CN104280892A - 利用双透射式全息光栅消色差系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用双透射式全息光栅消色差系统，包括OLED显示屏、光栅G1和光栅G2，所述OLED显示屏的长边为l＝7.62mm，距离光栅G1的垂直距离为Z₁＝70mm，光栅G1的周期为d₁＝430.00 nm，光栅G2周期d₂＝457.64 nm。本发明提供的利用双透射式全息光栅消色差系统及方法，验证了双光栅成像消色差的理论，如果将其传播放入平面光波导，只是改变了光波的传输方式，可以满足全息光波导消色差的目标。

Description

利用双透射式全息光栅消色差系统及方法

技术领域

本发明涉及一种利用双透射式全息光栅消色差系统及方法，属于全息波导光栅领域。

背景技术

全息波导光栅利用光栅的衍射原理，将衍射光通过全反射原理，使其进入玻璃基底中形成波导进行传播，当遇到另一块光栅后，则同样通过光栅的衍射原理，从波导中出射进入人的眼睛。这样人可以透过玻璃观察到远处的景物，又可以同时观察由波导传输形成的图像。

全息记录按其物理意义可被称为波前的记录和重现，是1948年英国物理学家丹尼斯·盖伯在1948年提出的。盖伯从理论和实验上证明，用一个参考光波和物体的衍射光波(物光波)干涉，可以完全记录物光波的振幅和相位信息，并且由此干涉图可以对照明光波进行衍射，从而再现原来的物光波，及物体的像。

波前记录从光的干涉基本原理理论可知，双光束干涉的强度分布于两束光的位相差有关，等强度线即是等相位差线。如果一束相干光为简单光波(比如平面波或者球面波)，它在记录平面的位相分布为已知，于是干涉强度分布就和另一束的位相分布具有简单的对应关系。利用参考光和物光波的干涉可以实现对物光波位相的编码。

波前的重现是以全息图对再现光波的衍射为基础。为此，用一束相干光波照射全息图，如果再现光波就是记录是的参考光波，这正是原始物体光波的重现。对观察者来说，由全息图重现的物光波和从原始物体发出的物光波是没有区别的。

光在传播路径中，遇到不透明或透明的障碍物，绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象称为光的衍射。惠更斯提出，媒质上波阵面上的各点，都可以看成是发射子波的波源，其后任意时刻这些子波的包迹，就是该时刻新的波阵面。惠更斯-菲涅尔原理能定性地描述衍射现象中光的传播问题。菲涅尔充实了惠更斯原理，他提出波前上每个面元都可视为子波的波源，在空间某点P的振动是所有这些子波在该点产生的相干振动的叠加，称为惠更斯-菲涅尔原理。

根据光栅的标量衍射理论，可得：

d(nsinβ_diff，k+sinθ_inc)＝kλ其中d为光栅的周期，k为衍射级次，n为波导介质的折射率，βdiff，k为波导中的第k级衍射角，θinc为入射角，λ为波长。

耦合波理论是从麦克斯韦方程出发，根据记录介质在有调制的情况下的电学或者光学常数，直接解出方程组，可以求出在各种情况下衍射效率。

耦合波理论假设接近布拉格角的单波长光入射到体积全息光栅中，只有两束光被假设出现在光栅中，一束为入射的参考光波，另一束为信号光波。只有满足或者至少近似满足布拉格条件的光波才会被考虑，其他的多级衍射或者强烈的违背了布拉格条件的将不被考虑。这些假设使得耦合波理论只对体积全息光栅适用。

物光波和参考光波相干叠加，在三维空间形成了干涉场，如果这些干涉场被厚的全息记录材料记录下来，则全息图上的干涉条纹则为三维干涉场的等强度面与记录材料的截面。一般全息记录材料的厚度大于干涉条纹空间周期，甚至全息材料的厚度超过50个条纹间距。这种情况下，平面全息图的衍射机理将不再适用，必须考虑全息图的三维特性，这种建立在三维模型基础上的全息图称为体积全息图。

当两束光从记录材料的同一侧入射时，再现时要在照明光波的透射方向观察，称为透射式体积全息图。如图记录光波分别从介质的两侧入射时，则在现实要从照明光波的反射方向观察，这种全息图称为反射式全息图。图中的虚线表示等强度面。对称记录的点基元体积全息图，其等强度面是一组与光轴平行或者垂直的平行等间距的平面条纹。

当照明光波进入体积全息图以后，将在全息光栅的每一个点处发生衍射，引起入射波和衍射波之间的能量耦合。因此描述照明光波在体积全息图中的传播，必须应用非均匀介质中的麦克斯韦方程和相应的边界条件。耦合波理论即是这样一种衍射理论，它通过求解非均匀介质中的麦克斯韦方程，从而得出不同类型体积全息图衍射效率的解析表达式。

目前的消色差的方法是利用了全息材料，对全息材料进行曝光实现一层体积全息光栅进行消色差，但是这种方式实施较为复杂，对材料也有极大的浪费。

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

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，本发明提供的利用双透射式全息光栅消色差系统包括OLED显示屏、光栅G1和光栅G2，所述OLED显示屏的长边为1＝7.62mm，距离光栅G1的垂直距离为Z1＝70mm，光栅G1的周期为d1＝430.00nm，光栅G2周期d2＝457.64nm。

本发明还提供一种利用双透射式全息光栅消色差方法，包括发光源、光栅G1和光栅G2，其中

所述发光源为白光LED手电筒，所述光栅G1和光栅G2均为全息波导光栅，白光LED手电筒发出的光经过光栅G1衍射，产生一级多色光谱，被光栅G2接收，并产生负一级衍射，进入人眼睛，由于光栅的光谱汇聚作用，人眼看到完全消色差的白色手电筒像；

所述全息透射式光栅G1，G2周期分别为d1＝632nm，d2＝1822nm，所述LED手电筒与光栅G1和光栅G2的垂直距离分别为z1＝70.00mm，z2＝201.55mm，手电筒的直径为25mm。

本发明提供的利用双透射式全息光栅消色差系统及方法，验证了双光栅成像消色差的理论，如果将其传播放入平面光波导，只是改变了光波的传输方式，可以满足全息光波导消色差的目标。

附图说明

图1为双光栅成像原理图；

图2为波导双光栅成像示意图；

图3为波导双光栅光路示意图；

图4a为手电筒原始像效果图；

图4b为成像效果图；

图5a为全息记录光路原理图；

图5b为全息记录实际光路图；

图6a为波导双光栅验证光路示意图；

图6b为波导双光栅实际光路示意图；

图7a为手电筒原始像实验效果图；

图7b为消色差后成像效果图；

具体实施方式

本发明提供一种利用双透射式全息光栅消色差系统，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

全息记录材料，曝光光强，曝光时间，曝光时环境的稳定程度，后期的显影定影都会对衍射效率的提高有所影响。分别采用了银盐干板和光致聚合物作为全息记录材料。激光器发出的光经过分束镜后，形成两束，分别通过滤波器形成均匀的球面波，再经过准直透镜形成平面波，然后经过平面反射镜，在全息干板的记录平面交汇。两束光的偏振方向一致，两束光的光强相同。

透射式全息光栅一般可以看作平面光栅，根据光栅方程公式和光路的可逆性，光栅具有汇聚光谱的作用。根据此效应，可得出光栅成像的基本原理。如图1所示，位于原点O的物体所发出的光通过光栅G1产生光谱向前传播到达光栅G2，通过光栅G2的光谱汇聚，即可得到白色的图像进入观察人的眼睛。

为使得光谱可以正好汇聚，则从光栅方程和光路几何关系可以很容易得到如下关系式：

$\frac{k_1{z}_1}{d_1}=-\mathrm{\α}\frac{k_2{z}_2}{d_2}---\left(1\right)$

其中，k₁，d₁，z₁分别为光栅G1的衍射级次，空间周期以及物体到光栅G1平面的垂直距离；k₂，d₂，z₂分别为光栅G2的衍射级次，空间周期以及物体到光栅G2平面的垂直距离。α为与两光栅平面的夹角有关的系数，当两光栅平行时，α＝1。

根据全息波导成像原理和双光栅成像原理，设计了一套系统，利用透射式全息光栅，实现波导消色差成像。

如图2所示，采用标准的小型OLED显示屏，长边为1＝0.31英寸(7.62mm)，距离全息波导光栅G1的垂直距离为Z₁＝70mm。玻璃基底厚度L＝3mm，折射率n＝1.5。由于所以入射角可以近似为0。为使玻璃基底中的光波传播满足全反射条件，则必须满足公式

对于三色光波，波长分别为632.8nm，533nm，432nm的衍射角均需大于全反射角设计光栅G1的周期为d₁＝430.00nm，则可根据光栅衍射方程，

d(nsinβ_diff，k+sinθ_inc)＝kλ，其中d为光栅的周期，k为衍射级次，n为波导介质的折射率，β_diff，k为波导中的第k级衍射角，θ_inc为入射角，λ为波长。

可计算得，三波长对应的衍射角分别为78.84°，55.72°，42.04°，均可满足全反射条件。为使此系统具有汇聚光谱消色差的功能则必须满足公式(1)，当α＝1，k₁＝1，k₂＝-1时，公式(1)可写为

$\frac{z_1}{d_1}=\frac{z_1+(M+1)S}{d_2}$

其中，M为全反射的次数，S为光波在波导中水平方向单次反射通过的光程。可通过如下公式求得

S＝Ln  (3)

当L＝3mm，n＝1.5时，S＝4.5mm。当M＝1时，可求得光栅G2周期d₂＝457.64nm。因此当光波通过光栅G2耦合输出进入人眼，可以得到完整的消色差白色图像。通过以上理论分析，可以得知，这样设计的系统可以满足全息光波导消色差的目标。

将全息光波导光路展开，则可得初步验证实验装置如图3所示，白光LED手电筒发出的光经过光栅G1衍射，产生一级多色光谱，被光栅G2接收，并产生负一级衍射，进入人眼睛，由于光栅的光谱汇聚作用，人眼可以看到完全消色差的白色手电筒像。参数为：全息透射式光栅G1，G2周期分别为d₁＝632nm，d₂＝1822nm，LED手电筒与光栅G1和光栅G2的垂直距离分别为z₁＝70.00mm，z₂＝201.55mm，手电筒的直径为25mm。

最后所得的成像结果如图4所示。从图中可以看出，可以完全得到消色差后的白色图像。其中，由于没有使用精密的距离测量和调节装置，没有能完全满足公式(2)，所以会出现微小的色模糊使得分辨率不是太高。另外，由于光栅是使用全息技术制作的，所以在制作过程中，光束的角度测量难免会出现误差，使得光栅的周期与设计的周期出现偏差。记录全息光栅的过程中空气的扰动，平台的微震以及化学显影定影漂白过程都会对光栅的精细度产生影响，初步实验验证了双光栅成像消色差的理论，如果将其传播放入平面光波导，只是改变了光波的传输方式，也会实现同样的效果。

本发明采用全息光栅的制作方法，根据薄全息图记录角度和光栅周期的公式

$2d\sin \frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rec}}}{2}={\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rec}}$

其中d为记录的光栅周期，θ_rec为记录时两束光在介质中的夹角，λ_rec为记录波长。其中记录波长为532nm，要想得到光栅周期430nm和457nm，可计算得到在介质外的光波夹角分别为68.1，60.8。实验光路如图5所示。制作出了全息波导双光栅采用如图6的实验光路检验效果。手电筒发出的光通过第一块光栅进入波导中传播，在经过一次全发射之后，被第二块光栅衍射出波导，进入人眼。效果如图7所示。

图中的理想像点基本为白色，达到了消色差的目的。图中多个像是由于全息波导的多次全反射造成的，如果耦合出射光栅的尺寸合适，则不会出现多次全反射像。图像的模糊是由于银盐干板的不平整以及在制作过程中微小的波动所造成的，如果采用更精密的制作仪器以及更稳定的环境，图像的模糊度会有很大的改善。

本发明提供的利用双透射式全息光栅消色差系统及方法，验证了双光栅成像消色差的理论，如果将其传播放入平面光波导，只是改变了光波的传输方式，可以满足全息光波导消色差的目标。

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 (2)

1.一种利用双透射式全息光栅消色差系统，其特征在于：包括OLED显示屏、光栅G1和光栅G2，所述OLED显示屏的长边为1＝7.62mm，距离光栅G1的垂直距离为Z₁＝70mm，光栅G1的周期为d₁＝430.00nm，光栅G2周期d₂＝457.64nm。

2.一种利用双透射式全息光栅消色差方法，包括发光源、光栅G1和光栅G2，其特征在于：

所述发光源为白光LED手电筒，所述光栅G1和光栅G2均为全息波导光栅，白光LED手电筒发出的光经过光栅G1衍射，产生一级多色光谱，被光栅G2接收，并产生负一级衍射，进入人眼睛，由于光栅的光谱汇聚作用，人眼看到完全消色差的白色手电筒像；

所述全息透射式光栅G1，G2周期分别为d₁＝632nm，d₂＝1822nm，所述LED手电筒与光栅G1和光栅G2的垂直距离分别为Z₁＝70.00mm，Z₂＝201.55mm，手电筒的直径为25mm。