体全息光栅及其曝光角度确定方法、制作方法、系统与流程

1.本发明实施例涉及光学技术领域，特别涉及一种体全息光栅及其曝光角度确定方法、制作方法及系统。


背景技术：

2.抬头显示(head up display，hud)是新一代智能驾仓中最为关键的显示系统，能够为驾驶员提供仪表盘信息、道路引导信息等，避免驾驶员行驶过程中低头观看仪表盘，降低驾驶风险，提升驾驶体验。在hud中，通常采用图像生成单元(picture generation unit，pgu)与两个自由曲面反射镜结合的显示系统，其中，pgu生成的图像将通过两次自由曲面反射镜反射后被前挡风玻璃反射至人眼，但该系统存在体积大的问题。
3.为降低hud显示系统的体积，可通过阵列光波导或浮雕光栅波导对pgu的图像光进行耦合并扩瞳耦出。然而，在实现大幅面的阵列光波导或浮雕光栅光波导的过程中存在加工困难和成本高等问题。体全息光波导具有实现大幅面波导hud的可行性，利用体全息波导将pgu产生的图像光进行扩瞳耦出，是hud显示发展的重要方向。
4.为了实现全彩显示，通常采用全彩体全息波导，但是在全彩体全息波导的制作过程中，需要利用三色激光分别通过不同的制作系统曝光制作对应衍射不同波长光线的体全息光栅之后，再将对应衍射不同波长光线的体全息光栅进行贴合得到全彩体全息波导，用于显示。
5.然而，在这种曝光方式下，对应衍射不同波长光线的体全息光栅只能分别由对应波长的激光曝光制作得到，制作系统复杂且制作难度高，另外，目前国产的光致聚合物材料仅能感光绿色和蓝色，无法感光红色，从而无法同时支持用三色激光制作三色体全息光栅的要求，上述这些问题阻碍了全彩体全息波导hud的发展及应用。


技术实现要素：

6.本发明实施例的目的是提供一种体全息光栅及其曝光角度确定方法、制作方法及系统、一维波导、二维波导、显示装置和车辆，通过该曝光角度确定方法确定的曝光参数，可利用同一种波长的激光曝光制作得到对应衍射多种波长光线的体全息光栅，从而降低制作对应衍射不同波长光线的体全息光栅的系统复杂程度，并降低其制作难度，并且可规避由于感光材料无法满足红、绿和蓝波长均感光时，传统方法无法实现彩色体全息光栅的困境。
7.为解决上述技术问题，本发明实施方式采用的一个技术方案是：提供一种体全息光栅的曝光角度确定方法，所述曝光角度包括第一光线传播至感光材料的第一折射角和第二光线传播至感光材料的第二折射角，所述曝光角度确定方法包括：获取曝光光线的第一光线信息、目标光线的第二光线信息、所述目标光线在所述体全息光栅内全反射传播时的反射角、以及所述目标光线的方向角，其中，所述曝光光线包括能发生干涉的第一光线和第二光线，所述目标光线的方向角为所述目标光线耦入至所述体全息光栅时的角度，或者，所述目标光线的方向角为所述目标光线经所述体全息光栅耦出时的角度；根据所述第一光线
信息、所述第二光线信息、所述反射角和所述目标光线的方向角，确定所述第一折射角以及所述第二折射角。
8.在一些实施例中，所述根据所述第一光线信息、所述第二光线信息、所述反射角和所述目标光线的方向角，确定所述第一折射角以及所述第二折射角，包括：根据所述第二光线信息、所述目标光线的方向角和所述反射角，确定所述体全息光栅的光栅矢量；根据所述第一光线信息和所述光栅矢量，确定所述第一折射角和所述第二折射角。
9.在一些实施例中，所述根据所述第二光线信息、所述目标光线的方向角和所述反射角，得到所述体全息光栅的光栅矢量，包括：根据所述第二光线信息以及所述目标光线的方向角，确定第一光束矢量；根据所述第二光线信息以及所述反射角，确定第二光束矢量；根据所述第一光束矢量以及所述第二光束矢量，得到所述光栅矢量，所述第一光束矢量与所述第二光束矢量的矢量差为所述光栅矢量。
10.在一些实施例中，所述根据所述第一光线信息和所述述光栅矢量，得到所述第一折射角和所述第二折射角，包括：根据所述第一光线信息，确定第三光束矢量和第四光束矢量的大小；根据所述第三光束矢量和第四光束矢量的大小以及所述光栅矢量，确定所述第三光束矢量对应的所述第一折射角，以及所述第四光束矢量对应的所述第二折射角，所述第三光束矢量与所述第四光束矢量的矢量差为所述光栅矢量。
11.第二方面，本发明实施例提供一种体全息光栅的制作方法，该制作方法包括：获取光栅曝光参数，所述光栅曝光参数包括上述第一方面任意一项实施例所述的曝光角度确定方法确定的第一折射角和第二折射角；根据所述光栅曝光参数控制第一光线和第二光线对感光材料进行曝光，得到所述体全息光栅。
12.在一些实施例中，所述第一光线经第一介质入射至所述感光材料内部，所述第二光线经第二介质入射至所述感光材料内部，所述根据所述光栅曝光参数控制第一光线和第二光线对感光材料进行曝光，得到所述体全息光栅包括：获取所述第一介质的第一折射率、所述第二介质的第二折射率以及所述感光材料的第三折射率；根据所述第一折射率、所述第三折射率以及所述第一折射角，得到所述第一折射角对应的第一入射角；根据所述第二折射率、所述第三折射率以及所述第二折射角，得到所述第二折射角对应的第二入射角；根据所述第一入射角和所述第二入射角控制所述第一光线和所述第二光线对所述感光材料进行曝光。
13.在一些实施例中，所述体全息光栅为反射式体全息光栅，所述第一介质包括第一棱镜，所述第一棱镜的折射率与所述感光材料的折射率相同，所述第二介质包括空气介质，所述第一棱镜的第一面贴设于所述感光材料，所述第一棱镜的第二面与所述第一棱镜的第一面之间的夹角等于所述第二入射角，所述根据所述第一入射角和所述第二入射角控制所述第一光线和所述第二光线对所述感光材料进行曝光，包括：控制所述第一光线以所述第一入射角从空气介质入射至所述感光材料；调整所述第一棱镜，并控制所述第二光线垂直入射至所述第一棱镜的第二面，以使所述第二光线经所述第一棱镜、且以所述第二入射角入射至所述感光材料。
14.在一些实施例中，所述体全息光栅为透射式体全息光栅，所述第一介质包括第二棱镜，所述第二棱镜的折射率与所述感光材料的折射率相同，所述第二介质与所述第一介质相同，所述第二棱镜的第一面贴设于所述感光材料，所述第二棱镜的第二面与所述第二
棱镜的第一面之间的夹角等于所述第二入射角，若所述第二棱镜的第三面与所述第二棱镜的第一面相互平行，则所述根据所述第一入射角和所述第二入射角控制所述第一光线和所述第二光线对所述感光材料进行曝光，包括：根据所述第二棱镜的折射率以及所述第一入射角，确定所述第一光线入射至所述第二棱镜的第三面的第三入射角；调整所述第二棱镜，并控制所述第一光线以所述第三入射角入射至所述第二棱镜的第三面，以及控制所述第二光线垂直入射至所述第二棱镜的第二面，以使所述第一光线和所述第二光线经所述第二棱镜分别以所述第一入射角和所述第二入射角入射至所述感光材料。
15.在一些实施例中，若所述第二棱镜的第三面与所述第二棱镜的第一面之间的夹角等于第一入射角，则所述根据所述第一入射角和所述第二入射角控制所述第一光线和所述第二光线对所述感光材料进行曝光，包括：调整所述第二棱镜，并控制所述第一光线垂直入射至所述第二棱镜的第三面，以及控制所述第二光线垂直入射至所述第二棱镜的第二面，以使所述第一光线和所述第二光线经所述第二棱镜分别以所述第一入射角和所述第二入射角入射至所述感光材料。
16.第三方面，本发明实施例提供一种体全息光栅的制作系统，该制作系统包括光源装置、角度确定装置和控制装置；所述光源装置用于发出曝光光线；所述角度确定装置用于执行如第一方面任意一项所述的曝光角度确定方法；所述控制装置用于执行如第二方面任意一项所述的制作方法。
17.第四方面，本发明实施例提供一种体全息光栅，所述体全息光栅由如第二方面任意一项所述的制作方法制作得到。
18.第五方面，本发明实施例提供一种一维波导，该一维波导包括波导基底以及位于所述波导基底上的耦出光栅和耦入光栅，所述耦入光栅和/或所述耦出光栅包括如第四方面所述的体全息光栅。
19.在一些实施例中，所述耦入光栅包括层叠设置的三个所述体全息光栅，和/或，所述耦出光栅包括层叠设置的三个所述体全息光栅；所述耦入光栅的三个所述体全息光栅中至少两个体全息光栅由同一种曝光光线制作得到，所述耦出光栅的三个所述体全息光栅中至少两个体全息光栅由同一种曝光光线制作得到。
20.第六方面，本发明实施例提供一种二维波导，该二维波导包括两个如第五方面任意一项所述的一维波导，其中，一个所述一维波导的耦出光栅相对设于另一个所述一维波导的耦入光栅。
21.第七方面，本发明实施例提供一种显示装置，该显示装置包括投影光机、以及光波导，所述光波导为如第五方面任意一项所述的一维波导，或者如第六方面所述的二维波导；所述光波导用于接收所述投影光机发出的带有图像信息的光线。
22.第八方面，本发明实施例提供一种车辆，该车辆包括挡风玻璃、以及如第七方面所述的显示装置；所述挡风玻璃用于反射所述显示装置发出的带有图像信息的光线。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例提供一种体全息光栅及其系统、曝光角度确定及制作方法、一维波导、二维波导、显示装置和车辆，该曝光角度确定方法包括获取曝光光线的第一光线信息、目标光线的第二光线信息、目标光线在体全息光栅内全反射传播时的反射角、以及目标光线的方向角，其中，曝光光线包括能发生干涉的第一光线和第二光线，目标光线的方向角为目标光线耦入至体全息光栅
时的角度，或者，目标光线的方向角为目标光线经体全息光栅耦出时的角度；根据第一光线信息、第二光线信息、反射角和目标光线的方向角，确定第一折射角以及第二折射角。在该曝光角度确定方法下，在得到第一波长、第二波长、全反射角和目标光线的方向角后，可利用k矢量圆进行分析得到第一折射角和第二折射角，后续可利用一种波长的曝光光线制作得到对应衍射不同波长光线的体全息光栅，可规避由于感光材料感光范围有限而导致的无法实现直接采用三色激光对感光材料曝光得到全彩体全息光波导的困局，使制得的体全息光栅衍射传播与曝光光线波长不同的光线，降低制作对应衍射不同波长光线的体全息光栅的系统复杂程度，并降低其制作难度，且制成的体全息光栅可应用于体全息波导和显示装置中，从而可降低全彩显示装置的制作难度。
附图说明
24.一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
25.图1是本发明实施例提供的一种体全息光栅的曝光角度确定方法的流程示意图；
26.图2是本发明实施例提供的一种图1中步骤s200的流程示意图；
27.图3是本发明实施例提供的一种制作系统的部分结构示意图；
28.图4是本发明实施例提供的另一种制作系统的部分结构示意图；
29.图5是本发明实施例提供的再一种制作系统的部分结构示意图；
30.图6是本发明实施例提供的对应图3的制作系统的一种k矢量圆分析示意图；
31.图7是本发明实施例提供的对应图4的制作系统的一种k矢量圆分析示意图；
32.图8是本发明实施例提供的对应图5的制作系统的一种k矢量圆分析示意图；
33.图9是本发明实施例提供的一种图2中步骤s210的流程示意图；
34.图10是本发明实施例提供的一种图2中步骤s220的流程示意图；
35.图11是本发明实施例提供的一种体全息光栅的制作方法的流程示意图；
36.图12是本发明实施例提供的一种图11中步骤s400的流程示意图；
37.图13是本发明实施例提供的一种图12中步骤s440的流程示意图；
38.图14是本发明实施例提供的另一种图12中步骤s400的流程示意图；
39.图15是本发明实施例提供的又一种制作系统的部分结构示意图；
40.图16是本发明实施例提供的第五种制作系统的部分结构示意图；
41.图17是本发明实施例提供的又一种图12中步骤s400的流程示意图；
42.图18是本发明实施例提供的一种波导基底的结构示意图；
43.图19是本发明实施例提供的另一种波导基底的结构示意图；
44.图20是本发明实施例提供的再一种波导基底的结构示意图；
45.图21是本发明实施例提供的又一种波导基底的结构示意图；
46.图22是本发明实施例提供的一种一维波导的结构示意图；
47.图23是本发明实施例提供的另一种一维波导的结构示意图；
48.图24是本发明实施例提供的一种二维波导的结构示意图；
49.图25是本发明实施例提供的一种车辆的结构示意图。
具体实施方式
50.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
51.为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
52.需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互结合，均在本发明的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分。此外，本文所采用的“第一”、“第二”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。
53.第一方面，本发明实施例提供一种体全息光栅的曝光角度确定方法。如图3、4、5所示，为本发明实施例的体全息光栅的其中三种制作系统的部分结构示意图，体全息光栅的制作是利用全息技术采用两束波长相同的曝光光线(第一光线l1和第二光线l2)在感光材料10内部干涉后并曝光，使得感光材料10内部记录下干涉条纹，即形成体全息光栅。该曝光角度包括第一光线l1传播至感光材料10的第一折射角α和第二光线l2传播至感光材料10的第二折射角β，请参阅图1，该曝光角度确定方法包括：
54.步骤s100：获取曝光光线的第一光线信息、目标光线的第二光线信息、目标光线在体全息光栅内全反射传播时的反射角、以及目标光线的方向角，其中，所述曝光光线包括能发生干涉的第一光线l1和第二光线l2，目标光线的方向角为目标光线耦入至体全息光栅时的角度，或者，目标光线的方向角为目标光线经体全息光栅耦出时的角度。
55.具体的，全息技术是利用干涉和衍射的原理来记录并再现物体的图像的技术，一般包括两个过程：记录过程和再现过程，记录过程是指将两束波长相同的光线入射至感光材料上，在满足干涉的条件下将物信息全部以干涉条纹的形式记录下来，即通过双光束干涉曝光，在感光材料上形成具有折射率调制度的结构从而得到的体全息光栅；再现过程是指使用与曝光光束相同或与其近似的光束来照射制备好的体全息光栅，以其得到原物体信息。曝光光线为在记录过程中在感光材料内部干涉后进行曝光的两束波长相同的光线，同时也为感光材料的感光光线，如曝光光线可以是绿光、红光或者其它对感光材料敏感度较高的光线。目标光线为再现过程中所需体全息光栅对应的衍射光线，如需要制作对应衍射红光的体全息光栅，则目标光线为红光。光线信息指的是与光线波长相关的属性信息，如可以直接是光线的波长，也可以是可采用波长表示的光线的波数、光线的能量等属性信息，第一光线信息是曝光光线的光线信息，第二光线信息是目标光线的光线信息，第一光线信息和第二光线信息可以相同也可以不相同。为方便描述，下述第一光线信息采用第一波长说明，第二光线信息采用第二波长说明，在实际应用中不作限定。
56.目标光线在体全息光栅内全反射传播时的反射角为目标光线在体全息光栅内部发生全反射传播的反射角度。感光材料的形态通常为一感光膜，则对应的体全息光栅也为
一层膜。目标光线的方向角可以为目标光线耦入至体全息光栅时的角度，即该方向角为目标光线由外部介质耦入体全息光栅时在体全息光栅内的折射角度，制得的体全息光栅能用于光波导的耦入光栅，该耦入光栅可将目标光线耦入至光波导的波导基底，并使目标光线在波导基底内进行全反射传播。目标光线的方向角也可以为目标光线经体全息光栅耦出时的角度，即该方向角是目标光线由体全息光栅耦出至外部介质时入射至体全息光栅表面的入射角度，制得的体全息光栅能用于光波导的耦出光栅，该耦出光栅可使在波导基底内进行全反射传播的目标光线从波导基底耦出。换句话说，该方向角是体全息光栅内的目标光线与体全息光栅表面的法线的夹角。例如，目标光线的方向角θo可以为0
°
，即目标光线垂直耦入至体全息光栅或目标光线经体全息光栅垂直耦出；目标光线的方向角也可以为15
°
左右，即目标光线倾斜15
°
左右耦入或耦出体全息光栅。在下面的描述中，为了方便计算，均以0
°
作为目标光线的方向角θo，实际应用中不做限定。
57.曝光光线包括波长相同的第一光线l1和第二光线l2，第一光线l1和第二光线l2可以是由同一个激光滤波装置扩束分光得到的平面波，也可以是分别由两个激光滤波装置扩束得到的波长相同的平面波，要保证第一光线l1与第二光线l2能够发生干涉即可。将第一光线l1和第二光线l2分别传播至感曝光光线的感光材料内，使第一光线l1和第二光线l2在感光材料10内部发生干涉、并形成干涉条纹，从而制得体全息光栅。第一折射角α即为第一光线l1进入感光材料10的折射角，也即感光材料内的第一光线l1与感光材料表面的法线的夹角；第二折射角β即为第二光线l2进入感光材料10的折射角，也即感光材料内的第二光线l2与感光材料10的表面的法线的夹角。感光材料10可以是光致聚合物材料、银盐材料、重铬酸盐明胶材料等体全息感光材料中的一种。
58.步骤s200：根据第一光线信息、第二光线信息、反射角和目标光线的方向角，确定第一折射角α以及第二折射角β。
59.具体地，要使体全息光栅发生衍射，再现过程的入射光线(即目标光线)需要满足布拉格条件：2ndsinθ＝λ，其中，d为体全息光栅的光栅周期(也即干涉条纹间距)，θ为入射光与光栅的条纹平面之间的夹角，λ为入射光的波长，n为感光材料的折射率。而在体全息光栅的制作过程中，给定的第一光线与第二光线的波长和传播方向能够确定体全息光栅的条纹倾角和条纹间距。根据布拉格条件公式可知，在体全息光栅的间距和条纹倾角一定的情况下，只有满足布拉格条件的光线波长和入射角度，才能发生衍射，也就是说，在确定光栅周期和入射光的波长后，就能够确定入射角度。本实施例采用的记录光与再现光的波长可能不相同，可采用目标光线的光线信息和入射方向(或出射方向，即方向角)、衍射方向(即反射角)确定了所需的体全息光栅，再根据确定的体全息光栅和曝光光线的光线信息，可确定所需的第一光线和第二光线的传播方向，即第一折射角和第二折射角。可以通过k矢量圆分析的方法，通过几何计算得到第一折射角和第二折射角，也可以根据曝光光线、目标光线与体全息光栅的光栅矢量之间的矢量关系建立方程组得到曝光角度，也可以根据布拉格方程推导得到曝光角度。
60.在一种实施例中，可采用k矢量圆进行分析得到第一折射角和第二折射角，基于第一光线信息可构建第一k矢量圆，基于第二光线信息可构建第二k矢量圆，另外，基于目标光线的反射角和方向角，可在第二k矢量圆中得到所需制作得到的体全息光栅对应的光栅矢量，再根据光栅矢量和第二k矢量圆，可得到第一光线l1的折射角和第二光线l2的折射角。
即在得到第一光线信息、第二光线信息、目标光线的反射角和方向角后，可利用k矢量圆进行分析得到第一折射角α和第二折射角β。可以理解的是，在得到第一折射角α和第二折射角β后，后续可结合第一光线l1和第二光线l2的传播路径，使第一光线l1由外界入射至感光材料10内部时的折射角为第一折射角α，且第二光线l2由外界入射至感光材料10内部时的折射角为第二折射角β，这样制得的体全息光栅的大小、方向分别与光栅矢量的大小、方向相同，从而使制得的体全息光栅能对目标波长的光线进行需要的衍射传播。
61.可见，在该曝光角度确定方法下制作体全息光栅时，可在曝光光线与目标光线的波长不相同的情况下，根据曝光参数、利用任意一种波长的曝光光线制作得到对应衍射不同波长光线的体全息光栅，避免感光材料因感光波长范围问题受到的限制，从而实现使用一种感光波长的感光材料就可以制作全彩色体全息光栅，使制得的体全息光栅衍射传播与曝光光线波长不同的光线，降低制作对应衍射不同波长光线的体全息光栅的系统复杂程度，并降低体全息光栅的制作难度，且制成的体全息光栅应用于体全息波导和显示装置中，同时也降低了体全息波导和显示装置的制作难度和成本。
62.在其中一些实施例中，请参阅图2，所述步骤s200包括：
63.步骤s210：根据第二光线信息、目标光线的方向角和反射角，确定体全息光栅的光栅矢量；
64.步骤s220：根据第一光线信息和光栅矢量，得到第一折射角α和第二折射角β。
65.具体的，若第一光线信息为第一波长，第二光线信息为第二波长，那么，当第一波长小于第二波长、且制成的体全息光栅为反射式体全息光栅时，请参阅图3的曝光方案及对应的图6的k矢量圆分析，在进行k矢量分析过程中，任取一点0作为坐标系原点、并以感光材料10的第一面s1所在直线为x轴、以过0点且垂直于感光材料10的第一面s1的直线为y轴建立二维直角坐标系。或者，当第一波长小于第二波长、且制成的体全息光栅为透射式体全息光栅时，请参阅图4的曝光方案及对应的图7的k矢量圆分析图，以及，当第二波长小于第一波长、且制成的体全息光栅为透射式体全息光栅时，请参阅图5的曝光方案及对应的图8的k矢量圆分析图，在进行k矢量分析过程中，任取一点0作为坐标系原点、并以感光材料10的第二面s2所在直线为x轴、以过0点且垂直于感光材料10的第二面s2的直线为y轴建立二维直角坐标系。
66.具体地，光栅矢量表征了体全息光栅的周期以及倾斜角度，请参阅图6-图8，分别在建立的二维直角坐标系下基于第一波长构建第一k矢量圆o1、基于第二波长构建第二k矢量圆o2。第一k矢量圆o1的半径r01与第一波长λ之间的关系为r01＝n*2π/λ，第二k矢量圆o2的半径r02与第二波长λi之间的关系为r02＝n*2π/λi，其中，n为感光材料10的折射率。同时，由于第一k矢量圆o1和第二k矢量圆o2对应的介质相同，因此通常折射率n可以省略。可以理解的是，若第一波长λ小于第二波长λi，则第一k矢量圆o1的半径大于第二k矢量圆o2的半径，如图6或图7所示；若第一波长λ大于第二波长λi，则第一k矢量圆o1的半径小于第二k矢量圆o2的半径，如图8所示。
67.接着，在第二k矢量圆o2中，基于目标光线的方向角θo确定第一光束矢量的方向、以及基于反射角θt确定第二光束矢量的方向，即y轴正向与的夹角为θo、y轴的正向与的夹角为θt。再接着，在第二k矢量圆o2中，可由第一光束矢量和第二光束矢量
得到体全息光栅的光栅矢量为满足布拉格条件，第一光束矢量第二光束矢量和光栅矢量需构成矢量三角形，即矢量δaob。在矢量δaob中，需满足：从而根据第二光线信息、目标光线的方向角和反射角得到光栅矢量然后，在二维直角坐标系下，将体全息光栅的光栅矢量平移至与第一k矢量圆o1恰好有两个交点的位置，并将两个交点确定为交点c与交点d，得到矢量分别连接圆心o与交点c、圆心o与交点d，可得到感光材料10内部的第一光线l1的第三光束矢量以及感光材料10内部的第二光线l2的第四光束矢量第三光束矢量第四光束矢量和矢量构成矢量三角形，即矢量δcod。在矢量δcod中，需满足由于矢量与矢量的大小与方向相同，那么矢量对应的光栅与矢量对应的光栅的衍射条件相同。由于δaob和δcod均为等腰三角形且对称轴相同，可通过δaob和δcod的几何关系，得到第三光束矢量的方向角和第四光束矢量的方向角，也可以通过第一光束矢量第二光束矢量第三光束矢量第四光束矢量矢量和矢量之间的关系建立矢量方程求出第三光束矢量的方向角和第四光束矢量的方向角，第三光束矢量的方向角为矢量与y轴正向的夹角，第四光束矢量的方向角为矢量与y轴正向的夹角。第一折射角等于第三光束矢量的方向角，第二折射角等于第四光束矢量的方向角或等于180
°
减去该方向角。
68.应注意的是，在图5-图7的k矢量圆分析中，若制作的是反射式体全息光栅，则第一光线l1经感光材料10的第二面s2入射至感光材料10的内部、第二光线l2经感光材料10的第一面s1入射至感光材料10的内部，若制作的是透射式体全息光栅，则第一光线l1和第二光线l2均经感光材料10的第二面s2入射至感光材料10的内部，即若制作的是反射式体全息光栅，则第一光线l1和第二光线l2经感光材料10的不同表面入射至感光材料10的内部，若制作的是透射式体全息光栅，则第一光线l1和第二光线l2经感光材料10的同一表面入射至感光材料10的内部。
69.可见，在得到第一光线信息、第二光线信息、目标光线在所述体全息光栅内全反射传播时的反射角和目标光线的方向角后，可通过曝光光线对应的光栅矢量与目标光线对应的光栅矢量相同的关系利用k矢量圆中的几何关系或矢量关系进行分析得到第一折射角α和第二折射角β。
70.在其中一些实施例中，请参阅图9，所述步骤s210包括：
71.步骤s211：根据第二光线信息以及目标光线的方向角，确定第一光束矢量；
72.步骤s212：根据第二光线信息以及反射角，确定第二光束矢量；
73.步骤s213：根据第一光束矢量以及第二光束矢量，得到光栅矢量，第一光束矢量与第二光束矢量的矢量差为光栅矢量。
74.在下面的描述中，以目标光线的方向角为θo＝0时，第一光束矢量的方向与y轴正方向相同为例进行阐述，实际应用中均不做限定。
75.具体的，光束矢量是光线的矢量表示方法，光束矢量的大小可采用对应的光线信息表示，光束矢量的方向采用对应光线与感光材料表面的法线之间的夹角表示。请参阅图6-图8，在按照前述方式建立二维直角坐标系后，可根据第二k矢量圆o2和目标光线的方向角θo确定第一光束矢量以及基于第二k矢量圆o2和反射角θt确定第二光束矢量接着，在矢量δaob中，将矢量方程沿x方向展开有如下式(1)：
[0076][0077]
或者，将矢量方程沿y方向展开有如下式(2)：
[0078][0079]
其中，ν为光栅矢量的大小，κ为光栅矢量的方向角、也即体全息光栅的光栅矢量与y轴正向的夹角度数。该光栅矢量的大小即为体全息光栅的周期，该光栅矢量的方向角即为体全息光栅条纹相对于法线的倾斜角。需要说明的是，若光栅是反射式体全息光栅，则∠aob＝180
°‑
θt，若光栅是透射式体全息光栅，则∠aob＝θt。若θo≠0，则的方向角为∠aob+θo，此时若光栅是反射式体全息光栅，则∠aob+θo＝180
°‑
θt，若光栅是透射式体全息光栅，则∠aob+θo＝θt。
[0080]
可见，通过上式(1)或式(2)，可得到光栅矢量沿x轴或沿y轴展开的表达式，或者通过式(1)和式(2)求出光栅矢量的周期和方向角。
[0081]
在其中一些实施例中，请参阅图10，所述步骤s220包括：
[0082]
步骤s221：根据第一光线信息，确定第三光束矢量和第四光束矢量的大小；
[0083]
步骤s222：根据第三光束矢量和第四光束矢量的大小以及光栅矢量，确定第三光束矢量对应的第一折射角，以及第四光束矢量对应的第二折射角，第三光束矢量与第四光束矢量的矢量差为光栅矢量。
[0084]
具体的，请参阅图6-图8，在按照前述方式建立二维直角坐标系后，可根据第一k矢量圆o1，可得到第三光束矢量的大小和第四光束矢量的大小，二者均为第一k矢量圆o1的半径r01。在矢量δcod中，将矢量方程沿x方向展开有如下式(3)：
[0085][0086]
其中，已知目标光线的方向角θo、第一k矢量圆的半径r01，且若制得的体全息光栅为反射式体全息光栅时，∠aob＝180
°‑
θt，若制得的体全息光栅为透射式体全息光栅时，∠aob＝θt，那么，根据式(1)和式(2)可求得光栅矢量的大小ν、光栅矢量的方向角κ，接着，将光栅矢量的大小ν、光栅矢量的方向角κ代入式(3)，可求得∠aoc，即第三光束矢量的方向角，也即第一折射角。
[0087]
又由于δaob和δcod为等腰δ、且二者对称轴相同，可得∠aoc＝∠bod，那么，第四光束矢量的方向角∠aod＝∠aob-∠aoc，即由第一折射角可得到第二折射角为180
°‑
∠aod(反射式体全息光栅，如图5)或∠aod(透射式体全息光栅，如图6和图7)。
[0088]
综上，通过光栅方程可求得第一折射角和第二折射角。
[0089]
第二方面，本发明实施例还提供一种体全息光栅的制作方法，请参阅图11，该制作方法包括：
[0090]
步骤s300：获取光栅曝光参数，光栅曝光参数包括根据如第一方面任意一项所述的曝光角度确定方法确定的第一折射角α和第二折射角β；
[0091]
步骤s400：根据光栅曝光参数控制第一光线l1和第二光线l2对感光材料10进行曝光，得到体全息光栅。
[0092]
本实施例中的曝光角度确定方法具有与如第一方面所述的曝光角度确定方法相同的步骤与功能，在此不再赘述。在根据第一方面任意一项实施例所述的曝光角度确定方法确定得到第一光线l1对应的第一折射角α和第二光线l2对应的第二折射角β后，可控制第一光线l1和第二光线l2的传播方向，使第一光线l1由外界入射至感光材料10内部时的折射角等于第一折射角α、第二光线l2入射至感光材料10内部时的折射角等于第二折射角β，这样制得体全息光栅的光栅矢量跟目标光线的入射光矢量与衍射光矢量的矢量差相同，从而使制得的体全息光栅能对以一定角度范围的方向角入射的目标波长的光线进行衍射传播。
[0093]
另外，在制作耦出体全息光栅时，可通过控制对感光材料的曝光量、以控制制成的体全息光栅的衍射效率的分布，如在制作耦入光栅时，通过控制曝光量来实现高能量的衍射效率；在制作耦出光栅时，通过控制感光材料上的曝光量分布、以控制耦出光栅的衍射效率分布，保证耦出光栅耦出光线的均匀性。
[0094]
在其中一些实施例中，请参阅图3、图4和图5，第一光线l1经第一介质入射至感光材料10内部，第二光线l2经第二介质入射至感光材料10内部，请参阅图12，所述根据步骤s400包括：
[0095]
步骤s410：获取第一介质的第一折射率、第二介质的第二折射率以及感光材料10的第三折射率；
[0096]
步骤s420：根据第一折射率、第三折射率以及第一折射角，得到第一折射角α对应的第一入射角α1；
[0097]
步骤s430：根据第二折射率、第三折射率以及第二折射角，得到第二折射角β对应的第二入射角β2；
[0098]
步骤s440：根据第一入射角α1和第二入射角β2控制第一光线l1和第二光线l2对感光材料10进行曝光。
[0099]
具体的，在得到第一折射角β后，可结合第一光线l1的传播路径，确定第一光线l1进入感光材料10之前的第一介质，第一介质可以是空气、棱镜或其它透明介质，具体采用何种类型的介质根据实际情况确定，如若进入感光材料10的折射角小于全反射角，那么第一介质可以是空气；若进入感光材料10的折射角大于或等于全反射角，则从空气进入感光材料的折射角不能满足大于或等于全反射角的条件，那么第一介质可采用棱镜，入射光线垂直于棱镜的一平面进入棱镜后以确定的入射角入射进感光材料10。根据折射定律，通过各第一介质的第一折射率以及感光材料10的第三折射率，确定第一光线l1经过各第一介质时的传播方向，使第一光线l1由各第一介质传播至感光材料10内部后的折射角为第一折射角α。同样的，在得到第二折射角β后，可结合第二光线l2的传播路径，确定第二光线l2进入感
光材料10之前的第二介质，第二介质可以是空气、棱镜或其它透明介质，具体采用何种类型的介质根据实际情况确定。根据折射定律，通过各第二介质的第二折射率以及感光材料10的第三折射率，确定第二光线l2经过各第二介质时的传播方向，使第二光线l2由各第二介质传播至感光材料10内部后的折射角为第二折射角β。需要说明的是，若所制备的是耦出光栅或耦入光栅，那么，第一光线l1、第二光线l2和感光材料10的法线位于同一平面。
[0100]
举例来说，如第一光线l1直接由空气入射至感光材料10内部，则通过空气的折射率、感光材料10的折射率和第一折射角α计算得到第一光线l1由空气入射至感光材料10表面时的入射角度、即第一入射角α1，再控制第一光线l1以第一入射角α1从空气入射至感光材料10，即使得第一光线l1进入感光材料10内的折射角为第一折射角α。又如第一光线l1由空气先入射至一个棱镜、再由该棱镜入射至感光材料10内部，则先根据棱镜的折射率、感光材料10的折射率和第一折射角α计算得到第一光线l1由棱镜入射至感光材料10表面时的入射角度、即第一入射角α1，再根据第一入射角α1、空气的折射率、棱镜的折射率计算得到第一光线l1由空气入射至棱镜时的入射角，再控制第一光线l1以该入射角由空气入射至棱镜时，即可让第一光线l1进入感光材料10内时的折射角为第一折射角α。
[0101]
实际应用中，第一光线l1和第二光线l2经过的传播介质可根据实际需要进行设置，在此不做限定，在调整第一光线l1和第二光线l2时，只要保证第一光线l1由第一介质进入感光材料10内部时的折射角为第一折射角α、第二光线l2由第二介质进入感光材料10内部时的折射角为第二折射角β即可。
[0102]
在其中一些实施例中，体全息光栅为反射式体全息光栅，第一介质包括第一棱镜21，第一棱镜21的折射率与感光材料10的折射率相同，第二介质包括空气介质，第一棱镜21的第一面s3贴设于感光材料10，第一棱镜21的第二面s4与第一棱镜21的第一面s3之间的夹角等于第二入射角β2，请参阅图13，步骤s440包括：
[0103]
步骤s441：控制第一光线l1以第一入射角α1从空气介质入射至感光材料10；
[0104]
步骤s442：调整第一棱镜21，并控制第二光线l2垂直入射至第一棱镜21的第二面s4，以使第二光线l2经第一棱镜21、且以第二入射角β2入射至感光材料10。
[0105]
具体的，请参阅图3，第一棱镜21可以是直角棱镜也可以是其它的异形棱镜，具体的形状可以根据需要设置，第一棱镜21包括第一面s3和第二面s4，第一棱镜21的第二面s4与第一棱镜21的第一面s3之间的夹角等于第二入射角β2。其中，在计算第二入射角β2时，可在得到第一棱镜21的第一折射率n1后，根据折射定律，利用第三折射率n、第一折射率n1和第二折射角β计算第二光线l2从第一棱镜21进入感光材料10的第二入射角
[0106][0107]
这样，在图3曝光方案中，第一棱镜21的第一面s3贴设于感光材料10的第一面s1，控制第二光线l2依次经第一棱镜21的第二面s4、第一棱镜21的第一面s3、感光材料10的第一面s1入射至感光材料10的内部，以及控制第一光线l1由空气介质经感光材料10的第二面s2入射至感光材料10的内部。第一棱镜21与感光材料10贴合时，可通过折射率匹配液或光学胶水进行贴合。另外，第一光线l1和第二光线l2来自于感光材料10的两侧，因此，该方式下制得的体全息光栅为反射式体全息光栅。
[0108]
此时，当第二光线l2垂直入射至第一棱镜21的第二面s4时，第二光线l2进入第一
棱镜21后传播方向不会改变。同时，第二光线l2从第一棱镜21入射至感光材料10的第二入射角β2等于第一棱镜21的第一面s3与第一棱镜21的第二面s4之间的夹角β1。这样，当第二光线l2由第一棱镜21进入感光材料10时的折射角为第二折射角β，可制得所需体全息光栅。
[0109]
在一些实施例中，可利用圆形光阑等器件快速确定第二光线l2是否垂直入射。具体的，在邻近第一棱镜21的第二面s4的位置设置一光阑，第二光线l2经过光阑后入射至第一棱镜21的第二面s4，若第二光线l2垂直入射至第一棱镜21的第二面s4，则第二光线l2在第一棱镜21与空气表面发生的反射光将沿原光路返回至光阑的同一点，若第二光线l2不是垂直入射至第一直角棱镜21的第二面s4，则部分反射光将与光阑的开孔入射光分离，据此可判断第二光线l2是否垂直入射，从而方便后续调整制作系统，降低制作难度。
[0110]
实际应用中，第一介质包括的棱镜数量和形状可根据实际需要进行设置，例如也可以是梯形棱镜或异形棱镜，只要保证第二光线l2由第一介质进入感光材料内部时的折射角为第二折射角β即可，在此不需拘泥于本实施例中的限定。
[0111]
在一些实施例中，第二介质包括第三棱镜，第三棱镜的第一面贴设于感光材料10的第二面，且第三棱镜的折射率与感光材料10的折射率相同，第三棱镜的第二面与第三棱镜的第三面之间的夹角等于第一入射角α1，那么，可调整第三棱镜，并控制第一光线l1垂直入射至第三棱镜的第二面，以使第一光线l1经第三棱镜、且以第一入射角α1入射至感光材料10，
[0112]
具体的，第三棱镜可以是直角棱镜，也可以是其它形状的棱镜，第三棱镜的第一面贴设于感光材料10的第二面。第三棱镜与感光材料10可通过折射率匹配液或光学胶水进行贴合。
[0113]
具体的，在得到第三棱镜的折射率n2时，可根据折射定律，利用感光材料10的第三折射率n、折射率n2和第一折射角α计算第一光线l1由第二棱镜进入感光材料10的第一入射角
[0114]
这样，第一光线l1垂直入射至第三棱镜的第二面时，第一光线l1进入第三棱镜后传播方向不会改变。第一光线l1由第三棱镜入射至感光材料10的入射角等于第三棱镜的第二面与第一面之间的夹角。又由于第三棱镜的第二面与第一面之间的夹角等于第二入射角β2，那么，第三棱镜入射至感光材料10的入射角等于第一入射角α1，这样，当第一光线l1由第三棱镜进入感光材料10的折射角为第一折射角α，从而保证进入感光材料10内部的第一光线l1与对应k矢量圆中的第三光束矢量的方向相同，可制得所需体全息光栅。
[0115]
实际应用中，第三棱镜包括的棱镜数量和类型可根据实际需要进行设置，例如也可以是梯形棱镜或异形棱镜，只要保证第一光线l1由外界进入感光材料10内部时的折射角为第一折射角α即可，在此不需拘泥于本实施例中的限定。
[0116]
为了降低制作难度，在另一些实施例中，可控制第一光线l1直接以第二入射角β2由空气介质入射至感光材料10的第二面，这样，可减少需要夹持的棱镜数量，降低制作难度和制作系统的复杂程度。
[0117]
在其中一些实施例中，体全息光栅为透射式体全息光栅，请参阅图4或图5，第一介质包括第二棱镜22，第二棱镜22的折射率与感光材料10的折射率相同，第二介质与第一介质相同，第二棱镜22的第一面s5贴设于感光材料10，第二棱镜22的第二面s6与第二棱镜22
的第一面s5之间的夹角等于第二入射角β2，若第二棱镜22的第三面s7与第二棱镜22的第一面s5相互平行，请参阅图14，则步骤s440，包括：
[0118]
步骤s443：根据第二棱镜22的折射率以及第一入射角α1，确定第一光线l1入射至第二棱镜22的第三面s7的第三入射角；
[0119]
步骤s444：调整第二棱镜22，并控制第一光线l1以第三入射角入射至第二棱镜22的第三面s7，以及控制第二光线l2垂直入射至第二棱镜22的第二面s6，以使第一光线l1和第二光线l2经第二棱镜22分别以第一入射角α1和第二入射角β1入射至感光材料10。
[0120]
具体的，请参阅图4和图5，第二棱镜22可以是梯形棱镜，也可以是其它形状的棱镜。第二棱镜22的第一面s5贴设于感光材料10的第二面s2，第一光线l1和第二光线l2均经感光材料10的第二面s2入射至感光材料10内部，此时，第一光线l1和第二光线l2经感光材料10的同一表面入射至感光材料10的内部，因此，该方式下制得的体全息光栅为透射式体全息光栅。
[0121]
在得到第二棱镜22的折射率n3时，可根据折射定律，利用第三折射率n、折射率n3和第二折射角β计算第二光线l2由第二棱镜22进入感光材料10的第二入射角以及利用第三折射率n、折射率n3和第一折射角α计算第一光线l1由第二棱镜22进入感光材料10时的第一入射角并利用折射率n3、空气的折射率n4和第一入射角α1计算得到第一光线l1由空气进入第二棱镜22的第三面s7的第三入射角α2。
[0122]
在控制第二光线l2入射至第二棱镜22的过程中，由于第二光线l2垂直于第二棱镜22的第二面s6入射，因此，这样，第二光线l2从空气进入第二棱镜22的传播方向就不会改变。同时，第二棱镜22的第二面s6与第二棱镜22的第一面s5之间的夹角β1等于第二入射角β2，这样，当第二光线l2由第二棱镜22进入感光材料10的折射角为第二折射角β。
[0123]
同时，控制第一光线l1以第三入射角α2入射至第二棱镜22的第三面s7,使得第一光线l1依次经第二棱镜22的第三面s7、第二棱镜22的第一面s5入射至感光材料10内部，这样，第一光线l1由第二棱镜22进入感光材料10的折射角等于第一折射角α。
[0124]
应注意的是，为了保证与设计时的光栅矢量方向相同，如果制作的是透射式体全息光栅，若曝光光线的波长大于目标光线的波长，则第一光线l1与第二光线l2分别由感光材料10的法线的两侧入射至感光材料10的内部，如图5所示；若曝光光线的波长小于目标光线的波长，则第一光线l1与第二光线l2由感光材料10的法线的同一侧入射至感光材料10的内部，如图4所示。
[0125]
在一些实施例中，可利用圆形光阑等器件快速确定第二光线l2是否垂直入射，具体的，在邻近第二棱镜22的第二面s6的位置设置一光阑，第二光线l2经过光阑后入射至第二棱镜22的第二面s6，若第二光线l2垂直入射至第二棱镜22的第二面s6，则第二光线l2在第二棱镜22的第二面s6与空气表面发生的反射光将沿原光路返回至光阑的同一点，若第二光线l2不是垂直入射至第二棱镜22的第二面s6，则部分反射光将与光阑的开孔入射光分离，据此可判断第二光线l2是否垂直入射，从而方便后续调整制作系统，降低制作难度。
[0126]
实际应用中，第二棱镜22的棱镜数量和形状可根据实际需要进行设置，只要保证
第二光线l2由第二棱镜22进入感光材料10内部的折射角为第二折射角即可，在此不需拘泥于本实施例中的限定。
[0127]
在其中一些实施例中，请参阅图15和图16，若第二棱镜22的第三面s7与第二棱镜22的第一面s5之间的夹角α3等于第一入射角α1，则请参阅图17，步骤s400包括：
[0128]
步骤s445：调整第二棱镜22，并控制第一光线l1垂直入射至第二棱镜22的第三面s7，以及控制第二光线l2垂直入射至第二棱镜22的第二面s6，以使第一光线l1和第二光线l2经第二棱镜22分别以第一入射角和第二入射角入射至感光材料10。
[0129]
具体的，第二棱镜22为异形棱镜，且第二棱镜22的第三面s7与第二棱镜22的第一面s5之间的夹角α3等于第一入射角α1。该异形棱镜可由梯形棱镜和三角棱镜通过折射率匹配液或光学胶水贴合而成，也可以根据设计好的形状一次成型。
[0130]
在设计的第二棱镜22的第三面s7与第二棱镜22的第一面s5之间的夹角α3等于第一入射角α1的情况下，当第一光线l1垂直入射至第二棱镜22的第三面s7时，第一光线l1进入第二棱镜22后传播方向不会改变，那么，第一光线l1就能够以第一入射角α1进入感光材料10，从而第一光线l1在感光材料10表面的折射角为第一折射角α。
[0131]
综上，可见本发明实施例提供的制作方法可利用一种波长的曝光光线制作得到对应衍射不同波长光线的体全息光栅。需要说明的是，曝光光线的波长小于目标光线的波长时，可记录反射或透射式体全息光栅，曝光光线的波长大于目标光线的波长时，只能记录透射式体全息光栅。
[0132]
第三方面，本发明实施例提供一种体全息光栅的制作系统，该制作系统包括光源装置、角度确定装置和控制装置。光源装置用于发出曝光光线。角度确定装置用于执行如第一方面任意一项实施例所述的曝光角度确定方法。控制装置用于执行如第二方面任意一项实施例所述的制作方法。
[0133]
其中，本实施例中的曝光角度确定方法具有与如第一方面所述的曝光角度确定方法相同的步骤与功能、制作方法具有与如第二方面所述的制作方法相同的步骤与功能，在此不再赘述。为保证第一光线l1和第二光线l2能够发生干涉，在实际情况中，光源装置通常包括一个激光光源，该光源装置还包括分光单元，分光单元将光源发出的一束曝光光线分成第一光线l1和第二光线l2。在该制作系统中，通过角度确定装置确定曝光参数，控制装置可根据曝光参数对光线进行控制，调整第一光线l1和第二光线l2的方向，从而制得对应于衍射目标波长的光线的体全息光栅。第四方面，本发明实施例提供一种体全息光栅，该体全息光栅由第二方面任意一项实施例所述的制作方法制作得到。本实施例中的制作方法具有与如第二方面所述的制作方法相同的步骤与功能，在此不再赘述。具体的，若曝光光线为蓝光，则可利用上述方法制作得到对应衍射红光的体全息光栅、或制作得到对应衍射绿光的体全息光栅，且可为反射式体全息光栅、也可为透射式体全息光栅。若曝光光线为绿光，则可利用上述方法制作得到对应衍射红光的体全息光栅、且可为反射式体全息光栅也可为透射式体全息光栅，或者制作得到对应衍射蓝光的体全息光栅、且为透射式体全息光栅。若曝光光线为红光，则可利用上述方法制作得到对应衍射蓝光的体全息光栅、或制作得到对应衍射绿光的体全息光栅，且均为透射式体全息光栅。
[0134]
第五方面，如图18所示，本发明实施例提供一种一维波导，该一维波导包括波导基底11以及位于波导基底11上的耦入光栅111和耦出光栅112，耦入光栅111和/或耦出光栅
112包括如第四方面任意一项实施例所述的体全息光栅。本实施例中的体全息光栅具有与如第四方面任意一项的体全息光栅相同的功能和结构，在此不再赘述。
[0135]
具体的，波导基底11上的耦入光栅111和耦出光栅112可根据实际需要进行设置。具体的，如图18中的(a)或图18中的(b)所示，在耦入光栅111和耦出光栅112均为透射式体全息光栅的情况下，因透射式体全息光栅产生的衍射光在材料和空气的表面会发生全反射，故耦入光栅111和耦出光栅112可设于波导基底11的不同侧，也可设于波导基底11的同侧。或者，如图19中的(a)或图19中的(b)所示，当耦入光栅111和耦出光栅112均为反射式体全息光栅时，因反射式体全息光栅产生的衍射光在材料和空气的表面会发生全反射，故耦入光栅111和耦出光栅112可设于波导基底11的同侧，也可设于波导基底11的不同侧。或者，如图20中的(a)或图20中的(b)所示，当耦入光栅111为透射式体全息光栅、耦出光栅112为反射式体全息光栅时，因透射式体全息光栅产生的衍射光在材料和空气的表面会发生全反射，故耦入光栅111和耦出光栅112可设于波导基底11的同侧，也可设于波导基底11的不同侧。又或者，如图21中的(a)或图21中的(b)所示，当耦入光栅111为反射式体全息光栅、耦出光栅112为透射式体全息光栅时，因反射式体全息光栅产生的衍射光在材料和空气的表面会发生全反射，故耦入光栅111和耦出光栅112可设于波导基底11的同侧，也可设于波导基底11的不同侧。可见，在制作耦入光栅111和耦出光栅112时，可根据实际需要进行设置。应注意的是，当耦出光栅112为反射式体全息光栅时，图像光线入射至波导基底11的表面应与耦出光栅112设置的表面一致，当耦出光栅112为透射式体全息光栅时，图像光线入射至波导基底11的表面应与耦出光栅112设置的表面不一致。
[0136]
在其中一些实施例中，耦入光栅111包括层叠设置的三个体全息光栅，和/或，耦出光栅112包括层叠设置的三个体全息光栅；耦入光栅111的三个体全息光栅中至少两个体全息光栅由同一种曝光光线制作得到，耦出光栅112的三个体全息光栅中至少两个体全息光栅由同一种曝光光线制作得到。
[0137]
具体的，如图22和图23所示，耦入光栅中层叠设置的三个体全息光栅分别为第一耦入光栅1111、第二耦入光栅1112和第三耦入光栅1113，耦出光栅中层叠设置的三个所述体全息光栅分别为第一耦出光栅1121、第二耦出光栅1122和第三耦出光栅1123；其中，第一耦入光栅1111、第二耦入光栅1112和第三耦入光栅1113中有至少两种耦入光栅由同一种曝光光线制作得到，第一耦出光栅1121、第二耦出光栅1122和第三耦出光栅1123中有至少两种耦出光栅由同一种曝光光线制作得到。
[0138]
例如，为了实现全彩显示，第一耦入光栅1111、第一耦出光栅1121可为对应衍射红光的体全息光栅，第二耦入光栅1112、第二耦出光栅1122可为对应衍射绿光的体全息光栅，第三耦入光栅1113、第三耦出光栅1123可为对应衍射蓝光的体全息光栅。对应衍射红光的体全息光栅、对应衍射绿光的体全息光栅，以及对应衍射蓝光的体全息光栅可均由同一种曝光光线对感该曝光光线的感光材料曝光而成，或者由两种曝光光线对分别感不同曝光光线的感光材料曝光而成。
[0139]
具体的，对应衍射红光的体全息光栅、对应衍射绿光的体全息光栅，以及对应衍射蓝光的体全息光栅可均由蓝光对感蓝光的感光材料曝光而成，其中，制作对应衍射蓝光的体全息光栅时，曝光光线的波长与目标光线的波长相同，无需进行k矢量圆分析，可制成反射式体全息光栅或透射式体全息光栅；制作对应衍射绿光的体全息光栅时，曝光光线的波
长小于目标光线的波长，可制成反射式体全息光栅或透射式体全息光栅；制作对应衍射红光的体全息光栅时，曝光光线的波长小于目标光线的波长，可制成反射式体全息光栅或透射式体全息光栅。实际应用中，可根据实际需要进行设置，在此不做限定。
[0140]
在其中一些实施例中，请参阅图22，波导基底11包括第一波导基底11a。第一耦入光栅1111、第二耦入光栅1112和第三耦入光栅1113依次沿第一方向层叠设置于第一波导基底11a的耦入区域上，第一耦出光栅1121、第二耦出光栅1122和第三耦出光栅1123依次沿第一方向层叠设置于第一波导基底11a的耦出区域。
[0141]
具体的，第一耦入光栅1111、第二耦入光栅1112和第三耦入光栅1113可层叠贴合设置，第一方向为第一波导基底11a的表面的法线方向。为了实现全彩显示，第一耦入光栅1111和第一耦出光栅1121为对应衍射红光的体全息光栅，第二耦入光栅1112和第二耦出光栅1122为对应衍射绿光的体全息光栅，第三耦入光栅1113和第三耦出光栅1123为对应衍射蓝光的体全息光栅。这样，对应衍射红光的体全息光栅、对应衍射绿光的体全息光栅和对应衍射蓝光的体全息光栅的堆叠排布可使三个颜色通道的图像光线共用第一波导基底11a而不发生串扰，从而能够有效减少波导基底的厚度。其中，三层体全息光栅堆叠的先后次序不做限制。
[0142]
在其中一些实施例中，请参阅图23，波导基底11包括第一波导基底11a、第二波导基底11b和第三波导基底11c。第一波导基底11a、第二波导基底11b和第三波导基底11c依次沿第一方向层叠设置。第一耦入光栅1111设于第一波导基底11a的耦入区域，第一耦出光栅1121设于第一波导基底11a的耦出区域，第二耦入光栅1112设于第二波导基底11b的耦入区域，第二耦出光栅1122设于第二波导基底11b的耦出区域，第三耦入光栅1113设于第三波导基底11c的耦入区域，第三耦出光栅1123设于第三波导基底11c的耦出区域。
[0143]
具体的，第一耦入光栅1111、第二耦入光栅1112和第三耦入光栅1113可层叠间隔设置且设置在不同的波导基底上，第一耦出光栅1121、第二耦出光栅1122和第三耦出光栅1123可层叠间隔设置且设置在不同的波导基底上。第一方向为第一波导基底11a的表面的法线方向，在沿第一波导基底11a的表面的法线方向对第一波导基底11a、第二波导基底11b和第三波导基底11c进行投影，在投影面上，第一波导基底11a的耦入区域、第二波导基底11b的耦入区域和第三波导基底11c的耦入区域的投影互相重叠，第一波导基底11a的耦出区域、第二波导基底11b的耦出区域和第三波导基底11c的耦出区域的投影可互相重叠。通过上述设置，同样可实现全彩显示。
[0144]
在其中一些实施例中，第一耦入光栅1111、第二耦入光栅1112、第三耦入光栅1113、第一耦出光栅1121、第二耦出光栅1122和第三耦出光栅1123均为反射式体全息光栅，可提高体全息波导的视场角和减小光谱选择性。
[0145]
在其中一些实施例中，一维波导包括隔离子141，隔离子141设于第一波导基底11a与第二波导基底11b之间，和/或，设于第二波导基底11b与第三波导基底11c之间。
[0146]
具体的，请参阅图23，该一维波导包括四个隔离子141，第一波导基底11a与第二波导基底11b之间设有两个隔离子141，第二波导基底11b与第三波导基底11c之间设有两个隔离子141。隔离子141的设置数量可以根据实际情况确定。隔离子141的厚度一般在15微米以内，隔离子141的厚度通常大于耦入光栅和耦出光栅的厚度。其中，隔离子141可通过在光学胶水中掺杂玻璃微珠并固化后得到。通过设置隔离子141，不仅可固定不同层波导基底，而
且还起到支撑作用，使得不同层波导基底之间存在空气隙，保证不同颜色通道的图像仅在对应的波导基底层内传播。
[0147]
第六方面，本发明实施例提供一种二维波导，请参阅图24，该二维波导包括两个如第五方面任意一项所述的一维波导，其中，一个一维波导1的耦出光栅1b相对设于另一个一维波导2的耦入光栅2a。
[0148]
具体的，本发明实施例所述的一维波导具有与如第五方面所述的一维波导相同的结构与功能，在此不再赘述。在该体全息波导中，一维波导1可通过耦入光栅1a耦入图像光线，并使图像光线在波导基底内发生全反射传播至耦出光栅1b，并通过耦出光栅1b将图像光线扩瞳耦出至一维波导2的耦入光栅2a，这样，一维波导2可通过耦入光栅2a耦入经一维波导1耦出的图像光线，并使图像光线在波导基底内发生全反射传播至耦出光栅2b，最后通过耦出光栅2b将图像光线扩瞳耦出，从而实现二维扩瞳。
[0149]
首先，该二维波导采用如第一方面制作得到的体全息光栅，如在制作可实现全彩显示的对应衍射红光、绿光和蓝光的三种体全息光栅时，可采用某一波长的曝光光线制作得到对应衍射其中两种波长或三种波长的体全息光栅，从而规避感光材料的感光灵敏度问题。
[0150]
另外，该体全息光波导由两个一维波导组合实现二维扩瞳，两个一维波导仅在宽度和长度上有差异，那么，二者可在同一个光学系统中曝光得到，只需要在制作系统中利用光阑控制感光材料上的曝光区域的尺寸和位置即可，降低了体全息光波导的加工制作难度。
[0151]
而且，相比于传统的二维扩瞳体全息光波导，即包括耦入光栅、转折光栅和耦出光栅的体全息光波导，其转折光栅采用非共面的两个激光平面波干涉而成，而这两个激光平面波的偏振态无法保持一致，从而导致有部分偏振分量成为背景光干扰而降低体全息光栅的调制度，影响转折光栅的衍射效率分布，且其耦入光栅、转折光栅和耦出光栅的制作系统也不相同，制作难度较大。而由于本发明实施例提供的体全息光波导不包含转折光栅、避免了转折光栅在曝光过程中的调制度问题，且耦入光栅和耦出光栅的制作系统可采用同一个制作系统，降低了制作难度。
[0152]
为了提高该体全息波导工作的稳定性，在其中一些实施例中，一维波导1的耦出光栅1b的尺寸小于或等于一维波导2的耦入光栅2a的尺寸，另外，可采用外部结构件固定使一维波导1和一维波导2之间的间距很小，比如间距为0.1mm，从而保证一维波导1耦出的图像光线能够完全的耦入到一维波导2的耦入端，保证体全息波导正常工作。
[0153]
第七方面，本发明实施例提供一种显示装置，请参阅图25，该显示装置包括投影光机200、以及光波导100；所述光波导100为如第五方面任意一项所述的一维波导，或者，如第六方面所述的二维波导；所述光波导100用于接收投影光机200发出的带有图像信息的光线。
[0154]
本实施例中所述的一维波导具有与如第五方面所述的一维波导相同的结构与功能、二维波导具有与如第六方面所述的二维波导相同的结构与功能，在此不再赘述。在该显示装置中，投影光机200发出带有图像信息的彩色准直光线，该彩色准直光线经体全息波导100耦入、并扩瞳耦出。其中，该显示装置可以是抬头显示器。
[0155]
第八方面，本发明实施例提供一种车辆，该车辆包括挡风玻璃、以及如第七方面所
述的显示装置；所述挡风玻璃用于反射所述显示装置发出的带有图像信息的光线。
[0156]
本实施例中所述的显示装置具有与如第七方面所述的显示装置相同的结构与功能，在此不再赘述。在该车辆中，请参阅图25，投影光机200发出带有图像信息的彩色准直光线，该彩色准直光线经体全息波导100耦入、并扩瞳耦出至挡风玻璃200，最后该彩色准直光被挡风玻璃300反射至眼盒位置400，该眼盒位置400即人眼500观看图像的区域，是一个虚拟的空间，当人眼500处于眼盒位置400时，人眼500可透过挡风玻璃300看到位于远处的虚像，从而实现抬头显示。
[0157]
需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
[0158]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对相关技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用至少一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0159]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。