CN113227912A - 用于制造全息光学元件(hoe)的方法、全息光学元件、投影设备、数据眼镜的眼镜镜片及数据眼镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造全息光学元件(210)的方法(100)，该全息光学元件设置用于在投影系统中进行投影。根据方法100，记录全息图(210)，其方式是对于至少两个不同的配置引起第一高斯射束(212)和第二高斯射束(214)用于在全息薄膜(200)上的干涉。其中第一高斯射束(212)是参考射束，其对于至少两个不同的配置与用于重构全息光学元件(210)的重构射束相同。此外，第二高斯射束(214)是物射束，其在借助重构射束进行全息光学元件(210)的重构中与用于在投影系统中进行投影的投影射束相同。对于至少两个不同的配置对于第二高斯射束(214)设有至少一个射束特征，该射束特征各自与投影系统的预给定的投影特征有关。

Description

用于制造全息光学元件(HOE)的方法、全息光学元件、投影设 备、数据眼镜的眼镜镜片及数据眼镜

技术领域

本发明涉及一种用于制造设置用于在投影系统中进行投影的全息光学元件(HOE)的方法、这种全息光学元件、一种投影设备、一种用于数据眼镜的眼镜镜片以及这种数据眼镜。

背景技术

在文献DE 2016 201 567 A1中公开一种用于数据眼镜的投影设备。投影设备包括图像产生单元，用于产生代表第一图像信息的至少一个第一光束和代表第二图像信息的第二光束。第一光束和第二光束在其光束发散性方面彼此不同。此外，第一图像信息和第二图像信息在可感知的图像清晰度方面彼此不同。此外，投影设备包括至少一个偏转元件，其构造用于，通过使用在眼睛的第一可见范围内的第一光束来表示第一图像信息，以及通过使用在眼睛的位于第一可见范围之外的第二可见范围内的第二光束来表示第二图像信息。

发明内容

在球面波转向器(Kugelwellenumlenkern)——其是经典的模拟的全息图——的情况下，在记录时例如可以借助发散的和会聚的球面波来照明全息层，从而在重放(Abspielen)时借助两个球面波之一在全息层上如此使光衍射，使得将光偏转为第二会聚的球面波。该方法能实现光在不受到反射定律的配置下的偏转。

如果借助例如从点源的位置发出的高斯射束局部照明这种全息光学元件，则将该高斯射束偏转到目标点的方向，会聚的球面波——其用于球面波转向器的记录——将射到该目标点上。

此外，由现有技术已知基于全息偏转元件的近眼显示器。

已知其他基于全息偏转元件的近眼显示器作为视网膜扫描显示器(RSD)，其使用(至少)一个MEMS镜，以便扫描通过全息偏转元件的射束，该全息偏转元件又将该射束朝用户的瞳孔偏转，使得通过对光源和镜的有目的的操控能够将光刺激直接定位在视网膜上。

头盔式显示器(Helmet-Mounted-Displays)或者说头戴式显示器(Head-Mounted-Displays)(HMD)或头穿式显示器(Head-Worn-Displays)(HWD))的开发自从20世纪60年代是一个活跃的研究领域。一种形式是虚拟现实(VR)系统。但是主要的是增强现实(AR)或混合现实装置的开发，这提供令人关注的可能性的前景——在工作和日常中的情景相关的和个性化的信息提供。

由于高成本且体积大的光学设备，HMD迄今主要应用在军事领域中。自然，民用职业类型和消费者也可以在日常和业余时间中由便利的和成本有利的HMD装置获利。但是迄今还没有大批量的消费品可以成功投放在市场上。大的挑战在此例如是对光学和机械技术规范的相互影响的要求。目前在市场上存在两个不同类型的HMD。一方面是轻型的、便利的HMD，其成像和传感系统保持尽可能小，因此其也仅仅具有受限的功能范围。另一方面存在具有相对大体积的光学设备必要时结合多个传感器和摄像机的HMD，多个传感器和摄像机能够实现更高要求的图像表示和在环境感知与叠加的图像信息之间的交互，然而它们显著更大、更重且在使用时不太符合人类工程学。

以尽可能节省空间的结构形式实现高要求的成像的应用在于基于激光的视网膜扫描器。相比于大多数其他方案，在此不使用通过成像系统将显示面的图像淡入(einblenden)用户的视野中的成像的光学设备。取而代之地，在此借助至少一个、在多色系统中也借助多个激光源产生射束，射束通过MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System，微电子机械系统)镜可偏转且可借助镜的偏移扫描通过视网膜。因此，通过在人类视觉系统中的延迟时间(Latenzzeit)可以通过镜和激光源的有目的的操控产生平面图像或叠加的图像内容的印象。该系统方案的优点在于少量光学部件，此外仅要求小的结构空间。

已知的是，高斯射束的自由空间传播首先由波长和束腰半径确定。首先借助输入光束的波长和束腰以及透镜的焦距和束腰关于透镜的位置、类似于在成像光学系统中物镜侧的后焦距(Schnittweite)来描述高斯射束通过折射透镜的传播。

在借助高斯射束照明经典的、模拟的全息偏转元件、例如球面波转向器的情况下在相应入射角的情况下将该高斯射束偏转到出射角，其中出射角在此通常不等于入射角。但是，在全息层上的衍射导致附加的相位项(Phasenterme)的形成，所述相位项可能导致在可比较的距离上的自由空间传播的传播性能的偏差。这导致：重要的射束参数、如例如束腰的半径和位置除了自由空间传播之外还受全息光学元件影响，这可能导致与期望的系统特征的巨大偏差。尤其是由球面波转向器偏转的高斯射束的射束特性通常非对称的。

本方法用于制造全息光学元件，该全息光学元件设置用于在投影系统中进行投影。投影系统或投影器在此可以是光学设备，借助该光学设备将二维样品(Vorlage)、例如图像成像到投影面或图像面上。投影系统也可以是视网膜扫描器。

根据该方法，记录全息图，其方式是：对于至少两个不同配置使第一高斯光束和第二高斯光束在全息膜上发生干涉。

在此，对于每个配置如此长地曝光在全息薄膜上的干涉，使得记录子全息图。通常，在方法中在不同的配置之间关断产生第一和第二高斯射束的一个或多个激光器。替代地或附加地，可以借助可运动的遮光物阻挡一个或多个激光器，和/或一个或多个激光器通过可运动的镜暂时绕行到射束捕集器(Strahlfalle)中。

第一和第二高斯射束的至少两个不同的配置中的每个配置通过至少一个射束特征表征。

根据一种优选的实施方式，该至少一个射束特征选自如下列表，该列表具有传播方向、束腰的大小或者束腰的位置。在此，对于沿正交的空间方向的高斯射束的束腰的大小可以不同，该正交的空间方向垂直于传播方向。因此可以产生用于x轴的束腰和用于y轴的束腰。这两个束腰的位置可以沿传播方向不同。此外在全息光学元件(HOE)上的椭圆率或光束半径也可以是上述列表的一部分。

高斯射束在此理解为空间上的基模TEM00。在此沿着垂直于传播方向的第一空间方向的强度特性是高斯分布。该第一空间方向可以称为x轴。在此沿传播方向(称为z轴)的分布在确定的位置x0具有束腰。高斯射束沿垂直于第一空间方向的第二空间方向(称为y轴)同样具有高斯形的强度分布。然而，沿z轴的、所述分布在此处具有最小延展的位置不一定必须与位置x0一致，而是可以具有另一位置，其称为y0。通常这种高斯射束在xy平面中的强度分布是椭圆形的。

每个配置可以通过不同的射束参数表征。每个配置例如可以对于射束参数的子集具有同样或相同的射束参数，而对于射束参数的互补的子集具有不同的射束参数。为此的示例例如：传播方向对于每个配置是不同的，然而此外射束参数是相同的或在预给定的范围内是相同的，例如射束可以对于每个配置是旋转对称的，且束腰与全息光学元件的间隔可以对于每个配置是相同的。另一示例可以在于，第二高斯射束对于所有配置、例如对于反射元件的所有角位置具有相似的椭圆率，亦即椭圆率对于所有角位置均位于预给定的范围内。

第一高斯射束是参考射束，参考射束对于至少两个不同的配置与用于重构全息光学元件的重构射束或参考射束相同。重构射束可以对于不同的配置具有不同的射束特征。因此，对于不同的配置可以借助分别具有不同的光学器件的不同的激光器产生重构射束。

优选地，第一高斯射束借助可使用在视网膜扫描器中的扫描单元偏转到全息薄膜上。在此，第一高斯射束优选地借助激光射束源产生，其中，借助反射元件将所产生的激光射束偏转到全息薄膜上。反射元件替代地可以称为扫描镜或MEMS镜。

此外优选的是，在反射元件与全息光学元件之间不布置光学元件。光学元件是以下设备：其相比于光束通过空气的传播不同地改变射束特征。此外优选的是，在具有同样的扫描单元的数据眼镜中使用所产生的全息图或全息光学元件。

此外，第二高斯射束是如下的物射束：其在通过使用重构射束进行的、全息光学元件的重构中与用于在投影系统中进行投影的投影射束相同。

根据该方法，对于至少两个不同的配置为投影射束预给定至少一个射束特征，该射束特征分别与投影系统的预给定的投影特征有关。

该方法有利地实现：借助该方法制造的全息光学元件通过借助具有预给定的准确限定的射束特征的高斯射束进行的局部照明生成高斯射束，该高斯射束尤其能够准确地匹配于投影系统的要求。

根据方法的一种优选的实施方式，通过以下方式制造全息光学元件：第一高斯射束以第一预给定的角而第二高斯射束以第二预给定的角如此照明全息薄膜，使得第一高斯射束和第二高斯射束分别局部照明全息薄膜，即在局部受限的位置。

由于以下特征，借助该方法制造的全息光学元件也称为全息高斯射束偏转器：入射到全息光学元件上的高斯射束被偏转为另一高斯射束。

根据另一优选实施方式，优化第二高斯射束的品质函数。由此有利地实现，第二高斯射束的预给定的特征是可优化的，尤其能够匹配于投影系统。

根据另一优选实施方式，品质函数是加权的和函数，其对于至少两个不同的配置且对于在全息光学元件与投影面之间相应的预给定的位置分别具有加数(Summanden)，该加数是由所述至少一个射束特征推导出的变量。在此，由至少一个射束特征推导出的变量例如是光斑大小、高斯射束的对称性、光斑的椭圆率或者其他由至少一个射束特征推导出的变量。其他所推导的变量可以是推导出的变量的数学函数，例如光斑的椭圆率的数值平方或绝对值平方。上述品质函数有利地实现第二高斯射束针对所有不同的配置的适合的特征化。

根据一种优选的实施方式，全息图是反射全息图或具有反射全息图。该特征此外具有如下优点，即全息光学元件例如能够在视网膜扫描器中的眼镜镜片上使用。

根据一种优选的实施方式，全息薄膜是平面的，或者布置、尤其是施加在平面的衬底、承载衬底上。替代地，全息薄膜是弯曲的(gebogen)或扭曲的(gekrümmt)，尤其是与眼镜镜片的表面相同地弯曲。由此有利地实现：通过该方法制造的全息光学元件能够在视网膜扫描器中的眼镜镜片上使用。

所述全息光学元件根据上述方法制造。该全息光学元件能够在上述投影系统中使用。这种借助上述方法制造的全息光学元件例如能够在视网膜扫描器或其他可携带的近眼显示器(英语：Near-Eye Display)中使用。

投影系统设置用于数据眼镜。在此，投影设备具有：用于发送光束的光源；布置或可布置在数据眼镜的眼镜镜片上的全息光学元件，其用于通过将光束偏转到用户的晶状体的方向中和/或光束的聚焦来将图像投影到数据眼镜的用户的视网膜上；以及射束偏转元件，其用于将光束反射到全息光学元件上。

优选地，全息光学元件是以上所描述的全息光学元件。

眼镜镜片设置用于数据眼镜，其中，全息光学元件布置在眼镜镜片的表面上。在此，全息光学元件优选布置在眼镜镜片的朝向用户或用户的眼睛的表面上。

数据眼镜具有根据上述权利要求所述的至少一个眼镜镜片。优选地，数据眼镜具有上述投影设备。

全息光学元件、眼镜镜片以及数据眼镜具有与上述方法同样或类似的优点。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出且在以下说明书中进一步阐述。

图1A：示出现有技术的球面波转向器的记录；

图1B：示出现有技术的球面波转向器的重构；

图2A、2B和2C：示出球面波转向器对于如下情况的偏转性能，即高斯射束到达球面波转向器；

图3：示出根据本发明的一个实施例的方法的示意流程图；

图4：示出根据本发明的一个实施方式的用于记录全息光学元件的装置；

图5：示出全息光学元件的重构，其制造在图4中示出；

图6：示出根据本发明的一个实施方式的用于记录全息光学元件的装置；

图7：示出全息光学元件的重构，其制造在图6中示出；

图8：示出根据一个实施方式的投影设备的示意图；

图9：示出根据一个实施方式的数据眼镜的示意等距图。

具体实施方式

图1在子图1A中示出现有技术的全息光学元件、尤其是偏转全息光学元件、在本发明中为球面波转向器的记录，并且在子图1B中示出全息光学元件的重构或重放。在子图1A中可见全息薄膜200，在该全息薄膜200上使两个球面波的光源发生干涉。第一球面波204是发散的，由点202发出且在子图1A的视图中从右边到达全息薄膜200。第二球面波208是会聚的，且在子图1A的视图中由左边到达全息薄膜200，且在没有全息薄膜200的情况下聚焦到点206。在全息薄膜200上因此记录干涉图案，由该干涉图案生成全息光学元件210、特别是偏转全息光学元件或球面波转向器211。

在子图1B中示出，如何借助发散的球面波204——其现在到达完成的全息光学元件210、特别是偏转全息光学元件上——重构会聚的球面波208。

在图2中示出，根据现有技术的球面波转向器211如何局部用作用于入射的高斯射束的偏转元件。

在图2A中示出，高斯射束——其在图2A的视图中与在图1A和1B的视图中一样——在到达球面波转向器211最上方的情况下如何衍射至点206。在图2B中示出，高斯射束在到达球面波转向器211中间的情况下如何衍射至点206。在图2C中示出，高斯射束在到达球面波转向器211的最下方的情况下如何衍射至点206。此外，在球面波转向器211的全息层上的衍射导致附加的相位项的施加，所述相位项导致在相似的距离上自由空间传播的传播性能的偏差。这可以导致：重要的光束参数、例如束腰半径和位置除了自由空间传播之外、通过球面波转向器211影响，这可以导致与期望的系统特征的巨大偏差。

图3示出用于制造全息光学元件(HOE)的方法300，该全息光学元件设置用于在投影系统中进行投影。

在步骤310中求取：投影射束必须具有哪些射束特征，该投影射束用于给定的投影系统。在本发明中优化旋转对称性的射束特征。由全息光学元件210偏转的第二高斯射束——其也称为物射束——针对所使用的不同配置与投影射束相同。

在下一步骤320中，为了使第二高斯射束匹配于投影系统，优化第二高斯射束的品质函数。在此品质函数是加权的和函数，其对于不同的配置并且对于在全息光学元件210与投影面之间相应的预给定的位置分别具有加数，该加数是用于相应的射束的椭圆率的度量。由优化获得第二高斯射束针对不同的配置需要的射束特征。

在下一步骤330中，记录反射全息图，其方式是：对于不同的配置使第一高斯射束和第二高斯射束在平面的全息薄膜上发生干涉。在此，第一高斯射束和第二高斯射束从不同的侧面照射到薄膜上。

第一高斯射束在此是参考射束，其对于不同的配置与用于在投影系统中重构全息光学元件210的重构射束相同。

图4示出如何对于三个不同的配置使第一高斯射束212和第二高斯射束214在全息薄膜200上发生干涉，由此记录全息图、全息光学元件210、尤其是偏转全息光学元件。

不仅第一高斯射束212而且第二高斯射束均借助激光射束源104产生，所述高斯射束首先通过准直器114准直且随后借助适合的焦距的透镜115聚焦。为了相应地准备第一高斯射束212的射束参数，在本发明中未示出的其他光学设备可能是必要的。在没有一般性的限制的情况下可以假定，本领域内技术人员可以根据经验改变和确定第一高斯射束212和第二高斯射束214的需要的射束参数。

在此，第一高斯射束212是参考射束，其对于三个不同的配置与用于在投影系统中重构全息光学元件的重构射束216相同。重构射束在图5中可见，以下对其进行阐述。对于三个不同的配置，第一高斯射束212可以具有不同的射束特征。

第二高斯射束214是如下的物射束：其在通过使用重构射束216进行的、全息光学元件210的重构中与用于在投影系统中进行投影的投影射束218相同。对于三个不同的配置，第二高斯射束214可以具有不同的射束特征。

对于三个不同的配置，对于第二高斯射束214或投影射束218预给定其射束特征——束腰及其位置。投影射束218的所述射束特征与投影系统的预给定的投影特征有关。

在第一高斯射束212和第二高斯射束214的第一配置的情况下，第一高斯射束212和第二高斯射束214在第一位置220到达全息薄膜200。在第一高斯射束212和第二高斯射束214的第二配置的情况下，第一高斯射束212和第二高斯射束214在第二位置222到达全息薄膜200。在第一高斯射束212和第二高斯射束214的第三配置的情况下，第一高斯射束212和第二高斯射束214在第三位置224到达全息薄膜200。在第一位置220、第二位置222和第三位置224因此记录子全息图。在记录三个子全息图之后生成完成的全息光学元件210。

在图5中可见如何重放或重构全息光学元件210，所述全息光学元件的记录根据图4阐述。在全息光学元件210的记录时所使用的第一高斯射束212与在图5中成像的重构射束216相同。如果重构射束216到达全息光学元件210，那么该重构射束216由全息光学元件210偏转为投影射束218，投影射束218与用于全息光学元件210的记录的第二高斯射束214相同。这适用于所有3个配置。

图5的全息光学元件210相比于图2A、2B或2C的全息光学元件210具有如下优点，即投影射束218是旋转对称的。

图6基本上相应于图4。然而第一高斯射束212的3个配置的区别在于，这些配置通过同一个激光射束产生，其方式是：由激光射束源104发射的、由准直器114准直地和由透镜115聚焦的激光射束由可扫描的射束偏转元件226不同地偏转。第二高斯射束214的3个配置同样通过唯一的激光射束源104生成，其方式是：使得激光射束源104连同准直器114和透镜115围绕点206摆动。这在图6中通过箭头P说明。

图7示出全息光学元件210的重构或重放，全息光学元件210通过在图6中阐述的方法获得。

图8示出投影设备100的原理上的功能方式。由作为光源104的激光二极管发射的光束106借助作为准直元件114的透镜准直且朝作为反射元件112的微镜的方向引导。反射元件112将光偏转到实施成全息光学元件的偏转元件102的方向。偏转元件102施加在眼镜镜片402上。由偏转元件102偏转的光束106随后到达眼睛和晶状体108上，光束106从那里聚焦到用户的眼球107的视网膜110上。

光源104布置在固定在眼镜架120上的壳体105中。在壳体105的输出端上布置有准直元件114。光源104、准直元件114和反射元件112能够安装在一个共同的未示出的壳体中，其中，由反射元件112反射的光束106通过布置在壳体的侧面上的窗耦合输出。该壳体可以固定在眼镜腿118或眼镜架120上。

图9示出根据一种实施例的具有投影设备100的数据眼镜400的示意图。投影设备100在此具有扫描光学器件152和偏转元件102。扫描光学器件152布置在壳体105中且发送未示出的光束106通过发出窗148到达偏转元件102。数据眼镜400具有眼镜镜片402，偏转元件102布置在眼镜镜片上。偏转元件102例如实现为眼镜镜片402的部分。替代地，偏转元件102实现为单独的元件且借助适合的接合方法与眼镜镜片402连接。

Claims (12)

1.一种用于制造全息光学元件(210)的方法(300)，所述全息光学元件设置用于在投影系统中进行投影，其特征在于，记录全息图(210)，其方式是对于至少两个不同的配置使第一高斯射束(212)和第二高斯射束(214)在全息薄膜(200)上发生干涉，其中，所述第一高斯射束(212)是参考射束，所述参考射束对于所述至少两个不同的配置与重构射束相同，借助所述重构射束来重构所述全息光学元件(210)；所述第二高斯射束(214)是物射束，所述物射束在通过使用所述重构射束进行的、所述全息光学元件(210)的重构中与投影射束相同，所述投影射束用于在投影系统中进行投影；其中，对于所述至少两个不同的配置对于所述第二高斯射束(214)预给定至少一个射束特征，所述至少一个射束特征分别取决于所述投影系统的预给定的投影特征。

2.根据权利要求1所述的方法(300)，其特征在于，所述至少一个射束特征选自如下列表：所述列表具有传播方向、束腰的大小或者所述束腰的位置。

3.根据权利要求1或2所述的方法(300)，其特征在于，优化用于所述第二高斯射束(214)的品质函数。

4.根据上述权利要求中的任一项所述的方法(300)，其特征在于，所述品质函数是加权的和函数，所述品质函数对于所述至少两个不同的配置且对于在所述全息光学元件(210)与投影面之间相应的预给定的位置分别具有加数，所述加数是由所述至少一个射束特征推导出的变量。

5.根据上述权利要求中的任一项所述的方法(300)，其特征在于，所述全息图(210)是反射全息图或具有反射全息图。

6.根据上述权利要求中的任一项所述的方法(300)，其特征在于，所述全息薄膜(200)是平面的或弯曲的。

7.一种全息光学元件(210)，根据根据上述权利要求中任一项所述的方法(100)制造所述全息光学元件。

8.一种用于数据眼镜(400)的投影设备(100)，其中，所述投影设备(100)具有以下特征：用于发送光束(106)的光源(104)；布置在或可布置在所述数据眼镜(400)的眼镜镜片(402)上的全息光学元件(210)，所述全息光学元件用于：通过将光束(106)偏转到用户的晶状体(108)的方向，和/或通过所述光束(106)的聚焦，将图像投影到所述数据眼镜(400)的用户的视网膜(110)上；以及射束偏转元件(226)，所述射束偏转元件用于将所述光束(106)反射到所述全息光学元件(210)上。

9.根据权利要求8所述的投影设备(100)，其特征在于，所述全息光学元件(210)是根据权利要求7所述的全息光学元件(210)。

10.一种用于数据眼镜(400)的眼镜镜片(402)，其特征在于，根据权利要求7所述的全息光学元件(210)布置在所述眼镜镜片(402)的表面上。

11.一种数据眼镜(400)，所述数据眼镜具有至少一个根据上述权利要求中的任一项所述的眼镜镜片(402)。

12.根据上述权利要求中的任一项所述的数据眼镜(400)，还具有根据权利要求8或9所述的投影设备(100)。

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