CN105487170A - 全息光波导及全息光波导显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全息光波导，属于增强现实和虚拟现实技术领域。其包括平板光波导以及分别设置于平板光波导两端的光学耦入端和光学耦出端；光学耦入端将接收到的光线进行反射，使被反射的光线满足全反射条件，在平板光波导的两个反射面之间多次全反射后传输到光学耦出端，光学耦出端将接收到的光线衍射出射；所述光学耦出端为全息光栅；所述全息光栅为偏振全息液晶光栅，包括依次排布的透明基底、光取向层、液晶层，所述光取向层上记录有呈周期性结构的偏振全息图案。本发明还公开了一种全息光波导显示装置。本发明利用偏振全息液晶光栅作为全息光波导的光学耦出端，理论上可以使衍射效率达到100%，同时能抑制零级波，消除共轭像。

Description

全息光波导及全息光波导显示装置

技术领域

本发明涉及一种全息光波导及全息光波导显示装置，属于增强现实和虚拟现实技术领域。

背景技术

用于增强现实和虚拟现实的光学波导显示技术近年来成为显示领域中的重点研究方向，广泛应于抬头显示市场领域，如汽车上的抬头显示和飞机上的抬头显示。光学波导显示是一项涵盖和涉及多学科的高技术含量的综合***工程，光电技术更是占有举足轻重的地位，包括：图像源和光学***设计技术、跟踪技术、快速断开连接技术等。其中光学***的设计是光学波导显示技术的关键，其要求显示效率高、功耗少、显示清晰、连续、稳定，并且能够在保证分辨率的前提下产生足够大的视场。

光学***的设计关系到成像质量的好坏。传统的全息光波导显示技术由于其所采用的全息光栅衍射率较低，因此耦合输入和耦合输出光波时，都会伴随能量损失，同时无法抑制零级波，共轭像很难分开。因此提高全息光波导显示技术中全息光栅的衍射效率已成为提升显示质量的重要途径。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种全息光波导及全息光波导显示装置，利用偏振全息液晶光栅作为全息光波导的光学耦出端，理论上可以使衍射效率达到100％，同时能抑制零级波，消除共轭像。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种全息光波导，包括平板光波导以及分别设置于平板光波导两端的光学耦入端和光学耦出端；光学耦入端将接收到的光线进行反射，使被反射的光线满足全反射条件，在平板光波导的两个反射面之间多次全反射后传输到光学耦出端，光学耦出端将接收到的光线衍射出射；所述光学耦出端为全息光栅；所述全息光栅为偏振全息液晶光栅，包括依次排布的透明基底、光取向层、液晶层，所述光取向层上记录有呈周期性结构的偏振全息图案。

作为本发明的一种优选方案，所述平板光波导的一端为附着有反射膜的斜面，该附着有反射膜的斜面即为所述光学耦入端。

作为本发明的另一种优选方案，所述光学耦入端为与光学耦出端相同的偏振全息液晶光栅。

进一步地，所述偏振全息液晶光栅还包括设置于透明基底与光取向层之间的透明导电层。从而可通过对液晶加电调制，实现全息光栅衍射效率的动态控制。

为了降低生产难度，进一步地，所述平板光波导包括对称设置的上波导板、下波导板，上、下波导板之间填充有液晶层；所述上波导板、下波导板均包括自外而内依次排布的透明基底、光取向层；位于所述平板光波导两端部分的上波导板与下波导板的光取向层上记录有呈周期性结构的偏振全息图案；所述平板光波导的两端部分分别作为光学耦入端和光学耦出端。

更进一步地，位于所述平板光波导两端部分的上波导板的光取向层与透明基底之间以及下波导板的光取向层与透明基底之间分别设置有透明导电层。

所述呈周期性结构的偏振全息图案的获取优选采用以下几种方法：

利用一束左旋圆偏振光与一束右旋圆偏振光叠加干涉所形成的干涉光场对所述光取向层进行曝光；这两束圆偏振光互相正交且光强相等。

或者，将一束左旋/右旋圆偏振光转换为球面光，然后利用另一束与所述左旋/右旋圆偏振光正交且光强相等的右旋/左旋圆偏振光与所述球面光叠加干涉所形成的干涉光场对所述光取向层进行曝光。

又或者，将连续周期性变化的偏振调制相位离散化为准连续的一系列子偏振区域，利用单束偏振光对各子偏振区域进行分时分区域曝光。

本发明的全息光波导显示装置，包括微型图像源和全息光波导，所述全息光波导为以上任一技术方案所述全息光波导。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

1.本发明采用平板波导结构对光路进行限制，有效解决了光路离轴传输问题，解决了传统光学显示器采用半透半反镜造成的视轴方向的厚度大，结构不紧凑，体积大的问题。

2.本发明在平板波导的光学耦出端采用偏振全息液晶光栅结构，避免了光线多次透过光学结构，有效提高了能量的传输效率。

3.本发明采用的偏振全息光栅制作工艺简单，衍射效率高，有效降低了光学***设计和制作难度。

附图说明

图1为本发明全息光波导显示装置的一个优选实施例的结构示意图；

图2为本发明全息光波导显示装置的另一个优选实施例的结构示意图；

图3为偏振全息液晶光栅记录光路示意图；

图4为正交圆偏振记录光干涉场的偏振调制示意图；

图5为本发明全息光波导的一个优选实施例的结构示意图；

图6为偏振全息液晶光栅的结构示意图。

图中各标号含义如下：

1、微型图像源，2、投影光学***，3、全息光波导，4、人眼，5、透明基底，6、光取向层，7、液晶层，8、透明导电层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的全息光波导，其基本结构与现有技术类似，包括平板光波导以及分别设置于平板光波导两端的光学耦入端和光学耦出端；光学耦入端将接收到的光线进行反射，使被反射的光线满足全反射条件，在平板光波导的两个反射面之间多次全反射后传输到光学耦出端，光学耦出端将接收到的光线衍射出射；其中的光学耦出端为全息光栅。为了提高全息光栅的衍射效率，本发明利用偏振全息液晶光栅作为全息光波导的光学耦出端，所述偏振全息液晶光栅，包括依次排布的透明基底、光取向层、液晶层，所述光取向层上记录有呈周期性结构的偏振全息图案。

为了便于对液晶加电调制，从而实现全息光栅衍射效率的动态控制，本发明可进一步在所述偏振全息液晶光栅的透明基底与光取向层之间设置一透明导电层，例如可采用常用的氧化铟锡(俗称ITO)膜。

图1显示了本发明全息光波导显示装置一个优选实施例的基本结构，用于抬头显示***。如图1所示，该装置包括微型图像源1、投影光学***2、平板光波导3。本实施例中的平板光波导3为一端带有倾斜面的矩形波导结构，光线进入平板光波导3进行第一次反射的反射区域为斜面，该斜面作为平板光波导3的光学耦入端，斜面表面镀有反射膜，保证经斜面反射的光线满足在平板波导中传播的全反射条件。使用这种结构可降低加工难度。平板光波导3的光学耦出端为偏振全息液晶光栅。微型图像源1发射出的光线经投影光学***2产生准直的圆偏振光，透射进入平板光波导3的光学耦入端；光学耦入端将接收到的光线反射，满足全反射条件在平板光波导3的反射面多次全反射后传输到作为光学耦出端的偏振全息液晶光栅；偏振全息液晶光栅将接收到的光线衍射出射至人眼4。其中，微型图像源1可以是LCOS、LCD、OLED等显示元件。

图2显示了本发明全息光波导显示装置另一个优选实施例的基本结构，如图2所示，该实施例与图1不同之处在于采用偏振全息液晶光栅作为平板光波导3的光学耦入端。

为了便于公众理解，下面对本发明所涉及的偏振全息液晶光栅进行进一步说明。

所述偏振全息液晶光栅是在透明基底上(或者带有透明导电层的透明基底，例如ITO玻璃)旋涂一层对偏振光敏感的光取向材料，形成光取向层；然后通过对光取向层进行偏振全息曝光，从而使得光取向层上记录有呈周期性结构的偏振全息图案，最后进行封盒并灌入液晶。由于光取向剂可以控制液晶分子的偏转，经偏振全息曝光的光取向层呈周期性结构，因此液晶呈周期性偏转，进而形成偏振全息液晶光栅。所述呈周期性结构的偏振全息图案优选通过以下几种方式获取：

利用一束左旋圆偏振光与一束右旋圆偏振光叠加干涉所形成的干涉光场对所述光取向层进行曝光；这两束圆偏振光互相正交且光强相等。

或者，将一束左旋/右旋圆偏振光转换为球面光，然后利用另一束与所述左旋/右旋圆偏振光正交且光强相等的右旋/左旋圆偏振光与所述球面光叠加干涉所形成的干涉光场对所述光取向层进行曝光。

又或者，将连续周期性变化的偏振调制相位离散化为准连续的一系列子偏振区域，利用单束偏振光对各子偏振区域进行分时分区域曝光。

以第一种方式为例，用于偏振全息记录的是两束正交的圆偏振光，其光路示意图如图3所示，W1和W2分别为光强相等的两束左旋和右旋圆偏光，它们以2θ的夹角入射到需曝光样品上，表达式如公式(1)所示：

$W1=\left[\begin{array}{c}\frac{1}{2}E\\ -\frac{1}{2}iE\end{array}\right]\exp \left(i\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right),W2=\left[\begin{array}{c}\frac{1}{2}E\\ \frac{1}{2}iE\end{array}\right]\exp (-i\frac{\mathrm{\δ}}{2})---\left(1\right)$

其中为电矢量振幅，δ＝(2πxsinθ)/λ为两束光波间的相位差，它在X轴上是周期变化的，λ为记录光波长，两束光波叠加干涉，总的光场可以表示为

$E=\left[\begin{array}{c}Ecos(\mathrm{\δ}/2)\\ Esin(\mathrm{\δ}/2)\end{array}\right]---\left(2\right)$

两束圆偏振光形成的干涉场，其强度是一常量，而偏振态是空间调制的，如图4所示，干涉场为一系列线偏振光，其偏振角度是空间周期性变化的。在此干涉光场的作用下，光取向材料中的分子取向也相应的周期性变化，从而达到记录偏振全息图案的目的。

当所述偏振全息液晶光栅的入射光为左旋或右旋圆偏振光时，±1级衍射光场分别为

E_-1(RCP)＝E₊₁(LCP)＝0(5)

相应的衍射效率为

${\mathrm{\η}}_{-1}\left(LCP\right)={\mathrm{\η}}_{+1}\left(RCP\right)={\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}\mathrm{\Δ}nd}{\mathrm{\λ}}\right)---\left(6\right)$

η₊₁(LCP)＝η_-1(RCP)＝0(7)

上式表明，当入射光为左旋或者右旋圆偏振光时，只有一束衍射光信号可见，其仍为圆偏振光，但旋转方向和探测光相反。

由上面分析我们可以得到，当入射光为右旋圆偏振光，且控制Δnd＝λ/2时，+1级衍射效率可以达到100％，-1级消失，同时抑制零级衍射光。

我们可以将偏振全息液晶光栅看作周期性调制透射式的纯相位光栅，入射光经光栅衍射，满足光栅方程：

mλ/Λ＝sinθ_in±sinθ_m(8)

其中Λ为光栅周期，m为衍射级次，λ为探测光波长，θ_in为探测光入射角，θ_m为m级衍射光衍射角。对于给定周期的光栅，我们可以通过控制光线入射角来获得我们想要的衍射角。

图5显示了本发明全息光波导的一种优选结构，其采用平板波导与作为光学耦入端、耦出端的偏振全息液晶光栅一体化的结构。如图5所示，该全息光波导包括之间填充有液晶层7的对称设置的上、下两片波导板，上、下波导板的结构、厚度相同，也可以是不同厚度，结构上均包括由外向内的透明基底层5、光取向层6；如图5所示，位于所述平板光波导两端部分的上波导板的光取向层与透明基底之间以及下波导板的光取向层与透明基底之间分别设置有透明导电层8；平板光波导两端部分的上波导板与下波导板的光取向层上记录有呈周期性结构的偏振全息图案。这样，平板光波导的两端分别形成了一个偏振全息液晶光栅，分别作为全息光波导的光学耦入端和光学耦出端。该结构将光学耦入端和光学耦出端嵌入平板波导，只有光学耦出端和光学耦入端有透明导电层，可以通过偏振光干涉曝光光取向层，得到光学耦入端和光学耦出端的偏振全息液晶光栅，而对于中间没有透明导电层的区域，可以通过偏振光直接曝光光取向层，得到平行取向液晶。这种结构避免了***胶合引起的散射，同时也可以通过加电动态调制偏振全息液晶光栅的衍射效率。

图6为图5所示全息光波导中一个偏振全息液晶光栅的结构示意图，其包括透明基底层5、透明导电层8、光取向层6、液晶层7，其中光取向层6通过偏振曝光的方式记录有呈周期性结构的偏振全息图案。

该实施例中的全息光波导通过偏振全息液晶光栅提高了光线能量传输效率，并通过优化的结构设计减少了***胶合加工的环节，在避免***胶合引起的散射的同时还降低了制作难度。由于偏振全息液晶光栅对于非偏振光自然光可以直接透射，实现真实场景与虚拟场景的有效叠加，因此对用于增强现实和虚拟现实领域的光学显示器具有重要意义。

Claims (10)

1.一种全息光波导，包括平板光波导以及分别设置于平板光波导两端的光学耦入端和光学耦出端；光学耦入端将接收到的光线进行反射，使被反射的光线满足全反射条件，在平板光波导的两个反射面之间多次全反射后传输到光学耦出端，光学耦出端将接收到的光线衍射出射；所述光学耦出端为全息光栅；其特征在于，所述全息光栅为偏振全息液晶光栅，包括依次排布的透明基底、光取向层、液晶层，所述光取向层上记录有呈周期性结构的偏振全息图案。

2.如权利要求1所述全息光波导，其特征在于，所述平板光波导的一端为附着有反射膜的斜面，该附着有反射膜的斜面即为所述光学耦入端。

3.如权利要求1所述全息光波导，其特征在于，所述光学耦入端为与光学耦出端相同的偏振全息液晶光栅。

4.如权利要求3所述全息光波导，其特征在于，所述偏振全息液晶光栅还包括设置于透明基底与光取向层之间的透明导电层。

5.如权利要求3所述全息光波导，其特征在于，所述平板光波导包括对称设置的上波导板、下波导板，上、下波导板之间填充有液晶层；所述上波导板、下波导板均包括自外而内依次排布的透明基底、光取向层；位于所述平板光波导两端部分的上波导板与下波导板的光取向层上记录有呈周期性结构的偏振全息图案；所述平板光波导的两端部分分别作为光学耦入端和光学耦出端。

6.如权利要求5所述全息光波导，其特征在于，位于所述平板光波导两端部分的上波导板的光取向层与透明基底之间以及下波导板的光取向层与透明基底之间分别设置有透明导电层。

7.如权利要求1～6任一项所述全息光波导，其特征在于，所述呈周期性结构的偏振全息图案的获取方法具体如下：利用一束左旋圆偏振光与一束右旋圆偏振光叠加干涉所形成的干涉光场对所述光取向层进行曝光；这两束圆偏振光互相正交且光强相等。

8.如权利要求1～6任一项所述全息光波导，其特征在于，所述呈周期性结构的偏振全息图案的获取方法具体如下：将一束左旋/右旋圆偏振光转换为球面光，然后利用另一束与所述左旋/右旋圆偏振光正交且光强相等的右旋/左旋圆偏振光与所述球面光叠加干涉所形成的干涉光场对所述光取向层进行曝光。

9.如权利要求1～6任一项所述全息光波导，其特征在于，所述呈周期性结构的偏振全息图案的获取方法具体如下：将连续周期性变化的偏振调制相位离散化为准连续的一系列子偏振区域，利用单束偏振光对各子偏振区域进行分时分区域曝光。

10.一种全息光波导显示装置，包括微型图像源和全息光波导，其特征在于，所述全息光波导为权利要求1～9任一项所述全息光波导。