用于对液晶层进行图案化的方法和系统与流程

用于对液晶层进行图案化的方法和系统
1.优先权要求
2.本技术要求于2019年11月22日提交的美国临时申请号62/939,514的35u.s.c.
§
119(e)下的优先权的权益。该优先权文件的全部公开内容通过引用并入本文。
3.通过引用并入
4.本技术通过引用并入于2018年10月25日提交、于2019年7月25日公开为美国专利公开号2019/0227375的美国专利申请号16/171,290的整体内容。本技术还通过引用合并于2017年12月7日提交、于2018年6月14日公开为美国专利公开号2018/0164627的美国专利申请号15/835,108的整体内容。
技术领域
5.本公开涉及用于对液晶层进行图案化的方法和系统。


背景技术：

6.液晶可以被操纵以形成各种图案，这些图案可以有利地用于形成例如光学装置。例如，液晶层中的液晶分子可以被取向以形成具有规则间距和取向的图案，这可以用作衍射光学特征。因为液晶层的功能取决于由液晶分子形成的图案，所以持续需要用于可靠且有效地形成具有期望取向和图案的液晶分子的液晶层的方法和系统。


技术实现要素：

7.根据一些实施方式，提供了一种用于形成图案化液晶层的方法。该方法包括提供光学母版，该光学母版包括包括表面起伏特征的对准层和表面起伏特征上的液晶层，其中液晶层的液晶分子定义液晶图案。该方法还包括提供设置在衬底上的光对准层，并通过使光传播通过光学母版到达光对准层来在光对准层中复制液晶图案。
8.根据一些其他实施方式，提供了一种用于形成光学母版的方法。该方法包括提供第一光学母版，该第一光学母版包括具有表面起伏特征的对准层，以及在表面起伏特征上的第一液晶层，其中，第一液晶层的液晶分子定义液晶图案。该方法还包括通过以下步骤形成第二光学母版：提供设置在衬底上的光对准层；通过使光传播通过光学母版到达光对准层来在光对准层中复制液晶图案；以及在光对准层上沉积第二液晶层，其中，第二液晶层的分子由光对准层对准。该第二光学母版包括第二液晶层、光对准层和衬底。
9.根据又一实施方式，提供了一种用于使用复制光学母版形成图案化液晶层的方法。该方法包括提供第一光学母版，该第一光学母版包括包含表面起伏特征的对准层，以及在表面起伏特征上的第一液晶层，其中，第一液晶层的液晶分子定义液晶图案。该方法还包括：提供设置在衬底上的光对准层，以及通过以下步骤形成第二光学母版：通过使光传播通过光学母版到达光对准层来在光对准层中复制液晶图案；以及在光对准层上沉积第二液晶层，其中，第二液晶层的分子由光对准层对准。该第二光学母版包括第二液晶层、光对准层和衬底。该方法还包括：在第二衬底上提供第二光对准层；将第二光学母版定位在第二光对
准层上；以及通过使光通过第二光学母版传播到第二光对准层来复制第二光对准层中的液晶图案。
10.根据一些其他实施方式，这提供了一种用于形成图案化液晶层的方法。该方法包括提供光学母版，该光学母版包括：对准层，以及对准层上的液晶层，其中，液晶层的液晶分子定义液晶图案。该方法还包括：提供设置在衬底上的光对准层；以及通过移动准直光源跨越光学母版，使光传播通过光学母版到达光对准层以在光对准层中复制液晶图案。
11.下面提供了各种实施方式的附加示例。
12.示例1.一种形成图案化液晶层的方法，所述方法包括：
13.提供光学母版，所述光学母版包括：
14.包括表面起伏特征的对准层，以及
15.所述表面起伏特征上的液晶层，其中，所述液晶层的液晶分子定义液晶图案；
16.提供设置在衬底上的光对准层；以及
17.通过使光传播通过所述光学母版到达所述光对准层来在所述光对准层中复制所述液晶图案。
18.示例2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述对准层包括压印层。
19.示例3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述液晶层包括向列型液晶层。
20.示例4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述表面起伏特征包括纳米结构并且所述液晶层设置在所述对准层上，使得所述液晶分子与所述纳米结构对准。
21.示例5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述纳米结构包括压印纳米结构。
22.示例6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述纳米结构包括光学相位和光栅周期，以及其中，所述液晶分子由所述纳米结构对准以包括基本上相同的光学相位和光栅周期。
23.示例7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述液晶层具有约d的厚度，其中，d＝λ/(2δn)，其中λ是传播通过所述光学母版到达所述光对准层的光的波长，以及其中δn是所述液晶层的双折射率。
24.示例8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述液晶层具有光学相位和光栅周期，其中，在复制所述液晶图案之后，所述光对准层具有所述液晶层的所述光学相位的约两倍的光学相位以及所述液晶层的光栅周期的约一半的光栅周期。
25.示例9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述光包括线偏振光。
26.示例10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述液晶层将所述光衍射成左圆偏振光和右圆偏振光，其中，所述圆偏振光中的一个是-1衍射级光，以及所述圆偏振光中的另一个是 1衍射级光。
27.示例11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述液晶层将所述光的约一半衍射成左圆偏振光并且将所述光的一半衍射成右圆偏振光。
28.示例12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述液晶层具有约d的厚度，其中，d＝λ/(4δn)，其中λ是传播通过所述光学母版的光的波长，以及其中δn是所述液晶层的双折射率。
29.示例13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述液晶层包括光学相位和光栅周期，其中，在复制所述液晶图案之后，所述光对准层具有等于所述液晶层的光学相位和光栅
周期的光学相位和光栅周期。
30.示例14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述光包括左圆偏振光和右圆偏振光之一。
31.示例15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述液晶层将所述光衍射成左圆偏振光和右圆偏振光，其中，所述左圆偏振光和所述右圆偏振光中的一个是 1或-1衍射级光，并且所述左圆偏振光和所述右圆偏振光中的另一个是零衍射级光。
32.示例16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述液晶层将所述光的约一半衍射成左圆偏振光，并且所述液晶层将所述光的约一半衍射成右圆偏振光。
33.示例17.根据权利要求1所述的方法，还包括：直接在所述光对准层上沉积液晶层，其中，所述光对准层上的所述液晶层的分子由所述光对准层对准。
34.示例18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光对准层包括偶氮、肉桂酸盐和/或香豆素基材料中的至少一种。
35.示例19.根据权利要求1所述的方法，其中，使光传播通过所述光学母版包括：将准直光源定位在所述光学母版上，所述准直光源照射所述光学母版的至少一部分。
36.示例20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述准直光源包括激光器、发光二极管或灯。
37.示例21.根据权利要求19所述的方法，其中，使光传播通过所述光学母版还包括：将所述准直光源移动到所述光学母版的不同部分。
38.示例22.根据权利要求19所述的方法，其中，所述准直光源包括束功率(p)和束宽度(w)。
39.示例23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述准直光源以扫描速度(s)移动，其中，剂量等于p*w/s，并且其中，剂量在0.5焦耳每cm2与10焦耳每cm2之间。
40.示例24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述剂量在0.5焦耳每cm2与1焦耳每cm2之间。
41.示例25.根据权利要求22所述的方法，其中，所述准直光源以扫描速度(s)移动，其中，所述扫描速度在所述光对准层的任何部分上提供小于1/6秒的总曝光时间。
42.示例26.一种形成光学母版的方法，所述方法包括：
43.提供第一光学母版，所述第一光学母版包括：
44.包括表面起伏特征的对准层，以及
45.所述表面起伏特征上的第一液晶层，其中，所述第一液晶层的液晶分子定义液晶图案；
46.通过以下步骤形成第二光学母版：
47.提供设置在衬底上的光对准层；
48.通过使光传播通过所述光学母版到达所述光对准层来在所述光对准层中复制所述液晶图案；以及
49.在所述光对准层上沉积第二液晶层，其中，所述第二液晶层的分子由所述光对准层对准，
50.其中，所述第二光学母版包括所述第二液晶层、所述光对准层和所述衬底。
51.示例27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述对准层包括压印层。
52.示例28.根据权利要求26所述的方法，其中，所述液晶层包括向列型液晶层。
53.示例29.根据权利要求26所述的方法，其中，所述表面起伏特征包括纳米结构，并且所述第一液晶层设置在所述对准层上，使得所述第一液晶层的所述液晶分子与所述纳米结构对准。
54.示例30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述纳米结构包括压印纳米结构。
55.示例31.根据权利要求29所述的方法，其中，所述纳米结构包括光学相位和光栅周期，以及其中，所述第一液晶层的所述液晶分子通过所述纳米结构对准以包括基本上相同的光学相位和光栅周期。
56.示例32.根据权利要求26所述的方法，其中，所述第一液晶层具有约d的厚度，其中，d＝λ/(2δn)，其中λ是通过所述第一光学母版传播到所述光对准层的光的波长，以及其中δn是所述第一液晶层的双折射率。
57.示例33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述第一液晶层具有光学相位和光栅周期，其中，在复制所述液晶图案之后，所述光对准层具有所述第一液晶层的所述光学相位的约两倍的光学相位以及所述第一液晶层的光栅周期的约一半的光栅周期。
58.示例34.根据权利要求32所述的方法，其中，所述光包括线偏振光。
59.示例35.根据权利要求34所述的方法，其中，所述第一液晶层将所述光衍射成左圆偏振光和右圆偏振光，其中，所述圆偏振光中的一个是-1衍射级光，以及所述圆偏振光中的另一个是 1衍射级光。
60.示例36.根据权利要求35所述的方法，其中，所述第一液晶层将所述光的约一半衍射成左圆偏振光并且将所述光的一半衍射成右圆偏振光。
61.示例37.根据权利要求26所述的方法，其中，所述第一液晶层具有约d的厚度，其中，d＝λ/(4δn)，其中λ是通过所述第一光学母版传播的光的波长，以及其中δn是所述第一液晶层的双折射率。
62.示例38.根据权利要求37所述的方法，其中，所述第一液晶层包括光学相位和光栅周期，其中，在复制所述液晶图案之后，所述光对准层具有等于所述第一液晶层的光学相位和光栅周期的光学相位和光栅周期。
63.示例39.根据权利要求37所述的方法，其中，所述光包括左圆偏振光和右圆偏振光之一。
64.示例40.根据权利要求39所述的方法，其中，所述第一液晶层将所述光衍射成左圆偏振光和右圆偏振光，其中，所述左圆偏振光和所述右圆偏振光中的一个是 1或-1衍射级光，并且所述左圆偏振光和所述右圆偏振光中的另一个是零衍射级光。
65.示例41.根据权利要求40所述的方法，其中，所述第一液晶层将所述光的约一半衍射成左圆偏振光，并且所述液晶层将所述光的约一半衍射成右圆偏振光。
66.示例42.根据权利要求26所述的方法，其中，所述光对准层包括偶氮、肉桂酸盐和/或香豆素基材料中的至少一种。
67.示例43.根据权利要求26所述的方法，其中，使光通过所述第一光学母版传播包括：将准直光源定位在所述第一光学母版上，所述准直光源照射所述第一光学母版的至少一部分。
68.示例44.根据权利要求43所述的方法，其中，所述准直光源包括激光器、发光二极
管或灯。
69.示例45.根据权利要求43所述的方法，其中，使光通过所述第一光学母版传播还包括：将所述准直光源移动到所述第一光学母版的不同部分。
70.示例46.根据权利要求43所述的方法，其中，所述准直光源包括束功率(p)和束宽度(w)。
71.示例47.根据权利要求46所述的方法，其中，所述准直光源以扫描速度(s)移动，其中，所述剂量等于p*w/s，并且其中，所述剂量在0.5焦耳每cm2与10焦耳每cm2之间。
72.示例48.根据权利要求47所述的方法，其中，剂量在0.5焦耳每cm2与1焦耳每cm2之间。
73.示例49.根据权利要求47所述的方法，其中，所述扫描速度在所述光对准层的任何部分上提供小于1/6秒的总曝光时间。
74.示例50.一种使用复制光学母版形成图案化液晶层的方法，所述方法包括：
75.提供第一光学母版，所述第一光学母版包括：
76.包括表面起伏特征的对准层，以及
77.所述表面起伏特征上的第一液晶层，其中，所述第一液晶层的液晶分子定义液晶图案；
78.提供设置在衬底上的光对准层；
79.通过以下步骤形成第二光学母版：
80.通过使光传播通过所述光学母版到达所述光对准层来在所述光对准层中复制所述液晶图案；以及
81.在所述光对准层上沉积第二液晶层，其中，所述第二液晶层的分子由所述光对准层对准，
82.其中，所述第二光学母版包括所述第二液晶层、所述光对准层和所述衬底；
83.在第二衬底上提供第二光对准层；
84.将所述第二光学母版定位在所述第二光对准层上；以及
85.通过使光通过所述第二光学母版传播到所述第二光对准层来复制所述第二光对准层中的所述液晶图案。
86.示例51.根据权利要求50所述的方法，还包括：将第三液晶层沉积到所述第二光对准层上，其中，所述第三液晶层的分子由所述第二光对准层对准。
87.示例52.一种形成图案化液晶层的方法，所述方法包括：
88.提供光学母版，所述光学母版包括：
89.对准层，以及
90.所述对准层上的液晶层，其中，所述液晶层的液晶分子定义液晶图案；
91.提供设置在衬底上的光对准层；以及
92.通过移动准直光源跨越所述光学母版，使光传播通过所述光学母版到达所述光对准层以在所述光对准层中复制所述液晶图案。
93.示例53.根据权利要求52所述的方法，其中，使光传播通过所述光学母版包括：将所述准直光源定位在所述光学母版上，所述准直光源照射所述光学母版的至少一部分。
94.示例54.根据权利要求53所述的方法，其中，使光传播通过所述光学母版还包括：
将所述准直光源移动到所述光学母版的不同部分。
95.示例55.根据权利要求52所述的方法，其中，所述准直光源包括激光器、发光二极管或灯。
96.示例56.根据权利要求52所述的方法，其中，所述准直光源包括束功率(p)和束宽度(w)。
97.示例57.根据权利要求56所述的方法，其中，所述准直光源以扫描速度(s)移动，其中，所述剂量等于p*w/s，并且其中，剂量在0.5焦耳每cm2与10焦耳每cm2之间。
98.示例58.根据权利要求57所述的方法，其中，剂量在0.5焦耳每cm2与1焦耳每cm2之间。
99.示例59.根据权利要求57所述的方法，其中，所述扫描速度在所述光对准层的任何部分上提供小于1/6秒的总曝光时间。
100.示例60.根据权利要求52所述的方法，其中，使光传播通过所述光学母版包括：将多个准直光源定位在所述光学母版上，所述多个准直光源照射所述光学母版的一部分。
101.示例61.根据权利要求60所述的方法，其中，使光传播通过所述光学母版还包括：移动所述多个准直光源以照射所述光学母版的不同部分。
102.示例62.根据权利要求60所述的方法，其中，所述多个准直光源中的每一个包括激光器、发光二极管或灯。
附图说明
103.图1a是根据本公开的一些实施方式的用于形成光学母版的表面起伏特征的示例的截面侧视图。
104.图1b是根据本公开的一些实施方式的光学母版的示例的截面侧视图。
105.图2a和图2b分别是图1a和图1b的表面起伏特征和光学母版的透视图。
106.图3a是根据本公开的一些实施方式的光学母版的示例的截面侧视图。
107.图3b是根据本公开的一些实施方式的使光传播通过图3a的光学母版以复制光对准层中的图案的示例的截面侧视图。
108.图4a是根据本公开的一些实施方式的光学母版的示例的截面侧视图。
109.图4b是根据本公开的一些实施方式的使光传播通过图4a的光学母版以复制光对准层中的图案的示例的截面侧视图。
110.图5是根据本公开的一些实施方式的具有复制液晶图案的结构的示例的截面侧视图。
111.图6是根据本公开的一些实施方式的用于形成复制液晶图案的系统的示例的透视图。
112.图7a是图6的系统的示意性侧视图。
113.图7b是根据本公开的一些实施方式的由图6和7a的系统输出的光的各种束位置的示意性俯视图。
114.图8a示出了根据本公开的一些实施方式的一组堆叠波导的示例的截面侧视图，每个堆叠波导包括可用于增强现实(ar)系统的耦入光学元件。
115.图8b示出了根据本公开的一些实施方式的可用于增强现实(ar)系统的图8a的多
个堆叠波导的示例的透视图。
116.图8c示出了根据本公开的一些实施方式的可用于增强现实(ar)系统的图8a和图8b的多个堆叠波导的示例的俯视平面图。
117.图8d示出了根据本公开的一些实施方式的可穿戴显示系统的示例。
118.图9示出了根据本公开的一些实施方式的成像系统的示例，该成像系统包括配置为使用液晶离轴镜对穿戴者的眼睛进行成像的前向相机，该液晶离轴镜使用光学母版形成。
具体实施方式
119.几何相位全息图(gph)可用于各种应用，诸如透镜和偏振转换系统。gph可以由液晶分子的三维图案形成。gph的示例在美国专利公开号2019/0227375中公开，其全部公开内容通过引用并入本文。
120.一种用于制造gph的方法涉及使用光学图案化的光对准材料。液晶层沉积在图案化光对准材料上，该光对准材料基于液晶分子与光对准材料内的图案之间的相互作用使液晶层内的液晶分子对准。对光对准材料进行图案化可涉及使用两束准直光、复杂的光学器件、高度相干的光源和严格的机械稳定性(例如，高水平的振动隔离)。因此，gph的形成，特别是跨大面积延伸的gph，可能要求不期望地复杂的和高度受限的系统，并且可能发生低吞吐量。
121.有利地，在一些实施方式中，提供了用于形成具有宽松的制造约束和高吞吐量的gph的方法和系统。另外，方法和系统可以利用容易创建的光学母版，该光学母版可以高精度形成并且有助于“子”母版的复制。母版和子母版可用于对光对准层进行图案化，该光对准层进而可用于对准液晶分子。因此，在一些实施方式中，容易形成且容易复制的光学母版可用于使用具有宽松的制造约束和高吞吐量的系统来在大面积上形成gph。
122.在一些实施方式中，光学母版包括表面起伏特征和覆盖液晶层，该液晶层优选地与表面起伏特征接触。表面起伏特征可以由适当的材料确定尺寸、成形和形成，以使得液晶层内的液晶分子与那些表面起伏特征对准。在一些实施方式中，表面起伏特征可以是压印的纳米结构。在一些实施方式中，表面起伏特征形成图案并且液晶分子可以对准以呈现相同图案。有利地，与使用多个光束形成光学母版相比较，通过压印形成表面起伏特征可以更容易地提供高精度和高再现性。
123.应当理解，在被对准以形成特定图案之后，液晶分子可以被聚合(例如，通过加热和/或用光照射，诸如通过uv照射)。在聚合时，单独的液晶分子保持它们相对于彼此的取向，尽管它们在聚合时是连接的(例如，共价键合的)。为了便于本文中的描述，并且从上下文中将清楚的是，术语液晶分子可以是指离散的未连接的液晶分子，并且也可以是指连接之后的那些相同的液晶分子；即，术语液晶分子可以是指由先前未连接的液晶分子形成的液晶材料的较大连接网络的对应部分。
124.在一些实施方式中，对由光对准材料形成的光对准层进行光学图案化涉及照射光学母版，使得光传播通过光学母版到达光对准材料以图案化光对准材料。穿过光学母版的光被衍射，形成两个光束，其然后入射在光对准层上。不受理论的限制，据信光对准层内的两个光束之间的干涉在该光对准层内形成图案，这导致液晶分子的上覆层对准，使得液晶
分子呈现期望的图案。该期望的图案优选地基本上复制光学母版中的液晶分子的图案。
125.已经发现，光学母版的液晶层的厚度可影响照射光学母版的光的衍射。有利地，通过适当地选择液晶层的厚度，可以修改复制的液晶图案中的特征的节距。在一些实施方式中，这允许具有容易形成的大节距特征的光学母版提供具有光学母版液晶图案的节距的一半的复制液晶图案。在一些其他实施方式中，可以选择光学母版液晶层的厚度，使得复制的液晶图案和光学母版液晶图案具有基本上相同的节距，这在复制涉及大量的零衍射级光的图案时可能是有利的，如本文所讨论的。
126.在一些实施方式中，使光传播通过光学母版以图案化目标光对准层可包括照射对应于整体的目标光对准层的所有光学母版，使得光传播通过光学母版以同时入射在整体的目标光对准层上。然而，这样的方案不期望地要求大的准直光束，这可能需要复杂的光学器件和高水平的振动隔离。在一些实施方式中，不是照射整体的目标光对准层，而是光束相对于光对准层移动，使得在任何给定时间处仅光对准层的一个或多个部分接收入射光。例如，入射光可以跨光对准层被扫描和/或步进，和/或光对准层可以相对于入射光移动。有利地，使用窄光束放宽了对入射光束的要求，并且入射光与光对准层之间的相对移动降低了图案形成过程对振动的敏感性。例如，光移动的速度(例如，入射光束跨光对准层移动的速度)优选地大于制造系统的预期振动速度，以减少任何这样的振动的影响。
127.在一些实施方式中，具有图案化光对准层和具有复制光学母版的液晶图案的图案的液晶层的所产生的结构可以用作形成其他gph的子母版。在一些其他实施方式中，产生的结构可以形成可以集成在诸如显示器的光学装置中的光学结构。例如，产生的结构可以用作与形成用于头戴式显示器的目镜的一个或多个波导中的耦入光学元件和/或耦出光学元件相关联的光学器件的一部分。可替代地，产生的结构可以是完全独立的层，用于作为眼睛跟踪系统的一部分对眼睛的部分或眼睛内的部分进行成像。例如，gph可以用作镜以提供具有眼睛的视图的眼睛跟踪相机。眼睛跟踪系统的示例在美国专利公开号us 2018/0164627中公开，其全部公开内容通过引用并入本文。
128.现在将对附图进行参考，其中相似附图标记自始至终指代相似部件。
129.图1a是根据一些实施方式的用于形成光学母版的表面起伏特征的示例的截面侧视图。
130.参考图1a的中间结构3000a，提供了光学透射(例如，透明)衬底1312。可以在衬底1312上沉积一层压印抗蚀剂(例如，聚合物层)，并且然后用图案压印以形成中间结构3000a的压印层3004。
131.应当理解，通过使层3004与具有用于该层3004的期望图案的负片的纳米压印模板(未示出)接触，层3004可以被压印有图案。纳米压印模板可以具有预定义的拓扑特征，该拓扑特征被配置为形成用于在随后形成的lc层2704(图1b)中的lc分子的对准图案，例如，用于至少最靠近衬底1312的lc层2704中的最底部lc分子的对准图案。随后，可以将模板压入压印抗蚀剂层中。在一些实施方式中，压印抗蚀剂层可包括在特定温度下的热塑性聚合物，例如，高于聚合物的玻璃化转变温度，从而将模板的图案转移到软化的抗蚀剂层中以形成压印层3004。在冷却之后，模板与压印层3004分离，压印层3004然后具有对准图案，该对准图案具有预定义的拓扑图案，其包括被配置为对准随后形成的lc层2704中的lc分子的表面起伏特征(图1b)。在一些其他实施方案中，在被压入基础聚合物层之后，对准层3004通过在
uv光下交联而硬化。
132.在一些其他实施方式中，可以将压印抗蚀剂沉积到具有期望图案的负片的纳米压印模具(未示出)上。随后可以硬化压印抗蚀剂并且可以在硬化压印抗蚀剂之后移除模具。衬底1312可在移除模具之前附接到压印层3004。
133.在一些实施方式中，可以通过喷射沉积来沉积压印抗蚀剂，例如，通过从一个或多个喷嘴中分散压印抗蚀剂。这样的喷射沉积允许在不同位置形成具有不同抗蚀剂组成的压印层，这对于在不同区域形成不同的表面起伏图案和/或在不同位置提供具有不同材料特性的压印层可具有优势。
134.对准层3004可包括在一维或多维上为亚波长的特征(例如，一维或多维小于预期入射在特征上的光的波长)。例如，对准层3004可包括具有约几纳米、几百纳米和/或几微米的尺寸(例如，长度、宽度和/或深度)的特征。作为另一示例，对准层3004可包括具有大于或等于约20nm且小于或等于约100nm的长度的特征。作为又一示例，对准层3004可包括具有大于或等于约20nm且小于或等于约100nm的宽度的特征。作为又一示例，对准层3004可包括具有大于或等于约10nm且小于或等于约100nm的深度的特征。在各种实施方式中，特征的长度和/或宽度可以大于特征的深度。然而，在一些实施方式中，深度可以约等于特征的长度和/或宽度。对准层3004的每个域的特征可以被布置以在每个域内形成复杂的几何图案，其中连续特征之间的方向和/或周期沿着约几纳米、几百纳米和/或几微米的长度尺度改变。
135.尽管关于图1a描述了用于形成对准层3004的纳米压印的示例过程，但是实施方式不限于此。在一些其他实施方式中，可以使用包括光刻和蚀刻的其他图案化技术来制造对准层3004。另外，虽然对准层3004被描述为由聚合材料形成，但是实施方式不限于此，并且在各种其他实施方式中，对准层3004可包括介电材料，例如硅或玻璃材料。
136.现在参考图1b，示出了根据一些实施方式的光学母版的示例的截面侧视图。在形成对准层3004之后，在其上沉积未聚合的lc层2704，例如反应性液晶元层。不受任何理论的束缚，对准层3004用作使得lc层2704的lc分子根据对准层3004的图案对准的对准层。例如，域内的lc分子的伸长方向通常可以在平行于对准层3004中的纳米结构的局部伸长方向的方向上对准。不受任何理论的束缚，lc分子与对准层3004的图案的对准可以归因于与液晶分子的空间相互作用，和/或由对准层3004施加在沉积的lc分子上的锚定能量。仍然参考图1b的中间结构3000b，lc层2704可以根据不同的实施方式进一步处理。例如，lc层2704的液晶分子可以聚合，和/或多个lc层可以堆叠，使得lc层2704具有多个构成lc子层。产生的结构可以理解为光学母版。
137.在一些实施方式中，光学母版可用于对光对准层进行图案化。在这些实施方式中，光学母版包括可以衍射光的液晶图案。光学母版可以放置在光对准层的前面，该光对准层可以被支撑在衬底上。可以照射光学母版，使得传播通过光学母盘的入射光由图案衍射。衍射光可用于照射光对准层，从而曝光和图案化光对准层。这将关于图3b和图4b进一步讨论。
138.现在参考图2a和图2b，分别示出了图1a和图1b的表面起伏特征和光学母版的透视图。衬底202(对应于图1a和图1b的衬底1312)包括对准层204(对应于图1a和图1b的对准层3004)，该对准层204包括表面起伏图案205。如图所示，表面起伏图案205可包括具有特定光栅周期λ(x,y)和光学相位φ(x,y)的表面起伏特征205a，其可以创建特定衍射图案。如进一步所示，液晶层206(对应于图1a和图1b的液晶层2704)设置在表面起伏图案205上，使得
表面起伏特征205a使液晶层206的液晶分子对准以在液晶层206内形成图案208。图案208基于液晶分子208a的对准，液晶分子208a由表面起伏特征205a对准。图案208包括与表面起伏图案205的光栅周期λ(x,y)和光学相位φ(x,y)相同的光栅周期λ(x,y)和光学相位φ(x,y)。
139.在一些实施方式中，液晶层206内的图案208创建gph。在一些实施方式中，液晶层206可以是向列型液晶层。
140.现在参考图3a，示出了光学母版200a的示例的截面侧视图。光学母版200a包括衬底202和对准层204。图2a和图2b中的共享特征的细节将不再详细重复。图3a还包括类似于层206并且被理解为具有类似于图案208(图2b)的液晶图案(未示出)的液晶层206a。液晶层具有双折射率δn和近似厚度d，该近似厚度d可以取决于照射光学母版200a的光而变化。照射光学母版的光308具有波长λ。等式1可用于取决于液晶双折射率δn和照射光学母版200a的光的波长λ来确定液晶层206b的近似厚度d。优选地，在一些实施方式中，液晶层206a的厚度在由等式1提供的d值的
±
5％之内。
141.等式1:d＝λ/(2δn)
142.当满足等式1并且光308具有波长λ时，液晶层206a内的图案208将线偏振光308衍射成左圆偏振光和右圆偏振光。圆偏振光中的一个是-1衍射级光306b并且圆偏振光中的另一个是 1衍射级光306a，这取决于照射光学母版200a的光308的偏振。当光308是线偏振光时，-1衍射级光306b可以是右旋圆偏振光，并且 1衍射级光306a可以是左旋圆偏振光。可替代地，这可以取决于图案208的取向来切换，使得-1衍射级光306b可以是左旋圆偏振光，并且 1衍射级光306a可以是右旋圆偏振光。
143.图3b示出了图3a的光学母版200a和复制光对准结构300a的剖视图。复制结构300a包括设置在衬底302上的光对准层304a。光对准层304a在光学母版200a与衬底302之间。如上文在图3a的讨论中所讨论的，当用波长λ的光308照射光学母版200a时，光衍射成作为-1衍射级光306b的左圆偏振光或右圆偏振光之一和作为 1衍射级光306a的右圆偏振光或左圆偏振光之一。应当理解，约一半的光被衍射成-1衍射级光306b，并且约一半的光被衍射成 1衍射级光306a。液晶层206a包括图案208，并且-1衍射级光306b和 1衍射级光306a也将使得图案208在光对准层304a中复制。如本文所讨论的，图案208包括光栅周期λ(x,y)和光学相位φ(x,y)。当光被衍射成-1衍射级光306b和 1衍射级光306a时，已经发现光栅周期是图案208的光栅周期的一半并且光学相位是图案208的光学相位的两倍。换句话说，光对准层304a中的复制的图案的光栅周期等于0.5*λ(x,y)，并且光对准层304a中的复制的图案的光学相位等于2φ(x,y)。有利地，因为光对准层304a的光栅周期或节距是图案208的光栅周期或节距的尺寸的一半，所以图案208的特征尺寸可以是光对准层304a内的复制的特征的尺寸的两倍。应当理解，包括在表面起伏特征中的较小纳米结构可能更难以实现，并且因此，利用较大的表面起伏特征在光对准层304a中形成相对小的复制的特征可能是有益的。
144.在一些实施方案中，光对准层304a可包括偶氮、肉桂酸盐和/或香豆素基材料中的一种。在一些实施方式中，光308可以是由诸如一个或多个激光器、发光二极管(led)或灯的准直光源产生的基本上准直的光。液晶层206a与光对准层304a之间的分离距离可以很小(例如，在10μm到100μm的数量级，并且小于1mm)。优选地，光源提供大于液晶层206a与光对准层304a之间的分离的空间相干长度。因此，紧密间隔光学母版的液晶层206a和光对准层
304a的能力减少了对具有长空间相干长度的需要，这有利地减少了对光源的需求。
145.现在参考图4a，示出了根据一些其他实施方式的光学母版200b的示例的截面侧视图。光学母版200b与图2b和图3a-3b的光学母版200、200a共享各种特征并且这些特征将不再详细重复。继续参考图4a，光学母版200b包括液晶层206b，该液晶层206b具有对应于图案208(图2b)的图案(未示出)。液晶层206b具有双折射率δn和近似厚度d，其取决于照射光学母版200b的光。除了液晶层206b的近似厚度取决于等式2而不是等式1之外，液晶层206b类似于液晶层206a。优选地，在一些实施方式中，液晶层206b的厚度在由等式2提供的d值的
±
5％之内。
146.等式2:d＝λ/(4δn)
147.当满足等式2并且圆偏振光308具有波长λ时，光由液晶层206b内的图案208衍射成左圆偏振光和右圆偏振光。左圆偏振光和右圆偏振光中的一个是 1或-1衍射级光，并且左圆偏振光和右圆偏振光中的另一个是零衍射级光。入射光208可以是左旋圆偏振光或右旋圆偏振光。当光208是左旋圆偏振光时， 1或-1衍射级光310a是右旋圆偏振光并且零衍射级光是左旋圆偏振光。当光208是右旋圆偏振光时， 1或-1衍射级光310是左旋圆偏振的并且零衍射级光是右旋圆偏振的。进一步地，应当理解，约一半的光被衍射成 1或-1衍射级光310a，并且约一半的光被衍射成零衍射级光310b。
148.图4b示出了图4a的光学母版200b和复制光对准结构300b的剖视图。复制结构300b包括设置在衬底302上的光对准层304b。光对准层304a在光学母版200a与衬底302之间。如上文关于图4a所讨论的，当用波长λ的光308照射光学母版200a时，光衍射成作为-1或 1衍射级光310a的左圆偏振光或右圆偏振光之一和作为零衍射级光310b的右圆偏振光或左圆偏振光之一。应当理解，约一半的光被衍射成-1或 1衍射级光310a，并且约一半的光被衍射成零衍射级光310b。液晶层206b包括图案208，并且-1或 1衍射级光310a和零衍射级光310b将在光对准层304b中复制图案208。因此，-1或 1衍射级光310a和零衍射级光310b将在光对准层304b中复制图案208。
149.如上文所讨论的，图案208包括具有光栅周期λ(x,y)和光学相位φ(x,y)的特征。当光被衍射成-1或 1衍射级光310a和零衍射级光310b时，已经发现图案308的光栅周期和光学相位与图案208的光栅周期和光学相位相同。换句话说，光对准层304b上的复制的图案的光栅周期将等于λ(x,y)，并且光对准层304b中的复制的图案的光学相位将等于φ(x,y)。图案208的特征尺寸将约等于光对准层304b内的复制的特征。因此，光对准层304b上的复制的图案的特征的节距没有减小。然而，已经发现图3b中的光学母版200a可能具有零衍射级光的泄漏，并且当特征尺寸很小时这样的泄漏可能很显著。因此，对于较小的特征尺寸，使用光学母版200b可能是有利的，其已经假定零衍射级光310b的存在。
150.现在参考图5，示出了具有复制液晶图案的结构的示例的截面侧视图。复制结构500包括液晶层502、光对准层304和衬底302。复制结构500与图4a和图4b的复制结构300a、300b共享各种特征并且这些重叠特征将不再详细重复。光对准层304可以是图3b的光对准层304a或图4b的光对准层304b。液晶层502可以沉积到光对准层304上，该光对准层304基于光对准层304内的图案来使液晶层502内的液晶分子对准。在一些实施方式中，液晶层502可以由向列型液晶或胆甾型液晶形成。
151.在一些实施方式中，复制结构500可用作复制光学母版或“子”母版，以在其他光对
准层中复制其液晶层的图案。当复制结构500用作复制光学母版时，液晶层502可以通过如本文所描述的光对准层304来对准。
152.复制结构500可用于在第二光对准层(未示出)中复制其光对准层304的图案，该第二光对准层可设置在第二衬底上。复制光学母版500可以定位为使得第二光对准层(未示出)在复制光学母版500与第二衬底之间。用光照射第二光学母版500以在第二光对准层中复制液晶层502中的图案。进一步地，另一液晶层可沉积到第二光对准层上，以将另一液晶层的分子与第二光对准层对准。
153.现在参考图6，示出了用于形成复制液晶图案的系统的示例的透视图。在一些实施方式中，光学母版200可以对应于上文在图2a-4中描述的光学母版200a、200b。在一些实施方式中，复制结构300可以对应于图3b和图4b中所描述的复制结构300a、300b；复制结构300可包括支撑在衬底上的光对准层，并且是通过将光从光学母版200传播到光对准层来复制光学母版200的液晶图案的结构。照射系统还包括光源602，该光源602可以是关于图3a、3b、4a和4b所描述的准直光源。光源602可以输出可以是图3a、3b、4a和4b的光308的光604。在一些实施方式中，光源602可包括致动器，该致动器被配置为相对于光学母版200移动光源600的光输出孔。在一些其他实施方式中，光学母版200和复制结构300可耦接到致动器(例如，可以搁置在附接到致动器的表面上)，该致动器相对于光源602的光输出孔移动光学母版200和复制结构300。在一些其他实施方式中，光源602和光学母版200以及复制结构300可以具有相关联的致动器，该致动器被配置为提供光源602与光学母版200和复制结构300的相对运动。
154.光源602可以扫描光学母版200的表面，以便将复制结构300的光对准层暴露于由光学母版200衍射的光。光源602可以扫描光学母版200的整个表面或者也可以选择性地扫描光学母版200的图案208位于的表面。应当理解，与在不扫描的情况下照射光学母版200的整个表面的大光源相反，当光源扫描时可以使用较小的光源602。有利地，较小的光源可以比较大的光源具有较低的成本和能量使用，并且可以比较大的光源对诸如相干性和顶点的光学特性的要求较低。如图6所示，光源602可以在垂直和水平方向上扫描光学母版200的表面。进一步地，光源602可以是多个光源，每个光源可以照射光学母版300的不同部分。多个光源可以扫描和照射光学母版的不同部分。
155.继续参考图6，在一些实施方式中，扫描可以是线扫描或束扫描。在一些实施方式中，光源602可以提供基本上跨复制结构300的光对准层的宽度或长度延伸的光的线以提供线扫描。在一些其他实施方式中，光源602可以提供在小于复制结构300的光对准层的整个宽度或长度的区域上延伸的离散光束。
156.在一些实施方式中，光源602相对于复制结构300连续移动。例如，在一些实施方式中，光源602可以以恒定的速度平滑地移动并且光栅化光学母版300的不同部分。可替代地，光源602和复制结构300的相对运动可以是步进式的，并且因此在移动到光学母版300的不同部分时关闭和打开。
157.现在参考图7a，示出了图6的系统的示意性侧视图。图7a和图6的重叠特征将不再详细重复。图7a进一步示出来自光源602的光604具有束宽度w。进一步地，光学母版200和复制结构300分开距离d。光604具有束功率p。在一些实施方式中，系统扫描光604，其以扫描s的速度跨复制结构300移动。因此，复制结构300的一部分上的光剂量可以理解为等于p*w/s
并且曝光时间等于w/s。
158.为了减少环境噪声的影响，诸如曝光期间可能发生的振动，扫描速度优选快并且曝光时间优选短；扫描速度快，同时仍然保持适当剂量以适当地曝光复制结构300。在一些实施方式中，p*w/s(剂量)在0.5焦耳每cm2与10焦耳每cm2之间，或在0.5焦耳每cm2与1焦耳每cm2之间。可以基于各种因素来选择剂量，诸如光学母版200的液晶层206(图2b)内的图案208、光604的曝光波长、以及光学母版200的液晶层206和复制结构300的光对准层304的材料特性。
159.现在参考图7b，示出了具有束宽度w的灯604的第一束位置604a和第二束位置604b的示意图的示例。如图所示，第一束位置604a和第二束位置604b具有重叠o。当光束604以离散步骤跨光对准层移动时，应当理解，可以包括重叠以补偿由光源602产生的光604的不均匀性。光源602可以产生具有高斯分布或非方形束形状的光604，这可能导致与束边缘相反的中部的不均匀强度。重叠o可以减轻不均匀强度的影响。
160.示例增强现实系统
161.如本文所讨论的，应当理解，本文所公开的复制的gph可以用作用于显示系统(诸如虚拟现实或增强现实(ar)显示系统)的目镜的一部分。
162.ar显示系统可以向用户或观看者显示虚拟内容，同时仍然允许用户看到他们周围的世界。优选地，该内容被显示在头戴式显示器上，例如，作为眼镜的一部分，该头戴式显示器将图像信息投射到用户的眼睛。另外，显示器还可以将来自周围环境的光透射到用户的眼睛，以允许查看该周围环境。如本文所使用的，将理解到，“头戴式”或“可头戴式”显示器是可以安装在观看者或用户的头部上的显示器。
163.在一些ar系统中，多个波导可以被配置为在多个虚拟深度平面(本文中也简称为“深度平面”)处形成虚拟图像。多个波导中的不同波导可以具有不同的屈光力并且可以形成在距用户眼睛的不同距离处。显示系统还可包括提供或附加地提供屈光力的多个透镜。波导和/或透镜的屈光力可以输出具有不同波前发散量的光以提供不同虚拟深度平面处的图像。在一些实施方式中，本文所公开的复制的gph可以有利地应用于波导或作为单独的独立层以用作透镜。可替代地，某些类型的复制的gph可以形成为波长选择镜，其可以用于对眼睛上或眼睛内的部分进行成像，作为眼睛跟踪系统的一部分，如本文所讨论的。
164.现在参考图8a，在一些实施方式中，入射在波导上的光可能需要重定向以将该光耦入到波导中。耦入光学元件可以用于将光重引导并且耦入到其对应的波导中。图8a示出了各自包括耦入光学元件的多个堆叠波导或堆叠波导集660的示例的截面侧视图。波导可以各自被配置为输出一个或多个不同波长或者一个或多个不同波长范围的光。
165.所示的堆叠波导集660包括波导670、680和690。每个波导包括相关联的耦入光学元件(其还可以被称为波导上的光输入区)，其中，例如，耦入光学元件700设置在波导670的主表面(例如，上主表面)上、耦入光学元件710设置在波导680的主表面(例如，上主表面)上，以及耦入光学元件720设置在波导690的主表面(例如，上主表面)上。在一些实施方式中，耦入光学元件700、710、720中的一个或多个可以被设置在相应波导670、680、690的底主表面上(特别地是在一个或多个耦入光学元件是反射型偏转光学元件的情况下)。如所示出的，耦入光学元件700、710、720可以被设置在其相应波导670、680、690的上主表面上(或在下一个下行波导的顶部)，特别地是在那些耦入光学元件是透射型偏转光学元件的情况下。
在一些实施方式中，耦入光学元件700、710、720可以被设置在相应波导670、680、690的本体中。在一些实施方式中，如本文所讨论的，耦入光学元件700、710、720是波长选择的，使得其选择性地重引导光的一个或多个波长，同时透射光的其他波长。虽然示出在其相应波导670、680、690的一个边或角上，但是将理解到，在一些实施方式中，耦入光学元件700、710、720可以设置在其相应波导670、680、690的其他区域中。
166.如图所示，耦入光学元件700、710、720可以彼此横向偏移。在一些实施方式中，每个耦入光学元件可以偏移，以使得耦入光学元件在光不穿过另一耦入光学元件的情况下接收该光。
167.每个波导还包括相关联的光分布元件，其中，例如，在波导670的主表面(例如，顶主表面)上设置的光分布元件730、在波导680的主表面(例如，顶主表面)上设置的光分布元件740，以及在波导690的主表面(例如，顶主表面)上设置的光分布元件750。在一些其他实施方式中，光分布元件730、740、750可以分别设置在相关联的波导670、680、690的底主表面上。在一些其他实施方式中，光分布元件730、740、750可以分别设置在相关联的波导670、680、690的顶主表面和底主表面上；或者光分布元件730、740、750可以分别设置在不同的相关联波导670、680、690中的顶主表面和底主表面中的不同主表面上。
168.波导670、680、690可以通过例如气体、液体和/或固体材料层隔开并且分离。例如，如图所示，层760a可以将波导670和680分离；并且层760b可以将波导680和690分离。在一些实施方式中，层760a和760b由低折射率材料(即，具有比形成波导670、680、690中的直接相邻的一个波导的材料更低的折射率的材料)形成。优选地，形成层760a、760b的材料的折射率小于形成波导670、680、690的材料的折射率0.05或更多，或者0.10或更少。有利地，较低折射率层760a、760b可以用作包层，该包层有助于光通过波导670、680、690的全内反射(tir)(例如，每个波导的顶主表面与底主表面之间的tir)。在一些实施方式中，层760a、760b由空气形成。虽然未示出，但是将理解到，示出的波导集660的顶部和底部可以包括直接相邻的包层。
169.优选地，为了便于制造和其他考虑，形成波导670、680、690的材料类似或者相同，并且形成层760a、760b的材料类似或者相同。在一些实施方式中，形成波导670、680、690的材料可以在一个或多个波导之间不同，和/或形成层760a、760b的材料可以不同，同时仍然保持上文指出的各种折射率关系。
170.继续参考图8a，光线770、780、790入射在波导集660上。将理解到，可以将光线770、780、790注入到波导670、680、690中。
171.在一些实施方式中，光线770、780、790具有不同的性质，例如，不同的波长或不同的波长范围，该不同的波长或不同的波长范围可以对应于不同的颜色。耦入光学元件700、710、720各自偏转入射光，以使得光通过波导670、680、690中的相应一个以tir传播。在一些实施方式中，耦入光学元件700、710、720各自选择性地偏转光的一个或多个特定波长，同时将其他波长透射到下层波导和相关联的耦入光学元件。
172.例如，耦入光学元件700可以被配置为偏转具有第一波长或波长范围的光线770，同时透射分别具有不同的第二和第三波长或波长范围的光线780和790。透射光线780入射在耦入光学元件710上并且由耦入光学元件710偏转，该耦入光学元件710被配置为偏转具有第二波长或波长范围的光。光线790由耦入光学元件720偏转，该耦入光学元件720被配置
为选择性地偏转具有第三波长或波长范围的光。
173.继续参考图8a，偏转光线770、780、790被偏转，以使得其传播通过对应的波导670、680、690；即，每个波导的耦入光学元件700、710、720使光偏转到该对应的波导670、680、690中以将光耦入到该对应的波导中。光线770、780、790以使得光通过相应波导670、680、690以tir传播的角度偏转。光线770、780、790通过相应波导670、680、690以tir传播，直到入射在波导的对应光分布元件730、740、750上。
174.现在参考图8b，示出了图8b的多个堆叠波导的示例的透视图。如上所述，耦入光线770、780、790分别由耦入光学元件700、710、720偏转，并且然后通过tir分别在波导670、680、690内传播。光线770、780、790然后分别入射在光分布元件730、740、750上。光分布元件730、740、750使光线770、780、790偏转，以使得它们分别朝向耦出光学元件800、810和820传播。
175.在一些实施方式中，光分布元件730、740、750是正交光瞳扩展器(ope)。在一些实施方式中，ope使光偏转或分布到耦出光学元件800、810、820，并且在一些实施方式中，随着光传播到耦出光学元件还增加该光的束尺寸或光斑尺寸。在一些实施方式中，光分布元件730、740、750可以省略并且耦入光学元件700、710、720可以被配置为将光直接偏转到耦出光学元件800、810、820。例如，参考图8b，光分布元件730、740、750可以分别用耦出光学元件800、810、820替换。在一些实施方式中，耦出光学元件800、810、820是将光定向到观看者的眼睛中的出射光瞳(ep)或出射光瞳扩展器(epe)。将理解到，ope可以被配置为在至少一个轴上增加眼盒(eye box)的尺寸，并且epe可以在与ope的轴相交(例如，正交)的轴上增加眼盒。例如，每个ope可以被配置为将撞击ope的光的一部分重导引到相同波导的epe，同时允许光的剩余部分继续沿着波导向下传播。在再次入射在ope上时，剩余光的另一部分被重导引到epe，并且该部分的剩余部分继续沿着波导进一步向下传播等等。类似地，在撞击epe时，入射光的一部分被朝向用户引导出波导，并且该光的剩余部分继续通过波导传播，直到它再次撞击ep，此时入射光的另一部分被引导出波导，等等。因此，耦入光的单光束可以每次该光的一部分由ope或epe重导引时“复制”，从而形成克隆光束的场。在一些实施方式中，ope和/或epe可以被配置为修改光束的尺寸。
176.因此，参考图8a和图8b，在一些实施方式中，波导集660包括用于每个分量颜色的波导670、680、690；耦入光学元件700、710、720；光分布元件(例如，ope)730、740、750；以及耦出光学元件(例如，epe)800、810、820。波导670、680、690可以通过每一个之间的空隙/包层来堆叠。耦入光学元件700、710、720将入射光(其中，不同的耦入光学元件接收不同的波长的光)重引导或者偏转到其波导中。光然后以将导致相应波导670、680、690内的tir的角度传播。在示出的示例中，光线770(例如，蓝光)以先前所描述的方式由第一耦入光学元件700偏转，并且然后继续沿波导向下反弹，与光分布元件(例如，ope)730并且然后耦出光学元件(例如，ep)800相互作用。光线780和790(例如，分别是绿光和红光)将穿过波导670，其中，光线780入射在耦入光学元件710上并且由耦入光学元件710偏转。光线780然后经由tir沿波导680向下反弹，继续到其光分布元件(例如，ope)740并且然后到耦出光学元件(例如，ep)810。最后，光线790(例如，红光)穿过波导690以入射在波导690的光耦入光学元件720中。光耦入光学元件720偏转光线790，以使得光线通过tir传播到光分布元件(例如，ope)750，并且然后通过tir传播到耦出光学元件(例如，ep)820。耦出光学元件820然后最后将光
线790耦出到观看者，该观看者还从其他波导670、680接收耦出光。
177.图8c示出了图8a和图8b的多个堆叠波导的示例的俯视平面图。如图所示，波导670、680、690连同每个波导的相关联的光分布元件730、740、750和相关联的耦出光学元件800、810、820可以垂直地对准。然而，如本文所讨论的，耦入光学元件700、710、720未垂直地对准；而是，耦入光学元件优选地不重叠(例如，如在俯视图中看到的横向隔开)。如本文进一步讨论的，此不重叠的空间布置有助于将来自不同资源的光一对一地注入到不同波导中，从而允许特定光源被唯一地耦合到特定波导。在一些实施方式中，包括非重叠的空间分离的耦入光学元件的布置可以被称为偏移光瞳系统，并且这些布置内的耦入光学元件可以对应于子光瞳。
178.有利地，本文所公开的gph可以用作上述各种光学元件(例如，耦入光学元件700、710、720、光分布元件730、740、750和/或耦出光学元件800、810、820)的一部分或补充以提供期望的光学功能。例如，gph可以用作透镜并且可以覆盖耦出光学元件800、810、820以提供期望的屈光力。
179.现在参考图8d，示出了本文所公开的各种波导和相关系统可以集成到其中的可穿戴显示系统60的示例。显示系统60包括显示器70，以及支持该显示器70的功能的各种机械和电子模块和系统。显示器70可以被耦合到框架80，该框架80可由显示系统用户或观看者90佩戴，并且被配置为将显示器70定位在用户90的眼睛的前面。在一些实施方式中，显示器70可以被认为是眼镜。在一些实施方式中，扬声器100被耦合到框架80并被配置为被定位在用户90的耳道附近(在一些实施方式中，未示出的另一扬声器可以可选地定位在用户的另一耳道附近以提供立体/可成形声音控制)。显示系统60还可以包括一个或多个麦克风110或者检测声音的其他装置。在一些实施方式中，麦克风被配置为允许用户向系统60提供输入或者命令(例如，语音菜单命令、自然语言问题等的选择)，和/或可以允许与其他人(例如，与类似显示系统的其他用户)的音频通信。麦克风还可以被配置为采集音频数据(例如，来自用户和/或环境的声音)的外围传感器。在一些实施方式中，显示系统还可以包括外围传感器120a，该外围传感器120a可以与框架80分离并被附接到用户90的身体(例如，在用户90的头部、躯干、肢体等上)。在一些实施方式中，外围传感器120a可以被配置为捕获表征用户90的生理状态的数据。例如，传感器120a可以是电极。
180.继续参考图8d，显示器70通过通信链路130(诸如通过有线引线或无线连接)操作性地耦合到本地数据处理模块140，该本地数据处理模块140可以以各种配置安装，诸如固定附接到框架80、固定附接到由用户佩戴的头盔或帽子、嵌入在耳机中、或者可移除地附接到用户90(例如，在背包型配置中、在腰带耦合型配置中)。类似地，传感器120a可以由通信链路120b(例如，有线引线或无线连接)操作性地耦合到本地处理器和数据模块140。本地处理和数据模块140可以包括硬件处理器以及数字存储器，诸如非易失性存储器(例如，闪存或硬盘驱动器)，其二者可以用于辅助数据的处理、缓存和存储。可选地，本地处理器和数据模块140可以包括一个或多个中央处理单元(cpu)、图形处理单元(gpu)、专用处理硬件等等。数据可以包括以下数据：a)从传感器(其可以例如操作性地耦合到框架80或以其他方式附接到用户90)捕获的数据，诸如图像采集装置(诸如相机)、麦克风、惯性测量单元、加速度计、指南针、gps单元、无线电装置、陀螺仪和/或本文所公开的其他传感器；和/或b)使用远程处理模块150和/或远程数据存储库160捕获和/或处理的数据(包括与虚拟内容有关的数
据)，可能地用于在这样的处理或者检索之后传送到显示器70。本地处理和数据模块140可以通过通信链路170、180(诸如经由有线或无线通信链路)操作性地耦合到远程处理模块150和远程数据存储库160，使得这些远程模块150、160操作性地耦合到彼此并且可用作本地处理和数据模块140的资源。在一些实施方式中，本地处理和数据模块140可以包括以下各项中的一项或多项：图像捕获装置、麦克风、惯性测量单元、加速度计、指南针、gps单元、无线电装置和/或陀螺仪。在一些其他实施方式中，这些传感器中的一个或多个可以附接到框架80，或者可以是通过有线或无线通信路径与本地处理和数据模块140通信的独立结构。
181.继续参考图8d，在一些实施方式中，远程处理模块150可包括被配置为分析和处理数据和/或图像信息的一个或多个处理器，例如包括一个或多个中央处理单元(cpu)、图形处理单元(gpu)、专用处理硬件等等。在一些实施方式中，远程数据存储库160可以包括数字数据存储设施，该数字数据存储设施可以是通过因特网或“云”资源配置中的其他网络配置可用的。在一些实施方式中，远程数据存储库160可以包括一个或多个远程服务器，该一个或多个远程服务器向本地处理和数据模块140和/或远程处理模块150提供信息，例如，用于生成增强现实内容的信息。在一些实施方式中，所有数据被存储在本地处理和数据模块中并且所有计算在本地处理和数据模块中执行，从而允许来自远程模块的完全自主使用。可选地，包括cpu、gpu等等的外部系统(例如，一个或多个处理器、一个或多个计算机的系统)可以执行处理的至少一部分(例如，生成图像信息、处理数据)并且向模块140、150、160提供信息和从模块140、150、160接收信息，例如经由无线或有线连接。
182.示例的眼睛跟踪系统
183.图9示出了采用液晶反射器(lcr)例如胆甾型液晶反射器的眼睛跟踪系统2300的示例。优选地，根据各种实施方式，液晶反射器是被配置为对观看者的眼睛1302成像的波长选择性lcr 1150。在一些实施方式中，lcr 1150可以设置在波导(例如，图8a至图8b的波导670、680、690中的一个)的表面上。眼睛跟踪可以是交互式视觉或控制系统中的关键特征，该交互式视觉或控制系统包括可穿戴显示器，例如图8d的可穿戴显示系统60，用于虚拟/增强/混合现实显示应用，以及其他应用。为了实现良好的眼睛跟踪，可能希望以低视角获得眼睛1302的图像，为此可能进而希望在观看者眼睛的中心位置附近设置眼睛跟踪相机702b。然而，相机702b的这样的位置可能干扰用户的视图。可替代地，眼睛跟踪相机702b可以设置到较低的位置或一侧。然而，相机的这样的位置可能增加获得稳健和准确的眼睛跟踪的难度，因为眼睛图像是以更陡峭的角度捕获的。通过将lcr 1150配置为选择性地反射来自眼睛302的红外(ir)光2308(例如，具有850nm的波长)，同时透射来自世界的可见光2304，相机702b可以放置在远离用户视图的位置，同时以正常或低视角捕获眼睛图像。由于不反射可见光，因此这样的配置不干扰用户的视图。如图所示，相同的lcr 1150也可以被配置为ir照射源2320。ir照射器的低视角可能导致更少的遮挡，例如来自睫毛的遮挡，该配置允许更稳健地检测镜面反射。
184.继续参考图9，根据各种实施方式，lcr 1150可包括一个或多个胆甾型液晶(clc)层，每个胆甾型液晶(clc)层包括多个手性结构，其中每个手性结构包括多个液晶分子，这些液晶分子在层深度方向(例如，z方向)上延伸并在第一旋转方向上连续旋转，如美国专利公开号2018/0164627中所描述的，其整体内容通过引用并入本文。手性结构的液晶分子的布置在垂直于层深度方向的横向方向上周期性变化，以使得一个或多个clc层被配置为基
本上布拉格反射具有第一波长(λ1)的第一入射光，同时基本上透射具有第二波长(λ2)的第二入射光。一个或多个clc层中的每一个可被配置为当基本上布拉格反射在层深度方向上观看时具有与第一旋转方向匹配的偏振偏手性的椭圆偏振或圆偏振的第一和第二入射光，同时被配置为基本上透射当在层深度方向上观看时具有与第一旋转方向相反的偏振偏手性的椭圆偏振或圆偏振的第一和第二入射光。根据一些实施方式，在横向方向上周期性变化的液晶分子的排列被布置为在横向方向上具有周期，以使得第一波长与周期之间的比率在约0.5与约2.0之间。根据一些实施方式，第一波长在约600nm与约1.4μm之间的近红外范围内，例如约850nm，并且第二波长在具有一种或多种颜色的可见光范围内。根据一些实施方式，手性结构的液晶分子相对于垂直于层深度方向的方向预倾斜。一个或多个clc层可被配置为使得第一入射光以相对于层深度方向(z方向)的角度(θr)反射，该角度(θr)超过相对于层深度方向约50
°
、约60
°
、约70
°
或约80
°
度。
185.继续参考图9，头戴式显示器(hmd)的穿戴者的眼睛1302可以使用反射式离轴液晶反射器1150成像，该离轴液晶反射器1150可以向相机702b提供眼睛1302的视图，并且还可以反射来自光源2320的眼睛照射光。产生的图像可用于跟踪一只或多只眼睛、对视网膜进行成像、在三个维度上重建眼睛形状、从眼睛中提取生物特征信息(例如，虹膜识别)等。
186.在分离的实施方式的上下文中在该说明书中所描述的某些特征也可以组合实现在单个实施方式中。相反地，在单个实施方式中的上下文中所描述的各种特征还可以单独地或者以任何适合的子组合被实现在多个实施方式中。而且，尽管以上可以将特征描述为以某些组合起作用并且甚至最初如此宣称，但是在某些情况下可以从组合中去除所要求保护的组合中的一个或多个特征，并且所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变体。对于每个实施方式，没有单个特征或一组特征是必要的或必不可少的。
187.将理解，本文中使用的条件语言，诸如，除其他之外，“能”、“会”、“可能”、“可以”、“例如”等，除非另有明确说明，或者在所使用的上下文中以其他方式理解，通常旨在传达某些实施方式包括而其他实施方式不包括某些特征、元素和/或步骤。因此，这样的条件语言通常不旨在暗示特征、要素和/或步骤以任何方式对于一个或多个实施方式是必需的，或者一个或多个实施方式必然包括用于在有或者没有作者输入或提示的情况下决定这些特征、要素和/或步骤是否包括在或执行在任何特定实施方式中。术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义词，并且以开放式的方式包含性地使用，并且不排除附加的要素、特征、动作、操作等等。此外，术语“或”以其包含性含义(而不是其排他含义)使用，因此当用于例如连接要素列表时，术语“或”表示列表中的一个、一些或全部要素。另外，除非另有说明，否则本技术和所附权利要求书中使用的冠词“一”、“一个”和“所述”应被解释为表示“一个或多个”或“至少一个”。类似地，虽然可以在附图中以特定顺序示出操作，但是应该认为，不需要以所示出的特定顺序或按顺次顺序执行这样的操作，或者不需要执行所有示出的操作以实现期望的结果。此外，附图可以以流程图的形式示意性地描绘一个或多个示例过程。然而，未示出的其它操作可以并入示意性说明的示例性方法和过程中。例如，一个或多个附加操作可以在任何所示操作之前、之后、同时或之间执行。另外，在其它实施方式中，操作可以重新安排或重新排序。在特定情况下，多任务和并行处理可能是有利的。而且，上述实施方式中的各种系统组件的分离不应当被理解为在所有实施方式中都需要这种分离，并且应该理解的是，所描述的程序组件和系统通常可以一起集成在单个软件产品中或者封装到多个软件产品。另
外，其它的实施方式在以下权利要求的范围中。在一些情况下，权利要求中列举的动作可以以不同的顺序执行并且仍然实现期望的结果。
188.因此，权利要求不旨在限于本文中所示的实施方式，而是将符合与本文所公开的本公开、原理和新颖特征一致的最宽范围。