CN105807348A - 一种反射型体全息光栅波导结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种反射型体全息光栅波导结构。包括平面光源(1)、平板波导(4)、入射端光栅和出射端光栅，所述入射端光栅和出射端光栅设置于平板波导(4)上，且所述入射端光栅和出射端光栅成镜像关系；所述入射端光栅包括第一反射型体全息光栅(2)、第二反射型体全息光栅(3)，而所述出射端光栅包括第三反射型体全息光栅(5)、第四反射型体全息光栅(6)，第一反射型体全息光栅(2)、第二反射型体全息光栅(3)对入射的光束发生布拉格衍射，第三反射型体全息光栅(5)、第四反射型体全息光栅(6)对出射的光束发生布拉格衍射，射进入人眼(7)。本发明能够扩大入射角范围，同时还能够减少色散、扩大视场,并保证出瞳连续，从而提高显示质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种眼戴全息显示技术中的体光栅波导结构，尤其涉及到满足布拉格衍射条件的反射型体全息光栅。
背景技术
随着微型显示产业的发展，显示设备向微型化，个人化发展。近年来，头戴式显示技术受到市场大量的关注。以增强现实(AR)和虚拟现实(VR)为代表的头戴式显示设备被大量研究开发并应用于军事领域和消费市场。
传统的近眼显示设备由于光学原理的限制，很难在保正大视场角(FOV)的情况下产生较大的出瞳范围。波导显示器件利用光线在波导介质中以满足全反射传播原理，在光学耦合器件的帮助下，可以实现光线在波导传播过程中多次出射，即可以通过在波导传播过程中不同空间位置多次出射轻易的达到较大出瞳范围。
全息光栅作为优秀的光学耦合器件有着优秀的光学特性，具有良好的角度选择性和波长选择性，且尺寸小、重量轻。其中由于其良好的角度和波长的选择性，大部分外界环境光可直接透过，即有用良好的透明度。其大量被运用于波导显示器件中作为光学耦合器件实现可穿透显示(See-throughDisplay).
但是，由于其良好的角度选择性和波长选择性，特别是良好的角度选择性。全息波导显示设备很难得到较大的视场角(Fieldofview).
由布拉格衍射原理可知，体全息光栅的角度选择性与布拉格等式中，入射光与光栅矢量夹角有关。入射光与光栅矢量夹角越小，角度选择性越弱，即视场角越大。利用这个原理。有文献提出，倾斜入射光束，即使中心视场角倾斜入射体全息光栅，使得在保证衍射角满足波导全反射条件的情况下，减小入射光与光栅矢量夹角越小，从而减小体全息光栅的角度选择性，提高视场。但是，这种方法会增大器件尺寸，增加器件制造难度。
如图1所示，两束在同一平面内传播的相干光束入射到厚度为d的感光介质中，在介质内部发生干涉，形成体全息光栅。这一过程为记录过程，如果记录时两条相干光束从感光介质的两侧相向射入，则会形成反射型体全息光栅，如图1中所示。按照光栅的衍射理论，要使连续散射波同相位相加，使总的衍射波振幅达到最大，则介质内入射光波长λ、入射光与光栅条纹面夹角θ以及光栅间距Λ必须满足布拉格条件。可知，用上述干涉法产生的全息光栅，当用相同波长的一束光沿特定方向入射体全息光栅时，自动满足布拉格条件发生衍射现象。而其他波长的光，或者沿着其他方向入射时，不满足布拉格条件，则光束会透过全息光栅，不发生衍射现象。
体全息光栅具有良好的入射光波长选择性和入射角度选择性，当入射光角度和波长满足布拉格条件时，体全息光栅的衍射效率很高。因此，外界环境光可直接透过，即有用良好的透明度。其大量被运用于波导显示器件中作为光学耦合器件实现可穿透显示。此外，体全息光栅厚度一般为十几至几十微米，可使结构又轻又薄，简化设计。如图2所示为传统的穿透式显示中的光学耦合系统，该系统满足公式PEPtan(θf)＝Dtan(β)，式中PEP为出瞳大小，D为微显示器的直径，θf决定视场角的大小，θf＝1/2FOV。由公式可以看出，当微显示器件参数固定(即Dtan(β)为定值)时，PEP和θf不可能同时得到最大值，因此传统的结构难以同时实现大出瞳和宽视角。
人们为了解决这一问题，提出一种体全息光栅波导结构，如图3所示，该结构利用了体全息光栅良好的波长选择性，衍射出射角度范围大，质量轻、厚度薄等优点，可以实现轻薄化设计、出瞳面积大以及外界光透过率高，但是由于体全息光栅波长带宽很窄，因此相应地获得的视场(FOV)也窄。
根据布拉格公式λ＝2nΛcosθ两边求导可得，体全息光栅入射光波长λ的随布拉格衍射角θ变化的关系式为：
δλ/δθ＝-2nΛsinθ
式中，δλ为布拉格波长偏移量，其与入射光的角度有关。由上式可以得出，要使δλ/δθ最小(衍射光的波长偏移量尽可能小)，光栅矢量和入射光之间的夹角θ应尽量接近于0。
如图4所示，为现有文献提出的一种结构，该结构中平面光源和准直透镜倾斜一定角度，使入射光束靠近衍射光栅的矢量轴。该结构的优点是保持了全息光栅波导结构的高透过率和单色性好、色域广等优点，但是这种结构设计复杂还会增加光学系统的厚度。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种反射型体全息光栅波导结构，其不仅能够减小色散，而且还能够扩大视场，保证出瞳连续性，从而提高显示质量。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种反射型体全息光栅波导结构，包括平面光源(1)、平板波导(4)、入射端光栅和出射端光栅，所述入射端光栅和出射端光栅设置于平板波导(4)上，且所述入射端光栅和出射端光栅成镜像关系。所述入射端光栅包括第一反射型体全息光栅(2)、第二反射型体全息光栅(3)，而所述出射端光栅包括第三反射型体全息光栅(5)、第四反射型体全息光栅(6)，其中：
所述平面光源(1)用于对第一反射型体全息光栅(2)发射原始光束。
所述第一反射型体全息光栅(2)用于将平面光源(1)发射的原始光束直接发送给第二反射型体全息光栅(3)，同时对经过第一次布拉格衍射后的光束进行第二次布拉格衍射，同时将经过第二次布拉格衍射后的光束发射给平板波导(4)。
所述第二反射型体全息光栅(3)用于对第一反射型体全息光栅(2)发射的原始光束进行第一次布拉格衍射，并将经过第一次布拉格衍射的光束发射给第一反射型体全息光栅(2)。
所述平板波导(4)用于对第二次布拉格衍射后的光束进行全反射，并将全反射后的光束发送给第三反射型体全息光栅(5)。
所述第三反射型体全息光栅(5)对全反射后的光束进行第三次布拉格衍射，该第三次布拉格衍射是对全反射后的光束进行第一次布拉格衍射还原，并将经过第三次布拉格衍射的光束发射给第四反射型体全息光栅(6)。
所述第四反射型体全息光栅(6)对经过第三次布拉格衍射的光束进行第四次布拉格衍射，该第四次布拉格衍射是对全反射后的光束进行第二次布拉格衍射还原，并将经过第四次布拉格衍射的光束发射出去。
优选的：所述平面光源(1)位于第一反射型体全息光栅(2)的一侧，而所述第二反射型体全息光栅(3)位于第一反射型体全息光栅(2)的另一侧。
所述第一反射型体全息光栅(2)设置在平板波导(4)的外表面上，或者所述第一反射型体全息光栅(2)设置于平板波导(4)内。
所述第二反射型体全息光栅(3)设置在平板波导(4)的外表面上，或者所述第二反射型体全息光栅(3)设置于平板波导(4)内。
所述第三反射型体全息光栅(5)设置在平板波导(4)的外表面上，或者所述第三反射型体全息光栅(5)设置于平板波导(4)内。
所述第四反射型体全息光栅(6)设置在平板波导(4)的外表面上，或者所述第四反射型体全息光栅(6)设置于平板波导(4)内。
优选的：所述第一反射型体全息光栅(2)、第二反射型体全息光栅(3)在平板波导(4)上相对设置。所述第三反射型体全息光栅(5)、第四反射型体全息光栅(6)在平板波导(4)上相对设置。
其光路为：平面光源(1)所发射的一束原始光束进入到第一反射型体全息光栅(2)中，原始光束在第一反射型体全息光栅(2)中不发生任何衍射，原始光束通过第一反射型体全息光栅(2)进入到第二反射型体全息光栅(3)中，并在第二反射型体全息光栅(3)中发生第一次布拉格衍射，发生第一次布拉格衍射后的光束再一次进入到第一反射型体全息光栅(2)中，并在第一反射型体全息光栅(2)中发生第二次布拉格衍射，发生第二次布拉格衍射后的光束进入到平板波导(4)中，然后在平板波导(4)中发生全反射，全反射后的光束进入到第三反射型体全息光栅(5)中，在第三反射型体全息光栅(5)中发生第三次布拉格衍射，发生第三次布拉格衍射后的光束进入到第四反射型体全息光栅(6)中，在第四反射型体全息光栅(6)中发生第四次布拉格衍射，随后将第四次布拉格衍射后的光束发射出去。
优选的：平面光源(1)发射波长λ的原始光束垂直射入第一反射型体全息光栅(2)中，不发生任何衍射。原始光束随后垂直射入第二反射型体全息光栅(3)中，在第二反射型体全息光栅(3)中发生第一次布拉格衍射，第一次布拉格衍射角度为第一次布拉格衍射后的光束再一次进入第一反射型体全息光栅(2)中，在第一反射型体全息光栅(2)中发生第二次布拉格衍射，第二次布拉格衍射角度为经过第二次布拉格衍射后的光束进入平板波导(4)，在平板波导(4)中发生全反射，全反射的入射角度为全反射后的光束进入到第三反射型体全息光栅(5)中，在第三反射型体全息光栅(5)中发生第三次布拉格衍射，发生第三次布拉格衍射后的光束进入到第四反射型体全息光栅(6)中，在第四反射型体全息光栅(6)中发生第四次布拉格衍射，随后将第四次布拉格衍射后的光束发射出去，进入人眼(7)中。其中，表示第一反射型体全息光栅(2)的倾角，表示第二反射型体全息光栅(3)的倾角。
平面光源(1)发射波长λ的原始光束向右倾斜射入第一反射型体全息光栅(2)时，第一次布拉格衍射角度为第二次布拉格衍射角度为此时倾斜角α须满足条件
平面光源(1)发射波长λ的原始光束向左倾斜射入第一反射型体全息光栅(2)时，第一次布拉格衍射角度为第二次布拉格衍射角度为此时倾斜角α须满足条件α为光束的倾斜角度。
优选的：光束在第一反射型体全息光栅(2)中发生第二次布拉格衍射，发生第二次布拉格衍射后的光束其出射角度θout不小于布儒斯特角θb：θout≥θb。
优选的：发生第二次布拉格衍射后的光束其出射角度不小于40°。所述第一反射型体全息光栅(2)的倾角和第二反射型体全息光栅(3)的倾角满足关系式：
优选的：所述第一反射型体全息光栅(2)、第二反射型体全息光栅(3)、第三反射型体全息光栅(5)、第四反射型体全息光栅(6)为红、绿、蓝三种单色体全息光栅叠加光栅结构，光束依次经过第二反射型体全息光栅(3)、第一反射型体全息光栅(2)产生的第一次、第二次布拉格衍射均为红绿蓝三种颜色光的布拉格衍射，经过平板波导(4)全反射后，全反射后的光束依次经过第三反射型体全息光栅(5)、第四反射型体全息光栅(6)产生的第三次、第四次布拉格衍射均为红绿蓝三种颜色光的布拉格衍射，根据三基色混色原理，将原来的光束还原投射出。
或者，所述第一反射型体全息光栅(2)、第二反射型体全息光栅(3)、第三反射型体全息光栅(5)、第四反射型体全息光栅(6)为红绿蓝三色复合光栅结构，平面光源(1)的入射光束为白光时，光束依次经过第二反射型体全息光栅(3)、第一反射型体全息光栅(2)时，三基色分别被复合光栅结构中对应的布拉格面进行布拉格衍射，分别得到第一次、第二次布拉格衍射，在经过平板波导(4)全反射，全反射的光束依次经过第三反射型体全息光栅(5)、第四反射型体全息光栅(6)，全反射的光束的三基色分别被复合光栅结构中对应的布拉格面进行布拉格衍射，分别得到第三次、第四次布拉格衍射，将原来的光束还原投射出。
优选的：所述第一反射型体全息光栅(2)、第二反射型体全息光栅(3)、第三反射型体全息光栅(5)以及第四反射型体全息光栅(6)均满足布拉格条件，且其对应的倾角和光栅周期互不相同。
优选的：所述第一反射型体全息光栅(2)、第二反射型体全息光栅(3)、第三反射型体全息光栅(5)、第四反射型体全息光栅(6)的折射率分别满足：
其中，n1表示第二反射型体全息光栅的折射率，n2表示第一反射型体全息光栅的折射率，n3表示第三反射型体全息光栅的折射率，n4表示第四反射型体全息光栅的折射率，n0表示反射全息光栅的平均折射率，Δn表示折射率调制度，K表示光栅矢量，表示第一反射型体全息光栅(2)的倾角，表示第二反射型体全息光栅(3)的倾角，表示第三反射型体全息光栅(5)的倾角，表示第四反射型体全息光栅(6)的倾角,(x1,y1)为第一坐标系中的点，所述(x2,y2)为第二坐标系中的点，所述(x3,y3)为第三坐标系中的点，所述(x4,y4)为第四坐标系中的点，在沿第二反射型体全息光栅到第一反射型体全息光栅的切面内，以平行于平面光源(1)发射的光束的直线为Y1轴，垂直于该Y1轴的直线为X1轴，以第二反射型体全息光栅内的任一一点O1为原点建立坐标系X1O11，该坐标系为第一坐标系；以平行于平面光源(1)发射的光束的直线为Y2轴，垂直于该Y2轴的直线为X2轴，以第一反射型体全息光栅内的任一一点O2为原点建立坐标系X2O2Y2，该坐标系为第二坐标系。以平行于平面光源(1)发射的光束的直线为Y3轴，垂直于该Y3轴的直线为X3轴，以第三反射型体全息光栅内的任一一点O3为原点建立坐标系X3O3Y3，该坐标系为第三坐标系。以平行于平面光源(1)发射的光束的直线为Y4轴，垂直于该Y4轴的直线为X4轴，以第四反射型体全息光栅内的任一一点O4为原点建立坐标系X4O4Y4，该坐标系为第四坐标系。
有益效果：本发明提供的一种反射型体全息光栅波导结构，相比现有技术，具有以下有益效果：
本发明对现有体全息光栅波导结构进行优化，利用四个体全息光栅分别作为光学耦合光栅，第一反射型体全息光栅(2)、第二反射型体全息光栅(3)对入射的光束发生布拉格衍射，第三反射型体全息光栅(5)、第四反射型体全息光栅(6)对出射的光束发生布拉格衍射，在保证从微显示器件发出的图像垂直(倾斜)入射波导器件的同时，大幅度提升视场(FOV)，扩大了全息波导显示设备的视场角，同时将入射光轴尽可能靠近光栅矢量，结构设计简单，不增大结构的尺寸、简化了光学系统结构。并且还能够扩大视场，保证出瞳连续性，从而提高显示质量。
附图说明
图1为体全息光栅示意图。
图2为传统的头盔显示光学系统结构示意图。
图3为传统的全息波导结构示意图。
图4为一种倾斜平面光源的全息波导结构示意图。
图5为本发明提出的一种反射型体全息光栅波导结构示意图。
图6为红绿蓝三种单色体全息光栅叠加波导结构示意图。
图7为复合体全息光栅波导结构示意图。
图8为光束倾斜入射情况示意图。
图9为本发明中四个反射型体全息光栅可能放置的位置示意图，如图9a为四个反射型体全息光栅可能放置的第一位置示意图，如图9b为四个反射型体全息光栅可能放置的第二位置示意图，如图9c为四个反射型体全息光栅可能放置的第三位置示意图，如图9d为四个反射型体全息光栅可能放置的第四位置示意图，如图9e为四个反射型体全息光栅可能放置的第五位置示意图。
图10为出瞳连续性示意图。
图11为本全息光栅波导结构FEM仿真图。其中，图11a为预期效果图，图11b为该实例的FEM仿真图。
图12为锥形面内波长分布和视场分布仿真结果图。
图13为传统结构和优化结构的角度选择性示意图。
图14为传统结构和优化结构的波长选择性示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种反射型体全息光栅波导结构，如图5-12所示，包括平面光源1、平板波导4、入射端光栅和出射端光栅，所述入射端光栅和出射端光栅设置于平板波导4上，且所述入射端光栅和出射端光栅成镜像关系。所述入射端光栅包括第一反射型体全息光栅2、第二反射型体全息光栅3，而所述出射端光栅包括第三反射型体全息光栅5、第四反射型体全息光栅6，其中：
所述平面光源1用于对第一反射型体全息光栅2发射原始光束。
所述第一反射型体全息光栅2用于将平面光源1发射的原始光束直接发送给第二反射型体全息光栅3，同时对经过第一次布拉格衍射后的光束进行第二次布拉格衍射，同时将经过第二次布拉格衍射后的光束发射给平板波导4。
所述第二反射型体全息光栅3用于对第一反射型体全息光栅2发射的原始光束进行第一次布拉格衍射，并将经过第一次布拉格衍射的光束发射给第一反射型体全息光栅2。
所述平板波导4用于对第二次布拉格衍射后的光束进行全反射，并将全反射后的光束发送给第三反射型体全息光栅5。
所述第三反射型体全息光栅5对全反射后的光束进行第三次布拉格衍射，该第三次布拉格衍射是对全反射后的光束进行第一次布拉格衍射还原，并将经过第三次布拉格衍射的光束发射给第四反射型体全息光栅6。
所述第四反射型体全息光栅6对经过第三次布拉格衍射的光束进行第四次布拉格衍射，该第四次布拉格衍射是对全反射后的光束进行第二次布拉格衍射还原，并将经过第四次布拉格衍射的光束发射出去。
如图5、9所示，所述平面光源1位于第一反射型体全息光栅2的一侧，而所述第二反射型体全息光栅3位于第一反射型体全息光栅2的另一侧。
所述第一反射型体全息光栅2设置在平板波导4的外表面上，或者所述第一反射型体全息光栅2设置于平板波导4内。
所述第二反射型体全息光栅3设置在平板波导4的外表面上，或者所述第二反射型体全息光栅3设置于平板波导4内。
所述第三反射型体全息光栅5设置在平板波导4的外表面上，或者所述第三反射型体全息光栅5设置于平板波导4内。
所述第四反射型体全息光栅6设置在平板波导4的外表面上，或者所述第四反射型体全息光栅6设置于平板波导4内。
所述第一反射型体全息光栅2、第二反射型体全息光栅3在平板波导4上相对设置。所述第三反射型体全息光栅5、第四反射型体全息光栅6在平板波导4上相对设置。
反射型体全息光栅波导结构亦适用于复合体全息光栅以及红、绿、蓝单色体全息光栅的叠加结构。
如图6所示，所述第一反射型体全息光栅2、第二反射型体全息光栅3、第三反射型体全息光栅5、第四反射型体全息光栅6为红、绿、蓝三种单色体全息光栅叠加光栅结构，可通过红、绿、蓝三种单色体全息光栅叠加而成，红、绿、蓝三种单色体全息光栅分别为红单色体全息光栅31、绿单色体全息光栅32、蓝单色体全息光栅33。其光路和图5中光路类似，光束依次经过第二反射型体全息光栅3、第一反射型体全息光栅2产生的第一次、第二次布拉格衍射均为红绿蓝三种颜色光的布拉格衍射，经过平板波导4全反射后，全反射后的光束依次经过第三反射型体全息光栅5、第四反射型体全息光栅6产生的第三次、第四次布拉格衍射均为红绿蓝三种颜色光的布拉格衍射，根据三基色混色原理，将原来的图像还原投射出，进人眼6中。
或者，如图7所示，所述第一反射型体全息光栅2、第二反射型体全息光栅3、第三反射型体全息光栅5、第四反射型体全息光栅6为红绿蓝三色复合光栅结构，分别为红色布拉格面34、绿色布拉格面35、蓝色布拉格面36，该光栅内有三种不同的光栅周期其光路和图5中光路类似，，平面光源1的入射光束为白光时，光束依次经过第二反射型体全息光栅3、第一反射型体全息光栅2时，三基色分别被复合光栅结构中对应的布拉格面进行布拉格衍射，分别得到第一次、第二次布拉格衍射，在经过平板波导4全反射，全反射的光束依次经过第三反射型体全息光栅5、第四反射型体全息光栅6，全反射的光束的三基色分别被复合光栅结构中对应的布拉格面进行布拉格衍射，分别得到第三次、第四次布拉格衍射，将原来的光束还原投射出，进人眼6中。
所述第一反射型体全息光栅2、第二反射型体全息光栅3、第三反射型体全息光栅5以及第四反射型体全息光栅6均满足布拉格条件，且其对应的倾角和光栅周期互不相同。也就是说第一反射型体全息光栅2、第二反射型体全息光栅3、第三反射型体全息光栅5以及第四反射型体全息光栅6为反射型体全息光栅，反射型体全息光栅可用布拉格条件λ＝2nΛcosθ表示，其中，θ是布拉格衍射角，布拉格衍射角θ是光栅矢量和入射光之间的夹角，n是反射型体全息光栅的折射率，Λ是体全息光栅的光栅周期,λ是入射光在真空中的波长。理论上，当满足布拉格条件时衍射效率最高。
所述反射型体全息光栅入射光波长λ的随布拉格衍射角θ变化的关系式为：
δλ/δθ＝-2nΛsinθ
式中，δλ为布拉格波长偏移量，其与入射光的角度有关，δθ为布拉格衍射角(入射光束和光栅矢量的夹角)变化量。由上式可以得出，要使δλ/δθ最小(衍射光的波长偏移量尽可能小)，光栅矢量和入射光之间的夹角θ应尽量接近于0。
在体全息光栅波导结构中，反射全息光栅的平均折射率n0为1.52；光栅入射和出射到达区域均为平板波导，材料为石英玻璃，折射率为1.52；两种反射型体全息光栅厚度为10～20μm，折射率为平均折射率n0和二维坐标系内的折射率调制度Δn之和，在二维空间坐标系中，所述第一反射型体全息光栅2、第二反射型体全息光栅3、第三反射型体全息光栅5、第四反射型体全息光栅6的折射率分别满足：
其中，n1表示第二反射型体全息光栅的折射率，n2表示第一反射型体全息光栅的折射率，n3表示第三反射型体全息光栅的折射率，n4表示第四反射型体全息光栅的折射率，n0表示反射全息光栅的平均折射率，Δn表示折射率调制度，为0.025，K表示光栅矢量，表示第一反射型体全息光栅2的倾角，表示第二反射型体全息光栅3的倾角，表示第三反射型体全息光栅5的倾角，表示第四反射型体全息光栅6的倾角,(x1,y1)为第一坐标系中的点，所述(x2,y2)为第二坐标系中的点，所述(x3,y3)为第三坐标系中的点，所述(x4,y4)为第四坐标系中的点，在沿第二反射型体全息光栅到第一反射型体全息光栅的切面内，以平行于平面光源1发射的光束的直线为Y1轴，垂直于该Y1轴的直线为X1轴，以第二反射型体全息光栅内的任一一点O1为原点建立坐标系X1O1Y1，该坐标系为第一坐标系；以平行于平面光源1发射的光束的直线为Y2轴，垂直于该Y2轴的直线为X2轴，以第一反射型体全息光栅内的任一一点O2为原点建立坐标系X2O2Y2，该坐标系为第二坐标系。以平行于平面光源1发射的光束的直线为Y3轴，垂直于该Y3轴的直线为X3轴，以第三反射型体全息光栅内的任一一点O3为原点建立坐标系X3O3Y3，该坐标系为第三坐标系。以平行于平面光源1发射的光束的直线为Y4轴，垂直于该Y4轴的直线为X4轴，以第四反射型体全息光栅内的任一一点O4为原点建立坐标系X4O4Y4，该坐标系为第四坐标系。
其光路为：平面光源1所发射的一束原始光束进入到第一反射型体全息光栅2中，原始光束在第一反射型体全息光栅2中不发生任何衍射，原始光束通过第一反射型体全息光栅2进入到第二反射型体全息光栅3中，并在第二反射型体全息光栅3中发生第一次布拉格衍射，发生第一次布拉格衍射后的光束再一次进入到第一反射型体全息光栅2中，并在第一反射型体全息光栅2中发生第二次布拉格衍射，发生第二次布拉格衍射后的光束进入到平板波导4中，然后在平板波导4中发生全反射，全反射后的光束进入到第三反射型体全息光栅5中，在第三反射型体全息光栅5中发生第三次布拉格衍射，发生第三次布拉格衍射后的光束进入到第四反射型体全息光栅6中，在第四反射型体全息光栅6中发生第四次布拉格衍射，随后将第四次布拉格衍射后的光束发射出去。
如图5所示，平面光源1发射波长λ的原始光束垂直射入第一反射型体全息光栅2中，不发生任何衍射。原始光束随后垂直射入第二反射型体全息光栅3中，在第二反射型体全息光栅3中发生第一次布拉格衍射，第一次布拉格衍射角度为第一次布拉格衍射后的光束再一次进入第一反射型体全息光栅2中，在第一反射型体全息光栅2中发生第二次布拉格衍射，第二次布拉格衍射角度为经过第二次布拉格衍射后的光束进入平板波导4，在平板波导4中发生全反射，全反射的入射角度为全反射后的光束进入到第三反射型体全息光栅5中，在第三反射型体全息光栅5中发生第三次布拉格衍射，发生第三次布拉格衍射后的光束进入到第四反射型体全息光栅6中，在第四反射型体全息光栅6中发生第四次布拉格衍射，随后将第四次布拉格衍射后的光束发射出去，进入人眼7中。其中，表示第一反射型体全息光栅2的倾角，表示第二反射型体全息光栅3的倾角。
如图8所示，光束倾斜入射有两种情况：1、当平面光源1发射波长λ的原始光束向右倾斜入射时，其光路和上述情况光路相似，第一次布拉格衍射角度为第二次布拉格衍射角度为此时倾斜角α须满足条件才能保证从第一反射型体全息光栅2和第二反射型体全息光栅3衍射出去的光束在平板波导4中发生全反射。2、当光束向左倾斜入射时，第一次布拉格衍射角度为第二次布拉格衍射角度为此时倾斜角α须满足条件才能保证从第一反射型体全息光栅2和第二反射型体全息光栅3衍射出去的光束在平板波导4中发生全反射。
光束在第一反射型体全息光栅2中发生第二次布拉格衍射，发生第二次布拉格衍射后的光束其出射角度θout不小于布儒斯特角θb：即其中，θout是出射角度，指出射光和平板波导中全反射面的矢量之间的夹角。nwaveguide是平板波导的折射率。
发生第二次布拉格衍射后的光束其出射角度不小于40°。从而能够在所述平板波导4中发生全反射。因此，所述第一反射型体全息光栅2的倾角和第二反射型体全息光栅3的倾角满足关系式：
如图5所示，所述第一反射型体全息光栅2设置在平板波导4的外表面上，所述第二反射型体全息光栅3设置在平板波导4的外表面上，所述第三反射型体全息光栅5设置在平板波导4的外表面上，所述第四反射型体全息光栅6设置在平板波导4的外表面上。其光路为：平面光源1发射波长λ的原始光束垂直射入第一反射型体全息光栅2中，不发生任何衍射。原始光束随后通过平板波导4垂直射入第二反射型体全息光栅3中，在平板波导4中不发生全反射，在第二反射型体全息光栅3中发生第一次布拉格衍射，第一次布拉格衍射角度为第一次布拉格衍射后的光束进入到平板波导4中，通过平板波导4后以一定角度再一次进入第一反射型体全息光栅2中，在第一反射型体全息光栅2中发生第二次布拉格衍射，第二次布拉格衍射角度为经过第二次布拉格衍射后的光束进入平板波导4，在平板波导4中发生全反射，全反射的入射角度为全反射后的光束以入射角进入到第三反射型体全息光栅5中，在第三反射型体全息光栅5中发生第三次布拉格衍射，发生第三次布拉格衍射后的光束通过平板波导4进入到第四反射型体全息光栅6中，此时平板波导4不发生全反射，在第四反射型体全息光栅6中发生第四次布拉格衍射，随后将第四次布拉格衍射后的光束通过平板波导4发射出去，进入人眼7中。此时平板波导4不发生全反射。
如图9a所示，四个反射型体全息光栅可能放置的第一位置示意图；所述第一反射型体全息光栅2、第二反射型体全息光栅3、第三反射型体全息光栅5以及第四反射型体全息光栅6均设置于平板波导4内，且第一反射型体全息光栅2、第二反射型体全息光栅3、第三反射型体全息光栅5以及第四反射型体全息光栅6均不靠近平板波导4的外表面，且第一反射型体全息光栅2、第二反射型体全息光栅3相互紧贴在一起，第三反射型体全息光栅5以及第四反射型体全息光栅6相互紧贴在一起。其光路为：平面光源1发射波长λ的原始光束垂直射入平板波导4中，此时平板波导4不发生全反射，通过平板波导4中进入到第一反射型体全息光栅2中，不发生任何衍射。在第二反射型体全息光栅3中发生第一次布拉格衍射。第一次布拉格衍射后的光束进入到进入第一反射型体全息光栅2中，在第一反射型体全息光栅2中发生第二次布拉格衍射，经过第二次布拉格衍射后的光束进入平板波导4，在平板波导4中发生全反射。全反射后的光束进入到第三反射型体全息光栅5中，在第三反射型体全息光栅5中发生第三次布拉格衍射，发生第三次布拉格衍射后的光束进入到第四反射型体全息光栅6中，在第四反射型体全息光栅6中发生第四次布拉格衍射，随后将第四次布拉格衍射后的光束依次通过第三反射型体全息光栅5、平板波导4发射出去，进入人眼7中。此时平板波导4不发生全反射，在第三反射型体全息光栅5不发生衍射。
当然，在此例中，第一反射型体全息光栅2、第二反射型体全息光栅3可以不相互紧贴在一起，第三反射型体全息光栅5以及第四反射型体全息光栅6可以不相互紧贴在一起。其光路为：平面光源1发射波长λ的原始光束垂直射入平板波导4中，此时平板波导4不发生全反射，通过平板波导4中进入到第一反射型体全息光栅2中，不发生任何衍射。在第二反射型体全息光栅3中发生第一次布拉格衍射。第一次布拉格衍射后的光束通过平板波导4进入到第一反射型体全息光栅2中，此时平板波导4不发生全反射，在第一反射型体全息光栅2中发生第二次布拉格衍射，经过第二次布拉格衍射后的光束进入平板波导4，在平板波导4中发生全反射。全反射后的光束进入到第三反射型体全息光栅5中，在第三反射型体全息光栅5中发生第三次布拉格衍射，发生第三次布拉格衍射后的光束通过平板波导4进入到第四反射型体全息光栅6中，此时平板波导4不发生全反射，在第四反射型体全息光栅6中发生第四次布拉格衍射，随后将第四次布拉格衍射后的光束依次通过第三反射型体全息光栅5、平板波导4发射出去，进入人眼7中。此时平板波导4不发生全反射，在第三反射型体全息光栅5不发生衍射。
如图9b所示，四个反射型体全息光栅可能放置的第二位置示意图；所述第一反射型体全息光栅2、第二反射型体全息光栅3、第三反射型体全息光栅5以及第四反射型体全息光栅6均设置于平板波导4内，且第一反射型体全息光栅2、第二反射型体全息光栅3、第三反射型体全息光栅5以及第四反射型体全息光栅6均靠近平板波导4的外表面。其光路为与图5类似，在此不再赘述。
如图9c所示，四个反射型体全息光栅可能放置的第三位置示意图；所述第三反射型体全息光栅5以及第四反射型体全息光栅6均设置于平板波导4外表面；所述第一反射型体全息光栅2、第三反射型体全息光栅5均设置于平板波导4内，且第一反射型体全息光栅2、第二反射型体全息光栅3、第三反射型体全息光栅5以及第四反射型体全息光栅6均紧贴平板波导4的外表面。其光路为与图5类似，在此不再赘述。
如图9d所示，四个反射型体全息光栅可能放置的第四位置示意图；所述第二反射型体全息光栅3以及第四反射型体全息光栅6均设置于平板波导4内；所述第一反射型体全息光栅2、第三反射型体全息光栅5均设置于平板波导4外表面，且第一反射型体全息光栅2、第二反射型体全息光栅3、第三反射型体全息光栅5以及第四反射型体全息光栅6均紧贴平板波导4的外表面。其光路为与图5类似，在此不再赘述。
如图9e所示，四个反射型体全息光栅可能放置的第五位置示意图；所述第二反射型体全息光栅3以及第四反射型体全息光栅6均设置于平板波导4外表面；所述第一反射型体全息光栅2、第三反射型体全息光栅5均设置于平板波导4内，且第一反射型体全息光栅2、第二反射型体全息光栅3、第三反射型体全息光栅5以及第四反射型体全息光栅6均紧贴平板波导4的外表面。其光路为与图5类似，在此不再赘述。
如图10所示，所述第三反射型体全息光栅5、第四反射型体全息光栅6均为反射型体全息光栅，平面光源中相距最远的光束一41和光束二42经过连续的全反射后，到达第三反射型体全息光栅5、第四反射型体全息光栅6的区域，在此区域中有一部分光束发生布拉格衍射，垂直于平板波导4出射，还有一部分光束继续在平板波导4中传播，44指代光束在平板波导中传播，直至到达其最右端，剩余光束-均被第四反射型体全息光栅6或第三反射型体全息光栅5衍射出去，43指代第四反射型体全息光栅6或第三反射型体全息光栅5，区域45为两束光41和42经过衍射后相邻两束光的成像面，由图可见各相邻光束的成像面均相交，因此该系统可保证出瞳连续。
如图11所示，所述全息光栅波导结构的一种实施例为：图a中第一反射型体全息光栅2倾角为15度，第二反射型体全息光栅3倾角为45度，光束向第一反射型体全息光栅2垂直入射，经过两次衍射后，衍射光束向波导4入射，在其中发生全反射，入射角(即全反射角)为60度。图11b为该实例的FEM仿真图，仿真结果和预期(图11a)一致。
如图12所示，圆形区域51为布拉格衍射角为30度时波长在圆锥面内的分布情况，可见在此区域内波长分布有一定的改变趋势，圆形区域52为布拉格衍射角θ(即入射光束和光栅矢量的夹角)为30度时视场大小；圆形区域53为布拉格衍射角θ(即入射光束和光栅矢量的夹角)为10度时的波长分布，波长在此区域内几乎没有发生任何变化，区域54为对应衍射角的视场分布，该视场比区域52明显增大。
如图13所示为传统结构和优化结构入射角度选择性示意图，x轴为入射角度，y轴为衍射效率，虚线为传统结构的数据，实线为优化结构的数据，该示意图描述的是两种结构衍射效率随入射光角度的变化关系。由图中可见，传统结构的入射角度选择范围很窄，一般只有2度(-1至1度的范围内衍射效率较高)；而优化结构的入射角范围比传统结构的入射角范围大大提高，可提升至6-7度(-4度至3度)左右。入射角度的范围扩大3-4倍，因此优化结构的视场也会相应增大。
如图14所示为传统结构和优化结构波长选择性示意图，x轴为波长(单位：nm)，y轴为衍射效率；虚线为传统结构的数据，实线为优化结构的数据。该示意图描述的是两种结构的衍射效率随着入射光波长的变化关系；由图中可见，本发明中优化后的全息光栅波导结构的波长带宽更窄，因此外界自然光的透过率将提高，色域更广，有效减少色散。
由上述可知，本发明能够扩大入射角范围，减少色散，同时还能够有效地扩大视场，提高出瞳连续性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种反射型体全息光栅波导结构，其特征在于：包括平面光源(1)、平板波导(4)、入射端光栅和出射端光栅，所述入射端光栅和出射端光栅设置于平板波导(4)上，且所述入射端光栅和出射端光栅成镜像关系；所述入射端光栅包括第一反射型体全息光栅(2)、第二反射型体全息光栅(3)，而所述出射端光栅包括第三反射型体全息光栅(5)、第四反射型体全息光栅(6)，其中：
所述平面光源(1)用于对第一反射型体全息光栅(2)发射原始光束；
所述第一反射型体全息光栅(2)用于将平面光源(1)发射的原始光束直接发射给第二反射型体全息光栅(3)，同时对经过第一次布拉格衍射后的光束进行第二次布拉格衍射，同时将经过第二次布拉格衍射后的光束发射给平板波导(4)；
所述第二反射型体全息光栅(3)用于对第一反射型体全息光栅(2)发射的原始光束进行第一次布拉格衍射，并将经过第一次布拉格衍射的光束发射给第一反射型体全息光栅(2)；
所述平板波导(4)用于对第二次布拉格衍射后的光束进行全反射，并将全反射后的光束发送给第三反射型体全息光栅(5)；
所述第三反射型体全息光栅(5)对全反射后的光束进行第三次布拉格衍射，该第三次布拉格衍射是对全反射后的光束进行第一次布拉格衍射还原，并将经过第三次布拉格衍射的光束发射给第四反射型体全息光栅(6)；
所述第四反射型体全息光栅(6)对经过第三次布拉格衍射的光束进行第四次布拉格衍射，该第四次布拉格衍射是对全反射后的光束进行第二次布拉格衍射还原，并将经过第四次布拉格衍射的光束发射出去。
2.根据权利要求1所述的反射型体全息光栅波导结构，其特征在于：所述平面光源(1)位于第一反射型体全息光栅(2)的一侧，而所述第二反射型体全息光栅(3)位于第一反射型体全息光栅(2)的另一侧；
所述第一反射型体全息光栅(2)设置在平板波导(4)的外表面上，或者所述第一反射型体全息光栅(2)设置于平板波导(4)内；
所述第二反射型体全息光栅(3)设置在平板波导(4)的外表面上，或者所述第二反射型体全息光栅(3)设置于平板波导(4)内；
所述第三反射型体全息光栅(5)设置在平板波导(4)的外表面上，或者所述第三反射型体全息光栅(5)设置于平板波导(4)内；
所述第四反射型体全息光栅(6)设置在平板波导(4)的外表面上，或者所述第四反射型体全息光栅(6)设置于平板波导(4)内。
3.根据权利要求1所述的反射型体全息光栅波导结构，其特征在于：所述第一反射型体全息光栅(2)、第二反射型体全息光栅(3)在平板波导(4)上相对设置；所述第三反射型体全息光栅(5)、第四反射型体全息光栅(6)在平板波导(4)上相对设置。
4.根据权利要求1所述的反射型体全息光栅波导结构，其特征在于，其光路为：平面光源(1)所发射的一束原始光束进入到第一反射型体全息光栅(2)中，原始光束在第一反射型体全息光栅(2)中不发生任何衍射，原始光束通过第一反射型体全息光栅(2)进入到第二反射型体全息光栅(3)中，并在第二反射型体全息光栅(3)中发生第一次布拉格衍射，发生第一次布拉格衍射后的光束再一次进入到第一反射型体全息光栅(2)中，并在第一反射型体全息光栅(2)中发生第二次布拉格衍射，
发生第二次布拉格衍射后的光束进入到平板波导(4)中，然后在平板波导(4)中发生全反射，全反射后的光束进入到第三反射型体全息光栅(5)中，在第三反射型体全息光栅(5)中发生第三次布拉格衍射，发生第三次布拉格衍射后的光束进入到第四反射型体全息光栅(6)中，在第四反射型体全息光栅(6)中发生第四次布拉格衍射，随后将第四次布拉格衍射后的光束发射出去。
5.根据权利要求4所述的反射型体全息光栅波导结构，其特征在于：平面光源(1)发射波长λ的原始光束垂直射入第一反射型体全息光栅(2)中，不发生任何衍射；原始光束随后垂直射入第二反射型体全息光栅(3)中，在第二反射型体全息光栅(3)中发生第一次布拉格衍射，第一次布拉格衍射角度为第一次布拉格衍射后的光束再一次进入第一反射型体全息光栅(2)中，在第一反射型体全息光栅(2)中发生第二次布拉格衍射，第二次布拉格衍射角度为经过第二次布拉格衍射后的光束进入平板波导(4)，在平板波导(4)中发生全反射，全反射的入射角度为全反射后的光束进入到第三反射型体全息光栅(5)中，在第三反射型体全息光栅(5)中发生第三次布拉格衍射，发生第三次布拉格衍射后的光束进入到第四反射型体全息光栅(6)中，在第四反射型体全息光栅(6)中发生第四次布拉格衍射，随后将第四次布拉格衍射后的光束发射出去，进入人眼(7)中；其中，表示第一反射型体全息光栅(2)的倾角，表示第二反射型体全息光栅(3)的倾角；
平面光源(1)发射波长λ的原始光束向右倾斜射入第一反射型体全息光栅(2)时，第一次布拉格衍射角度为第二次布拉格衍射角度为此时倾斜角α须满足条件
平面光源(1)发射波长λ的原始光束向左倾斜射入第一反射型体全息光栅(2)时，第一次布拉格衍射角度为第二次布拉格衍射角度为此时倾斜角α须满足条件α为光束的倾斜角度。
6.根据权利要求2所述的反射型体全息光栅波导结构，其特征在于：光束在第一反射型体全息光栅(2)中发生第二次布拉格衍射，发生第二次布拉格衍射后的光束其出射角度θout不小于布儒斯特角θb：θout≥θb。
7.根据权利要求2所述的反射型体全息光栅波导结构，其特征在于：发生第二次布拉格衍射后的光束其出射角度不小于40°；所述第一反射型体全息光栅(2)的倾角和第二反射型体全息光栅(3)的倾角满足关系式：
8.根据权利要求2所述的反射型体全息光栅波导结构，其特征在于：所述第一反射型体全息光栅(2)、第二反射型体全息光栅(3)、第三反射型体全息光栅(5)、第四反射型体全息光栅(6)为红、绿、蓝三种单色体全息光栅叠加光栅结构，光束依次经过第二反射型体全息光栅(3)、第一反射型体全息光栅(2)产生的第一次、第二次布拉格衍射均为红绿蓝三种颜色光的布拉格衍射，经过平板波导(4)全反射后，全反射后的光束依次经过第三反射型体全息光栅(5)、第四反射型体全息光栅(6)产生的第三次、第四次布拉格衍射均为红绿蓝三种颜色光的布拉格衍射，根据三基色混色原理，将原来的光束还原投射出；
或者，所述第一反射型体全息光栅(2)、第二反射型体全息光栅(3)、第三反射型体全息光栅(5)、第四反射型体全息光栅(6)为红绿蓝三色复合光栅结构，平面光源(1)的入射光束为白光时，光束依次经过第二反射型体全息光栅(3)、第一反射型体全息光栅(2)时，三基色分别被复合光栅结构中对应的布拉格面进行布拉格衍射，分别得到第一次、第二次布拉格衍射，在经过平板波导(4)全反射，全反射的光束依次经过第三反射型体全息光栅(5)、第四反射型体全息光栅(6)，全反射的光束的三基色分别被复合光栅结构中对应的布拉格面进行布拉格衍射，分别得到第三次、第四次布拉格衍射，将原来的光束还原投射出。
9.根据权利要求2所述的反射型体全息光栅波导结构，其特征在于：所述第一反射型体全息光栅(2)、第二反射型体全息光栅(3)、第三反射型体全息光栅(5)以及第四反射型体全息光栅(6)均满足布拉格条件，且其对应的倾角和光栅周期互不相同。
10.根据权利要求2所述的反射型体全息光栅波导结构，其特征在于：所述第一反射型体全息光栅(2)、第二反射型体全息光栅(3)、第三反射型体全息光栅(5)以及第四反射型体全息光栅(6)的折射率分别满足：
其中，n1表示第二反射型体全息光栅的折射率，n2表示第一反射型体全息光栅的折射率，n3表示第三反射型体全息光栅的折射率，n4表示第四反射型体全息光栅的折射率，n0表示反射全息光栅的平均折射率，Δn表示折射率调制度，K表示光栅矢量，表示第一反射型体全息光栅(2)的倾角，表示第二反射型体全息光栅(3)的倾角，表示第三反射型体全息光栅(5)的倾角，表示第四反射型体全息光栅(6)的倾角,(x1,y1)为第一坐标系中的点，(x2,y2)为第二坐标系中的点，(x3,y3)为第三坐标系中的点，(x4,y4)为第四坐标系中的点；在沿第二反射型体全息光栅到第一反射型体全息光栅的切面内，以平行于平面光源(1)发射的光束的直线为Y1轴，垂直于该Y1轴的直线为X1轴，以第二反射型体全息光栅内的任一一点O1为原点建立坐标系X1O1Y1，该坐标系为第一坐标系；以平行于平面光源(1)发射的光束的直线为Y2轴，垂直于该Y2轴的直线为X2轴，以第一反射型体全息光栅内的任一一点O2为原点建立坐标系X2O2Y2，该坐标系为第二坐标系；以平行于平面光源(1)发射的光束的直线为Y3轴，垂直于该Y3轴的直线为X3轴，以第三反射型体全息光栅内的任一一点O3为原点建立坐标系X3O3Y3，该坐标系为第三坐标系；以平行于平面光源(1)发射的光束的直线为Y4轴，垂直于该Y4轴的直线为X4轴，以第四反射型体全息光栅内的任一一点O4为原点建立坐标系X4O4Y4，该坐标系为第四坐标系。
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