劉鴻鵬, 王維波, 王　輝

(1. 中國民航大學(xué) 理學(xué)院, 天津　300300； 2. 中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院, 天津　300300)

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基于大尺寸光致聚合物的全息平視顯示儀研制

劉鴻鵬1, 王維波1, 王輝2

(1. 中國民航大學(xué) 理學(xué)院, 天津300300； 2. 中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院, 天津300300)

將反射式體光柵通過雙光束干涉方式記錄于光致聚合物材料內(nèi)部,通過光的衍射作用實(shí)現(xiàn)具有高度可視化的全息顯示?；诜瓷涫襟w相位光柵研制的全息顯示器能夠獲得較高的衍射效率，從而將可視化信息更為明亮地投射到人眼,同時(shí)選用具有高透射率的有機(jī)玻璃基底,使得外部環(huán)境的觀察受到很小的影響,是一項(xiàng)具有實(shí)用化潛力的技術(shù)。該裝置可用于大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)與開方式實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作,將前沿科技成果直接用于實(shí)踐教學(xué)。

全息平視顯示器； 光致聚合物； 全息體光柵

平視顯示器也稱抬頭顯示器,最初應(yīng)用于軍事領(lǐng)域,是軍用飛機(jī)座艙中的重要顯示器件[1-2]。隨著科技的發(fā)展,民用領(lǐng)域也在逐步提出應(yīng)用平視顯示器。然而目前在民用領(lǐng)域大多采用光反射原理來實(shí)現(xiàn)信息的顯示,高反射率將導(dǎo)致駕駛?cè)藛T不能夠很好地觀察外部景觀,阻礙了駕駛員的視線,并沒有體現(xiàn)出平視顯示器的優(yōu)勢；而應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的平視顯示器,由于全息反射式光柵研發(fā)費(fèi)用與成本過高,其應(yīng)用于民用領(lǐng)域很難被市場接受。因此找尋一種低成本的能夠適用于民用領(lǐng)域的攜帶全息反射式光柵的平視顯示器是亟待解決的問題[3]。

1　大尺寸全息光柵記錄介質(zhì)的研制

本文提供柔性和剛性兩種光致聚合物光柵記錄介質(zhì)用于不同的平視顯示環(huán)境。剛性聚合物材料可以應(yīng)用于平面的平視顯示器,其剛性基底具有耐高溫、高穩(wěn)定性與透過率等優(yōu)勢。柔性聚合物材料其延展性較好,可應(yīng)用于具有弧線的汽車風(fēng)擋玻璃表面的平視顯示器,更適合于廉價(jià)的市場化普及使用。

剛性聚合物選用菲醌摻雜的聚甲基丙烯酸甲酯光致聚合物(PQ-PMMA)[4-9]。該聚合物具有較高的可見光透射率,同時(shí)熱穩(wěn)定性與全息性能較高。其主要成分包括菲醌單體(PQ)和聚甲基丙烯酸甲酯聚合物基底(PMMA)。 柔性聚合物材料選用丙烯酰胺(AA)聚合物系統(tǒng)[10-13]。該聚合物系統(tǒng)采用多成分混合涂膜方式制備,具有很好的柔性與成膜性。能夠在制成很薄的膜的同時(shí)具有非常高的全息光學(xué)特性,包括靈敏度、衍射效率等。其主要成分包括丙烯酰胺單體、亞甲基藍(lán)染料、亞甲基雙丙烯酰胺交聯(lián)劑、三乙醇胺鏈轉(zhuǎn)移劑、聚乙烯醇基底等成分。

1.1剛性聚合物制備

剛性聚甲基丙烯酸甲酯聚合物采用引發(fā)劑熱致聚合。首先將菲醌黃色粉末與甲基丙烯酸甲酯溶液(MMA)照一定的質(zhì)量百分比常溫混合均勻,然后向其中加入熱引發(fā)劑偶氮二異丁氰(AIBN);通過孔徑為20 μm的過濾坩堝過濾混合液體,濾除其中的雜質(zhì)與未溶物,將澄清的混合物常溫靜置24 h,使其排除內(nèi)部氣泡；最后將溫度升至MMA的聚合溫度,通過熱引發(fā)劑AIBN引發(fā)MMA單體的鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng),在真空中精確控制溫度使引發(fā)后的材料聚合均勻。放置1周后材料成為厚度為毫米量級(jí)略微發(fā)黃色的透明固體,經(jīng)過打磨、拋光后便可使用。而PQ分子僅對(duì)波長小于550 nm的光敏感,對(duì)熱不敏感,在熱引發(fā)過程中不參與反應(yīng),因此該制備過程對(duì)于光敏劑PQ分子濃度沒有影響。

1.2柔性聚合物制備

柔性丙烯酰胺聚合物系統(tǒng)采用成分共混涂膜方式制備,同時(shí)選用柔性薄膜基底實(shí)現(xiàn)具有柔性功能的記錄介質(zhì)研制。首先將聚乙烯醇稱量后溶入去離子水中,將溫度升至70 ℃,在不斷攪拌下將其完全溶解,形成透明溶液;同時(shí)將丙烯酰胺、三乙醇胺、亞甲基雙丙烯酰胺、亞甲基藍(lán)染料按一定比例稱量后混合,將聚乙烯醇溶液與混合成分共混，在磁力攪拌器持續(xù)攪拌下最終混合液成為藍(lán)色均一透明溶液;將透明藍(lán)色混合溶液涂膜于玻璃基片上,在常溫下放置36～48 h后制得丙烯酰胺聚合物系統(tǒng)待用。

2　全息光柵性能測試

圖1為記錄于高厚度聚合物介質(zhì)中的全息光柵角度選擇性曲線(圖中η為衍射效率)。角度選擇性曲線測試方式:將材料置于電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)上,在保持記錄光不移動(dòng)的情況下,旋轉(zhuǎn)材料使激光入射角度α發(fā)生改變進(jìn)而獲取相應(yīng)曲線。從圖1中可以看出,當(dāng)入射光偏移Bragg角較小的角度后,衍射效率顯著下降,這說明大尺寸聚合物介質(zhì)光柵必須要嚴(yán)格滿足衍射Bragg條件才能產(chǎn)生較好的衍射效果,一旦發(fā)生角度偏移衍射的效應(yīng)將顯著影響最終的全息顯示效果。因此將裝置穩(wěn)固于實(shí)驗(yàn)臺(tái)或者集成裝置時(shí)應(yīng)保持裝置緊固是裝置研發(fā)的關(guān)鍵所在。但這并不影響全息平視顯示裝置的觀察角度,因?yàn)槟軌蛲ㄟ^屏幕實(shí)現(xiàn)光的漫反射,因此顯示的圖像仍然能夠以較大的角度透射到視場中。

圖1　記錄于介質(zhì)內(nèi)的全息光柵角度選擇性曲線

圖2顯示的是記錄介質(zhì)的吸收與透射率T曲線(圖中I為吸收強(qiáng)度)。從圖2(a)可以看出,材料對(duì)于波長小于550 nm的光具有較好的吸收能力。當(dāng)?shù)陀?00 nm后吸收將更為明顯,這可能并不利于全息光柵的寫入,因此選擇較為廉價(jià)的532 nm固體激光器進(jìn)行光柵的記錄。過小的波長的光將使得材料中光柵出現(xiàn)顯著的非正弦形式,在材料內(nèi)部將出現(xiàn)不均勻分布。當(dāng)材料進(jìn)行大面積曝光后,并不能完全消耗剩余的光敏成分與單體,此時(shí)記錄完全息光柵后應(yīng)當(dāng)用均勻非相干光進(jìn)行光固定,實(shí)現(xiàn)更為穩(wěn)定的全息體光柵。從圖2(b)可以看出,波長大于550 nm后,材料具有非常好的透過率,而且能夠平穩(wěn)透射,在可見光范圍內(nèi),材料的透射率極佳。這說明該材料非常適合用于透射式平視顯示器,在顯示圖像信息的同時(shí)能夠清晰地透過材料觀察到外部環(huán)境。

圖2　記錄介質(zhì)可見光范圍內(nèi)的吸收譜與透射譜

圖3描繪的是記錄于聚合物樣品內(nèi)部的全息反射式體光柵的衍射譜特征(圖中η′為歸一化衍射效率)。可以看出,材料在532 nm附近具有非常強(qiáng)的衍射峰值。這說明該全息光柵對(duì)532 nm的綠光具有很好的衍射能力,而當(dāng)讀出光角度未發(fā)生改變時(shí),其他波長的光將直接透過光柵,不能夠被衍射。這非常適合于制作全息平視顯示器,因?yàn)槿搜劬?duì)綠光最為敏感。同時(shí)也觀察到在550 nm附件存在一個(gè)較弱的峰值。此峰值的產(chǎn)生來源于材料上下表面的等傾干涉產(chǎn)生的強(qiáng)度增強(qiáng)。由于制備的介質(zhì)經(jīng)過拋光,使得介質(zhì)的表面平整度非常高,因此當(dāng)復(fù)色光照射到表面上時(shí),容易產(chǎn)生強(qiáng)的干涉效應(yīng)。但這并不影響光柵的衍射能力,因?yàn)檫x用532 nm波長作為讀出光,其已經(jīng)能夠很好地衍射并顯示圖像,而強(qiáng)度較弱的550 nm綠光對(duì)圖像的影響并不明顯。當(dāng)時(shí)考慮到實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度,可以將材料的厚度控制在1 mm左右,以減少表面的干涉現(xiàn)象。

圖3　全息反射式光柵的衍射譜

3　全息平視顯示裝置研制方案

大尺寸聚合物基全息平視顯示裝置的研制主要分為兩個(gè)步驟,分別為全息光柵的記錄與圖像顯示兩個(gè)過程。本文以大尺寸剛性聚合物基底為例,結(jié)合裝置原理圖,對(duì)每一個(gè)過程及其實(shí)驗(yàn)方式進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1全息光柵的記錄

圖4為大尺寸全息光柵實(shí)驗(yàn)記錄裝置原理圖。一束由DPSS激光器發(fā)出的532 nm綠色激光經(jīng)空間濾波器擴(kuò)束并準(zhǔn)直,通過偏振分光棱鏡分為光強(qiáng)相同的兩束。分光棱鏡前面放置半波片用于調(diào)整兩束光的光強(qiáng)比。由于兩束透射光的偏振方向相互垂直,因此在其中一路上加入半波片用于調(diào)整兩光束的偏振態(tài)相互平行,進(jìn)而能夠產(chǎn)生強(qiáng)干涉現(xiàn)象。然后兩束光分別經(jīng)過空間濾波器進(jìn)行擴(kuò)束,再經(jīng)過擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡進(jìn)行嚴(yán)格擴(kuò)束準(zhǔn)直,得到強(qiáng)度均勻分布的大尺寸光斑。其中下面一束光路中的液晶顯示器,用于顯示過程中的加載圖像。記錄過程中將兩束激光同時(shí)照射到材料上,以反射式光路實(shí)現(xiàn)全息光柵的寫入。

圖4　大尺寸全息光柵實(shí)驗(yàn)記錄裝置原理圖

材料在相干光的照射下,材料內(nèi)部處于光亮區(qū)的單體分子將在光引發(fā)過程的作用下發(fā)生鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng),并形成高折射率的光產(chǎn)物。由于單體的大量消耗,光暗區(qū)的大量剩余單體分子將在濃度梯度的作用下發(fā)生擴(kuò)散現(xiàn)象。處于亮區(qū)的單體分子濃度顯著降低,使得光暗區(qū)的大量單體分子經(jīng)過擴(kuò)散過程來填補(bǔ)消耗上的空缺。在連續(xù)的曝光過程中,這種消耗與擴(kuò)散持續(xù)進(jìn)行,直至光柵建立達(dá)到穩(wěn)態(tài)。最終材料內(nèi)部形成了有光產(chǎn)物分子空間分布的濃度光柵,并最終調(diào)制了材料的空間折射率,形成穩(wěn)定的相位型光柵。

3.2圖像顯示過程

圖像顯示是全息平視顯示裝置的關(guān)鍵過程。當(dāng)全息反射式光柵記錄于介質(zhì)內(nèi)部后,記錄介質(zhì)相當(dāng)于一個(gè)具有高衍射能力的反射鏡。當(dāng)入射光沿著光柵的Bragg角度入射時(shí),由于材料的高透明度與衍射性能,使得入射光能夠產(chǎn)生高衍射效應(yīng)。當(dāng)采用液晶調(diào)制器加載于入射光路中,使得入射光能夠攜帶圖像信息,照射到大尺寸光柵后,能夠產(chǎn)生較高對(duì)比度的衍射圖像,從而實(shí)現(xiàn)信息的顯示。由于材料的高透明度,因此透過介質(zhì)將仍然能夠清晰觀察外部環(huán)境,從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的全息平視顯示過程。在圖4的裝置原理圖中,可直接關(guān)閉上面一路光的快門即可直接產(chǎn)生平視顯示效果。

為了裝置小型化,可采用與記錄光源波長一致的LED光源作為顯示光源，顯示原理裝置如圖5所示。一束波長為532 nm的LED光源經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后直接入射至液晶光調(diào)制器。透過光調(diào)制器后以Bragg匹配角度入射到大尺寸光柵上,經(jīng)過光柵衍射,能夠?qū)⑷肷涔庵苯友苌渲撂綔y屏幕或通過肉眼直接觀看。在液晶光束調(diào)制器的圖像改變下,便能夠?qū)⒉煌瑘D像實(shí)時(shí)顯示。

圖6(a)為全息平視顯示器實(shí)驗(yàn)裝置圖,圖6(b)為相應(yīng)大尺寸記錄介質(zhì)及其在屏幕上的顯示圖像。實(shí)驗(yàn)中所用激光器為DPSS單縱模固體激光器。532 nm綠光經(jīng)過分束后,分別擴(kuò)束準(zhǔn)直入射至高厚度、高透明度的聚合物材料上。聚合物材料將入射光衍射與反射共同疊加于記錄屏幕上而形成高對(duì)比度的顯示圖像。實(shí)驗(yàn)中所使用的液晶圖像加載器決定了顯示圖像的對(duì)比度,考慮到裝置的實(shí)用化成本,選用較為廉價(jià)的液晶顯示屏幕獲取圖像,因此圖像對(duì)比度還有可以提升的空間。

圖5　全息顯示原理裝置

圖6　全息平視顯示器實(shí)驗(yàn)裝置圖及記錄介質(zhì)與顯示圖像

4　結(jié)論

研制了具有高透射率與高衍射效率的剛性與柔性光致聚合物記錄介質(zhì)。采用雙光束干涉方式將反射式體光柵記錄于光致聚合物材料內(nèi)部,通過光的衍射作用實(shí)現(xiàn)具有高度可視化的全息顯示。對(duì)材料內(nèi)部全息光柵的衍射性能進(jìn)行了光譜分析,測試了其角度選擇性、波長選擇性曲線,為定量分析光柵性能提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。最后提出了全息平視顯示器的解決方案,給出了兩種實(shí)驗(yàn)裝置的原理構(gòu)想,并實(shí)現(xiàn)了全息平視顯示過程。基于反射式體相位光柵研制的全息顯示器是一項(xiàng)具有實(shí)用化潛力的技術(shù),可用于大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)與開方式實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作,使學(xué)生了解科技前沿技術(shù)。

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Holographic head up displays based on large photopolymer

Liu Hongpeng1, Wang Weibo1, Wang Hui2

(1. College of Science,Civil Aviation University of China,Tianjin,300300, China;2. College of Aviation Engineering, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

The reflected volume gratings firstly are recorded in the materials. Then the image can be diffracted by the gratings and displayed on the driver’s eyes. This reflected volume grating can obtain high diffraction efficiency. Therefore the corresponding information can be displayed with high intensity. It is a novel technique with practical potential and this device can bring about the research results to experimental teaching for enhancing the interest of students.

holographic head-up display; photopolymer; holographic volume gratings

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.024

2016-03-28

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61505252)；中國民航大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2015SYCX11)

劉鴻鵬(1982—)，男，遼寧沈陽，博士，講師，主要從事有機(jī)光電功能材料及全息光學(xué)裝置、存儲(chǔ)介質(zhì)研制.

E-mail： hpliu@cauc.edu.cn

O438.1

A

1002-4956(2016)9-0092-04