[发明专利]一种高亮度全息波导显示装置

说明书

本发明公开了一种高亮度全息波导显示装置，包括微显示器、准直镜、波导、入耦合器和出耦合体全息光栅；所述入耦合器包括顶层体全息光栅和底层体全息光栅，顶层体全息光栅与出耦合体全息光栅密接于波导的第一表面两端；底层体全息光栅密接于波导的第二表面，且位于顶层体全息光栅的下方；所述顶层体全息光栅和底层体全息光栅均对入射光束发生布拉格衍射并进入波导，在波导内以全反射的形式传播，直到被出耦合体全息光栅衍射输出。相比现有技术，本发明可保证在不降低体全息光栅峰值衍射效率的前提下，增大光谱带宽，提高全息波导显示装置的显示亮度。

技术领域

本发明涉及波导显示装置，特别是涉及一种高亮度全息波导显示装置。

背景技术

全息波导显示装置属于头戴式增强技术领域，其关键技术是将全息光学元件代替传统光学元件作为波导耦合器，构成集成度较高的可穿戴成像系统。

现有技术通过分别使用一片体全息光栅作为出、入耦合器的全息波导结构，会因体全息光栅的角度选择性和波长选择性，导致全息波导显示设备的出瞳亮度过低，不能满足增强现实系统对虚拟图像亮度的要求。

另外，也有人提出入耦合端为双面体全息光栅的结构，该方案是通过对入耦合端体全息光栅的倾斜角增加一个偏差角来提高显示亮度，但这种方式会导致杂散光较多，且当偏差角较大时，对彩色显示而言颜色串扰问题比较严重，同时对亮度的增益较小，也不能满足增强现实系统对虚拟图像亮度的要求。

发明内容

发明目的：为解决现有技术的不足，提供一种在不降低体全息光栅峰值效率的同时扩大光谱带宽，且可使显示亮度增高的高亮度全息波导显示装置。

技术方案：一种高亮度全息波导显示装置，包括微显示器、准直镜、波导、入耦合器和出耦合体全息光栅，所述入耦合器和出耦合体全息光栅分别密接于波导表面的两端，所述波导包括第一表面和第二表面；所述微显示器加载图像，向外发射载有图像信息的发散光，所述发散光通过准直镜后变为平行光，所述平行光垂直入射到入耦合器上，被入耦合器衍射，进入波导；在波导中，光以全反射的形式传播，直到被出耦合体全息光栅衍射输出；所述入耦合器包括顶层体全息光栅和底层体全息光栅；所述顶层体全息光栅与出耦合体全息光栅密接于所述波导第一表面S1的两端，所述底层体全息光栅密接于波导的第二表面S2，且位于所述顶层体全息光栅的下方；

所述顶层体全息光栅的布拉格波长为λ+△λ₁，所述底层体全息光栅的布拉格波长为λ+△λ₂，所述出耦合体全息光栅的布拉格波长为λ，其中，λ为入射光波长，且△λ₁×△λ₂≤0，|△λ₁-△λ₂|的取值范围为0nm～20nm。

所述底层体全息光栅使垂直入射的平行光发生布拉格衍射，一部分衍射光进入波导，在波导内以全反射的形式传播；一部分衍射光透过波导垂直入射到顶层体全息光栅，被顶层体全息光栅布拉格衍射，其中一部分衍射光进入波导，在波导内以全反射的形式传播。

其中，所述顶层体全息光栅为反射型体全息光栅，其厚度为3um～15um。所述底层体全息光栅为反射型体全息光栅，其厚度为3um～10um。所述出耦合体全息光栅为反射型体全息光栅，其厚度为3um～15um。

其中，所述顶层体全息光栅、底层体全息光栅和出耦合体全息光栅为单色体全息光栅。所述顶层体全息光栅、底层体全息光栅和出耦合体全息光栅为复用体全息光栅。所述顶层体全息光栅和底层体全息光栅和出耦合体全息光栅为多层体全息光栅。

其中，所述顶层体全息光栅的光栅倾斜角等于底层体全息光栅的光栅倾斜角且出耦合体全息光栅的光栅倾斜角满足且的范围为22°～30°。

其中，所述波导可以为平板波导或自由曲面波导。