阅读说明：本技术 一种柔性全息基元膜及其制备方法和应用 (Flexible holographic base element film and preparation method and application thereof ) 是由 王广军 余为伟 于 2019-11-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及3D显示领域,公开了一种柔性全息基元膜及其制备方法和应用,基元膜整体为柔性可弯曲薄膜结构,由若干相间平行排列的反射层和透明层组成,反射层为具有反射光线功能的反射膜,用于反射光线,透明层用于透射光线,柔性全息基元膜的水平夹持下垂长度为L(cm),可对折次数为n,满足：L≥5或者n*L>9,与现有高精度光学玻璃加工工艺极其高昂的加工成本相比,本发明所述制备方法的材料成本以及加工工艺成本都较低,适合大范围推广,同时基于本发明所述的柔性全息基元膜制备的3D显示全息膜,可以做成卷轴式屏幕、曲面屏幕等,灵活度较高,不使用时方便收纳,占用空间较小。(The invention relates to the field of 3D display, and discloses a flexible holographic base film and a preparation method and application thereof, wherein the whole base film is of a flexible bendable film structure and consists of a plurality of reflecting layers and transparent layers which are arranged in parallel at intervals, the reflecting layers are reflecting films with the function of reflecting light rays and are used for reflecting light rays, the transparent layers are used for transmitting light rays, the horizontal clamping sag length of the flexible holographic base film is L (cm), the folding times are n, and the requirements are met: l is more than or equal to 5 or n L is more than 9, compared with the extremely high processing cost of the existing high-precision optical glass processing technology, the material cost and the processing technology cost of the preparation method are low, the preparation method is suitable for large-scale popularization, and meanwhile, the 3D display holographic film prepared based on the flexible holographic element film can be made into a scroll screen, a curved screen and the like, has high flexibility, is convenient to store when not used, and occupies a small space.)

一种柔性全息基元膜及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及3D显示领域，尤其是涉及一种柔性全息基元膜及其制备方法和应用。

背景技术

3D显示技术能够在空间显示出立体画面，是下一代显示技术的主流方向。虽然已经有很多可以实现3D显示的方案，比如体显示技术、立体图像对技术、佩珀耳幻象等，但是目前还没有一种比较完美的3D解决方案，其主要原因是缺乏对大面积光源操控的光学玻璃元件。

传统的光学玻璃加工工艺只能够在百微米尺度进行微结构加工，更高精度的大面积光学玻璃加工需要及其高昂的加工成本，而且光学玻璃本身为硬材质，加工过程中容易出现破碎以及产生残余应力等问题，本发明给出一种柔性全息基元膜及其加工方法，可以实现对光线的操控进而实现3D显示。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对上述现有技术中传统的高精度的大面积光学玻璃加工的高昂成本以及加工过程中存在的玻璃易破碎以及产生残余应力等影响良品率的问题，提供一种柔性全息基元膜及其制备方法和应用。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种柔性全息基元膜，所述基元膜整体为柔性可弯曲薄膜结构，由若干相间平行排列的反射层和透明层组成，所述反射层为具有反射光线功能的反射膜，用于反射光线，所述透明层为用于透射光线；

所述柔性全息基元膜的水平夹持下垂长度为L(cm)，可对折次数为n，满足：L≥5或者n*L>9。

进一步地，所述反射层厚度为0.1μm～25μm，所述透明层厚度为2μm～1mm，所述透明层的厚度大于反射层的厚度。

进一步地，所述反射膜为铝箔、铁箔、锡箔、锌箔、铜箔、铬箔、镍箔和钛箔中的任意一种。

进一步地，所述透明层为固化后为透明状态的胶水层和/或通过透明胶水粘接的透射膜层。

进一步地，所述的透明胶水为环氧树脂AB胶、UV胶、无影胶、透明玻璃胶、透明木工胶和透明万能胶中的任意一种。

进一步地，所述透射膜为透明材质的塑料膜、PMMA膜、lPMMA膜、PS膜、PC膜、苯乙烯丙烯腈膜、MS膜、PET膜、PETG膜、ABS膜、PP膜、PA膜、SAN膜、MS膜、MBS膜、PES膜、CR-39膜、TPX膜、HEMA膜、F4膜、F3膜、EFP膜、PVF膜、PVDF膜、EP膜、PF膜、UP膜、醋酸纤维素膜、硝酸纤维素膜、EVA膜、PE膜、PVC膜、新型非晶型热塑性聚酯膜、无定形环烯烃膜和改性双酚A环氧树脂膜中的任意一种。

本发明还提供一种柔性全息基元膜的制备方法，包括以下步骤：

1)固化堆制备：

a)将预先裁切好的若干反射膜逐层堆叠起来，形成一个反射膜堆；

b)把上述反射膜堆整体浸泡在透明胶水中，直至透明胶水完全渗入到反射膜之间的间隙后取出；

c)静置固化，固化过程中，通过施加一定压力将反射膜之间的间隙中多余的胶水挤出，来控制胶水层的厚度，固化后形成一个胶水层与反射膜相间排列的固化堆，其中反射膜为反射层，胶水层为透明层；

2)基元膜制备：在垂直于反射层平面的方向上打磨出一个光滑表面，记为切削参考面，沿平行于切削参考面方向从固化堆上切削出一片薄片，记为基元膜，固化堆上新切削出的面为下一次切削的切削参考面，重复上述切削步骤，将步骤1)的固化堆切削成若干基元膜。

进一步地，步骤1)中所述的固化堆还可以通过如下方式制备：

将反射膜放置在平面上，在反射膜上均匀地涂上透明胶水，然后在透明胶水层再堆叠另一层反射膜，重复该堆叠过程形成反射膜和透明胶水相间堆叠的结构，静置固化后即形成固化堆。

进一步地，在相邻反射膜之间使用堆叠的方式增加至少一层上述的透射膜。

进一步地，在进行步骤2)切削之前，使用透明胶水在所述切削参考面上粘结一层透明保护膜，经过切削后得到带有透明保护膜的基元膜，或者在切削完成之后的基元膜的一面或者两面粘结一层透明保护膜，所述透明保护膜为透明材质的玻璃、亚克力、塑料膜、PMMA膜、lPMMA膜、PS膜、PC膜、苯乙烯丙烯腈膜、MS膜、PET膜、PETG膜、ABS膜、PP膜、PA膜、SAN膜、MS膜、MBS膜、PES膜、CR-39膜、TPX膜、HEMA膜、F4膜、F3膜、EFP膜、PVF膜、PVDF膜、EP膜、PF膜、UP膜、醋酸纤维素膜、硝酸纤维素膜、EVA膜、PE膜、PVC膜、新型非晶型热塑性聚酯膜、无定形环烯烃膜和改性双酚A环氧树脂膜中的任意一种。

进一步地，所述柔性全息基元膜应用于制备柔性3D显示全息膜，具体为：使用透明胶水将两张柔性的基元膜上下粘结在一起，经过固化后形成一张柔性3D显示全息膜，粘接时两层基元膜上的反射层以及透明层均以夹角θ交错并形成栅格，其中87°≤θ≤93°，所述柔性3D显示全息膜的水平夹持下垂长度L(cm)与可对折次数n之间满足：n*L>9或者L≥5，所述基元膜带有柔性透明保护膜或者不带透明保护膜。

进一步地，将带透明保护膜的基元膜应用于制备硬质3D显示全息投影屏，具体为：

使用透明胶水将一张带硬质透明保护膜(如玻璃或亚克力)的基元膜与另一张基元膜或带透明保护膜的基元膜上下粘结在一起，且两张基元膜上的反射层以及透明层均以夹角θ交错并形成栅格，其中87°≤θ≤93°。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

无需复杂的镀膜工艺就可制备出带有微米级超精细结构的柔性全息基元膜，与现有高精度光学玻璃加工工艺极其高昂的加工成本相比，本发明所述制备方法的材料成本以及加工工艺成本都较低，适合大范围推广；同时本发明所述的带栅格的全息基元膜本身为柔性，使得在对其进行加工时，不容易碎，也不会出现玻璃加工过程中产生残余应力等问题，大大提高了良品率，在具体应用时，可以做成卷轴式屏幕、曲面屏幕等，灵活度较高，不使用时收纳方便，占用空间较小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有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中记载的一些实施例，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为透明层3为透明胶水固化层的基元膜1的结构正视图，

图2为透明层3为通过透明胶水粘接了透射膜的基元膜1的结构正视图，

图3为图2中Ⅰ的局部放大图，

图4为带有透明保护膜的基元膜1的结构图，

图5为3D显示全息膜的结构立体图，

图6为图5的正视图以及俯视图，

图7为空气悬浮显示系统图，

图8为3D显示全息膜的成像光路示意图，

图9为图8的侧视图，

图10为图9中Ⅱ的局部内部光线反射原理图，

图11为空气悬浮显示系统应用的柔性全息屏的效果图，

图12为3D显示全息膜成像光路仿真效果图，

附图标记如下：

基元膜1，反射层2，透明层3，栅格4，全息投影器10，投影屏20，交互响应单元30，处理器40，运动执行机构50。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

参照图1至图12，本发明提供一种柔性全息基元膜，基元膜1整体为柔性可弯曲薄膜结构，其水平夹持下垂长度为L(cm)，可对折次数为n，满足：L≥5或者n*L>9；

实际应用时，为了尽可能保证可靠性，优选n≥2和L>9；

需要说明的是，其中n为可对折次数，测试时取面积为100cm²的正方形的柔性全息基元膜1，将基元膜1沿着正方形中间线位置(或者中线位置附近1cm范围内)对折成长方形，然后用两块平板将对折后的基元膜1夹在中间，施加10～20N的力，加压3～5s，然后打开基元膜1(此时完成一次对折测试)，检查基元膜1是否产生局部微裂纹或者沿折痕断开成两截，如果没有，重复上述测试直到基元膜1产生局部微裂纹或者断开为两截，停止测试，测试过程总共折叠次数记为n；

其中L为水平夹持下垂长度，测试方法：取宽度5cm±0.5cm，长度约25cm的窄条基元膜1，一端紧贴在水平基准桌面上，保证窄条伸出桌面长度为20cm±1cm，然后静置待窄条稳定后测量窄条伸出桌面一端的端点与水平基准桌面的垂直高度差记为水平下垂长度L；

上述的测试本身是一种加速测试手段，可以快速判断样品在长期使用过程中的可靠性，柔性3D显示基元膜1在应用时，需要承受多次的卷绕收纳和打开等操作，按照设计5年使用寿命计算，整个生命周期需要收纳、展开动作大约10000次，为了加速评估基元膜1的寿命，本发明采用上述对折测试和水平夹持下垂长度测试；

当n*L>9时，n越大表明基元膜1的极限弯折曲率半径越小，抗折断能力越强，同时L越大说明基元膜1的柔性越好，越不容易因为卷绕破坏基元膜1结构，实验发现n*L＝9时基本等效10000次开合测试，满足最小设计寿命需求，过小的话，容易在产品的使用周期内出现质量问题，降低客户体验；

在实际应用时，也可以使用一些固化后相对较硬的透明胶水和透明薄膜，这样制备的柔性全息基元膜1对折时会断，但是卷绕起来却不会破坏结构，所以也适用卷绕屏。对于这类材料，只要满足了制备的基元膜1可以卷绕成直径小于5cm的圆筒状，基元膜1整体也会比较柔顺，加工过程破裂损失也较小。通常L≥5cm时，基元膜可以卷绕成直径小于5cm的圆筒状而不发生断裂。

如图1至图3，基元膜1由若干相间排列的反射层2和透明层3组成，反射层2为可以反射光线的金属箔或者其它具有反射功能的反射膜，反射层2的作用是反射光线，需要说明的是，如果反射层过厚的话会遮挡过多光线，越薄越好，但是考虑到工艺制备难度和成本，反射膜采用厚度为0.1μm～25μm的铝箔、铁箔、锡箔、锌箔、铜箔、铬箔、镍箔、钛箔或者其他能够反射光线的反射膜；

透明层3为一层透明胶水层或者粘接在相邻反射层之间的透射膜，用于透射光线，满足透明层3的厚度始终大于反射层2的厚度；

其中透明胶水可以采用UV胶、无影胶、透明玻璃胶、透明木工胶和透明万能胶中的任意一种，透明层的厚度可以控制在2μm～1mm；

透射膜可以采用透明材质的塑料膜、PMMA膜、lPMMA膜、PS膜、PC膜、PE膜、苯乙烯丙烯腈膜、MS膜、PET膜、PETG膜、ABS膜、PP膜、PA膜、SAN膜、MS膜、MBS膜、PES膜、CR-39膜、TPX膜、HEMA膜、F4膜、F3膜、EFP膜、PVF膜、PVDF膜、EP膜、PF膜、UP膜、醋酸纤维素膜、硝酸纤维素膜、EVA膜、PE膜、PVC膜、新型非晶型热塑性聚酯膜、无定形环烯烃膜和改性双酚A环氧树脂膜中的任意一种。

本发明还提供一种柔性全息基元膜的制备方法，具体步骤如下：

1)固化堆制备：

a)将预先裁切好的若干反射膜逐层堆叠起来，形成一个反射膜堆；

b)把反射膜堆整体浸泡在透明胶水中，直至透明胶水完全渗入到反射膜之间的间隙后取出，需要说明的是，反射膜摞起来之后是蓬松的一堆，层间存在缝隙，这样跟透明胶水接触时，透明胶水靠表面张力的作用可以深入到层间，并填充完全，不易出现气泡，而且胶水本身对各种材料具有粘结作用，所以跟反射膜表面是非常容易浸润的，这样靠表面张力就可以填充于反射膜之间，类似于毛细现象；

c)静置固化，固化过程中，通过施加一定压力将反射膜之间的间隙中多余的胶水挤出，从而来控制胶水层的厚度，固化后形成一个胶水层与反射膜相间排列的固化堆，其中反射膜为反射层2，胶水层为透明层3；

2)基元膜制备：在垂直于反射层平面的方向上打磨出一个光滑表面，记为切削参考面，沿平行于切削参考面方向从固化堆上切削出一片薄片，记为基元膜1，固化堆上新切削出的面为下一次切削的切削参考面，重复上述切削步骤，将步骤1)的固化堆切削成若干基元膜1。

其中，步骤1)固化堆制备还可以采用如下方式：

将反射膜放置在平面上，在反射膜上均匀地涂上透明胶水，然后在透明胶水层再堆叠另一层反射膜，重复该堆叠过程形成反射膜和透明胶水相间堆叠的结构，静置固化后即形成固化堆。

为了减少透明胶水的用量以及进一步增加透明层3的厚度，也可以在两层反射层2之间通过透明胶水粘接至少一层如上述的透明的透射膜。

需要说明的是，透明层3是透明胶水固化形成的或者是透明胶水粘接一层或多层如上述的透明的透射膜，基于以上选用的透明胶水和透射膜的材料，因此固化后的透明层3具有较好的柔韧性，切削成基元膜1后使得基元膜1也具有较好的柔韧性。

具体可以参考下表中的反射层2、透明层3和基元膜1的厚度：

反射层厚度(μm)	透明层厚度(μm)	基元膜厚度(μm)
			0.1	1	1
1	2	2
			5	10	10
10	20	20
			15	30	30
20	50	50
			25	100	100
25	300	300
			25	1000	1000

下面以反射层2为10μm铝箔反射膜，透明层3为20μm的透明环氧树脂AB胶水制备厚度为20μm的柔性全息基元膜为例，通过以下实施例对本发明所述的一种柔性全息基元膜的制备方法作进一步的说明：

实施例1

1)固化堆制备：

a)将预先裁切好的10000张大小为50cmX50cm、厚度为10μm的铝箔反射膜逐层堆叠起来，形成一个铝箔反射膜堆；

b)把铝箔反射膜堆整体浸泡在透明的环氧树脂AB胶水中，直至环氧树脂AB胶水完全渗入到铝箔反射膜之间的间隙后取出；

c)静置固化3小时，固化过程中，由于铝箔反射膜之间渗入了环氧树脂AB胶水，使得铝箔反射膜堆的厚度会有所增大，通过施加一定压力来控制铝箔反射膜堆的厚度，从而控制胶水层的厚度，本实施例中通过压力将反射膜堆的厚度控制在30cm，固化后形成一个反射层2与透明层3相间排列的厚度为30cm的固化堆，那么由环氧树脂AB胶水固化形成的透明层3平均厚度为20μm，

由铝箔反射膜形成的反射层2厚度为10μm；

2)基元膜制备：在垂直于反射层平面的方向上打磨出一个光滑表面，记为切削参考面，采用激光切割机沿平行于切削参考面方向从固化堆上切削出一片厚度为100μm的薄片，然后将其研磨抛光成20μm，记为基元膜1，固化堆上新切削出的面为下一次切削的切削参考面，重复上述切削步骤，将步骤1)的固化堆切削并研磨抛光成若干基元膜1。

实施例2

与实施例1的区别在于固化堆制备：

在将铝箔反射膜逐层堆叠时，在相邻的铝箔反射膜之间增加一层厚度为10μm的PE透射膜，固化时通过对铝箔反射膜堆施加一个压力将铝箔反射膜堆的厚度控制在30cm，施加的压力将反射膜之间的间隙中多余的胶水挤出，使得最终固化堆的反射层2的厚度为10μm，透明层3为厚度为20μm，透明层3由环氧树脂AB胶水固化层和PE透射膜共同组成；

其余步骤同实施例1。

实施例3

1)固化堆制备：

将预先裁切好的大小为50cmX50cm、厚度为10μm的铝箔反射膜放置在平面上，然后在该铝箔反射膜上均匀涂上一层透明的环氧树脂AB胶水，然后在胶水层上面堆叠另一层铝箔反射膜，重复上述堆叠过程，同样可以得到一个反射层2和透明层3相间堆叠的结构，待胶水固化后获得固化堆，通过控制每层的涂胶量来将透明层3的厚度控制在20μm；

其余步骤与实施例1相同。

实施例4

按照实施例3的步骤，在固化堆在制备时，相邻的铝箔反射膜之间增加一层厚度为10μm的PE透射膜，得到的固化堆中的透明层3的厚度为20μm，透明层3由环氧树脂AB胶水固化层和PE透射膜共同组成，同样是通过涂胶量来将透明层3的厚度控制在20μm，其余的步骤同实施例3。

实际制备过程中，采用不同的胶水，静置固化的时间不一样，胶水在使用也可以根据胶水特性适当加热，比如使用环氧树脂AB胶水时，可以加热到28℃左右，一方面加快固化过程，同时也可以防止产生气泡；

实际切削过程还可以用高精度线切割机来进行切削，在切削之前也可以使用透明胶水在切削参考面上粘结一层透明保护膜，如图4，经过切削后得到带有透明保护膜的基元膜1，透明保护膜为透明材质的玻璃、亚克力、塑料膜、PMMA膜、lPMMA膜、PS膜、PC膜、苯乙烯丙烯腈膜、MS膜、PET膜、PETG膜、ABS膜、PP膜、PA膜、SAN膜、MS膜、MBS膜、PES膜、CR-39膜、TPX膜、HEMA膜、F4膜、F3膜、EFP膜、PVF膜、PVDF膜、EP膜、PF膜、UP膜、醋酸纤维素膜、硝酸纤维素膜、EVA膜、PE膜、PVC膜、无定形环烯烃膜和改性双酚A环氧树脂膜中的任意一种；

基元膜1在实际应用时，还可以通过研磨和抛光或者其他手段来进一步减薄；

对于没有透明保护膜的基元膜1可以通过两面或者单面研磨抛光来减薄厚度；

对于带有透明保护膜的基元膜1，可以通过研磨和抛光非透明保护膜一侧来进行减薄；

采用上述的制备方法，无需复杂的镀膜工艺就可制备出带有微米级的超精细结构的全息基元膜，与现有高精度光学玻璃加工工艺极其高昂的加工成本相比，本发明所述的制备方法材料成本以及加工工艺成本都较低，适合大范围推广，同时本发明的带栅格的全息基元膜本身为柔性，使得在对其进行加工时，不容易碎，也不会出现玻璃加工过程中产生残余应力等问题，大大提高了良品率，在具体应用时，可以做成卷轴式屏幕、曲面屏幕等，灵活度较高，不使用时收纳方便，占用空间较小。

如图5和图6，本发明所述的一种柔性全息基元膜的制备方法所制备的柔性全息基元膜1应用于制备柔性3D显示全息膜，具体为：

使用透明胶水将两片柔性基元膜1上下粘结在一起，经过固化后形成一张柔性的3D显示全息膜，基元膜1带有柔性透明保护膜或者不带透明保护膜，粘接时两层基元膜1上的反射层2以及透明层3均以夹角θ交错并形成栅格4，其中87°≤θ≤93°，优选90°；

上述柔性全息基元膜的水平夹持下垂长度为L(cm)，可对折次数为n，同样满足：L≥5或者n*L>9，柔性3D显示全息膜整体为柔性，所以可以应用于卷轴式屏幕，不使用的时候可以卷绕收纳在卷轴上，使用时展开形成一个平面，同时，柔性3D显示全息膜在使用时，也可以把它粘附在一个透明平板上变成硬屏幕。

考虑到实际应用时，可能需要制备超大的3D显示全息膜，此时基元膜1的微结构相应的就可以做的相对“粗糙”，那么透明层3的厚度可以达到1mm，甚至更厚。

实际应用时可以将带有透明保护膜的基元膜1直接应用于硬质3D显示全息投影屏，具体为：

使用透明胶水将一张带硬质透明保护膜(如玻璃或亚克力)的基元膜1与另一张基元膜1或带透明保护膜的基元膜1上下粘结在一起，且两张基元膜1上的反射层2以及透明层3均以夹角θ交错并形成栅格4，其中87°≤θ≤93°，优选90°，除了本身较硬的玻璃或亚克力材料以外，透明保护膜为上述其他材质时，当透明保护膜的厚度较大时，本身就形成较硬的透明保护膜，同样适用硬质3D显示全息投影屏。

需要说明的是，虽然上述的带透明保护膜的基元膜1的透明保护膜是在切削之前粘贴上去的，但是实际应用中可以在切削之后再进行透明保护膜的粘结，可以选择一面粘接或者两面都粘接，根据实际应用需求选择透明保护膜的材质。

如图7，将上述柔性3D显示全息膜或者硬质3D显示全息投影屏应用于空气悬浮显示：

空气悬浮显示系统包括全息投影器10、基于本发明所述的柔性全息基元膜1制备的投影屏20、交互响应单元30和处理器40，全息投影器10用于在空间投影出具有深度的3D全息影像，其位于投影屏20一侧，投影屏20用于把全息投影器10投影出的具有深度信息的3D图像转化到其共轭位置，全息投影器10和/或投影屏20上设有运动执行机构50，交互响应单元30用于感知用户交互动作信息和用户眼睛位置；

全息投影器10、交互响应单元30和运动执行机构50分别与处理器40电连接，处理器40发送投影数据信息给到全息投影器10，来控制全息投影器10的投影画面和画面深度，并根据接收到的交互响应单元30获取的人眼的定位信息来控制运动执行机构50来调整全息投影器10与投影屏20的相对位置，或者是根据识别的用户的交互动作信息来控制系统做出相应的响应；

优选的是，投影屏20为上述的柔性3D显示全息膜，则本身为柔性，所以可以设计为卷轴式屏幕，不使用的时候可以卷绕收纳在卷轴上，使用时展开形成一个平面；

投影屏20也可以是上述的硬质3D显示全息投影屏，同时，基于柔性3D显示全息膜为柔性的特点，使用时也可以把它粘附在一个透明平板上变成硬屏幕。

成像原理：如图8至图12，投射光经由3D显示全息膜内部的反射层反射，存在一次或多次反射，在相对于3D显示全息膜共轭的位置形成3D影像，该成像原理最终的成像效果与负折射率材料制成的平板透镜一致。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。