CN110824708A - 全息波导显示系统视场角带宽的扩展方法 - Google Patents

全息波导显示系统视场角带宽的扩展方法 Download PDF

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沈忠文
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Abstract

本发明公开了一种全息波导显示系统的视场角拓展方法，所述方法包括以下步骤：步骤1：结合反射式体全息光栅Kogelnik耦合波理论模型扩大单个体全息光栅的衍射角带宽；步骤2：通过多角度复用技术在一层感光膜中记录多重光栅，实现衍射角带宽的扩展；步骤3：结合宽光谱光源光谱曲线，优化光栅参数拓展光栅衍射角带宽；根据上述步骤1‑3，实现提升全息波导显示系统视场角的效果，解决了传统全息波导显示装置视场小的问题。

Description

全息波导显示系统视场角带宽的扩展方法
技术领域
本发明涉及一种全息波导显示系统视场角带宽的扩展方法，属于增强现实近眼显示技术领域。
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，因此，迫切的需要一种新的方案解决上述技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，为克服现有技术的不足，本发明提出一种全息波导显示系统视场角带宽的扩展方法，该方法可扩大全息波导显示系统的视场；通过优化光栅厚度d和记录介质的折射率调制度Δn扩大单个体全息光栅的衍射角带宽，再通过多角度复用技术在一层感光膜中记录多重光栅，从而实现大视场的效果。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种全息波导显示系统视场角带宽扩展方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：结合反射式体全息光栅Kogelnik耦合波理论模型扩大单个体全息光栅的衍射角带宽；
步骤2：通过多角度复用技术在一层感光膜中记录多重光栅，实现衍射角带宽的扩展；
步骤3：结合宽光谱光源光谱曲线，优化光栅参数拓展光栅衍射角带宽；
根据上述步骤1-3，实现提升全息波导显示系统视场角的效果，本发明将结合反射式体全息光栅Kogelnik耦合波理论模型，将光栅厚度d控制在10um-20um之间、介质材料折射率调制度Δn提高至0.035-0.1之间扩大光栅的衍射角带宽，单个光栅选择角为7°，还不能达到设定FOV大小，因此，进一步利用角度复用技术，在记录光栅时，通过使物光和参考光同步且对称地相对于记录材料的表面法线而变化，同时记录数个互相平行但长度不同的光栅矢量，最终使光栅选择角得到成倍的扩展。在设计每个光栅的衍射角带宽范围拼接处时，精确计算和仔细处理，控制光栅矢量间隔避免拼接处形成凹陷，通过选取合适的处理光栅矢量间隔，光栅矢量间隔在0.1度 -0.8度之间，使光栅角度带宽顶部平坦，从而使系统视场保持完整。
进一步地，每层光栅采用同一波长不同入射角度的记录光曝光，由于曝光时的记录角不同，使得效率曲线会向左右平移，多重光栅的衍射效率就是单个衍射光栅的效率之和。
进一步地，光栅复合方式一般分为两种，一种是不同光栅重数下的角带宽拓展，另一种是宽光谱光源拓展角带宽。
进一步地，宽光谱光源拓展角带宽的思路与多重光栅重叠的思路相类似，在不同角度范围内对应一段光谱，保持光栅矢量和入射角不变，改变入射光波长。
相对于现有技术，本发明的技术方案如下：本发明提出的全息波导显示系统视场角带宽扩展方法分为三个具体步骤，步骤1基于反射式体全息光栅Kogelnik耦合波理论优化体全息光栅厚度d以及记录介质折射率调制度Δn扩大单层体全息光栅的衍射角度带宽，步骤2利用全息角度复用技术在一层感光膜中记录多重光栅，可实现光栅衍射角带宽成倍扩展的效果，步骤3结合宽光谱像源光谱曲线，保证对应光谱范围的衍射角带宽，通过步骤1-3以解决传统全息波导显示装置视场小的问题。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1为本发明中提出的复合光栅拓展选择角带宽示意图；
图2为激光干涉制备全息体光栅示意图；
图3为光栅角度带宽的仿真与测试数据；
图4为复合光栅角度带宽的仿真与测试数据；
图5为实施例2示意图；
图6为实施例3示意图。
具体实施方式
实施例1：一种全息波导显示系统视场角带宽扩展方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：结合反射式体全息光栅Kogelnik耦合波理论模型扩大单个体全息光栅的衍射角带宽；
步骤2：通过多角度复用技术在一层感光膜中记录多重光栅，实现衍射角带宽的扩展；
步骤3：结合宽光谱光源光谱曲线，优化光栅参数拓展光栅衍射角带宽；
根据上述步骤1-3，实现提升全息波导显示系统视场角的效果；
步骤1中，根据反射式体全息光栅Kogelnik耦合波理论模型，将光栅厚度d控制在10um-20um范围内和记录介质的折射率调制度Δn提高至0.035-0.1范围内来扩大单层体全息光栅的衍射角带宽；
步骤2中，在记录光栅时，通过使物光和参考光同步且对称地相对于记录材料的表面法线而变化，同时记录数个互相平行但长度不同的光栅矢量，最终使光栅选择角得到成倍的扩展，在设计每个光栅的衍射角带宽范围拼接处时，控制光栅矢量间隔避免拼接处形成凹陷，通过选取合适的处理光栅矢量间隔，光栅矢量间隔在0.1度-0.8度之间，使光栅角度带宽顶部平坦，从而使系统视场保持完整。
步骤2中，每层光栅采用同一波长不同入射角度的记录光曝光，由于曝光时的记录角不同，使得效率曲线会向左右平移，多重光栅的衍射效率就是单个衍射光栅的效率之和。
步骤3中，宽光谱光源拓展角带宽在不同角度范围内对应一段光谱，保持光栅矢量和入射角不变，改变入射光波长
应用实施例：
通过计算布拉格条件，选择光栅矢量方向为与光栅介质表面法向方向夹角为26°，光栅周期分别为192，194，197，200，202nm；5个平行的光栅矢量，复合拓展光栅选择角，仿真结果如图1所示，入射光选择角带宽接近20°。理论上进一步并行更多光栅可以拓展得到更大的选择角。然而，由于记录材料的光敏感动态范围是有限的，要得到较多的复用光栅数量，需要较大折射率调制度的材料，因此，在同一层介质中不能通过这种方法无限制地增加角带宽。通过复用技术可获得的最大角带宽由记录介质厚度、最大折射率调制度和光敏感响应特性共同决定。
应用实施例1：
利用图2所示过程，制备了光栅周期为197nm、光栅矢量与介质表面法线方向夹角为26°、介质厚度为7.5μm的全息光栅，其光栅性能测试结果和仿真对比如图3 所示。与仿真相比，实际制备的光栅峰值效率稍低，角度带宽稍小，这主要是由于制备过程中对主要参数的控制精度和非理想性造成的。复合光栅的曝光过程更为复杂，其在保证光栅向量平行的前提下，保证光栅周期在10nm范围内精确控制是非常困难的工作。所制备的光栅性能测试结果和仿真对比如图4所示，可以看到角度带宽有一定扩展，但仍有很大的非理想性。
利用所制备的光栅作为输入输出耦合光栅，进一步实现了全息光波导并应用于显示系统，由微像源、准直透镜和波导光栅组成该系统，经测量该显示系统显示视场得到了提升。
应用实施例2：
记录光衍射角均为45°，膜厚15um，折射率1.52，折射率调制度为0.03。经过拓展以后，绿光的衍射角带宽由3.2°变为7.5°，如图5(a)所示。理论上绿光的衍射角带宽可以更大，但是由于这里考虑的绿色像源的光谱范围是495nm～555nm，限制了波导的拓展。红光和蓝光的衍射角带宽也可以同样进行扩展，实施例中红色像源的光谱范围是620nm～640nm，蓝色像源的光谱范围是440nm～465nm。如图5(b) 所示为617nm和640nm的红光叠加以后的角带宽曲线，拓展以后角带宽由3.1°变为 4.7°，图5(c)为440nm和465nm的蓝光叠加以后的角带宽曲线，拓展以后角带宽由3.1°变为5.2°。
应用实施例3：
记录光波长取532nm，膜厚15um，折射率1.52，折射率调制度为0.03。由与两光栅夹角相差过大，重叠部分较少，无法起到扩展光栅的作用。衍射效率重叠部分较多，但重叠效果仍不够理想，需要进一步优化。经过多次试验，如图6所示，当记录光入射角度分别为0°和3.3°时，光栅耦合得较好，基本可以满足要求，经过一次拓展以后角带宽由3.4°拓展为6.5°。
需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上做出的等同替换或者替代均属于本发明的保护范围，该权利要求的保护范围以权利要求书为准。

Claims (5)

1.一种全息波导显示系统视场角带宽扩展方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：结合反射式体全息光栅Kogelnik耦合波理论模型扩大单个体全息光栅的衍射角带宽；
步骤2：通过多角度复用技术在一层感光膜中记录多重光栅，实现衍射角带宽的扩展；
步骤3：结合宽光谱光源光谱曲线，优化光栅参数拓展光栅衍射角带宽；
根据上述步骤1-3，实现提升全息波导显示系统视场角的效果。
2.根据权利要求1所述的全息波导显示系统视场角带宽扩展方法，其特征在于，步骤1中，根据反射式体全息光栅Kogelnik耦合波理论模型，将光栅厚度d控制在10um-20um范围内和记录介质的折射率调制度Δn提高至0.035-0.1范围内来扩大单层体全息光栅的衍射角带宽。
3.根据权利要求1所述的全息波导显示系统视场角带宽扩展方法，其特征在于，步骤2中，在记录光栅时，通过使物光和参考光同步且对称地相对于记录材料的表面法线而变化，同时记录数个互相平行但长度不同的光栅矢量，最终使光栅选择角得到成倍的扩展，在设计每个光栅的衍射角带宽范围拼接处时，控制光栅矢量间隔避免拼接处形成凹陷，通过选取合适的处理光栅矢量间隔，光栅矢量间隔在0.1度-0.8度之间，使光栅角度带宽顶部平坦，从而使系统视场保持完整。
4.根据权利要求1所述的全息波导显示系统视场角带宽扩展方法，其特征在于，步骤2中，每层光栅采用同一波长不同入射角度的记录光曝光，由于曝光时的记录角不同，使得效率曲线会向左右平移，多重光栅的衍射效率就是单个衍射光栅的效率之和。
5.根据权利要求1所述的全息波导显示系统视场角带宽扩展方法，其特征在于，步骤3中，宽光谱光源拓展角带宽在不同角度范围内对应一段光谱，保持光栅矢量和入射角不变，改变入射光波长。
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