CN104614868A - 一种基于全息光栅消色差的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于全息光栅消色差的系统及方法，所述系统包括发光源、第一光栅和第二光栅；所述方法通过将所述发光源发出的光经过第一光栅衍射，产生一级多色光谱，被第二光栅接收，并产生负一级衍射光后发出，由于所述第一光栅和第二光栅为双透射式全息光栅，因此可以很好的消除在全息成像过程中形成的色差。本发明提供的一种基于全息光栅消色差系统和方法，验证了双光栅成像消色差的理论，通过将其传播放入平面光波导，改变了光波的传输方式，达到了全息光波导消色差的目标。

Description

一种基于全息光栅消色差的系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于全息光栅消色差系统及方法，属于全息波导光栅领域。

背景技术

全息波导光栅利用光栅的衍射原理，将衍射光通过全反射原理，使其进入玻璃基底中形成波导进行传播，当遇到另一块光栅后，则同样通过光栅的衍射原理，从波导中出射进入人的眼睛。这样人可以透过玻璃观察到远处的景物，又可以同时观察由波导传输形成的图像。全息记录按其物理意义可被称为波前的记录和重现，是 1948 年英国物理学家丹尼斯·盖伯在 1948 年提出的。盖伯从理论和实验上证明，用一个参考光波和物体的衍射光波（物光波）干涉，可以完全记录物光波的振幅和相位信息，并且由此干涉图可以对照明光波进行衍射，从而再现原来的物光波，及物体的像。

波前记录从光的干涉基本原理理论可知，双光束干涉的强度分布于两束光的位相差有关，等强度线即是等相位差线。如果一束相干光为简单光波（比如平面波或者球面波），它在记录平面的位相分布为已知，于是干涉强度分布就和另一束的位相分布具有简单的对应关系。利用参考光和物光波的干涉可以实现对物光波位相的编码。

波前的重现是以全息图对再现光波的衍射为基础。为此，用一束相干光波照射全息图，如果再现光波就是记录是的参考光波，这正是原始物体光波的重现。对观察者来说，由全息图重现的物光波和从原始物体发出的物光波是没有区别的。

光在传播路径中，遇到不透明或透明的障碍物，绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象称为光的衍射。惠更斯提出，媒质上波阵面上的各点，都可以看成是发射子波的波源，其后任意时刻这些子波的包迹，就是该时刻新的波阵面。惠更斯－菲涅尔原理能定性 地描述衍射现象中光的传播问题。菲涅尔充实了惠更斯原理，他提出波前上每个面元都可视为子波的波源，在空间某点P 的振动是所有这些子波在该点产生的相干振动的叠加，称为惠更斯－菲涅尔原理。

根据光栅的标量衍射理论，可得：

其中d为光栅的周期，k为衍射级次，n为波导介质的折射率，为波导中的第k级衍射角，为入射角，为波长。

耦合波理论是从麦克斯韦方程出发，根据记录介质在有调制的情况下 的电学或者光学常数，直接解出方程组，可以求出在各种情况下衍射效率。

耦合波理论假设接近布拉格角的单波长光入射到体积全息光栅中，只 有两束光被假设出现在光栅中，一束为入射的参考光波，另一束为信号光 波。只有满足或者至少近似满足布拉格条件的光波才会被考虑，其他的多 级衍射或者强烈的违背了布拉格条件的将不被考虑。这些假设使得耦合波 理论只对体积全息光栅适用。

物光波和参考光波相干叠加，在三维空间形成了干涉场，如果这些干 涉场被厚的全息记录材料记录下来，则全息图上的干涉条纹则为三维干涉 场的等强度面与记录材料的截面。一般全息记录材料的厚度大于干涉条纹 空间周期，甚至全息材料的厚度超过50个条纹间距。这种情况下，平面全息图的衍射机理将不再适用，必须考虑全息图的三维特性，这种建立在三维模型基础上的全息图称为体积全息图。

当两束光从记录材料的同一侧入射时，再现时在照明光波的透射方向观察，称为透射式体积全息图。如图记录光波分别从介质的两侧入射时，则再现时则从照明光波的反射方向观察，这种全息图称为反射式全息图。对称记录的点基元体积全息图，其等强度面是一组与光轴平行或者垂直的平行等间距的平面条纹。

当照明光波进入体积全息图以后，将在全息光栅的每一个点处发生衍 射，引起入射波和衍射波之间的能量耦合。因此描述照明光波在体积全息 图中的传播，必须应用非均匀介质中的麦克斯韦方程和相应的边界条件。 耦合波理论即是这样一种衍射理论，它通过求解非均匀介质中的麦克斯韦 方程，从而得出不同类型体积全息图衍射效率的解析表达式。

目前的消色差的方法是利用了全息材料，对全息材料进行曝光实现一层体积全息光栅进行消色差，但是这种方式实施较为复杂，对材料也有极大的浪费。

衍射光学元件被广泛应用到许多光学领域，例如波前整形，全息投影，光学加密等。设计光学元件其实是振幅和位相的复原。传统的光学元件设计是基于优化的迭代算法，例如GS算法，杨-顾算法和模拟退火算法等。这些算法在输出平面上只是近似的得到了振幅而忽略了相位。然而，在许多的光学系统中，能够精确的同时调制振幅和相位的衍射光学元件是非常必要的。任意结构衍射光学元件通常是通过多层掩模板，灰阶掩模板，电子束刻蚀等方法实现的。这些技术非常的耗时而且昂贵。利用全息干涉的方法制作衍射光学元件是非常有效且成本低廉的方法，尤其是在制造大面积衍射光学元件时。然而，传统的全息干涉方法只能制作筒单的光栅结构或者筒单的透镜。而大面积的制作任意结构的衍射光学元件一直是本领域的一个难题。

因此，现有技术有待于进一步的改进。

发明内容

鉴于上述现有技术中的不足之处，本发明的技术方案如下：

一种基于全息光栅消色差的系统，其中，包括：发光源、第一光栅和第二光栅，所述第一光栅和第二光栅均为透射式全息光栅；所述发光源发出的光经过第一光栅和第二光栅后发出。

所述基于全息光栅消色差的系统，其中，所述发光源为OLED 显示屏或者白光LED手电筒。

所述基于全息光栅消色差的系统，其中，所述OLED 显示屏与第一光栅的垂直距离为70mm，第一光栅的周期为430.00 nm，第二光栅周期为457.64 nm。

所述基于全息光栅消色差的系统，其中，所述白光 LED 手电筒与第一光栅的垂直距离为70mm，所述白光 LED 手电筒与第二光栅的垂直距离为201.55 mm，第一光栅的周期为632 nm，第二光栅周期为1822 nm。

一种基于全息光栅消色差的方法，其中：所述发光源发出的光经过第一光栅衍射，产生一级多色光谱，被第二光栅接收，并产生负一级衍射光后发出。

本发明提供的利用双透射式全息光栅消色差系统及方法，验证了双光栅成像消色差的理论，通过将其传播的光通过平面光波导进行传输，使用双透射式全息光栅改变了光波的传输方式，可以满足全息光波导消色差的目标。

附图说明

图1 为双光栅成像原理图。

图2 为波导双光栅成像示意图。

图3 为波导双光栅光路示意图。

图4 为全息记录光路原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

全息记录材料，曝光光强，曝光时间，曝光时环境的稳定程度，后期的显影定影都会对衍射效率的提高有所影响。分别采用了银盐干板和光致聚合物作为全息记录材料。激光器发出的光经过分束镜后，形成两束，分别通过滤波器形成均匀的球面波，再经过准直透镜形成平面波，然后经过平面反射镜，在全息干板的记录平面交汇。两束光的偏振方向一致，两束光的光强相同。

透射式全息光栅一般可以看作平面光栅，根据光栅方程公式和光路的可逆性，光栅具有汇聚光谱的作用。根据此效应，可得出光栅成像的基本原理。

本发明提供了一种基于全息光栅消色差的系统，所述系统包括：发光源、第一光栅和第二光栅，所述第一光栅和第二光栅均为透射式全息光栅；所述发光源发出的光经过第一光栅和第二光栅后发出。

如图1 所示，位于原点O 的发光源所发出的光通过第一光栅G1 产生光谱向前传播到达第二光栅G2，通过第二光栅G2的光谱汇聚，即可得到白色的图像进入观察人的眼睛。

为使得光谱可以正好汇聚，则从光栅方程和光路几何关系可以很容易得到如下关系式：

（1）

其中， k1，d1 ，z1 分别为第一光栅G1 的衍射级次，空间周期以及物体到第一光栅G1 平面的垂直距离；k2 ，d2 ，z2 分别为第二光栅G2 的衍射级次，空间周期以及物体到第二光栅G2 平面的垂直距离。α 为与两光栅平面的夹角有关的系数，当两光栅平行时，α =1。

根据全息波导成像原理和双光栅成像原理，设计了一套系统，利用透射式全息光栅，实现波导消色差成像。

如图2 所示，采用标准的小型 OLED 显示屏，长边为l =0.31 英寸（7.62mm）， 距离第一光栅 G1 的垂直距离为Z1 =70mm。玻璃基底厚度 L=3mm，折射率n=1.5。由于 = 0.11，所以入射角可以近似为0。为使玻璃基底中的光波传播满足全反射条件，则必须满足公式：

对于三色光波，波长分别为 632.8nm，533nm，432nm 的衍射角均需大于全反射角。设计第一光栅 G1 的周期为d1 =430.00 nm，则可根据光栅衍射方程：，其中d为光栅的周期，k为衍射级次，n为波导介质的折射率，βdiff , k 为波导中的第 k 级衍射角，θinc为入射角，λ为波长。

可计算得，三波长对应的衍射角分别为78.84°，55.72°，42.04°，均可满足全反射条件。为使此系统具有汇聚光谱消色差的功能则必须满足公式 （1），当α=1,k1=1,k2= −1时，公式（1）可写为：

（2）

其中，M为全反射的次数，S为光波在波导中水平方向单次反射通过的光程。可通过如下公式求得：

（3）

当 L=3mm，n=1.5 时，S=4.5mm。当M=1 时，可求得第二光栅 G2

周期d2 = 457.64 nm。因此当光波通过第二光栅 G2 耦合输出进入人眼，可

以得到完整的消色差白色图像。通过以上理论分析，可以得知，这样设计的系统可以满足全息光波导消色差的目标。

将全息光波导光路展开，则可得初步验证实验装置如图3 所示，白光 LED 手电筒发出的光经过第一光栅 G1 衍射，产生一级多色光谱，被第二光栅 G2 接收，并产生负一级衍射，进入人眼睛，由于光栅的光谱汇聚作用，人眼可以看到完全消色差的白色手电筒像。参数为：第一光栅 G1，第二光栅G2 周期分别为d1 = 632 nm， d2 =1822 nm，LED 手电筒与第一光栅 G1 和第二光栅G2的垂直距离分别为z1 = 70.00 mm， z2 =201.55 mm，手电筒的直径为 25mm。

由于光栅是使用全息技术制作的，所以在制作过程中，光束的角度测量难免会出现误差，使得光栅的周期与设计的周期出现偏差。记录全息光栅的过程中空气的扰动，平台的微震以及化学显影定影漂白过程都会对光栅的精细度产生影响，初步实验验证了双光栅成像消色差的理论，如果将其传播放入平面光波导，只是改变了光波的传输方式，也会实现同样的效果。

本发明采用全息光栅的制作方法，根据薄全息图记录角度和光栅周期的公式：

其中d 为记录的光栅周期，θ rec为记录时两束光在介质中的夹角，λ rec为记录波长。其中记录波长为532nm，要想得到光栅周期 430nm和 457nm，可计算得到在介质外的光波夹角分别为68.1 ，60.8 。

实验光路如图4所示。激光器1发出的光经过分束镜2分成两束光，分出的两束光分别经过光束扩展器3和4后，分别经过第一透镜和第二透镜制后形成两束相干光照射到全息干板上，形成全息光栅。

可以想到的是，如果采用更精密的制作仪器以及更稳定的环境，图像的模糊度会有很大的改善。

一种基于全息光栅消色差的方法，其中，所述发光源发出的光经过第一光栅衍射，产生一级多色光谱，被第二光栅接收，并产生负一级衍射光后发出。

本发明提供的利用双透射式全息光栅消色差系统和方法，验证了双光栅成像消色差的理论，如果将其传播放入平面光波导， 只是改变了光波的传输方式，可以满足全息光波导消色差的目标。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于全息光栅消色差的系统，其特征在于：包括发光源、第一光栅和第二光栅，所述第一光栅和第二光栅均为透射式全息光栅；

所述发光源发出的光经过第一光栅和第二光栅后发出。

2.根据权利要求1所述基于全息光栅消色差的系统，其特征在于，所述发光源为OLED 显示屏或者白光LED手电筒。

3.根据权利要求2所述基于全息光栅消色差的系统，其特征在于，所述OLED 显示屏与第一光栅的垂直距离为70mm，第一光栅的周期为430.00 nm，第二光栅周期为457.64 nm。

4.根据权利要求2所述基于全息光栅消色差的系统，其特征在于，所述白光 LED 手电筒与第一光栅的垂直距离为70mm，所述白光 LED 手电筒与第二光栅的垂直距离为201.55 mm，第一光栅的周期为632 nm，第二光栅周期为1822 nm。

5.一种基于全息光栅消色差的方法，其特征在于：所述发光源发出的光经过第一光栅衍射，产生一级多色光谱，被第二光栅接收，并产生负一级衍射光后发出。