[发明专利]用于平视显示的改进全息光学组合器

说明书

本发明涉及平视显示（Head-Up  Displays，HUDs），更具体地说，涉及改进的全息光学组合器，这种组合器使用了一种成像的光聚合物薄膜，使得在衍射光照射下包含了一种反射全息图。

平视显示用来把信息显示在机动器具如飞机或汽车的挡风玻璃上，以便控制该机动器具的人易于利用该信息而不必分心去注视仪表盘。所需要的信息用光学法投射到该挡风玻璃上，在此，它又被反射到观察者的视线中。在其它用途方面，该信息可以被投射到介于操作者和挡风玻璃之间的一个透明屏上，或者投射到操作者（如飞机驾驶员）所佩带的护目镜上，然后反射给该操作者。这样，该操作者就能立即利用该信息，同时又继续观察该机动器具的行驶路线。

用来把该信息反射给该操作者的元件通称为“光学组合器”或者更简单地称之为组合器。

要能有效发挥作用，该组合器必须具备若干性能。首先，它必须只选择性地反射一狭窄波段的光，且对其它波长是透明的。这样，投射到该挡风玻璃上的信息就能反射给该操作者而其它波长则通过该组合器，使该操作者能看清该机动器具的行驶路线。其次，理想的是，该组合器对用来显示信息的光波段具有高反射效率，以便能容易地观察到该信息。

制作组合器，一般是利用在美国专利3，532，406（“Hartman”）中全面论述的形成反射全息图的技术，把折射率影像记录在一个透明的薄膜单元中。然后把成像的薄膜层压入或层压在平视显示用途的挡风玻璃上。在Hartman所描述的方法、也称为形成反射全息图的“离轴”法中，一束相干光被分成两束，被投射到该薄膜单元的相对两侧上。如果这两束光进入该薄膜单元基本上正交于其平面，则在该单元内将形成大致平行于其平面的干涉条纹。在另一种情况下，如果这两束光以不同角度进入该单元，则干涉条纹将在与该平面构成的一个角度上形成（即，这些条纹将是“斜的”）。无论在其中哪一种情况下，这些干涉条纹都是通过调制折射率而形成的，因而能衍射具有由这些条纹的间隔所确定的波长的光。

重铬酸盐明胶目前是选择用来制作组合器的材料，因为它的衍射效率高，带宽响应宽，以及折射率调制值高（即，重铬酸盐明胶显示低的“背景噪声”）。然而，重铬酸盐明胶适用期短，且在该材料成像之后需要湿加工。由于其适用寿命短，该材料必须在成像之前短时间内新鲜制备，或必须使用预硬化的明胶，从而降低影像效率。湿加工使全息组合器的制备增加一个额外步骤，并引起该材料在加工期间先溶胀后收缩而发生的尺寸变化。这些尺寸变化影响这些干涉条纹的间隔。因此，要用重铬酸盐明胶可再现地制作高质量反射全息图是困难的，而且很费时间。

在此之前，也有人提出用基本上固体的光聚合物薄膜来制作全息图。例如，Haugh的美国专利3，658，526公开了用一步法从固体的可光聚合薄膜制备稳定的高分辨率全息图，其中永久性折射率影像是通过对载带全息信息的相干光源的一次曝光获得的。这样所形成的全息影像不被随后对光线的均匀曝光所破坏，反而更加牢固或得到加强。

尽管Haugh所提出的材料有很多优点，但它们对可见辐射只给出有限的视觉响应，而且用途一直局限于透射全息图，在这种情况下，全息影像是借助于用透过该成像材料的光线所造成的衍射图样看见的。此外，Haugh所公开的材料，当使该材料成像以形成反射全息图时，反射效率很小乃至没有。因此，仍然需要改进的材料用来制备通用的反射全息图，而且需要改进的光学组合器，赋予由Haugh提出的光敏元件以加工上的优点。

现在已经发现，某些光聚合物薄膜，当用相干光成像以形成反射全息镜时，其折射率调制将大于0.001，且特别适合用作平视显示的光学组合器。因此，本发明提供一种组合器，它包括一种透明基质，其上附有一层包含由反射全息图形成的反光镜的透明聚合物薄膜，该薄膜具有大于约0.001的折射率调制，且是通过使一种基本上由如下组成的组合物对相干光曝光而形成的：

（a）约25～90%的聚合物粘合剂，选自下列一组：聚乙酸乙烯酯，聚乙烯醇缩丁醛，聚乙烯醇缩乙醛，聚乙烯醇缩甲醛，含有它们的主要链段的共聚物，和它们的混合物;

（b）约5～60%的烯类不饱和单体，选自下列一组：含咔唑的单体，和一种含有一个或多个苯基、联苯基、苯氧基、萘基、萘氧基、含可多达三个芳环的杂芳族基团、氯和溴的液体单体;

（c）约0～25%的增塑剂;和

（d）约0.1～10%的、可由光化辐射活化的光引发剂系统，

其中所述百分率是以薄膜总重量为基准的重量百分率。

特别有用的是其中具有至少15%的反射效率的组合器。