一种全息波导镜片及其制备方法、及三维显示装置与流程

本发明涉及显示设备技术领域，更具体地说，涉及一种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，借助计算机图形技术和可视化技术产生物理世界中不存在的虚拟对象，并将其准确“放置”在物理世界中，呈现给用户一个感知效果更丰富的新环境。在诸多领域，例如工业制造和维修领域、医疗领域、军事领域、娱乐游戏领域、教育领域等，有着巨大的潜在应用价值。在ar产业链中，同时具有透明效果和成像/导光效果的镜片是ar硬件得以实施的最关键部件。国内外工业界或者科研界已经开发了一系列ar镜片方案：googleglass利用单个反射棱镜将侧面图像直接投送到单个人眼中，实现方式简单，但是有着疲劳感强、视场角小、无3d成像的缺点。meta2利用镀有银层的半反半透面罩为立轴反射成像元件，将两个图像投射到人左右两眼中，具有视场角大(90度)的优点，但是体积过于庞大，另外没有扩瞳效果，观察舒适度差。美国专利us6,169,613b1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，有着耦和效率高的优点，但是体全息波导方案没有扩瞳效果，另外无法大批量复制，制作成本较高。美国专利us7,751,122b2公开了一种嵌有多个半反半透棱镜的波导ar镜片装置，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。该波导ar镜片具有扩瞳效果，但是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，量产可能性极低。美国专利us2016/0231568a1，us2016/0231569a1公开了一种用于ar装置的光栅波导镜片，利用特定的光栅对图像进行耦入和输出，该镜片具有良好的光学垂直穿透性，不会影响佩戴者观察周围环境，利用两片区域光栅分别对图像进行x方向和y方向扩瞳，观察舒适度大为提高，另外表面浮雕光栅可以通过纳米压印制程复制，因此具有大规模量产潜力。但是微软全息镜片中，为了使得出射图像在整个观察范围内强度均匀，对于第二功能区域和第三功能区域的光栅衍射效率需要根据空间进行调制，在常规干涉曝光技术中，这样的光栅制作方法良率很低。另外，为了满足相位匹配条件，三个区域的光栅槽取向及光栅周期的精度要求极高，给常规干涉曝光技术带来了很大的难度。以上两个问题导致了微软全息镜片的生产成本极高，难以推动整个ar产品的发展。

技术实现要素：

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：

一种全息波导镜片，包括一片、两片、三片或三片以上全息波导镜片单元；全息波导镜片单元设有至少包括耦入功能性区域和出射功能性区域两个功能性区域，所述功能性区域内均设有纳米衍射光栅；耦入功能性区域用于将图像光信号耦合入波导镜片单元，出射功能性区域用于将波导镜片单元内传导过来的图像光进行y方向图像扩散及输出。

所述波导镜片单元还设有用于x方向图像扩散的中继功能性区域。

所述全息波导镜片单元包括波导衬底，所述功能性区域设于波导衬底上。

所述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。

所述耦入功能性区域的轮廓包络线为闭合曲线或闭合的多段线，闭合的多段线中包含直线段和曲线段中的一种或两种。

优选的，所述耦入功能性区域的面积在0.1cm²到0.4cm²之间。

优选的，所述耦入功能性区域光栅由许多个像素光栅构成，像素光栅的尺寸在5微米到500微米之间。

上述全息波导镜片包括对应于不同基色的全息波导镜片单元，每一个全息波导镜片单元调控对应的基色。

上述至少一个功能性区域中的纳米衍射光栅由多个像素光栅组成。

优选的，横向相邻所述像素光栅之间的横向间距是光栅周期的整数倍。

优选的，像素光栅中的光栅槽与纵向相邻的像素光栅中的光栅槽按序一一对齐或错序对齐。

优选的，像素光栅的光栅周期在200nm到600nm之间，尺寸在5微米到500微米之间。

优选的，中继功能性区域中同一像素的光栅深度保持一致，不同像素光栅的深度随x轴方向逐渐减小；所述出射功能性区域中同一像素的光栅深度保持一致，不同像素光栅的深度随y轴方向逐渐减小。

优选的，耦入功能性区域的光栅矢量和x轴方向平行，所述中继功能性区域的光栅矢量和x轴方向成β角，所述出射功能性区域的光栅矢量和x轴方向成2β角。

优选的，同一片全息波导镜片单元上的耦入功能性区域光栅中，像素光栅的周期一致，取向一致。

对于调控红色的红色全息波导镜片单元，所述耦入功能性区域像素光栅的周期在415nm到550nm之间；

对于调控绿色的绿色全息波导镜片单元，所述耦入功能性区域像素光栅的周期在350nm到480nm之间；

对于调控蓝色的蓝色全息波导镜片单元，所述耦入功能性区域像素光栅的周期在290nm到410nm之间。

上述β角在40度到50度之间。

上述耦入功能性区域的光栅倾角α在15度到45度之间，光栅占空比在0.4到0.6之间。

优选的耦入功能性区域的光栅槽型为左侧直长条，或者右侧斜三角形。

耦入功能性区域的光栅槽型为任意具有非对称倾斜的槽型。

上述中继功能性区域和出射功能性区域的纳米衍射光栅为正光栅，所述光栅倾角为0度，所述纳米衍射光栅的槽型沿着表面法线对称。

同一全息波导镜片单元的耦入功能性区域像素光栅深度保持恒定。

上述像素光栅深度h在100nm到400nm之间。

同一全息波导镜片单元上耦入功能性区域的纳米衍射光栅的光栅深度是一致的。

一种全息波导镜片的制作方法，其特征在于，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、出射功能性区域内的纳米衍射光栅的周期、取向、深度分布，及全息波导镜片的波导参数；将耦入功能性区域、出射功能性区域中的的纳米衍射光栅分解成一个个排列在一起的像素光栅；

s2：模板制备，利用光刻技术对光刻胶进行曝光；

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、出射功能性区域制作到功能性薄膜上。

步骤s1和s3中还包括中继功能性区域。

步骤s1中横向相邻所述像素光栅之间的横向间距是光栅周期的整数倍。

步骤s1中所述像素光栅中的光栅槽与纵向相邻的像素光栅中的光栅槽按序一一对齐或错序对齐。

步骤s2中所述光刻技术为点阵全息光刻。

步骤s2为：在基片上旋涂光刻胶，以干涉光1和干涉光2双束干涉光进行光刻。

步骤s2中，对应耦入功能性区域内的模板的制备方法如下：

耦入功能性区域内的模板的制备，在涂覆有光刻胶的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，其中干涉光1和法线夹角α1为耦入功能性区域的纳米衍射光栅的倾角，干涉光1和干涉光的2夹角α1-α2决定了纳米衍射光栅的周期。

步骤s2中，对应中继功能性区域、出射功能性区域内的模板的制备方法分别如下：

中继功能性区域内的模板的制备，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，利用点阵全息技术对光刻胶进行曝光，干涉光1和干涉光2的夹角2θ决定了光栅周期；

出射功能性区域内的模板的制备，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，利用点阵全息技术对光刻胶进行曝光，干涉光1和干涉光2的夹角2θ决定了光栅周期。

上述耦入功能性区域内模板的制备中，纳米衍射光栅深度通过光刻胶厚度、曝光量和显影参数共同控制；显影后，在光刻胶中形成倾斜光栅，深度高于最终光栅设计值。

通过浸银反应，在所述光刻胶光栅表面形成一层银膜，然后放在电铸槽中生长，最终形成表面图形和光刻胶中图形互补的镍模板；然后分离，将光刻胶去除，得到具有互补图形的镍模板。

上述中继功能性区域、出射功能性区域内的纳米衍射光栅模板的制备中，根据纳米衍射光栅深度分布设计，控制每个像素光栅的曝光量，从而调控显影后光刻胶中光栅的深度分布，通过调控干涉光1和干涉光2的夹角，控制像素光栅内的光栅周期。

通过浸银反应，在所述光刻胶光栅表面形成一层银膜，然后放在电铸槽中生长，最终形成表面图形和光刻胶中图形互补的镍模板；然后分离，将光刻胶去除，得到具有互补图形的镍模板。

镍模板制备完成后，在s3步骤中，利用对应的镍模板通过纳米压印技术，分别对耦入功能性区域、中继功能性区域、出射功能性区域内的纳米衍射光栅进行复制生产。

优选的，纳米压印技术为紫外纳米技术，在波导衬底上滴涂紫外固化胶，将镍模板和波导衬底贴合并施加压力，紫外曝光并脱模。

本发明还提供一种三维显示装置，包括前述任一所述的全息波导镜片，或前述任一方法制备的全息波导镜片。

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显示了本发明的全息波导镜片采用三片全息波导镜片单元叠加的示意图；

图2a是功能性区域在全息波导镜片单元上的分布示意图；

图2b是耦入功能性区域的纳米衍射光栅示意图；

图2c-f是耦入功能性区域的纳米衍射光栅的结构示意图；

图2g-h是耦入功能性区域的纳米衍射光栅的周期、宽度、高度示意图；

图3a-b分别是出射功能性区域和中继功能性区域的纳米衍射光栅示意图；

图3c-f是中继、出射功能性区域的纳米衍射光栅的结构示意图；

图3g-h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4所示为中继、出射功能性区域不同像素光栅深度随空间的变化示意图；

图5为耦入、中继、出射功能性区域内光栅取向及相互关系的示意图；

图6为图像光在耦入、波导、中继功能性区域内传播的示意图；

图7为图像光在波导和出射功能性区域内传播的示意图；

图8为构建三维显示装置后的成像原理示意图；

图9a-f所示为全息波导镜片单元上耦入功能性区域加工纳米衍射光栅的示意图；

图10a-f所示为全息波导镜片单元上中继、出射功能性区域加工纳米衍射光栅的示意图；

图11为两功能性区域全息波导镜片单元结构示意图。

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。

一种全息波导镜片，包括一片、两片、三片或三片以上全息波导镜片单元；全息波导镜片单元设有三个功能性区域，功能性区域内均设有纳米衍射光栅；分别为用于输入光耦合的耦入功能性区域、用于x方向图像扩散的中继功能性区域、和y方向图像扩散及输出的出射功能性区域。

功能性区域的设置，可以大大减小构件三维显示装置的体积，并可以方便的实现彩色显示及扩大视场角，采用纳米衍射光栅，成本低、质量稳定性好，适于工业化生产。

如图1所示，以构建3基色彩色三维显示装置为例，一种全息波导镜片，由分别对应调控红绿蓝三基色的全息波导镜片单元叠加构成，在具体的实施方式中，可以利用对位标记将蓝、绿、红三片全息波导镜片单元001、002、003堆叠在一起，从上到下，可以分别为蓝、绿、红全息波导镜片单元001、002、003(即蓝色全息波导镜片单元、绿色全息波导镜片单元、红色全息波导镜片单元)，全息波导镜片单元001、002、003之间的距离可以选择为0.1mm，也可以根据需要设定为其它间距，蓝、绿、红全息波导镜片单元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。图像光从上方蓝色全息波导镜片单元001(对应于蓝色光的全息波导镜片单元，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，最终被红色全息波导镜片单元003的耦入功能性区耦入到第三片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，在蓝色全息波导镜片单元001和绿色全息波导镜片单元002以及绿色全息波导镜片单元002和红色全息波导镜片单元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，最终实现彩色增强现实三维显示装置。

优选的，耦入功能性区域的轮廓包络线为闭合曲线或闭合的多段线，闭合的多段线中包含直线段和曲线段中的一种或两种。优选的取正方形、圆形，特别是正方形。面积可在0.1cm²到0.4cm²之间选择，尺寸和成像系统出瞳尺寸一致。如图2a和图2b所示，其中耦入功能性区域201采用圆形的示意图，图2a显示了一种实施方式中，耦入功能性区域201与中继功能性区域、出射功能性区域各自的形状及相互位置关系，图2b显示了耦入功能性区域中纳米衍射光栅的一种排布示意。在该示例中，耦入功能性区域201采用圆形，而中继功能性区域202采用一个近似倒置等腰梯形的形状，其梯形短边没有采用直线，而是采用与耦入功能性区域同心的圆弧曲线段，其两端点之间的距离等于或大约等于耦入功能性区域201的圆形直径，其等腰梯形的中轴线穿过耦入功能性区域201圆形的圆心；因此耦入功能性区域201和中继功能性区域202的中轴线是沿x轴排布的(见图2a)，而出射功能性区域203为矩形，其长边的中点连线穿过中继功能性区域202等腰梯形的中轴线的中点，且与之垂直，其中，等腰梯形的中轴线中点是等腰梯形的圆弧端点连线的中点与底边(长边)中点连线的中点，即出射功能性区域203的长边与等腰梯形的中轴线平行，且等于或约等于中继功能性区域202的圆弧端点与等腰梯形底边的垂线长度，优选等于或大于中继功能性区域202的圆弧端点与等腰梯形底边的垂线长度。

优选的，耦入功能性区域面积在0.1cm2到0.4cm2之间。

在现有技术中，功能性区域内的纳米衍射光栅均为单一光栅，对制作整体精度要求极高，导致良品率很低，使得生产成本居高不下，严重影响了技术的产业化应用。为此，本发明创造性的提出，至少一个功能性区域中的纳米衍射光栅由多个像素光栅组成。

上述功能性区域内的纳米衍射光栅采用像素光栅组合而成，这样，单个像素光栅的参数，例如周期、取向、深度、占空比可单独控制，这样大大提高了生产的良品率，有效降低了成本，利于产业化。此外，三个光栅功能区在同一平台一次成型，因此不同区域对准精度高。基于以上两个优点，像素化全息波导镜片的良品率会得到提高，在出光均匀性及降低成像色散方面，也会有较大的性能提高。

在实际应用中，上述像素光栅的周期可在在200nm到600nm之间选择，尺寸在5微米到500微米之间，形状可以是方形、菱形、三角形等。不同像素光栅中，光栅的参数，例如光栅周期、光栅取向、光栅尺寸、光栅形状、占空比、深度可以变化，因此可以方便的实现输出光强均匀、聚焦、多像面等功能。

像素光栅可以通过极紫外光刻、电子束光刻及点阵全息光刻技术制作，优选的用变频点阵全息光刻技术制作。主要过程包括，光刻、图形转移、纳米压印复制。

优选的，横向相邻像素光栅之间的横向间距是光栅周期的整数倍，像素光栅中的光栅槽与纵向相邻的像素光栅中的光栅槽按序一一对齐或错序对齐。这样是为了保证相位一致，不会引起其他级次的衍射光，如果有其他衍射级次则会引起重影问题。

在实际应用中，优选上下相邻(纵向相邻)的像素光栅中的光栅槽对齐的精度要求误差不大于20nm。

在实际应用中，耦入光栅一般选择通过透射式衍射进行工作，中继光栅/输出光栅通过透射式衍射或者反射式衍射进行工作。

在制作中继区域和出射区域的像素光栅时，使光栅衍射效率随空间变化，从而可以获得在整个观察范围内，图像强度均匀，光栅衍射效率可以通过像素光栅的深度、占空比进行调控。控制单个的像素光栅的制作进度非常方便，而传统整个功能性区域由单个整体的纳米衍射光栅构成，其很难保证精度和良品率。

例如，耦入功能性区域中的纳米衍射光栅由多个像素光栅构成，每个像素光栅的尺寸可以在5微米到500微米之间选择，像素光栅之间的间隔在0到10微米之间选择。图2b显示了这种多像素光栅组合成一个耦入功能性区域的示意图。

在一些实施例中，同一片全息波导镜片单元上的耦入功能性区域像素光栅的周期一致，取向一致。因为构成图像的光线，在入射到耦合光栅区域时候，会以相同的衍射角耦合入射到波导内，满足全反射条件传播，在输出时候，光线以平行于入射光线的角度出射，图像可以完整的显示。耦入光栅周期和视场角及入射光波长需要满足λ1＝λ/(1+sinfov/2)。

优选的，同一片全息波导镜片单元上耦入功能性区域的纳米衍射光栅的光栅深度是一致的。

优选的，如图2c、图2e和图2g所示，耦入功能性区域的纳米衍射光栅可以选择采用斜光栅，其光栅倾角α在15度到45度之间，光栅占空比在0.4到0.6之间。如图2c和图2e所示，耦入功能性区域的纳米衍射光栅的槽型为左侧倾直长条。

也可以根据需要，采用右侧斜三角形，如图2d和图2f所示；或者任意非对称倾斜的槽型。

优选的，耦入功能性区域的纳米衍射光栅的光栅深度h在100nm到400nm之间。

左侧倾直长条形纳米衍射光栅和右侧斜三角形纳米衍射光栅的光栅倾角α、光栅深度h及光栅周期λ、光栅宽度w的示意图分别如图2g和图2h所示。而w/λ为光栅占空比。为了保证耦入级次效率高于50％，优选的光栅倾角α在15度到45度之间，光栅占空比在0.4到0.6之间，光栅深度h在100nm到400nm之间。

在制备用于构建彩色三维显示装置用的全息波导镜片时，以红绿蓝三基色系统为例，优选的，全息波导镜片包括分别针对调控不同基色的全息波导镜片单元，包括红色全息波导镜片单元、绿色全息波导镜片单元和蓝色全息波导镜片单元；红色全息波导镜片单元的耦入功能性区域像素光栅的周期在415nm到550nm之间；绿色全息波导镜片单元的耦入功能性区域像素光栅的周期在350nm到480nm之间；蓝色全息波导镜片单元的耦入功能性区域像素光栅的周期在290nm到410nm之间。

上述周期数值和构建的三维显示装置的视场角及入射波长有关。

优选的，中继功能性区域和出射功能性区域中的纳米衍射光栅构成多个像素光栅，像素光栅的尺寸在5微米到500微米之间，像素光栅之间的间隔在0微米到10微米之间。

像素光栅的形状可以为正方向、菱形或者其它占空比高的图形。

优选的，同一片全息波导镜片单元上的中继功能性区域和出射功能性区域中的像素光栅取向一致。

优选的，所述全息波导镜片单元包括波导衬底，所述功能性区域设于波导衬底上；或，所述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；

所述纳米衍射光栅的底部到波导衬底表面之间的距离大于0。

如2a-h所示，α为光栅倾角，w/λ为光栅占空比。波导衬底材料在可见光波段400nm到700nm有良好的透过率，优选的在96％以上，折射率在1.6到2.4之间，镜片折射率和成像系统视场角fov需要满足n1≥1+2sinfov/2的关系，因此需要和成像系统的视场角进行统一设计。光栅为光学透过率良好的无机或者有机材料，折射率在1.6到2.4之间，为了降低界面入射损失，优选的光栅材料折射率和镜片波导折射率一致。光栅凹槽和波导衬底上表面的距离在-0.5微米到100微米之间，负值表示纳米衍射光栅直接制备于波导衬底2上，正值表示纳米衍射光栅制备于另外一层材料上。波导衬底厚度t和成像系统出瞳宽度w满足w＝2tanβt，其中β为最大全反射角，使得在输出区域的任何位置，都可以观看到整个图像，t一般数值在0.5mm到2mm之间。

由于耦入功能性区域201光栅深度可以不需要随空间进行调控，所以耦入功能性区域201光栅也可采用一单一光栅，不是像素光栅拼接而成，光栅周期、深度、倾角、占空比等参数和上述相同。

优选的，红色全息波导镜片单元的中继功能性区域的像素光栅周期在295nm到390nm之间，出射功能性区域的像素光栅周期及分布和其耦入功能性区域相同；

绿色全息波导镜片单元的中继功能性区域的像素光栅周期在250nm到335nm之间，出射功能性区域的像素光栅周期及分布和其耦入功能性区域相同；

蓝色全息波导镜片单元的中继功能性区域的像素光栅周期在200nm到290nm之间，出射功能性区域的像素光栅周期及分布和其耦入功能性区域相同。

图3a-h为中继、出射功能性区域光栅的结构示意图，图3a中展示了出射功能性区域内纳米衍射光栅由多个正方形像素光栅排列成的示意图，图3b展示了中继功能性区域内纳米衍射光栅由多个菱形像素光栅排列而成的示意图。中继功能性区域与出射功能性区域的纳米衍射光栅的槽型可以多样化，图3c-f中仅显示长方形槽型和正弦槽型。

优选的，中继功能性区域与出射功能性区域的纳米衍射光栅的光栅占空比在0.3到0.7之间。

在实际应用中，对于三个功能性区域的纳米衍射光栅取向，耦入功能性区域内的光栅矢量和x方向平行，中继功能性区域内的光栅矢量和x方向成β角，出射功能性区域内的光栅矢量和x方向成2β角。考虑到各功能性区域衍射效率及衍射级次，优选的β在40度到50度之间。

如图4所示，为了调整耦合出射图像的亮度均匀，中继功能性区域与出射功能性区域的不同像素光栅的深度h随空间变化而变化，中继功能性区域的不同像素光栅的深度h随x方向变化；出射功能性区域的不同像素光栅的深度h随y方向变化。在实际应用中，图像需要多次和输出光栅进行作用，相应的，每次输出对入射图像能量有一定的损失，为了使得输出图像在整个观察范围内均匀，输出光栅衍射效率需要根据空间进行调控。同一像素中，光栅的深度保持恒定，中继功能性区域中像素光栅深度随x方向减小，出射功能性区域中像素光栅深度随y方向减小。第j次全反射输出的光栅衍射效率需要满足ηj＝η1/(1-(j-1)η1)，其中η1为第一次全反射位置光栅的衍射效率，第一次出射衍射效率η1＝1/n，其中n为总的全反射次数。衍射效率可以通过光栅占空比、光栅槽型及光栅深度进行调控。图4所示为通过光栅深度变化对衍射效率进行调控，由于像素光栅尺寸较小，光栅深度随空间的变化可以很平顺，从而取得均匀光强的图像输出效果。为了平滑图像在输出范围内的强度，光栅深度随空间的变化可以是线性的，也可以是斜率增加的曲线或者斜率变小的曲线，以整面图像光强均匀为标准。

波导衬底2为光学透过率良好的无机或者有机材质，折射率在1.6到2之间，优选的在1.7到1.9之间。用于加工纳米衍射光栅的材料为光学透过率良好的无机或者有机材料，折射率在1.6到2之间，优选的在1.7到1.9之间。波导衬底折射率和纳米衍射光栅材料折射率可以不一致，纳米衍射光栅凹槽和波导衬底上表面的距离在-0.5微米到100微米之间，负值表示纳米衍射光栅可以直接在波导衬底上加工，正值表示纳米衍射光栅加工于另外的光栅材料上(如功能性薄膜或等材料，且与波导衬底叠加在一起)。

在实际应用中，图4所示的不同像素光栅深度随空间的变化，中继功能性区域中同一像素的光栅深度保持一致，不同像素光栅的深度随x轴方向逐渐减小；出射功能性区域中同一像素的光栅深度保持一致，不同像素光栅的深度随y轴方向逐渐减小。

由于像素光栅尺寸较小(一般像素光栅的尺寸在5微米到100微米之间)，光栅深度随空间的变化可以很平顺，从而轻易取得均匀光强的图像输出效果。光栅深度随空间的变化可以是线性的，也可以是斜率增加的曲线或者斜率变小的曲线，以整面图像光强均匀为标准。

在一些实施例中，如图5所示，耦入功能性区域201采用正方形，中继功能性区域202采用倒置等腰梯形，其短边等于或近似等于正方形的边长，出射功能性区域203采用矩形，其长边等于或大致等于等腰梯形的高，三者之间的排布于前述实施例相同。耦入功能性区域201、中继功能性区域202和出射功能性区域203纳米衍射光栅的光栅取向可以按照以下原则选择，耦入功能性区域201的光栅矢量和x轴方向平行，中继功能性区域202的光栅矢量和x轴方向成β角，出射功能性区域203的光栅矢量和x轴方向成2β角。

优选的，根据需要，所述β选择在40度到50度之间的任一值(含端值)。

在实际应用中，中继功能性区域和出射功能性区域的纳米衍射光栅为可以选择正光栅，这样可以降低生产成本和提高生产效率，槽型沿着表面法线对称。其中中继功能性区域和耦入功能性区域相接，界面尺寸和耦入功能性区域界面尺寸相同，随着x方向尺寸在y方向扩散，形状类似锥形，中继功能性区域尺寸面积在1.5cm2到3cm2之间，耦入功能性区域和中继功能性区域的间隔在0.2mm到2mm之间，两个功能性区域在相交处分界线平行。出射功能性区域x方向尺寸和中继功能性区域相同，在y方向的尺寸在0.5cm到2.5cm之间，中继功能性区域和出射功能性区域的间隔在0.5cm到2cm之间。中继功能性区域和出射功能性区域优选由许多个像素光栅构成，像素光栅的尺寸在5微米到500微米之间，形状可以为正方向、菱形或者其它占空比高的图形，组成像素光栅之间的间隔在0微米到10微米之间。其它技术要求如前所述。

在构建三基色彩色全息波导镜片时，对于中继功能性区域，周期和耦入功能性区域光栅周期需要满足λ2＝λ1/2cosβ。相应的，对于红色镜片，中继功能性区域的像素光栅周期在295nm到390nm之间；对于绿色镜片，中继功能性区域的像素光栅周期在250nm到335nm之间；对于蓝色镜片，中继功能性区域的像素光栅周期在200nm到290nm之间。为了满足位相匹配条件，出射功能性区域光栅周期等于耦入功能性区域，λ3＝λ1。中继功能性区域和出射功能性区域光栅槽型可以多样化，图3g-h中仅显示长方形槽型和正弦槽型。优选的光栅占空比w/λ在0.3到0.7之间。不同像素光栅的深度h随空间需要进行一定分布，用来调整耦合出射图像的亮度均匀，对于中继功能性区域光栅，深度随x方向变化，对于出射功能性区域光栅，深度随y方向变化。

如图6所示，图像输出源101发出的光，经过成像元件102调控后，打在耦入功能性区域201的纳米衍射光栅上，耦入功能性区域201的纳米衍射光栅参数需要根据图像视场角和入射光波长进行设计，使得在整个视场角内的光线通过耦入功能性区域201的纳米衍射光栅衍射后，正一级衍射光满足波导衬底的全反射条件，从而被耦入到波导衬底中，具体参数要求在前述实施例中已给出。光线被耦合入波导衬底2后，向中继功能性区域202的纳米衍射光栅行进，每次全反射的光和中继功能性区域202的纳米衍射光栅进行作用，xz面的入射光，被易面成折转光在yz面行进，且与z轴所成角不变，仍然满足波导传输要求。不同角度的入射光在波导衬底2中的衍射角不同，因此在波导衬底2中传输的次数不同。图像通过在中继功能性区域202的纳米衍射光栅多次耦合易面，在x方向被扩展。同时在波导衬底2中在yz面传播。由于可以对中继功能性区域2的纳米衍射光栅深度进行调控，因此可以使得每次耦合易面光的强度相同。构成整个中继功能性区域的纳米衍射光栅的像素光栅之间存在±2微米的间隔，打在间隔位置的光，不能被光栅耦合至正确方向，由于间隔和光栅像素尺寸相比很小，因此能量损失小于2％，另外打在缝隙的光，不满足波导全反射传播条件，沿着xy直接出射，对信号光不会引起串扰。

如图7所示，反射光经中继功能性区域光栅作用后，被易面成yz面的折转光，满足全反射条件继续传播，并与出射功能性区域203的纳米衍射光栅进行作用。每次折转光和出射功能性区域203的纳米衍射光栅作用，部分光强通过光栅衍射被输出至人眼中，通过多次全反射，图像在y方向进行了扩展，图像在xy方向扩瞳，最终的观察范围和出射功能性区域203尺寸类似。由于出射功能性区域光栅203和耦入功能性区域201的纳米衍射光栅的光栅周期一致，因此整个全息波导镜片不会破坏原来光线的传播和成像，仅仅起了折叠光路和扩瞳的作用。信号光在像素光栅间隙的单缝衍射角和信号光通过光栅的衍射角在空间中分开，因此对成像没有影响，另外由于间隔与像素尺寸相比很小，因此能量损失小于2％。

对于中继功能性区域202和出射功能性区域023的像素光栅，若是同一片镜片，像素光栅的周期可取为相同，具体参数在前述实施例中已给出，光线在从出射功能性区域203输出时候，由于全反射入射角一致，且耦入功能性区域201和出射功能性区域203的纳米衍射光栅的光栅周期一致，在每个全反射出射点，光线和原来光线平行，这会造成在不同出瞳位置，成像会有一定偏移，在成像面较远时候，影响不大，但是成像面小于1米时候，对观察有一定影响。图8所示为本专利ar显示的另外一个方案，其中出射功能性区域203的像根据出射位置及成像位置进行调控，，周期变化小于30nm。通过调控不同出瞳位置的光线1001的出射方向，最终所有光线成像在同一个像上(位于成像平面1002上)，不会随着出瞳位置的平移出现虚像平移现象。

优选的，所述中继功能性区域202和出射功能性区域203的纳米衍射光栅为正光栅，光栅倾角为0，纳米衍射光栅的槽型沿着表面法线对称。

优选的，中继功能性区域202和耦入功能性区域201相接，耦入功能性区域201和中继功能性区域202的间隔在0.2mm到2mm之间，两个区域在相交处分界线平行。

优选的，中继功能性区域202和耦入功能性区域201相邻的界面尺寸相同。

优选的，中继功能性区域202在y轴方向的宽度尺寸沿x轴远离耦入功能性区域201的方向逐渐增加，如图2a和图3b所示。

在实际应用于近眼式三维显示装置中，中继功能性区域202尺寸面积可以选择在1.5cm2到3cm2之间。

优选的，出射功能性区域203在x轴方向尺寸和中继功能性区域202相同，在y轴方向的尺寸可以选择在0.5cm到2.5cm之间，中继功能性区域202与出射功能性区域203的间隔可以选择在0.5cm到2cm之间。

在实际使用中，全息波导镜片单元也可以采用两功能性区域方案，即耦入功能性区域和出射功能性区域。如图11所示，全息波导镜片单元由耦入功能性区域光栅201，出射功能性区域203，波导2构成。耦入功能性区域201和出射功能性区域203至少有一块区域是由像素光栅构成。耦入功能性区域201为非对称光栅，出射功能性区域203为正光栅或者非对称光栅。耦入功能性区域201和出射功能性区域203内，像素光栅的周期和取向一致，以满足相位匹配条件，从出射功能性区域203出射的光线和进入耦入功能性区域201的入射光线平行，以满足成像要求。红色镜片，所述像素光栅的周期在415nm到550nm之间；绿色镜片，所述像素光栅的周期在350nm到480nm之间；蓝色镜片，所述像素光栅的周期在290nm到410nm之间。可用单片镜片实现单色显示，也可以将蓝、绿、红镜片堆叠，获得彩色显示。

本发明还提供一种全息波导镜片的制作方法，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，及全息波导镜片的波导参数；将耦入功能性区域、中继功能性区域、出射功能性区域三个功能性区域中的一个、两个或三个内的纳米衍射光栅分解成一个个排列在一起的像素光栅，横向相邻像素光栅之间的横向间距是光栅周期的整数倍；像素光栅中的光栅槽与纵向相邻的像素光栅中的光栅槽按序一一对齐或错序对齐；

s2：模板制备，利用光刻技术或机械精密加工制作模板；

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。

步骤s2中光刻技术包括点阵全息光刻、电子束光刻、离子束光刻、中性原子光刻，其中优选的为点阵全息光刻技术。

优选的，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。

优选的，步骤s2中，对应耦入功能性区域内的纳米衍射光栅模板的制备方法如下：

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，其中干涉光1和法线夹角α1为耦入功能性区域的纳米衍射光栅的倾角，干涉光1和干涉光的2夹角α1-α2决定了纳米衍射光栅的周期。

优选的，步骤s2中，对应中继功能性区域、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，利用点阵全息技术对光刻胶进行曝光，干涉光1和干涉光2的夹角2θ决定了光栅周期；

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，利用点阵全息技术对光刻胶进行曝光，干涉光1和干涉光2的夹角2θ决定了光栅周期。

优选的，耦入功能性区域内的纳米衍射光栅模板的制备中，纳米衍射光栅深度通过光刻胶厚度、曝光量和显影参数共同控制；显影后，在光刻胶中形成倾斜光栅，深度略微高于最终光栅设计值；通过浸银反应，在光刻胶光栅表面形成一层银膜，然后放在电铸槽中生长，最终形成表面图形和光刻胶中图形互补的镍模板；然后分离，将光刻胶去除，得到具有互补图形的镍模板。

优选的，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中，根据纳米衍射光栅深度分布设计，控制每个像素光栅的曝光量，从而调控显影后光刻胶中光栅的深度分布，通过调控干涉光1和干涉光2的夹角，控制像素光栅内的光栅周期；然后通过浸银反应，在光刻胶光栅表面形成一层银膜，然后放在电铸槽中生长，最终形成表面图形和光刻胶中图形互补的镍模板；然后分离，将光刻胶去除，得到具有互补图形的镍模板。

优选的，镍模板制备完成后，在s3步骤中，利用对应的镍模板通过纳米压印技术，分别对耦入功能性区域、中继功能性区域、出射功能性区域内的纳米衍射光栅进行复制生产；利用紫外纳米技术，在波导衬底上滴涂紫外固化胶，将镍模板和波导衬底贴合并施加压力；紫外曝光并脱模。

纳米压印技术包括单体固化纳米压印(光固化或热固化)、热纳米压印，其中优选的为紫外纳米压印技术。

波导衬底可以选择高折射率重火石玻璃，厚度在0.3mm到1.2mm之间。紫外固化胶选择高折射率环硫。压印后光栅凹槽和波导衬底上表面的距离可以在前述的范围内任意选择，如选择为500nm。

如图9a-f所示，制作耦入功能性区域201的纳米衍射光栅示例，该区域纳米衍射光栅采用倾斜光栅。利用点阵全息技术或者传统干涉光刻技术，对光刻胶进行曝光。点阵全息技术对应耦入功能性区域由很多个像素光栅构成，干涉光刻技术对应耦入功能性区域为一整个大光栅(也可以根据需要，采用多个像素光栅排布而成，每个像素光栅由一组纳米纳米衍射光栅构成)。图9a中，衬底305上涂覆光刻胶304，然后利用光束1和光栅2进行双光束光刻，其中光束1和法线夹角α1为光栅倾角，光束1和光束2夹角α1-α2决定了光栅周期，光栅深度通过光刻胶厚度、曝光量和显影参数共同控制。显影后，在光刻胶304中形成倾斜光栅，深度略微高于最终光栅设计值，如图9b所示。通过浸银反应，在光刻胶光栅表面形成一层银膜，然后放在电铸槽中生长，最终形成表面图形和光刻胶中图形互补的镍模板303(如图9c所示)。然后分离，将光刻胶304去除，得到具有互补图形的镍模板303，如图9d所示，利用该镍模板303可通过纳米压印技术，对耦入功能性区域201的纳米衍射光栅复制生产。如图9e所示，优选利用紫外纳米技术，包括在波导衬底2上滴涂紫外固化胶302，将镍模板303和波导衬底2贴合并施加压力，紫外曝光并脱模。波导衬底2可以选择高折射率重火石玻璃，厚度在0.3mm到1.2mm之间。紫外固化胶302可选择高折射率环硫树脂。压印后光栅凹槽和波导衬底上表面的距离可以选择0到100微米之间任一不为零的数值，如500nm。

如图10a-f所示，为制作中继功能性区域202和出射功能性区域203内的纳米衍射光栅的示意图，这两个区域的纳米衍射光栅可均选择正光栅。如图10a所示，衬底305上涂覆光刻胶304，利用点阵全息技术对光刻胶进行曝光，光束的夹角2θ决定了光栅周期。根据图4的光栅深度分布，控制每个像素光栅的曝光量，从而调控显影后光刻胶中光栅的深度分布，通过调控光束夹角，控制像素光栅内的光栅周期。最后形成图10b所示的模板，然后通过浸银反应，在光刻胶304形成的光栅表面形成一层银膜。如图10c所示，然后放在电铸槽中生长，最终形成表面图形和光刻胶中图形互补的镍模板303。然后分离，将光刻胶304去除，得到具有互补图形的镍模板303，如图10d所示。然后利用该模板可通过纳米压印技术，对中继功能性区域202和出射功能性区域203内的纳米衍射光栅复制生产，如图10e所示，优选的用紫外纳米技术，在波导衬底2上滴涂紫外固化胶302，将镍模板303和波导衬底2贴合并施加压力，使得紫外固化胶充盈在镍模板303和波导衬底2之间，经过紫外曝光并脱模，在相应区域获得纳米衍射光栅，如图10f所示。波导衬底2可以选择高折射率重火石玻璃，厚度在0.3mm到1.2mm之间，紫外固化胶302选择高折射率环硫树脂，压印后残留层厚度可以为500nm。三块光栅区域(耦入、中继和出射功能性区域)均可利用点阵全息技术在同一块镍模板中形成，光栅对位精度高。红绿蓝镜片制作过程和上述过程类似，参数根据前述实施例中给出的条件选取。三块全息波导镜片单元完成后，根据图1中所示顺序进行堆叠，从而实现彩色影像。

本发明还提供一种三维显示装置，包括上述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。