[发明专利]掺杂金纳米颗粒的全息波导显示系统及其光栅制备方法

说明书

本发明公开了掺杂金纳米颗粒的全息波导显示系统及其光栅制备方法，所述全息波导显示系统包括微显示器、准直透镜组、平板波导、输入耦合元件和输出耦合元件。微显示器件用于输出二维图像，二维图像经过准直透镜组准直后，通过输入耦合元件进入平板波导中，在波导中全反射一次及其以上次数后到达位于输出耦合元件，包含不同角度信息的准直光束于输出端耦合出波导，出射光束最终进入人眼形成画面，达到显示效果。本发明所述输入输出耦合元件为掺杂金纳米颗粒的体全息光栅，通过采用此光栅扩大衍射角度带宽，解决了传统全息波导显示系统视场角小的问题。

技术领域

本发明属于近眼显示装置及其方法，具体涉及全息波导显示,尤其涉及掺杂金纳米颗粒的全息波导显示系统及其光栅制备方法。

背景技术

全息波导显示系统作为一种新型的近眼显示技术，具有出瞳大、环境光透过率高、轻薄的特点。全息波导是一种基于体全息光栅的波导结构，体全息光栅镜面对称地贴合在波导输入端和输出端的表面。根据耦合波理论，体全息光栅的理论衍射效率可高达100％。然而，因基于光致聚合物的体全息光栅折射率调制度低，使其角度选择性很高(即衍射角带宽窄)，直接造成了全息波导显示系统视场窄的问题。因此，狭窄的视场角成为该技术的瓶颈。

近年来，各大研究机构一直致力于解决全息波导显示系统视场窄的问题。北京理工大学韩建等人设计了一种基于自由曲面的全息波导结构(中国专利CN104035157A)，并且在输出端贴合了三种光栅周期不同的体全息光栅，组合成足够的视场角，利用此方法，复用体全息光栅的水平视场角(即衍射角带宽)可达到18度。东南大学张宇宁等人提出一种反射型体全息光栅波导结构(中国专利CN105807348A)，使入射光轴尽可能靠近光栅矢量，从而扩大体全息光栅的衍射角带宽。日本索尼公司Mukawa等人将入射光轴倾斜10度并且优化像源的驱动信号，从而可得到16度的水平视场。

现有方案都是基于优化全息波导结构设计，从而实现大视场的目的。并且存在全息波导显示系统视场角小的问题，导致其问题的根本原因为光致聚合物的折射率调制度小。因体全息光栅本身光学性质的局限性，上述结构优化方案都具有一定的局限性，并且成本高，设计难度大，效果并不显著。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术的不足，本发明提供掺杂金纳米颗粒的全息波导显示系统及其光栅制备方法，从优化体全息光栅的光学性质出发，通过在光栅材料中掺杂金纳米颗粒的途径增大其折射率调制度，拓宽体全息光栅的衍射角带宽，从而解决现有技术中存在的显示视场角小的问题。

技术方案：掺杂金纳米颗粒的全息波导显示系统，包括微显示器、准直透镜组、平板波导、输入耦合元件和输出耦合元件；所述微显示器件放置于准直透镜组的一倍焦距处；所述输入输出耦合元件和在平板波导两端对称放置，包括贴合设置在平板波导表面和位于平板波导内部；所述准直透镜组位于平板波导下端一段距离或者贴合平板波导设置；所述输入耦合元件和输出耦合元件为掺杂金纳米颗粒的体全息光栅；所述的微型显示器用于输出二维图像；所述二维图像经过准直透镜组准直后，通过输入耦合元件进入平板波导中；在波导中全反射一次或者一次以上次数后到达位于输出耦合元件，输出端耦合出波导包含不同角度信息的准直光束，出射光束最终进入人眼形成画面。

其中，所述体全息光栅为反射型体全息光栅或者透射型体全息光栅，且厚度范围为10um-50um；所述微型显示器包括LCOS显示器、DMD显示器、OLED显示器、液晶显示器和等离子体微显示器；

进一步的，所述准直透镜组包括双胶合透镜、或者一组可调焦距的透镜组合；所述平板波导厚度为1mm-5mm，波导材料为透明光学玻璃或者有机聚合物(聚乙烯、聚氯乙烯等)；

进一步的，所述金纳米颗粒的形貌包括球形颗粒状、团聚颗粒状、棒状；

进一步的，所述体全息光栅的基础光敏材料为丙烯酰胺基光致聚合物体系、丙烯酸酯基光致聚合物体系、烯基光致聚合物体系、环氧基光致聚合物体系和聚甲基丙烯酸甲酯体系，然后掺杂金纳米颗粒得到光致聚合物混合溶液制备而成。