專利名稱：消色差全息光學(xué)元件的制作方法
一種涉及可供在自然光條件下廣泛應(yīng)用的消色差全息光學(xué)元件。
已有全息光學(xué)元件(holographic optical elementg簡(jiǎn)稱HOEs)正獲得日益廣泛的研究和應(yīng)用。其典型的特性可如

圖1所示，即如圖1(a)所示那樣用波長(zhǎng)為λ的相干光束A和B(通常取自激光器)拍攝制成的全息片Hλ(A，B)，具有如圖1(b)所示的各種復(fù)現(xiàn)性能，即在波長(zhǎng)為λ的光束A、B、B+及A+的照射下，能分別相應(yīng)衍射出光束B(niǎo)，A，A+及B+(各附圖都未畫(huà)出入射光的零級(jí)透射光及其它相對(duì)較弱的衍射光)。由圖可見(jiàn)，除衍射光的傳播方向與入射光相偏離外，全息片Hλ(A，B)的衍射光與入射光的關(guān)系呈類透鏡行為特性。作為衍射光學(xué)元件的全息光學(xué)元件，欲在自然光條件下應(yīng)用，必須克服嚴(yán)重的色差。另外，對(duì)于入射的自然光中的非波長(zhǎng)λ區(qū)段的成分，全息片Hλ(A，B)的衍射效率極低，即全息片Hλ(A，B)對(duì)于非λ的各色入射光幾乎是透明的，致使對(duì)入射的自然光來(lái)說(shuō)，全息片Hλ(A，B)的衍射效率一般是較低的。上述存在的這兩大缺陷，大大的限定了全息片的廣泛應(yīng)用，仍不得不長(zhǎng)期沿用傳統(tǒng)的光學(xué)元件而進(jìn)行復(fù)雜的光學(xué)設(shè)計(jì)和精細(xì)的光學(xué)加工，使制成的光學(xué)儀器體積大而重，價(jià)格昂貴，難以使光學(xué)儀器小型化和通用化。
本發(fā)明的目的在于提供一種在自然光條件下應(yīng)用的消色差全息光學(xué)元件(achromatic holographic optical element，簡(jiǎn)稱AHOE)，為在自然光條件下廣泛應(yīng)用全息光學(xué)元件開(kāi)辟?gòu)V闊的新途徑。
為了便于理解本發(fā)明提出的消色差全息光學(xué)元件的基本結(jié)構(gòu)，首先闡明其運(yùn)行原理機(jī)制是必要的。將上述全息片Hλ(A，B)，和用波長(zhǎng)為λ的相干光束B(niǎo)和C拍攝成的全息片Hλ(B，C)，分別置放于入射窗口和出射窗口位置上，如圖2所示，則全息片Hλ(A，B)受入射光照射后衍射出B光，而經(jīng)置于最佳相對(duì)位置的全息片Hλ(B，C)衍射出C光(即該位置使射至的B光能以最佳衍射效率衍射出C光)。實(shí)驗(yàn)已證實(shí)自然光經(jīng)歷全息片Hλ(A，B)和Hλ(B，C)先后兩次衍射可以基本消除色差。圖2-圖5-標(biāo)示出的是經(jīng)歷先后相鄰兩次衍射的情況，可見(jiàn)它們也在結(jié)構(gòu)上使傳播角α足夠小，保證了使出射光束C與入射光A的零級(jí)透射光束(未畫(huà)出)截然分開(kāi)。顯然，就結(jié)構(gòu)的完善性應(yīng)該有遮擋其它可能射至全息片Hλ(B，C)的各種雜光以獲得良好的象質(zhì)，以及使上述的成對(duì)的全息片有一使其保持平行的固著物或平行支架支撐(為簡(jiǎn)明起見(jiàn)，圖2、圖4中未畫(huà)出平行支架)。
上述成對(duì)的全息片Hλ(A，B)和Hλ(B，C)構(gòu)筑的元件稱為非真色消色差光學(xué)元件，工藝雖然簡(jiǎn)單，但不能傳遞真色，不能對(duì)入射光中非λ波長(zhǎng)成分(有一定的頻寬)進(jìn)行有效的衍射，即對(duì)其非λ成分而言，Hλ(A，B)幾乎是透明的，致使出射光近于單色，其強(qiáng)度與入射光相比也明顯變?nèi)趿恕Ｒ虼?，改進(jìn)的結(jié)構(gòu)是將上述每一單片全息片分別以下列的三片疊加件替代之Hλ(A，B)→HR(A，B)、HG(A，B)、HB(A，B)疊加件，記為HRGB(A，B)。Hλ(B，C)→HR(B，C)、HG(B，C)、HB(B，C)疊加件，記為HRGB(B，C)。即可構(gòu)成真色消色差全息光學(xué)器件。前述疊加件，如HRGB(A，B)是指將三片全息片HR(A，B)，HG(A，B)和HB(A，B)用光膠膠合在一起。下標(biāo)R、G及B分別表示紅、綠及蘭色范圍中的某一具體波長(zhǎng)。全息片HR(A，B)、HG(A，B)及HB(A，B)是在相同的光路(即相同的A和B)下用不同的激光(波長(zhǎng)分別為R、G及B)分別攝制的激光全息片。
下面結(jié)合附圖詳細(xì)給出本發(fā)明的具體實(shí)施例。
圖1、輸入全息片Hλ(A，B)的拍攝(a)及其復(fù)現(xiàn)性能示例(b);
圖2、以空氣為傳輸介質(zhì)的非真色消色差全息光學(xué)元件結(jié)構(gòu)原理圖;
圖3、以玻璃類透明傳輸介質(zhì)的非真色消色差全息光學(xué)元件結(jié)構(gòu)原理圖;
圖4、以空氣為傳輸介質(zhì)的真色消色差全息光學(xué)元件結(jié)構(gòu)原理圖;
圖5、以玻璃類透明傳輸介質(zhì)的真色消色差全息光學(xué)元件結(jié)構(gòu)原理圖;
圖6、經(jīng)一次全反射后的真色消色差全息光學(xué)元件結(jié)構(gòu)原理圖;
圖7、消色差全息光學(xué)元件(a，b)及其類透鏡行為(c)示圖;
圖8、消色差全息光學(xué)元件(a，b)及其類發(fā)散透鏡行為(c)示圖;
圖9、消色差全息光學(xué)元件(a)及其類會(huì)聚球面鏡行為(b)示圖;
圖10、消色差全息光學(xué)元件(a)及其類發(fā)散球面鏡行為(b)示圖。
其中，1輸入全息片Hλ(A，B);2輸出全息片Hλ(B，C);3三基色輸入疊加全息片HRGB(A，B);4三基色輸出疊加全息片HRGB(B，C);5光學(xué)平面平行透明介質(zhì)片;6包層;7透鏡;8發(fā)散透鏡;9會(huì)聚球面鏡;10發(fā)散球面鏡;11全息底片。
根據(jù)上述原理、方法構(gòu)筑的本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)是將已攝制成的輸入全息片Hλ(A，B)1和輸出全息片Hλ(B，C)2兩兩相互平行地分別設(shè)置在最佳相對(duì)位置的入射窗口和出射窗口上即可組成最基本的非真色消色差全息光學(xué)元件;同樣，作為另一個(gè)最佳實(shí)施例，是將已制好的三基色輸入疊加全息片HRGB(A，B)3和三基色輸出疊加全息片HRGB(B，C)4兩者相互平行地分別設(shè)置在最佳相對(duì)位置的入射窗口和出射窗口上組成最基本的真色消色差全息光學(xué)元件。上述兩個(gè)實(shí)施例，如圖2和圖4所示，未畫(huà)出各全息片的附著物或平行固定支架，其內(nèi)部傳播的B光為空氣介質(zhì)。實(shí)際更為需要玻璃類固態(tài)傳輸介質(zhì)，也作為附著物或平行固定支架的光學(xué)平面平行透明介質(zhì)片5，如圖3和圖5所示。將輸入全息片Hλ(A，B)1和輸出全息片Hλ(B，C)2，用光膠分別固貼在上述光學(xué)平面平行透明介質(zhì)片5的兩側(cè)或同側(cè)上的最佳相對(duì)位置的入射窗口和出射窗口上組成另一形式的非真色消色差全息光學(xué)器件。同樣，作為另一個(gè)實(shí)施例，也可將三基色輸入疊加全息片HRGB(A，B)3和三基色輸出疊加全息片HRGB(B，C)4，亦用光膠分別貼附在光學(xué)平面平行透明介質(zhì)片5的兩側(cè)或同側(cè)上的最佳相對(duì)位置的入射窗口和出射窗口上組成真色消色差全息光學(xué)元件。應(yīng)指出這里類同光導(dǎo)纖維是利用內(nèi)部不斷全反射傳播圖象信息一樣，同樣，上述輸出全息片Hλ(B，C)2或者三基色輸出疊加全息片HRGB(B，C)4，根據(jù)需要可置于一次或多次內(nèi)反射位置處，該位置保證其最高衍射效率，如圖6所示。工藝上應(yīng)保證光學(xué)平面平行透明介質(zhì)片5的光學(xué)表面是整潔的。最好類同光纖，在表面敷設(shè)一低折射率的包層6，即在上述光學(xué)平面平行透明介質(zhì)片5的出、入窗口之外的光學(xué)平面上敷設(shè)一較其折射率低的相應(yīng)的玻璃、石英或透明塑料，其它側(cè)面宜涂黑，以防止無(wú)益的內(nèi)反射及雜散光進(jìn)入。顯然，光學(xué)平面平行透明介質(zhì)片5應(yīng)是低損耗的玻璃材料等。上述光學(xué)平面平行透明介質(zhì)片5的厚度D有限，內(nèi)傳播角α至少應(yīng)小于臨界面，足夠小的α角可以保證其內(nèi)全反射和大視場(chǎng)的需要。上述輸入、輸出全息片的間距一般為D·ctgα的整數(shù)倍。而全息片的大小略小于用來(lái)拍攝的全息底片11的尺度，由出、入射窗口的需要選擇。
圖7至圖10展示了一些可與常見(jiàn)透鏡、反射鏡相比擬的消色差全息光學(xué)元件的例子，可見(jiàn)其結(jié)構(gòu)形式多種多樣，應(yīng)視使用場(chǎng)合選用。
還應(yīng)該指出，在設(shè)計(jì)制造一種具體的消色差元件的基本構(gòu)件輸入全息片Hλ(A，B)1和輸出全息片Hλ(B，C)時(shí)，首先應(yīng)該根據(jù)外特性的需要確定參量A和C，內(nèi)傳播參量B一般可選取平行或準(zhǔn)平行光。如制作一正焦距(f)的消色差全息光學(xué)透鏡元件，首先用波長(zhǎng)為λ的激光分別拍攝Hλ(A，B)1和Hλ(B，C)2，應(yīng)如圖1(a)所示那樣，A為與全息底片11(中心)相距為f處的點(diǎn)光源射來(lái)的光，依此光路攝制而成。同樣三基色輸入、輸出全息片HRGB(A，B)3和HRGB(B，C)4亦然，只不過(guò)應(yīng)選擇紅、綠、蘭(R、G、B)不同波長(zhǎng)λ的激光器分別拍攝，如選取波長(zhǎng)R為6328 ，G為5604 ，B為4880 ，然后用光膠分別膠合，再分別固定于或用光膠膠合在光學(xué)平面平行透明介質(zhì)片5的輸入和輸出窗口上。上述全息底片11宜采用薄襯底軟片為佳，自然高質(zhì)量的全息底片利于獲得高衍射效率和相應(yīng)的全息片構(gòu)件。
綜上所述，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，圓滿地解決了全息光學(xué)元件在自然光條件下應(yīng)用存在的缺陷，大大拓展了全息光學(xué)元件的應(yīng)用范圍，加之制作簡(jiǎn)單，成本低，可如搭積木一般構(gòu)筑需要的光學(xué)系統(tǒng)等，可望為減小光學(xué)儀器的體積和重量，使光儀小型化、通用化，開(kāi)辟?gòu)V闊的新途徑。
權(quán)利要求
1.一種涉及在自然光條件下應(yīng)用的消色差全息光學(xué)元件，其特征在于它是由輸入全息片Hλ(A，B)[1]和輸出全息片Hλ(B，C)[2]兩兩相互平行地分別設(shè)置在最佳相對(duì)位置的入射窗口和出射窗口處組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消色差全息光學(xué)元件，其特征在于它還可由三基色輸入疊加全息片HRGB(A，B)[3]和三基色輸出疊加全息片HRGB(B，C)[4]兩者相互平行地分別設(shè)置在最佳相對(duì)位置的入射窗口和出射窗口上組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消色差全息光學(xué)元件，其特征在于它還可由輸入全息片Hλ(A，B)[1]和輸出全息片Hλ(B，C)[2]，用光膠分別固貼在光學(xué)平面平行透明介質(zhì)片[5]的兩側(cè)或同側(cè)上的最佳相對(duì)位置的入射窗口和出射窗口上組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消色差全息光學(xué)元件，其特征在于它還可由三基色輸入疊加全息片HRGB(A，B)[3]和三基色輸出疊加全息片HRGB(B，C)[4]，用光膠分別固貼在光學(xué)平面平行透明介質(zhì)片[5]的兩側(cè)或同側(cè)上的最佳相對(duì)位置的入射窗口和出射窗口上組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的消色差全息光學(xué)元件其特征在于上述光學(xué)平面平行透明介質(zhì)片[5]的出、入窗口之外的光學(xué)平面上可以敷設(shè)一包層[6]，其它側(cè)面宜涂黑。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的全息光學(xué)元件，其特征在于上述包層[6]是由較光學(xué)平面平行透明介質(zhì)片[5]折射率低的玻璃、石英或透明塑料制成。
全文摘要
本發(fā)明涉及在自然光下應(yīng)用的真色和非真色消色差全息光學(xué)元件。它是由成對(duì)的兩個(gè)輸入、輸出全息片H
文檔編號(hào)G03H1/00GK1114054SQ9411058
公開(kāi)日1995年12月27日 申請(qǐng)日期1994年5月12日 優(yōu)先權(quán)日1994年5月12日
發(fā)明者楊楚良, 單啟蟄, 唐惟瑯 申請(qǐng)人:青島海洋大學(xué)