共軛窄帶三基色交錯的體全息光柵波導近眼光學顯示器件的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種近眼光學顯示器件，特別是一種共軛窄帶三基色交錯的體全息光柵波導近眼光學顯示器件。
[0002]
【背景技術】
[0003]目前生活中需要瀏覽的信息日益增多，隨之就出現了各種能將信息集中顯示的方式。但是這些設備的信息顯示量有限，且會對人的健康造成損害，尤其會對觀看者的視力造成無法彌補的損害。因此，為了能夠集中方便地對豐富繁雜的圖像信息進行掌握、分析以及確保對觀看者視力的保護，近眼光學顯示系統作為能夠完美體現上述宗旨的可穿戴顯示器件應運而生。為了能夠體現增強現實和解放雙手的理念，頭戴光學顯示器件通過光學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可以觀察周圍景物的變化從而不會對佩戴者正常的行為方式造成影響。為此對于現實增強型的可穿戴光學顯示器件，通常要求顯示系統具有全彩、大視場、以及輕薄的效果。先前的近眼顯示技術有基于光柵波導結構的也有基于平面波導結構的，兩者在技術的概念以及實現難易度上有著很大的區別。基于光柵波導結構的近眼光學顯示技術，可以在波導的體積和重量以及視場的擴大方面達到很好的效果，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，導致最終的顯示顏色相互串擾，無法清晰的顯示需要觀看的圖像信息。但是對于單色顯示，可以忽略掉其它兩種顏色的干擾，因此具有不錯的顯示效果，但是這也限制了光柵近眼顯示技術的廣泛應用。而基于平面波導結構的顯示技術，目前主要是采用45°反射式方式實現，雖然可以再現全彩的圖像信息，但是在波導顯示的體積和重量以及視場的擴大方面無法取得一個很好的平衡。
[0004]為此全彩、輕薄、大視場、緊湊結構以及高分辨率的圖像顯示一直是此類近眼光學系統亟待解決的關鍵問題，其中關鍵顯示光學元件的厚度、重量和大視場尤為重要。在某些應用領域，圖像的對比度和觀察視場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，同時顯示系統的整體重量對于佩戴人員的舒服程度都有很大的影響。
[0005]為了解決傳統穿戴顯示光學系統重量和視場以及顏色串擾等帶來的一系列問題，美國Micro Vis1n公司申請的美國專利US7736006B2中提供了一種顯示技術方案，這種方案利用偏振襯底來實現光波偏振態的轉化，讓大角度的S光反射成像，小角度的P光完全透過反射面，此種方案的缺點是由于采用大角度S光反射P光透射，導致反射輸出面在襯底底面的投影面積過小而不利于視場的擴展，同時加大了設計的難度，進而導致器件的厚度無法輕薄化。美國專利US20100260455采用微鋸齒結構，使器件的顯示視場得到了擴展，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。在美國專利US7021777中，采用光傳導平板的方法實現了顯示器件視場的擴展和顯示裝置的輕薄化，但是此中技術方案在器件的具體設計和工藝加工方面實現起來難度很大，再者對于顯示視場的擴展范圍有限，這些因素導致器件不利于大規模的生產。上述專利提到的平面波導近眼光學顯示系統雖然在重量、體積以及視場的擴大方面有所改善，但是在屈光度內在的調節上沒有實質性的改變。
[0006]
【發明內容】
[0007]為了解決上述問題，本發明提供了一種共軛窄帶三基色交錯的體全息光柵波導近眼光學顯示器件。
[0008]為了達到上述目的，本發明采用了以下的技術方案:
一種共軛窄帶三基色交錯的體全息光柵波導近眼光學顯示器件，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光轉化組件，用于實現P偏振光和S偏振光的相互轉化；準直透鏡組，用于對光波進行準直；PBS偏振分光組件，用于對來自圖像顯示光源的光波進行偏振分光；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光傳輸襯底內部進行傳輸；導光傳輸襯底，用于對光波進行全反射傳播；共軛三基色交錯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光傳輸襯底外。其中圖像顯不光源位于導光傳輸襯底的右側，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P&S光轉化組件，其后各有一個準直透鏡組，P&S分光選擇組件則位于偏振分光組件的左側，共軛三基色交錯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光傳輸襯底的輸入和輸出位置。本發明主要米共軛鏡像放置的三基色交錯排列的反射式體全息光柵和平面導光襯底的實現。其基本工作原理為圖像顯示光源的光線進入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光轉化組件的轉換，使S光變為P光進入準直透鏡組，然后經過準直透鏡組的準直反射，再由光轉化組件將S光變為P光，然后直接透過PBS偏振分光組件的反射面進入分光選擇組件。對于來自光源的P光則直接透過PBS偏振分光組件的反射面進入P&S光轉化組件中，經過轉化組件的轉換使P光變為S光進入準直透鏡組，然后經過準直透鏡組的準直反射，再由轉化組件將P光變為S光，經過PBS偏振分光組件反射面的反射進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直透鏡的光線均勻的覆蓋在共軛三基色交錯排列耦合輸入體全息光柵中，輸入體全息光柵則會分散入射光線并使光線能夠以滿足全反射的條件在導光傳輸襯底內部進行傳輸，傳輸一定距離后光線會到達共軛三基色交錯排列耦合輸出體全息光柵，耦合輸出體全息光柵會把分散的入射光線耦合輸出到導光傳輸襯底外。兩個體全息光柵具有相同的空間周期，且是由相同微結構分光組件周期性排列組成的，其中每個微結構均是由周期不同的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進入的三色窄帶光譜按照微結構的排列進行分散使其在導光襯底中傳輸到耦合輸出體光柵處，由于耦合輸出體光柵和耦合輸入光柵是共軛放置的，因此可以對分散的光線重新進行組合，使其按照耦合進入的方向重新耦合輸出到襯底外。
[0009]本發明提供的波導近眼光學顯示器件，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生發射，而使P偏振光完全透射。
[0010]本發明提供的波導近眼光學顯示器件，還具有下列特征:P&S分光選擇組件具有半反半透的性質。
[0011]本發明提供的波導近眼光學顯示器件，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，且均由相同的微結構分光組件按周期性排列組成，每個微結構均是由周期不同的RGB體布拉格光柵組成。
[0012]本發明提供的波導近眼光學顯示器件，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光傳輸襯底的輸入和輸出位置。
[0013]本發明提供的波導近眼光學顯示器件，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構之間的間隔以及組成微結構的各個R、G、B體光柵之間的間隔均應大于成像光的波長尺寸，以免發生顏色串擾，影響最終觀察圖像的分辨率。
[0014]與現有的光學顯示器件相比，本發明的有益效果是全彩、超薄、大視場角、光學結構以及加工工藝簡單易實現，同時成像系統在體積和重量方面比普通的成像波導系統減小了很多。在相同的體積下，本發明成像系統視場角更大，制造工藝更簡單易行、成本更低廉，同時本發明相比傳統的成像系統結構更加緊湊、小巧。本發明光學顯示器件可用于移動視屏人眼無損害顯示、終端機顯示、醫生現場教學指導、消防救援實時信息定位、3D游戲等諸多領域。
[0015]
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明共軛窄帶三基色交錯的體全息光柵波導近眼光學顯示器件的結構示意圖；
圖2為RGB重疊全息光柵平面波導光學器件示意圖；
圖3為RGB分離全息光柵平面波導光學器件示意圖；
圖4為45°平面波導光學顯示器件示意圖；
圖5為本發明共軛窄帶三基色交錯的體全息光柵波導近眼光學顯示器件的體全息光柵結構示意圖；
圖6為本發明共軛窄帶三基色交錯的體全息光柵波導近眼光學顯示器件的體全息光柵微結構示意圖；
圖7為本發明共軛窄帶三基色交錯的體全息光柵波導近眼光學顯示器件的輸入輸出光柵共軛不意圖；
圖8為本發明共軛窄帶三基色交錯的體全息光柵波導近眼光學顯示器件的準直結構示意圖；
圖9為本發明共軛窄帶三基色交錯的體全息光柵波導近眼光學顯示器件的結構參數示意圖；以及
圖10為本發明共軛窄帶三基色交錯的體全息光柵波導近眼光學顯示器件的智能穿戴雙目應用示意圖。
【具體實施方式】
[0017]以下結合附圖對本發明的具體工作過程給予說明。
[0018]圖1為本發明共軛窄帶三基色交錯的體全息光柵波導近眼光學顯示器件