CN113534326A - 一种偏振复用高衍射效率波导显示器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种偏振复用高衍射效率波导显示器件，包括入耦合装置、出耦合装置以及双层波导。入耦合装置和出耦合装置位于双层波导的内侧；入耦合装置由层叠设置的左旋圆偏光入耦合光栅和右旋圆偏光入耦合光栅构成，出耦合装置为左旋圆偏光出耦合光栅或者由层叠设置的左旋圆偏光出耦合光栅与右旋圆偏光出耦合光栅构成。其中，左旋偏光入耦合光栅与右旋圆偏光入耦合光栅的形状大小相同，且光栅周期相同；左旋圆偏光出耦合光栅与右旋圆偏光出耦合光栅的形状大小相同，且光栅周期相同。本发明运用偏振复用双层光栅波导结构，相较于传统的结构具有空间利用率高、衍射效率高的特点，应用于近眼显示时可实现高衍射效率的图像传输。

Description

一种偏振复用高衍射效率波导显示器件
技术领域
本发明涉及一种偏振复用高衍射效率波导显示器件，用于AR可穿戴设备中实现高衍射效率的图像传输能力、增强虚拟图像与实际场景图像的对比度。
背景技术
AR技术是使现实场景与虚拟图像相互综合，形成虚实结合的一项较新的技术内容，观察者可以通过AR设备感受沉浸式体验。为解决AR设备中光耦合器件较为厚重的问题，一些利用全息光学组件的反射式或衍射式的光耦合结构已经被提出。其中，利用衍射光栅作为光耦合器件的方案最为普遍，相较于几何光学组件更为轻便，并且衍射光栅具有角度选择性和波长选择性，能够让光在波导介质中进行全反射传播。液晶偏振全息体光栅(PVG)具有较大的折射率调制度，相较于传统的全息体光栅(HVG)能够提供较大的波长带宽与角度带宽，具有较为广泛的应用前景。
在AR设备的图像显示过程中，由波导显示器件的效率较低，常使用黑色墨镜作为背景，减少环境光的透过率，用以减少现实场景光的亮度，增强现实场景光与虚拟图像光的对比度。由于PVG对于偏振光具有严格的选择性，波导显示器件的出射光亮度较入射光更低，让观察者的沉浸感减弱，光耦合器件的衍射效率需要进一步的提高。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种偏振复用高衍射效率波导显示器件，增大波导器件的衍射效率，提高显示亮度。
技术方案：一种偏振复用高衍射效率波导显示器件，包括入耦合装置、出耦合装置以及双层波导；所述入耦合装置和出耦合装置位于双层波导的内侧；所述入耦合装置由层叠设置的左旋圆偏光入耦合光栅和右旋圆偏光入耦合光栅构成，所述出耦合装置为左旋圆偏光出耦合光栅或者由层叠设置的左旋圆偏光出耦合光栅与右旋圆偏光出耦合光栅构成；其中，所述左旋偏光入耦合光栅与右旋圆偏光入耦合光栅的形状大小相同，且光栅周期相同；用θl和θr分别表示左旋圆偏光入耦合光栅和右旋圆偏光入耦合光栅矢量与波导表面法线之间的夹角，θl和θr大小相同，且与法线的位置方向相同；所述左旋圆偏光出耦合光栅与右旋圆偏光出耦合光栅的形状大小相同，且光栅周期相同。
进一步的，所述左旋偏光入耦合光栅与右旋圆偏光入耦合光栅之间留有空隙，所述左旋圆偏光出耦合光栅与右旋圆偏光出耦合光栅之间留有空隙。
有益效果：本发明使用了偏振全息体光栅作为波导的耦合装置，相较于传统的全息体光栅，具有衍射效率高，波长带宽与角度带宽大的优势。偏振复用的应用使入耦合光栅能够对线偏光进行高效衍射，省略显示器件中1/4波片的使用，减少器件的复杂程度，增强稳定性。
为保持出耦合光栅兼顾实际环境的呈现与虚拟图像的显示，采用单一偏振的左旋圆偏振光出耦合光栅。
本发明可应用于近眼显示，增强传输图像的亮度与对比度。
附图说明
图1为实施例1的偏振复用波导显示器件；
图2为实施例2的偏振复用波导显示器件；
图3为PVG的结构；
图4为PVG构成的入耦合装置；
图5为PVG构成的单层出耦合装置；
图6为PVG构成的双层出耦合装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
实施例1：
如图1所示，一种偏振复用高衍射效率波导显示器件，包括入耦合装置、出耦合装置以及双层波导3。入耦合装置和出耦合装置位于双层波导3的内侧。本实施例使用双层入耦合光栅，双层出耦合光栅。入耦合装置由层叠设置的左旋圆偏光入耦合光栅4和右旋圆偏光入耦合光栅5构成；出耦合装置由层叠设置的左旋圆偏光出耦合光栅6与右旋圆偏光出耦合光栅7构成。其中，左旋偏光入耦合光栅4与右旋圆偏光入耦合光栅5的形状大小相同、水平位置重合，且光栅周期相同；左旋圆偏光出耦合光栅6与右旋圆偏光出耦合光栅7的形状大小相同、水平位置重合，且光栅周期相同。
该结构所需的图像源由微显示器1发出线偏光，经过准直透镜2的折射后形成显示图像。线性偏振的显示图像被投射到入耦合装置上，在上层的左旋圆偏光入耦合光栅4上发生布拉格衍射后进入波导3，而后剩余的右旋圆偏光在下层的右旋圆偏光入耦合光栅5上发生布拉格衍射进入波导3，在波导3中以相同的传播角度通过全内反射进行传播，直至传播进入出耦合光栅，并在出耦合光栅上再次发生布拉格衍射，射出光波导3。
进一步的，左旋偏光入耦合光栅4与右旋圆偏光入耦合光栅5之间留有空隙，所述左旋圆偏光出耦合光栅6与右旋圆偏光出耦合光栅7之间留有一定空隙，以减少虚拟图像的重影。
实施例2：
与实施例1的区别在于，如图2所示，本实施例使用双层入耦合光栅，仅使用一层出耦合光栅，即出耦合装置为左旋圆偏光出耦合光栅6。
本发明的中，为了使光束能够沿着波导传播，在波导中最小的传播角αmin应大于等于波导介质的临界角，可以由公式(1)计算得到：
αmin＝arcsin(1/nglass) (1)
式(1)中，nglass代表所用波导材料的折射率值。由式(1)可知波导材料应该选用具有高折射率的材料以在波导中形成较大的角度传播范围。
图3展示了PVG的结构。
由图3可知偏振全息体光栅PVG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，即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，其衍射效率最大时的入射光线与该平面的夹角倾斜角ξ可由式(2)计算：
ξ＝arctan(Λx/Λy) (2)
如果双折射率材料层足够厚，则布拉格衍射能够被建立。布拉格衍射由式(3)所表示：
2neffΛbsinξ＝λ (3)
其中，neff代表光栅所用的双折射材料的等效折射率，Λb代表光栅在x方向上的水平周期长度，λ代表真空中的布拉格波长。则所需的光栅周期为：
Λb＝λ/(2*neff*sinξ) (4)
图4展示了由PVG构成的入耦合装置。左旋和右旋光栅叠加在同一水平位置，两者具有相同的光栅周期，其中上层光栅为左旋圆偏光入耦合光栅4，下层光栅为右旋圆偏光入耦合光栅5。左旋圆偏光入耦合光栅4只衍射左旋圆偏光，而右旋圆偏光能够直接透过；右旋圆偏光入耦合光栅5只衍射右旋圆偏光，而左旋圆偏光能够直接透过。用θ表示光栅矢量与波导表面法线之间的夹角；具体而言，用θl和θr分别表示左旋圆偏光入耦合光栅4和右旋圆偏光入耦合光栅5矢量与波导表面法线之间的夹角，θl和θr大小相同，与法线的位置方向相同。使用偏振复用的光栅，理论上衍射效率能达到单一旋向光栅的两倍。
图5为出耦合装置为单层PVG构成的左旋圆偏光出耦合光栅6，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光在波导中多次全内反射传播后偏振状态改变较大，改变成为椭圆偏振光，再经过左旋圆偏光出耦合光栅6出射。
图6展示的另一种出耦合装置由左旋圆偏光出耦合光栅6、右旋圆偏光出耦合光栅7构成，上层为左旋圆偏光出耦合光栅6，下层为右旋圆偏光出耦合光栅7。
假设当s波和p波初始相位分别为0时，光在波导中进行全反射后的相位变化表现为：
Figure BDA0003169593240000041
Figure BDA0003169593240000042
n12＝n1/n2，θi为相对于波导平面法线的入射角，n1为波导介质的折射率，n2为波导外侧介质折射率。
当入射光为左旋圆偏光时，经过一次全反射，相位差由
Figure BDA0003169593240000043
变化为：
Figure BDA0003169593240000044
当经过多次全反射，入射到出耦合光栅上的光改变为椭圆偏振光。具体理论公式为：
Figure BDA0003169593240000045
其中，n为入射到出耦合光栅之前经过的全反射次数。
因此，使用单层出耦合光栅，能够衍射部分波导中传播的光，使实际场景光源相对更清晰，而使用双层出耦合光栅，能够使波导中传播的光的衍射效率相对较高，虚拟物体的像相对更加清晰。
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 (2)

1.一种偏振复用高衍射效率波导显示器件，其特征在于，包括入耦合装置、出耦合装置以及双层波导(3)；所述入耦合装置和出耦合装置位于双层波导(3)的内侧；所述入耦合装置由层叠设置的左旋圆偏光入耦合光栅(4)和右旋圆偏光入耦合光栅(5)构成，所述出耦合装置为左旋圆偏光出耦合光栅(6)或者由层叠设置的左旋圆偏光出耦合光栅(6)与右旋圆偏光出耦合光栅(7)构成；其中，所述左旋偏光入耦合光栅(4)与右旋圆偏光入耦合光栅(5)的形状大小相同，且光栅周期相同；用θl和θr分别表示左旋圆偏光入耦合光栅(4)和右旋圆偏光入耦合光栅(5)矢量与波导表面法线之间的夹角，θl和θr大小相同，且与法线的位置方向相同；所述左旋圆偏光出耦合光栅(6)与右旋圆偏光出耦合光栅(7)的形状大小相同，且光栅周期相同。
2.根据权利要求1所述的偏振复用高衍射效率波导显示器件，其特征在于，所述左旋偏光入耦合光栅(4)与右旋圆偏光入耦合光栅(5)之间留有空隙，所述左旋圆偏光出耦合光栅(6)与右旋圆偏光出耦合光栅(7)之间留有空隙。
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