专利名称:全息图的制作方法
本发明涉及一种制作反射全息图的方法，用于执行此种方法的装置，以及由此而制作的反射全息图。
近年来，很多光学系统都采用了全息光学元件，这可使系统的体积，重量减小，或者取到用传统的方法不可能得到的光学效果。一组被用作波长选择反射镜的特定的全息图，被称之为反射全息图。这些全息图，是在适当的记录介质中，一组形成折射率或吸收强度调制的干涉平面的记录。这些调制的作用在于，它只反射那些干涉平面之间的光程差等于入射光波长整数倍的光。这就是说，由于光程差与入射角度有关，因此，反射光的波长也将取决于角度，并遵从布拉格(Bragg)条件(λ)/(COSθ) ＝常数式中λ＝反射光的波长θ＝反射光对全息图平面的入射内角英国书第2071866号和美国专利第4395088号，对利用回反射技术产生反射全息图的方法，作了介绍，并提出了权利要求
。
在这两份说明书中作了介绍并提出权利要求
的产生反射全息图的回反射法，是利用从一只激光器发出的相干光束，对光学透明的光敏膜层进行光栅扫描，光束经由一构造点(Construction point)射向膜层，通过膜层之后，再反射回膜层中，从而产生干涉。
光束在水平方向进行快扫描运动，而在垂直方向进行慢扫描运动。由于光束直径相对说来很小，且光束的垂直渐近移动十分缓慢，因此在光栅扫描过程中，光束多次入射在膜层的每一点上。这就是说，在垂直扫描移动等于一个光束直径距离的时期，水平光束扫描多次重叠。因此，整个面积上的照度显然是各处均匀的，由驻波图样在膜层中形成的潜象，相应地也是规则的。
尽管此种方法具有广泛的用处，但所介绍的该方法的实施方案却具有一定的局限性。具体来说就是，在所介绍的实施方案中，构造点距光敏膜层必须相当远，且由于产生反射全息图的构造点，就是使用全息图时使用者眼睛的转动中心。当全息图接近眼睛转动部位时，按所介绍的实施方案产生的全息图，就不再有效。因此，在下述情况下，比如作为人的眼镜使用时，每一目镜的反射全息图为组合的全息图，此时依照所介绍的实施方案得到的反射全息图，就不能使用。
上述的局限性起因于所采用的装置。该装置位于激光器和光敏膜层之间，它具有两个协同工作的插流计，每一插流计带有一个反射镜。其中一个插流计称作垂直扫描插流计，它执行慢扫描任务;另一个为水平扫描插流计，它执行快扫描任务。由于光学元件必须放置在激光器和膜层之间的光路上，因此，构造点和光敏膜层之间的光程必然比较长。
本发明的目的正是要提供避免这种局限性的制作反射全息图的方法。
本发明的制作反射全息图的方法，包括将一轴线通过构造点的相干光束射到一光敏膜层上，让其透过膜层;至少将透过该膜层的部分相干光加以反射，使得直接透过该膜层的光与反射的光之间在该膜层中产生干涉;使上述的光束和上述的膜层作相对运动，于是该光束以重叠窄带的图样扫描该膜层;将该膜层加以处理，以形成对应于由上述相对运动所产生的干涉图样的反射全息图;上述的相对运动是通过环绕一个第一轴旋转上述的膜层以及环绕一个第二轴旋转上述的第一轴实现的，而上述的第二轴与上述的第一轴相交于上述的构造点。
在依照本发明的一种特定方法中，上述的膜层与上述的第一轴间隔开，且该第一轴以相当缓慢的转速环绕上述第二轴旋转，因此，上述的图样基本上是线性重叠带的多重组合。
根据本发明的另一种特定方法，上述的第一轴与上述的膜层相交，该膜层与上述的第二轴间隔开来，且说第一轴慢速绕该第二轴旋转，因此，上述的图样基本上是同心圆重叠带的多重组合。
依照本发明的方法，上述的膜层环绕上述的第一轴旋转速度和第一轴环绕第二轴的旋转速度，二者之中至少有一个转速是变化的。这样，在光束扫描过程中，该膜层受到上述光束的曝光基本上是均匀的。
上述膜层的合适形式是复盖在光学透明基底主要表面上的镀层，光束只是在首先透过该基底之后，才入射到该膜层上。
光束可以通过在上述的膜层和外部介质的界面处膜层内的反射，反射回该膜层中。
换言之，光束可以通过上述膜层的外反射表面，反射回该膜层中。
依据本发明的方法，发现在制作用于激光眼睛防护滤光镜的光学元件中，具有独特的应用。
本发明还提供一种用于制作反射全息图的装置。该装置包括以下三部分底座;万向架组件和旋转装置。万向架组件由第一部件和第二部件组成，第一部件用于建立环绕由第二部件所限定的第一轴的旋转，第二部件用于建立环绕由上述底座所限定的第二轴的旋转，上述的第一轴和第二轴相交，且上述的第一部件还包括一个将光敏膜层固定在与上述两轴的交点间隔开来的某一位置的装置;旋转装置的作用使得上述第一和第二部件分别环绕上述的第一轴和第二轴旋转，于是轴线通过上述第一轴和第二轴交点的光束就对固定在上述第一部件上的膜层以重叠窄带的图样进行扫描。
上述的固定装置也适合于将上述的膜层固定在与上述第一轴间隔开来的某一位置。
另外，上述的固定装置还适合于将上述的膜层固定在与上述第一轴相交的某一位置。
依据本发明的两种制作反射全息图的方法和装置，将通过实例，并参考相应的附图，在下面予以介绍。相应的附图是图1为第一种装置的示意透视图;
图2为运用图1的装置，形成全息图的光学元件;
图3为图1所示装置的改进型;
图4为利用图1的装置制作的，由两个反射全息图组合而成的滤光镜;
图5为第二种装置的示意透视图;
图6为图5装置的前视图;
图7为沿图6的Ⅶ-Ⅶ线切开的剖视图。
参看图1，将要介绍的第一种装置包括一个兼有支架作用的底座11，以及一个万向架组件。万向架组件由两个部件13和15组成。部件13呈L形，它的一臂安装在底座11上，用于产生环绕X-X轴的旋转，部件15安装在部件13的另一臂上，用于产生环绕Y-Y轴的旋转，轴X-X与Y-Y正交于点Z。万向架组件13、15，借助于固定在底座11上的直流步进电机17，可环绕轴X-X作角向转动。部件15，借助于固定在部件13上的直流电机19，可环绕轴Y-Y旋转。
部件15大体上呈U形，它的两臂21和31与轴Y-Y等间距，且与Y-Y轴平行。臂21上开有圆孔，孔上装有光学透明体23(图2)，该光学透明体由球形光学透明基底25(比如玻璃)组成，在基底的凹曲面上具有重铬酸盐胶膜或镀层27。透明体23的固定方式是玻璃基底25的凸曲面，相对部件15的旋转轴Y-Y而言是面向外部的。
在运用该装置时，激光器(未示出)位于此装置之外，来自激光器的相干光，形成一个由箭头29所指的光束，直径大约2毫米，光束的轴线水平伸展，与轴X-X成直角，因此恰好通过轴X-X和轴Y-Y的交点Z。交点Z至膜层27的距离是这样选择的即在其距离下在膜层中产生的反射全息图，使用时亦将在此距离处进行观察。当全息图是观测者所配戴之眼睛的目镜的滤光镜的情况下，这一距离应选择等于至眼睛转动中心的距离，即，2至3厘米。
当步进电机17启动之后，万向架组件13，15就从恒定的步长环绕轴X-X作角向移动，它在四分钟时间内，转过一个适当的角度，比如100度，与此同时，直流电机19也开始运转，使部件15以及光学透明体23环绕轴Y-Y以每分钟200至300转的转速转动。
由于环绕轴Y-Y快速转动以及环绕轴X-X缓慢移动的结果，透明体23有效地经受激光光束29的扫描作用。根据环绕两个轴转动的相对角位移以及光束的直径，可以算出，在环绕轴X-X作角向移动期间内，光学透明体23上的每一点经受了50次以上的扫描。结果，在膜层/空气的界面处，在膜层内产生了少量激光(例如4%)的菲涅尔(Fresnel)回向反射，该反射的相干光，通过与直接透过膜层21的光干涉，产生出全息图的潜象，从而在光敏膜层27中产生出均匀的，规则的干涉同样。然后，将膜层27按如图上述英国和美国书所介绍的传统方法，进行处理，将膜层中的潜象进行显影和定影，以形成可供观测的反射全息图。
由于激光光束29沿含有交点Z的方向传播，Z点构成了全息图的构造点;还由于Z点在应用全息图时，就是全息图眼镜配戴者眼睛的转动中心，因此，当配戴者的眼睛在围绕全息图光轴各个方向±50°范围内作角向转动时，全息图都有效。当然，角范围可以根据需要加以改变。的确如果要从较远的地方观测全息图，那末上述装置一定要作相应的修改，的确，定出观测全息图合适的眼睛转动位置。
本方法的特征要求，光敏镀层27距激光器应当比基底25距激光器更远，这样，在扫描时，便能使激光光束首先透过基底25，然后再透过镀层27。由于部件15是环绕轴Y-Y连续旋转的，因此，在每次旋转期间，必须防止激光光束直接照射镀层。部件15的另一臂31就是为此目的而用的遮光板。
显然，还可以采用其它方法来防止镀层27直接地而不是经过玻璃基底25接收来自激光器的相干光。例如，可以使部件15作快速的摆动，这样镀层27就决不会直接曝露于激光光束。另外，还可以通过在适当的时候关闭激光器，或者在激光器和透明体23之间的光路上插入遮光板来达到上述目的。
图3所示的为上述装置的改进型，它可用位于玻璃基底25的凸曲面上重铬酸盐胶镀层27的构成全息图。在这种改进型中，部件15不再呈U形，它在靠轴Y-Y一侧，有一个第一臂33，其臂开孔，孔上装有光学透明体23，透明体基底25的凹曲面朝里。另外在Y-Y轴的与臂33相同的一侧，臂33的外面，还有一个第二臂35，它用作遮光板。
利用图1装置和图3改进型装置分别制作的一对反射全息图，可以用来制做如图4所示的滤光镜。按照图4的排列层次，两片玻璃基底处在最外层，互相面对的两镀层27利用折射率匹配的光胶37粘结在一起，两镀层27含有调谐至不同波长的光的全息图。这样的滤光镜还可以在其外表面进一步镀膜，所镀的膜层不必是全息膜层。
十分显然，利用本方法和上述图1至3装置，用作产生全息图的曝光能量，在镀层27的整个面积上，不是恒定的。
这一缺点可以利用下述两种方法之一加以克服(1)调整激光曝光功率;
(2)调整所采用的两个电机17和19的转速。
这样的调整要求两个电机和激光功率之间的同步。如此复杂的系统，虽说是可能的，但一般来说是不方便的。
图1至3的装置的另一特征就是，扫描的面积一般为矩形，而滤光镜，如上所说，通常要求为圆形。
这些问题，在下面作为例子而介绍的第二种装置和方法中，可以得到缓解。
参看图5至7，第二种装置包括一个兼有支架作用的底座51，以及一个由部件53和55组成的万向架组件。
底座51包括底板57，直立在底板57上的侧板59，直立在底板57上的横板61，支撑横板61的腹板部件63，以及由横板61伸出的，平行于底板57的另一平板65。
步进电机69的外壳67，固定在平板65上，其转轴71从平板65上的圆孔伸出。转轴71通过挠性联轴节77联结至减速箱75的输入轴73。万向架部件53呈槽形，其一侧由侧板59上的轴承79支撑，另一侧则由减速箱75的输出轴81支撑。
带有传动头85的直流电机83，固定到部件53的梁腹部位87，传动头85的外壳有一个圆筒状的端部89，它通过梁腹部位87上的开孔伸出。
部件55呈杯形，它是制作全息图的光学元件99的支持架，其底部有一同心圆柱形凸起91，凸起上有一个用于安装传动头85的输出轴93的盲轴孔。用凸起91上的一个经向紧固螺钉，将支持架部件55固定到输出轴93上。
输出轴93的-也就是光学元件支持架55的-旋转轴S-S，与部件53的旋转轴T-T，或直角相交于位于部件55的开端平面之内某一距离的点R，轴T-T沿减速箱75的输出轴和底座51的侧板59上的支撑轴承79方向伸展。在使用该装置时，待处理的，比如作为眼睛防护滤光镜的光学元件99，放置在支持架55中的环形槽95内，环形槽95沿部件55的开口端圆周伸展(见图6，此处未画出光学元件99)，这就使光学元件99的中心与轴S-S相交。
数字计算机(未画出)控制电机69的步进速率。电机69每一步进运动的步长，通过减速箱75的传动，使部件55环绕轴T-T产生一个很小的角位移。这一小角位移的位移量，正如下面将要解释的那样，取决于用来形成全息图的由箭头97所表示的激光光束的直径。
由图7可以更清楚地看出，光学元件99由一球形基底100组成，基底为具有两个球面的玻璃，一面为凸面，另一面为凹面，在凹面上面，附着透明的光敏镀层101(比如重铬酸盐胶的镀层)。
在使用的时候，光学元件99通过将其边缘放置在沿支持架55开口端四周伸展的环形槽95内加以固定，光学元件的凸面向外。
装置运转时，支持架55，亦即光学元件99由直流电机83及传动头带动环绕轴S-S旋转，激光光束97投射到光学元件99的外表面上，光束97的轴线为水平方向，与轴T-T正交，并通过轴S-S和轴T-T的交点R，通过计算机控制的步进电机69和减速箱75的作用而产生的环绕轴T-T的微小角位移增量，被传送至部件53，亦即支持架55和光学元件99上。由激光光束97在光学元件99上所描绘的合成轨迹将是重叠的同心圆窄带的多重组合，每一同心窄带的带宽等于激光光束的直径。根据环绕轴T-T的每一角位移的位移量和激光光束直径之间的相互关系，可以产生出大量的重叠带，因此，镀层101上的每一点将经受50至100次的激光光束曝光。
和图1至3的装置和方法一样，全息图的潜象是通过激光光束97在镀层/空气界面处的背射，也就是依赖于菲涅尔反射形成的。在界面处反射回来的激光与直接透过镀层101的激光互相作用，在镀层101内产生出干涉图样。
为了使镀层的整个面积能均匀地被激光曝光，在计算机控制下，电机69的步进速率只能随正被激光束97曝光的镀层101的点的位置而改变才行。如果没有这样的控制，那未镀层101上中心或靠近中心处，也就是靠近轴S-S处的那些点的线速度，必然比边缘或靠近边缘处的那些点的线速度小。因此，为了实现均匀曝光，只要部件53绕轴T-T的角变化递增速率，亦即电机69的步进速率必须逐步地从激光光束97入射在镀层101中心处时的相对较高值变到光束97入射在镀层100边缘处时的非常低的值才行。
在镀层按上述方式曝光之后，利用传统的方法，将已经在其中形成潜象的镀层101加以处理，使潜象显影和定影，从而在镀层中形成所希望的反射全息图。
在上面的介绍中，镀层101是附在元件99的玻璃基底100的凹面上，显然，镀层同样能够附在基底的凸面上。在这种情形下，部件55将转而按下面方式固定光学元件99即让其凸面向里，位于交点R的一侧，使其距激光光束97的光源，较凹面更远。
将两个球形光学元件，一个具有全息图存在于位于其凹面的镀层中，另一个具有全息图存在于位于其凸面的镀层中。按上面图4所示，在两个全息图镀层之间利用光胶，将凸面粘贴到凹面上，即可形成一个两个不同频率的组合光学元件。
作为图5至7的装置的改进，步进电机69可以用一个能连续运转的电机来代替，这样，激光束97在镀层101上描绘的轨迹就是螺旋形，而不是同心带形。
非常清楚，在上面作为例子所介绍的方法和装置中，干涉是利用在镀层和外部介质，例如空气，的界面处的镀层内的菲涅尔回向反射，在光敏镀层中得到的。在依据本发明的其它方法和装置中，干涉也可以借助于与镀层相邻的镜面将光反射回镀层中而得到。
还应当清楚的是，利用上面作为例子介绍的装置和方法所制作的全息图，是球面形的，然而，依据本发明的方法和装置，也可用来制作其它形状的全息图。
权利要求
1.一种制作反射全息图的方法，其特征在于，它包括以下内容将一轴线通过构造点(Z或R)的相干光束(29或97)照射到一光敏膜层(27或101)上，让其透过膜层(27或101)；至少将透过该膜层(27或101)的部分相干光加以反射，使得直接透过该膜层(27或101)的光与反射的光之间在该膜层中产生干涉；使上述的光束(29或97)和上述的膜层(27或101)作相对运动，于是，该光束(29或97)以重叠窄带的图样扫描该膜层(27或101)；将该膜层(27或101)加以处理，以形成对应于由上述相对运动所产生的干涉图样的反射全息图；上述的相对运动是通过环绕一个第一轴(Y-Y或S-S)旋转上述的膜层(27或101)环绕一个第二轴(X-X或T-T)旋转上述的第一轴(Y-Y或S-S)实现的，而上述的第二轴(X-X或T-T)与上述的第一轴(Y-Y或S-S)相交于上述的构造点(Z或R)。
2.根据权利要求
1的方法，上述的膜层(27)与上述的第一轴(Y-Y)间隔开，且该第一轴(Y-Y)相当缓慢地环绕上述第二轴(X-X)旋转，因此，上述的图样基本上是线性重叠带的多重组合。
3.根据权利要求
2的方法，上述膜层(27)环绕上述的第一轴(Y-Y)作一定角度的摆动，因此，上述的光只从一面入射到上述的膜层(27)上。
4.根据权利要求
2的方法，上述膜层(27)环绕上述的第一轴(Y-Y)作圆周转动，装置(31或35)用来保证，上述的光只从一面入射到上述的膜层(27)上。
5.根据权利要求
1的方法，上述的膜层(101)与上述的第一轴(S-S)相交，而与上述的第二轴(T-T)间隔开来，且该第一轴(S-S)环绕该第二轴(T-T)相当缓慢地旋转，因此，上述的图样基本上是同心圆重叠带的多重组合。
6.根据权利要求
5的方法，上述的第一轴(S-S)连续地环绕上述的第二轴(T-T)旋转，因此，上述的带是连续回转螺旋线。
7.根据权利要求
5的方法，上述的第一轴(S-S)环绕上述的第二轴(T-T)作步进旋转，因此，上述的带是不同半径的同心带。
8.根据前面所述的任何一条权利要求
的方法，上述的膜层(27或101)环绕上述的第一轴(Y-Y或S-S)旋转的速度和上述的第一轴(Y-Y或S-S)环绕上述的第二轴(X-X或T-T)旋转的速度两者之中，至少有一个速度是变化的，因此，在扫描过程中，该膜层(27或101受到上述光束(29或97)基本均匀的曝光。
9.根据前面所述的任何一条权利要求
的方法，上述的膜层(27或101)是复盖在光学透明基底(25或100)主要表面上的镀层，且光束(29或97)只是在首先透过该基底(25或100)之后，才入射到该膜层(27或101)上。
10.根据前面所述的任何一条权利要求
的方法，上述的光束(29或97)是通过在上述膜层和外部介质的界面处膜层内的反射，而反射回该膜层(27或101)中的。
11.根据权利要求
1至10中任何一条的方法，上述的光束(29或97)是通过上述膜层(27或101)的外反射表面，反射回该膜层(27或101)中的。
12.使根据前面所述的任何一条权利要求
的方法所制作的反射全息图实际化的光学元件(23或99)。
13.使根据权利要求
12的光学元件(23或99)实用化的激光眼睛防护滤光镜。
14.使根据权利要求
12的至少两个光学元件(23或99)粘结在一起而形成的组合光学元件实用化的激光眼睛防护滤光镜，组合光学元件各组成元件的全息图，能反射不同波长的光。
15.一种用于制作反射全息图的装置，其特征在于，它包括以下三部分底座(11或51);万向架组件和旋转装置。万向架组件由第一部件(15或55)和第二部件(13或53)组成，第一部件(15或55)用于建立环绕由第二部件(13或53)所限定的第一轴(Y-Y或S-S)的旋转，第二部件(13或53)用于建立环绕由上述底座(11或51)所限定的第二轴(X-X或T-T)的旋转，上述的第一轴和第二轴(Y-Y和X-X或S-S和T-T)相交，且上述的第一部件(15或55)还包括一个将光敏膜层(27或101)固定在与上述两轴(Y-Y和X-X或S-S和T-T)的交点(Z或R)间隔开来的某一位置的装置(21或95);旋转装置(19和17或83，85及69，75)的作用是使得上述的第一和第二部件(15和55或13和53)分别环绕上述的第一轴和第二轴(Y-Y和X-X或S-S和T-T)旋转，于是轴线通过上述两轴(Y-Y和X-X或S-S和T-T)交点(Z或R)的光束(29或97)就对固定在上述第一部件(15或55)上的膜层(27或101)以重叠窄带的图样进行扫描。
16.根据权利要求
15的装置，上述的固定装置(21)亦适合于将上述的膜层(27)固定在与上述第一轴(Y-Y)间隔开来的某一位置。
17.根据权利要求
15的装置，上述的固定装置(95)也适合于将上述的膜层(101)固定在与上述第一轴(S-S)相交的某一位置。
专利摘要
在一种制作反射全息图的方法和装置中，产生全息图的光敏材料膜层环绕一个第一轴(Y-Y)旋转，而第一轴(Y-Y)本身又环绕一个第二轴(X-X)旋转，第二轴与第一轴相交于与膜层间隔开来的某一点(Z)，因此，轴线通过两轴交点的相干光束投射到膜层上，以重叠窄带图的花样扫描膜层。重叠带可以是直线或者圆。
文档编号G03H1/04GK86101630SQ86101630
公开日1986年9月10日 申请日期1986年3月13日
发明者理查德·基思·霍华德, 科林·肯伍德·马歇尔 申请人:英国通用电气公司航空电子设备有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan