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。
技术实现要素：
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。
掺杂金纳米颗粒体全息光栅及其制备方法，包括以下步骤：
(1)基础光敏材料配制，包括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，金纳米颗粒在光致聚合物中所占质量比为0.05-0.12％wt；
(2)用恒温磁力搅拌器在30-50℃下搅拌10-20分钟，搅拌速度控制在500-1000转每分钟；
(3)用匀胶机旋涂在洁净的玻璃基板上，旋涂厚度为10-50um，之后放入真空烘箱中烘烤30-60分钟制成曝光用的全息干板，烘箱温度应控制在30-40摄氏度；
(4)在暗室环境下用两束具有一定夹角的相干激光光束对制备的全息干板进行曝光，使两路激光光束的光斑在全息干板上重合，形成周期均匀、明暗相间的干涉条纹。曝光过程中应保证两路光束的光强相等，曝光剂量控制在30-360mj之间；
(5)曝光结束后需对掺金全息光栅进行紫外固化处理。首先用长波紫外灯对光栅照射5-10分钟，紫外灯波长应为365纳米；
(6)紫外固化后将掺金光栅放入真空干燥箱中烘烤15-30分钟，温度控制在50-110摄氏度。
进一步的，所述的金纳米颗粒包括羧基修饰的金纳米颗粒、氨基修饰的金纳米颗粒和聚乙二醇修饰的金纳米颗粒，粒径在1nm-100nm范围内，均匀分散在油性溶剂或者水性溶剂之中。
有益效果：本发明与现有技术相比，本发明所述的掺杂金纳米颗粒的全息波导显示系统及其光栅制备方法，通过输入和输出耦合光学器件均采用掺杂金纳米颗粒的体全息光栅，解决并且提高了基于传统体全息光栅的波导结构的显示系统视场角受限制的问题和视场角的范围大小。
附图说明
图1是传统的全息波导显示系统结构示意图；
图2是传统体全息光栅衍射角度选择性曲线；
图3是本发明提出的掺杂金纳米颗粒的全息波导显示系统示意图；
图4是本发明中掺杂金纳米颗粒的体全息光栅原理示意图；
图5是本发明中掺杂金纳米颗粒的体全息光栅sem结构图，放大倍数5000；
图6是放大20000倍的掺金光栅sem图；
图7是放大40000倍的掺金光栅sem图；
图8是放大80000倍的掺金光栅sem图；
图9是掺金光栅和不掺金光栅实测衍射效率随入射角度的变化曲线，其中掺杂金纳米颗粒粒径为5nm，金纳米颗粒浓度为0.06％wt,曝光剂量为30mj；
图10是本发明中掺金光栅和不掺金光栅的光谱响应曲线，其中掺杂金纳米颗粒粒径为5nm，金纳米颗粒浓度为0.06％wt,曝光剂量为30mj；
图11是本发明中掺杂不同粒径(5nm和20nm)金纳米颗粒(曝光剂量为90mj，浓度为0.12％wt)的体全息光栅的光谱响应曲线图；
图12是本发明中体全息光栅掺杂相同浓度的金纳米颗粒(5nm粒径)在不同曝光剂量(30mj、90mj和180mj)下的光谱响应曲线图；
图13是本发明中体全息光栅掺杂不同浓度的金纳米颗粒(5nm粒径)在曝光剂量为180mj下的光谱响应曲线图。
具体实施方式
为了进一步的说明本发明公开的技术方案，下面结合说明书附图和具体实施例做详细的阐述。
现有的技术中的全息波导显示系统如图1所示，包括未作任何特殊处理的体全息光栅，因全息光栅高度的角度选择性(见图2)，从而限制了显示器的视场角。
本发明提供的掺杂金纳米颗粒的全息波导显示系统及其光栅制备方法如图3所示，包括微显示器件1、准直透镜组2、输入耦合元件3、输出耦合元件4和平板波导5。其中，输入输出耦合元件4和5为掺杂金纳米颗粒的体全息光栅，制备所述体全息光栅的材料为掺杂金纳米颗粒的光致聚合物混合溶液。
如图3所示，本发明采用的微显示器1为lcos微显示器，亮度为10000cd/m2。其中的准直透镜组2焦距为10mm，厚度为50mm，重量为20克；掺杂金纳米颗粒的体全息光栅4和5厚度为15um，入耦合光栅4尺寸为8×8mm，出耦合光栅5尺寸为25mm×25mm；平板波导3的基底材料为k9玻璃，折射率为1.52，厚度为2mm，长度为60mm。
其中的掺杂金纳米颗粒的体全息光栅为反射型光栅，并贴合于平板波导3上表面，准直透镜组2放置于波导3下表面一段距离处。lcos微显示器1位于准直透镜组一倍焦距处。
制备所述的一种掺杂金纳米颗粒的体全息光栅，本发明还提供一种掺杂金纳米颗粒体全息光栅的制备方法，包括以下步骤：
(1)基础光敏材料配制，包括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，金纳米颗粒在光致聚合物中所占质量比为0.05-0.12％wt。
(2)用恒温磁力搅拌器在30-50℃下搅拌10-20分钟，搅拌速度控制在500-1000转每分钟，以保证金纳米在光致聚合物溶液中分散均匀；
(3)用匀胶机旋涂在洁净的玻璃基板上，旋涂厚度为10-50um，之后放入真空烘箱中烘烤30-60分钟制成曝光用的全息干板，烘箱温度应控制在30-40摄氏度，使涂在玻璃基板上的光致聚合物变成薄膜，并蒸发溶液中的水分；
(4)在暗室环境下用两束具有一定夹角的相干激光光束对制备的全息干板进行曝光，曝光过程中两路光束的光强相等，曝光剂量控制在30-360mj之间，并且使两路激光光束的光斑在全息干板上重合，形成周期均匀、明暗相间的干涉条纹；
(5)曝光结束后需对掺金全息光栅进行紫外固化处理，首先用长波紫外灯对光栅照射5-10分钟，紫外灯波长应为365纳米，用紫外曝光的方式将引发剂消耗完，使光聚合反应终止。
(6)紫外固化后将掺金光栅放入真空干燥箱中烘烤15-30分钟，温度控制在50-110摄氏度，烘烤过程可加速单体扩散和成链过程。
掺杂金纳米颗粒的体全息光栅内部结构如图4所示，曝光前均匀分散于全息干板中的金纳米颗粒粒径为5纳米，金纳米颗粒的掺入有助于改善材料的维度稳定性，并且在聚合物曝光的过程中发生了双扩散现象，即单体在曝光过程中向亮区扩散，同时金纳米颗粒被驱赶至暗区。聚合物中的单体受光致聚合作用联结成长链，而金纳米颗粒规则地聚集于丙烯酸酯单体形成的链状基团周围，因表面等离基元效应，金纳米颗粒在可见光波段具有强吸收效应。因此，在掺杂金纳米颗粒的体全息光栅在单体和金纳米颗粒的双扩散作用下，最终形成折射率和吸收调制的混合型光栅。上述所形成的混合型光栅折射率调制公式为n＝n0+n1cos(k·x+π)，吸收系数调制公式为α＝α0+α1cos(k·x)。
上述所得的掺杂金纳米颗粒的体全息光栅的sem图如图5所示，从图5中可以看出，基底玻璃表面形成的掺金光致聚合物光栅的厚度为18um，图6为所述放大20000倍的掺金光栅sem图，可以看出曝光形成的光栅条纹，条纹间距均匀一致，图7为放大40000倍的掺金光栅sem图，可以看出丙烯酸酯单体分子光致聚合反应后形成长链的形貌，亮区和暗区分区明显，且能看到金纳米颗粒。单体成链的区域(条纹区)为高折射率区，金纳米颗粒聚集区(相邻条纹之间的区域)为高吸收区。图8为放大80000倍的掺金光栅sem图，可以看到金纳米颗粒均匀聚集在丙烯酸酯长链周围。
体全息光栅掺杂金纳米颗粒后，与不掺金的光致聚合物全息光栅相比，其折射率调制度得到提高，两种光栅实测衍射效率随入射角度的变化曲线如图9所示，实线为掺金光栅，虚线代表不掺金光栅。从图中可以看出掺金体全息光栅的衍射角度带宽比不掺金光致聚合物全息光栅的带宽扩大两倍左右，并且最高衍射效率提高至75％。所述掺金全息光栅中金纳米颗粒的粒径为5nm，金纳米颗粒浓度为0.06％wt；两种光栅制作过程中的曝光剂量都为30mj，后处理过程相同。由图10中上述两种光栅的光谱响应曲线可以看出，上述掺金光栅的衍射波长带宽比不掺金光栅的衍射波长带宽大。
图11为掺杂两种不同粒径(5纳米和20纳米)金纳米颗粒后光栅的光谱响应曲线，虚线代表粒径20纳米，实线表示粒径为5纳米。所述金纳米颗粒具有表面等离激元效应和在可见光波段的强吸收特性，且其粒径大小会决定其吸收峰的位置，从而影响掺金全息光栅的光学特性。图11中金纳米颗粒粒径为20nm的全息光栅光谱带宽比粒径5nm的小。上述两种光栅中掺杂的金纳米颗粒浓度均为0.06％wt,曝光剂量为30mj。
图12为研究不同曝光剂量下所述掺金全息光栅的光谱响应特性，从左往右的曝光剂量依次为30mj，90mj和180mj。可以发现曝光剂量越大，所述掺金全息光栅在某一波长下的透过率越低，衍射效率随之增高，响应曲线的带宽也随之变宽。所述体全息光栅掺杂的金纳米颗粒粒径都为5纳米，浓度都为0.06％wt。
图13为掺杂不同浓度的金纳米颗粒全息光栅光谱响应曲线。从图中可以看出，在相同的曝光剂量下，掺杂金纳米颗粒的全息光栅的衍射效率都比不掺金光栅的衍射效率高。除此之外，随着金纳米颗粒浓度的增大，掺金全息光栅的光谱响应宽度也会随之增加。