本發(fā)明涉及波導(dǎo)顯示裝置，特別是涉及一種高亮度全息波導(dǎo)顯示裝置。

背景技術(shù)：

全息波導(dǎo)顯示裝置屬于頭戴式增強(qiáng)技術(shù)領(lǐng)域，其關(guān)鍵技術(shù)是將全息光學(xué)元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)光學(xué)元件作為波導(dǎo)耦合器，構(gòu)成集成度較高的可穿戴成像系統(tǒng)。

現(xiàn)有技術(shù)通過分別使用一片體全息光柵作為出、入耦合器的全息波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，會(huì)因體全息光柵的角度選擇性和波長選擇性，導(dǎo)致全息波導(dǎo)顯示設(shè)備的出瞳亮度過低，不能滿足增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)對(duì)虛擬圖像亮度的要求。

另外，也有人提出入耦合端為雙面體全息光柵的結(jié)構(gòu)，該方案是通過對(duì)入耦合端體全息光柵的傾斜角增加一個(gè)偏差角來提高顯示亮度，但這種方式會(huì)導(dǎo)致雜散光較多，且當(dāng)偏差角較大時(shí)，對(duì)彩色顯示而言顏色串?dāng)_問題比較嚴(yán)重，同時(shí)對(duì)亮度的增益較小，也不能滿足增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)對(duì)虛擬圖像亮度的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種在不降低體全息光柵峰值效率的同時(shí)擴(kuò)大光譜帶寬，且可使顯示亮度增高的高亮度全息波導(dǎo)顯示裝置。

技術(shù)方案：一種高亮度全息波導(dǎo)顯示裝置，包括微顯示器、準(zhǔn)直鏡、波導(dǎo)、入耦合器和出耦合體全息光柵，所述入耦合器和出耦合體全息光柵分別密接于波導(dǎo)表面的兩端，所述波導(dǎo)包括第一表面和第二表面；所述微顯示器加載圖像，向外發(fā)射載有圖像信息的發(fā)散光，所述發(fā)散光通過準(zhǔn)直鏡后變?yōu)槠叫泄猓銎叫泄獯怪比肷涞饺腭詈掀魃?，被入耦合器衍射，進(jìn)入波導(dǎo)；在波導(dǎo)中，光以全反射的形式傳播，直到被出耦合體全息光柵衍射輸出；所述入耦合器包括頂層體全息光柵和底層體全息光柵；所述頂層體全息光柵與出耦合體全息光柵密接于所述波導(dǎo)第一表面s1的兩端，所述底層體全息光柵密接于波導(dǎo)的第二表面s2，且位于所述頂層體全息光柵的下方；

所述頂層體全息光柵的布拉格波長為λ+△λ1，所述底層體全息光柵的布拉格波長為λ+△λ2，所述出耦合體全息光柵的布拉格波長為λ，其中，λ為入射光波長，且△λ1×△λ2≤0，|△λ1-△λ2|的取值范圍為0nm～20nm。

所述底層體全息光柵使垂直入射的平行光發(fā)生布拉格衍射，一部分衍射光進(jìn)入波導(dǎo)，在波導(dǎo)內(nèi)以全反射的形式傳播；一部分衍射光透過波導(dǎo)垂直入射到頂層體全息光柵，被頂層體全息光柵布拉格衍射，其中一部分衍射光進(jìn)入波導(dǎo)，在波導(dǎo)內(nèi)以全反射的形式傳播。

其中，所述頂層體全息光柵為反射型體全息光柵，其厚度為3um～15um。所述底層體全息光柵為反射型體全息光柵，其厚度為3um～10um。所述出耦合體全息光柵為反射型體全息光柵，其厚度為3um～15um。

其中，所述頂層體全息光柵、底層體全息光柵和出耦合體全息光柵為單色體全息光柵。所述頂層體全息光柵、底層體全息光柵和出耦合體全息光柵為復(fù)用體全息光柵。所述頂層體全息光柵和底層體全息光柵和出耦合體全息光柵為多層體全息光柵。

其中，所述頂層體全息光柵的光柵傾斜角等于底層體全息光柵的光柵傾斜角且出耦合體全息光柵的光柵傾斜角滿足且的范圍為22°～30°。

其中，所述波導(dǎo)可以為平板波導(dǎo)或自由曲面波導(dǎo)。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案使得入射平行光先經(jīng)底層體全息光柵衍射，剩余的光再次被頂層體全息光柵衍射，衍射得到的兩束光都進(jìn)入波導(dǎo)，以全反射形式向出耦合端傳播，使得波導(dǎo)系統(tǒng)可在保證不降低入射光(中心波長為λ)對(duì)應(yīng)的峰值衍射效率的同時(shí)，增大入耦合端的光譜帶寬，提高出耦合端的顯示亮度，解決了現(xiàn)有常見全息波導(dǎo)結(jié)構(gòu)顯示亮度不足的問題

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)的全息波導(dǎo)顯示裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是圖1中a處的簡化放大圖；

圖4是本發(fā)明結(jié)構(gòu)入耦合端的fem仿真圖；

圖5是現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和本發(fā)明結(jié)構(gòu)的波長和入耦合器的衍射效率關(guān)系曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述。

如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)中的一種全息波導(dǎo)顯示裝置，包括微顯示器101、準(zhǔn)直鏡102、波導(dǎo)103、入耦合體全息光柵104和出耦合體全息光柵105。該裝置的微顯示器101發(fā)射載有圖像信息的發(fā)散光，發(fā)散光通過準(zhǔn)直鏡102后轉(zhuǎn)為平行光，所述平行光經(jīng)過波導(dǎo)垂直入射到入耦合體全息光柵上，經(jīng)所述入耦合體全息光柵衍射形成的衍射光，進(jìn)入波導(dǎo)103，衍射光在波導(dǎo)中以全反射的形式進(jìn)行傳播，直至被出耦合體全息光柵衍射輸出平行光，進(jìn)入人眼106。因體全息光柵的衍射效率越高，衍射帶寬越窄，故在提高體全息光柵的峰值效率的同時(shí)，衍射帶寬變窄，會(huì)造成出耦合端光的圖像顯示亮度不夠，影響人眼觀察。

如圖2所示，本發(fā)明的一種高亮度全息波導(dǎo)顯示裝置，包括微顯示器201、準(zhǔn)直鏡202、底層體全息光柵203、波導(dǎo)204、頂層體全息光柵205和出耦合體全息光柵206。其中，波導(dǎo)包括第一表面s1和第二表面s2；頂層體全息光柵與出耦合體全息光柵分別密接于波導(dǎo)的第一表面s1的兩端；底層體全息光柵密接于波導(dǎo)的第二表面s2上，且位于頂層體全息光柵的下方。底層體全息光柵203和頂層體全息光柵205構(gòu)成入耦合器。微顯示器位于準(zhǔn)直鏡的焦距處，其中心線與準(zhǔn)直鏡、底層體全息光柵和頂層體全息光柵的中心線共軸。

其中，頂層體全息光柵的布拉格波長為λ+△λ1，底層體全息光柵的布拉格波為λ+△λ2，出耦合體全息光柵的布拉格波長為λ，其中，λ為入射光波長，且△λ1×△λ2≤0，|△λ1-△λ2|的取值范圍為0nm～20nm。頂層體全息光柵、底層體全息光柵和出耦合體全息光柵均可為反射型體全息光柵，其厚度分別為3um～15um、3um～10um和3um～15um。

另外，頂層體全息光柵、底層體全息光柵和出耦合體全息光柵均可為單色體全息光柵、復(fù)用體全息光柵或多層體全息光柵。

該裝置的衍射原理：

微顯示器加載圖像，向外發(fā)射載有圖像信息的發(fā)散光l20，所述發(fā)散光l20通過準(zhǔn)直鏡后變?yōu)槠叫泄鈒21，所述平行光l21垂直入射到底層體全息光柵203上，被底層體全息光柵布拉格衍射輸出衍射光，其中一部分衍射光l22進(jìn)入波導(dǎo)204，在波導(dǎo)中以全反射的形式傳播，直到被出耦合體全息光柵206衍射輸出；剩余衍射光的一部分透過波導(dǎo)垂直入射到頂層體全息光柵205，被頂層體全息光柵衍射輸出衍射光l23，衍射光l23進(jìn)入波導(dǎo)，在波導(dǎo)內(nèi)以全反射的形式傳播，直到被出耦合體全息光柵衍射輸出。出耦合體全息光柵衍射輸出的平行光l24進(jìn)入人眼207。

圖3是圖2中a處的簡化放大圖。如圖3所示，載有圖像信息的發(fā)散光通過準(zhǔn)直鏡后形成平行光，所述平行光垂直入射到底層體全息光柵，所述底層體全息光柵對(duì)平行光進(jìn)行衍射，其-1級(jí)衍射光t-1進(jìn)入波導(dǎo)；其0級(jí)衍射光t0透過波導(dǎo)，垂直入射到頂層體全息光柵上，所述頂層體全息光柵對(duì)t0光進(jìn)行衍射，其-1級(jí)衍射光r-1進(jìn)入波導(dǎo)；底層體全息光柵-1級(jí)衍射光t-1和頂層體全息光柵-1級(jí)衍射光r-1，在波導(dǎo)內(nèi)以全反射的形式傳播。

如圖4所示，本發(fā)明結(jié)構(gòu)入耦合端的fem仿真結(jié)果圖，仿真結(jié)果表明：平行光垂直入射到底層體全息光柵上，被底層體全息光柵布拉格衍射輸出衍射光，其中一部分衍射光進(jìn)入波導(dǎo)；另一部分衍射光透過波導(dǎo)垂直入射到頂層體全息光柵，被頂層體全息光柵衍射，輸出衍射光進(jìn)入波導(dǎo)，在波導(dǎo)內(nèi)以全反射的形式傳播。該仿真結(jié)果和圖3的理論結(jié)果一致。

該實(shí)施例中：頂層體全息光柵的厚度為5um，其布拉格波長為532nm+6nm，光柵傾斜角為22.5°，且其密接于波導(dǎo)上方，如圖2所示。

底層體全息光柵的厚度為5um，其布拉格波長為532nm-6nm，光柵傾斜角為22.5°，且其密接與波導(dǎo)下方，如圖2所示。

出耦合體全息光柵的厚度為5um，其布拉格波長為532nm，光柵傾斜角為-22.5°，且其密接于波導(dǎo)上方，如圖2所示。

入射光的中心波長為532nm。

波導(dǎo)為平板波導(dǎo)，厚度可在1mm～5mm，材料為光學(xué)玻璃或者光學(xué)塑材或者其他材料，本發(fā)明不做限定。

入耦合器的衍射效率函數(shù)d(λ)為：

d(λ)＝dt,-1(λ)+dt,0(λ)×dr,-1(λ)

其中，dt,-1(λ)是底層體全息光柵-1級(jí)衍射光t-1的衍射效率函數(shù)，dt,0(λ)是底層體全息光柵0級(jí)衍射光t0的衍射效率函數(shù)，dr,-1(λ)是頂層反射型體全息光柵-1級(jí)衍射光r-1的衍射效率函數(shù)。

系統(tǒng)相對(duì)入耦合亮度的定義式為：

其中，i(λ)是顯示器的亮度函數(shù)，d(λ)是入耦合器的衍射效率函數(shù)。

如圖5所示現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明實(shí)例的入耦合器的波長和衍射關(guān)系曲線圖，從圖中可以看出，光譜帶寬從20nm增大到35nm，且對(duì)應(yīng)的峰值效率沒有降低。

經(jīng)計(jì)算，本發(fā)明結(jié)構(gòu)相對(duì)入耦合亮度在圖1所示現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提高72.27％；結(jié)合出耦合端考慮，系統(tǒng)總的耦合亮度在圖1所示現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提高22.6％。