本發(fā)明涉及顯示設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種樹脂全息波導(dǎo)鏡片及其制備方法、及三維顯示裝置。

背景技術(shù)：

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)，是一種將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術(shù)，是把原本在現(xiàn)實(shí)世界的一定時(shí)間空間范圍內(nèi)很難體驗(yàn)到的實(shí)體信息(視覺信息，聲音，味道，觸覺等)，通過電腦等科學(xué)技術(shù)，模擬仿真后再疊加，從而使人們獲得超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。在虛擬顯示技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用領(lǐng)域，例如尖端武器、飛行器的研制與開發(fā)、數(shù)據(jù)模型的可視化、虛擬訓(xùn)練、娛樂與藝術(shù)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)同樣有巨大的潛力。另外由于AR具有能夠?qū)φ鎸?shí)環(huán)境進(jìn)行增強(qiáng)顯示輸出的特性，在醫(yī)療研究與解剖訓(xùn)練、精密儀器制造和維修、軍用飛機(jī)導(dǎo)航、工程設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程機(jī)器人控制等領(lǐng)域，具有比虛擬顯示技術(shù)VR更加明顯的優(yōu)勢(shì)。

AR技術(shù)以高亮度微型顯示器為圖像源，以透明折返光元件為顯示屏，通過小型化光學(xué)系統(tǒng)將圖像投射到人眼成像。在傳統(tǒng)AR技術(shù)中，使用了多個(gè)復(fù)雜的透鏡組，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整機(jī)重量和體積偏大，裝配準(zhǔn)確度要求苛刻，后期維護(hù)成本高，顯示性能的提升以增大系統(tǒng)體積和系統(tǒng)重量為代價(jià)。波導(dǎo)鏡片是新一代AR顯示的關(guān)鍵核心部件，其將全反射導(dǎo)波原理和衍射/折射元件相結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)、大出瞳圖像輸出的同時(shí)，減小了系統(tǒng)的體積和重量，此外，波導(dǎo)鏡片通過橫向波導(dǎo)導(dǎo)光工作，不會(huì)影響人們?cè)诖怪狈较蛴^察真實(shí)環(huán)境，因此波導(dǎo)鏡片是現(xiàn)今AR技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

美國(guó)專利US 6,169,613 B1公開了一種基于體全息光柵的波導(dǎo)顯示裝置。所描述全息波導(dǎo)包含一個(gè)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和兩個(gè)或三個(gè)體光柵結(jié)構(gòu)。在耦合處通過體光柵或者復(fù)合體光柵將圖像導(dǎo)入到光波導(dǎo)，圖像在波導(dǎo)中傳播，在輸出端通過一個(gè)或者兩個(gè)體光柵將圖像輸出。中國(guó)專利CN 105549150 A在該全息波導(dǎo)的體光柵表面增加了一層金屬光柵，通過等離子振蕩提高TM光的能量利用率。雖然這種全息波導(dǎo)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是波導(dǎo)僅起到導(dǎo)光作用，對(duì)于觀察視場(chǎng)的擴(kuò)大并沒有作用，另外體光柵復(fù)制困難，制作成本較高。

美國(guó)專利US 7,751,122 B2公開了一種適用于AR顯示的波導(dǎo)鏡片結(jié)構(gòu)。所描述波導(dǎo)鏡片包含一個(gè)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和嵌在波導(dǎo)內(nèi)部的多個(gè)半反半透鏡。通過內(nèi)嵌全反棱鏡將圖像耦合到波導(dǎo)內(nèi)，圖像在波導(dǎo)鏡片中傳播中，每遇到一個(gè)半反半透鏡，圖像就會(huì)被耦合輸出一部分，通過調(diào)制不同位置半反半透鏡的反射率，使得出射圖像在整個(gè)觀察范圍內(nèi)強(qiáng)度均勻。該結(jié)構(gòu)主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，首先通過內(nèi)嵌多個(gè)半反半透鏡，對(duì)于輸入圖像尺寸要求放寬，從而獲得較大的視場(chǎng)角，其次，圖像在波導(dǎo)中通過多次耦合輸出，擴(kuò)大了人眼觀察范圍。但是這種波導(dǎo)鏡片中內(nèi)嵌多個(gè)半反半透鏡涉及的制作工藝復(fù)雜，成本很高，主要依賴于傳統(tǒng)光學(xué)加工制作，幾乎不存在大批量復(fù)制生產(chǎn)的可能性，另外內(nèi)嵌有半反半透鏡的鏡片的外觀呈現(xiàn)多個(gè)條狀，影響佩戴者觀察，最后該方案依賴側(cè)面圖像耦合，因此兩側(cè)占據(jù)的空間很大，影響佩戴者的觀察舒適性。

美國(guó)專利US 2016/0231568 A1公開了一種用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的全息波導(dǎo)鏡片，利用特定的光柵對(duì)圖像進(jìn)行耦入和輸出，圖像在波導(dǎo)鏡片中進(jìn)行全反射，每次行進(jìn)到帶有光柵的鏡面表面，便有一部分能量耦合出來，分別利用X和Y方向的光柵對(duì)圖像X和Y方向進(jìn)行擴(kuò)展，從而獲得很大的觀察范圍，由于光柵的波長(zhǎng)選擇特性，紅綠藍(lán)需要用三片全息波導(dǎo)鏡片來實(shí)現(xiàn)。微軟使用的該方案有如下優(yōu)點(diǎn)：首先，亞波長(zhǎng)光柵對(duì)于垂直方向的光沒有調(diào)制作用，因此鏡片有良好的穿透性，不會(huì)影響佩戴者觀察周圍環(huán)境；其次，該鏡片采用中心偏上的圖像耦合方式，不會(huì)影響佩戴者在兩側(cè)的觀察，提高舒適性。然而，為了提高耦入耦合效率及保證整個(gè)圖像在觀察范圍內(nèi)都可被觀察，鏡片需要依賴高折射率玻璃基底制作，這會(huì)帶來鏡片質(zhì)量高、成本高、潛在危險(xiǎn)大等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

國(guó)內(nèi)外還未見有一個(gè)簡(jiǎn)單易行的波導(dǎo)鏡片方案，可兼顧增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示性能(視場(chǎng)角、觀察范圍)和鏡片的廉價(jià)、輕質(zhì)和穩(wěn)定性。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種樹脂全息波導(dǎo)鏡片，包括一片、兩片、三片或三片以上樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元；

所述樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元包括聚合物襯底和功能性區(qū)域，所述功能性區(qū)域內(nèi)設(shè)有納米衍射光柵；所述納米衍射光柵的底部到聚合物襯底表面之間的距離大于0；

所述功能性區(qū)域設(shè)于聚合物襯底上；

或，所述樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元還包括功能性薄膜，所述功能性區(qū)域設(shè)于功能性薄膜上，所述功能性薄膜設(shè)于聚合物襯底上。

本發(fā)明提出一種樹脂型全息波導(dǎo)鏡片，具有良好的圖像耦入和耦出效率，在利用納米衍射光柵保證足夠的視場(chǎng)角和觀察范圍下，有著復(fù)制成本低、保真率高的優(yōu)點(diǎn)，樹脂材質(zhì)制備的樹脂全息波導(dǎo)鏡片可沖壓成型，不需要常規(guī)鏡片的加工過程。

優(yōu)選的，所述納米衍射光柵表面設(shè)有增透膜。

優(yōu)選的，所述功能性區(qū)域包括耦入功能性區(qū)域、中繼功能性區(qū)域和出射功能性區(qū)域中的一種、兩種或三種，所述耦入功能性區(qū)域、中繼功能性區(qū)域和出射功能性區(qū)域內(nèi)設(shè)置的納米衍射光柵分別是將外部光束耦合入樹脂全息波導(dǎo)鏡片的耦入光柵、改變光束在樹脂全息波導(dǎo)鏡片內(nèi)傳播方向的中繼光柵、將樹脂全息波導(dǎo)鏡片內(nèi)傳播過來的光束向樹脂全息波導(dǎo)鏡片外輸出的出射光柵。

優(yōu)選的，所述樹脂全息波導(dǎo)鏡片為投射式，所述納米衍射光柵位于耦入面；或者樹脂全息波導(dǎo)鏡片為反射式，所述納米衍射光柵位于耦入面的對(duì)面；反射式樹脂波導(dǎo)鏡片上設(shè)有的納米衍射光柵的深度等于或接近透射式樹脂全息波導(dǎo)鏡片上設(shè)有的納米衍射光柵的一半。

優(yōu)選的，所述樹脂全息波導(dǎo)鏡片由兩片、三片或三片以上樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元疊加而成；不同樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元上功能性區(qū)域內(nèi)的納米衍射光柵對(duì)應(yīng)調(diào)控不同波長(zhǎng)的光信號(hào)，即不同樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元上功能性區(qū)域內(nèi)的納米衍射光柵的周期和排布不同。

優(yōu)選的，對(duì)應(yīng)調(diào)控藍(lán)光的納米衍射光柵，耦入光柵的周期在290nm到410nm之間，光柵深度在100nm到500nm之間；中繼光柵周期在200nm到290nm之間，光柵深度在30nm到300nm之間；出射光柵周期和耦入光柵周期一致，深度在30nm到300nm之間。

優(yōu)選的，對(duì)應(yīng)調(diào)控綠光的納米衍射光柵，耦入光柵的周期在350nm到480nm之間，光柵深度在100nm到600nm之間；中繼光柵周期在250nm到335nm之間，光柵深度在30nm到350nm之間；出射光柵周期和耦入光柵周期一致，深度在30nm到400nm之間。

優(yōu)選的，對(duì)應(yīng)調(diào)制紅光的納米衍射光柵，耦入光柵的周期在415nm到550nm之間，光柵深度在100nm到800nm之間；中繼光柵周期在295nm到390nm之間，光柵深度在40nm到400nm之間；出射光柵周期和耦入光柵周期一致，深度在30nm到400nm之間。

優(yōu)選的，所述中繼光柵采用正光柵，光柵深度自左到右，從20nm到70nm線性遞增。

優(yōu)選的，所述出射光柵采用正光柵，光柵深度自上到下，從20nm到100nm線性遞增。

優(yōu)選的，所述中繼光柵采用正光柵，光柵深度自左到右，從30nm到90nm線性遞增。

優(yōu)選的，所述出射光柵采用正光柵，光柵深度自上到下，從30nm到130nm線性遞增。

優(yōu)選的，所述中繼光柵采用正光柵，光柵深度自左到右，從40nm到100nm線性遞增。

優(yōu)選的，所述出射光柵采用正光柵，光柵深度自上到下，從40nm到150nm線性遞增。

優(yōu)選的，耦入光柵為傾斜光柵，傾斜角在5度到50度之間。

優(yōu)選的，中繼光柵為正光柵。

優(yōu)選的，出射光柵為正光柵或者傾斜光柵。

優(yōu)選的，耦入光柵光柵矢量和出射光柵光柵矢量夾角在80°到120°之間，中繼光柵的光柵矢量位于耦入光柵矢量和出射光柵矢量的角平分線上。

優(yōu)選的，所述聚合物襯底，為可見光透過率良好的PMMA聚甲基丙烯酸甲酯、PC聚碳酸酯、CR39環(huán)氧樹脂、PS聚苯乙烯、PEN聚萘二甲酸乙二醇酯、或環(huán)硫樹脂，折射率在1.5到1.9之間，厚度在0.3mm到1.5mm。

優(yōu)選的，所述功能性薄膜為光固化或熱固化樹脂，其折射率在1.5到1.9之間。

優(yōu)選的，對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)即不同顏色光的樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元之間的間距為5微米到100微米。

優(yōu)選的，在耦入功能性區(qū)域，設(shè)有提高圖像光在下一層樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元的耦入效率的增透膜。

優(yōu)選的，光固化樹脂為含有雙鍵或者三鍵的環(huán)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樹脂與不飽聚酯、環(huán)硫樹脂，或丙烯酸酯的單官能團(tuán)或多官能團(tuán)單體。

優(yōu)選的，熱固化樹脂為：由含羥基的樹脂或含環(huán)氧的樹脂，和異氰酸酯或氨基樹脂混合反應(yīng)制成的固體樹脂。

優(yōu)選的，所述功能性薄膜中還含有在光子的作用下產(chǎn)生自由基，引發(fā)室溫低聚物聚合和交聯(lián)的光敏劑。

優(yōu)選的，功能性薄膜上的納米衍射光柵的底部和聚合物襯底上表面的距離為0微米到20微米之間不為0的任一值。

本發(fā)明還提供一種供制備樹脂全息波導(dǎo)鏡片的方法，包含以下步驟：

S1：參數(shù)計(jì)算，根據(jù)需要調(diào)控的波長(zhǎng)的光及AR光路成像視場(chǎng)角，確定耦入功能性區(qū)域、中繼功能性區(qū)域、出射功能性區(qū)域內(nèi)的納米衍射光柵的周期、取向、深度分布，及樹脂全息波導(dǎo)鏡片的波導(dǎo)參數(shù)；

S2：模板制備，利用光刻工藝或機(jī)械精密加工制作模板(母版)。根據(jù)需要，可以進(jìn)行一次或者多次轉(zhuǎn)版；

S3：首先在聚合物襯底上涂覆功能性薄膜，通過納米壓印技術(shù)，將耦入功能性區(qū)域、中繼功能性區(qū)域、出射功能性區(qū)域制作到功能性薄膜上。

優(yōu)選的，步驟S2為：在石英基片上旋涂光刻膠，用激光器為干涉光刻光源，以干涉光1和干涉光2雙束干涉光進(jìn)行光刻。

實(shí)際應(yīng)用中，光刻膠厚度可以選擇在100nm到500nm之間，制備激光波長(zhǎng)在193nm到450nm之間，優(yōu)選325nm的氦鎘激光。

其中，對(duì)應(yīng)耦入功能性區(qū)域、中繼功能性區(qū)域、出射功能性區(qū)域內(nèi)的納米衍射光柵模板的制備方法分別如下：

耦入功能性區(qū)域內(nèi)的納米衍射光柵模板的制備，在涂覆有光刻膠的石英基片上覆蓋一個(gè)光掩膜版，只有耦入功能性區(qū)域位置透光，干涉光1和干涉光2位于石英基片法線同側(cè)，干涉光1和石英基片法線成10°，干涉光2和石英基片法線成49.2°；

中繼功能性區(qū)域內(nèi)的納米光衍射柵模板的制備，在涂覆有光刻膠的石英基片上覆蓋一個(gè)光掩膜版，只有中繼功能性區(qū)域位置透光，透光區(qū)域的透過率自左往右線性升高，對(duì)應(yīng)光柵深度線性變化，干涉光1和干涉光2以石英基片法線對(duì)稱，入射方向和法線成26.8°；

出射功能性區(qū)域內(nèi)的納米衍射光柵模板的制備，在涂覆有光刻膠的石英基片上覆蓋一個(gè)光掩膜版，只有出射功能性區(qū)域位置透光，透光區(qū)域的透過率自上往下線性升高，對(duì)應(yīng)光柵深度線性變化，干涉光1和干涉光2以石英基片法線對(duì)稱，和法線的夾角為18.6°。

優(yōu)選的，步驟S3為：首先在環(huán)硫樹脂襯底上滴涂作為功能性薄膜的環(huán)硫環(huán)硫UV固化樹脂，將步驟S2制備的模板壓到環(huán)硫UV固化樹脂上，利用滾筒對(duì)其施加壓力，使環(huán)硫UV固化樹脂均勻填滿模板和聚合物襯底之間，再對(duì)環(huán)硫UV固化樹脂進(jìn)行固化，均勻曝光，固化后環(huán)硫UV固化樹脂形成具有納米衍射光柵的功能性薄膜，最后脫模。

根據(jù)需要，也可采用熱納米壓印利用模板直接在聚合物襯底上制作各功能性區(qū)域及其區(qū)域內(nèi)的納米衍射光柵。包括上述采用UV納米壓印在可固化聚合物上制作，壓印過程方式包括平對(duì)平壓印，卷對(duì)卷壓印和卷對(duì)平壓印，以提高生產(chǎn)效率。UV上膠方式包括點(diǎn)膠、絲網(wǎng)印刷(根據(jù)鏡片形狀印刷)。模板可以放置在樹脂襯底的上方或者下方。

優(yōu)選的，在步驟S3之后還包括步驟S4：在納米壓印后的納米衍射光柵表面制作高折射率光學(xué)薄膜。

優(yōu)選的，在步驟S4之后還包括步驟S5：將壓印有納米衍射光柵的聚合物襯底沖壓成樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元。

優(yōu)選的，在步驟S5之后還包括步驟S6：將分別對(duì)應(yīng)于不同基色的樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元對(duì)位疊加成一片樹脂全息波導(dǎo)鏡片。

優(yōu)選的，在S1中，樹脂全息波導(dǎo)鏡片的波導(dǎo)參數(shù)包括聚合物襯底折射率n1和厚度d，功能性薄膜的折射率n2以及納米衍射光柵底部到聚合物襯底上表面的距離h。

S2中，光刻工藝包括電子束光刻，干涉光刻，深(極)紫外光刻，(深)紫外像素干涉直寫等常用制作亞波長(zhǎng)光柵的技術(shù)。也可用機(jī)械精密加工方案，例如金剛石切削、刻劃等技術(shù)，材料可以是光刻膠，也可以是PMMA，PS等有機(jī)材料，也可以在石英等無機(jī)襯底直接操作，或者在鎳等金屬襯底直接獲得。

S2中，轉(zhuǎn)版方式包括微電鑄、柔性轉(zhuǎn)移、納米壓印，也可以包括反應(yīng)離子蝕刻、感應(yīng)離子蝕刻等刻蝕技術(shù)。

S2中，用于模具制作的轉(zhuǎn)版材料可為PET、PC、PDMS有機(jī)材料，或石英、硅片無機(jī)材料，也可以選取鎳等金屬材料。

S2中，鏡片的三個(gè)光柵功能區(qū)域可以通過同一種工藝獲得，也可以利用不同工藝獲得。如果是前者，轉(zhuǎn)版時(shí)候可以一次成型；如果是后者，則需要將不同方法制備的不同結(jié)構(gòu)深度和形狀的功能區(qū)的光柵組合在同一片模具上。

S3中，可采用熱納米壓印直接在聚合物襯底上制作，也可采用UV納米壓印在可固化聚合物上制作，壓印過程方式包括平對(duì)平壓印，卷對(duì)卷壓印和卷對(duì)平壓印，以提高生產(chǎn)效率。UV上膠方式包括點(diǎn)膠、絲網(wǎng)印刷(根據(jù)鏡片形狀印刷)。模具可以放置在樹脂襯底的上方或者下方。

S4中，高折射率光學(xué)膜，可以采用磁控濺射，化學(xué)氣相沉積，熱蒸發(fā)等方式制備。

S5中，根據(jù)所需鏡片的形狀對(duì)樹脂鏡片進(jìn)行沖壓成型。多片樹脂鏡片疊加，需要進(jìn)行對(duì)位校準(zhǔn)。鏡片之間的間距可以用透過率高的有機(jī)或者無機(jī)薄膜控制，進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇性增透，提高耦入效率，采用框封膠進(jìn)行封裝。

本發(fā)明還提供一種三維顯示裝置，包括上述樹脂全息波導(dǎo)鏡片和圖像生成裝置。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1顯示了本發(fā)明的樹脂全息波導(dǎo)鏡片用于增強(qiáng)顯示裝置的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施案例的基本結(jié)構(gòu)；

圖2a和圖2b是結(jié)構(gòu)尺度在納米級(jí)別的衍射光柵在XY平面和XZ平面下的結(jié)構(gòu)圖；

圖2c1是耦入功能性區(qū)域的納米衍射光柵的周期、寬度、高度及傾斜角示意圖；

圖2c2是耦入功能性區(qū)域直接加工于聚合物襯底上的示意圖；

圖2c3是耦入功能性區(qū)域加工于功能性薄膜上的示意圖；

圖2d1是中繼、出射功能性區(qū)域的納米衍射光柵的周期、寬度、高度示意圖；

圖2d2是中繼、出射功能性區(qū)域直接加工于聚合物襯底上的示意圖；

圖2d3是中繼、出射功能性區(qū)域加工于功能性薄膜上的示意圖；

圖3為同時(shí)設(shè)有耦入功能區(qū)、中繼功能區(qū)和出射功能區(qū)的樹脂全息波導(dǎo)鏡片的示意圖；

圖4所示為用樹脂全息波導(dǎo)鏡片構(gòu)建三維顯示裝置的工作示意圖；

圖5為以對(duì)應(yīng)紅色光的紅色全息鏡片模板制作方法的示意圖；

圖6a為光刻加工的納米衍射光柵模板的示意圖，圖6b所示為鎳模板結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7所示為納米壓印制作樹脂全息波導(dǎo)鏡片的示意圖；

圖8為在納米衍射光柵表面鍍高折射率介質(zhì)膜的示意圖；

圖9所示為利用沖壓磨具對(duì)樹脂全息波導(dǎo)鏡片一次成型的示意圖；

圖10為由對(duì)應(yīng)紅綠藍(lán)三基色光的三片樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元堆疊形成彩色顯色的樹脂全息波導(dǎo)鏡片的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

一種樹脂全息波導(dǎo)鏡片，包括一片、兩片、三片或三片以上樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元；

所述樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元包括聚合物襯底和功能性區(qū)域，所述功能性區(qū)域內(nèi)設(shè)有納米衍射光柵；所述納米衍射光柵的底部到聚合物襯底表面之間的距離大于0；

所述功能性區(qū)域設(shè)于聚合物襯底上；

或，所述樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元還包括功能性薄膜，所述功能性區(qū)域設(shè)于功能性薄膜上，所述功能性薄膜設(shè)于聚合物襯底上。

本發(fā)明提出一種樹脂型全息波導(dǎo)鏡片，具有良好的圖像耦入和耦出效率，在利用納米衍射光柵保證足夠的視場(chǎng)角和觀察范圍下，有著復(fù)制成本低、保真率高的優(yōu)點(diǎn)，樹脂材質(zhì)制備的樹脂全息波導(dǎo)鏡片可沖壓成型，不需要常規(guī)鏡片的加工過程。

優(yōu)選的，所述納米衍射光柵表面設(shè)有增透膜。

圖1顯示了本發(fā)明的樹脂全息波導(dǎo)鏡片用于增強(qiáng)顯示裝置的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施案例的基本結(jié)構(gòu)。該裝置包括微型圖像源、投影光學(xué)系統(tǒng)、樹脂全息波導(dǎo)鏡片。圖像源發(fā)出的光線，經(jīng)過投影光學(xué)系統(tǒng)后，從樹脂全息波導(dǎo)鏡片的耦入功能性區(qū)域耦合進(jìn)樹脂材質(zhì)制備的波導(dǎo)(聚合物襯底)。經(jīng)過衍射后，擴(kuò)散到中繼功能性區(qū)域，光線傳播角度滿足全反射條件，每次光線和光柵表面作用，就有部分能量被衍射，剩余能量繼續(xù)傳播。經(jīng)過中繼功能性區(qū)域后，圖像在x方向被拉寬，同時(shí)傳播方向改變，被耦合到出射功能性區(qū)域，繼續(xù)滿足波導(dǎo)全反射條件，類似的，每次光線和光柵表面作用，就有部分光能量被衍射出射，圖像在Y方向被拉寬。經(jīng)過出射功能性區(qū)域的納米衍射光柵后，圖像被耦合輸出至觀察者的眼鏡中，并且由于圖像在XY兩個(gè)方向被拉寬，人眼在一個(gè)較大的區(qū)域內(nèi)都可看見整個(gè)圖像，提高裝置的使用舒適性和適用人群范圍。

本發(fā)明采用基于物理光學(xué)和衍射光學(xué)原理，樹脂全息波導(dǎo)鏡片由兩部分組成，一部分是樹脂材質(zhì)制備的光波導(dǎo)即聚合物襯底，另外一部分是功能性薄膜和設(shè)于功能性薄膜上的納米衍射光柵，用于光路折疊和成像。單個(gè)納米結(jié)構(gòu)光柵與光相互作用，改變其相位。參見圖2a和圖2b，圖2a和圖2b是結(jié)構(gòu)尺度在納米級(jí)別的衍射光柵在XY平面和XZ平面下的結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)光柵方程，衍射光柵像素的周期、取向角滿足以下關(guān)系：

(1)tanφ₁＝sinφ/(cosφ-n sinθ(Λ/λ))

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

其中，光線(在三維顯示裝置中，光線是指來自于圖像生成裝置如微型投影裝置生成的圖像信息光束)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(衍射光線與z軸正方向夾角)和衍射光的方位角(衍射光線與x軸正方向夾角)，θ和λ依次表示光源201的入射角(入射光線與z軸正方向夾角)和波長(zhǎng)，Λ和φ依次表示納米衍射光柵101的周期和取向角(槽型方向與y軸正方向夾角)，n表示光波在介質(zhì)中的折射率。換言之，在規(guī)定好入射光線波長(zhǎng)、入射角以及衍射光線衍射角和衍射方位角之后，就可以通過上述兩個(gè)公式計(jì)算出所需的納米光柵的周期(空頻)和取向角。如，650nm波長(zhǎng)紅光以60°角在波導(dǎo)中入射，光的衍射角為10°、衍射方位角為45°，對(duì)應(yīng)的納米衍射光柵周期為550nm，取向角為-5.96°。

優(yōu)選的，所述功能性區(qū)域包括耦入功能性區(qū)域、中繼功能性區(qū)域和出射功能性區(qū)域中的一種、兩種或三種，所述耦入功能性區(qū)域、中繼功能性區(qū)域和出射功能性區(qū)域內(nèi)設(shè)置的納米衍射光柵分別是將外部光束耦合入樹脂全息波導(dǎo)鏡片的耦入光柵、改變光束在樹脂全息波導(dǎo)鏡片內(nèi)傳播方向的中繼光柵、將樹脂全息波導(dǎo)鏡片內(nèi)傳播過來的光束向樹脂全息波導(dǎo)鏡片外輸出的出射光柵。

圖2c1是耦入功能性區(qū)域的納米衍射光柵的周期A、寬度W、高度h及傾斜角α示意圖。如果采用正光柵，則α為90°。

圖2c2是耦入功能性區(qū)域201直接加工于聚合物襯底2上的示意圖。

圖2c3是耦入功能性區(qū)域201加工于功能性薄膜21(標(biāo)號(hào)在一些實(shí)施例中，功能性薄膜的材質(zhì)采用UV固化樹脂，在本文中，也采用標(biāo)號(hào)21)上的示意圖。納米衍射光柵底部到聚合物襯底2上表面的距離為d。

圖2d1是中繼、出射功能性區(qū)域的納米衍射光柵的周期A、寬度W、高度h示意圖。

圖2d2是中繼、出射功能性區(qū)域直接加工于聚合物襯底上的示意圖。

圖2d3是中繼、出射功能性區(qū)域加工于功能性薄膜21上的示意圖；納米衍射光柵底部到聚合物襯底2上表面的距離為d。

在一些實(shí)施例中，如圖3所示，為同時(shí)設(shè)有耦入功能區(qū)、中繼功能區(qū)和出射功能區(qū)的樹脂全息波導(dǎo)鏡片的示意圖，耦入功能性區(qū)域201設(shè)置為設(shè)有納米衍射光柵的接近正方形的矩形(可根據(jù)需要設(shè)置為正方形)，將外部光線耦合到樹脂材質(zhì)制備的光波導(dǎo)2(即聚合物襯底，或可稱為樹脂本體)內(nèi)，耦入功能性區(qū)域根據(jù)出瞳尺寸設(shè)置尺寸，如尺寸可為4mmX4mm，在本實(shí)施例中，納米衍射光柵的溝槽方向平行于y軸，從而使耦合如光波導(dǎo)2中的光線向X方向傳導(dǎo)。中繼功能性區(qū)域202在本示例中為一設(shè)有納米衍射光柵的長(zhǎng)方形光柵，其功能是將由耦入功能性區(qū)域傳導(dǎo)過來的光線由X方向向Y方向傳導(dǎo)，其尺寸根據(jù)需要設(shè)定，在本示例中尺寸為4mmX3cm，其納米衍射光柵的槽和X軸成45度角。出射功能性區(qū)域203為設(shè)有納米衍射光柵的大矩形(尺寸相對(duì)于耦入功能區(qū)而言，也可以是正方形)，其作用是將有中繼功能性區(qū)域202傳導(dǎo)過來的光線輸出到光波導(dǎo)1外部的空間，并且垂直耦合輸出至人眼1中，其尺寸根據(jù)需要設(shè)定，本示例中尺寸為1.5cmX3cm。

三個(gè)功能性區(qū)域之間的距離根據(jù)需要設(shè)定，在圖3的示例中，耦入功能性區(qū)域201和中繼功能性區(qū)域202的距離為1.5mm，之間功能性區(qū)域202和出射功能性區(qū)域203的距離為7mm。

在構(gòu)建一套增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)三維顯示裝置時(shí)，一般會(huì)包含兩套上述樹脂全息波導(dǎo)鏡片，分別對(duì)應(yīng)左右眼顯示。

在一些實(shí)施例中，為了實(shí)現(xiàn)彩色顯示，每套樹脂全息波導(dǎo)鏡片由三片樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元組成，三片樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元分別對(duì)應(yīng)紅綠藍(lán)三種顏色(針對(duì)三基色彩色系統(tǒng)，根據(jù)需要，如四基色系統(tǒng)，則可以采用四片樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元來分別對(duì)應(yīng)各基色)，對(duì)應(yīng)30度的視場(chǎng)角。

在本示例中，對(duì)于紅色的全息鏡片，耦入功能性區(qū)域納米衍射光柵周期為510nm，采用斜光柵，納米衍射光柵傾斜角可為28度，納米衍射光柵深度可為300nm。中繼功能性區(qū)域納米衍射光柵周期為360nm，采用正光柵，光柵深度自左到右，從40nm到100nm線性遞增。出射功能性區(qū)域納米衍射光柵周期為510nm，采用正光柵，光柵深度自上到下，從40nm到150nm線性遞增。對(duì)于綠色全息鏡片，耦入功能性區(qū)域納米衍射光柵周期為440nm，采用斜光柵，光柵傾斜角為23度，光柵深度為250nm。中繼功能性區(qū)域納米衍射光柵周期為310nm，采用正光柵，光柵深度自左到右，從30nm到90nm線性遞增。出射功能性區(qū)域納米衍射光柵周期為440nm，采用正光柵，光柵深度自上到下，從30nm到130nm線性遞增。對(duì)于藍(lán)色全息鏡片，耦入功能性區(qū)域納米衍射光柵周期為370nm，采用斜光柵，光柵傾斜角為18度，光柵深度為200nm。中繼功能性區(qū)域納米壓縮光柵周期為260nm，采用正光柵，光柵深度自左到右，從20nm到70nm線性遞增。出射功能性區(qū)域納米衍射光柵周期為370nm，正光柵，光柵深度自上到下，從20nm到100nm線性遞增。

單個(gè)樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元的聚合物襯底可以采用環(huán)硫樹脂，厚度根據(jù)需要設(shè)定，如可為0.3mm到1.5mm之間(含端值)的任一值，如0.8mm，納米衍射光柵槽的下表面和聚合物襯底上表面的距離可為0微米到20微米之間不為0的任一值，如500nm。

圖4所示為用樹脂全息波導(dǎo)鏡片構(gòu)建三維顯示裝置的工作示意圖，圖像源101(圖像生成裝置)上的一個(gè)發(fā)光點(diǎn)，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)102(透鏡裝置)后，被準(zhǔn)直為平行光，入射到耦入功能性區(qū)域201的納米衍射光柵上，發(fā)生衍射，正一級(jí)透射衍射光滿足波導(dǎo)全反射條件，在光波導(dǎo)2內(nèi)傳播。由于采用了傾斜光柵，對(duì)稱的負(fù)一級(jí)衍射光強(qiáng)度很弱，絕大部分能量被衍射到透射正一級(jí)。因此在相應(yīng)波長(zhǎng)位置，耦入功能性區(qū)域納米衍射光柵的耦入效率可達(dá)80％。正一級(jí)衍射光被耦合入光波導(dǎo)2后，在光波導(dǎo)2內(nèi)以全反射形式傳播，首先和中繼功能性區(qū)域202發(fā)生作用，傳播面由XZ面易變?yōu)閅Z面，圖像在X方向被拉寬。傳播角度不變，仍然滿足全反射條件，繼續(xù)在光波導(dǎo)2中以全反射形式傳播，和出射功能性區(qū)域203的納米衍射光柵發(fā)生作用，圖像信息通過反射衍射被耦合出光波導(dǎo)2，在Y方向被拉寬，人眼在1.5cm乘上3cm的范圍內(nèi)，都能看到圖像，提高了觀察舒適性以及增大了適用人群范圍。由于中繼功能性區(qū)域202和出射功能性區(qū)域203的納米衍射光柵深度隨空間進(jìn)行了漸變分布，在整個(gè)觀察范圍內(nèi)，經(jīng)過樹脂全息波導(dǎo)鏡片出射的圖像強(qiáng)度均勻。

在一些實(shí)施例中，所述樹脂全息波導(dǎo)鏡片可選擇投射式，所述納米衍射光柵和功能性薄膜位于耦入面；或者樹脂全息波導(dǎo)鏡片選擇反射式，所述納米衍射光柵和功能性薄膜位于耦入面的對(duì)面；反射式樹脂波導(dǎo)鏡片上設(shè)有的納米衍射光柵的深度等于或接近透射式樹脂全息波導(dǎo)鏡片上設(shè)有的納米衍射光柵的一半。

在實(shí)際應(yīng)用中，樹脂全息波導(dǎo)鏡片既可以采用單片樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元組成，用于構(gòu)建需要的三維顯示裝置或作為光學(xué)部件生產(chǎn)、銷售及應(yīng)用于產(chǎn)品的構(gòu)建中，所述樹脂全息波導(dǎo)鏡片也可以由兩片、三片或三片以上樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元疊加而成；不同樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元上功能性區(qū)域內(nèi)的納米衍射光柵對(duì)應(yīng)調(diào)控不同波長(zhǎng)的光信號(hào)，即不同樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元上功能性區(qū)域內(nèi)的納米衍射光柵的周期和排布不同。由此可以方便的實(shí)現(xiàn)彩色顯示。

例如，在三基色彩色顯示系統(tǒng)中，對(duì)應(yīng)調(diào)控藍(lán)光的樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元上的納米衍射光柵，耦入光柵的周期在290nm到410nm之間，光柵深度在100nm到500nm之間；中繼光柵周期在200nm到290nm之間，光柵深度在30nm到300nm之間；出射光柵周期和耦入光柵周期一致，深度在30nm到300nm之間。

優(yōu)選的，所述中繼光柵采用正光柵，光柵深度自左到右，從20nm到70nm線性遞增。

優(yōu)選的，所述出射光柵采用正光柵，光柵深度自上到下，從20nm到100nm線性遞增。

對(duì)應(yīng)調(diào)控綠光的樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元上的納米衍射光柵，耦入光柵的周期在350nm到480nm之間，光柵深度在100nm到600nm之間；中繼光柵周期在250nm到335nm之間，光柵深度在30nm到350nm之間；出射光柵周期和耦入光柵周期一致，深度在30nm到400nm之間。

優(yōu)選的，所述中繼光柵采用正光柵，光柵深度自左到右，從30nm到90hm線性遞增。

優(yōu)選的，所述出射光柵采用正光柵，光柵深度自上到下，從30nm到130nm線性遞增。

對(duì)應(yīng)調(diào)制紅光的樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元上的功能性光柵，耦入光柵的周期在415nm到550nm之間，光柵深度在100nm到800nm之間；中繼光柵周期在295nm到390nm之間，光柵深度在40nm到400nm之間；出射光柵周期和耦入光柵周期一致，深度在30nm到400nm之間。

優(yōu)選的，所述中繼光柵采用正光柵，光柵深度自左到右，從40nm到100nm線性遞增。

優(yōu)選的，所述出射光柵采用正光柵，光柵深度自上到下，從40nm到150nm線性遞增。

其中，上述對(duì)應(yīng)各基色的樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元上的耦入光柵為傾斜光柵，傾斜角在5度到50度之間。用以提高光線的耦入效率。

其中，出射光柵可以選擇正光柵也可以選擇傾斜光柵。

其中，中繼光柵和出射光柵的深度，隨空間變化根據(jù)每次全反射耦入光強(qiáng)，進(jìn)行線性漸增分布，從而實(shí)現(xiàn)均勻出光。

上述參數(shù)的選擇，前述示例給出了一個(gè)具體的參數(shù)組合，在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)實(shí)際需要，在上述范圍進(jìn)行匹配和選擇。

在實(shí)際應(yīng)用中，所述聚合物襯底，可采用可見光透過率良好的PMMA聚甲基丙烯酸甲酯、PC聚碳酸酯、CR39環(huán)氧樹脂、PS聚苯乙烯、PEN聚萘二甲酸乙二醇酯、或環(huán)硫樹脂，折射率在1.5到1.9之間，優(yōu)選折射率等于大于1.7的材質(zhì)，厚度在0.3mm到1.5mm之間選擇。

優(yōu)選的，所述功能性薄膜為光固化或熱固化樹脂，其折射率在1.5到1.9之間。

優(yōu)選的，對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)即不同顏色光的樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元之間的間距為5微米到100微米。

優(yōu)選的，在耦入功能性區(qū)域，設(shè)有提高圖像光在下一層樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元的耦入效率的增透膜。

優(yōu)選的，光固化樹脂為含有雙鍵或者三鍵的環(huán)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樹脂與不飽聚酯、環(huán)硫樹脂，或丙烯酸酯的單官能團(tuán)或多官能團(tuán)單體。

優(yōu)選的，熱固化樹脂為：由含羥基的樹脂或含環(huán)氧的樹脂，和異氰酸酯或氨基樹脂混合反應(yīng)制成的固體樹脂。

優(yōu)選的，所述功能性薄膜中還含有在光子的作用下產(chǎn)生自由基，引發(fā)室溫低聚物聚合和交聯(lián)的光敏劑。

優(yōu)選的，功能性薄膜上的納米衍射光柵的底部和聚合物襯底上表面的距離在0微米到20微米之間不為0的任一數(shù)值。

本發(fā)明還提供本發(fā)明還提供一種供制備樹脂全息波導(dǎo)鏡片的方法，包含以下步驟：

S1：參數(shù)計(jì)算，根據(jù)需要調(diào)控的波長(zhǎng)的光及AR光路成像視場(chǎng)角，確定耦入功能性區(qū)域、中繼功能性區(qū)域、出射功能性區(qū)域內(nèi)的納米衍射光柵的周期、取向、深度分布，及樹脂全息波導(dǎo)鏡片的波導(dǎo)參數(shù)；

S2：模板制備，利用光刻工藝制作母版，并進(jìn)行一次或者多次轉(zhuǎn)版；

S3：首先在聚合物襯底上涂覆功能性薄膜，通過納米壓印技術(shù)，將耦入功能性區(qū)域、中繼功能性區(qū)域、出射功能性區(qū)域制作到功能性薄膜上。

優(yōu)選的，如圖5所示，步驟S2為：在石英基片7上旋涂正性光刻膠8，厚度在350nm，用325nm波長(zhǎng)的氦鎘激光器為干涉光刻光源，以干涉光1和干涉光2雙束干涉光進(jìn)行光刻；

其中，耦入功能性區(qū)域內(nèi)的納米衍射光柵模板的制備，在涂覆有光刻膠的石英基片上覆蓋一個(gè)光掩膜版9，只有耦入功能性區(qū)域位置透光，干涉光1和干涉光2位于石英基片法線同側(cè)，干涉光1和石英基片法線成10°，干涉光2和石英基片法線成49.2°；

中繼功能性區(qū)域內(nèi)的納米光衍射柵模板的制備，在涂覆有光刻膠8的石英基片7上覆蓋一個(gè)光掩膜版9，只有中繼功能性區(qū)域位置透光，透光區(qū)域的透過率自左往右線性升高，對(duì)應(yīng)光柵深度線性變化，干涉光1和干涉光2以石英基片法線對(duì)稱，入射方向和法線成26.8°；

出射功能性區(qū)域內(nèi)的納米衍射光柵模板的制備，在涂覆有光刻膠8的石英基片7上覆蓋一個(gè)光掩膜版9，只有出射功能性區(qū)域位置透光，透光區(qū)域的透過率自上往下線性升高，對(duì)應(yīng)光柵深度線性變化，干涉光1和干涉光2以石英基片法線對(duì)稱，和法線的夾角為18.6°。

優(yōu)選的，步驟S3為：首先在光學(xué)級(jí)聚合物襯底上滴涂作為功能性薄膜的環(huán)硫UV固化樹脂，將步驟S2制備的模板壓到環(huán)硫UV固化樹脂上，利用滾筒對(duì)其施加壓力，使環(huán)硫UV固化樹脂均勻填滿模板和聚合物襯底之間，再對(duì)環(huán)硫UV固化樹脂進(jìn)行固化，均勻曝光，固化后環(huán)硫UV固化樹脂形成具有納米衍射光柵的功能性薄膜，最后脫模。

優(yōu)選的，在步驟S3之后還包括步驟S4：在納米壓印后的納米衍射光柵表面制作高折射率光學(xué)薄膜。

優(yōu)選的，在步驟S4之后還包括步驟S5：將壓印有納米衍射光柵的聚合物襯底沖壓成樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元。

優(yōu)選的，在步驟S5之后還包括步驟S6：將分別對(duì)應(yīng)于不同基色的樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元對(duì)位疊加成一片樹脂全息波導(dǎo)鏡片。

優(yōu)選的，在S1中，樹脂全息波導(dǎo)鏡片的波導(dǎo)參數(shù)包括聚合物襯底折射率n1和厚度d，功能性薄膜的折射率n2以及納米衍射光柵底部到聚合物襯底上表面的距離h。

S2中，光刻工藝包括電子束光刻，干涉光刻，深(極)紫外光刻，(深)紫外像素干涉直寫等常用制作亞波長(zhǎng)光柵的技術(shù)。也可用機(jī)械精密加工方案，例如金剛石切削、刻劃等技術(shù)，材料可以是光刻膠，也可以是PMMA，PS等有機(jī)材料，也可以在石英等無機(jī)襯底直接操作，或者在鎳等金屬襯底直接獲得。

S2中，轉(zhuǎn)版方式包括微電鑄、柔性轉(zhuǎn)移、納米壓印，也可以包括反應(yīng)離子蝕刻、感應(yīng)離子蝕刻等刻蝕技術(shù)。

S2中，用于模具制作的轉(zhuǎn)版材料可為PET、PC、PDMS有機(jī)材料，或石英、硅片無機(jī)材料，也可以選取鎳等金屬材料。

S2中，鏡片的三個(gè)光柵功能區(qū)域可以通過同一種工藝獲得，也可以利用不同工藝獲得。如果是前者，轉(zhuǎn)版時(shí)候可以一次成型；如果是后者，則需要將不同方法制備的不同結(jié)構(gòu)深度和形狀的功能區(qū)的光柵組合在同一片模具上。

S3中，可采用熱納米壓印直接在聚合物襯底上制作，也可采用UV納米壓印在可固化聚合物上制作，壓印過程方式包括平對(duì)平壓印，卷對(duì)卷壓印和卷對(duì)平壓印，以提高生產(chǎn)效率。UV上膠方式包括點(diǎn)膠、絲網(wǎng)印刷(根據(jù)鏡片形狀印刷)。模具可以放置在樹脂襯底的上方或者下方。

S4中，高折射率光學(xué)膜，可以采用磁控濺射，化學(xué)氣相沉積，熱蒸發(fā)等方式制備。

S5中，根據(jù)所需鏡片的形狀對(duì)樹脂鏡片進(jìn)行沖壓成型。多片樹脂鏡片疊加，需要進(jìn)行對(duì)位校準(zhǔn)。鏡片之間的間距可以用透過率高的有機(jī)或者無機(jī)薄膜控制，進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇性增透，提高耦入效率，采用框封膠進(jìn)行封裝。

以對(duì)應(yīng)紅色光的樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元的制備方法為例，首先制備紅色全息鏡片模板，如圖5所示，綠色和藍(lán)色鏡片模板制作過程類似，不再?gòu)?fù)述。在石英基片7上旋涂正性光刻膠8，光刻膠厚度在100nm到500nm之間，本示例厚度在350nm左右。制備激光波長(zhǎng)在193nm到450nm之間，本示例用325nm波長(zhǎng)的氦鎘激光器為干涉光刻光源，對(duì)于耦入功能性區(qū)域光柵制作，干涉光1和干涉光2位于石英基片法線同側(cè)，干涉光1和石英基片法線成10°，干涉光2和石英基片法線成49.2°，在涂覆有光刻膠8的石英基片7上覆蓋一個(gè)光掩膜版9，只有耦入功能性區(qū)域位置透光，控制曝光時(shí)間。第二次曝光，采用和中繼功能性區(qū)域形狀相同的光掩膜版，但是透光區(qū)域的透過率不同，自左往右，透過率線性升高，對(duì)應(yīng)光柵深度線性變化。此時(shí)干涉光1和干涉光2以石英基片法線對(duì)稱，入射方向和法線成26.8°，控制曝光時(shí)間。第三次曝光，采用和出射功能區(qū)域形狀相同的光掩膜版，但是掩膜版透光區(qū)域的透過率不同，自上往下，透過率線性升高，對(duì)應(yīng)光柵深度線性變化，光柵深度的線性變化如圖6a和圖6b所示，其中，圖6a表示使用光刻技術(shù)在光刻膠8上加工出需要的光柵，然后對(duì)應(yīng)制作出對(duì)應(yīng)的鎳模板81，如圖6b所示。此時(shí)干涉光1和2以石英基片法線對(duì)稱，和法線的夾角為18.6°。三次曝光程序的曝光量需要進(jìn)行匹配，曝光量和顯影條件需要優(yōu)化，顯影速率和曝光量呈線性關(guān)系，顯影后，三個(gè)功能性區(qū)域中的納米衍射光柵在光刻膠中的深度要比設(shè)計(jì)深度稍大一些。通過電鑄方法，將光刻膠上的圖案轉(zhuǎn)移到鎳模板81上，如圖6a和圖6b所示，程序包括，清洗、浸銀、鎳生長(zhǎng)、脫模、清洗。一次生長(zhǎng)的鎳模板可以直接通過納米壓印制作樹脂全息波導(dǎo)鏡片，也可以通過翻版，制作多個(gè)鎳模板81，從而降低成本。圖6b所示為鎳模板81的結(jié)構(gòu)示意圖，光柵形狀和圖5光刻膠中的光柵形狀互補(bǔ)。

圖7所示為納米壓印制作樹脂全息波導(dǎo)鏡片的示意圖，本實(shí)施案例采用的是平對(duì)平的納米壓印方式。首先在環(huán)硫樹脂(作為聚合物襯底2，即作為波導(dǎo)的樹脂本體)上滴涂適量的環(huán)硫UV固化樹脂21，該樹脂有著高折射率的特點(diǎn)，這便于提高整個(gè)全息波導(dǎo)鏡片的耦合效率，同時(shí)便于使得整個(gè)視場(chǎng)角內(nèi)的光線滿足全反射條件，環(huán)硫樹脂基片(聚合物襯底2)的厚度為0.8mm。將圖6b中的鎳模板81壓到涂覆有UV固化樹脂21的環(huán)硫樹脂上，利用滾筒對(duì)其施加壓力，使UV固化樹脂21均勻填滿鎳模板81和環(huán)硫樹脂基片之間。光柵槽底部到環(huán)硫樹脂上表面的距離，成為壓印后的殘留層厚度，該厚度在本實(shí)施案例中為500nm，可根據(jù)需要控制在0到20微米之間不為0的任一數(shù)值，其厚度通過壓印時(shí)候UV固化樹脂21的涂覆量和施加在鎳模板81上的壓力大小進(jìn)行控制。采用紫外LED對(duì)其進(jìn)行固化，均勻曝光，曝光量為120mJ/cm2。由于UV固化樹脂21和環(huán)硫樹脂的結(jié)合力較強(qiáng)，和鎳模板81的結(jié)合力較弱，固化后，可以直接脫模，不會(huì)出現(xiàn)UV固化樹脂21粘連在鎳模板81的現(xiàn)象，鎳模板81中的光柵圖形被很好的轉(zhuǎn)移到UV固化樹脂21上。形成具有納米衍射光柵的功能性薄膜。

如圖8所示，在三個(gè)功能性區(qū)域的納米衍射光柵轉(zhuǎn)移到UV固化樹脂21上形成功能性薄膜后，在納米衍射光柵表面制備一層高折射率介質(zhì)層211，該實(shí)施案例采用磁控濺射的工藝，在UV固化樹脂21表面濺射了一層50nm的二氧化鈦層，用于提高整個(gè)鏡片的耦合效率。高折射率介質(zhì)層211不會(huì)影響鏡片的透過率，同時(shí)磁控濺射工藝和卷對(duì)卷工藝相適配，有著生產(chǎn)效率高、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。

圖9所示為利用沖壓模具83對(duì)樹脂全息波導(dǎo)鏡片一次成型。根據(jù)所需鏡片形狀和尺寸制作沖壓模具83，將壓印好納米衍射光柵的環(huán)硫樹脂2固定在沖床或壓力機(jī)，利用該沖壓模具83對(duì)壓印好納米衍射光柵的環(huán)硫樹脂2施加一定的壓力，使環(huán)硫樹脂材料被切割分離，從而獲得符合一定尺寸要求、外觀質(zhì)量的環(huán)硫樹脂鏡片即樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元。常規(guī)的玻璃全息波導(dǎo)鏡片，雖然有著平整度高的優(yōu)點(diǎn)，但是每片需要采用常規(guī)光學(xué)加工方法打磨，因此效率低下、成本較高。利用對(duì)沖模具對(duì)樹脂鏡片快速成型，有著生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，精度符合要求，材料利用率高的優(yōu)點(diǎn)。紅綠藍(lán)三種樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元都通過上述過程制作，包括光刻膠圖形制作，鎳模板圖形轉(zhuǎn)移，UV納米壓印，高折射率光學(xué)層制作，對(duì)沖模具成型。在制作好模板后，后續(xù)的生產(chǎn)復(fù)制操作，包括UV納米壓印、高折射率光學(xué)層、對(duì)沖模具成型，都適用于卷對(duì)卷或卷對(duì)平大批量生產(chǎn)。在將光柵結(jié)構(gòu)寫入到光刻膠的步驟，可在適當(dāng)區(qū)域加上對(duì)位標(biāo)記，通過復(fù)制生產(chǎn)后，每片鏡片上存在對(duì)位標(biāo)記，方便后續(xù)將分別對(duì)應(yīng)紅、綠、藍(lán)三基色光的三片樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元進(jìn)行對(duì)位疊加。如圖10所示，利用對(duì)位標(biāo)記將藍(lán)、綠、紅三片樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元001、002、003堆疊在一起，從上到下，可以分別為藍(lán)、綠、紅樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元001、002、003，樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元00I/002/003之間的距離為0.1mm，也可以根據(jù)需要設(shè)定為其它間距，藍(lán)、綠、紅樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元001、002、003之間通過框封膠膠合在一起，藍(lán)、綠、紅樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元001、002、003之間的距離通過框封膠的厚度進(jìn)行控制。圖像光從上方藍(lán)色樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元001(對(duì)應(yīng)于藍(lán)色光的樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元，下邊的綠色鏡片、紅色鏡片分別指對(duì)應(yīng)于綠色光和紅色光的樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元)的耦入功能性區(qū)域?qū)?，藍(lán)色波段的光被耦入到第一片樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元中，由于光柵的波長(zhǎng)選擇性，其它波長(zhǎng)的光在藍(lán)色鏡片的耦入功能性區(qū)域的衍射效率很低，集中在0級(jí)光，繼續(xù)往下傳播。打到綠色樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元002的耦入功能性區(qū)，類似的綠色波段的光被耦入到第二片樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元中，剩余紅色波段的光繼續(xù)向下傳播，最終被紅色樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元003的耦入功能性區(qū)耦入到第三片樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元中。為了降低光在不同界面的反射率，從而提高光能利用率，在藍(lán)色樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元001和綠色樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元002以及綠色樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元002和紅色樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元003的耦入功能性區(qū)位置，增加一個(gè)增透層，增透層可以依然選取環(huán)硫樹脂材料或其它滿足要求的材質(zhì)，厚度可以選擇為100微米或其它數(shù)值，薄膜上需要進(jìn)行鍍膜，從而達(dá)到增透的效果。將藍(lán)、綠、紅三片樹脂全息波導(dǎo)鏡片單元堆疊在一起后，就可以放置于成像光路中，最終實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)三維顯示裝置。

本發(fā)明還提供一種三維顯示裝置，包括上述樹脂全息波導(dǎo)鏡片和圖像生成裝置。圖像生成裝置與波導(dǎo)鏡片如何構(gòu)建三維顯示裝置的相關(guān)技術(shù)方案，在先專利及現(xiàn)有技術(shù)已有相關(guān)說明，不再贅述。

本說明書中各個(gè)實(shí)施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相似部分互相參見即可。對(duì)所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制與本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。