CN116868117A - 三维射束转向设备 - Google Patents

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CN116868117A CN202180093301.1A CN202180093301A CN116868117A CN 116868117 A CN116868117 A CN 116868117A CN 202180093301 A CN202180093301 A CN 202180093301A CN 116868117 A CN116868117 A CN 116868117A
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Abstract

一种设备包括透镜组件和转向组件的堆叠体。该堆叠体被配置成从第一侧接收射束并从第二侧输出射束。透镜组件被配置成向射束提供可调节的光学能力。转向组件被配置成向射束提供可调节的转向角度。该设备还包括反射器，该反射器被配置成接收从堆叠体的第二侧输出的射束，并将该射束反射回到堆叠体的第二侧。从反射器反射回的射束入射到堆叠体的第二侧上，并从堆叠体的第一侧输出。

Description

三维射束转向设备
技术领域
本公开总体上涉及光学设备，更具体地涉及一种三维射束转向设备。
背景技术
射束转向设备在诸如目标跟踪、三维(“3D”，three-dimensional)成像和传感、自由空间光通信对抗、定向能量系统、光纤开关设备、光刻、3D打印等许多领域具有众多应用。传统的射束转向设备包括机械射束转向设备，例如微机电系统(“MEMS”，micro electro-mechanical system)镜、旋转镜或棱镜等。非机械射束转向设备包括声光偏转器、电光偏转器、基于液晶(“LC”，liquid crystal)的射束转向设备等。液晶(“LC”)由于其低成本、低功耗以及制作工艺简单的优点而在射束转向设备中广泛地实施。传统的基于LC的射束转向设备有两类：一类是基于由一个或两个衬底上的图案化电极引起的在LC中的非均匀电场分布，另一类是基于由聚合物网络液晶复合物中的多个配向区域或全息记录引起的周期性折射率分布。射束转向设备的期望特性包括：紧凑性、高功率效率、大转向范围(可选择连续射束转向或离散射束转向)、波长选择性、入射角度选择性和/或偏振选择性、以及除射束转向以外的偏振转换。
发明内容
本公开的一个方面提供了一种设备，该设备包括：透镜组件和转向组件的堆叠体，该堆叠体被配置成从第一侧接收射束并从第二侧输出射束，其中，该透镜组件被配置成向射束提供可调节的光学能力，并且该转向组件被配置成向射束提供可调节的转向角度；以及反射器，该反射器被配置成接收从该堆叠体的第二侧输出的射束，并将射束反射回到该堆叠体的第二侧，其中，从该反射器反射回的射束入射到该堆叠体的第二侧上，并从该堆叠体的第一侧输出。
该设备还可以包括控制器，该控制器被配置成控制该透镜组件以选择性地向射束提供多个光学能力中的一个光学能力，以及选择性地控制该转向组件以选择性地向射束提供多个转向角度中的一个转向角度。
该透镜组件和该转向组件可以是线性偏振选择性的。
该透镜组件和该转向组件可以是圆偏振选择性的。
该设备还可以包括：波片，该波片设置在该反射器与该堆叠体之间，并且被配置成向射束提供四分之一波长延迟(quarter-wave retardance)；以及偏振开关，该偏振开关设置在该转向组件与该透镜组件之间，并且被配置成切换或维持射束的偏振。
该透镜组件可以是线性偏振选择性的，并且该转向组件可以是圆偏振选择性的。
该设备还可以包括：第一波片，该第一波片设置在该反射器与该堆叠体之间，并且被配置成向射束提供四分之一波长延迟；第二波片，该第二波片设置在该转向组件与该透镜组件之间，并且被配置成向射束提供四分之一波长延迟；以及偏振开关，该偏振开关设置在该第二波片与该透镜组件之间，并且被配置成切换或维持射束的偏振。
该透镜组件可以是圆偏振选择性的，并且该转向组件可以是线性偏振选择性的。
该设备还可以包括：波片，该波片设置在该转向组件与该透镜组件之间，并且被配置成向射束提供四分之一波长延迟；以及偏振开关，该偏振开关设置在该波片与该透镜组件之间，并且被配置成切换或维持射束的偏振。
射束可以在从该透镜组件的两侧入射到该透镜组件上时具有相同的第一偏振，并且射束可以在从该转向组件的两侧入射到该转向组件上时具有相同的第二偏振。
该反射器可以包括全息光学元件。
该反射器可以被配置成在将射束反射回到该堆叠体的第二侧时，维持从该堆叠体的第二侧输出的射束的线性偏振。
该设备还可以包括：波片，该波片设置在该反射器与该堆叠体之间，并且被配置成将从该堆叠体的第二侧输出的射束的第一圆偏振转换成线性偏振，其中，该反射器被配置成在将射束反射回到该堆叠体的第二侧时，维持射束的线性偏振，并且其中，该波片被配置成将从该反射器反射回的射束的线性偏振转换成与该第一圆偏振正交的第二圆偏振。
该透镜组件可以包括光学串联布置的多个透镜，该多个透镜中的至少一个透镜是可变透镜，并且该转向组件可以包括光学串联布置的多个光栅，该多个光栅中的至少一个光栅是可切换光栅。
本公开的另一个方面提供了一种系统，该系统包括：眼睛跟踪设备，该眼睛跟踪设备被配置成获取眼睛瞳孔的眼睛跟踪信息；射束转向设备，该射束转向设备包括：透镜组件和转向组件的堆叠体，该堆叠体被配置成从第一侧接收射束并从第二侧输出射束；以及反射器，该反射器被配置成接收从该堆叠体的第二侧输出的射束，并将射束反射回到该堆叠体的第二侧，其中，从该反射器反射回的射束入射到第二侧上并从该堆叠体的第一侧输出；以及控制器，该控制器被配置成基于该眼睛跟踪信息控制该堆叠体以调节由该转向组件提供的转向角度或由该透镜组件提供的光学能力中的至少一者，以将射束转向到眼睛瞳孔。
射束可以在从该透镜组件的两侧入射到该透镜组件上时具有相同的第一偏振，并且射束可以在从该转向组件的两侧入射到该转向组件上时具有相同的第二偏振。
该反射器可以包括全息光学元件。
该反射器可以被配置成在将射束反射回到该堆叠体的第二侧时，维持从该堆叠体的第二侧输出的射束的线性偏振。
该系统还可以包括：波片，该波片设置在该反射器与该堆叠体之间，并且被配置成将从该堆叠体的第二侧输出的射束的第一圆偏振转换成线性偏振，其中，该反射器可以被配置成在将射束反射回到该堆叠体的第二侧时，维持射束的线性偏振，并且其中，该波片可以被配置成将从该反射器反射回的射束的线性偏振转换成与该第一圆偏振正交的第二圆偏振。
该系统还可以包括：第一波片，该第一波片设置在该反射器与该堆叠体之间，并且被配置成向射束提供四分之一波长延迟；第二波片，该第二波片设置在该转向组件与该透镜组件之间，并且被配置成向射束提供四分之一波长延迟；以及偏振开关，该偏振开关设置在该第二波片与该透镜组件之间，并且被配置成切换或维持射束的偏振。
本领域技术人员根据本公开的说明书、权利要求书和附图可以理解本公开的其它方面。
附图说明
以下附图是根据各种公开的实施例为说明性目的而提供的，并且这些附图不旨在限制本公开的范围。在附图中：
图1A示意性地示出了根据本发明的实施例的射束转向设备的示意图；
图1B示意性地示出了根据本公开的另一个实施例的射束转向设备的示意图；
图1C示意性地示出了根据本公开的另一个实施例的射束转向设备的示意图；
图1D示意性地示出了根据本公开的另一个实施例的射束转向设备的示意图；
图2示意性地示出了根据本公开的实施例的偏振选择性转向组件的示意图；
图3A示意性地示出了根据本公开的实施例的Pancharatnam-Berry相位(“PBP”，Pancharatnam-Berry Phase)LC光栅中所包括的液晶(“LC”)分子的平面内取向；
图3B示意性地示出了根据本公开的实施例的图3A所示的PBP LC光栅中所包括的LC分子的平面外取向；
图3C和图3D示意性地示出了根据本公开的实施例的图3A和图3B所示的PBP LC光栅的偏振选择性衍射；
图4示意性地示出了根据本公开的实施例的偏振选择性透镜组件的示意图；
图5A和图5B示意性地示出了根据本公开的实施例的PBP LC透镜中所包括的LC分子的平面内取向；
图5C和图5D示出了根据本公开的实施例的图5A和图5B所示的PBP LC透镜的偏振选择性散焦/聚焦；
图6A示意性地示出了根据本公开的另一实施例的偏振选择性透镜组件的示意图；
图6B示意性地示出了根据本公开的实施例的处于电压关断状态的图6A所示的偏振选择性透镜组件中所包括的偏振选择性透镜的示意图；
图6C示意性地示出了根据本公开的实施例的处于电压开启状态的图6A所示的偏振选择性透镜组件中所包括的偏振选择性透镜的示意图；
图6D示意性地示出了根据本公开的另一个实施例的图6A所示的偏振选择性透镜组件中所包括的偏振选择性透镜的示意图；
图6E示意性地示出了根据本公开的另一个实施例的图6A所示的偏振选择性透镜组件中所包括的偏振选择性透镜的示意图；
图6F示意性地示出了根据本公开的实施例的图6D和图6E所示的偏振选择性透镜的菲涅耳结构的示意图；
图7A示意性地示出了根据本公开的实施例的偏振选择性转向组件的示意图；
图7B示意性地示出了根据本公开的实施例的图7A所示的偏振选择性转向组件中所包括的偏振选择性转向元件的示意图；
图7C示意性地示出了根据本公开的另一个实施例的图7A所示的偏振选择性转向组件中所包括的偏振选择性转向元件的示意图；
图7D示意性地示出了根据本公开的另一个实施例的图7A所示的偏振选择性转向组件中所包括的偏振选择性转向元件的示意图；
图7E示意性地示出了根据本公开的另一个实施例的图7A所示的偏振选择性转向组件中所包括的偏振选择性转向元件的示意图；
图8示意性地示出了根据本公开的实施例的显示系统的示意图；
图9A示意性地示出了根据本公开的实施例的近眼显示器(“NED”，near-eyedisplay)的示意图；以及
图9B示意性地示出了根据本公开的实施例的图9A中所示的NED的一半的截面视图。
具体实施方式
将参考附图描述与本公开一致的实施例，附图仅仅是用于说明性目的的示例并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表示相同或相似的部件，并且可以省略对这些部件的详细描述。
此外，在本公开中，所公开的实施例和所公开的实施例的特征可以进行组合。所描述的实施例是本公开的实施例中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获得与本公开一致的其它实施例。例如，可以基于所公开的实施例进行修改、改编、替换、添加或其它变化。所公开的实施例的这种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、“耦接”或“联接”等可以包括光学耦合、机械联接、电耦合、电磁耦合或其任何组合。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的方式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能影响多个光学元件的总体输出，或者可能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，例如仅A、仅B、或者A和B。同样，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，例如仅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”可以以类似于短语“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，例如仅A、仅B、或者A和B。同样，短语“A、B和/或C”的含义类似于短语“A、B或C中的至少一者”。例如，短语“A、B和/或C”可以涵盖A、B和C的所有组合，例如仅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或非机械方式(例如，沉积、涂覆、刻蚀、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，或者在第一元件与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合适的侧面(例如左侧、右侧、前侧、后侧、顶侧或底侧)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”。应当理解的是，术语“上”可能不一定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，当附图示出第一元件在第二元件“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，第一元件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)。
当第一元件被描述为设置在第二元件“上”时，第一元件可以直接或间接设置在第二元件上。第一元件直接设置在第二元件上表示在第一元件与第二元件之间没有设置附加元件。第一元件间接设置在第二元件上表示一个或多个附加元件设置在第一元件与第二元件之间。
本文所使用的术语“处理器”可以涵盖任何合适的处理器，例如中央处理单元(“CPU”，central processing unit)、图形处理单元(“GPU”，graphics processing unit)、专用集成电路(“ASIC”，application-specific integrated circuit)、可编程逻辑器件(“PLD”，programmable logic device)、或其任何组合。也可以使用上面未列出的其它处理器。处理器可以被实现为软件、硬件、固件、或它们的任意组合。
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”可以被实现为软件、硬件、固件或它们的任意组合。例如，控制器可以包括处理器，或者可以被包括以作为处理器的一部分。
术语“非暂时性计算机可读介质”可以涵盖用于存储、传送、通信、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(“ROM”，read-only memory)、随机存取存储器(“RAM”，random-access memory)、闪存等。
术语“膜”、“层”、“涂层”或“板”可以包括可设置在支承衬底上或衬底之间的刚性或柔性、自支承式或自立式膜、层、涂层或板。术语“膜”、“层”、“涂层”和“板”可以是可互换的。短语“平面内方向”、“平面内取向”、“平面内旋转”、“平面内配向图案”和“平面内间距”分别是指膜或层的平面(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)中的方向、取向、旋转、配向图案和间距。术语“平面外方向”或“平面外取向”指示与膜或层的平面不平行(例如，与膜或层的表面平面垂直，例如，与平行于表面平面的平面垂直)的方向或取向。例如，当“平面内”方向或取向是指表面平面内的方向或取向时，“平面外”方向或取向可以指与表面平面垂直的厚度方向或取向，或不与表面平面平行的方向或取向。
如在“正交偏振”中使用的术语“正交”、或如在“正交地偏振”中使用的术语“正交地”是指表示两种偏振的两个矢量的内积基本上为零。例如，具有正交偏振的两个光或两个正交地偏振光可以为在两个正交方向(例如，笛卡尔坐标系中的x轴线方向和y轴线方向)上具有偏振的两个线性偏振光，或者具有相反旋向性的两个圆偏振光(例如，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光)。
在本公开中，可以将射束相对于表面的法线的角度(例如，衍射射束的衍射角度、入射射束的入射角度、或入射射束的转向角度)定义为正角度或负角度，这取决于射束的传播方向与表面的法线之间的位置关系。例如，当射束的传播方向与法线成顺时针方向时，传播方向的角度可以被定义为正角度，而当射束的传播方向与法线成逆时针方向时，传播方向的角度可以被定义为负角度。
本公开中提到的波长范围、光谱或波段是用于说明性目的的。所公开的光学设备、系统、元件、组件和方法可以应用于可见波长范围以及其它波长范围，诸如紫外(“UV”，ultraviolet)波长范围、红外(“IR”，infrared)波长范围、或它们的组合。
本公开提供了一种用于提供三维(“3D”)射束转向的射束转向设备，该射束转向设备可以在各种应用(例如，光瞳移位设备、自适应头灯、诊断/眼科设备、光谱设备、3D打印、3D成像、光探测和测距(“Lidar”)等)中实现。射束转向设备可以至少包括反射器、包括多个转向元件(例如，光栅、棱镜等)的偏振选择性转向组件、以及包括多个透镜的偏振选择性透镜组件。偏振选择性转向组件和偏振选择性透镜组件可以形成堆叠体。堆叠体可以包括第一侧和相反的第二侧。射束(例如，图像光)可以从第一侧入射到堆叠体上，传播穿过堆叠体中包括的偏振选择性转向组件和偏振选择性透镜组件，并且从堆叠体的第二侧离开堆叠体。该过程可以被称为射束第一次传播穿过堆叠体。从堆叠体的第二侧输出的射束可以入射到反射器上。反射器可以至少部分地将射束反射回到堆叠体的第二侧。由反射器反射的射束可以从第二侧入射到堆叠体上，传播穿过堆叠体中包括的偏振选择性转向组件和偏振选择性透镜组件，并从第一侧离开堆叠体。该过程可以被称为射束第二次传播穿过堆叠体。
反射器可以是被配置成通过任何适当的机制(例如，反射、偏转、衍射等)来至少部分地反射射束的任何合适的光学元件。在一些实施例中，该反射器可以在将射束反射回到偏振选择性转向组件和偏振选择性透镜组件的堆叠体时，维持射束的偏振。反射器可以独立地运行，或与一个或多个附加光学元件(例如，四分之一波片(“QWP”，quarter-waveplate)和/或可切换半波片(“SHWP”，switchable half-wave plate)等)结合运行，使得第一次和第二次入射到偏振选择性透镜组件上的射束可以具有相同的偏振(例如，第一偏振)，并且第一次和第二次入射到偏振选择性转向组件上的射束可以具有相同的偏振(例如，第二偏振)。第一偏振可以与第二偏振相同或不同。
通过引导射束两次传播穿过堆叠体，将第一次和第二次入射到偏振选择性透镜组件上的射束配置成具有相同的偏振(例如，第一偏振)，并且将第一次和第二次入射到偏振选择性转向组件上的射束配置成具有相同的偏振(例如，第二偏振)，可以通过偏振选择性转向组件将射束两次转向堆叠体的表面的法线(也称为“表面法线”)的预定侧(例如，左侧或右侧)，并且射束可以被偏振选择性透镜组件会聚(或聚焦)或发散(或散焦)两次。因此，与将射束引导穿过偏振选择性转向组件和偏振选择性透镜组件仅一次的常规配置相比，可以增加从堆叠体输出的射束的转向角度，并且可以增加射束的会聚(或聚焦)或发散(或散焦)。偏振选择性转向组件和偏振选择性透镜组件可以基本上平行地设置。偏振选择性转向组件可以被配置成使射束在平行于偏振选择性转向组件的表面的平面(例如，x-y平面)内沿一个或两个方向转向。偏振选择性透镜组件可以被配置成使射束的焦点在垂直于偏振选择性透镜组件的表面的方向上移位。因此，所公开的射束转向设备可以实现3D射束转向。
图1A示意性地示出了根据本公开的实施例的射束转向设备100的示意图，该射束转向设备被配置成提供三维(“3D”)射束转向。如图1A所示，射束转向设备100可以包括光学串联布置的反射器105、偏振选择性转向组件110和偏振选择性透镜组件115。在一些实施例中，偏振选择性转向组件110可以设置在反射器105与偏振选择性透镜组件115之间。偏振选择性转向组件110和偏振选择性透镜组件115可以设置在反射器105的同一侧处。例如，在一些实施例中，反射器105可以具有面向光源(图1A未示出)的第一侧和与第一侧相反的第二侧，该光源被配置成产生用于射束转向设备100的输入射束。在一些实施例中，偏振选择性转向组件110和偏振选择性透镜组件115可以设置在反射器105的第一侧处。例如，偏振选择性转向组件110和偏振选择性透镜组件115可以相对于反射器105与光源(或输入射束)布置在同一侧处。反射器105可以是任何合适的光学元件，并且可以被配置成通过任何适当的机制(例如，反射、偏转、衍射等)至少部分地反射输入射束。偏振选择性转向组件110和偏振选择性透镜组件115可以形成具有第一侧(例如，远离反射器105的一侧)和第二侧(例如，靠近反射器105的一侧)的堆叠体。
在一些实施例中，偏振选择性转向组件110可以包括光学串联布置的一个或多个偏振选择性转向元件。偏振选择性转向元件可以包括合适的亚波长结构、双折射材料或光学各向异性材料(例如，液晶(“LC”)材料)、光折变全息材料、或它们的任意组合。例如，在一些实施例中，偏振选择性转向元件可以是LC转向元件，例如光学相控阵列(“OPA”，opticalphased array)、可切换布拉格光栅、填充有LC的表面浮雕光栅(“SRG”，surface reliefgrating)(或折射率匹配的SRG)、偏振体全息(“PVH”，polarization volume hologram)LC光栅、或Pancharatnam-Berry相位(“PBP”)LC光栅等。在一些实施例中，偏振选择性转向元件可以是超表面转向元件。在一些实施例中，偏振选择性转向组件110可以是线性偏振选择性的、圆偏振选择性的、或椭圆偏振选择性的等。在一些实施例中，偏振选择性转向组件110可以被配置成为偏振输入射束提供多个转向状态。多个转向状态可以导致偏振输入射束的多个转向角度。由偏振选择性转向组件110提供的多个转向角度可能是由偏振选择性转向组件110中所包括的一个或多个偏振选择性转向元件提供的转向角度的多种组合的结果。换句话说，通过调节偏振选择性转向组件110中所包括的一个或多个偏振选择性转向元件的相应转向角度，可以在预定范围内调节偏振选择性转向组件110的总转向角度。
在一些实施例中，偏振选择性转向组件110可以在多个转向状态之间是可电切换的。在一些实施例中，偏振选择性转向元件可以被配置成使偏振输入射束沿着基本上同一轴线转向，使得偏振选择性转向组件110可以被配置成使偏振输入射束沿着单个轴线转向。在一些实施例中，至少两个偏振选择性转向元件可以被配置成使偏振输入射束沿着两个不同的轴线转向，使得偏振选择性转向组件110可以使偏振输入射束沿着两个不同的轴线转向。在一些实施例中，偏振选择性转向组件110还可以包括一个或多个其它光学元件(例如，一个或多个偏振器和/或一个或多个偏振开关等)。
在一些实施例中，偏振选择性透镜组件115可以包括光学串联布置的一个或多个偏振选择性透镜。这些偏振选择性透镜中的至少一个偏振选择性透镜可以是具有可变光学能力或可调节的光学能力的可变透镜。偏振选择性透镜可以包括合适的亚波长结构、双折射材料或光学各向异性材料(例如，LC材料)、光折变全息材料、或它们的任意组合。例如，在一些实施例中，偏振选择性透镜可以是LC透镜，例如渐变折射率(“GRIN”，gradient index)LC透镜、衍射透镜(例如，PVH LC透镜、PBP LC透镜)等。在一些实施例中，偏振选择性透镜可以是超表面透镜。在一些实施例中，偏振选择性透镜组件115可以是线性偏振选择性的、圆偏振选择性的、或椭圆偏振选择性的等。
偏振选择性透镜组件115可以被配置成为偏振输入射束提供多个透镜状态。多个透镜状态可以对应于由偏振选择性透镜组件115提供的多个光学能力。多个光学能力可能是由偏振选择性透镜组件115中所包括的一个或多个偏振选择性透镜提供的光学能力的多种组合的结果。换句话说，通过调节一个或多个偏振选择性透镜的相应光学能力，可以在预定范围内调节偏振选择性透镜组件115的总光学能力。在一些实施例中，偏振选择性透镜组件115可以在多个透镜状态之间是可电切换的。在一些实施例中，偏振选择性透镜组件115还可以包括其它光学元件(例如，一个或多个偏振器和/或一个或多个偏振开关等)。
在一些实施例中，反射器105可以是被配置成部分地反射偏振输入射束的部分反射器(partial reflector)。在偏振输入射束入射到反射器105上之前，偏振输入射束可能已经第一次传播穿过偏振选择性透镜组件115和偏振选择性转向组件110的堆叠体。反射器105可以至少部分地将偏振输入射束反射回到堆叠体，使得偏振输入射束可以第二次传播穿过堆叠体。在一些实施例中，反射器105可以包括全息光学元件(“HOE”)。在一些实施例中，HOE可以被配置成经由后向衍射基本上反射满足布拉格条件的输入射束，并且基本上透射不满足布拉格条件的输入射束(其中衍射可忽略不计)。在一些实施例中，HOE可以被配置成在反射(例如，后向衍射)线性偏振输入射束时基本上维持线性偏振输入射束的偏振。例如，HOE可以被配置成基本上将s偏振(或p偏振)输入射束反射(例如，后向衍射)为s偏振(或p偏振)输出射束。在一些实施例中，HOE可以被配置成将圆偏振输入射束转换成具有正交偏振的圆偏振输出射束。例如，HOE可以被配置成基本上将右旋圆偏振(“RHCP”)或左旋圆偏振(“LHCP”)输入射束反射(例如，后向衍射)为LHCP或RHCP输出射束。在一些实施例中，HOE还可以被配置成除了反射(例如，后向衍射)偏振输入射束之外，还将偏振输入射束聚焦(或会聚)到图像平面处的一个或多个点。例如，HOE可以被配置成具有光学能力。
在一些实施例中，射束转向设备100可以包括控制器120，该控制器与偏振选择性透镜组件115和/或偏振选择性转向组件110通信耦合。控制器120可以包括处理器或处理单元121。处理器121可以是任何合适的处理器，例如中央处理单元(“CPU”)、图形处理单元(“GPU”)等。处理器121可以包括存储设备122。存储设备122可以是非暂时性计算机可读介质，例如存储器、硬盘等。存储设备122可以被配置成存储数据或信息，包括计算机可执行程序指令或代码，这些计算机可执行程序指令或代码可以由处理器121执行来执行本文所公开的方法或过程的各种控制或功能。
控制器120可以控制偏振选择性透镜组件115和/或偏振选择性转向组件110的运行。例如，控制器120可以控制偏振选择性转向组件110在多个转向状态中的一个转向状态中运行，以使偏振输入射束以多个转向角度中的一个转向角度进行转向。控制器120可以控制偏振选择性透镜组件115在多个透镜状态中的一个透镜状态中运行，以提供使偏振输入射束会聚或发散的多个光学能力中的一个光学能力。
射束转向设备100可以被配置成折叠偏振输入射束101的光路，并且将输入射束101转向到与反射器105具有距离d的平面(例如，图像平面)117处的一个或多个点O。在一些实施例中，图像平面117可以与光源(未示出)或输入射束101位于堆叠体的同一侧处。换句话说，图像平面117可以位于偏振选择性转向组件110和偏振选择性透镜组件115的堆叠体的第一侧处，该第一侧是输入射束101第一次入射到堆叠体上的那一侧。在射束转向设备100中的不同位置处，射束101可以用不同的数字(例如，103、107、109、111或113)来标记。在图1A中，射束101被示为从堆叠体(在第一侧处)的表面的法线的左侧入射到偏振选择性转向组件110和偏振选择性透镜组件115的堆叠体上。如图1A中所示，堆叠体的表面的法线可以垂直于偏振选择性转向组件110和偏振选择性透镜组件115。在一些实施例中，射束101可以从堆叠体(在第一侧处)的表面的法线的右侧入射到堆叠体上。
在一些实施例中，偏振选择性转向组件110可以被配置成使偏振输入射束101在平面(例如，与偏振选择性转向组件110平行的x-y平面)中沿一个或两个方向横向地转向(或移位)(以作为从堆叠体的第一侧输出的输出射束113)。例如，偏振选择性转向组件110可以使射束101在第一方向(例如，x轴线方向)和/或第二方向(例如，y轴线方向)上转向(例如，旋转)(以作为从堆叠体的第一侧输出的输出射束113)。在一些实施例中，偏振选择性透镜组件115可以被配置成使射束101的焦点在垂直于偏振选择性透镜组件115的方向上移位(以作为输出射束113)。换句话说，偏振选择性透镜组件115可以使偏振输入射束101在其处聚焦的图像平面117在垂直于偏振选择性透镜组件115的第三方向(例如，在z轴线方向)上移位。因此，可以通过射束转向设备100实现偏振输入射束101的3D射束转向。
在一些实施例中，图像平面117(偏振输入射束101在该图像平面处被射束转向设备100聚焦)与反射器105之间的距离d可以被称为图像距离。在一些实施例中，可以通过调节偏振选择性透镜组件115的光学能力(或切换偏振选择性透镜组件的透镜状态)来调节图像距离d。可以通过偏振选择性透镜组件115的总光学能力的调节范围来确定图像距离d在第三维度(例如，在z轴线方向)上的调节范围。在一些实施例中，可以通过调节偏振选择性转向组件110的转向角度(或切换偏振选择性转向组件的转向状态)来调节(在图像平面117处的)点O(偏振输入射束101通过射束转向设备100转向到该点)的横向位置(例如，x坐标和y坐标)。
在一些实施例中，射束转向设备100还可以包括一个或多个光学元件，例如半波片和/或四分之一波片等。在一些实施例中，反射器105可以独立运行、或者可以与一个或多个光学元件组合运行，使得第一次和第二次入射到偏振选择性透镜组件115上的偏振射束可以具有相同的偏振(例如，第一偏振)。也就是说，从偏振选择性透镜组件115的不同(例如，相反)侧入射到偏振选择性透镜组件115上的射束可以具有相同的偏振。在一些实施例中，第一次和第二次入射到偏振选择性转向组件110上的偏振射束可以具有相同的偏振(例如，第二偏振)。也就是说，从偏振选择性转向组件110的不同(例如，相反)侧入射到偏振选择性转向组件110上的射束可以具有相同的偏振。在一些实施例中，第一偏振和第二偏振可以是相同类型的偏振(例如，线性偏振或圆偏振)。当第一偏振和第二偏振是相同类型的偏振时，第一偏振可以与第二偏振相同或不同。在一些实施例中，第一偏振和第二偏振可以是不同类型的偏振。例如，第一偏振和第二偏振中的一者可以是圆偏振，而第一偏振和第二偏振中的另一者可以是线性偏振。
通过将从偏振选择性透镜组件115的不同(例如，相反)侧第一次和第二次入射到偏振选择性透镜组件115上的偏振射束的偏振配置成相同的偏振(例如，第一偏振)，在(具有第一偏振的)偏振射束穿过偏振选择性透镜组件115两次之后，可以增强由偏振选择性透镜组件115为(具有第一偏振的)偏振射束提供的聚焦/散焦效应。例如，控制器120可以被配置成控制偏振选择性透镜组件115在透镜状态中的一个透镜状态中运行，以向(具有第一偏振的)偏振射束提供P的光学能力。因此，当(具有第一偏振的)偏振射束穿过偏振选择性透镜组件115两次时，偏振选择性透镜组件115可以向(具有第一偏振的)偏振射束提供2P的总光学能力。
类似地，通过将从偏振选择性转向组件110的不同(例如，相反)侧第一次和第二次入射到偏振选择性转向组件110上的偏振射束的偏振配置成相同的偏振(例如，第二偏振)，在(具有第二偏振的)偏振射束穿过偏振选择性转向组件110两次之后，可以增强偏振选择性转向组件110为(具有第二偏振的)偏振射束提供的转向效应。例如，控制器120可以被配置成控制偏振选择性转向组件110在转向状态中的一个转向状态中运行，以使(具有第二偏振的)偏振射束以相对于(具有第二偏振的)偏振射束的初始光路成α的角度进行转向。因此，当(具有第二偏振的)偏振射束穿过偏振选择性转向组件110两次时，偏振选择性转向组件110可以将(具有第二偏振的)偏振射束以相对于(具有第二偏振的)偏振射束的初始光路成2α的总角度进行转向。与传统的射束转向设备相比，偏振选择性转向组件110可以在不增加厚度(或具有明显更小的厚度)的情况下提供增强的转向效应。偏振选择性透镜组件115可以在不增加厚度(或具有明显更小的厚度)的情况下提供增强的聚焦/散焦效应。因此，射束转向设备100可以提供重量和形状要素显著更小的3D射束转向。
在一些实施例中，反射器105可以被配置成提供预定光学能力Pd以将入射到反射器105上的偏振输入射束101反射并聚焦到在z轴线方向上与反射器105具有预定距离d'的预定图像平面117'。也就是说，当不包括偏振选择性透镜组件115时，反射器105可以将偏振输入射束101聚焦到在z轴线方向上与反射器105具有预定距离d'的预定图像平面117'。预定距离d'也可以被称为预定图像距离。出于讨论的目的，在图1A所示的实施例中，在透镜状态中的一个透镜状态下运行的偏振选择性透镜组件115被配置成向(具有第一偏振的)偏振射束提供负光学能力。也就是说，在透镜状态中的一个透镜状态下运行的偏振选择性透镜组件115可以被配置成使(具有第一偏振的)偏振射束散焦(或发散)。因此，如图1A所示，图像平面117(偏振输入射束101通过射束转向设备100在该图像平面处聚焦)的图像距离d大于预定图像距离d'。换句话说，在透镜状态中的一个透镜状态下运行的偏振选择性透镜组件115可以向偏振输入射束101提供散焦(或发散)效应。因此，射束转向设备100可以将偏振输入射束101转向并聚焦(或会聚)到图像平面117处的点O，图像平面具有的图像距离d大于预定图像距离d'。也就是说，射束转向设备100可以使图像平面背离反射器105，例如在垂直于预定图像平面117'的方向上移位。随着偏振选择性透镜组件115提供的负光学能力的绝对值进一步增加，偏振选择性透镜组件115可以使图像平面117(偏振输入射束101在该图像平面处聚焦)背离反射器105竖直地移位。随着偏振选择性透镜组件115提供的负光学能力的绝对值进一步减小，偏振选择性透镜组件115可以使图像平面117(偏振输入射束101在该图像平面处聚焦)朝向反射器105竖直地移位。
尽管未示出，但是在一些实施例中，控制器120可以被配置成控制偏振选择性透镜组件115在另一透镜状态下运行以使(具有第一偏振的)偏振射束聚焦(或会聚)。因此，射束转向设备100可以将偏振输入射束101转向并聚焦(或会聚)到图像平面117处的一个或多个点O，该图像平面具有的图像距离d小于预定图像距离d'。换句话说，在另一透镜状态下运行的偏振选择性透镜组件115可以向偏振输入射束101提供聚焦效应。随着偏振选择性透镜组件115提供的正光学能力的绝对值进一步增加，偏振选择性透镜组件115可以使图像平面117(偏振输入射束101在该图像平面处聚焦)朝向反射器105竖直地移位。随着偏振选择性透镜组件115提供的正光学能力的绝对值进一步减小，偏振选择性透镜组件115可以使图像平面117(偏振输入射束101在该图像平面处聚焦)背离反射器105竖直地移位。
在一些实施例中，控制器120可以被配置成控制偏振选择性透镜组件115在自然状态下运行，以向偏振输入射束101提供基本上为零的光学能力。也就是说，偏振选择性透镜组件115可以不使(具有第一偏振的)偏振射束聚焦(或会聚)或散焦(或发散)。因此，射束转向设备100可以将偏振输入射束101聚焦到预定图像平面117'处的一个或多个点。
如图1A所示的实施例中，偏振选择性转向组件110和偏振选择性透镜组件115可以是线性偏振选择性的。也就是说，偏振选择性透镜组件115和偏振选择性转向组件110可以具有相同类型的偏振选择性。例如，偏振选择性转向组件110中所包括的偏振选择性转向元件和偏振选择性透镜组件115中所包括的偏振选择性透镜可以是线性偏振选择性的。在一些实施例中，偏振选择性转向组件110可以被配置成将具有第一线性偏振的线性偏振输入射束在不同的时间段转向到多个不同的转向角度，并且针对具有第二线性偏振的线性偏振输入射束起基本上光学均匀的板的作用。在一些实施例中，第一线性偏振可以与第二线性偏振正交。在一些实施例中，偏振选择性透镜组件115可以被配置成为具有第一线性偏振的线性偏振输入射束提供(可以是非零的)光学能力，并且针对具有第二线性偏振的线性偏振输入射束起基本上光学均匀的板(其具有基本上为零的光学能力)的作用。图7A至图7E示出了偏振选择性转向组件110的示例性构造，以及图6A至图6E示出了偏振选择性透镜组件115的示例性构造。
出于讨论的目的，在图1A所示的实施例中，偏振输入射束101显示为线性p偏振射束。在图1A中，字母“p”表示p偏振。偏振选择性转向组件110可以被配置成将p偏振射束转向到多个转向角度、并且针对s偏振射束起基本上光学均匀的板的作用。偏振选择性透镜组件115可以被配置成针对p偏振射束呈现(可以是非零的)光学能力、并且针对s偏振射束起基本上光学均匀的板(其具有基本上为零的光学能力)的作用。可以假定偏振选择性转向组件110和偏振选择性透镜组件115在p偏振射束穿其透射之后基本上维持p偏振射束的偏振。
如图1A所示，p偏振射束101可以首先入射到偏振选择性透镜组件115上。控制器120可以被配置成控制偏振选择性透镜组件115在透镜状态中的一个透镜状态中运行，以向p偏振输入射束101提供P的光学能力，并输出朝向偏振选择性转向组件110传播的p偏振射束103。在透镜状态中的一个透镜状态下运行的偏振选择性透镜组件115可以根据光学能力P的符号(例如，正或负)，使p偏振输入射束聚焦(或会聚)或散焦(或发散)。控制器120可以被配置成控制偏振选择性转向组件110在转向状态中的一个转向状态下运行，以使p偏振射束103前向地转向，例如相对于射束103的初始光路以逆时针方向(例如，以α的转向角度)转向。也就是说，偏振选择性转向组件110可以使射束103以逆时针方向朝向偏振选择性转向组件110的表面的法线(或表面法线)的左侧转向。在图1A所示的实施例中，从表面法线的左侧入射到偏振选择性转向组件110上的射束103通过偏振选择性转向组件110以逆时针方向朝向射束103所在的表面法线的同一侧(也就是射束101所在的同一侧)转向。
偏振选择性转向组件110可以输出朝向反射器105传播的p偏振射束107。反射器105可以被配置成在将p偏振射束107反射(例如，后向衍射)为朝向偏振选择性转向组件110传播的p偏振射束109时，基本上维持p偏振射束107的偏振。射束109可以从堆叠体的第二侧第二次入射到偏振选择性转向组件110和偏振选择性透镜组件115的堆叠体上。因此，第一次(例如，作为射束103)入射到偏振选择性转向组件110上的射束和第二次(例如，作为射束109)入射到偏振选择性转向组件110上的射束可以具有相同的偏振，例如p偏振。换句话说，从偏振选择性转向组件110的不同(例如，相反)侧入射到偏振选择性转向组件110上的射束可以具有相同的偏振。因此，在转向状态中的一个转向状态下运行的偏振选择性转向组件110可以被配置成使p偏振射束109相对于射束109的初始光路以顺时针方向(例如，以α的转向角度)前向地转向。
偏振选择性转向组件110可以输出朝向偏振选择性透镜组件115传播的p偏振射束111。也就是说，偏振选择性转向组件110可以使射束109以顺时针方向朝向偏振选择性转向组件110的表面法线的左侧转向。在图1A所示的实施例中，从表面法线的左侧入射到偏振选择性转向组件110上的射束109通过偏振选择性转向组件110以顺时针方向朝向射束109所在的表面法线的同一侧(也是射束101所在的同一侧)转向。如图1A所示，偏振选择性转向组件110可以具有面向输入射束101的第一侧、以及相反的第二侧。对于从第一侧入射到偏振选择性转向组件110上的射束103和从第二侧入射到偏振选择性转向组件110上的射束109，偏振选择性转向组件110可以使射束103和射束109朝向表面法线的左侧(输入射束101所在的同一侧)转向。因此，在射束101传播穿过偏振选择性转向组件110两次之后，射束101可以被偏振选择性转向组件110朝向表面法线的左侧转向两次。因此，可以增强偏振选择性转向组件110向输入射束101提供的转向效应。
第一次(例如，作为射束101)入射到偏振选择性透镜组件115上的偏振输入射束101和第二次(例如，作为射束111)入射到偏振选择性透镜组件115上的偏振输入射束可以具有相同的偏振，例如p偏振。也就是说，从偏振选择性透镜组件115的不同(例如，相反)侧入射到偏振选择性透镜组件115上的射束可以具有相同的偏振。在透镜状态中的一个透镜状态下运行的偏振选择性透镜组件115可以被配置成为p偏振射束111提供P的光学能力，并输出聚焦到图像平面117处的点O的p偏振射束113。
出于讨论的目的，在图1A所示的实施例中，在透镜状态中的一个透镜状态下运行的偏振选择性透镜组件115被配置成向p偏振射束提供负光学能力。因此，在透镜状态中的一个透镜状态下运行的偏振选择性透镜组件115可以被配置成在p偏振输入射束101第一次(作为p偏振射束101)入射到偏振选择性透镜组件115上和p偏振输入射束第二次(作为p偏振射束111)入射到偏振选择性透镜组件115上时，使p偏振输入射束101散焦(或发散)。换句话说，偏振选择性透镜组件115可以向p偏振输入射束101提供散焦效应，并且在使图像平面(p偏振输入射束101在该图像平面处聚焦)背离预定图像平面117'在背离反射器105的方向上竖直地移位。因此，射束转向设备100可以使p偏振输入射束101转向并聚焦到图像距离d大于预定图像距离d'的图像平面117处的点O。
图1B示意性地示出了根据本公开的另一实施例的射束转向设备130的示意图，该射束转向设备被配置成提供3D射束转向。射束转向设备130可以包括与图1A所示的射束转向设备100中所包括的元件相似或相同的元件。对相同或相似元件的描述可以参考上面结合图1A呈现的描述。如图1B所示，射束转向设备130可以包括光学串联布置(例如，堆叠在一起)的反射器105、第一波片142、偏振选择性转向组件140、第二波片144和偏振选择性透镜组件145。在一些实施例中，第一波片142可以设置在反射器105与偏振选择性转向组件140之间，以及第二波片144可以设置在偏振选择性转向组件140与偏振选择性透镜组件145之间。在一些实施例中，反射器105可以具有面向光源(图1B中未示出)的第一侧和与第一侧相反的第二侧，该光源被配置成发射用于射束转向设备130的输入射束。在一些实施例中，第一波片142、偏振选择性转向组件140、第二波片144和偏振选择性透镜组件145可以设置在反射器105的第一侧处(即，与光源设置在相同的一侧处)。
在图1B所示的实施例中，偏振选择性转向组件140和偏振选择性透镜组件145二者都可以是圆偏振选择性的。也就是说，偏振选择性透镜组件145和偏振选择性转向组件140可以具有相同类型的偏振选择性。例如，偏振选择性转向组件140可以被配置成为圆偏振射束提供多个转向状态。多个转向状态可以导致圆偏振射束的多个转向角度。在一些实施例中，控制器120可以与偏振选择性转向组件140通信地耦合，以控制偏振选择性转向组件140在多个转向状态之间切换。在一些实施例中，偏振选择性转向组件140可以包括光学串联布置(例如，布置成堆叠体)的一个或多个圆偏振选择性转向元件。在一些实施例中，圆偏振选择性转向元件可以是PBP LC光栅，该PBP LC光栅被配置成在第一(例如，正)状态下运行以将具有第一旋向性的圆偏振射束衍射成正角度、并且在第二(例如，负)状态下运行以将具有第二旋向性的圆偏振射束衍射成负角度。第一旋向性可以与第二旋向性正交。在一些实施例中，PBP LC光栅还可以被配置成在第三(例如，中性)状态下运行，以独立于旋向性基本上维持圆偏振射束的传播方向。在一些实施例中，偏振选择性转向组件140中所包括的偏振选择性转向元件可以被配置成使圆偏振射束沿着基本上同一轴线转向，使得该圆偏振射束可以沿着单个轴线转向。在一些实施例中，偏振选择性转向组件140中所包括的至少两个偏振选择性转向元件可以被配置成使圆偏振射束沿着两个不同的轴线转向，使得该圆偏振射束可以沿着两个不同的轴线(例如，在两个不同的方向上)转向。在一些实施例中，偏振选择性转向组件140还可以包括一个或多个其它光学元件(例如，一个或多个偏振器和/或一个或多个偏振开关等)。偏振选择性转向组件140的示例性构造在图2至图3D中示出。
在一些实施例中，偏振选择性透镜组件145可以包括光学串联布置(例如，布置成堆叠体)的一个或多个圆偏振选择性透镜。在一些实施例中，圆偏振选择性透镜可以是PBPLC透镜，该PBP LC透镜被配置成在聚焦(或会聚)状态下运行以使具有第一旋向性的圆偏振射束聚焦(或会聚)、并且在散焦(或发散)状态下运行以使具有第二旋向性的圆偏振射束散焦(或发散)。第一旋向性可以与第二旋向性相反。在一些实施例中，PBP LC透镜还可以被配置成在中性状态下运行，以独立于旋向性基本上维持圆偏振射束的传播方向。在一些实施例中，偏振选择性透镜组件145还可以包括一个或多个其它光学元件，例如一个或多个偏振器和/或一个或多个偏振开关等。偏振选择性透镜组件145可以被配置成为圆偏振输入射束提供多个透镜状态。多个透镜状态可以对应于由偏振选择性透镜组件145提供的多个光学能力。多个光学能力可以是由偏振选择性透镜组件145中所包括的各个偏振选择性透镜提供的光学能力的多种组合的结果。换句话说，通过调节偏振选择性透镜的各个光学能力，可以在预定范围内调节偏振选择性透镜组件145的总光学能力。在一些实施例中，控制器120可以与偏振选择性透镜组件145通信耦合，以控制偏振选择性透镜组件145在多个透镜状态之间切换。偏振选择性透镜组件145的示例性构造在图4至图5D中示出。
在一些实施例中，第一波片142可以用作四分之一波片(“QWP”)，以为具有预定波长范围内的波长和预定入射角度范围内的入射角度的射束提供四分之一波长延迟。第一波片142可以被配置成将线性偏振射束转换成圆偏振射束或将圆偏振射束转换成线性偏振射束。例如，第一波片142可以具有偏振轴线，该偏振轴线相对于线性偏振射束的偏振方向定向，以将线性偏振射束转换成圆偏振射束。在一些实施例中，对于消色差设计，第一波片142可以包括被配置成在宽光谱(或波长范围)上产生四分之一波长双折射的多层双折射材料(例如，聚合物或LC)。在一些实施例中，对于单色设计，第一波片142的偏振轴线(例如，快轴线)与线性偏振射束的偏振方向之间的角度可以约为45°。在一些实施例中，第一波片142可以被包括在偏振选择性转向组件140中。
在一些实施例中，第二波片144可以用作针对具有预定波长范围内的波长和预定入射角度范围内的入射角度的射束的半波片(“HWP”)。在一些实施例中，HWP可以是可切换半波片(“SHWP”)，该可切换半波片被配置成可由控制器120在两个运行状态：切换状态与非切换状态之间切换。在切换状态下运行的SHWP可以将偏振射束的偏振切换到正交偏振，例如，将具有第一偏振的线性偏振射束切换到具有与第一偏振正交的第二偏振的线性偏振射束，或者将具有第一旋向性的圆偏振射束切换到具有与第一旋向性相反的第二旋向性的圆偏振射束，等等。在非切换状态下运行的SHWP可以维持偏振射束的偏振。在一些实施例中，SHWP可以包括LC层和一个或多个电极。外部电场(例如，电压)可以通过电极施加到LC层，以改变LC的取向，从而控制SHWP以在切换状态或非切换状态下运行。例如，当施加的电压低于或等于预定电压值时，SHWP可以在切换状态下运行，或者当电压高于预定电压值(并且足够高)以沿着电场方向重定向LC指向矢时，SHWP可以在非切换状态下运行。在一些实施例中，控制器120可以与第二波片144通信耦合，以控制用作SHWP的第二波片144的运行状态。在一些实施例中，第二波片144可以被包括在偏振选择性透镜组件145和偏振选择性转向组件140中的一者中。
出于讨论的目的，在图1B所示的实施例中，射束转向设备130的输入射束131可以是RHCP射束。在图1B中，字母“p”表示对应的射束是p偏振射束，字母“R”表示对应的射束是RHCP射束，以及字母“L”表示对应的射束是LHCP射束。RHCP射束131可以首先入射到偏振选择性透镜组件145上。控制器120可以被配置成控制偏振选择性透镜组件145在透镜状态中的一个透镜状态下运行，以向RHCP射束131提供P的光学能力。在透镜状态中的一个透镜状态下运行的偏振选择性透镜组件145可以根据光学能力P的符号(例如，正或负)，使RHCP射束131聚焦(或会聚)或散焦(或发散)。此外，在透镜状态中的一个透镜状态下运行的偏振选择性透镜组件145可以被配置成输出旋向性与RHCP射束131的旋向性相同或相反的圆偏振射束。出于讨论的目的，图1B示出了偏振选择性透镜组件145被配置成提供负光学能力以使RHCP射束131散焦(或发散)以作为旋向性与RHCP射束131的旋向性相反的LHCP射束133。LHCP射束133可以朝向第二波片144传播。
控制器120可以被配置成控制第二波片144在非切换状态下运行以维持LHCP射束133的偏振，或者在切换状态下运行以将LHCP射束133转换成RHCP射束。出于讨论的目的，在图1B所示的实施例中，控制器120被配置成控制第二波片144在切换状态下运行，以将LHCP射束133转换成朝向偏振选择性转向组件140传播的RHCP射束135。控制器120可以被配置成控制偏振选择性转向组件140在转向状态中的一个转向状态下运行，以使RHCP射束135前向地转向，例如相对于射束135的初始光路以逆时针方向(例如，以α的转向角度)转向。在转向状态中的一个转向状态下运行的偏振选择性转向组件140可以输出旋向性与RHCP射束135的旋向性相同或相反的圆偏振射束。出于讨论的目的，图1B示出了偏振选择性转向组件140被配置成输出旋向性与RHCP射束135的旋向性相反的LHCP射束137。LHCP射束137可以朝向第一波片(例如，QWP)142传播。第一波片(例如，QWP)142可以被配置成将LHCP射束137转换成线性偏振射束。出于讨论的目的，图1B示出了第一波片(例如，QWP)142被配置成将LHCP射束137转换成朝向反射器105传播的p偏振射束139。
反射器105可以被配置成在将p偏振射束139反射(例如，后向衍射)为朝向第一波片142传播的p偏振射束141时，基本上维持p偏振射束139的偏振。第一波片(例如，QWP)142可以被配置成将p偏振射束141转换成朝向偏振选择性转向组件140传播的RHCP射束143。也就是说，第一波片(例如，QWP)142和反射器105的堆叠体可以被配置成：在LHCP射束137第一次透射穿过第一波片(例如，QWP)142、被反射器105反射(例如，后向衍射)回到第一波片(例如，QWP)142、并第二次透射穿过第一波片(例如，QWP)142朝向偏振选择性转向组件140之后，将从偏振选择性转向组件140输出的LHCP射束137转换成具有正交偏振(例如，RHCP)的圆偏振射束143。
因此，第一次(例如，作为射束135)入射到偏振选择性转向组件140上的偏振输入射束131和第二次(例如，作为射束143)入射到偏振选择性转向组件140上的偏振输入射束可以具有相同的偏振，例如右旋圆偏振。也就是说，从偏振选择性转向组件140的不同(例如，相反)侧入射到偏振选择性转向组件140上的射束可以具有相同的偏振。在转向状态中的一个转向状态下运行的偏振选择性转向组件140可以被配置成使RHCP射束143相对于输入射束143的初始光路以顺时针方向(例如，以α的转向角度)前向地转向，并且输出旋向性与RHCP射束143的旋向性相反的LHCP射束147。在切换状态下运行的第二波片(例如，SHWP)144可以将LHCP射束147转换成朝向偏振选择性透镜组件145传播的RHCP射束149。因此，第一次(例如，作为射束131)入射到偏振选择性透镜组件145上的偏振输入射束131和第二次(例如，作为射束149)入射到偏振选择性透镜组件145上的偏振输入射束可以具有相同的偏振，例如右旋圆偏振。也就是说，从偏振选择性透镜组件145的不同(例如，相反)侧入射到偏振选择性透镜组件145上的射束可以具有相同的偏振。在透镜状态中的一个透镜状态下运行的偏振选择性透镜组件145可以被配置成向RHCP射束149提供P的光学能力，并输出聚焦到图像平面117处的点O的LHCP射束151。
出于讨论的目的，在图1B所示的实施例中，在透镜状态中的一个透镜状态下运行的偏振选择性透镜组件145被配置成向RHCP射束提供负光学能力。因此，偏振选择性透镜组件145可以被配置成：当RHCP输入射束131第一次(例如，作为RHCP射束131)入射到偏振选择性透镜组件145上和第二次(例如，作为RHCP射束149)入射到偏振选择性透镜组件145上时，使RHCP输入射束131散焦(或发散)。换句话说，偏振选择性透镜组件145可以向RHCP输入射束131提供散焦效应。因此，射束转向设备130可以将RHCP输入射束131转向并聚焦到图像距离d大于预定图像距离d'的图像平面117处的点O。
图1C示意性地示出了根据本公开的另一实施例的射束转向设备160的示意图，该射束转向设备被配置成提供3D射束转向。射束转向设备160可以包括与图1A所示的射束转向设备100或图1B所示的射束转向设备130中包括的元件相似或相同的元件。对相同或相似元件的描述可以参考上面结合图1A或图1B呈现的描述。如图1C所示，射束转向设备160可以包括光学串联布置(例如，布置成堆叠体)的反射器105、第一波片142a、偏振选择性转向组件140、第二波片144、第三波片142b和偏振选择性透镜组件115。在一些实施例中，第一波片142a可以设置在反射器105与偏振选择性转向组件140之间。偏振选择性转向组件140可以设置在第一波片142a与第二波片144之间。第二波片144可以设置在偏振选择性转向组件140与第三波片142b之间。第三波片142b可以设置在第二波片144与偏振选择性透镜组件115之间。
在图1C所示的实施例中，偏振选择性透镜组件115可以是线性偏振选择性的，而偏振选择性转向组件140可以是圆偏振选择性的。也就是说，偏振选择性透镜组件115和偏振选择性转向组件140可以具有不同类型的偏振选择性。第二波片144可以用作针对具有预定波长范围内的波长和预定入射角度范围内的入射角度的输入射束的SHWP。在一些实施例中，用作SHWP的第二波片144可以被包括在偏振选择性转向组件140中。在一些实施例中，第一波片142a和第三波片142b中的每一者可以用作针对具有预定波长范围内的波长和预定入射角度范围内的入射角度的输入射束的QWP。第一波片142a和第三波片142b可以类似于图1B中所示的第一波片142。对偏振选择性透镜组件115、偏振选择性转向组件140、第二波片144、第一波片142a和第三波片142b的描述可以参考上面结合图1A和图1B呈现的描述。
出于讨论的目的，在图1C所示的实施例中，入射到射束转向设备160上的输入射束161可以是s偏振射束。在图1C中，字母“p”表示对应的射束是p偏振射束，字母“s”表示对应的射束是s偏振射束，字母“R”表示对应的射束是RHCP射束，以及字母“L”表示对应的射束是LHCP射束。s偏振射束161可以首先入射到偏振选择性透镜组件115上。控制器120可以被配置成控制偏振选择性透镜组件115在透镜状态中的一个透镜状态下运行以向p偏振输入射束161提供P的光学能力，并输出朝向偏振选择性转向组件110传播的p偏振射束163。偏振选择性透镜组件115可以根据光学能力P的符号(例如，正或负)，使p偏振输入射束161聚焦(或会聚)或散焦(或发散)。第三波片(例如，QWP)142b可以被配置成将s偏振射束163转换成圆偏振射束。出于讨论的目的，图1C示出了第三波片142b可以将s偏振射束163转换成朝向第二波片144传播的LHCP射束165。
控制器120可以被配置成控制第二波片144在非切换状态下运行以维持LHCP射束165的偏振，或者在切换状态下运行以将LHCP射束165转换成RHCP射束。出于讨论的目的，图1C示出了控制器120可以被配置成控制第二波片144在切换状态下运行，以将LHCP射束165转换成朝向偏振选择性转向组件140传播的RHCP射束167。控制器120可以被配置成控制偏振选择性转向组件140在转向状态中的一个转向状态下运行，以使RHCP射束167前向地转向，例如相对于射束167的初始光路以逆时针方向(例如，以α的转向角度)转向。偏振选择性转向组件140可以输出旋向性与RHCP射束167的旋向性相同或相反的圆偏振射束。出于讨论的目的，图1C示出了偏振选择性转向组件140可以被配置成输出旋向性与RHCP射束167的旋向性相反的LHCP射束169。LHCP射束169可以朝向第一波片(例如，QWP)142a传播。第一波片(例如，QWP)142a可以被配置成将LHCP射束169转换成线性偏振射束。出于讨论的目的，图1B示出了第一波片(例如，QWP)142a可以被配置成将LHCP射束169转换成朝向反射器105传播的p偏振射束171。
反射器105可以被配置成在将p偏振射束171反射(例如，后向衍射)为朝向第一波片142a传播的p偏振射束173时，基本上维持p偏振射束171的偏振。第一波片(例如，QWP)142a可以被配置成将p偏振射束173转换成朝向偏振选择性转向组件140传播的RHCP射束175。也就是说，第一波片(例如，QWP)142a和反射器105的堆叠体可以被配置成：在LHCP射束169第一次透射穿过第一波片(例如，QWP)142a、被反射器105反射(例如，后向衍射)回到第一波片(例如，QWP)142a、并第二次透射穿过第一波片(例如，QWP)142a朝向偏振选择性转向组件140之后，将从偏振选择性转向组件140输出的LHCP射束169转换成具有正交偏振的圆偏振射束(例如，RHCP射束175)。因此，第一次(例如，作为射束167)入射到偏振选择性转向组件140上的偏振输入射束161和第二次(例如，作为射束175)入射到偏振选择性转向组件140上的偏振输入射束可以具有相同的偏振，例如右旋圆偏振。也就是说，从偏振选择性转向组件140的不同(例如，相反)侧入射到偏振选择性转向组件140上的射束可以具有相同的偏振。在转向状态中的一个转向状态下运行的偏振选择性转向组件140可以使RHCP射束175相对于输入射束175的初始光路以顺时针方向(例如，以α的转向角度)正向地转向，并且输出旋向性与RHCP射束175的旋向性相反的LHCP射束177。
在切换状态下运行的第二波片(例如，SHWP)144可以将LHCP射束177转换成朝向第三波片142b传播的RHCP射束179。第三波片(例如，QWP)142b可以被配置成将RHCP射束179转换成朝向偏振选择性透镜组件115传播的s偏振射束181。因此，第一次(例如，作为射束161)入射到偏振选择性透镜组件115上的偏振输入射束161和第二次(例如，作为射束181)入射到偏振选择性透镜组件115上的偏振输入射束可以具有相同的偏振，例如s偏振。在透镜状态中的一个透镜状态下运行的偏振选择性透镜组件115可以被配置成向s偏振射束181提供P的光学能力，并输出聚焦到图像平面117处的点O的p偏振射束183。
出于讨论的目的，在图1C所示的实施例中，假设在透镜状态中的一个透镜状态下运行的偏振选择性透镜组件115向s偏振射束提供负光学能力。因此，偏振选择性透镜组件115可以使s偏振输入射束161第一次散焦(或发散)(作为s偏振射束161)并且第二次散焦(或发散)(作为s偏振输入射束181)。换句话说，偏振选择性透镜组件115可以向s偏振输入射束161提供散焦效应。因此，射束转向设备160可以将s偏振输入射束161转向并聚焦到图像距离d大于预定图像距离d'的图像平面117处的点O。
图1D示意性地示出了根据本公开的另一实施例的射束转向设备190的示意图，该射束转向设备被配置成提供3D射束转向。射束转向设备190可以包括与图1A所示的射束转向设备100、图1B所示的射束转向设备130、或图1C所示的射束转向设备160中包括的元件相似或相同的元件。对相同或相似元件的描述可以参考上面结合图1A、图1B或图1C呈现的描述。如图1D所示，射束转向设备190可以包括光学串联布置(例如，布置成堆叠体)的反射器105、偏振选择性转向组件110、第一波片142、第二波片144和偏振选择性透镜组件145。在一些实施例中，偏振选择性转向组件110可以设置在反射器105与第一波片142之间。第一波片142可以设置在偏振选择性转向组件110与第二波片144之间。第二波片144可以设置在第一波片142与偏振选择性透镜组件145之间。
在图1D所示的实施例中，偏振选择性透镜组件145可以是圆偏振选择性的，而偏振选择性转向组件110可以是线性偏振选择性的。也就是说，偏振选择性透镜组件145和偏振选择性转向组件110可以具有不同类型的偏振选择性。第二波片144可以用作针对具有预定波长范围内的波长和预定入射角度范围内的入射角度的射束的SHWP。在一些实施例中，用作SHWP的第二波片144可以被包括在偏振选择性透镜组件145中。第一波片142用作针对具有预定波长范围内的波长和预定入射角度范围内的入射角度的输入射束的QWP。在一些实施例中，第一波片142可以被包括在偏振选择性转向组件110或偏振选择性透镜组件145中。对反射器105、偏振选择性转向组件110、第一波片142、第二波片144和偏振选择性透镜组件145的描述可以参考上面结合图1A和图1C所呈现的描述。
出于讨论的目的，在图1D所示的实施例中，射束转向设备190的输入射束191被示为RHCP射束。在图1D中，字母“p”表示对应的射束是p偏振射束，字母“R”表示对应的射束是RHCP射束，以及字母“L”表示对应的射束是LHCP射束。RHCP射束191可以首先入射到偏振选择性透镜组件145上。控制器120可以被配置成控制偏振选择性透镜组件145在透镜状态中的一个透镜状态下运行，以向RHCP射束191提供P的光学能力。偏振选择性透镜组件145可以根据光学能力P的符号(例如，正或负)，使RHCP射束191聚焦(或会聚)或散焦(或发散)。此外，偏振选择性透镜组件145可以输出旋向性与RHCP射束191的旋向性相同或相反的圆偏振射束。出于讨论的目的，图1D示出了偏振选择性透镜组件145可以提供使RHCP射束191散焦(或发散)的负光学能力，并输出旋向性与RHCP射束191的旋向性相反的LHCP束192。LHCP射束192可以朝向第二波片(例如，SHWP)144传播。
控制器120可以被配置成控制第二波片(例如，SHWP)144在非切换状态下运行以维持LHCP射束192的偏振，或者在切换状态下运行以将LHCP射束192切换到RHCP射束。出于讨论的目的，在图1D所示的实施例中，控制器120被配置成控制第二波片(例如，SHWP)144在切换状态下运行，以将LHCP射束192转换成朝向第一波片(例如，QWP)142传播的RHCP射束193。第一波片(例如，QWP)142可以被配置成将RHCP射束193转换成线性偏振射束，例如朝向偏振选择性转向组件110传播的p偏振射束194。
控制器120可以被配置成控制偏振选择性转向组件110在转向状态中的一个转向状态下运行以使p偏振射束194前向地转向，例如相对于射束194的初始光路以逆时针方向(例如，以α的转向角度)转向，以作为朝向反射器105传播的p偏振射束195。反射器105可以被配置成在将p偏振射束195反射(例如，后向衍射)为朝向偏振选择性转向组件110传播的p偏振射束196时，基本上维持p偏振射束195的偏振。因此，第一次(例如，作为射束194)入射到偏振选择性转向组件110上的输入射束191和第二次(例如，作为射束196)入射到偏振选择性转向组件110上的输入射束可以具有相同的偏振，例如p偏振。也就是说，从偏振选择性转向组件110的不同(例如，相反)侧入射到偏振选择性转向组件110上的射束可以具有相同的偏振。在转向状态中的一个转向状态下运行的偏振选择性转向组件110可以被配置成使p偏振射束196相对于射束196的初始光路以顺时针(例如，以α的转向角度)前向地地转向，以作为朝向第一波片(例如，QWP)142传播的p偏振射束197。第一波片(例如，QWP)142可以被配置成将p偏振射束197转换成朝向第二波片(例如，SHWP)144传播的LHCP射束198。
在切换状态下运行的第二波片(例如，SHWP)144可以将LHCP射束198转换成朝向偏振选择性透镜组件145传播的RHCP射束199。因此，第一次(例如，作为射束191)入射到偏振选择性透镜组件145上的输入射束191和第二次(例如，作为射束199)入射到偏振选择性透镜组件145上的输入射束可以具有相同的偏振，例如右旋圆偏振。也就是说，从偏振选择性透镜组件145的不同(例如，相反)侧入射到偏振选择性透镜组件145上的射束可以具有相同的偏振。在透镜状态中的一个透镜状态下运行的偏振选择性透镜组件145可以被配置成向RHCP射束199提供P的光学能力，并且输出可以聚焦到图像平面117处的点O的LHCP射束189。
出于讨论的目的，在图1D所示的实施例中，在透镜状态中的一个透镜状态下运行的偏振选择性透镜组件145被配置成向RHCP射束提供负光学能力。因此，当RHCP输入射束191第一次(例如，作为RHCP射束191)入射到偏振选择性透镜组件145上并且第二次(例如，作为RHCP射束199)入射到偏振选择性透镜组件145上时，偏振选择性透镜组件145可以使RHCP输入射束191散焦(或发散)。换句话说，偏振选择性透镜组件145可以向RHCP输入射束191提供散焦效应。射束转向设备190可以将RHCP输入射束191转向并聚焦到图像距离d大于预定图像距离d'的图像平面117处的点O。
参考图1A至图1D，反射器105可以与其它光学元件组合实施，使得第一次和第二次入射到偏振选择性透镜组件115或145上的输入射束101、131、161或191可以具有相同的偏振。在一些实施例中，第一次和第二次入射到偏振选择性转向组件110或140上的输入射束101、131、161或191可以具有相同的偏振。因此，在输入射束101、131、161或191传播穿过偏振选择性透镜组件115或145两次之后，偏振选择性透镜组件115或145为输入射束101、131、161或191提供的聚焦/散焦效应可以增强(例如，加倍)。类似地，在输入射束101、131、161或191传播穿过偏振选择性转向组件110或140两次之后，偏振选择性转向组件110或140为输入射束101、131、161或191提供的转向效应可以增强。例如，与其中输入射束传播穿过偏振选择性转向组件110或140一次的常规构造相比，转向角度可以增加(例如，加倍)。与传统的射束转向设备相比，偏振选择性转向组件110或140可在不增加厚度(或具有明显更小的厚度)的情况下提供增强的转向效应，并且偏振选择性透镜组件115或145可以在不增加厚度(或具有明显更小的厚度)的情况下提供增强的聚焦/散焦效应。因此，射束转向设备100、130、160或190可以提供基本上更小的重量和形状要素的3D射束转向。
尽管未示出，但是在一些实施例中，控制器120可以被配置成控制偏振选择性透镜组件115或145在一透镜状态下运行以使输入射束101、131、161或191聚焦(或会聚)。也就是说，输入射束101、131、161或191通过射束转向设备100聚焦所在的图像平面117的图像距离d可以小于预定图像距离d'。换句话说，在该透镜状态下运行的偏振选择性透镜组件115或145可以向输入射束101、131、161或191提供聚焦效应。因此，射束转向设备100、130、160或190可以将输入射束101、131、161或191转向并聚焦到图像平面117(该图像平面具有小于预定图像距离d'的图像距离d)处的一个或多个点O。在一些实施例中，控制器120可以控制偏振选择性透镜组件115或145在自然状态下运行，以向输入射束101、131、161或191提供基本上为零的光学能力。在这种实施例中，偏振选择性透镜组件115或145可以不使输入射束101、131、161或191聚焦(或会聚)或散焦(或发散)。因此，射束转向设备100、130、160或190可以将输入射束101、131、161或191聚焦到预定图像平面117'处的一个或多个点。
在一些实施例中，反射器105可以包括具有宽视场(“FOV”，field of view)的HOE。在一些实施例中，HOE可以包括固定的全息图。在一些实施例中，HOE可以包括被配置成在一组狭窄的角度和波长上起作用的体(或布拉格)全息图。在一些实施例中，HOE可以被多路复用以在多个波长(例如，红色波长、绿色波长和蓝色波长)下具有高的衍射效率。在一些实施例中，HOE可以对输入射束具有角度选择性，并且可以与多个全息图多路复用，使得HOE的光学处方可以根据输入射束的入射角度而改变。在一些实施例中，多路复用的全息图可以对与偏振选择性转向组件110或140的转向状态以及偏振选择性透镜组件115或145的透镜状态相对应的入射角度具有角度选择性。在一些实施例中，用于各个多路复用全息图的光学处方可以被设计成针对偏振选择性转向组件110或140的各个转向状态以及偏振选择性透镜组件115或145的各个透镜状态校正光学像差(例如，瞳孔像差)。
需要注意的是，在图1A至图1D所示的实施例中各种元件的布置顺序是出于说明性目的。这些元件可以按其它合适的顺序布置。例如，可以切换图1A中所示的偏振选择性转向组件110和偏振选择性透镜组件115的位置。在一些实施例中，在图1B中，可以切换偏振选择性转向组件140和偏振选择性透镜组件145的位置。在一些实施例中，在图1C中，可以切换偏振选择性转向组件140和偏振选择性透镜组件115的位置，可以省略第一波片142a，并且可以切换第二波片144和第三波片142b的位置。在一些实施例中，在图1D中，可以切换偏振选择性转向组件110和偏振选择性透镜组件145的位置，可以省略第一波片142a，并且可以切换第二波片144和第三波片142b的位置，可以切换第二波片144和第一波片142的位置，并且射束转向设备还可以包括设置在偏振选择性透镜组件145与反射器105之间的另一个波片(例如，用作QWP的第三波片)。
为了说明和讨论的目的，图1A至图1D示出了，在输入射束101、131、161或191传播穿过偏振选择性转向组件110或140两次之后，射束101、131、161或191可以被偏振选择性转向组件110或140朝向表面法线的左侧转向了两次。尽管未示出，但在一些实施例中，在输入射束101、131、161或191传播穿过偏振选择性转向组件110或140两次之后，射束101可以被偏振选择性转向组件110朝向表面法线的右侧转向了两次。因此，可以增强偏振选择性转向组件110或140向输入射束101、131、161或191提供的转向效应。
图2示意性地示出了根据本公开的实施例的偏振选择性转向组件200的示意图。偏振选择性转向组件200可以是圆偏振选择性的。偏振选择性转向组件200可以是图1B所示的射束转向设备130或图1C所示的射束转向设备160中所包括的偏振选择性转向组件140的实施例。如图2所示，偏振选择性转向组件200可以包括交替布置成堆叠体的多个偏振选择性转向元件220和多个SHWP 210。偏振选择性转向元件220可以是圆偏振选择性的。在一些实施例中，偏振选择性转向元件220可以是PBP LC光栅220，该PBP LC光栅可基于通过几何相位提供的相位分布来调制圆偏振射束。偏振选择性转向组件200也可以被称为PBP光栅组件200。为了说明的目的，图2示出了PBP光栅组件200可以包括标记为SHWP1至SHWP5的五个SHWP 210、以及标记为PBP1至PBP4的四个PBP LC光栅220。图2中所示的元件将稍后详细描述。
图3A示意性地示出了根据本公开的实施例的PBP LC光栅300中所包括的LC分子的平面内取向的x-y截面视图。PBP LC光栅300可以是图2中所示的PBP LC光栅220的实施例。图3B示意性地示出了根据本公开的实施例的图3A中所示的PBP LC光栅300中所包括的LC分子的平面外取向的y-z截面视图。图3C和图3D示出了根据本公开的实施例的图3A和图3B中所示的PBP LC光栅300的偏振选择性衍射。PBP LC光栅300可以包括LC膜305。如图3A和3B所示，LC膜305可以包括第一表面305-1、以及在厚度方向(例如，z轴线方向)上与第一表面305-1相反的第二表面305-2。在基本上接近LC膜305的表面(例如，第一表面305-1或第二表面305-2中的至少一者)(包括在该表面处)的区域中，LC膜305的光轴可以在预定平面内方向(例如，y轴线方向)上以均匀的(或相同的)平面内间距Λy连续地且周期性地旋转。
如图3A所示，在基本上接近LC膜305的表面(例如，第一表面305-1或第二表面305-2中的至少一者)(包括在该表面处)的区域中，LC分子312可以具有在预定平面内方向(例如，y轴线方向)上平面内间距Λy均匀(例如，相同)的周期性平面内取向图案。例如，在位于LC膜305的表面(例如，第一表面305-1或第二表面305-2中的至少一者)附近或该表面处的LC分子312的LC指向矢可以以不同的取向进行布置。沿该表面(或平行于该表面的平面)中的预定平面内方向分布的LC分子312的LC指向矢的取向可以表现出周期性和连续的旋转。换句话说，位于LC膜305的表面附近或该表面处的、并且沿该表面中的预定平面内方向分布的LC分子312的方位角度φ可以被配置成表现出周期性和连续的变化。此外，在LC膜305的表面处，LC分子312的指向矢可以在预定旋转方向(例如，顺时针方向或逆时针方向)上旋转。因此，在LC膜305的表面处的LC分子312的指向矢的旋转可以表现出旋向性，例如右旋向性或左旋向性。
预定平面内方向可以是沿LC膜305的表面(或者在平行于该表面的平面中)的任何合适的平面内方向。为了说明的目的，图3A示出了预定平面内方向为y轴线方向。平面内间距Λy被定义为沿着平面内方向(例如，y轴线方向)LC指向矢的取向从预定初始取向(或参考取向)改变预定值(例如，180°)经过的距离。平面内间距Λy可以部分地确定PBP LC光栅300的光学特性。例如，平面内间距Λy可以确定不同衍射级的衍射射束的衍射角度。在一些实施例中，给定波长的射束的衍射角度可以随着平面内间距Λy的减小而增大。
图3B示意性地示出了PBP LC光栅300的LC膜305中的LC分子312的指向矢的平面外取向的一部分的y-z截面视图。在图3B所示的实施例中，在LC膜305的容积内，沿着LC膜305的厚度方向(例如，z轴线方向)，LC分子312的指向矢的取向(或方位角度φ)可以从LC膜305的第一表面305-1到第二表面305-2保持基本上相同。在一些实施例中，LC膜305的厚度可以被配置为d＝λ/(2*Δn)，其中λ是设计波长，Δn是LC膜305的LC材料的双折射率，并且Δn＝ne-no，ne和no分别是LC材料的非常折射率和寻常折射率。在一些实施例中，可以沿着LC膜305的厚度方向引入扭曲结构，并且该扭曲结构通过其镜像扭曲结构来补偿，这可以使PBPLC光栅具有消色差性能。
图3C和图3D示出了图3A和图3B中所示的PBP LC光栅300的偏振选择性衍射。PBPLC光栅300可以是无源PBP LC光栅或有源PBP LC光栅。无源PBP LC光栅可以具有两种光学状态中的一种(即，正状态或负状态)，或无源PBP LC光栅可以被配置成在两种光学状态中的一种(即，正状态或负状态)下运行。参考图3C和图3D，无源PBP LC光栅的光学状态可以取决于圆偏振输入射束的旋向性、以及LC膜305的表面(例如，第一表面305-1或第二表面305-2中的至少一者)处的LC分子312的指向矢的旋转的旋向性。例如，如图3C所示，无源PBP LC光栅可以响应于具有预定波长范围内的波长和预定入射范围内的入射角度的RHCP射束330而在正状态下运行。无源PBP LC光栅可以将RHCP射束330前向地衍射到负角度(例如，-θ)。如图3D所示，无源PBP LC光栅可以响应于具有预定波长范围内的波长和预定入射范围内的入射角度的LHCP射束335而在负状态下运行。无源PBP LC光栅可以将LHCP射束335前向地衍射到正角度(例如，+θ)。此外，无源PBP LC光栅除了对射束进行衍射外，还可以使还可以使透射穿过无源PBP LC光栅的圆偏振射束的旋向性反转。例如，如图3A所示，无源PBP LC光栅可以将RHCP射束330前向地衍射为LHCP射束340。如图3B所示，无源PBP LC光栅可以将LHCP射束335前向地衍射为RHCP射束345。在一些实施例中，无源PBP LC光栅可以响应于LHCP射束而在正状态下运行，并且响应于RHCP射束而在负状态下运行。可以通过耦接到无源PBPLC光栅的外部偏振开关(例如，SHWP)来改变圆偏振输入射束的旋向性，从而使无源PBP LC光栅间接地在正状态与负状态之间切换。
有源PBP LC光栅可以具有三种光学状态中的一种(即正状态、中性状态或负状态)，或者有源PBP LC光栅可以被配置成在三种光学状态中的一种(即正状态、中性状态或负状态)下运行。有源PBP LC光栅的光学状态可以取决于圆偏振输入射束的旋向性、LC膜305的表面处的LC分子312的指向矢的旋转的旋向性、以及施加到有源PBP LC光栅的电压。例如，如图3C所示，当(通过由控制器控制的电源，图3C中未示出)施加到有源PBP LC光栅的电压小于预定阈值电压时，有源PBP LC光栅可以响应于具有预定波长范围内的波长和预定入射范围内的入射角度的RHCP射束330而在正状态下运行。有源PBP LC光栅可以将RHCP射束330前向地衍射到负角度(例如，-θ)。如图3D所示，当(通过由控制器控制的电源，图3D中未示出)施加到有源PBP LC光栅的电压小于预定阈值电压时，有源PBP LC光栅可以响应于具有预定波长范围内的波长和预定入射范围内的入射角度的LHCP射束335而在正状态下运行。有源PBP LC光栅可以将LHCP射束335前向地衍射到正角度(例如，+θ)。此外，与无源PBPLC光栅类似，在正状态或负状态下运行的有源PBP LC光栅可以使在对圆偏振射束进行衍射的情况下被透射的圆偏振射束的旋向性反转。
当被施加到有源PBP LC光栅的电压足够高以沿着所产生的电场的方向重新定向LC分子时，有源PBP LC光栅可以在中性状态下运行。在中性状态下运行的有源PBP LC光栅可以不对圆偏振射束进行衍射，并且可以影响或可能不影响穿其透射的圆偏振射束的偏振。例如，在一些实施例中，在LC膜305中产生的电场可以是竖直电场，并且在中性状态下运行的有源PBP LC光栅可能不影响穿其透射的圆偏振射束的偏振。在一些实施例中，在LC膜305中产生的电场可以是水平电场，并且在中性状态下运行的有源PBP LC光栅可以保留穿其透射的圆偏振射束的旋向性。当通过耦接到有源PBP LC光栅的外部偏振开关(例如，SHWP)改变了输入射束的旋向性时，有源PBP LC光栅可以间接地在正状态与负状态之间切换。此外，当施加的电压改变时，有源PBP LC光栅可以直接地在正状态(或负状态)与中性状态之间切换。
返回参考图2，设置在对应的PBP LC光栅220之前的SHWP 210可以被配置成控制圆偏振射束的旋向性，之后使射束入射到PBP LC光栅220。SHWP 210可以被配置成在合适的运行状态(例如，切换状态或非切换状态)下运行。因此，布置在PBP LC光栅220之前的SHWP210可以控制PBP LC光栅220的运行状态(例如，正状态或负状态)。在一些实施例中，当PBPLC光栅220是有源PBP LC光栅时，通过控制施加到PBP LC光栅220的电压，PBP LC光栅220可以在中性状态下运行。因此，通过控制SHWP 210的运行状态(以及当PBP LC光栅220是有源PBP LC光栅时，控制施加到PBP LC光栅220的电压)，可以改变PBP光栅组件200的转向状态。因此，可以改变从PBP光栅组件200输出的圆偏振输入射束的转向角度。例如，如图2所示，PBP光栅组件200可以是四个PBP LC光栅220(例如，PBP1至PBP4)和四个SHWP 210(例如，SHWP1至SHWP4)交替布置成堆叠体的4级PBP光栅组件。PBP光栅组件200可以提供总共16个转向状态，这可以产生16个转向角度。当PBP LC光栅PBP1至PBP4的转向角度分别被配置成约±1°、±2°、±4°和±8°时，由PBP光栅组件200提供的最大转向角度可以为约±15°。
图2还示出了PBP光栅组件200的转向状态的偏振轨迹，用于为垂直入射的RHCP射束202提供了-15°的转向角度。为了说明的目的，图2示出了PBP LC光栅PBP1至PBP4是左旋无源PBP LC光栅，该左旋无源PBP LC光栅被配置成在正状态下运行以将LHCP射束衍射到正角度、并且在负状态下运行以将RHCP射束衍射到负角度。控制器(例如，图1A至图1D中所示的控制器120)可以被配置成将SHWP1控制为在非切换状态下运行。因此，SHWP1可以将RHCP射束202透射为朝向PBP LC光栅PBP1传播的RHCP射束212。PBP LC光栅PBP1可以针对RHCP射束212在负状态下运行，以使RHCP射束212衍射约-1°。此外，PBP LC光栅PBP1可以反转RHCP射束212的旋向性，并输出LHCP射束222。控制器(例如，图1A至图1D中所示的控制器120)可以被配置成将SHWP2控制为在切换状态下运行。因此，SHWP2可以将LHCP射束222透射为朝向PBP LC光栅PBP2传播的RHCP射束232。PBP LC光栅PBP2可以由控制器控制以针对RHCP射束232在负状态下运行，并且可以使RHCP射束232衍射约-2°。PBP LC光栅PBP2可以输出LHCP射束242。控制器可以控制SHWP3和SHWP4这两者在切换状态下运行。因此，PBP LC光栅PBP3可以针对RHCP射束252在负状态下运行，并且可以将RHCP射束252衍射约-4°以作为LHCP射束262。PBP LC光栅PBP4可以针对RHCP射束272在负状态下运行，并且可以将RHCP射束272衍射约-8°以作为LHCP射束282。因此，PBP光栅组件200可以被配置成将输入RHCP射束205转向约-15°((-1°)+(-2°)+(-4°)+(-8°)＝-15°)，从而产生约-15°的转向角度θ。
在一些实施例中，PBP光栅组件200还可以包括设置在PBP LC光栅PBP4之后的圆偏振器240。圆偏振器240可以被配置成减少或消除由具有与期望衍射级的旋向性相反的旋向性的不期望衍射级所引起的光泄漏。例如，PBP光栅组件200的期望衍射级可以是LHCP射束，而PBP光栅组件200的不期望衍射级可以是RHCP射束。在一些实施例中，圆偏振器240可以被配置为用于基本上透射LHCP射束并通过吸收基本上阻挡RHCP射束的左旋圆偏振器。例如，如图2所示，圆偏振器240可以将从PBP LC光栅PBP4输出的LHCP射束282(例如，期望衍射级)基本上透射为LHCP射束292，并且基本上阻挡从PBP LC光栅PBP4输出的RHCP射束(例如，不期望衍射级，图2未示出)(RHCP射束未示出)。在一些实施例中，PBP光栅组件200还可以包括SHWP5。圆偏振器240可以设置在PBP LC光栅PBP4与SHWP5之间。控制器可以被配置成控制SHWP5在切换状态下运行以将从圆偏振器240输出的LHCP射束292转换成RHCP射束，或者在非切换状态下运行以维持LHCP射束292的偏振。也就是说，射束294可以是RHCP射束或LHCP射束。因此，PBP光栅组件200可以被配置成输出圆偏振射束294，该圆偏振射束294具有期望旋向性(例如，RHCP射束或LHCP射束)和期望转向角度。
在一些实施例中，PBP光栅组件200中所包括的PBP LC光栅220可以具有相同的偏振选择性。例如，PBP LC光栅220可以是右旋PBP LC光栅或左旋PBP LC光栅。在一些实施例中，PBP光栅组件200中所包括的PBP LC光栅220可以具有不同的偏振选择性。例如，PBP光栅组件200可以包括右旋PBP LC光栅和左旋PBP LC光栅这两者。在一些实施例中，PBP光栅组件200中所包括的PBP LC光栅220可以是无源PBP LC光栅或有源PBP LC光栅。在一些实施例中，PBP光栅组件200可以包括无源PBP LC光栅和有源PBP LC光栅这两者。在一些实施例中，PBP光栅组件200中所包括的PBP LC光栅220可以具有基本上相同的平面内间距或不同的平面内间距。在一些实施例中，SHWP1至SHWP4和PBP1至PBP4的组合可以被称为第一组PBP LC光栅，该第一组PBP LC光栅被配置成使圆偏振输入射束沿第一轴线(例如，y轴线方向)转向，并且PBP光栅组件200可以包括第二组PBP LC光栅，该第二组PBP LC光栅被配置成使圆偏振输入射束沿第二轴线(例如，x轴线方向)转向。因此，PBP光栅组件200可以被配置成使圆偏振输入射束沿两个不同的轴线(例如，沿x轴线方向和y轴线方向)转向。
图4示意性地示出了根据本公开的实施例的偏振选择性透镜组件400的示意图。偏振选择性透镜组件400可以是圆偏振选择性的。偏振选择性透镜组件400可以是图1B所示的射束转向设备130或图1D所示的射束转向设备190中所包括的偏振选择性透镜组件145的实施例。如图4所示，偏振选择性透镜组件400可以包括光学串联交替地布置(例如，布置成堆叠体)的多个偏振选择性透镜420和多个SHWP 410。偏振选择性透镜420可以是圆偏振选择性的。例如，偏振选择性透镜420可以是PBP LC透镜420，该PBP LC透镜被配置成基于通过几何相位提供的相位分布来调制圆偏振射束。偏振选择性透镜组件400也可以被称为PBP LC透镜组件400。为了说明的目的，图4示出了PBP LC透镜组件400包括交替地布置成堆叠体的三个SHWP 410(例如，标记为SHWP1至SHWP3)和三个PBP LC透镜420(例如，标记为PBP1至PBP3)。
图5A示意性地示出了根据本公开的实施例的PBP LC透镜500中所包括的LC膜505中的LC分子的平面内取向的x-y截面视图。图5B示出了根据本公开的实施例在图5A中所示的PBP LC透镜500的LC膜505中沿着y轴线截取的平面内取向图案的一部分。PBP LC透镜500可以是图4中所示的PBP LC透镜420的实施例。LC膜505可以包括第一表面和与第一表面相反的第二表面。在基本上靠近LC膜505的表面(例如，第一表面或第二表面中的至少一者)(包括在该表面处)的区域中，LC膜505的光轴的取向可以表现出沿着从透镜中心到相对透镜外围的至少两个相反的平面内方向的连续旋转。在一些实施例中，连续旋转可以具有变化的间距。在一些实施例中，PBP LC透镜500可以用作偏振选择性透镜。
如图5A所示，位于LC膜505的表面(例如，第一表面或第二表面中的至少一者)附近或该表面处的LC分子512可以被配置成具有平面内取向图案，该平面内取向图案沿着从透镜中心510到相对的透镜外围515的至少两个相反的平面内方向具有变化的间距。换句话说，位于LC膜505的表面附近或该表面处的LC分子512的LC指向矢的取向可以表现出沿着从透镜中心510到相对的透镜外围515的至少两个相反的平面内方向的连续旋转，该连续旋转具有变化间距。LC指向矢可以沿相同的旋转方向(例如，顺时针或逆时针)旋转，并且旋转角度可以从透镜中心510到相对的透镜外围515改变。平面内取向图案的间距Λ可以被定义为沿平面内方向(例如，径向方向)LC指向矢的取向(或LC分子512的方位角度φ)从预定初始状态或角度改变了预定角度(例如，180°)经过的距离。如图5B所示，根据沿着y轴线方向的LC指向矢场，间距Λ可以是距透镜中心510的距离的函数。间距Λ可以沿着x-y平面中的至少两个相反的平面内方向(例如，两个相反的径向方向)从透镜中心510到透镜外围515单调减小，例如Λ0＞Λ1＞……＞Λr。Λ0是PBP LC透镜500的中心区域处的间距，其可以是最大的。间距Λr是PBP LC透镜500的边缘区域(例如，外围515)处的间距，其可以是最小的。在一些实施例中，LC分子512的方位角度φ可以与从透镜中心510到LC分子512所在的LC膜505的局部点的距离成比例地变化。例如，LC分子512的方位角度φ可以根据等式φ＝(πr^2)/2fλ而变化，其中，φ是LC分子512在LC膜505的局部点处的方位角度，r是透镜中心510到透镜平面中的局部点的距离，f是PBP LC透镜500的焦距，以及λ是PBP LC透镜500的设计工作波长。
图5C和图5D示出了根据本公开的实施例的PBP LC透镜500的偏振选择性散焦/聚焦。PBP LC透镜500可以是无源PBP LC透镜或有源PBP LC透镜。无源PBP LC透镜可以被配置成在两种光学状态中的一种(即，聚焦(或会聚)状态或散焦(或发散)状态)下运行。无源PBPLC透镜的光学状态可以取决于圆偏振输入光的旋向性、以及LC指向矢沿从透镜中心510到相对透镜外围515的至少两个相反的平面内方向的旋转方向。例如，如图5C所示，无源PBPLC透镜可以针对具有在预定波长范围内的波长和在预定入射范围内的入射角度的RHCP光530在散焦状态(或发散状态)下运行。如图5D所示，无源PBP LC透镜可以针对具有在预定波长范围内的波长和在预定入射范围内的入射角度的LHCP光540在聚焦状态(或会聚状态)下运行。此外，无源PBP LC透镜可以在对光进行聚焦/散焦的情况下使穿其透射的圆偏振光的旋向性反转。例如，如图5C所示，无源PBP LC透镜可以将同轴准直的RHCP光530发散为LHCP光540。如图5D所示，无源PBP LC透镜可以将同轴准直的LHCP光535会聚为RHCP光545。当通过外部偏振开关(例如，SHWP)改变输入光的旋向性时，无源PBP LC透镜可以间接地在正状态与负状态之间切换。
有源PBP LC透镜可以具有三种光学状态(即，正状态、中性状态和负状态)，或者有源PBP LC透镜可以被配置成在三种光学状态(即，正状态、中性状态和负状态)下运行。有源PBP LC透镜可以包括与电源电耦接的电极。电源可以由控制器控制。有源PBP LC透镜的光学状态可以取决于圆偏振输入光的旋向性、LC指向矢在从透镜中心510到相对透镜外围515的至少两个相反的平面内方向上的旋转方向、以及施加到有源PBP LC透镜的电压。例如，当施加到有源PBP LC透镜的电压低于预定阈值电压时，有源PBP LC透镜可以针对RHCP光530在散焦状态(或发散状态)下运行(如图5C所示)，并且针对LHCP光535在聚焦状态(或会聚状态)下运行(如图5D所示)。此外，与无源PBP LC透镜类似，在聚焦状态或散焦状态下运行的有源PBP LC透镜除了对光进行衍射之外，还可以使穿其透射的圆偏振光的旋向性反转。
当施加到有源PBP LC透镜的电压足够高以使LC分子沿着所产生的电场的方向被重新定向时，有源PBP LC透镜可以在中性状态下运行。在中性状态下运行的有源PBP LC透镜可能不会对圆偏振光进行聚焦或散焦，并且可以影响或可能不影响穿其透射的圆偏振光的偏振。例如，在一些实施例中，当在LC膜505中产生的电场是足够高的竖直电场时，有源PBP LC透镜可以在中性状态下运行，并且对圆偏振入射光的传播方向、波前和旋向性的影响可以忽略不计，或可以不影响圆偏振入射光的传播方向、波前和旋向性。在一些实施例中，当在LC膜505中产生的电场是足够高的水平电场时，有源PBP LC透镜可以在中性状态下运行，对圆偏振入射光的传播方向和波前的影响可以忽略不计或可以不影响圆偏振入射光的传播方向和波前，并且可以反转圆偏振入射光的旋向性。当通过外部偏振开关(例如，SHWP)改变输入光的旋向性时，有源PBP LC透镜可以间接地在聚焦状态与散焦状态之间切换。在一些实施例中，当施加的电压改变时，有源PBP LC透镜可以直接地在聚焦状态(或散焦状态)与中性状态之间切换。
返回参考图4，设置在对应的PBP LC透镜420之前的SHWP 410可以被配置成根据SHWP 410的运行状态(例如，切换状态或非切换状态)来控制圆偏振射束的旋向性，之后使射束入射到PBP LC透镜420上。因此，放置在PBP LC透镜420之前的SHWP 410可以控制PBPLC透镜420在聚焦状态或散焦状态下运行。在一些实施例中，当PBP LC透镜420是有源PBPLC透镜时，通过控制施加到PBP LC透镜420的电压，PBP LC透镜420也可以在中性状态下运行。PBP LC透镜组件400的光学能力可以是PBP LC透镜组件400中所包括的各个PBP LC透镜420的光学能力的总和。因此，通过控制SHWPS 410的运行状态(以及当PBP LC透镜420是有源PBP LC透镜时控制施加到PBP LC透镜420的电压)，可以改变PBP LC透镜组件400的透镜状态。因此，可以改变PBP LC透镜组件400的光学能力。
为了说明的目的，图4示出了PBP LC透镜PBP1至PBP3是左旋无源PBP LC透镜，这些左旋无源PBP LC透镜被配置成针对LHCP射束在聚焦状态下运行、并且针对RHCP射束在散焦状态下运行。如图4所示，RHCP射束402可以入射到SHWP1上。控制器(例如，图1A至图1D中所示的控制器120)可以控制SHWP1在非切换状态下运行，以及控制SHWP2和SHWP3在切换状态下运行。因此，PBP LC透镜PBP1、PBP2和PBP3可以在散焦状态下运行。在穿过PBP LC透镜PBP1、PBP2和PBP3之后，RHCP射束402可以变为散焦的(或发散的)LHCP射束404。在一些实施例中，PBP透镜组件400还可以包括光学耦合到PBP LC透镜PBP3的圆偏振器440。圆偏振器440可以被配置成减少或消除由具有与期望衍射级的旋向性相反的旋向性的不期望衍射级所引起的光泄漏。例如，PBP透镜组件400的期望衍射级可以是LHCP射束，而PBP透镜组件400的不期望衍射级可以是RHCP射束。在一些实施例中，圆偏振器440可以被配置为左旋圆偏振器，该左旋圆偏振器基本上透射LHCP射束并且经由吸收基本上阻挡RHCP射束。例如，如图4所示，圆偏振器440可以基本上透射LHCP射束404(例如，期望衍射级)以作为LHCP射束406，并且经由吸收基本上阻挡从PBP LC透镜PBP3输出的LHCP射束(例如，不期望衍射级，图4中未示出)。在一些实施例中，PBP透镜组件400还可以包括SHWP4。圆偏振器440可以设置在PBPLC透镜PBP3与SHWP4之间。控制器可以控制SHWP4在切换状态下运行以将从圆偏振器440输出的LHCP射束406转换成RHCP射束，或者在非切换状态下运行以维持LHCP射束406的偏振。因此，PBP透镜组件400可以被配置成输出圆偏振射束408，该圆偏振射束具有期望旋向性(例如，RHCP射束或LHCP射束)和期望的会聚或发散。
图6A示意性地示出了根据本公开的实施例的偏振选择性透镜组件600的示意图。偏振选择性透镜组件600可以是线性偏振选择性的。偏振选择性透镜组件600可以是在图1A所示的射束转向设备100或图1C所示的射束转向设备160中所包括的偏振选择性透镜组件115的实施例。如图6A所示，偏振选择性透镜组件600可以包括光学串联布置(例如，布置成堆叠体)的一个或多个LC透镜620。LC透镜620可以是线性偏振选择性的。为了说明的目的，图6示出了偏振选择性透镜组件600包括三个LC透镜620(标记为LC1至LC3)，这三个LC透镜光学串联地布置成堆叠体。
在一些实施例中，LC透镜620可以被配置成利用极角度(或倾斜角度)的改变来创建透镜轮廓。LC透镜620可以提供可以连续可变的光学能力。图6B和图6C示意性地示出了根据本公开的实施例的图6A中所示的偏振选择性透镜组件600中所包括的LC透镜620的示意图。图6B示出了处于没有施加电压、或者施加的电压低于或等于预定阈值电压的状态下的LC透镜620。图6C示出了处于施加的电压高于预定阈值电压的电场中时的状态下的LC透镜620。如图6B和图6C所示，LC透镜620可以包括两个衬底612和设置在两个衬底612之间的LC层618。衬底612在可见光波段(约380nm至750nm)可以基本上是透明的。在一些实施例中，衬底612在红外(“IR”)波段(约750nm至约1mm)的一些或全部波段中可以是透明的。衬底612可以包括透明材料，例如为SiO2、塑料、蓝宝石等。每个衬底612可以设置有配向层616和导电电极614(例如，氧化铟锡(“ITO”，indium tin oxide))。LC层618可以与两个配向层616接触。在一些实施例中，两个配向层616可以被配置成向LC层618中的LC分子621提供反向平行配向(由箭头622和622'表示)。在一些实施例中，两个电极614中的一个电极可以是平面电极，而另一个电极可以是环形电极。衬底612可以具有面向LC层618的第一表面和与第一表面相反的第二表面。在一些实施例中，两个电极614中的一个电极(例如，平面电极)可以设置在一个衬底612(例如，图6B中的左侧衬底)的第一表面处，而两个电极614中的另一个电极(例如，环形电极)可以设置在另一个衬底612(例如，图6B中的右侧衬底)的第二表面处。当高于预定阈值电压的电压被施加到LC透镜620时，如图6C所示，由于环形电极614设置在衬底612中的一个衬底上，因此在LC层618中可能产生不均匀的电极场。例如，在LC层618中产生的电场可以从LC层618(或LC透镜620)的中心到两边缘逐渐增加。因此，如图6C所示，从LC层618(或LC透镜620)的中心到两边缘，LC指向矢624的取向可以从平行于衬底612的表面改变为更接近于垂直于衬底612的表面。对于在y轴线方向上被偏振的线性偏振输入射束(例如，p偏振输入射束)，LC层618的有效折射率可以从LC层618的中心到两边缘逐渐改变(例如，减小)。LC层618可以针对在y轴线方向上偏振的线性偏振输入射束提供正透镜轮廓。换句话说，当将足够高的电压施加到LC透镜620时，LC透镜620可以向在y线轴方向上偏振的线性偏振输入射束提供正光学能力。在一些实施例中，当施加到LC透镜620的电压连续变化时，可以连续调节LC透镜620的透镜轮廓。因此，LC透镜620可以向在y轴线方向上偏振的线性偏振输入射束(例如，p偏振输入射束)提供光学能力在光学能力范围内的连续调节。在图6B和图6C所示的实施例中，LC透镜620可以针对在x轴线方向上偏振的线性偏振输入射束(例如，s偏振输入射束)起基本上光学均匀的板的作用。
图6D和图6E示意性地示出了根据本公开的各种实施例的图6A中所示的偏振选择性透镜组件600中所包括的LC透镜620的示意图。在图6D和图6E所示的实施例中，LC透镜620可以是具有分段式抛物线剖面的折射型菲涅尔LC透镜。这种折射型菲涅尔LC透镜可以被称为分段式相位分布(“SPP”，segmented phase profile)LC透镜(出于讨论的目的也被称为620)。抛物线剖面的区段的大小可以被配置成足够大，使得衍射角度可以小于人眼的角分辨率。因此，衍射效应可能无法被人眼观察到。如图6D所示，SPP LC透镜620可以包括两个衬底612。这些衬底612中的一个可以设置有多个第一电极642，而这些衬底612中的另一个可以设置有一个或多个第二电极646(为了说明的目的，图6D和图6E示出了一个第二电极646)。LC层644可以设置在两个衬底612之间。第一电极642和第二电极646可以是透明电极(例如，ITO电极)。电极可以与电源电连接，该电源可以向电极提供电压以在LC层644中产生电场。电场可以将LC层644中的LC分子重定向以形成具有预定相位分布的透镜。SPP LC透镜620还可以包括分别设置在第一电极642与LC层644之间、以及第二电极646与LC层644之间的两个配向层(图6D中未示出)。这些配向层可以向LC层644中所包括的LC分子提供配向(例如，由图6D和图6E中的箭头指示)。
在一些实施例中，第一电极642可以包括与SPP LC透镜620中的菲涅耳结构相对应的离散环形电极。环形电极可以是同心的且具有相同面积。也就是说，随着环形同心电极的半径增大，环形电极的宽度减小，从而维持相同的面积。利用此电极几何结构，对应于相邻第一电极642的相邻菲涅尔结构之间相位差可以相同。因此，可以获得抛物线相位分布。如果相位与施加的电压成比例，则第一电极642两端的电压的线性变化(例如，任何两个第一电极642之间的相同电压差)可以导致SPP LC透镜620的抛物线相位分布。
在一些实施例中，SPP LC透镜620可以是偏振敏感的(或选择性的)。也就是说，SPPLC透镜620可以选择性地使预定偏振的光聚焦或散焦，而不使其它偏振的光聚焦或散焦。例如，在图6D所示的实施例中，SPP LC透镜620可以向在y轴线方向上偏振的线性偏振输入射束(例如，p偏振输入射束)提供可调节的光学能力，并且SPP LC透镜620可以针对在x轴线方向上偏振的线性偏振输入射束(例如，s偏振输入射束)起基本上光学均匀的板的作用。
在一些实施例中，多个第一电极642之间的间隙可能导致图像光的散射，这可能导致图像劣化。为了减少或消除图像劣化，可以使用多个浮动电极。如图6E所示，多个浮动电极648可以设置在具有第一电极642的衬底612处。浮动电极648可以设置在第一电极642的上方。绝缘层650可以设置在浮动电极648与第一电极642之间。浮动电极648可以包括离散的同心环形电极，这些离散的同心环形电极可以不由欧姆连接驱动，但是可以电容耦接到第一电极642。浮动电极648可以被配置成覆盖相邻第一电极642中的每个第一电极的区域。绝缘层650可以被配置成向第一电极642和浮动电极648提供电绝缘。
图6F示出了根据本公开的实施例的图6D和图6E所示的SPP LC透镜620的菲涅耳结构的示意图。如图6F所示，SPP LC透镜620的菲涅耳结构由多个半径增大的同心环形区域635a、635b、635c和635d表示，这些同心环形区域被称为菲涅尔区段或菲涅尔重置(Fresnelreset)。对于正向薄透镜，光程差(“OPD”，optical path difference)用Maclaurin(麦克劳林)公式近似为抛物线剖面，如等式(1)所示：
其中，r是透镜半径(即，透镜光圈的一半)，f是焦距。LC透镜的OPD与LC材料的单元厚度d和双折射率Δn成比例，如等式(2)所示：
OPD＝d*Δn (2)，
电控双折射(“ECB”，Electrically Controlled Birefringence)LC单元的响应时间，即材料恢复到其原始状态所花费的时间，与单元厚度d呈二次方关系(τ∝d2)，如等式(3)所示：
其中，γ和K11分别是LC材料的旋转粘度和展曲弹性系数。等式(1)至等式(3)表明，光圈大小与响应时间之间存在折衷，因此设计具有大光圈和合理响应时间的LC透镜是具有挑战性的。通过(例如，使用SPP LC透镜)在抛物线相位分布中引入相位重置，LC透镜620可以被配置成具有大光圈尺寸而不会影响响应时间。
图6B至图6F示出了LC透镜620的示例性构造，该LC透镜是线性偏振选择性的。在一些实施例中，线性偏振选择性的LC透镜620可以具有未在图中示出的其它合适的构造。参考图6A至图6F，偏振选择性透镜组件600的总光学能力可以是偏振选择性透镜组件600中所包括的各个LC透镜620的光学能力的总和。在一些实施例中，控制器(例如，图1A至图1D中所示的控制器120)可以被配置成单独或独立地控制施加到LC透镜620的电压，从而单独或独立地控制由LC透镜620提供的光学能力。因此，偏振选择性透镜组件600的透镜状态可以是可切换的，以调节偏振选择性透镜组件600的总光学能力。
返回参考图6A，p偏振输入射束602可以入射到第一LC透镜620(例如，标记为LC1的透镜620)。控制器(图6A中未示出)可以被配置成单独或独立地控制施加到LC透镜620的电压，使得偏振选择性透镜组件600可以在透镜状态中的一个透镜状态下运行，例如将p偏振输入射束602聚焦以作为p偏振射束604。在一些实施例中，偏振选择性透镜组件600还可以包括在p偏振射束604的传播方向上设置在LC透镜620(例如，标记为LC3的透镜620)之后的偏振开关610。偏振开关610可以包括SHWP或扭曲向列型液晶(“TNLC”，twisted-nematicliquid crystal)单元。控制器可以被配置成控制偏振开关610在切换状态下运行以将从LC透镜620(例如，标记为LC3的透镜620)输出的p偏振射束604转换成s偏振射束，或者在非切换状态下运行以维持p偏振射束604的偏振。因此，偏振选择性透镜组件600可以被配置成输出线性偏振射束606，该线性偏振射束606具有期望的会聚或发散、以及期望偏振。
图7A示意性地示出了根据本公开的实施例的偏振选择性转向组件700的示意图。偏振选择性转向组件700可以是线性偏振选择性的。偏振选择性转向组件700可以是图1A所示的射束转向设备100或图1D所示的射束转向设备190中所包括的偏振选择性转向组件110的实施例。如图7A所示，偏振选择性转向组件700可以包括光学串联布置(例如，布置成堆叠体)的一个或多个LC转向元件720。一个或多个LC转向元件720中的至少一个LC转向元件可以是线性偏振选择性的。为了说明的目的，图7A示出了偏振选择性转向组件700包括光学串联地布置成堆叠体的三个LC转向元件720(例如，标记为LC1至LC3)。
图7B示意性地示出了根据本公开的实施例的图7A中所示的偏振选择性转向组件700中所包括的LC转向元件720的示意图。在一些实施例中，LC转向元件720可以包括LC光栅(出于讨论目的也被称为720)。如图7B所示，LC光栅720可以包括彼此相对(例如，面对)布置的上衬底710和下衬底715。在一些实施例中，上衬底710或下衬底715中的至少一个衬底(例如，每个衬底)可以在该衬底的表面(例如，内表面)处设置有用于向LC光栅720提供电场的透明电极(例如，ITO电极)。电源740可以与透明电极耦接以提供用于向LC光栅720提供电场的电压。
在一些实施例中，LC光栅720可以包括表面浮雕光栅(“SRG”)705，该表面浮雕光栅705设置在下衬底715的面向上衬底710的表面处(例如，结合到该表面、或形成在该表面上)。SRG 705可以包括多个尺寸为微米级或纳米级的微结构705a，这些微结构限定或形成多个凹槽706。微结构705a示意性地示出为实心黑色纵向结构，并且凹槽706示出为在实心黑色部分之间的白色部分。凹槽706可以至少部分地设置有(例如，填充有)LC材料750。LC材料750的LC分子725可以具有长形形状(在图7B中由白色杆状部表示)。LC分子725可以在凹槽706内进行配向，例如垂直配向、平行配向、或这两者皆有。LC材料750可以具有沿着凹槽706的凹槽方向(例如，x轴线方向、长度方向或纵向方向)的第一主折射率(例如，ne AN)。LC材料750可以具有沿垂直于SRG 705的凹槽方向的平面内方向(例如，y轴线方向、宽度方向或横向方向)的第二主折射率(例如，no AN)。LC材料750可以是LC指向矢可以被外部场(例如，由电源740提供的电场)重定向的有源LC。有源LC可以具有正介电各向异性或负介电各向异性。
在一些实施例中，如图7B所示，LC材料750可以包括具有正各向异性的有源LC，例如向列型液晶(“NLC”，nematic liquid crystal)。LC材料750的LC分子725可以在凹槽706内沿凹槽方向(例如，x轴线方向)平行配向。第二主折射率(例如，no AN)可以与SRG 705的折射率ng基本匹配，并且第一主折射率(例如，ne AN)可以与SRG 705的折射率ng不匹配。在一些实施例中，LC光栅720可以是线性偏振相关的。例如，参考图7B，当在凹槽方向(例如，x轴线方向)上偏振的线性偏振输入射束730入射到LC光栅720上时，由于ne AN与ng之间的折射率差异，输入射束730可能会经历LC光栅720中的折射率的周期性调制。结果，LC光栅720可以在衍射状态下运行，以将输入射束730衍射为具有例如负衍射(转向)角度的射束735。换句话说，LC光栅720可以使输入射束730相对于输入射束730的初始输入光路以逆时针方向转向。
在一些实施例中，LC光栅720可以是有源光栅，该有源光栅可通过外部场(例如，由电源740提供的外部电场)在衍射状态(或激活状态)与非衍射状态(或停用状态)之间直接切换。控制器(例如，类似于图1A至图1D中所示的控制器120)可以控制电源740的输出(例如，电压和/或电流)。例如，通过控制电源740输出的电压，控制器可以针对在凹槽方向(例如，x轴线方向)上偏振的线性偏振输入射束730，控制LC光栅720在衍射状态与非衍射状态之间的切换。当LC光栅720针对线性偏振输入射束730在衍射状态下运行时，控制器可以调节由电源740提供给电极的电压，以调节LC光栅720的衍射效率。例如，当向LC光栅720提供电压时，可以在平行衬底710与715之间产生(例如，沿着z轴线方向的)电场。当电压高于与LC光栅720相关联的预定阈值电压并且逐渐增加时，具有正介电各向异性的LC的LC分子725可以趋于被电场重定向(例如，可以逐渐变得平行于电场方向)。随着电压的改变，针对在凹槽方向(例如，x轴线方向)上偏振的线性偏振输入射束730，由LC光栅720提供给射束730的折射率nm(即，ne AN与ng之间的差)的调制可以相应地改变，这进而可以改变衍射效率。当电压足够高时，具有正介电各向异性的LC的LC分子725的指向矢可以被重定向为与电场方向(例如，z轴线方向)平行。由于折射率no AN与ng之间的基本匹配，LC光栅720可以针对在凹槽方向上偏振的输入射束730起基本上光学均匀的板的作用。因此，LC光栅720可以在非衍射状态下运行以使输入射束730穿过其透射来作为射束790，其中衍射基本上为零或可忽略不计。换句话说，在非衍射状态下运行的LC光栅720可以不使在凹槽方向(例如，x轴线方向)上偏振的线性偏振输入射束730转向。
在图7B所示的实施例中，针对在凹槽方向上偏振的线性偏振输入射束730(例如，射束730可以是p偏振射束)，LC光栅720被配置成在由电源740提供的电压低于或等于阈值电压时在衍射状态下运行以使射束730(例如，偏振射束)衍射(或转向)以作为射束735(例如，偏振射束)，或者当电压足够高于预定阈值电压时在非衍射状态下运行以使射束730(例如，偏振射束)透射(衍射可忽略不计)。针对在垂直于凹槽方向的平面内方向上偏振的线性偏振输入射束(例如，s偏振射束)，由于折射率no AN与ng的基本匹配，LC光栅720可以起基本上光学均匀的板的作用，而与电压无关。也就是说，LC光栅720基本上可以使在垂直于凹槽方向的平面内方向上线性偏振的输入射束透射，而没有衍射(转向)或衍射(或转向)可忽略不计。
图7C示意性地示出了根据本公开的实施例的在图7A中所示的偏振选择性转向组件700中所包括的LC转向元件720的示意图。在一些实施例中，LC转向元件720可以包括LC光栅(出于讨论目的也被称为720)。如图7C所示，LC光栅720可以是全息聚合物分散液晶(“H-PDLC”，holographic polymer-dispersed liquid crystal)光栅，该全息聚合物分散液晶光栅可以通过在激光干涉照射下聚合单体和LC的各向同性光敏液体混合物来制造。如图7C所示，LC光栅720可以包括多层LC液滴712，该多层LC液滴嵌入设置在两个衬底710之间的聚合物基质714中。每个衬底710可以设置有透明导电电极708。两个电极708中的至少一个电极可以设置有配向层(未示出)，该配向层可以被配置成在预定的配向方向(例如，图7C中的y轴线方向)上对LC分子725进行平行(或水平)配向。LC液滴712内的LC的寻常折射率no可以充分接近聚合物基质714的材料的折射率np，而LC液滴712内的LC的非常折射率ne可以基本上与聚合物基质714的材料的折射率np不同。由于LC的非常折射率ne与聚合物基质714的材料的折射率np之间的折射率差，LC的空间调制可以产生LC光栅720的平均折射率中的空间上周期性调制。
在一些实施例中，图7C中示出的LC光栅720可以是线性偏振相关的。例如，当在预定配向方向(例如，y轴线方向)上偏振的线性偏振输入射束730入射到LC光栅720上时，由于ne与np之间的折射率差，射束730可以经历LC光栅720中的折射率的周期性调制。结果，LC光栅720可以在衍射状态下运行，以将输入射束730衍射作为具有例如负衍射(转向)角度的射束735。换句话说，LC光栅720可以使输入射束730相对于输入射束730的初始输入光路以逆时针方向转向。在一些实施例中，LC液滴712足够小(为在亚波长范围内的尺寸)，从而可以最小化由LC和聚合物的折射率失配引起的散射，并且相位调制可以起主要作用。在一些实施例中，LC光栅720可以是有源光栅，该有源光栅可以通过外部场(例如，由电源740提供的外部电场)在衍射状态(或激活状态)与非衍射状态(或停用状态)之间直接切换。控制器(例如，类似于图1A至图1D中所示的控制器120)可以控制电源740的输出(例如，电压和/或电流)。例如，通过控制电源740输出的电压，控制器215可以控制LC光栅720在衍射状态与非衍射状态之间的切换。例如，当向LC光栅720提供电压时，可以在两个相对布置的衬底710之间产生(例如，沿着z轴线方向的)电场。当电压高于预定阈值电压并逐渐增加时(图7C中未示出)，具有正介电各向异性的LC分子725可能趋于被电场重定向(例如，LC指向矢可以逐渐被定向成平行于电场方向)。随着电压的改变，针对在预定配向方向(例如，y轴线方向)上偏振的线性偏振输入射束730，由LC光栅720提供给射束730的折射率nm(即，ne与np之间的差)的调制可以相应地改变，这进而可以改变衍射效率。当电压足够高时，具有正介电各向异性的LC的LC分子725的指向矢可以被重新定向为与电场方向(例如，z轴线方向)平行。由于折射率n0与ng之间的基本匹配，LC光栅720可以针对输入射束730起基本上光学均匀的板的作用。也就是说，LC光栅720可以针对在预定配向方向(例如，y轴线方向)上偏振的射束730而在非衍射状态下运行，并且可以使射束730穿其透射，而衍射基本上为零或可忽略不计。
在图7C所示的实施例中，针对在预定配向方向上偏振的线性偏振输入射束730(例如，射束730可以是p偏振射束)，LC光栅720被配置成在由电源740提供的电压低于或等于预定阈值电压时在衍射状态下运行以将偏振射束730衍射(或转向)作为偏振射束735，或者在电压足够高于预定阈值电压时在非衍射状态下运行以使偏振射束730透射而衍射可忽略不计。针对在垂直于预定配向方向的平面内方向(例如，x轴线方向)上偏振的线性偏振输入射束(例如，针对s偏振射束)，由于折射率no与np之间的基本匹配，LC光栅720可以起基本上光学均匀的板的作用，而与电压无关。也就是说，LC光栅720可以基本上使在平面内方向上线性偏振的输入射束(例如，s偏振射束)透射，而没有衍射(或转向)或衍射(或转向)可忽略不计。
图7D和图7E示意性地示出了根据本公开的实施例的在图7A中所示的偏振选择性转向组件700中所包括的LC转向元件720的示意图。在一些实施例中，LC转向元件720可以包括基于LC的光学相控阵列(“OPA”)(出于讨论目的也被称为720)。如图7D所示，OPA 720可以包括设置在两个衬底710之间的LC层755。每个衬底710可以设置有透明导电电极708或718。在图7D所示的实施例中，电极708(可以设置在下衬底710处)可以是平面电极，而电极718(可以设置在上衬底710处)可以是包括多个子电极(例如，平行布置的多个条纹状电极)的图案化电极。电源740可以向两个电极708和718提供电压以在LC层755中产生重定向LC分子725的竖直电场。配向层(未示出)可以设置在两个电极708和718中的至少一个电极(例如，每个电极)的内表面(面向LC层755的表面)处。配向层可以被配置成具有均匀的反向平行配向方向(例如，图7D中的y方向)，LC分子725可以通过该配向层在电压关断状态(例如，V＝0，图7D中未示出)下被定向成反向平行方向。
在一些实施例中，如图7E所示，可以包括两个电极718。每个电极718可以是包括多个子电极(例如，平行布置的多个条纹状电极)的图案化电极。在图7E所示的实施例中，下电极718的子电极可以与上电极718的子电极基本上对齐。尽管未示出，但在一些实施例中，下电极718的子电极可以部分地偏离上电极718的子电极。
参考图7D和图7E，在一些实施例中，OPA 720可以包括多个2π相位重置，例如760-1和760-2。下电极718可以被施加有均匀的驱动电压。例如，驱动电压可以接地。对于每个2π相位重置760-1或760-2，经由电源740施加到上电极718的子电极的驱动电压的幅度可以被配置成从最左子电极718L到最右子电极718R逐渐改变(例如，减小)。因此，从2π相位重置760-1或760-2的最左边缘到最右边缘，2π相位重置760-1或760-2中产生的电场的幅度可以逐渐改变(例如，减小)。相应地，从2π相位重置760-1或760-2的最左边缘到最右边缘，具有正介电各向异性的LC的LC分子725的指向矢的取向可以从基本上垂直于衬底710的表面改变为基本上平行于衬底710的表面，如图7E所示。结果，OPA720可以在衍射状态下运行，以将在配向方向(例如，y轴线方向)上偏振的线性偏振输入射束730衍射以作为具有例如正衍射(转向)角度的射束736。换句话说，OPA720可以使输入射束730相对于输入射束730的初始输入光路以顺时针方向转向。当施加到上电极718的子电极的驱动电压的幅度被配置成从2π相位重置760-1或760-2的最左子电极718L到最右子电极718R基本一致时，LC分子725的指向矢的取向可以基本相同。因此，OPA720可以针对输入射束730起基本上光学均匀的板的作用。也就是说，OPA720可以针对在配向方向(例如，y轴线方向)上偏振的射束730而在非衍射状态下运行，并且可以使射束730穿其透射，而衍射基本上为零或可忽略不计。
在图7D和图7E所示的实施例中，针对在配向方向上偏振的线性偏振输入射束730(例如，p偏振射束)，OPA720被配置成：当施加到上电极718的子电极的驱动电压的幅度从2π相位重置760-1或760-2中最左子电极718L到最右子电极718R逐渐改变(例如，减小)时，在衍射状态下运行以将射束730衍射(或转向)以作为偏振射束736；或者当施加到上电极718的子电极的驱动电压的幅度从2π相位重置760-1或760-2中最左子电极718L到最右子电极718R基本相同时，在非衍射状态下运行以使射束730透射而衍射可忽略不计。对于在垂直于配向方向的平面内方向(例如，x轴线方向)上偏振的线性偏振输入射束(例如，s偏振射束)，OPA720可以基本上使在平面内方向上线性偏振的输入射束730(例如，s偏振射束)透射，而没有衍射(或转向)或者衍射(或转向)可忽略不计。
图7B至图7E示出了偏振选择性转向元件720的示例性配置，该偏振选择性转向元件是线性偏振选择性的。在一些实施例中，线性偏振选择性转向元件720可以具有图中未示出的其它合适的构造。参考图7A至图7E，偏振选择性转向组件700的总转向角度可以是偏振选择性转向组件700中所包括的各个偏振选择性转向元件720的转向角度的总和。在一些实施例中，控制器(例如，图1A至图1D中所示的控制器120)可以被配置成单独或独立地控制施加到偏振选择性转向元件720的电压，从而单独或独立地控制由偏振选择性转向元件720提供的转向角度。因此，偏振选择性转向组件700的转向状态可以是可切换的。相应地，由偏振选择性转向组件700提供的总转向角度可以在转向角度范围内调节。
返回参考图7A，p偏振输入射束702可以入射到第一偏振选择性转向元件720(例如，标记为LC1)上。控制器(图7A中未示出)可以被配置成单独或独立地控制施加到偏振选择性转向元件720的电压，使得偏振选择性转向组件700可以在转向状态中的一个转向状态下运行，例如以使p偏振输入射束702转向作为p偏振射束704。在一些实施例中，偏振选择性转向组件700还可以包括偏振开关710，该偏振开关设置在转向元件720的堆叠体中的最后一个偏振选择性转向元件720(例如，标记为LC3)之后。偏振开关710可以包括SHWP或TNLC单元。控制器可以被配置成控制偏振开关710在切换状态下运行以将从偏振选择性转向元件720输出的p偏振射束704转换成s偏振射束，或者在非切换状态下运行以维持p偏振射束704的偏振。因此，偏振选择性转向组件700可以被配置成输出线性偏振射束707，该线性偏振射束具有期望转向角度和期望偏振方向。
返回参考图1A至图1D、图2、图4、图6A和图7A，在图1A至图1D所示的实施例中，偏振选择性透镜组件115或145(包括光学串联布置的多个偏振选择性透镜)可以光学耦合到偏振选择性转向组件110或140(包括光学串联布置的多个偏振选择性转向元件)，从而形成堆叠体。尽管未示出，但在一些实施例中，偏振选择性透镜和偏振选择性转向元件可以交替布置以形成堆叠体。例如，在图1A中，线性偏振选择性透镜和线性偏振选择性转向元件可以交替布置以形成堆叠体。在一些实施例中，偏振开关(例如，SHWP或TNLC单元)可以设置在线性偏振选择性透镜与相邻的线性偏振选择性转向元件之间。在图1B中，圆偏振选择性透镜和圆偏振选择性转向元件可以交替布置以形成堆叠体。偏振开关(例如，SHWP 144)可以设置在圆偏振选择性透镜与相邻的圆偏振选择性转向元件之间。第一波片142可以设置在堆叠体与反射器105之间。在图1C中，线性偏振选择性透镜和圆偏振选择性转向元件可以交替布置以形成堆叠体。线性偏振选择性透镜和相邻的圆偏振选择性转向元件可以形成子堆叠体。在每个子堆叠体中，偏振开关(例如，SHWP 144)可以设置在线性偏振选择性透镜与相邻的圆偏振选择性转向元件之间。在子堆叠体中，第一波片(例如，第三波片142b)可以设置在偏振开关与线性偏振选择性透镜之间，并且第二波片(例如，第一波片142a)可以设置在圆偏振选择性转向元件与下一个子堆叠体(或反射器105)之间。换句话说，子堆叠体可以包括光学串联布置的偏振选择性透镜、第一波片(例如，第三波片142b)、偏振开关(例如，SHWP144)、偏振选择性转向元件和第二波片(例如，第一波片142a)。在图1D中，圆偏振选择性透镜和线性偏振选择性转向元件可以交替布置以形成堆叠体。圆偏振选择性透镜和相邻的线性偏振选择性转向元件可以形成子堆叠体。在每个子堆叠体中，偏振开关(例如，SHWP 144)可以设置在圆偏振选择性透镜与相邻的线性偏振选择性转向元件之间。第一波片(例如，第一波片142)可以设置在偏振开关(例如，SHWP 144)与线性偏振选择性转向元件之间，并且第二波片(例如，类似于第一波片142)可以设置在线性偏振选择性转向元件与相邻的子堆叠体之间。
所公开的用于提供3D射束转向的射束转向设备可以在各种领域中具有多种应用。例如，可以在显示器和光学模块中实施基于平面内间距可调的PVH的射束转向设备，以实现光瞳转向式增强现实(“AR”)、虚拟现实(“VR”)和/或混合现实(“MR”)显示系统，这些显示系统包括但不限于全息近眼显示器、视网膜投影眼镜和楔形波导显示器。光瞳转向式AR、VR和/或MR显示系统包括诸如紧凑性、大视场(“FOV”)、高系统效率和小适眼区等特点。可以在光瞳转向式AR、VR和/或MR显示系统中实施基于平面内间距可调的PVH的射束转向设备，以在空间和/或时间上扩大适眼区。在一些实施例中，可以在AR、VR和/或MR感测模块中实施基于平面内间距可调的PVH的射束转向设备，以检测宽角度范围内的对象以实现其它功能。在一些实施例中，所公开的用于提供3D射束转向的射束转向设备可以在AR、VR和/或MR感测模块中实施，以扩展传感器的FOV(或检测范围)、提高传感器的检测分辨率或精度、和/或减少信号处理时间。所公开的用于提供3D射束转向的射束转向设备也可以用于光学通信中，例如以提供千兆字节/秒(Gigabyte/second)级别的数据传输速度和千米级别的数据传输范围。3D射束转向设备还可以用于微波通信、3D成像和感测(例如，射束检测和测距)、光刻和3D打印等。下面将解释AR、VR和MR领域中的一些示例性应用。
图8示意性展示了根据本公开的实施例的显示系统800的示意图。在一些实施例中，显示系统800可以是全息显示系统。在一些实施例中，可以在用于AR、VR和/或MR应用的NED中实施全息显示系统。如图8所示，显示系统800可以包括光源805、光调节设备810、射束转向设备850、眼睛跟踪设备835和控制器820。在一些实施例中，控制器820可以类似于图1A至图1D中所示的控制器120。对控制器820的描述可以参考上面结合图1A至图1D呈现的对控制器120的描述。控制器820可以电耦合到并控制显示系统800中的各种设备，这些设备包括但不限于光源805、眼睛跟踪设备835和射束转向设备850。在一些实施例中，光源805可以包括点光源，该点光源被配置成产生会聚或发散的相干或部分相干射束801。光源805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、发光二极管或它们的任意组合。光调节设备810可以包括一个或多个光学部件，该一个或多个光学部件被配置成调节由光源805产生的射束801，并向射束转向设备850输出具有期望特性的射束803。在一些实施例中，对射束801进行调节可以包括例如偏振、扩展和/或改变射束801的传播方向等。在一些实施例中，控制器820可以控制光调节设备810来调节射束801。在一些实施例中，光源805可以包括单根光纤，该单根光纤耦接到分别发射红色激光束、绿色激光束和蓝色激光束的三个激光二极管。例如，红色激光束、绿色激光束和蓝色激光束可以分别具有大约448nm、524nm和638nm的中心波长。在一些实施例中，这些激光束可以是线性偏振射束。
在一些实施例中，光调节设备810可以包括第一光学元件815和第二光学元件817。在一些实施例中，第一光学元件815可以包括前HOE(出于讨论目的也被称为815)。在一些实施例中，第二光学元件817可以包括空间光调制器(“SLM”，spatial light modulator)(出于讨论目的也被称为817)。前HOE 815可以被配置成将从光源805接收的射束801反射(例如，后向衍射)为照射SLM 817的射束802，从而可以折叠从光源805到SLM 817的射束801的光路以实现紧凑的形状要素。此外，还可以使前HOE 815和光源805的尺寸足够小以减小形状要素。在一些实施例中，由前HOE 815引导的射束802可以覆盖SLM 817的整个有源区域。在一些实施例中，前HOE 815可以被配置成进一步扩展射束801，使得经扩展的射束可以覆盖SLM 817的整个有源区域。在一些实施例中，前HOE 815可以包括固定全息图，该固定全息图被配置成将射束801扩展为射束802，并将经扩展的射束802引导到SLM 817。经扩展的射束802可以覆盖SLM 817的整个有源区域。在一些实施例中，前HOE 815可以是角度选择性的，使得前HOE 815可以基本上反射(例如，后向衍射)具有预定入射角度范围内的入射角度的射束801，但是可以不反射(例如，后向衍射)具有超出预定入射角度范围的入射角度的射束。在一些实施例中，前HOE 815可以被多路复用，使得前HOE 815可以被配置成在多个波长(例如，分别在红色光谱、绿色光谱和蓝色光谱内的那些波长)处具有高的衍射效率。在一些实施例中，红色射束、绿色射束和蓝色射束可以分别以448nm、524nm和638nm为中心。
SLM 817可以被配置成调制从前HOE 815反射(例如，后向衍射)的射束802。例如，SLM 817可以被配置成在空间和/或时间上调制射束802的幅度、相位和/或偏振，以提供用于生成显示图像的计算机生成的全息图。可以使用任何合适的SLM 817。例如，SLM 817可以包括LC材料。在一些实施例中，SLM 817可以包括半透明或反射型LC微型显示器。在一些实施例中，SLM 817可以包括垂直配向的向列型LC单元、平行配向的向列型LC单元、或扭曲的向列型LC单元。在一些实施例中，SLM 817可以被电编程以基于固定的空间(或像素)图案来调制射束802。
对应于由SLM 817生成的全息图的经调制的射束803可以入射到射束转向设备850上。射束转向设备850可以是本文公开的任何射束转向设备，例如图1A所示的射束转向设备100、图1B所示的射束转向设备130、图1C所示的射束转向设备160、或图1D所示的射束转向设备190。出于讨论的目的和说明的目的，图8示出了射束转向设备850具有与图1B所示的射束转向设备130类似的构造。例如，射束转向设备850可以包括光学串联布置的反射器(例如，HOE)105、第一波片142、偏振选择性转向组件140、第二波片144和偏振选择性透镜组件145，如图1B所示那样。
眼睛跟踪设备835可以被配置成提供眼睛跟踪信息，基于该眼睛跟踪信息可以确定显示系统800的用户的眼睛瞳孔855的位置。可以使用任何合适的眼睛跟踪设备835。眼睛跟踪设备835可以包括例如照亮用户的一只或两只眼睛的一个或多个光源，以及采集一只或两只眼睛的图像的一个或多个相机。眼睛跟踪设备835可以被配置成跟踪眼睛瞳孔855的位置、运动和/或观察方向。在一些实施例中，眼睛跟踪设备835可以测量每只眼睛的眼睛位置和/或多达六个自由度的眼睛运动(即，3D位置、滚动、俯仰和偏转)。在一些实施例中，眼睛跟踪设备835可以测量瞳孔大小。眼睛跟踪设备835可以向控制器820提供包含眼睛瞳孔855的位置和/或运动的信号(或反馈)。
射束转向设备850可以被配置成提供3D射束转向。例如，偏振选择性转向组件140可以被配置成使射束803相对于射束803的输入光路在一个维度或两个维度(例如，x轴线方向和/或y轴线方向)上例如在x-y位置横向转向(或移位)，并且偏振选择性透镜组件145可以被配置成使图像平面117(射束803聚焦在该图像平面处)在第三维度(例如，在z轴线方向)上竖直地移位。在一些实施例中，基于来自眼睛跟踪设备835的眼睛跟踪信息，控制器820可以被配置成控制射束转向设备850将从SLM 817接收的射束803转向并聚焦到显示系统800的一个或多个出射光瞳所在的图像平面117处的一个或多个点。出于讨论目的，图8中仅示出了一个点O1。出射光瞳可以是用户的眼睛瞳孔855位于显示系统800的适眼区区域830中的位置。在一些实施例中，一个或多个出射瞳孔可以在适眼区830同时可用。在一些实施例中，一个或多个出射光瞳可以在适眼区830内以一维(“1D”)或二维(“2D”)阵列布置。在一些实施例中，由射束转向设备850同时提供的一个或多个出射光瞳可以间隔开，并且这些出射光瞳中的一个出射光瞳可以与眼睛瞳孔855的位置基本一致。也就是说，可以将多个点中的一个点引导到眼睛瞳孔855中，使得用户可以观察到由SLM 817生成的显示图像。在一些实施例中，由射束转向设备850提供的出射光瞳可以被充分地隔开，使得当多个出射光瞳中的一个出射光瞳基本上与眼睛瞳孔855的位置一致(即，这些点中的一个点落在眼睛瞳孔855上)时，剩余的一个或多个出射光瞳可以位于眼睛瞳孔855的位置之外(例如，落在眼睛855之外)。
为了说明的目的，图8示出了射束转向设备850的两种运行状态。例如，在第一时刻或时段，眼睛跟踪设备835可以检测到眼睛瞳孔855位于适眼区830内的第一位置P1。基于眼睛跟踪信息，控制器820可以控制射束转向设备850，使得偏振选择性转向组件140可以在第一运行状态(例如，第一转向状态)下运行(例如，被切换到第一运行状态(例如，第一转向状态))，并且偏振选择性透镜组件145可以在第一透镜状态下运行。从光调节设备810接收的射束803可以由射束转向设备850转向并聚焦到第一图像平面117-1处的第一出射光瞳O1，该第一图像平面距反射器105具有图像距离d1。第一出射光瞳O1可以与眼睛瞳孔855的第一位置P1基本一致。
在第二时刻或时段，眼睛跟踪设备835可以检测到眼睛瞳孔855已经移动到适眼区830处的第二位置P2。眼睛跟踪设备835可以将新的位置信息(作为眼睛跟踪信息的一部分)提供给控制器820。可替代地，在一些实施例中，控制器820可以基于从眼睛跟踪设备835接收到的眼睛瞳孔855的图像来确定新的眼睛跟踪信息。控制器820可以控制射束转向设备850，使得偏振选择性转向组件140可以从第一转向状态切换到第二转向状态(例如，第二转向状态)，并且偏振选择性透镜组件145可以从第一透镜状态切换到第二透镜状态。因此，从光调节设备810接收的射束803可以由射束转向设备850转向并聚焦到第二图像平面117-2处的第二出射光瞳O2，该第二图像平面距反射器105具有图像距离d2。第二出射光瞳O2可以与眼睛瞳孔855的第二位置P2基本一致。如图8所示，图像距离d2大于图像距离d1，并且第二出射光瞳O2相对于第一出射光瞳O1具有(例如，在y轴线方向上)的横向移位和(例如，在z轴线方向上)的竖直移位。尽管未示出，但在一些实施例中，第二出射光瞳O2可以具有相对于第一出射光瞳O1(例如，在y轴线方向和/或x轴线方向上)的横向移位和(例如，在z轴线方向)的竖直移位。因此，基于眼睛跟踪信息，控制器820可以被配置成基于眼睛瞳孔855的改变位置来控制射束转向设备850使从光调节设备810接收的射束803在3D空间中转向。
如以上结合图1B所讨论的，在一些实施例中，可以通过调节偏振选择性透镜组件145的光学能力(或切换偏振选择性透镜组件的透镜状态)来调节图像距离d。可以通过偏振选择性透镜组件145的总光学能力的调节范围来确定图像距离d在第三维度(例如，在z轴线方向)上的调节范围。在一些实施例中，由射束转向设备850提供的图像距离d在第三维度(例如，在z轴线方向上)的调节范围可以被配置成当眼睛围绕标称位置转动时至少与眼睛瞳孔855的深度匹配。例如，当眼睛围绕标称位置转动时，图像距离d的最小值可以被配置成基本上等于(或小于)眼睛瞳孔855与反射器105之间的最小距离，并且当眼睛围绕标称位置转动时，图像距离d的最大值可以被配置成基本上等于(或大于)眼睛瞳孔855与反射器105之间的最大距离。也就是说，由射束转向设备850提供的图像距离d在第三维度(例如，在z轴线方向)上的调节范围可以被配置成考虑围绕标称位置的眼睛转动。在一些实施例中，图像距离d在z轴线方向上的调节范围可以被配置成至少匹配不同用户之间的适眼距的变化。例如，图像距离d的最小值可以被配置成基本上等于(或小于)潜在用户中的最短眼距，并且图像距离d的最大值可以被配置成基本上等于(或大于)潜在用户中的最长眼距。
在一些实施例中，射束转向设备850在用于AR应用时对于来自真实世界环境的射束806可以基本上是透明的。射束转向设备850中所包括的反射器105可以组合来自真实世界环境的射束803(图像光)和射束806，并将两个射束引向适眼区830。反射器105还可以被称为图像组合器(出于讨论的目的也被称为105)。在一些实施例中，图像组合器105可以包括HOE。在一些实施例中，HOE可以被配置成具有宽FOV。在一些实施例中，HOE可以包括固定的全息图。在一些实施例中，HOE可以包括被配置成在一组狭窄的角度和波长上起作用的体(或布拉格)全息图。在一些实施例中，HOE可以被多路复用以在多个波长(例如，红色、绿色和蓝色波长)下具有高衍射效率，从而实现全色显示。在一些实施例中，HOE可以对输入射束具有角度选择性，并且可以与多个全息图多路复用，使得HOE的光学处方可以根据输入射束的入射角度而改变。在一些实施例中，多路复用的全息图可以对与偏振选择性转向组件140的转向状态和偏振选择性透镜组件145的透镜状态相对应的入射角度具有角度选择性。在一些实施例中，用于各个多路复用的全息图的光学配方可以被设计成针对偏振选择性转向组件140的各个转向状态和偏振选择性透镜组件145的各个透镜状态校正光学像差(例如，瞳孔像差)。
在一些实施例中，当用于AR和/或MR应用时，除了偏振选择性转向组件140和偏振选择性透镜组件145的第一堆叠体之外，显示系统800还可以包括偏振选择性转向组件840和偏振选择性透镜组件845的第二堆叠体。例如，反射器105可以具有面向眼睛瞳孔855的第一侧和与第一侧相反的第二侧。偏振选择性转向组件140和偏振选择性透镜组件145的第一堆叠体可以设置在反射器105的第一侧处，而偏振选择性转向组件840和偏振选择性透镜组件845的第二堆叠体可以设置在反射器105的第二侧处。偏振选择性转向组件840和偏振选择性透镜组件845可以分别类似于偏振选择性转向组件140和偏振选择性透镜组件145。控制器820可以与偏振选择性转向组件840和偏振选择性透镜组件845通信耦合，以控制偏振选择性转向组件840和偏振选择性透镜组件845的运行。在一些实施例中，当用于AR和/或MR应用时，控制器820可以被配置成控制偏振选择性转向组件840和偏振选择性转向组件140，以为来自真实世界环境的射束806提供相反的转向效应。控制器820可以控制偏振选择性透镜组件845和偏振选择性透镜组件145，以为来自真实世界环境的射束806提供相反的透镜效应。例如，由偏振选择性转向组件840和偏振选择性转向组件140提供给射束806的转向角度可以具有相反的符号和基本相同的绝对值。由偏振选择性透镜组件845和偏振选择性透镜组件145提供给射束806的光学能力可以具有相反的符号和基本相同的绝对值。因此，偏振选择性转向组件840和偏振选择性透镜组件845的第二堆叠体可以被配置成补偿由偏振选择性转向组件140和偏振选择性透镜组件145的第一堆叠体引起的射束806(表示真实世界图像)的失真，从而可以基本上不改变通过显示系统800观看的真实世界对象的图像。
在所公开的实施例中，射束转向设备850可以被配置成向图像射束(表示虚拟图像)提供3D射束转向。偏振选择性转向组件140可以被配置成向从光调节设备810接收的射束803提供多个转向状态。多个转向状态可以对应于提供给射束803的转向角度(或衍射角度)的连续或离散调节的范围。偏振选择性透镜组件145可以被配置成向射束803提供多个透镜状态。多个透镜状态可以对应于提供给射束803的光学能力的连续或离散调节的范围。提供给射束803的光学能力的连续或离散调节的范围可以对应于射束803聚焦所在的图像平面117的图像距离d的调节范围。提供给射束803的转向角度(或衍射角度)的连续或离散调节的范围可以对应于射束803被转向到的(在图像平面117处的)点O的横向位置(例如，x坐标和y坐标)的调节范围。因此，可以基于眼睛跟踪信息在3D空间中提供显示系统800的出射光瞳的连续或离散移位以覆盖扩展的适眼区。换句话说，可以实现3D光瞳转向。射束转向设备850可以是厚度为几毫米的紧凑型，以减小显示系统800的形状要素。此外，射束转向设备850当在不同的转向状态之间和/或在不同的透镜状态之间切换时，可以具有快速的切换速度。例如，在不同的转向状态之间和/或在不同的透镜状态之间的切换可能需要几毫秒，这可以足够快速地跟上眼睛瞳孔855的移动。因此，可以提供实时眼睛跟踪和出射光瞳位置的实时3D移位。
图9A展示了根据本公开的实施例的近眼显示器(“NED”)900的示意图。图9B是根据本公开的实施例的图9A中所示的NED 900的一半的截面视图。为了说明的目的，图9B示出了与左眼显示系统910L相关联的截面视图。NED 900可以包括图9A或图9B中未示出的控制器120或820、以及眼睛跟踪设备835。如图9A和图9B所示，NED 900可以包括被配置成安装到用户头部的框架905。NED 900可以包括安装到框架905的右眼显示系统910R和左眼显示系统910L。右眼显示系统910R和左眼显示系统910L可以包括图像显示部件，图像显示部件被配置成将计算机生成的虚拟图像投射到视场(“FOV”)中的左显示窗口915L和右显示窗口915R中。右眼显示系统910R和左眼显示系统910L可以是本文公开的任何显示系统，例如图8所示的显示系统800。
出于说明的目的，图9A示出了投射系统可以包括联接到框架905的投射器935。投射器935可以产生表示虚拟图像的图像光。如图9B所示，图像光可以由左眼显示系统910L引导到出射光瞳960。出射光瞳960可以是用户的眼睛瞳孔955位于左眼显示系统910L的适眼区区域930中的位置。基于动态获得的眼睛跟踪信息，包括射束转向设备950的左眼显示系统910L可以将图像光转向并聚焦到适眼区区域930内的不同点，从而改变出射光瞳960的位置以匹配眼睛960的眼睛瞳孔935的改变位置。射束转向设备950可以是本文公开的射束转向设备的任何实施例。NED 900可以用作VR设备、AR设备、MR设备或它们的任意组合。在一些实施例中，当NED 900用作AR或MR设备时，从用户的角度来看，右显示窗口915R和左显示窗口915L可以是完全或部分透明的，这可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915R和左显示窗口915L可以是不透明的，使得用户可以完全专注于基于计算机生成的图像的VR影像。在一些实施例中，NED 900还可以包括调光元件940，该调光元件可以动态地调节通过右显示窗口915R和左显示窗口915L传播的真实世界的光的透射率，从而在VR设备与AR设备之间或者在VR设备与MR设备之间切换NED 900。在一些实施例中，随着VR设备与AR设备之间/VR设备与MR设备之间的切换，调光元件940可以用在AR设备中以减轻真实对象和虚拟对象的亮度差异。
根据各种实施例，本公开提供了一种设备，该设备包括透镜组件和转向组件的堆叠体。堆叠体可以被配置成从第一侧接收射束并从第二侧输出射束。透镜组件可以被配置成向射束提供可调节的光学能力。转向组件可以被配置成向射束提供可调节的转向角度。该设备还可以包括反射器，该反射器被配置成接收从堆叠体的第二侧输出的射束，并将该射束反射回堆叠体的第二侧。从反射器反射回的射束可以入射到堆叠体的第二侧，并从堆叠体的第一侧输出以聚焦在具有预定区域的一个或多个点处。该设备还可以包括控制器，该控制器被配置成控制透镜组件以选择性地向射束提供多个光学能力中的一个光学能力，并且选择性地控制转向组件以选择性地向射束提供多个转向角度中的一个转向角度。透镜组件可以包括光学串联布置的多个透镜，并且多个透镜中的至少一个透镜可以是可变透镜。转向组件可以包括光学串联布置的多个光栅，并且多个光栅中的至少一个光栅可以是可切换光栅。射束在从透镜组件的两侧入射到透镜组件上时可以具有相同的第一偏振。射束在从转向组件的两侧入射到转向组件上时可以具有相同的第二偏振。第一偏振可以与第二偏振相同或不同。在一些实施例中，反射器可以包括全息光学元件。在一些实施例中，从堆叠体的第二侧输出的射束可以是线性偏振的，并且反射器可以被配置成在将射束反射回堆叠体的第二侧时维持从堆叠体的第二侧输出的射束的线性偏振。在一些实施例中，从堆叠体的第二侧输出的射束可以是圆偏振的，并且该设备还可以包括波片，该波片设置在反射器与堆叠体之间并且被配置成将从堆叠体的第二侧输出的射束的第一圆偏振转换成线性偏振。反射器可以被配置成在将射束反射回堆叠体的第二侧时维持射束的线性偏振，并且波片可以被配置成将从反射器反射回的射束的线性偏振转换成与第一圆偏振正交的第二圆偏振。
在一些实施例中，透镜组件和转向组件可以是线性偏振选择性的。在一些实施例中，透镜组件和转向组件可以是圆偏振选择性的。该设备还可以包括波片，该波片设置在反射器与堆叠体之间并且被配置成向射束提供四分之一波长延迟。该设备还可以包括偏振开关，该偏振开关设置在转向组件与透镜组件之间并且被配置成切换或维持射束的偏振。
在一些实施例中，透镜组件可以是线性偏振选择性的，而转向组件可以是圆偏振选择性的。该设备还可以包括第一波片，该第一波片设置在反射器与堆叠体之间并且被配置成向射束提供四分之一波长延迟。该设备还可以包括第二波片，该第二波片设置在转向组件与透镜组件之间并且被配置成向射束提供四分之一波长延迟。该设备还可以包括偏振开关，该偏振开关设置在第二波片与透镜组件之间并且被配置成切换或维持射束的偏振。
在一些实施例中，透镜组件可以是圆偏振选择性的，并且转向组件可以是线性偏振选择性的。该设备还可以包括波片，该波片设置在转向组件与透镜组件之间并且被配置成向射束提供四分之一波长延迟。该设备还可以包括偏振开关，该偏振开关设置在波片与透镜组件之间并且被配置成切换或维持射束的偏振。
根据各种实施例，本公开提供了一种包括眼睛跟踪设备的系统，该眼睛跟踪设备被配置成获取眼睛瞳孔的眼睛跟踪信息。该系统还可以包括射束转向设备，该射束转向设备包括透镜组件和转向组件的堆叠体。堆叠体可以被配置成从第一侧接收射束并从第二侧输出射束。射束转向设备还可以包括反射器，该反射器被配置成接收从堆叠体的第二侧输出的射束，并将该射束反射回到堆叠体的第二侧。从反射器反射回的射束可以入射到堆叠体的第二侧并且从堆叠体的第一侧输出。该系统还可以包括控制器，该控制器被配置成基于眼睛跟踪信息来控制堆叠体以调节由转向组件提供的转向角度或由透镜组件提供的光学能力中的至少一者以使射束转向到眼睛瞳孔。
在该系统中，透镜组件可以包括光学串联布置的多个透镜，并且这些透镜中的至少一个透镜可以是可变透镜。转向组件可以包括光学串联布置的多个光栅，并且光栅中的至少一个光栅可以是可切换光栅。射束在从透镜组件的两侧入射到透镜组件上时可以具有相同的第一偏振。射束在从转向组件的两侧入射到转向组件上时可以具有相同的第二偏振。第一偏振可以与第二偏振相同或不同。在一些实施例中，反射器可以包括全息光学元件。在一些实施例中，从堆叠体的第二侧输出的射束可以是线性偏振的，并且反射器可以被配置成在将射束反射回堆叠体的第二侧时维持从堆叠体的第二侧输出的射束的线性偏振。在一些实施例中，从堆叠体的第二侧输出的射束可以是圆偏振的，并且该系统还可以包括波片，该波片设置在反射器与堆叠体之间并且被配置成将从堆叠体的第二侧输出的射束的第一圆偏振转换成线性偏振。反射器可以被配置成在将射束反射回堆叠体的第二侧时维持射束的线性偏振，并且波片可以被配置成将从反射器反射回的射束的线性偏振转换成与第一圆偏振正交的第二圆偏振。
在一些实施例中，在该系统中，透镜组件和转向组件可以是线性偏振选择性的。在一些实施例中，透镜组件和转向组件可以是圆偏振选择性的。该系统还可以包括波片，该波片设置在反射器与堆叠体之间并且被配置成向射束提供四分之一波长延迟。该系统还可以包括偏振开关，该偏振开关设置在转向组件和透镜组件之间并且被配置成切换或维持射束的偏振。
在一些实施例中，在该系统中，透镜组件可以是线性偏振选择性的，而转向组件可以是圆偏振选择性的。该系统可以包括第一波片，该第一波片设置在反射器与堆叠体之间并且被配置成向射束提供四分之一波长延迟。该系统可以包括第二波片，该第二波片设置在转向组件与透镜组件之间并且被配置成向射束提供四分之一波长延迟。该系统还可以包括偏振开关，该偏振开关设置在第二波片与透镜组件之间并且被配置成切换或维持射束的偏振。
在一些实施例中，在该系统中，透镜组件可以是圆偏振选择性的，而转向组件可以是线性偏振选择性的。该系统包括波片，该波片设置在转向组件与透镜组件之间并且被配置成向射束提供四分之一波长延迟。该系统还可以包括偏振开关，该偏振开关设置在波片与透镜组件之间并且被配置成切换或维持射束的偏振。
本文描述的这些步骤、操作或过程中的任何步骤、操作或过程可以单独地或与其它设备相结合地使用一个或多个硬件和/或软件模块执行或实施。在一个实施例中，用计算机程序产品实施软件模块，该计算机程序产品包括包含计算机程序代码的计算机可读介质，该计算机程序代码可由计算机处理器执行以用于执行所描述的这些步骤、操作、或过程中的任何一个或全部。在一些实施例中，硬件模块可以包括硬件部件，例如设备、系统、光学元件、控制器、电子电路、逻辑门等。
此外，当附图中所示的一个实施例示出单个元件时，应当理解，该实施例或附图中未示出但在本公开的范围内的另一实施例可以包括多个这样的元件。同样地，当附图中示出的一个实施例示出了多个这样的元件时，应当理解，该实施例或附图中未示出但在本公开的范围内的另一实施例可以仅包括一个这样的元件。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，否则附图中示出的多个实施例不是相互排斥的，并且该多个实施例可以以任何合适的方式组合。例如，在一个附图/实施例中示出但未在另一个附图/实施例中示出的元件仍然可以被包括在另一个附图/实施例中。在本文公开的包括一个或多个光学层、膜、板或元件的任何光学设备中，附图中所示的层、膜、板或元件的数量仅用于说明的目的。在附图中未示出但仍在本公开的范围内的其它实施例中，在相同或不同的附图/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或重复以形成堆叠体。
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，做出各种其它改变、修改、重新布置和替换。因此，尽管已经参考以上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，本公开可以以其它等同形式来体现。本公开的范围在所附权利要求中限定。

Claims (15)

1.一种设备，所述设备包括：
透镜组件和转向组件的堆叠体，所述堆叠体被配置成从第一侧接收射束并从第二侧输出所述射束，其中，所述透镜组件被配置成向所述射束提供可调节的光学能力，并且所述转向组件被配置成向所述射束提供可调节的转向角度；以及
反射器，所述反射器被配置成接收从所述堆叠体的第二侧输出的射束，并将所述射束反射回到所述堆叠体的第二侧，
其中，从所述反射器反射回的所述射束入射到所述堆叠体的第二侧上，并从所述堆叠体的第一侧输出。
2.根据权利要求1所述的设备，所述设备还包括控制器，所述控制器被配置成控制所述透镜组件以选择性地向所述射束提供多个光学能力中的一个光学能力，以及选择性地控制所述转向组件以选择性地向所述射束提供多个转向角度中的一个转向角度。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述透镜组件和所述转向组件是线性偏振选择性的。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述透镜组件和所述转向组件是圆偏振选择性的。
5.根据权利要求4所述的设备，所述设备还包括：
波片，所述波片设置在所述反射器与所述堆叠体之间，并且被配置成向所述射束提供四分之一波长延迟；以及
偏振开关，所述偏振开关设置在所述转向组件与所述透镜组件之间，并且被配置成切换或维持所述射束的偏振。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述透镜组件是线性偏振选择性的，并且所述转向组件是圆偏振选择性的。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述透镜组件是圆偏振选择性的，并且所述转向组件是线性偏振选择性的。
8.根据权利要求7所述的设备，所述设备还包括：
波片，所述波片设置在所述转向组件与所述透镜组件之间，并且被配置成向所述射束提供四分之一波长延迟；以及
偏振开关，所述偏振开关设置在所述波片与所述透镜组件之间，并且被配置成切换或维持所述射束的偏振。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，
所述透镜组件包括光学串联布置的多个透镜，所述多个透镜中的至少一个透镜是可变透镜，并且
所述转向组件包括光学串联布置的多个光栅，所述多个光栅中的至少一个光栅是可切换光栅。
10.一种系统，所述系统包括：
眼睛跟踪设备，所述眼睛跟踪设备被配置成获取眼睛瞳孔的眼睛跟踪信息；
射束转向设备，所述射束转向设备包括：
透镜组件和转向组件的堆叠体，所述堆叠体被配置成从第一侧接收射束并从第二侧输出所述射束；以及
反射器，所述反射器被配置成接收从所述堆叠体的第二侧输出的射束，并将所述射束反射回到所述堆叠体的第二侧，
其中，从所述反射器反射回的所述射束入射到所述堆叠体的第二侧上并从所述堆叠体的第一侧输出；以及
控制器，所述控制器被配置成基于所述眼睛跟踪信息控制所述堆叠体以调节由所述转向组件提供的转向角度或由所述透镜组件提供的光学能力中的至少一者，以将所述射束转向到所述眼睛瞳孔。
11.根据权利要求1所述的设备和根据权利要求10所述的系统，其中，所述射束在从所述透镜组件的两侧入射到所述透镜组件上时具有相同的第一偏振，并且所述射束在从所述转向组件的两侧入射到所述转向组件上时具有相同的第二偏振。
12.根据权利要求1所述的设备和根据权利要求10所述的系统，其中，所述反射器包括全息光学元件。
13.根据权利要求12所述的设备和系统，其中，所述反射器被配置成在将所述射束反射回到所述堆叠体的第二侧时，维持从所述堆叠体的第二侧输出的射束的线性偏振。
14.根据权利要求12所述的设备和系统，所述设备和所述系统还包括：
波片，所述波片设置在所述反射器与所述堆叠体之间，并且被配置成将从所述堆叠体的第二侧输出的射束的第一圆偏振转换成线性偏振，
其中，所述反射器被配置成在将所述射束反射回到所述堆叠体的第二侧时，维持所述射束的线性偏振，并且
其中，所述波片被配置成将从所述反射器反射回的所述射束的线性偏振转换成与所述第一圆偏振正交的第二圆偏振。
15.根据权利要求6所述的设备和权利要求10所述的系统，所述设备和所述系统还包括：
第一波片，所述第一波片设置在所述反射器与所述堆叠体之间，并且被配置成向所述射束提供四分之一波长延迟；
第二波片，所述第二波片设置在所述转向组件与所述透镜组件之间，并且被配置成向所述射束提供四分之一波长延迟；以及
偏振开关，所述偏振开关设置在所述第二波片与所述透镜组件之间，并且被配置成切换或维持所述射束的偏振。
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