一种体全息元件及其制作方法和制作系统技术方案

本发明专利技术公开了一种体全息元件，其包括至少一像素化的信息层和至少一基材层，信息层设置于基材层上，或者信息层设置于相邻的两基材层之间；从体全息元件的剖面看，其信息层具有阵列分布的像素化的条纹面，每个像素内部的条纹面具有周期性，并且与基片平面具有夹角，每个像素为反射布拉格体光栅。本发明专利技术还公开了一种像素化反射体全息元件的制作方法和制作系统。本发明专利技术通过干涉光束调控、在体全息记录材料的感光层上进行像素化拼接曝光，经后续化学或物理处理，构成复杂光学参数的像素化的反射体全息光学元件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种体全息元件，具体涉及一种像素化反射体全息元件及其制作方法和制作系统。
技术介绍
全息(Holography)是一种实现光场记录和再现的专业技术，按照全息材料的不同，分为平面全息和体全息技术。近20-30年，平面全息技术在光谱测量用光栅、模压全息等领域实现了广泛的商业化应用，并成功实现了数字化制备，极大推进了该技术的应用范围。体全息技术可以分为两个方向，一是三维体全息照相技术，二是体全息光学元件。三维体全息照相技术：能够实现逼真的三维显示，美国Zebra公司，专利技术了数字化制备技术，但受制于三维全息图实际应用的局限性(观赏价值)，该技术并没有规模化推广和应用。体全息光学元件，当前的制备方法是在光学平台上进行干涉记录，主要应用是体全息光栅。特别是反射体全息元件，具有独特的高衍射效率、具有特定波长的选择性全反射成像和其他波长的透射光学特性。早在1978年，美国专利US4218111就披露了飞机全息抬头显示方案。近年来，体全息光学元件在汽车HUD、增强现实头盔等多领域应用的研究，使之再度成为了热点。博士公司专利技术了具有全息元件的HUD(PCT/EP2012/054788，WO2012156124A1)，利用全息光学元件来降低抬头显示器的空间需求，但并未将全息元件应用在挡风玻璃上。德尔福(Delphi)公司提出了一种采用反射体位相光栅(RVPG)的汽车HUD结构，描述了用模压的方法制备反射体位相光栅(EP2469324A1)。索尼公司专利技术了虚拟显示装置(PCT/JP2005/005761)，其中采用波导型反射体全息元件，提出采用多个全息层的叠置体形式，满足不同频带(波长)入射的平行光束。美国专利US20140168735A1，提出了一种具有角度复用结构体光栅的波导型近眼显示方案，可扩大视场角。美国专利US20100186818A1，提出了一种太阳能电池的光收集方法，利用波导布拉格体光栅进行光线收集和在波导结构中传播，最后达到电池芯片，同时利用体光栅的优化结构，该方法可以收集多种角度入射的太阳光。所以，反射体全息光学元件在光场调制方面的特殊优点，已经在飞机平显系统推广应用，并且随着反射体全息元件技术的进一步创新，将尤其适用于汽车抬头显示器(HeadUpDisplay)、增强现实显示(AugmentedRealityDisplay)和虚拟现实显示等领域然而，上述现有技术均未涉及反射体全息元件的具体实现方法。现有技术中的全息光学器件的制作，都采用在光学平台上搭建干涉光路，在全息记录材料上一次性曝光，形成整体干涉条纹分布，经后续工艺处理，完成全息光学元件的制备。但是该方法可靠性差，造成制作的良率低，短焦、多焦点等参数灵活性方面也具有局限性，所以向更多的创新应用拓展能力不强。专利技术专利US20090304331，US7792003B2，CN102652384A描述了制作体全息光栅的方法，但都是针对特定器件的方法，这些方法不具有通用性。在体全息数字化制备技术方面，Zebra公司的方法(ApparatusandmethodforreplicatingahologramusingasteerablebeamUS6266167B1)是用空间光调制器产生物光，与固定方向的参考光干涉，用于数字化三维全息图，并不能用于体全息光学元件。上海大学提出了“一种大幅面数字化全息打印装置和方法”(201510637022.3)，属于全息3D显示领域，与Zebra公司的方法属于同一领域。在体全息元件领域，目前未见提出像素化体全息元件的相关方案，现有技术中用光学平台制作体全息光学元件，具有几个方面的缺点：1)受光源功率和光学系统口径的限制，幅面无法做大，一般都在200mm以下幅面；2)光学平台干涉制作，需要长时间曝光，稳定性不足，成品率低；3)受光路中光学器件尺寸、焦距等参数的限制，全息光学元件的参数调控困难；4)传统光路的元器件固定，全息记录过程不易变化，所以制备短焦距、多焦点、渐变焦距、多波长等特殊的全息光学元件难度更大。上述问题限制了体全息元件的应用，使其优越性得不到充分发挥。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种体全息元件及其制作方法和制作系统，通过在体全息感光材料上进行干涉光束调控，像素化拼接曝光制作，最终构成具有复杂光学参数的反射体全息光学元件。本专利技术提出的这种新型体全息光学元件，将在增强现实、汽车抬头显示等领域具有重要应用价值。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种体全息元件，包括至少一像素化的信息层和至少一基材层，信息层设置于上述基材层上。进一步地，上述体全息元件的信息层剖面具有像素化的条纹面，条纹面具有周期性，并且条纹面与基材层所在的平面具有夹角。进一步地，上述条纹面与基材层所在的平面的夹角为0-85度之间。进一步地，每个上述条纹面的周期范围为130nm～5um。进一步地，上述基材层设置有两层，上述信息层设置于两上述基材层之间。进一步地，还包括基片，上述信息层和上述基材层设置于基片上。进一步地，上述体全息元件还包括保护层，保护层设置于基材层和信息层相对于基片的另一侧。进一步地，上述基材层为薄膜或玻璃。进一步地，上述信息层为光致聚合物、重铬酸明胶、卤化银材料或者光折变玻璃基片的任意一种体全息材料。进一步地，上述体全息材料的厚度10um-150um，可感光范围400nm-650nm。本专利技术还公开了一种上述体全息元件制作方法，通过至少两束细光束从体全息记录材料的两面分别入射，形成干涉区域，记录体光栅像素，材料与像素步进移动，通过二维拼接记录，完成具有一定幅面的反射体全息元件制作。进一步地，入射的光束有两个角度参数，一是入射光束与材料表面法线的夹角θ，二是入射光束的方向角α，入射光路的入射点为o，θ和α这两个参数确定了入射光束的方向，第一入射光束和第-二入射光束的入射角度参数分别为θ1、α1和θ2、α2，θ1、α1和θ2、α2，结合体光栅像素的坐标x、y，形成了六个独立变量，根据预先设计的数据规律量化这些变量之间的对应关系，将体光栅像素拼接记录。进一步地，上述体全息记录材料为银盐乳剂、重铬酸盐明胶、光折变玻璃、光折变晶体或光致聚合物的任意一种。本专利技术还公开了一种上述体全息元件的制作系统，制作系统包括：光源；外光路，用于实现反射、分束、扩束基本功能的光路结构；至少两光束调控单元，用于实现全息记录光束的角度的调节，并且在调控过程中保持记录点位置不变；载物台，用于放置体全息记录材料，作步进运动，实现像素拼接功能；控制单元，根据预先给定的数据，发出相应的调控指令；驱动单元，接收控制单元的指令，实现驱动作用。进一步地，上述光源为激光器。进一步地，，上述光束调控单元包括光学零件和精密运动零件，实现入射光束与材料表面法线的夹角和入射光束的方向角的调节，通过驱动位相光学元件在光路上位置和旋转角度，在记录面像素内部形成不同取向的干涉条纹面。本专利技术提供的体全息元件及其制作方法和制作系统，通过专门设计的光机电一体化系统，进行干涉光束调控，在体全息感光材料上进行像素化拼接曝光，经后续处理，最终构成具有复杂光学参数的像素化反射体全息光学元件，本专利技术提出了一种新的体全息光学元件，将在增强现实、汽车抬头显示等领域具有重本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种体全息元件，其特征在于，包括至少一像素化的信息层和至少一基材层，所述信息层设置于所述基材层上。

【技术特征摘要】
1.一种体全息元件，其特征在于，包括至少一像素化的信息层和至少一基材层，所述信息层设置于所述基材层上。2.根据权利要求1所述的体全息元件，其特征在于，所述体全息元件的信息层剖面具有像素化的条纹面，所述条纹面具有周期性，并且条纹面与基材层所在的平面具有夹角。3.根据权利要求2所述的体全息元件，其特征在于，所述条纹面与基材层所在的平面的夹角为0-85度之间。4.根据权利要求2所述的体全息元件，其特征在于，每个所述条纹面的周期范围为130nm～5umm。5.根据权利要求1所述的体全息元件，其特征在于，所述基材层设置有两层，所述信息层设置于两所述基材层之间。6.根据权利要求1所述的体全息元件，其特征在于，还包括基片，所述信息层和所述基材层设置于所述基片上。7.根据权利要求6所述的体全息元件，其特征在于，所述体全息元件还包括保护层，所述保护层设置于基材层和信息层相对于基片的另一侧。8.根据权利要求1所述的体全息元件，其特征在于，所述基材层为薄膜或玻璃。9.根据权利要求1所述的体全息元件，其特征在于，所述信息层为光致聚合物、重铬酸明胶、卤化银材料或者光折变玻璃基片的任意一种全息感光材料。10.根据权利要求9所述的体全息元件，其特征在于，所述信息层的厚度10um-150um，其体全息记录材料的可感光范围400nm-650nm。11.一种如权利要求1所述的体全息元件制作方法，其特征在于，通过至少两束细光束从体全息记录材料的两面分别入射，形成干涉区域，记录体光栅像素，材料与像素步进移动，通过二维拼接记录...

【专利技术属性】
技术研发人员：浦东林，陈林森，朱鹏飞，张瑾，
申请(专利权)人：苏州苏大维格光电科技股份有限公司，苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32