[发明专利]基于彩色偏振体光栅的全彩波导耦合近眼显示结构、制备方法及AR可穿戴设备

说明书

本发明公开了一种基于彩色偏振体光栅的全彩波导耦合近眼显示结构、制备方法及AR可穿戴设备。本发明使用了彩色偏振体全息光栅作为波导的耦合装置，相较于传统的全息耦合光栅，该新型光栅利用液晶的自组装效应和各向异性有着高衍射效率，大衍射角度，同时可工作在较宽的波长与角度带宽，结合所公开的多层波导结构，本发明应用于近眼显示应用，可实现大视场角、高透明度、高效率的彩色图像传输。

技术领域

本发明涉及一种基于彩色偏振体光栅的全彩波导耦合近眼显示结构、制备方法及AR可穿戴设备。

背景技术

基于具有耦合元件的平面波导而设计的近眼显示系统在过去的十几年有了很大的发展，被广泛应用到军事和商业领域。在AR设备上，上述的波导结构必须满足重量轻、体积小、高透明度以及出瞳广阔的特点。作为耦合波导近眼显示系统的基本组件之一，耦合元件能够决定视场角(FOV)、耦合效率、显色性等重要参数。

为了更进一步轻化波导结构，光学衍射元件(DOEs)已经被广泛研究并在波导近眼显示系统中被用作耦合元件。这种多衍射元件中，光学衍射光栅是最普遍的。当被应用在波导耦合式近眼显示系统中时，衍射光栅可以将来自微显示器的入射光束耦合到波导内。衍射光栅在具有大的衍射角的同时还具有角度选择性和波长选择性，这就保证了在满足全内反射条件时光束能够在波导中高效率地传播。

考虑到光衍射元件的多样性，全息体光栅(HVG)具有独特的优点，因此被广泛用作波导中的耦合装置。一般的全息体光栅可以通过在全息记录材料(如光致聚合物、重铬酸盐明胶等)记录干涉图样制成。当满足布拉格条件的光束照射到HVG上时，能够发生高衍射效率的单级衍射，并且衍射角度很大，这是HVG的重要特点。同时，由于其具有窄带宽和严格的角度选择性，HVG对环境光具有高透过性。但是，角度带宽和波长带宽很短会限制视场角FOV的大小并且当被用到波导耦合显示系统中时，也会限制全彩传输的实现。

双折射率的差值能够决定体光栅的角度和波长带宽。传统的重铬酸盐明胶材料的双折射率材料能够达到0.15。但是其对环境的高度敏感性以及其复杂的制备过程导致如今大多数被用作记录介质的光致聚合物的双折射率差值仅有0.035。如此小的双折射率差值导致角度带宽和波长带宽均很窄，从而导致视场角很小。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于彩色偏振体光栅(CPVG)的全彩波导耦合近眼显示系统的制备方法，用于解决现有的方法中存在的衍射效率低、视场角小、不利于实现全彩传输等问题。并且光栅的偏折特性使得至少50％的非偏振环境光直接透过光栅而不发生衍射。

技术方案：为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于彩色偏振体光栅的全彩波导耦合近眼显示结构，采用以彩色偏振体光栅作为耦合装置的双层波导结构来实现全彩近眼显示，其中一层被用来传播蓝、绿色光束的蓝、绿色波导结构中使用了蓝、绿色的偏振体光栅作为耦合装置从而实现在波导中传输蓝色和绿色光束；另一层被用来传播红色光束的红色波导结构中使用了红色偏振体光栅作为耦合装置从而实现在波导中传输红色光束。

蓝、绿色波导结构中的入耦合装置和出耦合装置均为蓝、绿色PVG，并且蓝、绿色波导结构中的入耦合装置和出耦合装置位于平面波导结构的镜面对称位置；相应地，红色波导结构中的入耦合装置和出耦合装置均为红色PVG，并且红色波导结构中第二入耦合装置和出耦合装置也位于平面波导结构的镜面对称位置。

所述蓝、绿色波导结构包括蓝色波导层和绿色波导层两层。

每两个波导层叠加在一起后在两个波导层之间存在着空气层。

蓝色波导层的水平周期长度值和绿色波导层水平周期长度值相同，其满足布拉格衍射公式：