一种体全息光栅及其制备系统、复制加工结构、波导结构的制作方法

1.本实用新型涉及显示设备技术领域，特别涉及一种体全息光栅及其制备系统、复制加工结构、波导结构。


背景技术：

2.头戴式显示器包括微型显示器和光学系统；其中，光学系统将来自微型显示器的图像投射到用户眼睛，以使用户看到真实世界。因而，头戴式显示器具有实用性和休闲的应用，例如，航空和航天应用领域允许飞行员看见重要的飞行控制信息而不必使他们的眼睛离开飞行路径；公共安全领域应用包括地图和热成像的战术显示；其他领域的应用还包括视频游戏、交通运输和无线电通信等。
3.一种典型的头戴式显示器涉及光栅和光波导，将来自微投影仪的光线通过准直光学系统入射到光波导，在光波导上设置有体全息光栅，对输入光进行衍射，改变输入光的传播方向，使之耦合到光波导中，进入光波导的入射光线满足全内反射条件，向光波导的另一端传播；在光波导的另一端设置有另一体全息光栅，将光线耦出波导，投射到用户眼睛，从而实现同时在两个维度上扩展输入光，获得更大的出射光瞳，减小装置的整体尺寸。
4.然而，体全息光栅具有角度和波长选择性，整个光栅面只对一定波段内的光波发生衍射，一般在获得高衍射率的同时，难以获得较大的角度带宽。现有技术中，一般采用对光栅的衍射响应角度做连续变换的方法制备k矢量连续变换光栅，以获得较大的角度带宽。k矢量连续变换光栅在制备时，要通过连续变化物光和参考光的方式，在全息材料中记录渐变的干涉光场。但受限于曝光材料的均匀性，制备工艺繁琐等因素，该k矢量连续变换的光栅难以做工业化规模化批量生产。


技术实现要素：

5.本实用新型的主要目的是提出一种体全息光栅及其制备系统、复制加工结构、波导结构，旨在获得角度带宽较大、衍射率较为均匀，且便于加工和复制的光栅结构。
6.为实现上述目的，本实用新型一实施例提出了一种体全息光栅，包括：光敏材料及记录在所述光敏材料上的多个以二维阵列形式排列的连续光栅区域；
7.沿着阵列的行方向和列方向的所述光栅区域的光栅矢量离散渐变。
8.优选地，每一所述光栅区域具有不同的曝光调制特性。
9.本实用新型另一实施例提出了一种体全息光栅的制备系统，包括：计算机控制器、光路系统、运动平台及待加工的光敏材料；其中，
10.所述待加工的光敏材料通过折射率匹配液平行粘合于一基片上，固定于所述运动平台上；
11.所述运动平台用于控制所述待加工的光敏材料沿行方向和列方向移动；
12.所述光路系统包括：
13.激光器和第一分光棱镜，所述第一分光棱镜用于将激光光束分为对所述待加工的
光敏材料进行曝光的物光和参考光；
14.在所述物光光路上依次布置有准直扩束系统、第二分光棱镜、第一反射镜、第二反射镜、光阑、第一扩束器、第一准直透镜和第一聚焦透镜；且所述第二分光棱镜的反射光路上设置有一空间光调制器；
15.在所述参考光光路上依次布置有第三反射镜、第二扩束器、第二准直透镜和第二聚焦透镜；
16.其中，所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜均安装在相应的电控旋转台上，用于控制物光和参考光对所述待加工的光敏材料的入射角度；
17.所述计算机控制器，与所述激光器、空间光调制器和运动平台连接，用于输出控制信号。
18.优选地，在所述待加工的光敏材料上曝光时的所述物光与参考光之间的夹角为30
°
～70
°
。
19.优选地，每一次移动曝光位置时的夹角改变值为3
°
～15
°
。
20.优选地，每一次曝光时间为10s～60s。
21.本实用新型又一实施例提出了一种体全息光栅的复制加工结构，包括：光敏材料、基片及上述实施例所述的体全息光栅，所述体全息光栅用于作为全息母版；
22.所述全息母版与所述光敏材料分别平行贴合于所述基片的两面。
23.优选地，所述基片为固体基底、柔性透明基底的任意一种。
24.本实用新型又一实施例提出了一种体全息光栅波导结构，包括：光源、波导、耦入元件及耦出元件，其中，所述耦出元件采用上述实施例所述的体全息光栅，所述耦入元件和所述耦出元件设置于所述波导上，且所述波导的折射率等于所述体全息光栅的平均折射率。
25.优选地，所述耦入元件包括：上述实施例所述的体全息光栅、棱镜光栅或浮雕光栅三者中的任意一种。
26.本实用新型的技术方案提供的离散变k矢量的体全息光栅为以二维阵列形式排列的光栅区域阵列，可以达到较大的角度带宽，且衍射率较为均为，同时便于加工和复制，制备成本低，有利于大规模量产。
附图说明
27.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
28.图1为本实用新型实施例一提供的体全息光栅的平面俯视图；
29.图2为本实用新型实施例一提供的体全息光栅在某一行方向上的制备光路图；
30.图3为本实用新型实施例二提供的体全息光栅的制备系统的结构示意图；
31.图4为本实用新型实施例三提供的体全息光栅的复制加工结构的示意图；
32.图5为本实用新型实施例四一优选实施方式提供的体全息光栅波导结构的示意图；
33.图6为本实用新型实施例四一优选实施方式提供的体全息光栅波导结构中的耦入元件和耦出元件的平面俯视图；
34.图7为本实用新型实施例四另一优选实施方式提供的体全息光栅波导结构的示意图；
35.图8为本实用新型实施例四又一优选实施方式提供的体全息光栅波导结构中的耦入元件和耦出元件的平面俯视图。
具体实施方式
36.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
37.需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
38.另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，若全文中出现的“和/或”或者“及/或”，其含义包括三个并列的方案，以“a和/或b”为例，包括a方案、或b方案、或a和b同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
39.实施例一
40.请参照图1，其示出了一种体全息光栅的平面俯视图。
41.本实施例提出一种体全息光栅，包括：光敏材料及记录在所述光敏材料上的多个以二维阵列形式排列的连续光栅区域；
42.沿着阵列的行方向和列方向的所述光栅区域的光栅矢量离散渐变。
43.具体的，体全息光栅是指被记录于光敏材料中的物光和参考光的干涉光场，也即干涉条纹，光栅矢量k定义为物光光波矢量与参考光光波矢量的差值，也可通过k＝2π/λ求得，其中，λ为光栅周期。
44.在一优选实施方式中，所述体全息光栅被形成为5
×
5光栅区域阵列，沿着阵列的行方向和列方向上的所述光栅区域通过逐步改变物光和参考光的入射角度，以实现逐次改变物光与参考光之间的夹角，及其夹角的中心线与光栅平面之间的夹角，对应于沿着阵列的行方向和列方向上的所述光栅区域的光栅周期及倾斜角离散渐变，也即所述光栅区域的光栅矢量离散渐变。在所述光栅区域阵列中获得了角度带宽的叠加，使更多角度的耦入光入射所述体全息光栅时，满足所述光栅区域的布拉格条件发生衍射现象。因此，将本实施例所述的光栅区域阵列应用于波导显示器的耦出元件中，可扩展可利用的角度带宽。
45.请一并参阅图2，其示出了一种体全息光栅在某一行方向上的制备光路图。
46.所述待加工的光敏材料11通过折射率匹配液平行粘合于一基片12上，当被准直波长为λ的单色光束经分光光路后，所述物光21从所述基片12的一侧入射到所述待加工的光敏材料11的当前曝光位置，所述参考光22直接入射到所述当前曝光位置，所述物光21与所述参考光22发生干涉，且投射方向之间形成一个夹角，为30
°
～70
°
。
47.优选的，本实施例采用分次曝光的方式记录变k矢量体全息光栅，具体过程为：在光栅平面的某一行方向上确定曝光的初始位置，先让两干涉光束在所述初始位置进行曝光，曝光时间为10s～60s，记录第一光栅区域11a；然后，通过控制物光与参考光的入射角度，以逐次增大两干涉光束之间的夹角，优选的，所述夹角改变值为3
°
～15
°
，并改变物光与参考光在该方向上的曝光位置，继续进行第二光栅区域11b的曝光；接着，继续增大两干涉光束之间的夹角并移动曝光位置，进行第三光栅区域11c的曝光，从而形成该行方向上变k矢量的光栅区域；以此类推，在所要形成的光栅区域阵列的其他行方向或列方向上同样采用上述分次曝光的方式，最终，记录以二维阵列形式排列的连续光栅区域；之后，对曝光得到的全息记录材料进行后续处理，如紫外光固化，加热后获得离散变k矢量的体全息光栅。
48.需要说明的是，所述阵列的行方向和列方向上的所述光栅区域的数量和大小由所述光敏材料的尺寸及应用时显示器的分辨率所确定，这些可根据具体情况进行设置，在此不做具体限制。
49.在另一优选实施方式中，每一所述光栅区域具有不同的曝光调制特性，具体为，在每一所述光栅区域以调制曝光量的方式以产生不同的衍射效率。由于光栅波导结构在显示应用中，光线在波导及光栅横向传输过程中能量会逐渐降低，从而导致图像显示的亮度均匀性不好，因此，针对每一所述光栅区域，还调制光信号的曝光量来优化光线能量分布，具体的，每一所述光栅区域的光信号的曝光量由光束强度和曝光时间来确定，因此，可通过调制光束强度，配合曝光时间来控制光信号的曝光量，从而形成具有不同的曝光调制特性的光栅区域阵列，使得应用于波导显示器时提高显示均匀性。
50.实施例二
51.请参阅图3，其示出了一种体全息光栅的制备系统的结构图。
52.本实施例提出一种体全息光栅的制备系统，用于制备实施例一所述的离散变k矢量的体全息光栅，包括：计算机控制器31、光路系统、运动平台33及待加工的光敏材料11；其中，所述待加工的光敏材料11通过折射率匹配液平行粘合于一基片12上，固定于所述运动平台33上；所述运动平台33用于控制所述待加工的光敏材料11沿行方向和列方向移动；所述光路系统包括：激光器201和第一分光棱镜202，所述第一分光棱镜202用于将激光光束分为对所述待加工的光敏材料11进行曝光的物光和参考光；在所述物光光路上依次布置有扩束准直系统211、第二分光棱镜212、第一反射镜213、第二反射镜214、光阑215、第一扩束器216、第一准直透镜217和第一聚焦透镜218；且所述第二分光棱镜212的反射光路上设置有一空间光调制器219；在所述参考光光路上依次布置有第三反射镜221、第二扩束器222、第二准直透镜223和第二聚焦透镜224；其中，所述第一反射镜213、第二反射镜214、第三反射镜221均安装在相应的电控旋转台上，用于控制物光和参考光对所述待加工的光敏材料11的入射角度；所述计算机控制器31，与所述激光器201、空间光调制器219和运动平台33连接，用于输出控制信号。
53.优选的，扩束准直系统211由第三扩束器和第三准直透镜组成，用于将所述激光器
201发射出的高斯光束扩束整型成为能量均匀分布的平顶光束，当然，所述扩束准直系统211还可以被替换为光束整型器件，如衍射光学器件、自由曲面等，这些均在本实施例的保护范围之内，在此不做限制。
54.具体的，所述计算机控制器31输出的激光控制信号，用于控制所述激光器201开启或关闭；所述激光器201接收到开启信号后，产生单束激光并传输至所述第一分光棱镜202，得到物光和参考光；在物光光路模块中，通过所述扩束准直系统211对物光进行扩束整型，得到较为均为的曝光光束；物光继续传播，经过所述第二分光棱镜212后被所述第一反射镜213和第二反射镜214反射，这两个反射镜安装在电控旋转台上，相互配合，可以使得物光离开所述第二反射镜214时获得一个预设的角度；之后，物光经过所述光阑215后得到具有一定宽度的光束，再经扩束准直后被所述第一聚焦透镜218聚焦成所需尺寸的物光光斑，入射到所述待加工的光敏材料11；在参考光光路模块中，先通过所述第三反射镜221改变参考光的传播方向，该反射镜同样安装在电控旋转台上，可以提供一定倾角的入射光；之后，参考光同样经过扩束整型后被所述第二聚焦透镜224聚焦成所需尺寸的参考光光斑，入射到所述待加工的光敏材料11；所述光阑215用于控制物光需要入射在所述待加工的光敏材料11上的位置，使物光和参考光以一定的夹角在所述待加工的光敏材料11发生干涉，优选的，所述夹角为30
°
～70
°
。
55.需要说明的是，所述第一扩束器216、第一准直透镜217、第一聚焦透镜218和所述第二扩束器222、第二准直透镜223和第二聚焦透镜224分别将物光和参考光扩束准直后聚焦成细小的高功率密度光斑，使得它们在所述待加工的光敏材料11上曝光的光栅区域边缘清晰锐利，大大减少了相邻光栅区域间的相互串扰。
56.当需要在所述待加工的光敏材料11上记录以二维形式排列的具有变k矢量的连续光栅区域时，通过所述计算机控制器31向所述运动平台33发送运动控制信号；具体的，所述运动平台33设置有水平方向运动电机和竖直方向运动电机，当接收到运动控制信号后，控制自身在水平方向或竖直方向移动，以使物光与参考光在所述待加工的光敏材料11的曝光位置在行方向或列方向上移动；所述曝光位置每移动一次，通过旋转所述第一反射镜213和第二反射镜214改变物光的入射角度，同时旋转所述第三反射镜221改变参考光的入射角度，以逐次改变物光与参考光的夹角，依次曝光并形成光栅区域阵列，优选的，所述夹角改变值为3
°
～15
°
，且每一次曝光时间为10s～60s。
57.优选的，所述计算机控制器31还用于向所述空间光调制器219发送光控制信号，所述空间光调制器219用于将物光部分激光转换为光学编码图像，并根据接收到的光控制信号，调制物光的振幅，并写入物光光束中，达到调制物光的强度的目的；由于光束的曝光量由光束强度和曝光时间决定，通过所述计算机控制器31在每一光栅区域进行曝光时，同步控制所述激光器201和所述空间光调制器219，实现对激光光束的曝光量的调制，优化整个光栅区域阵列的光线能量分布。
58.实施例三
59.请参阅图4，其示出了一种体全息光栅的复制加工结构的示意图。
60.本实施例提出一种体全息光栅的复制加工结构，包括：光敏材料41、基片42及实施例一所述的体全息光栅，所述体全息光栅用于作为全息母版43；所述全息母版43与所述光敏材料41分别平行贴合于所述基片42的两面。
61.具体的，所述基片42为固体基底、柔性透明基底的任意一种。
62.具体实施时，参考光束401入射到所述全息母版43，再现物光光束402，且所述参考光束401与所述物光光束402在所述光敏材料41上发生干涉，记录所述全息母版43的副本。
63.需要说明的是，参考光束可分次以不同角度照射全息母版的不同光栅区域，也可用不同入射角度的参考光束同时照射全息母版，从而达到批量复制加工的目的。
64.进一步的，所述参考光束401的光源可为单色光，也可具有三种不同的波长：分别在红色、绿色和蓝色光谱范围内。复制照射时，可以通过单色光或多个颜色光束同时对光敏材料进行曝光，也可以通过不同颜色的相干激光光束依次对光敏材料进行曝光，这些均可根据实际需要进行设置，均在本实施例的保护范围之内，在此不做限制。
65.实施例四
66.本实施例提出一种体全息光栅波导结构，包括：光源51、波导52、耦入元件53及耦出元件54；其中，所述耦出元件54采用实施例一所述的体全息光栅，所述耦入元件53和所述耦出元件54设置于所述波导52上，且所述波导52的折射率等于所述体全息光栅的平均折射率。
67.优选的，所述波导52为透明的平行波导，为可见光透明的光学材料构成的平板结构；所述平行波导上下表面平行，波导材料折射率等于所述体全息光栅的平均折射率。具体实施时，所述光源51产生并发射携带图像信息的光束，光束经过所述平行波导52透射后，由所述耦入元件53耦入到所述平板波导52内发生全反射，直到所述耦出元件54将光束耦出，投射到佩戴者的眼睛。
68.请参阅图5和图6，在一优选实施方式中，所述耦入元件53与所述耦出元件54均采用实施例一所述的体全息光栅。采用实施例一所述的离散变k矢量的体全息光栅作为波导显示器的耦入、耦出元件，优化波导显示器的光线能量计较度分布，有效提高显示器的显示均匀度和视场角。
69.请参阅图7，在另一优选实施方式中，所述耦入元件53可以被替换为棱镜光栅，由于冷加工的棱镜光栅更易于加工制造，可进一步简化波导显示器的光学系统，降低显示系统制备成本。
70.请参阅图8，在又一优选实施方式中，所述耦入元件53还可以被替换为浮雕光栅；因波导显示器中的耦入元件一般要求面积较小，对光栅的曝光精度更高，而所述浮雕光栅制备工艺成熟，满足精度要求，适用于高精度要求的应用。
71.以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的发明构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。