一种偏振体全息彩色双目波导显示系统技术方案

本发明专利技术请求保护一种偏振体全息彩色双目波导显示系统，包括微像源、准直透镜、双层波导、第一入耦合光栅组、第二入耦合光栅组、出耦合光栅组，所述第一入耦合光栅组设计工作在蓝色光波段，包括两层反射式偏振体全息光栅，其中液晶分子在两层中旋转方向相反但周期性保持相同，从而可以实现对左旋圆偏振光的衍射和右旋圆偏振光的衍射。所述第二入耦合光栅组设计工作在红色和绿色光波段，包括四层反射式偏振体全息光栅，第一层对红色右旋圆偏振光衍射，第二层对红色左旋圆偏振光衍射，第三层对绿色右旋圆偏振光衍射，第四层对绿色左旋圆偏振光衍射，该结构实现了用单彩色微像源将彩色信息传播到人眼双目处的功能，且该结构体积小，重量轻，效率高。效率高。效率高。

【技术实现步骤摘要】
一种偏振体全息彩色双目波导显示系统


[0001]本专利技术属于波导显示
，具体涉及偏振体全息彩色双目波导显示系统。

技术介绍

[0002]近年来，随着波导显示技术的不断发展，波导显示系统的应用越来越广泛，现已广泛应用于军事、医疗、教育、娱乐、虚拟现实(VR)、增强现实(AR)以及人们的日常生活等方面。
[0003]全息波导头盔显示系统的基本结构示意图，其主要有以下几部分组成：微型显示器、准直透镜、入耦合体全息光栅、平板波导和出耦合体全息光栅。全息波导头盔显示系统传输图像的基本过程为：由微型显示器发出载有图像信息的发散光波，各视场光波经过准直透镜后变成各个角度的平行光进入平板波导，经过入耦合体全息光栅的衍射作用，使各平行光束改变传输方向，且在波导与空气界面满足全内反射条件，实现光束在平板波导内的周期性传输，波导内传输的光束再经过出耦合体全息光栅的衍射作用，耦合输出波导并还原成和入射光波一致的平行光，最终进入人眼成像。
[0004]全息波导显示系统的彩色实现需要对全息体光栅进行波长扩展以实现红绿蓝(RGB)彩色显示，可以通过复合或者叠层的方式来实现。通过对单层全息曝光材料多次曝光或者利用多波长激光同步曝光的方法来实现在单层全息曝光材料上实现一个多波长的复合全息体光栅。但复合光栅的制备需要对曝光光束功率、时间、剂量，不同波长曝光顺序，影响全息材料中折射率重新分布扩散效果的暗反应时间都需要精确的实验证明和精准的控制，以得到各自波长布拉格条件下的准确效率和带宽。这种方法的串扰比较严重，为了消除串扰，可以将波导分成堆叠的多层平板，分别用于R、G、B波长的图像传导，相互之间互不干扰，在这种结构下，各波段光波在各自的波导内传播，通过对称的输入输出光栅自平衡光栅色散。
[0005]现有技术中，受限于全息材料折射率调制度较小等原因，系统的视场角带宽较小，色彩表现不够丰富，衍射效率有待提高。彩色双目波导显示系统体积大，重量大，不利于实际应用。
[0006]CN114879299A，一种改善成像均匀性的彩色波导显示装置，包括波导介质，波导介质的表面设置入耦合光栅、左旋偏振体全息液晶光栅和右旋偏振体全息液晶光栅；波导介质用于将入射光进行全反射；左旋偏振体全息液晶光栅、右旋偏振体全息液晶光栅周期性排列；入耦合光栅、左旋偏振体全息液晶光栅、右旋偏振体全息液晶光栅的横向周期一致，其内部的液晶分子均具有三维周期性旋转结构；左旋偏振体全息液晶光栅、右旋偏振体全息液晶光栅的效率按公式设置。本专利技术的偏振体全息光栅具有高衍射效率，低成本，制备简单的特点，利用不同偏振响应的PVG阵列组成出耦合光栅区域，从而来改善传统全息波导显示装置的出瞳均匀性。
[0007]此专利CN114879299A是利用左旋与右旋光不发生串扰，通过对应不同比例的出耦合光栅，以提高出瞳的均匀性。该结构在使用时仍然需要在左右眼各配备一个或多个像源，
且实施案例采用的是透射式偏振体全息光栅，视场角小于反射式偏振体全息光栅。该结构通过左旋与右旋光两道光路，互相补偿以提高出瞳的均匀性，但是也需要使用到两倍的入耦合和出耦合光栅。
[0008]本专利技术是利用非偏振光可视为有等量的左旋与右旋分量，通过设计的入耦合光栅(其中液晶分子在两层中旋转方向相反但周期性保持相同)，分别衍射左旋与右旋光束，以全反射的形式向左右不同的方向传播，只用单彩色像源就可以实现双目显示。且结构采用反射式偏振体全息光栅，有更大的视场角，使用非偏振光源也可以得到高衍射效率。该结构设计简洁，有利于减小体积，成本和方便应用。另外该结构还可以通过增加可控的波片或对液晶进行相位调控，来改变波导入射光束的偏振态，刷新频率足够高时，就可以使得传播到左右眼的图像存在微小的视差，就可以获得基于双目视差下的立体显示。

技术实现思路

[0009]本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种偏振体全息彩色双目波导显示系统。本专利技术的技术方案如下：
[0010]一种偏振体全息彩色双目波导显示系统，其包括：微像源、准直透镜、第一层波导、第二层波导、第一入耦合光栅组、第二入耦合光栅组、第一左旋出耦合光栅、第一右旋出耦合光栅、第二左旋出耦合光栅组、第二右旋出耦合光栅组，其中第一层波导包括上表面S11和下表面S12，第二层波导包括上表面S21和下表面S22；微像源的一端连接外端电源，微像源的发光端加载图像，发射发散光L20，发散光通过准直透镜后变为平行光L21；准直透镜位于第一层波导上表面S11的上方，第一入耦合光栅组密接于第一层波导下表面S12中央，第一左旋出耦合光栅位于第一层波导下表面S12左端、第一右旋出耦合光栅位于波导下表面S12右端，第二入耦合光栅组密接于第二层波导下表面S22中央，第二左旋出耦合光栅组位于第二层波导下表面S22左端、第二右旋出耦合光栅组位于第二层波导下表面S22右端；其中所述微像源用于分解为左旋和右旋圆偏振光；所述第一波导和第二波导间有空气层用于避免两层波导之间发生串扰；第一入耦合光栅组、第二入耦合光栅组分别对蓝光和红绿光波段衍射，将非偏振光分解为左旋和右旋圆偏振光，耦合进入波导并以全反射形式传输，第一左旋出耦合光栅、第一右旋出耦合光栅分别对红色左旋圆偏振光和红色右旋圆偏振光衍射，第二左旋出耦合光栅组、第二右旋出耦合光栅组分别对红绿色左旋圆偏振光和红绿色右旋圆偏振光衍射，将衍射光变为平行光，传入人眼。
[0011]所述准直透镜位于发光端下方和第一层波导上方，平行光垂直入射到第一入耦合光栅组上，蓝光波段发生衍射产生衍射光，其他光波段透过光栅垂直入射到第二入耦合光栅组上，红绿光波段发生衍射产生衍射光，所述衍射光进入波导，以全反射的形式传播，直到被出耦合光栅衍射输出为平行光，所述平行光进入人眼。
[0012]进一步的，所述述微像源为OLED等非偏振型像源，用于分解为左旋和右旋圆偏振光。
[0013]进一步的，所述第一层波导、第二层波导为双平板波导结构，第一层波导、第二层波导两端间用透明材料间隔支撑。
[0014]进一步的，所述第一左旋出耦合光栅为反射式偏振体全息光栅，设计工作在蓝色光波段，密接于第一层波导左端下表面；所述第一右旋出耦合光栅为反射式偏振体全息光
栅，设计工作在蓝色光波段，密接于第一层波导右端下表面；所述第二左旋出耦合光栅组为两层反射式偏振体全息光栅，第一层设计工作在红色光波段，第二层设计工作在绿色光波段，光栅组密接于第二层波导左端下表面；所述第二右旋出耦合光栅组为两层反射式偏振体全息光栅，第一层设计工作在红色光波段，第二层设计工作在绿色光波段，光栅组密接于第二层波导右端下表面。
[0015]进一步的，所述第一入耦合光栅组设计工作在蓝色光波段，包括两层反射式偏振体全息光栅，所述第一层反射式偏振体全息光栅对蓝色右旋圆偏振光衍射，所述第二层反射式偏振体全息光栅对蓝色左旋圆偏振光衍射，所述第二入耦合光栅组设计工作在红色和绿色光波段，包括四层反射式偏振体全息光栅，第一层对红色右旋圆偏振光衍射，第二层对红色左旋圆偏振光衍射，第三层对绿色右旋圆偏振本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种偏振体全息彩色双目波导显示系统，其特征在于，包括：微像源、准直透镜、第一层波导、第二层波导、第一入耦合光栅组、第二入耦合光栅组、第一左旋出耦合光栅、第一右旋出耦合光栅、第二左旋出耦合光栅组、第二右旋出耦合光栅组，其中第一层波导包括上表面S11和下表面S12，第二层波导包括上表面S21和下表面S22；微像源的一端连接外端电源，微像源的发光端加载图像，发射发散光L20，发散光通过准直透镜后变为平行光L21；准直透镜位于第一层波导上表面S11的上方，第一入耦合光栅组密接于第一层波导下表面S12中央，第一左旋出耦合光栅位于第一层波导下表面S12左端、第一右旋出耦合光栅位于波导下表面S12右端，第二入耦合光栅组密接于第二层波导下表面S22中央，第二左旋出耦合光栅组位于第二层波导下表面S22左端、第二右旋出耦合光栅组位于第二层波导下表面S22右端；其中所述微像源用于分解为左旋和右旋圆偏振光；所述第一波导和第二波导间有空气层用于避免两层波导之间发生串扰；第一入耦合光栅组、第二入耦合光栅组分别对蓝光和红绿光波段衍射，将非偏振光分解为左旋和右旋圆偏振光，耦合进入波导以全反射形式传输，第一左旋出耦合光栅、第一右旋出耦合光栅分别对红色左旋圆偏振光和红色右旋圆偏振光衍射，第二左旋出耦合光栅组、第二右旋出耦合光栅组分别对红、绿色左旋圆偏振光和红、绿色右旋圆偏振光衍射，将衍射光变为平行光，传入人眼；所述准直透镜位于发光端下方和第一层波导上方，平行光垂直入射到第一入耦合光栅组上，蓝光波段发生衍射产生衍射光，其他光波段透过光栅垂直入射到第二入耦合光栅组上，红绿光波段发生衍射产生衍射光，所述衍射光进入波导，以全反射的形式传播，直到被出耦合光栅衍射输出为平行光，所述平行光进入人眼。2.根据权利要求1所述的一种偏振体全息彩色双目波导显示系统，其特征在于，所述述微像源为OLED等非偏振型像源，用于分解为左旋和右旋圆偏振光。3.根据权利要求1所述的一种偏振体全息彩色双目波导显示系统，其特征在于，所述第一层波导、第二层波导为双平板波导结构，第一层波导、第二层波导两端间用透明材料间隔支撑。4.根据权利要求1所述的一种偏振体全息彩色双目波导显示系统，其特征在于，所述第一左旋出耦合光栅为反射式偏振体全息光栅，设计工作在蓝色光波段，密接于第一层波导左端下表面；所述第一右旋出耦合光栅为反射式偏振体全息光栅，设计工作在蓝色光波段，密接于第一层...

【专利技术属性】
技术研发人员：路永乐，王惠民，廖辰卓，韩亮，辜启航，袁素真，王磊杰，杨杰，修蔚然，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：