一种全息波导显示装置

本发明涉及波导显示装置，尤其涉及一种全息波导显示装置。

背景技术：

1、增强现实或虚拟现实技术已经在导航、教育、军事等领域获得广泛应用。作为增强现实和虚拟现实技术的主要硬件载体，头戴显示获得了广泛关注。全息波导显示装置属于头戴式增强现实领域，利用全息光学元件作为波导耦合器，来替代传统光学元件，构成高集成度的可穿戴成像系统，具有结构简单、体积小、轻便等优点。

2、现有的技术通常使用透镜组作为图像源的中继准直系统。准直系统是将图像源的位置信息转换为角度信息，受制于图像源的大小以及准直系统的有效焦距，图像源边缘的图像信息一般转换为较大角度的平行光束出射。首先，体光栅具有角度选择性，光线偏离布拉格角入射时，衍射效率存在衰减，导致边缘视场照度衰减，造成出瞳图像不均匀。其次，偏离布拉格角度入射体光栅时，其衍射光角度偏离会加大，这就需要出耦合光栅具有更大的角带宽，否则同样会导致边缘视场照度衰减，甚至是边缘图像信息的缺失。另外，在波导中，不同的传输角度对应不同的传播周期，入射角度过大会导致光束传播周期加大，过大的传播周期无法实现出瞳扩展。

技术实现思路

1、有鉴于此，为解决现有技术中存在的准直系统出射光线角度过大引起边缘图像信息缺失的技术问题，本发明提供了一种全息波导显示装置，通过二次准直元件将射入波导的准直光束角度收窄、通过二次发散元件还原射出波导的光线角度，一方面能够抑制体全息光栅的角度选择性，有效提高边缘视场的衍射效率，避免边缘图像信息缺失；另一方面可以减小边缘光线在波导内的传播周期，便于实现出瞳扩展。此外，采用二次准直元件与二次发散元件可以减小系统的体积与质量，提高可穿戴设备的便携性与舒适性。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案：

3、一种全息波导显示装置，包括：

4、波导，其底端为第一表面，顶端为第二表面；

5、入耦合体全息光栅，其密接于所述第二表面的一端；

6、出耦合体全息光栅，其密接于所述第二表面的另一端，且与所述入耦合体全息光栅镜像对称；

7、二次准直元件，其密接于所述第一表面的入耦合体全息光栅一端，用于减小射入所述波导的光线角度；

8、二次发散元件，其密接于所述第一表面的出耦合体全息光栅一端，且与所述二次准直元件镜像对称，用于还原射出所述波导的光线角度；

9、微显示器，提供显示图像，向外发射加载有图像信息的发散光；

10、准直透镜，用于将所述发散光变为准直光后与z轴成一定角度入射到所述二次准直元件，并将其透射输入波导。

11、优选地，所述二次准直元件与所述二次发散元件的相位分布通过相位恢复算法求解，得到相位分布，通过微细加工工艺，得到二阶或多台阶深度的浮雕结构。

12、优选地，所述二次准直元件与所述二次发散元件通过gs算法求解，得到相位分布，通过激光直写光刻加工工艺，得到二台阶深度的浮雕结构。

13、优选地，所述二次准直元件与所述二次发散元件均为纯相位元件。

14、优选地，所述二次准直元件与所述二次发散元件为透射式相位元件，结构高度为2μm～12μm。

15、优选地，所述入耦合体全息光栅和所述出耦合体全息光栅的光栅矢量k关于z轴呈镜像对称；所述入耦合体全息光栅的光栅倾角α1和所述出耦合体全息光栅的光栅倾角α2满足α1＝-α2，所述入耦合体全息光栅的光栅倾角α1和所述出耦合体全息光栅的光栅倾角α2为20°～35°。

16、优选地，所述入耦合体全息光栅和所述出耦合体全息光栅均为反射式体全息光栅。

17、优选地，所述入耦合体全息光栅和所述出耦合体全息光栅的厚度为5μm～15μm。

18、优选地，所述入耦合体全息光栅、所述出耦合体全息光栅的布拉格衍射中心波长与所述二次准直元件、所述二次发散元件的中心波长相等。

19、优选地，所述波导为平板光波导、曲面光波导或自由曲面光波导中的一种。

20、本发明相对于现有技术，具有如下的有益效果：

21、本发明提供的全息波导显示装置，通过二次准直元件将射入波导的准直光束角度收窄、通过二次发散元件还原射出波导的光线角度，一方面能够抑制体全息光栅的角度选择性，有效提高边缘视场的衍射效率，避免边缘图像信息缺失，使耦出的图像完整且成像均匀；另一方面可以减小边缘光线在波导内的传播周期，便于实现出瞳扩展。此外，采用二次准直元件与二次发散元件可以减小系统的体积与质量，提高可穿戴设备的便携性与舒适性。

22、本发明提供的全息波导显示装置，二次准直元件的功能是减小准直系统出射光线的角度；对射入波导内的光进行精确地波前相位调控，从而达到相位补偿，减小射入波导的光线角度。

23、二次发散元件的功能是还原被二次准直元件减小的光线角度；对射出波导外的光进行精确地波前相位调控，从而达到相位补偿，还原射出波导的光线角度。

技术特征：

1.一种全息波导显示装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种全息波导显示装置，其特征在于，所述二次准直元件与所述二次发散元件的相位分布通过相位恢复算法求解，得到相位分布，通过微细加工工艺，得到二阶或多台阶深度的浮雕结构。

3.根据权利要求2所述的一种全息波导显示装置，其特征在于，所述二次准直元件与所述二次发散元件通过gs算法求解，得到相位分布，通过激光直写光刻加工工艺，得到二台阶深度的浮雕结构。

4.根据权利要求1所述的一种全息波导显示装置，其特征在于，所述二次准直元件与所述二次发散元件均为纯相位元件。

5.根据权利要求4所述的一种全息波导显示装置，其特征在于，所述二次准直元件与所述二次发散元件为透射式相位元件，结构高度为2μm～12μm。

6.根据权利要求1所述的一种全息波导显示装置，其特征在于，所述入耦合体全息光栅和所述出耦合体全息光栅的光栅矢量k关于z轴呈镜像对称；所述入耦合体全息光栅的光栅倾角α1和所述出耦合体全息光栅的光栅倾角α2满足α1＝-α2，所述入耦合体全息光栅的光栅倾角α1和所述出耦合体全息光栅的光栅倾角α2为20°～35°。

7.根据权利要求1所述的一种全息波导显示装置，其特征在于，所述入耦合体全息光栅和所述出耦合体全息光栅均为反射式体全息光栅。

8.根据权利要求1所述的一种全息波导显示装置，其特征在于，所述入耦合体全息光栅和所述出耦合体全息光栅的厚度为5μm～15μm。

9.根据权利要求1所述的一种全息波导显示装置，其特征在于，所述入耦合体全息光栅、所述出耦合体全息光栅的布拉格衍射中心波长与所述二次准直元件、所述二次发散元件的中心波长相等。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种全息波导显示装置，其特征在于，所述波导为平板光波导、曲面光波导或自由曲面光波导中的一种。

技术总结
本发明提供了一种全息波导显示装置，属于波导显示装置技术领域。本发明包括：微显示器、准直透镜、波导、入耦合体全息光栅、出耦合体全息光栅、二次准直元件和二次发散元件，二次准直元件密接于入耦合体全息光栅一端，用于减小射入波导的光线角度；二次发散元件密接于出耦合体全息光栅一端，且与二次准直元件镜像对称，用于还原射出波导的光线角度。本发明通过二次准直元件将射入波导的准直光束角度收窄、通过二次发散元件还原射出波导的光线角度，一方面能够抑制体全息光栅的角度选择性，有效提高边缘视场的衍射效率，避免边缘图像信息缺失，使耦出的图像完整且成像均匀；另一方面可以减小边缘光线在波导内的传播周期，便于实现出瞳扩展。

技术研发人员：冯奇斌,郭裕嵩,蔡佳豪,吕国强,王梓
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15