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除了将图像调制为显示器或SLM外，LCs同时表现出其他重要的特性，并可用于创建新的光子器件LCOEs。LCOEs具有超薄的形状参数、几乎100%的效率、强偏振选择性和开关能力，所以它在AR/VR系统中显示出非常出色的应用前景。
6.1 透射式LC平面光学
在透射式LCOE中，我们将重点关注几何相位光学元件。由于相位延迟取决于LC对准，透射型光学元件能够在薄层内实现快速相位调制的主要原因。透射式LCOE显示出非常强的偏振选择性，并且可以分别作为波片、光栅和透镜工作，具体取决于LC对准。图8总结了每个元件的极化响应。
作为一种各向异性光学材料，LC可以为偏振光引入相位延迟，因此它是波片（或相位延迟器）的一个潜在的候选者。无缘LC波片是一种经过紫外线稳定处理的聚合物薄膜，具有超薄、轻质的特点。有源LC波片则可通过施加电压在开和关状态之间切换。
在图9a所示系统中，基于LC的有源HWP与无源LC透镜一起工作。由于LC透镜与偏振有关，因此切换有源HWP将旋转偏振状态，从而改变透光率。如果无源LC透镜被偏振选择光栅取代，则焦平面调制将转向输出光束角度偏移以进行光束控制，如图9b所示。
要获得宽带有源波片，最简单的设备是TN cell。另外，我们可以利用负色散LC材料制作宽带有源波片，以补偿可见光范围内与波长相关的相位延迟。Merck已开发出用于被动LC波片的负色散LC单体（如RMM 1705）。然而，对于具有有源LC波片的AR/VR系统中的多路复用和转向应用，响应时间需要很快（~ 1 ms）。目前，行业尚未出现具有如此快响应时间的负色散LC。
另一种方法是构建多扭曲结构。根据有源驱动的要求，每个扭曲层需要两个ITO玻璃基板，这大大增加了系统的厚度和重量。
6.2 反射式LC平面光学
在反射LCOE中，反射机制基于所用胆甾相液晶（CLC）的布拉格反射。因此，这种类型的衍射光学元件又称为“厚”光学元件。这种反射LCOE的效率与器件厚度密切相关。为了建立布拉格反射，LC层的最小厚度约为10 pitch。另外，通过掺杂一定的手性掺杂剂，可以实现螺旋CLC结构。为了适应宽视角和宽带，我们可以应用更复杂的结构，如多层和梯度间距。如图12所示，红色虚线连接LC控制器的短轴，并表示布拉格表面。根据LC对准产生的不同布拉格表面，这种反射LCOE表现出很强的偏振选择性，可以分别用作反射器、光栅和轴上/轴外透镜。图12中总结了每个元件的极化响应。
CLC反射器（图12a）具有简单的结构，但可用于AR/VR的各种应用。在VR Pancake结构中，CLC反射器可以取代QWP和反射偏振器，以获得更简单的结构。另外，通过使用CLC反射器将两个图像编码为正交圆极化，可以实现注视点VR显示器。
如图13a所示，经历不同路径的图像经历不同的放大率，所以注视点图像的空间分辨率可以大大增强。利用偏振选择性，CLC反射器同时可以在AR系统中生成两条光路。如图13b所示，两个反射器分别按顺序放置，以产生两个不同的屈光度和光路，其中每个光路对应一个图像深度。通过使用多个CLC反射器，可以产生更多的图像深度。
通过在CLC反射器中引入一个线性变化的相位，可以得到一个反射式LC光栅（称为偏振体光栅PVG）。这种线性变化的相位可以通过曲面对齐生成。与CLC反射器相比，PVG具有更复杂的结构，其中光对准层上的偶氮化合物沿水平轴呈现正弦图案。图12b描述了PVG结构的LC分布。
通过向CLC反射器引入抛物面变化的相位，可以获得反射LC透镜。透镜相位profile可以叠加到平面CLC，以形成轴上或轴外CLC透镜（图12c，d）。与CLC反射器一样，CLC透镜依然遵循偏振选择性规则，但当入射光从不同profile入射时，其会呈现出相反的相位profile。换句话说，具有目标偏振的入射光可以会聚或发散，这取决于光束进入哪一侧。利用CLC的偏振选择性，可以将多个CLC膜堆叠在一起，以执行不同的功能，从而实现广泛的应用。
对于VR系统，Pancake设计的CLC反射器可以进一步替换为同轴CLC透镜。这种CLC透镜为优化光学像差提供了更多的自由度。折射和衍射元件的组合由于其相反的色散行为而抑制了色差。
如果将所有折射光学元件替换为HOE（图15a），则Pancake结构可以进一步演变为更紧凑的形状参数。为了适应HOE的角度选择性和波长选择性，单色定向背光是首选的光引擎。另外，轴上CLC透镜可以在投影AR系统中实现，以用作光学组合器。
在麦克斯韦系统中，除了生成或切换多个视点外，同时可以实现注视匹配功能以适应眼睛旋转。在注视匹配的场景中，出瞳应与瞳孔对齐。换句话说，主要光线应该与眼睛注视的方向相匹配。
为了满足这一要求，应实时调节成像耦合器的入射光角度。有研究人员提出了一种机械移位器来移动成像耦合器的水平位置。所述方法可以直接实现注视匹配，但机械移位器增加了系统的复杂性和重量。
由于全息透镜耦合器的探测波与曝光过程中使用的参考波的波前不匹配，当相同的全息透镜耦合器移动时，像差会出现。有人通过使用多个具有不同图案的离轴CLC透镜来适应不同的入射光方向，并开发了一种注视匹配的麦克斯韦系统。
如图16c所示，三个透镜设计用于三个出瞳，以在眼睛旋转时与眼睛瞳孔位置对齐。由于每个透镜可以针对一个入射角进行专门设计，所以像差可以忽略不计。然而，如果需要更多的视点来覆盖大范围的眼球旋转，这种方法可能会变得更笨重。为了使其合理实用，可以在视点数量和注视匹配程度之间进行一定的折衷。尽管麦克斯韦显示器仅限于一个小视窗，但波导框架可以支撑一个大视窗。
通过将这两个优点结合在一起，有人提出了一种扫描波导显示器，通过部署一个离轴CLC透镜阵列作为输出耦合器来实现宽水平视窗（~ 80°）（图16d）。准直光通过离轴CLC透镜阵列进行外耦合，然后形成多个视点。在这个框架中，视窗不再受波导折射率的限制，而是完全由每个透镜元件的f数决定。由于强大的CLC对准，离轴CLC透镜可以达到较小的f数（~ 0.6）。
相关论文：Advanced liquid crystal devices for augmented... https://t.cn/A6XY9HN8
6.1 透射式LC平面光学
在透射式LCOE中，我们将重点关注几何相位光学元件。由于相位延迟取决于LC对准，透射型光学元件能够在薄层内实现快速相位调制的主要原因。透射式LCOE显示出非常强的偏振选择性，并且可以分别作为波片、光栅和透镜工作，具体取决于LC对准。图8总结了每个元件的极化响应。
作为一种各向异性光学材料，LC可以为偏振光引入相位延迟，因此它是波片（或相位延迟器）的一个潜在的候选者。无缘LC波片是一种经过紫外线稳定处理的聚合物薄膜，具有超薄、轻质的特点。有源LC波片则可通过施加电压在开和关状态之间切换。
在图9a所示系统中，基于LC的有源HWP与无源LC透镜一起工作。由于LC透镜与偏振有关，因此切换有源HWP将旋转偏振状态，从而改变透光率。如果无源LC透镜被偏振选择光栅取代，则焦平面调制将转向输出光束角度偏移以进行光束控制，如图9b所示。
要获得宽带有源波片，最简单的设备是TN cell。另外，我们可以利用负色散LC材料制作宽带有源波片，以补偿可见光范围内与波长相关的相位延迟。Merck已开发出用于被动LC波片的负色散LC单体（如RMM 1705）。然而，对于具有有源LC波片的AR/VR系统中的多路复用和转向应用，响应时间需要很快（~ 1 ms）。目前，行业尚未出现具有如此快响应时间的负色散LC。
另一种方法是构建多扭曲结构。根据有源驱动的要求，每个扭曲层需要两个ITO玻璃基板，这大大增加了系统的厚度和重量。
6.2 反射式LC平面光学
在反射LCOE中，反射机制基于所用胆甾相液晶（CLC）的布拉格反射。因此，这种类型的衍射光学元件又称为“厚”光学元件。这种反射LCOE的效率与器件厚度密切相关。为了建立布拉格反射，LC层的最小厚度约为10 pitch。另外，通过掺杂一定的手性掺杂剂，可以实现螺旋CLC结构。为了适应宽视角和宽带，我们可以应用更复杂的结构，如多层和梯度间距。如图12所示，红色虚线连接LC控制器的短轴，并表示布拉格表面。根据LC对准产生的不同布拉格表面，这种反射LCOE表现出很强的偏振选择性，可以分别用作反射器、光栅和轴上/轴外透镜。图12中总结了每个元件的极化响应。
CLC反射器（图12a）具有简单的结构，但可用于AR/VR的各种应用。在VR Pancake结构中，CLC反射器可以取代QWP和反射偏振器，以获得更简单的结构。另外，通过使用CLC反射器将两个图像编码为正交圆极化，可以实现注视点VR显示器。
如图13a所示，经历不同路径的图像经历不同的放大率，所以注视点图像的空间分辨率可以大大增强。利用偏振选择性，CLC反射器同时可以在AR系统中生成两条光路。如图13b所示，两个反射器分别按顺序放置，以产生两个不同的屈光度和光路，其中每个光路对应一个图像深度。通过使用多个CLC反射器，可以产生更多的图像深度。
通过在CLC反射器中引入一个线性变化的相位，可以得到一个反射式LC光栅（称为偏振体光栅PVG）。这种线性变化的相位可以通过曲面对齐生成。与CLC反射器相比，PVG具有更复杂的结构，其中光对准层上的偶氮化合物沿水平轴呈现正弦图案。图12b描述了PVG结构的LC分布。
通过向CLC反射器引入抛物面变化的相位，可以获得反射LC透镜。透镜相位profile可以叠加到平面CLC，以形成轴上或轴外CLC透镜（图12c，d）。与CLC反射器一样，CLC透镜依然遵循偏振选择性规则，但当入射光从不同profile入射时，其会呈现出相反的相位profile。换句话说，具有目标偏振的入射光可以会聚或发散，这取决于光束进入哪一侧。利用CLC的偏振选择性，可以将多个CLC膜堆叠在一起，以执行不同的功能，从而实现广泛的应用。
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如果将所有折射光学元件替换为HOE（图15a），则Pancake结构可以进一步演变为更紧凑的形状参数。为了适应HOE的角度选择性和波长选择性，单色定向背光是首选的光引擎。另外，轴上CLC透镜可以在投影AR系统中实现，以用作光学组合器。
在麦克斯韦系统中，除了生成或切换多个视点外，同时可以实现注视匹配功能以适应眼睛旋转。在注视匹配的场景中，出瞳应与瞳孔对齐。换句话说，主要光线应该与眼睛注视的方向相匹配。
为了满足这一要求，应实时调节成像耦合器的入射光角度。有研究人员提出了一种机械移位器来移动成像耦合器的水平位置。所述方法可以直接实现注视匹配，但机械移位器增加了系统的复杂性和重量。
由于全息透镜耦合器的探测波与曝光过程中使用的参考波的波前不匹配，当相同的全息透镜耦合器移动时，像差会出现。有人通过使用多个具有不同图案的离轴CLC透镜来适应不同的入射光方向，并开发了一种注视匹配的麦克斯韦系统。
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