CN108254925B - 一种高衍射效率的全息波导显示装置及其光栅耦合方法 - Google Patents

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CN108254925B CN201810014309.4A CN201810014309A CN108254925B CN 108254925 B CN108254925 B CN 108254925B CN 201810014309 A CN201810014309 A CN 201810014309A CN 108254925 B CN108254925 B CN 108254925B
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Abstract

本发明公开了一种高衍射效率的全息波导显示装置及光栅耦合方法，包括微显示器(201)、准直透镜(202)、光阑(203)、波导(204)、入耦合光栅组(C201)和出耦合光栅组(C202)；所述微显示器(201)位于所述波导(204)下表面的下方；所述入耦合光栅组(C201)和所述出耦合光栅组(C202)分别密接与所述波导(204)上表面的右端和左端。该全息波导显示装置，通过一维亚波长二元光栅和反射型体全息光栅的耦合，在保证波矢匹配和位置匹配的条件下，可使衍射能级再分配，从而使得主衍射方向的衍射效率达到最大值，使得衍射进人眼的光束能量最高，从而实现高效率全息波导显示。

Description

一种高衍射效率的全息波导显示装置及其光栅耦合方法
技术领域
本发明属于可穿戴显示的技术领域，具体涉及一种高衍射效率的全息波导显示装置，特别的是一种匹配耦合的出入光栅组。
背景技术
现有技术中，全息波导显示装置多以体全息光栅作为高效率衍射光学元件，但体全息光栅的衍射效率和光栅制造工艺息息相关，一般通过提高折射率调制度和增加光栅厚度来增加体全息光栅的衍射效率。虽然重铬酸盐明胶(DCG)能够满足体全息光栅大折射率调制材料的要求，但其折射率调制度也有上限，且光栅在制作时，实际曝光的体全息光栅调制度在厚度增加方向上也会降低，因此仍有一部分能量透过体全息光栅，无法进入人眼成像。因此，如何从其他途径来提高全息波导显示装置中体全息光栅的衍射效率成为实现高效率全息波导显示装置的技术问题。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种高衍射效率的全息波导显示装置，可进一步提高全息波导显示装置中出入耦合光栅的衍射效率，继而提高全息波导显示装置的总光能利用率。
技术方案：本发明的一种高衍射效率的全息波导显示装置包括微显示器、准直透镜、光阑、波导、入耦合光栅组和出耦合光栅组；所述微显示器位于所述波导下表面的下方；所述入耦合光栅组和所述出耦合光栅组分别密接与所述波导上表面的右端和左端。
其中：
所述入耦合光栅组包括入耦合反射型体全息光栅和入耦合一维亚波长二元光栅；所述出耦合光栅组包括出耦合反射型体全息光栅和出耦合一维亚波长二元光栅；所述入耦合反射型体全息光栅和所述出耦合反射型体全息光栅分别密接于所述波导上表面的右端和左端；所述入耦合一维亚波长二元光栅和所述出耦合一维亚波长二元光栅分别密接于所述入耦合反射型体全息光栅和所述出耦合反射型体全息光栅的上表面。
所述入耦合反射型体全息光栅、出耦合反射型体全息光栅为单色体全息光栅或复合的彩色体全息光栅；若体全息光栅为复合的彩色体全息光栅，则一维亚波长二元光栅的周期与衍射效率较低的波长相匹配，以获得衍射效率高，颜色均匀的彩色波导显示。
所述入耦合光栅组和出耦合光栅组各自的两个光栅之间满足光栅波矢匹配关系，即
Figure BDA0001541400880000021
其中Kt为所述出入耦合一维亚波长二元光栅的波矢，Kv、
Figure BDA0001541400880000022
分别为所述出入耦合反射型体全息光栅的波矢和光栅倾斜角；所述光栅波矢匹配关系可使得所述出入耦合光栅组各自的两个光栅分别衍射进所述波导的光束平行。
所述入耦合光栅组和出耦合光栅组的两个光栅满足光栅相对位置匹配关系，即所述入耦合一维亚波长二元光栅、出耦合一维亚波长二元光栅相对于所述入耦合反射型体全息光栅、出耦合反射型体全息光栅需左右微调至最佳相对位置；所述光栅相对位置匹配关系可使得所述入耦合光栅组、出耦合光栅组衍射进所述波导的光束能量达到最大值，也使得衍射进入人眼的光效最高；不同布拉格波长的体全息光栅和一维亚波长二元光栅的最高效率处对应的相对位置是不同的。
最佳位置的选择与体全息光栅的光栅周期、材料及一元亚波长二元光栅的周期与材料都有关。
所述出耦合光栅组和入耦合光栅组镜像对称，出耦合体全息光栅的衍射角与入耦合体全息光栅的衍射角互为相反数，所述出耦合光栅组和入耦合光栅组的相对位置也是镜像对称的。
所述波导厚度为1mm～4mm；所述入耦合反射型体全息光栅、出耦合反射型体全息光栅的厚度为5-15μm。
所述入耦合一维亚波长二元光栅、出耦合一维亚波长二元光栅为金属二元光栅或高折射率介质二元光栅。
一般的，设定入耦合处为金属二元光栅，出耦合处为高折射率的介质二元光栅。
所述入耦合一维亚波长二元光栅、出耦合一维亚波长二元光栅厚度为30-150nm,填充因子为0.3-0.7。一般设定为0.5。
本发明的高衍射效率的全息波导显示装置中光线传输过程为：所述微显示器用于加载二维图像，向外发射带有图像信息的发散光；所述发散光通过所述准直透镜后变为平行光，再经所述光阑调节光束大小后，垂直经过所述波导，并被所述入耦合光栅组衍射进入所述波导中；在所述波导中，光以全反射的形式向左传播，到达所述波导左端时，被所述出耦合光栅组衍射输出出射平行光，最终进入人眼。
有益效果：本发明的高衍射效率的全息波导显示装置，通过一维亚波长二元光栅和体全息光栅满足光栅波矢匹配关系，使得出入耦合光栅中各自的两个光栅衍射进波导的光束方向相同，从而进一步提高了全息波导显示装置中出入耦合光栅的衍射效率，从而实现高效率全息波导显示；通过调整耦合光栅组的各自的两个光栅的相对位置，可使衍射能级再分配，从而使得主衍射方向的衍射效率达到最大值。经过光栅波矢匹配和位置匹配后，这种新型的全息波导显示装置的衍射进人眼的衍射方向的总光能利用率可提高30％以上。
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；其中包括：微显示器101、准直透镜102、光阑103、波导104、入耦合反射型体全息光栅105、出耦合反射型体全息光栅106、发散光L101、平行光L102、耦合衍射光L103、波导104、入耦合透射光L105、出耦合透射光L106、人眼107。
图2为本发明高衍射效率全息波导显示装置的结构原理示意图；其中包括：微显示器201、准直透镜202、光阑203、波导204、入耦合反射型体全息光栅205、出耦合反射型体全息光栅206、人眼207、入耦合一维亚波长二元光栅B201、出耦合一维亚波长二元光栅B202、入耦合光栅组C201、出耦合光栅组C202、发散光L201、平行光L202、入耦合衍射光L203、出射平行光L204。
图3为本发明入耦合光栅组体全息光栅和一维亚波长二元光栅的相对位置；
图4为本发明出耦合光栅组体全息光栅和一维亚波长二元光栅的相对位置；
图5为一种现有全息波导显示装置的有限元仿真分析结果示意图；
图6为本发明一种高衍射效率的全息波导显示装置的有限元仿真分析结果示意图。
图7为本发明的复合体全息光栅的入耦合光栅组示意图。
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：
如图1所示，为现有技术中的一种全息波导显示装置的结构原理示意图，其包括：微显示器101、准直透镜102、光阑103、波导104、入耦合反射型体全息光栅105、出耦合反射型体全息光栅106。所述微显示器101位于所述波导104的下方，所述入耦合反射型体全息光栅105和所述出耦合反射型体全息光栅106分别密接与所述波导104的上表面的右端和左端。所述微显示器101向外发射带有图像信息的发散光L101，所述发散光L101通过所述准直透镜102后转变为平行光L101，所述平行光L101被所述光阑103限制孔径大小，通过所述波导104，垂直入射到所述入耦合反射型体全息光栅105的表面，经过所述入耦合反射型体全息光栅105衍射后，其中一部分为入耦合衍射光L103，进入所述波导104中，以全反射的形式继续传输，另一部分为入耦合透射光L105，无法进入所述波导104继续传输。所述入耦合衍射光L103以全反射的形式传输到所述出耦合反射型体全息光栅106表面，一部分为出射平行光L104，垂直射出所述波导104，最终进入人眼107成像，另一部分为出耦合透射光L106，无法进入人眼107成像。
一般为了提高衍射效率，在制作体全息光栅时需要选用高折射率调制度的材料，如重铬酸盐明胶(DCG)，但其折射率调制度大小也有限制。还可以通过提高体全息光栅的厚度来提高衍射效率，但实际曝光的体全息光栅调制度在厚度增加方向上也会降低，因此仍有一部分能量透过体全息光栅无法进入人眼成像。
为了克服现有技术不足，本发明的发明思路是：利用一维亚波长二元光栅和反射型体全息光栅耦合作为入耦合光栅组和出耦合光栅组分别提高入耦合和出耦合的衍射效率。其中一维亚波长二元光栅的光栅矢量和反射型体全息光栅的光栅矢量满足波矢匹配关系，即
Figure BDA0001541400880000041
其中Kt为所述一维亚波长二元光栅的波矢，Kv、
Figure BDA0001541400880000042
分别为反射型体全息光栅的波矢和光栅倾斜角。光栅波矢匹配关系可使得出入耦合光栅组各自的两个光栅分别衍射进所述波导的光束平行；
利用入耦合光栅组中一维亚波长二元光栅，可使得入耦合透射光继续参与衍射，从而使更多光波进入波导继续传输，减小了入耦合处的光能损失。同时利用出耦合光栅组中一维亚波长二元光栅，可使得出耦合透射光继续参与衍射，从而使得更多光波进入人眼成像。同时，耦合光栅组也使衍射能级进行再分配，使其他能级的能量再重新分配至主衍射方向，使得主衍射方向的衍射效率达到最大值。
如图2所示，为本发明高效率全息波导显示装置的结构原理示意图，其包括：微显示器201、准直透镜202、光阑203、波导204、入耦合反射型体全息光栅205、出耦合反射型体全息光栅206、入耦合一维亚波长二元光栅B201、出耦合一维亚波长二元光栅B202。所述入耦合反射型体全息光栅205和所述出耦合反射型体全息光栅206分别密接于所述波导204的上表面右端和左端；所述入耦合一维亚波长二元光栅B201密接于所述入耦合反射型体全息光栅205的上表面，和所述入耦合反射型体全息光栅205组成入耦合光栅组C201；所述出耦合一维亚波长二元光栅B202密接于所述出耦合反射型体全息光栅206的上表面，和所述出耦合反射型体全息光栅206组成出耦合光栅组C202。
所述微显示器201向外发射带有图像信息的发散光L201，所述发散光L201通过所述准直透镜202后转变为平行光L202，所述平行光L202被所述光阑203限制孔径大小，通过所述波导204，垂直入射到所述入耦合反射型体全息光栅205的表面，经过所述入耦合光栅组C201的衍射作用后，以入耦合衍射波L203衍射进入波导204中，所述入耦合衍射光L203在所述波导204内以全反射的形式传输，直到入射到所述出耦合反射型体全息光栅206的表面，经过所述出耦合光栅组C202的衍射作用后，以出射平行光L204垂直射出所述波导204，最终进入人眼207成像。
本发明结构要求所述入耦合一维亚波长二元光栅B201和所述入耦合反射型体全息光栅205满足光栅波矢匹配关系，即
Figure BDA0001541400880000051
以使得所述入耦合一维亚波长二元光栅B201的-1级衍射角θ-1和所述入耦合反射型体全息光栅205的-1级衍射角θr,-1相等。
光栅周期和波矢的关系为：
Figure BDA0001541400880000052
和
Figure BDA0001541400880000053
可知，若耦合光栅组的光栅波矢匹配，体全息光栅的光栅周期Λv和一维亚波长二元光栅的光栅周期Λt须满足
Figure BDA0001541400880000054
其中
Figure BDA0001541400880000055
为体全息光栅的光栅倾斜角。
而对于所述入耦合一维亚波长二元光栅B201，左右微调所述入耦合一维亚波长二元光栅B201的相对体全息光栅205的位置，可使得所述的入耦合光栅组C201衍射能级再分配，使得主衍射方向R-1级的衍射效率最高。图3所示为入耦合光栅组的相对位置图。
反射体全息光栅205的折射率为：
Figure BDA0001541400880000056
其中(x0，y0)为入耦合光栅组反射型体全息光栅205和一维亚波长二元光栅B201的交界面最左边的坐标位置。
而在反射体全息光栅205和一维亚波长二元光栅B201的交界面(y＝y0)上的折射率分布为：
Figure BDA0001541400880000057
当反射体全息光栅205和一维亚波长二元光栅B201的相对位置Δx＝0时，交界面上的折射率分布曲线与二元光栅的槽和脊的关系如图3a所示，此时入耦合光栅组衍射进波导的光束能量较低，入耦合光栅组主衍射方向R-1级的衍射效率低。
当反射体全息光栅205和一维亚波长二元光栅B201的相对位置Δx＝0.5Λt时，交界面上的折射率分布曲线与二元光栅的槽和脊的关系如图3b所示，此时入耦合光栅组衍射进波导的光束能量较高，入耦合光栅组主衍射方向R-1级的衍射效率高。
因此，通过调整入射的反射型体全息光栅205和一维亚波长二元光栅B201的相对位置，可使得入耦合光栅组衍射进波导的光束能量达到最大值，即存在一个最佳位置使得主衍射方向R-1级的衍射效率最高。最佳位置的选择与体全息光栅的光栅周期、材料及一元亚波长二元光栅的周期与材料都有关。
本发明结构要求所述出耦合光栅组和入耦合光栅组镜像对称，出耦合光栅组的倾斜角为-
Figure BDA0001541400880000061
出耦合一维亚波长二元光栅B202以出耦合反射型体全息光栅206的最右边为起始点进行分布。
出耦合一维亚波长二元光栅B202和所述出耦合反射型体全息光栅206满足光栅波矢匹配关系，即
Figure BDA0001541400880000062
以使得所述出耦合一维亚波长二元光栅B202和所述出耦合反射型体全息光栅206衍射出波导的方向相同，使衍射出波导方向的衍射效率最高。
光栅周期和波矢的关系为：
Figure BDA0001541400880000063
和
Figure BDA0001541400880000064
可知，若耦合光栅组的光栅波矢匹配，体全息光栅的光栅周期Λv和一维亚波长二元光栅的光栅周期Λt须满足
Figure BDA0001541400880000065
其中-
Figure BDA0001541400880000066
为出耦合体全息光栅的光栅倾斜角。
图4所示为出耦合光栅组的相对位置图。出耦合光栅组反射型体全息光栅206的倾斜角为-
Figure BDA0001541400880000067
反射体全息光栅206的折射率分布为：
Figure BDA0001541400880000068
而在反射体全息光栅206和一维亚波长二元光栅B202的交界面(y＝y1)上的折射率分布为：
Figure BDA0001541400880000071
其中(x1，y1)为出耦合光栅组反射型体全息光栅206和一维亚波长二元光栅B202的交界面最右边的坐标位置。
当反射体全息光栅206和一维亚波长二元光栅B202的相对位置Δx＝0时，交界面上的折射率分布曲线与二元光栅的槽和脊的关系如图4a所示，此时出耦合光栅组衍射出波导的光束能量较低，出耦合光栅组的耦合效率低。
当反射体全息光栅206和一维亚波长二元光栅B202的相对位置Δx＝0.5Λt时，交界面上的折射率分布曲线与二元光栅的槽和脊的关系如图4b所示，此时出耦合光栅组衍射出波导的光束能量较高，出耦合光栅组的耦合效率高。
当入耦合光栅组将光波衍射进波导后经过多次反射进入出耦合光栅组后，需要微调出耦合一维亚波长二元光栅B202相对于出耦合反射型体全息光栅206的位置关系，可使得出耦合光栅组衍射出波导的光束能量达到最大值。因此，通过调整出射的反射型体全息光栅206和一维亚波长二元光栅B202的相对位置，可使得出耦合光栅组衍射出波导的光束能量达到最大值。
实施例1：
一种全息波导显示装置实施例，结构如图2所示。光栅结构参数为：入耦合反射型体全息光栅205厚度为10μm，布拉格波长为525nm，光栅倾斜角为26°，入耦合一维亚波长二元光栅为金属银光栅，厚度为80nm，周期480nm，填充因子为0.5。入耦合一维亚波长二元光栅B201从体全息光栅205的最左边的位置排布，反射体全息光栅205和一维亚波长二元光栅B201的相对位置Δx＝200nm。
出耦合反射型体全息光栅206厚度为10μm，布拉格波长为525nm，光栅倾斜角为-26°，出耦合一维亚波长二元光栅B202为金属银光栅，厚度为80nm，周期480nm，填充因子为0.5。出耦合一维亚波长二元光栅B202从体全息光栅206的最右边的位置排布，反射体全息光栅206和一维亚波长二元光栅B202的相对位置Δx＝200nm。
如图5所示，一种现有全息波导显示结构的有限元仿真分析结果示意图，入射光的中心波长为525nm。由图可知，其入耦合反射型体全息光栅中有很大能量的光束透射输出，无法进入波导继续传输；同样地，其出耦合反射型体全息光栅中有很大能量的光束透射输出，无法进入人眼成像。
如图6所示，为本实施例的有限元仿真分析结果示意图。相较图5的结果，本实施例的结构入耦合衍射效率提高17.5％，出耦合效率提高16.4％，系统总的光能利用率提高31.8％。
实施例2：
一种全息波导显示装置实施例，结构如图2所示。光栅结构参数为：入耦合反射型体全息光栅205厚度为10μm，布拉格波长为525nm，光栅倾斜角为26°，入耦合一维亚波长二元光栅为金属银光栅，厚度为80nm，周期480nm，填充因子为0.5。入耦合一维亚波长二元光栅B201从体全息光栅205的最左边的位置排布，反射体全息光栅205和一维亚波长二元光栅B201的相对位置Δx＝200nm。
出耦合反射型体全息光栅206厚度为10μm，布拉格波长为525nm，光栅倾斜角为-26°，出耦合一维亚波长二元光栅B202为高折射率的介质光栅，介质的折射率为2.5，厚度为80nm，周期480nm，填充因子为0.5。出耦合一维亚波长二元光栅B202从体全息光栅206的最右边的位置排布，反射体全息光栅206和一维亚波长二元光栅B202的相对位置Δx＝240nm。
采用此种结构，入耦合光栅组将入射的能量以最高的衍射效率耦合进波导之后，在出耦合光栅组中，将耦合进来的图像源的能量尽量大的耦合进人眼。同时，出耦合光栅采用介质光栅后，仍可以将外界环境光耦合进波导，并最终通过耦合光栅组衍射进人眼。此时入射光的中心波长为525nm，本实施例的结构入耦合衍射效率提高17.5％，出耦合效率提高2.4％，系统总的光能利用率提高21.2％。
同时该实施例也可以将外界环境光耦合进人眼，实现增强现实的显示。
实施例3：
一种全息波导显示装置实施例，结构如图2所示。光栅结构参数为：入耦合反射型体全息光栅205为一种复合彩色体全息光栅，复合体全息光栅的折射率为平均折射率和多个折射率调制度的叠加，
Figure BDA0001541400880000081
其中，n0为材料平均折射率，Δn为折射率调制度，K为光栅矢量，可通过K＝2π/Λ求得，Λ为光栅周期，
Figure BDA0001541400880000082
为倾斜角。Δn和K的下标代表了不同波长。
本实施例中，n0＝1.52,Δn＝0.03,
Figure BDA0001541400880000083
入射的红绿蓝光的波长分别为λR＝640nm,λG＝525nm,λB＝440nm，此时可求得复合的体全息光栅对应不同颜色的光栅周期的x方向分量分别为：
ΛRx＝585nm,ΛGx＝480nm,ΛBx＝402nm
因为单独的复合体全息光栅红光的衍射效率比较低，所以选择在体全息光栅上覆盖的一维亚波长二元光栅的周期为ΛRx＝585nm，与红光相匹配。
厚度为10μm，光栅倾斜角为23°的彩色复合体全息光栅，入耦合一维亚波长二元光栅为金属银光栅，厚度为80nm，周期585nm(与入射红光波长的周期匹配)，填充因子为0.5。入耦合一维亚波长二元光栅B201从体全息光栅205的最左边的位置排布，反射体全息光栅205和一维亚波长二元光栅B201的相对位置Δx＝280nm。
出耦合反射型体全息光栅206为一种复合彩色体全息光栅，厚度为10μm，光栅周期为585nm，光栅倾斜角为-23°，出耦合一维亚波长二元光栅B202为高折射率的介质光栅，介质的折射率为2.5，厚度为80nm，周期585nm，填充因子为0.5。出耦合一维亚波长二元光栅B202从体全息光栅206的最右边的位置排布，反射体全息光栅206和一维亚波长二元光栅B202的相对位置Δx＝292nm。
出入耦合的体全息光栅采用复合彩色体全息光栅后，可以实现全息波导的彩色显示。

Claims (6)

1.一种高衍射效率的全息波导显示装置，包括微显示器(201)、准直透镜(202)、光阑(203)、波导(204)、入耦合光栅组(C201)和出耦合光栅组(C202)；所述入耦合光栅组(C201)包括入耦合反射型体全息光栅(205)和入耦合一维亚波长二元光栅(B201)；所述出耦合光栅组(C202)包括出耦合反射型体全息光栅(206)和出耦合一维亚波长二元光栅(B202)；所述入耦合光栅组(C201)和出耦合光栅组(C202)各自的两个光栅之间必须满足光栅波矢匹配关系和相对位置匹配关系。
2.根据权利要求1所述的高衍射效率的全息波导显示装置，其特征在于入耦合光栅组(C201)和出耦合光栅组(C202)各自的两个光栅之间满足光栅波矢匹配关系，即
Figure FDA0002671297770000011
其中Kt为所述入耦合一维亚波长二元光栅及出耦合一维亚波长二元光栅的波矢，Kv、
Figure FDA0002671297770000012
分别为所述入耦合反射型体全息光栅及出耦合反射型体全息光栅的波矢和光栅倾斜角；所述光栅波矢匹配关系可使得所述入耦合光栅组及出耦合光栅组各自的两个光栅分别衍射进所述波导的光束平行。
3.根据权利要求1所述的高衍射效率的全息波导显示装置，其特征在于，所述入耦合光栅组(C201)和出耦合光栅组(C202)的两个光栅满足光栅相对位置匹配关系，即所述入耦合一维亚波长二元光栅(B201)、出耦合一维亚波长二元光栅(B202)相对于所述入耦合反射型体全息光栅(205)、出耦合反射型体全息光栅(206)需左右微调至最佳相对位置；所述光栅相对位置匹配关系可使得所述入耦合光栅组(C201)衍射进所述波导的光束能量达到最大值，出耦合光栅组(C202)也使得衍射进入人眼的光效最高；不同布拉格波长的体全息光栅和一维亚波长二元光栅的最高效率处对应的相对位置是不同的。
4.根据权利要求1所述的高衍射效率的全息波导显示装置，其特征在于，所述出耦合光栅组(C202)和入耦合光栅组(C201)镜像对称，出耦合体全息光栅的衍射角与入耦合体全息光栅的衍射角互为相反数，所述出耦合光栅组(C202)和入耦合光栅组(C201)的相对位置也是镜像对称的。
5.根据权利要求1所述的高衍射效率的全息波导显示装置，其特征在于，所述入耦合反射型体全息光栅(205)、出耦合反射型体全息光栅(206)为单色体全息光栅或复合的彩色体全息光栅；若体全息光栅为复合的彩色体全息光栅，则一维亚波长二元光栅的周期与衍射效率较低的波长相匹配，以获得衍射效率高，颜色均匀的彩色波导显示。
6.一种基于权利要求1所述的高衍射效率的全息波导显示装置的光栅耦合方法，其特征在于，所述微显示器(201)用于加载二维图像，向外发射带有图像信息的发散光(L201)；所述发散光(L201)通过所述准直透镜(202)后变为平行光(L202)，再经所述光阑(203)调节光束大小后，垂直经过所述波导(204)，并被所述入耦合光栅组(C201)衍射进入所述波导(204)中；在所述波导中，光以全反射的形式向左传播，到达所述波导左端时，被所述出耦合光栅组(C202)衍射输出出射平行光(L204)，最终进入人眼(207)。
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