共軛窄帶三基色交錯(cuò)的體全息光柵波導(dǎo)近眼光學(xué)顯示器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種近眼光學(xué)顯示器件，特別是一種共軛窄帶三基色交錯(cuò)的體全息光柵波導(dǎo)近眼光學(xué)顯示器件。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]目前生活中需要瀏覽的信息日益增多，隨之就出現(xiàn)了各種能將信息集中顯示的方式。但是這些設(shè)備的信息顯示量有限，且會(huì)對(duì)人的健康造成損害，尤其會(huì)對(duì)觀看者的視力造成無法彌補(bǔ)的損害。因此，為了能夠集中方便地對(duì)豐富繁雜的圖像信息進(jìn)行掌握、分析以及確保對(duì)觀看者視力的保護(hù)，近眼光學(xué)顯示系統(tǒng)作為能夠完美體現(xiàn)上述宗旨的可穿戴顯示器件應(yīng)運(yùn)而生。為了能夠體現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和解放雙手的理念，頭戴光學(xué)顯示器件通過光學(xué)元件將圖像信息虛擬地顯示在人眼前方的一定距離處，這樣方便穿戴者在瀏覽信息的同時(shí)可以觀察周圍景物的變化從而不會(huì)對(duì)佩戴者正常的行為方式造成影響。為此對(duì)于現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)型的可穿戴光學(xué)顯示器件，通常要求顯示系統(tǒng)具有全彩、大視場(chǎng)、以及輕薄的效果。先前的近眼顯示技術(shù)有基于光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的也有基于平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的，兩者在技術(shù)的概念以及實(shí)現(xiàn)難易度上有著很大的區(qū)別?；诠鈻挪▽?dǎo)結(jié)構(gòu)的近眼光學(xué)顯示技術(shù)，可以在波導(dǎo)的體積和重量以及視場(chǎng)的擴(kuò)大方面達(dá)到很好的效果，但是目前大多方案都停留在單色的顯示水平中，主要原因是對(duì)于全彩的顯示，由于三基色光源本身光譜的帶寬以及光柵工藝水平的限制，導(dǎo)致最終的顯示顏色相互串?dāng)_，無法清晰的顯示需要觀看的圖像信息。但是對(duì)于單色顯示，可以忽略掉其它兩種顏色的干擾，因此具有不錯(cuò)的顯示效果，但是這也限制了光柵近眼顯示技術(shù)的廣泛應(yīng)用。而基于平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的顯示技術(shù)，目前主要是采用45°反射式方式實(shí)現(xiàn)，雖然可以再現(xiàn)全彩的圖像信息，但是在波導(dǎo)顯示的體積和重量以及視場(chǎng)的擴(kuò)大方面無法取得一個(gè)很好的平衡。
[0004]為此全彩、輕薄、大視場(chǎng)、緊湊結(jié)構(gòu)以及高分辨率的圖像顯示一直是此類近眼光學(xué)系統(tǒng)亟待解決的關(guān)鍵問題，其中關(guān)鍵顯示光學(xué)元件的厚度、重量和大視場(chǎng)尤為重要。在某些應(yīng)用領(lǐng)域，圖像的對(duì)比度和觀察視場(chǎng)范圍的大小直接影響到人員的安全以及信息的完整性的判斷，同時(shí)顯示系統(tǒng)的整體重量對(duì)于佩戴人員的舒服程度都有很大的影響。
[0005]為了解決傳統(tǒng)穿戴顯示光學(xué)系統(tǒng)重量和視場(chǎng)以及顏色串?dāng)_等帶來的一系列問題，美國(guó)Micro Vis1n公司申請(qǐng)的美國(guó)專利US7736006B2中提供了一種顯示技術(shù)方案，這種方案利用偏振襯底來實(shí)現(xiàn)光波偏振態(tài)的轉(zhuǎn)化，讓大角度的S光反射成像，小角度的P光完全透過反射面，此種方案的缺點(diǎn)是由于采用大角度S光反射P光透射，導(dǎo)致反射輸出面在襯底底面的投影面積過小而不利于視場(chǎng)的擴(kuò)展，同時(shí)加大了設(shè)計(jì)的難度，進(jìn)而導(dǎo)致器件的厚度無法輕薄化。美國(guó)專利US20100260455采用微鋸齒結(jié)構(gòu)，使器件的顯示視場(chǎng)得到了擴(kuò)展，但是器件整體的厚度沒有降低，再者器件的整體的外觀美觀性不好，給穿戴者帶來的舒適感不足。在美國(guó)專利US7021777中，采用光傳導(dǎo)平板的方法實(shí)現(xiàn)了顯示器件視場(chǎng)的擴(kuò)展和顯示裝置的輕薄化，但是此中技術(shù)方案在器件的具體設(shè)計(jì)和工藝加工方面實(shí)現(xiàn)起來難度很大，再者對(duì)于顯示視場(chǎng)的擴(kuò)展范圍有限，這些因素導(dǎo)致器件不利于大規(guī)模的生產(chǎn)。上述專利提到的平面波導(dǎo)近眼光學(xué)顯示系統(tǒng)雖然在重量、體積以及視場(chǎng)的擴(kuò)大方面有所改善，但是在屈光度內(nèi)在的調(diào)節(jié)上沒有實(shí)質(zhì)性的改變。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種共軛窄帶三基色交錯(cuò)的體全息光柵波導(dǎo)近眼光學(xué)顯示器件。
[0008]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了以下的技術(shù)方案:
一種共軛窄帶三基色交錯(cuò)的體全息光柵波導(dǎo)近眼光學(xué)顯示器件，其特征在于:依次包括:圖像顯示光源，用于提供用來觀察的圖像信息；P&S光轉(zhuǎn)化組件，用于實(shí)現(xiàn)P偏振光和S偏振光的相互轉(zhuǎn)化；準(zhǔn)直透鏡組，用于對(duì)光波進(jìn)行準(zhǔn)直；PBS偏振分光組件，用于對(duì)來自圖像顯示光源的光波進(jìn)行偏振分光；分光選擇組件，為了使光波均勻地覆蓋在耦合輸入面上；共軛三基色交錯(cuò)排列耦合輸入體全息光柵，用于分散入射光線并使光線能夠以滿足全反射的條件在導(dǎo)光傳輸襯底內(nèi)部進(jìn)行傳輸；導(dǎo)光傳輸襯底，用于對(duì)光波進(jìn)行全反射傳播；共軛三基色交錯(cuò)排列耦合輸出體全息光柵，用于把分散的入射光線按順序耦合輸出到導(dǎo)光傳輸襯底外。其中圖像顯不光源位于導(dǎo)光傳輸襯底的右側(cè)，PBS偏振分光組件位于顯不光源的下方，在偏振分光組件的下方和右方各有一個(gè)P&S光轉(zhuǎn)化組件，其后各有一個(gè)準(zhǔn)直透鏡組，P&S分光選擇組件則位于偏振分光組件的左側(cè)，共軛三基色交錯(cuò)排列耦合輸入體全息光柵和率禹合輸出體全息光柵則位于導(dǎo)光傳輸襯底的輸入和輸出位置。本發(fā)明主要米共軛鏡像放置的三基色交錯(cuò)排列的反射式體全息光柵和平面導(dǎo)光襯底的實(shí)現(xiàn)。其基本工作原理為圖像顯示光源的光線進(jìn)入PBS偏振分光組件中，首先來自光源的S光通過偏振分光組件的反射和P&S光轉(zhuǎn)化組件的轉(zhuǎn)換，使S光變?yōu)镻光進(jìn)入準(zhǔn)直透鏡組，然后經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡組的準(zhǔn)直反射，再由光轉(zhuǎn)化組件將S光變?yōu)镻光，然后直接透過PBS偏振分光組件的反射面進(jìn)入分光選擇組件。對(duì)于來自光源的P光則直接透過PBS偏振分光組件的反射面進(jìn)入P&S光轉(zhuǎn)化組件中，經(jīng)過轉(zhuǎn)化組件的轉(zhuǎn)換使P光變?yōu)镾光進(jìn)入準(zhǔn)直透鏡組，然后經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡組的準(zhǔn)直反射，再由轉(zhuǎn)化組件將P光變?yōu)镾光，經(jīng)過PBS偏振分光組件反射面的反射進(jìn)入到分光選擇組件中。通過分光選擇組件的半反半透性使來自準(zhǔn)直透鏡的光線均勻的覆蓋在共軛三基色交錯(cuò)排列耦合輸入體全息光柵中，輸入體全息光柵則會(huì)分散入射光線并使光線能夠以滿足全反射的條件在導(dǎo)光傳輸襯底內(nèi)部進(jìn)行傳輸，傳輸一定距離后光線會(huì)到達(dá)共軛三基色交錯(cuò)排列耦合輸出體全息光柵，耦合輸出體全息光柵會(huì)把分散的入射光線耦合輸出到導(dǎo)光傳輸襯底外。兩個(gè)體全息光柵具有相同的空間周期，且是由相同微結(jié)構(gòu)分光組件周期性排列組成的，其中每個(gè)微結(jié)構(gòu)均是由周期不同的RGB體布拉格光柵組成且成順序排列。通過采用體全息光柵對(duì)進(jìn)入的三色窄帶光譜按照微結(jié)構(gòu)的排列進(jìn)行分散使其在導(dǎo)光襯底中傳輸?shù)今詈陷敵鲶w光柵處，由于耦合輸出體光柵和耦合輸入光柵是共軛放置的，因此可以對(duì)分散的光線重新進(jìn)行組合，使其按照耦合進(jìn)入的方向重新耦合輸出到襯底外。
[0009]本發(fā)明提供的波導(dǎo)近眼光學(xué)顯示器件，還具有下列特征:PBS偏振分光組件可以使S偏振光在反射面處發(fā)生發(fā)射，而使P偏振光完全透射。
[0010]本發(fā)明提供的波導(dǎo)近眼光學(xué)顯示器件，還具有下列特征:P&S分光選擇組件具有半反半透的性質(zhì)。
[0011]本發(fā)明提供的波導(dǎo)近眼光學(xué)顯示器件，還具有下列特征:耦合輸入體全息光柵和耦合輸出體全息光柵具有相同的空間周期，且均由相同的微結(jié)構(gòu)分光組件按周期性排列組成，每個(gè)微結(jié)構(gòu)均是由周期不同的RGB體布拉格光柵組成。
[0012]本發(fā)明提供的波導(dǎo)近眼光學(xué)顯示器件，還具有下列特征:耦合輸入體全息光柵和率禹合輸出體全息光柵以共軛鏡像的位置放置在導(dǎo)光傳輸襯底的輸入和輸出位置。
[0013]本發(fā)明提供的波導(dǎo)近眼光學(xué)顯示器件，還具有下列特征:組成耦合輸入和耦合輸出體全息光柵的微結(jié)構(gòu)之間的間隔以及組成微結(jié)構(gòu)的各個(gè)R、G、B體光柵之間的間隔均應(yīng)大于成像光的波長(zhǎng)尺寸，以免發(fā)生顏色串?dāng)_，影響最終觀察圖像的分辨率。
[0014]與現(xiàn)有的光學(xué)顯示器件相比，本發(fā)明的有益效果是全彩、超薄、大視場(chǎng)角、光學(xué)結(jié)構(gòu)以及加工工藝簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)成像系統(tǒng)在體積和重量方面比普通的成像波導(dǎo)系統(tǒng)減小了很多。在相同的體積下，本發(fā)明成像系統(tǒng)視場(chǎng)角更大，制造工藝更簡(jiǎn)單易行、成本更低廉，同時(shí)本發(fā)明相比傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊、小巧。本發(fā)明光學(xué)顯示器件可用于移動(dòng)視屏人眼無損害顯示、終端機(jī)顯示、醫(yī)生現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)指導(dǎo)、消防救援實(shí)時(shí)信息定位、3D游戲等諸多領(lǐng)域。
[0015]
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明共軛窄帶三基色交錯(cuò)的體全息光柵波導(dǎo)近眼光學(xué)顯示器件的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為RGB重疊全息光柵平面波導(dǎo)光學(xué)器件示意圖；
圖3為RGB分離全息光柵平面波導(dǎo)光學(xué)器件示意圖；
圖4為45°平面波導(dǎo)光學(xué)顯示器件示意圖；
圖5為本發(fā)明共軛窄帶三基色交錯(cuò)的體全息光柵波導(dǎo)近眼光學(xué)顯示器件的體全息光柵結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6為本發(fā)明共軛窄帶三基色交錯(cuò)的體全息光柵波導(dǎo)近眼光學(xué)顯示器件的體全息光柵微結(jié)構(gòu)示意圖；
圖7為本發(fā)明共軛窄帶三基色交錯(cuò)的體全息光柵波導(dǎo)近眼光學(xué)顯示器件的輸入輸出光柵共軛不意圖；
圖8為本發(fā)明共軛窄帶三基色交錯(cuò)的體全息光柵波導(dǎo)近眼光學(xué)顯示器件的準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)示意圖；
圖9為本發(fā)明共軛窄帶三基色交錯(cuò)的體全息光柵波導(dǎo)近眼光學(xué)顯示器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖；以及
圖10為本發(fā)明共軛窄帶三基色交錯(cuò)的體全息光柵波導(dǎo)近眼光學(xué)顯示器件的智能穿戴雙目應(yīng)用示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體工作過程給予說明。
[0018]圖1為本發(fā)明共軛窄帶三基色交錯(cuò)的體全息光柵波導(dǎo)近眼光學(xué)顯示器件