CN108957757A - 一种全息波导显示装置 - Google Patents

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沈忠文
刘奡
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Abstract

本发明公开了一种全息波导显示装置，包括多角度准直微显示器、透镜组、平板波导、入耦合全息光学衍射元件和出耦合全息光学衍射元件；入耦合全息衍射光学元件和出耦合光学元件构成的望远镜光学系统，将微显示器画面位于人眼前一定距离处投射成正立的放大的虚像，从而实现大视场的效果，同时通过全息波导结构可将传统的同轴望远光学系统光路转折进入人眼，形成可用于穿透式头戴显示的离轴光学系统。本发明基于传统的望远镜光学系统原理，结合全息波导结构，将同轴望远系统转变为适用于穿透式头戴显示的离轴光学系统，解决了传统全息波导显示装置视场小、出瞳小的问题，具备光学结构简单紧凑，制备加工容易，成本低，重量轻等优点。

Description

一种全息波导显示装置
技术领域
本发明属于头戴显示技术领域，尤其涉及一种全息波导显示装置。
背景技术
近年来，许多科研人员一直在研究一种全息波导结构，该结构输入和输出光学耦合元件为镜像对称的反射型体全息光栅，入耦合体全息光栅和出耦合体全息光栅贴合在波导两侧。该结构显示原理为微显示器发出的图像首先经过准直光学系统准直，然后经入耦合全息光栅衍射进入全息波导中，最终经输出全息光栅将图像耦合进入人眼。
经研究，该全息波导显示构型的视场主要由准直光学系统和体全息光栅的角度波长带宽决定。然而，体全息光栅的角度选择性和波长选择性很好，从而限制了该全息波导显示系统的视场角，仅能达到10度-20度。因此，人们提出各种解决方案来扩大全息波导视场。
日本索尼公司的Mukawa等人发现当入射光轴靠近体全息光栅的光栅矢量K，体全息光栅的布拉格选择性会降低，该方法可在一定程度上扩大视场角。北京理工大学的韩建等人提出了一种全息波导显示系统，该显示系统采用自由曲面作为入耦合光学元件，出耦合光学元件为三种光栅倾角和周期不同的反射型全息光栅，三种光栅依次沿x方向贴合于波导一侧，从而可使水平视场达到18度。类似的，浙江大学的余超等人提出一种全息波导结构，出入耦合光学元件都为空间变化的反射型全息光栅。实验结果表明该结构水平视场角可扩大至19.99度，垂直视场角可扩大至6.36度。此外，上海交通大学吴一士等人仿真了一种复合全息光栅结构来扩大光栅的衍射角度带宽，该复合全息光栅包具有五种不同光栅周期和光栅倾角，然而，该方案要求用于制备该光栅的全息记录材料的折射率调制度很高，并且该光栅曝光工艺很复杂。
上述几种方案中输入输出光学耦合元件都为反射型体全息光栅，且视场扩大效果并不理想，设计和工艺都比较复杂。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种全息波导显示装置，该装置可扩大全息波导显示系统的视场。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种全息波导显示装置，包括多角度准直微显示器、透镜组、平板波导、入耦合全息光学衍射元件和出耦合全息光学衍射元件；所述多角度准直微显示器位于透镜组下方，所述透镜组位于平板波导输入区下方；所述入耦合全息光学衍射元件位于平板波导输入区，出耦合全息光学衍射元件位于平板波导输出区；所述多角度准直微显示器将二维图像转换为具有多角度图像信息的准直光束，所述具有多角度图像信息的准直光束经透镜组折射后进入平板波导输入区，经入耦合光学衍射元件衍射后在平板波导中以全反射方式传播至输出区，最后由出耦合光学衍射元件将图像信息衍射进入人眼。
进一步地，所述多角度准直微显示器包括微显示器和准直光学系统，所述微显示器输出二维图像，所述准直光学系统将微显示器各像素点的发散光转化为包含图像信息的多角度准直光束。
进一步地，所述平板波导为平板光学玻璃或平板光学树脂，厚度为1-15mm，折射率为1.3-2.0。
进一步地，所述平板波导输入区的入耦合全息光学衍射元件和输出区的出耦合全息光学衍射元件可位于平板波导的上表面、下表面或波导内部。
进一步地，所述透镜组为双胶合透镜组或不同焦距和口径的凸凹透镜组。
进一步地，所述入耦合全息光学衍射元件和出耦合全息光学衍射元件为透射型体全息光栅、反射型体全息光栅、透射型体全息透镜或反射型体全息透镜。
进一步地，所述入耦合全息光学衍射元件和出耦合全息光学衍射元件厚度为5-25um，记录全息材料为卤化银、重铬酸盐明胶、光致聚合物、光刻胶或光折变玻璃。
进一步地，所述入耦合全息光学元件的衍射效率为90％以上，所述出耦合全息光学元件的衍射效率为20％-50％。
进一步地，所述入耦合全息光学元件与出耦合全息光学元件之间的距离为50-100mm。
有益效果：本发明的全息波导显示装置，基于传统的望远镜光学系统原理，结合全息波导结构，将同轴望远系统转变为适用于穿透式头戴显示的离轴光学系统，解决了传统全息波导显示装置视场小、出瞳小的问题，具备光学结构简单紧凑，制备加工容易，成本低，重量轻等优点。
附图说明
图1是实施例1和2的装置示意图；
图2是实施例3的装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示，本发明所述的全息波导显示装置，通过入耦合全息衍射光学元件和出耦合光学元件构成望远镜光学系统，将微显示器画面位于人眼前一定距离处投射成正立的放大的虚像，从而实现大视场的效果，同时通过全息波导结构将传统的同轴望远光学系统光路转折进入人眼，形成可用于穿透式的近眼显示的离轴光学系统。
如图1所示，本发明的全息波导显示装置，包括多角度准直微显示器1、透镜组2、平板波导3、入耦合全息光学衍射元件4和出耦合全息光学衍射元件5。多角度准直微显示器1位于透镜组2下方，透镜组2位于平板波导3输入区下方，入耦合全息光学衍射元件4位于平板波导3输入区，出耦合全息光学衍射元件5位于平板波导3输出区。
多角度准直微显示器1包括微显示器和准直光学系统，微显示器输出二维图像，准直光学系统可将微显示器各像素点的发散光转化为包含图像信息的多角度准直光束；具有多角度图像信息的准直光束经透镜组2折射后进入平板波导3输入区，经入耦合光学衍射元件4衍射后在平板波导3中以全反射方式传播至输出区，最终由出耦合光学衍射元件5将图像信息衍射进入人眼。
平板波导3可为平板光学玻璃、平板光学树脂，厚度为1-15mm，折射率为1.3-2.0；平板波导3输入区的入耦合全息光学衍射元件4和输出区的出耦合全息光学衍射元件5可位于平板波导3上表面、下表面或者波导内部。
入耦合全息光学衍射元件4和出耦合全息光学衍射元件5可为透射型体全息光栅、反射型体全息光栅、透射型体全息透镜和反射型体全息透镜，厚度为5-25um，入耦合全息光学元件4的衍射效率应为90％以上，出耦合全息光学元件5的衍射效率为20％-50％，可使光束在出耦合区域多次衍射以扩大出瞳；入耦合全息光学元件4与出耦合全息光学元件5之间的距离应为50-100mm。
透镜组2可为双胶合透镜组或不同焦距和口径的凸凹透镜组；望远光学系统中的物镜和目镜通过全息曝光的方式记录于感光材料胶层中，大大减轻了装置的重量，光学系统结构更加紧凑。记录全息材料可为卤化银、重铬酸盐明胶、光致聚合物、光刻胶、光折变玻璃中的任意一种。
实施例1
如图1所示，多角度准直微显示器1向透镜组2出射带有图像信息的光束，光束经透镜组折射到达全息波导，首先经过平板波导3到达位于波导输入区的反射型体全息光栅4，光束经全息光栅4衍射进入波导3中，以全反射的方式在波导3中传播，并且在波导传播过程中成一倒立的实像，最终到达平板波导3的输出区，经反射型体全息透镜5衍射进入人眼，在人眼前方成一正立的放大的虚像。
透镜组2为双胶合透镜(物镜)，透镜直径为50mm，焦距为40mm，视场角为20度；反射型体全息光栅4记录于光致聚合物中，参考光角度为45度，物光角度为0度；反射型体全息透镜5为一组对称放置的双胶合透镜(目镜)，用全息曝光的方式将对称的双胶合透镜记录于15um厚的光致聚合物胶层中，参考光角度为0度，物光角度为0度；反射型体全息透镜6的焦距为20mm，视场角为40度。
平板波导长度为60mm，厚度为1mm；反射型体全息光栅4和反射型体全息透镜6之间的距离为35mm。
实施例2
如图1所示，多角度准直微显示器1向准直透镜组2出射带有图像信息的光束，光束经准直透镜组2折射到达全息波导，首先经过平板波导3到达位于波导输入区的反射型体全息透镜4，光束经全息透镜4衍射进入波导3中，以全反射的方式在波导3中传播，并且在波导传播过程中成一倒立的实像，最终到达平板波导3的输出区，经反射型体全息透镜5衍射进入人眼，在人眼前方成一正立的放大的虚像。
透镜组2为准直透镜组，透镜组焦距为30mm；反射型体全息透镜4为双胶合透镜(物镜)，透镜直径为50mm，焦距为80mm，视场角为10度，记录于光致聚合物中，参考光角度为45度，物光角度为0度；反射型体全息透镜5为一组对称放置的双胶合透镜(目镜)，用全息曝光的方式将对称的双胶合透镜记录于15um厚的光致聚合物胶层中，参考光角度为0度，物光角度为0度；反射型体全息透镜5的焦距为20mm，视场角为40度。
平板波导长度为80mm，厚度为2mm；反射型体全息光栅4和反射型体全息透镜5之间的距离为65mm。
实施例3
如图2所示，多角度准直微显示器1向平板波导3出射带有图像信息的光束，首先经过平板波导3到达位于波导输入区的反射型体全息透镜4，光束经全息透镜4衍射进入波导3中，以全反射的方式在波导3中传播，并且在波导传播过程中成一倒立的实像，最终到达平板波导3的输出区，经反射型体全息透镜5衍射进入人眼，在人眼前方成一正立的放大的虚像。
反射型体全息透镜4记录于光致聚合物中，参考光角度为45度，物光角度为0度；反射型体全息透镜4为透镜组，透镜组直径为50mm，焦距为50mm，视场角为20度；反射型体全息透镜5为一组对称放置的双胶合透镜(目镜)，用全息曝光的方式将对称的双胶合透镜记录于15um厚的光致聚合物胶层中，参考光角度为0度，物光角度为0度；反射型体全息透镜5的焦距为25mm，视场角为40度。
平板波导长度为80mm，厚度为2mm；反射型体全息光栅4和反射型体全息透镜5之间的距离为65mm。

Claims (9)

1.一种全息波导显示装置，其特征在于：包括多角度准直微显示器(1)、透镜组(2)、平板波导(3)、入耦合全息光学衍射元件(4)和出耦合全息光学衍射元件(5)；
所述多角度准直微显示器(1)位于透镜组(2)下方，所述透镜组(2)位于平板波导(3)输入区下方；所述入耦合全息光学衍射元件(4)位于平板波导(3)输入区，出耦合全息光学衍射元件(5)位于平板波导(3)输出区；
所述多角度准直微显示器(1)将二维图像转换为具有多角度图像信息的准直光束，所述具有多角度图像信息的准直光束经透镜组(2)折射后进入平板波导(3)输入区，经入耦合光学衍射元件(4)衍射后在平板波导(3)中以全反射方式传播至输出区，最后由出耦合光学衍射元件(5)将图像信息衍射进入人眼。
2.根据权利要求1所述的全息波导显示装置，其特征在于：所述多角度准直微显示器(1)包括微显示器和准直光学系统，所述微显示器输出二维图像，所述准直光学系统将微显示器各像素点的发散光转化为包含图像信息的多角度准直光束。
3.根据权利要求1所述的全息波导显示装置，其特征在于：所述平板波导(3)为平板光学玻璃或平板光学树脂，厚度为1-15mm，折射率为1.3-2.0。
4.根据权利要求1所述的全息波导显示装置，其特征在于：所述平板波导(3)输入区的入耦合全息光学衍射元件(4)和输出区的出耦合全息光学衍射元件(5)可位于平板波导(3)的上表面、下表面或波导内部。
5.根据权利要求1所述的全息波导显示装置，其特征在于：所述透镜组(2)为双胶合透镜组或不同焦距和口径的凸凹透镜组。
6.根据权利要求1所述的全息波导显示装置，其特征在于：所述入耦合全息光学衍射元件(4)和出耦合全息光学衍射元件(5)为透射型体全息光栅、反射型体全息光栅、透射型体全息透镜或反射型体全息透镜。
7.根据权利要求1所述的全息波导显示装置，其特征在于：所述入耦合全息光学衍射元件(4)和出耦合全息光学衍射元件(5)厚度为5-25um，记录全息材料为卤化银、重铬酸盐明胶、光致聚合物、光刻胶或光折变玻璃。
8.根据权利要求1所述的全息波导显示装置，其特征在于：所述入耦合全息光学元件(4)的衍射效率为90％以上，所述出耦合全息光学元件(5)的衍射效率为20％-50％。
9.根据权利要求1所述的全息波导显示装置，其特征在于：所述入耦合全息光学元件(4)与出耦合全息光学元件(5)之间的距离为50-100mm。
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