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CN106066592B - 用于制造全息光学元件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造全息光学元件的方法，该方法通过以下步骤实现：提供记录堆栈，该记录堆栈包括在至少一个支承元件上层压的至少一个记录元件；在照射步骤中采用至少一个记录光束对所述记录堆栈的至少一部分进行照射，其中，在所述照射步骤期间，所述记录堆栈弯曲；提供针对所述记录堆栈的弯曲偏差阈值；以及调节至少一个第一处理参数，使得所述记录堆栈的期望最大弯曲偏差不超过所述弯曲偏差阈值，其中，所述至少一个第一处理参数在所述照射步骤期间影响所述记录堆栈的弯曲性能。

Description

用于制造全息光学元件的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造全息光学元件的方法，其中，提供有记录堆栈，该记录堆栈包括层压到至少一个支承元件的至少一个记录元件，其中，该记录堆栈被至少一个记录光束照射。本发明还涉及通过该方法制造的全息光学元件，以及包括该全息光学元件的显示装置。
背景技术
时下，液晶显示器经常被用于电子应用设备中。示例的应用设备包括移动装置、游戏计算机、平板计算机、监视器、电视装置、广告面板等。液晶显示器包括具有能够被电驱动的液晶单元的层或面板。具体地，可以根据向液晶单元施加的电压来对由显示器照亮的光的偏振进行控制。由于这些面板本身不产生光，所以必须提供背光单元来将面板照亮。
因此，普遍关注的是提供一种具有高显示质量的液晶显示器。能使液晶显示器满足这些要求的背光单元是这样的背光单元：该背光单元包括全息光学元件，特别是光束成形全息光学元件。光束成形全息光学元件被配置为以均匀的方式照亮位于距该光束成形全息光学元件规定距离处的规定区域。例如，液晶显示面板、透镜、散光器等可以被布置在该规定区域处。具体地，通过记录包括具有期望图案的任何合适的记录材料的元件，可以制造光束成形全息光学元件。应当理解，还存在需要具有良好操纵品质的光束成形全息光学元件的多种其它应用，比如例如信号灯、投影系统或光学组合器。
具体地，全息光学元件对于必须使比如在例如头上式显示器(HUD)和头戴式显示器(HMD)中以及在自动立体3D显示器(ASD)中的非常复杂的光学功能容易的细长光学器件而言是优选的选择。特别地，随着越来越多地使用发光二极管(LED)和激光二极管(LD)作为光源，全息光学元件的优势可以得到充分利用。
为了制造全息光学元件，可以将记录元件层压在支承元件上。随后，记录元件可以被至少一个记录光束照射达预定的曝光时间以用于生成具有期望图案的全息光学元件。通常，期望制造具有高质量的全息光学元件。具体地，目的在于制造具有均匀衍射效率的全息光学元件。
然而，已知记录方案的问题在于所谓的条纹可能产生。条纹作为暗圈和亮圈出现在全息光学元件上。具体地，难以制造没有这种条纹的大面积全息光学元件。
更具体地，条纹形成简单地破坏了全息光学元件的功能和质量。如果全息光学元件用于被观察，例如如果其用作视框，则条纹简单地可视为全息光学元件平面中的暗区域。如果全息光学元件被用来重建例如可以用作空间上很好限定的光源的散光器的实像，则条纹简单地降低了全息光学元件的衍射效率。
发明内容
实施方式涉及制造全息光学元件。记录堆栈包括在至少一个支承元件上层压的至少一个记录元件。在照射步骤中采用至少一个记录光束来照射所述记录堆栈的至少一部分。在照射步骤期间，所述记录堆栈弯曲。所述记录堆栈被配置为具有弯曲偏差阈值。至少一个第一处理参数被调节，使得所述记录堆栈的期望最大弯曲偏差不超过所述弯曲偏差阈值。所述至少一个第一处理参数在所述照射步骤期间影响所述记录堆栈的弯曲性能。
附记1.一种用于制造全息光学元件的方法，该方法包括以下步骤：
提供记录堆栈，所述记录堆栈包括在至少一个支承元件上层压的至少一个记录元件；
在照射步骤中采用至少一个记录光束对所述记录堆栈的至少一部分进行照射，在所述照射步骤期间，所述记录堆栈弯曲；
提供针对所述记录堆栈的弯曲偏差阈值；以及
调节至少一个第一处理参数，使得所述记录堆栈的期望最大弯曲偏差ξmax不超过所述弯曲偏差阈值，其中，所述至少一个第一处理参数在所述照射步骤期间影响所述记录堆栈的弯曲性能。
附记2.根据附记1所述的方法，其中，所述第一处理参数是所述记录堆栈的横向尺寸与所述记录堆栈的厚度的比Rdim、所述记录堆栈的热膨胀系数(CTE)、记录元件面积相对于支承元件面积的填充因子、在固定记录剂量E下的曝光时间texp或者 所述支承元件面积和所述曝光时间texp两者。
附记3.根据附记1所述的方法，其中，如果固定装置被支承，则基于式ξmax＝A·[|dsup(ρ＝0,σ)|·|CTE|·R2 dim·β(τexp)]并且如果所述固定装置被夹持，则基于式ξmax＝A·[|dcla(ρ＝0)|·|CTE|·R2 dim·β(τexp)]来计算所述期望最大弯曲偏差ξmax，通过该计算在所述照射步骤之前确定所述期望最大弯曲偏差，其中，A是预定的比例因子，dsup或dcla是所述支承元件的标准化弯曲变形函数，ρ是标准化径向坐标，σ是记录堆栈的泊松比，CTE是所述记录堆栈的热膨胀系数，Rdim是所述记录堆栈的横向尺寸与所述记录堆栈的厚度的比，以及β(τexp)是取决于标准化曝光时间τexp的函数。
附记4.根据附记1所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
提供至少一个第二处理参数，所述弯曲偏差阈值取决于所述至少一个第二处理参数；以及
根据所述至少一个第二处理参数来确定针对所述记录堆栈的所述弯曲偏差阈值。
附记5.根据附记4所述的方法，其中，所述第二处理参数是倾斜角α、所述记录元件的光栅矢量K、所述记录元件的光栅间距Λ或者所述记录元件的参数和所述光栅间距两者。
附记6.根据附记1所述的方法，其中，所述最大弯曲偏差ξmax等于或小于其中，KZ是光栅矢量在所述记录堆栈的厚度方向上的分量。
附记7.根据附记1所述的方法，其中，所述记录堆栈在所述照射步骤中由参考光束和物体光束来照射。
附记8.根据附记7所述的方法，其中，所述参考光束和所述物体光束中的至少一个由激光器、激光二极管或定向光源来生成。
附记9.根据附记1所述的方法，其中，所述记录元件包括光刻胶材料、光致聚合物材料、卤化银材料、二铬酸盐明胶材料、光致变色材料或光折变材料。
附记10.根据附记1所述的方法，其中，所述记录元件包括光致聚合物膜，所述光致聚合物膜包括交联矩阵和写入单体，且包括交联矩阵和基于丙烯酸酯的单体。
附记11.根据附记1所述的方法，其中，所述支承元件是由硼硅玻璃、具有在阈值以下的热膨胀系数(CTE)的玻璃、陶瓷玻璃、熔融硅石熔融石英或浮法玻璃板制成的玻璃板。
附记12.根据附记1所述的方法，其中，所述支承元件具有等于或小于7×10-6K-1的热膨胀系数(CTE)的绝对值。
附记13.一种全息光学元件，该全息光学元件通过根据附记1的方法来制造。
附记14.根据附记13所述的全息光学元件，其中，所述全息光学元件是反射式全息光学元件、透射式全息光学元件或侧光式全息光学元件或者它们的组合。
附记15.一种显示装置，该显示装置包括全息光学元件，该全息光学元件通过根据附记1的方法来制造。
附图说明
附图被包括以提供对本发明的进一步理解，并且被并入本申请中且构成本申请的一部分，附图例示了本发明的实施方式，并且与本描述一起用于解释本发明的原理。在附图中：
图1是具有条纹的示例性全息光学元件的示意图。
图2a是根据本发明的用于执行用于制造全息光学元件的方法的布置的实施方式的示意图。
图2b是图2a中所示的实施方式的示意性侧视图。
图3是根据本发明的用于执行用于制造全息光学元件的方法的布置的另一实施方式的示意图。
图4a是根据本发明的包括记录元件和支承元件的记录堆栈的实施方式的示意图，其中，该记录堆栈处于初始状态。
图4b是图4a中所示的实施方式的示意性侧视图。
图4c是在图4a和图4b中所示的实施方式的示意图，其中，该记录堆栈处于弯曲状态。
图5是根据本发明的方法的实施方式的示例性示图。
具体实施方式
根据实施方式，通过在照射步骤之前以由对记录堆栈的照射引起的记录堆栈的期望最大弯曲偏差不超过可容许的弯曲偏差阈值的这种方式设置至少一个第一处理参数，可以至少减少在制成的全息光学元件中条纹的出现。
根据实施方式，提供有一种包括记录元件和支承元件的记录堆栈。该记录元件被层压到支承元件。该记录元件和/或该支承元件可以是平面板。该记录元件是分别要用期望的图案和信息进行记录的元件。在记录处理之后，该记录元件是制成的全息光学元件。该记录元件是由能够被记录的合适的全息光学材料制成的。全息光学材料可以作为片材材料来提供。通过对记录元件进行记录，具体地，对记录元件的全息光学材料进行记录，来制造全息光学元件。支承元件可以是可以在其上层压记录元件的透明或半透明元件。记录堆栈(特别是记录元件)可以利用至少一个光束进行照射以用于记录期望图案。
已经发现，条纹不期望的出现的原因是在照射步骤期间对记录堆栈的不对称加热，其中，该不对称加热造成记录堆栈的不期望的弯曲。具体地，如果最大弯曲超出特定的弯曲阈值，则可能在全息光学元件上出现条纹。为了降低条纹出现的风险，至少一个可调节第一处理参数被设置为使得由照射处理引起的期望最大弯曲偏差不超过弯曲偏差阈值。
记录堆栈的期望最大弯曲偏差是指记录堆栈的点从在照射步骤之前记录堆栈的初始位置或初始状态到在照射步骤期间或照射步骤之后的最大弯曲位置的最大位移，其中，该弯曲是由照射引起的。通过上述最大位移的定义，最大弯曲变形和弯曲偏差阈值被理解为具有大于或等于零的值。正常地，在记录堆栈的中心发生最大位移。弯曲偏差可以是集中于记录堆栈的中性平面的标准化厚度坐标z/h。
在照射步骤之前，通常有必要调节记录设置。已经发现，处理参数中的至少一些，即第一处理参数，(直接)影响记录堆栈的弯曲性能。具体地，通过设置第一处理参数，可以减小或增加弯曲偏差。根据本方法，这些第一处理参数中的至少一个被调节为使得可以在照射之前估计或计算的期望最大弯曲偏差不超过弯曲偏差阈值。应当理解，为了满足弯曲偏差阈值，可以对两个或更多个第一处理参数进行调节。
由于在照射处理期间或在照射处理之后未超过临界的或可容许的弯曲阈值，所以可以制造不包括条纹的全息光学元件。可以产生高质量的全息光学元件。
根据基于本发明的方法的第一实施方式，第一处理参数是记录堆栈的横向尺寸与记录堆栈的厚度的比、记录堆栈的热膨胀系数、记录元件区域相对于支承元件区域的填充因子和/或固定记录剂量下的曝光时间。已经发现，记录堆栈的弯曲性能取决于这些第一处理参数。
例如，如果记录堆栈的横向尺寸与记录堆栈的厚度的比减小，则可以减小记录堆栈的期望最大弯曲偏差。横向尺寸可以是矩形记录堆栈的高度和宽度，或者可以取决于圆形记录堆栈的半径。该比值可以通过增加记录堆栈的厚度和/或减小记录堆栈的横向尺寸来减小。由于正常情况下应当制造大面积的全息光学元件，所以横向尺寸的减小并不是优选选择。更优选的是增加记录堆栈的厚度，具体地，增加支承元件的厚度，同时记录元件的厚度保持不变。这样的原因是为了获得薄的全息光学元件。要注意的是，已经发现对记录堆栈厚度的增加在所有情况下将不会减小记录堆栈弯曲，除非已克服了厚度的临界值。
另选地或另外，可以例如通过增加支承元件的面积或者通过减小记录元件的面积(这不是优选选择)来减小填充因子以减小记录堆栈的弯曲偏差。
通过修改记录堆栈的几何特性，可以以容易的方式来减小记录堆栈的弯曲偏差。
此外，可以减小记录堆栈的在25℃下的热膨胀系数(CTE)的绝对值，以减小记录堆栈的最大弯曲偏差。在优选实施方式中，为了减小记录堆栈的CTE的绝对值，可以使用具有低CTE绝对值的支承元件。例如，由具有低CTE绝对值的玻璃材料制成的支撑板可以使变形降低到非临界水平。重要的是认识到，当CTE基本为零时，可以将CTE参数或因子完全从记录堆栈几何形状和光致聚合物配剂(photopolymer formulation)的特性中去耦。因此，具有低CTE绝对值的支承元件将在所有情况下减小弯曲变形。
有益的支撑板例如由以下玻璃制成：具有3.3×10-6K-1的CTE的硼硅玻璃，例如(Schott AG，美因茨，德国)、(Schott AG，美因茨，德国)、 (DURAN集团GmbH，美因茨)、Eagle(Corning，纽约，美国)、(Kavalierglass a.s.，萨扎瓦，捷克)；具有小于阈值的CTE的玻璃，诸如(Schott AG，美因茨，德国)；具有小于1×10-6K-1的CTE的熔融硅石，比如7913(Corning，纽约，美国)、7980(Corning，纽约，美国)；具有小于0.1×10-6K-1的CTE的零CTE陶瓷玻璃，例如(Schott AG，美因茨，德国)、(Ohara Inc.，神奈川，日本)、(Schott AG，美因茨，德国)；熔融硅石，例如GE124(VolumePrecision Glass Inc.，圣罗莎，CA，美国)或者熔融石英。
具体地，可以使用具有等于或小于7×10-6K-1(优选等于或小于1×10-6K-1)的CTE的绝对值的支承元件。在优选实施方式中，支承元件可以是玻璃板，具体地，可 以是浮法玻璃板、陶瓷玻璃板、熔融硅石或熔融石英板。陶瓷玻璃板和熔融硅石玻璃板具有特别低的CTE绝对值，且因此可以有利地被使用。
除了对之前描述的第一处理参数的调节以外或者另选地，在固定记录剂量下的曝光时间或等同地记录功率密度可以适用于减小期望最大弯曲偏差。因此，记录剂量E经由总功率密度P与曝光时间texp的关系如下：
E＝P·texp (a)
如果功率密度P减小，则可以减小最大弯曲偏差。换句话说，增加在固定记录剂量E下的曝光时间texp使得期望最大弯曲偏差减小。
通过容易的方式，可以通过以期望最大弯曲偏差不超过可容许的弯曲偏差阈值的这种方式调节之前描述的第一参数中的至少一个来使记录堆栈的期望最大弯曲偏差减小。应当理解，为了满足弯曲偏差阈值，可以对所有、一些或仅一个之前提到的第一处理参数进行调节。应当理解，之前描述的第一参数仅是示例。
根据基于本发明的方法的优选实施方式，在照射步骤之前，可以通过基于下式计算期望最大弯曲偏差ξmax来确定期望最大弯曲偏差：
ξmax＝Α·(|dsup(0,σ)|·|CTE|·R2 dim·β(τexp))， (b)
其中，A是可预先定义的比例因子，dsup是支承元件的标准化弯曲变形函数，CTE是记录堆栈的热膨胀系数，Rdim是记录堆栈的横向尺寸与记录堆栈的厚度的比，以及β(τexp)是取决于标准化曝光时间τexp的函数。如从式(b)可以直接看出，期望最大弯曲偏差ξmax可以通过减小可调节的第一参数中的至少一个|CTE|、R2 dim或β(τexp)来减小。
此外，已经发现，可容许的弯曲偏差阈值(即，为了降低条纹风险而不应超过的值)可以具有不同的值。具体地，可容许的弯曲偏差阈值可以取决于第二处理参数。根据优选实施方式，本方法可以包括以下步骤：
-提供至少一个第二处理参数，
-其中，弯曲偏差阈值取决于至少一个第二处理参数，以及
-根据至少一个第二处理参数来确定针对记录堆栈的弯曲偏差阈值。
通过确定，例如根据第二处理参数来计算弯曲偏差阈值，可以确定最佳弯曲偏差阈值。例如，对于至少一个第二处理参数的第一值，如果超过第一弯曲阈值，则条纹出现，而对于至少一个第二处理参数的另一值，仅当超过第二弯曲阈值时，条纹才出 现，该第二弯曲阈值可以大于(或小于)第一弯曲阈值。根据至少一个第二处理参数对最佳弯曲阈值的确定可以具有以下优势：为避免条纹的出现，仅必须执行对至少一个第一处理参数的很小的调节。
优选地，至少一个第二处理参数是至少一个记录光束的光栅矢量K的倾斜角α和/或至少一个记录光束的光栅间距Λ。倾斜角是所记录的光栅的光栅矢量K与记录堆栈表面之间的角。具体地，弯曲偏差阈值和条纹的出现分别取决于光栅矢量K朝向记录堆栈表面的取向和光栅间距Λ(逆空间频率)。特别地，它取决于是生成透射全息图还是生成反射全息图。因此，条纹形成对于具有子波长光栅间距Λ的反射全息图而言更加严重，并且光栅层或多或少地垂直于变形的记录堆栈的潜在运动方向。
根据优选实施方式，期望最大弯曲偏差ξmax等于或小于其中，KZ是光栅矢量K的与记录堆栈的厚度方向平行的分量。更具体地，已经发现，如果乘积|ξmax*KZ|大于则条纹出现，而如果乘积|ξmax·KZ|等于或小于则条纹不出现。可以在生产期间通过容易的方式保证条纹不出现。
在根据本发明的方法的另一优选实施方式中，在照射步骤中，可以通过参考光束和物体光束来对记录堆栈进行照射。物体光束可以是携带要分别被存储在记录元件和光学全息元件中的信息的光束。例如，物体光束是被反射为离开物体或已经过该物体的光束。当这两个光束到达记录元件时，它们的光波彼此相交并干涉。就是该干涉图案被印在记录介质上。
此外，参考光束和物体光束优选是由相同的光源生成的。该光源可以包括多于一个的光生成器，比如由合适的光学元件叠加的三个单色激光器。光分束器可以被配置为将从光源发出的光束分束成参考光束和被配置为用于经过物体的光束。可以通过简单的方式来生成具有相同特性(波长等)的两个光束。根据另一实施方式，参考光束或重建光束中的至少一个可以通过激光器、激光二极管或定向光源来生成。
记录元件可以包括任何合适的记录材料。在优选实施方式中，记录元件可以包括光刻胶材料、光致聚合物材料、卤化银材料、二铬酸盐明胶材料、光致变色材料或光折变材料。
具体地，记录元件可以优选包括光致聚合物膜，该光致聚合物膜包括交联矩阵和写入单体，优选包括交联矩阵和基于丙烯酸酯的单体。这种材料特别适合于形成光束成形全息光学元件。
本发明的另一方面在于通过之前所述的方法生产的全息光学元件。具体地，全息光学元件是光束成形全息光学元件。该全息光学元件具有高质量，而没有任何条纹。
在根据本发明的全息光学元件的优选实施方式中，全息光学元件可以是反射式全息光学元件、透射式全息光学元件或侧光式全息光学元件或者其组合。如前面所指出，可容许的弯曲阈值可以取决于全息光学元件的类型。
本发明的另一方面在于包括之前所述的全息光学元件的显示装置。优选地，该显示装置可以是液晶显示装置。例如，该显示装置可以是移动装置、游戏计算机、平板计算机、独立监视器、电视装置、广告面板等。
本专利申请的这些及其它方面根据以下附图将变得显而易见，并且将参照以下附图进行阐释。如上所示的本申请的特征及其示例性实施方式的特征被理解为还以全部可能的彼此的组合的方式被公开。
图1示出了具有条纹120的全息光学元件102的示意图。全息光学元件102是已被至少一个记录光束照射以形成期望图案的记录元件。通常，期望获得具有均匀衍射效率的全息光学元件102。然而，如从图1中的示例可以看出，全息光学元件102包括环形变黑部分120(参见交叉阴影区)。换句话说，所示出的全息光学元件102包括条纹120。
如上所述，这种条纹使全息光学元件的质量降低，且因此应当避免。在解释根据本发明的方法的实施方式之前，在下文中将描述用于执行该方法的记录布置。
图2a示出了透射型全息光学元件202的记录几何结构的立体图。图2b示出了全息光学元件202的该记录几何结构的侧视图。
利用共用激光光源(未示出)，在合适的分束器之后，空间滤波器205可以生成针对物体201的发散照明光束204。物体201本身可以是由聚碳酸酯制成的扩散片(例如，由拜耳材料科技公司制造的300μm厚的LM 322 2-4)。应当理解，可以使用其它组件和/或材料。
可以通过相应孔径的遮罩208来生成例如66mm×110mm的开口。可以沿着物体201和记录元件202的中心将照明光的光轴对齐。记录元件可以被层压在支承元件209上。记录元件202和支承元件209两者形成记录堆栈。
第一记录光束206b可以通过物体201和发散的照明光束204来生成。通过物体201生成的记录光束206b(即，物体光束206b，特别地，扩散光束206b)(最有效地) 覆盖记录元件202的区域。另一记录光束203(特别地，通过使用例如折叠式反射镜生成的准直参考光束203)相对于该记录元件202的表面法线以30°的角度θR被引导到记录元件202上。可以选择等于记录元件202的直径的该折叠式反光镜的有效直径以作为其最小值。在本示例中，该直径可以等于115.43mm。
可以优选地从红色、绿色和蓝色激光的共同对齐光的重叠位置生成准直参考光束203和用于生成物体光束206b的发散照明光束204。
支承元件209可以是例如浮法玻璃板209。浮法玻璃板209可以具有约3mm的厚度。浮法玻璃板209的横向尺寸可以是90mm×120mm。应当理解，也可以选择如将在下文中描述的其它尺寸。作为记录元件202，光致聚合物膜可以利用光致聚合物层朝向支承元件209的玻璃表面进行层压。光致聚合物膜的衬底侧可以被引导向另一侧，其可以是空气。优选地，包括记录元件202和支承元件209的记录堆栈可以用光致聚合物膜侧朝向准直参考光束203而被取向。光致聚合物膜的衬底侧可以面向空气。准直参考光束203因此可以经由光致聚合物膜进入记录堆栈。
图3示出了根据本发明的用于执行用于制造全息光学元件302的方法的布置的另一(更详细的)实施方式。
作为光源，参考标记300a表示红色激光器，参考标记300b表示蓝色激光器，以及参考标记300c表示绿色激光器。对于红色激光器300a，可以使用在单频模式下以647nm的具有2.1瓦的额定输出功率的氪离子激光器(相干的，Innova Sabre)300a。对于绿色激光器300c，可以使用在单频模式下以532nm的具有5瓦的额定输出功率的DPSS激光器(相干的Verdi V5)300c。最后，对于蓝色激光器300b，可以使用以488nm的具有0.9瓦的额定输出功率的氩离子激光器(相干的，Innova 305)300b。
此外，如从图3中可以看出，提供有被配置为用于阻挡激光光束的单独的遮光板312。具体地，这些激光器300中的每一个可以在激光输出之后直接被单独的遮光板312阻挡。另外，可以设置主遮光板312。主遮光板312可以被配置为控制针对全部的三种激光波长的同时曝光时间texp。可以利用位于单独的遮光板312和偏振分束器321之后的半波板319来对每个单独激光波长λ的参考光束Pref和物体光束Pobj的功率密度之间的光束比进行调节。
借助于一个反光镜310和两个分色镜311来使三个激光光束共同对齐。应当理解，也可以使用其它方式。参考光束303被空间滤波器305扩展并且被引导到球面镜307 上。在当前示例中，焦距被设置为3m。空间滤波器305的针孔优选被放置到球面镜307的焦点中。空间滤波器305和球面镜307被配置为生成准直参考光束303。
图4a示出了根据本发明的包括记录元件402和支承元件409的记录堆栈的实施方式的示意图。图4b示出了在图4a中所示的实施方式的示意性侧视图。图4a和图4b两者分别示出了处于初始状态或初始位置(即，在记录和照射步骤之前)的记录堆栈。图4c示出了在图4a和图4b中所示的实施方式的示意性侧视图。图4c中所示的记录堆栈处于弯曲状态。
记录元件402被层压在支承元件409上。在所示的实施方式中，支承元件409和记录元件402是环形的薄板。应当理解，根据本发明的其它变型，记录元件和支承元件中的至少一个的形式可以不同。例如，这些元件中的至少一个可以具有矩形形式。
在当前的示例中，支承元件409，比如玻璃板409，具有半径Rs，且记录元件402具有半径Rr。此外，如从图4a中可以看出，半径Rs大于半径Rr。因此，记录堆栈的半径R为半径Rs。另外，支承元件409具有厚度hs，且记录元件402具有厚度hr。厚度hs和厚度hr可以近似相等或不同。因此，记录堆栈的厚度h为h＝hs+hr。
在用于制造全息光学元件的方法中，包括记录元件402和支承元件409的记录堆栈被弯曲。图4c示出了弯曲记录堆栈的示例性实施方式。具体地，与图4b中所示的(近似)平面的记录堆栈相比，该记录堆栈是弯曲的。因此，最大弯曲偏差ξmax在记录堆栈的中心C处出现。
根据本发明，已经发现，如果最大弯曲偏差ξmax超过限定的弯曲偏差阈值ξthr，即，如果ξmax>ξthr，则条纹(可能)出现。为了证明条纹形成取决于记录元件的弯曲性能，可以进行以下测试。
在第一测试中，将记录元件层压在支承元件上。可以利用例如绿色激光(λ＝0.532μm)以θO＝0°/θR＝30°的透射几何形状进行记录。作为记录元件，光致聚合物膜被层压在用作大小为宽度＝450mm乘以高度＝600mm的支承元件的10mm厚的玻璃板的顶部上。光致聚合物膜在记录期间被指向激光。所产生的或制造的全息光学元件示出了暗条纹。在另一测试中，除了仅一处不同之外，按照相同的方式来执行记录。光致聚合物膜被夹在两个支承元件(例如，两个玻璃板)之间。所产生的全息光学元件未示出条纹。要注意的是，由于例如在制造的全息光学元件上的压痕，当前的夹持方案是不实用的。
上述观察表明在记录过程期间，已必然由记录元件的移动和/或弯曲引起了条纹形成。如果例如物体光束(例如，散光器)或参考光束已移动或者已改变其形状或波前，则条纹应当已出现在重建的实像中或者应当在实时干涉设置中可见。后者意味着，人们通过查看所生成的全息元件观察到虚像或参考光束，并且参考光束和物体光束两者均在。
无论在实像中还是在实时干涉设置中，均不能观察到相应的条纹。如在对称设置中，没有条纹形成出现，则记录板弯曲和/或其移动必定是由光致聚合物膜本身在非对称的记录堆栈并且仅在曝光时段期间引起的。
此外，已经发现，针对弯曲偏差并因此针对条纹形成的原因是记录堆栈的非对称加热。通常，在非对称设置中可能存在该条纹形成的两个来源。第一个来源是在照射步骤期间记录元件的收缩，且第二个来源是记录堆栈的非对称加热。
收缩是由于通过在例如基于丙烯酸酯的光致聚合物中的光致聚合作用产生的体积缩小而造成的。在光致聚合物被粘附到支承元件(例如，玻璃板)的平坦记录堆栈设置中，体积收缩完全以厚度收缩s被传递。然而，在全息光学元件区域的边缘处，沿着板表面的平移对称被破坏并且剪应力可能出现。这将导致最终可能使整个记录堆栈弯曲的扭矩。
为了更加详细地研究这一理论，可以在记录实验中使用大尺寸的记录元件。在第一测试中，可以在照射步骤之后观察到条纹。重复相同的测试。但是在重复测试中，层压的光致聚合物层在曝光之前通过衬底向下至玻璃板被切割成小矩形(相似尺寸的小尺寸记录元件)。该测试的结果是条纹形成仍出现。因此，可以从条纹形成的可能来源中排除收缩。
由于可以从条纹形成的可能来源中排除收缩，所以使记录堆栈弯曲的唯一可能性就是通过非对称加热。这意味着，通过与至少一个记录光束的记录光的相互作用，记录堆栈的一个表面在曝光时段期间具有与第二表面不同的温度。通过热膨胀，在例如玻璃支撑板的厚度之上的该温度差可能会导致支承元件的弯曲，并因此导致整个记录堆栈的弯曲。
此外，分别在记录处理和照射处理期间的非对称加热仅可能通过将所吸收的光转换成热和/或通过反应热(始终在持续时间texp的曝光间隔期间)发生。在光致聚合物的情况下，反应热等于聚合热。已经发现，在光致聚合物中的记录处理期间，非对称 加热的主要来源例如是聚合热。更详细地，在聚合放热的情况下，绝热温度升高Tad可以通过下式来计算：
其中，f(texp)表示可以在曝光间隔期间实现的完全转换的部分，cP是单位体积记录堆栈的热容量，并且ΔHP是光致聚合物层的聚合放热。
在吸收的情况下，绝热温度升高Tad可以通过下式来计算：
其中，E是记录剂量，Tini是在记录波长λ下的其初始透射率，并且d是光敏记录层的厚度。因此，假设样本在texp期间不褪色(bleach)。Fresnel losses被定义为由于在空气与介质之间的界面处的光反射而导致的光强度损失。
如果相应变量的典型值被代入式(c)和式(d)中，则所得出的值彼此相差约10的倍数。具体地，聚合热的效果超过记录光的吸收的效果的13倍。因此，避免条纹形成集中在具有低ΔHP的光致聚合物配剂(formulation)上或者保持f(texp)很小将更加富有成效，这意味着从持续时间长的暗反应中获利以实现高效率。要注意的是，为了允许持续时间长且高效的暗反应，可以对光致聚合物配剂进行优化。
在指出条纹出现的来源之后，在下文中将对根据本发明的方法的实施方式进行阐释。
图5示出了根据本发明的方法的实施方式的示例性示图。
在第一步骤501中，提供有至少一个第二处理参数。该至少一个第二处理参数负责条纹的出现。更详细地，条纹的出现取决于对弯曲偏差阈值ξthr的超出。该阈值ξthr取决于至少一个第二处理参数。换句话说，根据至少一个第二处理参数，在照射步骤期间更高或更低的弯曲可以是可接受的。
第二处理参数可以是通过至少一个记录光束形成的倾斜角α和/或干涉图案的光栅间距Λ和/或所产生的光栅矢量K的取向。更具体地，已经发现，平均条纹可见性V可以通过下式来计算：
其中，V0是由至少一个记录光束生成的干涉图案的条纹可见性，Λ是光栅间距，以及α是倾斜角。例如，如果参考光束和物体光束具有相同的功率，则V0可以等于1。 通常，V0在0和1之间的范围内。
具体地，根据弯曲偏差阈值ξthr可以被确定为使得仅对该阈值的超出将产生包括不期望条纹的全息光学元件(步骤502)。具体地，由于倾斜角α的影响，弯曲偏差阈值ξthr取决于记录方案的类型，比如透射方案或反射方案。
应当理解，在本发明的其它变型中，弯曲偏差阈值还可以按照其它方式来确定，并且可以例如仅通过实验参考来确定。
如前文所述，在步骤502中，确定弯曲偏差阈值ξthr。具体地，根据至少一个第二处理参数，可以确定弯曲偏差阈值ξthr。例如，可以计算弯曲偏差阈值ξthr。弯曲偏差阈值ξthr被选择为使得如果分别在记录步骤和照射步骤期间的弯曲小于弯曲偏差阈值ξthr，则条纹将不出现。
此外，在步骤503中，通过以下方式对至少一个第一处理参数进行调节：在以下的照射步骤(步骤504)中，最大弯曲偏差ξmax不超过之前所确定的弯曲偏差阈值ξthr。具体地，在照射步骤之前，可以通过使得ξmax<ξthr的下式来计算期望最大弯曲偏差ξmax。要记住，我们已确认记录堆栈的弯曲的起因是通过聚合热的非对称加热，在更早的式(b)中给出的因子A必须被A＝6/π2·(Tad·d)替代。d是光敏记录层的厚度。Tad是通过聚合放热的绝热温度升高。
例如，可以使用具有低CTE绝对值的支承元件和/或可以调节几何尺寸以用于减小R2 dim和/或可以分别调节标准化曝光时间τexp和能量剂量E以用于满足所确定的弯曲偏差阈值ξthr。因此，β(τexp)被给出如下：
并且
包括记录层堆栈的支承结构的浮法玻璃的热扩散时间τ0被给出如下：
D是包括记录层堆栈的支承结构的浮法玻璃的热扩散系数。减小的曝光时间τexp被给出如下：
dsup(ρ,σ)被给出如下：
其中，ρ是标准化径向坐标，并且σ是记录堆栈的泊松比。dsup描述在记录板的边缘(ρ＝1)通过向框架的固定而被支承时的记录堆栈的弯曲，这意味着dsup(ρ＝1,σ)沿着这些边缘基本上等于0。
随后，在已对记录设置进行调节之后，在步骤504中对包括记录元件和支承元件的记录堆栈进行照射。具体地，如上所述，记录堆栈是通过物体光束和参考光束进行照射的。照射步骤的结果是全息光学元件包括期望的图案，而没有任何条纹。
在下文中，给出了一些示例性记录结果：
在第一示例中，记录剂量E为15mJ/cm2且曝光时间texp＝100s，这对应于功率密度P＝150μW/cm2。这是在利用1至2瓦的输出功率的激光器来记录大尺寸全息光学元件时可以实现的上层处的典型功率值。针对所用的该记录剂量和光致聚合物，式(c)中的因子f必须被设置为0.5。如果采用支承元件的半径R作为最大记录堆栈延伸(具有宽度为312mm的全息光学元件和高度为532mm的全息光学元件的全息光学元件)，则其以R＝600/2mm结束。记录层的厚度d为15μm，并且绝热温度升高Tad为33.25K。
以下表1示出了针对具有用作记录堆栈的支承结构的浮法玻璃的记录堆栈的厚度h、记录堆栈的半径R＝600/2mm和曝光时间texp＝100s的变量的最大弯曲偏差ξmax。
表1
如从表1中可以看出，对于小的h，ξmax值完全不取决于h，而在h的特定交叉值之后，ξmax随着h增加而开始衰减。这种交叉在τexp＝1附近出现。因此，在所有情况下记录堆栈厚度h的增加将不会使记录堆栈弯曲减小，除了仅在厚度h的临界值已被超过的情况。在厚度h的该临界值以下，最大弯曲偏差ξmax随后仅取决于CTE的绝对值，并且如果曝光时间texp固定，则最大弯曲偏差ξmax取决于R2。
以下表2示出了针对用于用作记录堆栈的支承结构的浮法玻璃的曝光时间texp、记录堆栈的半径R＝600/2mm和记录堆栈的厚度h＝10mm的变量的最大弯曲偏差ξmax。对于这种情况，再次假设记录剂量E被固定在15mJ/cm2。如果曝光时间texp发生变化，则在不同的功率密度P下进行记录。
表2
如从表2中可以看出，针对固定剂量E的曝光时间texp的增加可以使ξmax减小。
此外，要注意的是，通过增大支承元件的热扩散系数D而使CTE的绝对值降低并且使τ0降低在(几乎)每种情况下都有助于使ξmax减小。
最后，表3a至表3c还分别示出了十二个不同的记录设置和示例的实验结果。
表3a
表3b
表3c
在这些表中，参数Tad是由于聚合放热而引起的绝热温度升高，其根据针对具有聚合放热ΔHP＝133J/cm3的所使用的光致聚合物配剂和记录层堆栈的单位体积的热容量cp＝2J/(cm3·K)以及必须使用的对于所使用的15mJ/cm2的记录剂量E的f(texp)＝0.5的完全转换部分的式(c)来计算。λ是以μm为单位给出的真空中记录光的波长。类型是指HOE的记录的特点。如果类型是“透射”，则参考光束和物体光束从相同侧进入到记录层堆栈中。如果类型是“反射”，则参考光束和物体光束从相反侧进入到记录层堆栈中。θR是朝向记录层堆栈的表面法线测量的参考光束在空气中的角度。θO是朝向记录层堆栈的表面法线测量的物体光束在空气中的角度。表面法线始终是指从记录层堆栈中指向存在相应的记录光束的相应半空间的空气中的表面法线。n是光致聚合物的折射率。可以根据对干涉光学领域的技术人员已知的常规方式利用折射率n在介质内部计算给出的这些参数：光栅矢量K、倾斜角α和光栅间距Λ。固定描述了包括记录堆栈的记录板在记录期间如何被固定到框架上。如果固定为“支承”，则其意味着根据式(j)的dsup(ρ＝1,σ)沿着这些边缘基本上等于0。如果固定为“夹持”，则 其意味着dcla(ρ＝1)基本上等于0，且另外，根据式(k)的(ddcla/dρ)(ρ＝1)沿着这些边缘基本上等于0。在夹持情况下，式(j)必须被式(k)所替代以估计式(b1)中的最大弯曲偏差ξmax。
dcla(ρ)＝[(1-ρ2)+2·ρ2·ln(ρ)] (k)
如从以上示例1至示例12中可以直接看出，如果满足下式，则不出现条纹：
|Kz·ξmax|≤π/2 (l)
而如果满足下式，则出现条纹：
|Kz·ξmax|>π/2 (m)。

Claims (17)

1.一种用于制造全息光学元件的方法，该方法包括以下步骤：
提供记录堆栈，所述记录堆栈包括在至少一个支承元件上层压的至少一个记录元件；
在照射步骤中利用至少一个记录光束对所述记录堆栈的至少一部分进行照射，在所述照射步骤期间，所述记录堆栈由于照射而弯曲；
提供针对所述记录堆栈的弯曲偏差阈值；以及
调节至少一个第一处理参数，使得所述记录堆栈的期望最大弯曲偏差ξmax不超过所述弯曲偏差阈值，其中，所述至少一个第一处理参数在所述照射步骤期间影响所述记录堆栈的弯曲性能，
其中，提供针对所述记录堆栈的弯曲偏差阈值的步骤包括以下步骤：
提供至少一个第二处理参数，所述弯曲偏差阈值取决于所述至少一个第二处理参数；以及
根据所述至少一个第二处理参数来确定针对所述记录堆栈的所述弯曲偏差阈值，
其中，所述第二处理参数是倾斜角α、所述记录元件的光栅矢量K或者所述记录元件的光栅间距Λ，
其中，所述第一处理参数是所述记录堆栈的横向尺寸与所述记录堆栈的厚度的比Rdim、所述记录堆栈的热膨胀系数CTE、记录元件面积相对于支承元件面积的填充因子、在固定记录剂量E下的曝光时间texp或者所述支承元件面积和所述曝光时间texp两者，并且
其中，在所述照射步骤之前，如果固定装置被支承，则所述期望最大弯曲偏差ξmax是通过基于式来计算期望最大弯曲偏差ξmax而确定的，并且在所述照射步骤之前，如果所述固定装置被夹持，则所述期望最大弯曲偏差ξmax是通过基于式ξmax＝A·[|dcla(ρ＝0)|·|CTE|·R2 dim·β(τexp)]来计算期望最大弯曲偏差ξmax而确定的，其中，A是根据光敏记录层的厚度和通过聚合放热的绝热温度升高而计算得到的预定的比例因子并且A＝6/π2·(Tad·d)，其中，d是所述光敏记录层的厚度并且Tad是通过聚合放热的绝热温度升高，dsup或dcla是标准化径向坐标和所述记录堆栈的泊松比的两个函数，其中，并且dcla(ρ)＝[(1-ρ2)+2·ρ2·ln(ρ)]，ρ是标准化径向坐标，σ是所述记录堆栈的泊松比，CTE是所述记录堆栈的热膨胀系数，Rdim是所述记录堆栈的横向尺寸与所述记录堆栈的厚度的比，并且β(τexp)是取决于标准化曝光时间τexp的函数并且其中，
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述期望最大弯曲偏差ξmax等于或小于其中，KZ是光栅矢量在所述记录堆栈的厚度方向上的分量。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述记录堆栈在所述照射步骤中由参考光束和物体光束来照射。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述参考光束和所述物体光束中的至少一个由激光器来生成。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述参考光束和所述物体光束中的至少一个由激光二极管来生成。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，所述参考光束和所述物体光束中的至少一个由定向光源来生成。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述记录元件包括光刻胶材料、光致聚合物材料、卤化银材料、二铬酸盐明胶材料、光致变色材料或光折变材料。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述记录元件包括光致聚合物膜，所述光致聚合物膜包括交联矩阵和写入单体，且包括交联矩阵和基于丙烯酸酯的单体。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述支承元件是由硼硅玻璃制成的玻璃板。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述支承元件是由具有在阈值以下的热膨胀系数CTE的玻璃制成的玻璃板。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述支承元件是由陶瓷玻璃制成的玻璃板。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述支承元件是由熔融硅石制成的玻璃板。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述支承元件是由浮法玻璃板制成的玻璃板。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述支承元件具有等于或小于7×10-6K-1的热膨胀系数CTE的绝对值。
15.一种全息光学元件，该全息光学元件通过根据权利要求1的方法来制造。
16.根据权利要求15所述的全息光学元件，其中，所述全息光学元件是反射式全息光学元件、透射式全息光学元件或侧光式全息光学元件或者它们的组合。
17.一种显示装置，该显示装置包括全息光学元件，该全息光学元件通过根据权利要求1的方法来制造。
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