一種體全息元件及其製作方法和製作系統與流程

2023-11-03 16:40:16 1

本發明涉及一種體全息元件，具體涉及一種像素化反射體全息元件及其製作方法和製作系統。

背景技術：

全息(Holography)是一種實現光場記錄和再現的專業技術，按照全息材料的不同，分為平面全息和體全息技術。

近20-30年，平面全息技術在光譜測量用光柵、模壓全息等領域實現了廣泛的商業化應用，並成功實現了數位化製備，極大推進了該技術的應用範圍。

體全息技術可以分為兩個方向，一是三維體全息照相技術，二是體全息光學元件。

三維體全息照相技術：能夠實現逼真的三維顯示，美國Zebra公司，發明了數位化製備技術，但受制於三維全息圖實際應用的局限性(觀賞價值)，該技術並沒有規模化推廣和應用。

體全息光學元件，當前的製備方法是在光學平臺上進行幹涉記錄，主要應用是體全息光柵。特別是反射體全息元件，具有獨特的高衍射效率、具有特定波長的選擇性全反射成像和其他波長的透射光學特性。

早在1978年，美國專利US4218111就披露了飛機全息抬頭顯示方案。近年來，體全息光學元件在汽車HUD、增強現實頭盔等多領域應用的研究，使之再度成為了熱點。

博士公司發明了具有全息元件的HUD(PCT/EP2012/054788，WO2012156124 A1)，利用全息光學元件來降低抬頭顯示器的空間需求，但並未將全息元件應用在擋風玻璃上。

德爾福(Delphi)公司提出了一種採用反射體位相光柵(RVPG)的汽車HUD結構，描述了用模壓的方法製備反射體位相光柵(EP2469324A1)。

索尼公司發明了虛擬顯示裝置(PCT/JP2005/005761)，其中採用波導型反射體全息元件，提出採用多個全息層的疊置體形式，滿足不同頻帶(波長)入射的平行光束。

美國專利US20140168735A1，提出了一種具有角度復用結構體光柵的波導型近眼顯示方案，可擴大視場角。

美國專利US20100186818A1，提出了一種太陽能電池的光收集方法，利用波導布拉格體光柵進行光線收集和在波導結構中傳播，最後達到電池晶片，同時利用體光柵的優化結構，該方法可以收集多種角度入射的太陽光。

所以，反射體全息光學元件在光場調製方面的特殊優點，已經在飛機平顯系統推廣應用，並且隨著反射體全息元件技術的進一步創新，將尤其適用於汽車抬頭顯示器(Head Up Display)、增強現實顯示(Augmented Reality Display)和虛擬實境顯示等領域然而，上述現有技術均未涉及反射體全息元件的具體實現方法。

現有技術中的全息光學器件的製作，都採用在光學平臺上搭建幹涉光路，在全息記錄材料上一次性曝光，形成整體幹涉條紋分布，經後續工藝處理，完成全息光學元件的製備。但是該方法可靠性差，造成製作的良率低，短焦、多焦點等參數靈活性方面也具有局限性，所以向更多的創新應用拓展能力不強。

發明專利US20090304331，US7792003B2，CN102652384A描述了製作體全息光柵的方法，但都是針對特定器件的方法，這些方法不具有通用性。

在體全息數位化製備技術方面，

Zebra公司的方法(Apparatus and method for replicating a hologram using a steerable beam US6266167B1)是用空間光調製器產生物光，與固定方向的參考光幹涉，用於數位化三維全息圖，並不能用於體全息光學元件。

上海大學提出了「一種大幅面數位化全息列印裝置和方法」(201510637022.3)，屬於全息3D顯示領域，與Zebra公司的方法屬於同一領域。

在體全息元件領域，目前未見提出像素化體全息元件的相關方案，現有技術中用光學平臺製作體全息光學元件，具有幾個方面的缺點：

1)受光源功率和光學系統口徑的限制，幅面無法做大，一般都在200mm以下幅面；

2)光學平臺幹涉製作，需要長時間曝光，穩定性不足，成品率低；

3)受光路中光學器件尺寸、焦距等參數的限制，全息光學元件的參數調控困難；

4)傳統光路的元器件固定，全息記錄過程不易變化，所以製備短焦距、多焦點、漸變焦距、多波長等特殊的全息光學元件難度更大。

上述問題限制了體全息元件的應用，使其優越性得不到充分發揮。

技術實現要素：

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種體全息元件及其製作方法和製作系統，通過在體全息感光材料上進行幹涉光束調控，像素化拼接曝光製作，最終構成具有複雜光學參數的反射體全息光學元件。本發明提出的這種新型體全息光學元件，將在增強現實、汽車抬頭顯示等領域具有重要應用價值。

為了達到上述目的，本發明的技術方案如下：

一種體全息元件，包括至少一像素化的信息層和至少一基材層，信息層設置於上述基材層上。

進一步地，上述體全息元件的信息層剖面具有像素化的條紋面，條紋面具有周期性，並且條紋面與基材層所在的平面具有夾角。

進一步地，上述條紋面與基材層所在的平面的夾角為0-85度之間。

進一步地，每個上述條紋面的周期範圍為130nm～5um。

進一步地，上述基材層設置有兩層，上述信息層設置於兩上述基材層之間。

進一步地，還包括基片，上述信息層和上述基材層設置於基片上。

進一步地，上述體全息元件還包括保護層，保護層設置於基材層和信息層相對於基片的另一側。

進一步地，上述基材層為薄膜或玻璃。

進一步地，上述信息層為光致聚合物、重鉻酸明膠、滷化銀材料或者光折變玻璃基片的任意一種體全息材料。

進一步地，上述體全息材料的厚度10um-150um，可感光範圍400nm-650nm。

本發明還公開了一種上述體全息元件製作方法，通過至少兩束細光束從體全息記錄材料的兩面分別入射，形成幹涉區域，記錄體光柵像素，材料與像素步進移動，通過二維拼接記錄，完成具有一定幅面的反射體全息元件製作。

進一步地，入射的光束有兩個角度參數，一是入射光束與材料表面法線的夾角θ，二是入射光束的方向角α，入射光路的入射點為o，θ和α這兩個參數確定了入射光束的方向，第一入射光束和第-二入射光束的入射角度參數分別為θ1、α1和θ2、α2，θ1、α1和θ2、α2，結合體光柵像素的坐標x、y，形成了六個獨立變量，根據預先設計的數據規律量化這些變量之間的對應關係，將體光柵像素拼接記錄。

進一步地，上述體全息記錄材料為銀鹽乳劑、重鉻酸鹽明膠、光折變玻璃、光折變晶體或光致聚合物的任意一種。

本發明還公開了一種上述體全息元件的製作系統，製作系統包括：

光源；

外光路，用於實現反射、分束、擴束基本功能的光路結構；

至少兩光束調控單元，用於實現全息記錄光束的角度的調節，並且在調控過程中保持記錄點位置不變；

載物臺，用於放置體全息記錄材料，作步進運動，實現像素拼接功能；

控制單元，根據預先給定的數據，發出相應的調控指令；

驅動單元，接收控制單元的指令，實現驅動作用。

進一步地，上述光源為雷射器。

進一步地，，上述光束調控單元包括光學零件和精密運動零件，實現入射光束與材料表面法線的夾角和入射光束的方向角的調節，通過驅動位相光學元件在光路上位置和旋轉角度，在記錄面像素內部形成不同取向的幹涉條紋面。

本發明提供的體全息元件及其製作方法和製作系統，通過專門設計的光機電一體化系統，進行幹涉光束調控，在體全息感光材料上進行像素化拼接曝光，經後續處理，最終構成具有複雜光學參數的像素化反射體全息光學元件，本發明提出了一種新的體全息光學元件，將在增強現實、汽車抬頭顯示等領域具有重要應用價值。建立數位化反射全息幹涉直寫系統，通過角度和方向可調控的相干光束，在體全息材料內部形成具有不同周期和取向的像素化幹涉條紋面分布和像素化陣列分布，構成反射體全息元件。通過上述技術手段，本發明具有如下優點：設計指定的反射成像功能、可以有更高的均勻性、更短焦距、更大幅面，一個及以上的成像焦點、一種及以上的顏色反射成像、可以同軸也可離軸反射成像和同時其他波長光全透射，幾乎對特定波長的全反射成像效率和其它波長的幾乎全透射功能。

附圖說明

圖1為本發明實施例中像素結構反射體全息元件示意圖。

圖2為本發明實施例中反射體全息元件剖面示意圖。

圖3為本發明實施例中一種實施方式下像素化反射體全息元件的結構示意圖。

圖4為本發明實施例中另一種實施方式下像素化反射體全息元件的結構示意圖。

圖5為本發明實施例中另一種實施方式下像素化反射體全息元件的結構示意圖。

圖6為本發明實施例中另一種實施方式下像素化反射體全息元件的結構示意圖。

圖7為本發明實施例中光束的入射示意圖1。

圖8為本發明實施例中光束的入射示意圖2。

圖9為本發明實施例中光束的入射示意圖3。

圖10為本發明實施例中光束的入射示意圖4。

圖11為本發明實施例中光束的入射示意圖5。

圖12為本發明實施例中一種實施方式下像素化反射體全息製作系統的結構示意圖。

圖13為本發明實施例中另一種實施方式下像素化反射體全息製作系統的結構示意圖。

圖14為本發明實施例中另一種實施方式下像素化反射體全息製作系統的結構示意圖。

圖15為本發明實施例中一種實施方式下體全息記錄材料的入射示意圖。

圖16為本發明實施例中另一種實施方式下體全息記錄材料的入射示意圖。

圖17為本發明實施例中另一種實施方式下體全息記錄材料的入射示意圖。

圖18為本發明實施例中像素化反射體全息元件的光線調製示意圖。

圖19為本發明實施例中一種實施方式下亞像素化反射體全息元件的光線調製示意圖。

圖20為本發明實施例中另一種實施方式下亞像素化反射體全息元件的光線調製示意圖。

圖21為本發明實施例中一種實施方式下體全息光學元件的人眼視網膜成像示意圖。

圖22為本發明實施例中另一種實施方式下體全息光學元件的人眼視網膜成像示意圖。

圖23為本發明實施例中另一種實施方式下體全息光學元件的人眼視網膜成像示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖詳細說明本發明的優選實施方式。

本實施例主要描述了一種像素化反射體全息元件，形成具有上述功能的反射成像和前方光的透射功能。該像素化反射體全息元件由基材、基材上的體全息信息層組成，在信息層內部的反射全息像素陣列，像素單元中含有一系列幹涉條紋面，幹涉條紋面平行或與基材表面有夾角，這些陣列分布的、具有不同參數的像素單元，不但可以實現傳統體全息元件的功能，還可實現複雜焦距、多焦點等光學參數的調控，夾角變化和分布取決於反射體全息元件的成像特性需求。

本發明同時提出上述像素化反射體全息元件的製備方法，建立數位化反射全息幹涉直寫系統，通過角度和方向可調控的相干光束，在體全息材料內部形成具有不同周期和取向的像素化幹涉條紋面分布和像素化陣列分布，構成反射體全息元件。

通過上述全息元件結構和製備方法，具有如下優點：設計指定的反射成像功能、可以有更高的均勻性、更短焦距、更大幅面，一個及以上的成像焦點、一種及以上的顏色反射成像、可以同軸也可離軸反射成像和同時其他波長光全透射，幾乎對特定波長的全反射成像效率和其它波長的幾乎全透射功能，給反射體全息元件設計和應用帶來靈活性。

下面將通過具體實施例，加以詳細描述。

1)像素化反射體全息元件結構

如圖1-2所示，本實施例提出像素化體全息元件的結構，整個反射體全息元件由陣列像素化的條紋面構成，每個像素條紋面具有特定的周期，並且與基片平面呈一定的角度。

每個像素即反射布拉格光柵，具有滿足體全息布拉格條件的光線調製功能，每個條紋面的周期和角度參數根據體全息元件的具體使用需求參數進行像素量化計算，這些陣列光柵的組合，滿足體全息元件的總體使用要求。

反射體全息元件由基材層和信息層組成。

基材優選聚酯薄膜，具有良好的光學透過率，一般地＞92％。

基材也可以選擇光學玻璃，在波導應用時，基材優選是玻璃，具有良好的波導功能。

信息層原材料為光致聚合物材料、重鉻酸明膠、滷化銀材料或者光折變玻璃基片的任意一種體全息感光材料。優選為光致聚合物材料，感光層厚度10um-150um，可感光範圍400nm-650nm。

如果基材為軟性薄膜基材，反射體全息元件一般會與硬質的玻璃基片等貼合使用。

該類反射體全息元件一般與透明基片貼合使用，反射體全息元件對特定的窄帶波長範圍進行調製，其他光透明，這種器件具有在可見光區的總透過率大於70％。一般地，像素內部的幹涉條紋面與基片平面的夾角變化範圍：0度-85度。幹涉條紋面的最小周期間隔為記錄光波長的二分之一，一般地，條紋面的周期範圍130nm～300nm，對應的波長範圍：263nm-632.8nm，反射全息具有良好的波長選擇性和角度選擇性，在可見光範圍內的光譜帶寬2nm-30nm。一般地，在滿足再現條件下的反射全息元件的衍射效率＞90％.。這種薄膜具有像素化單色反射成像功能、也可具有像素化彩色反射成像功能；

像素排列形成元件，像素內部幹涉條紋面的尺度在130納米～5微米。具有單一反射成像焦點、也可多個反射焦點(視點)；

反射全息元件由像素陣列構成，根據設計，通過不同夾角變化的像素的排列可形成不同反射成像特性和透射特性，如對特定波長具有反射成像功能，同時對其他波長全透射，反射成像透鏡的焦比1/F＜1/1～1/100。

像素的尺寸根據實際需求的調製精度，一般從10μm至1mm。

如圖3-6所示，本實施例體全息光學元件，根據實際應用情況，可以分成兩類，第一類是空氣入射型，第二類是波導入射型。

空氣入射型，入射光線在空氣中入射到體全息光學元件，入射光線受到調製衍射。

在具體使用時，可以有三種實施方案，第一種方案是如圖3示，信息層可與入射光直接接觸，基片、基材層、信息層以此層疊。第二種方案如圖4所示，是在第一種方案的基礎上增加保護層，即基片、基材層、信息層的表面設置有保護層，基片、基材層、感光層、保護層以此層疊，保護層與入射光線直接接觸。第三種方案是如圖5所示，感光層與基片貼合，基片、信息層、基材層依次層疊，基材層與入射光線接觸。。在基片為透明的情況下，空氣入射型體全息光學元件可用於汽車增強現實HUD等領域。

波導入射型，入射光在基片中通過波導傳播方式入射，這種情況入射角度較大，一般大於42度，如圖6所示。在具體應用時，波導方式的光路結構緊湊，適合近眼顯示如AR眼鏡、頭盔等應用。

在本發明的其他實施例中，基材層具體可以選擇設置有兩層，信息層設置於兩基材層之間。

2)數位化體全息元件記錄方法與系統

同時，本發明提出一種新型的雙光束幹涉直寫系統，兩束光在記錄材料兩面分別入射，在材料內部進行像素化幹涉，形成像素化布拉格體光柵，相對於材料表面法線方向，兩入射光與法線的夾角、入射光的方向角都分別可調節，從而實現了像素化體光柵周期和光柵方向的可調控，該幹涉直寫系統，根據預定的數據格式，通過像素拼接的方法，完成體全息光學元件的製備。具體說明如下：

(1)體全息記錄的原理

如圖7-8所示，兩束相干雷射分別從材料的兩邊入射到記錄材料上，在體全息記錄材料內部將形成幹涉條紋(或者是幹涉條紋的潛影，根據記錄材料的具體工藝要求)，這類體全息記錄材料主要有銀鹽乳劑、重鉻酸鹽明膠、光折變玻璃、光折變晶體、光致聚合物。在空間上，幹涉條紋呈頁狀，在體全息材料內容分層分布，示意圖如下圖所示。幹涉條紋的周期d、雙光束夾角2θ、雷射波長λ，n為介質折射率，滿足以下關係：

2·n·d·sin θ＝λ

(2)本發明雙光束幹涉方案

如圖9-11所示，本發明提出像素化的反射體全息製作方案，具體是通過兩束細光束(光束1和光束2)，從體全息記錄材料的兩面分別入射，形成幹涉區域，記錄體光柵像素，材料與幹涉像素步進移動，通過二維拼接記錄，完成具有一定幅面的反射體全息元件製作。

一般來說，光束1和光束2不具有對稱性，具備不同的入射角度參數，光束入射角度說明如下。

入射的光束有兩個角度參數，一是入射光束與材料表面法線的夾角θ，二是入射光束的方向角α，入射光路的入射點為o。θ和α這兩個參數確定了入射光束的方向。

入射光束1和入射光束2的入射角度參數分別為θ1、α1和θ2、α2，這4個參數的決定了像素體光柵的周期和光柵方向，這四個變量獨立調節，就實現了像素體光柵的任意調控。

θ1、α1和θ2、α2，結合體光柵像素的位置坐標x、y，形成了6個獨立變量，根據預先設計的數據規律量化這些變量之間的對應關係，將體光柵像素拼接記錄，就形成了數位化反射體光柵元件的製備方案。

特殊的，如θ1、α1和θ2、α2均為固定值，即相當於兩束平行光幹涉，製備形成反射體全息光柵，具有窄帶波段反射功能。

如θ1、α1和θ2、α2為點光源與xy坐標的對應量化值，製備形成反射體全息透鏡，同時具備窄帶波段反射和成像功能。

如θ1、α1和θ2、α2為多點光源或者線光源與xy坐標的對應量化值，製備形成多焦點或者漸變焦點反射全息透鏡。

如θ1、α1為實物的物光量化，θ2、α2為平行光，將製備形成數位化的反射全息圖。

(3)數位化體全息光學元件製備系統

如圖12所示，為了實現上述6個獨立變量的控制，本發明提出了數位化反射體全息光學元件的通用製備系統，主要由以下幾個部分組成：

雷射器，為具有一定相干長度的單色光源，需要滿足全息曝光的條件。這一類雷射器的類型一般有氬離子氣體雷射器、氦隔氣體雷射器、單縱模半導體雷射器等。

外光路，為實現反射、分束、擴束等基本功能的光路結構。

光束1調控單元、光束2調控單元，為本系統的核心組成部分，該調控單元可以實現全息記錄光束的θ和α值調節，並且在調控過程中保持記錄點位置不變。該調控單元可由光學零件和精密運動零件組成，實現θ和α值調節。具體技術方案這裡不做詳細描述，可採用含有位相光學元件的變標度傅立葉變換系統和投影系統組成可調製光線角度光學裝置。通過驅動位相光學元件在光路上位置和旋轉角度，在記錄面像素上內部形成不同取向的幹涉條紋面。

鏤空載物臺和運動平臺，用於放置體全息記錄材料，作XY步進運動，用於實現像素拼接功能。

控制單元，為系統的控制中心，根據預先給定的(如θ1、α1、θ2、α2、x、y6個獨立變量)數據，發出相應的調控指令。

驅動單元，接收控制單元的指令，驅動雷射器、電機等部件。

上述部分，結合控制軟體，組成完整的數位化體全息光學元件製備系統。在使用時，平臺移動、光束調製、雷射控制協調工作，進行像素化直寫曝光，若干像素組合構成了數位化反射體全息元件。

(4)其他光刻系統結構

如圖13所示，如果θ1、α1、θ2、α2四個變量中，θ1＝θ2、α1＝α2，屬於對稱結構的反射體全息光學元件，可以製備系統可以簡化為如下單光束結構，在體全息材料和載物臺之間放置一鏡面反射器件，這種反射器件可以是反射膜或者反射鏡，入射光束和反射光束形成幹涉，其體光柵的結構與材料表面平行。

如圖14所示，更加一般的情況，雷射器採用多個不同波長的組合，可以製備適用於多波長的反射體全息元件，例如，紅、綠、藍三色雷射器的組合，實現全彩色體全息元件的製備。

需要指出的是，體全息材料都具備復用記錄特性，具有強大的信息存儲能力，所以反射體全息像素的拼接方案，可以充分利用該特性，做角度和波長復用記錄。

折射率匹配的浸入式直寫方式：(製作波導型器件)

我們知道，由折射定律的限定(n1/n2＝sin(θ2)/sin(θ1)，n1為光疏介質，n2為光密介質，θ1為入射角，θ2為折射角)，當光由光疏介質進入光密介質時，折射角不會超過全反射角，所以上述直寫系統在空氣中進行器件製備時，器件的條紋面空間頻率受到了限制，不能夠滿足波導型反射全息器件的要求。

鑑於上述情況，本發明提出，採用折射率匹配的直寫方式來滿足波導型器件的製作要求。如圖15所示，入射光束無折射率匹配時，在記錄材料內部的折射角有限制；如圖16所示，匹配液體的折射率與體全息記錄材料的折射率相同或相近，入射光束可以超過全反射角進入體全息記錄材料，實現可以滿足波導入射條件的條紋面記錄。根據實際波導器件的使用情況，記錄材料兩邊的雙光束，一束應使用折射率匹配方案，另一束可不使用折射率匹配方案。

多衍射視角的反射體全息元件的直寫方式：

傳統反射體全息元件內部為單一規律的幹涉條紋面，在作成像應用時只有一個視角，如果反射體全息元件具有多個反射視角，對於3D和增大視角具有重要意義。數位化反射體全息製作方案，使製作多視角反射體全息元件成為可能。

本發明提出採用多光束幹涉的方法製備具有多視角的反射體全息像素，具體是一束光通過其中一個光束調控單元後，可以分成多束照射到記錄材料上，與另外一束光進行多光束幹涉，從而形成多條紋面分布。如圖17所示。

多光束的具體實現手段，可以採用達曼光柵、二元光學等分束器件，配合傅立葉光學系統，最後多光束會聚到記錄材料上。

3)像素化體全息元件應用實施例：

反射全息元件：如圖18所示，像素排列和內部幹涉條紋面的結構按照全息透鏡的分布排列，形成具有選擇成像特性的反射全息透鏡，透鏡的焦距取決於幹涉光學系統的最大角度變化。

反射全息元件：如圖19所示，按照亞像素陣列排列，每組亞像素陣列的結構分布按照上述要求排列，形成具有不同焦距的多焦點透鏡，焦點的位置和角度，可以根據要求設定。

反射全息元件：如圖20所示，按照亞像素陣列排列，其中部分亞像素陣列的結構分布按照上述要求排列，其他亞像素陣列的結構分布可以空白，形成具有具有抽樣特點的透鏡。可調整反射圖像的亮度與透射景觀的對比度。

反射全息元件在抬頭顯示器的應用：如圖21所示，以薄膜形式貼合在擋風玻璃上，將來自下方或者上方的投影光學圖像選擇性反射成像，在駕駛員的眼鏡上形成虛像，汽車前方的景象全透射。

全息HUD的優點：與傳統液晶透鏡系統相比，全息光學系統的光能損失小，採用小功率光源，預期能夠實現10000nit高亮度圖像的輸出；可以設計多焦點成像薄膜，實現駕駛員前方不同距離的投影；實現大視角圖像，預期達到30度以上，從而真正實現增強現實HUD，投射信息與實物融合。

反射全息元件在增強現實頭盔上的應用：如圖22所示，以單層或多層薄膜形式貼合玻璃鏡片上，將來自上方的微投影光學圖像通過波導形成選擇性反射，在人眼視網膜上形成虛像，前方景象全透射。

如圖23所示，波導應用，波導型光學系統，具有結構緊湊的優點，在增強現實眼鏡或頭盔具有重要應用前景，光學圖像投影進入波導結構，在反射體全息元件上衍射，透過波導進入人眼。附圖投影光線進入波導採用了體全息元件耦合方案描述，實際也可使用稜鏡耦合等其他方案。波導型器件的製備，使用上述的浸入式直寫方案是優選方法。

以上所述的僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明創造構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。