本發(fā)明涉及光學(xué)顯示技術(shù)，尤其是一種基于偏振體積光柵（pvg）的光柵波導(dǎo)裝置及系統(tǒng)，用于增強現(xiàn)實（ar）設(shè)備中抑制環(huán)境光衍射引起的彩虹紋現(xiàn)象，提升圖像顯示質(zhì)量。

背景技術(shù)：

1、增強現(xiàn)實技術(shù)是一種將虛擬信息與現(xiàn)實世界相融合的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、教育、游戲等領(lǐng)域。在ar設(shè)備中，光柵波導(dǎo)技術(shù)作為顯示圖像的重要方式，利用微小光柵將圖像引導(dǎo)到用戶的眼睛。但在實際應(yīng)用中，ar眼鏡和其他可穿戴設(shè)備中的光柵波導(dǎo)裝置常常面臨環(huán)境光引起的彩虹紋現(xiàn)象。

2、彩虹紋是由于環(huán)境光（如日光、室內(nèi)燈光等）通過光柵結(jié)構(gòu)發(fā)生衍射，并進入眼睛，導(dǎo)致圖像顯示失真和干擾。當(dāng)前的技術(shù)主要依靠優(yōu)化光柵的周期、方向以及光源的定向控制來減少這種干擾，但這些方法往往不能完全消除彩虹紋現(xiàn)象，且對圖像質(zhì)量的影響較大。

3、為了有效解決這一問題，本發(fā)明采用了偏振體積光柵技術(shù)。pvg能夠?qū)獾钠駹顟B(tài)和體積效應(yīng)進行優(yōu)化調(diào)制，通過精確控制光的傳播路徑，避免環(huán)境光的干擾，消除彩虹紋現(xiàn)象，顯著提升圖像的顯示質(zhì)量。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出了一種基于偏振體積光柵技術(shù)的光柵波導(dǎo)裝置及波導(dǎo)系統(tǒng)，旨在解決增強現(xiàn)實顯示設(shè)備中因環(huán)境光干擾引發(fā)的彩虹紋現(xiàn)象問題。本發(fā)明通過創(chuàng)新性的pvg結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)合波導(dǎo)系統(tǒng)的多次全內(nèi)反射特性，有效抑制環(huán)境光干擾，并提升顯示質(zhì)量和光學(xué)性能。

2、pvg技術(shù)基于液晶材料的光學(xué)各向異性，通過調(diào)整光柵周期、布拉格傾角以及偏振選擇性，實現(xiàn)入射光在特定偏振狀態(tài)下的高效衍射，同時避免不必要的光學(xué)路徑干擾。結(jié)合高折射率材料的波導(dǎo)裝置，采用二維擴瞳設(shè)計，實現(xiàn)多次全內(nèi)反射傳播，從而增強光束傳輸效率與穩(wěn)定性。

3、具體技術(shù)方案為：

4、一種基于pvg技術(shù)的光柵波導(dǎo)裝置，包括：

5、波導(dǎo)基體：由高折射率材料制成，折射率范圍為1.6至2.0，支持光束全內(nèi)反射傳輸；

6、光柵結(jié)構(gòu)：設(shè)置于波導(dǎo)基體上，采用偏振體積光柵（pvg）技術(shù)對入射光束的偏振狀態(tài)進行調(diào)制；

7、所述pvg由液晶材料通過光致取向與自組裝工藝形成周期性折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)；

8、光柵周期為800納米至1微米，布拉格傾角為40°至65°，適配紅、綠、藍波段全彩顯示；

9、所述光柵結(jié)構(gòu)通過耦入光柵引導(dǎo)光束進入波導(dǎo)基體，經(jīng)多次全反射后由耦出光柵輸出，抑制環(huán)境光引發(fā)的彩虹紋現(xiàn)象。

10、優(yōu)選的，所述液晶材料通過光固化工藝形成穩(wěn)定的周期性光柵結(jié)構(gòu)。

11、優(yōu)選的，所述波導(dǎo)基體的厚度為1毫米，寬度為20毫米，長度為100毫米。

12、優(yōu)選的，所述pvg在可見光波段的衍射效率超過80%。

13、一種波導(dǎo)顯示系統(tǒng)，包括所述的光柵波導(dǎo)裝置，所述系統(tǒng)通過zemax仿真優(yōu)化光柵參數(shù)（周期、柵線方向、布拉格傾角）及波導(dǎo)幾何尺寸（厚度1mm、寬度20mm、長度100mm），實現(xiàn)光束高效傳輸（能量損耗＜5%）與彩虹紋抑制（強度降低70%以上）。

14、優(yōu)選的，所述zemax仿真優(yōu)化包括光線追蹤分析，驗證光束傳播路徑與彩虹紋抑制效果。

15、優(yōu)選的，所述系統(tǒng)適配ar眼鏡，在復(fù)雜環(huán)境光條件下保持無彩虹紋顯示。

16、優(yōu)選的，基于偏振體積光柵（pvg）技術(shù)的光柵波導(dǎo)裝置的制備方法，包括以下步驟：

17、在基體表面涂覆光致取向?qū)?，通過紫外曝光（波長365?nm，曝光時間30-60秒）形成周期性取向圖案，所述紫外曝光使用光引發(fā)劑irgacure?651，以確保液晶材料在后續(xù)步驟中的自組裝形成穩(wěn)定的取向結(jié)構(gòu)。

18、旋涂液晶材料，所述液晶材料包括丙烯酸單體和手性摻雜劑（如r5011/s5011），通過自組裝效應(yīng)生成pvg結(jié)構(gòu)，確保液晶分子沿光致取向?qū)又芷谛詧D案方向自發(fā)排列，形成具有高折射率調(diào)制的周期性結(jié)構(gòu)。

19、光固化處理以穩(wěn)定光柵特性。固化過程在氮氣保護環(huán)境下進行，以避免氧氣影響，確保pvg結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并增強其光學(xué)特性。

20、結(jié)合高折射率波導(dǎo)基體（如玻璃或聚合物），將光柵結(jié)構(gòu)與波導(dǎo)基體結(jié)合，形成完整的光柵波導(dǎo)裝置。波導(dǎo)基體的折射率通?？刂圃?.6至2.0之間，以優(yōu)化光波導(dǎo)的傳輸性能。

21、優(yōu)選的，所述光固化處理采用紫外光照射，固化時間為30-60秒，確保光柵特性穩(wěn)定，以提高波導(dǎo)系統(tǒng)的衍射效率和能量保持率。

22、通過上述步驟，所制備的光柵波導(dǎo)裝置具有高衍射效率（＞80%）和全內(nèi)反射傳輸特性（能量保持率＞95%）。此系統(tǒng)優(yōu)選適配ar眼鏡，在復(fù)雜環(huán)境光條件下，能夠有效抑制彩虹紋現(xiàn)象，提供高清晰度、無失真的視覺體驗。

23、本發(fā)明通過zemax仿真技術(shù)對光學(xué)系統(tǒng)進行優(yōu)化，涵蓋光柵設(shè)計、波導(dǎo)參數(shù)以及光束傳播路徑的多維仿真，確保在不同波長和入射條件下均能保持卓越性能。本發(fā)明適用于ar眼鏡、頭戴式顯示器等設(shè)備，特別在復(fù)雜環(huán)境光條件下表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。具體步驟如下：

24、步驟一，光柵波導(dǎo)基體設(shè)計：

25、a.?材料：采用高折射率光學(xué)玻璃或聚合物基體，折射率范圍為1.6至2.0，支持多次全內(nèi)反射條件，確保光束在波導(dǎo)內(nèi)部傳播時損耗最小化；

26、b.?尺寸優(yōu)化：波導(dǎo)基體的厚度設(shè)置為1毫米，寬度為20毫米，長度為100毫米，以實現(xiàn)高效光束傳輸，同時滿足緊湊化設(shè)計要求。

27、步驟二，pvg結(jié)構(gòu)設(shè)計：

28、a.?布拉格周期：范圍為800納米至1微米，可適配紅外和可見光波段條件；

29、b.?布拉格傾角：范圍為40?°至65?°，通過角度優(yōu)化實現(xiàn)多波長光束的高效衍射，同時抑制環(huán)境光干擾；

30、c.?光柵矢量設(shè)計：設(shè)計為閉合回路形式，減少散射光并優(yōu)化光束傳播路徑，提升傳輸效率；

31、d.?偏振選擇性：利用液晶材料的光致取向和自組裝工藝，形成具有光學(xué)各向異性的周期性折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對偏振態(tài)光的選擇性衍射，顯著降低彩虹紋現(xiàn)象。

32、步驟三，耦入與耦出光柵設(shè)計

33、a.?耦入光柵：入射光通過耦入光柵進入波導(dǎo)基體后，由pvg結(jié)構(gòu)調(diào)控偏振狀態(tài)與傳播路徑，確保光束在波導(dǎo)內(nèi)部多次全反射傳播；

34、b.?耦出光柵：光束通過耦出光柵輸出，形成高質(zhì)量的成像光束，同時避免不必要的光能損耗。

35、步驟四，探測器單元設(shè)計：

36、a.?捕獲從波導(dǎo)出口處輸出的光束，測量其能量分布；

37、b.?分析成像質(zhì)量，以驗證對彩虹紋的抑制效果及系統(tǒng)整體性能。

38、步驟五，制備工藝：

39、（1）光柵制備工藝

40、a.?光致取向：在基底表面生成取向?qū)?，利用液晶材料自組裝形成具有周期性折射率調(diào)制的光柵結(jié)構(gòu)；

41、b.?激光曝光：采用激光曝光技術(shù)對布拉格周期進行精確控制，以適配目標(biāo)波段；

42、c.?光固化處理：通過光固化工藝提升光柵結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

43、步驟六，仿真優(yōu)化：

44、（1）光柵設(shè)計優(yōu)化

45、a.?布拉格傾角優(yōu)化：通過zemax仿真，將布拉格傾角調(diào)整至45°，實現(xiàn)光束的高效衍射；

46、b.?光柵周期優(yōu)化：微調(diào)光柵周期至800納米，適配特定波長范圍，進一步提高衍射效率。

47、（2）波導(dǎo)參數(shù)優(yōu)化

48、a.?調(diào)整波導(dǎo)厚度與折射率組合，確保光束在多次全內(nèi)反射條件下能量保持率高于95%；

49、b.?優(yōu)化波導(dǎo)幾何尺寸，以平衡光束傳輸效率與設(shè)備緊湊性。

50、（3）光束傳播路徑分析

51、采用高精度光線追蹤技術(shù)分析光束在波導(dǎo)內(nèi)部的傳播路徑，驗證環(huán)境光抑制效果及光束傳輸效率。

52、進一步的，該系統(tǒng)具有以下應(yīng)用場景：

53、（1）增強現(xiàn)實顯示設(shè)備

54、適配復(fù)雜環(huán)境光條件，顯著降低彩虹紋現(xiàn)象，提高顯示穩(wěn)定性，適用于ar眼鏡及頭戴顯示設(shè)備；

55、（2）醫(yī)療成像設(shè)備

56、提供高精度成像，適用于復(fù)雜光源條件下的醫(yī)療顯示和診斷應(yīng)用；

57、（3）工業(yè)導(dǎo)航與顯示

58、適應(yīng)多種復(fù)雜工況，提供穩(wěn)定的視覺輸出，用于工業(yè)導(dǎo)航和精確定位。

59、步驟六，性能驗證：

60、（1）彩虹紋抑制

61、通過優(yōu)化光柵設(shè)計，系統(tǒng)能夠顯著抑制彩虹紋現(xiàn)象，zemax仿真結(jié)果顯示，彩虹紋現(xiàn)象減少提升70%以上；

62、（2）衍射效率

63、仿真結(jié)果表明，pvg結(jié)構(gòu)在多波長范圍內(nèi)的衍射效率超過90%，波導(dǎo)內(nèi)部光束能量損耗控制在5%以內(nèi)。

64、本發(fā)明對比現(xiàn)有技術(shù)具有以下有益效果：

65、本發(fā)明公開了一種基于偏振體積光柵（pvg）技術(shù)的光柵波導(dǎo)裝置及其波導(dǎo)系統(tǒng)，旨在有效抑制增強現(xiàn)實（ar）設(shè)備中因環(huán)境光干擾引發(fā)的彩虹紋現(xiàn)象，從而顯著提升圖像顯示的清晰度與穩(wěn)定性。該光柵波導(dǎo)裝置由波導(dǎo)基體和位于其上的光柵結(jié)構(gòu)組成，光柵結(jié)構(gòu)用于接收來自成像裝置的投射光束，并通過pvg技術(shù)對光束的偏振狀態(tài)進行精確調(diào)制，使得光束在通過光柵結(jié)構(gòu)后形成調(diào)制光束。調(diào)制光束在波導(dǎo)基體內(nèi)部以全反射方式傳播，從而確保光學(xué)路徑的高效傳輸。

66、本裝置的光柵矢量通過對光柵周期、柵線方向和柵線密度的優(yōu)化設(shè)計，在空間中形成單一閉合回路，確保光束傳播路徑的穩(wěn)定性與一致性，有效抑制環(huán)境光衍射對成像質(zhì)量的干擾。與傳統(tǒng)光柵波導(dǎo)裝置不同，本發(fā)明中的pvg技術(shù)能夠顯著減少環(huán)境光引發(fā)的彩虹紋現(xiàn)象，避免衍射光進入用戶的視場，從而在各種光照條件下均能維持穩(wěn)定的圖像質(zhì)量。該光柵波導(dǎo)裝置適用于增強現(xiàn)實顯示系統(tǒng)，不僅能夠提供無失真、無畸變的視覺效果，還可在復(fù)雜環(huán)境光條件下保持良好的顯示效果，極大地增強了用戶的視覺沉浸體驗。

67、利用pvg光柵的偏振選擇特性，系統(tǒng)能夠顯著減少環(huán)境光的干擾，提升顯示效果的穩(wěn)定性與清晰度，尤其在復(fù)雜環(huán)境中表現(xiàn)突出。通過優(yōu)化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和光柵參數(shù)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)小型化設(shè)計，使其更加適合便攜式ar/vr設(shè)備的應(yīng)用，滿足現(xiàn)代便攜設(shè)備對尺寸和性能的雙重需求。該系統(tǒng)能夠支持多波長條件，適應(yīng)不同的光源環(huán)境，滿足多種場景下的光學(xué)應(yīng)用需求，保證在各種環(huán)境條件下都能穩(wěn)定工作。且pvg光柵的設(shè)計使得系統(tǒng)的衍射效率超過90%，從而確保了光束的高效傳輸，提升了整體的光學(xué)性能。這一技術(shù)不僅適用于增強現(xiàn)實顯示、醫(yī)療成像和工業(yè)導(dǎo)航等領(lǐng)域，還能擴展到其他復(fù)雜的光學(xué)應(yīng)用中，具有強大的適用性和市場潛力。