頭戴顯示器中的全息波導(dǎo)技術(shù)分析

梁樂(lè)民 國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，平板顯示器已經(jīng)逐漸被淘汰，頭盔顯示器，以其便攜易帶、視野范圍廣、使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在軍事領(lǐng)域得到快速發(fā)展。在國(guó)外，20世紀(jì)90年代，就已經(jīng)邁入全息技術(shù)領(lǐng)域，研究全息透鏡的制作和優(yōu)化；此后，有學(xué)者邁入全色全息波導(dǎo)眼戴顯示技術(shù)領(lǐng)域，改善全息透鏡所存在的色散問(wèn)題；在21世紀(jì)初期，國(guó)外就有學(xué)者，將全息波導(dǎo)技術(shù)，應(yīng)用在Q-Sight系列的頭盔當(dāng)中。在國(guó)內(nèi)，對(duì)于全息波導(dǎo)技術(shù)的研究較晚，但是在21世紀(jì)初，就已經(jīng)完成消除色散影響的研究；并在同年，研究了全息波導(dǎo)技術(shù)的理論和實(shí)驗(yàn)，擴(kuò)展了原圖像的視野范圍，卻并未給全息波導(dǎo)技術(shù)配上圖像色彩。

一、設(shè)計(jì)全息波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)

當(dāng)前全息波導(dǎo)技術(shù)中的光柵結(jié)構(gòu)，是全息波導(dǎo)技術(shù)的一大難點(diǎn)。光柵是全息波導(dǎo)技術(shù)的顯示色彩的結(jié)構(gòu)，需要通過(guò)透過(guò)率，對(duì)射入光場(chǎng)的分布特點(diǎn)，采用傅里葉變換計(jì)算方法，計(jì)算衍射光場(chǎng)的分布相位，然后求解光柵的衍射率變化，分析其特性。此次設(shè)計(jì)全息波導(dǎo)技術(shù)中的光柵結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 光柵結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中，d表示光柵周期；H表示刻蝕深度；f1表示基底介質(zhì)折射率；f2表示周圍介質(zhì)折射率；θ表示衍射角。此時(shí)，根據(jù)圖1所示的光柵結(jié)構(gòu)示意圖，可以得到光柵透過(guò)率函數(shù)：

（1）式中，T(x)表示光柵透過(guò)率函數(shù)；δ表示狄拉克函數(shù)；m、k表示光柵透過(guò)率函數(shù)系數(shù)；*表示卷積符號(hào)；i； (x)表示每個(gè)周期的相位分布；rect表示矩形函數(shù)；d′表示光柵寬度。

從（1）式中可以看出，光柵透過(guò)率函數(shù)，由相位 (x)決定其變化，當(dāng)光柵透過(guò)率函數(shù)中，m或者k某個(gè)系數(shù)出現(xiàn)變化，都會(huì)讓光柵透過(guò)率函數(shù)，發(fā)生一定的改變，則衍射效率也會(huì)隨之發(fā)生變化。由此可以看出，分析光柵的衍射特性時(shí)，則必須要確定光柵透過(guò)率函數(shù)，一個(gè)周期d內(nèi)的相位 (x)分布，才能求解光柵透過(guò)率函數(shù)的衍射效率：

（2）式中，λ表示入射波長(zhǎng)。此時(shí)，只需將圖像導(dǎo)入全息波導(dǎo)技術(shù)，通過(guò)光柵結(jié)構(gòu)顯示成像，即完成頭戴顯示器中的全息波導(dǎo)技術(shù)設(shè)計(jì)。

二、全息波導(dǎo)技術(shù)顯示成像

根據(jù)（1）式和（2）式的計(jì)算結(jié)果，分析出了光在光柵結(jié)構(gòu)的衍射和全反射，存在的相位 (x)分布變化，可以確定理想中的光柵衍射級(jí)數(shù)，只存在0級(jí)和±1級(jí)。此時(shí)，根據(jù)光柵衍射級(jí)數(shù)，全息波導(dǎo)技術(shù)顯示成像，需要利用-1級(jí)光線，在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中不斷發(fā)生全反射現(xiàn)象，通過(guò)這個(gè)現(xiàn)象，將光傳輸至光柵結(jié)構(gòu)中，產(chǎn)生光衍射現(xiàn)象，最后在人眼中耦合，此時(shí)，即可完成全息波導(dǎo)技術(shù)顯示成像。其成像具體過(guò)程，如圖2所示。

圖2 全息波導(dǎo)技術(shù)顯示成像過(guò)程

圖2中，將入射光線放置在(x,y,z)坐標(biāo)系中，θ1表示(x,y,z)坐標(biāo)系與z軸產(chǎn)生的夾角；θ2表示(x,y,z)坐標(biāo)系與x軸產(chǎn)生的夾角；φ1表示z軸與入射光纖衍射的-1級(jí)光線產(chǎn)生的夾角；φ2表示x軸與入射光纖衍射的-1級(jí)光線產(chǎn)生的夾角。

在如圖2所示的全息波導(dǎo)技術(shù)顯示成像過(guò)程中，需要避免-1級(jí)的衍射光線，在x軸和y軸產(chǎn)生的投影分量，存在的衍射光纖，在波導(dǎo)將光線傳播至光柵結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，不會(huì)將光線從底部移除，因此衍射光線需要與θ1角滿足全反射條件。此時(shí)，光柵周期就會(huì)存在一定范圍，即dmin＜d＜dmax。當(dāng)入射光纖的方位角φ2=0°，則衍射光線的方位角φ1=0°，此時(shí)的衍射光線，在全系波導(dǎo)中，不會(huì)偏向y軸方向。

綜合上述分析，全息波導(dǎo)技術(shù)成像時(shí)，會(huì)根據(jù)d、θ1、f2共同決定衍射光線變化，在全息波導(dǎo)中，控制光線在全息波導(dǎo)中顯示成像。則光柵周期所處具體范圍為：

只有當(dāng)光柵周期處于（3）式所處范圍，才會(huì)形成人眼可見(jiàn)的彩色圖像。當(dāng)光柵周期不在（3）式所處范圍，需要調(diào)整光線入射的傾斜角度，促使全息波導(dǎo)形成人眼可見(jiàn)的彩色圖像。至此，完成全息波導(dǎo)技術(shù)顯示成像。綜上所述的全過(guò)程，即為頭戴顯示器中的全息波導(dǎo)技術(shù)分析過(guò)程。

三、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，此次分析頭戴顯示器中的全息波導(dǎo)技術(shù)，從光柵結(jié)構(gòu)入手，在頭戴顯示器中，形成人眼可見(jiàn)的原始圖像。但是此次分析的頭戴顯示器中的全息波導(dǎo)技術(shù)，未曾分析全息波導(dǎo)技術(shù)中的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，即光的入射過(guò)程。因此在今后的研究中，還需深入分析光在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的入射過(guò)程，進(jìn)一步調(diào)整全息波導(dǎo)技術(shù)成像的清晰度。