一种穿戴显示用分束器及其制备方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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:DualBrightness EnhancedFilm)、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。
[0003] 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】
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] -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。
[0007] 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。
[0008] 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
[0009] nL/cosΘL=nH/cosθH
[0010]nH为高折射率材料的折射率;ru为低折射率材料的折射率，Θ 低折射率材料膜 层内的折射角，ΘΗ为高折射率材料膜层内的折射角；
[0011] 同时必须符合折射定律，即
[0012] nHsinθH=nLsinΘL=n0sinΘ0
[0013] Θ。为入射角度；
[0014] 从上述两式可以得出实现偏振条件的关系式：
[0015]
[0016]η。为棱镜材料的折射率，Θ。为入射角度，ηΗ为高折射率材料的折射率;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η。选择合适的直角棱镜。
[0017] 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η。， 使得9。= 45°或者其他选定角度；或者对于确定的玻璃折射率η。，选择合适的入射角Θ。， 使上式得以满足。
[0018] 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。
[0019] -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。
[0020] -种高效率穿戴显示用分束器的制备方法，包括：
[0021] 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；
[0022] 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；
[0023] 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；
[0024] 4)将两块直角棱镜用乙醇、丙酮分别进行擦拭清洗；
[0025] 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；
[0026] 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。
[0027] 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±llnm，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一545nm范围内s_偏振光100%反射、620nm-64〇111]1范围内8-偏振光100%反射、 400nm一440nm范围内s_偏振光100%透射、480nm-515nm范围内s_偏振光100%透射、 555nm一610nm范围内s_偏振光100%透射、650nm-700nm范围内s_偏振光100%透射； 400]1111-700111]1范围内口-偏振光100%透射。
[0028] 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。
[0029] 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】
[0030] 图1为本发明高效率穿戴显示用分束器的结构示意图；
[0031] 图2为本发明高效率穿戴显示用分束器的制备流程图；
[0032] 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；
[0033] 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。
[0034] 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。
[0035] 图6为本