CN117214987A - 一种用于指向背光三维显示的全息光学元件的制备装置和制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于指向背光三维显示的全息光学元件的制备装置和制备方法。该指向背光三维显示的全息光学元件的制备装置包括激光光源、第一半波片、分束器、第二半波片、第一扩束准直系统、固定反射镜、第二扩束准直系统、旋转反射镜、棱镜、全息光学元件、移动平台、定向扩散器、总控制器、电子快门、衰减器、反射镜旋转系统。根据制备全息光学元件需求，通过总控制器控制移动平台和反射镜旋转系统，规划移动平台运行路径和每个可控旋转平台当系统判断制备装置已经平稳并且在等待时间结束后开启电子快门接通光路并曝光相应时间；重复执行上述步骤直至所有的设计角度位置均被曝光。最后得到用于指向式背光裸眼三维显示的全息光学元件。

Description

一种用于指向背光三维显示的全息光学元件的制备装置和制 备方法

技术领域

本发明涉及裸眼三维显示技术领域，更具体地说，本发明涉及一种用于指向背光三维显示的全息光学元件的制备装置和制备方法。

背景技术

传统的三维显示中，用户通常都是佩戴辅助眼镜等助视工具才能观看到三维的图像。而裸眼三维显示则无需佩戴外部工具就可观察到三维图像。目前报道的商用裸眼三维显示主要采用狭缝光栅，柱状透镜以及指向式背光等方式来实现。其中，指向式背光技术是采用分时复用的方法，对光传播方向进行控制，从而观察者在设定观察区域内相对应的观看距离观察到三维图像。

目前，指向背光式裸眼三维显示技术因其可以独立控制进入观察者左右眼的光束实现单眼全分辨率、较低的串扰和较高亮度的立体图像显示。但是其显示的观看范围与光源以及显示器件密切相关。全息光学元件是一种基于衍射的光学元件，一般通过模拟全息曝光或数字全息打印的方法来进行制备，具有一定的波长选择性。使用全息光学元件来形成指向背光可实现系统组成元件集成化，便捷化。全息光学元件的制备关于记录光束的要求也较为严苛。通常全息光学元件制备光路中的参考光和信号光是固定的。要集成多个角度的光束实现复用，全息曝光光学系统较为复杂，体积相对庞大。

专利文献CN113703164A提供了一种光波导指向背光全息显示模组，其中的光波导指向背光组件包括光源结构、准直器件和光波导器件。光源结构投射光经相关组件，可以沿不同指向向光调制器件投射背光，并经会聚器件会聚至对应视区，实现向对应视区的全息三维场景呈现。专利文献CN114460758A提供了一种偏光式指向背光裸眼3D显示系统，以偏光式指向性背光源单元、线性扩散膜层和菲涅尔透镜作为光源及光源处理部分，偏光式指向性背光源单元发出左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，线性扩散膜层将其连成一列，菲涅尔透镜将光线向指定方向折射，形成指向背光。虽然上述结构均可产生指向背光，但其背光均为准直光源且仅能对指向角度进行控制，均存在一个最佳观看距离且相对固定，观看范围相对受限。当观察者远离最佳观看距离时，三维图像串扰严重，影响三维观看体验。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的是克服已有技术存在的不足，提供一种用于指向背光三维显示的全息光学元件的制备装置和制备方法。

为了达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于指向背光三维显示的全息光学元件的制备装置，包括单色激光光源、第一半波片、分束器、第二半波片、第一扩束准直系统、固定反射镜、第二扩束准直系统、旋转反射镜、反射镜旋转系统、棱镜、全息光学元件、移动平台、定向扩散器、总控制器、电子快门、衰减器；其中：单色激光光源，用于产生质量纯净、光谱稳定的单色激光；

第一半波片，用于使单色激光光源发出的单色偏振光产生π的奇数倍的相位延迟；

分束器，为块状偏振分束棱镜或平板偏振分束镜，将经第一半波片改变偏振态的出射光束分为参考光和目标光；

第二半波片，位于分束器之后，将经过分束器透射的偏振光束的偏振态恢复为初始偏振；

第一扩束准直系统，位于第二半波片输出端后，用于将分束器输出的透射偏振光进行准直扩束获取宽光束的平行光；

固定反射镜位于第一扩束准直系统之后，用于将由第一扩束准直系统扩束出射的准直平行光束反射到移动平台上固定的定向扩散器上；

第二扩束准直系统，用于将分束器输出的反射偏振光进行准直扩束获取宽光束的平行光；

旋转反射镜由反射镜旋转系统驱动，用于将由第二扩束准直系统扩束出射的准直平行光束反射通过棱镜照射到所需制备的全息光学元件上；

反射镜旋转系统与总控制器相连接，由反射镜旋转驱动器与旋转装置共同构成，用于控制旋转反射镜二维旋转，改变照射到制备的全息光学元件上准直平行光的入射角度；

棱镜位于旋转反射镜后，用于进行光束偏折；

全息光学元件是全息记录材料，为多角度复用的全息光学元件。全息光学元件将不同角度入射的参考光和聚焦远近位置不同的目标光记录；

移动平台与总控制器相连接，移动平台上固定有定位夹具用于固定移动平台上放置的定向扩散器；

定向扩散器用于将固定反射镜出射的光辐照到整个全息光学元件上；

总控制器，与反射镜旋转系统、移动平台驱动电机、电子快门相连接。用于控制旋转反射镜的旋转角度和移动平台的位移量以及电子快门的工作状态；

电子快门结合移动平台的工作状态来控制光路的通断，与总控制器相连接；

衰减器用于控制光路中激光的功率大小。

优选地，单色激光光源的波长应和实际制备全息光学元件需求匹配。

优选地，移动平台驱动电机一般为步进电机或伺服电机。

优选地，定向扩散器是一种具有一定扩散角度的散射光学元件，是一种在水平方向小角度散射或不散射而在垂直方向大角度散射的光学扩散元件。

一种用于指向背光三维显示的彩色全息光学元件的制备装置，包括第一单色激光光源模组，第二单色激光光源模组，第三单色激光光源模组、第一半波片、分束器、第二半波片、第一扩束准直系统、固定反射镜、第二扩束准直系统、旋转反射镜、反射镜旋转系统、棱镜、彩色全息光学元件、移动平台、定向扩散器、总控制器、第一二向色镜、第二二向色镜；其中：

第一单色激光光源模组，第二单色激光光源模组，第三单色激光光源模组用于产生质量纯净、光谱稳定的单色激光；

第一半波片，用于使第一单色激光光源模组，第二单色激光光源模组，第三单色激光光源模组发出的偏振光产生π的奇数倍的相位延迟；

分束器，为块状偏振分束棱镜或平板偏振分束镜，将经第一半波片改变偏振态的出射光束分为参考光和目标光；

第二半波片，位于分束器之后，将经过分束器透射的偏振光束的偏振态恢复为初始偏振；

第一扩束准直系统，位于第二半波片输出端后，用于将分束器输出的透射偏振光进行准直扩束获取宽光束的平行光；

固定反射镜位于第一扩束准直系统之后，用于将由第一扩束准直系统扩束出射的准直平行光束反射到移动平台上固定的定向扩散器上；

第二扩束准直系统，用于将分束器输出的反射偏振光进行准直扩束获取宽光束的平行光；

旋转反射镜由反射镜旋转系统驱动，用于将由第二扩束准直系统扩束出射的准直平行光束反射通过棱镜照射到所需制备的彩色全息光学元件上；

反射镜旋转系统与总控制器相连接，由反射镜旋转驱动器与旋转装置共同构成，用于控制旋转反射镜二维旋转，改变照射到制备的彩色全息光学元件上准直平行光的入射角度；

棱镜位于旋转反射镜后，用于进行光束偏折；

彩色全息光学元件是复合全息记录材料，为彩色符合多角度复用的彩色全息光学元件。彩色全息光学元件将不同角度入射的参考光和聚焦远近位置不同的目标光记录；

移动平台与总控制器相连接，移动平台上固定有定位夹具用于固定移动平台上放置的定向扩散器；

定向扩散器用于将固定反射镜出射的光辐照到整个彩色全息光学元件上；

总控制器，与反射镜旋转系统、移动平台驱动电机、电子快门相连接；用于控制旋转反射镜的旋转角度和移动平台的位移量以及电子快门的工作状态；

第一二向色镜位于第一单色激光光源模组和第二单色激光光源模组光路后，用于将第一单色激光光源模组输出的激光光束透射将第二单色激光光源模组输出的激光光束反射；

第二二向色镜位于第一二向色镜和第三单色激光光源模组光路后，用于将第一单色激光光源模组和第二单色激光光源模组由第一二向色镜合光的激光光束透射将第三单色激光光源模组输出的激光光束反射。

优选地，第一单色激光光源模组由可见光波段的红色激光光源、电子快门、衰减器组成；第二单色激光光源模组由可见光波段的绿色激光光源、电子快门、衰减器组成；第三单色激光光源模组由可见光波段的蓝色激光光源、电子快门、衰减器组成；其中；

第一电子快门，第二电子快门，第三电子快门均与总控制器相连接，用来控制整体光路中每个颜色分光路的通断；

第一衰减器，第二衰减器，第三衰减器是RGB每个颜色分光路对光强进行衰减的器件，用于控制曝光彩色全息光学元件的目标光和参考光的光束强度；

优选地，所述的彩色全息光学元件是单层三色复合，或双层复合——其中一层为一个颜色，另一层包含两个颜色，或三层单色复合——每层对应一个颜色。

一种用于指向背光三维显示的全息光学元件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：通过总控制器设置移动平台和反射镜旋转系统的初始位置，确定制备时全息光学元件上需要曝光的不同入射参考光的角度和与参考光相应的目标光的数量和位置。

第二步：初始化世界坐标系，根据需要曝光的不同入射参考光的角度和与参考光相应目标光的位置规划运行路径，并根据曝光光强、全息光学元件、单点曝光次数等系统参数计算每个位置所需的曝光时间T_i，其中i为第i个曝光的角度位置，i的大小由不同曝光角度的数量决定。

第三步：移动平台按照规划好的路径运动直至到达第一个需要曝光的位置时移动平台制动并保持t时间的静止，反射镜旋转系统旋转到第一个需要曝光的角度时反射镜旋转系统并同时保持t时间的静止。总控制器接收移动平台和反射镜旋转系统的制动反馈并在t时间内判断制备装置是否已经平稳。

第四步：判断移动平台和反射镜旋转系统已经平稳并且等待t这段时间结束后立刻开启电子快门接通光路并使电子快门按照计算的曝光时间保持开启一段时间T_i，之后关闭全部电子快门。

第五步：循环执行第三步和第四步对每个设计的角度位置循环多次曝光，保证各个角度位置的衍射效率相对均匀。

第六步：停止曝光后结束扫描，并将制备完成的全息光学元件进行漂白后处理，得到用于指向式背光裸眼三维显示的全息光学元件。

所述的一种用于指向背光三维显示的全息光学元件的制备方法，在曝光制备过程中对每个设计角度完成N个周期的重复曝光，N≥2；其中每一个周期的时序为：

第一步：移动平台按规划的路径运行一定的时间T₀，到达曝光位置并制动；

第二步：反射镜旋转系统规划的角度旋转到设计的位置；

第三步：总控制器接受制动反馈信号在t时间内判断移动平台和反射镜旋转系统制动后是否已经稳定，在T₀+t时间内电子快门处于关闭状态；

第四步：总控制器判定移动平台和反射镜旋转系统已经制动稳定后打开全部电子快门并保持开启T_i，时间，此时移动平台和反射镜旋转系统保持静止。

与现有技术相比，本发明具有如下显而易见的突出实质性特点和显著的技术进步：

1.采用旋转反射镜以及移动平台将不同角度的光束进行对全息光学元件干涉制备用于指向背光三维显示的全息光学元件；根据不同的参考光角度和目标出光位置需求确定旋转反射镜以及移动平台的运动轨迹和曝光时间将互相干涉的光束动态调整通过制备装置完成；

2.将多角度复用的全息光学元件应用于指向背光裸眼三维显示，在满足一定的视场大小和分辨率的前提之下，提供观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示效果，从而有效地拓展了指向式背光三维显示的观看范围。全息光学元件可使背光源出光具有指向性，分别指向观看者的左右眼，再配合显示屏幕，通过视差图像的快速切换，观察者可观看到裸眼三维图像；

3.本发明采用的多角度复用的全息光学元件产生用于裸眼三维显示的指向性背光，结构较薄，无需庞大的准直扩束系统，可形成较为轻薄的背光模组，并结合高刷新的显示面板，形成现有液晶电视、液晶显示器等类似形态的裸眼三维显示。

附图说明

附图1为本发明实施例一用于指向背光三维显示的全息光学元件的制备装置结构示意图。

附图2为本发明实施例一用于指向背光三维显示的全息光学元件的总控制器同步控制示意图。

附图3为本发明实施例二用于指向背光三维显示的彩色全息光学元件的制备装置结构示意图。

附图4为本发明实施例二用于指向背光三维显示的彩色全息光学元件的排布方式示意图。

附图5为本发明实施例一和实施例二用于指向背光三维显示的全息光学元件的制备方法流程图。

附图6为本发明实施例一和实施例二用于指向背光三维显示的全息光学元件的制备方法的工作时序图。

应当理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术方案进行清楚描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

一种用于指向背光三维显示的全息光学元件的制备装置，如图1-2所示，包括单色激光光源100、第一半波片110、分束器120、第二半波片130、第一扩束准直系统140、固定反射镜150、第二扩束准直系统160、旋转反射镜170、反射镜旋转系统180、棱镜190、全息光学元件200、移动平台210、定向扩散器220、总控制器230、电子快门240、衰减器250；

所述的单色激光光源100优选采用可见光波段的激光器，用于产生质量纯净、光谱稳定的单色激光。激光器可以是半导体激光器，气体激光器或者固体激光器。激光器的波长应和实际制备需求匹配，如若实现彩色裸眼三维显示应选取对应RGB的不同波长的激光器配合使用来制备RGB复合全息光学元件。

所述的第一半波片110，用于使单色激光光源100发出的单色偏振光产生π的奇数倍的相位延迟，从而改变光的偏振态而不改变光强。所述的第一半波片110可以是具有精确厚度的方解石(冰州石)、石英、或云母等具有双折射性质的晶体。

所述的分束器120，为块状偏振分束棱镜或平板偏振分束镜，将经第一半波片110改变偏振态的出射光束分为两束，改变镀膜参数或转动第一半波片110控制反射光和透射光能量的比值。经过分束器120反射的光束为参考光，经过分束器120透射的光束为目标光。所述的分束器120需依照制备装置系统所需选择合适的分光比，以达到设计的显示效果。所述的分束器120可安置在扩束准直系统前，也可以安置在扩束准直系统后，具体安置位置需要根据实际需求确定。在实际操作中，根据具体光路情况，也可以选取经过分束器120反射的光束为信号光，经过分束器120透射的光束为参考光。

所述的第二半波片130可以是具有精确厚度方解石(冰州石)、石英、或云母等具有双折射性质的晶体。所述的第二半波片130，位于分束器120之后，将经过分束器120透射的偏振光束的偏振态恢复为初始偏振，一般通过调节第二半波片130与第一半波片110相匹配，使得两束光偏振态相同。

所述的第一扩束准直系统140，位于第二半波片130输出端后，用于将分束器120输出的透射偏振光进行准直扩束获取宽光束的平行光。扩束准直系统140一般由第一透镜141，针孔滤波器142和第二透镜143组成。通常是由单色激光光源100产生的单色激光经过第一透镜141会聚到针孔滤波器142来滤掉杂散光后产生接近理想的球面波，再经过第二透镜142准直后产生宽光束的平行光。所述的第一透镜141可以是单透镜，双胶合透镜或多个透镜的组合。在实际系统应用中多采用显微物镜或类似的商用物镜。所述的针孔滤波器142一般用于滤除相干光源发出光束中的杂散光来提升光束质量。所述的第二透镜142可以是单透镜，双胶合透镜或多个透镜组成的准直透镜组。

所述的固定反射镜150位于第一扩束准直系统140之后，用于将由第一扩束准直系统140扩束出射的准直平行光束反射到移动平台200上固定的定向扩散器220上。所述的固定反射镜150可以是平面反射镜，球面反射镜或者是非球面反射镜。

所述的第二扩束准直系统160，用于将分束器120输出的反射偏振光进行准直扩束获取宽光束的平行光。第二扩束准直系统160一般由第一透镜161，针孔滤波器162和第二透镜163组成。通常是由单色激光光源100产生的单色激光经过第一透镜161会聚到针孔滤波器162来滤掉杂散光后产生接近理想的球面波，再经过第二透镜163准直后产生宽光束的平行光。所述的第一透镜161可以是单透镜，双胶合透镜或多个透镜的组合。在实际系统应用中多采用显微物镜或类似的商用物镜。所述的针孔滤波器162一般用于滤除相干光源发出光束中的杂散光来提升光束质量。所述的第二透镜162可以是单透镜，双胶合透镜或多个透镜组成的准直透镜组。

所述的旋转反射镜170与反射镜旋转系统180相连接，并由反射镜旋转系统180驱动旋转。反射镜旋转系统180与总控制器230相连接，其与总控制器的连接方式可以是USB、串口以及通用I/O等方式连接。所述的旋转反射镜170用于将由第二扩束准直系统160扩束出射的准直平行光束反射通过棱镜190照射到所需制备的全息光学元件200上。总控制器230控制旋转反射镜170的旋转。所述的旋转反射镜170通过改变自身角度将改变第二扩束准直系统160扩束出射并反射的平行光束角度，从而达到不同角度的参考光束通过棱镜190照射到制备的全息光学元件200上，以满足多角度参考光分时曝光的目的。所述的旋转反射镜170可以是平面反射镜，球面反射镜或者是非球面反射镜。所述旋转反射镜170的旋转方向和旋转角度是由反射镜旋转系统180决定。

所述反射镜旋转系统180与总控制器230相连接，包括反射镜旋转驱动器181与旋转装置182，用于控制旋转反射镜170二维旋转，改变照射到制备的全息光学元件200上准直平行光的入射角度。旋转反射镜170安装在旋转装置182上，可以固定在二自由度旋转平台上，保证反射镜的前表面与旋转中心重合，由反射镜旋转驱动器181驱动旋转。旋转反射镜170也可以是二维扫描振镜，扫描镜片与相应的扫描电机相连，扫描电机一般为步进电机或伺服电机，由反射镜旋转系统180控制驱动。旋转反射镜170还可以是双轴音圈反射镜，反射镜由音圈电机驱动旋转其旋转中心与反射镜前表面重合，由反射镜旋转系统180控制驱动。

所述的棱镜190的顶角的角度范围可以根据所需要的满足的衍射效率进行选择。为了达到最优的光学衍射效率，所述棱镜190的顶角角度一般在60°至85°之间。通过所需要制备的全息光学元件的尺寸来确定棱镜190的具体尺寸。旋转反射镜170将不同角度的平行光传输到所述的棱镜190和需要制备的全息光学元件上200，和经过定向扩散器220出射的扩散光束干涉最后制备出形成实现观看范围扩展的多角度全息光学元件达到本制备装置和方法的目的。所述光路方向，使平行光以一定角度离轴照射到制备的全息光学元件200上。

所述的全息光学元件200是全息记录材料，为多角度复用的全息光学元件。全息光学元件200将不同角度入射的参考光和聚焦远近位置不同的目标光记录。当不同角度入射的平行光束经所述的全息光学元件200衍射，能够得到焦点不同的出射光束通过多角度复用实现观看范围扩展的目的。全息光学元件200通过光学胶进行粘接以工作面胶合的方式与棱镜190贴合在一起。常用的全息记录材料有卤化银乳胶、重铬酸盐明胶、光致抗蚀剂、光致聚合物、光导热塑料等。光致聚合物全息记录材料具有灵敏度及衍射效率高、加工方便、可实时干法显影等优点。

所述的移动平台210通过移动平台驱动电机212与总控制器230相连接，其与总控制器的连接方式可以是USB、串口以及通用I/O等方式连接。所述的移动平台210上固定有定位夹具211用于固定定向扩散器220。随着由旋转反射镜170出射的一个角度的参考光和相应位置的定向扩散器220出射的信号光曝光记录完成，由总控制器230同步控制移动平台210的位置和旋转反射镜170的旋转角度。从而达到由旋转反射镜170出射不同角度的参考光和与其相匹配的不同水平位置定向扩散器出射的信号光分时在目标全息光学元件200上进行曝光。形成不同角度入射的参考光和聚焦远近位置不同的目标光。满足当不同角度入射的平行光经所述的全息光学元件200衍射，能够得到焦点不同的出射光的要求。所述的移动平台210的传动由移动平台驱动电机212控制如图2所示。所述的移动平台驱动电机212与移动平台210之间的传动方式可以是带传动、齿轮传动、齿轮齿条传动、蜗轮蜗杆传动或多种传动方式的组合传动。所述的移动平台驱动电机212一般为步进电机或伺服电机。

所述的定向扩散器220被定位夹具211固定在移动平台210上，用于将固定反射镜150出射的光辐照到整个全息光学元件200上。所述的定向扩散器220是一种具有一定扩散角度的透射型散射光学元件，在扩散角度范围内对散射光束进行平滑处理，让出射光束更平滑均匀。一般地，定向扩散器220为在水平方向小角度散射或不散射，而在垂直方向大角度散射的光学扩散元件。优选地，定向扩散器220的水平散射角度不大于5°，垂直散射角度不小于50°。

所述的总控制器230，与反射镜旋转系统180、移动平台驱动电机212、电子快门240相连接，同步控制旋转反射镜170的旋转角度、移动平台210的位移以及全息光学元件的曝光时间。如图2同步控制示意图所示，当总控制器230通过反射镜旋转系统180控制旋转反射镜170旋转的角度为α₁时，总控制器230同步控制移动平台驱动电机212使移动平台210移动到b₁的位置。设计的旋转反射镜170旋转的角度α应符合实际需求，并与移动平台210移动到的位置相匹配。当结构装置棱镜190顶角角度在73°时，优选地，旋转反射镜170旋转的角度在30°-50°之间。

所述的电子快门240是电磁快门，或电控机械快门，或者具有类似功能的机械电子系统，与总控制器230相连接，用来控制光路的通断。总控制器230要结合移动平台210的工作状态来控制电子快门240的工作状态。当移动平台210移动时，总控制器230控制电子快门240关闭来遮挡光路；当移动平台210停止时，总控制器230控制电子快门240打开光路，曝光制备开始工作。当完成角度为a₁的平行光束曝光时，总控制器230控制电子快门240遮挡光路，然后控制旋转反射镜170使旋转反射镜170旋转角度为α₂，同步控制移动平台驱i动电机212使移动平台210移动到b₂的位置。完成后总控制器230控制电子快门240打开光路，进行角度为a₂的平行光束曝光。具体同步控制示意图如图2所示。在实际制备过程中，设计的参考光入射角度按a₁，a₂，……a_N的顺序先后曝光，N≥2，相应的反射镜旋转系统180驱动旋转反射镜170的倾斜角度为α₁，α₂，……α_N，N≥2，同时移动平台驱动电机212使移动平台210移动到b₁，b₂，……b_N的位置，N≥2，参考光入射角度a_i和旋转反射镜170的倾斜角度α_i以及移动平台210移动位置b_i一一对应。最后循环上述过程，直至所有设计角度的光束全部曝光完成。

所述的衰减器250是对光强进行衰减的器件，用于控制曝光全息干板的信号光和参考光的光束强度。所述的衰减器250可以是吸收型激光功率衰减器、介质反射型激光功率衰减器或者调制型激光功率衰减器。

本实施例根据制备全息光学元件需求，通过总控制器控制移动平台和反射镜旋转系统，观看范围广，当观察者处于远离最佳观看距离时，三维图像效果好，具有很好三维观看体验。

实施例二：

一种用于指向背光三维显示的全息光学元件的制备装置，如图3-4所示，能实现观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示，采用彩色全息光学元件，包括第一单色激光光源模组300，第二单色激光光源模组400，第三单色激光光源模组500、第一半波片110、分束器120、第二半波片130、第一扩束准直系统140、固定反射镜150、第二扩束准直系统160、旋转反射镜170、反射镜旋转系统180、棱镜190、彩色全息光学元件201、移动平台210、定向扩散器220、总控制器230、第一二向色镜310、第二二向色镜320。

所述的第一单色激光光源模组300由第一单色激光光源301、第一电子快门302、第一衰减器303组成；所述的第二单色激光光源模组400由第二单色激光光源401、第二电子快门402、第二衰减器403组成；所述的第三单色激光光源模组500由第三单色激光光源501、第三电子快门502、第三衰减器503组成。所述的第一单色激光光源模组300，第二单色激光光源模组400，第三单色激光光源模组500均用于产生质量纯净、光谱稳定的单色激光。优选地，第一单色激光光源301是红色激光光源，第二单色激光光源401是绿色激光光源，第三单色激光光源501是蓝色激光光源。所述的第一单色激光光源301，第二单色激光光源401，第三单色激光光源501结构的排布设计可以按实际情况而定。所述的单色激光器可以是半导体激光器，气体激光器或者固体激光器。所述的单色激光器的波长应和实际制备需求匹配。在具体制备过程中，为了满足RGB彩色全息光学元件的制备需要，所述的第一单色激光光源301和第二单色激光光源401以及第三单色激光光源501颜色的选择可以互换变更以实现RGB彩色全息光学元件的制备。

所述的第一电子快门302，第二电子快门402，第三电子快门502是电磁快门，或电控机械快门，或者具有类似功能的机械电子系统，均与总控制器230相连接。所述的第一电子快门302用来控制第一单色激光光源301的光路通断；所述的第二电子快门402用来控制第二单色激光光源401的光路通断；所述的第三电子快门502用来控制第三单色激光光源501的光路通断。

所述的第一衰减器303，第二衰减器403，第三衰减器503是对光强进行衰减的器件，用于控制曝光目标彩色全息光学元件201的信号光和参考光的光束强度。所述的第一衰减器303，第二衰减器403，第三衰减器503可以是吸收型激光功率衰减器、介质反射型激光功率衰减器或者调制型激光功率衰减器。所述的第一衰减器303对第一单色激光光源301的出射功率进行调节；所述的第二衰减器403对第二单色激光光源401的出射功率进行调节；所述的第三衰减器303对第三单色激光光源501的出射功率进行调节。

在制备过程中移动平台210通过总控制器230控制移动平台驱动电机212按照规划好的路径运动直至到达第一个需要曝光的位置时移动平台210制动并保持t时间的静止，反射镜旋转系统180旋转到第一个需要曝光的角度时反射镜旋转系统180并同时保持t时间的静止。总控制器230接收移动平台210和反射镜旋转系统180的制动反馈并在一段时间内判断制备装置是否已经平稳。总控制器230判断移动平台210和反射镜旋转系统180已经平稳并且等待t这段时间结束后立刻开启全部电子快门接通光路并使全部电子快门按照计算的曝光时间保持开启一段时间，之后关闭全部电子快门。

所述的总控制器230要结合移动平台210的工作状态来控制第一电子快门302，第二电子快门402，第三电子快门502的工作状态。当移动平台210移动时，总控制器230控制第一电子快门302，第二电子快门402，第三电子快门502全部遮挡光路；当移动平台210停止时，总控制器230可以同时控制第一电子快门302，第二电子快门402，第三电子快门502打开光路进行对目标彩色全息光学元件201进行RGB三色同时曝光，也可以分别控制第一电子快门302，第二电子快门402，第三电子快门502分别打开光路对目标彩色全息光学元件201进行RGB三色分时曝光。

所述的第一二向色镜310、第二二向色镜320在两个不同的波长上具有明显不同的反射或透射特性，即可以根据波长将光束分为透射光和反射光。常见的二向色镜的材料为紫外熔融石英，所述的二向色镜可以是长波通二向色镜、短波通二向色镜、多波段二向色镜。所述的第一二向色镜310位于第一单色激光光源模组300和第二单色激光光源模组400光路后，用于将第一单色激光光源模组300输出的激光光束透射将第二单色激光光源模组400输出的激光光束反射，达到合光的目的。所述的第二二向色镜320位于第一二向色镜310和第三单色激光光源模组500光路后，用于将第一单色激光光源模组300和第二单色激光光源模组400由第一二向色镜310合光的激光光束透射将第三单色激光光源模组500输出的激光光束反射，达到将三个单色激光光源模组合光的目的。优选地，第一单色激光光源301为红色，第二单色激光光源401为绿色，第三单色激光光源501为蓝色，则第一二向色镜310为透射红光、反射绿光，第二二向色镜320透射红光和绿光、反射蓝光。根据第一单色激光光源301，第二单色激光光源401，第三单色激光光源501的波长决定第一二向色镜310、第二二向色镜320的起始波长和截止波长。

经第一单色激光光源模组300，第二单色激光光源模组400，第三单色激光光源模组500合束后的彩色激光光束依次经过第一半波片110，分束器120将出射光束分为参考光和目标光。所述的第二半波片130将经过分束器120透射的偏振光束的偏振态恢复为初始偏振，实现信号光和参考光的偏振态相同。

所述的第一扩束准直系统140将分束器120透射的偏振光进行准直扩束获取宽光束的平行光。所述的第二扩束准直系统160，将通过分束器120反射的偏振光进行准直扩束获取宽光束的平行光。

所述的第一固定反射镜150，位于第一扩束准直系统140后，用于改变光线的传播方向。为了防止光线的交叉干扰，可以按照图2的结构进行排布。所述的固定反射镜150将由第一扩束准直系统140扩束出射的准直平行光束反射到移动平台210上固定的定向扩散器220上。所述的旋转反射镜170将由第二扩束准直系统160扩束出射的准直平行光束反射通过棱镜190照射到所需制备的彩色全息光学元件201上。所述的反射镜旋转系统180控制旋转反射镜170二维旋转，改变照射到制备的彩色全息光学元件201上准直平行光的入射角度。

所述的彩色全息光学元件201是复合全息记录材料，为彩色复合多角度复用的全息光学元件。总控制器230设置移动平台210和反射镜旋转系统180的初始位置，确定制备时彩色全息光学元件201上需要曝光的不同入射参考光的角度和与参考光相应的目标光的数量和位置。彩色全息光学元件201通过光学胶进行粘接以工作面胶合的方式与棱镜190贴合在一起。所述的彩色全息光学元件201复合形式有三种如图4所示，是单层三色复合，或双层复合(其中一层为一个颜色，另一层包含两个颜色)，或三层单色复合(每层对应一个颜色)。常用的全息记录材料有卤化银乳胶、重铬酸盐明胶、光致抗蚀剂、光致聚合物、光导热塑料等。光致聚合物全息记录材料具有灵敏度及衍射效率高、加工方便、可实时干法显影等优点。

所述的总控制器230设置反射镜旋转系统180和移动平台210的初始位置，确定制备时彩色全息光学元件201上需要曝光的RGB三种颜色各自不同入射参考光的角度和RGB三种颜色各自参考光相应的目标光的数量和位置。然后初始化世界坐标系，规划移动平台210运行路径和每个反射镜旋转系统180的角度位置所需的曝光时间T_i。

当系统装置初始位置曝光完成时，进行下一个设计角度的曝光。当反射镜旋转系统180和移动平台210按照规划好的路径运动直至到达第一个需要曝光的位置时反射镜旋转系统180和移动平台210制动并保持一段时间的静止，总控制器230接收反射镜旋转系统180和移动平台210的制动反馈并在t时间内判断制备装置是否已经平稳。当总控制器230判断制备装置已经平稳并且在等待一定时间结束后立刻开启电子快门接通光路并使电子快门按照计算的曝光时间保持开启一段时间；重复执行上述步骤直至所有的设计角度位置均至少被曝光一次。针对彩色全息光学元件201的不同材料复合形式，需对每层材料进行相对应的曝光制备，完成单层材料制备后，在增加新一层材料进行相对应波长的曝光，直至完成所有层的曝光，完成彩色全息光学元件201的制备。

本实施例装置将多角度复用的全息光学元件应用于指向背光裸眼三维显示，在满足一定的视场大小和分辨率的前提之下，提供观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示效果，从而有效地拓展了指向式背光三维显示的观看范围。全息光学元件可使背光源出光具有指向性，分别指向观看者的左右眼，再配合显示屏幕，通过视差图像的快速切换，观察者可观看到裸眼三维图像。

实施例三：

一种用于指向背光三维显示的全息光学元件的制备方法，采用上述实施例一或实施例二的用于指向背光三维显示的全息光学元件的制备装置，具体流程如图5所示，该方法包括如下操作步骤：

第一步：通过总控制器设置移动平台和反射镜旋转系统的初始位置，确定制备时实施例1中的全息光学元件或者实施例2中的彩色全息光学元件上需要曝光的不同入射参考光的角度和与参考光相应的目标光的数量和位置；

第二步：初始化世界坐标系，根据需要曝光的不同入射参考光的角度和与参考光相应目标光的位置规划运行路径，并根据曝光光强、全息光学元件、单点曝光次数等系统参数计算每个位置所需的曝光时间T_i，其中i为第i个曝光的角度位置，i的大小由不同曝光角度的数量决定；

第三步：移动平台按照规划好的路径运动直至到达第一个需要曝光的位置时移动平台制动并保持t时间的静止，反射镜旋转系统旋转到第一个需要曝光的角度时反射镜旋转系统并同时保持t时间的静止；总控制器接收移动平台和反射镜旋转系统的制动反馈并在t时间内判断制备装置是否已经平稳；

第四步：判断移动平台和反射镜旋转系统已经平稳并且等待t这段时间结束后立刻开启电子快门接通光路并使电子快门按照计算的曝光时间保持开启一段时间T_i，之后关闭全部电子快门；

第五步：循环执行第三步和第四步对每个设计的角度位置循环多次曝光，保证各个角度位置的衍射效率相对均匀；

第六步：停止曝光后结束扫描，并将制备完成的实施例1中的全息光学元件或者实施例2中的彩色全息光学元件进行漂白后处理，得到用于指向式背光裸眼三维显示的全息光学元件。

在所述第六步中全息光学元件的后处理应针对全息光学元件的材料对应采用不同的处理方法。如：卤化银乳胶材料的全息光学元件需要进行显影、水洗、停显、定影、水洗和干燥的后处理。重铭酸盐明胶材料的全息光学元件需要先使用(NH₄)₂Cr₂O₇溶液冲洗，然后在同类性质的硬化液中浸泡，接着水洗后再用异丙醇脱水，最后干燥密封固化。光致聚合物材料的全息光学元件可以采用干法进行处理，光致聚合物记录的全息图像较其它材料比较，具有较高的几何保真度，存储时间长且不易失真。

实施例四：

上述用于指向背光三维显示的全息光学元件的制备方法的工作时序图，如图6所示。在曝光制备过程中可对单个设计角度完成N个周期的重复曝光，N≥2，目的是为了使制备的全息光学元件对单个设计角度的完全曝光记录。其中一个周期的时序为：移动平台按规划的路径运行一定的时间T₀，到达曝光位置并制动。反射镜旋转系统规划的角度旋转到设计的位置。总控制器接受制动反馈信号在t时间内判断移动平台和反射镜旋转系统制动后是否已经稳定，在T₀+t时间内电子快门处于关闭状态。总控制器判定移动平台和反射镜旋转系统已经制动稳定后打开全部电子快门并保持开启T_i，时间，此时移动平台和反射镜旋转系统保持静止。按照上述周期过程完成所有设计角度的曝光，并进行不少于一个周期的多次曝光即实现指向背光三维显示的全息光学元件的制备。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种用于指向背光三维显示的全息光学元件的制备装置，包括单色激光光源(100)、第一半波片(110)、分束器(120)、第二半波片(130)、第一扩束准直系统(140)、固定反射镜(150)、第二扩束准直系统(160)、旋转反射镜(170)、反射镜旋转系统(180)、棱镜(190)、全息光学元件(200)、移动平台(210)、定向扩散器(220)、总控制器(230)、电子快门(240)、衰减器(250)，其特征在于：

所述的单色激光光源(100)用于产生质量纯净、光谱稳定的单色激光；

所述的第一半波片(110)，用于使单色激光光源(100)发出的单色偏振光产生π的奇数倍的相位延迟；

所述的分束器(120)，为块状偏振分束棱镜或平板偏振分束镜，将经第一半波片(110)改变偏振态的出射光束分为参考光和信号光；

所述的第二半波片(130)，位于分束器(120)之后，将经过分束器(120)透射的偏振光束的偏振态恢复为初始偏振；

所述的第一扩束准直系统(140)，位于第二半波片(130)输出端后，用于将分束器(120)输出的透射偏振光进行准直扩束获取宽光束的平行光；

所述的固定反射镜(150)位于第一扩束准直系统(140)之后，用于将由第一扩束准直系统(140)扩束出射的准直平行光束反射到移动平台(200)上固定的定向扩散器(210)上；

所述的第二扩束准直系统(160)，用于将分束器(120)输出的反射偏振光进行准直扩束获取宽光束的平行光；

所述的旋转反射镜(170)由反射镜旋转系统(180)驱动，用于将由第二扩束准直系统(160)扩束出射的准直平行光束反射通过棱镜(190)照射到所需制备的全息光学元件(200)上；

所述的反射镜旋转系统(180)与总控制器(230)相连接，由反射镜旋转驱动器(181)与旋转装置(182)共同构成，用于控制旋转反射镜(170)二维旋转，改变照射到制备的全息光学元件(200)上准直平行光的入射角度；

所述的棱镜(190)位于旋转反射镜(170)后，用于进行光束偏折；

所述的全息光学元件(200)是全息记录材料，为多角度复用的全息光学元件；全息光学元件(200)将不同角度入射的参考光和聚焦远近位置不同的再现光记录；

所述的移动平台(210)的驱动电机(212)与总控制器(230)相连接用于驱动移动平台(210)运动，移动平台(210)上固定有定位夹具(211)用于固定移动平台(210)上放置的定向扩散器(220)；

所述的定向扩散器(220)用于将固定反射镜(150)出射的光辐照到整个全息光学元件(200)上；

所述的总控制器(230)，与反射镜旋转系统(180)、移动平台驱动电机(212)、电子快门(240)相连接，用于控制旋转反射镜(170)的旋转角度和移动平台(210)的位移量以及电子快门(240)的工作状态；

电子快门(240)结合移动平台(210)的工作状态来控制光路的通断，与总控制器(230)相连接；

衰减器(250)用于控制光路中激光的功率大小。

2.根据权利要求书1所述的用于指向背光三维显示的全息光学元件的制备装置，其特征在于：所述的移动平台驱动电机(212)为步进电机或伺服电机。

3.根据权利要求书1所述的用于指向背光三维显示的全息光学元件的制备装置，其特征在于：所述的定向扩散器(220)是一种具有适当扩散角度的散射光学元件，是一种在水平方向小角度散射或不散射而在垂直方向大角度散射的光学扩散元件。

4.一种用于指向背光三维显示的彩色全息光学元件的制备装置，包括第一单色激光光源模组(300)，第二单色激光光源模组(400)，第三单色激光光源模组(500)、第一半波片(110)、分束器(120)、第二半波片(130)、第一扩束准直系统(140)、固定反射镜(150)、第二扩束准直系统(160)、旋转反射镜(170)、反射镜旋转系统(180)、棱镜(190)、彩色全息光学元件(201)、移动平台(210)、定向扩散器(220)、总控制器(230)、第一二向色镜(310)、第二二向色镜(320)，其特征在于：

所述的第一单色激光光源模组(300)，第二单色激光光源模组(400)，第三单色激光光源模组(500)用于产生质量纯净、光谱稳定的单色激光；

所述的第一半波片(110)，用于使第一单色激光光源模组(300)，第二单色激光光源模组(400)，第三单色激光光源模组(500)发出的偏振光产生π的奇数倍的相位延迟；

所述的分束器(120)，为块状偏振分束棱镜或平板偏振分束镜，将经第一半波片(110)改变偏振态的出射光束分为参考光和目标光；

所述的第二半波片(130)，位于分束器(120)之后，将经过分束器(120)透射的偏振光束的偏振态恢复为初始偏振；

所述的第一扩束准直系统(140)，位于第二半波片(130)输出端后，用于将分束器(120)输出的透射偏振光进行准直扩束获取宽光束的平行光；

所述的固定反射镜(150)位于第一扩束准直系统(140)之后，用于将由第一扩束准直系统(140)扩束出射的准直平行光束反射到移动平台(200)上固定的定向扩散器(210)上；

所述的第二扩束准直系统(160)，位于第一半波片(130)输出端后，用于将分束器(120)输出的反射偏振光进行准直扩束获取宽光束的平行光；

所述的旋转反射镜(170)由反射镜旋转系统(180)驱动，用于将由第二扩束准直系统(160)扩束出射的准直平行光束反射通过棱镜(190)照射到所需制备的彩色全息光学元件(201)上；

所述的反射镜旋转系统(180)与总控制器(230)相连接，由反射镜旋转驱动器(181)与旋转装置(182)共同构成，用于控制旋转反射镜(170)二维旋转，改变照射到制备的彩色全息光学元件(201)上准直平行光的入射角度；

所述的棱镜(190)位于旋转反射镜(170)后，用于进行光束偏折；

所述的彩色全息光学元件(201)是复合全息记录材料，记录了不同角度入射的参考光和聚焦远近位置不同的目标光记录；

所述的移动平台(210)与总控制器(230)相连接，移动平台(210)上固定有定位夹具(211)用于固定移动平台(210)上放置的定向扩散器(220)；

所述的定向扩散器(220)用于将固定反射镜(150)出射的光辐照到整个彩色全息光学元件(201)上；

所述的总控制器(230)，与反射镜旋转系统(180)、移动平台驱动电机(212)、第一电子快门(302)，第二电子快门(402)，第三电子快门(502)相连接；用于控制旋转反射镜(170)的旋转角度和移动平台(210)的位移量以及第一电子快门(302)，第二电子快门(402)，第三电子快门(502)的工作状态；

所述的第一二向色镜(310)位于第一单色激光光源模组(300)和第二单色激光光源模组(400)光路后，用于将第一单色激光光源模组(300)输出的激光光束透射将第二单色激光光源模组(400)输出的激光光束反射；

所述的第二二向色镜(320)位于第一二向色镜(310)和第三单色激光光源模组(500)光路后，用于将第一单色激光光源模组(300)和第二单色激光光源模组(400)由第一二向色镜(310)合光的激光光束透射将第三单色激光光源模组(500)输出的激光光束反射。

5.根据权利要求书4所述的用于指向背光三维显示的彩色全息光学元件的制备装置，其特征在于：第一单色激光光源模组(300)由第一单色激光光源(301)、第一电子快门(302)、第一衰减器(303)组成；第二单色激光光源模组(400)由第二单色激光光源(401)、第二电子快门(402)、第二衰减器(403)组成；第三单色激光光源模组(500)由第三单色激光光源(501)、第三电子快门(502)、第三衰减器(503)组成；其中；

所述的第一电子快门(302)，第二电子快门(402)，第三电子快门(502)均与总控制器(230)相连接，用来控制整体光路中每个颜色分光路的通断；

所述的第一衰减器(303)，第二衰减器(403)，第三衰减器(503)是RGB每个颜色分光路对光强进行衰减的器件，用于控制曝光目标彩色全息光学元件(201)的目标光和参考光的光束强度。

6.根据权利要求书4所述的用于指向背光三维显示的彩色全息光学元件的制备装置，其特征在于：所述的彩色全息光学元件(201)是单层三色复合，或双层复合——其中一层为一个颜色而另一层包含两个颜色，或三层单色复合——每层对应一个颜色。

7.一种用于指向背光三维显示的全息光学元件的制备方法，基于权利要求书1或4所述的用于指向背光三维显示的彩色全息光学元件的制备装置，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

第一步：通过总控制器设置移动平台和反射镜旋转系统的初始位置，确定制备时全息光学元件上需要曝光的不同入射参考光的角度和与参考光相应的目标光的数量和位置；

第二步：初始化世界坐标系，根据需要曝光的不同入射参考光的角度和与参考光相应目标光的位置规划运行路径，并根据曝光光强、全息光学元件、单点曝光次数等系统参数计算每个位置所需的曝光时间T_i，其中i为第i个曝光的角度位置，i的大小由不同曝光角度的数量决定；

第三步：移动平台按照规划好的路径运动直至到达第一个需要曝光的位置时移动平台制动并保持t时间的静止，反射镜旋转系统旋转到第一个需要曝光的角度时反射镜旋转系统并同时保持t时间的静止；总控制器接收移动平台和反射镜旋转系统的制动反馈并在t时间内判断制备装置是否已经平稳；

第四步：判断移动平台和反射镜旋转系统已经平稳并且等待t这段时间结束后立刻开启电子快门接通光路并使电子快门按照计算的曝光时间保持开启一段时间T_i，之后关闭全部电子快门；

第五步：循环执行第三步和第四步对每个设计的角度位置循环多次曝光，保证各个角度位置的衍射效率相对均匀；

第六步：停止曝光后结束扫描，并将制备完成的全息光学元件进行漂白后处理，得到用于指向式背光裸眼三维显示的全息光学元件。

8.根据权利要求书7所述的用于指向背光三维显示的全息光学元件的制备方法，其特征在于，在曝光制备过程中对每个设计角度完成N个周期的重复曝光，N≥2，其中每一个周期的时序为：

第一步：移动平台按规划的路径运行一定的时间T₀，到达曝光位置并制动；

第二步：反射镜旋转系统规划的角度旋转到设计的位置；

第三步：总控制器接受制动反馈信号在t时间内判断移动平台和反射镜旋转系统制动后是否已经稳定，在T₀+t时间内电子快门处于关闭状态；

第四步：总控制器判定移动平台和反射镜旋转系统已经制动稳定后打开全部电子快门并保持开启时间T_i，此时移动平台和反射镜旋转系统保持静止。