曲面全息波导的全息光学元件及其制备方法与装置

本发明涉及近眼显示领域，更具体地说，本发明涉及一种曲面全息波导的全息光学元件及其制备方法与装置。

背景技术：

1、增强现实(augmented reality，ar)作为将真实物理世界和丰富数字信息交织一体的显示技术，是新一代空间计算，虚拟世界的承载平台。波导型近眼显示器作为ar应用、使用过程中的关键设备，在光学透视、外形因素方面具有独特优势，是能够提供虚实交融效果的可穿戴器件。与平面波导不同，曲面波导合光器展现了更强的空间整合能力，较为紧凑与美观。

2、全息术，通过“干涉记录，衍射再现”两步，能够在光敏材料中形成记录下物光波波前的相位与振幅信息，并在满足一定衍射条件时，调制重构光波前以复现出三维立体图像。全息光学元件(holographic optical element，hoe)利用全息技术生成体全息光栅，具有光场调控的能力，能够表达一定的角度选择性和波长选择性。

3、曲面全息波导显示系统由带有hoes的光波导构成，曲面hoes作为耦入和耦出光学元件。hoe不仅拥有与光栅、透镜或扩散片相同的光学功能，还具备更加轻薄的质地、多元的形态，为波导型近眼显示器提供了更为轻量化和曲面化的设备解决方案。如今，可以通过工业级的大规模生产工艺，制作出能够覆盖各类表面并适应各种曲面形状曲率的hoe。

4、然而，尽管现有技术已经取得了一定的进展，但在曲面全息波导的制备方面仍面临诸多挑战。例如，专利文献cn114089470a公开了一种全息光波导及其制作装置和近眼显示设备。该全息光波导的制作装置包括光源、第一分光单元、第二分光单元、第一反射单元、第二反射单元、第三反射单元、异形棱镜和全息干板。通过使用光源、各分光单元、各反射单元和异形棱镜对全息干板进行曝光，可以制作出全息光波导。专利文献cn115390180a公开了一种曲面波导及其制作方法，以及眼球追踪装置和vr/ar设备的相关制作方法。该方法包括以下步骤：首先制备曲面波导基板；然后在曲面波导基板上制备凹陷结构；接着制备用于反射光线的耦出玻片；将耦出玻片连接到凹陷结构中；最后填充耦出玻片和凹陷结构内壁之间的空隙。但是，上述技术要么面向的是全息光波导中曲率无限大的全息干板的制作，无法应用于曲面全息波导的全息光学元件的制备，要么仅针对曲面波导基板中反射面的制作，不涉及衍射光学元件的集成。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种曲面全息波导的全息光学元件及其制备方法与装置。通过将曲面波导与全息技术相结合，并通过精确控制离轴光路(包括柱面透镜和耦合棱镜)，从而在全息记录材料上形成高质量的干涉图案。特别是柱面透镜将平行光聚焦为子午面上的线型光斑(构造点)，提高了全息光栅的角度选择性和成像精度。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、第一，本发明提供一种曲面全息波导的全息光学元件制备方法，其特点在于，包括：

4、s1.提供一曲面波导，该曲面波导的两侧表面具有相同的曲率中心、不同的曲率半径；

5、s2.将全息记录材料贴附在所述曲面波导的一侧和/或两侧的外表面或内表面；

6、s3.提供一耦合棱镜，用于确保全息光学元件实现既定角度选择性；所述耦合棱镜至少具有第一通光面和第二通光面，所述第一通光面与所述曲面波导交界贴合，二者具有相同的曲率中心和曲率半径；

7、s4.将所述曲面波导与耦合棱镜交界面填涂折射率匹配液；

8、s4.利用激光器发射出激光；

9、s5.将所述激光分束为第一激光光束和第二激光光束；

10、s6.当所述全息记录材料贴附在所述曲面波导的外表面时，使所述第一激光光束作为参考光，同轴照射到所述全息记录材料一侧上；

11、当所述全息记录材料贴附在所述曲面波导的内表面时，使所述第一激光光束作为参考光，入射所述耦合棱镜的第三通光面并通过第一通光面后，同轴照射到所述全息记录材料一侧上；

12、s7.使所述第二激光光束作为信号光，经柱面透镜聚焦后，无损入射所述耦合棱镜的第二通光面，并通过所述曲面波导，以一定角度离轴照射到所述全息记录材料另或同一侧上；

13、s8.所述参考光和信号光在所述全息记录材料产生干涉曝光，获得全息光学元件。

14、优选的，所述柱面透镜是平凸柱面透镜或双凸柱面透镜，将面向凸柱面入射的平行光聚焦为子午面上的线型光斑，形成离轴光路上的构造点。

15、优选的，所述耦合棱镜作为异形光学棱镜，当具有第一通光面和第二通光面时，其组合形式包括由柱面镜和凹柱面梯形棱镜构成的第一组合，其第一通光面为凸柱面、第二通光面为凹柱面；由柱面镜和凹柱面三角棱镜构成的第二组合，其第一通光面为凸柱面、第二通光面为凹柱面；由柱面镜和凸柱面梯形棱镜构成的第三组合，其第一通光面为凸柱面、第二通光面为凸柱面；由柱面镜和凸柱面三角棱镜构成的第四组合，其第一通光面为凸柱面、第二通光面为凸柱面；由柱面镜和平面梯形棱镜构成的第五组合，其第一通光面为凸柱面、第二通光面为平面；由柱面镜、平面三角棱镜构成的第六组合，其第一通光面为凸柱面、第二通光面为平面；当具有第一通光面、第二通光面和第三通光面时，其组合形式包括由柱面镜、双凹柱面梯形棱镜构成的第一组合，其第一通光面为凸柱面、第二通光面为凹柱面、第三通光面为凹柱面；由柱面镜、一凸一凹柱面梯形棱镜构成的第二组合，其第一通光面为凸柱面、第二通光面为凸柱面、第三通光面为凹柱面；由柱面镜、凹柱面梯形棱镜构成的第三组合，其第一通光面为凸柱面、第二通光面为该梯形棱镜的斜面、第三通光面为凹柱面。

16、优选的，所述第一通光面与曲面波导的内表面贴合，即二者具有相同的曲率中心和曲率半径；所述第二通光面能够无损耦合离轴光路上的柱面波，确保构造光任一光路的垂直入射，即第二通光面的曲率中心同离轴光路上的构造点重合，或者，曲率同入射其上构造光波前的曲率一致，或者，对离轴光路上的柱面波产生折射，则折射光反向延长线的会聚点应与所设计的离轴光路上的构造点重合。所述第三通光面与所述第一通光面曲率相当，用于正确引导同轴光路。

17、优选的，所述耦合棱镜的通光面镀有增透膜，非通光面的表面磨砂或镀吸收膜，用于吸收杂散光

18、优选的，所述曲面波导是柱面面型的波导合光器，两侧表面均在曲率平面上具有屈光能力，二者屈光度符号相反。

19、优选的，所述曲面波导由玻璃或聚合物制成，折射率介于1.3至2.2之间，是具有均匀厚度和恒定折射率的传播介质，曲率半径大约在150至250mm之间，厚度在2至6mm左右。

20、进一步，所述步骤s5.包括：

21、-利用电子快门控制光路的通断，确保曝光时间满足全息光学元件的需要；

22、-利用衰减器调节光路中激光功率大小，确保所述参考光和信号光的光束强度满足预定的曝光强度；

23、-利用扩束准直系统对调节功率后的激光进行准直和扩束，获得高质量的宽光束平行光；

24、-利用分束器将所述激光分束为作为参考光的第一激光光束和作为信号光的第二激光光束；

25、-利用反射镜组改变光路方向，确保参考光和信号光按预定路径传播。

26、第二，本发明提供一种曲面全息波导的全息光学元件，采用上述方法曝光制备而成。

27、其中，所述全息光学元件是透射式全息光学元件或反射式全息光学元件。

28、第三，本发明还提供一种曲面全息波导的全息光学元件的制备装置，其特点在于，包括：

29、光源系统，包括相干光源、电子快门和衰减器，所述相干光源用于产生相干光，所述电子快门设置在相干光源的输出端以控制光路的通断，所述衰减器设置在电子快门之后以调节光路中激光的功率；

30、扩束准直系统，设置在所述衰减器的输出端，用于将衰减后的相干光进行准直扩束，形成高质量的宽光束平行光；

31、光路调整组件，包括第一反射镜、分束器、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜，所述第一反射镜用于改变平行光方向，所述分束器将平行光分为参考光和信号光，所述第二反射镜用于引导参考光同轴照射至全息记录材料，所述第三反射镜和第四反射镜用于引导信号光以一定角度离轴照射至全息记录材料；

32、柱面透镜，设置在第四反射镜之后，用于将信号光聚焦为子午面上的线型光斑，形成离轴光路上的构造点；

33、耦合棱镜，设置在所述柱面透镜焦平面的后方，至少具有第一通光面和第二通光面，用于确保全息光学元件实现既定角度选择性；

34、曲面波导，具有相同的曲率中心、不同的曲率半径的两侧表面，其内表面与所述耦合棱镜第一通光面贴合，且二者间隙填充有折射率匹配液；

35、全息记录材料，设置在曲面波导的一侧外表面或内表面，用于记录参考光和信号光的干涉图样，形成全息光学元件。

36、优选的，所述柱面透镜是平凸柱面透镜或双凸柱面透镜，位于离轴信号光光路上，用于将面向凸柱面入射的平行光聚焦为子午面上的线型光斑，形成离轴光路上的构造点，该构造点的位置与所述曲面波导的面型相适配，确保通过所述曲面波导实现图像传输时，光束沿切向传播不产生畸变。

37、与现有技术相比较，本发明具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

38、1.本发明针对曲面全息波导的全息光学元件的制备，特殊设计下构造点的位置保证了曲面全息波导中全视场光线的全反射无畸变传播，解决了曲面波导图像信息传递畸变的问题，提供了一种头戴式曲面显示设备的方案。

39、2.本发明中使用耦合棱镜作为角度匹配的光学元件。耦合棱镜的通光面设计为柱面或平面，能够正确引导构造光，确保体全息光栅结构实现预定的角度选择性。耦合棱镜形态变化多样，其可采用一体成型或分别制造后胶合的方式，通过冷加工、热加工等多种方法加工，体现了制造的灵活性。通光面镀有增透膜，非通光面则经磨砂处理或镀有吸收膜，保证了体全息光栅形成过程的稳定性。