具有π单元的宽带和宽视角波片的制作方法

具有
π
单元的宽带和宽视角波片
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2019年4月12日提交的美国申请第62/833,410号和2020年3月23日提交的美国申请第16/826,861号的优先权。美国申请第62/833,410号和美国申请第16/826,861号的内容为了所有目的通过引用被全部并入本文。
发明领域
3.本技术涉及光学波片，且尤其涉及包括液晶(lc)层的光学波片。
4.背景
5.波片已经在用于偏振控制的许多仪器和光学系统中实现。波片通过使偏振的分量(或偏振分量)相对于正交分量延迟(或迟延)来控制偏振。延迟是在沿着快轴投影的偏振分量和沿着慢轴投影的正交分量之间的相移(因此“延迟”也可以被称为“相位延迟”)。利用可调谐双折射材料的波片，例如液晶(“lc”)波片，具有延迟的非机械调谐的优点。
6.概述
7.本公开的一个方面提供了一种光学波片。光学波片包括正c膜，该正c膜包括第一液晶(“lc”)层。在第一lc层中的lc分子的倾斜角沿着第一lc层的厚度方向变化。光学波片还包括lc单元，其布置在正c膜的第一侧处并包括以光学补偿弯曲(“ocb”)模式排列的第二lc层。光学波片还包括布置在正c膜的第二侧处的正a膜。光学波片还包括布置在正a膜和正c膜之间的负双轴延迟膜。lc单元在至少两个预定状态之间可切换。
8.在一些实施例中，光学波片包括：正c膜，其包括第一液晶(“lc”)层，在第一lc层中的lc分子的倾斜角沿着第一lc层的厚度方向变化；lc单元，其布置在正c膜的第一侧处并包括以光学补偿弯曲(“ocb”)模式排列的第二lc层；正a膜，其布置在正c膜的第二侧处；以及在正a膜和正c膜之间的负双轴延迟膜，其中lc单元在至少两个预定状态之间可切换。
9.在一些实施例中，lc单元的至少两个预定状态包括展开状态和垂面排列状态。
10.在一些实施例中，第一lc层是向列lc层。
11.在一些实施例中，沿着第一lc层的厚度方向，在第一lc层中的lc分子的倾斜角的绝对值从第一lc层的两个边缘中的每一个到第一lc层的中心部分逐渐增加。
12.在一些实施例中，在第一lc层的两个边缘中的每一个处的lc分子的倾斜角的绝对值在大约0
°
到大约5
°
的范围内，并且在第一lc层的中心部分处的lc分子的倾斜角的绝对值在大约88
°
到大约90
°
的范围内。
13.在一些实施例中，第一lc层的两个边缘是第一边缘和第二边缘，lc分子的倾斜角从在第一边缘处的大约 3
°
逐渐增加到在中心部分处的大约 90
°
，lc分子的倾斜角从在第二边缘处的大约
–3°
逐渐增加到在中心部分处的大约
–
90
°
，以及lc分子的倾斜角在中心部分处从大约 90
°
突然改变到大约
–
90
°
。
14.在一些实施例中，光学波片被配置为向入射光提供一定量的相位延迟，以及正c膜、正a膜和负双轴延迟膜一起向入射光提供多于一半的相位延迟的量。
15.在一些实施例中，正a膜和负双轴延迟膜一起向入射光提供大于或等于约60％的
相位延迟的量。
16.在一些实施例中，光学波片被配置为向在预定波长范围和预定入射角范围内的光提供一定量的相位延迟，以及正c膜、正a膜、负双轴延迟膜和lc单元在预定配置中相对于彼此被定向以实质上独立于在预定波长范围内的波长并且实质上独立于在预定入射角范围内的入射角提供该一定量的相位延迟。
17.在一些实施例中，正c膜具有n
x
＝n
y
<n
z
，正a膜具有n
x
>n
y
＝n
z
，以及负双轴延迟膜具有n
x
>n
y
>n
z
，n
x
和n
y
是在膜平面处在正交的x和y方向上的主折射率，以及n
z
是在垂直于膜平面的厚度方向上的主折射率。
18.在一些实施例中，lc单元的排列方向在相对于预定方向的大约
–
35
°
到大约
–
50
°
处被定向，正c膜的快轴在相对于预定方向的大约35
°
到大约50
°
处被定向，负双轴延迟膜的慢轴在相对于预定方向的大约
–
35
°
到大约
–
50
°
处被定向，以及正a膜的慢轴在相对于预定方向的大约35
°
到大约50
°
处被定向。
19.在一些实施例中，lc单元的排列方向在相对于预定方向的大约
–
45
°
处被定向，正c膜的快轴在相对于预定方向的大约45
°
处被定向，负双轴延迟膜的慢轴在相对于预定方向的大约
–
45
°
处被定向，以及正a膜的慢轴在相对于预定方向的大约45
°
处被定向。
20.在一些实施例中，预定方向沿着线偏振入射光的偏振方向。
21.在一些实施例中，lc单元具有大约1μm至大约1.5μm的单元间隙。
22.在一些实施例中，lc单元、正c膜、负双轴延迟膜和正a膜顺序地布置在入射光的路径中。
23.在一些实施例中，正c膜、正a膜、负双轴延迟膜和lc单元包括相同的lc材料。
24.在一些实施例中，正c膜包括具有负介电各向异性的lc材料。
25.根据本公开的描述、权利要求和附图，本领域技术人员可以理解本公开的其他方面。
26.附图简述
27.下面的附图根据各种所公开的实施例为了说明目的被提供，并且不意欲限制本公开的范围。在附图中：
28.图1示出了根据本公开的实施例的光学波片的示意图；
29.图2示出了根据本公开的实施例的在展开状态中的π单元的示意性横截面视图；
30.图3示出了根据本公开的实施例的在弯曲状态中的π单元的示意性横截面视图；
31.图4示出了根据本公开的实施例的在垂面排列(homeotropic)状态中的π单元的示意性横截面视图；
32.图5示出了根据本公开的实施例的延迟膜的折射率；
33.图6示出了根据本公开的实施例的在光学波片中的膜定向的示意图；
34.图7a示出了根据本公开的实施例的正c膜的示意图；
35.图7b示出了根据本公开的实施例的在正c膜中的液晶(“lc”)分子的倾斜角；
36.图8示出了根据本公开的实施例的关于光学波片的宽带性能的模拟结果；
37.图9示出了根据本公开的实施例的关于光学波片的大视角性能的模拟结果；
38.图10示出了根据本公开的实施例的当没有电场施加到光学波片时关于输出光的斯托克斯参数s3与入射角的关系曲线的模拟结果；
39.图11示出了根据本公开的实施例的当电场施加到光学波片时关于输出光的斯托克斯参数s3与入射角的关系曲线的模拟结果；
40.图12示出了根据本公开的实施例的近眼显示器(“ned”)的透视图；
41.图13示出了图12所示的ned的前主体的横截面；以及
42.图14示出了根据本公开的实施例的变焦块的示意图。
43.详细描述
44.将参考附图描述与本公开内容一致的实施例，附图仅仅是用于说明目的示例并且不意欲限制本公开的范围。只要可能，相同的参考数字在全部附图中用来指相同的或相似的部件，并且其详细描述可以被省略。
45.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被组合。所描述的实施例是本公开的一些但不是所有实施例。基于所公开的实施例，本领域普通技术人员可以得出与本公开内容一致的其他实施例。例如，可以基于所公开的实施例进行修改、改编、替换、添加或其他变化。所公开的实施例的这样的变化仍然在本公开的范围内。因此，本公开内容不限于所公开的实施例。替代地，本公开的范围由所附权利要求限定。
46.如本文使用的，术语“耦合(couple)”、“耦合(coupled)”、“耦合(coupling)”或类似术语可以包括光耦合、机械耦合、电耦合、电磁耦合或其组合。在两个光学元件之间的“光耦合”指一种配置，其中两个光学元件以光学串联布置，并且来自一个光学元件的光输出可以由另一个光学元件直接或间接地接收。光学串联指在光路中的多个光学元件的光学定位，使得来自一个光学元件的光输出可以被其他光学元件中的一个或更多个透射、反射、衍射、转换、修改或以其他方式处理或操纵。在一些实施例中，多个光学元件被布置的顺序可以影响或可以不影响多个光学元件的总输出。耦合可以是直接耦合或间接耦合(例如，通过中间元件耦合)。
47.短语“a或b中的至少一个”可以包括a和b的所有组合，例如仅a、仅b或a和b。同样，短语“a、b或c中的至少一个”可以包括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。短语“a和/或b”可以以与短语“a或b中的至少一个”的方式类似方式被解释。例如，短语“a和/或b”可以包括a和b的所有组合，例如仅a、仅b或a和b。同样，短语“a、b和/或c”具有与短语“a、b或c中的至少一个”的含义相似的含义。例如，短语“a、b和/或c”可以包括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。
48.当第一元件被描述为被“附接”、“设置”、“形成”、“粘贴”、“安装”、“固定”、“连接”、“粘合”、“记录”或“布置”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、蚀刻、粘合、胶合、旋拧、压配合、搭扣配合、夹紧等，被“附接”、“设置”、“形成”、“粘贴”、“安装”、“固定”、“连接”、“粘合”、“记录”或“布置”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，或者在第一元件和第二元件之间可以有中间元件。第一元件可以被设置在第二元件的任何合适的侧面，诸如左侧、右侧、前侧、后侧、顶侧或底侧。
49.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“在......上”仅用于指示第一元件和第二元件之间的示例性相对定向。该描述可以基于图中所示的参考坐标系，或者可以基于图中所示的当前视图或示例性配置。例如，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，术语“在
…
上”可以不一定意味着第一元件在垂直重力方向上在第二元件的上方。例如，当第一元件和第二元件的组件转动180度时，第一元件可以在第二元件“下方”(或者第二元件可以“在”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，该配置仅是说明性示例。第一元件可以相对于第二元件以任何合适的定向设置或布置(例如，在第二元件上或上方、在第二元件下或下方、在第二元件左侧、在第二元件右侧、在第二元件后侧、在第二元件前侧等)。
50.本公开中提到的波长范围、光谱或波段是为了说明目的。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长范围以及其他波长范围，例如紫外(“uv”)波长范围、红外波长范围或其组合。
51.对于偏振成像系统，lc波片具有覆盖范围从可见光(“vis”)到近红外(“nir”)区的波长的宽带性能、大接受角(即大入射角)、低残余延迟、快速响应以及在不同状态之间例如在实质上零延迟和非零延迟值(例如半波延迟、四分之一波延迟)之间切换的能力是高度合乎需要的。同时使用扭转向列液晶(“tnlc”)单元在lc波片中获得上面提到的优点可能具有挑战。例如，典型向列lc波片的响应时间是大约5毫秒(“ms”)，并且残余延迟很大，因为向列lc分子可能不沿着外部电场完全被重新定向。与tnlc单元相比，包括以光学补偿弯曲(“ocb”)模式排列的lc层的lc单元，也被称为π单元，由于lc分子的平行排列而展示出快速切换速度(约2ms)和自然地宽的视角。此外，高对比度可以用补偿膜来实现以减去在基板表面处的残余双折射。因此，π单元可用于形成具有快速响应和宽视角的宽带lc波片。
52.本公开提供了一种光学波片，其具有覆盖范围从可见光(“vis”)到近红外(“nir”)区的波长的宽带性能、大接受角(例如，适合于大入射角)、低残余延迟、快速响应以及能够在不同相位延迟的状态之间例如在实质上零延迟(或等效全波延迟，例如一个全波延迟、两个全波延迟等)和非零分数波延迟(例如半波延迟、四分之一波延迟)之间切换的能力。光学波片可以包括以光学串联布置的液晶(“lc”)单元、正c膜、负双轴延迟膜和正a膜，lc单元包括以光学补偿弯曲(“ocb”)模式排列的向列lc层。lc单元可以由外部电场可控制以在包括展开状态和垂面排列状态的至少两个预定状态之间切换。在一些实施例中，lc单元和正a膜可以布置在正c膜的相对的两侧处，以及负双轴延迟膜可以布置在正a膜和正c膜之间。
53.在一些实施例中，当光学波片提供非零分数波相位延迟时，光学波片可以被配置为在波长范围和/或入射角范围内旋转宽带光(例如多色光)的偏振。由光学波片提供的非零分数波相位延迟的量可以是在波长范围内实质上波长无关的和/或是在入射角范围内实质上入射角无关的。在一些实施例中，光学波片可以被配置为在波长范围和/或入射角范围内对宽带光(例如多色光)执行从第一偏振到第二偏振的偏振转换。在一些实施例中，当光学波片提供实质上零延迟(或等效全波延迟，例如一个全波延迟、两个全波延迟等)时，光学波片可以被配置为在波长范围和/或入射角范围内实质上保持宽带光(例如多色光)的偏振。
54.图1示出了根据本公开的实施例的光学波片100的示意图。光学波片100可以包括以光学串联布置的多个光学部件。为了说明目的，图1示出了光学波片100包括四个光学部件101、102、103和104。在一些实施例中，光学波片100可以包括任何合适数量的(例如两个、三个、五个、六个等)光学部件。每个光学部件可以具有特定的光学特性。当被组合时，四个光学部件可以为光学波片100呈现期望的光学特性。例如，光学波片100可以被配置为在波
长范围和/或入射角范围内为宽带光(例如多色光)提供一定量的相位延迟。四个光学部件可以相对于彼此被定向，使得由光学波片100为宽带光提供的相位延迟的量可以是在波长范围内实质上波长无关的(或与波长无关)和/或是在入射角范围内实质上入射角无关的(或与入射角无关)。在一些实施例中，当光学波片100提供非零分数波相位延迟时，光学波片100可以被配置为在波长范围和/或入射角范围内对宽带光(例如多色光)执行从第一偏振到第二偏振的偏振转换。在一些实施例中，当光学波片100提供实质上零延迟(或等效全波延迟，例如一个全波延迟、两个全波延迟等)时，光学波片100可以被配置为在波长范围和/或入射角范围内实质上保持宽带光(例如多色光)的偏振。
55.在一些实施例中，光学波片100可以包括以光学串联布置的lc单元和多个补偿膜。lc单元可以包括以ocb模式排列的向列lc层，其中靠近或邻近上基板和下基板的向列lc分子可以在平行方向上排列。在一些实施例中，补偿膜可以包括一个或更多个正c膜、一个或更多个正a膜和/或一个或更多个负双轴延迟膜。如在本文所使用的，术语“膜”可以包括膜、片、层等，并且可以是任何合适的厚度。补偿膜是可以补偿波长色散和轴向相位差的光学膜，以便克服由在lc单元的边界处的向列lc分子的平行排列引起的受限视角。补偿膜对于在可见波段(约380nm至约700nm)中的光和在红外(“ir”)波段(约700nm至约1mm)的一部分中的光可以是光学透射的(例如实质上透明的)。在一些实施例中，延迟膜可以是包括聚合或交联lc材料的膜。例如，可以通过在基板上布置一层可聚合lc材料前体、聚合在lc相中均匀地或垂面地(homeotropically)排列的lc材料(例如，通过暴露于线偏振光进行光聚合或通过暴露于预定温度进行热聚合)并任选地从基板移除被聚合的材料来获得延迟膜。
56.在一些实施例中，lc单元可以是在光学波片100中的有源部件，以及在光学波片100中包括的其他部件可以是无源的。术语“有源”意味着lc单元的光学特性(例如延迟)可以是通过被施加到lc单元的外部场(例如电场、磁场或光场)可变的或可切换的。在一些实施例中，补偿膜可以是无源部件。换句话说，没有外部场施加到补偿膜来改变或切换补偿膜的光学特性。例如，作为有源部件的lc单元可以在不同的驱动电压下提供可变的相位延迟，而作为无源元件的补偿膜可以提供恒定的相位延迟。通过调整施加到lc单元的驱动电压，光学波片100可以被配置成为预定光谱提供各种相位延迟，例如λ/4(90
°
)延迟、λ/2(180
°
)延迟、λ(360
°
)延迟，其中λ是预定波长。通过切换施加到lc单元的驱动电压，光学波片100可以是在不同相位延迟的状态之间可切换的。
57.补偿膜和lc单元可以布置在合适的配置中以实现光学波片100的期望光学特性。在一个实施例中，如图1所示，光学部件101可以是正a膜，光学部件102可以是负双轴延迟膜，光学部件103可以是正c膜，以及光学部件104可以是具有以ocb模式排列的lc层的lc单元。也就是说，正c膜103可以布置在lc单元104的一侧处。正c膜103可以具有面向lc单元104的第一侧和相对的第二侧，以及负双轴延迟膜102可以布置在正c膜103的第二侧处。负双轴延迟膜102可以具有面向正c膜103的第一侧和相对的第二侧，以及正a膜101可以布置在负双轴延迟膜102的第二侧处。
58.图1所示的四个光学部件的堆叠配置仅用于说明。也可以使用其他合适的布置。此外，在一些实施例中，可以使用任何数量的光学部件的任何其他组合。例如，在一些实施例中，光学波片100可以包括一个层、两个层、三个层、五个层、六个层等。在一些实施例中，图1所示的四个层可以以另一次序或顺序布置。
59.图2示出了根据本公开的实施例的lc单元200的示意性横截面视图。如图1所示，lc单元200可以是在光学波片100中包括的lc单元104的实施例。如图2所示，lc单元200可以包括彼此相对地布置的上基板202和下基板202，例如顶基板和底基板。基板202对在可见波段(约380nm至约700nm)中的光可以是至少部分地光学透射的(例如实质上透明的)。在一些实施例中，基板202还可以对在红外(“ir”)波段(约700nm至约1mm)的一部分中的光是至少部分地光学透射的(例如实质上透明的)。基板202可以包括对在上面列出的波长范围内的光是至少部分地光学透射的(例如实质上透明的)合适材料，例如sio2、塑料、蓝宝石等。基板202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，基板202可以是另一光学设备或另一光电设备的一部分。例如，基板202可以是功能设备例如显示屏的一部分。在一些实施例中，基板202可以是光学透镜组件的一部分，例如光学透镜组件的透镜基板。电极204可以布置在基板202的相对表面上，并且可以被配置成施加电场。在一些实施例中，电极204可以是氧化铟锡(“ito”)电极。
60.lc单元200可以包括被配置为至少部分地使在lc单元200中包括的lc分子进行排列的至少一个排列层206。在图2所示的实施例中，两个排列层206布置在电极204的相对表面上。在一些实施例中，可以省略排列层206中的一个。在一些实施例中，可以省略两个排列层206。在这样的实施例中，在lc单元200中包括的lc分子的排列可以使用例如外部电场、外部光场或外部磁场等通过批量排列被引入在lc分子中。lc单元200还可以包括夹在两个排列层206之间的lc层208。lc层208可以包括向列lc分子210。两个排列层206可以被配置成具有例如在由箭头212所指示的x方向上的均匀的平行排列方向，lc层208可以通过该方向被排列在ocb模式中。也就是说，邻近或靠近上基板202和下基板202的向列lc分子210可以沿平行方向定向。
61.lc单元200可以被称为π单元。名称π单元来自于lc分子的指向矢的扭转，该扭转是由在每个基板上的平行排列方向(例如平行摩擦方向)形成的180
°
。作为比较，在tnlc单元中，在两个基板上的排列方向彼此垂直。因此，从一个基板到另一个基板的lc指向矢的90
°
扭转在tnlc单元内部形成。此外，在π单元中，邻近或靠近上基板202和下基板202的向列lc分子210可以沿着预定的预倾斜角θ和预扭转角均匀地排列，当外部电压没有被施加在基板202之间时允许lc分子210在预定方向上保持轻微倾斜。预倾斜角θ被定义为在lc分子210的长轴和基板202之间的角度。
62.图2
‑
4示出了通过外部电场进行的lc单元200的切换过程。如图2所示，在电压断开状态(例如，v0＝0v，或者更一般地低于lc单元200的阈值电压)中，lc单元200可以在展开状态中，在展开状态中lc分子210由于表面约束而在展开配置下弹性地变形。因此，lc分子210可以平行于两个排列层206的排列方向212被定向。例如，在lc层208的中间部分处的lc分子210平行于排列方向212，以及在中间部分和基板排列层206之间的其他部分处的lc分子210以小的预倾斜角(例如0
°‑
10
°
等)实质上平行于排列方向212。
63.在电压接通状态中，当相对低的电场被施加(例如，当相对低的电压v1(例如v1＝2v)被施加)到lc单元200时，如图3所示，lc单元200可以被切换到弯曲状态，在弯曲状态中在lc层208的中间部分处的lc分子210被电场e重新定向成垂直于基板202，而在中间部分和排列层206之间的其他lc分子210由于排列层206的表面约束而仍然实质上平行于排列方向212被定向。当相对高的电场被施加(例如，当相对高的电压v2(例如v2＝10v)被施加)到lc单
元200时，如图4所示，lc单元200可以切换到垂面排列状态，在垂面排列状态中大部分lc分子210被电场e重新定向成垂直于基板202(除了靠近排列层206(例如，与排列层206直接接触)的lc分子210以外)。为了获得lc单元200的弯曲状态，可以施加大于预定的展开到弯曲转变电场(例如电压)的电场。为了获得lc单元200的垂面排列结构，可以施加大于弯曲到垂面排列转变电场(例如电压)的电场。转变电场(例如转变电压)可以由lc材料和lc层208的厚度确定。
64.与其他lc切换模式例如扭转向列(“tn”)模式、垂直排列(“va”)模式和平面内切换(“ips”)模式相比，π单元由于减少的回流效应而展示出快速切换速度。此外，由于自补偿结构，π单元具有固有的宽视角。如图2所示，在两个倾斜入射方向上通过lc单元200透射的光束1和光束2可以经历相同的延迟。自补偿性质可能不适用于入射角在指向矢平面之外的光。此外，轴上对比率(“cr”)由于残余双折射甚至在相对高的电压处也可能是低的。因此，将光学补偿膜与lc单元200耦合以实现高cr和宽视角可以是合乎需要的。
65.图5示出了延迟膜500的折射率。如图5所示，n
x
和n
y
是在膜平面(例如图5中的x
‑
y平面)处在正交方向上的主折射率，以及n
z
是在平面外垂直方向(例如图5中的z方向)上的主折射率，n
z
也被称为在膜厚度方向上的折射率。根据折射率的大小，可以确定延迟膜的特性和类型。
66.正a膜是一种延迟膜，其中n
x
>n
y
＝n
z
。正a膜的平面内延迟根据下面的等式(1)由在膜平面中的两个折射率之间的差以及膜的厚度确定：
67.rin＝d
×
(nx
‑
ny)
ꢀꢀꢀ
(1),
68.其中d是膜的厚度，以及δn
xy
＝n
x
‑
n
y
是膜的平面内双折射。正a膜一般具有平行于膜的平面(例如x
‑
y平面)排列的光轴。
69.正c膜是一种延迟膜，其中n
x
＝n
y
<n
z
。正c膜的厚度方向延迟根据下面的等式(2)由在平面内折射率和厚度方向折射率之间的差以及膜的厚度确定：
70.rth＝d
×
(nz
‑
ny)
ꢀꢀꢀ
(2),
71.其中d是膜的厚度，以及δn
zy
＝n
z
‑
n
y
是膜的平面外(或厚度方向)双折射。也就是说，正c膜是具有实质上零平面内延迟和正厚度方向延迟的延迟膜。正c膜一般具有垂直于膜的平面(例如x
‑
y平面)排列的光轴。正c膜可以包括向列lc层，其中向列lc分子的倾斜角θ沿着膜的厚度方向变化，例如向列lc分子的倾斜角θ是膜厚度的函数。倾斜角θ被定义为在lc分子的长轴或指向矢与膜平面之间的角度。
72.负双轴延迟膜是一种延迟膜，其中n
x
>n
y
>n
z
。负双轴延迟膜同时具有平面内延迟r
ib
和厚度方向延迟r
tb
，其被定义如下：
73.rib＝d
×
(nx
‑
ny)
ꢀꢀꢀ
(3),
74.rtb＝d
×
(nz
‑
ny)
ꢀꢀꢀ
(4),
75.其中d是膜的厚度，δn
xy
＝n
x
‑
n
y
是膜的平面内双折射，以及δn
zy
＝n
z
‑
n
y
是膜的平面外(或厚度方向)双折射。也就是说，负双轴延迟膜可以具有正平面内延迟和负厚度方向延迟。
76.在所公开的实施例中，延迟膜的快轴或慢轴可以相对于lc单元的排列方向被定向以实现光学波片的预定光学特性。图6示出了根据本公开的实施例的在光学波片600中的膜定向的示意图。光学波片600可以是图1所示的光学波片100的实施例。在图6中，为了说明目
的，光学部件101(例如正a膜)、光学部件102(例如负双轴延迟膜)、光学部件103(例如正c膜)和光学部件104(例如lc单元)在分解图中显示。如图6所示，lc单元104的排列方向1041可以在相对于预定方向1111(例如在图6中的y轴)的大约
‑
35
°
到大约
‑
50
°
处被定向。排列方向1041可以是被包括在lc单元104中的lc分子的优先排列方向(或者lc单元104的宏观排列方向)。正c膜103的快轴1031可以在相对于预定方向1111的大约35
°
到大约50
°
处被定向。负双轴延迟膜102的慢轴1021可以在相对于预定方向1111的大约
‑
35
°
到大约
‑
50
°
处被定向。正a膜101的慢轴1011可以在相对于预定方向1111的大约35
°
到大约50
°
处被定向。在一些实施例中，预定方向1111可以是入射到lc单元104上的线偏振光的偏振方向。
77.在一个实施例中，如图6所示，lc单元104的排列方向1041可以由相对于y方向(预定方向1111的示例)的大约
–
45
°
定向。正c膜103的快轴1031可以由相对于y方向的大约45
°
定向。负双轴延迟膜102的慢轴1021可以由相对于y方向的大约
–
45
°
定向。正a膜101的慢轴1011可以由相对于y方向的大约45
°
定向。
78.在一个实施例中，lc单元104可以包括具有下面的特性的液晶材料：k33/k11＝1.3437，k22/k11＝0.5937，δε＝11，其中k
11
、k
22
和k
33
是液晶材料的展开、扭转和弯曲弹性常数。lc单元104可以具有大约3
°
的预倾斜角、大约1.3μm的厚度以及大约0.18的双折射(δn)。正a膜101可以具有大约3
°
的预倾斜角、大约1μm的厚度和大约0.18的平面内双折射(δn)。负双轴延迟膜102可以具有大约90
°
的预倾斜角、大约1μm的厚度和大约
–
0.11的平面外双折射(δn)。
79.正c膜103可以具有大约2μm的厚度和大约0.18的平面外双折射(δn)。在图7a中示出了正c膜103的示例性lc配置700，以及在图7b中示出了在正c膜103的倾斜角和膜厚度之间的关系。如图7a和图7b所示，正c膜103可以包括向列lc层710，其中lc分子720的倾斜角可以沿着膜的厚度方向变化。例如，随着归一化膜厚度从大约0增加到大约0.5，lc分子720的倾斜角可以从大约3
°
逐渐改变到大约90
°
，然后在归一化膜厚度接近0.55时lc分子720的倾斜角突然增加到大约
–
90
°
，随着归一化膜厚度从大约0.55增加到大约0.85，lc分子720的倾斜角以相对慢的速度从大约
–
90
°
改变到大约
–
75
°
，以及随着归一化膜厚度从大约0.85增加到大约1，lc分子720的倾斜角以相对快的速度从大约
–
75
°
改变到大约
–3°
。也就是说，沿着向列lc层710的厚度方向，在向列lc层710中的lc分子720的倾斜角的绝对值可以分别从向列lc层710的两个边缘到中心部分逐渐增加。
80.在图7a中示出的正c膜103的lc配置700是为了说明目的，且并不意欲限制本公开的范围。正c膜103的lc配置700可以由各种因素例如待实现的相位、待实现的补偿效果等确定。在一些实施例中，当lc分子720的倾斜角从向列lc层710的两个边缘的每一个到向列lc层710的中心部分逐渐增加时，在向列lc层710的两个边缘中的每一个处的lc分子720的倾斜角的绝对值可以在大约0
°
到5
°
(例如1
°
到3
°
)的范围内，以及在向列lc层710的中心部分处的lc分子720的倾斜角的绝对值可以在大约85
°
到90
°
(例如88
°
到90
°
)的范围内。在一些实施例中，正c膜包括具有负介电各向异性的lc材料。在一些实施例中，正c膜包括具有正介电各向异性的lc材料。
81.在下文中，光学波片600的光学特性的模拟结果在图8
‑
11中示出。图8示出了显示在光学波片600的延迟和入射波长(例如入射光的波长)之间的关系的模拟结果。图9示出了显示在光学波片600的延迟和入射角之间的关系的模拟结果。图10示出了模拟结果，其显示
当lc单元104被切断电源以在展开状态中(v0＝0v)时通过光学波片600透射的光(即，输出光)的斯托克斯参数s3与入射到光学波片600上的光(即，输入光)的入射角之间的关系。图11示出了模拟结果，其显示当lc单元104被接通电源以在垂面排列状态中(例如v2＝10v)时通过光学波片600透射的光(即，输出光)的斯托克斯参数s3与入射到光学波片600上的光(即，输入光)的入射角之间的关系。在模拟中，光学波片600被配置为当lc单元104被切断电源以在展开状态中(v0＝0v)时提供90
°
延迟并且当lc单元104被接通电源以在垂面排列状态中(例如v2＝10v)时提供
‑
90
°
延迟。入射到光学波片600上的光被假设为线偏振光，以及在光的偏振方向和lc单元104的排列方向之间的角度被假设为大约45
°
。在一些实施例中，入射到光学波片600上的光可以在图6所示的y轴方向上线性地偏振。
82.如图8所示，竖直轴是由光学波片600提供的相位延迟，以及水平轴是入射到光学波片600上的光的波长(以nm为单位)。当lc单元104在电压断开状态中时，光学波片600可以为在一波长范围例如从大约400nm到大约700nm的范围内的宽带光(例如多色光)提供大约90
°
的相位延迟。当lc单元104在电压接通状态和垂面排列状态中(例如v2＝10v)时，光学波片600可以为宽带光提供大约
–
90
°
的相位延迟。也就是说，在lc单元104的电压接通(或开启)和电压断开(或关闭)状态中的每一个下，光学波片600可以向在一波长范围例如从大约400nm到大约700nm的范围内的宽带光(例如多色光)提供预定相位延迟(例如，在电压接通状态下的大约90
°
的相位延迟或者在电压断开状态下的大约
–
90
°
的相位延迟)，其中预定相位延迟可以在该波长范围内是实质上波长无关的。
83.如图9所示，竖直轴是由光学波片600提供的相位延迟，以及水平轴是入射在光学波片600上的光的入射角。当lc单元104在电压断开状态下时，光学波片600可以为具有在大约
–
45
°
到大约45
°
的范围内的入射角的光提供大约90
°
到大约95
°
的相位延迟。当lc单元104在电压接通状态和垂面排列状态下(例如v2＝10v)时，光学波片600可以为具有在大约
–
40
°
到大约40
°
范围内的入射角的光提供大约
–
90
°
到大约
–
100
°
的相位延迟。也就是说，在lc单元104的电压接通和电压断开状态中的每一个下，光学波片600可以向在入射角范围例如从大约
–
45
°
到大约45
°
的范围内的宽带光(例如多色光)提供接近预定的理论延迟(例如接近90
°
或
–
90
°
)的相位延迟。
84.如图10所示，水平轴是输入光的入射角，以及竖直轴是光学波片600的输出光的斯托克斯参数s3。入射角相关的斯托克斯参数s3分别在460nm、530nm和620nm的波长处被评估。图10示出了当lc单元104在电压断开状态中时在460nm、530nm和620nm的波长处对于宽范围的入射角(例如大约
–
40
°
至大约35
°
)，输出光的斯托克斯参数s3可以保持在接近1.0(理论值)的0.9处或高于0.9。
85.本领域中的具有普通技能的人可以理解，右旋圆偏振光具有斯托克斯参数s3＝1.0，以及斯托克斯参数s3越接近1.0，输出光就越接近右旋圆偏振光。因此，根据图10，对于宽范围的入射角和波长，当lc单元104被切断电源时，光学波片600的输出光可以是右旋圆偏振输出光(s3＝1.0)或实质上右旋圆偏振输出光(s3≈1.0，例如s3≥0.9)。也就是说，光学波片600可以在宽范围的入射角和波长内将线偏振入射光转换成右旋圆偏振输出光或实质上右旋圆偏振输出光。换句话说，当lc单元104在电压断开状态下和在展开状态下时，光学波片600可以具有宽带和大视角性能。
86.如图11所示，水平轴是输入光的入射角，以及竖直轴是输出光的斯托克斯参数s3。
入射角相关的斯托克斯参数s3分别在460nm、530nm和620nm的波长处被评估。如图11所示，当lc单元104在电压接通状态下和在垂面排列状态下时，在460nm和530nm的波长处，对于宽范围的入射角(例如大约
–
40
°
到大约40
°
)，输出光的斯托克斯参数s3可以保持在接近于
–
1.0的大约
–
0.9处或低于大约
–
0.9。在620nm的波长处，对于宽范围的入射角(例如大约
–
40
°
到大约40
°
)，输出光的斯托克斯参数s3可以保持在大约
–
0.8处或低于大约
–
0.8。
87.本领域中的具有普通技能的人可以理解，左旋圆偏振光具有斯托克斯参数s3＝
–
1.0，以及斯托克斯参数s3越接近
–
1.0，输出光就越接近左旋圆偏振光。因此，根据图11，对于宽范围的入射角和波长，在lc单元104被接通电源以在垂面排列状态中时光学波片100的输出光可以是左旋圆偏振输出光(s3＝
–
1.0)或实质上左旋圆偏振输出光(s3≈
–
1.0)。也就是说，当lc单元104在电压接通状态下和在垂面排列状态下时，光学波片100可以在宽范围的入射角和波长内将线偏振入射光转换成左旋圆偏振输出光或实质上左旋圆偏振输出光。换句话说，当lc单元104在电压接通状态下和在垂面排列状态下时，光学波片600可以具有优异的宽带和大视角性能。
88.在一些实施例中，光学波片可以包括由外部电场可控制以在不同状态之间切换的有源lc单元(例如，仅一个有源lc单元)，而补偿膜可以是无源元件。例如，lc单元可以被配置为在展开状态(例如v0＝0v)和垂面排列状态(例如v2＝10v)之间切换，而不是在常规lc单元中在弯曲状态(例如v1＝2v)和垂面排列状态(例如v2＝10v)之间切换。因此，驱动电压可以在垂面排列状态(例如v2＝10v)下仅施加到lc单元104。因此，可以减小光学波片的功率消耗。
89.此外，补偿膜一起可以被配置为提供光学波片的延迟的大部分。也就是说，在由光学波片为线性入射光提供的总延迟中，三个补偿膜一起可以比lc单元提供总延迟的更大部分。例如，补偿膜一起可以提供大于总延迟的大约95％、90％、85％、80％、75％、70％、65％或60％，且因此lc单元可以提供小于总延迟的大约5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％或40％。通过将补偿膜配置在一起以提供光学波片的多于一半(50％)的延迟，lc单元的单元间隙可以被配置为实质上是小的，这可以降低对于垂面排列状态的驱动电压和从垂面排列状态转变到展开状态的弛豫时间。
90.当lc单元的单元间隙是实质上小的时，强锚定可能在排列层的表面处出现，导致lc单元的展开状态为稳定状态。因此，当lc单元在零电压下的展开状态和相对高的电压(例如v2＝10v)下的垂面排列状态之间切换时，由于在π单元中的减小的回流效应，在移除所施加的电压之后从垂面排列状态到展开状态的转变可能仍然是实质上快的。相反，当单元间隙是实质上大的时，lc单元的弯曲状态可能在移除所施加的电压之后变成稳定状态。作为结果，当lc单元在移除所施加的电压之后从垂面排列状态松弛到展开状态时，从弯曲状态到展开状态的转变可能需要很长时间，例如几秒钟。在一些实施例中，在所公开的光波导中的lc单元的厚度可以被配置为大约1
‑
1.5μm。根据本公开，与使用tnlc单元的传统宽带和宽视角波片相比，所公开的光学波片可以具有减少的切换时间以及提高的光谱和角度性能。
91.在一些实施例中，在光学波片中的补偿膜(例如正c膜、正a膜、负双轴延迟膜)和lc单元可以由相同的lc材料制成，且因此可以具有相同的双折射特性。因而会改变lc材料的折射率的温度的任何变化对于lc单元和补偿膜可能是相同的，使得lc单元和补偿膜对于大范围的温度变化可以相互自补偿。因此，可以提高光学波片的温度稳定性和可靠性。
92.在一些实施例中，所公开的光学波片可以包括多于一个有源单元(例如多于一个lc单元)。多于一个lc单元可以与一个或更多个补偿膜例如一个或更多个负双轴延迟膜、一个或更多个正a膜、一个或更多个正c膜组合。可以基于光学波片中有源单元的数量和要实现的光学特性来确定补偿膜的数量。在一些实施例中，光学波片可以包括多组堆叠在一起的图1中所示的组合。例如，两组图1中所示的组合可以堆叠在一起以形成光学波片。
93.所公开的光学波片可以在许多仪器和光学系统中具有多种应用，例如用于虚拟现实(“vr”)、增强现实(“ar”)和/或混合现实(“mr”)应用的近眼显示器(“ned”)。图12示出根据本公开的实施例的ned 1200的透视图。图13示出图12中所示的ned 1200的前主体的横截面1250。ned 1200可以包括所公开的光学波片中的一个或更多个。
94.如图12所示，ned 1200可以包括前主体1205和带1210。前主体1205可以包括电子显示器(未示出)的一个或更多个电子显示元件、惯性测量单元(“imu”)1215、一个或更多个位置传感器1220以及一个或更多个定位器1225。在图12a所示的实施例中，位置传感器1220可以位于imu 1215内，并且imu 1215和位置传感器1220对用户都不可见。ned 1200可以起vr、ar、mr设备或其某种组合的作用。当ned 1200起ar和/或mr设备的作用时，ned 1200的部分及其内部部件可以是至少部分地透明的。
95.如图13所示，前主体1205可以包括一起将图像光引导到出射光瞳1270的电子显示器1255和变焦块1260。出射光瞳1270可以是前主体1205中用户的眼睛1265所位于的位置。此外，ned 1200可以包括眼睛跟踪系统(未示出)。ned 1200可以经由电子显示器1255在焦距处向ned 1200的用户呈现电子内容。变焦块1260可以被配置为根据来自ned 1200的指令来调整焦距，以例如减轻用户的眼睛的视觉辐辏调节冲突。可以通过调整与变焦块1260相关联的光焦度、以及特别是通过调整与在变焦块1260中的一个或更多个光学透镜相关联的光焦度来调整焦距。
96.图14是根据本公开的实施例的变焦块1460的示意图。变焦块1460可以是图13所示的变焦块1260的实施例。在一些实施例中，变焦块1460可以包括交替地布置的一个或更多个pancharatnam berry相位(“pbp”)液晶(“lc”)透镜1461(例如1461
‑
1、1461
‑
2和1461
‑
3)、一个或更多个四分之一波片1462(例如1462
‑
1和1462
‑
2)以及一个或更多个可切换光学波片1463(例如1463
‑
1和1463
‑
2)。例如，图14示出了三个pbp lc透镜1461
‑
1、1461
‑
2和1461
‑
3、两个四分之一波片1462
‑
1和1462
‑
2以及两个可切换光学波片1463
‑
1和1463
‑
2。这些光学元件的数量仅用于说明目的，并且可以是任何合适的数量。沿着光路(例如从输入光到输出光)，第一pbp lc透镜1461
‑
1可以布置在第一四分之一波片1462
‑
1的上游，第一四分之一波片1462
‑
1可以布置在第一可切换光学波片1463
‑
1的上游。第一可切换光学波片1463
‑
1可以布置在第二pbp lc透镜1461
‑
2的上游，第二pbp lc透镜1461
‑
2可以布置在第二四分之一波片1462
‑
2的上游。第二四分之一波片1462
‑
2可以布置在第二光学波片1463
‑
2的上游。第三pbp lc透镜1461
‑
3可以布置在第二光学波片1463
‑
2的下游。这个配置可以沿着光路重复额外的次数。在一些实施例中，当接收右旋圆偏振(“rhcp”)光时，pbp lc透镜1461(例如1461
‑
1、1461
‑
2或1461
‑
3)可以在加性状态或聚焦状态中操作(其可以向变焦块1460添加光焦度)。在一些实施例中，当接收左旋圆偏振(“lhcp”)光时，pbp lc透镜1461可以在减去状态或散焦状态中操作(这可以从变焦块1460减去光焦度)。除了使圆偏振光聚焦和/或散焦之外，pbb lc透镜1461还可以使通过其透射的圆偏振光的旋向性反转。
97.四分之一波片1462(例如1462
‑
1或1462
‑
2)可以将通过上游pbp lc透镜1461透射的圆偏振光转换成线偏振光。可切换光学波片1463(例如1463
‑
1或1463
‑
2)可以具有相对于线偏振光的偏振方向定向的偏振轴以根据光学波片1463的切换状态将线偏振光转换成左旋圆偏振(“lhcp”)光或右旋圆偏振(“rhcp”)光。在一些实施例中，可切换光学波片1463可以是所公开的光学波片的实施例，例如图6所示的光学波片600。例如，当lc单元被切断电源和接通电源时，可切换光学波片1463可以分别为覆盖从400nm到700nm的波长范围的宽带光(例如多色光)提供大约90
°
和大约
–
90
°
的延迟。因此，当lc单元被切断电源和接通电源时，可切换光学波片1463可以分别将线偏振光转换成rhcp光和lhcp光。换句话说，可切换光学波片1463可以根据光学波片1463的切换状态，即在可切换光学波片1463中的lc单元的切换状态(例如电压接通状态或电压断开状态)，输出rhcp光或rhcp光。因此，在入射光的路径中放置在第二pbp lc透镜1461
‑
2的上游的第一可切换光学波片1463
‑
1可以被配置为通过控制入射到第二pbp lc透镜1461
‑
2上的圆偏振光的旋向性来控制第二pbp lc透镜1461
‑
2是在加性状态中还是在减去状态中起作用。同样，在入射光的路径中放置在第三pbp lc透镜1461
‑
3的上游的第二可切换光学波片1463
‑
2可以被配置为通过控制入射到第三pbp lc透镜1461
‑
3上的圆偏振光的旋向性来控制第三pbp lc透镜1461
‑
3是在加性状态中还是在减去状态中起作用。因此，变焦块1460可以提供光焦度的一定范围的调整以适应于人眼视觉辐辏调节。
98.因为所公开的光学波片具有宽带性能、大接受角、低残余延迟、快速响应和在延迟的不同状态之间切换的能力，变焦块1460可以被配置为提供各种光焦度以在宽范围的入射角和宽范围的入射波长内以快速和准确的方式适应于人眼视觉辐辏调节。包括图14所示的堆叠式pbp lc透镜结构的变焦块的配置仅用于说明目的，并且变焦块的其他配置可以根据各种应用情形被使用。
99.在ned中的所公开的光学波片的上面提到的应用仅用于说明目的。此外，所公开的光学波片还可以用于实现在各种设备和系统中的眼睛跟踪部件、显示分辨率增强部件(例如，增加像素密度)和光瞳控制元件等。所公开的光学波片具有针对波长范围从可见光区到近红外区的光的宽带性能、大接受角(例如大入射角)、低残余延迟、快速响应以及在例如零延迟值和非零延迟值之间切换的能力。因此，光学波片可以被实现为在ned中的多功能光学部件以显著提高ned的光学性能。
100.出于说明的目的，已经呈现了本公开的实施例的前述描述。不意欲是穷举的或将本公开内容限制于所公开的精确形式。相关领域中的技术人员可以认识到，按照上面的公开，许多修改和变化是可能的。
101.本描述的一些部分可以从对信息的操作的算法和符号表示方面描述本公开的实施例。这些操作虽然在功能上、在计算上或在逻辑上被描述但是可以通过计算机程序或等效电路、微码或诸如此类来实现。此外，将操作的这些布置称为模块有时候也被证明是方便的而不失一般性。所描述的操作和它们的相关模块可以体现在软件、固件、硬件或其任何组合中。
102.本文描述的任何步骤、操作或过程可以用一个或更多个硬件模块和/或软件模块单独地或与其他设备相结合来执行或实现。在一个实施例中，利用包括计算机可读介质的计算机程序产品来实现软件模块，该计算机可读介质包含计算机程序代码，计算机程序代
码可以由计算机处理器执行，用于执行所描述的任何或全部步骤、操作或过程。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、电路、逻辑门等。
103.本公开的实施例也可以涉及用于执行本文的操作的装置。该装置可以为了特定目的被特别地构造，和/或它可以包括由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算设备。这样的计算机程序可以存储在非暂时性有形计算机可读存储介质或者适合于存储电子指令的、可以耦合到计算机系统总线的任何类型的介质中。非暂时性计算机可读存储介质可以是可以存储程序代码的任何介质，例如磁盘、光盘、只读存储器(“rom”)或随机存取存储器(“ram”)、电可编程只读存储器(“eprom”)、电可擦除可编程只读存储器(“eeprom”)、寄存器、硬盘、固态盘驱动器、智能介质卡(“smc”)、安全数字卡(“sd”)、闪存卡等。此外，在说明书中描述的任何计算系统可以包括单个处理器，或者可以是为了提高的计算能力而采用多个处理器的架构。处理器可以是中央处理单元(“cpu”)、图形处理单元(“gpu”)或被配置为处理数据和/或基于数据执行计算的任何处理设备。处理器可以包括软件和硬件部件。例如，处理器可以包括硬件部件，例如专用集成电路(“asic”)、可编程逻辑设备(“pld”)或其组合。pld可以是复杂可编程逻辑设备(“cpld”)、现场可编程门阵列(“fpga”)等。
104.本公开的实施例也可以涉及由本文所述的计算过程产生的产品。这样的产品可以包括从计算过程中所得到的信息，其中该信息被存储在非暂时性的、有形的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他数据组合的任何实施例。
105.此外，当在附图中示出的实施例显示单个元件时，应当理解，该实施例可以包括多个这样的元件。同样，当在附图中示出的实施例显示多个这样的元件时，应当理解，该实施例可以仅包括一个这样的元件。在附图中示出的元件的数量仅用于说明目的，且不应被解释为限制实施例的范围。此外，除非另有说明，在附图中所示的实施例并不是相互排斥的，并且它们可以以任何合适的方式被组合。例如，在一个实施例但不是另一个实施例中示出的元件仍然可以被包括在另一个实施例中。
106.已经描述了各种实施例来说明示例性实现。基于所公开的实施例，本领域中的具有普通技能的人可以做出各种其他改变、修改、重新布置和替换而不偏离本公开的范围。因此，尽管已经参考上面的实施例详细描述了本公开，但是本公开不限于上面所述的实施例。本公开可以体现在其他等同形式中而不偏离本公开的范围。本公开的范围在所附权利要求中被限定。