CN107144904A - 一种消色差光栅、消色差方法及近眼显示系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种消色差光栅、消色差方法及近眼显示系统。其中，所述消色差光栅，包括：针对红光的第一浮雕光栅、针对绿光的第二浮雕光栅和针对蓝光的第三浮雕光栅；所述第一浮雕光栅、所述第二浮雕光栅和所述第三浮雕光栅叠刻在同一基材表面。本发明提供的消色差光栅、消色差方法及近眼显示系统，通过将针对红光的第一浮雕光栅、针对绿光的第二浮雕光栅和针对蓝光的第三浮雕光栅叠刻在同一基材表面来实现消色差，同时降低了光波导的重量，缩小了近眼显示系统的体积。
Description
技术领域
本发明涉及近眼显示技术领域，尤其涉及一种消色差光栅、消色差方法及近眼显示系统。
背景技术
在全息波导近眼显示系统中，成像光束在被全息光学元件耦合输入输出光波导的过程中会产生严重的色差，导致人眼处观察得到的图像色彩模糊和颜色失真。
现有技术中解决全息近眼波导显示系统的色差问题的方法主要有全敏材料曝光记录，三次曝光消色差以及组合光栅。
基于全敏材料曝光记录的体全息光学元件，是通过在全敏材料薄膜上分别用红光、绿光和蓝光三色曝光，然后经过显影和定影等后续处理，形成具有消色差功能的体全息光栅。红光曝光时的参考光角度、信号光角度，均与蓝光、绿光曝光时的参考光角度，信号光角度相同。
基于三次曝光消色差的体全息光学元件，是在单色敏感的材料上通过三次改变记录时的参考光角度和信号光角度曝光，形成具有消色差功能的体全息复用光栅。每次曝光时的参考角度和信号光分别针对一种波长。
基于组合光栅方法的耦合输入输出元件，是通过三层全息光学元件重叠，每一层体全息光学元件分别调制一种单色光，形成具有消色差功能的耦合输入输出元件。
基于全敏材料曝光记录的体全息光学元件在制造过程中常用的全敏银盐材料的在漂白之后光透过率不高，最高衍射效率也不高，不能满足近眼波导显示的要求。
基于三次曝光消色差的体全息光学元件采用三次曝光的方式使得系统衍射效率较低。
基于组合光栅的方法通过三层全息光学元件重叠，形成具有消色差功能的体全息光栅。但是组合光栅的制造工艺复杂、耗时较长。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种消色差光栅、消色差方法及近眼显示系统。用于解决在近眼显示系统中，成像光束在被耦合输入、输出光波导的过程中会产生色差，导致人眼处观察得到的图像色彩模糊和颜色失真的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种消色差光栅，包括：
针对红光的第一浮雕光栅、针对绿光的第二浮雕光栅和针对蓝光的第三浮雕光栅；
所述第一浮雕光栅、所述第二浮雕光栅和所述第三浮雕光栅叠刻在同一基材表面。
进一步地，所述第一浮雕光栅的周期与所述红光的波长的比值、所述第二浮雕光栅的周期与所述绿光的波长的比值和所述第三浮雕光栅的周期与所述蓝光的波长的比值均小于2。
进一步地，所述第一浮雕光栅的占空比、所述第二浮雕光栅的占空比和所述第三浮雕光栅的占空比均小于0.5。
进一步地，所述第一浮雕光栅的深宽比、所述第二浮雕光栅的深宽比和所述第三浮雕光栅的深宽比均小于0.5。
另一方面，本发明提供一种消色差方法，包括：
确定分别针对红光、绿光和蓝光的第一浮雕光栅、第二浮雕光栅和第三浮雕光栅的光栅参数，分析各个光栅参数之间的关系，得出光栅效率最高的一组光栅参数组合；
计算所述第一浮雕光栅、所述第二浮雕光栅和所述第三浮雕光栅的共同周期，根据所述共同周期建立模型进行数值仿真，分析并判断所述第一浮雕光栅、所述第二浮雕光栅和所述第三浮雕光栅叠刻在同一基材导表面后形成的消色差光栅的串扰是否满足人眼的观看要求；其中，所述消色差光栅为上述消色差光栅；
若判断获知不满足人眼的观看要求，则修改所述光栅参数和所述模型，再次进行数值仿真，直到串扰小于人眼的观看要求。
进一步地，所述各个光栅参数之间的关系具体为：
其中，ηTERi为TE光衍射的第i个反射级次的衍射效率，ηTMRi为TM光衍射的第i个反射级次的衍射效率，ηTETi为TE光衍射的第i个透射级次的衍射效率，ηTMTi为TM光衍射的第i个透射级次的衍射效率，Ri为第i级次反射光的振幅，为Ri的共轭，Re为取实部操作，kI,zi为波导外介质中第i个级次反射光的波矢Z分量，nI是波导外介质的折射率，k0为真空中波矢，cosθ为入射光与光栅表面法向方向夹角，Ti为第i级次透射光的振幅，Ti *为Ti的共轭，kII,zi为波导介质中第i个级次透射光的波矢Z分量，为波导介质折射率的平方。
再一方面，本发明提供一种近眼显示系统，包括：
微显示器，用于发出输入信号光；
输入光栅，用于将所述输入信号光调制输入到光波导，形成调制信号光；
光波导，用于传输所述调制信号光；
输出光栅，用于将所述调制信号光从所述光波导中调制输出；
其中，所述输入光栅和所述输出光栅均为上所述消色差光栅，所述输入光栅和所述输出光栅的结构相同。
进一步地，所述系统还包括：
中继器光学子系统，用于将所述输入信号光放大准直。
进一步地，所述输入光栅为透射式光栅或反射式光栅；所述输出光栅为透射式光栅或反射式光栅。
(三)有益效果
本发明提供的消色差光栅、消色差方法及近眼显示系统，基于严格耦合波理论分析和数值模拟，确定消色差光栅的参数和结构。将针对红光的第一浮雕光栅、针对绿光的第二浮雕光栅和针对蓝光的第三浮雕光栅叠刻在同一基材表面形成所述消色差光栅，所述近眼显示系统采用所述消色差光栅作为输入、输出耦合光学元件，通过输入、输出耦合光学元件的调制和波导全反射传输，实现图像信号的无色差显示，同时减低了光栅制作工艺的复杂度，降低了光波导的重量，缩小了近眼显示系统的体积。
附图说明
图1为依照本发明实施例的消色差光栅的仿真结构示意图；
图2为依照本发明实施例的消色差光栅仿真结构的局部放大图；
图3为依照本发明实施例的消色差方法流程图；
图4为依照本发明实施例的红光谱段的近场场分布；
图5为依照本发明实施例的绿光谱段的近场场分布；
图6为依照本发明实施例的蓝光谱段的近场场分布；
图7为依照本发明实施例的红光谱段的远场场分布；
图8为依照本发明实施例的绿光谱段的远场场分布；
图9为依照本发明实施例的蓝光谱段的远场场分布；
图10为依照本发明实施例的近眼显示系统的结构示意图；
图11为依照本发明再一实施例的近眼显示系统的结构示意图；
图12为依照本发明又一实施例的近眼显示系统的结构示意图；
图13为依照本发明又一实施例的近眼显示系统的结构示意图；
图14为依照本发明又一实施例的近眼显示系统的结构示意图；
图15为依照本发明又一实施例的近眼显示系统的结构示意图；
图16为依照本发明又一实施例的近眼显示系统的结构示意图；
图17为依照本发明又一实施例的近眼显示系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
图1为依照本发明实施例的消色差光栅的仿真结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供一种消色差光栅，包括：
针对红光的第一浮雕光栅、针对绿光的第二浮雕光栅和针对蓝光的第三浮雕光栅；
所述第一浮雕光栅、所述第二浮雕光栅和所述第三浮雕光栅叠刻在同一基材表面。
具体的，所述消色差光栅包括针对红光的第一浮雕光栅、针对绿光的第二浮雕光栅和针对蓝光的第三浮雕光栅，是通过光刻技术在同一光波导表面直接刻蚀而成，首先，在光波导表面刻蚀针对红光的第一浮雕光栅，接着刻蚀针对绿光的第二浮雕光栅，然后再刻蚀针对蓝光的第三浮雕光栅，所以所述第一浮雕光栅、所述第二浮雕光栅、所述第三浮雕光栅和所述光波导的材料相同。其中，图中的箭头方向为光波入射方向。
需要说明的是，上述示例性方法中首先，在光波导表面刻蚀针对红光的第一浮雕光栅，接着刻蚀针对绿光的第二浮雕光栅，然后再刻蚀针对蓝光的第三浮雕光栅，而在实际应用中不限于此，先后顺序可以视情况而定。
另外需要说明的是，上述示例性方法中是在同一光波导表面直接刻蚀三个浮雕光栅，而在实际应用中不限于此，可以首先在所述光波导表面涂一层基材，然后在所述基材上再刻蚀三个浮雕光栅。具体采取上述两种方案中的哪一种，可以视情况而定。
图2为依照本发明实施例的消色差光栅仿真结构的局部放大图；如图2所示，首先，在光波导5表面刻蚀针对红光的第一浮雕光栅1，接着刻蚀针对绿光的第二浮雕光栅2，然后再刻蚀针对蓝光的第三浮雕光栅3，形成所述消色差光栅，其中，所述消色差光栅外部为气体介质4。
进一步地，所述第一浮雕光栅的周期与所述红光的波长的比值、所述第二浮雕光栅的周期与所述绿光的波长的比值和所述第三浮雕光栅的周期与所述蓝光的波长的比值均小于2。
具体为，表1为TE偏振入射情况下红、绿、蓝三色光最大衍射效率理论值，表中的R代表红光，G代表绿光，B代表蓝光，从表1中的数据可以得出，所述第一浮雕光栅的周期与所述红光的波长的比值为0.948，所述第二浮雕光栅的周期与所述绿光的波长的比值为0.951，所述第三浮雕光栅的周期与所述蓝光的波长的比值为0.948。当所述第一浮雕光栅的周期与所述红光的波长的比值、所述第二浮雕光栅的周期与所述绿光的波长的比值和所述第三浮雕光栅的周期与所述蓝光的波长的比值均为0.94-0.96，并且所述第一浮雕光栅、所述第二浮雕光栅和所述第三浮雕光栅的其他参数满足表1中的数据时，红、绿、蓝三色光的±1级的衍射效率都高于47％，且其0级衍射效率基本为0。
表1 TE偏振入射情况下红、绿、蓝三色光最大衍射效率理论值
进一步地，所述第一浮雕光栅的占空比、所述第二浮雕光栅的占空比和所述第三浮雕光栅的占空比均小于0.5。
具体的，从表1中的数据可以得出，所述第一浮雕光栅的占空比为0.312203，所述第二浮雕光栅的占空比为0.313658，所述第三浮雕光栅的占空比为0.266726。当所述第一浮雕光栅的占空比、所述第二浮雕光栅的占空比和所述第三浮雕光栅的占空比均为0.26-0.32，并且所述第一浮雕光栅、所述第二浮雕光栅和所述第三浮雕光栅的其他参数满足表1中的数据时，红、绿、蓝三色光的±1级的衍射效率都高于47％，且其0级衍射效率基本为0。
进一步地，所述第一浮雕光栅的深宽比、所述第二浮雕光栅的深宽比和所述第三浮雕光栅的深宽比均小于0.5。
具体的，光栅的深宽比的计算公式为：
深宽比＝脊高/占空比*周期
从表1中的数据可以得出，所述第一浮雕光栅的深宽比为0.158，所述第二浮雕光栅的深宽比为0.149，所述第三浮雕光栅的深宽比为0.131。当所述第一浮雕光栅的深宽比、所述第二浮雕光栅的深宽比和所述第三浮雕光栅的深宽比均为0.13-0.16，并且所述第一浮雕光栅、所述第二浮雕光栅和所述第三浮雕光栅的其他参数满足表1中的数据时，红、绿、蓝三色光的±1级的衍射效率都高于47％，且其0级衍射效率基本为0。
进一步地，所述光波导的材料为镧系玻璃，其临界角小于35度。
具体的，经过消色差光栅调制后的红光、绿光和蓝光的光线都以35度的衍射角进入光波导，并在光波导基板内形成全内反射传输，传播角度与光波导材料的临界角需满足：
式中的为光线传播角度，为全内反射的临界角，n为波导材料的折射率。
需要说明的是，上述示例性方法中的光波导材料为一种镧系玻璃，其临界角小于35度，而在实际应用中不限于此，也可以选用K9玻璃或光学塑料，具体选用何种材料，可以视情况而定。
本发明提供的消色差光栅，通过将针对红光的第一浮雕光栅、针对绿光的第二浮雕光栅和针对蓝光的第三浮雕光栅叠刻在同一基材表面形成所述消色差光栅，采用所述消色差光栅作为输入、输出耦合光学元件，通过输入、输出耦合光学元件的调制和波导全反射传输，实现图像信号的无色差显示，同时减低了光栅制作工艺的复杂度，降低了光波导的重量，缩小了近眼显示系统的体积。
实施例2：
图3为依照本发明实施例的消色差方法流程图，如图3所示，本发明实施例提供一种消色差光栅，包括：
步骤S10、确定分别针对红光、绿光和蓝光的第一浮雕光栅、第二浮雕光栅和第三浮雕光栅的光栅参数，分析各个光栅参数之间的关系，得出光栅效率最高的一组光栅参数组合；
步骤S20、计算所述第一浮雕光栅、所述第二浮雕光栅和所述第三浮雕光栅的共同周期，根据所述共同周期建立模型进行数值仿真，分析并判断所述第一浮雕光栅、所述第二浮雕光栅和所述第三浮雕光栅叠刻在同一基材导表面后形成的消色差光栅的串扰是否满足人眼的观看要求；其中，所述消色差光栅为上述实施例中所述消色差光栅；
步骤S30、若判断获知不满足人眼的观看要求，则修改所述光栅参数和所述模型，再次进行数值仿真，直到串扰小于人眼的观看要求。
具体为，由于衍射光学元件的特性，需要采用三个不同波长的光束进行配色实现无色差显示。而现有技术中的的衍射光学元件又对不同波长的光波长有着较大的色散，因此需要采用上述实施例中所述的消色差光栅的衍射光学元件来实现无色差配色。
根据严格耦合波光栅理论、数据分析确定分别针对红光、绿光和蓝光的第一浮雕光栅、第二浮雕光栅和第三浮雕光栅的光栅参数，其中所述光栅参数包括，光栅的效率、级次、周期、占空比、脊高、深宽比、对应光的波长、对应光波导的材料。并分析各个光栅参数之间的关系，获得具有最高衍射效率的第一浮雕光栅、第二浮雕光栅和第三浮雕光栅的光栅参数组合。
作为近眼显示系统中的消色差光栅，需要满足以下条件：
1)对于耦合输入消色差光栅，其入射光中心成像光束方向平行于所述耦合输入消色差光栅法向，对于耦合输出消色差光栅，其衍射光中心光束方向平行于所述耦合输出消色差光栅法向。
2)耦合输入消色差光栅和耦合输出消色差光栅的结构相同。
3)对于垂直入射的红，绿，蓝三波长光束，经过消色差光栅后以相同的衍射角度出射，且要大于波导内传输的临界角。
然后采用叠刻的方法在同一基材表面制作三个浮雕光栅形成上述实施例中所述的消色差光栅。计算所述第一浮雕光栅、所述第二浮雕光栅和所述第三浮雕光栅的共同周期，根据所述共同周期建立模型进行数值仿真，分析并判断所述第一浮雕光栅、所述第二浮雕光栅和所述第三浮雕光栅叠刻在同一基材表面后形成的消色差光栅的串扰是否满足人眼的观看要求。
从表1中的数据可得出，所述第一浮雕光栅的周期为0.632微米，所述第二浮雕光栅的周期为0.546微米，所述第三浮雕光栅的共同周期为0.458微米，通过取近似值的方法，取所述第一浮雕光栅的周期为0.63微米，所述第二浮雕光栅的周期为0.54微米，所述第三浮雕光栅的共同周期为0.45微米，计算得出所述第一浮雕光栅、所述第二浮雕光栅和所述第三浮雕光栅的公共周期为18.9微米。
在所述公共周期内，对所述消色差光栅进行仿真，分析并判断所述第一浮雕光栅、所述第二浮雕光栅和所述第三浮雕光栅叠刻在同一基材表面后形成的复合光栅的串扰是否满足人眼的观看要求。
图4为依照本发明实施例的红光谱段的近场场分布；图5为依照本发明实施例的绿光谱段的近场场分布；图6为依照本发明实施例的蓝光谱段的近场场分布。通过仿真可获得红光谱段的近场场分布、绿光谱段的近场场分布和蓝光谱段的近场场分布，然后，通过对红光谱段的近场场分布做傅立叶变换得到红光谱段的远场场分布，通过对绿光谱段的近场场分布做傅立叶变换得到绿光谱段的远场场分布，通过对蓝光谱段的近场场分布做傅立叶变换得到蓝光谱段的远场场分布。
图7为依照本发明实施例的红光谱段的远场场分布；图8为依照本发明实施例的绿光谱段的远场场分布；图9为依照本发明实施例的蓝光谱段的远场场分布。如图7-9所示，从图中可以得出三个表面浮雕光栅进行叠刻后形成的消色差光栅对于红色和绿色波段基本没有串扰，仍然只有35度衍射角的衍射光，而对于蓝色波段则在11度和72.9度处有微弱的衍射串扰，但是主要的光强仍然集中于35度角处的衍射级次上，色串扰光的强度为信号光强度的2.3％，信噪比大于30dB。根据实验数据，当信噪比大于30dB时作为目视系统这一串扰不影响实际正常观测。
若判断获知色串扰不满足人眼的观看要求，则修改所述光栅参数和所述模型，再次进行数值仿真，直到串扰小于人眼的观看要求。
进一步地，所述所述光栅的效率、级次和光栅参数之间的关系具体为：
其中，ηTERi为TE光衍射的第i个反射级次的衍射效率，ηTMRi为TM光衍射的第i个反射级次的衍射效率，ηTETi为TE光衍射的第i个透射级次的衍射效率，ηTMTi为TM光衍射的第i个透射级次的衍射效率，Ri为第i级次反射光的振幅，为Ri的共轭，Re为取实部操作，kI,zi为波导外介质中第i个级次反射光的波矢Z分量，nI是波导外介质的折射率，k0为真空中波矢，cosθ为入射光与光栅表面法向方向夹角，Ti为第i级次透射光的振幅，Ti *为Ti的共轭，kII,zi为波导介质中第i个级次透射光的波矢Z分量，为波导介质折射率的平方，i的值为整数。
具体的，通过上述公式，调整光栅参数，是所述第一浮雕光栅、所述第二浮雕光栅和所述第三浮雕光栅均匀较高的衍射效率。
如表1中的光栅参数的数据，在满足表1中光栅参数数据的情况下，根据上述公式计算，在TE偏振入射的情况下，红绿蓝三波段的±1级的衍射效率都高于47％，且其0级衍射效率基本为0。具有较高的衍射效率。
本发明提供的消色差方法，通过将针对红光的第一浮雕光栅、针对绿光的第二浮雕光栅和针对蓝光的第三浮雕光栅叠刻在同一基材表面形成所述消色差光栅，采用所述消色差光栅作为输入、输出耦合光学元件，经过输入、输出耦合光学元件的调制和波导全反射传输，然后建立模型进行数值仿真，通过调整光栅参数，使所述消色差光栅具有较高的衍射效率，消除了色差，而且只有较小的色串扰。
实施例3：
图10为依照本发明实施例的近眼显示系统的结构示意图，如图10所示，本发明实施例提供一种近眼显示系统，包括：微显示器1310、输入光栅1321、光波导1330和输出光栅1322，其中，微显示器1310用于发出输入信号光；输入光栅1321用于将所述输入信号光调制输入到光波导，形成调制信号光；光波导1330用于传输所述调制信号光；输出光栅1322用于将所述调制信号光从所述光波导中调制输出；其中，所述输入光栅和所述输出光栅均为上述实施例1中所述消色差光栅，所述输入光栅和所述输出光栅的结构相同。
进一步地，所述系统还包括：
中继器光学子系统，用于将所述输入信号光放大准直。
进一步地，所述输入光栅为透射式光栅或反射式光栅；所述输出光栅为透射式光栅或反射式光栅。
需要说明的是，实际应用中，用于将所述输入信号光放大准直的所述中继器光学子系统是可选元件，具体选用与否可以视情况而定；所述输入光栅具体为透射式光栅还是反射式光栅；所述输出光栅具体为透射式光栅还是反射式光栅，可以视情况而定；输入光栅和输出光栅设置在光波导左右两端，可以位于波导同一侧表面上，也可为波导不同侧表面上，具体为同一侧还是不同侧，可视情况而定。
本实施例仅以不选用所述中继器光学子系统，所述输入光栅为透射式光栅；所述输出光栅为透射式光栅为例进行说明。
具体的，微显示器1310发出输入信号信号光，输入信号信号光入射到光波导1330一端的输入光栅1321上，所述输入光栅1321为透射式耦合输入消色差光栅，将输入信号光耦合进入到光波导1330内部，形成调制信号光，并以传播角度大于光波导1330的临界角，在光波导1330内部做全反射传输，调制信号光到达光波导1330另一端的输出光栅1322上，所述输出光栅1322为透射式耦合输入消色差光栅，将调制信号光从所述光波导1330中耦合输出，最终到达人眼1340，即可观看到图像。
本发明提供的近眼显示系统，通过将针对红光的第一浮雕光栅、针对绿光的第二浮雕光栅和针对蓝光的第三浮雕光栅叠刻在同一基材表面形成所述消色差光栅，所述近眼显示系统采用所述消色差光栅作为输入、输出耦合光学元件，通过输入、输出耦合光学元件的调制和波导全反射传输，实现图像信号的无色差显示，同时减低了光栅制作工艺的复杂度，降低了光波导的重量，缩小了近眼显示系统的体积。
实施例4：
本实施例与实施例3基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例3相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例3不同之处：
图11为依照本发明再一实施例的近眼显示系统的结构示意图，如图11所示，本实施例仅以不选用所述中继器光学子系统，所述输入光栅为反射式光栅；所述输出光栅为透射式光栅为例进行说明。
具体的，微显示器1410发出输入信号信号光，输入信号信号光入射到光波导1430一端的输入光栅1421上，所述输入光栅1421为反射式耦合输入消色差光栅，将输入信号光耦合进入到光波导1430内部，形成调制信号光，并以传播角度大于光波导1430的临界角，在光波导1430内部做全反射传输，调制信号光到达光波导1430另一端的输出光栅1422上，所述输出光栅1422为透射式耦合输入消色差光栅，将调制信号光从所述光波导1430中耦合输出，最终到达人眼1440，即可观看到图像。
实施例5：
本实施例与实施例3基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例3相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例3不同之处：
图12为依照本发明又一实施例的近眼显示系统的结构示意图，如图12所示，本实施例仅以不选用所述中继器光学子系统，所述输入光栅为透射式光栅；所述输出光栅为反射式光栅为例进行说明。
具体的，微显示器1510发出输入信号信号光，输入信号信号光入射到光波导1530一端的输入光栅1521上，所述输入光栅1521为透射式耦合输入消色差光栅，将输入信号光耦合进入到光波导1530内部，形成调制信号光，并以传播角度大于光波导1530的临界角，在光波导1530内部做全反射传输，调制信号光到达光波导1530另一端的输出光栅1522上，所述输出光栅1522为反射式耦合输入消色差光栅，将调制信号光从所述光波导1530中耦合输出，最终到达人眼1540，即可观看到图像。
实施例6：
本实施例与实施例3基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例3相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例3不同之处：
图13为依照本发明又一实施例的近眼显示系统的结构示意图，如图13所示，本实施例仅以不选用所述中继器光学子系统，所述输入光栅为反射式光栅；所述输出光栅为反射式光栅为例进行说明。
具体的，微显示器1610发出输入信号信号光，输入信号信号光入射到光波导1630一端的输入光栅1621上，所述输入光栅1621为反射式耦合输入消色差光栅，将输入信号光耦合进入到光波导1630内部，形成调制信号光，并以传播角度大于光波导1630的临界角，在光波导1630内部做全反射传输，调制信号光到达光波导1630另一端的输出光栅1622上，所述输出光栅1622为反射式耦合输入消色差光栅，将调制信号光从所述光波导1630中耦合输出，最终到达人眼1640，即可观看到图像。
实施例7：
本实施例与实施例3基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例3相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例3不同之处：
图14为依照本发明又一实施例的近眼显示系统的结构示意图，如图14所示，本实施例仅以选用所述中继器光学子系统，所述输入光栅为透射式光栅；所述输出光栅为透射式光栅为例进行说明。
具体的，微显示器910发出输入信号信号光，进过中继器光学子系统920放大准直后，输入信号信号光以平行光入射到光波导940一端的输入光栅931上，所述输入光栅931为透射式耦合输入消色差光栅，将输入信号光耦合进入到光波导940内部，形成调制信号光，并以传播角度大于光波导940的临界角，在光波导940内部做全反射传输，调制信号光到达光波导940另一端的输出光栅932上，所述输出光栅932为透射式耦合输入消色差光栅，将调制信号光从所述光波导940中耦合输出，最终到达人眼950，即可观看到图像。
实施例8：
本实施例与实施例3基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例3相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例3不同之处：
图15为依照本发明又一实施例的近眼显示系统的结构示意图，如图15所示，本实施例仅以选用所述中继器光学子系统，所述输入光栅为反射式光栅；所述输出光栅为透射式光栅为例进行说明。
具体的，微显示器1010发出输入信号信号光，进过中继器光学子系统1020放大准直后，输入信号信号光以平行光入射到光波导1040一端的输入光栅1031上，所述输入光栅1031为反射式耦合输入消色差光栅，将输入信号光耦合进入到光波导1040内部，形成调制信号光，并以传播角度大于光波导1040的临界角，在光波导1040内部做全反射传输，调制信号光到达光波导1040另一端的输出光栅1032上，所述输出光栅1032为透射式耦合输入消色差光栅，将调制信号光从所述光波导1040中耦合输出，最终到达人眼1050，即可观看到图像。
实施例9：
本实施例与实施例3基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例3相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例3不同之处：
图16为依照本发明又一实施例的近眼显示系统的结构示意图，如图16所示，本实施例仅以选用所述中继器光学子系统，所述输入光栅为透射式光栅；所述输出光栅为反射式光栅为例进行说明。
具体的，微显示器1110发出输入信号信号光，进过中继器光学子系统1120放大准直后，输入信号信号光以平行光入射到光波导1140一端的输入光栅1131上，所述输入光栅1131为透射式耦合输入消色差光栅，将输入信号光耦合进入到光波导1140内部，形成调制信号光，并以传播角度大于光波导1140的临界角，在光波导1140内部做全反射传输，调制信号光到达光波导1140另一端的输出光栅1132上，所述输出光栅1132为反射式耦合输入消色差光栅，将调制信号光从所述光波导1140中耦合输出，最终到达人眼1150，即可观看到图像。
实施例10：
本实施例与实施例3基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例3相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例3不同之处：
图17为依照本发明又一实施例的近眼显示系统的结构示意图，如图17所示，本实施例仅以选用所述中继器光学子系统，所述输入光栅为反射式光栅；所述输出光栅为反射式光栅为例进行说明。
具体的，微显示器1210发出输入信号信号光，进过中继器光学子系统1220放大准直后，输入信号信号光以平行光入射到光波导1240一端的输入光栅1231上，所述输入光栅1231为反射式耦合输入消色差光栅，将输入信号光耦合进入到光波导1240内部，形成调制信号光，并以传播角度大于光波导1240的临界角，在光波导1240内部做全反射传输，调制信号光到达光波导1240另一端的输出光栅1232上，所述输出光栅1232为反射式耦合输入消色差光栅，将调制信号光从所述光波导1240中耦合输出，最终到达人眼1250，即可观看到图像。
本发明提供的消色差光栅、消色差方法及近眼显示系统，基于严格耦合波理论分析和数值模拟，确定消色差光栅的参数和结构。将针对红光的第一浮雕光栅、针对绿光的第二浮雕光栅和针对蓝光的第三浮雕光栅叠刻在同一基材表面形成所述消色差光栅，所述近眼显示系统采用所述消色差光栅作为输入、输出耦合光学元件，通过输入、输出耦合光学元件的调制和波导全反射传输，实现图像信号的无色差显示，同时减低了光栅制作工艺的复杂度，降低了光波导的重量，缩小了近眼显示系统的体积。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种消色差光栅，其特征在于，包括：
针对红光的第一浮雕光栅、针对绿光的第二浮雕光栅和针对蓝光的第三浮雕光栅；
所述第一浮雕光栅、所述第二浮雕光栅和所述第三浮雕光栅叠刻在同一基材表面。
2.根据权利要求1所述的消色差光栅，其特征在于，所述第一浮雕光栅的周期与所述红光的波长的比值、所述第二浮雕光栅的周期与所述绿光的波长的比值和所述第三浮雕光栅的周期与所述蓝光的波长的比值均小于2。
3.根据权利要求1所述的消色差光栅，其特征在于，所述第一浮雕光栅的占空比、所述第二浮雕光栅的占空比和所述第三浮雕光栅的占空比均小于0.5。
4.根据权利要求1所述的消色差光栅，其特征在于，所述第一浮雕光栅的深宽比、所述第二浮雕光栅的深宽比和所述第三浮雕光栅的深宽比均小于0.5。
5.一种消色差方法，其特征在于，包括：
确定分别针对红光、绿光和蓝光的第一浮雕光栅、第二浮雕光栅和第三浮雕光栅的光栅参数，分析各个光栅参数之间的关系，得出光栅效率最高的一组光栅参数组合；
计算所述第一浮雕光栅、所述第二浮雕光栅和所述第三浮雕光栅的共同周期，根据所述共同周期建立模型进行数值仿真，分析并判断所述第一浮雕光栅、所述第二浮雕光栅和所述第三浮雕光栅叠刻在同一基材导表面后形成的消色差光栅的串扰是否满足人眼的观看要求；其中，所述消色差光栅为权利要求1-4任一项所述消色差光栅；
若判断获知不满足人眼的观看要求，则修改所述光栅参数和所述模型，再次进行数值仿真，直到串扰小于人眼的观看要求。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述光栅参数包括，光栅的效率、级次、周期、占空比、脊高、深宽比、对应光的波长、对应光波导的材料。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述各个光栅参数之间的关系具体为：
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其中，ηTERi为TE光衍射的第i个反射级次的衍射效率，ηTMRi为TM光衍射的第i个反射级次的衍射效率，ηTETi为TE光衍射的第i个透射级次的衍射效率，ηTMTi为TM光衍射的第i个透射级次的衍射效率，Ri为第i级次反射光的振幅，为Ri的共轭，Re为取实部操作，kI,zi为波导外介质中第i个级次反射光的波矢Z分量，nI是波导外介质的折射率，k0为真空中波矢，cosθ为入射光与光栅表面法向方向夹角，Ti为第i级次透射光的振幅，Ti *为Ti的共轭，kII,zi为波导介质中第i个级次透射光的波矢Z分量，为波导介质折射率的平方。
8.一种近眼显示系统，其特征在于，包括：
微显示器，用于发出输入信号光；
输入光栅，用于将所述输入信号光调制输入到光波导，形成调制信号光；
光波导，用于传输所述调制信号光；
输出光栅，用于将所述调制信号光从所述光波导中调制输出；
其中，所述输入光栅和所述输出光栅均为权利要求1-4任一项所述消色差光栅，所述输入光栅和所述输出光栅的结构相同。
9.根据根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括：
中继器光学子系统，用于将所述输入信号光放大准直。
10.根据根据权利要求8或9所述的系统，其特征在于，所述输入光栅为透射式光栅或反射式光栅；所述输出光栅为透射式光栅或反射式光栅。
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Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108387960A (zh) * | 2018-03-22 | 2018-08-10 | 上海鲲游光电科技有限公司 | 可用于增强现实眼镜的多层结构光栅 |
| CN108734292A (zh) * | 2018-05-04 | 2018-11-02 | 浙江大学 | 基于遗传算法的多片倾斜表面浮雕拼接光栅的优化方法及倾斜表面浮雕光栅波导显示系统 |
| CN111886447A (zh) * | 2018-01-23 | 2020-11-03 | 脸谱科技有限责任公司 | 用于减少波导显示器中的彩虹的倾斜表面浮雕光栅 |
| CN112088328A (zh) * | 2018-05-01 | 2020-12-15 | 脸谱科技有限责任公司 | 利用全息布拉格光栅的2d光瞳扩展器 |
| CN112859341A (zh) * | 2021-01-20 | 2021-05-28 | 深圳珑璟光电科技有限公司 | 一种光波导及近眼显示设备 |
| JP2021532420A (ja) * | 2019-04-25 | 2021-11-25 | エルジー・ケム・リミテッド | 回折導光板および回折導光板の製造方法 |
| CN114690297A (zh) * | 2020-12-29 | 2022-07-01 | 华为技术有限公司 | 复合光栅及其制造方法、衍射光波导和电子设备 |
| CN114779397A (zh) * | 2022-04-29 | 2022-07-22 | 北京枭龙科技有限公司 | 实现彩色显示的单层光栅波导器件及近眼显示装置 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE69730553T2 (de) * | 1996-04-17 | 2005-01-27 | Hitachi, Ltd. | Farbanzeigevorrichtung mit einer Flüssigkristallplatte und Brechungsgitter |
| CN1637459A (zh) * | 2002-05-13 | 2005-07-13 | 三星电子株式会社 | 可戴的彩色显示系统 |
| CN100533208C (zh) * | 2004-12-13 | 2009-08-26 | 诺基亚公司 | 用于显示设备中光束扩展的方法和系统 |
-
2017
- 2017-05-25 CN CN201710377700.6A patent/CN107144904B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE69730553T2 (de) * | 1996-04-17 | 2005-01-27 | Hitachi, Ltd. | Farbanzeigevorrichtung mit einer Flüssigkristallplatte und Brechungsgitter |
| CN1637459A (zh) * | 2002-05-13 | 2005-07-13 | 三星电子株式会社 | 可戴的彩色显示系统 |
| CN100533208C (zh) * | 2004-12-13 | 2009-08-26 | 诺基亚公司 | 用于显示设备中光束扩展的方法和系统 |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111886447A (zh) * | 2018-01-23 | 2020-11-03 | 脸谱科技有限责任公司 | 用于减少波导显示器中的彩虹的倾斜表面浮雕光栅 |
| CN108387960A (zh) * | 2018-03-22 | 2018-08-10 | 上海鲲游光电科技有限公司 | 可用于增强现实眼镜的多层结构光栅 |
| CN112088328A (zh) * | 2018-05-01 | 2020-12-15 | 脸谱科技有限责任公司 | 利用全息布拉格光栅的2d光瞳扩展器 |
| CN112088328B (zh) * | 2018-05-01 | 2022-09-09 | 元平台技术有限公司 | 利用全息布拉格光栅的2d光瞳扩展器 |
| CN108734292A (zh) * | 2018-05-04 | 2018-11-02 | 浙江大学 | 基于遗传算法的多片倾斜表面浮雕拼接光栅的优化方法及倾斜表面浮雕光栅波导显示系统 |
| JP2021532420A (ja) * | 2019-04-25 | 2021-11-25 | エルジー・ケム・リミテッド | 回折導光板および回折導光板の製造方法 |
| JP7374515B2 (ja) | 2019-04-25 | 2023-11-07 | エルジー・ケム・リミテッド | 回折導光板および回折導光板の製造方法 |
| CN114690297A (zh) * | 2020-12-29 | 2022-07-01 | 华为技术有限公司 | 复合光栅及其制造方法、衍射光波导和电子设备 |
| CN114690297B (zh) * | 2020-12-29 | 2024-05-03 | 华为技术有限公司 | 复合光栅及其制造方法、衍射光波导和电子设备 |
| CN112859341A (zh) * | 2021-01-20 | 2021-05-28 | 深圳珑璟光电科技有限公司 | 一种光波导及近眼显示设备 |
| CN114779397A (zh) * | 2022-04-29 | 2022-07-22 | 北京枭龙科技有限公司 | 实现彩色显示的单层光栅波导器件及近眼显示装置 |
| CN114779397B (zh) * | 2022-04-29 | 2024-04-26 | 北京枭龙科技有限公司 | 实现彩色显示的单层光栅波导器件及近眼显示装置 |
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