CN104614869A - 一种基于三次曝光技术消色差的系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于三次曝光技术消色差的系统及其实现方法，所述系统包括微型显示器、准直透镜、第一光栅和第二光栅，从微型显示器发出的彩色光线通过准直透镜后照射到第一光栅，通过第一光栅的调制，RGB三色光波被以同一方向反射进入光波导，在第二光栅处，光波又被调制反射出去，进入人眼，使得人眼可以看到彩色的图像。本发明提出的基于三次曝光技术消色差的方法是通过记录角度的改变，对同一全息材料分别进行三次曝光，得到分别对红绿蓝三种颜色的光线有调制的光栅结构。采用了532nm的激光作为记录光源，全息记录材料选择银盐干板(卤化银乳胶材料)，简单有效实用，尤其是对于大规模的工业生产更加有经济意义。

Description

一种基于三次曝光技术消色差的系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及多光谱成像领域，尤其涉及的是一种基于三次曝光技术消色差的系统及其实现方法。

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。

由于全息光学元件有色差，所以用在波导成像中，产生的色差会影响 所成像真实色彩的再现。L.Eisen等人提出了采用渐变折射率材料作玻璃基 底，但此种方法在实现起来很困难。索尼公司的Hiroshi Mukawa等人提出 了利用三层全息乳胶层，每一层乳胶分别对红绿蓝波长敏感，然后制作三 层光栅，对光线耦合，实现消色差。但此种方法对制作工艺的要求极高， 而且耗时，成本也很高。

因此，现有技术有待于进一步的改进。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明采取了以下技术方案：

一种基于三次曝光技术消色差的系统，其特征在于，包括：

微型显示器、准直透镜、光波导，耦合输入光栅和耦合输出光栅；所述波导设置有玻璃基底；所述耦合输入光栅和耦合输出光栅分别设置在玻璃基底的两端；

从微型显示器发出的RGB三色光通过准直透镜后，进入到耦合输入光栅， 通过耦合输入光栅的调制，RGB三色光以同一方向反射进入光波导的玻璃基底，在耦合输出光栅处，RGB三色光被调制反射后，从光波导发出；

所述耦合输入光栅和耦合输出光栅为经过三次曝光的全息光栅。

所述基于三次曝光技术消色差的系统，其中，所述全息光栅为通过两束平面波通过干涉的方法进行制作时，两束平面波的夹角满足：；

其中为两束平面波在介质中的夹角，为记录的光波长，为布拉格角，是两束平面波的波长。

所述基于三次曝光技术消色差的系统，其特征在于，所述RGB三色光通过准直透镜后照射到全息干板的入射角满足公式：

其中n为玻璃基底的折射率，读出光波的波长，是全息光栅的折射率，是记录材料的折射率，是记录激光的波长，和为两束平面干涉光的夹角， ，为光栅波矢的倾斜角度。

一种基于三次曝光技术消色差的实现方法，其中，所述方法包括：

A、通过三次曝光的方法制作耦合输入光栅和耦合输出光栅；

B、将所述耦合输入光栅和耦合输出光栅分别设置在光波导的玻璃基底两端；

C、从微型显示器发出的RGB三色光通过准直透镜后照射到耦合输入光栅， 通过光栅的调制，RGB三色光被以同一方向反射进入光波导，在耦合输出光栅处，RGB三色光被调制反射后，从光波导发出。

所述基于三次曝光技术消色差的实现方法，其中，所述步骤A中，使用两束相干光波对全息材料进行三次曝光的方法制作耦合输入光栅和耦合输出光栅时，两束平面波的夹角满足一下公式：

其中为两束平面波在介质中的夹角，为记录的光波长，为布拉格角，是两束平面波的波长。

本发明还提供一种基于三次曝光技术消色差的方法，所述方法包括微型显示器、准直透镜、耦合输入光栅、耦合输出光栅、全息干板、玻璃基底和等腰直角棱镜，所述耦合输入光栅和耦合输出光栅分别设置在玻璃基底的两端；

从微型显示器发出的彩色光线通过准直透镜后照射到耦合输入光栅， 通过光栅的调制，RGB三色光波被以同一方向反射进入光波导，在耦合输 出光栅处，光波又被调制反射出去，进入人眼，使得人眼可以看到彩色的图像；

所述全息干板设置有玻璃基底，等腰直角棱镜通过折射率匹配液粘合在全息干板的玻璃基底一侧，选择RGB的中心波长，计算出两束平面波与全息干板法线的夹角以及和棱镜一条直角边法线的夹角，得出曝光时间，进而制作出全息波导光栅。

相较于现有技术，本发明提供的一种基于三次曝光技术消色差的系统及其实现方法，是通过记录角度的改变，对同一全息材料分别进行三次曝光，得到分别对红绿 蓝三种颜色的光线有调制的光栅结构。采用了 532nm的激光作为记录光 源，全息记录材料选择银盐干板(卤化银乳胶材料)，简单有效实用，尤其是 对于大规模的工业生产更加有经济意义。

附图说明

图1为本发明中一种基于三次曝光技术消色差的系统的结构原理图。

图2为全反射条件和布拉格角的关系示意图。

图3为三次曝光消色差原理图。

图4为双光束干涉图。

图5为读出光波衍射示意图。

图6为其他限制视场角因素的示意图。

图7为手电筒实验的实验光路图。

图8为本发明所述基于三次曝光消色差的方法步骤流程图。

具体实施方式

本发明提供一种基于三次曝光技术消色差的系统和方法，为使本发明的目的、 技术方案及效果更加清楚、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用以解释本发明，并 不用于限定本发明。

本实施例公开的一种基于三次曝光技术消色差的系统，其中，如图1所述，所述系统包括：

微型显示器1、准直透镜2、光波导3，耦合输入光栅4和耦合输出光栅5；所述波导设置有玻璃基底；所述耦合输入光栅和耦合输出光栅分别设置在玻璃基底的两端；

从微型显示器发出的RGB三色光6通过准直透镜2后，进入到耦合输入光栅4， 通过耦合输入光栅4的调制，RGB三色光6以同一方向反射进入光波导的玻璃基底，在耦合输出光栅5处，RGB三色光6被调制反射后，从光波导3发出；

所述耦合输入光栅4和耦合输出光栅5为经过三次曝光的全息光栅。

具体的，从微型显示器发出的彩色光线通过准直透镜后照射到耦合输入光栅，通过光栅的调制，RGB三色光波被以同一方向反射进入光波导。在耦合输出光栅处，光波又被调制反射出去，进入人眼，使得人眼可以看到彩色的图像。

本发明的关键的问题在于：如何制作耦合输入光栅和耦合输出光栅使其达到想要的效果。采用两束平面波来通过干涉的方法制作全息光栅时，光栅的周期和两束波的夹角还有波长满足公式：

（1）

其中为体积全息光栅的周期，为两束平面波在介质中的夹角，为记录的光波长。当体积全息光栅被当作光学元件使用时，需要满足布拉格条件，即：

（2）

其中为布拉格角，是照明光波的波长。一旦全息光栅被制作加工出来，则光栅的周期即为一个常数，因此联立公式（1），（2），可以得到：

（3）

如果设计布拉格角为一个常数，则可以计算出两束平面波的夹角，来实现确定的照明光波的通过。

如图2所示，要想使光波在波导里传播，必须满足全反射条件，即

（4）

是全反射角，n是玻璃基底的折射率。通过简单的几何关系，可以得到，所以设计，可以计算出布拉格角为，选择了RGB的中心波长为，，。记录波长为532nm。可以通过公式（4），计算出介质中两束平面波的夹角分别为,，。

如图3所示，为了达到全反射的目的，在制作过程中，需要一个等腰直角棱镜。所以需要计算出两束平面波与全息干板法线的夹角以及和棱镜一条直角边法线的夹角，通过简单的几何关系以及折射定律，可以计算出这些角度，对于红色中心波长，角度为，，对于绿色中心波长，，对于蓝色中心波长，，。

从耦合波理论，可以知道，布拉格条件需要满足公式：

其中，，为光栅波矢的倾斜角度，如图4所示，和为两束平面光波的夹角，为光栅波矢值，是有效光波数，是记录材料的折射率，是激光的波长。

如图5所示，当不同波长的照明光照射体积全息光栅时，需要满足如下条件：

其中是读出光波的角度，是读出光波的波长，是全息记录材料曝光后的折射率，因为全息在曝光时，对折射率的调制度要远远小于它自己的折射率，所以可以令。联立公式（4）和折射定律，可以得到在波导外的入射角为：

（5）

其中n为基底的折射率，因为在波导外的入射角和光波的出射进入人眼的角度是相同的，所以定义的视场角 。实验可得，在普段 430nm−495nm ，495nm −570nm ，580nm −675nm，可以达到视场角为±10 。

如图6所示，其他两个因素也会限制视场角，在设计时需要考虑到。一个是传播角要满足全反射条件，其中。另外也需要满足角度，其中 d 为全息波导的厚度，l为耦合输入光栅和耦合输出光栅中间线之间的距离。从而可以使所有的传导光线可以照射到第二块光栅上，实现耦合输出。

根据国际照明委员会（CIE）的 1931 颜色系统，可以得知：

（6）

（7）

（8）

其中 X，Y，Z 为三刺激值，k 为系数，P(λ) 是光谱功率，x , y , z 光谱三刺激值，可以从 CIE 1931 颜色空间找到。为了得到等能白光，需要满足 X = Y = Z 。然后可以从公式(6)，(7)，(8)计算得到 RGB 三种颜色的光强比。当视场角为±10时，三种光谱为430nm −495nm ，495nm −570nm ，580nm −675nm ，RGB三种颜色的比例可以计算得到1:0.9194:1.0336。如果选标准的中间光波为465nm ，532nm和635nm时，RGB三种颜色的比例可计算得1: 1.1688: 1.9340。全息光栅对于 RGB 不同的衍射效率可以用来控制RGB 三种颜色的光强比。而衍射效率又与曝光的光强和时间有关，如果保持光强不变，通过控制 RGB 三组光栅的记录曝光时间，则可以达到控制RGB 三种光强的比，从而根据CIE 颜色系统规则，实现白光再现。

为了说明所提出的方法的可行性，进行了光学实验。应用了波长532nm 的激光器(Oxxius 532-300-COL-PP-LAS-01462)。在全息干板后放置了等腰直角棱镜，并利用折射率匹配液将其粘合。考虑到实验中应用的全息干板特性以及显影定影的工艺，把平面波的功率设置为2mw，对于 RGB 三种颜色，曝光的时间分别是 0.5s，0.8s，1.2s。如图3 所示，第一步曝光中，两束入射的平面波夹角为，，曝光时间为0.5s；第二步和第三步夹角和曝光时间分别是，, 0.8s, ，，1.2s。曝光结束后，耦合入射光栅就被制作出来了。利用同样的方法，可以制作出耦合输出光栅。最后经过显影定影等化学工艺，所设计的全息波导光栅。然后，通过光学实验测试了所制作光栅的消色差成像。如图7所示，手电筒21的光线经过准直棱镜22，通过耦合输入光栅后，进入光波导23，经过传输后，被耦合输出光栅耦合出来，用照相机24（佳能 5D mark II）采集图像。

在具体的实验中，由于温度和湿度以及全息干板的活性等因素，还有，在全息波导中，检测每一种波长的衍射效率是非常困难的，所以在实验中的颜色配比很难达到像理论计算的那么精确。如果采用更熟练的工艺以及精密调节的测量仪器，就可以更加精确的控制颜色配比的精度。图像的模糊是由于银盐干板的不平整性和实验记录中空气的波动引起的，如果是在更加稳定和干净的实验环境下，这些都是可以改善或者避免的。一旦全息波导被制作成装置，则消色差的部分校正工作可以通过微型显示器中的软件进行。

在上述系统的基础上，本发明还公开了一种基于三次曝光技术消色差的实现方法，如图8所示，所述方法包括以下步骤：

S1、通过三次曝光的方法制作耦合输入光栅和耦合输出光栅；

S2、将所述耦合输入光栅和耦合输出光栅分别设置在光波导的玻璃基底两端；

S3、从微型显示器发出的RGB三色光通过准直透镜后照射到耦合输入光栅， 通过光栅的调制，RGB三色光被以同一方向反射进入光波导，在耦合输出光栅处，RGB三色光被调制反射后，从光波导发出。

总的来说，本发明提出了一种非常简单便捷且有效的消色差方法。如果应用在全息波导显示中，将极大的降低波导的制作复杂程度。尤其是规模化生产后更是如此。另外，在其他的全息光学成像系统中，也可以加以应用。

本发明提出的一种基于三次曝光技术消色差的系统及其实现方法，是通过记录角度的改变，对同一全息材料分别进行三次曝光，得到分别对红绿蓝三种颜色的光线有调制的光栅结构。采用了532nm 的激光作为记录光源，全息记录材料选择银盐干板(卤化银乳胶材料)，简单有效实用，尤其是对于大规模的工业生产更加有经济意义。

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)

1.一种基于三次曝光技术消色差的系统，其特征在于，包括：

微型显示器、准直透镜、光波导，耦合输入光栅和耦合输出光栅；所述波导设置有玻璃基底；所述耦合输入光栅和耦合输出光栅分别设置在玻璃基底的两端；

从微型显示器发出的RGB三色光通过准直透镜后，进入到耦合输入光栅， 通过耦合输入光栅的调制，RGB三色光以同一方向反射进入光波导的玻璃基底，在耦合输出光栅处，RGB三色光被调制反射后，从光波导发出；

所述耦合输入光栅和耦合输出光栅为经过三次曝光的全息光栅。

2.根据如权利要求1所述基于三次曝光技术消色差的系统，其特征在于，所述全息光栅为通过两束平面波通过干涉的方法进行制作时，两束平面波的夹角满足： ；

其中为两束平面波在介质中的夹角，为记录的光波长，为布拉格角，是两束平面波的波长。

3.根据如权利要求1所述基于三次曝光技术消色差的系统，其特征在于，所述RGB三色光通过准直透镜后照射到全息干板的入射角满足公式：

其中n为玻璃基底的折射率，读出光波的波长，是全息光栅的折射率，是记录材料的折射率，是记录激光的波长，和为两束平面干涉光的夹角， ，为光栅波矢的倾斜角度。

4.一种基于三次曝光技术消色差的实现方法，其特征在于，所述方法包括：

A、通过三次曝光的方法制作耦合输入光栅和耦合输出光栅；

B、将所述耦合输入光栅和耦合输出光栅分别设置在光波导的玻璃基底两端；

C、从微型显示器发出的RGB三色光通过准直透镜后照射到耦合输入光栅， 通过光栅的调制，RGB三色光被以同一方向反射进入光波导，在耦合输出光栅处，RGB三色光被调制反射后，从光波导发出。

5.根据如权利要求4所述基于三次曝光技术消色差的实现方法，其特征在于，所述步骤A中，使用两束相干光波对全息材料进行三次曝光的方法制作耦合输入光栅和耦合输出光栅时，两束平面波的夹角满足一下公式：

其中为两束平面波在介质中的夹角，为记录的光波长，为布拉格角，是两束平面波的波长。