高折射率双折射有机固体晶体及其制造方法
1.相关申请
2.本技术要求于2020年7月28日提交的美国临时专利申请序号63/057,764和2021年7月7日提交的美国非临时专利申请序号17/369,861的权益和优先权，这两个专利申请通过引用以其整体并入本文。
技术领域
3.本公开内容总体上涉及光学晶体，并且更具体地，涉及高折射率光学晶体及其制造方法。
4.背景
5.视觉上吸引人的、重量轻、紧凑且节能的消费电子装置处于高需求。因此，期望设计在这些装置中使用的光学元件或光学器件，使得这些装置可以是自适应的、光学高效的、重量轻的、紧凑的和宽带的。
6.用于制造具有增强的光学性能和物理性质的光学器件的技术已经成为研究和开发的有吸引力的课题。液晶(“lc”)已经被用于制造偏振选择光学元件。偏振选择光学元件的光学特性可以取决于lc的折射率和/或双折射率。目前可用的lc可以被配制成实现约1.97的大折射率和约0.3的大双折射率。基于具有较高折射率的材料的光学元件对于减小尺寸和重量以及增强光学特性是高度合意的。
7.概述
8.存在对具有高折射率的材料的需求。此外，具有高折射率和高双折射率的材料具有另外的益处。本文描述的方法允许制造具有高折射率的有机固体晶体。在一些配置中，通过本文描述的方法制造的有机固体晶体具有足够大的尺寸以构成光学元件或在光学元件上提供连续的包覆层，从而允许光学元件的改进的性能。
9.例如，为了制造可以支持大视场的波导合路器(waveguide combiner)，具有高于1.9的折射率的材料是期望的。此外，当波导合路器被包括在头戴式显示器中时，具有低密度的材料是期望的。有机固体晶体具有高折射率和低密度，从而能够实现具有大视场和低密度的波导合路器。此外，高折射率双折射材料可以用于多种其他光学部件，诸如菲涅耳透镜、超透镜和偏振选择光栅。通过仔细调整晶体生长路径，有机固体晶体可以在具有精确控制的折射率取向的平坦基底或弯曲基底上生长。本文描述了这样的有机晶体材料和生长具有高折射率和双折射率的大尺寸固体晶体的工艺。
10.根据一些实施方案，光学膜包括由连续的有机固体晶体形成的有机固体晶体膜，该有机固体晶体膜具有不小于100微米的第一尺寸和不小于1厘米的不同于第一尺寸的第二尺寸。
11.根据一些实施方案，制造光学膜的方法包括使用物理气相传输在具有受控成核表面的基底上沉积来自源材料的蒸发的有机晶体分子；和在所述受控成核表面上使所述蒸发的有机晶体分子重结晶，从而形成包括连续的有机固体晶体的光学膜，该有机固体晶体膜具有不小于100mm的第一尺寸和不小于1厘米的不同于第一尺寸的第二尺寸。
12.根据一些实施方案，制造光学膜的方法包括获得具有一个或更多个成核部分和与一个或更多个成核部分耦合的晶体生长部分的安瓿状物(ampoule)。安瓿状物填充有有机固体晶体源材料。该方法还包括将安瓿状物放置在腔室的第一空间内，从而将有机固体晶体源材料加热至熔化状态，第一空间具有第一温度，腔室还具有具有第二温度的第二空间，第一空间和第二空间由门(gate)隔开。该方法还包括将安瓿状物从腔室的第一空间转移至腔室的第二空间，从而使有机固体晶体源材料重结晶，以形成连续的有机固体晶体膜，该连续的有机固体晶体膜具有不小于100微米的第一尺寸和不小于1厘米的不同于第一尺寸的第二尺寸。
13.根据一些实施方案，制造光学膜的方法包括在基底的改性表面上包覆有机晶体分子和溶剂的溶液，并且通过区域退火改变沉积在基底的改性表面上的有机晶体分子和溶剂的溶液的温度，从而使有机晶体分子结晶以形成连续的有机固体晶体膜，该连续的有机固体晶体膜具有不小于100微米的第一尺寸和不小于1厘米的不同于第一尺寸的第二尺寸。
14.附图简述
15.图1a示意性地图示了根据一些实施方案的光学器件的横截面图。
16.图1b示意性地图示了根据一些实施方案的光学器件的横截面图。
17.图1c图示了根据一些实施方案的在平坦基底和弯曲基底上的各向异性折射率的取向。
18.图1d示意性地图示了根据一些实施方案的固体晶体的尺寸。
19.图2a示意性地图示了根据一些实施方案的光学器件的横截面图。
20.图2b示意性地图示了根据一些实施方案的光学器件的横截面图。
21.图2c示意性地图示了根据一些实施方案的光学器件的横截面图。
22.图2d示意性地图示了根据一些实施方案的光学器件的横截面图。
23.图3a示意性地图示了根据一些实施方案的光学器件的俯视图。
24.图3b示意性地图示了根据一些实施方案的光学器件的俯视图。
25.图4a示意性地图示了根据一些实施方案的光学器件的横截面图。
26.图4b示意性地图示了根据一些实施方案的光学器件的横截面图。
27.图4c示意性地图示了根据一些实施方案的光学器件的横截面图。
28.图5a示意性地图示了根据一些实施方案的具有输入耦合元件和输出耦合元件(in-coupling and out-coupling elements)的光波导的横截面图。
29.图5b示意性地图示了根据一些实施方案的具有输入耦合元件和输出耦合元件的光波导的横截面图。
30.图6a示意性地图示了根据一些实施方案的在固体晶体膜中晶体分子的轴的空间上变化的取向的三维(“3d”)图。
31.图6b示意性地图示了根据一些实施方案的在固体晶体膜中晶体分子的轴的空间上变化的取向的3d图。
32.图6c示意性地图示了根据一些实施方案的在固体晶体膜中晶体分子的轴的空间上变化的取向的3d图。
33.图7a示意性地图示了根据一些实施方案的透射型pancharatnam berry相位(“pbp”)光学器件的图。
34.图7b示意性地图示了根据一些实施方案，当图7a所示的pbp光学器件用作pbp光栅时，晶体分子的轴的取向的一部分的横截面图。
35.图7c示意性地图示了根据一些实施方案的图7b所示的pbp光栅的正状态和负状态的图。
36.图7d示意性地图示了根据一些实施方案的图7b所示的pbp光栅的负状态的图。
37.图8a示意性地图示了根据一些实施方案，当图7a所示的pbp光学器件用作pbp透镜时，晶体分子的轴的取向的横截面图。
38.图8b图示了根据一些实施方案的在图8a所示的pbp透镜中沿着x轴截取的晶体分子的取向的一部分的截面。
39.图8c示意性地图示了根据一些实施方案的图8a所示的pbp透镜的聚焦状态的图。
40.图8d示意性地图示了根据一些实施方案的图8a所示的pbp透镜的散焦状态的图。
41.图9a示意性地图示了根据一些实施方案的反射型pbp光学器件的图。
42.图9b示意性地图示了根据一些实施方案，当图9a所示的pbp光学器件用作反射偏振体全息(“pvh”)光栅时，晶体分子的轴的空间上变化的取向的3d图。
43.图9c示意性地图示了根据一些实施方案，当图9a中的pbp光学器件用作反射pvh光栅时，晶体分子的轴的取向的横截面图。
44.图10a示意性地图示了根据一些实施方案的近眼显示器(“ned”)的图。
45.图10b示意性地图示了根据一些实施方案的图10a所示的ned的一部分的俯视横截面图。
46.图11a是图示出根据一些实施方案的用于制造光学器件的方法的流程图。
47.图11b是图示出根据一些实施方案的用于制造光学器件的方法的流程图。
48.图11c是图示出根据一些实施方案的用于制造光学器件的方法的流程图。
49.图11d是图示出根据一些实施方案的用于制造光学器件的方法的流程图。
50.图12a-图12c示意性地图示了根据一些实施方案的用于制造包括固体晶体的光学器件的工艺。
51.图13a-图13d示意性地图示了根据一些实施方案的用于制造包括固体晶体的光学器件的工艺。
52.图14示意性地图示了根据一些实施方案的用于制造包括固体晶体的光学器件的系统。
53.图15图示了根据一些实施方案的使用物理气相传输制造有机晶体的方法。
54.图16图示了根据一些实施方案的使用熔融重结晶制造有机晶体的方法。
55.图17图示了根据一些实施方案的使用溶剂包覆和区域退火制造有机晶体的方法。
56.详述
57.将参考附图描述与本公开内容一致的实施方案，这些实施方案仅是用于说明目的的实例并且不意图限制范围。在可能的情况下，在整个附图中使用相同的附图标记来指代相同的或相似的部件(parts)，并且可以省略其详细描述。
58.此外，在本公开内容中，所公开的实施方案和所公开的实施方案的特征可以被组合。所描述的实施方案是一些实施方案，但不是所有实施方案。基于所公开的实施方案，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方案。例如，可以基于所公开的
实施方案进行修改、改编、替换、添加或其他变化。所公开的实施方案的这样的变化仍然在范围内。因此，本公开内容不限于所公开的实施方案。相反，该范围由所附的权利要求限定。
59.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。两个光学器件之间的“光耦合”是指这样的配置，其中两个光学器件以光学串联(optical series)布置，并且来自一个光学器件的光输出可以被另一个光学器件直接或间接接收。光学串联是指多于一个光学器件在光路中的光学定位，使得来自一个光学器件的光输出可以被一个或更多个其他光学器件透射、反射、衍射、转换、修改或以其他方式加工或操纵。在一些实施方案中，布置多于一个光学器件的顺序可以影响或可以不影响多于一个光学器件的总输出。耦合可以是直接耦合或间接耦合(例如，通过中间元件耦合)。
60.短语“a或b中的至少一个”可以包括a和b的所有组合，诸如仅a、仅b、或a和b。同样地，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，诸如仅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”具有与短语“a或b中的至少一个”的含义相似的含义。例如，短语“a和/或b”可以包括a和b的所有组合，诸如仅a、仅b、或a和b。同样地，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，诸如仅a、仅b、仅c、a和b、a和c、b和c、或a和b和c。
61.当第一元件被描述为“附接”、“提供”、“形成”、“附连”、“安装”、“固定”、“连接”、“结合”、“刻制(record)”或“设置”到第二元件上，“附接”、“提供”、“形成”、“附连”、“安装”、“固定”、“连接”、“结合”、“刻制”或“设置”在第二元件上，“附接”、“提供”、“形成”、“附连”、“安装”、“固定”、“连接”、“结合”、“刻制”或“设置”在第二元件处或至少部分地“附接”、“提供”、“形成”、“附连”、“安装”、“固定”、“连接”、“结合”、“刻制”或“设置”在第二元件中时，第一元件可以使用任何合适的机械方式或非机械方式被“附接”、“提供”、“形成”、附连”、“安装”、“固定”、“连接”、“结合”、“刻制”或“设置”到第二元件上，被“附接”、“提供”、“形成”、“附连”、“安装”、“固定”、“连接”、“结合”、“刻制”或“设置”在第二元件上，被“附接”、“提供”、“形成”、“附连”、“安装”、“固定”、“连接”、“结合”、“刻制”或“设置”在第二元件处或至少部分地被“附接”、“提供”、“形成”、“附连”、“安装”、“固定”、“连接”、“结合”、“刻制”或“设置”在第二元件中，所述机械方式或非机械方式诸如沉积、包覆、蚀刻、结合、胶合、螺纹连接(screwing)、压入配合、卡扣配合、夹紧等。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存在中间元件。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、前部、后部、顶部或底部。
62.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取向。该描述可以基于图中所示的参考坐标系，或者可以基于图中所示的当前视图或示例性配置。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”不一定意味着第一元件以垂直的重力方向在第二元件上方。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，该配置仅是说明性实例。第一元件可以相对于第二元件以任何合适的取向设置或布置(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)。
pattern)的可配置对象。
68.在一些实施方案中，固体晶体的轴的取向可以通过以预定的配向图案配向晶体分子(例如，配向晶体分子的轴的取向)来配置。在一些实施方案中，预定的配向图案可以指固体晶体中晶体分子的非天然配向图案。例如，预定的配向图案可以被至少部分地配置在其上设置晶体分子的基底处，或者可以通过特殊机制(例如，蚀刻)被配置在固体晶体内，或者可以被配置在设置在基底上的单独的材料中。晶体分子的预定的配向图案可以被特别设计、配置或引入，用于实现光学元件的至少一个预定的光学功能的目的。预定的配向图案可以是一维图案(例如，晶体分子可以在相同的单一方向上配向)、二维图案(例如，晶体分子可以在二维平面中在预定方向上配向)或三维图案(例如，晶体分子可以在三维方向上配向)。
69.在一些实施方案中，固体晶体的晶体分子的预定的配向图案可以至少部分地由配向结构配置、设置或界定。在一些实施方案中，配向结构可以是在基底的表面处形成的、蚀刻的、设置的或以其他方式提供的配向膜或层，固体晶体的晶体分子被设置在基底的表面上。在一些实施方案中，配向结构可以以单独的材料形成，并且被设置在基底的表面上。在一些实施方案中，配向结构可以直接形成(例如，直接蚀刻)在基底的表面处(例如，在基底的表面上或至少部分地在基底的表面中)。在一些实施方案中，配向结构可以通过特殊机制直接形成在固体晶体(例如，固体晶体层)内。配向结构可以是固体晶体内部的结构性质。例如，配向图案可以在磁场或电场的存在下发生的固体晶体的结晶过程期间形成，所述磁场或电场可以被配置成影响生长的固体晶体的配向。在一些实施方案中，配向结构可以在结晶过程期间在固体晶体的表面处一体地形成。
70.在一些实施方案中，光学器件可以包括配向结构，该配向结构被配置成使晶体分子以预定的配向图案至少部分地配向。配向结构可以包括配向结构图案或者界定配向结构图案。在一些实施方案中，配向结构图案可以与晶体分子的预定的配向图案基本上相同。例如，包含在固体晶体中的不同晶体分子层可以被设置在配向结构上。与配向结构接触的第一多于一个晶体分子可以由配向结构以配向结构图案配向。在一些实施方案中，在固体晶体中的第一多于一个晶体分子上堆叠的第二多于一个晶体分子可以以与相应的第一多于一个晶体分子相同的图案配向。在这样的配置中，固体晶体中的晶体分子可以基本上以配向结构图案配向，并且配向结构图案可以与晶体分子的预定的配向图案基本上相同。
71.在一些实施方案中，与配向结构接触的第一多于一个晶体分子可以由配向结构以配向结构图案配向。设置在(例如，堆叠在)第一多于一个晶体分子上的第二多于一个晶体分子可以不以与对应的第一多于一个晶体分子相同的图案配向(例如，第二多于一个晶体分子可以以不同于配向结构图案的图案配向)。相反，第二多于一个晶体分子可以基于配向结构图案相对于对应的第一多于一个晶体分子旋转一个或更多个预定的旋转角度(例如，第二多于一个晶体分子可以包括通过添加到固体晶体中的手性掺杂剂引入的扭曲)。一个或更多个预定的旋转角度可以是平面内旋转角度或平面外旋转角度中的至少一个。晶体分子的预定的配向图案可以是配向第一多于一个晶体分子的配向结构图案和与堆叠在第一多于一个晶体分子上的第二多于一个晶体分子相关的扭曲(或旋转)配向图案的组合的结果。在这样的配置中，配向结构的配向结构图案可以不同于晶体分子的预定的配向图案。配向结构可以以预定的配向图案至少部分地配向晶体分子。
72.例如，配向结构可以使与配向结构接触的晶体分子(例如，第一多于一个分子)以配向结构图案配向。包含在固体晶体中的设置在(例如堆叠在)第一多于一个晶体分子上的剩余的(例如第二多于一个)晶体分子可以相对于已经由配向结构配向的对应的相邻第一多于一个晶体分子被配向。在一些实施方案中，剩余的晶体分子可以遵循第一多于一个晶体分子的相同配向。例如，剩余的晶体分子的轴的取向可以遵循对应的第一多于一个晶体分子的轴的取向。在一些实施方案中，剩余的晶体分子的至少一部分可以具有相对于对应的第一多于一个晶体分子的轴的取向旋转一个或更多个预定的旋转角度的轴的取向。
73.在一些实施方案中，配向结构可以指被配置成界定或设定晶体分子的轴的取向(例如，在配向结构上生长的固体晶体材料的生长方向)的结构(诸如，层、膜或物理特征)。在一些实施方案中，配向结构可以是薄的，诸如几个分子厚。配向结构的层、膜或物理特征可以经由机械、偶极-偶极、磁机制或任何其他合适的机制与待生长的固体晶体材料的分子(例如，固体晶体分子)相互作用。例如，配向结构可以类似于已经在lc装置(例如lc显示器)中用于配向向列lc分子的取向的那些结构。
74.在一些实施方案中，晶体分子可以在配向结构上基本上均匀地配向。也就是说，晶体分子的轴的取向可以基本上均匀地配向，导致固体晶体的轴的空间上非变化的(例如，恒定的)取向。在一些实施方案中，晶体分子可以在配向结构上不均匀地配向。例如，晶体分子的轴的取向可以在固体晶体内在空间上变化，导致固体晶体的轴的空间上变化的取向。在可以由晶体分子的不同预定配向图案配置的固体晶体的轴的不同取向情况下，光学器件可以表现出不同的光学功能。例如，光学器件可以用作波导、光栅、棱镜、透镜、轴棱锥、光学旋转器、波片或相位延迟器、透镜阵列、棱镜阵列等，这取决于晶体分子的预定的配向图案。
75.固体晶体可以是层、膜、板、或层、膜或板的堆叠的形式。固体晶体可以具有高折射率。结果，固体晶体可以被制造得薄且重量轻。例如，固体晶体可以具有约500纳米(“nm”)至约5微米(“μm”)的厚度。因此，包括固体晶体的光学器件可以被制造得薄、重量轻且紧凑。此外，在本公开内容中公开的技术方案能够制造具有大尺寸的固体晶体。例如，通过使用配向结构形成(例如生长)固体晶体，固体晶体可以被制造成具有100微米或更大(例如，约300微米-500微米)的厚度和10mm或更大(例如，约10mm-100mm或更大、约20mm-100mm或更大、约30mm-100mm或更大)的一个或更多个横向尺寸。具有大尺寸的固体晶体可以拓宽光学器件在各种各样的技术领域中的应用。
76.图1a示意性地图示了根据一些实施方案的光学元件或器件100的x-z截面图。如图1a所示，光学器件100可以包括呈膜(层或板)的形式的固体晶体115(例如，也被称为固体有机晶体膜115)。尽管为了说明的目的，固体晶体115的主体被示出为平坦的，但是固体晶体115的主体可以具有弯曲的形状。在本公开内容中，为了讨论的目的，固体晶体还可以被称为固体晶体膜(或固体晶体层)。固体晶体115可以包括具有多于一个晶体分子的固体晶体材料。
77.在一些实施方案中，光学器件100还可以包括配向结构110，该配向结构110被配置成至少部分地界定或设定固体晶体115的轴的取向或用于配向包含在固体晶体115中的晶体分子的预定的配向图案。为了讨论的目的，固体晶体115的轴可以指固体晶体115沿着其可以具有最高或最大折射率的轴。固体晶体115中晶体分子的轴可以指晶体分子沿着其可以具有最高或最大折射率的轴。固体晶体115的轴的取向可以是包含在固体晶体115中的晶
体分子的轴的取向的聚集效应。固体晶体115可以被设置在配向结构110上。在一些实施方案中，固体晶体115可以在配向结构110上生长。在一些实施方案中，可以省略配向结构110。例如，在铁电材料或铁磁材料和铁电场或铁磁场的存在下，预定的配向图案可以通过结晶被引入到固体晶体115内。
78.在一些实施方案中，光学器件100还可以包括基底105，该基底105被配置成向设置在基底105处(例如，设置在基底105上)的多个层、膜和/或结构提供支撑和/或保护。配向结构110可以设置在基底处。在一些实施方案中，配向结构110可以是基底105的整体部分。例如，配向结构110可以被蚀刻在基底105的表面上或至少部分地被蚀刻在基底105的表面中。在一些实施方案中，配向结构110可以一体地形成在基底105内。在一些实施方案中，配向结构110可以被单独形成(例如，沉积)到基底105的表面上。
79.在一些实施方案中，基底105可以与包含在固体晶体115中的晶体分子相容(例如，晶格常数匹配)。在一些实施方案中，基底105至少在可见光谱(例如，波长在从约380nm至约700nm的范围内)中可以是光学透明的(例如，具有至少约60％的透光率)。在一些实施方案中，基底105还可以在红外(“ir”)光谱的至少一部分(例如，波长在从约700nm至约1mm的范围内)中是透明的。基底105可以包括对上文列出的波长范围的光基本上透明的合适的材料，诸如玻璃、塑料、蓝宝石、聚合物、半导体或其组合等。基底105可以是刚性的、半刚性的、柔性的或半柔性的。在一些实施方案中，基底105可以具有一个或更多个呈平坦形状、凸起形状、凹形形状、非球面形状或自由形状的表面。
80.在一些实施方案中，基底105可以是另一光学元件或器件的一部分，或者是另一光电元件或器件的一部分。例如，基底105可以是固体光学透镜或固体光学透镜的一部分。在一些实施方案中，基底105可以是功能器件的一部分，诸如显示屏。在一些实施方案中，基底105可以用于制造、存储或运输光学器件100。在一些实施方案中，在光学器件100的其余部分被制造或运输到另一个地方或器件之后，基底105可以从光学器件100的其余部分拆卸或移除。也就是说，基底105可以用于制造、运输和/或存储，以支撑设置在基底105上的固体晶体115，并且当光学器件100的制造完成时，或者当光学器件100将在另一光学器件中或在光学系统中实现时，基底105可以从光学器件100的固体晶体115分离或移除。
81.在一些实施方案中，固体晶体115可以基于一种或更多种固体晶体材料制造，固体晶体材料诸如蒽、并四苯、并五苯或任何其他饱和的或不饱和的多环烃及其衍生物、氮、硫和氧杂环、喹啉、苯并噻吩和苯并吡喃、弯曲的和不对称的并苯诸如菲、菲咯啉、芘和荧蒽及其衍生物、2,6-萘二甲酸、2,6-二甲基甲酸酯分子及其衍生物、联苯、三联苯、四联苯或苯乙炔或其衍生物，包括具有烷基基团、氰基基团、异硫氰酸酯基团、氟、氯或氟化醚的取代基。在一些实施方案中，固体晶体115可以包括手性晶体分子或掺杂有手性掺杂剂的晶体分子，并且固体晶体115可以表现出手性，即旋向性(handedness)。
82.固体晶体115可以是连续的固体晶体膜，其中相邻的晶格可以跨过整个光学器件100彼此连接。在一些实施方案中，固体晶体115可以是光学各向异性的，例如单轴光学各向异性的或双轴光学各向异性的。在一些实施方案中，固体晶体115可以被配置成在连续的固体晶体115内具有空间上变化的光学各向异性或空间上均匀的光学各向异性，其可以至少部分地由配向结构110界定、配置或设定。在一些实施方案中，可以基于包含在固体晶体115中的分子的轴的空间上变化的取向或空间均匀的取向来产生空间上变化的光学各向异性
或空间上均匀的光学各向异性。
83.在一些实施方案中，固体晶体115可以沿着第一方向具有第一主折射率，并且沿着垂直于第一方向的平面内方向具有第二主折射率。在一些实施方案中，第一方向可以平行于固体晶体115的轴，固体晶体115沿着该轴可以具有最高或最大的折射率。在一些实施方案中，固体晶体115的第一主折射率可以是至少约1.5、至少约1.6、至少约1.7、至少约1.8、至少约1.9、至少约2.0、至少约2.1或至少约2.2。在一些实施方案中，固体晶体115的光学各向异性(例如，平面内双折射率)可以是至少约0.03、至少约0.05、至少约0.1、至少约0.2、至少约0.3、至少约0.35或至少约0.4。
84.固体晶体115可以在结构上被配置或制造成实现光学器件100的至少一个预定的光学功能。在一些实施方案中，固体晶体115可以在结构上被配置成或制造成具有固体晶体115的轴的基本上空间不变(例如，恒定)的取向。在一些实施方案中，固体晶体115可以在结构上被配置成或制造成具有固体晶体115的轴的空间上变化的取向。在一些实施方案中，配置固体晶体115的轴的空间上恒定的取向或空间上变化的取向可以通过以预定的配向图案，例如空间上均匀的配向图案或空间上变化的配向图案配向包含在固体晶体115中的晶体分子来实现。也就是说，固体晶体115可以在结构上被配置成或制造成使晶体分子以预定的配向图案配向，从而提供至少一种预定的光学功能。
85.在一些实施方案中，配向结构110可以被配置成使晶体分子以预定的配向图案至少部分地配向。在一些实施方案中，与配向结构110接触的晶体分子的轴的取向可以通过配向结构110配向(或与配向结构110配向)，并且剩余的晶体分子的轴的取向可以根据已经由配向结构110配向和/或配置的相邻晶体分子来配向。在一些实施方案中，晶体分子的预定的配向图案可以导致固体晶体115内晶体分子的轴的均匀取向、周期性线性取向、周期性径向取向、周期性方位取向或其组合。因此，固体晶体115的轴可以被配置成在固体晶体115内具有恒定取向、周期性线性取向、周期性径向取向、周期性方位取向或其组合。
86.取决于固体晶体115的轴的不同取向，光学器件100可以提供不同的光学功能。例如，取决于固体晶体115的轴的不同取向，光学器件100可以用作光波导、光栅、棱镜、透镜、轴棱锥、光学旋转器、波片或相位延迟器、透镜阵列、棱镜阵列或其组合。光学器件100可以用作透射型光学器件、反射型光学器件或透射反射型光学器件。在一些实施方案中，当光学器件100用作透射型光学器件时，固体晶体115至少在可见光谱(例如，约380nm至约700nm)中可以是光学透明的(例如，具有至少约60％的透光率)。在一些实施方案中，固体晶体115还可以在ir光谱的至少一部分中是光学透明的，例如在近ir光谱中具有至少约60％的透光率。
87.在一些实施方案中，由于光学各向异性，处于配向的晶体状态的固体晶体115可以是偏振相关的。例如，固体晶体115可以对具有不同偏振的入射光表现出不同的光学功能。在一些实施方案中，固体晶体115可以通过多种方法在无定形状态和配向的晶体状态之间切换，例如，通过基于偏振的切换、基于热的切换或基于外部场的切换等。在无定形状态中，固体晶体115可以保持为固态，并且晶体分子可以不处于预定的配向图案中。结果，处于无定形状态的固体晶体115可以不表现出由固体晶体115中晶体分子的预定的配向图案决定的预定的光学功能。在一些实施方案中，通过切换入射到固体晶体115上的光的偏振，固体晶体115可以在无定形状态和配向的晶体状态之间切换。在一些实施方案中，固体晶体115
可以在高温切换到无定形状态。在一些实施方案中，通过向固体晶体115中的晶体分子施加外部场(例如，外部光场)，固体晶体115可以在无定形状态和配向的晶体状态之间切换，其中外部场可以改变固体晶体115中晶体分子的取向/配向。在移除外部场之后，晶体分子可以返回到初始取向/配向。例如，晶体分子可以根据干涉图案(例如，由具有不同偏振状态的两个光束形成)配向。干涉图案可以产生相长干涉或相消干涉的区域，其中晶体分子可以选择性地配向。例如，晶体分子可以在相长干涉或相消干涉的区域中不同地配向。通过创建全息图案或晶体分子经历的主动暴露并且通过配置时间尺度和长度尺度，可以动态地控制晶体分子的取向/配向。也就是说，可以实现晶体分子的主动取向/配向。
88.在一些实施方案中，固体晶体115的轴的取向的空间变化(或固体晶体115的轴的空间上变化的取向)可以在整个固体晶体115中基本上平滑。在一些实施方案中，固体晶体115可以包括具有至少一个晶粒边界的多于一个晶粒(或部分)，其中每个晶粒或多个晶粒可以通过配向结构110至少部分地配向。为了实现相邻晶粒和晶体分子之间的平滑过渡，在一些实施方案中，一个或更多个另外的官能团可以被并入到晶体分子中。在一些实施方案中，可以向固体晶体115中添加被配置成释放局部结晶应变的一种或更多种添加剂或一种或更多种增塑剂。在一些实施方案中，增塑剂可以包括具有烷基链/烷氧基链的分子(例如，液晶分子)，其可以表现出对结晶度的弱亲和力，从而使得晶相更软并且对变形和结构变化更具延展性。
89.在一些实施方案中，配向结构110可以包括配向层，该配向层可以是形成在基底105上或结合至基底105的单独的膜。配向层可以被设置在基底105和固体晶体115之间，并且可以与固体晶体115接触。在一些实施方案中，配向层可以是光配向材料(“pam”)层，其可以包括一种或更多种光配向材料。在一些实施方案中，光配向材料可以包括光敏分子，所述光敏分子当经历偏振光照射时可以经历取向排序。在一些实施方案中，光敏分子可以包括长形的各向异性光敏单元(例如，小分子、或聚合物分子的片段)，该长形的各向异性光敏单元当经历偏振光照射时可以以配向结构图案配向。
90.在一些实施方案中，光敏单元可以是偏振敏感的。例如，光敏单元可以被具有预定偏振的光配向，并且可以不被具有不同偏振的光配向。在一些实施方案中，配向层可以是机械摩擦层(例如，机械摩擦的聚合物层)。在一些实施方案中，配向层可以是具有各向异性纳米压印的聚合物层。在一些实施方案中，配向层可以包括铁电材料或铁磁材料，其被配置成在磁场或电场的存在下至少部分地配向固体晶体115中的晶体分子。在一些实施方案中，配向层可以是基本上薄的结晶膜(或层)或结晶基底，其被配置成至少部分地配向固体晶体115中的晶体分子。结晶膜或结晶基底可以包括已经以配向结构图案配向的固体晶体分子。当形成固体晶体115的晶体分子通过晶格常数匹配在结晶膜或结晶基底上生长时，形成固体晶体115的晶体分子的生长可以通过由结晶膜或结晶基底的分子界定的配向结构图案来配置、影响或确定。薄的结晶膜或结晶基底的配向结构图案可以使用本文公开的任何合适的方法形成。在制造固体晶体115的工艺中，固体晶体115的晶体分子可以被沉积在(例如生长在)薄的结晶膜或结晶基底上。与薄的结晶膜或结晶基底接触的固体晶体115的晶体分子可以与包含在薄的结晶膜或结晶基底中的晶体分子配向。多个薄的结晶膜或结晶基底可以用于在具有不同配向图案的固体晶体115中形成晶体分子层的堆叠。在一些实施方案中，配向层可以被配置成基于在磁场或电场的存在下发生的结晶至少部分地配向固体晶体115中
的晶体分子。在一些实施方案中，配向层可以包括六方氮化硼(h-bn)层或石墨烯层。
91.在一些实施方案中，配向结构110可以包括在基底105上或至少部分地在基底105中直接形成的特征，或者在固体晶体115上或至少部分地在固体晶体115中形成的特征。在一些实施方案中，基于在磁场或电场的存在下发生的结晶，可以在固体晶体115中产生配向结构110。在一些实施方案中，基于外部光场，可以在固体晶体115中产生配向结构110，外部光场可以至少部分地将固体晶体115中的晶体分子以预定的配向结构配向。例如，包含在固体晶体115中的晶体分子可以根据干涉图案(例如，由具有不同偏振状态的两个光束形成)配向。干涉图案可以产生相长干涉或相消干涉的区域，其中晶体分子可以被选择性地配向。例如，晶体分子可以在相长干涉或相消干涉的区域中不同地配向。
92.在一些实施方案中，基底105可以被纳米制造成具有配向结构110，用于使固体晶体115中的晶体分子至少部分地配向。例如，基底105可以由有机材料制造，有机材料诸如无定形聚合物或液晶聚合物、可交联单体，包括具有液晶性质的可交联单体。在一些实施方案中，基底105可以由无机材料制造，无机材料诸如用于制造超颖表面(metasurface)的金属或氧化物。基底105的材料可以是各向同性的或各向异性的。在一些实施方案中，基底105可以由抗蚀剂材料纳米制造，该抗蚀剂材料对于一定范围的电磁频率诸如可见波长光谱是透明的或几乎透明的。抗蚀剂材料可以是热塑性塑料、聚合物、光学透明的光致抗蚀剂等形式。在被凝固或固化之后，抗蚀剂材料可以提供与包含在固体晶体115中的晶体分子的配向。也就是说，在一些实施方案中，基底105还可以用作配向层，用于使包含在固体晶体115中的晶体分子至少部分地配向。可以使用基底105的纳米制造技术来实现多种配向图案和特征，这允许创建配向结构110，以使包含在固体晶体115中的晶体分子以高定制性至少部分地配向。在一些实施方案中，配向结构110可以包括各向异性浮雕，其可以通过直接在基底105的表面(例如，图1a中的上表面)上或者在固体晶体115的表面(例如，图1a中的下表面)上湿法蚀刻或干法蚀刻各向异性浮雕来形成。在一些实施方案中，基底105可以是基本上薄的结晶基底，其被配置成使包含在固体晶体115中的晶体分子至少部分地配向，并且基底105可以用作配向结构110。
93.在一些实施方案中，如图1b所示，光学器件150可以包括夹着固体晶体115的两个配向结构110a和110b。固体晶体115可以与配向结构110a和110b两者接触。配向结构110a和110b可以被配置成使包含在固体晶体115中的晶体分子以预定的配向图案至少部分地配向。在一些实施方案中，与配向结构110a和110b接触的晶体分子的轴的取向可以分别由配向结构110a和110b确定。包含在固体晶体115中的其他晶体分子的轴的取向可以根据与配向结构110a和/或配向结构110b接触并且已经被配向结构110a和/或配向结构110b配向的相邻晶体分子来配向。两个配向结构110a和110b可以各自界定配向结构图案或者具有配向结构图案。两个配向结构110a和110b的配向结构图案可以相同，或者可以不同。
94.返回到图1a，在一些实施方案中，光学器件100可以包括其他元件。例如，基底105可以具有第一表面(例如，在图1a所示的视图中所示的上表面)和相对的第二表面(图1a所示的视图中的下表面)。固体晶体115可以被设置在基底105的第一表面处。在一些实施方案中，光学器件100还可以包括被设置在基底105的第二表面处的反射包覆层。固体晶体115可以具有第一表面(例如，图1a所示的视图中的上表面)和相对的第二表面(例如，图1a所示的视图中的下表面)。在一些实施方案中，光学器件100可以包括被设置在固体晶体115的第一
表面或第二表面中的至少一个上的抗反射包覆层。在一些实施方案中，光学器件100可以包括彼此相对设置的两个基底。例如，第二基底可以被设置在配向结构110上。
95.类似地，图1b所示的光学器件150可以包括其他元件。例如，反射包覆层可以被设置在基底105的下表面(与设置配向结构110a的表面相对的表面)处。抗反射包覆层可以被设置在固体晶体115的上表面或下表面中的至少一个上。在一些实施方案中，光学器件150可以包括被设置在配向结构110b上的第二基底。
96.为了说明的目的，图1a和图1b示出了一个固体晶体115。光学器件100或150中包括的固体晶体(例如，固体晶体膜、层或板)的数量可以是任何合适的数量，诸如两个、三个、四个、五个、六个等。在一些实施方案中，光学器件100或150中包括的配向结构(例如，配向层)的数量可以不限于一个或两个，并且可以多于两个，诸如三个、四个、五个、六个等。可以包括在光学器件100或150中的固体晶体(例如，固体晶体膜、层或板)和配向结构的数量可以基于特定应用来确定。例如，光学器件100或150可以包括交替布置的多个连续固体晶体(例如，固体晶体膜、层或板)和多个配向结构(例如，配向层)的堆叠。固体晶体中包含的晶体分子可以通过其上设置晶体分子的相应的配向结构至少部分地配向。例如，固体晶体膜中的晶体分子可以通过其上设置固体晶体膜的配向结构至少部分地配向。在一些实施方案中，多个配向结构可以是相同的。例如，多个配向结构可以被配置成使包含在相应的固体晶体膜中的晶体分子以基本上相同的预定配向图案至少部分地配向。在一些实施方案中，多个配向结构中的至少两个可以彼此不同。例如，多个配向结构中的至少两个可以被配置成使包含在对应的至少两个相应的固体晶体膜中的晶体分子以至少两种不同的预定配向图案至少部分地配向。在一些实施方案中，当堆叠的厚度大于或等于预定的厚度时，多个配向结构可以提供重置或重新配向相应的固体晶体膜中的晶体分子的取向的优点。
97.在一些实施方案中，多个固体晶体膜可以包括相同的固体晶体。在一些实施方案中，多个固体晶体膜中的至少两个可以包括不同的固体晶体。例如，固体晶体可以具有不同的光学色散(例如，不同的双折射率色散)。例如，分别包括正双折射率色散和负双折射率色散的固体晶体的两个固体晶体膜可以相互补偿，导致在预定的波长范围(例如，可见波长范围)内的基本上消色差的光学器件。在一些实施方案中，单个固体晶体膜可以包括具有正双折射率色散的第一固体晶体材料和具有负双折射率色散的第二固体晶体材料的组合，导致在预定的波长范围内的基本上消色差的光学器件。
98.此外，可以形成包括连续体积的有机单晶或多晶结构的有机固体晶体。在一些实施方案中，有机固体晶体在一个维度上具有不小于100微米的尺寸，并且在另两个维度上具有不小于30毫米的尺寸。在一些实施方案中，第一高折射率在1.6至2.6的范围内，并且光学各向异性大于0.1。
99.图1c图示了根据一些实施方案的在平坦基底和弯曲基底上的各向异性折射率的取向。在一些实施方案中，第一折射率的取向垂直于任何平面内方向或平行于平面内方向之一，如图1c所示。例如，在图1c的第i部分和第ii部分中，折射率ne平行于平面内方向之一，如对于平坦表面用箭头160-1指示的和对于非平坦表面用箭头160-2指示的。作为另一个实例，在图1c的第iii部分和第iv部分中，折射率ne垂直于表面，如对于平坦表面用箭头160-3指示的和对于非平坦表面用箭头160-4指示的(例如，折射率ne平行于表面的一部分)。图1d示意性地图示了根据一些实施方案的固体晶体115(例如，连续体积的有机单晶或
多晶结构)的尺寸。在图1a中，固体晶体115与配向结构110和基底105一起示出。然而，应当理解，固体晶体115还可以是独立的光学器件，如图1d中的固体晶体115所示。例如，固体晶体115被制造在具有配向结构110的基底105上，并且在制造之后与基底105和/或配向结构110分离(例如断裂开)。在一些实施方案中，固体晶体115具有不小于100微米的第一尺寸(例如，图1d中的尺寸d2)和不同于第一尺寸的第二尺寸(例如，不小于1厘米、2厘米或3厘米)(例如，图1d中的尺寸d1或尺寸d3)。
100.在一些实施方案中，连续体积的有机单晶或多晶结构(例如，固体晶体115)包括多环芳族烃分子中的至少一种：萘、蒽、并四苯、并五苯、芘、多烯(polycene)、荧蒽、二苯甲酮、苯并色烯、苯偶酰、苯并咪唑、苯、六氯苯、硝基吡啶-n-氧化物、苯-1,4-二甲酸、二苯基乙炔、n-(4-硝基苯基)-(s)-脯氨醛(prolinal)、4,5-二氰基咪唑、苯并二噻吩、氰基吡啶、噻吩并噻吩、二苯乙烯、偶氮苯及其衍生物。
101.在一些实施方案中，连续体积的有机单晶或多晶结构包括含有环结构体系和两个末端基团体系的分子。环结构体系包括饱和的环状基团，诸如环己烷、环戊烷、四氢吡喃、哌啶、四氢呋喃、吡咯烷、四氢噻吩及其衍生物。环结构体系还包括不饱和的芳族基团，诸如苯、萘、蒽、噻吩、联苯、二苯乙炔、苯并咪唑、二苯基乙炔、氰基吡啶、噻吩并噻吩、二苯并噻吩、咔唑、硅芴及其衍生物。末端基团体系包括一个或更多个c1-c10烷基、烷氧基、烯基基团、-cn、-ncs、-scn、-sf5、-br、-cl、-f、-ocf3、-cf3、单氟化的或多氟化的c
1-c
10
烷基基团或烷氧基基团。
102.在一些实施方案中，连续体积的有机单晶或多晶结构包括结晶聚合物，所述结晶聚合物具有带有芳族烃或杂芳烃基团及其衍生物的前体。这样的聚合物的实例包括聚萘二甲酸乙二醇酯、聚(乙烯基苯硫醚)、聚(α-甲基苯乙烯)、聚噻吩并噻吩、聚噻吩、聚(n-乙烯基邻苯二甲酰亚胺)、聚对二甲苯、多硫化物、聚砜、聚(溴苯基)、聚(乙烯基萘)、具有具有上文描述的官能团(例如，末端基团)的前体的液晶聚合物。
103.在一些实施方案中，连续体积的有机单晶或多晶结构包括具有脂族基团、杂脂族基团、芳族烃基团或杂芳烃基团(例如，聚苯乙烯)的无定形聚合物作为粘合剂。在一些实施方案中，有机固体晶体层包括添加剂，诸如脂肪酸、脂质、增塑剂和表面活性剂(例如，具有单氟化的或多氟化的烷基基团或烷氧基基团的分子)。
104.在一些实施方案中，连续体积的有机单晶或多晶结构由一种或更多种有机晶体分子形成，所述有机晶体分子选自由式1-1至式1-46、式2-1至
105.式2-4和式3-1至式3-28的有机晶体分子组成的组：
106.107.[0108][0109]
其中r独立地选自由以下组成的组：ch3、h、oh、甲氧基(ome)、乙氧基(oet)、异丙氧化物(isopropoxide)(oipr)、f、cl、br、i、ph、no2、so3、so2me、异丙基(ipr)、丙基(pr)、叔丁基(t-bu)、仲丁基(sec-bu)、乙基(et)、乙酰基、sh、s-甲基(sme)、羧基、醛、酰胺、腈、酯、so2nh3、nh2、n-二甲基(nme2)、n-甲基(nmeh)和c2h2。
[0110]
[0111][0112]
其中r1独立地选自由以下组成的组：ch3、h、oh、ome、oet、oipr、f、cl、br、i、ph、no2、so3、so2me、ipr、pr、t-bu、sec-bu、et、乙酰基、sh、sme、羧基、醛、酰胺、腈、酯、so2nh3、nh2、
nme2、nmeh和c2h2，n大于或等于1并且n1大于或等于零。
[0113]
[0114][0115]
其中r2独立地选自由以下组成的组：ch3、h、oh、ome、oet、oipr、f、cl、br、i、ph、no2、so3、so2me、ipr、pr、t-bu、sec-bu、et、乙酰基、sh、sme、羧基、醛、酰胺、腈、酯、so2nh3、nh2、nme2、nmeh和c2h2，并且n1大于或等于零。*对映异构体纯的化合物或外消旋混合物。**桥官能团的实例。***受体官能团的实例。****供体官能团的实例。
[0116]
在一些实施方案中，连续体积的有机单晶或多晶结构由有机盐形成，所述有机盐包括阴离子分子(例如，下面的式5-1至式5-11)和阳离子分子(例如，下面的式5-12至式5-25)的组合。在一些实施方案中，阴离子分子或阳离子分子中的至少一种是有机的(例如，阴离子分子是有机的，而阳离子分子不是有机的，阳离子分子是有机的，而阴离子分子不是有机的，或者阴离子分子和阳离子分子两者均是有机的)。在一些实施方案中，连续体积的有机单晶或多晶结构包括选自式5-1至式5-11的阴离子分子和选自式5-12至式5-25的阳离子
分子的组合。
[0117]
[0118][0119]
其中r3独立地选自由以下组成的组：ch3、h、oh、ome、oet、oipr、f、cl、br、i、ph、no2、so3、so2me、ipr、pr、t-bu、sec-bu、et、乙酰基、sh、sme、羧基、醛、酰胺、腈、酯、so2nh3、nh2、nme2、nmeh和c2h2。*阴离子分子。**阳离子分子。
[0120]
在一些实施方案中，连续体积的有机单晶或多晶结构在配向层(例如，图1a中的配向结构110)上形成。在一些实施方案中，配向层包括受控成核表面(例如，在诸如图1a中的基底105的基底的表面上的多于一个受控成核位点)。在一些实施方案中，受控成核表面包括非聚合物基包覆层，所述包覆层选自硅烷基氟化基团、烷基基团、环状脂族基团、环状芳族基团、杂芳烃基团、有机小分子基晶体、以及式6-1至式6-5中的任一种：
[0121][0122]
其中r3独立地选自由以下组成的组：ch3、h、oh、ome、oet、oipr、f、cl、br、i、ph、no2、so3、so2me、ipr、pr、t-bu、sec-bu、et、乙酰基、sh、sme、羧基、醛、酰胺、腈、酯、so2nh3、nh2、nme2、nmeh和c2h2。*对映异构体纯的化合物或糖的外消旋混合物，开环或闭环。**对映异构体纯的化合物或外消旋混合物。
[0123]
图2a-图2d示意性地图示了根据多种实施方案的光学器件的x-z截面图。在图2a-图2d所示的实施方案中，相应的固体晶体膜中的晶体分子可以以预定的配向图案(例如，预定的方向)基本上均匀地配向。图2a-图2d所示的光学器件可以包括与图1a所示的光学器件100或图1b所示的光学器件150中包括的结构或元件相同或相似的结构或元件。在图2a-图2d所示的实施方案中包括的相同或相似的结构或元件的描述可以参考以上描述，包括结合图1a和图1b所示的实施方案呈现的描述。
[0124]
如图2a所示，光学器件200可以包括基底201、设置在基底201处(例如，设置在基底201上或至少部分地设置在基底201中)的配向结构202、以及设置在配向结构202处(例如，设置在配向结构202上)的固体晶体膜203。固体晶体膜203可以是膜、层或板的形式。为了便于讨论，固体晶体203也可以被称为固体晶体203或固体晶体层203。为了说明的目的，基底201、配向结构202和固体晶体膜203被示出为具有平坦形状。在一些实施方案中，基底201、配向结构202或固体晶体膜203中的至少一种可以具有弯曲形状。固体晶体膜203可以与配向结构202接触，并且包含在固体晶体膜203中的晶体分子204可以通过配向结构202至少部分地配向。在一些实施方案中，包含在固体晶体膜203中的晶体分子204的每一层可以在x-y平面中平坦地位于配向结构202上，并且可以遵循垂直于固体晶体膜203的厚度方向206(例如，z轴方向)的x-y平面内的取向或配向方向205(由如图2a所示的箭头表示)。例如，晶体分子204可以沿着x轴方向在空间上均匀地配向，如图2a所示。可以沿着z轴方向设置(例如生长)多层晶体分子204，以形成固体晶体膜203。为了讨论的目的，每个分子204被描绘为具有纵向方向(或长度方向)和横向方向(或宽度方向)，并且分子204的轴被假定为在分子204的纵向方向上，沿着分子204的最高折射率的假定轴。如图2a所示，分子204的轴的取向通过配向结构202在配向方向205上均匀地配向。也就是说，分子204的不同层可以基本上在相同的配向方向205上配向。包括分子204的纵向方向和横向方向的平面平行于基底201的表面或x-y平面(即，分子204平坦地位于x-y平面上)。为了说明的目的，固体晶体膜203或固体晶体
层203中的晶体分子204被绘制成具有相同的形状。在一些实施方案中，固体晶体层中的晶体分子204可以是相同的(例如，相同晶体材料的分子)。在一些实施方案中，一个固体晶体层中的晶体分子204可以包括两种或更多种不同的分子(例如，两种或更多种不同晶体材料的分子)。
[0125]
如图2b所示，光学器件220可以包括固体晶体膜223。包含在固体晶体膜223中的晶体分子224可以通过配向结构222至少部分地配向。在图2a所示的实施方案中，晶体分子204平坦地位于x-y平面上(例如，包括晶体分子204的纵向方向和横向方向的平面平行于基底201的表面，或x-y平面)。在图2b所示的实施方案中，晶体分子224可以不平坦地位于x-y平面上，但可以平坦地位于x-z平面上。也就是说，包括晶体分子204的纵向方向和横向方向的平面可以垂直于基底221的表面，或x-y平面。晶体分子224的每一层可以遵循垂直于固体晶体膜223的厚度方向226(例如，z轴方向)的x-y平面内的取向或配向方向225(由如图2b所示的箭头表示)。例如，晶体分子224可以沿着x轴方向在空间上均匀地配向，如图2b所示。换句话说，分子224的轴的取向可以通过配向结构222均匀地配向。也就是说，分子224的不同层可以在相同的配向方向225上均匀地配向。
[0126]
如图2c所示，光学器件240可以包括固体晶体膜243。包含在固体晶体膜243中的晶体分子244可以通过配向结构242至少部分地配向。x-z平面中的每个晶体分子244的纵向方向(例如，轴的取向)可以相对于基底241的表面(或配向结构242的表面)形成角度。例如，晶体分子244可以遵循x-z平面内的取向或配向方向245(由如图2c所示的箭头表示)。也就是说，分子244的轴的取向可以在x-z平面中在配向方向245上均匀地配向，相对于基底241的表面(或配向结构242的表面)形成合适的角度。晶体分子244相对于基底241的表面的角度(例如，分子244的轴的取向)可以是任何合适的角度，诸如30
°
、45
°
等。在一些实施方案中，包含在固体晶体膜243中的晶体分子244可以在适当的晶体生长条件下具有其他合适的取向或配向方向。例如，晶体分子244可以遵循固体晶体膜243的厚度方向(例如，z轴方向)上的取向或配向方向。
[0127]
如图2d所示，光学器件260可以包括交替布置的多个连续的固体晶体膜和多个配向结构(例如，配向层)的堆叠。为了说明的目的，两个固体晶体膜263a和263b以及两个配向结构262a和262b被示出为包括在光学器件260中。包含在固体晶体膜263a中的晶体分子264a可以通过配向结构262a至少部分地配向，并且包含在固体晶体膜263b中的晶体分子264b可以通过配向结构262b至少部分地配向。多个配向结构可以界定相同或不同的预定配向图案，用于对设置在其上的晶体分子配向。在图2d所示的实施方案中，两个配向结构可以为包含在相应的固体晶体膜中的晶体分子提供基本上相同的配向图案。例如，晶体分子264a和264b可以在x轴方向265a和265b上配向，如图2d所示。尽管每个固体晶体膜263a和263b被示出为类似于图2b所示的固体晶体膜223，但是在一些实施方案中，每个固体晶体膜263a和263b可以类似于图2a所示的固体晶体膜203或图2c所示的固体晶体膜243。
[0128]
图3a和图3b示意性地图示了根据多种实施方案的光学器件的俯视图(例如，x-y截面图)。在图3a和图3b所示的实施方案中，相应的固体晶体膜中的晶体分子可以以预定的图案(例如，以预定的方向)基本上均匀地配向。图3a和图3b所示的光学器件可以包括与图1a-图2d所示的光学器件(例如，图1a所示的光学器件100)中包括的结构或元件相同或相似的结构或元件。在图3a和图3b所示的实施方案中包括的相同或相似的结构或元件的描述可以
参考以上描述(包括例如结合图1a所示的实施方案呈现的描述)。图3a和图3b的俯视图中分子的特定配向是为了说明的目的。
[0129]
如图3a所示，光学器件300可以包括基底301、设置在基底301处(例如，设置在基底301上)的配向结构302、以及设置在配向结构302处(例如，设置在配向结构202上)的固体晶体膜303。固体晶体膜303可以与配向结构302接触。包含在固体晶体膜303中的晶体分子304可以通过配向结构302被至少部分地配向。包含在固体晶体膜303中的晶体分子304可以平坦地位于配向结构302上，并且可以遵循垂直于固体晶体膜303的厚度方向(例如，z轴)的平面(例如x-y平面)内的取向或配向图案(例如，方向305)(由如图3a所示的箭头表示)。例如，晶体分子304可以沿着图3a中的x轴方向配向。换句话说，分子的轴的取向可以在配向方向305上配向。在一些实施方案中，晶体分子304可以沿着y轴方向配向。在一些实施方案中，晶体分子304可以在x-y平面内在合适的方向上配向。在一些实施方案中，具有图3a所示的俯视图的光学器件300可以具有图2a所示的对应的横截面图。
[0130]
如图3b所示，光学器件320可以包括基底321、设置在基底321处(例如，设置在基底321上)的配向结构322、以及设置在配向结构322处(例如，设置在配向结构322上)的固体晶体膜323。包含在固体晶体膜323中的晶体分子324可以平坦地位于配向结构322上，并且可以遵循垂直于固体晶体膜323的厚度方向(例如，z轴)的平面(例如x-y平面)内的取向或配向图案(例如，方向325)(由如图3b所示的箭头表示)。换句话说，分子的轴的取向可以在配向方向325上配向。配向方向325可以相对于x轴或y轴形成角度。可以配置任何合适的角度。例如，在一些实施方案中，晶体分子324可以在相对于x轴方向具有约45
°
的角度的方向上配向。
[0131]
图4a-图4c示意性地图示了根据多种实施方案的光学器件的x-z截面图。图4a-图4c所示的光学器件可以包括弯曲的基底和弯曲的固体晶体膜，并且可以用作弯曲的光波导。图4a-图4c所示的光学器件可以包括与图1a-图3b所示的光学器件(例如，图1a所示的光学器件100)中包括的结构或元件相同或相似的结构或元件。在图4a-图4c所示的实施方案中包括的相同或相似的结构或元件的描述可以参考以上描述(包括例如结合图1a所示的实施方案呈现的描述)。
[0132]
如图4a所示，光学器件400可以包括基底401、设置在基底401处(例如，设置在基底401上)的配向结构402、以及设置在配向结构402处(例如，设置在配向结构402上)的固体晶体膜403。固体晶体膜403可以与配向结构402接触。包含在固体晶体膜403中的晶体分子404可以通过配向结构402至少部分地配向。包含在固体晶体膜403中的晶体分子404在固体晶体膜403中可以具有基本上均匀的取向或配向。基底401可以包括一个或更多个弯曲的表面。例如，基底401的上表面和下表面中的一个或两个可以具有弯曲的形状。在一些实施方案中，设置在基底401处的配向结构402可以包括一个或更多个弯曲的表面。例如，配向结构402的面向基底401的上表面的至少下表面可以具有弯曲的形状。配向结构402的弯曲形状可以与基底401的上表面的弯曲形状相匹配。在一些实施方案中，如图4a所示，基底401和配向结构402两者均可以具有凸起形状。在一些实施方案中，配向结构402可以被直接形成(例如，蚀刻)在基底401的弯曲表面上。
[0133]
固体晶体膜403可以具有第一表面和相对的第二表面。固体晶体膜403的第一表面和第二表面中的一个或两个可以是非直线的。在一些实施方案中，固体晶体膜403的第一表
面和第二表面两者均可以是非直线的。例如，固体晶体膜403的第一表面(例如上表面)和第二表面(例如下表面)两者均可以具有与配向结构402的弯曲形状相匹配的弯曲形状。例如，如图4a所示，固体晶体膜403可以具有可以与基底402的凸起形状相匹配的凸起形状。固体晶体膜403可以经由tir引导电磁辐射(例如，光)以在固体晶体膜403内进行内部传播。在一些实施方案中，固体晶体膜403可以在基底401的顶表面上生长。生长过程可以包括首先将配向结构402设置在基底401的顶表面上，并且然后在配向结构402上外延沉积(例如生长)晶体分子404。在一些实施方案中，固体晶体膜403的前表面(或顶表面)和相对的后表面(或底表面)可以不彼此平行。
[0134]
如图4b所示，光学器件420可以包括具有凹形形状的基底421、具有凹形形状的配向结构422和具有凹形形状的固体晶体膜423。尽管在图4b所示的实施方案中，配向结构422被示出为设置在基底421上的单独的元件，但是在一些实施方案中，配向结构422可以被直接形成(例如，蚀刻)在基底421的弯曲表面上。配向结构422可以被配置成使固体晶体分子423以预定的配向图案至少部分地配向。
[0135]
如图4c所示，光学器件440可以包括弯曲的(例如，凹形)固体晶体膜443。在一些实施方案中，弯曲的固体晶体膜443可以通过在晶体生长过程期间成形弯月面来获得。晶体分子444可以在生长过程期间基于弯月面的形状配向。在这样的一些实施方案中，在固体晶体膜443的制造过程期间，可以省略配向结构和基底。
[0136]
图5a示意性地图示了根据一些实施方案的具有输入耦合元件和输出耦合元件的光波导500的x-z截面图。图5a所示的光波导500可以包括与图1a-图4c所示的光学器件中包括的结构或元件相同或相似的结构或元件。在图5a所示的实施方案中包括的相同或相似的结构或元件的描述可以参考以上描述(包括例如结合图1a所示的实施方案呈现的描述)。
[0137]
如图5a所示，光波导500可以是弯曲的光波导。光波导500可以包括基底501、设置在基底501处(例如，设置在基底501上)的配向结构502、以及设置在配向结构502处(例如，设置在配向结构502上)的固体晶体膜(或固体晶体)503。固体晶体膜503可以与配向结构502接触。固体晶体膜503中的晶体分子504可以通过配向结构502至少部分地配向。例如，包含在固体晶体膜503中的晶体分子504可以在固体晶体膜503内基本上均匀地配向。换句话说，配向结构502可以包括配向结构图案或者界定配向结构图案，用于使设置在配向结构502上的晶体分子504的至少一部分配向。在一些实施方案中，晶体分子504可以以均匀的预定配向图案配向，如图5a所示。在一些实施方案中，光波导500的厚度可以是约300μm至约1mm，并且光波导500的至少一个横向尺寸可以是约30mm至约100mm。
[0138]
光波导500可以被配置成在设置于光波导500的侧面(例如，上侧)的一个或更多个输入耦合元件505处接收输入光507。输入光507的波长可以在可见光谱或近ir光谱中。一个或更多个输入耦合元件505可以被配置成将输入光507耦合到光波导500中作为输入耦合光508。光波导500可以经由全内反射(“tir”)将输入耦合光508引导至设置在光波导500处的一个或更多个输出耦合元件506。输入耦合光508也可以被称为全内反射光508。一个或更多个输出耦合元件506可以被设置在远离一个或更多个输入耦合元件505的侧面(例如，上侧)。一个或更多个输出耦合元件506可以被配置成将输入耦合光508耦合出光波导500作为输出光509，该输出光509可以被传送到用户的眼睛或其他光学元件。在图5a所示的实施方案中，一个或更多个输入耦合元件505和一个或更多个输出耦合元件506被设置在光波导
500的相同侧面或表面。在一些实施方案中，一个或更多个输入耦合元件505和一个或更多个输出耦合元件506可以被设置在光波导500的不同侧面或表面。
[0139]
光波导500可以包括第一表面(或侧面)500-1和相对的第二表面(或侧面)500-2。固体晶体膜503可以包括第一表面(或侧面)503-1和相对的第二表面(或侧面)503-2。基底501可以包括第一表面(或侧面)501-1和相对的第二表面(或侧面)501-2。在一些实施方案中，光波导500的第一表面(或侧面)500-1也可以是固体晶体膜503的第一表面(或侧面)503-1，并且光波导500的第二表面(或侧面)500-2也可以是基底501的第二表面(或侧面)501-2。
[0140]
在一些实施方案中，输入耦合元件505可以被设置在光波导500的第一表面500-1或第二表面500-2处。例如，在一些实施方案中，输入耦合元件505可以是第一表面500-1或第二表面500-2的整体部分。在一些实施方案中，输入耦合元件505可以是被附接到、结合到、附连到或以其他方式耦合到第一表面500-1或第二表面500-2的单独的元件。
[0141]
在一些实施方案中，输出耦合元件506可以被设置在光波导500的第一表面500-1或第二表面500-2处。例如，在一些实施方案中，输出耦合元件506可以是第一表面500-1或第二表面500-2的整体部分。在一些实施方案中，输出耦合元件506可以是被附接到、结合到、附连到或以其他方式耦合到第一表面500-1或第二表面500-2的单独的元件。在一些实施方案中，输入耦合元件505和输出耦合元件506可以被设置在光波导500的相同表面或不同表面。在一些实施方案中，尽管未在图5a中示出，但输入耦合元件505或输出耦合元件506中的至少一个可以被设置在光波导500的第二表面500-2处。
[0142]
在一些实施方案中，输入耦合元件505和输出耦合元件506可以被设置在固体晶体膜503的相同表面或不同表面处。例如，尽管图5a示出了输入耦合元件505和输出耦合元件506被设置在固体晶体膜503的第一表面503-1上，但是输入耦合元件505和输出耦合元件506中的至少一个可以被设置在固体晶体膜503的第二表面503-2处。在一些实施方案中，输入耦合元件505和输出耦合元件506可以被设置在基底501的相同表面或不同表面处。例如，输入耦合元件505或输出耦合元件506中的至少一个可以被设置在基底501的第一表面501-1或基底501的第二表面501-2处。在一些实施方案中，当输入耦合元件505或输出耦合元件506中的一个被设置在基底501的第二表面(侧面)501-2处时，输入耦合元件505或输出耦合元件506中的另一个可以被设置在固体晶体膜503的第一表面(侧面)503-1处。输入耦合元件505和输出耦合元件506可以被设置在多个位置的组合处，包括固体晶体膜503的第一表面503-1、固体晶体膜503的第二表面503-2、配向结构502的面向固体晶体膜503的第一表面、配向结构502的面向基底501的第二表面、基底的第一表面501-1或基底501的第二表面501-2。
[0143]
在一些实施方案中，输入耦合元件505可以包括一维(“1d”)衍射光栅或二维(“2d”)衍射光栅，其可以被称为输入耦合衍射光栅。1d衍射光栅可以沿着一个轴衍射光束，并且2d衍射光栅可以沿着两个轴衍射光束。在一些实施方案中，可以通过使两个1d光栅结构正交地重叠来产生2d衍射光栅。可以配置输入耦合衍射光栅的间距，使得输入耦合衍射光栅可以被配置成经由衍射以合适的角度将输入光507耦合到光波导500中，并且输入耦合光508可以经由tir在光波导500内传播。在一些实施方案中，输出耦合元件506可以包括1d衍射光栅或2d衍射光栅，其可以被称为输出耦合衍射光栅。可以配置输出耦合衍射光栅的
间距，使得输出耦合衍射光栅可以将通过tir在光波导500内部传播的光508经由衍射耦合出光波导500。在一些实施方案中，输入耦合衍射光栅或输出耦合衍射光栅中的至少一个可以是偏振相关的。例如，输入耦合衍射光栅或输出耦合衍射光栅中的至少一个可以选择性地衍射具有第一偏振的光，并且在可忽略不计的衍射或没有衍射的情况下透射具有不同偏振的光。
[0144]
在一些实施方案中，输入耦合衍射光栅或输出耦合衍射光栅中的至少一个可以包括被配置(例如，蚀刻)在基底501或固体晶体膜503中的1d周期性结构或2d周期性结构(例如，脊)。在一些实施方案中，1d周期性脊或2d周期性脊可以被配置(例如，蚀刻)在图5a所示的基底501的上部部分中。在一些实施方案中，1d周期性脊或2d周期性脊可以被配置(例如，蚀刻)在图5a所示的固体晶体膜503的上部部分和/或下部部分中。在一些实施方案中，输入耦合衍射光栅或输出耦合衍射光栅中的至少一个可以包括在设置于光波导500处的单独的聚合物或玻璃中配置(例如，蚀刻)的1d周期性脊或2d周期性脊。在一些实施方案中，输入耦合衍射光栅或输出耦合衍射光栅中的至少一个可以由以光敏材料记录的体全息图形成。
[0145]
图5b示意性地图示了根据一些实施方案的具有输入耦合元件和输出耦合元件的光波导520的x-z截面图。图5b所示的光波导520可以包括与图1a-图4c所示的光学器件(例如，图2d所示的光学器件260)中包括的结构或元件相同或相似的结构或元件。光波导520可以包括与图5a所示的光波导500中包括的结构或元件相同或相似的结构或元件。在图5b所示的实施方案中包括的相同或相似的结构或元件的描述可以参考以上描述。
[0146]
如图5b所示，光波导520可以是平坦的光波导。光学器件520可以包括交替布置的多个连续的固体晶体膜和多个配向结构的堆叠。包含在固体晶体膜中的晶体分子可以通过其上设置固体晶体膜的配向结构被至少部分地配向。为了说明的目的，图5b所示的光学器件520可以包括基底521、第一固体晶体膜523a和第二固体晶体膜523b、以及第一配向结构522a和第二配向结构522b。第一配向结构522a可以被设置在基底521的表面(例如，基底521的顶表面)处(例如，被设置在基底521的表面)(例如，基底521的顶表面)上。第一固体晶体膜523a可以被设置在第一配向结构522a的表面(例如，第一配向结构522a的顶表面)处(例如，被设置在第一配向结构522a的表面(例如，第一配向结构522a的顶表面)上)。第二配向结构522b可以被设置在第一固体晶体膜523a的表面(例如，第一固体晶体膜523a的顶表面)处(例如，被设置在第一固体晶体膜523a的表面(例如，第一固体晶体膜523a的顶表面)上)。第二固体晶体膜523b可以被设置在第二配向结构522b的表面(例如，第二配向结构522b的顶表面)处(例如，被设置在第二配向结构522b的表面(例如第二配向结构522b的顶表面)上)。
[0147]
第一配向结构522a可以包括第一配向结构图案或者界定第一配向结构图案，用于使包含在第一固体晶体膜523a中的晶体分子524a的至少一部分至少部分地配向。晶体分子524a可以以第一预定的配向图案配向，该第一预定的配向图案可以与第一配向结构图案相同或者可以与第一配向结构图案不相同。第二配向结构522b可以包括第二配向结构图案或者界定第二配向结构图案，用于使包含在第二固体晶体膜523b中的晶体分子524b的至少一部分至少部分地配向。晶体分子524b可以以第二预定的配向图案配向，该第二预定的配向图案可以与第二配向结构图案相同或者可以与第二配向结构图案不相同。第一配向结构图案可以与第二配向结构图案相同或者可以与第二配向结构图案不相同。换句话说，第一配
向结构可以与第二配向结构相同或者可以与第二配向结构不相同。
[0148]
包含在第一固体晶体膜523a中的晶体分子524a可以具有或可以不具有与包含在第二固体晶体膜523b中的晶体分子524b相同的性质。在一些实施方案中，晶体分子524a可以是与晶体分子524b相同类型的晶体分子。在一些实施方案中，晶体分子524a可以以第一预定的配向图案配向，并且晶体分子524b可以以第二预定的配向图案配向。第一预定的配向图案可以与第二预定的配向图案相同，或者可以与第二预定的配向图案不相同。在图5b所示的实施方案中，包含在第一固体晶体膜523a中的晶体分子524a和包含在第二固体晶体膜523b中的晶体分子524b以相同的预定配向图案(例如，相同的预定方向，诸如图5b所示的x轴方向)在空间上均匀地配向。
[0149]
光波导520可以包括一个或更多个输入耦合元件525，其被配置成将输入光527耦合到光波导520中。输入耦合光527可以经由tir作为光528在光波导520内传播。光波导520可以包括一个或更多个输出耦合元件526，其被配置成将光528耦合出光波导520作为输出光529。输入耦合元件525和输出耦合元件526可以被设置在光波导520中的多个位置组合处。例如，如图5b所示，输入耦合元件525和输出耦合元件526可以分别被设置在第二固体晶体膜523b的第一侧面(表面)523b-1和第一固体晶体膜523a的第二侧面(表面)523a-2处。在一些实施方案中，输入耦合元件525和输出耦合元件526可以各自包括一个或更多个1d衍射光栅或2d衍射光栅。
[0150]
在一些实施方案中，光波导520还可以包括引导元件530，该引导元件530被配置成将经由tir在光波导520内部传播的光528重定向到输出耦合元件526。引导元件530可以被设置在光波导520的合适的位置(或部分)处。例如，引导元件530可以被设置在第二固体晶体膜523b的第一侧面(表面)523b-1处，并且可以面向设置在第一固体晶体膜523a的第二侧面(表面)523a-2处的输出耦合元件526。在一些实施方案中，引导元件530和输出耦合元件526可以具有类似的结构。引导元件530可以包括例如1d衍射光栅或2d衍射光栅。可以配置衍射光栅的间距，使得引导元件530可以以预定的入射角将经由tir在光波导520内部传播的光528朝向输出耦合元件526引导。在一些实施方案中，引导元件530可以被称为折叠光栅。在一些实施方案中，多个功能，例如重定向、折叠和/或扩展光波导520的光瞳，可以被组合在单个衍射光栅中，例如被组合在输出耦合衍射光栅中。在一些实施方案中，上述光栅可以被分成多于一个区段(或子光栅)以提供其他功能，诸如用于平铺视场(“fov”)、传送不同颜色的单色图像等。
[0151]
在一些实施方案中，具有固体晶体膜中晶体分子的轴的空间上均匀的取向的所公开的光学器件，诸如图2a-图4c所示的光学器件，可以用作相位延迟器。参考图2b作为实例，为了有效地改变透射光的相位，入射到光学器件220上的线偏振光可以基本上沿着晶体分子224的配向方向225(例如，x轴方向)配向其偏振轴。用作相位延迟器的光学器件220可以可选择地或另外地被有效地配置成用作光学器件或光学系统中的偏振管理部件。例如，当相位延迟器被配置成对预定波长光谱(例如，可见光谱)中的光提供半波双折射率时，具有第一偏振方向的线偏振输入光(linearly polarized input light)可以被转换成具有垂直于第一偏振方向的第二偏振方向的线偏振输出光，或者圆偏振输入光可以被转换成具有相反旋向性的圆偏振输出光。当相位延迟器被配置成对预定波长光谱(例如，可见光谱)中的光提供四分之一波双折射率时，线偏振输入光可以被转换成圆偏振输出光，或者反之亦
然。
[0152]
图6a-图6c图示了根据多种实施方案的在相应的固体晶体膜中晶体分子的轴的空间上变化的取向的3d示意图。当晶体分子的轴的取向在空间上变化时，固体晶体的轴的取向也可以在固体晶体膜内在空间上变化。图6a-图6c所示的固体晶体膜和配向结构可以具有可以与上文描述的结构或部件(例如，上文结合图1a所示的光学器件100描述的那些)相同或相似的结构或部件。在图6a-图6c所示的实施方案中包括的固体晶体膜和配向结构的描述可以参考以上描述(包括例如结合图1a所示的实施方案呈现的描述)。
[0153]
如图6a所示，光学器件600可以包括固体晶体601(其可以是层、膜或板的形式)。为了讨论的目的，固体晶体601可以被称为固体晶体膜601。固体晶体膜601可以被设置在配向结构610上。在一些实施方案中，固体晶体膜601可以通过合适的晶体生长过程在配向结构610上形成。为了说明的目的，配向结构610被示出为薄层。配向结构610可以界定配向结构图案或包括配向结构图案，用于使固体晶体膜601的晶体分子至少部分地配向。
[0154]
固体晶体膜601可以包括多于一个晶体分子。晶体分子以层被设置在配向结构610上。例如，图6a所示的实施方案示出了6层晶体分子。为了说明的目的，仅标记了第一层晶体分子603a-603d(也被称为第一多于一个晶体分子603)、第二层晶体分子604a-604d(也被称为第二多于一个晶体分子604)和第三层晶体分子605a-605d(也被称为第三多于一个晶体分子605)。
[0155]
第一多于一个晶体分子603可以与配向结构610接触。第二多于一个晶体分子604和第三多于一个晶体分子605可以被设置在或被堆叠在第一多于一个晶体分子603上方或第一多于一个晶体分子603上，并且可以不与配向结构610接触。配向结构610可以使包含在固体晶体膜601中的晶体分子至少部分地配向。例如，与配向结构610接触的第一多于一个晶体分子603可以以由配向结构610提供的配向结构图案配向。
[0156]
如图6a所示，第一多于一个晶体分子603a-603d可以不在相同的方向或取向上配向。换句话说，晶体分子的轴的取向在空间上变化。附图标记602a-602d指示晶体分子的轴(沿着该轴，折射率可以最大)。如图6a所示，第一多于一个晶体分子603a-603d的轴602a-602d可以不在相同的方向或取向上配向。z轴方向上的每一层中的晶体分子(例如，第一多于一个晶体分子603)可以在平行于配向结构(例如，晶体分子604)的表面(例如，顶表面)的平面(例如，x-y平面)中具有空间上变化的取向和/或配向。该图案可以至少部分地由配向结构610的配向结构图案界定。结果，固体晶体的轴的取向也可以在固体晶体601内在空间上变化。
[0157]
在x-y平面中的每一层晶体分子中，晶体分子的轴的取向可以相对于相邻晶体分子的轴的取向旋转预定的旋转角度。例如，第一多于一个晶体分子603a-603d中的每一个可以使其对应的轴相对于同一层中(即，在同一x-y平面中)的相邻晶体分子旋转预定的旋转角度。例如，晶体分子603b的轴602b的取向可以相对于晶体分子603a的轴602a的取向旋转第一预定的旋转角度。晶体分子603c的轴602c的取向可以相对于晶体分子603b的轴602b的取向旋转第二预定的旋转角度。晶体分子603d的轴602d的取向可以相对于晶体分子603c的轴602c的取向旋转第三预定的旋转角度。第一预定的旋转角度、第二预定的旋转角度和第三预定的旋转角度可以相同或可以不相同。在一些实施方案中，第一预定的旋转角度、第二预定的旋转角度和第三预定的旋转角度可以相同。在一些实施方案中，第一预定的旋转角
度、第二预定的旋转角度和第三预定的旋转角度中的至少两个可以不同。
[0158]
与配向结构610接触的第一多于一个晶体分子603可以以配向结构610的配向结构图案配向。第二多于一个晶体分子604和第三多于一个晶体分子605(以及其他层中的其他晶体分子)可以遵循与第一多于一个晶体分子603相同的配向图案或者可以不遵循与第一多于一个晶体分子603相同的配向图案。在图6a所示的实施方案中，第二多于一个晶体分子604和第三多于一个晶体分子605(以及其他层中的其他晶体分子)遵循与第一多于一个晶体分子603相同的配向图案。也就是说，设置或堆叠在第一多于一个晶体分子603上的晶体分子的轴的取向遵循第一多于一个晶体分子603的轴的相同取向。换句话说，在被设置在第一多于一个晶体分子603上的晶体分子的每一层中，每个晶体分子的轴的取向与位于下层的对应的晶体分子的轴的取向相同。例如，晶体分子604b的轴的取向与晶体分子603b的轴的取向相同，并且晶体分子605b的轴的取向与晶体分子604b的轴的取向相同，等等。如图6a所示，第三层中晶体分子605a的轴607a的取向与第一层中晶体分子603a的轴602a的取向相同。晶体分子603a和晶体分子605a在z轴方向上处于同一列。
[0159]
如图6b所示，光学器件620可以包括固体晶体膜621和配向结构624。固体晶体膜621可以被设置在配向结构624上。在一些实施方案中，固体晶体膜621可以是胆甾相晶体膜。在一些实施方案中，固体晶体膜621可以包括手性晶体分子或掺杂有手性掺杂剂的晶体分子，并且光学器件620可以表现出手性，即旋向性。
[0160]
固体晶体膜621可以包括第一多于一个晶体分子623和堆叠或设置在第一多于一个晶体分子623上的第二多于一个(即，剩余的)晶体分子625。第一多于一个晶体分子623可以与配向结构624接触，而剩余的(即，第二多于一个)晶体分子625可以不与配向结构624接触。与配向结构624接触的晶体分子623可以在配向结构624的表面(例如，x-y平面内的顶表面)内在空间上均匀地配向。第二多于一个晶体分子625可以在垂直于配向结构624的表面的方向(例如，z轴方向)上以扭曲的螺旋结构堆叠。在图6b中，附图标记622a-622h指示每一层中晶体分子的轴的取向。在图6b所示的实施方案中，在每一层中，晶体分子的轴的取向是相同的(例如，在层中在空间上是均匀的)。如图6b所示，与配向结构624接触的晶体分子623的轴622a的取向可以在空间上是均匀的。也就是说，第一多于一个晶体分子623的轴622a在相同的方向或取向上配向。设置在第一多于一个晶体分子623上的第二多于一个晶体分子625的轴的取向可以在垂直于配向结构624的表面的方向(例如z轴方向)上具有螺旋扭曲。如图6b所示，每个轴622b-622h的取向可以相对于下层中的轴的取向旋转预定的旋转角度。在z轴方向上的两个相邻层之间的预定的旋转角度可以相同或可以不同(或者至少两个旋转角度可以不同)。在一些实施方案中，扭曲的螺旋结构或螺旋扭曲的旋向性(例如，晶体分子的轴的旋转方向)可以由手性晶体分子或手性掺杂剂的类型来确定。扭曲的螺旋结构或螺旋扭曲的间距可以由手性晶体分子的螺旋扭曲力或手性掺杂剂的螺旋扭曲力和浓度来确定。
[0161]
为了说明的目的，图6b示出了一个胆甾相晶体膜621。在一些实施方案中，多于一个胆甾相晶体膜可以一个在另一个之上或者并排堆叠，其中相邻的胆甾相晶体膜可以通过设置在两个相邻的胆甾相晶体膜之间的配向结构彼此隔开。相应的胆甾相晶体膜中的晶体分子的轴的取向可以在垂直于配向结构的表面的方向(例如z轴方向)上具有螺旋扭曲，一部分晶体分子沿着该配向结构配向。在一些实施方案中，相邻胆甾相晶体膜中的螺旋扭曲
可以具有相反的旋向性。在一些实施方案中，相邻胆甾相晶体膜中的螺旋扭曲可以具有相同的旋向性。
[0162]
图6c图示了光学器件640的3d示意图，该光学器件640包括由相应的配向结构644a-644h隔开的多个固体晶体膜641a-641h的堆叠。如图6c所示，固体晶体膜641a-641h中的晶体分子的轴的取向可以沿着垂直于配向结构的表面(或可以设置包括堆叠的光学器件640的基底的表面)的方向(例如z轴方向)从一个固体晶体膜旋转(例如逐渐旋转)到另一个固体晶体膜。在一些实施方案中，光学器件640可以用作光学旋转器。
[0163]
在第一固体晶体膜641a中，与第一配向结构644a接触的晶体分子643a的轴642a可以基本上在x-y平面内在第一方向或取向645a上取向，并且设置在第一固体晶体膜641a中的晶体分子643a上的其他晶体分子的轴可以基本上遵循第一取向645a。也就是说，第一固体晶体膜641a中的晶体分子的轴的取向可以在空间上是均匀的。结果，固体晶体641a的轴的取向可以在空间上是不变的(例如，恒定的)。在第二固体晶体膜641b中，与第二配向结构644b接触的晶体分子643b的轴642b可以基本上在x-y平面内在第二方向或取向645b上取向，并且设置在第二固体晶体膜641b内的晶体分子643b上的其他晶体分子的轴可以基本上遵循相同的第二取向645b。第二方向或取向645b可以与第一方向或取向645a相同或不同。例如，在一些实施方案中，第二方向或取向645b可以相对于第一方向或取向645a旋转约15
°
的角度。剩余的固体晶体膜641c-641h中晶体分子的轴的取向可以分别由配向结构644a-644h确定。剩余的固体晶体膜641c-641h中的晶体分子的轴的取向可以沿着垂直于第一配向结构644a的表面(或可以设置堆叠的基底的表面)的方向(例如z轴方向)从一个固体晶体膜旋转(例如逐渐旋转)到另一个固体晶体膜。堆叠中的配向结构644a-644h中的每一个可以使相应的固体晶体膜641a-641h中设置在其上的晶体分子的取向重置或重新配向，这可以有效地沿着z轴方向旋转固体晶体膜641a-641h的轴。
[0164]
pbp光学元件可以在垂直于光束传播的方向的平面上具有空间上变化的光轴。这样的平面还可以被称为横向平面或面内平面。lc已经被用于通过横向平面中空间上变化的lc指向矢来制造pbp光学元件。基于lc的pbp光学元件的光学特性可以取决于lc的折射率和/或双折射率。例如，偏振选择光栅的角带宽和衍射带宽可以随着lc的双折射率增加而增加。目前可用的lc可以具有高达约1.97的折射率和高达约0.3的双折射率。基于具有较高折射率和较大双折射率的材料的pbp光学元件对于减小尺寸和重量以及增强光学特性是高度合意的。本公开内容提供了基于所公开的固体晶体的pbp光学元件，该固体晶体在横向平面中具有轴的空间上变化的取向。也就是说，固体晶体的轴的取向可以被配置成在横向平面内在空间上变化，从而形成基于固体晶体的pbp光学元件。在一些实施方案中，基于固体晶体制造的pbp光学元件可以具有约500nm至约5μm的厚度。
[0165]
在横向平面中固体晶体的轴的取向可以被称为固体晶体的轴的平面内取向。在一些实施方案中，固体晶体的轴的空间上变化的平面内取向可以通过配置包含在固体晶体中的晶体分子的轴的空间上变化的平面内取向来实现。在一些实施方案中，包含在固体晶体中的晶体分子的轴的平面内取向可以通过以预定的平面内配向图案配向晶体分子来配置。在一些实施方案中，晶体分子的预定的平面内配向图案可以由其上配置(例如生长)固体晶体的配向结构来提供，如上文描述的。
[0166]
图7a图示了根据一些实施方案的透射型pbp光学元件或器件700的图，该透射型
pbp光学元件或器件700可以包括所公开的固体晶体或固体晶体膜701。固体晶体(或固体晶体膜)701可以是上文和本文描述的任何固体晶体的实施方案。在一些实施方案中，pbp光学器件700还可以包括一个或更多个配向结构，其在图7a中未示出。在一些实施方案中，pbp光学器件700可以包括一个或更多个基底，其在图7a中未示出。根据固体晶体膜701中晶体分子的平面内配向图案(或晶体分子的轴的平面内取向)，pbp光学器件700可以作为透射型pbp光学器件来操作，以提供一种或更多种光学功能，诸如作为棱镜、透镜、光束折射器、透镜阵列、棱镜阵列或其组合。
[0167]
图7b示意性地图示了根据一些实施方案，当图7a中的pbp光学器件700用作pbp光栅700时，晶体分子703的取向720的一部分的x-y截面图。如图7a和图7b所示，pbp光栅700可以包括配向结构704，该配向结构704被配置成使固体晶体膜701中的晶体分子703至少部分地配向。例如，与配向结构704接触的晶体分子703可以通过配向结构704配向，并且固体晶体膜701中的剩余的晶体分子703可以遵循已经被配向的相邻晶体分子703的配向。固体晶体膜701中的晶体分子703可以沿着一个或两个平面内方向被周期性地和线性地配向，使得固体晶体膜701中的晶体分子703的轴的取向可以沿着一个或两个平面内方向周期性地和线性地变化。
[0168]
为了说明的目的，图7b示出了晶体分子703的轴的取向可以沿着一个平面内方向(例如，图7b中的x轴方向)周期性地和线性地变化。晶体分子703的轴的平面内取向可以以线性重复模式沿着x轴方向以均匀的间距λ变化。pbp光栅700的间距λ可以是图案的重复部分之间沿着x轴的距离的一半。间距λ可以部分地确定pbp光栅700的光学特性。例如，沿着pbp光栅700的光轴(例如z轴)入射的圆偏振光可以具有光栅输出，该光栅输出包括分别对应于衍射级m＝+1、
–
1和0的初级光、共轭光和泄漏光。间距λ可以确定不同衍射级的衍射光的衍射角。在一些实施方案中，给定波长的光的衍射角可以随着间距λ的减小而增加。
[0169]
在一些实施方案中，pbp光栅700可以是无源pbp光栅，其具有两个光学状态，正状态和负状态(或者可以在两个光学状态，正状态和负状态操作)。pbp光栅700的光学状态可以取决于圆偏振输入光的旋向性和pbp光栅700中晶体分子的旋转的旋向性。图7c和图7d分别示意性地图示了根据一些实施方案的pbp光栅700的正状态和负状态的图。在一些实施方案中，如图7c所示，pbp光栅700可以响应于右旋圆偏振(“rhcp”)输入光705在正状态操作，并且可以将特定波长的rhcp输入光705衍射到正角度(例如+θ)。如图7d所示，pbp光栅700可以响应于左旋圆偏振(“lhcp”)光输入707在负状态操作，并且可以将特定波长的lhcp输入光707衍射到负角度(例如-θ)。此外，除了衍射光之外，pbp光栅700还可以反转透射穿过pbp光栅700的圆偏振光的旋向性。例如，在图7c所示的配置中，rhcp输入光705可以在穿过pbp光栅700之后被转换成lhcp输出光706。在图7d所示的配置中，lhcp输入光707可以在穿过pbp光栅700之后被转换成rhcp输出光708。在一些实施方案中，pbp光栅700可以响应于lhcp输入光在正状态操作，并且可以响应于rhcp输入光在负状态操作。对于特定波长的非偏振输入光，pbp光栅700可以分别将非偏振输入光的rhcp分量和lhcp分量衍射正角度(例如+θ)和负角度(例如-θ)。因此，pbp光栅700可以用作圆偏振分束器。
[0170]
在一些实施方案中，当圆偏振输入光的旋向性被另一光学器件切换时，pbp光栅700可以在正状态和负状态之间切换。例如，有源偏振开关可以被耦合到pbp光栅700。pbp光栅700可以接收来自有源偏振开关的光输出。有源偏振开关可以控制(例如，切换)入射到
pbp光栅700上的圆偏振光的旋向性，从而控制pbp光栅700的光学状态。根据有源偏振开关的操作状态(例如，非切换状态或切换状态)，有源偏振开关可以保持圆偏振光的旋向性或反转圆偏振光的旋向性。有源偏振开关的切换速度可以决定pbp光栅700的切换速度。在一些实施方案中，有源偏振开关可以包括可切换的半波片(“shwp”)。
[0171]
在一些实施方案中，当pbp光栅700中的固体晶体(或固体晶体膜)701被配置成处于无定形状态时，pbp光栅700可以在中性状态操作。在中性状态，pbp光栅700可以不衍射输入光，并且可以影响或可以不影响透射穿过pbp光栅700的光的偏振。在一些实施方案中，通过在配向的晶体状态和无定形状态之间切换固体晶体701，pbp光栅700可以在正状态/负状态和中性状态之间切换。在一些实施方案中，固体晶体701可以通过多种方法在配向的晶体状态和无定形状态之间切换，例如，通过基于偏振的切换、基于热的切换或基于外部场的切换等。在一些实施方案中，pbp光栅700可以用作可在正状态/负状态和中性状态之间切换的有源pbp光栅。
[0172]
图8a示意性地图示了根据一些实施方案，当图7a所示的pbp光学器件700用作pbp透镜700时，晶体分子803的取向820的一部分的x-y截面图。图8b图示了根据一些实施方案的在图8a所示的pbp透镜700中沿x轴截取的晶体分子803的取向820的一部分的截面。为了简化图示，包含在固体晶体膜701中的每个晶体分子803由图8a中的小棒表示，其中每个棒被描绘为具有纵向方向(或长度方向)和横向方向(或宽度方向)。也就是说，每个分子803被描绘为具有纵向方向(或长度方向)和横向方向(或宽度方向)，并且分子803的轴被假定为在分子803的纵向方向上，沿着分子803的最高折射率的假定轴。小棒的纵向方向(或长度方向)和横向方向(或宽度方向)可以分别对应于分子803的纵向方向(或长度方向)和横向方向(或宽度方向)。
[0173]
如图7a和图8a所示，pbp透镜700可以包括配向结构804，该配向结构804被配置成使包含在固体晶体膜701中的晶体分子803至少部分地配向。例如，与配向结构804接触的晶体分子803可以通过配向结构804配向，并且包含在固体晶体膜701中的剩余的晶体分子803(例如，设置在与配向结构804接触的晶体分子上的那些晶体分子)可以遵循已经被配向的相邻晶体分子803的配向。包含在固体晶体膜701中的晶体分子803的轴的取向可以沿着平面内径向方向(例如，半径方向)周期性地变化。
[0174]
pbp透镜700可以基于晶体分子803的轴的平面内取向产生透镜轮廓，其中相位差可以是t＝2θ，其中θ是晶体分子803的轴的取向和x轴方向之间的角度。参考图8a和图8b，晶体分子803的轴的取向可以从pbp透镜700的中心(o)805到边缘806连续地变化，具有可变的间距λ。间距被定义为晶体分子803之间的距离，其中晶体分子803的轴的取向从初始状态被旋转约180
°
。在中心805处的间距(λ0)最大，并且在边缘806处的间距(λr)最小，即λ0＞λ1＞...＞λr。在x-y平面中，对于具有透镜半径(r)和透镜焦距(+/-f)的pbp透镜700，θ可以满足其中λ是入射光的波长。晶体分子803的轴的连续平面内旋转可以通过从pbp透镜700的中心(0)805朝向边缘806移动而加速，使得所获得的周期性结构(例如间距)的周期可以减小。
[0175]
pbp透镜700可以是具有两种光学状态：聚焦状态和散焦状态的无源pbp透镜700。pbp透镜700的光学状态可以取决于入射到无源pbp透镜700上的圆偏振光的旋向性和pbp透
镜700中晶体分子的旋转的旋向性。图8c和图8d分别示意性地图示了根据一些实施方案的pbp透镜700的聚焦状态和散焦状态的图。为了简化图示，包含在固体晶体膜701中的晶体分子803在图8c和图8d中由小棒表示。在一些实施方案中，如图8c所示，pbp透镜700可以响应于rhcp输入光809在聚焦状态操作，并且可以具有
‘
f’的正焦距。如图8d所示，pbp透镜700可以响应于lhcp输入光807在散焦状态操作，并且可以具有
‘‑
f’的负焦距。此外，除了使光聚焦/散焦之外，pbp透镜700还可以反转透射穿过pbp透镜700的圆偏振光的旋向性。例如，在图8c所示的配置中，rhcp输入光809可以在穿过pbp透镜700之后被转换成lhcp输出光810。在图8d所示的配置中，lhcp输入光807可以在穿过pbp透镜700之后被转换成rhcp输出光808。在一些实施方案中，pbp透镜700可以响应于lhcp输入光在散焦状态操作，并且可以响应于rhcp输出光在聚焦状态操作。
[0176]
类似于无源pbp光栅，当圆偏振入射光的旋向性被另一光学器件切换时，pbp透镜700可以在聚焦状态和散焦状态之间切换。例如，有源偏振开关可以被耦合到pbp透镜700。pbp透镜700可以接收来自有源偏振开关的光输出。有源偏振开关可以控制(例如，切换)入射到pbp透镜700上的圆偏振光的旋向性，从而控制pbp透镜700的光学状态。根据有源偏振开关的操作状态(例如，非切换状态或切换状态)，有源偏振开关可以保持圆偏振光的旋向性或在圆偏振光透射穿过有源偏振开关之后反转圆偏振光的旋向性。有源偏振开关的切换速度可以决定pbp透镜700的切换速度。在一些实施方案中，有源偏振开关可以包括shwp。
[0177]
在一些实施方案中，当pbp透镜700中的固体晶体(或固体晶体膜)701被配置成处于无定形状态时，pbp透镜700可以在中性状态操作。在中性状态，pbp透镜700可以不对输入光聚焦/散焦，并且可以影响或可以不影响透射穿过pbp透镜700的光的偏振。在一些实施方案中，通过在配向的晶体状态和无定形状态之间切换固体晶体701，pbp透镜700可以在聚焦状态/散焦状态和中性状态之间切换。在一些实施方案中，固体晶体701可以通过多种方法在配向的晶体状态和无定形状态之间切换，例如，通过基于偏振的切换、基于热的切换或基于外部场的切换等。在一些实施方案中，pbp透镜700可以用作可在聚焦状态/散焦状态和中性状态之间切换的有源pbp透镜。
[0178]
除了图7a-图7d和图8a-图8d所示的透射型pbp光学元件或器件之外，反射型pbp光学元件或器件也可以基于所公开的固体晶体来实现。图9a图示了反射型pbp光学元件或器件900的图，该反射型pbp光学元件或器件900可以包括固体晶体或固体晶体膜901。固体晶体膜901可以是上文和本文描述的任何固体晶体或固体晶体膜的一些实施方案。在一些实施方案中，pbp光学器件900还可以包括一个或更多个配向结构，其在图9a中未示出。在一些实施方案中，pbp光学器件900还可以包括一个或更多个基底，其在图9a中未示出。根据固体晶体膜901中晶体分子的平面内配向图案(或晶体分子的轴的平面内取向)，pbp光学器件900可以作为具有一种或更多种光学功能的反射型pbp光学器件来操作。
[0179]
图9b示意性地图示了包含在光学器件920的固体晶体膜901中的晶体分子903(由903a、903b表示)的轴的取向的一部分的3d图，并且图9c示意性地图示了当图9a中的pbp光学器件用作反射pbp光栅时晶体分子903的轴的取向940的x-z截面图。为了讨论的目的，图9b中的每个分子903被描绘为具有纵向方向(或长度方向)和横向方向(或宽度方向)，分子903的轴被假定为在分子903的纵向方向上，沿着分子903的最高折射率的假定轴。为了简化跨过整个固体晶体膜901的晶体分子903的轴的取向的图示，包含在固体晶体膜901中的每
1000提供的vr图像中。
[0184]
图10b是根据一些实施方案的图10a所示的ned 1000的横截面俯视图。如图10b所示，显示系统1010(其可以表示右眼显示系统1010r或左眼显示系统1010l)可以是波导显示系统，其可以包括用于用户的一只或更多只眼睛1020的波导显示器或堆叠式波导显示器。例如，堆叠式波导显示器可以是包括波导显示器的堆叠的多色显示器(例如，红-绿-蓝(“rgb”)显示器)，其相应的单色光源可以被配置成发射不同颜色的光。在一些实施方案中，波导显示系统可以包括被配置成生成图像光的光源组件1035，以及被配置成向用户的眼睛1020输出扩展的图像光的输出波导1015。在一些实施方案中，输出波导1015可以用作ned 1000中的基于波导的合路器，以叠加虚拟世界图像和现实世界图像。基于波导的合路器可以用作显示窗口(例如，左显示窗口1015l或右显示窗口1015r)。输出波导1015可以包括一个或更多个输入耦合元件，所述输入耦合元件被配置成将来自光源组件的光耦合到输出波导中。在一些实施方案中，输出波导1015可以包括一个或更多个输出耦合(或去耦合)元件，所述输出耦合(或去耦合)元件被配置成将光耦合出输出波导朝向用户的眼睛1020。在一些实施方案中，输出波导1015可以包括一个或更多个引导元件，所述引导元件被配置成将由一个或更多个耦合元件输出的光引导至一个或更多个去耦合元件。
[0185]
在一些实施方案中，ned 1000可以包括变焦点/多焦点块1040。显示系统1010和变焦点/多焦点块1040一起可以向出射光瞳1025提供图像光。出射光瞳1025可以是用户的眼睛1020被定位的位置。为了说明的目的，图10b示出了与单只眼睛1020相关联的横截面图。与显示系统1010分离的类似显示系统和与变焦点/多焦点块1040分离的类似变焦点/多焦点块可以被包括在ned 1000的另一半(未示出)中，以将图像光引导至用户的另一只眼睛。
[0186]
在一些实施方案中，ned 1000可以包括眼睛跟踪系统(未示出)。眼睛跟踪系统可以包括，例如，被配置成照射用户的一只或两只眼睛的一个或更多个光源，以及一个或更多个照相机，所述一个或更多个照相机被配置成基于由光源发射并由一只或两只眼睛反射的光捕获用户的一只或两只眼睛的图像。在一些实施方案中，ned 1000可以包括自适应调光元件1045，其可以动态地调节通过ned 1000观察的现实世界对象的透射率，从而在vr器件和ar器件之间或在vr器件和mr器件之间切换ned1000。在一些实施方案中，连同在ar器件/mr器件和vr器件之间切换，自适应调光元件1045可以在ar器件和/mr器件中用于减少现实对象和虚拟对象之间的亮度的差异。
[0187]
在一些实施方案中，基于波导的合路器1015可以通过所公开的基于固体晶体膜的光学器件诸如图5a中的波导500或图5b中的波导520来实现，该固体晶体膜具有固体晶体膜内的晶体分子的轴的空间上均匀的取向。在一些实施方案中，设置在基于波导的合路器1015处的输入耦合元件、引导元件和/或输出耦合(或去耦合)元件可以通过所公开的基于固体晶体膜的光学器件来实现，该固体晶体膜在固体晶体膜的平面方向上具有晶体分子的轴的周期性和线性取向，所述光学器件诸如图7a-图7d所示的pbp光栅700，或图9a-图9c所示的反射pvg光栅900。与在常规的ned中使用的多种光栅诸如表面浮雕光栅(“srg”)和全息光栅(“hg”)相比，所公开的用作pbp光栅的光学器件在大视场和宽波长光谱(例如，可见波长带)上可以具有高效率，并且可以为用于vr应用、ar应用和/或mr应用的波导耦合ned提供优势。此外，图9a-图9c所示的反射pvg光栅900可以被配置成使具有特定旋向性的圆偏振光偏转，并且透射具有正交旋向性的圆偏振光。当反射pvg光栅900被用作在用于ar应用和/或
mr应用的ned 1000中组合所显示的图像和现实世界光的合路器时，现实世界光的总透射率可以被增加。基于高折射率固体晶体的波导合路器可以被配置成增加基于波导的ned的fov并通过将合路器板的数量减少到一个(从多个)来减少显示光学器件的重量，以用于有效的rgb输入和输出耦合。基于高折射率固体晶体的输入耦合元件、引导元件和/或输出耦合(或去耦合)元件(例如光栅)可以被配置成与用于ned的高折射率和高fov波导兼容。
[0188]
此外，图10b所示的变焦点/多焦点块1040可以被配置成调节从波导显示系统发射的光的距离，使得光出现在距用户的眼睛1020的预定焦距处。变焦点/多焦点块1040可以包括一个或更多个以光学串联布置的变焦点/多焦点结构。变焦点/多焦点结构可以被称为光学器件，该光学器件被配置成根据来自控制器的指令动态地调节其焦点。变焦点/多焦点结构可以包括一个或更多个具有固定的光焦度的单焦点透镜和/或一个或更多个具有可调(或可变)光焦度的变焦点或多焦点透镜。一个或更多个多焦点透镜可以通过所公开的基于固体晶体膜的光学器件诸如图8a-图8d所示的pbp透镜700来实现，该固体晶体膜在固体晶体膜的平面内径向方向上具有晶体分子的轴的周期性取向。
[0189]
所公开的光学器件在ned中的上文提到的应用仅是为了说明的目的。此外，所公开的基于固体晶体的光学器件也可以用于实现眼睛跟踪部件、显示分辨率增强部件和光瞳转向元件等，这不受本公开内容的限制。所公开的基于固体晶体的光学器件可以是重量轻、薄、紧凑和定制的。因此，通过使用所公开的光学器件作为ned中的多功能光学部件，ned的重量和尺寸可以被显著减小，同时光学性能和外观可以被增强，因此为未来的智能眼镜开辟了可能性。
[0190]
此外，所公开的在一个或更多个配向结构上形成的固体晶体可以在电子器件中实现，以改进其电子性能。常规的固体晶体，诸如多环烃，已经被用作柔性电子器件领域中多种有机电子器件中的有机半导体，所述有机电子器件诸如场效应晶体管(“fet”)、薄膜晶体管(“tft”)、光伏器件等。已经证明，改变常规的固体晶体的晶格常数(例如，压缩常规的固体晶体)可以增强电荷载流子迁移率，并且因此增强有机电子器件的电子传输性质。所公开的在一个或更多个配向结构上形成(例如生长)的固体晶体可以被配置成通过调节配向结构而具有可控量的应变，使得对于晶体可以获得特定的期望晶格。在一些实施方案中，应变可以跨过固体晶体变化，例如，应变可以在基于所公开的固体晶体的同一器件中变化。在一些实施方案中，应变可以跨过设置在同一基底处(例如，设置同一基底上)的多个固体晶体变化，例如，应变可以跨过包括相应的固体晶体的多个器件变化。在一些实施方案中，应变可以以特定的空间模式(诸如pbp型模式)变化，这可以有助于新的电子传输性质。
[0191]
本公开内容还提供了用于制造所公开的基于固体晶体形成的光学元件或器件的多种方法。这样的光学元件或器件可以包括本文公开的和上文描述的pbp光学元件或光波导。例如，图11a是图示出用于制造光学器件的方法1100的流程图。光学器件可以包括固体晶体。方法1100可以包括提供配向结构(步骤1105)。可以使用多种方法来提供配向结构。例如，可以在基底上提供配向结构。在一些实施方案中，配向结构可以作为单独的元件在基底的表面上形成(例如，沉积、包覆)。在一些实施方案中，配向结构可以通过合适的工艺(例如，蚀刻)在基底的表面上或至少部分地在基底的表面中一体地形成。在一些实施方案中，可以在不使用基底的情况下提供配向结构。例如，配向结构可以是预制结构。配向结构可以包括配向结构图案或界定配向结构图案。
[0192]
在一些实施方案中，提供配向结构可以包括以下中的至少一种：通过用光加工光敏材料在基底的表面上形成光配向层，在基底的表面上形成机械摩擦的配向层，在基底的表面上形成具有各向异性纳米压印的配向层，通过对基底的表面的湿法蚀刻或干法蚀刻直接在基底的表面上形成各向异性浮雕，基于沉积在基底的表面上的铁电材料或铁磁材料在基底的表面上形成配向结构，提供界定配向图案作为配向结构的结晶层或结晶基底，或者在磁场或电场的存在下通过结晶在基底的表面上形成配向结构。
[0193]
方法1100还可以包括在配向结构上形成固体晶体，该固体晶体包括以预定的配向图案配向的晶体分子，该预定的配向图案至少部分地由配向结构界定(步骤1110)。可以使用多种方法在配向结构上形成固体晶体(或固体晶体膜、层或板)。例如，在一些实施方案中，固体晶体可以基于熔融的固体晶体材料在配向结构上生长。因此，在配向结构上形成固体晶体可以包括在配向结构上生长固体晶体。在一些实施方案中，使用以下工艺中的至少一种来执行在配向结构上形成固体晶体：包括有机晶体分子束外延或有机晶体分子的热壁外延中的至少一种的气相沉积、经由热配向的溶剂辅助沉积、模具配向或表面配向、聚合物辅助的连续铸造、物理气相传输(如图15所示)、基于熔融晶体材料的晶体生长工艺(如图16所示)、温度辅助的区域退火(如图17所示)或旋涂。
[0194]
方法1100可以包括图11a中未示出的其他过程。例如，在一些实施方案中，可以提供多个配向结构，并且可以形成多个固体晶体(或固体晶体层)。配向结构可以是第一配向结构，预定的配向图案可以是第一预定的配向图案，固体晶体可以是第一固体晶体，并且晶体分子可以是第一晶体分子。方法1100还可以包括在第一固体晶体上提供第二配向结构，并在第二配向结构上形成第二固体晶体。第二固体晶体可以包括以第二预定的配向图案配向的第二晶体分子，该第二预定的配向图案至少部分地由第二配向结构界定。
[0195]
在一些实施方案中，通过方法1100形成的固体晶体可以是光学各向异性的，具有至少约1.5的主折射率和至少约0.1的光学各向异性(例如，双折射率)。固体晶体的主折射率可以是在平行于固体晶体的轴的方向上的折射率。固体晶体的轴可以是沿其固体晶体具有最高折射率的轴。
[0196]
图11b是图示出用于制造光学器件的方法1130的流程图，该光学器件可以包括固体晶体。方法1130可以包括提供彼此接触的熔融晶体材料和配向结构(步骤1135)。可以使用多种方法来提供彼此接触的熔融晶体材料和配向结构。在一些实施方案中，熔融晶体材料可以被包覆到配向结构上。在一些实施方案中，熔融晶体材料可以被沉积在配向结构上。在一些实施方案中，熔融晶体材料可以被引入到容器中，并且配向结构可以被设置在容器的至少一个壁(例如，底壁、侧壁)上。在一些实施方案中，配向结构可以被浸入或插入到熔融晶体材料中。
[0197]
方法1130还可以包括基于熔融晶体材料产生固体晶体，其中固体晶体包括以预定的配向图案配向的晶体分子，该预定的配向图案至少部分地由配向结构界定(步骤1140)。本文公开的多种方法可以用于基于熔融晶体材料来产生固体晶体。
[0198]
方法1130可以包括图11b中未示出的其他过程。例如，在一些实施方案中，产生固体晶体包括冷却熔融晶体材料。在一些实施方案中，产生固体晶体可以包括通过将晶种拉离管芯(die)来基于熔融晶体材料生长固体晶体。管芯可以包括至少一个毛细管(capillary)，该毛细管至少部分地被配置成允许熔融晶体材料在固体晶体的生长期间从
中流过。管芯还可以包括具有预定形状并具有配向结构的表面。根据配向结构，固体晶体可以沿着管芯的表面生长。
[0199]
图11c是图示出用于制造光学器件的方法1150的流程图，该光学器件可以包括固体晶体。方法1150可以包括在两个基底之间的空间中移动熔融晶体材料，同时保持熔融晶体材料和两个基底的两个相对的表面之间的接触，其中两个相对的表面中的每一个包括与熔融晶体材料接触的配向结构(步骤1155)。移动熔融晶体材料可以使用多种传输机构或移动机构来实现。例如，在一些实施方案中，机械机构诸如传送带或机械臂可以用于沿着两个基底移动熔融晶体材料，同时保持熔融晶体材料与两个基底的彼此面对的两个表面的接触。对于熔融晶体材料，可以通过合适的温度控制装置(例如，加热装置和/或控制器)来保持热梯度。方法1150还可以包括使用晶种从熔融晶体材料生长固体晶体，该固体晶体包括以预定的配向图案配向的晶体分子，该预定的配向图案至少部分地由配向结构界定(步骤1160)。方法1150还可以包括其他另外的步骤或可选择的步骤，诸如加工(例如，通过加热)固体晶体材料以产生熔融晶体材料。在一些实施方案中，固体晶体的生长可以通过其他合适的方法实现。例如，固体晶体的生长可以通过从有机材料蒸气生长来实现，使得在配向结构上存在蒸气的外延生长。该方法也可以适用于胆甾相(或扭曲的)生长。
[0200]
图11d是图示出用于制造光学器件的方法1170的流程图，该光学器件可以包括固体晶体。方法1170可以包括在坩埚中加工固体晶体材料以产生熔融晶体材料(步骤1175)。可以使用多种合适的方法来产生熔融晶体材料。例如，固体晶体材料可以由加热装置加热以产生熔融晶体材料。在一些实施方案中，固体晶体材料可以经历微波或高压以产生熔融晶体材料。方法1170还可以包括通过管芯的一个或更多个毛细管引导熔融晶体材料流到包括至少一个配向结构的表面上(步骤1180)。方法1170还可以包括使用晶种从熔融晶体材料生长固体晶体，该固体晶体包括以预定的配向图案配向的晶体分子，该预定的配向图案至少部分地由至少一个配向结构界定(步骤1185)。
[0201]
在一些实施方案中，管芯的表面可以具有预定的弯曲形状，并且生长的固体晶体可以具有与管芯的表面基本上相同的弯曲形状。换句话说，可以制造弯曲的固体晶体和/或弯曲的光学器件。
[0202]
在一些实施方案中，生长固体晶体可以包括将设置在管芯的顶部部分的晶种拉离管芯，以允许固体晶体沿着管芯的表面在弯月面-晶体界面处生长。所公开的方法还可以包括从坩埚中移除生长的固体晶体。所公开的方法还可以包括冷却从坩埚中移除的固体晶体。
[0203]
图12a至图12c图示了根据一些实施方案的用于制造包括固体晶体的光学器件的工艺。如图12a所示，可以提供基底1201。如图12b所示，配向结构1202可以被设置在基底1201的表面处(例如，被设置在基底1201的表面上)。在一些实施方案中，配向结构1202可以作为基底1201上的单独的元件形成。在一些实施方案中，配向结构1202可以作为基底1201的整体部分形成。例如，配向结构1202可以被蚀刻在基底1201的表面上或被至少部分地蚀刻在基底1201的表面中。在一些实施方案中，可以省略图12a所示的过程，并且可以在没有基底的情况下直接提供预制的配向结构1202。
[0204]
如图12c所示，固体(或熔融)晶体分子1203可以被设置(例如，沉积、包覆、形成、生长等)在配向结构1202上。在一些实施方案中，固体晶体分子1203可以基于熔融晶体材料在
配向结构1202上生长。在一些实施方案中，图12c所示的过程可以在包含熔融晶体材料的坩埚中进行。在一些实施方案中，配向结构可以设置在管芯处。配向结构1202可以包括配向结构图案或界定配向结构图案。配向结构1202可以使晶体分子1203以预定的配向图案至少部分地配向。配向结构图案可以与预定的配向图案相同或者可以不与预定的配向图案相同。在一些实施方案中，与配向结构1202接触的第一多于一个晶体分子可以以配向结构图案配向。布置(例如，包覆、生长等)在第一多于一个晶体分子上的其他晶体分子可以遵循第一多于一个晶体分子的配向和/或取向。在一些实施方案中，设置在第一多于一个晶体分子上的其他晶体分子可以相对于对应的第一多于一个晶体分子被扭曲或旋转。在一些实施方案中，晶体分子1203可以被均匀地配向。在一些实施方案中，晶体分子1203可以被不均匀地配向。例如，晶体分子1203的轴的取向可以不在相同的取向或方向上配向。相反，晶体分子1203的轴的取向可以在空间上变化。
[0205]
图13a至图13d图示了根据一些实施方案的用于制造包括固体晶体的光学器件的工艺。如图13a所示，可以提供基底1301。如图13b所示，可以提供配向结构1302。配向结构1302可以包括配向结构图案或界定配向结构图案，如由箭头1303所指示的。如图13c所示，晶体分子可以被设置(例如，形成、沉积、生长、包覆等)到配向结构1302上。第一多于一个(或第一层)晶体分子1304可以被设置在配向结构1302上。第一多于一个晶体分子1304可以由配向结构1302以配向结构图案配向。第二多于一个(或第二层)晶体分子1306可以被设置在第一多于一个晶体分子1304上。第二多于一个晶体分子1306可以遵循或可以不遵循与第一多于一个晶体分子1304相同的配向图案。在一些实施方案中，第二多于一个晶体分子1306可以遵循与第一多于一个晶体分子1304相同的配向图案，如图13c所示。在一些实施方案中，第二多于一个晶体分子1306可以相对于对应的第一多于一个晶体分子1304具有扭曲(或旋转)。如图13d所示，第三多于一个晶体分子1308可以被设置在第二多于一个晶体分子1304上。第三多于一个晶体分子1308可以遵循或可以不遵循与第二多于一个晶体分子1306相同的配向图案。可以在第三多于一个晶体分子1308上形成晶体分子的另外的层。在一些实施方案中，一个或更多个另外的配向结构可以被设置在晶体分子的不同层之间。
[0206]
在一些实施方案中，可以使用气相沉积方法来制造固体晶体。例如，有机晶体分子的气相沉积可以包括有机分子束外延和热壁外延中的一种或更多种。基底的表面可以被修改以控制分子取向，因此控制晶体取向。例如，配向结构可以在基底的表面上形成，以界定用于配向晶体分子的图案。六方氮化硼可以用化学气相沉积(“cvd”)来包覆，以产生范德华表面，从而允许有机固体晶体的独立薄膜。有机分子束外延可以使用超高真空条件。热壁外延可以使用高真空条件，诸如约10-6
毫巴。
[0207]
在一些实施方案中，可以使用溶剂辅助(或溶剂辅助)沉积方法来制造固体晶体。对于有机结晶，该方法可以与热/模具/表面配向相结合，以获得具有高纯度的大尺寸晶体。例如，固体晶体可以基于温度/溶剂辅助单晶形成工艺形成。在这样的工艺中，有机分子可以溶解在溶剂中。基底可以以均匀控制的温度放置在溶液中。可以在局部冷却的基底上进行重结晶。氧化的硅、热电偶可以用于控制温度。在一些实施方案中，固体晶体可以基于模具/温度辅助结晶过程形成。在该过程中，有机分子可以在高温在干燥过程期间在受限空间中自组装。该过程可以使用具有三氯(十八烷基)硅烷聚氨酯丙烯酸酯模具的氧化硅表面。在一些实施方案中，固体晶体可以基于聚合物辅助的连续铸造通过刮刀涂布工艺形成。聚
合物可以用于增加有机分子溶液的粘度，以避免膜的滑动。可以使用带有速度控制的刮刀的移动台。在一些实施方案中，固体晶体可以基于表面配向/溶剂辅助的图案化工艺形成。基底的表面可以被图案化以诱导分子配向。蒸气溶剂可以用于将分子朝向具有较低能量状态的构型转移。可以进行溶剂的受控的交换/移除以使分子固化。
[0208]
在一些实施方案中，固体晶体可以基于区域退火方法形成。例如，可以使用温度辅助的结晶过程。利用高于熔化温度的高温可以产生急剧的温度梯度。结晶的方向和/或纯度可以经由有机薄膜(其可以包覆在基底上)跨过热梯度的移动速度来控制。在该过程中可以使用具有急剧热梯度的移动台。
[0209]
图14示意性地图示了根据一些实施方案的用于制造光学器件的系统1400，该光学器件可以包括固体晶体。系统1400可以被配置成基于熔融晶体材料生长固体晶体。系统1400可以包括坩埚1405。固体晶体材料可以被放置在坩埚1405中，并且可以被加工(例如，被加热)以产生熔融晶体材料1410。在图14中未示出用于提高固体晶体材料或坩埚1405的温度的装置(例如，加热元件)和用于控制加热元件的控制器。管芯1415可以被设置在坩埚1405中。管芯1415可以包括多于一个毛细管，用于引导熔融晶体材料1410的流动。例如，管芯1415可以包括中心毛细管1431和环形毛细管1432。管芯1415可以包括表面1420。表面1420可以包括沉积或形成在表面1420上或至少部分地沉积或形成在表面1420中的配向结构(未标记)。配向结构可以界定配向结构图案或包括配向结构图案。配向结构可以被配置成使在配向结构上生长的晶体分子以预定的配向图案至少部分地配向。晶种1435可以被设置在管芯1415上。晶种1435可以从管芯1415拉离或移开，允许熔融晶体材料1410遵循晶种1435的移动。在熔融晶体材料1410和晶种1435之间的界面处，可以形成弯月面。在弯月面-晶体界面处，固体晶体1440可以生长。通过中心毛细管1431和环形毛细管1432，熔融晶体材料1410可以流到管芯1415的表面1420。固体晶体可以在表面1420上生长，并且可以通过在表面1420处提供的配向结构以预定的配向图案至少部分地配向。固体晶体1440可以是任何合适的形状，这取决于管芯1415的表面1420的形状。例如，表面1420可以是平坦表面，并且固体晶体1440可以包括平坦形状。
[0210]
图15图示了根据一些实施方案的使用物理气相传输(也被称为物理气相沉积)制造有机晶体的方法。物理气相传输是一种用于通过以下来产生薄膜的真空沉积方法：将处于凝结相的材料改变为气相，并传输处于气相的材料用于形成处于凝结相的薄膜。物理气相传输的实例包括溅射和蒸发。该方法包括使凝结的源材料蒸发并将蒸气传输到目标基底上以形成凝结的薄膜。该方法在受控的条件下(例如，腔室1500诸如真空室)进行。如图15的第i部分所示，源材料1504(例如，有机材料)被定位在腔室1500的第一端区域。源材料1504被蒸发(例如，通过加热)以释放蒸发的分子和/或颗粒(例如，蒸发的分子1506)。蒸发的分子1506在腔室1500内被传输到基底(例如，基底1502)上，并且被凝结以在基底1502的表面上形成(例如，生长)有机晶体。图15的第iii部分示出了基底1502的表面1502-1上的有机晶体1512。在一些实施方案中，有机晶体1512对应于上文关于图1a描述的固体晶体115。
[0211]
在一些实施方案中，生长有机固体晶体包括物理气相传输到平坦的基底或弯曲的基底(例如，基底1502)上，该基底具有被配置成与所述有机固体晶体(例如，有机固体晶体分子1506)接触的表面(例如，表面1502-1诸如受控成核表面)。在一些实施方案中，图15中的基底1502对应于上文关于图1a描述的基底105。在一些实施方案中，表面1502-1包括或对
应于关于图1a描述的配向结构110。例如，配向层可以用于控制有机固体晶体分子的取向，从而控制晶体取向(例如，受控成核表面是配向层的表面)。在一些实施方案中，配向层(或其一部分，诸如接触表面)主要由结晶含氟聚合物(例如，ptfe、pdvf)制成。含氟聚合物可以以具有基本上平行于平面内方向之一或垂直于平面内方向的长链的状态形成。在一些实施方案中，配向层(或其一部分，诸如接触表面)主要由聚烯烃聚合物(例如，pe)制成。聚烯烃聚合物可以以具有基本上平行于平面内方向之一或垂直于平面内方向的长链的状态形成。在一些实施方案中，第一表面主要由具有向列相的液晶聚合物制成，这允许液晶聚合物分子以预先设计的方向配向。在一些实施方案中，第一表面主要由配向层(例如，光配向层、具有单轴摩擦的聚酰亚胺)制成。在一些实施方案中，第一表面主要由具有低表面能的无定形聚合物(例如，有机硅、硅氧烷)制成，以形成受控成核表面。所述有机固体晶体的分子取向通过表面能匹配来控制。在一些实施方案中，第一表面主要由无定形无机材料(例如sio2)制成。任选地，无机表面用烷基/烷氧基硅烷官能化。在一些实施方案中，基底和第一表面由相同的材料制成，该材料已经通过在一个方向上拉伸和加热被高度定向。实例包括pen、聚烯烃和聚酰亚胺。在一些实施方案中，基底由不同于第一表面的材料制成。实例包括无机无定形材料，诸如sio2、熔凝硅石(fused silica)、石英、有机硅、硅氧烷。无机结晶材料，诸如硅、硅氧烷、sic、蓝宝石，有机材料，诸如具有氟化基团、烷基基团、环状脂族基团、环状芳族基团、杂芳烃基团的聚合物(例如聚四氟乙烯、特氟龙、pfa、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯、聚烯烃)。在一些实施方案中，受控成核表面包括非聚合物受控成核表面，该非聚合物受控成核表面包括选自上文描述的式6-1至式6-5的有机结构的组的一种或更多种有机结构。
[0212]
在一些实施方案中，有机固体晶体的生长还包括使用非反应性气体，诸如非溶剂蒸气(例如惰性气体)和/或溶剂蒸气。例如，如图15的第ii部分所示，蒸发的有机分子1506在传输蒸气的帮助下从源材料1504朝向基底1502传输。在一些实施方案中，传输蒸气1508是非溶剂蒸气(例如，惰性气体)或溶剂蒸气的组合。在一些实施方案中，传输蒸气1508包括非溶剂蒸气或溶剂蒸气。控制非溶剂蒸气的类型和百分比允许控制有机固体晶体蒸气的浓度、流动的速度和凝固的动力学，从而控制成核和晶体生长速率。溶剂蒸气的使用是为了选择性地溶解和去除缺陷，诸如无定形域或多晶域之间的边界。在溶剂蒸气用于有机晶体生长的实施方案中，溶剂蒸气在有机晶体的形成之后被去除(例如被蒸发)。例如，在图15的第iii部分中，溶剂蒸气1510从有机晶体1512中蒸发掉。
[0213]
图16图示了根据一些实施方案的使用熔融重结晶制造有机晶体(例如，图1a中描述的固体晶体115)的方法。在一些实施方案中，生长有机固体晶体包括从熔融状态重结晶的过程，其中使用具有设计的构型和表面改性的安瓿状物。在一些实施方案中，安瓿状物(例如，安瓿状物1602)被定位在温度控制的腔室1600内，如图16的第i部分所示。腔室1600包括由温度门(例如，包括开口1604的门1606)隔开的两个部分(例如，部分1610-1和部分1610-2)。部分1610-1具有高于有机晶体的熔点(例如，tm)的温度，并且部分1610-2具有低于有机晶体的熔点的温度。安瓿状物1602可以在腔室1600的部分1610-1和1610-2之间移动(例如，在用箭头1608所指示的方向上)，使得设置在安瓿状物1602内的有机晶体的温度可以根据部分1610-1和1610-2的相应的温度而改变。特别地，将包含液体有机晶体的安瓿状物1602从部分1610-1移动到具有低于有机晶体的熔点的温度的部分1610-2将导致液体有机晶体形成固体有机晶体结构。
[0214]
在一些配置中，安瓿状物的内部填充有有机固体晶体，用于另外的加工。当安瓿状物的温度从高于熔化温度改变为低于熔化温度时，发生重结晶。可以重复该过程，到达到期望的结晶度的程度。在一些实施方案中，该方法还包括断裂、抛光或模具内层压，以调节表面粗糙度、厚度以及弯曲度。
[0215]
图16的第ii部分、第iii部分和第iv部分图示了示例性的安瓿状物，其可以用于通过关于第i部分描述的熔融重结晶方法来形成有机晶体。在一些实施方案中，安瓿状物包括成核区域和晶体生长区域。例如，图16的第ii部分中的安瓿状物1602包括成核区域1602-2和晶体生长区域1602-1，图16的第iii部分中的安瓿状物1612包括成核区域1612-2和晶体生长区域1612-1，并且图16的第iv部分中的安瓿状物1618包括成核部分1618-2和晶体生长部分1618-1。成核区域包括至少一个具有在从亚微米到厘米尺寸的范围内的内径的成核通道。例如，安瓿状物1602具有对应于成核区域1602-2的单个成核通道，并且安瓿状物1612具有多个成核通道1616。通道(例如弯曲的圆柱体/直圆柱体)被配置成调整晶格类型和取向。成核区域与晶体生长区域相连接，与成核通道相比，晶体生长区域在至少一个维度上更大。晶体生长区域被配置成界定有机固体晶体的形状和尺寸。实例包括平板(例如，安瓿状物1612的晶体生长区域1612-1对应于板1614)、弯曲板、长方体、圆柱体(例如，安瓿状物1602的晶体生长区域1602-1对应于圆柱体)等。在一些实施方案中，安瓿状物还包括双壁结构，其中间隙填充有缓冲材料(例如，相同的有机固体晶体)，以减少在工艺期间当温度变化时安瓿状物和有机固体晶体之间的热膨胀失配的影响。例如，安瓿状物1618包括内壁1620-2和外壁1620-1。有机晶体在由内壁1620-2界定的圆柱体内生长。在一些实施方案中，由内壁1620-2和外壁1620-1界定的间隙填充有缓冲材料。
[0216]
在一些实施方案中，安瓿状物包括用于机械支撑的块状件和与所述有机晶体接触的表面，以控制分子的取向，从而控制晶体取向。在一些实施方案中，该表面主要由结晶含氟聚合物(例如ptfe、pdvf)制成。含氟聚合物可以以具有基本上平行于平面内方向之一或垂直于平面内方向的长链的状态形成。在一些实施方案中，该表面主要由聚烯烃聚合物(例如pe)制成。聚烯烃聚合物可以以具有基本上平行于平面内方向之一或垂直于平面内方向的长链的状态形成。在一些实施方案中，该表面主要由具有向列相的液晶聚合物制成，这允许液晶聚合物分子以预先设计的方向配向。在一些实施方案中，该表面主要由配向层(例如，光配向层、具有单轴摩擦的聚酰亚胺)制成。在一些实施方案中，该表面主要由具有低表面能的无定形聚合物(例如，有机硅、硅氧烷)制成，以形成受控成核表面。在一些实施方案中，该表面对应于上文关于图1a描述的配向结构110。在一些实施方案中，受控成核表面包括非聚合物受控成核表面，该非聚合物受控成核表面包括选自上文描述的式6-1至式6-5的有机结构的组的一种或更多种有机结构。所述有机固体晶体的分子取向通过表面能匹配来控制。在一些实施方案中，该表面主要由无定形无机材料(例如sio2)制成。任选地，无机表面用烷基/烷氧基硅烷官能化。在一些实施方案中，基底和表面由相同的材料制成，该材料已经通过在一个方向上拉伸和加热被高度定向。实例包括pen、聚烯烃和聚酰亚胺。在一些实施方案中，基底由不同于表面的材料制成。实例包括无机无定形材料，诸如sio2、熔凝硅石、石英、有机硅、硅氧烷。无机结晶材料，诸如硅、硅氧烷、sic、蓝宝石。有机材料，诸如具有氟化基团、烷基基团、环状脂族基团、环状芳族基团、杂芳烃基团的聚合物(例如聚四氟乙烯、特氟隆、pfa、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯、聚烯烃)。
[0217]
图17图示了根据一些实施方案的使用溶剂包覆和区域退火来制造有机晶体的方法。在一些实施方案中，生长有机固体晶体包括溶剂辅助的包覆，随后是区域退火。溶剂包覆系统包括用于铺展包覆材料并在包覆层前部产生弯月面区域以控制溶剂蒸发的刮刀(例如，图17的第i部分中的刮刀1702)，用于将有机固体晶体溶液输送到包覆层前部的喷嘴(例如，喷嘴1704)，用于支撑有机固体晶体的基底(例如，基底1708)，以及用于控制溶剂蒸发的基底的温度控制器。在一些实施方案中，包覆有溶剂的基底在区域退火系统中退火。在一些实施方案中，区域退火系统包括一个或更多个加热区域(例如，在图17的第iii部分中用棒1718加热的区域)和一个或更多个冷却区域(例如，冷却区域1714)以控制温度概况。在一些实施方案中，区域退火系统包括以受控的速度推动基底(例如，包括有机晶体的包覆层的基底1708)通过加热区域和冷却区域的自动臂。在一些实施方案中，区域退火系统包括受控的气氛环境(例如，真空、惰性气体、溶剂蒸气/非溶剂蒸气)。例如，在图17的第iii部分中描述的区域退火系统被定位在关于图15描述的腔室1500内部，用于提供受控的气氛环境。
[0218]
在一些实施方案中，基底1708包括块状件和表面改性，其中块状件提供机械支撑和热传递，并且表面改性控制分子的取向，因此控制晶体取向。在一些实施方案中，基底1708对应于上文关于图1a描述的基底105。在一些实施方案中，表面改性包括或对应于关于图1a描述的配向结构110。在一些实施方案中，改性的表面主要由结晶含氟聚合物(例如ptfe、pdvf)制成。含氟聚合物可以以具有基本上平行于平面内方向之一或垂直于平面内方向的长链的状态形成。在一些实施方案中，改性的表面主要由聚烯烃聚合物(例如pe)制成。聚烯烃聚合物可以以具有基本上平行于平面内方向之一或垂直于平面内方向的长链的状态形成。在一些实施方案中，改性的表面主要由具有向列相的液晶聚合物制成，这允许液晶聚合物分子以预先设计的方向配向。在一些实施方案中，改性的表面主要由配向层(例如，光配向层、具有单轴摩擦的聚酰亚胺)制成。在一些实施方案中，改性的表面主要由具有低表面能的无定形聚合物(例如，有机硅、硅氧烷)制成，以形成受控成核表面。所述有机固体晶体的分子取向通过表面能匹配来控制。在一些实施方案中，改性的表面主要由无定形无机材料(例如sio2)制成。任选地，无机表面用烷基/烷氧基硅烷官能化。在一些实施方案中，基底和改性的表面由相同的材料制成，该材料已经通过在一个方向上拉伸和加热被高度定向。实例包括pen、聚烯烃和聚酰亚胺。在一些实施方案中，基底由不同于改性的表面的材料构成。实例包括无机无定形材料，诸如sio2、熔凝硅石、石英、有机硅、硅氧烷，无机结晶材料，诸如硅、硅氧烷、sic和蓝宝石，以及有机材料，诸如具有氟化基团、烷基基团、环状脂族基团、环状芳族基团、杂芳烃基团的聚合物(例如聚四氟乙烯、特氟隆、pfa、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯、聚烯烃)。在一些实施方案中，基底包括夹层构型，其中缓冲层(例如，相同的有机固体晶体)被夹在两个基底之间。任选地，基底还包括在改性的表面上的至少一个微通道(例如，在图17的第ii部分中基底1708上的微通道1710)，其中微通道的形状、尺寸或取向变化以符合结晶圆(crystallization round)。任选地，有机固体晶体的工艺还包括从基底分层、切割或模具内层压以调节形状和弯曲度。
[0219]
在一些实施方案中，刮刀还包括微结构，以促进有机固体晶体分子从溶液到结晶前部的质量传输。
[0220]
根据一些实施方案，生长有机固体晶体包括以受控的配向来电场辅助沉积有机分子。沉积系统包括阳极、阴极和其间的间隙，其中电场可以被调节并驱动溶液中的有机固体
晶体分子以受控的结晶度在电极的表面上结晶。在一些实施方案中，每个电极还包括在其第一表面上的导电层(例如，ito、导电聚合物)。
[0221]
在一些实施方案中，生长有机固体晶体包括凝胶纺丝。在凝胶纺丝期间，有机固体晶体(例如结晶聚合物，诸如聚萘二甲酸乙二醇酯)与溶剂一起被进料到挤出机中，并被转化成纺丝溶液，随后通过含有多于一个纺丝孔的纺丝板将溶液纺丝。流体纤维被进一步冷却以形成凝胶纤维。在溶剂蒸发之前、在溶剂蒸发期间或在溶剂蒸发之后，发生纤维的拉伸以促进链配向和结晶度。该工艺还包括热压缩，其中在高温对单向布置的纤维施加压缩力。
[0222]
在一些实施方案中，通过本文描述的方法制造的有机固体晶体作为波导合路器来操作。在一些实施方案中，有机固体晶体通过另外的工艺作为衍射透镜(例如，菲涅耳透镜、元透镜)或偏振选择光栅来操作，所述另外的工艺诸如图案化和蚀刻、注射模制、纳米压印光刻或电沉积以应用结构。
[0223]
此外，根据所公开的技术方案，在一个或更多个配向结构上形成(例如，生长)固体晶体也可以改进包括所形成的固体晶体的电子器件的电子性能。在一个或更多个配向结构上形成(例如，生长)固体晶体可以通过调节配向结构来提供可控量的应变，使得固体晶体可以获得特定的期望晶格。在一些实施方案中，应变可以跨过固体晶体变化，例如，应变可以基于所公开的固体晶体在同一器件中变化。在一些实施方案中，应变可以跨过设置在同一基底处(例如，设置在同一基底上)的多个固体晶体而变化，例如，应变可以跨过包括相应的固体晶体的多个器件变化。在一些实施方案中，应变可以以特定的空间模式(诸如pbp型模式)变化，这可以有助于新的电子传输性质。
[0224]
尽管这些方法是关于通过这样的方法制造的一定尺寸的有机固体晶体膜来描述的，但是这些方法可以用于制造任何其他尺寸(例如，第一尺寸小于100m且第二尺寸小于1厘米)的有机固体晶体膜。
[0225]
根据这些原理，我们现在转向某些实施方案。
[0226]
根据一些实施方案，光学膜(例如，图1a和图1d中的固体晶体115)包括由连续的有机固体晶体形成的有机固体晶体膜。有机固体晶体膜具有不小于100微米的第一尺寸(例如厚度，诸如图1d中的尺寸d2)和不小于1厘米的不同于第一尺寸的第二尺寸(例如宽度诸如尺寸d1，或深度诸如d3)。
[0227]
在一些实施方案中，第二尺寸不小于三厘米。
[0228]
在一些实施方案中，有机固体晶体膜是弯曲的或平坦的(例如，固体晶体115具有图1c的第i部分和第iii部分所示的平坦形状或图1c的第ii部分和第iv部分所示的弯曲形状)。
[0229]
在一些实施方案中，光学膜的折射率为至少1.6。
[0230]
在一些实施方案中，在垂直于(例如，图1c的第iii部分和第iv部分)或平行于(例如，图1c的第i部分和第ii部分)由有机固体晶体膜界定的表面的方向上测量的光学膜的折射率为至少1.6，并且有机固体晶体膜的光学各向异性为至少0.03。
[0231]
在一些实施方案中，光学膜的光学各向异性为至少0.1。
[0232]
在一些实施方案中，有机固体晶体膜包括单晶或多晶。
[0233]
在一些实施方案中，有机固体晶体膜(例如，图1a和图1d中的固体晶体115)包括一种或更多种选自由以下组成的组的有机晶体：萘、蒽、并四苯、并五苯、芘、多烯、荧蒽、二苯
甲酮、苯并色烯、苯偶酰、苯并咪唑、苯、六氯苯、硝基吡啶-n-氧化物、苯-1,4-二甲酸、二苯基乙炔、n-(4-硝基苯基)-(s)-脯氨醛、4,5-二氰基咪唑、苯并二噻吩、氰基吡啶、噻吩并噻吩、二苯乙烯、偶氮苯及其衍生物。
[0234]
在一些实施方案中，有机固体晶体膜(例如，图1a和图1d中的固体晶体115)包括一个或更多个环结构，所述环结构包含选自由环己烷、环戊烷、四氢吡喃、哌啶、四氢呋喃、吡咯烷、四氢噻吩及其衍生物组成的组的饱和环状基团以及选自由苯、萘、蒽、噻吩、联苯、二苯乙炔、苯并咪唑、二苯基乙炔、氰基吡啶、噻吩并噻吩、二苯并噻吩、咔唑、硅芴及其衍生物组成的组的不饱和芳族基团。
[0235]
在一些实施方案中，一个或更多个环结构与以下中的一个或更多个耦合：c
1-c
10
烷基、烷氧基、烯基基团、-cn、-ncs、-scn、-sf5、-br、-cl、-f、-ocf3、-cf3和单氟化的或多氟化的c
1-c
10
烷基或烷氧基。
[0236]
在一些实施方案中，有机固体晶体膜(例如，图1a和图1d中的固体晶体115)包括一种或更多种结晶聚合物，所述一种或更多种结晶聚合物具有带有芳族烃或杂芳烃基团及其衍生物的前体。一种或更多种结晶聚合物选自由以下组成的组：聚萘二甲酸乙二醇酯、聚(乙烯基苯硫醚)、聚(α-甲基苯乙烯)、聚噻吩并噻吩、聚噻吩、聚(n-乙烯基邻苯二甲酰亚胺)、聚对二甲苯、多硫化物、聚砜、聚(溴苯基)、聚(乙烯基萘)和具有前体的液晶聚合物。
[0237]
在一些实施方案中，有机固体晶体膜(例如，图1a和图1d中的固体晶体115)是以下的组合：具有脂族基团、杂脂族基团、芳族烃基团或杂芳烃基团的无定形聚合物；脂肪酸、脂质或增塑剂；以及包括具有单氟化的或多氟化的烷基基团或烷氧基基团的分子的表面活性剂。
[0238]
在一些实施方案中，有机固体晶体膜包括一种或更多种有机晶体，该有机晶体选自由如上文描述的式1-1至式1-46、式2-1至式2-4和式3-1至式3-28的有机固体晶体分子组成的组。
[0239]
在一些实施方案中，光学膜用于制造波导合路器(例如，图10b中的合路器1015)、衍射透镜(例如，图9a-图9c中作为衍射透镜或衍射光栅操作的器件900)、或偏振选择光栅(例如，图7a-图7d中的pbp光学器件700)。
[0240]
根据一些实施方案，制造光学膜的方法包括使用物理气相传输在具有受控成核表面的基底(例如，图15中具有受控成核表面1502-1的基底1502)上沉积来自源材料的蒸发的有机晶体分子(例如，来自源材料1504的蒸发的有机晶体分子1506)。该方法还包括在受控成核表面上使蒸发的有机晶体分子重结晶，从而形成包括连续的有机固体晶体的光学膜(例如，形成关于图1a描述的固体晶体115)。有机固体晶体膜具有不小于100微米的第一尺寸(例如，图1d中的尺寸d2)和不小于1厘米的不同于第一尺寸的第二尺寸(例如，尺寸d1)。
[0241]
在一些实施方案中，受控成核表面(例如，图15中的表面1502-1)具有平坦形状或弯曲形状(例如，图1c)，所述平坦形状或弯曲形状从而界定光学膜的形状。
[0242]
在一些实施方案中，受控成核表面包括以下中的一种或更多种：sio2、熔凝硅石、石英、有机硅、硅氧烷、硅、sic、蓝宝石和具有氟化基团、烷基基团、环状脂族基团、环状芳族基团或杂芳烃基团的聚合物。
[0243]
在一些实施方案中，受控成核表面包括非聚合物基包覆层，该非聚合物基包覆层选自如上文描述的硅烷基氟化基团、烷基基团、环状脂族基团、环状芳族基团、杂芳烃基团、
有机小分子基晶体、以及式6-1至式6-5中的任一种的有机结构。
[0244]
在一些实施方案中，该方法还包括断裂、抛光或层压受控成核表面(例如，图15中基底1502的表面1502-1)以调节受控成核表面的粗糙度、厚度或弯曲度。
[0245]
在一些实施方案中，基底包括以下中的一种或更多种：sio2、熔凝硅石、石英、有机硅、硅氧烷、硅、sic、蓝宝石和具有氟化基团、烷基基团、环状脂族基团、环状芳族基团或杂芳烃基团的聚合物。
[0246]
在一些实施方案中，源材料(例如，源材料1504)包括具有一个或更多个晶格匹配表面的有机单晶。
[0247]
在一些实施方案中，物理气相传输包括使用惰性气体和溶剂蒸气的组合(例如，图15中的传输蒸气1508)将蒸发的有机晶体分子(例如，蒸发的有机晶体分子1506)从源材料(例如，源材料1504)传输到受控成核表面上。在一些实施方案中，该方法还包括调节惰性气体和溶剂蒸气的组合(例如，传输蒸气1508)的流速、惰性气体相对于溶剂蒸气的比率和/或固化动力学，从而控制有机固体晶体膜的晶体生长速率和成核。
[0248]
根据一些实施方案，方法包括获得具有一个或更多个成核部分和与一个或更多个成核部分耦合的晶体生长部分的安瓿状物。例如，在图16中，安瓿状物1602包括成核部分1602-2和晶体生长部分1602-1。安瓿状物填充有有机固体晶体源材料。该方法包括将安瓿状物放置于腔室的第一空间内，从而将有机固体晶体源材料加热至熔化状态(例如，腔室1600的部分1610-1)。第一空间具有第一温度(例如，腔室1600的部分1610-1的温度高于源材料的熔点温度tm)。该腔室还具有具有第二温度的第二空间(例如，腔室1600的部分1610-2)。第一空间和第二空间由门(例如门1606)隔开。该方法还包括将安瓿状物(例如，安瓿状物1602)从腔室的第一空间转移至腔室的第二空间，从而使有机固体晶体源材料重结晶，以形成连续的有机固体晶体膜，该连续的有机固体晶体膜具有不小于100微米的第一尺寸和不小于1厘米的不同于第一尺寸的第二尺寸。
[0249]
在一些实施方案中，晶体生长部分具有平板、弯曲板、长方体或圆柱体的形状(例如，图16)。
[0250]
在一些实施方案中，安瓿状物(例如，图16的第iv部分中的安瓿状物1618)还包括界定一个或更多个成核部分(例如，成核部分1618-2)和晶体生长部分(例如，晶体生长部分1618-1)的底架(chassis)。底架包括具有第一壁(例如外壁1620-1)和第二壁(例如内壁1620-2)的双壁结构。双壁至少部分地包围一个或更多个成核部分的相应成核区域以及晶体生长部分。底架还包括被放置在第一壁和第二壁之间的缓冲材料。
[0251]
在一些实施方案中，安瓿状物包括与有机固体晶体源材料接触的受控成核表面(例如，安瓿状物1602包括内表面，该内表面在一些实施方案中对应于关于图1a描述的配向结构110)。在一些实施方案中，受控成核表面具有平坦形状或弯曲形状，所述平坦形状或弯曲形状从而界定光学膜的形状。
[0252]
在一些实施方案中，受控成核表面包括以下中的一种或更多种：sio2、熔凝硅石、石英、有机硅、硅氧烷、硅、sic、蓝宝石和具有氟化基团、烷基基团、环状脂族基团、环状芳族基团或杂芳烃基团的聚合物。
[0253]
在一些实施方案中，受控成核表面包括非聚合物基包覆层，该包覆层选自硅烷基氟化基团、烷基基团、环状脂族基团、环状芳族基团、杂芳烃基团和有机小分子基晶体。
[0254]
根据一些实施方案，制造光学膜的方法包括在基底(例如，图17中的基底1708对应于具有关于图1a描述的配向结构110的基底105)的改性表面上包覆有机晶体分子和溶剂的溶液。例如，该方法包括通过喷嘴1704在基底1708上施加有机晶体分子和溶剂的组合，并相对于刮刀1702移动基底，以在图17的第i部分中的基底1706上形成有机晶体分子的薄包覆层。该方法包括通过区域退火改变沉积在基底的改性表面上的有机晶体分子和溶剂的溶液的温度(例如，通过在图17的第iii部分中用棒1718加热的区域和冷却区域1714之间移动具有有机晶体和溶剂的包覆层的基底1708)，从而使有机晶体分子结晶，以形成具有不小于100微米的第一尺寸和不小于1厘米的不同于第一尺寸的第二尺寸的连续的有机固体晶体膜。
[0255]
在一些实施方案中，改性表面被配置成改变有机晶体分子和基底之间的相互作用，以便控制连续的有机固体晶体膜中有机晶体分子的取向和缺陷的数量。
[0256]
在一些实施方案中，基底在改性表面上包括至少一个微通道(例如，图17的第ii部分中的微通道1710)，用作用于结晶的成核位点。
[0257]
在一些实施方案中，包覆包括用刮刀(例如，图17的第i部分中的刮刀1702)铺展有机晶体分子和溶剂的溶液，使得在包覆溶液的外围区域上产生弯月面区域。
[0258]
在一些实施方案中，刮刀包括多于一个微结构。
[0259]
为了说明的目的，已经呈现了实施方案的前述描述。不意图是穷举的或将本公开内容限制于所公开的精确形式。相关领域的技术人员可以理解，根据以上公开内容，修改和变化是可能的。
[0260]
本说明书的一些部分可以根据对信息的操作的算法和符号表示来描述实施方案。这些操作虽然在功能上、在计算上或在逻辑上进行了描述，但可以由计算机程序或等效电路、微代码或类似物来实现。此外，在不失一般性的情况下，将操作的这些安排称为模块有时也被证明是方便的。所描述的操作及其相关联的模块可以在软件、固件、硬件或它们的任何组合中体现。
[0261]
本文描述的任何步骤、操作或过程可以用单独的或与其他装置相结合的一个或更多个硬件模块和/或软件模块来执行或实现。在一种实施方案中，软件模块用计算机程序产品来实现，该计算机程序产品包括含有计算机程序代码的计算机可读介质，该计算机程序代码可以由计算机处理器来执行，用于执行所描述的步骤、操作或过程的任何或全部。
[0262]
一些实施方案也可以涉及用于执行本文的操作的设备。该设备可以为了特定目的被具体地构造，和/或它可以包括由被存储在计算机中的计算机程序来选择性地激活或重新配置的通用计算装置。这样的计算机程序可以存储在非暂时性的、有形的计算机可读存储介质中，或者任何类型的适合于存储电子指令的介质中，其可以被耦合至计算机系统总线。此外，说明书中提到的任何计算系统可以包括单个处理器，或者可以是采用多处理器设计来提高计算能力的架构。
[0263]
一些实施方案也可以涉及由本文描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方案。
[0264]
最后，在说明书中使用的语言主要为了可读性和指导目的而被选择，并且它可以不被选择来描绘或限制发明的主题。因此，意图的是本公开内容的范围不由该详细描述限
制，而是由在基于其的申请上发布的任何权利要求限制。因此，实施方案的公开内容意图对本公开内容的范围是说明性的，而不是限制性的，在所附的权利要求中阐述了本公开内容的范围。