用于HUD/AR的一维扩瞳曲面全息波导显示( (Optica Optics Express)

图1. 无像差校正的曲面全息波导内部光线传播示意图

该研究中，光通过波导后必须呈平行光束，保证光束就不会随着距离而扩张或收缩，也会使得显示图像在整个出瞳分布上呈现出相同的大小。但在曲面上无法做到平行光，因此在传播过程中有一个恒定的聚焦和扩展的光束依然能够保证光线有序传播。图2展示了曲面波导内部光线传播的特性。当中心入射光线与法线呈54°时，光源在距离为r/3时，离轴光线满足1：1共轭，可以使光线聚焦在一个对称耦合点上，如图2(b)所示，校正了图2(a)中由于像散导致焦距的变化，改进了光线无序传播引起像差这一不足。

图2. 曲面波导内部光线传播。（a）像散导致焦距变化；(b)光源位于r/3时1：1共轭

图3显示了曝光HOE的光路示意图，通过一束平行光和一束固定焦距的会聚光束曝光HOE，以此实现光线在波导内部传播受曲面影响像差的校正。该曝光方案适用于两侧HOE的曝光，需要注意的是耦出HOE需考虑二次衍射问题，从而实现出瞳扩展。

图3. HOE曝光方案简易示意图。

同时为了避免图像耦出时发生重影现象，在曝光耦出HOE时，需要考虑引入角度变化，来弥补这些残余像差。为更好地校正曲面引起的像差，在曝光系统中引入柱面镜，系统示意图如图4(a)所示。柱面镜的曲率半径与波导的曲率半径非常接近，使垂直进入波导的参考光束具有一定的散光度，耦合棱镜的引入可以同时使两束参考光束按照设计的曝光角度入射到耦入HOE上产生干涉。耦出HOE的曝光方案如图4(b)所示，一束参考光束通过耦入HOE，经过全反射入射到耦出HOE，另一束参考光束按近准直光束垂直向下入射。

该研究的实验结果如图5所示。光线通过曲面波导，出瞳尺寸在水平方向上扩大了5倍。实验显示效果图如图6所示，可以看出经过校正后的系统可以实现较好的显示效果（图6(a)），而未经校正则会出现重影现象（图6(b)）。

图6 (a)校正后波导显示图像；(b)未校正波导显示图像。

技术小结

简单总结，针对曲面波导需要设计合理的曝光方案制备HOE，让光线在波导内部保持有序传播状态，从而在曲面波导结构下实现近眼显示。但在传播距离的控制以及彩色显示方面上仍需要进一步研究。该研究提供的方法可以扩展到一维曲面波导上的二维扩瞳方案，最终可以延伸到实现二维曲面波导二维出瞳扩展的全息波导近眼显示。相信该研究工作将为下一代轻量级、可穿戴的集成紧凑便携式近眼显示设备的实现提供新思路。

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