CN117813196A - 一种用于导出用于图案化平面光学部件的光对准层的自由曲面主透镜的表面轮廓的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种用于导出自由曲面主透镜的表面轮廓的方法，该自由曲面主透镜用于图案化平面光学部件的一个或两个光对准层，该方法包括：获取平面光学部件的期望光学功能；获取所述平面光学部件的实际光学功能，所述实际光学功能描述为使用自由曲面测试透镜来记录的，所述自由曲面测试透镜具有配置为提供期望光学功能的表面轮廓；估计期望光学功能和实际光学功能之间的偏差；以及使用所估计的偏差来校正自由曲面测试透镜的表面轮廓，从而导出自由曲面主透镜的表面轮廓。

Description

一种用于导出用于图案化平面光学部件的光对准层的自由曲 面主透镜的表面轮廓的方法
技术领域
本发明涉及一种用于导出自由曲面主透镜的表面轮廓的方法，以及一种使用自由曲面主透镜制造平面光学部件，更具体地说是制造基于液晶的光学部件的方法。
背景技术
液晶材料的自组织特性允许制造平坦或平面的光学元件或光学器件，此外还允许制造小型化的光学元件或光学器件。这种基于液晶的平面光学器件包括液晶衍射或偏振光栅、透镜等，并且在从示例光学通信系统到电子显示器和虚拟/人造现实眼镜的许多应用中是必不可少的。液晶衍射光栅可以例如形成为具有图案化光对准层的基板，该图案限定了沉积在图案化光对准层顶部的液晶材料如何偏转入射光束。换句话说，图案化光对准层限定了光学部件的光学功能。类似地，液晶透镜可以例如形成为两个间隔开的基板，它们各自面向内侧的表面设置有图案化的光对准层。同样，图案化光对准层限定了其间提供的液晶材料如何偏转入射光束，并因此限定了平面光学组件的光学功能。光对准层包含光敏材料，当用光例如可见光或紫外光照射时，光敏材料的分子改变其取向，这又使得液晶材料的分子遵循其取向对准。这些光对准层的图案化通常通过全息图案化来完成。全息图案化使用两束圆偏振光束如激光束来照射光对准层。取决于照射设置，即取决于如何照射光对准层以及平面光学部件，圆偏振光束可以具有相同或相反的旋向性。此外，为了在光对准层上记录图案，光束之一通过具有期望光学功能的主透镜照射光对准层。其结果是，主透镜的光学功被记录在光对准层上。然而，目前用于制造基于液晶的平面光学组件(如衍射或偏振光栅和透镜)的解决方案允许记录球面主透镜的光学功能。为此，自由曲面主透镜的光学功能的记录是未知的，因此限制了它们的广泛使用。
发明内容
本公开的实施例的一个目的是提供一种解决方案，用于以成本和时间高效的方式导出自由曲面主透镜，以创建具有与自由曲面主透镜相同或基本相同的光学功能的平面光学部件。
独立权利要求阐述了本发明的各种实施例所寻求的保护范围。本说明书中描述的不属于独立权利要求范围的实施例和特征(如果有的话)应解释为有助于理解本发明各种实施例的示例。
根据本公开的第一示例方面，该目的通过如权利要求1所限定的用于导出自由曲面主透镜的表面轮廓的方法来实现，该自由曲面主透镜用于图案化平面光学部件的一个或两个光对准层。特别地，该方法包括限定平面光学部件的期望光学功能。期望光学功能规定了平面光学部件的光学特性，例如入射光束(如激光束)如何被平面光学部件偏转。期望光学功能可以从例如客户规格中获得。该方法还包括确定配置为提供期望光学功能的自由曲面测试透镜的表面轮廓。该方法还包括接收自由曲面测试透镜和平面光学部件之间的距离。该方法还包括接收记录光束的波长。该方法还包括确定平面光学部件的实际光学功能。实际光学功能可以被描述为例如使用自由曲面的测试透镜来记录，该自由曲面的测试透镜具有配置为提供期望光学功能的表面轮廓。与传统的全息图案化不同，在传统方法中记录是使用球面主透镜进行的，从球面主透镜偏转的光束在球面主透镜的两倍焦距或焦点处具有相同的形状，在这里没有观察到这种关系。结果，记录在平面光学元件上的光学功能，即实际的光学功能，并不相同或基本上相同，而是与期望光学功能有基本的偏差。为了补偿这种偏差，该方法还包括通过比较对应于期望光学功能的相位差和对应于实际光学功能的相位差来确定期望光学功能和实际光学功能之间的偏差，即通过比较对应于期望光学功能的相位差和由自由曲面测试透镜赋予光对准层的相位差。该偏差量化了入射光穿过自由曲面主透镜后所经历的变形，该变形进而导致该入射光束到达或撞击光对准层的不同于期望位置的位置。利用这种观察允许将这种偏差表示为自由曲面测试透镜的表面轮廓的偏差，然后可以使用该偏差来校正其表面轮廓以获得自由曲面主透镜的表面轮廓。因此，该方法还包括使用所确定的偏差来确定自由曲面测试透镜的校正表面轮廓，以导出自由曲面主透镜的表面轮廓。然后，可以使用传统的制造技术来制造具有由此得到的表面轮廓的自由曲面主透镜，例如通过研磨、抛光自由曲面主透镜来获得期望的表面轮廓。这样做允许制造自由曲面的主透镜，该主透镜随后可用于图案化平面光学部件的光对准层，该平面光学部件具有与期望的光学功能相同或基本相同的光学功能。由于自由曲面主透镜的表面轮廓现在可以仅基于期望的光学功能和自由曲面测试透镜的表面轮廓来导出，因此避免了对平面光学部件的大量反复试验，从而得到了低成本和时间高效的解决方案。根据本公开的方法可以用于许多应用中，从示例光学通信系统到电子显示器和虚拟/人工现实眼镜，例如用于具有投影透镜的眼镜和/或头盔的增强现实。
平面光学部件的实际光学功能，更具体地说，其一个或两个光对准层的图案化可以例如通过全息图案化获得，该全息图案化包括通过两个圆偏振激光束和自由曲面测试透镜照射平面光学部件。
优选地，通过用两个圆偏振激光束中的一个圆偏振激光束通过自由曲面测试透镜照射平面光学部件的一个或两个光对准层的一侧，并用另一个圆偏振激光束照射平面光学部件的一个或两个光对准层的同一侧，并且其中两个圆偏振激光束具有相反的旋向性并且彼此成预定角度定位，以便图案化一个或两个光对准层。这种照射设置允许将平面光学部件放置在所制造的自由曲面测试透镜的前面，并且距离小于自由曲面测试透镜的焦点的两倍。然而，在这里，对于全息图案化，要求物理上将自由曲面测试透镜放置在一个位置，使得它仅允许圆偏振激光束中的一个圆偏振激光束通过透镜，而另一个不通过透镜。平面光学部件可以物理放置在自由曲面测试透镜前面的距离进一步具有下限，该下限需要确保只有一个圆偏振激光束穿过自由曲面测试透镜。
更优选地，通过用两个圆偏振激光束中的一个圆偏振激光束通过自由曲面测试透镜照射平面光学部件的一个或两个光对准层的一侧，并用另一个圆偏振激光束照射平面光学部件的一个或两个光对准层的相对侧，其中两个圆偏振激光束具有相同的旋向性，并且以直角或彼此成一定角度入射，以便图案化光对准层。有利的是，这些照射设置允许将平面光学部件放置在所制造的自由曲面测试透镜的前面，并且距离小于自由曲面测试透镜的焦点的两倍，或者甚至物理接触自由曲面测试透镜，因为现在平面光学部件的照射可以从相对的两侧进行。因此，这些照射设置避免了上述设置的限制。
优选地，偏差的确定包括通过自由曲面测试透镜追踪照射一个或两个光对准层的圆偏振激光束的相应光线的入射位置，即这些光线在一个或两个光对准层上的位置。此外，进行追踪使得这些入射位置指示相对于一个或两个光对准层的中心位置或中心点，相应光线到达或撞击一个或多个光对准层的位置。知道这些位置允许计算各个入射光线相对于光对准层的表面法线撞击光对准层的角度θR，并由此计算入射光线位置和中心位置之间的相位差ΓUV。换句话说，这些相位差允许根据这些位置限定所得一个或多个图案化光对准层的光学功能，并因此限定所得平面光学组件的光学功能，即ΓUV＝f(x′，y′)。有利的是，该关系还允许通过例如逆向计算来确定或导出自由曲面测试透镜的表面轮廓。结果，知道相位差和自由曲面透镜的表面轮廓允许计算自由曲面测试透镜的计算表面轮廓与其实际表面轮廓之间的偏差，这又允许将所得平面光学部件的光学功能与自由曲面测试透镜的光学功能之间的偏差(即期望光学功能)表示为自由曲面测试透镜的表面轮廓的偏差。因此，该方法还包括根据所获得的相位差和自由曲面测试透镜的表面轮廓来计算或确定自由曲面测试透镜的表面轮廓的偏差。换句话说，以成本和时间高效的方式，可以计算自由曲面测试透镜的表面轮廓的偏差，以及因此计算平面光学部件的光学功能和期望光学功能之间的偏差。有利的是，该方法还包括通过使用所计算的自由曲面测试透镜的表面轮廓的偏差确定自由曲面测试透镜的校正表面轮廓，来校正自由曲面测试透镜的表面轮廓，从而导出自由曲面主透镜的表面轮廓。
根据第二示例方面，公开了一种用于制造具有权利要求10的特征的平面光学部件的方法。具体而言，该方法包括提供涂覆有光对准层的基板。基板可以是透明的或吸收性基板。可以通过旋涂或其他适于沉积光对准层的技术来进行涂覆。为了将涂覆的基板转变成光学元件，该方法还包括图案化光对准层以在其上提供图案，并在图案化的光对准层上提供液晶材料，从而基于光对准图案对准液晶材料。图案化可以例如通过全息图案化和根据第一示例方面获得的具有期望光学功能的自由曲面主透镜来完成。更具体地说，全息图案化使用两束圆偏振激光束照射光对准层。可以使用上面参考第一示例方面描述的两种照射设置中的任何一种来执行照射。然而，这里的图案化必须使用与用于导出自由曲面主透镜的表面轮廓的照射设置相同的照射设置来执行。例如，如果自由曲面主透镜的表面轮廓是通过使用照射光对准层同一侧的两束圆偏振激光束进行全息图案化而得到的，那么这里的全息图案化需要使用相同的照射设置。作为图案化的结果，自由曲面主透镜的光学功能被复制或复制到光对准层上作为光对准图案。然后在图案化的光对准层上提供液晶材料。可以通过旋涂技术或类似技术在图案化的光对准层上提供液晶材料。一旦液晶材料沉积在图案化的光对准层上，液晶材料根据光对准图案自行对准。结果，制造了具有与自由曲面主透镜相同光学功能的平面光学部件。
根据第三示例方面，公开了一种具有权利要求11的特征的制造平面光学部件的方法。特别地，该方法包括提供两个间隔开的基板以在其间提供间隙。两个基板都可以是透明的。可选地，一个基板可以是吸收性的，另一个基板可以是透明的。两个基板例如可以通过放置在基板边缘附近的球形隔离球隔开。然后，例如可以用胶水将基板粘合在一起以形成单元。在形成单元之前，一旦形成单元就将彼此面对的基板表面分别涂覆有光对准层。可以通过旋涂或其他适于沉积光对准层的技术来进行涂覆。为了将所得单元转变成光学元件，该方法包括图案化光对准层以在其上形成图案，并用液晶材料填充基板之间的间隙，从而基于光对准图案对准液晶材料。图案化可以例如通过全息图案化和根据第一示例方面获得的具有期望光学功能的自由曲面主透镜来完成。更具体地说，全息图案化同时使用两束圆偏振激光束照射两个光对准层。换句话说，两层的图案化在单一步骤中完成。类似于第二示例方面，可以使用上面参考第一示例方面描述的两种照射设置中的任何一种来执行照射。然而，这里的图案化必须使用与用于导出自由曲面主透镜的表面轮廓的照射设置相同的照射设置来执行。例如，如果自由曲面主透镜的表面轮廓是通过使用照射光对准层同一侧的两束圆偏振激光束进行全息图案化而得到的，那么这里的全息图案化需要使用相同的照射设置。作为图案化的结果，自由曲面主透镜的光学功能被复制或复制到光对准层上作为光对准图案。然后在间隙中，即在图案化的光对准层之间提供液晶材料。液晶材料可以通过任何已知的技术提供在间隙中，例如毛细管填充、真空填充等。一旦用液晶材料填充了该单元，液晶材料就根据光对准层的图案进行自行对准。结果，制造了具有与自由曲面主透镜相同光学功能的平面光学部件。
根据第四示例方面，公开了一种具有权利要求12的特征的计算机程序产品。特别地，计算机程序产品包括计算机可执行指令，用于当程序在计算机上运行时执行根据第一示例方面的方法的步骤。
根据第五示例方面，公开了一种具有权利要求13的特征的计算机可读存储介质。特别地，计算机可读存储介质包括计算机可执行指令，用于当程序在计算机上运行时执行根据第一示例方面的方法的步骤：
因此，第一示例方面的各种示例实施例可以作为示例实施例应用于第二、第三、第四和第五示例方面。
附图说明
现在将参考附图描述一些示例实施例。
图1A示出了根据本公开实施例的平面光学部件的例子；
图1B示出了用于图案化图1A的平面光学部件的光对准层的传统设置的示意图；
图1C示出了根据本发明实施例的平面光学部件的例子；
图1D示出了用于图案化图1C的平面光学部件的光对准层的传统设置的示意图；
图2A示出了根据本发明的一个示例性实施例获得用于图案化平面光学部件的光对准层的自由曲面主透镜的表面轮廓的步骤；
图2B示出了根据本发明实施例的追踪入射光线在光对准层上的位置的图示；
图3A示出了根据本发明第一示例性实施例的用于图案化图1A的平面光学部件的光对准层的设置的示意图；
图3B示出了根据本发明第二示例性实施例的用于图案化图1A的平面光学部件的光对准层的设置的示意图；
图3C示出了根据本发明第一示例性实施例的用于图案化图1C的平面光学部件的光对准层的设置的示意图；
图3D示出了根据本发明第二示例性实施例的用于图案化图1C的平面光学部件的光对准层的设置的示意图；
图3E示出了根据本发明第三示例性实施例的用于图案化图1A的平面光学部件的光对准层的设置的示意图；
图3F示出了根据本发明第三示例性实施例的用于图案化图1C的平面光学部件的光对准层的设置的示意图；
图4示出了用于执行本公开实施例中的一个或几个步骤的合适计算系统的示例实施例；
图5A示出了根据本发明示例性实施例的用于图案化图1A的平面光学部件的光对准层的设置的示意图；
图5B示出了根据本发明示例性实施例的用于图案化图1A的平面光学部件的光对准层的设置的示意图；
图5C示出了根据本发明示例性实施例的用于图案化图1C的平面光学部件的光对准层的设置的示意图；和
图5D示出了根据本发明示例性实施例的用于图案化图1C的平面光学部件的光对准层的设置的示意图。
具体实施方式
图1A示出了根据本公开第一示例性实施例的平面光学部件100的例子。平面光学部件100包括基板111、设置在基板111顶部的光对准层121以及设置在光对准层顶部的液晶材料130的层131。基板可以例如由透明材料如玻璃制成。基板也可以是吸收性的，例如具有金属顶层的基板。厚度约为四分之一波长的透明覆盖层使光对准过程更有效。光对准层121可以由任何光敏材料制成，当用可见光或紫外光照射时，该光敏材料的分子改变它们的取向，这又导致液晶材料的分子遵循它们的取向对准。包含偶氮基团的光对准材料的一些例子是亮黄、SD1和PAAD。可以使用任何常规技术，例如涂覆或旋涂，将光对准层121沉积在基板的顶部。液晶材料130的层131可以包括液晶材料，例如向列液晶(nematic liquidcrystal)E7或手性液晶(chiral liquid crystal)(具有手性掺杂剂的E7)，并且可以使用与光对准层相同的沉积技术将其沉积在光对准层121的顶部。
该平面光学部件可以用作例如衍射或偏振光栅。为了限定其光学功能，光对准层121需要在沉积液晶材料130之前被图案化。光对准层的图案化可以使用全息图案化来完成。传统的全息图案化使用两束圆偏振光束，例如发射可见光或紫外光的激光束来照射光对准层。这种光束可以由激光二极管提供，例如基于GaInP和AlGaInP的激光二极管以及基于GaN的蓝色发光二极管。用于全息图案化的两种照射设置是可能的。如图1B所示，第一种照射设置使用两个圆偏振光束10和20来照射光对准层121，并因此从其相对侧101和102照射平面光学部件100。在这种设置中，两个光束具有相同的圆偏振，即相同的旋向性，并且定位成使得它们以直角入射，即它们的光束彼此面对。根据第二种设置，两个圆偏振光束照射光对准层121的同一侧，并因此照射平面光学部件100。典型地，这是随后被液晶材料130覆盖的一侧。在该设置中，两个光束具有相反的圆偏振，即相反的旋向性，并且定位成使得它们以彼此成一定角度照射光对准层121，该角度由光束10和20的波长限定。通常，光束之一(例如光束10)相对于光对准层的表面平面成直角入射，而另一光束相对于另一光束成一定角度入射。为了在光对准层121上记录图案并因此限定平面光学部件100的期望光学功能，在任一照射设置中，光束之一通过主透镜照射光对准层121。在图1B的例子中，光束10通过主透镜150照射光对准层121。重要的是，传统的全息图案化使用球面主透镜150，即具有平凸表面151的透镜，该透镜与平面光学部件的距离等于球面主透镜的焦点或焦距的两倍，即d＝2f，如图1B所示。
图1C示出了根据本发明第二示例性实施例的平面光学部件100的另一个例子。平面光学部件包括两个基板111和112。每个基板111和112设有各自的光对准层121和122。基板可以由与上面参考图1A的例子描述的相同的材料制成。也就是说，两个基板可以都由透明材料制成，或者可选地，它们中的一个可以是吸收性的，而另一个(即，将通过透镜150照射的那个)是透明的。类似地，光对准层可以由相同的材料制成，并且可以使用与上面参考图1A的例子描述的相同技术沉积在基板上。然后放置涂覆的基材，使其向内的表面为涂覆表面。此外，基板彼此间隔一定距离放置以在它们之间提供间隙，然后用液晶材料130例如向列液晶E7或手性液晶(具有手性掺杂剂的E7)填充该间隙以形成该液晶材料130的层131。基板之间的间隔可以通过例如使用诸如球形间隔球的间隔元件来提供，该间隔球可以靠近基板的角定位并且基板可以粘合在一起。
该平面光学部件可以起到例如衍射透镜的作用。为了限定其光学功能，在用液晶材料130填充基板111和112之间的间隙之前，需要对平面光学部件的各个光对准层121和122进行图案化。类似于图1A的例子，该平面光学部件的光对准层121和122的图案化可以使用全息图案化来完成。同样，如上所述的相同的两种传统照射设置可以用于图案化图1C的平面光学部件的光对准层121和121。更具体地说，在第一种照射设置中，如图1D所示，两束圆偏振光束10和20从平面光学部件100的相对侧101和102照射光对准层121和122，从而照射平面光学部件100。在这种设置中，两个光束具有相同的圆偏振，即相同的旋向性，并且定位成使得它们以直角入射，即它们的光束彼此面对。这里与图1B类似，通过确保其中一个光束通过球面主透镜150照射光对准层121和122上的图案来记录这些图案。在该图中，光束10通过球面主透镜150照射光对准层121和122，球面主透镜150位于距平面光学部件等于球面主透镜焦点或焦距两倍的距离处，即d＝2f，如图1C所示。
当使用自由曲面主透镜来图案化图1A和图1B的平面光学部件的光对准层时，所得平面光学部件的光学功能与图案化步骤中使用的自由曲面主透镜的光学功能有很大差异。这是因为从自由曲面主透镜偏转的光束在离平面光学部件的一个或多个光对准层的任何距离处都不具有相同的形状。结果，记录在平面光学部件上的光学功能基本上偏离自由曲面主透镜的光学功能。
为了解决这个问题，本公开提出了一种用于设计自由曲面主透镜的新颖方法来缓解上述问题。该新方法提出了一种新的解决方案，用于导出自由曲面主透镜的表面，该自由曲面主透镜用于图案化光对准层或平面光学部件的层，并将参考图2A和图2B进行详细描述，图2A示出了导出自由曲面主透镜的表面轮廓的步骤，图2B示出了追踪光对准层上入射光线位置的图示。
在该方法的第一步，即步骤201中，获得平面光学部件100的光学功能。换句话说，获得了期望光学功能的描述，该描述例如可以被描述为当用具有特定波长(例如在绿色光谱中)的光束照射时平面光学部件在透射或反射时可获得的相位差。对于基于向列型或手性向列型液晶的液晶平板光学元件，相位差可以转化为取向表面处液晶指向矢的方位角为了获得给定的对准，在光对准过程中需要具有照射的两个圆偏振照射光束之间的相位差，例如在蓝色光谱中：例如/>
在下一步骤，即步骤202中，获得平面光学部件100的实际光学功能，如当具有表面轮廓156的自由曲面测试透镜155配置成提供用于图案化平面光学部件100的光对准层或多个层的期望照射条件ΓB(x′，y′)时所记录的那样。这可以通过采用如图3A至图3F所示的用于全息图案化的照射设置来实现，其中图3A和图3B示出了用于图案化如图1A所示的平面光学部件的光对准层的照射设置，图3C和图3D示出了这次用于图案化如图1C所示的平面光学部件的光对准层的相同照射设置，图3E和图3D示出了图1A和图1C的平面光学部件的照射设置，但是倾斜光束照射平面光学部件的相对侧。
图3A和图3C的照射设置分别对应于上面参考图1B和图1D描述的用于全息图案化的第一照射设置，唯一的区别是图1B和图1D的球面透镜150现在被自由曲面测试透镜155代替，并且自由曲面测试透镜被放置在离自由曲面测试透镜任意距离处，只要该距离小于自由曲面测试透镜的焦距或焦点的两倍，即d＜2f。这种设置允许自由曲面的测试透镜被放置得更靠近或者甚至接触平面光学部件100。在这些图中，自由曲面透镜被示出放置在一定距离d＜＜2f处。图3B和图3D的照射设置对应于如上所述的第二照射设置，不同之处在于球面透镜150现在被自由曲面测试透镜155代替，并且自由曲面测试透镜155被放置在小于自由曲面测试透镜的两倍焦点的距离处。然而，在这里，为了全息图案化，要求自由曲面测试透镜被放置成使得它仅允许圆偏振激光束中的一个通过透镜，而另一个不通过透镜，如图所示。因此，平面光学部件可以放置在自由曲面测试透镜前面的距离进一步具有下限，该下限确保只有一个圆偏振激光束穿过自由曲面测试透镜。为了避免这种限制，可以使用图3E和图3F的照射设置。在这些设置中，倾斜的光束20设置为照射平面光学部件100的相对侧，从而允许自由曲面透镜155放置得尽可能靠近甚至接触平面光学部件100。
为了便于解释，将参考图1A的平面光学部件并使用图3A的照射设置来描述获得实际光学功能的步骤，即步骤202。然而，本领域技术人员将会理解，相同的技术可以容易地应用于图3B的照射设置。类似地，本领域技术人员将理解，使用图3C和图3D的任何照射设置，可以应用相同的技术来获得图1C的平面光学部件的实际光学功能。
这里的分析是在考虑图3A的照射设置的情况下进行的，其中自由曲面测试透镜155被放置在平面光学部件100的光对准层121的前面并与其接触。由于透镜的表面轮廓限定了其光学功能，因此透镜的期望光学功能，例如相位延迟或相位差轮廓可以从透镜的表面轮廓导出，反之亦然。在该示例中，假设给定了自由曲面透镜155的表面轮廓156。因此，对于具有给定表面轮廓z(x，y)和z(0，0)＝0的自由曲面透镜，由该自由曲面透镜折射的光束光线照射光对准层表面的角度θN可以如图2B所示进行计算。如图2B所示，在位置p((x，y，z)处离开自由曲面透镜的光束10的光线在自由曲面透镜155的自由曲面156处被折射。该光线在空气中从p(x，y，z)传播到对准层上的一点p′(x′，y′，0)，与z轴成角度θR并具有方位角
根据以上观察，假设光束10具有蓝色照射，则可以通过光线追踪来确定由自由曲面测试透镜折射的光束10的入射光线r的位置。参考原点为零时，p处入射光线的相位因子由下式给出：
exp(iωt+iknm z) (1)
其中k是用于在空气中照射的光线的波矢量，满足|k|＝2π/λB。并且在光对准层121上的撞击位置p’处，相位因子由下式给出：
这应该对应于期望的相位因子：
exp(iωt+iΓB(x′，y′)). (3)
因此，自由曲面透镜的设计可以从等式(2)和(3)中给出的这两个相位因子中导出。将指数相对于x’和y’的导数设置为相等，得到如下结果：
因为相位延迟ΓB是给定的，所以光线在空气中的入射角θR和方位角由以下表达式得出：
p和p’之间的距离可以从p，p’和点(x’，y’，z)形成的直角三角形中找到。因为在这个三角形中，p’中的角度是θR，(x’，y’，z)中有一个直角，所以距离PP’由z/cosθR给出。光线的相位因子可以简化为：
同样，由于该相位因子应该与期望的相位因子相同，这允许确定连接到p’的点p的z坐标。
由此，可以如下获得与x’、y’相关联的点p的透镜的z坐标：
一旦如等式(2)给出的那样获得平面光学部件的实际光学功能，该方法进行到步骤203，以估计期望光学功能和实际光学功能之间的偏差。本例中，将期望相位延迟曲线(即ΓB(x′，y′))与实际相位延迟曲线(即)进行比较。换句话说，它们之间的差异是计算出来的。在这个例子中，入射光线的校正撞击位置可以从等式(8)和k矢量与p和p’之间的互连平行的事实中导出。这可以表示为：
最后，一旦导出入射光线的校正撞击位置，该方法进行到步骤204，通过根据方程(8)和(9)为x’和y’的每个值确定x、y和z坐标来导出自由曲面主透镜的表面轮廓。如果期望的相位延迟轮廓是平滑的，并且如果自由曲面透镜靠近基板放置，则该过程通常会产生唯一的解决方案。
类似地，上述光线追踪方法可以应用于基于平面光学部件100的其他光学特性，例如倾斜角和相位延迟轮廓，导出自由曲面主透镜155的表面轮廓156。在这种情况下，使用图3B的照射设置进行全息图案化，其中自由曲面测试透镜155以小于自由曲面透镜155的两倍焦距的距离放置在光对准层121的前面，并且光束10入射到光对准层121上，并且光束20相对于入射光束10以倾斜角θB倾斜(图中未示出)。对于在xz平面上具有与z轴成倾斜角θB的入射光束的相位因子，相位因子可以数学表示为：
exp(iω-i kxsinθB-i kzcosθB) (10)
当倾斜光束与通过自由曲面透镜的光束从同一侧入射时，如图3B和图3C所示的照射设置，必须考虑倾斜光束是否通过自由曲面透镜。如图3E和图3F所示，通过将倾斜的入射光束放置在基板的另一侧，只有一束光束在到达光对准层之前穿过透镜。在这种情况下，两个入射光束应该是具有相同的旋向性的圆偏振光。
在所有描述的示例中，应该考虑到所考虑的照射设置使用蓝光或紫外光，而平面液晶透镜，即平面光学部件100通常将用于另一波长范围，例如红光、绿光或蓝光。当平面光学部件100设计成用作光学衍射元件时，特性随着波长而变化。例如，当使用蓝色照射来获得将在绿色光谱中使用的组件时，必须调整光学组件的入射角和焦距：
对于入射角，以及
对于焦距。
通过在如上所述的照射设置中使用自由曲面透镜而不是标准球面透镜，可以提高平面光学部件即平面LC透镜的质量。如前所述，自由曲面透镜可以考虑球面像差、照射波长的焦距不同于设计波长的焦距的事实以及射到透镜的光线的坐标(x，y，z)不同于射到具有对准材料的基板的相同光线的坐标(x’，y’，0)的事实。例如，为了获得绿色波长λG没有像差的透镜化(焦距DG和角度θG下的入射光)，照射设置中的光调向层的相位延迟应为：
该表达式中的第三项可以通过使从左侧入射的激光束相对于水平面倾斜一个角度θB来实现，如图3E所示，其中θB根据等式(11)确定。基于上述过程，使用等式(5)、(8)和(9)，等式(13)中的第一项和第二项确定自由曲面主透镜的表面轮廓z(x，y)。
一旦获得自由曲面主透镜的表面轮廓，就可以使用传统的制造技术，例如研磨、抛光等来制造自由曲面主透镜。然后，可以使用用于导出自由曲面主透镜的表面轮廓的照射设置，将制造的自由曲面主透镜用于图案化平面光学部件的光对准层。换句话说，如果自由曲面主透镜155的表面轮廓是使用图3A和图3C的相应照射设置得到的，那么使用自由曲面主透镜使用相同的照射设置来创建平面光学部件。这是为了确保自由曲面主透镜所设计的图案被记录在一个或多个光对准层上。
根据替代实施例，该方法的步骤202可以通过采用如图5A至图5D所示的用于全息图案化的照射设置来实现。图5A的照射设置包括包含两个透镜的自由曲面测试透镜155。例如，自由曲面测试透镜155包括至少一个自由曲面透镜，另一个透镜可以是例如球面透镜。这使得照射设置更便宜，并可用于其他应用。图5B的照射装置包括相对于平面光学部件100成一定角度定位的自由曲面测试透镜155，并且该自由曲面测试透镜155由激光束20照射。图5C的照射设置包括相对于激光束10的照射位于平面光学部件100后面的自由曲面测试透镜155，并且该自由曲面测试透镜155由激光束20照射。图5D的照射设置包括激光束10和激光束20的照射，其中两个激光束10、20相对于平面光学元件100成一定角度定位。图3A至图3F和图5A至图5D的照射设置的一个或多个特征的任何其他组合也理解为本公开的一部分。段落[44]的等式适用于图3A至图3D中描述的情况，其中自由曲面测试透镜155基本上横穿激光束10，并且其中自由曲面测试透镜155没有相对于平面光学部件100的成角度定位。应当理解，对应于段落[44]的方程对于图5A至图5D中所示的照射设置的其他实施例是适用的，这些方程可以从适当的光线追踪中确定。
上面参照图2A和图2B描述的用于导出自由曲面主透镜的表面轮廓的方法可以通过被编程为执行该方法的步骤的计算系统来执行。换句话说，该方法可以完全作为计算机实现的方法来实现。计算系统例如可以包括至少一个处理器和至少一个存储器。该至少一个存储器存储包括计算机可执行指令的计算机程序代码，该计算机可执行指令与该至少一个处理器一起使得计算系统执行该方法的步骤。这种计算系统的一个例子如图4所示。如图所示，计算系统400通常可以形成为合适的通用计算机，并且包括总线410、处理器402、本地存储器404、一个或多个可选的输入接口414、一个或多个可选的输出接口416、通信接口412、存储元件接口406以及一个或多个存储元件408。总线410可以包括允许计算系统400的组件之间通信的一个或多个导体。处理器402可以包括解释和执行程序指令的任何类型的常规处理器或微处理器。本地存储器404可以包括随机存取存储器(RAM)或其他类型的动态存储设备，用于存储处理器402执行的信息和指令，和/或只读存储器(ROM)或其他类型的静态存储设备，用于存储处理器402使用的信息和指令。输入接口414可以包括允许操作者或用户向计算设备400输入信息的一个或多个常规机制，例如键盘420、鼠标430、笔、语音识别和/或生物特征机制、照相机等。输出接口416可以包括一个或多个向操作者或用户输出信息的传统机制，例如显示器440等。通信接口412可以包括任何类似收发器的机制，例如使得计算系统400能够与其他设备和/或系统(例如与其他计算设备451、452、453)通信的一个或多个以太网接口。计算系统400的通信接口412可以通过局域网LAN或广域网WAN(例如因特网)连接到这样的另一个计算系统。存储元件接口406可以包括存储接口，例如串行高级技术附件SATA接口或小型计算机系统接口SCSI，用于将总线410连接到一个或多个存储元件408，例如一个或多个本地磁盘，例如SATA磁盘驱动器，并控制向和/或从这些存储元件408读取和写入数据。虽然上述存储元件408被描述为本地磁盘，但是通常可以使用任何其他合适的计算机可读介质，例如可移动磁盘、诸如CD或DVD、ROM盘的光存储介质、固态驱动器、闪存卡等。计算系统400因此可以对应于被配置为实现如图2A和图2B所示的方法实施例的电路。
如本申请中所使用的，术语“电路”可以指以下一个或多个或全部：
(a)仅硬件电路实现，例如仅在模拟和/或数字电路中实现，以及
(b)硬件电路和软件的组合，例如(如适用)：
(i)模拟和/或数字硬件电路与软件/固件的组合，以及
(ii)具有软件(包括数字信号处理器)的硬件处理器的任何部分、软件和存储器，它们一起工作以使诸如移动电话或服务器的装置执行各种功能)和
(c)硬件电路和/或处理器，例如微处理器或微处理器的一部分，其需要软件(例如固件)进行操作，但是当不需要软件进行操作时，软件可能不存在。
电路的这一限定适用于该术语在本申请中的所有使用，包括在任何权利要求中。作为另一个例子，如在本申请中所使用的，术语“电路”还涵盖仅硬件电路或处理器(或多个处理器)或硬件电路或处理器的一部分及其(或它们的)附带软件和/或固件的实现。例如，如果适用于特定的权利要求元素，术语电路还涵盖用于移动设备的基带集成电路或处理器集成电路或服务器、蜂窝网络设备或其他计算或网络设备中的类似集成电路。
尽管已经参照具体实施例说明了本发明，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明不限于前述说明性实施例的细节，并且本发明可以在不脱离其范围的情况下以各种变化和修改来实施。因此，本实施例在所有方面都应被认为是说明性的而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而非前述描述来指示，因此权利要求范围内的所有变化都应包含在其中。
本专利申请的读者还将理解，词语“包括”不排除其他元件或步骤，词语“一”不排除多个，并且单个元件(例如计算机系统、处理器或另一集成单元)可以实现权利要求中列举的几个装置的功能。权利要求中的任何附图标记不应解释为限制相关的各个权利要求。当在说明书或权利要求中使用时，术语“第一”、“第二”、“第三”、“a”、“b”、“c”等被引入以区分相似的元件或步骤，并且不一定描述连续或时间顺序。类似地，术语“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”等是为了描述的目的而引入的，并不一定表示相对位置。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本发明的实施例能够根据本发明以其他顺序或者以不同于上面描述或示出的方向进行操作。

Claims (13)

1.一种用于导出用于图案化平面光学部件(100)的一个或两个光对准层(121、122)的自由曲面主透镜的表面轮廓(156’)的方法，所述方法包括：
-限定(201)平面光学部件(100)的期望光学功能；
-确定配置成提供期望光学功能的自由曲面测试透镜(155)的表面轮廓(156)；
-接收自由曲面测试透镜(155)和平面光学部件(100)之间的距离并接收记录光束的波长；
-确定(202)平面光学部件(100)的实际光学功能；
-通过比较对应于期望光学功能的相位差和对应于实际光学功能的相位差来确定(203)期望光学功能和实际光学功能之间的偏差；和
-使用所确定的偏差来确定(204)自由曲面测试透镜(155)的校正表面轮廓，从而导出自由曲面主透镜的表面轮廓(156’)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中确定(202)平面光学部件的实际光学功能包括通过两个圆偏振激光束(10、20)和自由曲面测试透镜(155)照射平面光学部件(100)，从而图案化一个或两个光对准层(121、122)。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述照射包括用两个圆偏振激光束中的一个圆偏振激光束(10)通过自由曲面测试透镜(155)照射平面光学部件的一个或两个光对准层的一侧(101)，并用另一个圆偏振激光束(20)照射平面光学部件的一个或两个光对准层的相对侧(102)，其中圆偏振激光束(10、20)具有相同的旋向性并且以直角入射，以便图案化光对准层。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述照射包括用两个圆偏振激光束中的一个圆偏振激光束(10)通过自由曲面测试透镜(155)照射平面光学部件的一个或两个光对准层的一侧(101)，并用另一个圆偏振激光束(20)照射平面光学部件的一个或两个光对准层的同一侧(101)，并且其中圆偏振激光束(10、20)具有相反的旋向性，并且彼此以预定角度定位，以便图案化一个或两个光对准层。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中确定(202)平面光学组件的实际光学功能还包括将平面光学组件(100)放置在自由曲面测试透镜(155)的前面，并且放置的距离小于自由曲面测试透镜的焦点的两倍。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，确定(202)平面光学部件的实际光学功能还包括将平面光学部件(100)放置在自由曲面测试透镜(155)的前面并接触自由曲面测试透镜(155)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述确定(203)包括通过所述自由曲面测试透镜追踪照射所述一个或两个光对准层的圆偏振激光束的光线的各个入射位置，所述各个入射位置指示所述一个或两个光对准层上的光线相对于所述一个或两个光对准层的中心位置的位置，从而导出入射光线位置和中心位置之间的相位差ΓUV。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述确定(203)还包括根据所获得的相位差ΓUV和自由曲面测试透镜(156)的表面轮廓计算自由曲面测试透镜(155)的表面轮廓偏差。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，确定(204)自由曲面测试透镜(155)的校正表面轮廓包括通过所确定的自由曲面测试透镜(155)的表面轮廓偏差来校正自由曲面测试透镜(155)的表面轮廓(156)，从而导出自由曲面主透镜的表面轮廓(156’)。
10.一种制造平面光学部件的方法，所述方法包括：
-提供涂覆有光对准层的基板；
-使用自由曲面主透镜通过全息图案化来图案化光对准层，所述自由曲面主透镜具有使用根据权利要求1至9中任一项所述的方法获得的期望光学功能，从而在其上创建具有期望光学功能的光对准图案；和
-在图案化的光对准层上提供液晶层，从而基于光对准图案对准液晶材料。
11.一种制造平面光学部件的方法，所述方法包括：
-提供两个间隔开的基板，以在其间提供间隙；各个基板具有涂覆有光对准层的面向内侧的表面；
-使用自由曲面主透镜通过全息图案化来图案化各个光对准层，所述自由曲面主透镜具有使用根据权利要求1至9中任一项所述的方法获得的期望光学功能，从而在各个光对准层上创建具有期望光学功能的光对准图案；和
-用液晶材料填充间隙，从而基于光对准图案对准液晶材料。
12.一种计算机程序产品，包括当程序在计算机上运行时用于执行以下步骤的计算机可执行指令：
-限定(201)平面光学部件(100)的期望光学功能；
-确定配置成提供期望光学功能的自由曲面测试透镜(155)的表面轮廓(156)；
-接收自由曲面测试透镜(155)和平面光学部件(100)之间的距离并接收记录光束的波长；
-确定(202)平面光学部件(100)的实际光学功能；
-通过比较对应于期望光学功能的相位差和对应于实际光学功能的相位差来确定(203)期望光学功能和实际光学功能之间的偏差；
-借助于所确定的偏差来确定(204)自由曲面测试透镜(155)的校正表面轮廓，从而导出自由曲面主透镜的表面轮廓(156’)。
13.一种计算机可读存储介质，包括当程序在计算机上运行时用于执行以下步骤的计算机可执行指令：
-获取(201)平面光学部件(100)的期望光学功能；
-获取(202)平面光学部件(100)的实际光学功能，所述实际光学功能被描述为使用自由曲面测试透镜(155)来记录，所述自由曲面测试透镜具有配置成提供期望光学功能的表面轮廓(156)；
-估计(203)期望光学功能和实际光学功能之间的偏差；
-借助于所估计的偏差来校正(204)自由曲面测试透镜(155)的表面轮廓(156)，从而导出自由曲面主透镜的表面轮廓(156’)。
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