CN113341569A - 一种偏振复用衍射波导大视场角度成像***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种偏振复用衍射波导大视场角度成像***及方法，所述成像***顺序包括像源、偏振组件、准直***、波导结构，所述成像方法利用偏振体全息液晶光栅的偏振选择性，实现偏振复用方法下的视场角度大幅扩展，利用偏振体全息液晶光栅的叠层复合结构，设置光栅分量的空间周期和光栅矢量方向，配合像源偏振设置，将不同偏振态的视场光束以不同方向耦合导入波导介质，并最终耦合导出波导实现视场的重新叠加实现视场范围的大幅扩大，本发明可应用于近眼显示领域，实现大视场、高效率的图像传输。
Description
技术领域
本发明涉及一种偏振复用衍射波导大视场角度成像***及方法，用于全息波导AR显示中实现大视场的图像传输能力。可利用偏振体全息液晶光栅的偏振选择性，在同一波导介质内实现对来自准直像源不同偏振态视场范围的分路径传输并最终耦合导出波导完成视场拼接，实现视场角较大的扩展。
背景技术
根据高盛于2016年1月发布的一份58页的报告显示，增强现实(AR)将成为一种从游戏到军事等多个行业产生影响的颠覆性技术。AR显示技术其中一个关键的硬件是光学组合器，它将外界真实环境与微像源***产生的虚拟图像相叠加，形成虚实结合的功能。为了解决传统近眼光学中，位于眼前的光学部件太厚以及大视场范围下出瞳尺寸受限的问题，利用衍射波导成像技术作为光学组合器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)，光波导结构更为轻薄(一般0.5mm-2mm)，更加接近人们对于“AR眼镜”的定义。
视场范围(FOV)小是目前衍射光波导成像存在并限制其进一步发展的瓶颈问题。FOV小不单表现为人眼观察到的虚拟图像较小，也影响了大视场角度下的色彩表现与成像的均匀性。衍射波导成像FOV难以扩大主要问题可归结于波导耦合光栅响应带宽窄以及波导介质折射率限制下的光束传播角度受限两个原因。从提高波导耦合光栅响应带宽出发，使用采用液晶材料制备的偏振体全息液晶光栅(PVG)具有较大的双折射率差值，从而可以提供比传统衍射光栅更大的响应带宽，进一步实现更大的视场角。
尽管PVG本身制作的光波导在一定程度上可以提高FOV，但效果受限于波导介质折射率、光栅材料折射率以及波导形状的影响，仍然有限，难以达到人们对于增强现实显示效果的要求。
发明内容
技术问题：针对现有技术要解决的不足，本发明提出一种偏振复用衍射波导大视场角度成像***及方法，提高衍射波导的视场角，解决FOV受限的关键问题。
技术方案：本发明的一种偏振复用衍射波导大视场角度成像***顺序包括像源、偏振组件、准直***、波导结构，
所述像源为该***所需的图像源，为OLED、LCOS或MicroLED；
所述偏振组件分别为产生左旋圆偏振光的左旋圆偏部件和产生右旋圆偏振光的右旋圆偏部件；
所述准直***利用透镜使光束平行，采用基于自由曲面的准直***、离轴准直***；
所述波导结构由入耦合部件、左旋圆偏光转向光栅、右旋圆偏光转向光栅、出耦合部件、波导介质组成。
本发明的偏振复用衍射波导大视场角度成像***的成像方法，利用偏振体全息液晶光栅PVG的叠层复合结构，设置光栅分量的空间周期和光栅矢量方向，配合像源偏振设置，将不同偏振态的视场光束以不同方向耦合导入波导介质，并最终耦合导出波导实现视场的重新叠加实现视场范围的大幅扩大。
所述像源发出的线偏振图像经过左旋圆偏部件和右旋圆偏部件后转换为左旋圆偏振图像以及右旋圆偏振图像，通过准直***进入波导结构；波导结构中入耦合部件由左旋圆偏光耦合光栅、右旋圆偏光耦合光栅组成，此左旋圆偏光耦合光栅、右旋圆偏光耦合光栅这两者的液晶分子旋转方向相反周期性相同，将由准直***输出的的入射光衍射至+1级以及-1级，用于对不同偏振入射光束的分离；中间转向区域由左旋圆偏光转向光栅、右旋圆偏光转向光栅组成，用于完成一维方向的光束扩展，同时将光束转向；出耦合部件由液晶分子旋转方向相反周期性相同的左旋圆偏光耦合光栅、右旋圆偏光耦合光栅组成，用于将两个方向的光束导出波导并进行视场重新拼接；上述的各光栅均使用偏振体全息液晶光栅PVG，其中左旋圆偏光耦合光栅能够衍射左旋圆偏振光，右旋圆偏振光直接透过，右旋圆偏光耦合光栅能够衍射右旋圆偏振光，左旋圆偏振光直接透过。
所述偏振体全息液晶光栅PVG的曝光采用偏振全息曝光装置，两束偏振光在涂有光取向材料薄膜的波导介质上进行干涉曝光，并进一步形成光取向层；将含有液晶聚合物和手性材料的液晶混合物溶液涂在形成的取向层上。
所述的液晶混合物溶液，涂法使用区域喷涂、贴膜。
所述的左旋圆偏部件、右旋圆偏部件为两个波片，将该两个波片中间重合一部分，或重合的部分用二分之一波片替代，这种方案防止视场拼接时产生的视场分割。
所述的像源采用偏振型的微显示器，包括LCOS或者基于液晶的微显示器，以提高像源亮度的利用率。
所述的波导介质选择折射率高的玻璃做为基板，为了使光束能够沿着波导传播，在波导中最小的传播角αmin应大于等于波导介质的临界角，由公式(1)计算得到：
αmin＝arcsin(1/nglass) (1)
式(1)中nglass代表所用波导材料的折射率值；由(1)式可知波导材料选用具有高折射率的材料以在波导中形成较大的角度传播范围，从而形成较大的视场角；而最大传播角度αmax则可以在(αmin，90°)之间任意选择，角度越大最后形成的视场角则越大。
所述的左旋圆偏光耦合光栅、右旋圆偏光耦合光栅输出的左旋光束、右旋光束在波导内以相同的角度范围传播，因此需要保证入、出耦合区域处的光栅保持周期性相同；具体的光栅周期需要根据布拉格公式计算，布拉格公式如式(2)：
因此，利用下式可以求得所需的光栅周期：
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；ξ代表液晶分子光轴与z轴之间的夹角；λB代表真空中的布拉格波长。
有益效果：本发明利用偏振体全息光栅来作为波导显示的出入耦合元件和中间转向光栅，这种光栅在自身具备较宽的响应带宽的同时具有独特的偏振特性，利用这一特性实现二维扩瞳结构下，偏振复用结构的大视场效果，解决了近眼显示FOV受限的问题。
附图说明
图1为PVG结构图；
图2为PVG偏振特性响应示意图；
图3为入耦合处PVG左旋与右旋圆偏光角度带宽图；
图4为本发明所阐述的偏振复用衍射波导的波导结构平面示意图；
图5为本发明所阐述的偏振复用衍射波导***结构示意图；
图6为各区域光栅大小示意图；
图7为改进的偏振复用衍射波导***结构示意图；
图8为彩色图像的偏振复用衍射波导***结构示意图。
图中包括：像源1、左旋圆偏部件2、右旋圆偏部件3、准直***4、入耦合部件5、左旋圆偏光转向光栅6、右旋圆偏光转向光栅7、出耦合部件8、波导介质9、左旋圆偏光耦合光栅10、右旋圆偏光耦合光栅11、左旋光束12、右旋光束13、二分之一波片14、红色波导层15、绿色波导层16、蓝色波导层17。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
图1展示了PVG的结构。由图1可知偏振体全息光栅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ξ可由式(8)计算：
ξ＝arctan(Λy/Λx) (8)
如果双折射率材料层足够厚，则布拉格衍射能够被建立。布拉格衍射由式(6)所表示：
式(6)中neff代表双折射介质的等效折射率；λB代表真空中的布拉格波长。
由式(9)计算：
求非布拉格条件下入射角θi对应的衍射角度时，通过平面光栅公式(色散方程)得到衍射光束与入射光束之间的角度关系，即：
式(10)中，θdiff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，θinc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。
如图2所示，展示了PVG偏振特性响应。左旋圆偏光耦合光栅10和右旋圆偏光耦合光栅11的液晶分子在两层中旋转方向相反但周期性保持相同，从而可以分别衍射左旋光束12与右旋光束13。
左旋圆偏光耦合光栅10、右旋圆偏光耦合光栅11的中心入射角分别与进入波导介质内左旋图像和右旋图像FOV有关，假设进入波导介质的左旋图像的最大入射角为
最小入射角为
左旋圆偏光耦合光栅10的中心入射角应为
记作βl，它所对应的布拉格公式是
2neffΛx sin(ξ)cos(ξ+βl)＝λ
同理，假设进入波导介质的右旋图像的最大入射角为
最小入射角为
右旋圆偏光耦合光栅11的中心入射角应为
记作β，右旋圆偏光耦合光栅11应为βr，它所对应的布拉格公式是
2neffΛx sin(ξ)cos(ξ+βr)＝λ
本发明给出了示例的左旋圆偏光耦合光栅10、右旋圆偏光耦合光栅11的角度带宽图以便理解，如图3所示。
如图4所示是本发明所阐述的偏振复用衍射波导的波导结构示意图。此结构基于PVG的二维扩瞳结构，入耦合部件5，它的结构如图2所示，是由液晶分子旋转方向相反但周期性相同的两层PVG即左旋圆偏光出耦合光栅10、右旋圆偏光出耦合光栅11组成，将入射光衍射至+1级以及-1级，用于对不同偏振入射光束的分离，其中，将左旋圆偏振光衍射至-1级，左旋圆偏振光进入左边的左旋圆偏光转向光栅6，将右旋圆偏振光衍射至-1级，右旋圆偏振光进入右边的右旋圆偏光转向光栅7。左、右旋圆偏振光转向光栅完成一维方向的光束扩展，同时将光束转向，在此光栅处发生奇数次耦合。最后在出耦合部件8处导出波导9，完成视场拼接，同样出耦合部件8也是如图2所示的左旋圆偏光出耦合光栅10、右旋圆偏光出耦合光栅11组成。
要声明的是，入耦合部件5在图示中是圆形，转向光栅为梯形，实际我们可使用任意形状的光栅。入耦合部件5尺寸不能太大，防止波导结构整体尺寸过大，不适用于近眼显示。
作为本发明的实施案例1，如图5所示，是本发明所阐述的偏振复用衍射波导的***结构示意图。由像源1发出图像源，经过左旋圆偏部件2和右旋圆偏部件3以及准直***4后，形成左旋偏振图像以及右旋偏振图像。左旋偏振图像和右旋偏振图像继而被投射到入耦合部件5，入耦合部件5的左旋圆偏光光栅10将左旋偏振图像衍射，右旋圆偏光光栅11将右旋偏振图像衍射，两种图像发生布拉格衍射后进入波导介质9，在波导介质9中以相同的传播角度范围通过全内反射进行传播，左旋偏振图像经过左旋圆偏光转向光栅6后被衍射实现转向，最后经过出耦合部件8被衍射出波导，形成左视场，右旋偏振图像经过右旋圆偏光转向光栅7后被衍射，最后经过出耦合部件8被衍射出波导，形成右视场，最终完成左、右视场的拼接。
入耦合部件5位于两个转向光栅的中央，两个转向光栅应保持水平对称，出耦合部件8的位置相对于入耦合部件5以及两个转向光栅垂直居中，保持结构、视场的对称。
为保证图像的完整传输，对各个区域的光栅大小有所要求，转向光栅和出耦合光栅的尺寸与像源的FOV息息相关。如图6所示，α为像源FOV的一半，假设入耦合光栅5的半径为r，左旋圆偏光转向光栅6、右旋圆偏光转向光栅7上一点A距入耦合光栅5圆心正上面弧上一点C的距离为d1，那么转向光栅AB的长度至少为
2d1×sin α+2r，
左旋圆偏光转向光栅6、右旋圆偏光转向光栅7上一点D距入耦合光栅5圆心正上面弧上一点C的距离为d2，那么转向光栅DE的长度至少为
2d2×sin α+2r。
同理，假设AF的距离为d3，可以算得出耦合光栅8上FG的长度至少为
2d3×sin α+(d2-d1)cos α，
假设AH的长度为d4，可以算得HI的长度至少为
2d4×sin α+(d2-d1)cos α
此计算方法是根据图6所示形状计算，其他形状计算方法类似。
实施案例二，作为本发明的优选方案，我们为防止最后视场中图像的***，我们将右旋圆偏部件2和左旋圆偏部件3中间部分重合，重合部分也可以由二分之一波片14替代，两边的圆偏部件可采用用四分之一波片，即两边为四分之一波片、中间为二分之一波片。像源1发出的图像经过波片后中间一部分的光为线性偏振光，通过准直***4后经过入耦合部件5将此部分的光分别衍射至左视场和右视场，最后在出耦合处完成图像恢复，如图7所示，在波导内传输的实现原理与实施案例一一样。
实施案例三，如图8所示为实现彩色传输的偏振复用衍射波导结构。实施原理基本与实施案例二类似。不同的是，我们需要设置红绿蓝三种波段相对应的PVG。蓝、绿、红色波导结构中的入耦合区域、转向光栅、出耦合区域均为蓝、绿、红色PVG。不同颜色的波导片之间的隔有空气层。
根据布拉格公式(2)，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。
红色波段的图像光束经过蓝色波导层17、绿色波导层16时直接透过，在经过红色入耦合波导层15时进行衍射进入波导，继而进行实施案例二中的图像传输；同样的，绿色波段的图像光束经过蓝色波导层17、红色波导层15时直接透过，在经过绿色波导层16时进行衍射进入波导，继而进行实施案例二中的图像传输；蓝色波段的图像光束经过绿色波导层16、红色波导层15时直接透过，在经过蓝色波导层17时进行衍射进入波导，继而进行实施案例二中的图像传输。
Claims (9)
1.一种偏振复用衍射波导大视场角度成像***，其特征在于，所述偏振复用衍射波导大视场角度成像***顺序包括像源(1)、偏振组件、准直***、波导结构，
所述像源(1)为该***所需的图像源，为OLED、LCOS或MicroLED；
所述偏振组件分别为产生左旋圆偏振光的左旋圆偏部件(2)和产生右旋圆偏振光的右旋圆偏部件(3)；
所述准直***(4)利用透镜使光束平行，采用基于自由曲面的准直***、离轴准直***；
所述波导结构由入耦合部件(5)、左旋圆偏光转向光栅(6)、右旋圆偏光转向光栅(7)、出耦合部件(8)、波导介质(9)组成。
2.一种如权利要求1所述的偏振复用衍射波导大视场角度成像***的成像方法，其特征在于，利用偏振体全息液晶光栅PVG的叠层复合结构，设置光栅分量的空间周期和光栅矢量方向，配合像源偏振设置，将不同偏振态的视场光束以不同方向耦合导入波导介质，并最终耦合导出波导实现视场的重新叠加实现视场范围的大幅扩大。
3.一种如权利要求2所述的偏振复用衍射波导大视场角度成像***的成像方法，其特征在于，所述像源(1)发出的线偏振图像经过左旋圆偏部件(2)和右旋圆偏部件(3)后转换为左旋圆偏振图像以及右旋圆偏振图像，通过准直***进入波导结构；波导结构中入耦合部件(5)由左旋圆偏光耦合光栅(10)、右旋圆偏光耦合光栅(11)组成，此左旋圆偏光耦合光栅(10)、右旋圆偏光耦合光栅(11)这两者的液晶分子旋转方向相反周期性相同，将由准直***(4)输出的入射光衍射至+1级以及-1级，用于对不同偏振入射光束的分离；中间转向区域由左旋圆偏光转向光栅(6)、右旋圆偏光转向光栅(7)组成，用于完成一维方向的光束扩展，同时将光束转向；出耦合部件(8)由液晶分子旋转方向相反周期性相同的左旋圆偏光耦合光栅(10)、右旋圆偏光耦合光栅(11)组成，用于将两个方向的光束导出波导并进行视场重新拼接；上述的各光栅均使用偏振体全息液晶光栅PVG，其中左旋圆偏光耦合光栅(10)能够衍射左旋圆偏振光，右旋圆偏振光直接透过，右旋圆偏光耦合光栅(11)能够衍射右旋圆偏振光，左旋圆偏振光直接透过。
4.根据权利要求2所述的偏振复用衍射波导大视场角度成像***的成像方法，其特征在于，所述偏振体全息液晶光栅PVG的曝光采用偏振全息曝光装置，两束偏振光在涂有光取向材料薄膜的波导介质(9)上进行干涉曝光，并进一步形成光取向层；将含有液晶聚合物和手性材料的液晶混合物溶液涂在形成的取向层上。
5.根据权利要求4所述的偏振复用衍射波导大视场角度成像***的成像方法，其特征在于，所述的液晶混合物溶液，涂法使用区域喷涂、贴膜。
6.根据权利要求3所述的偏振复用衍射波导大视场角度成像***的成像方法，其特征在于，所述的左旋圆偏部件(2)、右旋圆偏部件(3)为两个波片，将该两个波片中间重合一部分，或重合的部分用二分之一波片替代，这种方案防止视场拼接时产生的视场分割。
7.根据权利要求3所述的偏振复用衍射波导大视场角度成像***的成像方法，其特征在于，所述的波导介质(9)选择折射率高的玻璃做为基板，为了使光束能够沿着波导传播，在波导中最小的传播角αmin应大于等于波导介质的临界角，由公式(1)计算得到：
αmin＝arcsin(1/nglass) (1)
式(1)中nglass代表所用波导材料的折射率值；由(1)式可知波导材料选用具有高折射率的材料以在波导中形成较大的角度传播范围，从而形成较大的视场角；而最大传播角度αmax则可以在(αmin，90°)之间任意选择，角度越大最后形成的视场角则越大。
8.根据权利要求3所述的偏振复用衍射波导大视场角度成像***的成像方法，其特征在于，所述的左旋圆偏光耦合光栅(10)、右旋圆偏光耦合光栅(11)输出的左旋光束(12)、右旋光束(13)在波导内以相同的角度范围传播，因此需要保证入、出耦合区域处的光栅保持周期性相同；具体的光栅周期需要根据布拉格公式计算，布拉格公式如式(2)：
因此，利用下式可以求得所需的光栅周期：
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；ξ代表液晶分子光轴与z轴之间的夹角；λB代表真空中的布拉格波长。
9.根据权利要求3所述的偏振复用衍射波导大视场角度成像***的成像方法，其特征在于，红色波导层15的入耦合部件、中间转向区域、出耦合部件均为红色PVG，绿色波导层16的入耦合部件、中间转向区域、出耦合部件均为绿色PVG，蓝色波导层17的入耦合部件、中间转向区域、出耦合部件均为蓝色PVG。
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