CN117742118A - 体全息光学元件的制备方法、体全息光学元件及显示模组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种体全息光学元件的制备方法、体全息光学元件及显示模组，该方法包括：对激光光源发出的经过滤波扩束、透镜准直后形成的平面波进行分束得到第一光束和第二光束；第二平行光束经过第二微透镜阵列后在第一会聚点会聚再发散，第一会聚点在第一微透镜阵列和透镜之间，发散光经过透镜后在全息感光板后的第二会聚点会聚，会聚光作为参考光在全息感光板表面形成对应光斑；第一平行光束经过第一微透镜阵列后仍然先会聚再发散，作为物光在全息感光板表面与参考光进行干涉；对全息感光板进行干涉曝光，得到体全息光学元件。本发明能避免图像受环境影响，提升光的透过率和能量利用率，以及体全息元件的设置灵活性。

Description

体全息光学元件的制备方法、体全息光学元件及显示模组

技术领域

本发明涉及光学显示技术领域，特别涉及一种体全息光学元件的制备方法、体全息光学元件及显示模组。

背景技术

悬浮显示是显示技术的一个重要发展方向，悬浮显示利用悬浮器件，将显示屏图像显示在空气中，呈现悬浮的实像，结合实时交互，给使用者带来真实感和沉浸感。

悬浮显示系统主要由显示模块和悬浮器件组成，如图1所示，显示屏提供图像，图像经过悬浮器件后被呈现在空气中，达到悬浮显示的效果。悬浮器件作为悬浮显示系统的关键器件，能将图像悬浮在空气中，常用的有二面角反射镜阵列和微角锥阵列。

其中二面角反射镜阵列是利用其二次反射功能，将每一个像素反射两次后会聚成悬浮于空中的像点，但二面角反射镜阵列生产加工的难度比较高，显示后图像质量比较差，分辨率也比较低，而且当图像超过一定视场会产生比较严重的重影像干扰。微角锥阵列则是通过角锥棱镜的逆向反射特性，配合半透半反膜，将图像呈现在空气中。但通过机械加工或光刻得到的微角锥阵列也存在一些问题，当微角锥结构深度过小时其衍射特性会对图像造成影响，而增加深度又会导致加工难度增加；此外，当显示图像超过一定视场也会产生杂散光，影响显示的整体质量。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种体全息光学元件的制备方法、体全息光学元件及显示模组，旨在减少图像受环境影响，提升光的透过率和能量利用率，以及体全息元件的设置灵活性。

为实现上述目的，本发明提出一种体全息光学元件的制备方法，所述方法应用于曝光光路，所述体全息光学元件为透射式体全息光学元件或反射式体全息光学元件，所述曝光光路包括激光光源、第一微透镜阵列、第二微透镜阵列、透镜和全息感光板，所述方法包括以下步骤：

对所述激光光源发出的经过滤波扩束、透镜准直后形成的平面波进行分束得到第一光束和第二光束；

所述第二平行光束经过所述第二微透镜阵列后在第一会聚点会聚再发散，所述第一会聚点在所述第一微透镜阵列和所述透镜之间，发散光经过所述透镜后在所述全息感光板后的第二会聚点会聚，会聚光作为参考光在所述全息感光板表面形成对应光斑，所述第二会聚点在所述全息感光板的另一侧；

所述第一平行光束经过所述第一微透镜阵列后仍然先会聚再发散，作为物光在所述全息感光板表面与参考光进行干涉；当所述体全息光学元件为透射式体全息光学元件时，所述物光和参考光在所述全息感光板同侧，当所述体全息光学元件为反射式体全息光学元件时，所述物光和参考光在所述全息感光板异侧；

对所述全息感光板进行干涉曝光，得到所述体全息光学元件。

本发明进一步的技术方案是，所述第一微透镜阵列和第二微透镜阵列中的微透镜为凸透镜或者凹透镜；

当使用凸透镜产生会聚点阵列时，所述第一平行光束和所述第二平行光束经过凸透镜阵列后先会聚再发散；

当使用凹透镜产生会聚点阵列时，所述第一平行光束和第二平行光束经过凹透镜阵列时，产生发散的球面波阵列，形成的聚焦点为发散光反向延长线的交点，为虚的点阵。

本发明进一步的技术方案是，所述第一微透镜阵列和第二微透镜阵列中的每个微透镜是圆形、方形或者矩形；

当使用方形或者矩形的微透镜阵列时，所有微透镜紧密衔接，当使用圆形的微透镜时，相接的微透镜之间存在间隙。

本发明进一步的技术方案是，所述第一微透镜阵列、第二微透镜阵列中每个微透镜的参数相同。

本发明进一步的技术方案是，所述全息感光板为体全息感光材料。

本发明进一步的技术方案是，所述体全息感光材料包括银盐材料、光致聚合物材料、聚合物液晶材料或者明胶材料中的一种。

本发明进一步的技术方案是，所述第一会聚点在所述透镜的两倍焦距面上，或者所述第一会聚点的位置大于所述透镜的两倍焦距面，或者所述第一会聚点的位置大于所述透镜的一倍焦距且小于所述第一会聚点的二倍焦距面。

为实现上述目的，本发明还提出一种体全息光学元件，所述体全息光学元件采用如上所述的方法制备得到。

为实现上述目的，本发明还提出一种显示模组，所述显示模组包括如上所述的体全息光学元件。

本发明进一步的技术方案是，所述显示模组还包括显示屏，所述显示屏用于将所述体全息光学元件提供的图像悬浮于空气中。

本发明体全息光学元件的制备方法、体全息光学元件及显示模组的有益效果是：

采用本发明体全息光学元件的制备方法得到的体全息光学元件的显示模组，主要靠体全息光学元件的衍射再现原理进行显示，因为体全息光学元件具有波长选择性，非特定波长的光线会被过滤掉，从而显示不容易受到环境影响，拥有更高的透过率和能量利用率，另外体全息元件的设置灵活性非常高，而不像二面角反射镜和微棱锥阵列仅设置在45°角度进行悬浮显示。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是现有技术中悬浮显示系统的结构示意图；

图2是透射式光栅记录示意图；

图3是透射式光栅再现示意图；

图4是反射式光栅记录示意图；

图5是反射式光栅再现示意图；

图6是透射式记录光路示意图；

图7是透射式再现光路示意图；

图8是反射式记录光路示意图；

图9是反射式再现光路示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种体全息光学元件的制备方法，该方法应用于曝光光路，所述体全息光学元件为透射式体全息光学元件或反射式体全息光学元件，所述曝光光路包括激光光源、第一微透镜阵列1、第二微透镜阵列2、透镜3和全息感光板4，该方法较佳实施例包括以下步骤：

步骤S10，对激光光源发出的经过滤波扩束、透镜3准直后形成的平面波进行分束得到第一光束和第二光束。

步骤S20，第二平行光束经过第二微透镜阵列2后在第一会聚点会聚再发散，第一会聚点在第一微透镜阵列1和透镜3之间，发散光经过透镜3后在全息感光板4后的第二会聚点会聚，会聚光作为参考光在全息感光板4表面形成对应光斑，第二会聚点在全息感光板4的另一侧。

步骤S30，第一平行光束经过第一微透镜阵列1后仍然先会聚再发散，作为物光在全息感光板4表面与参考光进行干涉；当体全息光学元件为透射式体全息光学元件时，物光和参考光在全息感光板4同侧，当体全息光学元件为反射式体全息光学元件时，物光和参考光在全息感光板4异侧。

步骤S40，对全息感光板4进行干涉曝光，得到体全息光学元件。

需要说明的是，本实施例中，步骤S20和步骤S30可以同时执行，也可以先执行步骤S20再执行步骤S30，也可以先执行步骤S30再执行步骤S20，本实施例对此不做限定。

进一步地，本实施例中，第一微透镜阵列1和第二微透镜阵列2中的微透镜为凸透镜或者凹透镜。

当使用凸透镜产生会聚点阵列时，第一平行光束和第二平行光束经过凸透镜阵列后先会聚再发散。

当使用凹透镜产生会聚点阵列时，第一平行光束和第二平行光束经过凹透镜阵列时，产生发散的球面波阵列，形成的聚焦点为发散光反向延长线的交点，为虚的点阵。

第一微透镜阵列1和第二微透镜阵列2中的每个微透镜是圆形、方形或者矩形。

当使用方形或者矩形的微透镜阵列时，所有微透镜紧密衔接，当使用圆形的微透镜时，相接的微透镜之间存在间隙。

本实施例中，第一微透镜阵列1、第二微透镜阵列2中每个微透镜3的参数相同。

本实施例中，全息感光板4为体全息感光材料。

其中，体全息感光材料包括银盐材料、光致聚合物材料、聚合物液晶材料或者明胶材料中的一种。

进一步地，本实施例中，第一会聚点在透镜3的两倍焦距面上，或者第一会聚点的位置大于透镜3的两倍焦距面，或者第一会聚点的位置大于透镜3的一倍焦距且小于第一会聚点的二倍焦距面。

以下对本发明体全息光学元件的制备方法进行进一步详细阐述。

全息记录主要利用双光束干涉来记录物体光波的振幅和位相，然后利用衍射原理再现物体光波信息。如图2、图4所示，参考光和物光进入玻璃介质后在全息感光板4的感光材料面进行干涉，干涉条纹记录物体光波强度和位相信息，形成全息图；如图3、图5所示，参考光进入玻璃介质，经过感光材料面后再现对应角度的衍射光。需要注意的，再现时衍射光的强度由全息光栅的衍射效率决定，由能量守恒定律可知衍射能量越高，则透射及损耗能量占比越低，如图3中，相当部分能量的衍射光朝特定方向偏转，剩下能量以透射的形式继续前进，以及少部分被材料吸收和反射。

体全息光栅根据记录方式可分为透射式和反射式两类，如图2所示，透射式体全息光栅的参考光与物光记录时在全息感光板4的同侧，图3再现时，衍射光延续记录时的物光方向传播，在全息感光板4的感光材料层呈“透射光路”传播，而图4中反射式光栅的参考光和物光记录时在全息感光板4异侧，图5再现时，衍射光延续记录时的物光方向传播，在全息感光板4的感光材料层呈“反射光路”传播。

根据记录方式不同，需要将用于悬浮显示的体全息光学元件分为反射式体全息元件和透射式体全息光学元件。体全息光学元件制作时需要在特定光路进行干涉曝光，曝光光路主要器件有：激光光源、第一微透镜阵列1、第二微透镜阵列2、透镜3、全息感光板4。

对于透射式体全息光学元件的制作，如图6所示，第二平行光束经过第二微透镜阵列2后光束会聚再发散，发散光经过透镜3后会聚，会聚光作为参考光在全息感光板4的材料表面形成对应光斑，第二会聚点在全息感光板4另一侧；第一平行光束经过第一微透镜阵列1后仍然先会聚再发散，作为物光在全息感光板4的材料表面与参考光进行干涉，物光和参考光在全息感光板4同侧，故为透射式体全息光学元件。

所使用的第一微透镜阵列1和第二微透镜阵列2中的微透镜可以是凸透镜或凹透镜，当使用凸透镜产生会聚光点阵列时，平行光经过凸透镜阵列后先形成会聚点再发散；而当使用凹透镜产生会聚点阵列时，平行光经过凹透镜阵列板时，产生发散的球面波阵列，形成的聚焦点为发散光反向延长线的交点，为虚的点阵。

第一微透镜阵列1、第二微透镜阵列2中的每个微透镜可以是圆形、方形或者矩形。当使用方形或者圆形的微透镜阵列时，所有微透镜可以紧密衔接，而使用圆形的微透镜阵列时，相接的微透镜之间存在间隙。紧密衔接的微透镜阵列方式是一种更优的选择。

第一微透镜阵列1、第二微透镜阵列2中的每个透镜参数相同，大数值孔径的微透镜能够实现更大的发散角度，最终可用于实现更大视场角的显示。

体全息感光材料包括银盐材料、光致聚合物材料、聚合物液晶材料，明胶材料等。

在光路系统中，各器件根据其功能需要设计参数。第一平行光束、第二光束实际上是来自于同一个激光光源发出的经过滤波扩束后形成的准直平面波进行分束获得的。第一微透镜阵列1、第二微透镜阵列2和透镜3的选型则需要根据实际悬浮器件尺寸、图像显示比例等对微透镜的数值孔径进行确定。

根据透镜成像关系，图6光路中可通过控制第一会聚点与透镜3的相对位置来控制图像放大率。当第一会聚点在透镜3二倍焦距面上(u＝2F)，像成倒立等大实像；第一会聚点位置大于二倍焦距面上(u＞2F)，像成倒立缩小实像；第一会聚点位置大于一倍焦距且小于二倍焦距面上(F＜u＜2F)，像成倒立放大实像。需要注意，当第一会聚点在一倍焦距面上(u＝F)时不成像，第一会聚点位置小于一倍焦距(u＜F)时，像成正立放大虚像，均不符合光路需求。

图像放大率由透镜3相对位置决定，图像视场角则由放大率决定，当图像变大时，视场角减小，反之图像变小时，视场角增加。

全息感光板4的全息感光材料经过曝光及固化后，内部形成光栅结构，即得到的体全息悬浮器件光学元件，对其提供一束参考光可实现衍射光再现。

如图7是再现过程，显示屏提供图像信息，显示屏上每个点发出的发散球面波传播至体全息光学元件上之后，经过体全息光学元件后产生对应方向的衍射光，在体全息光学元件外侧光线会聚形成悬浮图像，人眼可在特定角度内观察到浮空的图像。

需要注意，体全息光学元件具有一定的角度和波长选择性，要求记录与再现的角度和位置基本一致，对对位精度存在一定要求，否则衍射效率会导致一定的下降。但体全息光学元件在记录时角度是可以灵活调整的，包括参考光和物光的角度也可以改变，两束光只需满足反射式或透射式的曝光方式即可。

悬浮图像的内容由显示屏控制，在显示屏亮度确定的前提下，悬浮图像的亮度主要由体全息光学元件的衍射效率决定，衍射效率越高，再现的衍射光强度就越大，悬浮图像亮度也就越高。

体全息光学元件具有波长选择性，会将特定波长外的光线过滤，基于体全息光学元件的悬浮显示不会轻易受到视场外的杂散光影响，具有很高的透射率，如体全息光学元件透射率可达到85％以上。在显示时，显示屏需要对应波长的激光进行背光照明，以符合体全息光学元件的波长选择性，保证最大的衍射效率。此外，因为全息材料的性质，单色激光器记录只能得到单色体全息光学元件，一般实现彩色显示需要分别记录红、绿、蓝三种颜色的体全息光学元件后通过叠加的方式得到彩色体全息光学元件用于彩色悬浮显示，对应的显示屏的背光采用三色激光进行背光照明。

反射式体全息光学元件的记录光路如图8，第二平行光束经过前置光路后，会聚光作为参考光在全息感光板4形成光斑；第一平行光束经过前置光路后，发散光作为物光在全息感光板4的材料表面与参考光进行干涉，物光与参考光在体全息感光板4的异侧，故为反射式。

由图6、图8对比可知，反射式和透射式的记录光路基本相同，区别在于全息感光板4的放置的角度不同。

同样的，将全息感光板4的感光材料固化后得到体全息光学元件，图9中图像从显示屏发出，经过体全息光学元件产生对应角度的衍射光，在全息悬浮器件外侧光线会聚点得到悬浮图像。

需要注意，反射式体全息光学元件的再现光路与镜面反射光路接近，衍射图像可能会受到显示屏反射光的干扰，所以全息感光材料在曝光时需控制角度，将反射光路与记录光路分离，避免衍射光与镜面反射光重合或贴近导致图像重影。

为实现上述目的，本发明还提出一种体全息光学元件，该体全息光学元件采用如上实施例所述的本发明体全息光学元件的制备方法得到，本发明体全息光学元件的制备方法的工作原理上面已经详细阐述，这里不再赘述。

为实现上述目的，本发明还提出一种显示模组，显示模组包括如上实施例的体全息光学元件，体全息光学元件的制备方法上面已经详细阐述，这里不做赘述。

进一步地，本发明显示模组还包括显示屏，显示屏用于将体全息光学元件提供的图像悬浮于空气中。

悬浮显示模组的图像内容由显示屏控制，在显示屏亮度确定的前提，悬浮图像的亮度主要由体全息光学元件的衍射效率决定，衍射效率越高，再现的衍射光强度就越大，悬浮图像的亮度就越高。

本发明显示模组中的体全息光学元件具有波长选择性。

因为全息材料的性质，单色激光器记录只能得到单色体全息光学元件，一般实现彩色显示需要分别记录红、绿、蓝三种颜色的体全息光学元件后通过叠加的方式得到彩色体全息光学元件用于彩色悬浮显示。

显示模组的背光需要对应波长的激光进行照明，一般实现彩色显示，对应的显示屏的背光采用三色激光进行背光照明。

反射式体全息光学元件的再现光路与镜面反射光路接近，衍射图像可能会受到显示屏反射光的干扰，所以全息感光材料在曝光时需控制角度，将反射光路与记录光路分离，避免衍射光与镜面反射光重合或贴近导致图像重影。

本发明显示模组与二面角反射镜阵列和微角锥阵列的逆反射原理不同，本发明显示模组中全息悬浮器件主要靠体全息光学元件的衍射再现原理进行显示，因为体全息光学元件具有波长选择性，非特定波长的光线会被过滤掉，从而显示不容易受到环境影响，拥有更高的透过率和能量利用率，另外体全息元件的设置灵活性非常高，而不像二面角反射镜和微棱锥阵列仅设置在45°角度进行悬浮显示。

本发明体全息光学元件的制备方法、体全息光学元件及显示模组的有益效果是：

采用本发明体全息光学元件的制备方法得到的体全息光学元件的显示模组，主要靠体全息光学元件的衍射再现原理进行显示，因为体全息光学元件具有波长选择性，非特定波长的光线会被过滤掉，从而显示不容易受到环境影响，拥有更高的透过率和能量利用率，另外体全息元件的设置灵活性非常高，而不像二面角反射镜和微棱锥阵列仅设置在45°角度进行悬浮显示。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种体全息光学元件的制备方法，其特征在于，所述方法应用于曝光光路，所述体全息光学元件为透射式体全息光学元件或反射式体全息光学元件，所述曝光光路包括激光光源、第一微透镜阵列、第二微透镜阵列、透镜和全息感光板，所述方法包括以下步骤：

对所述激光光源发出的经过滤波扩束、透镜准直后形成的平面波进行分束得到第一光束和第二光束；

所述第二平行光束经过所述第二微透镜阵列后在第一会聚点会聚再发散，所述第一会聚点在所述第一微透镜阵列和所述透镜之间，发散光经过所述透镜后在所述全息感光板后的第二会聚点会聚，会聚光作为参考光在所述全息感光板表面形成对应光斑，所述第二会聚点在所述全息感光板的另一侧；

所述第一平行光束经过所述第一微透镜阵列后仍然先会聚再发散，作为物光在所述全息感光板表面与参考光进行干涉；当所述体全息光学元件为透射式体全息光学元件时，所述物光和参考光在所述全息感光板同侧，当所述体全息光学元件为反射式体全息光学元件时，所述物光和参考光在所述全息感光板异侧；

对所述全息感光板进行干涉曝光，得到所述体全息光学元件。

2.根据权利要求1所述的体全息光学元件的制备方法，其特征在于，所述第一微透镜阵列和第二微透镜阵列中的微透镜为凸透镜或者凹透镜；

当使用凸透镜产生会聚点阵列时，所述第一平行光束和所述第二平行光束经过凸透镜阵列后先会聚再发散；

当使用凹透镜产生会聚点阵列时，所述第一平行光束和第二平行光束经过凹透镜阵列时，产生发散的球面波阵列，形成的聚焦点为发散光反向延长线的交点，为虚的点阵。

3.根据权利要求2所述的体全息光学元件的制备方法，其特征在于，所述第一微透镜阵列和第二微透镜阵列中的每个微透镜是圆形、方形或者矩形；

当使用方形或者矩形的微透镜阵列时，所有微透镜紧密衔接，当使用圆形的微透镜时，相接的微透镜之间存在间隙。

4.根据权利要求1所述的体全息光学元件的制备方法，其特征在于，所述第一微透镜阵列、第二微透镜阵列中每个微透镜的参数相同。

5.根据权利要求4所述的体全息光学元件的制备方法，其特征在于，所述全息感光板为体全息感光材料。

6.根据权利要求4所述的体全息光学元件的制备方法，其特征在于，所述体全息感光材料包括银盐材料、光致聚合物材料、聚合物液晶材料或者明胶材料中的一种。

7.根据权利要求1所述的体全息光学元件的制备方法，其特征在于，所述第一会聚点在所述透镜的两倍焦距面上，或者所述第一会聚点的位置大于所述透镜的两倍焦距面，或者所述第一会聚点的位置大于所述透镜的一倍焦距且小于所述第一会聚点的二倍焦距面。

8.一种体全息光学元件，其特征在于，所述体全息光学元件采用如权利要求1所述的方法制备得到。

9.一种显示模组，其特征在于，所述显示模组包括如权利要求8所述的体全息光学元件。

10.根据权利要求9所述的显示模组，其特征在于，所述显示模组还包括显示屏，所述显示屏用于将所述体全息光学元件提供的图像悬浮于空气中。