CN108646331A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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CN108646331A CN201810426776.8A CN201810426776A CN108646331A CN 108646331 A CN108646331 A CN 108646331A CN 201810426776 A CN201810426776 A CN 201810426776A CN 108646331 A CN108646331 A CN 108646331A
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Abstract

本发明公开了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。所述曝光方法通过进入人眼的光线在渐变体全息光栅的坐标依次得到曝光平台中记录光和渐变体全息光栅的角度、经自由曲面透镜折射后的记录光的法线向量、自由曲面透镜的出光面的面型，加工后组装到曝光平台中得到渐变体全息光栅。所述曝光平台包括激光器光源、扩束透镜、准直透镜、半透半反分光镜、第一光阑、第二光阑、第一反光镜、第二反光镜、第一自由曲面透镜、第二自由曲面透镜、第一光学器件、第二光学器件和全息薄膜。本发明提供的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一次曝光即可获得所需的渐变体全息光栅，并且可以对平面波或球面波进行调制。

Description

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
技术领域
本发明涉及全息光学技术领域，特别涉及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。
背景技术
增强现实(AR)技术能帮助人类更方便地接收信息、更好地认知周围的环境以及更大地提升工作效率，因此在导航、教育、军事等领域有着广泛的应用前景。光学穿透式头戴显示(OSTHMD)作为 AR技术的主要硬件载体，近年来得到了广泛的关注。基于波导的OSTHMD方案利用波导折叠光路，可以让整个系统变得体积小、重量轻，便携性高适合全天佩戴，是最有前景的方案之一。由于基于部分反射镜及自由曲面的几何型波导遇到了制造上的瓶颈，人们将目光投向了基于衍射器件的衍射型波导。
衍射型波导中，基于表面浮雕光栅的方案也遇到了较大的制造问题，而基于体全息光栅的方案则是一种成本较低且有较大潜力的一种。然而，这种方案也面临着一些问题，如色散问题，彩色显示问题以及视角和衍射效率的权衡问题。其他研究者的工作已经较好地解决了前两个问题，但最后一个问题还没有得到较好的解决。
之前实验室对该问题进行的研究，提出了一种渐变体全息光栅 (Space-variantvolume holographic，SVVHG)的设计方法，并基于此提出了一种全息波导显示的设计方案。实验结果证明，此方案可以实现大视场、高光能效率以及高亮度均匀性的全息波导显示，解决了视角与衍射效率权衡的问题。
公开号为CN106707389A的专利文献公开了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。
为了获得渐变体全息光栅，我们之前通过角度调整多次分部分曝光的方式制作光栅。但是，用多次分部分曝光的方式可以实现渐变体全息光栅，但是总共曝光时间长，需要机械件移动，震动与位移易造成曝光失败。
发明内容
本发明的目的在于提供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，所述的曝光方法及曝光平台使用了自由曲面透镜的自由曲面调制波前的方式对光栅的记录光调制，仅需要一次曝光即可获得所需的渐变体全息光栅。
一种使用自由曲面透镜的渐变体全息光栅的曝光方法，所述渐变体全息光栅用于波导显示系统，所述曝光方法包括以下步骤：
(1)根据进入人眼的光线在渐变体全息光栅的坐标，计算得到曝光平台中第一束记录光和渐变体全息光栅的角度，其中所述第一束记录光的角度与记录渐变体全息光栅的全息薄膜的坐标为非线性关系；
(2)再根据步骤(1)中第一束记录光和渐变体全息光栅的角度、和Kogelnik耦合波理论得到曝光平台中第二束记录光和渐变体全息光栅的角度；
(3)根据步骤(1)得到的第一束记录光和和渐变体全息光栅的角度、第一光学器件的位置，通过折射定律的矢量形式计算经第一自由曲面透镜的出光面折射的第一束记录光的光线向量；根据步骤(2) 得到的第二束记录光和渐变体全息光栅的角度、第二光学器件的位置，通过折射定律的矢量形式计算经第二自由曲面透镜的出光面折射的第二束记录光的光线向量；
(4)根据步骤(3)中经第一自由曲面透镜的出光面折射后的第一束记录光的光线向量，通过折射定律的矢量形式计算第一自由曲面透镜的出光面的面型；根据步骤(3)中经第二自由曲面透镜折射后的的出光面第二束记录光的光线向量，通过折射定律的矢量形式计算第二自由曲面透镜的出光面的面型；
(5)加工第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜的出光面的面型，第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜的入光面为平面或曲面，得到第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜，并组装到曝光平台；
(6)激光器光源发出的激光经过扩束准直透镜，扩束后的光束经准直透镜；再经半透半反镜分成第一束记录光和第二束记录光；第一束记录光经第一光阑、第一反光镜、第一自由曲面透镜和第一光学器件记录在全息薄膜上；第二束记录光经第二光阑、第二反光镜、第二自由曲面透镜和第二光学器件记录在全息薄膜上，得到渐变体全息光栅。
进一步的，步骤(3)中第一光学器件和第二光学器件在曝光平台的位置根据实际情况调整。
所述的步骤(1)中第一束记录光和渐变体全息光栅的角度等于在波导中传播的衍射光在渐变体全息光栅中与z轴的夹角φβ，所述φβ的计算方法为：
第一束记录光的角度与记录渐变体全息光栅的全息薄膜的坐标的非线性关系为：
y'＝d·tan(φβ)+H·tan(φβ0)
同时φβ和满足以下关系：
其中，y'为渐变体全息光栅的坐标；垂直于波导与渐变体全息光栅分界面的方向为z方向；在波导中传播的入射光为Lα、衍射光为Lβ；φα和φβ分别是Lα和Lβ在渐变体全息光栅中与z轴的夹角；φβ0是Lβ在空气中的角度，H是视点和波导之间的距离，d是波导的厚度，n1为波导的折射率，n0为空气折射率。
所述的步骤(2)中第二束记录光和渐变体全息光栅的角度等于在波导中传播的入射光在渐变体全息光栅中与z轴的夹角φα，所述φα的计算方法为：
θout＝φβ+π
Kinsin(θin)+Ky＝Koutsin(θout)
θin＝φα+π
其中，垂直于波导与渐变体全息光栅分界面的方向为z方向，水平方向为y方向，kin和kout分别是入射光和折射入波导的衍射光的波矢，kin和kout的模都为2π/λ·nSVVGH；K是体全息光栅的波矢，Ky是K 在y方向的大小，nSVVHG为全息薄膜的折射率。
所述的步骤(3)中经第一自由曲面透镜的出光面折射的第一束记录光的光线向量以及经第一自由曲面透镜的出光面折射的第一束记录光的光线向量的计算方法为：
A0×N0＝A1×N0
A2×N1＝A3×N1
其中，A1指经第一光学器件折射后的第一束记录光的光线向量， N0是指第一光学器件的法向量，A0指经第一自由曲面透镜的出光面折射后的第一束记录光的光线向量，A1与渐变体全息光栅所在平面所成的夹角为φβ；A3指经第二光学器件折射后的第二束记录光的光线向量，N1是指第二光学器件的法向量；A2指经第二自由曲面透镜的出光面折射后的第二束记录光的光线向量，A3与渐变体全息光栅所在平面所成的夹角为φα。
根据φβ和第一光学器件的位置计算A1、φα和第二光学器件的位置计算A3。
根据计算得到的A0和第一光学器件的位置，还可以得到第一束记录光和第一光学器件的夹角；根据计算得到的A2和第二光学器件的位置，还可以得到第二束记录光和第二光学器件的夹角。
所述的步骤(4)中第一自由曲面透镜的出光面和第二自由曲面透镜的出光面的面型的计算方法包括以下步骤：
(4-1)通过折射定律的矢量形式计算第一束记录光中每条光线在第一自由曲面透镜的出光面所处位置的法向量，得到该位置的切线；通过折射定律的矢量形式计算第二束记录光中每条光线在第二自由曲面透镜的出光面所处位置的法向量，得到该位置的切线；
(4-2)通过第一自由曲面透镜的出光面与第一光学器件的距离取第一束记录光中第一条光线上的一点，得到第一自由曲面透镜的出光面上的第一个微观面型上的点坐标，取此处位置的切线与下一条光线的交点，得到下一个微观面型的点坐标，依次类推，从而得到第一自由曲面透镜的出光面的面型上的逐点坐标；通过第二自由曲面透镜的出光面与第二光学器件的距离取第二束记录光中的第一条光线上的一点，得到第二自由曲面透镜的出光面上的第一个微观面型上的点坐标，取此处位置的切线与下一条光线的交点，得到下一个微观面型的点坐标，依次类推，从而得到第二自由曲面透镜的出光面的面型上的逐点坐标；
(4-3)将步骤(2)得到的逐点坐标进行拟合，得到第一自由曲面透镜的出光面和第一自由曲面透镜的出光面的面型。
第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜中的出光面为自由曲面，细分成若干个直线段，每个线段对应自由曲面在此处的微观面型，其中第一束记录光和第二束记录光在每个直线段位置发生折射。
所述的步骤(4-1)中通过折射定律的矢量形式计算第一束记录光中每条光线在第一自由曲面透镜的出光面所处位置的法向量，以及通过折射定律的矢量形式计算第二束记录光中每条光线在第二自由曲面透镜的出光面所处位置的法向量的计算方法为：
A4×N2＝A0×N2
A5×N3＝A2×N3
其中，A0指经第一自由曲面透镜的出光面折射后的第一束记录光的光线向量，N2是指第一束记录光中每条光线在第一自由曲面透镜的出光面所处位置的法向量，A4指经第一自由曲面透镜的入光面折射后的第一束记录光的光线向量；A2指经第二自由曲面透镜折射后的第二束记录光的光线向量，N3是指第二束记录光在第二自由曲面透镜的出光面所处位置的法向量，A5指经第二自由曲面透镜的入光面折射后的第二束记录光的光线向量。
其中A4和A5根据曝光平台实际计算。
对步骤(6)中渐变体全息光栅检测的方法为：转动入射光与步骤(6)得到的渐变体全息光栅的夹角来得到渐变体全息光栅的角度选择曲线；通过角度选择曲线计算整体衍射效率。
对步骤(6)中渐变体全息光栅检测的装置包括旋转平台，旋转平台上放置有一个一端为45度出光的平行平板，平行平板的另一端放置步骤(6)得到的渐变体全息光栅，旋转旋转平台，使激光器光源通过光阑照射到渐变体全息光栅的圆心上，经平行平板的一端出光到接受屏。
本发明还提供一种使用自由曲面透镜的渐变体全息光栅的曝光平台，所述曝光平台包括激光器光源、扩束透镜、准直透镜、半透半反分光镜、第一光阑、第二光阑、第一反光镜、第二反光镜、第一自由曲面透镜、第二自由曲面透镜、第一光学器件、第二光学器件和全息薄膜；
所述第一自由曲面透镜的入光面为平面或曲面、出光面为自由曲面；
所述第二自由曲面透镜的入光面为平面或曲面、出光面为自由曲面；
激光器光源发出的激光经过扩束准直透镜，扩束后的光束经准直透镜；再经半透半反镜分成第一束记录光和第二束记录光；第一束记录光经第一光阑、第一反光镜、第一自由曲面透镜和第二光学器件记录在全息薄膜上；第二束记录光经第二光阑、第二反光镜、第二自由曲面透镜和第二光学器件记录在全息薄膜上；得到渐变体全息光栅。
所述的全息薄膜固定在第一光学器件和第二光学器件之间。
进一步的，所述第一光学器件为平行平板。
进一步的，所述第一光学器件为一端为45度的平行平板。
进一步的，所述第二光学器件为棱镜。
进一步的，所述第二光学器件为直角三角形棱镜。
进一步的，全息薄膜与三角形棱镜和平行平板之间分别涂布聚合物液体，所述聚合物液体的折射率与三角形棱镜的折射率接近，防止光学器件内发生大角度折射。
所述第一光学器件、全息薄膜和第二光学器件在曝光平台中的位置可以根据实际调整。
本发明的有益效果在于：本发明提供的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仅需要一次曝光即可获得所需的渐变体全息光栅，并且可以对平面波或球面波进行调制；并且自由曲面透镜的出光面的面型的计算方法简单高效；并且得到的渐变体全息光栅不再是分部分的了，其光栅常数随着空间关系渐变，整体性非常好，使用参考光复现后可以得到均匀性非常好的再现光。
附图说明
图1为在波导中传播的入射光和衍射光的光路变化；
图2为渐变体全息光栅对入射光束的调制示意图；
图3为渐变体全息光栅在波导显示系统中的使用场景；
图4为第一束记录光在第一自由曲面透镜的出光面的折射定律的矢量形式；
图5为自由曲面的逐点坐标的计算示意图；
图6为对渐变体全息光栅检测的装置的结构示意图；
图7为使用自由曲面透镜的渐变体全息光栅的曝光平台的结构示意图；
图8为第一自由曲面透镜调制平面波的光路变化示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
一种使用自由曲面透镜的渐变体全息光栅的曝光方法，所述渐变体全息光栅用于波导显示系统，所述曝光方法包括以下步骤：
(1)根据进入人眼的光线在渐变体全息光栅的坐标，计算得到曝光平台中第一束记录光和渐变体全息光栅的角度，其中所述第一束记录光的角度与记录渐变体全息光栅的全息薄膜的坐标为非线性关系；
(2)再根据步骤(1)中第一束记录光和渐变体全息光栅的角度、和Kogelnik耦合波理论得到曝光平台中第二束记录光和渐变体全息光栅的角度；
(3)根据步骤(1)得到的第一束记录光和和渐变体全息光栅的角度、第一光学器件的位置，通过折射定律的矢量形式计算经第一自由曲面透镜的出光面折射的第一束记录光的光线向量；根据步骤(2) 得到的第二束记录光和渐变体全息光栅的角度、第二光学器件的位置，通过折射定律的矢量形式计算经第二自由曲面透镜的出光面折射的第二束记录光的光线向量；
(4)根据步骤(3)中经第一自由曲面透镜的出光面折射后的第一束记录光的光线向量，通过折射定律的矢量形式计算第一自由曲面透镜的出光面的面型；根据步骤(3)中经第二自由曲面透镜折射后的出光面第二束记录光的光线向量，通过折射定律的矢量形式计算第二自由曲面透镜的出光面的面型；
(5)加工第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜的出光面的面型，第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜的入光面为平面或曲面，得到第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜，并组装到曝光平台；
(6)激光器光源发出的激光经过扩束准直透镜，扩束后的光束经准直透镜；再经半透半反镜分成第一束记录光和第二束记录光；第一束记录光经第一光阑、第一反光镜、第一自由曲面透镜和第一光学器件记录在全息薄膜上；第二束记录光经第二光阑、第二反光镜、第二自由曲面透镜和第二光学器件记录在全息薄膜上，得到渐变体全息光栅。
进一步的，步骤(3)中第一光学器件和第二光学器件在曝光平台的位置根据实际情况调整。
渐变体全息光栅在波导显示系统中的使用场景如图3所示，投影 4将一个光源图作为一个无穷远物像面，使用准直透镜5投影到波导1的一侧。这一侧通过进光耦合渐变体全息光栅3，将光束反射到全息波导1内部，反射角满足全反射要求，使光7、8、9在波导内反复多次全反射。到光传播到出光耦合渐变体全息光栅2的位置时，由于渐变体全息光栅的角度选择性，满足选择条件的入射光线会进入出光渐变体全息光栅2，被反射出全息波导，并进入人的眼球6。
在波导中传播的入射光和衍射光的光路变化如图1所示，其中1 为渐变体全息光栅，2为波导。
所述的步骤(1)中第一束记录光和渐变体全息光栅的角度等于在波导中传播的衍射光在渐变体全息光栅中与z轴的夹角φβ，φβ的计算方法为：
第一束记录光的角度与记录渐变体全息光栅的全息薄膜的坐标的非线性关系为：
y'＝d·tan(φβ)+H·tan(φβ0)
同时φβ和满足以下关系：
其中，y'为渐变体全息光栅的坐标；垂直于波导与渐变体全息光栅分界面的方向为z方向；在波导中传播的入射光为Lα、衍射光为Lβ；φα和φβ分别是Lα和Lβ在渐变体全息光栅中与z轴的夹角；φβ0是Lβ在空气中的角度，H是视点和波导之间的距离，d是波导的厚度，n1为波导的折射率，n0为空气折射率。
在波导显示系统中，渐变体全息光栅对入射光束的调制如图2所示，垂直于波导与渐变体全息光栅分界面的方向为z方向，水平方向为y方向，假设入射光的方向在yz平面内。
所述的步骤(2)中第二束记录光和渐变体全息光栅的角度等于在波导中传播的入射光在渐变体全息光栅中与z轴的夹角φα，φα的计算方法为：
θout＝φβ+π
Kinsin(θin)+Ky＝Koutsin(θout)
θin＝φα+π
其中，kin和kout分别是入射光和折射入波导的衍射光的波矢，它们的模都为2π/λ·nSVVGH；K是体全息光栅的波矢，Ky是K在y方向的大小，nSVVHG为全息薄膜的折射率。
所述的步骤(3)中经第一自由曲面透镜的出光面折射的第一束记录光的光线向量以及经第一自由曲面透镜的出光面折射的第一束记录光的光线向量的计算方法为：
A0×N0＝A1×N0
A2×N1＝A3×N1
其中，A1指经第一光学器件折射后的第一束记录光的光线向量， N0是指第一光学器件的法向量，A0指经第一自由曲面透镜的出光面折射后的第一束记录光的光线向量，A1与渐变体全息光栅所在平面所成的夹角为φβ；A3指经第二光学器件折射后的第二束记录光的光线向量，N1是指第二光学器件的法向量；A2指经第二自由曲面透镜的出光面折射后的第二束记录光的光线向量，A3与渐变体全息光栅所在平面所成的夹角为φα。
根据φβ和第一光学器件的位置计算A1、φα和第二光学器件的位置计算A3。
根据计算得到的A0和第一光学器件的位置，还可以得到第一束记录光和第一光学器件的夹角；根据计算得到的A2和第二光学器件的位置，还可以得到第二束记录光和第二光学器件的夹角。
所述的步骤(4)中第一自由曲面透镜的出光面和第二自由曲面透镜的出光面的面型的计算方法包括以下步骤：
(4-1)通过折射定律的矢量形式计算第一束记录光中每条光线在第一自由曲面透镜的出光面所处位置的法向量，得到该位置的切线；通过折射定律的矢量形式计算第二束记录光中每条光线在第二自由曲面透镜的出光面所处位置的法向量，得到该位置的切线；
(4-2)通过第一自由曲面透镜的出光面与第一光学器件的距离取第一束记录光中第一条光线上的一点，得到第一自由曲面透镜的出光面上的第一个微观面型上的点坐标，取此处位置的切线与下一条光线的交点，得到下一个微观面型的点坐标，依次类推，从而得到第一自由曲面透镜的出光面的面型上的逐点坐标；通过第二自由曲面透镜的出光面与第二光学器件的距离取第二束记录光中的第一条光线上的一点，得到第二自由曲面透镜的出光面上的第一个微观面型上的点坐标，取此处位置的切线与下一条光线的交点，得到下一个微观面型的点坐标，依次类推，从而得到第二自由曲面透镜的出光面的面型上的逐点坐标；
(4-3)将步骤(2)得到的逐点坐标进行拟合，得到第一自由曲面透镜的出光面和第一自由曲面透镜的出光面的面型。
第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜中的出光面为自由曲面，细分成若干个直线段，每个线段对应自由曲面在此处的微观面型，其中第一束记录光和第二束记录光在每个直线段位置发生折射。
所述的步骤(4-1)中通过折射定律的矢量形式计算第一束记录光中每条光线在第一自由曲面透镜的出光面所处位置的法向量，以及通过折射定律的矢量形式计算第二束记录光中每条光线在第二自由曲面透镜的出光面所处位置的法向量的计算方法为：
A4×N2＝A0×N2
A5×N3＝A2×N3
其中，A0指经第一自由曲面透镜的出光面折射后的第一束记录光的光线向量，N2是指第一束记录光中每条光线在第一自由曲面透镜的出光面所处位置的法向量，A4指经第一自由曲面透镜的入光面折射后的第一束记录光的光线向量，如图4所示；A2指经第二自由曲面透镜折射后的第二束记录光的光线向量，N3是指第二束记录光在第二自由曲面透镜的出光面所处位置的法向量，A5指经第二自由曲面透镜的入光面折射后的第二束记录光的光线向量。
其中A4和A5根据曝光平台实际计算。
步骤5中自由曲面的逐点坐标的计算如图5所示，通过经第一自由曲面透镜的出光面折射后的第一束记录光1与第一自由曲面透镜的入光面折射后的第一束记录光3的角度变化，计算出自由曲面此处法线，得到自由曲面的微观面型的切线2，取与折射光线的交点为4，同理得到点7、8、9和其它面型上的点坐标。
对步骤(6)中的渐变体全息光栅检测的方法为：转动入射光与步骤(6)得到的渐变体全息光栅的夹角来得到渐变体全息光栅的角度选择曲线；通过角度选择曲线计算整体衍射效率。
如图6所示，对步骤(6)中的渐变体全息光栅检测的装置包括旋转平台5，旋转平台5上放置有一个一端6为45度出光的平行平板4，平行平板4的另一端放置步骤(6)得到的渐变体全息光栅6，旋转旋转平台，使激光器光源1通过光阑2照射到渐变体全息光栅3 的圆心上，经平行平板4的一端6出光到接受屏7。
实施例1
根据第一束记录光中的一条光线计算对应的第一自由曲面透镜的出光面的面型上的点，以及第二束记录光中的一条光线计算第二自由曲面透镜的出光面的面型上的点，具体计算方法如下：
根据步骤(1)中
y'＝d·tan(φβ)+H·tan(φβ0)
其中y'＝2.8mm，H＝48mm，d＝2mm，n1＝1.514，n0＝1，取渐变体全息光栅的中点为原点，单位为mm，得到φβ0＝-0.0569056rad，φβ＝-0.0375748rad。
根据步骤(2)中
θout＝φβ+π
Kinsin(θin)+Ky＝Koutsin(θout)
其中，λ＝532nm，nSVVHG＝1.47，Ky＝13.075，得到φα＝2.48271rad。
根据步骤(3)中
A0×N0＝A1×N0
A2×N1＝A3×N1
其中，根据φβ和平行平板的位置得到A1＝(0,-0.0568745,-1.51293)， N0＝(0,0,-1)，得到A0＝(0,-0.0568745,-0,998381)，并得到第一束记录光和平行平板的夹角为-0.056906rad。
其中，根据φα和直角三角形棱镜的位置得到 A3＝(0,-1.19708,0.926922)，N1＝(0,-1,1)，得到A2＝(0,-0.829352,0.558726)，并得到第二束记录光和直角三角形棱镜的夹角为2.548744rad。
将上述A0和A2代入到
A4×N2＝A0×N2
A5×N3＝A2×N3
得到第一束记录光中每条光线在第一自由曲面透镜的出光面所处位置的法向量N2＝(0,0.116798,0.993156)，以及第二束记录光中每条光线在第二自由曲面透镜的出光面所处位置的法向量 N3＝(0,-0.928276,0.371892)。
根据N2和N3得到该位置的切线，取此处位置的光线与切线的交点，即为微观面型上的点，得到第一自由透镜的出光面上的一个点坐标(0,-978.289,1078.52)、第二自由透镜的出光面上的一个点坐标(0, -5377.78,3877.03)。
实施例2
如图7所示，一种使用自由曲面透镜的渐变体全息光栅的曝光平台，所述曝光平台包括激光器光源1、扩束透镜2、准直透镜3、半透半反分光镜4、第一光阑7、第二光阑5、第一反光镜8、第二反光镜6、第一自由曲面透镜10、第二自由曲面透镜9、平行平板11、直角三角形棱镜12和全息薄膜13。
所述第一自由曲面透镜的入光面为平面、出光面为自由曲面。其进行波调制的示意图如图8所示，其中第一自由曲面透镜3的入光面 6为平面、出光面为自由曲面7，调制前的光波矢量1、调制前的光波面2，经第一自由曲面透镜3调制后得到光波面4、调制后的光波矢量5。
所述第二自由曲面透镜的入光面为平面、出光面为自由曲面。
激光器光源1发出的激光经过扩束透镜2，扩束后的光束经准直透镜3；再经半透半反镜4分成第一束记录光和第二束记录光；第一束记录光经第一光阑7、第一反光镜8、第一自由曲面透镜10和平行平板11记录在全息薄膜13上；第二束记录光经第二光阑5、第二反光镜6、第二自由曲面透镜9和直角三角形棱镜12记录在全息薄膜 13上；得到渐变体全息光栅。
所述的全息薄膜13固定在平行平板11和直角三角形棱镜12之间。
上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种使用自由曲面透镜的渐变体全息光栅的曝光方法，所述渐变体全息光栅用于波导显示系统，其特征在于，所述曝光方法包括以下步骤：
(1)根据进入人眼的光线在渐变体全息光栅的坐标，计算得到曝光平台中第一束记录光和渐变体全息光栅的角度，其中所述第一束记录光的角度与记录渐变体全息光栅的全息薄膜的坐标为非线性关系；
(2)再根据步骤(1)中第一束记录光和渐变体全息光栅的角度、和Kogelnik耦合波理论得到曝光平台中第二束记录光和渐变体全息光栅的角度；
(3)根据步骤(1)得到的第一束记录光和和渐变体全息光栅的角度、第一光学器件的位置，通过折射定律的矢量形式计算经第一自由曲面透镜的出光面折射的第一束记录光的光线向量；根据步骤(2)得到的第二束记录光和渐变体全息光栅的角度、第二光学器件的位置，通过折射定律的矢量形式计算经第二自由曲面透镜的出光面折射的第二束记录光的光线向量；
(4)根据步骤(3)中经第一自由曲面透镜的出光面折射后的第一束记录光的光线向量，通过折射定律的矢量形式计算第一自由曲面透镜的出光面的面型；根据步骤(3)中经第二自由曲面透镜折射后的出光面第二束记录光的光线向量，通过折射定律的矢量形式计算第二自由曲面透镜的出光面的面型；
(5)加工第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜的出光面的面型，第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜的入光面为平面或曲面，得到第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜，并组装到曝光平台；
(6)激光器光源发出的激光经过扩束准直透镜，扩束后的光束经准直透镜；再经半透半反镜分成第一束记录光和第二束记录光；第一束记录光经第一光阑、第一反光镜、第一自由曲面透镜和第一光学器件记录在全息薄膜上；第二束记录光经第二光阑、第二反光镜、第二自由曲面透镜和第二光学器件记录在全息薄膜上，得到渐变体全息光栅。
2.根据权利要求1所述的使用自由曲面透镜的渐变体全息光栅的曝光方法，其特征在于，所述的步骤(1)中第一束记录光和渐变体全息光栅的角度等于在波导中传播的衍射光在渐变体全息光栅中与z轴的夹角φβ，所述φβ的计算方法为：
第一束记录光的角度与记录渐变体全息光栅的全息薄膜的坐标的非线性关系为：
y'＝d·tan(φβ)+H·tan(φβ0)
同时φβ和满足以下关系：
其中，y'为渐变体全息光栅的坐标；垂直于波导与渐变体全息光栅分界面的方向为z方向；在波导中传播的入射光为Lα、衍射光为Lβ；φα和φβ分别是Lα和Lβ在渐变体全息光栅中与z轴的夹角；φβ0是Lβ在空气中的角度，H是视点和波导之间的距离，d是波导的厚度，n1为波导的折射率，n0为空气折射率。
3.根据权利要求2所述的使用自由曲面透镜的渐变体全息光栅曝光的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中第二束记录光和渐变体全息光栅的角度等于在波导中传播的入射光在渐变体全息光栅中与z轴的夹角φα，所述φα的计算方法为：
θout＝φβ+π
Kinsin(θin)+Ky＝Koutsin(θout)
θin＝φα+π
其中，垂直于波导与渐变体全息光栅分界面的方向为z方向，水平方向为y方向，kin和kout分别是入射光和折射入波导的衍射光的波矢，kin和kout的模都为2π/λ·nSVVGH；K是体全息光栅的波矢，Ky是K在y方向的大小，nSVVHG为全息薄膜的折射率。
4.根据权利要求1所述的使用自由曲面透镜的渐变体全息光栅的曝光方法，其特征在于，所述步骤(3)中通过折射定律的矢量形式计算经第一自由曲面透镜的出光面折射后的第一束记录光的光线向量以及经第二自由曲面透镜的出光面折射后的第二束记录光的光线向量的方法为：
A0×N0＝A1×N0
A2×N1＝A3×N1
其中，A1指经第一光学器件折射后的第一束记录光的光线向量，N0是指第一光学器件的法向量，A0指经第一自由曲面透镜的出光面折射后的第一束记录光的光线向量，A1与渐变体全息光栅所在平面所成的夹角为φβ；A3指经第二光学器件折射后的第二束记录光的光线向量，N1是指第二光学器件的法向量；A2指经第二自由曲面透镜的出光面折射后的第二束记录光的光线向量，A3与渐变体全息光栅所在平面所成的夹角为φα。
5.根据权利要求1所述的使用自由曲面透镜的渐变体全息光栅的曝光方法，其特征在于，所述的步骤(4)中第一自由曲面透镜的出光面和第二自由曲面透镜的出光面的面型的计算方法包括以下步骤：
(4-1)通过折射定律的矢量形式计算第一束记录光中每条光线在第一自由曲面透镜的出光面所处位置的法向量，得到该位置的切线；通过折射定律的矢量形式计算第二束记录光中每条光线在第二自由曲面透镜的出光面所处位置的法向量，得到该位置的切线；
(4-2)通过第一自由曲面透镜的出光面与第一光学器件的距离取第一束记录光中第一条光线上的一点，得到第一自由曲面透镜的出光面上的第一个微观面型上的点坐标，取此处位置的切线与下一条光线的交点，得到下一个微观面型的点坐标，依次类推，从而得到第一自由曲面透镜的出光面的面型上的逐点坐标；通过第二自由曲面透镜的出光面与第二光学器件的距离取第二束记录光中的第一条光线上的一点，得到第二自由曲面透镜的出光面上的第一个微观面型上的点坐标，取此处位置的切线与下一条光线的交点，得到下一个微观面型的点坐标，依次类推，从而得到第二自由曲面透镜的出光面的面型上的逐点坐标；
(4-3)将步骤(2)得到的逐点坐标进行拟合，得到第一自由曲面透镜的出光面和第一自由曲面透镜的出光面的面型。
6.根据权利要求1所述的使用自由曲面透镜的渐变体全息光栅的曝光方法，其特征在于，所述的步骤(4-1)中通过折射定律的矢量形式计算第一束记录光中每条光线在第一自由曲面透镜的出光面所处位置的法向量，以及通过折射定律的矢量形式计算第二束记录光中每条光线在第二自由曲面透镜的出光面所处位置的法向量的计算方法为：
A4×N2＝A0×N2
A5×N3＝A2×N3
其中，A0指经第一自由曲面透镜的出光面折射后的第一束记录光的光线向量，N2是指第一束记录光中每条光线在第一自由曲面透镜的出光面所处位置的法向量，A4指经第一自由曲面透镜的入光面折射后的第一束记录光的光线向量；A2指经第二自由曲面透镜折射后的第二束记录光的光线向量，N3是指第二束记录光在第二自由曲面透镜的出光面所处位置的法向量，A5指经第二自由曲面透镜的入光面折射后的第二束记录光的光线向量。
7.根据权利要求1所述的使用自由曲面透镜的渐变体全息光栅曝光的方法，其特征在于，对步骤(6)中渐变体全息光栅检测的方法为：转动入射光与步骤(6)得到的渐变体全息光栅的夹角来得到渐变体全息光栅的角度选择曲线；通过角度选择曲线计算整体衍射效率。
8.根据权利要求1所述的使用自由曲面透镜的渐变体全息光栅曝光的方法，其特征在于，对步骤(6)中渐变体全息光栅检测的装置包括旋转平台，旋转平台上放置有一个一端为45度出光的平行平板，平行平板的另一端放置步骤(6)得到的渐变体全息光栅，旋转旋转平台，使激光器光源通过光阑照射到渐变体全息光栅的圆心上，经平行平板的一端出光到接受屏。
9.一种用于权利要求1所述的曝光方法的使用自由曲面透镜的渐变体全息光栅的曝光平台，其特征在于，所述曝光平台包括激光器光源、扩束透镜、准直透镜、半透半反分光镜、第一光阑、第二光阑、第一反光镜、第二反光镜、第一自由曲面透镜、第二自由曲面透镜、第一光学器件、第二光学器件和全息薄膜；
所述第一自由曲面透镜的入光面为平面或曲面、出光面为自由曲面；所述第二自由曲面透镜的入光面为平面或曲面、出光面为自由曲面；激光器光源发出的激光经过扩束准直透镜，扩束后的光束经准直透镜；再经半透半反镜分成第一束记录光和第二束记录光；第一束记录光经第一光阑、第一反光镜、第一自由曲面透镜和第二光学器件记录在全息薄膜上；第二束记录光经第二光阑、第二反光镜、第二自由曲面透镜和第二光学器件记录在全息薄膜上；得到渐变体全息光栅。
10.根据权利要求9所述的使用自由曲面透镜的渐变体全息光栅的曝光平台，其特征在于，所述的全息薄膜固定在第一光学器件和第二光学器件之间。
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