全息图的制作方法

全息图的制作方法
【专利摘要】一种衬底包括提供全息图(20，6)的衍射结构。衍射结构对全息图像进行编码，使得响应于参考光以相对衬底主表面的入射角入射在所述衬底主表面上，产生全息图像，其中所述入射角不超过20°。
【专利说明】全息图
【技术领域】
[0001]本发明涉及全息图。
【背景技术】
[0002]用参考光束照射全息图来形成全息图像。将参考光束的源放置在足够的距离处以便确保完全照射全息图。用于重建全息图像的当前技术采用较为庞大的光源和照明系统。
[0003]例如，SaxbyG.于 2004 年在 Philadelphia 的 Practical Holography.1nstituteof Physics Publishing 以及Ludman J等人于2002年在Springer New York 的Holographyfor the New Millennium编辑描述了熟知的全息系统。
[0004]当前系统受限于可获得的紧凑程度。传统全息图照明需要将光源置于距全息图板(hologram plate)足够远的距离。这使得该全息图显示变得庞大。
[0005]现有技术的系统通常也避免相对于法线方向超过71°的大照明角度。这是由于照明的角度、记录介质中的物体光束和耦合到全息图中的光的角度受到记录介质和衬底的折射率的限制。在这种法线方向大角度下的光损耗可能是不利的。
[0006]紧凑光学系统的光学像差也可以是一种限制。
[0007]其他技术包括全内反射(TIR)全息图和边缘照明全息图。遇到的典型问题是由于衬底内的多次反射而引起的“木纹(wood grain)”效应。
[0008]关于木纹效应，在上面提到的“Holography for the New Millennium”的第三章中，Metz讨论了边缘照明全息图中的菲涅耳反射。
[0009]采用边缘照明全息图，光通过抛光边缘进入全息衬底。光在衬底内传输，以掠射角遇到衬底/空气和衬底/全息图边界。可能在这些边界产生伪反射(spuriousreflection)，这些伪反射可能发生干涉并产生类似于木纹的图案。这对于观察者而言是低效的并且是分散精力的。

【发明内容】

[0010]本发明试图提供一种改进的全息图、全息图结构和制造全息图的方法。
[0011]根据本发明的一个方面，提供了一种包括提供全息图的衍射结构的衬底，所述衍射结构对全息图像进行编码，使得响应于参考光以相对衬底主表面的入射角入射在所述衬底主表面上，来产生全息图像，其中所述入射角不超过20°。
[0012]全息图用于产生空间图像。本发明实施例允许在非常紧凑的结构中照射这种图像。
[0013]本发明的优选实施例提供了一种衬底，当参考光以非常浅的角度(very shallowangle)照射所述衬底时，所述基底可以产生全息图像。这可能意味着可以将参考光的源放置为靠近所述衬底(也称为全息图板)，允许产生紧凑的全息图结构。允许将全息图照明封装包含在紧凑的外壳(envelope)内，并且不需要现有技术中常见的大型结构。
[0014]用参考光回放(即，用参照光照射衬底以便能够观看全息图)允许抵消光学系统的相差，其中所述参考光与记录全息图时使用的光源具有相同的波长、几何形状和光学性质。
[0015]优选地入射角不超过15°，优选地至少为5°，最优选地大约为10°或8.5°和10°之间。光损耗并不急剧(50% )且界面伪影(interface artefacts)是可控的有用区域是在衬底法线方向上的80和81.5度之间。
[0016]优选地，所述衬底主表面形成衬底与真空或例如空气的流体之间的界面。相较于现有技术的边缘照明全息图，这可以提供不太复杂的结构。
[0017]相较于许多现有技术的边缘照明全息图，优选实施例能够重现位于相距衬底更远距离处的物体的全息图像。
[0018]贯穿本说明书，对高或大角度的引用是指相对于所述衬底的法线方向的角度，对低或浅角度的引用是指相对于所述衬底表面的角度。
[0019]优选地，所述衬底的衍射结构提供透射全息图，其中所述衬底主表面是后表面。
[0020]在一些实施例中，衬底包括齒化银(silver halide),优选地具有不超过20nm的颗粒尺寸(grain size)。卤化银材料比光敏聚合物材料更敏感,因此更适用于在记录阶段向记录介质耦合时损失大量光的这种应用。小的颗粒尺寸是优选的，以确保高的分辨率和减小的散射。
[0021]由于折射率问题，许多现有技术不使用卤化银。衬底和乳液(emulsion)之间的折射率差可以弓I起光损耗和杂散反射。
[0022]优选的实施例使用具有小颗粒尺寸的极高分辨率的卤化银材料。这能够使得简单发散球形波前以高入射角进行记录和回放。不同于使用通过衬底边缘的照明，可以将回放条件与记录条件以及重建图像中实现的极大深度精确匹配。
[0023]在一些实施例中，所述衬底包括光敏聚合物。
[0024]根据本发明的一个方面，提供了一种全息图结构，包括上述衬底和参考光源，其中所述参考光源设置用于发射参考光以所述入射角入射到所述衬底主表面。
[0025]用于照明或回放全息图像的最低光损耗配置是用P偏振的参考光进行的配置。这种偏振更容易耦合到全息图和衬底，是进行高效回放的优选。S偏振在记录中更有用，以便最小化由于内反射而引起的不想要的效果。优选地，参考光源是相干或基本上相干的光源，例如激光源或LED。相干深度与全息图深度有关，例如，在允许低深度全息图的前提下可以使用LED。优选实施例中，参照光源是配置为发射光束的激光二极管，在两个相互横断的平面之一的光束发散大于另一个平面的光束发散，其中两个相互横断的平面都与光束传播方向平行的方向，因此平行于光束的传播方向。参考光源设置用于用实质上平行于所述衬底主表面的较大发散平面发射光束。由于光束在实质上平行于衬底的平面中发散地比光束朝向衬底的发散更快，可以允许将参考光源置于靠近所述衬底。因此，当光束入射在衬底上时，它将沿与光束传播的方向横断并平行于所述衬底主表面的方向进行传播，意味着相较于发散较小的光束或在垂直于传播方向的所有方向上发散相同量的光束而言，该光束能够照亮所述衬底主表面的较大区域。
[0026]将参考光源靠近衬底有助于紧凑性，但优选地是提供足够长的路径长度使得光束发散足以允许覆盖全息图板。
[0027]通常激光器不是非常紧凑的。本发明实施例使用为更紧凑设备而制造的激光二极管。
[0028]在一些实施例中，该结构包括如反射镜的反射表面，设置用于向所述衬底主表面反射来自参考光源的参考光。在一些实施例中，所述反射表面设置用于引起参考光在两个相互横断的平面之一中比在另一平面发散的更厉害，其中以上述相同形式，两个相互横断的平面都与光束传播方向平行的方向，因此平行于参考光的传播方向。在一些实施例中，该结构包括反射表面，但不包括参考光源。
[0029]在一些实施例中，该衍射结构有长度和垂直于该长度的宽度，该长度垂直于以所述入射角入射的参考光的传播方向，其中该结构配置为引起来自参考光源的参考光在平行于该衍射结构的长度方向上发散，以便至少照射该衍射结构的整个长度。优选地，该结构配置为引起该参考光在垂直于该衍射结构的长度方向上发散，以便至少照射该衍射结构的整个宽度。在一些实施例中，由例如透镜或反射表面的光学元件引起发散。在一些实施例中，由参考光源的选择(例如或激光二极管)引起发散。
[0030]优选地，所述衬底的衍射结构提供了透射全息图，其中所述衬底主表面是后表面，并且该结构包括对衬底背面的光吸收背景。它可以吸收来自衬底的不想要的反射和散射，允许产生更清晰的全息图像。
[0031]根据本发明的一个方面，提供了一种制造上述衬底的方法。可以通过用与光敏介质发选拔方向的大(高)入射角入射的参考光束记录全息图，来实现记录该方法。
[0032]根据本发明的一个方面，提供了一种制造全息图的方法，包括:
[0033]用第一光束照射物体，使得从物体散射的光传到光敏介质；
[0034]用与所述第一光束相干的第二光束照射所述光敏介质，其中所述第二光束以相对于光敏介质的法线方向上至少70°的角度入射在所述光敏介质上；并随后制造从光敏介质得到的全息图。
[0035]在一些实施例中，为了记录全息图，可以将光敏介质置于钻机内并用参照光照射，参考光是来自光纤的普通圆形光束，光纤也固定在钻机上。接着可以从光敏介质产生全息图。为了回放，可以将全息图置于相同的钻机内，但是具有在所述钻机内提前布置了光纤的LED。
【专利附图】

【附图说明】
[0036]参考附图，以下只作为示例描述了本发明的优选实施例，其中:
[0037]图1是产生透射全息图像的全息结构的示意图；
[0038]图2a和2b是产生全息图像的全息结构的示意图，其中用反射镜折叠照明光束路径;
[0039]图3是通过反射产生全息图像的全息结构的示意图；
[0040]图4是示出了使用期间的光线的全息图结构的示意性平面视图；
[0041 ] 图5是图4的全息图结构的透视图；
[0042]图6是图4和图5的全息图结构的备选透视图；
[0043]图7是通过经过厚覆盖玻璃照射衬底来产生全息图像的全息结构的示意图；以及
[0044]图8是产生不同深度的多个图像的全息结构的示意图。【具体实施方式】
[0045]记录全息图
[0046]通过在光敏介质中记录由两个相干波前产生的干涉图样来制作全息图，两个相干波列中的一个由物体产生，另一个由参考源产生。光敏介质通常由从诸如玻璃、石英或塑料的材料制成的透明衬底支撑。
[0047]在一个实施例中，光敏介质可以是光敏聚合物层。认为通过记录过程期间的照射来修改这种材料的折射率，增加耦合到光敏聚合物层的效率。
[0048]在另一实施例中，光敏介质可以是凝胶(gelatin)材料中的卤化银。湿加工卤化银材料之后的收缩问题是众所周知的。这种收缩通常改变用于回放全息图的光学条件，增加制作有效高入射角全息图的难度。
[0049]电子记录是可能的，并且正在开发轻薄的数字全息摄像机(参见Hahn J等人在Applied Optics vol50 (24)pp4848_4854，2011)。
[0050]此前，在以相对于法线方向高角度照射的全息图中存在各种问题，但是当将激光器用于回放时大多问题消失。例如，因此高角度下的强烈发散，即产生颜色模糊(chromaticblur)的增加色散，迫使线宽更窄的照明源成为必要。
[0051]照明几何形状
[0052]本发明实施例能够使设备变得紧凑。为了记录全息图，将来自参考源的光以与法向较大的角度(大于70° )入射在记录介质上。处理该记录以便当在特定条件下照射时，例如参考光源22将光重定向到观看重建全息图像26的观察者24(图1)，产生包括提供全息图20的衍射结构的衬底。应理解在附图所示的所有实施例中，来自参考源的光以相对于法线方向至少70°的角度入射到全息图板或衬底。
[0053]在一个实施例中，光路是直的，将照明光束源22置于距全息图较小距离处，以产生紧凑设备(图1)。
[0054]在本发明另一个实施例中，使用平面镜28折叠照明光束的路径。可以将该平面镜28置于与全息图衬底几乎垂直或表面上与该衬底平行(分别为图2a、2b)。
[0055]在另一个实施例中，从正面照射全息图20。反射镜28用于折叠光束路径并以大入射角照射全息图20(图3)。
[0056]全息结构
[0057]以下特别参考附图4到6描述了以掠射角照射全息图的紧凑自包含单元的具体实施例。
[0058]该单元包括深度为2cm的盒体(I)。盒体内是例如由电池保持单元(9)保持的电池(3)供电的激光二极管(2)。在其它实施例中，由可再充电电池或电源或来自计算机的USB向该单元供电。
[0059]由具有相关电子器件的PCB (4)驱动二极管2。二极管光束直接指向位于单元的相对侧的反射镜(5)，该单元将光束中继给包括衍射结构的衬底，所述延迟结构以小于20°的琼射角向衬底的后主表面提供全息图。该示例中，光束以8.5度进入全息图，从反射镜的对应位置到全息图的中心进行测量所述角度。
[0060]该示例中，光束是椭圆形的,光束的长轴与全息图的短尺寸(short dimension)或俯视图(vertical view) 一致。由于类似于LED材料尺寸的狭缝,光束极大地表现为椭圆形。光束的短轴足以所用掠射角照射所述板的整个长度(该实施例中，0.75cm英寸或20mm足以作为光束的短轴，在这一点光束进入全息图)。
[0061]然而，板的垂直范围为2”或50mm，并且光束必须覆盖它首先碰到全息图板的开始点(在其长轴)。
[0062]该单元中，由于是二极管未修改的输出，不需要具有这种特定配置的透镜。由于固态激光器性质，光束是椭圆的。匹配该光束轮廓的狭缝(10)通过排除外来光将激光二极管与全息图隔离。该单元具有用于接通或关闭电源的切换开关(7)。
[0063]图4示出了使用来自激光二极管2的中心射线12和边沿射线14期间的路径，涉及全息图中心16、全息图边缘18和反射镜5的第一表面。
[0064]通过在壳体内部使用光吸收黑色材料(8)来增强全息图像的视图，所述光吸收材料防止在全息图后面看到杂散光或伪像，所述在全息图后看到的杂散光或伪像将与全息图像的清晰视图进行干涉。
[0065]该单元也可配备定时电路，可以以指定间隔警告用户观看全息图。接着定时电路会接通激光二极管以便照射显示器并产生全息图像。
[0066]在本发明另一实施例中，全息图20的平面是厚覆盖玻璃或棱镜30的一个面，而光束折叠反射镜28是相同的厚覆盖玻璃30的端面，这提供了一种具有稳定几何形状的单片式结构(图7)。
[0067]图7是示出了图2a的加固版本，并且更容易保持光学对准。光学组30支持全息图20，并且也包含反射镜28表面。
[0068]在本发明的另一个实施例中，使用一个球面反射镜折叠照射光束的路径。球面反射镜具有有助于扩展参考光束的光功率，能够使用更紧凑的空间。
[0069]在一些实施例中，全息图像可以包括在距全息图衬底的一个或多个预定有限距离处进行重建的图像元素。其它实施例中，全息图像可以包括在无穷远处进行重建的图像元素。
[0070]在图8所示的另一应用中，可以使用由参考光源95照射的全息图90产生的真实光学图像。真实图像100可以投影到可移动屏幕110或表面上，并且在一个应用中，深度计(depth gauge)允许观看者120测量或估计距离，或者通过使用聚焦线索确定哪个全息真实图像与被测物体一致，来确定真实物体的存在。
[0071]在一个实施例中，全息图90产生基准标记(fiducial mark)的二维图像,例如交叉线目标。在另一个实施例中，全息图90以不同距离产生一系列二维图像100。在另一实施例中，全息图90产生网格线的连续三维图像100，以便能够验证连续三维表面。
[0072]例如，这可以应用到对车身面板的测量(大规模)或对细胞的显微测量(小规模)。
[0073]本发明实施例的应用
[0074]紧凑眼科固定目标以能够使用诊断和治疗器械。
[0075]广告
[0076]游戏
[0077]抬头显示器
[0078]视觉敏锐度(acuity)测试[0079]使用不同深度的全息图的立体敏锐度
[0080]对于装配眼镜，使得镜片位于视轴中心。由于在某些情况下小失误造成眼睛疲劳，可以结合瞳孔间距测量系统来使用，以便更加确保针对渐进镜片和其他特殊镜片装配眼镜框。
[0081]针对视觉显示单元或显微镜的眼睛疲劳缓解_2] 优点
[0083]本发明的实施例提供一种简单轻便的光学设备，在无需沉重、复杂和庞大光学系统的前提下实现产生图像的效果。这有利于使用实际的可穿戴式显示器。
[0084]例如，这意味着可以在较小空间内实现人眼的无穷适应(在没有8米光路的前提下)。
[0085]可以在批量生产中以低成本复制全息图。
[0086]根据需要，可以结合和/或交换本发明实施例的特征和修改。
[0087]英国专利申请号为GB1115208.9中的公开和本申请所附摘要中的公开通过引用合并与此，其中本申请要求该英国专利申请的优先权。
【权利要求】
1.一种包括提供全息图的衍射结构的衬底，所述衍射结构对全息图像进行编码，使得响应于参考光以相对衬底主表面的入射角入射在所述衬底主表面上来产生全息图像，其中所述入射角不超过20°。
2.根据权利要求1所述的衬底，其中所述入射角不超过15°，优选地至少为5°，最优选地实质为10°或8.5°和10°之间。
3.根据权利要求1或2所述的衬底，其中响应于参考光以相对所述衬底主表面的所述入射角入射在衬底主表面的外表面上，来产生所述全息图像。
4.根据前述任一权利要求所述的衬底，其中所述衬底的主表面形成衬底与真空或流体之间的界面。
5.根据权利要求4所述的衬底，其中所述流体是空气。
6.根据前述任一权利要求所述的衬底，其中所述衬底的衍射结构提供透射全息图。
7.根据前述任一权利要求所述的衬底，包括卤化银。
8.根据权利要求7所述的衬底，其中所述卤化银的颗粒尺寸不超过20nm。
9.一种全息图结构，包括:根据前述任一权利要求所述的衬底和参考光源，其中所述参考光源设置用于将参考光以所述入射角入射到所述衬底主表面上。
10.根据权利要求9所述的全息图结构，其中所述光源配置为发射P偏振的参考光。
11.根据权利要求9或10所述的全息图结构，其中所述参考光源是相干或实质上相干的光源，优选地是激光二极管。
12.根据权利要求9到11中任一项所述的全息图结构，包括反射表面，所述反射表面设置为向所述衬底主表面反射来自参考光源的参考光。
13.根据权利要求9到12中任一项所述的全息图结构，其中所述衍射结构具有长度和垂直于所述长度的宽度，所述长度垂直于以所述入射角入射的参考光的传播方向，其中所述结构配置为引起来自参考光源的参考光沿平行于所述衍射结构的长度的方向发散，以便至少照射所述衍射结构的整个长度。
14.一种制造全息图的方法，包括: 用第一光束照射物体，使得从物体散射的光传到光敏介质； 用与所述第一光束相干的第二光束照射所述光敏介质，其中所述第二光束以相对于光敏介质的法线方向至少70°的角度入射在所述光敏介质上；并随后制造从光敏介质得到的全息图。
15.根据权利要求14所述的方法，其中制造全息图包括制造根据权利要求1至8中任一项所述的衬底。
【文档编号】G03H1/04GK104024959SQ201280053281
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2012年8月31日 优先权日:2011年9月2日
【发明者】西蒙·理查德·吉奥弗里·霍尔, 理查德·弗雷德里克·史蒂文斯 申请人:英国政府商业创新与技能部