全息眼镜所用的透镜及其实施方案

技术领域

本发明属于光学，具体地说，属于防晒、装饰、广告或俱乐部全 息眼镜透镜的结构。所述眼镜的效应由全息图像提供，其中包括自然 光或人工光照射下出现的彩色图像。本发明用于在可观看全息图象的 角度范围大、可观察全息图像的入射角度范围宽、以及从物体全息图 复原的图象亮度大时，减小透射光在透镜孔径内的色彩反差。

现有技术

在用于装饰或广告的全息眼镜中，为了增加全息图像的亮度和表 现力，采用空间性质不均匀的物体的全息图，由此引起全息图衍射效 率在透镜孔径范围内的空间变化。这还导致穿过眼镜的透射光的空间 调制，表现在彩色斑点的生成，造成使用者不适和引起眼睛疲劳。如 果为了上述的目的，使用记录物体不同部分色彩反差激烈变化的多种 颜色的全息图像，则问题会更加严重。

现有类型的大部分全息眼镜不能保证形成的图像同时具有高亮 度、高表现力和穿过眼镜的透射光的高空间均匀度，表现为在透镜孔 径区色彩反差度低。这是因为在此类眼镜的透镜中，全息图层除了生 成图像，常常还要完成削弱透射光强度的功能。现有结构的透镜利用 专门的防护层，一般为了执行附加功能，即保护眼睛免受耀眼照射。 为此，防护层具有均匀的空间特性和光谱特性，所以不能解决上述的 问题。

已知的装饰防晒眼镜的透镜(苏联专利1761001,G 02 C 7/10, 11/02,07.09.1992,[1])包含光学透明基体，在基体朝使用者的内表面， 在底衬上涂有部分反射、部分透射的全息乳胶层，在乳胶层内用照相 法记录了至少一个立体全息图，还有一个防护层(漆膜型覆盖物，或 耐磨沉积层，或玻璃)。全息图的写入，在相遇束中进行，或者应用 杆形束，在20°-40°的角度下入射到乳胶层上，在被记录物体的反射之 后景像射向乳胶层的反面。

[1]中的乳胶层衰减光束，主要是由于在全息图的写入时，在乳胶 层内形成的反射中心和吸收中心的反射，以及乳胶材料的部分透明 度。在防护层中光的附加衰减为在所要求范围内改变透镜[1]的透光系 数提供了辅助可能性。

现有透镜[1]的缺点在于全息图层除了负担成像的基本任务以外， 还要在整个可见谱区内削弱透射辐射。而在设有减小亮度和全息图象 的表现力的同时，这不可能降低辐射的空间调制：增加衰减则图象亮 度降低，变得灰暗、模糊，因此损失表现力，眼镜诱人程度下降。所 使用的防护层不具有能谱选择性，在整个谱区均匀地削弱通过该层的 辐射，因此不能补偿对全息影象形成起决定作用的全息层透射率的空 间不均匀性。

和本申请最接近的是全息眼镜透镜(申请PCT WO 96/25686,G 02 C 7/10,11/02,22.08.96,[2])，它包含光学透明基体，在基体的一个 表面上有一层物质，里面写入至少一个立体全息图，它由在全息图衍 射效率最高的谱段透明的材料制成，在全息图层后面(从使用者方向 看)至少有一个由选择吸收材料制成的补偿层，它在指定谱段以外具 有最大的透射系数，用于照射透镜成形的全息图象的亮度增大时，减 小在透镜孔径内的透射光的色彩反差度。

利用由具有特定谱特性的选择吸收材料制作补偿层，有可能克服 类似技术[1]固有的大部分缺点。这是由于穿过补偿层的在足够窄的谱 段内的那一组分相对减弱，这个谱段对应于全息图衍射效率最高处， 也就是说，正是这些组分引起空间调制，让使用者眼睛感受到彩色斑 点。并使得透镜孔径内斑点之间色差减小，于是使用者的不舒适感降 低。

同时，本专利权人的研究表明，实现眼镜[2]利用选择吸收材料制 成补偿层的结构优越性遇到一定的限制。这与下述情况有关，即由这 种材料制成的补偿层的谱特性是严格不变的，而在改变透镜照射条件 (复原光的入射角)时，全息图衍射效率的最大值在谱中的位置在移 动。既然在[2]中补偿层中足够窄的吸收光的谱段和全息图衍射效率谱 的宽度固定在一起，则在照射角度变化时，后者的位移破坏全息图层 透射率空间不均匀性的补偿。换句话说，在复原全息图的光的入射角 在有限的范围内，补偿层减小透过全息图层的光的空间调制。如果考 虑到装饰和广告全息眼镜的使用者的自然愿望，扩大观看全息图象的 角度范围，现有透镜[2]的结构的功能相当严重的限制了这个可能性。

发明的实质

从以上分析可以看出，当扩大可观看全息图象的角度范围(扩大 复原全息图的光的入射角的范围)时，有必要提出减少透镜孔径内透 射光色彩反差的问题并加以解决。在扩宽上述角区的同时保持亮度和 全息图象的表现力，是本发明的另一个目的。

上述的任务用下面方法解决：全息眼镜的透镜包含光学透明基 体，在它的表面之一有一个全息图层，在它里面至少写入一个立体全 息图，在它的后面(从使用者方向看)，至少有一个补偿层，有选择 地削弱透射光和减少透射光在透镜孔径内的色彩反差，根据本发明， 上述补偿层在给定的空间角，有选择地反射一个或几个谱段的入射光 并放过这一个或几个谱段以外的光，这些谱段包括立体全息图衍射效 率最大的波长。

另一个解决上述任务的方案是，全息眼镜的透镜包含一个光学透 明的基体，基体的一表面上有一个至少写入一个立体全息图的层，根 据本发明，在这个层中还写入一个或几个镜像物体的反射全息图，它 们有选择地把来自给定空间角的一个或几个谱段的入射光，反射到形 成全息图象的空间角以外的区域，这些谱段包括对应立体全息图衍射 效率最高的波长，并且让上述一个或几个谱段以外的光通过，应用这 样的方法减少透射光在透镜孔径区域的色彩反差。

本发明的实质建立在利用在记录材料层生成立体衍射结构的立体 全息图的性质上。在用宽频带辐射自然光或人工光照全息图层时，它 的最大衍射效率在对应的很窄的谱段显露出来。改变照射条件(加宽 复原光的入射角范围)，全息图衍射效率最大值的角度和谱产生位移。 由于反射补偿层的谱选择性，那些位于上面指出的一个或几个谱段内 的透射光能谱组分相对减弱，这些谱段包括对应立体全息图衍射效率 最高的波长，正是这些组分引起光的空间调制，让使用者眼睛感受到 彩色光斑。

本发明的研究证明，被补偿层光反射的最大值随着照射角度的改 变在谱上移动，并且其方向和全息图衍射效率最大值的移动一致，虽 然没有位移量和谱带形变程度之间的完全对应的定量关系。当在补偿 层中写入给定的一个谱段或几个谱段的，一个或几个镜像物体反射全 息图时，这最容易理解。在这种情况下，二者的位移具有同样的物理 本质，其差别可用记录的物体的不同特点解释。补偿层反射谱带的这 种位移，比由选择吸收材料制作的补偿层(如原型机)，能够保证在 更宽的角度范围(复原光入射到透镜上的空间角)对立体全息图层的 透光度的空间不均匀性(由于形成全息图像)进行补偿。

本发明提出的利用反射而不是吸收，来实现补偿层有选择地减弱 的思想，不仅基于利用反射补偿层的上述性质，而且，在更大程度上 是基于利用选择谱段宽度，在这些谱段内光被它们反射。谱段宽度的 设置取决于照射全息图的空间角的宽度，即复原全息图的光的空间角 的宽度，以使它们“覆盖”立体全息图(或多个立体全息图)的相应 的衍射最大值，并考虑到照射角变化时它们的位移。于是本结构透镜 的功能的可能范围比原型机宽，既然能在更宽的透镜照射空间角补偿 穿过立体全息层的透射光的空间不均匀性，所以能够在更宽的角区观 看全息图象。因此在这个更宽的角区减小透镜孔径内的色彩反差也得 到保证，这也就解决了所提出的任务。

需要指出利用反射补偿层的另一个重要的优越性：选择材料和制 作所要求的宽度和位置谱谱段的补偿层的工艺，比用选择吸收材料制 作的补偿层(如原型机中采用的)简单。对于后者(反射补偿层-译者 注)，在利用图象单个单元之间彩色反差急剧变化的多彩色全息图时， 这项选择实际上不重要。这时，在原型机中在选择吸收材料的补偿层 中利用宽吸收带不是出路，因为这使补偿性能急剧变坏(失去选择 性)，正是为了选择性，它才被专门地引入原型机。

本发明的重要特点是，为了减小立体全息图层透光的空间不均匀 性，重要的是实现选择反射功能(具有上面提到的谱特性)，而不是 实现这个功能的透镜部件的结构。实际上，在借助于指定的一个或几 个谱段的一个或几个镜像物体反射全息图实现发明构思的情况，把它 们写入单独的补偿层还是写在至少已经写入一个立体全息图的层中并 不重要。这个或那个方案都减小透镜孔径内的透射光的色彩反差和使 用者的不舒适感。如果利用全息图作为反射体，把来自给定的空间角 入射到它上面的光，反射到全息影象成像空间角度以外的区域，则被 它们反射的光不会给周围造成这个颜色的本底，于是全息影象保证有 最佳的观测条件。这个特点证明发明构思的一致性，和指明根据具体 情况采用这种或那种方案的可能性，每个方案都保持着原型机的基本 优点-独立优化透镜的结构部件和它们的性能。

立体全息图层可由在上述的一个或几个包括对应立体全息图衍射 效率最高的波长谱段的透明材料制成。这样的材料可以是，例如精制 的卤银照相乳胶，重铬酸凝胶或光聚合物。因为在这种情况下立体全 息图层材料本身不吸收生成全息图象的光，如其他条件同等，可以得 到最高的图象亮度。此外，这时全息图象变得更清晰(因为被记录的 物体的细节和色调再现更好)，这使它极富有表现力和吸引周围的人 对眼镜使用者的注意。这样，保证了上面提出的附加任务的完成。

如果不仅记录立体全息图的材料本身，而且材料里由于写入全息 图产生的局部中心和立体衍射结构都不吸收上述的谱段的光辐射，则 全息图象的亮度可以进一步提高。这些中心(例如，在重铬酸凝胶层 中折射系数局部改变)的光学性质(没有吸收)与在[1]中的照相乳胶 类型材料中形成的反射中心和吸收中心不同。

有必要指出，两种发明实施方案都有上述优点，与立体全息图层 在对应的基体表面上的具体布置以及它与基体表面接触的性质无关。

上面提到的立体全息图层可以放在面朝使用者的基体内表面，或 放在它的外表面(相对使用者)，也可以直接喷镀在基体相应的表面 上，就像喷镀在底衬上。也可以专门加一个分离的由光学透明材料制 成的底衬，把立体全息图层喷涂在上面。底衬放在靠近使用者一方， 借助光学胶和基体连接。此外，立体全息图层与基体以及透镜的最后 一级结构单元(它自己的底衬或相应方案的补偿层)之间可以借助于 气密性粘接剂密封，例如，把胶抹在透镜端面上。

本发明相应方案的反射补偿层的位置和与透镜其他结构单元接触 性质的选择也有类似的自由，唯一的条件是它位于立体全息图层的后 面(从使用者角度看)。这种自由选择使得可以在工艺方面优化透镜 的结构和解决本任务以外的其它种种问题。

这样，可以把补偿层喷镀在基体面朝使用者的内表面上，如同在 底衬上，如果上面提到的立体全息图处在基体的外表面，也可将它喷 镀在基体上，如喷镀在底衬上一样。另一方面，上述补偿层也可以喷 涂或镀在专门引入的由光学透明材料制成的底衬上，底衬可以是平板 形或视力矫正透镜形，放在靠近使用者一边。在这种情况下，上述立 体全息图层可以喷镀在上述的补偿层上，如喷镀在底衬上一样，借助 光学胶层和基体连接。不过可能有其他情况，与此相反，上述补偿层 喷镀在立体全息图层上，把立体全息层当作底衬，立体全息层又用相 似的方法喷镀在基体的内表面上，在朝向使用者的一边。

也可以这样解决提出的问题，当补偿层与全息图层分离，全息图 层由非选择吸收材料制成，在透镜孔径的整个区域均匀地减小光透射 率。这使得对反射补偿层的要求降低，因为这时它可以具有小反射系 数，这一点很重要，例如制作成干涉覆盖层的形式。另外一点也是重 要的，从使用者方向看，这个非选择吸收材料层位于立体全息图层的 后面。这样，它不会使全息图象的亮度和表现力变差，并同时防护耀 眼的光线。这时，这个补充引入层由彩色照相材料制作成，根据光线 强度在整个透镜孔径范围内改变光透射率，从而改善使用者对照明条 件剧烈频繁变化的适应性，例如从明亮处走到阴暗处。

在某种程度上这个补充引入层和补偿层的组合可简单地看作后者 的实施形式。上面已经讨论了补偿层的其他实施形式：它可以是写入 在给定的一个或几个谱段的一个或若干个镜像物体反射全息图的层， 或者采用干涉覆盖层的形式。这些例子的多种多样性证明了为解决提 出的问题，这个层的实施形式不重要。

上面描述的一切，涉及本发明的实质的，适用于在透镜中利用两 个或大量全息图，根据眼镜的用途它提供另外的可能性。如果所有这 些全息图在一个谱段有衍射效率最大值，那么它们可以用不同入射角 的支撑束写入，角度依次位于给定角区的几个间隔，例如相对透镜表 面的法线，角区从40.5°到80°。这扩大了该透镜的展示可能性，因为 能向观察者展示在动态中同一个全息影象的变化，更能吸引对它的注 意。虽然在这种情况下有一个补偿层就足够，但是，为了把整个透镜 孔径内的色彩反差降至最低，喷镀大量的这种的层是可能的。当然， 全息图写入的角区和顺序可能不同，与要求的装饰和广告效果有关。

为了得到物体的多色彩全息图像，物体单个部位的全息图之中的 至少两个应该在不同谱段具有衍射效率最大值，这时它们应写入一个 角区(例如，在相逢束中)。根据工艺考虑，为了在对应的谱段减小 透镜孔径内的色彩反差，这时最好不是利用一个，而是两个或多个补 偿层。另一方面，物体的全息图或在某些谱段中它的特殊片段可以写 在单独的层中，例如，这可以简化写入工艺。在这种情况下，透镜包 含一个或几个附加层，其中每一层里写入至少一个立体全息图，它们 或者和立体全息图层一起按顺序排列在基体的一个表面上，或者在基 体的另一个表面上，和上述的立体全息图层不在一边。并且，在两种 情况下，上述的一个或若干个补偿层都处在最后一个立体全息图层的 后面(从使用者方面看)例如，如果所有立体全息图层喷镀在基体的 外表面，则上述全部补偿层可能喷镀在基体的内表面(相对使用者)。

以上对于发明实质和它的不同实施方案的分析说明描述本申请的 用于选择全息眼镜透镜的重要的总体特征的根据，其中区别特征证明 申请的发明符合专利新颖性的条件。

从技术水平的分析得出，上述任务是本本发明第一个提出，它的 解决方案在这技术领域是非传统的。例如，具有上述的光学特性和用 途的上述补偿层这样的区别特征，可证实这一点，在本发明知道的全 息眼镜技术领域的相似技术中未曾使用过。只有本发明的进一步研究 证明，在适当加大并超出全息图衍射效率最大值的谱段宽度的情况 下，选择反射补偿层相对于选择吸收，具有一定的优越性(参阅原型 机)。这些谱段的具体值与复原全息图光线(希望在这个光线中观看 全息影象)的空间角度有关。由此可以做出结论，本申请的发明按发 明的水平高度符合专利性的条件。

本申请的优点是实际上保留原型机的全部长处。特别是，本发明 允许广泛变换透镜结构的不同部件或它们的组合的性质和形式，仍保 证完成预定任务的能力，于是存在选择最佳工艺和结构方案的可能 性。关于与立体全息图层和反射补偿层有关的选择可能性上面已经谈 到。作为补充应当指出，光学透明基体可以采用制作普通的、非全息 眼镜透镜的聚合物材料或硅酸盐玻璃。这时基体可以是平板或其他形 状，例如，矫正视力的透镜。后者对视力偏离正常的使用者提供一定 的方便。对这些使用者，可以采用另外的解决方案，例如基体为平板 形，位于使用者方的由光学透明材料制成的补偿层底衬(或立体全息 图层底衬-发明的另一方案)具有视力矫正用的透镜的形状。在许多 情况下(如在原型机中)喷镀在底衬上(或在有底衬的补偿层上)的 立体全息图层与基体之间借助光学胶连接。这样形成的一体结构具有 一定的优越性。在里面的全息图层与周围介质隔离，大大地减小这个 层的退化速度，延长全息图象亮度和表现力的保存期限。另一方面， 有关机械性能这样的结构与“triplex”型结构相似：受到损伤时，例如 剧烈打击，透镜不会碎成分离的小块，而只是出现许多裂痕，因而提 高使用者眼睛的安全性。

附图的简述

本发明的上述方案和其他实施方案的用以说明的附图示于图1- 8，这里表示的是本申请的全息眼镜透镜结构的横剖面，使用以下标 识：1-基体；2-立体全息图层；3-选择反射补偿层；4-补 偿层底衬；5-光学胶层；6-立体全息图附加层；7-密封胶；8 -非选择吸收材料层。在图9和图10为试验物体立体全息图层的 透射谱的记录(图10)和选择反射补偿层谱的记录(图9)。

发明的实施方案

全息眼镜透镜包括(图1)由硅酸盐玻璃制成的平板形光学透明 的基体1(厚度1.3mm)，在它朝向使用者的内表面，如同在底衬上 喷镀一层光记录材料层2-重铬化胶(厚度约10μm)，其中写入一 个立体全息图。在光记录材料层2后面使用者一侧是选择反射补偿层 3，补偿层喷镀在由光学透明材料制成的底衬4上，底衬位于使用者 一侧制作成平板形状。补偿层3为层状，里面写入一幅给定谱段的镜 像物体的反射全息图。

图2发明实施方案与图1所示方案的差别仅在于补偿层底衬4具 有视力矫正透镜形状。

在图3示出的发明实施方案和图1描绘的方案的差别是补偿层3 没有底衬，借助光学胶5与带立体全息图的层2连接。

图4描绘的方案中，基体1为视力矫正透镜形状，其余和图3方 案相似。

在图5和图8描绘的发明实施方案中，和所有其他方案不同，带 立体全息图的层2喷镀在补偿层3，如喷镀在底衬上一样。和基体1 的连接借助于光学胶层5。在基体1(图5)的外表面有一个带立体全 息图的附加层6，为了减小穿过附加层6的光的空间调制，在朝使用 者的补偿层3的表面上喷镀第二补偿层3。

图6表示的发明实施方案与图3所示的差别仅在于补偿层3和带 立体全息图的层2被在整个透镜孔径内均匀减弱光透射的非选择吸收 材料层8隔开。

在图7中基体1为弯曲板形状，它的内表面作为底衬喷镀上带立 体全息图的层2，补偿层3喷镀在层2，如喷镀在底衬上一样。涂在 这些单元端面上的胶层7隔离层2，降低它的性能的退化速度。装配 好的透镜去边，按照镜架形状打磨，装入合适的镜架，此后即可供使 用。

为了检验对全息图层透射光的空间调制进行补偿的可能性，在扩 大复原全息图的光线的入射角范围的条件下进行了实验，其实质如 下：

把514纳米波长的试验物体的全息图写入光记录介质(在玻璃底 衬上厚度约10微米的重铬酸化胶层)。在照相感光板表面具有平面 波前的支撑束的入射角等于布喇格角(为了排除照相感光板表面产生 的不希望有的光重复反射)。拍摄按周知的方式进行：依靠穿过照相 感光板的支撑束照射物体。作为试验物体利用一组在30度范围内以 不同角度反射的镜子(观察者戴上眼镜透过全息图，用肉眼捕捉不到 更大的范围)。用这种类型的“镜像”物体写录全息图，当用眼睛穿 过全息图观察的时候，经过全息图的具有色彩反差度大的“白”光的 空间调制形式的畸变最大。得到的全息图具有大于50％的衍射效率。 用分光光度计得到在不同角度照射这样的全息图时，它们的透射(反 射)的谱特性。在最大值为0.5水平带宽70纳米的条件下，复原光垂 直入射，最大反射(最小透射T)发生在波长为565纳米(参阅图10 虚线)。增大复原光入射角(改变观看角)到相对法线30度，反射 最大值向波长减小方向移动大约35纳米(图10虚线)，于是透射光 颜色变化。这样，录写镜像物体全息图生成表现清晰的谱带，在它的 范围内的穿透比在谱带外小得多，即发生色彩反差。为了补偿调制， 利用专门制作的补偿层一选择反射辐射的多层电介质干涉镜，入射辐 射角范围相对法线，宽度为30度，反射到形成全息图象空间角以外 的区域。这些镜的谱透射(图9)这样形成，使最小透射(接近100％ 的最大反射)的谱带(或若干谱带)覆盖全息图衍射效率的相应谱带： 谱带最大值在波长570纳米处，宽度100纳米附近，反射系数大于 95％。实际上在那个宽度下，复原光束入射角变到30度时，谱带和立 体全息层透射最小值一样，都向同一方向移动25纳米。其结果是在 要求的角区，补偿层谱带能够覆盖全息图反射(衍射效率)的谱带， 所以发生上述调制的有效补偿：同时观察穿过全息图和对应的补偿层 时，在透镜孔径区内眼睛看不到彩色斑点。在应用以其他波长和其他 复原光角区写入的全息图，以及全息照相方法制作的补偿层进行了类 似的实验。

本申请的全息眼镜透镜这样运作。自然辐射或人工辐射照到基体 1上并透过它，在写在层2里的全息图上不带吸收地分解。被全息图 散射的辐射，在狭窄的谱区可见光绿色段(见图10)生成清晰明亮的 全息图像(例如，蝙蝠)，观察者在眼镜的两个透镜孔径中看到该图 像。穿过层2的这个谱段的辐射在很大的程度上被补偿层3反射。在 层3谱段以外，可见光区域的其余部分(见图9)的辐射很少被层3 反射，使用者能够穿过透镜在紫棕色调下没有干扰地以彩色斑点形式 观察周围情景，这些斑点是辐射空间调制造成的，如果没有层3，就 可看见它们。

有必要指出，上面引用的实施例和各种各样的方案不是详尽无遗 的。同时，也不能用它们来限制本发明申请。已经说过，它们仅仅是 为了能更好地了解本发明实质的演示。在权利要求书中最完整地论述 了本发明的实质。

工业适用性

本发明能用于防晒、装饰、广告或俱乐部的全息眼镜的制造。在 实现本发明的所有上述方案时，利用已知的，工业生产的元件、材料 和物质。用在不同底衬上涂层的方法，以及全息图的录写，为相关的 技术和工艺领域的专家熟知。