CN114325938A - 一种基于液晶偏振体光栅的单层波导显示片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于液晶偏振体光栅的单层波导显示片：包括单层玻璃基板、直接布设在单层玻璃基板同侧的入耦合光栅和出耦合光栅，入耦合光栅将光束耦合进入光波导，并使光束在光波导中发生内全反射传输至出耦合光栅，在出耦合光栅处耦合出射，射入人眼；其制备方法为：先在涂覆有光取向膜的玻璃基板的出/入耦合区域进行第一次曝光，之后将玻璃基板旋转180°，在入/出耦合区域进行第二次曝光，在两次曝光完之后的基板上继续旋涂液晶聚合物，得到单层波导显示片。本发明提供的单层波导显示片玻璃基板由两片减少为一片，使波导的厚度和重量大大减小，提高了轻便性，同时很好地解决了玻璃边缘处漏光散射和厚度过大的问题，提高了光能传输效率。
Description
技术领域
本发明涉及波导显示技术领域，具体涉及一种基于液晶偏振体光栅的单层波导显示片的制备方法。
背景技术
近期以来，“元宇宙”(metaverse)的概念受到热捧，其中meta意为超越，verse意为宇宙，即“超越宇宙”的概念：一个与现实世界平行运行的虚拟世界，人们可以在其中社交和工作。全球科技巨头谷歌、脸书、微软等公司纷纷布局元宇宙，并号称元宇宙将是互联网发展的下一个阶段，它代表着人类对未来科技发展和生活的美好愿景。增强现实(AugmentedReality，AR)技术作为元宇宙的关键技术，近年来已经取得了很多的技术积累，谷歌眼镜、微软HoloLens和华为VR Glass等新型显示器在教育、医疗、游戏娱乐等领域均得到了广泛的应用。
增强现实技术在教育、医疗、游戏娱乐等领域越来越被广泛应用。波导式增强现实技术因为其体积较小、轻便、出瞳可扩展等方面的优势，成为目前被广泛采用的增强现实显示系统技术方案。而波导耦合器件作为其中最关键的光学元件直接决定了波导显示系统的显示效果。液晶偏振体光栅(PVG)作为一种新型的波导耦合器件，因为其较大的角度响应带宽、高效率、低散射、高透光率、低噪音以及制备工艺简单的特点，最近也引起了相关领域研究人员的关注。
传统的基于PVG的双层波导显示片如图1所示(Yin K,Lin H Y,Wu S T.Chirpedpolarization volume grating for wide FOV and high efficiency waveguide-basedAR displays[J].Journal of the Society for Information Display,2020,28(4).)，传统的方法是将入耦合光栅2和出耦合光栅3分别制备在两块玻璃基板(4、5)上，再将制备有出、入耦合光栅的玻璃基板贴在第三块玻璃基板1上，传统方法的缺点是因为当光线在波导(玻璃基板)中全内反射传输时，全内反射可能发生在或接近于到黏贴处的边缘(edge)处，导致光能在边缘处的漏光和散射，从而使成像均匀性较差和清晰度降低。而且，这种方法需要两层三片玻璃，这不仅提高了制备成本，同时也使使波导的厚度和重量大大增加，不符合AR显示设备对轻便性的要求。
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单层波导显示片及其制备方法，玻璃基板由两片减少为一片，使波导的厚度和重量大大减小，提高了轻便性，同时很好地解决了玻璃边缘处漏光散射和厚度过大的问题，提高了光能传输效率。
本发明提供如下技术方案：
一种基于液晶偏振体光栅(PVG)的单层波导显示片，所述单层波导显示片包括单层玻璃基板、直接布设在单层玻璃基板同侧的入耦合光栅和出耦合光栅，入耦合光栅将光束耦合进入光波导，并使光束在光波导中发生内全反射传输至出耦合光栅，在出耦合光栅处耦合出射，射入人眼。
本发明还提供了一种基于液晶偏振体光栅(PVG)的单层波导显示片的制备方法包括：在单层玻璃基板上先旋涂光取向膜，在涂覆有光取向膜的玻璃基板的出耦合区域进行第一次曝光，之后将玻璃基板旋转180°，在入耦合区域进行第二次曝光，出耦合区域、入耦合区域的曝光先后顺序可以调换。在所述两次曝光完之后的基板上继续旋涂液晶聚合物，将液晶聚合物放在紫外灯下固化后，即在出、入耦合区域分别形成出、入耦合PVG，此时即可得到基于液晶偏振体光栅的单层波导显示片。
本发明提供的单层波导显示片只需要一层玻璃基板，在出、入耦合区域曝光后继续旋涂液晶聚合物，将液晶聚合物紫外固化后，即在出、入耦合区域分别形成出、入耦合PVG。其中，单层玻璃基板旋转180°是以y方向为旋转轴旋转180°，在x与z方向上不旋转。
本发明制备的单层波导显示片的入耦合光栅的光栅矢量
出耦合光栅的光栅矢量
满足的条件为：
所述入耦合光栅和出耦合光栅的液晶分子旋向保持相同。所述入耦合光栅和出耦合光栅均为左手旋向或均为右手旋向。
本发明还提供了一种基于液晶偏振体光栅的单层波导一维扩瞳显示，所述单层波导一维扩瞳显示包括单层玻璃基板、直接布设在单层玻璃基板同侧的入耦合光栅和出耦合光栅，入耦合光栅将光束耦合进入光波导，并使光束在光波导中发生内全反射传输至出耦合光栅，在出耦合光栅处耦合出射，射入人眼；其中，出耦合光栅的面积大于入耦合光栅。
本发明还提供了一种单层波导一维扩瞳显示的制备方法，包括：在单层玻璃基板上旋涂光取向膜，在涂覆有光取向膜的玻璃基板的出耦合区域或入耦合区域进行第一次曝光，之后将单层玻璃基板旋转180°，在入耦合区域或出耦合区域进行第二次曝光，在两次曝光完之后的基板上继续旋涂液晶聚合物，旋涂液晶聚合物后的玻璃基板放在紫外灯下进行固化后即可得到基于液晶偏振体光栅的单层波导显示片；其中出耦合区域的曝光面积大于入耦合区域的曝光面积。
制备得到的单层波导显示片的入耦合光栅的光栅矢量
出耦合光栅的光栅矢量
满足的条件为：
所述入耦合光栅和出耦合光栅的液晶分子旋向保持相同。所述入耦合光栅和出耦合光栅均为左手旋向或均为右手旋向。
本发明在单片的玻璃基板上制备出了基于PVG的波导显示片，其优点在于于厚度较小、重量较轻、光能传输效率较大。传统的PVG的双层波导显示片需要两层三片玻璃，这不仅提高了制备成本，同时也使波导的厚度和重量大大增加，不符合AR显示设备对轻便性的要求。除此之外，在玻璃粘合边缘处易产生光能的泄露和散射，从而使成像均匀性较差和清晰度降低。因此，本发明提供的基于液晶偏振体光栅的单层波导显示片及其制备方法能有效解决传统方法带来的问题，大大改善了PVG波导片的制备效率，为PVG发展成为新一代的波导AR系统耦合元件提供强有力的支持解决了传统基于PVG的双层波导显示片厚度大、重量重、光能泄露散射、成像均匀性较差和清晰度降低等问题，。
附图说明
图1是传统的基于PVG的双层波导显示片结构；
图2是基于PVG的单层波导显示片结构；
图3是基于PVG的单层波导显示片曝光方法；
图4是基于PVG的单层波导显示片的光栅矢量分布图；
图5是基于PVG的单层波导一维扩瞳显示片的结构示意图；
图6是基于PVG的单层波导一维扩瞳显示片的曝光方法；
图7是基于PVG的单层波导一维扩瞳显示片的光束复制效果实物图；
其中，1-玻璃基板、2-入耦合光栅、3-出耦合光栅、4-入耦合玻璃基板、5-出耦合玻璃基板。
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，是传统的基于PVG的双层波导显示片结构，包括玻璃基板1、入耦合光栅2、出耦合光栅3、入耦合玻璃基板4、出耦合玻璃基板5，入耦合光栅2和出耦合光栅3都是液晶偏振体光栅，入耦合光栅2将光束耦合进入光波导，并使光束在光波导中发生内全反射传输至出耦合光栅3，在出耦合光栅3处耦合出射，射入人眼。入耦合光栅2和出耦合光栅3分别制备在两块玻璃基板(4、5)上，再将制备有出、入耦合光栅的玻璃基板贴在第三块玻璃基板1上。
从图1中可以看到：传统的基于PVG的双层波导显示片结构的缺点是当光线在波导(玻璃基板)中全内反射传输时，全内反射可能发生在或接近于到黏贴处的边缘(edge)处，导致光能在边缘处的漏光和散射，从而使成像均匀性较差和清晰度降低。而且，这种方法需要两层三片玻璃，这不仅提高了制备成本，同时也使使波导的厚度和重量大大增加，不符合AR显示设备对轻便性的要求。
如图2所示，是本发明提供的基于PVG的单层波导显示片结构，包括玻璃基板1、入耦合光栅2、出耦合光栅3，入耦合光栅2将光束耦合进入光波导，并使光束在光波导中发生内全反射传输至出耦合光栅3，在出耦合光栅3处耦合出射，射入人眼。基于PVG的单层波导显示片上的PVG是在同一片玻璃基板上，相比于传统的基于PVG的双层波导显示片的三片玻璃结构，单层波导显示片只有一片玻璃，这除了大大减少了体积厚度和质量外，还能避免光能的泄露和散射，这大大提升了光能传输的效率。
图3是基于PVG的单层波导显示片曝光方法，液晶偏振体光栅的衍射特性是通过液晶分子周期性变化实现的，其中横向周期是通过光取向层上的定向张力对液晶分子的锚定实现的，而光取向层的定向张力是通过圆偏振全息曝光方法完成的。基于PVG的单层波导显示片上同时要制备出耦合光栅、入耦合光栅，则需要对涂覆有光取向层的玻璃基板进行曝光。首先对涂覆有光取向膜的玻璃基板的出耦合区域进行第一次曝光，之后将玻璃基板旋转180°，在入耦合区域进行第二次曝光，玻璃基板旋转180°是以y方向为旋转轴旋转180°，在x与z方向上不旋转，其中出、入耦合区域的曝光先后顺序可以调换，如此便能实现出、入耦合液晶偏振体光栅的横向周期的对称。在两次曝光完之后的基板上继续旋涂液晶聚合物，将液晶聚合物放在紫外灯下固化后，即在出、入耦合区域分别形成出、入耦合PVG，此时即可得到基于液晶偏振体光栅的单层波导显示片。
图4是单层波导显示片的入耦合光栅的光栅矢量
出耦合光栅的光栅矢量
的分布图，制备好之后的出、入耦合光栅的光栅矢量应该满足的满足的条件为：
图5展示了基于PVG的单层波导一维扩瞳显示片的结构示意图，在传统的目视光学系统，视场范围和出瞳尺寸受到拉格朗日不变式的限制，两者成反比关系，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，我们往往利用波导传输过程中出瞳的复制与扩展来实现。基于PVG的单层波导显示片同样也可以实现出瞳在一维方向的复制，图5基于PVG的单层波导一维扩瞳显示片的结构包括玻璃基板(光波导)1、入耦合光栅2和出耦合光栅3，入耦合光栅2和出耦合光栅3都是PVG，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3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3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。
为了实现基于PVG的单层波导一维扩瞳显示，同样要对涂覆有光取向层的玻璃基板进行圆偏振全息曝光，图6是基于PVG的单层波导一维扩瞳显示片的曝光方法，与图3所述类似，首先对涂覆有光取向膜的玻璃基板的出耦合区域进行第一次曝光，之后将玻璃基板旋转180°，在入耦合区域进行第二次曝光，玻璃基板旋转180°是以y方向为旋转轴旋转180°，在x与z方向上不旋转，其中出、入耦合区域的曝光先后顺序可以调换。这里需要注意，此时出耦合区域的曝光面积要大于入耦合区域，具体大小可以根据实际需要进行设置。在两次曝光完之后的基板上继续旋涂液晶聚合物，将液晶聚合物放在紫外灯下固化后，即在出、入耦合区域分别形成出、入耦合PVG，此时即可得到基于液晶偏振体光栅的单层波导一维扩瞳显示片。
图7展示了基于PVG的单层波导一维扩瞳显示片的光束复制效果实物图，选择532nm的左旋圆偏振光输入设计制备完成后的单层波导片，包括玻璃基板1、入耦合光栅2和出耦合光栅3，入耦合光栅2和出耦合光栅3分别被方框框出，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3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3时并再次耦合导出射，图中可以看到在出耦合光栅3区域实现了光束的复制。
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)
1.一种基于液晶偏振体光栅的单层波导显示片，其特征在于，所述单层波导显示片包括单层玻璃基板、直接布设在单层玻璃基板同侧的入耦合光栅和出耦合光栅，入耦合光栅将光束耦合进入光波导，并使光束在光波导中发生内全反射传输至出耦合光栅，在出耦合光栅处耦合出射，射入人眼。
2.根据权利要求1所述的基于液晶偏振体光栅的单层波导显示片，其特征在于，当出耦合光栅的面积大于入耦合光栅的面积，所述单层波导显示片为单层波导一维扩瞳显示。
3.一种权利要求1-2任一所述的基于液晶偏振体光栅的单层波导显示片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
在单层玻璃基板上旋涂光取向膜，在涂覆有光取向膜的玻璃基板的出耦合区域或入耦合区域进行第一次曝光，之后将单层玻璃基板旋转180°，在入耦合区域或出耦合区域进行第二次曝光，在两次曝光完之后的基板上继续旋涂液晶聚合物，旋涂液晶聚合物后的玻璃基板放在紫外灯下进行固化后即可得到基于液晶偏振体光栅的单层波导显示片。
4.根据权利要求3所述的基于液晶偏振体光栅的单层波导显示片的制备方法，其特征在于，制备得到的单层波导显示片的入耦合光栅的光栅矢量
出耦合光栅的光栅矢量
满足的条件为：
5.根据权利要求3所述的基于液晶偏振体光栅的单层波导显示片的制备方法，其特征在于，所述入耦合光栅和出耦合光栅的液晶分子旋向保持相同。
6.根据权利要求3所述的基于液晶偏振体光栅的单层波导显示片的制备方法，其特征在于，当出耦合区域的曝光面积大于入耦合区域的曝光面积，制备得到的单层波导显示片为单层波导一维扩瞳显示。
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