CN115836523A - 用于深度感测的集成ir和可见光相机的光学元件以及包括该光学元件的系统 - Google Patents

用于深度感测的集成ir和可见光相机的光学元件以及包括该光学元件的系统 Download PDF

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Abstract

一种多光谱光学成像设备，包括：被配置为在第一状态和第二状态之间切换的可切换元件，第一状态和第二状态中的一者改变光的偏振；以及被布置为从可切换元件接收光的几何相位元件。几何相位元件被配置为响应于可切换元件的第一状态，基于偏振衍射光的第一波段以改变光的第一波段的传播方向，而基本上不改变光的第二波段的传播方向。还讨论了相关的光学快门和多光谱光学检测器。

Description

用于深度感测的集成IR和可见光相机的光学元件以及包括该 光学元件的系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年2月12日在美国专利和商标局提交的临时专利申请号62/975，692和62/975，685的优先权，其公开内容以其整体并入本文作为参考。
背景技术
一些增强现实(AR)系统可以采用多个光学传感器，包括但不限于头部跟踪相机，深度传感器，照片-视频相机和眼睛跟踪传感器。然而，这种不同的光学传感器的使用可能导致高的成本、复杂性、质量、体积和功耗。例如，由于每个传感器可能需要其自己的电路和到计算机的接口，所以系统复杂性可能很高。
多光谱成像传感器，也称为像素化数字相机，可以为不同波长分配单独的像素，例如常规数字相机中的滤色器马赛克，其中波段通常包括用于可见光摄影和视频的红，绿和蓝滤色器。另外，一些相机可以将像素分配给红外(IR)波长。其中许多采用IR像素用于三维(3D)深度感测。
一些成像传感器系统采用主动IR照明。采用主动照明的3D传感器的类别可以包括飞行时间传感器(诸如在光检测和测距(LIDAR)中使用的)和结构化光传感器(structured-light sensor)。在一些情况下，主动IR照明可与适于可见光成像的传感器组合。例如，宽带多光谱传感器(诸如CMOS相机)可以与IR照明和像素级信号处理的序列高强度脉冲一起并入，使得可以确定对象或场景的二维(2D)图像和3D深度。一些系统可以组合覆盖在3D深度图上的被动成像。
在一些主动IR照明应用中，宽带多光谱传感器可以与以交替方式按顺序地阻挡可见光然后阻挡IR光的电动切换快门组合。在一个示例中，可切换设备可以包括液晶(LC)单元和两个线性偏振器，其中偏振器或LC开关是波长相关的。在另一示例中，可切换元件可以是可切换布拉格光栅(SBG)，其也称为分布式布拉格反射器，并且可以使用全息聚合物分散液晶形成。在又一示例中，可切换设备可以包括一个或多个可切换胆甾型LC反射偏振器。
多个传感器的质量也是重要的，特别是在每个传感器包括各自的透镜和相关的机械接口，外壳和电线的情况下。这些传感器的合成体积也可能是重要的，例如，这可能限制针对AR眼镜的眼镜形状因数的使用。
发明内容
根据本公开的一些实施例，一种成像系统包括一个或多个光学元件，该光学元件包括至少一个可切换元件或层和至少一个衍射元件或层，该至少一个可切换元件或层和至少一个衍射元件或层被配置为选择性地改变指定工作波长内的光(例如，可见光谱外的光，诸如IR或UV光)的传播方向，而基本上不影响指定工作波长外的光(例如，可见光谱内的光)的传播方向，指定工作波长外的光在本文中也被称为波段。
衍射层可以是波长和偏振选择性的，并且可以被配置为改变在指定工作波长内的入射光的偏振方向和传播方向两者。例如，(多个)衍射层可以被配置为透射在一个波长范围或波段内的光(例如，具有波长在大约400nm和大约700nm之间的可见光谱内的光)而不改变其偏振或传播方向，但是可以被配置为改变在另一波长范围或波段内的光(例如，可见光谱外的光)的偏振和传播方向，反之亦然。
可切换层可以在不同地影响入射到其上的光的偏振的状态之间独立地切换(响应于所施加的电信号)。例如，在一些实施例中，可切换层可以在基本上不改变光的偏振的第一状态(例如，“关断”状态)和改变光的偏振(例如，到正交偏振状态)的第二状态(例如，“接通”状态)之间切换。
在一些实施例中，衍射层可以被配置为响应于可切换层的状态引导可见光谱之外的光朝向或远离图像传感器。例如，衍射层可以包括一个或多个反射光栅，其被配置为在远离图像传感器的一个或多个方向上衍射可见光谱之外的光，并且在一些情况下远离成像系统的光学元件。因此，一些实施例可以被配置为将指定工作波长内的光引导到期望的方向，而不在光学元件的输出处使用附加的滤波(例如，角度滤波)和/或延迟层。
在一些实施例中，(多个)可切换层可以不完全从一个偏振状态切换到正交状态，并且因此可以用于调制穿过其中的指定工作波长内的光。即，(多个)可切换层可以包括关于在指定工作波长内对入射光的偏振的影响的中间状态(在“关断”和“接通”状态之间)。
在一些实施例中，(多个)可切换层和/或(多个)衍射层可以包括双折射材料或层，例如(但不限于)液晶(LC)层。(多个)可切换层可以包括双折射液晶层，其响应于施加到其上的电压可以在零延迟和半波延迟(或其它延迟)之间电动切换。在一些实施例中，如本文描述的GP元件可以包括几何相位表面或可能不是由液晶材料制成的元件，诸如电介质或等离子体元表面。
在一些实施例中，衍射层可以包括一个或多个几何相位(GP)元件，诸如几何相位全息图(GPH)和/或偏振光栅(PG)。(多个)衍射层可以极化指定工作波长内的入射光偏振并将其衍射到具有不同偏振态和/或不同传播方向的至少两个光束(例如，零级输出光和一级输出光)，而基本上不吸收任何一个偏振态。例如，(多个)衍射层可以提供分束器，该分束器被配置为透射在指定工作波长内的光的第一偏振，并且被配置为反射在指定工作波长内的光的第二不同的偏振，反之亦然。第一偏振和第二偏振可以分别包括可见光谱之外的光的右旋圆偏振和左旋圆偏振。
在一些实施例中，(多个)衍射层可以包括第一衍射层，该第一衍射层被布置和配置为将指定工作波长内的入射光在远离图像传感器的方向上衍射到一级光束，并且衍射到零级光束，用于输入到可切换层。第二衍射层可以被布置和配置为响应于可切换层的状态衍射从可切换层输出的光束远离图像传感器。
在一些实施例中，(多个)衍射层可以包括一个或多个布拉格区偏振光栅(BraggPG或BPG)。在一些实施例中，衍射级可以是近似圆偏振的，具有相反旋向性，而与输入偏振状态无关。
在一些实施例中，一对或多对衍射层和可切换层可以被包括在光学元件中以增加成像系统的有效视场。
在一些实施例中，延迟器和/或偏振器可以可选地添加在衍射层的任一侧，以控制输入偏振状态和输出偏振状态两者。在一些实施例中，入射光可以是非偏振的，但在其他实施例中，入射光可以是偏振的(例如，由延迟器和/或偏振器)。
在一些实施例中，可切换层和衍射层可以限定具有单片结构的光学元件。单片光学元件的层可以直接在彼此之上，或者可以在其间包括一个或多个透明层。
根据本公开的一些实施例，一种多光谱光学成像设备包括：可切换元件，被配置为在第一状态和第二状态之间切换，其中第一状态和第二状态中的一者改变光的偏振；以及几何相位元件，被布置为从可切换元件接收光。几何相位元件被配置为响应于可切换元件的第一状态，基于偏振来衍射光的第一波段以改变光的第一波段的传播方向，而基本上不改变光的第二波段的传播方向。
在一些实施例中，几何相位元件可以被配置为响应于可切换元件的第二状态，同时透射光的第一波段和第二波段，而基本上不改变光的第一波段和第二波段的传播方向。
在一些实施例中，几何相位元件可以被配置为独立于可切换元件的第一状态和第二状态透射光的第二波段，而基本上不改变光的第二波段的偏振和传播方向。
在一些实施例中，多光谱光学成像设备还可以包括至少一个光学元件，该至少一个光学元件被布置为向可切换元件提供光，使得光的第一波段包括与第一偏振正交的第二偏振。
在一些实施例中，几何相位元件可以被配置为响应于可切换元件的第一状态而衍射光的第一波段的第一偏振，以改变光的第一波段的第一偏振的传播方向，并且可以被配置为响应于可切换元件的第二状态同时透射光的第一波段的第二偏振和第二波段，而基本上不改变光的第一波段的第二偏振和第二波段的传播方向。
在一些实施例中，该几何相位元件可以是第二几何相位元件，并且该至少一个光学元件可以是第一几何相位元件，该第一几何相位元件被布置为接收包括第一波段和第二波段的非偏振光。第一几何相位元件可以被配置为将第一波段的第一偏振衍射远离可切换元件，并且同时将第一波段的第二偏振和第二波段透射到可切换元件，而基本上不改变光的第一波段的第二偏振和第二波段的传播方向。
在一些实施例中，第一几何相位元件和/或第二几何相位元件可以是布拉格偏振光栅。
在一些实施例中，布拉格偏振光栅可以被配置为将第一波段的第一偏振衍射到反射一级方向，并且将第一波段的第二偏振透射到零级方向。
在一些实施例中，相机可以被布置为接收来自几何相位元件的光。相机可以包括配置为检测光的第一波段和第二波段的图像传感器。
在一些实施例中，图像传感器可以被配置为分别响应于可切换元件的第一状态和第二状态来捕获第一图像数据和第二图像数据。信号处理器可以被配置为基于第一图像数据和第二图像数据的减法来计算光的第一波段的图像数据。
在一些实施例中，图像传感器可以被配置为在可切换元件处于第二状态的顺序操作期间分别响应于照明源的激活和去激活来捕获第二图像数据和第三图像数据。照明源可以被配置为输出包括第一波段的光发射(light emission)。信号处理器可以被配置为基于第二图像数据和第三图像数据的减法来计算光的第一波段的图像数据。
在一些实施例中，可切换元件可以是第一可切换元件，并且几何相位元件可以是第一几何相位元件。第二可切换元件和第二几何相位元件可以被布置在几何相位元件和相机之间。第二可切换元件可以被配置为分别在改变和不改变光的偏振的状态之间切换。第二几何相位元件可以被配置为分别响应于第二可切换元件的状态，将光的第一波段的第一偏振引导到第一方向上的图像传感器以限定第一视场，并且将第一波段的第二偏振引导到第二方向上的图像传感器以限定第二视场。
在一些实施例中，至少一个光学元件可以包括：偏振器，被布置为接收非偏振光；以及延迟器，被配置为改变来自偏振器的偏振光的偏振，以将所述光提供给所述可切换元件。
在一些实施例中，几何相位元件可以被配置为响应于可切换元件的第一状态在第一方向上朝向图像传感器引导第一波段的第一偏振以限定第一视场，并且响应于可切换元件的第二状态在第二方向上朝向图像传感器引导第一波段的第二偏振以限定第二视场。
在一些实施例中，几何相位元件可以是第一几何相位元件。多光谱成像设备还可以包括照明源和第二几何相位元件，该照明源被配置为与可切换元件的第一状态和第二状态同步地输出包括第一波段的光发射，该第二几何相位元件被布置为接收来自照明源的光发射。第二几何相位元件可以被配置为将光发射的第一波段的第一偏振引导到第一方向上以限定第一照明区域，并且将光发射的第一波段的第二偏振引导到第二方向上以限定第二照明区域。
在一些实施例中，第一几何相位元件可以被布置为接收来自可切换元件的第一区域的光，照明源可以被布置为向与第一区域相邻的可切换元件的第二区域提供光发射，并且第二几何相位元件可以被布置为接收来自可切换元件的第二区域的光发射。
在一些实施例中，可切换元件可以是第一可切换元件，并且第二可切换元件可以被布置为接收来自照明源的光发射并且向第二几何相位元件提供光发射。第二可切换元件可以被配置为响应于第一可切换元件的第一状态和第二状态在改变和不改变光发射的状态之间切换。
在一些实施例中，照明源和相机可以分开一定距离，该距离被配置为在它们之间提供视差，并且光发射可以提供结构化光图案。
在一些实施例中，第二几何相位元件可以包括线性变化的光轴取向，以提供结构化光图案中的光发射。
在一些实施例中，至少一个光学元件，可切换元件，第一几何相位元件和相机可以限定第一光传感器，并且照明源和第二几何相位元件可以限定第一光源。多光谱光学成像设备还可包括第二光传感器和第二光源，并且第二光源被配置为与第二光传感器的操作同步地输出包括第一波段的光发射。第二光源和第二光传感器可以由被配置为在其间提供视差的距离分离。
在一些实施例中，第二几何相位元件可以包括非线性变化的光轴取向，以为光发射提供透镜光焦度。
在一些实施例中，多光谱光学成像设备还可以包括照明源，该照明源被配置为发射包括第一波段的光并且被布置为向可切换元件提供光。几何相位元件可以被配置为将光发射的第一波段的第一偏振引导到第一方向上以限定第一照明区域，并且将光发射的第一波段的第二偏振引导到第二方向上以限定第二照明区域。
在一些实施例中，多光谱光学成像设备可以以眼镜形状因数实现。
在一些实施例中，第二波段可以包括可见光谱内的光，并且第一波段可以包括可见光谱外的光。
在一些实施例中，第一波段包括红外光。
在一些实施例中，可切换元件和几何相位元件可以是被堆叠的光学膜以限定单片结构。
根据一些实施例，光学快门包括第一反射布拉格偏振光栅，第一反射布拉格偏振光栅上的液晶层，以及可切换液晶层上的第二反射布拉格偏振光栅。液晶层被配置为在第一状态和第二状态之间切换，其中第一状态和第二状态中的一者改变光的偏振。第一反射布拉格偏振光栅和第二反射布拉格偏振光栅分别被配置为将光的第一波段的第一偏振衍射到反射一级方向中，并将光的第一波段的第二偏振透射到零级方向中，而基本上不改变光的第二波段的传播方向。
在一些实施例中，第一反射布拉格偏振光栅和第二反射布拉格偏振光栅可以分别被配置为独立于液晶层的第一状态和第二状态透射光的第二波段。
在一些实施例中，第二反射布拉格偏振光栅可以被配置为响应于液晶层的第一状态而衍射第一波段的第一偏振，并且可以被配置为响应于液晶层的第二状态而透射第一波段的第二偏振。
在一些实施例中，第一偏振可以与第二偏振正交，并且第一布拉格偏振光栅可以被配置为向液晶层提供光，使得光的第一波段包括第二偏振。
在一些实施例中，光的第一波段可以包括第二偏振并且可以基本不包含第一偏振。
在一些实施例中，第一偏振和第二偏振可以是相反旋向性的圆偏振。
在一些实施例中，第二波段可以包括可见光谱内的光，并且第一波段可以包括红外光谱内的光。
根据一些实施例，多光谱光学成像检测器包括相机和光学快门，该相机包括被配置为检测光的第一波段和第二波段的图像传感器。光学快门包括可切换液晶层和几何相位元件，该几何相位元件被配置为基于光的偏振分别朝向或远离图像传感器选择性地透射或衍射光的第一波段，并且独立于光的偏振将光的第二波段透射到图像传感器。
在一些实施例中，可切换液晶层可以被配置为在第一状态和第二状态之间切换，以分别输出光的正交的第一偏振和第二偏振。响应于可切换液晶层的第一状态，几何相位元件可以被配置为将光的第一波段的第一偏振衍射远离图像传感器。响应于可切换液晶层的第二状态，几何相位元件可以被配置为将光的第一波段的第二偏振和第二波段同时透射到图像传感器。
在一些实施例中，图像传感器可以被配置为分别响应于可切换元件的第一状态和第二状态而捕获重合的第一图像数据和第二图像数据，并且针对光的第一波段的图像数据的计算可以基于第一图像数据和第二图像数据的减法。
在一些实施例中，图像传感器可以被配置为分别响应于在处于第二状态的可切换元件的顺序操作期间提供包括光的第一波段的光发射的照明源的激活和去激活而捕获重合的第二图像数据和第三图像数据，并且光的第一波段的图像数据的计算可以基于第二图像数据和第三图像数据的减法。
在一些实施例中，几何相位元件可以是第二反射布拉格偏振光栅，光学快门还可以包括第一反射布拉格偏振光栅，并且可切换液晶层可以处于第一反射布拉格偏振光栅和第二反射布拉格偏振光栅之间。第一反射布拉格偏振光栅和第二反射布拉格偏振光栅可以分别被配置为将光的第一波段的第一偏振衍射到反射一级方向，并将光的第一波段的第二偏振透射到零级方向。
根据一些实施例的其他设备，装置和/或方法在阅读以下附图和详细描述后对于本领域技术人员将变得显而易见。除了上述实施例的任何和所有组合之外，所有这些附加实施例都包括在本说明书内，在本发明的范围内，并且由所附权利要求保护。
附图说明
图1A、图1B、图1C和图1D是图示了根据本公开的一些实施例的提供光学快门的光学元件中的层的布置的示意图。
图2A和图2B是图示了根据本公开的另外实施例的提供光学快门的光学元件中的层的布置的示意图。
图3A、图3B和图3C是图示了根据本公开的一些实施例的提供集成的深度传感器和照片-视频相机的光学元件中的层的布置的示意图。
图4A、图4B和图4C是图示了根据本公开的一些实施例的提供具有可变能视域(field of regard)的集成的深度传感器和照片-视频相机的光学元件的布置的示意图。
图5A、图5B和图5C是图示了根据本公开的一些实施例的独立于组合的照片/视频和深度图像传感器应用提供可变能视域的光学元件的布置的示意图。
图6A和图6B是图示了根据本公开的一些实施例的提供集成照明源，深度传感器和具有可变能视域的照片-视频相机的光学元件中的层的布置的示意图。
图7A和图7B是图示了根据本公开的一些实施例的被配置用于可变能视域应用的示例系统的示意图。
图8是图示了根据本公开的一些实施例的提供具有可变照明场的照明源的光学元件中的层的布置的示意图。
图9A和图9B是图示了根据本公开的一些实施例的被配置用于结构化光深度传感器应用的示例系统的示意图。
图10A和图10B是图示了根据本公开的一些实施例的被配置用于基于立体相机的深度传感器应用的示例系统的示意图。
图11是图示了相对于衍射表面的入射侧的透射和反射衍射级的示意图。
具体实施方式
在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以提供对本公开的实施例的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将了解，可在没有这些具体细节的情况下实践本公开。在一些情况下，没有详细描述公知的方法，过程，组件和电路，以免模糊本公开。本文公开的所有实施例旨在可以单独实现或以任何方式和/或组合来组合。相对于一个实施例描述的方面可以结合在不同的实施例中，尽管没有对其进行具体描述。即，任何实施例的所有实施例和/或特征可以以除了本文的实施例中具体描述的那些之外的各种方式和/或组合进行组合。
本公开的实施例可以由以下认识产生：在利用多个光学传感器的光学系统中，可以通过消除传感器(以系统能力为代价)和/或集成功能来减少成本，质量，体积和功率，使得可以使用更少的传感器。特别地，在一些应用中，可以较不频繁地使用照片－视频传感器，并且因此，照片－视频传感器可以是用于与一个或多个其他传感器集成的候选者。例如，虽然该照片－视频传感器(其可以包括图像传感器和被配置为将光引导或聚焦到图像传感器上的一个或多个透镜；本文也称为相机)可以具有相对宽的视场，其视场对于同时定位和映射(SLAM)跟踪可能是不足的。
本公开的一些实施例提供了光学元件，诸如可电动切换的光学快门，该光学快门可以用于将照片-视频相机与深度传感器集成。虽然深度传感器技术通常可能需要红外(IR)光，但是这种功能可能难以与彩色相机集成。例如，互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器可以用于手机中的相机，通常包括IR阻挡滤波器，因为环境IR将在彩色像素(特别是红色)中贡献附加信号，并导致在彩色平衡/再现中具有误差的照片或图像。更具体地，由于用于纺织品的某些染料可能不吸收IR，所以包括此类物体的所捕获的图像可能潜在地看起来比实际更红；因此，为了吸收IR，可能需要IR吸收剂。
此外，几种技术可以用于深度感测，包括立体相机(其可以使用相机图像之间的视差来建立深度)，飞行时间相机(例如，用在
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和
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中)，以及结构化光相机(例如，用在XBoX
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中)。飞行时间相机和结构化光相机可能需要发射IR光或紫外(UV)光(即，人类视觉的可见光谱之外的光)用于操作。即，在飞行时间相机和结构化光相机中使用的传感器可以是有源的，因为系统有源地发射光(例如，IR光或UV光)，当该光从现实世界的物体反射时，被光学传感器成像。在一些示例中，IR光或UV光可聚焦到互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器中。在结构化光传感器中，像素结构可以不指定于深度传感器(除了需要传感器检测可见光谱之外的光的事实)。在飞行时间传感器中，像素结构可以不同，例如，在根据检测到的光确定返回信号的相位的情况下。
a.本文描述的实施例可以提供允许使用相同传感器的多个成像应用(例如，深度感测和照片－视频成像)的光学元件。尽管主要参照使用PG(并且特别是布拉格PG)作为衍射层的示例进行了说明，但是应当理解，本公开的实施例不限于PG，并且在下文中描述为PG(包括布拉格PG)的元件可以更一般地由根据本公开的实施例的GP元件来实现，其中PG是具有线性相位分布或恒定周期性的GP元件的具体示例。然而，在其他实施例中，可以使用具有非线性相位轮廓或变化周期的GP元件。
b.此外，虽然主要参照被配置为透射可见光而不改变其偏振或传播方向并且被配置为改变可见光谱之外的光的偏振和/或传播方向的光学元件的示例进行了说明，但是应当理解，本公开的实施例不限于此。例如，其他实施例可以包括被配置为透射可见光谱之外的光并且被配置为改变可见光的偏振和/或传播方向的光学元件。另外的实施例可以包括光学元件，这些光学元件被配置为透射宽波段的光而基本上不改变其传播方向，并且选择性地改变一个或多个指定光波段的偏振和/或传播方向，或者反之亦然。术语“波长范围”和“波段”在本文中可以互换使用。
图1A至图1D图示了提供根据本公开的一些实施例，提供光学快门的光学元件100、100'中的层的布置。光学元件100、100'包括第一GP元件(例如，偏振光栅101，示出为第一布拉格偏振光栅PG1)、可切换光学层或元件(示出为液晶(LC)单元103)，以及第二GP元件(例如，偏振光栅102，示出为第二布拉格偏振光栅PG2)。光学元件100、100’被配置为引导指定工作波长范围的光(通过参考不可见光(例如，IR光)的示例示出)朝向(在图1A和图1C中)或远离(在图1B和图1D中)可见光(VIS)的传播方向。
可切换光学层或元件103被配置为在第一状态和第二状态之间切换，其中第一状态和第二状态中的至少一者改变光的偏振。图1A和图1C图示了处于第一(“关断”)状态的可切换光学层103，该第一状态基本上不影响通过其中的光的偏振，而图1B和图1D图示了处于第二(“接通”)状态的可切换光学层103，该第二状态改变通过其中的光的偏振，在本文的示例中图示了为提供半波(λ/2)延迟。图1C和图1D图示了其中层101、103、102彼此直接堆叠以限定单片结构100'的配置；然而，应当理解，在一些实施例中，可以(例如，在两个或更多个层之间)存在中间层(例如，透明间隔层和/或电极层)。即，本公开的一些实施例可以包括反射PG或GPH 101、偏振开关103和反射PG/GPH 102，其基于反射而不是随后的透射和过滤层对光进行衰减，并且与偏振无关。
在图1A至图1D的示例中，GP元件101和102由布拉格PG(BPG)实现，但是应当理解，本公开的实施例不限于将BPG作为GP元件101和/或102使用。在一些实施方式中，BPG 101和/或102可以是固定的聚合物膜，其通过将LC材料的一个或多个子层连续涂覆到光配向表面图案上而形成，其中光轴取向(也称为向列指向矢(nematic director)分布)线性变化并固定在膜中，沿平面内方向(即，沿元件101、102的表面或由元件101、102的表面限定的一个或多个方向)形成周期性光栅周期。由于LC材料的手性在元件101、102的厚度上引起的扭曲，光轴取向分布也可以在平面外方向上(即，在不同于由元件101、102的表面限定的一个或多个方向上，例如，在与表面正交的方向上)变化。一个或多个子层可以各自具有独立可控的厚度和/或扭曲角。光栅周期、厚度和/或子层扭曲率可以确定光栅倾斜角，该光栅倾斜角对于一个或多个子层可以是不同的。
光栅倾斜角(包括其一个或多个决定因素)可以被配置为提供波长和偏振选择性，使得GP元件101和/或102可以被配置为基于光的偏振来衍射指定波段的光以改变其传播方向，同时透射另一指定波段的光而基本上不改变其传播方向。例如，GP元件101和/或102可以被配置为将指定波段内的光的一个偏振衍射到一个或多个一级方向(例如图11中所示的一级方向之一)，但是可以被配置为将指定波段内的光的不同偏振(和/或指定波段外的任何偏振的光)透射到零级方向(例如图11中所示的透射零级方向)。
更具体地，BPG 101和BPG 102对于非可见(非VIS)光(诸如UV或IR光)可以具有强偏振选择性。BPG 101和BPG 102因此可以透射不可见光的一个偏振并且衍射不可见光的正交偏振，以提供基本上没有正交偏振的不可见光输出。例如，BPG 101和BPG 102可以被配置为透射一种圆旋向性的不可见偏振光(通过示例参考右旋圆偏振光示出)而不改变传播方向，并且衍射正交圆偏振的不可见光(作为示例参考左旋圆偏振光示出)，具有大约为几百比1的对比率。由布拉格PG 101和/或102衍射的光(在该示例中，非可见光)可以主要传播到一级(m＝+1或m＝－1)中的一个，而剩余的(例如，未衍射的)光可以传播到零级(m＝0)，其中输入光的偏振强烈地选择衍射光与未衍射光之间的比率。相反，一些Raman-Nath(例如，常规的)PG可以相反地起作用，其中衍射光都可以传播到两个一级(m＝+1和m＝－1)中，并且其中输入光的偏振强烈地选择这两个一级之间的比率并且对未衍射光几乎没有影响。
根据光栅倾斜角，BPG 101和/或BPG 102(和/或本文描述的其它衍射光学元件)可以是反射或透射衍射光栅，分别反射或透射它们的一级衍射光，如图11所示的衍射光学元件1100所示。如本文所使用的，反射或反射光栅可以被配置为将入射光的指定波段(参考入射角θin示出)衍射到与入射光一样在该光栅的同一侧上的一级方向，在此也被称为反射衍射级1101(参考反射一级角θr m＝±1或相对于反射零级角θr m＝0或方向的方向示出)。透射光栅可以被配置为将入射光的指定波段衍射到光栅的与入射光一样在该光栅的相对测上的一级方向，这里也称为透射衍射级1102(参考透射一级角θr m＝0或相对于透射零级角θt m＝0或方向的方向示出)。透射零级角θt m＝0或方向可以基本上类似于入射光的传播方向，并且在本文中可以被称为透射光。衍射光学元件1100可以被配置为基于光的偏振来衍射光而基本上不改变传播方向(例如，到透射零级角θt m＝0或方向)或改变传播方向(例如，到透射一级角θt m＝±1或方向中的任一个，或反射一级角θr m＝±1或方向中的任一个)。衍射光学元件1100可以包括本文描述的GP元件、PG和/或BPG(例如，101、102、402、601和/或602)中的任一个。
BPG 101和/或BPG 102的另一个特征是，对于输入光的一偏振，它们的效率(被引导到透射或反射衍射级的光的分数，表示为入射光的百分比)可以接近100％。BPG 101和/或BPG 102的效率可以被设计或配置为针对相对宽的光谱带宽或波段是高或低的，并且针对相对宽的角度带宽或能视域(例如，视场)是高或低的。
因此，BPG 101和/或BPG 102可以是波长选择性的，允许一些波长的光穿过其中而基本上不影响传播的方向或角度，同时衍射其它波长的光以便根据其偏振改变传播方向或角度。例如，BPG 101和/或BPG 102的光轴取向可以被配置(例如，以便定义特别的倾斜角，周期，厚度，和/或手性扭曲)来改变指定波段光的传播方向，而基本上不影响指定波段之外的光的传播方向。可以调整波长和角度带宽以使对于几乎任何输入波长或角度范围的衍射效率最大化或最小化；本文描述的一些实施例中，BPG 101和/或102可以被配置为针对一个圆偏振的IR光具有高反射效率，但是可以被配置为对于具有正交偏振的IR光和具有所有偏振的可见光是透明的。
根据本公开的实施例的BPG可以在若干方面不同于SBG。例如，BPG可以由与不同于SBG类型的材料形成。此外，BPG可以基于不同类型的相位来起作用，其中BPG通过几何相位(也称为Pancharatnam-Berry相位)来起作用，而SBG由常规传播相位(也称为光程长度差)来起作用。SBG是可切换的并且可能是热不稳定的，而BPG通常是固定的(即，具有固定的或不可改变的光轴取向)并且一般对本文描述的操作中通常遇到的温度变化不敏感。与BPG相比，SBG可能不是强偏振选择性的。与本文使用的BPG相比，SBG还可能在角度带宽和效率方面受到限制。
参照图1A至图1D的示例，光学快门100、100′包括在两个BPG 101与BPG 102之间的可切换LC单元103。BPG 101和BPG 102被配置为将指定波段的光的一个偏振(在以下示例中参考不可见光和圆偏振来描述)强烈地(例如，>80％)衍射到反射一级衍射方向，同时将指定波段的光的正交偏振透射到零级方向。BPG 101和BPG 102还被配置为可透射任何偏振的另一波段的光(在以下关于可见光的示例中描述)。
LC单元103具有由施加到LC层的电信号所控制的两种状态：在第一状态(例如，“接通”状态)中，LC单元103的净延迟效应足以将不可见光从一个圆偏振旋向性转换成其正交旋向性(例如，半波(λ/2)延迟)；并且在第二状态中，净延迟不会明显改变不可见光的偏振(例如，零波延迟)。虽然本文主要将LC单元103描述为单个元件开关，但是本公开的实施例不限于此。例如，LC单元103可以是还包括一个或多个双折射补偿膜以改善延迟行为的子组件。
BPG 101和BPG 102被配置为用作波长选择反射偏振器，基于其偏振将不可见光衍射到一级方向，同时透射可见光。图1A至图1D的光学快门配置100、100'被配置为对入射在BPG 101上的非偏振输入光(可见的和不可见的)进行操作。可见光透射通过所有三个元件101、103、102，而基本上不改变偏振和/或传播方向(即，除了可能由界面菲涅耳反射和/或快门元件的吸收引起的附带损失)，与LC单元103的状态无关。不可见(例如，UV或IR)光的一个偏振(示为左旋圆偏振)被BPG 101从LC单元103强烈地反射到一级衍射方向，而正交圆偏振(示为右旋圆偏振)透射到LC单元103中。
取决于光学快门100、100'的电子状态，对于由BPG 101透射的不可见光有两种行为是可能的。如图1A和图1C所示，在第一状态(其中LC单元103处于“关断”状态)中，LC单元103不改变通过其中的光的偏振，并且因此从LC单元103输出的不可见光具有右旋圆偏振。BPG 102被配置为在基本上不改变传播方向和/或其偏振的情况下使不可见光的右旋圆偏振与可见光(与其偏振无关)同时透射通过BPG 102，从而响应于LC单元103的状态提供可见光和不可见光(特别地，不可见光的右旋圆偏振)作为光学快门100、100'的输出。如图1B和图1D所示，在第二状态(LC单元103处于“接通”状态)，LC单元103改变通过其中的光的偏振，因此从LC单元103输出的不可见光具有左旋圆偏振。BPG 102被配置为将不可见光的左旋圆偏振强烈地反射到反射一级方向(例如，通过LC单元103和第一BPG 101返回)，从而抑制从光学快门100、100'输出的不可见光。在一些实施例中，倾斜角和/或光栅周期方位角方向被配置为使得BPG 101不将从第二BPG 102接收到的光反射回到LC单元103中。
图2A和图2B是图示了根据本公开的另外的实施例，提供光学快门的光学元件200中的层的布置的示意图。如图2A和图2B所示，光学元件200包括分别处于第一状态和第二状态(例如，LC单元103处于关状态和开状态)的图1C和图1D的单片结构100'。图2A和图2B的实施例分别与图1C和图1D中所示的类似地操作，并且还包括光束收集器204或其它被配置为限制不可见光传播到光学元件200外部的光阻挡结构。更具体地，在LC单元103的关断状态(如图2A所示)和LC单元103的接通状态(如图2B所示)中，由BPG 101衍射到反射一级方向的不可见光(这里，不可见光的左旋圆偏振)被光束收集器204收集或以其他方式阻挡传播到元件200之外。更一般地，图2A和图2B图示了光阻挡结构204可以被布置在反射一级衍射方向上，以防止光的指定波段的反射偏振泄漏到设备200之外。
图3A至图3C图示了根据本公开的一些实施例，提供集成的深度传感器和照片-视频相机的光学元件300、300'中的层的布置，在本文中也称为多光谱光学成像检测器。特别地，图3A至3C的示例图示了限定图1A到1D的光学快门100、100′的元件101、103、102，光学快门100、100′被布置为引导指定工作波长范围或波段的光朝向(在图3A中)或远离透镜304(在图3B中)。透镜304，在一些实施例中可以是GP元件(诸如几何相位透镜)，被配置为将从光学快门100、100'输出的光聚焦或以其他方式引导到图像传感器305上，该图像传感器305作为示例被示出为CMOS图像传感器。透镜304和图像传感器305在本文中可统称为相机，其中透镜304被布置为将来自几何相位元件(例如，下文描述的第二BPG 102或PG 402)的光引导到图像传感器305。图3C示出了一种配置，其中光学元件的层(101、103、102，以及可选地，304)顺序地彼此直接堆叠以限定单片结构300'；然而，应当理解，在一些实施例中，(例如，在两个或更多个层之间)可以存在中间层(例如，透明间隔层和/或电极层)。
图像传感器305可操作以检测或捕获多个波段的光。例如，图像传感器305可以被配置为检测可见光谱内的可见光(例如，具有在约400nm与约700nm之间的波长的光)和IR光(例如，具有约700nm至约1000nm或更大的波长的光)以从两者中产生图像。在一些实施例中，除IR光检测之外或作为IR光检测的替代，图像传感器305可操作以检测具有小于400nm的波长的光(例如，UV光)。更一般地，图像传感器305可以被配置为检测多个波段中的光，包括可见光谱内和/或可见光谱外的波段。在一些实施例中，图像传感器可以表示由多个图像传感器定义的像素的子像素，例如红色、绿色或蓝色子像素。如此，在一些实施例中，图像传感器305可以在其上包括红色、绿色或蓝色滤色器。虽然参考附图中的CMOS图像传感器进行说明，但是应当理解本公开的实施例不限于特定类型的图像传感器。例如，在一些实施例中，图像传感器305可以是电荷耦合器件(CCD)传感器。
第一偏振光栅101，处于“接通”状态的可切换光学层103，和/或第二偏振光栅102可以被配置为改变在指定工作波段内的入射光(在本文的示例中为不可见光，包括IR光或UV光)的偏振，但是可以允许在其工作波长之外的光(在本文的示例中为可见光)不受影响地通过。第一偏振光栅101和第二偏振光栅102还被配置为改变入射光的传播方向，该入射光的传播方向在其指定的工作波段内。具体地，第一偏振光栅101和第二偏振光栅102被配置为将入射光衍射到具有不同传播方向的零级和非零级(例如，第一级)光束。
尽管本公开的实施例不限于任何特定类型的衍射层，但是在本文描述的示例实施例中，GP元件101和102由PG实现，并且具体地由布拉格PG实现。布拉格PG可以以高的衍射效率(例如，大约或高达100％)提供更高的角度带宽(支持通常的照片-视频或深度传感器的全视场)和大的衍射角(例如，在零级光束和第一级光束之间高达约90°或更大)。在一些实施例中，一种或多种布拉格PG可以使用LC材料形成，例如在Escuti等人的美国专利号10,859,740中所述，其公开内容通过引用并入本文。布拉格PG可以使用本体，手性向列液晶聚合物(LCP)网络材料(也被称为反应性液晶元)形成。在一些情况下，布拉格PG可以被称为偏振体积光栅(PVG)，以及其它名称。
可切换光学层103的状态(例如，“接通”或“关断”)可由一个或多个外部控制器或处理器控制。在一些实施例中，可切换光学层103可以使用LC材料形成，例如在Escuti等人的美国专利号8,537,310中所描述，其公开内容通过引用并入本文。根据本公开的实施例，可以使用的LC材料包括但不限于扭曲向列，垂直对准，蓝相等，而不限于本文所述的指定“接通”(半波延迟)或“关断”(零延迟)状态。
如图3A和图3B所示，在操作中，布拉格PG 101是反射光栅，这意味着光谱带宽可以相对较小或较窄(例如，工作波段可以是大约50nm或更小，例如大约25nm或更小)，但是角度带宽(衍射效率高的视场)相对较高。更一般地，PG 101的光谱带宽可以基于期望的光发射源(例如激光器)的光谱带宽来配置，考虑由于温度引起的发射源的光谱输出的漂移。
在图3A和图3B的示例中，布拉格PG 101接收非偏振的输入光(在指定的波段内和在指定的波段外)，并将指定的波段内的光的第一偏振(在该示例中为左旋圆偏振，LHC)反射或衍射为一级光束(标记为“混合偏振”)，同时将指定的波段内的光的第二不同的偏振(例如，正交偏振)(在该示例中为右旋圆偏振，RHC)作为零级光束透射到可切换光学层103(例如，半波(λ/2)LC开关)。在本文的示例中，作为示例参考不可见(例如，IR)光和圆偏振(LHC、RHC)描述指定波段内的光，但本文所述的光学元件/层可以被配置为基于其各自的特性(例如，光栅倾斜角，周期，厚度和/或手性扭曲)在任何指定波段和/或偏振上操作。
在图3A中，可切换光学层103是处于“关断”状态(例如，没有电压施加其上)的LC单元。LC分子的取向为使得在指定波段内的RHC偏振的不可见光以其偏振未改变的方式通过λ/2LC单元103，并且落入射在布拉格PG 102上。布拉格PG 102可以与布拉格PG 101相同，但是可以绕光轴旋转180度(即，相对于布拉格PG 101反平行取向)。指定波段内的RHC偏振的不可见光以其偏振和传播方向基本不变的方式通过布拉格PG102，并被透镜304聚焦或以其它方式导向图像传感器305。如本文示例中所示，光学元件的层被配置为使得“白色”可见光(例如，具有约400nm到约700nm的波长)将基本上不受影响地穿过层堆叠100、100′，使得透镜304还可以聚焦或以其它方式引导可见光以用于由图像传感器305成像。
因此，在图3A中，图像传感器305被配置为基于指定波段内的不可见光(例如，IR光)和可见光来生成图像。针对结构化光深度感测应用，可使用数学帧减法来减小来自IR信号的白色可见光的影响，如下文更详细地描述。对于飞行时间深度感测应用，白光将基本上是恒定信号，并且如此可以从IR调制信号中被滤除。
在图3B中，类似于图3A，布拉格PG 101将指定波段内的LHC偏振的不可见光(例如，IR光)衍射远离透镜304/图像传感器305(例如，衍射到反射一级光束)，并将指定波段内的剩余RHC偏振的不可见光透射到λ/2LC开关103。可切换光学层103处于“接通”状态(例如，有电压被施加于其上)，使得穿过其中的RHC偏振的不可见光的偏振被转换成指定波段内的LHC偏振的不可见光。更具体地，λ/2LC单元103中的LC分子的取向可将RHC偏振的不可见光延迟半波长λ/2(即，延迟180°)，以提供入射在布拉格PG 102上的指定波段内的LHC偏振的不可见光。布拉格PG 102被配置为将指定波段内的LHC偏振的不可见光衍射远离透镜304/图像传感器305(例如，衍射到反射一级光束)。布拉格PG 102可以以高达100％的效率衍射入射偏振光束，使得基本上指定波段内的所有不可见光被引导远离透镜304，并且因此远离图像传感器305。此外，由于相对于布拉格PG 101的反平行取向，布拉格PG 102可以将LHC偏振IR光完全衍射远离光学元件300、300'(例如，以基本上“偏离布拉格”的角度，即，有意地以不受光栅101和/或102影响的角度)，以减少和/或避免在光学元件300、300'内的进一步传播。
更一般地，第一GP元件或偏振光栅101，可切换光学层103和第二GP元件或偏振光栅102的布置被配置为根据可切换光学层103的状态将光的第一波段(例如，IR光或在可见光谱之外的其他光)朝向或远离图像传感器引导到不同方向或角度。
在一些应用中，为了将虚拟对象编程为与地形正确地交互，表面重构可能是必要的，这可以被称为重合表面重构。在远程呈现应用中，将深度传感器信息与照片-视频相机的彩色图像组合可能是有利的，使得图像可被发送到第三方并被完全重构。这可以被称为利用深度信息“覆盖”彩色图像。例如，图像覆盖可用于航空应用，由此航空照片覆盖在3-D地图信息之上。
在本公开的实施例中，相同的光学元件用于在相同的图像传感器上使IR光和可见光成像。这样，彩色图像数据(来自可见光)可以作为成像过程的一部分被捕获，并且深度信息或数据(来自IR光)也与彩色图像一致，即，没有视差或位移误差要考虑。
本公开的一些实施例可以利用顺序捕获的重合图像数据用于帧对帧图像相减。例如，图像传感器305可以被配置为例如在连续的图像帧中顺序地捕获组合的颜色和深度图像数据(基于捕获可见光和不可见光，如图3A所示)和彩色图像数据(基于仅捕获可见光，如图3B所示)。信号处理器可以被配置为通过从组合的彩色和深度图像数据(在图3A中被捕获)中减去彩色图像数据(在图3B中被捕获)来计算深度图像数据(例如，基于IR或其他不可见光)。
作为另一示例，图像传感器305可以被配置为与被配置为输出IR或其它不可见光的照明源(例如，下文描述的照明源600或800)的激活及去激活协作来顺序地捕获组合色彩及深度图像数据(例如，在连续图像帧中)。信号处理器可以被配置为基于分别在照明源接通和关断的情况下捕获的图像帧的组合的彩色和深度图像数据的相减来计算深度图像数据(例如，基于IR或其他不可见光)。
在每个像素(例如，红色，绿色和蓝色子像素)包括多个图像传感器的实施例中，深度信息可由多个子像素捕获(例如，由于红色，绿色和蓝色子像素中的每一者中的IR光泄漏)，该多个子像素可提供具有比照片-视频图像更大分辨率的IR图像(由于红色，绿色和蓝色子像素中的每一者仅检测可见光的部分)。
a.本公开的实施例还可以提供被配置为改变深度传感器的能视域(例如，视场)的光学元件。特别地，虽然以上参考地形的深度图像捕获进行了描述，但是能够在期望的方向上“指向”相机以改变视场(例如，在AR眼镜中，向下指向深度相机图像以捕获手势)可能是有利的。在一些实施例中，不是生成大得多的深度视场来覆盖这个，可以通过在光学元件的层堆叠中添加一对或多对交替的PG和LC开关来使IR光(或更一般地，可见光谱之外的光)的视场向下偏置。
图4A、图4B和图4C图示了根据本公开的一些实施例，包括提供具有可变能视域的集成深度传感器和照片-视频相机的光学元件的布置的多光谱光学成像检测器。光学元件400、400'包括由布拉格PG101，LC单元103和布拉格PG 102实现的第一偏振光栅、可切换光学层和第二偏振光栅，类似于参考图1A至图1D讨论的配置。光学元件400、400'还包括第二可切换光学层403和GP元件，作为示例示出为第三偏振光栅402，其用作透射光栅。偏振光栅402可以被配置为改变具有第一偏振的指定波段内的光的方向(例如，LHC光)但是可以不改变具有第二、不同偏振(例如相反或正交偏振)的指定波段内的光的传播方向。透镜304(也可以是GP元件，诸如几何相位透镜)被配置为将光聚焦或引导到图像传感器305上，该图像传感器305作为示例而不是作为CMOS图像传感器的限制示出。图4A图示了处于第一(“关断”)状态的可切换光学层403，其不影响通过其中的光的偏振，而图4B示出了处于第二(“接通”)状态的可切换光学层403，其改变了在指定波段内通过其中的光的偏振。图4C示出了一种配置，其中光学元件的层(101、103、102、403和402，以及可选地，304)顺序地直接彼此堆叠以限定单片结构400'；然而，应当理解，在一些实施例中，可以存在(例如，在两个或更多个层之间)中间层(例如，透明间隔层和/或电极层)。
如图4A和图4B中所示，在操作中，布拉格PG 101和102是反射光栅，其每一者被配置为通过根据可切换光学层103的状态将指定波段内的光(例如，不可见光，诸如IR光)衍射到朝向或远离图像传感器305的不同方向或角度来阻挡或防止指定波段内的光(例如，不可见光，例如IR光)透射进入相机透镜304，如上文参考图1A和1B所述。该光学元件还包括第二可切换光学层403(例如，λ/2LC开关)和第三PG 402，该第二可切换光学层403在“关断”状态(如图4A所示)下不影响从布拉格PG 102接收的入射光(图示为RHC偏振的不可见光)的偏振。在“接通”状态下(如图4B所示)，第二可切换光学层403将入射光转换为正交偏振(图示为将指定波段内的RHC偏振光延迟半波长λ/2(即延迟180°)，以提供指定波段内的LHC偏振的不可见光)，用于输入到第三PG 402。
第三PG 402是被配置为在一个或多个方向上衍射视场的透射光栅。特别地，第三PG 402可以被配置为分别响应于第二可切换光学层403的状态，在第一方向上将指定波段内的光的一个偏振衍射或以其他方式引导到图像传感器305，以限定第一视场，并且在第二不同方向(例如，基本上影响或不影响传播方向)上将指定波段内的光的另一(例如，正交)偏振衍射或以其他方式引导到图像传感器305，以限定第二视场。
在图4A和4B的示例中，第三PG 402被配置为当第二可切换元件403处于“关断”状态时透射指定波段内的RHC偏振光以限定图像传感器305的一个视场，并且当第二可切换元件403处于“接通”状态时改变指定波段内的LHC偏振光的传播方向(并且因此相对于指定波段内的不可见光改变图像传感器305的视场)。更详细地，透射光栅402的角度带宽可以被配置为至少与传感器透镜304的视场一样大。透射光栅402的入射角可以基本上是离轴的，以处于“正常”(例如，在没有如本文所述的光学元件的情况下)传感器视场的外部，或者稍微与正常传感器视场重叠。如图4B所示，基于或响应于第二可切换元件403的状态，来自该较宽视场的光可以朝向传感器透镜304的光轴衍射。例如，在AR眼镜应用中，如上所述，可以将深度图像引导到佩戴者的手用于姿势识别。
在一些实施例中，透射光栅402可以实现为布拉格PG。其它光学层也可以用作透射光栅402，包括非布拉格PG(例如Raman-Nath PG)或几何相位全息图(GPH)，包括那些可能不是由液晶材料制成的几何相位表面或元件，例如电介质或等离子体元表面。而且，尽管图示为包括单个可切换光学元件403和透射光栅402对，一些实施例可以包括多对可切换元件403和透射光栅402，使得可以在房间周围扫描深度图像并增加系统(诸如图7A到10B所示的系统)的有效视场。同样地，虽然参照用于在一个维度(例如，方位角或水平维度)上改变视场的操作来说明，但是应当理解，本文所描述的实施例可以类似地用于在另一维度(例如，仰角或垂直维度)和/或在多个维度上改变视场(例如，通过使用多对可切换元件403和透射光栅402，每对可切换元件403和透射光栅402被配置为在各自维度上改变视场)。
本公开的实施例可以提供优于一些常规布置的显著优点。例如，如本文描述的波长选择性衍射元件(例如GP元件，包括BPG)可以被配置为允许可见光的传播基本上不受光学快门元件的影响，并且因此可以维持高透射率(例如，由于GP元件的高衍射效率，大约或高达100％)，这与一些常规布置相反。另外，如本文所述的一些反射BPG布置可以消除对光阻挡特征或元件的需要以防止不期望的偏振和/或波段的光到达相机，并且可以不需要非偏振输入光。而且，如本文所述，帧对帧减法可用于确定或隔离指定波段内的信号(例如，IR信号)，该帧对帧减法可以更稳健且可提供改进的对比度，尤其在IR信号检测应用中(与可能依赖于IR信号阻挡的一些常规布置相比)。
图5A、图5B和图5C图示了根据本公开的一些实施例，包括提供可变能视域(独立于组合的照片/视频和深度图像传感器应用)的光学元件的布置的多光谱光学成像检测器。光学元件500、500'包括可切换光学层403和用作透射光栅的偏振光栅(或几何相位全息图)402，类似于以上参考图4A至图4C所讨论的。光学元件500、500'还包括偏振器元件401-1和延迟器元件(图示为四分之一波长(λ/4)延迟器)401-2，延迟器元件401-2被定位为接收非偏振的入射光并提供入射在可切换光学层403上的期望偏振的偏振光(参考线偏振光示出)。虽然图示为在偏振器401-1和可切换光学层403之间，但是在一些实施例中延迟器元件401-2可以设置在可切换光学层403和PG 402之间。透镜304(其也可以是GP元件，诸如几何相位透镜)被配置为将光聚焦或引导到图像传感器305上，该图像传感器305作为示例而不是作为CMOS图像传感器的限制示出。
图5A图示了处于基本上不影响通过其中的光的偏振的第一(“关断”)状态的可切换光学层403，而图5B示出了处于改变通过其中的光的偏振的第二(“接通”)状态的可切换光学层403。图5C图示了(401-1、401-2、403、和402，以及可选地，304)光学元件的层顺序地直接彼此堆叠以限定单片结构500’的构造；然而，应当理解，在一些实施例中，可以存在(例如，在两个或更多个层之间)中间层(例如，透明间隔层和/或电极层)。
如图5A和图5B所示，在操作中，偏振器401-1和延迟器元件401-2用于对可切换光学层403和透射光栅402的光进行预处理，以促进能视域的切换。如类似地参考图4A所讨论的，可切换光学层403(例如，λ/2LC开关)不影响从延迟器401-2接收的入射光的偏振(图示为指定波长范围内的RHC偏振光；这里，在“关断”状态(如图5A所示)下是不可见的(例如，IR光)，并且透射光栅402响应于可切换光学层403的“关断”状态，将指定波段内的RHC偏振光朝向第一方向上的图像传感器305衍射或以其他方式引导到透镜304以限定第一视场。
在“接通”状态下(如图5B所示)，可切换光学层403将入射光转换为正交偏振(图示为将RHC偏振光延迟λ/2(即，延迟180°))以提供指定波长范围内的LHC偏振光，其由透射光栅402(如上所述，其可由GP元件或PG(例如布拉格PG)实施)衍射以改变指定波段内的LHC偏振光的传播方向朝向第二不同方向上的图像传感器305以界定响应于可切换光学层403的“接通”状态的第二视场。虽然没有具体示出，但是一个或多个附加的衍射层402和可切换光学层403对可以被包括在光学元件500、500'中，并且类似地操作以提供不同于第一视场和第二视场的相应视场。图5A和5B的实施例可以因此用于增加任何图像传感器的有效能视域(由各个视场共同定义)，包括(但不限于)头部跟踪传感器。
本公开的一些实施例可以在相机前面提供可切换的“窗口”。可切换窗口可以用于例如减小带内激光的损害，例如相对于佩戴者的眼睛(在眼镜应用中)或其它传感器。本文所描述的这种可切换窗口不需要是二进制的，因为LC开关不必完全从一个偏振状态切换到正交状态，并且可以用于调制通过的光信号。
应理解，虽然本文参考基于RHC偏振光和不可见(例如，IR)波段的操作进行描述，但本公开的实施例不限于基于任何指定偏振状态或波段的操作。例如，本文描述的层和/或元件可以被配置和布置为使得由本文描述的任何PG衍射的光的偏振状态可以是正交偏振状态，并且LC开关可以相应地被配置和布置为朝向或远离图像传感器衍射期望光谱范围的光。例如，在图3A和图3B中，布拉格PG 102可以被配置为响应于LHC偏振光而操作，使得光学元件/堆叠将LHC偏振IR光反射/衍射远离图像传感器305，直到LC开关103转变到“接通”状态。
参考图6A至图10B的系统说明本公开的另外的实施例。尽管参考AR应用说明了这些系统，但是应当理解，本公开的实施例决不限于这些应用，而是可以用于各种其他应用，包括但不限于自动车辆或无人机。
图6A和图6B图示了根据本公开的一些实施例，提供具有可变能视域的集成光源、深度传感器和照片-视频相机的光学元件600、600'中的层的布置。例如，图6A或图6B的光学元件600、600'可以被实现为在一对AR眼镜中提供相机和飞行时间深度传感器的集成。
如图6A所示，光学元件600包括偏振器元件401-1、延迟器元件401-2(例如，λ/4延迟器)，该延迟器元件401-2被定位成接收非偏振的入射光并提供入射在可切换光学层403(例如，λ/2LC开关)上的期望偏振的偏振光，用作透射光栅的偏振光栅(或几何相位全息图)402，以及被配置为将光聚焦在图像传感器305上的透镜304，(作为示例而非作为CMOS图像传感器的限制示出)上，类似于以上参考图5A至图5C讨论的实施例500、500'。该光学元件还包括光源605(例如，被配置为发射超出可见波长范围的光，例如IR光源)和GP元件或偏振光栅602，该GP元件或偏振光栅602被定位成接收穿过LC开关403之后从光源发射的光。GP元件602可以具有一般的相位轮廓，或者可以是具有线性相位轮廓的偏振光栅(例如布拉格PG)，或者可以是一系列GP元件(诸如PG的堆叠)。在飞行时间深度传感器应用中，光源605和传感器305可以被定位在一对AR眼镜(例如，图7A和图7B中所示的AR眼镜)的同一侧，以减小或最小化电集成。
在图6A的示例系统中，集成光源和相机600利用相同的LC开关403，该LC开关403用于改变图像传感器305的视场(如图5A和图5B所示)，从而也改变从光源605发射的光的偏振。这样，取决于共享LC开关403的状态(其在“接通”状态下改变来自光源的光发射的偏振)，GP元件602或者将光发射引导到第一方向(或者未改变地通过)或者将光发射重定向到第二方向(根据其偏振)，同时还控制返回光到图像传感器305的重定向。即，LC开关403和GP元件602的组合可以基于光学层403的状态与图像传感器305的视场同步地改变光源605的照明场。
应当理解，附加的可切换光学层和GP元件对可以堆叠在所示的层上，以控制光发射向不同方向/角度的传播，并且因此允许根据各自可切换光学层403的状态在多个照明场和/或视场(在图7B中作为示例示出为3个照明场和3个视场)之间切换。例如，图6B图示了集成的光源和相机600'，该集成的光源和相机600'包括被定位在光源605与LC开关403和GP元件602之间的附加元件对(特别地，GP或PG元件601和LC开关603)，以响应于LC开关403和603的状态提供附加的照明场。另外一对元件(特别地，GP或PG元件606和相同的LC开关603)被定位在图像传感器305和PG 402之间，以响应于LC开关403和603的状态提供另外的视场。在图6B的集成光源和相机600'中，衍射元件601和606可以被配置为产生一致的或对应的照明场和视场，并且衍射元件602和402可以被配置为产生一致的或对应的照明场和视场。
在一些实施例中，GP元件602或601中的一个或多个还可以并入透镜光焦度(例如，GP元件可以具有非线性相位轮廓)以将来自光源的光成形为任何期望的图案(例如，将光扩散到传感器的视场中)。此外，可以采用掩模或光阻挡(例如，图2A和图2B的元件204)来减少或防止光发射被反射回图像传感器305。在一些实施例中，这种掩模或光阻挡可以实现为光源出口处的单独窗口，这也可以防止指纹污染共享LC开关403。
图7A和图7B图示了根据本公开的一些实施例，被配置用于可变能视域应用(诸如飞行时间深度传感器应用)的示例系统700。特别地，图7A和图7B图示了图6A或图6B的集成光源和相机600、600'在限定一对AR眼镜的框架或形状因数699中的实现。如图7B所示，根据本公开的实施例，从光学元件600、600'的光源605发射的光可以被引导通过多个不同的照明区域，如A、B和C所示。由图7B的光学元件600、600'引导到图像传感器305的返回或反射光的视场被示为A'、B'和C'。如图7B所示，当同一可切换光学层403和/或603控制光源605和图像传感器305的视场时，两者的操作被同步或协调，使得由光源605发射的光的照明场对应于由图像传感器305基于LC开关403和/或603的状态检测的视场。例如，在图7A-7B的配置中，当LC开关403处于“关断”状态时，可以控制照明场A(和相应的视场A')，并且当LC开关403处于“接通”状态时，可以控制照明区场B(和相应的视场B')或照明场C(和相应的视场C)。如上所述，可以堆叠附加的可切换光学层和GP元件对，以允许在一个或多个维度(例如，方位角和仰角)上在附加的照明场/视场之间切换。
图8是示出根据本公开的一些实施例，提供具有可变照明场的照明源的光学元件800中的层的布置的示意图。图9A和图9B示出了根据本公开的一些实施例，被配置用于结构化光深度传感器应用的示例系统900。在图9A和图9B的示例中，本文所述的光学元件提供相机和结构化光深度传感器在一对AR眼镜中的集成。
如图9A和图9B所示，系统900包括光学元件/传感器500'(如上参考图5A和图5B所述)，光学元件/传感器500'位于AR眼镜框架699的一侧。系统900还包括位于AR眼镜框架699的相对侧上的光学元件/照明源800。
如图8所示，光学元件/照明源800包括被配置为发射可见波长范围之外的光的光源605(例如，IR光源)。光学元件800可以输出具有结构化光图案的光，并且可以包括一对或多对可切换光学层603(其被配置为在接通和关断状态之间切换以改变光发射的偏振)，以及GP元件或偏振光栅601(其被配置为不同地改变来自光源605的光发射的偏振和/或传播方向(其可以取决于可切换光学层603的状态))。光学元件/照明源800的光源605、可切换层603和GP元件601可以被定位成与光学元件/传感器500'间隔开(例如，在AR眼镜框架699的相对侧上)。GP元件601可以具有一般的相位分布，或者可以是具有线性相位分布的偏振光栅(例如布拉格PG)，或者可以是一系列GP元件，诸如PG的堆叠。
在结构化光应用中，光源605和图像传感器305之间的距离或间隔引入了返回信号的视差，这可能是观察深度所必需的(即，光源605和图像传感器305可以不同轴地定位在结构化光深度传感器中)。更一般地，在结构化光应用中，光源605/发射器800和图像传感器305/检测器500'之间的分离对于视差的检测可能是有利的；然而，应当理解，这种分离不需要在系统的末端上(例如，在AR眼镜框架699的相对侧或末端上，如图9A和9B所示)，而是可以在系统的同一侧上或以其它更接近的方式更适当地分离。
具体地，在图9A-9B的示例系统900中，控制光学元件/照明源800的LC开关603的状态以与光学元件/传感器500'的LC开关403同步，使得光学元件/照明源800的相应照明场(A、B、C)对应于光学元件/传感器500'的相应视场(A'、B'、C')。在一些实施例中，可以使用单个照明场和视场。在其他实施例中，可以堆叠多对LC开关和GP元件层，以取决于各个LC开关(例如，603、403)的状态在多个光源照明场和相应的传感器视场(在图9B的示例中示出为3个照明场/视场)之间提供切换，从而有效地允许传感器500'和照明源800的“扫描”以增加覆盖区域。
在一些实施例中，照明源800的一个或多个GP元件可以并入透镜光焦度(例如，GP元件601可以具有非线性相位轮廓，该非线性相位轮廓具有非线性地变化的相应光轴取向)以将来自光源605的光成形为任何期望的图案(例如，将光扩散到传感器的视场中)。在一些实施例中，GP元件601可以并入衍射光栅(例如，可以具有线性相位轮廓，该线性相位轮廓具有线性变化的相应光轴取向)，该衍射光栅被配置为以结构图案提供光发射，例如，使得入射在前方地形中的物体上的光利用一系列点或线或可以从传感器图像处理的任何形状照亮，使得深度可以被确定。
而且，光学元件/照明源800可以包括被配置为提供第二、不同衍射图案的另外一对LC开关和GP元件。例如，来自光源605的光发射可以利用第一衍射图案衍射，以提供具有一系列点的第一照明图案，并且可以利用第二衍射图案衍射，以提供具有填充第一图案间隙的类似的一系列点的第二照明图案，例如以交替的方式。这样的多个照明图案可以允许在第一图像和第二图像之间实现高分辨率深度图像，同时允许处理算法或电路更容易地区分各个照明图案(例如，区分单个更稀疏的图案与更密集的图案)中的特征(例如，点)。这种实现方式的益处可以包括低分辨率相机的相对低的成本，以及相机和透镜的相对小的尺寸。例如，如果不使用照片摄像机，则摄像机的分辨率可能不太重要。即，本公开的实施例可以被配置为改变结构化光图案的发射以使照明的第一图案与照明的第二图案交错以增加捕获各个图案的图像的分辨率，同时减少图案相关中的模糊(与较高分辨率图像或图案相比)。
在本公开的另外实施例中，传感器图像可用于SLAM跟踪以及深度感测。例如，代替使用另一对LC开关和GP元件(如上所述)来提供第二衍射图案，另一对LC开关和GP元件可以提供平面照明图案(例如，利用IR光均匀地照明地形的非结构照明图案)。所得到的图像可以提供灰度图像，SLAM处理算法或电路可以使用该灰度图像来检测连续图像帧之间所捕获图像的纹理和特征的变化。也就是说，本公开的实施例可以被配置为使用本文描述的切换配置将光发射从均匀图案改变为结构化图案(或反之亦然)，使得结构化光传感器的功能可以与SLAM头部跟踪组合。更一般地，通过本公开的实施例可以实现多于两种类型的相机/传感器的集成(例如，照片-视频相机，深度传感器和SLAM相机的集成)。
仍然参考图9A至图9B，从光学元件/照明源800发射的在三个不同照明场之上的光被示为A、B和C。由光学元件/传感器500'引导到图像传感器305的返回或反射光的视场被示为A'、B'和C'。如图9B所示，通过分别协调照明源/发射器800和传感器/检测器500'中的相应LC开关603和403的操作，基于照明源堆叠601，603和传感器堆叠401-1、401-2、403、402中的LC开关603和403的各自状态产生照明/检测器视场A/A'、B/B'和C/C'的对应发射器场对。如上所述，可以堆叠附加的可切换光学层和GP元件对，以允许在一个或多个维度(例如，方位角和仰角)上在多于两个照明场/视场之间切换。在一些实施例中，总的照明/视场可能非常大，例如120度的方位角和仰角。由于斜角限制了相机的入射光瞳(影响捕获多少光，即增加系统的有效f数)，较大的照明/视野可能具有局限性。
图10A和图10B图示了根据本公开的一些实施例，被配置用于基于立体相机的深度传感器应用的示例系统1000、1000'。在图10A和10B的示例中，本文中所描述的光学元件500′，800提供立体相机和结构化光深度传感器在一对AR眼镜中的集成。系统1000包括第一照明源800和传感器500'对(也称为800/500')，各自在AR眼镜架699的相对侧或末端(如图9A和图9B中)，与第二照明源800"和传感器500"对(也称为800"/500")组合，各自在AR眼镜架699的相对侧或末端。换言之，图10A和图10B的系统1000、1000'包括成对连接的两个照明源800、800"和两个相机500'、500"，其中第一照明源800与第二传感器500"在同一侧，并且第二照明源800"与第一传感器500'在同一侧。每个光学元件/传感器500、500'可以如上文参考图5A至图5C所讨论的那样操作。每个照明源800、800"可以被配置为以结构化光图案发射可见波长范围之外的光(例如，IR光源)，并且可以包括一对或多对可切换光学层603和GP元件601，该可切换光学层603被配置为在接通和关断状态之间切换以改变光发射的偏振，该GP元件601被配置为以不同方式改变光发射的偏振和/或传播方向(例如，取决于可切换光学层603的状态)，如上文参考图8类似地讨论的。每个照明源800、800"的光源605，可切换层603和GP元件601被定位成与它的成对光学元件/传感器500'、500"隔开(例如，在AR眼镜框架699的相对侧上)。每个照明源800、800"与其成对的光学元件/传感器500'、500"之间的间隔或距离可足以在其间引入视差。
在图10A中，前视光学元件/传感器500、，500'可用于使用立体视觉提供深度信息。即，可以使用基于立体相机的技术来实现被动深度信息。光学元件800、800"、500'、500"的LC开关和GP元件对的数目在框架900的每一侧或末端上可以是相同的，并且可以基于角度和开关对的集合组合来减少每一侧的数目，例如，如图10B所示。特别地，图10B图示了根据本公开的实施例，在四个不同的照明场上从两个照明源/发射器800，800"发射的光，示为A、B、C和D。指向检测器500'、500"的各个图像传感器305的返回或反射光的视场被示为A'、B'、C'和D'。如图10B所示，第一对照明/检测器视场A/A'、B/B'和C/C'的发射器场由AR眼镜框699相对侧上的第一对照明源和传感器800和500'产生，第二对照明/检测器视场D/D'的发射器场由AR眼镜框699相对侧上的第二对照明源和传感器800"和500"产生。
在图10B的示例系统1000'中，第一检测器500'和第二检测器500"向外倾斜(即，朝向AR眼镜框架699的周边)，以便共同限定更宽的总视场A'、B'、C'、D'，从而增加系统的覆盖范围。这种增加的覆盖在SLAM跟踪应用中可能是有价值的，例如，捕获较大的图像或地形的其它较大部分以改善连续跟踪的帧间相关性。在该示例中，第一照明源800和第二照明源800"向内成角度(即，朝向AR眼镜框架699的中心)以共同限定照明场A、B、C、D，该照明场A、B、C、D支持或对应于第一检测器500’和第二检测器500"的视场。
当检测器500'、500"的视场被设置在前向(例如，如图10A的示例系统1000中所示)时，第一(例如，左)检测器500'的视场可以与第二(例如，右)检测器500"的视场重叠，从而可以使用由第一检测器500'和第二检测器500"捕获的图像之间的物体的视差来获得附加的深度信息。对于该功能，可以不需要由第一照明源800和/或第二照明源800"提供的光发射；然而，如果使用来自第一照明源800和/或第二照明源800"的光发射，则由第一照明源800和/或第二照明源800"提供的相应的发射图案可以基本上是均匀的(而不是结构化光图案)，使得由第一检测器500'和第二检测器500"捕获的图像是灰度级或者以其他方式指示可见对象的纹理。
可以提供如本文所述的组合的深度和照片摄像机的光学元件的其它优点可以包括使用外部校准基准进行校准的能力。可以针对角度和像素校准相机，从而可以使用传感器处的目标的夹角和简单的几何结构来计算已知测试图案的深度。可以捕获结构化光图案的视差，并且可以在两次计算之间比较深度估计。在包括立体相机的实施例中，还可以将根据立体视差确定的深度与根据结构化光视差确定的深度进行比较。
尽管在图6A至图10B的示例系统中参考包括光源605，可切换光学层603和GP元件601的元件堆叠进行了说明，但是应当理解，也可以存在诸如附加偏振器，延迟器和/或其它光学层的中间元件。例如，根据GP元件601的特性，可能需要光发射的特定偏振来提供期望的衍射角。如此，如果光源605发射偏振光(例如，其中光源605是激光器或其他偏振光源)，则波片(例如，提供圆偏振的四分之一波片)可以被包括在光源605和可切换光学层603之间，以提供具有期望输入偏振的光发射。同样，如果光源605不发射偏振光(例如，其中光源605是LED或其它非偏振光源)，则可在光源605与可切换光学层603之间包括偏振器以提供具有所需输入偏振的光发射。
已经参考诸如偏振光栅的衍射光学元件描述了本公开的实施例。PG是通过图案化具有光学各向异性的薄膜而形成的衍射光学元件。更具体地，PG具有沿着与光轴本身(例如，X-Y平面)共面的至少一个方向线性变化(例如，
Figure BDA0003847159850000341
)的局部光轴，并且具有均匀的各向异性幅度等特征。PG可以提供高衍射效率，有限的衍射级和/或偏振选择性。使用光配向和液晶(LC)材料，可以在可切换和可聚合LC中高质量地制造PG。在后一种情况下，PG可以形成为具有单个配向层的LC的多个子层。通过将手性掺杂剂添加到反应性介晶(也称为低分子量可聚合LC(LCP))中，可实现各层中的手性扭曲。该手性扭曲可用于定制高衍射效率的带宽。
光与衍射光栅的相互作用可受到材料和几何参数的复杂组合的影响。在衍射光栅领域中通常使用无量纲参数Q来识别特定光栅配置的光学行为的状态。
Q＝2πλd/Λ2n
其中λ是光的真空波长，d是光栅厚度，Λ是光学元件的光栅周期(即，节距)，并且n是平均折射率。在该框架中，布拉格区可以被定义为Q>1，Raman-Nath区可以被定义为Q<1，并且Q～1可以指具有这两种特性的混合区。
本文所述的实施例提供具有高达约90°(即，λ接近Λ)的大衍射角Q和高效率的PG。布拉格PG可以由具有光栅周期Λ、厚度d和/或平均折射率n的材料(例如LC材料)形成，选择这些材料使得对于工作波长达到布拉格条件(Q>1)是可能的。布拉格PG是指工作在布拉格状态的偏振光栅，该布拉格PG具有较高的衍射效率(与一些非布拉格PG相比)，并被设计为在单个衍射级(而不是一些非布拉格PG的多个衍射级)操作。布拉格PG可以被配置为将指定工作波长内的光衍射到彼此成大于约45°，彼此成大于约60°，或彼此成高达约90°的方向，在本文中也称为角距。更具体地，本发明的实施例可以采用多个堆叠的双折射子层(各自具有的厚度可以小于通过其中的光的工作波长)，单独地涂覆和聚合，以实现布拉格区所需的大厚度。
在一些实施例中，布拉格PG可以使用本体向列LC层形成，其可以被描述为聚合的反应性LC单体层或LC聚合物(LCP)层。LCP层不同于常规液晶聚合物。在本发明的一些实施例中使用的LCP薄膜包括低分子量的反应性LC分子，其通过在其上涂布或以其它方式形成它们的表面的特性来配向，并且随后聚合成刚性聚合物网络以根据配向固定光轴取向。特别地，布拉格PG的周期性图案可以被记录到光配向层的表面中，而不是直接记录到LCP层的表面中。相反，一些常规液晶聚合物可以是具有液晶组分的高分子量聚合物，并且布拉格PG的周期性图案通常被直接记录到材料中，例如经由光诱导的分子重排。
几何相位(GP)元件是具有光轴取向的衍射各向异性光学元件，所述光轴取向在一个或多个维度上和/或以任何方式变化，包括但不限于线性，非线性和连续或不连续的光轴变化，从而以控制几何相位(或由偏振状态的变化引起的Pancharatnam-Berry相位)而不是动态相位(由光程长度差效应引起)的方式影响入射光的偏振。
GP元件可以被认为是偏振光栅的更复杂的版本，该GP元件沿着其表面具有其光栅周期Λ的一维或二维变化。从另一观点来看，PG可以被认为仅仅是GPH的特定例子，实现线性相位轮廓，例如
Figure BDA0003847159850000361
或
Figure BDA0003847159850000362
其中Λ是恒定光栅周期。在一些实施例中，作为沿着几何相位元件表面位置的函数的一个或多个维度中的局部光轴取向的非线性变化(例如，
Figure BDA0003847159850000363
)可以限定具有连续变化的周期性的图案，使得GP元件的总体效果可以是提供透镜效果。
在一些情况下，变化的光轴取向可以通过使用全息技术图案化记录介质或其它对准面来产生，在这种情况下，GP元件可以被称为几何相位全息图(GPH)元件，或简称为GPH。然而，本文所述的几何相位元件也可通过各种方法产生，包括全息干涉和各种其它形式的光刻，因此，本文所述的“全息图”不限于通过全息干涉或“全息术”的产生。
本文参考液晶(LC)材料描述本发明的实施例。如本文所用，液晶可具有向列相、手性向列相、近晶相、铁电相和/或另一相。此外，许多可光聚合的聚合物可用作配向层以产生本文所述的GP元件。
应当理解，如本文所使用的，术语“延迟器”和“波片”可互换使用，并且以下附加术语也被认为是等效的，除非另外指明：任何单轴、双轴或不均匀的“延迟片”、“补偿膜”和“双折射片”。本文所述的延迟器可以是宽带的(即，消色差的)或窄带的(即，彩色的)。因此，本文所述的延迟器可以经由光学旋转或双折射延迟或其任意组合来实现偏振改变。在一些实施例中，本文描述的延迟器可以不显著影响或改变穿过其中的光的传播方向。在一些实施例中，本文描述的延迟器可以响应于被施加的电压。
应当理解，如本文所使用的，“透射的”或“透明的”衬底或元件可以允许至少一些入射光通过。换言之，本文描述的透射或透明元件不需要是完全透明的，并且可以具有各向同性或二色性吸收特性和/或可以以其他方式吸收一些入射光。在一些实施例中，透明衬底或间隔件可以是玻璃衬底。相反，这里所述的“反射的”衬底可以反射至少一些入射光。
应当理解，抗反射涂层可以施加在与环境介质(例如空气)接触的所有表面上。还应当理解，本文所述的光学元件/层在一些情况下可以层压在一起以限定在元件/层之间没有气隙的整体结构，并且在其他情况下可以被布置为在其间具有气隙。
如本文所使用的，“零级”光可以以与入射光的入射角基本相等或相反的角度传播。相反，“非零级光”(诸如“一级”光)可以以与入射光的入射角不同的角度(例如，在不平行的方向上)传播。如本文所述，“部分准直”光可描述基本上彼此平行传播但可具有一些发散度(例如，光束直径与光源的距离的差异)的光线或光束。
如本文所使用的，“平行”偏振光栅布置包括具有相同双折射n(x)的第一偏振光栅和第二偏振光栅，即，第一偏振光栅和第二偏振光栅各自的双折射图案具有基本上相似的取向。相反，“反平行”偏振光栅布置包括具有相反双折射即n(x)和n(-x)的第一偏振光栅和第二偏振光栅。换句话说，第二偏振光栅具有相对于第一偏振光栅的双折射图案反转或旋转约180度的双折射图案。
本文参考液晶(LC)材料描述本发明的实施例。液晶可以包括其中分子有序排列的液体。通常，液晶(LC)分子可以是各向异性的，具有细长(棒状)或扁平(盘状)形状。由于各向异性分子的有序化，本体LC通常在其物理性质上表现出各向异性，(诸如在其机械、电、磁和/或光学性质上的各向异性)。由于棒状或盘状的性质，LC分子取向的分布在光学应用如液晶显示器(LCD)中起重要作用。在这些应用中，LC配向可以由配向表面决定。可以处理配向表面，使得LC以可控制的方式相对于该表面对准。
而且，“可聚合液晶”可以指可聚合的相对低分子量的液晶材料，并且在本文中也可被描述为“反应性介晶(reactive mesogen)”。相反，“非反应性液晶”可以指可能不聚合的相对低分子量的液晶材料。然而，应当理解，本发明的实施例不限于本文所述的特定材料，而是可以使用如本文所述的起作用的任何和所有材料层来实现。
应当理解，虽然术语第一、第二、第三等在本文中可用于描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应限于这些术语。这些术语仅用于区分一个元件、部件、区域、层或部分与另一个区域、层或部分。因此，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以称为第二元件、部件、区域、层或部分，而不脱离本发明的教导。
本文可以使用空间上相对的术语，例如“在下方”、“以下”、“下面的”、“在下面”、“以上”、“上面的”等，以便于描述一个元件或特征与如图所示的另一个元件或特征的关系。应当理解，空间上相对的术语旨在包括除了图中所示的取向之外的使用或操作中的设备的不同取向。例如，如果将图中的设备翻转，则描述为在其它元件或特征“以下”或“在下方”或“在下面”的元件将定向为在其它元件或特征的“上方”。因此，术语“以下”和“在下面”可以包括上方和下方的取向。该设备可以以其他方式定向(旋转90度或在其他取向)，并且本文使用的空间上相对的描述词被相应地解释。此外，还应当理解，当层被称为“在两层之间”时，它可以是两层之间的唯一层，或者也可以存在一个或多个中间层。
这里使用的术语仅用于描述指定实施例的目的，而不旨在限制本发明。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另外明确指出。还应当理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组群的存在或添加。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。
应当理解，当元件或层被称为“在另一元件或层上”、“连接到另一元件或层”、“耦合到另一元件或层”或“邻近于另一元件或层”时，其可以直接在另一元件或层上、连接到另一元件或层、耦合到另一元件或层或邻近于另一元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在另一元件或层上”、“直接连接到”、“直接耦合到”或“紧邻”另一元件或层时，不存在中间元件或层。
除非另有定义，本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。还应当理解，诸如在常用词典中定义的那些术语应当被解释为具有与它们在相关技术和/或本说明书的上下文中的含义一致的含义，并且将不以理想化或过于正式的意义来解释，除非在此明确地如此定义。
本文结合以上描述和附图公开了许多不同的实施例。应当理解，从字面上描述和说明这些实施例的每个组合和子组合将是不适当的重复和混淆。相应地，本说明书(包括附图)应被解释为构成对本文描述的本发明的实施例的所有组合和子组合以及制造和使用它们的方式和过程的完整书面描述，并且应支持对任何这样的组合或子组合的权利要求。
在附图和说明书中，已经公开了本公开的实施例，尽管采用了指定的术语，但是它们仅在一般和描述性的意义上使用，而不是为了限制的目的，本发明的范围在下面的权利要求中阐述。

Claims (36)

1.一种多光谱光学成像设备，包括：
可切换元件，被配置为在第一状态和第二状态之间切换，其中所述第一状态和所述第二状态中的一者改变光的偏振；以及
几何相位元件，被布置为接收来自所述可切换元件的所述光，其中所述几何相位元件被配置为响应于所述可切换元件的所述第一状态，衍射所述光的第一波段，以基于所述偏振改变所述光的第一波段的传播方向，而基本上不改变所述光的第二波段的传播方向。
2.根据权利要求1所述的多光谱光学成像设备，其中所述几何相位元件被配置为响应于所述可切换元件的所述第二状态，同时透射所述光的所述第一波段和所述第二波段，而基本上不改变所述光的所述第一波段和所述第二波段的传播方向。
3.根据权利要求2所述的多光谱光学成像设备，其中，独立于所述可切换元件的所述第一状态和所述第二状态，所述几何相位元件被配置为透射所述光的所述第二波段，而基本上不改变所述光的所述第二波段的偏振和传播方向。
4.根据权利要求2所述的多光谱光学成像设备，还包括：
至少一个光学元件，被布置为向所述可切换元件提供所述光，使得所述光的所述第一波段包括与第一偏振正交的第二偏振，
其中所述几何相位元件被配置为：响应于所述可切换元件的所述第一状态，衍射所述光的所述第一波段的所述第一偏振，以改变所述光的所述第一波段的所述第一偏振的传播方向，并且
其中所述几何相位元件被配置为：响应于所述可切换元件的所述第二状态，同时透射所述光的所述第一波段的所述第二偏振和所述第二波段，而基本上不改变所述光的所述第一波段的所述第二偏振和所述第二波段的传播方向。
5.根据权利要求4所述的多光谱光学成像设备，其中：
所述几何相位元件是第二几何相位元件；并且
所述至少一个光学元件是第一几何相位元件，所述第一几何相位元件被布置为接收包括所述第一波段和所述第二波段的非偏振光，
其中所述第一几何相位元件被配置为：将所述第一波段的所述第一偏振衍射远离所述可切换元件，并且同时将所述第一波段的所述第二偏振和所述第二波段透射到所述可切换元件，而基本上不改变所述光的所述第一波段的所述第二偏振和所述第二波段的传播方向。
6.根据权利要求5所述的多光谱光学成像设备，其中所述第一几何相位元件和/或所述第二几何相位元件是布拉格偏振光栅。
7.根据权利要求6所述的多光谱光学成像设备，其中所述布拉格偏振光栅被配置为将所述第一波段的所述第一偏振衍射到反射一级方向中，并且将所述第一波段的所述第二偏振透射到零级方向中。
8.根据权利要求4所述的多光谱光学成像设备，还包括：
相机，被布置为接收来自所述几何相位元件的所述光，所述相机包括图像传感器，所述图像传感器被配置为检测所述光的所述第一波段和所述第二波段。
9.根据权利要求8所述的多光谱光学成像设备，其中所述图像传感器被配置为分别响应于所述可切换元件的所述第一状态和所述第二状态捕获第一图像数据和第二图像数据，并且还包括：
信号处理器，被配置为基于所述第一图像数据和所述第二图像数据的减法来计算针对所述光的所述第一波段的图像数据。
10.根据权利要求8所述的多光谱光学成像设备，其中所述图像传感器被配置为：在处于所述第二状态下的所述可切换元件的顺序操作期间分别响应于照明源的激活和去激活而捕获第二图像数据和第三图像数据，其中所述照明源被配置为输出包括所述第一波段的光发射，并且还包括：
信号处理器，被配置为基于所述第二图像数据和所述第三图像数据的减法来计算针对所述光的所述第一波段的图像数据。
11.根据权利要求8所述的多光谱光学成像设备，其中所述可切换元件是第一可切换元件，并且所述几何相位元件是第一几何相位元件，并且还包括：
第二可切换元件和第二几何相位元件，被布置在所述几何相位元件与所述相机之间，
其中所述第二可切换元件被配置为在分别改变和不改变所述光的所述偏振的状态之间切换，并且
其中所述第二几何相位元件被配置为分别响应于所述第二可切换元件的状态，在第一方向上朝向所述图像传感器引导所述光的所述第一波段的所述第一偏振以限定第一视场，并且在第二方向上朝向所述图像传感器引导所述第一波段的所述第二偏振以限定第二视场。
12.根据权利要求8所述的多光谱光学成像设备，其中所述至少一个光学元件包括偏振器以及延迟器，所述偏振器被布置为接收非偏振光，所述延迟器被配置为改变来自所述偏振器的偏振光的偏振以将所述光提供给所述可切换元件。
13.根据权利要求12所述的多光谱光学成像设备，其中所述几何相位元件被配置为响应于所述可切换元件的所述第一状态而在第一方向上朝向所述图像传感器引导所述第一波段的所述第一偏振以限定第一视场，并且响应于所述可切换元件的所述第二状态而在第二方向上朝向所述图像传感器引导所述第一波段的所述第二偏振以限定第二视场。
14.根据权利要求13所述的多光谱光学成像设备，其中所述几何相位元件是第一几何相位元件，并且还包括：
照明源，被配置为与所述可切换元件的所述第一状态和所述第二状态同步地输出包括所述第一波段的光发射；以及
第二几何相位元件，被布置为接收来自所述照明源的所述光发射，
其中所述第二几何相位元件被配置为将所述光发射的所述第一波段的所述第一偏振引导到第一方向上以限定第一照明场，并且将所述光发射的所述第一波段的所述第二偏振引导到第二方向上以限定第二照明场。
15.根据权利要求14所述的多光谱光学成像设备，其中：
所述第一几何相位元件被布置为接收来自所述可切换元件的第一区域的所述光；
所述照明源被布置为向与所述第一区域相邻的所述可切换元件的第二区域提供所述光发射；以及
所述第二几何相位元件被布置为接收来自所述可切换元件的所述第二区域的所述光发射。
16.根据权利要求14所述的多光谱光学成像设备，其中所述可切换元件是第一可切换元件，并且还包括：
第二可切换元件，所述第二可切换元件被布置为接收来自所述照明源的所述光发射并将所述光发射提供给所述第二几何相位元件，
其中所述第二可切换元件被配置为分别响应于所述第一可切换元件的所述第一状态和所述第二状态而在改变和不改变所述光发射的所述偏振的状态之间切换。
17.根据权利要求16所述的多光谱光学成像设备，其中所述照明源和所述相机由被配置为在其间提供视差的距离分离，并且其中所述光发射包括结构化光图案。
18.根据权利要求17所述的多光谱光学成像设备，其中所述第二几何相位元件包括线性变化的光轴取向，以提供所述结构化光图案中的所述光发射。
19.根据权利要求17所述的多光谱光学成像设备，其中所述至少一个光学元件、所述可切换元件、所述第一几何相位元件和所述相机限定第一光传感器，其中所述照明源和所述第二几何相位元件限定第一光源，并且还包括：
第二光传感器；以及
第二光源，被配置为与所述第二光传感器的操作同步地输出包括所述第一波段的光发射；
其中所述第二光源和所述第二光传感器由被配置为在其间提供视差的距离分离。
20.根据权利要求14所述的多光谱光学成像设备，其中所述第二几何相位元件包括非线性变化的光轴取向，以提供针对所述光发射的光焦度。
21.根据权利要求1所述的多光谱光学成像设备，还包括：
照明源，被配置为发射包括所述第一波段的所述光并且被布置为向所述可切换元件提供所述光，
其中所述几何相位元件被配置为将所述光发射的所述第一波段的第一偏振引导到第一方向上以限定第一照明场，并且将所述光发射的所述第一波段的第二偏振引导到第二方向上以限定第二照明场。
22.根据前述权利要求中任一项所述的多光谱光学成像设备，其中多光谱光学成像设备以眼镜形状因数实现。
23.根据前述权利要求中任一项所述的多光谱光学成像设备，其中所述第二波段包括可见光谱内的光，并且其中所述第一波段包括所述可见光谱外的光。
24.根据权利要求23所述的多光谱光学成像设备，其中所述第一波段包括红外光。
25.根据前述权利要求中任一项所述的多光谱光学成像设备，其中所述可切换元件和所述几何相位元件包括光学膜，所述光学膜被堆叠以限定单片结构。
26.一种光学快门，包括：
第一反射式布拉格偏振光栅；
液晶层，在所述第一反射式布拉格偏振光栅上；以及
第二反射式布拉格偏振光栅，在所述可切换液晶层上，其中所述液晶层被配置为在第一状态和第二状态之间切换，其中所述第一状态和所述第二状态中的一者改变光的偏振，并且其中所述第一反射式布拉格偏振光栅和所述第二反射式布拉格偏振光栅分别被配置为将所述光的所述第一波段的第一偏振衍射到反射一级方向中，并且将所述光的所述第一波段的第二偏振透射到零级方向中，而基本上不改变所述光的第二波段的传播方向。
27.根据权利要求26所述的光学快门，其中所述第一反射式布拉格偏振光栅和所述第二反射式布拉格偏振光栅分别被配置为独立于所述液晶层的所述第一状态和所述第二状态透射所述光的所述第二波段。
28.根据权利要求27所述的光学快门，其中所述第二反射布拉格偏振光栅被配置为响应于所述液晶层的所述第一状态而衍射所述第一波段的所述第一偏振，并且被配置为响应于所述液晶层的所述第二状态而透射所述第一波段的所述第二偏振。
29.根据权利要求28所述的光学快门，其中所述第一偏振正交于所述第二偏振，并且其中所述第一布拉格偏振光栅被配置为向所述液晶层提供所述光，使得所述光的所述第一波段包括所述第二偏振并且基本上没有所述第一偏振。
30.根据权利要求29所述的光学快门，其中所述第一偏振和所述第二偏振包括相反旋向性的圆偏振。
31.根据权利要求26到30中任一项所述的光学快门，其中所述第二波段包括可见光谱内的光，并且其中所述第一波段包括红外光谱内的光。
32.一种多光谱光学成像探测器，包括：
相机，包括被配置为检测光的第一波段和第二波段的图像传感器；以及
光学快门，包括可切换液晶层和几何相位元件，所述几何相位元件被配置为基于所述光的偏振分别朝向或远离所述图像传感器选择性地透射或衍射所述光的所述第一波段，并且将所述光的所述第二波段独立于所述光的偏振透射到所述图像传感器。
33.根据权利要求32所述的多光谱光学成像检测器，其中所述可切换液晶层被配置为在第一状态和第二状态之间切换，以分别输出所述光的正交的第一偏振和第二偏振，并且
其中，响应于所述可切换液晶层的所述第一状态，所述几何相位元件被配置为将所述光的所述第一波段的所述第一偏振衍射远离所述图像传感器，并且
其中，响应于所述可切换液晶层的所述第二状态，所述几何相位元件被配置为将所述光的所述第一波段的所述第二偏振和所述第二波段同时透射到所述图像传感器。
34.根据权利要求33所述的多光谱光学成像检测器，其中所述图像传感器被配置为分别响应于所述可切换元件的所述第一状态和所述第二状态捕获重合的第一图像数据和第二图像数据，并且其中所述光的所述第一波段的图像数据的计算基于所述第一图像数据和所述第二图像数据的减法。
35.根据权利要求33所述的多光谱光学成像检测器，其中所述图像传感器被配置为：在处于所述第二状态下的可切换元件的顺序操作期间，分别响应于照明源的激活和去激活而捕获重合的第二图像数据和第三图像数据，所述照明源提供包括所述光的所述第一波段的光发射，并且其中针对所述光的所述第一波段的图像数据的计算基于所述第二图像数据和所述第三图像数据的减法。
36.根据权利要求33所述的多光谱光学成像检测器，其中所述几何相位元件包括第二反射式布拉格偏振光栅，所述光学快门还包括第一反射式布拉格偏振光栅，并且所述可切换液晶层位于所述第一反射式布拉格偏振光栅和所述第二反射式布拉格偏振光栅之间，
其中所述第一反射式布拉格偏振光栅和所述第二反射式布拉格偏振光栅分别被配置为将所述光的所述第一波段的所述第一偏振衍射到反射一级方向中，并且将所述光的所述第一波段的所述第二偏振透射到零级方向中。
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