CN106842397B

CN106842397B - 一种树脂全息波导镜片及其制备方法、及三维显示装置

Info

Publication number: CN106842397B
Application number: CN201710006845.5A
Authority: CN
Inventors: 黄文彬; 陈林森; 浦东林; 朱鸣; 乔文; 罗明辉; 赵改娜
Original assignee: Svg Optronics Co ltd; Suzhou University
Current assignee: Suzhou University; SVG Tech Group Co Ltd
Priority date: 2017-01-05
Filing date: 2017-01-05
Publication date: 2020-07-17
Anticipated expiration: 2037-01-05
Also published as: WO2018126760A1; CN106842397A

Abstract

本发明公开了一种树脂全息波导镜片及其制备方法，和由其构建的三维显示装置，所述树脂全息波导镜片包括一片、两片、三片或三片以上树脂全息波导镜片单元，所述树脂全息波导镜片单元包括聚合物衬底和设于聚合物衬底上的功能性薄膜，所述功能性薄膜上设有功能性区域，所述功能性区域内设有纳米衍射光栅。本发明提出一种树脂型全息波导镜片，具有良好的图像耦入和耦出效率，在利用纳米衍射光栅保证足够的视场角和观察范围下，有着复制成本低、保真率高的优点，树脂材质制备的树脂全息波导镜片可冲压成型，不需要常规镜片的加工过程。

Description

一种树脂全息波导镜片及其制备方法、及三维显示装置

技术领域

本发明涉及显示设备技术领域，更具体地说，涉及一种树脂全息波导镜片及其制备方法、及三维显示装置。

背景技术

增强现实(AR)技术，是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息，声音，味道，触觉等)，通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，从而使人们获得超越现实的感官体验。在虚拟显示技术已经被应用领域，例如尖端武器、飞行器的研制与开发、数据模型的可视化、虚拟训练、娱乐与艺术，增强现实技术同样有巨大的潜力。另外由于AR具有能够对真实环境进行增强显示输出的特性，在医疗研究与解剖训练、精密仪器制造和维修、军用飞机导航、工程设计和远程机器人控制等领域，具有比虚拟显示技术VR更加明显的优势。

AR技术以高亮度微型显示器为图像源，以透明折返光元件为显示屏，通过小型化光学系统将图像投射到人眼成像。在传统AR技术中，使用了多个复杂的透镜组，结构复杂，整机重量和体积偏大，装配准确度要求苛刻，后期维护成本高，显示性能的提升以增大系统体积和系统重量为代价。波导镜片是新一代AR显示的关键核心部件，其将全反射导波原理和衍射/折射元件相结合，在实现大视场、大出瞳图像输出的同时，减小了系统的体积和重量，此外，波导镜片通过横向波导导光工作，不会影响人们在垂直方向观察真实环境，因此波导镜片是现今AR技术发展的必然趋势。

美国专利US 6,169,613 B1公开了一种基于体全息光栅的波导显示装置。所描述全息波导包含一个波导结构和两个或三个体光栅结构。在耦合处通过体光栅或者复合体光栅将图像导入到光波导，图像在波导中传播，在输出端通过一个或者两个体光栅将图像输出。中国专利CN 105549150 A在该全息波导的体光栅表面增加了一层金属光栅，通过等离子振荡提高TM光的能量利用率。虽然这种全息波导结构简单，但是波导仅起到导光作用，对于观察视场的扩大并没有作用，另外体光栅复制困难，制作成本较高。

美国专利US 7,751,122 B2公开了一种适用于AR显示的波导镜片结构。所描述波导镜片包含一个波导结构和嵌在波导内部的多个半反半透镜。通过内嵌全反棱镜将图像耦合到波导内，图像在波导镜片中传播中，每遇到一个半反半透镜，图像就会被耦合输出一部分，通过调制不同位置半反半透镜的反射率，使得出射图像在整个观察范围内强度均匀。该结构主要有两个优点，首先通过内嵌多个半反半透镜，对于输入图像尺寸要求放宽，从而获得较大的视场角，其次，图像在波导中通过多次耦合输出，扩大了人眼观察范围。但是这种波导镜片中内嵌多个半反半透镜涉及的制作工艺复杂，成本很高，主要依赖于传统光学加工制作，几乎不存在大批量复制生产的可能性，另外内嵌有半反半透镜的镜片的外观呈现多个条状，影响佩戴者观察，最后该方案依赖侧面图像耦合，因此两侧占据的空间很大，影响佩戴者的观察舒适性。

美国专利US 2016/0231568 A1公开了一种用于增强现实的全息波导镜片，利用特定的光栅对图像进行耦入和输出，图像在波导镜片中进行全反射，每次行进到带有光栅的镜面表面，便有一部分能量耦合出来，分别利用X和Y方向的光栅对图像X和Y方向进行扩展，从而获得很大的观察范围，由于光栅的波长选择特性，红绿蓝需要用三片全息波导镜片来实现。微软使用的该方案有如下优点：首先，亚波长光栅对于垂直方向的光没有调制作用，因此镜片有良好的穿透性，不会影响佩戴者观察周围环境；其次，该镜片采用中心偏上的图像耦合方式，不会影响佩戴者在两侧的观察，提高舒适性。然而，为了提高耦入耦合效率及保证整个图像在观察范围内都可被观察，镜片需要依赖高折射率玻璃基底制作，这会带来镜片质量高、成本高、潜在危险大等问题。

发明内容

国内外还未见有一个简单易行的波导镜片方案，可兼顾增强现实显示性能(视场角、观察范围)和镜片的廉价、轻质和稳定性。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种树脂全息波导镜片，包括一片、两片、三片或三片以上树脂全息波导镜片单元；

所述树脂全息波导镜片单元包括聚合物衬底和功能性区域，所述功能性区域内设有纳米衍射光栅；所述纳米衍射光栅的底部到聚合物衬底表面之间的距离大于0；

所述功能性区域设于聚合物衬底上；

或，所述树脂全息波导镜片单元还包括功能性薄膜，所述功能性区域设于功能性薄膜上，所述功能性薄膜设于聚合物衬底上。

本发明提出一种树脂型全息波导镜片，具有良好的图像耦入和耦出效率，在利用纳米衍射光栅保证足够的视场角和观察范围下，有着复制成本低、保真率高的优点，树脂材质制备的树脂全息波导镜片可冲压成型，不需要常规镜片的加工过程。

优选的，所述纳米衍射光栅表面设有增透膜。

优选的，所述功能性区域包括耦入功能性区域、中继功能性区域和出射功能性区域中的一种、两种或三种，所述耦入功能性区域、中继功能性区域和出射功能性区域内设置的纳米衍射光栅分别是将外部光束耦合入树脂全息波导镜片的耦入光栅、改变光束在树脂全息波导镜片内传播方向的中继光栅、将树脂全息波导镜片内传播过来的光束向树脂全息波导镜片外输出的出射光栅。

优选的，所述树脂全息波导镜片为投射式，所述纳米衍射光栅位于耦入面；或者树脂全息波导镜片为反射式，所述纳米衍射光栅位于耦入面的对面；反射式树脂波导镜片上设有的纳米衍射光栅的深度等于或接近透射式树脂全息波导镜片上设有的纳米衍射光栅的一半。

优选的，所述树脂全息波导镜片由两片、三片或三片以上树脂全息波导镜片单元叠加而成；不同树脂全息波导镜片单元上功能性区域内的纳米衍射光栅对应调控不同波长的光信号，即不同树脂全息波导镜片单元上功能性区域内的纳米衍射光栅的周期和排布不同。

优选的，对应调控蓝光的纳米衍射光栅，耦入光栅的周期在290nm到410nm之间，光栅深度在100nm到500nm之间；中继光栅周期在200nm到290nm之间，光栅深度在30nm到300nm之间；出射光栅周期和耦入光栅周期一致，深度在30nm到300nm之间。

优选的，对应调控绿光的纳米衍射光栅，耦入光栅的周期在350nm到480nm之间，光栅深度在100nm到600nm之间；中继光栅周期在250nm到335nm之间，光栅深度在30nm到350nm之间；出射光栅周期和耦入光栅周期一致，深度在30nm到400nm之间。

优选的，对应调制红光的纳米衍射光栅，耦入光栅的周期在415nm到550nm之间，光栅深度在100nm到800nm之间；中继光栅周期在295nm到390nm之间，光栅深度在40nm到400nm之间；出射光栅周期和耦入光栅周期一致，深度在30nm到400nm之间。

优选的，所述中继光栅采用正光栅，光栅深度自左到右，从20nm到70nm线性递增。

优选的，所述出射光栅采用正光栅，光栅深度自上到下，从20nm到100nm线性递增。

优选的，所述中继光栅采用正光栅，光栅深度自左到右，从30nm到90nm线性递增。

优选的，所述出射光栅采用正光栅，光栅深度自上到下，从30nm到130nm线性递增。

优选的，所述中继光栅采用正光栅，光栅深度自左到右，从40nm到100nm线性递增。

优选的，所述出射光栅采用正光栅，光栅深度自上到下，从40nm到150nm线性递增。

优选的，耦入光栅为倾斜光栅，倾斜角在5度到50度之间。

优选的，中继光栅为正光栅。

优选的，出射光栅为正光栅或者倾斜光栅。

优选的，耦入光栅光栅矢量和出射光栅光栅矢量夹角在80°到120°之间，中继光栅的光栅矢量位于耦入光栅矢量和出射光栅矢量的角平分线上。

优选的，所述聚合物衬底，为可见光透过率良好的PMMA聚甲基丙烯酸甲酯、PC聚碳酸酯、CR39环氧树脂、PS聚苯乙烯、PEN聚萘二甲酸乙二醇酯、或环硫树脂，折射率在1.5到1.9之间，厚度在0.3mm到1.5mm。

优选的，所述功能性薄膜为光固化或热固化树脂，其折射率在1.5到1.9之间。

优选的，对应不同波长即不同颜色光的树脂全息波导镜片单元之间的间距为5微米到100微米。

优选的，在耦入功能性区域，设有提高图像光在下一层树脂全息波导镜片单元的耦入效率的增透膜。

优选的，光固化树脂为含有双键或者三键的环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯、聚醚丙烯酸酯、丙烯酸酯化聚丙烯酸树脂与不饱聚酯、环硫树脂，或丙烯酸酯的单官能团或多官能团单体。

优选的，热固化树脂为：由含羟基的树脂或含环氧的树脂，和异氰酸酯或氨基树脂混合反应制成的固体树脂。

优选的，所述功能性薄膜中还含有在光子的作用下产生自由基，引发室温低聚物聚合和交联的光敏剂。

优选的，功能性薄膜上的纳米衍射光栅的底部和聚合物衬底上表面的距离为0微米到20微米之间不为0的任一值。

本发明还提供一种供制备树脂全息波导镜片的方法，包含以下步骤：

S1：参数计算，根据需要调控的波长的光及AR光路成像视场角，确定耦入功能性区域、中继功能性区域、出射功能性区域内的纳米衍射光栅的周期、取向、深度分布，及树脂全息波导镜片的波导参数；

S2：模板制备，利用光刻工艺或机械精密加工制作模板(母版)。根据需要，可以进行一次或者多次转版；

S3：首先在聚合物衬底上涂覆功能性薄膜，通过纳米压印技术，将耦入功能性区域、中继功能性区域、出射功能性区域制作到功能性薄膜上。

优选的，步骤S2为：在石英基片上旋涂光刻胶，用激光器为干涉光刻光源，以干涉光1和干涉光2双束干涉光进行光刻。

实际应用中，光刻胶厚度可以选择在100nm到500nm之间，制备激光波长在193nm到450nm之间，优选325nm的氦镉激光。

其中，对应耦入功能性区域、中继功能性区域、出射功能性区域内的纳米衍射光栅模板的制备方法分别如下：

耦入功能性区域内的纳米衍射光栅模板的制备，在涂覆有光刻胶的石英基片上覆盖一个光掩膜版，只有耦入功能性区域位置透光，干涉光1和干涉光2位于石英基片法线同侧，干涉光1和石英基片法线成10°，干涉光2和石英基片法线成49.2°；

中继功能性区域内的纳米光衍射栅模板的制备，在涂覆有光刻胶的石英基片上覆盖一个光掩膜版，只有中继功能性区域位置透光，透光区域的透过率自左往右线性升高，对应光栅深度线性变化，干涉光1和干涉光2以石英基片法线对称，入射方向和法线成26.8°；

出射功能性区域内的纳米衍射光栅模板的制备，在涂覆有光刻胶的石英基片上覆盖一个光掩膜版，只有出射功能性区域位置透光，透光区域的透过率自上往下线性升高，对应光栅深度线性变化，干涉光1和干涉光2以石英基片法线对称，和法线的夹角为18.6°。

优选的，步骤S3为：首先在环硫树脂衬底上滴涂作为功能性薄膜的环硫环硫UV固化树脂，将步骤S2制备的模板压到环硫UV固化树脂上，利用滚筒对其施加压力，使环硫UV固化树脂均匀填满模板和聚合物衬底之间，再对环硫UV固化树脂进行固化，均匀曝光，固化后环硫UV固化树脂形成具有纳米衍射光栅的功能性薄膜，最后脱模。

根据需要，也可采用热纳米压印利用模板直接在聚合物衬底上制作各功能性区域及其区域内的纳米衍射光栅。包括上述采用UV纳米压印在可固化聚合物上制作，压印过程方式包括平对平压印，卷对卷压印和卷对平压印，以提高生产效率。UV上胶方式包括点胶、丝网印刷(根据镜片形状印刷)。模板可以放置在树脂衬底的上方或者下方。

优选的，在步骤S3之后还包括步骤S4：在纳米压印后的纳米衍射光栅表面制作高折射率光学薄膜。

优选的，在步骤S4之后还包括步骤S5：将压印有纳米衍射光栅的聚合物衬底冲压成树脂全息波导镜片单元。

优选的，在步骤S5之后还包括步骤S6：将分别对应于不同基色的树脂全息波导镜片单元对位叠加成一片树脂全息波导镜片。

优选的，在S1中，树脂全息波导镜片的波导参数包括聚合物衬底折射率n1和厚度d，功能性薄膜的折射率n2以及纳米衍射光栅底部到聚合物衬底上表面的距离h。

S2中，光刻工艺包括电子束光刻，干涉光刻，深(极)紫外光刻，(深)紫外像素干涉直写等常用制作亚波长光栅的技术。也可用机械精密加工方案，例如金刚石切削、刻划等技术，材料可以是光刻胶，也可以是PMMA，PS等有机材料，也可以在石英等无机衬底直接操作，或者在镍等金属衬底直接获得。

S2中，转版方式包括微电铸、柔性转移、纳米压印，也可以包括反应离子蚀刻、感应离子蚀刻等刻蚀技术。

S2中，用于模具制作的转版材料可为PET、PC、PDMS有机材料，或石英、硅片无机材料，也可以选取镍等金属材料。

S2中，镜片的三个光栅功能区域可以通过同一种工艺获得，也可以利用不同工艺获得。如果是前者，转版时候可以一次成型；如果是后者，则需要将不同方法制备的不同结构深度和形状的功能区的光栅组合在同一片模具上。

S3中，可采用热纳米压印直接在聚合物衬底上制作，也可采用UV纳米压印在可固化聚合物上制作，压印过程方式包括平对平压印，卷对卷压印和卷对平压印，以提高生产效率。UV上胶方式包括点胶、丝网印刷(根据镜片形状印刷)。模具可以放置在树脂衬底的上方或者下方。

S4中，高折射率光学膜，可以采用磁控溅射，化学气相沉积，热蒸发等方式制备。

S5中，根据所需镜片的形状对树脂镜片进行冲压成型。多片树脂镜片叠加，需要进行对位校准。镜片之间的间距可以用透过率高的有机或者无机薄膜控制，进行适当的选择性增透，提高耦入效率，采用框封胶进行封装。

本发明还提供一种三维显示装置，包括上述树脂全息波导镜片和图像生成装置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1显示了本发明的树脂全息波导镜片用于增强显示装置的一个优选实施案例的基本结构；

图2a和图2b是结构尺度在纳米级别的衍射光栅在XY平面和XZ平面下的结构图；

图2c1是耦入功能性区域的纳米衍射光栅的周期、宽度、高度及倾斜角示意图；

图2c2是耦入功能性区域直接加工于聚合物衬底上的示意图；

图2c3是耦入功能性区域加工于功能性薄膜上的示意图；

图2d1是中继、出射功能性区域的纳米衍射光栅的周期、宽度、高度示意图；

图2d2是中继、出射功能性区域直接加工于聚合物衬底上的示意图；

图2d3是中继、出射功能性区域加工于功能性薄膜上的示意图；

图3为同时设有耦入功能区、中继功能区和出射功能区的树脂全息波导镜片的示意图；

图4所示为用树脂全息波导镜片构建三维显示装置的工作示意图；

图5为以对应红色光的红色全息镜片模板制作方法的示意图；

图6a为光刻加工的纳米衍射光栅模板的示意图，图6b所示为镍模板结构示意图；

图7所示为纳米压印制作树脂全息波导镜片的示意图；

图8为在纳米衍射光栅表面镀高折射率介质膜的示意图；

图9所示为利用冲压磨具对树脂全息波导镜片一次成型的示意图；

图10为由对应红绿蓝三基色光的三片树脂全息波导镜片单元堆叠形成彩色显色的树脂全息波导镜片的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

所述功能性区域设于聚合物衬底上；

优选的，所述纳米衍射光栅表面设有增透膜。

图1显示了本发明的树脂全息波导镜片用于增强显示装置的一个优选实施案例的基本结构。该装置包括微型图像源、投影光学系统、树脂全息波导镜片。图像源发出的光线，经过投影光学系统后，从树脂全息波导镜片的耦入功能性区域耦合进树脂材质制备的波导(聚合物衬底)。经过衍射后，扩散到中继功能性区域，光线传播角度满足全反射条件，每次光线和光栅表面作用，就有部分能量被衍射，剩余能量继续传播。经过中继功能性区域后，图像在x方向被拉宽，同时传播方向改变，被耦合到出射功能性区域，继续满足波导全反射条件，类似的，每次光线和光栅表面作用，就有部分光能量被衍射出射，图像在Y方向被拉宽。经过出射功能性区域的纳米衍射光栅后，图像被耦合输出至观察者的眼镜中，并且由于图像在XY两个方向被拉宽，人眼在一个较大的区域内都可看见整个图像，提高装置的使用舒适性和适用人群范围。

本发明采用基于物理光学和衍射光学原理，树脂全息波导镜片由两部分组成，一部分是树脂材质制备的光波导即聚合物衬底，另外一部分是功能性薄膜和设于功能性薄膜上的纳米衍射光栅，用于光路折叠和成像。单个纳米结构光栅与光相互作用，改变其相位。参见图2a和图2b，图2a和图2b是结构尺度在纳米级别的衍射光栅在XY平面和XZ平面下的结构图。根据光栅方程，衍射光栅像素的周期、取向角满足以下关系：

(1)tanφ₁＝sinφ/(cosφ-n sinθ(Λ/λ))

(2)sin²(θ₁)＝(λ/Λ)²+(n sinθ)²-2n sinθcosφ(λ/Λ)

其中，光线(在三维显示装置中，光线是指来自于图像生成装置如微型投影装置生成的图像信息光束)以一定的角度入射到XY平面，θ1和φ1依次表示衍射光的衍射角(衍射光线与z轴正方向夹角)和衍射光的方位角(衍射光线与x轴正方向夹角)，θ和λ依次表示光源201的入射角(入射光线与z轴正方向夹角)和波长，Λ和φ依次表示纳米衍射光栅101的周期和取向角(槽型方向与y轴正方向夹角)，n表示光波在介质中的折射率。换言之，在规定好入射光线波长、入射角以及衍射光线衍射角和衍射方位角之后，就可以通过上述两个公式计算出所需的纳米光栅的周期(空频)和取向角。如，650nm波长红光以60°角在波导中入射，光的衍射角为10°、衍射方位角为45°，对应的纳米衍射光栅周期为550nm，取向角为-5.96°。

图2c1是耦入功能性区域的纳米衍射光栅的周期A、宽度W、高度h及倾斜角α示意图。如果采用正光栅，则α为90°。

图2c2是耦入功能性区域201直接加工于聚合物衬底2上的示意图。

图2c3是耦入功能性区域201加工于功能性薄膜21(标号在一些实施例中，功能性薄膜的材质采用UV固化树脂，在本文中，也采用标号21)上的示意图。纳米衍射光栅底部到聚合物衬底2上表面的距离为d。

图2d1是中继、出射功能性区域的纳米衍射光栅的周期A、宽度W、高度h示意图。

图2d2是中继、出射功能性区域直接加工于聚合物衬底上的示意图。

图2d3是中继、出射功能性区域加工于功能性薄膜21上的示意图；纳米衍射光栅底部到聚合物衬底2上表面的距离为d。

在一些实施例中，如图3所示，为同时设有耦入功能区、中继功能区和出射功能区的树脂全息波导镜片的示意图，耦入功能性区域201设置为设有纳米衍射光栅的接近正方形的矩形(可根据需要设置为正方形)，将外部光线耦合到树脂材质制备的光波导2(即聚合物衬底，或可称为树脂本体)内，耦入功能性区域根据出瞳尺寸设置尺寸，如尺寸可为4mmX4mm，在本实施例中，纳米衍射光栅的沟槽方向平行于y轴，从而使耦合如光波导2中的光线向X方向传导。中继功能性区域202在本示例中为一设有纳米衍射光栅的长方形光栅，其功能是将由耦入功能性区域传导过来的光线由X方向向Y方向传导，其尺寸根据需要设定，在本示例中尺寸为4mmX3cm，其纳米衍射光栅的槽和X轴成45度角。出射功能性区域203为设有纳米衍射光栅的大矩形(尺寸相对于耦入功能区而言，也可以是正方形)，其作用是将有中继功能性区域202传导过来的光线输出到光波导1外部的空间，并且垂直耦合输出至人眼1中，其尺寸根据需要设定，本示例中尺寸为1.5cmX3cm。

三个功能性区域之间的距离根据需要设定，在图3的示例中，耦入功能性区域201和中继功能性区域202的距离为1.5mm，之间功能性区域202和出射功能性区域203的距离为7mm。

在构建一套增强现实三维显示装置时，一般会包含两套上述树脂全息波导镜片，分别对应左右眼显示。

在一些实施例中，为了实现彩色显示，每套树脂全息波导镜片由三片树脂全息波导镜片单元组成，三片树脂全息波导镜片单元分别对应红绿蓝三种颜色(针对三基色彩色系统，根据需要，如四基色系统，则可以采用四片树脂全息波导镜片单元来分别对应各基色)，对应30度的视场角。

在本示例中，对于红色的全息镜片，耦入功能性区域纳米衍射光栅周期为510nm，采用斜光栅，纳米衍射光栅倾斜角可为28度，纳米衍射光栅深度可为300nm。中继功能性区域纳米衍射光栅周期为360nm，采用正光栅，光栅深度自左到右，从40nm到100nm线性递增。出射功能性区域纳米衍射光栅周期为510nm，采用正光栅，光栅深度自上到下，从40nm到150nm线性递增。对于绿色全息镜片，耦入功能性区域纳米衍射光栅周期为440nm，采用斜光栅，光栅倾斜角为23度，光栅深度为250nm。中继功能性区域纳米衍射光栅周期为310nm，采用正光栅，光栅深度自左到右，从30nm到90nm线性递增。出射功能性区域纳米衍射光栅周期为440nm，采用正光栅，光栅深度自上到下，从30nm到130nm线性递增。对于蓝色全息镜片，耦入功能性区域纳米衍射光栅周期为370nm，采用斜光栅，光栅倾斜角为18度，光栅深度为200nm。中继功能性区域纳米压缩光栅周期为260nm，采用正光栅，光栅深度自左到右，从20nm到70nm线性递增。出射功能性区域纳米衍射光栅周期为370nm，正光栅，光栅深度自上到下，从20nm到100nm线性递增。

单个树脂全息波导镜片单元的聚合物衬底可以采用环硫树脂，厚度根据需要设定，如可为0.3mm到1.5mm之间(含端值)的任一值，如0.8mm，纳米衍射光栅槽的下表面和聚合物衬底上表面的距离可为0微米到20微米之间不为0的任一值，如500nm。

图4所示为用树脂全息波导镜片构建三维显示装置的工作示意图，图像源101(图像生成装置)上的一个发光点，经过光学系统102(透镜装置)后，被准直为平行光，入射到耦入功能性区域201的纳米衍射光栅上，发生衍射，正一级透射衍射光满足波导全反射条件，在光波导2内传播。由于采用了倾斜光栅，对称的负一级衍射光强度很弱，绝大部分能量被衍射到透射正一级。因此在相应波长位置，耦入功能性区域纳米衍射光栅的耦入效率可达80％。正一级衍射光被耦合入光波导2后，在光波导2内以全反射形式传播，首先和中继功能性区域202发生作用，传播面由XZ面易变为YZ面，图像在X方向被拉宽。传播角度不变，仍然满足全反射条件，继续在光波导2中以全反射形式传播，和出射功能性区域203的纳米衍射光栅发生作用，图像信息通过反射衍射被耦合出光波导2，在Y方向被拉宽，人眼在1.5cm乘上3cm的范围内，都能看到图像，提高了观察舒适性以及增大了适用人群范围。由于中继功能性区域202和出射功能性区域203的纳米衍射光栅深度随空间进行了渐变分布，在整个观察范围内，经过树脂全息波导镜片出射的图像强度均匀。

在一些实施例中，所述树脂全息波导镜片可选择投射式，所述纳米衍射光栅和功能性薄膜位于耦入面；或者树脂全息波导镜片选择反射式，所述纳米衍射光栅和功能性薄膜位于耦入面的对面；反射式树脂波导镜片上设有的纳米衍射光栅的深度等于或接近透射式树脂全息波导镜片上设有的纳米衍射光栅的一半。

在实际应用中，树脂全息波导镜片既可以采用单片树脂全息波导镜片单元组成，用于构建需要的三维显示装置或作为光学部件生产、销售及应用于产品的构建中，所述树脂全息波导镜片也可以由两片、三片或三片以上树脂全息波导镜片单元叠加而成；不同树脂全息波导镜片单元上功能性区域内的纳米衍射光栅对应调控不同波长的光信号，即不同树脂全息波导镜片单元上功能性区域内的纳米衍射光栅的周期和排布不同。由此可以方便的实现彩色显示。

例如，在三基色彩色显示系统中，对应调控蓝光的树脂全息波导镜片单元上的纳米衍射光栅，耦入光栅的周期在290nm到410nm之间，光栅深度在100nm到500nm之间；中继光栅周期在200nm到290nm之间，光栅深度在30nm到300nm之间；出射光栅周期和耦入光栅周期一致，深度在30nm到300nm之间。

对应调控绿光的树脂全息波导镜片单元上的纳米衍射光栅，耦入光栅的周期在350nm到480nm之间，光栅深度在100nm到600nm之间；中继光栅周期在250nm到335nm之间，光栅深度在30nm到350nm之间；出射光栅周期和耦入光栅周期一致，深度在30nm到400nm之间。

优选的，所述中继光栅采用正光栅，光栅深度自左到右，从30nm到90hm线性递增。

对应调制红光的树脂全息波导镜片单元上的功能性光栅，耦入光栅的周期在415nm到550nm之间，光栅深度在100nm到800nm之间；中继光栅周期在295nm到390nm之间，光栅深度在40nm到400nm之间；出射光栅周期和耦入光栅周期一致，深度在30nm到400nm之间。

其中，上述对应各基色的树脂全息波导镜片单元上的耦入光栅为倾斜光栅，倾斜角在5度到50度之间。用以提高光线的耦入效率。

其中，出射光栅可以选择正光栅也可以选择倾斜光栅。

其中，中继光栅和出射光栅的深度，随空间变化根据每次全反射耦入光强，进行线性渐增分布，从而实现均匀出光。

上述参数的选择，前述示例给出了一个具体的参数组合，在实际应用中，根据实际需要，在上述范围进行匹配和选择。

在实际应用中，所述聚合物衬底，可采用可见光透过率良好的PMMA聚甲基丙烯酸甲酯、PC聚碳酸酯、CR39环氧树脂、PS聚苯乙烯、PEN聚萘二甲酸乙二醇酯、或环硫树脂，折射率在1.5到1.9之间，优选折射率等于大于1.7的材质，厚度在0.3mm到1.5mm之间选择。

优选的，功能性薄膜上的纳米衍射光栅的底部和聚合物衬底上表面的距离在0微米到20微米之间不为0的任一数值。

本发明还提供本发明还提供一种供制备树脂全息波导镜片的方法，包含以下步骤：

S2：模板制备，利用光刻工艺制作母版，并进行一次或者多次转版；

优选的，如图5所示，步骤S2为：在石英基片7上旋涂正性光刻胶8，厚度在350nm，用325nm波长的氦镉激光器为干涉光刻光源，以干涉光1和干涉光2双束干涉光进行光刻；

其中，耦入功能性区域内的纳米衍射光栅模板的制备，在涂覆有光刻胶的石英基片上覆盖一个光掩膜版9，只有耦入功能性区域位置透光，干涉光1和干涉光2位于石英基片法线同侧，干涉光1和石英基片法线成10°，干涉光2和石英基片法线成49.2°；

中继功能性区域内的纳米光衍射栅模板的制备，在涂覆有光刻胶8的石英基片7上覆盖一个光掩膜版9，只有中继功能性区域位置透光，透光区域的透过率自左往右线性升高，对应光栅深度线性变化，干涉光1和干涉光2以石英基片法线对称，入射方向和法线成26.8°；

出射功能性区域内的纳米衍射光栅模板的制备，在涂覆有光刻胶8的石英基片7上覆盖一个光掩膜版9，只有出射功能性区域位置透光，透光区域的透过率自上往下线性升高，对应光栅深度线性变化，干涉光1和干涉光2以石英基片法线对称，和法线的夹角为18.6°。

优选的，步骤S3为：首先在光学级聚合物衬底上滴涂作为功能性薄膜的环硫UV固化树脂，将步骤S2制备的模板压到环硫UV固化树脂上，利用滚筒对其施加压力，使环硫UV固化树脂均匀填满模板和聚合物衬底之间，再对环硫UV固化树脂进行固化，均匀曝光，固化后环硫UV固化树脂形成具有纳米衍射光栅的功能性薄膜，最后脱模。

以对应红色光的树脂全息波导镜片单元的制备方法为例，首先制备红色全息镜片模板，如图5所示，绿色和蓝色镜片模板制作过程类似，不再复述。在石英基片7上旋涂正性光刻胶8，光刻胶厚度在100nm到500nm之间，本示例厚度在350nm左右。制备激光波长在193nm到450nm之间，本示例用325nm波长的氦镉激光器为干涉光刻光源，对于耦入功能性区域光栅制作，干涉光1和干涉光2位于石英基片法线同侧，干涉光1和石英基片法线成10°，干涉光2和石英基片法线成49.2°，在涂覆有光刻胶8的石英基片7上覆盖一个光掩膜版9，只有耦入功能性区域位置透光，控制曝光时间。第二次曝光，采用和中继功能性区域形状相同的光掩膜版，但是透光区域的透过率不同，自左往右，透过率线性升高，对应光栅深度线性变化。此时干涉光1和干涉光2以石英基片法线对称，入射方向和法线成26.8°，控制曝光时间。第三次曝光，采用和出射功能区域形状相同的光掩膜版，但是掩膜版透光区域的透过率不同，自上往下，透过率线性升高，对应光栅深度线性变化，光栅深度的线性变化如图6a和图6b所示，其中，图6a表示使用光刻技术在光刻胶8上加工出需要的光栅，然后对应制作出对应的镍模板81，如图6b所示。此时干涉光1和2以石英基片法线对称，和法线的夹角为18.6°。三次曝光程序的曝光量需要进行匹配，曝光量和显影条件需要优化，显影速率和曝光量呈线性关系，显影后，三个功能性区域中的纳米衍射光栅在光刻胶中的深度要比设计深度稍大一些。通过电铸方法，将光刻胶上的图案转移到镍模板81上，如图6a和图6b所示，程序包括，清洗、浸银、镍生长、脱模、清洗。一次生长的镍模板可以直接通过纳米压印制作树脂全息波导镜片，也可以通过翻版，制作多个镍模板81，从而降低成本。图6b所示为镍模板81的结构示意图，光栅形状和图5光刻胶中的光栅形状互补。

图7所示为纳米压印制作树脂全息波导镜片的示意图，本实施案例采用的是平对平的纳米压印方式。首先在环硫树脂(作为聚合物衬底2，即作为波导的树脂本体)上滴涂适量的环硫UV固化树脂21，该树脂有着高折射率的特点，这便于提高整个全息波导镜片的耦合效率，同时便于使得整个视场角内的光线满足全反射条件，环硫树脂基片(聚合物衬底2)的厚度为0.8mm。将图6b中的镍模板81压到涂覆有UV固化树脂21的环硫树脂上，利用滚筒对其施加压力，使UV固化树脂21均匀填满镍模板81和环硫树脂基片之间。光栅槽底部到环硫树脂上表面的距离，成为压印后的残留层厚度，该厚度在本实施案例中为500nm，可根据需要控制在0到20微米之间不为0的任一数值，其厚度通过压印时候UV固化树脂21的涂覆量和施加在镍模板81上的压力大小进行控制。采用紫外LED对其进行固化，均匀曝光，曝光量为120mJ/cm2。由于UV固化树脂21和环硫树脂的结合力较强，和镍模板81的结合力较弱，固化后，可以直接脱模，不会出现UV固化树脂21粘连在镍模板81的现象，镍模板81中的光栅图形被很好的转移到UV固化树脂21上。形成具有纳米衍射光栅的功能性薄膜。

如图8所示，在三个功能性区域的纳米衍射光栅转移到UV固化树脂21上形成功能性薄膜后，在纳米衍射光栅表面制备一层高折射率介质层211，该实施案例采用磁控溅射的工艺，在UV固化树脂21表面溅射了一层50nm的二氧化钛层，用于提高整个镜片的耦合效率。高折射率介质层211不会影响镜片的透过率，同时磁控溅射工艺和卷对卷工艺相适配，有着生产效率高、成本低廉的优点。

图9所示为利用冲压模具83对树脂全息波导镜片一次成型。根据所需镜片形状和尺寸制作冲压模具83，将压印好纳米衍射光栅的环硫树脂2固定在冲床或压力机，利用该冲压模具83对压印好纳米衍射光栅的环硫树脂2施加一定的压力，使环硫树脂材料被切割分离，从而获得符合一定尺寸要求、外观质量的环硫树脂镜片即树脂全息波导镜片单元。常规的玻璃全息波导镜片，虽然有着平整度高的优点，但是每片需要采用常规光学加工方法打磨，因此效率低下、成本较高。利用对冲模具对树脂镜片快速成型，有着生产效率高，产品质量稳定，精度符合要求，材料利用率高的优点。红绿蓝三种树脂全息波导镜片单元都通过上述过程制作，包括光刻胶图形制作，镍模板图形转移，UV纳米压印，高折射率光学层制作，对冲模具成型。在制作好模板后，后续的生产复制操作，包括UV纳米压印、高折射率光学层、对冲模具成型，都适用于卷对卷或卷对平大批量生产。在将光栅结构写入到光刻胶的步骤，可在适当区域加上对位标记，通过复制生产后，每片镜片上存在对位标记，方便后续将分别对应红、绿、蓝三基色光的三片树脂全息波导镜片单元进行对位叠加。如图10所示，利用对位标记将蓝、绿、红三片树脂全息波导镜片单元001、002、003堆叠在一起，从上到下，可以分别为蓝、绿、红树脂全息波导镜片单元001、002、003，树脂全息波导镜片单元00I/002/003之间的距离为0.1mm，也可以根据需要设定为其它间距，蓝、绿、红树脂全息波导镜片单元001、002、003之间通过框封胶胶合在一起，蓝、绿、红树脂全息波导镜片单元001、002、003之间的距离通过框封胶的厚度进行控制。图像光从上方蓝色树脂全息波导镜片单元001(对应于蓝色光的树脂全息波导镜片单元，下边的绿色镜片、红色镜片分别指对应于绿色光和红色光的树脂全息波导镜片单元)的耦入功能性区域导入，蓝色波段的光被耦入到第一片树脂全息波导镜片单元中，由于光栅的波长选择性，其它波长的光在蓝色镜片的耦入功能性区域的衍射效率很低，集中在0级光，继续往下传播。打到绿色树脂全息波导镜片单元002的耦入功能性区，类似的绿色波段的光被耦入到第二片树脂全息波导镜片单元中，剩余红色波段的光继续向下传播，最终被红色树脂全息波导镜片单元003的耦入功能性区耦入到第三片树脂全息波导镜片单元中。为了降低光在不同界面的反射率，从而提高光能利用率，在蓝色树脂全息波导镜片单元001和绿色树脂全息波导镜片单元002以及绿色树脂全息波导镜片单元002和红色树脂全息波导镜片单元003的耦入功能性区位置，增加一个增透层，增透层可以依然选取环硫树脂材料或其它满足要求的材质，厚度可以选择为100微米或其它数值，薄膜上需要进行镀膜，从而达到增透的效果。将蓝、绿、红三片树脂全息波导镜片单元堆叠在一起后，就可以放置于成像光路中，最终实现增强现实三维显示装置。

本发明还提供一种三维显示装置，包括上述树脂全息波导镜片和图像生成装置。图像生成装置与波导镜片如何构建三维显示装置的相关技术方案，在先专利及现有技术已有相关说明，不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制与本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种树脂全息波导镜片，其特征在于，包括一片或多片树脂全息波导镜片单元；

所述树脂全息波导镜片单元包括聚合物衬底和功能性区域，所述功能性区域包括耦入功能性区域、中继功能性区域和出射功能性区域，所述功能性区域内设有纳米衍射光栅；所述纳米衍射光栅的底部到聚合物衬底表面之间的距离大于0；

所述耦入功能性区域、中继功能性区域、出射功能性区域内的纳米衍射光栅分别是将外部光束耦合入树脂全息波导镜片的耦入光栅、改变光束在树脂全息波导镜片内传播方向的中继光栅、将树脂全息波导镜片内传播过来的光束向树脂全息波导镜片外输出的出射光栅；

所述中继光栅为正光栅，光栅深度从左到右线性递增；所述出射光栅为正光栅，光栅深度从上到下线性递增；所述中继光栅的光栅矢量位于耦入光栅矢量和出射光栅矢量的角平分线上；所述耦入光栅光栅矢量和出射光栅光栅矢量夹角在80°到120°之间；

所述功能性区域设于聚合物衬底上；

2.根据权利要求1所述的树脂全息波导镜片，其特征在于，所述纳米衍射光栅表面设有增透膜。

3.根据权利要求1所述的树脂全息波导镜片，其特征在于，所述树脂全息波导镜片为透射式，所述纳米衍射光栅位于耦入面；或者树脂全息波导镜片为反射式，所述纳米衍射光栅位于耦入面的对面；反射式树脂全息波导镜片上设有的纳米衍射光栅的深度等于透射式树脂全息波导镜片上设有的纳米衍射光栅的一半。

4.根据权利要求1所述的树脂全息波导镜片，其特征在于，所述树脂全息波导镜片由两片以上树脂全息波导镜片单元叠加而成；不同树脂全息波导镜片单元上功能性区域内的纳米衍射光栅对应调控不同波长的光信号，即不同树脂全息波导镜片单元上功能性区域内的纳米衍射光栅的周期和排布不同。

5.根据权利要求4所述的树脂全息波导镜片，其特征在于，对应调控蓝光的纳米衍射光栅，耦入光栅的周期在290nm到410nm之间，光栅深度在100nm到500nm之间；中继光栅周期在200nm到290nm之间，光栅深度在30nm到300nm之间；出射光栅周期和耦入光栅周期一致，深度在30nm到300nm之间。

6.根据权利要求4所述的树脂全息波导镜片，其特征在于，对应调控绿光的纳米衍射光栅，耦入光栅的周期在350nm到480nm之间，光栅深度在100nm到600nm之间；中继光栅周期在250nm到335nm之间，光栅深度在30nm到350nm之间；出射光栅周期和耦入光栅周期一致，深度在30nm到400nm之间。

7.根据权利要求4所述的树脂全息波导镜片，其特征在于，对应调制红光的纳米衍射光栅，耦入光栅的周期在415nm到550nm之间，光栅深度在100nm到800nm之间；中继光栅周期在295nm到390nm之间，光栅深度在40nm到400nm之间；出射光栅周期和耦入光栅周期一致，深度在30nm到400nm之间。

8.根据权利要求5所述的树脂全息波导镜片，其特征在于，所述中继光栅采用正光栅，光栅深度自左到右，从30nm到70nm线性递增。

9.根据权利要求5所述的树脂全息波导镜片，其特征在于，所述出射光栅采用正光栅，光栅深度自上到下，从30nm到100nm线性递增。

10.根据权利要求6所述的树脂全息波导镜片，其特征在于，所述中继光栅采用正光栅，光栅深度自左到右，从30nm到90nm线性递增。

11.根据权利要求6所述的树脂全息波导镜片，其特征在于，所述出射光栅采用正光栅，光栅深度自上到下，从30nm到130nm线性递增。

12.根据权利要求7所述的树脂全息波导镜片，其特征在于，所述中继光栅采用正光栅，光栅深度自左到右，从40nm到100nm线性递增。

13.根据权利要求7所述的树脂全息波导镜片，其特征在于，所述出射光栅采用正光栅，光栅深度自上到下，从40nm到150nm线性递增。

14.根据权利要求3到13任一所述的树脂全息波导镜片，其特征在于，耦入光栅为倾斜光栅，倾斜角在5度到50度之间。

15.根据权利要求1到13任一所述的树脂全息波导镜片，其特征在于，所述功能性薄膜为光固化或热固化树脂，其折射率在1.5到1.9之间。

16.根据权利要求4到13任一所述的树脂全息波导镜片，其特征在于，对应不同波长即不同颜色光的树脂全息波导镜片单元之间的间距为5微米到100微米。

17.根据权利要求4到13任一所述的树脂全息波导镜片，其特征在于，所述功能性薄膜中还含有在光子的作用下产生自由基，引发室温低聚物聚合和交联的光敏剂。

18.一种供制备如权利要求1至17中任一项所述的树脂全息波导镜片的方法，其特征在于，

包含以下步骤：

S2：模板制备，利用光刻工艺或机械精密加工制作模板；

S3：首先在环硫树脂衬底上滴涂作为功能性薄膜的环硫UV固化树脂，将步骤S2制备的模板压到环硫UV固化树脂上，利用滚筒对其施加压力，使环硫UV固化树脂均匀填满模板和聚合物衬底之间，再对环硫UV固化树脂进行固化，均匀曝光，固化后环硫UV固化树脂形成具有纳米衍射光栅的功能性薄膜，最后脱模，并利用冲压模具对树脂全息波导镜片一次成型。

19.根据权利要求18所述的供制备树脂全息波导镜片的方法，其特征在于，步骤S2为：在石英基片上旋涂光刻胶，以干涉光1和干涉光2双束干涉光进行光刻。

20.根据权利要求19所述的供制备树脂全息波导镜片的方法，其特征在于，步骤S2中，对应耦入功能性区域、中继功能性区域、出射功能性区域内的纳米衍射光栅模板的制备方法分别如下：

中继功能性区域内的纳米光衍射栅模板的制备，在涂覆有光刻胶的石英基片上覆盖一个光掩膜版，只有中继功能性区域位置透光，透光区域的透过率自左往右升高，对应光栅深度变化，干涉光1和干涉光2以石英基片法线对称，入射方向和法线成26.8°；

出射功能性区域内的纳米衍射光栅模板的制备，在涂覆有光刻胶的石英基片上覆盖一个光掩膜版，只有出射功能性区域位置透光，透光区域的透过率自上往下升高，对应光栅深度变化，干涉光1和干涉光2以石英基片法线对称，和法线的夹角为18.6°。

21.根据权利要求20所述的供制备树脂全息波导镜片的方法，其特征在于，在步骤S3之后还包括步骤S4：在纳米压印后的纳米衍射光栅表面制作高折射率光学薄膜。

22.一种三维显示装置，其特征在于，包括如权利要求1-13任一所述的树脂全息波导镜片，或根据权利要求19-21任一方法制备的树脂全息波导镜片。