CN114830042A - 用于制造全息光学元素的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造全息光学元素（10）的装置（1）和方法。装置（l）包括至少两个部分光束（3a、3b）和干涉光束（7）、针对每个部分光束（3a、3b）的相应的可变形的镜子（4a、4b）、设计用于操纵可变形的镜子（4a、4b）以便调整部分光束（2a、3b）的波前的控制装置（5）、以及全息膜（8），其中可变形的镜子（4a、4b）布置为，使得反射相应刚好一个部分光束（3a、3b），并且将反射的部分光束（3d、3e）对准全息膜（8），并且其中干涉光束（7）对准全息膜（8），以便与反射的部分光束（3d、3e）发生干涉，用以同时产生至少两个全息光学元素（10）。

Description

用于制造全息光学元素的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于制造全息光学元素的装置和方法。此外，本发明涉及一种用于处理全息光学元素的方法。

背景技术

例如，全息光学元素用于显示器系统或传感器系统或数据眼镜中。为了全息光学元素的最佳的功能和精度，在此，在制造期间需要遵守最小的公差。然而，在多个需要用于制造的光学部件的情况下，这通常是不可能的，或者仅在大的技术花费的情况下才是可能的。

发明内容

与此相对，根据本发明的具有权利要求1的特征的装置提供以下优点，即可以制造具有特别高的品质、尤其是低的公差的全息光学元素。根据本发明，这通过一种装置来实现，该装置包括至少两个部分光束和一个干涉光束，以及用于每个部分光束的各个可变形的镜子。干涉光束在此理解为能干涉的光束，尤其是具有明显的相干性的光束。尤其地，干涉光束与部分光束相干。该装置优选包括尤其是具有高的纵向相干性的光源以及分束器，其中光源和分束器设计用于产生部分光束和干涉光束。备选地，该装置可以优选针对每个光束包括单独的光源，其中，单独的光源优选通过相位耦合而彼此耦合。例如，激光器可以设置为光源。

为了操纵可变形的镜子，该装置包括控制装置。可变形的镜子因此分别可以通过控制装置来操纵，以便改变部分光束的波前。相应的部分光束的发散角可以优选通过可变形的镜子的变形来改变、尤其是放大或减小。此外，该装置包括在其上产生全息光学元素的全息膜。可变形的镜子在此布置为，使得每个镜子分别反射部分光束，并且使反射的部分光束朝全息膜对准。此外，干涉光束尤其是直接朝全息膜对准，从而通过干涉光束与至少两个反射的部分光束的干涉来同时产生全息光学元素。在此尤其地，为每个部分光束产生刚好一个全息光学元素。

由于部件的特殊的布置，该装置在此允许两个或更多个全息光学元素在全息膜中的同时的曝光。记录方法尤其也可以被称为多路复用，其中，多个全息光学元素记录在相同的膜体积中。由此，可以制造具有特别高的品质并且没有或具有特别小的光学误差的全息图。同时的曝光尤其引起的是，全息光学元素不会在制造中相互影响并且因此导致光学误差。全息光学元素的同时的制造尤其通过可变形的镜子来促进，该可变形的镜子以简单的和廉价的方式和方法来实现全息光学元素的尽可能高的品质。可变形性在此能够实现装置的特别简单的和廉价的结构，其中，过程参数、例如部分光束的特性能够利用装置的在其他方面保持相同的配置来灵活地调整。由此，例如可以简单且廉价地产生具有不同的特性的全息光学元素，例如用于应用在个性化的眼镜镜片中。此外，可变形的镜子有利地能够实现全息光学元素的直接的记录，从而优选可以省略用于拷贝的复制过程。

全息光学元素优选适用于增强现实应用。例如，全息光学元素可以用于数据眼镜，尤其是用于视网膜投影显示器。在此优选地，全息光学元素在其制造之后嵌入眼镜镜片中。在此，全息光学元素例如也可以产生为透镜全息图，以便尤其具有预定的折光力。

从属权利要求涉及本发明的优选的扩展方案。

该装置优选还包括分色镜，以便汇聚多个部分光束。在此优选地，至少一个部分光束相应对准分色镜的两个对置的侧面之一，其中入射的部分光束要么被反射要么被透射。换言之，分色镜优选布置成，使得汇聚的部分光束的光轴相匹配。优选地，分色镜布置在可变形的镜子和全息膜之间。如果设置多于两个的部分光束用以产生多于两个的全息光学元素，那么可以优选提供两个或更多个的分色镜，以便汇聚所有的部分光束。由此，可以实现装置的特别灵活的结构，其中部分光束总是能够最佳地取向。

特别优选地，控制装置设计用于，基于要制造的全息光学元素的光学特性来操纵可变形的镜子。尤其地，可变形的镜子可以如此操纵，以便制造具有预定义的折射率和/或具有预定义的像散曲率（astigmatische Krümmung）的全息光学元素。备选地或附加地，控制装置设计用于，基于制造公差来操纵可变形的镜子。尤其地，温度影响、全息膜的材料收缩或全息光学元素的曝光和后续的使用（即播放）之间的波长差被视为制造公差。此外，备选地或附加地，控制装置设计用于，基于全息膜的材料特性、尤其是折射率来操纵可变形的镜子。由此，可以特别灵活地调整照射到全息膜上的部分光束，以便获得具有特别高的品质的全息光学元素。

优选地，该装置还包括布置在可变形的镜子和全息膜之间的聚焦元件。尤其地，每个反射的部分光束因此经过聚焦元件。聚焦元件在此布置为，使得在聚焦元件和全息膜之间存在中间焦点。为此优选地，聚焦元件和全息膜之间的距离大于聚焦元件的焦距。聚焦元件优选是会聚透镜。备选地，聚焦元件也可以是更复杂的光学元件，其设计用于产生中间焦点。在此，中间焦点的位置尤其依赖于照射在聚焦元件上的部分光束的发散角。这意味着，通过可变形的镜子的变形优选可以改变中间焦点的位置。尤其地，全息光学元素可以通过部分光束的中间聚焦来制造，全息光学元素具有透镜功能，例如具有预定的焦距，其中焦距可以通过可变形的镜子的变形来调整。这种具有透镜功能的全息光学元素可以有利地安装在数据眼镜中，例如以便除了全息图功能之外还能够满足对用户的视力不正常的补偿。

进一步优选地，该装置包括布置在全息膜的镜侧的隔板。尤其地，隔板与全息膜直接相邻地布置。隔板优选具有全息图开口，部分光束的部分区域通过该全息图开口曝光到全息膜上，以便产生全息光学元素。优选地，在全息图开口之外，隔板在此屏蔽反射的部分光束的没有设置用于产生全息光学元素的部分区域，以便获得特别清晰的和精确的全息光学元素。

隔板优选具有标记开口，该标记开口尤其与全息图开口相邻地布置并且与全息图开口间隔预定义的距离地布置。照射到隔板上的部分光束可以经过标记开口，以便在全息膜上产生全息位置标记。在此，全息位置标记优选与全息光学元素同时产生。借助全息位置标记，可以在制造全息光学元素之后对其进行特别简单和精确的处理。例如，通过全息位置标记可以精确地切割和/或定位所产生的全息元素。全息位置标记在此可以具有任意的几何形状。十字形或圆形的全息位置标记是特别有利的，其中与全息光学元素相比，全息位置标记优选具有小的尺寸。特别优选地，在隔板中设置多个标记开口，以便产生多个全息位置标记。

特别优选地，隔板的面对全息膜的侧面构造为反射的。由此，通过干涉光束在隔板处的反射，在全息膜上产生全息位置标记。在此优选地，只将隔板的部分区域构造成反射的。在这种情况下，尤其是以Denisyuk全息图的形式产生全息位置标记。由此产生装置的特别简单的和廉价的结构，以便除了全息光学元素之外，在全息膜中附加地产生位置标记。

此外，本发明还提供了一种用于制造全息光学元素的方法。在该方法中产生至少两个部分光束和干涉光束。每个部分光束分别在可变形的镜子上被反射。在全息膜中的反射的部分光束与干涉光束发生干涉，从而在全息膜中同时产生至少两个全息光学元素。在此，可变形的镜子被变形，用以调整相应的物体光束（Objektslichtstrahl）的波前。为了使可变形的镜子变形，其优选通过控制装置操纵。在此，由于至少两个全息光学元素的同时的曝光，该方法允许制造这种具有特别高的品质和低的公差的全息光学元素。

在该方法中，优选通过分色镜汇聚多个部分光束，以便获得特别灵活的并且可简单执行的方法。在此优选地，由可变形的镜子反射的部分光束借助于分色镜来汇聚，并且汇聚的部分光束辐射到全息膜上。

可变形的镜子优选基于要制造的全息光学元素的光学特性和/或基于制造公差和/或基于全息膜的材料特性来变形，以便能够制造针对不同的使用目的最佳地调整的、具有特别高的品质的全息光学元素。优选地，可变形的镜子的操纵可以通过多次重复该方法来迭代地调整，以便以特别简单的方式和方法来优化要制造的全息光学元素。备选地或附加地，可以通过模拟预先获知，可变形的镜子应该如何被操纵，以便实现全息光学元素的期望的特性。

特别优选地，借助于聚焦元件（其优选构造为会聚透镜）产生可变形的镜子和全息膜之间的中间焦点，尤其是以便产生具有透镜功能的全息光学元素。

优选地，借助于布置在全息膜的镜侧的、具有标记开口的隔板，在全息膜上产生全息位置标记。在制造全息光学元素之后，例如可以使用全息位置标记，以便能够实现所制造的全息元素的精确的切割和/或定位。特别优选地，全息位置标记在此通过反射的部分光束与全息膜中的全息光学元素同时产生。备选地，全息位置标记可以优选在单独的制造步骤中、例如在全息光学元素曝光之前或之后产生。全息位置标记优选与全息光学元素相邻地、尤其是与其间隔开预定义的距离地在全息膜上产生。备选地，全息位置标记也可以在全息光学元素内产生，尤其是作为全息光学元素的一部分产生。

进一步优选地，通过干涉光束在布置在全息膜的镜侧的隔板上的反射，在全息膜上产生全息位置标记。在这种情况下，干涉光束优选辐射穿过全息膜，从而干涉光束的至少一个部分区域在隔板上被反射，以便产生全息位置标记。全息位置标记在此以Denisyuk全息图的形式产生。

此外，本发明涉及一种用于处理通过上述的装置或通过上述的方法制造的全息光学元素的方法。在用于处理的方法中，基于全息位置标记的光学识别来切割和/或定位全息光学元素，该全息位置标记借助于隔板曝光到全息膜中。光学识别可以优选通过照相机或另一光学传感器进行。因此，能够实现所制造的全息元素在产品、例如数据眼镜的眼镜镜片上的特别精确的布置。

附图说明

下面根据实施例结合附图描述本发明。在附图中，功能相同的构件分别利用相同的附图标记表示。在此：

图1示出了根据本发明的第一实施例的用于制造全息光学元素的装置的示意图，

图2示出了通过图1的装置制造的全息光学元素的示意图，

图3示出了图2的全息光学元素的处理的示意图，

图4示出了根据本发明的第二实施例的用于制造全息光学元素的装置的示意图，并且

图5示出了根据本发明的第三实施例的用于制造全息光学元素的装置的示意性的细节图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的第一实施例的用于制造全息光学元素10的装置1的简化的示意图。通过装置1制造的全息光学元素10在图2中以俯视图示出。

装置1包括作为光源2a的激光器。由光源2a产生的光束在分束器2e中被分成两个部分光束3a、3b和干涉光束7。

两个部分光束3a、3b分别通过镜子2d偏转，并且分别对准可变形的镜子4a、4b。部分光束3a、3b在可变形的镜子4a、4b上可控地反射。

装置1还包括控制装置5，其设计用于操纵两个可变形的镜子4a、4b。可变形的镜子4a、4b可以通过操纵而如此变形，以便改变部分光束3a、3b的波前。例如，部分光束3a、3b的发散角可以通过可变形的镜子4a、4b的变形而增大或减小。

在可变形的镜子4a、4b上反射的部分光束3d、3e随后通过分色镜9汇聚。也就是说，反射的第一部分光束3d在分色镜9上反射，并且反射的第二部分光束3e辐射通过分色镜9，从而两个反射的部分光束3d、3e随后同轴地存在。

汇聚的、反射的部分光束3d、3e通过构造为会聚透镜的聚焦元件11聚集在中间焦点12中。在中间焦点12之后，反射的物体光束3d、3e撞击全息膜8。全息膜8在此与聚焦元件11间隔一定的距离21地布置，该距离对应于中间焦点12与聚焦元件11的焦点距离22的四倍。

此外，全息膜8从对置的侧面利用干涉光束7来照射。在此，反射的部分光束3d、3e和干涉光束7在全息膜8中干涉，从而使得在全息膜8中产生两个全息光学元素10。

两个反射的部分光束3d、3e在此同时曝光到全息膜8中，从而同时产生两个全息光学元素10。由于通过反射的部分光束3d、3e（其通过可变形的镜子4a、4b具有最佳地适配于期望的使用目的或期望的光学特性的波前）同时产生全息光学元素10，可以制造具有特别高的品质的并且尤其具有可再现的特性的全息光学元素10。

为了获得朝全息膜8上的定义的成像，还设置有隔板13，该隔板在镜侧与全息膜8直接相邻地布置。隔板13在此具有全息图开口13a，通过该全息图开口把要产生的全息光学元素10曝光到全息膜8上。

附加地，隔板13具有多个标记开口13b，这些标记开口与全息图开口13a相邻地设置在隔板13中。标记开口13b还允许反射的部分光束3d、3e穿过隔板，以便与全息光学元素10相邻地在全息膜8上产生全息位置标记10a（参见图2）。为了图示的原因，在此，在图1中仅示出了两个标记开口，其中实际上在隔板13中设置四个标记开口13a，以便产生四个全息位置标记10a，如在图2中示出的那样。全息位置标记10a具有十字形状，并且设置用于能够精确确定全息光学元素10的尤其是光轴的位置和取向，用以精确处理全息光学元素10。

下面根据图3描述全息光学元素10在其制造之后的处理。在第一步骤中（图3的图（a）），通过照相机30，根据全息位置标记10a检测全息光学元素10的精确的当前的位置和取向。在此，例如可以通过（未示出的）切割装置将全息膜8切割成由虚线表示的切割线35。

随后，在第二步骤中（参见图3的图（b）），将具有全息光学元素10的全息膜8嵌入两个弯曲的覆盖层19之间，并且通过全息位置标记10a精确地取向，以便获得眼镜镜片18。随后可以在数据眼镜40中使用眼镜镜片18，如在图3的图（c）中所示的那样。

图4示出了根据本发明的第二实施例的用于制造全息光学元素10的装置1的示意图。第二实施例基本上对应于图1的第一实施例，不同之处在于，设置三个而不是两个部分光束3a、3b、3c，其分别由单独的光源2a、2b、2c发射。相应地，三个全息光学元素10同时曝光到全息膜8中。此外附加地设置有另外的单独的光源6，以便发射干涉光束。为了汇聚分别由可变形的镜子4a、4b、4c反射的部分光束3d、3e、3f，在第二实施例中，两个分色镜9a、9b依次布置。

图5示出了根据本发明的第三实施例的用于制造全息光学元素10的装置1的示意性的细节图。在此，在图5中仅示出了装置1的片段，其中未示出的部分与图1中的第一实施例的装置1相同。第三实施例基本上对应于图1的第一实施例，不同之处在于，全息位置标记10a以替代的方式曝光到全息膜8中。在第三实施例中，全息位置标记10a通过干涉光束7在隔板13的面对全息膜8的侧面13c上的反射而产生。为此，隔板13在侧面13c上具有反射元件13d，尤其是辐射穿过全息膜8的干涉光束7借助于反射元件被反射。在此，反射的干涉光束7a在全息膜8中相应地与照射的干涉光束7干涉，从而产生全息位置标记10a。在第三实施例中，因此以所谓的Denisyuk全息图的形式产生全息位置标记10a。

Claims (14)

1.一种用于制造全息光学元素（10）的装置（1），其包括：

- 至少两个部分光束（3a、3b）和干涉光束（7），

- 针对每个部分光束（3a、3b）的相应的可变形的镜子（4a、4b），

- 控制装置（5），该控制装置设计用于操纵所述可变形的镜子（4a、4b）以便调整部分光束（2a、3b）的波前，和

- 全息膜（8），

- 其中所述可变形的镜子（4a、4b）如此布置，以便分别反射刚好一个部分光束（3a、3b），并且将反射的部分光束（3d、3e）对准所述全息膜（8），并且

- 其中所述干涉光束（7）对准所述全息膜（8），以便与反射的部分光束（3d、3e）发生干涉，用以同时产生至少两个全息光学元素（10）。

2.根据权利要求1所述的装置，其此外包括分色镜（9），以便汇聚多个部分光束（3d、3e）。

3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述控制装置（5）设计用于，基于要制造的全息光学元素（10）的光学特性和/或基于制造公差和/或基于所述全息膜（8）的材料特性来操纵所述可变形的镜子（4a、4b）。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其此外包括聚焦元件（11），所述聚焦元件布置在可变形的镜子（4a、4b）和全息膜（8）之间，其中所述聚焦元件（11）如此布置和设计，以便在聚焦元件（11）和全息膜（8）之间产生中间焦点（12）。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其此外包括隔板（13），所述隔板布置在所述全息膜（8）的镜侧。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述隔板（13）具有标记开口（13b），用以在所述全息膜（8）上产生全息位置标记（10a）。

7.根据权利要求5所述的装置，其中所述隔板（13）的面对全息膜（8）的侧面（13c）构造为反射的，用以通过干涉光束（7）在隔板（13）处的反射而在全息膜（8）上产生全息位置标记（10a）。

8.一种用于制造全息光学元素（10）的方法，

- 其中产生至少两个部分光束（3a、3b）和干涉光束（7），

- 其中每个部分光束（3a、3b）分别在可变形的镜子（4a、4b）上被反射，

- 其中反射的部分光束（3d、3e）同时照射到全息膜（8）上，

- 其中，反射的部分光束（3d、3e）在所述全息膜（8）中与干涉光束（7）发生干涉，以便同时产生至少两个全息光学元素（10），并且

- 其中可变形的镜子（4a、4b）发生变形，用以调整相应的部分光束（3a、3b）的波前。

9.根据权利要求8所述的方法，其中多个部分光束（3d、3e）借助分色镜（9）来汇聚。

10.根据权利要求8或9中任一项所述的方法，其中可变形的镜子（4a、4b）基于要制造的全息光学元素（10）的光学特性和/或基于制造公差和/或基于全息膜（8）的材料特性来变形。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中借助于聚焦元件（11），在可变形的镜子（4a、4b）和全息膜（8）之间产生中间焦点（12）。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其中借助于布置在所述全息膜（8）的镜侧的、具有标记开口（13b）的隔板（13），在全息膜（8）上产生全息位置标记（10a）。

13.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其中通过所述干涉光束（7）在布置在全息膜（8）的镜侧的隔板（13）处的反射，在全息膜（8）上产生全息位置标记（10a）。

14.一种用于处理全息光学元素（10）的方法，所述全息光学元素通过根据权利要求6或7中任一项所述的装置（1）或通过根据权利要求12或13中任一项所述的方法来制造，其中基于全息位置标记（10a）的光学识别来切割和/或定位所述全息光学元素（10）。

Images