CN113481483B - 一种用于阵列波导的镀膜方法 - Google Patents

一种用于阵列波导的镀膜方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于阵列波导的镀膜方法——该镀膜方法以阵列波导每层膜系出射光束能量的均匀性为准则，通过计算评估每层膜系对不同角度光束的反射率，给出镀膜技术指标，然后将镀膜技术指标作为膜系设计的优化条件，建立膜系结构，实现大角度光束截止，最后将设计好的膜系镀在测试片上，观测测试数据是否满足镀膜技术指标要求，满足则在溅射机和蒸镀机上镀膜。

Description

一种用于阵列波导的镀膜方法
技术领域
本发明涉及光学领域，具体涉及一种用于阵列波导的镀膜方法。
背景技术
增强现实技术即AR技术是将虚拟信息与现实世界相互融合，以增强显示眼镜为代表的增强现实技术已经在各行业开始兴起，现阶段比较成熟的增强现实技术主要分为棱镜方案、birdbath方案、自由曲面方案，离轴全息透镜方案和波导方案，其中波导是目前最佳的增强现实眼镜方案。而阵列波导作为波导方案中的主流方案，具有镜片轻薄、成像无色散，视场角大，图像还原度高，清晰的优点，然而其半透半反的特性造成了无法避免的镜像，且杂光较多，成像质量较差，是该结构的严重缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于阵列波导的镀膜方法。
本发明的构思是：不论阵列波导的外型几何尺寸如何设计，在最终成像时，由于其半透半反的特性通常会在像面附近产生镜像，且杂光较多，成像质量差，影响人眼的观测效果。本发明提供了一种用于阵列波导的镀膜方法——该镀膜方法以阵列波导每层膜系出射光束能量的均匀性为准则，通过计算评估每层膜系对不同角度光束的反射率，给出镀膜技术指标，将镀膜技术指标作为膜系设计的优化条件，建立膜系结构，实现大角度光束截止，从而解决镜像和杂光的问题，提高能量利用率。具体如下：
常见阵列波导包括：四片式阵列波导、五片式阵列波导和六片式阵列波导。所述四片式、五片式和六片式是指阵列波导膜系的层数，即四层膜系、五层膜系和六层膜系。不论几片式的阵列波导，每层膜系的反射率均会影响到其后膜系的出射能量，且膜系层数越多，阵列波导出射光束能量的均匀性越差，因此在实际给出膜系设计前，首先针对阵列波导的每个半透半反面的反射率进行计算评估，给出镀膜技术指标，使得进入阵列波导的所有视场角光束经过这些面出射后的光强尽可能相等，即保证画面亮度的均匀性，然后根据镀膜技术指标设计相应的膜系结构，并进行镀膜的测试试验，最后当测试片满足所有镀膜技术指标后可进行正式片镀膜。
本发明实现其发明目的所采取的技术方案具体如下：一种用于阵列波导的镀膜方法主要包括以下步骤：
(1)确定阵列波导各尺寸参数，包括等间隙阵列波导和不等间隙阵列波导；
步骤(1)中，所述等间隙阵列波导是指各膜系之间的距离相等，所述不等间隙阵列波导是指各膜系之间的距离不相等。
(2)根据所述阵列波导的尺寸给出镀膜技术指标，所述镀膜技术指标是指按照既定的视场角，在考虑镜像和杂散光能量损耗的情况下，建立阵列波导的等效计算模型，给出每层膜系对应的不同角度光束的反射率，当在阵列波导内进行全反射的光束进入特定反射率的膜系上时，全反射条件被破坏，光束改变出射角度，通过计算保证每层膜出射光束的能量相等，得到计算后的镀膜技术指标；
步骤(2)中，计算的具体步骤如下：
根据实际光束在波导内的传输情况，按光束最多经过每层膜系的次数将每层膜系分为i个区域，当入射光束经过第一层膜系时，入射光束最多穿过第一层膜系两次，此时将该膜系分为第一区域和第二区域，第一区域的光束经第一层膜系直接被反射，其出射的等效能量W11：
W11＝L11×R1
其中L11为第一区域长度，R1为第一层膜系的反射率；第二区域的光束经过第一层膜系的两次透射和一次反射，其出射等效能量：
W12＝L12×T1×T1'×R1
其中L12为第二区域长度，T1为第一层膜系外表面的透射率，T1’为第一层膜系内表面的透射率，所述第一层膜系外表面是指镀膜基板的空气侧，所述第一层膜系内表面是指镀膜基板的基板侧。
第一层膜系的等效能量W1：
W1＝W11+W12
当光束经过第一层膜系进入下一层膜系时，由于反射率对于光束的效果会逐层累积叠加，前一层膜系的反射率会影响之后膜出射光线的能量，产生能量的衰减，衰减后的出射光线的能量Q：
Q＝Tn×Tn'
其中Tn为第n层膜系外表面的透射率，Tn’为第n层膜系内表面的透射率。
考虑能量的衰减，第n层膜系的出射等效能量为：
Figure BDA0003158811030000031
其中Lni为第n层膜系的第i区域长度，Rn为第n层膜系的反射率。
计算每层膜系不同角度的反射率，使每层膜系出射光束的等效能量尽可能相等(即使每层膜系出射光束的等效能量差值最小)，保证输出光束的均匀性。
(3)根据步骤(2)计算后的镀膜技术指标设计膜系，将其列为优化条件，给出膜系结构；
步骤(3)中，所述膜系结构是由多层光学薄膜包括高、低折射率材料交替构成，在膜系的设计过程中让尽可能减少光学薄膜的层数，即让膜系尽可能薄，且要求基片双面镀膜，减少在镀膜过程中由膜层产生的硬力对基片面型的影响。即所述膜系结构包括高折射率膜层和低折射率膜层交替构成，所述的优化条件为：在膜系的设计过程中膜层数最少，膜系的厚度最小，且要求基片双面镀膜。所述高折射率膜层为高折射率Ti3O5，所述低折射率膜层为低折射率SiO2。
(4)将步骤(3)设计好的膜系结构的膜层镀在测试片上，观测测试数据是否满足镀膜技术指标要求，满足则在正式片上镀膜，完成镀膜。
进一步地，本发明所用到的镀膜机为溅射机和蒸镀机。所述溅射机用于双数层膜层阵列波导和单数层膜层阵列波导薄基片的双面镀膜，确保顺利实现大角度截止膜系的镀制，且膜层更均匀；所述蒸镀机用于单数层膜系阵列波导厚基片的单面镀膜。
相对于现有技术，本发明具有以下有益的技术效果：
第一，降低原始像附近镜像的亮度，拉远镜像，消除镜像对观察者观察原始像时的干扰；
第二，消除杂光对成像的影响，提高成像质量；
第三，膜层更均匀，平坦性更好。
第四，本发明镀膜方法以阵列波导每层膜系出射光束能量的均匀性为准则，通过计算评估每层膜系对不同角度光束的反射率，给出镀膜技术指标，然后将镀膜技术指标作为膜系设计的优化条件，建立膜系结构，实现大角度光束截止，最后将设计好的膜系镀在测试片上，观测测试数据是否满足镀膜技术指标要求，满足则在溅射机和蒸镀机上镀膜。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为具体实施例中阵列波导的基片示意图；
图2为具体实施例中阵列波导示意图；
图3为具体实施例中特定传输角与每层膜系的反射率的关系示意图；
图4为具体实施例中第一层膜系设计示意图；
图5为具体实施例中第二层膜系设计示意图；
图6为具体实施例中第三层膜系设计示意图；
图7为具体实施例中第四层膜系设计示意图；
图8为具体实施例中第五层膜系设计示意图；
图标：基片1；基片1A面；基片1B面；第一层膜2；第二层膜3；第三层膜；第四层膜5；第五层膜6。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
下面以五片式不等间隙阵列波导为例，具体阐述一种用于阵列波导的镀膜方法。如图1所示为本发明中阵列波导基片的示意图，基片1的两个面分别记为A和B。基片1材料为K9玻璃基片(LG)，根据计算，五片式不等间隙阵列波导需6片基片，4片不等厚薄基片，2片不等厚厚基片，且需镀5层膜如图2所示，包括第一层膜2，第二层膜3，第三层膜4，第四层膜5和第五层膜6。
这里建立五片式阵列波导的能量等效计算模型，当入射光束经过第一层膜2，此时将该膜分为第一区域和第二区域，第一区域的光束经第一层膜2直接反射，其出射光束的等效能量W11：
W11＝L11×R1
其中L11为第一区域长度，R1为第一层膜2的反射率。第二区域的光线经过第一层膜2的两次透射和一次反射，其出射光束的等效能量W12：
W12＝L12×T1×T1'×R1
其中L12为第二区域长度，T1为第一层膜2外表面的透射率，T1’为第一层膜2内表面的透射率。
第一层膜系的等效能量W1：
W1＝W11+W12
当光束到达第五层膜5时，由于反射率对于光束的效果会逐层累积叠加，前一层膜的反射率会影响之后膜系出射光束的能量Q，产生能量的衰减：
Q＝T5×T5'
其中T5为第5层膜6外表面的透射率，T5’为第5层膜6内表面的透射率。考虑能量的衰减，第5层膜6的出射等效能量W5为：
Figure BDA0003158811030000061
根据上述等效模型计算，在特定传输角下，每层膜的反射率如图2所示，每层膜出射光束的等效能量如表1所示。
表1.特定角度下每层膜出射光束的等效能量
44° 49° 54° 57° 60°
1 0.2165 0.2563 0.3340 0.4120 0.4503
2 0.3929 0.4626 0.4408 0.4197 0.4388
3 0.4640 0.4233 0.4031 0.3837 0.3660
4 0.4185 0.3824 0.3651 0.3484 0.3328
5 0.4289 0.3947 0.3775 0.3608 0.3458
根据上述结果，本实施例针对P光给出波长在420nm到680nm间的镀膜设计指标：针对第一层膜系，要求入射角度在16.37°～23.00°之间时，反射率为6％±2％，入射角度在27°～37.63°时，反射率为5％±2％，入射角度为70°～90.00°，反射率＜1％(理想值)；针对第二层膜系，要求入射角度在16.37°～23.00°之间时，反射率为11％±2％，入射角度在27°～37.63°时，反射率为6％±2％，入射角度为70°～90.00°，反射率＜1％(理想值)；针对第三层膜系，要求入射角度在16.37°～23.00°之间时，反射率为14％±2％，入射角度在27°～37.63°时，反射率为11％±2％，入射角度为70°～90.00°，反射率＜1％(理想值)；针对第四层膜系，要求入射角度在16.37°～32.89°之间时，反射率为17％±2％，入射角度为70°～90.00°，反射率＜1％(理想值)；针对第五层膜系，要求入射角度在16.37°～24.43°之间时，反射率为27％±2％，入射角度为70°～90.00°，反射率＜1％(理想值)。
根据上述镀膜设计指标的要求，针对P光进行膜系设计。考虑到实际镀膜时由于硬力作用，单面镀膜会改变基片1的面型，且膜层越厚，基片1越薄，膜层对基片1的拉扯越厉害，因此本具体实施例采用双面镀膜，且在膜系的设计过程中让每层薄膜尽可能薄，在同一基片上的两层膜层厚度差尽可能小，以此保证基片的面型不受镀膜影响。
如表2所示，第一层膜2由7层光学薄膜包括高折射率Ti3O5和低折射率SiO2两种材料交替构成，总厚度为419.96nm。
表2.第一层膜各光学薄膜的厚度
Layer 1 2 3 4 5 6 7
Material <![CDATA[Ti<sub>3</sub>O<sub>5</sub>]]> <![CDATA[SiO<sub>2</sub>]]> <![CDATA[Ti<sub>3</sub>O<sub>5</sub>]]> <![CDATA[SiO<sub>2</sub>]]> <![CDATA[Ti<sub>3</sub>O<sub>5</sub>]]> <![CDATA[SiO<sub>2</sub>]]> <![CDATA[Ti<sub>3</sub>O<sub>5</sub>]]>
Thickness(nm) 12.99 194.39 19.05 81.72 12.00 93.81 6.00
如表3所示，第二层膜3由10层光学薄膜包括低折射率SiO2和高折射率Ti3O5两种材料交替构成，总厚度为585.12nm。
表3.第二层膜各光学薄膜的厚度
Figure BDA0003158811030000081
如表4所示，第三层膜4由10层光学薄膜包括低折射率SiO2和高折射率Ti3O5两种材料交替构成，总厚度为564.68nm。
表4.第三层膜各光学薄膜的厚度
Figure BDA0003158811030000082
如表5所示，第四层膜5由10层光学薄膜包括低折射率SiO2和高折射率Ti3O5两种材料交替构成，总厚度为547.49nm。
表5.第四层膜各光学薄膜的厚度
Figure BDA0003158811030000083
如表6所示，第五层膜6由10层光学薄膜包括低折射率SiO2和高折射率Ti3O5两种材料交替构成，总厚度为547.49nm。
表6.第五层膜各光学薄膜的厚度
Layer 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Material <![CDATA[SiO<sub>2</sub>]]> <![CDATA[Ti<sub>3</sub>O<sub>5</sub>]]> <![CDATA[SiO<sub>2</sub>]]> <![CDATA[Ti<sub>3</sub>O<sub>5</sub>]]> <![CDATA[SiO<sub>2</sub>]]> <![CDATA[Ti<sub>3</sub>O<sub>5</sub>]]> <![CDATA[SiO<sub>2</sub>]]> <![CDATA[Ti<sub>3</sub>O<sub>5</sub>]]> <![CDATA[SiO<sub>2</sub>]]> <![CDATA[Ti<sub>3</sub>O<sub>5</sub>]]>
Thickness(nm) 31.26 11.93 45.42 22.15 172.42 41.48 145.04 22.34 75.99 14.06
第五，本具体实施例将第一层膜2和第二层膜3镀在同一基片1上，第三层膜4和第四层膜5镀在同一基片1上，第五层膜6在厚基片1上镀膜，具体膜系设计如图2-图8所示，双面镀膜在溅射机上镀膜，单面镀膜在蒸镀机上镀膜，所得成品观测效果显示，膜层更均匀，平坦性更好，杂光明显减少，镜像的亮度降低，成像质量变高。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于阵列波导的镀膜方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)确定阵列波导各尺寸参数，包括等间隙阵列波导和不等间隙阵列波导；
(2)根据所述阵列波导的尺寸给出镀膜技术指标，所述镀膜技术指标是指按照既定的视场角，在考虑镜像和杂散光能量损耗的情况下，建立阵列波导的等效计算模型，给出每层膜系对应的不同角度光束的反射率，当在阵列波导内进行全反射的光束进入特定反射率的膜系上时，全反射条件被破坏，光束改变出射角度，通过计算保证每层膜系出射光束的能量相等，得到计算后的镀膜技术指标；
计算的具体步骤如下：
根据实际光束在波导内的传输情况，按光束最多经过每层膜系的次数将每层膜系分为i个区域，当入射光束经过第一层膜系时，入射光束最多穿过第一层膜系两次，此时将该膜系分为第一区域和第二区域，第一区域的光束经第一层膜系直接被反射，其出射的等效能量W11：
W11＝L11×R1
其中L11为第一区域长度，R1为第一层膜系的反射率；第二区域的光束经过第一层膜系的两次透射和一次反射，其出射等效能量：
W12＝L12×T1×T1'×R1
其中L12为第二区域长度，T1为第一层膜系外表面的透射率，T1’为第一层膜系内表面的透射率，所述第一层膜系外表面是指镀膜基板的空气侧，所述第一层膜系内表面是指镀膜基板的基板侧；
第一层膜系的等效能量W1：
W1＝W11+W12
当光束经过第一层膜系进入下一层膜系时，由于反射率对于光束的效果会逐层累积叠加，前一层膜系的反射率会影响之后膜出射光线的能量，产生能量的衰减，衰减后的出射光线的能量Q：
Q＝Tn×Tn'
其中Tn为第n层膜系外表面的透射率，Tn’为第n层膜系内表面的透射率；
考虑能量的衰减，第n层膜系的出射等效能量Wn为：
其中Lni为第n层膜系的第i区域长度，Rn为第n层膜系的反射率；
计算每层膜系不同角度的反射率，使每层膜系出射光束的等效能量尽可能相等，保证输出光束的均匀性；
(3)根据步骤(2)计算后的镀膜技术指标设计膜系，将其列为优化条件，给出膜系结构；
(4)镀膜。
2.根据权利要求1所述的用于阵列波导的镀膜方法，其特征在于，步骤(1)中，所述等间隙阵列波导是指各膜系之间的距离相等，所述不等间隙阵列波导是指各膜系之间的距离不相等。
3.根据权利要求1所述的用于阵列波导的镀膜方法，其特征在于，步骤(3)中，所述膜系结构包括高折射率膜层和低折射率膜层交替构成。
4.根据权利要求3所述的用于阵列波导的镀膜方法，其特征在于，步骤(3)中，所述高折射率膜层为高折射率Ti3O5，所述低折射率膜层为低折射率SiO2。
5.根据权利要求1所述的用于阵列波导的镀膜方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的优化条件为：在膜系的设计过程中膜层数最少，膜系的厚度最小，且要求基片双面镀膜。
6.根据权利要求1所述的用于阵列波导的镀膜方法，其特征在于，步骤(4)中，镀膜具体包括：将步骤(3)设计好的膜系结构的膜层镀在测试片上，观测测试数据是否满足镀膜技术指标要求，满足则在正式片上镀膜，完成镀膜。
7.根据权利要求1所述的用于阵列波导的镀膜方法，其特征在于，步骤(4)中，镀膜所用到的镀膜机为溅射机和蒸镀机，所述溅射机用于双面镀膜，所述蒸镀机用于单面镀膜。
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