CN114002849A - 一种衍射光波导显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于AR光波导显示领域，具体涉及一种衍射光波导显示装置，包括衍射光栅，所述衍射光栅的一侧设置有波导片，所述衍射光栅的另一侧设置有像源，像源射出的光束穿过所述衍射光栅且进入到波导片内，所述衍射光栅包括周期性分布的液晶微胶囊，所述液晶微胶囊为空心球形，内径为10~60 nm，表面厚度为5~30 nm，所述液晶微胶囊用于提高对s偏振光和p偏振光的衍射率，使s偏振光和p偏振光均能在波导片内发生全反射，以起到提高波导片输出图像的清晰度的作用。本发明提供的技术可以直观地、具体化地、数值化地提高像源清晰度，在最大亮度、分辨率、环境光对比度、能耗、使用寿命、响应速度和热稳定性等方面也具有优势。
Description
技术领域
本发明属于AR光波导显示领域，具体涉及一种衍射光波导显示装置。
背景技术
光波导显示技术是AR领域的重要发展方向。全息体光栅常通过相干激光对光敏材料全息曝光而制备，因具备衍射效率高、成本低、易规模化生产等优点，有望应用于基于全息体光栅的光波导AR显示中。聚合物分散液晶全息体光栅是一种基于聚合物/液晶复合材料的全息体光栅，不仅光学性能优良，还具备电光响应性，受到业内的广泛关注，在光波导AR显示中极具商业化应用的潜力。另一方面，微米发光二极管（Micro-LED）与液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）、有机电激光显示（Organic Light-Emitting Diode，OLED）相比，在最大亮度、分辨率、环境光对比度、能耗、使用寿命、响应速度和热稳定性等方面具有优势，已成为AR显示的主流像源。未来，聚合物分散液晶全息体光栅，即PDLC-VHG，与微米发光二极管的组合有望成为AR光波导显示的主流技术方案。
衍射光波导显示装置的环境光对比度（Ambient Light Contrast，ACR）是涉及显示效果的关键性能参数。现有研究表明，ACR＞3时，显示的图像较为清晰，ACR＞5时，图像显示效果令人满意，ACR＞10则可以获得较为突出的显示效果(具体可参考Light-Sci.Appl.2021，10，216)ACR的计算方式如下：
其中，
和
分别代表耦入光强度和环境光强度，
和
分别为耦入光栅
和耦出光栅的衍射效率，T为波导镜片的透光率。由式 (1) 可知，耦入光栅和耦出光栅的衍
射效率越高，ACR越高，显示效果越好。
如图4，目前现有的PDLC-VHG通常只对p偏振光具有较高的衍射效率，而对s偏振光衍射效率较低，这是由于液晶分子通常平行于光栅矢量方向排列（参考Mater.Chem.Front.2017，1，294；CompositesPartB2020，199，108290。）这将导致PDLC-VHG与微米发光二极管这类发射非偏振光的像源搭配时，只有p偏振光被耦合进入光波导片后再耦合出射进入人眼，而大部分s偏振光直接透射被浪费(如图3)，导致ACR较低。因此，有必要开发对s光偏振方向不敏感的光波导显示装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以对像源发出的s偏振光和p偏振光均具有较高的衍射效率，因此具有较高的环境光对比度，从而提高波导片出射端的清晰度的衍射光波导显示装置，为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：
一种衍射光波导显示装置，包括衍射光栅，所述衍射光栅的一侧设置有波导片，所述衍射光栅的另一侧设置有像源，像源射出的光束穿过所述衍射光栅且进入到波导片内，所述衍射光栅包括周期性分布的液晶微胶囊，所述液晶微胶囊为空心球形，内径为10~60nm，表面厚度为5~30 nm，所述液晶微胶囊用于提高对s偏振光和p偏振光的衍射率，使s偏振光和p偏振光均能在波导片内发生全反射，以起到提高波导片输出图像的清晰度的作用。
进一步地，所述液晶微胶囊内的液晶分子均垂直于所述液晶微胶囊的表面，且围绕所述液晶微胶囊的周向分布。
进一步地，若干所述液晶微胶囊的方向呈无序分布，单个所述液晶微胶囊内的液晶分子方向呈互相平行地分布。
进一步地，所述衍射光栅内设置有若干个液晶微胶囊组，所述液晶微胶囊组内设置有若干个并排设置的所述液晶微胶囊，若干个所述液晶微胶囊组沿所述衍射光栅长度方向并排设置。
进一步地，所述液晶微胶囊组内的若干个所述液晶微胶囊的排列方向与所述像源射出方向之间相对倾斜地设置。
进一步地，所述衍射光栅还包括透明基材，所述液晶微胶囊设置在两个所述透明基材之间，两个所述透明基材之间设置有聚合物，所述像源从一侧的所述透明基材上射入，从另一侧的所述透明基材上射出，且进入到所述波导片内。
进一步地，所述衍射光栅设置有两个，分别设置在所述波导片的入射端与出射端，所述像源射出光束的方向正对所述波导片的入射端。
进一步地，所述像源为微米发光二极管。
进一步地，所述液晶微胶囊提高的清晰度为环境光对比度数值。
进一步地，所述液晶微胶囊包括壳层材料，所述液晶分子设置在所述壳层材料内，所述壳层材料由丙烯酸酯类单体聚合形成。
本发明具有以下有益效果：
1、相比现有技术中所采用的常规全息光聚合诱导相分离方法制备的PDLC-VHG作为衍射光栅时，由于其光波导AR显示装置仅对p偏振光具有较高的衍射效率，环境光对比度较低，导致其清晰度低，本发明采用的衍射光栅，对像源发出的s偏振光和p偏振光均具有较高的衍射效率，因此具有较高的环境光对比度，提高了波导片出射端的清晰度。
2、通过本发明的衍射光栅采用将液晶分子设置成垂直于液晶微胶囊的表面，且周向分布的形式，又或者是若干个液晶微胶囊的方向无序分布，单个液晶微胶囊内的液晶分子方向互相平行的形式，不管采用哪一种方式多个液晶分子与像源的射入方向之间总会呈不确定、无序、随机的角度，因此本发明中的衍射光栅，即PDLCC-VHG对光的偏振方向不敏感。
3、本发明通过采用Micro-LED为像源，与LCD、OLED相比，在最大亮度、分辨率、环境光对比度、能耗、使用寿命、响应速度和热稳定性等方面具有优势。
4、本发明通过提高环境光对比度数值来提高像源清晰度，可以直观地、具体化地、数值化地提高像源清晰度，在实际生产实施时，可以具体计算出环境光对比度数值，从而预先估算显示产品的清晰程度，进而可以根据环境光对比度数值提前对显示产品进行分类以及生产布局。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明衍射光栅示意图；
图3为现有技术中的光波导显示装置示意图；
图4为现有技术中的衍射光栅示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图1-4，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1，一种衍射光波导显示装置，包括衍射光栅，衍射光栅的一侧设置有波导片，所述衍射光栅的另一侧设置有像源，像源射出的光束穿过衍射光栅且进入到波导片内，衍射光栅包括周期性分布的液晶微胶囊，液晶微胶囊用于提高对s偏振光和p偏振光的衍射率，使s偏振光和p偏振光均能在波导片内发生全反射，以起到提高波导片输出图像的清晰度的作用。
其中波导片为现有技术，用于传导像源，像源射出的光束首先通过衍射光栅进入到波导片内，衍射光栅即PDLCC-VHG，PDLCC-VHG为本发明中对衍射光栅改进之后的具体命名，起到光束射入后，从相邻周期分布的液晶微胶囊之间衍射，对像源光束中的s偏振光和p偏振光产生有效衍射的作用，进而使像源光束呈倾斜的角度射入波导片入射端，于是像源光束在波导片内发生全反射，并从波导片出射端射出，由于整个过程中，衍射光栅将像源中s偏振光和p偏振光均产生有效衍射，避免了s偏振光直接透射、直射波导片，从而射出波导片所产生的像源光束损失。
相比现有技术中所采用的常规全息光聚合诱导相分离方法制备的PDLC-VHG作为衍射光栅时，由于其光波导AR显示装置仅对p偏振光具有较高的衍射效率，环境光对比度较低，导致最终成像清晰度低，本发明采用的衍射光栅，对像源发出的s偏振光和p偏振光均具有较高的衍射效率，因此具有较高的环境光对比度，提高了波导片出射端的清晰度。
如图4所示，由于现有技术中的PDLC-VHG常通过全息光聚合诱导相分离制备，相分离完成后，液晶分子通常沿光栅矢量方向取向，即沿着平行于光栅长度的方向取向，导致液晶分子延光栅矢量方向取向的原因较为复杂（参考Annu.Rev.Mater.Sci.2000，30，83）其具体的产生原因为如下：
1、是液晶分子受到各向异性的液晶微滴的挤压；
2、液晶分子垂直锚定于聚合物与液晶之间的界面；
3、光聚合体积收缩挤压液晶微滴。
本发明采用的PDLCC-VHG为了避免上述因素导致液晶分取向与PDLC-VHG中的取向相同，本发明在制备PDLCC-VHG时，先用壳层材料将液晶分子包覆，包覆后的液晶分子取向不受外界因素的影响，从而避免在全息曝光后沿光栅矢量方向取向。
本发明所采用的液晶微胶囊，液晶分子取向方式包括但不限于以下方式：
一种为如图2中所示，液晶微胶囊内的液晶分子均垂直于液晶微胶囊的表面，且围绕液晶微胶囊的周向分布，即液晶分子设置在液晶微胶囊的径向，液晶分子垂直于胶囊壁的取向，其缺陷位于液晶微胶囊中心，这种液晶微胶囊对从各个方向入射的光折射率相同，对s偏振光和p偏振光具有较高的衍射效率。
第二种取向方式为，若干个液晶微胶囊的方向相互之间呈无序、随机地分布，单个液晶微胶囊内的液晶分子方向呈互相平行地分布，在单个液晶微胶囊中，液晶分子完全平行于某一方向取向，但由于每个液晶微胶囊的取向又是无序、随机的，因此在宏观上所有的液晶微胶囊仍然是各项同性的，仍然对s偏振光和p偏振光具有较高的衍射效率。
此外，还可以采用若干液晶微胶囊与其内部的液晶分子均为完全无序分布的方式，即单个液晶微胶囊内的液晶分子无序、随机地分布，所有的液晶微胶囊的方向相互之间也呈无序、随机地分布，此方式在宏观上与上述第二种方式的原理相同，仍具有各项同性，对s偏振光和p偏振光仍然具有较高的衍射效率
本发明不管采用上述方式中的哪一种，多个液晶分子与像源的射入方向之间总会呈不确定、无序、随机的角度，因此本发明中的衍射光栅，即PDLCC-VHG对光的偏振方向不敏感，相比现有技术所采用的PDLC-VHG，本发明极大地提高了对p偏振光和s偏振光的衍射效率。
本发明中的PDLCC-VHG在具体制备时，可以采用将液晶微胶囊与光聚合单体、光引发剂混合后，通过全息曝光的方法，可以制备聚合物分散液晶微胶囊全息体光栅，即PDLCC-VHG。
具体地，液晶微胶囊包括壳层材料，液晶分子设置在壳层材料内，壳层材料由丙烯酸酯类单体聚合形成，液晶微胶囊可以通过乳液聚合法制备，具体以热引发剂、单官能度的丙烯酸酯类单体和多官能度的丙烯酸酯类单体组合物为壳层材料前驱体，加入液晶后，以嵌段共聚物为表面活性剂，利用相变温度乳化法形成水包油细乳液，再加热使丙烯酸酯单体聚合形成壳层，即可制得纳米尺寸的液晶微胶囊。
液晶微胶囊内的液晶分子的排布可以通过改变表面活性剂浓度来调控，其原理是表面活性剂主要分布于聚合物壳层中，能够促使液晶分子呈垂直壳层表面锚定。针对本发明的液晶微胶囊，当表面活性剂浓度低于2wt%时，液晶分子呈互相平行地分布，当表面活性剂浓度不低于2wt%时，液晶分子呈周向分布，即形成本发明中的液晶分子分布。
具体地，液晶微胶囊采用空心球形结构，可以在各个方向上，对像源中的p偏振光和s偏振光均产生有效衍射，便于具体实施时布置波导片以及像源，降低像源射出光束的角度精度需求，其内径为10~60 nm，表面厚度为5~30 nm，壳层材质为交联聚合物材料或无机材料。
此外，液晶微胶囊中的液晶为向列相液晶，商品化牌号为E7、THT-2、HH-02-1、HH-03-1、XEP-02-2、HH-04-4、HH-05-02、P36-9、P38-8、P36-204、P80-01、P42-1、P92-1中的一种。
进一步地，衍射光栅内设置有若干个液晶微胶囊组，液晶微胶囊组内设置有若干个并排设置的液晶微胶囊，若干个液晶微胶囊组沿衍射光栅长度方向并排设置。
如图2所示，在图中水平方向上，即衍射光栅的长度方向上，并排地、周期性地设置若干液晶微胶囊组，相邻两个液晶微胶囊组之间具有空隙，每一个单独的液晶微胶囊组内均包括在图中上下方向上并排地、周期性地设置的若干个液晶微胶囊。
进一步地，液晶微胶囊组内的若干个液晶微胶囊的排列方向与像源射出方向之间相对倾斜地设置。
具体地，像源光束呈倾斜地射入衍射光栅，可以将单个液晶微胶囊组内的液晶微胶囊排列方向设置成与像源光束方向之间相对倾斜的结构。
进一步地，衍射光栅还包括透明基材，液晶微胶囊设置在两个透明基材之间，两个透明基材之间设置有聚合物，像源从一侧的透明基材上射入，从另一侧的透明基材上射出，且进入到波导片内。
具体地，透明基材与聚合物均为现有技术，像源射出的光束可以穿过透明基材与聚合物，整个衍射光栅的厚度为2~50 μm，光栅周期为500 nm~10 μm，聚合物基体的折射率为1.40~1.60，衍射光栅对p偏振光和s偏振光的衍射效率之比为1.1：1.0~1.0 ：1.1。
进一步地，衍射光栅设置有两个，分别设置在波导片的入射端与出射端，像源射出光束的方向正对波导片的入射端。
具体地，像源射出光束进入到波导片内的一端即为波导片的入射端，波导片上远离入射端的一端即为出射端。
如图1，本发明在整体结构上的具体布置如下：
波导片的入射端与出射端分别布置两个衍射光栅，即PDLCC-VHG，波导片与衍射光栅平行设置，两个衍射光栅并排设置，且设置在波导片的同一侧，衍射光栅内的若干液晶微胶囊组沿平行于波导片的方向分布，单个液晶微胶囊组内的液晶微胶囊呈与像源光束方向相对倾斜的排列，像源的光束射出方向与波导片垂直。
此外，两个衍射光栅内的液晶微胶囊呈对称设置，可以在波导片出射端有效的将像源的光束输出。
进一步地，像源为Micro-LED，Micro-LED显示与LCD、OLED相比，在最大亮度、分辨率、环境光对比度、能耗、使用寿命、响应速度和热稳定性等方面具有优势，已成为AR显示的主流像源，本发明无论是采用上述何种像源，或者是未提及的像源，均能够提高其最终输出的图像清晰度。
进一步地，液晶微胶囊提高的清晰度为环境光对比度数值。
由于环境光对比度数值，即ACR数值，其与图像显示效果息息相关，并且ACR数值又与耦入光栅和耦出光栅的衍射效率具有直接关系，所以通过ACR数值来判断像源成像清晰度可以直观地、具体化地、数据化地来判断成像效果，在实际生产实施时，可以具体计算出ACR数值，从而预先估算显示产品的清晰程度，进而可以根据ACR数值提前对显示产品进行分类以及生产布局。
下面通过两个实验数据的具体对比过程来具体说明本发明中的衍射光栅，即PDLCC-VHG，相对于现有技术中的PDLC-VHG所取得的具体的显著的进步：
实验例：
本实验例采用本发明中的衍射光栅，即PDLCC-VHG。
一种衍射光波导装置，包括Micro-LED像源、PDLCC-VHG耦入光栅、PDLCC-VHG耦出光栅和波导片。
如图1所示，在入射端通过PDLCC-VHG将Micro-LED像源显示的图像耦合进入波导片，耦入光亮度为1200 nit，在波导片内进行全反射后，在出射端再通过PDLCC-VHG耦合出波导片。
所采用的PDLCC-VHG的厚度为10 μm、光栅周期为800 nm，聚合物基体的折射率为1。50，液晶微胶囊的内径为30 nm、壳层厚度为10 nm，壳层材料为交联的聚丙烯酸酯、液晶为THT-2。
PDLCC-VHG对s偏振和p偏振光衍射效率为分别为88%和89%。
由于光栅对不同偏振光具有不同的衍射效率，因此在计算ACR时，需要将式 (1)改写为：
其中：
和
分别为s和p偏振光的亮度，对于Micro-LED像源，
=
；
和
分别为耦入、耦出光栅对s偏振光的衍射效率，
和
为耦入、耦出光栅对p偏振光的衍射效率。
根据式（2），当环境光亮度为300 nit、光波导片的透光率为90%时，本实施例的ACR为4.5，显示效果较为清晰。
对比例：
本对比例采用现有技术中的衍射光栅，即PDLC-VHG。
一种衍射光波导装置，包括Micro-LED像源、PDLC-VHG耦入光栅、PDLC-VHG耦出光栅和波导片。
在入射端通过PDLC-VHG将Micro-LED像源显示的图像耦合进入波导片，耦入光亮度为1200 nit，在波导片内进行全反射后，在出射端再通过PDLC-VHG耦合出波导片。
所采用的PDLC-VHG的厚度为10 μm、光栅周期为800 nm，聚合物基体的折射率为1.50，液晶为E7。
PDLC-VHG对s偏振和p偏振光衍射效率为分别为25%和89%。根据式（2）计算，在环境光亮度为300 nit、光波导片的透光率为90%时，ACR为2.9，显示效果未达到清晰标准。
由上述实验例和对比例的对比可知，本发明相比现有技术，在相同的像源、光栅厚度、光栅周期、聚合物基体折射率、液晶品类、环境光亮度、光波导片的透光率以及其他环境因素下，本发明最终输出的像源ACR数值远大于现有技术中的ACR数值，远比现有技术输出的图像清晰，由此可见，本发明中的衍射光栅显著地提高了像源所输出的清晰程度。
本发明具体地完整工作流程如下：
如图1、2，Micro-LED像源射出光束，光束首先进入到衍射光栅，即PDLCC-VHG内，光束中的s偏振光和p偏振光在穿过衍射光栅时，相邻两个液晶微胶囊组之间的光束发生衍射作用，进而使s偏振光和p偏振光呈倾斜的角度射入到波导片入射端内，并且在波导片内发生全反射，最终从波导片出射端的衍射光栅上输出，整个过程中对s偏振光和p偏振光同时产生有效衍射，避免了s偏振光的损失，提高了输出的图像清晰度。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形、变型、修改、替换，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种衍射光波导显示装置，包括衍射光栅，所述衍射光栅的一侧设置有波导片，所述衍射光栅的另一侧设置有像源，像源射出的光束穿过所述衍射光栅且进入到波导片内，其特征在于：所述衍射光栅包括周期性分布的液晶微胶囊，所述液晶微胶囊为空心球形，内径为10~60nm，表面厚度为5~30 nm，所述液晶微胶囊用于提高对s偏振光和p偏振光的衍射率，使s偏振光和p偏振光均能在波导片内发生全反射，以起到提高波导片输出图像的清晰度的作用。
2.根据权利要求1所述的一种衍射光波导显示装置，其特征在于：所述液晶微胶囊内的液晶分子均垂直于所述液晶微胶囊的表面，且围绕所述液晶微胶囊的周向分布。
3.根据权利要求1所述的一种衍射光波导显示装置，其特征在于：若干所述液晶微胶囊的方向呈无序分布，单个所述液晶微胶囊内的液晶分子方向呈互相平行地分布。
4.根据权利要求1所述的一种衍射光波导显示装置，其特征在于：所述衍射光栅内设置有若干个液晶微胶囊组，若干个所述液晶微胶囊组沿所述衍射光栅长度方向并排设置，单个所述液晶微胶囊组内包括若干个并排设置的所述液晶微胶囊。
5.根据权利要求4所述的一种衍射光波导显示装置，其特征在于：所述液晶微胶囊组内的若干个所述液晶微胶囊的排列方向与所述像源射出方向之间相对倾斜地设置。
6.根据权利要求4所述的一种衍射光波导显示装置，其特征在于：所述衍射光栅还包括透明基材，所述液晶微胶囊设置在两个所述透明基材之间，两个所述透明基材之间设置有聚合物，所述像源从一侧的所述透明基材上射入，从另一侧的所述透明基材上射出，且进入到所述波导片内。
7.根据权利要求1所述的一种衍射光波导显示装置，其特征在于：所述衍射光栅设置有两个，分别设置在所述波导片的入射端与出射端，所述像源射出光束的方向正对所述波导片的入射端。
8.根据权利要求1所述的一种衍射光波导显示装置，其特征在于：所述像源为微米发光二极管。
9.根据权利要求1所述的一种衍射光波导显示装置，其特征在于：所述液晶微胶囊提高的清晰度为环境光对比度数值。
10.根据权利要求2或3所述的一种衍射光波导显示装置，其特征在于：所述液晶微胶囊包括壳层材料，所述液晶分子设置在所述壳层材料内，所述壳层材料由丙烯酸酯类单体聚合形成。
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