使用超表面的发光装置及其发光方法与流程

使用超表面的发光装置及其发光方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求美国临时专利申请序列号62/862,853(2019年6月18日提交)和62/961,317(2020年1月15日提交)的利益，其中每一项的内容通过引用全文并入本文。
技术领域
3.本公开涉及发光方法、装置和系统，特别涉及使用超表面来控制所发射的光的发光方法、装置和系统。


背景技术：

4.发光二极管(led)是众所周知的，并已广泛应用于许多行业，主要是作为低功耗的光指示器。近年来，增加功率输出或发光强度的led被开发出来并用作照明光源。例如，随着能效、安全性和可靠性的提高，led灯正在取代市场上的其他类型的灯，如白炽灯、紧凑型荧光灯(cfl)等。由于日常照明大大增加了电网的负担，并大大增加了对发电的总体需求，led的能效将在未来的能源节约中发挥至关重要的作用。由于其优越的能源效率，led很可能会主导照明市场。
5.高效led已经在各种应用中取代了传统的照明解决方案，如手电筒、便携式灯、灯具、路灯等。led可以由各种类型的电源供电，例如电池、常规电网、可再生能源系统和能量存储系统(例如使用光伏(pv)板和电池组的系统等)，从而在将照明解决方案适应特定使用场景方面提供了很大的灵活性。
6.在许多照明解决方案中，优选的是将光源(例如led光源)配置为发射定向光，例如形成会聚光束并聚焦到预定义区域上以获得增强的照明强度、形成准直光束以到达远处的目标、形成发散光束以照亮大面积等。在一些照明解决方案中，光源的光方向可以优选地是可调节的。在现有技术中，光源通常使用镜子或反射面来形成定向光，并且经常使用机械装置来转动镜子或反射面来调节光的方向。这种定向照明装置通常尺寸较大、响应速度慢、效率较低。
7.具有增加的功率输出和/或增加的发光强度的led也被用作生长植物等的光源。这种led有时被称为led生长灯，提供各种优点，例如产生精确的光波长、高强度、高效率等。led生长灯也有利于室内植物生长，因为植物生长过程可以在受控环境中进行，风险和其他不想要的室外变量要小得多。
8.植物的生长是“光合作用”过程的结果。如本领域所知，光合作用过程利用来自光的能量将二氧化碳(co2)转化为有机材料。具体地说，光能是通过含有叶绿素色素的特殊蛋白质吸收的，这些蛋白质存在于称为叶绿体的光合细胞膜中。光合细胞主要在植物叶片中。
9.然而，叶绿素只从光谱的特定部分或颜色中吸收能量。有效光谱横跨蓝色和红色光谱。光谱的绿色部分被反射，这就是为什么植物的叶子通常是绿色的。当叶片中的光合作用细胞死亡且叶绿素降解时，叶片中的其他色素分子控制着光反射，同时它们被降解到只呈现棕色的地步。
10.由此可见，叶绿体中不同的色素吸收特定波长的光来促进光合作用，光合效率或速率与光照光谱有很强的相关性。
11.例如，在蓝色和红色光照下生长的水稻植物比仅在红色光照下生长的植物具有更高的光合作用效率。红色led光下生长的豌豆叶比蓝白色led光下生长的豌豆叶含有更多的β-胡萝卜素。
12.光强是光合作用的另一个影响因素，因为光合作用生物对高光强的响应以减少胁迫效应。在红色led光下，小麦幼苗在100μmol m-2
s-1
时积累叶绿素，而在500μmol m-2
s-1
时不积累叶绿素。
13.观察到植物在生长初期通常吸收蓝光光谱，然后在成熟和开花阶段逐渐吸收红光光谱。还观察到一些植物具有高度有序的成分，使它们与光偏振的相互作用变得敏感。例如，这种植物可能比具有其他偏振状态的光更有效地吸收或反射具有特定偏振状态的光。
14.此外，植物能够感知光照周期和时间的持续时间，并相应地改变它们的生长速度。
15.使用恒定或普遍定义的光照配置进行植物栽培既不节能，也不适合光合作用。由于现有技术的led生长灯通常为植物提供光而不考虑上述因素，因此它们不能提供用于优化生长植物的生理过程的优化照明配置。此外，不同的植物需要不同的光特性(例如，强度、光谱、偏振、时间等)来实现最佳的生长性能。然而，现有技术的led生长灯不能适应植物的需要，并且不能提供适当的光特性。
16.例如，传统的照明系统，如用于室内植物生长的led面板，通常不会在植物上产生均匀的光分布。它们的强度通常在中心最强，而在远离中心的地方逐渐减弱。
17.图1a示出传统光源10，其在与正方形像平面14相距一定距离处向正方形像平面14发射光束12。图1b示出像平面14上的光强度分布16。可以看出，传统光源10在像平面14上不产生光的均匀分布。相反，像平面14上的光强度分布16在其中心处最强，并且远离中心逐渐减小。此外，强度光分布16关于光束12在像平面14上的入射点是对称的。
18.图2a和2b示出使用光线跟踪获得的led面板10在距离面板10约3米(m)的6
×
6平方米(m2)像平面14中产生的照明图案。强度分布明显不均匀。
19.因此，使用在植物周边提供足够光的光源10的生长灯将导致植物中心的过度照明，从而导致植物生长不良。另一方面，在植物中心提供充足的光照会导致植物周围的光照效率低下，也会导致植物生长不良。这样的强度分布是由于像平面中心相对于光发射器的对称性。
20.这样的光源10在其他应用中可能不是期望的。例如，使用这样的光源10的街灯可能导致眩光和总体低效照明。
21.led还用于室内和室外显示器，这些显示器还需要以快速响应来仔细控制诸如强度、偏振、时间和/或类似的各种光特性。
22.因此，始终希望具有受控光特性的led装置、系统和方法。


技术实现要素：

23.根据本公开的一个方面，提供发光装置。发光装置包括：发光层，用于发射光；以及耦合到发光层的光变换层，光变换层包括一个或多个光变换单元，每个光变换单元包括用于调节从发光层发射的光的一个或多个参数的超表面。
24.在一些实施例中，发光层包括用于发射光的一个或多个发光二极管(led)。
25.在一些实施例中，光变换层被印刷到发光层上。
26.在一些实施例中，发光层包括一个或多个发光单元；光变换层包括壳体，该壳体具有用于接纳一个或多个超表面的一个或多个容器；以及一个或多个容器位于与一个或多个发光单元的位置相对应的位置，用于将一个或多个超表面与一个或多个发光单元对准。
27.在一些实施例中，一个或多个容器中的每一个包括向外扩展的内表面，内表面具有用于接收从发光层发射的光的内开口和用于使所接收的光通过的外开口，外开口的面积大于内开口的面积。
28.在一些实施例中，一个或多个容器中的每一个的内表面是反射性的。
29.在一些实施例中，一个或多个容器中的每一个的内表面的横截面具有抛物面形状。
30.根据本公开的一个方面，提供发光装置。发光装置包括：发光层，用于发射光；以及包括一个或多个光变换单元的光变换层，每个光变换单元包括超表面，至少一个超表面是偏振选择性的，用于选择性地使从发光层发射的具有预定义的偏振状态的光通过。
31.在一些实施例中，一个或多个超表面中的每一个包括以非对称基本几何形状排列的多个纳米级结构。
32.在一些实施例中，发光装置还包括夹在发光层和光变换层之间的偏振控制层，用于偏振从发光层发射的光。
33.在一些实施例中，发光装置是用于促进一种或多种植物生长的生长灯。
34.根据本发明的一个方面，提供用于促进一种或多种植物生长的发光装置。发光装置包括：发光层，用于发射光；以及包括一个或多个光变换单元的至少一个光变换层，每个光变换单元包括用于调节从发光层发射的光的一个或多个参数的超表面，用于优化一个或多个植物的照明配置。
35.根据本公开的一个方面，提供显示装置。显示装置包括：发光层，用于发射光；以及包括一个或多个光变换单元的至少一个光变换层，每个光变换单元包括用于调节从发光层发射的光的一个或多个参数的超表面，用于显示一个或多个图像。
36.根据本公开的一个方面，提供发光装置。发光装置包括：发光层，用于发射光；偏振控制层，耦合到发光层，用于偏振从发光层发射的光；以及耦合到偏振控制层的至少一个光变换层，至少一个光变换层包括一个或多个光变换单元，每个光变换单元包括至少一个超表面，至少一个超表面是偏振选择性的，用于选择性地使来自偏振控制层的偏振光通过，以便在不同的照明图案或图像之间切换。
37.根据本公开的一个方面，提供发光装置。发光装置包括：发光层，用于发射光；偏振控制层，耦合到发光层，用于偏振从发光层发射的光；以及耦合到偏振控制层的至少一个光变换层，至少一个光变换层包括一个或多个光变换单元，每个光变换单元包括至少一个超表面，至少一个超表面是偏振选择性的，用于选择性地使来自偏振控制层的偏振光通过，以便在不同位置产生多个不同的照明图案或图像。
38.根据本公开的一个方面，提供发光装置。该发光装置包括：发光层，用于向源视场(fov)发射光；以及在发光层前面的至少一个超表面层，用于将从发光层发射的光导向角跨度小于源fov的角跨度的第一fov。
39.在一些实施例中，发光装置还包括夹在发光层和至少一个光变换层之间的偏振控制层；偏振控制层被配置成响应于控制信号，将从发光层发射的光偏振到第一偏振状态或第二偏振状态；并且其中，至少一个光变换层被配置成将处于第一偏振状态的来自偏振控制层的光导向角跨度小于源fov的角跨度的第一fov，以及将处于第二偏振状态的来自偏振控制层的光导向角跨度大于第一fov的角跨度的第二fov。
40.根据本公开的一个方面，提供发光装置。发光装置包括：发光层，用于发射光；以及在发光层前面的光变换层，光变换层包括多个光变换单元，每个光变换单元包括超表面，用于将从发光层发射的光导向目标区域以形成预定义的光分布图案。
41.在一些实施例中，预定义的光分布图案是目标区域上基本均匀的光能分布。
42.在一些实施例中，多个超表面包括第一组超表面，用于将从发光层发射的光导向目标区域的边界，以及第二组超表面，用于将从发光层发射的光导向目标区域的中心，用于在目标区域上产生基本均匀的光能分布。
43.根据本发明的一个方面，提供太阳能收集装置。太阳能收集装置包括：具有多个光伏电池的光伏层；以及在光伏层前面的至少一个超表面层，用于将光引导到光伏层，而基本不会在光伏层上引起反射。
44.在一些实施例中，太阳能收集装置包括多个超表面层，用于将预定范围内的入射角的光引导光为垂直入射到光伏层。
45.根据本公开的一个方面，提供发光装置。发光装置包括：发光层，用于发射光；以及在发光层前面的至少一个超表面层，用于将处于第一偏振状态的来自发光层发射的光导向第一fov，并将处于第二偏振状态的来自发光层发射的光导向第二fov；第一和第二fov彼此重叠并横向偏移，以便使佩戴一副具有不同偏振状态镜片的眼镜的用户形成三维(3d)感知。
46.根据本公开的一个方面，提供发光装置。发光装置包括：发光层，用于发射光；以及在发光层前面的至少一个超表面层，用于将处于第一偏振状态的来自发光层的光导向第一fov，并将处于第二偏振状态的来自发光层的光导向第二fov；第一和第二视场彼此横向偏移，使得第一fov仅在预定距离处对用户的第一眼睛可见，而第二fov仅在预定距离处对用户的第二眼睛可见，以便使用户形成3d感知。
附图说明
47.图1a是示出在与正方形像平面相距一定距离处向正方形像平面发射光束的现有技术光源的示意图；
48.图1b示出从图1a所示的现有技术光源发射的光在像平面上的光强度分布；
49.图2a是示出现有技术的发光二极管(led)面板的示意图，该发光二极管(led)面板在与正方形像平面相距一定距离处向正方形像平面发射光束；
50.图2b示出从现有技术的led面板发射的光在像平面上的照明图案，该照明图案是使用光线跟踪获得的；
51.图3是示出根据本公开的一些实施例的发光装置的结构的示意图，该发光装置包括led发光层和具有一个或多个超表面的光变换层；
52.图4是图3所示的发光装置的示意分解图；
53.图5示出图3所示的发光装置的光变换层的光变换单元；
54.图6示出用于形成图5所示的光变换单元的超表面的结构的示例；
55.图7是根据本公开的一些实施例的发光装置的示意分解图，该发光装置包括led发光层、偏振控制层和超表面光变换层；
56.图8a是示出根据本公开的一些实施例的图7所示的光装置的偏振控制层的像素的示意图；
57.图8b是示出图7所示的光装置的光变换层的像素对应于图8a所示的偏振控制层的像素的示意图；
58.图9a是示出根据本公开的又一些实施例的图7所示的光装置的偏振控制层的像素的示意图；
59.图9b是示出图7所示的光装置的光变换层的像素对应于图9a所示的偏振控制层的像素的示意图；
60.图10a是示出根据本公开的又一些实施例的图7所示的光装置的偏振控制层的像素的示意图；
61.图10b是示出图7所示的光装置的光变换层的像素对应于图10a所示的偏振控制层的像素的示意图；
62.图11a和11b是示出根据图8a和图8b或图9a和图9b所示的实施例的图7所示的光装置在两个方向上显示两个图像的示意图；
63.图12是示出根据图8a和图8b、图9a和图9b或图10a和图10b所示实施例的图7所示的光装置在两个方向上显示两个图像的示意图；
64.图13是根据本公开的一些实施例的具有多个光纤电缆的发光装置的示意性分解图；
65.图14是示出图3所示的发光装置的光变换层的印刷的概念图；
66.图15是根据本公开的一些实施例的用于促进植物生长的照明系统的示意图；
67.图16是用于促进植物生长的照明系统的示意图，根据本公开的一些实施例，该照明系统包括用于监测植物生长的传感器；
68.图17是示出在图3所示的发光装置中结合的太阳能电池层的结构的示意图；
69.图18是示出根据本公开的一些实施例的用作具有受控照明图案的照明或光源的照明系统的结构的示意图；
70.图19示出形成由图18所示的照明系统用于产生照明图案的成本函数的示例；
71.图20是示出由图18所示的照明系统的处理结构执行的用于使用梯度下降法求成本函数的全局(或近全局)最小值的过程的步骤的流程图；
72.图21至25示出图20所示的用于产生各种照明图案的过程的优化结果；
73.图26是示出根据本公开的一些实施例的用作具有受控照明图案的照明或光源的照明系统的结构的示意图；
74.图27a是示出用于生成像平面中的强度分布边界的分裂超表面的示意图；
75.图27b示出由图27a所示的竖直分裂超表面生成的像平面中的照明图案，其中光能基本沿着目标区域的竖直边界集中；
76.图27c示出由图27a所示的水平分裂超表面生成的像平面中的照明图案，其中光能
基本沿着目标区域的水平边界集中；
77.图28示出使用图27a所示的水平和竖直分裂超表面沿目标区域的水平和竖直边界基本集中的光分布的概念表示；
78.图29a是示出用于产生基本集中在像平面中心处的光分布的会聚超表面的示意图；
79.图29b示出由图29a所示的会聚超表面生成的像平面中的照明图案；
80.图30示出在图27a和29a所示的分裂和会聚超表面生成的像平面上基本均匀的光分布的概念表示；
81.图31示出在不同距离处像平面上基本均匀的光分布；
82.图32示出根据本公开的一些实施例的使用超表面阵列的拓扑向量控制面板(tvcp)的示例性实现，tvcp包括耦合到发光层的超表面壳体，超表面壳体包括在其中接纳多个超表面单元的多个容器；
83.图33是示出耦合到图32所示的tvcp的发光层的超表面壳体的照片；
84.图34示出具有非对称基本几何形状的超表面的纳米级结构，用于以特定偏振状态照明植物；
85.图35是示出在现有技术的光伏电池的表面上发生的光反射的示意图；
86.图36是示出太阳能电池板装置的示意图，该太阳能电池板装置在光伏电池板的前面具有用于减少光伏电池板表面处的光反射的基于超表面的地心矢量控制面板(tvcp)；
87.图37是示出太阳能电池板装置的示意图，该太阳能电池板装置在光伏电池板的前面具有用于减小光伏电池板的尺寸的基于超表面的tvcp；
88.图38是示出具有没有tvcp的光伏电池板的现有技术的太阳能电池板装置的示意图，用于与图37所示的太阳能电池板装置进行比较；
89.图39是示出具有宽角跨度的视场(fov)的现有技术显示器的示意图；
90.图40是示出根据本公开的一些实施例的使用超表面的超定向屏幕或显示器的示意图；
91.图41是示出根据本公开的一些实施例的可变视场(vfov)屏幕或显示器的示意图；
92.图42是示出根据本公开的一些其他实施例的vfov屏幕或显示器的示意图；
93.图43a到43g示出使用图42所示的vfov屏幕同时显示两个图像的示例，其中第一图像显示在具有宽角跨度的第一fov中，并且第二图像显示在具有窄角跨度的第二fov中，使得第二图像对于仅位于第一fov中的用户是不可见的；
94.图44是示出根据本公开的一些实施例的使用具有偏振透镜的眼镜可观看的超表面的三维(3d)显示器的示意图；
95.图45是示出根据本公开的一些实施例的使用在没有任何具有偏振透镜的眼镜的情况下可观看的超表面的3d显示器的示意图；
96.图46和47是示出具有光反射问题的现有技术太阳能电池板的示意图；以及
97.图48和49是示出根据本公开的一些实施例的使用用于减轻或消除光反射问题的超表面的太阳能电池板的示意图。
具体实施方式
98.具有发光层和光变换层的发光装置
99.现在转向图3和4，根据本公开的一些实施例，示出发光装置(也表示为“照明装置”或“光装置”)，并且通常使用参考数字100来标识。在此，发光装置可以是用于照明的装置、用于促进植物生长的装置、或者用于在其上显示图像或视频的装置。
100.在这些实施例中的发光装置100包括夹在衬底102和光变换层106之间的发光层104，用于通过光变换层106从发光层104发射光108。当发射光108穿过光变换层106时，光变换层106调节光108的一个或多个参数，例如振幅或强度、相位、偏振、图案、方向等。
101.发光层104可以是任何合适的照明装置。在这些实施例中，发光层104被印刷、涂覆或以其他方式耦合到衬底102，并且包括以矩阵形式布置的多个发光二极管(led)110，尽管led 110的其他布置也是容易获得的。在此，led 110可以是任何合适的led，例如常规led、量子点(qd)led、有机led(oled)和/或类似物。
102.光变换层106被印刷、涂覆或以其他方式耦合到发光层104，用于调节或以其他方式变换从发光层104发射的光的参数(稍后将更详细地描述)。
103.光变换层106包括以预定义图案布置的一个或多个光变换单元122，其中每个光变换单元122包括超表面。在此，超表面是具有亚波长间距的纳米结构的二维阵列，并可用于调制电磁波。超表面的细节在题为“光传播与相位不连续：广义的反射和折射定律”的学术论文中描述，作者为nouthfang yu、patrice genevet、mikhail a.kats、francesco aieta、jean-philippe tetienne、federico capasso和zeno gaburro，《科学》第334卷，第6054期，第333-337页(2011)。
104.如图5和图6所示，每个超表面单元122包括具有亚波长厚度(即，其厚度小于从发光层104发射的光的波长)的超表面，并且包括以特定顺序以周期性方式排列的多个纳米级结构124，用于精确调节或变换入射光的特性或参数(例如，振幅或强度、相位、偏振、图案、方向等)，从而允许对从其输出的光的性质进行精确控制。
105.在一些实施例中，纳米级结构124(也表示为“纳米结构”)可以是由合适的金属或介电材料制成的亚波长结构，其一个或多个尺寸小于从发光层104发射的光的波长。在一些实施例中，纳米级结构124可以包括多个纳米棒(也表示为“天线”；参见图6)。在一些实施例中，纳米级结构124可以包括多个v形纳米棒。如上所述，纳米级结构124形成周期性或重复图案，并且每个图案可以包括具有不同形状和尺寸的多个纳米级结构124。
106.根据纳米结构124的几何形状和分布，光变换层106可以被配置为调节或变换入射光的一个或多个参数。
107.例如，如图4所示，光变换层106的超表面单元122a可被配置用于对入射光108a进行相位变换并修改其会聚方向，从而形成会聚光束聚焦在与光变换层106间隔开的期望点处。
108.作为另一示例，光变换层106的超表面单元122b可被配置用于对入射光108b进行相位变换并修改其准直方向，从而形成用于到达远处目标的准直光束。
109.作为进一步示例，光变换层106的超表面单元122c可被配置用于对入射光108c进行相位变换并修改其发散方向，从而形成用于照亮大面积的发散光束。
110.在传统的生长灯应用中，一个或多个照明装置(也称为生长灯装置)用于向植物发
射光以促进其生长。在这些应用中，由于光束的发散性质，从生长灯装置发射的光的一部分(例如从生长灯装置的外围区域发射的光)可能仅部分地照射植物，从而浪费光能。如果植物彼此隔开，这样的问题可能更重要。
111.在一些实施例中，发光装置100可用作生长灯装置，而不会或至少减轻上述问题。在这些实施例中，光变换层106或其至少一些超表面单元122可以设计成修改朝向植物的入射光108的方向。例如，光变换层106可以设计成调节从发光层104的外围区域向植物发射的光，同时使从发光层104的中心区域发射的光更发散以覆盖植物的更多区域，由此产生显著更有效的照明。
112.在一些实施例中，光变换层106或其至少一些超表面单元122可以设计成调节从发光层104发射的光的参数，以优化植物的照明配置并适应其生长需要。
113.在一些实施例中，光变换层106或其至少一些超表面单元122可以设计成将从发光层104发射的光朝着期望方向调节，以形成具有高或低光浓度的区域，从而在目标照明区域处产生热点或冷点。这样的热点或冷点可用于处理植物的受损区域或用于照亮其脆弱部分。
114.图7是根据本公开的一些实施例的发光装置200的示意分解图。在这些实施例中，发光装置200类似于图3和图4所示实施例中的发光装置100，不同之处在于发光装置200还包括夹在发光层104和光变换层106之间的偏振控制层202。
115.此外，在这些实施例中，光变换层106可以是偏振选择性的。特别地，每个超表面单元122可以选择特定偏振，即仅允许具有特定偏振状态的光通过其中并且阻挡具有其他偏振状态的光。根据实施方式，光变换层106的不同超表面单元122可以具有相同或不同的偏振选择性设置。
116.偏振控制层202由适当的材料制成，当入射光穿过该材料时，该材料使入射光偏振(由图7中的圆形箭头204和206表示)。在一些实施例中，偏振控制层202可形成单个偏振控制单元，并将入射光偏振到预定偏振状态。
117.在一些其他实施例中，偏振控制层202可形成单个偏振控制单元并包括具有压控延迟的液晶。因此，可以通过调节施加到偏振控制层202上的电压来控制偏振控制层202的偏振。
118.在一些另外的实施例中，偏振控制层202可包括与光变换层106的多个超表面单元122相对应的多个偏振控制单元(未示出)。至少一些偏振控制单元可以由液晶制成，并且通过调节施加到其上的电压来控制其偏振。
119.因此，光变换层106对不同偏振状态的光表现出选择性响应。在一些实施例中，发光装置200可用作显示器，其可在显示不同图像之间快速切换而无需调节光源(例如，发光层102)。切换显示或照明图案可被编码为光变换层106的偏振图案和/或其电压图案，以用于自动图案切换。
120.例如，在一些实施例中，发光装置200可以用作显示器，并且其偏振控制层202和光变换层106可以各自包括多个单元，分别形成对应的像素232和234，每个像素包括一个或多个子像素(参见图8a至10b)。
121.在图8a和图8b所示的一个实施例中，偏振控制层202的每个像素232包括多个子像素(例如，两个子像素242a和242b)。因此，偏振控制层202包括多个子像素组(也使用参考数
字242a和242b标识)，每个组包括每个像素232的相应子像素242a或242b。每个子像素组被配置为特定的偏振设置(参见图8a)。
122.如图8b所示，光变换层106的每个像素234具有一个超表面子像素(也用参考数字234表示)，该超表面子像素被控制以在两个偏振选择性和相位变换设置(由符号246表示)之间切换。
123.在操作期间，发光层104发射光(未示出)。通过适当的偏振设置，偏振控制层202的每个子像素组调节从发光层104发射的光，并形成具有不同偏振状态的两个光束(未示出)。这两束光束重叠并入射到光变换层106中。
124.控制光变换层106的超表面子像素234以在两个偏振选择性和相位变换设置246之间切换，第一偏振选择性设置适合于允许来自第一子像素组242a的光束穿过其中，并且第二偏振选择性设置适合于允许来自第二子像素组242b的光束穿过其中。因此，发光装置200在两个方向上交替地显示两个图像222和224(参见图11a和11b)。根据相位变换设置，这两个方向可以是如图11a和11b所示的两个不同方向，或者可以是同一方向。
125.光变换层106的偏振选择性和相位变换设置的切换(也表示为刷新速率)可以以慢速率或频率以可触摸的方式交替地显示两个图像222和224，例如在第一位置显示第一图像222几秒钟，然后在第二位置显示第二图像224另几秒钟(图11a和11b)。或者，光变换层106的刷新速率可以是高频率(例如，大于或等于每秒60帧)，使得两个图像222和224在人眼的两个位置上有效地同时显示(参见图12)。
126.在图9a和9b所示的一个实施例中，偏振控制层202的每个像素232具有一个超表面子像素(也用参考数字232表示)，该超表面子像素被控制以在两个偏振设置之间切换(参见图9a，由符号248表示)。
127.如图9b所示，光变换层106的每个像素234包括多个子像素(例如，两个子像素244a和244b)。因此，光变换层106包括多个子像素组(也使用参考数字244a和244b标识)，每个组包括每个像素234的相应子像素244a或244b。每个子像素组被配置为特定的偏振选择性和相位变换设置。
128.在操作期间，发光层104发射光(未示出)。偏振控制层202调节从发光层104发射的光，并形成具有切换偏振状态的光束(未示出)，以便通过光变换层106的第一子像素组244a或通过光变换层106的第二子像素组244b。根据光变换层106的刷新率，发光装置200可以在两个位置以可触摸的方式或有效地同时向人眼交替地显示两个图像222和224(参见图11a、11b和12)。
129.在图10a和10b所示的一个实施例中，偏振控制层202的每个像素232包括多个子像素(例如，两个子像素242a和242b)。因此，偏振控制层202包括多个子像素组(也使用参考数字242a和242b标识)，每个组包括每个像素232的相应子像素242a或242b。每个子像素组被配置为特定的偏振设置(参见图10a)。
130.相应地，如图10b所示，光变换层106的每个像素234包括多个子像素(例如，两个子像素244a和244b)。因此，光变换层106包括多个子像素组(也使用参考数字244a和244b标识)，每个组包括每个像素234的相应子像素244a或244b。每个子像素组被配置为特定的偏振选择性和相位变换设置。每个子像素组244a或244b的偏振选择性设置与每个子像素组242a或242b的偏振设置相匹配(即，允许来自相应子像素242a或242b的光穿过其中)。
131.在操作期间，发光层104发射光(未示出)。偏振控制层202的每个子像素组242a或242b调节从发光层104发射的光，并形成具有不同偏振状态的两个光束(未示出)。这两束光束重叠并入射到光变换层106中。来自偏振控制层202的每个光束通过光变换层106的相应的子像素组244a或244b，从而在两个方向上同时形成两个图像222和224(参见图12)。
132.在一些实施例中，发光装置200可以用作可在不同照明图案之间快速切换的照明装置。此外，发光装置200可以用作具有自定义偏振图案的生长灯装置，该偏振图案适合于具有对光偏振敏感的高度有序成分的植物。例如，一些植物可能吸收或反射具有特定偏振状态的光比具有其他偏振状态的光更有效。因此，发光装置200可以用作具有自定义偏振图案的生长灯装置，该偏振图案适合于植物的需要，以优化其光合作用过程。在各种实施例中的照明装置200的结构可以类似于图8a至10b所示的结构。
133.通过在光变换层106中使用超表面，在此公开的照明装置可以有效地将光能耦合到光纤电缆中。例如，图13是根据本公开的一些实施例的发光装置300的示意分解图。在这些实施例中，发光装置300类似于图3和4所示的实施例中的发光装置100，并且还包括邻近各个超表面单元122的多个光纤电缆302。每个超表面单元122被配置成形成入射到对应的光纤电缆302中的会聚光束。这样的照明装置300可以用于各种应用中，例如有效的室内照明、植物的局部优化照明以及在目标区域上的光能的有效分配。
134.尽管在图13所示的实施例中，发光装置300类似于发光装置100(即，具有三层102、104和106)，在一些实施例中，发光装置300可以类似于发光装置200(即，具有四层102、104、202和106)。
135.在上述实施例中，照明装置100、200或300仅包括一个光变换层106。在一些实施例中，照明装置可以包括多个光变换层106。在一些实施例中，多个光变换层106中的至少一些可以是偏振选择性的，并且不同的光变换层106可以具有相同或不同的偏振选择性设置，这取决于实施方式。
136.如上所述，可以使用任何合适的印刷技术将诸如光变换层106的发光装置100的各个层印刷到衬底102上或印刷到彼此上。
137.例如，图14是示出一些实施例中诸如光变换层106、发光层104的一些层的印刷的概念图。
138.如图所示，衬底102(其上印刷或以其他方式耦合发光层104)布置在平台342的平坦表面上。具有槽模头344的印刷装置(未示出)用于印刷子层/层。槽模头344包括充满相应的墨盒346，并在衬底102(或特别是印刷的发光层104)上移动(由箭头348指示)以从墨盒346向其沉积超表面材料以形成一个或多个超表面光变换单元122。
139.在此，“墨水”是指适当形式的子层/层材料，例如溶液、凝胶或粉末，其用作制造层的前体。在每一层的槽模制造过程中，热处理通常用于蒸发溶剂或熔化粉末以固化所制造的层。
140.图15是根据本公开的一些实施例的用于促进一个或多个植物410的生长的照明系统400的示意图。如图所示，系统400包括为控制电路404供电的电源402和发光装置406，发光装置406可以是上述发光装置100、200或300中的任何一个。控制电路404控制发光装置406，用于发射具有用于照亮植物410以促进其生长的定制参数的光408。
141.图16是根据本公开的一些实施例的用于促进植物生长的照明系统500的示意图。
这些实施例中的照明系统500类似于图14所示的照明系统400，并且还包括用于监测植物410的生长的传感器412，例如用于监测从植物410反射的光414的光传感器，并且向控制电路404提供反馈，用于如上所述调节光参数以优化照明配置以更好地促进植物410的生长。
142.在一些实施例中，发光层104可以是透明的led层，并且发光装置100、200或300可以进一步包括在发光层104“后面”(即，在衬底102和发光层104之间)的太阳能电池层，该太阳能电池层具有用于将光能转换为电能的一个或多个光伏电池(也称为“太阳能电池”)，以及在太阳能电池层后面的电子功率转换器层。太阳能电池层和电子功率转换器层的细节在申请人的共同未决美国临时专利申请no.62/831,828中描述，标题为“混合能源装置、系统及其方法”，其内容通过引用全部并入本文。
143.例如，图17示出包括多个子层的太阳能电池层540的示例。如图所示，该示例中的太阳能电池层500包括由诸如氧化铟锡(ito)的适当材料制成的阳极子层542、氧化锌(zno)544、聚(乙亚胺)和聚(乙亚胺)乙氧基化(即peie)546的子层、诸如聚合物太阳能电池子层的有机太阳能电池子层548、诸如块异质结(bhj)的子层、三氧化钼(moo3)550的有机太阳能电池子层，以及由诸如银(ag)或铝(al)的适当材料制成的阴极子层552。阳极542和阴极552电连接到诸如电子功率转换器层的其他层。
144.具有可控照明图案的照明系统
145.图18示出在一些实施例中通过使用超表面或其他光控制结构精确控制光偏转角而用作具有受控照明图案的照明或光源的发光装置600。来自照明系统600的照明根据特定图案分布到像平面612上，其中诸如一个或多个植物的一个或多个物体位于像平面612中。
146.为了便于注释，轴x和y表示定义像平面612的正交轴，z轴是沿着可控照明结构100和像平面612的轴，并且与x和y轴正交(即，与像平面612正交)，y偏转角θ是y轴与光束610在像平面612上的投影之间的夹角，并且z偏转角是z轴与光束610在x-z平面上的投影之间的夹角。
147.发光装置600类似于图4所示的发光装置100，并且包括具有一个或多个led(未示出)的发光层104和在发光层104前面的光变换层106，例如在这些实施例中的拓扑中心矢量控制面板(tvcp)层。虽然图18中没有示出，但是发光装置600还可以包括用于支撑发光层104的衬底102(类似于图4所示的发光装置100)。
148.发光层104包括作为光源的led阵列，并且向像平面612发射穿过tvcp 106的多个光束610。
149.tvcp 106包括一个或多个光变换单元122(在这些实施例中也表示为“透镜”；图18中未示出)，以预定义图案布置，其中每个光变换单元122包括超表面。tvcp 106的每个光变换单元122通过控制光束610的偏转角θ和来控制穿过光束610的方向，以调节像平面612中的光锥610的方位角、仰角和角度。
150.tvcp 106有效地破坏了不然存在于像平面612上的光分布的对称性(参见图2)。此外，偏转角θ和的微小变化将导致像平面612上的光强度分布的显著变化。因此，利用精心配置的tvcp 106，照明系统600可以使用从发光层104通过tvcp 106向分布在像平面612上的多个预定入射点发射的多个光束，以根据需要在像平面612上的目标照明区域中产生几乎任何光强度分布。
151.照明图案(例如，目标照明区域的大小和形状以及其中的光强分布)和光源(例如，
led)的数量确定预定入射点的位置，预定入射点的位置可以通过使用适当的优化方法来计算，以便在所有入射点必须在目标照明区域内的约束下优化适当的成本函数。
152.例如，为了获得均匀分布(或更精确地，几乎均匀分布)的光强度分布，光强度分布的归一化均方误差(nmse)
[0153][0154]
可以用作成本函数，其中μ是像平面612上的光强度的平均值，i(xi)是第i个像素的光强度，并且n是像平面612上的目标照明区域的总像素数。可以使用适当的优化方法来计算在所有入射点必须在目标照明区域内的约束下使nmse最小化的每个光束610的偏转角θ和(其确定其入射点的位置)。
[0155]
图19示出在一个示例中成本函数的形成，其中将生成像平面612上的圆形目标照明区域622内的均匀照明图案。本领域技术人员将理解，对于其他照明图案的成本函数可以类似地形成。
[0156]
在图19所示的示例中，照明系统600可以使用八(8)个光束，以均匀的角间隔朝向分布在像平面612的圆形区域622内的两个同心圆626a和626b(每个圆上的四个点)上的各个入射点624发射。
[0157]
(1)任何合适的优化方法，例如人工智能(ai)算法、机器学习算法、梯度下降(gd)方法、模拟退火(sa)和/或类似的方法，可用于寻找方程(1)的nmse的全局(或近全局)最小值以及每个光束610的相应偏转角θ和。
[0158]
(1)图20是示出过程640的步骤的流程图，该过程640用于使用在优化中使用以下预定义参数的gd方法来寻找方程(1)的nmse的全局(或近全局)最小值：
[0159]
·
发光层104中的led数目；
[0160]
·
每个led的视场(fov)方向和角跨度；
[0161]
·
像平面612上的目标照明区域的形状；
[0162]
·
目标照明区域的大小；
[0163]
·
光源与目标照明区域之间的距离；
[0164]
·
gd学习率；以及
[0165]
·
最大迭代次数。
[0166]
本领域技术人员将理解，上述参数可以由用户定制，或者在过程640开始之前由系统600的设置确定。
[0167]
如图20所示，在过程640开始(步骤642)之后，加载上述参数(步骤644)，并且随机选择每个光束610的初始状态(例如，用于状态变量(θ，)的初始值集)(步骤646)。
[0168]
在步骤648，计算当前状态下的成本函数相对于所有光束610的状态变量(θ，)的梯度。然后，在与当前状态的梯度值乘以学习速率相反的方向上“移动”所有光束610的状态变量(θ，)(即，改变状态变量(θ，)的值)(步骤650)。
[0169]
在步骤652，过程640检查迭代次数是否达到最大迭代次数(由系统或用户预定义)。如果迭代次数已经达到最大迭代次数，则优化已经完成，然后过程640结束(步骤654)。
[0170]
如果在步骤652，迭代次数没有达到最大迭代次数，则过程640转到步骤656以检查任何光束610的入射点是否在目标照明区域之外。如果不是，则过程640返回到步骤648以进一步“移动”光束610的状态变量(θ，)。
[0171]
如果在步骤656，确定一个或多个光束610的入射点在目标照明区域之外，则过程640重新计算一个或多个光束610的状态变量(θ，)的值，以沿着梯度值的相反方向将其入射点定位在目标照明区域的边界处，并将一个或多个光束定义为固定光束(即，其状态变量(θ，)将不再用于优化)(步骤658)。然后，过程640随机选择每个剩余光束610的初始状态(例如，用于状态变量(θ，)的初始值集)(步骤660)，并返回到步骤648以进一步优化。
[0172]
过程640可以循环上述步骤一次或多次，并且根据最大迭代次数，最终停止试验，并且实现nmse的全局(或近全局)最小值。然后，每个光束610的状态变量(θ，)的对应值被用于配置tvcp 106的光变换单元122。
[0173]
在一些实施例中，优化过程可以将光束划分为多个组。例如，在图19所示的示例中，优化过程可以将光束划分为两组，每组包括四束光束，它们的入射点在圆626a或626b中。然后，优化过程可以形成成本函数，其中使nmse最小化的控制变量是圆626a和626b的半径和旋转度。
[0174]
图21至25示出使用gd方法在像平面上的不同形状的目标照明区域内产生均匀的光强度分布的优化结果，目标照明区域包括三角形照明区域(图21)、正方形照明区域(图22)、五边形照明区域(图23)、圆形照明区域(图24)和甜甜圈形或环形照明区域(图25)。
[0175]
超表面的制造技术
[0176]
基于超表面的tvcp 106可以使用诸如电子束光刻的任何合适的方法来制造。然而，这种技术成本高，速度慢，只适用于小超表面的制造。上面描述的tvcp 106通常需要直径为厘米级的超表面，因此传统的电子束光刻技术可能不是快速和经济有效的。
[0177]
在一些实施例中，使用深紫外(uv)光刻技术来制造诸如上述基于超表面的tvcp 106之类的超表面。虽然深紫外光刻技术是半导体领域的成熟技术，但据申请人所知，它尚未用于制造超表面。
[0178]
利用这种技术，在玻璃晶片上沉积一层铬。然后，在晶片上旋涂抗蚀剂，然后进行uv曝光和显影。最后，通过刻蚀铬层来定义超表面图案。这种技术允许通过单个工艺在大晶片上制造多个超表面，从而产生快速且成本有效的制造。此外，深紫外光刻技术还可以利用二氧化硅、二氧化钛或非晶硅制造可见光和红外波长范围的超表面。
[0179]
具有均匀照明图案的照明系统
[0180]
如上所述，用于室内植物生长的诸如led面板的常规照明系统通常不会在植物上产生均匀的光分布。
[0181]
在一些实施例中，类似于图4和18所示的实施例，通过在发光层104的前面覆盖诸如tvcp层的角度控制光变换层106，可以获得诸如生长灯系统的照明系统700的均匀或接近均匀的照明。如图26所示，发光层104向像平面(未示出)发射穿过tvcp 106的多个光束702。每个光束702的空间分布可以由角度β、θ和来表征，其中角度β确定光束702的角跨度，并且角度θ和确定光束702的方向。
[0182]
tvcp 106包括以预定义图案布置的一个或多个光变换单元122，其中每个光变换单元122包括超表面。tvcp 106的每个光变换单元122被配置为精确控制对应光束702的角
度β、θ和，以任意改变像平面中光锥的角度范围、高度和纬度。tvcp 106有效地破坏了不然存在于像平面中的光分布的对称性(例如，参见图2)。tvcp 106的使用是强有力的，因为角度β、θ和/或的微小变化可以在像平面中的强度分布中产生显著差异。因此，几乎可以产生任意强度分布。
[0183]
照明系统700可以用于在像平面处生成均匀照明图案，并可用作生长灯。值得注意的是，为了便于制作和实现，需要尽量减少具有不同设计的超表面的数量。
[0184]
在一些实施例中，均匀照明照明系统700的tvcp 106可以仅包括两种类型的超表面，包括一组分裂超表面和一组会聚超表面。
[0185]
分裂超表面是偏振敏感超表面，它通过将两个正交偏振状态的光定向到相反的方向来改变光束的角度β、θ、。在这些实施例中，发光层104(例如，led发光层)发射非偏振光，该非偏振光确保在分裂超表面将相等的功率分裂成两个相反的方向。
[0186]
如图27a所示，tvcp 106的分裂超表面122a和122b被配置为分别在像平面(未示出)上的预期照明图案的边界处分配光束702a和702b。
[0187]
图27b示出像平面上的照明图案704a，其中光能显著地沿竖直边界分布(引导的光在下文中表示为“竖直边界聚焦的光”)，照明图案704a通过使用分割超表面创建，以分裂来自发光层的光以竖直地将光引导到相应边界。
[0188]
同样，图27c示出像平面上的照明图案704b，其中光能显著地沿水平边界分布(引导的光在下文中表示为“水平边界聚焦光”)，照明图案704b使用90
°
旋转的分裂超表面(类似于图27b中使用的分裂超表面，但光能分布旋转90
°
)创建，以分裂来自发光层的光以水平地将光引导到相应的边界。
[0189]
如图27b所示的水平/竖直边框聚焦灯可以被引导到像平面上的相同目标区域，以允许从其引导的光重叠并形成光能基本沿着该区域的四个边界集中的照明图案706；参见图28中的概念表示。
[0190]
如图29a和29b所示，会聚超表面122c被配置用于修改光束702c的角度β，而不改变光束702c的锥的方向。因此，会聚超表面122c将光束702c分布在像平面上的目标区域的中心，从而产生光能基本聚焦在其中心的照明图案。
[0191]
如图30所示的概念表示所示，通过使用分裂超表面122a和122b以及会聚超表面122c将光束引导到相同的目标区域，可以组合照明图案706(其是图28所示的照明图案704a和704b的组合)和708以在目标区域中获得均匀的光分布。
[0192]
这种均匀的光分布基本与基于超表面的tvcp 106与像平面712之间的距离无关。如图31所示，光分布仅在不同距离处缩放，而不损害分布的均匀性。
[0193]
图32示出了使用超表面122数组的tvcp 106的示例实现。为了便于说明，仅示出了两个超表面122。
[0194]
在这些实施例中，tvcp 106包括覆盖安装在发光层104的印刷电路板(pcb)724上的led 110的超表面壳体722。超表面壳体722包括在对应于led 110的位置处的多个容器726。每个容器726包括向外扩展的内表面，内表面具有用于接收从发光层发射的光的内开口和用于使所接收的光通过的外开口，外开口的面积大于内开口的面积。
[0195]
在这些实施例中，容器726的内表面是反射性的，用于以高角度反射(从其中的led 110发射的)光线，以有助于整体照明，从而提高整体照明的效率。当内表面的横截面呈抛物
面形状并且led位于其焦点处时，实现了最大的光通量。图33是示出耦接到发光层104的超表面壳体722的照片。
[0196]
使用合适的紧固装置，例如环氧树脂、胶水和/或类似物，将多个超表面单元122固定或以其他方式耦接到超表面壳体722的容器726，从而确保led 110和超表面单元122的对准。
[0197]
偏振选择性照明
[0198]
植物通常由有组织排列的成分组成。因此，植物对光的吸收往往是偏振敏感的。换句话说，植物在一种特定的偏振状态下吸收的光可能比在另一种偏振状态下吸收的光多。因此，利用特定偏振状态的光照可以优化光合作用。
[0199]
在一些实施例中，本文公开的生长灯的基于超表面的光变换层106可以是偏振选择性的，这可以通过将超表面的纳米级结构124布置成具有非对称基本几何形状732来实现，如图34所示。因此，具有这种基于超表面光变换层106的生长灯可用于用特定偏振状态的光照亮植物，以优化用于光合作用的光。通常，光变换层106的超表面可以被设计成以各种偏振状态(包括线性偏振状态、圆形偏振状态以及通常的椭圆偏振状态)照明植物。线性偏振照明可用于优化以特定方向取向的纤维构成的植物的光合作用，圆偏振照明可用于优化由具有螺旋度的成分构成的植物的光合作用。
[0200]
基于超表面的光伏电池tvcp
[0201]
在太阳能电池中，虽然总是希望的，但由于入射光的光谱和光伏电池的光谱响应之间的不匹配，很难实现由其光伏电池的完美光吸收。如图35所示，在光伏电池844的表面上发生的光反射842也导致太阳能损失，否则太阳能损失可能被光伏电池844吸收。
[0202]
在一些实施例中，基于超表面的tvcp可以被结合在具有例如一个或多个硅基和/或一个或多个量子点光伏电池的光伏电池板中，其中基于超表面的tvcp可以被配置为有效地将特定波长的光传送到光伏电池。此外，基于超表面的tvcp允许光伏电池板的尺寸显著减小。
[0203]
如本领域技术人员将理解的，超表面包括纳米级结构。其纳米级结构的几何形状和分布可以被设计或以其他方式配置以满足特定应用的要求。例如，超表面可以被设计成通过或以其他方式透过目标光谱的入射光的一部分，并将入射光的另一部分完全反射出目标光谱。
[0204]
在如图36所示的一些实施例中，基于超表面的tvcp 106可以布置在具有例如一个或多个硅基和/或量子点光伏电池的光伏电池板852的前面。基于超表面的tvcp 106包括具有与光伏电池的光谱响应匹配的光谱响应的多个超表面单元(未示出)。因此，与单独使用光伏电池板852相比，基于超表面的tvcp 106和光伏电池板852的组合显著更有效，因为当单独使用光伏电池板852时，未完全吸收的光谱可能变成热和其他不希望的影响，从而降低其性能。这种布置或组合对于从诸如led的人工光源获取光能的室内光伏电池特别重要，其中，超表面单元可以被设计成匹配光源的特定照明光谱并拒绝不能被光伏电池有效吸收的其他光。
[0205]
超表面的另一个重要应用在于其上面描述的将光线重定向到不同方向的能力。如图37所示，前面的基于超表面的tvcp 106可以是光伏电池板852，其中基于超表面的tvcp 106被配置成将入射光线854会聚到光伏电池板852的小区域中，因此，光伏电池板852的尺
寸可以显著减小。图38示出用于比较的没有基于超表面的tvcp 106的现有技术光伏电池板844。
[0206]
使用超表面的超定向屏幕
[0207]
传统的屏幕或显示器通常具有较宽的视场(fov)角跨度。然而，在一些应用中，可能希望限制显示器的fov。
[0208]
在此，术语fov是指从组件(例如，led层、超表面层等)发射的照明(例如，锥形或其他形状)的角度范围，其中在各种实施例中，光可用于照明或用于显示一个或多个图像。fov可以由从组件发射的光的方向和三维(3d)角跨度来表征。
[0209]
例如，车辆或飞机上的显示器通常只由个人观看。然而，如图39所示，车辆或飞机(未示出)中具有宽fov 868(即，具有宽角跨度的fov 868)的显示器862将不必要地向周围区域发射光，这可能导致其前面的用户864的亮度降低、光能浪费以及对与其相邻的人866的干扰。
[0210]
同样，在家庭或剧院中使用的宽fov显示器会照亮周边区域，如墙壁和天花板，导致前面用户的亮度降低并浪费光能。
[0211]
此外，在一些需要增强安全性或私密性的应用中，例如atm的显示器、银行中的显示器、用户用于敏感工作的膝上型计算机显示器，可能需要高度定向的显示器，因为这些应用中的宽fov显示器除了上述的降低亮度、浪费光能和/或干扰与其邻近的人的问题之外，还可能引起安全性或私密性风险。
[0212]
根据本公开的一些实施例，图40示出使用超表面的超定向屏幕或显示器870。超定向屏幕870包括显示器或显示层872及其前面的超表面面板或层874。
[0213]
类似于前面描述的光变换层106，超表面面板874包括以纳米级结构阵列构造的多个超表面单元，这些超表面单元将光引导到所需方向，以便将从显示器872发射的光限制在小于显示器872的fov 876的预定义fov 878内，由此创建虚拟视觉屏障，使得只有预期的人864可以看到显示器872上所示的内容。
[0214]
该超定向屏幕870具有多个优点，包括：
[0215]
·
由于光能集中分布在较小的区域，亮度更高；
[0216]
·
由于避免了非预期区域的照明和光能均匀分布到预期区域，提高了
[0217]
电源效率；以及
[0218]
·
加强安全和隐私，因为视觉信息只能由预期的人在其前面观看。
[0219]
如上所述，可以将超表面设计成与不同偏振状态的光不同地相互作用，这是通过制造具有非对称几何形状的超表面的纳米结构来实现的。
[0220]
图41示出一些实施例中的可变视场(vfov)屏幕或显示器880。mfov显示器880包括显示器872、显示器872前面的偏振控制面板884、以及偏振控制面板884前面的偏振敏感超表面面板886。
[0221]
在这些实施例中，偏振控制面板884可以使用液晶偏振旋转器来实现，并且由可调节的控制信号v来控制，用于将从显示器872发射的光的偏振控制到两个正交偏振状态中的任一个。
[0222]
而mfov显示器880类似于图11a和11b所示的发光装置或显示器200，这些实施例中的mfov显示器880不像图11a和11b所示的发光装置或显示器200那样将具有不同偏振状态
的光引导到不同方向的fov。相反，这些实施例中的偏振敏感超表面面板886与偏振光相互作用，用于将处于第一偏振状态的光引导到具有第一角跨度888的第一fov并将处于第二偏振状态的光引导以形成具有第二角跨度890的第二fov。例如，第一角跨度888可以是适合于围绕mfov显示器880的多个用户864和866观看所显示内容的宽角跨度，并且第二角跨度890可以是小于第一角跨度888的窄角跨度，以仅允许用户864观看所显示的内容。
[0223]
在上述实施例中，当控制信号处于第一电压时，偏振控制面板884将穿过它的所有光偏振到第一偏振状态，并且当控制信号处于第二电压时，将穿过它的所有光偏振到第二偏振状态。以这种方式，用户864可以在第一和第二角跨度之间切换mfov显示器880的fov，用于分别将显示的内容共享给与其相邻的人，并用于创建虚拟视觉屏障以防止其他人观看所显示的内容。
[0224]
在图42所示的另一实施例中，mfov显示器880类似于图10a和10b所示的显示器。具体地说，显示器872包括两组单元(像素或子像素，取决于设计)，其中每组单元可用于显示图像。
[0225]
相应地，偏振控制面板884和偏振敏感超表面面板886中的每一个还包括与显示器872的两组单元相对应的两组单元。偏振控制面板884的每组单元由单独的控制信号v1或v2控制，并且偏振敏感超表面面板886的每组单元匹配特定偏振状态，并将具有偏振状态的光引导到特定的fov。
[0226]
因此，显示器872可以使用这两组像素/单元来同时显示两个图像，并且偏振控制面板884将第一和第二图像的光偏振到第一和第二偏振状态。然后，偏振敏感超表面面板886将处于第一偏振状态的光(即，第一图像)引导到具有宽角跨度的第一fov，用于与多个人864和866共享第一图像，并且将处于第二偏振状态的光(即，第二图像)引导到具有窄角跨度的第二fov，用于防止人们866观看第二图像。
[0227]
例如，如图43a和43b所示，显示器将同时显示两个图像892a和892b，其中图像892a将显示在宽角跨度的第一fov中，图像892b将显示在窄角跨度的第二fov中。
[0228]
如图43c所示，显示器872将像素划分为并排布置的第一组像素894a和第二组像素894b，用于同时并排地显示图像892a和892b。
[0229]
如图43d所示，偏振控制面板884包括与显示器872的像素相对应的多个偏振单元894，其中第一组偏振单元896a对应于第一组像素894a，用于将穿过的光偏振到第一偏振状态，第二组偏振单元896b对应于第二组像素894b，用于将穿过的光偏振到第二偏振状态。
[0230]
如图43e所示，偏振敏感超表面面板886包括与偏振控制面板884的偏振单元894相对应的多个超表面单元898，并且将在第一偏振状态下穿过的光引导到第一fov(具有宽角跨度)，并将在第二偏振状态下穿过的光引导到第二fov(具有窄角跨度)。
[0231]
结果，将第一图像892a引导到第一fov，将第二图像892b引导到第二fov。如图43f所示，图像892a和892b对于位于第一和第二fov两者中的用户864是可见的，并且仅位于第一fov(具有宽角跨度)中的用户866只能看到第一图像892a。换句话说，图像892b对于仅位于第一fov中的用户866是不可见的。
[0232]
使用超表面的三维(3d)显示器
[0233]
图44示出根据本公开的一些实施例的使用超表面的3d显示器900。如图所示，3d显示器900包括显示器872及其前面的偏振敏感超表面面板886。显示器872通过发射非偏振光
(其通常包括两种偏振状态)来显示图像。偏振敏感超表面面板886被配置成将处于第一偏振状态的光引导到第一fov 888，并且将处于第二偏振状态的光引导到与第一fov 888稍微横向偏移的第二fov 890。然后，佩戴具有偏振到不同偏振状态的镜片的眼镜的用户864在一只眼睛中看到第一图像，在另一只眼睛中看到第二图像，其中第二图像与第一图像相比具有轻微的透视畸变，从而创建所显示图像的3d感知。
[0234]
在一些实施例中，3d显示器900还可以包括夹在显示器872和偏振敏感超表面面板886之间的偏振控制面板884。偏振控制面板884在操作中交替地将来自显示器872的光偏振到第一偏振状态和第二偏振状态。
[0235]
图45示出根据本公开的一些实施例的使用超表面的3d显示器920。3d显示器920类似于图44所示的3d显示器。然而，偏振敏感超表面面板886被配置成将处于第一偏振状态的光引导到仅覆盖用户864的第一眼睛的第一fov 888，并且将处于第二偏振状态的光引导到仅覆盖用户864的第二眼睛的第二fov 890。因此，用户864在不佩戴带有偏振镜片的眼镜的情况下，可以在一只眼睛中看到第一图像，在另一只眼睛中看到第二图像，其中第二图像与第一图像相比具有轻微的透视畸变，从而创建所显示图像的3d感知。
[0236]
在一些实施例中，3d显示器920还可以包括夹在显示器872和偏振敏感超表面面板886之间的偏振控制面板884。偏振控制面板884在操作中交替地将来自显示器872的光偏振到第一偏振状态和第二偏振状态。
[0237]
太阳能电池角度校正
[0238]
在现有技术中，太阳能电池板可能会遇到阳光反射问题。
[0239]
如本领域技术人员所理解的，太阳光入射角可能对光伏电池的效率有显著影响。如图46所示，当太阳光944垂直照射太阳能电池板942的光伏电池时，太阳能电池板942的光伏电池具有最高的效率。
[0240]
如图47所示，在太阳光944与太阳能电池板942的光伏电池成非垂直角度的不同时间，太阳光的一部分946被反射并且光伏电池的效率降低。因此，固定太阳能电池板的光伏电池在一天的不同时间和一年的不同日子会有不同的效率。虽然太阳跟踪系统已经被用于通过旋转太阳能电池板来跟随太阳来提高光伏电池板的效率，但这种系统需要跟踪系统和移动部件，使得它们在制造和使用上昂贵。
[0241]
图48和49示出太阳能收集装置970，其包括具有一个或多个光伏电池的太阳能电池板972和在其前面的多个tvcp 974。通过使用偏振敏感超表面，其中每个tvcp 974的响应可以使用嵌入式偏振控制面板而变化，多个tvcp 974可以改变太阳光944的方向，使得在预定范围内入射角的入射太阳光944在撞击太阳能电池板972时变得垂直于光伏电池，从而在不需要太阳跟踪系统或移动部件的情况下提高效率。
[0242]
在上面描述的一些实施例中，发光装置和/或系统用于植物生长，例如用于室内或室外植物生长。然而，本领域的技术人员将理解，在此公开的发光装置和/或系统可替换地用于诸如路灯的其他应用中。
[0243]
尽管上面已经参考附图描述了实施例，但本领域技术人员将理解，可以在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下进行变化和修改。