全息波导显示器的自动化母版制备

Marvin Feil¹ Reinhold Fiess¹ Wilhelm Stork²

¹ 博世企业研究部 (Bosch Corporate Research) · ² 卡尔斯鲁厄理工学院 (Karlsruhe Institute of Technology)

1. 引言 (INTRODUCTION)

基于波导的近眼显示器因其在紧凑、轻便的外形下提供大眼盒 (eyebox) 而引起了极大兴趣。由于其高选择性和高效率，全息光学元件 (HOEs) 特别适用于波导系统的入耦合、瞳孔扩大和出耦合元件。

尽管卷对卷 (roll-to-roll) 复制可以实现大规模量产，但高质量母版全息图 (master holograms) 的制作仍具挑战。全息图的原型制作尚未达到标准 SRG 制造的成熟度和自动化水平，使研究人员不得不依赖权宜的、可调节的光机系统来记录不同的全息图或依赖全息打印机，这往往会损害保真度。

对于全息波导，这些困难被进一步放大，因为波导需要极端角度的配置，通常必须进行边缘照明记录 (edge-lit recording)，并会引入强烈的菲涅耳反射 (Fresnel reflections)，如果不仔细抑制，这些反射会产生寄生全息图 (spurious holograms)。典型的开发流程涉及为每个全息图构建专门的曝光装置。这些过程需要频繁的浸没接触 (immersion contacting) 以及在设计迭代期间重复更换硬件。记录完成后，每个全息图必须高精度地层压到波导核心上，这需要柔性对准机械，使得原型制作无法适应商业显示开发的高节奏。

在此，我们提出了一种能够实现完整全息波导显示设计快速原型的制造方案，该方案基于一种新型的边缘照明棱镜设计和我们最近推出的机器人记录系统。它允许在单次浸没接触下于同一基板上记录所有波导全息图，补偿收缩，并完全抑制寄生 HOEs。这种集成方法显著加速了全息波导显示器的开发周期。

2. 光学设计 (OPTICAL DESIGN)

一个基础的二维扩瞳全息波导由三个全息光学元件组成。入耦合 HOE 将所需传播波长 $\lambda_p$ 的法向入射光以所需的全内反射 (TIR) 角 $\theta_p > \theta_c = \arcsin(1/n_{\text{HOE}})$ 重定向到波导核心中。扩瞳 HOE 将引导光束沿波导重新分布，而出耦合 HOE 将光束再次沿基板法线方向射出。

此类系统的具体实现已在文献 [10] 中讨论。相应光栅矢量 (grating vectors) $\mathbf{G}_{\text{incp}}(\theta_p, \lambda_p)$, $\mathbf{G}_{\text{exp}}(\theta_p, \lambda_p)$ 和 $\mathbf{G}_{\text{out}}(\theta_p, \lambda_p)$ 的显式表达式已在我们之前的著作补录中推导出来。如文献 [8] 所示，任何光栅矢量都可以通过一系列记录波矢量对 $\mathbf{k}_1(\mathbf{G}; \lambda_{\text{rec}}, \sigma, s, s_T)$ 和 $\mathbf{k}_2(\mathbf{G}; \lambda_{\text{rec}}, \sigma, s, s_T)$ 来实现。

这些参数由记录波长 $\lambda_{\text{rec}}$ 和记录配置参数 $\sigma \in [0, 2\pi)$ 决定，并考虑了法向收缩 $s$ 和切向收缩 $s_T$ 的影响。这种矢量化描述将波导设计与其允许的记录光束联系起来，为记录硬件提供了便捷的接口。

为了制造波导显示器，我们建议将全息基板浸没接触 (immersion-contact) 在两个特制的边缘照明棱镜 (edge-lit prisms) 之间。棱镜的切割方式使得全息层内部的记录角度可以超过临界角。棱镜的设计确保了入耦合、扩瞳和出耦合全息图可以在不重新调整基板方向的情况下，分别以配置 $\sigma_{\text{incp}} = \pi$、$\sigma_{\text{outcp2D}} = \pi$ 和 $\sigma_{\text{exp}} = \pi/2$ 进行记录。

棱镜材料与全息薄膜基本实现折射率匹配 (index-matched)，相关面切角为 $56^\circ$。对于 $\theta_p = 56^\circ$ 的波导，在忽略收缩且回放与记录波长相等的情况下，这种几何结构确保了分解后的记录光束能够法向入射到棱镜外表面。所有记录光束都终止于数个战略性安置的折射率匹配吸收过滤器中。这些过滤器防止了由于光束在相对棱镜面上的浅入射角而产生的强烈菲涅耳反射 (Fresnel reflections)，否则这些反射可能会导致寄生全息图 (spurious holograms)。这种受 Upatnieks [9] 启发的方案，也消除了棱镜面非正交入射角（例如记录 $\theta_p = 60^\circ$ 的波导）时产生的寄生全息图。该棱镜几何结构支持典型的基板尺寸和适用于 AR 波导显示器的传播角度，涵盖一维（1D）和二维（2D）扩瞳。

与以往为每个耦合器使用独立棱镜、随后将分别记录的 HOEs 层压到公共承载基板的方法 [10] 不同，我们的方法通过单一的浸没接触步骤，在连续的全息层中记录所有三个 HOEs。这消除了记录后全息片块之间的对准问题，非常适合快速原型设计工作流。

3. 自动化记录 (AUTOMATED RECORDING)

我们建议利用我们最近推出的机器人全息系统 (robotic holography system) [12] 连续记录入耦合、扩瞳和出耦合 HOEs。

在此记录平台中，两个六轴工业机器人分别携带用于参考光和物光的准直模块 (collimation modules)。每个模块由一根保偏光纤 (polarization-maintaining fiber) 供能，并提供均匀且可调的记录光束。因此，机器人可以对光束的位置和方向进行完整的六自由度 (six-degree-of-freedom) 控制，包括绕光束轴旋转以进行偏振调节。

在实践中，制备流程如下：1. 基板安装： 基板一次性安装在棱镜对之间，并在整个过程中保持固定。2.计算与模拟： 对于每个 HOE，控制软件会：(i) 根据第 1 节讨论的波导设计计算记录配置波矢量；(ii) 使用文献 [12] 引入的逆向光线追踪 (inverse ray-tracing) 方法追溯通过棱镜几何结构的光线；(iii) 通过求解双臂的机器人逆运动学 (inverse robot kinematics) 计算机器人关节配置。

更改波导设计（例如 $\theta_p$ 或耦合器位置）或假定的收缩参数只需更新设计输入，相应的机器人姿态将自动重新计算，无需任何手动重新对准。这种专用波导记录棱镜与全可编程机器人曝光平台的结合，实现了不同波导架构的快速迭代和收缩优化，同时保持所有 HOEs 位于单一全息基板上。

4. 结论 (CONCLUSION)

我们提出了一种全息波导显示器自动化制备的概念，该概念结合了专用边缘照明棱镜对和双六轴机器人记录平台。棱镜几何结构支持在单一连续薄膜层上对入耦合、扩瞳和出耦合 HOEs 进行浸没记录，支持各种传播角度，并集成了折射率匹配吸收器以抑制浅角菲涅耳反射产生的寄生全息图。

基于我们之前在机器人全息记录方面的工作 [12]，每个耦合器所需的光栅矢量和收缩参数通过通用的 k空间分解 (k-space decomposition) 和逆向光线追踪被映射为具体的机器人姿态。

与传统的“多棱镜、多层压”工作流相比，所提平台保证了所有耦合器之间的本质对准 (intrinsic alignment)，特别适用于不同全息波导架构的快速原型设计。在该平台上制备的完整全息波导的实验验证及详细的光学性能分析将在未来的工作中报告。

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