頭戴顯示器中的全息波導技術分析

梁樂民 國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心

隨著科學技術的發展，平板顯示器已經逐漸被淘汰，頭盔顯示器，以其便攜易帶、視野范圍廣、使用簡單等特點，在軍事領域得到快速發展。在國外，20世紀90年代，就已經邁入全息技術領域，研究全息透鏡的制作和優化；此后，有學者邁入全色全息波導眼戴顯示技術領域，改善全息透鏡所存在的色散問題；在21世紀初期，國外就有學者，將全息波導技術，應用在Q-Sight系列的頭盔當中。在國內，對于全息波導技術的研究較晚，但是在21世紀初，就已經完成消除色散影響的研究；并在同年，研究了全息波導技術的理論和實驗，擴展了原圖像的視野范圍，卻并未給全息波導技術配上圖像色彩。

一、設計全息波導光柵結構

當前全息波導技術中的光柵結構，是全息波導技術的一大難點。光柵是全息波導技術的顯示色彩的結構，需要通過透過率，對射入光場的分布特點，采用傅里葉變換計算方法，計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。此次設計全息波導技術中的光柵結構，如圖1所示。

圖1 光柵結構示意圖

圖1中，d表示光柵周期；H表示刻蝕深度；f1表示基底介質折射率；f2表示周圍介質折射率；θ表示衍射角。此時，根據圖1所示的光柵結構示意圖，可以得到光柵透過率函數：

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

從（1）式中可以看出，光柵透過率函數，由相位 (x)決定其變化，當光柵透過率函數中，m或者k某個系數出現變化，都會讓光柵透過率函數，發生一定的改變，則衍射效率也會隨之發生變化。由此可以看出，分析光柵的衍射特性時，則必須要確定光柵透過率函數，一個周期d內的相位 (x)分布，才能求解光柵透過率函數的衍射效率：

（2）式中，λ表示入射波長。此時，只需將圖像導入全息波導技術，通過光柵結構顯示成像，即完成頭戴顯示器中的全息波導技術設計。

二、全息波導技術顯示成像

根據（1）式和（2）式的計算結果，分析出了光在光柵結構的衍射和全反射，存在的相位 (x)分布變化，可以確定理想中的光柵衍射級數，只存在0級和±1級。此時，根據光柵衍射級數，全息波導技術顯示成像，需要利用-1級光線，在波導結構中不斷發生全反射現象，通過這個現象，將光傳輸至光柵結構中，產生光衍射現象，最后在人眼中耦合，此時，即可完成全息波導技術顯示成像。其成像具體過程，如圖2所示。

圖2 全息波導技術顯示成像過程

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

在如圖2所示的全息波導技術顯示成像過程中，需要避免-1級的衍射光線，在x軸和y軸產生的投影分量，存在的衍射光纖，在波導將光線傳播至光柵結構的過程中，不會將光線從底部移除，因此衍射光線需要與θ1角滿足全反射條件。此時，光柵周期就會存在一定范圍，即dmin＜d＜dmax。當入射光纖的方位角φ2=0°，則衍射光線的方位角φ1=0°，此時的衍射光線，在全系波導中，不會偏向y軸方向。

綜合上述分析，全息波導技術成像時，會根據d、θ1、f2共同決定衍射光線變化，在全息波導中，控制光線在全息波導中顯示成像。則光柵周期所處具體范圍為：

只有當光柵周期處于（3）式所處范圍，才會形成人眼可見的彩色圖像。當光柵周期不在（3）式所處范圍，需要調整光線入射的傾斜角度，促使全息波導形成人眼可見的彩色圖像。至此，完成全息波導技術顯示成像。綜上所述的全過程，即為頭戴顯示器中的全息波導技術分析過程。

三、結束語

綜上所述，此次分析頭戴顯示器中的全息波導技術，從光柵結構入手，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技術，未曾分析全息波導技術中的波導結構，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結構中的入射過程，進一步調整全息波導技術成像的清晰度。