CN114879299A - 一种改善成像均匀性的彩色波导显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善成像均匀性的彩色波导显示装置，包括波导介质，波导介质的表面设置入耦合光栅、左旋偏振体全息液晶光栅和右旋偏振体全息液晶光栅；波导介质用于将入射光进行全反射；左旋偏振体全息液晶光栅、右旋偏振体全息液晶光栅周期性排列；入耦合光栅、左旋偏振体全息液晶光栅、右旋偏振体全息液晶光栅的横向周期一致，其内部的液晶分子均具有三维周期性旋转结构；左旋偏振体全息液晶光栅、右旋偏振体全息液晶光栅的效率按公式设置。本发明的偏振体全息光栅具有高衍射效率，低成本，制备简单的特点，利用不同偏振响应的PVG阵列组成出耦合光栅区域，从而来改善传统全息波导显示装置的出瞳均匀性。

Description

一种改善成像均匀性的彩色波导显示装置

技术领域

本发明涉及彩色波导显示装置，具体为一种改善成像均匀性的彩色波导显示装置。

背景技术

增强现实（AR）已经成为一种信息显示技术的重要手段。相较于AR技术的网络、算法、内容来说，AR技术最基本的显示器件仍存在诸多发展困难，显示模组的显示质量、体积、重量、成本、量产能力与人们的需求仍存在的较大的距离。

相较于基于几何光学原理的近眼显示，衍射波导方案的一大优势是可以打破拉格朗日光学不变式中视场范围和出瞳大小的反比关系，实现出瞳扩展功能，从而获得较大的出瞳。出瞳大小与人眼的移动范围、佩戴舒适度、应用场景都有着密切的关系。虽然目前衍射光波导可以获得较大出瞳，但出瞳均匀性方面却不令人满意。

出瞳不均匀可以分为两个方面，一是不同视场角度出瞳的不均匀性。即由于不同视场角度下光栅衍射效率的差别，以及不同视场角度在波导内传输角度（全反射间隔）的不同，人眼在出瞳位置所观察到的图像往往存在亮度、色彩的分裂或者不均匀等现象。另一方面，出瞳扩展伴随着光束在出耦合光栅的不同空间位置发生多次的衍射、导出过程，需要根据光束的传播路径和衍射次数平衡不同出瞳位置处的光栅衍射效率才能保证整个出耦合光栅面的出瞳均匀性。

作为波导耦合光栅，偏振体全息液晶光栅（PVG）在性能、制备难度等多个方面可以更好的满足衍射光波导成像技术的要求，并且其同时表现出体光栅布拉格衍射以及PB相位光栅的偏振选择性。

现有的彩色波导显示存在出瞳不均匀、成像视场角较小、串扰的问题亟待解决。在常规的衍射波导中，由于出耦合效率单一，或不采取别的效率补偿方法，会使得后面的出瞳亮度越来越低，导致出瞳的不均匀。在近眼显示领域彩色微像源的制造，存在着较多的限制。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种成本较低、衍射效率高的改善成像均匀性的彩色波导显示装置。

技术方案：本发明所述的一种改善成像均匀性的彩色波导显示装置，包括波导介质，波导介质的表面设置入耦合光栅、左旋偏振体全息液晶光栅和右旋偏振体全息液晶光栅；波导介质用于将入射光进行全反射；左旋偏振体全息液晶光栅、右旋偏振体全息液晶光栅周期性排列；入耦合光栅、左旋偏振体全息液晶光栅、右旋偏振体全息液晶光栅的横向周期一致，其内部的液晶分子均具有三维周期性旋转结构；左旋偏振体全息液晶光栅、右旋偏振体全息液晶光栅的效率按如下公式设置：

其中，m是第m个左旋偏振体全息液晶光栅或第m个右旋偏振体全息液晶光栅，M是左旋偏振体全息液晶光栅的数量或右旋偏振体全息液晶光栅的数量，η _m 是第m个左旋偏振体全息液晶光栅的效率或第m个右旋偏振体全息液晶光栅的效率。本发明创新性地利用偏振体全息液晶光栅的偏振特性，在出耦合区域设置不同偏振的PVG从而提高波导的出瞳扩展过程中的均匀性。

进一步地，波导介质是折射率为1.5~2.2、透过率为90%以上的光学玻璃或树脂玻璃。

在常规的衍射波导中，由于出耦合效率单一，会使得后面的出瞳亮度越来越低，导致出瞳的不均匀。因此需要在后面部分的出瞳进行效率补偿。左旋偏振体全息液晶光栅、右旋偏振体全息液晶光栅的数量比为n:1，右旋偏振体全息液晶光栅覆盖在左旋偏振体全息液晶光栅上，且覆盖左旋偏振体全息液晶光栅的后1/n区域处。由于在复制传播的过程中，在到达左旋偏振体全息液晶光栅的后1/n区域处，光束中左旋偏振分量所剩能量较低，此时采用右旋偏振体全息液晶光栅进行补偿，将提高出瞳的均匀性。

进一步地，左旋偏振体全息液晶光栅、右旋偏振体全息液晶光栅在波导介质上的投影面积相等。

进一步地，入耦合光栅包括左旋PVG和右旋PVG，两者互相堆叠或并排放置，能够衍射两种不同旋向的偏振光。

为扩大波导显示的最终成像视场角，入耦合光栅包括第一入耦合光栅、第二入耦合光栅、第三入耦合光栅中的一种或多种，用于衍射红光、蓝光、绿色中的一种或多种。波导介质沿垂直方向设置多个时，相邻波导介质间为空气层。第一入耦合光栅、第二入耦合光栅、第三入耦合光栅在垂直于波导介质的方向上不重合。将不同波长置于不同波导介质内进行传播，中间设置空气，从而避免了串扰的问题，并且提高了视场角。

为进一步提高视场角，利用PVG偏振特性，入耦合光栅包括第一入耦合光栅、第二入耦合光栅，分别用于衍射左视场的光束和右视场的光束，波导介质包括第一波导、第二波导，第一波导、第二波导间为空气层，避免的串扰的问题，第一波导的表面设置左旋偏振体全息液晶光栅和右旋偏振体全息液晶光栅。波导介质堆叠在一起时，衍射不同波段光束的入耦合光栅在垂直于波导介质的方向上不重合。根据布拉格公式计算合适的光栅周期，分别将左视场和右视场的光衍射导入波导，实现大视场彩色均匀出瞳波导显示。

进一步地，入耦合光栅的入射圆偏振光束与左旋偏振体全息液晶光栅或右旋偏振体全息液晶光栅的内部液晶分子扭曲螺旋方向相同时，产生单级布拉格衍射。入耦合光栅的入射圆偏振光束与左旋偏振体全息液晶光栅或右旋偏振体全息液晶光栅的内部液晶分子扭曲螺旋方向相反时，布拉格衍射无法发生，直接透过左旋偏振体全息液晶光栅或右旋偏振体全息液晶光栅，并保持偏振不变。

进一步地，不同波长的光束可以由一个微像源发出，也可以由多个微像源发出不同波段的光束，并配合入耦合光栅区域水平放置结构，实现彩色效果。将不同波长的光束分成多通道或单一通道，利用上述的出耦合均匀出瞳控制方法，从而实现彩色均匀出瞳效果。

工作原理：利用波导耦合器件，将来自光机的光导入波导介质进行全反射，进行复制与扩展的同时衍射至人眼，实现光束的出瞳扩展。在出耦合光栅区域处，PVG作为出耦合光栅，PVG阵列组成出耦合光栅区域，在大出瞳的情况下实现均匀出瞳。

有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：

1、偏振体全息光栅（PVG）具有高衍射效率，低成本，制备简单的特点，利用不同偏振响应的PVG阵列组成出耦合光栅区域，从而来改善传统全息波导显示装置的出瞳均匀性；

2、提出一种偏振体全息液晶光栅效率的计算公式，有利于进一步调控出瞳均匀性；

3、右旋PVG覆盖在左旋PVG的后1/n区域处，采用右旋PVG进行补偿，有利于提高出瞳的均匀性；

4、左旋偏振体全息液晶光栅、右旋偏振体全息液晶光栅的周期一致，能够保证色散曲线的一致性；

5、在微像源处将入射光束分成左视场和右视场两部分，左旋PVG和右旋PVG不发生串扰，可以获得两倍视场角。

附图说明

图1是本发明左旋偏振体全息液晶光栅3的效率控制示意图；

图2是本发明实施例1、8的结构示意图；

图3是本发明实施例1入耦合光栅2的结构示意图；

图4是本发明实施例1的主视图；

图5是本发明左旋偏振体全息液晶光栅3的偏振特性响应示意图；

图6是本发明右旋偏振体全息液晶光栅4的偏振特性响应示意图；

图7是本发明实施例2的结构示意图；

图8是本发明实施例3的结构示意图；

图9是本发明实施例4的结构示意图；

图10是本发明实施例5的结构示意图；

图11是本发明实施例5的主视图；

图12是本发明实施例6的主视图；

图13是本发明实施例7的主视图；

图14是本发明实施例9的主视图；

图15是本发明实施例10的主视图；

图16是本发明实施例11的主视图；

图17是本发明实施例12的主视图；

图18是本发明实施例13的主视图；

图19是本发明实施例14的主视图；

图20是本发明实施例15的主视图。

具体实施方式

以下各实施例中，以垂直于波导介质1的方向为z轴，波导介质1的长边所在直线为x轴，波导介质1的段边所在直线为y轴。入耦合光栅2由不同偏振响应的偏振体全息液晶光栅依次排列。波导介质1是折射率为1.5~2.2、透过率为90%以上的光学玻璃或树脂玻璃。

为了控制大出瞳情况下的成像均匀性，需要对出耦合光栅区域进行效率调控，如图1，分成了m个区域，每一区域的效率不同。第m个左旋偏振体全息液晶光栅3的效率按照如下公式计算得到：

其中，m是第m个左旋偏振体全息液晶光栅3，M是左旋偏振体全息液晶光栅3的数量，η _m 是第m个左旋偏振体全息液晶光栅3的效率。如图6，出耦合光栅为右旋偏振体全息液晶光栅4时，也按照该公式进行效率设计。左旋偏振体全息液晶光栅3、右旋偏振体全息液晶光栅4不管分别分成几个区域，均按照该公式进行效率划分。

实施例1

如图2~4，彩色波导显示装置包括波导介质1、入耦合光栅2、出耦合光栅区域。出耦合光栅区域由两种不同偏振响应的光栅组成，是左旋偏振体全息液晶光栅3、右旋偏振体全息液晶光栅4按1:1排列，即左旋偏振体全息液晶光栅3在波导介质1上的投影面积与右旋偏振体全息液晶光栅4在波导介质1上的投影面积相等，左旋偏振体全息液晶光栅3、右旋偏振体全息液晶光栅4的效率均为1。分别可以衍射波导内的左旋偏振光束6以及右旋偏振光束7。此处，左旋偏振体全息液晶光栅3、右旋偏振体全息液晶光栅4的顺序可以调换，当仍按照1:1排列。入射光为单一波段或者多波段。

入耦合光栅2衍射光机射出的光束5并导入波导介质1，为保证出瞳效率，入耦合光栅2应当衍射两种不同旋向的偏振光。左旋偏振体全息液晶光栅3、右旋偏振体全息液晶光栅4保持z方向的一致，效率优选为1。入耦合光栅2由相同大小、叠合在一起的左旋PVG201、右旋PVG202组成，左旋PVG201、右旋PVG202与左旋偏振体全息液晶光栅3、右旋偏振体全息液晶光栅4的光栅周期应保持一致。

图4即图2的xz面图，当一束含有左旋、右旋的光束5被衍射，进入波导介质1发生全反射，经过左旋偏振体全息液晶光栅3后，光束5中左旋偏振光被衍射出波导，右旋偏振光继续传输，在经过右旋偏振体全息液晶光栅4后，右旋偏振光被衍射出波导。在基于PVG的波导常规出瞳扩展中，若是出耦合光栅只放置一种偏振响应的PVG，较常规出瞳扩展，能够显著提高出瞳的均匀性。

当入射圆偏振光束5与PVG（偏振体全息液晶光栅）内部的液晶分子扭曲螺旋方向相同时，可以产生高效的单级布拉格衍射。当入射光束5与PVG内部液晶分子扭曲螺旋方向相反时，布拉格衍射将无法发生，直接透过PVG并保持偏振不变。如图5，当含有左旋、右旋偏振的光束5进入左旋偏振体全息液晶光栅3，左旋偏振光束6产生布拉格衍射，右旋偏振光束7直接透过。如图6，进入右旋偏振体全息液晶光栅4时，右旋偏振光束7产生布拉格衍射，左旋偏振光束6直接透过。

实施例2

如图7，本实施例中的其余设置与实施例1均相同，区别仅仅在于：出耦合光栅区域由左旋偏振体全息液晶光栅3、右旋偏振体全息液晶光栅4按1:1:1:1的方式交替间隔排列，该比例为左旋偏振体全息液晶光栅3或右旋偏振体全息液晶光栅4在波导介质1上的投影面积之比。左旋偏振体全息液晶光栅3的效率自左向右的效率依次为1/2、1，右旋偏振体全息液晶光栅4自左向右的效率依次为1/2、1。在波导介质1内传输的光束首先经过第一个左旋偏振体全息液晶光栅3和第一个右旋偏振体全息液晶光栅4，将衍射50%左旋偏振光束、50%右旋偏振光束，经过第二个左旋偏振体全息液晶光栅3和第一个右旋偏振体全息液晶光栅4，将剩余50%左旋偏振光束、50%右旋偏振光束衍射至人眼。

实施例3

如图8，本实施例中的其余设置与实施例1均相同，区别仅仅在于：出耦合光栅区域由左旋偏振体全息液晶光栅3、右旋偏振体全息液晶光栅4按1:1:1:1:1:1的方式交替间隔排列，该比例为左旋偏振体全息液晶光栅3或右旋偏振体全息液晶光栅4在波导介质1上的投影面积之比。左旋偏振体全息液晶光栅3的效率自左向右的效率依次为1/3、1/2、1，右旋偏振体全息液晶光栅4自左向右的效率依次为1/3、1/2、1。

实施例4

在常规的衍射波导中，由于出耦合效率单一，会使得后面的出瞳亮度越来越低，导致出瞳的不均匀。因此需要在后面部分的出瞳进行效率补偿。如图9，本实施例中的其余设置与实施例1均相同，区别仅仅在于：左旋偏振体全息液晶光栅3、右旋偏振体全息液晶光栅4以n:1的方式排列，该比例为左旋偏振体全息液晶光栅3或右旋偏振体全息液晶光栅4在波导介质1上的投影面积之比。右旋偏振体全息液晶光栅4覆盖在左旋偏振体全息液晶光栅3的后1/n区域处。本实施例中n=3，可根据光束宽度与传播周期进行设定。左旋偏振体全息液晶光栅3、右旋偏振体全息液晶光栅4的效率均为1。

进入波导介质1的光束首先被左旋偏振体全息液晶光栅3衍射左旋偏振光束，在到达左旋偏振体全息液晶光栅3的后1/3处，由于复制传播，光束中的左旋偏振分量所剩能量较低，此时，采用右旋偏振体全息液晶光栅4进行补偿，将提高出瞳的均匀性。

实施例5

如图10~11，本实施例中的其余设置与实施例1均相同，区别仅仅在于：入耦合光栅2包括左旋PVG201和右旋PVG202，两者由竖向堆叠改为水平放置。左旋PVG201、右旋PVG202分别衍射来自两个光机的光束5，两个光机发出的光束5分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，光束5进入波导介质1后，再经过不同偏振响应的左旋偏振体全息液晶光栅3和右旋偏振体全息液晶光栅4衍射出波导介质1。

上述实施例均是在单一波段下实现波导显示，全彩的波导显示也是必要的。

实施例6

如图12，设置三组实施例1的彩色波导显示装置，自上而下分别为第一波导11、第二波导12、第三波导13，第一波导11为红色波导，第一波导11为绿色波导，第三波导13为蓝色波导。将红色波导、绿色波导、蓝色波导分别独立放置，中间隔空气层。红色波导的第一入耦合光栅21由红色PVG组成，出耦合区域为1：1的第一左旋偏振体全息液晶光栅31和第一右旋偏振体全息液晶光栅41，可以衍射红色左旋偏振光束和红色右旋偏振光束。绿色波导的第二入耦合光栅22由绿色PVG组成，出耦合区域为1：1的第二左旋偏振体全息液晶光栅32和第二右旋偏振体全息液晶光栅42，可以衍射绿色左旋偏振光束和绿色右旋偏振光束。蓝色波导的第三入耦合光栅23由蓝色PVG组成，出耦合区域为1：1的第三左旋偏振体全息液晶光栅33和第三右旋偏振体全息液晶光栅43，可以衍射蓝色左旋偏振光束和蓝色右旋偏振光束。入射光为红光、绿光、蓝光混合光源。左旋偏振体全息液晶光栅的效率为1，右旋偏振体全息液晶光栅的效率为1。

该实施例中的出耦合区域也可以替换为实施例2~4中的出耦合区域。

实施例7

如图13，实现彩色传输还可以将某两中颜色在置于同一波导内传输，彩色波导显示装置自上而下分别为第一波导11、第二波导12，中间隔空气层，从而实现彩色。入射光为红光、绿光、蓝光混合光源。左旋偏振体全息液晶光栅的效率为1，右旋偏振体全息液晶光栅的效率为1。

将绿色、蓝色置于第二波导12内，红色独立放置于第一波导11内。相应地，第一入耦合光栅21由红色PVG组成，可以衍射红色左旋偏振光束和红色右旋偏振光束，出耦合区域为1：1的第一左旋偏振体全息液晶光栅31和第一右旋偏振体全息液晶光栅41，可以衍射红色左旋偏振光束和红色右旋偏振光束。第二入耦合光栅22由蓝绿色PVG组成，可以衍射蓝色、绿色左旋偏振光束和蓝色、绿色右旋偏振光束，出耦合区域为1：1的第一左旋偏振体全息液晶光栅31（蓝绿色左旋PVG）和第一右旋偏振体全息液晶光栅41（蓝绿色右旋PVG），可以衍射蓝色、绿色的左旋偏振光束和蓝色、绿色的右旋偏振光束。

也可以将红色、绿色置于第二波导12内，蓝色独立放置于第一波导11内。相应地，第一入耦合光栅21由蓝色PVG组成，可以衍射蓝色左旋偏振光束和蓝色右旋偏振光束，出耦合区域为1：1的第一左旋偏振体全息液晶光栅31和第一右旋偏振体全息液晶光栅41，可以衍射蓝色左旋偏振光束和蓝色右旋偏振光束。第二入耦合光栅22由红绿色PVG组成，可以衍射红色、绿色左旋偏振光束和红色、绿色右旋偏振光束，出耦合区域为1：1的第一左旋偏振体全息液晶光栅31（红绿色左旋PVG）和第一右旋偏振体全息液晶光栅41（红绿色右旋PVG），可以衍射红色、绿色的左旋偏振光束和红色、绿色的右旋偏振光束。

该实施例中的出耦合区域也可以替换为实施例2~4中的出耦合区域。

实施例8

如图2、4，本实施例中的其余设置与实施例1均相同，区别仅仅在于：入耦合光栅2由红绿色PVG组成，可以对红色、绿色、蓝色波段的左旋偏振光束6和右旋偏振光束7都进行衍射。出耦合区域为1：1的左旋偏振体全息液晶光栅3和右旋偏振体全息液晶光栅4。左旋偏振体全息液晶光栅3为左旋红绿色PVG，右旋偏振体全息液晶光栅4为右旋红绿色PVG，分别衍射左旋红色、绿色、蓝色波段的左旋偏振光束6和右旋红色、绿色、蓝色波段的右旋偏振光束7。左旋偏振体全息液晶光栅3的效率为1，右旋偏振体全息液晶光栅4的效率为1。

该实施例中的出耦合区域也可以替换为实施例2~4中的出耦合区域。

实施例9

由于在近眼显示领域彩色微像源的制造还存在着较多的限制，还设计了多像源波导结构从而实现彩色波导显示。如图14，本实施例中的其余设置与实施例8均相同，区别仅仅在于：入耦合光栅包括并排放置的第一入耦合光栅21、第二入耦合光栅22、第三入耦合光栅23，第一入耦合光栅21为红色PVG，第二入耦合光栅22为绿色PVG，第三入耦合光栅23为蓝色PVG，分别将来自红色微像源、绿色微像源、蓝色微像源的光束5衍射导入波导介质1，最终经过由左旋红绿蓝PVG、右旋红绿蓝PVG衍射出波导介质1，进入人眼。

为防止串扰，需保证红色PVG、绿色PVG、蓝色PVG、左旋红绿蓝PVG以及右旋红绿蓝PVG保持一致，保证色散曲线的一致性。而对于PVG来说，由于制备过程是基于光取向技术和PVG材料自组装特性，在光栅复合中可以使得横向周期自动保持一致，很好的避免如体全息技术在控制横向周期中由于人为操控的不准确性。

实施例10

如图15，本实施例中的其余设置与实施例8均相同，区别仅仅在于：入耦合光栅包括并排放置的第一入耦合光栅21、第二入耦合光栅22，第一入耦合光栅21为红色PVG，将蓝色、绿色复合在一个光栅中，成为第二入耦合光栅22，即青色PVG，分别将来自红色微像源、蓝绿色微像源的光束衍射导入波导介质1，最终经过由左旋红绿蓝PVG、右旋红绿蓝PVG衍射出波导介质1，进入人眼。

为防止串扰，需保证红色PVG、青色PVG左旋红绿蓝PVG以及右旋红绿蓝PVG保持一致，保证色散曲线的一致性。同样的，本实施例中的出耦合区域也可以替换为实施例2~4中的出耦合区域。

由于需要保持横向周期的一致性，并且只能在一个波导介质1内传播，会使得视场角只能限制在一个较小的范围。

实施例11

为扩大波导显示的最终成像视场角，设置多通道传输，将不同波长置于不同波导介质1内进行传播，中间设置空气，从而避免了串扰的问题，并且提高了视场角。如图16，本实施例中的其余设置与实施例7均相同，区别仅仅在于：第一波导11、第二波导12在z轴方向不重叠。

实施例12

如图17，本实施例中的其余设置与实施例6均相同，区别仅仅在于：第一波导11、第二波导12、第三波导13在z轴方向不重叠，能够避免串扰的问题，提高视场角。

实施例13

为进一步提高视场角，利用PVG偏振特性，设置偏振多通道。如图18，在微像源处将入射光束分成左视场和右视场两部分，第一入耦合光栅21为右旋PVG202，第二入耦合光栅22为左旋PVG，左旋PVG和右旋PVG分别衍射左视场的光束和右视场的光束并导入第一波导11、第二波导12，并结合出瞳均匀性调控方法，将出耦合光栅设置成实施例1的结构。第一波导11、第二波导12间为空气层。应当注意的是，在全反射过程中由于光的相位会发生变化，会导致光的偏振发生变化，因此只需放置一层的左旋偏振体全息液晶光栅3和右旋偏振体全息液晶光栅4，同时也不发生串扰。此结构在理论上可以获得两倍视场角。

实施例14

如图19，彩色波导显示装置的波导介质1包括第一波导11、第二波导12、第三波导13、第四波导14，通道中间隔空气层。第一波导11上有第一入耦合光栅21、第一左旋偏振体全息液晶光栅31、第二左旋偏振体全息液晶光栅32。第二波导12上有第二入耦合光栅22。第三波导13上有第三入耦合光栅23、第三左旋偏振体全息液晶光栅33、第三右旋偏振体全息液晶光栅43。第四波导14上有第四入耦合光栅。第一入耦合光栅21、第三入耦合光栅23为右旋PVG，第二入耦合光栅22、第四入耦合光栅为左旋PVG。将蓝色、绿色放置在第三波导13、第四波导14内，红色单独放置于第一波导11、第二波导12内。第一入耦合光栅21、第二入耦合光栅22在z轴方向重叠，第三入耦合光栅23、第四入耦合光栅在z轴方向重叠，第二入耦合光栅22、第三入耦合光栅23在z轴方向不重叠。第一左旋偏振体全息液晶光栅31、第三左旋偏振体全息液晶光栅33、第一右旋偏振体全息液晶光栅41、第三右旋偏振体全息液晶光栅43的效率均为1。通过偏振多通道、波长多通道结构，从而实现大视场彩色的效果。

本实施例中的出耦合区域也可以替换为实施例2~4中的出耦合区域。

实施例15

如图20，本实施例中的其余设置与实施例19均相同，区别仅仅在于：出耦合光栅区域替换为实施例3中的均匀出瞳结构，即第一波导11上的第一左旋偏振体全息液晶光栅31、第一右旋偏振体全息液晶光栅41按1:1:1:1:1:1的方式交替间隔排列，第三波导13上的第三左旋偏振体全息液晶光栅33、第三右旋偏振体全息液晶光栅43按1:1:1:1:1:1的方式交替间隔排列，该比例为左旋偏振体全息液晶光栅或右旋偏振体全息液晶光栅在波导介质1上的投影面积之比。第一左旋偏振体全息液晶光栅31、第三左旋偏振体全息液晶光栅33的效率自左向右的效率依次均为1/3、1/2、1，第一右旋偏振体全息液晶光栅41、第三右旋偏振体全息液晶光栅43自左向右的效率依次为1/3、1/2、1。

Claims (10)

1.一种改善成像均匀性的彩色波导显示装置，其特征在于：包括波导介质（1），所述波导介质（1）的表面设置入耦合光栅（2）、左旋偏振体全息液晶光栅（3）和右旋偏振体全息液晶光栅（4）；所述波导介质（1）用于将入射光进行全反射；所述左旋偏振体全息液晶光栅（3）、右旋偏振体全息液晶光栅（4）周期性排列；所述入耦合光栅（2）、左旋偏振体全息液晶光栅（3）、右旋偏振体全息液晶光栅（4）的横向周期一致，其内部的液晶分子均具有三维周期性旋转结构；所述左旋偏振体全息液晶光栅（3）、右旋偏振体全息液晶光栅（4）的效率按如下公式设置：

其中，m是第m个左旋偏振体全息液晶光栅（3）或第m个右旋偏振体全息液晶光栅（4），M是左旋偏振体全息液晶光栅（3）的数量或右旋偏振体全息液晶光栅（4）的数量，η _m 是第m个左旋偏振体全息液晶光栅（3）的效率或第m个右旋偏振体全息液晶光栅（4）的效率。

2.根据权利要求1所述的一种改善成像均匀性的彩色波导显示装置，其特征在于：所述波导介质（1）是折射率为1.5~2.2、透过率为90%以上的光学玻璃或树脂玻璃。

3.根据权利要求1所述的一种改善成像均匀性的彩色波导显示装置，其特征在于：所述左旋偏振体全息液晶光栅（3）、右旋偏振体全息液晶光栅（4）的数量比为n:1，右旋偏振体全息液晶光栅（4）覆盖在左旋偏振体全息液晶光栅（3）上，且覆盖左旋偏振体全息液晶光栅（3）的后1/n区域处。

4.根据权利要求1所述的一种改善成像均匀性的彩色波导显示装置，其特征在于：所述左旋偏振体全息液晶光栅（3）、右旋偏振体全息液晶光栅（4）在波导介质（1）上的投影面积相等。

5.根据权利要求1所述的一种改善成像均匀性的彩色波导显示装置，其特征在于：所述入耦合光栅（2）包括左旋PVG（201）和右旋PVG（202），两者互相堆叠或并排放置，能够衍射两种不同旋向的偏振光。

6.根据权利要求1所述的一种改善成像均匀性的彩色波导显示装置，其特征在于：所述入耦合光栅（2）包括第一入耦合光栅（21）、第二入耦合光栅（22）、第三入耦合光栅（23）中的一种或多种，用于衍射红光、蓝光、绿色中的一种或多种。

7.根据权利要求6所述的一种改善成像均匀性的彩色波导显示装置，其特征在于：所述波导介质（1）沿垂直方向设置多个时，相邻波导介质（1）间为空气层。

8.根据权利要求6所述的一种改善成像均匀性的彩色波导显示装置，其特征在于：所述第一入耦合光栅（21）、第二入耦合光栅（22）、第三入耦合光栅（23）在垂直于波导介质的方向上不重合。

9.根据权利要求1所述的一种改善成像均匀性的彩色波导显示装置，其特征在于：所述入耦合光栅（2）包括第一入耦合光栅（21）、第二入耦合光栅（22），分别用于衍射左视场的光束和右视场的光束，波导介质（1）包括第一波导（11）、第二波导（12），第一波导（11）、第二波导（12）间为空气层，所述第一波导（11）的表面设置左旋偏振体全息液晶光栅（3）和右旋偏振体全息液晶光栅（4）。

10.根据权利要求9所述的一种改善成像均匀性的彩色波导显示装置，其特征在于：所述波导介质（1）堆叠在一起时，衍射不同波段光束的入耦合光栅（2）在垂直于波导介质（1）的方向上不重合。

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