基于大尺寸光致聚合物的全息平視顯示儀研制

劉鴻鵬, 王維波, 王　輝

(1. 中國民航大學 理學院, 天津　300300； 2. 中國民航大學 航空工程學院, 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 理學院, 天津300300； 2. 中國民航大學 航空工程學院, 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部,通過光的衍射作用實現具有高度可視化的全息顯示。基于反射式體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,同時選用具有高透射率的有機玻璃基底,使得外部環境的觀察受到很小的影響,是一項具有實用化潛力的技術。該裝置可用于大學物理演示實驗與開方式實驗教學工作,將前沿科技成果直接用于實踐教學。

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,最初應用于軍事領域,是軍用飛機座艙中的重要顯示器件[1-2]。隨著科技的發展,民用領域也在逐步提出應用平視顯示器。然而目前在民用領域大多采用光反射原理來實現信息的顯示,高反射率將導致駕駛人員不能夠很好地觀察外部景觀,阻礙了駕駛員的視線,并沒有體現出平視顯示器的優勢；而應用于軍事領域的平視顯示器,由于全息反射式光柵研發費用與成本過高,其應用于民用領域很難被市場接受。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用于不同的平視顯示環境。剛性聚合物材料可以應用于平面的平視顯示器,其剛性基底具有耐高溫、高穩定性與透過率等優勢。柔性聚合物材料其延展性較好,可應用于具有弧線的汽車風擋玻璃表面的平視顯示器,更適合于廉價的市場化普及使用。

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,同時熱穩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[10-13]。該聚合物系統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具有非常高的全息光學特性,包括靈敏度、衍射效率等。其主要成分包括丙烯酰胺單體、亞甲基藍染料、亞甲基雙丙烯酰胺交聯劑、三乙醇胺鏈轉移劑、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)照一定的質量百分比常溫混合均勻,然后向其中加入熱引發劑偶氮二異丁氰(AIBN);通過孔徑為20 μm的過濾坩堝過濾混合液體,濾除其中的雜質與未溶物,將澄清的混合物常溫靜置24 h,使其排除內部氣泡；最后將溫度升至MMA的聚合溫度,通過熱引發劑AIBN引發MMA單體的鏈式聚合反應,在真空中精確控制溫度使引發后的材料聚合均勻。放置1周后材料成為厚度為毫米量級略微發黃色的透明固體,經過打磨、拋光后便可使用。而PQ分子僅對波長小于550 nm的光敏感,對熱不敏感,在熱引發過程中不參與反應,因此該制備過程對于光敏劑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采用成分共混涂膜方式制備,同時選用柔性薄膜基底實現具有柔性功能的記錄介質研制。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;同時將丙烯酰胺、三乙醇胺、亞甲基雙丙烯酰胺、亞甲基藍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，在磁力攪拌器持續攪拌下最終混合液成為藍色均一透明溶液;將透明藍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臺上,在保持記錄光不移動的情況下,旋轉材料使激光入射角度α發生改變進而獲取相應曲線。從圖1中可以看出,當入射光偏移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光柵必須要嚴格滿足衍射Bragg條件才能產生較好的衍射效果,一旦發生角度偏移衍射的效應將顯著影響最終的全息顯示效果。因此將裝置穩固于實驗臺或者集成裝置時應保持裝置緊固是裝置研發的關鍵所在。但這并不影響全息平視顯示裝置的觀察角度,因為能夠通過屏幕實現光的漫反射,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　記錄于介質內的全息光柵角度選擇性曲線

圖2顯示的是記錄介質的吸收與透射率T曲線(圖中I為吸收強度)。從圖2(a)可以看出,材料對于波長小于550 nm的光具有較好的吸收能力。當低于500 nm后吸收將更為明顯,這可能并不利于全息光柵的寫入,因此選擇較為廉價的532 nm固體激光器進行光柵的記錄。過小的波長的光將使得材料中光柵出現顯著的非正弦形式,在材料內部將出現不均勻分布。當材料進行大面積曝光后,并不能完全消耗剩余的光敏成分與單體,此時記錄完全息光柵后應當用均勻非相干光進行光固定,實現更為穩定的全息體光柵。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,而且能夠平穩透射,在可見光范圍內,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能夠清晰地透過材料觀察到外部環境。

圖2　記錄介質可見光范圍內的吸收譜與透射譜

圖3描繪的是記錄于聚合物樣品內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附近具有非常強的衍射峰值。這說明該全息光柵對532 nm的綠光具有很好的衍射能力,而當讀出光角度未發生改變時,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,因為人眼睛對綠光最為敏感。同時也觀察到在550 nm附件存在一個較弱的峰值。此峰值的產生來源于材料上下表面的等傾干涉產生的強度增強。由于制備的介質經過拋光,使得介質的表面平整度非常高,因此當復色光照射到表面上時,容易產生強的干涉效應。但這并不影響光柵的衍射能力,因為選用532 nm波長作為讀出光,其已經能夠很好地衍射并顯示圖像,而強度較弱的550 nm綠光對圖像的影響并不明顯。當時考慮到實現高對比度,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步驟,分別為全息光柵的記錄與圖像顯示兩個過程。本文以大尺寸剛性聚合物基底為例,結合裝置原理圖,對每一個過程及其實驗方式進行詳細介紹。

3.1全息光柵的記錄

圖4為大尺寸全息光柵實驗記錄裝置原理圖。一束由DPSS激光器發出的532 nm綠色激光經空間濾波器擴束并準直,通過偏振分光棱鏡分為光強相同的兩束。分光棱鏡前面放置半波片用于調整兩束光的光強比。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整兩光束的偏振態相互平行,進而能夠產生強干涉現象。然后兩束光分別經過空間濾波器進行擴束,再經過擴束準直鏡進行嚴格擴束準直,得到強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照射到材料上,以反射式光路實現全息光柵的寫入。

圖4　大尺寸全息光柵實驗記錄裝置原理圖

材料在相干光的照射下,材料內部處于光亮區的單體分子將在光引發過程的作用下發生鏈式聚合反應,并形成高折射率的光產物。由于單體的大量消耗,光暗區的大量剩余單體分子將在濃度梯度的作用下發生擴散現象。處于亮區的單體分子濃度顯著降低,使得光暗區的大量單體分子經過擴散過程來填補消耗上的空缺。在連續的曝光過程中,這種消耗與擴散持續進行,直至光柵建立達到穩態。最終材料內部形成了有光產物分子空間分布的濃度光柵,并最終調制了材料的空間折射率,形成穩定的相位型光柵。

3.2圖像顯示過程

圖像顯示是全息平視顯示裝置的關鍵過程。當全息反射式光柵記錄于介質內部后,記錄介質相當于一個具有高衍射能力的反射鏡。當入射光沿著光柵的Bragg角度入射時,由于材料的高透明度與衍射性能,使得入射光能夠產生高衍射效應。當采用液晶調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,能夠產生較高對比度的衍射圖像,從而實現信息的顯示。由于材料的高透明度,因此透過介質將仍然能夠清晰觀察外部環境,從而實現實時的全息平視顯示過程。在圖4的裝置原理圖中,可直接關閉上面一路光的快門即可直接產生平視顯示效果。

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光源經擴束準直后直接入射至液晶光調制器。透過光調制器后以Bragg匹配角度入射到大尺寸光柵上,經過光柵衍射,能夠將入射光直接衍射至探測屏幕或通過肉眼直接觀看。在液晶光束調制器的圖像改變下,便能夠將不同圖像實時顯示。

圖6(a)為全息平視顯示器實驗裝置圖,圖6(b)為相應大尺寸記錄介質及其在屏幕上的顯示圖像。實驗中所用激光器為DPSS單縱模固體激光器。532 nm綠光經過分束后,分別擴束準直入射至高厚度、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比度的顯示圖像。實驗中所使用的液晶圖像加載器決定了顯示圖像的對比度,考慮到裝置的實用化成本,選用較為廉價的液晶顯示屏幕獲取圖像,因此圖像對比度還有可以提升的空間。

圖5　全息顯示原理裝置

圖6　全息平視顯示器實驗裝置圖及記錄介質與顯示圖像

4　結論

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。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部,通過光的衍射作用實現具有高度可視化的全息顯示。對材料內部全息光柵的衍射性能進行了光譜分析,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驗基礎。最后提出了全息平視顯示器的解決方案,給出了兩種實驗裝置的原理構想,并實現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具有實用化潛力的技術,可用于大學物理演示實驗與開方式實驗教學工作,使學生了解科技前沿技術。

References)

[1] 顧剛.衍射屏顯光學系統方案分析[J].電光與控制,1994(3):8-12.

[2] 郭峰,趙建林,顧剛.平顯全息組合鏡的衍射特性研究[J].光子學報,2004(33):350-352.

[3] Tolstik E, Winkler A. PMMA-PQ Photopolymers for Head-Up-Displays [J]. IEEE Photo Tech Lett,2009,21:784-786.

[4] Veniaminov A V, Sedunov Yu N. Diffusion of Phenanthrenequinone in Poly(methyl methacrylate):Holographic Measurements [J]. Polymer Sci Ser A,1996,38:56-63.

[5] Steckman G J,Solomatine I,Zhou G,et al.Characterization of phenanthrenequinone-doped poly(methyl methacrylate) for holographic memory[J]. Opt Lett,1998,23(16):1310-1312.

[6] Lin S,Cho S,Lin J,et al. Influence of fabrication conditions on characteristics of phenanthrenequinone-doped poly(methyl methacrylate) photopolymer for holographic memory[J]. Opt Commun, 2014(320):145-150.

[7] Yu D,Liu H,Geng Y,et al. Radical polymerization in holographic grating formation in PQ-PMMA photopolymer part I Short exposure [J]. Opt Commun, 2014(330):191-198.

[8] Yu D,Liu H,Geng Y,et al. Radical polymerization in holographic grating formation in PQ-PMMA photopolymer part II Consecutive exposure and dark decay [J]. Opt Commun, 2014(330):199-207.

[9] Liu Hongpeng,Yu Dan,Li Xuecong,et al. Diffusional enhancement of volume gratings as an optimized strategy for holographic memory in PQ-PMMA photopolymer[J]. Opt Exp, 2010,18:6447-6454.

[10] Fernández E,García C,Pascual I,et al. Optimization of a thick polyvinyl alcohol-acrylamide photopolymer for data storage using a combination of angular and peristrophic holographic multiplexing[J]. Appl Opt, 2006,45(29):7661-7666.

[11] Gallego S,Márquez A,Marini S. In dark analysis of PVA/AA materials at very low spatial frequencies:phase modulation evolution and diffusion estimation[J]. Opt Exp, 2009,17:18279-18291.

[12] Michael R Gleeson,Shui Liu,Sean O’Duill. Examination of the photoinitiation processes in photopolymer materials[J]. J Appl Phys, 2008,104:064917-1-064917-8.

[13] Li H,Qi Y,Sheridan J T. Three-dimensional extended nonlocal photopolymerization driven diffusion model Part I: Absorption[J]. J Opt Soc Am A,2014,31(11):2638-2647.

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

國家自然科學基金項目(61505252)；中國民航大學實驗技術創新基金項目(2015SYCX11)

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

E-mail： hpliu@cauc.edu.cn

O438.1

A

1002-4956(2016)9-0092-04