用于控制来自外部光源的光的光学装置

技术领域

本发明涉及一种用于控制来自外部光源的光的光学装置，包括用于引导从外部光源发射的光束的至少第一和第二波导，以及具有用于发射光束的第一发光区域的至少第一光束整形结构和具有用于发射光束的第二发光区域的第二光束整形结构，其中第一波导将从外部光源发射的光束引导至第一光束整形结构并且第二波导将从外部光源发射的光束引导到第二光束整形结构。

背景技术

已知一些将相干光分布在更大区域上的光学装置。这例如对于全息显示器的背光单元是必需的。全息显示器能够基本上忠实地再现物体发出的光场，因此在视觉上无法区分。它们比例如(自动)立体显示器具有实质性的优点，立体显示器每只眼睛提供一个图像，从而引入三维感，但遇到一个基本问题：由于大脑感知三维(3D)场景，眼睛应该能够专注于其中任意部分，但显示器只能显示风景的一个焦平面。这种不匹配会导致视觉疲劳和恶心，这是一个主要问题，也是阻碍广泛采用3D显示器的因素之一。全息显示器避免了这个问题，并且创建的图像对于眼睛来说看起来完全自然。

动态创建波前的任务由空间光调制器(SLM)执行，它可以在0和2π之间交替像素之间的相对相位(和幅度)，从而创建任意波前。类似于液晶显示器工作的透射式SLM和反射式SLM，即硅上液晶(LCOS)和/或数字光处理(DLP)，都已用于创建全息图像。SLM和LCOS都很紧凑，适用于例如头戴式全息护目镜。

然而，一个关键挑战是如何以紧凑和可靠的方式为SLM提供相干平面波。虽然在实验室环境中使用透镜将激光束扩大到大直径相对容易，但这种方法对于商业装置来说既不实用也不经济，例如尺寸大。基于干涉的背光单元可以以相当紧凑甚至透明的方式实现，并且已经展示/提出了各种类型。基于干涉的装置对温度和湿度变化非常敏感，无法补偿这些影响，因为在这种条件下发射光束的相位没有被良好地定义或无法良好地确定，这对商业应用构成挑战。特别是对于消费类硬件，这是一个问题，因为标准温度范围为0℃到70℃。经常使用的全息体光栅也容易受到温度和湿度变化的影响，导致发射波前的变化，从而降低全息图像质量，由于相同的原因也无法充分补偿全息图像质量的降低。此外，全息光栅的效率仍然是一个重大挑战。

众所周知的是用于传统显示器的背光单元，即产生非相干背光。例如，US 2013/0308339A1公开了一种具有透明板(slab)的导光阀设备。从(相干或非相干)光源发出的光在板中扩散开来，该板充当单个波导，所述光并在其表面反射。透明板包括阶梯状后表面，该后表面用于从透明板的前表面发射光。然而，在一个点离开前表面的光可能在板内采取了许多不同的光路，因此发射的光不能是相干的，并且它的相位没有良好地定义。此外，光不会在前表面上均匀发射。因此，该设备不适合作为例如全息显示器的背光单元。

另一方面，US 9,395,690 B2展示了一种具有照明装置、放大单元和光调制器的全息显示器。照明装置包括至少一个光源和光准直单元。光准直单元准直所述至少一个光源的光。光准直单元中的级联光纤开关允许照亮准直透镜阵列中的透镜。准直透镜阵列可以包括柱面透镜。然而，这不允许紧凑的设计。随后使用透射体光栅进一步降低了发射时相位的明确性，并且与此相关，还降低了对环境条件(例如环境温度)变化的稳定性。因此，它不能在某些区域内提供稳定的相干光均匀性。

US 2009/180282 A1显示了一种LCD背光单元。其中，光在板中传播并通过多个光提取特征从板中提取(extract)。因此，光采用任意路径，不提供相干光，并且每个光提取特征提取的光的均匀性没有增加。

US 2010/259804 A1示出了具有波导和输出耦合元件的照明单元。然而，输出耦合元件仅发射光，而从每个输出耦合元件发射的光的均匀性并未增加。

因此，没有一种已知的光学装置适用于紧凑的、特别是平坦的、可靠的全息显示器。然而，其他应用也需要将相干光分布在更大区域上的光学装置，例如结构化光传感(3D传感)或LIDAR。特别地，光学装置的效率对于这些应用也是一个非常重要的方面，并且除其他点外，目前的光学装置还不能充分实现光学装置的效率。

发明内容

本发明的一个目的是解决或减轻现有技术的至少一些问题，并提供一种光学装置，其允许通过控制来自外部光源的光以紧凑的方式用相干光均匀地照亮某个区域。特别地，以紧凑的方式意味着光学装置应允许对该区域进行这种照明，同时与基本上使用单个光束整形结构(例如，单组透镜)覆盖相同区域的解决方案相比，具有减小的垂直于该区域的尺寸。

这通过如开头所述的用于控制来自外部光源的光的光学装置来实现，其中第一和第二光束整形结构各自被配置为使得从相应光束整形结构的相应发光区域发射的光束的辐射密度和/或强度轮廓的均匀性比由相应波导引导到相应光束整形结构的光束的辐射密度和/或强度轮廓的均匀性高。

这样，可以实现第一和第二发光区域的均匀照明。同时，由于光束由第一和第二波导引导至相应的光束整形结构并从相应的发光区域出射，因此从所述相应发光区域出射的光的光路和因此它的相位是被良好定义的。此外，从耦合到相应的波导中直到从相应的发光区域发射，来自第一和第二相应元件的光将不会相互干扰，并且它们之间不会有混合。换言之，本公开一般避免了用于覆盖整个发光区域的两个或更多个光路之间的混合。由于光路的这种分离，该装置对温度变化和由此产生的变形相对不敏感，从而单独保持每个光路的一致性(coherence)。理想地，该区域中的各点处的光的相位可以是明确定义的或容易确定的，特别是取决于光学装置的温度或环境温度。此外，具有至少第一和第二波导的这种设置，其中第一和第二波导中的每一个将光引导到如上定义的光束整形结构并且与波导中的一个相关联，与例如将光束扩大到大直径的单个透镜相比，允许更紧凑的光学装置。

光束整形结构的影响应该操纵光束形状，使其变得更类似于礼帽光束形状。在辐射密度轮廓的均匀性下，应理解为ISO 13694:2018中针对cw光束定义的光束均匀性(U

光学装置不一定形成完整的背光单元，而是可以例如是背光单元的一个组件。光学装置不一定需要发射平面波，光学装置也不一定包括外部光源。各个发光区域不需要是物理表面区域，而是也可以是例如不同光学元件之间的边界。第一和/或第二发光区域的边缘不需要在结构上进行界定，但它们代表光束从相应光束整形结构发射通过的区域。此外，从第一和/或第二发光区域发射的光也不需要立即从光学装置发出；但是，它可以立即从光学装置发出。

该光学装置包括至少两个(即第一和第二)波导。优选地，光学装置包括用于引导从外部光源发射的光束的数量大于两个的波导，以及数量大于两个的光束整形结构，该数量的光束整形结构中的每一个都包括相应的发光区域用于发射光束，其中该数量的波导中的每一个将从外部源发射的光束引导到该数量的光束整形结构中的相应一个，其中该数量的光束整形结构中的每一个被配置为使得：从该数量的光束整形结构中的相应一个的相应发光区域发射的光束的辐射密度轮廓的均匀性比由相应波导引导到相应光束整形结构的光束的辐射密度轮廓的均匀性高。因此，第一和第二光束整形结构和/或第一和第二波导的优选实施例也可以应用于数量多于两个的波导和/或光束整形结构以及与第一和第二波导相互作用的附加元件，和/或第一和第二光束整形结构也可以以类似的方式与数量大于两个的波导和/或光束整形结构相互作用。优选地，光学装置包括数量为至少十个的波导、光束整形结构和相应的相关元件。

所述至少第一和第二波导可以是光波导并且可以彼此分开，即不重叠。所述第一和/或第二发光区域可以是平面的或平坦的。所述第一和第二发光区域可以位于同一平面内。第一和第二发光区域可以彼此相邻，即，小于彼此相距的发光区域的最大尺寸的10％。此外，第一和第二发光区域至少在一个或多个方向上可以是连续的或基本连续的。第一和/或第二发光区域例如可以具有椭圆形、特别是圆形或六边形形状。第一和/或第二发光区域的最大尺寸优选地小于1mm。当用于全息显示器的BLU中时，光学装置的发光区域可以但不需要与全息显示器的像素相对应。

在可选实施例中，第一和第二光束整形结构每个都可以包括光学整形元件，并且第一和第二波导将从外部光源发射的光束引导到第一和第二光束整形结构的相应的光学整形元件，并且光学整形元件被配置用于操纵指向相应的光学整形元件的光束的波前和/或辐射强度分布。其中，优选地，操纵是双射映射和/或光束被操纵使得光束的光线不相交。如果入射光束是相干的，则该操纵应该使得所得光束是相干的和/或使得光束的相干长度不减小。可选地，相位轮廓分布和幅度轮廓分布以相同的方式被操纵。进一步可选地，相应的光学整形元件与相应的发光区域间隔开。可选地，第一和第二波导将光束引导至相应的光学整形元件，使得光束在与相应的光学整形元件作用之后被引向发光区域。

第一和/或第二光束整形结构的光学整形元件可以是光学轮廓仪元件，该光学轮廓仪元件被配置为增加指向相应的光学整形元件的光束的辐射强度(或密度)轮廓的均匀性。光学轮廓仪元件尤其可以被配置用于以这种方式操纵高斯光束。可选地，光学轮廓仪元件被配置用于将高斯光束整形为礼帽光束。光学轮廓仪元件可以是衍射光学元件(DOE)。通过这种方式，可以很容易地用相干光均匀地照亮某个区域。此外，这允许光学装置的薄布局。

在进一步的可选实施例中，第一和/或第二光束整形结构的光学整形元件可以是光学发散元件，其被配置为增加被引导至相应光学发散元件的光束的光束发散度。光学发散元件可以是镜子，例如微镜，特别是弯曲的微镜，或衍射光学元件。光学发散元件加宽了光束发散角，即加宽了辐射强度分布。这允许用从外部源发射的一束光束照亮更大的区域。在另一个可选实施例中，每个光学整形元件既是光学轮廓仪元件又是光学发散元件。

根据又一可选实施例，光学装置可以包括界面，其中第一和第二发光区域由界面提供。例如，第一发光区域和第二发光区域中的每一个都可以通过在与相应的光学整形元件作用之后朝向界面引导的光束发生在相应的发光区域之外的全内反射来界定。这样，可以通过使用全内反射来避免在界面上重叠的光锥的不需要的干扰效应。这允许仅选择一部分光束/光锥从界面离开，其余部分被“切断”。这种“切断”效应可用于选择光束中要传输到发光区域外的部分，随后用于照明目的，而其他部分则在界面处反射。这可以用来分别在第一和第二发光区域或界面上产生均匀的强度分布，因为可以选择光束的中心区域或该光束的光锥的中心区域，从而增加均匀的强度分布。例如，外部光源可以发射类高斯模式，并且为了将界面(和/或如下定义的发光表面)上的场强波动限制到20％，仅在大约包括光束的50％的光束强度的半径内的中心部分被使用，而其余的则全内反射。此外，如果界面设置为具有平行后表面的板的前表面，则经历全内反射的光束部分将永远不会通过该界面离开所述板并从板的侧面离开板。如果光学整形元件是光学发散元件，这种机制特别有用。通过调整光束发散度增加多少，可以调节光束的哪一部分会离开界面，哪一部分会被全内反射。被全内反射的部分不属于从各个光束整形结构发出、以及因此从各个发光区域发出的光束。因此，以这种方式，从各个光束整形结构发射的光束的辐射密度轮廓的均匀性可以通过切断光束的外部部分来增加。可选地，光学整形元件可以将光束引导到界面处，使得光束垂直地照射在界面上。即，使得对于光学整形元件和界面之间的不同z由功率密度分布的一阶矩(如ISO 13694:2018中定义)定义的光束的中心轴垂直于界面。这样可以增加均匀性并且相应的发光区域可以是圆形的。

发光区域或界面分别距各个光学整形元件的距离以及光学整形元件彼此间的距离由所使用的光束整形技术以及是否使用全内反射给出。例如，如果从弯曲微镜反射的高斯光束与全内反射结合使用，则对于光学整形元件到界面的500μm的距离，光学整形元件彼此之间的距离为大约880μm，特别是从886μm(如果它应该被配置用于蓝光外部光源)到877μm(用于红光外部光源)。

该界面可以是第一介质(光束在从相应的发光区域发射之前在其中传播)和第二介质之间的边界界面，其中第一介质的折射率高于或等于第二介质的折射率。特别地，它可以是(玻璃)基板到空气的边界，或基板到基板的边界。

如果第一发光区域不与第二发光区域重叠是有利的。以这种方式，相干光束(分别具有良好定义的相位或光程长度)从界面发射。

可选地，所述光学装置包括发光表面，其中所述第一发光区域和所述第二发光区域由所述发光表面提供，并且其中在所述发光表面的顶部上提供吸收材料的(优选六边形的)蜂窝结构。例如，(优选六边形)蜂窝结构的第一(优选六边形)单元可以包含第一发光区域，并且(优选六边形)蜂窝结构的第二(优选六边形)单元可以包含第二发光区域。蜂窝结构及其单元例如也可以是菱面体或三角形。发光表面可以与光学整形元件间隔开。可选地，所述发光表面为所述界面。通常，发光区域将具有椭圆形的、特别是圆形的周边。因此，如果发光区域不重叠，发光表面可能无法被发光区域完全填满，因此来自不同光路的光束会相互干扰。通过在发光表面顶部使用蜂窝结构，可以在不同的发光区域之间形成吸收性边界，从而可以定义具有不同光路的光束的光斑形状，从而实现发光表面的更高的照明填充率，高达100％(以额外的光损耗为代价)。可替代地，也可以在发光表面上部分地涂上吸收性材料，使发光区域成型，达到类似于抬高的(elevated)蜂窝结构的效果。

光学装置可以包括用于引导从外部光源发射的光束的至少一个总线波导，以及至少第一和第二光学耦合器，特别是定向耦合器(即，设置用于通过倏逝波耦合将来自总线波导的光分配到波导的耦合器)，其中第一光耦合器将从外部光源发射的光从总线波导耦合到第一波导，第二光耦合器将从外部光源发射的光束从总线波导耦合到第二波导。特别地，第一和/或第二光耦合器分别包括总线波导以及第一和第二波导和/或分别(至少部分地)由总线波导以及第一和第二波导形成。例如，可以简单地通过使第一波导和第二波导分别足够靠近总线波导来形成光耦合器。这允许从外部光源发射的光束容易地被分配到第一和第二波导。总线波导还可以将从外部光源发射的光引导到多于两个的波导和/或可以提供多于一个的总线波导。还可以提供至少一个更高级别的总线波导，将从外部光源发射的光束引导到至少一个较低级别的总线波导或通过光耦合器将光耦合到较低级别的总线波导中(和可选地到一个或多个光束整形结构)，其中较低等级的总线波导将光引导到一个或多个光束整形结构。

光学装置可以包括透明基板，其中第一和第二波导形成在透明基板内。以这种方式，可以容易地以紧凑的方式设置波导并且在它们之间具有狭窄的间距。此外，温度敏感性是众所周知的，因此可以很容易地进行补偿。例如，第一和第二波导通过直接激光写入，特别是飞秒激光写入形成在透明基板内。这样，透明基板可以非常薄，例如具有小于500μm的厚度。(飞秒)激光写入波导结合了构建3D光电路的能力，具有低传播损耗(例如<0.2dB/cm)、高的温度稳定性、易于制造以及与其他(激光写入)微光学组件的集成的性能。此外，所述至少一个总线波导也可以形成在透明基板内(同样，例如，通过直接激光写入)。发光表面和/或界面可以由透明基板的(前)表面提供。

第一光束整形结构和第二光束整形结构可以至少部分地由透明基板提供，特别地，各个光学整形元件可以由透明基板提供。光学整形元件，例如以微镜的形式，可以使用(飞秒)激光烧蚀加工成非常高精度和几乎任意形状。随后，例如可以通过(CO

然后，背光可以如下工作：嵌入薄玻璃基板内的(飞秒)激光写入波导和标记的总线波导将激光从外部激光器(可能不是光学装置的一部分)传送到整个(透明)基材的表面区域；提供光(定向)耦合器，通过波导之间的倏逝耦合，将来自总线波导的光分布到波导，并因此分布到微镜或DOE所在的基板的背面上的各个位置；后者用于创建光锥，每个光锥照亮例如SLM(可能不是光学装置的一部分)的多个像素。通过在玻璃-空气边界使用全内反射，那些原本会重叠而导致不必要的干扰效应的光锥被裁剪和隔离。

源自外部光源(其可位于透明基板的边缘)的光使用飞秒激光写入波导和光束整形结构分布在前表面区域上。这些波导可以遵循基板内任何所需的3D轨迹，并使用光学(定向)耦合器在它们之间耦合光。很容易实现20μm的最小波导间距，从而实现非常密集的波导网络。

微镜可以做得非常小(例如直径<30μm)，具体取决于镜结构的表面质量和光束在离开相应波导后的自由空间传播距离(在基板中)。从光学整形元件(例如微镜)的反射可以纯粹因为玻璃-空气界面的全内反射而发生，也可以在镜结构上涂上反射材料(例如银)。光学整形元件，特别是微镜，也可以通过例如玻璃压制成型或聚合物微结构制造的任一方式制造。

从外部光源到发光区域、特别是到诸如SLM等外部装置的光路长度不同，因此来自不同点的相位将不同。这些相位偏移可以在SLM中轻松校准和补偿。由于不同的光路长度，温度变化会以不同的方式影响不同的相位，并且与它们各自的光路长度成比例。为了减少这种影响，具有非常低的热光膨胀系数的玻璃可用于透明基板(例如Corning EAGLE XG，δ

对于商业应用和装置，光学装置，更具体地说，它可能用于的装置，如全息背光，应在较大的温度范围内稳定工作，如对于移动装置在0℃至70℃，甚至对于汽车行业在-40℃至125℃。温度变化会导致光学装置的不同像素(例如不同的发光区域)之间的相移，特别是由光学装置照明的SLM的不同像素(例如不同的发光区域)之间的相移，降低图像质量，甚至完全破坏它。尽管如此，由于SLM的任务无论如何都是在每个像素上引入相移，如果(a)相移发生缓慢并且(b)相移是已知的，则任何相移都可以很容易地得到补偿。典型的SLM可以在大约10ms内更新每个像素的相位值，其中可以假设在通常条件下发生不超过1mK的温度偏移。此外，例如可以假设在100mm长度的样品中发生0.01°K的温度变化。例如硼硅玻璃的体积膨胀系数为31.7·10

对于更长的时间范围和更大的温度漂移，条件(b)变得相关。对抗这些相移的最简单方法是使用马赫-曾德尔式结构(Mach-Zehnder-like structure)，特别是在透明基板内。因此，有利的是，光学装置包括：形成在基板内的至少第一和第二干涉波导，用于将来自第一干涉波导的光束耦合到第二干涉波导的第一干涉仪耦合器，用于将来自第一干涉波导的光束耦合到第二干涉波导的第二光学干涉仪耦合器，以及连接到第一干涉波导的光电探测器。

可替代地，第二光学干涉仪耦合器可以用于将来自第二干涉波导的光束耦合到第一干涉波导，并且光电探测器可以连接到第二干涉波导。此外，可替代地，光学装置，特别是马赫-曾德尔式结构，可以仅包括：形成在基板内的至少第一和第二干涉波导，用于测量来自第一干涉波导的光束和来自第二干涉波导的光束的干涉的光电探测器。

可以提供一个以上这样的马赫-曾德尔式结构。光电探测器例如是光电二极管。第一和第二干涉波导可与马赫-曾德尔式结构的干涉仪的不同臂相比较(comparable)，并且它们的长度可能不同。在第一和第二干涉波导之间发生与温度相关的相移，该相移可以通过光电探测器(例如在基板的端部/侧面)在强度波动方面读出。可以构建多个马赫-曾德尔式结构以提高测量精度。优选地，第一干涉波导被配置为接收从外部光源发射的光束。可以使用任何波长，但最方便的是使用同样在其他波导中传播的相同波长。在从0℃到70℃的温度范围内，100mm长度的波导的总相位漂移可能是(在上面的示例中)366·2π。使用一个或多个马赫-曾德尔式结构，可以确定相位漂移并且可以通过例如SLM来补偿相位漂移。应该选择第一和第二干涉波导的长度，使得对于最大预期温度偏移，产生的相移不大于2π。可以构建具有不同长度的附加的马赫-曾德尔式结构，以提高测量精度。

另一个考虑是外部光源的波长稳定性。垂直腔面发射激光器(VCSEL)和分布式反馈激光器(DFB)二极管通常具有0.07nm/℃的波长稳定性。因此，0.002nm的波长变化将导致相距100mm的像素之间存在2π相位差。因此，外部光源优选地是温度稳定的，例如，对于用于电信目的的激光二极管，通常是这样做的。有利地，外部光源可以定位在距光学装置一定距离处并且从外部光源发射的光束经由光纤被引导到光学装置。

在可选实施例中，光学装置包括用于减小从第一和第二发光区域发射的光束的光束发散度的光束发散度减小结构。优选地，光束发散结构对从第一和第二发光区域发射的光束进行整形，使得光束的波前具有(空间受限的)平面波的形状。这样，光学装置可以提供相干平面波。光学发散度减小结构优选地排列在界面、发光表面和/或透明基板的前表面的前面或由其形成。光学发散度减小结构优选地是DOE或透镜阵列，特别是菲涅耳阵列。

另一个需要考虑的因素是从界面发出的光束，其角度较小但接近全内反射的临界角，其在基板外的传播角几乎与前表面平行。DOE或类似透镜的结构可用于产生平面波，例如用于SLM。这种光束发散度减小结构可以通过空气与基板分离和/或例如采用低折射率材料制成，以保持全内反射原理有效。

在有利的实施例中，光学装置被配置用于控制来自至少一个另外的外部光源的光。例如，光学装置可以被配置用于控制来自三个外部光源的光，其中一个可以是蓝色光源(波长为467nm)，一个是绿色光源(532nm)，一个是红色光源光(630nm)。光学装置可以以这种方式提供多色照明，例如用于多色全息显示器。例如，第一和第二波导还可以用于引导从所述至少一个另外的外部光源中的一个发射的光束，其中所述第一波导将从所述一个另外的外部光源发射的光束引导到第一光束整形结构，第二波导将从所述一个另外的外部光源发射的光束引导到第二光束整形结构；或者，可替代地，光学装置可以包括用于引导从所述至少一个另外的外部光源中的一个发射的光束的至少第一和第二另外的波导，以及具有用于发射光束的第一另外的发光区域的至少第一另外的光束整形结构和具有用于发射光束的第二另外的发光区域的第二另外的光束整形结构，其中所述第一另外的波导将从所述至少一个另外的外部光源中的一个发射的光束引导至所述第一另外的光束整形结构，所述第二另外的波导将从所述至少一个外部光源中的所述一个发射的光束引导到所述第二另外的光束整形结构，其中第一和第二另外的光束整形结构每个都被配置为增加在从相应的另外的光束整形结构的相应的另外的发光区域发射时被引导到相应的另外的光束整形结构的光束的辐射密度轮廓的均匀性。

也就是说，从所述至少一个另外的外部光源发射的光束，例如从三个外部光源发射的光束(其中每个外部光源具有来自一组三基色的不同颜色)，可以在同一光学装置内组合，或者在相同的波导(每个光束整形结构)中共同传播，或者在单独的波导中传播。特别是如果波导是激光写入波导，很容易实现例如只有10μm的波导间距并且没有串扰，并且光束可以例如被相同(或不同)的光学整形元件特别是微镜反射。

光学装置的光学效率主要取决于波导传播损耗、外部源到波导的耦合损耗和全内反射量。波导传播损耗例如对于所有波长为<0.2dB/cm，精确的总损耗取决于波导布局(在基板中)。耦合到(单模)波导的外部光源(尤其是激光二极管)的效率主要取决于光学界面处的模式匹配和菲涅耳反射。垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有圆形模式轮廓，与其中一个波导非常匹配，并且可以实现超过90％的耦合效率。在边缘发射激光二极管的情况下，由于高度椭圆的模式形状，耦合效率较低。通常，可以实现50％到80％的耦合效率。由于全内反射造成的光损失量取决于所需的均匀性和使用的光束整形方法。例如，关于高斯光束轮廓：要实现80％的均匀性(最小值/最大值)，必须削减(即丢弃)大约50％的总光束强度。

本发明还涉及一种背光单元，其包括如本文所述的光学装置并且包括外部光源。优选地，外部光源是激光二极管。

本发明还涉及光学系统，特别是全息显示器，包括空间光调制器和如本文所述的背光单元或光学装置。

一般而言，光学装置、背光单元和/或光学系统可用于许多应用，在这些应用中产生大的相干波前是有用的。一个例子是3D传感，或者通过光束控制主动地进行，其中SLM用于主动控制用于光检测和测距(LIDAR)应用的一个或多个激光束，或者被动地进行，其中DOE用于创建结构化光。

结构化光传感或结构化光3D传感在移动装置中有许多有前途的应用，由苹果公司以其FaceID身份验证系统引入。将点网格投射到环境中，该网格的变形由相机映射，然后相机生成3D信息。未来的应用将提高点网格的分辨率，并从单次发射转变为连续测量。这两件事在准确度和功耗方面都是有挑战性的，但可以使用本文所述的光学装置、背光单元或光学系统轻松解决。点网格的分辨率取决于光束的数量及其发散角，可以使用平面波前并用DOE对其进行调制来显著增加光束的数量及其发散角。可以通过放大信噪比来降低能耗：由于激光二极管的温度波动和制造变化，在当前装置中必须使用非常宽的光谱滤波器(例如25nm)，这会降低信噪比。使用目前公开的光学装置、背光单元或光学系统，可以并联使用多个激光二极管，并且只有在给定条件下与窄得多的滤光光谱非常吻合的激光二极管才会被接通。该方法适用于任何所需的波长，并且可以随意选择。

汽车、无人机和机器人的自主导航在很大程度上依赖于LiDAR的使用。从本质上讲，LiDAR依赖于脉冲激光束，该脉冲激光束在大面积上进行扫描并测量反射延迟(飞行时间测量)。虽然LiDAR被广泛使用，但它仍然是一项非常昂贵的技术，这阻止了它在大众市场上的采用。主要困难在于在温度变化大和振动强烈的汽车环境中，在远距离上以高准确度控制激光束的挑战。使用当前公开的光学装置、背光单元或光学系统(和SLM)，可以构建紧凑且非常稳定的LiDAR系统。背光/SLM的大可能孔径允许使用具有非常长的光束发散长度的宽激光束，这增加了感测距离。此外，大规模生产时，无论是激光写入还是SLM，价格都可能非常低。针对3D传感中最常用的波长(940nm和1550nm)设计波导很简单。此外，还可以构建具有准直光束的Flash LiDAR并避免主动光束控制。

附图说明

作为示例，本发明将针对附图中所示的一些选定实施例进行进一步解释。然而，这些实施例不应被认为是对本发明的限制。图中示出了：

图1是光学装置的优选实施例；

图2是具有作为光学整形元件的微镜的光学装置的优选实施例的细节；

图3是具有作为光学整形元件的微镜和作为光束发散度减小结构的DOE的光学装置的另一个优选实施例的细节。

图4是具有作为光学整形元件的微镜以及作为光束发散度减小结构的透镜的光学装置的另一个优选实施例的细节。

图5是具有作为光学整形元件的DOE以及作为光束发散度减小结构的第二DOE的光学装置的另一个优选实施例的细节；

图6是具有作为光学整形元件的DOE和光束发散度减小结构的光学装置的另一个优选实施例的细节；

图7是背光单元的优选实施例的示意俯视图；

图8是背光单元的另一个优选实施例的示意俯视图；

图9是与图8相同的实施例中的背光单元的示意性截面图；以及

图10是光学装置的优选实施例的马赫-曾德尔式结构。

具体实施方式

图1示出了用于控制来自外部光源2(其不是本实施例的一部分)(例如，具有高斯光束形状的激光二极管)的光的光学装置1的优选实施例。光学装置1包括第一波导3、第二波导4和一个另外的波导。它当然可以包括一个以上另外的波导。此外，光学装置1包括具有第一发光区域6的第一光束整形结构5和具有第二发光区域8的第二光束整形结构7。光学装置1还包括总线波导(bus waveguid)9。总线波导9被配置成用于引导从外部光源发出的光束，并且具有第一光耦合器10和第二光耦合器11，其中第一光耦合器10将从外部光源发出的光束从总线波导9耦合到第一波导3并且第二光耦合器11将从外部光源发射的光束从总线波导9耦合到第二波导4。更具体地，光耦合器10、11中的每一个将被总线波导9引导的光束的一部分重定向到相应的第一和第二波导3、4。随后，第一波导3将从外部光源发射的光束引导到第一光束整形结构5，第二波导4将从外部光源发射的光束引导至第二光束整形结构7。

第一光束整形结构5和第二光束整形结构7均被配置为使得从相应的光束整形结构5、7的相应的发光区域6、8发射的光束的辐射密度轮廓(radiant density profile)的均匀性比由相应波导3、4引导到相应的光束整形结构5、7的光束的辐射密度轮廓的均匀性高。第一和第二光束整形结构5、7各自包括相应的光学整形元件12，并且第一和第二波导3、4将从外部光源发射的光束引导到相应的光学整形元件12。光学整形元件12被配置用于操纵指向相应的光学整形元件12的光束的波前。在该实施例中，光学整形元件12是光学发散元件13，特别是(弯曲的)微镜，其加宽了光束的张角。由于光束角的加宽，发光区域6、8也可以更靠近相应的光学整形元件12，同时提供相同的总照明面积。

光学装置1包括透明基板14。第一波导3、第二波导4和总线波导9形成在透明基板14内，特别是通过直接激光写入的方式形成。透明基板14的前表面提供界面15，在当前情况下，界面15是基板14和空气的边界。第一和第二发光区域6、8由界面15提供。第一和第二发光区域6、8均由针对在与相应的光学整形元件12发生作用(interfere)之后被导向界面15的光束在相应的发光区域6、8外部发生的全内反射限定。注意，在图1中，仅显示了从光学整形元件12反射的光束的通过界面15的部分，即，它不经历界面15处的全内反射。相比之下，在图2至6中描绘了将在界面15处反射的光束的部分。通过使用光学发散元件13来加宽光束以及随后在界面15处的全内反射，可以增加从各个发光区域6、8发射的光束的辐射密度轮廓的均匀性。可替代地，光学整形元件12当然可以是光学轮廓仪(prifiler)元件19(参见图5和图6)，这可以增加从相应发光区域6、8发射的光束的辐射密度轮廓的均匀性(与界面15处的全内反射相结合，或者也没有结合)。众所周知，全反射的临界角由透明基板的折射率和——在本实施例中——空气的折射率决定。光学整形元件12(或它们分别对光束的加宽)、它们与界面15的距离和界面15处的全反射临界角(或相应地，相关的折射率)被配置为使得第一发光区域6与第二发光区域8不重叠。

在该实施例中，第一和第二光束整形结构5、7因此由相应的光学整形元件12和界面15形成，在界面15处，在相应的发光区域6、8的外部发生全反射。

本发明允许光学装置1非常薄，并且透明基板14可以是薄板，在这种情况下，图1是平行于透明基板14的较小维度的截面图。光学整形元件12形成在透明基板14的背面。背面(不包括形成所述光学整形元件12的凹陷(indentation))基本上平行于界面15。有利地，由于基板14的前表面和背面是平行的，由于全内反射而从界面15反射的那部分光束可以通过背面离开基板(如果它具有比界面更大的临界角)，或者从基板的背面和前表面重复反射，使得它最终会从基板14的侧面发射。因此，它不会从界面发射，它不会与从发光区域6、8发射的光束产生干扰。从界面15全内反射并随后在界面15处被一些其他光学整形元件12以低于临界角的角度散射并且因此从界面15发射的少量的光可以忽略不计。

光学装置1还包括光束发散度减小结构16，用于减小从第一和第二发光区域6、8发射的光束的光束发散度。光束发散度减小结构16是DOE，其优选地将从发光区域6、8发出的光变换成(空间受限的)平面波。

此外，图1示出了用于调制光学装置1顶部上的发射光的相位的SLM17。代替SLM17，也可使用DOE来产生静态光图案。图1还可以被认为显示了光学系统18的细节，特别的不包括外部光源。

图2至图6各自示出了光学装置1的优选实施例的细节。例如，它们没有示出第二波导4。光学装置1的工作方式与图1的上下文中描述的类似。类似于图1所示的实施例，从外部光源2(不是光学装置1的一部分)发射的光束由总线波导9引导并部分地耦合到第一波导3，第一波导3又将所述光束引导至光学整形元件12处，光学整形元件12是光发散元件13。在图2至图4中，光学整形元件12是由基板14的背面形成的微镜。在图5和图6中，光学整形元件12形成为接触所述基板14的背面并与之对准的DOE。图5和图6中的光学整形元件12可以同时是光学轮廓仪元件19。在图2至图6的全部中可以看出，光学整形元件12加宽了指向光学整形元件12的光束的张角。此外，可以看出，在界面15处由光学整形元件12引导的具有大于临界角的入射角的那部分光束在界面15处被反射。

图3至图6中所示的实施例还包括蜂窝结构20，其中一个单元(cell)21的边界包围所述第一发光区域6。蜂窝结构20位于发光表面28的顶部上并且接触发光表面28，该发光表面28提供第一发光区域6。发光表面28在本实施例中由基板14的前表面即(在本实施例中)界面15提供。蜂窝结构20由吸收性材料制成。界面15处的全内反射通常只允许发光区域6、8为椭圆形。特别地，在光学整形元件12是微镜的情况下，发光区域6、8例如可以是圆形的，或者在光学整形元件12是DOE的情况下可以是任何形状的。因此，如果发光区域6、8不重叠或者分别来自不同波导3、4的光束不能混合并且因此不具有明确定义的相位，则不可能从界面的更大区域上均匀地发射。蜂窝结构20具有垂直于基板14的前表面的特定(单元)高度。这样，由各个发光区域6、8照明的区域可以由与相应的发光区域6、8具有变化的距离(见图8)的单元21的壁成形，，并且因此吸收从发光区域6、8的边界区域发射的光束的不同比例。

图3至图6中所示的实施例还包括光束发散度减小结构16。因此，光束最终将作为(空间受限的)平面波从图3至图6中的光学装置1发射，其不在图2中。粗箭头指示光束的方向，特别是它们在界面15处的折射和反射。注意，这些箭头仅用于说明目的，并不精确；例如，在图3至图6中，它们似乎已经指示在光束发散度减小结构16之前的平面波，但事实并非如此。

图7和图8是背光单元22的俯视图，背光单元22包括光学系统1和外部光源2。光学系统1的工作原理与图1至图6中描述的类似。从外部光源2发射的光束被耦合到较高等级的总线波导9中，其中一部分又从其处被耦合到较低等级的总线波导9中。光束从较高等级和较低等级的总线波导9都被耦合进入波导3、4并被引导到光束整形结构5、7。光束从光束整形结构5、7的光学整形元件12被朝着基板15的前表面引导并且从发光区域6、8发射。与图7的实施例相比，图8的实施例包括蜂窝结构20。可以看出，蜂窝结构20的单元21是六边形的并且每个都包围一个发光区域6、8，这样可以增加更大区域的照明填充系数。

图9是图8的背光单元22的实施例沿图8中的A所示平面(垂直于绘图平面)的示意性截面图。可以看出，对于沿线A的该截面，蜂窝结构20的单元21的壁与发光区域6、8有一定距离。

图10示出马赫-曾德尔式结构，可用于确定光路长度的温度相关变化，从而确定相位变化。光束从外部光源2耦合到基板14中的波导中，该波导例如可以是总线波导9。光束从该波导耦合到形成在基板14内的第一干涉波导(interferometer waveguide)23中。然后，一部分光束通过第一干涉仪耦合器25耦合到第二干涉波导24中。随后，光束从第二干涉波导24耦合回到第一干涉波导23中，在那里它与未耦合到第二干涉波导24中的那部分光束发生干涉。随后，在第一干涉波导23中单独传播的光束和也在第二干涉仪24中传播的光束的干涉在光电探测器27中被测量，光电探测器27连接到第一干涉波导23。基板14的热膨胀将导致由光电探测器27测量的干涉的变化(例如取决于第一和第二干涉波导23、24的路径)。图10示出了第二马赫-曾德尔式结构，其中第二干涉波导24'以比由干涉波导23、24形成的马赫-曾德尔式结构更短的距离连接到第一干涉波导23'。第二马赫-曾德尔式结构的光束然后耦合到另一个光电探测器27'中。使用多于一个这样的马赫-曾德尔式结构，通过干涉波导23、24、23'、24'的不同布局，允许更灵敏的温度校准。