一种均匀全息扩散片的制备装置及制备方法

技术领域

本发明属于HUD显示系统的扩散片领域，尤其涉及一种均匀全息扩散片的制备装置及制备方法。

背景技术

全息扩散片是三维显示、抬头显示和液晶显示等显示系统的关键匀光器件，其既是数字像源投影图像的接收屏，也是虚像显示光路的物面。全息扩散片的散射光性能是保障显示系统视场角、亮度均匀性及最大亮度的关键。

采用全息介质记录激光照射到某一粗糙表面形成的散斑，然后通过该全息介质制成全息扩散片，全息扩散片的可见光透过率达90％以上。这种全息介质记录形成的散斑结构具有不规则的三维轮廓，折射效应更为明显，对入射波长并不敏感，所以这种全息扩散片适用于各种类型光源的光束整形；由于散斑随机分布以及其特征尺寸在微米量级，这种全息扩散片用作显示屏还具有较为细腻的显示效果，在显示领域具有非常好的应用前景。

目前已有不少针对制造工艺和全息材料的研究以及市场化的产品，但已有全息扩散片仍存在一些缺陷，主要体现在：(1)全息扩散片的散射光强度随着散射角的增加而逐渐降低，呈高斯或近高斯分布，照明匀化效果有限，用作显示系统的图像接收屏时，为保证一定的亮度均匀性，全息扩散片的散射角通常要远大于显示视角，造成了视角范围外很大一部分能量的浪费；(2)散射光斑只能是圆形或椭圆形，不能满足光束整形应用中经常需要的矩形、环形甚至更复杂照明光斑形状的需求。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种均匀全息扩散片的制备装置及制备方法，从而可提高全息扩散片的视场角可控性、散射均匀性，同时可以控制照明光斑形状。

在第一方面，本发明提供了一种均匀全息扩散片的制备装置，包括325nm He-Cd激光器、双光束叠加曝光光路、4F空间滤波系统和光刻接收装置，其中：

325nm He-Cd激光器，用于发射曝光光源为325nm的紫外激光到双光束叠加曝光光路；

双光束叠加曝光光路包括激光扩束系统、分光镜、反射镜和源扩散器；所述双光束叠加曝光光路用于通过激光扩束系统对紫外激光进行扩束，扩束后的紫外激光经过分光镜划分得到两束能量相等的光束，通过反射镜将两束能量相等的光束照射在源扩散器同一表面的同一位置；

4F空间滤波系统，用于接收源扩散器发出的散射光并进行频谱滤波，将频谱滤波后的散射光照射到光刻接收装置；

光刻接收装置，用于记录频谱滤波后的散射光的频谱信息。

进一步的，所述激光扩束系统包括在同一轴线上顺序摆放的非球面镜、小孔光阑、第一柱透镜和第二柱透镜。

进一步的，第一柱透镜的焦距为20mm，第二柱透镜的焦距为200mm。

进一步的，4F空间滤波系统包括透镜L1、透镜L2和灰度掩膜；透镜L1和透镜L2共轴放置，在透镜L1和透镜L2的共焦面放置灰度掩膜。

进一步的，光刻接收装置包括光刻胶接收屏、夹持器件和二维移动台。

进一步的，光刻胶接收屏由旋涂有10μm厚度AZ4562光刻胶的石英基片制成。

进一步的，光刻胶接收屏记录频谱滤波后的散射光的频谱信息；将记录有频谱滤波后的散射光的频谱信息的光刻胶接收屏进行显影、PDMS转印后，再经折射率n＝1.56的光敏胶二次转印至2mm厚度K9玻璃基底上，制成高透过率、结构不易变形、温度适应范围大的全息扩散片。

在第二方面，基于第一方面提出的制备装置，本发明还提供了一种均匀全息扩散片的制备方法，包括以下步骤：

S1.325nm He-Cd激光器发射325nm的激光到激光扩束系统形成矩形均匀光束；

S2.矩形均匀光束经过分光镜被分为两束能量相等的光束，通过反射镜使两束能量相等的光束以相同入射角值进入源扩散器形成散射光；

S3.散射光通过4F空间滤波系统进行频谱滤波处理，频谱滤波后的散射光照射到光刻胶接收屏；

S4.光刻胶接收屏记录频谱滤波后的散射光的频谱信息，将该光刻胶接收屏进行显影、PDMS转印后经过光敏胶二次转印到K9玻璃基底上得到均匀全息扩散片。

进一步的，步骤S3散射光通过4F空间滤波系统进行滤波处理的过程：

S31.散射光进入透镜L1进行傅里叶变换得到散射光频谱；

S32.将散射光频谱汇聚到灰度掩膜上进行空间频谱滤波；

S33.空间频谱滤波结果经过透镜L2进行傅里叶反变换散射到光刻胶接收屏。

本发明的有益效果：

本发明为了解决全息扩散片散射光强高斯分布导致的不同角度观察时显示亮度不均的问题，以及全息扩散片实际扩散角远大于设计扩散角导致的光源能量浪费和显示系统发热问题，基于频谱拼接技术设计了双光束叠加曝光光路，其能够制造散射光场均匀分布的全息扩散片，进而提高显示质量和HUD系统能量利用率。

本发明为了解决全息扩散片的散射光斑形状只能为圆形或椭圆形、不能满足复杂照明需求的问题，基于频谱调控技术设计了4F空间滤波系统，其能够实现对散射光斑形状的精确控制，制造散射角精准控制、散射光斑形状灵活可控的全息扩散片，提高了全息扩散片的适用性。

附图说明

图1为本发明的均匀全息扩散片的制备装置结构图；

图2为本发明的双光束叠加曝光光路结构图；

图3为本发明的双光束叠加曝光光路的频谱合成原理图；

图4为本发明基于散斑场频谱调控实现散射强度与光斑形状可控的全息扩散片制作原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，市场上出现的各类全息扩散片都存在散射光强度随散射角的增加而逐渐降低的问题。为此提出两种改进设计方向，第一种是使全息扩散片的散射角与显示视角相等，但是全息扩散片作为图像接收屏，这种方式使得从不同角度观察会出现中间亮、周围暗的现象，降低图像显示质量。第二种是使全息扩散片的散射角远大于显示视角，但这造成了视角范围外较大的能量浪费，光源能量利用率低。

同时，市场出售的全息扩散片仅有少数特定散射角度，且其散射光斑图案只能是圆形、椭圆形，不能满足具体应用时散射角准确匹配的需求，以及光束整形应用中经常需要的矩形、环形甚至更复杂照明光斑形状的需求。

为解决上述问题，本发明提供了一种均匀全息扩散片的制备装置，如图1所示，包括325nm He-Cd激光器、双光束叠加曝光光路、4F空间滤波系统和光刻接收装置，其中：

325nm He-Cd激光器，用于发射曝光光源为325nm的紫外激光到双光束叠加曝光光路；

双光束叠加曝光光路包括激光扩束系统、分光镜、反射镜和源扩散器(磨砂玻璃)；所述双光束叠加曝光光路用于通过激光扩束系统对紫外激光进行扩束，扩束后的紫外激光经过分光镜划分得到两束能量相等的光束，通过反射镜将两束能量相等的光束照射在源扩散器同一表面的同一位置；

4F空间滤波系统，用于接收源扩散器发出的散射光并进行频谱滤波，将频谱滤波后的散射光照射到光刻接收装置；

光刻接收装置，用于记录频谱滤波后的散射光的频谱信息。光刻接收装置得到的结果是未显影的光刻胶母版，将其经显影、转印工艺后制成全息扩散片成品。

具体地，如图1所示，4F空间滤波系统包括透镜L1、透镜L2和灰度掩膜；透镜L1和透镜L2共轴放置，透镜L1的后焦面与透镜L2的前焦面重叠形成共焦面，在透镜L1和透镜L2的共焦面放置灰度掩膜。

具体地，光刻接收装置包括光刻胶接收屏、夹持器件和二维移动台；其中，二维移动台可以进行360°的旋转和水平面内的双向平移，从而对空间内不同位置、不同角度的散斑进行记录和分析。

具体地，源扩散器放置在透镜L1的前焦面处，光刻胶接收屏放置在透镜L2的后焦面处。

具体地，光刻胶接收屏由旋涂有10μm厚度AZ4562光刻胶的石英基片制成。

具体地，如图2所示，双光束叠加曝光光路包括一个激光扩束系统、一个分光镜、两个反射镜和一个源扩散器；所述激光扩束系统包括在同一轴线上顺序摆放的非球面镜、小孔光阑、第一柱透镜和第二柱透镜；其中，非球面镜与小孔光阑组成滤波系统用于提高入射光的均匀性；第一柱透镜与第二柱透镜的柱身摆向不同，第一柱透镜的柱身水平放置，第二柱透镜的柱身垂直放置，两者呈正交姿势，第一柱透镜与第二柱透镜间的距离可以根据入射光束的长宽比进行灵活调整。

具体地，第一柱透镜的焦距为20mm，第二柱透镜的焦距为200mm，两者用于控制光束形状并进行准直，能形成不同尺寸的入射光斑并控制光照面积。

具体地，激光扩束系统与分光镜同轴放置，分光镜位于第二柱透镜的后焦面处，分光镜的正面和背面均放置有一个反射镜；激光扩束系统输出的矩形均匀光束通过分光镜被划分为两束能量相等的光束，两束能量相等的光束分别从分光镜的正面和背面射出进入对应的反射镜，调整反射镜使得两束光束的反射光以对称的入射角、相同的入射角值进入源扩散器的同一表面的同一位置，入射角值通常在10°～25°。

由于光束射入源扩散器时存在一定入射角度，所以单光束经过源扩散器后产生的散射光的频谱分布并不是关于频率f＝0处对称，反而会产生频谱偏移。为此本实施例提出双光束叠加曝光光路，双光束叠加曝光光路的频谱合成原理如图3所示，两各光束以对称的入射角进入源扩散器后，分别产生的散射光的频谱的偏移方向相反、偏移量相等，故是两个对称分布的高斯频谱，根据频谱具有连续性的性质，经频谱拼接后，可以合成一个均匀频谱。频谱分布和光强分布具有很强的相似性。叠加为一个均匀频谱，则全息扩散片在使用时散射光强在一定范围内是均匀的。用于显示系统中，从多角度观察时，显示图像的明暗是均匀的，而不会出现高斯频谱(即高斯光强分布)时中间亮、周围暗的情况。

本发明还提供了一种均匀全息扩散片的制备方法，包括以下步骤：

S1.325nm He-Cd激光器发射325nm的激光到激光扩束系统形成矩形均匀光束；

S2.矩形均匀光束经过分光镜被分为两束能量相等的光束，通过反射镜使两束能量相等的光束以相同入射角值进入源扩散器形成散射光；

S3.散射光通过4F空间滤波系统进行频谱滤波处理，频谱滤波后的散射光照射到光刻胶接收屏；

S4.光刻胶接收屏记录频谱滤波后的散射光的频谱信息，将该光刻胶接收屏进行PDMS转印后经过光敏胶二次转印到K9玻璃基底上得到均匀全息扩散片。

具体地，步骤S3散射光通过4F空间滤波系统进行滤波处理的过程：

S31.散射光进入透镜L1，该散射光的光场复振幅经过透镜L1的傅里叶变换得到散射光频谱，完成从空间域到频域的转换；

S32.将散射光频谱汇聚到灰度掩膜上进行空间频谱滤波；

S33.空间频谱滤波结果经过透镜L2进行傅里叶反变换，完成从频域到空间域的转换后散射到光刻胶接收屏。

具体地，如图4所示，通过透镜L1的焦距f 1、透镜L2的焦距f 2的选择，可以对全息记录的散斑场频谱(频谱滤波后的散射光的频谱信息)范围进行控制，即控制光刻胶接收屏接收到的滤波后的散射光的最大扩散角，则可以控制散射光斑的大小(比如说散射光斑都是圆，那么这里就可以控制圆形散射光斑的大小)。以一维空间频谱分布的变化为例，磨砂玻璃(源扩散器)后表面处的散射光的频谱的最大空间频率记为u，则光刻胶接收屏的接收面的频谱最大空间频率u`：

对灰度掩膜的强度调整函数进行设计，实现4F空间滤波系统的频谱滤波功能，同时可以对全息记录的散斑场频谱进行选择，控制散射角度，得到不同形状的散射光斑图案。散斑场频谱分布为：

E(u,v)＝F{T(x

其中，E(u,v)表示散斑场频谱，T(x

具体地，如图4所示，白色部分为灰度掩膜的高透过率部分，黑色部分为其低透过率部分，在4F空间滤波系统中选择性的通过白色部分的频谱信息，进而被光刻胶接收屏记录。

优选地，光刻胶接收屏记录频谱滤波后的散射光的频谱信息；将记录有滤波后的散斑场频谱信息的光刻胶接收屏进行显影、PDMS转印后，再经折射率n＝1.56的光敏胶二次转印至2mm厚度K9玻璃基底上，制成高透过率、结构不易变形、温度适应范围大的全息扩散片。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。