CN106406061B - 一种体全息元件制作方法 - Google Patents
一种体全息元件制作方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106406061B CN106406061B CN201611033273.1A CN201611033273A CN106406061B CN 106406061 B CN106406061 B CN 106406061B CN 201611033273 A CN201611033273 A CN 201611033273A CN 106406061 B CN106406061 B CN 106406061B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- volume
- holographic
- substrate
- layer
- information layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 43
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 53
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 50
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 57
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 14
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 11
- 108010010803 Gelatin Proteins 0.000 claims description 6
- 239000008273 gelatin Substances 0.000 claims description 6
- 229920000159 gelatin Polymers 0.000 claims description 6
- 235000019322 gelatine Nutrition 0.000 claims description 6
- 235000011852 gelatine desserts Nutrition 0.000 claims description 6
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims description 6
- -1 silver halide Chemical class 0.000 claims description 4
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 3
- SOCTUWSJJQCPFX-UHFFFAOYSA-N dichromate(2-) Chemical compound [O-][Cr](=O)(=O)O[Cr]([O-])(=O)=O SOCTUWSJJQCPFX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 claims description 3
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 3
- GGCZERPQGJTIQP-UHFFFAOYSA-N sodium;9,10-dioxoanthracene-2-sulfonic acid Chemical compound [Na+].C1=CC=C2C(=O)C3=CC(S(=O)(=O)O)=CC=C3C(=O)C2=C1 GGCZERPQGJTIQP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 206010034972 Photosensitivity reaction Diseases 0.000 claims description 2
- 230000036211 photosensitivity Effects 0.000 claims description 2
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 claims 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 56
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 21
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 18
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 12
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 10
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 9
- 230000003190 augmentative effect Effects 0.000 description 8
- 238000001093 holography Methods 0.000 description 8
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 7
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 6
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 6
- 239000010408 film Substances 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 5
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 5
- 238000003491 array Methods 0.000 description 4
- 241000283070 Equus zebra Species 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 239000000306 component Substances 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 210000001525 retina Anatomy 0.000 description 2
- 230000004256 retinal image Effects 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N argon Substances [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 1
- 239000008358 core component Substances 0.000 description 1
- 238000007723 die pressing method Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 210000003128 head Anatomy 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 239000005304 optical glass Substances 0.000 description 1
- 229920006267 polyester film Polymers 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 238000011002 quantification Methods 0.000 description 1
- 238000013139 quantization Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/18—Diffraction gratings
- G02B5/1847—Manufacturing methods
- G02B5/1857—Manufacturing methods using exposure or etching means, e.g. holography, photolithography, exposure to electron or ion beams
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/18—Diffraction gratings
- G02B5/1876—Diffractive Fresnel lenses; Zone plates; Kinoforms
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/32—Holograms used as optical elements
-
- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
- G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
- G03H1/02—Details of features involved during the holographic process; Replication of holograms without interference recording
- G03H1/024—Hologram nature or properties
- G03H1/0248—Volume holograms
Abstract
本发明公开了一种体全息元件，其包括至少一像素化的信息层和至少一基材层，信息层设置于基材层上，或者信息层设置于相邻的两基材层之间；从体全息元件的剖面看，其信息层具有阵列分布的像素化的条纹面，每个像素内部的条纹面具有周期性，并且与基片平面具有夹角，每个像素为反射布拉格体光栅。本发明还公开了一种像素化反射体全息元件的制作方法和制作系统。本发明通过干涉光束调控、在体全息记录材料的感光层上进行像素化拼接曝光，经后续化学或物理处理，构成复杂光学参数的像素化的反射体全息光学元件。
Description
技术领域
本发明涉及一种体全息元件，具体涉及一种像素化反射体全息元件制作方法。
背景技术
全息(Holography)是一种实现光场记录和再现的专业技术，按照全息材料的不同，分为平面全息和体全息技术。
近20-30年，平面全息技术在光谱测量用光栅、模压全息等领域实现了广泛的商业化应用，并成功实现了数字化制备，极大推进了该技术的应用范围。
体全息技术可以分为两个方向，一是三维体全息照相技术，二是体全息光学元件。
三维体全息照相技术：能够实现逼真的三维显示，美国Zebra公司，发明了数字化制备技术，但受制于三维全息图实际应用的局限性(观赏价值)，该技术并没有规模化推广和应用。
体全息光学元件，当前的制备方法是在光学平台上进行干涉记录，主要应用是体全息光栅。特别是反射体全息元件，具有独特的高衍射效率、具有特定波长的选择性全反射成像和其他波长的透射光学特性。
早在1978年，美国专利US4218111就披露了飞机全息抬头显示方案。近年来，体全息光学元件在汽车HUD、增强现实头盔等多领域应用的研究，使之再度成为了热点。
博士公司发明了具有全息元件的HUD(PCT/EP2012/054788，WO2012156124 A1)，利用全息光学元件来降低抬头显示器的空间需求，但并未将全息元件应用在挡风玻璃上。
德尔福(Delphi)公司提出了一种采用反射体位相光栅(RVPG)的汽车HUD结构，描述了用模压的方法制备反射体位相光栅(EP2469324A1)。
索尼公司发明了虚拟显示装置(PCT/JP2005/005761),其中采用波导型反射体全息元件，提出采用多个全息层的叠置体形式，满足不同频带(波长)入射的平行光束。
美国专利US20140168735A1，提出了一种具有角度复用结构体光栅的波导型近眼显示方案，可扩大视场角。
美国专利US20100186818A1，提出了一种太阳能电池的光收集方法，利用波导布拉格体光栅进行光线收集和在波导结构中传播，最后达到电池芯片，同时利用体光栅的优化结构，该方法可以收集多种角度入射的太阳光。
所以，反射体全息光学元件在光场调制方面的特殊优点，已经在飞机平显系统推广应用，并且随着反射体全息元件技术的进一步创新，将尤其适用于汽车抬头显示器(HeadUp Display)、增强现实显示(Augmented Reality Display)和虚拟现实显示等领域然而，上述现有技术均未涉及反射体全息元件的具体实现方法。
现有技术中的全息光学器件的制作，都采用在光学平台上搭建干涉光路，在全息记录材料上一次性曝光，形成整体干涉条纹分布，经后续工艺处理，完成全息光学元件的制备。但是该方法可靠性差，造成制作的良率低，短焦、多焦点等参数灵活性方面也具有局限性，所以向更多的创新应用拓展能力不强。
发明专利US20090304331，US7792003B2，CN102652384A描述了制作体全息光栅的方法，但都是针对特定器件的方法，这些方法不具有通用性。
在体全息数字化制备技术方面，
Zebra公司的方法(Apparatus and method for replicating a hologram usinga steerable beam US6266167B1)是用空间光调制器产生物光，与固定方向的参考光干涉，用于数字化三维全息图，并不能用于体全息光学元件。
上海大学提出了“一种大幅面数字化全息打印装置和方法”(201510637022.3)，属于全息3D显示领域，与Zebra公司的方法属于同一领域。
在体全息元件领域，目前未见提出像素化体全息元件的相关方案，现有技术中用光学平台制作体全息光学元件，具有几个方面的缺点：
1)受光源功率和光学系统口径的限制，幅面无法做大，一般都在200mm以下幅面；
2)光学平台干涉制作，需要长时间曝光，稳定性不足，成品率低；
3)受光路中光学器件尺寸、焦距等参数的限制，全息光学元件的参数调控困难；
4)传统光路的元器件固定，全息记录过程不易变化，所以制备短焦距、多焦点、渐变焦距、多波长等特殊的全息光学元件难度更大。
上述问题限制了体全息元件的应用，使其优越性得不到充分发挥。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种体全息元件及其制作方法和制作系统，通过在体全息感光材料上进行干涉光束调控，像素化拼接曝光制作，最终构成具有复杂光学参数的反射体全息光学元件。本发明提出的这种新型体全息光学元件，将在增强现实、汽车抬头显示等领域具有重要应用价值。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种体全息元件，包括至少一像素化的信息层和至少一基材层，信息层设置于上述基材层上。
进一步地，上述体全息元件的信息层剖面具有像素化的条纹面，条纹面具有周期性，并且条纹面与基材层所在的平面具有夹角。
进一步地，上述条纹面与基材层所在的平面的夹角为0-85度之间。
进一步地，每个上述条纹面的周期范围为130nm～5um。
进一步地，上述基材层设置有两层，上述信息层设置于两上述基材层之间。
进一步地，还包括基片，上述信息层和上述基材层设置于基片上。
进一步地，上述体全息元件还包括保护层，保护层设置于基材层和信息层相对于基片的另一侧。
进一步地，上述基材层为薄膜或玻璃。
进一步地，上述信息层为光致聚合物、重铬酸明胶、卤化银材料或者光折变玻璃基片的任意一种体全息材料。
进一步地，上述体全息材料的厚度10um-150um，可感光范围400nm-650nm。
本发明还公开了一种上述体全息元件制作方法，通过至少两束细光束从体全息记录材料的两面分别入射，形成干涉区域，记录体光栅像素，材料与像素步进移动，通过二维拼接记录，完成具有一定幅面的反射体全息元件制作。
进一步地，入射的光束有两个角度参数，一是入射光束与材料表面法线的夹角θ，二是入射光束的方向角α，入射光路的入射点为o，θ和α这两个参数确定了入射光束的方向，第一入射光束和第二入射光束的入射角度参数分别为θ1、α1和θ2、α2，θ1、α1和θ2、α2，结合体光栅像素的坐标x、y，形成了六个独立变量，根据预先设计的数据规律量化这些变量之间的对应关系，将体光栅像素拼接记录。
进一步地，上述体全息记录材料为银盐乳剂、重铬酸盐明胶、光折变玻璃、光折变晶体或光致聚合物的任意一种。
本发明还公开了一种上述体全息元件的制作系统，制作系统包括：
光源；
外光路，用于实现反射、分束、扩束基本功能的光路结构；
至少两光束调控单元，用于实现全息记录光束的角度的调节，并且在调控过程中保持记录点位置不变；
载物台，用于放置体全息记录材料，作步进运动，实现像素拼接功能；
控制单元，根据预先给定的数据，发出相应的调控指令；
驱动单元，接收控制单元的指令，实现驱动作用。
进一步地，上述光源为激光器。
进一步地，，上述光束调控单元包括光学零件和精密运动零件，实现入射光束与材料表面法线的夹角和入射光束的方向角的调节，通过驱动位相光学元件在光路上位置和旋转角度，在记录面像素内部形成不同取向的干涉条纹面。
本发明提供的体全息元件及其制作方法和制作系统，通过专门设计的光机电一体化系统，进行干涉光束调控，在体全息感光材料上进行像素化拼接曝光，经后续处理，最终构成具有复杂光学参数的像素化反射体全息光学元件，本发明提出了一种新的体全息光学元件，将在增强现实、汽车抬头显示等领域具有重要应用价值。建立数字化反射全息干涉直写系统，通过角度和方向可调控的相干光束，在体全息材料内部形成具有不同周期和取向的像素化干涉条纹面分布和像素化阵列分布，构成反射体全息元件。通过上述技术手段，本发明具有如下优点：设计指定的反射成像功能、可以有更高的均匀性、更短焦距、更大幅面，一个及以上的成像焦点、一种及以上的颜色反射成像、可以同轴也可离轴反射成像和同时其他波长光全透射，几乎对特定波长的全反射成像效率和其它波长的几乎全透射功能。
附图说明
图1为本发明实施例中像素结构反射体全息元件示意图。
图2为本发明实施例中反射体全息元件剖面示意图。
图3为本发明实施例中一种实施方式下像素化反射体全息元件的结构示意图。
图4为本发明实施例中另一种实施方式下像素化反射体全息元件的结构示意图。
图5为本发明实施例中另一种实施方式下像素化反射体全息元件的结构示意图。
图6为本发明实施例中另一种实施方式下像素化反射体全息元件的结构示意图。
图7为本发明实施例中光束的入射示意图1。
图8为本发明实施例中光束的入射示意图2。
图9为本发明实施例中光束的入射示意图3。
图10为本发明实施例中光束的入射示意图4。
图11为本发明实施例中光束的入射示意图5。
图12为本发明实施例中一种实施方式下像素化反射体全息制作系统的结构示意图。
图13为本发明实施例中另一种实施方式下像素化反射体全息制作系统的结构示意图。
图14为本发明实施例中另一种实施方式下像素化反射体全息制作系统的结构示意图。
图15为本发明实施例中一种实施方式下体全息记录材料的入射示意图。
图16为本发明实施例中另一种实施方式下体全息记录材料的入射示意图。
图17为本发明实施例中另一种实施方式下体全息记录材料的入射示意图。
图18为本发明实施例中像素化反射体全息元件的光线调制示意图。
图19为本发明实施例中一种实施方式下亚像素化反射体全息元件的光线调制示意图。
图20为本发明实施例中另一种实施方式下亚像素化反射体全息元件的光线调制示意图。
图21为本发明实施例中一种实施方式下体全息光学元件的人眼视网膜成像示意图。
图22为本发明实施例中另一种实施方式下体全息光学元件的人眼视网膜成像示意图。
图23为本发明实施例中另一种实施方式下体全息光学元件的人眼视网膜成像示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。
本实施例主要描述了一种像素化反射体全息元件，形成具有上述功能的反射成像和前方光的透射功能。该像素化反射体全息元件由基材、基材上的体全息信息层组成，在信息层内部的反射全息像素阵列，像素单元中含有一系列干涉条纹面，干涉条纹面平行或与基材表面有夹角，这些阵列分布的、具有不同参数的像素单元，不但可以实现传统体全息元件的功能，还可实现复杂焦距、多焦点等光学参数的调控，夹角变化和分布取决于反射体全息元件的成像特性需求。
本发明同时提出上述像素化反射体全息元件的制备方法，建立数字化反射全息干涉直写系统，通过角度和方向可调控的相干光束，在体全息材料内部形成具有不同周期和取向的像素化干涉条纹面分布和像素化阵列分布，构成反射体全息元件。
通过上述全息元件结构和制备方法，具有如下优点：设计指定的反射成像功能、可以有更高的均匀性、更短焦距、更大幅面，一个及以上的成像焦点、一种及以上的颜色反射成像、可以同轴也可离轴反射成像和同时其他波长光全透射，几乎对特定波长的全反射成像效率和其它波长的几乎全透射功能，给反射体全息元件设计和应用带来灵活性。
下面将通过具体实施例，加以详细描述。
1)像素化反射体全息元件结构
如图1-2所示，本实施例提出像素化体全息元件的结构，整个反射体全息元件由阵列像素化的条纹面构成，每个像素条纹面具有特定的周期，并且与基片平面呈一定的角度。
每个像素即反射布拉格光栅，具有满足体全息布拉格条件的光线调制功能，每个条纹面的周期和角度参数根据体全息元件的具体使用需求参数进行像素量化计算，这些阵列光栅的组合，满足体全息元件的总体使用要求。
反射体全息元件由基材层和信息层组成。
基材优选聚酯薄膜，具有良好的光学透过率，一般地>92％。
基材也可以选择光学玻璃，在波导应用时，基材优选是玻璃，具有良好的波导功能。
信息层原材料为光致聚合物材料、重铬酸明胶、卤化银材料或者光折变玻璃基片的任意一种体全息感光材料。优选为光致聚合物材料，感光层厚度10um-150um，可感光范围400nm-650nm。
如果基材为软性薄膜基材，反射体全息元件一般会与硬质的玻璃基片等贴合使用。
该类反射体全息元件一般与透明基片贴合使用，反射体全息元件对特定的窄带波长范围进行调制，其他光透明，这种器件具有在可见光区的总透过率大于70％。一般地，像素内部的干涉条纹面与基片平面的夹角变化范围：0度-85度。干涉条纹面的最小周期间隔为记录光波长的二分之一，一般地，条纹面的周期范围130nm～300nm,对应的波长范围：263nm-632.8nm，反射全息具有良好的波长选择性和角度选择性，在可见光范围内的光谱带宽2nm-30nm。一般地，在满足再现条件下的反射全息元件的衍射效率>90％.。这种薄膜具有像素化单色反射成像功能、也可具有像素化彩色反射成像功能；
像素排列形成元件，像素内部干涉条纹面的尺度在130纳米～5微米。具有单一反射成像焦点、也可多个反射焦点(视点)；
反射全息元件由像素阵列构成，根据设计，通过不同夹角变化的像素的排列可形成不同反射成像特性和透射特性，如对特定波长具有反射成像功能，同时对其他波长全透射，反射成像透镜的焦比1/F<1/1～1/100。
像素的尺寸根据实际需求的调制精度，一般从10μm至1mm。
如图3-6所示，本实施例体全息光学元件，根据实际应用情况，可以分成两类，第一类是空气入射型，第二类是波导入射型。
空气入射型，入射光线在空气中入射到体全息光学元件，入射光线受到调制衍射。
在具体使用时，可以有三种实施方案，第一种方案是如图3示，信息层可与入射光直接接触，基片、基材层、信息层以此层叠。第二种方案如图4所示，是在第一种方案的基础上增加保护层，即基片、基材层、信息层的表面设置有保护层，基片、基材层、感光层、保护层以此层叠，保护层与入射光线直接接触。第三种方案是如图5所示，感光层与基片贴合，基片、信息层、基材层依次层叠，基材层与入射光线接触。。在基片为透明的情况下，空气入射型体全息光学元件可用于汽车增强现实HUD等领域。
波导入射型，入射光在基片中通过波导传播方式入射，这种情况入射角度较大，一般大于42度，如图6所示。在具体应用时，波导方式的光路结构紧凑，适合近眼显示如AR眼镜、头盔等应用。
在本发明的其他实施例中，基材层具体可以选择设置有两层，信息层设置于两基材层之间。
2)数字化体全息元件记录方法与系统
同时，本发明提出一种新型的双光束干涉直写系统，两束光在记录材料两面分别入射，在材料内部进行像素化干涉，形成像素化布拉格体光栅，相对于材料表面法线方向，两入射光与法线的夹角、入射光的方向角都分别可调节，从而实现了像素化体光栅周期和光栅方向的可调控，该干涉直写系统，根据预定的数据格式，通过像素拼接的方法，完成体全息光学元件的制备。具体说明如下：
(1)体全息记录的原理
如图7-8所示，两束相干激光分别从材料的两边入射到记录材料上，在体全息记录材料内部将形成干涉条纹(或者是干涉条纹的潜影，根据记录材料的具体工艺要求)，这类体全息记录材料主要有银盐乳剂、重铬酸盐明胶、光折变玻璃、光折变晶体、光致聚合物。在空间上，干涉条纹呈页状，在体全息材料内容分层分布，示意图如下图所示。干涉条纹的周期d、双光束夹角2θ、激光波长λ，n为介质折射率，满足以下关系：
2·n·d·sinθ＝λ
(2)本发明双光束干涉方案
如图9-11所示，本发明提出像素化的反射体全息制作方案，具体是通过两束细光束(光束1和光束2)，从体全息记录材料的两面分别入射，形成干涉区域，记录体光栅像素，材料与干涉像素步进移动，通过二维拼接记录，完成具有一定幅面的反射体全息元件制作。
一般来说，光束1和光束2不具有对称性，具备不同的入射角度参数，光束入射角度说明如下。
入射的光束有两个角度参数，一是入射光束与材料表面法线的夹角θ，二是入射光束的方向角α，入射光路的入射点为o。θ和α这两个参数确定了入射光束的方向。
入射光束1和入射光束2的入射角度参数分别为θ1、α1和θ2、α2，这4个参数的决定了像素体光栅的周期和光栅方向，这四个变量独立调节，就实现了像素体光栅的任意调控。
θ1、α1和θ2、α2，结合体光栅像素的位置坐标x、y，形成了6个独立变量，根据预先设计的数据规律量化这些变量之间的对应关系，将体光栅像素拼接记录，就形成了数字化反射体光栅元件的制备方案。
特殊的，如θ1、α1和θ2、α2均为固定值，即相当于两束平行光干涉，制备形成反射体全息光栅，具有窄带波段反射功能。
如θ1、α1和θ2、α2为点光源与xy坐标的对应量化值，制备形成反射体全息透镜，同时具备窄带波段反射和成像功能。
如θ1、α1和θ2、α2为多点光源或者线光源与xy坐标的对应量化值，制备形成多焦点或者渐变焦点反射全息透镜。
如θ1、α1为实物的物光量化，θ2、α2为平行光，将制备形成数字化的反射全息图。
(3)数字化体全息光学元件制备系统
如图12所示，为了实现上述6个独立变量的控制，本发明提出了数字化反射体全息光学元件的通用制备系统，主要由以下几个部分组成：
激光器，为具有一定相干长度的单色光源，需要满足全息曝光的条件。这一类激光器的类型一般有氩离子气体激光器、氦隔气体激光器、单纵模半导体激光器等。
外光路，为实现反射、分束、扩束等基本功能的光路结构。
光束1调控单元、光束2调控单元，为本系统的核心组成部分，该调控单元可以实现全息记录光束的θ和α值调节，并且在调控过程中保持记录点位置不变。该调控单元可由光学零件和精密运动零件组成，实现θ和α值调节。具体技术方案这里不做详细描述，可采用含有位相光学元件的变标度傅里叶变换系统和投影系统组成可调制光线角度光学装置。通过驱动位相光学元件在光路上位置和旋转角度，在记录面像素上内部形成不同取向的干涉条纹面。
镂空载物台和运动平台，用于放置体全息记录材料，作XY步进运动，用于实现像素拼接功能。
控制单元，为系统的控制中心，根据预先给定的(如θ1、α1、θ2、α2、x、y6个独立变量)数据，发出相应的调控指令。
驱动单元，接收控制单元的指令，驱动激光器、电机等部件。
上述部分，结合控制软件，组成完整的数字化体全息光学元件制备系统。在使用时，平台移动、光束调制、激光控制协调工作，进行像素化直写曝光，若干像素组合构成了数字化反射体全息元件。
(4)其他光刻系统结构
如图13所示，如果θ1、α401、θ2、α2四个变量中，θ1＝θ2、α1＝α2，属于对称结构的反射体全息光学元件，可以制备系统可以简化为如下单光束结构，在体全息材料和载物台之间放置一镜面反射器件，这种反射器件可以是反射膜或者反射镜，入射光束和反射光束形成干涉，其体光栅的结构与材料表面平行。
如图14所示，更加一般的情况，激光器采用多个不同波长的组合，可以制备适用于多波长的反射体全息元件，例如，红、绿、蓝三色激光器的组合，实现全彩色体全息元件的制备。
需要指出的是，体全息材料都具备复用记录特性，具有强大的信息存储能力，所以反射体全息像素的拼接方案，可以充分利用该特性，做角度和波长复用记录。
折射率匹配的浸入式直写方式：(制作波导型器件)
我们知道，由折射定律的限定(n1/n2＝sin(θ2)/sin(θ1)，n1为光疏介质，n2为光密介质，θ1为入射角，θ2为折射角)，当光由光疏介质进入光密介质时，折射角不会超过全反射角，所以上述直写系统在空气中进行器件制备时，器件的条纹面空间频率受到了限制，不能够满足波导型反射全息器件的要求。
鉴于上述情况，本发明提出，采用折射率匹配的直写方式来满足波导型器件的制作要求。如图15所示，入射光束无折射率匹配时，在记录材料内部的折射角有限制；如图16所示，匹配液体的折射率与体全息记录材料的折射率相同或相近，入射光束可以超过全反射角进入体全息记录材料，实现可以满足波导入射条件的条纹面记录。根据实际波导器件的使用情况，记录材料两边的双光束，一束应使用折射率匹配方案，另一束可不使用折射率匹配方案。
多衍射视角的反射体全息元件的直写方式：
传统反射体全息元件内部为单一规律的干涉条纹面，在作成像应用时只有一个视角，如果反射体全息元件具有多个反射视角，对于3D和增大视角具有重要意义。数字化反射体全息制作方案，使制作多视角反射体全息元件成为可能。
本发明提出采用多光束干涉的方法制备具有多视角的反射体全息像素，具体是一束光通过其中一个光束调控单元后，可以分成多束照射到记录材料上，与另外一束光进行多光束干涉，从而形成多条纹面分布。如图17所示。
多光束的具体实现手段，可以采用达曼光栅、二元光学等分束器件，配合傅里叶光学系统，最后多光束会聚到记录材料上。
3)像素化体全息元件应用实施例：
反射全息元件：如图18所示，像素排列和内部干涉条纹面的结构按照全息透镜的分布排列，形成具有选择成像特性的反射全息透镜，透镜的焦距取决于干涉光学系统的最大角度变化。
反射全息元件：如图19所示，按照亚像素阵列排列，每组亚像素阵列的结构分布按照上述要求排列，形成具有不同焦距的多焦点透镜，焦点的位置和角度，可以根据要求设定。
反射全息元件：如图20所示，按照亚像素阵列排列，其中部分亚像素阵列的结构分布按照上述要求排列，其他亚像素阵列的结构分布可以空白，形成具有具有抽样特点的透镜。可调整反射图像的亮度与透射景观的对比度。
反射全息元件在抬头显示器的应用：如图21所示，以薄膜形式贴合在挡风玻璃上，将来自下方或者上方的投影光学图像选择性反射成像，在驾驶员的眼镜上形成虚像，汽车前方的景象全透射。
全息HUD的优点：与传统液晶透镜系统相比，全息光学系统的光能损失小，采用小功率光源，预期能够实现10000nit高亮度图像的输出；可以设计多焦点成像薄膜，实现驾驶员前方不同距离的投影；实现大视角图像，预期达到30度以上，从而真正实现增强现实HUD，投射信息与实物融合。
反射全息元件在增强现实头盔上的应用：如图22所示，以单层或多层薄膜形式贴合玻璃镜片上，将来自上方的微投影光学图像通过波导形成选择性反射，在人眼视网膜上形成虚像，前方景象全透射。
如图23所示，波导应用，波导型光学系统，具有结构紧凑的优点，在增强现实眼镜或头盔具有重要应用前景，光学图像投影进入波导结构，在反射体全息元件上衍射，透过波导进入人眼。附图投影光线进入波导采用了体全息元件耦合方案描述，实际也可使用棱镜耦合等其他方案。波导型器件的制备，使用上述的浸入式直写方案是优选方法。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (12)
1.一种体全息元件制作方法，其特征在于，所述体全息元件包括至少一像素化的信息层和至少一基材层，所述信息层设置于所述基材层上；所述信息层内部的反射全息像素阵列的像素单元阵列分布，且具有不同参数，所述参数包括所述像素单元中干涉条纹面的周期和取向，所述方法包括：
通过两束细光束从体全息材料的两面分别入射形成干涉区域，记录体光栅像素，材料与干涉像素步进移动，通过二维拼接记录；所述体全息元件具有一定幅面，所述两束细光束不具有对称性，具备不同的入射角度参数；所述两束细光束中的一束光通过其中一个光束调控单元后，分成多束照射到体全息记录材料上，与另外一束光进行多光束干涉，形成多条纹面分布。
2.根据权利要求1所述的体全息元件制作方法，其特征在于，所述体全息元件的信息层剖面具有像素化的条纹面，所述条纹面具有周期性，并且条纹面与基材层所在的平面具有夹角。
3.根据权利要求2所述的体全息元件制作方法，其特征在于，所述条纹面与基材层所在的平面的夹角为0-85度之间。
4.根据权利要求2所述的体全息元件制作方法，其特征在于，每个所述条纹面的周期范围为130nm~5um。
5.根据权利要求1所述的体全息元件制作方法，其特征在于，所述基材层设置有两层，所述信息层设置于两所述基材层之间。
6.根据权利要求1所述的体全息元件制作方法，其特征在于，还包括基片，所述信息层和所述基材层设置于所述基片上。
7.根据权利要求6所述的体全息元件制作方法，其特征在于，所述体全息元件还包括保护层，所述保护层设置于基材层和信息层相对于基片的另一侧。
8.根据权利要求1所述的体全息元件制作方法，其特征在于，所述基材层为薄膜或玻璃。
9.根据权利要求1所述的体全息元件制作方法，其特征在于，所述信息层为光致聚合物、重铬酸明胶、卤化银材料或者光折变玻璃基片的任意一种全息感光材料。
10.根据权利要求9所述的体全息元件制作方法，其特征在于，所述信息层的厚度10um-150um，其体全息记录材料的可感光范围400nm-650nm。
11.根据权利要求1所述的体全息元件制作方法，其特征在于，入射的光束有两个角度参数，一是入射光束与材料表面法线的夹角θ，二是入射光束的方向角α，入射光路的入射点为o，θ和α这两个参数确定了入射光束的方向，第一入射光束和第二入射光束的入射角度参数分别为θ1、α1和θ2、α2，θ1、α1和θ2、α2，结合体光栅像素的坐标x、y，形成了六个独立变量，根据预先设计的数据规律量化这些变量之间的对应关系，将体光栅像素拼接记录。
12.根据权利要求11所述的体全息元件制作方法，其特征在于，所述体全息记录材料为银盐乳剂、重铬酸盐明胶、光折变玻璃、光折变晶体或光致聚合物的任意一种。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201611033273.1A CN106406061B (zh) | 2016-11-16 | 2016-11-16 | 一种体全息元件制作方法 |
| PCT/CN2017/081984 WO2018090565A1 (zh) | 2016-11-16 | 2017-04-26 | 一种体全息元件及其制作方法和制作系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201611033273.1A CN106406061B (zh) | 2016-11-16 | 2016-11-16 | 一种体全息元件制作方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN106406061A CN106406061A (zh) | 2017-02-15 |
| CN106406061B true CN106406061B (zh) | 2021-11-19 |
Family
ID=58082642
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201611033273.1A Active CN106406061B (zh) | 2016-11-16 | 2016-11-16 | 一种体全息元件制作方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN106406061B (zh) |
| WO (1) | WO2018090565A1 (zh) |
Families Citing this family (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106406061B (zh) * | 2016-11-16 | 2021-11-19 | 苏州苏大维格科技集团股份有限公司 | 一种体全息元件制作方法 |
| CN106873062B (zh) * | 2017-03-15 | 2019-06-21 | 东南大学 | 一种高衍射效率的体全息光栅结构及其制备方法 |
| CN108931851A (zh) * | 2017-05-25 | 2018-12-04 | 苏州苏大维格光电科技股份有限公司 | 抬头显示系统及汽车 |
| EP3435139A1 (en) * | 2017-07-25 | 2019-01-30 | Essilor International | Optical article with a holographic waveguide |
| CN109752845B (zh) * | 2017-11-01 | 2021-04-20 | 北京铅笔视界科技有限公司 | 体全息元件制作方法及系统 |
| CN109752846B (zh) * | 2017-11-01 | 2021-08-31 | 北京铅笔视界科技有限公司 | 眼镜、近眼显示装置以及体全息元件 |
| CN112105968A (zh) * | 2018-01-14 | 2020-12-18 | 光场实验室公司 | 全息衍射光学编码系统 |
| CN108988773A (zh) * | 2018-08-23 | 2018-12-11 | 清华大学深圳研究生院 | 一种贴壁式多层反射体全息太阳能聚光器 |
| CN109597194A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-04-09 | 清华大学深圳研究生院 | 一种太阳能聚光系统 |
| CN112987531B (zh) * | 2019-12-12 | 2022-08-09 | 浙江棱镜全息科技有限公司 | 全息透镜组件及具有该组件的显示系统 |
| CN114442212A (zh) * | 2022-02-14 | 2022-05-06 | 杭州光粒科技有限公司 | 光栅光学器件及其制备方法 |
| CN114690298B (zh) * | 2022-03-21 | 2024-03-26 | 同济大学 | 一种基于拼接原子光刻技术的大面积自溯源光栅制备方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20020171883A1 (en) * | 1988-07-18 | 2002-11-21 | Frank Davis | System for making a hologram of an image |
| EP1376164A1 (en) * | 1994-06-10 | 2004-01-02 | E.I. Du Pont De Nemours And Company | Holographic multicolor optical elements for use in liquid crystal displays and methods of making the elements |
| CN102971677A (zh) * | 2010-08-24 | 2013-03-13 | 株式会社大赛璐 | 体积全息图记录用感光性组合物及介质制造方法 |
| CN104166336A (zh) * | 2014-05-16 | 2014-11-26 | 北京理工大学 | 一种三维全息色彩的空间转换方法 |
| CN105619788A (zh) * | 2010-01-19 | 2016-06-01 | 大日本印刷株式会社 | 埋入用体积全息图片材、防伪用纸和卡片 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7132200B1 (en) * | 1992-11-27 | 2006-11-07 | Dai Nippon Printing Co., Ltd. | Hologram recording sheet, holographic optical element using said sheet, and its production process |
| EP1801666B1 (en) * | 1996-07-22 | 2011-06-15 | Dai Nippon Printing Co., Ltd. | Reflection type display device using reflection hologram color filters |
| US6421148B2 (en) * | 2000-01-07 | 2002-07-16 | Honeywell International Inc. | Volume holographic diffusers |
| JP4666543B2 (ja) * | 2000-11-08 | 2011-04-06 | 大日本印刷株式会社 | 反射型ホログラムスクリーン |
| JP2005208426A (ja) * | 2004-01-23 | 2005-08-04 | Toshiba Corp | ホログラム型光記録媒体、ホログラム型光記録媒体の製造方法およびホログラム型光記録再生装置 |
| DE102008057485A1 (de) * | 2008-11-14 | 2010-05-20 | Hologram Industries Research Gmbh | Verfahren zum Herstellen eines Mehrfarben-Volumenhologramms und holographischer Photopolymerfilm |
| CN106406061B (zh) * | 2016-11-16 | 2021-11-19 | 苏州苏大维格科技集团股份有限公司 | 一种体全息元件制作方法 |
-
2016
- 2016-11-16 CN CN201611033273.1A patent/CN106406061B/zh active Active
-
2017
- 2017-04-26 WO PCT/CN2017/081984 patent/WO2018090565A1/zh active Application Filing
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20020171883A1 (en) * | 1988-07-18 | 2002-11-21 | Frank Davis | System for making a hologram of an image |
| EP1376164A1 (en) * | 1994-06-10 | 2004-01-02 | E.I. Du Pont De Nemours And Company | Holographic multicolor optical elements for use in liquid crystal displays and methods of making the elements |
| CN105619788A (zh) * | 2010-01-19 | 2016-06-01 | 大日本印刷株式会社 | 埋入用体积全息图片材、防伪用纸和卡片 |
| CN102971677A (zh) * | 2010-08-24 | 2013-03-13 | 株式会社大赛璐 | 体积全息图记录用感光性组合物及介质制造方法 |
| CN104166336A (zh) * | 2014-05-16 | 2014-11-26 | 北京理工大学 | 一种三维全息色彩的空间转换方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN106406061A (zh) | 2017-02-15 |
| WO2018090565A1 (zh) | 2018-05-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106406061B (zh) | 一种体全息元件制作方法 | |
| US11474347B2 (en) | Waveguide and devices for data reflection | |
| CN111684362B (zh) | 用于制造光学波导的方法 | |
| JP2022023220A (ja) | 仮想および拡張現実システムおよび方法 | |
| KR101979470B1 (ko) | 얇은 체적 격자 스택의 층상 형성을 위한 방법과 장치 및 홀로그래픽 디스플레이를 위한 빔 컴바이너 | |
| CN108254925B (zh) | 一种高衍射效率的全息波导显示装置及其光栅耦合方法 | |
| WO2019010857A1 (zh) | 一种全息波导镜片及增强现实显示装置 | |
| CN214225472U (zh) | 一种体全息光栅及其制备系统、复制加工结构、波导结构 | |
| CN113835145B (zh) | 一种全息光栅的制作装置、全息光栅和二维全息光栅光波导 | |
| EP3671358B1 (en) | Method of manufacturing full-color holographic optical element by using photopolymer and head-up display device with the same | |
| CN217639770U (zh) | 一种图像组合器和ar近眼显示光学系统 | |
| CN109521506A (zh) | 纳米镜片、近眼显示方法及近眼显示装置 | |
| US20210356909A1 (en) | Systems, devices, and methods for side lobe control in holograms | |
| Wu et al. | Full-color holographic optical elements for augmented reality display | |
| CN108646331B (zh) | 一种使用自由曲面透镜的渐变体全息光栅的曝光方法及曝光平台 | |
| Lv et al. | A multi-plane augmented reality head-up display system based on volume holographic optical elements with large area | |
| EP0613028A2 (en) | Directional light filter and holographic projector system for its production | |
| Peng et al. | Metalens in Improving Imaging Quality: Advancements, Challenges, and Prospects for Future Display | |
| JP2023502336A (ja) | 液晶層をパターン化するための方法およびシステム | |
| CN112859334A (zh) | 近眼显示装置和ar眼镜 | |
| CN111474721A (zh) | 波导显示装置和增强现实显示设备 | |
| Bruder et al. | Demonstrations of Bayfol HX vHOE’s in see-through display applications | |
| CN211403128U (zh) | 一种全息光学器件的加工及复制系统 | |
| JP4730490B2 (ja) | 表示機能を持つ光ファイバーの作製方法 | |
| Xiaogang et al. | 46.2: Invited Paper: The Development of Grating Waveguide Technology for Near‐Eye Display in Augmented Reality |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 215000 478 North Bell Street, Suhong East Road, Suzhou, Jiangsu. Applicant after: SUZHOU SUDAVIG SCIENCE AND TECHNOLOGY GROUP Co.,Ltd. Applicant after: SOOCHOW University Address before: 215000 478 North Bell Street, Suhong East Road, Suzhou, Jiangsu. Applicant before: SVG OPTRONICS, Co.,Ltd. Applicant before: SOOCHOW University |
|
| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |