一種漸變體全息光柵及其制作方法與裝置制造方法及圖紙

本發明專利技術公開一種漸變體全息光柵，包括記錄有光柵條紋的全息記錄材料，在垂直全息記錄材料厚度的某一方向，光柵條紋的周期與傾斜角單調連續變化，且光柵矢量在該方向的分量保持不變。本發明專利技術還公開了制備上述漸變體全息光柵的裝置和方法。本發明專利技術的漸變體全息光柵可以達到較大的角度帶寬；在角度帶寬范圍內，衍射率較為均勻；并可以達到較高的衍射效率。

Gradient holographic grating and method and device for making same

The invention discloses a gradient volume holographic grating, including recording holographic recording material grating, in a direction vertical thickness of holographic recording material, periodic grating and tilt angle of monotone continuous change, and the grating vector in the direction of the component remains the same. The invention also discloses a device and a method for preparing the holographic grating of the gradient. The gradient holographic grating of the invention can achieve a large angle bandwidth; in the angle bandwidth range, the diffraction rate is even, and higher diffraction efficiency can be achieved.

【技術實現步驟摘要】
一種漸變體全息光柵及其制作方法與裝置
本專利技術屬于全息光柵波導顯示
，尤其是一種漸變體全息光柵及其制作方法與裝置。
技術介紹
全息波導顯示技術擁有屏幕大，隱私性好，解放雙手，體積小，重量輕等優點，是一種很具有發展潛力的新興顯示技術，在近年來得到的廣泛的關注。常見的全息波導顯示器件利用LCD，LCOS，OLED等二維圖像生成設備作為圖像源，通過準直光學系統將圖像源發出的光準直，入射到光波導上。光波導一般為玻璃或者PMMA等透明光學材料制成。其上設置有體全息光柵，可以對輸入光進行衍射，改變輸入光的傳播方向，使之可以在光波導內，以全反射的形式向光波導的另一端傳播。在光波導的另外一段設置有另一片體全息光柵，可以將在波導中以全反射形式傳播的光線耦合出波導，并進入人眼，使人能看到一個成像在無窮遠處的虛像。然而，由于體全息光柵所固有的波長選擇性和角度選擇性，一般在獲得高衍射效率的同時，難以獲得較大的角度帶寬。為了擴大視場，一般會設置多層體全息光柵，分別對應于不同的視差。這些視場拼接后，可以獲得一個較大的角度帶寬。多塊拼接一般可以分為兩種方式，一種是利用全息材料的復用性，在同一區域內復用多個全息光柵。這種方式加工方便，但復用的體全息光柵個數卻較為有限，因為隨著復用的體全息數量的增加，每個體全息光柵可獲得的折射率調制度都會減少，從而使衍射效率下降。另一種方式是在幾層的全息記錄材料上分別記錄對應于不同視場的體全息光柵，然后將這幾層全息記錄材料層疊起來。這樣的方式不會引起單層衍射效率下降的問題，但每層全息記錄材料都會吸收并反射一部分入射光的能量，因此層疊的數量不能太多，否則對應于外側體全息光柵的視場的亮度就會很低。另外，由于耦合出射的光柵位置一定，而出射的角度不同，因此，到達人眼平面時，有很大一部分的光并不能進入目標出瞳的位置，造成了較大的光能浪費，降低了系統的能量利用效率。
技術實現思路
專利技術目的：本專利技術的目的在于克服現有全息波導顯示的不足，提出一種漸變體全息光柵及其制作方法與裝置。一種漸變體全息光柵，包括記錄有光柵條紋的全息記錄材料，在垂直全息記錄材料厚度的某一方向，光柵條紋的周期與傾斜角單調連續變化，且光柵矢量在該方向的分量保持不變。具體的，所述的全息記錄材料呈長方體形，光柵條紋在長度向排列，所述光柵條紋的周期與傾斜角在長度方向單調連續變化，且光柵矢量在長度方向的分量保持不變。優選的，所述的全息記錄材料為光致聚合物、重鉻酸鹽明膠或鹵化銀明膠。一種制備漸變體全息光柵的裝置，包括：激光光源和分束鏡，所述分束鏡用于將激光光束分為對全息記錄材料進行連續曝光的物光和參考光；依次布置在所述物光光路上的第一可變中性密度片、第一擴束準直系統、第一可旋轉反射鏡、第二可旋轉反射鏡、第一狹縫和直角棱鏡；依次布置在所述參考光光路上第二可變中性密度片、第二擴束準直系統、第三可旋轉反射鏡和第二狹縫；所述的第一可旋轉反射鏡、第二可旋轉反射鏡和第三可旋轉反射鏡均安裝在電控旋轉臺上，用于控制物光和參考光對全息記錄材料的入射角度；所述的第一狹縫、第二狹縫以及安裝第二可旋轉反射鏡的電控旋轉臺均安裝在電動位移臺上，用于控制物光和參考光曝光的位置。優選的，所述的第一擴束準直系統和第二擴束準直系統為用于將高斯光束擴束整型成為能量均勻分布的平頂光束的光束整型器件。進一步優選的，所述的第一擴束準直系統包括依次布置的第一擴束鏡和第二擴束鏡，所述的第二擴束準直系統包括依次布置第一準直鏡(307)，第二準直鏡。并列優選的，所述的第一擴束準直系統和第二擴束準直系統為衍射光學器件、自由曲面或工程漫射體(EngineereddiffuserTM)。優選的，所述的全息記錄材料通過折射率匹配液粘在所述直角棱鏡的直角邊上。一種制備漸變體全息光柵的方法，包括步驟：1)根據中心入射光線角度θin0、出射光線角度θout0、入射光線波長以及全息記錄材料折射率n，計算出中心視場所對應的光柵波矢K和整個視場的入射角度θin和出射角度θout的關系函數θin＝f(θout)；2)根據要求的眼距，計算視場中的每個θout對應的光線在體全息光柵上的出射位置P；3)根據人眼入瞳大小，設置狹縫為入瞳大小的一半，通過光線追跡計算狹縫位置；4)同步控制物光的入射角度為θout和參考光的入射角度為θin，并控制狹縫的位置，在全息記錄材料上進行連續曝光；5)對曝光得到的全息記錄材料進行后處理，獲得漸變體全息光柵。進一步的，在步驟5)中，所述的后處理為采用UV光進行整片曝光，固化光柵條紋。與現有的體全息光柵相比，本專利技術的主要優點如下：1、可以達到較大的角度帶寬；2、在角度帶寬范圍內，衍射率較為均勻；3、通過合理的設計，可以達到較高的衍射效率。附圖說明圖1為系統結構圖；圖2為體全息光柵對入射光調制作用的說明圖；圖3為漸變體全息光柵制作裝置圖；圖4為漸變體全息光柵應用于大視角全息波導顯示時結構示意圖。具體實施方式如圖1中的漸變體全息光柵102，在切向方向101，體全息光柵的周期d103以及傾斜角度單調連續的發生變化，但光柵矢量(K＝2π/d，圖1中105)的切向分量(圖1中106)保持一致，使同一角度的入射光在被體全息光柵衍射后，其出射方向一致，以保證用于波導顯示系統時不會產生串擾以及鬼像。方案原理：體全息光柵可以由雙光束干涉得到，假設兩光束的數學表達式為和其中，r為空間位置矢量，A1和A2分別為兩光束的振幅，k1和k2為兩光束的波矢，和為兩光束的初始相位。兩束光在全息記錄材料上干涉時，其光強分布為：記錄的光柵的周期與光強分布周期一致，為2π/|k2-k1|，波矢為：K＝k2-k1(2)光柵的對比度為：當A1＝A2時，條紋對比度最大，為1。光柵的衍射效率與光柵對比度成正相關，對比度越高，衍射效率越高。由圖1可知，對于眼睛的入瞳107，不同視場所對對應的光線(圖1中108、109、110)在體全息光柵102上出射位置(圖1中111、112、113)不同，因此，可以把對應于不同視場的體全息光柵在空間上錯開。但視角是連續的，而且眼睛的入瞳也有一定的寬度，所以對應于不同視場的體全息光柵在空間上重疊的情況是無法避免的。當一束光入射到這個重疊區域時，會同時被這些光柵調制，產生多束出射光，如果這些出射光不同保證是相同的出射方向，則會產生串擾，導致顯示的圖像出現模糊，甚至是鬼像。因此我們必須采用一定的手段來避免串擾的影響。當一束光線入射體全息光柵時，光柵對入射光的作用如圖2所示。101和202代表切向方向和法向方向，203代表入射光線的波矢kin，204代表光柵的波矢K，205代表一級衍射光波矢kd。由動量守恒可知，kd＝kin+K(矢量加法)。當一級衍射光離開光柵區域，進入波導時，在分界面上，kd的切向分量，即在101方向上的分量保持不變，而法向分量發生突變，以保證波矢的模為2πn/λ，其中n為波導折射率，λ為入射光波長。一般情況下，光柵區域的平均折射率和波導的折射率相差較小，可視為一致，則出射光的波矢為kout，206代表波矢kout。由此可知，當同一束光入射到幾個波矢不一樣的光柵上時，如果這幾個光柵的波矢在切向方向的分量相同，則其出射光方向相同，那么即使多個體全息光柵在同一區域重疊，也不會造成串擾。同時這也保證本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種漸變體全息光柵，包括記錄有光柵條紋的全息記錄材料，其特征在于，在垂直全息記錄材料厚度的某一方向，光柵條紋的周期與傾斜角單調連續變化，且光柵矢量在該方向的分量保持不變。

【技術特征摘要】
1.一種漸變體全息光柵，包括記錄有光柵條紋的全息記錄材料，其特征在于，在垂直全息記錄材料厚度的某一方向，光柵條紋的周期與傾斜角單調連續變化，且光柵矢量在該方向的分量保持不變。2.如權利要求1所述的漸變體全息光柵，其特征在于，所述的全息記錄材料呈長方體形，光柵條紋在長度向排列，所述光柵條紋的周期與傾斜角在長度方向單調連續變化，且光柵矢量在長度方向的分量保持不變。3.如權利要求1所述的漸變體全息光柵，其特征在于，所述的全息記錄材料為光致聚合物、重鉻酸鹽明膠或鹵化銀明膠。4.一種制備漸變體全息光柵的裝置，其特征在于，包括：激光光源(301)和分束鏡(302)，所述分束鏡(302)用于將激光光束分為對全息記錄材料(317)進行連續曝光的物光(320)和參考光(321)；依次布置在所述物光(320)光路上的第一可變中性密度片(303)、第一擴束準直系統、第一可旋轉反射鏡(310)、第二可旋轉反射鏡(311)、第一狹縫(314)和直角棱鏡(316)；依次布置在所述參考光(321)光路上第二可變中性密度片(304)、第二擴束準直系統、第三可旋轉反射鏡(312)和第二狹縫(315)；所述的第一可旋轉反射鏡(310)、第二可旋轉反射鏡(311)和第三可旋轉反射鏡(312)均安裝在電控旋轉臺上，用于控制物光(320)和參考光(321)對全息記錄材料(317)的入射角度；所述的第一狹縫(314)、第二狹縫(315)以及安裝第二可旋轉反射鏡(311)的電控旋轉臺均安裝在電動位移臺上，用于控制物光(320)和參考光(321)曝光的位置。5.如權利要求4所述的制...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李海峰，于超，王恒，劉旭，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：發明
國別省市：浙江,33