梁樂民 國家知識產(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、使用簡單等特點(diǎn),在軍事領(lǐng)域得到快速發(fā)展。在國外,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題;在21世紀(jì)初期,國外就有學(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。在國內(nèi),對于全息波導(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。
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),需要通過透過率,對射入光場的分布特點(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,可以得到光柵透過率函數(shù):
(1)式中,T(x)表示光柵透過率函數(shù);δ表示狄拉克函數(shù);m、k表示光柵透過率函數(shù)系數(shù);*表示卷積符號;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,光柵透過率函數(shù),由相位 (x)決定其變化,當(dāng)光柵透過率函數(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,才能求解光柵透過率函數(shù)的衍射效率:
(2)式中,λ表示入射波長。此時(shí),只需將圖像導(dǎo)入全息波導(dǎo)技術(shù),通過光柵結(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)。
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數(shù),只存在0級和±1級。此時(shí),根據(jù)光柵衍射級數(shù),全息波導(dǎo)技術(shù)顯示成像,需要利用-1級光線,在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中不斷發(fā)生全反射現(xiàn)象,通過這個(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。其成像具體過程,如圖2所示。
圖2 全息波導(dǎo)技術(shù)顯示成像過程
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級光線產(chǎn)生的夾角;φ2表示x軸與入射光纖衍射的-1級光線產(chǎn)生的夾角。
在如圖2所示的全息波導(dǎo)技術(shù)顯示成像過程中,需要避免-1級的衍射光線,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。綜上所述的全過程,即為頭戴顯示器中的全息波導(dǎo)技術(shù)分析過程。
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)中的入射過程,進(jìn)一步調(diào)整全息波導(dǎo)技術(shù)成像的清晰度。