一种全息波导视场与色均匀度的优化方法

本发明涉及增强现实显示领域中的全息波导显示技术，尤其涉及到一种全息波导视场与色均匀度的优化方法。

背景技术：

1、全息波导结构是一种利用高亮度微型显示器为图像源，将透明的全息护目镜作为显示屏，通过小型化光学系统将图像通过波导结构投射到人眼成像的显示技术，具有高透射比、轻便和体积小等优点。

2、视场与色均匀度是限制全息波导结构应用的两个最重要的约束条件。全息波导的高度的衍射角度选择性以及平板波导的传播条件限制了整个系统的视场范围；此外，全息光栅具有高的波长选择性，这在不同的观察角时会引起基色色偏。视场的大小决定了感知图像的尺寸，基色色偏则直接影响感知图像的色均匀度。

3、现有技术中，当全息波导结构应用于彩色显示方案时，视场与色均匀度会互相影响，导致视场较小，并且色均匀度不佳，严重限制全息波导结构的使用。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种全息波导视场与色均匀度的优化方法，其不仅能够减小基色色偏，而且还能够扩大视场，从而提高显示质量。

2、为实现上述目的，本发明采用如下所述的技术方案。

3、一种全息波导视场与色均匀度的优化方法，反射型体全息光栅设置于平板波导上，且入射光纤对于反射型体全息光栅的另一侧，入射光线用于对平板波导发射原始光束，原始光束透射入平板波导后到达反射型体全息光栅，并进行布拉格衍射，布拉格衍射后的光束沿着平板波导进行全反射，所述方法通过引入入射光线倾斜角度，使得在同样的视场角要求下，优化得到更广的光栅倾斜角度范围，从而实现更小的布拉格角和最小的基色色偏，包括如下的计算：

4、(1)根据全息波导光栅的全反射角θt，视场角fov，反射型体全息光栅的倾斜角度ξ存在的限制条件，当入射光线光轴垂直于平板波导时，结合ξ与布拉格角θb的关系ξ＝θb，在限制条件的视场角要求下，计算得到布拉格角的范围；

5、(2)由布拉格衍射公式计算布拉格角与基色色偏的关系，通过对布拉格角与基色色偏的关系，在该视场角要求下，得到布拉格角的范围，并通过选取合适的布拉格角进行优化，以得到较小的基色色偏。

6、进一步的，所述方法中，如果将入射光线的光轴与平板波导倾斜，通过在此时光栅倾斜角度ξ与布拉格角θb以及入射光线倾斜角度α的关系ξ＝α+θb，以及此时全反射角θt，视场角fov，光栅倾斜角度ξ，入射光线倾斜角度α需要满足平板波导的传播限制条件，可得到此时视场角fov与光栅倾斜角度ξ的关系，用于扩大在满足fov要求下ξ的范围。

7、进一步的，所述优化过程计算中包括通过分析视场角fov与布拉格角θb的关系，得到不同视场角要求下布拉格角θb的优化解，具体如下：

8、由布拉格衍射公式越小的布拉格角θb引起的基色色偏越小，因此在同样的视场角fov的要求下，可以通过增加入射光线倾斜角度α来减小θb，改善色彩显示。

9、更进一步的，所述方法包括通过分析视场角fov与入射光线倾斜角度α的关系，结合视场角fov与布拉格角θb的关系，得到全息光栅波导在不同视场角要求下的最优解，以实现最小的色偏；

10、当微显示源与准直系统倾斜一定角度α时，入射光线需要满足如下4个约束条件：

11、1)在平板波导中的衍射光线的全反射角θt应满足：

12、2)入射光线的视场角fov应满足：

13、3)反射式体全息光栅的倾斜角度ξ应满足：

14、4)入射光线的倾斜角度α满足

15、由这4个限制条件在引入入射光线倾斜角度α后，不同的视场角fov要求对应的不同的光栅倾斜角度ξ范围，ξ＝α+θb。

16、更进一步的，所述优化方法中，设θt为平板波导中的全反射角，ξ为反射型体全息光栅的倾斜角度，fov是入射光线的视场角，θb为布拉格角，当入射光线垂直入射时，ξ＝θb，入射光线需要满足3个约束条件：

17、1)在平板波导107中传播的衍射光线的全反射角θt应满足：

18、2)入射光线的视场角fov应满足：

19、3)反射型体全息光栅108的倾斜角度ξ应满足：

20、更进一步的，所述方法中入射时视场角fov与衍射光线中心波长偏移量δλ的关系如下：

21、

22、λcentral表示衍射光线中心波长，ξ为反射型体全息光栅的倾斜角度。

23、有益效果：本发明通过引入入射光线倾斜角度，并对其进行研究优化，使得在同样的视场角要求下，可以得到更广的光栅倾斜角度范围，从而实现更小的布拉格角。由于布拉格角与基色色偏有关，通过实现更小的布拉格角，来得到更小的基色色偏。通过对布拉格角的优化，使得在满足要求的前提下，实现最大的视场角与最小的基色色偏。

技术特征：

1.一种全息波导视场与色均匀度的优化方法，反射型体全息光栅设置于平板波导上，且入射光纤对于反射型体全息光栅的另一侧，入射光线用于对平板波导发射原始光束，原始光束透射入平板波导后到达反射型体全息光栅，并进行布拉格衍射，布拉格衍射后的光束沿着平板波导进行全反射，其特征在于：所述方法通过引入入射光线倾斜角度，使得在同样的视场角要求下，优化得到更广的光栅倾斜角度范围，从而实现更小的布拉格角和最小的基色色偏，包括如下的计算：

2.根据权利要求1所述的全息波导视场与色均匀度的优化方法，其特征在于：所述方法中，如果将入射光线的光轴与平板波导倾斜，通过在此时光栅倾斜角度ξ与布拉格角θb以及入射光线倾斜角度α的关系ξ＝α+θb，以及此时全反射角θt，视场角fov，光栅倾斜角度ξ，入射光线倾斜角度α需要满足平板波导的传播限制条件，可得到此时视场角fov与光栅倾斜角度ξ的关系，用于扩大在满足fov要求下ξ的范围。

3.根据权利要求2所述的全息波导视场与色均匀度的优化方法，其特征在于：所述优化过程计算中包括通过分析视场角fov与布拉格角θb的关系，得到不同视场角要求下布拉格角θb的优化解，具体如下：

4.根据权利要求1或3所述的全息波导视场与色均匀度的优化方法，其特征在于：所述方法包括通过分析视场角fov与入射光线倾斜角度α的关系，结合视场角fov与布拉格角θb的关系，得到全息光栅波导在不同视场角要求下的最优解，以实现最小的色偏；

5.根据权利要求1或3所述的全息波导视场与色均匀度的优化方法，其特征在于：所述优化方法中，设θt为平板波导中的全反射角，ξ为反射型体全息光栅的倾斜角度，fov是入射光线的视场角，θb为布拉格角，当入射光线垂直入射时，ξ＝θb，入射光线需要满足3个约束条件：

6.根据权利要求1所述的全息波导视场与色均匀度的优化方法，其特征在于：所述方法中入射时视场角fov与衍射光线中心波长偏移量δλ的关系如下：

技术总结
本发明公开了一种全息波导视场与色均匀度的优化方法，通过引入入射光线倾斜角度与合理选择光栅倾角进行优化。像源光轴垂直于全息波导结构时，在满足视场角要求的前提下，通过优化光栅倾角减小出射光线中心波长偏移量，从而抑制基色色偏。为进一步减小视场内的基色色偏，通过引入入射光线倾斜角度，在同样的视场角要求下，可以进一步扩大光栅倾斜角度的范围，因此可以进一步优化布拉格角，得到在不同视场角要求下入射光线倾斜角度与布拉格角的值，提高视场内的色均匀度。

技术研发人员：沈忠文,孙雁飞,张宇宁,王闯
受保护的技术使用者：南京工业职业技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14