CN117413220A - 蓝相液晶偏振全息图及包括其的设备 - Google Patents

蓝相液晶偏振全息图及包括其的设备 Download PDF

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CN117413220A
CN117413220A CN202380012022.7A CN202380012022A CN117413220A CN 117413220 A CN117413220 A CN 117413220A CN 202380012022 A CN202380012022 A CN 202380012022A CN 117413220 A CN117413220 A CN 117413220A
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小尼古拉斯·约翰·迪奥里奥
吕璐
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Abstract

一种设备，包括聚合物稳定蓝相液晶(“PS‑BPLC”)层。该设备还包括与PS‑BPLC层耦接的配向结构。与配向结构接触设置的多个LC分子被配置成具有至少部分地由该配向结构限定的空间变化的面内取向图案。PS‑BPLC层被配置成向前偏转具有预定旋向性的偏振光，并且透射具有与该预定旋向性正交的旋向性的偏振光。

Description

蓝相液晶偏振全息图及包括其的设备
技术领域
本公开总体上涉及光学部件和光学设备，并且更具体地涉及蓝相液晶偏振全息图和包括蓝相液晶偏振全息图的设备。
背景技术
液晶偏振全息图(“liquid crystal polarization hologram，LCPH”)结合了液晶设备的特点和偏振全息图的特点。在过去的几十年，液晶显示器(“liquid crystaldisplay，LCD”)已经成长为价值万亿美元的产业，是液晶设备最成功的示例。LCD行业在规模化制造方面进行了巨大的投资，从低端2.5代(G2.5)生产线到高端10.5+代(G10.5+)生产线来满足市场对显示器的需求。然而，LCD行业最近面临着来自有机发光二极管(“organiclight emitting diode，OLED”)、电子纸(e-paper)和其它新兴显示技术的竞争，这已经使得LCD行业的增长速度变缓并导致大量早期的产能过剩。这为重新利用LCD闲置产能和现有供应链来制造以偏振全息图为特征的新型LC光学设备提供了机会。
LCPH或LCPH元件具有如下特点：比如厚度小(约1μm)、重量轻、紧凑、大孔径、高效率、制造简单等。因此，LCPH元件在光学设备和光学系统应用(例如，近眼显示器(“near-eyedisplay，NED”)、平视显示器(“head-up display，HUD”)、头戴式显示器(“head-mounteddisplay，HMD”)、智能手机、膝上型计算机、电视机或交通工具等)中获得了越来越多的关注。例如，LCPH元件可以用于解决辐辏调节冲突、在空间受限的光学系统中实现薄而高效的眼动追踪和深度感测、开发用于成像的光学组合器、校正色差以提升紧凑型光学系统中的折射式光学元件的图像分辨率、以及提高光学系统的效率并减小光学系统的尺寸。
发明内容
根据本公开的第一方面，提供了一种设备，该设备包括：聚合物稳定蓝相液晶(“polymer stabilized blue phase liquid crystal，PS-BPLC”)层；配向结构，该配向结构与该PS-BPLC层耦接，其中，与该配向结构接触设置的多个LC分子被配置成具有至少部分地由该配向结构限定的空间变化的面内取向图案；并且其中，该PS-BPLC层被配置成向前偏转具有预定旋向性的偏振光，并且透射具有与该预定旋向性正交的旋向性的偏振光。根据权利要求1所述的设备，其中，与该配向结构接触设置的多个LC分子被配置成沿以下方向中的至少一个方向周期性或非周期性地旋转：线性方向、径向方向或方位角方向。
在一些实施例中，该PS-BPLC层包括约70wt％至90wt％的向列型液晶主体、约5wt％至10wt％的手性掺杂剂以及聚合物网络。
在一些实施例中，该PS-BPLC层包括多个双扭曲圆柱体(double twistcylinder)，该多个双扭曲圆柱体在该PS-BPLC层的厚度方向上具有相同的晶格常数(lattice constant)。
在一些实施例中，该PS-BPLC层包括多个双扭曲圆柱体，该多个双扭曲圆柱体在该PS-BPLC层的厚度方向或该PS-BPLC层的面内方向中的至少一个方向上具有变化的晶格常数。
在一些实施例中，该PS-BPLC层包括以堆叠构造布置的多个子层，每个子层包括跨该子层具有相同晶格常数的多个双扭曲圆柱体，并且至少两个子层具有不同的晶格常数。
在一些实施例中，该配向结构包括设置在该PS-BPLC层的相反两侧的第一配向结构和第二配向结构，并且该设备还包括分别与该第一配向结构和该第二配向结构耦接的第一电极和第二电极。
根据本公开的第二方面，提供了一种系统，该系统包括：光源组件，该光源组件被配置成产生表示虚拟图像的图像光；以及光学组合器，该光学组合器被配置成接收图像光，该图像光离轴入射到图像组合器上，该光学组合器被配置成使该图像光聚焦以穿过形成未压缩适眼区的多个子适眼区传播，其中，该光学组合器包括聚合物稳定蓝相液晶(“PS-BPLC”)层和配向结构，并且设置在该PS-BPLC层的表面处的多个LC分子配置有至少部分地由该配向结构限定的预定的面内取向图案。
在一些实施例中，该PS-BPLC层包括多个子层，该多个子层被配置成使该图像光聚焦以穿过多个子适眼区传播。
在一些实施例中，每个子层被配置成可在如下操作之间切换：在活动状态下操作和在非活动状态下操作，并且在该活动状态下操作的该子层被配置成使该图像光聚焦以穿过一子适眼区传播，而在该非活动状态下操作的该子层被配置成透射该图像光。
在一些实施例中，该系统还包括控制器，该控制器被配置成选择性地将该多个子层中的一个或多个子层配置成在该活动状态下操作，以使该图像光聚焦以穿过形成压缩适眼区的一个或多个子适眼区传播，该压缩适眼区的大小小于该未压缩适眼区的大小；并且该控制器还被配置成选择性地将该多个子层中的其余一个或多个子层配置成在该非活动状态下操作。
在一些实施例中，该系统还包括眼动追踪设备，该眼动追踪设备被配置成获得眼睛瞳孔的眼动追踪信息，其中，该控制器与该眼动追踪设备耦接，并且被配置成基于该眼动追踪信息选择性地将该一个或多个子层配置成在该活动状态下操作。
根据本公开的第三方面，提供了一种设备，该设备包括：光源组件，该光源组件被配置成输出光；以及光导，该光导与耦入元件和耦出元件耦接，该耦入元件被配置成将从该光源接收到的光耦入该光导中作为耦入光，并且该耦出元件被配置成将该耦入光从该光导耦出作为多个输出光，其中，该耦入元件或该耦出元件中的至少一者包括聚合物稳定蓝相液晶(“PS-BPLC”)层和配向结构，并且其中，该PS-BPLC层被配置成向前偏转具有预定旋向性的偏振光，并且透射具有与该预定旋向性正交的旋向性的偏振光。
在一些实施例中，该光源组件包括显示元件，该显示元件设置在该光导的输入侧并且被配置成输出该光，并且该光是表示虚拟图像的图像光。
在一些实施例中，该系统还包括透镜组件，该透镜组件被配置成将从该耦出元件接收到的输出光聚焦到位于该系统的适眼区内的图像平面，其中，该透镜组件设置在该光导的面向该适眼区的一侧，并且其中，该耦入元件或该耦出元件中的该至少一者中所包括的该PS-BPLC层是第一PS-BPLC层，并且该透镜组件包括第二PS-BPLC层。
在一些实施例中，该透镜组件被配置成向该输出光提供可调光焦度(opticalpower)或可调转向角度中的至少一者。
在一些实施例中，该透镜组件是第一透镜组件，并且该光导的面向该适眼区的该侧是第一侧，该系统还包括设置在该光导的第二侧的第二透镜组件，并且该第二透镜组件包括第三PS-BPLC层。
在一些实施例中，该系统还包括设置在该光导的输出侧的显示面板，并且该显示面板被配置成由该光导的输出光照亮。
在一些实施例中，该显示面板被配置成将从该光导接收到的输出光调制为表示虚拟图像的图像光。
在一些实施例中，该系统还包括透镜组件，该透镜组件被配置成将从该显示面板接收到的图像光聚焦到位于该系统的适眼区内的图像平面，其中，该透镜组件设置在该光导的面向该适眼区的一侧，并且其中，该耦入元件或该耦出元件中的该至少一者中所包括的该PS-BPLC层是第一PS-BPLC层，并且该透镜组件包括第二PS-BPLC层。
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。前面的概括性描述和下面的详细描述仅是示例性和说明性的，而不是对权利要求书的限制。
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，并不旨在限制本公开的范围。在附图中：
图1A示意性地展示了蓝相液晶(“BPLC”)的双扭曲圆柱体结构；
图1B示意性地展示了处于电压关断状态的聚合物稳定蓝相液晶(“PS-BPLC”)元件；
图1C示意性地展示了处于电压导通状态的PS-BPLC元件；
图2A示意性地展示了根据本公开的实施例的BPLC偏振全息元件；
图2B至图2F示意性地展示了根据本公开的各种实施例的图2A中所示的BPLC偏振全息元件中的液晶分子的面内取向的各种视图；
图2G至图2L示意性地展示了根据本公开的各种实施例的图2A中所示的BPLC偏振全息元件中的双扭曲圆柱体的各种视图；
图3A展示了根据本公开的实施例的反射式BPLC偏振全息元件对输入光的偏振选择性偏转；
图3B展示了根据本公开的实施例的透射式BPLC偏振全息元件对输入光的偏振选择性偏转；
图4A至图4C展示了根据本公开的各种实施例的BPLC偏振全息元件的电调谐；
图5A至图5D示意性地展示了根据本公开的实施例的用于制造BPLC偏振全息元件的过程和制造的BPLC偏振全息元件；
图6A至图6C示意性地展示了根据本公开的实施例的用于制造BPLC偏振全息元件的过程和制造的BPLC偏振全息元件；
图7A示意性地展示了根据本公开的实施例的包括一个或多个BPLC偏振全息元件的系统；
图7B示意性地展示了根据本公开的实施例的包括一个或多个BPLC偏振全息元件的系统；
图8A示意性地展示了根据本公开的实施例的包括一个或多个BPLC偏振全息元件的系统；
图8B示意性地展示了根据本公开的实施例的包括一个或多个BPLC偏振全息元件的系统；
图9A示意性地展示了根据本公开的实施例的包括一个或多个BPLC偏振全息元件的系统；
图9B示意性地展示了根据本公开的实施例的包括一个或多个BPLC偏振全息元件的系统；
图10A示意性地展示了根据本公开的实施例的包括一个或多个BPLC偏振全息元件的系统；
图10B示意性地展示了根据本公开的实施例的从图10A所示的系统中的显示元件到适眼区的图像光的光路；
图10C示意性地展示了根据本公开的实施例的从图10A所示的系统中的显示元件到薄饼透镜组件的图像光的光路；
图11示意性地展示了根据本公开的实施例的包括一个或多个BPLC偏振全息元件的系统；
图12A展示了根据本公开的实施例的人工现实设备的示意图；
图12B示意性地展示了根据本公开的实施例的图12A所示的人工现实设备的一半的截面图；
图13A示意性地展示了根据本公开的实施例的包括一个或多个BPLC偏振全息元件的系统；以及
图13B示意性地展示了根据本公开的实施例的图13A所示的系统中的光路的截面图。
具体实施方式
将参考附图描述与本公开一致的实施例，附图仅仅是用于说明目的的示例，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各特征可以进行组合。所描述的实施例是本公开的一些但不是全部实施例。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“耦接(couple、coupled、coupling)”等可以涵盖光学耦接、机械耦接、电耦接、电磁耦接或它们的任何组合。两个光学元件之间的“光学耦接”是指这样的构造：在该构造中，两个光学元件以光学串联的方式布置，且从一个光学元件输出的光可以直接或间接地被另一光学元件接收。光学串联是指多个光学元件在光路中的光学定位，使得从一个光学元件输出的光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，多个光学元件的布置顺序可能影响或可能不影响多个光学元件的总体输出。耦接可以是直接耦接或间接耦接(例如，通过中间元件的耦接)。
短语“A或B中的至少一个”可以涵盖A和B的所有组合，例如仅A、仅B、或A和B。类似地，短语“A、B或C中的至少一个”可以涵盖A、B和C中的所有组合，例如仅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”可以以类似于短语“A或B中的至少一个”的方式解释。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A和B。类似地，短语“A、B和/或C”的含义类似于短语“A、B或C中的至少一个”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，例如仅A、仅B、仅C、A和B、A和C、B和C、或A和B和C。
当第一元件被描述为“附接”、“提供”、“形成”、“粘接”、“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)被“附接”、“提供”、“形成”、“粘接”、“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。此外，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有中间元件。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。
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和第二元件之间的示例相对取向。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”可以不一定意味着第一元件在竖直、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旋转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，应当理解的是，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排列(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)。
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地设置在第二元件上。第一元件直接设置在第二元件上表示在第一元件和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和第二元件之间。
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(“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、或它们的任何组合。
术语“控制器”可以涵盖被配置成产生用于控制设备、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。例如，“控制器”可以被实现为软件、硬件、固件或其任意组合。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“非暂态计算机可读介质”可以涵盖用于存储、转移、传达、广播或传输数据、信号或信息的任何合适的介质。例如，非暂态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，RAM”)、闪存等。
术语“膜”、“层”、“涂层”或“板”可以包括刚性的或柔性的、自支承或自立式膜、层、涂层或板，该膜、层、涂层或板可以设置在支承衬底上或设置在衬底之间。术语“膜”、“层”、“涂层”和“板”可以是可互换的。术语“膜平面”是指膜、层、涂层或板中的平面，该平面垂直于膜、层、涂层或板的厚度方向或膜、层、涂层或板的表面的法线。膜平面可以是膜、层、涂层或板的体积中的平面，或者可以是膜、层、涂层或板的表面平面。例如，在“面内取向”、“面内方向”、“面内间距”等中的术语“面内”是指取向、方向或间距在膜平面内。如在例如“面外方向”、“面外取向”或“面外间距”等中的术语“面外”是指取向、方向或间距不在膜平面内(即，不与膜平面平行)。例如，方向、取向或间距可以沿着垂直于膜平面的线，或者相对于膜平面形成锐角或钝角的线。例如，“面内”方向或取向可以指表面平面内的方向或取向，“面外”方向或取向可以指与表面平面不平行(例如，垂直)的厚度方向或取向。在一些实施例中，“面外”方向或取向可以相对于膜平面形成锐角或直角。
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”意味着表示两种偏振的两个矢量的内积基本上为零。例如，具有正交偏振的两束光或两个射束(或两个正交地偏振的光或射束)可以是具有两个正交偏振方向(例如，笛卡尔坐标系中的x-轴方向和y-轴方向)的两个线偏振光(或射束)，或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)。
本公开中提到的波长范围、光谱或波段是用于说明性目的。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段以及其它波段，例如，紫外(“ultraviolet，UV”)波段、红外(“infrared，IR”)波段或它们的组合。用于修饰描述光处理的光学响应动作(例如，透射、反射、衍射、偏转、阻挡等)的术语“基本上”或“主要地”意味着光的主要部分(包括全部部分)被透射、反射、衍射、偏转或阻挡等。主要部分可以是整个光的预定百分比(大于50％)，例如100％、98％、90％、85％、80％等，这可以基于特定的应用需求来确定。可以理解，当光被透射时，光的传播方向不受影响。当光被偏转(例如，反射、衍射)时，传播方向通常被改变。
术语“光轴”可以指晶体中的方向。在光轴方向上传播的光可能不经历双折射(或双重折射)。光轴可以是一个方向而不是单条线：平行于该方向的光可以不经历双折射。
在液晶偏振全息(“LCPH”)元件中，基于液晶(“LC”)的偏振体全息(PVH)元件已得到了广泛的研究。PVH元件可以基于布拉格反射来调制光。PVH元件中的LC分子的取向可以在三个维度上呈现旋转，并且因此，PVH元件的光轴可以在三个维度上呈现旋转。PVH元件具有如下特点：平坦、紧凑、效率高、孔径比高、无轴上像差、设计灵活、制造简单、成本低等。因此，PVH元件可以在便携式或可穿戴光学设备或系统等各种应用中实现。
PVH元件可以是反射式的或透射式的。反射式PVH元件可以基于自组织胆甾相液晶(“cholesteric liquid crystal，CLC”)，并且也可以被称为倾斜或图案化的CLC元件。当输入光的波长在布拉格波段内时，传统的CLC或反射式PVH元件可以选择性地反射输入光。传统的CLC或反射式PVH元件可能由于针对波长范围在布拉格波段之外的输入光的各向异性有效折射率而经历光泄漏。当将传统的CLC或反射式PVH元件实施到成像设备(例如，透镜或透镜组件)中时，光泄漏可能导致低消光比和重影。随着入射角的增加，光泄漏可能会增加。此外，传统的CLC或反射式PVH元件可能存在模糊和响应慢的问题，并且在一些应用中，传统的CLC或反射式PVH元件的光学性能可能较差。此外，用于制造传统透射式PVH元件的材料的选择可能有限，并且大厚度的传统透射式PVH元件可能难以制造。
鉴于传统技术中的局限性，本公开提供了基于蓝相液晶(“BPLC”)材料制造的液晶偏振全息(“LCPH”)元件。这种LCPH元件也可以被称为BPLC偏振全息元件。BPLC材料可以包括大约70wt％(重量百分比)至90wt％(重量百分比)的向列型液晶(“LC”)主体和大约5wt％至10wt％的手性掺杂剂。蓝相(包括BP I、BP II和BP III)是介于手性向列相(或胆甾相)与各向同性相之间的LC相。如图1A所示，该图改编自李·Y(Li Y.)等人的“Polymer-Stabilized Blue Phase Liquid Crystals for Photonic Applications(用于光子应用的聚合物稳定蓝相液晶)”，《先进材料技术》(“Advanced Materials Technologie”)，2016年，1，1600102，BPLC可以具有在三维(“three dimension，3D”)中对称排列的自组装双扭曲圆柱体(“double twist cylinder，DTC”)。图1A还示出了具有两个螺旋轴线h1和h2的DTC的立体图。在每个DTC中，多个LC指向矢(即，多个LC分子112的指向矢)可以沿着圆柱体的直径方向从大约-45°扭曲到大约+45°，沿着直径方向总共旋转90°。螺距可以被定义为沿直径方向的如下距离：在该距离上多个LC指向矢旋转了360°。
根据DTC的堆积对称性，BPLC可以分为具有体心立方(BP I)和简单立方(BP II)对称性的两种类型的周期性结构，每种周期性结构具有几百纳米的晶格常数。这种结构可能使得从紫外光到可见光波长范围的圆偏振选择性布拉格反射。BPLC的晶格常数可以部分地由手性掺杂剂的浓度和手性掺杂剂的螺旋扭曲力来决定。BP I的晶格常数可以与螺距相同，而BP II的晶格常数可以大约是螺距的一半。
由于DTC形成的3D螺旋结构具有几百纳米的晶格常数，因此BPLC可能会在从紫外光到可见光波长范围内呈现圆偏振选择性布拉格反射。对于波长范围在布拉格波段内的输入光，BPLC可以呈现全向偏振选择性布拉格反射，并且对于波长范围在布拉格波段之外的输入光，BPLC可以呈现光学各向同性。随着入射角的变化，布拉格波段可能蓝移或红移。波长范围可以在第一入射角下位于布拉格波段内，而波长范围可以在不同的第二入射角下位于布拉格波段之外。当输入光的波长范围在第一入射角下在布拉格波段内时，BPLC对输入光具有高的反射率，并且当输入光的波长范围在第二入射角下在布拉格波段之外时，BPLC对输入光具有高的透射率。
在BPLC层的厚度方向上具有变化的晶格常数的BPLC可以在较宽的入射角度范围内(例如，从0°到大于60°、70°或80°的角度)具有高反射率和低光泄漏，从而提供宽视角。在高浓度(或高纯度)BPLC(也称为“纯”BPLC以方便讨论)中，缺陷(或向错线(disclinationline))可能出现在多个DTC彼此接触的点处。因此，蓝相(包括BP I、BP II)可能仅在相当窄的温度范围ΔT(通常，ΔT<5℃)内是稳定的。
聚合物稳定BPLC(“PS-BPLC”)可以比纯BPLC具有更宽的蓝相温度范围(例如，-20℃至70℃，ΔT＝约90℃)。PS-BPLC可以通过在BPLC混合物(例如，约70wt％至90wt％的向列型LC主体和约5wt％至10wt％的手性掺杂剂)中掺杂单体，然后在蓝相温度下固化(例如，通过紫外光)掺杂有单体的BPLC混合物来制造。如图1B所示，该图改编自李·Y(Li Y.)等人的“Polymer-Stabilized Blue Phase Liquid Crystals for Photonic Applications(用于光子应用的聚合物稳定蓝相液晶)”，《先进材料技术》，2016年，1，1600102，交联型聚合物网络可以集中在向错线处，因此，可以用宽的蓝相温度范围来稳定DTC结构。
PS-BPLC元件可以是电可调谐的。当将小于PS-BPLC元件的预定电场(可称为临界场)的电场施加到PS-BPLC元件时，可能会发生PS-BPLC元件的DTC内的LC分子的局部重新定向。例如，如图1C所示，该图改编自李·Y(Li Y.)等人的“Polymer-Stabilized Blue PhaseLiquid Crystals for Photonic Applications(用于光子应用的聚合物稳定蓝相液晶)”，《先进材料技术》，2016年，1，1600102，当PS-BPLC元件包括正向列型LC主体(例如，介电各向异性Δε>0)时，PS-BPLC元件的DTC内的LC分子可能倾向于平行于电场方向排列，从而使DTC解旋。当PS-BPLC元件包括负向列型LC主体(例如，介电各向异性Δε<0)时，PS-BPLC元件的DTC内的LC分子可能倾向于垂直于电场方向排列，从而使DTC解旋。在局部重定向的过程中，LC分子可能主要被直径约为几百纳米的DTC所限制。由于相干长度较短，PS-BPLC元件的响应时间可能在亚毫秒级别，这比传统的向列型LC设备快得多。在某些情况下，当电场增大时，聚合物网络可能发生变形，从而使BPLC的3D晶格结构发生扭曲。例如，BPLC的晶格常数可能会随着施加的电压的增加而增加，从而导致布拉格反射波长的红移。由于快速响应时间和自组装(不依赖于表面配向(例如，配向层))，PS-BPLC已被用于实现高对比度和宽视角显示。
本公开提供了用于非显示光子应用的BPLC偏振全息元件，即其中BPLC偏振全息元件提供除显示图像之外的光学功能的应用。本文公开的BPLC偏振全息元件可以包括图案化聚合物稳定蓝相结构。本文公开的BPLC偏振全息元件可以包括被配置有预定表面配向或表面配向图案(例如，经由配向层实现)的PS-BPLC层。根据BPLC层的表面配向图案，BPLC偏振全息元件可以用作反射偏振器、波片或相位延迟器、透射式或反射式PVH元件(例如，透射式或反射式光栅、透射式或反射式PVH透镜、透射式或反射式自由曲面PVH相位板等)。本文公开的BPLC偏振全息元件可以具有宽视角，减少了大入射角下的输入光的光泄漏，具有可调谐或可切换的光学响应以及快速的切换速度(例如，约1毫秒或更短)。
本文描述的BPLC偏振全息元件可以基于各种方法(例如全息干涉、激光直写、喷墨打印和各种其它形式的光刻)来制造。因此，不限于通过全息干涉或“全息术”制造本文所述的“全息图”。
图2A展示了根据本公开的实施例的BPLC偏振全息元件200的x-z截面图。如图2A所示，BPLC偏振全息元件200可以包括第一衬底205a和第二衬底205b，以及设置在第一衬底205a与第二衬底205b之间的BPLC层215。BPLC偏振全息元件200可以包括第一配向结构210a和第二配向结构210b，第一配向结构210a和第二配向结构210b可以分别设置在第一衬底205a和第二衬底205b彼此相对的两个内表面。BPLC层215可以与第一配向结构210a和第二配向结构210b两者都接触。
BPLC偏振全息元件200可以是无源元件或有源元件(例如，电可调谐元件)。如图2A所示，当BPLC偏振全息元件200是有源元件时，BPLC偏振全息元件200还可以包括第一电极层207a和第二电极层207b，第一电极层207a和第二电极层207b分别设置在第一衬底205a和第二衬底205b处。第一电极207a和第二电极207b可以被配置成将由电源230提供的驱动电压施加到BPLC层215。在一些实施例中，BPLC偏振全息元件200可以是无源元件，并且可以省略第一电极层207a和第二电极层207b。
衬底205a和205b可以被配置成向设置在衬底205a和205b处(例如，在衬底205a和205b上、或者在衬底205a与205b之间)的各种层、膜和/或结构提供支承和/或保护。在一些实施例中，第一衬底205a或第二衬底205b中的至少一者可以在至少可见光谱(例如，范围从大约380nm到大约700nm的波长)中是光学透明的(例如，具有大约60％或更高的透光率)。在一些实施例中，第一衬底205a或第二衬底205b中的至少一者在红外(“IR”)光谱(例如，范围从大约700nm到大约1mm的波长)中的至少一部分也可以是透明的。在一些实施例中，衬底205a和205b可以包括对上述波长范围的光基本上透明的合适材料，例如玻璃、塑料、蓝宝石、聚合物、半导体或它们的组合等。衬底205a和205b可以是刚性的、半刚性的、柔性的或半柔性的。在一些实施例中，衬底205a和205b可以具有呈平坦的、凸的、凹的、非球面的或自由曲面的形状的一个或多个表面。在一些实施例中，第一衬底205a或第二衬底205b中的至少一者可以是另一光学元件或器件的一部分，或另一光电元件或器件的一部分。例如，第一衬底205a或第二衬底205b中的至少一者可以是固体光学透镜、或固体光学透镜的一部分、或功能器件(例如，显示屏)的一部分。
BPLC层215可以是包括多个PS-BPLC的PS-BPLC层，其中多个LC分子可以以合适的3D取向图案排列。BPLC层215可以具有第一表面215-1和相对的第二表面215-2。在一些实施例中，第一表面215-1和第二表面215-2可以是基本平行的表面。在一些实施例中，第一表面215-1可以用作BPLC层215与第一配向结构210a之间的界面，并且第二表面215-2可以用作BPLC层215与第二配向结构210b之间的界面。尽管出于说明的目的，BPLC层215的本体被示为平坦的，但是BPLC层215的本体可以具有弯曲形状。例如，第一表面215-1和第二表面215-2中的至少一者(例如，每者)可以是弯曲的。
第一配向结构210a和第二配向结构210b可以被配置成向BPLC层215中位于相应配向结构(或相应界面)的膜平面内(例如，在非常接近或位于接触表面处的平面中)的LC分子提供表面配向。在一些实施例中，第一配向结构210a和第二配向结构210b可以被配置成向与配向结构接触的多个LC分子提供平行表面配向、反平行表面配向或混合表面配向(例如，一方面提供水平表面配向，另一方面提供垂直表面配向)。
第一配向结构210a或第二配向结构210b中的至少一者(例如，每者)可以被配置成向BPLC层215中的在BPLC层215的膜平面内(例如，在非常接近或位于第一表面215-1或第二表面215-2中的至少一者处的平面内)的LC分子提供预定的、合适的表面配向图案，从而以预定的表面配向图案对位于BPLC层215的膜平面内的LC分子进行配向。因此，根据预定的表面配向图案，BPLC层215的膜平面内的多个LC分子的LC指向矢的取向可以呈现预定的面内取向图案。
预定的面内取向图案可以是均匀的面内取向图案或非均匀的面内取向图案等。非均匀的面内取向图案意味着沿着一个或多个面内方向分布的LC分子的LC指向矢的取向可以在一个或多个面内方向上改变，并且在一些实施例中，多个LC指向矢在一个或多个面内方向的取向的改变可以呈现具有预定旋转方向(例如，顺时针旋转方向或逆时针旋转方向)的旋转。
图2A所示的第一配向结构210a和第二配向结构210b可以是任何合适的配向结构。例如，第一配向结构210a或第二配向结构210b中的至少一者(例如，每者)可以包括聚酰亚胺层、光配向材料(“photo-alignment material，PAM”)层、多个纳米结构或微型结构、配向网络或它们的任意组合。例如，在一些实施例中，第一配向结构210a或第二配向结构210b中的至少一者(例如，每者)可以包括PAM层。在一些实施例中，第一配向结构210a或第二配向结构210b中的至少一者(例如，每者)可以包括具有各向异性纳米压印的聚合物层。在一些实施例中，第一配向结构210a或第二配向结构210b中的至少一者(例如，每者)可以包括具有各向异性纳米压印的聚合物层。在一些实施例中，第一配向结构210a或第二配向结构210b中的至少一者(例如，每者)可以包括多个微型结构，诸如涂覆有或没有涂覆附加配向材料(例如，聚酰亚胺)的表面浮雕光栅(“surface relief grating，SRG”)。在一些实施例中，第一配向结构210a或第二配向结构210b中的至少一者(例如，每者)可以包括被配置成在存在磁场或电场的情况下提供表面配向的铁电或铁磁材料。
第一电极层207a和第二电极层207b可以被配置成向BPLC层215提供电压以控制BPLC偏振全息元件200的操作状态。在一些实施例中，如图2A所示，第一电极层207a可以设置在第一衬底205a与第一配向结构210a之间，而第二电极层207b可以设置在第二衬底205b与第二配向结构210b之间。第一电极层207a或第二电极层207b中的至少一者(例如，每者)可以是连续的平面电极层、图案化的平面电极层、突起电极层或任何其它合适类型的电极层。
在一些实施例中，第一电极层207a和第二电极层207b这两者可以设置在同一衬底处(例如，在第一衬底205a或第二衬底205b处)，其中电绝缘层设置在第一电极层207a与第二电极层207b之间。第一电极层207a和第二电极层207b中的一者可以是连续的平面电极层，另一者可以是图案化的平面电极层或突起电极层。在一些实施例中，BPLC偏振全息元件200可以包括单个电极层。也就是说，可以省略第一电极层207a和第二电极层207b中的一者。单个电极层可以包括叉指型电极，例如两个单独可寻址的梳状微电极阵列条。
第一电极层207a或第二电极层207b中的至少一者(例如，每者)可以包括氧化铟锡(“indium tin oxide，ITO”)电极或任何其它合适的导电电极。在一些实施例中，第一电极层207a或第二电极层207b中的至少一者(例如，每者)可以包括设置在塑料膜上的柔性透明导电层，例如ITO。在一些实施例中，塑料膜可以包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(“polyethylene terephthalate，PET”)。在一些实施例中，塑料膜可以包括三醋酸纤维素(“cellulose triacetate，TAC”)，它是一种具有基本上较低的双折射率的柔性塑料。出于说明的目的，图2A示出了第一电极层207a和第二电极层207b这两者是布置在不同衬底205a和205b处的平面电极层。
图2B至图2F展示了图2A中所示的BPLC层215的一部分的x-y截面图，示出了根据本公开的各种实施例的位于BPLC层215的膜平面内的多个LC分子的LC指向矢的示例性面内取向图案。在一些实施例中，位于BPLC层215的膜平面内的多个LC分子可以具有与图2B至图2F所示的表面配向图案不同的其它合适的表面配向图案。
在图2B所示的实施例中，第一配向结构210a或第二配向结构210b中的至少一者(例如，每者)可以被配置成向位于膜平面内的多个LC分子212提供空间上均匀的配向。也就是说，位于BPLC层215的膜平面内的多个LC分子212的LC指向矢可以(例如，沿图2B中所示的x轴方向)基本上均匀地配向。因此，位于BPLC层215的膜平面内的多个LC分子的LC指向矢的取向可以呈现均匀的面内取向图案。在一些实施例中，包括具有图2B中所示的面内取向图案的BPLC层215的BPLC偏振全息元件200可以用作反射偏振器、或波片(或相位延迟器)等。
在一些实施例中，第一配向结构210a或第二配向结构210b中的至少一者(例如，每者)可以被配置成提供空间上非均匀的表面配向。因此，位于BPLC层215的膜平面内的多个LC分子212的LC指向矢的取向可以呈现非均匀的面内取向图案。例如，位于BPLC层215的膜平面内的多个LC分子的LC指向矢的取向可以在膜平面内的至少一个面内方向(例如，线性方向、径向方向、圆周(例如，方位角)方向或它们的组合)上周期性地或非周期性地变化。因此，BPLC层215可以提供不同的光学功能。例如，BPLC层215可以用作光栅、棱镜、透镜、分段波片或分段相位延迟器、透镜阵列、棱镜阵列等。位于BPLC层215的膜平面内的多个LC分子的示例性非均匀配向图案在图2C至图2F中示出。在一些实施例中，位于膜平面内的多个LC分子可以具有图2C至图2F中未示出的合适的非均匀配向图案。
在图2C所示的实施例中，BPLC层215的膜平面内的多个LC分子212的指向矢可以在膜平面内的预定面内方向(例如，x轴方向)上呈现连续旋转。这些LC指向矢的连续旋转可以形成具有均匀(例如，相同)面内间距Pin的周期性旋转图案。因此，BPLC层215的光轴的取向可以在面内方向(例如，x轴方向)上以恒定(或相同)的面内间距Pin周期性地变化。要注意的是，预定的面内方向可以是膜平面内的任何其它合适的方向，例如x-y面内的y轴方向、径向方向或圆周方向。面内间距(或水平间距)Pin被定义为沿预定的面内方向(例如，x轴方向)的距离，在该距离上，多个LC指向矢的取向呈现以预定角度(例如，180°)的旋转。图2C所示的多个LC指向矢的周期性变化面内取向可以被称为光栅图案，并且包括具有图2C中所示的光栅图案的BPLC层215的BPLC偏振全息元件200可以用作偏振选择性、反射式或透射式光栅。
此外，在BPLC层215的膜平面内，多个LC分子212的指向矢的取向可以呈现在预定旋转方向(例如，顺时针方向或逆时针方向)上的旋转。相应地，多个LC分子212的指向矢的取向的旋转可以呈现旋向性，例如右旋或左旋。出于讨论的目的，图2C示出了多个LC分子212的指向矢的取向可以呈现顺时针方向的旋转。相应地，多个LC分子212的指向矢的取向的旋转可以呈现出左旋。
尽管在图2C中未示出，但是在一些实施例中，在BPLC层215的膜平面内，多个LC分子212的指向矢的取向可以呈现逆时针方向的旋转。相应地，多个LC分子212的指向矢的取向的旋转可以呈现出右旋。尽管未示出，但在一些实施例中，在BPLC层215的膜平面内，在其中多个LC分子212的指向矢的取向呈现顺时针方向的旋转的域(称为域DL)和在其中多个LC分子212的指向矢的取向呈现逆时针方向的旋转的域(称为域DR)可以在两个面内方向上(例如，在x轴方向上和在y轴方向上)交替地布置。
图2D所示的多个LC指向矢的面内取向图案可以被称为透镜图案(例如，球面透镜图案)，并且包括图2D中所示的BPLC层215的BPLC偏振全息元件200可以用作偏振选择性、反射式或透射式透镜(例如，球面透镜)。例如，位于BPLC层215的膜平面内的多个LC分子212的LC指向矢的取向可以呈现从透镜图案中心250到相对的透镜图案外围255在至少两个相反的面内方向上以变化的间距连续旋转。多个LC指向矢的取向可以呈现从透镜图案中心250到相对的透镜图案外围255在同一旋转方向(例如，顺时针或逆时针)上的旋转。因此，BPLC层215的光轴的取向可以呈现从透镜图案中心250到相对的透镜图案外围255在至少两个相反的面内方向上以变化的间距连续旋转。
面内取向图案的间距Λ可以被定义为在面内方向(例如，径向方向)上的距离，在该距离上，多个LC指向矢的取向(或多个LC分子212的方位角φ)从预定初始状态改变了预定角度(例如，180°)。图2E展示了根据本公开的实施例的在图2D中所示的BPLC层215中沿着x轴截取的面内取向图案的一部分。如图2E所示，根据沿着x轴方向的LC指向矢场，间距Λ可以是距透镜图案中心250的距离的函数。间距Λ可以在x-y平面中的至少两个相反的面内方向(例如，两个相反的径向方向)上从透镜图案中心250到透镜图案外围255单调减小，例如Λ0＞Λ1＞……＞Λr。Λ0是透镜图案的中心区域处的间距，其可以是最大的。间距Λr是透镜图案的外围区域(例如，透镜图案外围255)处的间距，其可以是最小的。在一些实施例中，LC分子212的方位角φ可以与从透镜图案中心250到BPLC层215中的、该LC分子212所在的局部点的距离成比例地改变。
在图2F所示的实施例中，BPLC偏振全息元件200被示为具有矩形形状(或矩形透镜孔径)。BPLC偏振全息元件200的宽度方向可以被称为横向方向(例如，图2F中的x轴方向)，并且BPLC偏振全息元件200的长度方向可以被称为纵向方向(例如，图2F中的y轴方向)。
在图2F所示的实施例中，位于BPLC层215的膜平面内(例如，非常接近或位于表面处的平面内)的多个LC分子212的取向可以被配置成具有这样的面内取向图案：该面内取向图案从透镜图案中心(“OL”)250到相对的透镜图案外围255在至少两个相反的横向方向上具有变化的间距。位于面内透镜图案中心轴线263的同一侧且在距离面内透镜图案中心轴线263相同距离处的多个LC分子212的指向矢的取向可以基本上相同。多个LC指向矢的取向在两个相反的横向方向上从透镜图案中心(“OL”)250到相对的透镜图案外围255的旋转可以呈现相同的旋向性(例如，右旋或左旋)。
在图2F所示的实施例中，多个LC分子212的指向矢(或多个LC分子212的方位角)可以被配置成具有这样的连续面内旋转图案：该连续面内旋转图案在至少两个相反的横向方向上从透镜图案中心(“OL”)250到相对的透镜图案外围255具有变化的间距(Λ0、Λ1、……、Λr)。如图2F所示，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的距离而变化。在一些实施例中，透镜图案的间距可以随着在横向方向上距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是透镜图案的中心部分处的间距，其可以是最大的。间距Λr是透镜图案的边缘或外围区域处的间距，其可以是最小的。
包括具有图2F所示的表面配向图案的BPLC层215的BPLC偏振全息元件200可以用作同轴聚焦式柱面透镜，该同轴聚焦式柱面透镜可以将射束聚焦成线(例如，焦点的线或线焦点)。具有图2F所示的面内取向图案的柱面透镜可以被认为是具有图2D和图2E所示的面内取向图案的球面透镜的一维(1D)示例，并且BPLC偏振全息元件200中的至少两个相反的面内方向可以包括至少两个相反的横向方向(例如，+x轴方向和-x轴方向)。
图2G至图2L示意性地展示了根据本公开的各种实施例的图2A中所示的BPLC偏振全息元件200中的聚合物稳定双扭曲圆柱体(“DTC”)260的x-z截面图。出于讨论的目的，假定BPLC偏振全息元件200中的BPLC具有BP II。如图2G所示，DTC 260整体上可以平行于BPLC层215的表面(例如，第一表面215-1或第二表面215-2中的至少一者)。如图2H和图2I所示，DTC 260整体上可以相对于BPLC层215的表面(例如，第一表面215-1或第二表面215-2中的至少一者)倾斜一定角度。图2H所示的DTC 260整体上可以相对于BPLC层215的表面倾斜相对小的角度(例如，小于45°)，而图2I所示的DTC 260整体上可以相对于BPLC层215的表面倾斜相对大的角度(例如，大于45°)。倾斜角可以部分地由图2G所示的BPLC的晶格常数L1(或螺距)和BPLC的面内取向图案的面内间距来确定。
出于讨论的目的，图2G至图2I示出了BPLC层215中的多个DTC 260具有在BPLC层215的体积上均匀(或相同)的晶格常数L1，例如，晶格常数L1在BPLC层215的厚度方向上和膜平面内均匀(或相同)。在一些实施例中，在该体积上具有均匀晶格常数L1的BPLC层215可以具有窄的反射带。在一些实施例中，为了加宽BPLC层215的反射带，BPLC层215中的多个DTC 260可以被配置成具有变化的晶格常数(或变化的螺距)。也就是说，在BPLC层215的不同部分处的晶格常数可以不同。晶格常数的变化可以存在于BPLC层215上的至少一个方向(例如，BPLC层215的厚度方向、和/或BPLC层215的膜平面内的一个或多个面内方向等)上。
例如，如图2J所示，BPLC层215可以包括以堆叠构造布置的多个子层(例如217、218和219)。子层217、218和219可以被单独制造并堆叠在一起，或者一个子层可以被制造在另一个子层上。这些子层217、218和219中的每一子层可以包括具有晶格常数(或螺距)的DTC260，并且对于每个子层，晶格常数(或螺距)在整个子层中可以是相同的。子层217、218和219中的至少两个子层可以具有不同的晶格常数。在一些实施例中，子层217、218和219的所有三个晶格常数可以不同。出于讨论的目的，图2J示出了子层217、218和219的晶格常数(或螺距)在预定方向上(例如，在图2J所示的BPLC层215的厚度方向上)从第一表面215-1到第二表面215-2逐渐减小。子层217、218和219可以具有BPLC中的手性掺杂剂的不同浓度和/或螺旋扭曲力。
如图2K所示，BPLC层215可以不包括子层，并且BPLC层215本身可以被配置成在预定方向(例如，在图2K中所示的BPLC层215的厚度方向)上具有DTC 260的变化的(例如，非恒定的)晶格常数或(螺距)。出于说明的目的，图2K示出了DTC 260的变化的晶格常数(或螺距)在图2K中所示的BPLC层215的厚度方向上从第一表面215-1到第二表面215-2逐渐减小。图2K中所示的DTC 260的变化的晶格常数(或螺距)可以通过改变BPLC中手性掺杂剂的浓度和/或螺旋扭曲力来获得。
如图2L所示，BPLC层215可以被配置成在预定的面内方向(例如，在图2L中的x轴方向)上具有DTC 260的变化的(例如，非恒定的)晶格常数。出于说明的目的，图2L示出了DTC260的变化的晶格常数沿+x轴方向逐渐减小。图2L所示的DTC 260的变化的晶格常数可以通过改变BPLC中手性掺杂剂的浓度和/或螺旋扭曲力来获得。在一些实施例中，尽管未示出，但BPLC层215可以被配置成在预定的面内方向(例如，在图2L中的x轴方向)上具有DTC 260的变化的晶格常数、以及在预定的面外方向(例如，图2K所示的BPLC层215的厚度方向)上具有DTC 260的变化的晶格常数。
在一些实施例中，(例如，在厚度方向或膜平面内的面内方向中的至少一个方向上)具有DTC 260的空间变化的晶格常数的BPLC层215可以通过像素化印刷具有空间变化的手性掺杂剂浓度的双折射混合物来制造。在一些实施例中，(例如，在厚度方向或膜平面内的面内方向中的至少一个方向上)具有DTC 260的空间变化的晶格常数的BPLC层215可以通过将包括手性掺杂剂的双折射混合物曝光于具有空间变化强度的聚合辐射(例如，UV辐射)来制造。具有空间变化强度的聚合辐射(例如，UV辐射)可以引起双折射混合物内的空间变化的聚合速率，这进而可引起双折射混合物内的手性掺杂剂的空间变化的浓度。在一些实施例中，(例如，在厚度方向或膜平面内的面内方向中的至少一个方向上)具有DTC 260的空间变化的晶格常数的BPLC层215可以通过将包括光响应性手性掺杂剂的双折射混合物曝光于具有空间变化强度的聚合辐射(例如，UV辐射)来制造。光响应性手性掺杂剂的螺旋扭曲力(“HTP”)可以随着聚合辐射的强度而变化。
本文公开的BPLC偏振全息元件可以是透射式元件或反射式元件。图3A展示了根据本公开的实施例的图2A中所示的用作反射式PVH元件的BPLC偏振全息元件200的偏振选择性偏转。如图3A所示，对于具有在BPLC偏振全息元件200的布拉格波段内的波长范围的输入光，BPLC偏振全息元件200可以将具有预定旋向性的圆偏振输入光302(例如，经由后向衍射)基本上向后偏转为圆偏振输出光304。偏转角φ(光304相对于BPLC偏振全息元件200的表面法线的角度)可以由诸如入射波长、BPLC的面内取向图案的面内间距、以及DTC 260整体相对于BPLC层215的表面的倾斜度等各种因素来确定。BPLC偏振全息元件200可以基本上在偏转可忽略的情况下将旋向性与预定旋向性相反的圆偏振输入光322透射作为圆偏振输出光324。
图3B展示了根据本公开的实施例的图2A中所示的用作透射式PVH元件的BPLC偏振全息元件200的偏振选择性偏转。如图3B所示，对于具有布拉格波段内的波长范围的输入光，BPLC偏振全息元件200可以将具有预定旋向性的圆偏振输入光302(例如，经由前向衍射)基本上向前偏转为圆偏振输出光334。偏转角φ(光334相对于BPLC偏振全息元件200的表面法线的角度)可以由诸如入射波长、BPLC的面内取向图案的面内间距、以及DTC 260的倾斜度等各种因素来确定。BPLC偏振全息元件200可以基本上在偏转可忽略的情况下将旋向性与预定旋向性相反的圆偏振输入光322透射作为圆偏振输出光344。
在一些实施例中，当向BPLC层215施加电压时，可以重定向DTC中的多个LC分子的局部取向，和/或可以改变BPLC层215的膜平面内的多个LC分子的面内取向图案。因此，图2A中所示的BPLC偏振全息元件200的光学响应可以改变。例如，BPLC偏振全息元件200的偏转角、光焦度、相移、反射波段和/或反射波长等可以通过调整施加到BPLC层215的电压来调整。
图4A和图4B展示了根据本公开的实施例的图2A中所示的BPLC偏振全息元件200的电调谐。出于讨论的目的，图4A和图4B示出了BPLC偏振全息元件200用作透射式PVH元件。如图4A所示，在电压关断状态(电源未示出)，BPLC偏振全息元件200可以将具有预定旋向性的圆偏振输入光402以第一偏转角φ1(光404相对于BPLC偏振全息元件200的表面法线的角度)(例如，经由前向衍射)基本上向前偏转为圆偏振输出光404。如图4B所示，在电压导通状态(电源未示出)，BPLC偏振全息元件200可以将具有预定旋向性的圆偏振输入光402以第二偏转角φ2(光434相对于BPLC偏振全息元件200的表面法线的角度)(例如，经由前向衍射)基本上向前偏转为圆偏振输出光434。出于讨论的目的，图4A和图4B示出了随着施加的电压的增加(此处是从电压关断状态到电压导通状态)，BPLC偏振全息元件200的偏转角可以相应地增加。因此，BPLC偏振全息元件200可以用作射束偏转器件，或可以被实现为射束偏转器件。在移除电压之后，BPLC偏振全息元件200可以以亚毫秒级别返回到图4A中所示的初始状态。
在一些实施例中，当施加到BPLC层215的电压足够高时，LC分子可以基本上以电场方向配向，并且DTC可以解旋。在这种情况下，如图4C所示，BPLC偏振全息元件200可以不使圆偏振输入光402偏转。而是，BPLC偏振全息元件200可以将圆偏振输入光402透射作为圆偏振输出光444。在一些实施例中，BPLC层215中的聚合物网络可能会变形。在移除电压之后，BPLC偏振全息元件200可以在几毫秒或更短的时间内返回到图4A中所示的初始状态。
图5A至图5D示意性地展示了根据本公开的实施例的制造BPLC偏振全息元件的过程和制造的BPLC偏振全息元件。图5A至图5D中所示的制造过程可以包括在光配向膜中全息记录配向图案，通过光配向膜对BPLC材料进行配向，以及聚合BPLC材料。出于说明的目的，衬底和形成在衬底上的不同层、膜或结构被示出为具有平坦表面。在一些实施例中，衬底和不同层、膜或结构可以具有弯曲表面。
如图5A所示，记录介质层510可以通过将偏振敏感材料分配(例如，涂覆或沉积)在衬底505的表面(例如，顶表面)上而在该表面上形成。因此，记录介质层510可以被称为偏振敏感记录介质层。记录介质层510中所包括的偏振敏感材料可以是被配置成在曝光于偏振光照射时具有光致光学各向异性的光学可记录偏振敏感材料(例如，光配向材料)。光学可记录偏振敏感材料的分子(片段)和/或光产物可以被配置成在偏振光照射下产生定向有序(orientational ordering)。在一些实施例中，偏振敏感材料可以溶解在溶剂中以形成溶液。可以使用任何合适的溶液涂覆工艺(例如，旋涂、狭缝涂覆、刮涂、喷涂、或喷射(喷墨)涂覆或印刷)将溶液分配在衬底505上。可以使用适当的工艺(例如，干燥或加热)从涂覆溶液中去除溶剂，从而将偏振敏感材料留在衬底505上以形成记录介质层510。
衬底505可以类似于图2A中所示的衬底205a或205b。在一些实施例中，衬底505可以用于制造、储存或运输制造的BPLC偏振全息元件。在一些实施例中，在制造BPLC偏振全息元件或将BPLC偏振全息元件运输到另一地点或设备之后，可以从制造的BPLC偏振全息元件分离或移除衬底505。也就是说，衬底505可以用于在制造、运输和/或储存时支承设置在衬底505上的BPLC偏振全息元件，并且当BPLC偏振全息元件的制造完成时、或当要在光学设备中实现BPLC偏振全息元件时，可以从BPLC偏振全息元件分离或移除衬底505。在一些实施例中，衬底505可以不与BPLC偏振全息元件分离。
如图5B所示，在衬底505上形成记录介质层510之后，记录介质层510可以曝光于照射以记录表面配向图案。例如，记录介质层510可以曝光于具有恒定线偏振方向的线偏振光，并且可以将均匀的表面配向图案记录到记录介质层510中。出于讨论的目的，图5B示出了通过曝光于基于两个记录射束540和542产生的偏振干涉图案来将空间上不均匀的表面配向图案记录到记录介质层510中的过程。偏振干涉图案可以具有基本上均匀的强度和线偏振的空间上变化的取向(或偏振方向)。在一些实施例中，如图5B所示，两个记录射束540和542可以是旋向性相反的两个相干圆偏振射束，并且可以入射到记录介质层510的同一表面上。在一些实施例中，两个记录射束540和542可以是旋向性相同的两个相干圆偏振射束，并且可以入射到记录介质层510的相反表面上。
记录介质层510可以当在偏振干涉曝光过程期间曝光于基于两个记录射束540和542产生的偏振干涉图案时被光学图案化。记录介质层510的光轴在曝光区域中的取向图案可以由记录介质层510曝光于其中的偏振干涉图案来限定。在一些实施例中，记录介质层510的不同区域可以曝光于相同或不同的偏振干涉图案。在各自的偏振干涉曝光过程期间，可以在各自的曝光区域中限定记录介质510的光轴的相同或不同的取向图案。
在一些实施例中，记录介质层510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)。在对基于两个记录射束540和542产生的偏振干涉图案进行充分曝光之后，各向异性光敏单元的局部配向方向可以由偏振干涉图案在记录介质层510中引起，从而由于各向异性光敏单元的光配向而引起记录介质层510的光轴的配向图案(或面内调制)。在一些实施例中，可以通过多个偏振干涉曝光过程将多个配向图案(这些配向图案可以相同或不同)记录在记录介质层510的不同部分或区域中。在记录介质层510被光学图案化之后，记录介质层510可以被称为具有配向图案的图案化记录介质层，该图案化记录介质层可以用作图2A所示的配向结构210a或210b。
在一些实施例中，如图5C所示，可以通过将BPLC材料513分配(例如，涂覆或沉积)在图案化记录介质层510上而在图案化记录介质层510上形成BPLC材料513的层。BPLC材料513可以包括BPLC混合物和掺杂到BPLC混合物中的单体(例如，反应性介晶)。在一些实施例中，BPLC混合物可以包括约70wt％至90wt％的向列型LC主体和约5wt％至10wt％的手性掺杂剂。在一些实施例中，单体可以包括手性反应性介晶。在一些实施例中，BPLC材料513还可以包括其它成分，或与其它成分混合，这些其它成分例如为溶剂、引发剂(例如，光引发剂或热引发剂)或表面活性剂等。在一些实施例中，BPLC材料513可以在BPLC材料513具有各向同性相的温度下被分配到图案化记录介质层510上，然后可以被冷却到BPLC材料513具有BPII(相位从各向同性相转变为蓝相II)的温度。出于讨论的目的，形成在图案化记录介质层510上的BPLC材料513的层也可以称为BPLC材料层513。
图案化记录介质层510可以被配置成为BPLC材料层513中的光学各向异性分子(例如，LC分子)提供表面配向(例如，平面配向或垂直配向等)。例如，图案化记录介质层510可以至少部分地将BPLC材料层513中的与图案化记录介质层510接触的LC分子进行配向，以形成光栅图案或透镜图案等。换句话说，位于BPLC材料层513的膜平面内的多个LC分子可以至少部分地沿着图案化记录介质层510中的各向异性光敏单元的局部配向方向进行配向，以形成光栅图案或透镜图案等。因此，被记录在图案化记录介质层510中的表面配向图案可以被转移到位于BPLC材料层513的膜平面内(例如，在非常接近表面或位于表面处的平面内)的多个LC分子。
在一些实施例中，如图5D所示，BPLC材料层513中的单体可以聚合，例如，热聚合或光聚合。在一些实施例中，如图5D所示，可以用例如UV光544照射BPLC材料层513。在充分的UV光照射下，BPLC材料层513中的单体可以聚合来稳定LC分子的取向。BPLC材料层513中的DTC中的缺陷可以减少，并且BPLC材料层513中的DTC可以稳定。在聚合之后，可以获得BPLC层515(类似于图2A所示的BPLC层215)。BPLC层515可以包括图案化的、聚合物稳定蓝相结构。BPLC层515也可以被称为聚合BPLC层515。因此，可以获得BPLC偏振全息元件500。
在一些实施例中，基于图5A至图5D中所示的制造过程制造的BPLC偏振全息元件500可以是无源BPLC偏振全息元件，例如无源PVH元件等。无源BPLC偏振全息元件500可以是透射式或反射式BPLC偏振全息元件。
在一些实施例中，如图5D所示，衬底505和/或记录介质层510可以用于制造、存储或运输BPLC偏振全息元件500。在一些实施例中，在BPLC偏振全息元件500的其它部分被制造或被运输到另一地点或设备之后，衬底505和/或记录介质层510可以从BPLC偏振全息元件500的这些其它部分可分离或可移除。也就是说，衬底505和/或记录介质层510可以在制造、运输和/或储存时使用以支承BPLC材料层513，并且当BPLC偏振全息元件500的制造完成时、或者当BPLC偏振全息元件500要在光学设备中实现时，衬底505和/或图案化记录介质层510可以从BPLC材料层513分离或移除。在一些实施例中，衬底505和/或记录介质层510可以不与BPLC偏振全息元件500分离。
图6A至图6C示意性地展示了根据本公开的实施例的用于制造BPLC偏振全息元件600的过程。图6A至图6C所示的制造过程可以包括与图5A至图5D中所示步骤或过程类似的步骤或过程。基于图6A至图6C中所示的过程制造的BPLC偏振全息元件600可以包括与基于图5A至图5D中所示的过程制造的BPLC偏振全息元件500中所包括的元件类似的元件。对类似步骤和类似元件的描述可以参考以上结合图5A至图5D所呈现的描述。
基于图6A和图6B中所示的制造过程制造的BPLC偏振全息元件600可以是有源BPLC偏振全息元件，例如有源PVH元件等。有源BPLC偏振全息元件500可以是透射式或反射式BPLC偏振全息元件。尽管衬底和层被示出为具有平坦表面，但是在一些实施例中，衬底和形成在衬底上的层可以具有弯曲表面。
如图6A所示，两个衬底(即，第一衬底505a和第二衬底505b)可以组装以形成LC单元610。例如，两个衬底505a和505b可以通过粘接剂512(例如，光学粘接剂512)彼此结合以形成LC单元610。两个衬底505a和505b中的至少一者(例如，每者)可以设置有一个或多个导电电极层和图案化记录介质层。例如，两个导电电极层640a和640b可以形成在衬底505a和505b的相对表面处，并且两个图案化记录介质层510a和510b可以形成在两个导电电极层640a和640b的相对表面处。图案化记录介质层510a和510b可以在导电电极层640a和640b的相对表面处按照与图5A和图5B中所示的步骤或过程类似的步骤或过程制造。导电电极层640或640b可以如衬底505a或505b一样至少在相同的光谱带中是透射式的或反射式的。导电电极层640a或640b可以是平面连续电极层或图案化电极层。如图6A所示，在图案化记录介质层510a与510b之间可以存在间隙或空间。
在组装LC单元610之后，如图6B所示，BPLC材料可以被填充到LC单元610中，即填充到在图案化记录介质层510a与510b之间所形成的空间中，以形成BPLC材料层513。图案化记录介质层510a或510b可以用作填充到LC单元610中的BPLC材料的PAM层。填充有BPLC材料的LC单元610可以通过例如粘接剂512来密封。在一些实施例中，可以在BPLC材料具有各向同性相的温度下将BPLC材料填充到单元600中，然后可以冷却到BPLC材料具有BP II(从各向同性相转变为蓝相II的相)的温度。
如图6C所示，在将BPLC材料513填充到单元600中之后，BPLC材料层513可以聚合，例如热聚合或光聚合。在一些实施例中，如图5D所示，可以用例如UV光544照射BPLC材料层513。在充分的UV光照射下，BPLC材料层513中的单体可以聚合来稳定LC分子的取向。可以减少BPLC材料层513中的DTC中的缺陷，并且可以稳定BPLC材料层513中的DTC。在聚合之后，可以获得BPLC层615(类似于图2A中所示的BPLC层215)。BPLC层615可以包括图案化的、聚合物稳定蓝相结构。BPLC层615也可以被称为聚合BPLC层615。因此，可以获得有源BPLC偏振全息元件600。有源BPLC偏振全息元件600可以通过施加到导电电极层640a和640b的电压(电源未示出)而是可切换的。
出于说明的目的，图6A至图6C示出了导电电极层640a和640b可以设置在两个衬底505a和505b处。导电电极层(640a或640b)可以设置在图案化记录介质层(510a或510b)与衬底(505a或505b)之间。在图6A至图6C所示的实施例中，导电电极层640a和640b中的每一者可以是连续的平面电极层。可以将驱动电压(电源未示出)施加到导电电极层640a和640b以产生竖直电场以重新定向LC分子，从而切换有源BPLC偏振全息元件610的光学特性。
在一些实施例中，两个导电电极层640a和640b可以设置在BPLC层615的同一侧。例如，一个衬底505b(例如，上衬底)可以不设置导电电极层，而另一个衬底505a(例如，下衬底)可以设置有两个导电电极层，其中电绝缘层设置在这两个导电电极层之间。换句话说，两个导电电极层可以设置在BPLC层615的同一侧。两个导电电极层可以包括连续平面电极层和图案化电极层。图案化电极层可以包括以交错方式并行布置的多个条纹电极。可以在设置在BPLC层615的同一侧的连续平面电极层与图案化电极层之间施加电压，以产生水平电场以重新定向LC分子，从而切换制造的有源BPLC偏振全息元件的光学特性。
在一些实施例中，一个衬底505b(例如，上衬底)可以不设置导电电极层，而另一个衬底505a(例如，下衬底)可以设置有导电电极层。导电电极层可以包括叉指型电极，叉指型电极可以包括两个可单独寻址的梳状微电极阵列条。可以在梳状微电极阵列条之间施加电压以产生水平电场以重新定向BPLC层615中的LC分子。
本文公开的BPLC偏振全息元件可以具有宽视角，减少了大入射角下的输入光的光泄漏，具有可调或可切换的光学响应以及快速的切换速度(例如，1ms或更短)。本文描述的BPLC偏振全息元件可以在用于成像、传感、通信、生物医学应用等的系统或设备中实现。例如，本文描述的BPLC偏振全息元件可以在用于增强现实(“augmented reality，AR”)、虚拟现实(“virtual reality，VR”)和/或混合现实(“mixed reality，MR”)应用的各种系统中实现，这些系统例如为近眼显示器(“NED”)、平视显示器(“HUD”)、头戴式显示器(“HMD”)、智能电话、膝上型计算机、电视机、交通工具等。例如，所公开的BPLC偏振全息元件可以被实现为路径折叠透镜组件(例如，薄饼透镜组件)中的无源或有源反射偏振器、被实现为光导显示组件中的光导图像组合器、被实现为光导照明组件中的输入耦合器或输出耦合器(或耦入元件或耦出元件)、或被实现为视网膜投射显示组件中的视网膜投射组合器等。所公开的BPLC偏振全息元件还可用于提供多个图像平面，光瞳转向的AR、VR和/或MR显示系统(例如，全息近眼显示器，视网膜投射眼戴式设备和楔形波导显示器)、用于AR、VR和/或MR应用的智能眼镜、用于投射器的紧凑型照明光学器件、光场显示器等。
将解释所公开的BPLC偏振全息图在AR、VR和/或MR系统中的示例性应用。包括一个或多个公开的BPLC偏振全息图的各种系统可以是用于VR、AR和/或MR应用的系统(例如，NED、HUD、HMD、智能电话、膝上型计算机或电视机等)的一部分。图7A示意性地展示了根据本公开的实施例的系统700的x-y截面图。如图7A所示，系统700可以包括显示元件705和离轴组合器720，显示元件705被配置成产生表示虚拟图像的图像光(或射束)722，离轴组合器720被配置成将图像光722引向系统700的适眼区759。系统700还可以包括眼动追踪设备735和控制器740。控制器740可以与系统700中的一个或多个设备(例如，显示元件705、眼动追踪设备735和离轴组合器720)通信耦接。控制器740可以接收来自一个或多个设备的信号，并且可以控制一个或多个设备的操作。
在一些实施例中，显示元件705可以包括被配置成输出图像光722的投射器(例如，视网膜投射显示器)。在一些实施例中，显示元件705可以是配置成相对于离轴组合器720提供离轴投射的离轴显示元件。例如，图像光722可以是相对于离轴组合器720的离轴光。
在一些实施例中，离轴组合器720可以包括一个或多个在本文公开的BPLC偏振全息元件，例如图2A中所示的BPLC偏振全息元件200。在一些实施例中，离轴组合器720可以用作离轴反射透镜，该离轴反射透镜被配置成将离轴图像光722聚焦到系统700的适眼区759内的一个或多个出射光瞳757处的一个或多个点。出射光瞳757可以是适眼区759的一部分，其中用户的眼睛瞳孔758可以定位为接收图像光。单个出射光瞳757的大小可以大于眼睛瞳孔758的大小并与眼睛瞳孔758的大小相当。多个出射光瞳757可以充分地间隔开，使得当这些出射光瞳757中的一个与眼睛瞳孔758的位置基本一致时，其余一个或多个出射光瞳757可以位于眼睛瞳孔758的位置之外(例如，眼睛瞳孔758的外部)。例如，如图7A所示，离轴组合器720可以将离轴图像光722聚焦为穿过适眼区759处的一个或多个出射光瞳757传播的图像光722。
当被配置用于AR或MR应用时，离轴组合器720还可以组合从显示元件705接收到的图像光722和来自真实世界环境的光(或射束)710(称为真实世界光710)，并且将光710和722两者引向适眼区759。离轴组合器720也可以被称为离轴图像组合器。在一些实施例中，系统700可以包括与离轴组合器720耦接(例如，与离轴组合器720堆叠)的补偿器725。离轴组合器720可以设置在补偿器725与适眼区759之间。真实世界光710可以在入射到离轴组合器720之前入射到补偿器725上。在一些实施例中，控制器740可以被配置成控制补偿器725和离轴组合器720以向真实世界光710提供相反的转向效果和透镜效果。例如，当补偿器725和离轴组合器720提供的光焦度可以具有相反的符号和基本相同的绝对值时，由补偿器725和离轴组合器720提供的转向可以具有相反的方向。因此，补偿器725可以补偿由离轴组合器720引起的真实世界光710的失真，从而可以基本上不改变通过系统700观看的真实世界对象的图像。在一些实施例中，补偿器725可以包括本文公开的BPLC偏振全息元件，诸如公开的用作透射式PVH透镜的BPLC偏振全息元件。在一些实施例中，当系统700被配置用于VR应用时，可以省略补偿器725。
在一些实施例中，离轴组合器720可以是不可由外部场调谐的无源元件。在一些实施例中，离轴组合器720可以是可由外部场调谐的有源元件。例如，离轴组合器720的光焦度可以通过施加的电压来调谐。在一些实施例中，离轴组合器720中所包括的BPLC层可以包括堆叠在一起的多个子层。多个子层可以被配置成在多个波长(例如，红、绿和蓝波长范围)下具有高的衍射效率，从而实现全色显示。例如，离轴图像光722可以是可见的多色光，并且各个子层可以被配置成将离轴图像光722的与不同波长范围相关联的各个部分聚焦到同一出射光瞳757。
在一些实施例中，离轴组合器720中所包括的BPLC层可以包括堆叠在一起的多个子层，并且不同的子层可以被配置成反射和聚焦离轴图像光722以穿过不同的出射光瞳757传播。也就是说，不同的子层可以被配置成使离轴图像光722以不同转向角度转向以穿过不同的出射光瞳757传播。在一些实施例中，多个子层可以用作无源元件，每个子层可以被配置成同时反射和聚焦离轴图像光722以使得以相对较低的效率穿过多个出射光瞳757中的一个传播。多个子层可以被配置成同时反射和聚焦离轴图像光722以穿过形成适眼区759的多个出射光瞳757传播。出于讨论的目的，每个出射光瞳757也可以被称为子适眼区，并且由多个出射光瞳757形成的适眼区759也可以被称为未压缩适眼区，该未压缩适眼区相对较大。
在一些实施例中，多个子层可以用作多个有源元件，该多个有源元件中的每个有源元件可以被配置成在活动状态下操作，从而以相对较高的效率将离轴图像光722反射到出射光瞳757，并且该多个有源元件中的每个有源元件可以被配置成在非活动状态下操作以透射离轴图像光722。在一些实施例中，一个或多个(不是全部)子层可以被配置成在活动状态下操作以聚焦离轴图像光722以穿过一个或多个出射光瞳757(或一个或多个子适眼区)传播，从而形成大小小于未压缩适眼区的大小的压缩适眼区。其余子层可以在非活动状态下操作以透射离轴图像光722。在一些实施例中，控制器740可以与一个或多个电源(未示出)通信耦接，以调整施加到离轴组合器720中所包括的各个子层的电压。
在一些实施例中，眼动追踪设备735可以包括一个或多个光源(例如，红外光源)和一个或多个光学传感器。该一个或多个光源可以被配置成发射IR光以照亮用户的一只或两只眼睛，并且光学传感器可以被配置成接收从眼睛反射的IR光。在一些实施例中，光学传感器可以被配置成基于所接收的IR光来生成用户的一只眼睛或两只眼睛的图像数据。例如，光学传感器可以是成像设备，例如摄像头。在一些实施例中，眼动追踪设备735中所包括的处理器可以被配置成通过分析所采集的眼睛瞳孔758的图像来实时获得与眼睛瞳孔758有关的眼动追踪信息。
眼动追踪信息可以包括眼睛瞳孔758的位置(或定位)、移动方向、大小或观看方向中的至少一者。可以动态地改变眼睛瞳孔758的位置、移动方向、大小或观看方向。因此，眼动追踪设备735可以动态地采集眼睛瞳孔758的图像，并且动态地实时获取和/或提供眼动追踪信息。在一些实施例中，眼动追踪设备735可以(例如，通过处理器)测量或确定多达六自由度(即，3D位置、滚动、俯仰和偏转)的眼睛瞳孔758的位置和/或运动。
在一些实施例中，眼动追踪设备735可以通过眼动追踪设备735中所包括的发送器将眼动追踪信息发送到控制器740。在一些实施例中，眼动追踪设备735可以将眼睛瞳孔758的图像(即，图像数据)发送到控制器740，并且控制器740可以实时分析这些图像以获得眼动追踪信息。在一些实施例中，控制器740可以基于一种或多种类型的眼动追踪信息(例如，基于眼睛瞳孔758的位置)来确定离轴组合器720的操作状态，诸如离轴组合器720中所包括的有源子层的操作状态。
根据眼动追踪信息，离轴组合器720可以向离轴图像光722提供不同的转向角度，以聚焦离轴图像光722以穿过不同的出射光瞳757传播。换句话说，离轴组合器720可以用作提供光瞳转向功能的光瞳转向元件。例如，在操作期间，基于眼动追踪信息，控制器740可以控制离轴组合器720中所包括的一个或多个子层在活动状态下操作，而其余子层在非活动状态下操作。出于说明的目的，图7A示出了离轴组合器720的两种操作状态。例如，在第一时刻，眼动追踪设备735可以检测到用户的眼睛瞳孔758位于适眼区759的位置P1处。基于眼动追踪信息，控制器740可以控制离轴组合器720中的第一子层在活动状态下操作，而其余子层在非活动状态下操作。第一子层可以将离轴图像光722反射和聚焦为图像光724，该图像光724穿过与眼睛瞳孔758的位置P1基本一致的出射光瞳757(例如，第一子适眼区)传播。
在第二时刻，眼动追踪设备735可以检测到用户的眼睛瞳孔758已经在x轴方向上从先前位置P1移动到适眼区759处的新位置P2。基于与新位置P2有关的新的眼动追踪信息，控制器740可以控制离轴组合器720中的不同的第二子层在活动状态下操作，而其余子层在非活动状态下操作。第二子层可以将离轴图像光722反射和聚焦为图像光726(由虚线表示)，该图像光726穿过与眼睛瞳孔758的位置P2基本一致的出射光瞳757(例如，第二子适眼区)传播。
出于讨论的目的，图7A示出了离轴组合器720提供1D光瞳转向，例如使出射光瞳757在图7A中所示的x轴方向上转向。在一些实施例中，尽管未示出，但离轴组合器720可以提供2D光瞳转向，例如使出射光瞳757在两个不同方向(例如，图7A中所示的x轴方向和y轴方向)上转向。在一些实施例中，尽管未示出，但离轴组合器720可以提供3D光瞳转向，例如使出射光瞳757在三个不同方向(例如，图7A中所示的x轴方向、y轴方向和z轴方向)上转向。例如，离轴组合器720可以包括三个BPLC层，三个BPLC层被配置成使出射光瞳757分别在x轴方向、y轴方向和z轴方向上转向。
图7B示意性地展示了根据本公开的实施例的光学系统750的x-y截面图。系统750可以包括与图7A所示的系统700中所包括的元件相似或相同的元件。对相同或类似元件的描述可以参考上面对应的描述，包括结合图7A呈现的描述。如图7B所示，光学系统750可以包括显示元件705和离轴组合器780。光学系统750还可以包括眼动追踪设备735和控制器740。
在一些实施例中，显示元件705可以被配置成提供相对于离轴组合器780的离轴投射，例如，由显示元件705输出的图像光742可以是相对于离轴组合器780的离轴光。离轴组合器780可以类似于图7A中所示的离轴组合器720，但可以被配置成在透射模式下操作，而图7A所示的离轴组合器720可以被配置成在反射模式下操作。在一些实施例中，离轴组合器780可以用作离轴透射式透镜，离轴透射式透镜被配置成将离轴图像光722聚焦到光学系统750的适眼区759内的一个或多个出射光瞳757处的一个或多个点。在一些实施例中，离轴组合器780可以包括一个或多个在本文公开的BPLC偏振全息元件，诸如所公开的用作透射式PVH元件(例如，透射式PVH透镜)的BPLC偏振全息图。
当被配置用于AR或MR应用时，离轴组合器780还可以组合从显示元件705接收到的图像光742和真实世界光710，并且将光710和742两者引向适眼区759。离轴组合器780也可以被称为离轴图像组合器。在一些实施例中，光学系统750可以包括与离轴组合器780耦接的补偿器785。离轴组合器780可以设置在补偿器785与适眼区759之间。控制器740可以被配置成控制补偿器785和离轴组合器780以向真实世界光710提供相反的转向效果和透镜效果。例如，当补偿器785和离轴组合器780提供的光焦度可以具有相反的符号和基本相同的绝对值时，由补偿器785和离轴组合器780提供的转向可以具有相反的方向。因此，补偿器785可以补偿由离轴组合器780引起的真实世界光710的失真，从而可以基本上不改变通过光学系统750观看的真实世界对象的图像。在一些实施例中，补偿器785可以包括本文公开的BPLC偏振全息元件，诸如公开的用作透射式PVH透镜的BPLC偏振全息元件。在一些实施例中，当光学系统750被配置用于VR应用时，可以省略补偿器785。
在一些实施例中，离轴组合器780可以是不可由外部场调谐的无源元件。在一些实施例中，离轴组合器780可以是可由外部场调谐的有源元件。例如，离轴组合器780的光焦度可以通过施加的电压来调谐。在一些实施例中，离轴组合器780中所包括的BPLC层可以包括堆叠在一起的多个子层。多个子层可以被配置成在多个波长(例如，红、绿和蓝波长范围)下具有高的衍射效率，从而实现全色显示。例如，离轴图像光742可以是可见的多色光，并且各个子层可以被配置成将离轴图像光742的与不同波长范围相关联的各个部分聚焦到同一出射光瞳757。
在一些实施例中，离轴组合器780中所包括的BPLC层可以包括堆叠在一起的多个子层，并且不同的子层可以被配置成透射和聚焦离轴图像光742以穿过不同的出射光瞳757传播。也就是说，不同的子层可以被配置成使离轴图像光742以不同的转向角度转向以穿过不同的出射光瞳757传播。在一些实施例中，多个子层可以用作无源元件，每个无源元件可以被配置成同时透射和聚焦离轴图像光742以便以相对较低的效率穿过出射光瞳757传播。多个子层可以被配置成同时透射和聚焦离轴图像光742以穿过形成适眼区759的多个出射光瞳757传播。
在一些实施例中，多个子层可以用作多个有源元件，该多个有源元件中的每个有源元件可以被配置成在活动状态下操作，从而以相对较高的效率将离轴图像光742反射到出射光瞳757，并且该多个有源元件中的每个有源元件可以被配置成在非活动状态下操作以透射离轴图像光742。在一些实施例中，一个或多个(不是全部)子层可以被配置成在活动状态下操作以聚焦离轴图像光742以穿过一个或多个出射光瞳757(或一个或多个子适眼区)传播，从而形成大小小于未压缩适眼区的大小的压缩适眼区。其余子层可以在非活动状态下操作以透射离轴图像光742。在一些实施例中，控制器740可以与一个或多个电源(未示出)通信耦接，以调整施加到离轴组合器780中所包括的各个子层的电压。
在一些实施例中，根据眼动追踪信息，离轴组合器780可以向离轴图像光742提供不同的转向角度，以聚焦离轴图像光742以穿过不同的出射光瞳757传播。换言之，离轴组合器780可以用作光瞳转向元件以提供光瞳转向功能。例如，在操作期间，基于眼动追踪信息，控制器740可以控制离轴组合器780中所包括的一个或多个子层在活动状态下操作，而其余子层在非活动状态下操作。出于说明的目的，图7B示出了离轴组合器780的两种操作状态。例如，在第一时刻，眼动追踪设备735可以检测到用户的眼睛瞳孔758位于适眼区759的位置P1处。基于眼动追踪信息，控制器740可以控制离轴组合器780中的第一子层在活动状态下操作，而其余子层在非活动状态下操作。第一子层可以将离轴图像光742聚焦为图像光724，该图像光穿过与眼睛瞳孔758的位置P1基本一致的出射光瞳757(例如，第一子适眼区)传播。
在第二时刻，眼动追踪设备735可以检测到用户的眼睛瞳孔758已经在x轴方向上从先前位置P1移动到适眼区759处的新位置P2。基于与新位置P2有关的新的眼动追踪信息，控制器740可以控制离轴组合器780中的不同的第二子层在活动状态下操作，而其余子层在非活动状态下操作。第二子层可以将离轴图像光742聚焦为图像光746(由虚线表示)，该图像光746穿过与眼睛瞳孔758的位置P2基本一致的出射光瞳757(例如，第二子适眼区)传播。
出于讨论的目的，图7B示出了离轴组合器780提供1D光瞳转向，例如使出射光瞳757在图7B中所示的x轴方向上转向。在一些实施例中，尽管未示出，但离轴组合器780可以提供2D光瞳转向，例如使出射光瞳757在两个不同方向(例如，图7B中所示的x轴方向和y轴方向)上转向。在一些实施例中，尽管未示出，但离轴组合器780可以提供3D光瞳转向，例如使出射光瞳757在三个不同方向(例如，图7中所示的x轴方向、y轴方向和z轴方向)上转向。例如，离轴组合器780可以包括三个BPLC层，这三个BPLC层被配置成使出射光瞳757分别在x轴方向、y轴方向和z轴方向上转向。
图8A示意性地展示了根据本公开的实施例的系统800的图示。系统800也可以被称为光导显示系统或组件。如图8A所示，系统800可以包括光源组件805、光导810和控制器740，光源组件805包括显示元件(例如，显示面板)820和准直透镜825，光导810与耦入元件(或输入耦合器)835和耦出元件(或输出耦合器)845耦接。与耦入元件835和耦出元件845耦接的光导810也可以被称为光导图像组合器。
显示面板820可以向准直透镜825输出表示虚拟图像(具有与显示面板820的线性大小相关联的预定图像大小)的图像光829。图像光829可以是包括光线束的发散图像光。出于说明的目的，图8A示出了图像光829的单条光线。准直透镜825可以将图像光829透射为具有预定输入FOV(例如，α)的朝向光导810的输入侧的图像光830。准直透镜825可以将由图像光829形成的虚拟图像中的像素的线性分布变换或转换为具有预定输入FOV的图像光830中的像素的角分布。图像光830中的每条光线可以表示输入FOV的FOV方向。出于说明的目的，图8A示出了正常入射到耦入元件835上的图像光830的单条光线(例如，中心光线)，并且图像光830的单条光线可以表示输入FOV的单个FOV方向(例如，0°FOV方向)。
耦入元件835可以将图像光830耦入光导810以作为耦入图像光831，该耦入图像光831可以经由全内反射(“TIR”)在光导810内向耦出元件845传播。耦出元件845可以将耦入图像光831从光导810在沿着光导810的纵向方向(例如，x轴方向)的不同位置处耦出以作为多个输出图像光832，每个输出图像光可以具有与输入FOV基本相同的输出FOV(例如，由角度α表示)。出于讨论的目的，图8A示出了三个输出图像光832，并且示出了每个输出图像光832的单条光线(例如，中心光线)。耦入元件835或耦出元件845中的至少一者可以包括本文公开的BPLC偏振全息元件，例如图2A中所示的BPLC偏振全息元件200。在一些实施例中，BPLC偏振全息元件可以被配置成用作经由衍射将图像光耦入光导810中或从光导810耦出的光栅。
每个输出图像光832可以包括与显示在显示面板820上的虚拟图像相同的图像内容。因此，与耦入元件835和耦出元件845耦接的光导810可以在光导810的输出侧复制图像光830，以扩展系统800的有效光瞳。出于讨论的目的，图8A示出了沿图8A中的x轴方向的一维光瞳扩展。在一些实施例中，系统800还可以提供例如沿图8A中的x轴方向和y轴方向的二维光瞳扩展。例如，在一些实施例中，尽管未示出，但系统800还可以包括重定向元件(或折光元件)，重定向元件(或折光元件)耦接到光导810并且被配置成将耦入图像光831重定向到耦出元件845。重定向元件可以被配置成在第一方向(例如，y轴方向)上扩展输入图像光830，而耦出元件845可以被配置成在不同的第二方向(例如，x轴方向)上扩展输入图像光830。在一些实施例中，重定向元件可以包括BPLC偏振全息元件，该BPLC偏振全息元件用作将耦入图像光831重定向到耦出元件845的光栅。
多个图像光832可以穿过位于系统800的适眼区759中的多个出射光瞳757传播。单个出射光瞳757的大小可以大于眼睛瞳孔758的大小并与眼睛瞳孔758的大小相当。这些出射光瞳757可以充分地间隔开，使得当出射光瞳757之一与眼睛瞳孔758的位置基本一致时，其余一个或多个出射光瞳757可以位于眼睛瞳孔758的位置之外(例如，在眼睛瞳孔758的外部)。光导810和耦出元件845还可以透射来自真实世界环境的光842(称为真实世界光842)，将真实世界光842与输出图像光832组合，并将组合后的光传递到眼睛760。因此，眼睛760可以观察与真实世界场景光学地相结合的虚拟场景。
在图8A所示的实施例中，光导图像组合器可以在相对于位于适眼区759处的眼睛瞳孔758具有无限深度(或图像平面距离)的图像平面处生成显示元件820的图像。在一些实施例中，光导图像组合器可以在相对于位于适眼区759处的眼睛瞳孔758具有有限深度(或图像距离)的图像平面处生成显示元件820的图像。图8B示意性地展示了根据本公开的实施例的系统850的图示。系统850也可以被称为光导显示系统或组件。系统850可以包括与图8A所示的系统800中所包括的元件相似或相同的元件。对相同或类似元件的描述可以参考上面的对应描述，包括结合图8A呈现的描述。
如图8B所示，系统850可以包括光源组件805以及与耦入元件835和耦出元件845耦接的光导810(也称为光导图像组合器)。系统800还可以包括设置在光导图像组合器与适眼区759之间的透镜或透镜组件853。透镜组件853可以包括一个或多个在本文公开的BPLC偏振全息元件，例如图2A中所示的BPLC偏振全息元件200。在一些实施例中，透镜组件853可以包括公开的用作透射式PVH透镜的BPLC偏振全息元件。透镜组件853可以被配置成向输出图像光832提供可调光焦度或可调转向角度中的至少一者。
在一些实施例中，基于来自眼动追踪系统(未示出)的眼动追踪信息，控制器740可以被配置成控制透镜组件853将多个输出图像光832转向并聚焦到适眼区759内的图像平面，其中一个或多个出射光瞳757位于该适眼区处。在一些实施例中，透镜组件853可以被配置成向输出图像光832提供3D射束转向。例如，透镜组件853可以被配置成在一个维度或两个维度(例如，x轴方向和/或y轴方向)上横向转向(或移动)输出图像光832的焦点。在一些实施例中，透镜组件853还可以被配置成在第三维度(例如，在z轴方向上)竖直移动输出图像光832聚焦所在的图像平面。因此，可以基于眼动追踪信息在3D空间中提供系统850的出射光瞳757的连续或离散移位以覆盖扩展的适眼区。
在一些实施例中，可以调整显示元件820的图像平面相对于适眼区759的竖直距离以解决辐辏调节冲突。因此，可以改善系统850的用户体验。例如，显示元件820可以显示虚拟图像。基于由眼动追踪系统(未示出)提供的眼动追踪信息，控制器740可以确定眼睛760当前正在看的虚拟图像内的虚拟对象。控制器740可以基于注视点或由眼动追踪系统确定的视线的估计交叉点来确定用户的注视的聚散深度(dv)。视线可以在虚拟对象所在的距离dv处会聚或相交。控制器740可以控制透镜组件853来调整光焦度以提供与眼睛760当前正在看的虚拟对象相关联的聚散深度(dv)相匹配的调节，从而减少系统850中的辐辏调节冲突。例如，控制器740可以控制透镜组件853在期望的操作状态下操作，以提供对应于与聚散深度(dv)匹配的焦平面(或图像平面)的光焦度。
在一些实施例中，当用于AR和/或MR应用时，除了透镜组件853(称为第一透镜组件853)之外，系统850还可以包括第二透镜组件855。第二透镜组件855可以包括一个或多个在本文公开的BPLC偏振全息元件，例如图2A中所示的BPLC偏振全息元件200。在一些实施例中，第二透镜组件855可以包括公开的用作透射式PVH透镜的BPLC偏振全息元件。第一透镜组件853和第二透镜组件855可以设置在光导810的两侧处。控制器740可以通信地耦接到第二透镜组件855。在一些实施例中，当用于AR和/或MR应用时，控制器740可以被配置成控制第一透镜组件853和第二透镜组件855以向真实世界光842提供相反的转向效果和透镜效果。例如，由第一透镜组件853和第二透镜组件855提供的光焦度可以具有相反的符号和基本相同的绝对值，由第一透镜组件853和第二透镜组件855提供的转向可以具有相反的方向。因此，第二透镜组件855可以被配置成补偿由第一透镜组件853引起的真实世界光842的失真，从而可以基本上不改变通过系统850观看的真实世界对象的图像。
在一些实施例中，第一透镜组件853和第二透镜组件855中的每一者可以是有源元件。例如，第一透镜组件853或第二透镜组件855的转向效应和透镜效应可以通过外部场调整。当第一透镜组件853或第二透镜组件855中所包括的BPLC层包括多个子层时，每个子层的转向效应和透镜效应可以通过外部场来调整。
在一些实施例中，第一透镜组件853和第二透镜组件855中的每一者可以是无源元件。第一透镜组件853和第二透镜组件855中的每一者可以与可切换半波片耦接。可切换半波片可以控制入射到第一透镜组件853或第二透镜组件855上的光的偏振。第一透镜组件853或第二透镜组件855的转向效应和透镜效应可以通过控制可切换半波片来调整。当第一透镜组件853或第二透镜组件855中所包括的BPLC层包括多个子层时，每个子层可以与可切换半波片耦接，并且每个子层的转向效应和透镜效应可以通过控制可切换半波片来调整。
图9A示意性地展示了根据本公开的实施例的系统900的图示。如图9A所示，系统900可以包括光导照明组件903、显示面板901和透镜组件902。光导照明组件903可以包括光源组件940以及与耦入元件935和耦出元件945耦接的光导930。显示面板901和透镜组件902可以设置在光导930的相反两侧。显示面板901和透镜组件902可以平行布置，并且可以在同一轴线970上对齐。轴线970可以是透镜组件902的光轴或显示面板901的对称轴线。光导930可以与显示面板901和透镜组件902平行设置，光导930的表面法线与轴线70平行。光源组件940可以向光导930输出光951。光源组件940可以包括发光二极管(“LED”)、超发光二极管(“superluminescent diode，SLED”或“SLD”)、激光二极管或它们的组合等。
光951可以由光导930引导到显示面板901，以用于照亮显示面板901。耦入元件935可以将光951耦入光导930中以作为耦入光953，该耦入光953经由全内反射(“TIR”)沿着光导930朝向耦出元件945传播。耦出元件945可以将耦入光953从光导930耦出以作为朝向显示面板901传播的光955，以照亮显示面板901。因此，光955也可以被称为照明光955。在一些实施例中，耦入元件935可以包括直接边缘照明、输入光栅、棱镜、反射镜和/或光子集成电路。在一些实施例中，耦入元件935或耦出元件945中的至少一者可以包括本文公开的BPLC偏振全息元件，例如图2A中所示的BPLC偏振全息元件200。在一些实施例中，BPLC偏振全息元件可以被配置成用作经由衍射将照明光耦入光导910中或从光导910耦出的光栅。
光955可以垂直入射到显示面板901上。显示面板901可以将光955调制并转换成表示由显示面板901生成的虚拟图像的图像光957。透镜组件902可以将图像光957聚焦到适眼区759中的出射光瞳757。因此，位于出射光瞳757处的眼睛760可以感知表示显示在显示面板901上的虚拟图像的图像光959。透镜组件902可以包括一个或多个在本文公开的BPLC偏振全息元件，例如图2A中所示的BPLC偏振全息元件200。在一些实施例中，透镜组件902可以包括所公开的用作透射式PVH透镜的BPLC偏振全息元件。透镜组件902可以被配置成向图像光959提供可调光焦度或可调转向角度中的至少一者。
显示面板901可以是反射式显示面板或透射式显示面板。出于说明的目的，图9A示出了显示面板901作为调制光955并将光955反射成图像光957的反射式显示面板(例如，反射式LCD面板)。在图9B所示的系统980中，显示面板982可以是透射式显示面板(例如，透射式LCD面板)，该透射式显示面板调制光955并将光955透射为表示由显示面板982生成的虚拟图像的图像光987。显示面板982可以设置在透镜组件902与光导930之间，并且透镜组件902可以将图像光987聚焦到适眼区759中的出射光瞳757。
在一些实施例中，如图9B所示，系统980还可以包括偏振器或四分之一波片981，该偏振器或四分之一波片981设置在显示面板982与光导930之间。偏振器或四分之一波片981可以被配置成将照明光955转换为具有期望的偏振态(例如，线偏振)的照明光985。
图10A示意性地展示了根据本公开的实施例的系统1000。系统1000可以包括光源组件(例如，显示元件)1050，光源组件105被配置成输出表示虚拟图像的图像光1021(例如，发散图像光)。系统1000还可以包括路径折叠透镜组件(例如，薄饼透镜组件)1001，路径折叠透镜组件1001被配置成折叠图像光1021的光路，并将从显示元件1050的每个光输出单元发射的各光线(形成发散图像光1021)转换为基本上覆盖系统1000的适眼区759中的一个或多个出射光瞳757的平行光线束。由于路径折叠，透镜组件1001可以增加系统1000的视场(“field of view，FOV”)，而不增加显示元件1050与适眼区区域759之间的物理距离并且不会损害图像质量。路径折叠透镜组件1001可以包括一个或多个在本文公开的BPLC偏振全息元件，例如图2A中所示的BPLC偏振全息元件200。
在一些实施例中，显示元件1050可以是包括窄带单色光源(例如，30nm带宽光源)的单色显示器。在一些实施例中，显示元件1050可以是包括宽带多色光源(例如，覆盖可见波长范围的300nm带宽光源)的多色显示器(例如，红绿蓝(“red-green-blue，RGB”)显示器)。在一些实施例中，显示元件1050可以是包括多个单色显示器的堆叠体的多色显示器(例如，RGB显示器)，该多个单色显示器可以分别包括对应的窄带单色光源。
在一些实施例中，路径折叠透镜组件1001可以包括第一光学元件(例如，第一光学透镜)1005和第二光学元件(例如，第二光学透镜)1010。在一些实施例中，路径折叠透镜组件1001可以被配置为在路径折叠透镜组件中所包括的光学元件之间没有任何气隙的单片薄饼透镜组件。在一些实施例中，第一光学元件1005和第二光学元件1010的一个或多个表面可以成形(例如，弯曲)以补偿场曲率。在一些实施例中，第一光学元件1005和/或第二光学元件1010的一个或多个表面可以被成形为球状凹面(例如，球体的一部分)、球状凸面、旋转对称非球面、自由曲面形状、或可以减轻场曲率的某种其它形状。在一些实施例中，第一光学元件1005和/或第二光学元件1010的一个或多个表面的形状可以被设计成另外补偿其它形式的光学像差。所公开的BPLC偏振全息元件可以形成在第一光学元件1005或第二光学元件1010中的至少一者的一个或多个弯曲表面上。在一些实施例中，路径折叠透镜组件1001内的一个或多个光学元件可以具有一个或多个涂层，例如抗反射涂层，以减少重影并增强对比度。在一些实施例中，第一光学元件1005和第二光学元件1010可以通过粘接剂1015耦接在一起。第一光学元件1005和第二光学元件1010中的每一者可以包括一个或多个光学透镜。在一些实施例中，第一光学元件1005或第二光学元件1010中的至少一者可以具有至少一个平坦表面。
第一光学元件1005可以包括面向显示元件1050的第一表面1005-1，以及面向眼睛760的相反的第二表面1005-2。第一光学元件1005可以被配置成在第一表面1005-1处接收来自显示元件1050的图像光并且在第二表面1005-2处输出具有改变性质的图像光。路径折叠透镜组件1001还可以包括以光学串联布置的线偏振器1002、波片1004和反射镜1006，它们中的每一者可以是设置在(例如，结合到或形成在)第一光学元件1005的单独的层、膜或涂层。线偏振器1002、波片1004和反射镜1006可以设置在(例如，结合到或形成在)第一光学元件1005的第一表面1005-1或第二表面1005-2。出于说明的目的，图10A示出了线偏振器1002和波片1004设置在(例如，结合到或形成在)面向显示元件1050的第一表面1005-1，并且反射镜1006设置在(例如，结合到或形成在)面向第二光学元件1010的第二表面1005-2。还考虑了其它布置。
在一些实施例中，波片1004可以是四分之一波片(“quarter-wave plate，QWP”)。对于可见光谱和/或IR光谱，波片1004的偏振轴线可以相对于线偏振光的偏振方向定向，以将线偏振光转换成圆偏振光，或反之亦然。在一些实施例中，对于消色差设计，波片1004可以包括多层双折射材料(例如，聚合物、液晶或它们的组合)以在宽光谱范围内产生四分之一波长双折射。例如，波片1004的偏振轴线(例如，快轴线)与线偏振器1002的透射轴线之间的角度可以被配置成在大约35度至50度的范围内。在一些实施例中，对于单色设计，波片1004的偏振轴线(例如，快轴线)与线偏振器1002的透射轴线之间的角度可以被配置成约45度。在一些实施例中，反射镜1006可以是偏振非选择性部分反射器，该偏振非选择性部分反射器是部分反射性的以用于反射所接收的光的一部分。在一些实施例中，反射镜1006可以被配置成透射所接收的光的大约50％并反射所接收的光的大约50％，并且可以被称为“50/50反射镜”。在一些实施例中，所反射的光的旋向性可以反转，而所透射的光的旋向性可以保持不变。
第二光学元件1010可以具有面向第一光学元件1005的第一表面1010-1和面向眼睛760的相反的第二表面1010-2。路径折叠透镜组件1001还可以包括反射偏振器1008，该反射偏振器1008可以是设置在(例如，结合到或形成在)第二光学元件1010的单独的层、膜或涂层。反射偏振器1008可以被配置成主要反射具有第一旋向性的圆偏振光，并且主要透射具有与第一旋向性正交的第二旋向性的圆偏振光。
在图10A所示的实施例中，反射偏振器1008可以包括本文公开的BPLC偏振全息元件。因此，可以减少反射偏振器1008对于具有大入射角(例如，大于或等于60°)的输入光的光泄漏。因此，可以抑制由光泄漏引起的重影。在一些实施例中，包括本文公开的BPLC偏振全息元件的反射偏振器1008可以用作光焦度为零的无源反射偏振器。在一些实施例中，包括本文公开的BPLC偏振全息元件的反射偏振器1008可以用作具有可调光焦度的有源反射偏振器，以用于解决系统1001中的辐辏调节冲突。
反射偏振器1008可以设置在(例如，结合到或形成在)第二光学元件1010的第一表面1010-1或第二表面1010-2，并且可以接收从反射镜1006输出的光。出于说明的目的，图10A示出了反射偏振器1008设置在(例如，结合到或形成在)第二光学元件1010的第一表面1010-1。也就是说，反射偏振器1008可以设置在第一光学元件1005与第二光学元件1010之间。例如，反射偏振器1008可以设置在第二光学元件1010的第二表面1010-2与粘接层1015之间。在一些实施例中，反射偏振器1008可以设置在第二光学元件1010的第二表面1010-2。
参考图10A，在一些实施例中，从显示元件1050发射的图像光1021可以是非偏振光。线偏振器1002和波片1004可以由圆偏振器替代，圆偏振器可以被配置成将非偏振光转换为圆偏振光，并将圆偏振光导向反射镜1006。在一些实施例中，从显示元件1050发射的图像光1021可以是线偏振光，并且可以省略线偏振器1002。对于可见光谱和/或IR光谱，波片1004的偏振轴线可以相对于线偏振光的偏振方向定向，以将线偏振光转换为圆偏振光，或反之亦然。在一些实施例中，从显示元件1050发射的图像光1021可以是圆偏振光，并且可以省略线偏振器1002和波片1004。
在一些实施例中，第一光学元件1005的第一表面1005-1和第二表面1005-2、以及第二光学元件1010的第一表面1010-1和第二表面1010-2中的一者或多者可以是一个或多个弯曲表面或一个或多个平坦表面。在一些实施例中，路径折叠透镜组件1001可以具有光学元件1005和1010中的一者，或者可以包括可以类似于光学元件1005或1010的多于两个的光学元件。在一些实施例中，除了第一光学元件1005和第二光学元件1010之外，路径折叠透镜组件1001还可以包括其它光学元件，例如一个或多个线偏振器、一个或多个波片、一个或多个圆偏振器等。
图10B展示了根据本公开的实施例的在图10A所示的路径折叠透镜组件1001中传播的光的光路1060的示意性截面图。在光传播路径1060中，示出了光的偏振的变化。因此，为了说明的简洁性，省略了被假定为不影响光的偏振的透镜的第一光学元件1005和第二光学元件1010。在图10B中，字母“R”附于附图标记(例如，“1027R”)表示右旋圆偏振(“RHCP”)光，字母“L”附于附图标记(例如，“1025L”)表示左旋圆偏振(“LHCP”)光，字母“s”附于附图标记(例如，“1023s”)表示s偏振光。
出于讨论的目的，如图10B所示，线偏振器1002可以被配置成透射s偏振光并阻挡p偏振光，而反射偏振器1008可以是被配置成反射LHCP光并透射RHCP光的左旋反射偏振器(“left-handed reflective polarizer，LHRP”)。出于说明的目的，在图10B中将显示元件1050、线偏振器1002、波片1004、反射镜1006和反射偏振器1008示为平坦表面。在一些实施例中，显示元件1050、线偏振器1002、波片1004、反射镜1006和反射偏振器1008中的一者或多者可以包括弯曲表面。
如图10B所示，显示元件1050可以产生覆盖预定光谱(例如，可见光谱范围的一部分或基本上整个可见光谱范围)的非偏振图像光1021。非偏振图像光1021可以被线偏振器1002透射为s偏振图像光1023s，s偏振图像光1023s可以被波片1004透射为LHCP图像光1025L。LHCP图像光1025L的第一部分可以被反射镜1006反射为朝向波片1004的RHCP图像光1027R，并且LHCP图像光1025L的第二部分可以被透射为朝向反射偏振器1008的LHCP图像光1028L。LHCP图像光1028L可以被反射偏振器1008反射为朝向反射镜1006的LHCP图像光1029L。LHCP图像光1029L可以被反射镜1006反射为RHCP图像光1031R，RHCP图像光1031R可以透射穿过反射偏振器1008作为RHCP图像光1033R以朝向适眼区759。
返回参考图10A，在一些实施例中，路径折叠透镜组件1001还可以包括第三光学元件(或第三光学透镜)1016。第三光学透镜1016可以是透射式透镜。在如图10A所示的实施例中，第三光学透镜1016可以是设置在第二光学元件1010与适眼区759之间的独立式平坦元件。也就是说，第二光学元件1010可以设置在第三光学透镜1016与第一光学元件1005之间。在一些实施例中，尽管未示出，但第三光学透镜1016可以是设置在(例如，结合到或形成在)第二光学元件1010的单独的层、膜或涂层。例如，第三光学透镜1016可以设置在(例如，结合到或形成在)第二光学元件1010的第一表面1010-1或第二表面1010-2。
第三光学透镜1016可以包括本文公开的BPLC偏振全息元件，作为用作透射式PVH透镜的BPLC偏振全息元件。在一些实施例中，第三光学透镜1016可以被配置成具有可调光焦度，用于解决路径折叠透镜组件1001中的辐辏调节冲突。在一些实施例中，第三光学透镜1016可以是有源元件。例如，第三光学透镜1016的光焦度可以通过外部场(例如，电场)来调整。当第三光学透镜1016中所包括的BPLC层包括多个子层时，每个子层的转向效应和透镜效应可以通过外部场来调整。
在一些实施例中，第三光学透镜1016可以是无源元件，且可以与可切换半波片耦接。可切换半波片可以控制要入射到第三光学透镜1016上的光(或射束)的偏振。第三光学透镜1016的光焦度可以通过控制可切换半波片来调整。当第三光学透镜1016中所包括的BPLC层包括多个子层时，每个子层可以与可切换半波片耦接，并且每个子层的光焦度可以通过控制相应的可切换半波片而是可调的。
参考图10A，在一些实施例中，系统1000还可以包括与显示元件1050耦接的第四光学透镜1026。第四光学透镜1026可以设置在显示元件1050与第一光学透镜1005之间。第四光学透镜1026可以包括本文公开的BPLC偏振全息元件，例如用作透射式PVH透镜的BPLC偏振全息元件。第四光学透镜1026可以被配置成经由正向衍射而基本上聚焦具有预定旋向性的圆偏振，并且在不改变传播方向的情况下(或者在衍射可忽略或为零的情况下)基本上透射具有相反的旋向性的圆偏振。
图10C示意性地展示了根据本公开的实施例的图像光1021从图10A中所示系统1000中的显示元件1050到路径折叠透镜组件1001的光路。显示元件(例如，显示面板)1050的峰值光亮度角在显示面板1050上可以是均匀的，并且可以基本上接近0°。也就是说，通常从显示面板1050输出的光线1021-1至1021-4可以具有最高光亮度(或亮度)。出于讨论的目的，图10C示出了图像光1021的四条光线1021-1至1021-4，这四条光线通常分别从显示面板1050的顶部部分的四个不同的光输出单元1050a至1050b输出。
被定义为在用户的注视方向与显示面板1050的表面法线之间形成的角度的用户视角(或主光线角)可以在显示面板1050上变化。在图10C中，假定显示面板1050的表面法线与系统1000的光轴1080平行。例如，与分别输出光线1021-1至1021-4的四个不同的光输出单元相关联的用户的视角(或主光线角)可以不同。随着用户的注视方向从显示面板1050的中心部分1051移动到外围部分1052，用户的视角(或主光线角)可以逐渐增加，例如从基本上0°增加到+30°或-30°。因此，在显示面板1050的峰值光亮度角(例如，基本上接近0°)与用户的视角(或主光线角)之间存在不匹配，并且随着注视方向从显示面板1050的中心部分1051移动到外围部分1052，例如从基本上0°移动到+30°或-30°，该不匹配可能逐渐增加。因此，随着注视方向从显示面板1050的中心部分1051移动到外围部分1052，用户的眼睛760接收到的亮度(或光亮度)可能逐渐降低，导致用户的视觉效果较差。例如，尽管显示面板1050显示具有均匀亮度的虚拟图像，但是位于适眼区759内的眼睛760可以感知到在中心具有高亮度而在外围具有低亮度的虚拟图像。
第四光学透镜1026可以被配置成将通常从光输出单元1050a至1050d输出的光线1021-1至1021-4转换为朝向路径折叠透镜组件1001传播的光线1021-2至1022-4。光线1021-2至1022-4中的每一者可以形成相对于系统1000的光轴1080的角度，该角度可以与关联于对应光输出单元的用户的视角(或主光线角)基本匹配。例如，光线1021-1、1021-2、1021-3或1021-4相对于光轴1080形成的角度可以基本上等于与光输出单元1050a、1050b、1050c或1050d相关联的用户的视角(或主光线角)。路径折叠透镜组件1001可以将光线1021-1至1021-4引导到适眼区759。因此，可以减少显示面板1050的峰值光亮度角(例如，基本上接近0°)和与显示面板1050相关联的用户的视角(或主光线角)之间的不匹配，并且位于适眼区759内的眼睛760可以感知亮度均匀度得以改善的虚拟图像。
图11示意性地展示了根据本公开的实施例的系统1100的x-z截面图。系统1100可以包括显示元件1050(其是光源的示例)和路径折叠透镜组件1101(也称为透镜组件1101)，显示元件1050被配置成输出表示虚拟图像的图像光1121，路径折叠透镜组件1101被配置成将来自显示元件1050的图像光1121的路径折叠到适眼区759。透镜组件1101可以设置在显示元件1050与适眼区759之间。透镜组件1101可以将从显示元件1050的每个光输出单元发射的光线(形成发散图像光)转换为基本上覆盖系统1100的适眼区759中的一个或多个出射光瞳757的平行光线束。出于说明的目的，图11示出了从位于显示元件1050的上部分的光输出单元(例如，像素)发射的图像光1121的单条光线。出射光瞳757可以对应于这样的空间区域：在该空间区域，眼睛760的眼睛瞳孔758可以被定位在系统1100的适眼区759中以感知虚拟图像。
透镜组件1101可以包括以光学串联布置的第一圆偏振器1103、第一偏振选择性反射器1105(例如，配置有第一光焦度的第一反射PVH元件(即，用作第一PVH透镜))、偏振非选择性部分反射器1107(也称为部分反射器1107)、第二偏振选择性反射器1115(例如，配置有第二光焦度的第二反射PVH元件(即，用作第二PVH透镜))、以及第二圆偏振器1113。出于讨论的目的，将第一偏振选择性反射器1105和第二偏振选择性反射器1115分别称为第一PVH元件1105和第二PVH元件1115。
在图11所示的实施例中，第一PVH元件1105或第二PVH元件1115中的至少一者可以包括公开的BPLC偏振全息元件，例如无源或有源BPLC偏振全息元件。在一些实施例中，第一PVH元件1105或第二PVH元件1115中的至少一者中所包括的BPLC层可以包括多个子层。
部分反射器1107可以被配置成在保持偏振和传播方向的情况下部分地透射输入光，并且在改变偏振的情况下部分地反射输入光，而与输入光的偏振无关。也就是说，与输入光的偏振无关，部分反射器1107可以部分地透射输入光并部分地反射输入光。出于论述的目的，部分反射器1107还被称为反射镜。在一些实施例中，反射镜1107可以被配置成透射大约50％的输入光并且反射大约50％的输入光(被称为50/50反射镜)。
图11展示了图像光1121通过透镜组件1101从显示元件1050传播到适眼区759的光路或传播路径。在以下附图中，字母“R”附于附图标记(例如，“1124R”)表示右旋圆偏振(“RHCP”)光，字母“L”附于附图标记(例如，“1123L”)表示左旋圆偏振(“LHCP”)光，字母“s”附于附图标记表示s偏振光，字母“p”附于附图标记表示p偏振光。
在图11所示的实施例中，第一PVH元件1105和第二PVH元件1115可以具有相同的光焦度和不同的偏振选择性(例如，可以反射正交偏振的光)。例如，第一PVH元件1105可以用作右旋PVH透镜，右旋PVH透镜经由衍射反射和会聚RHCP光，并且以可忽略的衍射或零衍射的方式透射LHCP光。第二PVH元件1115可以用作左旋PVH透镜，左旋PVH透镜经由衍射反射和会聚LHCP光，并且以可忽略的衍射或零衍射的方式透射RHCP光。第一PVH元件1105与反射镜1107之间的距离(例如，L1)可以等于第二PVH元件1115与反射镜1107之间的距离(例如，L1)。在一些实施例中，第一PVH元件1105和第二PVH元件1115可以具有不同的光焦度，并且第一PVH元件1105与反射镜1107之间的距离可以不同于第二PVH元件1115与反射镜1107的距离。
如图11所示，第一圆偏振器1103可以将图像光1121转换成图像光1122L。第一PVH元件1105可以基本上将图像光1122L透射为朝向反射镜1107的图像光1123L。反射镜1107可以将图像光1123L的第一部分透射为朝向第二PVH元件1115的图像光1125L，并将图像光1123L的第二部分作为图像光1124R反射回第一PVH元件1105。第二PVH元件1115可以基本上经由衍射将图像光1125L反射并会聚为朝向反射镜1107的图像光1127L。反射镜1107可以将图像光1127L的第一部分作为LHCP图像光(未示出)透射以朝向第一PVH元件1105，并将图像光1127L的第二部分作为图像光1129R反射回第二PVH元件1115。第二PVH元件1115可以基本上透射图像光1129R并保持偏振和传播方向。第二圆偏振器1113可以将图像光1129R透射为朝向适眼区759的图像光1131R。
当图像光1123L垂直入射到反射镜1107上时，图像光1124R可以沿与图像光1123L的传播方向相反的方向传播。也就是说，图像光1124R和图像光1123L可以基本上彼此重合并且具有相反的传播方向。为了更好地说明图像光1124R和图像光1123L的光路，图11示出了图像光1124R与图像光1123L之间的小间隙。第一PVH元件1105可以经由衍射将图像光1124R反射并会聚为朝向反射镜1107的图像光1126R。反射镜1107可以将图像光1126R的第一部分朝向第二PVH元件1115透射为图像光1128R，并将图像光1126R的第二部分作为LHCP图像光(未示出)反射回第一PVH元件1105。第二PVH元件1115可以基本上透射图像光1128R并保持传播方向和偏振。第二圆偏振器1113可以将图像光1128R透射为朝向适眼区759的图像光1130R。
在图11所示的实施例中，第一PVH元件1105和第二PVH元件1115二者都可以是无源元件，或者第一PVH元件1105和第二PVH元件1115都可以是被配置成在活动状态下操作的有源元件。由于第一PVH元件1105和第二PVH元件1115具有相同的光焦度，并且沿着系统1100的光轴1120到反射镜1107具有相同的轴向距离(例如，L1)，所以图像光1130R和图像光1131R可以基本上彼此重合或重叠，从而在适眼区759内形成具有高图像质量的单个图像。当第一PVH元件1105与反射镜1107之间的距离不同于第二PVH元件1115与反射镜1107之间的距离时，第一PVH元件1105和第二PVH元件1115的光焦度可以被配置成不同，并且可以包括附加光学元件，使得图像光1130R和图像光1131R仍然可以彼此基本上重合或重叠。
图13A示意性地展示了根据本公开的实施例的系统1300的x-z截面图。系统1300可以包括与图11中所示的系统1100中所包括的元件类似或相同的元件。对相同或类似元件的描述可以参考上面的对应描述，包括结合图11呈现的描述。如图13A所示，系统1300可以包括显示元件1050和路径折叠透镜组件1301(也称为透镜组件1301)，该路径折叠透镜组件1301被配置成将从显示元件1050发射到适眼区759的图像光的路径折叠。透镜组件1301可以包括光学串联布置的第一圆偏振器1103、第一PVH透镜1105(也称为第一透镜1105)、反射镜1107、第二PVH透镜1115(也称为第二透镜1115)和第二圆偏振器1113。
系统1300还可以包括设置在适眼区759与第二圆偏振器1113之间的透射式透镜1307(也称为第三透镜1307)。透射式透镜1307可以包括传统固体透镜(传统固体透镜包括至少一个弯曲表面，并且例如为玻璃透镜、聚合物透镜或树脂透镜等)、液体透镜、菲涅尔透镜、超透镜、所公开的用作透射式PVH透镜的BPLC偏振全息元件等。透射式透镜1307可以配置有固定的光焦度或可调谐的光焦度。出于讨论的目的，图13A示出了透射式透镜1307包括平坦表面。在一些实施例中，透射式透镜1307可以包括至少一个弯曲表面。
在图13A所示的实施例中，第一PVH透镜1105和第二PVH透镜1115中的每一者可以是可在以下操作之间切换的有源元件：在活动状态下操作和在非活动状态下操作。当在活动状态下操作时，第一PVH透镜1105或第二PVH透镜1115可以根据输入光的偏振来选择性地反射或透射输入光。当在非活动状态下操作时，第一PVH透镜1105或第二PVH透镜1115可以独立于输入光的偏振来透射输入光。因此，在活动状态下操作的第一PVH透镜1105或第二PVH透镜1115可以具有偏振选择性光焦度(例如，零或非零的光焦度，这取决于输入光的偏振)，并且在非活动状态下操作的第一PVH透镜1105或第二PVH透镜1115可以具有与输入光的偏振无关的零光焦度。例如，当施加的电压小于或等于第一阈值(例如，不足够高以重定向LC分子的电压)时，第一PVH透镜1105或第二PVH透镜1115可以在活动状态下操作，并且当施加的电压等于或大于第二阈值(例如，足够高以将LC分子重定向成基本上平行于电场方向的电压)时，第一PVH透镜1105或第二PVH透镜1115可以在非活动状态下操作。
在一些实施例中，控制器740(未示出)可以与第一PVH透镜1105和第二PVH透镜1115通信耦接，以控制它们的操作状态。例如，第一PVH透镜1105或第二PVH透镜1115可以与电源(未示出)电耦接。控制器740可以控制电源的输出以控制第一PVH透镜1105或第二PVH透镜1115中的电场，从而控制第一PVH透镜1105或第二PVH透镜1115的操作状态。
第一PVH透镜1105或第二PVH透镜1115的光焦度可以是固定的或可调的。第一PVH透镜1105和第二PVH透镜1115可以被配置成具有以下中的至少一者：不同光焦度、或沿着光轴1120到反射镜1107的不同轴向距离(例如，L1和L2)。例如，在一些实施例中，第一PVH透镜1105和第二PVH透镜1115可以被配置成具有相同的光焦度，并且到反射镜1107具有不同的轴向距离。在一些实施例中，第一PVH透镜1105和第二PVH透镜1115可以被配置成具有不同的光焦度，并且到反射镜1107具有相同的轴向距离。在一些实施例中，第一PVH透镜1105和第二PVH透镜1115可以被配置成具有不同的光焦度，并且到反射镜1107具有不同的轴向距离。出于讨论的目的，图13A示出了轴向距离L1大于轴向距离L2。在一些实施例中，轴向距离L1可以等于或小于轴向距离L2。
图13A还示出了根据本公开的实施例的图像光1332从显示元件1050到适眼区759的光路。在图13A中，控制器740(未示出)可以控制第一PVH透镜1105在活动状态下操作，并且控制第二PVH透镜1115在非活动状态下操作。
图13B展示了根据本公开的实施例的图像光1362从显示元件1050到适眼区759的光路。在图13B中，控制器740(未示出)可以控制第一PVH透镜1105在非活动状态下操作，并且控制第二PVH透镜1115在活动状态下操作。
出于讨论的目的，在图13A和图13B中，在活动状态下操作的第一PVH透镜1105可以反射和会聚RHCP光，并且可以在保持LHCP光的传播方向的情况下透射LHCP光。在活动状态下操作的第二PVH透镜1115可以反射和会聚LHCP光，并且可以在保持RHCP光的传播方向的情况下透射RHCP光。出于讨论的目的，透射式透镜1307可以是被配置成会聚RHCP光并发散LHCP光的右旋PBP透镜，第一圆偏振器1103可以透射LHCP光并阻挡RHCP光，并且第二圆偏振器1113可以透射RHCP光并阻挡LHCP光。
返回参考图13A，显示元件1050可以输出第一图像光1332(例如，表示第一虚拟对象)。第一圆偏振器1103可以将图像光1332L转换成朝向第一PVH透镜1105的图像光1333L。在活动状态下操作的第一PVH透镜1105可以基本上将图像光1333L透射为朝向反射镜1107的图像光1335L。反射镜1107可以将图像光1335L的第一部分透射为朝向第二PVH透镜1115的图像光1336L，并将图像光1335L的第二部分作为图像光1337R反射回第一PVH透镜1105。第二PVH透镜1115可以将图像光1336L透射为朝向第二圆偏振器1113的图像光1338L。第二圆偏振器1113可以阻挡图像光1338L入射到透射式透镜1307上，从而可以抑制重影。
第一PVH透镜1105可以经由衍射将图像光1337R反射并会聚为朝向反射镜1107的图像光1339R。反射镜1107可以将图像光1339R的第一部分朝向第二PVH透镜1115透射为图像光1341R，并将图像光1339R的第二部分作为LHCP图像光(未示出)反射回第一PVH透镜1105。第二PVH透镜1115可以基本上将图像光1341R透射为朝向第二圆偏振器1113的图像光1343R。第二圆偏振器1113可以将图像光1343R透射为朝向透射式透镜1307的图像光1345R。透射式透镜1307可以将图像光1345R聚焦成图像光1347L。图像光1347L的光强度可以是从显示元件1050输出的图像光1332L的光强度的大约25％。图像光的从图像光1332L到图像光1347L的光路可以被称为第一光路。
透镜组件1301可以沿着透镜组件1301的光轴1120将显示元件1050成像到第一图像平面1305，第一图像平面1305到适眼区759具有第一轴向距离da1。因此，由显示元件1050显示的(例如，显示在显示面板上的)第一虚拟对象可以由透镜组件1301成像到与适眼区759相距第一轴向距离da1的第一图像平面1305。换言之，透镜组件1301可以在第一图像平面1305处形成第一虚拟对象的图像。因此，对于位于适眼区759内的出射光瞳757处的眼睛760，第一虚拟对象的调节距离可以基本上等于第一轴向距离da1。
如图13B所示，显示元件1050可以输出第二图像光1362(例如，表示第二虚拟对象)。第一圆偏振器1103可以将图像光1362转换成朝向第一PVH透镜1105传播的图像光1363L。第一PVH透镜1105可以基本上将图像光1363L透射为朝向反射镜1107的图像光1365L。反射镜1107可以将图像光1365L的第一部分透射为朝向第二PVH透镜1115的图像光1366L，并将图像光1365L的第二部分作为图像光1367R反射回第一PVH透镜1105。第一PVH透镜1105可以将图像光1367R透射为朝向第一圆偏振器1103的图像光1369R。第一圆偏振器1103可以阻挡图像光1369R入射到显示元件1050上。
第二PVH透镜1115可以经由衍射将图像光1366L反射并会聚为朝向反射镜1107的图像光1368L。反射镜1107可以将图像光1368L的第一部分朝向第一PVH透镜1105透射为LHCP图像光(未示出)，并将图像光1368L的第二部分作为图像光1370R反射回第二PVH透镜1115。第二PVH透镜1115可以基本上将图像光1370R透射为朝向第二圆偏振器1113的图像光1372R。第二圆偏振器1113可以将图像光1372R透射为朝向透射式透镜1307的图像光1374R。透射式透镜1307可以将图像光1374R聚焦成图像光1376L。图像光1376L的光强度可以是从显示元件1050输出的图像光1362L的光强度的大约25％。图像光的从图像光1363L到图像光1376L的光路可以被称为第二光路。
透镜组件1301可以沿着透镜组件1301的光轴1120将显示元件1050成像到第二图像平面1310，第二图像平面1310到适眼区759具有第二轴向距离da2。因此，由显示元件1050显示(例如，显示在显示面板上)的第二虚拟对象可以由透镜组件1301成像在第二图像平面1310，第二图像平面1310与适眼区759相距第二轴向距离da2。换言之，透镜组件1301可以在第二图像平面1310处形成第二虚拟对象的图像。因此，对于位于适眼区759内的出射光瞳757处的眼睛760，第二虚拟对象的调节距离可以基本上等于第二轴向距离da2。
参考图13A和图13B，在一些实施例中，当轴向距离L1和L2固定时，第一图像平面1305的第一轴向距离da1可以由第一PVH透镜1105和透射式透镜1307的各自的光焦度来确定，而第二图像平面1310的第二轴向距离da2可以由第二PVH透镜1115和透射式透镜1307的各自的光焦度来确定。因此，通过配置透射式透镜1307、第一PVH透镜1105和第二PVH透镜1115的各自的光焦度，可以将第二轴向距离da2配置为不同于第一轴向距离da1。出于讨论的目的，图13A和图13B示出了第一轴向距离da1大于第二轴向距离da2，并且由显示元件1050显示的第一虚拟对象和第二虚拟对象可以分别是远处的虚拟对象和近处的虚拟对象。
因此，当假定透射式透镜1307、第一PVH透镜1105和第二PVH透镜1115中的每一者具有固定的光焦度时，透镜组件1301可以将显示元件1050成像到两个不同的图像平面，这两个不同的图像平面到适眼区759具有不同的轴向距离。换言之，透镜组件1301可以在两个不同的图像平面形成由显示元件1050显示(例如，显示在显示面板上)的第一虚拟对象和第二虚拟对象的各自的图像，这两个不同的图像平面与适眼区759相距不同的轴向距离。因此，对于位于适眼区759内的出射光瞳757处的眼睛760，第一虚拟对象和第二虚拟对象的调节距离可以彼此不同。
当显示元件1050显示与(距位于适眼区759内的出射光瞳757处的眼睛760)不同的辐辏距离(vergence distance)相关联的第一虚拟对象和第二虚拟对象时，可以配置透射式透镜1307、第一PVH透镜1105和第二PVH透镜1115的各自的光焦度，并且可以配置针对透镜组件1301的轴向距离L1和L2，使得第一轴向距离da1可以基本上等于第一虚拟对象的辐辏距离，并且第二轴向距离da2可以基本上等于第二虚拟对象的辐辏距离。
因此，可以减少系统1300中的辐辏调节冲突，并且可以增强用户体验。在一些实施例中，当透射式透镜1307、第一PVH透镜1105或第二PVH透镜1115中的至少一者具有可调光焦度时，透镜组件1301可以将由显示元件1050显示的虚拟内容成像到多于两个的不同的图像平面，这些图像平面到适眼区759具有不同的轴向距离。可以进一步提高透镜组件1301的调节能力。
在一些实施例中，在显示元件1050的显示帧期间，可以在显示帧的不同子帧期间由显示元件1050显示远处的虚拟对象和近处的虚拟对象。显示元件1050可以使近处的虚拟对象看起来比远处的虚拟对象看起来更靠近眼睛760。参考图13A和图13B，远处的虚拟对象可以是由图13A中所示的图像光1332表示的第一虚拟对象，并且近处的虚拟对象可以是由图13B中所示的图像光1362表示的第二虚拟对象。
显示元件1050可以被配置成在系统200的操作期间以时序方式显示与不同辐辏距离相关联的虚拟对象。例如，显示元件1050可以被配置成以预定频率或预定帧速率在显示远处的虚拟对象与显示近处的虚拟对象之间切换。在一些实施例中，显示元件1050的显示帧可以包括第一子帧和第二子帧。控制器740可以被配置成控制显示元件1050在显示元件1050的显示帧的各个子帧期间显示远处的虚拟对象和近处的虚拟对象。在一些实施例中，根据人类视觉的帧率，显示元件1050的帧率可以是至少60Hz。
此外，在系统1300的操作期间，控制器740可以被配置成控制第一PVH透镜1105和第二PVH透镜1115中的每一者在活动状态与非活动状态之间切换。在一些实施例中，当显示元件1050的显示帧包括第一子帧和第二子帧时，控制器740可以被配置成控制第一PVH透镜1105和第二PVH透镜1115在两个子帧期间顺序地在活动状态下操作。第一PVH透镜1105和第二PVH透镜1115的切换可以与显示元件1050在显示远处的虚拟对象与显示近处的虚拟对象之间的切换同步。
例如，在第一子帧期间，控制器740可以被配置成控制显示元件1050仅显示远处的虚拟对象，并且输出表示远处的虚拟对象的图像光1332(如图13A所示)。在一些实施例中，基于由眼动追踪设备(未示出)提供的眼动追踪信息，控制器740可以确定远处的虚拟对象的辐辏距离dv1。基于所确定的眼动追踪信息，控制器740可以控制第一PVH透镜1105在活动状态下操作并且控制第二PVH透镜1115在非活动状态下操作。参考图13A，透镜组件1301可以将远处的虚拟对象成像到第一图像平面1305，第一图像平面1305到适眼区759具有第一轴向距离da1。在一些实施例中，第一轴向距离da1可以被配置成基本上等于远处的虚拟对象的辐辏距离dv1。因此，位于适眼区759内的出射光瞳757处的眼睛760可以适应远处的虚拟对象。
在第二子帧期间，控制器740可以被配置成控制显示元件1050仅显示近处的虚拟对象，并且输出表示近处的虚拟对象的图像光1362(如图13B所示)。基于由眼动追踪设备(未示出)提供的眼动追踪信息，控制器740可以确定近处的虚拟对象的辐辏距离dv2。基于所确定的眼动追踪信息，控制器740可以控制第一PVH透镜1105在非活动状态下操作并且控制第二PVH透镜1115在活动状态下操作。参考图13B，透镜组件1301可以将近处的虚拟对象成像到第二图像平面1310，第二图像平面1310到适眼区759具有第二轴向距离da2。在一些实施例中，第二轴向距离da2可以被配置成基本上等于近处的虚拟对象的辐辏距离dv2。因此，位于适眼区759内的出射光瞳757处的眼睛760可以适应近处的虚拟对象。
图12A展示了根据本公开的实施例的人工现实设备1200的示意图。在一些实施例中，人工现实设备1200可以为用户产生VR、AR和/或MR内容，诸如图像、视频、音频或它们的组合。在一些实施例中，人工现实设备1200可以是智能眼镜。在一个实施例中，人工现实设备1200可以是近眼显示器(“NED”)。在一些实施例中，人工现实设备1200可以是眼镜、护目镜、头盔、头显或某种其它类型的眼戴式设备。在一些实施例中，人工现实设备1200可以被配置成戴在用户的头部上(例如，通过具有如图12A所示的眼镜(spectacle或eyeglass)的形式)，或被包括以作为用户佩戴的头盔的一部分。在一些实施例中，人工现实设备1200可以被配置用于放置在用户的一只或两只眼睛附近、在一只或两只眼睛眼睛前方的固定位置处，而不是安装到用户的头部。在一些实施例中，人工现实设备1200可以呈为用户的视力提供视力矫正的眼镜的形式。在一些实施例中，人工现实设备1200可以呈保护用户的眼睛不受明亮阳光的影响的太阳镜的形式。在一些实施例中，人工现实设备1200可以呈保护用户眼睛的安全眼镜的形式。人工现实设备1200可以呈增强用户在夜间的视力的夜视设备或红外护目镜的形式。
出于讨论的目的，图12A示出了人工现实设备1200包括被配置成安装到用户头部的框架1205、以及安装在框架1205的左眼显示系统1210L和右眼显示系统1210R。图12B是根据本公开的实施例的图12A中所示的人工现实设备1200的一半的截面图。出于说明的目的，图12B示出了与左眼显示系统1210L相关联的截面图。框架1205仅是可安装人工现实设备1200的各种部件的示例性结构。可以使用其它合适类型的固定件来代替框架1205或与框架1205结合使用。
在一些实施例中，左眼显示系统1210L和右眼显示系统1210R各自可以包括被配置成生成虚拟图像的合适的图像显示部件，例如图7A和图7B所示的显示元件705、图9A所示的显示面板901和光导照明组件903、图9B所示的显示面板982和光导照明组件903，或图10A、图11、图13A和图13B所示的显示元件1050等。在一些实施例中，左眼显示系统1210L和右眼显示系统1210R可各自包括光导显示系统，例如，图8A中所示的系统800或图8B中的系统850。在一些实施例中，左眼显示系统1210L和右眼显示系统1210R可以包括一个或多个公开的BPLC偏振全息元件。
在一些实施例中，人工现实设备1200还可以包括观察光学系统1224，观察光学系统1224设置在左眼显示系统1210L或右眼显示系统1210R与适眼区759之间。观察光学系统1224可以被配置成引导从左眼显示系统1210L或右眼显示系统1210R输出的图像光(表示计算机生成的虚拟图像)穿过适眼区759内的一个或多个出射光瞳757传播。例如，观察光学系统1224可以包括图7A所示的离轴组合器720、图7B所示的离轴组合器780、图8B所示的透镜组件853、图9A或图9B所示的透镜组件902、图10A所示的路径折叠透镜组件1001、图11所示的路径折叠透镜组件1101、或图13A和图13B所示的路径折叠透镜组件1301等。在一些实施例中，观察光学系统1224还可以被配置成对从左眼显示系统1210L或右眼显示系统1210R输出的图像光进行适当的光学调整，例如，校正图像光的像差，调整图像光在适眼区759中的焦点位置等。在一些实施例中，观察光学系统1224可以包括一个或多个公开的BPLC偏振全息元件。在一些实施例中，可以省略观察光学系统1224。
在一些实施例中，如图12B所示，人工现实设备1200还可以包括对象追踪系统1250(例如，眼动追踪系统和/或面部追踪系统)。对象追踪系统1250可以包括被配置成照亮眼睛760和/或面部的IR光源1251、被配置成将由眼睛760反射的IR光朝向光学传感器1255偏转的光偏转元件1252。光学传感器1255(例如，摄像头)可以被配置成接收由偏转元件1252偏转的IR光并产生追踪信号(例如，眼动追踪信号)。
在一些实施例中，本公开提供了一种设备。该设备包括：聚合物稳定蓝相液晶(“PS-BPLC”)层；以及配向结构，该配向结构与PS-BPLC层耦接。与配向结构接触设置的多个LC分子被配置成具有至少部分地由配向结构限定的空间变化的面内取向图案。PS-BPLC层被配置成向前偏转具有预定旋向性的偏振光，并且透射具有与预定旋向性正交的旋向性的偏振光。在一些实施例中，与配向结构接触设置的多个LC分子被配置成沿以下方向中的至少一个方向周期性或非周期性地旋转：线性方向、径向方向或方位角方向。
在一些实施例中，PS-BPLC层包括约70wt％至90wt％的向列型液晶主体、约5wt％至10wt％的手性掺杂剂以及聚合物网络。在一些实施例中，PS-BPLC层包括多个双扭曲圆柱体，这些双扭曲圆柱体在PS-BPLC层的厚度方向上具有相同的晶格常数。在一些实施例中，PS-BPLC层包括多个双扭曲圆柱体，这些双扭曲圆柱体在PS-BPLC层的厚度方向上具有变化的晶格常数。在一些实施例中，PS-BPLC层包括以堆叠构造布置的多个子层，每个子层包括跨该子层具有相同晶格常数的多个双扭曲圆柱体，并且至少两个子层具有不同的晶格常数。在一些实施例中，配向结构包括设置在PS-BPLC层的相对两侧的第一配向结构和第二配向结构，并且该设备还包括分别与第一配向结构和第二配向结构耦接的第一电极和第二电极。
在一些实施例中，本公开提供了一种系统。该系统包括：光源组件，该光源组件被配置成产生表示虚拟图像的图像光；以及光学组合器，该光学组合器被配置成接收图像光，该图像光离轴入射到图像组合器上，光学组合器被配置成使图像光聚焦以穿过形成未压缩适眼区的多个子适眼区传播。光学组合器包括聚合物稳定蓝相液晶(“PS-BPLC”)层和配向结构，并且设置在PS-BPLC层的表面处的多个LC分子配置有至少部分地由配向结构限定的预定的面内取向图案。
在一些实施例中，PS-BPLC层包括多个子层，该多个子层被配置成使图像光聚焦以穿过多个子适眼区传播。在一些实施例中，每个子层被配置成在如下操作之间可切换：在活动状态下操作和在非活动状态下操作，并且在活动状态下操作的子层被配置成使图像光聚焦以穿过一子适眼区传播，而在非活动状态下操作的子层被配置成透射图像光。在一些实施例中，该系统还包括控制器，该控制器被配置成选择性地将多个子层中的一个或多个子层配置成在活动状态下操作以使图像光聚焦以穿过形成压缩适眼区的一个或多个子适眼区传播，压缩适眼区的大小小于未压缩适眼区的大小。控制器还被配置成选择性地将多个子层中的其余一个或多个子层配置成在非活动状态下操作。在一些实施例中，该系统还包括眼动追踪设备，该眼动追踪设备被配置成获得眼睛瞳孔的眼动追踪信息，并且控制器与眼动追踪设备耦接，并且被配置成基于眼动追踪信息选择性地配置一个或多个子层在活动状态下操作。
在一些实施例中，本公开提供了一种系统。该系统包括：光源组件，该光源组件被配置成输出光；以及光导，该光导与耦入元件和耦出元件耦接，耦入元件被配置成将从光源接收到的光耦入光导中作为耦入光，并且耦出元件被配置成将耦入光从光导耦出作为多个输出光。耦入元件或耦出元件中的至少一者包括聚合物稳定蓝相液晶(“PS-BPLC”)层和配向结构。PS-BPLC层被配置成向前偏转具有预定旋向性的偏振光，并且透射具有与预定旋向性正交的旋向性的偏振光。
在一些实施例中，光源组件包括显示元件，该显示元件设置在光导的输入侧并且被配置成输出光，并且光是表示虚拟图像的图像光。在一些实施例中，该系统还包括透镜组件，该透镜组件被配置成将从耦出元件接收到的输出光聚焦到位于该系统的适眼区内的图像平面。透镜组件设置在光导的面向适眼区的一侧，并且耦入元件或耦出元件中的至少一者中所包括的PS-BPLC层是第一PS-BPLC层，并且透镜组件包括第二PS-BPLC层。在一些实施例中，透镜组件被配置成向输出光提供可调光焦度或可调转向角度中的至少一者。在一些实施例中，透镜组件是第一透镜组件，并且光导的面向适眼区的一侧是第一侧，该系统还包括设置在光导的第二侧的第二透镜组件，并且第二透镜组件包括第三PS-BPLC层。
在一些实施例中，该系统还包括设置在光导的输出侧的显示面板，并且显示面板被配置成由光导的输出光照亮。在一些实施例中，显示面板被配置成将从光导接收到的输出光调制为表示虚拟图像的图像光。在一些实施例中，该系统还包括透镜组件，该透镜组件被配置成将从显示面板接收到的图像光聚焦到位于该系统的适眼区内的图像平面。透镜组件设置在光导的面向适眼区的一侧，并且耦入元件或耦出元件中的至少一者中所包括的PS-BPLC层是第一PS-BPLC层，并且透镜组件包括第二PS-BPLC层。
已经出于说明的目的呈现了本公开的实施例的前述描述。其不旨在穷举或限制本公开于所公开的精确形式。相关领域的技术人员可以理解，根据以上公开内容，许多修改和变化是可能的。
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。
本公开的实施例还可以涉及用于执行本文中的操作的装置。该装置可以为特定目的而专门构造，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地激活或重新配置的通用计算设备。这种计算机程序可以存储在可耦接到计算机系统总线的非暂态、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。非暂态计算机可读存储介质可以是能够存储程序代码的合适的介质，例如，磁盘、光盘、只读存储器(“read-only memory，ROM”)或随机存取存储器(“random access memory，RAM”)、电可编程只读存储器(“Electrically Programmable read only memory，EPROM”)、电可擦除可编程只读存储器(“Electrically Erasable Programmable read only memory，eeprom”)、寄存器、硬盘、固态盘驱动器、智能媒体卡(“smart media card，SMC”)、安全数字(“secure digital，sd”)卡、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，或者可以是采用多个处理器以提高计算能力的架构。该处理器可以是中央处理单元(“centralprocessing unit，CPU”)、图形处理单元(“graphics processing unit，GPU”)或被配置成基于数据来处理数据和/或执行计算的另一合适的处理设备。该处理器可以包括软件部件和硬件部件这二者。例如，该处理器可以包括硬件部件，例如，专用集成电路(“application-specific integrated circuit，ASIC”)、可编程逻辑器件(“programmablelogic device，PLD”)或它们的组合。PLD可以是复杂可编程逻辑器件(“complexprogrammable logic device，CPLD”)、现场可编程门阵列(“field-programmable gatearray，FPGA”)等。
本公开的实施例还可以涉及一种由本文描述的计算过程产生的产品。这种产品可以包括由计算过程产生的信息，其中，该信息存储在非暂态、有形计算机可读存储介质上，并且可以包括本文描述的计算机程序产品或其它数据组合的任何实施例。
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，以展示示例性实施方式。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：
聚合物稳定蓝相液晶(“PS-BPLC”)层；以及
配向结构，所述配向结构与所述PS-BPLC层耦接，
其中，与所述配向结构接触设置的多个液晶LC分子被配置成具有至少部分地由所述配向结构限定的空间变化的面内取向图案，并且
其中，所述PS-BPLC层被配置成向前偏转具有预定旋向性的偏振光，并且透射具有与所述预定旋向性正交的旋向性的偏振光。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，与所述配向结构接触设置的所述多个LC分子被配置成沿以下方向中的至少一个方向周期性或非周期性地旋转：线性方向、径向方向或方位角方向。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述PS-BPLC层包括约70wt％至90wt％的向列型液晶主体、约5wt％至10wt％的手性掺杂剂以及聚合物网络。
4.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述PS-BPLC层包括多个双扭曲圆柱体，所述多个双扭曲圆柱体在所述PS-BPLC层的厚度方向上具有相同的晶格常数。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，所述PS-BPLC层包括多个双扭曲圆柱体，所述多个双扭曲圆柱体在所述PS-BPLC层的厚度方向或所述PS-BPLC层的面内方向中的至少一个方向上具有变化的晶格常数。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，
所述PS-BPLC层包括以堆叠构造布置的多个子层，
每个子层包括跨所述子层具有相同晶格常数的多个双扭曲圆柱体，并且
至少两个子层具有不同的晶格常数。
7.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述配向结构包括设置在所述PS-BPLC层的相反两侧的第一配向结构和第二配向结构，并且所述设备还包括分别与所述第一配向结构和所述第二配向结构耦接的第一电极和第二电极。
8.一种系统，所述系统包括：
光源组件，所述光源组件被配置成产生表示虚拟图像的图像光；以及
光学组合器，所述光学组合器被配置成接收所述图像光，所述图像光离轴入射到所述图像组合器上，所述光学组合器被配置成使所述图像光聚焦以穿过形成未压缩适眼区的多个子适眼区传播，
其中，所述光学组合器包括聚合物稳定蓝相液晶(“PS-BPLC”)层和配向结构，并且设置在所述PS-BPLC层的表面处的多个液晶LC分子配置有至少部分地由所述配向结构限定的预定的面内取向图案。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，
所述PS-BPLC层包括多个子层，所述多个子层被配置成使所述图像光聚焦以穿过多个子适眼区传播；并且优选地其中，
每个子层被配置成能够在如下操作之间切换：在活动状态下操作和在非活动状态下操作，并且
在所述活动状态下操作的所述子层被配置成使所述图像光聚焦以穿过一子适眼区传播，而在所述非活动状态下操作的所述子层被配置成透射所述图像光。
10.根据权利要求9所述的系统，所述系统还包括：
控制器，所述控制器被配置成选择性地将所述多个子层中的一个或多个子层配置成在所述活动状态下操作，以使所述图像光聚焦以穿过形成压缩适眼区的一个或多个子适眼区传播，所述压缩适眼区的大小小于所述未压缩适眼区的大小；并且
所述控制器还被配置成选择性地将所述多个子层中的其余一个或多个子层配置成在所述非活动状态下操作；并且优选地所述系统还包括：
眼动追踪设备，所述眼动追踪设备被配置成获得眼睛瞳孔的眼动追踪信息，
其中，所述控制器与所述眼动追踪设备耦接，并且被配置成基于所述眼动追踪信息选择性地将所述一个或多个子层配置成在所述活动状态下操作。
11.一种系统，所述系统包括：
光源组件，所述光源组件被配置成输出光；以及
光导，所述光导与耦入元件和耦出元件耦接，所述耦入元件被配置成将从所述光源接收到的光耦入所述光导中作为耦入光，并且所述耦出元件被配置成将所述耦入光从所述光导耦出作为多个输出光，
其中，所述耦入元件或所述耦出元件中的至少一者包括聚合物稳定蓝相液晶(“PS-BPLC”)层和配向结构，并且
其中，所述PS-BPLC层被配置成向前偏转具有预定旋向性的偏振光，并且透射具有与所述预定旋向性正交的旋向性的偏振光。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述光源组件包括显示元件，所述显示元件设置在所述光导的输入侧并且被配置成输出所述光，并且所述光是表示虚拟图像的图像光；并且优选地，所述系统还包括透镜组件，所述透镜组件被配置成使从所述耦出元件接收到的输出光聚焦到位于所述系统的适眼区内的图像平面，其中，所述透镜组件设置在所述光导的面向所述适眼区的一侧，并且其中，所述耦入元件或所述耦出元件中的所述至少一者中所包括的所述PS-BPLC层是第一PS-BPLC层，并且所述透镜组件包括第二PS-BPLC层。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述透镜组件被配置成向所述输出光提供可调光焦度或可调转向角度中的至少一者。
14.根据权利要求12或13所述的系统，其中，所述透镜组件是第一透镜组件，并且所述光导的面向所述适眼区的所述侧是第一侧，所述系统还包括设置在所述光导的第二侧的第二透镜组件，并且所述第二透镜组件包括第三PS-BPLC层。
15.根据权利要求11所述的系统，所述系统还包括设置在所述光导的输出侧的显示面板，并且所述显示面板被配置成由所述光导的输出光照亮；并且优选地，其中，所述显示面板被配置成将从所述光导接收到的输出光调制为表示虚拟图像的图像光；并且优选地，所述系统还包括透镜组件，所述透镜组件被配置成将从所述显示面板接收到的图像光聚焦到位于所述系统的适眼区内的图像平面，其中，所述透镜组件设置在所述光导的面向所述适眼区的一侧，并且其中，所述耦入元件或所述耦出元件中的所述至少一者中所包括的所述PS-BPLC层是第一PS-BPLC层，并且所述透镜组件包括第二PS-BPLC层。
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