一种树脂全息波导镜片及其制备方法、及三维显示装置制造方法及图纸

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种树脂全息波导镜片及其制备方法、及三维显示装置
本专利技术涉及显示设备
，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。
技术介绍
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US6,169,613B1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CN105549150A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US7,751,122B2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US2016/0231568A1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。
技术实现思路
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，本专利技术的技术方案如下：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。本专利技术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。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种树脂全息波导镜片，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种树脂全息波导镜片，其特征在于，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。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。4.根据权利要求3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。5.根据权利要求3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、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。6.根据权利要求5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。7.根据权利要求5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。8.根据权利要求5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。9.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20nm到70nm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。11.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30nm到90nm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。13.根据权利要求8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。14.根据权利要求8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。15.根据权利要求3到14任一所述的树脂全息...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄文彬，陈林森，浦东林，朱鸣，乔文，罗明辉，赵改娜，
申请(专利权)人：苏州苏大维格光电科技股份有限公司，苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32