CN109917547B - 基于彩色偏振体光栅的全彩波导耦合近眼显示结构、制备方法及ar可穿戴设备 - Google Patents
基于彩色偏振体光栅的全彩波导耦合近眼显示结构、制备方法及ar可穿戴设备 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109917547B CN109917547B CN201811286578.2A CN201811286578A CN109917547B CN 109917547 B CN109917547 B CN 109917547B CN 201811286578 A CN201811286578 A CN 201811286578A CN 109917547 B CN109917547 B CN 109917547B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- waveguide
- green
- blue
- grating
- red
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 title claims abstract description 72
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 title claims abstract description 72
- 230000008878 coupling Effects 0.000 title claims abstract description 30
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 11
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 28
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 10
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 claims description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 7
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 6
- 229920000106 Liquid crystal polymer Polymers 0.000 claims description 4
- 239000004977 Liquid-crystal polymers (LCPs) Substances 0.000 claims description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 2
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 abstract description 6
- 238000001338 self-assembly Methods 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 96
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 7
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 7
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 6
- 239000010408 film Substances 0.000 description 5
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 4
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 4
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 210000001747 pupil Anatomy 0.000 description 3
- 210000001525 retina Anatomy 0.000 description 3
- 108010010803 Gelatin Proteins 0.000 description 2
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 2
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 229920000159 gelatin Polymers 0.000 description 2
- 239000008273 gelatin Substances 0.000 description 2
- 235000019322 gelatine Nutrition 0.000 description 2
- 235000011852 gelatine desserts Nutrition 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- KWVGIHKZDCUPEU-UHFFFAOYSA-N 2,2-dimethoxy-2-phenylacetophenone Chemical compound C=1C=CC=CC=1C(OC)(OC)C(=O)C1=CC=CC=C1 KWVGIHKZDCUPEU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004873 anchoring Methods 0.000 description 1
- 239000000987 azo dye Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 239000002355 dual-layer Substances 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 238000009877 rendering Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/01—Head-up displays
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/18—Diffraction gratings
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于彩色偏振体光栅的全彩波导耦合近眼显示结构、制备方法及AR可穿戴设备。本发明使用了彩色偏振体全息光栅作为波导的耦合装置，相较于传统的全息耦合光栅，该新型光栅利用液晶的自组装效应和各向异性有着高衍射效率，大衍射角度，同时可工作在较宽的波长与角度带宽，结合所公开的多层波导结构，本发明应用于近眼显示应用，可实现大视场角、高透明度、高效率的彩色图像传输。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于彩色偏振体光栅的全彩波导耦合近眼显示结构、制备方法及AR可穿戴设备。
背景技术
基于具有耦合元件的平面波导而设计的近眼显示***在过去的十几年有了很大的发展，被广泛应用到军事和商业领域。在AR设备上，上述的波导结构必须满足重量轻、体积小、高透明度以及出瞳广阔的特点。作为耦合波导近眼显示***的基本组件之一，耦合元件能够决定视场角(FOV)、耦合效率、显色性等重要参数。
为了更进一步轻化波导结构，光学衍射元件(DOEs)已经被广泛研究并在波导近眼显示***中被用作耦合元件。这种多衍射元件中，光学衍射光栅是最普遍的。当被应用在波导耦合式近眼显示***中时，衍射光栅可以将来自微显示器的入射光束耦合到波导内。衍射光栅在具有大的衍射角的同时还具有角度选择性和波长选择性，这就保证了在满足全内反射条件时光束能够在波导中高效率地传播。
考虑到光衍射元件的多样性，全息体光栅(HVG)具有独特的优点，因此被广泛用作波导中的耦合装置。一般的全息体光栅可以通过在全息记录材料(如光致聚合物、重铬酸盐明胶等)记录干涉图样制成。当满足布拉格条件的光束照射到HVG上时，能够发生高衍射效率的单级衍射，并且衍射角度很大，这是HVG的重要特点。同时，由于其具有窄带宽和严格的角度选择性，HVG对环境光具有高透过性。但是，角度带宽和波长带宽很短会限制视场角FOV的大小并且当被用到波导耦合显示***中时，也会限制全彩传输的实现。
双折射率的差值能够决定体光栅的角度和波长带宽。传统的重铬酸盐明胶材料的双折射率材料能够达到0.15。但是其对环境的高度敏感性以及其复杂的制备过程导致如今大多数被用作记录介质的光致聚合物的双折射率差值仅有0.035。如此小的双折射率差值导致角度带宽和波长带宽均很窄，从而导致视场角很小。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于彩色偏振体光栅(CPVG)的全彩波导耦合近眼显示***的制备方法，用于解决现有的方法中存在的衍射效率低、视场角小、不利于实现全彩传输等问题。并且光栅的偏折特性使得至少50％的非偏振环境光直接透过光栅而不发生衍射。
技术方案：为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于彩色偏振体光栅的全彩波导耦合近眼显示结构，采用以彩色偏振体光栅作为耦合装置的双层波导结构来实现全彩近眼显示，其中一层被用来传播蓝、绿色光束的蓝、绿色波导结构中使用了蓝、绿色的偏振体光栅作为耦合装置从而实现在波导中传输蓝色和绿色光束；另一层被用来传播红色光束的红色波导结构中使用了红色偏振体光栅作为耦合装置从而实现在波导中传输红色光束。
蓝、绿色波导结构中的入耦合装置和出耦合装置均为蓝、绿色PVG，并且蓝、绿色波导结构中的入耦合装置和出耦合装置位于平面波导结构的镜面对称位置；相应地，红色波导结构中的入耦合装置和出耦合装置均为红色PVG，并且红色波导结构中第二入耦合装置和出耦合装置也位于平面波导结构的镜面对称位置。
所述蓝、绿色波导结构包括蓝色波导层和绿色波导层两层。
每两个波导层叠加在一起后在两个波导层之间存在着空气层。
蓝色波导层的水平周期长度值和绿色波导层水平周期长度值相同，其满足布拉格衍射公式：
式(3)中，neff代表光栅所用的双折射材料的等效折射率；Λx代表光栅在x方向上的的水平周期长度；代表波导层中具有周期性的折射率平面的倾斜角；λB代表真空中的布拉格波长。
本发明还进一步公开了一种所述的基于彩色偏振体光栅的全彩波导耦合近眼显示结构的制备方法，包括以下几个步骤：
步骤一、将光取向材料溶于相应的溶剂后在干净的玻璃波导表面进行旋涂，加热一段时间后形成薄膜；
步骤二、两束偏振光在步骤一中形成的光取向材料薄膜上进行干涉曝光，并进一步形成光取向层；
步骤三、将含有液晶聚合物和手性材料的溶液地在步骤二中形成的取向层上，再将玻璃放在旋涂机上以一定的旋转速度旋转一定时间后停止；
步骤四、使用5J/cm2的紫外光在氮环境中进行紫外固化；
步骤五、重复步骤三和步骤四直到薄膜厚度达到100nm到1μm以保证形成光栅，此外，对于蓝、绿色波导结构首先旋涂和固化绿色的PVG厚度达到100nm～1μm，之后在绿色PVG层上直接旋涂和固定蓝色的波导层。
步骤二中的曝光环境需要满足温度为20℃～30℃之间、相对湿度保持在38以下。
步骤二中曝光所使用的激光器能量控制在6J/cm2～10J/cm2。
本发明还进一步的公开了一种AR可穿戴设备，采用所述基于彩色偏振体光栅的全彩波导耦合近眼显示结构。
有益效果：
第一、本发明中起到耦合作用的彩色体全息光栅能够将蓝绿波段和红色波段的光分别耦合到两个波导中来实现基于全彩耦合波导的显示***。
第二、本发明形成了布拉格光栅的结构并且所使用的液晶材料具有大的双折射率差值△n，因此根据耦合波理论可知本发明能够实现很高的光栅衍射效率。
第三、本发明采用的液晶材料具有较大的双折射率差值，根据耦合波理论可知耦合光栅入射角带宽变大，利用这一点可以制备具有大视场角(可以达到35°)的AR可穿戴设备。
附图说明
图1为本发明中作为耦合装置的CPVG结构示意图；
其中，图1(a)展示了被用来衍射蓝色和绿色的蓝绿色体光栅结构，其中，Λbgx代表蓝色波导层和绿色波导层这两层的水平周期长度值；Λby和Λgy分别代表蓝色波导层和绿色波导层的垂直周期长度值；向量Kb和Kg分别代表蓝色波导层和绿色波导层中体光栅的布拉格矢量；和/>分别代表蓝色波导层和绿色波导层中具有周期性的折射率平面的倾斜角。
图1(b)展示了能够使红光发生布拉格衍射的PVG结构，其中，Λrx代表红色波导层的水平周期长度值；Λry代表垂直周期长度值；向量Kr代表红色波导层中体光栅的布拉格矢量；代表红色波导层中具有周期性折射率平面的倾斜角；α代表液晶分子光轴与z轴之间的夹角。
图2为本发明所阐述的双层波导结构的示意图；
其中，1、微显示器；2、观察者的视网膜；3、人眼晶状体；4、准直器；5、蓝绿色波导层和红色波导层之间的空气层；6、蓝绿色波导层；7、红色波导层；8、绿色波导层的入耦合装置；9、蓝绿色波导层的出耦合装置；10、红色波导层的入耦合装置；11、红色波导层的出耦合装置；
图3为本发明所阐述的三层波导结构的示意图；
其中，20、蓝色波导层的入耦合装置；30、绿色波导层的入耦合装置；40、蓝色波导层的出耦合装置；50、绿色波导层的出耦合装置；60、蓝色波导层；70、绿色波导层；
图4为本发明的衍射角随入射角变化而变化的曲线图；
图5为本发明的流程图；
图6为本发明所用到的曝光光路示意图；
其中，100、线偏振激光器；200、半波片；300、偏振光分束器PBS；(400，900)、四分之一波片；(500，800)、扩束透镜；(600，700)、平面镜；1000、待曝光的样片；α代表两束偏振光之间的夹角。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明中所用到的作为耦合装置的CPVG的结构如图1所示。由图1可知体全息光栅PVG具有二维周期结构，其中，
在x-z平面(水平面)，液晶分子光轴与z轴之间的夹角α会沿x方向，既水平方向发生周期性变化，其周期长度记作Λx。
在y-z平面上，液晶材料(或者更广泛地，双折射材料)在y方向，既垂直方向上呈现出周期螺旋结构，其周期记作Λy。
这样的二维周期结构能够产生一系列倾斜的具有周期性的折射率平面，其倾斜角可由式(1)计算：
为了简化分析而不失一般性，假设反射式PVG的倾斜角满足并且α可由式(2)计算：
如果双折射率材料层足够厚，则布拉格衍射能够被建立。事实上，垂直入射光的衍射光具有高衍射效率，布拉格衍射由式(3)所表示：
式(3)中λB代表真空中的布拉格波长，neff代表双折射介质的等效折射率，由式(4)计算：
图1中所展示的两种CPVG结构分别代表(a)被用来衍射蓝色和绿色的蓝、绿色体光栅(cyan PVG)。Cyan PVG可以被分为蓝色和绿色两层，这两层的水平周期长度相同，在图1(a)中被记作Λbgx，其值由上述式(3)计算：
式(3)中，neff代表光栅所用的双折射材料的等效折射率；Λx代表光栅在x方向上的的水平周期长度；代表波导层中具有周期性的折射率平面的倾斜角；λB代表真空中的布拉格波长。
当波长值λB为457nm(蓝色)，为蓝色波导层中的折射率平面倾斜角时，Λx为蓝色波导层水平周期长度值；当波长值λB为532nm(绿色)，/>为绿色波导层中的折射率平面倾斜角时，Λx为绿色波导层水平周期长度值。由于在本发明所提的结构中蓝绿色波导层的水平周期长度数值相同，因此记为将其记Λbgx。
由于蓝绿两层具有相同的水平周期长度值，所以蓝、绿两层波导层满足相同的光栅色散方程(5)：
式(5)中，θ0代表衍射角(光束在波导中的传播角)，nglass代表玻璃波导的折射率值，λ代表光束的波长，θi代表在空气中的入射角，m代表衍射级次(对于体光栅而言m＝1)，Λx代表光栅在x方向上的的水平周期长度。对于蓝、绿色波导层而言，Λx即为Λbgx。
蓝、绿两层的不同之处在于y方向上的周期长度不同，即图1(a)中的Λby和Λgy不同，由式(1)和(3)可知，这决定了垂直入射时的布拉格中心波长的不同。
在制备过程中CPVG仅需要一次偏振干涉曝光即可在光取向材料上产生所需要的水平周期长度Λx，之后依次旋涂具有不同Λy的手性螺旋材料即可。
图1(b)展示了能够使红光发生布拉格衍射的PVG结构，它具有和蓝、绿色CPVG不同的水平周期长度，即Λrx不等于Λbgx。
表1列出了一组示例参数。作为具体实施中的举例，表1列出了一组对应不同中心波长(457nm,532nm,630nm)的CPVG的相关参数。实际情况下的具体参数值需要按照所需设计改变。
图2展示了本发明的整体结构，***包含一个传播蓝、绿色的蓝绿色波导层6(Waveguide(B+G))和一个传播红色的红色波导层7(Waveguide(R))。
蓝绿色波导层6中的绿色波导层的入耦合装置8和蓝绿色波导层的出耦合装置9均为蓝绿色PVG，并且绿色波导层的入耦合装置8和蓝绿色波导层的出耦合装置9位于平面波导结构的镜面对称位置。相应地，红色波导层7中的红色波导层的入耦合装置10和红色波导层的出耦合装置11均为红色PVG，并且红色波导层的入耦合装置10和红色波导层的出耦合装置11也位于平面波导结构的镜面对称位置。
更清楚地，图2展示了来自微显示器1的中心波长段的光束在双层波导结构中的传播。经过准直器4准直后，由微显示器1发出的包含红绿蓝三种波段的白光将通过蓝绿色波导层的绿色波导层的入耦合装置8和红色波导层的入耦合装置10垂直射入波导中。
然后，入耦合装置将会以大于全内反射角的不同角度将入射光衍射到波导中。这两个能够传播不同波段光束的波导具有不同的PVG。
位于顶端的蓝、绿色波导的CPVG对蓝色和绿色起作用，其衍射角可以利用式(5)得到。
位于底端的红色波导的PVG仅对红色起作用，同样地，其衍射角也可以利用式(5)得到。
当传播的光束到达作为出耦合的PVG时，出耦合PVG会以与入射波到达入耦合时的角度将光束衍射出波导。
经过人眼晶状体3的准直，观察者的视网膜2在合适的位置可以接受到一个彩色的像素图像。事实上，像素在无穷远处成像并被人眼所接收。
另外，由于入耦合和出耦合PVG在水平方向上的对称性，色散现象可以被抵消。也就是说，彩色鬼影图像可以在内部被消除，这对保证图像质量的全彩显示而言是一个重要的特点。而且，在不同波导内传播的光束的传播是不相关的，并且由于两个波导层之间存在着空气层5，因此在不同波导的光栅之间的串扰是可以忽略不计的。在另一方面，出瞳的连续性对于基于波导的显示***而言也是一个关键问题，它会影响在不同位置观察图像时的颜色和亮度的统一性。我们已经在以前的工作中研究并记录了相关的事实。通过选择合适厚度的波导、传播步长和调整入瞳大小的方法，该问题可以被高效解决。
采用厚度为1mm的高折射率玻璃作为波导，并且三种颜色(红、绿、蓝)的传播光束的中心波长分别为630nm、532nm、457nm。
为了使光束能够沿着波导传播，最小的衍射角由公式(6)计算得到：
θmin＝arcsin(1/n), (6)
式(6)中n代表所用波导材料的折射率值。
最大衍射角度由公式(7)计算得到：
θmax＝arctan(W/2t), (7)
式(7)中W代表准直器空径(本发明中为10mm)，t代表波导的厚度(本发明中每层的波导厚度为1mm)。
图4展示了在不同波长条件下具有不同入射角的衍射角度分布曲线。
由图4可知所能够实现的FOV大约为35.7°(-13.3°～22.4°)，这种大小的视场角满足了当前主流的基于波导的近眼显示***的需求。
图5为具体制备流程图：
步骤一、将光取向材料溶于相应的溶剂后在干净的玻璃波导(n＝1.85)表面进行旋涂。
作为示例可选择偶氮染料类如SD1、BY等作为光取向材料，DMF作为溶剂。旋涂机以一定转速旋转一段时间后停止，之后将波导在120℃的热台上加热30分钟形成薄膜。
步骤二、两束偏振光在步骤一中形成的光取向材料薄膜上进行干涉曝光，并进一步形成光取向层，曝光装置如图6所示：
由线偏振激光器100发出的光束在经过半波片200后被偏振光分束器(PBS)300分成两束相互正交的偏振光束。两个四分之一波片(QWP)再将两束偏振光分别转变为右旋圆偏光和左旋圆偏光。
半波片200被用来调整两路光的光强以保证两路光强相同。
两路相干光在经过空间滤波和扩束透镜之后，分别被平面镜一定角度反射，最后这两束圆偏特性相反的圆偏光将会以α的夹角叠加并在样品1000的光取向层上形成干涉图样。
作为本发明的示例，对于蓝、绿色和红色的PVG，如果曝光角度分别被设置为76°和60°，这将会使其水平方向的的周期长度分别为371.5nm和457nm。
曝光环境必须满足一定温度和湿度的条件。此外曝光过程中所使用的激光器能量也必须满足一定条件。作为示例，本发明所使用的激光器能量在8J/cm2左右。
步骤三、本发明中采用液晶聚合物和手性材料来产生图1中y方向上的螺旋结构，并使用光引发剂和相应溶剂。作为示例可采用Irgacure651作为光引发剂，采用甲苯作为溶剂。
作为示例，本发明所用到的步骤三中所提的含有液晶聚合物和手性材料的溶液的质液比例大约在15％～20％的范围内。
旋涂机以一定的旋转速度旋转一定时间后停止，垂直周期长度Λy能够达到所需要的值。
作为示例，可以选择如表1中所给出的红(中心波长为457nm)、绿(中心波长为532nm)、蓝(中心波长为630nm)三色波导层的水平周期长度值Λx和垂直周期长度值Λy进行制备。
表1
事实上，由于光取向层的锚定能和手性材料的螺旋扭曲能产生的二维周期结构，双折射材料分子能够形成螺旋结构。
步骤四、使用紫外光在氮环境中进行紫外固化，紫外光的具体功率值需要根据所使用的材料种类等因素确定。作为示例，本发明中所使用的紫外光能量满足1J/cm2～10J/cm2的
步骤五、重复步骤三四直到薄膜厚度大于一定值(作为示例，本发明中该值约为4.5μm)。此外对于蓝、绿色的PVG首先旋涂和固化绿色的PVG到所需要的厚度，之后在绿色PVG层上直接旋涂和固定蓝色的溶液。
经过以上五个步骤能够制得一个波导，之后重复以上五步再制备出另一种颜色的波导，讲两个波导就叠加在一起就制得了基于彩色偏振体光栅的全彩耦合波导。
作为示例，本发明这里所使用的玻璃基底的底面为25mm×75mm的长方形，厚度为0.05mm,双折射率值为0.18。在旋涂和光栅制备之后，利用透明紫外光固化剂将另一个相同的干净的玻璃粘合在所形成的光栅表面，最终制得的一层波导厚度为1mm。
基于同样的工作原理，作为本发明还包含三层波导结构。
如图3所示，即将单层的蓝、绿色波导分为蓝色波导层60、绿色波导层70两层。每层波导的制作同样按照图5中所述的步骤进行。之后将中心波长为457nm的蓝色波导层60和中心波长为532nm的绿色红色波导层70以及中心波长为630nm的红色波导层7叠加在一起即组成了图3中所描述的三层波导结构。
和双层波导结构类似地，来自微显示器1的包含红绿蓝三种波段的白光光束在经过准直器4准直后，依次通过蓝色波导层的入耦合装置20、绿色波导层的入耦合装置30以及红色波导层的入耦合装置10后垂直射入波导中。然后，入耦合PVG将会以大于全内反射角的不同角度将入射光衍射到波导中。由于入耦合装置和出耦合装置关于于波导具有镜面对称性，因此当在不同波导层中传播的光束到达作为出耦合的PVG时，出耦合PVG会以与入射波到达入耦合时的角度将光束衍射出波导。
图3中40代表蓝色波导层的出耦合装置，50代表绿色波导层中的出耦合装置，11代表红色波导层中的出耦合装置，5代表不同波导层之间的空气层。
光束从波导射出后经过人眼晶状体3的准直，观察者的视网膜2在合适的位置可以接受到一个彩色的像素图像。
事实上，像素在无穷远处成像并被人眼所接收。
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 (2)
1.一种基于彩色偏振体光栅的全彩波导耦合近眼显示结构的制备方法，所述基于彩色偏振体光栅的全彩波导耦合近眼显示结构采用以彩色偏振体光栅作为耦合装置的双层波导结构来实现全彩近眼显示，其中一层被用来传播蓝、绿色光束的蓝、绿色波导结构中使用了蓝、绿色的偏振体光栅作为耦合装置从而实现在波导中传输蓝色和绿色光束；另一层被用来传播红色光束的红色波导结构中使用了红色偏振体光栅作为耦合装置从而实现在波导中传输红色光束；其特征在于：
包括以下几个步骤：步骤一、将光取向材料溶于相应的溶剂后在干净的玻璃波导表面进行旋涂，加热一段时间后形成薄膜；
步骤二、两束偏振光在步骤一中形成的光取向材料薄膜上进行干涉曝光，并进一步形成光取向层；
步骤三、将含有液晶聚合物和手性材料的溶液地在步骤二中形成的取向层上，再将玻璃放在旋涂机上以一定的旋转速度旋转一定时间后停止；
步骤四、使用5J/cm2的紫外光在氮环境中进行紫外固化；
步骤五、重复步骤三和步骤四直到薄膜厚度达到100nm到1μm以保证形成光栅，此外，对于蓝、绿色波导结构首先旋涂和固化绿色的偏振体光栅厚度达到100nm～1μm，之后在绿色偏振体光栅上直接旋涂和固定蓝色的偏振体光栅溶液，以共用同一层波导层；
蓝、绿色波导结构中的入耦合装置和出耦合装置均为蓝、绿色偏振体光栅，并且蓝、绿色波导结构中的入耦合装置和出耦合装置位于平面波导结构的镜面对称位置；相应地，红色波导结构中的入耦合装置和出耦合装置均为红色偏振体光栅，并且红色波导结构中第二入耦合装置和出耦合装置也位于平面波导结构的镜面对称位置；
所述蓝、绿色波导结构是使用蓝色偏振体光栅和绿色偏振体光栅的一层蓝绿色波导层；
所述红色波导结构是使用红色偏振体光栅的一层红色波导层；
蓝色偏振体光栅的水平周期长度值和绿色偏振体光栅的水平周期长度值相同，其满足布拉格衍射公式：
式(3)中，neff代表光栅所用的双折射材料的等效折射率；Λx代表光栅在x方向上的的水平周期长度；代表偏振体光栅中具有周期性的折射率平面的倾斜角；λB代表真空中的布拉格波长；
在蓝绿色波导层和红色波导层之间存在着空气层；
步骤二中的曝光环境需要满足温度为20℃～30℃之间、相对湿度保持在38以下；
中心波长是457nm的蓝色偏振体光栅的X方向周期长度是371.1455nm，y方向周期长度是180.2439nm，垂直入射时的衍射角是41.7268度；
中心波长是532nm的绿色偏振体光栅的X方向周期长度是371.1455nm，y方向周期长度是241.9119nm，垂直入射时的衍射角是50.7879度；
中心波长是630nm的红色偏振体光栅的X方向周期长度是457nm，y方向周期长度是242.5909nm，垂直入射时的衍射角是48.1733度。
2.根据权利要求1所述的基于彩色偏振体光栅的全彩波导耦合近眼显示结构的制备方法，其特征在于：步骤二中曝光所使用的激光器能量控制在6J/cm2～10J/cm2。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811286578.2A CN109917547B (zh) | 2018-10-31 | 2018-10-31 | 基于彩色偏振体光栅的全彩波导耦合近眼显示结构、制备方法及ar可穿戴设备 |
| PCT/CN2019/101983 WO2020088055A1 (zh) | 2018-10-31 | 2019-08-22 | 基于彩色偏振体光栅的全彩波导耦合近眼显示结构、制备方法及ar可穿戴设备 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811286578.2A CN109917547B (zh) | 2018-10-31 | 2018-10-31 | 基于彩色偏振体光栅的全彩波导耦合近眼显示结构、制备方法及ar可穿戴设备 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109917547A CN109917547A (zh) | 2019-06-21 |
| CN109917547B true CN109917547B (zh) | 2024-06-18 |
Family
ID=66959603
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201811286578.2A Active CN109917547B (zh) | 2018-10-31 | 2018-10-31 | 基于彩色偏振体光栅的全彩波导耦合近眼显示结构、制备方法及ar可穿戴设备 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109917547B (zh) |
| WO (1) | WO2020088055A1 (zh) |
Families Citing this family (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109917547B (zh) * | 2018-10-31 | 2024-06-18 | 东南大学 | 基于彩色偏振体光栅的全彩波导耦合近眼显示结构、制备方法及ar可穿戴设备 |
| WO2021060485A1 (ja) * | 2019-09-27 | 2021-04-01 | 富士フイルム株式会社 | 光学素子の製造方法 |
| US11598919B2 (en) * | 2019-10-14 | 2023-03-07 | Meta Platforms Technologies, Llc | Artificial reality system having Bragg grating |
| CN110824613A (zh) * | 2019-11-13 | 2020-02-21 | 东南大学 | 偏振复用波导显示器件 |
| CN110727116A (zh) * | 2019-11-13 | 2020-01-24 | 东南大学 | 一种基于偏振体全息光栅的二维扩瞳方法 |
| CN111352182B (zh) * | 2020-04-29 | 2021-07-30 | 刘奡 | 一种偏振体全息光栅的曝光方法 |
| CN113341569B (zh) * | 2021-06-09 | 2022-04-19 | 东南大学 | 一种偏振复用衍射波导大视场角度成像***及方法 |
| CN114236971B (zh) * | 2021-11-30 | 2023-11-21 | 歌尔股份有限公司 | 偏振全息光栅的曝光***及曝光方法 |
| CN114578561B (zh) * | 2022-01-27 | 2024-03-26 | 东南大学 | 基于多层体光栅的大视场高亮度全息波导***及制备方法 |
| CN114779397B (zh) * | 2022-04-29 | 2024-04-26 | 北京枭龙科技有限公司 | 实现彩色显示的单层光栅波导器件及近眼显示装置 |
| CN115016128B (zh) * | 2022-08-08 | 2022-12-02 | 南京平行视界技术有限公司 | 一种基于偏振体全息波导hud装置 |
| CN115097637B (zh) * | 2022-08-26 | 2022-12-09 | 杭州光粒科技有限公司 | 一种平视显示器 |
| CN116893462B (zh) * | 2023-09-08 | 2023-12-29 | 北京灵犀微光科技有限公司 | 一种偏振体全息光栅制备方法及偏振体全息光栅 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104656259A (zh) * | 2015-02-05 | 2015-05-27 | 上海理湃光晶技术有限公司 | 共轭窄带三基色交错的体全息光栅波导近眼光学显示器件 |
| CN105487170A (zh) * | 2016-01-19 | 2016-04-13 | 东南大学 | 全息光波导及全息光波导显示装置 |
| WO2018096359A2 (en) * | 2016-11-28 | 2018-05-31 | Bae Systems Plc | Multiple waveguide structure for colour displays |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2196729A1 (en) * | 2008-12-12 | 2010-06-16 | BAE Systems PLC | Improvements in or relating to waveguides |
| US8989535B2 (en) * | 2012-06-04 | 2015-03-24 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Multiple waveguide imaging structure |
| US9664905B2 (en) * | 2013-06-28 | 2017-05-30 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Display efficiency optimization by color filtering |
| US9891436B2 (en) * | 2016-02-11 | 2018-02-13 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Waveguide-based displays with anti-reflective and highly-reflective coating |
| CN105807348B (zh) * | 2016-05-23 | 2018-07-06 | 东南大学 | 一种反射型体全息光栅波导结构 |
| US20170373459A1 (en) * | 2016-06-27 | 2017-12-28 | University Of Central Florida Research Foundation, Inc. | Volume polarization grating, methods of making, and applications |
| WO2019104046A1 (en) * | 2017-11-27 | 2019-05-31 | University Of Central Florida Research | Optical display system, method, and applications |
| CN109917547B (zh) * | 2018-10-31 | 2024-06-18 | 东南大学 | 基于彩色偏振体光栅的全彩波导耦合近眼显示结构、制备方法及ar可穿戴设备 |
-
2018
- 2018-10-31 CN CN201811286578.2A patent/CN109917547B/zh active Active
-
2019
- 2019-08-22 WO PCT/CN2019/101983 patent/WO2020088055A1/zh active Application Filing
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104656259A (zh) * | 2015-02-05 | 2015-05-27 | 上海理湃光晶技术有限公司 | 共轭窄带三基色交错的体全息光栅波导近眼光学显示器件 |
| CN105487170A (zh) * | 2016-01-19 | 2016-04-13 | 东南大学 | 全息光波导及全息光波导显示装置 |
| WO2018096359A2 (en) * | 2016-11-28 | 2018-05-31 | Bae Systems Plc | Multiple waveguide structure for colour displays |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| "A full-color eyewear display using planar waveguides with reflection volume holograms";MUKAWA H，AKUTSU K，et al;《Journal of the Society for Information Display》;20090317;第185-191页，图11-12 * |
| "Polarization volume grating with high efficiency and large diffraction angle";YISHI WENG等;《OPTICS EXPRESS》;20160808;第24卷(第16期);第17752-17758页 * |
| MUKAWA H，AKUTSU K，et al."A full-color eyewear display using planar waveguides with reflection volume holograms".《Journal of the Society for Information Display》.2009, * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109917547A (zh) | 2019-06-21 |
| WO2020088055A1 (zh) | 2020-05-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109917547B (zh) | 基于彩色偏振体光栅的全彩波导耦合近眼显示结构、制备方法及ar可穿戴设备 | |
| US11754842B2 (en) | Apparatus for providing waveguide displays with two-dimensional pupil expansion | |
| US20240103440A1 (en) | Method for Holographic Mastering and Replication | |
| CN113341569B (zh) | 一种偏振复用衍射波导大视场角度成像***及方法 | |
| EP3123215B1 (en) | Bragg liquid crystal polarization gratings | |
| Gu et al. | Holographic waveguide display with large field of view and high light efficiency based on polarized volume holographic grating | |
| EP2936220B1 (en) | Polarization conversion systems with geometric phase holograms | |
| CN110824613A (zh) | 偏振复用波导显示器件 | |
| US20210033770A1 (en) | Patterned anisotropic films and optical elements therewith | |
| JP7235839B2 (ja) | 光学素子、導光素子および画像表示装置 | |
| CN114089531B (zh) | 一种基于反射式偏振复用液晶透镜的双目波导显示方法 | |
| CN113534326A (zh) | 一种偏振复用高衍射效率波导显示器件 | |
| US20230288706A1 (en) | Optical elements for reducing visual artifacts in diffractive waveguide displays and systems incorporating the same | |
| Weng et al. | 40.3: Polarization‐dependent Binocular Waveguide Display with Patterned Cholesteric Liquid Crystal Optics | |
| Zhang et al. | 26‐2: Invited Paper: A Holographic Waveguide Display with Polarization Volume Gratings | |
| Zhang et al. | 56.1: Invited Paper: A Holographic Waveguide Display with Polarization Volume Gratings | |
| CN219574418U (zh) | 一种光波导和显示设备 | |
| US20240085602A1 (en) | System and method for fabricating polarization holograms | |
| US20240255760A1 (en) | Apparatus for Providing Waveguide Displays with Two-Dimensional Pupil Expansion | |
| CN116841077A (zh) | 一种基于旋转变焦液晶透镜的深度可调波导显示方法 | |
| TW202336468A (zh) | 具有補償波浪結構的液晶偏光全像裝置 | |
| Li et al. | Liquid crystal beam steering angle expander for LiDAR applications | |
| CN117480431A (zh) | 用于减少衍射波导显示器中的视觉伪像的光学元件以及包含该光学元件的*** |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |