CN211375204U - 一种全息光学器件加工系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种全息光学器件加工系统，包括：计算机控制器、光路系统、运动平台以及待加工的光学基片，所述计算机控制器分别与所述光路系统和所述运动平台电连接，所述光学基片固定于所述运动平台；所述光路系统用于产生光信号并将所述光信号传输至所述运动平台上的所述光学基片，以实现所述光学基片的曝光；所述计算机控制器用于分别向所述光路系统和所述运动平台发送光控制信号和运动控制信号；所述运动平台根据所述运动控制信号控制自身运动以改变所述光信号在所述光学基片上的曝光位置，所述光路系统根据所述光控制信号控制传输至所述光学基片上的光信号的曝光量和曝光时间，以制备不同区域光学性能可变的全息光学器件。

Description

一种全息光学器件加工系统

技术领域

本实用新型涉及增强现实技术领域，尤其涉及一种用于增强现实的全息光学器件加工系统。

背景技术

基于增强现实技术(Augmented Reality)的智能眼镜作为可穿戴智能设备，近年来备受关注。AR眼镜通过显示与真实世界匹配的虚拟信息，来增强用户对世界的感知。而其中，AR镜片作为光学显示元件是关键的技术点。光栅与光波导的组合结构是受推崇的AR镜片光学显示方案。

目前适于批量复制生产的光栅波导结构为表面浮雕光栅与玻璃光波导的组合结构，Akonia，Dispelix，waveoptics，微软等公司和研究机构在开发此方案。传统方案的结构如图1所示，可成像AR镜片包括耦入光栅a、耦出光栅c及衬底光波导b三部分，耦出和耦入光栅的光栅周期常数一样。此光学显示方案的原理：窄带图像源光线经准直透镜后变成平行光到达耦入光栅a，由耦入光栅a的衍射效应使平行光改变传输方向，因衍射光束满足全反射条件，光线沿着光栅的衬底，即衬底光波导b传输，当平行光传输到耦出光栅c时，耦出光栅c对分散的光线重新组合，使其按照耦合输入的方向重新输出到衬底光波导b外。

因光栅的衍射光学特性及光能量在波导传输过程中的耗散，光栅波导结构在AR镜片等显示应用中，图像显示亮度的均匀性方面存在较大挑战。为了提高显示显示均匀性，一般采用分区域加工不同衍射特性的光栅阵列的方法，调节图像显示均匀性。常见方案为制备具有不同结构参数的光栅。如微软的HoloLens，Magic leap one等设备。采用微纳加工技术，分区域制备不同光学特性的光栅方案可使用区域变化的掩膜版曝光的工艺，得到不同光学性能的光栅，如采用紫外曝光，或激光干涉曝光的方式，对分区域曝光加工，一般要求定制掩膜版，周期长，制备成本高。

因此，现有技术存在不足，需要改进。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种全息光学器件加工系统。

本实用新型的技术方案如下：一种全息光学器件加工系统，其特征在于，包括：计算机控制器、光路系统、运动平台以及待加工的光学基片，所述计算机控制器分别与所述光路系统和所述运动平台电连接，所述光学基片固定于所述运动平台；

所述光路系统用于产生光信号并将所述光信号传输至所述运动平台上的所述光学基片，以实现所述光学基片的曝光；所述计算机控制器用于分别向所述光路系统和所述运动平台发送光控制信号和运动信号；所述运动平台根据所述运动信号控制自身运动以改变所述光信号在所述光学基片上的曝光位置，所述光路系统根据所述光控制信号控制传输至所述光学基片上的光信号的曝光量和曝光时间，以制备不同区域光学性能可变的全息光学器件。

进一步地，所述光信号包括物光和参考光；所述光路系统包括：依次设置的激光器、第一分光器件、物光光路模块和参考光光路模块；所述激光器产生的激光经所述分光器件分光之后，得到两束光；所述两束光中的其中一束经所述物光光路模块形成物光并传输至所述光学基片，所述两束光中的另外一束经所述参考光光路模块形成参考光并传输至所述光学基片。

进一步地，所述物光垂直入射所述光学基片的一侧面，所述参考光以一定倾角入射所述光学基片的另一侧面，所述物光和所述参考光在所述光学基片处发生干涉，以形成所述全息光学器件。

进一步地，所述两束光为窄光；所述物光光路模块包括：依次设置的第一扩束器、第一准直器件、第二分光器件和第一光阑；所述物光光路模块还包括：与所述第二分光器件连接的空间光调制器；

所述第一扩束器用于将入射的窄光进行扩束，得到具有一定宽度的光；所述第一准直器件用于将所述具有一定宽度的光进行准直；所述第二分光器件用于将入射的所述具有一定宽度的光进行分光，所述空间光调制器用于根据所述光控制信号调制入射至所述第二分光器件的所述具有一定宽度的光的曝光量和曝光时间，所述第一光阑用于根据所述光控制信号控制光阑孔的大小，经调制和分光后的光线经所述第一光阑之后，形成所述物光。

进一步地，所述参考光光路模块包括：依次设置的反射器件、第二扩束器、第二准直器件、第二光阑；

所述反射器件用于改变入射的窄光的传播方向；所述第二扩束器用于将入射的窄光进行扩束，得到具有一定宽度的光；所述第二准直器件用于将所述具有一定宽度的光进行准直；所述第二光阑用于根据所述光控制信号控制光阑孔的大小，经准直后的光线经所述第二光阑之后，形成所述参考光。

进一步地，所述第一准直器件和所述第二准直器件均为透镜。

进一步地，所述第一分光器件和所述第二分光器件均为分光棱镜。

进一步地，所述运动平台包括：平台本体以及设置于所述平台本体下方的水平方向运动电机、竖直方向运动电机和旋转电机，所述水平方向运动电机用于控制所述平台本体水平方向的运动，所述竖直方向运动电机用于控制所述平台本体竖直方向的运动，所述旋转电机用于控制所述平台本体的旋转。

进一步地，所述旋转电机用于控制所述平台本体沿垂直Z轴方向旋转或沿物光入射光轴方向旋转。

进一步地，所述光学器件为全息光栅。

采用上述方案，本实用新型的有益效果如下：

本实用新型通过通过计算机控制器可以控制激光器的开启和关闭，使得激光的曝光时长以及曝光量相配合；通过控制可调光阑控制曝光面积的大小，通过控制运动平台可控制光学基片的移动或旋转。通过计算机的信号控制，激光光束的曝光量、曝光时间与感光层的运动相配合，依次曝光并形成多个全息光栅，最终感光基片上形成了预定的、不同区域光学性能可变的全息光栅阵列。

附图说明

图1位现有技术中平面光栅波导的结构示意图；

图2为本实用新型的全息光学器件加工系统的结构框图；

图3为本实用新型的全息光学器件加工系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本实用新型进行详细说明。

由背景技术可知，基于现有技术中光栅波导的衍射光学特性及光能量在波导传输过程中的耗散，光栅波导结构在AR镜片等显示应用中，图像显示亮度的均匀性方面存在较大挑战。现有技术中，采用微纳加工技术，分区域制备不同光学特性的光栅方案时，要求定制掩膜版，周期长，制备成本高。

为提高全息光栅阵列的加工效率，提出了本申请的全息光学器件加工系统。下面，将通过图2进行详细说明。其中，本申请的全息光学器件具体可以为全息光栅。

如图2所示，本实用新型的全息光学器件加工系统，包括：

计算机控制器21、光路系统22、运动平台23以及待加工的光学基片 24。其中，计算机控制器21分别与光路系统22和运动平台23电连接，而光学基片24固定于运动平台23上，即运动平台23的运动将带动光学基片 24的运动。其中，光学基片24为待加工的且携带有光敏材料(感光材料) 的基片。

其中，光路系统22的作用是：产生光信号并将光信号传输至运动平台 23上的光学基片24，以实现光学基片24的曝光，达到制备全息光学器件的目的。而计算机控制器21的作用是发送各种控制信号。具体地，计算机控制器21向光路系统发送光控制信号，以使得光路系统22能够根据接收到的光控制信号控制传输至光学基片24上的光信号的曝光量和曝光时间。同时，计算机控制器21还发送运动控制信号，以使得运动平台23能够根据接收到的运动控制信号控制自身运动，带动改变固定于运动平台23上的光学基片24的运动，从而改变光路系统22传输的光信号在光学基片24上的曝光位置，进而使得光信号可以在光学基片24的不同位置进行分区域曝光，通过控制光学基片24的不同位置上的曝光情况，达到实现制备不同区域光学性能可变的全息光学器件的目的。

本实用新型的全息光学器件加工系统，采用光聚合物作为制备材料，能够保证全息光栅具备高透明度以及高衍射效率，计算机控制的分区域曝光记录方式，加工灵活，可方便制备不同区域光学性能变化的全息光学器件，如全息光栅阵列，解决了已有全息光栅制备方案在显示均匀性和易加工性方面的问题。

下面，将通过图3，对本实用新型的全息光学器件加工系统的结构进行详细说明。

光路系统22产生的光信号包括物光和参考光。如图3所示，光路系统 22包括：沿光路依次设置的激光器221、第一分光器件222、物光光路模块和参考光光路模块。

其中，物光光路模块包括：依次设置的第一扩束器223、第一准直器件 224、第二分光器件225和第一光阑226；以及还包括：与第二分光器件225 连接的空间光调制器227。

其中，参考光光路模块包括：依次设置的反射器件228、第二扩束器 229、第二准直器件210、第二光阑210。

需要说明的是，上述第一准直器件224和第二准直器件210具体可以为透镜。而第一分光器件222和第二分光器件225均可以为分光棱镜。下面，将介绍各个元器件的作用。

具体地，激光器221用于产生单束激光并传输至第一分光器件222，经第一分光器件222分光之后，得到两束光。该两束光中的其中一束光经物光光路模块形成物光并传输至光学基片24，即两束光中的其中一束光依次经第一扩束器223、第一准直器件224、第二分光器件225和第一光阑226 之后，形成物光并入射至光学基片24。而两束光中的另外一束则经参考光光路模块形成参考光并传输至光学器件，即该两束光中的另外一束光依次经反射器件228、第二扩束器229、第二准直器件210、第二光阑210之后，形成参考光并入射至光学基片24。具体地，形成的物光是垂直入射光学基片24的一侧面，而参考光则以一定倾角入射光学基片24的另一侧面，物光和参考光在光学基片24处发生干涉，并在具有感光材料的光学基片上曝光，从而形成全息的光学器件。

在上述元器件中，计算机控制器21可以控制激光器221的开启与关闭。在计算机控制器21的控制下激光器21产生激光，该激光为单束光。第一分光器件222则用于将激光器221产生的单束光分为两束光。由于该两束光均为细光，即宽度较窄的光。因此，在物光光路模块和参考光光路模块中，均需要对入射的窄光进行扩束。具体地，在物光光路模块中，通过第一扩束器223对入射的窄光进行扩束，得到具有一定宽度的光。该具有一定宽度的光依次经第一准直器件224、第二分光器件225和第一光阑226，依次经准直、分光和光阑之后，形成多束垂直于光学基片24的平行光并入射至光学基片24。在参考光光路模块中，先通过反射器件228改变入射的窄光的传播方向，然后再通过第二扩束器229对入射的窄光进行扩束，得到具有一定宽度的光。该具有一定宽度的光依次经第二准直器件210、第二光阑211，依次经准直和光阑之后，形成多束与光学基片24成一定倾角的入射光入射至光学基片24；物光和参考光在光学基片24处发生干涉，并在具有感光材料的光学基片上曝光，从而形成全息的光学器件。

当需要在光学基片24的不同区域形成不同的光学性能时，则通过计算机控制器21来进行控制。具体方式是：计算机控制器21向空间光调制器 227和第一光阑226和第二光阑211发送光控制信号。空间光调制器227根据接收到的光控制信号控制传输至光学基片24上的物光的曝光量和曝光时间，而第一光阑226和第二光阑211则分别根据接收到的光控制信号控制自身光阑孔的大小，达到控制曝光量的目的。同时，计算机控制器21向运动平台23发送运动控制信号，运动平台23根据接收到的运动控制信号控制自身运动从而改变物光和参考光在光学基片24上的曝光位置。通过计算机的信号控制，激光光束的曝光量、曝光时间与光学基片的运动相配合，依次曝光并形成多个区域的全息光栅，最终光学基片上形成了预定的全息光栅阵列。

需要说明的是，运动平台23包括：平台本体以及设置于平台本体下方的水平方向运动电机、竖直方向运动电机和旋转电机。其中，水平方向运动电机用于控制平台本体水平方向的运动，竖直方向运动电机用于控制平台本体竖直方向的运动，旋转电机用于控制所述平台本体的旋转。具体地，旋转电机用于控制平台本体沿垂直Z轴方向旋转或沿物光入射光轴方向旋转。

本实用新型的全息光学器件加工系统的工作过程如下：

计算机控制器21输出的激光控制信号，以开启激光器221。激光器221 开启之后，发出单束激光。该单束激光经第一分光器件222之后，得到两束光。该两束光中的其中一束光依次经第一扩束器223、第一准直器件224、第二分光器件225和第一光阑226之后，形成多束与与光学基片24垂直的物光并入射至光学基片24上。该两束光中的另外一束光依次经反射器件22、第二扩束器229、第二准直器件210和第二光阑211，形成多束与光学基片 24成一定倾角的参考光入射至光学基片24上。物光和参考光发生干涉，并在具有感光材料的基片上曝光，得到全息光栅。当需要在光学基片的不同区域形成不同光学性能时，可通过计算机控制器21的控制来实现。

具体方式是，计算机控制器21向计算机控制器21向空间光调制器227 和第一光阑226和第二光阑211发送光控制信号。空间光调制器227根据接收到的光控制信号控制传输至光学基片24上的物光的曝光量和曝光时间，而第一光阑226和第二光阑211则分别根据接收到的光控制信号控制自身光阑孔的大小，达到控制曝光量的目的。同时，计算机控制器21向运动平台23发送运动控制信号，运动平台23根据接收到的运动控制信号控制自身运动从而控制光学基片24上的移动或旋转，进而改变物光和参考光在光学基片24上的曝光位置。通过计算机的信号控制，激光光束的曝光量、曝光时间与光学基片的运动相配合，依次曝光并形成多个区域的全息光栅，最终光学基片上形成了预定的全息光栅阵列。即是说，本实用新型通过通过计算机控制器可以控制激光器的开启和关闭，使得激光的曝光时长以及曝光量相配合；通过控制可调光阑控制曝光面积的大小，通过控制运动平台可控制光学基片的移动或旋转。通过计算机的信号控制，激光光束的曝光量、曝光时间与感光层的运动相配合，依次曝光并形成多个全息光栅，最终感光基片上形成了预定的、不同区域光学性能可变的全息光栅阵列。

需要说明的是，上述加工系统，适用于全息光学器件的母版制备。在采用上述加工系统制备母版之后，即通过复制加工的方式，得到批量的全息光栅器件。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全息光学器件加工系统，其特征在于，包括：计算机控制器、光路系统、运动平台以及待加工的光学基片，所述计算机控制器分别与所述光路系统和所述运动平台电连接，所述光学基片固定于所述运动平台；

所述光路系统用于产生光信号并将所述光信号传输至所述运动平台上的所述光学基片，以实现所述光学基片的曝光；所述计算机控制器用于分别向所述光路系统和所述运动平台发送光控制信号和运动控制信号；所述运动平台根据所述运动控制信号控制自身运动以改变所述光信号在所述光学基片上的曝光位置，所述光路系统根据所述光控制信号控制传输至所述光学基片上的光信号的曝光量和曝光时间，以制备不同区域光学性能可变的全息光学器件。

2.根据权利要求1所述的全息光学器件加工系统，其特征在于，所述光信号包括物光和参考光；所述光路系统包括：沿光路依次设置的激光器、第一分光器件、物光光路模块和参考光光路模块；所述激光器产生的激光经所述第一分光器件分光之后，得到两束光；所述两束光中的其中一束经所述物光光路模块形成物光并传输至所述光学基片，所述两束光中的另外一束经所述参考光光路模块形成参考光并传输至所述光学基片。

3.根据权利要求2所述的全息光学器件加工系统，其特征在于，所述物光垂直入射所述光学基片的一侧面，所述参考光以一定倾角入射所述光学基片的另一侧面，所述物光和所述参考光在所述光学基片处发生干涉，以形成所述全息光学器件。

4.根据权利要求3所述的全息光学器件加工系统，所述两束光为窄光；所述物光光路模块包括：依次设置的第一扩束器、第一准直器件、第二分光器件和第一光阑；所述物光光路模块还包括：与所述第二分光器件连接的空间光调制器；

所述第一扩束器用于将入射的窄光进行扩束，得到具有一定宽度的光；所述第一准直器件用于将所述具有一定宽度的光进行准直；所述第二分光器件用于将入射的所述具有一定宽度的光进行分光，所述空间光调制器用于根据所述光控制信号调制入射至所述第二分光器件的所述具有一定宽度的光的曝光量和曝光时间，所述第一光阑用于根据所述光控制信号控制光阑孔的大小，经调制和分光后的光线经所述第一光阑之后，形成所述物光。

5.根据权利要求4所述的全息光学器件加工系统，其特征在于，所述参考光光路模块包括：依次设置的反射器件、第二扩束器、第二准直器件、第二光阑；

所述反射器件用于改变入射的窄光的传播方向；所述第二扩束器用于将入射的窄光进行扩束，得到具有一定宽度的光；所述第二准直器件用于将所述具有一定宽度的光进行准直；所述第二光阑用于根据所述光控制信号控制光阑孔的大小，经准直后的光线经所述第二光阑之后，形成所述参考光。

6.根据权利要求5所述的全息光学器件加工系统，其特征在于，所述第一准直器件和所述第二准直器件均为透镜。

7.根据权利要求5所述的全息光学器件加工系统，其特征在于，所述第一分光器件和所述第二分光器件均为分光棱镜。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的全息光学器件加工系统，其特征在于，所述运动平台包括：平台本体以及设置于所述平台本体下方的水平方向运动电机、竖直方向运动电机和旋转电机，所述水平方向运动电机用于控制所述平台本体水平方向的运动，所述竖直方向运动电机用于控制所述平台本体竖直方向的运动，所述旋转电机用于控制所述平台本体的旋转。

9.根据权利要求8所述的全息光学器件加工系统，其特征在于，所述旋转电机用于控制所述平台本体沿垂直Z轴方向旋转或沿物光入射光轴方向旋转。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的全息光学器件加工系统，所述光学器件为全息光栅。

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