CN106814462B - 光束转向装置、光学设备和光束转向方法 - Google Patents

光束转向装置、光学设备和光束转向方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种光束转向装置、一种光学设备和一种光束转向方法。该光束转向装置包括偏振转换器，调节从光源发射的光的偏振方向；以及天线阵列，接收来自偏振转换器的光，并且根据来自偏振转换器的光的偏振方向在不同的传播方向上发射光。

Description

光束转向装置、光学设备和光束转向方法
技术领域
与示例性实施例一致的设备和方法涉及一种能够调节光传播方向的光束转向装置，特别涉及一种能够通过使用具有凹雕结构的天线元件阵列来调节光传播方向的光束转向装置，一种包括该光束转向装置的光学设备和一种光束转向方法。
背景技术
最近，已经开发了各种光学装置。因为光学装置使用光，所以光学装置的信号处理率很高。然而，具有小尺寸(例如，几十到几百纳米)的电子装置的信号处理率比光学装置的信号处理率低。虽然光学装置具有高信号处理率，但是由于光衍射的限制，难以将光学装置的尺寸减小到小于光波长的水平。因此，难以制造具有小于几微米(μm)尺寸的光学装置。因此，使用光学装置制造集成光学电路是有限制的。
已经开发了光学装置如光学阵列天线。使用光学阵列天线通过调节光学阵列天线的天线元件的相位可以改变光的传播方向。然而，由于难以连接天线元件之间的纤维，所以难以制造使用相控阵列的光学阵列天线，并且由于相位调谐加热器，使用相控阵列的光学阵列天线具有复杂的结构。
发明内容
示例性实施例至少可以解决上述问题和/或缺点，并且解决上文未描述的其它缺点。此外，示例性实施例不需要克服上述所有缺点，并且不用克服上述每一个问题。
一个或多个示例性实施例提供了能够通过改变光的偏振方向调节光的传播方向的光束转向装置。
一个或多个示例性实施例提供了能够通过使用简化的天线阵列结构调节光的传播方向的光束转向装置。
一个或多个示例性实施例提供了能够通过改变光的偏振方向调节光的传播方向的光学设备。
一个或多个示例性实施例提供了通过改变光的偏振方向调节光的传播方向的光束转向方法。
根据示例性实施例的方面，提供了光束转向装置，包括偏振转换器，调节从光源发射的光的偏振方向；以及天线阵列，接收来自偏振转换器的光，并且根据来自偏振转换器的光的偏振方向在不同传播方向上发射光。
天线阵列可以包括沿不同方向设置在金属层中的狭槽。
每个狭槽可具有带相对较长的第一边和相对较短的第二边的横截面形状，并且狭槽的第一边可以分别与调节的光偏振方向成不同的角度设置。
天线阵列还可包括与各自对应的狭槽分离并且邻近各自对应的狭槽的凹槽，凹槽分别反射光束以具有不同传播方向。
多个狭槽和凹槽中的狭槽和对应的凹槽可以布置在与多个狭槽和凹槽中的另一狭槽和另一凹槽布置的方向不同的方向上。
凹槽可以与各自对应的狭槽平行。
凹槽可以与各自对应的狭槽倾斜。
光束转向装置还可包括设置在金属层中的另一天线阵列，该另一天线阵列包括以与天线阵列的狭槽相同的方式布置的其它狭槽。
光束可以具有相同的强度。
光束可以分别具有不同的强度。
根据另一示例性实施例的方面，提供了光束转向装置，包括：偏振转换器，调节从光源发射的光的偏振方向；金属层，接收具有调节的偏振方向的光；以及设置在金属层中的狭槽，每个狭槽具有带相对较长的第一边和相对较短的第二边的横截面形状，所述狭槽的第一边分别与调节的光偏振方向成不同角度设置。
光束的不同传播方向可基本上垂直于光束所入射的狭槽相应第一边。
光束转向装置还可包括设置在金属层中的凹槽，凹槽与各自对应的狭槽分离并且邻近各自对应的狭槽，并且凹槽分别反射光束以具有不同传播方向。
光束转向装置还可包括设置在金属层中的其它狭槽，该其它狭槽以与狭槽不同的方式布置。
偏振转换器可以包括液晶层。
每个狭槽可以具有矩形横截面形状。
金属层可以包括钛、金、银、铂、铜、铝、镍和铬中的至少一个。
光束转向装置还可包括使发射光折射的折射器。
折射器可具有电动可调折射率。
第一边和第二边的距离均可以小于发射光的波长。
根据另一示例性实施例的方面，提供了光学设备，包括：配置为发射光的光源；偏振转换器，调节发射光的偏振方向；天线阵列，接收来自偏振转换器的光并且根据来自偏振转换器的光的偏振方向在不同传播方向上发射光；和显示面板，配置为基于从天线阵列发射的具有不同传播方向的光产生不同视角的图像。
金属层还可包括与各自对应的狭槽分离并且邻近各自对应的狭槽的凹槽，凹槽分别反射光束以具有不同传播方向。
根据另一示例性实施例的方面，提供了光束转向方法，包括调节从光源发射的光的偏振方向；以及使具有调节的传播方向的光受到具有相对于传播方向在不同方向上取向的狭槽的金属层的影响。
每个狭槽可具有带相对较长的第一边和相对较短的第二边的横截面形状。
狭槽的第一边可分别与调节的光偏振方向成不同角度设置，并且光束的不同传播方向可以基本上垂直于光束所入射的狭槽相应第一边。
光束转向方法还可包括分别从金属层中的凹槽反射光束以具有不同传播方向，凹槽与各自对应的狭槽分离并且邻近各自对应的狭槽。
附图说明
通过参考附图描述示例性实施例，上述和/或其它方面将更明显，其中：
图1是示出了根据示例性实施例的光束转向装置的平面图；
图2是沿图1的II-II线截取的剖视图；
图3是示出了当具有第一偏振方向的光入射到图1所示的光束转向装置上时光的传播方向的图；
图4是示出了当具有第二偏振方向的光入射到图1所示的光束转向装置上时光的传播方向的图；
图5是示出了根据另一示例性实施例的光束转向装置的平面图；
图6是沿图5的VI-VI线截取的剖视图；
图7是示出了当具有第一偏振方向的光入射到包括天线元件(每个天线元件具有狭槽和凹槽)的光束转向装置上时在第一方向传播的光的图；
图8是示出了当具有第一偏振方向的光入射到图7所示的光束转向装置上时从光束转向装置输出的光的光分布图；
图9是示出了当具有第二偏振方向的光入射到图7所示的光束转向装置上时在第二方向上传播的光的图；
图10是示出了当具有第二偏振方向的光入射到图7所示的光束转向装置上时从光束转向装置输出的光的光分布图；
图11是示出了当具有第一到第五偏振方向的光入射到包括天线元件(每个天线元件具有狭槽和凹槽)的光束转向装置上时光的传播方向的图；
图12是示出了根据示例性实施例的光束转向装置的天线元件的图；
图13是示出了图12所示光束转向装置的天线元件的图，其中天线元件的狭槽和凹槽的尺寸不同；
图14、15、16是示出了根据示例性实施例的光束转向装置的天线元件(天线元件包括狭槽和两个凹槽)的图；
图17是示出了根据示例性实施例的具有天线元件(每个天线元件包括狭槽和两个凹槽)的光束转向装置的平面图；
图18是示出了根据另一示例性实施例的光束转向装置的天线元件的图；
图19是示出了包括天线元件(如图18所示天线元件)的光束转向装置的平面图；
图20是示出了根据另一示例性实施例的光束转向装置的平面图；
图21是示出了根据示例性实施例的包括天线阵列(天线元件在天线阵列中规则布置)的光束转向装置的平面图；
图22和23是示出了根据示例性实施例的包括天线阵列(天线元件在天线阵列中非规则布置)的光束转向装置的平面图；
图24是示出了图6所示的光束转向装置的剖视图，折射器添加到光束转向装置中；
图25是示出了根据示例性实施例的包括光束转向装置的光学设备的视图；以及
图26是示出了根据示例性实施例的光束转向方法的流程图。
具体实施方式
下面参考附图更详细地描述示例性实施例。
在以下描述中，甚至在不同的附图中，相同的附图标记用于相同的元件。在描述中限定的物件，如详细的结构和元件，用于辅助示例性实施例的全面理解。然而，明显的是，无需那些特别限定物件也可以实现示例性实施例。此外，如果公知的功能和结构以不必要的细节使描述难以理解，那么它们可以被省略。
将理解的是，本文使用的术语“包括”及其变体指定存在所述特征和部件，但不排除存在或增加一个或多个其它特征或部件。此外，说明书中描述的术语如“单元”、“-器”和“模块”指的是实现至少一个功能或操作的元件，并且可以在硬件、软件或软硬件结合中实现。
图1是示出了根据示例性实施例的光束转向装置的平面图，并且图2是沿图1的II-II线截取的示意性剖视图；
参考图1和2，光束转向装置包括配置为调节从光源S发射的光的偏振方向的偏振转换器10、金属层20和设置在金属层20中的天线阵列A。
例如，光源S可以包括光发射装置如光发射二极管(LED)或激光二极管(LD)。例如，偏振转换器10可以将从光源S发射的光转换成偏振光束。例如，偏振转换器10可以包括液晶层，并且可以电动改变光的偏振方向。此外，偏振转换器10可以机械地改变光的偏振方向。例如，偏振转换器10可以包括偏振片和配置为转动偏振片的驱动器。偏振片可以转动以改变光的偏振方向。
金属层20可以包括从钛(Ti)、金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)、铜(Cu)、铝(Al)、镍(Ni)和铬(Cr)中选择的至少一个。金属层20可以包括钛(Ti)、金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)、铜(Cu)、铝(Al)、镍(Ni)和铬(Cr)中的至少两个的合金。金属层20还可以用作电极。例如，如果偏振转换器10需要电极，则金属层20可以起电极的作用。
天线阵列A设置在金属层20中。天线阵列A包括配置为根据光的偏振方向改变光的传播方向的多个天线元件BA。
天线元件BA可以是基础单元结构，用于根据光的偏振方向改变光的传播方向。例如，天线元件BA可以包括至少一个凹雕结构，并且凹雕结构可以包括狭槽SL。
狭槽SL可以具有带第一边E1和第二边E2的横截面，第一边E1具有相对较长的长度D1，第二边E2具有相对较短的长度D2。例如，狭槽SL可以具有矩形横截面形状。然而，狭槽SL的横截面形状不限于此。例如，狭槽SL可以具有三角形、五边形或六边形的横截面形状。狭槽SL的横截面形状可以是在横向于光的入射方向的方向上的横截面形状。例如，在图1中，图2所示的光源S可以通过天线阵列A向页面外发射光。狭槽SL可以穿透金属层20。
例如，狭槽SL可以具有长方体形状。第一边E1和第二边E2之间的角度可以是90°，并且狭槽SL可以具有纳米尺寸。纳米尺寸的范围可以从几纳米到几百纳米。狭槽SL可以通过刻蚀过程形成，并且狭槽SL的壁根据刻蚀过程的刻蚀深度可以不必彼此完全垂直，并且狭槽SL的横截面形状可以是近似矩形的。
狭槽SL的第一边E1可以相对于参考方向以不同角度取向。可以任意选择参考方向，例如光束转向装置的水平方向x或竖直方向y。或者，参考方向可以是光的偏振方向。天线元件BA的狭槽SL可以相对于参考方向以不同角度取向。例如，狭槽SL的第一边E1可以相对于水平方向x成不同角度α。然而，不需要天线元件BA的所有狭槽SL都彼此具有不同的倾斜角度。例如，狭槽SL中的一些可以具有相同倾斜角度。
例如，天线阵列A可以包括第一狭槽SL1、第二狭槽SL2、第三狭槽SL3、第四狭槽SL4和第五狭槽SL5。第一到第五狭槽SL1到SL5可以具有不同的横截面斜率(角度α)。参考图示出了沿图1的II-II线截取的横截面的图2，第一到第五狭槽SL1到SL5可以具有不同的宽度W。换句话说，参考沿图1的II-II线截取的横截面，第一到第五狭槽SL1到SL5可以具有增加的横截面宽度W。
离开每个天线元件BA的光的传播方向可以由天线元件BA的每个狭槽SL的方向确定，并且离开光束转向装置的光的传播方向可以通过合成从天线元件BA输出的光来改变。因此，根据入射到示例性实施例的光束转向装置上的光的偏振方向，光束转向装置可以调节光的传播方向或出射方向。
图3是示出了当具有第一偏振方向的光入射到图1所示天线阵列上时光的传播方向的图；
参考图3，天线阵列A包括第一狭槽SL1、第二狭槽SL2、第三狭槽SL3、第四狭槽SL4和第五狭槽SL5。例如，第一到第五狭槽SL1到SL5可以具有相同的形状和尺寸。然而，第一到第五狭槽SL1到SL5可以具有不同的形状和尺寸。
第一到第五狭槽SL1到SL5可以在不同方向上取向。在横向于光的入射方向的方向上截取的第一到第五狭槽SL1到SL5中的每个的横截面(如图3所示的x-y平面)中，具有相对较长长度的边将被称为长边E1，并且具有相对较短长度的边将被称为短边E2。例如，第一到第五狭槽SL1到SL5的长边E1可以相对于第一方向成角α1、α2、α3、α4和α5，并且角α1、α2、α3、α4和α5可以满足α1>α2>α3>α4>α5的条件。当光从图3页面的背面入射到第一到第五狭槽SL1到SL5的每个时，光的出射方向可以根据入射到第一到第五狭槽SL1到SL5的每个上的光的偏振方向以及第一到第五狭槽SL1到SL5的每个的长边E1的方向确定。例如，如果在垂直于狭槽SL的长边E1的方向上偏振的光入射到狭槽SL的长边E1上，则光可以在狭槽SL中共振并且然后可以从狭槽SL出射或发射。然而，如果在平行于长边E1的方向上偏振的光入射到狭槽SL，则光不可以出射出狭槽SL。换句话说，在垂直于狭槽SL的长边E1的方向上偏振的光可以在狭槽SL中共振并且然后可以出射出狭槽SL。如果具有任意偏振方向的光入射到狭槽SL上，则光的垂直于长边E1的分量可以出射出狭槽SL。
如图3所示，具有垂直于y方向的第一偏振方向的第一光束L1入射到天线阵列上。第一偏振方向可以垂直于第一狭槽SL1的长边E1。如果具有第一偏振方向的第一光束L1入射到第一狭槽SL1上，则光束的垂直于第一狭槽SL1的长边E1的分量可以在垂直于长边E1的方向上从第一狭槽SL1出射出。换句话说，具有传播方向L11((+)x和(-)x方向二者)的光L1-1可以从第一狭槽SL1出射出。出射出狭槽SL的光的强度可以根据光垂直于狭槽SL长边E1的分量的大小确定。
对于具有第一偏振方向的相同第一光束L1，具有传播方向L12的光L1-2可以从第二狭槽SL2出射出。方向L12可以垂直于第二狭槽SL2的长边E1。光L1-2可以是第一光束L1垂直于第二狭槽SL2长边E1的分量。
同样，具有传播方向L13的光L1-3可以从第三狭槽SL3出射出。传播方向L13可以垂直于第三狭槽SL3的长边E1。光L1-3可以是第一光束L1垂直于第三狭槽SL3长边E1的分量。光离开第四狭槽SL4和第五狭槽SL5的出射方向可以以相同的方式确定。因此，具有方向L14的光L1-4可以从第四狭槽SL4出射出。在第五狭槽SL5的情况下，长边E1平行于第一光束L1的第一偏振方向，因此第一光束L1不具有垂直于第五狭槽SL5长边E1的分量。因此，没有光L1-5可以从第五狭槽SL5出射出。
如上所述，光L1-1、L1-2、L1-3、L1-4、L1-5可以以不同强度在不同传播方向上出射。如果具有第一偏振方向的第一光束L1入射到天线阵列上，则光L1-1、L1-2、L1-3、L1-4、L1-5可以结合到一起，并且输出为第一组合光束L1S。第一组合光束L1S的出射方向和强度可以根据光L1-1、L1-2、L1-3、L1-4、L1-5的方向和强度确定。
图4是示出了当具有第二偏振方向的光入射到图1所示的天线阵列上时光的传播方向的图。
参考图4，具有垂直于x方向的第二偏振方向的第二光束L2入射到天线阵列上。第二偏振方向可以平行于第一狭槽SL1的长边E1。例如，第一到第五狭槽SL1到SL5的长边E1可以相对于(+)y方向成角β1、β2、β3、β4和β5，并且角β1、β2、β3、β4和β5可以满足β1<β2<β3<β4<β5的条件。
第一狭槽SL1的长边E1平行于第二光束L2的偏振方向，因此第二光束L2不具有垂直于第一狭槽SL1长边E1的分量。因此，没有光L2-1可以从第一狭槽SL1出射出。具有传播方向L22的光L2-2可以从第二狭槽SL2出射出。具有传播方向L23的光L2-3可以从第三狭槽SL3出射出。具有传播方向L24的光L2-4可以从第四狭槽SL4出射出。具有传播方向L25的光L2-5可以从第五狭槽SL5出射出。光L2-1、L2-2、L2-3、L2-4、L2-5可以以不同的强度在不同传播方向上出射出。如果具有第二偏振方向的第二光束L2入射到光束转向装置上，则光L2-1、L2-2、L2-3、L2-4、L2-5可以结合到一起，并且输出为第二组合光束L2S。第二组合光束L2S的出射方向和强度可以根据光L2-1、L2-2、L2-3、L2-4、L2-5的方向和强度确定。
如参考图3和4描述的，通过调节入射到天线阵列上的光的偏振方向，光束转向装置可以调节离开天线阵列的光的出射方向。此外，光束转向装置可以通过改变入射光的强度调节输出光的强度。
在图3和4中，光束转向装置的第一到第五狭槽SL1到SL5在不同方向上取向。然而，狭槽中的一些可以在相同方向上取向。除了将第一到第五狭槽SL1到SL5按它们的斜率顺序布置，第一到第五狭槽SL1到SL5可以随机布置，而不是取决于布置顺序。
或者，第一到第五狭槽SL1到SL5可以分别具有不同尺寸或者组合起来具有不同尺寸。光的波长可以根据狭槽的尺寸(即长度和宽度)选择。因为在狭槽中共振的光的波长由狭槽的尺寸确定，所以光的传播波长带可以取决于狭槽的尺寸。
图5是示出了根据另一示例性实施例的光束转向装置的平面图，并且图6是沿图5的VI-VI线截取的剖视图。
参考图5和6，光束转向装置包括配置为调节从光源S10发射的光的偏振方向的偏振转换器110、金属层120和包括多个天线元件BA的天线阵列A，每个天线单元具有取决于光偏振方向的功能。
天线元件BA可以是基础单元结构，用于根据光的偏振方向改变光的传播方向。天线单元BA的每个可以包括狭槽SL和邻近狭槽SL的至少一个凹槽G。
光源S10可以包括光发射装置如LED或LD。光源S10可以与偏振转换器110分开或可以以邻接偏振转换器110的层的形式提供。偏振转换器110可以将从光源S10发射的光转换成偏振光束。例如，偏振转换器110可以包括光栅装置、液晶层或线栅偏振器。
狭槽SL可以具有带第一边E1和第二边E2的横截面形状，第一边E1具有相对较长的长度D1，第二边E2具有相对较短的长度D2。例如，狭槽SL可以具有矩形横截面形状。然而，狭槽SL的横截面形状可以具有三角形、五边形或六边形的横截面形状。狭槽SL的横截面形状可以是在横向于光的入射方向的方向上的横截面形状。狭槽SL可以穿透金属层120，并且偏振转换器110可以暴露通过狭槽SL的下部。
金属层120包括基本上与图1金属层20包括的狭槽相同的狭槽SL，因此将省略其详细描述。
金属层120还包括凹槽G，例如第一凹槽G1、第二凹槽G2、第三凹槽G3、第四凹槽G4和第五凹槽G5。凹槽G可以形成在金属层120中以具有预定的深度，以便它们不穿透金属层120。凹槽G可以分别平行于狭槽SL。然而，凹槽G可以与狭槽SL倾斜。
如果从狭槽SL输出的光入射到对应的凹槽G上，则光可以由凹槽G反射。从狭槽SL输出的光可以在垂直于狭槽SL长边E1的两个相反的方向上传播。从对应的狭槽SL朝向凹槽G传播的光可以例如通过凹槽G反射，并且可以与从狭槽SL在相反方向上传播的光结合。换句话说，出射出狭槽SL的光可以由对应的凹槽G给出方向性，并且可以因此在一个方向上传播。凹槽G可以用作导向器或反射器。
图7是示出了当具有偏振方向的光入射到天线元件(每个天线元件具有狭槽和凹槽)上时在一个方向上传播的光的图。图8是示出了当图7所示的具有偏振方向的光入射到光束转向装置上时从光束转向装置输出的光的光分布图。
参考图7，光束转向装置包括第一天线元件BA1、第二天线元件BA2和第三天线元件BA3。第一天线单元BA1包括第一狭槽SL11和对应的第一凹槽G11。第二天线单元BA2包括第二狭槽SL22和对应的第二凹槽G22。第三天线单元BA2同样包括第三狭槽SL33和对应的第三凹槽G33。
第一狭槽SL11的长边E11可以垂直于第一方向DR1，第二狭槽SL22的长边E22可以相对于第一方向DR1成45°角，并且第三狭槽SL33的长边E33可以平行于第一方向DR1。例如，第一方向DR1可以是光束转向装置的水平方向(+)x。
具有第一偏振方向P11的第一光束LI入射到光束转向装置上。第一光束LI可以从第一狭槽SL11在垂直于第一狭槽SL11长边E11的两个方向上出射，并且朝向第一凹槽G11传播的光束可以由它反射并与在L111方向上传播的光束结合。第一光束LI可以从第二狭槽SL22在垂直于第二狭槽SL22长边E22的两个方向上出射，并且朝向第二凹槽G22传播的光束可以由它反射并与在L112方向上传播的光束结合。因为第一光束LI不具有垂直于第三狭槽SL33长边E33的分量，所以没有第一光束LI可以从第三狭槽SL33出射出。
入射到光束转向装置的具有第一偏振方向P11的第一光束LI由此被转变为具有在方向L111上传播的部分和在方向L112上传播的部分的第一输出光束LIO。
图8示出了当图7所示的具有第一偏振方向P11的第一光束LI入射到光束转向装置上时由光束转向装置产生的第一输出光束LIO。
图9是示出了当具有不同偏振方向的光入射到图7所示的光束转向装置上时在另一方向上传播的光的图。图10是示出了当图9所示的具有偏振方向的光入射到光束转向装置上时从光束转向装置输出的光的光分布图。
参考图9，具有第二偏振方向P22的第二光束LII入射到图7所示的光束转向装置上。第二偏振方向P22可以是平行于第一狭槽SL11长边E11的第二方向DR2。例如，第二方向DR2可以是光束转向装置的竖直方向(+)y。因为第二光束LII不具有垂直于第一狭槽SL11长边E11的分量，所以没有第二光束LII可以从第一狭槽SL11出射出。
第二光束LII可以从第二狭槽SL22在垂直于第二狭槽SL22长边E22的两个方向上出射，并且朝向第二凹槽G22传播的光束可以由它反射并与在L222方向上传播的光束结合。第二光束LII可以从第三狭槽SL33在垂直于第三狭槽SL33长边E33的两个方向上出射，并且朝向第三凹槽G33传播的光束可以由它反射并与在L223方向上传播的光束结合。
具有第二偏转方向P22的第二光束LII可以分成在方向L222上传播的部分和在方向L223上传播的部分，并且两部分可以结合成第二输出光束LIIO。
图10示出了当图9所示的具有第二偏振方向P22的第二光束LII入射到光束转向装置上时由光束转向装置产生的第二输出光束LIIO。
参考图7到10，虽然光束转向装置的结构没有改变，但是光从光束转向装置出射的方向可以根据入射到光束转向装置上的光的偏振方向调节。在上文中，描述了两个偏振方向。然而，可以不同地改变光的偏振方向以调节光的出射方向。例如，具有不同于第一和第二偏转方向的第三或第四偏振方向的光可以被导向到光束转向装置以改变光的出射方向。因此，如上所述，通过调节光的偏振方向，光可以从光束转向装置在多个方向上输出，而不需改变光束转向装置的结构。
图11是示出了当具有第一到第五偏振方向的光入射到天线元件(每个天线元件具有狭槽和凹槽)上时光的传播方向的图。图11所示的光束转向装置包括天线阵列A，第一到第五天线元件布置在天线阵列A中。第一到第五天线元件包括第一到第五狭槽SL1到SL5和第一到第五对应的凹槽G1到G5。例如，第一凹槽G1可以设置在第一狭槽SL1的一侧，平行于第一狭槽SL1。第二到第五凹槽G2到G5可以分别平行于第二到第五狭槽SL2到SL5。第一到第五狭槽SL1到SL5可以在不同方向上取向。例如，如果光束转向装置的水平方向被称为x轴方向，并且光束转向装置的竖直方向被称为y轴方向，那么第一到第五狭槽SL1到SL5可以取向为使得第一到第五狭槽SL1到SL5的长边可以相对于(+)x轴方向成不同的角度α2。然而，第一到第五狭槽SL1到SL5不限于此。例如，第一到第五狭槽SL1到SL5可以在相同方向上取向。
如果改变图11所示的入射到光束转向装置的光的偏振方向，那么可以调节从光束转向装置输出的光的传播方向。例如，如果入射到光束转向装置的光束LI1到LI5分别具有第一到第五偏振方向P1到P5，那么第一到第五输出光束LO1到LO5可以在不同传播方向上输出。在图11的下部，示出了第一到第五输出光束LO1到LO5与第一到第五偏振方向P1到P5的关系。因为入射光的偏振方向不同，所以从光束转向装置输出的光的方向不同。换句话说，光的输出方向可以通过改变入射光的偏振方向来调节。
图12是示出了根据示例性实施例的光束转向装置的天线元件的图。图13是示出了图12所示光束转向装置的天线元件的图，其中天线元件的狭槽和凹槽的尺寸可以改变。图12和13示出了根据示例性实施例的光束转向装置的天线元件的基础单元结构。天线元件包括在金属层中的狭槽230和凹槽235。从光束转向装置输出的光的方向可以根据狭槽230和凹槽235的尺寸或狭槽230和凹槽235之间的距离s1确定。例如，如果改变狭槽230和凹槽235的长度a1和a2或狭槽230和凹槽235之间的距离s1，那么可以调节从光束转向装置输出的光的方向。或者，从光束转向装置输出的光的方向可以通过改变狭槽230或凹槽235的深度来调节。或者，从光束转向装置输出的光的方向可以通过改变狭槽230和凹槽235中至少一个的形状来调节。换句话说，从光束转向装置输出的光的方向可以通过改变与狭槽230和凹槽235的尺寸(长度、深度等)、狭槽230和凹槽235之间的距离s1以及狭槽230和凹槽235的形状相关的一个或多个因素来调节。
如图12所示，如果凹槽235的长度a2大于狭槽230的长度a1(a1<a2)，那么朝向凹槽235出射出狭槽230的光的相对较大的部分可以通过凹槽反射并在远离凹槽235的方向上传播，结果，光的相对较小的部分可以传播通过凹槽235。在这种情况下，凹槽235可以用作反射器，反射从狭槽230出射的光。
如图13所示，如果凹槽235的长度a2小于狭槽230的长度a1(a1>a2)，那么朝向凹槽235出射出狭槽230的光的相对较大的部分可以由凹槽235引导并传播通过凹槽，结果，光的相对较小的部分可以在远离凹槽235的方向上传播。在这种情况下，凹槽235可以用作导向器，引导出射出狭槽230的光。在两种情况下，狭槽230都可以用作供给光的进给器。
在上述中，描述了通过改变狭槽和凹槽的尺寸来调节光的传播方向的方法。然而，在另一示例中，光的传播方向可以通过改变狭槽和凹槽之间的距离、凹槽的数量或凹槽的位置来调节。例如，可以在狭槽的一侧设置多个凹槽，或者可以在狭槽的每个外侧设置至少一个凹槽。
此外，从狭槽230出射的光的波长可以根据狭槽230的形状或尺寸(例如长度和宽度)改变。例如，如果不改变其它条件，由于狭槽230的长度增加，则具有较长波长的光可以从狭槽230输出。
图14、15、16是示出了根据示例性实施例的包括狭槽和两个凹槽的天线元件的图。参考图14到16，天线元件BA包括设置在金属层420中的狭槽430、设置在狭槽430的一侧的第一凹槽435和设置在狭槽430的相对侧的凹槽437。例如，狭槽430和第一凹槽435之间的距离s1可以等于狭槽430和第二凹槽437之间的距离s2。参考图14，狭槽430的长度a1等于第一凹槽435的长度a2(a1＝a2)，并且第二凹槽437的长度a3大于长度a1(a3＞a1＝a2)。
如图14所示，如果第一凹槽435的长度a2等于狭槽430的长度a1，并且第二凹槽437的长度a3大于狭槽430的长度a1，那么从狭槽430出射的光可以以比朝向左侧更多的量朝向右侧传播。此处，术语“左侧和右侧”基于附图使用。
如图15所示，如果第一凹槽435的长度a2小于狭槽430的长度a1，并且第二凹槽437的长度a3大于狭槽430的长度a1，那么从狭槽430出射的光可以以比朝向左侧更多的量朝向右侧传播。在这种情况下，第一凹槽435可以用作导向器，并且第二凹槽437可以用作反射器。
如图16所示，如果狭槽430的长度a1、第一凹槽435的长度a2和第二凹槽437的长度a3相等，那么从狭槽430出射的光可以以基本相同的量朝向左侧和右侧传播。
参考图14、15和16，光的传播方向可以通过改变狭槽430、第一凹槽435或第二凹槽437的长度来调节。或者，光的传播方向可以通过改变狭槽430和第一凹槽435之间的距离s1或狭槽430和第二凹槽437之间的距离s2调节。或者，光的传播方向可以通过改变狭槽430、第一凹槽435或第二凹槽437的深度来调节。或者，光的传播方向可以通过改变狭槽430、第一凹槽435或第二凹槽437中至少一个的形状来调节。如上所述，光的传播方向可以通过改变与狭槽430、第一凹槽435或第二凹槽437的尺寸(长度、宽度、深度等)、狭槽430和第一凹槽435之间的距离s1、狭槽430和第二凹槽437之间的距离s2以及狭槽430、第一凹槽435和第二凹槽437的形状相关的多个因素之一来调节。
在图14到16示出的示例中，天线元件BA包括一个狭槽和两个凹槽。然而，在另一示例中，天线元件BA可以包括两个狭槽和至少三个凹槽。
如上所述，可以通过不同地结合至少一个狭槽和至少一个凹槽来提供多种天线元件。换句话说，可以通过在金属层中以各种方式布置各种种类的天线元件来提供各种光束转向装置。如果改变入射到天线元件的光的偏振方向，那么可以根据天线元件的阵列结构调节光的输出方向。还可以根据天线元件的阵列结构改变诸如光学效率或强度等性能。此外，关于光束转向装置的结构和入射光的偏振方向之间的关系的信息可以与天线元件结构和布置的各种组合联合起来收集。基于该信息，可以不同地调节示例性实施例的光束转向装置的光学效率和方向性。
图17是示出了根据示例性实施例的光束转向装置的包括狭槽和两个凹槽的每个天线元件的平面图。详细地，图17示出了在金属层ML中设置第一到第四天线元件BA1到BA4的示例。第一天线元件BA1包括第一狭槽SL1、设置在第一狭槽SL1一侧的第一凹槽G1D和设置在第一狭槽SL1的相对侧的第二凹槽G1R。第一凹槽G1D可以用作导向器，并且第二凹槽G1R可以用作发射器。第二天线元件BA2包括第二狭槽SL2、设置在第二狭槽SL2一侧的第三凹槽G2D和设置在第二狭槽SL2的相对侧的第四凹槽G2R。第三天线元件BA3包括第三狭槽SL3、设置在第三狭槽SL3一侧的第五凹槽G3D和设置在第三狭槽SL3的相对侧的第六凹槽G3R。第四天线元件BA4包括第四狭槽SL4、设置在第四狭槽SL4一侧的第七凹槽G4D和设置在第四狭槽SL4的相对侧的第八凹槽G4R。第一到第四天线元件BA1到BA4(每个包括一个狭槽和两个凹槽)可以在不同方向上取向。如果具有偏振方向的光入射到第一到第四天线元件BA1到BA4上，那么光可以从第一到第四天线元件BA1到BA4在不同方向上输出，并且可以结合在一起作为组合光。在图17中，具有x偏振方向的光入射到光束转向装置上，光L从第一到第四天线元件的每个出射。
图18是示出了根据另一示例性实施例的光束转向装置的天线元件的图。详细地，图18示出了天线元件BA。例如天线元件BA设置在金属层520中，并且包括至少一个狭槽521和至少一个凹槽522。狭槽521和凹槽522彼此分开距离d。例如，狭槽521和凹槽522的每个可以具有带长边和短边的多边形横截面形状。此处，长边指的是比短边更长的一边。
例如，狭槽521和凹槽522的每个可以具有长方体形状。狭槽521和凹槽522的每个可以彼此倾斜，并且可以彼此不平行。从狭槽521的长边延伸的虚线和从凹槽522的长边延伸的虚线之间的角度m可以大于0°但小于180°。如果狭槽521和凹槽522如上所述彼此不平行，那么朝向凹槽522从狭槽521出射的光可以通过凹槽522反射或可以传播通过凹槽522。图18示出了朝向凹槽522从狭槽521出射的光通过凹槽522反射。换句话说，可以实现天线功能。在示例中，描述了一个狭槽和一个对应的凹槽。在另一示例中，可以给狭槽提供多个凹槽。例如，可以在狭槽的一侧设置凹槽，在狭槽的相对侧设置多个凹槽。光束转向装置可以通过在不同方向上布置这样的天线元件来配置。
图19是示出了包括天线元件(如图18所示天线元件)的光束转向装置的平面图。光束转向装置包括第一狭槽SL11、第一对应凹槽G11、第二狭槽SL12、第二对应凹槽G12、第三狭槽SL13、第三对应凹槽G13、第四狭槽SL14和第四对应凹槽G14。第一凹槽G11相对于第一狭槽SL11成一角度。第二凹槽G12相对于第二狭槽SL12成一角度。第三凹槽G13相对于第三狭槽SL13成一角度。第四凹槽G14相对于第四狭槽SL14成一角度。第一到第四凹槽G11到G14与第一到第四狭槽SL11到SL14之间的角度可以相等或不同。从光束转向装置输出的光的传播方向可以根据入射到光束转向装置的光的偏振方向通过改变或不同地结合狭槽的数量、狭槽的布置角度、凹槽的数量和凹槽的布置角度来调节。可以收集、储存和使用关于这样的各种修改或结合的数据。
图20是示出了根据另一示例性实施例的光束转向装置的平面图。在图20示出的示例中，每个天线元件BA包括狭槽和对应于狭槽的两个凹槽。例如，两个凹槽G11和G21设置在第一狭槽SL11的一侧，两个凹槽G12和G22设置在第二狭槽SL12的一侧，两个凹槽G13和G23设置在第三狭槽SL13的一侧，并且两个凹槽G14和G24设置在第四狭槽SL14的一侧。例如，因为给每个狭槽提供了两个凹槽，所以可以增加反射的量，因此，可以增加从每个狭槽输出的光的强度。
图21是示出了根据示例性实施例的包括天线阵列(天线元件规则布置在天线阵列中)的光束转向装置的平面图。例如，光束转向装置包括第一天线阵列A1、第二天线阵列A2和第三天线阵列A3。第一到第三天线阵列A1到A3的每个包括在不同方向上取向的多个天线元件BA。第一到第三天线阵列A1到A3可以具有相同的布置结构。在这种情况下，与使用单个天线阵列的情况相比，可以输出在相同方向上传播但具有更高强度的光。
图22和23是示出了根据示例性实施例的包括天线阵列(天线元件不规则地布置在天线阵列中)的光束转向装置的平面图。图22所示的光束转向装置包括第一天线阵列A11、第二天线阵列A22和第三天线阵列A33。第一天线阵列A11包括多个天线元件BA。每个天线元件BA包括至少一个狭槽SL和至少一个凹槽G。第一到第三天线阵列A11到A33具有不同的布置结构。
图23示出了包括随机布置的天线元件BA的光束转向装置。包括在相同方向上取向的狭槽SL和凹槽G的天线元件BA可以允许具有相同偏振方向的光在相同方向上传播，而无论天线元件BA的布置顺序如何。
图24是示出了图6所示的光束转向装置的剖视图，折射器添加到光束转向装置。详细地，图24示出了折射器添加到图6所示的光束转向装置的示例。从光源S10发射的光可以通过折射器105在基本上垂直于偏振转换器110的方向上折射。折射器105可以包括具有电动可调折射率的材料。例如，折射器105可以包括液晶层。折射器105可以将光朝向光束转向装置的上部导向，并且因此可以有效地调节光的传播方向。
如上所述，根据上述示例性实施例中的一个或多个，光束转向装置可以通过调节入射到具有至少一个凹雕结构的天线元件布置结构上的光的偏振方向来调节光的传播方向。因为光束转向装置使用入射光的偏振方向而不是光的相位来调节光的传播方向，所以光束转向装置可以具有简化的结构。
示例性实施例的光束转向装置可以应用到各种光学设备。例如，光束转向装置可以应用到三维显示、激光雷达(光检测和测距)、光学天线或光收发器。
图25是示出了根据示例性实施例的包括光束转向装置的光学设备的视图。图25所示的光学设备可以包含在三维显示中。参考图25，光学设备包括光源600、偏振转换器610、金属层620和显示面板630，偏振转换器配置成调节光的传播方向，显示面板使用穿过金属层620的光形成图像。
金属层620可以是参考图1到24描述的金属层中的任意一个。例如，金属层620可以包括天线阵列，在该天线阵列中，如图1所示，多个天线元件BA布置在不同方向上。这里将不再重复金属层620的详细描述。例如，显示面板640可以包括液晶面板。
从光源600发射的光可以转换成具有偏振方向的光，并且从金属层620出射的光的方向可以根据偏振方向来调节。例如，偏振转换器610可以输出具有第一偏振方向的第一光束到金属层620。第一光束可以从金属层620在第一传播方向上输出。然后，显示面板630可以使用第一光束以在第一方向上输出第一图像。同样，偏振转换器610可以输出具有第二偏振方向的第二光束到金属层620。第二光束可以从金属层620在第二传播方向上输出。然后，显示面板630可以使用第二光束以在第二传播方向上输出第二图像。如图25所示，可以给观看者的左眼(LE)提供第一图像，给观看者的右眼(RE)提供第二图像。因为分别给观看者的左眼和右眼提供第一和第二图像，所以可以实现三维图像。此外，示例性实施例的光学设备可以在多个方向上显示图像，如第三方向和第四方向。换句话说，光学设备可以提供图像至多个视角，因此多个观看者可以享受三维图像。
示例性实施例的光束转向装置还可以应用到激光雷达。激光雷达用于通过朝向物体辐射激光束、检测由物体散射或反射的射线并测量射线的返回时间或射线的其它变量(如强度、频率或偏振状态变量)来测量到物体的距离和物体的物理属性(如密度、速度或形状)。激光雷达可以使用光束转向装置以通过改变入射到天线阵列上的光的偏振方向来调节从激光雷达输出的光的方向。
图26是示出了根据示例性实施例的光束转向方法的流程图。
例如，如图1所示，在操作S1000中，制备了金属层20，该金属层包括具有多个天线元件BA的天线阵列。包括天线元件BA的天线阵列A基本上与参考图1到24描述的天线阵列相同，因此此处将不再重复其详细描述。
在操作S1100中，通过调节入射到天线元件BA的光的偏振方向来调节从天线元件BA出射的光的传播方向。
如上所述，根据上述示例性实施例的一个或多个，光束转向装置可以通过改变进入它的光的偏振方向来简单地调节从它出射的光的传播方向。此外，为了尺寸减小和集成，可以以薄膜的形式制造光束转向装置。光束转向装置可以应用到各种光学设备。因为可以以薄膜的形式制造光束转向装置，所以使用光束转向装置的设备可以具有集成的结构。
以上示例性实施例是示例性的，并且不解释为限制性的。示例性实施例可以容易地应用到其它类型的设备。此外，示例性实施例的描述试图是说明性的，并且不限制权利要求的范围，并且多个替代例、修改例和变型例对于本领域技术人员来说将是明显的。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年9月21日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2015-0133090的优先权，该专利申请的全部内容通过引用并入本文。

Claims (19)

1.一种光束转向装置，包括：
偏振转换器，调节从光源发射的光的偏振方向；以及
天线阵列，接收来自所述偏振转换器的光，并且根据来自所述偏振转换器的光的偏振方向在不同传播方向上发射光，
其中所述天线阵列包括配置为根据光的偏振方向改变光的传播方向的天线元件，所述天线元件包括设置在金属层中的狭槽和设置在所述金属层中以与各自对应的狭槽分隔开并且邻近各自对应的狭槽的凹槽，所述凹槽分别反射光束以具有不同的传播方向，
其中所述天线元件的第一天线元件中包括的狭槽和对应的凹槽以与所述天线元件的第二天线元件中包括的另一狭槽和另一凹槽布置的方向不同的方向布置，以及
其中光的传播方向通过取决于所述天线元件的布置方向和光的偏振方向的组合合成光来调节。
2.根据权利要求1所述的光束转向装置，其中，所述狭槽均具有带相对较长的第一边和相对较短的第二边的横截面形状，并且
所述狭槽的第一边分别与光的被调节的偏振方向成不同的角度设置。
3.根据权利要求1所述的光束转向装置，其中，所述凹槽与各自对应的狭槽平行。
4.根据权利要求1所述的光束转向装置，其中，所述凹槽与各自对应的狭槽倾斜。
5.根据权利要求1所述的光束转向装置，还包括设置在所述金属层中的另一天线阵列，该另一天线阵列包括以与所述天线阵列的狭槽相同的方式布置的其它狭槽。
6.根据权利要求1所述的光束转向装置，其中，所述光束具有相同的强度。
7.根据权利要求1所述的光束转向装置，其中，所述光束分别具有不同的强度。
8.一种光束转向装置，包括：
偏振转换器，调节从光源发射的光的偏振方向；
金属层，接收具有被调节的偏振方向的光；以及
天线元件，配置为根据光的偏振方向改变光的传播方向，并且包括：
设置在金属层中的狭槽，每个狭槽具有带相对较长的第一边和相对较短的第二边的横截面形状，所述狭槽的第一边分别与光的被调节的偏振方向成不同的角度设置，以及
凹槽，设置在所述金属层中以与各自对应的狭槽分隔开并且邻近各自对应的狭槽，所述凹槽分别反射光束以具有不同的传播方向，
其中所述天线元件的第一天线元件中包括的狭槽和对应的凹槽以与所述天线元件的第二天线元件中包括的另一狭槽和另一凹槽布置的方向不同的方向布置，以及
其中光的传播方向通过取决于所述天线元件的布置方向和光的偏振方向的组合合成光来调节。
9.根据权利要求8所述的光束转向装置，其中，所述光束的不同传播方向基本上垂直于光束所入射到其上的狭槽的相应第一边。
10.根据权利要求8所述的光束转向装置，其中，所述偏振转换器具有液晶层。
11.根据权利要求8所述的光束转向装置，其中，所述狭槽均具有矩形横截面形状。
12.根据权利要求8所述的光束转向装置，其中，所述金属层包括钛、金、银、铂、铜、铝、镍和铬中的至少一个。
13.根据权利要求8所述的光束转向装置，还包括使发射的光折射的折射器。
14.根据权利要求13所述的光束转向装置，其中，所述折射器具有电动可调折射率。
15.根据权利要求8所述的光束转向装置，其中，所述第一边和所述第二边的每个的距离小于发射的光的波长。
16.一种光学设备，包括：
配置为发射光的光源；
偏振转换器，调节发射的光的偏振方向；
天线阵列，接收来自所述偏振转换器的光，并且根据来自所述偏振转换器的光的偏振方向在不同传播方向上发射光；以及
显示面板，配置为基于从所述天线阵列发射的具有不同传播方向的光对不同视角产生图像，
其中所述天线阵列包括配置为根据光的偏振方向改变光的传播方向的天线元件，所述天线元件包括设置在金属层中的狭槽和设置在所述金属层中以与各自对应的狭槽分隔开并且邻近各自对应的狭槽的凹槽，所述凹槽分别反射光束以具有不同的传播方向，
其中所述天线元件的第一天线元件中包括的狭槽和对应的凹槽以与所述天线元件的第二天线元件中包括的另一狭槽和另一凹槽布置的方向不同的方向布置，以及
其中光的传播方向通过取决于所述天线元件的布置方向和光的偏振方向的组合合成光来调节。
17.一种光束转向方法，包括：
调节从光源发射的光的偏振方向；
使具有被调节的传播方向的光受到具有相对于所述传播方向在不同方向上取向的狭槽的金属层的影响，
分别从所述金属层中的凹槽反射光束以具有不同传播方向，所述凹槽与各自对应的狭槽分隔开并且邻近各自对应的狭槽，以及
通过取决于包括所述狭槽和所述凹槽的天线元件的布置方向和光的偏振方向的组合合成光来调节光的传播方向，所述天线元件的第一天线元件中包括的狭槽和对应的凹槽以与所述天线元件的第二天线元件中包括的另一狭槽和另一凹槽布置的方向不同的方向布置。
18.根据权利要求17所述的光束转向方法，其中，所述狭槽的每个具有带相对较长的第一边和相对较短的第二边的横截面形状。
19.根据权利要求18所述的光束转向方法，其中，所述狭槽的第一边分别与光的被调节的偏振方向成不同的角度设置，并且
所述光束的不同传播方向基本上垂直于光束所入射在其上的狭槽的相应第一边。
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