基于遗传算法的多片倾斜表面浮雕拼接光栅的优化方法及倾斜表面浮雕光栅波导显示系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于遗传算法的多片倾斜表面浮雕拼接光栅的优化方法及倾斜表面浮雕光栅波导显示系统。所述优化方法包括以下步骤：选择优化目标和待优化的光栅结构参数，确定遗传算法的适应度函数；初始化群体，即随机产生若干组光栅结构参数；根据适应度函数，计算个体适应度以及群体的平均适应度；生成下一代群体；判断程序是否终止，找出所有代中个体适应度最小的值对应的光栅结构参数。所述倾斜表面浮雕光栅波导显示系统三片倾斜表面浮雕光栅水平拼接，所述三片倾斜表面浮雕光栅的形貌由上述优化方法进行计算。所述倾斜表面浮雕光栅波导显示系统在提高视场角的同时，保证了系统的亮度高以及均匀性好。

Optimizing Method of Multi-Slice Inclined Surface Embossed Mosaic Grating Based on Genetic Algorithms and Waveguide Display System of Inclined Surface Embossed Grating

The invention discloses an optimization method of Multi-Tilted surface relief mosaic grating based on genetic algorithm and a waveguide display system of tilted surface relief grating. The optimization method includes the following steps: selecting the optimization objective and the grating structure parameters to be optimized, determining the fitness function of genetic algorithm; initializing the population, i.e. generating random groups of grating structure parameters; calculating the individual fitness and the average fitness of the population according to the fitness function; and generating the next generation population; To determine whether the program is terminated or not, the grating structure parameters corresponding to the minimum individual fitness in all generations are found. The inclined surface relief grating waveguide display system has three inclined surface relief gratings joined horizontally, and the shape of the three inclined surface relief gratings is calculated by the above optimization method. The tilted surface relief grating waveguide display system improves the field of view angle while ensuring high brightness and good uniformity of the system.

【技术实现步骤摘要】
基于遗传算法的多片倾斜表面浮雕拼接光栅的优化方法及倾斜表面浮雕光栅波导显示系统
本专利技术属于衍射光栅波导显示
，特别涉及一种基于遗传算法的多片倾斜表面浮雕拼接光栅的优化方法及倾斜表面浮雕光栅波导显示系统。
技术介绍
波导显示技术是目前实现增强现实的一种主流的方法，有着结构紧凑，便携性好的特点。这种显示系统一般由三个部分组成：图像源和光学准直系统组成的显示模组、波导和耦合器件。由图像源所发出的光，经过准直系统再通过入耦合光栅进入波导，经过波导内部全反射，再经过出耦合光栅进入人眼。公开号为CN106646870A的专利文献公开了一种全息波导显示系统及显示方法，包括微显示器、准直透镜、波导、入耦合叠层衍射光学元件、出耦合叠层衍射光学元件、色彩校正驱动模块；所述叠层衍射光学元件包括两片反射型体全息光栅，所述色彩校正驱动模块包括RGB色彩分离模块、XYZ转LAB模块、LAB转LCH模块、色彩映射模块、LCH转LAB模块、LAB转XYZ模块、RGB色彩合成模块。所述驱动模块可以分别比较不同视场的基色与微显示器的基色的差异，并将不同视场下的色彩以及亮度校正至与微显示器色彩相同。本专利技术可以使不同视场的色域都接近微显示器的色域，从而提高显示色均匀性，更好地还原微显示器的图像。其中，倾斜表面浮雕光栅波导显示系统是利用倾斜光栅作为耦合器件的，这种光栅的特殊结构使其可以具有比较好的角度选择性和衍射效率。然而，由于光栅材质折射率的限制，一般的倾斜光栅只能在某一角度范围内具有较高的衍射效率。为了扩大视场，一般会采用多层表面浮雕光栅结构，不同层对应不同的视场角，然后进行视场角拼接来扩大视场角。然而，由于每一层光栅并不能严格满足只对某一角度范围光进行衍射，所以不同层光栅都会对入射光进行衍射或者反射，从而导致整体系统显示效果变差。并且，由于倾斜表面浮雕光栅的表面形貌可控，设计自由度大。目前没有专门的优化方法对光栅进行优化。特别是光栅进行拼接的时候，需要对各个光栅进行优化使得整个系统具有更好的角度选择曲线。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于遗传算法的多片倾斜表面浮雕拼接光栅的优化方法，并且还提出一种由上述优化方法制备的倾斜表面浮雕光栅波导显示系统，使得波导显示系统在扩大视场角的同时保持均匀度较好的显示效果。一种多片倾斜表面浮雕拼接光栅的优化方法，所述方法包括以下步骤：S1、根据波导显示系统的实际要求选择多片倾斜表面浮雕拼接光栅的优化目标和待优化的光栅结构参数，最终确定遗传算法的适应度函数；S2、初始化群体，即随机产生若干组光栅结构参数，经过编码后生成染色体，每一组光栅结构参数即为个体，特定数量的个体组成群体；S3、对染色体进行解码，得到其对应的光栅结构参数；根据适应度函数，计算群体的每一组光栅结构参数对应的个体适应度以及群体的平均适应度，记录群体中个体适应度最小的值对应的一组光栅结构参数；S4、根据个体适应度的大小计算其染色体被遗传到下一代的概率，然后根据此概率对染色体进行复制操作，生成新群体，然后对新群体的染色体进行交叉算子和变异算子的操作，生成下一代群体；S5、判断程序是否终止，如果不满足终止条件，则重复步骤S3、S4，直到满足收敛条件或者达到最大优化代数，找出所有代中个体适应度最小的值对应的光栅结构参数，即最终应用于波导显示系统的一组光栅结构参数。所述的步骤S1中的优化目标包括光栅的衍射均匀度、衍射效率和视场角。所述的步骤S1中的待优化的光栅结构参数包括光栅占空比、光栅厚度、光栅左右倾角。所述的步骤S2中采用的编码方法为浮点数编码。所述的步骤S3中的适应度函数通过计算倾斜表面浮雕光栅的衍射效率得到，计算倾斜表面浮雕光栅的衍射效率的方法为RCWA算法。利用RCWA算法计算出每一片倾斜表面浮雕光栅的角度衍射曲线，然后计算出耦合光栅总的角度衍射曲线。对于三片倾斜表面浮雕光栅拼接，总的角度衍射曲线为：ηall＝ηr+ηc(1-ηr)+ηl(1-ηc)(1-ηr)其中：ηr、ηc、ηl分别为右侧，中间，左侧光栅的衍射效率。为了计算出倾斜表面浮雕光栅的衍射效率，需要倾斜表面浮雕光栅的形貌以及光栅的介质折射率和入射光波长和偏振状态。其中倾斜表面浮雕光栅的形貌特征包括光栅周期，光栅占空比，光栅厚度，光栅左右倾角。因此需要优化的光栅结构参数有多片倾斜表面浮雕光栅各自的厚度、占空比、左右倾角。所述的步骤S3中的适应度函数为：其中，x＝[x1,x2,…,xm]，x为待优化的光栅结构参数，η(θ)为光栅的总的角度衍射效率曲线，对η(θ)经行离散化，N为离散点的个数，θmax为入射角的最大取值，θmin为入射角的最小取值，为平均衍射效率，α和β为加权系数。适应度越小，优化结果越好。优化结果越好，计算出的多片倾斜表面浮雕拼接光栅整体的衍射均匀度越好、以及衍射效率越高。所述的步骤S4中使用选择算子实现对群体的个体实现优胜劣态的操作，按照具体算法选择适应度小的个体以更大的概率遗传到下一代，为了实现这一操作，本算子采用了锦标赛选择法。交叉算子是为了模仿生物界两个同源染色体经过交配重组而产生新的个体，即通过随机选择中两个适应度强的个体经行染色体随机位置交叉产生新的个体；具体的，交叉算子选择均匀交叉，从而使得两个配对个体每一个基因都以相同的概率经行交换。变异算子是对随机个体的随机的基因位置经行变异操作，通过变异算子，保持了物种多样性；变异算子采用非均匀变异，使得群体在初几代时经行均匀随机变异，而随着群体代数增加，逐渐转向对局部位置经行变异。从而提高了程序的收敛速度。所述的步骤(5)中的终止条件包括终止代数和连续几代个体适应度差值是否小于阈值。当遗传算法运行满足终止条件后，输出所有代中个体适应度最小的值对应的一组光栅结构参数列表作为波导显示系统所采用的多片耦合光栅的光栅结构参数。当连续几代个体适应度差值仍大于阈值，继续进行优化过程。本专利技术还提供一种根据多片倾斜表面浮雕拼接光栅的优化方法制备的倾斜表面浮雕光栅波导显示系统，所述倾斜表面浮雕光栅波导显示系统包括显示模块、输入耦合光学元件、波导和输出耦合光学元件；所述输入耦合光学元件和输出耦合光学元件所述显示模块包括微显示器和透镜，微显示器发出的准直图像经透镜发散至输入耦合光学元件发生衍射进入波导，光线通过全发射沿着波导向前传播到达输出耦合光学元件，不同角度的光线在不同的位置被耦合出波导；所述输入耦合光学元件和输出耦合光学元件镜像设置在波导的同侧。所述输入耦合光学元件和输出耦合光学元件的表面结构相同。所述输入耦合光学元件和输出耦合光学元件中的三片倾斜表面浮雕光栅的光栅周期相同。所述倾斜表面浮雕一般利用离子束刻蚀技术或者紫外压印技术经行制备。波导为玻璃平面波导。所述输入耦合光学元件和输出耦合光学元件的表面结构相同。所述输入耦合光学元件和输出耦合光学元件中的三片倾斜表面浮雕光栅的光栅周期相同。所述倾斜表面浮雕光栅的光栅方程为：其中：ni为入射光所在介质折射率，θi为入射角，m为衍射级次，λ为入射光波长，d为光栅的周期，nL为光栅的介质折射率，θm为m级次对应的衍射角。为了保证多片倾斜表面浮雕拼接光栅的入射光角度和衍射光角度一一对应，多片倾斜表面浮雕光栅的空间周期要保持一致。而且，为了保证衍射光进入波导后能满本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于遗传算法的多片倾斜表面浮雕拼接光栅的优化方法，所述优化方法包括以下步骤：S1、根据波导显示系统的实际要求选择多片倾斜表面浮雕拼接光栅的优化目标和待优化的光栅结构参数，最终确定遗传算法的适应度函数；S2、初始化群体，即随机产生若干组光栅结构参数，经过编码后生成染色体，每一组光栅结构参数即为个体，特定数量的个体组成群体；S3、对染色体进行解码，得到其对应的光栅结构参数；根据适应度函数，计算群体的每一组光栅结构参数对应的个体适应度以及群体的平均适应度，记录群体中个体适应度最小的值对应的一组光栅结构参数；S4、根据个体适应度的大小计算其染色体被遗传到下一代的概率，然后根据此概率对染色体进行复制操作，生成新群体，然后对新群体的染色体进行交叉算子和变异算子的操作，生成下一代群体；S5、判断程序是否终止，如果不满足终止条件，则重复步骤S3、S4，直到满足收敛条件或者达到最大优化代数，找出所有代中个体适应度最小的值对应的光栅结构参数，即最终应用于波导显示系统的一组光栅结构参数。

【技术特征摘要】
1.一种基于遗传算法的多片倾斜表面浮雕拼接光栅的优化方法，所述优化方法包括以下步骤：S1、根据波导显示系统的实际要求选择多片倾斜表面浮雕拼接光栅的优化目标和待优化的光栅结构参数，最终确定遗传算法的适应度函数；S2、初始化群体，即随机产生若干组光栅结构参数，经过编码后生成染色体，每一组光栅结构参数即为个体，特定数量的个体组成群体；S3、对染色体进行解码，得到其对应的光栅结构参数；根据适应度函数，计算群体的每一组光栅结构参数对应的个体适应度以及群体的平均适应度，记录群体中个体适应度最小的值对应的一组光栅结构参数；S4、根据个体适应度的大小计算其染色体被遗传到下一代的概率，然后根据此概率对染色体进行复制操作，生成新群体，然后对新群体的染色体进行交叉算子和变异算子的操作，生成下一代群体；S5、判断程序是否终止，如果不满足终止条件，则重复步骤S3、S4，直到满足收敛条件或者达到最大优化代数，找出所有代中个体适应度最小的值对应的光栅结构参数，即最终应用于波导显示系统的一组光栅结构参数。2.根据权利要求1所述的基于遗传算法的多片倾斜表面浮雕拼接光栅的优化方法，其特征在于，所述的步骤S1中的优化目标包括光栅的衍射均匀度、衍射效率和视场角大小。3.根据权利要求1所述的基于遗传算法的多片倾斜表面浮雕拼接光栅的优化方法，其特征在于，所述的步骤S1中的待优化的光栅结构参数包括光栅占空比、光栅厚度和光栅左右倾角。4.根据权利要求1所述的基于遗传算法的多片倾斜表面浮雕拼接光栅的优化方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海峰，赵庆，金闻嘉，张隽怿，刘旭，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33