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一种复用体全息光栅
技术领域
本发明属于全息光栅波导显示技术领域，尤其是一种无色偏的复用体全息光栅。
背景技术
全息波导显示技术是一种利用高亮度微型显示器为图像源，以透明的全息护目镜为 显示屏，通过小型化光学系统将图像通过波导结构投射到人眼成像的显示技术。它具有 超大视场、轻便等优点，多用于军用显示领域。
常见的单色全息波导显示器的工作原理为，位于图像输入端的入耦合光栅结构对输 入光波进行滤波，绿光耦合进入波导结构，再经过波导的传输和出耦合光栅的调制，携 带虚拟图像信息的光波进入人眼，呈现绿色的三维图像。彩色全息波导显示器的工作原 理与单色全息波导显示器类似，主要差别在于输入光经过入耦合光栅后，红绿蓝三原色 光被滤波，进入波导传播，最后经过出耦合光栅，二次滤波并输出彩色三维图像。入耦 合光栅对输入光的滤波效果直接决定了输出端成像是否存在色彩偏移、亮度不均等问 题。目前，用于全息波导的光栅多以体全息光栅、倾斜光栅和面光栅为主。其中，体全 息光栅在波长选择方面表现出的高灵敏度，大大优于其它的光栅。
体全息光栅实现彩色全息的常用方法是多层光栅的叠加。该技术的入耦合光学系统 设计如图1所示，入射光101垂直入射进入体全息光栅103、104、105，各层光栅只有 一个峰值反射波长，红、绿、蓝光被选择，反射进入波导层102。一方面，由于三种颜 色光波进入光栅层的深度不同，其衍射波进入波导的位置不同，因此不能同时到达出耦 合光栅；另一方面，虽然希望每一层光栅只对某一带宽内的波长具有选择性，其它波长 的光波可以完全透过，但实际上其他波长的光波透过时会引入一定程度的耗损，导致三 原色能量相差较大。运用有限元分析方法分析多层光栅的光谱特性，具体数值见表1。
表1 多层耦合体全息光栅衍射效率

  640nm 525nm 440nm 峰值衍射效率 78.65％ 90.03％ 94.18％
另有研究将单层复合光栅运用于彩色全息波导显示。该技术通过对一层光栅进行多 次曝光，使其对多个波段的光波响应。该复用方法同时造成了红绿蓝光出射能量的不均， 这种不均在图像输出时表征为颜色的偏移。表2给出了光谱分析的具体数值，可以看出， 红光对应的峰值衍射效率与绿光、蓝光相差较大。
表2 现有单层复合光栅不同波长对应的折射率调制度、 光栅周期、峰值衍射效率和光谱带宽

发明内容
发明目的：为解决现有技术存在的上述问题，提供一种复用体全息光栅，在保证峰 值衍射效率很高和光谱带宽狭窄的前提下，能有效均衡红绿蓝光波的出射能量，避免颜 色偏移。
技术方案：一种复用体全息光栅，所述复合体全息光栅的折射率n为平均折射率和 多个折射率调制度的叠加，在二维空间xy坐标系中，可表述为：

其中，x轴为平行于光栅表面的坐标轴，y为垂直于光栅表面的坐标轴，n₀为材料 平均折射率；
Δn表示折射率调制度，其中，Δn_R、Δn_G、Δn_B分别表示红、绿、蓝光对应的折射率 调制度，K表示光栅矢量，其中，K_R、K_G、K_B的分别表示红、绿、蓝光对应的光栅矢 量，K可通过K＝2π/Λ求得，Λ为光栅周期，为倾斜角；布拉格条件下，Λ满足： λ＝2n₀Λsinθ，其中，θ为布拉格角，λ为入射波长。
所述无色偏的复合体全息光栅厚度为10～30μm，光栅材料的平均折射率为1.5～1.55， 红、绿、蓝光对应的折射率调制度为Δn_R＞Δn_G＞Δn_B，具体取值范围为：红光的折射率 调制度为0.05～0.1，绿光的折射率调制度为0.04～0.1，蓝光的折射率调制度为0.035～0.1。
在进一步的实施例中，光栅材料为重铬酸盐明胶，平均折射率为1.52；光栅入射区 域为平板光波导，材料为石英玻璃，折射率为1.52；光栅透射区域为空气。
在进一步的实施例中，复用光栅的制作方法为在同一层介质上分别用红、绿、蓝激 发进行曝光，三次曝光形成的体全息光栅倾斜角相同，周期不同，控制曝光时间，使得 红、绿、蓝光对应的折射率调制度依次减小。
在进一步的实施例中，上述曝光过程包括如下步骤：
步骤一，使两束蓝色激光相互干涉，在体全息材料内部形成周期为Λ_B的倾斜条纹， 记录第一张全息图；
步骤二，将蓝色激光换成绿色，始终保持曝光时两束激光夹角的中心线与光栅平面 夹角相等，以保证光栅矢量方向相同，在同一体全息材料上依次记录第二张全息图，此 时绿光对应的光栅周期为Λ_G；
步骤三，将绿光换成红光，重复步骤二，记录第三张全息图，此时红光对应的光栅 周期为Λ_R。
在进一步的实施例中，红绿蓝光的峰值衍射效率比等于1:(0.96～1):1。
有益效果：在本发明中，复用体全息光栅经过多次曝光，折射率为平均折射率和多 个折射率调制度之和，白光入射时，光栅对红光、绿光和蓝光均具有滤波作用，且三种 波长的衍射效率相近，带宽较窄，出射能量均匀，不会出现色彩的偏移。
附图说明
图1是现有多层彩色体全息光栅用作全息波导输入耦合器系统结构图。
图2为反射式体全息光栅折射率调制度和衍射效率的关系曲线。
图3是本发明提供的复合体全息光栅均匀滤波方法的光栅结构图。
图4a是本发明提供的复合体全息光栅用作全息波导输入耦合器系统结构图。
图4b是图4a中A处的放大图。
图5为本发明提供的复合体全息光栅均匀滤波方法的光谱分布图。
具体实施方式
下面结合附图2至附图5和具体实施方式对本发明做进一步说明。
体全息光栅的衍射效率与多个因素相关，包括平均折射率、折射率调制度、入射角、 光栅倾斜角、入射光偏振特性等。考虑到入射角和光栅倾斜角对衍射角的影响，为避免 入耦合光栅衍射光角度的不同造成出耦合位置难以统一，红绿蓝光对应的光栅倾斜角不 宜存在差异。因此，尝试优化折射率调制度，以达到红绿蓝光出射能量的均衡。
现有制作体全息光栅的材料中，最常见的是重铬酸盐明胶，其折射率调制度最大可 达0.08～0.1。图2给出了根据严格耦合波理论分析得到的反射型体全息光栅折射率调制 度与反射衍射效率的关系。如图2所示，折射率调制度越大，反射衍射效率越高，折射 率调制增大到一定值时，效率稳定，接近100％。图2所示曲线的参数设置为：入射角 为0°，入射光波偏振模式为TE偏振，波长为640nm，体全息光栅厚度为10μm，光栅 周期为234nm，倾斜角为26°，材料平均折射率为1.52，入射区域折射率为1.52，出射 区域折射率为1。
本实例根据折射率调制度与反射衍射效率的关系曲线，设计复合体全息光栅对不同 波长有不同的折射率调制度。经研究证明，折射率调制度随曝光量指数增长，如果曝光 量小，衍射效率较小，如果曝光量过大，介质吸收增大，光栅的透过率降低。因此，折 射率调制度的波长差异性可通过严格控制曝光时长来实现，例如在红光曝光时适度增加 曝光时长。该设计避免了现有复合体全息光栅对红绿蓝光的响应峰值差异。所述复合体 全息光栅为反射式体全息光栅，且光栅矢量相同。
本实例中，复合体全息光栅的三次曝光流程如图3所示。第一步，两束蓝色激光相 互干涉，在体全息材料内部形成周期为Λ_B的倾斜条纹，记录第一张全息图；第二步， 将蓝色激光换成绿色，始终保持曝光时两束激光夹角的中心线与光栅平面夹角相等(保 证光栅矢量方向相同)，在同一体全息材料上依次记录第二张全息图，此时绿光对应的 光栅周期为Λ_G；第三步，将绿光换成红光，重复第二步，记录第三张全息图，此时红 光对应的光栅周期为Λ_R。三次曝光形成的体全息光栅倾斜角相同，周期不同。
曝光时长通常受曝光时的光强度、材料对不同波长的敏感度等因素的影响，且重铬 酸盐明胶对蓝紫光敏感，对红光几乎不敏感，制作彩色全息光栅时需要添加增敏剂，所 以，不同波长对应的最佳曝光时长并没有统一的参考依据，需要根据具体的实验环境确 定。通常，未添加增敏剂的重铬酸盐明胶，在蓝色激光曝光条件下达到最佳曝光效果的 时长大约为20～30s。为了实现折射率调制度的依次增小，红、绿、蓝光在曝光时间上应 依次减短，最大曝光时长不应超过5min。
本实例中，复合体全息光栅的折射率为平均折射率和多个折射率调制度的叠加，可 用式(1)表示，

其中，n₀为材料平均折射率，Δn为折射率调制度，K为光栅矢量，可通过K＝2π/ Λ求得，Λ为光栅周期，为倾斜角。下标R、G、B代表其对应的红、绿、蓝光，即 Δn_R、Δn_G、Δn_B分别表示红、绿、蓝光对应的折射率调制度，K_R、K_G、K_B的分别表示红、 绿、蓝光对应的光栅矢量。布拉格条件下，Λ需满足式(2)：
λ＝2n₀Λsinθ   (2)
其中，θ为布拉格角，λ为入射波长。
本实例中，不同波长对应不同的折射率调制度和光栅周期，光栅周期满足布拉格条 件。取峰值衍射效率和光谱带宽作为评价指标，具体参数如表3所示：
表3 本实例不同波长对应的折射率调制度、光栅周期、峰值衍射效率和光谱带宽
波长 折射率调制度 光栅周期 峰值衍射效率 光谱带宽 640nm Δn_R＝0.05 Λ_R＝234nm 100％ 29nm 525nm Δn_G＝0.04 Λ_G＝192nm 96.0％ 17nm 440nm Δn_B＝0.035 Λ_B＝161nm 100％ 15nm
该技术的入耦合光学系统设计如图4a和图4b所示，入射光201垂直入射进入复合 体全息光栅203，复合体全息光栅203在红、绿、蓝光波段有三个反射峰值，光波被选 择后反射进入波导层202。所有光谱分布结果是通过有限元分析方法取得的理论值。如 图5所示为波长与衍射效率的关系曲线图，从图中可以看出，在整个可见光范围内，复 合体全息光栅对红绿蓝光的响应平均，且带宽狭窄，峰值接近100％。这一理论分析结 果对工艺实践具有指导作用。
本实例中，所述复合体全息光栅厚度为10μm，平均折射率为1.52，且密接于平板 光波导上方。本实例中，平板光波导为石英玻璃，折射率为1.52。
本实例中，红光的折射率调制度为0.05，绿光的折射率调制度为0.04，蓝光的折射 率调制度为0.035。
本实例中，红绿蓝光的峰值衍射效率比为1：0.96:1，近似等于1:1:1，红绿蓝光的 衍射能量均衡。
总之，本发明基于反射式复合体全息光栅，通过折射率调制度的优化设计，实现了 实现白光入射时，红绿蓝三原色光能量的均匀出射，解决了复用体全息光栅用于波导显 示器时因为滤波能量不均匀而造成的色彩偏移有效避免了色偏现象的发生。可以广泛应 用于波导显示器领域。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的 具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换， 这些等同变换均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所 描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为 了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各 种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当 视为本发明所公开的内容。