CN114935862A - 具有纳米级图案的液晶衍射设备及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种光学设备包括液晶层，该液晶层具有以第一图案布置的第一多个液晶分子和以第二图案布置的第二多个液晶分子。第一和第二图案沿液晶层的纵向轴或横向轴彼此间隔开约20nm和约100nm的距离。第一和第二多个液晶分子被配置为可以重定向可见或红外波长的光的第一和第二光栅结构。

Description

具有纳米级图案的液晶衍射设备及其制造方法

本申请是申请号为201780083577.5的中国专利申请“具有纳米级图案的液晶衍射设备及其制造方法”(申请日为2017年11月13日)的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年10月26日提交的美国非临时专利申请号15/795,067以及2016年11月18日提交的美国临时专利申请号62/424,341的优先权益，这两个申请的全部内容在此纳入作为参考。

本申请通过引用并入以下每个专利申请的全部内容：2014年11月27日提交的美国申请No.14/555,585；2015年4月18日提交的美国申请No.14/690,401；2014年3月14日提交的美国申请No.14/212,961；2014年7月14日提交的美国申请No.14/331,218；以及2016年3月16日提交的美国申请No.15/072,290。

技术领域

本公开涉及光学设备，包括虚拟现实和增强现实成像和可视化系统。

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”体验的系统的发展，其中，数字再现的图像或其部分以它们看起来是或可能被感知是真实的方式呈现给用户。虚拟现实或“VR”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现，而不透明于其它实际的现实世界的视觉输入；增强现实或“AR”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现，作为对用户周围的现实世界的可视化的增强。混合现实或“MR”场景是一种AR场景，并且通常涉及集成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图像内容可能被现实世界中的对象阻挡或以其他方式被感知为与现实世界中的对象交互。

参考图1，描绘了增强现实场景10，其中，AR技术的用户看到以背景中的人、树、建筑为特征的真实世界的公园状的设置20以及实体平台30。除了这些项目以外，AR技术的用户也可以感知他“看到”了“虚拟内容”，诸如站在真实世界的平台30上的机器人雕像40，以及看起来像飞行的蜜蜂的化身的卡通式的头像角色50，尽管这些元素40、50不存在于真实的世界中。由于人类的视觉感知系统是复杂的，所以开发促进虚拟图像元素在其它虚拟或现实世界图像元素中的舒适的、感觉自然的、丰富的呈现的AR技术是有挑战性的。

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

本公开的系统、方法和设备分别具有若干创新方面，其中没有单个一个方面单独地负责在此公开的期望属性。

本申请的主题的创新方面体现在一种光学设备，光学设备包括具有第一主表面、第二主表面和厚度的液晶层，第一和第二主表面跨横向方向延伸，并且厚度沿平行于第一或第二主表面的表面法线的方向延伸，液晶层包括跨液晶层的厚度分布的多个子层，多个子层中的每个子层包括液晶分子的单个层，每个液晶分子具有纵向轴。每个子层包括第一域，其中多个液晶分子的纵向轴被布置为形成第一图案；以及第二域，其中多个液晶分子的纵向轴被布置为形成第二图案。第一域沿横向方向与第二域横向间隔开具有约10nm至约50nm之间的距离D的域间隙。域间隙中的液晶分子的纵向轴从第一种图案逐渐过渡到第二图案。

在设备的各种实施例中，子层的第一域的分子的纵向轴可相对于相邻子层的第一域的分子的纵向轴扭转。设备的各种实施例可以进一步包括第二液晶层，其中第二液晶层的液晶分子被配置为分别自对准到第一和第二域中的第一方向和第二方向。液晶层或第二液晶层包括可聚合液晶材料。设备的各种实施例可以进一步包括位于第二液晶层之上的第三液晶层，其中第三液晶的多个液晶分子沿第三方向布置。设备的各种实施例可以进一步包括位于第三液晶层之上的第四液晶层，其中第四液晶层的多个液晶被配置为自对准到第三方向。在各种实施例中，第二液晶层和/或第四液晶层设置在波导之上。第二液晶层和/或第四液晶层可以包括内耦合光学元件，内耦合光学元件被配置为将入射光束内耦合到波导中，使得入射光束经由全内反射通过波导传播。设备的各种实施例包括光调制设备，光调制设备被配置为经由内耦合光学元件将光引导到波导内。第二液晶层和/或第四液晶层可以包括外耦合光学元件，外耦合光学元件被配置为外耦合经由全内反射通过波导传播的入射光束。

在各种实施例中，第二液晶层和/或第四液晶层可以包括正交光瞳扩展器，该正交光瞳扩展器被配置为重定向经由全内反射通过波导传播的光，其中重定向的光继续经由全内反射通过波导传播。在设备的各种实施例中，液晶层可以包括内耦合光学元件，该内耦合光学元件被配置为将入射光束内耦合到波导中，使得入射光束经由全内反射通过波导传播。在设备的各种实施例中，液晶层可包括外耦合光学元件，该外耦合光学元件被配置为外耦合经由全内反射通过波导传播的光束。第一域中的多个液晶分子的纵向轴可以沿第一方向对准，并且第二域中的多个液晶分子的纵向轴可以沿第二方向对准。域间隙中的液晶分子的纵向轴可以从第一方向逐渐过渡到第二方向。

本申请的主题的另一创新方面包括一种制造光学设备的方法，该方法包括：在基板之上提供可聚合液晶层；图案化可聚合液晶层；以及在图案化的可聚合液晶层上沉积液晶层。沉积的液晶层的分子自对准到图案化的可聚合液晶层。图案化可聚合液晶层包括通过压印模板压印可聚合液晶层，压印模板具有包括第一多个特征的第一域和包括第二多个特征的第二域，第一域与第二域被没有特征的区域间隔开，没有特征的区域的尺寸具有约20nm至约100nm之间的值。尺寸可以包括长度或宽度中的至少一者。第一多个特征的宽度可大于或等于约20nm且小于或等于约100nm。第二多个特征的宽度可大于或等于约20nm且小于或等于约100nm。第一多个特征的两个连续特征的中心之间的距离可大于或等于约20nm且小于或等于约100nm。第一多个特征的高度可大于或等于约10nm且小于或等于约100nm。第二多个特征的两个连续特征的中心之间的距离可大于或等于约20nm且小于或等于约100nm。第二多个特征的高度可大于或等于约10nm且小于或等于约100nm。

第一域的第一多个特征可以被布置为形成第一图案，并且第二域的第二多个特征可以被布置为形成第二图案。第一图案可以不同于第二图案。第一多个特征可以沿第一方向定向，并且第二域的第二多个特征可以沿第二方向定向。第一方向可以不同于第二方向。第一多个特征可以包括直线凹槽、曲线凹槽、直线刻面或曲线刻面中的至少一者。第二多个特征可以包括直线凹槽、曲线凹槽、直线刻面或曲线刻面中的至少一者。压印模板可以包括半导体材料。在各种实施例中，压印模板可以使用光学光刻、纳米压印或离子和电子束光刻中的至少一者制造。

本申请的主题的另一创新方面包括一种制造液晶设备的方法。该方法包括在基板上沉积液晶材料的层；以及使用包括图案的压印模板在液晶材料的层上压印图案，使得液晶材料的分子自对准到图案。图案包括第一域和第二域，第一域具有被布置为形成第一图案的第一多个特征，第二域具有被布置为形成第二图案的第二多个特征。第一域与第二域被没有特征的区域间隔开。没有特征的区域的宽度或长度中的至少一者在约20nm至约100nm之间。

在各种实施例中，方法进一步包括沉积折射率低于液晶材料的折射率的材料层。可以使用平坦化模板将低折射率材料层配置为平坦化层。第一多个特征或第二多个特征可以包括表面浮雕特征。第一多个特征或第二多个特征的长度、宽度或高度中的至少一者可以在约10nm至约100nm之间。第一域或第二域可以包括PBPE结构。液晶设备可以包括超表面和/或超材料。第一域或第二域包括光栅阵列。在各种实施例中，第一域或第二域可以包括曲线凹槽或弧。

在方法的各种实施例中，沉积液晶材料的层可以包括喷射沉积液晶材料的层。方法进一步包括在液晶材料的层之上沉积液晶材料的附加层。液晶材料的附加层可以自对准到液晶材料的层的图案。可以在液晶材料的附加层上压印图案。压印在液晶材料的附加层上的图案可以不同于压印在液晶材料的层上的图案。在各种实施例中，压印在液晶材料的层上的图案可以被配置为作用于第一波长，并且压印在液晶材料的附加层上的图案可以被配置为作用于第二波长。

本申请的主题的又一创新方面包括一种制造液晶设备的方法。方法包括在基板上沉积可聚合液晶材料的层；使用压印模板在可聚合液晶材料上压印图案；以及在图案化的可聚合液晶材料上沉积液晶材料的层，使得液晶材料的分子自对准到图案。

压印模板包括压印图案，压印图案包括第一域和第二域，第一域具有被布置为形成第一图案的第一多个特征，第二域具有被布置为形成第二图案的第二多个特征。第一域与第二域被没有特征的域间隙区域间隔开。域间隙区域的宽度或长度中的至少一者在约20nm至约100nm之间。

在该方法的各种实施例中，沉积可聚合液晶材料的层可以包括喷射沉积可聚合液晶材料。第一或第二多个特征可以包括表面浮雕特征。第一或第二多个特征的尺寸可以在约10nm至约100nm之间。第一或第二域可以包括PBPE结构。液晶设备可以包括超表面和/或超材料。第一或第二域可以包括光栅阵列。第一或第二多个特征可以包括曲线凹槽或弧。在方法的各种实施例中，沉积液晶材料的层可以包括喷射沉积液晶材料的层。

该方法可以进一步包括在液晶材料的层之上沉积液晶材料的附加层。液晶材料的附加层可以自对准到液晶材料的层的图案。可以在液晶材料的附加层上压印图案。压印在液晶材料的附加层上的图案可以不同于压印在液晶材料的层上的图案。压印在液晶材料的层上的图案可以被配置为作用于第一波长，以及压印在液晶材料的附加层上的图案可以被配置为作用于第二波长。

本申请的主题的又一创新方面包括一种制造液晶设备的方法。该方法包括在基板上沉积层；使用包括压印图案的压印模板在层上压印图案；以及在图案化的层上沉积液晶材料的层，使得液晶材料的分子自对准到图案。压印图案包括第一域和第二域，第一域具有被布置为形成第一图案的第一多个特征，第二域具有被布置为形成第二图案的第二多个特征。第一域与第二域被没有特征的域间隙区域间隔开，并且域间隙区域的宽度或长度中的至少一者在约20nm至约100nm之间。

层可以包括可聚合液晶材料。在方法的各种实施例中，沉积层包括喷射沉积层。第一或第二多个特征可以包括表面浮雕特征。第一或第二多个特征的尺寸可以在约10nm至约100nm之间。第一或第二域可以包括PBPE结构或超表面。第一或第二域可以包括光栅阵列。第一或第二多个特征可以包括曲线凹槽或弧。在各种实施例中，沉积液晶材料的层可以包括喷射沉积液晶材料的层。

该方法的各种实施例可以进一步包括在液晶材料的层之上沉积液晶材料的附加层。液晶材料的附加层可以自对准到液晶材料的层的图案。可以在液晶材料的附加层上压印图案。压印在液晶材料的附加层上的图案可以不同于压印在液晶材料的层上的图案。压印在液晶材料的层上的图案可以被配置为作用于第一波长，以及压印在液晶材料的附加层上的图案可以被配置为作用于第二波长。

本申请的主题的另一创新方面包括一种液晶设备，该液晶设备包括基板；以及液晶材料的层，其具有与基板相邻的第一表面和与第一表面相对的第二表面。第二表面上的液晶材料的层的第一多个分子被布置为形成第一图案，第二表面上的液晶材料的层的第二多个分子被布置为形成第二图案。第一多个分子与第二多个分子间隔开具有约20nm至约100nm之间的距离的间隙，并且其中间隙中的液晶材料的层的分子被布置为从第一图案逐渐过渡到第二图案。在各种实施例中，液晶材料的层被配置为偏振光栅。

本申请的主题的另一创新方面包括一种液晶设备，该液晶设备包括基板；材料，其具有与基板相邻的第一表面和与第一表面相对的第二表面，以及位于材料的第二表面上的液晶材料。材料包括位于第二表面上的第一图案，以及位于第二表面上的第二图案。第一图案与第二图案间隔开具有约20nm至约100nm之间的距离的间隙。在设备的各种实施例中，材料可以包括可聚合液晶材料。

本申请的主题的创新方面在一种制造液晶透镜的方法中实现。该方法包括在基板之上提供压印层。压印层包括至少第一区域和第二区域，第一区域包括沿第一方向定向的第一多个特征，第二区域包括沿第二方向定向的第二多个特征。第二方向可以相对于第一方向旋转约1度至约45度之间的角度。该方法进一步包括在压印层上沉积液晶层，其中沉积的液晶层的分子自对准到第一和第二多个特征。在各种实现中，压印层可以包括约五至三十个之间的区域。第一和第二区域可以间隔开小于或等于约10nm的间隙。例如，第一和第二区域可以间隔开小于或等于约5nm的间隙，小于或等于约2nm和/或小于或等于约1nm的间隙。

第一或第二多个特征可以包括纳米特征，例如凹槽。第一多个特征和第二多个特征的长度或宽度可小于或等于约200nm。例如，第一多个特征和第二多个特征的长度或宽度可小于或等于约100nm。第一多个特征和第二多个特征的高度或深度可小于或等于约200nm。例如，第一多个特征和第二多个特征的高度或深度可小于或等于约100nm。

压印层可以包括半导体材料。液晶层可以包括可聚合液晶材料。该方法进一步包括在可聚合液晶材料的分子自对准到第一和第二多个特征之后聚合可聚合液晶材料。聚合可聚合液晶材料可以包括将可聚合液晶材料暴露于紫外光下。液晶透镜可以包括衍射透镜。在压印层上沉积液晶层可以包括喷射沉积液晶。

本申请的主题的一个创新方面在一种液晶透镜中实现。该液晶透镜包括图案化的基板，其包括至少第一区域和第二区域，第一区域包括沿第一方向定向的第一多个特征，第二区域包括沿第二方向定向的第二多个特征。第一多个特征和第二多个特征具有小于或等于约100nm的尺寸。透镜包括位于图案化的基板之上的液晶层；其中液晶层的分子自对准到第一和第二多个特征。尺寸可以包括特征的长度、高度、深度和宽度。液晶可以包括可聚合液晶。

图案化的基板可以包括上面设置有图案化的层的基板。第一和第二区域可以包括同心环形区域。透镜可以包括约3个至30个之间的区域。例如，透镜可以包括至少五个区域。区域的宽度随着距图案化的基板的中心的距离而逐渐减小。在各种实现中，区域之间可以没有间隙。在一些实现中，区域之间的间隙可小于或等于5nm。例如，区域之间的间隙可小于或等于1nm。透镜可以被配置为衍射透镜。透镜可以被配置为提供正负光焦度。

本文描述的液晶设备的各种实施例可以包括在显示系统的波导中。本文描述的液晶设备的实施例可以被配置为将来自多路复用光流的至少一个光流内耦合到波导中，并传输来自多路复用光流的一个或多个其它光流。本文描述的液晶设备的各种实施例可以包括在头戴式显示器的目镜中。

本说明书中描述的主题的一个或多个实施例的细节在附图和下面的描述中给出。通过描述、附图和权利要求，其它特征、方面和优点将变得显而易见。请注意，以下附图的相对尺寸可能未按比例绘制。

附图说明

图1示出了通过AR设备的用户对增强现实(AR)的视图。

图2示出了可穿戴显示系统的示例。

图3示出了用于为用户模拟三维图像的传统显示系统。

图4示出了使用多个深度平面来模拟三维图像的方法的方面。

图5A至图5C示出了曲率半径和焦点半径之间的关系。

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分量颜色形成的图像。

图9A示出了各自包括内耦合光学元件的一组堆叠波导的示例的剖面侧视图。

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10A出了包括多个液晶分子域的液晶层的示例的俯视图。图10B示出了图10所示的液晶层的放大俯视图，其中示出了每个域中液晶分子的取向。图10C、10D、10E和10F示出了图10A所示的液晶层的各种实施例的侧视图。

图11A示出了压印模板的俯视图，该压印模板包括被配置为制造图10A所示的液晶层的多个表面特征。

图11B示出了图11A所示的压印模板的侧视图。

图12A至12D示出了制造液晶层的方法的实施例，该液晶层包括以不同的图案布置的多个液晶分子。图12E示出了包括多个液晶层的堆叠液晶设备的实施例。

图13A示出了压印模板的实施例的扫描电子显微镜(SEM)图像。图13B是使用图13A的压印模板以及上面参考图12A至12C讨论的方法制造的图案化的PLC层的SEM图像。图13C是图13B所示的图案化的PLC层的偏光显微镜图像。

图14示出了可电控制的液晶设备的实施例。

图15A至15C示出了制造本文描述的各种液晶设备的方法的示例。

图16A示出了包括液晶材料的衍射透镜的实现的俯视图。

图16B示出了正交偏振器之间的透镜的实现的显微镜图像。图16B-1和16B-2示出了扫描电子显微镜(SEM)图像，该图像示出了实现液晶透镜的各区域中的纵向轴的所需对准的压印层的图案。

图17A至17C示出了制造液晶透镜的方法的示例。

图18A示出了用于制造液晶透镜的实现的压印层的扫描电子显微镜(SEM)图像。图18B示出了设置在图18A的压印层之上的液晶层的扫描电子显微镜(SEM)图像。

各附图中相同的参考标号和名称表示相同的元件。

具体实施方式

液晶(LC)包括液晶分子，这些液晶分子具有在特定条件下任意定向的纵向轴。然而，在某些其它条件下，可以对LC分子进行排序，使得纵向轴沿平均方向(在本文中被称为指向矢)定向。一些液晶分子可以关于纵向轴对称。LC是各向异性材料，其对于不同波长或偏振的光可具有不同的光学特性，具体取决于通过LC的光的传播方向以及相对于沿着LC分子通常取向的方向的光的偏振。例如，LC分子呈现出双折射，其中沿LC分子的纵向轴的一般取向的方向偏振的光的折射率与沿垂直于LC分子的纵向轴的一般取向的方向偏振的光的折射率不同。由于LC材料具有双折射性质，因此它们广泛用于各种系统，其中包括显示器、光学通信、光学数据存储、传感器等。LC材料的折射率可以通过改变LC材料的分子的纵向轴的取向来改变。因此，LC材料可以配置为相位光栅。LC光栅结构可用于基于波长和/或偏振沿不同方向选择性地衍射光。

制造LC光栅结构的一种方法包括诸如摩擦处理的机械方法，其中通过使用机械对象(例如，金属物体、布、原子力显微镜的尖端等)摩擦或刮擦对准层的表面而在对准层(例如，聚合物)上产生表面特征。沉积在对准层上的LC材料层的分子与对准层上的表面特征对准，以形成光栅图案。然而，摩擦处理会给对准层表面造成机械损伤和/或在对准层表面上引入静电电荷或杂质，这会降低液晶光栅结构的衍射效率。此外，使用摩擦方法制造复杂的光栅结构(例如，包括具有不同LC分子取向的图案的LC光栅)可能不实际。另外，制造可用于操纵入射光的相位、振幅和/或偏振的空间变化的纳米级液晶材料图案可能不实际。相反，本文描述的各种实现可用于制造能够用于操纵入射光的相位、振幅和/或偏振的空间变化的纳米级液晶材料图案。具有空间变化的纳米级图案的液晶材料的一些实施例可以包括液晶超表面。具有空间变化的纳米级图案的液晶材料的其它实施例可以包括含有多个相邻域的液晶，其中每个域中的液晶分子可以被布置为形成纳米级图案。

在一些实施例中，LC光栅结构可用作显示系统的组成部分。显示系统可以包括波导，以及被配置为将光束引导到波导内的图像注入设备。LC光栅结构可以用作内耦合光学元件、外耦合光学元件和用于接收在波导中传播的入射光并且用于重定向该入射光，使得重定向光继续经由全内反射通过波导传播的光学元件中的一者或多者。后一种类型的光学元件的示例包括光瞳扩展器，例如正交光瞳扩展器(OPE)。

在一些实施例中，LC光栅结构可用于内耦合、外耦合和/或重定向在波导内传播的光。光可以是单一波长的光或单一波长范围内的光。在一些其它实施例中，光可以是光流，其是包括具有不同光特性(例如，每个流可以具有不同波长)的多个光流的多路复用光流的一部分。例如，波导可以包括LC光栅结构，其可以被配置为选择性地重定向由具有特定光特性(例如，第一波长)的光形成的光束，同时基本上透射一个或多个其它光流(例如，具有与第一波长不同的波长)。在一些实施例中，波导是波导堆叠的一部分，波导堆叠可以包括第二波导，该第二波导包括内耦合光学元件，该内耦合光学元件被配置为选择性地转向第二光流，同时透射一个或多个其它光流。在一些实施例中，波导的内耦合LC光栅结构被配置为将至少一个光流透射到第二波导的内耦合LC光栅结构。

现在将参考附图，其中相同的参考标号始终表示相同的部件。应当理解，本文公开的实施例通常包括光学系统，该光学系统包括显示系统。在一些实施例中，显示系统是可穿戴的，其可以有利地提供更具沉浸感的VR或AR体验。例如，包含一个或多个波导(例如，波导堆叠)的显示器可以被配置为穿戴定位在用户、穿戴者和/或观看者的眼睛前方。在一些实施例中，可以利用两个波导堆叠(一个波导堆叠用于观看者的一只眼睛)向每只眼睛提供不同的图像。

示例显示系统

图2示出可穿戴显示系统60的示例。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可以耦合到框架80，框架80可由显示系统用户或观看者90佩戴并且被配置为将显示器70定位在用户90的眼睛前方。在一些实施例中，显示器70可以被认为是眼镜。在一些实施例中，扬声器100耦合到框架80并且被配置为定位成邻近用户90的耳道(在一些实施例中，未示出的另一个扬声器定位成邻近用户的另一个耳道以提供立体声/可塑造声音控制)。在一些实施例中，显示系统还可以包括一个或多个麦克风110或其他设备来检测声音。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、自然语言问题等的选择)，和/或可以允许与其他人(例如，与类似显示系统的其他用户)的音频通信。麦克风还可以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，外围传感器120a可以与框架80分离并且附接到用户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2，显示器70通过通信链路130(诸如通过有线导线或无线连接)可操作地耦合到本地数据处理模块140，该本地数据处理模块140可以以各种配置安装，诸如固定地附接到框架80，固定地附接到用户穿戴的头盔或帽子，嵌入到耳机中，或以其它方式可移除地附接到用户90(例如，以背包方式的配置，以带式耦合方式的配置)。类似地，传感器120a可以通过通信链路120b(例如，有线导线或无线连接)可操作地耦合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诸如非易失性存储器(例如，闪速存储器或硬盘驱动器)的数字存储器，二者都可用于辅助数据的处理、缓冲以及存储。数据包括如下数据：a)从传感器(其可以例如可操作地耦合到框架80或以其他方式附接到用户90)捕获的数据，诸如图像捕获设备(诸如相机)、麦克风、惯性测量单元、加速度计、指南针、GPS单元、无线电设备、陀螺仪和/或在此公开的其他传感器；和/或b)使用远程处理模块150和/或远程数据储存库160获取和/或处理的数据(包括与虚拟内容有关的数据)，可能在这种处理或检索之后传送给显示器70。本地处理和数据模块140可以通过诸如经由有线或无线通信链路的通信链路170、180操作性地耦合到远程处理模块150和远程数据储存库160，使得这些远程模块150、160可操作性地彼此耦合并作为资源可用于本地处理和数据模块140。在一些实施例中，本地处理和数据模块140可以包括以下中的一个或多个：图像捕获设备、麦克风、惯性测量单元、加速度计、指南针、GPS单元、无线电设备和/或陀螺仪。在一些其他实施例中，这些传感器中的一个或多个可以附接到框架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2，一些实施例中，远程处理模块150可以包括被配置为分析和处理数据的一个或多个处理器。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，其可以通过互联网或其它网络配置以“云”资源配置而可用。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，其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全部数据，并且执行全部计算，允许从远程模块完全自主使用。

将图像感知为“三维”或“3D”可以通过向观看者的每只眼睛提供稍微不同的图像呈现来实现。图3示出用于为用户模拟三维图像的传统显示系统。两个不同的图像190、200被输出给用户，一个图像用于每只眼睛210、220。图像190、200与眼睛210、220沿着平行于观看者视线的光轴线或z轴线间隔开距离230。图像190、200是平坦的，并且眼睛210、220可以通过呈现(assume)单个适应(accommodate)状态来聚焦在图像上。这种3D显示系统依赖于人类视觉系统以组合图像190、200来提供组合图像的深度和/或缩放的感知。

然而，应当理解，人类视觉系统更加复杂，并且提供对深度的现实感知是更具挑战性的。例如，传统的“3-D”显示系统的许多观看者发现这种系统不舒服，或者根本不能感知到深度感。不受理论的限制，相信对象的观看者可能由于聚散度和适应性的组合而将该对象感知为“三维”。两只眼睛彼此相对的聚散运动(即，眼睛的旋转使得瞳孔彼此相向或远离运动，以会聚眼睛的视线来注视对象)与眼睛晶状体和瞳孔的聚焦(或“适应性”)密切相关。在正常情况下，改变眼睛晶状体的焦点或适应眼睛，以将焦点从在不同距离处的一个对象改变到另一个对象，将会在称为“适应性聚散度反射(accommodation-vergence reflex)”的关系以及瞳孔的扩张或收缩下自动地导致在聚散度上的匹配改变达到相同的距离。同样，在正常情况下，聚散度的改变将引发晶状体形状和瞳孔尺寸的适应性的匹配改变。如在此所指出的，许多立体或“3-D”显示系统使用稍微不同的呈现(并且因此稍微不同的图像)来向每只眼睛显示场景，以使得人类视觉系统感知到三维视角。然而，这种系统对于许多观看者来说是不舒服的，因为，除此之外，这些系统仅提供场景的不同呈现，但是眼睛以单一适应状态观看所有图像信息，并且针对“适应性聚散度反射”进行工作。提供适应性和聚散度之间的更好匹配的显示系统可以形成更逼真且舒适的三维图像模拟，这有助于增加佩戴持续时间并且进而符合诊断和治疗方案。

图4示出使用多个深度平面来模拟三维图像的方法的方面。参考图4，在z轴线上距眼睛210、眼睛220的不同距离处的对象由眼睛210、220适应，使得那些对象在焦点中。眼睛210、220呈现特定的适应状态，在沿着z轴线的不同距离处聚焦到对象中。因此，可以说特定的适应状态与深度平面240中的特定一个深度平面相关联，该特定深度平面具有相关联的焦距，以使得当眼睛处于该深度平面的适应状态时，特定深度平面中的对象或对象的部分被聚焦。在一些实施例中，可以通过为眼睛210、220中的每一只眼睛提供不同的图像呈现来模拟三维图像，并且还通过提供与深度平面中每一个深度平面对应的图像的不同呈现来模拟三维图像。尽管为了清楚说明而示出为分离的，但应理解的是，例如，随着沿着z轴的距离增加，眼睛210、220的视场可能重叠。另外，虽然为了便于说明而示出为平坦的，但应理解的是，深度平面的轮廓可以在物理空间中是弯曲的，以使得深度平面中的所有特征在特定的适应状态下与眼睛对焦。

对象与眼睛210或220之间的距离还可以改变来自该对象的光的发散量，如该眼睛所观察的。图5A-5C示出了距离与光线的发散之间的关系。对象与眼睛210之间的距离以距离减小的顺序表示为R1、R2和R3。如在图5A-5C中所示，随着到对象的距离减小，光线变得更加发散。随着距离的增加，光线变得更加准直。换句话说，可以说由点(对象或对象的部分)产生的光场具有球面波前曲率，这是该点距用户眼睛有多远的函数。曲率随着对象和眼睛210之间的距离减小而增加。因此，在不同的深度平面处，光线的发散度也不同，发散度随着深度平面与观看者的眼睛210之间的距离减小而增加。尽管在图5A-5C和在此的其它附图中为了清楚说明仅示出单只眼睛210，将会理解，关于眼睛210的讨论可以应用于观看者的双眼210和220。

不受理论的限制，据信人类眼睛通常可以解释有限数量的深度平面以提供深度感知。因此，通过向眼睛提供与这些有限数量的深度平面中的每一个平面对应的图像的不同呈现，可以实现感知深度的高度可信的模拟。不同的呈现可以由观看者的眼睛单独聚焦，从而有助于基于针对位于不同深度平面上的场景而聚焦不同图像特征所需的眼睛适应性和/或基于观察离焦的不同深度平面上的不同图像特征，向用户提供深度线索。

图6示出用于向用户输出图像信息的波导堆叠的示例。显示系统250包括可以用于采用多个波导270、280、290、300、310向眼睛/大脑提供三维感知的波导堆叠或堆叠波导组件260。在一些实施例中，显示系统250是图2的系统60，图6更详细地示意性示出了该系统60的一些部分。例如，波导组件260可以是图2的显示器70的一部分。将清楚的是，在一些实施例中，显示系统250可以被认为是光场显示器。

继续参考图6，波导组件260还可以包括在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可以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的深度平面相关联，并且可以被配置为输出与该深度平面对应的图像信息。图像注入装置360、370、380、390、400可以用作波导的光源并且可用于将图像信息注入到波导270、280、290、300、310中，如在此所述，其中的每一个可以被配置为分布入射光穿过每一个相应的波导，用于向眼睛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出射并被注入到波导270、280、290、300、310的相应输入表面460、470、480、490、500。在一些实施例中，输入表面460、470、480、490、500中的每一个可以是相应波导的边缘，或者可以是相应波导的主表面的一部分(即，直接面向世界510或观看者的眼睛210的波导表面中的一个)。在一些实施例中，可以将单个光束(例如，准直光束)注入到每一个波导中，以便与特定波导相关联的深度平面对应的特定角度(和发散量)输出朝向眼睛210定向的克隆准直光束的整个视场。在一些实施例中，图像注入设备360、370、380、390、400中的单个一个图像注入装置可以与波导270、280、290、300、310中的多个(例如三个)相关联并将光注入到其中。

在一些实施例中，图像注入装置360、370、380、390、400是分立显示器，其每一个产生用于分别注入到相应波导270、280、290、300、310中的图像信息。在一些其它实施例中，图像注入装置360、370、380、390、400是单个复用显示器的输出端，其可以例如经由一个或多个光导管(诸如光缆)向图像注入装置360、370、380、390、400中的每一个图像注入装置输送图像信息。应该理解，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，不同的分量颜色，如在此所讨论的)。

在一些实施例中，由包括光模块530的光投影仪系统520提供注入到波导270、280、290、300、310中的光，光模块530可以包括诸如发光二极管(LED)的光发射器。来自光模块530的光可以经由分束器550由光调制器540(例如，空间光调制器)进行引导和修改。光模块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。空间光调制器的示例包括液晶显示器(LCD)，其包括硅上液晶(LCOS)显示器。

在一些实施例中，显示系统250可以是包括一个或多个扫描光纤的扫描光纤显示器，扫描光纤被配置为将光以各种模式(例如，光栅扫描、螺旋扫描、李萨如模式等)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可以示意性表示单个扫描光纤或扫描光纤束，其被配置为将光注入到一个或多个波导270、280、290、300、310。在一些其他实施例中，所示的图像注入设备360、370、380、390、400可以示意性表示多个扫描光纤或多个扫描光纤束，每个扫描光纤被配置为将光注入到波导270、280、290、300、310中的相关联一个。将理解的是，一个或多个光纤可以被配置为将光从光模块530发送到一个或多个波导270、280、290、300、310。应当理解，可以在扫描光纤或光纤与一个或多个波导270、280、290、300、310之间提供一个或多个中间光学结构，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控制一个或多个堆叠波导组件260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可以是本地数据处理模块140的一部分。控制器560包括根据例如在此公开的各种方案中的任一个来调节到波导270、280、290、300、310的图像信息的定时和提供的编程(例如，在非暂时性介质中的指令)。在一些实施例中，控制器可以是单个整体装置，或通过有线或无线通信通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2)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)在每一个相应的波导内传播光。波导270、280、290、300、310可以每一个是平面的或具有其他形状(例如，弯曲的)，具有主要的顶表面和底表面以及在这些主要的顶表面和底表面之间延伸的边缘。在所示的配置中，波导270、280、290、300、310每一个可以包括外耦合光学元件570、580、590、600、610，其被配置为通过重定向光从波导中提取光，该光在每个相应的波导内传播，从波导出来以将图像信息输出到眼睛210。提取的光也可以被称为外耦合光，并且外耦合光学元件光也可以被称为光提取光学元件。提取的光束可以在波导中传播的光照射光提取光学元件的位置处被波导输出。外耦合光学元件570、580、590、600、610可以例如是包括衍射光学特征的光栅，如在此进一步讨论的。虽然为了便于描述和清晰起见而将其图示设置在波导270、280、290、300、310的底部主表面处，但是在一些实施例中，外耦合光学元件570、580、590、600、610可以设置在顶部和/或底部主表面处，和/或可以直接设置在波导270、280、290、300、310的体积中，如在此进一步讨论。在一些实施例中，外耦合光学元件570、580、590、600、610可以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。在一些其它实施例中，波导270、280、290、300、310可以是单片材料，并且外耦合光学元件570、580、590、600、610可以形成在那片材料的表面上和/或那片材料的内部中。

继续参考图6，如在此所讨论的，每一个波导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，最接近眼睛的波导270可以被配置为将准直光(其被注入到这种波导270中)传送到眼睛210。准直光可以代表光学无限远焦平面。下一个上行波导280可以被配置为在准直光可以到达眼睛210之前发出穿过第一透镜350(例如，负透镜)的准直光；这种第一透镜350可以被配置为产生轻微的凸面的波前曲率，以使得眼睛/大脑将来自下一个上行波导280的光解释为来自第一焦平面，该第一焦平面从光学无穷远更靠近向内朝向眼睛210。类似地，第三上行波导290在到达眼睛210之前使其输出光通过第一350和第二340透镜两者；第一350和第二340透镜的组合光强度可被配置为产生另一增量的波前曲率，以使得眼睛/大脑将来自第三波导290的光解释为来自第二焦平面，该第二焦平面从光学无穷远比来自下一个上行波导280的光更靠近向内朝向人。

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通过它与眼睛之间的全部透镜发送其输出，用于代表最靠近人的焦平面的聚合(aggregate)焦度。当在堆叠波导组件260的另一侧上观看/解释来自世界510的光时，为了补偿透镜320、330、340、350的堆叠，补偿透镜层620可以设置在堆叠的顶部处以补偿下面的透镜堆叠320、330、340、350的聚合焦度。这种配置提供了与可用波导/透镜配对一样多的感知焦平面。波导的外耦合光学元件和透镜的聚焦方面两者可以是静态的(即，不是动态的或电激活的)。在一些替代实施例中，两者之一或者两者可以是使用电激活特征而动态的。

在一些实施例中，波导270、280、290、300、310中的两个或更多个可以具有相同的关联深度平面。例如，多个波导270、280、290、300、310可以被配置为输出设定到相同深度平面的图像，或波导270、280、290、300、310的多个子集可以被配置为输出设定到相同的多个深度平面的图像，其中对于每个深度平面设定一个。这可以为形成平铺图像提供优势，以在这些深度平面处提供扩大的视场。

继续参考图6，外耦合光学元件570、580、590、600、610可以被配置为将光重定向到它们相应的波导之外并且对于与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，具有不同相关联深度平面的波导可具有外耦合光学元件570、580、590、600、610的不同配置，其取决于相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，光提取元件570、580、590、600、610可以是体积或表面特征，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可以是体积全息图、表面全息图和/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，用于形成气隙的包层和/或结构)。

在一些实施例中，外耦合光学元件570、580、590、600、610是形成衍射图案或“衍射光学元件”(在此也称为“DOE”)的衍射特征。优选地，DOE具有充分低的衍射效率，以使得仅光束的一部分通过DOE的每一个交点偏转向眼睛210，而其余部分经由TIR继续移动通过波导。携带图像信息的光因此被分成多个相关的出射光束，该出射光束在多个位置处离开波导，并且该结果对于在波导内弹跳(bounce)的该特定准直光束是朝向眼睛210的相当均匀图案的出射发射。

在一些实施例中，一个或多个DOE可以在它们主动地衍射的“开”状态和它们不显著衍射的“关”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，其中微滴在主体介质中包含衍射图案，并且微滴的折射率可以切换为基本上匹配主体材料的折射率(在这种情况下，图案不明显地衍射入射光)，或者微滴可以切换为与主体介质的指数不匹配的指数(在这种情况下，该图案主动地衍射入射光)。

在一些实施例中，可以提供相机组件630(例如，数码相机，包括可见光和红外光相机)来捕获眼睛210的图像和/或眼睛210周围的组织，从而例如检测用户输入和/或监视用户的心理状态。如本文所使用，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将光(例如，红外光)投射到眼睛的光源，然后该光可以由眼睛反射并且由图像捕获设备检测。在一些实施例中，相机组件630可以附接到框架80(图2)并且可以与处理模块140和/或150电连接，处理模块140和/或150可以处理来自相机组件630的图像信息以做出关于如本文所讨论的用户的心理状态有关的各种确定。将理解的是，用户的心理状态有关的信息可以用于确定用户的行为或情绪状态。这样的信息的示例包括用户的移动和/或用户的面部表情。然后可以利用收集的环境和/或虚拟内容数据对用户的行为或情绪状态进行三角测量，以便确定行为或情绪状态、生理状态、和环境或虚拟内容数据之间的关系。在一个实施例中，针对每个眼睛可以使用一个相机组件630，以分开监视每个眼睛。

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，但是可以理解，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处被注入到波导270中，并且通过TIR在波导270内传播。在光640撞击在DOE 570上的点处，一部分光如出射光束650离开波导。出射光束650被示出为基本上平行，但是如在此所讨论的，取决于与波导270相关联的深度平面，该出射光束650同样可以以一定角度(例如，形成发散的出射光束(bean))被重定向以传播到眼睛210。应该理解的是，基本上平行的出射光束可以指示具有一个或多个外耦合光学元件的波导，其中外耦合光学元件外耦合光以形成看起来被设定在距眼睛210较大距离(例如，光学无穷远)处的深度平面上的图像。其它波导或者其他外耦合光学元件组可以输出更加发散的出射光束图案，这将需要眼睛210适应更近距离以将它聚焦在视网膜上，并且将被大脑解释为光来自比光学无穷远更接近眼睛210的距离。

在一些实施例中，可以通过在每个分量颜色(例如三种或更多种分量颜色)中覆盖图像，在每个深度平面处形成全色图像。图8示出了堆叠的波导组件的示例，其中每个深度平面包括使用多个不同分量颜色形成的图像。所示实施例示出深度平面240a-240f，但也可以考虑更多或更少的深度。每个深度平面可以具有与其相关联的三个或多个分量颜色图像，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。在图中通过字母G、R和B之后的屈光度(dpt)的不同数字表示不同的深度平面。正如作为示例，这些字母的每个字母之后的数字表示屈光度(1/m)，或者深度平面与观看者距离的倒数，并且图中的每个框代表单个分量颜色图像。在一些实施中，为了考虑眼睛对于不同波长的光的聚焦上的差异，可以改变针对不同分量颜色的深度平面的精确放置。例如，对于给定深度平面的不同分量颜色图像可以被放置在与距用户的不同距离对应的深度平面上。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，每个分量颜色的光可以由单个专用波导输出，并且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，并且可以为每个深度平面提供三个波导，其中为每个深度平面提供三个分量颜色图像。虽然为了便于描述，在该图中示出与每个深度平面相关联的波导彼此相邻，但是应该理解，在物理设备中，波导可以全部以每个层级一个波导的形式布置在堆叠中。在一些其它实施例中，多个分量颜色可以由相同的波导输出，使得例如可以为每个深度平面仅提供单个波导。

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、绿色或蓝色中的一个或多个颜色之外，还可以使用与其他波长的光相关联的其他颜色(包括品红色和青色)，或者这些其他颜色可以代替红色、绿色或蓝色中的一个或多个颜色。在一些实施例中，特征320、330、340和350可以是有源或无源光学滤波器，其被配置为阻挡或选择性地透射从周围环境到观察者的眼睛的光。

应当理解的是，贯穿本公开对给定颜色的光的参考将被理解为包括一个或多个波长的光，该一个或多个波长的光被观看者感知为该给定颜色的光的波长范围内。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察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。另外，显示器250的波导的内耦合、外耦合、以及其他光重定向结构可以被配置为将该光从显示器引导出并朝向用户的眼睛210发射，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，入射在波导上的光可能需要被重定向以将该光内耦合到波导中。可以使用内耦合光学元件来将光重定向并将光内耦合到其对应的波导中。图9A示出了各自包括内耦合光学元件的多个堆叠波导或堆叠波导组660的示例的横截面侧视图。波导可以各自被配置为输出一个或多个不同波长的光，或者一个或多个不同波长范围的光。应当理解的是，堆叠660可以对应于堆叠260(图6)，并且所示出的堆叠660的波导可以对应于多个波导270、280、290、300、310的一部分，除了来自图像注入装置360、370、380、390、400中的一个或多个的光从需要光重定向以进行内耦合的位置注入到波导中。

示出的堆叠波导组660包括波导670、680和690。每个波导包括相关的内耦合光学元件(其还可以被称为波导上的光输入区域)，具有例如设置在波导670的主表面(例如，上部主表面)上的内耦合光学元件700，设置在波导680的主表面(例如，上部主表面)上的内耦合光学元件710，以及设置在波导690的主表面(例如，上部主表面)上的内耦合光学元件720。在一些实施例中，内耦合光学元件700、710、720中的一个或多个可以设置在相应的波导670、680、690的底部主表面上(尤其是在一个或多个内耦合光学元件是反射、偏转的光学元件的情况下)。如所示，内耦合光学元件700、710、720可以被设置在它们相应的波导670、680、690的上部主表面上(或下一个较低波导的顶部)，特别是在那些内耦合光学元件是透射、偏转的光学元件的情况下。在一些实施例中，内耦合光学元件700、710、720可以设置在相应的波导670、680、690的主体中。在一些实施例中，如在此所讨论的，内耦合光学元件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。虽然在他们相应的波导670、680、690的一侧或角部上示出，但应理解的是，在一些实施例中，内耦合光学元件700、710、720可设置在它们相应的波导670、680、690的其他区域中。

如所示，内耦合光学元件700、710、720可以彼此横向偏移。在一些实施例中，每个内耦合光学元件可以偏移使得它接收光而该光没有穿过另一内耦合光学元件。例如，每个内耦合光学元件700、710、720可以被配置为从图6所示的不同图像注入设备360、370、380、390和400接收光，并且可以与其他内耦合光学元件700、710、720分离(例如，横向间隔开)使得它基本上不接收来自内耦合光学元件700、710、720中的其他内耦合光学元件的光。

每个波导还包括相关联的光分布元件，具有例如设置在波导670的主表面(例如，顶部主表面)上的光分布元件730，设置在波导680的主表面(例如，顶部主表面)上的光分布元件740，以及设置在波导690的主表面(例如，顶部主表面)上的光分布元件750。在一些其他实施例中，光分布元件730、740、750可以分别设置在相关联的波导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可以分别设置在相关联的波导670、680、690的顶部和底部主表面上；或光分布元件730、740、750可以分别设置在不同的相关联的波导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且分离。例如，如图所示，层760a可以分离波导670和波导680；并且层760b可以分离波导680和波导690。在一些实施例中，层760a和760b由低折射率材料(即，具有比形成波导670、680、690中的紧邻波导的材料的折射率低的材料)形成。优选地，形成层760a、760b的材料的折射率比形成波导670、680、690的材料的折射率0.05或更大，或者0.10或更小。有利的是，较低折射率层760a、760b可以用作促进穿过波导670、680、690的光的TIR(例如，每个波导的顶部和底部主表面之间的TIR)的包层。在一些实施例中，层760a、760b由空气形成。虽然未示出，但应当理解的是，图示的波导组660的顶部和底部可以包括紧邻的包层。

优选地，为了便于制造和其他考虑，形成波导670、680、690的材料类似或相同，并且形成层760a、760b的材料类似或相同。在一些实施例中，形成波导670、680、690的材料可以在一个或多个波导之间不同，和/或形成层760a、760b的材料可以不同，同时仍然保持上述的各种折射率关系。

继续参考图9A，光线770、780、790入射在波导组660上。应该理解的是，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具有不同的性质，例如不同的波长或不同的波长范围，其可以对应于不同的颜色。内耦合光学元件700、710、720各自将入射光偏转，使得该光通过TIR传播经过波导670、680、690中的相应波导。

例如，内耦合光学元件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。类似地，经透射的光线780照射在内耦合光学元件710上并被其偏转，该内耦合光学元件710被配置为偏转第二波长或第二波长范围的光。同样，光线790由内耦合光学元件720偏转，该内耦合光学元件720被配置为选择性地偏转第三波长或第三波长范围的光。

继续参照图9A，经偏转的光线770、780、790被偏转，使得它们传播通过相应的波导670、680、690；也就是说，每个波导的内耦合光学元件700、710、720将光偏转到相应的波导670、680、690中以将光内耦合到该相应的波导中。光线770、780、790以使得光通过TIR传播通过相应的波导670、680、690的角度被偏转。光线770、780、790通过TIR传播通过相应的波导670、680、690，直到入射在波导的相应的光分布元件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，内耦合的光线770、780、790分别被内耦合光学元件700、710、720偏转，然后通过TIR分别在波导670、680、690内传播。然后光线770、780、790分别入射在光分布元件730、740、750上。光分布元件730、740、750使光线770、780、790偏转，使得它们分别向外耦合光学元件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将光偏转或分布到外耦合光学元件800、810、820，并且还在该光传播到外耦合光学元件时增加该光束或光斑尺寸。在一些实施例中，例如在光束尺寸已经具有期望尺寸的情况下，可以省略光分布元件730、740、750，并且可以将内耦合光学元件700、710、720配置为将光直接偏转到外耦合光学元件800、810、820。例如，参照图9A，光分布元件730、740、750可以分别被外耦合光学元件800、810、820替代。在一些实施例中，外耦合光学元件800、810、820是引导观看者的眼睛210中的光(图7)的出瞳(EP)或出瞳扩展器(EPE)。应当理解，OPE可以被配置为在至少一个轴线上增加眼箱的尺寸，并且EPE可以被配置为在与OPE的轴线交叉(例如，正交)的轴线上增加眼箱。

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；内耦合光学元件700、710、720；光分布元件(例如，OPE)730、740、750；以及针对每种分量颜色的外耦合光学元件(例如，EP)800、810、820。波导670、680、690可以在每一个波导之间用气隙/包层堆叠。内耦合光学元件700、710、720将入射光(具有接收不同波长的光的不同内耦合光学元件)重定向或偏转到其波导中。然后光以将会导致相应的波导670、680、690内的TIR的角度进行传播。在所示的示例中，光线770(例如，蓝光)被第一内耦合光学元件700偏转，然后继续在波导向下反弹(bounce)，与光分布元件(例如OPE)730相互作用，然后以前面所述的方式与外耦合光学元件(例如，EP)800相互作用。光线780和790(例如，分别为绿光和红光)将穿过波导670，其中光线780照射在内耦合光学元件710上并且被其偏转。然后，光线780经由TIR在波导680向下反弹，继续前进到其光分布元件(例如，OPE)740，然后到达外耦合光学元件(例如，EP)810。最后，光线790(例如，红光)穿过波导690以照射在波导690的光内耦合光学元件720上。光内耦合光学元件720使光线790偏转，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到外耦合光学元件(例如，EP)820。外耦合光学元件820最后将光线790向外耦合到观看者，该观看者还从其他波导670、680接收外耦合光。

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。如图所示，波导670、680、690以及每个波导的相关联的光分布元件730、740、750和相关联的外耦合光学元件800、810、820可以垂直对准。然而，如本文所讨论的，内耦合光学元件700、710、720不是垂直对准的；而是，内耦合光学元件优选地不重叠(例如，如在俯视图中所见，横向间隔开)。如本文进一步讨论的，该非重叠空间布置有助于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内耦合光学元件的布置可以称为移位光瞳系统，并且这些布置内的内耦合光学元件可以对应于子光瞳。

液晶光栅

液晶是部分有序的材料，其分子通常成形为可以沿某个方向对准的棒或盘。可以通过使用与分子相互作用的模板图案(例如，通过空间和/或锚定能量相互作用)来操纵液晶的分子沿其取向的方向和图案。此外，液晶材料可以包括手性掺杂物和/或反应性液晶原(RM)。手性掺杂物可以使液晶分子在液晶材料的厚度之上旋转，并且反应性液晶原可以允许液晶分子的取向和位置通过聚合固定。该旋转可以按照对应于诸如图10C所示的扭转角(Ф)的增量进行。

如本文所述，上面参考图9A和9B讨论的内耦合光学元件700、710、720；光分布元件(例如，OPE)730、740、750；以及外耦合光学元件(例如，EP)800、810、820可以包括用于将光导入和/或导出波导670、680、690的液晶光栅结构。液晶光栅结构可以优选地以相对于光栅的法线的大角度衍射或重定向光，例如以促进将光内耦合到波导中，使得光经由TIR传播通过波导。另外，如果液晶光栅结构对于宽范围的入射角具有高衍射效率，则可能是优选的。一些类型的液晶光栅(即偏振光栅)可以在宽范围的入射角上以大衍射角呈现出高衍射效率，这可以经由TIR将光引导到波导中。然而，传统的对准方法(包括光对准和微摩擦技术)对于批量制造的缩放和LC材料的空间图案的基本限制具有挑战。相对于具有子波长特征(例如，纳米级图案)的压印模板的LC对准可以允许批量制造和/或提供创建任意空间图案的灵活性。

传统衍射光栅的各种实施例可以仅对小范围的波长实现高衍射效率。因此，它们无法执行宽带操作。已经发现，包括子波长特征的超表面(metasurface)能够通过改变入射光的相位、振幅和/或偏振来对光学波前进行整形。LC材料(其中使用具有形成超表面的纳米级特征的压印模板来对准LC分子)可用于获得液晶超表面，液晶超表面可具有与液晶块状材料的光学特性不同的光学特性。例如，液晶超表面是宽带的，并且能够高效率地衍射以宽范围的入射角入射的宽范围的波长内的入射光。例如，LC超表面能够以大致相同的衍射效率，沿所需方向衍射入射光的红色、绿色和蓝色波长。LC超表面的示例可以包括液晶超材料和/或基于液晶的Pancharatnam-Berry相位光学元件(PBPE)。

使用本文讨论的使用纳米压印技术的液晶分子的对准可用于制造具有多个不同对准图案的液晶材料，其中液晶分子指向矢在相邻对准图案之间逐渐过渡(例如，连续过渡)。在各种实施例中，光栅周期可以指具有沿相同方向定向的纵向轴的光栅结构的两个连续液晶分子的中心之间的距离。在具有多个相邻对准图案的液晶材料的一些实施例中，光栅周期可以指每个对准图案的连续液晶分子的中心之间的距离。

有利地，本文讨论的各种液晶光栅结构优选地被配置为针对宽范围的入射角(例如，围绕表面法线的至少约±20度之间，围绕表面法线的至少约±30度之间，围绕表面法线的至少约±45度之间等等)提供高衍射效率。例如，液晶光栅结构可以被配置为对于以相对于约400nm和约700nm之间的波长的表面法线约±50度之间的角度入射的光提供至少约10％(例如，至少20％、30％、40％、50％、60％或75％)的衍射效率。因此，本文描述的液晶光栅结构可以有利地对光的入射角具有低灵敏度。在一些实施例中，本文讨论的液晶光栅结构被配置为窄带。例如，本文讨论的液晶光栅结构可以被配置为衍射约400nm和约450nm之间；约450nm和约500nm之间；约500nm和约550nm之间；约550nm和约600nm之间；约600nm和约650nm之间；约650nm和约700nm之间的可见光谱范围内的波长。在一些其它实施例中，本文讨论的液晶光栅结构被配置为宽带。例如，本文讨论的液晶光栅结构可以被配置为衍射约400nm和约700nm之间的可见光谱范围内的波长。作为另一示例，本文讨论的液晶光栅结构可以被配置为衍射约250nm至400nm之间的紫外光谱范围内的波长。作为又一示例，本文讨论的液晶光栅结构可以被配置为衍射例如约700nm至1微米之间，约1微米至3微米之间，约1.5微米至5微米之间，约3微米至10微米之间或这些范围的任何组合或这些范围内的任何子范围或子范围的组合内的红外光谱范围内的波长。作为另一示例，光栅结构可以被配置为衍射具有在约300nm和约10μm之间范围的波长的入射光。优选地，当在显示器应用中采用本文讨论的液晶光栅结构时，光栅结构被配置为衍射可见光(例如在红色、绿色和/或蓝色光谱范围内)。在各种实施例中，液晶光栅结构可衍射可见光(例如在红色、绿色和/或蓝色光谱范围内)，使得光以宽衍射角(例如，适合于上面形成光栅结构的波导内的TIR的角度)离开光栅结构传播。本文讨论的液晶光栅结构可以具有约100nm和约100μm之间的范围内的光栅周期，这取决于光栅结构被配置为在其上操作的波长范围。例如，光栅结构的周期可以在约10nm和约50nm之间；在约20nm和约60nm之间；在约30nm和约70nm之间；在约40nm和约80nm之间；在约50nm和约90nm之间；在约60nm和约100nm之间；在约100nm和约200nm之间；在约200nm和约350nm之间；在约330nm和约410nm之间；在约370nm和约480nm之间；在约450nm和约510nm之间；在约500nm和约570nm之间；在约550nm和约700nm之间；在约650nm和约1μm之间；在约980nm和约3μm之间；在约1.3μm和约3.2μm之间；在约2.3μm和约5μm之间；在约5μm和10μm之间；在约5μm和约20μm之间；在约15μm和约45μm之间；在约25μm和约60μm之间；在约35μm和约75μm之间；在约45μm和约100μm之间或这些范围的任何组合或这些范围内的任何子范围或子范围的组合。

可以使用各种方法制造光栅结构，其中包括但不限于使用图案化的对准层(该对准层可以位于液晶材料之下)将可聚合液晶材料的层中的液晶分子对准。对准层可以使用压印技术或使用光学方法进行图案化。

如上所讨论的，在一些实施例中，液晶光栅结构可以形成用于波导堆叠260(图6)或660(图9A至9C)的各种波导的光重定向元件。例如，可以有利地应用这种液晶光栅结构以形成内耦合光学元件700、710、720；光分布元件730、740、750；和/或外耦合光学元件800、810、820(图9A至9C)。除了AR显示系统之外，液晶光栅结构可以应用于其中利用衍射光学元件的其它应用中。例如，液晶光栅结构可用于在其它光学系统中操纵光，其中包括VR显示系统、平板计算机监视器或电视、照明标志、成像系统等。

图10A示出了包括彼此相邻的多个域(domain)(例如，域1001a、1001b、1001c、1001d、1001e和1001f)的液晶层1000的示例的俯视透视图。每个域中的液晶分子的纵向轴通常可以沿相同方向定向。相邻域中的液晶分子的纵向轴不需要沿相同方向定向。例如，与域1001a相邻的每个域1001b和1001d中的液晶分子的纵向轴的定向方向不同于域1001a的液晶分子的纵向轴定向的定向方向。尽管如此，但是在图10A所示的实施例中，仅示出了九个域，但是其它实施例可以具有少于或多于九个域。此外，尽管图10A中仅示出了液晶分子的纵向轴的三个不同取向，但是其它实施例可以包括具有多于或少于三个不同取向的域。另外，在液晶层的各种实施例中，不同的域可以具有不同的形状和/或尺寸。在各种实施例中，不同的域可以具有不同的形状(例如，正方形、矩形、六边形、八边形、椭圆形、圆形等)。在各种实施例中，不同的域可具有不规则的形状。

图10B示出了图10A所示的液晶层1000的放大俯视图。图10B的该俯视图示出了位于液晶层1000顶部的液晶分子，该顶部在本文中被称为顶部子层。顶部或最上面液晶分子的下面(例如，在顶部或最上面子层的下面)的液晶分子可以具有不同的取向，如图10C所示。图10C至10F示出了沿液晶层1000的轴X-X'的横截面视图。液晶层1000具有两个主表面1002a和1002b，如图10C至10F所示的横截面图中示出的。两个主表面1002a和1002b与表面法线1003相交。两个主表面1002a和1002b在x-y平面中延伸，并且表面法线1003平行于z轴延伸。从图10B所示的放大俯视图可以看出，第一域1001a中的最上面液晶分子的纵向轴通常平行于y轴定向。第二域1001b中的液晶分子的纵向轴通常以相对于y轴以一定角度(例如，在约30度至60度之间)定向。第三域1001c中的液晶分子的纵向轴通常垂直于y轴和z轴定向。

可以认为液晶层1000具有多个子层，例如，子层1010a、1010b、1010c和1010d。每个子层(例如，1010a、1010b、1010c或1010d)可以由布置在共同平面中的多个液晶分子限定，因此，每个子层可以仅是单个液晶分子厚。子层形成具有厚度T的液晶材料的聚合层，该厚度可以等于所有子层的总厚度。虽然示出了三个/四个子层，但是应当理解，液晶层1000可以包括更多或更少的子层。

在各种实施例中，液晶层1000可以包括手性向列型液晶材料。例如，多个液晶材料子层可以包括胆甾型液晶材料。在包括手性材料的液晶层1000的实施例中，液晶分子可以具有扭转角Ф，该扭转角由液晶层1000的子层(例如，1010a)的液晶分子(例如，1005a)的纵向轴和相邻子层(例如，1010b)的下面的液晶分子(例如，1005b)的纵向轴之间的角度旋转限定，如图10C所示。液晶材料也可以是可聚合的。如本文所讨论的，液晶材料可以包括反应性液晶原(RM)，例如，液晶二丙烯酸酯。另如本文所讨论的，液晶层1000可以包括手性掺杂物。手性掺杂物的示例包括胆甾醇苯甲酸酯、胆甾醇壬酸酯、胆甾醇氯和胆甾醇油基碳酸酯。

然而，液晶不必是手性液晶材料。如图10D至10F所示，子层1010a的分子的纵向轴不相对于下面的子层1010b或1010c的分子扭转。液晶分子的纵向轴可以沿x、y或z轴中的任一者对准。例如，如图10D所示，液晶分子的纵向轴平行于y轴对准。作为另一示例，如图10E所示，液晶分子的纵向轴平行于x轴对准。作为又一示例，如图10F所示，液晶分子的纵向轴平行于z轴对准。图10C至10F所示的侧视图可以均等地对应于图10A或10B。

参考图10A和10B，需要在具有不同对准图案的相邻域之间引入小域间隙“d”。具有不同对准图案的相邻域之间的小间隙的存在可以有利地减少在制造液晶层1000期间沿域边界发生向错或其它表面缺陷。减少沿液晶层1000的域边界的向错或其它表面缺陷可以减少不希望的光散射和其它不希望的光学效应。域间隙“d”可以指相邻的一对域的最近边缘之间的最短距离。例如，在所示实施例中，域1001e和域1001b之间的域间隙是d₁，域1001e和域1001d之间的域距离是d₂，域1001e和域1001f之间的域距离是d₃。具有不同对准图案的相邻域之间的域间隙“d”可以被配置为实现具有不同对准图案的相邻域之间的液晶分子的纵向轴的逐渐过渡，并且减少了沿域边界的向错或其它表面缺陷的发生。例如，具有不同对准图案的相邻域之间的域间隙“d”可以被配置为实现具有不同对准图案的相邻域之间的液晶分子的纵向轴的连续过渡。被配置为实现液晶分子的连续过渡的具有不同对准图案的相邻域之间的域间隙可小于200nm。例如，具有不同对准图案的相邻域之间的域间隙可以在约1nm至约20nm之间，在约5nm至约30nm之间，在约10nm至约50nm之间，在约25nm至约75nm之间，在约45nm至约100nm之间，在约60nm至约120nm之间，在约80nm至约150nm之间，在100nm至约200nm之间或这些范围的任何组合或这些范围内的任何子范围或子范围的组合。如上所述，域间隙被配置为使得在每个域中的液晶分子的纵向轴根据每个图案中的对准图案对准时，相邻域之间的间隙中的液晶分子的纵向轴被定向为提供梯度或渐变过渡，例如相邻域之间的液晶分子的纵向轴的大致平滑或连续过渡。

可以使用包括表面浮雕特征的对准层来制造液晶层1000。对准层的表面浮雕特征可以引起沉积在对准层上的液晶材料的分子的对准。在特定条件下，由对准层的表面浮雕结构提供的锚定能量(W)由等式

给出，其中K是液晶材料的变形常数，D是对准层的表面浮雕特征的深度，以及Λ是表面浮雕特征的宽度或间距(两个连续的表面浮雕特征之间的距离)。在不失一般性的情况下，上面讨论的锚定能量(W)可以提供在液晶表面的平面中将LC分子的纵向轴从初始方向改变到期望方向所需的能量的量度。从上面的等式可以看出，随着表面浮雕结构的宽度或间距(Λ)减小(假设图案的纵横比相同，即深度/周期

是恒定的)，更高的锚定能量由表面浮雕特征提供。

因此，包括表面浮雕特征的对准层可用于制造液晶设备，其中液晶分子对准到由表面浮雕特征形成的图案。对准层的表面浮雕特征可以包括各种各样的凹槽几何形状，这些凹槽形状的宽度、间距和/或方向可以沿几纳米、几百纳米和/或几微米量级的长度尺度变化。由于上面讨论的锚定能量与表面浮雕特征的宽度或间距的立方成反比，因此，通过使表面浮雕特征的宽度或间距发生微小变化，可以跨液晶表面获得锚定能量的较大变化。例如，考虑包括第一域和第二域的对准层的实施例，第一域包括被布置为形成第一图案的第一组表面浮雕特征，第二域包括被布置为形成第一图案的第二组表面浮雕特征，第一域与第二域间隔开的不包括表面浮雕特征的区域。对准层的这种实施例可用于制造具有第一域和第二域的液晶设备，在第一域中，液晶分子的纵向轴沿第一组表面浮雕特征的方向对准，在第二域中，液晶分子的纵向轴沿第二组表面浮雕特征的方向对准。第一和第二域之间的液晶设备的区域中的液晶分子的纵向轴可以从第一组表面浮雕特征的方向逐渐过渡到第二组表面浮雕特征的方向。可以选择域间隙，使得第一域的液晶分子的纵向轴的取向与第二域的液晶分子的纵向轴之间的过渡不是突然的或不连续的，而是一般呈平滑状。例如，可以选择对应于不包括表面浮雕特征的对准层的区域的域间隙，使得第一域的液晶分子的纵向轴与第二域的液晶分子的纵向轴的取向之间的过渡是连续的。

在制造其中液晶分子对准到各种凹槽几何形状的液晶设备的方法的实施例中，其中，这些凹槽几何形状的宽度或周期和/或方向可以沿几纳米、几百纳米和/或几微米量级的长度尺度变化，对准层可以包括可聚合液晶(PLC)，也被称为反应性液晶原(RM)。对准层可以通过使PLC材料层与压印模板接触来制造，该压印模板包括各种凹槽，这些凹槽的宽度或周期和方向可以沿几纳米、几百纳米和/或几微米量级的长度尺度变化。可以允许PLC层的分子的纵向轴自对准到压印模板的凹槽。例如，PLC层的分子的纵向轴可以在加热时，在用UV光辐射时和/或在经过足够的时间之后自对准到压印模板的凹槽。一旦PLC层的分子的纵向轴自对准到压印模板的凹槽，PLC层就例如通过加热和/或用UV照射进行辐射来聚合。聚合有利地固定PLC层的分子的纵向轴，使得即使在PLC层与压印模板分离之后也保持PLC层的分子的取向。

使用压印模板来制造包括具有几纳米、几百纳米和/或几微米量级的尺寸(例如，长度、宽度和/或深度)的表面浮雕特征和/或被布置为形成复杂几何图案(其中连续特征之间的方向和/或周期沿几纳米、几百纳米和/或几微米量级的长度尺度变化)的表面浮雕特征的对准层优于其它液晶制造方法，例如摩擦方法或光对准方法。例如，如上所述，使用一些微摩擦方法(这是低分辨率方法)来制造具有几纳米、几百纳米量级的尺寸(例如，长度、宽度和/或深度)的表面浮雕特征是不实际的。另外，可能无法使用一些摩擦方法来制造具有实现批量制造所需的生产量的对准层。虽然光对准方法可用于制造具有均匀和不均匀的液晶分子对准的对准层，但在某些情况下，使用光对准方法制造具有复杂空间图案的对准层是不实际的。与摩擦方法类似，很难使用某些光对准方法实现复杂空间LC图案的批量制造所需的生产量。

图11A示出了压印模板1100的实施例的平面图，压印模板1100包括可用于制造液晶层1000(例如图10A所示的层1000)的多个特征。图11B示出了压印模板1100的沿轴线B-B'的横截面视图。压印模板1100包括多个域(例如，1101a、1101b和1101c)。多个域中的每一者包括多个表面浮雕特征。表面浮雕特征可以包括直线或曲线拉长的凹槽和/或突起、棱柱、弧、凸起或凹陷。多个域中的每一者的表面浮雕特征可以被布置为形成简单或复杂的几何图案。表面浮雕特征的布置可以被配置为操纵入射光的振幅、相位和/或偏振以实现期望的光学效应。

在各种实施例中，每个域可以包括子波长特征。在这样的实施例中，表面浮雕特征的尺寸或相邻表面浮雕特征之间的间隙可以具有几纳米、几百纳米或几微米量级的短长度尺度。例如，多个域中的每一者的每个表面浮雕特征的宽度“λ”可以在约20nm至约100nm之间，在约30nm至约90nm之间，在约40nm至约80nm之间，在约50nm至约75nm，在约60nm至约70nm之间或这些范围的任何组合或这些范围内的任何子范围或子范围的组合。作为另一示例，多个域中的每一者的连续特征之间的间隙“Λ”可以在约20nm至约100nm之间，在约30nm至约90nm之间，在约40nm至约80nm之间，在约50nm至约75nm之间，在约60nm至约70nm之间或这些范围的任何组合或这些范围内的任何子范围或子范围的组合。在不失一般性的情况下，连续特征之间的间隙“Λ”可以对应于间距。作为又一示例，多个域中的每一者的特征的深度(或高度)“D”可以在约10nm至约100nm之间，在约20nm至约90nm之间，在约30nm至约80nm之间，在约40nm至约75nm之间，在约50nm至约70nm之间或这些范围的任何组合或这些范围内的任何子范围或子范围的组合。

在各种实施例中，相邻域之间的域间隙“d”可以在约10nm至约100nm之间，在约20nm至约90nm之间，在约30nm至约80nm之间，在约40nm至约75nm之间，在约50nm至约70nm或这些范围的任何组合或这些范围内的任何子范围或子范围的组合。在各种实施例中，包括表面浮雕特征的多个域可以被布置为跨压印模板1100的表面的正方形网格，使得每对相邻域之间的域间隙“d”是均匀的。在其它实施例中，包括表面浮雕特征的多个域可以不规则地布置在压印模板1100的表面上，使得不同对的相邻域之间的域间隙“d”不均匀。如上所述，在相邻域之间引入的域间隙可帮助减少在制造液晶期间沿域边界可能发生的向错或其它表面缺陷。

制造液晶设备的示例方法

图12A至12D示出了制造本文描述的各种液晶设备的方法的示例。参考图12A，聚合物液晶(PLC)层1203设置在基板1201上。基板1201优选地具有光学透射性。用于基板1201的合适材料的示例包括玻璃、石英、蓝宝石、氧化铟锡(ITO)或聚合物材料，其中包括聚碳酸酯、聚乙酸酯和丙烯酸。在一些实施例中，基板1201可以透射可见波长或红外波长中的至少一者的光。基板可以包括一对主表面和周围边缘。主表面可以是基板的最大面积表面，或者可以是一对尺寸相似的相对表面(每个相对表面具有比其它表面更大的面积)中的一者。液晶设备可以被配置为反射、折射、衍射或以其它方式重定向入射在基板的主表面上或相对于基板的主表面入射的光。

在一些实施例中，PLC层1203被配置为使液晶分子呈现特定取向或图案的对准层，例如，由于与液晶分子的空间相互作用，和/或通过光对准层施加在随后沉积的液晶分子上的锚定能量。PLC层1203可以包括可聚合液晶材料(反应性液晶原)。在一些实施例中，PLC层1203可以包括含偶氮的聚合物。PLC层1203可以设置在基板的一个主表面上，例如通过旋涂工艺或喷射沉积。PLC层1203可具有介于约10nm至10微米之间的厚度。

通过使PLC层的暴露表面与压印模板1205接触，PLC层1203压印有多个表面浮雕特征，如图12A和12B所示。压印模板1205可以包括与压印在PLC层的暴露表面上的特征相反的特征。在各种实施例中，压印模板1205可以包括具有子波长尺寸的特征。例如，压印模板1205可以包括具有几纳米、几百纳米和/或几微米量级的尺寸(例如，长度、宽度和/或深度)的特征。例如，压印模板1205可以包括具有大于或等于约20nm且小于或等于约100nm的长度的特征。作为另一示例，压印模板1205可以包括具有大于或等于约20nm且小于或等于约100nm的宽度的特征。作为又一示例，压印模板1205可以包括具有大于或等于约10nm且小于或等于约100nm的深度的特征。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，特征的深度可以近似等于特征的长度和/或宽度。压印模板1205的每个域的特征可以被布置为在每个域内形成复杂的几何图案，其中，连续特征之间的方向和/或周期沿几纳米、几百纳米和/或几微米的量级的长度尺度变化。在各种实施例中，压印模板1205可以包括多个间隔开的域。每个域可以包括具有子波长尺寸的多个特征。每个域可以被域间隙与相邻域间隔开。域间隙的值可以在约10nm至约100nm之间，在约20nm至约90nm之间，在约30nm至约80nm之间，在约40nm至约75nm之间，在约50nm至约70nm之间或在这些范围的任何组合或这些范围内的任何子范围或子范围的组合。在各种实施例中，域间隙可小于或等于10nm和/或大于或等于100nm。例如，域间隙可小于或等于5nm，小于或等于2nm，小于或等于1nm或是大于或等于0nm且小于或等于10nm的值。压印模板1205可以具有与上面参考图11A和11B所讨论的压印模板1100类似的特性。例如，压印模板1205的多个域可以被布置为跨压印模板1205的表面的正方形网格，使得相邻域之间的域间隙是均匀的。作为另一示例，压印模板1205的多个域可以被布置为同心圆形或椭圆形区域。在其它实施例中，多个域可以不规则地布置在压印模板1205的表面上，使得相邻域之间的域间隙不均匀。

具有子波长特征的压印模板1205可以使用纳米图案化技术来设计和制造，该纳米图案化技术包括光学光刻、纳米压印以及离子和电子束光刻。在各种实施例中，压印模板可以包括半导体材料，例如硅或玻璃材料。

当PLC层1203与压印模板1205的特征直接接触时，PLC层1203的液晶分子的纵向轴与压印模板的特征对准。以这种方式，PLC层的暴露表面压印有对应于压印模板的图案或与压印模板的图案互补的图案。在通过压印模板1205图案化PLC层1203的暴露表面之后，PLC层1203被聚合。PLC层1203的聚合可以通过各种方法实现，其中包括但不限于如图12B所示暴露于紫外线(UV)辐射、加热、随时间推移等等。即使在PLC层1203如图12C所示与压印模板分离之后，PLC层1203的聚合也可以有利地固定PLC层1203的液晶分子的纵向轴的取向。

在图案化的PLC层1203聚合之后，在聚合的图案化的PLC层1203之上设置液晶材料的层1207。液晶层可以通过旋涂、槽涂、棒涂或喷射沉积而沉积在PLC层1203之上。液晶材料的层1207可具有约10nm至10微米之间的厚度。液晶材料的层1207可以包括掺杂或未掺杂的液晶材料。在各种实施例中，液晶材料的层1207可以是可聚合液晶材料、聚合物稳定的液晶材料或不可聚合液晶材料。

液晶材料的层1207的分子的纵向轴自对准到压印在PLC层1203上的图案。因此，PLC层1203用作液晶材料的层1207的对准层。在一些实施例中，通过加热和/或足够的时间推移，可以促进液晶材料的层1207的分子的纵向轴的对准。使用PLC层1203作为液晶材料的层1207的对准层可具有若干优点。第一优点是，与不包括可聚合液晶材料的对准层相比，PLC层1203可以为液晶材料的层1207提供更强的对准条件。第二优点是当PLC层1203的材料具有与液晶材料的层1207的材料相似的光学特性时，可以实现均匀的界面。这可以有利地减少来自PLC层1203和液晶材料的层1207之间的边界的折射/衍射。

如图12E所示，通过重复图12A至12D的过程，可以在对准的液晶材料的层1207上连续地沉积用作附加的液晶层1211和1215的对准层的附加的PLC层1209和1213。例如，第二PLC层1209设置在液晶材料的层1207上，随后用压印模板图案化并进行聚合。第二液晶材料的层1211设置在图案化和聚合的PLC层1209上，并被允许进行自组织，使得第二液晶材料的层1211的分子对准到压印在第二PLC层1209上的图案。第三PLC层1213设置在液晶材料的层1209之上，并且随后用压印模板图案化并进行聚合。第三液晶材料的层1215设置在图案化和聚合的PLC层1213之上，并被允许进行自组织，使得第三液晶材料的层1215的分子对准到压印在第三PLC层1213上的图案。可以对进一步的液晶层重复该序列。优选地，附加的PLC层1209和1213可以包括可聚合液晶材料(反应性液晶原)。优选地，液晶材料1207、1211和1215可以包括可聚合液晶材料(反应性液晶原)。压印在PLC层1209和/或1213上的图案可以不同于压印在PLC层1203上的图案。然而，在一些实施例中，压印在PLC层1209和/或1213上的图案可以与压印在PLC层1203上图案相同。在各种实施例中，可以在提供附加的PLC层之前，在液晶材料的层(例如，层1207或层1211)之上沉积诸如薄氧化膜(厚度范围从几纳米到几百纳米)的隔离层，以减小图案对下面的液晶层(例如，层1207或层1211)的影响。在一些实施例中，可以在提供附加的PLC层之前使用平坦化模板来平坦化液晶材料的层(例如，层1207、层1211或层1215)的暴露表面。

图13A示出了压印模板的实施例的扫描电子显微镜(SEM)图像。压印模板包括通过域间隙彼此间隔开的三个域1301、1303和1305。第一域1301和第二域1303之间的域间隙是d₁，以及第二域1303和第三域1305之间的域间隙是d₂。三个域1301、1303和1305中的每一者包括多个特征。多个特征中的每一者的尺寸(例如，长度、宽度或深度)小于100nm。域间隙d₁和d₂小于或等于100nm。图13B是使用图13A的压印模板和上面参考图12A至12C讨论的方法制造的图案化的PLC层的SEM图像。图13C是图13B所示的图案化的PLC层的偏光显微镜图像。图13C示出了灰度图案，其指示相对于偏光显微镜的偏振器/分析器的相对LC取向。从图13C可以看出，偏光显微镜图像呈现出均匀的图案，该图案表明LC对准基本上没有对准缺陷(即，向错)。

本文描述的方法可用于制造包括具有子波长特征的液晶层的可电控制的液晶设备。图14示出了可电控制的液晶设备的实施例，其中分子对准到图案化的对准层1403的液晶层1407夹在两个电极层1420和1425之间。在一些实施例中，对准层1403可以包括图案化的可聚合液晶层。在一些实施例中，对准层1403可以包括图案化的聚合物层，其直接使LC材料与纳米级表面结构对准。两个电极层1420和1425可以包括透射可见光谱范围内(例如，在约400nm至约700nm之间)的光的材料(例如，氧化铟锡(ITO))。在各种实施例中，两个电极层1420和1425可以各自包括分别涂有ITO层1404a和1404b的基板1401a和1401b。在各种实施例中，可以通过构造包括两个电极层和图案化的对准层1403的液晶单元结构来制造可电控制的液晶设备。形成层1407的液晶材料可注入单元结构中以制造可电控制的液晶设备。对准层1403的厚度可以在约20nm至约10微米之间。液晶层1407的厚度可以在约100nm至10微米之间。对准层1403可以使用包括多个子波长特征的压印模板来图案化，该包括多个子波长特征的压印模板类似于上面讨论的模板1100和/或模板1205。例如，用于图案化对准层1403的压印模板可以包括多个间隔开的域。每个域可以包括具有几纳米、几百纳米或几微米量级的尺寸(例如，长度、宽度和/或深度)的多个特征。如上所述，对准层1403可以在图案化之后聚合，以固定对准层1403的分子的纵向轴。可以允许液晶层1407的分子进行自组织到压印在对准层1403上的图案。在自组织之后，液晶层1407的分子形成不同的域，这些域对应于压印模板的不同的域，并且每个域中的液晶分子的纵向轴沿对应域中的各个特征的方向对准。相邻域之间的间隙中的液晶分子的纵向轴可以从一个域中的分子的纵向轴的取向逐渐过渡到相邻域的纵向轴的取向，且不出现任何突然的不连续性。例如，相邻域之间的间隙中的液晶分子的纵向轴可以从一个域中的分子的纵向轴的取向基本连续地逐渐过渡到相邻域的纵向轴的取向。在各种实施例中，液晶层1407可以包括复杂的、空间变化的纳米级图案。

可以通过跨电极层1420和1425施加电压来改变一个或多个域中的液晶分子的纵向轴的取向。在特定条件下，例如，LC分子沿跨电极层1420和1425的电场的方向对准。因此，通过跨电极层1420和1425施加电压，可以接通或关断液晶层1407中的光栅结构。

图15A至15C示出了制造本文描述的各种液晶设备的方法的示例。该方法包括在基板1501之上设置压印层1505。压印层1505和基板1501的各种物理和/或化学特性可以分别类似于上面讨论的压印模板1205和基板1201。例如，在许多情况下，基板1501是光学透射的。用于基板1501的合适材料的示例包括玻璃、石英、蓝宝石、氧化铟锡(ITO)或聚合物材料，其中包括聚碳酸酯、聚乙酸酯和丙烯酸。在一些实现中，基板1501可透射可见波长或红外波长中的至少一者的光。基板可以包括一对主表面和周围边缘。主表面可以是基板的最大面积表面，或者可以是一对尺寸相似的相对表面(每个相对表面具有比其它表面(例如，边缘)更大的面积)中的一者。液晶设备可以被配置为反射、折射、衍射或以其它方式重定向入射在基板的主表面上或相对于基板的主表面入射的光。

压印层1505可以设置在基板1501的主表面之上。如上所述，压印层1505可以包括具有子波长尺寸的特征。例如，压印层1505可以包括具有几纳米、几百纳米和/或几微米量级的尺寸(例如，长度、宽度和/或深度)的特征。作为另一示例，压印层1505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，压印层1505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，压印层1505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，特征的深度可以近似等于特征的长度和/或宽度。但是，尺寸在这些范围之外的特征也是可能的。

压印层1505的每个域的特征可以被布置为在每个域内形成复杂的几何图案，在这些几何图案中，连续特征之间的方向和/或周期沿几纳米、几百纳米和/或几微米量级的长度尺度变化。在各种实施例中，压印层1505可以包括多个间隔开的域。每个域可以包括具有子波长尺寸的多个特征。每个域可以通过域间隙与相邻域间隔开。域间隙的值可以在约10nm至约100nm之间，在约20nm至约90nm之间，在约30nm至约80nm之间，在约40nm至约75nm之间，在约50nm至约70nm之间或在这些范围的任何组合或这些范围内的任何子范围或子范围的组合内。在各种实现中，域间隙可小于或等于10nm和/或大于或等于100nm。例如，域间隙可小于或等于5nm，小于或等于2nm，小于或等于1nm或大于或等于0nm且小于或等于10nm的值。在一些实现中，压印模板1505的多个域可以被布置为跨压印模板1505的表面的正方形网格，使得相邻域之间的域间隙是均匀的。在一些实现中，压印模板1505的多个域可以被布置为同心圆形或椭圆形区域。多个域可以不规则地布置在压印模板1505的表面上，使得相邻域之间的域间隙不均匀。压印层1505可以具有与上面讨论的压印模板1100和/或压印模板1205类似的特性。

具有子波长特征的压印层1505可以使用纳米图案化技术来设计和制造，该纳米图案化技术包括光学光刻、纳米压印以及离子和电子束光刻。在各种实施例中，压印层1505可以包括半导体材料，例如光致抗蚀剂、硅或玻璃材料。

可聚合液晶(PLC)层1503设置在压印层1505之上。可通过旋涂工艺或喷射沉积将PLC层1503设置在压印层1505之上。PLC层1503可具有约10nm至10微米之间的厚度。PLC层1503可以包括可聚合液晶材料(例如，反应性液晶原)和/或含偶氮的聚合物。压印层1505用作使PLC层1503的液晶分子对准到压印层1505的图案的对准层。当PLC层1503与压印层1505的特征接触时，PLC层1503的液晶分子的纵向轴可以对准到压印层1505的特征。以这种方式，PLC层1503的表面压印有与压印层1503的图案对应的图案。PLC层1503的液晶分子与压印层1505的图案的对准可归因于与液晶分子的空间相互作用，和/或由压印层1505施加在沉积的液晶分子上的锚定能量。PLC层1503可以在沉积到压印层1505上之后聚合。PLC层1503的聚合可以通过多种方法实现，包括但不限于暴露于紫外(UV)辐射、加热、随时间推移或其组合。PLC层1503的聚合可以有利地固定PLC层1503的液晶分子的纵向轴的取向。

在图案化的PLC层1503聚合之后，在聚合的图案化的PLC层1503之上设置液晶材料的附加层1520。液晶材料的层1520可以通过旋涂、槽涂、棒涂、刀涂、喷射沉积或可能的其它方法沉积在PLC层1503之上。液晶材料的层1520可具有约10nm至10微米之间的厚度。液晶材料的层1520可以包括掺杂或未掺杂的液晶材料。在各种实施例中，液晶材料的层1520可以是可聚合液晶材料、聚合物稳定的液晶材料或不可聚合液晶材料。

液晶材料的层1520的分子的纵向轴自对准到压印在PLC层1503上的图案。在各种实现中，只有接触压印层1505的液晶材料的层1520的子层的分子的纵向轴可以对准到压印层1505的图案。液晶材料的层1520的其它子层可以具有不同的取向，如上面参考图10C所讨论的。因此，PLC层1503用作液晶材料的层1520的对准层。在一些实施例中，可以通过加热和/或足够的时间推移促进液晶材料的层1520的分子的纵向轴的对准。

如上所述，使用PLC层1503作为液晶材料的层1520的对准层可具有若干优点。第一优点是，与不包括可聚合液晶材料的对准层相比，PLC层1503可以为液晶材料的层1520提供更强的对准条件。第二优点是当PLC层1503的材料具有与液晶材料的层1520的材料类似的光学特性时，可以实现均匀的界面。这可以有利地减少来自PLC层1503和液晶材料的层1520之间的边界的折射/衍射。

在此讨论的方法可用于制造液晶超材料或液晶超表面。包括不同间隔开的域(该域包括多个子波长级图案)的液晶层的各种实施例可以形成在基板上，该基板可以与透射波导相邻或波导本身作为基板。在这样的实施例中，具有子波长级图案的液晶层可以被配置为例如衍射以相对于波导的法线的约±30度之间的角度入射的光，使得衍射光可以耦合到相邻于液晶层设置的波导的导模中。在一些实施例中，波导可以紧邻液晶层设置，而没有任何中间层。在一些其它实施例中，中间层可以设置在波导和与波导相邻的液晶层之间。在一些这样的实施例中，具有子波长级图案的液晶层还可以被配置为外耦合通过波导传播的光。具有子波长级图案的液晶层可以被配置为窄带，使得它们具有波长选择性，或者为宽带，使得它们可以有效地衍射宽范围波长(例如，可见光谱的红色/绿色/蓝色光谱范围内的波长)内的光。本文讨论的方法可用于制造其它液晶设备。例如，本文讨论的方法可以用于制造下面所述的衍射液晶透镜的实现。

衍射液晶透镜

图16A示出了包括液晶材料的衍射透镜1600的实现的俯视图。透镜1600包括多个区，例如x-y平面中的区1605和1610。多个区的数量可以在2至约50之间。例如，多个区的数量可大于或等于3，大于或等于5，大于或等于8，大于或等于10，大于或等于15，大于或等于18，大于或等于22，小于或等于50，小于或等于42，小于或等于30，小于或等于20，或是由这些值限定的范围/子范围中的任何数字。透镜1600的多个区中的每个区中的液晶材料的分子沿其周围的特定取向或范围定向。相邻区中液晶材料的分子的取向可以不同。例如，在透镜1600中，区1605中的液晶分子的纵向轴可以平行于y轴对准，而区1610中的液晶分子的纵向轴可以以相对于y轴约18度的角度顺时针方向旋转。在图16A所示的透镜1600中，连续区中每一者中的分子的纵向轴可以以相对于前一区的液晶分子的纵向轴约18度的角度顺时针方向旋转。在其它透镜实现中，区中的液晶分子的纵向轴与前一区中的液晶分子的纵向轴之间的角度可以不是18度。例如，区中的液晶分子的纵向轴与前一区中的液晶分子的纵向轴之间的角度可小于或等于约45度。例如，区中的液晶分子的纵向轴与前一区中的液晶分子的纵向轴之间的角度可大于或等于约1度，大于或等于约2度，大于或等于约5度，小于或等于约10度，小于或等于约17度，小于或等于约20度，小于或等于约25度，小于或等于约30度，小于或等于约35度，小于或等于约40度和/或小于或等于约45度或是由任何这些值限定的任何范围内的任何角度。

在图16A所示的透镜1600的实现中，液晶分子的纵向轴的方向和y轴之间的角度逐渐增加固定量(例如，18度)，使得第十区1655中的液晶分子具有与第一区1605中的液晶分子相同的取向。然而，相邻区中液晶分子的纵向轴的取向的角度差不需要固定或恒定。相反，相邻区之间的液晶分子的纵向轴的取向的角度差可以跨透镜变化。例如，两个相邻区之间的液晶分子的纵向轴的取向的角度差可以是35度，而两个其它相邻区之间的液晶分子的纵向轴的取向的角度差可以是10度。因此，在液晶透镜的各种实现中，连续区之间的液晶分子的纵向轴的取向的角度差可以是可变的，非恒定的和/或随机的。

多个区可以是圈形或环形。多个区可以是同心的。例如，在图16A中，第一区1605被配置为由其它多个区围绕的中心区。多个区可以是同心圈或环，如图16A所示。然而，在其它实现中，多个区可以是椭圆形或可以具有其它形状。多个区不必是闭合曲线。相反，多个区中的一些可以是开放曲线(例如，弧)。在各种实现中，多个区的宽度可以随着距第一(或中心)区的距离的增加而减小。因此，第一(或中心)区的宽度可以是最大的，并且每个连续区的宽度可以连续减小。随着距中心区和/或透镜中心的距离增加，多个区的宽度可以线性地或非线性地减小。在一些情况下，多个区的宽度可以由数学方程来控制。

在各种实现中，区域和包含在其中的特征被配置为例如具有形状、尺寸、取向等，使得多个区形成光学元件，例如具有光焦度的透镜。这种光焦度可以是正的或负的。光焦度也可以取决于入射光的偏振而是正的或负的。例如，对于右旋圆偏振光，光焦度为正，而对于左旋圆偏振光，光焦度为负，反之亦然。该光学元件(例如透镜)可以是衍射光学元件，例如衍射透镜。

如上所述，多个区中的每一者可以被视为域。多个区可以彼此间隔开约1nm至约200nm之间的间隙(对应于域间隙)。然而，在各种实现中，多个区可以被布置为使得它们间隔开小于5.0nm或小于1.0nm的间隙。例如，在一些实现中，多个区之间没有间隙。换句话说，相邻区之间的间隙可以为0。域间隙可以根据相邻区中的液晶分子的纵向轴的取向的角度差而变化。因此，取决于相邻区之间的液晶分子的纵向轴的取向的差异，间隙可以在0至约200nm之间。

图16B示出了设置在透镜1600任一侧的正交偏振器之间的透镜1600的显微镜图像。正交偏振器可以是偏振轴彼此正交设置的线性偏振器。正交偏振器将显示不同的区域，这些区域以不同的量旋转偏振，因为具有不同的强度，这取决于光的偏振与偏振器取向的匹配程度。光的偏振越匹配偏振器，光越亮，反之亦然。为了获得透镜1600的显微镜图像，通过两个正交偏振器之一传输的圆偏振光入射到透镜1600上。透镜1600的输出通过两个正交偏振器中的另一个传输并通过显微镜观察。图16B所示的图像区域(例如，区域1660)中的液晶分子的纵向轴的取向平行或垂直于偏振器的光轴。图16B所示的图像的亮区域(例如，区域1662)中的液晶分子的纵向轴的取向相对于偏振器的光轴大约成±45度。亮区域和暗区域之间的变化与偏振取向变化相关联，偏振取向变化是由液晶分子的不同取向以及特定区域中的双折射的光轴引起。

通过使用上述压印层，可以实现多个区中的多个液晶的纵向轴的对准。图16B-1示出了扫描电子显微镜(SEM)图像，其示出了实现包括区1605和1610的区域1664中的多个液晶的纵向轴的所需对准的压印层1670的图案。图16B-2中的SEM图像示出了压印层1670的图案，其实现区域1666中的多个液晶的纵向轴的所需对准的。压印层1670的区域1672包括平行于y轴的特征(例如，凹槽)。因此，与压印层1670的区域1672重叠的液晶分子的纵向轴平行于y轴对准以形成区1605。压印层1670的区域1674包括以相对于y轴顺时针旋转角度(例如，约18度)的特征(例如，凹槽)。因此，与压印层1670的区域1674重叠的液晶分子的纵向轴相对于y轴顺时针旋转角度(例如，大约18度)以形成区1610。压印层1670的区域1680、1682、1684、1686和1688示出了不同的特征(例如，凹槽)布置。与压印层1670的区域1680、1682、1684、1686和1688重叠的液晶分子的纵向轴将平行于相应区域1680、1682、1684、1686和1688中的凹槽对准。

压印层1670的各个区域1672、1674、1680、1682、1684、1686和1688中的特征可以是子波长尺寸。例如，压印层1670的各个区域1672、1674、1680、1682、1684、1686和1688中的特征的长度、高度、宽度和/或深度可以具有几纳米、几百纳米或几微米的量级。作为另一示例，压印层1670的各个区域1672、1674、1680、1682、1684、1686和1688中的特征的长度、高度、宽度和/或深度可以在约20nm至约100nm之间，在约30nm至约90nm之间，在约40nm至约80nm之间，在约50nm至约75nm之间，在约60nm至约70nm之间或是这些范围的任何组合或这些范围内的任何子范围范围或子范围的组合。在各种实现中，压印层1670的各个区域1672、1674、1680、1682、1684、1686和1688中的特征的长度、高度、宽度和/或深度可小于或等于约20nm或大于或等于约100nm。例如，压印层1670的各个区域1672、1674、1680、1682、1684、1686和1688中的特征的长度、高度、宽度和/或深度可大于或等于1nm，大于或等于5nm，大于或等于10nm，大于或等于15nm，小于或等于100nm，小于或等于125nm，小于或等于150nm，小于或等于200nm，小于或等于250nm，小于或等于1微米或是由这些值限定的任何范围/子范围内的值。

图17A至17C示出了制造透镜1600的方法的示例。该方法包括在基板1701之上提供压印层1670。压印层1670和基板1701的各种物理和/或化学特性可以分别类似于上面讨论的液晶层1203和基板1201。例如，在各种情况下，基板1701具有光学透射性和/或透明性。用于基板1701的合适材料的示例包括玻璃、石英、蓝宝石、氧化铟锡(ITO)或聚合物材料，其中包括聚碳酸酯、聚乙酸酯和丙烯酸。在一些实施例中，基板1701可以透射可见波长或红外波长中的至少一者的光。基板可以包括一对主表面和周围边缘。主表面可以是基板的最大面积表面，或者可以是一对尺寸相似的相对表面(每个相对表面具有比其它表面(例如，边缘)更大的面积)中的一者。液晶设备可以被配置为反射、折射、衍射或以其它方式重定向入射在基板的主表面上或相对于基板的主表面入射的光。

压印层1670可以设置在基板1701的主表面之上。如上所述，压印层1670包括多个包括特征(例如，凹槽)的区。这些特征可以具有子波长尺寸。例如，压印层1670可以包括具有几纳米、几百纳米和/或几微米量级的尺寸(例如，长度、宽度和/或深度)的特征。作为另一示例，压印层1670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，压印层1670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，压印层1670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，特征的深度可以近似等于特征的长度和/或宽度。在这些范围之外的其它尺寸也是可能的。

在各种实现中，多个区中的每一者的特征沿相同方向定向。多个区之一的特征的定向方向可以相对于与该多个区域之一相邻的区域中的特征的定向方向旋转角度。多个区域可以彼此间隔开具有以下的值的间隙：约1nm至约100nm之间，约20nm至约90nm之间，约30nm至约80nm之间，约40nm至约75nm之间，约50nm至约70nm之间或这些范围的任何组合或这些范围内的任何子范围或子范围的组合内。在一些实现中，多个区可以间隔开小于约5nm或1nm的间隙。在一些实现中，多个区可以无间隙(或具有0nm的间隙)间隔开。多个区可以成环形并且可以同心地布置。随着距压印层1670的中心的距离增加，多个区的宽度可以减小。

具有子波长特征的压印层1670可以使用纳米图案化技术制造，其中包括光学光刻、纳米压印和离子束和电子束光刻。在各种实施例中，压印层1670可以包括半导体材料，例如光致抗蚀剂、硅或玻璃材料。

液晶(LC)层1703设置在压印层1670之上。液晶层1703可以是可聚合液晶层。LC层1703可以通过旋涂工艺、狭缝涂布工艺、棒涂工艺、刀涂工艺或喷射沉积设置在压印层1670之上。LC层1703可具有约10nm至10微米之间的厚度。LC层1703可以包括可聚合液晶材料(例如，反应性液晶原)和/或含偶氮的聚合物。压印层1670用作对准层，对准层使LC层1703的液晶分子对准到压印层1670的图案。当LC层1703与压印层1670的特征接触时，LC层1703的液晶分子的纵向轴可以与压印层1670的特征对准。以这种方式，LC层1703的表面压印有与压印层1670的图案对应的图案。LC层1703可以在沉积到压印层1670上之后聚合。LC层1703的聚合可以通过多种方法实现，包括但不限于暴露于紫外(UV)辐射1710，如图17C示意性地所示，加热、随时间推移或其组合。LC层1703的聚合可以有利地固定PLC层1703的液晶分子的纵向轴的取向。

图18A示出了设置在包括硅(Si)的基板上的压印层1670的扫描电子显微镜(SEM)图像。如图18A所示，压印层1670包括第一区和第二区，第一区具有沿第一方向定向的第一多个特征，第二区包括沿不同于第一方向的第二方向定向的第二多个特征。第一和第二区间隔开小于1nm的间隙(例如，没有间隙)。

图18B示出了设置在压印层1670之上的液晶层1703的扫描电子显微镜(SEM)图像。与第一区重叠的液晶层1703的一部分中的液晶分子的纵向轴沿第一方向对准，与第二区重叠的液晶层1703的一部分中的液晶分子的纵向轴沿第二方向对准。

可以构想各种实施例可以在各种应用中或与各种应用相关联地实现，诸如成像系统和设备、显示系统和设备、空间光调制器、基于液晶的设备、偏振器、波导板等。本文描述的结构、设备和方法尤其可用于诸如可穿戴显示器(例如，头戴式显示器)的显示器，其可以用于增强和/或虚拟现实。更一般地，所描述的实施例可以在任何设备、装置或系统中实现，该设备、装置或系统可以被配置为显示图像，无论是运动的(例如视频)还是静止的(例如静止图像)，以及无论是文本、图形还是绘图。然而，可以构想，所描述的实施例可以包括在各种电子设备中或与之相关联，例如但不限于：移动电话、支持多媒体互联网的蜂窝电话、移动电视接收器、无线设备、智能电话、

设备、个人数字助理(PDA)、无线电子邮件接收器、手持或便携式计算机、上网本、笔记本、智能本、平板计算机、打印机、复印机、扫描仪、传真设备、全球定位系统(GPS)接收器/导航仪、照相机、数字媒体播放器(诸如MP3播放器)、便携式摄像机、游戏机、手表、钟表、计算器、电视监视器、平板显示器、电子阅读设备(例如，电子阅读器)、计算机显示器、汽车显示器(包括里程表和车速表显示器等)、驾驶舱控制和/或显示器、摄像头视图显示器(例如，车辆中后视摄像头的显示器)、电子照片、电子广告牌或标志、投影仪、建筑结构、微波炉、冰箱、音响系统、录音机或播放器、DVD播放机、CD播放机、VCR、收音机、便携式存储芯片、洗衣机、烘干机、洗衣机/干衣机、停车收费表、头戴式显示器和各种成像系统。因此，本教导并非旨在限于仅在附图中示出的实施例，而是具有广泛的适用性，这对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。

对于本领域技术人员来说，对本公开中描述的实施例的各种修改是显而易见的，并且在不脱离本公开的精神或范围的情况下，本文中定义的一般原理可以应用于其它实施例。在不脱离本发明的真实精神和范围的情况下，可以对所描述的本发明进行各种改变并且可以用等同物替代。另外，可以进行许多修改以使特定情况、材料、物质组成、过程、过程动作或步骤符合本发明的目的、精神或范围。所有这些修改旨在落入与本公开相关联的权利要求的范围内。

词语“示例性”在本文中专门用于表示“用作示例、实例或说明”。本文中描述为“示例性”的任何实施例不必被解释为比其它实施例优选或有利。另外，本领域普通技术人员将容易理解，术语“上”和“下”，“上方”和“下方”等有时用于简化对附图的描述，并指示与适当定向的页面上的图形的取向相对应的相对位置，当实现这些结构时，可能不反映本文描述的结构的取向。

本说明书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地实现。相反地，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施例中单独实施，或以任何合适的子组合实施。此外，尽管特征可以像上文描述的那样以特定组合起作用，甚至最初以此方式要求保护，但是所要求保护的组合中的一个或多个特征在某些情况下可以从该组合中剔除，并且所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变体。

类似地，虽然操作在附图中以特定顺序示出，但是不应被理解为要求这些操作以所示的特定顺序或依次执行，也不应被理解为要求执行全部所示的操作来实现所需结果。此外，附图可以以流程图的形式示意性地示出一个或多个示例处理。然而，其它未示出的操作可以并入示意性说明的示例处理中。例如，一个或多个附加操作可以在任何所示的操作之前、之后、之间执行，或者与其并行地执行。在某些情况下，多任务和并行处理是有利的。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，需要理解，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中。另外，其它实施例在以下权利要求的范围内。在一些情况下，权利要求中列出的动作可以以不同的顺序执行并且仍能实现所需的结果。

本发明包括可以使用主题设备执行的方法。该方法可以包括提供这种合适设备的动作。这种提供可以由最终用户执行。换句话说，“提供”动作仅需要最终用户获得、访问、接近、定位、设置、激活、加电或以其它方式行动以在主题方法中提供必需的设备。本文所述的方法可以以所述事件的任何在逻辑上是可能的顺序进行，并且可以以所述的事件顺序执行。

上面已经阐述了本发明的示例性方面以及关于材料选择和制造的细节。至于本发明的其它细节，可以结合上面引用的专利和出版物以及本领域技术人员通常已知或理解的方式进行理解。就通常或逻辑上采用的附加动作而言，本发明的基于方法的方面也是如此。

另外，尽管已经参考任选地结合各种特征的若干示例描述了本发明，但是本发明不限于关于本发明的每个变型所描述或指示的那些。在不脱离本发明的真实精神和范围的情况下，可以对所描述的本发明进行各种改变，并且可以用等同物(无论是在本文中引用还是为了简洁起见而未包括)替代。另外，在提供一系列值的情况下，应理解，在该范围的上限和下限之间的每个中间值以及在所述范围内的任何其它所述值或中间值都包含在本发明内。

此外，可以构想，所描述的本发明变型的任何可选特征可以独立地阐述和要求保护，或者与本文描述的任何一个或多个特征组合。对单数项目的引用包括存在多个相同项目的可能性。更具体地，如本文和与此相关联的权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”包括多个指示物，除非另有具体说明。换句话说，制品的使用允许上述说明书以及与本公开相关联的权利要求中具有“至少一个”主题项目。还应注意，可以起草这样的权利要求以排除任何可选要素。因此，本声明旨在用作结合权利要求要素的叙述使用诸如“单独”、“仅”等之类的排他性术语，或者使用“否定”限制的先行基础。

在不使用这种排他性术语的情况下，与本公开相关联的权利要求中的术语“包括”应允许包括任何附加要素—不管在这样的权利要求中是否列举了给定数量的要素，或者可以将添加特征视为改变这些权利要求中阐述的要素的性质。除非本文中具体定义，否则本文使用的所有技术和科学术语在保持权利要求有效性的同时尽可能广泛地给出通常理解的含义。

本发明的广度不限于所提供的示例和/或主题说明书，而是仅由与本公开相关联的权利要求语言的范围限制。

Claims (24)

1.一种用于制造液晶透镜的方法，所述方法包括：

在基板之上提供压印层，所述压印层包括至少第一区域和第二区域，所述第一区域包括沿第一方向定向的第一多个特征，所述第二区域包括沿第二方向定向的第二多个特征；以及

在所述压印层上沉积液晶层；

其中，所沉积的液晶层的分子自对准到所述第一多个特征和所述第二多个特征。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一区域和所述第二区域间隔开小于或等于约5nm的间隙。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一多个特征或所述第二多个特征包括凹槽。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二方向相对于所述第一方向旋转约1度至约45度之间的角度。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述压印层包括半导体材料。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述液晶层包括可聚合液晶材料。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括：在所述可聚合液晶材料的分子自对准到所述第一多个特征和所述第二多个特征之后，聚合所述可聚合液晶材料。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，聚合所述可聚合液晶材料包括：将所述可聚合液晶材料暴露于紫外光下。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述透镜包括衍射透镜。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，在所述压印层上沉积液晶层包括：喷射沉积所述液晶。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一多个特征和所述第二多个特征的长度或宽度小于或等于约100nm。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一多个特征和所述第二多个特征的高度或深度小于或等于约100nm。

13.一种液晶透镜，包括：

图案化的基板，其包括至少第一区域和第二区域，所述第一区域包括沿第一方向定向的第一多个特征，所述第二区域包括沿第二方向定向的第二多个特征，其中，所述第一多个特征和所述第二多个特征具有小于或等于约100nm的尺寸；以及

在所述图案化的基板之上的液晶层；

其中，所述液晶层的分子自对准到所述第一多个特征和所述第二多个特征。

14.根据权利要求13所述的液晶透镜，其中，所述图案化的基板包括上面设置有图案化的层的基板。

15.根据权利要求13所述的液晶透镜，其中，所述至少第一区域和第二区域包括同心环形区域。

16.根据权利要求13所述的液晶透镜，包括至少五个区域。

17.根据权利要求13所述的液晶透镜，其中，所述区域的宽度随着距所述图案化的基板的中心的距离而逐渐减小。

18.根据权利要求13所述的液晶透镜，其中，所述区域之间没有间隙。

19.根据权利要求13所述的液晶透镜，其中，所述区域之间的间隙小于或等于1nm。

20.根据权利要求13所述的液晶透镜，其中，所述区域之间的间隙小于或等于5nm。

21.根据权利要求13所述的液晶透镜，其中，所述尺寸包括所述特征的长度或宽度。

22.根据权利要求13所述的液晶透镜，其中，所述液晶包括聚合的液晶。

23.根据权利要求13所述的液晶透镜，其中，所述透镜包括衍射透镜。

24.根据权利要求13所述的液晶透镜，其被配置为提供光焦度。

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