CN110073252A - 空间变化的倾斜镜 - Google Patents

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Abstract

一种倾斜镜，其是反射轴与表面法线形成非零角度的光学反射设备。空间变化的倾斜镜是反射轴随横向位置而变化的倾斜镜。如果将空间变化的倾斜镜细分为许多块，则所述许多块中的一些或全部的反射轴可指向不同方向。在一些变型中，空间变化的倾斜镜可以用作聚焦入射光的聚焦镜。可以通过记录相位调制的写入光束和另一个写入光束之间的干涉图案或者通过记录随后被弯曲或翘曲的弯曲全息记录介质中的平面波前之间的干涉图案来制作空间变化的倾斜镜。

Description

空间变化的倾斜镜
相关申请的交叉引用
本申请是2017年3月1日提交的名称为“WIDE FIELD-OF-VIEW HOLOGRAPHIC SKEWMIRRORS”的国际申请No.PCT/US2017/020087的部分继续申请。本申请还根据35 U.S.C.§119要求2016年10月12日提交的名称为“SKEW MIRROR HAVING OPTICAL POWER”的美国申请No.62/407,398、2016年10月13日提交的名称为“TIGER PRISMS AND METHODS OF USE”美国申请No.62/407,994和2016年12月16日提交的名称为“WIDE FIELD OF VIEW SKEW MIRROR”的美国申请No.62/435,676的优先权。上述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”的使用与斜交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”的此类使用将导致出现诸如“入射光关于基本上均匀的反射轴衍射”的表述，这可能造成困惑。基本上均匀的反射轴或轴的变化小于0.25度。
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，并且由斜交镜或其部件进行的“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，该全息光学元件包括位于光栅介质中的光栅结构。该光栅结构被构造成关于空间变化的倾斜轴反射入射准直光束，以形成具有由非零的三阶或更高阶Zernike系数表征的反射波前的反射光束。这些空间变化的倾斜轴在至少一些空间位置中与光栅介质表面的表面法线形成非零角度。
在该全息光学元件的一些示例中，光栅结构包括设置在光栅介质中的第一位置处的第一光栅和第二光栅。第一光栅的特点在于具有第一长度并指向第一方向的第一光栅矢量。并且第二光栅的特点在于具有不同于第一长度的第二长度并指向第一方向的第二光栅矢量。
在该全息光学元件的其他示例中，光栅结构包括设置在光栅介质中的第一位置处的第一光栅分布和设置在光栅介质中的第二位置处的第二光栅分布。第一光栅分布具有第一空间频率分布并且以第一方向分布取向。并且第二光栅分布具有不同于第一空间频率分布的第二空间频率分布。第二光栅分布以与第一方向分布基本上相同的第二方向分布取向。
全息光学元件中的空间变化的倾斜轴可以具有随着光栅介质内的位置而平滑变化的取向。例如，该变化可以使光栅结构被构造成将反射光束聚焦到虚焦点或实焦点，例如，距光栅结构1米至10米的位置。
其他实施方案包括用入射准直光束照射位于光栅介质中的光栅结构的方法。响应于该照射，光栅结构关于空间变化的反射轴反射入射准直光束，以形成具有反射波前的反射光束，该反射波前的特点在于非零的三阶或更高阶Zernike系数。同样，空间变化的反射轴与光栅介质表面的表面法线形成非零角度。反射光束可以聚焦到虚焦点或实焦点。
另一个实施方案包括一种在光敏介质中写入全息光栅的方法。该方法包括空间调制第一光束的波前并用也可空间调制为阱的第二光束在光敏介质中干涉第一光束，以产生具有第一取向分布和第一空间频率分布的第一干涉图案。(第一取向分布中的每个取向可以对应于第一空间频率分布中的空间频率。)还包括空间调制第三光束的波前并用第四光束在光敏介质中干涉第三光束以产生第二干涉图案。第二干涉图案具有不同于第一空间频率分布的第二空间频率分布和与第一取向分布匹配的第二取向分布。该方法还包括将第一干涉图案和第二干涉图案记录为光敏介质的空间调制折射率图案。
在该方法的一些示例中，空间调制第一波束的波前包括确定第一干涉图案的期望方向分布。第一干涉图案的这种期望取向分布和第二光束可以用于计算第一光束的期望波前，它们继而可以用于基于第一光束的期望波前计算空间光调制器(SLM)的控制函数。利用控制函数调制SLM以空间调制第一光束的波前。如果需要，可以测量第一取向分布，其中该测量用于确定第一光束的波前的误差。该误差可用于调节SLM的控制函数。
另一个实施方案包括全息光学元件，该全息光学元件包括位于光栅介质中的光栅结构，并且包括不同空间频率处的具有相同取向分布的多个光栅。
另一个实施方案包括一种在光敏介质中写入全息光栅的方法。该方法包括空间调制第一光束的波前，并在光敏介质中用第二光束干涉第一光束以产生第一折射率调制图案，该第一折射率调制图案的特点在于具有第一长度分布并指向第一方向分布的第一光栅矢量分布。还包括空间调制第三光束的波前，并在光敏介质中用第四光束干涉第三光束以产生第二折射率调制图案，该第二折射率调制图案的特点在于具有不同于第一长度分布的第二长度分布并指向第一方向分布的第二光栅矢量分布。
另一个实施方案包括如下所述的在光敏介质中写入全息光栅的方法。首先，将光敏介质设置在第一表面和第二表面之间。这些表面可以以相同的曲率弯曲或者可以具有不同的曲率(例如，一个可以是平坦的而另一个可以是弯曲的)。物体光束和参考光束耦合到光敏介质中，该光敏介质将物体光束和参考光束之间的干涉记录为全息光栅。光敏介质从第一表面和第二表面释放并翘曲，以使全息光栅产生空间变化的畸变。
另一个实施方案包括设置包含与人眼光学通信的光栅结构的光栅介质。该光栅介质具有限定表面法线的近侧表面。来自显示器的可见光耦合到光栅介质中并被引导至光栅结构，该光栅结构反射可见光以在距人眼1米至10米(例如，2米至4米)的距离处形成显示器的虚像。将可见光引导至光栅结构可以包括全内反射可见光。
另一个实施方案包括具有光栅介质和在光栅介质内占据一定体积的光栅结构的光学反射设备。光栅结构被构造成关于基本上均匀的第一反射轴反射具有第一波长和第一入射角范围的入射光，该入射光在第一位置处入射在光栅介质的表面上。光栅结构被构造成关于基本上均匀的第二反射轴反射具有第二波长和第二入射角范围的入射光，该入射光在第二位置处入射在光栅介质的表面上。基本上均匀的第一反射轴与基本上均匀的第二反射轴相差至少0.1度。在一些情况下，第一波长与第二波长相差至少50nm，并且第一入射角范围与第二入射角范围相同。在一些情况下，第一入射角范围为至少15度。在一些实施方案中，反射轴变化小于0.10度，或小于0.05度，或小于0.025度。
又一个实施方案包括光学反射设备，该光学反射设备包括光栅介质和在光栅介质内占据一定体积的光栅结构。该光栅结构被构造成反射具有第一入射角范围的入射光的波长，该第一入射角范围为至少15度。该入射光在多个位置入射到光栅介质的表面上。在多个位置中的每一个处，入射光关于基本上均匀的反射轴反射。并且多个位置中的每一个处的基本上均匀的反射轴与多个位置中的至少另一个处的基本上均匀的反射轴相差超过0.1度。
又一个实施方案包括根据一种方法制造的全息光学元件，该方法包括在全息记录介质内用第一会聚球面光束干涉第一发散球面光束，以在全息记录介质内记录第一全息光栅，其中第一发散球面光束和第一会聚球面光束处于第一波长并且具有共轭波前。该方法还可包括在全息记录介质内用第二会聚球面光束干涉第二发散球面光束以形成第二光栅，其中第二发散球面光束和第二会聚球面光束处于不同于第一波长的第二波长。
又一个实施方案包括具有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。入射光和反射光在光栅介质的第一位置处形成由第一反射轴对分的第一角度，并在光栅介质的第二位置处形成由第二反射轴对分的第二角度。第一反射轴和第二反射轴中的每一个基本上是均匀的，其中入射光具有至少15度的入射角范围。反射轴与光栅介质的表面法线相差至少2.0度。并且第二反射轴与第一反射轴相差至少0.1度。在一些情况下，反射轴与光栅介质的表面法线相差至少4.0度。
一个实施方案包括具有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。入射光和反射光形成由反射轴对分的第一角度。反射轴与光栅介质的表面法线形成第二角度。第二角度随光栅介质内的位置而变化，并且在光栅介质内的任何一个位置处，反射轴变化小于0.10度，其中入射光的入射角范围为至少15度。
另一个实施方案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。入射光从光栅结构反射，以产生第一波长且至少15度的第一入射角范围的反射光。其中入射光和反射光一起在光栅介质内的第一位置处形成由相对于光栅介质的表面法线倾斜的第一反射轴对分的第一角度，并且在光栅介质内的第二位置处形成由不同于第一反射轴的第二反射轴对分的第二角度。并且第一反射轴是基本上均匀的，并且第二反射轴是基本上均匀的。在一个变型中，第二反射轴与第一反射轴相差至少1.0度。
另一个实施方案包括一种设备(诸如头戴式显示器)，该设备包括全息光学元件，该全息光学元件具有被构造成关于第一反射轴和第二反射轴反射可见光的至少一个光栅，该第一反射轴相对于全息光学元件的表面法线形成15°至45°的第一角度，该第二反射轴相对于全息光学元件的表面法线形成不同于所述第一角度的15°至45°的第二角度。在操作中，用可见光照射该全息光学元件中的至少一个光栅使得被照射的光栅关于第一反射轴反射光的第一部分并关于第二反射轴反射光的第二部分，该第一反射轴相对于全息光学元件的表面法线形成15°至45°的第一角度，该第二反射轴相对于全息光学元件的表面法线形成不同于第一角度的15°至45°的第二角度。
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1A示出了常规全息倾斜镜的透视图。
图1B示出了空间变化的倾斜镜的透视图。
图1C示出了空间变化的倾斜镜的侧视图，该倾斜镜反射准直光束以产生具有弯曲波前的光束。
图1D示出了空间变化的倾斜镜的透视图，该倾斜镜反射准直光束以产生具有弯曲波前的光束。
图2A示出了空间变化的倾斜镜的侧视图(顶部)，其中k空间图(底部)将准直入射光束聚焦到一点。
图2B示出了k空间图，其表示在图2A的空间变化的倾斜镜中形成全息光栅结构的全息光栅的总效果。
图3A示出了通过使用准直或可编程写入光束干涉可编程写入光束来编程保持在棱镜包装件中的全息记录介质中的倾斜轴。
图3B示出了图3A的全息记录介质和棱镜包装件的透视图。
图3C示出了通过使用准直或可编程写入光束干涉可编程写入光束将倾斜轴编程到全息记录介质中的斜视图。
图3D示出了用于编程可编程写入光束的波前补偿器。
图3E示出了用于记录空间变化的倾斜镜的过程。
图3F示出了用于记录空间变化的倾斜镜的计量过程。
图4A是用于写入具有相位和振幅可编程写入光束和准直写入光束的空间变化的倾斜镜的系统的平面图。
图4B是用于用一对相位调制写入光束写入空间变化的倾斜镜的系统的平面图。
图5A示出了夹在弯曲保形铸造基板之间并记录平面波前之间的干涉图案以形成全息光栅介质的全息记录介质。
图5B示出了图5A的全息光栅介质，其具有通过将全息光栅介质夹在一对平坦基板之间而形成的空间变化的倾斜轴。
图5C示出了图5A的全息光栅介质，其具有通过将全息光栅介质夹在一对弯曲基板之间而形成的空间变化的倾斜轴，该弯曲基板的曲率与弯曲保形铸造基板的曲率相反。
图6A是具有常规倾斜镜的头戴式显示器(HMD)的侧视图。
图6B是具有常规倾斜镜的HMD的展开视图。
图7A是具有空间变化的倾斜镜的HMD的侧视图。
图7B是具有空间变化的倾斜镜的HMD的展开视图。
图7C是具有空间变化的倾斜镜的HMD的照片。
图7D是具有空间变化的倾斜镜的HMD的特写照片。
图8是对于保形铸造的空间变化的倾斜镜，反射和投影视场(FoV)与铸造半径的关系图。
图9是具有若干空间变化的倾斜镜和常规倾斜镜的多焦平面波导HMD的侧视图。
图10示出了用于测量倾斜镜的调制传递函数(MTF)的度量平台。
图11A示出了由空间变化的倾斜镜反射的分辨率测试图的图像，其中在常规倾斜镜的最佳焦点位置处具有0.66屈光度的屈光率。
图11B示出了具有0.66屈光度的屈光率的空间变化的倾斜镜的分辨率测试图的图像。
图12A示出了从常规倾斜镜反射的分辨率测试图的图像。
图12B是用图10的计量平台测量的常规倾斜镜的对比度与角度分辨率的曲线图。
图13A示出了从具有0.66屈光度的屈光率的空间变化的光学倾斜镜反射的分辨率测试图的另一个图像。
图13B是用图10的计量平台测量的具有0.66屈光度的屈光率的空间变化的光学倾斜镜的对比度与角分辨率的曲线图。
图14A示出了从具有0.31屈光度的屈光率的空间变化的光学倾斜镜反射的分辨率测试图的图像。
图14B是用图10的计量平台测量的具有0.31屈光度的屈光率的空间变化的光学倾斜镜的对比度与角分辨率的曲线图。
具体实施方式
1空间变化的倾斜镜
在全息倾斜镜中，入射光关于反射轴反射，该反射轴可相对于其投射的表面倾斜。在空间变化的倾斜镜中(也被称为空间变化的全息倾斜镜或空间变化的光学倾斜镜)，反射轴和表面之间的角度(或等效地表面法线)可以作为表面上的位置的函数而变化。换句话讲，空间变化的倾斜镜可以具有许多反射轴，每个反射轴与表面法线形成不同的角度。根据这些反射轴的取向，空间变化的倾斜镜可以聚焦入射光(非常像曲面镜)，但是关于相对于表面法线倾斜的轴来聚焦。具有空间变化的全息倾斜轴的空间变化的倾斜镜和其他全息光学元件可用于改变波导输出耦合器中的焦平面、扩大头戴式显示器的视场(例如，用于增强、混合或虚拟现实)、提高头戴式显示器的聚焦能力(例如，提供佩戴者的眼科处方)、将光耦合进出波导(例如，如在输入耦合器或聚散耦合器中)，或者在无穷远处或接近无穷远处显示图像(例如，如在薄煎饼窗口显示器中)。
图1A和图1B分别示出了常规全息倾斜镜10和空间变化的倾斜镜100。常规全息倾斜镜10具有彼此平行的反射轴11；也就是说，无论其横向(x,y)位置如何，每个反射轴11与表面法线(z轴)形成相同的角度和相同的方位角(相对于x-y平面的角度)。因此，常规全息倾斜镜10将准直入射光束(未示出)反射为准直反射光束。关于常规全息倾斜镜的更多信息，参见名称为“Skew Mirrors,Methods of Use,and Methods of Manufacture”的国际申请No.PCT/US2016/048499和名称为“Wide Field-of-View Holographic Skew Mirrors”的国际申请No.PCT/US2017/020087，这两篇国际申请全文以引用方式并入本文。
相反，空间变化的倾斜镜100具有反射轴101a-101i(统称为反射轴101)，其与表面法线(z轴)形成不同的角度。这些角度作为横向(x,y)位置的函数而变化。在该示例中，表面法线和反射轴101a之间的角度小于表面法线和反射轴101i之间的角度。换句话讲，空间变化的倾斜镜101中的反射轴101彼此不平行。
表面法线和反射轴之间的角度以及反射轴的方位角可以作为横向(x或y)位置的函数平滑地变化。换句话讲，绘制表面法线和反射轴之间的角度作为(x,y)坐标的函数可以产生平滑变化的函数，其中反射特性近似于例如具有球形、圆柱形、抛物线形或自由形状表面的常规曲面镜。由于反射轴与表面法线形成不同的角度，因此由空间变化的倾斜镜100反射的光束可以具有与入射光束不同的波前曲率。
对于聚焦或散焦的空间变化的倾斜镜，改变焦平面的倾斜轴变化量很小，但是不可忽略。一般来讲，聚焦镜的曲率半径为所需焦距的约两倍。对于焦距为10m的50mm空间变化的倾斜镜，倾斜轴角度的角度变化为0.5×(180度/π)×(0.05m/10m)＝0.14度。对于焦距为1m的50mm空间变化的倾斜镜，倾斜轴角度的角度变化为0.5×(180度/π)×(0.05m/1m)＝1.43度。通常，用于改变焦平面的倾斜轴角度变化可以是0.1度或更大(例如，0.1度、0.2度、0.3度、0.4度、0.5度、0.6度、0.7度、0.8度、0.9度、1.0度、1.1度、1.2度、1.3度、1.4度、1.5度、1.75度、2.0度、2.25度、2.5度、2.75度、3.0度，以及该范围内的任何其他值)。对于其他应用，角度变化可以更大(例如，对于图8的宽视场头戴式显示器，约28.6度)。
1.1 Zernike系数
与其他光学元件一样，空间变化的倾斜镜(SVSM)可以通过它改变入射光束的波前的方式来表征。如本领域普通技术人员所理解并且在下文中更详细描述的，波前通常由Zernike多项式描述。Zernike多项式的系数表示波前的特性，包括平移、倾斜、聚焦、像散、彗差和球差的量。三阶系数表示波前的聚焦，如表1(下表)所示，其中列出了几个Zernike多项式、Zernike系数和像差：
表1：Zernike径向多项式
用入射光束照射空间变化的倾斜镜产生反射光束，该反射光束的三阶(聚焦)Zernike系数不同于入射光束的Zernike系数。例如，考虑用完美准直光束照射空间变化的倾斜镜，该光束可具有非零平移和倾斜，但没有聚焦、像散、彗差或球差(即，三阶和更高阶的Zernike系数为零)。空间变化的倾斜镜引入非零的三阶或更高阶Zernike系数的变化，使得反射光束具有至少一个非零的三阶或更高阶的Zernike系数。换句话讲，空间变化的倾斜镜改变入射光束的波前的曲率。无论空间变化的倾斜镜是否是物理平坦的(例如，如图1B中)或物理弯曲的，都会发生这种情况。
图1C和图1D示出了反射入射准直光束(平面波)1的图1的空间变化的倾斜镜100的侧视图和透视图。准直光束1利用倾斜轴101a-101c照射空间变化的倾斜镜100的一部分。其关于倾斜轴101c反射以形成具有弯曲波前的反射光束3，该弯曲波前远离空间变化的倾斜镜100传播。入射准直光束1和反射光束3的传播方向或波矢量关于倾斜轴101g对称。
图1C还示出了空间变化的倾斜镜100的部件，包括全息光栅介质110，对于显示器应用，其厚度可为约0.5mm至约1.0mm，这取决于所需的分辨率。对于其他应用，厚度可以不同，较厚的全息记录介质产生较高的潜在空间分辨率。
限定倾斜轴101的全息光栅结构112位于全息光栅介质110中。可以使用下文公开的记录技术在全息光栅介质110中对全息光栅结构进行编程。全息光栅介质110夹在一对基板120a和120b之间，该对基板可以由玻璃(例如，0.5mm或0.3mm厚的Corning Eagle XG玻璃)、塑料或任何其他合适的材料制成。上基板120b在入射准直光束1的波长处是透明的。下基板120a在入射准直光束1的波长处可以是透明的、不透明的或反射性的。如果需要，下基板120a和/或上基板120b可涂覆有刮擦或抗反射涂层，例如，如在眼科镜片中。
1.2具有屈光率的倾斜镜
图2A和图2B示出了具有屈光率的空间变化的倾斜镜200。倾斜镜200可以在特定波长(例如，由红色、绿色和蓝色LED发射的波长)和角度(例如，头戴式显示器的视场)上消色差。波长和角度选择性是耦合的，因此倾斜镜在一些情况下可以是波长选择性的，但并不是对于任何波长/角度组合都是如此。
倾斜镜200包括设置在一对基板220a和220b(统称为基板220)之间的全息光栅介质210。全息光栅介质210承载全息光栅结构212，该全息光栅结构限定倾斜轴201a-201e(统称为倾斜轴201)，其相对于基板220的表面法线的取向随横向(x,y)位置而变化。全息光栅结构212包括许多全息光栅或全息图，这些全息光栅或全息图在空间中的一个点处沿相同方向取向，但该方向在空间上变化。
图2A还示出了限定倾斜轴的全息光栅的空间频率或k空间分布201a'-201e'(统称为k空间分布201')。虚线圆212'是被称为“k球”的构造的二维横截面，其半径为k＝2πn/λ，其中n是全息图的平均折射率(全息光栅介质210的体积折射率)，λ是光的真空波长。(为简单起见，图2A示出了仅一个波长的k球212'。)全息光栅介质210内的入射和反射光束的传播矢量从原点延伸到k球的表面。
光栅结构212中的每个全息光栅可以是包括全息光栅介质210内的折射率的空间变化的体相全息图。如果体相全息图是正弦型的，则其可以表示为k空间中的点。正弦体相全息图的分布可以表示为线段，例如，如在k空间分布201'中，其相对于kz轴的取向取决于全息记录几何形状。对于空间变化的倾斜镜，选择记录几何形状，使得这些取向在全息光栅介质的不同(真实空间)部分中不同。
对于图2A中所示的空间变化的倾斜镜200，选择记录几何形状，使得全息体积光栅在每个位置跨越一系列空间频率(例如，1.0×107rad/m至4.7×107rad/m)，如图2B所示。此外，全息体积光栅被取向成使得倾斜轴在每个位置处不同地取向(k空间分布201a'-201e'在每个位置处沿光栅矢量驻留并因此示出了倾斜轴)，并且反射轴201a-201e具有与倾斜轴相同的空间分布。这使得倾斜镜200用作具有焦距f的聚焦镜：如图2A所示，其将入射准直光束21聚焦到远离其上表面的距离为f的点。入射准直光束21的每条光线照射倾斜镜200的不同(x,y)部分或区段。因为与这些不同部分相关联的倾斜轴201与倾斜镜的表面法线(z轴)形成不同的角度，所以反射光束23的光线以不同角度远离倾斜镜200传播以会聚在焦点处。
倾斜镜的焦距f主要取决于倾斜轴200的取向，该倾斜轴继而由用于在全息光栅结构212中写入体相全息图的记录几何形状设定。焦距可以为正，如图2A所示，或者为负。合适的焦距范围为约10mm至无穷远(例如，1cm、5cm、10cm、50cm、1m、2m、4m、5m、10m，或约10mm至无穷远的其他值)。
因为倾斜轴的取向可以在整个全息光栅介质210中变化，所以空间变化的倾斜镜210的不同部分可以具有不同的焦距。换句话讲，空间变化的倾斜镜210可以用作一系列或一组聚焦镜。这些聚焦镜可以具有相同或不同的焦距、形状和尺寸。它们可以规则地(例如，以一维或二维周期性阵列)或不规则地分布。
2制作空间变化的倾斜镜的方法
与常规全息倾斜镜一样，可以通过在全息记录介质(诸如购自AkoniaHolographics,LLC的AK174-200或AK233-200光敏聚合物光学记录介质、购自Covestro AG的HX TP光聚合物膜、光折变晶体、重铬酸盐明胶、光热折射玻璃和含有分散的卤化银颗粒的薄膜)中记录两个或更多个相干光束之间的许多干涉图案来制作空间变化的倾斜镜。记录过程将全息记录介质转换成具有包含数十、数百甚至数千个全息光栅的全息光栅结构的全息光栅介质。
在常规全息倾斜镜中，干涉全息记录介质的光束的波前是平坦的，即，它们没有曲率，并且在全息记录介质上产生恒定的倾斜轴。因此，当入射波是平面波时，来自常规全息倾斜镜的反射模式是平面波。在空间变化的倾斜镜中，一个或两个记录光束的波前用非平坦波前编程，并且以与常规倾斜镜相同的方式记录。例如，一个或两个记录光束可以具有Zernike聚焦项，其大小类似于空间变化的倾斜镜的焦距。它们也可具有更高阶的Zernike项。
在一些示例中，干涉光束可以具有球面波前。用共轭会聚球面光束干涉发散球面光束可以产生用于空间变化的倾斜镜的干涉图案。因为可以认为每个球面波前具有波矢量的分布，所以可以认为所得光栅结构具有光栅矢量的分布。这种光栅结构可以分解成跨一组给定空间位置的取向范围或取向分布的正弦光栅。改变共轭发散和会聚球面光束的波长会改变光栅的空间频率。因此，例如在记录过程期间使用可调谐激光器调谐球面光束的波长产生可以分解成正弦光栅的光栅结构，其中在不同位置处的光栅具有不同的(光栅矢量)取向并且在相同位置处的光栅具有不同的空间频率。在会聚光束和发散光束具有相同曲率中心的情况下，写入的光栅矢量将具有与写入光束波矢量相同的取向，而与写入波长无关。因此，在保持曲率中心的同时改变波长允许写入多个全息图，从而形成空间变化的倾斜镜。
另选地，全息记录介质在记录由平坦或弯曲波前形成的干涉图案之后翘曲，以产生倾斜轴取向的空间变化。这种使全息记录介质翘曲的过程被称为保形铸造，并且可以应用于增加反射头戴式显示器(HMD)中的视场(FoV)。
2.1光学编程空间变化的倾斜轴
图3A、图3B和图3C示出了在全息记录介质308中光学编程空间变化的倾斜轴。全息记录介质308可被夹在一对透明基板(未示出)之间，该透明基板由棱镜302a和302b(统称为棱镜302)保持在适当位置，如名称为“Skew Mirrors,Methods of Use,and Methods ofManufacture”的国际申请No.PCT/US2016/048499和名称为“Wide Field-of-ViewHolographic Skew Mirrors”的国际申请No.PCT/US2017/020087中所公开的那样，这两篇国际申请全文以引用方式并入本文。
全息记录介质310记录第一光束31和第二光束33之间的干涉，第一光束的波前被编程，例如，使用空间光调制器(SLM)，第二光束的波前可以被编程但不必被编程。全息记录介质308将干涉记录为体相全息图，其空间变化的光栅矢量由第一光束和第二光束的波矢量的差值确定，即，第一光束的波矢量局部垂直于第一光束的波前，第二光束的波矢量局部垂直于第二光束的波前。
一旦记录了第一全息光栅，就调节第一光束、第二光束或两个光束。经调节的光束(有时称为第三光束和第四光束)在全息记录介质308内干涉，该全息记录介质将干涉记录为第二全息光栅。第二全息光栅的空间变化光栅矢量由第三光束和第四光束的波矢量之间的差值给出，选择这些波矢量使得第二全息光栅的光栅矢量与第一全息光栅的光栅矢量对准，如图3A所示。
这种调节光束并在全息记录介质308中记录所产生的干涉图案的过程将全息记录介质308转换成具有全息光栅结构的全息光栅介质。全息光栅结构由数十至数千个全息光栅组成，每个全息光栅具有与倾斜轴函数φ(x,y)对准的光栅矢量，其中φ(x,y)是一个双元素矢量函数，其指定相对于表面法线的倾斜轴角度的x和y分量作为x,y空间位置的函数。换句话讲，为了制造具有倾斜轴函数φ(x,y)的倾斜镜，全息光栅i＝1,…,n的光栅矢量分布在所选的x-y平面与平行，其是通过控制第一光束的波矢量和任选的第二光束的波矢量在同一平面内与φ(x,y)对准的单位矢量。
定义使得z＝0平面将倾斜镜记录层(全息记录介质308)对分。在一些实施方案中，一组记录光束(诸如光束)保持准直并且波前被编程。在这些实施方案中，平面内的可以根据用于记录普通平坦倾斜镜的方法来确定，并且平面中的可由下式给出：
其中，kn＝2πn/λ是全息记录介质308内的第一光束31和第二光束33的波数，并且θi(x,y)是在和之间的空间变化的位差角。换句话讲，每个位置处的是长度为kn的波矢量，其写入布拉格匹配的光栅矢量，其中与对准。
公式(1)给出了一种用于记录空间对准光栅矢量分布的方法，但是全息术领域的技术人员将认识到在本发明的范围内其他方法也是可能的。在也是可编程的实施方案中，允许设计者采用可用于满足其他约束的附加自由度，因为通常存在满足约束的多个波矢量组合。在这些实施方案的一些中，可以选择组合以在空间变化的倾斜镜的全息光栅结构中的全息图之间产生均匀的ΔKG间距。在其他实施方案中，可以在与将记录层对分的平面不同的平面或二维(2D)表面中满足约束。
如全息术领域的技术人员所知，可以通过空间调制装置(诸如SLM、掩模或可变形镜)在2D平面中调制光束的复振幅。然后，可以通过衍射积分确定在其他空间位置中的复值。因此，可以通过使用SLM或其他空间调制装置在上游2D轨迹中创建前体分布来创建在期望平面或其他2D轨迹中的期望分布。在施加衍射积分时，调制前体分布以在期望位置产生期望分布。可以使用光束传播例程或其他合适的技术在数字计算机中分析或数值地评估衍射积分。复振幅的空间分布唯一地确定了波矢量的空间分布因此，系统设计人员通常可以指定单个平面或2D轨迹内的分布，但是其他空间位置中的值可以通过衍射来确定。
因此，通常可以在单个平面或2D控制轨迹中但不能在整个体积区域中强制对准约束。当使用相对较小数值孔径(NA)的记录光束时，可以与距2D控制轨迹的距离成比例地缓慢偏离期望值。因此，选择减少或最小化在最终体积记录内距轨迹的平均或积分体积距离的2D控制轨迹可能是有利的。因此，有利地使用将记录层对分为2D控制轨迹的平面。
图3C至图3E示出了在对分记录层的平面内对的控制，该记录层可以倾斜于两个记录光束的光轴。图3C示出了在全息记录介质308内用第二光束33干涉(可编程的)第一光束31，以在倾斜平面中产生空间对准的光栅矢量分布。图3D示出了可用于对第一光束31进行空间编程或调制的系统340。并且图3E示出了用于使用图3D的系统340对第一光束31进行空间编程或调制的过程360。
图3D的系统340包括动态空间调制装置(这里是可变形镜342)，其由处理器346控制并且经由投影光学器件(例如，一个或多个透镜和/或其他光学元件)344与全息记录介质308光学通信。在操作中，可变形镜342调节平面波37的波前以产生前体波前35。(在其他实施方案中，向列型液晶设备、静态或移动相位板、透镜、镜子或这些部件/装置的任何组合可用于静态地或动态地改变平面波37的波前。)前体波前35传播穿过投影光学器件344和保持全息记录介质308的棱镜302；当其传播时，前体波前35演变成波前，该波前干涉以产生由全息记录介质308记录的全息图。因为可变形镜342是动态空间光调制器，所以如果需要，可以用处理器346来控制它以将前体波前(以及因此第一光束31的波前)在全息图之间改变。
理想的是，简单地编程可变形镜342以产生所需倾斜轴函数的前体波前35，φ(x,y)应该产生完美的全息图。然而，在实践中，对准时和光学部件中的缺陷以及用于产生记录波前的参数的准确度不足可能导致不完美的全息图。这些真实世界的缺陷可能是由于波前误差或像差、光学部件未对准、由于振动或有限激光线宽造成的对比度降低或由灰尘或其他污染物产生的阴影造成的。这些不良的全息图可能降低完成的空间变化的倾斜镜的质量。
图3E示出了用于校正记录波前的过程360，图3F示出了用于对成品进行计量的过程380。计量测量可用于对前体波前35编程以减少、避免或消除记录的全息图中的缺陷。在过程360的步骤362中，根据设计要求确定所有全息图的期望分布。在步骤364中，选择第i个全息图的一个记录光束波矢量对应的记录光束可以被认为是第一参考平面波，其将用于在等效平坦倾斜镜中记录第i个全息图。
处理器使用期望分布和选择的波来根据步骤366中的公式(1)计算另一记录光束的波矢量分布。在步骤368中，处理器使用另一个记录光束的波矢量分布，通过执行从倾斜控制平面到用SLM(可变形镜)调制的前体位置的反向光束传播、光线跟踪或任何其他合适的光学传播模拟技术来计算前体波前。例如，处理器可以通过应用表征横向于光轴的两个平面之间的衍射的单个衍射传递函数来执行普通光束传播。对于倾斜的起始或终止平面，可以使用不同的衍射传递函数来将点(或行、列)的每个组合从倾斜平面映射到前体位置。另选地，可以另选地采用光线跟踪或光学传播的替代装置来例如跟踪通过投影光学器件或其他元件的路径。在步骤370中，利用定制的控制函数调制SLM，以产生在步骤368中计算的前体波前。在步骤372中，全息记录介质暴露于记录光束之间的干涉，并且过程360进行下一次迭代(即，第(i+1)个全息图)，直到最后一个全息图被写入。
暴露完成后，全息图在非相干光处理下固定。在大多数全息记录介质中，用非常均匀的光处理来消耗剩余的光化学物质。所得全息光栅介质通常对随机光和写入噪声无反应。典型的全息记录介质具有长渐近尾部，其仍然仅对光稍微灵敏，但不够灵敏而不能用于写入全息图。
可以使用图3F中所示的过程380来测试使用过程360制造的空间变化的倾斜镜(SVSM)。在步骤382中，计量系统(例如，如下所公开的)测量SVSM中每个全息图的实际光栅分布。在步骤384中，处理器确定实际光栅分布相对于所需光栅分布的偏差或误差。该信息被反馈回SVSM生产过程360(例如，当计算前体波前时)以减少随后制造的SVSM中的误差。
2.2制作空间变化的倾斜镜
图4A和图4B分别示出了用于制造空间变化的倾斜镜的系统400和450。图4A的系统400提供单个写入光束的波前的动态相位和振幅控制，并且系统450提供两个写入光束的相位控制。全息术领域的普通技术人员将理解，系统的部件和操作原理也可以选择性地应用于其他系统。
图4A中的系统400包括夹在一对棱镜402a和402b(统称为棱镜402)之间的全息记录介质408。全息记录介质408和棱镜402安装在机动平移镜台412上，该机动平移镜台可以沿着与zG轴对齐的导轨414移动。系统400包括一个或多个透镜、动态相位调制器430、具有动态振幅调制器422的任选振幅调制单元420，以及第一光束401的路径中的第一旋转镜444。第二旋转镜446位于第二光束403的路径中。系统400还可以包括耦合到级412、振幅调制器422、相位调制器430和旋转镜444和446的处理器或其他控制器(未示出)。
在操作中，振幅调制器422和相位调制器430在空间上对第一光束401进行调制。例如，第一光束的波前可被调制为具有一维或二维的二次曲率。第一光束401从第一旋转镜444反射并经由一个棱镜402a折射到全息记录介质408中。具有平面波前的第二光束403从第二旋转镜446反射并经由另一个棱镜402b折射到全息记录介质408中以干涉第一光束401。全息记录介质408将由第一光束401和第二光束403形成的干涉图案记录为第一全息光栅。
为了记录第二全息光栅，系统400根据用于校正图3D中所示的记录波前的过程360，根据需要用相位调制器430和/或振幅调制器422调节第一光束401的相位调制和/或振幅调制。根据需要，通过沿着zG轴移动全息记录介质408和棱镜402与平移镜台412并旋转第一旋转镜444和/或第二旋转镜446，第二全息光栅可以相对于第一全息光栅在空间和/或角度上多路复用。
通过干涉具有二次弯曲波前的第一光束和具有平面波前的第二光束来记录全息光栅结构，在倾斜轴上产生二次空间方差。平均倾斜轴由全息记录介质408的(倾斜)角度设定，并且屈光率的量由二次波前设定。在期望屈光率较小(例如，小于一个屈光度)的情况下，使用静态相位调制器来编程具有二次弯曲波前的第一光束而不是图4A的系统400中使用的全动态相位和振幅调制，可以实现足够的性能。
图4B示出了用于写入空间变化的倾斜镜的替代系统450。其包括镜像对称臂，该镜像对称臂将第一光束451和第二光束453相位调制并引导至夹在一对棱镜452之间的全息记录介质458。第一光束451从一对旋转镜474和494反射，该对旋转镜中的第一旋转镜安装在可沿xG轴移动的平移镜台470上。第一相位调制器480调制第一光束451的波前，该波前经由一个或多个透镜和棱镜452中的一个中继到全息记录介质458。同样，第二光束453从一对旋转镜476和496反射，该对旋转镜中的第一旋转镜安装在可沿xG轴移动的平移镜台472上。第二相位调制器482调制第二光束453的波前，该波前经由一个或多个透镜和另一个棱镜452中继到全息记录介质458。
第一光束451和第二光束453干涉以产生全息记录介质458记录为全息光栅的干涉图案。通过旋转镜474、476、494和496以及沿着xG轴移动镜474和476以及平移镜台470和472，可以在全息记录介质458中多路复用干涉图案。如果相位调制器480和482是动态的(例如，液晶SLM)，则它们可用于改变从全息光栅到全息光栅的波前的调制。
本领域技术人员将容易理解，其他记录架构也是可能的。例如，相位调制器480和482以及旋转镜494和496可以由旋转的可变形镜替代(例如，如图3D中所示)。并且在任何系统中，相位和/或振幅调制可以是静态的或动态的，这取决于正在写入的空间变化的倾斜镜。类似地，任何系统中的相位和振幅可以由不同平面中的两个相位调制器或两个振幅调制器调制。
2.3空间变化的倾斜镜的保形铸造
图5A至图5C示出了制造空间变化的倾斜镜的保形铸造过程。这是用于制造常规倾斜镜过程的改进过程，其中全息记录介质被浇铸在平坦基板之间(例如，作为液体前体分配并固化以形成适形于基板的全息记录固体层)。在保形铸造过程中，液体前体被浇铸和固化在弯曲基板之间，以形成用于记录具有平面波前、弯曲波前或两者的记录光束之间的干涉的弯曲全息记录介质。介质在一对基板之间分层并翘曲(例如，变平)以形成空间变化的倾斜镜。换句话讲，使物理地弯曲的基板中形成的常规倾斜镜翘曲产生物理平坦的、空间变化的倾斜镜。相似地，翘曲常规倾斜镜的物理基板产生空间变化的倾斜镜。
图5A示出了使用类似平凹透镜的底部基板502b和类似平凸透镜的顶部基板502a的保形铸造的一个示例。在该实施方案中，弯曲的铸造基板502a和502b(统称为弯曲的铸造基板502)具有相同的曲率半径r，称为铸造半径。在其他实施方案中，它们可以具有不同的曲率半径；例如，一个基板可以是平坦的而另一个基板可以是弯曲的。弯曲铸造基板502的弯曲表面可以是圆柱形或球形(如图5A所示)或任何其他合适的形状，包括抛物线形、抛物面形、波纹形或自由形状。
介质前体设置在弯曲的铸造基板502之间并固化以形成在该示例中厚度均匀的弯曲全息记录介质508。该弯曲全息记录介质508和弯曲铸造基板502形成平坦包装件，其可用于记录由干涉平面波前、弯曲波前或平面波前和弯曲波前的组合形成的全息光栅。这种平坦包装件可以安装在棱镜之间，用于在普通的倾斜镜记录设置中建立记录。
例如，平坦包装件可以被视为普通的平坦倾斜镜，其通过干涉平面波前记录以产生全息光栅结构514，其具有相对于平坦包装件的外表面/尺寸恒定的倾斜轴501，如图5A所示。(图5A中所示的平行角度虚线对应于沿着倾斜镜的各个位置处的倾斜轴501。)尽管全息记录介质508在物理上是非平坦的，但是整个倾斜镜面包装件(包括基板502)是光学平坦的，因此在图5A中倾斜轴501全部是平行的。如上所述，记录过程将全息记录介质508转换成全息光栅介质。
接下来，图5A的记录的倾斜镜从弯曲的铸造基板502分层，并且随后重新层压到不同曲率的基板上以形成空间变化的倾斜镜500。这种重新层压拉伸、压缩、扭曲全息光栅介质和记录在全息光栅介质中的全息光栅结构并且/或者使它们变形。使全息光栅结构翘曲引起了可用于产生屈光率的倾斜轴的取向的空间变化。由于记录的全息光栅介质510可以是柔顺的，因此其可以基本上适形于新基板520的形状。在一些实施方案中，折射率匹配液体或光学透明粘合层可用于提供光学透明度和/或物理完整性。
在图5B所示的实施方案中，新基板是平坦基板520a和520b(统称为基板520)。由于记录的全息光栅介质510适形于新形状，沿着倾斜镜500的各个位置处的倾斜轴501'可以不再彼此平行，如图5B中的非平行虚线所示。在图5B所示的倾斜镜500中，非平行倾斜轴501'可以使倾斜镜500用作具有屈光率的镜子。该聚焦倾斜镜500的焦距f约等于铸造半径r的一半(即，f≈r/2)。可以从任一侧或两侧照射图5B中所示的非平坦倾斜镜500。例如，具有焦距f的倾斜镜可以用作来自一侧的会聚镜和/或来自另一侧的发散镜。
在其他实施方案中，作为空间位置φ(x,y)的函数的一致的倾斜轴可以通过一些其他方法确定。在一些实施方案中，φ(x,y)可以根据铸造基板的梯度的函数来确定；在一些实施方案中，可以使用在重新层压的倾斜镜上结合材料特性和力的有限元分析来确定φ(x,y)。
全息光栅介质也可以重新层压到非平坦的基板上。在一个实施方案中，如图5C所示，新基板520a'和520b'(统称为基板520')具有弯曲铸造基板502的相反曲率。这使得焦距约为铸造半径的1/4(即，f≈r/4)，并且可以有利地呈现全息光栅介质510'的物理双稳态(“从内部向外翻转”)。在一些实施方案中，内部向外倾斜镜可以不需要重新层压到新基板。换句话讲，裸露介质可以保持这种“内部向外”形状，因此其可以在没有基板的情况下使用。
由于最终倾斜轴函数φ(x,y)是铸造基板和记录层的最终保形形状的函数，因此可以实现几乎任意的φ(x,y)函数。示例性倾斜轴函数包括但不限于圆柱形、球形、抛物线形、抛物面形和自由形状。在一些实施方案中，φ(x,y)函数可用于校正投影仪像差或以其他方式联合优化以用于外部应用。
3空间变化倾斜镜的应用
空间变化的倾斜镜可用于各种应用。它们尤其适用于用于增强、虚拟和/或混合现实的头戴式显示器(HMD)。例如，空间变化的倾斜镜可以增大视场(FoV)并且/或者改变HMD的焦平面放置。它还可以用于跟踪佩戴HMD的人的眼睛。
3.1增大反射头戴式显示器(HMD)的视场(FoV)
图6A和图6B分别示出了具有常规倾斜镜600的反射HMD 690的轮廓视图和概念展开视图。它们示出了在HMD中使用常规倾斜镜对FoV的限制。透镜692在投影的FoV上投影显示器694的图像。倾斜镜600将反射的FoV上的图像反射到使用者的眼睛691。这使得使用者在特定FoV上感知显示器694的图像。
在图6A中，成角度的虚线对应于沿着倾斜镜600的各个位置处的倾斜轴601。倾斜镜600是平坦的并且倾斜轴601彼此平行，因此投影的FoV(θp)等于反射的FoV(θr)，其可以高达约15-20度。在考虑Snell定律的构造中，投影的FoV实际上可能大于反射的FoV。在任一种情况下，在透镜692和倾斜镜600之间的HMD 690中应当有足够的空间，以使较大的投射光锥到达倾斜镜600，从而产生相对较小的反射光锥。向倾斜镜600添加屈光率将允许投射的FoV小于反射的FoV，与反射的光锥相比减小投射的光锥的尺寸并且增加可获得的FoV，减小HMD690的尺寸，或两者。
3.2由屈光率引起的反射FoV改善
图7A和图7B分别示出了具有正屈光率的空间变化的倾斜镜700的反射HMD 790的轮廓视图和展开视图。图7C和图7D是HMD 790的注释照片，图7D中的光线对应于图7A中所示的光束。图7C和图7D中所示的HMD 790包括嵌入在边框眼镜框架的一个镜片中的空间变化的倾斜镜700。根据眼镜的样式和镜片的屈光率，该镜片可以是平坦的或弯曲的。
图7A至图7D示出了使用具有正屈光率(例如，高达约10屈光度的任何值，包括0.5屈光度、1屈光度、2屈光度、5屈光度和10屈光度)的倾斜镜可以获得的投影的FoV增大。增大投影的FoV提供了许多优点，包括使用较小的、更紧凑的显示器来实现给定投影的FoV的可能性。与具有常规倾斜镜的系统相比，HMD 790中的光学器件可以约θr/θp的比率更小。较小的显示器可以消耗比较大的显示器更少的电力，从而使电池寿命更长并且/或者使HMD更小、更轻。
如图7A所示，倾斜镜700弯曲成具有彼此不平行的倾斜轴701。(在图7B中，为了简单起见，将倾斜镜700描绘为矩形。)其位于使用者的眼睛791与显示器794和透镜792之间。在操作中，透镜792经由倾斜镜700中继显示器的图像。透镜792被定位成更靠近显示器794，以便产生发散光束，该发散光束可以在被倾斜镜反射时变得准直。光束也可以发散以聚焦在比无穷远更近的平面处。然而，入射光束应该比反射光束发散得更多，因为在该示例中空间变化的倾斜镜700具有正光焦度。
因为倾斜镜700具有正屈光率，所以反射的FoV大于投影的FoV，即θr>θp。例如，投影的FoV可以是约15度并且反射的FoV可以是约50度。屈光率的量与倾斜镜700的焦距f成反比地变化；对于共形铸造的倾斜镜，焦距约等于铸造半径r的一半，如上文所述。使用平坦倾斜镜，倾斜镜的焦距变为无穷大并且θr≈θp。
图8是示出作为铸造半径r和投影视场θp的函数可获得的反射FoVθr的曲线图。反射的FoV由本领域技术人员所熟悉的简单的近轴光线轨迹确定，并且可以偏离非近轴区域中的真实值。然而，图8仍然示出了质量上可获得的大增益。所示数据点表明，焦距为f＝50mm(r＝100mm)的倾斜镜可将仅15°的投影的FoV转换为约49.4°的反射的FoV。
3.3波导HMD焦平面放置
在一些实施方案中，可以使用空间变化的倾斜镜耦合器，诸如输出耦合器、交叉耦合器或输入耦合器。倾斜镜耦合器是波导内部的倾斜镜。它将光耦合进入或离开波导并且/或者反射波导内的光。作为输出耦合器的空间变化的倾斜镜可用于将由HMD的使用者观看的图像的焦平面放置在相对于使用者的眼睛的某个深度处。如果输出耦合器具有负焦距，则焦平面将处于使用者前方的有限距离处。可以使用多个波导放置多个焦平面，每个波导具有不同功率的输出耦合器。
图9示出了具有三个焦平面和三个单独波导的这种多焦平面HMD990，其具有倾斜镜输出耦合器900a-900c(统称为输出耦合器900)。波导是分开的；每个波导均有自己的全息介质层和基板。波导可由如图9所示的气隙或低折射率基板分开，但使用低折射率基板可以限制FoV。倾斜镜输出耦合器900引导并向使用者的眼睛991投影全内反射(TIR)输入711。
最右边的波导(f＝∞)包含根据相关发明的实施方案的常规的平坦倾斜镜输出耦合器900a。其反射在波导中传播的无焦图像作为向眼睛991传播的无焦图像，眼睛将无焦图像感知为聚焦在无穷远处的虚像。中间的波导包含具有负焦距的屈光率输出耦合器900b，其朝向眼睛991投影聚焦在距眼睛4米处的图像。最左边的波导包含具有较长负焦距的屈光率输出耦合器900c，其朝向眼睛991投影聚焦在距眼睛2米处的图像。
本领域技术人员将认识到，可以如此生成任何数量的图像焦平面。在一些实施方案中，单个波导在除无穷远之外的焦平面处投影图像。在其他实施方案中，多个波导用于近似连续的焦平面，从而允许使用者感知自然的4D光场。在一些实施方案中，用于更近焦平面的可获得的FoV可能小于用于更远焦平面的可获得的FoV。
4具有屈光率的空间变化的倾斜镜的实验演示
为了证明倾斜轴可以在倾斜镜上空间地进行光学编程，使用图4A中所示的制造实施方案，以不同量的波前曲率暴露多个光栅介质样品。第一记录光束的波前曲率保持恒定且平坦，而第二记录光束的波前从平坦到增加的二次相位量变化，但对于单次记录保持恒定。因此，在一个光束中以二次相位制造的倾斜镜应该表现出具有屈光率，因为在倾斜轴上应该存在叠加在平均倾斜轴上的二次空间方差。
图10示出了用于测量制造的空间变化的倾斜镜的光屈光率(焦距)的调制传递函数(MTF)计量平台1000。该平台1000可用于在图3D的过程360中生成前体波前的校正结果。准直光束1001(例如，在532nm的波长下)照射待测试的空间变化的倾斜镜100。倾斜镜100将准直光束1001关于总体空间变化的倾斜轴反射，以产生聚焦光束1003，该聚焦光束朝向与倾斜镜100相对定位的检测阵列1010传播，该检测阵列在距倾斜镜100的标称焦距的距离处。
检测器阵列1010安装在平移镜台上并且可以相对于倾斜镜100来回平移。由聚焦光束1003在检测器阵列1010上形成的光斑尺寸相对于检测器阵列1010和倾斜镜100之间的距离而变化：当检测器阵列1010处于倾斜镜的焦平面中时，该光斑具有最小半径。相似地，当检测器阵列1010在焦平面中时，由倾斜镜100反射的图像以最清晰的焦点出现。
表2示出了使用图4A的系统400制造和测量的样品倾斜镜A-C的MTF计量测量值。样品中测得的屈光率量在0至0.66屈光度之间变化，平均倾斜轴为13度：
表2：制造的倾斜镜的计量
为了进一步证明样品B和C中存在屈光率，样品A和B用于对分辨率测试图进行成像。MTF计量系统1000的相机1010的位置由样品A(没有屈光率的样品)设定，然后将样品B插入MTF计量系统。图11A示出了样品B在样品A的最佳焦点位置处获取的分辨率目标的图片。图11B示出了通过将样品B放置在与样品A相同的位置，然后将相机1010平移150μm而获得的分辨率目标的图片。比较图11A和图11B示出平移相机使得图像看起来更清晰(更好的聚焦)。如果样品B没有屈光率，则成像系统的焦平面不需要调节。
图12A、图13A和图14A分别示出了样品A、B和C反射的分辨率测试图的图片。在每种情况下，移动相机1010以获得最清晰的分辨率。图12B、图13B和图14B分别是样品A、B和C的对比度与角分辨率的曲线图。每个曲线图中较高的迹线表示垂直对比度，每个图中较低的迹线表示水平对比度。图13B和图14B中的MTF图表明，添加一定屈光度的屈光率不会显著影响倾斜镜的可实现的分辨率，因为样品B仍然能够解决眼睛的角分辨率。
5术语
除非在背景中另有明确说明，否则在整个文件包括权利要求书中，本节中用引号(“”)表示的术语和短语都具有本术语部分所赋予它们的含义。此外，如果适用，所述定义适用于所定义的字词或短语的单数和复数变型，而不管字词或短语的情况如何。
说明书中对“一个实施方案”、“实施方案”、“另一个实施方案”、“优选实施方案”、“替代实施方案”、“一个变型形式”、“变型形式”以及类似短语的引用意味着结合实施方案或变型形式描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施方案或变型中。在说明书各处使用的短语“在一个实施方案中”、“在一个变型形式中”和类似的短语不一定意味着指代相同的实施方案或相同的变型形式。
如在本说明书和所附权利要求书中使用的术语“大约”是指给定值±10％。当术语“约”与角度值一起使用时，其是指在该角度值的0.5度内的角度范围(例如，短语“约0度”是指“±0.5度”)。
在本说明书和所附权利要求书中结合数值使用的术语“约”是指该数值的±20％。当术语“约”与角度值一起使用时，其是指在该角度值的1.0度内的角度范围(例如，短语“约0度”是指“±1.0度”)。
在本说明书和所附权利要求书中使用的术语“通常”是指多半地或大部分。
在本说明书和所附权利要求书中关于反射光使用的术语“大体上”是指由光栅结构反射的光。大体上以所述角度反射的光包括比以任何其他角度反射的光更多的光(不包括表面反射)。大体上关于所述反射轴反射的光包括比关于任何其他反射轴反射的反射光更多的反射光(不包括表面反射)。当考虑主要反射光时，不包括由设备表面反射的光。
在本说明书和所附权利要求中使用的术语“反射轴”是指平分入射光线相对于其反射光线的角度的轴。入射光线、反射轴和反射光线全部存在于一个共同的平面中，这个平面可以被称为入射平面。倾斜镜的入射平面不必包括表面法线，尽管可以包括。入射光线相对于反射轴的入射角的大小等于反射光线相对于反射轴的反射角的大小。为了上述“反射轴”的定义，角度是内角。对于常规的电介质和金属反射镜，反射轴与表面法线重合，即反射轴垂直于反射镜表面，入射平面也是如此。相反，根据本发明的斜交镜的实施方案可以具有不同于表面法线的反射轴，或者可以具有与表面法线重合的反射轴。入射角和反射角通常但不一定是凭经验确定的，通常使用多次测量(通常为三次或更多次)来产生平均值。
本公开中使用的术语“倾斜轴”是指表示光栅介质中特定空间位置处的光栅矢量的平均方向/与光栅介质中特定空间位置处的光栅矢量的平均方向重合的轴，对于位于光栅介质中特定空间位置处的一个或多个体相全息图。因此，倾斜轴的倾斜角度与特定位置处的一个或多个体相全息图的光栅矢量角度的平均值相同。从本公开获益的本领域技术人员将会认识到，体相全息图的光栅矢量方向由用于记录体相全息图的记录光束的波矢量的差值确定。特定位置处的反射轴与倾斜轴非常相似，但不一定相同。倾斜角度可与反射轴角度基本上相同，意味着倾斜角度在反射轴角度的1.0度内。从本公开获益的本领域技术人员将会认识到，倾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斜交镜反射的光的入射角和反射角测量的反射轴角度。尽管如此，基于记录光束角度确定的倾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度内，即使其中中等收缩和系统缺陷会带来估计倾斜角和反射轴角度的误差。
实际上，空间变化的倾斜镜将具有在空间变化的倾斜镜中的给定位置处彼此难以区分或彼此非常接近的“倾斜轴”和“反射轴”。认识到这一点，在描述光栅介质中光栅或记录光束的取向的上下文中，倾斜轴/反射轴通常被称为倾斜轴，并且当涉及倾斜镜的光反射特性时，倾斜轴/反射轴作为反射轴。
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”的使用与斜交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，在称光栅结构被配置为“反射”入射光的情况下，传统技术人员可能更倾向于说光栅结构被配置为衍射入射光，因为通常认为光栅结构通过衍射作用于光。然而，术语“衍射”的此类使用将导致出现诸如“入射光关于基本上均匀的反射轴衍射”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是通过衍射对光进行“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，并且由斜交镜或其部件进行的“反射”也包括衍射。
在本说明书和所附权利要求书中使用的术语“全息图”和“全息光栅”是指记录由多个交叉光束之间的干涉产生的干涉图案。全息图或全息光栅是光栅结构的一个示例。
6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/或修改中的每一者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)。
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中的至少一者”(或者等同地，“A或B中的至少一者”；或者等同地，“A和/或B中的至少一者”)可指至少一个(可选地包括多于一个)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)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)A和至少一个(可选地包括多于一个)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 (37)

1.一种全息光学元件，包括：
光栅结构，所述光栅结构位于光栅介质中，
其中所述光栅结构被构造成关于空间变化的倾斜轴反射入射准直光束以形成具有反射波前的反射光束，所述反射波前的特点在于非零的三阶或更高阶Zernike系数，所述空间变化的倾斜轴与至少一些空间位置中的所述光栅介质的表面的表面法线形成非零角度。
2.根据权利要求1所述的全息光学元件，其中所述光栅结构包括：
第一光栅，所述第一光栅设置在所述光栅介质中的第一位置处，其特点在于具有第一长度并指向第一方向的第一光栅矢量；以及
第二光栅，所述第二光栅设置在所述光栅介质中的所述第一位置处，其特点在于具有不同于所述第一长度的第二长度并指向所述第一方向的第二光栅矢量。
3.根据权利要求1所述的全息光学元件，其中所述光栅结构包括：
第一光栅分布，所述第一光栅分布设置在所述光栅介质中的第一位置处，并且具有第一空间频率分布，并且以第一方向分布取向；以及
第二光栅分布，所述第二光栅分布设置在所述光栅介质中的第二位置处，并且具有不同于所述第一空间频率分布的第二空间频率分布，并且以第二方向分布取向，所述第二方向分布与所述第一方向分布基本上相同。
4.根据权利要求1所述的全息光学元件，其中所述空间变化的倾斜轴具有作为所述光栅介质内的位置的函数而平滑变化的取向。
5.根据权利要求1所述的全息光学元件，其中所述光栅结构被构造成将所述反射光束聚焦到虚焦点。
6.根据权利要求5所述的全息光学元件，其中所述虚焦点距所述光栅结构1米至10米。
7.根据权利要求1所述的全息光学元件，其中所述光栅结构被构造成将所述反射光束聚焦到实焦点。
8.根据权利要求7所述的全息光学元件，其中所述实焦点距所述光栅结构1米至10米。
9.一种方法，包括：
用入射准直光束照射位于光栅介质中的光栅结构，所述光栅结构关于空间变化的反射轴反射所述入射准直光束以形成具有反射波前的反射光束，所述反射波前的特点在于非零的三阶或更高阶Zernike系数，所述空间变化的反射轴与所述光栅介质的表面的表面法线形成非零角度。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述反射光束聚焦到虚焦点。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述反射光束聚焦到实焦点。
12.一种在光敏介质中写入全息光栅的方法，所述方法包括：
空间调制第一光束的波前；
在光敏介质中使第一光束与第二光束干涉以产生具有第一取向分布和第一空间频率分布的第一干涉图案；
空间调制第三光束的波前；
在所述光敏介质中使第三光束与第四光束干涉以产生具有不同于所述第一空间频率分布的第二空间频率分布和与所述第一取向分布匹配的第二取向分布的第二干涉图案；以及
将所述第一干涉图案和所述第二干涉图案记录为所述光敏介质的空间调制折射率图案。
13.根据权利要求12所述的方法，其中空间调制所述第一光束的所述波前包括：
确定所述第一干涉图案的所需取向分布；
基于所述第二光束和所述第一干涉图案的所述所需取向分布计算所述第一光束的所需波前；
基于所述第一光束的所述所需波前计算空间光调制器(SLM)的控制函数；以及
利用所述控制函数调制所述空间光调制器以空间调制所述第一光束的所述波前。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：
执行对所述第一取向分布的测量；
基于对所述第一取向分布的所述测量确定所述第一光束的所述波前的误差；以及
基于所述第一光束的所述波前的所述误差调节所述SLM的所述控制函数。
15.根据权利要求12所述的方法，还包括：
空间调制所述第二光束的波前。
16.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一取向分布中的每个取向对应于所述第一空间频率分布中的一空间频率。
17.一种全息光学元件，包括：
光栅结构，所述光栅结构位于光栅介质中，
其中所述光栅结构包括不同空间频率处的具有相同取向分布的多个光栅。
18.一种在光敏介质中写入全息光栅的方法，所述方法包括：
空间调制第一光束的波前；
在光敏介质中使第一光束与第二光束干涉以产生第一折射率调制图案，所述第一折射率调制图案的特点在于具有第一长度分布并指向第一方向分布的第一光栅矢量分布；
空间调制第三光束的波前；
在所述光敏介质中使第三光束与第四光束干涉以产生第二折射率调制图案，所述第二折射率调制图案的特点在于具有不同于所述第一长度分布的第二长度分布并指向所述第一方向分布的第二光栅矢量分布。
19.一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表面和第二表面之间；
将物体光束耦合到所述光敏介质中；
将参考光束耦合到所述光敏介质中，所述光敏介质将所述物体光束和所述参考光束之间的干涉记录为全息光栅；
从所述第一表面和所述第二表面释放所述光敏介质；以及
使所述光敏介质翘曲，以使所述全息光栅产生空间变化的畸变。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述第一表面和所述第二表面是弯曲的并且具有相同的曲率。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述第一表面和所述第二表面具有不同的曲率。
22.一种方法，包括：
设置包括与人眼光学通信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近侧表面；
将来自显示器的可见光耦合到所述光栅介质中；
将所述可见光引导至所述光栅结构；以及
从所述光栅结构反射所述可见光，以在距所述人眼1米至10米的距离处形成所述显示器的虚像。
23.根据权利要求22所述的方法，其中将所述可见光引导至所述光栅结构包括全内反射所述可见光。
24.根据权利要求22所述的方法，其中反射所述可见光使得所述虚像在距所述人眼2米至4米的距离处形成。
25.一种光学反射设备，包括：
光栅介质；
光栅结构，所述光栅结构占据所述光栅介质内的体积，其中：
所述光栅结构被构造成关于基本上均匀的第一反射轴反射具有第一波长和第一入射角范围的入射光，所述入射光在第一位置处入射到所述光栅介质的表面上；
所述光栅结构被构造成关于基本上均匀的第二反射轴反射具有第二波长和第二入射角范围的入射光，所述光在第二位置处入射到所述光栅介质的所述表面上；以及
所述基本上均匀的第一反射轴与所述基本上均匀的第二反射轴相差至少0.1度。
26.根据权利要求25所述的光学反射设备，其中：
所述第一波长与所述第二波长相差至少50nm；以及
所述第一入射角范围与所述第二入射角范围相同。
27.根据权利要求26所述的光学反射设备，其中所述第一入射角范围为至少15度。
28.一种光学反射设备，包括：
光栅介质；
光栅结构，所述光栅结构占据所述光栅介质内的体积，其中：
所述光栅结构被构造成反射具有第一入射角范围的入射光的波长，所述第一入射角范围跨越至少15度，其中：
所述入射光在多个位置处入射到所述光栅介质的表面上；
在所述多个位置中的每一个处，所述入射光的波长关于基本上均匀的反射轴反射；以及
所述多个位置中的每一个处的基本上均匀的反射轴与所述多个位置中的至少另一个处的基本上均匀的反射轴相差超过0.1度。
29.根据一种方法制造的全息光学元件，所述方法包括在全息记录介质内使第一发散球面光束与第一会聚球面光束干涉，以在所述全息记录介质内记录第一全息光栅，所述第一发散球面光束和所述第一会聚球面光束处于第一波长并且具有共轭波前。
30.根据权利要求29所述的全息光学元件，其中所述方法还包括：
在所述全息记录介质内使第二发散球面光束与第二会聚球面干涉以形成第二光栅，所述第二发散球面光束和所述第二会聚球面光束处于不同于所述第一波长的第二波长。
31.一种光学反射设备，包括：
光栅介质；
光栅结构，所述光栅结构位于所述光栅介质中，其中：
所述光栅结构被构造成主要反射具有第一波长的入射光作为具有所述第一波长的反射光；
所述入射光和所述反射光在所述光栅介质的第一位置处形成由第一反射轴对分的第一角度，并且在所述光栅介质的第二位置处形成由第二反射轴对分的第二角度；
所述第一反射轴是基本上均匀的，并且所述第二反射轴是基本上均匀的，其中所述入射光的入射角范围为至少15度；
所述第一反射轴与所述光栅介质的表面法线相差至少2.0度；以及
所述第二反射轴与所述第一反射轴相差至少0.1度。
32.根据权利要求31所述的光学反射设备，其中所述第一反射轴与所述光栅介质的所述表面法线相差至少4.0度。
33.一种光学反射设备，包括：
光栅结构，所述光栅结构位于光栅介质中，其中：
所述光栅结构被构造成主要将入射光反射为反射光；
所述入射光和所述反射光形成由反射轴对分的第一角度；
所述反射轴与所述光栅介质的表面法线形成第二角度；
所述第二角度作为所述光栅介质内的位置的函数而变化；以及
在所述光栅介质内的任何一个位置，所述反射轴变化小于0.10度，其中所述入射光的入射角范围为至少15度。
34.一种方法，包括：
用第一波长且第一入射角范围为至少15度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在所述光栅介质内的第一位置处形成由相对于所述光栅介质的表面法线倾斜的第一反射轴对分的第一角度，并且在所述光栅介质内的第二位置处形成由与所述第一反射轴相差至少0.10度的第二反射轴对分的第二角度；以及
其中所述第一反射轴是基本上均匀的，并且所述第二反射轴是基本上均匀的。
35.根据权利要求34所述的方法，其中所述第二反射轴与所述第一反射轴相差至少1.0度。
36.一种设备，包括：
全息光学元件，所述全息光学元件具有被构造成关于第一反射轴并关于第二反射轴反射可见光的至少一个光栅，所述第一反射轴相对于所述全息光学元件的表面法线形成15°至45°的第一角度，所述第二反射轴相对于所述全息光学元件的所述表面法线形成不同于所述第一角度的、15°至45°的第二角度。
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，所述至少一个光栅关于第一反射轴反射所述光的第一部分并关于第二反射轴反射所述光的第二部分，所述第一反射轴相对于所述全息光学元件的表面法线形成15°至45°的第一角度，所述第二反射轴相对于所述全息光学元件的所述表面法线形成不同于所述第一角度的、15°至45°的第二角度。
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