体全息曲面波导及其制作方法和装置与流程

本方案属于光波导，具体涉及体全息曲面波导及其制作方法和装置。

背景技术：

1、ar设备的光学显示系统通常由微型显示屏和光学元件组成。概括来说，目前市场上的ar眼镜采用的显示系统就是各种微型显示屏和棱镜、自由曲面、birdbath、光波导等光学元件的组合，其中光学组合器的不同，是区分ar显示系统的关键部分，而目前光波导方案从光学效果、外观形态和量产前景来说，都具备最好的发展潜力。

2、光波导总体上可以分为几何光波导和衍射光波导两种，几何光波导就是所谓的阵列光波导，其通过阵列反射镜堆叠实现图像的输出和动眼框的扩大，衍射光波导主要有利用光刻技术制造的表面浮雕光栅波导和基于全息干涉技术制造的体全息光栅波导。但是由于几何光波导在工艺和制作上的困难，ar眼镜想要具备普通眼镜的外观，真正走向消费市场，衍射光波导是目前的不二之选。

3、目前实现研发和量产的ar眼镜光波导技术为平面波导，但是平面波导制作而成的ar眼镜并没有适配近视和远视的人群，导致如近视和远视的人群使用该类ar眼镜体验感十分差，需要在处方眼镜之外增加ar眼镜才能实现增强现实显示的功能。这增加了佩戴者所佩戴眼镜的整体重量和尺寸，造成大众对ar眼镜的接受度较低，限制了ar眼镜的消费级普及。

4、对于体全息光栅波导而言，其难以实现曲面波导的原因在于，体全息光栅是由全息材料经过干涉曝光形成的，曝光时要求全息材料具有平整的表面。因此，现有技术通常在平面上干涉曝光形成具有体全息光栅的全息膜后，再将其转移贴合到曲面波导上。

技术实现思路

1、本方案旨在克服现有技术中的至少一种缺陷，提供一种直接在曲面波导上记录形成体全息光栅的体全息曲面波导制作方法。

2、为了解决上述技术问题，采取下述技术方案：

3、第一方面，提出一种制作体全息曲面波导的方法。该方法包括如下曝光步骤，用于干涉曝光位于耦出区和/或转折区的全息光敏材料层：

4、根据虚拟影像的像素分布，将参考光调整为对应第i像素的单像素参考光，将信号光调整为对应第i像素的单像素信号光；

5、将单像素参考光耦入曲面波导层，使其在曲面波导层内部进行全反射传播，并在全反射传播过程中照射全息光敏材料层，与此同时，将单像素信号光径直出射在全息光敏材料层上，单像素参考光与单像素信号光在全息光敏材料层上发生干涉，全息光敏材料层记录第i像素对应的干涉条纹；

6、令i＝i+1，重复上述步骤，直至全息光敏材料层记录下所有像素对应的干涉条纹，形成体全息光栅层。

7、本方案以虚拟影像的像素分布为依据将参考光和信号光分别调整为单像素参考光和单像素信号光，通过单像素单像素参考光和单像素信号光对全息光敏材料层进行多次曝光，虚拟影像含有多少像素就曝光多少次，每次曝光只形成对应某个像素的单像素体全息光栅，多次曝光形成了分别对应不同像素的多个单像素体全息光栅。对应第i像素的单像素体全息光栅只衍射对应第i像素的投影光束，不会衍射对应其它像素的投影光束，使得不同波长(不同颜色)的光线在所得体全息曲面波导中的传输和耦出不会相互串扰。与此同时，本方案还通过全反射传播来传输单像素参考光，有利于避免杂光，以免对干涉条纹造成影响。由此，通过单像素照射和全反射传播的协同作用，使得直接在曲面波导层上曝光形成体全息光栅层成为可能。

8、由于曝光过程是通过单像素参考光和单像素信号光对全息光敏材料层进行逐一曝光，形成对应各个像素的单像素体全息光栅，由此得到的体全息光栅层会对每个像素的传输光线进行特定的衍射，使它们出射为同心光束，便于成像。

9、在曝光步骤前，上述方法还包括前处理步骤：根据佩戴者的眼部参数定制处方眼镜片作为曲面波导层。无论是普通人群还是近视、远视等特殊人群，曲面波导层都可以采用根据佩戴者的眼部参数进行定制的处方眼镜片，以使视觉效果更清晰舒适，眼睛更加轻松，以免引起视觉疲劳等问题。

10、在曝光步骤前，上述方法还包括前处理步骤：将全息光敏材料层设置在曲面波导层的表面或内部。全息光敏材料层由对参考光和信号光敏感的全息光敏材料形成，全息光敏材料可以通过旋涂、喷涂、涂布等方式涂覆在曲面波导层的表面，也可以通过灌注的方式充盈在曲面波导层的内部，从而形成设置在曲面波导层上的全息光敏材料层。

11、第二方面，提出一种制作体全息曲面波导的装置。该装置包括参考光生成器和信号光生成器，用于干涉曝光位于耦出区和/或转折区的全息光敏材料层，使之形成体全息光栅层。

12、参考光生成器用于产生对应第i像素的单像素参考光，单像素参考光耦入曲面波导层后在曲面波导层内部进行全反射传播，并在全反射传播过程中照射全息光敏材料层。信号光生成器用于产生对应第i像素的单像素信号光，单像素信号光径直出射在全息光敏材料层上。单像素参考光和单像素信号光在全息光敏材料层上发生干涉，其干涉条纹被全息光敏材料层记录。

13、本方案通过参考光生成器产生对应第i像素的单像素参考光照射全息光敏材料层，并通过信号光生成器产生对应第i像素的单像素信号光照射全息光敏材料层，使得全息光敏材料层记录的干涉条纹，形成的单像素体全息光栅只衍射对应第i像素的投影光束，不会衍射对应其它像素的投影光束，使得不同波长(不同颜色)的光线在所得体全息曲面波导中的传输和耦出不会相互串扰。参考光生成器产生的单像素参考光通过在曲面波导层中全反射传播照射到全息光敏材料层，有利于避免杂光，以免对干涉条纹造成影响。由此，通过单像素照射和全反射传播的协同作用，使得直接在曲面波导层上曝光形成体全息光栅层成为可能。

14、由于曝光过程是通过单像素参考光和单像素信号光对全息光敏材料层进行逐一曝光，形成对应各个像素的单像素体全息光栅，由此得到的体全息光栅层会对每个像素的传输光线进行特定的衍射，使它们出射为同心光束，便于成像。

15、参考光生成器包括参考光光源、第一空间光调制器和第一透镜组，参考光光源产生参考光并出射至第一空间光调制器，第一空间光调制器将参考光调制为对应第i像素的单像素的第一点光源并出射至第一透镜组，第一透镜组对第一点光源进行整形并出射为上述单像素参考光。第一透镜组可以将第一点光源整形为平行光束，也可以将第一点光源整形为发散光束。换言之，第一透镜组出射的单像素参考光可以是平行光束，也可以是发散光束，对于虚像的再现没有影响。

16、信号光生成器包括信号光光源、第二空间光调制器和第二透镜组，信号光光源产生信号光并出射至第二空间光调制器，第二空间光调制器将信号光调制为对应第i像素的单像素的第二点光源并出射至第二透镜组，第二透镜组对第二点光源进行整形并出射为上述单像素信号光。第二透镜组可以将第二点光源整形为平行光束，也可以将第二点光源整形为发散光束。若单像素信号光为平行光束，则所得体全息曲面波导再现的虚像在无穷远。若单像素信号光为发散光束，则所得体全息曲面波导再现的虚像在有限远，该虚像至体全息曲面波导的距离可以通过调节第二透镜组的焦距、第二透镜组与第二空间光调制器的距离、第二透镜组与全息光敏材料层之间的距离中的至少两者进行调节，其中第二透镜组与第二空间光调制器的距离、第二透镜组与全息光敏材料层之间的距离具体可以通过移动第二透镜组、第二空间光调制器、体全息曲面波导进行调节，从而制作出不同虚像距的体全息曲面波导，使得虚像距离也能够适配不同视力的人群。

17、上述装置还可以包括第一移动机构、第二移动机构、第三移动机构中的至少两种。信号光光源和第二空间光调制器安装在第一移动机构上，可以通过第一移动机构调节第二空间光调制器的位置，从而调节第二透镜组与第二空间光调制器的距离；第二透镜组安装在第二移动机构上，可以通过第二移动机构调节第二透镜组的位置，从而调节第二透镜组与第二空间光调制器的距离、第二透镜组与全息光敏材料层之间的距离；体全息曲面波导安装在第三移动机构上，可以通过第三移动机构调节体全息曲面波导的位置，从而调节第二透镜组与全息光敏材料层之间的距离，以便调节有限远虚像的距离。

18、上述装置还可以包括载物台，以便安装定位待曝光的体全息曲面波导。载物台可以安装在第三移动机构上，以便通过第三移动机构调节载物台的位置，即调节第二透镜组至全息光敏材料层的距离，从而调节有限远虚像的距离。

19、上述装置还可以包括耦入器，以便将单像素参考光耦入曲面波导层。该耦入器包括耦入光栅，具体可以是体全息光栅，也可以是表面浮雕光栅，可以通过贴合等方式固定安装在待曝光的体全息曲面波导表面。除此之外，单像素参考光还可以通过体全息曲面波导自带的耦入光栅耦入曲面波导层，该耦入光栅可以是体全息光栅，还可以是表面浮雕光栅，可以通过贴合等方式固定在体全息曲面波导中。若体全息曲面波导自带的耦入光栅是体全息光栅，则该耦入光栅还可以是体全息光栅层的一部分，可以在曲面波导层上曝光成型。

20、上述装置还可以包括具有空腔的箱体，上述参考光生成器、信号光生成器、载物台等器件都安装在该空腔中，既便于器件的装配定位，又利于营造适合曝光的环境。

21、第三方面，提出一种体全息曲面波导。该体全息曲面波导由上述方法或装置制作而成，包括曲面波导层和体全息光栅层，体全息光栅层位于曲面波导层的表面或内部，且至少覆盖耦出区和/或转折区。

22、本方案通过至少一表面为曲面的曲面波导层来实现光的全反射传播，使得体全息曲面波导能够更好地适应眼睛本身的曲率，更加贴合眼睛表面，从而消除视觉畸变，光线在通过体全息曲面波导时能够更好地与眼睛的生理结构相匹配，提高视觉的清晰度和舒适度。曲面波导层的曲面参数可以根据个人眼部特征和视力数据精确定制，定制得到的曲面波导层相当于处方眼镜片，具有屈光度，适配佩戴者视力，应用于ar等头显产品时不必加戴处方眼镜也可以透过体全息曲面波导清晰地看到真实环境，减少了佩戴者佩戴头显产品时需要承受的整体重量和尺寸，提高大众对头显产品的接受度。

23、耦出区和/或转折区的体全息光栅层通过上述方法或装置曝光而成，由于曝光过程是通过单像素参考光和单像素信号光对全息光敏材料层进行逐一曝光，形成对应各个像素的单像素体全息光栅，由此得到的体全息光栅层会对每个像素的传输光线进行特定的衍射，使得不同波长(不同颜色)的光线在所得体全息曲面波导中的传输和耦出不会相互串扰，并使它们出射为同心光束，便于成像。

24、体全息光栅层还覆盖耦入区。耦入区的体全息光栅层可以先成型再安装到曲面波导层上，也可以采用传统的曝光方法直接在曲面波导层上曝光而成。

25、第四方面，提出一种头显产品。该头显产品包括投影光机和体全息曲面波导。体全息曲面波导由上述方法或装置制作而成，包括曲面波导层和体全息光栅层，且设有耦入区和耦出区。体全息光栅层位于所述曲面波导层的表面或内部，且至少覆盖耦出区。

26、投影光机类似投影机，将带有虚拟影像的光线从体全息曲面波导的耦入区投射进入体全息曲面波导。体全息曲面波导的耦入区将来自投影光机的光束耦合进入波导，使得该光束可以在曲面波导层内部进行全反射传播。由于耦出区的曝光过程是通过单像素参考光和单像素信号光对全息光敏材料层进行逐一曝光，由此得到的体全息光栅层会对每个像素的传输光线进行特定的衍射，使得不同波长(不同颜色)的光线在所得体全息曲面波导中的传输和耦出不会相互串扰，并使它们出射为同心光束，便于成像。

27、而且，曲面波导层至少一面为曲面，能够更好地适应眼睛本身的曲率，更加贴合眼睛表面，从而消除视觉畸变，光线在通过体全息曲面波导时能够更好地与眼睛的生理结构相匹配，提高视觉的清晰度和舒适度。曲面波导层的曲面参数可以根据个人眼部特征和视力数据精确定制，定制得到的曲面波导层相当于处方眼镜片，具有屈光度，适配佩戴者视力，应用于ar等头显产品时不必加戴处方眼镜也可以透过体全息曲面波导清晰地看到真实环境，减少了佩戴者佩戴头显产品时需要承受的整体重量和尺寸，提高大众对头显产品的接受度。

28、体全息光栅层还可以覆盖耦入区。耦入区的体全息光栅层可以先成型再安装到曲面波导层上，也可以采用传统的曝光方法直接在曲面波导层上曝光而成。

29、体全息曲面波导还可以设转折区。体全息光栅层还可以覆盖转折区，耦入区的体全息光栅层可以先成型再安装到曲面波导层上，也可以采用上述方法或装置直接在曲面波导层上曝光而成。

30、本方案与现有技术相比较有如下有益效果：本方案开创性地提出了一种直接在曲面基底上曝光形成体全息光栅层的方法，由其制得的体全息曲面波导可以根据佩戴者视力进行定制，提高大众对头显产品的接受度，而且会对每个像素的传输光线进行特定的衍射，使它们出射为同心光束，便于成像。

技术特征：

1.一种制作体全息曲面波导的方法，其特征在于，所述方法包括如下曝光步骤，用于干涉曝光位于耦出区和/或转折区的全息光敏材料层：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在曝光步骤前，所述方法还包括如下步骤：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：

4.一种制作体全息曲面波导的装置，其特征在于，

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，

6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，

10.一种体全息曲面波导，包括曲面波导层和体全息光栅层，所述体全息光栅层位于所述曲面波导层的表面或内部，且至少覆盖耦出区和/或转折区，其特征在于，所述体全息曲面波导由权利要求1～3任一项所述方法或权利要求4～9任一项所述装置制作而成。

技术总结
本方案公开了一种体全息曲面波导及其制作方法和装置。方法包括曝光步骤，用于干涉曝光位于耦出区和/或转折区的全息光敏材料层，曝光步骤包括：根据虚拟影像的像素分布，将参考光调整为对应第i像素的单像素参考光，将信号光调整为对应第i像素的单像素信号光；将单像素参考光耦入曲面波导层，使其在曲面波导层内部进行全反射传播，并在全反射传播过程中照射全息光敏材料层，与此同时，将单像素信号光径直出射在全息光敏材料层上，单像素参考光与单像素信号光在全息光敏材料层上发生干涉，全息光敏材料层记录第i像素对应的干涉条纹；令i＝i+1，重复上述步骤，直至全息光敏材料层记录下所有像素对应的干涉条纹，形成体全息光栅层。

技术研发人员：胡德骄,黄志勤,林海斌,杜有成
受保护的技术使用者：尼卡光学（天津）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23