CN106707389B - 一种渐变体全息光栅及其制作方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种渐变体全息光栅，包括记录有光栅条纹的全息记录材料，在垂直全息记录材料厚度的某一方向，光栅条纹的周期与倾斜角单调连续变化，且光栅矢量在该方向的分量保持不变。本发明还公开了制备上述渐变体全息光栅的装置和方法。本发明的渐变体全息光栅可以达到较大的角度带宽；在角度带宽范围内，衍射率较为均匀；并可以达到较高的衍射效率。

Description

一种渐变体全息光栅及其制作方法与装置

技术领域

本发明属于全息光栅波导显示技术领域，尤其是一种渐变体全息光栅及其制作方法与装置。

背景技术

全息波导显示技术拥有屏幕大，隐私性好，解放双手，体积小，重量轻等优点，是一种很具有发展潜力的新兴显示技术，在近年来得到的广泛的关注。

常见的全息波导显示器件利用LCD，LCOS，OLED等二维图像生成设备作为图像源，通过准直光学系统将图像源发出的光准直，入射到光波导上。光波导一般为玻璃或者PMMA等透明光学材料制成。其上设置有体全息光栅，可以对输入光进行衍射，改变输入光的传播方向，使之可以在光波导内，以全反射的形式向光波导的另一端传播。在光波导的另外一段设置有另一片体全息光栅，可以将在波导中以全反射形式传播的光线耦合出波导，并进入人眼，使人能看到一个成像在无穷远处的虚像。

然而，由于体全息光栅所固有的波长选择性和角度选择性，一般在获得高衍射效率的同时，难以获得较大的角度带宽。为了扩大视场，一般会设置多层体全息光栅，分别对应于不同的视差。这些视场拼接后，可以获得一个较大的角度带宽。多块拼接一般可以分为两种方式，一种是利用全息材料的复用性，在同一区域内复用多个全息光栅。这种方式加工方便，但复用的体全息光栅个数却较为有限，因为随着复用的体全息数量的增加，每个体全息光栅可获得的折射率调制度都会减少，从而使衍射效率下降。另一种方式是在几层的全息记录材料上分别记录对应于不同视场的体全息光栅，然后将这几层全息记录材料层叠起来。这样的方式不会引起单层衍射效率下降的问题，但每层全息记录材料都会吸收并反射一部分入射光的能量，因此层叠的数量不能太多，否则对应于外侧体全息光栅的视场的亮度就会很低。

另外，由于耦合出射的光栅位置一定，而出射的角度不同，因此，到达人眼平面时，有很大一部分的光并不能进入目标出瞳的位置，造成了较大的光能浪费，降低了系统的能量利用效率。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于克服现有全息波导显示的不足，提出一种渐变体全息光栅及其制作方法与装置。

一种渐变体全息光栅，包括记录有光栅条纹的全息记录材料，在垂直全息记录材料厚度的某一方向，光栅条纹的周期与倾斜角单调连续变化，且光栅矢量在该方向的分量保持不变。

具体的，所述的全息记录材料呈长方体形，光栅条纹在长度向排列，所述光栅条纹的周期与倾斜角在长度方向单调连续变化，且光栅矢量在长度方向的分量保持不变。

优选的，所述的全息记录材料为光致聚合物、重铬酸盐明胶或卤化银明胶。

一种制备渐变体全息光栅的装置，包括：

激光光源和分束镜，所述分束镜用于将激光光束分为对全息记录材料进行连续曝光的物光和参考光；

依次布置在所述物光光路上的第一可变中性密度片、第一扩束准直系统、第一可旋转反射镜、第二可旋转反射镜、第一狭缝和直角棱镜；

依次布置在所述参考光光路上第二可变中性密度片、第二扩束准直系统、第三可旋转反射镜和第二狭缝；

所述的第一可旋转反射镜、第二可旋转反射镜和第三可旋转反射镜均安装在电控旋转台上，用于控制物光和参考光对全息记录材料的入射角度；

所述的第一狭缝、第二狭缝以及安装第二可旋转反射镜的电控旋转台均安装在电动位移台上，用于控制物光和参考光曝光的位置。

优选的，所述的第一扩束准直系统和第二扩束准直系统为用于将高斯光束扩束整型成为能量均匀分布的平顶光束的光束整型器件。

进一步优选的，所述的第一扩束准直系统包括依次布置的第一扩束镜和第一准直镜，所述的第二扩束准直系统包括依次布置第二扩束镜，第二准直镜。

并列优选的，所述的第一扩束准直系统和第二扩束准直系统为衍射光学器件、自由曲面或工程漫射体(Engineered diffuser^TM)。

优选的，所述的全息记录材料通过折射率匹配液粘在所述直角棱镜的斜边上。

一种制备渐变体全息光栅的方法，包括步骤：

1)根据中心入射光线角度θ_in0、出射光线角度θ_out0、入射光线波长以及全息记录材料折射率n，计算出中心视场所对应的光栅波矢K和整个视场的入射角度θ_in和出射角度θ_out的关系函数θ_in＝f(θ_out)；

2)根据要求的眼距，计算视场中的每个θ_out对应的光线在体全息光栅上的出射位置P；

3)根据人眼入瞳大小，设置狭缝为入瞳大小的一半，通过光线追迹计算狭缝位置；

4)同步控制物光的入射角度为θ_out和参考光的入射角度为θ_in，并控制狭缝的位置，在全息记录材料上进行连续曝光；

5)对曝光得到的全息记录材料进行后处理，获得渐变体全息光栅。

进一步的，在步骤5)中，所述的后处理为采用UV光进行整片曝光，固化光栅条纹。

与现有的体全息光栅相比，本发明的主要优点如下：

1、可以达到较大的角度带宽；

2、在角度带宽范围内，衍射率较为均匀；

3、通过合理的设计，可以达到较高的衍射效率。

附图说明

图1为系统结构图；

图2为体全息光栅对入射光调制作用的说明图；

图3为渐变体全息光栅制作装置图；

图4为渐变体全息光栅应用于大视角全息波导显示时结构示意图。

具体实施方式

如图1中的渐变体全息光栅103，在切向方向101，渐变体全息光栅的周期d 104以及倾斜角度单调连续的发生变化，但光栅矢量(K＝2π/d，图1中106)的切向分量(图1中108)保持一致，使同一角度的入射光在被体全息光栅衍射后，其出射方向一致，以保证用于波导显示系统时不会产生串扰以及鬼像。

方案原理：体全息光栅可以由双光束干涉得到，假设两光束的数学表达式为和其中，r为空间位置矢量，A₁和A₂分别为两光束的振幅，k₁和k₂为两光束的波矢，和为两光束的初始相位。两束光在全息记录材料上干涉时，其光强分布为：

记录的光栅的周期与光强分布周期一致，为2π/|k₂-k₁|，波矢为：

K＝k₂-k₁ (2)

光栅的对比度为：

当A₁＝A₂时，条纹对比度最大，为1。光栅的衍射效率与光栅对比度成正相关，对比度越高，衍射效率越高。

由图1可知，对于眼睛的入瞳109，不同视场所对对应的光线在体全息光栅111上出射位置(图1中112、113、114)不同，因此，可以把对应于不同视场的体全息光栅在空间上错开。但视角是连续的，而且眼睛的入瞳也有一定的宽度，所以对应于不同视场的体全息光栅在空间上重叠的情况是无法避免的。当一束光入射到这个重叠区域时，会同时被这些光栅调制，产生多束出射光，如果这些出射光不同保证是相同的出射方向，则会产生串扰，导致显示的图像出现模糊，甚至是鬼像。因此我们必须采用一定的手段来避免串扰的影响。

当一束光线入射体全息光栅时，光栅对入射光的作用如图2所示。201和202代表切向方向和法向方向，203代表入射光线的波矢k_in，204代表光栅的波矢K，205代表一级衍射光波矢k_d。由动量守恒可知，k_d＝k_in+K(矢量加法)。当一级衍射光离开光栅区域，进入波导时，在分界面上，k_d的切向分量，即在101方向上的分量保持不变，而法向分量发生突变，以保证波矢的模为2πn/λ，其中n为波导折射率，λ为入射光波长。一般情况下，光栅区域的平均折射率和波导的折射率相差较小，可视为一致，则出射光的波矢为k_out，206代表波矢k_out。

由此可知，当同一束光入射到几个波矢不一样的光栅上时，如果这几个光栅的波矢在切向方向的分量相同，则其出射光方向相同，那么即使多个体全息光栅在同一区域重叠，也不会造成串扰。同时这也保证了对于各个体全息光栅，其入射角度与出射角度关系曲线都是一致的。

设计本申请中的体全息光栅时，必须还要考虑衍射效率，因为体全息光栅一般角度带宽都比较窄，即只有在一个较小的角度范围内入射，才能获得较高的衍射效率。因此，需要合理的设计，才能使目标光线以一个较高的衍射效率被耦合出去。当制作渐变体全息光栅时，从上述的入射角度和出射角度关系曲线中抽取一个点(θ_in0，θ_out0)，并以其作为两束平行光的入射角度。让这两束光相干涉而得到的体全息光栅，其衍射效率和入射角度关系曲线的最高点，即为这里的入射角度θ_in0，被光栅衍射后的出射方向为出射角度θ_out0，这样就可以获得需要的衍射效率分布。

如图3所示的制作渐变体全息光栅的装置，包括：依次放置的激光光源301，分束镜302，第一可变中性密度片303，第二可变中性密度片304，第一扩束镜305，第二扩束镜306，第一准直镜307，第二准直镜308，反射镜309，第一可旋转反射镜310，第二可旋转反射镜311，第三可旋转反射镜312，第一电动位移台313，第一狭缝314，第二狭缝315，直角棱镜316，全息记录材料317，第二电动位移台318，第三电动位移台319。

其中，第一可旋转反射镜310，第二可旋转反射镜311，第三可旋转反射镜312均安装在相应的电控旋转台上，第二可旋转反射镜311的旋转台安装在第一电动位移台313上，可以沿着101方向精确移动。第一狭缝314和第二狭缝315的大小可以调节，并也分别安装在第二电动位移台318和第三电动位移台319上，可以沿着101方向精确移动。第一可旋转反射镜310、第二可旋转反射镜311和第三可旋转反射镜312的电控旋转台的转动以及第一电动位移台313、第二电动位移台318和第三电动位移台319的电动位移台均可以通过电脑来控制。直角棱镜316和全息记录材料317通过折射率匹配液粘在一起，且折射率近似相等。

第一扩束镜305，第二扩束镜306，第一准直镜307，第二准直镜308，也可以被替换为两个放置于同位置的光束整型器件，如衍射光学器件(DOE)，或是自由曲面，亦或是Engineered diffuser^TM；其作用是将激光器发射出的高斯光束扩束整型成为能量均匀分布均匀的平顶光束，而且能量利用率比扩束截取中间的方式高出很多。

激光光源301为强相干性光源，如单纵模激光器(相干长度>50m)，其波长的选择和全息记录材料317相关，最好在全息记录材料的最高吸收峰上。

激光器发出的光经过分束镜302，分为物光320和参考光321两束光。由波动光学可知，两束光干涉时，若其强度相等，则条纹对比度最大。而经过分束镜后，想使得到达全息记录材料上两束光衰减的程度相同是很难的，因此使从分束镜出射的两束光分别经过第一可变中性密度片303和第二可变中性密度片304，用以调节相对强度。之后，物光和参考光分别经过第一扩束镜305及第一准直镜307，以及第二扩束镜306及第二准直镜308组成的扩束准直系统，将激光的高斯光束扩束并截取中央部分，以获得较为均匀的曝光光束。

物光320继续传播，被反射镜309、第一可旋转反射镜310和第二可旋转反射镜311反射，后两个可旋转反射镜安装在电控旋转台上，相互配合，可以使得物光320离开第二可旋转反射镜311时获得一个之前预设的角度，如对全息记录材料317的入射角为50°。另外，第二可旋转反射镜311安装在第一电控位移台313上，可以在101方向平移，这样就可以保证物光320在入射第二可旋转反射镜311时，可以入射在第二可旋转反射镜311的中心。之后，物光320经过第一狭缝314，被直角棱镜316折射后，入射到全息记录材料317上。物光320入射在全息记录材料317上的位置由第一狭缝314决定，而第一狭缝314的位置可由需要入射在全息记录材料317上的位置P以及角度θ_out反向追迹光线得出，第二可旋转反射镜311的位置同理可得。

参考光321经过第二准直镜308后被第三可旋转反射镜312反射，第三可旋转反射镜312安装在电动旋转台上，距离全息记录材料317的距离为预设的人眼距眼镜的距离(眼距，如30mm)，其可以提供所需的入射角，如+8°。第二狭缝315可用于控制光束的宽度和曝光的位置。

本实施例中，全息记录材料317，可以为光致聚合物(photopolymer)，也可以为重铬酸盐明胶，卤化银明胶等，优选为光致聚合物，如Bayfol HX薄膜。其厚度一般为5um到20um不等，其折射率调制率为0.02～0.05左右。

如图4所示，制备渐变体全息光栅410的方法包括以下步骤：

(1)根据中心入射光线角度θ_in0及出射光线角度θ_out0，入射波长，以及全息记录材料折射率n由公式(2)计算出中心视场所对应的光栅波矢K，并根据图2所示的方法，计算出整个视场的入射角度θ_in和出射角度θ_out关系函数θ_in＝f(θ_out)，θ_out的范围由目标视场大小决定，如160°～200°。

(2)根据要求的眼距，计算视场中的每个θ_out对应的光线在体全息光栅上的出射位置P。

(3)根据需要人眼412入瞳大小，设置两个狭缝为入瞳大小的一半，通过光线追迹计算第一狭缝和第二狭缝位置。

(4)同步控制所有旋转台和电动位移台，用以同步控制物光的入射角度为θ_out和参考光的入射角度为θ_in，并控制狭缝的位置，在全息记录材料317上进行连续曝光。

(5)对曝光得到的全息记录材料进行后处理，如对Bayfol photopolymer，用UV光进行flood exposure，固化条纹，获得渐变体全息光栅。

渐变体全息光栅应用在大视场全息波导显示中时可如图4所示。410表示渐变体全息光栅，411表示光波导，412表示人眼。三个视场的光线401、402和403分别被其对应的渐变全息体光栅区域404、405和406反射。404、405和406区域的体全息光栅的周期和倾斜角407、408和409均不相同，周期和倾斜角均依次变小，但光栅波矢K的切向分量保持不变。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种制备渐变体全息光栅的装置，所述渐变体全息光栅包括记录有光栅条纹的全息记录材料，在垂直全息记录材料厚度的某一方向，光栅条纹的周期与倾斜角单调连续变化，且光栅矢量在该方向的分量保持不变；其特征在于，制备渐变体全息光栅的装置包括：

激光光源(301)和分束镜(302)，所述分束镜(302)用于将激光光束分为对全息记录材料(317)进行连续曝光的物光(320)和参考光(321)；

依次布置在所述物光(320)光路上的第一可变中性密度片(303)、第一扩束准直系统、第一可旋转反射镜(310)、第二可旋转反射镜(311)、第一狭缝(314)和直角棱镜(316)；

依次布置在所述参考光(321)光路上第二可变中性密度片(304)、第二扩束准直系统、第三可旋转反射镜(312)和第二狭缝(315)；

所述的第一可旋转反射镜(310)、第二可旋转反射镜(311)和第三可旋转反射镜(312)均安装在电控旋转台上，用于控制物光(320)和参考光(321)对全息记录材料(317)的入射角度；

所述的第一狭缝(314)、第二狭缝(315)以及安装第二可旋转反射镜(311)的电控旋转台均安装在电动位移台上，用于控制物光(320)和参考光(321)曝光的位置。

2.如权利要求1所述的制备渐变体全息光栅的装置，其特征在于，所述的全息记录材料呈长方体形，光栅条纹在长度向排列，所述光栅条纹的周期与倾斜角在长度方向单调连续变化，且光栅矢量在长度方向的分量保持不变。

3.如权利要求1所述的制备渐变体全息光栅的装置，其特征在于，所述的全息记录材料为光致聚合物、重铬酸盐明胶或卤化银明胶。

4.如权利要求1所述的制备渐变体全息光栅的装置，其特征在于，所述的第一扩束准直系统和第二扩束准直系统为用于将高斯光束扩束整型成为能量均匀分布的平顶光束的光束整型器件。

5.如权利要求4所述的制备渐变体全息光栅的装置，其特征在于，所述的第一扩束准直系统包括依次布置的第一扩束镜(305)和第一准直镜(307)，所述的第二扩束准直系统包括依次布置第二扩束镜(306)，第二准直镜(308)。

6.如权利要求5所述的制备渐变体全息光栅的装置，其特征在于，所述的第一扩束准直系统和第二扩束准直系统为衍射光学器件、自由曲面或工程漫射体。

7.如权利要求1所述的制备渐变体全息光栅的装置，其特征在于，所述的全息记录材料(317)通过折射率匹配液粘在所述直角棱镜(316)的斜边上。

8.根据权利要求1中的装置制备渐变体全息光栅的方法，其特征在于，包括步骤：

1)根据中心入射光线角度θ_in0、出射光线角度θ_out0、入射光线波长以及全息记录材料折射率n，计算出中心视场所对应的光栅波矢K和整个视场的入射角度θ_in和出射角度θ_out的关系函数θ_in＝f(θ_out)；

2)根据要求的眼距，计算视场中的每个θ_out对应的光线在体全息光栅上的出射位置P；

3)根据人眼入瞳大小，设置狭缝为入瞳大小的一半，通过光线追迹计算狭缝位置；

4)同步控制物光的入射角度为θ_out和参考光的入射角度为θ_in，并控制狭缝的位置，在全息记录材料上进行连续曝光；

5)对曝光得到的全息记录材料进行后处理，获得渐变体全息光栅。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤5)中，所述的后处理为采用UV光进行整片曝光，固化光栅条纹。