CN110579876A - 全息波导显示系统出瞳均匀性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计一种全息波导显示系统的出瞳均匀性设计方法，在全息波导近眼显示系统中，系统的出瞳经过扩展后，其显示亮度、色彩的均匀性是最重要的指标之一。通过对输出耦合全息体光栅区域效率的精细控制原理及方法深入分析与优化，对全息波导显示系统出瞳均匀性进行讨论与设计。

Description

全息波导显示系统出瞳均匀性的方法

技术领域

本发明涉及一种全息波导显示系统出瞳均匀性的方法，属于增强现实近眼显示技术领域。

背景技术

近年来，集成光学和微电子技术方面取得的快速发展使全息波导技术广泛应用于图像显示器，液晶照明和光互连。全息波导技术是头戴式显示器设计的一个革命性的新方法。在该方法中，可以得到可穿戴式近眼显示器紧凑的结构，重量轻，大出瞳，以及优良的真实世界传输。对于全息波导显示系统，主要由微显视像源、准直系统、光波导、驱动电路及系统电路几个部分组成，其中，全息光波导由三个重要部分：输入耦合光栅，波导，和输出耦合光栅。其中输出耦合光栅(全息光栅、全息体光栅、平面光栅、浮雕光栅等，实现光源载像的输入输出耦合以及二元扩展功能的薄型微结构光学器件)是实现光波导显示系统的核心部件和系统设计中的难点部分。全息波导结构用于近眼显示，其显著的优点就是比较方便的实现出瞳扩展功能，解决了传统光学显示器件原则上视场角、出瞳大小和器件体积上的根本矛盾，从而能够实现轻薄、大视场、大出瞳的近眼显示器件。在扩大了出瞳的情况下，显示输出的亮度跟输出耦合光栅的局部效率紧密相关。而不同波长，不同视场角下的波导内全反射传播路径及出瞳位置又各有不同。因而为保证大出瞳下输出显示的一致性，对输出耦合光栅的局部效率有不同的要求。所以整体来看，输出光栅的效率分布要求无法得到一个完美的结果，其过程只能是一个对所有视场及所有颜色下的一个综合折中的结果。其优化过程需要对全息波导的传导过程建模并通过程序算法来优化输出耦合光栅的效率分布。

多年来与全息波导显示相关的研究，大多数集中在提高光栅峰值效率和系统视场(FOV)的扩展上，较少讨论全息波导系统的出瞳的连续性和均匀性问题。以色列的RevitalShechter等在2002年提出了一种具有阶跃衍射效率分布的输出耦合光栅的设计。然而这种设计只考虑了中心视角，忽略了FOV中的其他视角来推导的输出耦合光栅的分布，其结果是在全视场应用中效果较差；2003年，IosephGurwich等尝试讨论整个FOV中出瞳的均匀性，但在实际的优化过程中仅采用了左右边缘和中间视场三个视角进行计算，其结果稍有改善，但对较大的视场应用效果并不理想。

上述几种方案中输入输出光学耦合元件都为反射型体全息光栅，但对全息波导显示系统出瞳均匀性的优化并不理想，其对该问题的考量相对简单。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，为克服现有技术的不足，本发明提出一种全息波导显示系统视场出瞳均匀性的设计方法，该方法在较大视场的应用下，通过优化耦合输出光栅的效率分布，实现较大出瞳下显示均匀的效果。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种全息波导显示系统出瞳均匀性的方法，所述方法具体如下：步骤1：根据追迹不同角度耦合到波导内的载像光波在波导内的传播过程及在输出耦合光栅出的耦出情况，分析整个出瞳范围内所有光波的能量分布。

进一步地，当载像光波以θ角度入射到波导中，被输入耦合光栅衍射后，在波导中以β角度传播。其传播周期P与波导厚度t和光束传输角度β有关，具体关系如下：

P(β,t)＝2t·tan(β) (6.1)

系统的出射光瞳的扩展过程可描述为：输出耦合光栅将部分能量的载像光波衍射出波导，并且留下一部分能量继续向前传播，这样光可以沿波导在输出光栅上的不同位置衍射出来。该系统可以方便的设计成至少在一个波长和入射角的情况下完全满足输出均匀性要求。在全视场(FOV)范围内将入射角度离散化，同时将耦合输出光栅按传播方向按位置坐标离散化，可以通过对输出光栅沿不同位置控制效率η_m，追迹出整个出瞳范围内全FOV的输出强度I_diff(m)。

步骤2：通过编制程序改变输出光栅各局部区域的峰值效率得到对应的输出光强的能量分布。

进一步地，除输出强度的均匀性外，出瞳区域的光瞳的连续性是提高显示性能的另一个关键因素。实际上，波导中入射光束的宽度取决于准直系统的光瞳尺寸和入耦合光栅的尺寸。将波导内光波传播周期性步长记为P，W_in表示某一角度下入射光波光束的宽度。当W_in≤P时，在两个相邻输出光束之间将存在间隙Δ＝P-W_in。这些间隙的出现影响出瞳的连续性，带来显示上的暗区。为了使输出光束连续，不同的角度下的入射光束宽度W_in应大于或等于该入射角度下耦合入波导内后的传播周期长度P。

进一步地，对于相对较大的FOV，对应于不同传播角β_n的情况，光束在波导内的传播情况存在非常大的差异。我们需求助于更为复杂的数值优化程序。首先，作为目标优化的标准，输出光强的均匀性即为各传播角下从输出光栅各局部区域衍射出的输出光强积分偏差的最小化。取N个不同的传播角我们选择变异系数(C.V)作为该优化判据，以满足输出均匀性的同时，进一步的保障系统光效的最大化：

表示沿传播角下输出光栅的各衍射光强局部强度的平均值，m是特定传播角下光波在波导内输出光栅区域的衍射及反弹次数。

进一步的，根据初始光强的分布，将一个传播周期分为四个区域：L1，L2，L3，L4。用于计算的输出光栅局部区域平均效率，此处m代表光束传播的反弹次数，L_k意味着这种反射光覆盖输出光栅的某个L_k区域，平均效率是根据相应区域的效率η_N及其加权平均值计算所得。不同FOV角度下光波传导所对应的传播周期和局部区域划分的是不同的，当在FOV范围内取得足够大的样本数量用于抽样计算时，我们可以得到足够的表征方程来推导出所需均匀性要求下的输出光栅效率分布η₁～η_N。

步骤3：利用神经网络算法，优选出整个出瞳范围内最均匀显示效果所对应的输出耦合光栅效率分布。

进一步的，利用遗传算法对评估判据进行全局智能搜寻，寻找最优样本，该过程同时是一个递归的迭代过程，通过逼近效率分布的最优值以获得系统最小的C.V.。

进一步的，在上述过程中，为了防止C.V收敛在局部极值处，程序中加入了随机加扰过程以确保算法的鲁棒性。

相对于现有技术，本发明的技术效果如下：本发明提出的全息波导显示系统视场出瞳均匀性设计方法，基于波导传像的光线追迹模型，结合全息波导结构，将输出耦合光栅随空间位置相关的效率分布曲线根据大视场显示条件下在整个出瞳范围内的均匀性进行全局优化，以解决传统全息波导显示装置出瞳均匀性的问题。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1载像光波在波导内传播示意图；

图2出瞳扩展示意；

图3出瞳连续性示意；

图4一维出瞳扩展输出耦合光栅效率分布曲线示意；

图5效率分布曲线优化过程中判据变异系数C.V收敛情况；

图6全息光波导系统光线追迹3D模型；

图7优化后系统输出照度仿真示意。

具体实施方式

实施例1：参见图1-图7，一种全息波导显示系统出瞳均匀性的方法，所述方法具体如下：步骤1：根据追迹不同角度耦合到波导内的载像光波在波导内的传播过程及在输出耦合光栅出的耦出情况，分析整个出瞳范围内所有光波的能量分布。

进一步地，当载像光波以θ角度入射到波导中，被输入耦合光栅衍射后，在波导中以β角度传播。其传播周期P与波导厚度t和光束传输角度β有关，具体关系如下：

P(β,t)＝2t·tan(β) (6.1)

系统的出射光瞳的扩展过程可描述为：输出耦合光栅将部分能量的载像光波衍射出波导，并且留下一部分能量继续向前传播，这样光可以沿波导在输出光栅上的不同位置衍射出来。该系统可以方便的设计成至少在一个波长和入射角的情况下完全满足输出均匀性要求。在全视场(FOV)范围内将入射角度离散化，同时将耦合输出光栅按传播方向按位置坐标离散化，可以通过对输出光栅沿不同位置控制效率η_m，追迹出整个出瞳范围内全FOV的输出强度I_diff(m)。

步骤2：通过编制程序改变输出光栅各局部区域的峰值效率得到对应的输出光强的能量分布。

进一步地，除输出强度的均匀性外，出瞳区域的光瞳的连续性是提高显示性能的另一个关键因素。实际上，波导中入射光束的宽度取决于准直系统的光瞳尺寸和入耦合光栅的尺寸。将波导内光波传播周期性步长记为P，W_in表示某一角度下入射光波光束的宽度。当W_in≤P时，在两个相邻输出光束之间将存在间隙Δ＝P-W_in。这些间隙的出现影响出瞳的连续性，带来显示上的暗区。为了使输出光束连续，不同的角度下的入射光束宽度W_in应大于或等于该入射角度下耦合入波导内后的传播周期长度P。

进一步地，对于相对较大的FOV，对应于不同传播角β_n的情况，光束在波导内的传播情况存在非常大的差异。我们需求助于更为复杂的数值优化程序。首先，作为目标优化的标准，输出光强的均匀性即为各传播角下从输出光栅各局部区域衍射出的输出光强积分偏差的最小化。取N个不同的传播角我们选择变异系数(C.V)作为该优化判据，以满足输出均匀性的同时，进一步的保障系统光效的最大化：

表示沿传播角下输出光栅的各衍射光强局部强度的平均值，m是特定传播角下光波在波导内输出光栅区域的衍射及反弹次数。

进一步的，根据初始光强的分布，将一个传播周期分为四个区域：L1，L2，L3，L4。用于计算的输出光栅局部区域平均效率，此处m代表光束传播的反弹次数，L_k意味着这种反射光覆盖输出光栅的某个L_k区域，平均效率是根据相应区域的效率η_N及其加权平均值计算所得。不同FOV角度下光波传导所对应的传播周期和局部区域划分的是不同的，当在FOV范围内取得足够大的样本数量用于抽样计算时，我们可以得到足够的表征方程来推导出所需均匀性要求下的输出光栅效率分布η₁～η_N。

步骤3：利用神经网络算法，优选出整个出瞳范围内最均匀显示效果所对应的输出耦合光栅效率分布。

进一步的，利用遗传算法对评估判据进行全局智能搜寻，寻找最优样本，该过程同时是一个递归的迭代过程，通过逼近效率分布的最优值以获得系统最小的C.V.。

进一步的，在上述过程中，为了防止C.V收敛在局部极值处，程序中加入了随机加扰过程以确保算法的鲁棒性。

步骤4：利用全息曝光技术，在记录光栅时，通过精密控制曝光区域各部分的物光和参考光的能量比、偏振、曝光及预曝光时间对于记录材料进行双光束干涉曝光，以制备效率分布均匀的输出耦合光栅；

上述步骤1-4实现满足在整个出瞳范围内全视场情况下的显示输出亮度均匀性的效果。

应用实施例1：参见图1-图7，现以全息波导显示系统的一维出瞳扩展结构为例，设一个横向尺寸为36毫米的输出耦合光栅，入瞳光束的宽度W_in为6毫米。波导折射率为1.65，厚度为3mm，系统FOV为±15°(空气中)。经197nm周期的耦合光栅衍射至波导内的传播角度范围为45°～63°，中心光束传播角为54°，所有这些光束均符合该波导材料下的TIR条件。对FOV离散化，设置传播角度间隔为0.05°，因而在整个FOV范围内可有360个光束传播样本进行计算。对将输出耦合光栅离散化，分为N个等长区域。从理论上讲，选择较大的N，意味着较小的输出光栅分割区域，我们可以获得更高的效率分布精度，但算法消耗的计算时间将更长。由于人眼瞳孔的大小为3～7毫米，考虑到人眼视觉对光强的积分特征，选择N等于50即可获得足够大的精度。

通过优化算法程序推导出的衍射效率分布η_N。由于考虑了大的FOV角度范围和输出光瞳的交叠情况，优化的效率分布曲线不是单调增加的，这给光栅的制备带来了更精确的要求。在较低性能要求的情况下，我们可以进一步将数据序列拟合成平滑曲线，以简化曝光工艺来制备所需的输出体全息光栅。

需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上做出的等同替换或者替代均属于本发明的保护范围，该权利要求的保护范围以权利要求书为准。

Claims (6)

1.一种全息波导显示系统出瞳均匀性的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：根据追迹不同角度耦合到波导内的载像光波在波导内的传播过程及在输出耦合光栅出的耦出情况，分析整个出瞳范围内所有光波的能量分布，

步骤2：通过编制程序改变输出光栅各局部区域的峰值效率得到对应的输出光强的能量分布，步骤3：利用神经网络算法，选出整个出瞳范围内最均匀显示效果所对应的输出耦合光栅效率分布；

步骤4：利用全息曝光技术，在记录光栅时，通过精密控制曝光区域各部分的物光和参考光的能量比、偏振、曝光及预曝光时间对于记录材料进行双光束干涉曝光，以制备效率分布均匀的输出耦合光栅；

上述步骤1-4实现满足在整个出瞳范围内全视场情况下的显示输出亮度均匀性的效果。

2.根据权利要求1所述的全息波导显示系统出瞳均匀性的方法，其特征在于，步骤1中，对不同FOV下载像光波在波导内的传播路径进行追踪、分析，追迹各光线出瞳能量与出瞳处光栅局部效率的关系，选择合适的优化判据，编制优化算法优化输出耦合光栅的效率分布曲线。

3.根据权利要求1所述的全息波导显示系统出瞳均匀性的方法，其特征在于，步骤2中，将耦入光线根据FOV角度范围离散化，耦出光栅按空间位置离散化，追踪每个角度下入射光线在波导内的传播轨迹，直到在耦出光栅处按局部效率部分耦出，记录下耦出光线耦出能量于对应的耦出光栅位置及该位置下局部效率关系，当离散化的数量足够大，耦出光线集合足够多时，即可根据耦出光线的均值方差极小化来计算得出对应的耦出光栅效率分布集合。

4.根据权利要求1所述的全息波导显示系统出瞳均匀性的方法，其特征在于，步骤3中，耦出光线均匀性的判据采用均方差值的最小化或者协方差，标准差，变异系数中的一种。

5.根据权利要求1所述的全息波导显示系统出瞳均匀性的方法，其特征在于，步骤1中，当载像光波以θ角度入射到波导中，被输入耦合光栅衍射后，在波导中以β角度传播，其传播周期P与波导厚度t和光束传输角度β有关，具体关系如下：

P(β,t)＝2t·tan(β) (6.1)

在全视场(FOV)范围内将入射角度离散化，同时将耦合输出光栅按传播方向按位置坐标离散化，可以通过对输出光栅沿不同位置控制效率η_m，追迹出整个出瞳范围内全FOV的输出强度I_diff(m)。

6.根据权利要求1所述的全息波导显示系统出瞳均匀性的方法，其特征在于，步骤2中，

具体如下：波导中入射光束的宽度取决于准直系统的光瞳尺寸和入耦合光栅的尺寸，将波导内光波传播周期性步长记为P，W_in表示某一角度下入射光波光束的宽度，当W_in≤P时，在两个相邻输出光束之间将存在间隙Δ＝P-W_in，为了使输出光束连续，不同的角度下的入射光束宽度W_in应大于或等于该入射角度下耦合入波导内后的传播周期长度P；

作为目标优化的标准，输出光强的均匀性即为各传播角下从输出光栅各局部区域衍射出的输出光强积分偏差的最小化，取N个不同的传播角选择变异系数(C.V)作为该优化判据，以满足输出均匀性的同时，进一步的保障系统光效的最大化：

表示沿传播角下输出光栅的各衍射光强局部强度的平均值，m是特定传播角下光波在波导内输出光栅区域的衍射及反弹次数；

根据初始光强的分布，将一个传播周期分为四个区域：L1，L2，L3，L4，用于计算的输出光栅局部区域平均效率，此处m代表光束传播的反弹次数，L_k意味着这种反射光覆盖输出光栅的某个L_k区域，平均效率是根据相应区域的效率η_N及其加权平均值计算所得；不同FOV角度下光波传导所对应的传播周期和局部区域划分的是不同的，当在FOV范围内取得足够大的样本数量用于抽样计算时，得到足够的表征方程来推导出所需均匀性要求下的输出光栅效率分布η₁～η_N。