CN115210615A - 基于具有正和负双折射色散的双折射材料的消色差光学器件 - Google Patents

基于具有正和负双折射色散的双折射材料的消色差光学器件 Download PDF

Info

Publication number
CN115210615A
CN115210615A CN202180018738.9A CN202180018738A CN115210615A CN 115210615 A CN115210615 A CN 115210615A CN 202180018738 A CN202180018738 A CN 202180018738A CN 115210615 A CN115210615 A CN 115210615A
Authority
CN
China
Prior art keywords
birefringent
layer
birefringence
optical
optical device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202180018738.9A
Other languages
English (en)
Inventor
李昀翰
王军人
吕璐
彭枫琳
王梦霏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Meta Platforms Technologies LLC
Original Assignee
Meta Platforms Technologies LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Meta Platforms Technologies LLC filed Critical Meta Platforms Technologies LLC
Publication of CN115210615A publication Critical patent/CN115210615A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/30—Polarising elements
    • G02B5/3083—Birefringent or phase retarding elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/30—Polarising elements
    • G02B5/3016—Polarising elements involving passive liquid crystal elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/13363—Birefringent elements, e.g. for optical compensation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/13363—Birefringent elements, e.g. for optical compensation
    • G02F1/133633—Birefringent elements, e.g. for optical compensation using mesogenic materials
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2413/00—Indexing scheme related to G02F1/13363, i.e. to birefringent elements, e.g. for optical compensation, characterised by the number, position, orientation or value of the compensation plates
    • G02F2413/02—Number of plates being 2
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2413/00—Indexing scheme related to G02F1/13363, i.e. to birefringent elements, e.g. for optical compensation, characterised by the number, position, orientation or value of the compensation plates
    • G02F2413/13—Positive birefingence
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2413/00—Indexing scheme related to G02F1/13363, i.e. to birefringent elements, e.g. for optical compensation, characterised by the number, position, orientation or value of the compensation plates
    • G02F2413/14—Negative birefingence

Abstract

一种光学器件包括第一层，所述第一层包括具有负双折射色散性质的第一双折射材料。该光学器件还包括第二层，所述第二层包括具有正双折射色散性质的第二双折射材料。第一层和第二层被结构性地图案化，以提供至少一个预定光学功能。

Description

基于具有正和负双折射色散的双折射材料的消色差光学器件
技术领域
本公开总体上涉及一种光学器件，并且更具体地，涉及一种基于具有正双折射色散和负双折射色散的双折射材料的消色差(achromatic)光学器件。
背景技术
具有诸如外观美观、重量轻、无色并且节能等性质的消费性电子设备的需求量很大。相应地，希望对用于这些设备的光学部件进行设计，使得这些设备可以是自适应的、具有高光学效率的、重量轻的、以及宽带的。用于在增强这些设备中的光学部件的光学性能的同时降低重量的技术已经变成了一个极具吸引力的研发主题。
发明内容
本公开的一个方面提供了一种光学器件。该光学器件包括第一层，该第一层包括具有负双折射色散性质的第一双折射材料。该光学器件还包括第二层，该第二层包括具有正双折射色散性质的第二双折射材料。第一层和第二层被结构性地图案化，以提供至少一个预定光学功能。
在一些实施例中，负双折射色散性质可以指示第一双折射材料的第一双折射率随着光的波长的增大而增大，并且正双折射色散性质指示第二双折射材料的第二双折射率随着光的波长的增大而减小。
在一些实施例中，第一层的第一厚度与第一双折射率之间的第一乘积和第二层的第二厚度与第二双折射率之间的第二乘积之和可以与预定波长范围内的光的波长基本成比例。
在一些实施例中，第一层或第二层中的至少一者可以包括液晶聚合物膜。
在一些实施例中，第一双折射材料可以包括具有负双折射色散性质的聚合反应性介晶(reactive mesogen，RM)，并且第二双折射材料包括具有正双折射色散性质的聚合RM。
在一些实施例中，第一层的结构性图案可以包括以第一面内配向图案被配向的具有负双折射色散性质的聚合RM，并且第二层的结构性图案包括以第二面内配向图案被配向的具有正双折射色散性质的聚合RM。
在一些实施例中，该光学器件可以还包括耦合至第一层的基板。
在一些实施例中，该光学器件可以还包括配向结构，该配向结构被设置在基板与第一层之间，并且被配置为限定第一层或第二层中的至少一者的结构性图案。
在一些实施例中，该光学器件可以包括无源光学器件或有源光学器件。
本公开的另一方面提供了一种光学器件。该光学器件包括基板。该光学器件还包括耦合至该基板的双折射介质层。该双折射介质层包括具有负双折射色散性质的第一双折射材料和具有正双折射色散性质的第二双折射材料的组合。该双折射介质层被结构性地图案化，以提供至少一个预定光学功能。
在一些实施例中，负双折射色散性质可以指示第一双折射材料的第一双折射率随着光的波长的增大而增大，并且正双折射色散性质指示第二双折射材料的第二双折射率随着光的波长的增大而减小。
在一些实施例中，第一双折射材料的浓度和第二双折射材料的浓度可以被配置为：提供相对于预定波长范围基本恒定的双折射介质层的总相位延迟。
在一些实施例中，该双折射介质层可以包括液晶聚合物膜。
在一些实施例中，第一双折射材料可以包括具有负双折射色散性质的聚合反应性介晶(RM)，并且第二双折射材料包括具有正双折射色散性质的聚合RM。
在一些实施例中，该双折射介质层的结构性图案可以包括被混合、且以预定面内配向图案被配向的具有负双折射色散性质的聚合RM和具有正双折射色散性质的聚合RM。
在一些实施例中，该光学器件可以还包括配向结构，该配向结构被设置在基板与双折射介质层之间，并且被配置为至少部分地限定该双折射介质层的结构性图案。
本公开的另一方面提供了一种光学膜。该光学膜包括双折射介质层，该双折射介质层包括具有负双折射色散性质的第一双折射材料和具有正双折射色散性质的第二双折射材料的组合。该双折射介质层被结构性地图案化，以提供至少一个预定光学功能。
在一些实施例中，该双折射介质层可以包括液晶聚合物膜。
在一些实施例中，第一双折射材料可以包括具有负双折射色散性质的聚合反应性介晶(RM)，并且第二双折射材料包括具有正双折射色散性质的聚合RM。
在一些实施例中，该双折射介质层的结构性图案可以包括被混合、且以预定面内配向图案被配向的具有负双折射色散性质的聚合RM和具有正双折射色散性质的聚合RM。
应当认识到，在本文中被描述为适于并入到本发明的一个或多个方面或实施例中的任何特征，旨在是可跨本公开的任何及所有方面和实施例而通用化的。本领域技术人员根据本公开的说明书、权利要求和附图能够理解本公开的其他方面。
附图说明
提供下文的附图是出于根据各种所公开的实施例进行说明的目的，而非旨在限制本公开的范围。在附图中：
图1A示意性地示出了具有正双折射色散性质的双折射材料的波长相关折射率的图示；
图1B示意性地示出了具有负双折射色散性质的双折射材料的波长相关折射率的图示；
图2示意性地示出了根据本公开的实施例的具有负双折射色散性质的反应性介晶(RM)和具有正双折射色散性质的RM的波长相关双折射率的概况；
图3A示意性地示出了根据本公开的实施例的消色差薄膜液晶(LC)光学元件的截面图；
图3B示意性地示出了根据本公开的另一实施例的消色差薄膜LC光学元件的截面图；
图3C示意性地示出了根据本公开的又一实施例的消色差薄膜LC光学元件的截面图；
图3D示意性地示出了根据本公开的再一实施例的消色差薄膜LC光学元件的截面图；
图4A示意性地示出了根据本公开的实施例的透射型(transmissive-type)消色差薄膜LC光学元件的示意图；
图4B示意性地示出了根据本公开的实施例的图4A中的LC光学元件充当相位延迟器时RM取向的截面图；
图4C示意性地示出了根据本公开的实施例的图4A中的LC光学元件充当潘恰拉特南-贝里(Pancharatnam Berry)相位(PBP)透镜时RM取向的截面图；
图4D示意性地示出了根据本公开的实施例的图4C中的PBP透镜中的RM取向的一部分的示意图；
图4E示意性地示出了根据本公开的实施例的图4A中的LC光学元件充当PBP光栅时RM取向的截面图；
图4F示意性地示出了根据本公开的实施例的图4E中的PBP光栅中的RM取向的一部分的示意图；
图5A示意性地示出了根据本公开的实施例的反射型消色差薄膜LC光学元件的示意图；
图5B示意性地示出了根据本公开的实施例的图5A中的LC光学元件充当反射PBP光栅时RM取向的截面图；
图6A示意性地示出了根据本公开的实施例的近眼显示器(NED)的示意图；并且
图6B示出了根据本公开的实施例的图6A中的NED的前部主体的截面图。
具体实施方式
将参考附图描述与本公开一致的实施例，附图只是用于说明性目的的示例，而非旨在限制本公开的范围。只要有可能，就可以在各个附图中使用相同的附图标记指示相同或相似的部件，并且可以省略对其的详细描述。
此外，在本公开中，可以对所公开的实施例和所公开实施例的特征进行组合。所描述的实施例只是本公开的实施例的一些而非全部。基于所公开的实施例，本领域技术人员可以导出与本公开一致的其他实施例。例如，可以基于所公开的实施例做出修改、调适、替代、添加或其他变型。所公开的实施例的此类变型仍然落在本公开的范围内。相应地，本公开不限于所公开的实施例。相反，本公开的范围由所附权利要求限定。
如本文所使用的，术语“耦合”(couple)、“被耦合”(coupled)、“耦合”(coupling)等可以涵盖光学耦合、机械耦合、电气耦合、电磁耦合、或其组合。两个光学元件之间的“光学耦合”是指这样的配置，其中两个光学元件光学串联布置，并且从一个光学元件输出的光可以直接或间接被另一光学元件接收。光学串联是指多个光学元件在一条光路中的光学定位，使得从一个光学元件输出的光可以被其他光学元件中的一者或多者透射、反射、衍射、转换、修改或者以其他方式处理或操纵。在一些实施例中，多个光学元件的布置顺序可以影响或者可以不影响多个光学元件的总输出。耦合可以是直接耦合或者间接耦合(例如，通过中间元件耦合)。
短语“A或B中的至少一者”可以涵盖A和B的所有组合，诸如仅A、仅B、或者A和B。类似地，短语“A、B或C中的至少一者”可以涵盖A、B和C的所有组合，诸如仅A、仅B、仅C、A和B、A和C、B和C、或者A和B和C。短语“A和/或B”具有与短语“A或B中的至少一者”类似的含义。例如，短语“A和/或B”可以涵盖A和B的所有组合，诸如仅A、仅B、或者A和B。类似地，短语“A、B和/或C”具有与短语“A、B或C中的至少一者”类似的含义。例如，短语“A、B和/或C”可以涵盖A、B和C的所有组合，诸如仅A、仅B、仅C、A和B、A和C、B和C、或者A和B和C。
在第一元件被描述为“附接”、“提供”、“形成”、“固定”、“安装”、“系缚”、“连接”、“接合”、“记录”、“设置”到第二元件、在第二元件上、在第二元件处、或者至少部分地“附接”、“提供”、“形成”、“固定”、“安装”、“系缚”、“连接”、“接合”、“记录”、“设置”在第二元件中时，可以使用任何适当的机械或非机械方式将第一元件“附接”、“提供”、“形成”、“固定”、“安装”、“系缚”、“连接”、“接合”、“记录”、“设置”到第二元件、在第二元件上、在第二元件中、或者至少部分地“附接”、“提供”、“形成”、“固定”、“安装”、“系缚”、“连接”、“接合”、“记录”、“设置”在第二元件中，所述机械或非机械方式诸如沉积、涂覆、蚀刻、接合、粘合、螺丝固定、压配、卡扣配合、夹固等。此外，第一元件可以与第二元件直接接触，或者在第一元件和第二元件之间可以存在中间元件。第一元件可以设置在第二元件的任何适当侧，诸如左侧、右侧、正面、背面、顶部或底部。
在第一元件被示出为或者被描述为设置或者布置在第二元件“上(on)”时，术语“上”仅用于指示第一元件与第二元件之间的示例性相对取向。该描述可以基于图中所示的参考坐标系，或者可以基于图中所示的当前视图或示例性配置。例如，在描述图中所示的视图时，可以将第一元件描述为设置在第二元件“上”。应当理解，术语“上”未必暗示第一元件在垂直的、重力方向上位于第二元件之上。例如，在使第一元件和第二元件的组合翻转180度时，第一元件可以在第二元件“之下(under)”(或者第二元件可以在第一元件“上”)。因而，应当理解，在附图示出了第一元件在第二元件“上”时，该配置只是说明性示例。第一元件可以相对于第二元件以任何适当取向进行设置或布置(例如，在第二元件之上(over)或上方(above)、在第二元件下方(below)或之下、在第二元件左侧、在第二元件右侧、在第二元件后面、在第二元件前面等)。
短语“面内操纵(in-plane manipulation)”、“面内取向(in-planeorientation)”和“面内配向图案(in-plane alignment pattern)”分别是指横断面中的操纵、取向、和配向图案，该横断面可以是垂直于入射光的传输的平面。例如，在x-y-z坐标系中，在入射光的传输沿z轴方向时，面内操纵、面内取向和面内配向图案可以分别指在x-y平面内配置的操纵、取向、和配向图案。
在本公开中提及的波长范围、波谱和波段仅用于说明性目的。所公开的光学器件、系统、元件、组件和方法可以被应用于可见光波长范围以及其他波长范围，诸如紫外线(UV)波长范围、红外线(IR)波长范围或其组合。
液晶(LC)光学元件(诸如透镜、波片、光栅等)已经被广泛应用在光学系统中。例如，这样的光学元件已经被实施在用于增强现实(AR)、虚拟现实(VR)或混合现实(MR)应用的近眼显示器(NED)中。为了降低NED的尺寸和重量，并且为了提高效率以及实现未来智能NED，轻薄的消色差(例如，宽带)光学元件是高度需要的。常规上，为了实现消色差LC光学元件，将具有不同扭转角(twist angle)的多层LC施加至基板。然而，常规技术遭受一些问题的困扰，例如，笨重的体积和色差。
为了克服与用于实现消色差性质的常规技术相关联的各种缺点，本公开提供了双折射介质层或膜(例如，由双折射介质构成的层或膜)的形成和设计。双折射介质层可以充当具有预定光学功能的光学膜。在一些实施例中，双折射介质可以是光学各向异性的。双折射介质可以包括多种双折射材料。在一些实施例中，双折射介质可以包括液晶(LC)，例如，有源LC和/或无源LC，有源LC包括可通过外部场(例如，外部电场、磁场或光场)重新定向的LC分子，无源LC包括不可通过外部场重新定向的LC分子。在一些实施例中，双折射介质可以包括反应性介晶(RM)。在一些实施例中，双折射介质可以包括聚合RM，并且双折射介质膜可以包括液晶聚合物(LCP)膜。双折射介质膜可以是薄的(例如，以微米计的厚度)并且是消色差的(例如，宽带)。双折射介质膜可以被结构性地配置或者制作(例如，图案化)为具有以预定配向图案而被配向的光学各向异性分子(例如，LC和/或RM)，由此提供至少一种预定光学功能。可以通过各种方法对双折射介质膜进行结构性地图案化，例如，所述方法可以是基于光强度的方法、基于光偏振的方法、基于光相位的方法、基于纳米制作(例如，纳米压印)的方法、基于磁场的方法、基于电场的方法等、或者这些方法的组合。至少一个预定光学功能可以包括(例如)对光束进行聚焦和/或散焦、使光束偏转、管理光束的偏振等。
反应性介晶(RM)是一种化合物，该化合物包含介晶基团(mesognic group)以及适于聚合作用的一个或多个官能团，后者又被称为“可聚合基团”。词语“介晶基团”是指这样的分子或高分子的一部分，该分子或高分子在吸力和斥力两方面都被赋予充分的各向异性，从而强烈地促进在低摩尔质量且聚合性的物质中形成中间相、或者尤其是液晶中间相。介晶基团(诸如具有非两亲性类型的介晶基团)可以是棒状或盘状的。在一些实施例中，包括介晶基团的化合物可能未必表现出液晶(LC)相。在一些实施例中，包括介晶基团的化合物在与另一种化合物混合时、或者在使该介晶化合物或该混合物聚合时，该包括介晶基团的化合物可能表现出LC相行为。为了简单起见，术语“液晶”或“LC”可以涵盖介晶材料和LC材料两者。RM具有与LC的特征类似的特征，包括光学各向异性和介电性质、自组装(self-assembly)、和受控配向(controlled alignment)，例如，通过配向结构(例如，配向层)的受控配向。在一些实施例中，可以使RM单体与光引发剂或者热引发剂混合，使得RM可以发生原位光聚合(或光交联)或者热聚合(或热交联)，由此使RM的配向图案稳定化。聚合的RM可以保持其液晶配向和光学各向异性性质。因而，RM又被称为可聚合介晶或液晶化合物或者可聚合LC。在一些实施例中，RM可以与寄主LC(host LC)(例如，非RM的LC)结合使用。在一些实施例中，可以在没有寄主LC材料的情况下使用RM。此外，可以将RM与非LC材料的其他可聚合材料结合使用。
本公开的实施例通过将以下两种类型的RM组合在双折射介质膜中而实现了一种消色差薄膜LC光学元件：其双折射性具有正色散(PD)性质的RM(或者被称为具有正双折射色散性质的RM)、以及其双折射性具有负色散(ND)性质的RM(或者被称为具有负双折射色散性质的RM)。在本描述中，为了简单起见，可以将其双折射具有正色散性质的材料称为具有PD性质的材料。可以将其双折射具有负色散性质的材料称为具有ND性质的材料。相应地，具有正双折射色散性质的RM又被称为具有PD性质的RM或者简称为PD-RM。具有负双折射色散的RM又被称为具有ND性质的RM或者简称为ND-RM。在一些实施例中，LC光学元件的双折射介质膜可以包括堆叠在一起的、由PD-RM构成的第一层和由ND-RM构成的第二层。在一些实施例中，LC光学元件的双折射介质膜可以包括单层RM，该单层RM可以包括根据体积或重量处于适当混合比例的PD-RM和ND-RM的组合，该混合比例诸如1:1、1:2、1:3、2:1、3:1等。在任一种配置中，RM(不管具有ND性质还是PD性质)都可以按照预定图案(例如，预定的面内配向图案)进行配向，从而实现LC光学元件的至少一个预定光学功能。在任一种配置中，LC光学元件可以相对于感兴趣的光谱(即预定波长范围，例如，可见光波长范围)实现消色差性质(例如，宽带)。在一些实施例中，可以使经配向的RM(不管具有ND性质还是PD性质)进一步发生光聚合(或光交联)或热聚合(或热交联)，从而使RM的配向图案稳定化，由此得到LCP膜。在一些实施例中，双折射介质膜可以包括多于一种类型的具有不同双折射色散性质的PD-RM。在一些实施例中，双折射介质膜可以包括多于一种类型的具有不同双折射色散性质的ND-RM。在一些实施例中，双折射介质膜可以包括多于一种类型的具有不同双折射色散性质的PD-RM和多于一种类型的具有不同双折射色散性质的ND-RM。
在一些实施例中，该LC光学元件的至少一个预定光学功能可以基于对双折射介质的光轴的操纵(例如，面内操纵)。这样的薄膜LC光学元件可以指Pancharatnam Berry相位(PBP)元件、几何相位(GP)元件、摆线衍射波片(CDW)、偏振元件、偏振体元件、或者偏振体全息(PVH)元件。在一些实施例中，可以通过配置被包括在双折射介质中的RM的配向图案(例如，面内配向图案)，来实现对双折射介质的光轴的操纵。取决于被包括在双折射介质中的RM的配向图案，LC光学元件可以用作透射型消色差光学元件、用作反射型消色差光学元件、或者兼具透射型和反射型的消色差光学元件的作用。LC光学元件可以被包括在或者被实施成棱镜、透镜、射束折射器(beam refractor)、透镜阵列、棱镜阵列或者相位延迟器等，这些选项可以具有诸如宽带、自适应、高光学效率、重量轻和可定制的性质。在一些实施例中，LC光学元件可以是无源的。在一些实施例中，LC光学元件可以是有源的。
双折射材料可以具有正双折射色散性质或者负双折射色散性质。正双折射色散性质可以指示，双折射材料的双折射率(Δn)随着光(例如，入射光)的波长(λ)的增大而减小。负双折射色散性质可以指示，双折射材料的双折射率(Δn)随着光(例如，入射光)的波长(λ)的增大而增大。双折射率Δn可以被定义为(ne–no)，其中ne和no分别是双折射材料的非常折射率(extraordinary refractive index)和寻常折射率(ordinary refractiveindex)。
图1A示意性地示出了具有PD性质的双折射材料的波长相关折射率的图示。如图1A中所示，对于具有PD性质的双折射材料而言，随着光波长(λ)的增大，非常折射率ne相对快速地下降，而寻常折射率no则相对缓慢地下降。因此，具有PD性质的双折射材料的双折射率(Δn＝ne-no)随着光波长(λ)的增大而减小。
图1B示意性地示出了具有ND性质的双折射材料的波长相关折射率的图示。如图1A中所示，对于具有ND性质的双折射材料而言，随着光波长(λ)的增大，寻常折射率no相对快速地下降，而非常折射率ne则相对缓慢地下降。因此，具有ND性质的双折射材料的双折射率(Δn＝ne-no)随着光波长(λ)的增大而增大。
图2示意性地示出了根据本公开的实施例的ND-RM和PD-RM的波长相关双折射率的概况。水平轴是波长(单位：nm)，并且垂直轴是双折射率。图2中所示的曲线图并非按比例绘制，并且只是示意性地例示的以说明随着波长的增大，ND-RM和PD-RM的双折射率的增大和减小趋势。如图2中所示，曲线210和220分别指示PD-RM和ND-RM的双折射率。如曲线210中所示，在从大约400nm到大约780nm的示例性波长范围内，PD-RM的双折射率随着波长的增大而减小。在一些实施例中，随着波长从大约400nm增大到大约550nm，PD-RM的双折射率可以相对快速地减小，并且随着波长从大约550nm增大到大约780nm，PD-RM的双折射率可以相对缓慢地减小。如曲线220中所示，在从大约400nm到大约780nm的示例性波长范围内，ND-RM的双折射率随着波长的增大而增大。在一些实施例中，随着波长从大约400nm增大到大约550nm，ND-RM的双折射率可以相对快速地增大，并且随着波长从大约550nm增大到大约780nm，PD-RM的双折射率可以相对缓慢地增大。
对于包括主要由PD-RM构成的层或者主要由ND-RM构成的层的LC相位延迟器而言，LC相位延迟器的相位延迟(phase retardation)Г＝2π*d*Δn(λ)/λ可以随着不同光的波长(λ)而变化，其中d是由PD-RM构成的层或者由ND-RM构成的层的厚度，Δn(λ)是波长相关的(即作为波长的函数的)双折射率，λ是光的波长。因而，主要包括PD-RM或者主要包括ND-RM的LC相位延迟器的带宽可以是窄的。LC相位延迟器的带宽可以指在其中相位延迟基本恒定的波长范围或波段。
PD-RM和ND-RM可以以适当方式组合，使得在预期的波长范围(例如，可见光波长范围、UV波长范围、IR波长范围或其组合)内，PD-RM的PD性质和ND-RM的ND性质可以相互补偿。作为该补偿的结果，可以实现该预期波长范围内的基本恒定的色散性质。例如，随着波长从大约400nm逐渐增大到大约550nm，ND-RM的双折射率的相对快速的增大趋势可以补偿PD-RM的双折射率的相对快速的减小趋势。该补偿可以在该预期波长范围的较短(或较低端(lower end))波长范围(例如，大约400nm到大约550nm)内带来基本恒定的色散性质。随着波长从大约550nm逐渐增大到大约780nm，ND-RM的双折射率的相对缓慢的增大趋势可以补偿PD-RM的双折射率的相对缓慢的减小趋势。该补偿可以在该预期波长范围的较长(或较高端(higher end))波长范围(例如，大约550nm到大约780nm)内带来基本恒定的色散性质。PD-RM和ND-RM的组合可以具有介于PD-RM的性质与ND-RM的性质之间的性质(例如，双折射率、双折射色散性质)。
图3A示出了根据本公开的实施例的消色差薄膜LC光学元件或器件300的x-z截面图。如图3A中所示，LC光学器件300可以包括基板305、设置在基板305处(例如，上)的配向结构310、以及设置在配向结构310(例如，配向层或膜)处(例如，上)的双折射介质层311。基板305可以为设置于其上的各种层和/或膜提供支撑和保护。基板305可以至少在可见光波长范围(例如，大约380nm到大约700nm)内是基本透明的。在一些实施例中，基板305还可以在红外线(IR)波段(例如，大约700nm到大约1mm)的一些或全部中是透明的。基板305可以包括对于上文列举的波长范围基本透明的适当材料，诸如玻璃、塑料、蓝宝石或其组合等。基板305可以是刚性的、半刚性的、柔性的或者半柔性的。在一些实施例中，基板305可以是另一元件或器件的一部分或者是另一光电元件或器件的一部分。例如，基板305可以是刚性光学透镜或者是刚性光学透镜的一部分。在一些实施例中，基板305可以是功能器件(例如，显示屏)的一部分。在一些实施例中，基板305可以用于制作、存放或运输LC光学器件300。在一些实施例中，基板305可以是在LC光学器件300的其余部分被制作、或者被运输到另一地点或器件之后，从LC光学器件300的其余部分可拆卸或可去除的。换言之，可以将基板305用于制作、运输和/或存放，以支撑在基板305上提供的双折射介质层311，并且在完成LC光学器件300的制作时、或者在LC光学器件300将被实施在光学设备中时，可以将基板305与LC光学器件300的双折射介质层311分开或者从LC光学器件300的双折射介质层311去除基板305。
配向结构310可以被设置在基板305的表面处(例如，上)。例如，如图3A中所示，配向结构310可以作为膜、层或板被设置(例如，涂覆、沉积或固定)在基板305的顶表面处。双折射介质层311可以被设置在配向结构310处(例如，上)。可以通过各种方法对双折射介质层311进行结构性图案化，以使双折射介质层311中的RM分子以预定配向图案被配向。在一些实施例中，双折射介质层311中的RM分子的预定配向图案可以至少部分地由配向结构310决定。换言之，配向结构310可以被配置为至少部分地对双折射介质层311中的RM分子进行配向。
在一些实施例中，配向结构310可以包括光配向材料(PAM)层，该PAM层可以包括一种或多种光配向材料。在一些实施例中，光配向材料可以包括在受到偏振光辐射时可以经历可取向性排序的分子。在一些实施例中，分子可以包括细长的各向异性光敏单元(例如，小分子或者聚合物分子的片段)，它们在受到偏振光辐射时可以以配向结构图案进行配向。光敏单元可以是偏振敏感的。例如，偏振单元可以通过具有预定偏振的光进行配向，并且不能通过具有不同偏振的光进行配向。在一些实施例中，配向结构310可以包括被机械摩擦的层(例如，被机械摩擦的聚合物层)。在一些实施例中，配向结构310可以包括具有各向异性纳米压印的聚合物层。在一些实施例中，配向结构310可以包括被配置为在存在磁场或电场的情况下至少部分地对双折射介质层311中的RM分子进行配向的铁电或铁磁材料。
在一些实施例中，双折射介质层311可以包括第一双折射材料层315与第二双折射材料层320的堆叠体。第一双折射材料层315可以包括具有第一双折射色散性质的第一双折射材料，并且第二双折射材料层320可以包括具有第二双折射色散性质的第二双折射材料。在一些实施例中，第一双折射材料可以包括聚合材料，例如，聚合RM，并且第二双折射材料也可以包括聚合材料，例如，聚合RM。换言之，第一双折射材料层315和第二双折射材料层320可以是通过使RM单体聚合而形成的。第一双折射色散性质可以不同于第二双折射色散性质(例如，与之相反)。例如，第一双折射色散性质可以是负双折射色散性质(或者正双折射色散性质)，并且第二双折射色散性质可以是正双折射色散性质(或者负双折射色散性质)。在一些实施例中，具有第一双折射色散性质的第一双折射材料可以包括具有负双折射色散性质的聚合RM(简称为聚合ND-RM)。具有第二双折射色散性质的第二双折射材料可以包括具有正双折射色散性质的聚合RM(简称为聚合PD-RM)。第一双折射材料层315和第二双折射材料层320的组合可以使LC光学器件300的总体双折射色散性质相对于感兴趣的光谱(即，预定波长范围，例如，可见光波长范围)基本恒定，由此相对于感兴趣的光谱实现消色差光学性质。
在一些实施例中，可以使用任何适当的可聚合双折射材料，通过使适当可聚合双折射材料聚合(例如，光聚合或热聚合)，来形成第一双折射材料层315和第二双折射材料层320。可聚合双折射材料可以包括LC(例如，RM)或者可以用于光学应用的任何其他适当可聚合双折射材料。在一些实施例中，用于形成第一双折射材料层315和第二双折射材料层320的可聚合双折射材料可以是具有不同的(例如，正的和负的)双折射色散性质的相同材料(例如，两者均为RM)。在一些实施例中，用于形成第一双折射材料层315和第二双折射材料层320的可聚合双折射材料可以是具有不同的(例如，正的和负的)双折射色散性质的不同材料(例如，RM和除RM之外的另一种可聚合双折射材料)。
在一些实施例中，可以将第一双折射材料层315和第二双折射材料层320结构性地图案化为具有以预定面内配向图案被配向的第一双折射材料和第二双折射材料的光学各向异性分子，由此提供至少一个预定光学功能。第一双折射材料层315和第二双折射材料层320的结构性图案可以是由配向结构310以及可以被包括在光学器件300中的其他配向结构限定的。在一些实施例中，第一双折射材料层315的结构性图案可以包括以第一配向图案被配向的聚合ND-RM。第一配向图案可以至少部分地由配向结构310限定。第二层320的结构性图案可以包括以第二配向图案被配向的聚合PD-RM。第二配向图案可以至少部分地由配向结构310限定。在一些实施例中，当在第一双折射材料层315上设置第二配向结构时，第二双折射材料层320的第二配向图案可以至少部分地由第二配向结构限定，第二层320可以设置在第二配向结构上。在一些实施例中，第一配向图案可以与第二配向图案相同。在一些实施例中，第一配向图案可以与第二配向图案不同。出于论述目的，使用RM作为可聚合双折射材料的示例。也可以使用其他适当的可聚合双折射材料代替RM或者与RM进行组合。也可以使用其他适当双折射材料代替RM。
出于说明的目的，在下文的描述中，使用第一液晶聚合物(LCP)层作为第一双折射材料层315的示例(因而，第一双折射材料层315可以被称为第一LCP层315)。使用第二LCP层作为第二双折射材料层320的示例(因而，第二双折射材料层320可以被称为第二LCP层320)。双折射介质层311可以被称为LCP膜或层311。第一LCP层315可以设置在配向结构310上并且可以与配向结构310接触。配向结构310可以包括面向基板305的第一表面、以及相对的第二表面。第一LCP层315与第二LCP层320的堆叠体可以被设置在配向结构310的第二表面上。例如，第一LCP层315可以是通过使设置(例如，施加或涂覆)在配向结构310的第二表面上的PD-RM单体层聚合而形成的。第二LCP层320可以设置在第一LCP层315上。例如，在第一LCP层315被设置在配向结构310上之后，可以在第一LCP层315上设置(例如，施加或涂覆)ND-RM单体的层，并且可以通过使设置(例如，施加或涂覆)在第一LCP层315上的ND-RM单体聚合而形成第二LCP层320。
第一LCP层315和第二LCP层320可以是包括具有相反色散性质的聚合RM(例如，光聚合RM或热聚合RM)的薄膜。第一LCP层315和第二LCP层320还可以被称为基于RM的聚合物层。在一些实施例中，第一LCP层315可以是通过使ND-RM单体聚合而形成的薄膜，并且第二LCP层320可以是通过使PD-RM单体聚合而形成的薄膜。在一些实施例中，第一LCP层315可以是通过使PD-RM单体聚合而形成的薄膜，并且第二LCP层320可以是通过使ND-RM单体聚合而形成的薄膜。在一些实施例中，第一LCP层315和第二LCP层320中的RM的配向图案可以是通过在配向结构310上对RM进行配向而实现的。由于各向异性界面相互作用的原因，配向结构310中包括的光配向材料的分子的光敏单元的结构性图案(当配向结构310包括PAM层时)可以决定将发生聚合以形成第一LCP层315和第二LCP层320的RM单体的配向。在一些实施例中，在双折射介质层311要被实施到光学器件中时、或者在双折射介质层311被制作之后，可以将配向结构310从双折射介质层311拆卸下来或者使配向结构310与双折射介质层311分离。
在一些实施例中，配向结构310可以是第一配向结构。为了增强第二LCP层320中的RM分子的结构性图案，可以将第二配向结构(图3A中未示出)设置在第一LCP层315与第二LCP层320之间。例如，在第一LCP层315被设置在第一配向结构310上之后，可以将第二配向结构设置在第一LCP层315上。第二LCP层320可以被设置在第二配向结构上。在一些实施例中，第二配向结构可以是双折射介质层311的一部分，并且在双折射介质层311要被实施到光学器件中时、或者在双折射介质层311被制作之后，可以不将第二配向结构从第一LCP层315和第二LCP层320拆卸下来。
双折射介质层311中包括的LCP层的数目可以是任何适当数目，诸如三个、四个、五个、六个等。在一些实施例中，配向结构的数目可以不限于一个或两个，并且可以多于两个，诸如三个、四个、五个、六个等。LCP层和配向结构的数目可以是基于具体的应用而确定的。在一些实施例中，LCP层中的至少一个LCP层可以包括一种或多种类型的PD-RM(或ND-RM)。在包括多于一种类型的PD-RM(或ND-RM)时，多于一种类型的PD-RM(或ND-RM)的双折射色散性质可以是相同的或者可以是不同的。
出于论述目的，在实施例中，第一LCP层315是通过使PD-RM单体聚合而形成的薄膜，并且第二LCP层320可以是通过使ND-RM单体聚合而形成的薄膜。因而，由第一LCP层315提供的相位延迟(Г1＝2π*d1*Δn1(λ)/λ)可以随着波长(λ)的增大而减小，由第二LCP层320提供的相位延迟(Г2＝2π*d2*Δn2(λ)/λ)可以随着波长(λ)的增大而增大，其中Г1和Г2分别表示第一LCP层315的相位延迟和第二LCP层320的相位延迟；d1和d2分别表示第一LCP层315的厚度和第二LCP层320的厚度；并且Δn1(λ)和Δn2(λ)分别表示第一LCP层315中的聚合RM的波长相关双折射率和第二LCP层320中的聚合RM的波长相关双折射率。换言之，随着波长(λ)的增大，包括具有相反的色散性质的聚合RM的第一LCP层315和第二LCP层320可以相互补偿。换言之，包括具有相反的色散性质的聚合RM的第一LCP层315和第二LCP层320可以表现出延迟补偿效果。因而，通过相对于感兴趣的光谱(例如，可见光波长范围、紫外线波长范围或者红外线波长范围)选择适当的聚合PD-RM和ND-RM的双折射色散性质的概况，并且通过配置第一LCP层315和第二LCP层320的厚度，由于延迟补偿效果的原因，由LCP膜提供的总相位延迟(Г＝Г1+Г2)可以相对于感兴趣的光谱基本恒定。
RM的双折射色散性质的概况是指双折射率与入射光的波长之间的关系。例如，在一些实施例中，RM的双折射色散性质的概况可以由波长的数学函数表示。可以对第一双折射色散性质和第二双折射色散性质的概况进行选择，使得该概况的组合可以得到可以由与波长基本成比例的函数(例如，K*λ，其中K是与波长λ无关的常数)表示的组合概况。换言之，厚度和双折射色散性质可以基本满足下述条件：对于预定波长范围而言，d1*Δn1(λ)+d2*Δn2(λ)可以基本等于K*λ。换言之，第一LCP层315的第一厚度d1与第一LCP层315中的RM的第一双折射率Δn1(λ)之间的乘积和第二LCP层320的第二厚度d2与第二LCP层320中的RM的第二双折射率Δn2(λ)之间的乘积之和可以基本与λ成比例，即为K*λ。因此，总的相位延迟Г＝Г1+Г2可以基本等于2π*K*λ/λ＝2π*K，其在预定波范围内可以与波长无关。在一些实施例中，LC光学器件300可以充当零级光学器件(例如，零级波片)，并且K可以是大于0并且小于等于1的数值，例如，0.25、0.5或1。在一些实施例中，LC光学器件300可以充当多级光学器件(例如，多级波片)，并且K可以是大于1的数值，例如，1.25、1.5或2。上文的示例性关系可以是一个实施例。在一些实施例中，总的相位延迟Г＝Г1+Г2可以是波长相关的，但是波长相关的变化可以足够小(例如，±1％、±2％、±3％、±4％、±5％、±10％)，使得总相位延迟仍然可以被视为基本是波长无关的(例如，在一定波长范围内基本恒定)。
在一些实施例中，由于延迟补偿效果的原因，LC光学元件300可以相对于感兴趣的光谱(例如，在可见光波长范围、IR波长范围、UV波长范围或其组合中)表现出总的基本恒定的相位延迟，即，宽带。可以基于对应的RM单体(即，聚合前的RM单体)相对于感兴趣的光谱的双折射色散性质的概况，来选择聚合ND-RM和聚合PD-RM相对于感兴趣的光谱的双折射色散性质的概况。聚合前的RM单体的双折射色散性质和聚合后的聚合RM的双折射色散性质的概况可以基本相同。
图3B示出了根据本公开的另一实施例的消色差薄膜LC光学元件或器件350的x-z截面图。LC光学器件350可以包括与图3A中所示的LC光学器件300中包括的结构或元件相同或类似的结构或元件。可以参考上文联系图3A所示的实施例提供的描述获得对图3B所示的实施例中包括的相同或类似结构或元件的描述。如图3B中所示，LC光学器件350可以包括基板355、设置在基板355上的配向结构360、以及设置在配向结构360上的双折射介质层370。基板355和配向结构360可以类似于图3A中所示的基板305和配向结构310。
图3B所示的双折射介质层370可以是包括第一双折射材料和第二双折射材料的组合的单个薄膜，第一双折射材料具有第一双折射色散性质，第二双折射材料具有第二双折射色散性质。第一双折射色散性质可以不同于第二双折射色散性质(例如，与之相反)。例如，第一双折射色散性质可以是负双折射色散性质(或者正双折射色散性质)，并且第二双折射色散性质可以是正双折射色散性质(或者负双折射色散性质)。在一些实施例中，第一双折射材料可以包括聚合双折射材料，例如，聚合RM，并且第二双折射材料也可以包括聚合双折射材料，例如，聚合RM。在一些实施例中，具有第一双折射色散性质的第一双折射材料可以包括聚合ND-RM。具有第二双折射色散性质的第二双折射材料可以包括聚合PD-RM。
在一些实施例中，可以通过使具有相反的色散性质的RM单体(或任何其他适当的可聚合双折射材料)的混合物(例如，PD-RM单体和ND-RM单体的混合物)聚合而形成双折射介质层370。换言之，双折射介质层370可以是包括具有不同(例如，相反)的双折射色散性质的聚合PD-RM和聚合ND-RM的组合的薄膜。在一些实施例中，双折射介质层370还可以被称为LCP膜或层370。在一些实施例中，聚合PD-RM和聚合ND-RM可以均匀地分布在LCP膜370中。在一些实施例中，聚合PD-RM的重量百分比可以不同于聚合ND-RM的重量百分比。聚合PD-RM和聚合ND-RM的组合中的聚合PD-RM的重量百分比和聚合ND-RM的重量百分比可以基本类似于聚合前的PD-RM单体和ND-RM单体的混合物中的PD-RM单体的的重量百分比和ND-RM单体的重量百分比。在一些实施例中，聚合PD-RM的体积百分比与聚合ND-RM的体积百分比可以相同或不同。
在一些实施例中，双折射介质层370可以包括多于一种类型的、具有不同双折射色散性质的PD-RM。在一些实施例中，双折射介质层370可以包括多于一种类型的、具有不同双折射色散性质的ND-RM。在一些实施例中，双折射介质层370可以包括多于一种类型的、具有不同双折射色散性质的PD-RM和多于一种类型的、具有不同双折射色散性质的ND-RM。通过配置多于一种类型的、具有不同双折射色散性质的PD-RM和/或多于一种类型的、具有不同双折射色散性质的ND-RM的成分，并且配置多于一种类型的、具有不同双折射色散性质的PD-RM和/或多于一种类型的、具有不同双折射色散性质的ND-RM的浓度(例如，重量百分比、体积百分比和/或分布)，可以使由双折射介质层370提供的相位延迟相对于感兴趣的光谱(例如，可见光波长范围)基本恒定。
在一些实施例中，消色差薄膜LC光学元件或器件350可以包括两个或更多双折射介质层370。每个双折射介质层370可以包括一种或多种类型的PD-RM以及一种或多种类型的ND-RM的组合。每个双折射介质层370中包括的双折射介质的双折射色散性质概况可以彼此不同。可以通过实施本文描述的PD-RM和ND-RM的各种组合来实现预期波长范围内的总的消色差性质。
通过配置被包括在双折射介质层370中的PD-RM和ND-RM的成分，相对于感兴趣的光谱(例如，可见光波长范围)可以实现被包括在双折射介质层370中的PD-RM和ND-RM的适当的双折射色散性质的概况。通过配置RM单体的混合物中的PD-RM单体和ND-RM单体的浓度(例如，重量百分比、体积百分比和/或分布)，可以使双折射介质层370提供的相位延迟相对于感兴趣的光谱(例如，可见光波长范围)基本恒定，这是由于组合的聚合PD-RM和ND-RM所提供的延迟补偿效果。相应地，由于延迟补偿效果的原因，LC光学器件350可以相对于感兴趣的光谱(例如，可见光波长范围)表现出总的基本恒定的相位延迟，即，宽带。换言之，由双折射介质层370提供的相位延迟相对于感兴趣的光谱(例如，可见光波长范围)可以基本是波长无关的(例如，是消色差的)。在一些实施例中，聚合前和聚合后的RM的双折射色散性质的概况可以是基本相同的。
双折射介质层370可以被结构性地图案化为具有RM(PD-RM和ND-RM的组合)的预定面内配向图案，以提供至少一个预定光学功能。预定面内配向图案可以至少部分地由配向结构360限定。例如，在PD-RM单体和ND-RM单体的混合物被设置(例如，施加或涂覆)到配向结构360上时，RM单体可以根据由配向结构360限定的预定配向图案而被配向。在使RM单体被聚合(例如，通过UV固化)时，RM单体的配向可以在聚合RM中被保持。
图3C示出了根据本公开的又一实施例的消色差薄膜LC光学元件或器件380的x-z截面图。LC光学器件380可以包括与图3A中所示的LC光学器件300中包括的结构或元件相同或类似的结构或元件。可以参考上文联系图3A所示的实施例提供的描述获得对图3C所示的实施例中包括的相同或类似结构或元件的描述。如图3C中所示，LC光学器件380可以包括基板385和设置在基板385上的双折射介质层383。双折射介质层383可以类似于图3A所示的双折射介质层311或者图3B所示的双折射介质层370。由双折射介质层383提供的相位延迟可以相对于感兴趣的光谱(例如，可见光波长范围)基本恒定。换言之，由双折射介质层383提供的相位延迟可以基本是波长无关的(例如，消色差的)。
双折射介质层383的结构性图案可以由基板385提供的预定配向图案决定。换言之，可以在基板385上对被包括在双折射介质层383中的光学各向异性分子进行配向。例如，可以通过在基板385上对光学各向异性分子进行配向而形成被包括在双折射介质层383中的光学各向异性分子的面内配向图案。在一些实施例中，基板385可以是由有机材料(例如，非晶或液晶聚合物、包括具有LC性质的那些的可交联单体)制作的，或者可以是由无机材料(例如，用于超颖表面(metasurface)的制造的金属或氧化物)制作的。基板385的(一种或多种)材料可以是各向同性或各向异性的。在一些实施例中，基板385可以是由对于一定的电磁频率范围(例如，可见光波段)透明或接近透明的抗蚀剂材料被纳米制作而成的。抗蚀剂材料可以是热塑性塑料、聚合物、光学透明光致抗蚀剂的形式等。在凝固或固化之后，抗蚀剂材料可以提供对设置在基板385上的双折射介质层383的配向。换言之，基板385可以充当针对双折射介质层383的配向结构(例如，配向层)。可以使用基板385的纳米制作技术实现各种配向图案和特征，这允许创建具有高定制性的双折射介质层383的配向图案。
图3D示出了根据本公开的再一实施例的消色差薄膜LC光学元件或器件390的x-z截面图。LC光学器件390可以包括与图3A中所示的LC光学器件300中包括的结构或元件相同或类似的结构或元件。可以参考上文联系图3A所示的实施例提供的描述获得对图3D所示的实施例中包括的相同或类似结构或元件的描述。如图3D中所示，LC光学器件390可以包括基板395和设置在基板395上的双折射介质层393。在一些实施例中，双折射介质层393可以包括第一层和第二层，该第一层和第二层所包括的双折射材料具有相反的双折射色散性质(类似于图3A所示的双折射介质层311)。在一些实施例中，双折射介质层393可以包括具有双折射材料的组合的单层，该双折射材料具有相反的双折射色散性质(类似于图3B所示的双折射介质层370)。由双折射介质层393提供的相位延迟可以相对于感兴趣的光谱(例如，可见光波长范围)基本恒定。换言之，由双折射介质层393提供的相位延迟可以基本是波长无关的(例如，消色差的)。
在一些实施例中，双折射介质层393可以包括已经用偏振光辐射进行配向并且用诱导的双折射进行光交联的双折射材料。双折射材料中的分子可以包括光敏单元。双折射材料的分子中的光敏单元的光配向可以发生在一定体积的双折射材料中。例如，在用全息创建的偏振光图案提供辐射时，光敏单元的配向图案可以出现在双折射介质层393中。换言之，双折射材料中的分子的面内配向图案可以由偏振光辐射直接诱导。这样的配向过程可以被称为体块介导光配向(bulk-mediated photoalignment)。
在一些实施例中，可以对图3A-3D所示的双折射介质层的实施例中的一者或多者进行组合。由该实施例的LC光学器件提供的相位延迟可以相对于感兴趣的光谱(例如，可见光波长范围)基本恒定。换言之，由该实施例的LC光学器件提供的相位延迟可以基本是波长无关的(例如，消色差的)。例如，在一个实施例中，一种LC光学器件可以包括可以与双折射介质层311(图3A中所示)类似的第一双折射介质层、以及可以与双折射介质层370(图3B中所示)类似的第二双折射介质层。在一个实施例中，一种LC光学器件可以包括可以与双折射介质层311(图3A中所示)类似的第一双折射介质层、以及可以与双折射介质层383(图3C中所示)类似的第二双折射介质层。在一个实施例中，一种LC光学器件可以包括可以与双折射介质层311(图3A中所示)类似的第一双折射介质层、以及可以与双折射介质层393(图3D中所示)类似的第二双折射介质层。在一个实施例中，一种LC光学器件可以包括可以与双折射介质层370(图3B中所示)类似的第一双折射介质层、以及可以与双折射介质层383(图3C中所示)类似的第二双折射介质层。在一个实施例中，一种LC光学器件可以包括可以与双折射介质层370(图3B中所示)类似的第一双折射介质层、以及可以与双折射介质层393(图3D中所示)类似的第二双折射介质层。在一个实施例中，一种LC光学器件可以包括可以与双折射介质层383(图3C中所示)类似的第一双折射介质层、以及可以与双折射介质层393(图3D中所示)类似的第二双折射介质层。
参考图3A-图3D，消色差薄膜LC光学器件300、350、380或390可以是刚性或柔性薄膜LC光学元件。在LC光学器件300、350、380或390是柔性的时，LC光学器件300、350、380或390可以是可弯曲、可变形、可折叠、可卷或者可收缩的。在一些实施例中，LC光学器件300、350、380或390可以具有曲面形状。柔性LC光学器件300或350可以被应用于或被实施在刚性光学元件不符合预期或者不适当的设备(例如，曲面表面或柔性结构)中。在一些实施例中，LC光学器件300、350、380或390可以被设置(例如，涂覆、附接、固定等)到适当的表面处而不影响光学功能。在一些实施例中，可以使多个LC光学器件300、350、380或390堆叠或者耦合在一起，以形成光学串联。在一些实施例中，LC光学器件300、350、380或390可以充当无源器件。
在一些实施例中，可以不使消色差薄膜LC光学器件300、350、380或390中包括的双折射材料(例如，RM单体)聚合，并且消色差薄膜LC光学器件300、350、380或390可以充当有源器件，例如，在外部电场下可切换。在一些实施例中，被包括在消色差薄膜LC光学器件300、350、380或390中的双折射材料可以包括有源LC，并且消色差薄膜LC光学器件300、350、380或390可以充当有源器件，例如，在外部电场下可切换。在一些实施例中，消色差薄膜LC光学器件300、350、380或390可以包括附加层，例如，两个或更多电极层。例如，在图3A所示的LC光学器件300中，电极层可以被设置为将包括第一双折射材料层315和第二双折射材料层320的双折射介质层311夹在中间，以提供用于切换的驱动电压。在图3B所示的LC光学器件350中，电极层可以被设置为将单层双折射介质层370夹在中间，以提供用于切换的驱动电压。在图3C所示的LC光学器件380中，电极层可以被设置为将第一双折射材料层381和第二双折射材料层382夹在中间，以提供用于切换的驱动电压。在图3D所示的LC光学器件390中，电极层可以被设置为将双折射介质层393夹在中间，以提供用于切换的驱动电压。电极层可以包括柔性透明导电层，例如，设置在塑料膜上的氧化锡铟(ITO)。在一些实施例中，塑料膜可以包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。在一些实施例中，塑料膜可以包括三醋酸纤维素(TAC)，这是一种具有充分低的双折射率的柔性塑料。
在一些实施例中，LC光学器件300、350、380或390的至少一个预定光学功能可以基于对在双折射介质膜中包括的双折射介质的光轴操纵。在一些实施例中，可以通过在配向结构310或360上对光学各向异性分子(例如，RM单体)进行配向来配置光学各向异性分子的面内配向图案，由此实现对双折射介质的光轴的操纵。在一些实施例中，可以通过由基板385对光学各向异性分子(例如，RM单体)进行配向来配置光学各向异性分子的面内配向图案，由此实现对双折射介质的光轴的操纵。在一些实施例中，可以通过在偏振光辐射下对光学各向异性分子进行配向(例如，直接配向)来配置光学各向异性分子的面内配向图案，由此实现对双折射介质的光轴的操纵。如上文所论述的，RM单体的配向在聚合之后可以被保持。换言之，LCP膜中包括的聚合RM可以具有与被聚合时形成该LCP膜的RM单体基本相同的配向图案。根据所形成的光学各向异性分子的配向图案，LC光学器件300、350、380或390可以充当透射、反射或者兼具透射和反射的元件，诸如棱镜、透镜、射束折射器、透镜阵列、棱镜阵列、相位延迟器等。描述了消色差薄膜LC光学元件或器件的各种设计。这些设计只是示例性的，并且可以基于本文描述的原理推导出消色差薄膜LC光学元件或器件的其他设计。
图4A是根据本公开的实施例的可以包括本文描述的所公开双折射介质膜或层的透射型消色差薄膜LC光学元件或器件400。根据双折射介质膜中的光学各向异性分子的配向图案，薄膜LC光学器件400可以充当透射型光学元件，诸如棱镜、透镜、射束折射器、透镜阵列、棱镜阵列或者相位延迟器等。出于论述目的，在下文的描述中，可以使用RM作为被包括在双折射介质膜中的光学各向异性分子的示例，并且双折射介质膜可以包括LCP膜。
图4B示出了根据本公开的实施例图4A所示的薄膜LC光学器件400充当LC相位延迟器400时RM的配向图案410的x-y截面图。如图4B中所示，RM的配向方向(例如，在图4B中的y轴上)可以是跨越整个LC相位延迟器400均匀的。在一些实施例中，可以通过在均匀配向的配向结构上对RM单体(被聚合后形成LCP膜)进行配向，来实现RM的均匀配向。为了有效地改变所透射的光的相位，线偏振入射光可以被配置为使其偏振轴基本沿RM的配向方向对准。
LC相位延迟器400可以被有效地配置为充当光学设备或光学系统中的偏振管理部件。例如，在LC相位延迟器400是半波片时，具有第一偏振方向的线偏振入射光可以被转换成具有与第一偏振方向垂直的第二偏振方向的线偏振输出光。在LC相位延迟器400是半波片时，圆偏振入射光可以被转换成具有反转的手性(handedness)的圆偏振输出光。在LC相位延迟器400是四分之一波片时，线偏振输入光可以被转换成圆偏振输出光。在一些实施例中，在LC相位延迟器400被配置为控制入射光的偏振时，可以使线偏振入射光的偏振轴相对于LC相位延迟器400中包括的RM的配向方向被定向在大约35-50°角。
图4C示出了在图4A中所示的薄膜LC光学器件400充当PBP透镜400时RM的配向图案420的x-y截面图。如图4C中所示，PBP透镜400可以基于RM的面内取向(方位角θ)生成相应的透镜概况，其中相位差可以是T＝2θ。RM分子的方位角可以从PBP透镜400的中心424到边缘422以可变间距Λ连续变化。间距被定义为RM分子之间的距离，其中方位角从初始状态被旋转了大约180°。作为对照，常规LC透镜基于双折射率(Δn)、液晶的层厚度(d)和菲涅耳区(Fresnel zone)的数目N(在菲涅尔透镜设计的情况下)创建透镜概况，其中相位差为T＝d*Δn(λ)*N*2π/λ。相应地，根据本公开的实施例，PBP透镜400可以具有大的孔径尺寸并且可以包括薄LCP膜(例如，双折射介质层311、370、383或393)。
图4D示出了沿图4C所示的PBP透镜400的y轴截取的RM配向430的区段。如图4D中所示，通过从PBP透镜400的中心424朝边缘422移动，RM的取向的连续面内旋转可以加速，使得所获得的周期性结构的周期(例如，间距)可以减小。PBP透镜400中的光学相位延迟可能是由于与RM的取向的连续面内旋转相关联的几何相位而发生的，从而得到了透镜效果。例如，透镜中心424处的间距(Λ0)可以是最大的，并且边缘422处的间距(Λr)可以是最小的，即Λ0>Λ1>...>Λr。在x-y平面中，对于具有透镜半径(r)和透镜焦距(+/-f)的PBP透镜而言，方位角θ可以满足
Figure BDA0003829604720000271
其中λ是入射光的波长。
图4C中所示的PBP透镜400可以是具有两种分立的光学状态的无源PBP透镜：聚焦状态和散焦状态。无源PBP透镜的状态可以取决于入射到该无源PBP透镜上的光的偏振的手性、以及PBP透镜400中的RM指向矢(director)的旋转的手性。在一些实施例中，无源PBP透镜可以响应于具有左旋偏振的入射光在散焦状态下工作，并且响应于具有右旋偏振的入射光在聚焦状态下工作。在一些实施例中，无源PBP透镜可以响应于具有右旋偏振的入射光在散焦状态下工作，并且响应于具有左旋偏振的入射光在聚焦状态下工作。聚焦状态可以向系统增加光功率(即，具有正焦距“f”)，并且散焦状态可以从系统中减去光功率(即，具有负焦距“-f”)。
在一些实施例中，在通过另一光学器件使入射光的偏振(例如，手性)切换时，无源PBP透镜在聚焦状态和散焦状态之间可切换。例如，有源偏振开关可以耦合至无源PBP透镜。无源PBP透镜可以接收从有源偏振开关输出的光。有源偏振开关可以控制(例如，切换)入射到无源PBP透镜上的光的偏振。根据有源偏振开关的操作状态(例如，切换状态或者非切换状态)，有源偏振开关可以将入射光的偏振从第一偏振方向(例如，第一手性)转换到与第一偏振方向不同(例如，与之相反)的第二偏振方向(例如，第二手性)，或者可以维持输入光的偏振。在一些实施例中，有源偏振开关可以包括可切换半波片(SHWP)。有源偏振开关的切换速度可以决定无源PBP透镜的切换速度。
图4E示出了图4A所示的薄膜LC光学器件400充当PBP光栅或偏转器400时配向图案440的x-y截面图。图4F示意性地示出了沿图4E所示的PBP光栅400的y轴截取的RM配向450的一部分的图示。如图4E和图4F所示，在PBP光栅400中，RM的面内取向(例如，方位角)可以从PBP光栅400的中心444到边缘442以均匀间距Λ以线性重复的图案变化。PBP光栅400的间距Λ可以是该图案的重复部分之间的沿y轴的距离的一半。间距Λ可以部分地决定PBP光栅400的光学性质。例如，沿PBP光栅400的光轴(例如，z轴)入射的圆偏振光可以具有包括分别对应于衍射级m＝+1、m＝–1和m＝0的主光、共轭光和泄漏光的光栅输出。间距Λ可以决定不同衍射级中的光的衍射角(例如，射束转向角)。一般而言，Λ越小，针对给定的光波长的衍射角就越大。
图4E中所示的PBP光栅400可以是具有与无源PBP的类似的两种光学状态的无源PBP光栅：正状态和负状态。在一些实施例中，在正状态和负状态中，PBP光栅400可以使处于具体波长的光分别衍射到正角(例如，+θ)和负角(例如，-θ)。此外，PBP光栅400可以输出具有与入射光的手性相反的手性的光。PBP光栅400的光学状态可以取决于圆偏振输入光的手性。在一些实施例中，PBP光栅400可以响应于右旋圆偏振光而在正状态下操作，并且可以响应于左旋圆偏振光而在负状态下操作。在一些实施例中，PBP光栅400可以响应于左旋圆偏振光而在正状态下操作，并且可以响应于右旋圆偏振光而在负状态下操作。
在通过另一光学器件(例如，有源偏振开关)切换入射光的手性时，PBP光栅400在正状态和负状态之间可切换。例如，有源偏振开关可以耦合至PBP光栅400。PBP光栅400可以接收从有源偏振开关输出的光。偏振开关可以控制(例如，切换)入射到PBP光栅400上的光的偏振。根据有源偏振开关的操作状态(例如，切换状态或者非切换状态)，该偏振开关可以将入射光的偏振从第一偏振方向(例如，第一手性)转换到与第一偏振方向不同(例如，与之相反)的第二偏振方向(例如，第二手性)、或者可以保持输入光的偏振。在一些实施例中，该偏振开关可以包括SHWP。偏振开关的切换速度可以决定PBP光栅400的切换速度。
除图4A-图4F所示的透射薄膜LC光学元件或器件之外，还可以实现反射薄膜LC光学器件。图5A示出了根据本公开的实施例的反射型消色差薄膜LC光学元件或器件500的示意图。图5B示出了根据本公开的实施例的图5所示的LC光学器件500充当反射PBP光栅时RM配向510的y-z截面图。反射PBP光栅因其物理性质还可以被称为反射偏振体光栅(RPVG)。如图5B中所示，RPVG 500可以包含沿z方向的充分高的程度的扭转(例如，RPVG 500中的RM可以具有螺旋形结构)。不同于图4E所示的通过调制入射光的相位来衍射入射光的透射PBP光栅，RPVG 500可以通过布拉格反射(或倾斜多层反射)来衍射入射光。RPVG 500可以主要衍射具有与RPVG 500的螺旋形结构的手性相同的手性的圆偏振光，并且主要透射具有其他偏振的光，而不改变所透射的光的偏振。例如，在圆偏振入射光具有与RPVG 500的螺旋形结构的手性相反的手性时，入射光主要被透射到第0级，并且偏振可以基本保持(例如，不受影响)。RPVG 500的衍射效率可以是膜厚度(例如，RPVG 500中包括的双折射介质层的沿z方向的厚度)的函数。例如，RPVG 500的衍射效率可以随着厚度单调提高，之后逐渐饱和(例如，基本保持恒定)。
基于具有正双折射色散性质和负双折射色散性质的RM的消色差薄膜LC光学元件或器件只是用于说明性目的。还可以遵循与基于具有正双折射色散性质和负双折射色散性质的RM的消色差薄膜LC光学元件或器件相同的设计原则，基于具有正双折射色散性质和负双折射色散性质的适当双折射材料(例如，有源LC、无源LC、有源LC和无源LC的组合)，来配置消色差薄膜LC光学元件或器件。在一些实施例中，在消色差薄膜LC光学元件包括有源LC或者有源LC和无源LC的组合时，该消色差薄膜LC光学元件可以充当有源消色差薄膜LC光学元件，可通过外部场(例如，外部电场)对其进行切换。例如，在有源消色差薄膜LC光学元件具有与图4A-图5B所示的类似的结构时，有源消色差薄膜LC光学元件可以充当有源PBP光学元件。例如，充当有源PBP光栅的有源消色差薄膜LC光学元件可以经由被施加到LC的外部场而在正状态/负状态之间切换。在自然状态下，有源PBP光栅可以不对输入光衍射，并且可以影响或者不影响通过有源PBP光栅被透射的光的偏振。在一些实施例中，有源PBP光栅可以通过被施加到LC的外部电场切换至中性状态。
类似地，充当有源PBP透镜的有源消色差薄膜LC光学器件可以通过施加至LC的外部场在聚焦/散焦状态和中性状态之间切换。在中性状态下，该有源PBP透镜可以不对输入光聚焦/散焦，并且可以影响或者不影响通过该有源PBP透镜透射的光的偏振。在一些实施例中，该有源PBP透镜可以通过施加至LC的外部电场切换至中性状态。
可以在各种各样的领域中实施根据本公开的实施例的消色差薄膜LC光学元件或器件。这样的实施方式落在本公开的范围内。在一些实施例中，可以将所公开的消色差薄膜LC光学元件或器件实施为用于增强现实(AR)、虚拟现实(VR)、和/或混合现实(MR)的近眼显示器(NED)中的多功能光学部件。例如，所公开的消色差薄膜LC光学元件或器件可以被实施为眼动跟踪部件(eye-tracking component)、用于实现多个焦距或者可变焦距的调适部件、显示器分辨率增强部件、瞳孔转向元件、和宽带波片(例如，四分之一波片或者半波片)等，其可以显著降低NED的重量并且增强NED的光学性能。因此，可以所公开的消色差薄膜LC光学元件或器件可以被实施在未来的智能眼镜中。
图6A示出了根据本公开的实施例的近眼显示器(NED)600的图示。图6B示出了根据本公开的实施例的图6A所示的NED 600的前部主体的截面图。NED 600可以包括所公开的消色差薄膜LC光学元件或器件中的一者或多者，例如，消色差薄膜LC光学器件300、350、380或390。
如图6A中所示，NED 600的实施例可以是头戴式显示器。NED600可以包括前部主体605和绑带610。绑带610可以被配置为将前部主体605固定至用户的头部。前部主体605可以包括电子显示器630的一个或多个电子显示元件、惯性测量单元(IMU)615、一个或多个姿势传感器620、以及一个或多个定位器625。前部主体605可以包括其他元件。在一些实施例中，可以省略图6A所示的一个或多个元件。在图6A所示的实施例中，姿势传感器620可以位于IMU 615内，IMU 615和姿势传感器620两者对于用户而言都是不可见的。在一些实施例中，IMU 615、姿势传感器620和定位器625可以被集成为单个器件，并且可以被配置为提供NED600的姿态和/或姿势信息。NED 600可以充当VR、AR或MR设备或者可以被包括在VR、AR或MR设备中。在NED 600充当VR、AR或MR设备或者被包括在其中时，NED 600的部分及其内部部件可以是至少部分地透明的。
如图6B中所示，前部主体605可以包括电子显示器630和变焦距块(varifocalblock)660，电子显示器630和变焦距块660一起向出瞳670提供图像光。出瞳670可以指用户眼睛665所处在的前部主体605的位置。出于说明性目的，图6B示出了与单只眼睛665相关联的NED 600的截面图。应当理解，NED 600可以包括与变焦距块660分开的另一变焦距块，该另一变焦距块用以向用户的另一只眼睛提供更改的图像光。此外，NED 600可以包括眼动跟踪系统(未示出)。眼动跟踪系统可以包括(例如)被配置为照射用户的一只或两只眼睛的一个或多个光源和一个或多个相机，该一个或多个相机被配置为基于由光源发射且被一只或两只眼睛反射的光捕获用户的一只或两只眼睛的图像。
电子显示器630可以向用户显示图像。在一些实施例中，电子显示器630可以包括针对用户的每只眼睛665的波导显示器或者堆叠的波导显示器。例如，堆叠的波导显示器可以是包括波导显示器的堆叠体的多色显示器(例如，红绿蓝(RGB)显示器)，该波导显示器的堆叠体的相应单色光源被配置为发射不同颜色的光。波导显示器可以包括被配置为生成图像光的光源组件、以及被配置为向用户的眼睛665扩展的图像光的输出波导。输出波导可以包括被配置为将来自光源组件的光耦合到输出波导中的一个或多个耦合元件、被配置为将来自输出波导的光解耦到用户的眼睛665的一个或多个解耦元件、以及被配置为将由一个或多个耦合元件输出的光指引到一个或多个解耦元件的一个或多个指引元件。
在基于常规技术的现有NED中，耦合元件、指引元件和解耦元件可以是(例如)衍射光栅、全息光栅、一个或多个级联反射器、一个或多个棱柱面元件、和/或全息反射器的阵列。作为对照，在所公开的实施例中，耦合元件、指引元件和解耦元件可以是通过所公开的具有对应的结构化RM配向图案的消色差薄膜LC光学器件来实现的，例如，通过图4E和图4F以及图5A和图5B中所示的PBP光栅来实现的。与常规NED中使用的各种光栅(诸如表面起伏光栅(SRG)和全息光栅(HG))相比，所公开的充当PBP光栅的消色差薄膜LC光学器件遍及大视场和宽波长谱(例如，可见光波长的带)具有高效率，并且为用于VR、AR和MR应用的波导耦合NED提供了极大优势。此外，由于图5A-图5B中所示的RPVG允许使具有指定偏振的圆偏振光偏转，并且允许具有其他偏振的其他光穿过其透射，因而在使用RPVG作为在用于AR应用的NED中将所显示的图像和现实世界光进行组合的组合器(combiner)时，可以提高现实世界光的总透射率。
此外，图6B中所示的变焦距块660可以被配置为调整由电子显示器630发射的光的距离，使得光出现在距离用户的(一只或两只)眼睛的预定焦距处。变焦距块660可以包括以光学串联布置的一个或多个变焦结构。变焦结构是被配置为根据来自控制器的指令动态地调节其焦距的光学器件。变焦结构可以包括一个或多个具有固定光功率的单焦距透镜和/或一个或多个具有可调节(或可变)光功率的可变焦距透镜。一个或多个可变焦距透镜可以通过所公开的具有对应的结构化RM配向图案的消色差薄膜LC光学器件(例如，图4C所示的PBP透镜)实来现。
用于VR、AR或MR应用的NED的设计规格通常包括用以适应人眼视轴调焦(vergence-accommodation)(例如，大约±2屈光度或更大)的大范围光功率、快速切换速度(例如，具有小于或等于大约300ms的切换时间)、和良好图像质量。常规LC透镜可能不适于这些应用，因为常规LC透镜一般使用具有相对较高的折射率或者相对较大的厚度(其将降低切换速度)的LC材料。作为对照，本文公开的充当PBP透镜的薄膜LC光学元件可以被配置为使用具有相对较低的折射率的RM材料满足设计规格。此外，充当PBP透镜的薄膜LC光学元件是宽带的而且薄的(图3B所示的单个双折射介质层370可以薄到大约2μm)，并且具有高切换速度(例如，具有小于等于300ms的切换时间)。
此外，在一些实施例中，变焦距块660可以被配置为放大接收到的光，校正与图像光相关联的光学错误、和/或将经校正的图像光呈现给NED 600的用户。变焦距块660可以另外包括以光学串联布置的一个或多个光学元件，例如，光圈、菲涅尔透镜、凸透镜、凹透镜、滤光片、或者任何其他可以影响图像光的适当的光学元件中的一者或多者。一个或多个光学元件也可以通过所公开的具有对应的RM的面内配向图案的薄膜LC光学器件来实现。
已经出于说明的目的介绍了对本公开的实施例的上述描述。其并非旨在进行穷举或者使本公开局限于所公开的确切形式。本领域技术人员能够认识到根据上文的公开内容可能做出的修改和变化。
本说明书的一些部分可能在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。这些操作尽管是功能性地、计算性地或逻辑性地描述的，但是可以通过计算机程序或等效电路或者微码等实现。此外，已经证明，有时将这些操作布置称为模块是很方便的，而不损失普遍性。可以通过软件、固件、硬件或其组合来体现所描述的操作及其相关联模块。
本文描述的任何步骤、操作或过程可以用一个或多个硬件和/或软件模块(单独地或者与其他设备结合)来执行或实现。在一个实施例中，用包括计算机可读介质的计算机程序产品来实现软件模块，计算机可读介质包含计算机程序代码，该计算机程序代码可以由计算机处理器执行，以执行任何或所有所述的步骤、操作或过程。
本公开的实施例还可能涉及用于执行本文的操作的装置。该装置可以是针对具体用途专门构建的，和/或该装置可以包括由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算设备。这样的计算机程序可以被存储在非暂态有形计算机可读存储介质或者适于存储电子指令的任何类型介质中，该介质可以耦合至计算机系统总线。此外，本说明书中涉及的任何计算系统可以包括单个处理器，或者可以是采用用于提高计算能力的多处理器设计的架构。
本公开的实施例还可以涉及通过本文描述的计算过程生成的产物。这样的产物可以包括由计算过程得到的信息，其中将该信息被存储在非暂态有形计算机可读存储介质上，并且该信息可以包括本文描述的计算机程序产品或者其他数据组合的任何实施例。
此外，在附图中例示的实施例示出了单个元件时，应当理解，该实施例可以包括多个这样的元件。类似地，在附图中例示的实施例示出了多个这样的元件时，应当理解，该实施例可以仅包括一个这样的元件。附图中例示的元件的数目只是为了说明的目的，不应理解为限制实施例的范围。此外，除非另外指出，否则附图所示的实施例不是互斥的，并且可以以任何适当方式对实施例进行组合。例如，在一个实施例中示出但是在另一实施例中未示出的元件仍然可以被包括在另一实施例中。
已经描述了对示例性实施方式进行例示说明的各种实施例。基于所公开的实施例，本领域技术人员可以做出各种其他改变、修改、重新布置和替代，而不脱离本公开的范围。因而，尽管参考上面的实施例详细描述了本公开，但是本公开不限于上文描述的实施例。可以通过其他等价形式体现本公开而不脱离本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求限定。

Claims (15)

1.一种光学器件，包括：
第一层，包括具有负双折射色散性质的第一双折射材料；以及
第二层，包括具有正双折射色散性质的第二双折射材料，
其中所述第一层和所述第二层被结构性地图案化，以提供至少一个预定光学功能。
2.根据权利要求1所述的光学器件，其中所述负双折射色散性质指示所述第一双折射材料的第一双折射率随着光的波长的增大而增大，并且所述正双折射色散性质指示所述第二双折射材料的第二双折射率随着所述光的所述波长的增大而减小；并且优选地其中所述第一层的第一厚度与所述第一双折射率之间的第一乘积和所述第二层的第二厚度与所述第二双折射率之间的第二乘积之和，与预定波长范围内的所述光的所述波长基本成比例。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的光学器件，其中所述第一层或所述第二层中的至少一者包括液晶聚合物膜。
4.根据权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的光学器件，其中所述第一双折射材料包括具有负双折射色散性质的聚合反应性介晶(RM)，并且所述第二双折射材料包括具有正双折射色散性质的聚合RM；并且优选地其中：
所述第一层的结构性图案包括以第一面内配向图案被配向的所述具有负双折射色散性质的聚合RM，并且
所述第二层的结构性图案包括以第二面内配向图案被配向的所述具有正双折射色散性质的聚合RM。
5.根据权利要求1到4中的任何一项所述的光学器件，还包括耦合至所述第一层的基板；并且优选还包括配向结构，所述配向结构被设置在所述基板与所述第一层之间，并且被配置为针对所述第一层或所述第二层中的至少一者限定结构性图案。
6.根据权利要求1到5中的任何一项所述的光学器件，其中所述光学器件包括无源光学器件或有源光学器件。
7.一种光学器件，包括：
基板；以及
双折射介质层，耦合至所述基板，并且包括第一双折射材料和第二双折射材料的组合，所述第一双折射材料具有负双折射色散性质，所述第二双折射材料具有正双折射色散性质，
其中所述双折射介质层被结构性地图案化，以提供至少一个预定光学功能。
8.根据权利要求7所述的光学器件，其中：
所述负双折射色散性质指示所述第一双折射材料的第一双折射率随着光的波长的增大而增大，并且
所述正双折射色散性质指示所述第二双折射材料的第二双折射率随着所述光的所述波长的增大而减小。
9.根据权利要求7或权利要求8所述的光学器件，其中所述第一双折射材料的浓度和所述第二双折射材料的浓度被配置为：提供相对于预定波长范围基本恒定的所述双折射介质层的总相位延迟。
10.根据权利要求7、权利要求8或权利要求9所述的光学器件，其中所述双折射介质层包括液晶聚合物膜。
11.根据权利要求7到10中的任何一项所述的光学器件，其中所述第一双折射材料包括具有负双折射色散性质的聚合反应性介晶(RM)，并且所述第二双折射材料包括具有正双折射色散性质的聚合RM；并且优选地其中所述双折射介质层的结构性图案包括被混合、且以预定面内配向图案被配向的所述具有负双折射色散性质的聚合RM和所述具有正双折射色散性质的聚合RM。
12.根据权利要求7到11中的任何一项所述的光学器件，还包括配向结构，所述配向结构被设置在所述基板与双折射介质层之间，并且被配置为至少部分地限定所述双折射介质层的结构性图案。
13.一种光学膜，包括：
双折射介质层，包括第一双折射材料和第二双折射材料的组合，所述第一双折射材料具有负双折射色散性质，所述第二双折射材料具有正双折射色散性质，
其中所述双折射介质层被结构性地图案化，以提供至少一个预定光学功能。
14.根据权利要求13所述的光学膜，其中所述双折射介质层包括液晶聚合物膜。
15.根据权利要求13或权利要求14所述的光学膜，其中所述第一双折射材料包括具有负双折射色散性质的聚合反应性介晶(RM)，并且所述第二双折射材料包括具有正双折射色散性质的聚合RM；并且优选地其中所述双折射介质层的结构性图案包括被混合、且以预定面内配向图案被配向的所述具有负双折射色散性质的聚合RM和所述具有正双折射色散性质的聚合RM。
CN202180018738.9A 2020-03-05 2021-02-02 基于具有正和负双折射色散的双折射材料的消色差光学器件 Pending CN115210615A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/810,714 US11215743B2 (en) 2020-03-05 2020-03-05 Achromatic optical device based on birefringent materials having positive and negative birefringence dispersions
US16/810,714 2020-03-05
PCT/US2021/016242 WO2021178090A1 (en) 2020-03-05 2021-02-02 Achromatic optical device based on birefringent materials having positive and negative birefringence dispersions

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115210615A true CN115210615A (zh) 2022-10-18

Family

ID=74845008

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202180018738.9A Pending CN115210615A (zh) 2020-03-05 2021-02-02 基于具有正和负双折射色散的双折射材料的消色差光学器件

Country Status (6)

Country Link
US (1) US11215743B2 (zh)
EP (1) EP4115219A1 (zh)
JP (1) JP2023516558A (zh)
KR (1) KR20220145347A (zh)
CN (1) CN115210615A (zh)
WO (1) WO2021178090A1 (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113986037B (zh) * 2021-10-19 2023-08-25 武汉华星光电半导体显示技术有限公司 显示面板和移动终端
CN115469393B (zh) * 2022-01-27 2023-09-05 珠海莫界科技有限公司 衍射光波导及ar眼镜

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104937457A (zh) * 2013-01-24 2015-09-23 阿克隆聚合物系统有限公司 一种具有反向波长色散的宽视角光学薄膜
US20150293286A1 (en) * 2012-11-23 2015-10-15 Lg Chem, Ltd. Optical film
CN107076903A (zh) * 2014-09-12 2017-08-18 统雷有限公司 去偏振器及其制备方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7480021B2 (en) 2005-12-29 2009-01-20 Nitto Denko Corporation Optical films having reverse dispersion
JP5073427B2 (ja) 2007-09-11 2012-11-14 日東電工株式会社 液晶パネル、及び液晶表示装置
CN104245885B (zh) * 2012-04-20 2016-09-07 Lg化学株式会社 可聚合液晶化合物、可聚合液晶组合物以及光学各向异性体

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150293286A1 (en) * 2012-11-23 2015-10-15 Lg Chem, Ltd. Optical film
CN104937457A (zh) * 2013-01-24 2015-09-23 阿克隆聚合物系统有限公司 一种具有反向波长色散的宽视角光学薄膜
CN107076903A (zh) * 2014-09-12 2017-08-18 统雷有限公司 去偏振器及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP2023516558A (ja) 2023-04-20
WO2021178090A1 (en) 2021-09-10
US20210278582A1 (en) 2021-09-09
KR20220145347A (ko) 2022-10-28
EP4115219A1 (en) 2023-01-11
US11215743B2 (en) 2022-01-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2936220B1 (en) Polarization conversion systems with geometric phase holograms
US10935790B2 (en) Active flexible liquid crystal optical devices
US20210389513A1 (en) Liquid crystal optical element and fabrication method thereof
CN115210615A (zh) 基于具有正和负双折射色散的双折射材料的消色差光学器件
US10884309B2 (en) Transferable thin-film optical devices
CN116324582A (zh) 离轴聚焦几何相位透镜和包括该几何相位透镜的系统
US11754870B2 (en) Liquid crystal polarization hologram device comprising an optic axis with a spatially varying orientation and compensated wavy structures
US11635669B1 (en) Optical device based on tunable polarization volume hologram
US11747655B2 (en) Segmented polarization selective device
US11733445B2 (en) Optical element having multiple layers for reducing diffraction artifacts
US20220269120A1 (en) Devices including birefringent medium having chirality
US20230161093A1 (en) Light guide display system for providing increased power efficiency
TW202340830A (zh) 藍相液晶偏極性全像圖及包含其的裝置
WO2023081512A1 (en) Liquid crystal polarization hologram device with compensated wavy structures
WO2022178345A1 (en) Devices including birefringent medium having chirality
CN116547574A (zh) 具有分区衍射光学器件的图像光导
TW202305414A (zh) 可調式偏振全像透鏡
WO2022245679A1 (en) Apochromatic liquid crystal polarization hologram device
CN117413220A (zh) 蓝相液晶偏振全息图及包括其的设备
CN113490881A (zh) 具有π单元的宽带和宽视角波片

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination