ES3061332T3 - Optical device for controlling light from an external light source - Google Patents

Abstract

Dispositivo óptico (1) para controlar la luz de una fuente de luz externa (2) que comprende: al menos una primera y una segunda guía de onda (3, 4) para guiar un haz de luz emitido desde la fuente de luz externa (2); y al menos una primera estructura de conformación de haz (5) con una primera área emisora de luz (6) para emitir un haz de luz y una segunda estructura de conformación de haz (7) con una segunda área emisora de luz (6) para emitir un haz de luz, donde la primera guía de onda (3) guía el haz de luz emitido desde la fuente de luz externa (2) a la primera estructura de conformación de haz (5) y la segunda guía de onda (4) guía el haz de luz emitido desde la fuente de luz externa (2) a la segunda estructura de conformación de haz (7); donde la primera y la segunda estructura de conformación de haz (5, 7) están configuradas de tal manera que la uniformidad del perfil de densidad radiante de un haz de luz emitido desde la respectiva área emisora de luz (6, 8) de la respectiva estructura de conformación de haz (5, 7) es mayor que la del haz de luz guiado a la respectiva estructura de conformación de haz (5, 7) por la respectiva guía de onda (3, 4). Unidad de retroiluminación (22) que comprende dicho dispositivo óptico (1); y sistema óptico, en particular pantalla holográfica, que comprende dicha unidad de retroiluminación (22) y un modulador de luz espacial (17). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0003] Dispositivo óptico para controlar la luz de una fuente de luz externa

[0005] <La invención se refiere a un dispositivo óptico para controlar la luz de una fuente de luz externa comprendiendo al>menos una primera y una segunda guía de ondas para guiar un haz de luz emitido desde la fuente de luz externa, y al menos una primera estructura de conformación de haz con una primera área emisora de luz para emitir un haz de luz y una segunda estructura de conformación de haz con una segunda área emisora de luz para emitir un haz de luz, donde la primera guía de ondas guía el haz de luz emitido desde la fuente de luz externa a la primera<estructura de conformación de haz y la segunda guía de ondas guía el haz de luz emitido desde la fuente de luz>externa a la segunda estructura de conformación de haz.

[0007] Se conocen algunos dispositivos ópticos que distribuyen luz coherente sobre un área más grande. Esto es necesario, por ejemplo, para las unidades de retroiluminación de pantallas holográficas. Las pantallas holográficas<son capaces de recrear fielmente el campo de luz emitido por un objeto y, por lo tanto, se vuelven visualmente>indistinguibles de él. Tienen ventajas sustanciales sobre, por ejemplo, las pantallas (auto)estereoscópicas, que proporcionan una imagen por ojo y, por lo tanto, introducen una sensación de tridimensionalidad, pero encuentran un problema fundamental: dado que el cerebro percibe una escena tridimensional (3D), el ojo debería poder enfocarse en partes arbitrarias dentro de ella, pero solo un plano de enfoque del escenario puede ser mostrado por<la pantalla. Este desajuste causa fatiga visual y náuseas, que es un problema importante y uno de los factores que>prohíben la adopción generalizada de pantallas 3D. Las pantallas holográficas evitan este problema y la imagen creada parece completamente natural para el ojo.

[0009] La tarea de crear dinámicamente el frente de onda se realiza mediante moduladores de luz espacial (Spatial Light<Modulators, SLM) que pueden alternar la fase relativa (y la amplitud) entre píxeles entre 0 y 2π y, por lo tanto, crear>frentes de onda arbitrarios. Tanto los SLM transmisivos, que funcionan de manera análoga a las pantallas de cristal líquido, como los SLM reflectantes, es decir, cristal líquido sobre silicio (Liquid Crystal On Silicon, LCOS) y/o procesamiento digital de luz (Digital Light Processing, DLP), ya se han usado para crear imágenes holográficas. Tanto SLM como LCOS son compactos y adecuados para su uso, por ejemplo, en gafas holográficas montadas en<la cabeza.>

[0011] Sin embargo, un desafío clave es cómo suministrar a SLM la onda plana coherente de una manera compacta y fiable. Si bien es relativamente fácil expandir un haz de láser a un diámetro grande usando lentes en un entorno de laboratorio, esta estrategia no es práctica ni económica para dispositivos comerciales, debido, por ejemplo, a las<grandes dimensiones. Las unidades de retroiluminación basadas en interferencia se pueden realizar de una>manera bastante compacta e incluso transparente, y se han demostrado/propuesto varios tipos. Dispositivos basados en interferencia son muy sensibles a los cambios de temperatura y humedad y no es posible compensar estos efectos, ya que las fases de los haces emitidos no están bien definidas o no se pueden determinar bien en tales condiciones, lo que plantea un desafío para las aplicaciones comerciales. En particular, para hardware de<consumo, esto es un problema, porque el intervalo de temperatura estándar alcanza de 0 °C a 70 °C. Las rejillas de>volumen holográfico de uso frecuente también son susceptibles a los cambios de temperatura y humedad, causando cambios en el frente de onda emitido y, por lo tanto, una reducción de la calidad de la imagen holográfica que tampoco puede compensarse suficientemente debido a las mismas razones. Además, la eficiencia de las rejillas holográficas sigue siendo un gran desafío.

[0012] Las unidades de retroiluminación para pantallas convencionales, es decir, que producen una retroiluminación no coherente, son bien conocidas. Por ejemplo, el documento US 2013/0308339 A1 describe un aparato de válvula de guía de luz con una losa transparente. La luz emitida desde una fuente de luz (coherente o no coherente) se propaga en la losa actuando como una sola guía de ondas y se refleja en sus superficies. La losa transparente<incluye una superficie trasera escalonada que actúa para emitir la luz desde una superficie frontal de la losa>transparente. Sin embargo, la luz que sale de la superficie frontal en un punto puede haber tomado una multitud de recorridos ópticos diferentes dentro de la losa, de modo que la luz emitida no puede ser coherente y sus fases no están bien definidas. Además, la luz no se emite de forma homogénea sobre la superficie frontal. Por lo tanto, este aparato no es adecuado, por ejemplo, como una unidad de retroiluminación para una pantalla holográfica.

[0014] Por otro lado, el documento US 9,395,690 B2 muestra una pantalla holográfica con un dispositivo de iluminación, una unidad de ampliación y un modulador de luz. El dispositivo de iluminación incluye al menos una fuente de luz y una unidad de colimación de luz. La unidad de colimación de luz colima la luz de la al menos una fuente de luz. Una cascada de interruptores de fibra óptica en la unidad de colimación de luz permite iluminar las lentes de una matriz<de lentes de colimación. La matriz de lentes de colimación puede comprender lentes cilíndricas. Sin embargo, esto>no permite un diseño compacto. El uso posterior de rejillas de volumen transmisivas reduce aún más el carácter bien definido de las fases al ser emitidas y, en conexión con esto, también la estabilidad a los cambios en las condiciones ambientales, por ejemplo, la temperatura ambiente. Por lo tanto, no proporciona una homogeneidad de luz coherente estable en ninguna área.

[0016] El documento US 2009/180282 A1 muestra una unidad de retroiluminación LCD. Allí, la luz se propaga en una losa y se extrae de ella mediante una pluralidad de características de extracción de luz. Por lo tanto, la luz toma caminos arbitrarios, no se proporciona luz coherente y la uniformidad de la luz extraída por cada función de extracción de luz no aumenta.

[0018] El documento US 2010/259804 A1 muestra una unidad de iluminación con guías de ondas y elementos de acoplamiento de salida. Sin embargo, los elementos de acoplamiento de salida simplemente emiten luz, pero la uniformidad de la luz emitida desde cada elemento de acoplamiento de salida no aumenta.

[0020] <Por lo tanto, ninguno de los dispositivos ópticos conocidos es adecuado para una pantalla holográfica compacta, en>particular plana y fiable. Sin embargo, también se requieren dispositivos ópticos que distribuyan luz coherente sobre un área más grande para otras aplicaciones, como la detección de luz estructurada (detección 3D) o LIDAR. En particular, la eficiencia del dispositivo óptico también es un aspecto muy importante para estas aplicaciones y, además de los otros puntos, no se logra de manera suficiente con los presentes dispositivos ópticos.

[0022] Un objetivo de la presente invención es resolver o aliviar al menos algunos de los problemas de la técnica anterior y proporcionar un dispositivo óptico que permita iluminar homogéneamente un área determinada con luz coherente de una manera compacta controlando la luz de una fuente de luz externa. En particular, de manera compacta significa que el dispositivo óptico permitirá dicha iluminación del área, al tiempo que tiene dimensiones reducidas<normales a esa área en comparación con una solución que cubre la misma área esencialmente con una sola>estructura de conformación de haz (por ejemplo, un solo conjunto de lentes).

[0024] Esto se logra mediante un dispositivo óptico para controlar la luz de una fuente de luz externa según la reivindicación 1.

[0026] De esta manera, se puede lograr una iluminación uniforme de la primera y la segunda áreas emisoras de luz. Al mismo tiempo, debido a que los haces de luz son guiados por la primera y la segunda guía de ondas a la estructura de conformación de haz respectiva y son emitidos desde el área emisora de luz respectiva, el recorrido óptico de la luz emitida desde el área emisora de luz respectiva y, por lo tanto, su fase, están bien definidas. Además, desde que se acopla en la guía de ondas respectiva hasta que se emite desde el área emisora de luz respectiva, las luces<del primer y el segundo elemento respectivo no interferirán entre sí y no habrá mezcla entre ellas. En otras>palabras, la presente descripción generalmente evita la mezcla entre los dos o más recorridos ópticos usados para cubrir el área total emisora de luz. Debido a esta separación de los recorridos ópticos, el dispositivo es relativamente insensible a los cambios de temperatura y a las deformaciones resultantes, manteniendo la coherencia en cada recorrido óptico individualmente. Idealmente, la fase de la luz en los puntos en el área puede<estar bien definida o es fácilmente determinable, en particular dependiendo de la temperatura del dispositivo óptico>o de la temperatura ambiente. Además, dicha configuración con al menos una primera y una segunda guía de ondas, donde cada una de la primera y segunda guías de ondas guía la luz a una estructura de conformación de haz como se definió anteriormente y está asociada con una de las guías de ondas, permite un dispositivo óptico más compacto en comparación con, por ejemplo, una sola lente que expande un haz a un diámetro grande.

[0027] La influencia de la estructura de conformación de haz debe manipular la forma del haz de tal manera que este haz tome una forma más similar a un sombrero de copa. Bajo uniformidad del perfil de densidad radiante se entiende la uniformidad del haz (U<η>) como se define en ISO 13694:2018 para haces de onda continua, donde η es 0,3 y un U<η>más bajo (es decir, más cercano a 0), significa una mayor uniformidad del haz. Por lo tanto, la uniformidad del perfil<de densidad radiante de un haz de luz emitido desde un área emisora de luz respectiva de la estructura de>conformación de haz respectiva es mayor que la del haz de luz guiado a la estructura de conformación de haz respectiva por la guía de ondas respectiva. Esto significa que la uniformidad del haz de luz emitido desde el área emisora de luz respectiva (al ser emitido desde el área emisora de luz respectiva) es mayor, es decir, U<η>, es menor y está más cerca de 0, que la uniformidad del haz de luz guiado a la estructura de conformación de haz respectiva<por la guía de ondas respectiva (al salir de la guía de ondas respectiva). U>η<se reduce opcionalmente por la>influencia de la estructura de conformación de haz en al menos 0,05, al menos 0,1 o en al menos 0,2. Opcionalmente, la uniformidad del haz también aumenta (y, por lo tanto, U<η>, disminuye) para que η sea uno de 0,1, 0,2, 0,4, 0,5, 0,6 o 0,7. Esta medida se aplicará bajo el supuesto de que el haz de luz suministrado por la fuente de luz externa es un haz gaussiano.

[0029] El dispositivo óptico no forma necesariamente una unidad de retroiluminación completa, sino que podría ser, por ejemplo, un componente de una unidad de retroiluminación. El dispositivo óptico no necesariamente tiene que emitir ondas planas, ni el dispositivo óptico necesariamente comprende la fuente de luz externa. Las respectivas áreas emisoras de luz no necesitan ser áreas superficiales físicas, sino que también podrían, por ejemplo, ser<límites entre diferentes elementos ópticos. Los bordes de la primera y/o segunda áreas emisoras de luz no>necesitan estar delimitados estructuralmente, sino que representan el área a través de la cual se emite el haz de luz desde la estructura de conformación de haz respectiva. Además, la luz que se emite desde la primera y/o la segunda áreas emisoras de luz tampoco necesita emitirse inmediatamente desde el dispositivo óptico; sin embargo, puede serlo.

[0031] El dispositivo óptico comprende al menos dos (es decir, la primera y la segunda) guías de ondas. Preferentemente, el dispositivo óptico comprende un número mayor que dos de guías de onda para guiar un haz de luz emitido desde la fuente de luz externa, y un número mayor que dos de estructuras de conformación de haz, cada una de ese número de estructuras de conformación de haz comprendiendo un área emisora de luz respectiva para emitir un<haz de luz, donde cada una del número de guías de onda guía el haz de luz emitido desde la fuente externa a una>respectiva del número de estructuras de conformación de haz, donde cada una del número de estructuras de conformación de haz está configurada de tal manera que la uniformidad del perfil de densidad radiante de un haz de luz emitido desde el área emisora de luz respectiva de la respectiva del número de estructuras de conformación de haz es mayor que la del haz de luz guiado a las respectivas estructuras de conformación de haz por las respectivas guías de onda. En consecuencia, también las realizaciones preferidas de la invención de la primera y<segunda estructuras de conformación de haz y/o la primera y segunda guías de ondas también pueden aplicarse al>número de más de dos guías de ondas y/o estructuras de conformación de haz y elementos adicionales que interactúan con la primera y segunda guías de ondas y/o la primera y segunda estructuras de conformación de haz también pueden interactuar con el número mayor de dos de guías de ondas y/o estructura de conformación de haz de una manera análoga. Preferentemente, el dispositivo óptico comprende una cantidad de al menos diez guías de<ondas, estructuras de conformación de haz y elementos asociados respectivos.>

[0033] La al menos primera y segunda guías de ondas pueden ser guías de ondas ópticas y pueden ser distintas entre sí, es decir, no superpuestas. La primera y/o la segunda áreas emisoras de luz pueden ser planas o planares. La primera y la segunda áreas emisoras de luz pueden estar situadas en el mismo plano. La primera y la segunda<áreas emisoras de luz pueden ser adyacentes entre sí, es decir, menos del 10 % de la dimensión más grande de>las áreas emisoras de luz distanciadas entre sí. Además, la primera y la segunda áreas emisoras de luz pueden ser contiguas o esencialmente contiguas, al menos en una o más direcciones. La primera y/o la segunda áreas emisoras de luz pueden tener, por ejemplo, una forma elíptica, en particular circular o hexagonal. La dimensión más grande de la primera y/o la segunda áreas emisoras de luz es preferentemente menor que 1 mm. Cuando se<usan en una BLU para una pantalla holográfica, las áreas emisoras de luz del dispositivo óptico pueden, pero no>necesitan, corresponder a píxeles de la pantalla holográfica.

[0035] En una realización opcional, la primera y la segunda estructuras de conformación de haz pueden comprender cada una un elemento de conformación óptica y la primera y la segunda guías de ondas dirigen el haz de luz emitido<desde la fuente de luz externa al elemento de conformación óptica respectivo de la primera y la segunda>estructuras de conformación de haz, y los elementos de conformación óptica están configurados para manipular el frente de onda y/o la distribución de intensidad radiante del haz de luz dirigido al elemento de conformación óptica respectivo.

[0037] <En este caso, preferentemente, la manipulación es un mapeo biyectivo y/o el haz de luz se manipula de modo que>los rayos del haz de luz no se crucen. La manipulación debe ser tal que el haz de luz resultante sea coherente si el haz de luz entrante fue coherente y/o tal que la longitud de coherencia del haz de luz no se reduzca. Opcionalmente, la distribución del perfil de fase y la distribución del perfil de amplitud se manipulan de la misma manera. Además, opcionalmente, el elemento de conformación óptica respectivo está distanciado del área emisora<de luz respectiva.>

[0039] Opcionalmente, la primera y segunda guías de ondas dirigen el haz de luz a los respectivos elementos de conformación óptica de modo que el haz de luz se dirige hacia el área emisora de luz después de interferir con el respectivo elemento de conformación óptica.

[0041] El elemento de conformación óptica de la primera y/o la segunda estructura de conformación de haz puede ser un elemento perfilador óptico configurado para aumentar la uniformidad del perfil de intensidad (o densidad) radiante del haz de luz dirigido al elemento de conformación óptica respectivo. En particular, los elementos de perfil óptico pueden configurarse para manipular un haz gaussiano de tal manera.

[0043] Opcionalmente, los elementos del perfilador óptico están configurados para conformar un haz gaussiano en un haz en forma de sombrero de copa. Los elementos de perfil óptico pueden ser elementos ópticos difractivos (Diffractive Optical Elements, DOE). De esta manera, una determinada área se puede iluminar fácilmente de manera homogénea con luz coherente. Además, esto permite una disposición delgada del dispositivo óptico.

[0045] <En una realización opcional adicional, el elemento de conformación óptica de la primera y/o la segunda estructura>de conformación de haz puede ser un elemento divergente óptico configurado para aumentar la divergencia del haz de luz dirigido al elemento divergente óptico respectivo. Los elementos ópticos divergentes pueden ser espejos, por ejemplo, microespejos, en particular microespejos curvos, o elementos ópticos difractivos. Los elementos ópticos divergentes amplían el ángulo de divergencia de haz, es decir, amplían la distribución de intensidad<radiante. Esto permite iluminar un área más grande con un haz de luz emitido desde la fuente externa. En otra>realización opcional, cada uno de los elementos de conformación óptica es tanto un elemento perfilador óptico como un elemento óptico divergente.

[0047] Según otra realización opcional adicional, el dispositivo óptico puede comprender una interfaz, donde la primera y<la segunda áreas emisoras de luz son proporcionadas por la interfaz. Por ejemplo, la primera y la segunda áreas>emisoras de luz pueden estar delimitadas cada una por la reflexión interna total que se produce fuera del área emisora de luz respectiva para el haz de luz dirigido hacia la interfaz después de interferir con el elemento de conformación óptica respectivo. De esta manera, se pueden evitar los efectos de interferencia no deseados de los conos de luz que se superponen en la interfaz usando la reflexión interna total. Esto permite seleccionar solo una<parte del haz de luz/cono de luz para salir de la interfaz y el resto para ser "cortado". Este efecto de "corte" se puede>usar para seleccionar partes del haz que se transmitirán fuera del área emisora de luz y posteriormente se usarán con fines de iluminación, mientras que otras partes se reflejan en la interfaz. Esto se puede usar para crear una distribución de intensidad uniforme sobre la primera y la segunda áreas emisoras de luz o la interfaz, respectivamente, porque se puede seleccionar el área central de un haz de luz o del cono de luz de ese haz de luz,<aumentando así la distribución de intensidad uniforme.>

[0049] Por ejemplo, la fuente de luz externa puede emitir un modo de tipo gaussiano, y para limitar la fluctuación de intensidad de campo sobre la interfaz (y/o la superficie emisora de luz como se define a continuación) al 20 %, solo se usa la parte central dentro de aproximadamente un radio incluyendo el 50 % de la intensidad de haz del haz de<luz, mientras que el resto se refleja totalmente en el interior. Además, si la interfaz se proporciona como una>superficie frontal de una placa con una superficie posterior paralela, la parte del haz de luz que experimentó una reflexión interna total nunca abandonará la placa a través de la interfaz y saldrá de la placa por sus facetas laterales. Este mecanismo es particularmente útil si los elementos de conformación óptica son elementos ópticos divergentes. Al ajustar cuánto aumenta la divergencia del haz, se puede regular qué parte del haz de luz<abandonará la interfaz y qué parte será totalmente reflejada internamente. La parte que se refleja totalmente en el>interior no pertenece al haz de luz que se emite desde las respectivas estructuras de conformación de haz y, por lo tanto, desde las respectivas áreas emisoras de luz. Por lo tanto, de esta manera, la uniformidad del perfil de densidad radiante de un haz de luz emitido desde la estructura de conformación de haz respectiva puede aumentarse cortando una parte exterior del haz. Opcionalmente, los elementos de conformación óptica pueden<dirigir el haz de luz a la interfaz de tal manera que el haz de luz incida en la interfaz perpendicularmente. Es decir,>de tal manera que un eje central del haz de luz definido por los momentos de primer orden de la distribución de densidad de energía (como se define en ISO 13694:2018) para diferentes z entre el elemento de conformación óptica y la interfaz, es perpendicular a la interfaz. De esta manera, la uniformidad se puede aumentar y el área emisora de luz respectiva puede ser circular.

[0051] La distancia de las áreas emisoras de luz o la interfaz, respectivamente, desde el respectivo elemento de conformación óptica y la distancia de los elementos de conformación óptica entre sí viene dada por la técnica de conformación de haz usada y si se usa reflexión interna total. Por ejemplo, si se usan haces gaussianos reflejados desde microespejos curvos en combinación con la reflexión interna total, los elementos de conformación óptica se distancian entre sí aproximadamente 880 μm, en particular de 886 μm si debe configurarse para una fuente de luz<externa de luz azul a 877 μm para una fuente de luz externa de luz roja, para una distancia del elemento de>conformación óptica a la interfaz de 500 μm.

[0053] La interfaz puede ser una interfaz límite entre un primer medio (donde el haz de luz se propaga antes de ser emitido desde el área emisora de luz respectiva) y un segundo medio, donde el índice de refracción del primer medio es<mayor o igual que el índice de refracción del segundo medio. En particular, puede ser un sustrato (vidrio) al límite>de aire, o un sustrato al límite de sustrato.

[0055] Es ventajoso que la primera área emisora de luz no se superponga con la segunda área emisora de luz. De esta manera, se emiten haces de luz coherentes (con una fase bien definida o una longitud de recorrido óptico,<respectivamente) desde la interfaz.>

[0057] Opcionalmente, el dispositivo óptico comprende una superficie emisora de luz, donde la primera y la segunda áreas emisoras de luz son proporcionadas por la superficie emisora de luz y donde una estructura de panal (preferentemente hexagonal) de un material absorbente se proporciona en la parte superior de la superficie<emisora de luz. Por ejemplo, una primera celda (preferentemente hexagonal) de la estructura de panal>(preferentemente hexagonal) puede abarcar la primera área emisora de luz y una segunda celda (preferentemente hexagonal) de la estructura de panal (preferentemente hexagonal) puede abarcar la segunda área emisora de luz. La estructura de panal y sus celdas también podrían ser, por ejemplo, romboédricas o triangulares. La superficie emisora de luz puede estar separada de los elementos de conformación óptica. Opcionalmente, la superficie<emisora de luz es la interfaz. Por lo general, las áreas emisoras de luz tendrán una circunferencia elíptica, en>particular circular. Por lo tanto, es posible que una superficie emisora de luz no pueda llenarse completamente con áreas emisoras de luz sin que se superpongan y, por lo tanto, interfieran los haces de luz de diferentes recorridos ópticos. Mediante el uso de una estructura de panal en la parte superior de la superficie emisora de luz, se pueden formar límites de absorción entre diferentes áreas emisoras de luz, lo que permite definir la forma de puntos de<haces de luz con distintos recorridos ópticos y, por lo tanto, permite lograr un mayor factor de llenado de la>iluminación de la superficie emisora de luz, de hasta el 100 % (a costa de una pérdida óptica adicional). Alternativamente, la superficie emisora de luz también puede recubrirse parcialmente con un material absorbente para dar forma a las áreas emisoras de luz y lograr un efecto similar a una estructura de panal elevada.

[0059] <El dispositivo óptico comprende al menos una guía de ondas de bus para guiar el haz de luz emitido desde la fuente>de luz externa y al menos un primer y un segundo acoplador óptico, que son acopladores direccionales (es decir, acopladores proporcionados para distribuir la luz desde las guías de ondas de bus a las guías de ondas por medio de un acoplamiento evanescente), donde el primer acoplador óptico acopla la luz emitida desde la fuente de luz externa desde la guía de ondas de bus a la primera guía de ondas y el segundo acoplador óptico acopla el haz de<luz emitido desde la fuente de luz externa desde la guía de ondas de bus a la segunda guía de ondas. En particular,>el primer y/o segundo acoplador óptico, respectivamente, comprenden y/o están formados (al menos en parte) por la guía de ondas de bus y la primera y segunda guía de ondas, respectivamente. Los acopladores ópticos pueden formarse, por ejemplo, simplemente acercando la primera y la segunda guía de ondas, respectivamente, lo suficiente a la guía de ondas de bus. Esto permite una fácil distribución de un haz de luz emitido desde la fuente de<luz externa a la primera y la segunda guía de ondas. La guía de ondas de bus también puede guiar la luz emitida>desde la fuente de luz externa a las más de dos guías de ondas y/o se puede proporcionar más de una guía de ondas de bus. También se puede proporcionar al menos una guía de ondas de bus de nivel superior, que guía un haz de luz emitido desde la fuente de luz externa a al menos una guía de ondas de bus de clasificación inferior o luz de acoplamiento en las guías de ondas de bus de clasificación inferior mediante un acoplador óptico (y opcionalmente a una o más estructuras de conformación de haz), donde las guías de ondas de bus de clasificación<inferior guían la luz a una o más estructuras de conformación de haz.>

[0061] El dispositivo óptico puede comprender un sustrato transparente, donde la primera y la segunda guía de ondas se forman dentro del sustrato transparente. De esta manera, las guías de onda se pueden proporcionar fácilmente de manera compacta y con separaciones estrechas entre ellas. Además, la sensibilidad a la temperatura es bien<conocida y, por lo tanto, se puede compensar fácilmente. Por ejemplo, la primera y la segunda guía de ondas se>forman dentro del sustrato transparente por medio de escritura láser directa, en particular escritura láser de femtosegundos. De esta manera, el sustrato transparente puede ser muy delgado, por ejemplo, tener un espesor de menos de 500 μm.

[0063] <Las guías de onda escritas con láser (de femtosegundo) combinan la capacidad de construir circuitos ópticos en 3D>con bajas pérdidas de propagación (por ejemplo, <0,2 dB/cm), estabilidad a alta temperatura, facilidad de fabricación e integración con otros componentes microópticos (escritos con láser). Además, también la al menos una guía de ondas de bus puede formarse dentro del sustrato transparente (de nuevo, por ejemplo, por medio de escritura láser directa). La superficie emisora de luz y/o la interfaz pueden ser proporcionadas por una superficie<(frontal) del sustrato transparente.>

[0065] La primera y segunda estructuras de conformación de haz pueden ser proporcionadas al menos parcialmente por el sustrato transparente, en particular los respectivos elementos de conformación óptica pueden ser proporcionados por el sustrato transparente. Los elementos de conformación óptica, por ejemplo, en forma de<microespejos, se pueden mecanizar con una precisión muy alta y con una forma casi arbitraria usando ablación por>láser (de femtosegundo). Posteriormente, se pueden pulir, por ejemplo, mediante un láser (CO<2>) para aumentar la calidad de la superficie. Los elementos de conformación óptica pueden, por ejemplo, estar formados en o adyacentes a una cara posterior del sustrato. Específicamente, los elementos de conformación óptica pueden ser microespejos formados en una cara posterior del sustrato. Además, los elementos de conformación óptica podrían<ser elementos ópticos difractivos que entran en contacto con una cara posterior del sustrato. La cara posterior es,>por ejemplo, una superficie opuesta a la superficie frontal, en particular opuesta a la superficie emisora de luz y/o opuesta a la interfaz (sin tener en cuenta los elementos de conformación óptica eventualmente formados, como los microespejos). La cara posterior puede ser sustancialmente paralela a la superficie frontal, la superficie emisora de luz y/o la interfaz.

[0067] La retroiluminación puede a continuación funcionar de la siguiente manera: Las guías de ondas escritas con láser (de femtosegundo), incrustadas dentro de un sustrato de vidrio delgado, y las guías de ondas de bus etiquetadas transportan la luz láser desde un láser externo (que puede no ser parte del dispositivo óptico) a toda el área de superficie del sustrato (transparente); se proporcionan acopladores ópticos (direccionales), a través de medios de<acoplamiento evanescente entre las guías de ondas, para distribuir la luz desde las guías de ondas de bus a las>guías de ondas y, por lo tanto, a varias posiciones en la cara posterior del sustrato donde se encuentran los microespejos o DOE; estos últimos se usan para crear conos de luz que iluminan cada uno una cantidad de píxeles de, por ejemplo, un SLM (que puede no ser parte del dispositivo óptico). Al usar la reflexión interna total en el límite vidrio-aire, esos conos de luz, que de otro modo se superpondrían y provocarían efectos de interferencia no<deseados, se recortan y aíslan.>

[0068] La luz que se origina en la fuente de luz externa, que puede colocarse en el borde del sustrato transparente, se distribuye sobre el área de la superficie frontal usando guías de ondas escritas por láser de femtosegundo y estructuras de conformación de haz. Estas guías de onda pueden seguir cualquier trayectoria 3D deseada dentro del sustrato y acoplar luz entre ellas usando acopladores ópticos (direccionales). Se pueden lograr fácilmente<separaciones mínimas de guía de ondas de 20 μm, lo que permite una red de guías de ondas muy densa.>

[0070] El microespejo se puede hacer muy pequeño (por ejemplo, < 30 μm de diámetro), dependiendo de la calidad de la superficie de la estructura del espejo y la distancia de propagación del espacio libre (en el sustrato) del haz de luz después de que salga de la guía de ondas respectiva. La reflexión de los elementos de conformación óptica, por<ejemplo, los microespejos, podría tener lugar puramente debido a la reflexión interna total en la interfaz vidrio-aire,>o la estructura del espejo puede estar recubierta con un material reflectante (por ejemplo, plata). Los elementos de conformación óptica, en particular los microespejos, también podrían fabricarse por cualquier medio, por ejemplo, moldeo por presión de vidrio o fabricación de microestructura de polímero.

[0072] <La longitud del recorrido óptico desde la fuente de luz externa a las áreas emisoras de luz, en particular a un>dispositivo externo como un SLM, varía y, por lo tanto, la fase de diferentes puntos será diferente. Estas diferencias de fase se pueden calibrar y compensar fácilmente en un SLM. Debido a las diferentes longitudes de recorrido, los cambios de temperatura afectarán a las diferentes fases de manera diferente y proporcional a su respectiva longitud de recorrido óptico. Para reducir este efecto, se puede usar vidrio con un coeficiente de expansión<termoóptica muy bajo para el sustrato transparente (por ejemplo, Corning EAGLE XG, δ>1<= 31,7 • 10-7/°C) y, por lo>tanto, el cambio de fase puede ser pequeño y se puede corregir más fácilmente para usar, por ejemplo, un SLM.

[0073] Para aplicaciones y dispositivos comerciales, el dispositivo óptico, más particularmente los dispositivos donde se puede usar, como una retroiluminación holográfica, debe funcionar de forma estable en grandes intervalos de<temperatura, como de 0 °C a 70 °C para dispositivos móviles o incluso de -40 °C a 125 °C para el sector>automovilístico. Las variaciones de temperatura pueden inducir cambios de fase entre los diferentes píxeles (por ejemplo, diferentes áreas emisoras de luz) del dispositivo óptico, en particular de un SLM iluminado por el dispositivo óptico, degradando la calidad de la imagen o incluso destruyéndola por completo. Sin embargo, dado que la tarea de un SLM es de todos modos introducir desplazamientos de fase en cada píxel, cualquier<desplazamiento de fase puede compensarse fácilmente si (a) los desplazamientos de fase se producen lentamente>y (b) se conocen los desplazamientos de fase. Un SLM típico puede actualizar el valor de fase para cada píxel dentro de aproximadamente 10 ms donde se puede suponer que tiene lugar un desplazamiento de temperatura de no más de 1 mK en condiciones habituales. Además, se puede suponer, por ejemplo, que tiene lugar un cambio de temperatura de 0,01° K en una muestra de 100 mm de longitud. El coeficiente de expansión volumétrica de, por<ejemplo, vidrio de borosilicato es 31,7 • 10-7/°K y la tasa de cambio del índice de refracción debido al cambio de>temperatura puede ser 2,2 • 10<-6>/°K. A una longitud de onda de 450 nm, el índice de refracción es, por ejemplo, n<0>= 1,51825. El cambio de fase total a continuación se calcula en 0,5 % de un cambio de fase y, por lo tanto, puede verse como insignificante.

[0075] <Para marcos de tiempo más largos y mayores derivas de temperatura, la condición (b) se vuelve relevante. La>forma más simple de contrarrestar estos cambios de fase es usar estructuras similares a Mach-Zehnder, en particular dentro del sustrato transparente. Por lo tanto, es ventajoso que el dispositivo óptico comprenda:

[0076] al menos una primera y una segunda guía de ondas de interferómetro formadas dentro del sustrato,<un primer acoplador de interferómetro para acoplar un haz de luz desde la primera guía de ondas de>interferómetro a la segunda guía de ondas de interferómetro,

[0077] un segundo acoplador de interferómetro óptico para acoplar un haz de luz desde la primera guía de ondas de interferómetro a la segunda guía de ondas de interferómetro, y

[0078] un fotodetector conectado a la primera guía de ondas de interferómetro.

[0080] <Alternativamente, el segundo acoplador de interferómetro óptico puede ser para acoplar un haz de luz desde la>segunda guía de ondas de interferómetro a la primera guía de ondas de interferómetro y el fotodetector puede estar conectado a la segunda guía de ondas de interferómetro. Además, alternativamente, el dispositivo óptico, en particular la estructura similar a Mach-Zehnder, solo puede comprender:

[0082] <al menos una primera y una segunda guía de ondas de interferómetro formadas dentro del sustrato,>un fotodetector para medir una interferencia de un haz de luz de la primera guía de ondas de interferómetro y un haz de luz de la segunda guía de ondas de interferómetro.

[0084] Se puede proporcionar más de una de estas estructuras tipo Mach-Zehnder. El fotodetector es, por ejemplo, un<fotodiodo. La primera y la segunda guía de ondas del interferómetro son comparables a los diferentes brazos de un>interferómetro tipo Mach-Zehnder y sus longitudes pueden diferir. Se produce un desplazamiento de fase dependiente de la temperatura entre la primera y la segunda guía de ondas del interferómetro que puede leerse en términos de fluctuaciones de intensidad por el fotodetector (por ejemplo, en la cara final/lateral del sustrato). Se pueden construir múltiples estructuras similares a Mach-Zehnder para aumentar la precisión de la medición.<Preferentemente, la primera guía de ondas de interferómetro está configurada para recibir un haz de luz emitido>desde la fuente de luz externa. Se puede usar cualquier longitud de onda, pero es más conveniente usar la misma longitud de onda que también se propaga en las otras guías de onda. En un intervalo de temperatura de 0 °C a 70 °C, la deriva de fase total para las longitudes de las guías de onda de 100 mm puede ser (en el ejemplo anterior) 366 • 2π. Con una o más estructuras similares a Mach-Zehnder, las desviaciones de fase se pueden determinar y<se pueden compensar, por ejemplo, mediante un SLM. La longitud de la primera y la segunda guía de ondas del>interferómetro debe elegirse de tal manera que para el cambio de temperatura máximo esperado, el cambio de fase inducido no sea mayor que 2π. Se pueden construir estructuras adicionales similares a Mach-Zehnders con diferentes longitudes para aumentar la precisión de la medición.

[0086] <Otra preocupación es la estabilidad de la longitud de onda de la fuente de luz externa. Los diodos láser de emisión>superficial de cavidad vertical (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL) y láser de retroalimentación distribuida (Distributed Feedback Laser, DFB) generalmente tienen una estabilidad de longitud de onda de 0,07 nm/°C. Por lo tanto, ya un cambio de longitud de onda de 0,002 nm conducirá a una diferencia de fase 2π entre píxeles que están a 100 mm de distancia. Por lo tanto, la fuente de luz externa está preferentemente estabilizada<en temperatura, por ejemplo, como se hace rutinariamente para los diodos láser usados para fines de>telecomunicación. Ventajosamente, la fuente de luz externa puede colocarse a una distancia del dispositivo óptico y un haz de luz emitido desde la fuente de luz externa guiado al dispositivo óptico a través de fibra óptica.

[0088] En una realización opcional, el dispositivo óptico comprende una estructura de reducción de divergencia del haz<óptico para reducir la divergencia de haz de los haces de luz emitidos desde la primera y la segunda áreas>emisoras de luz. Preferentemente, la estructura de divergencia de haz óptico da forma a los haces de luz emitidos desde la primera y la segunda áreas emisoras de luz de modo que el frente de onda de los haces de luz tenga la forma de una onda plana (espacialmente limitada). De esta manera, el dispositivo óptico puede suministrar una onda plana coherente. La estructura de reducción de divergencia óptica se alinea preferentemente delante de o es<formada por la interfaz, la superficie emisora de luz y/o la superficie frontal del sustrato transparente. La estructura>reductora de divergencia óptica es preferentemente un DOE o una matriz de lentes, en particular una matriz de Fresnel.

[0090] Otro factor a considerar es que los haces de luz emitidos desde la interfaz, que tienen un ángulo más pequeño pero cercano al ángulo crítico de reflexión interna total, tendrán un ángulo de propagación fuera del sustrato que es casi<paralelo a la superficie frontal. Se puede usar un DOE o una estructura similar a una lente para crear la onda plana,>por ejemplo, para su uso con un SLM. Esta estructura reductora de la divergencia del haz óptico puede separarse del sustrato por aire y/o estar hecha, por ejemplo, de un material de bajo índice de refracción para mantener válido el principio de reflexión interna total.

[0092] <En una realización ventajosa, el dispositivo óptico está configurado para controlar la luz de al menos una fuente de>luz externa adicional. Por ejemplo, el dispositivo óptico puede configurarse para controlar la luz de tres fuentes de luz externas, donde una de ellas podría ser una fuente de luz azul (longitud de onda de 467 nm), una fuente de luz verde (532 nm) y una de luz roja (630 nm). El dispositivo óptico puede de esta manera proporcionar una iluminación multicolor, por ejemplo, para una pantalla holográfica multicolor. Por ejemplo, la primera y la segunda guías de<ondas también pueden ser para guiar un haz de luz emitido desde una de la al menos una fuente de luz externa>adicional, donde la primera guía de ondas guía el haz de luz emitido desde la una fuente de luz externa adicional a la primera estructura de conformación de haz y la segunda guía de ondas dirige el haz de luz emitido desde la una fuente de luz externa adicional a la segunda estructura de conformación de haz; o, alternativamente, el dispositivo óptico puede comprender al menos una primera y una segunda guía de ondas adicional para guiar un haz de luz<emitido desde una de la al menos una fuente de luz externa adicional, y al menos una primera estructura de>conformación de haz adicional con una primera área emisora de luz adicional para emitir un haz de luz y una segunda estructura de conformación de haz adicional con una segunda área emisora de luz adicional para emitir un haz de luz, donde la primera guía de ondas adicional guía el haz de luz emitido desde la una de la al menos una fuente de luz externa adicional a la primera estructura de conformación de haz y la segunda guía de ondas<adicional guía el haz de luz emitido desde la una de la al menos una fuente de luz externa a la segunda estructura>de conformación de haz adicional, donde la primera y la segunda estructuras de conformación de haz adicional están configuradas cada una para aumentar la uniformidad del perfil de densidad radiante del haz de luz guiado a la estructura de conformación de haz adicional respectiva al ser emitido desde el área emisora de luz adicional respectiva de la estructura de conformación de haz adicional respectiva.

[0094] Es decir, el haz de luz emitido desde la al menos una fuente de luz externa adicional, por ejemplo, desde tres fuentes de luz externas con cada fuente de luz externa teniendo un color diferente de un conjunto de tres colores primarios, puede combinarse dentro del mismo dispositivo óptico y copropagarse en las mismas guías de ondas (por estructura de conformación de haz) o propagarse en guías de ondas separadas. En particular, si las guías de<ondas son guías de ondas escritas con láser, la separación de la guía de ondas de, por ejemplo, solo 10 μm y sin>diafonía es fácilmente alcanzable, y los haces podrían reflejarse, por ejemplo, desde el mismo (o diferente) elemento de conformación óptica, en particular microespejos.

[0096] La eficiencia óptica del dispositivo óptico depende principalmente de la pérdida de propagación de la guía de<ondas, la pérdida de acoplamiento de la fuente externa a la guía de ondas y la cantidad de reflexión interna total. La>pérdida de propagación de la guía de ondas es, por ejemplo, <0,2 dB/cm para todas las longitudes de onda y la pérdida general precisa depende del diseño de la guía de ondas (en el sustrato). La eficiencia de la fuente de luz externa, en particular el diodo láser, que se acopla a las guías de ondas (monomodo) depende principalmente de la coincidencia de modos y las reflexiones de Fresnel en las interfaces ópticas. Los láseres emisores de superficie de<cavidad vertical (Vertical- Cavity Surface-Emitting Lasers, VCSEL) tienen un perfil de modo circular que coincide>muy bien con el de las guías de onda y se pueden lograr eficiencias de acoplamiento superiores al 90 %. En el caso de los diodos láser emisores de borde, la eficiencia de acoplamiento es menor debido a la forma de modo altamente elíptica. Típicamente, se pueden lograr eficiencias de acoplamiento de 50 % a 80 %. La cantidad de luz perdida debido a la reflexión interna total depende de la uniformidad requerida y de la estrategia de conformación del haz usado. Con respecto, por ejemplo, a un perfil de haz gaussiano: para lograr una uniformidad (mínimo sobre<máximo) del 80 %, aproximadamente el 50 % de la intensidad total del haz debe cortarse (es decir, descartarse).>

[0097] La invención se refiere además a una unidad de retroiluminación, comprendiendo un dispositivo óptico como se describe en esta invención y comprendiendo la fuente de luz externa. Preferentemente, la fuente de luz externa es un diodo láser.

[0099] La invención se refiere además a un sistema óptico, en particular una pantalla holográfica, comprendiendo un modulador de luz espacial, y una unidad de retroiluminación o un dispositivo óptico como se describe en esta invención.

[0101] <En general, el dispositivo óptico, la unidad de retroiluminación y/o el sistema óptico podrían usarse para muchas>aplicaciones donde es útil la creación de un frente de onda grande y coherente. Un ejemplo es la detección 3D, ya sea activamente a través de la dirección del haz, donde se usa un SLM para controlar activamente uno o más haces láser para aplicaciones de detección y alcance de luz (Light Detection And Ranging, LIDAR), o pasivamente, donde se usan DOE para crear luz estructurada.

[0103] La detección de luz estructurada o la detección 3D de luz estructurada tiene muchas aplicaciones prometedoras en dispositivos móviles y fue introducida por Apple Inc. con su sistema de autenticación FacelD. Una cuadrícula de puntos se proyecta en el entorno; la distorsión de esta cuadrícula es mapeada por una cámara que a continuación produce información 3D. Las aplicaciones futuras aumentarán la resolución de la cuadrícula de puntos y pasarán<de disparos individuales a mediciones continuas. Ambas cosas son difíciles de lograr en términos de precisión y>consumo de energía, pero se pueden resolver fácilmente usando el dispositivo óptico, la unidad de retroiluminación o el sistema óptico descrito en esta invención. La resolución de la cuadrícula de puntos depende del número de haces y su ángulo de divergencia que se puede aumentar fuertemente usando el frente de onda plano y modulándolo con un DOE. El consumo de energía puede disminuirse amplificando la relación señal/ruido: debido a<las fluctuaciones de temperatura y las variaciones de fabricación de los diodos láser, se deben usar filtros de>espectro óptico muy amplio (por ejemplo, 25 nm) en los dispositivos actuales, lo que disminuye la relación señal/ruido. Usando el dispositivo óptico, la unidad de retroiluminación o el sistema óptico descritos en la presente, se pueden usar varios diodos láser en paralelo y solo se enciende el que se ajusta bien al espectro de filtro mucho más estrecho en una condición dada. La estrategia funciona para cualquier longitud de onda deseada y se puede<elegir según se desee.>

[0105] La navegación autónoma de automóviles, drones y robots depende en gran medida del uso de LiDAR. Esencialmente, LiDAR se basa en un haz láser pulsado que se escanea en un área grande y mide el retraso de las reflexiones (medición del tiempo de vuelo). Si bien LiDAR se usa ampliamente, sigue siendo una tecnología muy<cara que prohíbe su adopción en el mercado masivo. La principal dificultad radica en el desafío de dirigir el haz>láser con alta precisión a grandes distancias en un entorno automotriz con grandes cambios de temperatura y fuertes vibraciones. Usando el dispositivo óptico descrito en la actualidad, la unidad de retroiluminación o el sistema óptico (y un SLM) se puede construir un sistema LiDAR compacto y muy estable. La gran apertura posible de la luz de fondo/SLM permite el uso de haces láser anchos con longitudes de divergencia de haz muy largas, lo<que aumenta la distancia de detección. Además, el precio podría ser muy bajo cuando se produce a escala, tanto>para la escritura láser como para el SLM.

[0106] El diseño de guías de onda para las longitudes de onda más usadas en la detección 3D (940 nm y 1550 nm) es sencillo. Además, también es posible construir un Flash LiDAR con haces colimados y evitar el direccionamiento activo del haz.

[0108] A modo de ejemplo, la invención se explica adicionalmente con respecto a algunas realizaciones seleccionadas mostradas en los dibujos. Sin embargo, estas realizaciones no deben considerarse limitativas de la invención. Las figuras muestran:

[0110] <la Fig. 1 una realización preferida de la invención del dispositivo óptico;>

[0111] la Fig.2 un detalle de una realización preferida de la invención del dispositivo óptico con un microespejo como elemento de conformación óptica;

[0112] la Fig.3 un detalle de otra realización preferida de la invención del dispositivo óptico con un microespejo como elemento de conformación óptica y un DOE como estructura reductora de divergencia de haz óptico;

[0113] <la Fig. 4 un detalle de otra realización preferida de la invención del dispositivo óptico con un microespejo como>elemento de conformación óptica y una lente como estructura reductora de divergencia de haz óptico;

[0114] la Fig. 5 un detalle de otra realización preferida de la invención del dispositivo óptico con un DOE como elemento de conformación óptica y un segundo DOE como estructura reductora de la divergencia del haz óptico;

[0115] <la Fig. 6 un detalle de otra realización preferida de la invención del dispositivo óptico con un DOE como>elemento de conformación óptica y una estructura reductora de divergencia de haz óptico;

[0116] la Fig. 7 una realización preferida de la invención de la unidad de retroiluminación en una vista superior esquemática;

[0117] la Fig. 8 otra realización preferida de la invención de la unidad de retroiluminación en una vista superior<esquemática;>

[0118] la Fig.9 unidad de retroiluminación en la misma realización que la Fig.8 en una vista en sección esquemática; y

[0119] la Fig.10 una estructura similar a Mach-Zehnder de una realización preferida de la invención del dispositivo óptico.

[0121] La Fig.1 muestra una realización preferida de la invención del dispositivo óptico 1 para controlar la luz de una fuente de luz externa 2 (que no forma parte de esta realización), por ejemplo, un diodo láser con una forma de haz gaussiano. El dispositivo óptico 1 comprende una primera guía de ondas 3, una segunda guía de ondas 4 y una guía de ondas adicional. Por supuesto, se puede incluir más de una guía de ondas adicional. Además, el dispositivo<óptico 1 comprende una primera estructura de conformación de haz 5 con una primera área emisora de luz 6 y una>segunda estructura de conformación de haz 7 con una segunda área emisora de luz 8. El dispositivo óptico 1 también comprende una guía de onda de bus 9. La guía de ondas de bus 9 está configurada para guiar un haz de luz emitido desde la fuente de luz externa y tiene un primer acoplador óptico 10 y un segundo acoplador óptico 11, donde el primer acoplador óptico 10 acopla un haz de luz emitido desde la fuente de luz externa desde la guía de<ondas de bus 9 a la primera guía de ondas 3 y el segundo acoplador óptico 11 acopla un haz de luz emitido desde>la fuente de luz externa desde la guía de ondas de bus 9 a la segunda guía de ondas 4. Más concretamente, cada uno de los acopladores ópticos 10, 11 redirige una fracción del haz de luz guiado por la guía de ondas de bus 9 a la respectiva primera y segunda guías de ondas 3, 4. Posteriormente, la primera guía de ondas 3 guía el haz de luz emitido desde la fuente de luz externa a la primera estructura de conformación de haz 5 y la segunda guía de ondas<4 guía el haz de luz emitido desde la fuente de luz externa a la segunda estructura de conformación de haz 7.>

[0122] La primera estructura de conformación de haz 5 y la segunda estructura de conformación de haz 7 están configuradas cada una de modo que la uniformidad del perfil de densidad radiante de un haz de luz emitido desde el área emisora de luz respectiva 6, 8 de la estructura de conformación de haz respectiva 5, 7 sea mayor que la del haz de luz guiado a la estructura de conformación de haz respectiva 5, 7 por la guía de ondas respectiva 3, 4. La<primera y la segunda estructuras de conformación de haz 5, 7 comprenden cada una un elemento de conformación>óptica 12 respectivo y la primera y la segunda guías de ondas 3, 4 dirigen el haz de luz emitido desde la fuente de luz externa al elemento de conformación óptica respectivo 12. Los elementos de conformación óptica 12 están configurados para manipular el frente de onda del haz de luz dirigido al respectivo elemento de conformación óptica 12. En esta realización, los elementos de conformación óptica 12 son elementos ópticos divergentes 13, en<particular microespejos (curvados), que amplían el ángulo de apertura del haz de luz. Debido al ensanchamiento>del ángulo del haz, las áreas emisoras de luz 6, 8 también pueden estar más cerca de los respectivos elementos de conformación óptica 12, al tiempo que proporcionan la misma área total de iluminación.

[0124] El dispositivo óptico 1 comprende un sustrato transparente 14. La primera guía de ondas 3, la segunda guía de<ondas 4 y la guía de ondas de bus 9 están formadas dentro del sustrato transparente 14, en particular por escritura>láser directa. Una superficie frontal del sustrato transparente 14 proporciona una interfaz 15, que en el presente caso es un límite del sustrato 14 y el aire. La primera y la segunda áreas emisoras de luz 6, 8 son proporcionadas por la interfaz 15. Las áreas emisoras de luz primera y segunda 6, 8 están delimitadas cada una por la reflexión interna total que ocurre fuera del área emisora de luz respectiva 6, 8 para el haz de luz dirigido hacia la interfaz 15<después de interferir con el elemento de conformación óptica respectivo 12. Se observa que en la Fig. 1 solo se>muestra esa parte del haz reflejado desde los elementos de conformación óptica 12 que pasa por la interfaz 15, es decir, que no está sujeta a la reflexión interna total en la interfaz 15. Por el contrario, en las Fig.2 a 6 se representa la parte del haz de luz que se reflejará en la interfaz 15. Mediante el uso del elemento óptico divergente 13 para ampliar el haz de luz y, posteriormente, la reflexión interna total en la interfaz 15, se puede aumentar la uniformidad<del perfil de densidad radiante del haz de luz emitido desde el área emisora de luz 6, 8 respectiva.>Alternativamente, los elementos de conformación óptica 12 podrían ser, por supuesto, elementos perfiladores ópticos 19 (ver Fig. 5 y 6), que pueden aumentar la uniformidad del perfil de densidad radiante del haz de luz emitido desde el área emisora de luz respectiva 6, 8 (en combinación con la reflexión interna total en la interfaz 15, o también sin ella). El ángulo crítico de reflexión total es, como es bien sabido, determinado por los índices de<refracción del sustrato transparente y, en esta realización, el aire. Los elementos de conformación óptica 12 (o su>ensanchamiento del haz de luz, respectivamente), su distancia desde la interfaz 15 y el ángulo crítico de reflexión total en la interfaz 15 (o los índices de refracción relevantes, respectivamente) están configurados de tal manera que la primera área emisora de luz 6 no se superpone con las segundas áreas emisoras de luz.

[0126] <En esta realización, la primera y la segunda estructura de conformación de haz 5, 7 están formadas, en>consecuencia, por el elemento de conformación óptica 12 respectivo y la interfaz 15, donde se produce la reflexión total fuera del área emisora de luz 6, 8 respectiva.

[0128] La presente invención permite que el dispositivo óptico 1 sea muy delgado, y el sustrato transparente 14 puede ser<una placa delgada, en cuyo caso la Fig. 1 es una vista de una sección paralela a las dimensiones más pequeñas>del sustrato transparente 14. Los elementos de conformación óptica 12 están formados en una cara posterior del sustrato transparente 14. La cara posterior (excluyendo la muesca que forma los elementos de conformación óptica 12) es sustancialmente paralela a la interfaz 15. De manera ventajosa, dado que la superficie frontal y la cara posterior del sustrato 14 son paralelas, esa parte del haz de luz que se reflejó desde la interfaz 15 debido a la<reflexión interna total podría abandonar el sustrato a través de la cara posterior (si tiene un ángulo crítico más alto>que la interfaz), o reflejarse repetidamente desde la cara posterior y la superficie frontal del sustrato, de modo que al final se emitirá desde las caras laterales del sustrato 14. Por lo tanto, no se emite desde la interfaz y no interferirá con los haces de luz emitidos desde las áreas emisoras de luz 6, 8. La pequeña cantidad de luz que se reflejó internamente total desde la interfaz 15 y posteriormente se dispersa por algún otro elemento de conformación óptica 12 en la interfaz 15 en un ángulo menor que el ángulo crítico y, por lo tanto, se emite desde la interfaz 15, es<insignificante.>

[0130] El dispositivo óptico 1 comprende además una estructura reductora de la divergencia del haz óptico 16 para reducir la divergencia de haz de los haces de luz emitidos desde la primera y la segunda áreas emisoras de luz 6, 8. La estructura de reducción de la divergencia del haz óptico 16 es un DOE que preferentemente transforma la luz que<se emite desde las áreas emisoras de luz 6, 8 en ondas planas (espacialmente limitadas).>

[0132] Además, la Fig.1 muestra un SLM 17 para modular la fase de la luz emitida en la parte superior del dispositivo óptico 1. En lugar del SLM 17, también se podrían usar DOE para crear un patrón de luz estática. También se puede considerar que la Fig.1 muestra un detalle de un sistema óptico 18, en particular excluyendo la fuente de luz<externa.>

[0134] Las Fig.2 a 6 muestran cada una un detalle de una realización preferida de la invención del dispositivo óptico 1. Por ejemplo, no muestran la segunda guía de ondas 4. El dispositivo óptico 1 funciona de manera análoga al descrito en el contexto de la Fig.1. De manera similar a la realización mostrada en la Fig.1, el haz de luz emitido desde una<fuente de luz externa 2 (que no forma parte del dispositivo óptico 1) es guiado por una guía de ondas de bus 9 y>parcialmente acoplado a la primera guía de ondas 3, que a su vez dirige el haz de luz al elemento de conformación óptica 12, que es un elemento óptico divergente 13. En las Fig.2 a 4, el elemento de conformación óptica 12 es un microespejo formado por una cara posterior del sustrato 14. En las Fig.5 y 6, el elemento de conformación óptica 12 está formado como un DOE que se toca y alinea con la cara posterior del sustrato 14. El elemento de<conformación óptica 12 en las Fig.5 y 6 puede ser simultáneamente un elemento perfilador óptico 19. En todas las>Fig.2 a 6 se puede observar que el elemento de conformación óptica 12 amplía el ángulo de apertura del haz de luz dirigido al elemento de conformación óptica 12. Además, puede observarse que esa fracción del haz de luz dirigido por el elemento 12 de conformación óptica en la interfaz 15, que tiene un ángulo incidente que es mayor que el ángulo crítico, se refleja en la interfaz 15.

[0136] Las realizaciones que se muestran en las Fig.3 a 6 comprenden además una estructura de panal 20 con el borde de una celda 21 que abarca la primera área emisora de luz 6. La estructura de panal 20 está en la parte superior y toca una superficie emisora de luz 28, que proporciona la primera área emisora de luz 6. La superficie emisora de luz 28 en esta realización es proporcionada por la superficie frontal del sustrato 14, es decir (en esta realización) la<interfaz 15. La estructura de panal 20 está hecha de un material absorbente. La reflexión interna total en la interfaz>15 generalmente solo permite que las áreas emisoras de luz 6, 8 sean elípticas. En particular, las áreas emisoras de luz 6, 8 pueden ser, por ejemplo, circulares en caso de que los elementos de conformación óptica 12 sean microespejos, o pueden ser de cualquier forma, en caso de que los elementos de conformación óptica 12 sean DOE. Por lo tanto, no sería posible emitir homogéneamente un área más grande de la interfaz sin que las áreas<emisoras de luz 6, 8 se superpongan o, respectivamente, los haces de luz de diferentes guías de ondas 3, 4 se>mezclen y, por lo tanto, no tengan una fase bien definida. La estructura de panal 20 tiene una cierta altura (celda) normal a la superficie frontal del sustrato 14. De esta manera, el área iluminada por las áreas emisoras de luz individuales 6, 8 puede estar conformada por las paredes de la celda 21 que tienen una distancia variable desde el área emisora de luz respectiva 6, 8 (véase la Fig.8) y, por lo tanto, absorben fracciones variables del haz de luz<emitido desde las regiones fronterizas de las áreas emisoras de luz 6, 8.>

[0137] Las realizaciones que se muestran en las Fig. 3 a 6 comprenden además una estructura reductora de la divergencia del haz óptico 16. Por lo tanto, los haces de luz se emitirán en última instancia desde el dispositivo óptico 1 de la Fig.3 a 6 como una onda plana (espacialmente limitada), que no se encuentra en la Fig.2. Las flechas gruesas indican la dirección de los haces de luz y, en particular, su refracción y reflexión en la interfaz 15.<Cabe señalar que esas flechas son solo con fines ilustrativos y no son precisas; por ejemplo, en las Fig. 3 a 6, ya>parecen indicar una onda plana antes de la estructura reductora de la divergencia del haz óptico 16, lo que no es el caso.

[0139] Las Fig.7 y 8 son vistas superiores de la unidad de retroiluminación 22, que incluye el sistema óptico 1 y la fuente<de luz externa 2. El sistema óptico 1 funciona de manera similar a como se describe en el contexto de la Fig.1 a 6.>El haz de luz emitido desde la fuente de luz externa 2 se acopla a la guía de ondas de bus de mayor clasificación 9, desde donde una fracción se acopla a su vez a la guía de ondas del bus de menor clasificación 9. Tanto desde las guías de ondas de bus de mayor clasificación como desde las de menor clasificación 9, el haz de luz se acopla a las guías de ondas 3, 4 y se guía a las estructuras de conformación de haz 5, 7. Desde los elementos de conformación<óptica 12 de las estructuras de conformación de haz 5, 7, los haces de luz se dirigen hacia la superficie frontal del>sustrato 15 y se emiten desde las áreas emisoras de luz 6, 8. La realización de la Fig.8 incluye, a diferencia de la realización de la Fig.7, una estructura de panal 20. Se puede observar que las celdas 21 de la estructura de panal 20 son hexagonales y cada una abarca un área emisora de luz 6, 8, de modo que se puede aumentar el factor de llenado de iluminación de un área más grande.

[0141] La Fig.9 es una vista en sección esquemática de la realización de la unidad de retroiluminación 22 de la Fig.8 a lo largo del plano indicado por A en la Fig.8 (normal al plano de dibujo). Se puede observar que para esta sección a lo largo de la línea A, las paredes de las celdas 21 de la estructura de panal 20 están distanciadas de las áreas emisoras de luz 6, 8.

[0143] La Fig. 10 muestra una estructura similar a Mach-Zehnder, que se puede usar para determinar los cambios dependientes de la temperatura en las longitudes del recorrido óptico y, por lo tanto, los cambios de fase. Un haz de luz se acopla desde la fuente de luz externa 2 a una guía de ondas en el sustrato 14, cuya guía de ondas puede ser, por ejemplo, una guía de ondas de bus 9. Desde esa guía de ondas, el haz de luz se acopla a una primera guía de<ondas de interferómetro 23, formada dentro del sustrato 14. Una fracción del haz de luz se acopla a continuación a>la segunda guía de ondas de interferómetro 24 mediante el primer acoplador de interferómetro 25. Posteriormente, el haz de luz se acopla desde la segunda guía de ondas de interferómetro 24 de vuelta a la primera guía de ondas de interferómetro 23, donde interfiere con esa fracción del haz de luz, que no se acopló a la segunda guía de ondas de interferómetro 24. Posteriormente, la interferencia del haz de luz que se propagó únicamente en la primera guía<de ondas del interferómetro 23 y el haz de luz que también se propagó en el segundo interferómetro 24 se mide en>el fotodetector 27 conectado a la primera guía de ondas del interferómetro 23. La expansión térmica del sustrato 14 conducirá a continuación a cambios en la interferencia medida por el fotodetector 27 (dependiendo, por ejemplo, del recorrido de la primera y la segunda guía de ondas de interferómetro 23, 24). La Fig.10 muestra una segunda estructura similar a Mach-Zehnder, donde la segunda guía de ondas del interferómetro 24' está conectada a la<primera guía de ondas de interferómetro 23' a una distancia más corta que para la estructura similar a>Mach-Zehnder formada por las guías de ondas del interferómetro 23, 24. El haz de luz de la segunda estructura similar a Mach-Zehnder se acopla a continuación a otro fotodetector 27'. El uso de más de una estructura similar a Mach-Zehnder, con diferentes diseños de guías de ondas de interferómetro 23, 24, 23', 24' permite una calibración de temperatura más sensible.

Claims (13)

1. REIVINDICACIONES

1. Dispositivo óptico (1) para controlar la luz de una fuente de luz externa (2) comprendiendo:

<al menos una primera y una segunda guía de ondas (3, 4) para guiar un haz de luz emitido desde la fuente de>luz externa (2), y

al menos una primera estructura de conformación de haz (5) con una primera área emisora de luz (6) para emitir un haz de luz y una segunda estructura de conformación de haz (7) con una segunda área emisora de luz (6) para emitir un haz de luz, donde la primera guía de ondas (3) guía el haz de luz emitido desde la fuente de luz<externa (2) a la primera estructura de conformación de haz (5) y la segunda guía de ondas (4) guía el haz de luz>emitido desde la fuente de luz externa (2) a la segunda estructura de conformación de haz (7),

donde

la primera y la segunda estructura de conformación de haz (5, 7) están configuradas cada una de tal manera que la uniformidad del perfil de densidad radiante de un haz de luz emitido desde el área emisora de luz<respectiva (6, 8) de la estructura de conformación de haz respectiva (5, 7) es mayor que la del haz de luz guiado>a la estructura de conformación de haz respectiva (5, 7) por la guía de ondas respectiva (3, 4),

donde el dispositivo óptico (1) comprende al menos una guía de ondas de bus (9) para guiar el haz de luz emitido desde la fuente de luz externa (2) y al menos un primer y un segundo acoplador óptico (10, 11), donde el primer acoplador óptico (10) acopla la luz emitida desde la fuente de luz externa (2) desde la guía de ondas<de bus (9) a la primera guía de ondas (3) y el segundo acoplador óptico (11) acopla el haz de luz emitido desde>la fuente de luz externa (2) desde la guía de ondas de bus (9) a la segunda guía de ondas (4),

donde el al menos primer y segundo acopladores ópticos (10, 11) son acopladores direccionales configurados para distribuir luz desde la guía de ondas de bus (9) a la respectiva de la al menos primera y segunda guía de ondas (3, 4) por medio de acoplamiento evanescente.

2. El dispositivo óptico (1) según la reivindicación 1, caracterizado porque la primera y la segunda estructura de conformación de haz (5, 7) comprenden cada una un elemento de conformación óptica (12) y la primera y la segunda guías de ondas (3, 4) dirigen el haz de luz emitido desde la fuente de luz externa (2) al respectivo elemento de conformación óptica (12) de la primera y la segunda estructuras de conformación de haz (5, 7), y los<elementos de conformación óptica están configurados para manipular el frente de onda del haz de luz dirigido al>respectivo elemento de conformación óptica (12).

3. El dispositivo óptico (1) según la reivindicación 2, caracterizado porque el elemento de conformación óptica (12) de la primera y/o la segunda estructura de conformación de haz (5, 7) es un elemento perfilador óptico<(19) configurado para aumentar la uniformidad del perfil de intensidad radiante del haz de luz dirigido al elemento>de conformación óptica respectivo (19).

4. El dispositivo óptico (1) según la reivindicación 2 o 3, caracterizado porque el elemento de conformación óptica (12) de la primera y/o la segunda estructura de conformación de haz (5, 7) es un elemento divergente óptico<(13) configurado para aumentar la divergencia del haz de luz dirigido al respectivo elemento divergente óptico (13).>

5. El dispositivo óptico (1) según una de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque el dispositivo óptico (1) comprende una interfaz (15), donde la primera y la segunda áreas emisoras de luz (6) son proporcionadas por

la interfaz (15) y cada una está delimitada por la reflexión interna total que ocurre fuera del área emisora de luz respectiva (6, 8) para el haz de luz dirigido hacia la interfaz (15) después de interferir con el elemento de conformación óptica respectivo (12).

6.<El dispositivo óptico (1) según la reivindicación 5, caracterizado porque la primera área emisora de luz (6)>no se superpone con la segunda área emisora de luz (8).

7. El dispositivo óptico (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el dispositivo óptico (1) comprende una superficie emisora de luz (28), donde la primera y la segunda áreas emisoras de luz (6, 8)<son proporcionadas por la superficie emisora de luz (28) y donde una estructura de panal (20) de un material>absorbente se proporciona en la parte superior de la superficie emisora de luz (28), donde una primera celda (21) de la estructura de panal (28) abarca la primera área emisora de luz (6) y una segunda celda (21) de la estructura de panal (20) abarca la segunda área emisora de luz (8).

8.<El dispositivo óptico (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por un sustrato>transparente (14), donde la primera y la segunda guía de ondas (3, 4) se forman dentro del sustrato transparente (14).

9. Dispositivo óptico (1) según la reivindicación 8, caracterizado por

al menos una primera y una segunda guía de ondas de interferómetro (25, 26) formadas dentro del sustrato (14),

un primer acoplador de interferómetro (25) para acoplar un haz de luz de la primera guía de ondas de interferómetro (23) a la segunda guía de ondas de interferómetro (24),

<un segundo acoplador de interferómetro óptico (26) para acoplar un haz de luz de la primera guía de ondas de>interferómetro (23) a la segunda guía de ondas de interferómetro (24), y

un fotodetector (27) conectado a la primera guía de ondas de interferómetro (25).

10. El dispositivo óptico (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por una estructura<reductora de divergencia de haz óptico (16) para reducir la divergencia de haz de los haces de luz emitidos desde>la primera y la segunda áreas emisoras de luz (6, 8).

11. Dispositivo óptico (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque está configurado para controlar la luz de al menos una fuente de luz externa adicional.

12. Unidad de retroiluminación (22), caracterizada por un dispositivo óptico (1) según una de las reivindicaciones 1 a 11 y comprendiendo la fuente de luz externa (2), en particular un láser.

13. Sistema óptico (18), en particular pantalla holográfica, comprendiendo un modulador de luz espacial (17),<caracterizado por una unidad de retroiluminación (22) según la reivindicación 12.>