阅读说明：本技术 偏振复用波导显示器件 (Polarization multiplexing waveguide display device ) 是由 张宇宁 崔静怡 翁一士 于 2019-11-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种偏振复用波导显示器件,由入耦合装置、出耦合装置以及波导组成,使用了彩色偏振体全息光栅作为波导的耦合装置,相较于传统的全息耦合光栅,该新型光栅利用液晶的自组装效应和各向异性有着高衍射效率,大衍射角度,可工作在较宽的波长与角度带宽,同时具有偏振选择性,结合所公开的双层波导结构,本发明应用于近眼显示应用,可实现大视场角、高透明度、高效率的彩色图像传输。(The invention discloses a polarization multiplexing waveguide display device, which consists of an in-coupling device, an out-coupling device and a waveguide, wherein a color polarizer holographic grating is used as the coupling device of the waveguide, compared with the traditional holographic coupling grating, the novel grating has high diffraction efficiency and large diffraction angle by utilizing the self-assembly effect and anisotropy of liquid crystal, can work at wider wavelength and angle bandwidth, simultaneously has polarization selectivity, and is combined with the disclosed double-layer waveguide structure.)

偏振复用波导显示器件

技术领域

本发明涉及一种使用偏振复用波导显示器件，用于AR可穿戴设备中实现高效率的图像传输、透视能力，并且其所具有的偏振选择性可使AR可穿戴设备实现很大的视场角。

背景技术

近年来，由于在医疗、教育、游戏、航海等方面具有很大的潜在应用价值，AR技术已经获得了极大的关注。通过将虚拟图像和真实图像一并传输到人眼，AR设备提供给观察者了浸入式的体验。AR设备一个关键的硬件组件就是光耦合器件，其能将虚拟图像和真实图像耦合并传输到人眼。

一些利用反射式或衍射式的全息光学组件制成的光耦合结构已经被提出。其中，光学衍射光栅是最普遍的。当被应用在波导耦合式近眼显示系统中时，衍射光栅可以将来自微显示器的入射光束耦合到波导内。衍射光栅在具有大的衍射角的同时还具有角度选择性和波长选择性，这就保证了在满足全内反射条件时光束能够在波导中高效率地传播。同时在这种方法中，透射式或反射式的衍射光栅被用来导出平面玻璃基板中通过全内反射传播的光波。利用这种全息光学波导技术能够制成相对轻薄且具有大眼动范围的平面光波耦合装置。考虑到光衍射元件的多样性，全息体光栅(HVG)具有独特的优点，因此被广泛用作波导中的耦合装置。一般的全息体光栅可以通过在全息记录材料(如光致聚合物、重铬酸盐明胶等)记录干涉图样制成。当满足布拉格条件的光束照射到HVG上时，能够发生高衍射效率的单级衍射，并且衍射角度很大，这是HVG的重要特点。同时，由于其具有窄带宽和严格的角度选择性，HVG对环境光具有高透过性。但是，角度带宽和波长带宽很短会限制视场角FOV的大小并且当被用到波导耦合显示系统中时，也会限制全彩传输的实现。双折射率的差值能够决定体光栅的角度和波长带宽。采用液晶材料制备的偏振体全息光栅(PVG)具有较大的双折射率差值，从而可以提供比传统HVG更大的角度带宽，进一步实现更大的视场角。

尽管利用PVG制备的波导结构本身能够提供较大的视场角，但是由于受到波导材料折射率、光栅材料折射率以及波导形状的影响，FOV往往只能达到30°左右。对于一些应用而言，视场角仍需进一步扩大。

发明内容

要解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明提出一种偏振复用波导显示器件，来解决FOV受波导限制的问题，进一步扩大FOV。需要指出的是，本发明仅以单一波长下，扩大水平方向FOV为例进行阐述，但是本发明亦可用来实现多波长条件下，二维方向上FOV的扩大，即可实现二维平面内的大视场角的全彩传输。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种偏振复用波导显示器件，由入耦合装置、出耦合装置以及波导组成；其中入耦合装置由左旋圆偏光入耦合光栅和右旋圆偏光入耦合光栅组成；出耦合装置由左旋圆偏光出耦合光栅和右旋圆偏光出耦合光栅组成；所述的左旋偏光入耦合光栅、右旋圆偏光入耦合光栅、左旋圆偏光出耦合光栅、右旋圆偏光出耦合光栅的形状大小完全相同；入耦合装置和出耦合装置位于波导的水平对称位置上；所述的左旋偏光入耦合光栅、左旋偏光出耦合光栅能够衍射左旋圆偏振光，右旋圆偏振光直接透过；右旋偏光入耦合光栅、右旋偏光出耦合光栅能够衍射右旋圆偏振光，左旋圆偏振光则直接透过。

作为本发明的一种优选，在所述的左旋圆偏光入耦合光栅与波导之间还设置有两层波片，分别为产生左旋圆偏光的1/4波片和产生右旋圆偏光的1/4波片；在所述的左旋圆偏光出耦合光栅与波导之间还设置有两层波片，分别为产生左旋圆偏光的1/4波片和产生右旋圆偏光的1/4波片。

需要指出的是，由于同需要左旋偏振光和右旋偏振光在波导内以相同的角度范围传播，而左旋偏振光和右旋偏振光入射到入耦合装置上的入射角度不同，因此左旋光栅和右旋光栅的光栅周期显然不同。具体的光栅周期需要根据布拉格公式计算。布拉格公式如式(1)：

2n_effΛ_bsinξ＝λ (1)

因此，利用下式可以求得所需的光栅周期：

Λ_b＝λ/(2*n_eff*sinξ) (2)

n_eff代表光栅所用的双折射材料的等效折射率；Λ_b代表光栅在x方向上的的水平周期长度；ξ代表衍射效率最大时的入射光线与PVG结构中具有周期性折射率平面的夹角；λ代表真空中的布拉格波长。

有益效果：

本发明使用了偏振体全息光栅作为波导的耦合装置，相较于传统的全息耦合光栅，该新型光栅利用液晶的自组装效应和各向异性有着高衍射效率，大衍射角度，可工作在较宽的波长与角度带宽，同时具有偏振选择性，结合所公开的双层波导结构，本发明应用于近眼显示应用，可实现大视场角、高透明度、高效率的彩色图像传输。

附图说明

图1展示了偏振复用波导显示器件；

图2展示了PVG的结构；

图3展示了由PVG构成的入耦合装置；

图4展示了由PVG构成的出耦合装置；

图5展示了避免发生串扰的改进结构；

其中：1、微显示器；2右旋圆偏部件；3、左旋圆偏部件；4、透镜；5、波导；6、左旋圆偏光入耦合光栅；7、右旋圆偏光入耦合光栅；8、左旋圆偏光出耦合光栅；9、右旋圆偏光出耦合光栅；10、产生左旋圆偏光的1/4波片；11、产生右旋圆偏光的1/4波片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

实施例1：

图1展示了偏振复用波导显示器件。由图1可知该结构所需的图像源由微显示器1发出，再经过偏振组件(包括右旋圆偏部件2和左旋圆偏部件3)和透镜4的折射后形成左旋偏振图像和右旋偏振图像。左旋偏振图像和右旋偏振图像被投射到入耦合装置上，发生布拉格衍射后进入波导5，在波导5中以相同的传播角度范围通过全内反射进行传播，直到射入出耦合装置并再次发生布拉格衍射被衍射出光波导。入耦合装置由左旋圆偏光入耦合光栅6和右旋圆偏光入耦合光栅7组成；出耦合装置由左旋圆偏光出耦合光栅8和右旋圆偏光出耦合光栅9组成；所述的左旋偏光入耦合光栅6、右旋圆偏光入耦合光栅7、左旋圆偏光出耦合光栅8、右旋圆偏光出耦合光栅9的形状大小完全相同；入耦合装置和出耦合装置位于波导5的水平对称位置上

布拉格衍射由(1)式表示：

为了使光束能够沿着波导传播，在波导中最小的传播角α_min应大于等于波导介质的临界角，可以由公式(3)计算得到：

α_min＝arcsin(1/n_glass) (3)

式(3)中n_glass代表所用波导材料的折射率值。由(3)式可知波导材料应该选用具有高折射率的材料以在波导中形成较大的角度传播范围，从而形成较大的视场角。

而最大传播角度α_max则可以在(α_min，90°)之间任意选择，角度越大最后形成的视场角则越大。

图2展示了PVG的结构。由图2可知体全息光栅PVG具有二维周期结构，其中，

在x-z平面(水平面)，液晶分子光轴与z轴之间的夹角α会沿x方向，既水平方向发生周期性变化，其周期长度记作Λ_x。

在y-z平面上，液晶材料(或者更广泛地，双折射材料)在y方向，既垂直方向上呈现出周期螺旋结构，其周期记作Λ_y。

这样的二维周期结构能够产生一系列倾斜的具有周期性的折射率平面，其倾斜角ξ可由式(4)计算：

ξ＝arctan(Λ_y/Λ_x) (4)

如果双折射率材料层足够厚，则布拉格衍射能够被建立。布拉格衍射由式(1)所表示：

2n_effΛ_bsinξ＝λ_B (1)

式(1)中n_eff代表双折射介质的等效折射率，由式(5)计算：

求非布拉格条件下入射角θ_i对应的衍射角度时，通过平面光栅公式(色散方程)得到衍射光束与入射光束之间的角度关系，即：

式(7)中，θ_diff代表衍射角(光束在波导中的传播角)，n_glass代表玻璃波导的折射率值，λ代表光束的波长，θ_inc代表在空气中的入射角，m代表衍射级次(对于体光栅而言m＝1)，Λ_x代表光栅在x方向上的的水平周期长度。

图3展示了由PVG构成的入耦合装置。左旋和右旋光栅叠加在一起，两者具有不同的光栅周期，其中上层光栅为左旋圆偏光入耦合光栅6，下层光栅为右旋圆偏光入耦合光栅7。左旋圆偏光入耦合光栅6只衍射左旋圆偏光，而使右旋圆偏光直接透过；右旋圆偏光入耦合光栅7只衍射右旋圆偏光，而使得左旋圆偏光直接透过。如果用ξ表示光栅矢量与波导表面法线之间的夹角；具体而言，用ξ_l和ξ_r分别表示左旋圆偏光入耦合光栅6和右旋圆偏光入耦合光栅7矢量与波导表面法线之间的夹角。

由图3可以看出，对于左旋圆偏光入耦合光栅6而言最左边的入射光线经过左旋光栅衍射后所产生的波导中的传播角最大，记作

并且将最左边的光线与波导表面法线的夹角记作

垂直入射的光线经过左旋圆偏光入耦合光栅6衍射后所产生的波导中的传播角最小，记作此时垂直入射的光线与左旋圆偏光入耦合光栅6的光栅矢量之间的夹角在数值上等于ξ_l。类似地，对于右旋圆偏光入耦合光栅7而言垂直入射的光线经过右旋圆偏光入耦合光栅7衍射后所产生的波导中的传播角最大，记作

此时垂直入射的光线与右旋圆偏光入耦合光栅7矢量之间的夹角在数值上等于ξ_r；最右边的入射光线经过右旋圆偏光入耦合光栅7衍射后所产生的波导中的传播角最小，记作

并且将最右边的光线与波导表面法线的夹角记作

因为左旋圆偏光和右旋圆偏光在波导中的传播角度范围相同，因此

因此，为了使视场角FOV尽可能的大，需要将传播的最小角

和的大小均设为波导介质的临界角，即由公式(3)可得

ξ_l、Λ^l _x和

的值由以下公式(7)～(9)联立计算：

左旋圆偏光入耦合光栅6的光栅周期Λ^l由式(10)计算：

Λ^l＝Λ^l _x·sin(ξ_l) (10)

ξ_r、Λ^r _x和

的值由以下公式(11)～(13)联立计算：

右旋圆偏光入耦合光栅7的光栅周期Λ^r由式(14)计算：

Λ^r＝Λ^r _x·sin(ξ_r) (14)

需要说明的是，以上求得的

和

均是指在波导结构中的角度大小，而在空气中的角度应该由折射公式进一步求得：

图4展示了由PVG构成的出耦合装置。出耦合光栅采用和图3所示的入耦合光栅完全对称的结构，即所有的角度在数值上均和入耦合装置中相对应的角度相同，仅方向不同。同样地，

和

均是指在波导结构中的角度大小，而在空气中的角度应该由折射公式进一步求得：

由于左旋圆偏光和右旋圆偏光被衍射到两个单独的区域，因此所形成的总视场角得到很大提高。最终得到扩大的视场角。

实施例2：

图5展示了为了串扰的一个改进结构。作为优选，为了避免左旋圆偏光和右旋圆偏光在波导传播过程中可能发生的串扰，提出了一种改进的结构。和图1中所示的原结构相比，减少了右旋圆偏部件2和左旋圆偏部件3，增加了10和11，分别作为产生左旋圆偏光和右旋圆偏光的1/4波片，这样可以保证在波导中传播的光束均为线偏光。可以产生不必要的串扰。

作为一个概念验证演示，以波长为550nm的绿光作为入射波，波导材料的折射率为n_glass＝1.85，因此，

最大传播角选择

则由公式(7)-(18)可以求得对于入耦合光栅ξ_l＝15.6916°，ξ_r＝31.5902^°，

因此最后的视场角为：114.908°

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。