头戴式显示器的前刚性主体的横截面。
详细描述
现在将详细参考在附图中示出的本公开的示例性实施例。在下文中，将参考附图描述与本公开一致的实施例。在附图中，为了清楚起见，形状和尺寸可能被夸大、扭曲或简化。在可能的情况下，在整个附图中将使用相同的附图标记来指代相同或相似的部分，并且可以省略其详细描述。
此外，在本公开中，所公开的实施例和所公开的实施例的特征可以在没有冲突的情况下组合。显然，所描述的实施例是本公开的一些实施例，但不是本公开的全部实施例。基于所公开的实施例，本领域普通技术人员可以得出与本公开一致的其他实施例，所有这些都在本公开的范围内。
本公开提供了一种在AR/VR/MR HMD中使用的改进的液晶(LC)光学设备，以促进复杂的显示功能，同时保持小的形状因数、自适应、光高效和重量轻。图1A-1B示出了与所公开的实施例一致的LC光学设备100的示例。如图1A-1B所示，LC光学设备100可以包括彼此相对布置的第一电极120_1和第二电极120_2，以及夹在第一电极120_1和第二电极120_2之间的液晶(LC)层130。第一电极120_1和第二电极120_2可以向LC层130提供驱动电压。第一电极120_1和第二电极120_2中的每一个可以与和LC层130接触的光对准(PAM)层110设置在一起。第一电极120_1和第二电极120_2可以向LC层130提供驱动电压，并且PAM层110可以确定LC层130中包括的LC分子140的对准/取向。LC光学设备100可以提供至少一个预定的光学功能/光学效果。
在某些实施例中，第一电极120_1和第二电极120_2均可以是包括柔性透明导电层的柔性电极，例如设置在塑料薄膜(例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN))或任何合适的柔性基底层上的氧化铟锡(ITO)、碳纳米管电极等。柔性基底层在可见光频带(～380nm至750nm)中可以是基本透明的。在某些实施例中，柔性基底层在一些或全部红外(IR)频带(～750nm至1mm)中也可以是透明的。在某些实施例中，柔性电极的厚度可以为大约250nm-500nm。
在某些实施例中，LC层130可以是LC材料的薄膜(或者更广泛地说，双折射材料的薄膜，因为还可以采用反应性液晶基元)。也就是说，更广泛地说，LC层130可以被称为双折射材料层。LC材料可包括向列LC、扭弯LC或手性向列LC(或含有手性掺杂剂的LC)等。在某些实施例中，某种功能材料(例如二向色性染料)也可以掺杂在LC材料中。LC材料可以具有正或负介电各向异性。在某些实施例中，除了LC材料之外，LC层130还可以包括光交联聚合物。光交联聚合物可以改善LC光学设备100的响应时间，然而，LC光学设备100的驱动电压可能被增加。在某些实施例中，LC层130的厚度可以为大约0.5μm-10μm。
LC层130可以耦合到第一电极120_1和第二电极120_2，并且在结构上被图案化为具有LC分子140的特定图案，以提供LC光学设备100的至少一个预定光学功能。根据LC层130中LC分子140的结构化图案，LC光学设备100可以用作透射式或反射式光学元件，例如棱镜、透镜、光束折射器、透镜/棱镜阵列、相位延迟器等。
在所公开的实施例中，LC层130中LC分子140的结构化图案可以通过在PAM层110上对准LC分子140来实现。在某些实施例中，PAM层110可以是在光照射下已被图案化或均匀对准的光敏材料薄膜，并且PAM层110的厚度可以是大约3nm-30nm。由于各向异性界面相互作用，光敏材料的图案化或均匀对准可以确定LC层130中相邻LC分子140的对准。
例如，涂覆有PAM层110的第一电极120_1和第二电极120_2可以首先被组装以形成具有特定单元间隙的LC单元(cell)，其中单元间隙由边缘上的间隔物和胶(glue)控制。然后，LC单元可以经受光(例如，紫外线、紫光或蓝光)干涉曝光或偏振光的均匀曝光。在足够的剂量的曝光后，PAM层110中的光敏材料可被图案化或均匀对准，即光干涉图案或均匀光照射可被记录在LC单元的PAM层110上。然后曝光的LC单元可以填充有LC材料并密封。为了制造包括混合LC材料和光交联聚合物的LC层130，曝光的LC单元可以用LC材料和单体的混合物填充，然后再次用UV曝光以形成交联的LC聚合物薄膜。由于各向异性界面相互作用，PAM层110中光敏材料的图案化或均匀对准决定了LC层130中相邻LC分子140的对准。
由于LC光学设备100中各种部件的厚度相当薄，所以LC光学设备100可以是折弯(bend)、弯曲或卷起等的柔性光学设备，并且因此可以应用于刚性光学元件可能不适合的地方(例如曲面或柔性结构上)。此外，LC光学设备100可以是有源光学设备(即可切换光学设备)，其可以在光学功能被操作/激活的操作状态和光学功能被擦除/去激活的非操作状态之间切换。在某些实施例中，LC光学设备100的光学功能可以通过施加零(或更一般地低于某个最小值的)电压来激活，并且通过施加某个幅度(或更一般地高于某个阈值)的电压来去激活(deactivated)。也就是说，光学功能被操作/激活的操作状态可以通过施加零(或者更一般地低于某个最小值的)电压来实现，并且光学功能被擦除/去激活的非操作状态可以通过施加某个幅度(或者更一般地高于某个阈值)的电压来中继。
如图1A所示，当向LC光学设备100施加零电压(或者更一般地，低于太小而不能重新定向LC分子140的某个最小值)时，LC层130中LC分子140的取向和图案可以由PAM层110控制。因此，LC层130可以用作结构图案化的波片，其提供预定的光学功能，例如聚焦/散焦入射光、偏转入射光、反射入射光和/或改变入射光的偏振方向等。Z方向/轴是光传播方向。
如图1B中所示，当向LC光学设备100施加某个幅度(或者更一般地高于某个阈值，该阈值足够大以重新定向LC分子140)的电压时，LC分子140的取向可以由生成的电场控制。特别地，在第一电极120_1和第二电极120_2之间生成的垂直电场下，具有正介电各向异性的LC分子140可以趋向于沿着垂直电场的方向、朝向垂直于设置了PAM层110的表面的方向重新定向。当所施加电压的幅度足够大以将LC分子140重新定向为垂直于设置了PAM层110的表面时，LC层130可以用作垂面排列板(homeotropic plate)，该垂面排列板可以被视为透明板。
也就是说，一般来说，在电场不存在的情况下，LC层的结构化图案可以由第一和第二PAM层控制，并且LC光学设备可以处于光学功能被操作/激活的操作状态；并且在电场存在的情况下，由于LC材料的介电各向异性，LC层的结构化图案可以由电场控制，并且LC光学设备可以处于光学功能被擦除/去激活的非操作状态。
在图1A-1B中，第一电极120_1和第二电极120_2可以是夹着LC层130的平面电极，这是为了说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。在某些实施例中，第一电极120_1和/或第二电极120_2还可以是图案化电极。
图2A-2B示出了与所公开的实施例一致的LC光学设备200的另一个示例。图1A-1B和图2A-2B之间的相似点在此不再赘述，而是进一步解释了某些差异。如图2A-2B所示，LC光学设备200可以包括基底250、LC层230、设置在LC层230同一侧的第一电极220_1和第二电极220_2、设置在第一柔性电极220_1和第二柔性电极220_2之间的绝缘层260、设置在第二柔性电极220_2上的第一PAM层210_1和设置在基底250上的第二PAM层210_2。第一PAM层210_1和第二PAM层210_2可以夹着LC层230，以提供LC层230中LC分子240的对准。
在某些实施例中，基底250可以是粘合剂层250，该粘合剂层被配置为提供柔性特征和附加保护。此外，可以调整粘合剂层250的折射率，使得粘合剂层250可以被配置作为折射率匹配层或折射率不匹配层以用于各种光学设计目的。在某些实施例中，粘合剂层250可以是紫外线(UV)可固化的各向同性粘合剂层。在某些实施例中，粘合剂层250的厚度可以是大约1μm-60μm。
第一柔性电极220_1和第二柔性电极220_2可以是柔性电极。在某些实施例中，第一电极220_1可以是平面电极，而第二电极220_2可以是包括在x方向上延伸的多个平行条状电极的图案化电极。
类似于图1A中的IC光学设备100，如图2A所示，当向LC光学设备200施加零电压(或更一般地低于某个最小值，该最小值太小而不能重新定向LC分子240)时，LC层230中LC分子240的取向和图案可以由PAM层210_1和210_2控制，并且LC层230可以用作提供预定光学功能的结构图案化波片。
当向LC光学设备200施加某个幅度(或者更一般地高于某个阈值，该阈值足够大以重新定向LC分子240)的电压时，LC层230中LC分子240的取向可以由生成的电场控制。与图1B中的LC光学设备100不同，如图2B所示，可以生成水平电场，并且具有正介电各向异性的LC分子240可以趋向于沿着水平电场的方向、朝向平行于设置了第一PAM层220_1的表面的方向重新定向。当所施加电压的幅度足够大以将LC分子240重新定向为平行于设置了第一PAM层220_1的表面时，LC层230可用作均质板(homogeneous plate)，该均质板可被视为透明板。在某些实施例中，这种具有均匀面内对准的均质板可以充当半波片，这改变了透射光的偏振。
出于说明的目的，图1A-2B仅仅显示了具有正介电各向异性的LC分子的取向。在某些实施例中，LC分子可以具有负介电各向异性，则生成的垂直电场可以使LC层中的LC分子朝向平行于设置了PAM层的表面的方向重新定向，而生成的水平电场可以使LC层中的LC分子朝向垂直于设置了PAM层的表面的方向重新定向。
此外，为了说明的目的，图1A-2B示出了LC光学设备包括已经被图案化或均匀对准的两个PAM层，然而，在某些实施例中，LC光学设备可以仅包括一个PAM层，该PAM层与LC层接触并且已经被图案化或均匀对准。在某些其他实施例中，LC光学设备可以仅包括与LC层接触的两个PAM层，但是只有一个PAM层已经被图案化或均匀对准。
图3示出了与所公开的实施例一致的LC光学设备300的应用示例。如图3所示，作为厚度相当薄的柔性设备，LC光学设备300可以是折弯的、弯曲的或卷起的等。因此，LC光学设备300可应用于刚性光学元件不适合的地方(例如曲面310或柔性结构310上)。此外，LC光学设备300可以附接到任何合适的表面而不影响光学功能，或者多个LC光学设备300可以堆叠在一起或者光学耦合在一起以形成光学系列。
同时，如上所述，LC光学设备300的光学功能可以通过LC层中LC分子的结构化图案来实现，根据该结构化图案，LC光学设备300可以用作透射式或反射式光学元件，例如棱镜、透镜、光束偏转器、透镜/棱镜阵列、相位延迟器等。此外，LC光学设备300可以是有源设备，该有源设备在光学功能被操作/激活的操作状态和光学功能被擦除/去激活的非操作状态之间可切换(例如，通过切换施加的电压)。LC光学设备300的所有这些特征可以为自适应、光高效、重量轻和定制的光学元件开辟可能性。
此外，在附接到(例如，光学耦合到)AR/VR/MR HMD中的任何合适表面之后，LC光学设备300可以用作AR/VR/MR HMD中的多功能光学部件，例如眼睛追踪部件、多焦点或可变焦点的调节部件、显示分辨率增强部件、光瞳控制元件和作为偏振管理部件的宽带波片(例如四分之一波片或半波片)等，这可以显著减轻AR/VR/MR HMD的重量并增强AR/VR/MR HMD的外观，从而为未来的智能眼镜开辟了可能性。
回到图1A-1B，在某些实施例中，LC光学设备100的光学功能(即，LC分子130的结构化图案)可以基于对LC层130中LC分子140的光轴的操纵。这种LC光学设备通常被称为Pancharatnam Berry相位(PBP)元件、几何相位(GP)元件、摆线衍射波片(CDW)、偏振元件、偏振体积元件或偏振体积全息图(PVH)元件。在某些实施例中，对LC层130中的LC分子140的光轴的操纵可以通过将LC层中的LC分子在图案化或均匀对准的PAM层110上对准来实现。
下面讨论LC光学设备的各种设计，其中LC材料可以具有正介电各向异性，并且电极可以是平面电极。应该注意的是，这些设计仅仅是说明性的，并且可以使用在本公开中描述的原理来产生LC光学设备的其他设计。
图4A是与所公开的实施例一致的透射式LC光学设备400的示例。根据LC层中LC分子的结构化图案(即LC取向)，LC光学设备400可以用作透射式光学元件，例如棱镜、透镜、光束偏转器、透镜/棱镜阵列、相位延迟器等。Z方向/轴是光传播方向。
图4B示出了与所公开的实施例一致的当图4A中的LC光学设备是LC相位延迟器410时的LC取向的示例。如图4B所示，LC分子的光轴可以在整个LC相位延迟器410上具有均匀的取向，这可以通过将LC分子在均匀对准的PAM层上对准来实现。当LC相位延迟器410被施加零电压(或更一般地低于某个最小值，该最小值太小而不能重新定向LC分子)时，LC分子的对准可以由均匀对准的PAM层控制。
当LC相位延迟器410是有源光学设备时，LC相位延迟器410可以允许对透射光的相位进行有源控制。LC相位延迟器经常被用来代替传统的波片，因为LC相位延迟器可以被精确地调谐，以在宽的光谱范围内将透射光延迟多达一半的波长。为了仅仅改变透射光的相位，线性偏振入射光可以被配置为使其偏振轴与LC相位延迟器410的光轴对准。随着施加的电压逐步增加，透射光的相位偏移可以逐步减小。
此外，LC相位延迟器410还可以有效地用作偏振管理部件。当使用LC相位延迟器410来控制入射光的偏振时，线性偏振入射光的偏振轴可以相对于LC相位延迟器410的光轴以45°角定向。例如，当LC相位延迟器410是施加有零电压(或者更一般地低于某个最小值,该最小值太小而不能重新定向LC分子)的半波片时，具有第一偏振方向的线性偏振入射光可以被转换为具有垂直于第一偏振方向的第二第一偏振方向的线性偏振透射光，而圆偏振入射光可以被转换为具有相反旋向性的圆偏振透射光。当LC相位延迟器410是施加有零电压(或者更一般地低于某个最小值,该最小值太小而不能重新定向LC分子)的四分之一波片时，线性偏振入射光可以被转换为圆偏振透射光。
当LC相位延迟器410被施加有足够高的电压时，具有正介电各向异性的LC分子可以被重新定向以与生成的电场对准。因此，LC相位延迟器410可以用作垂面排列板，该垂面排列板可以被视为透明板，而不对透射光提供任何相位和偏振变化。
图4C示出了当图4A中的LC光学设备是PBP LC透镜420时的LC取向的示例。如图4C所示，PBP LC透镜420可以经由LC分子的面内取向(方位角θ)产生相应的透镜轮廓(profile)，其中相位差T＝2θ。LC分子的方位角可以从PBP LC透镜420的中心424到边缘422连续变化(具有变化的间距Λ)。以这样的方式定义间距，即：LC分子的方位角从初始状态旋转180度。相比之下，传统的LC透镜经由液晶的双折射(Δn)和层厚(d)以及菲涅耳区域(如果是菲涅耳透镜设计)的数量(#)来创建透镜轮廓，其中相位差T＝dΔn*#*2π/λ。因此，PBPLC透镜420可以具有大的孔径尺寸，并且可以由非常薄的LC层制成，这允许快速切换速度来打开/关闭透镜焦度(power)。
图4D是沿图4C的PBP LC透镜420的y轴截取的LC取向430的截面。如图4D所示，从液晶取向430来看，间距变化率可以是距透镜中心424的距离的函数。间距变化率可以随着距透镜中心424的距离而增加。例如，透镜中心424处的间距(Λ0)最慢，而边缘422处的间距(Λr)最高，即Λ0>Λ1>...>Λr。在x-y平面，为了制造具有透镜半径(r)和透镜焦度(+/-f)的PBP LC透镜，方位角θ可以满足θ＝r2/2f*(π/λ)，其中λ是入射光的波长。
此外，有源PBP元件具有三种光学状态：相加状态、中性状态和相减状态，其中相加状态和相减状态是光学功能被操作/激活的操作状态，而中性状态是光学功能被擦除/去激活的非操作状态。有源PBP元件的状态由入射到有源PBP元件上的圆偏振光的旋向性和施加的电压决定。在某些实施例中，有源PBP元件可以响应于具有左旋圆偏振的入射光和施加的零电压(或更一般地低于某个最小值)而在相减状态操作，响应于具有右旋圆偏振的入射光和施加的零电压(或更一般地低于某个最小值)而在相加状态操作，并且响应于大于阈值电压的施加电压而在中性状态(不考虑偏振)操作，该阈值电压将具有正介电各向异性的LC与电场对准。
当图4C所示的PBP LC透镜420是有源PBP LC透镜时，PBP LC透镜420可以具有三个离散的焦点状态(还称为光学状态)。这三种光学状态是相加状态、中性状态和相减状态，其中相加状态和相减状态是光学功能被操作/激活的操作状态，而中性状态是光学功能被擦除/去激活的非操作状态。特别地，相加状态可以向系统增加光焦度(optical power)(即，具有正焦点“f”)，而相减状态可以从系统中减去光焦度(即，具有负焦点“-f”)。当不处于中性状态时，除了聚焦/散焦入射光之外，有源PBP LC透镜420还可以反转穿过PBP LC透镜420的圆偏振光的旋向性。中性状态既不会影响系统的光焦度，也不会影响穿过PBP LC透镜420的光的偏振。
有源PBP LC透镜420的光学状态由入射到有源PBP LC透镜上的圆偏振光的旋向性和施加的电压决定。在某些实施例中，有源PBP LC透镜420可以响应于具有左旋圆偏振的入射光和施加的零电压(或更一般地低于某个最小值)而在相减状态下操作(移除到系统的光焦度)，响应于具有右旋圆偏振的入射光和施加的零电压(或更一般地低于某个最小值)而在相加状态下操作(增加到系统的光焦度)，并且响应于大于阈值电压的施加电压而在中性状态(不考虑偏振)下操作(不影响系统的光焦度)，该阈值电压将具有正介电各向异性的LC与电场对准。
用于VR、AR或MR应用的HMD的设计规范通常需要大范围的光焦度来适应人眼辐辏调节(例如，～±2屈光度或更高)、快速切换速度(例如，～300ms)以及良好质量的图像。注意，传统的LC透镜可能不太适合这些应用，因为传统的LC透镜通常将要求LC材料具有相对高的折射率或相对厚(这降低了切换速度)。相比之下，PBP LC透镜420能够满足使用具有相对低折射率的LC材料的设计规范，并且此外，PBP LC透镜420是薄的(例如，单个液晶层可以是～2μm)并且具有高切换速度(例如，300ms)。
图4E示出了当图4A中的LC光学设备是PBP LC偏转器440时的LC取向的示例，并且图4F示出了在图4E中的PBP LC偏转器440中沿着y轴截取的LC取向450的截面。如图4E-4F所示，PBP LC偏转器440可以是具有周期结构的PBP LC光栅，其中LC分子的方位角可以以线性重复的模式从PBP LC偏转器440的中心444到边缘442变化(具有均匀的间距Λ)。PBP LC偏转器440的间距Λ可以是沿着y轴在图案的重复部分之间的距离的一半。间距Λ可以部分地确定PBP LC偏转器440的光学特性。例如，入射到PBP LC偏转器440上的圆偏振光可以具有光束偏转器输出，该输出包括分别对应于衍射级m＝+1、–1和零的初级光、共轭光和泄漏光。间距Λ可以确定不同衍射级中的光的衍射角(例如，光束转向角)。通常，对于给定波长的光，间距Λ越小，衍射角越大。
图4E所示的PBP LC偏转器440可以是有源PBP LC偏转器，其具有三种光学状态：相加状态、中性状态和相减状态。在相加状态下，有源PBP LC偏转器440可以将特定波长的光衍射到相对于相减状态的衍射角为正的角度(例如正衍射角)。在相减状态下，有源PBP LC偏转器440可以将特定波长的光衍射到相对于相加状态的正角为负的角度(例如负衍射角)。当不处于中性状态时，除了偏转入射光之外，PBP LC偏转器440还可以反转穿过PBP LC偏转器440的圆偏振光的旋向性。在中性状态下，PBP LC偏转器440既不会导致光衍射，也不会影响穿过PBP LC偏转器440的光的偏振。
类似地，PBP LC偏转器440的光学状态可以由入射到有源PBP LC偏转器440上的圆偏振光的旋向性和施加的电压来确定。在某些实施例中，PBP LC偏转器440可以响应于具有左旋圆偏振的入射光和施加的零电压(或更一般地低于某个最小值)而在相减状态下操作(将特定波长的光衍射到负衍射角)，响应于具有右旋圆偏振的入射光和施加的零电压(或更一般地低于某个最小值)而在相加状态下操作(将特定波长的光衍射到正衍射角)，并且响应于大于阈值电压的施加电压而在中性状态(不考虑偏振)下操作(不偏转入射光)，该阈值电压将具有正介电各向异性的LC与电场对准。
回到图4A，在某些实施例中，LC光学设备400可以具有扭曲或非扭曲结构(例如通过在LC层中采用手性向列LC(或具有手性掺杂剂的LC))。例如，沿着LC光学设备400中的光传播方向(即，z方向)，双扭曲或多扭曲结构层可以在LC光学设备400中针对效率提供消色差性能。沿着LC光学设备400中的光传播方向(即，z方向)，非扭曲结构可以比扭曲结构更容易制造，然而，非扭曲结构可以仅针对单色光进行优化。
图4G示出了当图4E中的PBP LC偏转器440具有双扭曲结构时的LC取向460的示例。如图4G所示，LC分子沿y轴的指向矢(director)可以与图4F所示的非扭曲PBP LC偏转器相同。然而，沿着z方向，LC分子的指向矢可以在某种程度上从底部扭曲到跨过LC层的一半，然后通过顶部扭曲回来。也就是说，垂直间距Λz可以是LC层厚度的一半。
与现有HMD中使用的各种光束偏转器(例如表面浮雕光束偏转器(SGR)和全息光束偏转器(HG))相比，PBP LC偏转器440可以在大视场和宽光谱宽度上具有高效率，并且因此可以为用于VR、AR或MR应用的波导耦合HMD提供很大的优势。此外，具有双扭曲结构的PBPLC偏转器可以在所有可见光波长上提供消色差效率。
除了图4A-4G所示的透射式LC光学设备之外，还可以实现反射式LC光学设备。图5A示出了与所公开的实施例一致的反射式LC光学设备500的示例，并且图5B示出了与所公开的实施例一致的当图5A中的LC光学设备是反射式PBP LC偏转器时的LC取向510的示例。
反射式PBP LC偏转器(由于其物理特性)还被称为反射式偏振体积光束偏转器(RPVG)。如图5B所示，在RPVG 500中，LC分子可以沿着z方向关于螺旋轴以螺旋扭曲的方式对准。特别地，RPVG 500可以包括与图4G所示的双扭曲透射式PBP LC偏转器相比沿z方向更高程度的扭曲(即，小得多的垂直间距Λz)。
尽管RPVG 500的设备结构与图4G所示的双扭曲透射式PBP LC偏转器的设备结构有些相似，但是偏转机制不同。RPVG 500通过Bragg反射(或倾斜多层反射)来偏转光，而不是调制输入光的相位。为了建立Bragg衍射，薄膜厚度(即LC层在z方向上的厚度)必须足够厚(例如几微米厚)。此外，当将衍射效率视为薄膜厚度的函数时，反射式PBP LC偏转器(即，RPVG)500和透射式PBP LC偏转器之间的差异显现出来。对于图4G所示的双扭曲透射式PBPLC偏转器，当薄膜厚度增加超过第一最佳厚度时，衍射效率下降。然而，对于图5A所示的反射式PBP LC偏转器(即，RPVG)500，衍射效率随着厚度单调增加，然后逐渐饱和。
RPVG 500可以是能够在操作状态和非操作状态之间切换的有源设备。在施加到RPVG 500的电压为零(或更一般地低于某个最小值)的操作状态下，RPVG 500可以仅偏转(即，反射)具有与螺旋扭曲相同的旋向性的圆偏振光，但是完全透射具有其他偏振方向的光，而不改变偏振。例如，当入射圆偏振光具有与RPVG 500的螺旋扭曲相反的旋向性时，它将透射到0阶而不改变偏振。
在施加到RPVG 500的电压大于阈值电压的非操作状态下，具有正介电各向异性的LC分子可以被重新定向以与生成的电场对准，从而擦除光栅图案。也就是说，RPVG 500可以用作透明板，并且入射光可以完全透射。
类似地，与现有HMD中使用的表面浮雕光束偏转器(SRG)和全息光束偏转器(HG)相比，RPVG 500可以表现出具有大反射带宽和大衍射角的高效率，这将有益于许多应用(例如扩大近眼显示应用的视场)。此外，由于RPVG 500的偏振选择性，即RPVG 500仅允许偏转一种圆偏振光，而具有其它偏振的光将透射通过，因此可以实现非偏振入射光束的高透射。例如，当RPVG 500用作将显示的图像和现实世界集成在AR和MR HMD中的组合器时，现实世界的光的总透射率可以显著增加。
图6A示出了与所公开的实施例一致的头戴式显示器600的实施例的图示，并且图6B示出了与所公开的实施例一致的图6A中的头戴式显示器的前刚性主体的横截面650。头戴式显示器600可以包括所公开的可转移和柔性薄膜光学设备中的一个或更多个。
如图6A所示，HMD 600可以包括前刚性主体605和带610。前刚性主体605可以包括电子显示器(未示出)的一个或更多个电子显示元件、惯性测量单元(IMU)615、一个或更多个位置传感器620和定位器625。在图6A所示的实施例中，位置传感器620可以位于IMU 615内，并且IMU615和位置传感器620对用户都不可见。IMU 615、位置传感器620和定位器625。HMD 600可以充当VR或AR或MR设备，当HMD 600充当AR或MR设备时，HMD 600的部分及其内部部件可以至少部分透明。
如图6B所示，前刚性主体605可以包括一起向出射光瞳670提供图像光的电子显示器655和变焦块660。出射光瞳670可以是前刚性主体605中用户眼睛665所处的位置。为了说明的目的，图6B示出了与单只眼睛665相关联的横截面650，但与变焦块660分离的另一个变焦块660向用户的另一只眼睛提供改变的图像光。另外，HMD 600可以包括眼睛追踪系统(未示出)。眼睛追踪系统可以包括例如照亮用户的一只或两只眼睛的一个或更多个光源以及捕获用户的一只或两只眼睛的图像的一个或更多个相机。
电子显示器655可以向用户显示图像。在某些实施例中，对于用户的每只眼睛665，电子显示器655可以包括波导显示器或堆叠波导显示器。例如，堆叠波导显示器可以是多色显示器(例如，红绿蓝(RGB)显示器)，其通过堆叠波导显示器(其各自的单色源具有不同颜色)而创建。波导显示器可以包括生成图像光的光源组件和向用户的眼睛665输出扩展图像光的输出波导。输出波导可以包括用于将来自光源组件的光耦合到输出波导中的一个或更多个耦合元件、用于将来自输出波导的光去耦合到用户的眼睛665的去耦合元件、以及用于将来自耦合元件的光引导到去耦合元件的引导元件。
在所公开的实施例中，耦合元件、引导元件和去耦合元件可以通过所公开的具有相应结构化LC图案的有源和柔性LC光学设备(例如图4E所示的PBP LC偏转器)来实现。此外，在用于AR和MR应用的HMD中，可能需要一个额外的组合器，该组合器将显示的图像和现实世界集成在AR HMD中。组合器还可以通过所公开的有源和柔性LC光学设备(例如图5B中所示的RPVG 500)来实现，这不仅可以提供具有大反射带宽和大衍射角的高效率，而且还可以增强现实世界光的总透射率。
此外，变焦块660可以调整从电子显示器655发射的光的距离，使得它出现在距用户特定焦距处。变焦块660可以包括光学系列中的一个或更多个变焦结构。变焦结构是光学设备，该光学设备被配置为根据来自变焦系统的指令动态调整其焦点。变焦结构可以包括具有固定光焦度的传统透镜和/或具有可调光焦度的可变透镜(这可以通过所公开的具有相应结构化LC图案的有源和柔性LC光学设备(例如图4C所示的PBP LC透镜)来实现)。变焦结构还可以包括一个或更多个偏振管理部件，其控制入射到PBP LC透镜上的圆偏振光的旋向性，并且偏振管理部件还可以通过所公开的具有相应结构化LC图案的有源和柔性LC光学设备(例如图4B所示的LC相位延迟器)来实现。
此外，在某些实施例中，变焦块660可以放大接收光，校正与图像光相关联的光学误差，并将校正后的图像光呈现给HMD 600的用户。变焦块660可以另外包括光学系列中的一个或更多个光学元件(例如光圈、菲涅耳透镜、凸透镜、凹透镜、滤光器或影响模糊图像光的任何其他合适的光学元件)，这还可以通过所公开的具有相应结构化LC图案的有源和柔性LC光学设备来实现。
LC光学设备在HMD中的上述应用仅仅是为了说明的目的。此外，所公开的有源和柔性LC光学设备还可以用于实现眼睛追踪部件、显示分辨率增强部件和光瞳控制元件等，这些不受本公开限制。LC光学设备是自适应、光高效、重量轻和定制的光学元件，因此，通过在HMD中将LC光学设备用作多功能光学部件，HMD的重量可以显著降低，同时外观可以得到增强，从而为未来的智能眼镜开辟了可能性。
出于说明的目的，已经呈现了本公开的实施例的前述描述。它并不旨在穷举或将本公开限制于所公开的精确形式。相关领域的技术人员可以理解，根据上述公开内容，许多修改和变化是可能的。
本描述的一些部分从对信息的操作的算法和符号表示方面描述了本公开的实施例。数据处理领域的技术人员通常使用这些算法描述和表示来向本领域的其他技术人员有效地传达他们工作的实质。这些操作虽然在功能上、计算上或逻辑上进行了描述，但应理解为将由计算机程序或等效电路、微代码等来实现。此外，参考操作的这些安排作为模块时常也被证明是方便而不失一般性的。所描述的操作及其相关联的模块可以在软件、固件、硬件或它们的任何组合中被实施。
本文所描述的任何步骤、操作或过程可以用一个或更多个硬件或软件模块，单独或与其它设备相结合来执行或实现。在一个实施例中，软件模块用计算机程序产品来实现，该计算机程序产品包括含有计算机程序代码的计算机可读介质，该计算机程序代码可以由计算机处理器来执行，用于执行所描述的步骤、操作或过程的任何或全部。
本公开的实施例也可以涉及用于执行本文的操作的装置。该装置可以出于所需的目的被具体地构造，和/或它可以包括由被存储在计算机中的计算机程序来选择性地激活或重新配置的通用计算设备。这种计算机程序可以存储在非暂时性的、有形的计算机可读存储介质中，或者适于存储电子指令的任何类型的介质中，其可以耦合到计算机系统总线。此外，说明书中提到的任何计算系统可以包括单个处理器，或者可以是采用多处理器设计来提高计算能力的架构。
本公开的实施例也可以涉及由本文所述的计算过程产生的产品。这样的产品可以包括从计算过程获得的信息，其中信息被存储在非暂时性的、有形的计算机可读存储介质上并且可以包括计算机程序产品或本文所述的其他数据组合的任何实施例。最后，在说明书中使用的语言主要为了可读性和指导目的而被选择，并且它可以不被选择来描绘或限制创造性主题。因此，意图是本公开的范围不由该详细描述限制，而是由在基于其的申请上发布的任何权利要求限制。因此，实施例的公开意图对本公开的范围是说明性的，而不是限制性的，在所附权利要求中阐述了本公开的范围。

Claims (32)

1.一种设备，包括：
第一柔性电极和第二柔性电极，所述第一柔性电极和所述第二柔性电极被配置为向所述设备提供驱动电压；
双折射材料层，所述双折射材料层耦合到所述第一柔性电极和所述第二柔性电极，并且在结构上被图案化以提供所述设备的至少一个预定光学功能；和
第一光对准(PAM)层和第二PAM层，所述第一光对准(PAM)层和所述第二PAM层夹着所述双折射材料层，
其中，所述双折射材料层的结构化图案基于对所述双折射材料层中双折射材料分子的光轴的操纵。
2.根据权利要求1所述的设备，其中：
对所述双折射材料分子的所述光轴的所述操纵是通过在已经被图案化或均匀对准的所述第一PAM层和/或所述第二PAM层上对准所述双折射材料分子来实现的。
3.根据权利要求1所述的设备，其中：
所述设备能够在操作所述至少一个预定光学功能的操作状态和擦除所述至少一个预定光学功能的非操作状态之间切换。
4.根据权利要求3所述的设备，其中：
在电场不存在的情况下，所述双折射材料层的所述结构化图案由所述第一PAM层和/或所述第二PAM层控制，并且所述设备处于所述操作状态；和
在所述电场存在的情况下，所述双折射材料层的所述结构化图案由所述电场控制，并且所述设备处于所述非操作状态。
5.根据权利要求1所述的设备，其中：
所述设备是透射式或反射式光学元件。
6.根据权利要求5所述的设备，其中：
所述设备是透射式或反射式棱镜、透镜、光束偏转器、透镜阵列、棱镜阵列和相位延迟器中的一个或更多个。
7.根据权利要求1所述的设备，其中：
所述双折射材料层包括液晶(LC)材料或反应性液晶基元。
8.根据权利要求7所述的设备，其中：
所述LC材料包括向列LC、扭弯LC和手性向列LC中的一种。
9.根据权利要求1所述的设备，其中：
所述第一柔性电极和所述第二柔性电极分别与所述第一PAM层和所述第二PAM层设置在一起；和
所述双折射材料层夹在所述第一柔性电极和所述第二柔性电极之间。
10.根据权利要求1所述的设备，还包括：
绝缘层，所述绝缘层与所述第一PAM层设置在一起，并且设置在所述第一柔性电极和所述第二柔性电极之间；和
基底，所述基底与所述第二PAM层设置在一起，
其中，所述第一柔性电极和所述第二柔性电极设置在所述双折射材料层的同一侧。
11.根据权利要求10所述的设备，其中：
所述基底是被配置为向所述设备提供柔性和保护的粘合剂层。
12.根据权利要求10所述的设备，其中：
所述第一柔性电极或所述第二柔性电极是包括多个条状电极的图案化电极。
13.根据权利要求1所述的设备，其中：
所述第一柔性电极和所述第二柔性电极中的每一个包括设置在塑料薄膜上的柔性透明导电层。
14.根据权利要求1所述的设备，其中：
所述设备是柔性设备。
15.一种头戴式显示器(HMD)，包括：
设备，所述设备光学耦合到所述HMD的表面并且提供至少一个预定光学功能，所述设备包括：
第一柔性电极和第二柔性电极，所述第一柔性电极和所述第二柔性电极被配置为向所述设备提供驱动电压；
双折射材料层，所述双折射材料层耦合到所述第一柔性电极和所述第二柔性电极，并且在结构上被图案化以提供所述设备的所述至少一个预定光学功能；和
第一光对准(PAM)层和第二PAM层，所述第一PAM层和所述第二PAM层夹着所述双折射材料层，
其中，所述双折射材料层的结构化图案基于对所述双折射材料层中双折射材料分子的光轴的操纵。
16.根据权利要求15所述的HMD，其中：
对所述双折射材料分子的所述光轴的所述操纵是通过在已经被图案化或均匀对准的所述第一PAM层和/或所述第二PAM层上对准所述双折射材料分子来实现的。
17.根据权利要求15所述的HMD，其中：
所述设备能够在操作所述至少一个预定光学功能的操作状态和擦除所述至少一个预定光学功能的非操作状态之间切换。
18.根据权利要求15所述的HMD，其中：
所述设备是柔性设备。
19.一种设备，包括：
第一柔性电极和第二柔性电极，所述第一柔性电极和所述第二柔性电极被配置为向所述设备提供驱动电压；
双折射材料层，所述双折射材料层耦合到所述第一柔性电极和所述第二柔性电极，并且在结构上被图案化以提供所述设备的至少一个预定光学功能；和
第一光对准(PAM)层和第二PAM层，所述第一PAM层和所述第二PAM层夹着所述双折射材料层，
其中，所述双折射材料层的结构化图案基于对所述双折射材料层中双折射材料分子的光轴的操纵。
20.根据权利要求19所述的设备，其中：
对所述双折射材料分子的所述光轴的所述操纵是通过在已经被图案化或均匀对准的所述第一PAM层和/或所述第二PAM层上对准所述双折射材料分子来实现的。
21.根据权利要求19或20所述的设备，其中：
所述设备能够在操作所述至少一个预定光学功能的操作状态和擦除所述至少一个预定光学功能的非操作状态之间切换；
可选地，其中：
在电场不存在的情况下，所述双折射材料层的所述结构化图案由所述第一PAM层和/或所述第二PAM层控制，并且所述设备处于所述操作状态；和
在所述电场存在的情况下，所述双折射材料层的所述结构化图案由所述电场控制，并且所述设备处于所述非操作状态。
22.根据权利要求19至21中任一项所述的设备，其中：
所述设备是透射式或反射式光学元件；
可选地，其中：
所述设备是透射式或反射式棱镜、透镜、光束偏转器、透镜阵列、棱镜阵列和相位延迟器中的一个或更多个。
23.根据权利要求19至22中任一项所述的设备，其中：
所述双折射材料层包括液晶(LC)材料或反应性液晶基元；
可选地，其中：
所述LC材料包括向列LC、扭弯LC和手性向列LC中的一种。
24.根据权利要求19至23中任一项所述的设备，其中：
所述第一柔性电极和所述第二柔性电极分别与所述第一PAM层和所述第二PAM层设置在一起；和
所述双折射材料层夹在所述第一柔性电极和所述第二柔性电极之间。
25.根据权利要求19至24中任一项所述的设备，还包括：
绝缘层，所述绝缘层与所述第一PAM层设置在一起，并且设置在所述第一柔性电极和所述第二柔性电极之间；和
基底，所述基底与所述第二PAM层设置在一起，
其中，所述第一柔性电极和所述第二柔性电极设置在所述双折射材料层的同一侧。
26.根据权利要求25所述的设备，其中：
所述基底是被配置为向所述设备提供柔性和保护的粘合剂层；和/或
其中：
所述第一柔性电极或所述第二柔性电极是包括多个条状电极的图案化电极。
27.根据权利要求19至26中任一项所述的设备，其中：
所述第一柔性电极和所述第二柔性电极中的每一个包括设置在塑料薄膜上的柔性透明导电层。
28.根据权利要求19至27中任一项所述的设备，其中：
所述设备是柔性设备。
29.一种头戴式显示器(HMD)，包括：
设备，所述设备光学耦合到所述HMD的表面并且提供至少一个预定光学功能，所述设备包括：
第一柔性电极和第二柔性电极，所述第一柔性电极和所述第二柔性电极被配置为向所述设备提供驱动电压；
双折射材料层，所述双折射材料层耦合到所述第一柔性电极和所述第二柔性电极，并且在结构上被图案化以提供所述设备的所述至少一个预定光学功能；和
第一光对准(PAM)层和第二PAM层，所述第一PAM层和所述第二PAM层夹着所述双折射材料层，
其中，所述双折射材料层的结构化图案基于对所述双折射材料层中双折射材料分子的光轴的操纵。
30.根据权利要求29所述的HMD，其中：
对所述双折射材料分子的所述光轴的所述操纵是通过在已经被图案化或均匀对准的所述第一PAM层和/或所述第二PAM层上对准所述双折射材料分子来实现的。
31.根据权利要求29或30所述的HMD，其中：
所述设备能够在操作所述至少一个预定光学功能的操作状态和擦除所述至少一个预定光学功能的非操作状态之间切换。
32.根据权利要求29至31中任一项所述的HMD，其中：
所述设备是柔性设备。
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