一种高亮度全息波导显示装置的制作方法

本发明涉及波导显示装置，特别是涉及一种高亮度全息波导显示装置。

背景技术：

全息波导显示装置属于头戴式增强技术领域，其关键技术是将全息光学元件代替传统光学元件作为波导耦合器，构成集成度较高的可穿戴成像系统。

现有技术通过分别使用一片体全息光栅作为出、入耦合器的全息波导结构，会因体全息光栅的角度选择性和波长选择性，导致全息波导显示设备的出瞳亮度过低，不能满足增强现实系统对虚拟图像亮度的要求。

另外，也有人提出入耦合端为双面体全息光栅的结构，该方案是通过对入耦合端体全息光栅的倾斜角增加一个偏差角来提高显示亮度，但这种方式会导致杂散光较多，且当偏差角较大时，对彩色显示而言颜色串扰问题比较严重，同时对亮度的增益较小，也不能满足增强现实系统对虚拟图像亮度的要求。

技术实现要素：

发明目的：为解决现有技术的不足，提供一种在不降低体全息光栅峰值效率的同时扩大光谱带宽，且可使显示亮度增高的高亮度全息波导显示装置。

技术方案：一种高亮度全息波导显示装置，包括微显示器、准直镜、波导、入耦合器和出耦合体全息光栅，所述入耦合器和出耦合体全息光栅分别密接于波导表面的两端，所述波导包括第一表面和第二表面；所述微显示器加载图像，向外发射载有图像信息的发散光，所述发散光通过准直镜后变为平行光，所述平行光垂直入射到入耦合器上，被入耦合器衍射，进入波导；在波导中，光以全反射的形式传播，直到被出耦合体全息光栅衍射输出；所述入耦合器包括顶层体全息光栅和底层体全息光栅；所述顶层体全息光栅与出耦合体全息光栅密接于所述波导第一表面s1的两端，所述底层体全息光栅密接于波导的第二表面s2，且位于所述顶层体全息光栅的下方；

所述顶层体全息光栅的布拉格波长为λ+△λ1，所述底层体全息光栅的布拉格波长为λ+△λ2，所述出耦合体全息光栅的布拉格波长为λ，其中，λ为入射光波长，且△λ1×△λ2≤0，|△λ1-△λ2|的取值范围为0nm～20nm。

所述底层体全息光栅使垂直入射的平行光发生布拉格衍射，一部分衍射光进入波导，在波导内以全反射的形式传播；一部分衍射光透过波导垂直入射到顶层体全息光栅，被顶层体全息光栅布拉格衍射，其中一部分衍射光进入波导，在波导内以全反射的形式传播。

其中，所述顶层体全息光栅为反射型体全息光栅，其厚度为3um～15um。所述底层体全息光栅为反射型体全息光栅，其厚度为3um～10um。所述出耦合体全息光栅为反射型体全息光栅，其厚度为3um～15um。

其中，所述顶层体全息光栅、底层体全息光栅和出耦合体全息光栅为单色体全息光栅。所述顶层体全息光栅、底层体全息光栅和出耦合体全息光栅为复用体全息光栅。所述顶层体全息光栅和底层体全息光栅和出耦合体全息光栅为多层体全息光栅。

其中，所述顶层体全息光栅的光栅倾斜角等于底层体全息光栅的光栅倾斜角且出耦合体全息光栅的光栅倾斜角满足且的范围为22°～30°。

其中，所述波导可以为平板波导或自由曲面波导。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案使得入射平行光先经底层体全息光栅衍射，剩余的光再次被顶层体全息光栅衍射，衍射得到的两束光都进入波导，以全反射形式向出耦合端传播，使得波导系统可在保证不降低入射光(中心波长为λ)对应的峰值衍射效率的同时，增大入耦合端的光谱带宽，提高出耦合端的显示亮度，解决了现有常见全息波导结构显示亮度不足的问题

附图说明

图1是现有技术的全息波导显示装置的结构示意图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是图1中a处的简化放大图；

图4是本发明结构入耦合端的fem仿真图；

图5是现有结构和本发明结构的波长和入耦合器的衍射效率关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的描述。

如图1所示，现有技术中的一种全息波导显示装置，包括微显示器101、准直镜102、波导103、入耦合体全息光栅104和出耦合体全息光栅105。该装置的微显示器101发射载有图像信息的发散光，发散光通过准直镜102后转为平行光，所述平行光经过波导垂直入射到入耦合体全息光栅上，经所述入耦合体全息光栅衍射形成的衍射光，进入波导103，衍射光在波导中以全反射的形式进行传播，直至被出耦合体全息光栅衍射输出平行光，进入人眼106。因体全息光栅的衍射效率越高，衍射带宽越窄，故在提高体全息光栅的峰值效率的同时，衍射带宽变窄，会造成出耦合端光的图像显示亮度不够，影响人眼观察。

如图2所示，本发明的一种高亮度全息波导显示装置，包括微显示器201、准直镜202、底层体全息光栅203、波导204、顶层体全息光栅205和出耦合体全息光栅206。其中，波导包括第一表面s1和第二表面s2；顶层体全息光栅与出耦合体全息光栅分别密接于波导的第一表面s1的两端；底层体全息光栅密接于波导的第二表面s2上，且位于顶层体全息光栅的下方。底层体全息光栅203和顶层体全息光栅205构成入耦合器。微显示器位于准直镜的焦距处，其中心线与准直镜、底层体全息光栅和顶层体全息光栅的中心线共轴。

其中，顶层体全息光栅的布拉格波长为λ+△λ1，底层体全息光栅的布拉格波为λ+△λ2，出耦合体全息光栅的布拉格波长为λ，其中，λ为入射光波长，且△λ1×△λ2≤0，|△λ1-△λ2|的取值范围为0nm～20nm。顶层体全息光栅、底层体全息光栅和出耦合体全息光栅均可为反射型体全息光栅，其厚度分别为3um～15um、3um～10um和3um～15um。

另外，顶层体全息光栅、底层体全息光栅和出耦合体全息光栅均可为单色体全息光栅、复用体全息光栅或多层体全息光栅。

该装置的衍射原理：

微显示器加载图像，向外发射载有图像信息的发散光l20，所述发散光l20通过准直镜后变为平行光l21，所述平行光l21垂直入射到底层体全息光栅203上，被底层体全息光栅布拉格衍射输出衍射光，其中一部分衍射光l22进入波导204，在波导中以全反射的形式传播，直到被出耦合体全息光栅206衍射输出；剩余衍射光的一部分透过波导垂直入射到顶层体全息光栅205，被顶层体全息光栅衍射输出衍射光l23，衍射光l23进入波导，在波导内以全反射的形式传播，直到被出耦合体全息光栅衍射输出。出耦合体全息光栅衍射输出的平行光l24进入人眼207。

图3是图2中a处的简化放大图。如图3所示，载有图像信息的发散光通过准直镜后形成平行光，所述平行光垂直入射到底层体全息光栅，所述底层体全息光栅对平行光进行衍射，其-1级衍射光t-1进入波导；其0级衍射光t0透过波导，垂直入射到顶层体全息光栅上，所述顶层体全息光栅对t0光进行衍射，其-1级衍射光r-1进入波导；底层体全息光栅-1级衍射光t-1和顶层体全息光栅-1级衍射光r-1，在波导内以全反射的形式传播。

如图4所示，本发明结构入耦合端的fem仿真结果图，仿真结果表明：平行光垂直入射到底层体全息光栅上，被底层体全息光栅布拉格衍射输出衍射光，其中一部分衍射光进入波导；另一部分衍射光透过波导垂直入射到顶层体全息光栅，被顶层体全息光栅衍射，输出衍射光进入波导，在波导内以全反射的形式传播。该仿真结果和图3的理论结果一致。

该实施例中：顶层体全息光栅的厚度为5um，其布拉格波长为532nm+6nm，光栅倾斜角为22.5°，且其密接于波导上方，如图2所示。

底层体全息光栅的厚度为5um，其布拉格波长为532nm-6nm，光栅倾斜角为22.5°，且其密接与波导下方，如图2所示。

出耦合体全息光栅的厚度为5um，其布拉格波长为532nm，光栅倾斜角为-22.5°，且其密接于波导上方，如图2所示。

入射光的中心波长为532nm。

波导为平板波导，厚度可在1mm～5mm，材料为光学玻璃或者光学塑材或者其他材料，本发明不做限定。

入耦合器的衍射效率函数d(λ)为：

d(λ)＝dt,-1(λ)+dt,0(λ)×dr,-1(λ)

其中，dt,-1(λ)是底层体全息光栅-1级衍射光t-1的衍射效率函数，dt,0(λ)是底层体全息光栅0级衍射光t0的衍射效率函数，dr,-1(λ)是顶层反射型体全息光栅-1级衍射光r-1的衍射效率函数。

系统相对入耦合亮度的定义式为：

其中，i(λ)是显示器的亮度函数，d(λ)是入耦合器的衍射效率函数。

如图5所示现有技术和本发明实例的入耦合器的波长和衍射关系曲线图，从图中可以看出，光谱带宽从20nm增大到35nm，且对应的峰值效率没有降低。

经计算，本发明结构相对入耦合亮度在图1所示现有结构的基础上提高72.27％；结合出耦合端考虑，系统总的耦合亮度在图1所示现有结构的基础上提高22.6％。