CN114578561B - 基于多层体光栅的大视场高亮度全息波导系统及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多层体光栅的大视场高亮度全息波导系统及制备方法，所述系统包括微像源(1)，准直系统(2)和波导单元，所述波导单元包括多层波导介质(3)和光栅复合结构；所述复合结构中光栅包括入耦合光栅和出耦合光栅，分别位于多层波导介质的同侧且存在一定的距离；所述准直系统和微像源被设置放在波导单元的同侧；多层波导介质中的两层波导介质之间由间隔物(4)支撑；采用波导介质和光栅组成的复合结构级联的方式来对不同视场下的入射角度进行衍射，各个复合结构之间相互独立，分别对一定范围内的入射角度进行衍射，实现了衍射效率的最大化；具有超大视场、高亮度、结构可扩展性等优点。
Description
技术领域
本发明属于增强现实技术(AR)领域，特别涉及一种基于多层体光栅的大视场高亮度全息波导系统和制备方法。
背景技术
近些年来，增强现实作为一种新型的信息显示技术，由于其能够将虚拟信息和人眼感知到的真实信息相结合，从而达到超越现实的感官体验，极大扩展了人类获取信息的方式，从而受到了人们广泛的关注。全息波导作为增强现实的一种技术手段，具有体积小、重量轻、成本低廉等优点，是目前AR技术的主流方案。全息波导显示系统主要由微像源芯片、准直光学系统以及衍射元件组成，其中衍射元件是全息波导组件中最重要的部分，其主要功能是将光线耦入和耦出波导介质，它的光学性能能够直接影响全息波导显示的成像质量。对于增强现实显示技术而言，视场角(FOV)和显示亮度是衡量其性能的关键指标，所以提高FOV和显示亮度对于全息波导显示系统走向应用具有十分重要的意义。
体光栅(VHG)作为应用于全息波导的一种衍射元件，在满足布拉格条件下，具有极高的单极衍射效率，较强的角度和波长选择性，和较高的透明度等优点，在增强现实领域有着巨大的应用前景。但是其较强的角度和波长选择性限制了波导系统成像的FOV，无法给使用者带来沉浸式的感官体验。
目前可扩大基于体光栅的全息波导显示系统视场角和显示亮度主要有两种方案：
第一种就是优化材料，尽可能地提高材料的折射率调制度，从而提高光栅的衍射响应带宽，达到扩大FOV的目的。但是目前对光栅材料优化有限，折射率调制度的提升仍无法满足使用者对大FOV的显示需求。
另一种就是复合光栅方案，即在同一片光栅上曝光两次，可将光栅衍射响应带宽扩展至两倍，但是由于其复用材料的折射率调制度，造成制备出来的光栅衍射效率很低，成像亮度难以满足显示需求。
因此，亟需一种新的技术方案来解决上述方案的不足之处，实现全息波导成像的大FOV、高亮度显示。
发明内容
技术问题：针对现有技术方案中的不足，本发明提供了一种基于多层体光栅的大视场高亮度全息波导系统及制备方法，具有可扩展性、大视场、高亮度等特点。
技术方案：本发明的一种基于体光栅的大视场高亮度全息波导系统包括微像源，准直系统和波导单元，所述波导单元包括多层波导介质和光栅复合结构；所述光栅复合结构中光栅包括入耦合光栅和出耦合光栅，分别位于多层波导介质的同侧且存在一定的距离；所述准直系统和微像源被设置放在波导单元的同侧；多层波导介质中的两层波导介质之间由间隔物支撑；由微像源发出的光信号通过准直系统准直后入射到波导单元的入耦合光栅，在波导单元中发生衍射-全反射-衍射后由出耦合光栅再传入人的眼睛。
所述的所述微像源包括MicroOLED、MicroLED、DLP、LCOS或LBS显示器件。
所述的光栅复合结构中每一层分别响应不同的中心波长，也即对不同视场角下的入射角度范围光线分别衍射；所述中心波长为光线在垂直于光栅平面入射下衍射效率最大值对应的波长，所述复合结构响应的中心波长由以下布拉格公式得到：
其中，λ是真空中的布拉格波长，Λ是光栅周期，是光栅条纹面的倾斜角，n是材料的平均折射率。
所述的光栅复合结构中多层波导介质为玻璃或塑料树脂材料，其中，单层波导介质和光栅复合结构衍射效率不低于70％，衍射响应波长带宽不低于15nm。
所述的波导单元中每一层复合结构之间都有间隔物存在，所述间隔物位于波导介质周边，所述间隔物厚度在1微米到50微米之间，材料为聚酯薄膜、二氧化硅微球、或Mylar片。
本发明的基于体光栅的大视场高亮度全息波导系统的波导单元制备方法为：将光栅材料通过旋涂、喷涂、涂布或灌注的方式涂覆在波导介质表面，然后经过预处理、曝光和后处理工艺制备单层波导介质和光栅的复合结构；将制备完成的单层波导介质和光栅复合结构进行层叠封装，在波导介质四周铺垫间隔物，层与层对应光栅区域之间存在一定的空气层；每一层复合结构中光栅的响应中心波长数值各不相同，构成的波导单元总衍射响应带宽是各层复合结构衍射响应带宽叠加的结果；各层复合结构通过分次变角度相干曝光，即改变参考光和物光夹角进行曝光来改变光栅响应的中心波长。
所述光栅材料包括重铬酸盐材料、丙烯酸酯光致聚合物材料、银盐材料、全息聚合物分散液晶材料或偏振体光栅材料，光栅可对偏振或者非偏振光响应。
所述预处理为：
a.预加热，启动材料内部的预交联过程；
b.将未曝光光栅材料冷冻，防止材料发生凝胶过程；
c.在曝光前需要将材料进行解冻，恢复至室温条件下。
所述曝光为分次变角度相干曝光，曝光记录波长为可见光波段或紫外波段，参考光和物光之间的夹角和光栅响应中心波长满足如下关系：
其中，n为光栅材料的平均折射率，λres为曝光记录波长，为光栅条纹面的倾斜角，λg为光栅的响应中心波长，δ为参考光和物光之间的夹角。
所述光栅响应的中心波长根据光栅在入射角度和入射波长的衍射效率响应曲线与像源光谱曲线重叠对应的入射角度范围和所需FOV大小来计算。
所述后处理过程包括加热、暗反应、紫外固化或冷藏方式中的一种或几种。
有益效果：本发明提供了一种基于多层体光栅的大视场高亮度全息波导系统和制备方法，通过设计多层独立的体光栅结构，弥补现有技术手段通过复合光栅扩大衍射响应带宽而导致衍射效率降低的问题，同时通过增加体光栅的层数来扩大衍射响应带宽从而进一步地扩大FOV，本发明具有可扩展性、大视场、高亮度等特点。
附图说明
图1为一种基于多层体光栅的全息波导显示系统。
图2(a)为单层复合结构的衍射效率曲线图，图2(b)为基于多层体光栅的全息波导衍射效率曲线图。
图3为一种基于多层体光栅的大视场高亮度全息波导制备方法。
图4(a)为单层体光栅波导显示FOV模型，图4(b)为三层体光栅波导显示FOV模型。
图5为本发明多次变角度曝光光路示意图。
图中有：微像源1，准直系统2，多层波导介质3，间隔物4，第一入耦合光栅501，第二入耦合光栅502，第三入耦合光栅503，第一出耦合光栅601，第二出耦合光栅602，第三出耦合光栅603，人眼7。
具体实施方式
为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为一种基于多层体光栅的全息波导显示系统，其中有微像源1，准直系统2，多层波导介质3，间隔物4，第一入耦合光栅501，第二入耦合光栅502，第三入耦合光栅503，第一出耦合光栅601，第二出耦合光栅602，第三出耦合光栅603。微像源发出的光线经过准直系统准之后，入射到波导单元，光线在波导单元中发生衍射-全反射-衍射后进入人眼，准直系统和微像源被设置放在波导单元的同侧。
波导单元由多层波导介质和光栅复合结构构成，如图1中的多层波导介质3，第一入耦合光栅501和第一出耦合光栅601，共同构成了复合结构。光栅可以为反射式体光栅或者透射式体光栅。
每一层复合结构对应的响应中心波长如下布拉格公式，可以通过改变光栅周期来改变光栅的响应中心波长：
其中，λ是真空中的布拉格波长，Λ是光栅周期，是光栅条纹面的倾斜角，n是材料的平均折射率。
该系统的工作原理如下：波导单元中的多层复合结构对不同的中心波长响应，如图2(a)为一层体光栅复合结构的波长响应衍射效率曲线，图2(b)为三层体光栅的波长响应衍射效率曲线，图5中的衍射效率曲线半波带宽越宽代表所能成像的FOV就越大，同时成像的亮度也就越高，利用多层复合结构可以有效提高衍射响应带宽，而不降低总的衍射效率。当有一定光谱范围的像源入射时，光线从波导中入射光栅时的角度范围为-8°到10°，由于三层光栅的响应中心波长不同，那么其对应的响应中心角度(即光线波长不变，光线经过光栅能够发生衍射的入射角度范围)也是不同的，第一层体光栅能够衍射-8°到-2°，剩余角度的光透过第一层体光栅复合结构传播到第二层体光栅结构，第二层体光栅复合结构能够衍射-2°到4°入射角度范围的像源光线，剩余的光线继续透过第二层体光栅复合结构到达第三层体光栅复合结构，第三层体光栅复合结构能够衍射剩余4°到10°入射角度范围的光线。各角度范围的像源光线经过不同的体光栅复衍射后在波导介质中传播，光线之间互不串扰，因为复合结构之前存在空气层，由于全反射条件的存在，将各自角度范围的光线限制在各自的波导介质中，然后经过出耦合光栅耦出波导，不同角度的光线在进入人眼后汇聚成一副完整的较大视场的画面。
对于单层复合结构的全息波导系统来说，该结构只能够衍射入射角度范围-3°到3°的像源光线，而采用三层复合结构可以衍射入射角度范围-8°到10°的像源光线，有效提高了波导系统的衍射响应带宽，由于各层复合结构的制备相对独立，光线的衍射效率可以保持最大化。该实施例相较于之前的方案提供了更大的视场而不降低光栅衍射效率，提高了成像的亮度。
间隔物的存在主要是避免光线发生串扰，间隔物可以为聚酯薄膜、二氧化硅微球、Mylar片或其他厚度在1微米到50微米的均匀薄片或微粒。
此外，本发明实施例将结合图3，提供一种基于多层体光栅的全息波导系统制备方法，具体地：
S10为将光栅材料通过旋涂、喷涂、涂布或者灌注的方式均匀涂覆在波导介质表面，形成未曝光的波导介质和光栅的复合结构。
具体地，光栅材料可以为重铬酸盐、丙烯酸酯基光致聚合物、银盐、全息聚合物分散液晶和偏振体光栅等能够形成体光栅的材料体系，制备完成的光栅可对偏振光或非偏振光响应。
S20、S30、S40为对复合结构的预处理过程，该过程可以为以下步骤的一种或者几种，这根据材料特性而定：
(a)预加热，启动材料内部的预交联过程；
(b)将未曝光光栅材料冷冻，防止材料发生凝胶过程，冷冻后的光栅材料可存放3到6个月；
(c)在曝光前需要将材料进行解冻，恢复至室温条件下
S10、S20、S30、S40均需要在暗室环境下进行以防止光栅材料被提前曝光而失效。
接下来，根据图4(a)、图4(b)的波导显示FOV分析模型，该模型可分析像源光谱曲线和光栅衍射效率响应曲线根据入射角度和波长变化的关系，图4(a)为单层体光栅复合结构的波导显示FOV模型，光栅的响应中心波长为532nm，通过计算光栅衍射响应效率曲线和像源光谱曲线重叠部分对应的入射角度范围来计算FOV，其对应的入射角度范围为-5°到5°，图4(b)为三层体光栅复合结构的波导显示FOV模型，其对应的重叠部分入射角度范围为-8°到10°，光栅的中心波长分别为522nm，532nm和542nm。具体地，可以通过计算光谱重叠部分对应的入射角度范围来计算波导显示FOV，并计算出对应的光栅衍射响应中心波长。
当每层复合结构的光栅中心波长参数得到后，采用分次变角度相干曝光法进行曝光。具体地通过每次改变曝光光路中参考光和物光的夹角来曝光相应中心波长的光栅。曝光光路如图5所示，为保证光栅达到最优的性能，参考光和物光的光强比为1：1。对于不同的光栅，参考光和物光之间的夹角与光栅响应中心波长满足如下关系：
其中，n为光栅材料的平均折射率，λres为曝光记录波长，为光栅条纹面的倾斜角，λg为光栅的响应中心波长，δ为参考光和物光之间的夹角。
同时，由光线再现原理可以计算出参考光和物光与复合结构之间的具体夹角。
曝光完成后，S60为对复合结构进行后处理过程，包括加热、暗反应、紫外固化和冷藏中的一种或几种。
S70为对所制备的多层复合结构进行封装，用间隔物对每层结构进行隔垫，保证层与层对应光栅区域之间存有一定的空气层，防止光栅传播过程中发生串扰。
采用本发明实施例的制备方法所得的单层波导介质和光栅复合结构衍射效率不低于70％，衍射响应波长带宽不低于15nm。
各层复合结构可通过分次变角度相干曝光，即改变参考光和物光夹角进行曝光来改变光栅响应的中心波长。
所述光栅响应的中心波长可以根据光栅衍射效率在入射角度和入射波长的响应曲线与像源光谱曲线重叠对应的入射角度范围和所需FOV大小来计算。
所述后处理过程包括加热、暗反应、紫外固化和冷藏等方式中的一种或几种。
所述单层波导介质和光栅复合结构衍射效率不低于70％，衍射响应波长带宽不低于15nm。
值得补充的是，该发明实施例提供的一种基于多层体光栅的全息波导制备方法曝光过程的记录波长可以为可见光波段或紫外波段，具体根据光栅中心波长而定。本发明实施例至描述了一种基于三层体光栅的波导显示系统和制备方法，两层或者更多层体光栅的波导显示系统结构和制备方法等，在上述技术方案的基础上做出的等同替换或者替代均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于体光栅的大视场高亮度全息波导系统，其特征在于所述系统包括微像源(1)，准直系统(2)和波导单元，所述波导单元包括多层波导介质(3)和光栅复合结构；所述光栅复合结构中光栅包括入耦合光栅和出耦合光栅，分别位于多层波导介质(3)的同侧且存在一定的距离；所述准直系统(2)和微像源(1)被设置放在波导单元的同侧；多层波导介质(3)中的两层波导介质之间由间隔物(4)支撑；由微像源(1)发出的光信号通过准直系统(2)准直后入射到波导单元的入耦合光栅，在波导单元中发生衍射-全反射-衍射后由出耦合光栅再传入人的眼睛；
所述的微像源(1)包括MicroOLED、MicroLED、DLP、LCOS或LBS显示器件；
所述的光栅复合结构中每一层分别响应不同的中心波长，也即对不同视场角下的入射角度范围光线分别衍射；所述中心波长为光线在垂直于光栅平面入射下衍射效率最大值对应的波长，所述复合结构响应的中心波长由以下布拉格公式得到：
其中，λ是真空中的布拉格波长，Λ是光栅周期，是光栅条纹面的倾斜角，n是材料的平均折射率；
所述的光栅复合结构中多层波导介质(3)为玻璃或塑料树脂材料，其中，单层波导介质和光栅复合结构衍射效率不低于70％，衍射响应波长带宽不低于15nm；
所述的波导单元中每一层复合结构之间都有间隔物(4)存在，所述间隔物(4)位于波导介质周边，所述间隔物(4)厚度在1微米到50微米之间，材料为聚酯薄膜、二氧化硅微球、或Mylar片。
2.一种如权利要求1所述的基于体光栅的大视场高亮度全息波导系统的波导单元制备方法，其特征在于该制备方法为：将光栅材料通过旋涂、喷涂、涂布或灌注的方式涂覆在波导介质表面，然后经过预处理、曝光和后处理工艺制备单层波导介质和光栅的复合结构；将制备完成的单层波导介质和光栅复合结构进行层叠封装，在波导介质四周铺垫间隔物，层与层对应光栅区域之间存在一定的空气层；每一层复合结构中光栅的响应中心波长数值各不相同，构成的波导单元总衍射响应带宽是各层复合结构衍射响应带宽叠加的结果；各层复合结构通过分次变角度相干曝光，即改变参考光和物光夹角进行曝光来改变光栅响应的中心波长。
3.根据权利要求2所述的基于体光栅的大视场高亮度全息波导系统的波导单元制备方法，其特征在于所述光栅材料包括重铬酸盐材料、丙烯酸酯光致聚合物材料、银盐材料、全息聚合物分散液晶材料或偏振体光栅材料，光栅可对偏振或者非偏振光响应。
4.根据权利要求2所述的基于体光栅的大视场高亮度全息波导系统的波导单元制备方法，其特征在于所述预处理为：
a.预加热，启动材料内部的预交联过程；
b.将未曝光光栅材料冷冻，防止材料发生凝胶过程；
c.在曝光前需要将材料进行解冻，恢复至室温条件下。
5.根据权利要求4所述的基于体光栅的大视场高亮度全息波导系统的波导单元制备方法，其特征在于所述曝光为分次变角度相干曝光，曝光记录波长为可见光波段或紫外波段，参考光和物光之间的夹角和光栅响应中心波长满足如下关系：
其中，n为光栅材料的平均折射率，λres为曝光记录波长，为光栅条纹面的倾斜角，λg为光栅的响应中心波长，δ为参考光和物光之间的夹角。
6.根据权利要求2所述的基于体光栅的大视场高亮度全息波导系统的波导单元制备方法，其特征在于所述光栅响应的中心波长根据光栅在入射角度和入射波长的衍射效率响应曲线与像源光谱曲线重叠对应的入射角度范围和所需FOV大小来计算。
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