用于制造全息光學元件的方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于制造全息光學元件的方法，該方法通過以下步驟實現：提供記錄堆棧，該記錄堆棧包括在至少一個支承元件上層壓的至少一個記錄元件；在照射步驟中采用至少一個記錄光束對所述記錄堆棧的至少一部分進行照射，其中，在所述照射步驟期間，所述記錄堆棧彎曲；提供針對所述記錄堆棧的彎曲偏差閾值；以及調節至少一個第一處理參數，使得所述記錄堆棧的期望最大彎曲偏差不超過所述彎曲偏差閾值，其中，所述至少一個第一處理參數在所述照射步驟期間影響所述記錄堆棧的彎曲性能。
【專利說明】
用于制造全息光學元件的方法
技術領域
[0001] 本發明設及一種用于制造全息光學元件的方法，其中，提供有記錄堆找，該記錄堆 找包括層壓到至少一個支承元件的至少一個記錄元件，其中，該記錄堆找被至少一個記錄 光束照射。本發明還設及通過該方法制造的全息光學元件，W及包括該全息光學元件的顯 示裝置。
【背景技術】
[0002] 時下，液晶顯示器經常被用于電子應用設備中。示例的應用設備包括移動裝置、游 戲計算機、平板計算機、監視器、電視裝置、廣告面板等。液晶顯示器包括具有能夠被電驅動 的液晶單元的層或面板。具體地，可W根據向液晶單元施加的電壓來對由顯示器照亮的光 的偏振進行控制。由于運些面板本身不產生光，所W必須提供背光單元來將面板照亮。
[0003] 因此，普遍關注的是提供一種具有高顯示質量的液晶顯示器。能使液晶顯示器滿 足運些要求的背光單元是運樣的背光單元:該背光單元包括全息光學元件，特別是光束成 形全息光學元件。光束成形全息光學元件被配置為W均勻的方式照亮位于距該光束成形全 息光學元件規定距離處的規定區域。例如，液晶顯示面板、透鏡、散光器等可W被布置在該 規定區域處。具體地，通過記錄包括具有期望圖案的任何合適的記錄材料的元件，可W制造 光束成形全息光學元件。應當理解，還存在需要具有良好操縱品質的光束成形全息光學元 件的多種其它應用，比如例如信號燈、投影系統或光學組合器。
[0004] 具體地，全息光學元件對于必須使比如在例如頭上式顯示器化UD)和頭戴式顯示 器化MD)中W及在自動立體3D顯示器(ASD)中的非常復雜的光學功能容易的細長光學器件 而言是優選的選擇。特別地，隨著越來越多地使用發光二極管化邸)和激光二極管(LD)作為 光源，全息光學元件的優勢可W得到充分利用。
[0005] 為了制造全息光學元件，可W將記錄元件層壓在支承元件上。隨后，記錄元件可 W被至少一個記錄光束照射達預定的曝光時間W用于生成具有期望圖案的全息光學元件。 通常，期望制造具有高質量的全息光學元件。具體地，目的在于制造具有均勻衍射效率的全 息光學元件。
[0006] 然而，已知記錄方案的問題在于所謂的條紋可能產生。條紋作為暗圈和亮圈出現 在全息光學元件上。具體地，難W制造沒有運種條紋的大面積全息光學元件。
[0007] 更具體地，條紋形成簡單地破壞了全息光學元件的功能和質量。如果全息光學元 件用于被觀察，例如如果其用作視框，則條紋簡單地可視為全息光學元件平面中的暗區域。 如果全息光學元件被用來重建例如可W用作空間上很好限定的光源的散光器的實像，則條 紋簡單地降低了全息光學元件的衍射效率。

【發明內容】

[000引實施方式設及制造全息光學元件。記錄堆找包括在至少一個支承元件上層壓的至 少一個記錄元件。在照射步驟中采用至少一個記錄光束來照射所述記錄堆找的至少一部 分。在照射步驟期間，所述記錄堆找彎曲。所述記錄堆找被配置為具有彎曲偏差闊值。至少 一個第一處理參數被調節，使得所述記錄堆找的期望最大彎曲偏差不超過所述彎曲偏差闊 值。所述至少一個第一處理參數在所述照射步驟期間影響所述記錄堆找的彎曲性能。
[0009] 附記1. 一種用于制造全息光學元件的方法，該方法包括W下步驟：
[0010] 提供記錄堆找，所述記錄堆找包括在至少一個支承元件上層壓的至少一個記錄元 件；
[0011] 在照射步驟中采用至少一個記錄光束對所述記錄堆找的至少一部分進行照射，在 所述照射步驟期間，所述記錄堆找彎曲；
[001^ 提供針對所述記錄堆找的彎曲偏差闊值；從及
[0013] 調節至少一個第一處理參數，使得所述記錄堆找的期望最大彎曲偏差Cmax不超過 所述彎曲偏差闊值，其中，所述至少一個第一處理參數在所述照射步驟期間影響所述記錄 堆找的彎曲性能。
[0014] 附記2.根據附記1所述的方法，其中，所述第一處理參數是所述記錄堆找的橫向尺 寸與所述記錄堆找的厚度的比Rdim、所述記錄堆找的熱膨脹系數(CTE)、記錄元件面積相對 于支承元件面積的填充因子、在固定記錄劑量E下的曝光時間texp或者所述支承元件面積 和所述曝光時間texp兩者。
[001引附記3.根據附記1所述的方法，其中，如果固定裝置被支承，貝瞄于式Cmax = A ·[ ds叩(ρ = 0，σ)| · |CTE| ·Κ2(Ηιιι·β(τ6χρ)]并且如果所述固定裝置被夾持，貝蠟于式ξmax = A· [|dcla(P = 0)| · |CTE| ·Κ2(Ηιιι·β(τ6χρ)]來計算所述期望最大彎曲偏差Cmax，通過該計算在 所述照射步驟之前確定所述期望最大彎曲偏差，其中，A是預定的比例因子，dsup或dcla是所 述支承元件的標準化彎曲變形函數，P是標準化徑向坐標，0是記錄堆找的泊松比，CTE是所 述記錄堆找的熱膨脹系數，Rdim是所述記錄堆找的橫向尺寸與所述記錄堆找的厚度的比，W 及β(Τβχρ)是取決于標準化曝光時間Texp的函數。
[0016] 附記4.根據附記1所述的方法，所述方法還包括W下步驟：
[0017] 提供至少一個第二處理參數，所述彎曲偏差闊值取決于所述至少一個第二處理參 數；W及
[0018] 根據所述至少一個第二處理參數來確定針對所述記錄堆找的所述彎曲偏差闊值。
[0019] 附記5.根據附記4所述的方法，其中，所述第二處理參數是傾斜角α、所述記錄元件 的光柵矢量Κ、所述記錄元件的光柵間距Λ或者所述記錄元件的參數和所述光柵間距兩者。
[0020] 附記6.根據附記1所述的方法，其中，所述最大彎曲偏差Cmax等于或小于其 中，Κζ是光柵矢量在所述記錄堆找的厚度方向上的分量。
[0021] 附記7.根據附記1所述的方法，其中，所述記錄堆找在所述照射步驟中由參考光束 和物體光束來照射。
[0022] 附記8.根據附記7所述的方法，其中，所述參考光束和所述物體光束中的至少一個 由激光器、激光二極管或定向光源來生成。
[0023] 附記9.根據附記1所述的方法，其中，所述記錄元件包括光刻膠材料、光致聚合物 材料、面化銀材料、二銘酸鹽明膠材料、光致變色材料或光折變材料。
[0024] 附記10.根據附記1所述的方法，其中，所述記錄元件包括光致聚合物膜，所述光致 聚合物膜包括交聯矩陣和寫入單體，且包括交聯矩陣和基于丙締酸醋的單體。
[0025] 附記11.根據附記1所述的方法，其中，所述支承元件是由棚娃玻璃、具有在闊值W 下的熱膨脹系數(CTE)的玻璃、陶瓷玻璃、烙融娃石烙融石英或浮法玻璃板制成的玻璃板。
[0026] 附記12.根據附記1所述的方法，其中，所述支承元件具有等于或小于7 Χ10-6ΙΓ? 的熱膨脹系數(CTE)的絕對值。
[0027] 附記13.-種全息光學元件，該全息光學元件通過根據附記1的方法來制造。
[002引附記14.根據附記13所述的全息光學元件，其中，所述全息光學元件是反射式全息 光學元件、透射式全息光學元件或側光式全息光學元件或者它們的組合。
[0029] 附記15.-種顯示裝置，該顯示裝置包括全息光學元件，該全息光學元件通過根據 附記1的方法來制造。
【附圖說明】
[0030] 附圖被包括W提供對本發明的進一步理解，并且被并入本申請中且構成本申請的 一部分，附圖例示了本發明的實施方式，并且與本描述一起用于解釋本發明的原理。在附圖 中：
[0031 ]圖1是具有條紋的示例性全息光學元件的示意圖。
[0032] 圖2a是根據本發明的用于執行用于制造全息光學元件的方法的布置的實施方式 的示意圖。
[0033] 圖化是圖2a中所示的實施方式的示意性側視圖。
[0034] 圖3是根據本發明的用于執行用于制造全息光學元件的方法的布置的另一實施方 式的示意圖。
[0035] 圖4a是根據本發明的包括記錄元件和支承元件的記錄堆找的實施方式的示意圖， 其中，該記錄堆找處于初始狀態。
[0036] 圖4b是圖4a中所示的實施方式的示意性側視圖。
[0037] 圖4c是在圖4a和圖4b中所示的實施方式的示意圖，其中，該記錄堆找處于彎曲狀 態。
[0038] 圖5是根據本發明的方法的實施方式的示例性示圖。
【具體實施方式】
[0039] 根據實施方式，通過在照射步驟之前W由對記錄堆找的照射引起的記錄堆找的期 望最大彎曲偏差不超過可容許的彎曲偏差闊值的運種方式設置至少一個第一處理參數，可 W至少減少在制成的全息光學元件中條紋的出現。
[0040] 根據實施方式，提供有一種包括記錄元件和支承元件的記錄堆找。該記錄元件被 層壓到支承元件。該記錄元件和/或該支承元件可W是平面板。該記錄元件是分別要用期望 的圖案和信息進行記錄的元件。在記錄處理之后，該記錄元件是制成的全息光學元件。該記 錄元件是由能夠被記錄的合適的全息光學材料制成的。全息光學材料可W作為片材材料來 提供。通過對記錄元件進行記錄，具體地，對記錄元件的全息光學材料進行記錄，來制造全 息光學元件。支承元件可W是可W在其上層壓記錄元件的透明或半透明元件。記錄堆找(特 別是記錄元件)可W利用至少一個光束進行照射W用于記錄期望圖案。
[0041] 已經發現，條紋不期望的出現的原因是在照射步驟期間對記錄堆找的不對稱加 熱，其中，該不對稱加熱造成記錄堆找的不期望的彎曲。具體地，如果最大彎曲超出特定的 彎曲闊值，則可能在全息光學元件上出現條紋。為了降低條紋出現的風險，至少一個可調節 第一處理參數被設置為使得由照射處理引起的期望最大彎曲偏差不超過彎曲偏差闊值。
[0042] 記錄堆找的期望最大彎曲偏差是指記錄堆找的點從在照射步驟之前記錄堆找的 初始位置或初始狀態到在照射步驟期間或照射步驟之后的最大彎曲位置的最大位移，其 中，該彎曲是由照射引起的。通過上述最大位移的定義，最大彎曲變形和彎曲偏差闊值被理 解為具有大于或等于零的值。正常地，在記錄堆找的中屯、發生最大位移。彎曲偏差可W是集 中于記錄堆找的中性平面的標準化厚度坐標z/h。
[0043] 在照射步驟之前，通常有必要調節記錄設置。已經發現，處理參數中的至少一些， 即第一處理參數，（直接)影響記錄堆找的彎曲性能。具體地，通過設置第一處理參數，可W 減小或增加彎曲偏差。根據本方法，運些第一處理參數中的至少一個被調節為使得可W在 照射之前估計或計算的期望最大彎曲偏差不超過彎曲偏差闊值。應當理解，為了滿足彎曲 偏差闊值，可W對兩個或更多個第一處理參數進行調節。
[0044] 由于在照射處理期間或在照射處理之后未超過臨界的或可容許的彎曲闊值，所W 可W制造不包括條紋的全息光學元件。可W產生高質量的全息光學元件。
[0045] 根據基于本發明的方法的第一實施方式，第一處理參數是記錄堆找的橫向尺寸與 記錄堆找的厚度的比、記錄堆找的熱膨脹系數、記錄元件區域相對于支承元件區域的填充 因子和/或固定記錄劑量下的曝光時間。已經發現，記錄堆找的彎曲性能取決于運些第一處 理參數。
[0046] 例如，如果記錄堆找的橫向尺寸與記錄堆找的厚度的比減小，則可W減小記錄堆 找的期望最大彎曲偏差。橫向尺寸可W是矩形記錄堆找的高度和寬度，或者可W取決于圓 形記錄堆找的半徑。該比值可W通過增加記錄堆找的厚度和/或減小記錄堆找的橫向尺寸 來減小。由于正常情況下應當制造大面積的全息光學元件，所W橫向尺寸的減小并不是優 選選擇。更優選的是增加記錄堆找的厚度，具體地，增加支承元件的厚度，同時記錄元件的 厚度保持不變。運樣的原因是為了獲得薄的全息光學元件。要注意的是，已經發現對記錄堆 找厚度的增加在所有情況下將不會減小記錄堆找彎曲，除非已克服了厚度的臨界值。
[0047] 另選地或另外，可W例如通過增加支承元件的面積或者通過減小記錄元件的面積 (運不是優選選擇)來減小填充因子W減小記錄堆找的彎曲偏差。
[0048] 通過修改記錄堆找的幾何特性，可容易的方式來減小記錄堆找的彎曲偏差。
[0049] 此外，可W減小記錄堆找的在25°C下的熱膨脹系數(CTE)的絕對值，W減小記錄堆 找的最大彎曲偏差。在優選實施方式中，為了減小記錄堆找的CTE的絕對值，可W使用具有 低CTE絕對值的支承元件。例如，由具有低CTE絕對值的玻璃材料制成的支撐板可W使變形 降低到非臨界水平。重要的是認識到，當CTE基本為零時，可W將CTE參數或因子完全從記錄 堆找幾何形狀和光致聚合物配劑(photopolymer formulation)的特性中去禪。因此，具有 低CTE絕對值的支承元件將在所有情況下減小彎曲變形。
[0050] 有益的支撐板例如由W下玻璃制成：具有3.3Xl(T6ri的CTE的棚娃玻璃，例如 攻MOfloa幡（Schott AG，美因茨，德國）、如premax? (Schott AG，美因茨，德國）、Duran思 (DURAN 集團GmbH,美因茨）、說ming:駁EagleXG愈（Corning,紐約，美國）、Siniax 貨 (Kava 1 i erg 1 ass a . s .，薩扎瓦，捷克）；具有小于闊值的CTE的玻璃，諸如Ncx化!na@ (Scho11 AG，美因茨，德國）；具有小于1 X 1 〇-6Κ-ι的CTE的烙融娃石，比如巧'cor嚴7913 (Corning，紐約，美國）、Coming萊 7980(Corning，紐約，美國）；具有小于0.1 X 1〇-嗦-1 的CTE 的零CTE陶瓷玻璃，例如民obax賞(Schott AG，美因茨，德國KClearc既am麼（Ohara Inc.，神 奈川，日本）、Zcr()du踏（Schott AG，美因茨，德國）；烙融娃石，例如GE124(Volume Precision Glass Inc.，圣羅莎，CA，美國）或者烙融石英。
[0051] 具體地，可W使用具有等于或小于7X1〇-6K-i(優選等于或小于1Χ1〇-6Κ-ι)的CTE的 絕對值的支承元件。在優選實施方式中，支承元件可W是玻璃板，具體地，可W是浮法玻璃 板、陶瓷玻璃板、烙融娃石或烙融石英板。陶瓷玻璃板和烙融娃石玻璃板具有特別低的CTE 絕對值，且因此可W有利地被使用。
[0052] 除了對之前描述的第一處理參數的調節W外或者另選地，在固定記錄劑量下的曝 光時間或等同地記錄功率密度可W適用于減小期望最大彎曲偏差。因此，記錄劑量Ε經由總 功率密度Ρ與曝光時間texp的關系如下：
[0053] E = P · te巧 (a)
[0054] 如果功率密度P減小，則可W減小最大彎曲偏差。換句話說，增加在固定記錄劑量E 下的曝光時間texp使得期望最大彎曲偏差減小。
[0055] 通過容易的方式，可W通過W期望最大彎曲偏差不超過可容許的彎曲偏差闊值的 運種方式調節之前描述的第一參數中的至少一個來使記錄堆找的期望最大彎曲偏差減小。 應當理解，為了滿足彎曲偏差闊值，可W對所有、一些或僅一個之前提到的第一處理參數進 行調節。應當理解，之前描述的第一參數僅是示例。
[0056] 根據基于本發明的方法的優選實施方式，在照射步驟之前，可W通過基于下式計 算期望最大彎曲偏差Cmax來確定期望最大彎曲偏差：
[0057] Ux= A · ( I山叩（0,〇) I · |CTE| · R2dim · 0(τ哪））， 化）
[0058] 其中，A是可預先定義的比例因子，dsup是支承元件的標準化彎曲變形函數，CTE是 記錄堆找的熱膨脹系數，Rdim是記錄堆找的橫向尺寸與記錄堆找的厚度的比，W及iKTexp)是 取決于標準化曝光時間Texp的函數。如從式(b)可W直接看出，期望最大彎曲偏差Cmax可W通 過減小可調節的第一參數中的至少一個I CTE I、R2dim或i3(Texp)來減小。
[0059] 此外，已經發現，可容許的彎曲偏差闊值(即，為了降低條紋風險而不應超過的值） 可W具有不同的值。具體地，可容許的彎曲偏差闊值可W取決于第二處理參數。根據優選實 施方式，本方法可W包括W下步驟：
[0060] -提供至少一個第二處理參數，
[0061] -其中，彎曲偏差闊值取決于至少一個第二處理參數，W及
[0062] -根據至少一個第二處理參數來確定針對記錄堆找的彎曲偏差闊值。
[0063] 通過確定，例如根據第二處理參數來計算彎曲偏差闊值，可W確定最佳彎曲偏差 闊值。例如，對于至少一個第二處理參數的第一值，如果超過第一彎曲闊值，則條紋出現，而 對于至少一個第二處理參數的另一值，僅當超過第二彎曲闊值時，條紋才出現，該第二彎 曲闊值可W大于(或小于)第一彎曲闊值。根據至少一個第二處理參數對最佳彎曲闊值的確 定可W具有W下優勢:為避免條紋的出現，僅必須執行對至少一個第一處理參數的很小的 調節。
[0064]優選地，至少一個第二處理參數是至少一個記錄光束的光柵矢量Κ的傾斜角α和/ 或至少一個記錄光束的光柵間距Λ。傾斜角是所記錄的光柵的光柵矢量K與記錄堆找表面 之間的角。具體地，彎曲偏差闊值和條紋的出現分別取決于光柵矢量Κ朝向記錄堆找表面的 取向和光柵間距A (逆空間頻率）。特別地，它取決于是生成透射全息圖還是生成反射全息 圖。因此，條紋形成對于具有子波長光柵間距A的反射全息圖而言更加嚴重，并且光柵層或 多或少地垂直于變形的記錄堆找的潛在運動方向。
[00化]根據優選實施方式，期望最大彎曲偏差Cmax等于或小于其中，Κζ是光柵矢量K 的與記錄堆找的厚度方向平行的分量。更具體地，已經發現，如果乘積|ξ"3χ*Κζ|大于^，貝。 條紋出現，而如果乘積ICmax-Kzl等于或小于;，則條紋不出現。可W在生產期間通過容易 的方式保證條紋不出現。
[0066] 在根據本發明的方法的另一優選實施方式中，在照射步驟中，可W通過參考光束 和物體光束來對記錄堆找進行照射。物體光束可W是攜帶要分別被存儲在記錄元件和光學 全息元件中的信息的光束。例如，物體光束是被反射為離開物體或已經過該物體的光束。當 運兩個光束到達記錄元件時，它們的光波彼此相交并干設。就是該干設圖案被印在記錄介 質上。
[0067] 此外，參考光束和物體光束優選是由相同的光源生成的。該光源可W包括多于一 個的光生成器，比如由合適的光學元件疊加的Ξ個單色激光器。光分束器可W被配置為將 從光源發出的光束分束成參考光束和被配置為用于經過物體的光束。可W通過簡單的方式 來生成具有相同特性(波長等）的兩個光束。根據另一實施方式，參考光束或重建光束中的 至少一個可W通過激光器、激光二極管或定向光源來生成。
[0068] 記錄元件可W包括任何合適的記錄材料。在優選實施方式中，記錄元件可W包括 光刻膠材料、光致聚合物材料、面化銀材料、二銘酸鹽明膠材料、光致變色材料或光折變材 料。
[0069] 具體地，記錄元件可W優選包括光致聚合物膜，該光致聚合物膜包括交聯矩陣和 寫入單體，優選包括交聯矩陣和基于丙締酸醋的單體。運種材料特別適合于形成光束成形 全息光學元件。
[0070] 本發明的另一方面在于通過之前所述的方法生產的全息光學元件。具體地，全息 光學元件是光束成形全息光學元件。該全息光學元件具有高質量，而沒有任何條紋。
[0071] 在根據本發明的全息光學元件的優選實施方式中，全息光學元件可W是反射式全 息光學元件、透射式全息光學元件或側光式全息光學元件或者其組合。如前面所指出，可容 許的彎曲闊值可W取決于全息光學元件的類型。
[0072] 本發明的另一方面在于包括之前所述的全息光學元件的顯示裝置。優選地，該顯 示裝置可W是液晶顯示裝置。例如，該顯示裝置可W是移動裝置、游戲計算機、平板計算機、 獨立監視器、電視裝置、廣告面板等。
[0073] 本專利申請的運些及其它方面根據W下附圖將變得顯而易見，并且將參照W下附 圖進行闡釋。如上所示的本申請的特征及其示例性實施方式的特征被理解為還W全部可能 的彼此的組合的方式被公開。
[0074] 圖1示出了具有條紋120的全息光學元件102的示意圖。全息光學元件102是已被至 少一個記錄光束照射W形成期望圖案的記錄元件。通常，期望獲得具有均勻衍射效率的全 息光學元件102。然而，如從圖1中的示例可W看出，全息光學元件102包括環形變黑部分120 (參見交叉陰影區）。換句話說，所示出的全息光學元件102包括條紋120。
[0075] 如上所述，運種條紋使全息光學元件的質量降低，且因此應當避免。在解釋根據本 發明的方法的實施方式之前，在下文中將描述用于執行該方法的記錄布置。
[0076] 圖2a示出了透射型全息光學元件202的記錄幾何結構的立體圖。圖2b示出了全息 光學元件202的該記錄幾何結構的側視圖。
[0077] 利用共用激光光源(未示出），在合適的分束器之后，空間濾波器205可W生成針對 物體201的發散照明光束204。物體201本身可W是由聚碳酸醋制成的擴散片(例如，由拜耳 材料科技公司制造的300皿厚的Makrolb瞄LM 322 2-4)。應當理解，可W使用其它組件和/ 或材料。
[007引可W通過相應孔徑的遮罩208來生成例如66mmX 110mm的開口。可W沿著物體201 和記錄元件202的中屯、將照明光的光軸對齊。記錄元件可W被層壓在支承元件209上。記錄 元件202和支承元件209兩者形成記錄堆找。
[0079] 第一記錄光束206b可W通過物體201和發散的照明光束204來生成。通過物體201 生成的記錄光束206b(即，物體光束206b，特別地，擴散光束206b)(最有效地）覆蓋記錄元 件202的區域。另一記錄光束203(特別地，通過使用例如折疊式反射鏡生成的準直參考光束 203)相對于該記錄元件202的表面法線W30°的角度0R被引導到記錄元件202上。可W選擇 等于記錄元件202的直徑的該折疊式反光鏡的有效直徑W作為其最小值。在本示例中，該直 徑可W等于115.43mm。
[0080] 可W優選地從紅色、綠色和藍色激光的共同對齊光的重疊位置生成準直參考光束 203和用于生成物體光束20化的發散照明光束204。
[0081] 支承元件209可W是例如浮法玻璃板209。浮法玻璃板209可W具有約3mm的厚度。 浮法玻璃板209的橫向尺寸可W是90mmX 120mm。應當理解，也可W選擇如將在下文中描述 的其它尺寸。作為記錄元件202,光致聚合物膜可W利用光致聚合物層朝向支承元件209的 玻璃表面進行層壓。光致聚合物膜的襯底側可W被引導向另一側，其可W是空氣。優選地， 包括記錄元件202和支承元件209的記錄堆找可W用光致聚合物膜側朝向準直參考光束203 而被取向。光致聚合物膜的襯底側可W面向空氣。準直參考光束203因此可W經由光致聚合 物膜進入記錄堆找。
[0082] 圖3示出了根據本發明的用于執行用于制造全息光學元件302的方法的布置的另 一(更詳細的)實施方式。
[0083] 作為光源，參考標記300a表示紅色激光器，參考標記30化表示藍色激光器，W及參 考標記300c表示綠色激光器。對于紅色激光器300a，可W使用在單頻模式下W647nm的具有 2.1瓦的額定輸出功率的氯離子激光器（相干的，Innova Sabre)300a。對于綠色激光器 300c，可W使用在單頻模式下W53化m的具有5瓦的額定輸出功率的DPSS激光器（相干的 Verdi V5)300c。最后，對于藍色激光器30化，可W使用W488nm的具有0.9瓦的額定輸出功 率的氣離子激光器(相干的，Innova 305)30化。
[0084] 此外，如從圖3中可W看出，提供有被配置為用于阻擋激光光束的單獨的遮光板 312。具體地，運些激光器300中的每一個可W在激光輸出之后直接被單獨的遮光板312阻 擋。另外，可W設置主遮光板312。主遮光板312可W被配置為控制針對全部的Ξ種激光波長 的同時曝光時間texp。可W利用位于單獨的遮光板312和偏振分束器321之后的半波板319來 對每個單獨激光波長λ的參考光束Pref和物體光束PdW的功率密度之間的光束比進行調節。
[0085] 借助于一個反光鏡310和兩個分色鏡311來使Ξ個激光光束共同對齊。應當理解， 也可W使用其它方式。參考光束303被空間濾波器305擴展并且被引導到球面鏡307上。在 當前示例中，焦距被設置為3m。空間濾波器305的針孔優選被放置到球面鏡307的焦點中。空 間濾波器305和球面鏡307被配置為生成準直參考光束303。
[0086] 圖4a示出了根據本發明的包括記錄元件402和支承元件409的記錄堆找的實施方 式的示意圖。圖4b示出了在圖4a中所示的實施方式的示意性側視圖。圖4a和圖4b兩者分別 示出了處于初始狀態或初始位置（即，在記錄和照射步驟之前）的記錄堆找。圖4c示出了在 圖4a和圖4b中所示的實施方式的示意性側視圖。圖4c中所示的記錄堆找處于彎曲狀態。
[0087] 記錄元件402被層壓在支承元件409上。在所示的實施方式中，支承元件409和記錄 元件402是環形的薄板。應當理解，根據本發明的其它變型，記錄元件和支承元件中的至少 一個的形式可W不同。例如，運些元件中的至少一個可W具有矩形形式。
[0088] 在當前的示例中，支承元件409，比如玻璃板409，具有半徑Rs，且記錄元件402具有 半徑Rr。此外，如從圖4a中可W看出，半徑Rs大于半徑Rr。因此，記錄堆找的半徑R為半徑Rs。 另外，支承元件409具有厚度hs，且記錄元件402具有厚度hr。厚度hs和厚度hr可W近似相等 或不同。因此，記錄堆找的厚度h為h = hs+hr。
[0089] 在用于制造全息光學元件的方法中，包括記錄元件402和支承元件409的記錄堆找 被彎曲。圖4c示出了彎曲記錄堆找的示例性實施方式。具體地，與圖4b中所示的(近似)平面 的記錄堆找相比，該記錄堆找是彎曲的。因此，最大彎曲偏差Cmax在記錄堆找的中屯、C處出 現。
[0090] 根據本發明，已經發現，如果最大彎曲偏差Cmax超過限定的彎曲偏差闊值Cthr，即， 如果UxHthr，則條紋(可能）出現。為了證明條紋形成取決于記錄元件的彎曲性能，可W進 行W下測試。
[0091] 在第一測試中，將記錄元件層壓在支承元件上。可W利用例如綠色激光(λ = 〇.532 ym)W0〇 = 〇Vf)R = 3O°的透射幾何形狀進行記錄。作為記錄元件，光致聚合物膜被層壓在用 作大小為寬度= 450mm乘W高度= 600mm的支承元件的10mm厚的玻璃板的頂部上。光致聚合 物膜在記錄期間被指向激光。所產生的或制造的全息光學元件示出了暗條紋。在另一測試 中，除了僅一處不同之外，按照相同的方式來執行記錄。光致聚合物膜被夾在兩個支承元件 (例如，兩個玻璃板)之間。所產生的全息光學元件未示出條紋。要注意的是，由于例如在制 造的全息光學元件上的壓痕，當前的夾持方案是不實用的。
[0092] 上述觀察表明在記錄過程期間，已必然由記錄元件的移動和/或彎曲引起了條紋 形成。如果例如物體光束(例如，散光器)或參考光束已移動或者已改變其形狀或波前，則條 紋應當已出現在重建的實像中或者應當在實時干設設置中可見。后者意味著，人們通過查 看所生成的全息元件觀察到虛像或參考光束，并且參考光束和物體光束兩者均在。
[0093] 無論在實像中還是在實時干設設置中，均不能觀察到相應的條紋。如在對稱設置 中，沒有條紋形成出現，則記錄板彎曲和/或其移動必定是由光致聚合物膜本身在非對稱的 記錄堆找并且僅在曝光時段期間引起的。
[0094] 此外，已經發現，針對彎曲偏差并因此針對條紋形成的原因是記錄堆找的非對稱 加熱。通常，在非對稱設置中可能存在該條紋形成的兩個來源。第一個來源是在照射步驟期 間記錄元件的收縮，且第二個來源是記錄堆找的非對稱加熱。
[0095] 收縮是由于通過在例如基于丙締酸醋的光致聚合物中的光致聚合作用產生的體 積縮小而造成的。在光致聚合物被粘附到支承元件(例如，玻璃板)的平坦記錄堆找設置中， 體積收縮完全W厚度收縮S被傳遞。然而，在全息光學元件區域的邊緣處，沿著板表面的平 移對稱被破壞并且剪應力可能出現。運將導致最終可能使整個記錄堆找彎曲的扭矩。
[0096] 為了更加詳細地研究運一理論，可W在記錄實驗中使用大尺寸的記錄元件。在第 一測試中，可W在照射步驟之后觀察到條紋。重復相同的測試。但是在重復測試中，層壓的 光致聚合物層在曝光之前通過襯底向下至玻璃板被切割成小矩形(相似尺寸的小尺寸記錄 元件）。該測試的結果是條紋形成仍出現。因此，可W從條紋形成的可能來源中排除收縮。
[0097] 由于可W從條紋形成的可能來源中排除收縮，所W使記錄堆找彎曲的唯一可能性 就是通過非對稱加熱。運意味著，通過與至少一個記錄光束的記錄光的相互作用，記錄堆找 的一個表面在曝光時段期間具有與第二表面不同的溫度。通過熱膨脹，在例如玻璃支撐板 的厚度之上的該溫度差可能會導致支承元件的彎曲，并因此導致整個記錄堆找的彎曲。
[0098] 此外，分別在記錄處理和照射處理期間的非對稱加熱僅可能通過將所吸收的光轉 換成熱和/或通過反應熱(始終在持續時間texp的曝光間隔期間）發生。在光致聚合物的情況 下，反應熱等于聚合熱。已經發現，在光致聚合物中的記錄處理期間，非對稱加熱的主要來 源例如是聚合熱。更詳細地，在聚合放熱的情況下，絕熱溫度升高Tad可W通過下式來計算：
[0099] 樹
[0100] 其中，f(texp)表示可W在曝光間隔期間實現的完全轉換的部分，CP是單位體積記 錄堆找的熱容量，并且A化是光致聚合物層的聚合放熱。
[0101] 在吸收的情況下，絕熱溫度升高Tad可W通過下式來計算：
[0102]
(*.1)
[0103] 其中，E是記錄劑量，Tini是在記錄波長λ下的其初始透射率，并且d是光敏記錄層的 厚度。因此，假設樣本在te巧期間不稱色(bleach) sFresnel losses被定義為由于在空氣與 介質之間的界面處的光反射而導致的光強度損失。
[0104] 如果相應變量的典型值被代入式(C)和式(d)中，則所得出的值彼此相差約10的倍 數。具體地，聚合熱的效果超過記錄光的吸收的效果的13倍。因此，避免條紋形成集中在具 有低A化的光致聚合物配劑(formulation)上或者保持f(texp)很小將更加富有成效，運意 味著從持續時間長的暗反應中獲利W實現高效率。要注意的是，為了允許持續時間長且高 效的暗反應，可W對光致聚合物配劑進行優化。
[0105] 在指出條紋出現的來源之后，在下文中將對根據本發明的方法的實施方式進行闡 釋。
[0106] 圖5示出了根據本發明的方法的實施方式的示例性示圖。
[0107] 在第一步驟501中，提供有至少一個第二處理參數。該至少一個第二處理參數負責 條紋的出現。更詳細地，條紋的出現取決于對彎曲偏差闊值Cthr的超出。該闊值Cthr取決于至 少一個第二處理參數。換句話說，根據至少一個第二處理參數，在照射步驟期間更高或更低 的彎曲可W是可接受的。
[0108] 第二處理參數可W是通過至少一個記錄光束形成的傾斜角α和/或干設圖案的光 柵間距A和/或所產生的光柵矢量Κ的取向。更具體地，已經發現，平均條紋可見性V可W通 過下式來計算：
[0109]
似
[0110] 其中，Vo是由至少一個記錄光束生成的干設圖案的條紋可見性，Λ是光柵間距，W 及曰是傾斜角。例如，如果參考光束和物體光束具有相同的功率，則Vo可W等于1。通常，Vo在 0和1之間的范圍內。
[0111] 具體地，根據彎曲偏差闊值Cthr可W被確定為使得僅對該闊值的超出 A 將產生包括不期望條紋的全息光學元件(步驟502)。具體地，由于傾斜角α的影響，彎曲偏差 闊值Cthr取決于記錄方案的類型，比如透射方案或反射方案。
[0112] 應當理解，在本發明的其它變型中，彎曲偏差闊值還可W按照其它方式來確定，并 且可W例如僅通過實驗參考來確定。
[0113] 如前文所述，在步驟502中，確定彎曲偏差闊值Cthr。具體地，根據至少一個第二處 理參數，可W確定彎曲偏差闊值Ur。例如，可W計算彎曲偏差闊值Ur。彎曲偏差闊值Ur被 選擇為使得如果分別在記錄步驟和照射步驟期間的彎曲小于彎曲偏差闊值Cthr，則條紋將 不出現。
[0114] 此外，在步驟503中，通過W下方式對至少一個第一處理參數進行調節:在W下的 照射步驟(步驟504)中，最大彎曲偏差Cmax不超過之前所確定的彎曲偏差闊值Cthr。具體地， 在照射步驟之前，可W通過使得Cmax<Cthr的下式來計算期望最大彎曲偏差Cmax。要記住，我們 已確認記錄堆找的彎曲的起因是通過聚合熱的非對稱加熱，在更早的式(b)中給出的因子A 必須被Α = 6Λ2 . (Tad · d)替代。d是光敏記錄層的厚度。Tad是通過聚合放熱的絕熱溫度升 局。
[0115]
(bn
[0116] 例如，可W使用具有低CTE絕對值的支承元件和/或可W調節幾何尺寸W用于減小 R2dim和/或可W分別調節標準化曝光時間Texp和能量劑量EW用于滿足所確定的彎曲偏差闊 值Ur。因此，β( Texp )被給出如下：
[0120] 包括記錄層堆找的支承結構的浮法玻璃的熱擴散時間το被給出如下：
[0121]
(h)
[0122] D是包括記錄層堆找的支承結構的浮法玻璃的熱擴散系數。減小的曝光時間Texp被 給出如下：
[0126] 其中，P是標準化徑向坐標，并且0是記錄堆找的泊松比。dsup描述在記錄板的邊緣 (P=l)通過向框架的固定而被支承時的記錄堆找的彎曲，運意味著dsup(P=l，〇)沿著運些 邊緣基本上等于0。
[0127] 隨后，在已對記錄設置進行調節之后，在步驟504中對包括記錄元件和支承元件的 記錄堆找進行照射。具體地，如上所述，記錄堆找是通過物體光束和參考光束進行照射的。 照射步驟的結果是全息光學元件包括期望的圖案，而沒有任何條紋。
[0128] 在下文中，給出了一些示例性記錄結果：
[0129] 在第一示例中，記錄劑量E為15mJ/cm2且曝光時間texp = 100s，運對應于功率密度P = 150yW/cm2。運是在利用1至2瓦的輸出功率的激光器來記錄大尺寸全息光學元件時可W 實現的上層處的典型功率值。針對所用的該記錄劑量和光致聚合物，式(C)中的因子f必須 被設置為0.5。如果采用支承元件的半徑R作為最大記錄堆找延伸(具有寬度為312mm的全息 光學元件和高度為532mm的全息光學元件的全息光學元件），則其WR = 600/2mm結束。記錄 層的厚度d為15皿，并且絕熱溫度升高Tad為33.25K。
[0130] W下表1示出了針對具有用作記錄堆找的支承結構的浮法玻璃的記錄堆找的厚度 h、記錄堆找的半徑R = 600/2mm和曝光時間texp = 100S的變量的最大彎曲偏差Cmax。
[0131]
[0132] 表1
[0133] 如從表1中可W看出，對于小的h，Cmax值完全不取決于h，而在h的特定交叉值之后， Cmax隨著h增加而開始衰減。運種交叉在Texp=l附近出現。因此，在所有情況下記錄堆找厚度 h的增加將不會使記錄堆找彎曲減小，除了僅在厚度h的臨界值已被超過的情況。在厚度h的 該臨界值W下，最大彎曲偏差Cmax隨后僅取決于CTE的絕對值，并且如果曝光時間texp固定， 則最大彎曲偏差Cmax取決于R2。
[0134] W下表2示出了針對用于用作記錄堆找的支承結構的浮法玻璃的曝光時間texp、記 錄堆找的半徑R=600/2mm和記錄堆找的厚度h=10mm的變量的最大彎曲偏差Cmax。對于運種 情況，再次假設記錄劑量E被固定在15mJ/cm2。如果曝光時間texp發生變化，則在不同的功率 密度P下進行記錄。
[0135]
[0136] 表2
[0137] 如從表2中可W看出，針對固定劑量E的曝光時間texp的增加可W使Cmax減小。
[0138] 此外，要注意的是，通過增大支承元件的熱擴散系數D而使CTE的絕對值降低并且 使το降低在(幾乎)每種情況下都有助于使Cmax減小。
[0139] 最后，表3a至表3c還分別示出了十二個不同的記錄設置和示例的實驗結果。
[0140]
[0141]
[0144]表3b
[0145]
[0147] 表3c
[0148] 在運些表中，參數Tad是由于聚合放熱而引起的絕熱溫度升高，其根據針對具有聚 合放熱A化二133J/cm3的所使用的光致聚合物配劑和記錄層堆找的單位體積的熱容量cp = 2J/ (cm3 · K似及必須使用的對于所使用的15mJ/cm2的記錄劑量E的f (texp) = 0.5的完全轉 換部分的式k)來計算。λ是W皿為單位給出的真空中記錄光的波長。類型是指冊E的記錄的 特點。如果類型是"透射"，則參考光束和物體光束從相同側進入到記錄層堆找中。如果類型 是"反射"，則參考光束和物體光束從相反側進入到記錄層堆找中。θκ是朝向記錄層堆找的 表面法線測量的參考光束在空氣中的角度。θ〇是朝向記錄層堆找的表面法線測量的物體光 束在空氣中的角度。表面法線始終是指從記錄層堆找中指向存在相應的記錄光束的相應半 空間的空氣中的表面法線。η是光致聚合物的折射率。可W根據對干設光學領域的技術人員 已知的常規方式利用折射率η在介質內部計算給出的運些參數:光柵矢量Κ、傾斜角α和光柵 間距A。固定描述了包括記錄堆找的記錄板在記錄期間如何被固定到框架上。如果固定為 "支承"，則其意味著根據式(j)的dsup(P = l，〇)沿著運些邊緣基本上等于0。如果固定為"夾 持"，則其意味著dcla(P=l)基本上等于0,且另外，根據式化)的（ddcla/dp)(p=l)沿著運些 邊緣基本上等于0。在夾持情況下，式(j)必須被式化)所替代W估計式(bl)中的最大彎曲偏 差 Cmax。
[0149] dcia(p) = [(l-P^)+2 · · ln(p)] (k)
[0150] 如從W上示例1至示例12中可W直接看出，如果滿足下式，則不出現條紋：
[0151] Κζ · CmaxI <31/2 (1)
[0152] 而如果滿足下式，則出現條紋：
[015引 |Κζ · Cmax|〉3l/2 (Π 1)。
【主權項】
1. 一種用于制造全息光學元件的方法，該方法包括以下步驟： 提供記錄堆棧，所述記錄堆棧包括在至少一個支承元件上層壓的至少一個記錄元件； 在照射步驟中利用至少一個記錄光束對所述記錄堆棧的至少一部分進行照射，在所述 照射步驟期間，所述記錄堆棧彎曲； 提供針對所述記錄堆棧的彎曲偏差閾值；以及 調節至少一個第一處理參數，使得所述記錄堆棧的期望最大彎曲偏差不超過所述 彎曲偏差閾值，其中，所述至少一個第一處理參數在所述照射步驟期間影響所述記錄堆棧 的彎曲性能。2. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述第一處理參數是所述記錄堆棧的橫向尺寸與 所述記錄堆棧的厚度的比Rdim、所述記錄堆棧的熱膨脹系數CTE、記錄元件面積相對于支承 元件面積的填充因子、在固定記錄劑量E下的曝光時間t MP或者所述支承元件面積和所述曝 光時間tMP兩者。3. 根據權利要求1所述的方法，其中，在所述照射步驟之前，如果固定裝置被支承，則所 述期望最大彎曲偏差|111￡?是通過基于式|111 ￡?=厶*[|(1-(0 = 〇,〇)|.|(^|·!?2-·^··^)] 來計算期望最大彎曲偏差而確定的，并且在所述照射步驟之前，如果所述固定裝置被夾 持，則所述期望最大彎曲偏差Imax是通過基于式lma X = A· [|dcla(P = 0)| · |CTE| ·Κ2<?ιιι·β (τθχρ)]來計算期望最大彎曲偏差ξ_χ而確定的，其中，Α是預定的比例因子，d supSdcla是所述 支承元件的標準化彎曲變形函數，P是標準化徑向坐標，σ是所述記錄堆棧的泊松比，CTE是 所述記錄堆棧的熱膨脹系數，1?<^是所述記錄堆棧的橫向尺寸與所述記錄堆棧的厚度的比， 并且β(τ Μρ)是取決于標準化曝光時間1_的函數。4. 根據權利要求1所述的方法，該方法還包括以下步驟： 提供至少一個第二處理參數，所述彎曲偏差閾值取決于所述至少一個第二處理參數； 以及 根據所述至少一個第二處理參數來確定針對所述記錄堆棧的所述彎曲偏差閾值。5. 根據權利要求4所述的方法，其中，所述第二處理參數是傾斜角α、所述記錄元件的光 柵矢量Κ、所述記錄元件的光柵間距Λ或者所述記錄元件的參數和所述光柵間距兩者。6. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述最大彎曲偏差ξ_χ等于或小于其中，Κζ是 光柵矢量在所述記錄堆棧的厚度方向上的分量。7. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述記錄堆棧在所述照射步驟中由參考光束和物 體光束來照射。8. 根據權利要求7所述的方法，其中，所述參考光束和所述物體光束中的至少一個由激 光器、激光二極管或定向光源來生成。9. 一種全息光學元件，該全息光學元件通過根據權利要求1的方法來制造。10. -種顯示裝置，該顯示裝置包括全息光學元件，該全息光學元件通過根據權利要求 1的方法來制造。
【文檔編號】G02B5/32GK106066592SQ201610258277
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年4月22日 公開號201610258277.3, CN 106066592 A, CN 106066592A, CN 201610258277, CN-A-106066592, CN106066592 A, CN106066592A, CN201610258277, CN201610258277.3
【發明人】方炯錫, 林希珍, 李根植, F-K·布魯德, T·P·費克, M-S·魏澤爾, R·哈根, T·羅爾, H·貝恩斯, D·奧內爾, G·沃爾澤
【申請人】樂金顯示有限公司, 科思創德國股份有限公司