本發(fā)明涉及一種二維全息光柵曝光裝置及工業(yè)生產(chǎn)方法，屬全息光柵曝光。

背景技術(shù)：

1、全息光柵作為一種利用干涉原理制作的衍射光學(xué)元件，因其成本低廉，可大規(guī)模制造，在滿足布拉格條件的情況下具有較高的衍射效率，從而被廣泛地應(yīng)用，尤其是在增強現(xiàn)實(augmented?reality,ar)和虛擬現(xiàn)實(virtual?reality,vr)領(lǐng)域，如在體全息衍射光波導(dǎo)中，全息光柵就作為光線耦入、耦出和轉(zhuǎn)折元件被使用。但在現(xiàn)有的體全息波導(dǎo)中，大多全息光柵仍是一維光柵，波導(dǎo)中通常需要兩個一維光柵在空間上的組合才能達(dá)到二維光柵的作用，這無疑會增加系統(tǒng)的體積?；谙M電子領(lǐng)域?qū)r/vr顯示設(shè)備小巧、輕便的要求，如何在保持或優(yōu)化現(xiàn)有產(chǎn)品性能參數(shù)的同時縮小體積，成為當(dāng)下要解決的難題。而利用單個二維光柵來代替兩個一維光柵，正是減小系統(tǒng)體積的有效方法。

2、二維光柵的制造，需要在全息材料中記錄兩個干涉光場，有人用兩次曝光的方式來先后記錄兩個一維光柵，兩個一維光柵疊加組成一個二維光柵，這一方法制作效率低下，且由于全息材料的光敏性質(zhì)，第一次曝光后材料的活性降低，影響第二次曝光的光柵成型，最后影響二維光柵的性能，導(dǎo)致實際使用受限。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是，為了實現(xiàn)一次性曝光制作二維光柵，并提供一種二維全息光柵的工業(yè)生產(chǎn)方式，應(yīng)用于體全息衍射光波導(dǎo)領(lǐng)域，提供一種二維全息光柵曝光裝置及工業(yè)生產(chǎn)方法。

2、本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)方案如下，一種二維全息光柵曝光裝置，包括前端分光準(zhǔn)直光路和后端曝光模組。

3、所述前端分光準(zhǔn)直光路包括光源及其功率調(diào)制器、電子快門和分光單元；所述分光單元用于將主光束分為第一子光束、第二子光束、第三子光束；第一子光束、第二子光束、第三子光束分別沿第一光路、第二光路、第三光路傳播。

4、第一光路包括第一轉(zhuǎn)折單元、第一偏振單元、第一擴束單元、第一準(zhǔn)直單元和第一光闌；第二光路包括第二偏振單元、第二擴束單元、第二準(zhǔn)直單元和第二光闌；第三光路包括第二轉(zhuǎn)折單元、第三偏振單元、第三擴束單元、第三準(zhǔn)直單元和第三光闌。

5、所述第一子光束和第二子光束干涉形成第一方向的干涉圖樣，第二子光束和第三子光束干涉形成第二方向的干涉圖樣，兩個方向的干涉圖樣疊加后共同形成二維干涉圖樣；第二子光束作為復(fù)用光束，所述裝置只用三束光就實現(xiàn)了二維干涉圖樣。

6、第一方向和第二方向是指干涉圖樣的的方向，也即生成的全息光柵的條紋方向，所述的第一方向、第二方向意在區(qū)別干涉圖樣的方向，方向不同即維度不同，并且不限于分別平行于x軸和y軸的正交二維光柵。

7、所述后端曝光模組包括第一耦合棱鏡、第二耦合棱鏡、襯底材料、基底材料、全息材料和吸光元件；所述第一耦合棱鏡用于耦入第一子光束；第二耦合棱鏡用于耦入第三子光束；襯底材料位于耦合棱鏡上方，基底材料位于襯底材料上方，全息材料位于基底材料上方，以及吸光元件位于全息材料上方；第一子光束、第三子光束透過耦合棱鏡、襯底材料、基底材料后，與透過襯底材料和基底材料的第二子光束在全息材料處相交，共同干涉形成二維光柵。

8、所述后端曝光模組使用了棱鏡和襯底材料堆疊的方法，其中使用棱鏡是因為將全息光柵應(yīng)用于波導(dǎo)顯示時，為使其中一束光滿足全反射傳輸條件，必須使用棱鏡耦合，二維光柵則需使用兩個棱鏡對第一子光束和第三子光束均進(jìn)行耦合；而使用襯底材料則是為了使從棱鏡耦出的光沿原有方向繼續(xù)傳播一段距離，從而使三束光在基底上的全息材料待曝光區(qū)域處重合，避免了基底與棱鏡互相干擾。

9、所述光源包含至少一個激光器，多于一個激光器的情況下則至少需要一個合束器；所述電子快門位于激光器的輸出端，所述分光單元位于電子快門的輸出端；

10、所述分光單元為具有三個反射面的組合器，每一個反射面均需鍍膜來控制反射率，使得分束器分出的三束子光束能量相等或近似相等；

11、所述第一轉(zhuǎn)折單元和第二轉(zhuǎn)折單元均包含至少一個反射鏡，使得第一光路、第二光路、第三光路保持適當(dāng)距離，互不干涉；

12、所述第一光路、第二光路和第三光路中均包含有偏振單元、擴束單元、準(zhǔn)直單元及光闌，并按前后順序依次放置；

13、所述偏振單元是四分之一波片或半波片，用來調(diào)整光束偏振態(tài)和強度的光學(xué)元件；

14、所述擴束單元是空間濾波器，用來擴展光束直徑；

15、所述準(zhǔn)直單元是凸透鏡或離軸拋物鏡，用來獲得準(zhǔn)直的平行光；

16、所述光闌用于限制光束的光斑尺寸和形狀，使傳播至全息材料面的第一子光束、第二子光束、第三子光束的光斑恰好重合。

17、所述后端曝光模組內(nèi)，第一耦合棱鏡、第二耦合棱鏡、襯底材料、基底材料和全息材料的折射率相同或非常接近。

18、所述第一耦合棱鏡耦入透過第一光闌的第一子光束，第二耦合棱鏡耦入透過第三光闌的第三子光束；第一子光束和第三子光束的傳播方向不同，并且耦入棱鏡后傳播方向不發(fā)生改變。

19、所述襯底材料與第一耦合棱鏡及第二耦合棱鏡光學(xué)接觸，確保從耦合棱鏡出射并入射到襯底材料的第一子光束和第三子光束傳播方向不發(fā)生改變；在第一耦合棱鏡及第二耦合棱鏡與襯底材料的接觸面之間填充折射率匹配油，以保證耦合棱鏡與襯底材料的光學(xué)接觸。

20、所述基底材料與襯底材料光學(xué)接觸，確保從襯底材料出射并入射到基底材料的第一子光束、第二子光束、第三子光束傳播方向不發(fā)生改變；在第一耦合棱鏡及第二耦合棱鏡與襯底材料的接觸面之間填充折射率匹配油，以保證耦合棱鏡與襯底材料的光學(xué)接觸。

21、所述后端曝光模組用于接收經(jīng)過第一光闌、第二光闌、第三光闌后的第一子光束、第二子光束、第三子光束；所述第一子光束、第三子光束透過耦合棱鏡、襯底材料、基底材料后，與透過襯底材料和基底材料的第二子光束在全息材料處相交，共同干涉形成二維光柵；所述二維光柵在基底材料上。

22、所述全息材料上設(shè)有保護層，保護層上貼有吸光元件，吸光元件與全息材料保護層光學(xué)接觸；在吸光元件與全息材料保護層之間填充折射率匹配油，以保證吸光元件與全息材料保護層光學(xué)接觸；所述吸光玻璃的吸收光譜至少包含光源的光譜。

23、本發(fā)明一種二維全息光柵的工業(yè)生產(chǎn)方法，由全息盒制作、全息盒對位安裝、自動曝光程序啟動、全息盒拆取和后處理五步完成。

24、所述全息盒制作，采用涂布方式使全息材料均勻布滿基底材料表面，材料表面覆蓋保護層；所述全息盒對位安裝，將制作好的全息盒放置于襯底材料上，且使相干光束照射到全息盒待曝光區(qū)域；所述自動曝光程序啟動，啟動快門控制程序，按照設(shè)計程序自動曝光，形成二維光柵；所述全息盒拆取，曝光程序運行結(jié)束后，將已形成二維光柵的全息盒從襯底材料上拆取下來；所述后處理，通過紫外固化方式使未反應(yīng)完全的全息材料全部反應(yīng)，使二維光柵成型穩(wěn)固。

25、本發(fā)明的有益效果如下，本發(fā)明提供了一種二維全息光柵曝光裝置，包括前端分光準(zhǔn)直光路和后端曝光模組。所述前端分光準(zhǔn)直光路包括光源及其功率調(diào)制器，電子快門，分光單元。所述后端曝光模組用于接收經(jīng)過第一、二、三光闌后的第一、二、三子光束；第一、三子光束透過耦合棱鏡、襯底材料、基底材料后，與透過襯底材料和基底材料的第二子光束在全息材料處相交，共同干涉形成二維光柵，該裝置實現(xiàn)了一次性曝光制作二維光柵。

26、本發(fā)明采用具有三個反射面的組合器的分光單元，每一個反射面均需鍍膜來控制反射率，使得分束器分出的三束子光束能量相等或近似相等。

27、本發(fā)明利用分光單元將激光器發(fā)出的光分為三束子光束，第一路子光束和第二路子光束干涉形成第一方向的干涉圖樣，第二路子光束和第三路子光束干涉形成第二方向的干涉圖樣，兩個方向的干涉圖樣疊加后共同形成二維干涉圖樣。本發(fā)明將第二路子光束作為復(fù)用光束，只用三束光就實現(xiàn)了二維干涉圖樣，比傳統(tǒng)技術(shù)的四束光少了一束，簡化了光路，減少了裝置器件數(shù)量，降低了成本。

28、同時，基于以上二維全息光柵曝光裝置，提出一種二維全息光柵工業(yè)生產(chǎn)方法。該方法由全息盒制作、全息盒對位安裝、自動曝光程序啟動、全息盒拆取、后處理五步共同完成。使用以上二維全息光柵曝光裝置及工業(yè)生產(chǎn)方法，提高了二維全息光柵的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品性能，制作的二維光柵可應(yīng)用于體全息衍射光波導(dǎo)領(lǐng)域，有效縮減系統(tǒng)體積。