本發(fā)明屬于全息光柵波導(dǎo)顯示技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種漸變體全息光柵及其制作方法與裝置。

背景技術(shù)：

全息波導(dǎo)顯示技術(shù)擁有屏幕大，隱私性好，解放雙手，體積小，重量輕等優(yōu)點，是一種很具有發(fā)展?jié)摿Φ男屡d顯示技術(shù)，在近年來得到的廣泛的關(guān)注。

常見的全息波導(dǎo)顯示器件利用LCD，LCOS，OLED等二維圖像生成設(shè)備作為圖像源，通過準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)將圖像源發(fā)出的光準(zhǔn)直，入射到光波導(dǎo)上。光波導(dǎo)一般為玻璃或者PMMA等透明光學(xué)材料制成。其上設(shè)置有體全息光柵，可以對輸入光進(jìn)行衍射，改變輸入光的傳播方向，使之可以在光波導(dǎo)內(nèi)，以全反射的形式向光波導(dǎo)的另一端傳播。在光波導(dǎo)的另外一段設(shè)置有另一片體全息光柵，可以將在波導(dǎo)中以全反射形式傳播的光線耦合出波導(dǎo)，并進(jìn)入人眼，使人能看到一個成像在無窮遠(yuǎn)處的虛像。

然而，由于體全息光柵所固有的波長選擇性和角度選擇性，一般在獲得高衍射效率的同時，難以獲得較大的角度帶寬。為了擴(kuò)大視場，一般會設(shè)置多層體全息光柵，分別對應(yīng)于不同的視差。這些視場拼接后，可以獲得一個較大的角度帶寬。多塊拼接一般可以分為兩種方式，一種是利用全息材料的復(fù)用性，在同一區(qū)域內(nèi)復(fù)用多個全息光柵。這種方式加工方便，但復(fù)用的體全息光柵個數(shù)卻較為有限，因為隨著復(fù)用的體全息數(shù)量的增加，每個體全息光柵可獲得的折射率調(diào)制度都會減少，從而使衍射效率下降。另一種方式是在幾層的全息記錄材料上分別記錄對應(yīng)于不同視場的體全息光柵，然后將這幾層全息記錄材料層疊起來。這樣的方式不會引起單層衍射效率下降的問題，但每層全息記錄材料都會吸收并反射一部分入射光的能量，因此層疊的數(shù)量不能太多，否則對應(yīng)于外側(cè)體全息光柵的視場的亮度就會很低。

另外，由于耦合出射的光柵位置一定，而出射的角度不同，因此，到達(dá)人眼平面時，有很大一部分的光并不能進(jìn)入目標(biāo)出瞳的位置，造成了較大的光能浪費，降低了系統(tǒng)的能量利用效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有全息波導(dǎo)顯示的不足，提出一種漸變體全息光柵及其制作方法與裝置。

一種漸變體全息光柵，包括記錄有光柵條紋的全息記錄材料，在垂直全息記錄材料厚度的某一方向，光柵條紋的周期與傾斜角單調(diào)連續(xù)變化，且光柵矢量在該方向的分量保持不變。

具體的，所述的全息記錄材料呈長方體形，光柵條紋在長度向排列，所述光柵條紋的周期與傾斜角在長度方向單調(diào)連續(xù)變化，且光柵矢量在長度方向的分量保持不變。

優(yōu)選的，所述的全息記錄材料為光致聚合物、重鉻酸鹽明膠或鹵化銀明膠。

一種制備漸變體全息光柵的裝置，包括：

激光光源和分束鏡，所述分束鏡用于將激光光束分為對全息記錄材料進(jìn)行連續(xù)曝光的物光和參考光；

依次布置在所述物光光路上的第一可變中性密度片、第一擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)、第一可旋轉(zhuǎn)反射鏡、第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡、第一狹縫和直角棱鏡；

依次布置在所述參考光光路上第二可變中性密度片、第二擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)、第三可旋轉(zhuǎn)反射鏡和第二狹縫；

所述的第一可旋轉(zhuǎn)反射鏡、第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡和第三可旋轉(zhuǎn)反射鏡均安裝在電控旋轉(zhuǎn)臺上，用于控制物光和參考光對全息記錄材料的入射角度；

所述的第一狹縫、第二狹縫以及安裝第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡的電控旋轉(zhuǎn)臺均安裝在電動位移臺上，用于控制物光和參考光曝光的位置。

優(yōu)選的，所述的第一擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)和第二擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)為用于將高斯光束擴(kuò)束整型成為能量均勻分布的平頂光束的光束整型器件。

進(jìn)一步優(yōu)選的，所述的第一擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)包括依次布置的第一擴(kuò)束鏡和第二擴(kuò)束鏡，所述的第二擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)包括依次布置第一準(zhǔn)直鏡(307)，第二準(zhǔn)直鏡。

并列優(yōu)選的，所述的第一擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)和第二擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)為衍射光學(xué)器件、自由曲面或工程漫射體(Engineered diffuser^TM)。

優(yōu)選的，所述的全息記錄材料通過折射率匹配液粘在所述直角棱鏡的直角邊上。

一種制備漸變體全息光柵的方法，包括步驟：

1)根據(jù)中心入射光線角度θ_in0、出射光線角度θ_out0、入射光線波長以及全息記錄材料折射率n，計算出中心視場所對應(yīng)的光柵波矢K和整個視場的入射角度θ_in和出射角度θ_out的關(guān)系函數(shù)θ_in＝f(θ_out)；

2)根據(jù)要求的眼距，計算視場中的每個θ_out對應(yīng)的光線在體全息光柵上的出射位置P；

3)根據(jù)人眼入瞳大小，設(shè)置狹縫為入瞳大小的一半，通過光線追跡計算狹縫位置；

4)同步控制物光的入射角度為θ_out和參考光的入射角度為θ_in，并控制狹縫的位置，在全息記錄材料上進(jìn)行連續(xù)曝光；

5)對曝光得到的全息記錄材料進(jìn)行后處理，獲得漸變體全息光柵。

進(jìn)一步的，在步驟5)中，所述的后處理為采用UV光進(jìn)行整片曝光，固化光柵條紋。

與現(xiàn)有的體全息光柵相比，本發(fā)明的主要優(yōu)點如下：

1、可以達(dá)到較大的角度帶寬；

2、在角度帶寬范圍內(nèi)，衍射率較為均勻；

3、通過合理的設(shè)計，可以達(dá)到較高的衍射效率。

附圖說明

圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2為體全息光柵對入射光調(diào)制作用的說明圖；

圖3為漸變體全息光柵制作裝置圖；

圖4為漸變體全息光柵應(yīng)用于大視角全息波導(dǎo)顯示時結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

如圖1中的漸變體全息光柵102，在切向方向101，體全息光柵的周期d 103以及傾斜角度單調(diào)連續(xù)的發(fā)生變化，但光柵矢量(K＝2π/d，圖1中105)的切向分量(圖1中106)保持一致，使同一角度的入射光在被體全息光柵衍射后，其出射方向一致，以保證用于波導(dǎo)顯示系統(tǒng)時不會產(chǎn)生串?dāng)_以及鬼像。

方案原理：體全息光柵可以由雙光束干涉得到，假設(shè)兩光束的數(shù)學(xué)表達(dá)式為和其中，r為空間位置矢量，A₁和A₂分別為兩光束的振幅，k₁和k₂為兩光束的波矢，和為兩光束的初始相位。兩束光在全息記錄材料上干涉時，其光強(qiáng)分布為：

記錄的光柵的周期與光強(qiáng)分布周期一致，為2π/|k₂-k₁|，波矢為：

K＝k₂-k₁ (2)

光柵的對比度為：

當(dāng)A₁＝A₂時，條紋對比度最大，為1。光柵的衍射效率與光柵對比度成正相關(guān)，對比度越高，衍射效率越高。

由圖1可知，對于眼睛的入瞳107，不同視場所對對應(yīng)的光線(圖1中108、109、110)在體全息光柵102上出射位置(圖1中111、112、113)不同，因此，可以把對應(yīng)于不同視場的體全息光柵在空間上錯開。但視角是連續(xù)的，而且眼睛的入瞳也有一定的寬度，所以對應(yīng)于不同視場的體全息光柵在空間上重疊的情況是無法避免的。當(dāng)一束光入射到這個重疊區(qū)域時，會同時被這些光柵調(diào)制，產(chǎn)生多束出射光，如果這些出射光不同保證是相同的出射方向，則會產(chǎn)生串?dāng)_，導(dǎo)致顯示的圖像出現(xiàn)模糊，甚至是鬼像。因此我們必須采用一定的手段來避免串?dāng)_的影響。

當(dāng)一束光線入射體全息光柵時，光柵對入射光的作用如圖2所示。101和202代表切向方向和法向方向，203代表入射光線的波矢k_in，204代表光柵的波矢K，205代表一級衍射光波矢k_d。由動量守恒可知，k_d＝k_in+K(矢量加法)。當(dāng)一級衍射光離開光柵區(qū)域，進(jìn)入波導(dǎo)時，在分界面上，k_d的切向分量，即在101方向上的分量保持不變，而法向分量發(fā)生突變，以保證波矢的模為2πn/λ，其中n為波導(dǎo)折射率，λ為入射光波長。一般情況下，光柵區(qū)域的平均折射率和波導(dǎo)的折射率相差較小，可視為一致，則出射光的波矢為k_out，206代表波矢k_out。

由此可知，當(dāng)同一束光入射到幾個波矢不一樣的光柵上時，如果這幾個光柵的波矢在切向方向的分量相同，則其出射光方向相同，那么即使多個體全息光柵在同一區(qū)域重疊，也不會造成串?dāng)_。同時這也保證了對于各個體全息光柵，其入射角度與出射角度關(guān)系曲線都是一致的。

設(shè)計本申請中的體全息光柵時，必須還要考慮衍射效率，因為體全息光柵一般角度帶寬都比較窄，即只有在一個較小的角度范圍內(nèi)入射，才能獲得較高的衍射效率。因此，需要合理的設(shè)計，才能使目標(biāo)光線以一個較高的衍射效率被耦合出去。當(dāng)制作漸變體全息光柵時，從上述的入射角度和出射角度關(guān)系曲線中抽取一個點(θ_in0，θ_out0)，并以其作為兩束平行光的入射角度。讓這兩束光相干涉而得到的體全息光柵，其衍射效率和入射角度關(guān)系曲線的最高點，即為這里的入射角度θ_in0，被光柵衍射后的出射方向為出射角度θ_out0，這樣就可以獲得需要的衍射效率分布。

如圖3所示的制作漸變體全息光柵的裝置，包括：依次放置的激光光源301，分束鏡302，第一可變中性密度片303，第二可變中性密度片304，第一擴(kuò)束鏡305，第二擴(kuò)束鏡306，第一準(zhǔn)直鏡307，第二準(zhǔn)直鏡308，反射鏡309，第一可旋轉(zhuǎn)反射鏡310，第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡311，第三可旋轉(zhuǎn)反射鏡312，第一電動位移臺313，第一狹縫314，第二狹縫315，直角棱鏡316，全息記錄材料317，第二電動位移臺318，第三電動位移臺319。

其中，第一可旋轉(zhuǎn)反射鏡310，第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡311，第三可旋轉(zhuǎn)反射鏡312均安裝在相應(yīng)的電控旋轉(zhuǎn)臺上，第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡311的旋轉(zhuǎn)臺安裝在第一電動位移臺313上，可以沿著101方向精確移動。第一狹縫314和第二狹縫315的大小可以調(diào)節(jié)，并也分別安裝在第二電動位移臺318和第三電動位移臺319上，可以沿著101方向精確移動。第一可旋轉(zhuǎn)反射鏡310、第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡311和第三可旋轉(zhuǎn)反射鏡312的電控旋轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動以及第一電動位移臺313、第二電動位移臺318和第三電動位移臺319的電動位移臺均可以通過電腦來控制。直角棱鏡316和全息記錄材料317通過折射率匹配液粘在一起，且折射率近似相等。

第一擴(kuò)束鏡305，第二擴(kuò)束鏡306，第一準(zhǔn)直鏡307，第二準(zhǔn)直鏡308，也可以被替換為兩個放置于同位置的光束整型器件，如衍射光學(xué)器件(DOE)，或是自由曲面，亦或是Engineered diffuser^TM；其作用是將激光器發(fā)射出的高斯光束擴(kuò)束整型成為能量均勻分布均勻的平頂光束，而且能量利用率比擴(kuò)束截取中間的方式高出很多。

激光光源301為強(qiáng)相干性光源，如單縱模激光器(相干長度>50m)，其波長的選擇和全息記錄材料317相關(guān)，最好在全息記錄材料的最高吸收峰上。

激光器發(fā)出的光經(jīng)過分束鏡302，分為物光320和參考光321兩束光。由波動光學(xué)可知，兩束光干涉時，若其強(qiáng)度相等，則條紋對比度最大。而經(jīng)過分束鏡后，想使得到達(dá)全息記錄材料上兩束光衰減的程度相同是很難的，因此使從分束鏡出射的兩束光分別經(jīng)過第一可變中性密度片303和第二可變中性密度片304，用以調(diào)節(jié)相對強(qiáng)度。之后，物光和參考光分別經(jīng)過第一擴(kuò)束鏡305及第一準(zhǔn)直鏡307，以及第二擴(kuò)束鏡306及第二準(zhǔn)直鏡308組成的擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)，將激光的高斯光束擴(kuò)束并截取中央部分，以獲得較為均勻的曝光光束。

物光320繼續(xù)傳播，被反射鏡309、第一可旋轉(zhuǎn)反射鏡310和第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡311反射，后兩個可旋轉(zhuǎn)反射鏡安裝在電控旋轉(zhuǎn)臺上，相互配合，可以使得物光320離開第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡311時獲得一個之前預(yù)設(shè)的角度，如對全息記錄材料317的入射角為50°。另外，第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡311安裝在第一電控位移臺313上，可以在101方向平移，這樣就可以保證物光320在入射第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡311時，可以入射在第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡311的中心。之后，物光320經(jīng)過第一狹縫314，被直角棱鏡316折射后，入射到全息記錄材料317上。物光320入射在全息記錄材料317上的位置由第一狹縫314決定，而第一狹縫314的位置可由需要入射在全息記錄材料317上的位置P(圖4中418)以及角度θ_out(圖4中417)反向追跡光線得出，第二可旋轉(zhuǎn)反射鏡311的位置同理可得。

參考光321經(jīng)過第二準(zhǔn)直鏡308后被第三可旋轉(zhuǎn)反射鏡312反射，第三可旋轉(zhuǎn)反射鏡312安裝在電動旋轉(zhuǎn)臺上，距離全息記錄材料317的距離為預(yù)設(shè)的人眼距眼鏡的距離(眼距，如30mm)，其可以提供所需的入射角，如+8°。第二狹縫315可用于控制光束的寬度和曝光的位置。

本實施例中，全息記錄材料317，可以為光致聚合物(photopolymer)，也可以為重鉻酸鹽明膠，鹵化銀明膠等，優(yōu)選為光致聚合物，如Bayfol HX薄膜。其厚度一般為5um到20um不等，其折射率調(diào)制率為0.02～0.05左右。

如圖4所示，制備漸變體全息光柵410的方法包括以下步驟：

(1)根據(jù)中心入射光線角度θ_in0(圖4中413)及出射光線角度θ_out0(圖4中414)，入射波長，以及全息記錄材料折射率n由公式(2)計算出中心視場所對應(yīng)的光柵波矢K，并根據(jù)圖2所示的方法，計算出整個視場的入射角度(θ_in，圖4中416)和出射角度(θ_out，圖4中417)關(guān)系函數(shù)θ_in＝f(θ_out)，θ_out的范圍由目標(biāo)視場大小決定，如160°～200°。

(2)根據(jù)要求的眼距(圖4中415)，計算視場中的每個θ_out對應(yīng)的光線在體全息光柵上的出射位置P(圖4中418)。

(3)根據(jù)需要人眼412入瞳大小，設(shè)置兩個狹縫為入瞳大小的一半，通過光線追跡計算第一狹縫和第二狹縫位置。

(4)同步控制所有旋轉(zhuǎn)臺和電動位移臺，用以同步控制物光的入射角度為θ_out和參考光的入射角度為θ_in，并控制狹縫的位置，在全息記錄材料317上進(jìn)行連續(xù)曝光。

(5)對曝光得到的全息記錄材料進(jìn)行后處理，如對Bayfol photopolymer，用UV光進(jìn)行flood exposure，固化條紋，獲得漸變體全息光柵。

漸變體全息光柵應(yīng)用在大視場全息波導(dǎo)顯示中時可如圖4所示。410表示漸變體全息光柵，411表示光波導(dǎo)，412表示人眼。三個視場的光線401、402和403分別被其對應(yīng)的漸變?nèi)Ⅲw光柵區(qū)域404、405和406反射。404、405和406區(qū)域的體全息光柵的周期和傾斜角407、408和409均不相同，周期和傾斜角均依次變小，但光柵波矢K的切向分量保持不變。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施舉例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。