一种基于聚合物多层膜的全息彩色衍射平视显示装置的制造方法
【专利摘要】一种基于聚合物多层膜的全息彩色衍射平视显示装置。其包括衍射屏幕、内部记录有反射式全息体光栅的多层膜记录介质、液晶光调制器、第一分光棱镜、第一衰减片、第一扩束透镜组、第一LED光源、第二分光棱镜、第二衰减片、第二扩束透镜组、第二LED光源和LED驱动电源；本发明提供的全息彩色衍射平视显示装置能将不同波长的相干光发生干涉，并将反射式全息体光栅记录于多层膜光致聚合物内部，同时通过液晶光调制器加载图像，调整不同波长读出光强度，将需要显示的图像信息通过反射式光栅衍射到屏幕上，不同颜色的光同时读取光栅，从而能够清晰显示出具有色彩的图像。
【专利说明】
一种基于聚合物多层膜的全息彩色衍射平视显示装置
技术领域
[0001] 本发明属于全息显示技术领域，特别是涉及一种基于聚合物多层膜的全息彩色衍 射平视显示装置。
【背景技术】
[0002] 随着科技发展，最初用于军事领域战斗机的平视显示器正逐步向民用领域扩展。 平视显示器能够使飞行员不需要低头观看仪表，透过飞机的前风挡玻璃既可以观察外部环 境，同时能够直接将信息显示到玻璃上，十分利于飞行员进行相关的操作。民用领域可以将 平视显示器安置于汽车的前风挡玻璃上，驾驶人员在观察路面状况的同时便能够直观地观 察汽车的行驶速度等其他信息，便于驾驶员快捷地操作车辆。因此平视显示器有着广泛的 应用潜力与发展前景。
[0003] 平视显示装置中基于光栅衍射原理的平视显示器件受到最多重视。由于单纯依靠 玻璃表面膜的反射实现信息显示会存在反射率小、对比度低等显著缺点，从而使得显示效 果极差。若在玻璃表面通过刻蚀或者贴敷一层相位型衍射光栅，依据光栅衍射原理，在视场 中便能够以较高亮度显示信息，这对于平视显示器而言至关重要，目前该种方式被广泛用 于各类型的平视显示器件。但是在显示信息的同时我们发现，目前绝大多数的平视显示器 均为单一颜色，这是由于刻蚀的衍射光栅条纹间距固定，受限于人工刻蚀的固定间距光栅， 因此很难研制对多种波长同时具有较强衍射能力的反射式光栅。另外为增大透过率，不能 更改和通过复用方式增加不同间距的光栅条纹。为使信息能够清晰显示，人们多选择对人 眼较为敏感的黄绿光作为衍射光，因此我们所看到的平视显示器多为单一绿色。然而对于 长期观察显示器的显示信息并透过衍射平显观察外部景观的操作人员而言，单调的显示色 彩非常容易引起视觉疲劳，从而使得驾驶员对显示信息的敏锐性降低。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于聚合物多层膜的全息彩色衍 射平视显示装置。
[0005] 为了达到上述目的，本发明提供的基于聚合物多层膜的全息彩色衍射平视显示装 置包括:衍射屏幕、内部记录有反射式全息体光栅的多层膜记录介质、液晶光调制器、第一 分光棱镜、第一衰减片、第一扩束透镜组、第一 LED光源、第二分光棱镜、第二衰减片、第二扩 束透镜组、第二LED光源和LED驱动电源;其中第一 LED光源、第一扩束透镜组、第一衰减片和 第一分光棱镜从右至左相隔距离设置成一排，并且第一 LED光源的发射口面对第一扩束透 镜组;第二LED光源、第二扩束透镜组、第二衰减片和第二分光棱镜从右自左相隔距离设置 成一排，第二LED光源的发射口面对第二扩束透镜组，并且第二分光棱镜位于第一分光棱镜 正前方;液晶光调制器沿横向设置在第一分光棱镜后侧；多层膜记录介质设置在液晶光调 制器后侧，并且与液晶光调制器呈45度夹角;衍射屏幕设置在能够接收多层膜记录介质衍 射光线的多层膜记录介质一侧;第一 LED光源和第二LED光源同时与LED驱动电源电连接。
[0006] 所述的第一 LED光源和第二LED光源的中心波长分别为532nm与633nm。
[0007] 所述的多层膜记录介质由丙烯酰胺聚合物上层存储介质和聚甲基丙烯酸甲酯聚 合物下层存储介质组成;其中丙烯酰胺聚合物上层存储介质以重量份计的下列组分组成： 丙烯酰胺 10 三乙醇胺 30
[0008] NN亚甲基双丙烯酰胺 5 亚甲基蓝 0. 1 聚乙烯醇 54.9
[0009] 聚甲基丙烯酸甲酯聚合物下层存储介质由以重量计的下列组分组成： 菲醌 Q.5-1.0 偶氮二异丁氰 〇. 5
[0010] Si()」粒子 0. 005-0. 02 甲基丙烯酸甲酯 98. 38-98. 995
[0011] 所述的Si02粒子的平均直径为15nm。
[0012] 所述的多层膜记录介质的制备方法是:首先将按照上述重量称量的作为光敏剂的 菲醌、作为热引发剂的偶氮二异丁腈和作为热致聚合单体的甲基丙烯酸甲酯共混，然后在 50°C下通过超声波振荡使其混合均匀并充分互溶，之后放置30分钟以产生沉淀，然后过滤， 将Si0 2纳米粒子加入到过滤后的澄清液中而制成混合液，将上述混合液升温至55°C，并持 续超声振荡5分钟，而后停止振荡，之后移至圆盘型玻璃模具内，升温至65°C，维持该温度并 在干燥箱内固化48小时而制成下层存储介质毛坯，最后将上述毛坯利用氧化铝抛光粉在 300-500r/min的转速下使用抛光机进行表面抛光，由此制成下层存储介质；
[0013] 将按照上述重量称量的作为光敏剂的亚甲基蓝染料、作为单体的丙烯酰胺、作为 链转移剂的三乙醇胺和作为交联剂的NN亚甲基双丙烯酰胺通过去离子水共混;将作为基底 材料的聚乙烯醇称量，并加入到另外准备的去离子水中配制成为10 %质量体积比的澄清溶 液，而后将该澄清溶液与上述共混物混合在一起，在磁力搅拌器下持续搅拌30分钟而制成 共混液，静置10分钟排除气泡，然后将上述共混液均匀涂于已进行过表面抛光的下层存储 介质表面，放置36-48小时，待溶剂自然干燥后即制成具有宽频敏感能力的多层膜记录介 质。
[0014]本发明提供的基于聚合物多层膜的全息彩色衍射平视显示装置是针对具有宽吸 收范围的光致聚合物材料特点而设计，其能将不同波长的相干光发生干涉，并将反射式全 息体光栅记录于多层膜光致聚合物内部，同时通过液晶光调制器加载图像，调整不同波长 读出光强度，将需要显示的图像信息通过反射式光栅衍射到屏幕上，不同颜色的光同时读 取光栅，从而能够清晰显示出具有色彩的图像。另外，基于多层膜记录介质的性质，利用该 介质的高透射率与高衍射效率，透过介质观察外部的同时将显示信息加载于视场内部，可 实现高清晰度的全息彩色衍射平显。
【附图说明】
[0015] 图1为本发明提供的基于聚合物多层膜的全息彩色衍射平视显示装置示意图。
[0016] 图2为本发明提供的多层膜记录介质中聚甲基丙烯酸甲酯聚合物下层存储介质的 吸收谱。
[0017] 图3为本发明提供的多层膜记录介质的吸收谱。
[0018] 图4为本发明提供的多层膜记录介质的反射式全息体光栅绿光衍射光谱。
[0019] 图5为本发明提供的多层膜记录介质的反射式全息体光栅红光衍射光谱。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图和具体实施例对本发明提供的基于聚合物多层膜的全息彩色衍射 平视显示装置进行详细说明。
[0021] 如图1所示，本发明提供的基于聚合物多层膜的全息彩色衍射平视显示装置包括： 衍射屏幕1、内部记录有反射式全息体光栅的多层膜记录介质2、液晶光调制器3、第一分光 棱镜4、第一衰减片5、第一扩束透镜组6、第一 LED光源7、第二分光棱镜8、第二衰减片9、第二 扩束透镜组10、第二LED光源11和LED驱动电源12;其中第一 LED光源7、第一扩束透镜组6、第 一衰减片5和第一分光棱镜4从右至左相隔距离设置成一排，并且第一 LED光源7的发射口面 对第一扩束透镜组6;第二LED光源11、第二扩束透镜组10、第二衰减片9和第二分光棱镜8从 右自左相隔距离设置成一排，第二LED光源11的发射口面对第二扩束透镜组10,并且第二分 光棱镜8位于第一分光棱镜4正前方;液晶光调制器3沿横向设置在第一分光棱镜4后侧；多 层膜记录介质2设置在液晶光调制器3后侧，并且与液晶光调制器3呈45度夹角；衍射屏幕1 设置在能够接收多层膜记录介质2衍射光线的多层膜记录介质2-侧;第一 LED光源7和第二 LED光源11同时与LED驱动电源12电连接。
[0022] 所述的第一 LED光源7和第二LED光源11的中心波长分别为532nm与633nm，并可以 根据需要将LED光源换成激光光源。
[0023]现将本发明提供的全息彩色衍射平视显示装置工作原理阐述如下：由第一LED光 源7发出的中心波长为532nm的光先经过第一扩束透镜组6进行扩束，然后由第一衰减片5将 光强进行衰减，而后进入第一分光棱镜4;由第二LED光源11发出的中心波长为633nm的光先 经过第二扩束透镜组10进行扩束，然后由第二衰减片9将光强进行衰减，而后进入第二分光 棱镜8,之后经第二分光棱镜8反射的光束透过第一分光棱镜4后与第一 LED光源7发射的光 重叠，并一起入射到液晶光调制器3表面，透过液晶光调制器3加载图像后，以反射式光栅的 Bragg匹配角度入射到多层膜记录介质2,经多层膜记录介质2中的反射式全息体光栅衍射， 将携带信息的图像直接投射到衍射屏幕1上进行显示，或者通过肉眼直接观看，便能够获得 清晰、高亮度的衍射图像。
[0024] 实施例1:
[0025] 本实施例提供的多层膜记录介质2记录介质由丙烯酰胺聚合物上层存储介质和聚 甲基丙烯酸甲酯聚合物下层存储介质组成;其中丙烯酰胺聚合物上层存储介质以重量计的 下列组分组成：
[0026] 丙烯酰胺 10g 三乙醇胺 SQg 顚亚甲基双丙烯酰胺 ％
[0027] 亚甲基蓝 .0. l.g: 聚乙烯醇 54. 9.g
[0028] 下层存储介质由以重量计的下列组分组成： 菲醌 （). 偶氮二异丁氰 （U g
[0029] SiO_.纳米粒子 0.()0〇 g 甲基丙烯酸甲酯 98.38 g
[0030] 制备方法:所述的多层膜记录介质2的制备方法是:首先将按照上述重量称量的作 为光敏剂的菲醌、作为热引发剂的偶氮二异丁腈和作为热致聚合单体的甲基丙烯酸甲酯共 混，然后在50°C下通过超声波振荡使其混合均匀并充分互溶，之后放置30分钟以产生沉淀， 然后过滤，将平均直径为15nm的Si0 2纳米粒子加入到过滤后的澄清液中而制成混合液，将 上述混合液升温至55°C，并持续超声振荡5分钟，而后停止振荡，之后移至圆盘型玻璃模具 内，升温至65°C，维持该温度并在干燥箱内固化48小时而制成下层存储介质毛坯，最后将上 述毛坯利用氧化铝抛光粉在300r/min的转速下使用抛光机进行表面抛光，由此制成下层存 储介质，厚度范围为500微米至3毫米；
[0031] 将按照上述重量称量的作为光敏剂的亚甲基蓝染料、作为单体的丙烯酰胺、作为 链转移剂的三乙醇胺和作为交联剂的NN亚甲基双丙烯酰胺通过去离子水共混;将作为基底 材料的聚乙烯醇称量，并加入到另外准备的去离子水中配制成为10 %质量体积比的澄清溶 液，而后将该澄清溶液与上述共混物混合在一起，在磁力搅拌器下持续搅拌30分钟而制成 共混液，静置10分钟排除气泡，然后将上述共混液均匀涂于已进行过表面抛光的下层存储 介质表面，放置36-48小时，待溶剂自然干燥后即制成具有宽频敏感能力的多层膜记录介质 2〇
[0032] 实施例2:
[0033] 本实施例提供的多层膜记录介质2由丙烯酰胺聚合物上层存储介质和聚甲基丙烯 酸甲酯聚合物下层存储介质组成;其中丙烯酰胺聚合物上层存储介质以重量计的下列组分 组成： 丙烯酰胺 l()g 三乙醇胺 3:Qg
[0034] NN亚甲基双丙烯酰胺 5g 亚甲基蓝 0. ig 聚乙浠醇 %
[0035] 下层存储介质由以重量计的下列组分组成： 菲醌 1. () 8 偶氮二异0.5 g
[0036] SiOjft米粒子 〇. 01 g 甲基丙烯酸甲酯 98. 995 g
[0037]制备方法同实施例1。
[0038] 实施例3:
[0039]本实施例提供的多层膜记录介质2由丙烯酰胺聚合物上层存储介质和聚甲基丙烯 酸甲酯聚合物下层存储介质组成;其中丙烯酰胺聚合物上层存储介质以重量计的下列组分 组成： 丙烯酰胺 l〇g 三乙醇胺 30g
[0040] NN亚甲基双丙烯酰胺 5g 亚甲基蓝 0. lg 聚乙烯醇 M.9g
[0041 ]下层存储介质由以重量计的下列组分组成： 菲醌 （).H k 偶氮二异丁氰 〇. 5 g
[0042] SiOj^j米粒子 （).02 g 甲基丙烯酸甲酯 98. 60 g
[0043] 制备方法同实施例1。
[0044] 图2为本发明提供的多层膜记录介质2中聚甲基丙烯酸甲酯聚合物下层存储介质 的吸收谱，从图中可以看出该下层存储介质对波长小于600nm的激光具有较高的光敏吸收 能力。该材料适合于在532nm激光下记录光栅。图3为本发明提供的多层膜记录介质2的吸收 谱。与上述下层存储介质的吸收谱相比，可以明显看出多层膜记录介质2的吸收出现两个峰 值，一个与下层存储介质相同，另外一个在600nm-700nm范围内。这是由于丙稀酰胺聚合物 上层存储介质是一种对红光敏感的聚合物材料，因此多层膜记录介质2能够适用于两种不 同波长的激光分别记录全息体光栅。
[0045]反射式光栅衍射谱能够表征全息体光栅的衍射能力。图4为本发明提供的多层膜 记录介质的反射式全息体光栅绿光衍射光谱。该衍射光谱是由下层存储介质的绿敏材料内 部记录的光栅衍射测量而来。可以明显看出该光谱的衍射峰值在绿光范围。通过适当调整 光栅衍射角度能够使衍射波长刚好匹配中心波长为532nm的第一 LED光源7。同时该光谱的 峰值半宽度较窄，十分适合对单一波长进行衍射。能够很好地滤除其他波长的杂散光。
[0046]图5为本发明提供的多层膜记录介质的反射式全息体光栅红光衍射光谱。该衍射 光谱是由上层存储介质的红敏材料内部记录的光栅衍射测量而来。可以明显看出其衍射峰 值位置直接对准633nm，同时也具有较窄的峰值半宽度，因此能够很好地衍射He-Ne激光波 长。该上层存储介质的衍射光谱表明适合于对红光进行衍射。
【主权项】
1. 一种基于光致聚合物的全息彩色衍射平视显示装置，其特征在于:其包括:衍射屏幕 (1)、内部记录有反射式全息体光栅的多层膜记录介质（2)、液晶光调制器(3)、第一分光棱 镜(4)、第一衰减片(5)、第一扩束透镜组(6)、第一 LED光源(7)、第二分光棱镜(8)、第二衰减 片(9)、第二扩束透镜组(IO)、第二LED光源（11)和LED驱动电源（12);其中第一LED光源(7)、 第一扩束透镜组(6)、第一衰减片(5)和第一分光棱镜(4)从右至左相隔距离设置成一排，并 且第一 LED光源(7)的发射口面对第一扩束透镜组(6);第二LED光源（11 )、第二扩束透镜组 (10)、第二衰减片(9)和第二分光棱镜(8)从右自左相隔距离设置成一排，第二LED光源（11) 的发射口面对第二扩束透镜组（10)，并且第二分光棱镜(8)位于第一分光棱镜(4)正前方； 液晶光调制器(3)沿横向设置在第一分光棱镜(4)后侧；多层膜记录介质（2)设置在液晶光 调制器(3)后侧，并且与液晶光调制器(3)呈45度夹角;衍射屏幕（1)设置在能够接收多层膜 记录介质（2)衍射光线的多层膜记录介质（2)-侧;第一 LED光源(7)和第二LED光源（11)同 时与LED驱动电源（12)电连接。2. 根据权利要求1所述的基于光致聚合物的全息彩色衍射平视显示装置，其特征在于： 所述的第一 LED光源(7)和第二LED光源（11)的中心波长分别为532nm与633nm〇3. 根据权利要求1所述的基于光致聚合物的全息彩色衍射平视显示装置，其特征在于： 所述的多层膜记录介质(2)由丙烯酰胺聚合物上层存储介质和聚甲基丙烯酸甲酯聚合物下 层存储介质组成;其中丙烯酰胺聚合物上层存储介质以重量份计的下列组分组成： 丙烯酰胺 10 三乙醇胺 3:0 NN亚甲基双丙烯酰胺 5 亚甲基蓝 0.1 聚乙烯醇 54.9 聚甲基丙烯酸甲酯聚合物下层存储介质由以重量计的下列组分组成： 菲醌 0. 5-1. 0 偶氮二异丁氰 〇.5g Si()」纳米粒.子 0. 005-0. 02 甲基丙烯酸甲酯 98, 3:8-擁,9954. 根据权利要求3所述的基于光致聚合物的全息彩色衍射平视显示装置，其特征在于： 所述的SiO2纳米粒子的平均直径为15nm。5. 根据权利要求3所述的基于光致聚合物的全息彩色衍射平视显示装置，其特征在于： 所述的多层膜记录介质(2)的制备方法是:首先将按照上述重量称量的作为光敏剂的菲醌、 作为热引发剂的偶氮二异丁腈和作为热致聚合单体的甲基丙烯酸甲酯共混，然后在50°C下 通过超声波振荡使其混合均匀并充分互溶，之后放置30分钟以产生沉淀，然后过滤，将SiO 2 纳米粒子加入到过滤后的澄清液中而制成混合液，将上述混合液升温至55°C，并持续超声 振荡5分钟，而后停止振荡，之后移至圆盘型玻璃模具内，升温至65°C，维持该温度并在干燥 箱内固化48小时而制成下层存储介质毛坯，最后将上述毛坯利用氧化铝抛光粉在300- 500r/min的转速下使用抛光机进行表面抛光，由此制成下层存储介质，厚度范围为500微米 至3毫米； 将按照上述重量称量的作为光敏剂的亚甲基蓝染料、作为单体的丙烯酰胺、作为链转 移剂的三乙醇胺和作为交联剂的NN亚甲基双丙烯酰胺通过去离子水共混;将作为基底材料 的聚乙烯醇称量，并加入到另外准备的去离子水中配制成为10%质量体积比的澄清溶液， 而后将该澄清溶液与上述共混物混合在一起，在磁力搅拌器下持续搅拌30分钟而制成共混 液，静置10分钟排除气泡，然后将上述共混液均匀涂于已进行过表面抛光的下层存储介质 表面，放置36-48小时，待溶剂自然干燥后即制成具有宽频敏感能力的多层膜记录介质2。
【文档编号】G02B27/01GK105892057SQ201610321320
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】刘鸿鹏, 刘郎波, 于丹, 王辉, 先立洪, 毛冬瑶, 王维波
【申请人】中国民航大学