主动式计算机产生多重全息图象制造技术

选择和产生各种全息光学波前的设备，一种用来调制透射光进而产生一个全息波前的器件，它包括一个厚度可变的衬底层和一个电光层，两层之间的折射率失配依赖于电压。调制可以随施加电压的变化而变化，从而改变所产生的波前。能够产生的波前范围由衬底层的厚度分布确定。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及可控地产生多个光学波前，为方便起见，称之为主动式全息图象。本专利技术应用于(例如)信息的三维显示、光互连、光束转向、光学图案识别、波前合成和成形，以及衍射光学元件等领域。计算机产生全息图象(CGH)是一种产生几乎任意光学波前的有力方法。它们是传统全息图象的推广(它们本身是一种在许多光学系统中有着潜在用途的有力技术)。然而在传统全息图象中，储存在全息图象中的波前必须在刻写全息图象时靠某些装置形成。而在CGH中，没有这种限制。只要求一个所需波前的数学描述。后面的计算定义了CGH的结构，这种结构可以用多种技术制备。典型地，CGH是一种二维的直线型列阵。列阵的每一个元素(或象素)均具有给定的光透过率tij,tij或者是实数(吸收调制CGH)，或者是虚数(相位调制CGH)，或者是二者的组合。吸收CGH可以由光刻薄膜或刻蚀在玻璃的氧化铬上的图案制备。相位调制CGH常通过腐蚀透明衬底而形成的表面立体图案来制备。利用全息模拟，很明显，CGH能够完成一般的波前转换，因此，它们对许多光学系统，特别是光处理和光互连，是一种关键的能动技术。可开关的衍射光栅已为大家所知，它们依赖于将某些电光材料的折射率(例如向列型液晶)与透明衬底相匹配的原理。当在整个器件上施加一电压时(通过输入、输出面上的两个透明电极)，电光材料的折射率相应地发生变化。结果出现折射率失配，穿过器件的光将在衬底与电光材料的边界处发生衍射。所施加的电压越大，折射率失配越大。空间光调制器(SLM)也已为大家所知(例子参见光学快报，第n卷，第11期，11月，1986年，748-750页；电子学快报，第28卷，第1.2期，1月，1992年，26-28页)。典型地，这样一种器件包括一个象素列阵，其中的每一个象素可以根据施加于其上的电压，利用相位调制和吸收调制中的一种调制光学相位(通常，只有一种调制)。为了产生所需的波前，需要在每一个象素上施加适当的电压。通过适当的计算机控制，大量的CGH能够在SLM上实现。然而这些器件复杂、昂贵、不可靠而且要求复杂的驱动电路(例如每一个象素需要独立寻址)。如果需要迅速实现几个CGH，需要有大型计算机系统。另外，象素尺寸和数量也受到限制。根据本专利技术，一种用来产生多个波前的主动式全息图包括至少两层能够进行光调制的材料，在层上施加多种电压的装置，以及用光照射所述层的装置。这里的层包括一个电光层和一个衬底层。电光层的折射率随所加电压变化，以便使对穿过全息图任意点的照明光的调制随所加电压变化。衬底层的表面形貌由在整个全息图上变化的衬底厚度确定，以便在给定电压下使对照明光的调制沿整个全息图象变化。衬底层的形貌图是用来在给定波前的照射下，并施加多种电压中的一种时，确定所产生的波前。电光材料层的一个优选实施方案是一种向列型液晶。衬底层可以包括一个厚度变化的象素列阵，用来产生所需的表面形貌。这些象素可以集成在一个单衬底层中，具有一个随与每一个象素有关的衬底层厚度而变化的表面形貌图。典型地，在象素上施加多种电压的装置包括至少两个电极，以便于至少在每个象素的向列型液晶层上施加电压。每个电极可以由，例如，铟锡氧化物或铝来制成。这个设备可以包括，对已被象素列阵进行了相位调制的光进行光学变换的装置，这可以是一个产生Fourier或Fresnel变换的透镜。参照下面的附图，只通过举例的方式描述本专利技术，其中附图说明图1a和1b分别是吸收调制和相位调制的计算机产生全息图的例子；图2是单个CGH的示意图；图3是本专利技术的示意图；图4是在采用递推技术的设计过程中，评估本专利技术器件质量的数据；图5a和5b分别显示了误差和效率随参数变化而发生的变化，该参数描述了在本专利技术器件的每一个象素上单位深度产生的相位移动；图6是可以用在本专利技术中的另一种电极安排；图7显示了一个理论器件的几何结构，用来模拟在本专利技术特定实施方案中使用的液晶材料的行为；图8是在图8所示的器件中，对液晶材料进行平面排列而计算得到的导向场；图9是在图8所示的器件中，对液晶材料进行垂直排列而计算得到的导向场；图10是在图9和10中所示的导向分布，在图8所示器件中的不同位置处的平均折射率；图11是对一个设计给出两个输出的128×128的象素列阵器件，光学输出误差作为象素深度误差的标准偏差函数而发生的变化；图12是对于本专利技术器件的一种设计在两种不同电压下获得的输出；图13是随着衬底形貌的退化和对设计图案的偏差，图12中器件的光输出是如何变坏的。贯穿这个说明书，术语“光”应该具有广义的含义，而不应该限制在电磁谱的可见光波段。特别地，本专利技术的基础性原理可以等价地应用在光谱的其它区域，例如在红外区域，并且这种光学系统应该包括在这个区域使用的系统。吸收调制CGH可以用一个象素列阵(图1a)产生，其中的每一个象素都具有固定的光透过率。相位调制CGH可以由一个象素列阵(图1b)产生，其中的每一个象素都对穿过的光施加固定的相移(根据固定的光程)。在这些器件中任一个的操作过程中，列阵受到一个波前的照射，穿过列阵的光以依赖于透过率图案或相位调制象素图案的波前的形式逸出。这些器件的缺点在于，一旦制备好调制象素列阵，对给定入射波前所能产生的波前是固定的。参考图2，一个典型的CGH可以包括夹在两个透明电极3之间的一个厚度可变的透明衬底材料层1和一个电光材料层2(例如，向列型液晶)。还提供了在电极3上施加电压的装置4。电光材料2的选择应使得当电极3无外加电压时其折射率与衬底1匹配，并且入射光束5无衍射地输出6。在电场作用下，电光材料2的折射率变化使其与衬底1失配，这时入射光5衍射输出7。典型地，这样的器件仅提供两种在其制备过程中已被确定的状态选择。参考图3，本专利技术的一个典型器件8包括一个厚度可变的衬底材料层，一个电光材料层2和一对电极3。在该例中，衬底层厚度是量化的，该层包括一个象素列阵，每一个象素均具有相应的厚度。这一点反映在层1和层2之间界面的剖面图上。这些象素集成在单层1中。还提供了在电极3上施加可变电压的装置(未显示)。衬底可以由那些本领域公知的技术制成，如反应离子刻蚀。替代所示量化厚度的另一种方法是连续变化的厚度。在操作中，该器件受入射光5照射，并依赖于其上所加电压对入射光施加光学调制。对穿过全息图上特定点的光施加的光学调制依赖于该点衬底1的厚度。对于给定的照射波前，限定在给定电压下逸出的波前7a,7b的信息包含在衬底的表面形貌图中。这样的衬底可由那些本领域公知的技术制成(如反应离子刻蚀〕。波前7a、7b可以经过进一步的光学变换(如Fourier或Fresnel)。本专利技术依赖于能够在特定外加电压下给出特定波前的衬底设计。下面给出了一个如何实现这一点的例子。依靠不同的厚度，列阵中的不同象素产生不同的相位调制。为便于优化和实施，形貌图中所允许的深度被量化为0,1,2,3…nlevels-1。假设穿过衬底厚度为dij的第ij个象素的光波相位变化为φij。由于浸没在衬底中的电光材料，φij将随在整个器件上施加的电压变化。我们的任务是确定dij，以便使φij的变化在光学系统的输出端产生所要求的波前。这是一个非线性优化问题。下面简明地描述一个产生该问题优化解的最简单算法，直接n搜索(其中n等于nlevels)。该问题中的参数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于产生多个波前的主动式全息图，包括至少两层能够进行光调制的材料，在所述层上施加多种电压的装置和用光照射该层的装置， 其中，所述层包括一个电光层和一个衬底层，电光层的折射率随所加电压变化，以便使对穿过全息图任意点的照明光施加的调制随所加电压变化，衬底层的表面形貌由在整个全息图上变化的衬底厚度确定，以便在给定电压下使对照明光施加的调制沿整个全息图象变化，衬底层的形貌图是用来在给定波前的照射下，并施加所述多种电压中的一种时，确定所产生的波前。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：CW斯林格，
申请(专利权)人：大不列颠及北爱尔兰联合王国国防大臣，
类型：发明
国别省市：GB[英国]