CN104280891A - 实现全息波导光栅大出瞳的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种实现全息波导光栅大出瞳的方法，通过微型显示部分，准直透镜部分以及全息波导光栅部分来实现，利用干涉调制的方法，在指定的平面调制出在不同区域有不同光强的光波，与另一束平面波干涉，实现同时制作衍射效率不同的同一块光栅，从而实现光波的均匀衍射出射，进而实现全息波导光栅大出瞳。本发明提出了设计任意结构的衍射光学元件的方法，并通过实验验证了该方法的可行性。将此方法应用到不同区域具有不同衍射效率的全息光栅的制作，从而实现了均匀出射的大出瞳全息波导成像。

Description

实现全息波导光栅大出瞳的方法

技术领域

本发明涉及一种实现全息波导光栅的方法，尤其涉及一种实现全息波导光栅大出瞳的方法，属于全息波导光栅领域。

背景技术

20世纪初，为了空军在战斗中瞄准的需要，在飞机上安装一个用于瞄准的带准星的瞄准环，类似于早期步枪上简单的瞄准系统，三点成一线就是这种最早期的准平视显示器的工作原理。后来为了减轻飞行员的瞄准负单，就在飞机上安装了其他的瞄准系统，包括奥尔蒂斯瞄准具，实际上是使手持单筒望远镜安装在飞机上，可以使飞行员瞄准使用。第二次世界大战初期，陆续开始出现视准反射式瞄准和伺服光环陀螺瞄准具，主要由环板机构光环偏转部分，光学组件和一块组合玻璃组成。到了20世纪60年代，开始使用电子管和模拟信息处理方法显示和产生信号，使用阴极射线管(CRT)和数字计算机的电子式平视显示器作为图像源，利用光学系统进行显示。传统的头盔显示系统都是由复杂的光学折反射透镜，半透明玻璃组成的，将CRT或者LED产生的图像投射到眼前的显示装置，实现人眼观看。这种显示系统体积大，重量重，包含元件多，非常不利于佩戴。最近，高度集成的全息衍射光学元件被应用于头盔显示系统，极大的集成性使得装置小型，轻便但可以实现全部功能。1989年开始，以色列的Yamitai教授等人提出了全息衍射光学元件应用在头盔显示系统的思想。2000年，Yamitai教授成立LUMUS公司，致力于研究全息波导眼镜，并和美国军方有过合作。2006年，Yamitai等人利用微型的准直透镜和全息光栅的装置实现了图像在波导中的传播及投射。2007年，法国的Optinvent公司成立，致力于研究平板波导显示眼镜。2008年，索尼公司研制出全息波导显示眼镜。2009年，英国的BAE Systems公司开始研制全息波导显示眼镜，计划在2012年，装备给F-35战斗机。2012年，Google公司宣布产品Google眼镜有忘将在年底上市。

虽然全息波导显示眼镜经历了20多年的发展，各大高校和研究所对此展开了很多研究，但仍然存在着很多局限性，阻碍着全息波导显示眼镜的实际应用。例如，全息波导显示眼镜中的光栅对光能的利用率，由于全息光栅的衍射效率较低，而耦合输入和耦合输出光波时，都会伴随着能量损失。因此，如何提高全息光栅的衍射效率，使得能量得到合理利用，成为一个问题。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种实现全息波导光栅大出瞳的方法。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：相较于现有技术，本发明提供的实现全息波导光栅大出瞳的方法，由微型显示部分，准直透镜部分以及全息波导光栅部分来实现，利用干涉调制的方法，在指定的平面调制出在不同区域有不同光强的光波，与另一束平面波干涉，实现同时制作衍射效率不同的同一块光栅，从而实现光波的均匀衍射出射，进而实现全息波导光栅大出瞳。

优选的，上述微型显示部分为微型显示器，所述准直透镜部分为准直透镜组，准直透镜组由多个透镜组成，所述全息波导光栅部分由耦合输入光栅和耦合输出光栅构成。

本发明还保护一种实现全息波导光栅大出瞳的方法，利用干涉调制的方法，在指定的平面调制出在不同区域有不同光强的光波，与另一束平面波干涉，实现同时制作衍射效率不同的同一块光栅，从而实现光波的均匀衍射出射，进而实现全息波导光栅大出瞳；

具体计算不同区域不同衍射效率的方法如下：

要想使光波均与出射，则需要使耦合输出光栅在不同区域有不同的衍射效率，通过公式(1)计算得到在第M个区域的衍射效率ηM为

${\mathrm{\η}}_M=\frac{{\mathrm{\η}}_1}{1-(M-1){\mathrm{\η}}_1}---\left(1\right)$

其中M为衍射输出区域的个数，η1为第一个区域的衍射效率，如果假设在传输中没有损耗以及在最后一个区域完全耦合输出的话，得到(1)

${\mathrm{\η}}_1=\frac{1}{M_{\mathrm{tot}}}---\left(2\right)$

其中Mtot为总的耦合输出区域的个数；

根据耦合波理论，衍射效率的大小和全息记录材料的折射率调制大小有关，如公式(3)：

$\mathrm{\η}={\mathrm{th}}^2\left(\frac{{\mathrm{\πn}}_{\mathrm{nmo}}d}{\mathrm{\λ}{(C_R/C_I)}^{1/2}}\right)---\left(3\right)$

其中nmo为折射率调制度，d为全息记录材料的厚度，λ为波长，CR，CI分别为两束入射光对光栅周期的倾斜度。通过公式可得到折射率调制度；

光强转化为纯相位板计算假设折射率调制度在其与曝光的光强成正比的区间，则根据公式

其中，ξ＝FrT^-1{Ae^iα}，ang(...)是指求幅角，根据解析得到的和得到Ae^iα，

将欲实现的光强转变为两块加载到纯位相SLMs上的相位信息计算出来；

所述实现全息波导光栅大出瞳的方法由微型显示部分，准直透镜部分、全息波导光栅部分以及电脑来实现；

所述全息波导光栅部分与准直透镜部分连接，所述准直透镜部分与微型显示部分连接，所述微型显示部分连接所述电脑；

所述微型显示部分为微型OLED显示器，将微型OLED显示器连接电脑，通过调整显示输出的分辨率800X600，实现电脑中影像在OLED的显示，通过在电脑中通过软件来调节OLED的色彩和对比度，实现OLED对全息波导色散的部分补偿；

所述准直透镜部分为准直透镜组，准直透镜组由多个透镜组成，直径为20mm，焦距为40mm；

所述全息波导光栅部分由耦合输入光栅和耦合输出光栅构成，耦合输入光栅大小为20mm×20mm，耦合输入光栅大小为20mm×50mm，耦合输入光栅和耦合输出光栅距离为30mm，整个玻璃波导的尺寸为40mm×110mm，厚度为2.5mm，在指定的平面调制出在不用区域有不同光强的光波，与另一束平面波干涉，实现同时制作衍射效率不同的同一块光栅，实现光波的均匀衍射出射，制作得到所述耦合输入光栅和耦合输出光栅；

从微型显示部分发出的光经过准直透镜部分后成为平行光，进而照射到耦合输入全息波导光栅部分，经过全息波导光栅部分衍射，平行光改变传播方向，耦合基础光波导，在光波导中通过全反射原理实现传播，并在耦合输出光栅衍射输出进入人眼。

本发明提出了设计任意结构的衍射光学元件的方法，并通过实验验证了该方法的可行性。将此方法应用到不同区域具有不同衍射效率的全息光栅的制作，从而实现了均匀出射的大出瞳全息波导成像。

附图说明

图1为大出瞳出射原理图；

图2为不同区域衍射效率图；

图3为不同区域折射率调度图；

图4为数值模拟所得位相板图；

图5a和5b为数值模拟效果图；

图6a为归一化曝光光强误差分析图；

图6b为折射率调制度误差分析图。

具体实施方式

本发明提供一种实现全息波导光栅大出瞳的方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

本实施例公开的实现全息波导光栅大出瞳的方法，通过微型显示部分，准直透镜部分以及全息波导光栅部分来实现，利用干涉调制的方法，在指定的平面调制出在不同区域有不同光强的光波，与另一束平面波干涉，实现同时制作衍射效率不同的同一块光栅，从而实现光波的均匀衍射出射，进而实现全息波导光栅大出瞳。

如图1所示，要想使得全息波导光栅具有大出瞳的性质，最主要的问题是使多次全反射耦合出射的光强均一，这样就需要每次耦合输出的衍射效率不同，如果利用传统的全息制作方法，很难实现同时制作的光栅在不同处有不同的衍射效率。Leon Eisen等人在制作全息光栅时，利用了灰度不同的掩模板对光的强度进行调制，从而实现不同的出射区域有不同的衍射效率。但此种方法掩模板的加工会带来一系列误差，尤其是会出现边缘的衍射，而且成本比较高，制作工艺繁琐。本发明提出的利用干涉调制的方法，可以在指定的平面调制出在不用区域有不同光强的光波，与另一束平面波干涉，可以实现同时制作衍射效率不同的同一块光栅，从而实现光波的均匀衍射出射。

1.不同区域不同衍射效率的计算

要想使光波均与出射，则需要使耦合输出光栅在不同区域有不同的衍射效率，可以通过如下公式计算得到在第M个区域的衍射效率ηM为

${\mathrm{\η}}_M=\frac{{\mathrm{\η}}_1}{1-(M-1){\mathrm{\η}}_1}---\left(1\right)$

其中M为衍射输出区域的个数，η1为第一个区域的衍射效率，如果假设在传输中没有损耗以及在最后一个区域完全耦合输出的话，可以得到(1)

${\mathrm{\η}}_1=\frac{1}{M_{\mathrm{tot}}}---\left(2\right)$

其中Mtot为总的耦合输出区域的个数。整体的耦合输出衍射效率如图2所示。

根据耦合波理论，衍射效率的大小和全息记录材料的折射率调制大小有关，如下公式：

$\mathrm{\η}={\mathrm{th}}^2\left(\frac{{\mathrm{\πn}}_{\mathrm{nmo}}d}{\mathrm{\λ}{(C_R/C_I)}^{1/2}}\right)---\left(3\right)$

其中nmo为折射率调制度，d为全息记录材料的厚度，λ为波长，CR，CI分别为两束入射光对光栅周期的倾斜度。通过公式可得到折射率调制度，通过公式(1)，(2)，(3)可以得到折射率调制度如图3所示。

光强转化为纯相位板计算假设折射率调制度在其与曝光的光强成正比的区间，则根据公式

其中，ξ＝FrT^-1{Ae^iα}，ang(...)是指求幅角，根据解析得到的和得到Ae^iα，

可以将欲实现的光强转变为两块加载到纯位相SLMs上的相位信息计算出来。

3.误差的分析计算

定义了如下公式来分析误差

$\mathrm{Err}=\frac{\mathrm{\Σ}|I^{\′}(m,n)-I(m,n)|}{\mathrm{\ΣI}(m,n)}\×100\%---\left(4\right)$

其中I′(m，n)为加入误差之后的强度分布，I(m，n)为没有加入强度之后的误差分布。

4.数值模拟

为了验证此方法的可行性，本发明进行了数值模拟计算，采用的参数为：波长为632.8nm，SLM和全息干板的距离为200mm，像素尺寸为500×2100，SLMs的尺寸均为76.8mm×76.8mm。计算可得到加载到空间光调制器上的纯位相分布如图4所示。

两者通过干涉，可以在干涉的平面生成光强如图5的结果。在没有考虑误差的情况下，与设计的光强完全吻合。如果考虑到实验中遇到的误差，例如，如果5％的随机波动被加入到原始的纯位相中，可以得到光强分布和折射率调制度，如图6所示。利用公式(1)所计算的误差为1.4％。经过多次模拟，误差大概落在了1.1％-4.2％之间。这意味这在实验中遇到的小量位相的波动所带来的误差基本可以忽略。关于实验中对准引起的误差也进行了模拟，如果对准便宜量为0.1％的话，误差可以达到19.7％，这说明此实验对两个空间光调制器的对准要求非常高，这也是光学实验中的一个难题。最后也模拟了两个空间光调制器的倾斜角对误差的影响，当倾斜角为0.5％时，误差可达到11.4％，也可知道，这种方法对SLMs的倾斜度的要求也很高。所以在实际进行光学实验时，可以采用两次曝光的技术。

本发明利用了两个空间光调制器的干涉原理，可以得到所需要的不同区域有不同光强的波前，从而记录了不同区域有不同衍射效率的全息光栅，实现均匀的耦合出射，进而实现大出瞳出射。此方法简单实用，并且精确。通过数值模拟分析了其可行性，并且分析了各种实验中可能的误差对实验结果的影响。

本发明提出了设计任意结构的衍射光学元件的方法，并通过实验验证了该方法的可行性。将此方法应用到不同区域具有不同衍射效率的全息光栅的制作，从而实现了均匀出射的大出瞳全息波导成像。

本发明提出了设计任意结构的衍射光学元件的方法，并通过实验验证了该方法的可行性。将此方法应用到不同区域具有不同衍射效率的全息光栅的制作，从而实现了均匀出射的大出瞳全息波导成像。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种实现全息波导光栅大出瞳的方法，其特征在于：所述实现全息波导光栅大出瞳的方法通过微型显示部分，准直透镜部分以及全息波导光栅部分来实现，利用干涉调制的方法，在指定的平面调制出在不同区域有不同光强的光波，与另一束平面波干涉，实现同时制作衍射效率不同的同一块光栅，从而实现光波的均匀衍射出射，进而实现全息波导光栅大出瞳。

2.如权利要求1所述的实现全息波导光栅大出瞳的方法，其特征在于：所述微型显示部分为微型显示器，所述准直透镜部分为准直透镜组，准直透镜组由多个透镜组成，所述全息波导光栅部分由耦合输入光栅和耦合输出光栅构成。

3.一种实现全息波导光栅大出瞳的方法，其特征在于：所述实现全息波导光栅大出瞳的方法利用干涉调制的方法，在指定的平面调制出在不同.区域有不同光强的光波，与另一束平面波干涉，实现同时制作衍射效率不同的同一块光栅，从而实现光波的均匀衍射出射，进而实现全息波导光栅大出瞳；

具体计算不同区域不同衍射效率的方法如下：

要想使光波均与出射，则需要使耦合输出光栅在不同区域有不同的衍射效率，通过公式(1)计算得到在第M个区域的衍射效率ηM为

${\mathrm{\η}}_M=\frac{{\mathrm{\η}}_1}{1-(M-1){\mathrm{\η}}_1}---\left(1\right)$

其中M为衍射输出区域的个数，η1为第一个区域的衍射效率，如果假设在传输中没有损耗以及在最后一个区域完全耦合输出的话，得到(1)

${\mathrm{\η}}_1=\frac{1}{M_{\mathrm{tot}}}---\left(2\right)$

其中Mtot为总的耦合输出区域的个数；

根据耦合波理论，衍射效率的大小和全息记录材料的折射率调制大小有关，如公式(3)：

$\mathrm{\η}={\mathrm{th}}^2\left(\frac{\mathrm{\π}{n}_{\mathrm{nmo}}d}{\mathrm{\λ}{(C_R/C_I)}^{1/2}}\right)---\left(3\right)$

其中nmo为折射率调制度，d为全息记录材料的厚度，λ为波长，CR，CI分别为两束入射光对光栅周期的倾斜度。通过公式可得到折射率调制度；

光强转化为纯相位板计算假设折射率调制度在其与曝光的光强成正比的区间，则根据公式

其中，ξ＝FrT^-1{Ae^ia}，ang(...)是指求幅角，根据解析得到的和得到Ae^ia，

将欲实现的光强转变为两块加载到纯位相SLMs上的相位信息计算出来；

所述实现全息波导光栅大出瞳的方法通过微型显示部分，准直透镜部分、全息波导光栅部分以及电脑来实现；

所述全息波导光栅部分与准直透镜部分连接，所述准直透镜部分与微型显示部分连接，所述微型显示部分连接所述电脑；

所述微型显示部分为微型OLED显示器，将微型OLED显示器连接电脑，通过调整显示输出的分辨率800X600，实现电脑中影像在OLED的显示，通过在电脑中通过软件来调节OLED的色彩和对比度，实现OLED对全息波导色散的部分补偿；

所述准直透镜部分为准直透镜组，准直透镜组由多个透镜组成，直径为20mm，焦距为40mm；

所述全息波导光栅部分由耦合输入光栅和耦合输出光栅构成，耦合输入光栅大小为20mm×20mm，耦合输入光栅大小为20mm×50mm，耦合输入光栅和耦合输出光栅距离为30mm，整个玻璃波导的尺寸为40mm×110mm，厚度为2.5mm，在指定的平面调制出在不用区域有不同光强的光波，与另一束平面波干涉，实现同时制作衍射效率不同的同一块光栅，实现光波的均匀衍射出射，制作得到所述耦合输入光栅和耦合输出光栅；

从微型显示部分发出的光经过准直透镜部分后成为平行光，进而照射到耦合输入全息波导光栅部分，经过全息波导光栅部分衍射，平行光改变传播方向，耦合基础光波导，在光波导中通过全反射原理实现传播，并在耦合输出光栅衍射输出进入人眼。