CN103995354A - 基于全息衍射光学元件的消色差的波导显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于全息衍射光学元件的消色差的波导显示系统，包括输入耦合器、波导、输出耦合器，彩色光线通过准直透镜后照射到作为输入耦合器的透射式平面光栅时，平面光栅发挥色散特性，将光色散成不同颜色的光波按照不同的角度进入到波导中，然后光继续在波导中传播，当光传播到作为输出耦合器的反射式体积光栅时，光波又被体积光栅调制，使发生色散的光波以同一方向反射出波导，进入到人的眼睛，使得人眼可以看到彩色的图像，从而达到消除色差的目的。与此同时，本发明的一种基于全息衍射光学元件的消色差的波导显示系统不会带来衍射效率降低、系统的体积和重量增加等负面影响。可以广泛应用到显示系统领域。

Description

基于全息衍射光学元件的消色差的波导显示系统

技术领域

本发明涉及一种波导显示系统，尤其涉及一种基于全息衍射光学元件的消色差的波导显示系统。

背景技术

传统的头盔显示系统采用折反射透镜，重量大、体积大，不利于随身佩戴；相比之下，衍射光学元件重量小、体积小、简单易加工、可复制、价格便宜。因此，将全息衍射光学元件应用到波导显示系统中，在很大程度上减少了显示系统的尺寸和重量问题。但是全息衍射光学元件有色差，在将全息衍射光学元件应用到波导显示系统中时会产生色差，这将直接影响所成像的真实色彩的再现。

史瑞等人在Applied Optics中发表文章“Chromatic dispersioncorrection in planer waveguide using one-layer holograms based onthree-step exposure”，提出一种较为简单的方法解决基于全息衍射光学元件的波导显示系统的色差消除方法，通过三次曝光的方式在一层介质上记录下三种不同的光栅结构，达到了消除色差彩色成像的目的。但是由于记录介质本身的局限以及在记录材料上多次曝光导致的显示系统衍射效率严重降低，不利于人眼观察。

吴正明等人在Optics Communications中发表文章“The recordingmethod of planar holographic grating with variable diffraction efficiencyby phase modulations”，提出了一种嵌入式三棱镜和光栅结合的平板波导显示系统，其中嵌入式的棱镜作为耦合输入元件，全息光栅作为耦合输出元件，该耦合输出衍射光学元件同样是通过三次曝光的方式在全息记录材料上记录三个线性的体积全息光栅，每一个光栅有一个敏感波长。与史瑞等人提出的全息光学元件对称分布的平板波导显示系统相比，该系统减少了一个全息光学元件，提高了系统的耦合效率，并且由于特殊的设定，嵌入式的光学棱镜和波分复用光栅都实现了消色差，并未给最终的成像质量带来影响，这在一定程度上解决了全息光学元件的技术障碍。但是嵌入光学棱镜，这大大增加了全息波导系统的体积和重量，不便于人们佩戴使用。

基于上述，现有技术中存在的问题是如何在保证不降低基于全息衍射光学元件的波导显示系统的衍射效率，且不增加基于全息衍射光学元件的波导显示系统的体积和重量的前提下，消除其色差。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题就是如何更可靠的消除基于全息衍射光学元件的波导显示系统的色差。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于全息衍射光学元件的消色差的波导显示系统，包括输入耦合器、波导、输出耦合器，其特征在于，所述输入耦合器为平面全息光栅，所述输出耦合器为体积全息光栅，所述平面全息光栅和所述体积全息光栅作为成像元件，位于波导的两端，通过所述两个光栅的衍射实现对观察目标物的成像。

优选地，所述平面全息光栅为透射式平面光栅，所述体积光栅为通过三次曝光技术在一层全息材料上得到的三层反射式体积光栅。

(三)有益效果

本发明的一种基于全息衍射光学元件的消色差的波导显示系统，包括输入耦合器、波导、输出耦合器，彩色光线通过准直透镜后照射到输入耦合器的平面光栅时，平面光栅发挥色散特性，将光色散成不同颜色的光波按照不同的角度进入到波导中，然后光继续在波导中传播，当光传播到输出耦合器的体积光栅时，光波又被体积光栅调制，使发生色散的光波以同一方向反射出波导，进入到人的眼睛，使得人眼可以看到彩色的图像，在保证不降低基于全息衍射光学元件的波导显示系统的衍射效率，且不增加基于全息衍射光学元件的波导显示系统的体积和重量的前提下，达到消除色差的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：基于全息衍射光学元件的消除色差的波导显示系统的工作原理示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

本实施例提供一种基于全息衍射光学元件的消色差的波导显示系统，包括输入耦合器、波导、输出耦合器，其中所述输入耦合器为透射式平面全息光栅，所述输出耦合器为体积全息光栅，如图1所示。

本实施例中，透射式平面全息光栅通过两束平面波干涉的方法得到。根据光栅的基本理论，在记录过程中，得到的全息光栅的周期可以用公式(1)表示：

$d\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rec}}}{2\sin \frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rec}}}{2}}\left(1\right)$

d为平面光栅的周期，θ_rec为两束平面波在介质中的夹角，λ_rec为记录的光波长。

当光照射透射式平面全息光栅时，满足光栅的衍射方程，即：

d(nsinβ_ki+sinθ)＝kλ_i   (2)

其中，λ_i为第i个波长，d为透射式平面全息光栅的周期，k为衍射级次，n为波导介质的折射率，β_ki为波导中的第i波长的k级衍射角。

本实施例采用在一层全息材料上进行三次曝光得到需要的三个反射式体积全息光栅。对于反射式体积光栅来说，其记录公式和透射式平面全息光栅一样。区别是在制作体积光栅的时候，物光和参考光在全息材料的同侧；而制作体积光栅的时候，物光和参考光在全息材料的两侧。当体积光栅被当做光学元件使用时，需要满足布拉格条件，即

2Λsinθ_b＝λ   (3)

Λ为体积全息光栅的周期，θ_b为布拉格角，λ为照明光波的波长。一旦体积全息光栅制作完成，其光栅周期就确定了，因此，我们可以得到制作满足要求的光栅时，两个平面波的夹角计算公式为

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rec}}=2\arcsin \left(\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rec}}}{\mathrm{\λ}}\sin {\mathrm{\θ}}_b\right)---\left(4\right)$

通过简单的几何关系，就可以得到彩色光被透射式平面全息光栅衍射后的各个波长的衍射角β和遇到体积全息光栅后满足的布拉格角θ_b之间的关系为同时要使光波在波导里面传播，还必须满足全反射条件，即

${\mathrm{\θ}}_c=\arcsin \frac{1}{n}---\left(5\right)$

要想制作上述所述的消色差的轻小型衍射波导，还需要提前设定作为输入耦合器的透射式平面全息光栅与作为输出耦合器的体积全息光栅之间距离d，激光的记录波长λ_rec，以及其中一种再现波长λ。然后根据以上的公式就可以计算出透射式平面全息光栅的周期和记录角度，还有相应的体积全息光栅的周期和制作角度，以及另外两种再现波长。有了这些记录角度的数据，就可以制作出需要的全息光栅。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种基于全息衍射光学元件的消色差的波导显示系统，包括输入耦合器、波导、输出耦合器，其特征在于，所述输入耦合器为平面全息光栅，所述输出耦合器为体积全息光栅，所述平面全息光栅和所述体积全息光栅位于波导的两端。

2.根据权利要求1所述的基于全息衍射光学元件的消色差的波导显示系统，其特征在于，所述平面全息光栅为透射式平面光栅，所述体积光栅为通过三次曝光技术在一层全息材料上得到的三层反射式体积光栅。