一种基于头盔显示的二维扩瞳全息波导结构

1.本发明属于头盔显示领域，具体涉及一种基于头盔显示的二维扩瞳全息波导结构。


背景技术：

2.头盔显示是以微型显示器作为像源，以透明的全息护目镜为显示屏，通过光学系统将图像投射到人眼上进行成像。在头盔显示领域，相比于传统的离轴光学系统，全息波导系统拥有结构简单，可实现轻薄化设计，光线在波导内折叠传播，可在波导不同位置耦合导出，从而不受拉格朗日光学不定式限制，可实现一定视场范围下的扩瞳输出。现有技术中的基于二维扩瞳全息波导的头盔显示装置的结构原理如图1所示，其中包括微光源、准直透镜、波导、入射光栅、中间光栅、出射光栅。该显示装置在工作过程中，微光源向外发射带有图像信息的发散光，发散光经准直透镜后转化为平行光，所述平行光垂直入射到入射光栅的表面，其中一部分穿过光栅成为透射光，另一部分构成衍射光，进入波导中，以全反射的形式传播，经中间光栅衍射改变传播方向后继续以全反射形式传播，直至被出射光栅衍射输出平行光，进入人眼。
3.然而由于光线在波导中传播的距离不同，光栅不同位置耦合出的光线亮度并不相同，通常传播距离近的光线与光栅发生作用次数少，衍射光线亮度较高，从而导致成像亮度不均匀，这种现象对于二维扩瞳结构更加显著。此外，经入射准直透镜准直后的光线并不都是平行于x-z平面，如图2所示，这类光线经入射光栅衍射后会沿着梯形区域向前传播，矩形光栅无法捕捉到全部光线，这将导致某些光源部分能量缺失，从而使图像亮度均匀性下降。因此一个提高出射光线均匀性的波导结构是必要的。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了克服现有技术的不足，本发明提供基于头盔显示的二维扩瞳全息波导结构，能够改善头盔显示技术中成像亮度不均匀的问题，提高全息波导显示系统的成像质量。
5.技术方案：一种基于头盔显示的二维扩瞳全息波导结构，包括微光源、准直透镜、入射耦合光栅、中间光栅、输出耦合光栅、平板波导和输出准直透镜，微光源用于点亮图像，准直透镜将图像所发出的光线转化为平行光线，每个点的位置信息包含在不同角度的平行光线中；
6.所述入射耦合光栅将近似垂直入射的准直光线耦合入平板波导中，准直光线在平板波导上下表面内进行全反射传播；中间光栅用于将平板波导中传播的光线成90
°
转向，实现二维扩瞳，且中间光栅衍射面为梯形，且分为若干个不同的衍射区，通过调整每个衍射区的衍射效率，提高出射光线的均匀性；
7.所述输出耦合光栅用于将经中间光栅转向的准直光线输出至出射准直透镜，实现全息波导的成像效果。
8.进一步的，所述微光源位于准直透镜上方，准直透镜位于平板波导输入区上方；入射光栅位于平板波导输入区，一个及以上的中间光栅位于全反射光线的传播路径上，且依次排列。
9.所述准直透镜将图像中的每个点的位置信息转为包含角度信息的准直光，以便在平板波导中传输和复原。
10.所述所有光栅为体光栅，嵌入于平板波导底面，光栅介质与平板波导相同。
11.所述入射耦合光栅的衍射面为矩形，与准直透镜平行，用于将准直光线导入至平板波导。
12.进一步的，所述中间光栅为梯形结构，用于捕捉由入射光栅发出的成一定张角发散的准直光，该光栅被划分为若干个不同区域，通过调整每个区域的衍射效率，提高出射光线强度的均匀性。
13.更进一步的，所述输出耦合光栅的结构设计方法同中间光栅，用于将由中间光栅发出的光线垂直导出平板波导，实现全息波导的成像效果。
14.在本发明所述的结构中，微光源发出的发散光束经准直透镜后转化为平行光束，这个过程将图像像素点的位置信息转化为角度信息，平行光束经入射光栅衍射后在平板波导中以全反射方式传播至中间光栅区，经中间光栅衍射后偏转90
°
继续传播至输出区，最后由出射光栅将图像信息眼衍射进入人眼。微光源输出二维图像信息，向准直透镜发射发散的光束，经准直透镜转化为准直光束。优选的，所述中间光栅和出射光栅的衍射面为均为梯形，且划分为若干个分区，每个分区的衍射效率不同。
15.更进一步的，平板波导为平板玻璃或平板光学树脂，厚度为1-15mm，折射率为1.3-2.0。本发明中所有光栅可位于平板波导的上表面、下表面或波导内部。
16.所述入射光栅、中间光栅和出射光栅可以为反射型体全息光栅和透射型体全息光栅。
17.所述中间光栅和出射光栅的衍射面为梯形，且划分为若干个分区，每个分区的衍射效率不同。
18.有益效果：为解决全息波导显示系统不同出射区域亮度不均匀的问题，本发明将二维扩瞳结构中的中间光栅和出射光栅设计为梯形，且划分为若干个不同区域，通过调整不同分区的衍射效率，减少各个出射区域的亮度差，从而提高最终成像的亮度均匀性。
附图说明
19.图1为现有的基于头盔显示的二维扩瞳全息波导结构；
20.图2为准直光束在全息波导中传播的范围示意图；
21.图3为本发明头盔显示装置的波导结构原理示意图；
22.图4为波导结构的俯视图；
23.图5为图像下半部分在波导结构中的主要传播路径；
24.图6为图像上半部分在波导结构中的主要传播路径；
25.图7为实例在x方向上的分区示意图；
26.图8为图像左半部分在波导结构中的传播示意图；
27.图9为图像右半部分在波导结构中的传播示意图；
28.图10为实例在y方向上的分区示意图；
29.图11为出射光栅区域划分的分区示意图。
具体实施方式
30.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图和实例对本发明进行详细描述。
31.对于本发明所述的基于头盔显示的二维扩瞳全息波导结构的相关现有技术、基本原理如图1和图2所示，且上述背景技术已经说明。
32.本发明所提供的是一种基于头盔显示的二维扩瞳全息波导结构，该方法可解决目前全息波导显示系统普遍存在的图像亮度均匀性差和出曈面照度均匀性差的问题。本发明所述结构包括像源、准直透镜、入射耦合光栅、中间光栅、出射耦合光栅、平板波导和眼睛图像点亮发出的光线经过准直透镜准直以后，在入射耦合光栅、中间光栅、出射耦合光栅上发生衍射；所述平板波导使光线在波导中全反射前进，最后达到人眼成像。基于本发明所述的结构，可通过matalb来控制zemax中的光线追迹过程，并根据追迹结果调整中间光栅和出射光栅的分区以及峰值衍射效率，使画面均匀度达到某一定值。
33.本发明所述二维扩瞳全息波导结构如图3所示，二维图像经过准直透镜转化为平行光束，通过入射光栅耦合至波导并在波导内部以全反射的形式传播，光束经中间光栅实现二维扩瞳，最后通过出射光栅耦合出平板波导，将为显示器画面位于人眼前一定距离处投射成正立的放大的虚像。其中，中间光栅和出射光栅的衍射面为梯形，且划分为若干个分区，通过调节各个分区的衍射效率，提高成像的亮度均匀性。
34.如图4所示，本发明中的全息波导显示装置的波导片的俯视图，包括平板波导、入射光栅、中间光栅、出射光栅。
35.(1)中间光栅区域划分
36.一种光栅分区的方法，如图4所示，本例将中间光栅分为6个区域。
37.划分标准如下：考虑光栅衍射效果在光源图像不同区域上的影响，分别考虑光源图像的二个维度。
38.1、在x方向上划分。
39.将光源图像在x方向上分为两个部分。如图5所示，下半部分的图像经准直透镜和入射光栅作用后将会按照图5所示的区域传播。上半部分图像的传播路径如图6所示。经仿真验证，以图5所示传播的光线经中间光栅衍射转向后，光线在波导中发生全反射的反射角较小，因此与中间光栅发生衍射的次数较多，且光线传播距离较远。经仿真证明，图5所示的图像部分经中间光栅衍射后到达出射光栅的光线能量小于图6所示的图像部分，因此可将图5所示的中间光栅阴影部分的衍射效率适当提高。
40.按照以上思路，如图7所示将中间光栅划分为4个区域，其中1区衍射效率适当提高，3区衍射效率适当降低，2区和4区衍射效率介于1区和3区之间。
41.2、在y方向上划分。
42.将光源图像在y方向上分为两个部分。如图8所示，左半部分的图像将准直透镜和入射光栅作用后会按照图8所示区域传播，且光线在波导中全反射传播的反射角较大，因此相同路径下光线与衍射面发生衍射的次数较少，出射光线能量随着传播距离增长下降较
慢；图9所示为右半部分图像的传播衍射情况，光线在波导中全反射传播的反射角较小，因此相同路径下光线与衍射面发生衍射的次数较多，出射光线能量随着传播距离增长下降较快。对于射入中间光栅的角度不同导致不同光线光出射度不同的问题，可以通过体光栅对入射角度的选择性解决，不在本发明的考虑范围内，本发明仅解决中间光栅的光出射度随着光线传播距离增加而下降的问题。综上，可以将中间光栅中距离入射光栅较远的区域的衍射效率提高。
43.按照以上思路，如图10所示，将中间光栅沿y方向划分为若干区域，本例中划分为2个区域。设射入中间光栅的光通量为φ，出射光的出射度为m，且认为只存在零级衍射和一级衍射，设出射光亮度均匀性不低于a，即m
min
/m
max
≥a，为保证出射度达到要求，应找到零级衍射能量为aφ的位置，设该位置为y1，中间光栅左侧为y0，波导板厚度为t，则有：
[0044][0045]
计算出y1并以此为界线划分区域，为保证均匀性符合要求，第二个区域的衍射效率应调整为前一区域的1/a倍。类似的，此方法可扩展至多个区域，设第i个分区的终点线位置为yi，则有：
[0046][0047]
第i(i》1)个分区的衍射效率始终是第i-1区的1/a倍。注意，计算下一区域的界线时，上一区域的衍射效率已被调整。考虑图8和图9对应的二维图像信息可传播距离不同，可分别计算出两者的yi值并取平均值作为分区界线。
[0048]
综合考虑以上两个方面，分区方案如图4所示。由于中间光栅在y方向上的分区对出射度均匀性影响较大，因此可先在y方向上分区，然后在x方向上调整衍射效率。
[0049]
(2)出射光栅区域划分
[0050]
由于中间光栅出射的光线在y方向上已经满足均匀性要求，因此出射光栅只需考虑在x方向上分区，如图11所示，分区方法类似(2)式，如下：
[0051][0052]
其中m为出射光栅的光出射度，a为出射光均匀性，φ为射入出射光栅的光通量，xi为分区边界。