CN104656259B - 共轭窄带三基色交错的体全息光栅波导近眼光学显示器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种共轭窄带三基色交错的体全息光栅波导近眼光学显示器件，包括图像显示光源，提供用来观察的图像信息；P&S光转化组件，实现P光和S光的转化；准直透镜组，对光波进行准直、PBS偏振分光组件，对光波进行偏振分光；分光选择组件，使光波均匀地覆盖在耦合输入面上；共轭三基色交错排列耦合输入体全息光栅，分散入射光线并使光线在衬底内部全反射传输；导光传输衬底，对光波进行全反射传播；共轭三基色交错排列耦合输出体全息光栅，把分散的入射光线按顺序耦合输出到衬底外。本发明具有全彩、超薄、视场角大、工艺简单易实现的优点，可用于移动视屏的无损害显示、终端机显示、医生现场教学指导、消防救援实时信息定位、3D游戏等领域。

Description

共轭窄带三基色交错的体全息光栅波导近眼光学显示器件

技术领域

本发明涉及一种近眼光学显示器件，特别是一种共轭窄带三基色交错的体全息光栅波导近眼光学显示器件。

背景技术

目前生活中需要浏览的信息日益增多，随之就出现了各种能将信息集中显示的方式。但是这些设备的信息显示量有限，且会对人的健康造成损害，尤其会对观看者的视力造成无法弥补的损害。因此，为了能够集中方便地对丰富繁杂的图像信息进行掌握、分析以及确保对观看者视力的保护，近眼光学显示系统作为能够完美体现上述宗旨的可穿戴显示器件应运而生。为了能够体现增强现实和解放双手的理念，头戴光学显示器件通过光学元件将图像信息虚拟地显示在人眼前方的一定距离处，这样方便穿戴者在浏览信息的同时可以观察周围景物的变化从而不会对佩戴者正常的行为方式造成影响。为此对于现实增强型的可穿戴光学显示器件，通常要求显示系统具有全彩、大视场、以及轻薄的效果。先前的近眼显示技术有基于光栅波导结构的也有基于平面波导结构的，两者在技术的概念以及实现难易度上有着很大的区别。基于光栅波导结构的近眼光学显示技术，可以在波导的体积和重量以及视场的扩大方面达到很好的效果，但是目前大多方案都停留在单色的显示水平中，主要原因是对于全彩的显示，由于三基色光源本身光谱的带宽以及光栅工艺水平的限制，导致最终的显示颜色相互串扰，无法清晰的显示需要观看的图像信息。但是对于单色显示，可以忽略掉其它两种颜色的干扰，因此具有不错的显示效果，但是这也限制了光栅近眼显示技术的广泛应用。而基于平面波导结构的显示技术，目前主要是采用45°反射式方式实现，虽然可以再现全彩的图像信息，但是在波导显示的体积和重量以及视场的扩大方面无法取得一个很好的平衡。

为此全彩、轻薄、大视场、紧凑结构以及高分辨率的图像显示一直是此类近眼光学系统亟待解决的关键问题，其中关键显示光学元件的厚度、重量和大视场尤为重要。在某些应用领域，图像的对比度和观察视场范围的大小直接影响到人员的安全以及信息的完整性的判断，同时显示系统的整体重量对于佩戴人员的舒服程度都有很大的影响。

为了解决传统穿戴显示光学系统重量和视场以及颜色串扰等带来的一系列问题，美国Micro Vision公司申请的美国专利US7736006B2中提供了一种显示技术方案，这种方案利用偏振衬底来实现光波偏振态的转化，让大角度的S光反射成像，小角度的P光完全透过反射面，此种方案的缺点是由于采用大角度S光反射P光透射，导致反射输出面在衬底底面的投影面积过小而不利于视场的扩展，同时加大了设计的难度，进而导致器件的厚度无法轻薄化。美国专利US20100260455采用微锯齿结构，使器件的显示视场得到了扩展，但是器件整体的厚度没有降低，再者器件的整体的外观美观性不好，给穿戴者带来的舒适感不足。在美国专利 US7021777中，采用光传导平板的方法实现了显示器件视场的扩展和显示装置的轻薄化，但是此中技术方案在器件的具体设计和工艺加工方面实现起来难度很大，再者对于显示视场的扩展范围有限，这些因素导致器件不利于大规模的生产。上述专利提到的平面波导近眼光学显示系统虽然在重量、体积以及视场的扩大方面有所改善，但是在屈光度内在的调节上没有实质性的改变。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种共轭窄带三基色交错的体全息光栅波导近眼光学显示器件。

为了达到上述目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种共轭窄带三基色交错的体全息光栅波导近眼光学显示器件，其特征在于：依次包括：图像显示光源，用于提供用来观察的图像信息；P&S光转化组件，用于实现P偏振光和S偏振光的相互转化；准直透镜组，用于对光波进行准直；PBS偏振分光组件，用于对来自图像显示光源的光波进行偏振分光；分光选择组件，为了使光波均匀地覆盖在耦合输入面上；共轭三基色交错排列耦合输入体全息光栅，用于分散入射光线并使光线能够以满足全反射的条件在导光传输衬底内部进行传输；导光传输衬底，用于对光波进行全反射传播；共轭三基色交错排列耦合输出体全息光栅，用于把分散的入射光线按顺序耦合输出到导光传输衬底外。其中图像显示光源位于导光传输衬底的右侧，PBS偏振分光组件位于显示光源的下方，在偏振分光组件的下方和右方各有一个P&S光转化组件，其后各有一个准直透镜组，P&S分光选择组件则位于偏振分光组件的左侧，共轭三基色交错排列耦合输入体全息光栅和耦合输出体全息光栅则位于导光传输衬底的输入和输出位置。本发明主要采共轭镜像放置的三基色交错排列的反射式体全息光栅和平面导光衬底的实现。其基本工作原理为图像显示光源的光线进入PBS偏振分光组件中，首先来自光源的S光通过偏振分光组件的反射和P&S光转化组件的转换，使S光变为P光进入准直透镜组，然后经过准直透镜组的准直反射，再由光转化组件将S光变为P光，然后直接透过PBS偏振分光组件的反射面进入分光选择组件。对于来自光源的P光则直接透过PBS偏振分光组件的反射面进入P&S光转化组件中，经过转化组件的转换使P光变为S光进入准直透镜组，然后经过准直透镜组的准直反射，再由转化组件将P光变为S光，经过PBS偏振分光组件反射面的反射进入到分光选择组件中。通过分光选择组件的半反半透性使来自准直透镜的光线均匀的覆盖在共轭三基色交错排列耦合输入体全息光栅中，输入体全息光栅则会分散入射光线并使光线能够以满足全反射的条件在导光传输衬底内部进行传输，传输一定距离后光线会到达共轭三基色交错排列耦合输出体全息光栅，耦合输出体全息光栅会把分散的入射光线耦合输出到导光传输衬底外。两个体全息光栅具有相同的空间周期，且是由相同微结构分光组件周期性排列组成的，其中每个微结构均是由周期不同的RGB体布拉格光栅组成且成顺序排列。通过采用体全息光栅对进入的三色窄带光谱按照微结构的排列进行分散使其在导光衬底中传输到耦合输出体光栅处，由于耦合输出体光栅和耦合输入光栅是共轭放置的，因此可以对分散的光线重新进行组合，使其按照耦合进入的方向重新耦合输出到衬底外。

本发明提供的波导近眼光学显示器件，还具有下列特征：PBS偏振分光组件可以使S偏振光在反射面处发生发射，而使P偏振光完全透射。

本发明提供的波导近眼光学显示器件，还具有下列特征：P&S分光选择组件具有半反半透的性质。

本发明提供的波导近眼光学显示器件，还具有下列特征：耦合输入体全息光栅和耦合输出体全息光栅具有相同的空间周期，且均由相同的微结构分光组件按周期性排列组成，每个微结构均是由周期不同的RGB体布拉格光栅组成。

本发明提供的波导近眼光学显示器件，还具有下列特征：耦合输入体全息光栅和耦合输出体全息光栅以共轭镜像的位置放置在导光传输衬底的输入和输出位置。

本发明提供的波导近眼光学显示器件，还具有下列特征：组成耦合输入和耦合输出体全息光栅的微结构之间的间隔以及组成微结构的各个R、G、B体光栅之间的间隔均应大于成像光的波长尺寸，以免发生颜色串扰，影响最终观察图像的分辨率。

与现有的光学显示器件相比，本发明的有益效果是全彩、超薄、大视场角、光学结构以及加工工艺简单易实现，同时成像系统在体积和重量方面比普通的成像波导系统减小了很多。在相同的体积下，本发明成像系统视场角更大，制造工艺更简单易行、成本更低廉，同时本发明相比传统的成像系统结构更加紧凑、小巧。本发明光学显示器件可用于移动视屏人眼无损害显示、终端机显示、医生现场教学指导、消防救援实时信息定位、3D游戏等诸多领域。

附图说明

图1为本发明共轭窄带三基色交错的体全息光栅波导近眼光学显示器件的结构示意图；

图2为RGB重叠全息光栅平面波导光学器件示意图；

图3为RGB分离全息光栅平面波导光学器件示意图；

图4为45°平面波导光学显示器件示意图；

图5为本发明共轭窄带三基色交错的体全息光栅波导近眼光学显示器件的体全息光栅结构示意图；

图6为本发明共轭窄带三基色交错的体全息光栅波导近眼光学显示器件的体全息光栅微结构示意图；

图7为本发明共轭窄带三基色交错的体全息光栅波导近眼光学显示器件的输入输出光栅共轭示意图；

图8为本发明共轭窄带三基色交错的体全息光栅波导近眼光学显示器件的准直结构示意图；

图9为本发明共轭窄带三基色交错的体全息光栅波导近眼光学显示器件的结构参数示意图；以及

图10为本发明共轭窄带三基色交错的体全息光栅波导近眼光学显示器件的智能穿戴双目应用示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体工作过程给予说明。

图1为本发明共轭窄带三基色交错的体全息光栅波导近眼光学显示器件的结构示意图。如图1所示，本发明的系统组成包括图像显示光源10、P&S光转化组件 11，准直透镜组12、PBS偏振分光组件 13、 分光选择组件 14、共轭三基色交错排列耦合输入体全息光栅15、导光传输衬底 16、共轭三基色交错排列耦合输出体全息光栅 17。图像显示光源10的光线进入PBS偏振分光组件13，首先来自光源的S光通过偏振分光组件13的反射和P&S光转化组件11的转换，使S光变为P光进入准直透镜组12，然后经过准直透镜组12的准直反射，再由光转化组件11将S光变为P光，然后直接透过PBS偏振分光组件14的反射面进入分光选择组件14。对于来自光源的P光则直接透过PBS偏振分光组件13反射面进入P&S光转化组件11中，经过转化组件11的转换使P光变为S光进入准直透镜组12，然后经过准直透镜组12的准直反射，再由转化组件11将P光变为S光，经过PBS偏振分光组件13反射面的反射进入到分光选择组件14中。通过分光选择组件14的半反半透性使来自准直透镜的光线均匀的覆盖在共轭三基色交错排列耦合输入体全息光栅 15中，输入体全息光栅15则会分散入射光线并使光线能够以满足全反射的条件在导光传输衬底16内部进行传输，传输一定距离后光线会到达共轭三基色交错排列耦合输出体全息光栅 17，耦合输出体全息光栅17会把分散的入射光线耦合输出到导光传输衬底16外。两个体全息光栅具有相同的空间周期，且是由相同微结构分光组件周期性排列组成的，其中每个微结构均是由周期不同的RGB体布拉格光栅组成且成顺序排列。通过采用体全息光栅对进入的三色窄带光谱按照微结构的排列进行分散使其在导光衬底中传输到耦合输出体光栅处，由于耦合输出体光栅和耦合输入光栅是共轭放置的，因此可以对分散的光线重新进行组合，使其按照耦合进入的方向重新耦合输出到衬底外。

本发明共轭窄带三基色交错的体全息光栅波导近眼光学显示器件由八部分组成，对于具体应用可对本发明的各组成部分进行相应的扩展，从而进一步提高该器件在具体应用方面的潜力，下面针对本发明中八部分的作用给以相应的说明性解释：

图像显示光源10主要用于提供用来观察的图像信息。对于近眼光学显示器件，考虑到整体显示系统的重量、体积以及为了能够给观察者提供丰富细腻的图像信息，通常采用微型化的显示芯片来提供图像信息。对于本发明，为了尽可能的避免由于RGB三色在交错排列体全息中引起颜色串扰，因此对于显示光源的三基色单色性要求较高，即采用带宽较窄的显示源作为图像显示光源。目前主流的微型尺寸图像显示光源有Lcos、LCD、OLED等。由于具体应用场景的不同，为了能够在体积上对整体显示系统的结构进行优化使其趋于微型化，同时考虑到光源各点亮度的均匀性、输出光效、亮度要求以及分辨率与尺寸的限制等因素，通常选择体积合适、亮度均匀、分辨率高的光源作为微显示系统的显示光源，如Lcos。对于硅基液晶Lcos，不同类型的显示芯片其分辨率上存在的显著差别，例如同尺寸的CS-Lcos系列的微显示屏其分辨率通常高于CF-Lcos系列的，但是CS-Lcos光学引擎的设计和结构体积相比CF-Lcos要复杂和大的多，因此必须根据具体的应用和技术需要来选择。再者由于硅基液晶采用的是反射式的照明来实现图像显示，因此可以选取单色性较好的LED光源作为照明系统的光源，这样可以从根本上对提高显示源的单色性。对于要求较高的显示环境，可以通过增加滤光片使光源的单色性得到进一步的改善，同时考虑到不同的显示系统发射出的光波的偏振态不同，为了能够满足衍射率、光学设计和膜系设计等的要求，通常会在显示光源前面加偏光片，用于改变来自显示系统的光波的偏振态以及提高显示光源的单色性。

P&S光转化组件 11用于实现P偏振光和S偏振光的相互转化。对于来自PBS组件的P光或者S光，为了保证经过准直透镜的准直以后可以无阻碍的透过PBS组件的反射面或者被PBS组件的反射面反射，因此需要相应的P光和S光的转换组件如半波片来实现这一功能。因为半波片可以对经过波片的偏振光的振动方向进行相应的改变，从而可以使P光和S光发生相应的转化。

准直透镜组12主要是对光波进行准直。对于本发明准直透镜组的使用，一方面是为了使光线按照设计的要求传输，从而保证最终显示图像的质量，另一方面则是因为在头戴显示应用中，人眼是最终的图形信息接受器，因此需要对来自图像显示光源的光波进行处理以达到人眼自由放松观看的实际要求。为了实现这一效果，通常利用光学球面透镜对显示光源发出的光波进行准直，但是由于光学系统像差的存在，如象散、畸变、场曲、慧差等，导致图像经过单个透镜后对比度严重降低，为此对于准直透镜需要按照应用要求进行严格的像差矫正，以期达到最终理想的成像效果，否则会影响光学器件系统的最终分辨率，导致人眼直接观察时的图像质量发生变化，使人眼无法清楚的观看到良好的图像信息。普通球面镜在像差矫正时，通常采用几块折射率不同和局部曲率不同的透镜组合矫正，这在无形中使系统整体的重量和体积增加，为此通常采用非球面镜和球面镜组合的方法来完成像差的矫正。由于单个非球面镜在矫正像差时就消除像差的某一种，从而给系统的整体构架以及重量带来了很大益处，再者鉴于现代光学加工技术的发展，自由曲面技术也被引入到了像差矫正中，因此可结合自由曲面技术实现传统光学在体积上微型化的要求。

PBS偏振分光组件13用于对来自图像显示光源的光波进行偏振分光。为了使本发明器件在工作时，保证光线的轨迹按照具体的光学设计要求来进行，因此需要对来自图像显示光源的光波进行偏振分光。PBS偏振分光组件12可以使P光波无损失的完全透射，而对S光波进行相应的反射。通过利用PBS分光组件使来自光源的S光和P光可以分别按照相应的设计要求给予准直，这样可以提高光源能量的利用率以及简化设计的难度，同时可以进一步提高进入导光衬底偏振光的单色性。

分光选择组件14的用途是为了使光波均匀地覆盖在耦合输入面上。P&S分光选择组件14可由一个PBS组件和一个45°内反射棱镜组成，或者一个45°分光组件和一个内反射棱镜组成，具体的选择需要根据光源的偏振态来决定。如果光源是非线偏振态的光源，由于P光和S光的能量相等，可以采用PBS组件和45°反射棱镜组成，如果光源是线偏振光光源，必须采用45°分光组件和内反射棱镜组成，这样可以始终保持光波能量在耦合输入面均匀的分布，不会造成最终输出图像的像面亮度不均一或者导致显示图像像面暗间隙的出现。

共轭三基色交错排列耦合输入光栅 15用于分散入射光线并使光线能够以满足全反射的条件在导光传输衬底内部进行传输。对于来自准直系统的光线，由于直接进入波导系统以后，其与波导水平面法线的夹角均为小角度锐角，导致无法在导光传输衬底中传输。为了使其能够在波导中进行传播到达需要输出的位置，因此需要相应的方式使光线满足全反射条件的使其在导光衬底中无损耗的进行传输。反射式的体全息光栅由于具有分光作用，可以使满足布拉格条件的光线得以分光，从而使其满足全反射条件的在导光衬底中传输。

导光传输衬底16的加工材料有很多种，如玻璃材料JGS1、JGS2、K9、BK7等，塑料材料有PET、PMMA等。由于每种材料的折射率、色散系数不同，导致全反射临界角、材料的透过率、吸收系数和重量不同。考虑到实际应用条件以及加工工艺的限制，需要根据具体要求进行选择。光波在衬底中传播时需要满足全反射的条件，以保证光线没有折射出衬底，同时应尽可能减少材料本身对光波能量的吸收，否则会使大量的光波能量在传输过程中损失而影响图像的可见度以及对比度。另外平面衬底材料本身限制了在衬底中传输的图像的范围，为了扩大传输图像的范围，通常在衬底表面按照需求镀上一定反射率的膜层或者选用高折射率的玻璃材料，对材料的全反射角给予一定的扩展。为此，平面波导衬底的材料通常选择具备合适折射率、透过率以及机械性能的光学材料，如塑料亚克力PMMA。且塑料亚克力PMMA（n_d=1.49）的全反射临界角为42.2º，高于一般的K9玻璃（n_d=1.52）的全反射临界角41.8º，另外PMMA的重量较轻，对于同等体积的K9玻璃和PMMA塑料，PMMA的重量是K9玻璃的一半，这种优势可以用来减轻穿戴显示应用设备的重量。

共轭三基色交错排列耦合输出体全息光栅 17把分散的入射光线按顺序耦合输出到导光传输衬底外。在导光衬底中传输的光线是经过耦合输入体全息光栅分光以后的光线，其在导光衬底中满足全反射条件的传播，为了能够使其耦合输出到衬底外，并且保证图像的质量，本发明采用共轭放置的具有相同空间周期的体全息光栅作为耦合输出组件，可以对耦合输入体全息光栅引起的像差给予相应的补偿，从而在最大程度上保证了最终显示图像的质量。再者由于传输光线在输出全息光栅中只有在相对应的RGB体全息单元中才能够衍射，因此达不到衍射条件的光线继续在波导中传播进行二次衍射，从而使光线的有效输出孔径得到了极大地扩展，进一步扩展了观察的视场范围，使观察者能够获取来自显示源的全部信息。

本发明共轭窄带三基色交错的体全息光栅波导近眼光学显示器件的工作步骤以及实例应用：

图2为RGB重叠全息光栅平面波导光学器件示意图。如图2所示，基于RGB三个体全息光栅叠加的一种反射式体全息光栅近眼光学显示器件，其耦合输入光栅组 Input-Gratings由三个体全息光栅在垂直方向依次叠加而成。最上面为对窄带红光分光的体全息光栅 R-I，中间为对蓝光分光的体全息光栅B-I，最下面为对绿光分光的体全息光栅G-I。为了能够使三个体全息光栅分别对红绿蓝光进行分光，同时尽可能的降低颜色之间的串扰，三个体全息光栅的光栅周期都各不相同。经过分光的光线在导光衬底中按照既定的路径满足全反射条件的传播到耦合输出体全息光栅组 Output-Gratings处。耦合输出体全息光栅组同样是由三个体全息光栅在垂直方向依次相互叠加而成，最上面是对窄带红光分光的体全息光栅 R-O，中间为对蓝光分光的体全息光栅B-O，最下面为对绿光分光的体全息光栅G-O。三个光栅的周期和耦合输入光栅组的光栅周期完全相同，不同之处在于耦合输入光栅组和耦合输出光栅组成共轭镜像放置。因此经过导光衬底传输进入耦合输出体全息光栅组的R、G、B光线经过耦合输出光栅的衍射，保持和耦合输入光线方向相同的空间分布被输出到导光衬底外。虽然上述方案可以实现全彩的图像信息显示，但是由于RGB体全息光栅周期的各自不同，导致光线被耦合输入输出到不同颜色的全息层衍射，这样将导致鬼像的出现。在图2中，光线Ghost-B和Ghost-B由于在耦合输出时，被相邻的体全息光栅进行了耦合，从而导致在输出时偏离了原来的传播方向，影响了最终的图像显示质量。此种反射式的体全息光栅技术已经在很大程度上由于方案本身的优越性，使颜色的串扰得到了限制，但是此种技术在实现上复杂性比较高，制造工艺难度较大。

图3为RGB分离全息光栅平面波导光学器件示意图。如图3所示，采用三个分离的透射式体全息光学显示器件R-HOE、B-HOE、R-HOE可以实现独立传输窄带图像显示信息。来自红光显示源的光线R-source在R-I体全息光栅的作用下满足全反射的导光衬底R-HOE中进行传输，通过传输到达耦合投射体全息光栅R-O处，经过体全息光栅的衍射，被耦合输出衬底R-HOE。类似，来自绿光显示源的光线G-source和来自蓝光显示源的光线分别在G-O体全息光栅和G-O体全息光栅衍射作用下透射到输出到衬底G-HOE和B-HOE外。由于此种方案采用的是透射式体全息光栅，导致衍射带宽比反射式的体全息光栅衍射带宽较大，因此颜色串扰比较明显，进而导致最终的图像信息对比度和分辨率比较差，但是这种方案在工艺上比反射式体全息光栅简单。

图4为45°平面波导光学显示器件示意图。如图4所示，传统的45°平面波导光学显示器件主要由耦合输入面Surf_-input 、相互平行的导光衬底上下表面Surf1和Surf2、耦合输出面Surf_-output组成。为了保证耦合输入光线的空间方向和耦合输出的空间方向相同，显示系统的各参数需满足一定的条件，如下：

β_-145=45°

其中，β_-145为耦合输入面Surf_-input和衬底下表面Surf2的夹角。

β_-245=45°

其中，β_-245为耦合输出面Surf_-output和衬底上表面Surf1的夹角。

来自显示光源同一物点的光束40进入衬底以后，经过耦合输入面Surf_-input的反射，使光线40和衬底上表面法线的夹角大于全反射临界角，从而继续在衬底中以反射的形式传输。光束在衬底中经过传输到达耦合输出面Surf_-output，经过耦合输出反射面Surf_-output的反射，一部分光线按照光学设计的要求折射出衬底形成成像光束 41，一部分光线折射出波导衬底形成成像光束42。虽然光束41和光束42是来自同一物点的光束折反射之后产生的，但经过输出面的反射，光束41和42的空间方向以对称形式出现，变成了空间两个物点发出的光线，导致鬼影的出现而影响原始图像的清晰度。再者为了扩大观察视场，需要增加导光衬底的厚度H-45来实现，这将导致显示系统的整体重量增加，为此需要采用新的视场扩展结构方式来替代，以减轻系统的重量。

图5为本发明共轭窄带三基色交错的体全息光栅波导近眼光学显示器件的体全息光栅结构示意图。如图5所示，50为交错周期排列的体全息光栅平面示意图，体全息光栅由微结构 52重复构成。三基色交错周期排列的体全息光栅51由八个微结构组成，而每个微结构52又由RGB微单元组成。为了避免微结构单元之间的距离过窄引起的结构单元之间形成新的周期性二次分光作用，一般保持微结构之间的距离应大于成像光的波长尺寸，如200um。通过保持这个间隙，既可以避免二次分光引起颜色串扰的问题，还可以提高加工设计的可行性。

图6为本发明共轭窄带三基色交错的体全息光栅波导近眼光学显示器件的体全息光栅微结构示意图。本发明的体全息反射式光栅结构采用微结构单元重复性排列而成，而每个微结构又由RGB微体全息光栅单元交错排列构成。图6中Micro-unit为一个微结构单元图，图中微结构由三组周期不同的RGB微单元体全息光栅结构组成。60为体全息光栅微结构的一个放大图，可以看出微结构由顺序排列的RGB光栅构成，其中R-VBG光栅主要用于对来自显示光源的红光进行分光，为此R-VBG体全息光栅的周期Λ_-R和红光显示源的中心波长应满足布拉格条件即：

λ_Red＝2n（Λ_-R）sinθ

对于G-VBG光栅，主要用于对来自显示光源的绿光进行分光，因此其衍射周期Λ_-G和绿光显示源的中心波长必须布拉格条件即：

λ_Green＝2n（Λ_-G）sinθ

对于B-VBG光栅，主要用于对来自显示光源的蓝光进行分光，因此其周期Λ_-B和蓝光显示源的中心波长也同样必须布拉格条件即：

λ_Blue＝2n（Λ_-B）sinθ

其中，θ为满足条件的布拉格角，n为光栅材料的折射率。对于相同的布拉格入射角θ的RGB光线，由于中心波长λ的不同，为了保证其衍射以后衍射角的相同，为此微结构中每个R、G、B体全息光栅的周期不同。从而对来自准直组件的RGB光线在满足布拉格条件的情况下可以进行分光。再者由于衍射角和入射角以及布拉格角满足下面公式：

θ＝（θ_s－θ_r）／2

其中，θ_r为光线的入射角，θ_s为衍射光线的衍射角。因此对于具有相同入射角的RGB光线，通过使其微结构中的RGB体全息光栅周期的不同，可以保证衍射角的相同，进而保证衍射光线能够在导光衬底内部满足全反条件的传播。对于满足布拉格条件的衍射光波，其光线在导光衬底内部的反射角为：

θ_c＝180°－θ_s

其中，θ_c为衍射光线在衬底内部的反射角，θ_c在衬底全反射临界角的条件下无损的在衬底内部传输。通过使微结构重复性排列，且微结构内部采用周期不同的RGB体全息光栅设计耦合输入输出体全息光栅，一方面在避免颜色串扰上有了很大的改进，源于微结构中RGB全息光栅周期性的排列，使RGB光线在其它全息结构中被衍射的概率得到降低，另一方面相比先前叠加光栅造成的制造工艺的复杂性，微结构中RGB周期性交错排列的体全息结构使制作工艺得到了很大的简化。再者为了避免由于微结构单元中R、G、B体全息光栅组间由于相距太近造成分光引起的颜色串扰，因此要求R、G、B体全息光栅组间隔Λ-Λ应大于成像光的波长尺寸，如100um。

图7为本发明共轭窄带三基色交错的体全息光栅波导近眼光学显示器件的输入输出光栅共轭示意图。为了保证输入衍射的光线在波导中传播以后能够准确的被输出到导光衬底外部和扩展观察的视场，同时对于由耦合输入体全息光栅引入的像差给予一定的补偿，以至于提高图像的显示质量，本发明采用了具有微结构RGB重复性排列的共轭体全息光栅分别作为输入和输出结构。如图7所示，70为耦合输入体全息光栅微结构放大示意图，71为耦合输出体全息光栅微结构放大示意图。由图可以看出，耦合输入体全息光栅的微结构单元72和耦合输出体全息光栅的微结构单元73是共轭镜像放置的，在耦合输入微结构单元中，RGB体全息光栅单元成RGB排列，在耦合输出微结构单元中成BGR排列。对于来自准直系统的RGB光线R-i-ray、G-i-ray、B-i-ray光线分别进入耦合输入体全息光栅70的微结构单元72中，经过相对应的RGB体全息光栅的衍射，使其满足全反射条件在导光衬底中进传输。通过一定距离的光程传输，光线R-i-ray、G-i-ray、B-i-ray光线分别进入共轭镜像耦合输出体全息光栅71的微结构单元73中，经过相对应的RGB体全息光栅的再次衍射，光线R-o-ray、B-o-ray、G-o-ray保持和耦合输入光线R-i-ray、G-i-ray、B-i-ray同空间方向的被输出到导光衬底外，因此耦合输入体全息光栅和耦合输出体全息光栅的共轭镜像放置从根本上保证了输入输出光线方向的空间一致性。对于上述能够满足直接衍射的光波，可以通过耦合输出体全息光栅的衍射，不能满足衍射条件的光线继续在衬底中传输进行二次衍射。图 7中，来自光源的光线B-i-ray和B-i-ray-1经过耦合输入体全息光栅B体全息光栅组的衍射，使其在衬底中满足条件的进行传播。在耦合输出体全息光栅中，由于光线B-i-ray首先和B体全息光栅相遇，因此满足衍射条件的被衍射出衬底，而光线B-i-ray-1没有和光线B-i-ray在同一个B光栅组中衍射，因此继续在耦合输出体全息光栅中传出，直到和B体全息光栅相遇发生衍射形成光线B-o-ray-1，从而扩大了光线的有效输出孔径，使观察视场得到了扩展，保证观察者能够观察到来自显示源的完整图像信息。

图8为本发明共轭窄带三基色交错的体全息光栅波导近眼光学显示器件的准直结构示意图。对于本发明，由于光波的偏振态不一样进而导致耦合输入光的衍射效率不一样，因此必须对耦合进入的光波的偏振态进行严格的区分已达到最佳的效果。对于S光为主的光源有必要进行相应的处理使其的偏振态达到更好，因此采用图8 中右图所示的结构，来自光源S-Source的光线进入PBS偏振分光组件86中后，光线S-Beam被PBS组件 86直接反射和半波片 85相遇，由于半波片 85可以使偏振光的振动方向发生改变，从而使S光变为P光，P光经过准直透镜84的准直和反射变为S光被反射进入半波片中，再由S光变为P光和PBS的反射面相遇，由于PBS可以保证P光被透射，因此被准直的P光直接进入分光选择组件 87中。通过分光选择组件的半反半透作用，使输出的P光的光线 P-Beam-1均匀的覆盖在耦合输入面表面，从而确保了最终耦合输出图像像面亮度的均一性。类似对于P光为主的光源同样必要进行相应的处理使其的偏振态达到更好，因此在图8 中左图所示的结构，来自光源P-Source的光线进入PBS偏振分光组件 82中以后，光线P-Beam被PBS分光组件直接透射和半波片 80相遇，由于半波片 80可以使偏振光的振动方向发生改变，从而使P光变为S光，S光经过准直透镜 81的准直和反射变为P光被反射进入半波片中，再由P光变为S光和PBS的反射面相遇，由于PBS可以保证S光被反射，因此被准直的S光直接进入分光选择组件 83中。通过分光选择组件的半反半透作用，使输出的S光的光线S-Beam-1均匀的覆盖在耦合输入面表面，从而确保了最终耦合输出图像像面亮度的均一性。

图9为本发明共轭窄带三基色交错的体全息光栅波导近眼光学显示器件的结构参数示意图。为了保证耦合输入输出光线在空间方向上的分布保持一致以及能够进行像差的补偿矫正，因此RGB体全息光栅和导光衬底的相关结构参数应该满足一定的条件，从而在最大程度上保证输出图像的质量。在本发明中为了使各结构参数满足相应的要求，以轴上点发出的主轴光线为参考光线进行各参数的确定，因此各参数的相应关系为：

β_-TR = θ_c

Link_-Distance = 2N(WG_-Height*tan(β_-TR))

W_-HOE =2*W_-45

其中，β_-TR 为主轴光线与导光衬底底面法线的夹角，WG_-Height为导光衬底的厚度，Link_-Distance为耦合输入体全息光栅左端和耦合输出体全息光栅右端之间的距离，W_-45为分光选择组件单个组件的宽度，W_-HOE为耦合输入体全息光栅的长度。N为正整数，其值可取1、2等。

为了进一步说明本发明共轭窄带三基色交错排列的体全息光栅波导近眼光学显示器件的工作过程，以实际参数距离给予相应的说明：

采用单色性较好的R、G、BLED光源对Lcos微显示器照明，其LED光源的峰值波长分别为 640nm、525nm、450nm。由于导光衬底全反射临界角的限制，选取输入的视场角为20°，光栅的折射率n=1.51，布拉格角θ=48°，β_-TR=50°，N=4，WG_-Height=1.4mm，W_-HOE =20mm则

Link_-Distance = 13.34mm

W_-45 = 10mm

R体全息光栅的线密度为：3529lp/mm，G体全息光栅的线密度为：4310lp/mm，G体全息光栅的线密度为：4716lp/mm。以上述参数设计共轭窄带三基色交错排列全息光栅波导，从而可以实现颜色串扰较低的在3m处近似75英寸的虚拟显示光学器件。

图10为本发明共轭窄带三基色交错的体全息光栅波导近眼光学显示器件的智能穿戴双目应用示意图。如图10所示，图像显示源以及PBS偏振分光组件都被安装在镜架100中，这样从整体上简化了穿戴设备的体积。通过在波导耦合输入端将图像光波通过交错排列全息光栅 101耦合进入波导中使其在导光衬底中传输，最终在耦合输出位置102处利用交错排列全息光栅使其耦合输出到导光衬底外，从而可以观察到被放大的图像信息。通过将本发明的组件用于可穿戴显示，一方面可以实时观看需要显示的显示图片，同时由于本发明的组件没有采用特殊的光阑来完全阻挡外界景物光的进入，因此还可以观察外面景物的变化。再者根据具体的要求可在普通眼镜框的两面分别加入波导器件，用于双眼3D显示。

实施例的作用与效果：

本发明实施例中由于没有采用特殊的光阑，因此一方面可以实时观看需要显示的显示图片，另一方面还可以观察外面景物的变化。

本发明实施例中由于采用了P&S分光选择组件，可以保持光波能量在耦合输入面均匀的分布，不会造成最终输出图像的像面亮度不均一或者导致显示图像像面暗间隙的出现。

本发明实施例中由于采用了共轭镜像放置的具有相同空间周期的耦合输入和耦合输出体全息光栅，因此可以实现图像的全彩观察且扩大了观察图像的视场范围。

Claims (4)

1.一种共轭窄带三基色交错的体全息光栅波导近眼光学显示器件，依次包括：

图像显示光源，用于提供用来观察的图像信息；

P&S光转化组件，用于实现P偏振光和S偏振光的相互转化；

准直透镜组，用于对光波进行准直；

PBS偏振分光组件，用于对来自图像显示光源的光波进行偏振分光；

分光选择组件，为了使光波均匀地覆盖在耦合输入面上；

共轭三基色交错排列耦合输入体全息光栅，用于分散入射光线并使光线能够以满足全反射的条件在导光传输衬底内部进行传输；

导光传输衬底，用于对光波进行全反射传播；

共轭三基色交错排列耦合输出体全息光栅，用于把分散的入射光线按顺序耦合输出到导光传输衬底外；其中，图像显示光源位于导光传输衬底的右侧，PBS偏振分光组件位于图像显示光源的下方，在偏振分光组件的下方和右方各有一个P&S光转化组件，其后各有一个准直透镜组，分光选择组件则位于偏振分光组件的左侧，共轭三基色交错排列耦合输入体全息光栅和耦合输出体全息光栅则位于导光传输衬底的输入和输出位置；

耦合输入体全息光栅和耦合输出体全息光栅具有相同的空间周期，且均由相同的微结构分光组件按周期性排列组成，每个微结构均是由周期不同的RGB体布拉格光栅组成，耦合输入体全息光栅和耦合输出体全息光栅以共轭镜像的位置放置在导光传输衬底的输入和输出位置。

2.根据权利要求1所述的光学显示器件，其特征在于：PBS偏振分光组件可以使S偏振光在反射面处发生反射，而使P偏振光完全透射。

3.根据权利要求1所述的光学显示器件，其特征在于：分光选择组件具有半反半透的性质。

4.根据权利要求1所述的光学显示器件，其特征在于：组成耦合输入和耦合输出体全息光栅的微结构之间的间隔以及组成微结构的各个R、G、B体光栅之间的间隔均应大于成像光的波长尺寸，以免发生颜色串扰，影响最终观察图像的分辨率。