CN116324582A - 离轴聚焦几何相位透镜和包括该几何相位透镜的系统 - Google Patents

离轴聚焦几何相位透镜和包括该几何相位透镜的系统 Download PDF

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Abstract

一种离轴聚焦几何相位(Pancharatnam‑Berry相位)透镜(300，1120)，包括有源或无源光学各向异性膜，在该有源或无源光学各向异性膜中，光轴面内取向是位置的函数，从而表现出沿着从透镜的透镜图案中心延伸到相对的周边部分的至少两个相反的面内方向的面内旋转。光轴被布置成沿着这些面内方向以相同指向进行旋转。光轴在面内的投影与参考方向之间的方位角的变化率被配置成至少在透镜的包括透镜图案中心的那部分中从透镜图案中心向周边增大。透镜图案中心在预定方向上从透镜的几何中心偏移预定距离。

Description

离轴聚焦几何相位透镜和包括该几何相位透镜的系统
技术领域
本公开总体上涉及光学设备和光学系统，并且更具体地，涉及离轴(off-axis)聚焦几何相位透镜和包括该几何相位透镜的系统。
背景技术
在常规光学系统中，为了校正离轴像差，可以使常规透镜以相对大的角度倾斜。常规透镜的倾斜构造可能增大光学系统的尺寸。与常规透镜相比，衍射性离轴聚焦透镜可以提供离轴聚焦而不倾斜、或者以较小的角度倾斜。因此，衍射性离轴聚焦透镜可以减小光学系统的形状要素。此外，衍射性离轴聚焦透镜可以同时执行两个或更多个功能，诸如光的偏转、聚焦、光谱和偏振选择。几何相位(“Geometric phase，GP”)透镜(也称为Pancharatnam-Berry相位(“Pancharatnam-Berry phase，PBP”)透镜)可以在具有固有或诱发(例如，光诱发)光学各向异性的光学各向异性材料层中形成。光学各向异性材料可以是液晶、液晶聚合物、或超表面(metasurface)。在光学各向异性材料中，可以将期望的透镜相位轮廓直接编码到光学各向异性材料层的光轴的局部取向中。GP透镜或PBP透镜基于通过几何相位提供的透镜相位轮廓来调制圆偏振光。PBP透镜可以是对于圆偏振入射光或椭圆偏振入射光的旋向性敏感的平坦或弯曲的衍射性透镜。PBP透镜可以通过使圆偏振入射光的旋向性反转而在聚焦状态与散焦状态之间切换。
发明内容
本公开的一个方面提供了一种透镜。透镜包括光学各向异性膜。光学各向异性膜具有光轴，该光轴被配置成在从透镜图案中心向相对的透镜周边的至少两个相反的面内方向上具有面内旋转。光轴从透镜图案中心向相对的透镜周边沿同一旋转方向旋转。光轴的方位角变化率被配置成至少在透镜的包括透镜图案中心的一部分中从透镜图案中心向相对的透镜周边增大。透镜图案中心在预定方向上从透镜的几何中心偏移预定距离。
在一些实施例中，透镜的包括透镜图案中心的部分基本上是整个透镜。
在一些实施例中，透镜的包括透镜图案中心的部分是小于整个透镜的部分
在一些实施例中，透镜是偏振选择性的并且能够经由耦合到透镜的偏振开关在聚焦状态与散焦状态之间切换。
在一些实施例中，至少在透镜的包括透镜图案中心的一部分中，入射到透镜上的波长为λ的光所经历的相位偏移是
Figure BDA0004165132710000011
其中，K是非零系数，r是从透镜图案中心到透镜的局部点的距离，L是透镜的透镜平面与焦平面之间的距离，并且x是透镜图案中心相对于几何中心的预定偏移在预定方向上的坐标。
在一些实施例中，光学各向异性膜包括有源液晶、反应性介晶、液晶聚合物或非晶态聚合物中的至少一者。
在一些实施例中，至少两个相反的面内方向是经过透镜的透镜图案中心的径向方向。
在一些实施例中，至少两个相反的面内方向是经过透镜的透镜图案中心的横向方向。
在一些实施例中，透镜图案中心是至少在透镜的包括透镜图案中心的一部分中光学各向异性膜的光轴的方位角变化率最小的点。
在一些实施例中，透镜是离轴聚焦Pancharatnam-Berry相位(“PBP”)透镜，并且离轴聚焦PBP透镜的透镜图案中心是对应的同轴聚焦PBP透镜的透镜图案的对称中心。
本公开的另一方面提供了一种系统。该系统包括光学组合器。该系统还包括显示组件。显示组件包括被配置成发射光的光源。显示组件还包括被配置成偏转光的透镜。透镜包括光学各向异性膜。光学各向异性膜具有光轴，该光轴被配置成在从透镜图案中心向相对的透镜周边的至少两个相反的面内方向上具有面内旋转。光轴从透镜图案中心向相对的透镜周边沿同一旋转方向旋转。光轴的方位角变化率被配置成至少在透镜的包括透镜图案中心的一部分中从透镜图案中心向相对的透镜周边增大。透镜图案中心在预定方向上从透镜的几何中心偏移预定距离。显示组件还包括光束转向设备，该光束转向设备被配置成将从透镜接收的光朝向光学组合器转向。光学组合器被配置成向系统的适眼区(eye-box)引导从光束转向设备接收的光。
在一些实施例中，至少在透镜的包括透镜图案中心的一部分中，入射到透镜上的波长为λ的光所经历的相位偏移是
Figure BDA0004165132710000021
其中，K是非零系数，r是从透镜图案到透镜的局部点的距离，L是透镜的透镜平面与焦平面之间的距离，并且x是透镜图案中心相对于几何中心的预定偏移在预定方向上的坐标。
在一些实施例中，透镜被配置成将从光源发射的同轴发散光转换成离轴准直光。
在一些实施例中，光学各向异性膜包括有源液晶、反应性介晶、液晶聚合物或非晶态聚合物中的至少一者。
在一些实施例中，至少两个相反的面内方向是透镜的径向方向或横向方向。
在一些实施例中，光源包括激光二极管或垂直腔面发射激光器中的至少一者。
本公开的另一方面提供了一种系统。该系统包括被配置成发射光的光源。该系统还包括透镜，该透镜被配置成偏转光以照射对象。透镜包括光学各向异性膜。光学各向异性膜具有光轴，该光轴被配置成在从透镜的透镜图案中心向相对的透镜周边的至少两个相反的面内方向上具有面内旋转。光轴从透镜图案中心向相对的透镜周边沿同一旋转方向旋转。光轴的方位角变化率被配置成至少在透镜的包括透镜图案中心的一部分中从透镜图案中心向相对的透镜周边增大。透镜图案中心在预定方向上从透镜的几何中心偏移预定距离。该系统还包括重定向元件，该重定向元件被配置成重定向由对象反射的光。该系统还包括光学传感器，该光学传感器被配置成基于从重定向元件接收的重定向光来生成对象的图像。
在一些实施例中，至少在透镜的包括透镜图案中心的一部分中，入射到透镜上的波长为λ的光所经历的相位偏移是
Figure BDA0004165132710000022
其中，K是非零系数，r是从透镜图案中心到透镜的局部点的距离，L是透镜的透镜平面与焦平面之间的距离，并且x是透镜图案中心相对于几何中心的预定偏移在预定方向上的坐标。
在一些实施例中，光学各向异性膜包括有源液晶、反应性介晶、液晶聚合物或非晶态聚合物中的至少一者。
在一些实施例中，透镜被配置成扩展从光源发射的光以基本上均匀地照射对象，并且重定向元件包括光栅，该光栅被配置成将由对象反射的光朝向光学传感器衍射。
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。
附图说明
根据所公开的各种实施例为了说明的目的提供了附图，这些附图并非旨在限定本发明的范围。在附图中：
图1A展示了根据本公开的实施例的离轴聚焦几何相位(“GP”)透镜或Pancharatnam-Berry相位(“PBP”)透镜的示意图；
图1B展示了根据本公开的另一实施例的离轴聚焦PBP透镜的示意图；
图1C展示了根据本公开的另一实施例的离轴聚焦PBP透镜的示意图；
图1D展示了根据本公开的另一实施例的离轴聚焦PBP透镜的示意图；
图2A展示了根据本公开的实施例的同轴(on-axis)聚焦PBP透镜中的液晶(“liquid crystal，LC”)配向图案(alignment pattern)；
图2B展示了根据本公开的实施例的沿图2A所示的同轴聚焦PBP透镜中的x轴线截取的LC配向图案的一部分；
图2C展示了根据本公开的另一实施例的同轴聚焦PBP透镜中的LC配向图案；
图2D展示了根据本公开的实施例的图2A或图2C所示的同轴聚焦PBP透镜的侧视图；
图3A展示了根据本公开的实施例的离轴聚焦PBP透镜中的LC配向图案；
图3B展示了根据本公开的实施例的沿图3A所示的离轴聚焦PBP透镜中的x轴线截取的LC配向图案的一部分；
图3C展示了根据本公开的另一实施例的离轴聚焦PBP透镜中的LC配向图案；
图3D展示了根据本公开的实施例的图3A或图3C所示的离轴聚焦PBP透镜的侧视图；
图4A至图4F展示了根据本公开的实施例的通过离轴聚焦PBP透镜的光偏转；
图5A和图5B展示了根据本公开的实施例的离轴聚焦PBP透镜在聚焦状态与散焦状态之间的切换；
图6A和图6B展示了根据本公开的实施例的有源离轴聚焦PBP透镜在聚焦状态与中性状态之间的切换；
图7A和图7B展示了根据本公开的另一实施例的有源离轴聚焦PBP透镜在聚焦状态与中性状态之间的切换；
图8展示了根据本公开的实施例的包括一个或多个离轴聚焦PBP透镜的透镜堆叠体的示意图；
图9展示了根据本公开的实施例的近眼显示器(“near-eye display，NED”)的示意图；
图10展示了根据本发明的另一实施例的图9所示的NED的一半的截面图；
图11A展示了根据本公开的实施例的对象跟踪系统中的眼睛照明布置的示意图；
图11B展示了根据本公开的实施例的由图11A所示的对象跟踪系统在对象处提供的光强度分布；
图12A展示了常规眼睛跟踪系统中的眼睛照明布置的示意图；
图12B展示了由图12A所示的常规眼睛跟踪系统在用户的眼睛处提供的光强度分布；
图13展示了根据本公开的另一实施例的对象跟踪系统的示意图；
图14A展示了根据本公开的实施例的离轴聚焦PBP透镜的变化的周期性；以及
图14B展示了根据本公开的另一实施例的离轴聚焦PBP透镜的变化的周期性。
具体实施方式
将参照附图描述与本公开一致的实施例，附图仅仅是为了说明目的示例，而不旨在限制本公开的范围。在可能的情况下，在所有附图中使用相同的附图标记来指代相同或相似的部分，并且可以省略相同或相似的部分的详细描述。
此外，在本公开中，可以组合所公开的实施例、以及所公开的实施例的特征。所描述的实施例是本公开的一些实施例但不是全部实施例。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。例如，可以基于所公开的实施例进行修改、改编、替换、添加或其他变化。所公开的实施例的这些变化仍然在本公开的范围内。因此，本公开不限于所公开的实施例。而是，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，coupled或coupling)”等可以涵盖光学耦合、机械耦合、电耦合、电磁耦合或它们的组合。两个光学元件之间的“光学耦合”是指两个光学元件以光学串联进行布置并且来自一个光学元件的光输出可以直接或间接地由另一光学元件接收的构造。光学串联是指多个光学元件在光路中的光学定位，使得来自一个光学元件的光输出可以由其它多个光学元件中的一个或多个光学元件透射、反射、衍射、转换、修改或以其它方式处理或操纵。在一些实施例中，布置多个光学元件的顺序可以影响多个光学元件的总体输出，或者可以不影响多个光学元件的总体输出。耦合可以是直接耦合、或间接耦合(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A和B。同样地，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A和B和C。短语“A和/或B”可以以相似于短语“A或B中的至少一者”的方式来解释。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A和B。同样，短语“A、B和/或C”具有与短语“A、B或C中的至少一者”的含义相似的含义。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。
当第一元件被描述为“附接”、“提供”、“形成”、“粘附”、“安装”、“固定”、“连接”、“结合”、“记录”或“设置”到第二元件、在第二元件上、在第二元件处、或至少部分地在第二元件中时，第一元件可以使用任何合适的机械方式或非机械方式(诸如沉积、涂覆、蚀刻、结合、胶合、螺纹连接、压配合、卡扣配合、夹持等)“附接”、“提供”、“形成”、“粘附”、“安装”、“固定”、“连接”、“结合”、“记录”或“设置”到第二元件、在第二元件上、在第二元件处、或至少部分地在第二元件中。另外，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有中间元件。第一元件可以设置在第二元件的任何合适侧部(诸如左、右、前、后、顶或底)处。
当第一元件被示出或描述为设置或布置在第二元件“上”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构造。例如，当描述图中所示的视图时，第一元件可以被描述为设置在第二元件“上”。应理解，术语“上”未必暗示第一元件在竖直、重力方向上位于第二元件上方。例如，当第一元件和第二元件的组件倒转180度时，第一元件可以位于第二元件“下方”(或者第二元件可以位于第一元件“上”)。因此，应当理解，当图中显示第一元件位于第二元件“上”时，该构造仅仅是说明性示例。第一元件可以相对于第二元件以任何合适的取向进行设置或布置(例如，位于第二元件上方或上面、位于第二元件下方或下面、位于第二元件的左侧、位于第二元件的右侧、位于第二元件的后面、位于第二元件的前面等)。
术语“通信地耦合”或“通信地连接”表示相关项目通过电耦合或连接、和/或电磁耦合或连接(诸如有线或无线通信连接、信道或网络)进行耦合或连接。
本公开中提到的波长范围、光谱或波段是出于说明性目的。所公开的光学设备、光学系统、光学元件、光学组件和光学方法可以应用于可见波长范围以及其他波长范围，诸如紫外(“ultraviolett，UV”)波长范围、红外波长范围或它们的组合。
本文使用的术语“处理器”可以涵盖任何合适的处理器，诸如中央处理单元(“central processing unit(CPU)”)、图形处理单元(“graphics processing unit(GPU)”)、专用集成电路(“application-specific integrated circuit(ASIC)”)、可编程逻辑器件(“programmable logic device(PLD)”)或它们的组合。也可以使用上面未列出的其他处理器。处理器可以被实现为软件、硬件、固件、或它们的组合。
术语“控制器”可以涵盖被配置成生成用于控制设备、电路、光学元件等的控制信号的任何合适的电子电路、软件或处理器。“控制器”可以被实施为软件、硬件、固件、或它们的组合。例如，控制器可以包括处理器，或者可以包括控制器以作为处理器的一部分。
术语“对象跟踪系统”、“对象跟踪设备”、“眼睛跟踪系统”或“眼睛跟踪设备”可以包括被配置成获取眼睛跟踪信息、或获取用于确定眼睛跟踪信息的传感器数据的合适元件。例如，对象跟踪(例如，眼睛跟踪)系统或设备可以包括一个或多个合适的传感器(例如，光学传感器，诸如相机、运动传感器等)来捕获被跟踪对象(例如，用户的眼睛)的传感器数据(例如，图像)。在一些实施例中，对象跟踪(例如，眼睛跟踪)系统或设备可以包括光源，该光源被配置成发射光来照射被跟踪对象(例如，用户的眼睛)。对象跟踪(例如，眼睛跟踪)系统或设备还可以包括处理器或控制器，该处理器或控制器被配置成处理被跟踪对象(例如，用户的眼睛)的传感器数据(例如，图像)以获得对象跟踪信息(例如，眼睛跟踪信息)。处理器或控制器可以向另一设备提供对象跟踪(例如，眼睛跟踪)信息，或者可以处理对象跟踪(例如，眼睛跟踪)信息以控制另一设备，诸如光栅、透镜、波片等。对象跟踪(例如，眼睛跟踪)系统或设备还可以包括非暂时性计算机可读介质(诸如存储器)，该非暂时性计算机可读介质被配置成存储计算机可执行指令以及传感器数据或信息(诸如从处理捕获的图像所获得的捕获的图像和/或对象跟踪(例如，眼睛跟踪)信息)。在一些实施例中，对象跟踪(例如，眼睛跟踪)系统或设备可以将传感器数据传输到另一处理器或控制器(例如，另一设备的处理器，诸如基于云的设备)，以用于确定对象跟踪(例如，眼睛跟踪)信息。
术语“非暂时性计算机可读介质”可以涵盖用于存储、传送、传输、广播或发送数据、信号或信息的任何合适的介质。例如，非暂时性计算机可读介质可以包括存储器、硬盘、磁盘、光盘、磁带等。存储器可以包括只读存储器(“read-only memory(ROM)”)、随机存取存储器(“random-access memory(ROM)”)、闪存等。
如本文所使用的，术语“液晶化合物”或“介晶化合物”可以指包含一个或多个棒状(杆状、或板状/条板状)或碟状(盘状)介晶基团的化合物。术语“介晶基团”可以指具有诱发液晶相(或中间相)行为的能力的基团。在一些实施例中，包含介晶基团的化合物本身可能不表现出液晶(“LC”)相。而是，这些化合物在与其它化合物混合时可以表现出LC相。在一些实施例中，当化合物或包含化合物的混合物聚合时，这些化合物可以表现出LC相。为了简化讨论，下文使用的术语“液晶”是针对介晶材料和LC材料这两者。在一些实施例中，棒状基介晶基团可以包括介晶核心，该介晶核心包含一个或多个彼此直接连接或经由键接基团连接的芳族或非芳族环基团。在一些实施例中，棒状介晶基团可以包括附接到介晶核心的末端的端基。在一些实施例中，棒状介晶基团可以包括附接到介晶核心的长侧面的一个或多个侧基。这些端基和侧基可以选自例如二价碳基(carbyl)基团或烃基基团、极性基团(诸如卤素、硝基、羟基等)、或可聚合基团。
如本文所使用的，术语“反应性介晶”(“reactive mesogen，RM”)可以指可聚合的介晶化合物或液晶化合物。具有一个可聚合基团的可聚合化合物也可以称为“单反应性”化合物。具有两个可聚合基团的化合物可以被称为“双反应性”化合物，并且具有多于两个可聚合基团的化合物可以被称为“多反应性”化合物。不具有可聚合基团的化合物也可以称为“非反应性”化合物。
如本文所用，术语“指向矢”可以指LC分子或RM分子的长分子轴(例如，在棒状化合物的情况下)或短分子轴(例如，在碟状化合物的情况下)的优选取向方向。在包括单轴正的双折射LC材料或RM材料的膜中，光轴可以由指向矢提供。
术语“光轴”可以指晶体中的方向。沿光轴方向传播的光可以不经历双折射(或双重折射)。光轴可以是方向而非单条线：与该方向平行的光可以不经历双折射。关于透镜的术语“透镜平面”或“透镜层”是指透镜中所包括的光学各向异性膜的膜平面或膜层。
如本文所使用的，术语“膜”和“层”可以包括刚性或柔性的、自支承或自立式膜、涂层或层，该膜、涂层或层可以设置在支承衬底上或多个衬底之间。短语“面内方向”、“面内取向”、“面内配向图案”、“面内旋转图案”和“面内间距”中的术语“面内(in-plane)”是指位于膜或层的平面内(例如，膜或层的表面平面、或与膜或层的表面平面平行的平面)。
如本文所使用的，短语“透镜的光圈”是指透镜的有效光接收区域。透镜的“几何中心”是指透镜的有效光接收区域(例如，光圈)的形状的中心。几何中心可以是光圈的形状的第一对称轴线和第二对称轴线的交点(即，第一对称轴线与第二对称轴线之间的交叉点)。当透镜的整体形状构成透镜的有效光接收区域时，透镜的几何中心为透镜的形状的中心。例如，当光圈具有圆形形状时，几何中心是透镜的光圈的第一直径(也是第一对称轴线)和第二直径(也是第二对称轴线)的交点。当光圈具有矩形形状时，几何中心是透镜的光圈的纵向对称轴线(也是第一对称轴线)和横向对称轴线(也是第二对称轴线)的交点。
Pancharatnam-Berry相位(“PBP”)是与光在光学各向异性材料中传播时光所经历的偏振状态的变化相关的几何相位(“GP”)。这种几何相位可以与由沿着光传播路径在邦加球(Poincarèsphere)上的偏振态限定的立体角(solid angle)成比例。在光学各向异性材料中，光轴的局部旋转可以诱发PBP的横向梯度。当光学各向异性板的厚度与介于寻常光与非常光之间的半波片相位差相对应时，光束轮廓上两点之间的PBP可以等于光轴在这两点处的相对旋转的两倍。因此，光的波前可以是偏振相关的、并且可以通过光轴在面内的空间旋转来配置。
PBP透镜可以由一种或多种具有固有或诱发的(例如，光诱发的)光学各向异性的双折射材料(诸如液晶、液晶聚合物、非晶态聚合物或超表面)的薄层(被称为光学各向异性膜)形成。双折射材料可以包括光学各向异性分子。期望的透镜相位轮廓可以被直接编码到光学各向异性膜的光轴的局部取向中。PBP透镜具有比如平坦、紧凑、效率高、光圈比(aperture ratio)高、无轴像差、可切换性、设计灵活、制作简单和成本低等特点。因此，GP透镜或PBP透镜可以在各种应用(诸如便携式光学设备或光学系统、或可穿戴光学设备或光学系统)中实施。
光学各向异性膜的光轴的面内取向可以通过长形分子或分子单元(例如，小分子或聚合分子的片段)在膜中的取向(例如，配向方向)来确定。出于讨论的目的，长形光学各向异性分子用作描述PBP透镜中的配向图案的示例。长形光学各向异性分子的配向也可以称为长形光学各向异性分子的指向矢的取向。在一些实施例中，配向图案可以包括面内取向图案，即在平面(诸如膜的表面平面、或与膜的表面平行的平面)中的取向图案。光学各向异性分子的面内取向图案可以导致光学各向异性膜的光轴的面内取向图案。在一些实施例中，分子可以沿着光学各向异性膜的膜平面(例如，表面平面)在至少两个相反的方向上具有连续的面内旋转。至少两个相反的面内方向可以是从PBP透镜的透镜图案中心向相对的透镜周边的相反方向。沿着光学各向异性膜的表面平面的至少两个相反的方向可以被称为至少两个相反的面内方向。相应地，光学各向异性膜的光轴可以在光学各向异性膜的至少两个相反的面内方向上具有连续的面内旋转。
光学各向异性膜的光轴的面内取向可以与光轴的面内投影(例如，光轴在膜平面上的投影)相对应。由该投影与膜平面中的预定参考方向(例如，+x轴线方向)形成的角度可以被定义为光轴在局部点处的方位角，该方位角可以与对应分子的方位角相同。光轴的方位角(或分子的方位角)可以从一个局部点到另一个局部点发生变化，从而引起光轴的面内投影变化。
PBP透镜的透镜图案(或光轴图案)是指光学各向异性膜的光轴的取向图案、长形分子或长形分子单元的取向图案、光学各向异性膜的光轴的方位角的变化的图案、或光学各向异性膜中光学各向异性分子的方位角的变化的图案。光学各向异性膜的光轴的方位角可以在光学各向异性膜的至少两个相反的面内方向上发生变化。至少两个相反的面内方向可以是从PBP透镜的透镜图案中心向相对的透镜周边的相反方向。PBP透镜的光学各向异性膜的光轴可以在至少两个相反的面内方向上距离透镜图案中心相同的距离处分别以同一旋转方向(例如，顺时针或逆时针)旋转。PBP透镜的透镜图案(或光轴图案)可以与光学各向异性膜中的长形分子或分子单元(例如，小分子或聚合分子的片段)的配向图案相对应。PBP透镜的条纹(fringe)是指一组局部点，在该组局部点，光轴的方位角(或光轴沿径向方向从透镜图案中心开始到局部点的旋转角度)是相同的。PBP透镜可以具有多个条纹。对于用作球面透镜或非球面透镜的PBP透镜，这些条纹可以为同心环。对于用作柱面透镜的PBP透镜，这些条纹可以为平行线。
同轴聚焦PBP透镜的透镜图案的中心被称为透镜图案中心，透镜图案中心可以为透镜图案的对称中心。同轴聚焦PBP透镜的透镜图案中心可以与同轴聚焦PBP透镜的几何中心重合。离轴聚焦PBP透镜可以被认为是通过使对应的同轴聚焦PBP透镜的透镜图案中心相对于该同轴聚焦PBP透镜的几何中心偏移而获得的透镜。对应的同轴聚焦PBP透镜的透镜图案中心也可以是离轴聚焦PBP透镜的透镜图案中心。也就是说，离轴聚焦PBP透镜可以具有带相同透镜图案中心的同轴聚焦对应物。
PBP透镜的几何中心可以被定义为PBP透镜的有效光接收区域(即，光圈)的形状的中心。当PBP透镜的整个区域构成有效光接收区域时，PBP透镜的几何中心可以与PBP透镜的形状的中心相对应。面外(out-of-plane)几何中心轴线(也称为透镜轴线)是指穿过几何中心且与PBP透镜的光学各向异性膜的表面平面垂直的轴线。面内几何中心轴线是指穿过几何中心且在PBP透镜的光学各向异性膜的表面平面内的轴线。面外几何中心轴线可以与面外透镜图案中心轴线平行。
在一些实施例中，当PBP透镜是同轴聚焦PBP透镜时，透镜图案中心可以与PBP透镜的几何中心(即，透镜的有效光接收区域的形状的中心)相对应。在一些实施例中，当PBP透镜是离轴聚焦PBP透镜时，PBP透镜的透镜图案中心可以不与PBP透镜的几何中心相对应。而是，PBP透镜的透镜图案中心可以从PBP透镜的几何中心偏移。“面外透镜图案中心轴线”是指穿过透镜图案中心且与PBP透镜的光学各向异性膜的表面平面垂直的轴线。面内透镜图案中心轴线是指穿过透镜图案中心且在PBP透镜的光学各向异性膜的表面平面内的轴线。因此，面内透镜图案中心轴线与面外透镜图案中心轴线垂直。
对于用作球面透镜或非球面透镜的PBP透镜(称为PBP球面透镜或PBP非球面透镜)，至少两个相反的面内方向可以包括多个相反的径向方向。PBP球面透镜/PBP非球面透镜可以将光聚焦到一点(例如，聚焦点或焦点)。PBP球面透镜/PBP非球面透镜可以具有几何中心，该几何中心是光圈的形状的第一面内对称轴线(例如，第一直径)和第二面内对称轴线(例如，第二直径)的交点。在一些实施例中，PBP球面透镜/PBP非球面透镜的透镜图案中心和几何中心可以位于PBP球面透镜/PBP非球面透镜的光圈的同一面内对称轴线上。
对于用作同轴聚焦PBP球面透镜或同轴聚焦PBP非球面透镜的PBP透镜，PBP透镜的配向图案和条纹可以相对于PBP透镜的透镜图案中心呈中心对称。此外，PBP透镜的条纹可以相对于穿过PBP透镜的透镜图案中心的轴线是对称的。PBP透镜的配向图案可以相对于穿过PBP透镜的透镜图案中心的轴线是非对称的。
对于用作离轴聚焦PBP球面透镜或离轴聚焦PBP非球面透镜的PBP透镜，PBP透镜在整个PBP透镜上的配向图案和条纹相对于PBP透镜的透镜图案中心可以不是中心对称的。而是，离轴聚焦PBP透镜的配向图案和条纹在整个PBP透镜的预定区域(包括透镜图案中心)中可以相对于PBP透镜的透镜图案中心呈中心对称。另外，离轴聚焦PBP透镜的条纹在整个PBP透镜的预定区域(包括透镜图案中心)中可以相对于穿过PBP透镜的透镜图案中心的轴线是对称的。PBP透镜的配向图案在整个离轴聚焦PBP透镜的预定区域(包括透镜图案中心)中可以相对于穿过PBP透镜的透镜图案中心的轴线是非对称的。
PBP球面透镜(例如，同轴聚焦PBP球面透镜或离轴聚焦PBP球面透镜)可以具有这样的一个点，相比于PBP球面透镜的其余点，在该点处光学各向异性膜的光轴的方位角变化率(或光学各向异性分子的方位角变化率)在相反的径向方向上最小。即，在PBP球面透镜中，光学各向异性膜的光轴的方位角变化率可以被配置成：在基本上整个PBP透镜中，从透镜图案中心向相对的透镜周边在相反的径向方向上增大。在PBP球面透镜中，透镜图案中心还可以被定义为光学各向异性膜的光轴的方位角变化率(或光学各向异性分子的方位角变化率)在至少两个相反的面内方向上最小的点。作为比较，在PBP非球面透镜(例如，同轴聚焦PBP非球面透镜或离轴聚焦PBP非球面透镜)中，光学各向异性膜的光轴的方位角变化率可以被配置成：至少在PBP透镜的包括透镜图案中心的一部分(小于整个PBP透镜)中从透镜图案中心向相对的透镜周边在相反的径向方向上增大。
对于用作柱面透镜的PBP透镜(称为PBP柱面透镜)(该PBP透镜可以视为用作球面透镜的PBP透镜的1D情况)，至少两个相反的面内方向可以包括两个相反的横向方向。PBP柱面透镜可以将光聚焦成线(例如，焦点的线或线焦点)中。PBP柱面透镜可以具有光圈的形状的两条对称轴线，例如，在PBP柱面透镜的横向方向(或宽度方向)上的横向对称轴线和在PBP柱面透镜的纵向方向(或长度方向)上的纵向对称轴线。PBP柱面透镜的几何中心可以是两条对称轴线的交点。当柱面透镜具有矩形形状时，几何中心也可以是两个对角线的交点。PBP柱面透镜可以具有多个点，在各点处光学各向异性膜的光轴的方位角变化率(或光学各向异性分子的方位角变化率)在至少两个相反的面内方向上可以是最小的。多个点(在各点处的方位角变化率最小)可以排列成一条线。该线可以被称为PBP柱面透镜的“面内透镜图案中心轴线”。面内透镜图案中心轴线可以在纵向方向上。PBP柱面透镜的透镜图案中心也可以视为是多个点中的一个点，该点与PBP柱面透镜的几何中心位于同一对称轴线(例如，横向对称轴线)上。换句话说，透镜图案中心也是面内透镜图案中心轴线和横向对称轴线的交点。
PBP柱面透镜的条纹和配向图案可以在两个相反的横向方向上(并且在一些实施例中，仅在两个相反的横向方向上)相对于透镜图案中心具有中心对称性。对于用作同轴聚焦PBP柱面透镜的PBP透镜，在整个PBP透镜中PBP透镜的配向图案和条纹可以在两个相反的横向方向上(并且在一些实施例中，仅在两个相反的横向方向上)相对于透镜图案中心呈中心对称。另外，PBP透镜的条纹可以相对于PBP透镜的面内透镜图案中心轴线是对称的。PBP透镜的配向图案可以相对于PBP透镜的面内透镜图案中心轴线是非对称的。
对于用作离轴聚焦PBP柱面透镜的PBP透镜，在整个PBP透镜中PBP透镜的配向图案和条纹在两个相反的横向方向上相对于透镜图案中心可能不是中心对称的。而是，该PBP透镜的配向图案和条纹在整个PBP透镜的包括透镜图案中心的预定区域中可以在两个相反的横向方向上相对于PBP透镜的透镜图案中心是中心对称的。另外，PBP透镜的条纹在整个PBP透镜的包括透镜图案中心的预定区域中可以相对于PBP透镜的面内透镜图案中心轴线是对称的。PBP透镜的配向图案在整个PBP透镜的包括透镜图案中心的预定区域中可以相对于PBP透镜的面内透镜图案中心轴线是非对称的。
本公开提供了离轴聚焦GP透镜或PBP透镜，该离轴聚焦GP透镜或PBP透镜被配置成在不使离轴聚焦PBP透镜倾斜的情况下向入射光提供离轴聚焦能力。离轴聚焦PBP透镜可以包括光学各向异性膜。
光学各向异性膜(或离轴聚焦PBP透镜)的光轴可以被配置成自透镜图案中心起在光学各向异性膜的至少两个相反的面内方向上具有连续的面内旋转，从而产生离轴聚焦PBP透镜的几何相位轮廓。至少两个相反的面内方向可以是从离轴聚焦PBP透镜的透镜图案中心向相对的透镜周边的相反的方向。光学各向异性膜的光轴可以自透镜图案中心起沿着至少两个相反的面内方向以同一旋转方向(例如，顺时针方向或逆时针方向)旋转。光学各向异性膜的光轴以预定旋转方向(例如，顺时针方向或逆时针方向)的旋转可以表现出旋向性，例如右旋向性或左旋向性。光学各向异性膜的光轴的方位角变化率可以被配置成：至少在离轴聚焦PBP透镜的包括透镜图案中心的预定部分中，自透镜图案中心起在至少两个相反的面内方向上增大。透镜图案中心可以在预定方向上从离轴聚焦PBP透镜的几何中心偏移预定距离。在一些实施例中，离轴聚焦PBP透镜的透镜图案中心可以是至少在透镜的包括透镜图案中心的一部分中光学各向异性膜的光轴的方位角变化率最小的点。在一些实施例中，离轴聚焦PBP透镜的透镜图案中心可以为对应的同轴聚焦PBP透镜的透镜图案的对称中心。
离轴聚焦PBP透镜的透镜图案可以具有周期P，该周期P被定义为光学各向异性膜的光轴的方位角θ在至少两个相反的面内方向上变化了π的距离。透镜图案的周期P可以在至少两个相反的面内方向上变化。透镜图案的周期P可以至少在离轴聚焦PBP透镜的包括透镜图案中心的预定部分中，自透镜图案中心起在至少两个相反的面内方向上单调减小。在一些实施例中，离轴聚焦PBP透镜的包括透镜图案中心的预定部分可以基本上为整个离轴聚焦PBP透镜。在一些实施例中，离轴聚焦PBP透镜的包括透镜图案中心的预定部分可以小于整个离轴聚焦PBP透镜。例如，透镜图案的周期P可以在离轴聚焦PBP透镜的包括透镜图案中心的第一预定部分中，自透镜图案中心起在至少两个相反的面内方向上单调减小；并且该周期P可以在离轴聚焦PBP透镜的第二预定部分中，自透镜图案中心起在从透镜图案中心向周边的至少两个相反的面内方向上增加。第一预定部分可以不同于第二预定部分。在一些实施例中，第一预定部分可以与第二预定部分相邻。
在一些实施例中，可以通过非对称地裁剪或切割同轴PBP透镜来获得离轴聚焦PBP透镜。在一些实施例中，可以通过全息记录、直接写入、通过主掩模曝光、或影印等中的一者或多者来制造离轴聚焦PBP透镜。在一些实施例中，可以通过两个相干偏振光将光学各向异性膜的光轴的取向图案以全息方式记录在记录介质的层中。在一些实施例中，两个偏振光可以为照射在记录介质的同一表面上的具有相反旋向性的两个圆偏振光。所制造的离轴聚焦PBP透镜可以为透射型光学元件。在一些实施例中，两个圆偏振光中的一个圆偏振光可以是准直光，而另一个圆偏振光可以是会聚光或发散光。
在一些实施例中，两个圆偏振光可以是照射在记录介质的不同表面(例如，两个相反表面)上的具有相同旋向性的两个圆偏振光。所制造的离轴聚焦PBP透镜可以是反射型光学元件。在一些实施例中，两个圆偏振光中的一个圆偏振光可以是准直光，而另一个圆偏振光可以是会聚光或发散光。
记录介质可以包括一种或多种被配置成在受到偏振光照射时产生光诱发的各向异性的可光学记录且偏振敏感的材料。记录介质的分子(片段)和/或光产物可以被配置成在光照射下产生定向有序(orientational ordering)。两个圆偏振光的干涉可以导致光偏振的图案(或偏振干涉图案)，而不会导致强度调制。在一些实施例中，可光学记录且偏振敏感的材料的分子可以包括长形的各向异性光敏单元(例如，小分子或聚合分子的片段)。光偏振的图案可以引起记录介质层中的各向异性光敏单元的局部配向方向，从而导致由于各向异性光敏单元的光配向(photo-alignment，PAM)引起的光轴调制。可以通过在记录介质上设置一层具有固有双折射的双折射材料(诸如液晶(“LC”)或反应性介晶(“RM”))来进一步增强记录介质中所刻录的光轴取向。可以沿着记录介质层中的各向异性光敏单元的局部配向方向来对LC或RM进行配向。因此，记录介质中的光轴的取向图案可以被转移到LC或RM。也就是说，记录介质的被照射层可以用作LC或RM的光配向(“PAM”)层。这种配向过程可以称为表面介导光配向(surface-mediated photo-alignment)。
在一些实施例中，可以在一种或多种可光学记录且偏振敏感的材料的体积中发生光敏单元的光配向。当以全息方式生成的光偏振图案提供照射时，可以在记录介质的层中发生光敏单元的配向图案。这种配向过程可以称为体介导光配向(bulk-mediated photo-alignment)。在一些实施例中，用于体介导光配向的可光学记录且偏振敏感的材料可以包括光敏聚合物，诸如非晶态聚合物、液晶(“LC”)聚合物等。在一些实施例中，非晶态聚合物可以在经历记录过程之前最初是光学各向同性的、并且可以在记录过程期间表现出诱发的(例如，光诱发的)光学各向异性。在一些实施例中，由于光诱发的光学各向异性的影响，可以将双折射图案和取向图案记录在LC聚合物中。由于LC聚合物的介晶片段的固有自组织，LC聚合物中的光诱发的光学各向异性可以通过在与LC聚合物的液晶态相对应的温度范围内进行后续热处理(例如，退火)而显著增强。
光敏聚合物的分子可以包括嵌入在主聚合物链或侧聚合物链中的偏振敏感光反应性基团。在一些实施例中，偏振敏感基团可以包括偶氮苯基团、肉桂酸酯基团、或香豆素基团等。在一些实施例中，光敏聚合物可以包括具有结合在侧聚合物链中的偏振敏感肉桂酸酯基团的LC聚合物。具有结合在侧聚合物链中的偏振敏感肉桂酸酯基团的LC聚合物的示例为聚合物M1。聚合物M1具有在约115℃至约300℃的温度范围内的向列型中间相。可以通过用偏振UV光(例如，波长为325nm或355nm的激光)照射M1膜诱发光学各向异性，并且光学各向异性随后通过在约115℃至约300℃的温度范围进行退火来增强一个数量级以上。应注意，材料M1仅用于说明的目的，且不旨在限制本发明的范围。光诱发的双折射对曝光能量的依赖性对于来自M系列液晶聚合物的其他材料而言定性地相似。M系列液晶聚合物在于2019年6月17日提交的、名称为“Photosensitive Polymers for Volume Holography(用于体全息的光敏聚合物)”的美国专利申请第16/443,506号中有所讨论，该专利申请出于所有目的通过引用并入本文。在一些实施例中，利用合适的光敏剂，可见光(例如，紫光)也可以用于在该材料中诱发各向异性。
图1A展示了根据本公开的实施例的离轴聚焦PBP透镜100的示意图。可以基于表面介导光配向技术来制造离轴聚焦PBP透镜100。如图1A所示，离轴聚焦PBP透镜100可以包括光学各向异性膜105和耦合到光学各向异性膜105的配向层110(例如，PAM层110)。PAM层110可以包括一个或多个记录介质，其中双折射材料的光轴的预定局部取向图案在光配向过程中被直接记录在该一个或多个记录介质。例如，PAM层110可以提供平面配向(或具有小预倾角(例如，小于15度)的配向)，该配向经面内图案化以提供透镜图案。光学各向异性膜105可以包括具有固有双折射的一种或多种双折射材料，诸如LC或RM。PAM层110可以至少部分地对与PAM层110接触的光学各向异性膜105中的LC或RM进行配向，使得记录在PAM层110中的光轴的局部取向图案可以被转移到光学各向异性膜105中的LC或RM。在一些实施例中，光学各向异性膜105可以被配置成具有局部光轴取向，这些局部光轴取向沿着光学各向异性膜105的表面在至少一个方向上变化(例如，非线性地变化)，以限定具有变化间距的透镜图案。在一些实施例中，RM可以与光引发剂或热引发剂混合，使得经配向的RM可以被原位光聚合/交联或原位热聚合/交联，以固化膜并且稳定光学各向异性膜105中的RM的配向图案。在一些实施例中，LC可以与光引发剂或热引发剂、以及可聚合单体混合，使得经配向的LC可以被原位光聚合/交联或原位热聚合/交联，以固化膜并且稳定光学各向异性膜105中的LC的配向图案。
在一些实施例中，PAM层110可以用于制造、储存或运输离轴聚焦PBP透镜100。在一些实施例中，PAM层110可以在制造离轴聚焦PBP透镜100的其他部分或将离轴聚焦PBP透镜100的其他部分运输到另一地点或设备之后，从离轴聚焦PBP透镜100的其他部分拆卸或去除。也就是说，PAM层110可以用于制造、运输和/或储存，以支承设置在PAM层110的表面处的光学各向异性膜105，并且PAM层110可以在完成离轴聚焦PBP透镜100的制造时、或者当离轴聚焦PBP透镜100将在光学设备中实施时，从离轴聚焦PBP透镜100的光学各向异性膜105分离或去除。
在一些实施例中，离轴聚焦PBP透镜100可以包括用于支承和保护目的的一个或多个衬底115。光学各向异性膜105可以设置在衬底115的表面处(例如，形成在衬底115的表面处、附接到衬底115的表面、沉积在衬底115的表面处、结合到衬底115的表面等)。为了讨论的目的，图1A示出了离轴聚焦PBP透镜100包括一个衬底115。在一些实施例中，衬底115可以是在离轴聚焦PBP透镜100的记录过程期间设置记录膜的衬底。衬底115在一个或多个预定光谱带中可以是穿透性的和/或反射性的。在一些实施例中，衬底115可以在可见光波段的至少一部分(例如，约380nm至约700nm)中是穿透性的和/或反射性的。在一些实施例中，衬底115在红外(“infrared，IR”)波段的至少一部分(例如，约700nm至约1mm)中可以是穿透性的和/或反射性的。在一些实施例中，衬底115可以在可见光波段的至少一部分和IR波段的至少一部分中是穿透性的和/或反射性的。可以基于对于上面列出的光谱带的光基本上是穿透性的有机材料和/或无机材料来制造衬底115。衬底115可以是刚性的或柔性的。衬底115可以具有平坦表面或至少一个弯曲表面，并且设置在弯曲表面处(例如，形成在弯曲表面处、附接到弯曲表面、沉积在弯曲表面处、结合到弯曲表面等)的光学各向异性膜105也可以具有弯曲形状。在一些实施例中，衬底115也可以是另一光学元件的一部分、另一光学设备的一部分或另一光电设备的一部分。在一些实施例中，衬底115可以是功能设备(诸如显示屏)的一部分。在一些实施例中，衬底115可以是基于合适的材料(诸如玻璃、塑料、蓝宝石或它们的组合)制造的光波导的一部分。在一些实施例中，衬底115可以是另一光学元件的一部分或另一光学设备的一部分。在一些实施例中，衬底115可以是常规透镜(例如，玻璃透镜)。尽管图1A中示出了一个衬底115，但是在一些实施例中，离轴聚焦PBP透镜100可以包括两个衬底115，这两个衬底将光学各向异性膜105夹在中间。在一些实施例中，每个衬底115可以设置有被配置成提供光学各向异性膜105中的LC或RM的配向的PAM层110。
在一些实施例中，衬底115可以用来制造、储存或运输离轴聚焦PBP透镜100。在一些实施例中，在衬底115可以从离轴聚焦PBP透镜100的其他部分可拆卸或可移除之前，离轴聚焦PBP透镜100的其他部分被制造或被运输到另一地点或设备。也就是说，衬底115可以在制造、运输和/或储存上进行使用以支承设置在衬底115上的PAM层110和光学各向异性膜105，并且衬底可以在完成离轴聚焦PBP透镜100的制造时、或者当离轴聚焦PBP透镜100将在光学设备中实施时，从PAM层110和光学各向异性膜105分离或去除。
图1B展示了根据本公开的实施例的离轴聚焦PBP透镜130的示意图。可以基于体介导光配向技术来制造离轴聚焦PBP透镜130。如图1B所示，离轴聚焦PBP透镜130可以包括光学各向异性膜120。光学各向异性膜120可以包括一种或多种被配置成产生光诱发的双折射的材料，诸如具有偏振敏感光反应性基团的非晶态聚合物或液晶聚合物。图1B所示的光学各向异性膜120可以比图1A所示的PAM层110相对更厚。光学各向异性膜120的光轴的预定局部取向图案可以在记录过程期间经由体介导光配向被直接记录在光学各向异性膜120中。光学各向异性膜120可以被配置成具有局部光轴取向，这些局部光轴取向沿着光学各向异性膜120的表面在至少一个方向上非线性地变化，以限定具有变化间距的图案。在一些实施例中，离轴聚焦PBP透镜130还可以包括用于支承和保护目的的一个或多个衬底115。衬底115的详细描述可以参考结合图1A所呈现的以上描述。尽管图1B中示出了一个衬底115，但是在一些实施例中，离轴聚焦PBP透镜130可以包括两个衬底115，这两个衬底115将光学各向异性膜120夹在中间。
图1C展示了根据本公开的实施例的离轴聚焦PBP透镜150的示意图。图1C所示的离轴聚焦PBP透镜150可以包括与包括在图1A所示的离轴聚焦PBP透镜100中的元件相同或相似的元件。相同或相似元件的详细描述可以参考结合图1A所呈现的以上描述。如图1C所示，光学各向异性膜105可以设置在(例如，夹在)两个衬底115之间。在一些实施例中，如图1C所示，每个衬底115可以设置有导电电极140和PAM层110。电极140可以设置在PAM层110与衬底115之间。PAM层110可以设置在电极140与光学各向异性膜105之间，并且PAM层110被配置成提供平面配向(或具有小预倾角的配向)，该配向经面内图案化以提供透镜图案。电极140可以如衬底115一样至少在相同的光谱带中是透射性的和/或反射性的。电极140可以是连续的平面电极或图案电极。图1C示出了电极140作为连续的平面电极。可以向设置在两个相对的衬底115处的电极140施加驱动电压，以在光学各向异性膜105中产生与衬底115垂直的竖直电场。电场可以使各向异性分子重定向，从而切换离轴聚焦PBP透镜100的光学性质。竖直电场可以实现光学各向异性膜105中的各向异性分子的面外重定向。术语“面外重定向”是指光学各向异性分子的指向矢在与光学各向异性膜105的表面平面不平行(因此，在表面平面外)的方向上的旋转(或重定向)。虽然在图1C中未示出，但是在一些实施例中，两个衬底115中的一个衬底可以设置有PAM层110，而两个衬底115中的另一个衬底可以不设置PAM层。
图1D展示了根据本公开的实施例的离轴聚焦PBP透镜170的示意图。图1D所示的离轴聚焦PBP透镜170可以包括与包括在图1A所示的离轴聚焦PBP透镜100中的元件相同或相似的元件。相同或相似元件的详细描述可以参考结合图1A所呈现的以上描述。如图1D所示，光学各向异性膜105可以设置在(例如，夹在)两个衬底115之间。这些衬底115中的至少一个(例如，每一个)衬底可以设置有PAM层110。在一些实施例中，设置在两个衬底115处的PAM层110中的每一个PAM层可以被配置提供平面配向(或具有小预倾角的配向)，该配向成经面内图案化以提供透镜图案。在一些实施例中，设置在两个衬底115中的每一个衬底处的PAM层110可以被配置成提供平面配向(或具有小预倾角的配向)，该配向经面内图案化以提供透镜图案。设置在两个衬底115处的PAM层110可以被配置成提供平行表面配向或反平行表面配向。在一些实施例中，设置在两个衬底115处的PAM层110可以被配置成提供混合表面配向。例如，设置在两个衬底115中的一个衬底处的PAM层110可以被配置成提供平面配向(或具有小预倾角的配向)，该配向经面内图案化以提供透镜图案，并且设置在另一个衬底115处的PAM层110可以被配置成提供垂直配向(homeotropic alignment)。在一些实施例中，上部电极165和下部电极155可以设置在同一衬底115(例如，图1D中所示的底部衬底115)处。在一些实施例中，下部电极155可以直接设置在底部衬底115的表面上。电绝缘层160可以设置在上部电极165与下部电极155之间。设置在底部衬底115处的PAM层110可以设置在上部电极165与光学各向异性膜105之间。在一些实施例中，下部电极155可以包括平面电极，并且上部电极165可以包括图案化电极(例如，多个平行布置的条纹状交错电极)。可以向设置在同一衬底115(例如，下部衬底115)处的上部电极165和下部电极155施加电压，以在光学各向异性膜105中产生水平电场以重定向各向异性分子，从而切换离轴聚焦PBP透镜100的光学性质。水平电场可以实现光学各向异性膜105中的各向异性分子的面内重定向。在一些实施例中，可以使用用于在光学各向异性膜105中产生水平电场的电极的其它构造。例如，电极的另一构造可以包括设置在同一衬底处针对各向异性分子的面内切换的叉指状电极(例如，面内切换电极)。尽管未示出，但是在一些实施例中，这些衬底115中的一个衬底可以设置有PAM层110，而这些衬底115中的另一个衬底可以不设置PAM层110。
在下文中，将详细描述离轴聚焦PBP透镜中的各向异性分子的取向。出于讨论的目的，棒状(杆状)LC分子将用作各向异性分子的示例。图2A和图2B展示了用作球面透镜的同轴聚焦PBP透镜(称为同轴聚焦PBP球面透镜)中的LC配向图案。图2C展示了用作柱面透镜的同轴聚焦PBP透镜(称为同轴聚焦PBP柱面透镜)中的LC配向图案。图2D展示了图2A或图2C所示的同轴聚焦PBP透镜的侧视图，其中面外透镜图案中心轴线与穿过透镜的光学各向异性膜的几何中心的面外几何中心轴线重合。图3A和图3B展示了用作球面透镜的离轴聚焦PBP透镜(称为离轴聚焦PBP球面透镜)中的LC配向图案。图3C展示了用作柱面透镜的离轴聚焦PBP透镜(称为离轴聚焦PBP柱面透镜)中的LC配向图案。图3D展示了图3A或图3C所示的离轴聚焦PBP透镜的侧视图，其中面外透镜图案中心轴线从面外几何中心轴线偏移预定距离。
针对包括光学各向异性膜的记录式PBP透镜，图2A、图2C、图3A和图3C各自示出了在PBP透镜的膜层或透镜层(例如，包括光学各向异性膜的层)处截取的表面平面(例如，x-y平面)的(沿z轴线方向或厚度方向观察的)截面图。x-y平面表示与光学各向异性膜的表面平面平行的表面平面或平面。x-y平面也可以是光接收平面。也就是说，光可以从z轴线方向或与x-y平面不平行的方向入射到透镜上。z轴线是与膜层或透镜层垂直的轴线，且可以沿PBP透镜的厚度方向。
图2A展示了用作球面透镜的同轴聚焦PBP透镜200的透镜层中的LC配向图案(或透镜图案)。图2B展示了沿图2A所示的同轴聚焦PBP透镜200中的x轴线截取的LC指向矢场的一部分。图2A示出了同轴聚焦PBP透镜200具有圆形形状。x-y平面的原点(图2A中的“O”点)与同轴聚焦PBP透镜200的有效光接收区域的透镜图案中心(OL)210和几何中心(OG)相对应。也就是说，在同轴聚焦PBP透镜200中，透镜图案中心OL可以与几何中心OG重合。为了讨论的目的，假定透镜的整个圆形区域为有效光接收区域(或光圈)。因此，几何中心(OG)220是透镜200的圆形形状(或透镜200的光圈)的中心。
如图2A所示，同轴聚焦PBP透镜200可以包括光学各向异性膜201。光学各向异性膜201可以包括一种或多种包括LC分子205的双折射材料。透镜层是指包括在同轴聚焦PBP透镜200中的光学各向异性膜201的层。LC分子的指向矢可以配置有连续的面内旋转图案，或者LC分子的方位角可以配置有连续的面内变化图案。结果，光学各向异性膜201的光轴可以具有连续的面内旋转图案。如图2B所示，光轴(或LC分子的方位角、或LC分子的指向矢的取向)可以从同轴聚焦式PBP透镜200的透镜图案中心(OL)210向透镜周边215在多个径向方向上具有面内旋转或取向图案。在一些实施例中，当方位角在径向方向上变化时，方位角变化率沿着径向方向可能不是恒定的。光学各向异性膜201的光轴的方位角变化率可以在径向方向上从同轴聚焦PBP透镜200的透镜图案中心(OL)210向透镜周边215增大。同轴聚焦PBP透镜200的透镜图案中心(OL)210可以是方位角变化率最小的点。也就是说，光学各向异性膜201的光轴的面内旋转可以在多个径向方向上从透镜图案中心(OL)210向透镜周边215加速。
在一些实施例中，光学各向异性膜201的光轴的方位角可以与在光轴上从透镜图案中心到局部点的距离成比例地变化。例如，光学各向异性膜201的光轴的方位角可以根据等式
Figure BDA0004165132710000152
变化，其中θ是光轴在光学各向异性膜201的局部点处的方位角，r是在透镜平面中从光学透镜的透镜图案中心(OL)210(也为x-y平面的原点O)到局部点的距离，L是PBP透镜200的透镜平面与焦平面之间的距离(即，在同轴聚焦PBP透镜的情况下为焦距)，并且λ是入射到同轴聚焦PBP透镜200上的光的波长。方位角变化率(即，θ的变化率或θ的旋转速率)是导数：/>
Figure BDA0004165132710000151
当r＝0时，方位角变化率为零。因此，r＝0的点可以是θ的旋转速率最小或方位角变化率最小的点。
在一些实施例中，光学各向异性膜201可以包括棒状(杆状)LC分子205。可以用以连续的面内旋转图案布置的LC分子205的指向矢(或LC指向矢)对LC分子205进行配向。结果，光学各向异性膜201的光轴可以被配置成连续的面内旋转图案。如图2A所示，同轴聚焦PBP透镜200可以是LC分子205以经调制的面内配向图案来进行配向的半波延迟器(或半波片)，该半波延迟器(或半波片)可以产生透镜轮廓。LC指向矢的取向(或LC分子205的方位角(θ))可以被配置成从透镜图案中心210向透镜周边215在多个径向方向上具有间距变化的连续的面内旋转图案。因此，光学各向异性膜201的光轴可以被配置成从透镜图案中心210向透镜周边215在径向方向上具有间距变化的连续的面内旋转图案。连续的面内旋转的间距Λ被定义为LC分子205的方位角(θ)(或LC指向矢的取向)变化了预定量(例如，180°)的距离。连续的面内旋转的间距Λ可以等于透镜图案的周期P。
如图2B所示，根据沿着x轴线的LC指向矢场，间距Λ可以是距离透镜图案中心210的距离的函数。间距可以从透镜图案中心210向透镜周边215在x-y平面中的径向方向上单调减小，即Λ0>Λ1>……>Λr，其中Λ0是在透镜图案的包括透镜图案中心210的中心区域处的间距，Λ0可以是最大的。Λr是在透镜图案的边缘区域处的间距，Λr可以是最小的。透镜图案中心(OL)210可以是方位角变化率最小的点。
在x-y平面中，LC分子205的LC指向矢可以沿着相反的径向轴线或径向方向以间距(v0、Λ1、……、Λr)变化的旋转图案连续地旋转，并且LC指向矢场可以具有关于透镜图案中心(OL)210的旋转对称性。在图2A和图2B所示的同轴聚焦PBP透镜200中，透镜图案中心(OL)210可以与透镜200的有效光接收区域或透镜光圈的几何中心(OG)220重合。在一些实施例中，几何中心也可以称为光圈中心。在图2A所示的实施例中，几何中心(OG)220是圆形形状的中心、并且与透镜图案中心(OL)210重合。当透镜图案中心(OL)210与几何中心(OG)220重合时，间距也可以是距离同轴聚焦PBP透镜200的几何中心(OG)220的距离的函数。
同轴聚焦PBP透镜200可以为在相反的径向方向上从透镜图案中心(OL)210向相对的透镜周边215周期性变化的PBP光栅。同轴聚焦PBP透镜200的透镜图案的周期P可以被定义为光学各向异性膜201的光轴的方位角θ在径向方向上变化了π的距离。PBP光栅(即，同轴聚焦PBP透镜200)的条纹可以关于透镜图案中心(OL)210呈中心对称。PBP光栅的条纹是指一组局部点，在该组局部点，光轴的方位角(或光轴在径向方向上从透镜图案中心(OL)210开始到局部点的旋转角度)是相同的。例如，当光轴在径向方向上从透镜图案中心(OL)210开始到局部点的旋转角度表示为θ＝θ1+nπ(0<θ1<π)时，针对同一条纹上的局部点，θ1和n这两者可以是相同的。相邻条纹的旋转角度θ的差为π，即相邻条纹之间的距离为周期P。针对用作球面透镜或非球面透镜的同轴聚焦PBP透镜，对应于相同θ的局部点集合可以位于同一个圆上。
在一些实施例中，方位角(或旋转角度)θ可以近似根据等式
Figure BDA0004165132710000161
单调地变化，从而为PBP球面透镜提供二次相位偏移/>
Figure BDA0004165132710000162
其中r是在透镜上从透镜图案中心(OL)210到局部点的距离，以及L是透镜平面与焦平面之间的距离。在距离r远大于透镜图案的周期P(r>>P)的局部点处，周期P可以根据等式/>
Figure BDA0004165132710000163
变化。也就是说，透镜图案的周期P可以大致地与从透镜图案中心(OL)210到光轴上的局部点的距离r成反比。在一些实施例中，同轴聚焦PBP透镜的透镜图案的周期P可以在整个透镜中、在相反的径向方向上从透镜图案中心(OL)向相对的透镜周边不会单调地变化(例如，不会单调地减小)。而是，同轴聚焦PBP透镜的透镜图案的周期P可以仅在透镜的包括透镜图案中心(OL)的一部分(小于整个透镜)中、在相反的径向方向上从透镜图案中心(OL)向相对的透镜周边单调地变化(例如，单调地减小)。因此，同轴聚焦PBP透镜可以用作非球面PBP透镜(称为同轴聚焦PBP非球面透镜)。例如，同轴聚焦PBP非球面透镜的透镜图案的周期P可以在径向方向上先减小、然后从透镜图案中心(OL)向透镜周边增大。透镜图案中心(OL)可以与同轴聚焦PBP非球面透镜中的几何中心相对应。
图2C展示了在用作同轴聚焦柱面透镜的同轴聚焦PBP透镜250的透镜层中的LC配向图案。用作同轴聚焦柱面透镜的同轴聚焦PBP透镜可以在表面平面(即，x-y平面)具有矩形形状。同轴聚焦PBP透镜250可以包括光学各向异性膜251，该光学各向异性膜包括一种或多种双折射材料，该双折射材料包括LC分子255。透镜层是指同轴聚焦PBP透镜250中所包括的光学各向异性膜251的层。x-y平面的原点(图2C中的“O”点)与透镜图案中心(OL)260相对应。透镜图案中心(OL)260可以是方位角变化率最小的点。同轴聚焦PBP透镜250的几何中心(OG)270可以是矩形透镜形状的中心。同轴聚焦PBP透镜250的透镜图案中心(OL)260和几何中心(OG)270可以位于同轴聚焦PBP透镜250的同一对称轴线(例如，横向对称轴线)(例如，x轴线)上。在同轴聚焦PBP透镜250中，几何中心(OG)270可以与透镜图案中心(OL)260重合。
对于具有矩形形状(或矩形透镜光圈)的同轴聚焦PBP透镜250，同轴聚焦PBP透镜250的宽度方向可以被称为横向方向(例如，图2C中的x轴线方向)，并且同轴聚焦PBP透镜250的长度方向可以被称为纵向方向(例如，图2C中的y轴线方向)。面内透镜图案中心轴线263可以是在表面平面(例如，x-y平面)中与纵向方向平行、并且穿过透镜图案中心(OL)260的轴线。面内透镜图案中心轴线263可以与y轴线方向平行，如图2C所示。同轴聚焦PBP透镜250的面内几何中心轴线273可以是在表面平面(例如，x-y平面)中与纵向方向平行、并且穿过几何中心(OG)270的轴线。在图2C所示的实施例中，面内透镜图案中心轴线263可以与面内几何中心轴线273重合。
光学各向异性膜251的光轴可以配置有在横向方向(例如，x轴线方向)上从同轴聚焦PBP透镜250的透镜图案中心(OL)260向透镜周边265的连续的面内旋转图案。光学各向异性膜251的光轴的方位角变化率可以在横向方向上从透镜图案中心(OL)260向透镜周边265增大。也就是说，同轴聚焦PBP透镜250的光学各向异性膜的光轴的连续的面内旋转可以在横向方向上从透镜图案中心(OL)260向透镜周边265加速。光轴在位于面内透镜图案中心轴线263的同一侧上、且在横向方向上距离面内透镜图案中心轴线263相同距离的这些位置处的这些方位角可以基本相同。
同轴聚焦PBP透镜250可以是在从面内透镜图案中心轴线263向相对的透镜周边265(例如，向左侧透镜周边和向右侧透镜周边)在相反的横向方向上周期性变化的PBP光栅。同轴聚焦PBP透镜250的透镜图案的周期P可以被定义为光学各向异性膜251的光轴的方位角θ在径向方向上变化了π的距离。PBP光栅的条纹可以关于面内透镜图案中心轴线263呈轴对称。PBP光栅的配向图案可以关于面内透镜图案中心轴线263不对称。PBP光栅(即，同轴聚焦PBP透镜250)的条纹是指一组局部点，在该组局部点，光轴的方位角(或光轴在横向方向上从面内透镜图案中心轴线263开始到局部点的旋转角度)是相同的。例如，当光轴在横向方向上从面内透镜图案中心轴线263到局部点的旋转角度表示为θ＝θ1+nπ(0<θ1<π)时，对于同一条纹上的局部点而言，θ1和n这两者都可以是相同的。相邻条纹的旋转角度相差π，即相邻条纹之间的距离是周期P。针对用作柱面透镜的同轴聚焦PBP透镜250，该组局部点可以位于与纵向方向平行的同一条线上。
在一些实施例中，用作柱面透镜的同轴聚焦PBP透镜250可以被视为具有条纹和配向图案在两个相反的横向方向上(并且在一些实施例中，仅在两个相反的横向方向上)相对于透镜图案中心的中心对称性。针对PBP球面透镜的等式
Figure BDA0004165132710000171
和相应的相位偏移等式
Figure BDA0004165132710000172
也可以应用于用作柱面透镜的同轴聚焦PBP透镜250，但是仅在两个相反的横向方向上是如此的。也就是说，r是在两个相反的横向方向上从同轴聚焦PBP透镜250的透镜图案中心(OL)260到局部点的距离。在此意义上，柱面透镜可以被视为球面透镜的1d情况。
在一些实施例中，光学各向异性膜251可以包括棒状(杆状)LC分子255。LC分子255的指向矢(LC指向矢)可以在表面平面内连续旋转，从而引起光轴的连续的面内旋转。如图2C所示，同轴聚焦PBP透镜250可以是LC分子205以经调制的面内配向图案来进行配向的半波延迟器(或半波片)，该半波延迟器(或半波片)可以产生透镜轮廓。LC分子255的方向(或LC分子255的方位角(θ))可以被配置成在横向方向(例如，图2C中的x轴线方向)上从透镜图案中心(OL)260向透镜周边265具有间距(Λ0、Λ1、……、Λr)变化的连续的面内旋转图案。位于面内透镜图案中心轴线263的同一侧上且在距离面内透镜图案中心轴线263相同距离处的LC分子255的指向矢(LC指向矢)的取向可以基本相同。如图2C所示，透镜图案的间距可以是在横向方向上到面内透镜图案中心轴线263的距离的函数。在一些实施例中，透镜图案的间距可以随着在横向方向上到面内透镜图案中心轴线263的距离增大而单调减小，即，Λ0>Λ1>……>Λr，其中，Λ0是在透镜图案的中心部分处的间距，Λ0可以是最大的。间距Λr是在透镜图案的边缘区域处的间距，Λr可以是最小的。
图2D展示了同轴聚焦PBP透镜的侧视图，该同轴聚焦PBP透镜可以是同轴聚焦PBP透镜200或同轴聚焦PBP透镜250。侧视图示出了穿过透镜图案中心OL的面外透镜图案中心轴线288和穿过几何中心OG的面外几何中心轴线299。面外透镜图案中心轴线288和面外几何中心轴线299可以与表面平面(例如，x-y平面)垂直。也就是说，面外透镜图案中心轴线288和面外几何中心轴线299可以位于z轴线方向或透镜的厚度方向上。对于同轴聚焦PBP透镜，因为透镜图案中心OL和几何中心OG彼此重合，所以面外透镜图案中心轴线288和面外几何中心轴线299也彼此重合。
图3A展示了根据本公开的实施例的在离轴聚焦PBP透镜300中所包括的光学各向异性膜301的透镜层中的LC配向图案。x-y平面可以是光学各向异性膜301的光接收平面。离轴聚焦PBP透镜300可以用作球面透镜。图3A示出了离轴聚焦PBP透镜300具有圆形形状。x-y平面的原点(图3A中的“O”点)与离轴聚焦PBP透镜300的透镜图案中心(OL)310相对应。透镜的几何中心(OG)320可以是透镜的圆形形状的中心。如图3A所示，在离轴聚焦PBP透镜300中，透镜图案中心(OL)310在预定方向(例如，x轴线方向)上从几何中心(OG)320偏移了预定距离D。
光学各向异性膜301可以包括一种或多种双折射材料，该双折射材料包括LC分子305。光学各向异性膜301的光轴可以配置成在多个径向方向上从离轴聚焦PBP透镜300的透镜图案中心(OL)310向透镜周边315具有连续的面内旋转(或旋转图案)。也就是说，在光学各向异性膜301中所包括的光学各向异性分子的指向矢可以沿着多个径向方向连续地旋转。换句话说，光学各向异性膜301的光学各向异性分子的方位角可以在多个径向方向上连续地变化。光学各向异性膜301的光轴的方位角变化率可以在径向方向上从离轴聚焦PBP透镜300的透镜图案中心(OL)310向透镜周边315增大。离轴聚焦PBP透镜300的透镜图案中心(OL)310可以是方位角变化率最小的点。也就是说，光学各向异性膜301的光轴的面内旋转可在径向方向上从透镜图案中心(OL)310向透镜周边315加速。在一些实施例中，光学各向异性膜301的光轴的方位角可以与在透镜平面中从透镜图案中心(OL)310(也是x-y平面的原点O)到局部点的距离成比例。
例如，在用作球面透镜的离轴聚焦PBP透镜300中的光学各向异性膜301的光轴的方位角θ可以近似地根据等式
Figure BDA0004165132710000191
变化，其中θ是光轴在光学各向异性膜301的局部点处的方位角，r是在光轴上从透镜图案中心(OL)310(也是x-y平面的原点O)到局部点的距离，L是离轴聚焦PBP透镜300的透镜平面与焦平面之间的距离，并且λ是入射到离轴聚焦PBP透镜300上的光的波长，Γ是入射到透镜上且波长为λ的光所经历的相位偏移。方位角变化率(即θ的变化率或θ的旋转速度)是导数：/>
Figure BDA0004165132710000192
当r＝0时，方位角变化率为零。因此，r＝0的点可以是θ的旋转速率最小或方位角变化率最小的点。/>
在一些实施例中，光学各向异性膜301可以包括棒状(杆状)LC分子305。LC分子305的指向矢(LC指向矢)可以以连续的面内旋转图案在表面平面(例如，x-y平面)中连续地旋转。结果，光学各向异性膜301的光轴可以具有连续的面内旋转(或旋转图案)。如图3A所示，离轴聚焦PBP透镜300可以是半波延迟器(或半波片)，该半波延迟器(或半波片)配置有基于表面平面中的LC分子305的配向图案(例如，图3A所示的x-y平面中的LC分子305的配向图案)的透镜轮廓。表征LC指向矢的配向的方位角(θ)可以以变化的间距Λ从离轴聚焦PBP透镜300的透镜图案中心(OG)310向透镜周边315连续地变化。LC指向矢的连续的面内旋转是指LC分子305在x-y平面中的方位角(θ)的连续变化或改变。如图3A所示，离轴聚焦PBP透镜300的透镜图案中心(OL)310可以不与几何中心(OG)320重合。而是，离轴聚焦PBP透镜300的透镜图案中心(OL)310可以在预定方向上从几何中心(OG)320偏移预定距离D。可以基于聚焦点(焦点)在离轴聚焦PBP透镜300的焦平面处的期望位置来确定偏移方向和偏移的距离D。也就是说，可以通过偏移方向和偏移的距离D来确定离轴聚焦PBP透镜300的焦点偏差。离轴聚焦PBP透镜300的整个透镜图案可以相对于透镜图案中心(OL)310或几何中心(OG)320中的任一者不旋转地中心对称。离轴聚焦PBP透镜300的整个透镜图案的预定部分(例如，小于整个透镜图案)可以相对于透镜图案中心(OL)310旋转地中心对称。图3A示出了离轴聚焦PBP透镜300的透镜图案中心(OL)310在+x方向上从离轴聚焦PBP透镜300的几何中心(OG)320偏移了距离D。该偏移是出于说明性目的，并且不旨在限制本公开的范围。该偏移可以在任何其他合适的方向上进行，并且可以进行任何其他合适的距离。例如，在一些实施例中，透镜图案中心(OL)310可以在-x轴线方向上从几何中心(OG)320偏移预定距离。在一些实施例中，预定方向可以是其他方向。
图3B展示了沿图3A所示的离轴聚焦PBP透镜300中的x轴线截取的LC指向矢场的一部分。如图3B所示，根据沿着x轴线的LC指向矢场，间距可以是距透镜图案中心(OL)310的距离的函数。因为透镜图案中心(OL)310不与几何中心(OG)320重合，所以间距可以表示为在自原点(位于透镜图案中心OL处)起的径向方向上距离轴聚焦PBP透镜300的透镜图案中心(OL)310距离的函数。如图3B所示，间距可以在径向方向(例如，x轴线方向)上随着距透镜图案中心(OL)310的距离增大而单调减小。例如，在包括透镜图案中心(OL)310的中心区域中的间距可以是Λ0，Λ0可以是最大的。在第一边缘区域中在第一边缘315R(例如，图3B中的右边缘)处的间距可以是Λ1，Λ1可以小于Λ0。在包括第二边缘315L(例如，图3B中的左边缘)的第二边缘区域处的间距可以是Λr，Λr可以是最小的，即，Λ0>Λ1>……>Λr。
在一些实施例中，x-y平面的原点(图3A中的“O”点)可以被配置成位于离轴聚焦PBP透镜300的几何中心(OG)320处，而不是位于透镜图案中心(OL)310处。当离轴聚焦PBP透镜300提供抛物线相位轮廓时，并且当透镜图案中心(OL)310相对于离轴聚焦PBP透镜300的几何中心(OG)320沿着x轴线偏移时，入射到离轴聚焦PBP透镜300上且波长为λ的光所经历的相位偏移可以表示为
Figure BDA0004165132710000201
其中K是非零系数，r是从离轴聚焦PBP透镜300的透镜图案中心(OL)310到离轴聚焦PBP透镜300的局部点的距离，L是离轴聚焦PBP透镜300的透镜平面与焦平面之间的距离，并且x是透镜图案中心(OL)310相对于几何中心(OG)的预定偏移在预定方向上的坐标。针对方位角θ的相应等式是/>
Figure BDA0004165132710000202
第一项/>
Figure BDA0004165132710000203
与离轴聚焦PBP透镜300的光学能力相对应，并且第二项与透镜图案中心(OL)310相对于几何中心(OG)的偏移相对应。可以根据/>
Figure BDA0004165132710000204
来计算在偏移方向(例如x轴线方向，r＝x)上的方位角变化率。当/>
Figure BDA0004165132710000205
方位角变化率在xc＝D＝KL点处可以是最小的。入射到与离轴聚焦PBP透镜300相对应的同轴聚焦PBP透镜上且波长为λ的光所经历的相位偏移可以表示为
Figure BDA0004165132710000206
离轴聚焦PBP透镜300可以是在相反的径向方向上从透镜图案中心(OL)310向相对的透镜周边315周期性变化的PBP光栅。离轴聚焦PBP透镜300的透镜图案的周期P可以被定义为光学各向异性膜301的光轴的方位角θ在径向方向上变化了π的距离。PBP光栅的在整个PBP光栅上的条纹可以不关于透镜图案中心(OL)310呈中心对称。PBP光栅的在整个PBP光栅的预定区域(包括透镜图案中心(OL)310)中的条纹可以相对于透镜图案中心中心(OG)310呈中心对称。PBP光栅(即，离轴聚焦PBP透镜300)的条纹是指一组局部点，在该组局部点，光轴的方位角(或光轴在径向方向上从透镜图案中心(OL)310开始到局部点的旋转角度)是相同的。例如，当光轴在径向方向上从透镜图案中心(OL)310到局部点的旋转角度表示为θ＝θ1+nπ(0<θ1<π)时，针对同一条纹上的局部点，θ1和n这两者可以是相同的。相邻条纹的旋转角度相差π，即相邻条纹之间的距离是周期P。针对用作球面透镜或非球面透镜的离轴聚焦PBP透镜，该组局部点可以位于同一个圆上。
在一些实施例中，当光轴的方位角θ近似地根据等式
Figure BDA0004165132710000207
变化时，透镜图案的周期P可以近似地根据等式/>
Figure BDA0004165132710000208
变化。当距透镜图案中心(OL)310的距离r远大于透镜图案的周期P(r＞＞P)时，周期P可以大致地与在光轴上从透镜图案中心(OL)310到局部点的距离r成反比。在一些实施例中，离轴聚焦PBP透镜300的透镜图案的周期P可以在整个离轴聚焦PBP透镜中，在相反的径向方向上从透镜图案中心(OL)310(即，从透镜图案中心(OL)310向相对的透镜周边315)单调地变化(例如，单调减小)。因此，离轴聚焦PBP透镜300可以用作PBP球面透镜。图14A展示了根据本公开的实施例的图3A和图3B所示的离轴聚焦PBP球面透镜300的条纹和变化的周期性的构造。图14A展示了图3A和图3B所示的离轴聚焦PBP球面透镜300的光学各向异性膜301的透镜层的x-y截面图，不过没有示出LC分子。图14A中的圆或圆弧表示光栅条纹。位于同一光栅条纹上的光轴的局部点可以具有相同的方位角(或旋转角度)θ。位于两个相邻光栅条纹上的光轴的局部点可以在方位角θ上具有π的变化。因此，两个相邻光栅条纹的半径之差可以表示离轴聚焦PBP透镜300的透镜图案的周期P。如图14A所示，离轴聚焦PBP球面透镜300的透镜图案的周期P可以在整个离轴聚焦PBP透镜300中，在相反的径向方向上从透镜图案中心(OL)310(即，从透镜图案中心(OL)310向相对的透镜周边315)单调地变化(例如，单调减小)。
在一些实施例中，离轴聚焦PBP透镜的透镜图案的周期P在相反的径向方向上从透镜图案中心(OL)向相对的透镜周边不会单调地变化(例如，不会不单调减小)。而是，离轴聚焦PBP透镜的透镜图案的周期P可以仅在透镜的包括透镜图案中心(OL)的一部分(小于整个透镜)中，在相反的径向方向上从透镜图案中心(OL)向相对的透镜周边单调地变化(例如，单调减小)。因此，离轴聚焦PBP透镜可以用作非球面PBP透镜(称为离轴聚焦PBP非球面透镜)。例如，离轴聚焦PBP非球面透镜的透镜图案的周期P可以在径向方向上先减小、然后从透镜图案中心(OL)向透镜周边增大。离轴聚焦PBP非球面透镜的透镜图案中心(OL)可以不与离轴聚焦PBP非球面透镜的几何中心相对应。
图14B展示了根据本公开的实施例的离轴聚焦PBP非球面透镜1450的条纹和变化的周期性的构造。图14B展示了离轴聚焦PBP球面透镜1450的光学各向异性膜1451的透镜层的x-y截面图，不过没有示出LC分子。图14A中的圆或圆弧表示光栅条纹。位于同一光栅条纹上的光轴的局部点可以具有相同的方位角θ。位于两个相邻光栅条纹上的光轴的局部点可以在方位角θ上具有π的变化。因此，两个相邻光栅条纹的半径之差可以表示离轴聚焦PBP非球面透镜1450的透镜图案的周期P。如图14B所示，离轴聚焦PBP非球面透镜1450的透镜图案的周期P在整个透镜中，在相反的径向方向上从透镜图案中心(OL)1460向相对的透镜周边1465不会单调地变化(例如，单调减小)。而是，离轴聚焦PBP非球面透镜1450的透镜图案的周期P可以在径向方向上先减小、然后增大。为了说明的目的，图14B示出了离轴聚焦PBP非球面透镜1450的透镜图案的周期P可以仅在透镜的包括透镜图案中心(OL)1460的一部分中在相反的径向方向上，例如在透镜的由光栅条纹1452包围的区域内单调减小。在透镜的由光栅条纹1452包围的区域之外，离轴聚焦PBP非球面透镜1450的透镜图案的周期P可以在相反的径向方向上单调增大。尽管未示出，但是在一些实施例中，离轴聚焦PBP非球面透镜1450的透镜图案的周期P可以在相反的径向方向上先减小、然后增大、然后再次减小，以此类推。
图3C展示了在用作离轴聚焦柱面透镜的离轴聚焦PBP透镜350中所包括的光学各向异性膜351的透镜层中的LC配向图案。光学各向异性膜351可以包括一种或多种双折射材料，该双折射材料包括LC分子(小分子)或介晶片段(LC聚合物)355。离轴聚焦PBP透镜350可以具有矩形形状(或矩形透镜光圈)。x-y平面的原点(图3C中的“O”点)可以与透镜图案中心(OL)360相对应。几何中心(OG)370可以是离轴聚焦PBP透镜350的矩形透镜形状的中心。如图3C所示，透镜图案中心(OL)360可以在预定的面内方向(例如，x轴线方向)上从几何中心(OG)370偏移预定距离D(或偏移量D)。离轴聚焦PBP透镜350的透镜图案中心(OL)360和几何中心(OG)370可以位于离轴聚焦PBP透镜350的光圈的同一对称轴线(例如，横向对称轴线)(例如，x轴线)上。
针对具有矩形形状(或矩形透镜光圈)的离轴聚焦PBP透镜350，离轴聚焦PBP透镜350的宽度方向可以被称为横向方向(例如，图3C中的x轴线方向)，而离轴聚焦PBP透镜350的长度方向可以被称为纵向方向(例如，图3中的y轴线方向)。面内透镜图案中心轴线363可以是与纵向方向平行、并且穿过透镜图案中心(OL)360的轴线。面内几何中心轴线373可以是与纵向方向平行、并且穿过几何中心(OG)370的轴线。面内透镜图案中心轴线363和面内几何中心轴线373彼此平行、并且在预定方向上彼此分开预定距离D。
光学各向异性膜351的光轴可以配置成在横向方向上从离轴聚焦PBP透镜350的透镜图案中心(OL)360向透镜周边365具有连续的面内旋转。光学各向异性膜351的光轴的方位角变化率可以在横向方向上从离轴聚焦PBP透镜350的透镜图案中心(OL)360向透镜周边365增大。也就是说，离轴聚焦PBP透镜350的光学各向异性膜351的光轴的连续的面内旋转可以在横向方向上从透镜图案中心(OL)360向透镜周边365加速。光轴在位于面内透镜图案中心轴线363的同一侧上、且距面内透镜图案中心轴线363相同距离的这些位置处的这些方位角可以基本相同。
在一些实施例中，光学各向异性膜351可以包括棒状(杆状)LC分子355。分子355的指向矢(或LC指向矢)可以在光学各向异性膜351的表面平面中以预定的面内方向连续地旋转。分子355的指向矢的连续的面内旋转可以引起光学各向异性膜351的光轴的连续的面内旋转(或旋转图案)。如图3C所示，离轴聚焦PBP透镜300可以是LC分子355以经调制的面内配向图案进行布置的半波延迟器(或半波片)，该半波延迟器(或半波片)可以产生透镜轮廓。LC分子355的指向矢(或LC分子355的方位角(θ))可以被配置成在横向方向(例如，图3C中的x轴线方向)上从透镜图案中心(OL)360向透镜周边365具有间距(Λ0、Λ1、……、Λr)变化的连续的面内旋转。位于面内透镜图案中心轴线363的同一侧上且距面内透镜图案中心轴线363相同距离处的这些LC分子355的指向矢(LC指向矢)的取向可以基本相同。如图3C所示，透镜图案(或光轴图案)的间距可以是在横向方向上距面内透镜图案中心轴线363的距离的函数。透镜图案的间距可以随着在横向方向(例如x轴线方向)上距面内透镜图案中心轴线363的距离增大而单调减小。例如，在包括透镜图案中心(OL)360的由虚线矩形标记的区域367处的间距可以是Λ0，Λ0可以是最大的。在包括透镜周边365(例如，图3C中的右透镜周边)的区域处的间距可以是Λ1，Λ1可以小于Λ0。在包括透镜周边365(例如，图3C中的左透镜周边)的区域处的间距可以是Λr，Λr可以是最小的，即，Λ0>Λ1>……>Λr。
在图3C所示的光学各向异性膜351中，离轴聚焦PBP透镜350的透镜图案中心(OL)360可以不与几何中心(OG)370重合。而是，离轴聚焦PBP透镜350的透镜图案中心(OL)360可以在预定方向上从离轴聚焦PBP透镜350的几何中心(OG)370偏移预定距离D。因此，离轴聚焦PBP透镜350的面内透镜图案中心轴线363可以不与离轴聚焦PBP透镜350的面内几何中心轴线373重合。而是，离轴聚焦PBP透镜350的面内透镜图案中心轴线363可以在预定方向上从离轴聚焦PBP透镜350的面内几何中心轴线373偏移预定距离D。可以基于离轴聚焦PBP透镜350的焦平面处的焦点线的期望位置来确定偏移方向和偏移的距离D。也就是说，可以通过偏移方向和偏移的距离D来确定离轴聚焦PBP透镜350的焦点线的偏差。在图3C所示的实施例中，离轴聚焦PBP透镜300的透镜图案中心(OL)360在+x方向上从离轴聚焦PBP透镜350的几何中心(OG)370偏移距离D。因此，离轴聚焦PBP透镜300的面内透镜图案中心轴线363在+x方向上从离轴聚焦PBP透镜350的面内几何中心轴线373偏移距离D。该偏移是出于说明性目的，并且不旨在限制本公开的范围。该偏移可以在任何其他合适的方向上进行，并且可以进行任何其他合适的距离。例如，在一些实施例中，透镜图案中心(OL)360可以在-x轴线方向上从几何中心(OG)370偏移预定距离。在一些实施例中，预定方向可以是其他方向。
离轴聚焦PBP透镜350可以是在相反的横向方向上从面内透镜图案中心轴线363向相对的透镜周边365周期性变化的PBP光栅。离轴聚焦PBP透镜350的透镜图案的周期P可以被定义为光学各向异性膜351的光轴的方位角θ在横向方向上变化了π的距离。PBP光栅的在整个PBP光栅上的条纹可以不具有关于面内透镜图案中心轴线363的轴对称性。PBP光栅的在整个PBP光栅的预定区域中的条纹可以具有关于透镜图案中心(OL)360的中心对称性。PBP光栅的条纹是指一组局部点，在该组局部点，光轴的方位角(或光轴在横向方向上从面内透镜图案中心轴线363开始到局部点的旋转角度)是相同的。例如，当光轴在横向方向上从面内透镜图案中心轴线363到局部点的旋转角度表示为θ＝θ1+nπ(0<θ1<π)时，针对同一条纹上的局部点，θ1和n这两者可以是相同的。相邻条纹的旋转角度相差π，即相邻条纹之间的距离是周期P。针对用作柱面透镜的离轴聚焦PBP透镜，该组局部点可以位于与纵向方向平行的同一条线上。
图3D展示了离轴聚焦PBP透镜的侧视图，该离轴聚焦PBP透镜可以是离轴聚焦PBP透镜300或350。侧视图示出了穿过透镜图案中心(OL)360的面外透镜图案中心轴线388和穿过几何中心(OG)370的面外几何中心轴线399。面外透镜图案中心轴线388和面外几何中心轴线399可以与表面平面(例如，x-y平面)垂直。也就是说，面外透镜图案中心轴线388和面外几何中心轴线399可以位于z轴线方向或透镜的厚度方向上。对于离轴聚焦PBP透镜，透镜图案中心(OL)360从几何中心(OG)370偏移预定距离D。该偏移还可以与面外透镜图案中心轴线388与面外几何中心轴线399(面外透镜图案中心轴线和面外几何中心轴线是平行的)之间的偏移量或距离相对应。
图4A至图4F展示了根据本公开的各种实施例的通过离轴聚焦PBP透镜400的光偏转。离轴聚焦PBP透镜400可以是图1A至图1D和图3A至图3D所示的离轴聚焦PBP透镜的实施例。离轴聚焦PBP透镜400可以是有源离轴聚焦PBP透镜或无源离轴聚焦PBP透镜。无源离轴聚焦PBP透镜的光学各向异性膜可以包括聚合的RM、LC聚合物、或具有光诱发的配向的非晶态聚合物，该聚合的RM、LC聚合物或非晶态聚合物可能不会通过外部场(例如，电场)重定向。有源离轴聚焦PBP透镜的光学各向异性膜可以包括有源LC，该有源LC可以通过外部场(例如，电场)重定向。离轴聚焦PBP透镜400的相位延迟可以是半波或奇数个半波。
离轴聚焦PBP透镜400可以被配置成在针对具有预定旋向性(例如，左旋向性或右旋向性)的圆偏振光的聚焦状态下运行。例如，如图4A所示，离轴聚焦PBP透镜400可以在针对右旋圆偏振(“right-handed circularly pogarized，RHCP”)入射光的聚焦状态(或会聚状态)下运行。例如，离轴聚焦PBP透镜400可以将同轴准直RHCP光401聚焦到离轴焦点(或聚焦点)F离轴。离轴焦点F离轴可以在预定方向(例如，在+x轴线方向)上从面外几何中心轴线(或透镜轴线)偏移距离d。焦平面422中的焦点偏移距离d可以表示为d＝L*tan(α)，其中α是由连接离轴焦点F离轴和透镜光圈的几何中心O的线相对于面外几何中心轴线(例如，图4A中的z轴线)形成的角度，并且L是离轴聚焦PBP透镜400的透镜平面与离轴聚焦PBP透镜400的焦平面422之间的距离。
如图4B所示，离轴聚焦PBP透镜400可以在针对LHCP入射光的散焦状态(或发散状态)下运行。例如，离轴聚焦PBP透镜400可以使同轴准直LHCP光402散焦(或发散)。因此，离轴聚焦PBP透镜400可以通过切换入射光的旋向性而在处于聚焦状态下的运行与处于散焦状态下的运行之间间接地切换。图4A和图4B所示的实施例是出于说明性目的。在一些实施例中，离轴聚焦PBP透镜400可以被配置成在针对LHCP入射光的聚焦状态下运行以及在针对RHCP入射光的散焦状态下运行。
如图4A和图4B所示，离轴聚焦PBP透镜400除了使圆偏振入射光聚焦或散焦(或会聚/发散)之外，还可以反转穿过离轴聚焦PBP透镜的圆偏振光的旋向性。在一些实施例中，当翻转离轴聚焦PBP透镜400使得光入射侧和光出射侧被翻转时，离轴聚焦PBP透镜400的聚焦状态和散焦状态对于具有相同旋向性的圆偏振入射光可以是相反的。例如，在翻转之后，离轴聚焦PBP透镜400可以在针对LHCP入射光的聚焦状态下运行、以及在针对RHCP入射光的散焦状态下运行。例如，离轴聚焦PBP透镜400可以将同轴准直LHCP光402聚焦到离轴焦点，并且可以使同轴准直RHCP光401散焦。
除了使同轴准直光聚焦或散焦之外，离轴聚焦PBP透镜400还可以具有其他特征。图4C示出了离轴聚焦PBP透镜400可以将从位于焦平面411中的点光源发射的同轴发散光403转换成离轴准直光404。图4D示出了离轴聚焦PBP透镜400可以将可以位于焦平面411中并且相对于离轴聚焦PBP透镜400的面外几何中心轴线位于离轴位置处的点光源发射的离轴发散光405转换成同轴准直光406。图4E示出了离轴聚焦PBP透镜400可以将可以位于焦平面411中并且相对于离轴聚焦PBP透镜400的面外几何中心轴线位于离轴位置处的点光源发射的离轴发散光407转换成离轴准直光408。如图4C至图4E所示，在焦平面411中的点光源从面外几何中心轴线的位移可以改变准直光408在穿过离轴聚焦PBP透镜400传播之后的偏转角度。图4F示出了离轴聚焦PBP透镜400可以将离轴准直光409聚焦为会聚光410，该会聚光转化成同轴焦点F同轴。
根据本公开的实施例的离轴聚焦PBP透镜可以经由通过外部偏振开关改变离轴聚焦PBP透镜的入射光的旋向性而在聚焦状态与散焦状态之间间接地切换。图5A和图5B展示了根据本公开的实施例的离轴聚焦PBP透镜500在聚焦状态与散焦状态之间的间接切换。离轴聚焦PBP透镜500可以是图1A至图1D和图3A至图4F中所示的离轴聚焦PBP透镜的实施例。离轴聚焦PBP透镜500可以是有源离轴聚焦PBP透镜(例如，基于有源LC制造的有源离轴聚焦PBP透镜)或无源离轴聚焦PBP透镜(例如，基于非有源LC(例如，反应性介晶(“RM”))制造的无源离轴聚焦PBP透镜)。如图5A和图5B所示，离轴聚焦PBP透镜500可以经由通过偏振开关510改变离轴聚焦PBP透镜500的入射光的旋向性而在聚焦状态与散焦状态之间切换。偏振开关510可以与离轴聚焦PBP透镜500光学耦合，并且偏振开关510可以被配置成在圆偏振光入射到离轴聚焦PBP透镜500上之前控制圆偏振光的旋向性。偏振开关510可以是任何合适的偏振旋转器。在一些实施例中，偏振开关510可以包括可切换半波片(“switchable half-wave plate，SHWP”)515，该可切换半波片被配置成在运行状态(例如，切换状态或非切换状态)下传输圆偏振光。在切换状态下运行的SHWP 515可以使圆偏振入射光的旋向性反转，并且在非切换状态下运行的SHWP 515可以透射圆偏振入射光而不影响旋向性。
在一些实施例中，离轴聚焦PBP透镜500可以在针对RHCP入射光的聚焦状态下运行，并且可以在针对LHCP入射光的散焦状态下运行。因此，SHWP 515可以被配置成通过控制入射到离轴聚焦PBP透镜500上的圆偏振光的旋向性来控制离轴聚焦PBP透镜500的光学状态(聚焦状态或散焦状态)。在一些实施例中，SHWP 515可以包括LC层。可以通过控制向LC层施加的外部电场来控制SHWP 515的运行状态(切换状态或非切换状态)。
如图5A所示，在非切换状态下运行的SHWP 515可以透射RHCP光502而不影响旋向性，并且朝向离轴聚焦PBP透镜500输出RHCP光504。因此，离轴聚焦PBP透镜500可以在针对RHCP光504的聚焦状态下运行，并且输出会聚的LHCP光506。当RHCP光504是同轴准直RHCP光时，可以通过离轴聚焦PBP透镜500将RHCP光504聚焦到离轴焦点。如图5B所示，在切换状态下运行的SHWP 515可以使圆偏振入射光的旋向性反转。因此，入射到SHWP 515上的同轴准直RHCP光502可以被透射以作为同轴准直LHCP光508。离轴聚焦PBP透镜500可以在针对同轴准直LHCP光508的散焦状态下运行，并且可以输出发散的RHCP光512。
如上所述，离轴聚焦PBP透镜可以根据入射到离轴聚焦PBP透镜上的圆偏振光的旋向性和在离轴聚焦PBP透镜中的LC指向矢的旋转的旋向性而在聚焦状态或散焦状态下运行。在一些实施例中，有源离轴聚焦PBP透镜可以在聚焦状态(或散焦状态)与中性状态之间切换，在聚焦状态(或散焦状态)，向入射光提供正(或负)光学能力，在中性状态，向入射光提供基本上为零的光学能力。为了讨论的目的，图6A和图6B展示了有源离轴聚焦PBP透镜600在聚焦状态与中性状态之间的切换。虽然未示出在散焦状态与中性状态之间的切换，但是应当理解，当离轴聚焦PBP透镜600的入射光的旋向性被切换到相反的旋向性时，可以在图6A中实现散焦状态。
如图6A和图6B所示，有源离轴聚焦PBP透镜600可以具有包括有源向列型LC的光学各向异性膜610。有源离轴聚焦PBP透镜600可以包括设置在光学各向异性膜610的两侧上的两个衬底611和612。衬底611和612可以各自包括电极(未示出)。衬底611和612中的至少一个可以设置有PAM层，该PAM层经面内图案化以提供透镜图案(未示出)。在图1C中示出了电极的构造的实施例。电源620可以与衬底611和612中所包括的电极电耦合，以在光学各向异性膜610上供应电压，从而产生与衬底611和612垂直(例如，在z轴线上)的竖直电场。
如图6A所示，在电压关断状态下，光学各向异性膜610中的LC分子605可以以图案化LC配向来进行配向，以向入射光提供光学能力(即，聚焦或散焦)。根据图6A中所示的实施例，有源离轴聚焦PBP透镜600可以在针对RHCP光602的聚焦状态下运行，并且可以将RHCP光602会聚为LHCP光604。例如，当RHCP光602是同轴准直RHCP光时，有源离轴聚焦PBP透镜600可以将同轴准直RHCP光聚焦到离轴焦点。
如图6B所示，在电压开启状态下，可以通过向分别设置在第一衬底611和第二衬底612处的电极施加电压而在光学各向异性膜610中生成与衬底611和612垂直的竖直电场(例如，z轴线上的电场)。LC分子605可以沿着竖直电场(例如，z轴线)的方向进行重定向。为了讨论的目的，图6A和图6B示出了有源向列型LC具有正介电各向异性。当竖直电场足够强时，LC分子605可以趋向于与衬底611和612垂直。也就是说，LC分子605可以被重定向成处于垂直状态。因此，光学各向异性膜610可以用作入射光的光学各向同性介质。因此，有源离轴聚焦PBP透镜600可以在中性状态下运行，并且可以忽略不计地影响或不影响入射光的传播方向、波前和偏振旋向性。也就是说，对于圆偏振入射光，有源离轴聚焦PBP透镜600可以输出具有基本上相同的传播方向、波前和偏振旋向性的圆偏振光。例如，如图6B所示，入射到在中性状态下运行的有源离轴聚焦PBP透镜600上的同轴准直RHCP光602可以被输出以作为基本上相同的同轴准直RHCP光606。也就是说，光学各向异性膜610中的LC分子605可以(通过电场)面外旋转，以切断有源离轴聚焦PBP透镜600的光学能力。这里，“面外”旋转是指LC指向矢在与光学各向异性膜610的表面垂直(或与衬底611、612垂直)的平面中的旋转。根据图6B中所示的实施例，面外是指与图3A至图3D中所示的x-y平面垂直的x-z平面。
在一些实施例中，在具有基本上零光学能力的中性状态下运行的有源离轴聚焦PBP透镜也可以影响透射光的旋向性。图7A和图7B展示了根据本公开的另一实施例的有源离轴聚焦PBP透镜700在具有正光学能力的聚焦状态与具有基本上为零的光学能力的中性状态之间的切换。虽然未示出在散焦状态与中性状态之间的切换，但是应当理解，当有源离轴聚焦PBP透镜700的入射光的旋向性被切换到相反的旋向性时，可以实现散焦状态。
如图7A和图7B所示，有源离轴聚焦PBP透镜700可以具有包括有源向列型LC的光学各向异性膜710。有源离轴聚焦PBP透镜700可以包括设置在光学各向异性膜710的两侧上的第一衬底711和第二衬底712。电极(未示出)可以设置在第一衬底711和第二衬底712中的一者处。衬底711和712中的至少一个衬底可以设置有PAM层(未示出)，该PAM层经面内图案化以提供透镜图案。为了说明的目的，假定电极设置在第一衬底711处。图1D中示出了设置在一个衬底处的电极的构造的实施例。电源720可以与第一衬底711电耦合来供应电压，以在光学各向异性膜710的x轴线方向上产生水平电场。
在电压关断状态下，如图7A所示，光学各向异性膜710中的LC分子705可以以平面图案化LC配向来进行配向(LC分子可以具有小于15度(包括零度)的预倾角)，从而提供光学能力。有源离轴聚焦PBP透镜700可以在针对RHCP光702的聚焦状态下运行、并且可以将RHCP光702会聚为LHCP光704。例如，当RHCP光702是同轴准直RHCP光时，有源离轴聚焦PBP透镜700可以将同轴准直RHCP光聚焦到离轴焦点。
在电压开启状态下，如图7B所示，可以通过设置在同一衬底(例如，第一衬底711)处的电极在光学各向异性膜710中生成水平电场。用于产生水平电场的电极的构造可以包括面内切换(“in-plane switching，IPS”)电极、或边缘场切换(“fringe-fieldswitching，FFS”)电极。为了讨论的目的，图7A和图7B示出了有源向列型LC具有正介电各向异性。LC分子705可以沿着水平电场的方向重定向，并且当水平电场足够强时，光学各向异性膜710可以用作光学单轴膜。结果，被配置成提供光学能力的图案化LC配向(图7A所示)可以被转换成不提供光学能力或提供可忽略的光学能力的均匀单轴平面结构(图7B所示)。由于PBP透镜700的相位延迟是半波或奇数个数量的半波，所以光学各向异性膜710可以用作半波片。因此，在中性状态下运行的有源离轴聚焦PBP透镜700可以使透射穿过半波片的光的旋向性反转而不使光聚焦(或散焦)。例如，如图7B所示，入射到处于电压开启状态的有源离轴聚焦PBP透镜700上的同轴准直RHCP光702可以被透射穿过该有源离轴聚焦PBP透镜以作为同轴准直LHCP光706。也就是说，LC分子705可以通过电场在面内旋转，以切断有源离轴聚焦PBP透镜700的光学能力。可以使经透射的光的旋向性反转。
为了讨论的目的，图6A和图6B、以及图7A和图7B示出了包括具有正介电各向异性(例如，正LC)的有源向列型LC的有源离轴聚焦PBP透镜的切换。在一些实施例中，有源离轴聚焦PBP透镜可以包括具有负介电各向异性(例如，负LC)的有源向列型LC，该有源向列型LC可以通过施加竖直电场来重定向以激活PBP透镜。例如，在电压关断状态下，光学各向异性膜中的负LC可以被配置成处于垂直状态，并且光学各向异性膜可以作为针对正常入射光的光学各向同性介质运行。因此，有源离轴聚焦PBP透镜可以在中性状态下运行并且可以以忽略不计地影响或可以不影响入射光的传播方向、波前和偏振旋向性。当施加的(与衬底垂直的)竖直电场足够强时，负LC的指向矢可以被定向为基本上与衬底平行。也就是说，可以根据PAM层的图案将负LC重定向为具有图案化LC配向的平面状态。因此，有源离轴聚焦PBP透镜可以在聚焦状态或散焦状态下运行。在一些实施例中，有源离轴聚焦PBP透镜可以包括具有负介电各向异性(例如，负LC)的有源向列型LC。可以通过施加水平电场来重定向具有负介电各向异性的有源向列型LC，从而停用PBP透镜。例如，在电压关断状态下，光学各向异性膜中的负LC可以以平面LC配向图案来进行配向以提供光学能力。当施加的水平电场足够强时，负LC可以在与水平电场的方向垂直的方向上进行面内重定向。有源离轴聚焦PBP透镜可以在中性状态下运行。在中性状态下，光学各向异性膜可以用作光学单轴膜。由于PBP透镜的相位延迟是半波或奇数个数量的半波，所以光学各向异性膜可以用作半波片。
本公开还提供了一种包括多个透镜的透镜堆叠体。多个透镜可以包括一个或多个所公开的离轴聚焦PBP透镜。在一些实施例中，在透镜堆叠体中所包括的所有透镜可以是离轴聚焦PBP透镜。在一些实施例中，透镜堆叠体可以包括至少一个同轴聚焦PBP透镜和至少一个离轴聚焦PBP透镜的组合。图8展示了根据本公开的实施例的包括一个或多个所公开的离轴聚焦PBP透镜的透镜堆叠体800的示意图。如图8所示，透镜堆叠体800可以包括以光学串联布置的多个透镜805(例如，805a、805b和805c)。多个透镜805可以包括一个或多个所公开的离轴聚焦PBP透镜，每个离轴聚焦PBP透镜可以是上面结合图1A至图1D和图3A至图7B所描述的离轴聚焦PBP透镜的实施例。例如，在一些实施例中，多个透镜805还可以包括一个或多个同轴聚焦PBP透镜。例如，透镜805a、805b和805c中的一个或多个透镜可以是同轴聚焦PBP透镜。在一些实施例中，多个透镜805还可以包括一个或多个其它类型的合适透镜，例如一个或多个常规透镜(例如一个或多个玻璃透镜)。
多个透镜805可以提供多个光学状态。多个光学状态可以提供一定范围的光学能力调整和一定范围的针对透镜堆叠体800的光束偏差调整。透镜堆叠体800的光学能力P可以由P＝1/f(单位：屈光度(diopter))计算，其中f是透镜堆叠体800的焦距。透镜堆叠体800的光学能力P可以是透镜堆叠体800中所包括的各个透镜805的光学能力的总和。各个透镜805的光学能力可以是正、负或零。所得光束偏差可以取决于各个透镜805中的结构中心的偏移(或结构中心偏移)以及多个透镜805之间的相对取向。例如，当结构中心在x轴线上由透镜805偏移时，所得结构中心偏移可以位于x轴线上。透镜堆叠体800的结构中心偏移可以是透镜堆叠体800中所包括的这些透镜805的结构中心偏移的总和。每个透镜805的结构中心偏移可以是正、负或零。例如，在+x轴线上相对于透镜光圈中心的结构中心偏移可以被定义为正结构中心偏移，而在-x轴线上相对于透镜光圈中心的结构中心偏移可以被定义为负透镜光圈中心偏移。
在一些实施例中，透镜堆叠体800可以在聚焦状态(或散焦状态)与中性状态之间切换。在一些实施例中，聚焦光束的焦距和偏转角(或聚焦光束的光束偏差)可以是可调整的。因此，可以实现具有聚焦的2D光束转向和3D光束转向。例如，焦点的3D定位对于在光敏材料中的直接3D光学记录可能是有用的。可切换的透镜堆叠体800可以包括一个或多个有源PBP透镜，该一个或多个有源PBP透镜如图6A至图7B所描述那样可通过电场在聚焦状态(或散焦状态)与中性状态之间直接切换。一个或多个有源PBP透镜可以包括同轴聚焦PBP透镜或所公开的离轴聚焦PBP透镜。
在一些实施例中，透镜堆叠体800可以包括至少一个邻近PBP透镜布置的SHWP。为了说明的目的，图8示出了透镜堆叠体800可以包括交替布置的多个SHWP 810(例如，三个SHWP：810a、810b和810c)和多个PBP透镜805(例如，三个PBP透镜：805a、805b和805c)。SHWP810可以被配置成根据SHWP的运行状态来反转或维持偏振光的旋向性，如上文结合图5A和图5B中所描述的那样。在一些实施例中，透镜805可以包括一个或多个有源离轴聚焦PBP透镜，该一个或多个有源离轴聚焦PBP透镜可以根据入射在PBP透镜805上的圆偏振光的旋向性、PBP透镜805中的LC指向矢旋转的旋向性、以及施加的电压来提供光学能力(零或非零的光学能力)。单个PBP透镜805(例如，805a、805b或805c)的厚度可以是1微米至10微米，该厚度在与衬底的厚度相比时可以是可忽略的。因此，透镜堆叠体800的总厚度可以基本上由玻璃衬底或塑料衬底的厚度确定。透镜堆叠体800的总厚度可以具有例如1毫米至10毫米的厚度。透镜堆叠体800可以提供离轴聚焦能力而不会使PBP透镜物理地倾斜。因此，基于一个或多个所公开的离轴聚焦PBP透镜制造的透镜堆叠体800可以具有显著减小包括该透镜堆叠体800的光学系统的形状要素的紧凑性。尽管用于说明的目的在图8中示出了三个透镜805a、805b和805c以及三个SHWP 810a、810b和810c，但是透镜堆叠体800可以包括任何合适数量的透镜(包括任何合适数量的所公开的离轴聚焦PBP透镜)(诸如一个、两个、四个、五个等)、以及任何合适数量的SHWP(诸如一个、两个、四个、五个等)。
在一些实施例中，透镜堆叠体800可以包括一个或多个无源离轴聚焦PBP透镜，该一个或多个无源离轴聚焦PBP透镜可以根据入射在PBP透镜805上的圆偏振光的旋向性和PBP透镜805中的LC指向矢旋转的旋向性来提供光学能力(零或非零的光学能力)。因此，通过控制与相应的离轴聚焦PBP透镜805耦合的至少一个SHWP 810的运行状态(切换状态或非切换状态)，透镜堆叠体800可以提供多个光学状态。多个光学状态可以提供一定范围的光学能力调整和一定范围的针对入射光的光束偏差调整。
在一些实施例中，透镜堆叠体800可以包括无源离轴聚焦PBP透镜和有源离轴聚焦PBP透镜这两者。通过控制与相应的无源离轴聚焦PBP透镜耦合的至少一个SHWP 810的运行状态(切换状态或非切换状态)、并且控制与相应的有源离轴聚焦PBP透镜耦合的至少一个SHWP 810的运行状态(切换状态或非切换状态)和有源离轴聚焦PBP透镜的施加电压，透镜堆叠体800可以提供多个光学状态。多个光学状态可以提供一定范围的光学能力调整和一定范围的针对入射光的光束偏差调整。
所公开的离轴聚焦PBP透镜和包括一个或多个离轴聚焦PBP透镜的透镜堆叠体可以包括比如平坦、紧凑、重量小、厚度薄、效率高、光圈比高、设计灵活、制造简单和成本低等特点。因此，所公开的离轴聚焦PBP透镜和透镜堆叠体可以在各种应用(诸如便携式光学设备和系统、或可穿戴光学设备和系统)中实施。所公开的离轴聚焦PBP透镜和包括一个或多个离轴聚焦PBP透镜的透镜堆叠体可以提供复杂的光学功能，并且保持小的形状要素、紧凑性和重量轻。例如，所公开的离轴聚焦PBP透镜和/或包括一个或多个离轴聚焦PBP透镜的透镜堆叠体可以在近眼显示器(“NED”)中实施。在一些实施例中，所公开的离轴聚焦PBP透镜和/或包括一个或多个离轴聚焦PBP透镜的透镜堆叠体可以在对象跟踪(例如，眼睛跟踪)部件、显示部件、用于人眼辐辏调节的自适应光学部件等中实施。
图9展示了根据本公开的实施例的近眼显示器(“NED”)900的示意图。如图9所示，NED 900可以包括框架905、安装到框架905的右眼显示系统910R和左眼显示系统910L、以及对象跟踪(例如，眼睛跟踪)系统(图11A所示的实施例)。框架905可以与一个或多个光学元件耦合，这些光学元件一起向用户显示媒体内容。在一些实施例中，框架905可以表示眼镜的框架。右眼显示系统910R和左眼显示系统910L中的每一者可以包括图像显示部件，该图像显示部件被配置成将计算机生成的虚拟图像投射到用户的视场(“FOV”)中的右显示窗口和左显示窗口中。
NED 900可以用作虚拟现实(“virtual reality，VR”)设备、增强现实(“augmentedreality，AR”)设备、混合现实(“mixedreality，MR”)设备或它们的组合。在一些实施例中，当NED 900用作AR设备和/或MR设备时，右显示窗口和左显示窗口可以至少部分地对于来自真实世界环境的光是透明的，以向用户提供周围真实世界环境的视图。在一些实施例中，当NED 900用作VR设备时，右显示窗口和左显示窗口可以是不透明的，使得用户可以沉浸在经由NED 900提供的VR影像中。在一些实施例中，NED 900还可以包括调光元件，该调光元件可以动态地调整透射穿过调光元件的真实世界光的透射率，从而将NED 900在用作VR设备与用作AR设备之间、或在用作VR设备与用作MR设备之间进行切换。在一些实施例中，随着在用作AR设备(或MR设备)与用作VR设备之间进行切换，调光元件可以在AR设备中实施为减轻真实图像光和虚拟图像光的亮度差异。
在一些实施例中，NED 900可以包括位于右显示系统910R和左显示系统910L与眼睛920之间的一个或多个光学元件。光学元件可以被配置为校正从右显示系统910R和左显示系统910L发射的图像光的像差，放大从右显示系统910R和左显示系统910L发射的图像光，或者执行对从右显示系统910R和左显示系统910L发射的图像光的其他光学调整。光学元件的示例可以包括光圈、菲涅耳透镜、凸透镜、凹透镜、滤光器、偏振器或任何其他合适的影响图像光的光学元件。将参照图10和图12详细描述包括所公开的离轴聚焦PBP透镜或透镜组件中的一者或多者的示例性右显示系统910R和左显示系统910L。
图10展示了面向用户左眼1040的图9所示的NED 900的左半部分的截面图。左眼显示系统910L可以包括一个或多个所公开的离轴聚焦PBP透镜和/或一个或多个所公开的透镜堆叠体(每个透镜堆叠体包括一个或多个所公开的离轴聚焦PBP透镜)。图10示出了离轴聚焦PBP透镜可以被实施到NED的激光束扫描投射器中。在一些实施例中，左眼显示系统910L可以包括安装在框架905的左部分上的显示组件930和光学组合器1010。应当理解，相似的显示组件930和相似的光学组合器1010可以分别设置在框架905的右部分上，以向位于用户的右眼的出射光瞳处的适眼区提供图像光。
图10所示的显示组件930可以包括光源1020、包括离轴聚焦PBP透镜的光学元件1045(因此，光学元件1045也可以被称为离轴聚焦PBP透镜1045)和微机电系统(“micro-electromechanical system，MEMS”)1050。显示组件930可以包括其他元件，本公开对此不作限制。光源1020可以被配置成发射图像光。离轴聚焦PBP透镜1045可以被配置成准直并偏转从光源1020接收的图像光。在一些实施例中，离轴聚焦PBP透镜1045可以被配置成朝向MEMS 1050输出离轴准直图像光。离轴聚焦PBP透镜1045可以是所公开的这些离轴聚焦PBP透镜中的任一个离轴聚焦PBP透镜的实施例。在一些实施例中，包括一个或多个离轴聚焦PBP透镜的所公开的透镜堆叠体可以代替离轴聚焦PBP透镜1045。在一些实施例中，MEMS1050可以包括被配置成在一个维度或两个维度使光转向的电动可旋转反射镜。MEMS 1050可以被配置成向光学组合器1010重定向从离轴聚焦PBP透镜1045接收的图像光。MEMS 1050可以是光束转向设备的一个示例。在一些实施例中，MEMS 1050可以由另一合适的光束转向设备代替。光学组合器1010可以被配置成向NED 900的适眼区重定向从MEMS 1050接收的图像光。
NED 900可以包括控制器990。控制器990可以包括处理器991、存储器991和输入/输出设备(例如，通信设备)993。处理器991可以是配置有计算能力的任何合适的处理器，诸如中央处理单元(“central processing unit(CPU)”)、图形处理单元(“graphicsprocessing unit(GPU)”)等。存储器991可以是任何合适的存储器，诸如只读存储器(“read-only memory(ROM)”)、随机存取存储器(“random-access memory(RAM)”)、闪存等。输入/输出设备993可以包括被配置成向外部设备输出数据或从外部设备接收数据的任何合适的输入/输出接口或端口。在一些实施例中，输入/输出设备993可以是被配置用于有线和/或无线通信的通信设备，诸如WiFi模块、蓝牙模块等。在一些实施例中，在NED 900中可以不包括控制器990。而是，控制器990可以是与NED 900通信耦合的远程控制器。出于讨论的目的，假定控制器990包括在NED 900中。控制器990可以与包括在NED 900中的各种设备通信耦合、并且可以被配置成控制设备的运行或从设备接收信息。例如，控制器990可以被配置成控制光源1020、离轴聚焦PBP透镜1045和/或MEMS 1050。
在一些实施例中，显示组件930可以为激光束扫描投射器。光源1020可以被配置成发射具有窄发射光谱的图像光1022(例如，光束1022)。例如，光源1020可以包括被配置成发射激光束的激光二极管或垂直腔面发射激光器(“vertical cavity surface emittinglaser，VCSEL”)中的至少一者。光束1022可以是发散度取决于光源1020的发散同轴激光束。光源1020可以设置在相对于光学组合器1010的离轴位置处。显示组件930可以包括被配置成调节从光源1020接收的光束1022的一个或多个光学元件(包括离轴聚焦PBP透镜1045)。调节光束1022可以包括例如透射光束1022、使光束1022衰减、扩展光束1022、使光束1022准直、使光束1022偏振、和/或调整光束1022的取向。离轴聚焦PBP透镜1045可以设置在相对于光学组合器1010的离轴位置处。光源1020可以设置在针对关注的波长或关注的波长范围所配置的离轴聚焦PBP透镜1045的面外几何中心轴和焦平面的交点处。在图10所示的实施例中，光束1022可以是相对于离轴聚焦PBP透镜1045的面外几何中心轴线的同轴激光束，并且离轴聚焦PBP透镜1045可以被配置成使从光源1020发射的光束1022准直并朝向MEMS 1050偏转。
在一些实施例中，光束1022可以是具有预定旋向性的圆偏振光束。在一些实施例中，光束1022可以是线性偏振光束。显示组件930可以包括四分之一波片(图10中未示出)，该四分之一波片设置在离轴聚焦PBP透镜1045与光源1020之间以将线性偏振光束1022转换成具有预定旋向性的圆偏振光束。在一些实施例中，光束1022可以为非偏振光束。显示组件930可以包括合适的光学元件(例如，圆偏振器)或多个光学元件的合适组合(例如，线性偏振器和四分之一波片的组合)，这些合适的光学元件或多个光学元件的合适组合设置在离轴聚焦PBP透镜1045与光源1020之间以将光束1022转换成具有预定旋向性的圆偏振光束。离轴聚焦PBP透镜1045可以将具有预定旋向性的圆偏振光束转换成准直光束1024(其可以是具有相反旋向性的圆偏振光束)，并且可以将准直光束1024朝向MEMS 1050引导。准直光束1024可以是相对于离轴聚焦PBP透镜1045的面外几何中心轴线的离轴准直光束1024。
MEMS 1050可以设置在离轴聚焦PBP透镜1045与光学组合器1010之间。MEMS 1050可以包括电动可旋转反射镜，这些电动可旋转反射镜可旋转以使光束1026转向，从而使光束1026横跨光学组合器1010进行扫描。在一些实施例中，光束1026的每个扫描角度可以与图像的点(像素)相对应。在一些实施例中，光源1020可以包括单个照明器，例如单个激光二极管或单个VCSEL。离轴聚焦PBP透镜1045可以用作将同轴发散光束1022转换成离轴准直光束1024的球面透镜。MEMS 1050可以是被配置成在两个维度上使光束1026转向以横跨光学组合器1010的二维(“2D”)扫描MEMS。因此，光束1026可以通过MEMS 1050横跨光学组合器1010在两个维度上进行扫描以提供2D图像。在一些实施例中，光源1020可以包括照明器的一维(“1D”)阵列，例如，微型激光器或微型LED的1D阵列。离轴聚焦PBP透镜1045可以用作柱面离轴聚焦PBP透镜或1D离轴聚焦PBP透镜阵列。MEMS 1050可以是被配置成在一个维度上使光束1026转向横跨光学组合器1010的一维(“1D”)扫描MEMS。因此，光束1026可以通过MEMS 1050横跨光学组合器1010在一个维度上进行扫描以提供2D图像。
在一些实施例中，光学组合器1010可以设置在面向用户的眼睛1040的衬底1015处。在可见光波段的至少一部分(例如，约380nm至约700nm)中，衬底1015可以是透明的。在一些实施例中，光学组合器1010和衬底1015可以被集成以作为单目NED或双目NED中的目镜。在一些实施例中，光学组合器1010可以被配置成向NED 900的适眼区引导从MEMS 1050接收的光束1026，使得用户的眼睛1040可以观察虚拟图像。光学组合器1010当被配置用于AR应用时可以使形成虚拟图像的光束1026和来自真实世界环境的光组合，并且将组合的光朝向NED 900的适眼区引导。因此，用户可以观察与真实世界对象的视图光学地组合的虚拟图像(例如，虚拟图像叠加在用户的真实世界场景的视图上)。
在一些实施例中，光学组合器1010可以被配置成将横跨光学组合器1010进行扫描的光束1026引向NED 900的适眼区，使得用户的眼睛1040可以观察虚拟图像。光学组合器1010可以是任何合适的光学组合器。在一些实施例中，光学组合器1010可以包括全息光学元件(“holographic optical element，HOE”)。在一些实施例中，HOE可以包括一个或多个多路复用反射性布拉格光栅，该一个或多个多路复用反射性布拉格光栅被配置成将横跨光学组合器1010进行扫描的光束1026向眼睛1040重定向。在一些实施例中，反射性布拉格光栅可以是强波长选择性的，并且光源1020可以被配置成发射具有窄发射光谱的图像光，例如激光束。在所公开的实施例中，离轴聚焦PBP透镜1045可以允许NED 900更紧凑的设计。当NED 900作为眼镜佩戴到用户的头部时，可以期望更紧凑的设计。离轴设计提供了更加符合头部形状和传统眼镜形状的光路。因此，离轴设计使得NED 900能够具有比传统的同轴设计更小的形状要素。
图10所示的所公开的离轴聚焦PBP透镜在激光束扫描投射器中的应用是为了说明的目的。具有所公开的离轴聚焦PBP透镜的光束扫描原理可以扩展到波导显示器，在波导显示器中可以使用不同的光源，例如二极管激光器、垂直腔面发射激光器(“VCSEL”)、超发光发光二极管(“super-luminescent light-emitting diode，SLED”)、有机发光二极管(“organic light-emitting diode，OLED”)、发光二极管(“light-emitting diode，LED”)、微型LED(micro-LED)。在一些实施例中，可以期望提供更高强度和更小立体角的发射(其可以被视为“光束”)的光源(例如，二极管激光器、VCSEL、SLED)。在一些实施例中，光源可以是实质点光源，实质点光源可以大致设置在针对关注的波长或关注的波长范围所配置的离轴聚焦PBP透镜的面外几何中心轴和焦平面的交点处。
在一些实施例中，为了改善形状要素，所公开的离轴聚焦PBP透镜或透镜堆叠体可以用于其他类型的投射显示系统(诸如硅基液晶(“liquid-crystal-on-silicon，LCoS”)投射器系统、数字光处理(“digital lightprocessing，DLP”)投射器系统、或液晶显示器(“liquid crystal display，LCD”)投射器系统等)中。在一些实施例中，光源1020可以包括显示面板，诸如液晶显示器(“LCD”)面板、硅基液晶(“LCoS”)显示面板、发光二极管(“LED”)显示面板、有机发光二极管(“OLED”)显示面板、微型发光二极管(“微型LED”)显示面板、数字光处理(“DLP”)显示面板或它们的组合。在一些实施例中，光源1020可以包括自发光面板，诸如OLED显示面板或微型LED显示面板。在一些实施例中，光源1020可以包括由外部光源照明的显示面板，诸如LCD面板、LCoS显示面板或DLP显示面板。外部光源的示例可以包括微型LED、LED、OLED或它们的组合。
图10中所示的包括HOE的光学组合器1010是为了说明的目的。在一些实施例中，光学组合器1010可以包括衍射性波导组合器，该衍射性波导组合器包括与耦入衍射元件和耦出衍射元件耦合的波导。耦入衍射元件可以被配置成通过衍射将从图像投射器接收的图像光耦合到波导中，并且耦出衍射元件可以被配置成通过衍射将图像光从波导朝向适眼区耦出。耦入衍射元件和耦出衍射元件可以包括表面浮雕光栅、体全息图、偏振光栅、偏振体全息图、超表面光栅、其他类型的衍射元件或它们的组合。在一些实施例中，光学组合器1010可以包括反射元件，该反射元件被耦合以接收从图像投射器接收的图像光、并将图像光朝向适眼区反射。在一些实施例中，用于激光束扫描投射器的相似扫描原理可以应用于衍射性波导组合器、半透明反射镜组合器等。例如，针对衍射性波导组合器，MEMS 1050可以在耦入衍射元件处扫描光束1026。在一些实施例中，耦入衍射元件和耦出衍射元件可以包括弱波长选择性的光栅(例如，一些表面浮雕光栅、一些PBP光栅)。光源1020(例如，LED、微型LED等)可以被配置成发射具有更宽发射光谱的图像光。
图11A展示了根据本公开的实施例的用于跟踪对象1110的对象跟踪系统1100的示意图。为了说明的目的，在图11A中示出了眼睛跟踪系统以作为对象跟踪系统1100的示例，并且眼睛1110用作被跟踪对象的示例。出于讨论的目的，对象跟踪系统1100可以被称为眼睛跟踪系统1100。可以在NED 900中实施眼睛跟踪系统1100，或者眼睛跟踪系统1100可以与NED 900组合。眼睛跟踪系统1100可以包括所公开的离轴聚焦PBP透镜，和/或眼睛跟踪系统1100可以包括透镜堆叠体，该透镜堆叠体包括一个或多个所公开的离轴聚焦PBP透镜。控制器990可以与眼睛跟踪系统1100的一个或多个部件通信地耦合，并且可以控制眼睛跟踪系统1100的运行。在一些实施例中，控制器990可以从眼睛跟踪系统1100接收数据，诸如眼睛1110的眼睛跟踪信息和/或图像数据。在一些实施例中，控制器990可以向眼睛跟踪系统1100发送命令或指令以控制眼睛跟踪系统1100的运行。控制器990可以是眼睛跟踪系统1100的一部分、或者可以不是眼睛跟踪系统1100的一部分。
如图11A所示，眼睛跟踪系统1100可以是被配置成获得眼睛跟踪信息或图像(可以从图像中提取眼睛跟踪信息)的光学系统。应当理解，这种光学系统可以用于跟踪除了用户的眼睛之外的任何合适的对象。在一些实施例中，眼睛跟踪系统1100可以包括被配置成发射光(例如，红外光)以照射用户的眼睛1110的至少一个光源组件1105。光源组件1105可以定位在用户的视线之外。光源组件1105可以包括被配置成发射光的光源1115和设置在光源1115的光路与眼睛1110之间的一个或多个光学部件。一个或多个光学部件可以被配置成调节由光源1115生成的光并且引导经调节的光以照射眼睛1110。控制器990可以与光源组件1105通信地耦合，并且可以控制一个或多个光学部件来对来自光源1115的光进行调节，诸如使光偏振、使光准直、扩展光、和/或调整光的取向。
在一些实施例中，光源1115可以发射具有相对较窄光谱或相对较宽光谱的光。光的一个或多个波长可以在红外(“IR”)光谱中，即光源1115的光谱可以在IR光谱内、与IR光谱重叠、或涵盖IR光谱。在一些实施例中，光源1115可以发射近红外(“near infrared，NIR”)波段(该波段的中心在大约750nm至1250nm)的光、或电磁谱的一些其他部分的光。NIR光谱光在眼睛跟踪应用中可以是期望的，这是因为NIR光谱光对于人眼不可见，因此在运行期间不会使NED 900的用户分心。IR光谱或NIR光谱的光统称为红外光。红外光可以被眼睛1110的至少瞳孔区域(包括眼睛瞳孔和眼睛瞳孔周围的皮肤)反射。光源1115可以具有小尺寸以减少或抑制从光源发射并引向眼睛1110的图像光的干扰。光源1115可以包括例如激光二极管、光纤激光器、垂直腔面发射激光器(“VCSEL”)和/或LED。在一些实施例中，光源1110可以包括微型LED。
在一些实施例中，眼睛跟踪系统1100还可以包括重定向元件1145，该重定向元件被配置成将由眼睛1110反射的光朝向光学传感器1150(或成像设备1150)引导。在一些实施例中，当NED 900用于AR应用时，重定向元件1145还可以用作眼睛跟踪组合器。眼睛跟踪组合器可以被配置成将由眼睛1110反射的光朝向光学传感器1150重定向。眼睛跟踪组合器还可以被配置成将计算机生成的虚拟图像叠加到真实世界的直接视图上。重定向元件1145(例如，眼睛跟踪组合器)对于真实世界光可以基本上是透明的，并且可以不会导致可见光的失真。在图11A所示的实施例中，重定向元件1145可以包括一个或多个反射光栅。反射光栅可以配置有零或非零的光学能力(即，光栅可以会聚光或可以不会聚光)。在一些实施例中，反射光栅可以包括全息光学元件(“HOE”)。在一些实施例中，反射光栅可以包括偏振选择性(或敏感)光栅，诸如偏振体全息(“PVH”)光栅。在一些实施例中，反射光栅可以包括非偏振选择性(或敏感)光栅，诸如体布拉格光栅(“volume Bragg grating，VBG”)。
光学传感器1150可以相对于重定向元件1145进行布置，以接收来自重定向元件1145的光并且基于接收到的光生成眼睛1110(或眼睛1110的一部分(包括眼睛瞳孔))的图像以用于眼睛跟踪目的。光学传感器1150可以被配置成基于波长在光谱(包括IR光谱)内的光来形成图像。在一些实施例中，光学传感器1150可以被配置成基于IR光但不基于可见光来形成图像。在一些实施例中，光学传感器1150可以包括合适类型的相机，例如硅基电荷耦合器件(“charge-coupled device，CCD”)阵列相机、互补金属氧化物半导体(“complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS”)传感器阵列相机、具有红外敏感(例如，近红外、短波红外、中波红外、长波红外敏感)焦平面阵列(例如，碲镉汞阵列(mercury cadmium telluride array)、锑化铟阵列(indium antimonide array)、砷化铟镓阵列(indium gallium arsenide array)、钒氧化物阵列(vanadium oxide array)等)的相机。在一些实施例中，光学传感器1150可以包括位置敏感检测器(“position sensitivedetector，PSD”)。光学传感器1150可以安装在眼睛跟踪系统1100的任何合适的部分处，以面向重定向元件1145来接收从眼睛1110反射的光。
在一些实施例中，光学传感器1150可以安装在NED 900的框架1101上。在一些实施例中，光学传感器1150可以包括处理器，该处理器被配置成处理接收到的IR光以生成眼睛1110的一个或多个图像，和/或分析眼睛1110的图像以获得眼睛跟踪信息。眼睛跟踪信息可以被传输到控制器990，以用于确定对其他光学设备或系统的控制、用于确定要呈现给用户的信息、和/或用于确定信息呈现的布局等。在一些实施例中，光学传感器1150还可以包括被配置成存储数据(诸如生成的图像)的非暂时性计算机可读存储介质(例如，计算机可读存储器)。在一些实施例中，非暂时性计算机可读存储介质可以存储可以由处理器执行以执行本文公开的任何方法的各种步骤的代码或指令。在一些实施例中，处理器和非暂时性计算机可读介质可以与光学传感器1150分开提供。例如，处理器可以与光学传感器1150通信地耦合，并且被配置成从光学传感器1150接收数据(例如，图像数据)。处理器可以被配置成分析从光学传感器1150接收的数据(例如，眼睛1110的图像数据)以获得眼睛跟踪信息。
在如图11A所示的一个实施例中，设置在光源1115的光路与眼睛1110之间的一个或多个光学部件可以包括离轴聚焦PBP透镜1120。在一些实施例中，光源1115可以发射光1125，该光可以是具有预定旋向性的圆偏振光。离轴聚焦PBP透镜1120可以被配置成使光1125发散以照射眼睛1110。也就是说，离轴聚焦PBP透镜1120可以扩展和重定向光1125以照射眼睛1110。因此，离轴聚焦PBP透镜1120可以在眼睛1110与光源1115之间的有限距离内向眼睛1110的至少角膜区域提供基本上均匀的照明。例如，可以在眼睛1110与光源1115之间的有限距离内，向用户的整个眼睛1110、向眼睛1110附近的区域(诸如用户的眼睛1110的上方、下方、左侧或右侧)、或者向包括眼睛1110和眼睛1110周围区域的区域提供均匀照明。在一些实施例中，从光源1115发射的光1125可以被调节为入射到离轴聚焦PBP透镜1120上的同轴准直LHCP光。离轴聚焦PBP透镜1120可以在针对LHCP光的散焦状态下运行，并且可以将同轴准直LHCP光1125散焦为照射眼睛1110的离轴发散RHCP光1130。离轴发散RHCP光1130可以被眼睛1110反射以作为光1135，该光1135被重定向元件1145接收、并且被重定向元件1145重定向为朝向光学传感器1150的光1140。光学传感器1150可以基于接收到的光1140生成眼睛1110的图像。
在一些实施例中，从光源1115发射的光可以是线性偏振光。四分之一波片可以设置在光源1115与离轴聚焦PBP透镜1120之间，以将线性偏振光转换成具有期望旋向性的圆偏振光。在一些实施例中，从光源1115发射的光可以是非偏振光。将非偏振光转换成圆偏振光的合适的光学元件(例如，圆偏振器)或者多个光学元件的合适组合(例如，线性偏振器和四分之一波片的组合)可以设置在光源1115与离轴聚焦PBP透镜1120之间。
通过配置离轴聚焦PBP透镜1120的参数和入射到离轴聚焦PBP透镜1120上的光1125的偏振，从离轴聚焦PBP透镜1120输出的离轴发散RHCP光1130可以对眼睛1110的至少角膜区域提供基本上均匀的照明。例如，离轴聚焦PBP透镜1120可以在眼睛1110与光源1115之间的有限距离内，对用户的整个眼睛1110、眼睛1110附近的区域(诸如用户的眼睛1110的上方、下方、左侧或右侧)、或者包括眼睛1110和眼睛1110周围区域的区域提供均匀照明。由于对眼睛1110的均匀照明，光学传感器1150可以捕获眼睛1110的更好图像。因此，可以提高眼睛跟踪的精确性。此外，眼睛跟踪系统1100可以具有比如形状要素小、紧凑和轻量等有吸引力的特点。
图11A示出了两个光源组件1105、一只眼睛1110和来自光源组件1105的光的多个光路以用于说明的目的。应当理解，NED 900可以包括用于跟踪未在图11A中示出的另一只眼睛的相似的或相同的部件。
图11B展示了被跟踪对象(例如，眼睛1110)处由图11A中所示的对象跟踪系统(例如，眼睛跟踪系统)1100提供的光强度分布。灰度条指示了在眼睛1110处的光强度，其中较暗的颜色表示较低的光强度。参照图11A至图11B，在离轴发散RHCP光1130的照射下，光强度分布在眼睛1110和眼睛1110周围区域处可以是基本上均匀的。也就是说，离轴聚焦PBP透镜1120可以在眼睛1110与光源1115之间的有限距离内，在眼睛1110处提供基本上均匀的照明。所公开的离轴聚焦PBP透镜1120可以保持小形状要素，并且增强眼睛跟踪系统1100的眼睛跟踪精确性。
图12A展示了不包括用于使来自光源的光散焦的离轴聚焦PBP透镜的常规眼睛跟踪系统1200的示意图。如图12A所示，常规眼睛跟踪系统1200可以包括光源1205，该光源被配置成发射光以照射用户的眼睛1210。常规眼睛跟踪系统1200还可以包括重定向元件1210，该重定向元件被配置成将由眼睛1210反射的光朝向光学传感器1215引导。光源1205可以发射可以仅照射眼睛1210的某些区域的基本上准直的光或发散光1220。图12B展示了眼睛1210处由图12A所示的眼睛跟踪系统1200提供的光强度分布。灰度条指示了在眼睛1210处的光强度，其中较暗的颜色表示较低的光强度。参照图12A和图12B，在光1220的照射下，在眼睛1210和眼睛1210周围区域处的光强度分布是不均匀的，其中一些部分具有非常低的光强度，而其他部分具有非常高的强度。这种在眼睛1210处的非均匀照明可能会显著地降低眼睛跟踪的精确性。
图13展示了根据本公开的另一实施例的用于跟踪对象1310的对象跟踪系统1300的示意图。为了说明的目的，用于跟踪眼睛的眼睛跟踪系统用作对象跟踪系统1300的示例。眼睛为被跟踪对象的示例。因此，出于讨论的目的，对象跟踪系统1300也可以被称为眼睛跟踪系统1300。可以在图9所示的NED 900中包括眼睛跟踪系统1300，或者眼睛跟踪系统1300可以结合NED 900来实施。眼睛跟踪系统1300可以包括离轴聚焦PBP透镜，和/或眼睛跟踪系统1300可以包括透镜堆叠体，该透镜堆叠体包括一个或多个离轴聚焦PBP透镜。如图13所示，眼睛跟踪系统1300可以包括光源1305，该光源被配置成发射光以照射用户的眼睛1310。眼睛跟踪系统1300可以包括光学组合器1315，该光学组合器被配置成将由眼睛1310反射的光朝向光学传感器1320引导。光学传感器1320可以被定向成接收由眼睛1310反射的光，并且基于从光学组合器1315接收的光来生成眼睛1310的图像。光源1305和光学传感器1320可以分别与图11A所示的光源1115和光学传感器1150相似。相似元件的描述可以参考上文结合图11A呈现的描述。当NED 900在AR应用中实施时，光学组合器1315还可以被配置成将来自真实世界的可见光1345朝向眼睛1310传输，使得眼睛1310可以观察与真实世界场景的视图光学地组合的虚拟图像，从而实现光学透视的AR设备或MR设备。光学组合器1315也可以被称为眼睛跟踪组合器。眼睛跟踪组合器可以被配置成将由眼睛1310反射的光朝向光学传感器1320引导，并且将计算机生成的虚拟图像叠加到真实世界的直接视图上。光学组合器1315对于真实世界光可以基本上是透明的，并且可以不引起可见光的失真。
在如图13所示的所公开的实施例中，光学组合器1315可以包括具有零或非零的光学能力的透射性PBP光栅，例如离轴聚焦透射性PBP透镜。在一些实施例中，光源1305可以发射光1330，该光可以是具有预定旋向性的圆偏振光。光1330可以被眼睛1310反射以作为光1335。光学组合器1315可以被配置成将由眼睛1310反射的光1335朝向光学传感器1320重定向(并且当光学组合器1315包括所公开的离轴聚焦透射性PBP透镜时，将光1335会聚)成为光1340。例如，当光学组合器1315包括所公开的离轴聚焦PBP透镜时，从光源1305发射的光1330可以是LHCP发散光。当LHCP发散光1330被眼睛1310反射以作为反射光1335时，反射光1335可以是发散RHCP光。当反射光1335入射到具有离轴聚焦透射性PBP透镜的光学组合器1315上时，反射光13135可以通过离轴聚焦透射性PBP透镜被转换为离轴会聚光1340。光学组合器1315可以将离轴会聚光1340朝向光学传感器1320引导。从光学组合器1315中所包括的离轴聚焦PBP透镜输出的离轴会聚光1340可以是LHCP光。
光学组合器1315可以具有面向眼睛1310的第一表面和面向真实世界的第二表面，第二表面和第一表面相反。在一些实施例中，眼睛跟踪系统1300还可以包括设置在光学组合器1315的第二表面处的圆偏振器1325。圆偏振器1325可以被配置成基本上将从光学组合器1315输出的光朝向光学传感器1320传输。当NED 900在AR应用中实施时，来自真实世界的非偏振光可以在穿过圆偏振器1325之后被转换成圆偏振光。光学组合器1315可以被配置成将接收到的圆偏振光朝向眼睛1310重定向(并且当光学组合器1315包括所公开的离轴聚焦透射性PBP透镜时，会聚接收到的圆偏振光)。
在一些实施例中，从光源1305发射的光1330可以是线性偏振光，并且四分之一波片可以耦合到光源1305以将线性偏振光转换成具有期望旋向性的圆偏振光。在一些实施例中，从光源1305发射的光1330可以是非偏振光。合适的光学元件(例如，圆偏振器)或多个光学元件的合适组合(例如，线性偏振器和四分之一波片的组合)可以耦合到光源1305以将非偏振光转换成具有期望旋向性的圆偏振光。
在一些实施例中，眼睛跟踪系统1300还可以包括设置在光源1035与眼睛1310之间的离轴聚焦PBP透镜1317。离轴聚焦PBP透镜1317可以是图11A所示的离轴聚焦PBP透镜1120或本文所公开的任何合适的离轴聚焦PBP透镜的实施例。离轴聚焦PBP透镜1317的描述可以参考上文结合所公开的离轴聚焦PBP透镜所呈现的描述。离轴聚焦PBP透镜1317可以被配置成使从光源1035发射的光发散以照射眼睛1110。例如，从光源1035发射的光可以是具有预定旋向性的圆偏振光。离轴聚焦PBP透镜1317可以被配置成将从光源1035发射的圆偏振光转换成离轴发散光，从而在眼睛1310与光源1315之间的有限距离内对眼睛1310的至少角膜区域提供基本上均匀的照明。例如，可以对用户的整个眼睛1310、眼睛1310附近的区域(诸如在用户的眼睛1310上方、下方、左侧或右侧)、或者包括眼睛1310和眼睛1310周围区域的区域提供均匀照明。由于对眼睛1310的均匀照明，光学传感器1320可以捕获眼睛1310的更好图像。因此，可以提高眼睛跟踪的精确性。此外，眼睛跟踪系统1300可以具有比如形状要素小、紧凑和轻量等有吸引力的特定。
本说明书的一些部分可以根据信息操作的算法和符号表示来描述本公开的实施例。尽管在功能上、计算上或逻辑上描述了这些操作，但是这些操作可以由计算机程序或等效电子电路、或微代码等来实现。此外，还已经证明有时方便的是，在不失一般性的情况下将这些操作布置称为模块。所描述的操作及其相关联的模块可以以软件、固件、硬件或其它们的任何组合来体现。
本文描述的步骤、操作或过程中的任何步骤、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与其他设备组合来执行或实现。在一个实施例中，用计算机程序产品来实现软件模块，该计算机程序产品包括计算机可读介质，该计算机可读介质包含计算机程序代码的，该计算机程序代码可以被计算机处理器执行以用于执行所描述的步骤、操作或方法中的任何或全部步骤、操作或方法。在一些实施例中，硬件模块可以包括硬件部件，诸如设备、系统、光学元件、控制器、电子电路、逻辑门等。
本公开的实施例还可以涉及用于执行本文的操作的装置。该装置可以为特定目的而特别构造，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有形计算机可读存储介质、或适合于存储电子指令的任何类型的介质中，这些电子指令可以耦合到计算机系统总线。非暂时性计算机可读存储介质可以为任何能够存储程序代码的介质，例如磁盘、光盘、只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)、电可编程只读存储器(“EPROM”)、电可擦除可编程只读存储器(“EEPROM”)、寄存器、硬盘、固态盘驱动器、智能媒体卡(“SMC”)、安全数字卡(“SD”)、闪存卡等。此外，说明书中描述的任何计算系统可以包括单个处理器，或者可以为采用多个处理器来提高计算能力的架构。处理器可以为中央处理单元(“CPU”)、图形处理单元(“GPU”)或被配置成处理数据并且/或者基于数据执行计算的任何处理设备。处理器可以包括软件部件和硬件部件。例如，处理器可以包括硬件部件，诸如专用集成电路(“field-programmable gate array，ASIC”)、可编程逻辑器件(“programmable logic device，PLD”)或它们的任意组合。PLD可以为复杂可编程逻辑器件(“complex programmable logicdevice，CPLD”)、现场可编程门阵列(“field-programmable gate array，FPGA”)等。
此外，当附图中所示的实施例示出单个元件时，应当理解，在附图中未示出的、但在本公开的范围内的实施例或另一实施例可以包括多个这样的元件。同样地，当附图中示出的实施例示出了多个这种元件时，应当理解，在附图中未示出的、但在本公开的范围内的实施例或另一实施例可以仅包括一个这种元件。附图中示出的元件的数量仅用于说明目的，并且不应当被解释为限制实施例的范围。此外，除非另有说明，否则附图中示出的实施例不是相互排斥的。说明书中所描述和/或附图中所示的所公开的实施例可以以任何合适的方式组合。例如，在一个实施例中(例如，在一个图中)示出但未在另一个实施例中(例如，在一个图中)示出的元件可以仍然被包括在另一个实施例中。可以重复在一个实施例中(例如，在一个图中)示出的元件以形成堆叠式构造。可以组合在不同实施例中(例如，在不同的图中)示出的元件以形成所公开的实施例的变型。可以重复和组合在不同实施例中示出的元件以形成所公开的实施例的变型。在说明书中提及但未在附图中示出的元件仍可以被包括在所公开的实施例或所公开的实施例的变型中。例如，在本文公开的包括一个或多个光学层、光学膜、光学板或光学元件的光学设备或系统中，图中所示的层、膜、板或元件的数量仅用于说明的目的。在未在附图中示出的其他实施例(仍在本公开的范围内)中，在相同或不同的图/实施例中示出的相同或不同的层、膜、板或元件可以以各种方式组合和/或重复以形成所公开的实施例的变型。所公开的实施例的这些变型也在本公开的范围内。
已经描述了各种实施例以示出示例性实施方式。基于所公开的实施例，本领域普通技术人员可以在不脱离本公开的范围的情况下做出各种其他改变、修改、重新布置和替换。因此，虽然已经参考上述实施例详细描述了本公开，但是本公开不限于上述实施例。在不脱离本公开的范围的情况下，本公开可以以其他等同形式来体现。本公开的范围在所附权利要求中限定。

Claims (15)

1.一种透镜，所述透镜包括：
光学各向异性膜，所述光学各向异性膜具有光轴，所述光轴被配置成在从透镜图案中心向相对的透镜周边的至少两个相反的面内方向上具有面内旋转，
其中，所述光轴从所述透镜图案中心向所述相对的透镜周边沿同一旋转方向旋转，
其中，所述光轴的方位角变化率被配置成至少在所述透镜的包括所述透镜图案中心的一部分中从所述透镜图案中心向所述相对的透镜周边增大，并且
其中，所述透镜图案中心在预定方向上从所述透镜的几何中心偏移预定距离。
2.根据权利要求1所述的透镜，其中，所述透镜的包括所述透镜图案中心的所述部分基本上是整个透镜；或者优选地，其中，所述透镜的包括所述透镜图案中心的所述部分是小于整个透镜的部分。
3.根据权利要求1或2所述的透镜，其中，所述透镜是偏振选择性的并且能够经由耦合到所述透镜的偏振开关在聚焦状态与散焦状态之间切换。
4.根据前述权利要求中任一项所述的透镜，其中，至少在所述透镜的包括所述透镜图案中心的所述部分中，入射到所述透镜上的波长为λ的光所经历的相位偏移是
Figure FDA0004165132700000011
其中，K是非零系数，r是从所述透镜图案中心到所述透镜的局部点的距离，L是所述透镜的透镜平面与焦平面之间的距离，并且x是所述透镜图案中心相对于所述几何中心的预定偏移在所述预定方向上的坐标。
5.根据前述权利要求中任一项所述的透镜，其中，所述光学各向异性膜包括有源液晶、反应性介晶、液晶聚合物或非晶态聚合物中的至少一者。
6.根据前述权利要求中任一项所述的透镜，其中，所述至少两个相反的面内方向是经过所述透镜的透镜图案中心的径向方向；或者优选地，其中，所述至少两个相反的面内方向是经过所述透镜的透镜图案中心的横向方向。
7.根据前述权利要求中任一项所述的透镜，其中，所述透镜图案中心是至少在所述透镜的包括所述透镜图案中心的所述部分中所述光学各向异性膜的所述光轴的方位角变化率最小的点。
8.根据前述权利要求中任一项所述的透镜，其中，所述透镜是离轴聚焦PBP透镜，并且所述离轴聚焦PBP透镜的透镜图案中心是对应的同轴聚焦PBP透镜的透镜图案的对称中心。
9.一种系统，所述系统包括：
光学组合器；以及
显示组件，所述显示组件包括：
光源，所述光源被配置成发射光；
透镜，所述透镜被配置成偏转所述光，所述透镜包括：
光学各向异性膜，所述光学各向异性膜具有光轴，所述光轴被配置成在从透镜图案中心向相对的透镜周边的至少两个相反的面内方向上具有面内旋转，
其中，所述光轴从所述透镜图案中心向所述相对的透镜周边沿同一旋转方向旋转，
其中，所述光轴的方位角变化率被配置成至少在所述透镜的包括所述透镜图案中心的一部分中从所述透镜图案中心向所述相对的透镜周边增大，并且
其中，所述透镜图案中心在预定方向上从所述透镜的几何中心偏移预定距离；以及
光束转向设备，所述光束转向设备被配置成将从所述透镜接收的光朝向所述光学组合器转向，
其中，所述光学组合器被配置成向所述系统的适眼区引导从所述光束转向设备接收的光。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，至少在所述透镜的包括所述透镜图案中心的所述部分中，入射到所述透镜上的波长为λ的光所经历的相位偏移是
Figure FDA0004165132700000021
其中，K是非零系数，r是从所述透镜图案到所述透镜的局部点的距离，L是所述透镜的透镜平面与焦平面之间的距离，并且x是所述透镜图案中心相对于所述几何中心的预定偏移在所述预定方向上的坐标。
11.根据权利要求9或10所述的系统，其中，所述透镜被配置成将从所述光源发射的同轴发散光转换成离轴准直光；和/或优选地，其中，所述光学各向异性膜包括有源液晶、反应性介晶、液晶聚合物或非晶态聚合物中的至少一者。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的系统，其中，所述至少两个相反的面内方向是所述透镜的径向方向或横向方向；和/或优选地，其中，所述光源包括激光二极管或垂直腔面发射激光器中的至少一者。
13.一种系统，所述系统包括：
光源，所述光源被配置成发射光；
透镜，所述透镜被配置成偏转所述光以照射对象，所述透镜包括：
光学各向异性膜，所述光学各向异性膜具有光轴，所述光轴被配置成在从所述透镜的透镜图案中心向相对的透镜周边的至少两个相反的面内方向上具有面内旋转，
其中，所述光轴从所述透镜图案中心向所述相对的透镜周边沿同一旋转方向旋转，
其中，所述光轴的方位角变化率被配置成至少在所述透镜的包括所述透镜图案中心的一部分中从所述透镜图案中心向所述相对的透镜周边增大，并且
其中，所述透镜图案中心在预定方向上从所述透镜的几何中心偏移预定距离；以及
重定向元件，所述重定向元件被配置成重定向由所述对象反射的光；以及
光学传感器，所述光学传感器被配置成基于从所述重定向元件接收的重定向光来生成所述对象的图像。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，至少在所述透镜的包括所述透镜图案中心的所述部分中，入射到所述透镜上的波长为λ的光所经历的相位偏移是
Figure FDA0004165132700000022
其中，K是非零系数，r是从所述透镜图案中心到所述透镜的局部点的距离，L是所述透镜的透镜平面与焦平面之间的距离，并且x是所述透镜图案中心相对于所述几何中心的预定偏移在所述预定方向上的坐标；和/或优选地，其中，所述光学各向异性膜包括有源液晶、反应性介晶、液晶聚合物或非晶态聚合物中的至少一者。
15.根据权利要求13或14所述的系统，其中，
所述透镜被配置成扩展从所述光源发射的光以基本上均匀地照射所述对象，并且
所述重定向元件包括光栅，所述光栅被配置成将由所述对象反射的光朝向所述光学传感器衍射。
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