一种实现全息波导显示系统均匀成像的光栅效率分布表征与优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种实现全息波导显示系统均匀成像的光栅效率分布表征与优化方法，该方法中包含了对全息波导显示的二维扩瞳结构中入射光栅，中间光栅以及出射光栅的照度分布表征以及使出曈均匀的光栅效率的连续变化趋势。步骤如下：对全息波导结构的进行精确的全视场光线追迹，利用探测器元件得到入射光栅，中间光栅及出射光栅上的照度分布二维图，分别取光栅中与光栅矢量平行及与光栅矢量相垂直的两个方向上的点来描述光栅的主要照度分布，利用各区域光栅效率的分布补偿上述能量分布，从而获得光栅的效率分布曲线。根据本发明专利技术得到的全息体光栅的峰值效率分布对各个光栅划分区域优化，可解决目前二维扩瞳普遍存在的出曈面照度不均匀问题。度不均匀问题。度不均匀问题。

【技术实现步骤摘要】
一种实现全息波导显示系统均匀成像的光栅效率分布表征与优化方法


[0001]本专利技术涉及全息波导显示领域，具体涉及一种实现全息波导显示系统均匀成 像的光栅效率分布表征与优化方法。

技术介绍

[0002]随着微型显示产业的发展，显示设备向微型化，个人化发展。近年来，头戴 式显示技术受到市场大量的关注。以增强现实(AR)和虚拟现实(VR)为代表 的头戴式显示设备被大量研究开发并应用于军事领域和消费市场。
[0003]传统的近眼显示设备由于光学原理的限制，很难在保证大视场角(FOV)的 情况下产生较大的出瞳范围。波导显示器件利用光线在波导介质中以满足全反射 传播原理，在光学耦合器件的帮助下，可以实现光线在波导传播过程中多次出射， 即可以通过在波导传播过程中不同空间位置多次出射轻易的达到较大出瞳范围。 目前应用较多的一维扩瞳和二维扩瞳两种方式，一维扩瞳只需要使用入射和出射 两个光学耦合元件，仅考虑x方向上的FOV。二维扩瞳需要三个光学耦合元件， 相比一维扩瞳多一个中间光学耦合元件，使光线能在y方向上传播，形成较大的 出曈面积。
[0004]两束在同一平面内传播的相干光束入射到厚度为d的感光介质中，在介质内 部发生干涉，形成体全息光栅。这一过程为记录过程，如果记录时两条相干光束 从感光介质的两侧相向射入，则会形成反射型体全息光栅。按照光栅的衍射理论， 要使连续散射波同相位相加，使总的衍射波振幅达到最大，则介质内入射光波长 λ、入射光与光栅条纹面夹角θ以及光栅间距Λ必须满足布拉格条件。可知，用上 述干涉法产生的全息光栅，当用相同波长的一束光沿特定方向入射体全息光栅时， 自动满足布拉格条件发生衍射现象。而其他波长的光，或者沿着其他方向入射时， 不满足布拉格条件，则光束会透过全息光栅，不发生衍射现象。
[0005]全息光栅作为优秀的光学耦合器件有着优秀的光学特性，具有良好的角度选 择性和波长选择性，且尺寸小、重量轻。其中由于其良好的角度和波长的选择性， 大部分外界环境光可直接透过，即有用良好的透明度。其大量被运用于波导显示 器件中作为光学耦合器件实现可穿透显示(See
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through Display)。全息体光栅 的衍射效率随厚度以及曝光能量的曲线分别如图1和2所示，由图可知在一定的 曝光时间及光栅厚度区间内，光栅衍射效率随曝光时间或者光栅厚度单调变化， 这有利于调控光栅的峰值效率。由全息的基本原理，光束每打到光栅上一次，光 线的能量将下降一部分，而全息波导显示的打出通主要是有光束在出射光栅上的 多次全反射得到，在不进行效率调控的情况下，光束能量成指数下降，必将出曈 范围内的严重不均匀。人眼对不同位置不同方向的能量汇聚成像以后必将导致观 看图像的亮度以及色彩不均匀，如图3所示。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：为了克服全息波导显示系统在二维扩瞳情况下由出曈不均匀导致 的成像不均匀的难题，本专利技术提出一种表征全息体光栅效率分布的方法，为光栅 分区以及光栅的峰值效率分布提供指导依据。
[0007]技术方案：为了实现以上目的，本专利技术的一种使全息波导显示系统均匀成像 的光栅效率分布的表征方法，针对全息波导显示的二维扩瞳结构中光栅的照度分 布进行表征，所述光栅包括入射光栅、中间光栅以及出射光栅；包括如下内容：
[0008]步骤1：对全息波导显示的二维扩瞳结构进行全视场光线追迹；
[0009]步骤2：利用探测器元件得到入射光栅，中间光栅以及出射光栅上的照度分 布二维图；
[0010]步骤3：分别取入射光栅，中间光栅以及出射光栅中与光栅矢量平行及与光 栅矢量相垂直的两个方向上的点来描述光栅的主要照度分布；
[0011]步骤4：根据光栅上的能量分布逆向推导出曈均匀时光栅上不同位置应满足 的效率分布曲线，以此补偿由于光束在全息体光栅上反射所带来的能量损失，使 出曈和成像均匀。
[0012]具体的，步骤3包括如下内容：
[0013]在入射光栅中选取第一直线和第二直线，所述第一直线与入射光栅的光栅矢 量相重合且经过入射光栅中心点，所述第二直线与入射光栅矢量相垂直且经过入 射光栅中心点；
[0014]在中间光栅中选取第三直线和第四直线，所述第三直线与中间光栅矢量相重 合且经过中间光栅照度最高点，所述第四直线与第三直线相垂直且经过第三直线 的中点；
[0015]在出射光栅中选取第五直线和第六直线，所述第五直线与出射光栅矢量重合 且经过第三直线与中间光栅的上边界的交点，所述第六直线与第五直线垂直且第 五直线经过第六直线的中点。
[0016]进一步的，所述入射光栅，中间光栅以及出射光栅的二维照度分布离散，在 二维平面内利用均值算法平滑，得到连续分布的点集，再通过最小二乘法对该连 续分布的点集进行拟合，得到光栅在两个直线维度上的照度分布曲线。
[0017]其中，入射光栅，中间光栅以及出射光栅中在光栅矢量方向上的照度分布曲 线f(t1)满足公式(Ⅰ)所示的四次多项式曲线的变化趋势：
[0018](Ⅰ)：f(t1)＝p1·
t
14
+p2·
t
13
+p3·
t
12
+p4·
t1+p5[0019]式中p1、p2、p3、p4、p5表示通过最小二乘法拟合出的四次多项式曲线f(t1) 的加权系数、t1代表光栅矢量方向上的位置坐标。
[0020]入射光栅，中间光栅以及出射光栅中与光栅矢量垂直方向的照度分布曲线f(t2) 满足公式(Ⅱ)所示的三个正弦曲线之和的变化趋势：
[0021](Ⅱ):f(t2)＝a1·
sin(b1t2+c1)+a2·
sin(b2t2+c2)+a3·
sin(b3t2+c3) 式中a1、a2、a3分别代表入射、中间以及出射光栅的照度分布曲线系数，b1、b2、b3分别代表入射、中间以及出射光栅照度满足正弦函数分布的周期性，c1、 c2、c3分别代表入射、中间以及出射光栅照度分布的位置关系，t2代表光栅矢量 垂直方向的位置坐标。
[0022]进一步的，采用如下步骤获取光栅效率分布曲线：
[0023]对光栅的两个维度上的照度分布曲线进行积分，得到总照度；
[0024]将总照度除以积分区间得到整个范围内的平均照度；
[0025]平均照度除以各个位置上照度，所得的值再乘以该位置上初始光栅效率即可 得到新的光栅效率分布曲线。
[0026]计算公式如下：
[0027][0028]其中，η(x)为光栅效率分布曲线，x1，x2为积分位置的上下限，η0为初始光 栅的峰值效率；f(x)为照度分布曲线。
[0029]所述入射光栅，中间光栅以及出射光栅中在光栅矢量方向上的光栅效率分布 曲线均与照度分布曲线有相反趋势，符合四次多项式递减趋势；与光栅矢量垂直 方向上的光栅效率分布曲线符合三个正弦曲线之和先减后增的趋势。
[0030]进一步的，所述光栅效率分布曲线可以用于指导本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种实现全息波导显示系统均匀成像的光栅效率分布表征与优化方法，针对全息波导显示的二维扩瞳结构中光栅的照度分布进行表征，所述光栅包括入射光栅(1)、中间光栅(2)以及出射光栅(3)；其特征在于，包括如下内容：步骤1：对全息波导显示的二维扩瞳结构进行全视场光线追迹；步骤2：利用探测器元件得到入射光栅(1)，中间光栅(2)以及出射光栅(3)上的照度分布二维图；步骤3：分别取入射光栅(1)，中间光栅(2)以及出射光栅(3)中与光栅矢量平行及与光栅矢量相垂直的两个方向上的点来描述光栅的主要照度分布；具体的：在入射光栅(1)中选取第一直线(4)和第二直线(5)，所述第一直线(4)与入射光栅的光栅矢量相重合且经过入射光栅(1)中心点，所述第二直线(5)与入射光栅矢量相垂直且经过入射光栅(1)中心点；在中间光栅(2)中选取第三直线(6)和第四直线(7)，所述第三直线(6)与中间光栅矢量相重合且经过中间光栅(2)照度最高点，所述第四直线(7)与第三直线(6)相垂直且第四直线(7)经过第三直线(6)的中点；在出射光栅(3)中选取第五直线(8)和第六直线(9)，所述第五直线(8)与出射光栅矢量重合且经过第三直线(6)与中间光栅(2)的上边界的交点，所述第六直线(9)与第五直线(8)垂直且第五直线(8)经过第六直线(9)的中点；步骤4：根据光栅上的能量分布逆向推导出曈均匀时光栅上不同位置应满足的光栅效率分布曲线，以此补偿由于光束在全息体光栅上反射所带来的能量损失，使出曈和成像均匀。2.根据权利要求1所述的实现全息波导显示系统均匀成像的光栅效率分布表征与优化方法，其特征在于：所述入射光栅(1)，中间光栅(2)以及出射光栅(3)的二维照度分布离散，在二维平面内利用均值算法平滑，得到连续分布的点集，再通过最小二乘法对该连续分布的点集进行拟合，得到光栅在两个直线维度上的照度分布曲线。3.根据权利要求2所述的实现全息波导显示系统均匀成像的光栅效率分布表征与优化方法，其特征在于：所述入射光栅(1)，中间光栅(2)以及出射光栅(3)中在光栅矢量方向上的照度分布曲线f(t1)满足公式(Ⅰ)所示的四次多项式曲线的变化趋势：(Ⅰ)：f(t1)＝p1·
t
14
+p2·<...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏鑫，沈忠文，田闯，卢超月，王鹏，高永丽，杨燕，刘辛玉，
申请(专利权)人：南京工业职业技术大学，
类型：发明
国别省市：