CN116909029A - 一种全息波导显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种全息波导显示装置，属于波导显示装置技术领域。本发明包括：微显示器、准直透镜、波导、入耦合体全息光栅、出耦合体全息光栅、二次准直元件和二次发散元件，二次准直元件密接于入耦合体全息光栅一端，用于减小射入波导的光线角度；二次发散元件密接于出耦合体全息光栅一端，且与二次准直元件镜像对称，用于还原射出波导的光线角度。本发明通过二次准直元件将射入波导的准直光束角度收窄、通过二次发散元件还原射出波导的光线角度，一方面能够抑制体全息光栅的角度选择性，有效提高边缘视场的衍射效率，避免边缘图像信息缺失，使耦出的图像完整且成像均匀；另一方面可以减小边缘光线在波导内的传播周期，便于实现出瞳扩展。
Description
技术领域
本发明涉及波导显示装置技术领域，尤其涉及一种全息波导显示装置。
背景技术
增强现实或虚拟现实技术已经在导航、教育、军事等领域获得广泛应用。作为增强现实和虚拟现实技术的主要硬件载体，头戴显示获得了广泛关注。全息波导显示装置属于头戴式增强现实领域，利用全息光学元件作为波导耦合器，来替代传统光学元件，构成高集成度的可穿戴成像系统，具有结构简单、体积小、轻便等优点。
现有的技术通常使用透镜组作为图像源的中继准直系统。准直系统是将图像源的位置信息转换为角度信息，受制于图像源的大小以及准直系统的有效焦距，图像源边缘的图像信息一般转换为较大角度的平行光束出射。首先，体光栅具有角度选择性，光线偏离布拉格角入射时，衍射效率存在衰减，导致边缘视场照度衰减，造成出瞳图像不均匀。其次，偏离布拉格角度入射体光栅时，其衍射光角度偏离会加大，这就需要出耦合光栅具有更大的角带宽，否则同样会导致边缘视场照度衰减，甚至是边缘图像信息的缺失。另外，在波导中，不同的传输角度对应不同的传播周期，入射角度过大会导致光束传播周期加大，过大的传播周期无法实现出瞳扩展。
发明内容
有鉴于此，为解决现有技术中存在的准直系统出射光线角度过大引起边缘图像信息缺失的技术问题，本发明提供了一种全息波导显示装置，通过二次准直元件将射入波导的准直光束角度收窄、通过二次发散元件还原射出波导的光线角度，一方面能够抑制体全息光栅的角度选择性，有效提高边缘视场的衍射效率，避免边缘图像信息缺失；另一方面可以减小边缘光线在波导内的传播周期，便于实现出瞳扩展。此外，采用二次准直元件与二次发散元件可以减小系统的体积与质量，提高可穿戴设备的便携性与舒适性。
为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案：
一种全息波导显示装置，包括：
波导，其底端为第一表面，顶端为第二表面；
入耦合体全息光栅，其密接于所述第二表面的一端；
出耦合体全息光栅，其密接于所述第二表面的另一端，且与所述入耦合体全息光栅镜像对称；
二次准直元件，其密接于所述第一表面的入耦合体全息光栅一端，用于减小射入所述波导的光线角度；
二次发散元件，其密接于所述第一表面的出耦合体全息光栅一端，且与所述二次准直元件镜像对称，用于还原射出所述波导的光线角度；
微显示器，提供显示图像，向外发射加载有图像信息的发散光；
准直透镜，用于将所述发散光变为准直光后与Z轴成一定角度入射到所述二次准直元件，并将其透射输入波导。
优选地，所述二次准直元件与所述二次发散元件的相位分布通过相位恢复算法求解，得到相位分布，通过微细加工工艺，得到二阶或多台阶深度的浮雕结构。
优选地，所述二次准直元件与所述二次发散元件通过GS算法求解，得到相位分布，通过激光直写光刻加工工艺，得到二台阶深度的浮雕结构。
优选地，所述二次准直元件与所述二次发散元件均为纯相位元件。
优选地，所述二次准直元件与所述二次发散元件为透射式相位元件，结构高度为2μm～12μm。
优选地，所述入耦合体全息光栅和所述出耦合体全息光栅的光栅矢量K关于Z轴呈镜像对称；所述入耦合体全息光栅的光栅倾角α1和所述出耦合体全息光栅的光栅倾角α2满足α1＝-α2，所述入耦合体全息光栅的光栅倾角α1和所述出耦合体全息光栅的光栅倾角α2为20°～35°。
优选地，所述入耦合体全息光栅和所述出耦合体全息光栅均为反射式体全息光栅。
优选地，所述入耦合体全息光栅和所述出耦合体全息光栅的厚度为5μm～15μm。
优选地，所述入耦合体全息光栅、所述出耦合体全息光栅的布拉格衍射中心波长与所述二次准直元件、所述二次发散元件的中心波长相等。
优选地，所述波导为平板光波导、曲面光波导或自由曲面光波导中的一种。
本发明相对于现有技术，具有如下的有益效果：
本发明提供的全息波导显示装置，通过二次准直元件将射入波导的准直光束角度收窄、通过二次发散元件还原射出波导的光线角度，一方面能够抑制体全息光栅的角度选择性，有效提高边缘视场的衍射效率，避免边缘图像信息缺失，使耦出的图像完整且成像均匀；另一方面可以减小边缘光线在波导内的传播周期，便于实现出瞳扩展。此外，采用二次准直元件与二次发散元件可以减小系统的体积与质量，提高可穿戴设备的便携性与舒适性。
本发明提供的全息波导显示装置，二次准直元件的功能是减小准直系统出射光线的角度；对射入波导内的光进行精确地波前相位调控，从而达到相位补偿，减小射入波导的光线角度。
二次发散元件的功能是还原被二次准直元件减小的光线角度；对射出波导外的光进行精确地波前相位调控，从而达到相位补偿，还原射出波导的光线角度。
附图说明
图1是现有的全息波导显示装置的结构示意图；
图2是本发明提出的全息波导显示装置的结构示意图；
图3是本发明所用的图像实例；
图4是本发明二次准直元件的相位图；
图5是现有的全息波导显示装置的耦出图像；
图6是本发明提出的全息波导显示装置的耦出图像；
图中，201.微显示器，202.准直透镜，203.二次准直元件，204.波导，205.入耦合体全息光栅，206.出耦合体全息光栅，207.二次发散元件，208.人眼，S1.第一表面，S2.第二表面，L11.第一发散光，L12.第一准直光，L13.第二准直光，L14.第三准直光，L21.第二发散光，L22.第四准直光，L23.第五准直光，L24.第六准直光，L25.第七准直光，L26.第八准直光。
具体实施方式
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、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅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做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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，为现有技术中的全息波导显示装置的结构示意图，其包括微显示器201，准直透镜202，波导204，入耦合体全息光栅205，出耦合体全息光栅206。微显示器201用于提供显示图像(参见图3所示)，向外发射加载有图像信息的第一发散光L11，第一发散光L11经过准直透镜202后变为第一准直光L12；所述第一准直光L12与Z轴成一定夹角入射波导的第一表面S1，经折射后变为第二准直光L13；所述第二准直光L13与Z轴成夹角θ入射至入耦合体全息光栅205，被入耦合体全息光栅205衍射，进入波导204；在波导204中，第二准直光L13以全反射的形式传播，直到入射到出耦合体全息光栅206，被出耦合体全息光栅206衍射输出第三准直光L14；第三准直光L14，通过第一表面S1，进入人眼208，在人眼208中视网膜上成像。由于微显示器201尺寸以及准直透镜的有效焦距限制，边缘光线一般以较大的角度射入波导，这就对入耦合体全息光栅205以及出耦合体全息光栅206的角带宽有较大的要求，否则边缘视场光线亮度衰减严重，导致图像源的边缘图像信息缺失。另外，边缘光线角度过大，导致其波导内传播周期过大，很难实现出瞳扩展。
鉴于现有技术中存在的上述不足，本发明在其基础上对其进行了改进，如图2所示，本发明提供了一种全息波导显示装置，包括：
波导204，其底端为第一表面S1，顶端为第二表面S2，其中，波导204优选为平板光波导、曲面光波导或自由曲面光波导中的一种，厚度优选为0.3mm～5mm，材料优选为光学玻璃或光学塑材等，波导204更优选为平板光波导，厚度为2mm，材料为K9光学玻璃；
入耦合体全息光栅205，其密接于所述第二表面S2的右端；
出耦合体全息光栅206，其密接于所述第二表面S2的左端，且与所述入耦合体全息光栅205镜像对称；
入耦合体全息光栅205和出耦合体全息光栅206的光栅矢量K优选关于Z轴呈镜像对称，入耦合体全息光栅205的光栅倾角α1和出耦合体全息光栅206的光栅倾角α2优选满足α1＝-α2，入耦合体全息光栅205的光栅倾角α1和出耦合体全息光栅206的光栅倾角α2优选为20°～35°；
入耦合体全息光栅205和出耦合体全息光栅206均优选为反射式体全息光栅，厚度均优选为5μm～15μm，更优选为15μm，入耦合体全息光栅的光栅倾角α1优选为30°，出耦合体全息光栅的光栅倾角α2优选为-30°；
入耦合体全息光栅205、出耦合体全息光栅206的布拉格衍射中心波长与二次准直元件203、二次发散元件207的中心波长λ相等，优选为λ＝532nm；
二次准直元件203，其密接于所述第一表面S1的右端，用于减小射入所述波导204的光线角度，其优选为纯相位元件，更优选为单色型纯相位元件、复用型纯相位元件或多层纯相位元件中的一种，最优选为单色纯相位元件，其结构高度优选为2μm～12μm，其功能是减小准直系统出射光线的角度；对射入波导内的光进行精确地波前相位调控，从而达到相位补偿，减小射入波导的光线角度；
二次发散元件207，其密接于所述第一表面S1的左端，且与所述二次准直元件203镜像对称，用于还原射出所述波导204的光线角度，其优选为纯相位元件，更优选为单色型纯相位元件、复用型纯相位元件或多层纯相位元件中的一种，最优选为单色纯相位元件，其结构高度优选为2μm～12μm，其功能是还原被二次准直元件减小的光线角度；对射出波导外的光进行精确地波前相位调控，从而达到相位补偿，还原射出波导的光线角度；
微显示器201，提供显示图像，向外发射加载有图像信息的发散光；
准直透镜202，用于将所述发散光变为准直光后与Z轴成一定角度入射到所述二次准直元件203，并将其透射输入波导。
本发明提供的上述全息波导显示装置，微显示器201提供显示图像，向外发射加载有图像信息的第二发散光L21，第二发散光L21经过准直透镜202变为第四准直光L22；第四准直光L22倾斜入射到二次准直元件203；二次准直元件203对倾斜入射的第四准直光L22进行衍射相位调制，并将其透射输出为第五准直光L23；根据设计要求，第五准直光L23与第四准直光L22相比与Z轴的夹角变为θ＇，θ＇＝1/2×θ；即第五准直光L23与Z轴成夹角θ＇入射入耦合体全息光栅205；第五准直光L23被入耦合体全息光栅205衍射，进入波导204；在波导204中，第六准直光L24以全反射的形式传播，直到入射出耦合体全息光栅206；出耦合体全息光栅206使倾斜入射的第六准直光L24发生布拉格衍射，倾斜出射到二次发散元件207；二次发散元件207对倾斜入射的第七准直光L25进行衍射相位调制，并将其透射输出为第八准直光L26；第八准直光L26，进入人眼208，在人眼中视网膜上成像。
在本发明中，所述二次准直元件203与所述二次发散元件207的相位分布通过相位恢复算法求解，得到相位分布，通过微细加工工艺，得到二阶或多台阶深度的浮雕结构；
其中，相位恢复算法优选为GS算法、遗传算法、随机梯度下降算法和基于深度学习的算法中的一种，更优选为GS算法；
其中，微细加工工艺优选为微纳加工工艺，更优选为微纳加工工艺中的激光光刻、纳米压印等手段加工得到。
在本发明中，所述二次准直元件203与所述二次发散元件207通过GS算法求解，得到相位分布，通过激光直写光刻加工工艺，得到二台阶深度的浮雕结构，二次准直元件203的设计过程具体如下：
1)计算输入面与理想输出面上的光场复振幅分布。对于给定的直角坐标系，图像源处于坐标系的(X,Y)平面上，且图像源尺寸为L*H。设图像源在X和Y方向上的取样间隔分别为l和h，那么图像源上共有个取样点。对于任意一个取样点(xi,yj)发出的光线经过准直透镜后的准直光束可以视为一个平面波，其平面波波矢k在XZ平面上与Z轴的夹角可由公式/>给出，其在YZ平面上与Z轴的夹角可由公式给出，其中f为准直透镜的焦距。那么该平面波波矢与X轴的夹角为与Y轴的夹角为/>则该取样点发出的光线经过准直透镜后的准直光束复振幅可以表示为：U(i,j)(x,y)＝Aexp(jk(xcos(αi)+ycos(βj))),其中A为一复常数，j为虚数单位。那么，输入面上的复振幅可以表示为图像源上所有取样点经过准直透镜后的平面波叠加，即/>相应的，根据设计要求，二次准直元件将理想输出面上的δi和εj变为输入面上的1/2，即理想输出面上的复振幅可由一系列波矢与X、Y轴成夹角为ηi＝/>的平面波叠加而成。
2)计算二次准直元件的相位分布。首先利用菲涅尔衍射理论求出输出面实际光场的复振幅分布。再用理想输出面的相位替代实际输出面相位，振幅保持不变，进行逆衍射计算，得到输入平面上的复振幅分布。用1中输入面振幅替换该求得的光场振幅，相位保持不变，进行正向衍射计算。通过不断循环进行正向和逆向衍射计算，当到达一定循环次数后终止，用计算得到的输入面相位减去1中输入面相位，即可得到所求二次准直元件的相位分布。
3)加工二次准直元件。根据二次准直元件的相位分布Φ，通过激光直写光刻加工工艺，加工得到产生对应相位延迟的二次准直元件。
二次发散元件207的设计过程具体如下：
1)计算输入面与理想输出面上的光场复振幅分布。二次准直元件203设计过程中理想输出面上的光场复振幅分布即为二次发散元件207设计过程中输入面上的光场复振幅分布；二次准直元件203设计过程中输入面上的光场复振幅分布即为二次发散元件207设计过程中理想输出面上的光场复振幅分布。
2)计算二次发散元件的相位分布。首先利用菲涅尔衍射理论求出输出面实际光场的复振幅分布。再用理想输出面的相位替代实际输出面相位，振幅保持不变，进行逆衍射计算，得到输入平面上的复振幅分布。用1中输入面振幅替换该求得的光场振幅，相位保持不变，进行正向衍射计算。通过不断循环进行正向和逆向衍射计算，当到达一定循环次数后终止，用计算得到的输入面相位减去1中输入面相位，即可得到所求二次发散元件的相位分布。
3)加工二次发散元件。根据二次发散元件的相位分布Φ，通过激光直写光刻加工工艺，加工得到产生对应相位延迟的二次发散元件。
本发明对图1所示的现有技术中的全息波导显示装置和图2所示的改进后的全息波导显示装置通过仿真软件进行仿真测试，分别得到现有技术的全息波导显示装置的耦出图像(如图5所示)和本发明的全息波导显示装置的耦出图像(如图6所示)；
从图5中可以看出，耦出图像边缘信息出现明显缺失，只能显示图像源整体信息的2/3左右；
从图6中可以看出，耦出图像完整且成像均匀。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种全息波导显示装置，其特征在于，包括：
波导，其底端为第一表面，顶端为第二表面；
入耦合体全息光栅，其密接于所述第二表面的一端；
出耦合体全息光栅，其密接于所述第二表面的另一端，且与所述入耦合体全息光栅镜像对称；
二次准直元件，其密接于所述第一表面的入耦合体全息光栅一端，用于减小射入所述波导的光线角度；
二次发散元件，其密接于所述第一表面的出耦合体全息光栅一端，且与所述二次准直元件镜像对称，用于还原射出所述波导的光线角度；
微显示器，提供显示图像，向外发射加载有图像信息的发散光；
准直透镜，用于将所述发散光变为准直光后与Z轴成一定角度入射到所述二次准直元件，并将其透射输入波导。
2.根据权利要求1所述的一种全息波导显示装置，其特征在于，所述二次准直元件与所述二次发散元件的相位分布通过相位恢复算法求解，得到相位分布，通过微细加工工艺，得到二阶或多台阶深度的浮雕结构。
3.根据权利要求2所述的一种全息波导显示装置，其特征在于，所述二次准直元件与所述二次发散元件通过GS算法求解，得到相位分布，通过激光直写光刻加工工艺，得到二台阶深度的浮雕结构。
4.根据权利要求1所述的一种全息波导显示装置，其特征在于，所述二次准直元件与所述二次发散元件均为纯相位元件。
5.根据权利要求4所述的一种全息波导显示装置，其特征在于，所述二次准直元件与所述二次发散元件为透射式相位元件，结构高度为2μm～12μm。
6.根据权利要求1所述的一种全息波导显示装置，其特征在于，所述入耦合体全息光栅和所述出耦合体全息光栅的光栅矢量K关于Z轴呈镜像对称；所述入耦合体全息光栅的光栅倾角α1和所述出耦合体全息光栅的光栅倾角α2满足α1＝-α2，所述入耦合体全息光栅的光栅倾角α1和所述出耦合体全息光栅的光栅倾角α2为20°～35°。
7.根据权利要求1所述的一种全息波导显示装置，其特征在于，所述入耦合体全息光栅和所述出耦合体全息光栅均为反射式体全息光栅。
8.根据权利要求1所述的一种全息波导显示装置，其特征在于，所述入耦合体全息光栅和所述出耦合体全息光栅的厚度为5μm～15μm。
9.根据权利要求1所述的一种全息波导显示装置，其特征在于，所述入耦合体全息光栅、所述出耦合体全息光栅的布拉格衍射中心波长与所述二次准直元件、所述二次发散元件的中心波长相等。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种全息波导显示装置，其特征在于，所述波导为平板光波导、曲面光波导或自由曲面光波导中的一种。
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