一种基于全息波导的头戴式显示器件制造技术

本发明专利技术公开了一种基于全息波导的头戴式显示器件，该器件包括入耦合光栅(1)、左视场偏折光栅(2)、右视场偏折光栅(3)、出耦合光栅(4)、矩形波导(5)；入耦合光栅(1)、左视场偏折光栅(2)、右视场偏折光栅(3)、出耦合光栅(4)、贴附于矩形波导(5)的上表面或下表面；入耦合光栅(1)、左视场偏折光栅(2)、右视场偏折光栅(3)、出耦合光栅(4)、矩形波导(5)贴于上表面或下表面由出入瞳光线设计方向决定。本发明专利技术利用光瞳重塑方式解决了传统二维扩瞳方式产生的大视场角情况下的视场分离。

【技术实现步骤摘要】
一种基于全息波导的头戴式显示器件
本专利技术涉及一种头戴式显示器件，该器件利用波导系统传递图像于佩戴者眼前，实现增强现实的应用。
技术介绍
随着技术的发展，显示器件被大量运用在各种各样载体之上。波导系统作为一种离轴光学系统可实现穿透式显示应用，即在不阻挡外界光环境的基础上投射特定图像画面于观看者眼前以实现增强现实的应用。同时，波导式显示方式相较于传统成像方式，由于光线在波导内折叠传播，可在波导不同位置耦合导出，从而不受拉格朗日光学不定式限制，可实现一定视场范围下的均匀扩瞳输出。波导显示系统一般利用耦合部件控制图像光束的进入和离开波导。传统上，波导系统大都利用几何光学设计方法在波导系统的出入端分别设计出入耦合部件。然而，基于形貌和折射率的几何光学设计不可避免的大幅增加了波导系统的尺寸和重量，并且尺寸重量通常随着系统视场角、出瞳大小要求的增大而增大，从而大大限制了波导显示系统的应用范围。体全息光栅作为一种优良的光栅式耦合器件越发受到重视。这种特殊的光栅特点在于衍射效应受到布拉格条件限制，即当布拉格条件满足时，衍射能量集中于一级或负一级，同时，体全息光栅可实现任意大角度的光线偏转从而为大视场波导传输创造了可能。体全息光栅相较于传统表面浮雕形光栅除了衍射效率高、偏转角大以外，由于表面平整无起伏，同时厚度只有几十微米，易于加载与各种光学系统。在用于波导式显示系统的耦合器件时，体全息光栅另一优势在于其高度的角度选择性，即只对特定波长范围发生衍射。这种波长选择性一方面类似于滤色片，可提高显示色彩纯度，提高显示色域，更重要是对外界环境光影响小，可视作透明材料，从而可作为出瞳耦合器件用于增强显示应用。但是，对于现有全息波导系统，存在着出瞳不连续，视场分立现象。尽管，现有技术通过二维出瞳扩展方式尽量使出瞳连续均匀，但是，现有技术的设计多只针对特定视场角下的出瞳均匀扩展(一般为中心视场)，从而使得在视场角度较大时出现严重的视场分裂现象。
技术实现思路
技术问题：针对现有技术的不足，本专利技术提出一种基于体全息光栅的波导显示器件，通过出瞳重构方式，解决了大视场条件下的视场分裂现象。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于全息波导的头戴式显示器件，该器件包括入耦合光栅、左视场偏折光栅、右视场偏折光栅、出耦合光栅、矩形波导；入耦合光栅、左视场偏折光栅、右视场偏折光栅、出耦合光栅贴附于矩形波导的上表面或下表面；入耦合光栅、左视场偏折光栅、右视场偏折光栅、出耦合光栅、矩形波导贴于上表面或下表面由出入瞳光线设计方向决定；矩形波导是透明波导材料制作的矩形波导，波导厚度为1～10mm；入耦合光栅为反射式复合式光栅，其包含2种光栅分量分别为：左视场补偿光栅，以及右视场补偿光栅；入耦合光栅中的左右视场补偿光栅分量，其光栅矢量分别为K1和K2，矢量K1，K2的矢量模相等即|K1|＝|K2|,。优选的，入耦合光栅中的左右视场补偿光栅分量K1和K2关于yz平面镜像对称即θ1+θ2＝180°。优选的，入耦合光栅是双层体全息光栅，或者在同一全息体材料两次曝光形式制备得出。优选的，入耦合光栅形状是圆形或长方形，由入瞳光学系统形状决定；其尺寸大小小于20mm。优选的，左视场补偿光栅：以波导内全反射条件耦合进入波导传播，同时为之后的左视场偏折光栅提供相位补偿，消除鬼像和光栅色散；右视场补偿光栅：以波导内全反射条件耦合进入波导传播，同时为之后的右视场偏折光栅提供相位补偿，消除鬼像和光栅色散。有益效果：本专利技术利用在传统波导显示系统中增加左右视场偏折光栅在传播过程中重新产生光瞳，从而解决了传统波导显示系统中的大视场情况下的视场分裂现象。进一步的本专利技术通过在入耦合光栅中增加补偿光栅分量，补偿了由于左右视场偏折光栅产生的相位变化，从而解决了光栅器件产生的鬼像和色散问题。附图说明图1基于体全息光栅波导显示器件的透视图,图2复合式入耦合光栅光栅矢量示意图,图3a是左视场偏折光栅光栅矢量示意图,图3b是右视场偏折光栅光栅矢量示意图,图4出耦合光栅光栅矢量示意图,图5包含边缘视场光线的体全息光栅波导显示器件俯视图,图6包含中心视场光线的体全息光栅波导显示器件主视图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步说明。本专利技术公开了一种基于全息波导的头戴式显示器件。该显示器件包含一种基于体全息光栅的新型波导结构，该波导平面包含4块体全息光栅区域，分别用于入耦合、左视场偏折、右视场偏折、出耦合。其中入耦合光栅为复合光栅，即包含多个光栅分量。该光栅波导结构利用光瞳重塑方式解决了传统二维扩瞳方式产生的大视场角情况下的视场分离。同时，该系统考虑到了光栅产生的鬼像，色散等效应，利用使用复合光栅作为入耦合光栅，抵消了左右视场偏折光栅造成的相位积累，从而保证了图像传播质量。本专利技术的硬件结构如图1所示，本专利技术提供的一种基于全息波导的头戴式显示器件，该器件包括入耦合光栅1、左视场偏折光栅2、右视场偏折光栅3、出耦合光栅4、矩形波导5；入耦合光栅1、左视场偏折光栅2、右视场偏折光栅3、出耦合光栅4贴附于矩形波导5的上表面或下表面；入耦合光栅1、左视场偏折光栅2、右视场偏折光栅3、出耦合光栅4、矩形波导5贴于上表面或下表面由出入瞳光线设计方向决定；矩形波导5是透明波导材料制作的矩形波导，波导厚度为1～10mm；入耦合光栅1为反射式复合式光栅，其包含2种光栅分量分别为：左视场补偿光栅1.1，以及右视场补偿光栅1.2；入耦合光栅1中的左右视场补偿光栅分量，其光栅矢量分别为K1和K2，矢量K1，K2的矢量模相等即|K1|＝|K2|。入耦合光栅1中的左右视场补偿光栅分量K1和K2关于yz平面镜像对称即θ1+θ2＝180°。入耦合光栅1是双层体全息光栅，或者在同一全息体材料两次曝光形式制备得出。入耦合光栅1形状是圆形或长方形，由入瞳光学系统形状决定；其尺寸大小小于20mm。左视场补偿光栅：以波导内全反射条件耦合进入波导传播，同时为之后的左视场偏折光栅提供相位补偿，消除鬼像和光栅色散；右视场补偿光栅：以波导内全反射条件耦合进入波导传播，同时为之后的右视场偏折光栅提供相位补偿，消除鬼像和光栅色散。入耦合光栅1为反射式复合式光栅，其包含2种光栅分量分别为：左视场补偿光栅1.1，以及右视场补偿光栅1.2。其光栅分量示意图如图2所示。由体全息光栅理论，体全息光栅光栅参数可由光栅矢量表征。对于入耦合光栅1中的左右视场补偿光栅分量，如图2所示，其光栅矢量分别为K1和K2。补偿光栅分量1.1和1.2需保持特定关系。更具体的，矢量K1，K2的矢量模相等即|K1|＝|K2|,同时在z轴方向分量应保持相等，即保持作为优选，K1，K2关于yz平面镜像对称即θ1+θ2＝180°。工作方式上，矢量K1对应的光栅分量1.1作用于右方视场，即对平面yz右方射入光束发生衍射，即矢量K2对应的光栅分量1.2作用于左方视场，即对平面yz左方射入光束发生衍射。值得说明的是光栅分量1.1和1.2的响应角度分布应该有一定的重叠以保证中心视场的衍射。入耦合光栅1光栅在xy平面上分别存在x方向光栅矢量分量±Kx1和y方向光栅分量Ky1，其中光栅分量1.1和1.2在y方向光栅分量相同等于Ky1，而x方向上存在两个矢量分量Kx1和-Kx1对应左右视场。实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于全息波导的头戴式显示器件，其特征在于，该器件包括入耦合光栅(1)、左视场偏折光栅(2)、右视场偏折光栅(3)、出耦合光栅(4)、矩形波导(5)；入耦合光栅(1)、左视场偏折光栅(2)、右视场偏折光栅(3)、出耦合光栅(4)贴附于矩形波导(5)的上表面或下表面；入耦合光栅(1)、左视场偏折光栅(2)、右视场偏折光栅(3)、出耦合光栅(4)、矩形波导(5)贴于上表面或下表面由出入瞳光线设计方向决定；矩形波导(5)是透明波导材料制作的矩形波导，波导厚度为1～10mm；入耦合光栅(1)为反射式复合式光栅，其包含2种光栅分量分别为：左视场补偿光栅(1.1)，以及右视场补偿光栅(1.2)；入耦合光栅(1)中的左右视场补偿光栅分量，其光栅矢量分别为K1和K2，矢量K1，K2的矢量模相等即|K1|＝|K2|。

【技术特征摘要】
1.一种基于全息波导的头戴式显示器件，其特征在于，该器件包括入耦合光栅(1)、左视场偏折光栅(2)、右视场偏折光栅(3)、出耦合光栅(4)、矩形波导(5)；入耦合光栅(1)、左视场偏折光栅(2)、右视场偏折光栅(3)、出耦合光栅(4)贴附于矩形波导(5)的上表面或下表面；入耦合光栅(1)、左视场偏折光栅(2)、右视场偏折光栅(3)、出耦合光栅(4)、矩形波导(5)贴于上表面或下表面由出入瞳光线设计方向决定；矩形波导(5)是透明波导材料制作的矩形波导，波导厚度为1～10mm；入耦合光栅(1)为反射式复合式光栅，其包含2种光栅分量分别为：左视场补偿光栅(1.1)，以及右视场补偿光栅(1.2)；入耦合光栅(1)中的左右视场补偿光栅分量，其光栅矢量分别为K1和K2，矢量K1，K2的矢量模相等即|K1|＝|K2|。2.根据权利要...

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