全息光波导及其制作方法、显示设备与流程

1.本发明实施例涉及光学技术领域，特别涉及一种全息光波导及其制作方法、显示设备。


背景技术：

2.二维扩瞳体全息光波导模组具有光机体积小，成本低以及具有实现车载hud显示和ar智能眼镜的重要潜力，受到越来越多的关注。
3.传统的二维扩瞳体全息光波导包含：耦入光栅，转折光栅和耦出光栅及波导基底。由于反射式体全息光栅具有更大的视场角和更好的波长选择性，且相关参数关于感光材料的膜厚变化不敏感，在实际使用中，环境光通过耦出光栅产生的衍射光反向向外传播，所以不会进入人眼，减少了彩虹效应。因此，反射式体全息光栅是体全息光波导制作的首选。
4.然而，传统的反射式体全息光栅的制作方法中耦入光栅和耦出光栅在曝光时需要使用耦合棱镜曝光，以及转折光栅需要通过两个棱镜夹持曝光，全息感光材料在与棱镜之间采用匹配液贴合时，匹配液的厚度不一致、空气中的灰尘颗粒混入匹配液或者存在局部气泡均对光栅造成损伤，即上述光栅的制作方式采用的曝光光路复杂，制作的难度较高，不利于大幅面二维扩瞳体全息光波导的自动化生产制造。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供一种全息光波导及其制作方法、显示设备，通过利用非全反射曝光参数制作得到耦入体全息光栅和耦出体全息光栅，以及利用转折面光栅的周期制作得到转折面光栅，在制作过程中无需使用耦合棱镜曝光制作上述光栅，降低光路复杂程度和制作难度，有利于大幅面二维扩瞳体全息光波导的自动化生产制造。
6.第一方面，本发明实施方式采用的一个技术方案是：提供一种全息光波导的制作方法，包括：获取非全反射曝光参数；根据所述非全反射曝光参数对第一感光材料进行曝光，得到耦入体全息光栅；根据所述非全反射曝光参数对第二感光材料进行曝光，得到耦出体全息光栅；确定转折面光栅的周期；根据所述转折面光栅的周期对第三感光材料进行曝光，得到所述转折面光栅；将所述耦入体全息光栅、所述转折面光栅和所述耦出体全息光栅贴设在波导基底上，得到所述全息光波导。
7.在一些实施例中，所述确定转折面光栅的周期，包括：确定体全息光栅周期分量并获取转折角度，其中，所述转折角度为目标光束经所述转折面光栅衍射前后的传播方向之间的夹角的角度，所述体全息光栅周期分量为所述耦入体全息光栅的周期在第一方向上的周期分量或所述耦出体全息光栅的周期在第二方向上的周期分量；根据所述体全息光栅周期分量和所述转折角度，得到所述转折面光栅的周期。
8.在一些实施例中，所述确定体全息光栅周期分量，包括：获取体全息光栅的光栅矢量；根据所述体全息光栅的光栅矢量的大小，得到体全息光栅周期；根据所述体全息光栅周期、所述光栅矢量的方位角，确定所述体全息光栅周期分量。
9.在一些实施例中，所述根据所述转折面光栅的周期对第三感光材料进行曝光，包括：根据所述转折面光栅的周期、曝光光束的波长和所述第三感光材料的折射率，得到两个曝光光束的入射角，其中，所述两个曝光光束的入射角相同；根据所述入射角对所述第三感光材料进行曝光。
10.在一些实施例中，所述第二感光材料包括多个呈阵列排布的曝光区域，沿第一方向上设有m个所述曝光区域，沿第二方向上设有n个所述曝光区域，其中，m等于目标光束经所述转折面光栅转折的转折次数，n等于每次转折后的所述目标光束经所述耦出体全息光栅耦出的耦出次数；所述根据所述非全反射曝光参数对第二感光材料进行曝光，得到耦出体全息光栅，包括：获取所述转折面光栅的衍射效率、所述转折次数和所述耦出次数；根据所述转折面光栅的衍射效率、所述转折次数和所述耦出次数，确定各所述曝光区域对应的所述耦出体全息光栅的子光栅的衍射效率；根据各所述子光栅的衍射效率以及所述非全反射曝光参数，对各所述曝光区域进行曝光，得到所述耦出体全息光栅。
11.在一些实施例中，所述根据所述转折面光栅的衍射效率、所述转折次数和所述耦出次数，确定各所述曝光区域对应的所述耦出体全息光栅的子光栅的衍射效率，包括：根据所述转折面光栅的衍射效率和所述转折次数，确定每次转折后的所述目标光束到达所述耦出体全息光栅的第一光能比；根据各所述第一光能比和所述耦出次数，确定所述目标光束经所述耦出体全息光栅耦出的第二光能比；根据各所述第一光能比、所述第二光能比和所述耦出次数，确定各所述子光栅的衍射效率。
12.在一些实施例中，所述根据各所述第一光能比和所述耦出次数，确定所述目标光束经所述耦出体全息光栅耦出的第二光能比，包括：采用各所述第一光能比中的最小光能比除以所述耦出次数，得到所述第二光能比。
13.在一些实施例中，所述根据各所述子光栅的衍射效率以及所述非全反射曝光参数，对各所述曝光区域进行曝光，包括：获取衍射效率与曝光时间的映射关系；根据各所述子光栅的衍射效率和所述映射关系，得到各所述子光栅所需的曝光时间；根据各所述曝光时间和所述非全反射曝光参数，对各所述曝光区域进行曝光。
14.在一些实施例中，所述映射关系的建立方法，包括：提供光栅阵列，所述光栅阵列包括多个待测体全息光栅，其中，各所述待测体全息光栅在制作时曝光时间不同、曝光光束强度相等；测量各所述待测体全息光栅的衍射效率；基于各所述待测体全息光栅的曝光时间和衍射效率，得到所述映射关系。
15.在一些实施例中，所述测量各所述待测体全息光栅的衍射效率，包括：提供一透明基底，所述透明基底具有相互平行的第一表面和第二表面，将各所述待测体全息光栅贴设于所述第一表面，得到所述光栅阵列；对于所述光栅阵列中的每个所述待测体全息光栅，使测量光束以初始光功率经所述待测体全息光栅衍射进入所述透明基底，并经所述第二表面全反射、经所述待测体全息光栅衍射后从所述第二表面出射，并测量出射后的所述测量光束的出射光功率；根据所述初始光功率、各所述出射光功率和各所述出射光功率对应的衍射次数，得到各所述待测体全息光栅的衍射效率。
16.在一些实施例中，通过以下公式得到所述待测体全息光栅的衍射效率f：
17.f＝(eout/ei n)
1/x
；
18.其中，ei n为所述初始光功率，eout为所述出射光功率，x为所述出射光功率对应
的衍射次数。
19.第二方面，本发明实施例还提供一种全息光波导，所述全息光波导由第一方面任意一项所述的制作方法制作得到。
20.第三方面，本发明实施例还提供一种显示设备，所述显示设备包括如第二方面所述的全息光波导。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供一种全息光波导及其制作方法、显示设备，该方法包括获取非全反射曝光参数；根据非全反射曝光参数对第一感光材料和第二感光材料进行曝光，得到耦入体全息光栅和耦出体全息光栅；确定转折面光栅的周期；根据转折面光栅的周期对第三感光材料进行曝光，得到转折面光栅；将耦入体全息光栅、转折面光栅和耦出体全息光栅贴设在波导基底上，得到全息光波导。该制作方法中，通过利用非全反射曝光参数制作得到耦入体全息光栅和耦出体全息光栅，利用转折面光栅的周期制作得到转折面光栅，在制作过程中无需使用耦合棱镜曝光制作上述光栅，降低光路复杂程度和制作难度，有利于大幅面二维扩瞳体全息光波导的自动化生产制造。
附图说明
22.一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
23.图1是本发明实施例提供的一种全息光波导的制作方法的流程示意图；
24.图2是本发明实施例提供的一种转折面光栅的曝光示意图；
25.图3是本发明实施例提供的一种全息光波导的结构示意图；
26.图4是本发明实施例提供的一种图1中步骤s400的流程示意图；
27.图5是本发明实施例提供的一种图4中步骤s410的部分流程示意图；
28.图6是本发明实施例提供的一种k矢量分析图；
29.图7是本发明实施例提供的一种第二感光材料的结构示意图；
30.图8是本发明实施例提供的一种图1中步骤s300的流程示意图；
31.图9是本发明实施例提供的一种图3中的耦出体全息光栅的结构示意图；
32.图10是本发明实施例提供的一种图8中步骤s320的流程示意图；
33.图11是本发明实施例提供的一种图10中步骤s322的流程示意图；
34.图12是本发明实施例提供的一种图8中步骤s330的流程示意图；
35.图13是本发明实施例提供的一种映射关系建立的流程示意图；
36.图14是本发明实施例提供的一种光栅阵列的结构示意图；
37.图15是本发明实施例提供的一种图13中步骤s20的流程示意图；
38.图16是本发明实施例提供的一种测量待测体全息光栅的衍射效率的测量光路示意图。
具体实施方式
39.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术
人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
40.为了便于理解本技术，下面结合附图和具体实施例，对本技术进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本技术。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
41.需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互结合，均在本技术的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分。此外，本文所采用的“第一”、“第二”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。
42.申请人将发明名称为“体全息光栅及其曝光参数确定方法、制作方法、系统”，申请号为202211660955.0的中国专利申请的全部内容通过引用方式并入本发明中。
43.第一方面，本发明实施例提供一种全息光波导的制作方法，请参阅图1至图3，全息光波导为二维扩瞳全息光波导，全息光波导包括波导基底10、耦入体全息光栅11、转折面光栅13和耦出体全息光栅12，该制作方法包括：
44.步骤s100：获取非全反射曝光参数。
45.非全反射曝光参数包括耦入体全息光栅11的曝光参数、耦出体全息光栅12的曝光参数，耦入体全息光栅11的曝光参数包括对应的第一旋转角、第一折射角和第二折射角，耦出体全息光栅12的曝光参数包括对应的第一旋转角、第一折射角和第二折射角，其可以参照上述引用文件公开的曝光参数的确定方法确定得到。本发明中的第一旋转角、第一折射角和第二折射角与引用文件中的第一旋转角、第一折射角和第二折射角相同。
46.步骤s200：根据非全反射曝光参数对第一感光材料进行曝光，得到耦入体全息光栅11。
47.关于上述具体曝光过程，可参照上述引用文件中的体全息光栅的制作方法。
48.步骤s300：根据非全反射曝光参数对第二感光材料2进行曝光，得到耦出体全息光栅12。
49.关于上述具体曝光过程，可参照上述引用文件中的体全息光栅的制作方法。在一些实施例中，耦入体全息光栅11和耦出体全息光栅12可以不同时曝光，也可以同时曝光。
50.步骤s400：确定转折面光栅13的周期。
51.其中，转折面光栅13为面全息光栅，面全息光栅为厚度小于目标光束的波长的十倍的体全息光栅，目标光束是在波导基底10中进行全反射的光束。该周期可由耦入体全息光栅11的周期或耦出体全息光栅12的周期确定得到。
52.步骤s500：根据转折面光栅13的周期对第三感光材料1进行曝光，得到转折面光栅13。
53.第三感光材料1的厚度通常小于曝光光束的十倍。曝光光束包括相干的第一光束和第二光束，在对第三感光材料1进行曝光时，可采用第一光束和第二光束关于第三感光材料1的法线对称的方式使两束光入射至第三感光材料1进行曝光，也可以采用第一光束和第
二光束关于第三感光材料1不对称的方式使两束光入射至第三感光材料1进行曝光，最终制得的面光栅的周期满足所需周期即可。
54.在其中一个实施例中，采用对称入射方式进行曝光，即两个曝光光束，即第一光束和第二光束的入射角相同，根据转折面光栅13的周期、曝光光束的波长和第三感光材料1的折射率，得到两个曝光光束的入射角度，再根据所述入射角对第三感光材料进行曝光。
55.具体地，转折面光栅13的周期为vt，为了计算和操作方便，请参阅图2，第一光束入射至第三感光材料1的折射角θ
s1
与第二光束入射至第三感光材料1的折射角θ
r1
相等，二者由第三感光材料1的表面法线两侧入射至第三感光材料1相互干涉形成光栅条纹，其计算公式如下：
[0056][0057]
可以理解的是，曝光光束的波长等于目标光束的波长。接着，根据折射定律，可通过以下公式计算得到第一光束由空气入射至第三感光材料1的入射角θ
sa1
、第二光束由空气入射至第三感光材料1的入射角θ
ra1
：
[0058]
θ
sa1
＝θ
ra1
＝sin-1
[sin(θ
r1
)]n1；
[0059]
其中，n1为第三感光材料1的折射率，λ为曝光光束的波长。应注意的是，虽然折射角θ
s1
等于折射角θ
r1
、入射角θ
sa1
等于入射角θ
ra1
，但第一光束和第二光束是由第三感光材料1的表面法线两侧入射至第三感光材料1内部，二者方向并不一致，如图2所示。
[0060]
另外，第三感光材料1的折射率、第二感光材料2的折射率、第一感光材料的折射率可以相同，也可以不相同。对第三感光材料1曝光的光束的波长、对第二感光材料2曝光的光束的波长、对第一感光材料曝光的光束的波长可以相同，也可以不相同。
[0061]
第三感光材料1可以是体全息材料，也可以是光刻胶。具体的，体全息感光材料包括银盐材料、光致聚合物、重铬酸盐明胶等材料，但其厚度应小于第一感光材料和第二感光材料2的厚度，例如，若采用光制聚合物材料作为第一感光材料或第二感光材料2、且厚度为10微米，则采用光制聚合物材料作为第三感光材料1时，其厚度可以为2微米。另外，在对第三感光材料1曝光后，其光栅固化方法可采用现有技术中对曝光后的光栅固化方法，如使用银盐材料则在曝光后进行显影定影和漂白，使用光致聚合物则在曝光后进行紫外固化或热固化。对于光刻胶作为第三感光材料1，其感光范围一般为蓝紫光范围，如360nm-420nm。具体的，在使用405nm的激光进行双光束干涉曝光后，可通过现有技术中的显影和刻蚀处理获得所需要的转折面光栅13。
[0062]
步骤s600：将耦入体全息光栅11、转折面光栅13和耦出体全息光栅12贴设在波导基底10上，得到全息光波导。
[0063]
具体的，如图3所示，将耦入体全息光栅11贴设在波导基底10的耦入区域、将转折面光栅13贴设在波导基底10的转折区域、将耦出体全息光栅12贴设在波导基底10的耦出区域，从而得到全息光波导。在该全息光波导中，目标光束经耦入体全息光栅11耦入至波导基底10，并经波导基底10沿第一方向x(x轴方向)全反射传播至转折面光栅13，接着经转折面光栅13扩瞳并转折后，沿第二方向y(y轴方向)全反射传播至耦出体全息光栅12，最后经耦出体全息光栅12由波导基底10耦出。其中，第一方向x为经耦入体全息光栅11耦入的目标光束的全反射传播方向，第二方向y为经转折面光栅13转折后的目标光束的全反射传播方向，
在图3所示的实施例中，第一方向x为水平向右方向，第二方向y为竖直向下方向。应注意的是，在图3中的虚线实际并不可见。
[0064]
在本实施例中，由于面全息光栅的厚度很薄，对目标光束丧失波长和角度选择性，即在目标光束的角度和波长可以和曝光时采用的角度和波长不一样，因此，可采用转折面光栅13作为全息光波导的转折光栅。
[0065]
在本发明实施例提供的全息光波导的制作方法中，通过利用非全反射曝光参数制作得到耦入体全息光栅11和耦出体全息光栅12，以及利用转折面光栅13的周期制作得到转折面光栅13，在制作过程中完全无需使用耦合棱镜曝光制作上述光栅，降低光路复杂程度和制作难度，有利于大幅面二维扩瞳体全息光波导的自动化生产制造。
[0066]
在其中一些实施例中，请参阅图4，步骤s400包括：
[0067]
步骤s410：确定体全息光栅周期分量并获取转折角度，其中，转折角度为目标光束经转折面光栅13衍射前后的传播方向之间的夹角的角度，体全息光栅周期分量为耦入体全息光栅11的周期在第一方向上的周期分量或耦出体全息光栅12的周期在第二方向上的周期分量；可以理解的是，经转折面光栅13衍射前的传播方向为第一方向x，经转折面光栅13衍射后的传播方向为第二方向y。
[0068]
步骤s420：根据体全息光栅周期分量和转折角度，得到转折面光栅13的周期分量。
[0069]
具体的，在得到转折角度后，先根据转折角度得到转折面光栅13的光栅矢量相对于入射光旋转的角度p，如转折角度为90
°
时，对应的转折光栅矢量相对于入射光旋转的角度p为45
°
，入射光为经耦入体全息光栅11传播至转折面光栅13的光束。
[0070]
然后，在得到转折面光栅13的光栅矢量相对于入射光的旋转角度p后，可通过以下公式计算得到转折面光栅13的周期vt：
[0071][0072]
其中，体全息光栅周期分量v’可以采用耦入体全息光栅11的周期在第一方向x上的周期分量或耦出体全息光栅12的周期在第二方向y上的周期分量。在实际应用中，转折角度可以不为90
°
，其可根据实际需要进行设置。
[0073]
在本实施例中，体全息光栅的周期分量由体全息光栅的光栅矢量决定，转折面光栅13的周期由角度p和体全息光栅的周期分量决定，有利于满足光栅对色散的补偿关系。
[0074]
在其中一些实施例中，请参阅图5，确定体全息光栅周期分量，包括：
[0075]
步骤s411：获取体全息光栅的光栅矢量；
[0076]
步骤s412：根据体全息光栅的光栅矢量的大小，得到体全息光栅的周期；
[0077]
步骤s413：根据体全息光栅周期、光栅矢量的方位角，确定体全息光栅周期分量。
[0078]
体全息光栅指的是耦入体全息光栅11或耦出体全息光栅12，通常两者的光栅矢量相同。光栅矢量可以在计算非全反射曝光参数的时候的过程中得到，以下简单说明体全息光栅的光栅矢量的确定方式。为了便于阐述，下面借助k矢量圆。首先，请参阅图6，以o为坐标原点建立直角坐标系，第一方向与x轴同向，第二方向与y轴(未示出)同向。其中，第一感光材料位于xoy平面内，第一感光材料的法线方向为z轴，曝光光束位于xoz平面内。
[0079]
然后，可基于体全息光栅在应用过程中，目标光束在体全息光栅内部发生全反射
传播时的反射角度θ
t
得到目标光束在体全息光栅内全反射传播的传播方向矢量矢量的方位角为θs＝π-θ
t
；接着，基于体全息光栅在应用过程中，目标光束耦入至体全息光栅时的角度θr、或目标光束经体全息光栅耦出时的角度θr得到目标光束在体全息光栅内的入射或出射方向矢量矢量的方位角为角度θr，角度θr通常为0
°
。矢量和矢量的大小均为n为第一感光材料或第二感光材料2的折射率，λ为曝光光束的波长。接着，可通过矢量与矢量的矢量差得到光栅矢量即等式根据该等式联立矢量方程，从而得到的大小和方位角θg，也可以通过矢量圆计算得到的大小和方位角θg。
[0080]
其中，光栅矢量的方位角θg为光栅矢量与z轴的夹角，光栅矢量的大小可以表示为n
·
2π/v，其中，v为体全息光栅的周期。这样，在得到光栅矢量后，可求出光栅矢量的大小进而求出体全息光栅周期v。接着，通过以下公式得到体全息光栅周期分量v’：
[0081]
v’＝|v/(sinθg)|；
[0082]
其中，θg为光栅矢量的方位角，即光栅矢量与感光材料法线的夹角。
[0083]
在其中一些实施例中，请参阅图7，第二感光材料2包括多个呈阵列排布的曝光区域21，沿第一方向x上设有m个曝光区域21，沿第二方向y上设有n个曝光区域21，其中，m等于目标光束经转折面光栅13转折的转折次数，n等于每次转折后的目标光束经耦出体全息光栅12耦出的耦出次数。曝光区域21的长度和宽度可以为目标光束在波导基底10内全反射的一个步长l＝2dtanθ
t
，d为波导基底10的厚度。
[0084]
请参阅图8，步骤s300包括：
[0085]
步骤s310：获取转折面光栅13的衍射效率、转折次数和耦出次数。
[0086]
其中，转折面光栅13的衍射效率在各处一致。
[0087]
步骤s320：根据转折面光栅13的衍射效率、转折次数和耦出次数，确定各曝光区域21对应的耦出体全息光栅12的子光栅121的衍射效率。
[0088]
请结合参阅图3、图7和图9，在对第二感光材料2进行曝光后，每一曝光区域21一一对应耦出体全息光栅12上的一个子光栅121，即沿第一方向的第m个且沿第二方向的第n个曝光区域21对应于沿第一方向的第m个且沿第二方向的第n个子光栅121。应注意的是，在图7和图9中的虚线实际并不可见。
[0089]
具体的，转折面光栅13接收的目标光束的光能量为耦入光能量，即光束经耦入体全息光栅11耦入波导基底的光能量，那么，根据转折面光栅13的衍射效率和转折次数，可确定预设光能量下的目标光束经转折面光栅13每次转折后到达耦出体全息光栅12的第一光能量；再根据各第一光能量和耦出次数，确定目标光束经各子光栅121实际耦出的第二光能量；最后，根据各第一光能量、第二光能量和耦出次数，可计算得到各子光栅121的衍射效
率。
[0090]
步骤s330：根据各子光栅121的衍射效率以及非全反射曝光参数，对各曝光区域21进行曝光，得到耦出体全息光栅12。
[0091]
在得到各子光栅121的衍射效率之后，按照非全反射曝光参数，对各曝光区域21进行曝光，从而得到耦出体全息光栅12。各子光栅121的衍射效率的控制可以通过感光的曝光时间或者光束的能量控制曝光量来实现。
[0092]
在本实施例中，转折面光栅13的衍射效率处处相等，而对耦出体全息光栅12的衍射效率进行分区域设置，这样，可以采用衍射效率较低的转折面光栅13，并通过对耦出体全息光栅12的衍射效率进行控制实现耦出能量的一致性，后续应用该耦出体全息光栅12时，可提高耦出亮度均匀性。
[0093]
具体的，在其中一些实施例中，请参阅图10，步骤s320包括：
[0094]
步骤s321：根据转折面光栅13的衍射效率ft和转折次数m，确定每次转折后的目标光束到达耦出体全息光栅12的第一光能比om。
[0095]
其中，第一光能比为每次转折后的目标光束到达耦出体全息光栅12的光能量与耦入光能量的比值，耦入光能量指的是光束经耦入体全息光栅耦入波导基底的光能量。
[0096]
具体的，若耦入光能量为1、转折面光栅13的衍射效率为ft、忽略光传输过程中的由于波导基底10的材料本身引起的吸收和散射损耗，则目标光束经转折面光栅13第1次转折后到达耦出体全息光栅12的第一光能比为：
[0097]
o1＝ft；
[0098]
经转折面光栅13第2次转折后到达耦出体全息光栅12的第一光能比为：
[0099]
o2＝(1-o1)ft；
[0100]
经转折面光栅13第3次转折后到达耦出体全息光栅12的第一光能比为：
[0101]
o3＝(1-o
1-o2)ft；
[0102]
以此类推，经转折面光栅13第m次转折后到达耦出体全息光栅12的第一光能比为：
[0103][0104]
也即，第一光能比由以下公式确定：
[0105][0106]
其中，om为目标光束第m次转折后到达耦出光栅的第一光能比，oi为目标光束第i次转折后到达耦出光栅的第一光能比。
[0107]
步骤s322：根据各第一光能比和耦出次数，确定目标光束经耦出体全息12耦出的第二光能比。
[0108]
第二光能比为耦出体全息光栅12整体实际耦出的光能量与耦入光能量的比值。通常各子光栅121耦出的光能量需相同或趋近相同，也即各子光栅121的第二光能比相同或趋近相同，因此，本实施例是要使得耦出体全息光栅12的各子光栅的耦出的光能比均为第二光能比，以实现耦出体全息光栅12的耦出能量均匀。
[0109]
具体的，在得到各第一光能比和耦出次数后，可确定各子光栅121的耦出最大光能
比，根据所有子光栅121的耦出最大光能比中的最小值可确定第二光能比。也可以直接从各第一光能比中选择最小第一光能比，通常是第m列对应的第一光能比om，计算第m列子光栅的最大耦出光能比，根据第m列子光栅的最大耦出光能比可确定第二光能比。可以理解的是，为了保证各子光栅121耦出能量的一致性，第二光能比应小于或等于所有子光栅121的耦出最大光能比中的最小值或者第m列子光栅的最大耦出光能比。举例来说，n＝3且m＝3时，可以根据第一光能比o1计算出第1列的子光栅能耦出的最大光能比o1/3，根据第一光能比o2计算出第2列的子光栅能耦出的最大光能比o2/3，根据第一光能比o3计算出第2列的子光栅能耦出的最大光能比o3/3，从这些光能比中找出最小值，如o3/3，第二光能比小于或等于o3/3；也可以直接从o1、o2、o3中选出最小值，如o3，计算第3列子光栅的最大耦出光能比o3/3，第二光能比小于或等于o3/3。
[0110]
步骤s323：根据各第一光能比、第二光能比和耦出次数，确定各子光栅121的衍射效率。
[0111]
具体的，沿第一方向x的第1个且沿第二方向y的第1个子光栅121的衍射效率f11为：
[0112][0113]
沿第一方向x的第1个且沿第二方向y的第2个子光栅121的衍射效率f
12
为：
[0114][0115]
沿第一方向x的第1个且沿第二方向y的第3个子光栅121的衍射效率f
13
为：
[0116][0117]
以此类推，沿第一方向x的第1个且沿第二方向y的第n个子光栅121的衍射效率f
1n
为：
[0118][0119]
同样的，沿第一方向x的第m个且沿第二方向y的第1个子光栅121的衍射效率f
m1
为：
[0120][0121]
沿第一方向x的第m个且沿第二方向y的第2个子光栅121的衍射效率f
m2
为：
[0122][0123]
沿第一方向x的第m个且沿第二方向y的第3个子光栅121的衍射效率f
m3
为：
[0124][0125]
以此类推，沿第一方向x的第m个且沿第二方向y的第n个子光栅121的衍射效率f
mn
为：
[0126]
[0127]
也即，沿第一方向的第m个且沿第二方向的第n个子光栅121的衍射效率f
mn
由以下公式确定：
[0128][0129]
其中，e为第二光能比。
[0130]
在本实施例中，通过上述方式可确定各子光栅121的衍射效率。
[0131]
在其中一些实施例中，请参阅图11，步骤s322包括：
[0132]
步骤s3221：采用各第一光能比中的最小光能比除以所述耦出次数，得到第二光能比。
[0133]
具体的，在保证耦出体全息光栅12整体的耦出光能量均匀的前提下，整体的耦出光能量是由各子光栅121中耦出光能量最小的子光栅决定的，而耦出光能量最小(也即耦出光能比最小)的子光栅对应的第一光能比中最小的光能比，可以理解的是，第一光能比中最小的光能比是om，则最小耦出光能比为该最小耦出光能比也即对应于图9中第m列的子光栅能够耦出的最大光能比。那么，第二光能比应小于或等于最小光能比o
min
，例如，第二光能比可以为该最小光能比o
min
，以保证后续耦出亮度的均匀性的同时实现耦出光能最大。
[0134]
需要说明的是，上述所提到的光能比均指的是对应的光能量与耦入光能量的比值。
[0135]
在其中一些实施例中，请参阅图12，步骤s330包括：
[0136]
步骤s331：获取衍射效率与曝光时间的映射关系。
[0137]
该映射关系为衍射效率与曝光时间的一一对应关系，该映射关系可预先进行建立存储，本实施例通过改变曝光时间来控制各子光栅121的衍射效率，映射关系可以是衍射效率与曝光时间的对应表格，也可以是一条对应曲线。
[0138]
步骤s332：根据各子光栅121的衍射效率和映射关系，得到各子光栅121所需的曝光时间。
[0139]
在得到各子光栅121的衍射效率后，可依据映射关系，得到子光栅121所需的曝光时间，即各曝光区域21所需的曝光时间。
[0140]
步骤s333：根据各曝光时间和非全反射曝光参数，对各曝光区域21进行曝光。
[0141]
最后，在得到各曝光区域21所需的曝光时间后，可按照非全反射曝光参数，对各曝光区域21分别进行曝光，分区曝光制得耦出体全息光栅12。
[0142]
在本实施例中，通过控制曝光时间来控制各子光栅121所需的衍射效率，可保证制得的耦出体全息光栅12耦出的能量一致性。
[0143]
在其中一些实施例中，请参阅图13和图14，映射关系的建立方法，包括：
[0144]
步骤s10：提供光栅阵列，光栅阵列包括多个待测体全息光栅210，其中，各待测体全息光栅210在制作时曝光时间不同、曝光光束强度相等。
[0145]
步骤s20：测量各待测体全息光栅210的衍射效率。
[0146]
步骤s30：基于各待测体全息光栅210的曝光时间和衍射效率，得到映射关系。
[0147]
为了降低误差，在制作待测体全息光栅210时，可以采用前述的耦出体全息光栅对
应的非全反射曝光参数制作得到，当然也可以采用常规的体全息光栅曝光方式制作得到。在对各待测体全息光栅210进行衍射效率测量时，可利用与记录波长相同的细激光束照射待测体全息光栅210，并获取该光束经待测体全息光栅210衍射前后的光功率，并依据衍射前后的光功率计算待测体全息光栅210的衍射效率。
[0148]
在本实施例中，提供一种对映射关系进行建立的方式，从而可在未存储映射关系时获取映射关系。
[0149]
具体的，在其中一些实施例中，请参阅图14至图16，步骤s20包括：
[0150]
步骤s21：提供一透明基底20，透明基底20具有相互平行的第一表面和第二表面，将各待测体全息光栅210贴设于第一表面，得到光栅阵列；
[0151]
步骤s22：对于光栅阵列中的每个待测体全息光栅210，使测量光束li n以初始光功率经待测体全息光栅210衍射进入透明基底20，并经第二表面全反射、经待测体全息光栅210衍射后从第二表面出射，并测量出射后的测量光束lout的出射光功率；
[0152]
步骤s23：根据初始光功率、各出射光功率和各出射光功率对应的衍射次数，得到各待测体全息光栅210的衍射效率。
[0153]
透明基底20可以是树脂、玻璃等透明材料，透明基底20的材质和厚度需与波导基底10相同。
[0154]
在进行测量时，可将光栅阵列固定于一二维移动平台，该二维移动平台可平移并带动光栅阵列平移，从而可对光栅阵列上的待测体全息光栅210一一进行测量。其中，测量光束li n的初始光功率和出射光束lout的出射光功率可以通过功率测量装置获取，如光功率计等功率测量装置。
[0155]
传统方法中，计算待测体全息光栅210的衍射效率有以下两种方式，第一种是通过利用一级衍射光除以一级衍射光与零级直透光之和；第二种是利用一级衍射光除以总的入射光。第一种方法为相对衍射效率，不包含材料对光的吸收和散射。第二种方法中尽管包含了对材料的散射和吸收的考虑，但在对耦出体全息光栅进行测量时，由于入射光为全反射条件下传输的光，其需要通过棱镜进行耦入为全反射光，而使用棱镜将导致光的吸收和散射均不可避免，导致测量难度较大且准确度较差。而在本实施例中，如图16所示，经待测体全息光栅210产生的衍射光经透明基底20全反射后、再次经待测体全息光栅210衍射耦出，出射光束lout和测量光束li n的零级直透光空间上分离，且出射光束lout包含了对波导基底20的散射和吸收的考虑，并且该测量过程不需要使用耦合棱镜进行测量，降低了测试难度、提高测试准确度。
[0156]
具体的，在其中一些实施例中，通过以下公式得到待测体全息光栅210的衍射效率f：
[0157]
f＝(eout/ei n)
1/x
；
[0158]
其中，ei n为初始光功率，eout为出射光功率，x为出射光功率对应的衍射次数。如在图16中，由于考虑到在耦出体全息光栅处，通常光束经耦出体全息光栅一次衍射后出射，因此出射光束lout经待测体全息光栅210的衍射次数设置为2，那么该待测体全息光栅210的衍射效率f为：
[0159]
f＝(eout/ei n)
1/2
；
[0160]
而实际应用中，衍射次数也可根据实际需要进行设置，在此不做限定。
[0161]
第二方面，本发明实施例还提供一种全息光波导，全息光波导由上述第一方面任意一项的制作方法制作得到。该制作方法具有与如第一方面任意一项所述的制作方法相同的步骤与功能，在此不再赘述。
[0162]
第三方面，本发明实施例还提供一种显示设备，所述显示设备包括如第二方面所述的全息光波导。该全息光波导具有与如第二方面所述的全息光波导相同的结构与功能，在此不再赘述。该显示设备可以是ar设备、vr设备等设备，如ar设备包括近眼显示设备、抬头显示设备。
[0163]
需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
[0164]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对相关技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用至少一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0165]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种全息光波导的制作方法，其特征在于，包括：获取非全反射曝光参数；根据所述非全反射曝光参数对第一感光材料进行曝光，得到耦入体全息光栅；根据所述非全反射曝光参数对第二感光材料进行曝光，得到耦出体全息光栅；确定转折面光栅的周期；根据所述转折面光栅的周期对第三感光材料进行曝光，得到所述转折面光栅；将所述耦入体全息光栅、所述转折面光栅和所述耦出体全息光栅贴设在波导基底上，得到所述全息光波导。2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述确定转折面光栅的周期，包括：确定体全息光栅周期分量并获取转折角度，其中，所述转折角度为目标光束经所述转折面光栅衍射前后的传播方向之间的夹角的角度，所述体全息光栅周期分量为所述耦入体全息光栅的周期在第一方向上的周期分量或所述耦出体全息光栅的周期在第二方向上的周期分量；根据所述体全息光栅周期分量和所述转折角度，得到所述转折面光栅的周期。3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述确定体全息光栅周期分量，包括：获取体全息光栅的光栅矢量；根据所述体全息光栅的光栅矢量的大小，得到体全息光栅周期；根据所述体全息光栅周期、所述光栅矢量的方位角，确定所述体全息光栅周期分量。4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述根据所述转折面光栅的周期对第三感光材料进行曝光，包括：根据所述转折面光栅的周期、曝光光束的波长和所述第三感光材料的折射率，得到两个曝光光束的入射角，其中，所述两个曝光光束的入射角相同；根据所述入射角对所述第三感光材料进行曝光。5.根据权利要求1-4任意一项所述的制作方法，其特征在于，所述第二感光材料包括多个呈阵列排布的曝光区域，沿第一方向上设有m个所述曝光区域，沿第二方向上设有n个所述曝光区域，其中，m等于目标光束经所述转折面光栅转折的转折次数，n等于每次转折后的所述目标光束经所述耦出体全息光栅耦出的耦出次数；所述根据所述非全反射曝光参数对第二感光材料进行曝光，得到耦出体全息光栅，包括：获取所述转折面光栅的衍射效率、所述转折次数和所述耦出次数；根据所述转折面光栅的衍射效率、所述转折次数和所述耦出次数，确定各所述曝光区域对应的所述耦出体全息光栅的子光栅的衍射效率；根据各所述子光栅的衍射效率以及所述非全反射曝光参数，对各所述曝光区域进行曝光，得到所述耦出体全息光栅。6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述根据所述转折面光栅的衍射效率、所述转折次数和所述耦出次数，确定各所述曝光区域对应的所述耦出体全息光栅的子光栅的衍射效率，包括：根据所述转折面光栅的衍射效率和所述转折次数，确定每次转折后的所述目标光束到达所述耦出体全息光栅的第一光能比；
根据各所述第一光能比和所述耦出次数，确定所述目标光束经所述耦出体全息光栅耦出的第二光能比；根据各所述第一光能比、所述第二光能比和所述耦出次数，确定各所述子光栅的衍射效率。7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述根据各所述第一光能比和所述耦出次数，确定所述目标光束经所述耦出体全息光栅耦出的第二光能比，包括：采用各所述第一光能比中的最小光能比除以所述耦出次数，得到所述第二光能比。8.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述根据各所述子光栅的衍射效率以及所述非全反射曝光参数，对各所述曝光区域进行曝光，包括：获取衍射效率与曝光时间的映射关系；根据各所述子光栅的衍射效率和所述映射关系，得到各所述子光栅所需的曝光时间；根据各所述曝光时间和所述非全反射曝光参数，对各所述曝光区域进行曝光。9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述映射关系的建立方法，包括：提供光栅阵列，所述光栅阵列包括多个待测体全息光栅，其中，各所述待测体全息光栅在制作时曝光时间不同、曝光光束强度相等；测量各所述待测体全息光栅的衍射效率；基于各所述待测体全息光栅的曝光时间和衍射效率，得到所述映射关系。10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，所述测量各所述待测体全息光栅的衍射效率，包括：提供一透明基底，所述透明基底具有相互平行的第一表面和第二表面，将各所述待测体全息光栅贴设于所述第一表面，得到所述光栅阵列；对于所述光栅阵列中的每个所述待测体全息光栅，使测量光束以初始光功率经所述待测体全息光栅衍射进入所述透明基底，并经所述第二表面全反射、经所述待测体全息光栅衍射后从所述第二表面出射，并测量出射后的所述测量光束的出射光功率；根据所述初始光功率、各所述出射光功率和各所述出射光功率对应的衍射次数，得到各所述待测体全息光栅的衍射效率。11.根据权利要求10所述的制作方法，其特征在于，通过以下公式得到所述待测体全息光栅的衍射效率f：f＝(eout/ein)
1/x
；其中，ein为所述初始光功率，eout为所述出射光功率，x为所述出射光功率对应的衍射次数。12.一种全息光波导，其特征在于，所述全息光波导由权利要求1-11任意一项所述的制作方法制作得到。13.一种显示设备，其特征在于，包括如权利要求12所述的全息光波导。

技术总结
本发明提供一种全息光波导及其制作方法、显示设备，该方法包括获取非全反射曝光参数；根据非全反射曝光参数对第一感光材料和第二感光材料进行曝光，得到耦入体全息光栅和耦出体全息光栅；确定转折面光栅的周期；根据转折面光栅的周期对第三感光材料进行曝光，得到转折面光栅；将耦入体全息光栅、转折面光栅和耦出体全息光栅贴设在波导基底上，得到全息光波导。该制作方法中，通过利用非全反射曝光参数制作得到耦入体全息光栅和耦出体全息光栅，利用转折面光栅的周期制作得到转折面光栅，在制作过程中无需使用耦合棱镜曝光制作上述光栅，降低光路复杂程度和制作难度，有利于大幅面二维扩瞳体全息光波导的自动化生产制造。维扩瞳体全息光波导的自动化生产制造。维扩瞳体全息光波导的自动化生产制造。


技术研发人员：杨娟 杨鑫 蒙道杨 宋强 马国斌
受保护的技术使用者：深圳珑璟光电科技有限公司
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/9/6