CN105549150A - 一种全息波导显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全息波导显示装置，属于可穿戴显示技术领域。本发明全息波导显示装置包括微显示器、准直镜、光阑、波导、入耦合衍射光学元件、出耦合衍射光学元件；所述入耦合衍射光学元件包括反射型体全息光栅和亚波长一维金属纳米光栅；所述反射型体全息光栅的一侧密接于所述波导，亚波长一维金属纳米光栅设置于反射型体全息光栅的另一侧表面；所述亚波长一维金属纳米光栅可使得穿过反射型体全息光栅的光子耦合成表面等离子体模式，从而使光子再次进入反射型体全息光栅发生衍射并进入波导。相比现有技术，本发明可在保证TE光的高衍射效率的前提下，提高TM光的衍射效率，继而提高全息波导显示装置的总光能利用率，同时有效抑制传输中的杂散光。

Description

一种全息波导显示装置

技术领域

本发明属于可穿戴显示技术领域，具体涉及一种全息波导显示装置。

背景技术

全息波导显示器是一种利用高亮度微型显示器为图像源，以透明的全息护目镜为显示屏，通过小型化光学系统将图像通过波导结构投射到人眼成像的显示技术。全息波导显示器的关键技术是将全息光学元件作为波导耦合器，代替传统光学元件，构成高集成度的可穿戴成像系统，具有结构简单、体积小、轻便等优点。

现有技术中，全息波导显示的光源及像元为微显示器，发出的自然光同时包含TE偏振成分和TM偏振成分。全息光学元件对TE波有较高的衍射效率，对TM波的衍射效率较低，因此降低了总光能利用率。另外，全息光学元件在衍射时会产生杂散光现象。杂散光是一种能量很小的衍射光波，偏离于主要能量集中的衍射光束。杂散光现象会造成图像模糊及“鬼像”的出现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种全息波导显示装置，可在保证TE光的高衍射效率的前提下，提高TM光的衍射效率，继而提高全息波导显示装置的总光能利用率，同时有效抑制传输中的杂散光。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种全息波导显示装置，包括微显示器、准直镜、光阑、波导、入耦合衍射光学元件、出耦合衍射光学元件；入耦合衍射光学元件与出耦合衍射光学元件集成于所述波导的同一侧且关于所述波导的y轴镜像对称；所述微显示器加载彩色图像，向外发射带有图像信息的发散光，所述发散光通过准直镜后转变为平行光，所述平行光的孔径被光阑限制，垂直入射到入耦合衍射光学元件上，被入耦合衍射光学元件衍射，进入波导中；在波导中，光以全反射的形式传播，直至被出耦合衍射光学元件衍射输出；所述入耦合衍射光学元件包括反射型体全息光栅和亚波长一维金属纳米光栅；所述反射型体全息光栅的一侧密接于所述波导，亚波长一维金属纳米光栅设置于反射型体全息光栅的另一侧表面；所述亚波长一维金属纳米光栅可使得穿过反射型体全息光栅的光子耦合成表面等离子体模式，从而使光子再次进入反射型体全息光栅发生衍射并进入波导。

进一步地，所述全息波导显示装置为非透视型全息波导显示装置；所述出耦合衍射光学元件与入耦合衍射光学元件的结构相同，包括反射型体全息光栅和亚波长一维金属纳米光栅；所述反射型体全息光栅的一侧密接于所述波导，亚波长一维金属纳米光栅设置于反射型体全息光栅的另一侧表面。

所述波导可以为平板波导或自由曲面波导。

优选地，所述波导的厚度为1mm~3mm。

优选地，所述亚波长一维金属纳米光栅的厚度小于等于100nm。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明技术方案可使得入射平行光的TE偏振成分和部分TM偏振成分被入耦合体全息光栅衍射，剩余的TM偏振成分穿过入耦合体全息光栅,在金属纳米光栅的表面激发等离子体共振，受等离子体效应和衍射光学元件的衍射作用共同调制；TE偏振成分和TM偏振成分在相同的位置，以相同的角度进入波导传输；亚波长纳米金属光栅诱发的表面等离子体共振效应提高了TM偏振成分的衍射效率，减小了入耦合处的光能损失，继而提高了整个波导显示系统的光能利用率，同时可有效抑制传输中的杂散光。

附图说明

图1为一种现有全息波导显示装置的结构原理示意图；图中出现的各标号含义如下：101、微显示器，102、准直镜，103、光阑，104、波导，105、入耦合全息光学元件，106、出耦合全息光学元件，107、人眼，L10、发散光，L11、入射平行光，L12、透射光，L13、衍射光，L14、出射平行光；

图2为本发明全息波导显示装置的结构原理示意图；图中出现的各标号含义如下：201、微显示器，202、准直镜，203、光阑，204、波导，205、反射型体全息光栅，206、亚波长一维金属纳米光栅，207、波导输入耦合器，208、出耦合衍射光学元件，209、波导输出耦合器，L20、发散光，L21、入射平行光，L22、衍射光，L23、出射平行光。

图3a～图3f分别为本发明全息波导显示装置的入耦合衍射光学元件的六种具体结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

现有技术中的一种全息波导显示装置的结构原理如图1所示，其包括微显示器101、准直镜102、光阑103、波导104、入耦合全息光学元件105、出耦合全息光学元件106。如图1所示，该显示装置在工作过程中，微显示器101向外发射带有图像信息的发散光L10，发散光L10通过准直镜102后转变为平行光L11，所述平行光L11被光阑103限制孔径大小，垂直入射到入耦合全息光学元件105的表面，其中一部分TM偏振成分穿过105，为透射光L12，另一部分TM偏振成分和TE成分构成衍射光L13，进入波导104中，以全反射的形式传播，直至被出耦合全息光学元件106衍射输出平行光L14，进入人眼107。全息光学元件的衍射效率和衍射带宽相互制约，即衍射效率越高，衍射带宽越窄，为了使入射光的能量尽可能多得进入波导传输，一般要求设计高衍射效率、宽衍射光谱的全息光学元件，所以全息光学元件的厚度通常不能超过20um。另外，在厚度小于20um的相同结构条件下，全息光学元件对TE光的衍射效率比TM光高。因此，传统全息波导显示器在波导入耦合处，TM偏振光的损失较大。此外，全息光学元件在衍射时会出现杂散光现象，造成人眼107接收到的图像模糊。

为了克服现有技术不足，本发明的发明思路是：在入耦合衍射光学元件中集成反射型体全息光栅和亚波长一维金属纳米光栅，利用亚波长一维金属纳米光栅使得穿过反射型体全息光栅的光子耦合成表面等离子体模式，从而使光子再次进入反射型体全息光栅发生衍射并进入波导，进而提高TM偏振成分的衍射效率，减小入耦合处的光能损失，从整体上提高波导显示系统的光能利用率，同时可有效抑制传输中的杂散光。体全息光栅的零级透射光大部分为TM偏振光，当TM光的波矢和经过设计的亚波长一维金属纳米光栅的波矢满足动量匹配条件时，可以引起金属光栅表面的等离子体共振效应，这种局部的共振效应可以使光波发生异常反射，反射光重新被体全息光栅调制，衍射进入波导。

图2显示了本发明全息波导显示装置的基本结构和原理。如图2所示，本发明所提出的全息波导显示装置包括：微显示器201、准直镜202、光阑203、波导204、反射型体全息光栅205、亚波长一维金属纳米光栅206和出耦合衍射光学元件208。如图2所示，反射型体全息光栅205密接于波导204一侧，亚波长一维金属纳米光栅206设置于反射型体全息光栅205的另一侧表面，反射型体全息光栅205和亚波长一维金属纳米光栅206组成波导输入耦合器（或称为入耦合衍射光学元件）207；出耦合衍射光学元件208构成波导输出耦合器209。反射型体全息光栅205和出耦合衍射光学元件208集成在波导204的同侧，且关于y轴镜像对称。微显示器201位于准直镜202的焦距处，其中心线与准直镜202、光阑203和波导输入耦合器207的中心线共轴。

图2所示全息波导显示装置的工作过程为：微显示器201加载二维图像，向外发射带有图像信息的发散光L20，所述发散光L20通过准直镜202后转变为平行光L21，所述平行光L21的TE偏振成分和一部分TM偏振成分被反射型体全息光栅205衍射，剩余的一部分TM偏振成分在亚波长一维金属纳米光栅206表面激发等离子体共振，受等离子体效应和衍射光学元件的衍射作用共同调制。TE偏振成分和TM偏振成分的衍射光L22在相同的位置，以相同的角度进入波导传输。在波导中，衍射光L22以全反射的形式传播，直至被出耦合衍射光学元件208衍射，输出平行光L23，进入人眼210。

经过波导传输的平行光在被出耦合衍射光学元件衍射并输出至人眼的过程中，同样会存在部分TM偏振成分穿过体全息光栅而不能被充分利用的情形；类似地，本发明可进一步采用与入耦合衍射光学元件结构相同的出耦合衍射光学元件，即在出耦合衍射光学元件中的反射式体全息光栅表面增设相同的亚波长一维金属纳米光栅，从而进一步提高显示系统的光能利用率。然而，对于微显示器输出图像与外部环境图像需要同时显示的透视型全息波导显示装置而言，增加的亚波长一维金属纳米光栅会对外观环境图像的显示产生影响，因此该进一步改进方案适用于非透视型全息波导显示装置。

所述波导可以为平板波导或自由曲面波导，材料可以为透明的光学玻璃或光学塑料。所述波导在y方向上的厚度优选为1mm~3mm。

本发明可采用现有的各种反射型体全息光栅，其在y方向上的厚度小于20um，尺寸不小于微显示器。反射型体全息光栅的材料可以为卤化银、重铬酸盐明胶、光致聚合物、光致抗蚀剂、光导热塑或光折变晶体，通过全息曝光技术制成衍射光栅。制作完成后的体全息光栅通常需要封装保存，通常通过在体全息光栅表面涂抹一层折射率和光学玻璃或体全息材料相近的密封胶实现封装。

本发明在反射型体全息光栅表面引入亚波长一维金属纳米光栅的原因是通过激发表面等离子体共振，提高TM偏振光的衍射效率，抑制杂散光。其具体原理为：在介质表面镀金属膜无法直接将光子耦合为等离子体，要实现表面等离子体激元的激发，需要对光波给予补偿，使其能够和表面等离子体激元的波矢匹配；一种方法是是利用衍射效应来实现光子波矢的补偿，在金属表面的衍射光栅可以补偿激发表面等离子体激元的波矢，使电磁波满足动量守恒的条件。表面等离子体共振效应可以使入射到金属光栅表面的光波发生异常反射，反射光重新被体全息光栅调制，衍射进入波导。同时，该效应有利于抑制体全息光栅杂散光的生成。所述亚波长一维金属纳米光栅的周期是由微显示器的中心波长决定的，一般为亚波长级；共振强度由亚波长一维金属纳米光栅的深度决定，一般不超过100nm，过厚和过薄的金属层都会降低共振强度，最佳深度可通过试验确定。亚波长一维金属纳米光栅的材料可选用金、银、铝等金属或其混合金属；亚波长一维金属纳米光栅的面型可采用矩形、倾斜四边形、正弦形、高斯形等，或者其它面型的一维金属纳米光栅。

图3a～图3f分别为本发明全息波导显示装置的入耦合衍射光学元件的六种具体结构，其中，图3a为直接在反射型体全息光栅的密封胶上刻蚀矩形金属光栅；图3b为在反射型体全息光栅表面的超薄金属层上刻蚀矩形金属光栅；图3c为在反射型体全息光栅表面的矩形二氧化硅光栅表面镀超薄金属层；图3d为在反射型体全息光栅的密封胶上刻蚀倾斜四边形金属光栅；图3e为在反射型体全息光栅的密封胶上刻蚀正弦形（或高斯形）金属光栅；图3f为在反射型体全息光栅的密封胶上刻蚀闪耀光栅。

本发明可通过优化亚波长一维金属纳米光栅的光栅周期、刻蚀深度、填充因子、金属厚度等参数，进一步实现TM偏振光衍射效率的提高及杂散光的减弱。

为了验证本发明技术方案的效果，对本发明全息波导显示装置进行了实验验证，实验中所使用的波导为平板波导，波导材料为二氧化硅；反射型体全息光栅的材料为重铬酸盐明胶，厚度为15um，调制度为0.03，内部倾斜角为22°，响应波长为525nm；亚波长一维金属纳米光栅为直接在反射型体全息光栅的密封胶上刻蚀出的矩形金属光栅，矩形金属光栅的材料为银，厚度为50nm，周期为400nm，填充因子为0.5。经实际测量发现，该亚波长一维金属纳米光栅对衍射效率的增益为10%，且杂散光现象得到明显减弱。

Claims (10)

1.一种全息波导显示装置，包括微显示器、准直镜、光阑、波导、入耦合衍射光学元件、出耦合衍射光学元件；入耦合衍射光学元件与出耦合衍射光学元件集成于所述波导的同一侧且关于所述波导的y轴镜像对称；所述微显示器加载彩色图像，向外发射带有图像信息的发散光，所述发散光通过准直镜后转变为平行光，所述平行光的孔径被光阑限制，垂直入射到入耦合衍射光学元件上，被入耦合衍射光学元件衍射，进入波导中；在波导中，光以全反射的形式传播，直至被出耦合衍射光学元件衍射输出；其特征在于，所述入耦合衍射光学元件包括反射型体全息光栅和亚波长一维金属纳米光栅；所述反射型体全息光栅的一侧密接于所述波导，亚波长一维金属纳米光栅设置于反射型体全息光栅的另一侧表面；所述亚波长一维金属纳米光栅可使得穿过反射型体全息光栅的光子耦合成表面等离子体模式，从而使光子再次进入反射型体全息光栅发生衍射并进入波导。

2.如权利要求1所述全息波导显示装置，其特征在于，所述全息波导显示装置为非透视型全息波导显示装置；所述出耦合衍射光学元件与入耦合衍射光学元件的结构相同，包括反射型体全息光栅和亚波长一维金属纳米光栅；所述反射型体全息光栅的一侧密接于所述波导，亚波长一维金属纳米光栅设置于反射型体全息光栅的另一侧表面。

3.如权利要求1或2所述全息波导显示装置，其特征在于，所述波导的厚度为1mm~3mm。

4.如权利要求1或2所述全息波导显示装置，其特征在于，所述亚波长一维金属纳米光栅为矩形金属光栅。

5.如权利要求1或2所述全息波导显示装置，其特征在于，所述亚波长一维金属纳米光栅为上表面附着有超薄金属层的矩形二氧化硅光栅。

6.如权利要求1或2所述全息波导显示装置，其特征在于，所述亚波长一维金属纳米光栅为倾斜四边形金属光栅。

7.如权利要求1或2所述全息波导显示装置，其特征在于，所述亚波长一维金属纳米光栅为正弦形金属光栅。

8.如权利要求1或2所述全息波导显示装置，其特征在于，所述亚波长一维金属纳米光栅为高斯形金属光栅。

9.如权利要求1或2所述全息波导显示装置，其特征在于，所述亚波长一维金属纳米光栅为闪耀光栅。

10.如权利要求1或2所述全息波导显示装置，其特征在于，所述亚波长一维金属纳米光栅的厚度小于等于100nm。