[发明专利]一种高衍射效率的全息波导显示装置及其光栅耦合方法

说明书

本发明公开了一种高衍射效率的全息波导显示装置及光栅耦合方法，包括微显示器(201)、准直透镜(202)、光阑(203)、波导(204)、入耦合光栅组(C201)和出耦合光栅组(C202)；所述微显示器(201)位于所述波导(204)下表面的下方；所述入耦合光栅组(C201)和所述出耦合光栅组(C202)分别密接与所述波导(204)上表面的右端和左端。该全息波导显示装置，通过一维亚波长二元光栅和反射型体全息光栅的耦合，在保证波矢匹配和位置匹配的条件下，可使衍射能级再分配，从而使得主衍射方向的衍射效率达到最大值，使得衍射进人眼的光束能量最高，从而实现高效率全息波导显示。

技术领域

本发明属于可穿戴显示的技术领域，具体涉及一种高衍射效率的全息波导显示装置，特别的是一种匹配耦合的出入光栅组。

背景技术

现有技术中，全息波导显示装置多以体全息光栅作为高效率衍射光学元件，但体全息光栅的衍射效率和光栅制造工艺息息相关，一般通过提高折射率调制度和增加光栅厚度来增加体全息光栅的衍射效率。虽然重铬酸盐明胶(DCG)能够满足体全息光栅大折射率调制材料的要求，但其折射率调制度也有上限，且光栅在制作时，实际曝光的体全息光栅调制度在厚度增加方向上也会降低，因此仍有一部分能量透过体全息光栅，无法进入人眼成像。因此，如何从其他途径来提高全息波导显示装置中体全息光栅的衍射效率成为实现高效率全息波导显示装置的技术问题。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种高衍射效率的全息波导显示装置，可进一步提高全息波导显示装置中出入耦合光栅的衍射效率，继而提高全息波导显示装置的总光能利用率。

技术方案：本发明的一种高衍射效率的全息波导显示装置包括微显示器、准直透镜、光阑、波导、入耦合光栅组和出耦合光栅组；所述微显示器位于所述波导下表面的下方；所述入耦合光栅组和所述出耦合光栅组分别密接与所述波导上表面的右端和左端。

其中：

所述入耦合光栅组包括入耦合反射型体全息光栅和入耦合一维亚波长二元光栅；所述出耦合光栅组包括出耦合反射型体全息光栅和出耦合一维亚波长二元光栅；所述入耦合反射型体全息光栅和所述出耦合反射型体全息光栅分别密接于所述波导上表面的右端和左端；所述入耦合一维亚波长二元光栅和所述出耦合一维亚波长二元光栅分别密接于所述入耦合反射型体全息光栅和所述出耦合反射型体全息光栅的上表面。

所述入耦合反射型体全息光栅、出耦合反射型体全息光栅为单色体全息光栅或复合的彩色体全息光栅；若体全息光栅为复合的彩色体全息光栅，则一维亚波长二元光栅的周期与衍射效率较低的波长相匹配，以获得衍射效率高，颜色均匀的彩色波导显示。

所述入耦合光栅组和出耦合光栅组各自的两个光栅之间满足光栅波矢匹配关系，即其中K_t为所述出入耦合一维亚波长二元光栅的波矢，K_v、分别为所述出入耦合反射型体全息光栅的波矢和光栅倾斜角；所述光栅波矢匹配关系可使得所述出入耦合光栅组各自的两个光栅分别衍射进所述波导的光束平行。

所述入耦合光栅组和出耦合光栅组的两个光栅满足光栅相对位置匹配关系，即所述入耦合一维亚波长二元光栅、出耦合一维亚波长二元光栅相对于所述入耦合反射型体全息光栅、出耦合反射型体全息光栅需左右微调至最佳相对位置；所述光栅相对位置匹配关系可使得所述入耦合光栅组、出耦合光栅组衍射进所述波导的光束能量达到最大值，也使得衍射进入人眼的光效最高；不同布拉格波长的体全息光栅和一维亚波长二元光栅的最高效率处对应的相对位置是不同的。

最佳位置的选择与体全息光栅的光栅周期、材料及一元亚波长二元光栅的周期与材料都有关。

所述出耦合光栅组和入耦合光栅组镜像对称，出耦合体全息光栅的衍射角与入耦合体全息光栅的衍射角互为相反数，所述出耦合光栅组和入耦合光栅组的相对位置也是镜像对称的。