头戴显示器中的全息波导技术分析

梁乐民 国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心

随着科学技术的发展，平板显示器已经逐渐被淘汰，头盔显示器，以其便携易带、视野范围广、使用简单等特点，在军事领域得到快速发展。在国外，20世纪90年代，就已经迈入全息技术领域，研究全息透镜的制作和优化；此后，有学者迈入全色全息波导眼戴显示技术领域，改善全息透镜所存在的色散问题；在21世纪初期，国外就有学者，将全息波导技术，应用在Q-Sight系列的头盔当中。在国内，对于全息波导技术的研究较晚，但是在21世纪初，就已经完成消除色散影响的研究；并在同年，研究了全息波导技术的理论和实验，扩展了原图像的视野范围，却并未给全息波导技术配上图像色彩。

一、设计全息波导光栅结构

当前全息波导技术中的光栅结构，是全息波导技术的一大难点。光栅是全息波导技术的显示色彩的结构，需要通过透过率，对射入光场的分布特点，采用傅里叶变换计算方法，计算衍射光场的分布相位，然后求解光栅的衍射率变化，分析其特性。此次设计全息波导技术中的光栅结构，如图1所示。

图1 光栅结构示意图

图1中，d表示光栅周期；H表示刻蚀深度；f1表示基底介质折射率；f2表示周围介质折射率；θ表示衍射角。此时，根据图1所示的光栅结构示意图，可以得到光栅透过率函数：

（1）式中，T(x)表示光栅透过率函数；δ表示狄拉克函数；m、k表示光栅透过率函数系数；*表示卷积符号；i； (x)表示每个周期的相位分布；rect表示矩形函数；d′表示光栅宽度。

从（1）式中可以看出，光栅透过率函数，由相位 (x)决定其变化，当光栅透过率函数中，m或者k某个系数出现变化，都会让光栅透过率函数，发生一定的改变，则衍射效率也会随之发生变化。由此可以看出，分析光栅的衍射特性时，则必须要确定光栅透过率函数，一个周期d内的相位 (x)分布，才能求解光栅透过率函数的衍射效率：

（2）式中，λ表示入射波长。此时，只需将图像导入全息波导技术，通过光栅结构显示成像，即完成头戴显示器中的全息波导技术设计。

二、全息波导技术显示成像

根据（1）式和（2）式的计算结果，分析出了光在光栅结构的衍射和全反射，存在的相位 (x)分布变化，可以确定理想中的光栅衍射级数，只存在0级和±1级。此时，根据光栅衍射级数，全息波导技术显示成像，需要利用-1级光线，在波导结构中不断发生全反射现象，通过这个现象，将光传输至光栅结构中，产生光衍射现象，最后在人眼中耦合，此时，即可完成全息波导技术显示成像。其成像具体过程，如图2所示。

图2 全息波导技术显示成像过程

图2中，将入射光线放置在(x,y,z)坐标系中，θ1表示(x,y,z)坐标系与z轴产生的夹角；θ2表示(x,y,z)坐标系与x轴产生的夹角；φ1表示z轴与入射光纤衍射的-1级光线产生的夹角；φ2表示x轴与入射光纤衍射的-1级光线产生的夹角。

在如图2所示的全息波导技术显示成像过程中，需要避免-1级的衍射光线，在x轴和y轴产生的投影分量，存在的衍射光纤，在波导将光线传播至光栅结构的过程中，不会将光线从底部移除，因此衍射光线需要与θ1角满足全反射条件。此时，光栅周期就会存在一定范围，即dmin＜d＜dmax。当入射光纤的方位角φ2=0°，则衍射光线的方位角φ1=0°，此时的衍射光线，在全系波导中，不会偏向y轴方向。

综合上述分析，全息波导技术成像时，会根据d、θ1、f2共同决定衍射光线变化，在全息波导中，控制光线在全息波导中显示成像。则光栅周期所处具体范围为：

只有当光栅周期处于（3）式所处范围，才会形成人眼可见的彩色图像。当光栅周期不在（3）式所处范围，需要调整光线入射的倾斜角度，促使全息波导形成人眼可见的彩色图像。至此，完成全息波导技术显示成像。综上所述的全过程，即为头戴显示器中的全息波导技术分析过程。

三、结束语

综上所述，此次分析头戴显示器中的全息波导技术，从光栅结构入手，在头戴显示器中，形成人眼可见的原始图像。但是此次分析的头戴显示器中的全息波导技术，未曾分析全息波导技术中的波导结构，即光的入射过程。因此在今后的研究中，还需深入分析光在波导结构中的入射过程，进一步调整全息波导技术成像的清晰度。