本发明专利技术提供了一种宽带宽、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。采用本发明专利技术方案，将传统的视频透射式增强现实光学系统的单片组合器分裂成多片，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％。
【技术实现步骤摘要】
宽带宽、高均匀性的级联分光膜阵列波导及其应用
本专利技术涉及光学显示领域，具体的说，本专利技术涉及一种宽带宽、高均匀性的级联分光膜阵列波导及其应用。
技术介绍
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(VirtualReality，VR)、增强现实(AugmentedReality，AR)及混合现实(MixedReality，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系统(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。显示系统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。增强现实显示系统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系统通透性差，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系统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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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，本专利技术提供了一种宽带宽、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，本专利技术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，本专利技术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。根据本专利技术一些具体实施方案，其中，所述分光膜系阵列各膜层的平均透过率为50-80％。根据本专利技术一些具体实施方案，其中，相邻两片分光膜系阵列之间的垂直距离为2-5mm。根据本专利技术一些具体实施方案，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。根据本专利技术一些具体实施方案，其中，所述高折射率材料H为Ta2O5。根据本专利技术一些具体实施方案，其中，所述低折射率材料L为SiO2。根据本专利技术一些具体实施方案，其中，各分光膜系阵列的膜层层数2n为4-12；优选为6-8。根据本专利技术一些具体实施方案，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°。根据本专利技术一些具体实施方案，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°。根据本专利技术一些具体实施方案，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°。根据本专利技术一些具体实施方案，其中，所述分光膜阵列波导中的分光膜系阵列为4片。根据本专利技术一些具体实施方案，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。根据本专利技术一些具体实施方案，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。根据本专利技术一些具体实施方案，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。根据本专利技术一些具体实施方案，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。根据本专利技术一些具体实施方案，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。根据本专利技术一些具体实施方案，其中，S4面膜的反射率为50％。根据本专利技术一些具体实施方案，其中，S1面膜系的平均透过率为80％。根据本专利技术一些具体实施方案，其中，S2面膜系的平均透过率为75％。根据本专利技术一些具体实施方案，其中，S3面膜系的平均透过率为67％。根据本专利技术一些具体实施方案，其中，S4面膜系的平均透过率为50％。再一方面，本专利技术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系统中的应用。根据本专利技术一些具体实施方案，其中，所述显示系统为近眼显示系统。准直光学系统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*Tη2：R2*(1-R1)*Tη3：R3*(1-R2)*(1-R1)*TηN：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))….+(本文档来自技高网...
【技术保护点】
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。
【技术特征摘要】
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。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，相邻两片分光膜系阵列之间的垂直距离为2-5mm。4.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(优选高折射率材料为Ta2O5)；所述低折射率材料L的折射率n<1.5(优选低折射率材料为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，优选为6-8。6.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°，优选为25°-35°，更优选为27.5°。7.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(优选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)；(优选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...
【专利技术属性】
技术研发人员：李勇，吴斐，郑臻荣，
申请(专利权)人：北京亮亮视野科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11
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