[发明专利]一种复用体全息光栅

说明书

技术领域

本发明属于全息光栅波导显示技术领域，尤其是一种无色偏的复用体全息光栅。

背景技术

全息波导显示技术是一种利用高亮度微型显示器为图像源，以透明的全息护目镜为显示屏，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。它具有超大视场、轻便等优点，多用于军用显示领域。

常见的单色全息波导显示器的工作原理为，位于图像输入端的入耦合光栅结构对输入光波进行滤波，绿光耦合进入波导结构，再经过波导的传输和出耦合光栅的调制，携带虚拟图像信息的光波进入人眼，呈现绿色的三维图像。彩色全息波导显示器的工作原理与单色全息波导显示器类似，主要差别在于输入光经过入耦合光栅后，红绿蓝三原色光被滤波，进入波导传播，最后经过出耦合光栅，二次滤波并输出彩色三维图像。入耦合光栅对输入光的滤波效果直接决定了输出端成像是否存在色彩偏移、亮度不均等问题。目前，用于全息波导的光栅多以体全息光栅、倾斜光栅和面光栅为主。其中，体全息光栅在波长选择方面表现出的高灵敏度，大大优于其它的光栅。

体全息光栅实现彩色全息的常用方法是多层光栅的叠加。该技术的入耦合光学系统设计如图1所示，入射光101垂直入射进入体全息光栅103、104、105，各层光栅只有一个峰值反射波长，红、绿、蓝光被选择，反射进入波导层102。一方面，由于三种颜色光波进入光栅层的深度不同，其衍射波进入波导的位置不同，因此不能同时到达出耦合光栅；另一方面，虽然希望每一层光栅只对某一带宽内的波长具有选择性，其它波长的光波可以完全透过，但实际上其他波长的光波透过时会引入一定程度的耗损，导致三原色能量相差较大。运用有限元分析方法分析多层光栅的光谱特性，具体数值见表1。

表1 多层耦合体全息光栅衍射效率

640nm525nm440nm峰值衍射效率78.65％90.03％94.18％

另有研究将单层复合光栅运用于彩色全息波导显示。该技术通过对一层光栅进行多次曝光，使其对多个波段的光波响应。该复用方法同时造成了红绿蓝光出射能量的不均，这种不均在图像输出时表征为颜色的偏移。表2给出了光谱分析的具体数值，可以看出，红光对应的峰值衍射效率与绿光、蓝光相差较大。

表2 现有单层复合光栅不同波长对应的折射率调制度、光栅周期、峰值衍射效率和光谱带宽

发明内容

发明目的：为解决现有技术存在的上述问题，提供一种复用体全息光栅，在保证峰值衍射效率很高和光谱带宽狭窄的前提下，能有效均衡红绿蓝光波的出射能量，避免颜色偏移。

技术方案：一种复用体全息光栅，所述复合体全息光栅的折射率n为平均折射率和多个折射率调制度的叠加，在二维空间xy坐标系中，可表述为：

其中，x轴为平行于光栅表面的坐标轴，y为垂直于光栅表面的坐标轴，n₀为材料平均折射率；

Δn表示折射率调制度，其中，Δn_R、Δn_G、Δn_B分别表示红、绿、蓝光对应的折射率调制度，K表示光栅矢量，其中，K_R、K_G、K_B的分别表示红、绿、蓝光对应的光栅矢量，K可通过K＝2π/Λ求得，Λ为光栅周期，为倾斜角；布拉格条件下，Λ满足：λ＝2n₀Λsinθ，其中，θ为布拉格角，λ为入射波长。