一种反射型体全息光栅波导结构制造技术

本发明专利技术公开一种反射型体全息光栅波导结构。包括平面光源(1)、平板波导(4)、入射端光栅和出射端光栅，所述入射端光栅和出射端光栅设置于平板波导(4)上，且所述入射端光栅和出射端光栅成镜像关系；所述入射端光栅包括第一反射型体全息光栅(2)、第二反射型体全息光栅(3)，而所述出射端光栅包括第三反射型体全息光栅(5)、第四反射型体全息光栅(6)，第一反射型体全息光栅(2)、第二反射型体全息光栅(3)对入射的光束发生布拉格衍射，第三反射型体全息光栅(5)、第四反射型体全息光栅(6)对出射的光束发生布拉格衍射，射进入人眼(7)。本发明专利技术能够扩大入射角范围，同时还能够减少色散、扩大视场,并保证出瞳连续，从而提高显示质量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种眼戴全息显示技术中的体光栅波导结构，尤其涉及到满足布拉格衍射条件的反射型体全息光栅。
技术介绍
随着微型显示产业的发展，显示设备向微型化，个人化发展。近年来，头戴式显示技术受到市场大量的关注。以增强现实(AR)和虚拟现实(VR)为代表的头戴式显示设备被大量研究开发并应用于军事领域和消费市场。传统的近眼显示设备由于光学原理的限制，很难在保正大视场角(FOV)的情况下产生较大的出瞳范围。波导显示器件利用光线在波导介质中以满足全反射传播原理，在光学耦合器件的帮助下，可以实现光线在波导传播过程中多次出射，即可以通过在波导传播过程中不同空间位置多次出射轻易的达到较大出瞳范围。全息光栅作为优秀的光学耦合器件有着优秀的光学特性，具有良好的角度选择性和波长选择性，且尺寸小、重量轻。其中由于其良好的角度和波长的选择性，大部分外界环境光可直接透过，即有用良好的透明度。其大量被运用于波导显示器件中作为光学耦合器件实现可穿透显示(See-throughDisplay).但是，由于其良好的角度选择性和波长选择性，特别是良好的角度选择性。全息波导显示设备很难得到较大的视场角(Fieldofview).由布拉格衍射原理可知，体全息光栅的角度选择性与布拉格等式中，入射光与光栅矢量夹角有关。入射光与光栅矢量夹角越小，角度选择性越弱，即视场角越大。利用这个原理。有文献提出，倾斜入射光束，即使中心视场角倾斜入射体全息光栅，使得在保证衍射角满足波导全反射条件的情况下，减小入射光与光栅矢量夹角越小，从而减小体全息光栅的角度选择性，提高视场。但是，这种方法会增大器件尺寸，增加器件制造难度。如图1所示，两束在同一平面内传播的相干光束入射到厚度为d的感光介质中，在介质内部发生干涉，形成体全息光栅。这一过程为记录过程，如果记录时两条相干光束从感光介质的两侧相向射入，则会形成反射型体全息光栅，如图1中所示。按照光栅的衍射理论，要使连续散射波同相位相加，使总的衍射波振幅达到最大，则介质内入射光波长λ、入射光与光栅条纹面夹角θ以及光栅间距Λ必须满足布拉格条件。可知，用上述干涉法产生的全息光栅，当用相同波长的一束光沿特定方向入射体全息光栅时，自动满足布拉格条件发生衍射现象。而其他波长的光，或者沿着其他方向入射时，不满足布拉格条件，则光束会透过全息光栅，不发生衍射现象。体全息光栅具有良好的入射光波长选择性和入射角度选择性，当入射光角度和波长满足布拉格条件时，体全息光栅的衍射效率很高。因此，外界环境光可直接透过，即有用良好的透明度。其大量被运用于波导显示器件中作为光学耦合器件实现可穿透显示。此外，体全息光栅厚度一般为十几至几十微米，可使结构又轻又薄，简化设计。如图2所示为传统的穿透式显示中的光学耦合系统，该系统满足公式PEPtan(θf)＝Dtan(β)，式中PEP为出瞳大小，D为微显示器的直径，θf决定视场角的大小，θf＝1/2FOV。由公式可以看出，当微显示器件参数固定(即Dtan(β)为定值)时，PEP和θf不可能同时得到最大值，因此传统的结构难以同时实现大出瞳和宽视角。人们为了解决这一问题，提出一种体全息光栅波导结构，如图3所示，该结构利用了体全息光栅良好的波长选择性，衍射出射角度范围大，质量轻、厚度薄等优点，可以实现轻薄化设计、出瞳面积大以及外界光透过率高，但是由于体全息光栅波长带宽很窄，因此相应地获得的视场(FOV)也窄。根据布拉格公式λ＝2nΛcosθ两边求导可得，体全息光栅入射光波长λ的随布拉格衍射角θ变化的关系式为：δλ/δθ＝-2nΛsinθ式中，δλ为布拉格波长偏移量，其与入射光的角度有关。由上式可以得出，要使δλ/δθ最小(衍射光的波长偏移量尽可能小)，光栅矢量和入射光之间的夹角θ应尽量接近于0。如图4所示，为现有文献提出的一种结构，该结构中平面光源和准直透镜倾斜一定角度，使入射光束靠近衍射光栅的矢量轴。该结构的优点是保持了全息光栅波导结构的高透过率和单色性好、色域广等优点，但是这种结构设计复杂还会增加光学系统的厚度。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种反射型体全息光栅波导结构，其不仅能够减小色散，而且还能够扩大视场，保证出瞳连续性，从而提高显示质量。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种反射型体全息光栅波导结构，包括平面光源(1)、平板波导(4)、入射端光栅和出射端光栅，所述入射端光栅和出射端光栅设置于平板波导(4)上，且所述入射端光栅和出射端光栅成镜像关系。所述入射端光栅包括第一反射型体全息光栅(2)、第二反射型体全息光栅(3)，而所述出射端光栅包括第三反射型体全息光栅(5)、第四反射型体全息光栅(6)，其中：所述平面光源(1)用于对第一反射型体全息光栅(2)发射原始光束。所述第一反射型体全息光栅(2)用于将平面光源(1)发射的原始光束直接发送给第二反射型体全息光栅(3)，同时对经过第一次布拉格衍射后的光束进行第二次布拉格衍射，同时将经过第二次布拉格衍射后的光束发射给平板波导(4)。所述第二反射型体全息光栅(3)用于对第一反射型体全息光栅(2)发射的原始光束进行第一次布拉格衍射，并将经过第一次布拉格衍射的光束发射给第一反射型体全息光栅(2)。所述平板波导(4)用于对第二次布拉格衍射后的光束进行全反射，并将全反射后的光束发送给第三反射型体全息光栅(5)。所述第三反射型体全息光栅(5)对全反射后的光束进行第三次布拉格衍射，该第三次布拉格衍射是对全反射后的光束进行第一次布拉格衍射还原，并将经过第三次布拉格衍射的光束发射给第四反射型体全息光栅(6)。所述第四反射型体全息光栅(6)对经过第三次布拉格衍射的光束进行第四次布拉格衍射，该第四次布拉格衍射是对全反射后的光束进行第二次布拉格衍射还原，并将经过第四次布拉格衍射的光束发射出去。优选的：所述平面光源(1)位于第一反射型体全息光栅(2)的一侧，而所述第二反射型体全息光栅(3)位于第一反射型体全息光栅(2)的另一侧。所述第一反射型体全息光栅(2)设置在平板波导(4)的外表面上，或者所述第一反射型体全息光栅(2)设置于平板波导(4)内。所述第二反射型体全息光栅(3)设置在平板波导(4)的外表面上，或者所述第二反射型体全息光栅(3)设置于平板波导(4)内。所述第三反射型体全息光栅(5)设置在平板波导(4)的外表面上，或者所述第三反射型体全息光栅(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种反射型体全息光栅波导结构，其特征在于：包括平面光源(1)、平板波导(4)、入射端光栅和出射端光栅，所述入射端光栅和出射端光栅设置于平板波导(4)上，且所述入射端光栅和出射端光栅成镜像关系；所述入射端光栅包括第一反射型体全息光栅(2)、第二反射型体全息光栅(3)，而所述出射端光栅包括第三反射型体全息光栅(5)、第四反射型体全息光栅(6)，其中：所述平面光源(1)用于对第一反射型体全息光栅(2)发射原始光束；所述第一反射型体全息光栅(2)用于将平面光源(1)发射的原始光束直接发射给第二反射型体全息光栅(3)，同时对经过第一次布拉格衍射后的光束进行第二次布拉格衍射，同时将经过第二次布拉格衍射后的光束发射给平板波导(4)；所述第二反射型体全息光栅(3)用于对第一反射型体全息光栅(2)发射的原始光束进行第一次布拉格衍射，并将经过第一次布拉格衍射的光束发射给第一反射型体全息光栅(2)；所述平板波导(4)用于对第二次布拉格衍射后的光束进行全反射，并将全反射后的光束发送给第三反射型体全息光栅(5)；所述第三反射型体全息光栅(5)对全反射后的光束进行第三次布拉格衍射，该第三次布拉格衍射是对全反射后的光束进行第一次布拉格衍射还原，并将经过第三次布拉格衍射的光束发射给第四反射型体全息光栅(6)；所述第四反射型体全息光栅(6)对经过第三次布拉格衍射的光束进行第四次布拉格衍射，该第四次布拉格衍射是对全反射后的光束进行第二次布拉格衍射还原，并将经过第四次布拉格衍射的光束发射出去。...

【技术特征摘要】
1.一种反射型体全息光栅波导结构，其特征在于：包括平面光源(1)、平板波导(4)、
入射端光栅和出射端光栅，所述入射端光栅和出射端光栅设置于平板波导(4)上，
且所述入射端光栅和出射端光栅成镜像关系；所述入射端光栅包括第一反射型体全
息光栅(2)、第二反射型体全息光栅(3)，而所述出射端光栅包括第三反射型体全
息光栅(5)、第四反射型体全息光栅(6)，其中：
所述平面光源(1)用于对第一反射型体全息光栅(2)发射原始光束；
所述第一反射型体全息光栅(2)用于将平面光源(1)发射的原始光束直接发
射给第二反射型体全息光栅(3)，同时对经过第一次布拉格衍射后的光束进行第二
次布拉格衍射，同时将经过第二次布拉格衍射后的光束发射给平板波导(4)；
所述第二反射型体全息光栅(3)用于对第一反射型体全息光栅(2)发射的原
始光束进行第一次布拉格衍射，并将经过第一次布拉格衍射的光束发射给第一反射
型体全息光栅(2)；
所述平板波导(4)用于对第二次布拉格衍射后的光束进行全反射，并将全反射
后的光束发送给第三反射型体全息光栅(5)；
所述第三反射型体全息光栅(5)对全反射后的光束进行第三次布拉格衍射，该
第三次布拉格衍射是对全反射后的光束进行第一次布拉格衍射还原，并将经过第三
次布拉格衍射的光束发射给第四反射型体全息光栅(6)；
所述第四反射型体全息光栅(6)对经过第三次布拉格衍射的光束进行第四次布
拉格衍射，该第四次布拉格衍射是对全反射后的光束进行第二次布拉格衍射还原，
并将经过第四次布拉格衍射的光束发射出去。
2.根据权利要求1所述的反射型体全息光栅波导结构，其特征在于：所述平面光源(1)
位于第一反射型体全息光栅(2)的一侧，而所述第二反射型体全息光栅(3)位于
第一反射型体全息光栅(2)的另一侧；
所述第一反射型体全息光栅(2)设置在平板波导(4)的外表面上，或者所述
第一反射型体全息光栅(2)设置于平板波导(4)内；
所述第二反射型体全息光栅(3)设置在平板波导(4)的外表面上，或者所述
第二反射型体全息光栅(3)设置于平板波导(4)内；
所述第三反射型体全息光栅(5)设置在平板波导(4)的外表面上，或者所述
第三反射型体全息光栅(5)设置于平板波导(4)内；
所述第四反射型体全息光栅(6)设置在平板波导(4)的外表面上，或者所述
第四反射型体全息光栅(6)设置于平板波导(4)内。
3.根据权利要求1所述的反射型体全息光栅波导结构，其特征在于：所述第一反射型
体全息光栅(2)、第二反射型体全息光栅(3)在平板波导(4)上相对设置；所述
第三反射型体全息光栅(5)、第四反射型体全息光栅(6)在平板波导(4)上相对
设置。
4.根据权利要求1所述的反射型体全息光栅波导结构，其特征在于，其光路为：平面
光源(1)所发射的一束原始光束进入到第一反射型体全息光栅(2)中，原始光束
在第一反射型体全息光栅(2)中不发生任何衍射，原始光束通过第一反射型体全息
光栅(2)进入到第二反射型体全息光栅(3)中，并在第二反射型体全息光栅(3)
中发生第一次布拉格衍射，发生第一次布拉格衍射后的光束再一次进入到第一反射
型体全息光栅(2)中，并在第一反射型体全息光栅(2)中发生第二次布拉格衍射，
发生第二次布拉格衍射后的光束进入到平板波导(4)中，然后在平板波导(4)中
发生全反射，全反射后的光束进入到第三反射型体全息光栅(5)中，在第三反射型
体全息光栅(5)中发生第三次布拉格衍射，发生第三次布拉格衍射后的光束进入到
第四反射型体全息光栅(6)中，在第四反射型体全息光栅(6)中发生第四次布拉
格衍射，随后将第四次布拉格衍射后的光束发射出去。
5.根据权利要求4所述的反射型体全息光栅波导结构，其特征在于：平面光源(1)发
射波长λ的原始光束垂直射入第一反射型体全息光栅(2)中，不发生任何衍射；原
始光束随后垂直射入第二反射型体全息光栅(3)中，在第二反射型体全息光栅(3)
中发生第一次布拉格衍射，第一次布拉格衍射角度为第一次布拉格衍射后的光
束再一次进入第一反射型体全息光栅(2)中，在第一反射型体全息光栅(2)中发
生第二次布拉格衍射，第二次布拉格衍射角度为经过第二次布拉格衍射
后的光束进入平板波导(4)，在平板波导(4)中发生全反射，全反射的入射角度为
全反射后的光束进入到第三反射型体全息光栅(5)中，在第三反射型
体全息光栅(5)中发生第三次布拉格衍射，发生第三次布拉格衍射后的光束进入到
第四反射型体全息光栅(6)中，在第四...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宇宁，翁一士，沈忠文，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32