CN114089531A - 一种基于反射式偏振复用液晶透镜的双目波导显示方法 - Google Patents

一种基于反射式偏振复用液晶透镜的双目波导显示方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于反射式偏振复用液晶透镜的双目波导显示方法，所述方法基于波导显示器件，包括光波导板，在光波导板同侧上设有入耦合液晶透镜、右旋出耦合光栅和左旋出耦合光栅，入耦合液晶透镜位于右旋出耦合光栅和左旋出耦合光栅之间；所述方法包括：图像源放在入耦合液晶透镜的焦平面上，入耦合液晶透镜将来自图像源的两种圆偏光准直且耦合进入光波导板中；左旋圆偏光和右旋圆偏光在波导板中朝着相反的方向依靠全反射传播；分别在碰到左旋出耦合光栅和右旋出耦合光栅后被衍射耦出波导。该方法解决了传统近眼波导显示系统中需要使用准直透镜且准直透镜和波导板间存在间隙的问题。

Description

一种基于反射式偏振复用液晶透镜的双目波导显示方法
技术领域
本发明属于近眼波导显示技术领域，尤其涉及一种基于反射式偏振复用液晶透镜的双目波导显示方法。
背景技术
增强现实(AR)技术目前在娱乐、教育、医疗手术和工程等领域均有了较大程度的发展，通过将真实环境与计算机生成的图像重叠，AR作为一个信息平台，正在彻底改变观众和显示器之间的互动关系。
波导式增强现实显示设备作为一种被广泛认可的AR方案，在体积、重量、出瞳大小和可视性方面都有一定潜力与优势。然而在传统波导显示技术中，无论是使用自由曲面、全息光栅还是液晶光栅作为耦入装置，均需要在图像源后使用一个准直透镜将图像源上不同点发出的光转换为不同角度的平行光以便在波导中进行传输。
透镜的加入使得系统的体积和重量增加，且由于准直透镜和波导板间必然存在空隙，这将导致图像源和准直透镜的出瞳无法完全与入耦合区域重合，从而影响整体系统的成像质量。
最近基于图案化胆甾相液晶(CLC)的光子器件，受到越来越多的关注。CLC器件只对与液晶螺旋扭曲具有相同利手性的圆偏光起作用，即具有偏振选择性。同时由于液晶材料的寻常光折射率no和非常光折射率ne之差较大，导致CLC器件的角度响应范围、波长响应范围要优于全息器件，且CLC器件由液晶多次旋涂制成，容易进行复用设计，如同时堆叠两个不同旋向的CLC器件以对两种圆偏光产生不同的响应。
通过将CLC与在光取向层上特别设计的图案相结合，可以创建不同的光学器件。例如，如果相位轮廓是线性变化的，那么器件的行为就像光栅一样，如果相位轮廓是抛物线式的，那么它就可以起透镜的作用。通过让相位具有局部线性变化和整体抛物线轮廓，我们可以获得具有大衍射角与一定光焦度的反射型液晶偏振透镜(rPVL)。虽然目前rPVL的应用还不多，如：通过复用rPVL增加单个耦合装置的视场角。
但由于rPVL同时具有光栅、透镜特性，加以CLC器件的诸多优点，我们可以判断，rPVL在波导显示领域拥有良好的发展前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于反射式偏振复用液晶透镜的双目波导显示方法，可以解决波导显示系统中需要额外使用准直透镜的问题。
本发明提供如下技术方案：
一种基于反射式偏振复用液晶透镜的双目波导显示方法，所述方法基于波导显示器件，包括光波导板，在光波导板同侧上设有入耦合液晶透镜、右旋出耦合光栅和左旋出耦合光栅，入耦合液晶透镜位于右旋出耦合光栅和左旋出耦合光栅之间；
所述波导显示方法包括：
图像源放在入耦合液晶透镜的焦平面上，入耦合液晶透镜将来自图像源的两种圆偏光准直且耦合进入光波导板中；
左旋圆偏光和右旋圆偏光在波导板中朝着相反的方向依靠全反射传播；
左旋圆偏光碰到左旋出耦合光栅后被衍射耦出波导，右旋圆偏光碰到右旋出耦合光栅后被衍射耦出波导。
所述入耦合液晶透镜为不同旋向的反射式液晶偏振透镜复用而成；所述右旋出耦合光栅和左旋出耦合光栅均为液晶偏振体光栅。
所述入耦合液晶透镜为两种不同旋向的反射式液晶偏振透镜复用而成，其对角度响应范围内的左旋、右旋圆偏振光具有不同的大衍射角，但具有相同的光焦度(能将左旋和右旋圆偏振光分别衍射偏折到不同的方向，同时对两种圆偏光产生相同的光焦度)。
所述入耦合液晶透镜位于光波导板中间。所述入耦合透镜位于波导板某一侧的中间位置，被衍射的两种圆偏光分别在波导板中向左、向右传播(衍射角大于波导板的全内反射角)，左旋圆偏光遇到左旋出耦合光栅后被衍射，衍射光不满足全内反射条件被耦出进入人眼，右旋圆偏光遇到右旋出耦合光栅后被衍射，衍射光不满足全内反射条件被耦出进入另一只人眼。
所述右旋出耦合光栅和左旋出耦合光栅均为PVG。即，右旋出耦合光栅PVG-R和左旋出耦合光栅PVG-L分别响应波导中传输的右旋圆偏光和左旋圆偏光。
所述波导显示器件的制备方法为：在基板上旋涂光定向层，经分区域干涉曝光后多次旋涂、固化含左旋手性分子的反应性液晶至一定厚度后再旋涂、固化含右旋手性分子的反应性液晶至一定厚度，其中左旋和右旋液晶的旋涂顺序可以改变。
所述分区域干涉曝光时入耦合透镜、左旋出耦合光栅和右旋出耦合光栅的曝光光路中两干涉光束的夹角相同，其中入耦合透镜在曝光光路的一路中加入模板透镜。
本发明提供的双眼波导显示方法通过使用反射式偏振复用液晶透镜作为波导耦入元件，可以省略传统波导系统中的准直透镜部分，并且根据图像源的偏振特性，将两种圆偏光的图像分别传输到观察者的双眼。所述的反射式偏振复用液晶透镜在作为波导的入耦合元件时，将图像源(如LCD)放置在液晶透镜的焦平面上，从而可以不使用准直透镜，直接由入耦合元件将图像源发出的光变为平行光，且根据入射光的偏振该入耦合器件会将左旋和右旋圆偏光分别衍射到两个方向。
在本发明中，入耦合透镜即为反射式偏振复用液晶透镜，反射式液晶偏振透镜(rPVL)是一种同时具有光栅和透镜功能的图案化胆甾相液晶器件，在同一个光取向层上复用左旋和右旋的rPVL，即可以获得本发明使用的反射式偏振复用液晶透镜，其对不同旋向圆偏光具有不同的衍射角，同时对不同旋向圆偏光具有相同的光焦度。
本发明利用基于反射式偏振复用液晶透镜实现双目波导显示，反射式液晶透镜因为同时具有光栅、透镜功能，能够帮助省略传统波导显示系统中准直透镜的使用，从而减小体积、减轻重量，并且避免了准直透镜与入耦合元件间隙的产生，帮助改善成像质量。另外由于耦入、耦出元件均为CLC器件，整个系统的视场角、波长使用范围、光效率可以达到较高水平，且CLC器件只需要多次旋涂不同组分的液晶便可以进行复用，因此本发明的制作过程也较为简单。最后本发明利用偏振复用液晶透镜的偏振敏感性将图像根据偏振特性分离到双眼，通过对图像源进行时分复用加偏振管理，可以很方便的在双眼产生不同的图像，以实现双目立体成像或其他功能。
附图说明
图1是基于反射式偏振复用液晶透镜的波导耦合结构；
图2是液晶偏振体光栅的结构；
图3是反射式液晶透镜的曝光光路；
图4是反射式液晶透镜的表面液晶分子排列；
图5是基于反射式偏振复用液晶透镜的波导结构制作流程示意图；
图6是偏振复用时垂直于基板平面内的液晶分子排列；
其中，图1中PVG-L、PVG-R分别代表左旋出耦合光栅和右旋出耦合光栅，PVL-L、PVL-R代表复用的左旋和右旋反射式液晶透镜；图3中P为偏光器、QWP为四分之一波片、BS为分束器、M1和M2为反射镜、L为模板透镜、S为曝光样品衬底。
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，是基于反射式偏振复用液晶透镜的波导光束传输示意图，结构包括图像源、光波导板、入耦合透镜(由反射式液晶透镜PVL-L、PVL-R复用而成)、出耦合光栅PVG-L、PVG-R(均为液晶偏振体光栅)。图像源放置在入耦合透镜的焦平面上，因此图像源上不同点发出的发散光将被入耦合透镜准直成不同角度的平行光，同时入耦合透镜还具有光栅的功能，复用的PVL-L和PVL-R分别响应左旋圆偏光和右旋圆偏光，将它们以较大的角度分别衍射到波导中的两个传播方向，两种偏振的平行光在波导中依靠全反射不断传播，直到分别遇到对应偏振响应的出耦合光栅PVG-L、PVG-R，被再次衍射，此时全反射条件被打破，光束传出波导进入人眼，经晶状体聚焦后成像在视网膜上成像。
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涂有光定向层的基板以提供光轴在xz平面上的周期性旋转，光轴角度沿x轴以横向周期Λx连续变化。同时胆甾型液晶材料自身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)。如此一来被定向的液晶膜内就产生了具有倾斜角
Figure BDA0003356955790000061
的周期性折射率变化。
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等光强圆偏振光来实现的。当两束光以2θ夹角相交照射到样品表面时，干涉光场为光强均匀分布而偏振方向沿x轴周期线性变化的线偏振光，周期为Λ＝λ/2sinθ，其中λ为记录光的波长。而基板表面涂覆的光定向层可以将这种周期性的偏振方向记录下来，再通过旋涂液晶，光定向层将提供足够大的锚定力将平面内的液晶分子方向转换为同样的分布。
而纵向(y方向)的周期性由反应型液晶(Reactive Mesogen，RM)掺杂适量的手性材料提供。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)液晶分子周期性旋转。PVG中，x方向的周期Λx可以通过调整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：
Figure BDA0003356955790000062
其中p是液晶的扭曲螺距(液晶分子转动360°)。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 BDA0003356955790000071
λB是真空中的布拉格波长，
Figure BDA0003356955790000072
是光栅矢量K的倾斜角，neff是液晶的平均折射率，ΛB是布拉格周期，后两者可定义如下：
Figure BDA0003356955790000073
Figure BDA0003356955790000074
如图3所示，是反射式液晶透镜的曝光光路，由于反射式液晶透镜是外加了透镜功能的PVG，因此其曝光光路只是在PVG的光路基础上增加了一个模板透镜L，由此曝光的定向层对液晶分子的定向结果如图4所示。从图中可以看到，反射式液晶透镜的宏观上显示透镜相位分布，微观上显示光栅相位分布，即从纳米尺度来看液晶分子同PVG一样沿x轴周期性线性变化，而从毫米尺度看液晶分子整体形成抛物线式轮廓。因此制造得到的反射式液晶透镜在PVG的基础上获得了一个和模板透镜焦距、曝光波长、使用波长相关的光焦度，从而可以作为准直透镜加衍射光栅使用。
在入耦合透镜和出耦合光栅的制备过程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。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。
如图5所示，是基于反射式偏振复用液晶透镜的波导结构制作流程示意图，其具体流程如下：
(1)基板清洁：
(2)定向层溶液配制；
(3)定向层旋涂；
(4)定向层烘干；
(5)分区域曝光入耦合透镜和两个出耦合光栅；
(6)液晶混合物溶液配制；
(7)旋涂左旋液晶；
(8)紫外固化；
(10)重复旋涂直至足够厚度；
(11)旋涂右旋液晶；
(12)紫外固化；
(13)重复旋涂直至足够厚度。
其中左旋液晶和右旋液晶的旋涂顺序没有要求，另外图5中的两个出耦合光栅均旋涂了两种手性的液晶，但由于偏振选择性，额外旋涂的一种液晶不会对PVG-L和PVG-R的功能造成影响，如果在旋涂液晶时能控制区域范围，则可以在波导板上获得只含单种手性液晶的PVG和两种手性液晶复用的PVL。
如图6所示，是偏振复用时垂直于基板平面内的液晶分子分布，此时由于是微观图像，所以在平行于基板平面内液晶分子方向周期线性变化。图6中两种不同灰度的分子代表不同旋向的液晶分子，可以看到在同一取向层的定向作用下不同旋向的液晶分子层产生了不同朝向的光栅平面，因此可以将入射光按圆偏特性衍射到两个传播方向，由此完成双目成像。
如果在图1的图像源之后添加一个偏振管理装置，该装置可以将入射光改变为左旋或右旋圆偏光，将它与图像源同步控制，把图像源原来的一帧图像改为两帧，依次显示两张有双目视差的图像，同时每一帧结束时改变偏振管理器的偏振态，就可以将视差图分别传递到人的双眼之中，所以使用本发明就可以在图像源帧率足够高的情况下通过牺牲一半的帧率来产生立体视觉。
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 (6)

1.一种基于反射式偏振复用液晶透镜的双目波导显示方法，其特征在于，所述方法基于波导显示器件，包括光波导板，在光波导板同侧上设有入耦合液晶透镜、右旋出耦合光栅和左旋出耦合光栅，入耦合液晶透镜位于右旋出耦合光栅和左旋出耦合光栅之间；
所述波导显示方法包括：
图像源放在入耦合液晶透镜的焦平面上，入耦合液晶透镜将来自图像源的两种圆偏光准直且耦合进入光波导板中；
左旋圆偏光和右旋圆偏光在波导板中朝着相反的方向依靠全反射传播；
左旋圆偏光碰到左旋出耦合光栅后被衍射耦出波导，右旋圆偏光碰到右旋出耦合光栅后被衍射耦出波导。
2.根据权利要求1所述的基于反射式偏振复用液晶透镜的双目波导显示方法，其特征在于，所述入耦合液晶透镜为不同旋向的反射式液晶偏振透镜复用而成。
3.根据权利要求1所述的基于反射式偏振复用液晶透镜的双目波导显示方法，其特征在于，所述入耦合液晶透镜位于光波导板中间。
4.根据权利要求1所述的基于反射式偏振复用液晶透镜的双目波导显示方法，其特征在于，所述右旋出耦合光栅和左旋出耦合光栅均为液晶偏振体光栅。
5.根据权利要求1所述的基于反射式偏振复用液晶透镜的双目波导显示方法，其特征在于，所述图像源之后额外添加一个偏振管理装置来在双目显示不同的图像。
6.根据权利要求1-5所述的基于反射式偏振复用液晶透镜的双目波导显示方法，其特征在于，所述波导显示器件的制备方法为：在基板上旋涂光定向层，经分区域干涉曝光后多次旋涂、固化含左旋手性分子/右旋手性分子的反应性液晶至一定厚度后再旋涂、固化含右旋手性分子/左旋手性分子的反应性液晶至一定厚度；所述分区域干涉曝光步骤中入耦合透镜、左旋出耦合光栅和右旋出耦合光栅的曝光光路中两干涉光束的夹角相同，其中入耦合透镜在曝光光路的一路中加入模板透镜。
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