CN115016128B - 一种基于偏振体全息波导hud装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于偏振体全息波导HUD装置，包括准直光学系统、波导传输模块、入耦合元件、出耦合元件；入耦合元件和出耦合元件为偏振体全息光栅；第一准直光学系统用于将像源发出的光准直进入入耦合元件；入耦合元件用于将经过准直的光耦合进波导传输模块；出耦合元件用于将波导传输模块内传输的光线衍射出波导后形成虚像。本发明采用偏振全息体光栅，其具有较大的折射率调制度，相较于传统的衍射体光栅能够提供较大的波长带宽与角度带宽，且偏振全息体光栅对于偏振光具有良好的选择性，从而使得本发明的HUD装置具有衍射效率高，偏振选择性好、大视场、体积小、易于集成的优势。

Description

一种基于偏振体全息波导HUD装置
技术领域
本发明涉及一种HUD装置，尤其涉及一种基于偏振体全息波导HUD装置。
背景技术
AR显示技术作为目前信息显示技术的高维产物，是将AR-HUD(AugmentedReality- Head Up Display，增强现实的抬头显示)推向未来的最为关键性技术。但是，目前现有的AR-HUD产品存在着体积重量大、显示质量差、视场范围小、结构复杂等缺点，已经无法满足人们日益增长的使用需求。为了解决目前AR-HUD在初始设计中，存在的产品体积大、显示效果差以及大视场出瞳尺寸受限等问题，基于衍射光波导的成像技术受到了学术界和产业界的广泛关注。相较于基于几何光学原理的近眼显示方案（如棱镜方案、自由曲面方案等），衍射光波导结构更为轻薄，能更好的减轻产品重量并贴合实际的安装以及使用场景。除此之外，光波导主要优势还包括光束的不断复制与出瞳扩展功能，能突破拉格朗日光学不变式中出瞳大小与视场角的反比关系，实现较大的出瞳范围，获得更大的视场。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于偏振体全息波导HUD的实现方法，提高车载、机载HUD的利用空间，实现大视场、高质量的显示画面。
技术方案：一种基于偏振体全息波导HUD装置，包括第一准直光学系统、波导传输模块、入耦合元件、出耦合元件；所述波导传输模块为双层波导结构，所述入耦合元件和出耦合元件为偏振体全息光栅，所述入耦合元件和出耦合元件位于波导传输模块的双层波导之间；所述第一准直光学系统用于将像源发出的光准直进入所述入耦合元件；所述入耦合元件用于将经过准直的光耦合进波导传输模块；所述出耦合元件用于将波导传输模块内传输的光线衍射出波导后形成虚像。
进一步的，所述出耦合元件为具备透镜功能的偏振体全息光栅。
一种基于偏振体全息波导HUD装置，包括第一准直光学系统、入耦合元件、出耦合元件；所述入耦合元件和出耦合元件为偏振体全息光栅，所述出耦合元件为具备透镜功能的偏振体全息光栅；利用车载、机载挡风玻璃作为波导传输模块，所述入耦合元件和出耦合元件贴在车载、机载挡风玻璃上；所述第一准直光学系统用于将像源发出的光准直进入所述入耦合元件；所述入耦合元件用于将经过准直的光耦合进波导传输模块；所述出耦合元件用于将波导传输模块内传输的光线衍射出波导后形成虚像。
进一步的，所述入耦合元件为层叠结构，包括一层左旋偏振结构和一层右旋偏振结构；所述出耦合元件由位于入耦合元件两侧的两个具备透镜功能的偏振体全息光栅构成；所述像源发出的光包括左旋偏振光和右旋偏振光，所述入耦合元件将左旋偏振光和右旋偏振光分别经波导传输模块对应传输至两侧的出耦合元件。
一种基于偏振体全息波导HUD装置，包括第一准直光学系统、入耦合元件、出耦合元件、转折光栅元件；所述入耦合元件和出耦合元件为偏振体全息光栅，所述出耦合元件为具备透镜功能的偏振体全息光栅；利用车载、机载挡风玻璃作为所述波导传输模块，所述入耦合元件和、出耦合元件、转折光栅元件均贴在车载、机载挡风玻璃上；所述第一准直光学系统用于将像源发出的光准直进入所述入耦合元件；所述入耦合元件用于将经过准直的光耦合进波导传输模块；在所述波导传输模块内传输的光经所述转折光栅元件导入出耦合元件；所述出耦合元件用于将导入的光线衍射出波导后形成虚像。
进一步的，所述入耦合元件为层叠结构，包括一层左旋偏振结构和一层右旋偏振结构；所述转折光栅元件共有两个，分别位于入耦合元件两侧；所述出耦合元件包括两个具备透镜功能的偏振体全息光栅；所述像源发出的光包括左旋偏振光和右旋偏振光，所述入耦合元件将左旋偏振光和右旋偏振光分别经波导传输模块导入对应的一个转折光栅元件，所述转折光栅元件用于分别将导入的光线传输至一个出耦合元件。
有益效果：衍射波导中主要的耦合元件是衍射光栅，本发明采用的衍射光栅是偏振全息体光栅，其具有较大的折射率调制度，相较于传统的衍射体光栅能够提供较大的波长带宽与角度带宽，且偏振全息体光栅对于偏振光具有良好的选择性，从而使得本发明的HUD装置具有衍射效率高，偏振选择性好、大视场、体积小、易于集成的优势，能较好的提升投射画质。此外，本发明HUD装置的出耦合元件采用具备透镜功能的偏振体全息光栅，能极大的提高显示维度与优化设计结构，具有较为广泛的应用前景。
附图说明
图1为实施例1的基于偏振体全息波导HUD装置的应用结构示意图；
图2为实施例2的基于偏振体全息波导HUD装置的应用结构示意图；
图3为实施例3的基于偏振体全息波导HUD装置的应用结构示意图；
图4为实施例4的基于偏振体全息波导HUD装置的应用结构示意图；
图5为实施例5的基于偏振体全息波导HUD装置的应用结构示意图；
图6为偏振体全息光栅的分子结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
实施例1：
如图1所示，基于偏振体全息波导HUD装置，包括像源4、第一准直光学系统5、第二准直光学系统6、波导传输模块7、入耦合元件8、出耦合元件9。波导传输模块7为双层波导结构；入耦合元件8和出耦合元件9为偏振体全息光栅；入耦合元件8和出耦合元件9均为单层结构，且光栅元件的大小相同，周期一致；入耦合元件8和出耦合元件9位于波导传输模块7的双层波导之间。
本实施例采用的偏振体全息光栅的结构原理如图6所示，图中对应的数值关系如下：
Figure 19225DEST_PATH_IMAGE001
，其中P B 为满足布拉格条件下的周期，
Figure 821702DEST_PATH_IMAGE003
为对应波长，n为等效折射率，其数值计算公式如下：
Figure 362405DEST_PATH_IMAGE004
，其中
Figure 333772DEST_PATH_IMAGE005
与
Figure 934518DEST_PATH_IMAGE006
分别为液晶中O光与e光的平方。则P B 与横向周期P x 之间满足的数量关系为：
Figure 991335DEST_PATH_IMAGE007
，其中
Figure 837194DEST_PATH_IMAGE008
为光栅倾斜角。
第一准直光学系统5用于将像源4发出的光准直进入入耦合元件8；入耦合元件8用于将经过准直的光耦合进波导传输模块7；出耦合元件9用于将波导传输模块7内传输的光线衍射出波导后形成虚像。
具体来说，当像源4摆放位置相对于车载、机载挡风玻璃2下方时，像源4发出的光经过第一准直光学系统5后，由入耦合元件光信息耦合进入波导传输模块7，此时光信息的偏振态是与耦合元件一致的，从而经过波导传输之后，能耦合到出耦合元件9，将光信息经过第二准直光学系统6投射到车载、机载挡风玻璃2之前，形成人眼1能观察的虚像3。
实施例2：
与实施例1的区别在于，如图2所示，本实施例所设计的结构相对位于车载、机载挡风玻璃2的上方，且出耦合元件9为具备透镜功能的偏振体全息光栅，即可以将光信息直接聚焦在车载、机载挡风玻璃2之后，相较于实施例1省去了第二准直光学系统6，即相对于实施例1，不需要多余的透镜。
具体来说，当像源4摆放位置相对于车载、机载挡风玻璃2上方时，像源4发出的光经过第一准直光学系统5后，由入耦合元件8将光信息耦合进入波导传输模块7，此时光信息的偏振态是与入耦合元件8一致的，从而经过波导传输之后，通过波导传输模块7，将光信息投射到车载、机载挡风玻璃2之前，形成人眼1能观察的虚像3。本实施例中，可根据实际的焦距需求调节出耦合元件9的衍射特性，实现不同焦距成像。
实施例３：
与实施例２的区别在于，如图３所示，本实施例所设计的结构是直接将入耦合元件8与出耦合元件9贴合在车载、机载挡风玻璃2上，直接利用车载、机载挡风玻璃2作为波导传输模块，可以在实施例2的技术方案上节省更多的空间，而且由于耦合元件的高透过率，几乎不会影响使用者的视线。
具体来说，像源4与第一准直光学系统5可以置于车载、机载挡风玻璃2之下，也可以如实施例２一样，设置于车载、机载挡风玻璃2的上方。经准直后的光信息直接由入耦合元件8耦合进入波导传输模块，经波导传输模块传递以后，通过出耦合元件9投射到车载、机载挡风玻璃2之前，形成人眼1能观察的虚像3。
实施例４：
与实施例３的区别在于，如图４所示，本实施例所设计的结构是利用出耦合衍射特性，直接将光信息分两侧传导，从而使成像视野范围有所扩大。
具体来说，如图４所示，像源4与第一准直光学系统5可以置于车载、机载挡风玻璃2之下，也可置于车载、机载挡风玻璃2的上方。本实施例中，入耦合元件8为层叠结构，包括一层左旋偏振结构和一层右旋偏振结构；出耦合元件9由位于入耦合元件8两侧的两个具备透镜功能的偏振体全息光栅构成。像源4发出的光包括左旋偏振光和右旋偏振光，入耦合元件8将经准直的左旋偏振光和右旋偏振光耦合进入作为波导传输模块的车载、机载挡风玻璃2，分别经波导传输模块对应传输至两侧的出耦合元件9，再通过出耦合元件9分别投射到车载、机载挡风玻璃2之前，形成人眼1能观察的虚像3。
实施例5：
与实施例4的区别在于，如图5所示，本实施例所设计的结构采用中间衍射元件作为转折光栅元件10，达到视场增大的效果。
具体来说，如图5所示，像源4与第一准直光学系统5可以置于车载、机载挡风玻璃2下方，也可以置于车载、机载挡风玻璃2的上方。转折光栅元件10共有两个，分别位于入耦合元件8两侧，并直接贴合在车载、机载挡风玻璃2上；两个出耦合元件9分别贴合在转折光栅元件10的上方。经准直的光信息由入耦合元件8耦合进入作为波导传输模块的车载、机载挡风玻璃2，左旋偏振光和右旋偏振光分别经波导传入两侧的转折光栅元件10，再经波导传递以后，导入转折光栅元件10上方的出耦合元件9，通过出耦合元件9分别投射到车载、机载挡风玻璃2之前，形成人眼1能观察的虚像3。
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 (5)

1.一种基于偏振体全息波导HUD装置，其特征在于，包括第一准直光学系统（5）、波导传输模块（7）、入耦合元件（8）、出耦合元件（9）；所述波导传输模块（7）为双层波导结构，所述入耦合元件（8）和出耦合元件（9）为偏振体全息光栅，所述入耦合元件（8）和出耦合元件（9）位于波导传输模块（7）的双层波导之间；所述第一准直光学系统（5）用于将像源（4）发出的光准直进入所述入耦合元件（8）；所述入耦合元件（8）用于将经过准直的光耦合进波导传输模块（7）；所述出耦合元件（9）用于将波导传输模块（7）内传输的光线衍射出波导后形成虚像；所述出耦合元件（9）为具备透镜功能的偏振体全息光栅；
偏振体全息光栅的结构满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，其中P B 为满足布拉格条件下的周期，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为对应波长，n为等效折射率，其数值计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE004
与
Figure DEST_PATH_IMAGE005
分别为液晶中O光与e光的平方；则P B 与横向周期P x 之间满足的数量关系为：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为光栅倾斜角。
2.一种基于偏振体全息波导HUD装置，其特征在于，包括第一准直光学系统（5）、入耦合元件（8）、出耦合元件（9）；所述入耦合元件（8）和出耦合元件（9）为偏振体全息光栅，所述出耦合元件（9）为具备透镜功能的偏振体全息光栅；利用车载、机载挡风玻璃（2）作为波导传输模块，所述入耦合元件（8）和出耦合元件（9）贴在车载、机载挡风玻璃（2）上；所述第一准直光学系统（5）用于将像源（4）发出的光准直进入所述入耦合元件（8）；所述入耦合元件（8）用于将经过准直的光耦合进波导传输模块；所述出耦合元件（9）用于将波导传输模块内传输的光线衍射出波导后形成虚像；
偏振体全息光栅的结构满足：
Figure 16807DEST_PATH_IMAGE001
，其中P B 为满足布拉格条件下的周期，
Figure 327703DEST_PATH_IMAGE002
为对应波长，n为等效折射率，其数值计算公式如下：
Figure 113125DEST_PATH_IMAGE003
，其中
Figure 458656DEST_PATH_IMAGE004
与
Figure 484381DEST_PATH_IMAGE005
分别为液晶中O光与e光的平方；则P B 与横向周期P x 之间满足的数量关系为：
Figure 407206DEST_PATH_IMAGE006
，其中
Figure 871686DEST_PATH_IMAGE007
为光栅倾斜角。
3.根据权利要求2所述的基于偏振体全息波导HUD装置，其特征在于，所述入耦合元件（8）为层叠结构，包括一层左旋偏振结构和一层右旋偏振结构；所述出耦合元件（9）由位于入耦合元件（8）两侧的两个具备透镜功能的偏振体全息光栅构成；所述像源（4）发出的光包括左旋偏振光和右旋偏振光，所述入耦合元件（8）将左旋偏振光和右旋偏振光分别经波导传输模块对应传输至两侧的出耦合元件（9）。
4.一种基于偏振体全息波导HUD装置，其特征在于，包括第一准直光学系统（5）、入耦合元件（8）、出耦合元件（9）、转折光栅元件（10）；所述入耦合元件（8）和出耦合元件（9）为偏振体全息光栅，所述出耦合元件（9）为具备透镜功能的偏振体全息光栅；利用车载、机载挡风玻璃（2）作为波导传输模块，所述入耦合元件（8）和、出耦合元件（9）、转折光栅元件（10）均贴在车载、机载挡风玻璃（2）上；所述第一准直光学系统（5）用于将像源（4）发出的光准直进入所述入耦合元件（8）；所述入耦合元件（8）用于将经过准直的光耦合进波导传输模块；在所述波导传输模块内传输的光经所述转折光栅元件（10）导入出耦合元件（9）；所述出耦合元件（9）用于将导入的光线衍射出波导后形成虚像；
偏振体全息光栅的结构满足：
Figure 947089DEST_PATH_IMAGE001
，其中P B 为满足布拉格条件下的周期，
Figure 390053DEST_PATH_IMAGE002
为对应波长，n为等效折射率，其数值计算公式如下：
Figure 409962DEST_PATH_IMAGE003
，其中
Figure 553498DEST_PATH_IMAGE004
与
Figure 608042DEST_PATH_IMAGE005
分别为液晶中O光与e光的平方；则P B 与横向周期P x 之间满足的数量关系为：
Figure 490416DEST_PATH_IMAGE006
，其中
Figure 872987DEST_PATH_IMAGE007
为光栅倾斜角。
5.根据权利要求4所述的基于偏振体全息波导HUD装置，其特征在于，所述入耦合元件（8）为层叠结构，包括一层左旋偏振结构和一层右旋偏振结构；所述转折光栅元件（10）共有两个，分别位于入耦合元件（8）两侧；所述出耦合元件（9）包括两个具备透镜功能的偏振体全息光栅；所述像源（4）发出的光包括左旋偏振光和右旋偏振光，所述入耦合元件（8）将左旋偏振光和右旋偏振光分别经波导传输模块导入对应的一个转折光栅元件（10），所述转折光栅元件（10）用于分别将导入的光线传输至一个出耦合元件（9）。
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