CN110727116A - 一种基于偏振体全息光栅的二维扩瞳方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于偏振体全息光栅的二维扩瞳方法，利用波导传输过程中出瞳的复制与扩展，突破FOV与出瞳大小受到拉格朗日不变式的限制。利用偏振体全息光栅可以将出瞳大小和视场范围这两个参数相互独立，便于设计和优化。在一维扩瞳的基础上只需增加偏振体全息光栅作为耦合转向元件，起到对波导内传输光线的一维扩瞳和平面转向作用，便可得到更大的出瞳范围；利用合适的波导入曈大小以及传播角度配合波导厚度，可以实现出瞳光束之间的连续。同时，通过叠加红绿蓝三种颜色的偏振体全息光栅，使光波导可以实现彩色传输，从而提高了光波导器件在二维平面上的模式下的色彩表现能力。

Description

一种基于偏振体全息光栅的二维扩瞳方法
技术领域
本发明涉及一种出瞳可扩展方法，特别是基于偏振体全息光栅(PolarizationVolume Grating，PVG)提出适用于光波导成像的二维扩瞳技术，可同时实现彩色传输和大视场角。
背景技术
AR可穿戴设备，例如嵌入眼镜或虚拟技术护目镜的计算机，会将图像直接投射在用户的眼前。在眼镜类型的设备中，这些投影是透明的，因此用户可以在近场中看到投影的数据，而远场的视觉中现实世界则基本上不被遮盖。这种AR可穿戴设备的一个挑战是要制造出足够大且连续的的出瞳范围。
出瞳可扩展是光波导成像技术的一大优势。和FOV一样，出瞳大小也是衡量一个AR系统表现的重要指标。在传统目视光学系统中，FOV与出瞳大小受到拉格朗日不变式的限制，呈反比关系。拉格朗日光学不变式表示为：
n·θ·ypupil＝n′·θ′·y′pupil (1)
其中θ是整个光学系统入曈处的半视场角，ypupil是物方的入曈大小，n是物方的折射率。相对应的θ′，y′pupil，和n’分别表示像方的半视场大小、出瞳大小以及折射率。
对于AR光学系统来说，我们希望更大的视场角的同时也能获得更大的出瞳尺寸。视场角小意味着人眼看到的虚像尺寸也会很小，而出瞳尺寸过小将导致人眼只能在较小空间范围内看到所成虚像而无法自由的移动。由式(1)可以看出，拉格朗日不变式决定了视场范围和出瞳尺寸的反比关系，这导致我们无法同时优化视场范围以及出瞳尺寸，使两者同时达到最大值。分束棱镜和自由曲面光学耦合方案都可以看做是传统目视系统的离轴变形，所以都受到上述条件的限制，并且在工艺实现上实现二维扩瞳的难度较大。
而利用传统的衍射光栅的出射光瞳扩展装置，在控制色彩空间方面存在固有的问题。由于入衍射光栅和出衍射光栅会将不同颜色的光波段衍射到不同的输出角度。这将会导致所显示场景的色彩空间的感知在整个用户视野中产生不同程度的色散。而且传统的衍射光栅的厚度较大，因此若利用叠加红绿蓝单色衍射光栅的方式其来实现全彩传输，则可穿戴设备的体积将十分厚重。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种基于偏振体全息光栅的二维扩瞳方法，解决了拉格朗日不变式对视场角和出瞳尺寸同时增大的限制问题，将出瞳大小与视场范围这两个参数相互独立，便于单独进行设计与优化。并且在保证体积较小的同时实现了色散很小的全彩传输，从而提高了光波导器件在二维平面上的模式下的色彩表现能力。
为解决达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于偏振体全息光栅的二维扩瞳方法，所述的方法为通过波导显示器件传输过程中出瞳的复制与扩展，从而突破视场角和出瞳尺寸之间的约束；所述的波导显示器件包括光波导，在光波导上设置有入耦合光栅、中间光栅和出耦合光栅；入耦合光栅、中间光栅和出耦合光栅均由偏振体全息光栅结构组成，所述入耦合光栅将光束耦合进入光波导，中间光栅用于完成一维方向的光束扩展，同时将光束转向，出耦合光栅用于实现光束的耦合出瞳，同时也完成另一方向上的出瞳扩展。
作为本发明的优选，所述的光束在中间光栅处耦合发生的次数为奇数。
作为本发明的优选，所述的波导显示器件为两层结构，其中上层被用来传播蓝色和绿色光束；下层用来传输红色光束。
作为本发明的优选，蓝绿色波导结构中的入耦合光栅、中间光栅和出耦合光栅均为蓝绿色PVG；红色波导结构中的入耦合光栅、中间光栅和出耦合光栅均为红色PVG。
以反射式衍射波导为例(耦合元件使用反射式衍射光栅)，随着光束在波导内的传输，每次进入出耦合元件后都有一部分光能被衍射导出，剩下的光能将继续以全反射形式在波导内传输直至再次进入出耦合元件并发生再次耦合导出。如此，输入光束在出耦合元件上将不断被复制并耦合导出最终实现了出瞳的扩展。相较于一维波导扩瞳结构，二维扩瞳只需要增加一个耦合转向元件(即中间光栅)起到对波导内传输光线的一维扩瞳和平面转向作用。最终构成了一个有入耦合光栅、中间光栅、出耦合光栅以及波导共同组成的光波导结构。其中，入耦合光栅起到了将光束耦合进入波导的作用；中间光栅起到在一维方向上扩瞳并且使光束转向的作用；出耦合光栅起到在另一个方向上实现出瞳扩展并且将光束耦合出波导的作用。最终，在出耦合元件处我们可以得到二维扩展的出瞳尺寸。对于衍射型波导耦合元件，主要有两种二维扩瞳结构，两种结构都包含了上述的三个光栅，即入耦合光栅、中间光栅以及出耦合光栅。两种结构区别主要体现在光束在中间光栅处耦合发生的次数。第一种结构在中间光栅处发生奇数次耦合，而第二种结构在中间光栅出发生偶数次耦合。其中第二种的结构中，无论中间光栅的转向角度设置为多少，光束在中间光栅处经过偶数次耦合后传播方向将始终与入射中间光栅时保持一致(但是空间位置会发生变化)。所以对于第二种结构而言，中间光栅的设计可以更灵活，精度要求也相应可以减低。但是，这种结构的入耦合光栅、中间光栅以及出耦合光栅在空间位置上集中于单一方向，在光学结构设计上不如第一种结构(即在中间光栅处发生奇数次耦合)更适合“眼镜式”外形要求。因此基于本发明的应用领域，我们应选择在中间光栅处发生奇数次耦合的结构来实现二维扩瞳。
有益效果：
本发明利用偏振体全息光栅来作为出入耦合元件和中间光栅来实现上述的二维扩瞳结构，偏振体全息光栅和传统的全息体光栅相比，具有具有大视场角、衍射效率高、波长带宽较宽等优点，主要解决了传统光栅波导系统由于传统衍射光栅折射率调制度限制下较窄的响应带宽所导致的较小FOV的问题。在制备上，偏振体全息光栅与传统的全息体光栅一样只需利用全息曝光方法以及涂布工艺，相较于其它波导耦合元件制备简单。
附图说明
图1为一种反射式衍射波导为例(耦合元件使用反射式衍射光栅)结构；
图2为偏振体全息光栅结构；
其中，图2(a)展示了被用来衍射蓝色和绿色的蓝绿色体光栅结构，其中，Λbgx代表蓝色波导层和绿色波导层这两层的水平周期长度值；Λby和Λgy分别代表蓝色波导层和绿色波导层的垂直周期长度值；向量Kb和Kg分别代表蓝色波导层和绿色波导层中体光栅的布拉格矢量；
Figure BDA0002271488760000031
和分别代表蓝色波导层和绿色波。
图2(b)展示了能够使红光发生布拉格衍射的PVG结构，其中，Λrx代表红色波导层的水平周期长度值；Λry代表垂直周期长度值；向量Kr代表红色波导层中体光栅的布拉格矢量；代表红色波导层中具有周期性折射率平面的倾斜角；α代表液晶分子光轴与z轴之间的夹角。
图3表示在中间光栅处发生奇数次耦合的基于偏振体光栅的二维扩瞳结构在x-y平面的示意图；
图4表示在中间光栅处发生偶数次耦合的基于偏振体光栅的二维扩瞳结构在x-y平面的示意图；
图5为全彩传输的二维扩瞳结构的示意图；
其中1、光波导；2、入耦合光栅；3、出耦合光栅；4、入射光束；5出射光束：6、中间耦合光栅；7、透镜；8、微显示器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，一种反射式衍射波导为例(耦合元件使用反射式衍射光栅)结构，包括入耦合光栅2，和出耦合光栅3以及光波导1。可以看到随着光束在光波导内的传输，每次进入出耦合元件后都有一部分光能被衍射导出，剩下的光能将继续以全反射形式在波导内传输直至再次进入出耦合元件并发生再次耦合导出。如此，输入光束在出耦合元件上将不断被复制并耦合导出最终实现了出瞳的扩展。
如图2所示，偏振体全息光栅具有二维周期结构。其中，
在x-z平面(水平面)，液晶分子光轴与z轴之间的夹角α会沿x方向，既水平方向发生周期性变化，其周期长度记作Λx。
在y-z平面上，液晶材料(或者更广泛地，双折射材料)在y方向，既垂直方向上呈现出周期螺旋结构，其周期记作Λy。
这样的二维周期结构能够产生一系列倾斜的具有周期性的折射率平面，其倾斜角
Figure BDA0002271488760000044
可由式(2)计算：
Figure BDA0002271488760000041
为了简化分析而不失一般性，假设反射式PVG的倾斜角满足并且α可由式(3)计算：
Figure BDA0002271488760000043
如果双折射率材料层足够厚，则布拉格衍射能够被建立。事实上，垂直入射光的衍射光具有高衍射效率，布拉格衍射由式(4)所表示：
Figure BDA0002271488760000051
式(4)中λB代表真空中的布拉格波长，neff代表双折射介质的等效折射率，由式(5)计算：
Figure BDA0002271488760000052
图2中所展示的两种CPVG结构分别代表(a)被用来衍射蓝色和绿色的蓝、绿色体光栅(cyan PVG)；(b)被用来衍射红色光束的红色体光栅(r PVG)。Cyan PVG可以被分为蓝色和绿色两层，这两层的水平周期长度相同，在图2(a)中被记作Λbgx，其值由上述式(4)计算。
当波长值λB为457nm(蓝色)，
Figure BDA0002271488760000053
为蓝色波导层中的折射率平面倾斜角时，Λx为蓝色波导层水平周期长度值；当波长值λB为532nm(绿色)，
Figure BDA0002271488760000054
为绿色波导层中的折射率平面倾斜角时，Λx为绿色波导层水平周期长度值。由于在本发明所提的结构中蓝绿色波导层的水平周期长度数值相同，因此记为将其记Λbgx。
由于蓝绿两层具有相同的水平周期长度值，所以蓝、绿两层波导层满足相同由于蓝绿两层具有相同的水平周期长度值，所以蓝、绿两层波导层满足相同的光栅色散方程(6)：
Figure BDA0002271488760000055
式(6)中，θ0代表衍射角(光束在波导中的传播角)，nglass代表玻璃波导的折射率值，λ代表光束的波长，θi代表在空气中的入射角，m代表衍射级次(对于体光栅而言m＝1)，Λx代表光栅在x方向上的的水平周期长度。对于蓝、绿色波导层而言，Λx即为Λbgx。
蓝、绿两层的不同之处在于y方向上的周期长度不同，即图2(a)中的Λby和Λgy不同，由式(2)和(4)可知，这决定了垂直入射时的布拉格中心波长的不同。
在制备过程中CPVG仅需要一次偏振干涉曝光即可在光取向材料上产生所需要的水平周期长度Λx，之后依次旋涂具有不同Λy的手性螺旋材料即可。
图2(b)展示了能够使红光发生布拉格衍射的PVG结构，它具有和蓝、绿色CPVG不同的水平周期长度，即Λrx不等于Λbgx
如图3所示，在中间光栅处发生奇数次耦合的基于偏振体光栅的二维扩瞳结构，在图1的基础上增加了中间光栅6。对于衍射型波导耦合元件，主要有两种二维扩瞳结构，两种结构都包含了上述的三个光栅，即入耦合光栅、中间光栅以及出耦合光栅。入耦合光栅和中间光栅的光栅矢量之间的夹角以及中间光栅和出耦合光栅之间的夹角均为ρ。如果采用球坐标描述，将入射光束的角度对记为(θ0,
Figure BDA0002271488760000061
)，则入耦合光栅的耦合光束的角度对为(θ1，
Figure BDA0002271488760000062
)，这两个角度对满足圆锥形光栅方程：
之后，中间光栅再将光束衍射到-1级，并且中间光栅的耦合光束的角度对-3(
Figure BDA0002271488760000064
θ2)满足方程：
Figure BDA0002271488760000065
可以化简为：
当光束传播到出耦合光栅时，出耦合光栅的角度对(
Figure BDA0002271488760000067
θ3)满足方程
Figure BDA0002271488760000068
最后，将出耦合的角度转换到最开始的入耦合光栅的坐标系中，角度对(
Figure BDA0002271488760000071
θout)应满足：
Figure BDA0002271488760000072
如图4所示，在中间光栅处发生偶数次耦合的基于偏振体光栅的二维扩瞳结构，同样在图1的基础上增加了中间光栅6。
图3和图4所示的两种结构都包含入耦合光栅2，中间耦合光栅6和出耦合光栅3。其中入耦合光栅2完成将光束耦合进入波导，中间耦合光栅6完成一维方向的光束扩展，同时将光束转向。出耦合光栅3实现光束的耦合出瞳，同时也完成另一方向上的出瞳扩展。最终，在出耦合元件处我们可以得到二维扩展的出瞳尺寸。图3和图4两种结构区别主要体现在光束在中间耦合光栅6处耦合发生的次数，图2中光束在中间耦合光栅6发生奇数次耦合，而图3结构中光束在中间耦合光栅6需发生偶数次耦合。其中图3所示的方案中，无论中间耦合光栅6的转向角度设置为多少，光束在中间耦合光栅6处经过偶数次耦合后传播方向将始终与入射6时保持一致(但是空间位置会发生变化)。所以图3所示的方案下中间耦合光栅6的设计可以更灵活，精度要求也相应可以减低。但是，图3所示方案中入耦合光栅2，中间耦合光栅6和出耦合光栅3在空间位置上集中于单一方向，在光学结构设计上不如图3所示方案更适合“眼镜式”外形要求。因此本发明采用图3所示的方案。
实施例2：
如图5所示，实现全彩传输的二维扩瞳结构，包括双层波导结构其中上层被用来传播蓝绿色光束的蓝绿色波导结构中使用了蓝绿色的偏振体光栅作为耦合装置从而实现在波导中传输蓝色和绿色光束；下层被用来传播红色光束的红色波导结构中使用了红色偏振体光栅作为耦合装置从而实现在波导中传输红色光束。光束经过微显示器8投出，再经过透镜7准直后进入波导1。之后蓝绿色光束经过上层入射光栅的衍射后在上层波导中全反射传播到上层中间光栅。经过上层中间光栅的衍射后在上层波导中的全反射传播到上层出耦合光栅，经过上层出耦合光栅的衍射射出波导层。红色光束则在下层波导结构中进行上述传播过程。
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 (4)

1.一种基于偏振体全息光栅的二维扩瞳方法，其特征在于：所述的方法为通过波导显示器件传输过程中出瞳的复制与扩展，从而突破视场角和出瞳尺寸之间的约束；所述的波导显示器件包括光波导（1），在光波导（1）上设置有入耦合光栅（2）、中间光栅（6）和出耦合光栅（3）；入耦合光栅（2）、中间光栅（6）和出耦合光栅（3）均由偏振体全息光栅结构组成，所述入耦合光栅（2）将光束耦合进入光波导（1），中间光栅（6）用于完成一维方向的光束扩展，同时将光束转向，出耦合光栅（3）用于实现光束的耦合出瞳，同时也完成另一方向上的出瞳扩展。
2.根据权利要求1所述的一种基于偏振体全息光栅的二维扩瞳方法，其特征在于：所述的光束在中间光栅（6）处耦合发生的次数为奇数。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于偏振体全息光栅的二维扩瞳方法，其特征在于：所述的波导显示器件为两层结构，其中上层被用来传播蓝色和绿色光束；下层用来传输红色光束。
4.根据权利要求3所述的一种基于偏振体全息光栅的二维扩瞳方法，其特征在于：蓝绿色波导结构中的入耦合光栅（2）、中间光栅（6）和出耦合光栅（3）均为蓝绿色PVG；红色波导结构中的入耦合光栅（2）、中间光栅（6）和出耦合光栅（3）均为红色PVG。
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