基于全息光学元件的全息透镜4f光学系统的制作方法

本发明涉及全息光学元件记录技术、全息透镜和4f光学系统，特别涉及基于全息光学元件的全息透镜4f光学系统。

背景技术：

随着计算机技术以及电光调制器件的飞跃式发展，计算全息3d显示也得到巨大突破，尤其近年来计算全息在头戴式增强现实(ar)全息3d显示方面的研究越来越多。计算全息是基于光的干射原理利用计算机绘制物体的全息图，然后利用空间光调制器加载全息图，并基于光的衍射原理实现全息3d再现。全息图的灰度值可以使空间光调制器上对应的每个像素单元产生不同的相位。因此，当准直激光照射到空间光调制器上时，空间光调制器对每个像素单元的光线的相位进行调制，从而在空间中再现出3d图像。但由于空间光调制器具有离散化像素结构，再现时会存在多级衍射像。因此，为了消除其他级次衍射像，通常做法是利用4f光学系统进行滤波处理，以消除不需要级次的再现3d图像。传统4f光学系统一般采用玻璃材质的凸透镜，其加工成本高且重量大，不利于头戴式ar全息3d显示的轻量化和集成化。

技术实现要素：

为解决头戴式ar全息3d显示的轻量化和集成化问题，本发明提出基于全息光学元件的全息透镜4f光学系统，该系统主要由具有傅里叶透镜功能的全息透镜1和全息透镜2组成，通过在全息透镜1和全息透镜2间放置合适的滤波器对输入平面波信号进行空间滤波，该系统的结构如附图1所示。在该系统中，输入平面波以θ夹角倾斜照射到全息透镜1上，经过全息透镜1的傅里叶变换后在其焦平面处得到输入平面波的空间频谱，通过在全息透镜1的焦平面处放置合适的滤波器对输入平面波的空间频谱进行滤波处理，滤波后的空间频谱再经过全息透镜2的傅里叶逆变换得到所需要的平面波并以θ夹角倾斜输出，从而实现了该系统的空间滤波功能。

所述具有傅里叶透镜功能的全息透镜1的制作方法如附图2所示，平面波i经过傅里叶透镜成为会聚的球面波并垂直照射到全息干板1上，此时全息干板1紧贴傅里叶透镜；平面波ii从相反方向以θ夹角倾斜照射到全息干板1上，然后对全息干板1进行全息曝光，记录下两光波的干涉条纹，曝光完成后再经过后处理便制得全息透镜1。

所述具有傅里叶透镜功能的全息透镜2的制作方法如附图3所示，平面波i经过傅里叶透镜成为会聚球面波，当此会聚球面波传播到傅里叶透镜的两倍焦距处时变成相位共轭的发散球面波，并在此处放置全息干板2，使发散球面波垂直照射到全息干板2上；平面波ii从相反方向以θ夹角倾斜照射到全息干板2上，然后对全息干板2进行全息曝光，记录下两光波的干涉条纹，曝光完成后再经过后处理便制得全息透镜2。

附图说明

附图1为基于全息光学元件的全息透镜4f光学系统的结构示意图

附图2为具有傅里叶透镜功能的全息透镜1制作方法示意图

附图3为具有傅里叶透镜功能的全息透镜2制作方法示意图

上述附图中的图示标号为：

(1)全息透镜1；(2)全息透镜2；(3)平面波i；(4)平面波ii；(5)会聚球面波；(6)发散球面波；(7)输入平面波；(8)输出平面波；(9)傅里叶透镜；(10)全息干板1；(11)全息干板2；(12)全息透镜1的焦平面；(13)滤波器。

应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。

具体实施方式

下面详细说明本发明基于全息光学元件的全息透镜4f光学系统的一个典型实施例，对本发明进行进一步的具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

本发明提出的基于全息光学元件的全息透镜4f光学系统，该系统主要由具有傅里叶透镜功能的全息透镜1和全息透镜2组成，通过在全息透镜1和全息透镜2间放置合适的滤波器对输入平面波信号进行空间滤波，该系统的结构如附图1所示。在该全息透镜4f光学系统中，输入平面波以θ＝45°夹角倾斜照射到全息透镜1上，经过全息透镜1的傅里叶变换后在其焦平面处得到输入平面波的空间频谱，通过在全息透镜1的焦平面处放置合适的滤波器对输入平面波的空间频谱进行滤波处理，滤波后的空间频谱再经过全息透镜2的傅里叶逆变换得到所需要的平面波并以θ＝45°夹角倾斜输出，从而实现了该全息透镜4f光学系统的空间滤波功能。

本实施例制作具有傅里叶透镜功能的全息透镜所需器件有激光器、电子快门、空间滤波器、分束镜、准直透镜、反射镜、光阑、傅里叶透镜和全息干板。本实施例所使用的光源为绿色固体激光器，型号为msl-fn-532-s，波长为532nm，功率为400mw；空间滤波器的物镜放大倍数为60×，针孔直径为ф1＝25um；分束镜分光比为1:1；准直透镜的直径为ф2＝100mm，焦距为f＝170mm；光阑尺寸为50mm×50mm；傅里叶透镜的直径为ф3＝75mm，焦距为f＝100mm；全息干板由光致聚合物材料涂敷在透明基板上制成，光致聚合物材料的敏感波长为λ＝532nm，聚合物厚度为h＝15±1um，材料折射率为n＝1.47，折射率调制度为δn>0.02，感光灵敏度为10mj/cm²。

本实施例所述具有傅里叶透镜功能的全息透镜1的制作方法如附图2所示，平面波i经过傅里叶透镜后成为会聚球面波并垂直照射到全息干板1上，此时全息干板紧贴傅里叶透镜；平面波ii从相反方向以θ＝45°夹角倾斜照射到全息干板1上，然后对全息干板1进行全息曝光，记录下两光波的干涉条纹，曝光完成后再经过后处理便制得全息透镜1，制得的全息透镜1的尺寸为50mm×50mm；焦距为f1＝100mm。

本实施例所述具有傅里叶透镜功能的全息透镜2的制作方法如附图3所示，平面波i通过傅里叶透镜变成会聚球面波，当此会聚球面波传递到傅里叶透镜的两倍焦距处时变成相位共轭的发散球面波，并在此处放置全息干板2，使发散球面波垂直照射到全息干板2上；平面波ii从相反方向以θ＝45°夹角倾斜照射到全息干板2上，然后对全息干板2进行全息曝光，记录下两光波的干涉条纹，曝光完成后再经过后处理便制得全息透镜2，制得的全息透镜2的尺寸为50mm×50mm；焦距为f2＝100mm。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种基于全息光学元件的全息透镜4f光学系统，该系统主要由具有傅里叶透镜功能的全息透镜1和全息透镜2组成，通过在全息透镜1和全息透镜2间放置合适的滤波器对输入平面波信号进行空间滤波。在该系统中，输入平面波以θ夹角倾斜照射到全息透镜1上，经过全息透镜1的傅里叶变换后在其焦平面处得到输入平面波的空间频谱，通过在全息透镜1的焦平面处放置合适的滤波器对输入平面波的空间频谱进行滤波处理，滤波后的空间频谱再经过全息透镜2的傅里叶逆变换得到所需要的平面波并以θ夹角倾斜输出，从而实现了该系统的空间滤波功能。

技术研发人员：王琼华;何岷阳;邓欢;张汉乐;王勇
受保护的技术使用者：成都华屏科技有限公司;四川大学
技术研发日：2019.05.30
技术公布日：2019.09.03