CN111965750B - 一种提高传输视场的全息波导成像结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种提高传输视场的全息波导成像结构，所述成像结构为反射全息光栅和透射全息光栅相配合作用的双波导传输结构。本发明能够将传统波导成像结构的传输视场增加近60％，对传统波导成像结构的缺陷进行了很大的改进。另外，本发明在提高传统波导成像结构传输视场的同时，也继承了传统波导成像结构轻量化、小型化、传像分辨率高的优点。

Description

一种提高传输视场的全息波导成像结构

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，具体地涉及一种提高传输视场的全息波导成像结构。

背景技术

随着近年来虚拟(增强)现实技术的进一步发展，微型显示技术也日益成为炙手可热的研究方向。

微型显示技术指LCOS、OLED等微型显示器发出的光线经过目视光学系统被调制成平行光进入观察者的瞳孔，最终汇聚到视网膜上形成虚像。目视光学系统为微型显示技术的核心器件，由于目视光学系统一般为头戴式系统(HMD)，所以小型化、轻量化是目视光学系统发展的必然趋势。

目视光学系统的结构主要分为三类：自由曲面棱镜成像结构、阵列光波导成像结构和全息波导成像结构。相较于自由曲面棱镜成像结构与阵列光波导成像结构，以全息体光栅为核心器件的全息波导成像结构有着轻量化、小型化、传像分辨率高等独特优势。

由于全息体光栅自身布拉格条件的限制，当入射光的角度偏离布拉格角度时，全息体光栅的衍射光的衍射效率会急剧降低，这限制了全息波导成像结构的传输视场大小。

发明内容

针对上述现有技术中存在的技术问题，本申请的目的在于提供一种提高传输视场的全息波导成像结构。

为实现本发明的目的，本发明提供的一种提高传输视场的全息波导成像结构，所述成像结构为反射全息光栅和透射全息光栅相配合作用的双波导传输结构。

其中，所述成像结构通过反射全息光栅和透射全息光栅相配合作用对被扩展的视场进行二次调制，使被扩展的视场满足波导内全反射条件进行传输。

与现有技术相比，本发明的有益效果为，本发明能够将传统波导成像结构的传输视场增加近60％，对传统波导成像结构的缺陷进行了很大的改进。

另外，本发明在提高传统波导成像结构传输视场的同时，也继承了传统波导成像结构轻量化、小型化、传像分辨率高的优点。

附图说明

图1为本发明提供的全息波导成像结构的工作原理图；

图2为本发明提供的全息光栅的工作原理图；

图3为本发明提供的反射全息光栅的入射/出射光角度关系图；

图4为本发明提供的透射全息光栅的入射/出射光角度关系图；

图5中(a)为传统波导成像结构(传输视场为10°)的传输效率图、(b)为本发明中提供的新型波导成像结构(传输视场为18°)的传输效率图；

图6为传统波导成像结构(传输视场为10°)和本发明提供的新型波导成像结构(传输视场为18°)的传输效率差值图；

图7为本发明提供的新型波导成像结构的Comsol有限元建模分析的光场模值分布图：其中，(a)、(b)传输视场处于原视场范围(0°-10°)；(c)、(d)传输视场处于过渡视场范围(10°-12°)；(e)、(f)传输视场处于扩展视场范围(12°-18°)。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，

为本发明的一种具体实施例结构，该结构具体包括：准直透镜、传输波导1(图1中的波导1)和传输波导2(图1中的波导2)、反射全息光栅1、反射全息光栅2、反射全息光栅3、反射全息光栅4、透射全息光栅1、透射全息光栅2。

其中，反射全息光栅1在波导1上方，用于对原视场的光束进行角度调制，使其传输的角度可以满足波导1内全反射传输的条件。透射全息光栅1在反射全息光栅1上方，用于对增加的视场进行角度调制，使其传输的角度被调制到反射全息光栅的调制作用范围内。透射全息光栅1在波导2下方，反射全息光栅2在波导2上方，使被透射全息光栅1调制后的视场传输角度可以满足波导2内全反射传输的条件；反射全息光栅3位于波导2上方，透射全息光栅2位于反射全息光栅4上方，透射全息光栅2、反射全息光栅4位于波导1的下方，反射全息光栅3、透射全息光栅2、反射全息光栅4的作用是对在波导内传输的视场角度进行解调，使其按照原本的传输视场角度从波导内出射，传输到观察者的瞳孔中，实现信息传递。

其中，准直透镜位于波导1的下方，其光轴相对于波导入射面的法线偏折半视场的角度，以便光学系统的传输视场只在一侧进行扩展。本发明成像结构继承了传统波导成像结构的对称型结构的特点，左侧为耦入模块，右侧为耦出模块。图1中，实线—双线视场范围为原传统波导成像结构的传输视场范围，双线—虚线视场范围为本发明成像结构所增加的传输视场范围。

为了增加传输视场范围，需要利用透射全息光栅对新增加的视场范围进行一次调制，使其被调制后的角度落在反射全息光栅的调制范围内；然后波导2中的反射全息光栅将对被透射全息光栅调制后的传输角度进行二次调制，使其满足波导2中的内全反射条件，从而在波导2内进行无损信息传输。

为了使波导内全反射角、反射全息光栅的角度调制范围和透射全息光栅的角度调制范围相匹配，需要熟练掌握全息体光栅的工作原理图与入射/出射光角度关系图。

如图2所示，为本发明提供的全息光栅的工作原理图，其中d为光栅厚度，T为光栅周期，体全息光栅的光栅矢量K垂直于光栅周期面，K＝2π/T；入射光与z轴的夹角为θ，衍射光与z轴的夹角为θ_diff，光栅矢量K与z轴的夹角为

根据布拉格定律，体全息光栅的主要能量均集中在+1/-1衍射级，+1/-1级衍射光的出射方向与光栅周期T、光栅矢量与z轴夹角

以及入射光与z轴夹角θ有关；通过合理设置这些参数，可以控制光栅的+1/-1衍射光的出射角度；再结合Kogelnik耦合波理论或RCWA，通过设置合理的光栅折射率调制度与光栅厚度两种参数，控制+1/-1级衍射光的能量效率。

如图3与图4所示，为本发明提供的反射全息光栅的入射/出射光角度关系图与透射全息光栅的入射/出射角度关系图，其中入射光k1与z轴的夹角为θ，衍射光k2与z轴的夹角为θ_diff，光栅矢量K与z轴的夹角为

从图3与图4可以看出，入射光k1，衍射光k2与光栅矢量K成一个矢量三角形，光栅矢量K的方向由k2指向k1，入射光与衍射光所成角度被光栅周期面(光栅矢量K的法线)所平分。

如图5与图6所示，以传输效率低至30％时的视场范围为基准，可以看出：相对于传统波导成像结构，本发明成像结构的传输视场范围增加了近60％；除此之外，原传输视场范围的衍射效率也有所增长。

如图7所示，为本发明中提供的成像结构的Comsol有限元建模分析的光场模值分布图。其中，图(a)与图(b)中的传输视场为原视场；反射全息光栅1对此视场范围内的光束进行调制，使其满足全反射条件在波导1中进行传输；图(c)与图(d)中的传输视场为过渡视场；反射全息光栅1对此视场范围内的光束的调制作用减弱，透射全息光栅1开始产生作用，将其调制到反射全息光栅的调制作用范围内，然后反射全息光栅2对此视场范围进行二次调制，使其满足全反射条件在波导2中进行传输；图(e)与图(f)中的传输视场为扩展视场；反射全息光栅1对此视场范围内的光束完全失去调制作用，此视场范围内的光束将全部通过透射全息光栅1和反射全息光栅2的二次调制作用在波导2中进行传输。

需要说明的是，本申请中未详述的技术方案，采用公知技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，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 (1)

1.一种提高传输视场的全息波导成像结构，其特征在于，所述成像结构为反射全息光栅和透射全息光栅相配合作用的双波导传输结构；所述成像结构通过反射全息光栅和透射全息光栅相配合作用对被扩展的视场进行二次调制，使被扩展的视场满足波导内全反射条件进行传输；

所述成像结构包括：准直透镜、传输波导1和传输波导2、反射全息光栅1、反射全息光栅2、反射全息光栅3、反射全息光栅4、透射全息光栅1、透射全息光栅2；

其中，反射全息光栅1在传输波导1上方，用于对原视场的光束进行角度调制，使其传输的角度满足传输波导1内全反射传输的条件；透射全息光栅1在反射全息光栅1上方，用于对增加的视场进行角度调制，使其传输的角度被调制到反射全息光栅的调制作用范围内；透射全息光栅1在传输波导2下方，反射全息光栅2在传输波导2上方，使被透射全息光栅1调制后的视场传输角度满足传输波导2内全反射传输的条件；反射全息光栅3位于传输波导2上方，透射全息光栅2位于反射全息光栅4上方，透射全息光栅2、反射全息光栅4位于传输波导1的下方，反射全息光栅3、透射全息光栅2、反射全息光栅4的作用是对在波导内传输的视场角度进行解调，使其按照原本的传输视场角度从波导内出射，传输到观察者的瞳孔中，实现信息传递；

其中，准直透镜位于传输波导1的下方，其光轴相对于波导入射面的法线偏折半视场的角度，以便光学系统的传输视场只在一侧进行扩展。

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