CN109074026A - 宽视场全息偏斜镜 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种全息偏斜镜，所述全息偏斜镜具有可相对于其表面法线倾斜的反射轴或偏斜轴。相对于所述表面法线在两个维度上倾斜所述偏斜轴将所述全息偏斜镜的可能视场扩展到例如60或更大。可使用具有匹配的全内掠入‑延伸旋转(TIGER)棱镜的平面外写入几何形状来访问这些附加角度。

Description

宽视场全息偏斜镜
相关申请的交叉引用
本申请是2016年8月24日提交的标题为“Skew Mirrors,Methods of Use,andMethods of Manufacture”的国际申请PCT/US16/48499的部分继续申请，该专利申请是2016年6月6日提交的标题为“Skew Mirrors,Methods of Use,and Methods ofManufacture”的美国申请15/174,938的部分继续申请，其根据35U.S.C.§119要求2016年4月6日提交的标题为“Skew Mirrors,Methods of Use,and Methods of Manufacture”的美国申请62/318,917和2015年8月24日提交的标题为“Multiwavelength DiffractionGrating Mirrors,Methods of Use,and Methods of Manufacture”的美国申请62/209,290的优先权权益。本申请还根据35 U.S.C.§119要求2016年12月16日提交的标题为“WideField of View Skew Mirror”的美国申请62/435,676和2016年10月13日提交的标题为“TIGER Prisms and Methods of Use”的美国申请62/407,994的优先权权益。这些专利申请中的每一者以引用方式并入本文。
背景技术
全息偏斜镜是关于反射轴反射入射光的全息光学元件，其中该反射轴不需要垂直于入射光照射的表面。换句话说，全息偏斜镜的反射轴不必与全息光学元件的表面法线平行或重合。反射轴和表面法线之间的角度被称为反射轴角度，并且可以基于全息偏斜镜的期望应用来选择。
术语“反射”和类似术语在通常“衍射”被认为是适当术语的一些情况下用于本公开中。“反射”的使用与偏斜镜所展现的镜像特性一致，并且有助于避免可能混淆的术语。例如，在称光栅或偏斜镜被构造为“反射”入射光的情况下，常规技术人员可能更倾向于说光栅结构被构造成“衍射”入射光，因为通常认为光栅结构通过衍射作用于光。然而，术语“衍射”的这种使用将导致出现诸如“入射光关于大致稳定的反射轴衍射”的表述，这可能造成困惑。
因此，在表述为入射光被光栅结构“反射”的情况下，依据本公开，本领域的普通技术人员将意识到光栅结构实际上是通过衍射机制对光进行“反射”的。“反射”的这种使用在光学中并非没有先例，常规电介质反射镜就通常被表述为“反射”光，尽管衍射在这种反射中发挥主要作用。本领域技术人员因此认识到，大多数“反射”包括衍射的特性，并且由偏斜镜或其部件进行的“反射”也包括衍射。
发明内容
本技术的实施方案包括全息光学元件，包括但不限于全息偏斜镜、全息输入/输出耦合器和其他全息光学反射设备。一个示例是包括位于光栅介质中的光栅结构的光学反射设备。该光栅结构被构造成主要将入射光反射为反射光，其中入射光和反射光两者都包括第一波长。第一波长的入射光和第一波长的反射光形成由反射轴平分的角度，在入射光以横跨至少15度的内部入射角范围入射在光栅介质上时，该反射轴变化小于1度。另外，反射轴与光栅介质的表面法线相差至少2.0度。
在该光学反射设备的一些具体实施中，在入射光以横跨至少30度的内部入射角范围入射在光栅介质上时，反射轴变化小于1度。同样，光栅结构可以包括一个或多个全息图，其具有跨越至少2.00×105弧度/米范围的光栅频率(|KG|)。
在一些情况下，入射光和反射光两者都包括与第一波长相差至少约50nm的第二波长(例如，第一波长可以比第二波长大50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm或更大)。并且在这些情况中的一些情况下，入射光和反射光包括与第一波长和第二波长中的每一个波长相差至少约50nm的第三波长(例如，第一波长可以比第二波长大50至100nm，第二波长继而可比第三波长大50nm至100nm)。例如，第一波长可以位于电磁波谱的红色区域中，第二波长可以位于绿色区域中，并且第三波长可以位于蓝色区域中。
光学反射设备中的光栅结构可包括一个或多个全息图，该一个或多个全息图具有跨越至少1.68×106弧度/米、至少5.01×106弧度/米、或者至少1.24×107弧度/米的范围的光栅频率(|KG|)。例如，光栅结构可以包括一个或多个全息图，该一个或多个全息图具有大于5.10×105弧度/米并且小于3.15×107弧度/米的范围的光栅频率(|KG|)。
在一些示例中，光栅结构包括至少9个全息图。这些全息图的平均相邻|ΔKG|可以在5.0×103rad/m和1.0×107rad/m之间的范围内。
光学反射设备可以被配置或构造成用作输出耦合器，其中入射光从光学反射设备内部入射到光栅结构上，并且反射光从光学反射设备射出。
光学反射设备还可包括与光栅介质相邻的至少一个衬底。例如，光学反射设备可包括两个衬底，在该两个衬底之间设置有光栅介质。在这些情况下，光栅介质可以包括至少100μm厚的光聚合物介质，并且所述两个衬底可以透射至少60％的入射光和至少60％的反射光。光栅介质和所述两个衬底的折射率可以彼此相差在约0.1以内。
本技术的其他实施方案包括使用光学反射设备的方法。该方法包括利用第一波长的入射光照射位于光栅介质中的光栅结构。该入射光反射离开光栅结构，产生第一波长的反射光。入射光和反射光形成由反射轴平分的角度，该反射轴与光栅介质的表面法线倾斜至少约2.0度。在入射光以横跨至少15度的内部入射角范围入射在光栅介质内的光栅结构上时，反射轴变化小于1度。在一些情况下，在入射光以横跨至少30度的内部入射角范围入射在光栅介质上时，反射轴变化小于1度。
在该方法的示例中，照射光栅结构包括例如经由全息输入耦合器、棱镜或边缘耦合将入射光耦合到光栅介质中，并且在光栅介质内全内反射入射光。换句话说，光栅介质可以至少部分地将入射光引导至光栅结构。
如上所述，入射光和反射光可包括与第一波长相差至少约50nm的第二波长。入射光和反射光还可包括与第一波长和第二波长中的每一者相差至少约50nm的第三波长。
该方法的示例还可包括将反射光以相对于光栅介质的表面法线约25度的角度耦合出光栅介质。光栅介质可以将该反射光耦合朝向与光栅介质光学连通的人眼，使得反射光束至少部分地照射人眼。在这些情况下，照射光栅结构可包括用图像照射光栅结构，使得反射图像对人眼可见。
本技术的另一示例包括成像方法。该方法包括设置包含与人眼光学连通的光栅结构的光栅介质。该光栅介质具有限定表面法线的相邻表面。可见图像耦合到光栅介质中并且经由光栅介质内的至少一个全内反射引导到光栅结构。光栅结构围绕反射轴反射可见图像，该反射轴相对于表面法线形成至少约2度的角度。可见图像经由相邻表面朝向人眼耦合出光栅介质。该可见图像跨越至少约30度的自由空间中的视场。
本技术的又一个示例包括在光敏介质中写入全息光栅的方法。该方法包括将光敏介质设置在第一棱镜的倾斜面和第二棱镜的倾斜面之间。第一光束经由光敏介质的第一表面和第一棱镜的倾斜面耦合到光敏介质中。该第一光束相对于第一表面的表面法线形成第一角度。第二光束经由光敏介质的第二表面和第二棱镜的倾斜面耦合到光敏介质中。该第二光束相对于第二表面的表面法线形成第二角度，其量值基本上等于第一角度的量值。在某些情况下，该方法还包括在光敏介质中干涉第三光束和第四光束，以在光敏介质中形成第二全息光栅。
本技术的又一个示例包括具有全息光学元件的设备，该全息光学元件具有至少一个光栅，该光栅被构造成在第一维度上在至少约50°的视场上反射可见光。在全息光学元件外部测量视场，并且该视场基本上以全息光学元件的表面法线为中心。并且光栅具有相对于表面法线以至少约15°至约45°的角度取向的光栅矢量。
在一些具体实施中，全息光学元件包括单个光栅，该光栅被构造成在视场上反射波长在约400nm至约700nm范围内的可见光。在其他具体实施中，全息光学元件包括多个光栅，每个光栅被构造成在视场内以不同角度反射可见光的一个波长的入射光。在这些具体实施中，该设备还可以包括与全息光学元件光学连通的至少一个光源，以用可见光照射多个光栅。
在正交于第一维度的第二维度中，视场可以是至少约30°。另外，由反射轴和表面法线形成的角度可以是约20°至约40°。并且全息光学元件可以基本上不含对可见光敏感的光引发剂。
本技术的另一个实例包括反射光的方法。该方法包括用可见光照射全息光学元件中的至少一个光栅。光栅在至少约50°的视场上反射至少一部分光。该视场以反射轴为中心，该反射轴相对于全息光学元件的表面法线形成至少约15°至约45°的角度。
本技术的又一个实例包括制造全息光学元件(和所得到的全息光学元件)的方法。该方法包括在全息记录介质内干涉第一光束和第二光束以形成第一光栅。全息记录介质具有平坦表面。第一光栅被构造成在至少约50°的视场上反射第一可见波长的入射光。该视场以反射轴为中心，该反射轴相对于全息光学元件的平坦表面的表面法线形成至少约15°至约45°的角度。在一些情况下，干涉第一光束和第二光束包括经由第一棱镜的倾斜表面将第一光束耦合到全息记录介质，并且经由第二棱镜的倾斜表面将第二光束耦合到全息记录介质。
本技术的又一个实例包括具有多个反射光栅的全息光学元件的设备。多个反射光栅中的每个反射光栅具有光栅矢量KG，该光栅矢量与全息光学元件的表面法线形成约15°至约45°的角度，并且具有至少2.00×105弧度/米的光栅频率(|KG|)。
以下更详细讨论的前述概念和附加概念的所有组合(假设这些概念不相互矛盾)是本文公开的发明主题的一部分。具体地讲，出现在本公开结尾处的所要求保护的主题的所有组合是本文公开的发明主题的一部分。本文使用的术语也可以出现在通过引用方式并入本文的任何公开内容中，应当赋予与本文公开的特定概念最一致的含义。
附图说明
本领域技术人员将理解，附图主要是出于例示性目的，并非旨在限制本文所述的发明主题的范围。附图不一定按比例绘制；在一些情况下，本文所公开的发明主题的各个方面可能在附图中被夸大或放大以便于理解不同的特征部。在附图中，相同的附图标记通常表示相同的特征部(例如，功能上类似的和/或结构上类似的元件)。
图1示出了具有相对窄视场的全息偏斜镜。
图2A和2B示出了图1中所示的全息偏斜镜的k空间表示，分别为无入射光束和有入射光束的情况。
图3A和图3B示出了适用于制造全息偏斜镜的平面内全息记录系统。
图4A和图4B示出了分别使用图3A和图3B的平面内全息记录几何形状制作全息偏斜镜的k空间表示。
图5A和图5C示出了平面外全息偏斜镜写入几何形状的实空间透视图。
图5B和图5D分别示出了图5A和图5C中所示实空间视图的k空间表示。
图6是示出利用平面内和平面外全息偏斜镜记录几何形状两者可实现的角度记录带的曲线图。
图7A至图7C示出了夹在全内掠入-延伸旋转(TIGER)棱镜之间用于写入具有宽视场的全息偏斜镜的全息记录介质的不同视图。
图7D示出了在图7A至图7C的全息记录几何形状中使用的TIGER棱镜的透视图。
图8A至图8C示出了具有图7A至图7C中所示的TIGER棱镜和平面外全息记录几何形状的全息记录系统。
图9示出了使用楔形物对的角度校正。
图10示出了使用平面外全息记录系统制造的具有60°对角视场(53.4°水平视场，31.6°水平视场和16:9纵横比)的全息偏斜输入/输出耦合器的平面图。
图11示出了图10的全息偏斜镜中的第1和第228光栅的记录光束的k空间表示。
图12是用于53.4°视场全息偏斜镜输出耦合器的偏斜镜内角记录带的曲线图。
图13示出了通过实验实现的全息偏斜输出耦合器，其具有耦合到波导的53.4°水平视场和31.6°垂直视场。
图14是图13的全息偏斜镜的调制传递函数(MTF)曲线的拼接图。
图15示出了具有宽视场全息偏斜镜的头戴式显示器。
具体实施方式
全息偏斜镜
图1示出了全息偏斜镜100的实空间表示。该全息偏斜镜100包括记录在全息光栅介质110的光栅结构120，诸如来自Akonia Holographics,LLC(Longmont,Colorado)的全息聚合物介质，或者来自Covestro AG(Leverkusen,Germany)的HX200光敏、自显影光聚合物膜。光栅结构120可包括许多离散的全息光栅，每个光栅在窄的角度和/或波长范围内反射光。
在这种情况下，光栅结构120包括限定偏斜轴121和反射轴的许多全息光栅。每个全息光栅的光栅矢量与偏斜轴121平行或重合，该偏斜轴相对于全息光栅介质110的表面法线111形成偏斜角φ。如上面简要提到的，每个全息光栅在特定内部入射角范围内反射特定波长或波长范围的光，所述内部入射角是在全息光栅介质110内测量的光栅结构120上的入射角。每个全息光栅围绕其反射入射光的轴称为反射轴。
每个全息光栅的反射轴可以随着波长略微不同于偏斜轴121，例如所述不同大约小于0.1°、小于0.01°、小于0.001°等。鉴于这种非常微小的变化，当涉及制造偏斜镜时(例如，当描述偏斜镜光栅介质中的记录全息图时)，偏斜轴/参考轴可以称为偏斜轴；并且当涉及偏斜镜的光反射特性时，可以被称为反射轴。
全息图的平均偏斜角(包括全息图集合的平均偏斜角)可与反射轴角度基本相同，这意味着偏斜角或平均偏斜角在反射轴角度的1.0°、0.1°、0.05°、0.02°、0.0167°(1弧分)或更小度数以内。考虑到本公开的益处，本领域的技术人员将会认识到，偏斜角和反射轴角度在理论上可以是相同的。然而，由于系统精度和准确度的限制，在记录全息图期间发生的记录介质的收缩以及其他误差源，测量的或基于记录光束角度估计的倾斜角或平均倾斜角可能不完全匹配根据偏斜镜反射的光的入射角和反射角测量的反射轴角度。这种变化发生在单个全息图水平，并且与全息图的厚度成反比。尽管如此，基于记录光束角确定的偏斜角可以在基于入射光及其反射的角度确定的反射轴角度的1.0°、0.1°、0.05°、0.02°、0.0167°或更小度数内，即使其中中等收缩和系统缺陷会带来估计偏斜角和反射轴角度的误差。
在图1中，可见光的入射光束101’以相对于偏斜轴121的角度θi’照射在全息光栅介质110的表面112上。光束101’可以是单色、多色或宽带可见光束。全息光栅介质110具有比周围空气更高的折射率，因此入射光束101’在表面112折射以形成折射的入射光束101。折射的入射光束101以相对于偏斜轴121角度θi照射体积全息图120。角度θi也被称为内部入射角，因为该角度是在全息光栅介质110内测量的体积全息图120上的入射角。
体积全息图120以相对于偏斜轴121的角度θr反射折射的入射光束101的至少一部分。角度θr也称为内部反射角，并且等于图1所示的内部入射角θi。换句话说，偏斜轴121将等于内部入射角θi两倍的角度平分
折射的入射光束101的反射部分称为主反射光束103。主反射光束103照射在全息光栅介质110的表面112上。其在该边界处以相对于偏斜轴121的角度θr’折射，以形成折射的主反射光束103’。在全息光栅介质110外部的自由空间中测量的全息偏斜镜的视场由外部反射角θr’的范围确定。
全息偏斜镜的k空间表示
图2A和2B示出了图1所示全息偏斜镜100的k空间表示，分别为具有和不具有入射光束101和主反射光束103。如本领域技术人员容易理解的，该k空间表示包括多个同心圆，每个同心圆是表示全息介质中波长的光的光传播矢量或波矢的k球体的二维投影。波矢的长度可表示为：
其中n是折射率，并且λ是波长。
在包括全息光栅介质110的正常色散介质中，较短波长的波矢(以及因此k球体半径)较长。因此，最内圆290表示全息光栅介质110中的红光的波矢，第二最内圆291表示全息光栅介质110中的绿光的波矢，第二最外圆292表示全息光栅介质110中的蓝光的波矢，并且最外圆293表示全息光栅介质110中的记录波长的波矢。
图2A和图2B还示出了体积全息图120，其在k空间中出现为线段状分布，其光栅矢量KG的分布平行于反射/偏斜轴121。图2B还示出了入射折射光束101和主反射光束103相对于体积全息图的光栅矢量的波矢。在k空间中，主反射光束103的波矢是体积全息图的光栅矢量和入射折射光束101的波矢的矢量和。
平面内全息偏斜镜记录系统
图3A和图3B示出了使用平面内记录棱镜330a和330b(统称为平面内记录棱镜330)以将光耦合到全息记录介质310中的偏斜镜记录系统300，其中全息记录介质设置在一对透明衬底之间(未示出)。记录介质310和衬底夹在平面内记录棱镜330之间，使得信号光束331a和参考光束331b(也称为记录光束331)可以以一定角度引入全息记录介质310中，这将在不存在平面内记录棱镜330的衬底-空气边界处产生全内反射(TIR)。平面内记录棱镜通常与衬底折射率匹配，并且折射率匹配流体可以施加在棱镜330和衬底(未示出)之间的边界处，以减少棱镜/衬底边界处的反射和折射。实际上，折射率匹配可意味着全息记录介质310、衬底和棱镜330的折射率在约0.1或更小的范围内。
反射镜350a和350b(统称为反射镜350)分别经由棱镜330a和330b将记录光束331a和331b分别反射到全息记录介质310中。每个反射镜350a、350b取向成引导对应的记录光束331a、331b，使得光束照射对应棱镜330a、330b的基部。记录光束331可以在空气/基部界面处折射，然后传播到全息介质310中，在该全息介质中它们干涉以产生由全息记录介质310记录的(反射)光栅。全息记录介质310和棱镜330使用平移台(未示出)相对于反射镜350沿zG轴来回平移，并且反射镜350旋转以记录构成图3B所示偏斜镜的一系列光栅。
图3A和图3B还示出了在平面内棱镜情况时全局或记录器坐标(xG,yG,zG)。图3A和图3B中所示的全局坐标的原点被限定在在全息记录介质310的记录层中心的输出耦合器的中心。记录的全局角度θG被定义为全息记录介质310/棱镜330a内的记录光束331a相对于xG轴的角度。需注意，其他记录光束331b的标称角度为180°至θG(未标记)，因此记录的光栅矢量基本上与xG轴对齐。全息记录介质310/棱镜330a内的记录光束331之间的角度或光束间角标记为α。全局偏斜角是xG和z轴之间的角度，并且被标记为φG。
鉴于本公开的益处，本领域技术人员将确定标准坐标(全息记录介质310的参考系中的笛卡尔坐标)可以通过下式转换为全局坐标以用于平面内棱镜的情况：
也可以容易地导出从全局坐标到标准坐标的转换。
在全局坐标系中，全息记录介质的310的表面法线相对于zG轴形成角度φG(全局偏斜角)。换句话说，全息记录介质310和zG轴之间的角度设定全息偏斜镜的偏斜轴。例如，通过使用台和安装件的适当组合使全息记录介质310和棱镜330相对于记录光束331旋转，可以改变该偏斜轴。
关于全息偏斜镜以及制造和使用全息偏斜镜的方法的更多信息，参见2016年6月6日提交的标题为“Skew Mirrors,Methods of Use,and Methods of Manufacture”的美国申请15/174,938，该专利申请通过引用方式整体并入本文。
平面内记录对视场的约束
遗憾的是，平面内记录系统通常不能用于制造具有宽视场的全息偏斜镜。这是由于用于记录全息偏斜镜的体积全息光栅的光束的几何形状和波长的约束。这些约束包括倾斜角、确定反射角的光栅频率，以及通常在电磁波谱的深蓝色区域的记录光束波长(例如，400nm至430nm)之间的差异，以及通常在电磁波谱的可见区域中的读取光束波长。
如上所述，可以表示为光栅波矢|KG|的量值的全息光栅的光栅频率决定了其反射角：光栅频率越小，反射角越大。对于偏斜镜，增加光栅结构中光栅矢量幅度的范围对于增大或加宽视场是必要的。但是全息记录介质的折射率和偏斜角两者都限制了可以通过如图3A和图3B中所示的平面内棱镜访问的记录角度的范围。对于偏斜角和记录光束之间的角度的某些组合，记录光束的一者或两者可以变得平行于全息记录介质表面，使得难以(如果不是不可能)在全息记录介质内干涉记录光束。
为了观察这些几何约束如何限制全息偏斜镜的视场，考虑图3A和图3B所示的平面内记录系统300。如图3B所示，一个记录光束331b’产生相对于记录介质310的表面比另一个记录光束331a’更陡的掠射角(更高)。增加该掠射角减小了由全息记录介质记录的全息光栅的空间频率(量值)，这继而增加了偏斜镜的视场。遗憾的是，增加掠射角可降低记录质量，因为这放大了像差效果以及棱镜330和全息记录介质310之间的折射率失配。
此外，斯涅尔定律可能会限制最大掠射角(确切的限制取决于记录波长、记录介质和周围介质的折射率以及偏斜角)。超过该限制，记录光束331b’可反射离开全息记录介质310而不是耦合到其中。掠射角的上限可能限制记录较低频率全息图的能力，这可限制一些颜色的偏斜镜的视场，特别是对于大的偏斜角。
图4A和图4B分别示出了图3A和图3B中的平面内记录几何形状的k空间表示。在图4A中，记录光束331a和331b入射在全息记录介质上，使得它们的波矢形成光束间角α，并且记录具有平行于偏斜轴421的光栅矢量KG的全息光栅。在图4B中，记录光束331a’和331b’入射在全息记录介质上，使得它们的波矢形成光束间角α’，并且记录具有同样平行于偏斜轴421的光栅矢量KG’的全息光栅。
光栅矢量的大小决定了对应全息光栅反射入射光的内部入射角。具有较小光栅的全息光栅以从偏斜轴测量的较大内部入射角反射光，并且具有较大光栅的全息光栅以从偏斜轴测量的较小内部入射角反射光。当记录光束的波矢与偏斜轴421反平行并对齐时，记录最大可能的光栅矢量。对应的全息光栅沿着偏斜轴421逆向反射入射在光栅介质上的光(全息偏斜镜的“垂直入射”)。
随着记录光束331b’和x轴之间的角度缩小，光束间角α也缩小，从而减小了光栅矢量KG的大小并且增加了可能的视场。但是最终，记录光束331b’和x轴之间的角度变得非常小，使得记录光束331b’变得平行于全息记录介质310的表面而不是折射到全息记录介质310中。换句话说，当记录光束331b’的光栅矢量与kx对齐时，即当记录光束331b’平行于全息记录介质310的表面时，发生该限制。此时，记录光束331b’不再与全息记录介质310内的另一记录光束331a’干涉以记录反射光栅。这限制了光栅矢量的最小大小并且因此限制了视场。虽然旋转偏斜轴可以补偿这种影响，但其也限制了允许的偏斜角/视场组合的范围。
总而言之，图3A、图3B、图4A和4B示出了平面内记录几何形状中的允许偏斜角和允许视场之间的权衡：通常利用平面内记录可以具有大偏斜角或具有大视场，但不能同时满足两者。
记录光束之间的最小可访问角度差部分地取决于记录光束和读取光束的波长以及全息记录介质的色散。大多数全息记录介质被优化以记录深蓝色波长(例如，405nm)的光栅，并且对较长波长的可见光不敏感。但是在平面内记录系统中，难以或不可能在小到足以生成反射光栅的角度差，同时在低到足以在可见波长产生宽视场的空间频率干涉全息记录介质内的深蓝色光束。
增加记录光束波长可以缓解这个问题，但是还需要对更长波长的光敏感的全息记录介质。但是，增加全息记录介质对更长波长光的灵敏度将使全息记录介质更容易在可见波长处经历不完全漂白。这是因为具有对可见光敏感的光引发剂的全息记录介质在暴露于可见光时可能聚合，因此不太适合制造在可见光波长下操作的全息光学元件。而且，对可见光敏感的光引发剂会在光栅介质中引起不希望的可见光吸收。这将使全息记录介质不太适合用于反射可见光波长的光的偏斜镜。
用于制造宽视场全息偏斜镜的平面外记录
如上所述，几何形状限制了使用平面内记录系统写入全息偏斜镜的可访问的光束间角的范围(并且因此限制了最大视场)。但是发明人已经认识到，通过将表面法线倾斜到由平面内记录系统访问的平面之外，可以获得较小的光束间角。换句话说，关于偏斜轴将介质旋转90°缓解了图3A、图3B、图4A和图4B中示出的约束。
图5A至图5D示出了关于全息记录介质310内的x-z平面内的yG轴旋转记录光束531a和531b(统称为记录光束531)如何使得能够比利用平面内记录几何形状记录更短的全息光栅。图5A和图5C示出了来自入射在全息记录介质510上的记录光束531的不同视角的实空间视图，所述全息记录介质围绕记录系统的坐标系的zG轴倾斜(即全息记录介质510的y轴)。记录光束531在xG–zG平面内旋转，以记录同样位于xG–zG平面内的光栅矢量。
图5B和图5D分别是图5A和图5C中所示实空间视图的k空间表示。如图5B和图5D两者所示，记录光束531的波矢位于xG–zG平面内，其形成表示全息记录介质510内的记录光束动量的k球体591的离轴切片。如在平面内记录几何形状中那样，改变记录光束531之间的光束间角会改变光栅矢量的长度。当记录光束531沿xG轴反向传播时，写入最长的光栅矢量(最大|KG|)。当记录光束531’沿zG轴(y轴)共同传播时，产生最小的光栅矢量(最小|KG|)。这是图5A所示的两个记录光束531’的掠射条件。
本领域技术人员将理解，图5A至图5C仅示出了记录光束和倾斜角度的许多可能取向中的其中一个。在由写入波长和全息记录介质的折射率施加的约束内，可以根据需要调整偏斜角和每个记录光束，以在各种空间频率记录全息光栅。全息光栅的确切数量和空间频率取决于全息偏斜镜的所需视场以及其他因素。
平面内与平面外记录
图6是示出特定记录几何形状的平面外与平面内记录棱镜的能力的曲线图。该曲线图表示波导式头戴式显示器(HMD)偏斜镜输出耦合器的空间光栅频率，其中偏斜轴φ＝-30.25°，支持53.4°的水平视场。横轴是光栅频率(单位为rad/m)，并且纵轴表示相对于光栅矢量/偏斜轴的布拉格匹配角。五条曲线示出了五种不同表示波长的布拉格匹配角：曲线690表示记录全息图的波长(405nm)；曲线691表示463nm(蓝色)；曲线692表示522nm(绿色)；曲线693表示622nm(红色)；曲线694表示860nm。47.75°和12.75°的水平线表示颜色编码的红色、绿色和蓝色波长所需的空间光栅频率范围。
对于平面内记录棱镜，如实线箭头所示，在写入波长曲线越过59.75°(＝90°–φ)的情况下发生参考光束掠射条件。这表明平面内记录系统不能记录落在实心箭头左侧的光栅。靠近实心箭头右侧的光栅可能会经受降级，因为参考光束以非常小的角度入射到折射率匹配的边界上。
然而，对于平面外记录，直到写入波长曲线在曲线图的左边缘越过90°时才发生掠射条件。由空心箭头指示的最低写入角度相对于参考光束和信号光束两者的内部边界形成大约22°的角度，该角度是容易实现的。
用于平面外全息偏斜镜记录系统的TIGER棱镜
图7A至图7C示出了可以以宽视场记录全息偏斜镜的平面外全息记录系统700的不同视角。在该全息记录系统700中，全息记录介质710设置在一对全内掠入-延伸旋转(TIGER)棱镜730a和730b(统称为TIGER棱镜730)之间。全息记录介质710还可以夹在一对透明衬底(未示出)之间，其中折射率匹配流体设置在透明衬底的与棱镜730接触的表面上。这些衬底可以透射可见波长的光的60％、70％、80％、90％或更多。由于全内反射(TIR)和掠角约束，TIGER棱镜730能够以使用平面内记录几何形状不可访问的角度将记录光束引入全息记录介质710中。
图7A中图7C(以及图5A至图5D)还示出了记录光束731a和731b(图5A至5D中的531a和531b)的对称光束。更具体地，这些图示出记录光束与全息记录介质710的表面法线之间的角度量值基本相等。换句话说，如果记录光束731a相对于全息记录介质的表面法线形成第一角度(例如，32°)，则记录光束731b和全息记录介质的表面法线形成具有相同量值的角度(例如，-32°)。(这里，记录光束731入射在全息记录介质710的平行表面上，并且因此具有重合/平行的表面法线。)这在记录光束731相对于全息记录介质710旋转时成立，如图5A至图5D所示。
如图7D所示，每个TIGER棱镜730具有相对于棱镜基部倾斜的棱镜主要面732a、732b(统称为主要面732)。在该示例中，每个TIGER棱镜730的主要面732是平行于全息记录介质710并且紧邻全息记录介质的六边形面，其中棱镜730和全息记录介质710位于偏斜镜记录系统中。主要面730的倾斜使得可以访问如图5A至图5D所示的平面外记录光束角和偏斜角。
通过想象将玻璃长方体或矩形棱镜切割成两个节段，可以设想TIGER棱镜730。长方体中的切口沿着将用于连接长方体的一个面(棱镜面734a和734b)的相邻边的对角线与另一条对角线接合的平面，其中所述另一条对角线连接长方体的相对面(棱镜面736a和736b)的另外两条边。所得到的长方体节段形成一对匹配的TIGER棱镜730。
实际上，TIGER棱镜可以具有任何合适的形状，只要它们具有成角度的倾斜面或小平面以允许访问平面外记录角度。例如，TIGER棱镜可以形成为任何合适的多面体包括平行六面体和规则右(几何棱镜)的一部分。同样，面/小平面可以根据需要取向或成角度，并且不一定必须导致多面体的对称分割。面(以及全息记录介质)也可以是弯曲的，例如以形成球形、圆柱形或圆锥形表面的至少一部分。其他表面包括任意弯曲或翘曲的表面也是可能的。
TIGER棱镜的倾斜的主要面732和其他面(例如，面734和736)可用于限定图7A至图7C显示中所示的两个不同的坐标系。如在图3A和图3B中所示的平面内记录系统中那样，轴xG、yG和zG是TIGER棱镜730的参照系中的笛卡尔坐标。并且轴x、y和z是全息记录介质710的参考系中的笛卡尔坐标(也称为标准坐标)，其中z轴垂直于全息记录介质710的表面延伸。轴x、y和z是图5A至图5D中所示的k空间轴kx、ky和kz的实空间等效轴。
图7C示出了对于Tiger棱镜的情况，标准坐标轴如何在偏斜镜记录器的棱镜中对准。更具体地讲，它示出了沿zG轴的TIGER棱镜730的视图，其中全息记录介质710以等于φ的角度夹在它们之间。请注意，在图示的几何形状中，φ有一个负号(例如，φ＝–30.25°)。因为全息记录介质710相对于yG轴倾斜，所以对于TIGER棱镜记录系统700，从标准坐标到全局坐标的转换与图3A和图3B中所示的平面内记录系统300不同。鉴于本公开的益处，本领域技术人员将通过等式(2)确定标准坐标可被转换为用于TIGER棱镜的情况的全局坐标：
与图3A和图3B的在记录光束331b的掠射角上施加最坏情况角度的“平面内”配置形成对比，TIGER棱镜730允许记录介质710绕xG轴旋转，在记录光束731a和731b的掠射角之间“折中”。TIGER棱镜配置700和平面内配置300都可记录与xG轴对准的光栅矢量，因此产生等效的写入偏斜镜。然而，TIGER棱镜配置700也可访问较小的记录角度，因此可记录比平面内配置更低空间频率的光栅。
图8A至图8C示出了基于TIGER棱镜的偏斜镜记录器800，其使用TIGER棱镜730来实现图7A至图7C中所示的记录几何形状700，以用于制造宽视场全息偏斜镜。它包括分别将记录光束731a和731b引导到全息记录介质710的反射镜850a和850b(统称为反射镜850)，该全息记录介质安装在安装件860中的TIGER棱镜730之间。基于TIGER棱镜的偏斜镜记录器800还包括用于调节记录光束731相对于全息记录介质730的角度和平移对准的平台。这些平台可包括用于每个反射镜850的三个测角器870a至870c(统称为测角器870)、垂直平移台880、旋转台872a和872b(统称为旋转台872)，以及用于使安装的全息记录介质710和TIGER棱镜730前后移动的水平平移台(未示出)。
就面内记录棱镜而言，通常通过旋转镜350并平移全息记录介质来进行折射校正和其他调节。然而，采用TIGER棱镜，可能存在无法通过旋转镜850或平移全息记录介质来进行的期望平面外角度调节。这就是TIGER棱镜偏斜镜记录器800可配备其他致动器诸如测角器870和垂直台880来进行平面外角度调节的原因。
第一测角器870a位于第一旋转台872a的顶部，在旋转镜850a下方，以允许旋转镜850a围绕与反射镜表面的水平中线基本上对准的轴旋转。第一测角器870a的致动允许记录光束731a向xG–zG平面外向上或向下反射多达几度。类似地，第二测角器870b被定位成允许记录光束731b也由反射镜850b独立地向上或向下反射。第三测角器870c类似地允许旋转镜850a上游的反射镜(未标记)上下倾斜，使得第一测角器和第三测角器870a、870c组合可产生任何期望的光束731a的高度和垂直角度组合(在机械限制内)。垂直台880可升高或降低包括记录介质710在内的整个棱镜包860的高度(yG坐标)。
用于执行校正的另一种方法是添加另外的测角器(未示出)，用于调节记录光束731b的路径，以产生任何期望的高度和垂直角度组合，其方式与第一测角器和第三测角器870a、870c产生期望的高度和垂直角度组合的方式大致相同。
图9示出了用于使用旋转安装件中的一对光楔来实现这种折射校正的另一种方法，所述一对光楔可相对于彼此对准以实现锥体内的角度为一个光楔所实现量值的两倍。
鉴于本公开的益处，本领域技术人员将认识到，该配置将允许将小的任意垂直角分量引入每个记录光束，同时还保持光束与记录介质之间的重叠。例如，可使用测角器870b设置参考光束731b的期望垂直角度分量，然后设置垂直台高度，使得参考光束731b穿过期望的记录区域。然后，可设置测角器870a和870c，使得信号光束731a以与垂直台所设定的高度匹配的期望垂直角度引入。通常，仅几度的垂直角度范围和几厘米的垂直运动将足以实现期望的折射校正和其他调整。
为平面外全息偏斜镜选择光束间角和偏斜角
图8A至图8C中所示的平面外偏斜镜记录器800可用于通过在全息记录介质的体积内记录一个或多个体积全息图来制造宽视场全息偏斜镜。选择用于记录这些全息图的光束间角和偏斜角取决于全息偏斜镜的期望视场和工作波长范围。
在一些情况下，平面外偏斜镜记录器800可用于记录许多离散光栅，每个离散光栅主要在不同的窄入射角范围内反射一个或多个波长的光。如果这些入射角范围彼此重叠或彼此接近，则光栅将在宽范围的入射角上反射光以提供宽视场。另选地，全息偏斜镜可包括全息光栅，当光束间角变化时，通过连续记录一对记录光束之间的干涉来写入全息光栅。这种连续记录的光栅在宽的入射角范围内反射光，以提供宽视场。光栅的其他组合也是可能的，例如，以产生全息偏斜镜，其在某些入射角范围内反射光但在其他入射角范围内不反射光，或在某些波长范围内反射光但在其他波长范围内不反射光。
在至少一个示例中，斯涅尔定律的矢量形式可用于计算记录光束在记录介质和棱镜之间的内部交界处折射时的方向。如全息术领域的技术人员所理解的，斯涅尔定律的矢量形式描述了以包括在多于一个坐标轴中的非零分量的角度照射在光学交界(诸如棱镜表面)上的光线会发生什么。斯涅尔定律的矢量形式在如下表面产生所得折射：
其中是光学交界的单位法向矢量，和是归一化的入射光线和折射光线方向矢量，并且n1和n2是第一材料和第二材料的折射率。对于TIGER棱镜，这种折射通常包括全局坐标系的多于一个轴中的非零分量。
在一些实施方案中，使用斯涅尔定律校正光学元件诸如记录介质和记录棱镜之间的折射率失配。例如，内部光线方向矢量在记录曝光期间，对于记录介质710(图7A至图7D和图8A至图8C)内的信号光束可能是期望的。目的是确定必须应用以在介质710内的内部角度θG处产生的外部角度。为此目的，可在记录棱镜730a和记录介质710之间的内部交界处应用斯涅尔定律以确定即棱镜730a内的光线方向矢量(注意，即使小的折射率失配也可能产生显著的折射)。然后，可再次将斯涅尔定律应用于记录棱镜730b的外表面以根据确定外部光线方向矢量外部光线方向矢量因此直接决定θG，其可通过旋转镜850b设定。类似地，可通过跟踪穿过记录棱镜730a的内表面和外表面并根据期望的参考光线方向矢量确定旋转镜850a的角度。
在一些实施方案中，可出于除折射校正之外的原因来执行对记录角度的调整。其他调整的示例包括色散补偿、介质收缩预补偿和经验调整以改善调制传递函数(MTF)或颜色平面分离。例如，可进行这些调整以补偿仪器误差、收缩、折射率失配等。这种误差可通过用(不完全的)全息图写入完整的测试偏斜镜并通过测量测试偏斜镜的角色散作为波长的函数来确定全息图的缺陷。这些测量可用于调整设计角度。一旦调整了设计角度，就可以记录几乎没有缺陷的全息偏斜镜。
宽视场全息偏斜镜
实际上，通过在全息记录介质内记录一个或多个(例如，数十、数百或数千个)全息光栅，平面外偏斜镜记录器可产生具有宽视场的全息偏斜镜。在一系列曝光中写入一组离散光栅而不是在具有角度扫描光束的单次连续曝光中写入单一光栅提供了若干优点。首先，它减少了在曝光期间抑制或补偿振动的需要。其次，与连续光栅相比，离散光栅保持折射率的变化Δn，代价是对入射光进行光谱子采样(离散光栅将反射梳功能应用于光照射偏斜镜)。第三，选择光栅间距以匹配光源的光谱使设备更高效。
图10示出了使用平面外写入几何形状制成的宽视场全息输入/输出耦合器1000。全息偏斜输入/输出耦合器1000包括记录在全息光栅介质1010中的全息光栅结构1020，其可以是约100微米厚或更厚。光栅结构1020包括228个光栅，每个光栅以不同的光束间记录光束角记录，因此在记录波长处具有不同的光栅频率(|KG|)。这些光栅围绕偏斜轴1021取向，该偏斜轴相对于全息光栅介质1010的表面法线1011形成约φ＝–30.25°的偏斜角。实际上，其他偏斜角是可能的，例如，大于2.0°、5.0°、10.0°、15.0°、30.0°、45.0°、60.0°等的偏斜角。偏斜角可在约15.0°至约45.0°的范围内(例如，约20.0°至约40.0°，约25.0°至约35.0°，约27.5°至约32.5°等等)。
对于如从反射轴1021测得的入射角范围θRAI＝34.5°，这些光栅一起引起全息偏斜镜1000围绕基本上恒定的反射轴1021以范围为13.1°至47.6°的入射角向内反射入射光。这对应于如在全息光栅介质外的空气中测得的约为θFOV＝54.3°的视场。在阴影区域1001内传播的光线跨越相对于偏斜轴1021测量的从13.1°到47.6°的角度范围(角度范围约为34.5°)，照射光栅结构1020。光栅结构1020主要将该光反射到阴影区域1003中，该阴影区域在偏斜轴1021的另一侧跨越相同的角度范围(-13.1°至-47.6°)。具有第三阴影区域1003的主要反射光在表面1020处折射成跨越约54.3°的水平视场的第四阴影区域1003’。
参考图10，这意味着测得的与偏斜轴1021成47.6°的角度的入射光跟随光线1091沿着与光线1091关于偏斜轴1021对称的光线1093从光栅结构1020反射。该主要反射光1093在表面1012处沿着光线1093’折射。类似地，入射光跟随光线1081’沿着测得的与偏斜轴1021成13.1°的角度的光线1081从全息偏斜镜1000的表面1012全内反射离开。光栅结构1020将该入射光沿着与光线1081关于偏斜轴1021对称的光线1083反射。并且该主要反射光1083沿着光线1083’在表面1012处折射。
图11示出了光栅矢量的k空间表示，即第一光栅KG1和第228光栅KG228，以及用于记录光栅的记录光束的波矢量。对于全息光栅介质1020，示出了相对于k球体1191的光栅和波矢量，其在405nm的记录波长下具有约1.5471的折射率。当被投影到平面中时，光栅和波矢量的尖端位于椭圆上。第一光栅的第一和第二记录光束波矢量R11和R21在全息光栅介质中分别相对于反射轴1021形成32.0°和148.0°的角度，以产生光栅频率约为4.1×107rad/m的第一光栅。第228光栅的波矢量R1228和R2228在全息光栅介质中分别相对于偏斜轴1021形成64.1°和115.9°的角度，以产生光栅频率约为2.1×107rad/m的第228光栅。每个光栅矢量相对于表面法线1011成-30.25°的角度。
图10的光栅结构1020中的该光栅矢量跨越延伸约2.0×107rad/m的一系列光栅频率。其他光栅频率和光栅频率范围也是可能的；实际上，光栅频率范围或最大光栅频率和最小光栅频率之差可以是约2.00×105弧度/米至约3.15×107弧度/米(例如，约2.00×105弧度/米、1.68×106弧度/米、5.01×106弧度/米、1.24×107弧度/米、3.15×107弧度/米，或任何其他值或子范围)。
光栅可在k空间中均匀或不均匀地间隔开。对于光栅频率在约2.1×107rad/m和约4.1×107rad/m之间的约228个均匀间隔的光栅，相邻光栅矢量之间的光栅频率之差约为8.68×104rad/m。其他间距也是可能的，包括在约5.0×103rad/m和1.0×107rad/m范围内的间距。例如，如果全息偏斜镜应反射某些波长或角度的光而不反射其他波长或角度的光，则也可以是不均匀的间距。例如，可基于入射光的光谱和/或预期入射角的范围来选择光栅频率，以提高效率。
因为每个光栅具有不同的光栅频率，所以每个光栅反射从不同入射角到不同主要反射角的光。可能的入射角范围取决于光栅频率的范围并确定视场。例如，每个光栅可反射一个波长(例如，460nm、518nm或618nm)、两个波长(例如，460nm和518nm或者518nm和618nm)、三个波长(例如，460nm、518nm和618nm)或更多波长的光。光栅可反射可见波长、近红外(NIR)波长、近紫外波长或其组合的光。这使得偏斜镜能够反射窄带光(例如，来自激光器的光)、宽带光(例如，来自有机发光二极管(OLED)的光)甚至自然光(例如，太阳光)。
对于输入/输出耦合器，可选择偏斜轴以接近表面法向的角度将光耦合进入光栅介质或离开光栅介质，例如，如图10所示。在这些情况下，偏斜角可基于全内反射的临界角，其在空气和光栅介质之间的交界处约为40.81°(例如，在可见波长处n＝1.53)。
表1列出了228个均匀间隔的光栅中每一个的记录光束角和光栅频率。第一记录光束角θR1和第二记录光束角θR2是相对于偏斜轴的，该偏斜轴具有相对于记录介质的表面法线为-30.25度的偏斜角。因此，表1中列出的光栅矢量相对于记录介质的表面法线取向为-30.25度，其在记录所有228个光栅之后被称为光栅介质。θR1和θR2分别类似于θGR1和θGR2，如图7B所示，不同之处在于θR1和θR2在介质710而非棱镜730内测得。
总的来说，表1中的228个光栅被构造成围绕基本上恒定的反射轴以相对于反射轴在13.1度至47.6度范围(34.5度范围)内的入射角反射460nm、518nm和618nm处的入射光。反射轴具有相对于表面法线为-30.25度的反射轴角。光栅可分组成三个重叠的子集，每个子集被构造成在一定的入射角范围内反射围绕反射轴的特定波长的入射光。
包括光栅1至146的子集1被构造成围绕基本上恒定的反射轴以相对于反射轴为13.1度至47.7度范围内的入射角反射460nm处或附近(例如，在以460nm为中心的20nm至40nm内的波段上)的入射光(其可被称为探测光束)。光栅1至228(即，表1中的所有光栅)可共同围绕基本上恒定的反射轴以相对于反射轴为13.1度至59.8度范围内(46.7度范围)的入射角反射460nm处的入射光。对于被构造成以相对于基本上恒定的反射轴的共同入射角反射蓝色光、绿色光和红色光的偏斜镜而言，13.1度至47.6度的范围是所关注的。
包括光栅53至182的子集2被构造成围绕基本上恒定的反射轴以相对于反射轴为12.8度至47.7度范围内的入射角反射518nm处的入射光。总的来说，光栅43至228可围绕基本上恒定的反射轴以相对于反射轴为3.1度至55.6度范围内(52.5度范围)的入射角反射518nm处的入射光。出于本讨论的目的，13.1至47.6的范围是所关注的。
包括光栅120至228的子集3被构造成围绕基本上恒定的反射轴以相对于反射轴为12.5度至47.6度范围内的入射角反射618nm处的入射光。光栅112至228被构造成围绕基本上恒定的反射轴以相对于反射轴为3.0度至47.6度范围内(44.6度范围)的入射角反射618nm处的入射光。出于本讨论的目的，13.1至47.6的范围是所关注的。
至少光栅198至228不能使用诸如图3A和图3B所示的平面内记录来记录，因为平面内记录几何形状导致相对于记录介质的表面法线的不允许的记录光束角为90度或更大。实际上讲，尽管理论上是可能的，但即使光栅115至198也可能在使用平面内架构时存在问题，因为记录光束角接近掠射条件(即，接近90度)。使用TIGER棱镜的平面外记录，诸如图7A至图7C所示，能够写入表1中的所有光栅。
选择记录光束角和曝光时间
计算机代码可用于计算写入光束角和曝光时间，从而使用平面外写入几何形状制成全息偏斜镜。以下计算机代码片段根据对角视场计算水平视场和垂直视场。如上所述，该全息偏斜镜1000具有60°对角视场(在全息记录介质1020外部测量)。当变量g.aspect＝9/16时，它还具有16:9的纵横比，这对于许多显示器来说很常见：
g.dFoV＝60； ％diagonal angle
g.dia＝2*tand(g.dFoV/2)； ％diagonal size@dist＝1.0
g.width＝g.dia*cos(atan(g.aspect))；
g.height＝g.dia*sin(atan(g.aspect))；
g.vFoV＝2*atand(g.height/2)；
g.hFoV＝2*atand(g.width/2)；
60°的对角视场和16:9的纵横比对应于53.4°的水平视场和31.6°的垂直(布拉格简并)视场(再次，如在全息记录介质外所测量的)。(取向的选择是任意的并且可以颠倒，即水平视场可以是31.6°，垂直视场可以是53.4°。)对于折射率约为1.5(例如，n＝1.53)的全息记录介质，在介质内测量的全息光栅上的水平入射角的范围是约35°(例如，34.17°)。
图12示出了由不同计算机代码产生的一组曲线，示出了每个色带的全息图(全息光栅)。这些曲线表示具有53.4°水平视场的全息输出耦合器的偏斜镜内角波长带1201a-1201e。左带1201a表示反射红光的全息图。中间带1201c表示用于所有三个色带的全息图。中左带1201b表示为绿色带和红色带共享的全息图。中右带1201d表示为蓝色带和绿色带共享的全息图。并且右带1201e表示反射蓝光的全息图。
该代码还生成了一个记录参数表，如下表1所示。选择参数以支持在分别以620nm、520nm和460nm为中心的红-绿-蓝(RGB)色带处的输出耦合器的53.4°水平视场。
表1的228行对应于228次曝光，用于使用图7A至图7D和图8A至图8C中所示的平面外写入几何形状和系统对偏斜镜进行编程。第一列全局角度指示信号光束731a(图7A)相对于介质内xG轴的角度θG，该角度是由旋转镜850a(图8A)设定的。旋转镜850b被设定为以介质内180°–θG的角度传送参考光束731b。第3列调整角度用于设定测角器870，以便为介质内的两个光束731产生指示的平面外角度分量。对于两个光束731，该调整具有相等的量值但符号相反，使得信号光束以向上的角度传送，并且参考光束以相同量值的向下角度传送，反之亦然。设置线性台和垂直台880以使记录介质710居中在记录光束731的交叉点处。然后打开快门以使记录介质710曝光列2中所指示的时间。记录表1中的所有曝光，然后从偏斜镜记录器中取出记录介质710，并在曝光后立即用非相干UV LED光源进行后固化。
表1偏斜镜实施方案的记录参数
*光束角相对于倾斜轴，其相对于表面法线取向为-30.25°
**光栅具有相对于表面法线取向为-30.25°的光栅矢量角
实验演示
图13示出了具有全息偏斜镜输出耦合器1300(例如，类似于图10中所示的输出耦合器1000)的平板波导1350，其根据表1中所示的参数制造。全息偏斜镜输出耦合器1300具有53.4°的水平视场和31.6°的垂直(布拉格简并)视场。根据表1的参数将偏斜镜输出耦合器编程到记录介质中。使用两个1英寸×2英寸的500μm厚Eagle XG玻璃衬底1354与Akoniaformulation AK291光聚合物介质的500μm记录层1310制造光学平坦的波导封装。这些衬底在两个方向上透射约90％的入射可见光。TIGER棱镜偏斜镜记录器以每个光束约2mW/cm2光功率传送准直信号和直径约40mm的参考光束。每个光束通过测得为25×21mm(宽度×高度)的矩形孔变迹。
测试所得的波导1350和输出耦合器1300以验证它们的特性。使用光学粘合剂将耦合棱镜固定到波导1350的左(x<0)端，并且使用现成的微型投影机将图像1301通过耦合棱镜投影到波导中。该图像在记录层内通过衬底交界处的全内反射被引导到输出耦合器1300内的光栅。这些光栅将图像反射出耦合器1300(例如，朝向眼睛)，围绕反射轴相对于表面法线形成约-30.25度的角度。目视检查输出图像1303’以近似确认53.4°的水平视场(微型投影机仅具有～30°视场，因此手动旋转以检查波导范围的两端)。
在整个视场上进行调制传递函数(MTF)测试以验证投影图像质量。图14描绘了在整个视场上测量的MTF的九条曲线的拼接图，其中图中曲线的位置对应于视场中的位置(即，左上曲线对应于场的左上方，中心曲线对应于场的中心等)。图14中每条曲线的水平轴是空间频率(周期/度)，纵向轴是对比度(CR)。较深的线对应于垂直MTF，较浅的线对应于水平MTF。垂直MTF的低CR表明，大部分降级是由于投影器透镜引起的，这不受输出耦合器的有害影响。
基于偏斜镜的头戴式显示器
图15示出了头戴式显示器1500，其具有用于将图像投影到观看者的眼睛1599的基于偏斜镜的宽视场耦合器。设置在眼镜腿1504中或沿着该眼镜腿设置的图像源1502诸如由一个或多个激光器或发光二极管(LED)照射的微显示器在基本上平行于眼镜腿1504的方向上以一种或多种颜色发射图像光1501(例如，红光、绿光和蓝光)。包括记录在夹在一对透明衬底1512之间的光栅介质中的光栅结构的偏斜输入耦合器1510将光耦合到平板波导1520中。(棱镜或边缘耦合也可用于将来自图像源1502的光1501耦合到平板波导1520中。)平板波导1520将该光1511引导到偏斜输出耦合器1530，与如图10所示的情况一样。
该偏斜输出耦合器1530包括记录在夹在透明衬底1512之间的更多光栅介质中的另一光栅结构。偏斜输出耦合器1530将该光1531在宽视场范围内向外朝向观看者耦合，例如，如观看者所感知的水平跨越约50度并且垂直跨越约30度的视场。这使得观看者能感知具有宽视场的图像。如图15所示，偏斜输入耦合器1510具有约+30.25度的偏斜角，并且偏斜输出耦合器1530具有约-30.25度的偏斜角(例如，类似于图10中所示的偏斜输入/输出耦合器)。
结论
虽然本文已经描述和图示了各种发明实施方案，但是本领域普通技术人员将容易地想到各种其他手段和/或结构，用于执行相应功能，并且/或者获得本文所述的相应结果和/或益处中的一个或多个，并且这些变型形式和/或修改中的每一个都被认为是在本文描述的发明实施方案的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易理解，本文所述的所有参数、尺寸、材料和构造都是示例性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或构造将取决于特定应用或使用本发明的教导的应用。本领域的技术人员在仅仅使用常规实验方法的情况下就将认识到或者能够确定本文所述的特定发明实施方案的许多等同形式。因此，应当理解，前述实施方案仅以示例性的方式呈现，并且在所附权利要求书及其等同内容的范围内，可以以不同于具体描述和要求保护的方式来实践发明实施方案。本公开的发明实施方案针对本文描述的每个单独的特征、系统、制品、材料、套件和/或方法。此外，此类特征、系统、制品、材料、工具、套件和/或方法中的两个或多个的任意组合都包括在本公开的发明范围内(如果此类特征、系统、制品、材料、工具、套件和/或方法相互之间未有矛盾)。
上述实施方案可以以多种方式中的任意一种来实现。例如，可以使用硬件、软件或其组合来实施设计和制造本文公开的技术的实施方案。当在软件中实施时，不论是在单个计算机中提供还是分布在多个计算机中，软件代码可以在任何合适的处理器或处理器集合上执行。
本文概述的各种方法或过程(例如，设计和制造上面公开的技术)可被编码为可在采用各种操作系统或平台中的任何一个的一个或多个处理器上执行的软件。另外，可以使用多种合适的编程语言和/或编程或脚本工具中的任何一种编写此类软件，并且所述软件还可以编译为在框架或虚拟机上执行的可执行机器语言代码或中间代码。
在这方面，各种发明构思可以体现为使用一个或多个程序编码的计算机可读存储介质(或多个计算机可读存储介质)(例如，计算机存储器、一个或多个软盘、压缩盘、光盘、磁带、闪存，现场可编程门阵列或其他半导体设备中的电路配置，或其他非暂时性介质或有形计算机存储介质)，所述一个或多个程序当在一个或多个计算机或其他处理器上执行时执行实施上面讨论发明的各种实施方案的方法。计算机可读介质可以是可传输的，使得其上存储的一个或多个程序可以被加载到一个或多个不同的计算机或其他处理器上，以实施如上所述的本发明的各个方面。
术语“程序”或“软件”或“代码”在本文中作为通常意义使用，以指代可用于编程计算机或其他处理器的任意类型的计算机代码或计算机可执行指令集，以实施上文讨论的实施方案的各个方面。另外，应该理解，根据一个方面，执行时实施本发明的方法的一个或多个计算机程序不需要驻留在单个计算机或处理器上，而是可以以模块化方式分布在多个不同的计算机或处理器上以实现本发明的各个方面。
计算机可执行指令可以有许多形式，诸如由一个或多个计算机或其他设备执行的程序模块。一般来说，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。通常，程序模块的功能可以根据需要在各种实施方案中组合或分布。
另外，数据结构可以以任何合适的形式存储在计算机可读介质中。为了简化说明，数据结构可以示出为具有通过数据结构中的位置相关的字段。这种关系同样可以通过为在计算机可读存储介质中具有表达各字段之间关系的位置的字段分配存储区间来实现。然而，可以使用任何合适的机制来建立数据结构字段中的信息之间的关系，包括通过使用指针、标签或建立数据元素之间关系的其他机制。
另外，各种发明构思可以体现为已提供示例的一个或多个方法。作为该方法的一部分执行的动作可以以任何合适的方式进行排序。因此，可以构造在其中以不同于所示顺序执行动作的实施方案，其可以包括同时执行一些动作，即使在说明性实施方案中示出为顺序动作。
如本文所定义和使用的所有定义应理解为控制字典定义、通过引用并入的文献中的定义和/或所定义术语的普通含义。
除非有明确的相反说明，否则在本文说明书和权利要求数中使用的不定冠词“一”和“一个”应理解为意指“至少一个”。
如在本文说明书和权利要求书中所使用的短语“以及/或者”应理解为意指以此结合的元素的“一者或两者”，即在某些情况下结合地存在，而在其他情况中则分离地存在。通过“和/或”列出的多个元素应该以相同的方式解释，即如此连接的元素中的“一者或多者”。除了通过“和/或”子句明确标识的元素之外，不管与具体标识的元素相关还是不相关，其他元素可以可选地存在。因此，作为非限制性示例，当与开放性语言(诸如“包括”)结合使用时，“A和/或B”的引用在一个实施方案中可以仅指A(可选地包括除B以外的元素)；在另一个实施方案中，仅指B(可选地包括除A以外的元素)；在又一个实施方案中，指A和B两者(可选地包括其他元素)；等。
如在本文说明书和权利要求书中所使用的，“或者”应被理解为具有与如上所定义的“和/或”相同的含义。例如，当用于分离列表中的项目时，“或者”或“和/或”应被解释为包含性的，即包括若干个元素或元素列表中的至少一个(但也包括多于一个)元素，并且可选地包括其他未列出项目。只有明确指出相反情况的术语，例如“仅一个”或“恰好一个”，或者当在权利要求书中使用时，“由...组成”将指包括若干元素或元素列表中的恰好一个元素。通常，只有当前面出现排他性术语诸如“任一”、“其中的一个”、“仅其中的一个”或“其中的恰好一个”时，本文使用的术语“或者”才应被解释为指示排他性选择(例如，“一个或另一个，但非两者”)。当在权利要求书中使用时，“基本包含”应具有其在专利法领域中使用的普通含义。
如在本文中的说明书和权利要求书中所使用的，关于一个或多个元素列表的短语“至少一个”应该理解为意指选自元素列表中的任意一个或多个元素中的至少一个元素，但不一定包括元素列表中特别列出的每个元素中的至少一个，并且不排除元素列表中元素的任意组合。该定义还允许短语“至少一个”所指的元素列表内明确标识的元素以外的元素可选地存在，而不管所述元素与明确标识的那些元素相关还是不相关。因此，作为非限制性示例，在一个实施方案中，“A和B中的至少一个”(或者等同地，“A或B中的至少一个”；或者等同地，“A和/或B中的至少一个”)可以指至少一个(可选地包括多于一个)元素，包括A而不包括B(并且可选地包括除B以外的元素)；在另一个实施方案中，指至少一个(可选地包括多于一个)元素，包括B而不包括A(并且可选地包括除A以外的元素)；在又一个实施方案中，指至少一个(可选地包括多于一个)元素，包括A，以及至少一个(可选地包括多于一个)元素，包括B(并且可选地包括其他元素)；等。
在权利要求书以及上述说明书中，诸如“包含”、“包括”、“承载”、“具有”、“含有”、“涉及”、“保留”、“由...组成”等所有过渡型短语应被理解为是开放的，即意味着包括但不限于。如在美国专利局手册专利考察程序第2111.03节所述，只有过渡型短语“由...组成”和“基本上由......组成”应分别是封闭式或半封闭式过渡型短语。

Claims (41)

1.一种光学反射设备，包括：
位于光栅介质中的光栅结构，其中：
所述光栅结构被构造成主要将入射光反射为反射光；
所述入射光包括第一波长；
所述反射光包括所述第一波长；
所述第一波长的所述入射光和所述第一波长的所述反射光形成由反射轴平分的角度；
在所述入射光以横跨至少15度的内部入射角范围入射在所述光栅介质上的情况下，所述反射轴变化小于1度；并且
所述反射轴与所述光栅介质的表面法线相差至少2.0度。
2.根据权利要求1所述的光学反射设备，其中在所述入射光以横跨至少30度的内部入射角范围入射在所述光栅介质上的情况下，所述反射轴变化小于1度。
3.根据前述权利要求中任一项所述的光学反射设备，其中所述光栅结构包括一个或多个全息图，所述一个或多个全息图具有跨越至少2.00×105弧度/米范围的光栅频率(|KG|)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的光学反射设备，其中：
所述入射光包括第二波长；
所述反射光包括所述第二波长；
所述第二波长与所述第一波长相差至少约50nm。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光学反射设备，其中：
所述入射光包括第三波长；
所述反射光包括所述第三波长；
所述第三波长与所述第一波长和所述第二波长中的每一者相差至少约50nm。
6.根据权利要求5所述的光学反射设备，其中所述第一波长位于所述红色区域中，所述第二波长位于所述绿色区域中，并且所述第三波长位于所述蓝色区域中。
7.根据前述权利要求中任一项所述的光学反射设备，其中所述光栅结构包括一个或多个全息图，所述一个或多个全息图具有跨越至少1.68×106弧度/米范围的光栅频率(|KG|)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的光学反射设备，其中所述光栅结构包括一个或多个全息图，所述一个或多个全息图具有跨越至少5.01×106弧度/米范围的光栅频率(|KG|)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的光学反射设备，其中所述光栅结构包括一个或多个全息图，所述一个或多个全息图具有跨越至少1.24×107弧度/米范围的光栅频率(|KG|)。
10.根据权利要求2至6中任一项所述的光学反射设备，其中所述光栅结构包括一个或多个全息图，所述一个或多个全息图具有大于5.10×105弧度/米并且小于3.15×107弧度/米的范围的光栅频率(|KG|)。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的光学反射设备，其中所述一个或多个全息图包括至少九个全息图。
12.根据权利要求11所述的光学反射设备，其中所述至少九个全息图的平均相邻|ΔKG|在5.0×103rad/m和1.0×107rad/m之间的范围内。
13.根据前述权利要求中任一项所述的光学反射设备，其中：
所述入射光从所述光学反射设备内部入射到所述光栅结构上；并且
所述反射光离开所述光学反射设备。
14.根据前述权利要求中任一项所述的光学反射设备，还包括与所述光栅介质相邻的至少一个衬底。
15.根据权利要求14所述的光学反射设备，其中所述至少一个衬底包括两个衬底，其中所述光栅介质设置在所述两个衬底之间。
16.根据权利要求15所述的光学反射设备，其中所述光栅介质包括至少100μm厚的光聚合物介质，并且所述两个衬底透射至少60％的所述入射光和至少60％的所述反射光。
17.根据权利要求15所述的光学反射设备，其中所述光栅介质具有第一折射率，并且所述两个衬底具有在所述第一折射率的约0.1倍内的第二折射率。
18.一种方法，包括：
用第一波长的入射光照射位于光栅介质中的光栅结构，所述入射光从所述光栅结构反射以产生所述第一波长的反射光，
其中所述入射光和所述反射光形成由反射轴平分的角度，所述反射轴与所述光栅介质的表面法线倾斜至少约2.0度，并且
在所述入射光以横跨至少15度的内部入射角范围入射在所述光栅介质内的所述光栅结构上的情况下，所述反射轴变化小于1度。
19.根据权利要求18所述的方法，其中在所述入射光以横跨至少30度的内部入射角范围入射在所述光栅介质上的情况下，所述反射轴变化小于1度。
20.根据权利要求18所述的方法，其中照射所述光栅结构包括：
将所述入射光耦合到所述光栅介质中；以及
在所述光栅介质内全内反射所述入射光。
21.根据权利要求18所述的方法，其中照射所述光栅结构包括：
经由所述光栅介质将所述入射光至少部分地引导到所述光栅结构。
22.根据权利要求18所述的方法，其中所述入射光和所述反射光包括与所述第一波长相差至少约50nm的第二波长。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述入射光和所述反射光包括与所述第一波长和所述第二波长中的每一者相差至少约50nm的第三波长。
24.根据权利要求18所述的方法，还包括：
将所述反射光以相对于所述光栅介质的所述表面法线约25度的角度耦合出所述光栅介质。
25.根据权利要求18所述的方法，还包括：
将所述光栅介质设置成与人眼光学连通，使得所述反射光束至少部分地照射所述人眼。
26.根据权利要求25所述的方法，其中照射所述光栅结构包括用图像照射所述光栅结构，使得反射图像对所述人眼可见。
27.一种方法，包括：
设置包括与人眼光学连通的光栅结构的光栅介质，所述光栅介质具有限定表面法线的相邻表面；
将可见图像耦合到所述光栅介质中；
经由所述光栅介质内的至少一个全内反射将所述可见图像引导到所述光栅结构中；
围绕反射轴反射来自所述光栅结构的所述可见图像，所述反射轴相对于所述表面法线形成至少约2度的角度；
经由所述相邻表面将所述可见图像从所述光栅介质朝所述人眼耦合，所述可见图像跨越自由空间中至少约30度的视场。
28.一种在光敏介质中写入全息光栅的方法，所述方法包括：
将所述光敏介质设置在第一棱镜的倾斜面和第二棱镜的倾斜面之间；
经由所述光敏介质的第一表面和所述第一棱镜的所述倾斜面将第一光束耦合到所述光敏介质中，所述第一光束相对于所述第一表面的表面法线形成第一角度，所述第一角度具有第一量值；以及
经由所述光敏介质的第二表面和所述第二棱镜的所述倾斜面将第二光束耦合到所述光敏介质中，所述第二光束相对于所述第二表面的表面法线形成第二角度，所述第二角度具有基本上等于所述第一量值的第二量值。
29.根据权利要求28所述的方法，还包括：
在所述光敏介质中干涉第三光束和第四光束，以在所述光敏介质中形成第二全息光栅。
30.一种设备，包括：
具有至少一个光栅的全息光学元件，所述至少一个光栅被构造成在第一维度上在至少约50°的视场上反射可见光，所述视场是在所述全息光学元件外部测量的并基本上以所述全息光学元件的表面法线为中心，所述至少一个光栅具有相对于所述表面法线以至少约15°至约45°的角度取向的光栅矢量。
31.根据权利要求30所述的设备，其中所述至少一个光栅包括单个光栅，所述单个光栅被构造成在所述视场上反射波长在约400nm至约700nm范围内的可见光。
32.根据权利要求30所述的设备，其中所述至少一个光栅包括多个光栅，每个光栅被构造成在所述视场内以不同角度反射所述可见光的一个波长的入射光。
33.根据权利要求30所述的设备，还包括：
与所述全息光学元件光学连通的至少一个光源，以用所述可见光照射所述多个光栅。
34.根据权利要求30所述的设备，其中所述视场在正交于所述第一维度的第二维度中为至少约30°。
35.根据权利要求30所述的设备，其中由所述反射轴和所述表面法线形成的所述角度为约20°至约40°。
36.根据权利要求30所述的设备，其中所述全息光学元件基本上不含对可见光敏感的光引发剂。
37.一种反射光的方法，所述方法包括：
用可见光照射全息光学元件中的至少一个光栅，所述至少一个光栅在至少约50°的视场上反射所述光的至少一部分，所述视场以反射轴为中心，所述反射轴相对于所述全息光学元件的表面法线形成至少约15°至约45°的角度。
38.一种制造全息光学元件的方法，所述方法包括：
干涉全息记录介质内的第一光束和第二光束以形成第一光栅，所述全息记录介质具有平坦表面，所述第一光栅被构造成在至少约50°的视场上反射第一可见波长的入射光，所述视场以反射轴为中心，所述反射轴相对于所述全息光学元件的所述平坦表面的表面法线形成至少约15°至约45°的角度。
39.根据权利要求38所述的方法，其中干涉所述第一光束和所述第二光束包括：
经由第一棱镜的倾斜表面将所述第一光束耦合到所述全息记录介质中；以及
经由第二棱镜的倾斜表面将所述第二光束耦合到所述全息记录介质中。
40.根据权利要求38或39所述的方法制造的全息光学元件。
41.一种设备，包括：
具有多个反射光栅的全息光学元件，所述多个反射光栅中的每个反射光栅具有光栅矢量KG，所述光栅矢量与所述全息光学元件的表面法线形成约15°至约45°的角度，并且具有至少2.00×105弧度/米的光栅频率(|KG|)。
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