[发明专利]全息波导显示系统出瞳均匀性的方法

说明书

本发明设计一种全息波导显示系统的出瞳均匀性设计方法，在全息波导近眼显示系统中，系统的出瞳经过扩展后，其显示亮度、色彩的均匀性是最重要的指标之一。通过对输出耦合全息体光栅区域效率的精细控制原理及方法深入分析与优化，对全息波导显示系统出瞳均匀性进行讨论与设计。

技术领域

本发明涉及一种全息波导显示系统出瞳均匀性的方法，属于增强现实近眼显示技术领域。

背景技术

近年来，集成光学和微电子技术方面取得的快速发展使全息波导技术广泛应用于图像显示器，液晶照明和光互连。全息波导技术是头戴式显示器设计的一个革命性的新方法。在该方法中，可以得到可穿戴式近眼显示器紧凑的结构，重量轻，大出瞳，以及优良的真实世界传输。对于全息波导显示系统，主要由微显视像源、准直系统、光波导、驱动电路及系统电路几个部分组成，其中，全息光波导由三个重要部分：输入耦合光栅，波导，和输出耦合光栅。其中输出耦合光栅(全息光栅、全息体光栅、平面光栅、浮雕光栅等，实现光源载像的输入输出耦合以及二元扩展功能的薄型微结构光学器件)是实现光波导显示系统的核心部件和系统设计中的难点部分。全息波导结构用于近眼显示，其显著的优点就是比较方便的实现出瞳扩展功能，解决了传统光学显示器件原则上视场角、出瞳大小和器件体积上的根本矛盾，从而能够实现轻薄、大视场、大出瞳的近眼显示器件。在扩大了出瞳的情况下，显示输出的亮度跟输出耦合光栅的局部效率紧密相关。而不同波长，不同视场角下的波导内全反射传播路径及出瞳位置又各有不同。因而为保证大出瞳下输出显示的一致性，对输出耦合光栅的局部效率有不同的要求。所以整体来看，输出光栅的效率分布要求无法得到一个完美的结果，其过程只能是一个对所有视场及所有颜色下的一个综合折中的结果。其优化过程需要对全息波导的传导过程建模并通过程序算法来优化输出耦合光栅的效率分布。

多年来与全息波导显示相关的研究，大多数集中在提高光栅峰值效率和系统视场(FOV)的扩展上，较少讨论全息波导系统的出瞳的连续性和均匀性问题。以色列的RevitalShechter等在2002年提出了一种具有阶跃衍射效率分布的输出耦合光栅的设计。然而这种设计只考虑了中心视角，忽略了FOV中的其他视角来推导的输出耦合光栅的分布，其结果是在全视场应用中效果较差；2003年，IosephGurwich等尝试讨论整个FOV中出瞳的均匀性，但在实际的优化过程中仅采用了左右边缘和中间视场三个视角进行计算，其结果稍有改善，但对较大的视场应用效果并不理想。

上述几种方案中输入输出光学耦合元件都为反射型体全息光栅，但对全息波导显示系统出瞳均匀性的优化并不理想，其对该问题的考量相对简单。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，为克服现有技术的不足，本发明提出一种全息波导显示系统视场出瞳均匀性的设计方法，该方法在较大视场的应用下，通过优化耦合输出光栅的效率分布，实现较大出瞳下显示均匀的效果。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种全息波导显示系统出瞳均匀性的方法，所述方法具体如下：步骤1：根据追迹不同角度耦合到波导内的载像光波在波导内的传播过程及在输出耦合光栅出的耦出情况，分析整个出瞳范围内所有光波的能量分布。

进一步地，当载像光波以θ角度入射到波导中，被输入耦合光栅衍射后，在波导中以β角度传播。其传播周期P与波导厚度t和光束传输角度β有关，具体关系如下：

P(β,t)＝2t·tan(β) (6.1)

系统的出射光瞳的扩展过程可描述为：输出耦合光栅将部分能量的载像光波衍射出波导，并且留下一部分能量继续向前传播，这样光可以沿波导在输出光栅上的不同位置衍射出来。该系统可以方便的设计成至少在一个波长和入射角的情况下完全满足输出均匀性要求。在全视场(FOV)范围内将入射角度离散化，同时将耦合输出光栅按传播方向按位置坐标离散化，可以通过对输出光栅沿不同位置控制效率η_m，追迹出整个出瞳范围内全FOV的输出强度I_diff(m)。