CN107728253B - 宽带宽、高均匀性的级联分光膜阵列波导及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种宽带宽、高均匀性的级联分光膜阵列波导及其应用。所述级联分光膜阵列波导包括多层玻璃基底以及夹在相邻两个基底中间的分光膜系阵列，每片分光膜系阵列结构均分别各自独立为：α1Hβ1L/α2Hβ2L/…αn‑1Hβn‑1L/αnHβnL，其中H为高折射率材料膜层，L为低折射率材料膜层，各分光膜系阵列的膜层层数分别为2n，分光膜系阵列中各膜层的厚度αn、βn根据带宽和光束角度要求选择。采用本发明方案，将传统的视频透射式增强现实光学***的单片组合器***成多片，突破虚拟图像光能利用率和外界现实场景透过率相互制约的桎梏。在外界透过率达到75％以上时，微型图像源光能利用率达到70％。

Description

宽带宽、高均匀性的级联分光膜阵列波导及其应用
技术领域
本发明涉及光学显示领域，具体的说，本发明涉及一种宽带宽、高均匀性的级联分光膜阵列波导及其应用。
背景技术
近年来，头戴式可视设备的大量涌现，例如，联想眼镜、谷歌眼镜、虚拟现实(VR)游戏眼镜等，虚拟现实(Virtual Reality，VR)、增强现实(Augmented Reality，AR)及混合现实(Mixed Reality，MR)技术逐渐进入我们的日常生活中。头戴式显示器(HMD，也称为头戴式可视设备)是把二维图像直接反射到观看者的眼睛里，具体就是通过一组光学***(主要是精密光学透镜)放大超微显示屏上的图像，将影像投射于视网膜上，进而将大屏幕图像呈现在观看者眼中，形象点说就是拿放大镜看物体呈现出放大的虚拟物体图像。图像可以直接通过发光二极管(LED)、主动式矩阵液晶显示器(AMLCD)、有机发光二极管(OLED)或液晶附硅(LCOS)获得，也可以通过光纤等传导方式间接获得。显示***通过准直透镜成像在无穷远处，然后通过耦合器把图像反射进人的眼睛里同时保证外面的图像清晰可见。
增强现实显示***将虚拟信息叠加到现实场景中，不仅需要高亮度的虚拟信息，并且需要良好的现实外界场景透过率。自由曲面棱镜、目镜透射式等单层耦合器透射式光学方案，一方面存在体积大、难以同时满足大视场和大出瞳直径。另一方面，单层耦合器的光能利用率n和外界透过m两者之和必然低于100％，当光能利用率过高时光学***通透性差，使用不舒适、影响室内环境体验效果，当外界透过率m高时，光能利用率低，虚拟图像亮度低、难以满足室外应用场合。
因此，如何研发一种具有大视场大出瞳直径的近眼显示***耦合器提高透过率和虚拟图像光能利用率，成为本领域是本领域技术人员长期亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽带宽、高均匀性的级联分光膜阵列波导。
本发明的另一目的在于提供所述宽带宽、高均匀性的级联分光膜阵列波导的应用。
为达上述目的，一方面，本发明提供了一种宽带宽、高均匀性的级联分光膜阵列波导，其中，所述级联分光膜阵列波导包括多片玻璃基底以及夹在相邻两片玻璃基底中间的分光膜系阵列，每片分光膜系阵列结构均分别各自独立为：1Hβ1L/α2Hβ2L/…αn-1Hβn-1L/αnHβnL，其中H为高折射率材料膜层，L为低折射率材料膜层，各分光膜系阵列的膜层层数分别为2n。
其中可以理解的是，本发明的每片分光膜系阵列结构应为α1Hβ1L/α2Hβ2L/…αn-1Hβn-1L/αnHβnL，而所述的级联分光膜阵列波导的结构应为玻璃基底/α1Hβ1L/α2Hβ2L/…αn-1Hβn-1L/αnHβnL/玻璃基底/α1Hβ1L/α2Hβ2L/…αn-1Hβn-1L/αnHβnL/玻璃基底/……/玻璃基底。
也就是说，本发明的玻璃基底和分光膜系阵列间隔设置，且在级联分光膜阵列波导沿光线入射方向的两端均为玻璃基底。
根据本发明一些具体实施方案，其中，所述分光膜系阵列各膜层的平均透过率为50-80％。
根据本发明一些具体实施方案，其中，相邻两片分光膜系阵列之间的垂直距离为2-5mm。
根据本发明一些具体实施方案，其中，所述高折射率材料H的折射率n>2.0；所述低折射率材料L的折射率n<1.5。
根据本发明一些具体实施方案，其中，所述高折射率材料H为Ta2O5。
根据本发明一些具体实施方案，其中，所述低折射率材料L为SiO2。
根据本发明一些具体实施方案，其中，各分光膜系阵列的膜层层数2n为4-12；优选为6-8。
根据本发明一些具体实施方案，其中，玻璃基底的底面与分光膜系阵列的夹角为(图1、图7所示的角α)为20°-45°。
根据本发明一些具体实施方案，其中，玻璃基底的与分光膜系阵列相邻的表面与玻璃基底侧壁的最小夹角为25°-35°。
根据本发明一些具体实施方案，其中，玻璃基底的与分光膜系阵列相邻的表面与玻璃基底侧壁的最小夹角为27.5°。
根据本发明一些具体实施方案，其中，所述分光膜阵列波导中的分光膜系阵列为4片。
根据本发明一些具体实施方案，其中，所述级联分光膜阵列波导由五片玻璃基底、以及夹在相邻两个基底中间的总数为4片的分光膜系阵列组成。
根据本发明一些具体实施方案，其中，4片分光膜系阵列按照沿光线入射方向的顺序各自设置的膜层层数2n分别为8、6、6和6。
根据本发明一些具体实施方案，其中，级联分光膜阵列波导的分光膜系阵列按照沿光线入射方向的顺序分别为S1分光膜系阵列、S2分光膜系阵列、S3分光膜系阵列、和S4分光膜系阵列，其中，S1分光膜系阵列的总厚度为392.58nm、S2分光膜系阵列的总厚度为531.94nm、S3分光膜系阵列的总厚度为507.48nm、和S4分光膜系阵列的总厚度为587.00nm。
根据本发明一些具体实施方案，其中，
S1分光膜系阵列从上到下各层的厚度分别为：16.69nm、51.31nm、85.72nm、41.53nm、115.00nm、62.42nm、9.67nm、10.24nm；
S2分光膜系阵列从上到下各层的厚度分别为：24.33nm、64.75nm、49.71nm、90.03nm、112.12nm、191.00nm；
S3分光膜系阵列从上到下各层的厚度分别为：20.62nm、57.20nm、66.11nm、73.20nm、107.25nm、183.10nm；
S4分光膜系阵列从上到下各层的厚度分别为：27.30nm、94.40nm、72.90nm、88.30nm、110.40nm、193.70nm。
根据本发明一些具体实施方案，其中，所述级联分光膜阵列按照沿光线入射方向所设置的分光膜系阵列的第一层均为Ta2O5层。
根据本发明一些具体实施方案，其中，S4面膜的反射率为50％。
根据本发明一些具体实施方案，其中，S1面膜系的平均透过率为80％。
根据本发明一些具体实施方案，其中，S2面膜系的平均透过率为75％。
根据本发明一些具体实施方案，其中，S3面膜系的平均透过率为67％。
根据本发明一些具体实施方案，其中，S4面膜系的平均透过率为50％。
再一方面，本发明还提供了所述的宽带宽、高均匀性的级联分光膜阵列波导在显示***中的应用。
根据本发明一些具体实施方案，其中，所述显示***为近眼显示***。
准直光学***将偏振微图像源的每个图像点，准直转化为各角度平行光。耦合棱镜将准直后的平行光，以满足全反射条件耦合进入波导。光线首先在波导内基于全反射原理传播，直到碰到偏振反射膜，反射后破坏全反射条件，出射波导进入人眼。自右至左依次为S1、S2.....SN，其分光反射率为R1、R2....Rn，波导玻璃透过率为T，分析可以得到每个面的出射光的效率为：
η1：R1*T
η2：R2*(1-R1)*T
η3：R3*(1-R2)*(1-R1)*T
ηN：RN*(1-RN-1).....*(1-R1)*T
为了满足图像的均一性，需要满足：
η1＝η2＝.....ηN
当最左侧阵列分光膜面反射率为1/P时，推导计算得到每个阵列分光面的反射率为：
R1＝1/(P+N-1)
R2＝1/(P+N-2)
.....
RN-1＝1/(P+1)
RN＝1/P
可以计算得到，虚拟图像光能利用率为：N/(P+N-1)，那么外界环境透过率为：
(1-1/(P+N-1))+(1-(P+N-2))....+(1-1/P)
当采用偏振光源时，膜系可以按照偏振设计。
当入射图像的光为P光时，仅有P光被部分反射分光，S光全部通过。当入射图像的光为S光时，此时，整体的图像光能利用率仍为：N/(P+N-1)，但是，外界环境透过率提高一倍以上，达到
2*[(1-1/(P+N-1))+(1-(P+N-2))....+(1-1/P)]
为了实现较好的外界透过率，通常选择1/P>50％，综合考虑工艺的可行性和实际效果，一般选择3≤N≤7。
实际的膜系设计中，无法保证整个可见光谱的反射率一致。在亮度均一性的基础上，还需要考虑色彩的均一性。考虑到近眼显示***中，人眼是接收器，因此需要引入人眼视觉函数对于整体的评价。
阵列膜面实际的有效反射率：
Η＝∫780 380KmV(λ)R(λ)Φe(λ)/∫780 380KmV(λ)Φe(λ)
其中Φe(λ)为光源发光光谱，R(λ)为阵列薄膜反射光谱。
本方案，实施一种4片式阵列薄膜镀膜方案，其最大反射率1/P＝50％。
综上所述，本发明提供了一种显示***阵列反射镀膜及其应用。本发明的技术方案具有如下优点：
1、采用偏振薄膜阵列反射方案，将传统的视频透射式增强现实光学***的单片组合器***成多片，突破虚拟图像光能利用率和外界现实场景透过率相互制约的桎梏。在外界透过率达到75％以上时，微型图像源光能利用率达到70％。
2、本镀膜方案在420nm～650nm宽带范围，实现图像亮度在4mmx4mm瞳孔区域均一性达到50％以上，边缘图像无明显衰减。具有带宽宽，受角度偏移影响小的优点。
3、重量轻、厚度薄仅为单片式的1/4，无突出妥余结构。
4、膜系均采用相同的高折射率和低折射率材料，具有工艺控制简单、量产性好的优点。
附图说明
图1为可用于近眼显示***的阵列薄膜镀膜***结构图。
图2为光线在阵列波导中传播的局部示意图。
图3为S1面在0°、ω°、-ω°视场角处的光谱曲线。
图4为S2面在0°、ω°、-ω°视场角处的光谱曲线。
图5为S3面在0°、ω°、-ω°视场角处的光谱曲线。
图6为S4面在0°、ω°、-ω°视场角处的光谱曲线。
图7为0°、ω°、-ω°角度示意图。
图8为图像亮度在4mmx4mm瞳孔区域均一性示意图。
具体实施方式
以下通过具体实施例详细说明本发明的实施过程和产生的有益效果，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的实质和特点，不作为对本案可实施范围的限定。
实施例1
图1为可用于近眼显示***的阵列薄膜镀膜***的结构示意图，具体包括：玻璃基底G1、G2、G3、G4、G5，以及夹在玻璃基底中间的级联偏振分光膜S1、S2、S3、S4。玻璃基底的底面与分光膜系阵列的夹角α为27.5°。
图2为光线在阵列波导中传播的局部示意图，具体包括：图像源视场光线，即实线201，外部视场光线，即虚线202。在平板波导中，图像源光线依据全反射原理传播，碰到偏振反射膜时，一部分发生反射，全反射条件被破坏，光线出射波导进入人眼，另一部分透射继续传播至下一片偏振反射膜；同时外部视场光线也可以透过偏振反射膜进入人眼，从而实现穿透式显示。本发明通过对偏振反射膜采用不同的镀膜方式，实现每一片反射膜的总通光亮基本相同，达到图像亮度均一性高的效果。如图8所示，本实施例镀膜方案在420nm～650nm宽带范围，实现图像亮度在4mmx4mm瞳孔区域均一性达到50％以上，边缘图像无明显衰减。
图3为S1面在0°、ω°、-ω°视场角处的光谱曲线。S1面膜系采用8层，整体厚度392.58nm。其中ω°为14°。具体数据如下。
1 2 3 4 5 6 7 8
材料 Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub> SiO<sub>2</sub> Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub> SiO<sub>2</sub> Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub> SiO<sub>2</sub> Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub> SiO<sub>2</sub>
膜厚 16.69 51.31 85.72 41.53 115.00 62.42 9.67 10.24
坐标系中横坐标代表波长，纵坐标代表透过率。其中ω°表示视场角的最大值，即视场角的范围是从-ω°到ω°。当视场角为0°时，透过率范围从78.0％到83.0％；视场角为ω°时，透过率范围从76.0％到80.0％；当视场角为-ω°时，透过率范围从79.0％到84.0％。图中的黑色方框表示对于整个视场范围内平均透过率，对于S1平均透过率为80.0％。
本发明所述的-ω°、0°和ω°为出射光线和波导片法线的角度(ω°通常为10°-20°)，如图7所示，其中标号为4的虚线为波导片法线，标号为1的出射光线与法线夹角为-ω°，标号为2的出射光与法线夹角为0°，标号为3的出射光与法线夹角为ω°。
图4为S2面在0°、ω°、-ω°视场角处的光谱曲线。其中ω°为14°。S2面膜系采用6层，整体厚度531.93nm。
1 2 3 4 5 6
材料 Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub> SiO<sub>2</sub> Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub> SiO<sub>2</sub> Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub> SiO<sub>2</sub>
厚度 24.33 64.75 49.71 90.03 112.12 191.00
当视场角为0°时，透过率范围从73.0％到78.5％；视场角为ω°时，透过率范围从70.0％到76.0％；当视场角为-ω°时，透过率范围从79.0％到81.0％。图中的黑色方框表示对于整个视场范围内平均透过率，对于S2平均透过率为75.0％。
图5为S2面在0°、ω°、-ω°视场角处的光谱曲线。其中ω°为14°。S3面膜系采用6层，整体厚度507.48nm。
1 2 3 4 5 6
材料 Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub> SiO<sub>2</sub> Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub> SiO<sub>2</sub> Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub> SiO<sub>2</sub>
厚度 20.62 57.20 66.11 73.20 107.25 183.10
当视场角为0°时，透过率范围从64.0％到72.0％；视场角为ω°时，透过率范围从62.0％到70.0％；当视场角为-ω°时，透过率范围从68.0％到72.0％。图中的黑色方框表示对于整个视场范围内平均透过率，对于S3平均透过率为67.0％。
图6为S2面在0°、ω°、-ω°视场角处的光谱曲线。其中ω°为14°。S4面膜系采用6层，整体厚度587nm。
1 2 3 4 5 6
材料 Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub> SiO<sub>2</sub> Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub> SiO<sub>2</sub> Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub> SiO<sub>2</sub>
厚度 27.30 94.40 72.90 88.30 110.40 193.70
当视场角为0°时，透过率范围从47.0％到60.0％；视场角为ω°时，透过率范围从40.0％到60.0％；当视场角为-ω°时，透过率范围从52.5％到60.0％。图中的红色方框表示对于整个视场范围内平均透过率，对于S3平均透过率为50.0％。
等效计算损失的能量为0.5×0.67×0.75×0.8＝0.201,考虑实际的损失后损失率不大于30％，微型图像源光能利用率高于70％。

Claims (17)

1.一种宽带宽、高均匀性的级联分光膜阵列波导，其中，所述级联分光膜阵列波导包括多片玻璃基底以及夹在相邻两片玻璃基底中间的分光膜系阵列，每片分光膜系阵列结构均分别各自独立为：α1Hβ1L/α2Hβ2L/…αn-1Hβn-1L/αnHβnL，其中H为高折射率材料膜层，L为低折射率材料膜层，各分光膜系阵列的膜层层数分别为2n；相邻两片分光膜系阵列之间的垂直距离为2-5mm；玻璃基底和分光膜系阵列间隔设置，且在级联分光膜阵列波导沿光线入射方向的两端均为玻璃基底；各分光膜系阵列分光反射率为R1、R2....RN，波导玻璃透过率为T，每个阵列分光面的出射光的效率为：
η1：R1*T
η2：R2*(1-R1)*T
η3：R3*(1-R2)*(1-R1)*T
ηN：RN*(1-RN-1).....*(1-R1)*T
η1＝η2＝.....ηN
当最左侧阵列分光膜面反射率为1/P时，每个阵列分光面的反射率为：
R1＝1/(P+N-1)
R2＝1/(P+N-2)
.....
RN-1＝1/(P+1)
RN＝1/P。
2.根据权利要求1所述的级联分光膜阵列波导，其中，所述分光膜系阵列各膜层的平均透过率为50-80％。
3.根据权利要求1所述的级联分光膜阵列波导，其中，所述高折射率材料H的折射率n>2.0；所述低折射率材料L的折射率n<1.5。
4.根据权利要求3所述的级联分光膜阵列波导，其中，高折射率材料为Ta2O5；低折射率材料为SiO2。
5.根据权利要求1所述的级联分光膜阵列波导，其中，各分光膜系阵列的膜层层数2n为4-12。
6.根据权利要求5所述的级联分光膜阵列波导，其中，各分光膜系阵列的膜层层数2n为6-8。
7.根据权利要求1所述的级联分光膜阵列波导，其中，玻璃基底的底面与分光膜系阵列的夹角为20°-45°。
8.根据权利要求7所述的级联分光膜阵列波导，其中，玻璃基底的底面与分光膜系阵列的夹角为25°-35°。
9.根据权利要求7所述的级联分光膜阵列波导，其中，玻璃基底的底面与分光膜系阵列的夹角为27.5°。
10.根据权利要求1所述的级联分光膜阵列波导，其中，所述分光膜阵列波导中的分光膜系阵列为4片。
11.根据权利要求10所述的级联分光膜阵列波导，其中，所述级联分光膜阵列波导由五片玻璃基底、以及夹在相邻两个基底中间的总数为4片的分光膜系阵列组成。
12.根据权利要求10所述的级联分光膜阵列波导，其中，4片分光膜系阵列按照沿光线入射方向的顺序各自设置的膜层层数2n分别为8、6、6和6。
13.根据权利要求10～12任意一项所述的级联分光膜阵列波导，其中，级联分光膜阵列波导的分光膜系阵列按照沿光线入射方向的顺序分别为S1分光膜系阵列、S2分光膜系阵列、S3分光膜系阵列、和S4分光膜系阵列，其中，S1分光膜系阵列的总厚度为392.58nm、S2分光膜系阵列的总厚度为531.94nm、S3分光膜系阵列的总厚度为507.48nm、和S4分光膜系阵列的总厚度为587.00nm。
14.根据权利要求13所述的级联分光膜阵列波导，其中，所述级联分光膜阵列按照沿光线入射方向设置的分光膜系阵列的第一层均为Ta2O5层。
15.根据权利要求13所述的级联分光膜阵列波导，其中，级联分光膜阵列波导的分光膜系阵列按照沿光线入射方向的顺序分别为：
S1分光膜系阵列从上到下各膜层的厚度分别为：16.69nm、51.31nm、85.72nm、41.53nm、115.00nm、62.42nm、9.67nm、10.24nm；
S2分光膜系阵列从上到下各膜层的厚度分别为：24.33nm、64.75nm、49.71nm、90.03nm、112.12nm、191.00nm；
S3分光膜系阵列从上到下各膜层的厚度分别为：20.62nm、57.20nm、66.11nm、73.20nm、107.25nm、183.10nm；
S4分光膜系阵列从上到下各膜层的厚度分别为：27.30nm、94.40nm、72.90nm、88.30nm、110.40nm、193.70nm。
16.权利要求1～15任意一项所述的宽带宽、高均匀性的级联分光膜阵列波导在显示***中的应用。
17.根据权利要求16所述的应用，其中，所述显示***为近眼显示***。
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