CN211403128U - 一种全息光学器件的加工及复制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种全息光学器件的加工及复制系统，用于加工待加工的光学基片，包括：计算机控制器、光路系统、运动平台，所述计算机控制器分别与所述光路系统和所述运动平台电连接，以根据需求控制所述光路系统及所述运动平台的工作状态，所述光学基片固定于所述运动平台上。本实用新型用于制作或复制二维全息光栅，通过设置分光系统和计算机控制器，实现一束物光与一束参考光的配合对光学基片同一位置的至少两次曝光，或者实现至少两束物光和至少两束参考光的配合对光学基片同一位置的至少一次曝光；通过控制可调光阑控制曝光面积的大小，通过控制运动平台可控制光学基片的移动或旋转，便于加工和复制，成本更低，有利于大规模量产。

Description

一种全息光学器件的加工及复制系统

技术领域

本实用新型涉及增强现实技术领域，尤其涉及一种全息光学器件的加工及复制系统。

背景技术

基于增强现实技术(Augmented Reality)的智能眼镜作为可穿戴智能设备，近年来备受关注。头戴式显示器作为增强现实设备中的一种，其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并允许用户同时看到真实世界。头戴式显示器具有许多实用性的应用和休闲的应用，例如：应用至航空和航天应用领域中，可以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；应用至公共安全领域应用中，包括地图和热成像的战术显示等；还应用至其他领域中(视频游戏、交通运输和无线电通信等领域)来提升用户体验。

一种典型的头戴式显示器均会包括光栅200、300和光波导100，如图1所示，将来自微投影仪400的光线经光200衍射耦合进光波导100中，进入光波导100的入射光线满足全内反射条件，在光波导100内部传播，再由另一衍射光栅300耦出光波导100，投射到用户眼睛500。同时，如果在两个维度上扩展输入光，可以获得更大的出射光瞳，减小装置的整体尺寸。现有技术中，提供了一种在两个维度上扩展出射光瞳的装置，包括：光波导；被配置成将输入光耦合到光波导中的输入衍射光学元件；以及在光波导中或光波导上至少部分地覆盖在彼此上的两个输出衍射光学元件。其中，两个输出衍射光学元件中的至少一个输出衍射光学元件可以用作将光朝着观看者耦合出光波导的输出衍射光学元件。输入衍射光学元件与输出衍射光学元件通常为表面浮雕光栅。表面浮雕光栅的制作需要昂贵的刻蚀设备进行纳米压印，精度要求高，二维扩展设计复杂，不易优化，且凹槽或凸起边缘易出现散射。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种全息光学器件的加工及复制系统。

为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：本实用新型提供一种全息光学器件的加工及复制系统，用于加工待加工的光学基片，包括：计算机控制器、光路系统、运动平台，所述计算机控制器分别与所述光路系统和所述运动平台电连接，以根据需求控制所述光路系统及所述运动平台的工作状态，所述光学基片固定于所述运动平台上；所述光路系统包括一光源以及一分光系统；所述光源发出的光信号经所述分光系统分光后，得到至少一束物光以及至少一束参考光；

若经过所述分光系统分光后，得到一束物光和一束参考光，所述物光与所述参考光经所述光路系统传输至所述光学基片上，在所述计算机控制器和所述运动平台的配合下，实现所述光学基片同一位置的至少两次曝光，以制备二维全息光学器件；或，

若经过所述分光系统分光后，得到至少两束物光和至少两束参考光，所述物光与所述参考光经所述光路系统传输至所述光学基片上，在所述计算机控制器和所述运动平台的配合下，实现所述光学基片同一位置的至少一次曝光，以制备二维全息光学器件。

进一步地，所述计算机控制器用于分别向所述光路系统和所述运动平台发送光控制信号和运动控制信号；所述运动平台根据所述运动控制信号控制自身运动以确定所述光信号在所述光学基片上的曝光位置，所述光路系统根据所述光控制信号控制传输至所述光学基片上的光信号的曝光次数。

进一步地，所述分光系统包括：第一分光器件、物光光路模块和参考光光路模块；所述光源发出的光信号经所述第一分光器件后，得到光束一和光束二；所述光束一经所述物光光路模块之后，得到一束物光或至少两束物光；所述光束二经所述参考光光路模块之后，得到一束参考光或至少两束参考光。

进一步地，当所述光束一经过物光光路模块之后得到一束物光时，所述物光光路模块包括：沿光路依次设置的扩束器、第一准直器件、第二分光器件和光阑，以及与所述第二分光器件连接的空间光调制器；所述空间光调节器以及所述光阑均与所述计算机控制器电性连接；或，

当所述光束一经所述物光光路模块之后，得到至少两束物光时，所述物光光路模块包括：沿光路依次设置的扩束器、第一准直器件、第二分光器件、第三分光器件和光阑，以及与所述第二分光器件连接的空间光调制器；所述空间光调节器以及所述光阑均与所述计算机控制器电性连接。

进一步地，当所述光束二经所述参考光光路模块之后，得到一束参考光时，所述参考光光路模块包括：沿光路依次设置的反射器件、第二准直器件、和聚焦器件，所述聚焦器件与所述计算机控制器电性连接；或，

当所述光束二经所述参考光光路模块之后，得到至少两束参考光时，所述参考光光路模块包括：沿光路依次设置的反射器件、第四分光器件、第二准直器件、和聚焦器件，所述聚焦器件与所述计算机控制器电性连接。

进一步地，所述第一准直器件、所述第二准直器件以及聚焦器件均为透镜。

进一步地，所述第一分光器件和第二分光器件均为分光棱镜。

进一步地，所述第三分光器件和第四分光器件均为分光器件。

进一步地，所述运动平台包括：平台本体以及设置于所述平台本体下方的水平方向运动电机、竖直方向运动电机和旋转电机，所述水平方向运动电机用于控制所述平台本体水平方向的运动，所述竖直方向运动电机用于控制所述平台本体竖直方向的运动，所述旋转电机用于控制所述平台本体的旋转；

所述旋转电机用于控制所述平台本体沿垂直Z轴方向旋转或沿物光入射光轴方向旋转。

进一步地，所述光学基片为含有全息母版的待复制光学基片。

采用上述方案，本实用新型提供一种全息光学器件的加工及复制系统，用于制作或复制全息光栅，通过设置分光系统和计算机控制器，实现一束物光与一束参考光的配合对光学基片同一位置的至少两次曝光，或者，实现至少两束物光和至少两束参考光的配合对光学基片同一位置的至少一次曝光；通过控制可调光阑控制曝光面积的大小，通过控制运动平台可控制光学基片的移动或旋转。通过计算机的信号控制，可动态调制光栅折射率(相当于表面浮雕光栅的刻蚀深度)及二维扩瞳光束的角度及能量分布，便于加工和复制，成本更低，有利于大规模量产。

附图说明

图1为现有技术中头戴式显示器的原理图。

图2本实用新型全息光学器件的加工及复制系统的结构框图。

图3A为本实用新型中反射式光栅曝光光路的示意图。

图3B为本实用新型中透射式光栅曝光光路的示意图。

图4为本实用新型中矩形阵列干涉光场的示意图。

图5为本实用新型中蜂窝形阵列结构的示意图。

图6为本实用新型中复制全息光学器件的示意图。

图7A为本实用新型中透射式复制全息光学器件的示意图一。

图7B为本实用新型中透射式复制全息光学器件的示意图二。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本实用新型进行详细说明。

全息光栅用于光波导显示器光线的耦入、耦出以及二维出瞳扩展，其为增强现实设备的一个重要部件，全息光栅一般设于透明的光波导的表面上，由光敏材料经全息曝光工艺制备而成并批量复制。具体过程通过参考光与物光相干涉曝光光敏材料，形成二维体光栅；通过一束物光可再现不同方向的参考光束，实现二维扩瞳，以二维体光栅为母版，用单束物光透过母版曝光光敏材料，即可批量复制二维体光栅。请参阅图2，本实用新型提供一种全息光学器件的加工及复制系统，用于加工待加工的光学基片3，其主要包括：计算机控制器1、光路系统、运动平台2，其中，光学基片3为待加工的且携带有光敏材料(感光材料)的光学基片3，具体的，所述光学基片3主要采用光聚合物，能够保证全息光学器件具备高透明度以及高衍射效率，该全息光学器件为全息光栅。下面细述各个部件的具体设置及工作原理：

所述计算机控制器1用于发送各种控制信号，其分别与所述光路系统和所述运动平台2电连接，以根据需求控制所述光路系统及所述运动平台2的工作状态。所述光学基片3固定于所述运动平台2上，即运动平台2的运动将带动光学基片3的运动。所述计算机控制器1用于分别向所述光路系统和所述运动平台2发送光控制信号和运动控制信号。所述运动平台2根据所述运动控制信号控制自身运动以改变所述光信号在光学基片3上的曝光位置，所述光路系统根据所述光控制信号控制传输至所述光学基片3上的光信号的曝光量、曝光时间和曝光次数，达到实现二维全息光学器件的目的。

所述光路系统的作用是：产生光信号并将光信号传输至运动平台2上的光学基片3，以实现光学基片3的曝光，达到制备全息光学器件的目的。具体的，所述光路系统包括一光源4以及一分光系统，所述光源4具体为激光器，所述光源4与计算机控制器1连接，计算机控制器1可以控制激光器的开启与关闭。所述光源4发出的光信号经所述分光系统分光后，得到至少一束物光以及至少一束参考光，所述物光与所述参考光经所述光路系统传输至所述光学基片3上，实现所述光学基片3的曝光。每一束物光是垂直入射光学基片3的一侧面，而与该束物光相对应的参考光则以一定倾角入射光学基片3的另一侧面，物光和参考光在光学基片3处发生干涉，并在具有感光材料的光学基片3上曝光，从而形成全息的光学器件。

进一步地，所述分光系统包括第一分光器件5、物光光路模块和参考光光路模块。所述光源4发出的光信号经所述第一分光器件5后，得到光束一和光束二，所述光束一经所述物光光路模块之后，得到一束物光或至少两束物光；所述光束二经所述参考光光路模块之后，得到一束参考光或至少两束参考光。其中，

当所述光束一经所述物光光路模块之后，得到一束物光时，所述物光光路模块包括：沿光路依次设置的扩束器11、第一准直器件12、第二分光器件13和光阑14，以及与所述第二分光器件13连接的空间光调制器15。所述空间光调节器15以及所述光阑14均与所述计算机控制器1电性连接，以接收计算机控制器1发送过来的光控制信号。所述扩束器11用于将入射的窄光进行扩束，得到具有一定宽度的光；所述第一准直器件12用于将所述具有一定宽度的光进行准直；所述第二分光器件13用于将入射的所述具有一定宽度的光进行分光，所述空间光调制器15用于根据所述光控制信号将物光部分激光转换为光学编码图像，并以物光光斑投射至光学基片3的光敏材料上，所述光阑14用于根据所述光控制信号控制光阑孔的大小，经调制和分光后的光线经所述光阑14之后，出射至所述光学基片3上。具体的过程为：由第一分光器件5入射至物光光路模块的光线为细光，即宽度较窄的光。因此，在物光光路模块中需要对入射的窄光进行扩束。具体地，通过扩束器11对入射的窄光进行扩束，得到具有一定宽度的光。该具有一定宽度的光依次经第一准直器件12、第二分光器件13和光阑14，依次经准直、分光和光阑之后，形成一束垂直于光学基片3的平行光并入射至光学基片3上。

当所述光束一经所述物光光路模块之后，得到至少两束物光时，所述物光光路模块包括：沿光路依次设置的扩束器11、第一准直器件12、第二分光器件13、第三分光器件(未图示)和光阑14，以及与所述第二分光器件13连接的空间光调制器15；所述空间光调节器15以及所述光阑14均与所述计算机控制器1电性连接。所述扩束器11、第一准直器件12及光阑14的功能与上述的一束物光一样，此处不再重复赘述。区别之处在于，第二分光器件13将一束物光进行分光之后，得到两束光，其中一束光反馈给空间光调制器15，另一束光经由所述第三分光器件分光，分成两束用于干涉的物光。具体的过程为：由第一分光器件5入射至物光光路模块的光线为细光，即宽度较窄的光。因此，在物光光路模块中需要对入射的窄光进行扩束。具体地，通过扩束器11对入射的窄光进行扩束，得到具有一定宽度的光。该具有一定宽度的光依次经第一准直器件12、第二分光器件13和光阑14，依次经准直、分光和光阑之后，形成两束垂直于光学基片3的平行光并入射至光学基片3上。

另外，请继续参阅图2，当所述光束二经所述参考光光路模块之后，得到一束参考光时，所述参考光光路模块包括：沿光路依次设置的反射器件21、第二准直器件23、和聚焦器件24，所述聚焦器件24与所述计算机控制器1电性连接，可以接收计算机控制器1的光控制信号来调整光斑的大小。所述反射器21件用于改变入射的参考光的传播方向。所述第二准直器件23用于将参考光进行准直；所述聚焦器件24用于对经准直的参考光进行聚焦，并出射至所述光学基片3上。具体的过程为：由第一分光器件5入射至参考光光路模块的光线，先通过反射器件21改变该光线的传播方向。该束参考光依次经第二准直器件23、聚焦器件24，依次经准直和聚焦之后，形成一束与光学基片3成一定倾角的入射光入射至光学基片3。

当所述光束二经所述参考光光路模块之后，得到至少两束参考光时，所述参考光光路模块包括：沿光路依次设置的反射器件21、第四分光器件(未图示)、第二准直器件23、和聚焦器件24，所述聚焦器件24与所述计算机控制器1电性连接。所述反射器件21、第二准直器件23及聚焦器件24的功能与上述的一束参考光一样，此处不再重复赘述。区别之处在于，增加第四分光器件将一束参考光分成两束参考光。具体的过程为：由第一分光器件5入射至参考光光路模块的光线，先通过反射器件21改变该光线的传播方向。之后经过第四分光器件分成两束参考光，该两束参考光依次经第二准直器件23、聚焦器件24，依次经准直和聚焦之后，形成两束与光学基片3成一定倾角的入射光入射至光学基片3。

需要说明的是，所述第一准直器件12、所述第二准直器件23以及聚焦器件24均为透镜。所述第一分光器件5和第二分光器件13均为分光棱镜，所述第三分光器件和第四分光器件均为分光器件。

其中，所述运动平台2包括：平台本体以及设置于所述平台本体下方的水平方向运动电机、竖直方向运动电机和旋转电机。所述水平方向运动电机用于控制所述平台本体水平方向的运动，所述竖直方向运动电机用于控制所述平台本体竖直方向的运动，所述旋转电机用于控制所述平台本体的旋转。具体地，旋转电机用于控制平台本体沿垂直Z轴方向旋转或沿物光入射光轴方向旋转。

作为制作全息光光学器件的一实施例，在本实施例中，所述光源4发出的激光经所述分光系统分光后，得到一束物光及一束参考光时，采用分次曝光的方式，比如，先在双束光线(一束物光和一束参考光)下曝光10s-60s，然后利用加工平台2旋转光学基片90°，之后继续在相同的干涉场下曝光1-5min，可制备条纹正交的二维体光栅。光学基片3上的光敏材料经物光和参考光照射后，进行后续处理，如紫外光固化，加热后可形成具有全息衍射特性的光学元件。本实用新型采用一束物光和一束参考光至少两次曝光的方式，对光学基片同一位置完成至少两次曝光，以制备二维全息光学器件，还可以改变曝光时间，旋转夹角即可记录干涉光场，如图4所示，制备特征参数可调的二维光栅。本实用新型既可以采用反射式曝光方式，如图3A所示，也可以采用透射式曝光方式，如图3B所示。

作为制作全息光光学器件的另一实施例，在本实施例中，所述光源发出的激光经所述分光系统分光后，得到两束物光及两束参考光。本实施例采用多束光线一次曝光法制备二维体光栅，即采用四束光线分别在竖直和水平两个方向同时干涉来实现，具体为使用两组双束光线，两组干涉条纹叠加形成如图4所示的干涉光场，并在光敏材料上曝光记录，制备二维体全息光栅。四束光线一次曝光较实施例一种双束光线至少两次曝光制备周期短，但曝光光路和组件装配调试难度大。双束光线分次曝光，光路搭建简单，但考虑到入射角，空间对称性等因素，前后两次的曝光参数误差比单次曝光大。采用双束光线至少两次曝光或四束光线一次曝光可制备矩形或平行四边形阵列结构。

作为制作全息光光学器件的又一实施例，在本实施例中，采用双光束多次曝光或四光束一次曝光可制备矩形或平行四边形阵列结构。如图5，三光束干涉曝光可制备蜂窝形阵列结构。用分光后的多束参考光与单束物光曝光光敏材料，形成二维光栅。一束物光光束可再现不同方向的参考光光束。

批量复制加工全息光学器件的工作原理：

所述光学基片为含有全息母版的待复制光学基片，所述光源发出的激光经所述分光系统分光后，得到一束物光及一束参考光，并仅采用一参考光光路模块将该束参考光分别照射至光学基片上，可以不设置物光光路模块节省设备成本，或者，设置物光光路模块并关闭该物光光路模块中光阑的光阑孔。如图6所示，在光学基片中，未曝光光敏材料32施加在固体或柔性透明基底31上，全息母版33(待复制的光学基片)平行贴合于未曝光光敏材料32之上，且使所有表面的平面相互平行，一束参考光从基底31底面入射至光学基片中，全息母版33再现物光光束，在未曝光光敏材料32上，该重现物光光束与参考光束发生干涉，并且在该光敏材料上记录全息光学元件母版33的副本，完成复制加工。

激光器被用作相干光束光源，其发出的光可为单色光，也可具有三种不同波长的光，该三种光的频谱在红色，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要复制的材料进行照明，也可以通过不同的颜色相干激光光束依次对要复制的材料进行照明。

本实用新型采用透射或反射衍射级与参考光干涉记录的方式，可实现透射式全息光学器件的复制。全息母版43(待复制的光学基片)贴合于基底41和未曝光光敏材料42之间可实现膜材的复制，如图7A所示。全息母版53(待复制的光学基片)贴合于基底51和未曝光光敏材料52外侧，实现玻璃基材(基底51)的全息器件的复制，如图7B所示。

综上所述，本实用新型提供一种全息光学器件的加工及复制系统，用于制作或复制全息光栅，通过设置分光系统和计算机控制器，实现一束物光与一束参考光的配合对光学基片同一位置的至少两次曝光，或者实现至少两束物光和至少两束参考光的配合对光学基片同一位置的至少一次曝光；通过控制可调光阑控制曝光面积的大小，通过控制运动平台可控制光学基片的移动或旋转。通过计算机的信号控制，可动态调制光栅折射率(相当于表面浮雕光栅的刻蚀深度)及二维扩瞳光束的角度及能量分布，便于加工和复制，成本更低，有利于大规模量产。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全息光学器件的加工及复制系统，其特征在于，用于加工待加工的光学基片，包括：计算机控制器、光路系统、运动平台，所述计算机控制器分别与所述光路系统和所述运动平台电连接，以根据需求控制所述光路系统及所述运动平台的工作状态，所述光学基片固定于所述运动平台上；所述光路系统包括一光源以及一分光系统；所述光源发出的光信号经所述分光系统分光后，得到至少一束物光以及至少一束参考光；

若经过所述分光系统分光后，得到一束物光和一束参考光，所述物光与所述参考光经所述光路系统传输至所述光学基片上，在所述计算机控制器和所述运动平台的配合下，实现所述光学基片同一位置的至少两次曝光，以制备二维全息光学器件；或，

若经过所述分光系统分光后，得到至少两束物光和至少两束参考光，所述物光与所述参考光经所述光路系统传输至所述光学基片上，在所述计算机控制器和所述运动平台的配合下，实现所述光学基片同一位置的至少一次曝光，以制备二维全息光学器件。

2.根据权利要求1所述的全息光学器件的加工及复制系统，其特征在于，所述计算机控制器用于分别向所述光路系统和所述运动平台发送光控制信号和运动控制信号；所述运动平台根据所述运动控制信号控制自身运动以确定所述光信号在所述光学基片上的曝光位置，所述光路系统根据所述光控制信号控制传输至所述光学基片上的光信号的曝光次数。

3.根据权利要求2所述的全息光学器件的加工及复制系统，其特征在于，所述分光系统包括：第一分光器件、物光光路模块和参考光光路模块；所述光源发出的光信号经所述第一分光器件后，得到光束一和光束二；所述光束一经所述物光光路模块之后，得到一束物光或至少两束物光；所述光束二经所述参考光光路模块之后，得到一束参考光或至少两束参考光。

4.根据权利要求3所述的全息光学器件的加工及复制系统，其特征在于，当所述光束一经所述物光光路模块之后，得到一束物光时，所述物光光路模块包括：沿光路依次设置的扩束器、第一准直器件、第二分光器件和光阑，以及与所述第二分光器件连接的空间光调制器；所述空间光调节器以及所述光阑均与所述计算机控制器电性连接；或，

当所述光束一经所述物光光路模块之后，得到至少两束物光时，所述物光光路模块包括：沿光路依次设置的扩束器、第一准直器件、第二分光器件、第三分光器件和光阑，以及与所述第二分光器件连接的空间光调制器；所述空间光调节器以及所述光阑均与所述计算机控制器电性连接。

5.根据权利要求4所述的全息光学器件的加工及复制系统，其特征在于，当所述光束二经所述参考光光路模块之后，得到一束参考光时，所述参考光光路模块包括：沿光路依次设置的反射器件、第二准直器件、和聚焦器件，所述聚焦器件与所述计算机控制器电性连接；或，

当所述光束二经所述参考光光路模块之后，得到至少两束参考光时，所述参考光光路模块包括：沿光路依次设置的反射器件、第四分光器件、第二准直器件和聚焦器件，所述聚焦器件与所述计算机控制器电性连接。

6.根据权利要求5所述的全息光学器件的加工及复制系统，其特征在于，所述第一准直器件、所述第二准直器件以及聚焦器件均为透镜。

7.根据权利要求5所述的全息光学器件的加工及复制系统，其特征在于，所述第一分光器件和第二分光器件均为分光棱镜。

8.根据权利要求5所述的全息光学器件的加工及复制系统，其特征在于，所述第三分光器件和第四分光器件均为分光器件。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的全息光学器件的加工及复制系统，其特征在于，所述运动平台包括：平台本体以及设置于所述平台本体下方的水平方向运动电机、竖直方向运动电机和旋转电机，所述水平方向运动电机用于控制所述平台本体水平方向的运动，所述竖直方向运动电机用于控制所述平台本体竖直方向的运动，所述旋转电机用于控制所述平台本体的旋转；

所述旋转电机用于控制所述平台本体沿垂直Z轴方向旋转或沿物光入射光轴方向旋转。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的全息光学器件的加工及复制系统，其特征在于，所述光学基片为含有全息母版的待复制光学基片。

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