CN110291467B - 倾斜照明器 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种倾斜镜，该倾斜镜是光学反射设备，诸如体全息光学元件，它的反射轴与表面法线形成角度(倾斜角)。倾斜照明器是倾斜镜，它可以将窄光束扩展成宽光束，而不改变照明的角带宽。因为倾斜角可以与表面法线形成相对大的角度(例如，大约45°)，所以倾斜照明器可以相当紧凑，使其适用于将光引导到小封装中的空间光调制器(SLM)上。在一些情况下，倾斜照明器形成为波导，其中全息层夹置在一对基板之间。全息芯中的光栅结构将光衍射出波导并且例如衍射到SLM的有效区域上，SLM调制所述入射光并将它透射或通过波导倾斜照明器反射回来。

Description

倾斜照明器
本申请要求于2017年2月15日提交的美国临时专利申请62/459,553的优先权，该美国临时专利申请据此全文以引用方式并入本文。
背景技术
全息倾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，全息倾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，并且可以基于全息倾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，在称光栅或倾斜镜被构造为“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栅介质，其具有光栅结构，该光栅结构被配置为朝向照明目标衍射入射光，诸如绘画、照片、图、海报或空间光调制器(SLM)。光栅结构还被配置为朝向全息光栅介质透射由照明目标散射或逆向反射的光。光栅结构可以被配置为朝向照明目标衍射处于第一偏振态(例如，s偏振态)的入射光，并且朝向全息光栅介质透射由照明目标散射或逆向反射的处于第二偏振态(例如，p偏振态)的光。在一些情况下，全息光栅介质可以将入射光引导到光栅结构。
另外的实施方案包括对照明目标进行照明的方法，诸如绘画、照片、图、海报或SLM。驻留在全息光栅介质中的光栅结构朝向照明目标衍射入射光，该照明目标将入射光的第一部分反射和/或散射回全息光栅介质。光栅结构透射入射光的第一部分中的至少一些。
在一些示例中，光栅结构衍射处于第一偏振态(例如，s偏振态)的入射光，照明目标在反射时将第一偏振态改变为第二偏振态(例如，p偏振态)，并且光栅结构透射处于第二偏振态的至少一些光。如果照明目标是SLM，则它可以在反射时在空间上调制光(例如，通过改变其振幅、相位或偏振状态)。如果需要，全息光栅介质可以将入射光引导到光栅结构。
其他实施方案包括一种系统，该系统包括与全息光栅介质光学连通的SLM。在操作中，全息光栅结构中的光栅结构围绕与SLM的有效区域的表面法线形成角度的轴朝向SLM衍射入射光。
SLM可具有小于约10μm的像素间距，并且可以是透射的或反射的。如果SLM是反射的，则光栅结构可以朝向光栅结构透射由反射SLM反射的光。在任何这些情况下，全息光栅介质具有的长度可以等于或大于SLM的有效区域的长度，并且厚度小于SLM的有效区域的长度。
光栅结构的反射率可以根据位置而变化。同样，与SLM的有效区域的表面法线的角度可以根据与全息光栅介质的位置而变化。在操作中，光栅结构可以朝向SLM反射s偏振光，SLM可以将s偏振光转换为p偏振光并且朝向光栅结构反射p偏振光，并且光栅结构可以透射p偏振光。在这些情况下，与全息光栅介质光学连通的偏振片可以使朝向光栅结构传播的光偏振。
在一些示例中，全息光栅介质形成波导的至少一部分。这些示例还可以包括与波导光学连通的准直器，以将入射光耦合到与波导光学连通的波导和/或吸收器中，以吸收未被光栅结构反射的至少一些光。
波导可以包括楔形基板，在这种情况下，光栅结构可以在大于楔形基板的棱镜角度的角范围内衍射由波导引导的光。楔形基板可以设置在全息光栅介质与SLM之间，或者全息光栅介质可以设置在楔形基板与SLM之间。如果楔形基板设置在全息光栅介质与SLM之间，则系统还可以包括与SLM和楔形基板光学连通的补偿棱镜，以补偿由SLM通过楔形基板反射的光的折射。一些系统可以包括设置在楔形基板两侧的全息记录介质，其中每个全息光栅介质具有朝向SLM衍射入射光的光栅结构。
然而，其他实施方案包括倾斜照明器。示例倾斜照明器包括波导，该波导包括夹置在第一基板与第二基板之间的全息光栅介质。全息光栅介质具有光栅结构，该光栅结构反射由波导围绕倾斜轴引导的s偏振光(例如，红色、绿色和/或蓝色s偏振光)，该倾斜轴相对于第一基板的平坦表面形成约45°的角度。由光栅结构反射的s偏振光具有的角带宽可约等于由波导引导的光的角带宽。
在一些情况下，光栅结构可以以90°角透射入射在平坦表面上的p偏振光。在这些情况下，倾斜发光器还可以包括与光栅结构光学连通的反射SLM。在操作中，反射SLM将由光栅结构反射的s偏振转换为入射在平坦表面上的p偏振光。
更进一步的实施方案包括具有全息光栅介质的系统，该全息光栅介质包括被配置为衍射s偏振光的多个光栅以及与全息光栅介质光学连通的楔形棱镜。在操作中，楔形棱镜透射由多个光栅衍射的s偏振光。光栅可以在大于楔形棱镜的棱镜角的角度范围内衍射s偏振光。并且楔形棱镜可以将从全息光栅介质折射出的s偏振光耦合回到全息光栅介质中。此系统还可包括反射SLM，该反射SLM与全息光栅介质和楔形棱镜光学连通，以将s偏振光转换为p偏振光，并且通过楔形棱镜和全息光栅介质反射p偏振光。
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示出了反射倾斜照明器。
图1B示出了透射倾斜照明器。
图1C示出了波导倾斜照明器。
图1D示出了用于照明目标的前照明的图1C的波导倾斜照明器，诸如反射显示器、绘画、照片、图或海报。
图2A示出了与硅上反射液晶(LCOS)空间光调制器(SLM)一起使用的偏振、波导倾斜照明器。
图2B示出了与透射SLM一起使用的偏振、波导倾斜照明器。
图3A示出了在具有反射LCOS SLM的反射几何结构中使用的楔形、偏振、波导倾斜照明器。
图3B示出了在具有反射LCOS SLM和补偿棱镜的反射几何结构中使用的楔形、偏振、波导倾斜照明器。
图3C示出了设置在楔形物与反射LCOS SLM之间的偏振、波导倾斜照明器。
图3D示出了在透射几何结构中使用的楔形、波导倾斜照明器。
图3E示出了具有楔形、波导倾斜照明器的透射和反射，其衍射角度范围大于楔角。
图4示出了具有多个耦合器的楔形、波导倾斜照明器。
图5A是倾斜照明器相对于倾斜轴的内部角度与光栅矢量长度的曲线图，该倾斜照明器设计成使用图3A中所示的反射几何结构经由具有7°棱镜角的楔形棱镜照明SLM。
图5B是倾斜照明器的衍射效率(D.E.)相对于外部场角的曲线图，该倾斜照明器设计成经由具有7°棱镜角的楔形棱镜照明SLM。
图5C是使用图3A中所示的反射几何结果，由倾斜耦合器捕获的光线作为输入位置(x轴)和内角(y轴)的函数的曲线图。
图6示出了空间多路复用倾斜照明器。
图7示出了使用倾斜照明器的散光照明。
具体实施方式
1.反射、透射和波导的倾斜照明器
在全息倾斜镜中，入射光围绕反射轴反射，该反射轴可相对于其投射的表面倾斜。倾斜镜可以有利地将窄光束扩展成宽光束，对照明的角度带宽具有很小的影响或没有影响。当用于照明时，将窄光束扩展成宽光束的倾斜镜称为倾斜照明器。将光耦合进入或离开波导或形成波导芯的倾斜照明器可称为倾斜耦合器或倾斜波导耦合器。
图1A、图1B和图1C示出了反射、透射和波导配置中的倾斜照明器。图1A示出了反射倾斜照明器100a，其围绕倾斜轴112a反射入射光101a以形成扩展光束103a。它包括用光栅结构110a编程的全息光栅介质，该光栅结构限定了倾斜轴112a。它具有镜子或反射棱镜的较低轮廓，并且还用作光束扩展器。对于具有小角带宽(例如，准直输入光束)的输入光束，倾斜照明器100a可以在几个窄的、良好分离的光谱带(例如，红色、绿色和蓝色带)中的每一个处具有高反射率。
图1B示出了透射倾斜照明器100a，其围绕倾斜轴112b反射(衍射)入射光101b以形成扩展光束103b。(如上所示，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。)它还包括用光栅结构编程的全息光栅介质，该光栅结构限定了倾斜轴112b。
图1C示出了波导倾斜照明器100c，其中全息光栅介质110夹置在一对基本上指数匹配的层114之间。因为层114与全息光栅介质110指数匹配，所以全内反射(TIR)发生在波导/空气边界处，而不是在介质/层界面处。因此，整个波导100c是指数匹配的并且用作单片波导。
波导倾斜照明器100c围绕倾斜轴112c引导和反射入射光101c，以形成从波导倾斜照明器100c传播出的扩展光束103c。波导倾斜照明器100c具有甚至更低的轮廓，并且相对比较而言的方式，甚至比图1A中的反射倾斜照明器110a更多地扩展了输入光束101c。如果波导倾斜照明器100c中的光栅结构的衍射效率足够低，则从波导倾斜照明器100c反射出的光可以被照明物体(诸如反射空间光调制器(SLM))通过波导倾斜照明器100c反射回来。这可以在改变或不改变反射光的偏振状态的情况下工作。
图1A至图1C所示的倾斜照明器100a-100c可以通过在全息记录介质中记录光栅结构来形成，诸如来自Akonia Holographics,LLC(Longmont,Colorado)的AK233-200光敏聚合物光学记录介质。该光栅结构可包括许多(例如，数十、数百或数千)多路复用全息光栅，也称为光栅或全息图，每一个都具有光栅周期和光栅矢量，其被选择以产生与全息记录介质的表面法线形成角度的倾斜轴。这些全息光栅的确切数量、取向和周期可取决于倾斜照明器的预期用途和工作波长。
反射、透射和波导倾斜照明器可用于照明、背光和其他应用。更具体地，它们可用于全息显示器、印刷海报、绘画、照片或其他类型的艺术作品的照明；用于灯具或照明系统的漫散器；以及用于液晶显示器(LCD)的前照明，包括用于无源LCD显示器的照明(例如，作为亚马逊Kindle的售后附件)或前照式LCD。它们也可以逆向使用，例如作为太阳能电池的光收集器/聚光器。
图1D示出了用于照明目标120的前照明的图1C的波导倾斜照明器100c，诸如全息显示器、印刷海报、绘画、照片、图或反射无源LCD。光源102诸如一个或多个发光二极管(LED)和准直器104产生准直光束，该准直光束耦合到波导倾斜照明器100c中。当光束传播通过波导倾斜照明器100c(在图1D中从底部到顶部)时，光束从波导倾斜照明器100c朝向照明目标120衍射。该衍射可以产生空间均匀的照明103，这取决于波导倾斜照明器100c中的光栅结构的反射率/衍射效率的空间变化。照明目标120将光105散射和/或反射回朝向波导倾斜照明器100c，其将光的至少一部分107远离照明目标120发射并且可能朝向观察照明目标的某人发射。
关于全息倾斜镜的更多信息，包括如何制作倾斜镜的细节，参见国际申请PCT/US2016/048499，名称为“倾斜镜、使用方法和制造方法”(Skew Mirrors,Methods of Use,and Methods of Manufacture)；国际申请PCT/US2017/020087，名称为“宽视场全息倾斜镜”(Wide Field-of-View Holographic Skew Mirrors)；以及国际申请PCT/US2017/056404，名称为“具有光焦度的倾斜镜”(Skew Mirror Having Optical Power)的，其全部内容通过引用方式全文并入本文。
2.分束倾斜镜照明器
例如，可以使用分束倾斜照明器用于反射显示器的前照明，诸如用于微型显示器的硅上液晶(LCOS)空间光调制器(SLM)或用于电视、笔记本电脑或台式计算机监视器的较大LCD，或手持电子设备诸如智能电话和平板电脑。分束照明器可以是偏振的、非偏振的或部分偏振的。偏振分束倾斜照明器对于直角衍射几何结构是有用的(例如，如图2A中所示)，而非偏振和部分偏振对于几何结构是有用的，其中光以不同于90°的角度衍射，例如，如图6中所示。但是即使采用非偏振设计，提供完全非偏振的照明也可能具有挑战性，因为光栅往往是弱偏振的，甚至远离90°偏转。
图2A示出了用于照明低轮廓系统200a中的LCOS SLM 220的偏振分束器波导倾斜照明器210a。在图2A中，基本上准直光束201从左侧进入波导倾斜照明器210a。如果输入光是非偏振的，则输入线性偏振片240将输入光转换为“s”偏振态。当光沿着波导倾斜照明器210a传播时，一部分被编程到波导倾斜照明器210a中的光栅结构(倾斜镜)向下衍射，其中倾斜轴212a为45°(黑色虚线)。衍射光照明底部处的LCOS SLM 220。
LCOS SLM 220由像素组成，每个像素被配置为反射光，同时赋予可控的偏振旋转。处于“关闭”状态的像素不会使偏振发生变化(偏振旋转＝0)，因此当被SLM 220反射时，照射在“关闭”像素上的光保持在“s”偏振状态，使得大部分光沿着图2A中标记为“OP”的路径被反射回照明源。透过倾斜镜的任何“s”偏振光被图2A顶部处的输出线性偏振片242阻挡。
处于“打开”或“部分打开”状态的LCOS SLM像素将“s”偏振光全部或部分旋转到“p”偏振态。因为“p”偏振光的电场基本上平行于反射路径，所以很少或没有“p”偏振光被倾斜照明器210a反射。因此，由“打开”像素反射的大多数“p”偏振光穿过倾斜照明器210a并输出线性偏振片242，从而有助于空间调制的输出光束。
图2A中的倾斜照明器210a用作相对于倾斜轴212a的入射角为45°的光线的理想偏振分束器(即，90°反射的条件)。当光线角度偏离该角度时，倾斜镜对“p”偏振光的反射率增加。因此，图2A的系统200a可以在输入照明201和从SLM反射的光两者几乎准直的状态下最有效地工作。输入照明的发散角可以通过外部装置控制，诸如在波导输入处的准直透镜或准直耦合器。该准直透镜甚至可以记录在形成波导芯的全息介质中。反射光的发散角是入射准直和像素间距两者的函数，其引入衍射角扩散。
对于具有几微米像素间距的可商购获得的SLM，衍射角扩散仅为几度并且引起可忽略的极化泄漏。即使当倾斜照明器210a的偏振分离小于理想时，输入和/或输出线性偏振片240、242的使用也产生高像素对比率。用于抑制杂散光的装置，诸如图示的吸收器230，也可以改善对比率。
图2A的系统200a还可以受益于空间调制倾斜照明器210a的反射率，以改善SLM照明的均匀性。例如，可以使倾斜照明器210a的右部的反射率高于倾斜照明器210a的左部的反射率，使得LCOS SLM 220右侧的照明基本上等于LCOS SLM 220左侧的照明，即使波导中的光在通过倾斜照明器210a传播时部分耗尽。例如，倾斜照明器210a可以具有指数增加的反射率，其中长度常数被选择为在期望距离上提供均匀照明。这种可变反射率可以通过根据倾斜照明器210a内的全息图位置改变全息图记录强度来实现。
图2B示出了用于照明低轮廓系统200b中的透射SLM 222的波导倾斜照明器210b。在图2B中，基本上准直光束201从左侧进入波导倾斜照明器210b。如果输入光是非偏振的，则输入线性偏振片(未示出)将输入光转换为线性偏振状态。当光沿着波导倾斜照明器210b传播时，一部分通过编程到波导倾斜照明器210b中的光栅结构(倾斜镜)围绕倾斜轴212b向下衍射。在这种情况下，倾斜轴212b处于约45°(黑色虚线)。衍射光照明底部的透射SLM222。
透射SLM 222由像素组成，每个像素被配置为透射光，同时赋予可控的偏振旋转。处于“关闭”状态的像素不会使偏振发生变化(偏振旋转＝0)，因此照射在“关闭”像素上的光在由SLM 222透射时保持在“s”偏振状态。处于“打开”或“部分打开”状态的透射SLM像素将入射偏振光旋转到不同的偏振态。线性偏振片244透射来自“打开”像素的光并阻挡来自“关闭”像素的光(或反之亦然，取决于其取向)以产生空间调制输出。
3.楔形倾斜照明器
倾斜照明器可以配置在楔形波导中，以便利用未准直的照明源。楔形倾斜照明器可以比传统的45°偏振分束器(PBS)照明系统更紧凑(例如，薄80％以上)，从而允许LCOSSLM用于以前需要发射(例如，有机发光二极管(OLED))或透射SLM的应用。楔形倾斜照明器也可以比弯曲的偏振片照明器更紧凑，同时提供更高的照明效率。
图3A示出了用于照明低轮廓、楔形、偏振分束器、波导倾斜照明器系统300a中的LCOS SLM 320的全息光栅介质310。全息光栅介质310设置在一对基板之间：平面基板360，诸如100μm厚的Willow玻璃片，与来自反射LCOS SLM 320的全息光栅介质310相对，以及在全息光栅介质310与SLM 320之间的楔形基板或棱镜350。
输入照明可以是非准直的；例如，可以通过用光学粘合剂将红-绿-蓝(RGB)发光二极管(LED)301直接附接到输入小平面来提供。此类照明可以基本上以每个全内反射(TIR)传播角度填充输入孔径的每个位置。任选的输入偏振片340可以设置在LED 301与输入小平面之间，以使输入照明偏振为“s”偏振状态。并且输出偏振片342衰减杂散光并透射由SLM320中的“打开”像素反射的光。在波导全息光栅介质310的另一端的吸收器330吸收未被SLM320反射的光。
除了波导形成为楔形形状之外，楔形全息光栅介质310以类似于图2A中所示的方式操作。全息光栅介质310具有倾斜轴312，该倾斜轴与最靠近SLM 320的楔形物350的表面形成约45°的角度。它使围绕该倾斜轴312朝向SLM 320的x轴(例如，在x轴的±2°内)平行传播的光衍射。因为该角度范围小，所以衍射效率可能很高(例如，约79％)。以较高角度(例如，距x轴大于±2°)传播的光线以很小的衍射穿过全息光栅介质310。然而，倾斜照明器系统300a的外表面上的每个内部反射将光线角度减小楔形物350的顶角或楔角的两倍。较高角度的光线可以向下反射波导一次或多次，然后以衍射范围内的角度穿过全息光栅介质310。因此，较低角度(相对于x轴)的光线在较少反射之后倾向于向外耦合，从而照明SLM320的左部。相反，较高角度的光线在更多反射之后倾向于向外耦合，从而照明SLM 320的右部。
可以选择楔形物350的顶角和厚度，使得在波导全息光栅介质310的大约临界角处注入的光线进入波导全息光栅介质310的端部处的输出耦合器的捕获角度范围。通过设置输入小平面的高度d0、楔形长度L和耦合器带宽以及改变楔角，可以使用光线轨迹找到这种情况。对于输入小平面高度、楔形长度和耦合器带宽的实际值，满足该条件的楔角在约1°至约20°的范围内。
楔形物350有利地利用大部分输入光，同时向SLM 320提供空间均匀的照明。该系统还可以受益于空间调制全息光栅介质310的反射率，以进一步改善均匀性，例如，通过改变光栅结构的衍射效率，如上文相对于图2A所述。可以通过建模或测试倾斜照明器并确定改善均匀性的补偿记录照明图案来确定所需的空间调制。楔形物350和倾斜照明器的空间变化的衍射效率一起可以产生比如图2A中所示的平坦倾斜照明器的指数增加的照明图案更均匀的照明图案。
在图3A中示出的楔形倾斜照明器系统300a上存在许多变化。例如，图3B示出了楔形倾斜照明器系统300b，其中补偿棱镜352位于上基板360与输出偏振片342之间。补偿棱镜352补偿在上基板360与空气之间的边界处从SLM 320反射的光的折射。还可以选择补偿棱镜352的材料以补偿楔形封装的分散。图3C示出了已经“翻转倒置”的楔形倾斜照明器系统300c，其中楔形物362作为全息光栅介质310与输出偏振片342之间的上基板以及在全息光栅介质310的面向SLM 320的一侧上的平面基板364。在这种情况下，全息光栅介质310以反射模式(例如，如图1A中所示)而不是透射模式(例如，如图1B和图3A中)操作。并且图3D示出了楔形倾斜照明器系统300d，其中透射SLM 322位于楔形物350与线性输出偏振片344之间。该系统300d的操作非常类似于图2B中所示的透射系统200b。
图3E示出了具有倾斜照明器390的楔形倾斜照明器系统300e，该倾斜照明器的衍射角度范围大于棱镜350的楔角(例如，±8°而不是±2°)。在图3E中，除了在朝向SLM 320(透射)的路径上从光栅结构反射的光线之外，在朝向上基板360(反射)的路径上，在倾斜照明器390中，从光栅结构反射的围绕倾斜轴392的光线也说明了这一点。在这种情况下，倾斜照明器390具有足够的角范围以反射从任一侧进入的光线。因为衍射角度范围大于楔角，所以光栅结构是透射和反射的，因为它与从倾斜照明器系统310e的两个表面进入的光线布拉格匹配。
图4示出了具有两个倾斜耦合器的楔形、波导倾斜照明器系统400：上倾斜耦合器410a和下倾斜耦合器410b(统称为倾斜耦合器410)。倾斜耦合器410设置在等腰三角形棱镜450的等长边上。上倾斜耦合器410a和下倾斜耦合器410b的外表面上的上基板460a和下基板460b(统称为基板460)分别有助于引导倾斜耦合器410内的光。
一个或多个RGB LED 401经由输入偏振片440将光耦合到倾斜照明器系统400中。
编程到倾斜耦合器410中的光栅结构将围绕相应倾斜轴(未示出)的至少一些引导光朝向反射LCOS SLM 420反射。这些倾斜轴可以与SLM 420的表面或有效区域形成45°角。SLM 420通过倾斜耦合器410和棱镜450朝向输出偏振片442向上调制和反射光，如上文相对于图2A所述。(可以使用透射SLM代替上文相对于图2B所述的反射SLM 420。)在楔形波导倾斜照明器系统400的远端处的吸收器可以吸收未被倾斜耦合器410引导或朝向SLM 420反射的任何光。
4.偏振楔形倾斜照明器的模拟设计与性能
图5A至图5C是用计算机代码生成的曲线图，用于估计如图3A所示的楔形照明器设计样的照明效率。该计算机代码存储在非易失性计算机存储器中并用计算机处理器执行。
用计算机代码模拟的楔形照明器采用θ＝7°的楔角和100μm厚的倾斜耦合器层(例如，图3A中的全息光栅介质310)。输入边缘的厚度为d0＝300μm，并且长度为L＝5.9mm，给定最大厚度为dend＝L tanθ+d0＝1020μm。这比等同形式的传统分束器立方体薄得多，后者的高度为5.9mm。
倾斜镜包括由141个全息图组成的光栅结构，当在具有动态范围Δnmax＝0.09的介质中记录时，每个全息图具有约79％的衍射效率。总的来说，全息图覆盖了4°的入射角范围。倾斜耦合器相对于记录层具有-52°的倾斜轴角，其对应于图3A中相对于x轴的-45°。该条件保持了图3A的系统的偏振特性。光栅矢量表如下表1所示。
计算机代码通过跟踪源自输入边缘的大量光线并对来自每个光线的衍射贡献求和来估计照明效率。在布拉格匹配角度的4°范围内反射上表面的光线贡献了79％的功率对照明效率；那些从不满足这种条件的光线没有贡献。
图5C中的曲线表示根据它们的发射高度(x轴)和角度(y轴)对衍射(黑色区域)有贡献的光线。按净计算，54％的光线被衍射，导致43％的总照明效率，也就是说，进入波导的光的43％向外耦合朝向SLM。更高的总照明效率(例如，50％、60％、70％、80％或90％)也是可能的；在足够的折射率差下，总照明效率可接近100％。
表1：用于楔形倾斜照明器的计算机模拟的光栅矢量
光栅表倾斜照明耦合器v1.0-141光栅
耦合器厚度100um
460.00nm指数1.5300
518.00nm指数1.5300
618.00nm指数1.5300
/>
/>
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5.空间多路复用倾斜照明器
图6示出了波导倾斜照明器600，其采用空间多路复用来代替楔形物(未示出)或者除楔形物(未示出)之外还采用空间多路复用，以便利用未准直照明601。与上文讨论的波导倾斜照明器类似，空间多路复用波导倾斜照明器600包括夹置在基板650与660之间的全息介质610。全息介质610用全息光栅结构编程，其倾斜轴角度沿x轴变化，以便以不同的角度向外耦合传播的光。该变化由图6中的离散倾斜角612a-612d示出，其相对于表面法线形成增加的角度，作为距输入的距离的函数。这种倾斜照明器的另一种产品形式可能具有相对于倾斜轴变化的布拉格角(光栅频率)，同时保持倾斜轴相同。
图6中所示的倾斜照明器600可以不透射在z方向上通过倾斜照明器600反射回的100％的“p”偏振光，然而，因为至少一些光可能以远离90°的角度从倾斜照明器600衍射出来。然而，对于不需要强极化特性的应用，性能应该足够。
需注意，图6中所示的倾斜照明器600可以将在宽范围的TIR角度中传播的光向外耦合。这意味着它可以在没有外部准直光的情况下操作，这减轻了对光源的约束并且可以消除对外部准直光学器件或楔形波导的需要。
6.散光倾斜照明器
如图7所示，倾斜照明器700可以呈现散光照明703，因为x方向上的角度扩散受到衍射角度范围的约束，而y方向上的角度扩散则不受限制。这可以通过外部装置来减轻，或者用于某些优点(例如，在下游投影光学器件的输出处产生细长的瞳孔)。例如，倾斜照明器700中的光栅结构可以被编程为在x方向上空间调制输出光束的角扩散。虽然外部准直器(诸如体透镜或菲涅耳透镜)对于准直输入照明701非常有用，但输出上的准直器仅在特殊情况下有用(例如，具有透射SLM)，因为它也将在被前照明反射回来的光线的路径上。
7.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。
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。
根据实施方案，提供了一种系统，包括全息光栅介质，该全息光栅介质具有光栅结构，该光栅结构被配置为朝向照明目标衍射入射光，并朝向全息光栅介质透射由照明目标散射或逆向反射的光。
根据另一个实施方案，光栅结构被配置为朝向照明目标衍射处于第一偏振态的入射光，并且朝向全息光栅介质透射由照明目标散射或逆向反射的处于第二偏振态的光。
根据另一个实施方案，照明目标包括绘画、照片、图或海报中的至少一个。
根据另一个实施方案，照明目标包括空间光调制器。
根据另一个实施方案，全息光栅介质被配置为将入射光引导到光栅结构。
根据实施方案，提供了一种方法，包括：朝向照明目标衍射驻留在全息光栅介质中的光栅结构的入射光；将来自照明目标的入射光的第一部分反射和/或散射回全息光栅介质；并且通过光栅结构透射入射光的第一部分的至少一部分。
根据另一个实施方案，衍射入射光包括衍射处于第一偏振态的光，反射和/或散射入射光的第一部分包括将第一偏振态改变为第二偏振态，并且透射入射光的第一部分中的至少一些包括透射处于第二偏振态的光。
根据另一个实施方案，照明目标包括绘画、照片、图或海报中的至少一个。
根据另一个实施方案，照明目标包括空间光调制器(SLM)，并且反射和/或散射入射光的第一部分包括空间调制入射光。
根据另一个实施方案，该方法包括经由全息光栅介质将入射光引导到光栅结构。
根据实施方案，提供了一种系统，包括：空间光调制器(SLM)和全息光栅介质，该全息光栅介质具有光栅结构，该光栅结构被配置为围绕与SLM的有效区域的表面法线形成角度的轴朝向SLM衍射入射光。
根据另一个实施方案，SLM具有小于约10μm的像素间距。
根据另一个实施方案，SLM是透射SLM。
根据另一个实施方案，SLM是反射SLM，并且光栅结构被配置为透射由反射SLM反射的光。
根据另一个实施方案，全息光栅介质具有的长度等于或大于SLM的有效区域的长度，并且厚度小于SLM的有效区域的长度。
根据另一个实施方案，光栅结构具有根据位置而变化的反射率。
根据另一个实施方案，光栅结构被配置为朝向SLM反射s偏振光，SLM被配置为将s偏振光转换为p偏振光并且朝向光栅结构反射p偏振光，并且光栅结构被配置为透射p偏振光。
根据另一个实施方案，该系统包括与全息光栅介质光学连通的偏振片，以使朝向光栅结构传播的光偏振。
根据另一个实施方案，与SLM的有效区域的表面法线的角度根据与全息光栅介质的位置而变化。
根据另一个实施方案，全息光栅介质形成波导的至少一部分。
根据另一个实施方案，该系统包括与波导光学连通的准直器，以将入射光耦合到波导中。
根据另一个实施方案，该系统包括与波导光学连通的吸收器，以吸收未被光栅结构反射的至少一些光。
根据另一种实施方案，波导包括楔形基板。
根据另一个实施方案，光栅结构被配置为在大于楔形基板的棱镜角度的角范围内衍射由波导引导的光。
根据另一个实施方案，全息光栅介质设置在楔形基板与SLM之间。
根据另一个实施方案，楔形基板设置在全息光栅介质与SLM之间。
根据另一个实施方案，该系统包括与SLM和楔形基板光学连通的补偿棱镜，以补偿由SLM通过楔形基板反射的光的折射。
根据另一个实施方案，全息光栅介质是设置在楔形基板的第一侧上的第一全息记录介质，并且光栅结构是第一光栅结构，并且包括第二全息光栅介质，该第二全息光栅介质设置在楔形基板的第二侧上，该第二全息光栅介质具有第二光栅结构，该第二光栅结构被配置为朝向SLM衍射入射光。
根据实施方案，提供了一种方法，包括在全息光栅介质中利用光栅结构围绕与SLM的有效区域的表面法线形成角度的轴朝向空间光调制器(SLM)衍射入射光。
根据实施方案，提供了一种倾斜照明器，其包括波导，该波导包括夹置在第一基板与第二基板之间的全息光栅介质，该全息光栅介质具有光栅结构，该光栅结构被配置为反射由波导围绕倾斜轴引导的s偏振光，该倾斜轴相对于第一基板的平坦表面形成约45°的角度。
根据另一个实施方案，由光栅结构反射的s偏振光具有的角带宽约等于由波导引导的光的角带宽。
根据另一个实施方案，波导被配置为引导红光、绿光和蓝s偏振光。
根据另一个实施方案，光栅结构被配置为以90°角透射入射在平坦表面上的p偏振光。
根据另一个实施方案，倾斜照明器包括与光栅结构光学连通的反射空间光调制器，以将由光栅结构反射的s偏振转换为入射在平坦表面上的p偏振光。
根据实施方案，提供了一种方法，包括：经由波导引导s偏振光，该波导包括夹置在第一基板与第二基板之间的全息光栅介质；通过全息光栅介质中的光栅结构，将s偏振光中的至少一部分围绕倾斜轴反射出波导，该倾斜轴相对于第一基板的平坦表面形成约45°的角度。
根据实施方案，提供了一种系统，包括：全息光栅介质，该全息光栅介质包括多个光栅，该光栅被配置为衍射s偏振光；以及楔形棱镜，该楔形棱镜与全息光栅介质光学连通，以透射由多个光栅衍射的s偏振光。
根据另一个实施方案，多个光栅被配置为在大于楔形棱镜的棱镜角的角范围内衍射s偏振光。
根据另一个实施方案，楔形棱镜被配置为将从全息光栅介质折射出的s偏振光耦合回到全息光栅介质中。
根据另一个实施方案，该系统包括反射空间光调制器(SLM)，该反射空间光调制器与全息光栅介质和楔形棱镜光学连通，以将s偏振光转换为p偏振光，并且通过楔形棱镜和全息光栅介质反射p偏振光。
根据实施方案，提供了一种方法，包括利用驻留在全息光栅介质中的多个光栅衍射s偏振光，并且透射由多个光栅衍射的s偏振光通过楔形棱镜。

Claims (9)

1.一种用于照明的系统，包括：
全息光栅介质，所述全息光栅介质形成波导的至少一部分，其中所述全息光栅介质被夹置在第一基板与第二基板之间，其中所述波导被配置为经由所述波导的波导-空气边界之间的全内反射来传播入射光，其中所述全息光栅介质具有光栅结构，所述光栅结构被配置为朝向照明目标衍射所述入射光，并被配置为透射已经由所述照明目标朝向所述全息光栅介质反射的光，其中所述第二基板是所述全息光栅介质与所述照明目标之间的楔形基板，其中所述光栅结构被配置为朝向所述照明目标反射处于第一偏振态的所述入射光，并且透射由所述照明目标朝向所述全息光栅介质反射的处于第二偏振态的所述光。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述照明目标包括空间光调制器。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述全息光栅介质被配置为将所述入射光引导到所述光栅结构。
4.一种用于照明的系统，包括：
空间光调制器SLM；和
全息光栅介质，所述全息光栅介质具有光栅结构，所述光栅结构被配置为围绕与所述SLM的有效区域的表面法线形成角度的轴朝向所述SLM衍射入射光，其中所述SLM具有小于10μm的像素间距，所述全息光栅介质具有的长度等于或大于所述SLM的所述有效区域的长度，并且厚度小于所述SLM的所述有效区域的所述长度，所述光栅结构具有根据位置而变化的反射率，所述光栅结构被配置为朝向所述SLM反射s偏振光，所述SLM被配置为将所述s偏振光转换为p偏振光并且朝向所述光栅结构反射所述p偏振光，所述光栅结构被配置为透射所述p偏振光；
偏振片，所述偏振片与所述全息光栅介质光学连通，所述偏振片被配置为使朝向所述光栅结构传播的所述光偏振，其中所述全息光栅介质形成波导的至少一部分；
准直器，所述准直器与所述波导光学连通，所述准直器被配置为吸收所述入射光的至少一些从而将所述入射光耦合到所述波导中；
吸收器，所述吸收器与所述波导光学连通，所述吸收器被配置为吸收未被所述光栅结构反射的至少一些光，其中所述波导包括楔形基板，其中所述光栅结构被配置为在大于所述楔形基板的棱镜角度的角度范围内衍射由所述波导引导的光，其中所述全息光栅介质是设置在所述楔形基板的第一侧上的第一全息记录介质，并且所述光栅结构是第一光栅结构；以及
第二全息光栅介质，所述第二全息光栅介质设置在所述楔形基板的第二侧上，所述第二全息光栅介质具有第二光栅结构，所述第二光栅结构被配置为朝向所述SLM衍射所述入射光。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述SLM是透射SLM。
6.根据权利要求4所述的系统，其中所述SLM是反射SLM，并且所述光栅结构被配置为透射由所述反射SLM反射的光。
7.一种照明器，包括：
波导，所述波导包括夹置在第一基板与第二基板之间的全息光栅介质，其中所述波导被配置为经由所述波导的波导-空气边界之间的全内反射来传播s偏振光，所述全息光栅介质具有光栅结构，所述光栅结构被配置为反射由所述波导围绕倾斜轴引导的所述s偏振光，所述倾斜轴相对于所述第一基板的平坦表面形成非零度且非垂直的角度，其中所述光栅结构被配置为朝向空间光调制器(SLM)反射所述s偏振光，并且被配置为朝向所述全息光栅介质透射已经被所述SLM反射的光，所透射的光包括p偏振光。
8.根据权利要求7所述的照明器，其中由所述光栅结构反射的所述s偏振光具有的角带宽等于由所述波导引导的所述光的角带宽。
9.根据权利要求7所述的照明器，其中所述光栅结构被配置为以90°角透射入射在所述平坦表面上的p偏振光。
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