CN113589528B - 一种基于液晶偏振体光栅的二维扩瞳方法 - Google Patents

一种基于液晶偏振体光栅的二维扩瞳方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于液晶偏振体光栅的二维扩瞳方法，二维扩瞳方法基于液晶偏振体光栅的波导显示器件，包括光波导，在光波导上设有均为液晶偏振体光栅的入耦合光栅、下转置光栅、上转置光栅和出耦合光栅；入耦合光栅将光束耦合进入光波导，在光波导中发生全反射进入到下转置光栅，完成一维方向的光束扩展；光束在下转置光栅完成一维方向的光束扩展后，同时将光束折射进入上转置光栅，完成另一方向上的出瞳扩展；光束折射进入上转置光栅完成另一方向上的出瞳扩展后，在光波导内继续全反射向前传播至出耦合光栅，在出耦合光栅处耦合出射。该方法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。

Description

一种基于液晶偏振体光栅的二维扩瞳方法
技术领域
本发明涉及波导显示技术领域，尤其涉及一种基于液晶偏振体光栅的二维扩瞳方法。
背景技术
作为目前信息显示技术领域的热点，头戴式增强现实(HMD-AR)设备的发展承载着人们对未来信息交互方式的美好愿景。波导式虚拟现实(Augmented Reality，AR)显示设备作为一种被广泛认可的技术方案，在体积重量、出瞳大小、可视性方面都有一定潜力与优势。其利用波导传输的原理，可实现传统目视光学系统难以实现的出瞳复制与扩展，从而使得AR系统佩戴者可以获得较大的眼动范围。
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·yp＝n'·θ'·yp' (1)
其中θ是整个光学系统入瞳处的半视场角，yp是物方的入瞳大小，n是物方的折射率。相对应的θ′，y′p，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，要达到更好的显示效果需要在获得更大的视场角的同时也能获得更大的出瞳尺寸。出瞳尺寸过小将导致人眼只能在较小范围内看到图像。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，这就限制了我们无法同时优化视场范围以及出瞳尺寸，进而使两者同时达到最大值。
为了突破FOV与出瞳大小受到拉格朗日不变式的限制，我们利用波导传输过程中出瞳的复制与扩展来实现。目前主要的波导耦合方案中，能够实现较好效果的出瞳的复制与扩展并不多，其中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，所以都受到拉格朗日不变式的限制，并且在工艺实现上实现二维扩瞳的难度较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于液晶偏振体光栅的二维扩瞳方法，具有大视场角、衍射效率高、波长带宽较宽和角度响应范围大等优点，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。
本发明提供如下技术方案：
一种基于液晶偏振体光栅的二维扩瞳方法，所述方法通过基于液晶偏振体光栅的波导显示器件传输过程中出瞳的复制与扩展，得到更大的出瞳范围即二维扩瞳，可以实现出瞳光束之间的连续。
所述基于液晶偏振体光栅的波导显示器件包括：光波导，在光波导上有入耦合光栅、下转置光栅、上转置光栅和出耦合光栅；入耦合光栅、下转置光栅、上转置光栅和出耦合光栅均为液晶偏振体光栅。
在本发明中，外部光束垂直入射到达入耦合光栅，入耦合光栅将光束反射衍射耦合进入光波导，在光波导中发生全反射进入到下转置光栅，在下转置光栅处一部分反射衍射到上转置光栅，另一部分继续全反射向前传播，在下转置光栅的下一个位置继续反射衍射到上转置光栅，光束重复以上传播方式即可完成一维方向的光束扩展。
所述光束完成一维方向的光束扩展后，即反射衍射到上转置光栅，光束在上转置光栅处反射衍射完成另一方向上的出瞳扩展。光束折射进入上转置光栅完成另一方向上的出瞳扩展后，在光波导内继续全反射向前传播至出耦合光栅，在出耦合光栅处耦出。
所述入耦合光栅光栅矢量
Figure BDA0003173134110000031
下转置光栅光栅矢量
Figure BDA0003173134110000032
上转置光栅光栅矢量
Figure BDA0003173134110000033
和出耦合光栅光栅矢量
Figure BDA0003173134110000034
应满足的条件为：
Figure BDA0003173134110000035
Figure BDA0003173134110000036
所述入耦合光栅、下转置光栅、上转置光栅和出耦合光栅的液晶分子旋向保持相同。
所述入耦合光栅、下转置光栅、上转置光栅和出耦合光栅为左手旋向或右手旋向。
所述入耦合光栅、下转置光栅、上转置光栅和出耦合光栅为PVG。
本发明利用基于液晶材料的偏振体光栅来作为出入耦合元件和中间光栅实现出瞳得复制与扩展，液晶偏振体光栅和传统的全息体光栅相比，具有大视场角、衍射效率高、波长带宽较宽和角度响应范围大等优点，主要为了突破传统AR波导显示中FOV与出瞳大小受到拉格朗日不变式的限制，实现出瞳复制与扩展，得到较大FOV；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，液晶偏振体光栅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，成本更低。
附图说明
图1是基于反射式衍射光栅的波导耦合结构；
图2是液晶偏振体光栅的结构；
图3是正交圆偏振干涉光场在一个周期内的偏振态分布；
图4是基于液晶偏振体光栅的二维扩瞳方法的光栅矢量分布图；
图5是基于液晶偏振体光栅二维扩瞳方法示意图；
其中，1-光波导、2-入耦合光栅、3-下转置光栅、4-上转置光栅和5-出耦合光栅。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，是基于反射衍射光栅的光波导光束传输示意图，包括光波导1、入耦合光栅2和出耦合光栅5，入耦合光栅2和出耦合光栅5都是反射衍射式光栅，光束在入耦合光栅处2反射衍射进入波导，在光波导1内实现全内反射的传输，在达到出耦合光栅5后，一部分光被衍射耦出出射，另一部分光继续以全反射形式在波导1内传输，下次进入出耦合光栅5时并再次耦合导出射。这样进行传输，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出瞳的扩展。
如图2所示，是液晶偏振体光栅结构示意图。PVG具有二维周期性结构，通过两束正交圆偏光曝光处理基板以提供光轴在xz平面上的周期性旋转，旋转角度沿x轴以横向周期Λx的周期连续变化。在基板上，胆甾型液晶材料呈现出周期性螺距结构，纵向周期长度为Λy(沿y轴的螺距长度p的一半)。这样的二维周期就能产生了倾斜的、周期性的具有倾斜角
Figure BDA0003173134110000051
的折射率周期变化的平面。我们规定
Figure BDA0003173134110000052
横向(x方向)的周期性是利用光取向层在偏振全息曝光技术下实现的，即两束偏振态完全正交且相干的圆偏振光来实现的，两束光以2θ夹角相交照射到样品表面。如果将基板旋涂一层液晶光取向膜(Photoalignment layer)，并将该基板置于两束偏振态完全正交且相干的圆偏振光叠加场中，两圆偏振光束的波长能够引发液晶取向膜上的光化学反应，形成与叠加场相同的光控取向效果，再将这个带有光控取向膜的基板与液晶接触，即能诱导液晶分子按照叠加场的分布而取向，制成液晶偏振体光栅。干涉光场为光强均匀分布而偏振方向沿x 轴周期性线性变化的线偏振光，周期为Λ＝λ/2sin θ，其中λ为记录光的波长。在一个周期内的偏振态分布如图3所示。
而纵向(y方向)的周期性需要PVG液晶层选用的是反应型液晶(ReactiveMesogen，RM)掺杂适量的手性材料。RM单体分子结构在主链末端含有丙烯酸双键，在一定光能引发下能够进行自由基反应使得单体发生聚合。在一定浓度或温度下，RM能表现出液晶相且具有与向列相液晶相似的光学特性。与向列相液晶一样，在添加手性掺杂剂后RM会转变为胆甾相态，从而产生PVG所需的纵向(垂直于基板方向)的液晶周期性旋转。其中，x方向的周期Λx可以通过调整全息曝光中的两束相干光的曝光角度来改变，而y方向的周期Λy则可以根据手性材料的螺旋扭曲力常数(Helix Twist Power,HTP)通过浓度c来调制。 y方向的周期Λy表示为：
p＝(HTP·c)-1
其中p是液晶的扭曲螺距(液晶分子转动360°)，即两倍的纵向周期p＝2Λy。对于垂直入射的光束(入射角为0°)，PVG的布拉格条件可由如下公式表示：
Figure BDA0003173134110000061
λB是真空中的布拉格波长，φ是折射率平面的倾斜角或表示为光栅矢量K 的倾斜角，neff是各向异性介质的平均折射率，ΛB是布拉格周期，后两者可定义如下：
Figure BDA0003173134110000062
Figure BDA0003173134110000063
在PVG的制备中我们选用已被广泛使用且光学性能较好的RM257作为RM 材料。RM257同样是常见材料并且较为便宜。而对于手性剂我们选择了有较大扭曲力(HTP)的R5011/S5011(HTP≈108/μm)。其中R5011和S5011分别对应左旋与右旋两种液晶螺旋方向。
实验中，制备PVG的方法如下：
(1)基板清洁：
(2)取向层溶液配制；
(3)取向层旋涂；
(4)取向层烘干；
(5)取向层曝光；
(6)液晶混合物溶液配制；
(7)液晶层的旋涂制备；
(8)紫外固化；
(10)重复旋涂直至足够厚度。
根据上述理论与实验步骤，只要改变曝光角度和手性分子掺杂浓度，我们就能得到不同中心波长以及不同衍射角的PVG。
如图5所示，是基于液晶偏振体光栅二维扩瞳方法示意图。是在图1的基础上增加了下转置光栅3和上转置光栅4。其中，入耦合光栅2、下转置光栅3、上转置光栅4和出耦合光栅5均为液晶偏振体光栅，入耦合光栅2的光栅矢量
Figure BDA0003173134110000071
下转置光栅3的光栅矢量
Figure BDA0003173134110000072
上转置光栅4的光栅矢量
Figure BDA0003173134110000073
和出耦合光栅5的光栅矢量
Figure BDA0003173134110000074
应满足的条件为：
Figure BDA0003173134110000075
Figure BDA0003173134110000076
如图4所示。
最终得到基于液晶偏振体光栅的二维扩瞳结构：外部光束垂直入射到达入耦合光栅2，入耦合光栅2将光束反射衍射耦合进入光波导，在光波导1中发生全反射进入到下转置光栅3，在下转置光栅3处一部分反射衍射到上转置光栅4，另一部分继续全反射向前传播，在下转置光栅3的下一个位置继续反射衍射到上转置光栅4，光束重复以上传播方式即可完成一维方向的光束扩展。
所述光束完成一维方向的光束扩展后，即反射衍射到上转置光栅4，光束在上转置光栅4处反射衍射完成另一方向上的出瞳扩展。光束折射进入上转置光栅4完成另一方向上的出瞳扩展后，在光波导1内继续全反射向前传播至出耦合光栅5，在出耦合光栅5处耦出。
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)

1.一种基于液晶偏振体光栅的二维扩瞳方法，其特征在于，所述二维扩瞳方法基于液晶偏振体光栅的波导显示器件，所述波导显示器件包括光波导(1)，在光波导(1)上设有入耦合光栅(2)、下转置光栅(3)、上转置光栅(4)和出耦合光栅(5)；入耦合光栅(2)、下转置光栅(3)、上转置光栅(4)和出耦合光栅(5)均为液晶偏振体光栅；
所述二维扩瞳方法包括：
入耦合光栅(2)将光束耦合进入光波导(1)，在光波导(1)中发生全反射进入到下转置光栅(3)，完成一维方向的光束扩展；
光束在下转置光栅(3)完成一维方向的光束扩展后，同时将光束折射进入上转置光栅(4)，完成另一方向上的出瞳扩展；
光束折射进入上转置光栅(4)完成另一方向上的出瞳扩展后，在光波导(1)内继续全反射向前传播至出耦合光栅(5)，在出耦合光栅(5)处耦合出射；
入耦合光栅(2)将光束反射衍射耦合进入光波导(1)，在光波导(1)中发生全反射进入到下转置光栅(3)，在下转置光栅(3)处一部分反射衍射到上转置光栅(4)，另一部分继续全反射向前传播，在下转置光栅(3)的下一个位置继续反射衍射到上转置光栅(4)，光束重复以上传播方式即可完成一维方向的光束扩展；
所述入耦合光栅(2)光栅矢量
Figure FDA0003739072990000011
下转置光栅(3)光栅矢量
Figure FDA0003739072990000012
上转置光栅(4)光栅矢量
Figure FDA0003739072990000013
和出耦合光栅(5)光栅矢量
Figure FDA0003739072990000014
应满足的条件为：
Figure FDA0003739072990000015
2.根据权利要求1所述的基于液晶偏振体光栅的二维扩瞳方法，其特征在于，所述入耦合光栅(2)、下转置光栅(3)、上转置光栅(4)和出耦合光栅(5)的液晶分子旋向保持相同。
3.根据权利要求2所述的基于液晶偏振体光栅的二维扩瞳方法，其特征在于，所述入耦合光栅(2)、下转置光栅(3)、上转置光栅(4)和出耦合光栅(5)为左手旋向或右手旋向。
4.根据权利要求1所述的基于液晶偏振体光栅的二维扩瞳方法，其特征在于，所述入耦合光栅(2)、下转置光栅(3)、上转置光栅(4)和出耦合光栅(5)为PVG。
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