CN116009136A - 一种全息光学元件、制造方法及近眼显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全息光学元件、制造方法及近眼显示系统，其中，全息光学元件包括透光性基板和全息光栅，全息光栅由设置在透光性基板的表面的全息感光膜层制备而成，全息光栅在同一区域具有分别与三种成像波长对应的布拉格光栅，全息光栅是由三种曝光波长的相干光先后曝光而成，全息光栅是自由波面调控全息元件，由自由光波面制备而成，所述全息光栅的入射光和衍射光之间的夹角范围为5度～45度。上述全息光学元件，是彩色体全息光栅，由红色、绿色、蓝色通道的全息光学元件在同一层全息感光膜上复用曝光制备而成，可以对三种波长的光线实现衍射作用，能够作为增强现实应用中的光学组合器，实现彩色显示，并能在离轴光学系统中校正离轴像差。

Description

一种全息光学元件、制造方法及近眼显示系统

技术领域

本发明涉及一种全息光学元件，还涉及全息光学元件的制造方法，同时涉及含有全息光学元件的近眼显示系统。

背景技术

作为目前信息显示技术领域的热点，增强现实(Augmented Reality，AR)近眼显示技术的发展承载着人们对未来信息交互方式的美好愿景，在各种民用(如AR眼镜、工业头盔)场景下都有着广阔的应用前景。尽管目前AR技术发展迅速，但相较于AR内容、计算、网络来说，最为基本的AR显示器件的发展仍然较为滞后，显示模块的体积、重量，以及显示质量都仍无法满足人们的需求。

全息光学元件作为一种成像光学元件，可应用于成像系统设计，在一定程度上可取代传统的成像光学元件，例如透镜、反射镜等，并且在很多方面具备显著优势。全息元件特有的波长和角度选择性，作为光学组合器可获得良好的光学透视式观察效果；其轻薄特性可极大地降低整体系统的体积和重量；全息光学元件利用同一套曝光实验设备可进行重复制备，易于实现低成本、大批量的生产。

但传统的基于全息光学元件的离轴反射式成像系统，其全息元件仅由球面波或平面波制备而成，像差校正能力有限，无法对离轴非对称像差实现有效校正。且系统设计的自由度有限，系统成像质量差，衍射效率低，无法满足实际应用要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种全息光学元件、制造方法及近眼显示系统。

为了实现上述技术目的，本发明采用下述技术方案：

一种彩色全息光学元件，包括：

透光性基板，

全息光栅，由设置在透光性基板的表面的全息感光膜层制备而成，所述全息光栅在同一区域具有分别与三种成像波长对应的布拉格光栅，所述全息光栅是由三种曝光波长的相干光对所述全息感光膜层先后曝光而成，所述全息光栅是自由波面调控全息元件，由自由光波面制备而成，所述全息光栅的入射光和衍射光之间的夹角范围为5度～45度，三个颜色通道的角度范围相同。

优选地，所述三种成像波长分别与红光、绿光和蓝光的波长对应；所述三种曝光波长分别与红光、绿光和蓝光的波长对应；对应于每一个颜色通道，所述成像波长与所述曝光波长不同。

优选地，所述成像波长选定为图像显示器各颜色通道的峰值发光波长。

优选地，所述全息光栅的相位函数φ(x,y)分别由XY多项式、Zernike多项式、NURBS中的一者描述。

优选地，所述全息光栅的相位函数φ(x,y)由如下XY多项式描述：

其中，λ_c为全息光学元件的曝光波长，A_m,n为多项式项x^myⁿ的系数，m为x的阶数，n为y的阶数，(x,y)为全息光学元件基板平面的局部坐标。

一种彩色全息光学元件的制造方法，包括如下步骤：

提供透光性基板，

在所述透光性基板的某一表面附全息感光膜层；

依次使用三种不同波长的激光相干光对全息感光膜层进行曝光，形成全息光栅，其中曝光时所使用的曝光光束是自由光波面，参考光波和信号光波组成相干光束，满足相位函数φ(x,y)。

优选地，所述相位函数φ(x,y)由XY多项式、Zernike多项式、NURBS多项式中的一者描述。

优选地，所述全息光栅的相位函数φ(x,y)由如下XY多项式描述：

其中，λ_c为全息光学元件的曝光波长，A_m,n为多项式项x^myⁿ的系数，m为x的阶数，n为y的阶数，(x,y)为全息光学元件基板平面的局部坐标。

一种近眼显示系统，包括：

所述全息光学元件，其中的全息光栅通过衍射作用将三种成像波长的图像光衍射至出瞳位置；

图像显示器，设置在出瞳位置和所述彩色全息光学元件之间，并位于避开人眼视野的位置，用于向所述全息光栅投射图像光；

环境光透过所述彩色全息光学元件的基板，射向出瞳位置。

优选地，所述图像显示器，是LCD显示器或OLED显示器。

本发明所提供的全息光学元件，是彩色体全息光栅，由红色、绿色、蓝色通道的全息光学元件在同一层全息感光膜上复用曝光制备而成，可以对三种波长的光线实现衍射作用，能够作为增强现实应用中的光学组合器，实现彩色显示，并能在离轴光学系统中校正离轴像差。包含该单片式彩色全息光学元件的近眼显示系统，其中全息光学元件作为唯一的成像元件和光学组合器，LCD或OLED作为图像源，图像源发出的光线经全息光学元件的衍射入射至人眼位置，人眼可观察到位于一定距离处的放大的彩色虚拟图像，以实现虚实信息的叠加。上述近眼显示系统，更接近普通眼镜形态，同时保证系统紧凑性以及降低装配难度，全息光学元件垂直于人眼视线，不发生离轴倾斜。

附图说明

图1是本发明所提供的近眼显示系统的光路原理图；

图2是本发明所提供的彩色全息光学元件的光学参数示意图；

图3是初始构建的系统的光路原理图；

图4是初始系统的畸变网格图像；

图5是初始系统的MTF曲线；

图6是优化后的光学系统的光路原理图；

图7是优化后的光学系统的红色通道的MTF曲线；

图8是优化后的光学系统的绿色通道的MTF曲线；

图9是优化后的光学系统的蓝色通道的MTF曲线；

图10是优化后的光学系统的红色通道的畸变网格图像；

图11是优化后的光学系统的绿色通道的畸变网格图像；

图12是优化后的光学系统的蓝色通道的畸变网格图像；

图13是彩色全息光学元件的曝光光束示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行进一步地详细描述。

如图1所示，本发明所提供的轻薄型彩色全息AR近眼显示系统，包含一个微型图像显示器1与一个彩色全息光学元件2(以下简称全息光学元件)。其中，微型图像显示器1使用LCD显示器或OLED显示器，微型图像显示器1用于提供彩色的图像源，例如提供红色、绿色和蓝色的光线实现彩色显示，基于红、绿、蓝三基色通过光强调制器实现彩色显示属于显示领域的基础知识，在此不再赘述。微型显示图像源1设置在出瞳位置和全息光学元件2之间，并位于避开人眼视野的位置，用于向全息光学元件2投射图像光；全息光学元件2作为唯一的成像元件和光学组合器(光学组合器用于将图像显示器发出的成像光线与外界环境光线组合到同一光束路径上)，图像显示器1发出的彩色成像光线4经全息光学元件2中的全息光栅202的衍射作用，将彩色成像光线向预定的方向射出，实现类似反射的效果，然后彩色成像光线以平行光的形式入射至位于出瞳位置的人眼3，人眼3可观察到位于一定距离远的放大的彩色虚拟图像，同时外界环境光线5可无偏折地透过全息光学元件2射向出瞳位置并进入人眼3，实现虚实信息的叠加。

如图2所示，该全息光学元件2是一种彩色体全息光栅，由红色、绿色、蓝色通道的全息光学元件在同一层全息感光膜上复用曝光制备而成，可以对红色、蓝色、绿色三种波长的光线实现波长选择性和角度选择性，全息光栅的入射光和衍射光之间的夹角范围为5度～45度，三个颜色通道的角度范围相同。具体来说，由图像显示器1发出的三种成像光线4入射到全息光学元件2上时，三种成像光线4分别满足全息光学元件2的布拉格条件，因此成像光线4会以平行光的形式被全息光学元件2衍射进入人眼3，而外界环境光线5不满足全息光学元件2的布拉格条件，因此外界环境光线5可无偏折地透过全息光学元件2进入人眼3。

全息光学元件2包括透光性基板201和全息光栅202；透光性基板201可以使用玻璃或树脂材料实现；全息光栅202，通过设置在透光性基板201的表面的全息感光膜材料曝光而成，所述全息光栅202在同一区域具有分别与三种不同成像波长对应的布拉格光栅，所述布拉格光栅是由三种不同曝光波长的相干光先后曝光而成，对应于每个颜色通道，光线的曝光波长和成像波长可以不同，曝光所使用的曝光光束同时包括信号光波和参考光波，信号光波和参考光波的至少一者为自由光波面，参考光波和信号光波满足相位函数φ(x,y)。

如图1所示的近眼显示系统，是一种离轴显示系统，仅通过全息光学元件校正离轴像差。通过旋转对称的球面波或平面波进行全息光栅的曝光，无法实现离轴像差校正；为此，本申请所提供的近眼显示系统中采用自由波面调控全息元件，使用自由光波面对全息膜层进行曝光，实现全息光栅的制备，对应于全息光栅每个颜色通道，曝光时所使用的相干光的相位函数，可以通过XY多项式、Zernike多项式、NURBS中的任意一种形式描述，优选为XY多项式。

全息光学元件由特定的自由光波面曝光制备而成，所述的自由光波面是指该光波面不是球面波也不是平面波。相比于由传统平面波或球面波制备的全息光学元件，可极大地提升全息光学元件的像差校正能力，同时可显著地降低光学系统的体积和重量。使近眼显示设备更接近普通眼镜形态，同时保证系统的紧凑性以及降低系统的装配难度，全息光学元件垂直于人眼视轴，不发生离轴倾斜。

下面结合该近眼显示系统对全息光学元件的设计及制造过程进行介绍。

作为成像元件，为校正离轴系统结构所引入的像差，全息光学元件由复杂相位函数表征，可实现对离轴非对称像差的有效校正。利用全息光学元件的波长复用性质，可在同一层全息膜上同时复用红色通道、绿色通道、蓝色通道的全息光学元件，每个颜色通道的全息光学元件仅调控显示器所发出对应颜色的成像光线，以实现彩色显示。

作为光学组合器，由于全息光学元件特有的角度/波长选择性，可保证光学组合器具有良好的光学透过率且无透视畸变问题。同时全息光学元件涂敷于平板树脂或玻璃基板上，可极大地降低光学系统的体积和重量。

在上述近眼显示系统中，全息光学元件作为唯一的成像光学组合器使用。为降低成像光学组合器的体积和重量，利用全息技术的波长复用性质，将红色、绿色、蓝色通道的全息光学元件同时在一层全息感光膜上复用曝光，每个颜色通道的全息光学元件仅调控图像显示器所发出的对应颜色通道的成像光线，以实现彩色显示。

由于图像显示器所发出的每个颜色通道的峰值波长与相应颜色通道的全息光学元件的曝光波长存在差异，在设计时应考虑波长差异的影响。为保证光学系统在实际应用中的成像质量，应将图像显示器各颜色通道的峰值发光波长选定为该全彩近眼显示光学系统的成像波长；每个颜色通道的成像波长与相应颜色通道的全息光学元件的曝光波长如表1所示。

表1红色通道、绿色通道、蓝色通道的成像波长和曝光波长

	红色通道	绿色通道	蓝色通道
				成像波长	608nm	547nm	448nm
曝光波长	639nm	532nm	457nm

传统的由曝光光束位置坐标表征全息光学元件的方式，其表征自由度有限，仅为曝光光束的三维位置坐标，无法有效校正光学系统中的离轴非对称像差，仅能对小视场小孔径的光束实现较好的成像质量，无法应用于大视场大孔径的光学系统；且全息光学元件的曝光光束仅为简单球面波或平面波。

本申请中的全息光学元件由定义在其基板平面内的相位函数φ(x,y)表征，具备较高的表征自由度，可有效校正光学系统中的离轴非对称像差，可对较大视场较大孔径(视场角大于5度，光束孔径大于5mm)的光束实现良好的成像质量。全息元件的曝光光束为特定的自由光波面，而并非简单的球面波或平面波；

表征全息光学元件的相位函数φ(x,y)通常可由XY多项式、Zernike多项式、NURBS等形式描述。

本申请选用XY多项式描述相位函数φ(x,y)：

其中，λ_c为全息光学元件的曝光波长，A_m,n为多项式项x^myⁿ的系数，m为x的阶数，n为y的阶数，(x,y)为全息光学元件基板平面的局部坐标。

设计该彩色全息近眼显示光学系统分为两个步骤，首先构建初始系统，使其满足系统参数所要求的物像成像关系，然后对初始系统进行优化，使其满足一定的成像质量要求。

对于初始系统的构建，首先预定义图像显示器和全息光学元件的位置坐标，使其关于子午平面对称，且图像显示器不遮挡人眼视线。相对于位于出瞳中心的全局参考坐标系，全息光学元件和图像显示器的位置坐标如表2所示。

表2初始系统中图像显示器和全息光学元件的参数

	X	Y	Z	α
					全息光学元件	0mm	0mm	60mm	0°
图像显示器	0mm	30mm	25mm	-20°

根据该预定义的系统结构，利用光学设计软件通过追迹中心视场的近轴光线可计算得到该初始系统的近轴焦距。再根据所计算的系统近轴焦距，通过采样不同视场点不同光瞳坐标的成像光线，基于理想光学系统的近轴成像公式和全息光学元件的光线追迹方程，可直接计算出全息光学元件的相位函数系数，使其满足系统参数所要求的物像成像关系；由于全息光学元件对成像波前的调制功能同时取决于成像波长和曝光波长，为实现彩色全息显示，需分别计算出红色、绿色、蓝色通道的全息相位函数。

所构建的初始系统如图3所示，其中，11为图像显示器，12为全息光学元件，13为出瞳位置(人眼位置)，14为图像显示器所发出的成像光线。微型图像显示器11使用LCD显示器或OLED显示器，微型图像显示器11用于提供彩色的图像源，具体提供不同成像波长的光线，微型显示图像源11设置在出瞳位置13和全息光学元件12之间，并位于避开人眼视野的位置，用于向全息光学元件12投射图像光；全息光学元件12作为唯一的成像元件和光学组合器，全息光学元件12包括彩色体全息光栅，图像显示器11发出的彩色成像光线14经全息光栅的衍射作用，将彩色成像光线向预定的方向射出，实现类似反射的效果，彩色成像光线以平行光的形式入射至位于出瞳位置13的人眼，人眼可观察到位于一定距离远的放大的彩色虚拟图像，同时外界环境光线15可无偏折地透过全息光学元件12射向出瞳位置13并进入人眼，实现虚实信息的叠加。在该初始系统中红色、绿色、蓝色通道的全息相位函数的系数如表3所示。

表3初始系统中，三种颜色通道的曝光波长和相位函数系数表

初始系统的畸变网格如图4所示，初始系统的MTF曲线如图5所示。初始系统中三个颜色通道的畸变网格和MTF曲线均相等，图4和图5仅展示绿色通道。从图4可以看出，初始系统的畸变网格图中的实际网格与理想网格重合，即该初始系统满足系统参数所要求的物像成像关系，但从图5所示的MTF曲线，可以看出某些视场的MTF值已接近于零，该初始系统的成像质量较差，无法满足人眼观察的条件。下一步应对该初始系统进行优化，使其满足人眼的成像质量要求，将全息光学元件和图像显示器的位置坐标以及全息光学元件的相位函数系数设为变量；系统约束应控制畸变网格以及避免图像显示器遮拦人眼视线。同时为避免产生较大的色差，还应控制同一视场点下的不同颜色通道的成像光线应相交于图像显示器的同一点。

优化后的光学系统如图6所示，其中，21为图像显示器，22为全息光学元件，23为出瞳位置，24为图像显示器所发出的成像光线。相对于位于出瞳中心的全局参考坐标系，在优化后的光学系统中，图像显示器21和全息光学元件22的位置坐标如表4所示。

表4优化后的近眼显示系统的光学参数

	X	Y	Z	α
					全息光学元件	0mm	0mm	60mm	0°
图像显示器	0mm	30mm	20mm	-14.48°

在优化后的光学系统中，使用2.1inch的图像源，图像显示器21可以选择LCD显示器或OLED显示器；搭配50mm×40mm的全息光学元件22，组成近眼显示光学系统，其视场角可以达到40°×30°，出瞳直径6mm，出瞳距离60mm。优化后的光学系统中，红色、绿色、蓝色通道的全息相位函数系数如表5所示。

表5优化后的系统中，三种颜色通道的曝光波长和相位函数系数表

优化后的系统中，红色通道的MTF曲线如图7所示，绿色通道的MTF曲线如图8所示，蓝色通道的MTF曲线如图9所示。对于每个颜色通道，所有视场的MTF值在10线对/mm处均大于0.1，满足人眼实际观察需求。

优化后的系统中，红色通道的畸变网格如图10所示，绿色通道的畸变网格如图11所示，蓝色通道的畸变网格如图12所示。畸变网格图中，虚线网格代表光学系统的理想像面位置，实线网格代表实际光学系统的像面位置。对于每个颜色通道，存在一定的桶形畸变，最大畸变值小于12％，基本满足人眼观察需求。同时也可通过畸变预校正方法，以降低人眼观察到的图像变形。

优化后的彩色全息近眼显示光学系统，每个颜色通道的成像质量相比于初始系统均得到提升，MTF曲线中子午与弧矢的差别较小，满足人眼的成像质量要求；由于该近眼显示光学系统的视场角较大，会存在一定的桶形畸变，但基本满足成像质量要求。

本发明同时提供了该全息光学元件的制造方法，包括如下步骤：提供透光性基板，在所述透光性基板的某一表面附全息感光膜层；依次使用三种不同波长的激光相干光对全息感光膜层进行曝光，形成红色、绿色、蓝色通道复用的全息光栅，其中曝光时所使用的曝光光束(包括参考光波和信号光波，参见图13)是自由光波面，参考光波和信号光波组成相干光束，满足相位函数φ(x,y)。

本申请选用XY多项式描述相位函数φ(x,y)：

其中，λ_c为全息光学元件的曝光波长，A_m,n为多项式项x^myⁿ的系数，m为x的阶数，n为y的阶数，(x,y)为全息光学元件基板平面的局部坐标。

上述全息光学元件由特定的自由光波面制备而成，可有效校正系统中存在的离轴非对称像差，可对较大视场较大孔径的光束实现良好的成像质量。

在该申请中，全息光学元件涂敷于平板树脂或玻璃基板上，相比于采用曲面面型基板的几何光学方案，在保证相同成像质量的前提下，全息光学元件可极大地降低系统体积和重量，保证了系统的紧凑性与美观性。全息光学元件易于加工制备和批量化生产，相比于表面浮雕光栅元件，可极大地降低光学系统的加工制备成本。

以上对本发明所提供的一种全息光学元件、制造方法及近眼显示系统进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (10)

1.一种彩色全息光学元件，其特征在于包括：

透光性基板，

全息光栅，由设置在透光性基板的表面的全息感光膜层制备而成，所述全息光栅在同一区域具有分别与三种成像波长对应的布拉格光栅，所述全息光栅是由三种曝光波长的相干光对所述全息感光膜层先后曝光而成，所述全息光栅是自由波面调控全息元件，由自由光波面制备而成，所述全息光栅的入射光和衍射光之间的夹角范围为5度～45度，三个颜色通道的角度范围相同。

2.如权利要求1所述的一种彩色全息光学元件，其特征在于：

所述三种成像波长分别与红光、绿光和蓝光的波长对应；

所述三种曝光波长分别与红光、绿光和蓝光的波长对应；

对应于每一个颜色通道，所述成像波长与所述曝光波长不同。

3.如权利要求2所述的一种彩色全息光学元件，其特征在于：

所述成像波长选定为图像显示器各颜色通道的峰值发光波长。

4.如权利要求1所述的一种彩色全息光学元件，其特征在于：

所述全息光栅的相位函数φ(x,y)分别由XY多项式、Zernike多项式、NURBS中的一者描述。

5.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：

所述全息光栅的相位函数φ(x,y)由如下XY多项式描述：

其中，λ_c为全息光学元件的曝光波长，A_m,n为多项式项x^myⁿ的系数，m为x的阶数，n为y的阶数，(x,y)为全息光学元件基板平面的局部坐标。

6.一种彩色全息光学元件的制造方法，其特征在于包括如下步骤：

提供透光性基板，

在所述透光性基板的某一表面附全息感光膜层；

依次使用三种不同波长的激光相干光对全息感光膜层进行曝光，形成全息光栅，其中曝光时所使用的曝光光束是自由光波面，参考光波和信号光波组成相干光束，满足相位函数φ(x,y)。

7.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于：

所述相位函数φ(x,y)由XY多项式、Zernike多项式、NURBS多项式中的一者描述。

8.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于：

所述全息光栅的相位函数φ(x,y)由如下XY多项式描述：

其中，λ_c为全息光学元件的曝光波长，A_m,n为多项式项x^myⁿ的系数，m为x的阶数，n为y的阶数，(x,y)为全息光学元件基板平面的局部坐标。

9.一种近眼显示系统，其特征在于包括：

如权利要求1-5任一项所述的全息光学元件，其中的全息光栅通过衍射作用将三种成像波长的图像光衍射至出瞳位置；

图像显示器，设置在出瞳位置和所述彩色全息光学元件之间，并位于避开人眼视野的位置，用于向所述全息光栅投射图像光；

环境光透过所述彩色全息光学元件的基板，射向出瞳位置。

10.如权利要求9所述近眼显示系统，其特征在于：

所述图像显示器，是LCD显示器或OLED显示器。

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