CN105388625B - 一种穿戴显示用分束器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种穿戴显示用分束器及其制备方法，分束器由两块相同的直角棱镜，两个直角棱镜斜面相向固定，两个斜面之间设有由高、低折射率材料层交替设置的多层膜堆，该多层膜堆选择性反射s‑偏振光的红绿蓝三原色LED光源光谱、透射s‑偏振光其余波段和整个可见波段的p‑偏振光。本发明结合了胶合棱镜偏振分束器与带通滤光片，利用合适的高低折射率膜层同时满足布儒斯特角来实现传统的偏振分束的效果，利用设计的高低折射率膜系实现多通道的带通滤光，从而使得在满足特定波长高反射的情况下，其余波段能量重新被利用，大大地增加了偏振分束器在头盔显示等应用中的能量利用率。本发明的分束器，制备简单，成本低，便于大规模、批量化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学元件，具体涉及一种高能量利用率的分束器及其制备方法，可应用于穿戴显示等领域。
背景技术
分束器是一种在光学玻璃上镀上一层或多层薄膜使得一束光投射到该镀膜玻璃上，通过反射、透射和折射，光束被分为两束或更多束的光学元件。目前常用的分束镜有平板分束器、立方体分束器、波尔卡点阵分束器等。这些分束器主要用于将入射光束分成具有一定光强比的透射与反射两束光。有固定分束比分束镜和可变分束比分束镜两类。可变分束比分束镜又有阶跃和连续暂变之分。一般的，分束器通常总是倾斜着使用，它能方便地把入射光分离成反射光和透射光两部分。如果能把一束光分成光谱成分相同的两束光，即在一定的波长区域内，对各波长具有相同的透射率和反射率比，因而反射光和透射光呈中性，这种分束器称为中性密度分束器。透射和反射比为50:50的中性分束器最为常用。而上述的分束器一般为非偏振的元件，分束器中另一个重要的分支则是偏振分束器。目前常用的偏振分束器有吸收型薄膜偏振分束器、晶体偏振分束器、金属线栅偏振分束器、波状多层膜(二维光子晶体)偏振分束器、3M公司的多层干涉偏振分束器(DBEF:Dual BrightnessEnhanced Film)、干涉型光学薄膜偏振分束器。这些偏振分束器实现：反射s-偏振光，透射p-偏振光；透射反射各50％的入射光，从而实现不同偏振的光分成几乎相同的两束光。
在穿戴显示领域，分束器是一种重要的光学元件，用来实现一定比例的透射和反射，正面入射的透射光可以呈现前端环境、背面入射的反射光则用来显示特殊符号、数字、字母、图像等各信息。中性密度分束器(50:50)和偏振分束器是目前穿戴显示领域最主要的分束器。由于正面入射时一半的光能量会反射回外部环境，背面入射时一半的光能量会透射进入外部环境，因此这些分束器的能量利用率都不高。以偏振分束器为例，透射的p-偏振光能量占入射自然光能量的一半，反射的s-偏振光能量占入射发光二极管(LED)能量的一半。因而，在这种偏振分束镜使用情况下，会有一半的入射自然光的能量反射回外部环境，从而该方法的外部入射光能量利用率不超过50％，造成了能量极大的浪费。
发明内容
本发明提供了一种高效率穿戴显示用分束器，该分束器结构简单，只需在胶合棱镜中间沉积相应的膜系即可，能量利用率比现有产品有较大提高，且性能稳定，环境友好。
本发明提供了一种高效率穿戴显示用分束器的制备方法，该方法只需使用到真空沉积技术和胶合手段，避免了电子束曝光、激光直写或者纳米压印等复杂技术，整个方法步骤简单，适于工业化生产。
一种穿戴显示用分束器，包括两块相同的直角棱镜，所述两个直角棱镜两个斜面相向固定，两个斜面之间设有由高、低折射率材料层交替设置的多层膜堆，该多层膜堆选择性反射s-偏振态的红绿蓝三原色LED光源光谱、透射s-偏振态的其余波段和p-偏振态的可见光。
本发明中，分束器由紧密靠近的两块相同的直角棱镜和棱镜上所沉积的多层膜组成，其中两块棱镜斜面由特定的环氧树脂胶胶合在一起。本发明一种高效率穿戴显示用分束器的设计原理与常用的胶合棱镜偏振分束器有明显的不同。虽然也是利用的布儒斯特角条件，但是对于s-偏振光的反射不再是对于整个紫外可见光波段或者近红外波段，而是选择红绿蓝三种颜色LED对应的发射光谱波段进行高反射，其余波段则全部透过，又因为无吸收的多层膜堆透射率与入射方向无关，因而上述的其余波段的s-偏振光可以透射通过整个装置。
具体的，本发明一种高效率穿戴显示用分束器的设计原理是寻找这样一个入射角，使之对于两种不同折射率的界面满足布儒斯特角条件。在这样的条件下，p-偏振光的反射完全消失。这两种材料能够交替叠加构成多层膜堆，而对p-偏振光不产生任何反射。为了对两种不同材料满足布儒斯特角条件，p-偏振光的有效折射率必须相等，也即
nL/cosθL＝nH/cosθH
nH为高折射率材料的折射率；nL为低折射率材料的折射率，θL为低折射率材料膜层内的折射角，θH为高折射率材料膜层内的折射角；
同时必须符合折射定律，即
nH sinθH＝nL sinθL＝n0sinθ0
θ0为入射角度；
从上述两式可以得出实现偏振条件的关系式：
n0为棱镜材料的折射率，θ0为入射角度，nH为高折射率材料的折射率；nL为低折射率材料的折射率；由计算得到的棱镜材料的折射率n0选择合适的直角棱镜。
对于给定的高、低折射率材料，例如硫化锌和冰晶石，可以选择玻璃的折射率n0，使得θ0＝45°或者其他选定角度；或者对于确定的玻璃折射率n0，选择合适的入射角θ0，使上式得以满足。
s-偏振光的选择性反射则通过高低折射率膜堆(HL)s的优化来实现。此时的多层膜堆既可以使得入射的p-偏振光全部反射，又可以使得入射的s-偏振光选择性反射和透射，从而使得本发明偏振分束器的能量利用率大大提高。
一般的，(HL)s膜系中，高折射率材料可以选择二氧化钛、二氧化铪，五氧化二钽、氮化硅、硫化锌；进一步优选为二氧化钛。低折射率材料可以选择二氧化硅、三氧化二铝、氟化镁或其他氟化物；进一步优选为二氧化硅。棱镜材料可以选择ZF6玻璃、K9玻璃、紫外熔融石英、硒化锌、ZF52玻璃、ZF1玻璃等。根据所选的高低折射率材料以及入射角度，确定棱镜材料。高低折射率材料的折射率差值会影响偏振分束器的偏振分束带宽，折射率差值越大，偏振分束带宽越宽。
一种高效率穿戴显示用分束器的制备方法，包括：
1)对于选定的高低折射率材料，入射角度，根据公式(1)，选择合适的棱镜材料；
2)对于选定的红绿蓝三原色LED发光光谱，确定s-偏振光反射的反射带宽以及中心波长；
3)根据确定的s-偏振光反射的反射带宽和中心波长以及高低折射率材料，设计出能选择性反射红绿蓝三原色LED光源光谱、透射其余波段的多层膜系；
4)将两块直角棱镜用乙醇、丙酮分别进行擦拭清洗；
5)将其中一块直角棱镜置于真空镀膜设备中，控制沉积参数，在棱镜斜面沉积由3)设计所得的多层膜系；
6)从真空镀膜设备中取出镀完膜的直角棱镜，用环氧树脂将剩下另一块直角棱镜斜面完全胶合，从而得到本发明高效率穿戴显示用分束器。
目前市面上常用的红绿蓝三原色LED的中心波长以及带宽分别为460±12nm、535±21nm、630±11nm，因而s-偏振光反射带中心应分别在460nm、535nm、630nm，因此，优化多层膜系的时候的目标光谱设置为450nm—470nm范围内s-偏振光100％反射、525nm—545nm范围内s-偏振光100％反射、620nm—640nm范围内s-偏振光100％反射、400nm—440nm范围内s-偏振光100％透射、480nm—515nm范围内s-偏振光100％透射、555nm—610nm范围内s-偏振光100％透射、650nm—700nm范围内s-偏振光100％透射；400nm-700nm范围内p-偏振光100％透射。
作为优选的组合：所述高折射率材料为二氧化钛，所述低折射率材料为二氧化硅，所述棱镜材料为ZF6玻璃，得到的沉积参数为：每层二氧化钛或二氧化硅的厚度不超过500nm，总的层数为20～90层。
本发明的高效率穿戴显示用分束器，与目前主要的穿戴显示用分束器不同，它结合了胶合棱镜偏振分束器与三通道负滤光片，利用合适的高低折射率膜层同时满足布儒斯特角来实现传统的偏振分束的效果，同时利用设计的高低折射率膜系实现多通道的带通滤光，从而使得在满足特定波长高反射的情况下，其余波段能量重新被利用，进而大大地增加了偏振分束器在头盔显示等应用中的能量利用率。而且，本发明的高效率穿戴显示用分束器整体结构紧凑、制备过程简单，成本低，便于大规模、批量化生产。因此该发明有望在穿戴显示等领域广泛应用。
附图说明
图1为本发明高效率穿戴显示用分束器的结构示意图；
图2为本发明高效率穿戴显示用分束器的制备流程图；
图3为本发明高效率穿戴显示用分束器多层膜系优化过程中s-偏振光的目标光谱；
图4为本发明采用二氧化钛、二氧化硅作为高低折射率材料，以ZF6玻璃为棱镜材料设计的高效率穿戴显示用分束器的p-偏振、s-偏振透射光谱和s-偏振反射光谱。
图5为本发明高效率穿戴显示用分束器在头盔显示应用中的系统示意图。
图6为本发明采用二氧化钛、氧化硅作为高低折射率材料，以ZF6玻璃为棱镜材料设计的高效率穿戴显示用分束器在头盔显示应用中实际透过装置的平均透射光谱和s-偏振光平均反射光谱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地详细说明。
如图1所示，一种高效率穿戴显示用分束器由直角棱镜1、直角棱镜2、多层膜堆3组成，其中多层膜堆3沉积在直角棱镜1的斜面上，直角棱镜1和直角棱镜2为相同材料和尺寸的棱镜，两者斜面相对，形成长方体形状，用环氧树脂胶合在一起。本发明的高效率穿戴显示用分束器，与目前主要的穿戴显示用分束器不同，它结合了胶合棱镜偏振分束器与带通滤光片，利用合适的高低折射率膜层同时满足布儒斯特角来实现传统的偏振分束的效果，同时利用设计的高低折射率膜系实现多通道的带通滤光，从而使得在满足特定波长高反射的情况下，其余波段能量重新被利用，进而大大地增加了偏振分束器在头盔显示等应用中的能量利用率。
如图2所示，一种高效率穿戴显示用分束器的制备方法，包括以下步骤：
1)选择高、低折射率材料，对于选定的高折射率材料、低折射率材料，确定合适的入射角，根据公式(1)，求得棱镜材料的折射率，选择合适的棱镜材料；
n0为棱镜材料的折射率，θ0为入射角度，nH为高折射率材料的折射率；nL为低折射率材料的折射率；
2)选择合适的红绿蓝三原色LED发光光谱，对于选定的红绿蓝三原色LED发光光谱，确定s-偏振光反射的反射带宽以及中心波长；
3)根据确定的s-偏振光反射的反射带宽和中心波长以及高、低折射率材料，设计出能选择性反射红绿蓝三原色LED光源光谱、透射其余波段的多层膜系，从而采用现有的仿真软件得到多层膜系高、低折射率材料镀膜顺序、镀膜厚度和镀膜层数等沉淀参数；
4)将符合折射率要求的两块直角棱镜用乙醇、丙酮分别进行擦拭清洗；
5)将其中一块直角棱镜置于真空镀膜设备中，控制沉积参数，在棱镜斜面沉积由3)设计所得的多层膜系；
6)从真空镀膜设备中取出镀完膜的直角棱镜，用环氧树脂将剩下另一块直角棱镜斜面完全胶合，从而得到本发明高效率穿戴显示用分束器。
本实施例中，对于选定的红绿蓝三原色LED，中心波长以及带宽分别为460±12nm、535±21nm、630±11nm，采用二氧化钛和氧化硅分别为高折射率材料和低折射率材料，根据式(1)求得棱镜材料的折射率为1.76，进而选择ZF6玻璃为棱镜材料，棱镜角度为45°,入射角度为45°，如图3所示，以450nm—470nm范围内100％反射、525nm—545nm范围内100％反射、620nm—640nm范围内100％反射、400nm—440nm范围内100％透射、480nm—515nm范围内100％透射、555nm—610nm范围内100％透射、650nm—700nm范围内100％透射为设计的s-偏振光的目标光谱。得到的最后沉淀参数为：
表1
最后得到的高能量利用率的偏振分束器的p-偏振、s-偏振透射光谱和s-偏振反射光谱如图4所示。本发明高效率穿戴显示用分束器在头盔显示应用中的系统示意图如图5所示，外部环境自然光(1)经分束器透射进入人眼，呈现外部环境(3)，而LCD显示系统出射的s-偏振显示光(2)经分束器反射进入人眼，显示特殊信号信息(4)。最后制备的高效率穿戴显示用分束器在头盔显示应用中实际进入透过装置的自然光平均透射光谱和s-偏振光平均反射光谱如图6所示。因此，采用本发明高效率穿戴显示用分束器可以保证显示光90％以上、外部环境光77％以上进入人眼。如果采用目前常规使用的中性分束器，显示光和环境光都只有50％进入人眼；若采用偏振分束器，显示光90％以上可以进入人眼，但是环外部环境光只有50％进入人眼。可以看出，本发明高效率穿戴显示用分束器可以大大提高偏振分束器在头盔显示等应用中的能量利用率。而且本发明高效率穿戴显示用分束器完全透射的色坐标为(0.341，0.336)，与目前主要的穿戴显示用分束器完全透射的色坐标(0.333,0.333)十分接近。因此本发明分束器对于透射形成的颜色与目前主要的穿戴显示用分束器透射形成的颜色几乎不变，对颜色形成不产生影响。
Claims (8)
1.一种穿戴显示用分束器的制备方法，其中，穿戴显示用分束器包括两块相同的直角棱镜，所述两个直角棱镜两个斜面相向固定，两个斜面之间设有由高、低折射率材料层交替设置的多层膜堆，该多层膜堆选择性反射s-偏振态的红绿蓝三原色LED光源光谱、透射s-偏振态的其余波段和p-偏振态的可见光；
所述穿戴显示用分束器的制备方法包括如下步骤：
(1)选定高折射率材料、低折射率材料，确定入射角度，进而确定两块直角棱镜材料；
确定两块直角棱镜材料的方法如下：
利用公式(1)，计算棱镜材料的折射率n0：
n0为棱镜材料的折射率，θ0为入射角度，nH为高折射率材料的折射率；nL为低折射率材料的折射率；
由计算得到的棱镜材料的折射率n0选择合适的直角棱镜；
(2)选定红绿蓝三原色LED发光光谱，确定s-偏振光反射的反射带宽以及中心波长；
(3)根据确定的s-偏振光反射的反射带宽和中心波长以及选定的高折射率材料、低折射率材料，设计出能选择性反射红绿蓝三原色LED光源光谱、透射其余波段的多层膜系，得到多层膜系的沉积参数；
(4)将选定的两块直角棱镜清洗；
(5)将其中一块直角棱镜置于真空镀膜设备中，利用高折射率材料、低折射率材料，控制沉积参数，在棱镜斜面沉积由步骤(3)设计所得的多层膜系；
(6)从真空镀膜设备中取出镀完膜的直角棱镜，用环氧树脂将剩下另一块直角棱镜斜面完全胶合，得到穿戴显示用分束器。
2.根据权利要求1所述的穿戴显示用分束器的制备方法，其特征在于，所述高折射率材料选自二氧化钛、二氧化铪，五氧化二钽、氮化硅、硫化锌，所述低折射率材料选自二氧化硅、三氧化二铝、氟化镁或冰晶石。
3.根据权利要求2所述的穿戴显示用分束器的制备方法，其特征在于，所述高折射率材料为二氧化钛，所述低折射率材料为二氧化硅。
4.根据权利要求1所述的穿戴显示用分束器的制备方法，其特征在于，棱镜材料选自ZF6玻璃、K9玻璃、紫外熔融石英、硒化锌、ZF52玻璃、ZF1玻璃。
5.根据权利要求1所述的穿戴显示用分束器的制备方法，其特征在于，所述红绿蓝三原色LED发光光谱的中心波长以及带宽分别为460±12nm、535±21nm、630±11nm。
6.根据权利要求1所述的穿戴显示用分束器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，设计出能选择性反射s-偏振态红绿蓝三原色LED光源光谱、透射s-偏振态其余波段和p-偏振态可见光的多层膜系时，目标光谱设置为：450nm—470nm范围内s-偏振光100％反射、525nm—545nm范围内s-偏振光100％反射、620nm—640nm范围内s-偏振光100％反射、400nm—440nm范围内s-偏振光100％透射、480nm—515nm范围内s-偏振光100％透射、555nm—610nm范围内s-偏振光100％透射、650nm—700nm范围内s-偏振光100％透射；400nm-700nm范围内p-偏振光100％透射。
7.根据权利要求1所述的穿戴显示用分束器的制备方法，其特征在于，所述高折射率材料为二氧化钛，所述低折射率材料为二氧化硅，所述棱镜材料为ZF6玻璃。
8.根据权利要求1或7所述的穿戴显示用分束器的制备方法，其特征在于，所述沉积参数为：每层二氧化钛或二氧化硅的厚度不超过500nm，总的层数为20～90层。
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