CN114815024A - 一种用于批量制备全息衍射波导的曝光区域计算方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于批量制备全息衍射波导的曝光区域计算方法及其应用，所述方法用于批量制备全息衍射波导的曝光装置的中的全息干板移动控制和曝光区域形状及面积计算，根据曝光参数，计算出入耦合光栅尺寸和波导片尺寸，进一步的在批量制备全息衍射波导的曝光装置通过控制全息干板的移动，包括控制其位移、位移间隔时间和待曝光的区域形状及面积，得到全息干板曝光结束总时长以及总位移的相关控制信号，最后通过控制电机平移台的输入电流信号，基于批量曝光装置，实现全息波导光栅的批量曝光处理。

Description

一种用于批量制备全息衍射波导的曝光区域计算方法及其 应用

技术领域

本发明属于全息光学技术，涉及一种制备全息衍射波导的曝光计算方法及其应用。

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。

目前，制备彩色全息波导光栅已存在自动化曝光系统(ZL202010438666.0)然而该方案所涉及的曝光系统只能制备单片全息波导光栅，这对于全息波导光栅的批量生产是远远不够的，因此需要一种能够制备多个光栅的精准自动控制方法及控制装置以提高光栅制备效率，为批量化生产体全息光栅提供保障。

发明内容：

发明目的：针对现有技术自动化曝光系统中对于控制技术的不足，本发明的第一目的是提供制备全息衍射波导的曝光区域计算方法，用于调节在电控平台下全息干板的曝光区域，基于曝光装置，以控制单元进行计算输出控制信号，本发明的第二目的是提供一种批量制备全息衍射波导的曝光应用方法。

技术方案：一种制备全息衍射波导的曝光计算方法，该方法通过全息波导成像原理来计算入耦合光栅和出耦合光栅的形状面积以及相对位置关系，得到所需曝光的光斑，该方法包括如下步骤：

(1)确定曝光参数，包括光栅衍射效率、光栅组数、光束强度、全息干板尺寸、全息波导成像视场角、微像源光机出瞳、全息波导出瞳尺寸、出瞳距离、平板波导的折射率；

(2)根据曝光参数，计算出入耦合光栅尺寸和波导片尺寸，计算过程如下：

(21)全息波导成像视场角FOV、微像源光机出瞳为P_in、入耦合光栅尺寸为i_x×i_y、平板波导厚度为d、光线传播角度为θ，光栅倾角为ξ、平板波导的折射率为λ，x方向上边缘FOV光线在波导中的最小传播角度θ_min计算公式如下：

(22)记出耦合光栅尺寸为O_x×O_y、出瞳为P_out、出入耦合光栅间距为P，入耦合光栅宽度i_y，竖直方向上的出瞳yP_out与出入耦合光栅间距P满足以下公式：

出耦合光栅长度O_x，O_y满足以下公式：

式中，ER表示出瞳距离，即人眼与出耦合光栅之间的距离；

(23)记干板尺寸为W_x×W_y，单块波导片尺寸为L_x×L_y，光栅组数为n，则干板尺寸Z_x×Z_y满足以下公式：

所述方法中，入耦合光栅长度i_x满足以下公式：

2d tanθ_max≤P_in≤i_x

式中，微像源光机出瞳为P_in、入耦合光栅尺寸为i_x×i_y、平板波导厚度为d、光线传播角度为θ。

其中，单块波导片的长度需大于出入耦合光栅长度与间隔之和，且宽度大于出入耦合光栅中最大宽度，单块波导片尺寸L_x×L_y满足以下公式：

基于上述全息衍射波导曝光区域计算方法实现的一种批量制备全息衍射波导的曝光应用方法，所述方法包括如下过程：

(s1)设置批量制备全息衍射波导的曝光装置的曝光参数，根据记录光与全息干板的夹角和计算曝光光束的截面面积，调整设定曝光时长、物光与全息干板夹角及参考光与全息干板夹角、曝光光束截面面积和待曝光光栅的大小及位置；

(s2)控制单元根据两记录光与全息干板夹角、曝光光束面积计算得到全息干板上干涉区域面积，并根据计算结果转化为控制信号；

(s3)控制器根据控制信号控制全息干板的位移和位移间隔时间，干板曝光结束总时长以及总位移由路径规划决定。

进一步的，步骤(s3)中，相邻两块的波导片尺寸分别为F1_x×F1_y，F2_x×F2_y，单次电机的位移为h，水平位移为h_x，垂直位移为h_y，则三者满足以下公式：

两次位移间隔时间为t，光栅衍射率为η，光束强度为I mW/cm²，所需曝光剂量为MmJ/cm²，曝光时长为T。

所述应用方法对于路径规划过程，全息干板往复运动，两次位移间隔时间t应大于曝光时长T，满足以下公式：

单次平移台位移的速度为v，平移台静止和移动各一次为一回合，则每一回合的时间t′满足以下公式：

初始移动时间为t_c，则曝光整块干板所需时间t″为：

t″＝(n-1)×t′+t+t_c。

更进一步的，路径规划中，设曝光整块干板所需总位移为S，水平移动次数为X₁和垂直移动次数为X₂，移动总次数为X₃，由于曝光整块干板所需位移S需根据具体规划路线来计算且平移台移动总次数比光栅组数少1，设需进行X₁次水平移动和X₂次垂直移动，则总位移S和总次数X₃需满足以下关系：

更进一步的，所述批量制备全息衍射波导的曝光装置包括控制单元和控制全息干板移动的控制器，该控制器在控制单元计算输出的数字控制信号下执行，使全息干板上待曝光光栅处于曝光光束干涉区域之内。

有益效果：与现有方案相比，本发明所述装置通过输入相关曝光参数计算出入耦合光栅尺寸，确定出入耦合光栅位置，从而驱动控制器对电机平移台进行平移，达到批量制备多个全息波导光栅的自动化曝光，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是实施例中应用本发明的控制单元结构示意图；

图2是本发明所述应用方法中曝光装置结构示意图；

图3是本发明所述应用方法中所涉及全息干板示意图；

图4是本发明所述应用方法中全息干板的移动路径示意图；

图5是本发明所述全息波导结构直视图；

图6是本发明所述全息波导结构俯视图；

图7是本发明所述出耦合光栅与人眼的位置关系示意图；

图8是本发明中所使用的全息记录材料的记录特性(η∝M)曲线图。

具体实施方式

结合说明书附图和实施例，对本发明具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解和实施。

现有技术包括在背景技术中提及的制备彩色全息波导光栅已存在自动化曝光系统，专利号为ZL202010438666.0，还包括一种制备全息波导光栅的自动曝光装置，申请号为202220009269。现有技术在对于实现批量曝光制备衍射波导过程中，主要是通过遮光板移动实现待曝光区域的计算，在实际装置设备中则需要考虑本发明所述的技术方案。

现有技术采用遮光板形成干涉区域，与现有技术的控制方式不同，本发明首先提供一种制备全息衍射波导的曝光区域计算方法，该方法通过全息波导成像原理来计算入耦合光栅和出耦合光栅的形状面积以及相对位置关系，得到所需曝光的光斑，即调节控制衍射的效果和具体的波导参数设计。其次，本发明以计算方法为控制手段，通过计算需要制备的波导参数进行实现制备过程，即，应用过程，用于批量实现制备全息衍射波导的曝光过程。

结合1-图4所示，本实施例以上述现有技术为基础，批量制备全息衍射波导的曝光装置包括控制单元和控制全息干板移动的控制器，该控制器在控制单元计算输出的数字控制信号下执行，使全息干板上待曝光光栅处于曝光光束干涉区域之内。下面的具体过程和应用阐述。

首先，本发明整体方案实施上，包括如下步骤：

S1：曝光参数设置模块用于设置曝光参数，包括光栅衍射效率、光栅组数、光束强度、全息干板尺寸、全息波导成像视场角、微像源光机出瞳、全息波导出瞳尺寸、出瞳距离、平板波导的折射率、平移台位移速度等参数。

S2：定位光栅模块用来设置光栅参数，包括光栅尺寸、光栅位置、波导片尺寸等。

S3：移动规划路径模块是基于曝光参数模块以及定位光栅模块来计算出位移、位移间隔时间，进而规划移动路径，计算出干板曝光结束总时长以及总位移。

S4：基于移动路径规划模块，由计算机向驱动控制器输入数字控制信号。

S5：基于电机驱动模块，驱动控制器进一步对电机平移台输入电流信号，进而控制电机平移台的位移。本发明只需要通过设置曝光参数即可达到全息波导光栅的批量曝光。

具体地，在控制曝光过程中，本发明实施过程中，需要根据记录光与全息干板的夹角和计算曝光光束的截面面积，并且计算全息干板上干涉区域面积，然后通过控制单元和控制器设置移动路径；控制器是控制单元输出指令的执行机构，控制单元根据计算结果，输出数字控制信号，规划控制全息干板的移动路径，进而在控制器的作用下，控制电机控制全息干板的位移。

对于控制单元的计算过程，一种制备全息衍射波导的曝光计算方法，具体说明如下。

在曝光装置中，首先设置曝光参数，该参数根据装置的组成部件各个物理参数等确定，或根据光学材料本身直接确定，进而是结合装置的材料特点性，考虑所要制备的衍射全息波导的目标及所要实现的参数性能。最后是确定出入耦合光栅尺寸和波导片尺寸。

其中，出入耦合光栅尺寸和波导片尺寸由曝光参数决定。具体的，记全息波导成像视场角为FOV、微像源光机出瞳为P_in、入耦合光栅尺寸为i_x×i_y、平板波导厚度为d、光线传播角度为θ。如图5所示，若像源系统入瞳P_in大于入耦合光栅长度i_x，则会有部分角度下的光线无法被光栅衍射进入波导，造成显示FOV缺失。因入耦合光栅的衍射效率很高，当入耦合光栅长度i_x大于系统入瞳P_in时，有可能会使部分光线发生二次衍射出波导光栅，会大大降低整个系统的光效。同时，为保证出瞳连续性，微像源光机出瞳P_in需大于边缘FOV光线的传播周期。因此，入耦合光栅长度i_x需尽可能满足以下公式：

2d tanθ_max≤P_in≤i_x (1)

记光栅倾角为ξ、平板波导的折射率为λ，由于波导中光线的传播角度即光栅衍射角度，需满足平板波导中的全反射条件，否则会有部分FOV折射出波导，因此x方向边缘FOV光线在波导中的最小传播角度θ_min可由公式计算得到：

记出耦合光栅尺寸为O_x×O_y、出瞳为P_out、出入耦合光栅间距为P。由图6，当光线在波导中沿着x方向传播一定距离，y方向上的FOV中的准直光线会分开，从而导致显示系统y方向上的出瞳变小，即传播距离越远，y方向边缘FOV的光线越分离。为避免y方向上的FOV在光线到达出耦合光栅区域内丢失，需保证入耦合光栅的宽度i_y足够大以及合理设计入耦合光栅与出耦合光栅的距离P。为保证竖直方向的出瞳，则入耦合光栅宽度i_y，竖直方向上的出瞳yP_out与出入耦合光栅间距P需满足以下公式：

记人眼看全整个FOV画面所需要的出瞳距离为ER，如图7所示，出耦合光栅长度O_x决定了整个显示系统的ER以及水平方向上的出瞳xP_out。因此，本发明可以根据像源系统FOV和出瞳距离ER、水平方向上的出瞳xP_out来设计出耦合光栅的长度O_x。在制备波导片过程中，为了考虑波导的美观性和构型误差，出耦合光栅的宽度O_y可大于竖直方向上的出瞳yP_out，因此，出耦合光栅长度O_x，O_y需尽可能满足以下公式：

根据式3和式4，可以间接确定入耦合光栅的宽度i_y。

记干板尺寸为W_x×W_y，单块波导片尺寸为L_x×L_y，由图6所示，单块波导片的长度需大于出入耦合光栅长度与间隔之和，且宽度大于出入耦合光栅中最大宽度，即单块波导片尺寸L_x×L_y需满足以下公式：

记光栅组数为n，则干板尺寸Z_x×Z_y需满足以下公式：

全息干板的位移和位移间隔时间由曝光参数决定，干板曝光结束总时长以及总位移由路径规划决定。

记相邻两块的波导片尺寸分别为F1_x×F1_y，F2_x×F2_y，单次电机的位移为h，水平位移为h_x，垂直位移为h_y，则三者应满足以下公式：

记两次位移间隔时间为t，光栅衍射率为η，光束强度为I mW/cm²，所需曝光剂量为M mJ/cm²，曝光时长为T。曝光剂量值M与光栅衍射率η成非线性关系，图8为本发明通过实际的实验拟合出来一条非线性曲线。因此，通过查找表方式，输入所需光栅的衍射效率即可获得与其对应的曝光剂量值M。两次位移间隔时间t应大于曝光时长T，满足以下公式：

记单次平移台位移的速度为v，平移台静止和移动各一次为一回合，则每一回合的时间t′满足以下公式：

记初始移动时间为t_c，则曝光整块干板所需时间t″为：

t″＝(n-1)×t′+t+t_c (10)

记曝光整块干板所需总位移为S，水平移动次数为X₁和垂直移动次数为X₂，移动总次数为X₃。由于曝光整块干板所需位移S需根据具体规划路线来计算且平移台移动总次数比光栅组数少一。在此处，暂时假设需进行X₁次水平移动和X₂次垂直移动，则总位移S和总次数X₃需满足以下关系：

控制器及其执行机构设置为电机驱动，控制单元根据所得到的移动路径，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机平移台输入电流信号，控制电机平移台的位移。

进一步以图2所展示的曝光装置中全息干板1，以水平方向为x轴，垂直方向为y轴，可移动的电机平移台的xy行程S需满足：

S≥W，S≥H

其中W为全息干板宽度，按照图3所示，取W＝104mm。

此时可以选用行程为110mm的电机平移台，如下表所示设置全息波导成像视场角FOV、入瞳P_in、出瞳P_out、出瞳距离ER、两光栅间距P平板波导的折射率、平移台平移速度v、光栅衍射效率η。

对于上述的步骤S2，本实施列采用批量曝光8个光栅组。初始参数设置完毕后，通过已知的光栅组数，计算波导片尺寸：

其中，L_x为波导片长度，L_y为波导片宽度，由公式得波导片尺寸为52×29mm。

根据全息波导成像视场角FOV、微像源光机出瞳P_in、平板波导厚度d、光线传播角度为θ。确定入耦合光栅长度i_x和θ_min：

其中，λ为平板波导的折射率，由公式设置入耦合光栅长度为10mm。

根据全息波导出瞳P_out、出入耦合光栅间距P，出瞳距离ER，全息波导成像视场角FOV，计算入耦合光栅宽度i_y以及出耦合光栅尺寸O_x×O_y：

则入耦合光栅宽度为25mm，出耦合光栅尺寸25×25mm。

对于上述步骤S3：确定移动路径，位移，时间。

通过波导片尺寸，可以计算出平移台每次移动一次位移29mm或者52mm。通过查表可知，当光栅衍射效率为80％时，此时曝光剂量M＝30mJ/cm²，进而根据光强数据，获得平移台每次移动的时间间隔t应满足：

其中，T为曝光时长，此实施例中时间间隔t为8s，综合计算可得到曝光时长为6s，考虑到曝光时需保证装置静止，故每次移动后增加2秒静置时间，故实际曝光时长及间隔时间为8s。

根据平移台位移的速度v，平移台静止和移动各一次为一回合，则每一回合的时间t′满足以下公式：

其中，h为每一次位移距离，故t′为17s或12s。

此实施例中，移动路径如图7所示。根据控制全息干板移动的平移台速度及位移，确定移动总位移S以及总时长t″：

其中，X₁为水平移动次数，X₂为垂直移动次数，X₃为移动总次数，t_c为初始平移台移动时间。假设本实例中，平移台的初始位置为移动路径的初始位置，则t_c为0，故总位移S为226mm，总时长t″为97s。

由此可见，采用本发明可以对多个不同或相同的光栅的进行批量曝光，一定程度上，提高了曝光效率。

Claims (8)

1.一种用于制备全息衍射波导的曝光区域计算方法，该方法通过全息波导成像原理来计算入耦合光栅和出耦合光栅的形状、面积以及相对位置关系，得到所需曝光的光斑，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(1)确定曝光参数，包括光栅衍射效率、光栅组数、光束强度、全息干板尺寸、全息波导成像视场角、微像源光机出瞳、全息波导出瞳尺寸、出瞳距离、平板波导的折射率；

(2)根据曝光参数，计算出入耦合光栅尺寸和波导片尺寸，计算过程如下：

(21)全息波导成像视场角FOV、微像源光机出瞳为P_in、入耦合光栅尺寸为i_x×i_y、平板波导厚度为d、光线传播角度为θ，光栅倾角为ξ、平板波导的折射率为λ，x方向边缘xFOV光线在波导中的最小传播角度θ_min计算公式如下：

(22)记出耦合光栅尺寸为O_x×O_y、出瞳为P_out、出入耦合光栅间距为P，入耦合光栅宽度i_y，竖直方向上的出瞳yP_out与出入耦合光栅间距P满足以下公式：

出耦合光栅长度O_x，O_y满足以下公式：

式中，ER表示人眼距离出耦合光栅的距离；

(23)干板尺寸为W_x×W_y，单块波导片尺寸为L_x×L_y，光栅组数为n，则干板尺寸Z_x×Z_y满足以下公式：

2.根据权利要求1所述的用于制备全息衍射波导的曝光区域计算方法，其特征在于：入耦合光栅长度i_x满足以下公式：

2d tanθ_max≤P_in≤i_x

式中，微像源光机出瞳为P_in、入耦合光栅尺寸为i_x×i_y、平板波导厚度为d、光线传播角度为θ。

3.根据权利要求1所述的用于制备全息衍射波导的曝光区域计算方法，其特征在于：单块波导片的长度需大于出入耦合光栅长度与间隔之和，且宽度大于出入耦合光栅中最大宽度，单块波导片尺寸L_x×L_y满足以下公式：

4.基于权利要求1所述的制备全息衍射波导的曝光计算方法的一种批量制备全息衍射波导的曝光应用方法，其特征在于：所述方法包括如下过程：

(s1)设置批量制备全息衍射波导的曝光装置的曝光参数，根据记录光与全息干板的夹角和计算曝光光束的截面面积，调整设定曝光时长、物光与全息干板夹角及参考光与全息干板夹角、曝光光束截面面积和待曝光光栅的大小及位置；

(s2)控制单元根据两记录光与全息干板夹角、曝光光束面积计算得到全息干板上干涉区域面积，并根据计算结果转化为控制信号；

(s3)控制器根据控制信号控制全息干板的位移和位移间隔时间，全息干板曝光结束总时长以及总位移由路径规划决定。

5.根据权利要求4所述的批量制备全息衍射波导的曝光应用方法，其特征在于：步骤(s3)中，相邻两块的波导片尺寸分别为F1_x×F1_y，F2_x×F2_y，单次电机的位移为h，水平位移为h_x，垂直位移为h_y，则三者满足以下公式：

两次位移间隔时间为t，光栅衍射率为η，光束强度为I mW/cm²，所需曝光剂量为M mJ/cm²，曝光时长为T。

6.根据权利要求4所述的批量制备全息衍射波导的曝光应用方法，其特征在于：路径规划中，全息干板往复运动，两次位移间隔时间t应大于曝光时长T，满足以下公式：

单次平移台位移的速度为v，平移台静止和移动各一次为一回合，则每一回合的时间t′满足以下公式：

初始移动时间为t_c，则曝光整块干板所需时间t″为：

t″＝(n-1)×t′+t+t_c。

7.根据权利要求4所述的批量制备全息衍射波导的曝光应用方法，其特征在于：路径规划中，设曝光整块干板所需总位移为S，水平移动次数为X₁和垂直移动次数为X₂，移动总次数为X₃，由于曝光整块干板所需位移S需根据具体规划路线来计算且平移台移动总次数比光栅组数少1，设需进行X₁次水平移动和X₂次垂直移动，则总位移S和总次数X₃需满足以下关系：

8.根据权利要求4所述的批量制备全息衍射波导的曝光应用方法，其特征在于：所述批量制备全息衍射波导的曝光装置包括控制单元和控制全息干板移动的控制器，该控制器在控制单元计算输出的数字控制信号下执行，使全息干板上待曝光光栅处于曝光光束干涉区域之内。

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