一种渐变体全息光栅及其制作方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种渐变体全息光栅，包括记录有光栅条纹的全息记录材料，在垂直全息记录材料厚度的某一方向，光栅条纹的周期与倾斜角单调连续变化，且光栅矢量在该方向的分量保持不变。本发明专利技术还公开了制备上述渐变体全息光栅的装置和方法。本发明专利技术的渐变体全息光栅可以达到较大的角度带宽；在角度带宽范围内，衍射率较为均匀；并可以达到较高的衍射效率。

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.

【技术实现步骤摘要】
一种渐变体全息光栅及其制作方法与装置
本专利技术属于全息光栅波导显示
，尤其是一种渐变体全息光栅及其制作方法与装置。
技术介绍
全息波导显示技术拥有屏幕大，隐私性好，解放双手，体积小，重量轻等优点，是一种很具有发展潜力的新兴显示技术，在近年来得到的广泛的关注。常见的全息波导显示器件利用LCD，LCOS，OLED等二维图像生成设备作为图像源，通过准直光学系统将图像源发出的光准直，入射到光波导上。光波导一般为玻璃或者PMMA等透明光学材料制成。其上设置有体全息光栅，可以对输入光进行衍射，改变输入光的传播方向，使之可以在光波导内，以全反射的形式向光波导的另一端传播。在光波导的另外一段设置有另一片体全息光栅，可以将在波导中以全反射形式传播的光线耦合出波导，并进入人眼，使人能看到一个成像在无穷远处的虚像。然而，由于体全息光栅所固有的波长选择性和角度选择性，一般在获得高衍射效率的同时，难以获得较大的角度带宽。为了扩大视场，一般会设置多层体全息光栅，分别对应于不同的视差。这些视场拼接后，可以获得一个较大的角度带宽。多块拼接一般可以分为两种方式，一种是利用全息材料的复用性，在同一区域内复用多个全息光栅。这种方式加工方便，但复用的体全息光栅个数却较为有限，因为随着复用的体全息数量的增加，每个体全息光栅可获得的折射率调制度都会减少，从而使衍射效率下降。另一种方式是在几层的全息记录材料上分别记录对应于不同视场的体全息光栅，然后将这几层全息记录材料层叠起来。这样的方式不会引起单层衍射效率下降的问题，但每层全息记录材料都会吸收并反射一部分入射光的能量，因此层叠的数量不能太多，否则对应于外侧体全息光栅的视场的亮度就会很低。另外，由于耦合出射的光栅位置一定，而出射的角度不同，因此，到达人眼平面时，有很大一部分的光并不能进入目标出瞳的位置，造成了较大的光能浪费，降低了系统的能量利用效率。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的在于克服现有全息波导显示的不足，提出一种渐变体全息光栅及其制作方法与装置。一种渐变体全息光栅，包括记录有光栅条纹的全息记录材料，在垂直全息记录材料厚度的某一方向，光栅条纹的周期与倾斜角单调连续变化，且光栅矢量在该方向的分量保持不变。具体的，所述的全息记录材料呈长方体形，光栅条纹在长度向排列，所述光栅条纹的周期与倾斜角在长度方向单调连续变化，且光栅矢量在长度方向的分量保持不变。优选的，所述的全息记录材料为光致聚合物、重铬酸盐明胶或卤化银明胶。一种制备渐变体全息光栅的装置，包括：激光光源和分束镜，所述分束镜用于将激光光束分为对全息记录材料进行连续曝光的物光和参考光；依次布置在所述物光光路上的第一可变中性密度片、第一扩束准直系统、第一可旋转反射镜、第二可旋转反射镜、第一狭缝和直角棱镜；依次布置在所述参考光光路上第二可变中性密度片、第二扩束准直系统、第三可旋转反射镜和第二狭缝；所述的第一可旋转反射镜、第二可旋转反射镜和第三可旋转反射镜均安装在电控旋转台上，用于控制物光和参考光对全息记录材料的入射角度；所述的第一狭缝、第二狭缝以及安装第二可旋转反射镜的电控旋转台均安装在电动位移台上，用于控制物光和参考光曝光的位置。优选的，所述的第一扩束准直系统和第二扩束准直系统为用于将高斯光束扩束整型成为能量均匀分布的平顶光束的光束整型器件。进一步优选的，所述的第一扩束准直系统包括依次布置的第一扩束镜和第二扩束镜，所述的第二扩束准直系统包括依次布置第一准直镜(307)，第二准直镜。并列优选的，所述的第一扩束准直系统和第二扩束准直系统为衍射光学器件、自由曲面或工程漫射体(EngineereddiffuserTM)。优选的，所述的全息记录材料通过折射率匹配液粘在所述直角棱镜的直角边上。一种制备渐变体全息光栅的方法，包括步骤：1)根据中心入射光线角度θin0、出射光线角度θout0、入射光线波长以及全息记录材料折射率n，计算出中心视场所对应的光栅波矢K和整个视场的入射角度θin和出射角度θout的关系函数θin＝f(θout)；2)根据要求的眼距，计算视场中的每个θout对应的光线在体全息光栅上的出射位置P；3)根据人眼入瞳大小，设置狭缝为入瞳大小的一半，通过光线追迹计算狭缝位置；4)同步控制物光的入射角度为θout和参考光的入射角度为θin，并控制狭缝的位置，在全息记录材料上进行连续曝光；5)对曝光得到的全息记录材料进行后处理，获得渐变体全息光栅。进一步的，在步骤5)中，所述的后处理为采用UV光进行整片曝光，固化光栅条纹。与现有的体全息光栅相比，本专利技术的主要优点如下：1、可以达到较大的角度带宽；2、在角度带宽范围内，衍射率较为均匀；3、通过合理的设计，可以达到较高的衍射效率。附图说明图1为系统结构图；图2为体全息光栅对入射光调制作用的说明图；图3为渐变体全息光栅制作装置图；图4为渐变体全息光栅应用于大视角全息波导显示时结构示意图。具体实施方式如图1中的渐变体全息光栅102，在切向方向101，体全息光栅的周期d103以及倾斜角度单调连续的发生变化，但光栅矢量(K＝2π/d，图1中105)的切向分量(图1中106)保持一致，使同一角度的入射光在被体全息光栅衍射后，其出射方向一致，以保证用于波导显示系统时不会产生串扰以及鬼像。方案原理：体全息光栅可以由双光束干涉得到，假设两光束的数学表达式为和其中，r为空间位置矢量，A1和A2分别为两光束的振幅，k1和k2为两光束的波矢，和为两光束的初始相位。两束光在全息记录材料上干涉时，其光强分布为：记录的光栅的周期与光强分布周期一致，为2π/|k2-k1|，波矢为：K＝k2-k1(2)光栅的对比度为：当A1＝A2时，条纹对比度最大，为1。光栅的衍射效率与光栅对比度成正相关，对比度越高，衍射效率越高。由图1可知，对于眼睛的入瞳107，不同视场所对对应的光线(图1中108、109、110)在体全息光栅102上出射位置(图1中111、112、113)不同，因此，可以把对应于不同视场的体全息光栅在空间上错开。但视角是连续的，而且眼睛的入瞳也有一定的宽度，所以对应于不同视场的体全息光栅在空间上重叠的情况是无法避免的。当一束光入射到这个重叠区域时，会同时被这些光栅调制，产生多束出射光，如果这些出射光不同保证是相同的出射方向，则会产生串扰，导致显示的图像出现模糊，甚至是鬼像。因此我们必须采用一定的手段来避免串扰的影响。当一束光线入射体全息光栅时，光栅对入射光的作用如图2所示。101和202代表切向方向和法向方向，203代表入射光线的波矢kin，204代表光栅的波矢K，205代表一级衍射光波矢kd。由动量守恒可知，kd＝kin+K(矢量加法)。当一级衍射光离开光栅区域，进入波导时，在分界面上，kd的切向分量，即在101方向上的分量保持不变，而法向分量发生突变，以保证波矢的模为2πn/λ，其中n为波导折射率，λ为入射光波长。一般情况下，光栅区域的平均折射率和波导的折射率相差较小，可视为一致，则出射光的波矢为kout，206代表波矢kout。由此可知，当同一束光入射到几个波矢不一样的光栅上时，如果这几个光栅的波矢在切向方向的分量相同，则其出射光方向相同，那么即使多个体全息光栅在同一区域重叠，也不会造成串扰。同时这也保证本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种渐变体全息光栅，包括记录有光栅条纹的全息记录材料，其特征在于，在垂直全息记录材料厚度的某一方向，光栅条纹的周期与倾斜角单调连续变化，且光栅矢量在该方向的分量保持不变。

【技术特征摘要】
1.一种渐变体全息光栅，包括记录有光栅条纹的全息记录材料，其特征在于，在垂直全息记录材料厚度的某一方向，光栅条纹的周期与倾斜角单调连续变化，且光栅矢量在该方向的分量保持不变。2.如权利要求1所述的渐变体全息光栅，其特征在于，所述的全息记录材料呈长方体形，光栅条纹在长度向排列，所述光栅条纹的周期与倾斜角在长度方向单调连续变化，且光栅矢量在长度方向的分量保持不变。3.如权利要求1所述的渐变体全息光栅，其特征在于，所述的全息记录材料为光致聚合物、重铬酸盐明胶或卤化银明胶。4.一种制备渐变体全息光栅的装置，其特征在于，包括：激光光源(301)和分束镜(302)，所述分束镜(302)用于将激光光束分为对全息记录材料(317)进行连续曝光的物光(320)和参考光(321)；依次布置在所述物光(320)光路上的第一可变中性密度片(303)、第一扩束准直系统、第一可旋转反射镜(310)、第二可旋转反射镜(311)、第一狭缝(314)和直角棱镜(316)；依次布置在所述参考光(321)光路上第二可变中性密度片(304)、第二扩束准直系统、第三可旋转反射镜(312)和第二狭缝(315)；所述的第一可旋转反射镜(310)、第二可旋转反射镜(311)和第三可旋转反射镜(312)均安装在电控旋转台上，用于控制物光(320)和参考光(321)对全息记录材料(317)的入射角度；所述的第一狭缝(314)、第二狭缝(315)以及安装第二可旋转反射镜(311)的电控旋转台均安装在电动位移台上，用于控制物光(320)和参考光(321)曝光的位置。5.如权利要求4所述的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海峰，于超，王恒，刘旭，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33