[发明专利]纳米空隙的可调双折射

说明书

一种形式双折射光学元件，包括结构化层和设置在该结构化层上的介电环境。结构化层和介电环境中的至少一个包括纳米空隙聚合物，该纳米空隙聚合物在未致动状态下具有第一折射率，并且在致动状态下具有不同于第一折射率的第二折射率。纳米空隙聚合物的致动可用于可逆地控制光学元件的形式双折射。还公开了各种其他装置、系统、材料和方法。

背景

聚合物材料可以被结合到各种不同的光学和电光架构中，包括有源和无源光学器件以及电活性器件。例如，电活性聚合物(EAP)材料在电场的影响下会改变其形状。EAP材料已经被研究用于各种技术，包括致动、传感和能量收集。重量轻且适形的电活性聚合物可被结合到诸如触觉设备的可穿戴设备中，并且是新兴技术的有吸引力的候选物，所述新兴技术包括其中期望舒适的、可调节的形状因子的虚拟现实/增强现实设备。

例如，虚拟现实(VR)和增强现实(AR)眼镜(eyewear)设备或头戴装置可以使用户能够体验事件，例如在计算机生成的三维世界模拟中与人的交互或者观看叠加在真实世界视图上的数据。VR/AR眼镜设备和头戴装置也可用于娱乐以外的目的。例如，政府可能使用这种设备进行军事训练，医疗专业人员可能使用这种设备来模拟手术，工程师可能使用这种设备作为设计可视化辅助。

这些和其他应用可以利用薄膜聚合物材料的一个或更多个特性，包括它们的电、机械和/或光学特性。尽管最近有所发展，但是提供具有改进属性的聚合物或其他介电材料将是有利的，这些属性包括动态的、可调的光学特性。

概述

根据本发明的第一方面，提供了一种形式双折射(form birefringent)光学元件，包括：结构化层；和设置在结构化层上的介电环境；其中结构化层和介电环境中的至少一个包括纳米空隙聚合物，该纳米空隙聚合物在未致动状态下具有第一折射率，并且在致动状态下具有不同于第一折射率的第二折射率。

如下文将更详细描述的，本公开涉及包括纳米空隙聚合物材料的光学元件和制造包括纳米空隙聚合物材料的光学元件的方法。纳米空隙聚合物材料可包括电活性材料，例如适合在电活性设备中使用的介电弹性体，包括例如聚二甲硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)基聚合物。纳米空隙聚合物材料的致动可用于可逆地控制聚合物基质内纳米空隙的大小和形状，从而改变纳米空隙聚合物的有效折射率。在某些实施例中，一种光学元件可以包括纳米空隙聚合物材料的结构化层。结构化层内纳米空隙聚合物的致动可用于控制光学元件内的一个或更多个层的形式双折射。根据一些实施例，可切换光学元件表现出在其操作期间可被调谐的形式双折射。

一种形式双折射光学元件包括结构化层和设置在该结构化层上的介电环境。结构化层和介电环境中的至少一个包括纳米空隙聚合物，该纳米空隙聚合物在未致动状态下具有第一折射率，并且在致动状态下具有不同于第一折射率的第二折射率。纳米空隙聚合物的致动可用于可逆地控制光学元件的双折射。

在一些实施例中，结构化层包括在至少一个维度上的周期小于λ/5的光栅，其中是λ入射到光学元件上的光的波长。在一个示例实施例中，结构化层包括纳米空隙聚合物，并且介电环境包括空气。在另一示例实施例中，结构化层包括基本上致密的聚合物，并且介电环境包括纳米空隙聚合物。在替代实施例中，结构化层包括纳米空隙聚合物，并且介电环境包括基本上致密的聚合物。在又一实施例中，结构化层和介电环境各自包括纳米空隙聚合物。

在一些实施例中，第一折射率可以等于介电环境的折射率。在一些实施例中，第二折射率可以等于介电环境的折射率。

优选地，纳米空隙聚合物被配置成使用施加的电压、机械压力或声波中的至少一种来致动。

方便地，光学元件还包括：主电极(primary electrode)；和副电极(secondaryelectrode)，其与主电极的至少一部分重叠，其中纳米空隙聚合物(nanovoided polymer)设置在主电极和副电极之间并邻接主电极和副电极。

优选地，纳米空隙聚合物包括均匀的空隙拓扑(topology)。