本发明涉及一种用于导出自由曲面主透镜的表面轮廓的方法，以及一种使用自由曲面主透镜制造平面光学部件，更具体地说是制造基于液晶的光学部件的方法。
背景技术：
1、液晶材料的自组织特性允许制造平坦或平面的光学元件或光学器件，此外还允许制造小型化的光学元件或光学器件。这种基于液晶的平面光学器件包括液晶衍射或偏振光栅、透镜等，并且在从示例光学通信系统到电子显示器和虚拟/人造现实眼镜的许多应用中是必不可少的。液晶衍射光栅可以例如形成为具有图案化光对准层的基板，该图案限定了沉积在图案化光对准层顶部的液晶材料如何偏转入射光束。换句话说，图案化光对准层限定了光学部件的光学功能。类似地，液晶透镜可以例如形成为两个间隔开的基板，它们各自面向内侧的表面设置有图案化的光对准层。同样，图案化光对准层限定了其间提供的液晶材料如何偏转入射光束，并因此限定了平面光学组件的光学功能。光对准层包含光敏材料，当用光例如可见光或紫外光照射时，光敏材料的分子改变其取向，这又使得液晶材料的分子遵循其取向对准。这些光对准层的图案化通常通过全息图案化来完成。全息图案化使用两束圆偏振光束如激光束来照射光对准层。取决于照射设置，即取决于如何照射光对准层以及平面光学部件，圆偏振光束可以具有相同或相反的旋向性。此外，为了在光对准层上记录图案，光束之一通过具有期望光学功能的主透镜照射光对准层。其结果是，主透镜的光学功被记录在光对准层上。然而，目前用于制造基于液晶的平面光学组件(如衍射或偏振光栅和透镜)的解决方案允许记录球面主透镜的光学功能。为此，自由曲面主透镜的光学功能的记录是未知的，因此限制了它们的广泛使用。
技术实现思路
1、本公开的实施例的一个目的是提供一种解决方案，用于以成本和时间高效的方式导出自由曲面主透镜，以创建具有与自由曲面主透镜相同或基本相同的光学功能的平面光学部件。
2、独立权利要求阐述了本发明的各种实施例所寻求的保护范围。本说明书中描述的不属于独立权利要求范围的实施例和特征(如果有的话)应解释为有助于理解本发明各种实施例的示例。
3、根据本公开的第一示例方面，该目的通过如权利要求1所限定的用于导出自由曲面主透镜的表面轮廓的方法来实现，该自由曲面主透镜用于图案化平面光学部件的一个或两个光对准层。特别地，该方法包括限定平面光学部件的期望光学功能。期望光学功能规定了平面光学部件的光学特性，例如入射光束(如激光束)如何被平面光学部件偏转。期望光学功能可以从例如客户规格中获得。该方法还包括确定配置为提供期望光学功能的自由曲面测试透镜的表面轮廓。该方法还包括接收自由曲面测试透镜和平面光学部件之间的距离。该方法还包括接收记录光束的波长。该方法还包括确定平面光学部件的实际光学功能。实际光学功能可以被描述为例如使用自由曲面的测试透镜来记录，该自由曲面的测试透镜具有配置为提供期望光学功能的表面轮廓。与传统的全息图案化不同，在传统方法中记录是使用球面主透镜进行的，从球面主透镜偏转的光束在球面主透镜的两倍焦距或焦点处具有相同的形状，在这里没有观察到这种关系。结果，记录在平面光学元件上的光学功能，即实际的光学功能，并不相同或基本上相同，而是与期望光学功能有基本的偏差。为了补偿这种偏差，该方法还包括通过比较对应于期望光学功能的相位差和对应于实际光学功能的相位差来确定期望光学功能和实际光学功能之间的偏差，即通过比较对应于期望光学功能的相位差和由自由曲面测试透镜赋予光对准层的相位差。该偏差量化了入射光穿过自由曲面主透镜后所经历的变形，该变形进而导致该入射光束到达或撞击光对准层的不同于期望位置的位置。利用这种观察允许将这种偏差表示为自由曲面测试透镜的表面轮廓的偏差，然后可以使用该偏差来校正其表面轮廓以获得自由曲面主透镜的表面轮廓。因此，该方法还包括使用所确定的偏差来确定自由曲面测试透镜的校正表面轮廓，以导出自由曲面主透镜的表面轮廓。然后，可以使用传统的制造技术来制造具有由此得到的表面轮廓的自由曲面主透镜，例如通过研磨、抛光自由曲面主透镜来获得期望的表面轮廓。这样做允许制造自由曲面的主透镜，该主透镜随后可用于图案化平面光学部件的光对准层，该平面光学部件具有与期望的光学功能相同或基本相同的光学功能。由于自由曲面主透镜的表面轮廓现在可以仅基于期望的光学功能和自由曲面测试透镜的表面轮廓来导出，因此避免了对平面光学部件的大量反复试验，从而得到了低成本和时间高效的解决方案。根据本公开的方法可以用于许多应用中，从示例光学通信系统到电子显示器和虚拟/人工现实眼镜，例如用于具有投影透镜的眼镜和/或头盔的增强现实。
4、平面光学部件的实际光学功能，更具体地说，其一个或两个光对准层的图案化可以例如通过全息图案化获得，该全息图案化包括通过两个圆偏振激光束和自由曲面测试透镜照射平面光学部件。
5、优选地，通过用两个圆偏振激光束中的一个圆偏振激光束通过自由曲面测试透镜照射平面光学部件的一个或两个光对准层的一侧，并用另一个圆偏振激光束照射平面光学部件的一个或两个光对准层的同一侧，并且其中两个圆偏振激光束具有相反的旋向性并且彼此成预定角度定位，以便图案化一个或两个光对准层。这种照射设置允许将平面光学部件放置在所制造的自由曲面测试透镜的前面，并且距离小于自由曲面测试透镜的焦点的两倍。然而，在这里，对于全息图案化，要求物理上将自由曲面测试透镜放置在一个位置，使得它仅允许圆偏振激光束中的一个圆偏振激光束通过透镜，而另一个不通过透镜。平面光学部件可以物理放置在自由曲面测试透镜前面的距离进一步具有下限，该下限需要确保只有一个圆偏振激光束穿过自由曲面测试透镜。
6、更优选地，通过用两个圆偏振激光束中的一个圆偏振激光束通过自由曲面测试透镜照射平面光学部件的一个或两个光对准层的一侧，并用另一个圆偏振激光束照射平面光学部件的一个或两个光对准层的相对侧，其中两个圆偏振激光束具有相同的旋向性，并且以直角或彼此成一定角度入射，以便图案化光对准层。有利的是，这些照射设置允许将平面光学部件放置在所制造的自由曲面测试透镜的前面，并且距离小于自由曲面测试透镜的焦点的两倍，或者甚至物理接触自由曲面测试透镜，因为现在平面光学部件的照射可以从相对的两侧进行。因此，这些照射设置避免了上述设置的限制。
7、优选地，偏差的确定包括通过自由曲面测试透镜追踪照射一个或两个光对准层的圆偏振激光束的相应光线的入射位置，即这些光线在一个或两个光对准层上的位置。此外，进行追踪使得这些入射位置指示相对于一个或两个光对准层的中心位置或中心点，相应光线到达或撞击一个或多个光对准层的位置。知道这些位置允许计算各个入射光线相对于光对准层的表面法线撞击光对准层的角度θr，并由此计算入射光线位置和中心位置之间的相位差γuv。换句话说，这些相位差允许根据这些位置限定所得一个或多个图案化光对准层的光学功能，并因此限定所得平面光学组件的光学功能，即γuv＝f(x′，y′)。有利的是，该关系还允许通过例如逆向计算来确定或导出自由曲面测试透镜的表面轮廓。结果，知道相位差和自由曲面透镜的表面轮廓允许计算自由曲面测试透镜的计算表面轮廓与其实际表面轮廓之间的偏差，这又允许将所得平面光学部件的光学功能与自由曲面测试透镜的光学功能之间的偏差(即期望光学功能)表示为自由曲面测试透镜的表面轮廓的偏差。因此，该方法还包括根据所获得的相位差和自由曲面测试透镜的表面轮廓来计算或确定自由曲面测试透镜的表面轮廓的偏差。换句话说，以成本和时间高效的方式，可以计算自由曲面测试透镜的表面轮廓的偏差，以及因此计算平面光学部件的光学功能和期望光学功能之间的偏差。有利的是，该方法还包括通过使用所计算的自由曲面测试透镜的表面轮廓的偏差确定自由曲面测试透镜的校正表面轮廓，来校正自由曲面测试透镜的表面轮廓，从而导出自由曲面主透镜的表面轮廓。
8、根据第二示例方面，公开了一种用于制造具有权利要求10的特征的平面光学部件的方法。具体而言，该方法包括提供涂覆有光对准层的基板。基板可以是透明的或吸收性基板。可以通过旋涂或其他适于沉积光对准层的技术来进行涂覆。为了将涂覆的基板转变成光学元件，该方法还包括图案化光对准层以在其上提供图案，并在图案化的光对准层上提供液晶材料，从而基于光对准图案对准液晶材料。图案化可以例如通过全息图案化和根据第一示例方面获得的具有期望光学功能的自由曲面主透镜来完成。更具体地说，全息图案化使用两束圆偏振激光束照射光对准层。可以使用上面参考第一示例方面描述的两种照射设置中的任何一种来执行照射。然而，这里的图案化必须使用与用于导出自由曲面主透镜的表面轮廓的照射设置相同的照射设置来执行。例如，如果自由曲面主透镜的表面轮廓是通过使用照射光对准层同一侧的两束圆偏振激光束进行全息图案化而得到的，那么这里的全息图案化需要使用相同的照射设置。作为图案化的结果，自由曲面主透镜的光学功能被复制或复制到光对准层上作为光对准图案。然后在图案化的光对准层上提供液晶材料。可以通过旋涂技术或类似技术在图案化的光对准层上提供液晶材料。一旦液晶材料沉积在图案化的光对准层上，液晶材料根据光对准图案自行对准。结果，制造了具有与自由曲面主透镜相同光学功能的平面光学部件。
9、根据第三示例方面，公开了一种具有权利要求11的特征的制造平面光学部件的方法。特别地，该方法包括提供两个间隔开的基板以在其间提供间隙。两个基板都可以是透明的。可选地，一个基板可以是吸收性的，另一个基板可以是透明的。两个基板例如可以通过放置在基板边缘附近的球形隔离球隔开。然后，例如可以用胶水将基板粘合在一起以形成单元。在形成单元之前，一旦形成单元就将彼此面对的基板表面分别涂覆有光对准层。可以通过旋涂或其他适于沉积光对准层的技术来进行涂覆。为了将所得单元转变成光学元件，该方法包括图案化光对准层以在其上形成图案，并用液晶材料填充基板之间的间隙，从而基于光对准图案对准液晶材料。图案化可以例如通过全息图案化和根据第一示例方面获得的具有期望光学功能的自由曲面主透镜来完成。更具体地说，全息图案化同时使用两束圆偏振激光束照射两个光对准层。换句话说，两层的图案化在单一步骤中完成。类似于第二示例方面，可以使用上面参考第一示例方面描述的两种照射设置中的任何一种来执行照射。然而，这里的图案化必须使用与用于导出自由曲面主透镜的表面轮廓的照射设置相同的照射设置来执行。例如，如果自由曲面主透镜的表面轮廓是通过使用照射光对准层同一侧的两束圆偏振激光束进行全息图案化而得到的，那么这里的全息图案化需要使用相同的照射设置。作为图案化的结果，自由曲面主透镜的光学功能被复制或复制到光对准层上作为光对准图案。然后在间隙中，即在图案化的光对准层之间提供液晶材料。液晶材料可以通过任何已知的技术提供在间隙中，例如毛细管填充、真空填充等。一旦用液晶材料填充了该单元，液晶材料就根据光对准层的图案进行自行对准。结果，制造了具有与自由曲面主透镜相同光学功能的平面光学部件。
10、根据第四示例方面，公开了一种具有权利要求12的特征的计算机程序产品。特别地，计算机程序产品包括计算机可执行指令，用于当程序在计算机上运行时执行根据第一示例方面的方法的步骤。
11、根据第五示例方面，公开了一种具有权利要求13的特征的计算机可读存储介质。特别地，计算机可读存储介质包括计算机可执行指令，用于当程序在计算机上运行时执行根据第一示例方面的方法的步骤：
12、因此，第一示例方面的各种示例实施例可以作为示例实施例应用于第二、第三、第四和第五示例方面。