CN108693641A - 全息波导显示扩展结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出的全息波导显示扩展结构，涉及一种全息显示装置，包括垂直扩展部分和水平扩展部分，其中垂直扩展部分，像源发出的光束经过准直系统后，照射到第一耦合棱镜的上表面，进入第一耦合棱镜后在其倾斜面发生反射并进入第一全息波导板中，光束在第一全息波导光栅的上下表面发生全反射，同时沿着第一全息波导光栅方向前进，从垂直扩展结构出射，出射的光束再经过第二耦合棱镜耦合输入到水平扩展部分的第二全息波导光栅中，在第二全息波导光栅上也形成多次出射，最终实现二维扩展。本发明相比于普通光学结构，该结构具有制作简单、可加工性强、结构紧凑、体积小和重量轻等特点，可应用于便携式显示或者头戴显示设备中。

Description

全息波导显示扩展结构

技术领域

本发明涉及全息显示技术领域，尤其是全息波导显示扩展结构。

背景技术

全息波导显示技术是基于全息技术和波导技术的新一代准直显示技术，像源发出的光束经准直系统后，耦合输入到全息波导中，沿波导板传播，并在出射全息光栅处形成多次出射。一维扩展的全息波导视场范围较小，无法满足应用条件，因此，需要进行二维扩展。目前常用的两种二维扩展方法为：通过4个体全息光栅结构来实现二维扩展，该结构采用的全息光栅过多，制作不易，同时耦合效率也不高；或采用波导杆和波导板组合方式进行二维扩展的全息波导显示系统，该结构在看到像源信息的同时还看到明亮的外景光，然而波导的耦合效率较低，且装配困难。

发明内容

本发明提供的全息波导显示扩展结构，提高耦合效率，同时减少全息光栅个数，易于制作，有较好的可重复性。

本发明具体采用如下技术方案实现：

一种全息波导显示扩展结构，包括垂直扩展部分和水平扩展部分，其中垂直扩展部分，像源发出的光束经过准直系统后，照射到第一耦合棱镜的上表面，进入第一耦合棱镜后在其倾斜面发生反射并进入第一全息波导板中，光束在第一全息波导光栅的上下表面发生全反射，同时沿着第一全息波导光栅方向前进，从垂直扩展结构出射，出射的光束再经过第二耦合棱镜耦合输入到水平扩展部分的第二全息波导光栅中，在第二全息波导光栅上也形成多次出射，最终实现二维扩展。

作为优选，所述第一耦合棱镜和第二耦合棱镜的顶角应满足的关系式sin(2β-α)≥1/n，其中顶角为β，光束的边缘光线和中心光线的夹角为α，第一耦合棱镜和第二耦合棱镜的折射率为n。

作为优选，所述第一耦合棱镜和第二耦合棱镜的倾斜面镀有反射膜层。

本发明提供的全息波导显示扩展结构，其有益效果在于，相比于普通光学结构，该结构具有制作简单、可加工性强、结构紧凑、体积小和重量轻等特点，可应用于便携式显示或者头戴显示设备中。

附图说明

图1是本发明全息波导显示扩展结构示意图；

图2是棱镜顶角β与视场角关系示意图；

图3是全息波导光栅色差对聚焦位置和光斑大小的影响示意图；

图4是本发明消色差示意图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，本申请提供的全息波导显示扩展结构，包括垂直扩展部分和水平扩展部分。其中垂直扩展部分，像源1发出的光束经过准直系统2后，照射到第一耦合棱镜3的上表面，进入第一耦合棱镜3后在其倾斜面发生反射并进入第一全息波导板4中，光束在第一全息波导光栅4的上下表面发生全反射，同时沿着第一全息波导光栅4方向前进。当光束照射在第一全息波导光栅4上的入射角满足全息光栅的布拉格角度时，发生衍射，从垂直扩展结构出射。第一全息波导光栅4衍射效率较低，每次只有一部分光线出射，其他光线继续沿波导板向前传播，最终形成多次出射，出射的光束再经过第二耦合棱镜5耦合输入到水平扩展部分的第二全息波导光栅6中。同理，在第二全息波导光栅6上也形成多次出射，最终实现二维扩展。

光束在全息波导光栅里面传播，其中最重要的一点是在全息波导光栅中满足全反射条件。本实施例中，经过准直系统2的光束成一定发散角状态射入第一耦合棱镜3中，在第一耦合棱镜3斜面发生反射，经过反射的光束进入第一全息波导光栅4中，在第一全息波导光栅4中需要满足全反射条件继续向前传播。角度关系如图2所示，第一耦合棱镜3的顶角为β，光束的边缘光线和中心光线的夹角为α，左边缘视场与第一耦合棱镜3斜边法线夹角为γ，斜边镀上反射膜层，光线经过反射到达上表面时，与法线夹角为i。从图中几何关系可以得出，当左边缘视场光线在波导板中满足全反射条件时，中心视场和右边缘视场一定满足全反射条件，此时sini≥1/n，由图中几何关系计算可得顶角β应满足的关系为sin(2β-α)≥1/n，所以双次棱镜耦合输入的棱角都需要满足该式，才形成出射。

如图3所示，像源1发出的光束含有不同的波长成分，经全息光栅衍射后不同波长的光线彼此相互分离，人眼观察到的虚像位置在不同波长衍射光线的反向延长线上会形成像点偏移，且在像面上成像光斑大小也不同。为了减小色差对成像质量的影响，可以通过合理设计条纹方向，使入射光线和衍射光线镜像对称分布，通过双光栅的色差互补原理来消色差。如图4所示，入射光束正常入射到第一全息波导光栅中，衍射角为θ，光束在第一全息波导光栅4中的传播方向为x轴，第一全息波导光栅4的相位函数为φ₁＝2π(nsinθ)x/λ，第二全息波导光栅6的相位函数为φ₁＝-2π(nsinθ)x/λ。说明该对称全息波导光栅并不增加相位，即双光栅系统的入射光线与衍射光线镜像对称分布，并且衍射光线的不同波长成分光线方向一致。对于单个光栅，同一入射方向、波长不同的光线衍射角度不同，衍射光线入射到另外一个全息波导光栅，入射角的变化可以补偿衍射角的变化，使得最后输出的衍射光的方向一致，这样人眼就可以看到一个位置稳定的光点的图像了。

本申请的全息波导显示扩展结构，相比于普通光学结构，该结构具有制作简单、可加工性强、结构紧凑、体积小和重量轻等特点，可应用于便携式显示或者头戴显示设备中。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种全息波导显示扩展结构，其特征在于，包括垂直扩展部分和水平扩展部分，其中垂直扩展部分，像源发出的光束经过准直系统后，照射到第一耦合棱镜的上表面，进入第一耦合棱镜后在其倾斜面发生反射并进入第一全息波导板中，光束在第一全息波导光栅的上下表面发生全反射，同时沿着第一全息波导光栅方向前进，从垂直扩展结构出射，出射的光束再经过第二耦合棱镜耦合输入到水平扩展部分的第二全息波导光栅中，在第二全息波导光栅上也形成多次出射，最终实现二维扩展。

2.根据权利要求所述的全息波导显示扩展结构，其特征在于，所述第一耦合棱镜和第二耦合棱镜的顶角应满足的关系式sin(2β-α)≥1/n，其中顶角为β，光束的边缘光线和中心光线的夹角为α，第一耦合棱镜和第二耦合棱镜的折射率为n。

3.根据权利要求所述的全息波导显示扩展结构，其特征在于，所述第一耦合棱镜和第二耦合棱镜的倾斜面镀有反射膜层。