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CN114236819B - 一种基于偏振体全息光栅的波导显示二维扩瞳方法 - Google Patents

一种基于偏振体全息光栅的波导显示二维扩瞳方法 Download PDF

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CN114236819B CN202111636763.1A CN202111636763A CN114236819B CN 114236819 B CN114236819 B CN 114236819B CN 202111636763 A CN202111636763 A CN 202111636763A CN 114236819 B CN114236819 B CN 114236819B
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Abstract

本发明涉及一种基于偏振体全息光栅的波导显示二维扩瞳方法。基于偏振体全息光栅的偏振衍射特性作为波导耦合元件，将来自于微像源系统的光束导入并在波导介质中传输。随后通过复合偏振体全息光栅结构完成对所传图像光场的二维扩瞳与导出，最终入射人眼，实现波导增强现实成像功能。本发明利用PVG优异的偏振衍射特性，在波导扩瞳结构中，只需要使用两部分光栅区域，使得波导面积大幅减小，光束传播距离也相应减小，从而在减小波导器件体积重量的同时，也进一步减少了光束在波导内的损耗和散射，提升了最终的成像效果。

Description

一种基于偏振体全息光栅的波导显示二维扩瞳方法
技术领域
本发明涉及一种基于偏振体全息光栅的波导显示二维扩瞳结构与方法，用于AR可穿戴显示设备中实现大出瞳、大视场范围的高效、高质量波导成像，并减少设备体积与重量。
背景技术
作为目前信息显示技术领域的热点，增强现实(AugmentedReality，AR)近眼显示技术的发展承载着人们对未来信息交互方式的美好愿景，在民用(如AR眼镜)与军用(如飞行员头盔)场景下都有着广阔的应用前景。尽管目前AR技术发展迅速，但相较于AR内容、计算、网络来说，最为基本的AR显示器件的发展仍然较为滞后，显示模块的体积、重量，以及显示质量都仍无法满足人们的需求。
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，当前衍射波导成像技术受到了学术界和产业界的广泛关注。该技术简单的来说就是采用光栅作为耦合元件将图像光场通过光栅的衍射导入波导介质并利用波导介质的全反射条件，以极低的损耗传输被准直放大后的图像光场，最终再通过光栅衍射将光场导出波导介质进入人眼。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)，几乎与常用眼镜镜片无异，更加接近人们对于“AR眼镜”的定义。除此之外，光波导主要优势还包括可以通过波导传输过程中光束的不断复制与输出实现出瞳扩展功能，从而打破拉格朗日光学不变式中出瞳大小与FOV的反比关系，实现较大的出瞳范围。
作为核心器件，波导耦合光栅起到了将光场导入与导出波导介质的作用。其衍射性能直接影响系统最终的光学效率与成像质量。目前主流的波导耦合光栅从种类上可分为表面浮雕光栅(SRG)和体全息光栅(VHG)两种。从成像原理上来看，衍射波导对于耦合光栅的衍射特性有着较为苛刻的要求。首先，光栅需要有较大衍射角度(±1级)，以保证衍射光满足波导的全反射条件，此外还需要光栅具备高衍射效率(保证图像传输效率)、单级衍射特性(防止杂散光、鬼像的产生)、较大的响应带宽(保证FOV和色彩均匀性)、对外界环境光的高透过率(不影响人眼接收现实场景光场)以及精确的效率控制能力(出瞳均匀性)等。为了达到这些要求，波导耦合光栅的设计与制备工作面临极大的挑战。
总的来说，不管是SRG还是VHG，波导耦合光栅的设计制备工艺以及性能方面目前都无法满足衍射波导高质量成像需求。衍射光波导成像仍然面临光学效率低、FOV小、出瞳不均匀、色彩表现差等瓶颈问题。
本发明人团队之前在专利US20170373459、CN201811286578、WO2020088055公开了一种新型偏振体全息光栅(PolarizationVolume Grating,PVG)。这种光栅本质上可以看作一种具有二维周期性的胆甾相液晶，其形成依靠偏振干涉光取向以及胆甾相液晶的自组装特性。有趣的是，该光栅衍射特性同时呈现出了体光栅布拉格衍射以及Pancharatnam-Berry(PB)相位光栅的偏振选择性。通过对该新型光栅衍射特性、制备工艺的研究可以看到，相较于SRG和VHG，PVG作为波导耦合光栅在性能、制备难度等多个方面可以更好的满足衍射光波导成像技术的要求。
但如何利用PVG优异性能突破现有衍射波导在视场、出瞳等方面的瓶颈问题缺乏有效的理论指导和具体方法。基于以上问题，本发明涉及一种基于偏振体全息光栅的大出瞳波导结构与成像方法。通过PVG复合交叉光栅结构完成对所传图像光场的扩瞳与导出，从而实现PVG波导方案下的大出瞳波导成像，进而推动衍射波导增强现实显示技术的进一步发展。
发明内容
技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种基于偏振体全息光栅的波导显示二维扩瞳方法，在有限的波导体积、重量条件下，基于新型偏振体全息光栅独特的偏振衍射特性和波导方案实现高效、高质量的大出瞳大视场范围的增强现实波导成像。
技术方案：为了解决以上技术问题，本发明的一种基于偏振体全息光栅的波导显示二维扩瞳方法利用偏振体全息光栅作为波导耦合器件，在光波导近眼成像系统中通过一种光栅叉型复合结构在出瞳位置实现二维出瞳扩展效果。
所述光栅叉型复合结构主要包含波导介质与偏振体全息光栅PVG复合的两层出耦合光栅水平位置相同，入耦合光栅与出耦合光栅分别位于波导的不同位置，按光束传输路径排列，光栅整体位于波导介质内侧或外侧。
所述的波导介质是具有一定折射率和透过率的光学介质，折射率范围在1.5～2.2，波导介质材质是光学玻璃或透明度较高的树脂玻璃，形状是平板形状或其它自由曲面。
在所述的波导介质上不同位置至少存在两个偏振体全息光栅分别完成对光线在波导介质内的导入与扩瞳导出工作，分别称为入耦合光栅与出耦合光栅。
所述的入耦合光栅具有一定的偏振选择性，可将某一左旋或右旋椭圆偏振光束以满足波导介质全反射条件的角度衍射导出波导，并使得光束在波导内以全反射方式传播。
所述的出耦合光栅被置于波导介质另一位置，可将波导内的光束再次以小于波导介质全反射条件的角度再次衍射，从而将波导介质内的光束导出波导，将光束引入下一个人眼或其他目视光学系统。
所述出耦合光栅由至少两个不同光栅矢量方向的偏振体全息光栅复合而成；该复合光栅可实现先将波导介质内传输的光束进行转折，从改变波导内光束的传播路径，同时在转折后当光束再次入射光栅时，可将光束导出波导，从而实现扩瞳加耦合导出的功能。
所述的入耦合光栅还能通过使用两种偏振响应的PVG进行复合，从而对任意偏振光束都可以实现高效的衍射与耦合。
所述的偏振体全息光栅包括：入耦合光栅，出耦合光栅，其中出耦合光栅为复合光栅存在至少2种不同方向的光栅矢量。
所述的偏振体全息光栅为一种具有二维周期性的胆甾相液晶层，兼具布拉格衍射特性与偏振选择性。
有益效果：不同于传统波导结构使用的表面浮雕型光栅，偏振体全息光栅(PVG)具有高衍射效率，低成本，制备简单的特点。此外，传统的二维扩瞳波导结构中，需要三部分光栅区域，其中两个完成光束的耦合导入与导出，此外还需要一个光栅实现光束的转折工作。而本发明所公开的结构，利用PVG优异的偏振衍射特性，在波导扩瞳结构中，只需要使用两部分光栅区域，使得波导面积大幅减小，光束传播距离也相应减小，从而在减小波导器件体积重量的同时，也进一步减少了光束在波导内的损耗和散射，提升了最终的成像效果。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明
图1为本发明所述基于复合偏振体全息光栅高效二维扩瞳波导结构示意图；
图2为本发明所述的偏振体全息光栅PVG原理结构图；
图3为本发明所述的入耦合光栅与出耦合光栅分量的光栅矢量方向示意图；
图4为本发明所述的入耦合光栅与出耦合光栅各分量的光栅矢量在xy平面分量满足的矢量关系示意图；
图5为本发明所述的出耦光栅区域仅有第一光栅分量3.1时波导光路传输仿真结果；
图6为本发明所述的出耦光栅区域仅有第二光栅分量3.2时波导光路传输仿真结果；
图7为本发明所述的出耦光栅区域为复合PVG(包含第一光栅分量3.1、第二光栅分量3.2两个光栅分量)时波导光路传输仿真结果；
图8为本发明所述的出耦合区域复合PVG各分量对光束调控及出瞳扩展光束传播原理示意图(-x方向)；
图9为本发明所述的出耦合区域复合PVG各分量对光束调控及出瞳扩展光束传播原理示意图(+x方向)；
图10本发明公开的一种复合PVG高效二维扩瞳波导显示系统实际结构；
图11本发明公开的两种单层波导复合光栅结构。
图中有：波导介质1、入耦合光栅2、出耦合光栅3、第一光栅分量3.1、第二光栅分量3.2、右扩瞳波导传播光束4、左扩瞳波导传播光束5、光学匹配层6、微像源光引擎7、微像源图像光束8。
具体实施方式
本发明利用偏振体全息光栅作为波导耦合器件，通过一种光栅叉型复合结构在出瞳位置实现二维出瞳扩展效果。所述波导结构主要包含波导介质与偏振体全息光栅(PVG)两种元件。
其中，所述的波导介质是具有一定折射率和透过率的光学介质，材质可以是光学玻璃或透明度较高的树脂玻璃。折射率范围在(1.5～2.2)，作为优选折射率可选范围为(1.8～2.0)。波导介质可以是平板形状或其它自由曲面形状。在波导介质上不同位置至少存在两个偏振体全息光栅分别完成对光线的在介质内的导入与扩瞳导出工作，在本发明中分别称为入耦合光栅与出耦合光栅。
所述的入耦合光栅具有一定的偏振选择性，可将某一旋性(左旋或右旋)椭圆偏振光束以满足波导介质全反射条件的角度衍射导出波导，并使得光束在波导内以全反射方式传播。所述的出耦合光栅被置于波导介质另一位置，可将波导内的光束再次以小于波导介质全反射条件的角度再次衍射，从而将波导介质内的光束导出波导，将光束引入下一个光学系统，如人眼或其他目视光学系统。
进一步的所述出耦合光栅由至少两个不同光栅矢量方向的偏振体全息光栅复合而成。该复合光栅可实现先将波导介质内传输的光束进行转折，从改变波导内光束的传播路径，同时在转折后当光束再次入射光栅时，可将光束导出波导。从而实现扩瞳加耦合导出的功能。
进一步的所述的入耦合光栅也可以通过使用两种偏振响应的PVG进行复合，从而对任意偏振光束(左旋加右旋)都可以实现高效的衍射与耦合。
基于偏振体全息光栅的偏振衍射特性，将来自于微像源系统的光束导入并在波导介质中传输。随后通过复合偏振体全息光栅结构完成对所传图像光场的二维扩瞳与导出，最终入射人眼，实现波导增强现实成像功能。
本发明所使用的波导偏振体全息光栅PVG的结构图如图2所示。PVG介质内的光轴呈现一种3维的周期性旋转结构。如同PB相位光栅一样，一般利用取向材料的取向来产生横向(图1中的x方向)液晶分子的旋转周期。取向材料上的取向图案与PB相位光栅是一致的，其光轴都沿x方向绕z轴旋转不同的角度α(方位角)。α的连续变化产生了沿x方向的旋转周期Λx。除了沿x方向的周期性旋转，沿纵向(y方向)还存在着另一维度的光轴旋转，并产生旋转周期为Λy。在具体实践中，为了产生这种结构我们需要利用偏振全息干涉曝光方法在取向层构造液晶分子x方向的周期性旋转，同时在液晶材料中加入一定量的手性材料(Chiraldopant)使得沿y方向的液晶分子也发生旋转从而产生y方向的周期性旋转状态。其中，x方向的周期可以通过调整全息曝光中的两束相干光的曝光角度来改变，而y方向的周期则可以根据手性材料的螺旋扭曲力常数(Helix Twist Power,HTP)通过浓度来调制。
在这种结构下，实际上产生了一种三维的双折射率周期性分布，等折射率平面(图2中虚斜线所示)呈现一定角度
Figure BDA0003442282640000051
下的倾斜状态。可以预见的是，这种三维周期性折射率分布具有体光栅的特点，当入射光束角度和波长满足一定条件时将可能发生布拉格衍射。但是与传统的体光栅不同的是这里的折射率分布是各向异性的周期性变化，且x方向呈现PB相位光栅所具有的形式，对入射光束的偏振也将做出响应。
如图2所示，当PVG的横向与纵向周期为Λx与Λy时，则等折射率平面的倾角应为
Figure BDA0003442282640000052
Figure BDA0003442282640000053
为了简化分析且不失一般性，这里假设
Figure BDA0003442282640000054
为了产生布拉格体效应，一般要求体光栅具有一定的厚度(周期数)来产生高效率的布拉格衍射。对于PVG来说，同样需要保证一定的厚度使得各向异性介质中包含足够的周期。
在取向材料与手性材料分子作用力的限制下液晶的分子在空间内周期性旋转，其光轴在介质内的方位角α可以由下列公式表征：
Figure BDA0003442282640000055
与PB光栅一样，由于双折射材料的光轴旋转mπ(m＝0,1,2,3......)之间的等效性，式1中的周期长度Λx和Λy对应于液晶光轴旋转周期为π而不是2π。当液晶层的厚度足够时将产生布拉格体效应，即当入射光的角度与波长满足光栅的布拉格条件时，将产生高效率衍射。对于垂直入射的光束(入射角为0°)，PVG的布拉格条件可由如下公式表示：
Figure BDA0003442282640000056
在式2中，λB是真空中的布拉格波长，ΛB是布拉格周期，
Figure BDA0003442282640000057
是折射率平面的倾斜角或表示为光栅矢量K的倾斜角(见图1)，neff是各向异性介质的平均折射率可定义如下：
Figure BDA0003442282640000058
通过简单的几何关系可知，布拉格周期ΛB可以用横向与纵向周期表示为:
Figure BDA0003442282640000059
PVG根据折射率平面的倾斜角度不一样可以实现反射与透射两种衍射光栅功能。当衍射光束和入射光束位于光栅同一侧我们称之为反射式PVG，而当衍射光和入射光分别在光栅两侧时PVG表现为透射式体光栅。
本发明涉及一种使用PVG衍射波导实现波导近眼显示二维扩瞳方案。该方案波导基本结构如图1所示。其中主要包含波导介质1、入耦合光栅2以及出耦合光栅3三个主要部分。其中，波导介质1是具有一定折射率和透过率的光学介质，材质可以是光学玻璃或透明度较高的树脂玻璃。折射率范围在(1.5～2.2)，作为优选折射率可选范围为(1.8～2.0)。波导介质可以是平板形状或其它自由曲面形状，本实施方案中为平板形状。入耦合光栅2光栅矢量
Figure BDA00034422826400000510
方向唯一，在功能上完成将来自微像源光引擎7的光束衍射，并已满足波导介质全反射条件的衍射角度导入波导介质1中，并使得光束在波导介质1中传播。出耦合光栅3的光栅是一种复合PVG光栅结构。所述复合光栅结构包含至少2种不同的光栅矢量，本实施示例中包含两种光栅矢量
Figure BDA0003442282640000061
在功能上，出耦合光栅3的复合PVG光栅可通过对介质1内所传输光束的多次衍射，同时对所述光束实现二维复制与破坏全反射条件并导出波导的功能。
图3显示了具体实施方案中入耦合光栅2以及出耦合光栅3的光栅矢量方向设置方法。其中，入耦合光栅2的光栅矢量
Figure BDA0003442282640000062
处于yz平面内，沿x方向没有分量。而出耦合光栅3包含两种光栅矢量的分量
Figure BDA0003442282640000063
其中
Figure BDA0003442282640000064
分别具有沿+x方向与-x方向的光栅矢量分量。图4显示了入耦合光栅2与出耦合光栅3中三种光栅矢量
Figure BDA0003442282640000065
在xy平面的分量
Figure BDA0003442282640000066
的相互关系和限制，作为优选α1、α2可选为60°。具体来说，
Figure BDA0003442282640000067
需保证矢量和为0，即
Figure BDA0003442282640000068
从而保证该波导显示系统不存在色散。
图5与图6分别显示了如果出耦合光栅3仅包含光栅矢量
Figure BDA0003442282640000069
或
Figure BDA00034422826400000610
一种分量(对应的光栅分别为第一光栅分量3.1、第二光栅分量3.2)时的光束传播仿真结果。可以看到，若出耦合光栅仅有一种光栅分量(如图5中3.1)时，在出耦合光栅，右扩瞳波导传播光束4可在传播过程中不断发生衍射并沿+x方向分裂，从而实现二维复制扩展的功能。但光束被限制在波导内，并不能被出耦合光栅导出波导。图6显示了仅有第二光栅分量3.2时，左扩瞳波导传播光束5在第二光栅分量3.2区域沿-x方向分裂，同样可实现光束的二维复制扩展，但也无法破坏全反射条件并导出波导。
图7为本发明提出结构的仿真结果，相较于图5与图6中结构，本发明结构的出耦合区域3同时包含第一光栅分量3.1、第二光栅分量3.2两种光栅结构，从仿真结果可以看到，波导介质1内所传播光束在出耦合光栅3同时向沿±x方向分裂与传播，并随着光束复制过程被导出波导介质1，从而可以导入下一个光学系统(如人眼)。该结构仅使用2个光栅区域便实现了波导显示系统的二维扩瞳功能，空间利用率极高，从而在扩瞳的同时减小了波导尺寸与重量。
图8与图9显示了光束在出耦合光栅3分别向+x与-x方向分裂复制以及导出波导的光线传输路径与原理。如图8所示，以yz平面传播光束为例，以满足波导介质1全反射条件的传播角T传播进入出耦合光栅3的光束首先在第二光栅分量3.2处发生衍射。由于第二光栅分量3.2的光栅矢量有-x方向分量(即图4中
Figure BDA00034422826400000611
)，光束一部分能量被第二光栅分量3.2衍射，将在满足波导介质全反射条件的下向-x方向偏折，而另一部分光束能量则继续与入射光束同样角度继续传播。被第二光栅分量3.2衍射的光束将再次被第一光栅分量3.1再次衍射并破坏光束的介质内全反射条件，从而被导出波导进入下一光学系统(图8中为人眼)。同理，如图9所示，yz平面传播而来的光束以满足波导介质1全反射条件的传播角T传播进入出耦合光栅3的光束首先在分量光栅结构3.1处发生衍射并发生分裂，一部分能量在满足波导介质全反射条件的下向+x方向偏折，而另一部分光束能量则继续与入射光束同样角度继续传播。被第一光栅分量3.1衍射的光束将再次被第二光栅分量3.2衍射并导出波导。在以上工作原理下，光束在复合出耦合光栅3(即复合的第一光栅分量3.1与第二光栅分量3.2)中将反复被第一光栅分量3.1、第二光栅分量3.2衍射、复制与导出，最终实现二维出瞳扩展的功能。
作为一种具体实施示例，图10公开了一种利用所述偏振体全息复合出瞳光栅的二维扩瞳方法的波导器件结构。该器件由微像源光引擎7、波导介质1、入耦合光栅2、光学匹配层6，以及出耦合光栅3组成。其中微像源光引擎7包含微像源器件可使用MicroOLED、LCOS、DMD、MicroLED、LBS等微像源器件。同时微像源光引擎7还包括准直光学系统，完成将来自微像源器件的图像准直、放大投影成像的功能。波导介质1是具有一定折射率和透过率的光学介质，材质可以是光学玻璃或透明度较高的树脂玻璃。折射率范围在(1.5～2.2)，作为优选折射率可选范围为(1.8～2.0)。光学匹配层6是一种与波导介质折射率匹配的光学粘合剂，可将上下两个波导紧密粘合。在粘合之前，波导分为上下两部分，两部分的出耦合处分别包含上述第一光栅分量3.1、第二光栅分量3.2。上下波导粘合后，作为整体波导出耦合光栅3可实现复合光栅功能，实现上述波导出瞳扩展功能。
进一步的，如图11，也可以将第一光栅分量3.1、第二光栅分量3.2两个光栅分量置于同一波导之上，而不需要依靠光学匹配层粘合。作为示例可以采用图11左侧所示，将第一光栅分量3.1、第二光栅分量3.2以叠层方式制备于波导同一侧，也可以采用图11右侧所示，分别将第一光栅分量3.1、第二光栅分量3.2制备于波导两侧。

Claims (3)

1.一种基于偏振体全息光栅的波导显示二维扩瞳方法，其特征在于利用偏振体全息光栅作为波导耦合器件，在光波导近眼成像系统中通过一种光栅叉型复合结构在出瞳位置实现二维出瞳扩展效果；
所述光栅叉型复合结构主要包含波导介质（1）与偏振体全息光栅PVG复合的两层出耦合光栅（3），入耦合光栅（2）与出耦合光栅（3）分别位于波导的不同位置，按光束传输路径排列，光栅整体位于波导介质（1）内侧或外侧；
所述的入耦合光栅（2）具有一定的偏振选择性，可将某一左旋或右旋椭圆偏振光束以满足波导介质全反射条件的角度衍射导出波导，并使得光束在波导内以全反射方式传播；
所述的出耦合光栅（3）被置于波导介质另一位置，可将波导内的光束再次以小于波导介质全反射条件的角度再次衍射，从而将波导介质内的光束导出波导，将光束引入下一个人眼或其他目视光学系统；
所述的偏振体全息光栅PVG为一种具有二维周期性的胆甾相液晶层，兼具布拉格衍射特性与偏振选择性；
在所述的波导介质（1）上不同位置至少存在两个偏振体全息光栅分别完成对光线在波导介质内的导入与扩瞳导出工作，分别称为入耦合光栅（2）与出耦合光栅（3）；
所述出耦合光栅（3）由至少两个不同光栅矢量方向的偏振体全息光栅复合而成；该复合光栅可实现先将波导介质内传输的光束进行转折，从改变波导内光束的传播路径，同时在转折后当光束再次入射光栅时，可将光束导出波导，从而实现出瞳扩展加耦合导出的功能。
2.根据权利要求1所述的基于偏振体全息光栅的波导显示二维扩瞳方法，其特征在于
所述的波导介质（1）是具有一定折射率和透过率的光学介质，折射率范围在1.5~2.2，
波导介质材质是光学玻璃或透明度较高的树脂玻璃，形状是平板形状或其它自由曲面。
3.根据权利要求1所述的基于偏振体全息光栅的波导显示二维扩瞳方法，其特征在于
所述的入耦合光栅（2）还能通过使用两种偏振响应的偏振体全息光栅PVG进行复合，从而对任意偏振光束都可以实现高效的衍射与耦合。
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