基于大尺寸光致聚合物的全息平视显示仪研制

刘鸿鹏, 王维波, 王　辉

(1. 中国民航大学 理学院, 天津　300300； 2. 中国民航大学 航空工程学院, 天津　300300)



基于大尺寸光致聚合物的全息平视显示仪研制

刘鸿鹏1, 王维波1, 王辉2

(1. 中国民航大学 理学院, 天津300300； 2. 中国民航大学 航空工程学院, 天津300300)

将反射式体光栅通过双光束干涉方式记录于光致聚合物材料内部,通过光的衍射作用实现具有高度可视化的全息显示。基于反射式体相位光栅研制的全息显示器能够获得较高的衍射效率，从而将可视化信息更为明亮地投射到人眼,同时选用具有高透射率的有机玻璃基底,使得外部环境的观察受到很小的影响,是一项具有实用化潜力的技术。该装置可用于大学物理演示实验与开方式实验教学工作,将前沿科技成果直接用于实践教学。

全息平视显示器； 光致聚合物； 全息体光栅

平视显示器也称抬头显示器,最初应用于军事领域,是军用飞机座舱中的重要显示器件[1-2]。随着科技的发展,民用领域也在逐步提出应用平视显示器。然而目前在民用领域大多采用光反射原理来实现信息的显示,高反射率将导致驾驶人员不能够很好地观察外部景观,阻碍了驾驶员的视线,并没有体现出平视显示器的优势；而应用于军事领域的平视显示器,由于全息反射式光栅研发费用与成本过高,其应用于民用领域很难被市场接受。因此找寻一种低成本的能够适用于民用领域的携带全息反射式光栅的平视显示器是亟待解决的问题[3]。

1　大尺寸全息光栅记录介质的研制

本文提供柔性和刚性两种光致聚合物光栅记录介质用于不同的平视显示环境。刚性聚合物材料可以应用于平面的平视显示器,其刚性基底具有耐高温、高稳定性与透过率等优势。柔性聚合物材料其延展性较好,可应用于具有弧线的汽车风挡玻璃表面的平视显示器,更适合于廉价的市场化普及使用。

刚性聚合物选用菲醌掺杂的聚甲基丙烯酸甲酯光致聚合物(PQ-PMMA)[4-9]。该聚合物具有较高的可见光透射率,同时热稳定性与全息性能较高。其主要成分包括菲醌单体(PQ)和聚甲基丙烯酸甲酯聚合物基底(PMMA)。 柔性聚合物材料选用丙烯酰胺(AA)聚合物系统[10-13]。该聚合物系统采用多成分混合涂膜方式制备,具有很好的柔性与成膜性。能够在制成很薄的膜的同时具有非常高的全息光学特性,包括灵敏度、衍射效率等。其主要成分包括丙烯酰胺单体、亚甲基蓝染料、亚甲基双丙烯酰胺交联剂、三乙醇胺链转移剂、聚乙烯醇基底等成分。

1.1刚性聚合物制备

刚性聚甲基丙烯酸甲酯聚合物采用引发剂热致聚合。首先将菲醌黄色粉末与甲基丙烯酸甲酯溶液(MMA)照一定的质量百分比常温混合均匀,然后向其中加入热引发剂偶氮二异丁氰(AIBN);通过孔径为20 μm的过滤坩埚过滤混合液体,滤除其中的杂质与未溶物,将澄清的混合物常温静置24 h,使其排除内部气泡；最后将温度升至MMA的聚合温度,通过热引发剂AIBN引发MMA单体的链式聚合反应,在真空中精确控制温度使引发后的材料聚合均匀。放置1周后材料成为厚度为毫米量级略微发黄色的透明固体,经过打磨、抛光后便可使用。而PQ分子仅对波长小于550 nm的光敏感,对热不敏感,在热引发过程中不参与反应,因此该制备过程对于光敏剂PQ分子浓度没有影响。

1.2柔性聚合物制备

柔性丙烯酰胺聚合物系统采用成分共混涂膜方式制备,同时选用柔性薄膜基底实现具有柔性功能的记录介质研制。首先将聚乙烯醇称量后溶入去离子水中,将温度升至70 ℃,在不断搅拌下将其完全溶解,形成透明溶液;同时将丙烯酰胺、三乙醇胺、亚甲基双丙烯酰胺、亚甲基蓝染料按一定比例称量后混合,将聚乙烯醇溶液与混合成分共混，在磁力搅拌器持续搅拌下最终混合液成为蓝色均一透明溶液;将透明蓝色混合溶液涂膜于玻璃基片上,在常温下放置36～48 h后制得丙烯酰胺聚合物系统待用。

2　全息光栅性能测试

图1为记录于高厚度聚合物介质中的全息光栅角度选择性曲线(图中η为衍射效率)。角度选择性曲线测试方式:将材料置于电控旋转台上,在保持记录光不移动的情况下,旋转材料使激光入射角度α发生改变进而获取相应曲线。从图1中可以看出,当入射光偏移Bragg角较小的角度后,衍射效率显著下降,这说明大尺寸聚合物介质光栅必须要严格满足衍射Bragg条件才能产生较好的衍射效果,一旦发生角度偏移衍射的效应将显著影响最终的全息显示效果。因此将装置稳固于实验台或者集成装置时应保持装置紧固是装置研发的关键所在。但这并不影响全息平视显示装置的观察角度,因为能够通过屏幕实现光的漫反射,因此显示的图像仍然能够以较大的角度透射到视场中。

图1　记录于介质内的全息光栅角度选择性曲线

图2显示的是记录介质的吸收与透射率T曲线(图中I为吸收强度)。从图2(a)可以看出,材料对于波长小于550 nm的光具有较好的吸收能力。当低于500 nm后吸收将更为明显,这可能并不利于全息光栅的写入,因此选择较为廉价的532 nm固体激光器进行光栅的记录。过小的波长的光将使得材料中光栅出现显著的非正弦形式,在材料内部将出现不均匀分布。当材料进行大面积曝光后,并不能完全消耗剩余的光敏成分与单体,此时记录完全息光栅后应当用均匀非相干光进行光固定,实现更为稳定的全息体光栅。从图2(b)可以看出,波长大于550 nm后,材料具有非常好的透过率,而且能够平稳透射,在可见光范围内,材料的透射率极佳。这说明该材料非常适合用于透射式平视显示器,在显示图像信息的同时能够清晰地透过材料观察到外部环境。

图2　记录介质可见光范围内的吸收谱与透射谱

图3描绘的是记录于聚合物样品内部的全息反射式体光栅的衍射谱特征(图中η′为归一化衍射效率)。可以看出,材料在532 nm附近具有非常强的衍射峰值。这说明该全息光栅对532 nm的绿光具有很好的衍射能力,而当读出光角度未发生改变时,其他波长的光将直接透过光栅,不能够被衍射。这非常适合于制作全息平视显示器,因为人眼睛对绿光最为敏感。同时也观察到在550 nm附件存在一个较弱的峰值。此峰值的产生来源于材料上下表面的等倾干涉产生的强度增强。由于制备的介质经过抛光,使得介质的表面平整度非常高,因此当复色光照射到表面上时,容易产生强的干涉效应。但这并不影响光栅的衍射能力,因为选用532 nm波长作为读出光,其已经能够很好地衍射并显示图像,而强度较弱的550 nm绿光对图像的影响并不明显。当时考虑到实现高对比度,可以将材料的厚度控制在1 mm左右,以减少表面的干涉现象。

图3　全息反射式光栅的衍射谱

3　全息平视显示装置研制方案

大尺寸聚合物基全息平视显示装置的研制主要分为两个步骤,分别为全息光栅的记录与图像显示两个过程。本文以大尺寸刚性聚合物基底为例,结合装置原理图,对每一个过程及其实验方式进行详细介绍。

3.1全息光栅的记录

图4为大尺寸全息光栅实验记录装置原理图。一束由DPSS激光器发出的532 nm绿色激光经空间滤波器扩束并准直,通过偏振分光棱镜分为光强相同的两束。分光棱镜前面放置半波片用于调整两束光的光强比。由于两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调整两光束的偏振态相互平行,进而能够产生强干涉现象。然后两束光分别经过空间滤波器进行扩束,再经过扩束准直镜进行严格扩束准直,得到强度均匀分布的大尺寸光斑。其中下面一束光路中的液晶显示器,用于显示过程中的加载图像。记录过程中将两束激光同时照射到材料上,以反射式光路实现全息光栅的写入。

图4　大尺寸全息光栅实验记录装置原理图

材料在相干光的照射下,材料内部处于光亮区的单体分子将在光引发过程的作用下发生链式聚合反应,并形成高折射率的光产物。由于单体的大量消耗,光暗区的大量剩余单体分子将在浓度梯度的作用下发生扩散现象。处于亮区的单体分子浓度显著降低,使得光暗区的大量单体分子经过扩散过程来填补消耗上的空缺。在连续的曝光过程中,这种消耗与扩散持续进行,直至光栅建立达到稳态。最终材料内部形成了有光产物分子空间分布的浓度光栅,并最终调制了材料的空间折射率,形成稳定的相位型光栅。

3.2图像显示过程

图像显示是全息平视显示装置的关键过程。当全息反射式光栅记录于介质内部后,记录介质相当于一个具有高衍射能力的反射镜。当入射光沿着光栅的Bragg角度入射时,由于材料的高透明度与衍射性能,使得入射光能够产生高衍射效应。当采用液晶调制器加载于入射光路中,使得入射光能够携带图像信息,照射到大尺寸光栅后,能够产生较高对比度的衍射图像,从而实现信息的显示。由于材料的高透明度,因此透过介质将仍然能够清晰观察外部环境,从而实现实时的全息平视显示过程。在图4的装置原理图中,可直接关闭上面一路光的快门即可直接产生平视显示效果。

为了装置小型化,可采用与记录光源波长一致的LED光源作为显示光源，显示原理装置如图5所示。一束波长为532 nm的LED光源经扩束准直后直接入射至液晶光调制器。透过光调制器后以Bragg匹配角度入射到大尺寸光栅上,经过光栅衍射,能够将入射光直接衍射至探测屏幕或通过肉眼直接观看。在液晶光束调制器的图像改变下,便能够将不同图像实时显示。

图6(a)为全息平视显示器实验装置图,图6(b)为相应大尺寸记录介质及其在屏幕上的显示图像。实验中所用激光器为DPSS单纵模固体激光器。532 nm绿光经过分束后,分别扩束准直入射至高厚度、高透明度的聚合物材料上。聚合物材料将入射光衍射与反射共同叠加于记录屏幕上而形成高对比度的显示图像。实验中所使用的液晶图像加载器决定了显示图像的对比度,考虑到装置的实用化成本,选用较为廉价的液晶显示屏幕获取图像,因此图像对比度还有可以提升的空间。

图5　全息显示原理装置

图6　全息平视显示器实验装置图及记录介质与显示图像

4　结论

研制了具有高透射率与高衍射效率的刚性与柔性光致聚合物记录介质。采用双光束干涉方式将反射式体光栅记录于光致聚合物材料内部,通过光的衍射作用实现具有高度可视化的全息显示。对材料内部全息光栅的衍射性能进行了光谱分析,测试了其角度选择性、波长选择性曲线,为定量分析光栅性能提供了实验基础。最后提出了全息平视显示器的解决方案,给出了两种实验装置的原理构想,并实现了全息平视显示过程。基于反射式体相位光栅研制的全息显示器是一项具有实用化潜力的技术,可用于大学物理演示实验与开方式实验教学工作,使学生了解科技前沿技术。

References)

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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

国家自然科学基金项目(61505252)；中国民航大学实验技术创新基金项目(2015SYCX11)

刘鸿鹏(1982—)，男，辽宁沈阳，博士，讲师，主要从事有机光电功能材料及全息光学装置、存储介质研制.

E-mail： hpliu@cauc.edu.cn

O438.1

A

1002-4956(2016)9-0092-04