一种基于旋转变焦液晶透镜的深度可调波导显示方法

1.本发明涉及近眼波导显示技术领域，尤其涉及一种基于旋转变焦液晶透镜的深度可调波导显示方法。


背景技术：

2.近些年来，增强现实(ar)技术发展火热，其在医疗、教育、军事等各个领域都拥有巨大的应用潜力，通过将计算机生成的虚拟图像叠加到现实场景中，ar有望彻底改变用户的交互体验，进而成为下一代的主流显示设备。
3.最近图案化液晶光学元件在ar领域的应用越来越多。使用光取向技术，我们可以将记录在光取向层上的任意图案转移到液晶层中，从而获得具备所设计相位调制功能的液晶平面元件，通过使用向列相液晶和胆甾相液晶，可以分别制备透射型和反射型的元件。这些光学元件制备简单、厚度小、重量轻，很适合应用到ar系统中，同时由于液晶材料的寻常光折射率no和非常光折射率ne之差较大，导致液晶器件的角度响应范围、波长响应范围要优于传统全息器件，另外图案化液晶元件拥有独特的偏振响应特性，这为光学系统的设计提供了一个新的设计维度。如公开号为cn112147786a的中国专利公开了一种增强现实显示系统，包括波导显示系统和近视调节光学元件；波导显示系统包括显示图像源和波导基底，以及设置于波导基底内的波导内反射面和波导反射出射面；近视调节光学元件具有相对的第一侧面和第二侧面，第一侧面用于与人眼相对，第二侧面完全贴附于波导基底的外表面；波导基底使来自显示图像源的光束以全反射的形式在波导内传播，并传导至波导内反射面上，波导内反射面用于将光束反射至波导反射出射面上，波导反射出射面用于将光束透过近视调节光学元件并反射至人眼；近视调节光学元件可以为液晶透镜。如公开号为cn114089531a的中国专利公开了一种基于反射式偏振复用液晶透镜的双目波导显示方法，所述方法基于波导显示器件，包括光波导板，在光波导板同侧上设有入耦合液晶透镜、右旋出耦合光栅和左旋出耦合光栅，入耦合液晶透镜位于右旋出耦合光栅和左旋出耦合光栅之间。
4.波导显示作为一种被广泛认可的ar方案，在体积、重量、视场和出瞳大小等方面都有一定潜力与优势。然而在传统波导显示技术中，准直光通过输出部分的光耦合器被提取到用户的眼睛。在这种情况下，虚拟图像成像在无限远处，观察者的眼睛通过调节反应被迫聚焦在无限远处。当真实物体位于用户附近时，由于真实物体和虚拟图像的调节深度不同，显示的图像会变得模糊。这个问题可能会影响用户的增强现实体验，并且因为调节和聚散距离之间的不匹配而引起视觉疲劳，这被称为聚散调节冲突(vac)。如何解决这个问题是目前本领域的研究热点。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于旋转变焦液晶透镜的深度可调波导显示方法，该方法及装置可以解决传统波导显示系统只能将虚拟图像成像在无穷远处的问题。
6.本发明提供如下技术方案：
7.一种基于旋转变焦液晶透镜的深度可调波导显示方法，采用深度可调波导显示装置，所述深度可调波导显示装置包括图像源、准直器、在同侧设有入耦合光栅和出耦合光栅的光波导板和分别位于光波导板耦出区域的两侧的液晶莫尔透镜，所述液晶莫尔透镜包括补偿莫尔透镜和变焦莫尔透镜；
8.所述深度可调波导显示方法包括：
9.图像源发出的光被准直器准直，入耦合光栅将准直光耦合进入光波导板中；
10.光在光波导板中依靠全反射传播，碰到出耦合光栅后被衍射耦出光波导板作为耦出光；
11.耦出光经过变焦莫尔透镜后进入人眼；
12.环境光在依次通过补偿莫尔透镜和变焦莫尔透镜后进入人眼；
13.其中，通过控制变焦莫尔透镜中靠近人眼的元件pboe和补偿莫尔透镜中远离人眼的元件pboe的旋转，同步调节两个莫尔透镜的焦距，从而使波导传播的图像成像在所需的深度，而人眼看到的真实环境不受影响。
14.所述图像源可以是oled、microled、dlp、lcos等各类光引擎。
15.所述准直器可以是各类透镜或者透镜系统，被用来准直图像源发出的光。
16.所述图像源之后加入一个圆偏振器，用于将图像源发出的光转换为波导耦合光栅对应手性的圆偏光，从而提高系统效率。。
17.所述光波导板上的入耦合光栅和出耦合光栅均为液晶偏振体光栅pvg，入耦合光栅和出耦合光栅的手性相同，在波导板上对称设置。如两个光栅由相同手性的胆甾相液晶(以右旋液晶为例)制备而成，能衍射对应旋向的圆偏光(右旋圆偏光)。
18.所述变焦莫尔透镜和补偿莫尔透镜均由两个液晶pancharatnam-berry相光学元件pboe组成，所述pboe具有相同的相位分布。即四个相同的pboe两两成组构成变焦莫尔透镜和补偿莫尔透镜，这两个莫尔透镜在波导板耦出区域两侧对称设置，其中变焦莫尔透镜中靠近人眼的pboe和补偿莫尔透镜中远离人眼的元件pboe由旋转控制装置操纵，可以同步旋转相同的角度。
19.所述pboe的相位分布满足以下条件：通过旋转变焦莫尔透镜或补偿莫尔透镜其中一个pboe，对于入射圆偏光变焦莫尔透镜或补偿莫尔透镜中两个pboe组合相位分布近似于一个变焦透镜。
20.所述pboe的相位分布只要满足上述条件即可，如可以为：
21.所述pboe对于一旋向的圆偏光(如右旋圆偏光)具有(典型的莫尔透镜子元件相位分布，也可以使用其他类似的相位分布)的相位分布/相位调制，由于pboe的特性，对于另一旋向的圆偏光(如左旋圆偏光)具有的相位分布/相位调制；式中，(r,θ0)为极坐标系中的极径和极角，λ为工作波长，f0为参考焦距，round()为向上取整的函数。
22.当波导耦出光(右旋圆偏光)连续通过两个这样的pboe(组成变焦莫尔透镜)时，第一个pboe产生φ(r,θ0)的相位调制，并将圆偏光旋向反转，第二个pboe产生-φ(r,θ0)的相
位调制，由于pboe衍射光的圆偏旋向会相对于入射光反转，因此当两个这样的pboe组合，当第二个pboe相对于第一个pboe绕中心旋转θ角时，入射到这个组合元件的右旋圆偏光受到的总相位调制为这相当于一个焦距为的透镜，其中θ的可调范围为-π到+π。
23.根据旋转的角度，变焦莫尔透镜的焦距在[-∞，-f0]之间连续变化(只考虑负焦距，正焦距透镜将虚拟图像成像在人眼后方，没有意义)，其中f0是设计的参考值。波导耦出光通过变焦莫尔透镜后进入人眼，因此本发明可以通过调节莫尔透镜的旋转角度，让虚拟图像成像在所需要的深度。
[0024]
上述相位分布只是一种常见的设置，所述pboe也可以拥有其他相位分布，例如或者其他形式。
[0025]
所述变焦莫尔透镜中靠近人眼的pboe和补偿莫尔透镜中远离人眼的元件pboe由旋转控制装置操纵，同步旋转相同的角度。
[0026]
在pboe同步旋转过程中，对于同一旋向的入射圆偏光，所述变焦莫尔透镜和补偿莫尔透镜永远具有大小相同、符号相反的焦距。
[0027]
在本发明中，补偿莫尔透镜是为了补偿变焦莫尔透镜对环境光的影响而设置的，在旋转控制装置操纵变焦莫尔透镜和补偿莫尔透镜同步旋转的过程中，对于同一种旋向的入射圆偏光，这两个透镜永远具有大小相同、符号相反的焦距，同时由于光波导板很薄，因此在忽略两者间距的情况下补偿莫尔透镜和变焦莫尔透镜形成的透镜组没有光焦度，不会对环境光产生影响(环境光可以看作左旋圆偏光和右旋圆偏光的叠加)。另外由于耦出光栅是液晶偏振体光栅(反射型元件)，因此不会对透射的环境光产生影响且环境透射率较高。综合上面的分析，在本发明中人眼看到的真实环境不会发生变化。
[0028]
pvg是基于光取向技术使用胆甾相液晶制备的，pboe是基于光取向技术使用向列相液晶制备的。具体地：
[0029]
所述波导板上液晶偏振体光栅的制备方法为：在波导板上旋涂制备光取向层；进行入耦合光栅曝光和出耦合光栅曝光；旋涂含手性剂和光引发剂的反应性液晶溶液；紫外固化液晶层；液晶层的旋涂和固化可以多次重复以增大液晶层厚度提高衍射效率。
[0030]
所述pboe的制备方法为，在基板上旋涂制备光取向层；进行曝光以记录所需的相位分布；旋涂含光引发剂的反应性液晶溶液；紫外固化液晶层；重复液晶层的旋涂和固化使得液晶层的厚度满足半波条件从而获得最大的元件效率。
[0031]
本发明提供的深度可调波导显示方法利用旋转变焦液晶透镜(莫尔透镜)，可以对波导耦出光的聚焦位置进行连续且大范围的调控，从而可以让波导传播的图像成像在想要的深度，这解决了传统波导显示中只能将虚拟图像成像在无穷远处及其给观察者带来的成像模糊和视觉疲劳等问题。同时在本发明中通过旋转进行调焦，而不是传统变焦系统中通过改变元件的轴向距离来调焦，因此系统更加轻薄紧凑。且通过补偿莫尔透镜的使用，本发明提供的方法不会影响用户对真实场景的观察，这保证了良好的ar显示效果。
[0032]
本发明提供的方法利用液晶pboe对不同圆偏光产生相反相位调制且反转入射光旋向的特性，使用两个相同的pboe组合形成莫尔透镜，并且在波导中使用液晶偏振体光栅
作为耦合器，利用其偏振选择性满足了莫尔透镜的圆偏光入射需求。pboe和液晶偏振体光栅具有相近且简单的制备流程，这使得本发明提供的方法的实现较为方便。
附图说明
[0033]
图1是本发明提供的一种深度可调波导显示装置的整体系统结构示意图；
[0034]
图2是莫尔透镜调焦到不同焦距时的波导成像示意图；
[0035]
图3是液晶偏振体光栅的结构示意图；
[0036]
图4是液晶pancharatnam-berry相光学元件的结构示意图；
[0037]
图5是液晶偏振体光栅的曝光光路；
[0038]
图6是液晶pancharatnam-berry相光学元件的曝光光路；
[0039]
其中，图1和2中in-pvg、out-pvg分别代表入耦合液晶偏振体光栅和出耦合液晶偏振体光栅，pboe代表液晶pancharatnam-berry相光学元件，t-pboe代表可旋转pboe；图3中lcp、rcp分别代表左旋圆偏光和右旋圆偏光，λ
x
、λy、λb分别代表pvg的横向周期、纵向周期和布拉格周期，α代表光栅倾角；图4中的d代表pboe的液晶层厚度；图5中p为线偏振片、qwp为四分之一波片、bs为分束器、m1和m2为反射镜、s为曝光样品基板；图6中pbs为偏振分束器、slm为空间光调制器。
具体实施方式
[0040]
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
[0041]
如图1所示，是本发明提供的一种深度可调波导显示装置的整体系统结构示意图，结构包括图像源1、准直器2、光波导板3、入耦合pvg 4、出耦合pvg 5、变焦莫尔透镜6、补偿莫尔透镜7和旋转控制器8(也可以称之为旋转控制装置)。图像源1放置在准直器2的焦平面上，因此准直器2将图像源1发出的光变为平行光。入耦合pvg 4和出耦合pvg 5响应同种旋向的圆偏光(在实施例中假设为右旋圆偏光)，并且在光波导板3上同侧对称设置，可以在图像源1后加入一个右旋圆偏振片以提高系统的整体效率。右旋圆偏光被入耦合pvg 4衍射，衍射光的传播角大于光波导板3的全内反射角，因此被耦合进入光波导板3中，依靠全反射不断传播，直到遇到出耦合pvg 5被再次衍射，全反射条件被打破，光耦出光波导板3，未被出耦合pvg 5衍射的光继续在光波导板3中传播直到下一次遇到出耦合pvg 5，这一过程被称为波导的出瞳扩展。系统中的两个莫尔透镜(变焦莫尔透镜6和补偿莫尔透镜7)均由两个pboe组成，且其中各有一个pboe连接旋转控制器8，耦出光经过变焦莫尔透镜6后进入人眼，变焦莫尔透镜6可以通过旋转控制器8的操控连续调焦，因此可以将波导传播的图像成像在无穷远处或者近处的某一深度位置。环境光经过补偿莫尔透镜7和变焦莫尔透镜6后进入人眼，补偿莫尔透镜7和变焦莫尔透镜6在光波导板3两侧对称设置并且由旋转控制器8操控进行同步相同角度的旋转，对于环境光它们时刻具有大小相同符号相反的焦距，因此进入人眼的环境光没有受到影响。
[0042]
如图2所示，是莫尔透镜调焦到不同焦距时的波导成像示意图，展示了两个焦距下的成像结果，分别对应于旋转控制器8操控t-pboe旋转θ1和θ2的角度，此时变焦莫尔透镜6对右旋圆偏光分别具有-f1和-f2的焦距，且-f1＜-f2＜0。因此当波导耦出光通过变焦莫尔透
镜6后，旋转θ1时的虚拟图像成像在距人眼较远的深度位置，而旋转θ2时的虚拟图像成像在较近的深度位置。这个实施例证明了本发明提出的深度可调波导显示方法的可行性。
[0043]
如图3所示，是液晶偏振体光栅的结构示意图。pvg是具有二维周期性结构的布拉格光栅，由于最低体积自由能的趋势，pvg结构中的胆甾相液晶倾向于形成倾斜的螺旋结构，横向周期λx由光取向层的定向决定，布拉格周期λb等于胆甾相液晶螺距的一半，液晶螺距(p)由反应性液晶中手性掺杂剂的螺旋扭曲力常数(htp)和掺杂浓度(c)决定：p＝(htp
·
c)-1
，光栅倾角由α＝
±
arcsin(λb/λ
x
)决定，其中正负号取决于胆甾相液晶的旋向。pvg对正入射光的布拉格条件表示为：
[0044]
2n
eff
λbcosα＝λb[0045]
其中λb是真空中的布拉格波长，n
eff
是液晶的有效折射率。另外图4中还展示了pvg的偏振选择性，右旋手性胆甾相液晶形成的pvg只会衍射右旋圆偏光，左旋圆偏光则会直接透过该pvg。
[0046]
如图4所示，是液晶pancharatnam-berry相光学元件的结构示意图，pboe是基于pancharatnam-berry相位(几何相位)的透射型相位调制元件，由向列相液晶制备而成，向列相液晶的分子方向在纵向(y方向)保持一致，相同(x，z)坐标的液晶分子具有相同的取向角。xz平面内的液晶分子排布由光取向层决定，具有这种液晶分子排布的元件会分别对左旋和右旋圆偏光产生的相位调制，并且反转入射光的圆偏方向(左旋光变右旋，右旋光变左旋)。pboe的衍射效率和元件的厚度相关联，当
△n·
d＝λ/2时衍射效率最大，其中
△
n＝n
e-no表示液晶的各向异性，no是寻常光折射率，ne是非常光折射率，d是液晶层厚度，λ是应用波长，在本发明中将λ设为和pvg的布拉格波长一致，计算出需要制备的pboe液晶层厚度，以获得最大衍射效率。
[0047]
如图5所示，是液晶偏振体光栅的曝光光路，两路曝光光束是等光强的正交圆偏光，当两束光以2θ的夹角对称入射到曝光面时，干涉光场为光强均匀分布而偏振方向沿x轴周期线性变化的线偏振光，周期为λ＝λe/2sinθ，其中λe为曝光波长。将带有光取向层的基板放在曝光平面上，可以将这种周期性的偏振方向记录下来，旋涂液晶后，光取向层对液晶定向，从而产生了pvg中的横向周期λx。
[0048]
如图6所示，是液晶pancharatnam-berry相光学元件的曝光光路，用于曝光组成莫尔透镜的pboe，在实施例中的pboe对入射的右旋圆偏光产生的相位调制，因此在曝光的过程中两路干涉光也需要在曝光平面产生φ(r,θ0)的相位差分布。图6中展示的曝光光路首先使用一个pbs将激光分束，两束光在分别进行扩束之后由第二个pbs合束，其中一路光束在合束之前通过了一个slm(空间光调制器)，slm会调制这一路光的相位分布，再使用一个4f系统将slm成像到曝光平面上，这样一来曝光平面的干涉光相位差直接由slm决定，在合束之后干涉光通过一个四分之一波片，将两束干涉光分别转换为左旋圆偏光和右旋圆偏光，因此由slm产生的相位差分布经过干涉后转换为线偏光的偏振方向分布，最后被光取向层记录。
[0049]
通过在slm上加载φ(r,θ0)的相位分布，本发明可以制备所需的pboe，级联两个这样的pboe，并且控制第二个pboe旋转θ角，入射到这个组合元件上的右旋圆偏光受到的总相
位调制为这就组成了本发明中的变焦莫尔透镜(焦距)，补偿莫尔透镜也由两个相同的pboe组成，控制第一个pboe同步旋转θ角，入射到补偿莫尔透镜上的右旋圆偏光受到的相位调制为其焦距和变焦莫尔透镜大小相同，符号相反。
[0050]
图5和图6展示的是干涉曝光法，非干涉曝光法也能用来制备pvg和pboe，比如激光直写法，将曝光样品放在二维位移台上，通过控制位移台对样品逐点曝光，并在每个位置曝光时通过偏振控制产生所需要的线偏振方向，从而在光取向层上产生所设计的分子排布图案。
[0051]
在pvg和pboe的制备过程中，本发明选用已被广泛使用且光学性能良好的rm257作为反应性液晶材料。而对于手性掺杂剂，本发明选择了具有较大扭曲力的r5011(htp≈108/μm)。
[0052]
pvg和pboe的具体制备流程如下：
[0053]
(1)基板清洁；
[0054]
(2)光取向层溶液的配制和旋涂；
[0055]
(3)烘干光取向层；
[0056]
(4)曝光；
[0057]
(5)液晶混合物溶液的配制(pvg制备中加入手性掺杂剂，pboe制备中不添加手性掺杂剂)；
[0058]
(6)旋涂液晶；
[0059]
(7)紫外固化；
[0060]
(8)重复步骤6和7直至形成足够的液晶层厚度；
[0061]
制备设置有pvg的光波导板时直接以光波导板作为制备基板，曝光时分区域依次曝光入耦合pvg和出耦合pvg，两次曝光使用相同的曝光光路，但在完成入耦合曝光后，需要将基板旋转180
°
再进行出耦合曝光，以满足两个光栅的对称设置需求。
[0062]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于旋转变焦液晶透镜的深度可调波导显示方法，其特征在于，采用深度可调波导显示装置，所述深度可调波导显示装置包括图像源、准直器、在同侧设有入耦合光栅和出耦合光栅的光波导板和分别位于光波导板耦出区域的两侧的液晶莫尔透镜，所述液晶莫尔透镜包括补偿莫尔透镜和变焦莫尔透镜；所述深度可调波导显示方法包括：图像源发出的光被准直器准直，入耦合光栅将准直光耦合进入光波导板中；光在光波导板中依靠全反射传播，碰到出耦合光栅后被衍射耦出光波导板作为耦出光；耦出光经过变焦莫尔透镜后进入人眼；环境光在依次通过补偿莫尔透镜和变焦莫尔透镜后进入人眼；其中，通过控制变焦莫尔透镜中靠近人眼的元件pboe和补偿莫尔透镜中远离人眼的元件pboe的旋转，同步调节两个莫尔透镜的焦距，从而使波导传播的图像成像在所需的深度，而人眼看到的真实环境不受影响。2.根据权利要求1所述的基于旋转变焦液晶透镜的深度可调波导显示方法，其特征在于，所述图像源选自oled、microled、dlp或lcos。3.根据权利要求1所述的基于旋转变焦液晶透镜的深度可调波导显示方法，其特征在于，所述图像源之后加入一个圆偏振器。4.根据权利要求1所述的基于旋转变焦液晶透镜的深度可调波导显示方法，其特征在于，所述光波导板上的入耦合光栅和出耦合光栅均为液晶偏振体光栅pvg，入耦合光栅和出耦合光栅的手性相同，在波导板上对称设置。5.根据权利要求1所述的基于旋转变焦液晶透镜的深度可调波导显示方法，其特征在于，所述变焦莫尔透镜和补偿莫尔透镜均由两个液晶pancharatnam-berry相光学元件pboe组成，所述pboe具有相同的相位分布，这两个莫尔透镜在波导板耦出区域两侧对称设置。6.根据权利要求5所述的基于旋转变焦液晶透镜的深度可调波导显示方法，其特征在于，所述pboe的相位分布满足以下条件：通过旋转变焦莫尔透镜或补偿莫尔透镜其中一个pboe，对于入射圆偏光变焦莫尔透镜或补偿莫尔透镜中两个pboe组合相位分布近似于一个变焦透镜。7.根据权利要求6所述的基于旋转变焦液晶透镜的深度可调波导显示方法，其特征在于，所述pboe对于一旋向的圆偏光具有的相位分布，对于另一旋向的圆偏光具有的相位分布；式中，(r,θ0)为极坐标系中的极径和极角，λ为工作波长，f0为参考焦距，round()为向上取整的函数。8.根据权利要求5所述的基于旋转变焦液晶透镜的深度可调波导显示方法，其特征在于，所述变焦莫尔透镜中靠近人眼的pboe和补偿莫尔透镜中远离人眼的元件pboe由旋转控制装置操纵，同步旋转相同的角度。9.根据权利要求8所述的基于旋转变焦液晶透镜的深度可调波导显示装置，其特征在于，在pboe同步旋转过程中，对于同一旋向的入射圆偏光，所述变焦莫尔透镜和补偿莫尔透
镜永远具有大小相同、符号相反的焦距。

技术总结
本发明公开了一种基于旋转变焦液晶透镜的深度可调波导显示方法：显示方法包括：图像源发出的光被准直器准直，入耦合光栅将准直光耦合进入光波导板中；光在光波导板中依靠全反射传播，碰到出耦合光栅后被衍射耦出光波导板作为耦出光；耦出光经过变焦莫尔透镜后进入人眼；环境光在依次通过补偿莫尔透镜和变焦莫尔透镜后进入人眼；其中，通过控制变焦莫尔透镜中靠近人眼的元件PBOE和补偿莫尔透镜中远离人眼的元件PBOE的旋转，同步调节两个莫尔透镜的焦距，从而使波导传播的图像成像在所需的深度，而人眼看到的真实环境不受影响。该方法解决了传统波导显示系统只能将虚拟图像成像在无穷远处的问题。无穷远处的问题。无穷远处的问题。


技术研发人员：李海峰 翁嘉承 刘旭
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/10/7