CN111638571B - 一种用于制备彩色全息波导光栅的自动化曝光系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于制备彩色全息波导光栅的自动化曝光系统，所述自动化曝光系统包括曝光参数输入模块，曝光角度、曝光位置计算模块，以及激光光源、准直扩束装置、光束曝光角度调控装置、曝光位置调控装置及干板夹具等光路模块，所述系统可计算并电控调节曝光光束干涉角度、全息干板曝光位置等，实现自动化制备彩色全息波导光栅的效果。

Description

一种用于制备彩色全息波导光栅的自动化曝光系统
技术领域
本发明属于全息光学技术，具体涉及一种全息干涉曝光技术，尤其涉及一种用于制备彩色全息波导光栅的自动化曝光系统。
背景技术
体全息光栅是利用全息干涉技术制备的一种衍射光栅，该光栅是通过激光器发出的两束相干激光光束，在感光材料内部形成明暗相间的干涉条纹，使得感光材料的折射率分布根据明暗条纹发生变化，在干涉曝光过程中，明条纹区域内的折射率升高，而暗条纹区域内的折射率下降，最终材料内部形成一种折射率调制光栅，明条纹和暗条纹区域的折射率差即为体全息光栅的折射率调制度，其决定了制备光栅的衍射效率、衍射带宽等光学衍射性能。
相比于传统的刻划光栅，体全息光栅有着杂散光少，+1级衍射效率高，波长及角度选择性好等诸多优势，所以全息体光栅在很多领域都在逐步取代传统的刻划光栅。根据再现光束的衍射方向和光栅矢量方向，可以将该光栅分为反射型体全息光栅和透射型体全息光栅，透射型体全息光栅被广泛应用于高分辨光谱仪中的分光器件、太阳能采集器、光通信等领域；而反射型体全息光栅相较于透射型体全息光栅，具有更大的衍射角度响应带宽，更窄的衍射波长响应带宽(色散更低)，主要应用于全息波导显示领域。
在全息波导显示领域实际应用中，体全息光栅作为全息光学耦合器件，用于将带有图像信息的光束耦合进入波导传播，再将光束耦合进入人眼的作用。全息波导光栅的光栅周期为百纳米尺度，且输入和输出光栅的光栅参数要严格对称，因此对全息波导光栅的制备工艺精度有极高的要求。目前，制备彩色体全息光栅的传统工艺是用手工搭建光路调整记录光曝光角度，这种方法的精确度和一致性难以保证。同时，制备不同参数的体全息光栅需要搭建不同的曝光光路调整记录光角度，大大增加了制备时间和难度。因此，如何快速调整曝光光路实现一致性高、重复性好、精准度高的体全息光栅制备装置是如今体全息技术中的一个重点研究方向。
发明内容
发明目的：为提高波导光栅的制备效率和精确度，提高生产效率，缩短工艺时间，本发明提出一种用于制备彩色体全息光栅的自动化曝光系统。
技术方案：一种用于制备彩色全息波导光栅的自动化曝光系统，通过输入物光和参考光与体光光栅夹角，计算反射镜的偏转角度和曝光点的位置，进而控制机械装置自动化调节体光栅的位置与曝光光路，满足不同设计参数下的体全息光栅曝光光路精度，所述系统包括光栅参数设置模块，曝光角度计算模块，曝光位置计算模块，电控驱动控制模块和干涉曝光系统；
所述光栅参数设置模块用于设置光栅曝光参数，包括设置再现光入射和衍射角度、记录光波长、记录光光强和曝光时间；
所述曝光角度计算模块基于K矢量圆、布拉格衍射定理，根据光栅参数、记录光波长和光栅曝光参数计算得到参考光和物光的干涉角度；
所述曝光位置计算模块用于根据两束记录光干涉角度、曝光平台上物光和参考光光路的相对位置关系计算得到全息干板的曝光位置；
所述电控驱动控制模块根据记录光干涉角度、全息干板曝光位置，由计算机向驱动控制器输入数字控制信号，驱动控制器对电控旋转台、电控平移台输入电流信号，用于控制电控旋转台旋转角度、控制电控平移台的位移距离；
所述干涉曝光系统包括单纵模激光器、电控快门、分光扩束准直光学系统、电控记录光曝光角度调控装置、电控曝光位置调控装置。
进一步的，在干涉曝光系统中，所述分光扩束准直光学系统包括光阑、介质膜反射镜、分光棱镜、空间光滤波器、准直透镜等精密光学器件。由单纵模激光器发射的激光光束首先经过电控快门，进入空间光滤波器扩束成具有一定发散角的光斑，光斑经光阑整形后经过准直透镜，形成具有一定尺寸和形状的准直光束，再经分光棱镜分成能量相等的两束准直光。
所述电控记录光曝光角度调控装置由一套或一套以上的介质膜反射镜、电控旋转台及驱动控制器组成，电控旋转台用于调控介质膜反射镜的角度。
所述由分光扩束准直光学系统产生的两束准直光分别经介质膜反射镜反射调整光束最终的干涉角度。
所述电控曝光位置调控装置由电控平移台、干板夹持器、驱动控制器组成，可将全息干板移动到曝光位置计算模块计算得到的两束记录光干涉位置处。
有益效果：与现有技术相比，本发明所述方法通过输入物光和参考光与体光光栅夹角，计算反射镜的偏转角度和曝光点的位置，从而控制机械装置自动化调节体光栅的位置与曝光光路，满足不同设计参数下的体全息光栅曝光光路精度需求，电控旋转角度精度可达到0.05度，电控位移精度可达到60um，因而可节省手动调整曝光光路的时间，提高了曝光效率，为批量化生产不同光栅参数的体全息光栅提供了保障。
附图说明
图1是本发明所述系统的结构示意图；
图2是本发明中两束激光交汇点计算示意图；
图3是本发明中所述的系统中扩束准直分光光学系统示意图；
图4是实施例1中干涉曝光系统示意图；
图5是实施例2中干涉曝光系统示意图；
图6是实施例3中干涉曝光系统示意图。
具体实施例方式
为了详细的说明本发明所公开的技术方案，下面结合附图和具体实施例进一步阐明本发明。
本发明是一种用于制备彩色全息波导光栅的自动化曝光系统。通过输入物光和参考光与体光光栅夹角，计算反射镜的偏转角度和曝光点的位置，从而控制机械装置自动化调节体光栅的位置与曝光光路，满足不同设计参数下的体全息光栅曝光光路精度需求，电控旋转角度精度可达到0.05度，电控位移精度可达到60um，因而可节省手动调整曝光光路的时间，提高了曝光效率，为批量化生产不同光栅参数的体全息光栅提供了保障。并且实现自动化的参数计算及控制过程，包括根据现有曝光控制器件的组合设计以实现不同精度的需要。
本发明所述的自动化曝光系统如图1所示，主要包括光栅参数设置模块，曝光角度计算模块，曝光位置计算模块，电控驱动控制模块以及干涉曝光系统。
光栅参数设置模块用于设置光栅曝光参数，如再现光入射和衍射角度、记录光波长、记录光光强和曝光时间等。
曝光角度计算模块基于K矢量圆、布拉格衍射定理，根据光栅参数、记录光波长等曝光参数计算得到参考光和物光的干涉角度。
曝光位置计算模块用于根据两束记录光干涉角度、曝光平台上物光和参考光光路的相对位置关系计算得到全息干板的曝光位置。如图2所示，全息干板的摆放平面与x轴平行。取图2中所示的反射镜2作为坐标原点，记反射镜1的位置为(x0,y0)已知值，(X,Y)为两束扩束光的交汇点坐标。θ1和θ2为两个反射镜的角度偏转情况。
由几何关系可得
Figure BDA0002503241330000031
Figure BDA0002503241330000041
以上两个公式对任意波长再现光都成立。
其中，
θ′＝π-θ
Figure BDA0002503241330000042
是记录光夹角，满足以下公式
Figure BDA0002503241330000043
即
Figure BDA0002503241330000044
其中，k0、k1为记录光波矢量大小，λ0、λ1分别记录光、再现光波长大小。
由上述公式和几何关系可得，两束记录光汇聚点坐标(X,Y)为
Figure BDA0002503241330000045
因此，可根据汇聚点坐标计算公式推导出全息干板曝光点的轨迹，从而进一步推导出电控平移台的平移轨迹。
电控驱动控制模块根据记录光干涉角度、全息干板曝光位置，由计算机向驱动控制器输入数字控制信号，驱动控制器进一步对电控旋转台、电控平移台输入电流信号，用于控制电控旋转台旋转角度、控制电控平移台的位移距离。
干涉曝光系统包括单纵模激光器、电控快门、分光扩束准直光学系统、电控记录光曝光角度调控装置、电控曝光位置调控装置等。
如图3所示，分光扩束准直光学系统包括光阑、介质膜反射镜、分光棱镜、空间光滤波器、准直透镜等精密光学器件。由单纵模激光器发射的激光光束首先进入空间光滤波器201扩束成具有一定发散角的光束，扩束后的光束经过准直透镜202形成准直光束，准直光束通过光阑203调节其光斑尺寸，再经分光棱镜204分成能量相等的两束准直光，其中一束准直光经介质膜反射镜205反射后与另一束准直光保持平行。
电控记录光曝光角度调控装置由一套或一套以上的介质膜反射镜、电控旋转台及驱动控制器等光学精密器件组成，电控旋转台用于调控介质膜反射镜的角度。
由分光扩束准直光学系统产生的两束准直光分别经介质膜反射镜反射调整光束最终的干涉角度。
电控曝光位置调控装置由电控平移台、干板夹持器、驱动控制器等精密光学器件组成，可将全息干板移动到曝光位置计算模块计算得到的两束记录光干涉位置处。
下面具体来描述本发明的不同干涉曝光系统的具体光路设计，如图4-图6所示。干涉曝光系统的记录光曝光角度和曝光点位置应按照曝光角度计算模块和曝光位置计算模块的计算结果进行调控。光路的通断由电控快门控制，当光路按照上述曝光参数计算结果自动调整完毕后，快门开启，开启时间由光栅参数计算模块输入的曝光时间决定。曝光结束后，快门关闭。
实施例1
如图4所示为本发明中的干涉曝光系统光路示意图。由单纵模激光器301出射的激光先经分束扩束光路302形成两束平行的准直光束。
电控平移台303放置在其中一束准直光路的传播路径上，可将装载介质膜反射镜的电控旋转台304沿着光束传播方向移动。
电控旋转台304用于调控光束传播方向。装载介质膜反射镜的电控旋转台305放置在另一束准直光束的传播路径上，用于改变该光束的传播方向。
经过介质膜反射镜的调控，两束准直光最终会在某个位置处相交。电控平移台306装载全息干板架和全息干板307，用于将待曝光的全息干板307移动至两束准直光的交汇处。
实施例2
如图5所示为本发明中的干涉曝光系统光路示意图。由单纵模激光器401出射的激光先经分束扩束光路402形成两束平行的准直光束。
电控平移台403放置在其中一束准直光路的传播路径上，可将装载介质膜反射镜的电控旋转台404沿着光束传播方向移动，电控旋转台404用于调控光束传播方向，使其与另一束准直光交汇。
介质膜反射镜405将另一束准直光束传播方向偏转90度，向装载介质膜反射镜的电控旋转台406出射，装载介质膜反射镜的电控旋转台406放置在该光束的传播路径上，用于改变该光束的传播方向。
经过介质膜反射镜的调控，两束准直光最终会在某个位置处相交。电控平移台306装载全息干板架和全息干板407，用于将待曝光的全息干板407移动至两束准直光的交汇处。
实施例3
如图6所示为本发明中的干涉曝光系统光路示意图。由单纵模激光器501出射的激光先经分束扩束光路502形成两束平行的准直光束。
介质膜反射镜503放置在其中一束准直光路的传播路径上，将准直光束向装载介质膜反射镜的电控旋转台505反射，电控平移台504的平移路径应与该准直光束的反射路径保持一致。装载介质膜反射镜的电控旋转台505用于调控光束传播方向，使其与另一束准直光交汇。
介质膜反射镜506将另一束准直光束传播方向偏转90度，向装载介质膜反射镜的电控旋转台507出射，装载介质膜反射镜的电控旋转台406放置在该光束的传播路径上，用于改变该光束的传播方向。
经过介质膜反射镜的调控，两束准直光最终会在某个位置处相交。电控平移台508装载全息干板架和全息干板509，该平移台用于将待曝光的全息干板509移动至两束准直光的交汇处。
本发明所提供的一种用于制备彩色体全息光栅的自动化曝光系统，能够通过输入物光和参考光与体光光栅夹角，计算反射镜的偏转角度和曝光点的位置，从而控制机械装置调节体光栅的位置与曝光光路，满足不同设计参数下的体全息光栅曝光光路需求，节省了手动调整曝光光路的时间，提高了曝光效率，为批量化生产不同光栅参数的体全息光栅提供了保障。

Claims (3)

1.一种用于制备彩色全息波导光栅的自动化曝光系统，其特征在于：通过输入物光和参考光与体光栅夹角，计算反射镜的偏转角度和曝光点的位置，进而控制机械装置自动化调节体光栅的位置与曝光光路，满足不同设计参数下的体全息光栅曝光光路精度，所述系统包括光栅参数设置模块，曝光角度计算模块，曝光位置计算模块，电控驱动控制模块和干涉曝光系统；设定记录光包括参考光和物光，再现光为满足所制备全息波导光栅布拉格衍射条件的入射光束和衍射光束；
所述光栅参数设置模块用于设置光栅曝光参数，包括设置再现光入射和衍射角度、记录光波长、记录光光强和曝光时间；
所述曝光角度计算模块基于K矢量圆、布拉格衍射定理，根据光栅曝光参数计算得到参考光和物光的干涉角度；
所述曝光位置计算模块用于根据两束记录光干涉角度、曝光平台上物光和参考光光路的相对位置关系计算得到全息干板的曝光位置；
所述电控驱动控制模块根据记录光干涉角度、全息干板曝光位置，由计算机向驱动控制器输入数字控制信号，驱动控制器对电控旋转台、电控平移台输入电流信号，用于控制电控旋转台旋转角度、控制电控平移台的位移距离；
所述干涉曝光系统包括单纵模激光器、电控快门、分光扩束准直光学系统、电控记录光曝光角度调控装置、电控曝光位置调控装置；所述电控记录光曝光角度调控装置由若干套介质膜反射镜、电控旋转台及驱动控制器组成，电控旋转台用于调控介质膜反射镜的角度；所述电控曝光位置调控装置由电控平移台、干板夹持器、驱动控制器组成，可将全息干板移动到曝光位置计算模块计算得到的两束记录光干涉位置处。
2.根据权利要求1所述的用于制备彩色全息波导光栅的自动化曝光系统，其特征在于：所述干涉曝光系统中，分光扩束准直光学系统包括光阑、介质膜反射镜、分光棱镜、空间光滤波器、准直透镜；由单纵模激光器发射的激光光束首先经过电控快门，进入空间光滤波器扩束成具发散角的光斑，光斑经光阑整形后经过准直透镜，形成对应尺寸和形状的准直光束，再经分光棱镜分成能量相等的两束准直光，包括参考光和物光。
3.根据权利要求2所述的用于制备彩色全息波导光栅的自动化曝光系统，其特征在于：所述由分光扩束准直光学系统产生的两束准直光分别经介质膜反射镜反射调整光束最终的干涉角度。
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