TWI836161B - 用於偏振加擾的光導光學元件 - Google Patents
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Abstract
提供了一種被構造用於偏振加擾的光導光學元件(Light guide Optical Element，LOE)。該LOE包括具有第一折射率的透明基板，該基板具有成對平行外表面以及多個相互平行的部分反射內表面，成對平行外表面被構造成使光通過全內反射(Total Internal Reflection，TIR)在LOE內傳播，多個相互平行的部分反射內表面不平行於該成對平行外表面並且被構造成將所述光耦出至觀看者。LOE還包括在基板的至少一個外表面上的第一塗層，該第一塗層是具有高於第一折射率的第二折射率的塗層材料；LOE還包括在基板的至少一個外表面上的在第一塗層上方的抗反射(Antireflective，AR)塗層。
Description
本發明主題涉及光導光學元件，並且更具體地涉及被構造用於偏振加擾的光導光學元件。
本發明涉及光導緊湊準直光學裝置(Light-guide Compact Collimating Optical Device，LCCD)以及包括一個或更多個這些裝置的光學系統。術語“光導”是指任何光傳輸體，優選光傳輸固體，也稱為光學基板。緊湊光學裝置的重要應用之一是在頭戴式顯示器(Head mounted Display，HMD)領域，其中，光學模組用作反射光學元件和組合器二者，其中二維圖像被成像到無限遠並且被反射到觀看者的眼中。圖像可以直接從空間光調變器(Spatial Light Modulator，SLM)(例如，陰極射線管(Cathode Ray Tube，CRT)、液晶顯示器(Liquid crystal Display，LCD)、矽基液晶(Liquid Crystal on Silicone，LCOS)模組、有機發光二極體陣列(Organic Light Emitting Diode，OLED)、微型發光二極體、掃描源或類似裝置)獲得或借助於中繼透鏡或光纖束間接獲得。該圖像包括元素(像素)陣列，這些元素(像素)通過準直透鏡成像到無限遠並且借助於反射或部分反射表面傳輸到觀看者的眼中，該反射或部分反射表面分別充當用於非透視和透視應用的組合器。通常，常規的自由空間光學模組用於這些目的。該光學模組在本文中將被稱為光導光學元件(“Lightguide Optical Element，LOE”)。
通常，LOE位於觀看者眼睛的前方。通過全內反射(Total Internal Reflection，TIR)在平行表面之間反射進入LOE的準直光線束。塗覆的小平面將光線部分地反射向觀看者的眼睛。
通常，進入LOE的光是S偏振的或P偏振的。小平面上的塗層反射具有相同偏振態的光。由於只涉及一個偏振態，TIR反射將保持該偏振態。然而，在進入LOE的光是非偏振的應用中，每一TIR反射引起相移，該相移將改變一些光線的偏振狀態。這反過來會導致由小平面反射的光的量的相應變化，這是不期望的。
根據本發明的主題的一個方面，提供了一種被構造用於偏振加擾的光導光學元件(LOE)，包括：具有第一折射率的透明基板，該基板包括成對平行外表面以及多個相互平行的部分反射內表面，成對平行外表面被構造成使光通過全內反射(TIR)在LOE內傳播，多個相互平行的部分反射內表面不平行於該成對平行外表面，並且被構造成將光耦出至觀看者；在基板的至少一個外表面上的厚度在100奈米與10微米之間的第一塗層，第一塗層包括具有高於第一折射率的第二折射率的塗層材料；以及在基板的至少一個外表面上的在第一塗層上方的抗反射(Antireflective，AR)塗層。
在一些實施方式中，第一塗層被構造成增加以基板的TIR截止角以上的角度入射的光的s偏振分量與p偏振分量之間的相移，該光的波長在400nm與1300nm之間。
在一些實施方式中，AR塗層被構造成減少或消除以0°與50°之間的入射角進入LOE的光的反射。
在一些實施方式中，AR塗層被構造成將以預定角度進入LOE的光的反射減少至0.3%與10%反射光之間。
在一些實施方式中，第一塗層包括高折射率介電材料。
在一些實施方式中，第一塗層包括選自包括TiO2、Si3N4和ZnS的組中的材料。
在一些實施方式中，AR塗層包括選自包括SiO2、HfO2、TiO2、MgF2和Al2O3的組中的至少一種塗層材料的一個或更多個層。
在一些實施方式中，AR塗層包括折射率在1.35至2.5的範圍內的至少一種材料的一個或更多個層。
1,2:表面
6:會聚透鏡
18,64L,64R:光線
22:部分反射內表面(“小平面”)
24:觀看者的眼睛
26,27:外表面
34:基板
42:偏振加擾塗層
44:抗反射(AR)塗層
為了理解本發明並且瞭解在實踐中可以如何實施本發明，將通過非限制性示例並且參照圖式來描述實施方式，在圖式中：
圖1示出了根據習知技術的LOE的概括示意圖；
圖2示出了根據本發明主題的某些實施方式的LOE的概括示意圖；
圖3示出了顯示沒有偏振加擾塗層的LOE的一個表面的相移性能的示例的曲線圖；
圖4a示出了顯示RGB光的高光譜峰的曲線圖；
圖4b示出了顯示白光的高光譜峰的曲線圖；
圖5示出了顯示應用於基板的偏振加擾塗層的光譜差分相移性能的示例的曲線圖；
圖6示出了顯示在法向入射下沒有AR塗層的示例性偏振加擾塗層的反射特性的曲線圖；
圖7a示出了顯示對於TIR中的光線由LOE表面反射的光的反射差分相移的示例的曲線圖；
圖7b示出了顯示對於TIR區域中各種不同角度的反射差分相移(differential phase shift on reflection)的示例的曲線圖；
圖8示出了顯示具有偏振加擾塗層和AR塗層的情況下在法向入射下的反射的示例的曲線圖；
圖9示出了顯示在基板與金屬塗層之間應用的偏振加擾塗層的反射的示例的曲線圖；
圖10示出了具有兩個波導的顯示系統的實施方式；以及
圖11示出了根據本發明的LOE的另一實施方式。
在下面的詳細描述中，闡述了許多具體細節以提供對本
發明的透徹理解。然而，本領域的技術人員將理解，可以在沒有這些具體細節的情況下實施本發明主題。在其他情況下，沒有詳細描述公知的方法、過程和部件以免使本發明的主題模糊不清。
如本文中使用的，術語“相移”是指S偏振光線與P偏振光線的相位之間的差。
記住這一點，注意圖1，其示出了根據習知技術的LOE的概括示意圖。該LOE包括基板34，該基板34具有成對平行外表面26、27，以及非平行的成組相互平行部分反射內表面(“小平面”)22。小平面22的部分反射特性通過應用於小平面的塗層來實現。表示圖像的光線18耦合到LOE中，並且經由外表面26、27之間的TIR在LOE內傳播，並且最終由小平面22朝向觀看者的眼睛24反射出去。
圖2示出了根據本發明主題的某些實施方式的LOE的概括示意圖。在這種情況下，LOE旨在接收和耦合出非偏振光。如習知技術LOE中那樣，本發明的LOE包括折射率(本文中表示為“n”)高於空氣的透明基板34。該基板包括成對平行外表面26，27，其被構造成使光通過TIR在LOE內傳播。基板34還包括多個相互平行的部分反射內表面(小平面)22，其被構造成將光耦出至觀看者。小平面不平行於外表面26、27。例如，他們可以相對於成對外部表面傾斜。
LOE還包括應用到外表面26、27中的至少一個表面的偏振加擾塗層42。偏振加擾塗層42包括具有比基板34的第一折射率高的折射率的塗層材料。偏振加擾塗層42以大於100nm且至多約10微米的厚度應用到外表面26、27中的至少一個或其一部分。在一些情況下，偏振加擾塗層42可以應用到兩個平行的外表面。應用到基板外表面的偏振加擾塗層42增加了進入基板並且反射離開外塗覆表面內部的S偏振光線與P偏振光線之間的相位差斜率(phase difference slope)。這是對於全內反射(TIR)角以上的入射角。相位差斜率是對於波長的小變化的相移差的變化量。
可以根據預定的設計要求、基於進入LOE的光的預期波
長範圍和光將進入的角度的預期範圍(例如，對於BK7玻璃，在TIR區域中42°以上的角度)來選擇偏振加擾塗層42。在幾次反射之後，在LOE內傳播的S偏振光和P偏振光將相對於彼此發生很大相移，基本上保持了光線的非偏振狀態。根據本發明，LOE內的小平面22也塗覆有為非偏振光設計的部分反射塗層。這些塗覆小平面將非偏振光按設計朝向觀看者反射。
在示例性實施方式中，以300nm至10000nm之間，並且更優選地300nm至5000nm之間，並且甚至更優選地300nm至1000nm之間的厚度應用偏振加擾塗層42。
優選地，偏振加擾塗層42包括高折射率介電材料，例如TiO2(n 
2.2-2.45)、Si3N4(n 
2.0)、ZnS(n 
2.2-2.4)或者合適的等同物。“高折射率”是指高於基板的折射率，並且優選地至少為2。優選地，偏振加擾塗層42被構造成增加波長在400nm與1300nm之間的並且更優選地波長在400nm與750nm之間的光在從基板的外表面反射離開時的相移斜率。
LOE還包括抗反射(AR)塗層44，其被應用到基板的至少一個外表面在偏振加擾塗層42之上。應用在偏振加擾塗層42之上的AR塗層44減少或消除以給定角度進入LOE的光的反射，從而提供這些光線的高透射率並且允許觀看者通過LOE看到外界。在示例性實施方式中，AR塗層被構造成減少或消除以基本上“法向”入射角(例如，在0°至50°範圍的角度)射到表面的光線的反射。優選地，AR塗層將以預定角度進入LOE的光的反射減少至0.3%與10%反射光之間。
應當注意的是，偏振加擾塗層42將基板在法向入射下的反射從約5%(對於n=1.6的基底)增加到在可見光譜(430nm至660nm)中的平均約18%。因此，要求AR塗層44能夠減少反射並且還保持由偏振加擾塗層42引起的消偏振特性。這些要求增加了AR塗層44的設計複雜度。
優選地，AR塗層44包括折射率在1.35至2.5範圍內的
塗層材料的層。優選地，塗層包括一種或更多種高折射率材料、一種或更多種低折射率材料以及一種或更多種中等(即，在高折射率與低折射率之間)折射率材料。在示例性實施方式中，AR塗層44可以包括SiO2(n 
1.45-1.47)、HfO2(n 
2.0-2.1)、TiO2(n 
2.2-2.45)、MgF2(n 
1.35-1.37)和/或Al2O3(n 
1.63-1.68)中的一種或更多種的層。
應當注意，圖2不是按比例繪製的，並且實際上基板34的厚度通常比塗層42、44的厚度大幾個數量級。
圖3示出了顯示沒有偏振加擾塗層的LOE的相移性能的曲線圖。在這種情況下，LOE由S-TIM8玻璃(n 
1.596)製成，並且外表面沒有應用偏振加擾塗層42。如圖所示，對於可見光譜中的所有波長，相移幾乎是恒定的。這是不期望的，如下所述。
通常，進入LOE的光來自RGB LED或白LED。圖4a示出了顯示RGB光的高光譜峰的曲線圖，其中應當優選地發生相移斜率增強。圖4b示出了顯示白光的高光譜峰的曲線圖，其中應當優選地發生相移斜率增強。
圖5示出了參考RGB LED光的光譜峰顯示由應用到基板的偏振加擾塗層42引起的相移的示例的曲線圖。在這種情況下，偏振加擾塗層42包括TiO2，並且被應用到由S-TIM8玻璃製成的基板34。圖5示出了兩種不同厚度(即，分別為300nm和1000nm)的偏振加擾塗層42的結果。如圖5所示，隨著層的厚度增加，可見波長的相位變化的斜率變得更大。應當發生最高的消偏振和斜率的光譜區域由虛線方塊表示，並且與RGB LED的光譜峰對應。
如圖5所示，進入LOE的光的波長的小變化產生相移的大變化。將這與照射該系統的LED發射的光譜範圍進行比較。偏振加擾塗層42對窄光譜峰(對於RGB LED，在
480nm、
580nm和
640nm處，並且對於白LED在
443nm處)中的部分引起不同程度的相移。由於人眼整合了相近波長的光的強度，所以該效果相當於觀察非偏振光。反射後的消偏振是不完全的。由於光在被小平面22反射之前被外表面多次反射，
因此光線的累積消偏振相對高。
圖6示出了顯示沒有AR塗層44的示例性偏振加擾塗層42的反射特性的曲線圖。在這種情況下，以兩種不同的層厚度(分別為300nm和1000nm)應用偏振加擾塗層42。如圖所示，偏振加擾塗層42傾向於具有高反射性(在可見波長中每一側平均約20%)，從而導致透過LOE的外界視野的不期望的衰減。
圖7a示出了顯示進入本發明的LOE的光的反射差分相移的示例的曲線圖。在這種情況下，基板塗覆有包括厚TiO2層的偏振加擾塗層42以及在偏振加擾塗層之上的AR塗層44。該曲線圖顯示了對於兩種不同厚度(即，分別為300nm和1000nm)的偏振加擾塗層42，在可見波長中以55度入射角進入LOE的光的反射差分相移。
圖7b示出了顯示對於TIR區域中的各種不同角度在應用1000nm厚度的塗層42的情況下使用與圖7a中相同的塗層的反射相移的曲線圖。
圖8示出了在可見光譜中的不同波長處包括如圖7a中的偏振加擾塗層42(300nm和1000nm的TiO2層厚度)和AR塗層44的層的塗層在法向入射下的反射。如圖8所示，該塗層在小角度下表現為AR塗層，其中明顯的是，與圖6相比反射大大降低(從可見光譜中的平均約18%降至約4%)。使用不同的設計和層材料，該反射可以被降得甚至更低。
應當注意，對於兩個外表面，偏振加擾塗層42的厚度不必相同。反而，可將不同厚度的偏振加擾塗層42應用到不同表面，以向LOE的每一側賦予針對任何光譜區域的不同的相位變化斜率。例如，如果在一側LOE對於特定波長具有小的相位變化斜率，則另一側的塗層可以隨機地落在大的相位變化斜率上，其中累積相移將是大的。
不用說，如果入射光束平行或垂直於小平面22偏振，偏振加擾塗層42將不會影響光束的相位。
如上所述，可以將偏振加擾塗層42僅應用到一個或兩個
外表面的一部分，而不是應用到整個表面。
在一些情況下，可能期望在LOE一個外表面或其一部分上塗覆有金屬塗層。在這種情況下，可以在基板與金屬層之間添加偏振加擾塗層42，這將增加在光譜區域上的相移變化。
圖9示出了顯示在基板和金屬塗層之間應用的偏振加擾塗層42的反射的示例的曲線圖。該曲線圖示出了在可見光譜中的不同波長處在55。入射角處的光的反射。該曲線圖展示了在沒有偏振加擾塗層42的情況下以及在不同厚度(300nm和1000nm)的偏振加擾塗層42的情況下的相移斜率。
應當注意，在一些情況下，進入LOE的光線可能不在圖的同一平面中，即，以另一三維角度進入LOE。在這種情況下，即使光束是偏振的，其參考TIR平面也將不會偏振。因此，其將改變反射光束的偏振狀態並且可以被作為非偏振光處理。
圖10示出了具有兩個LOE的顯示系統，其中光束以任意角度從一個LOE反射到第二個LOE。該反射引入相移，該相移將因此改變光束的偏振狀態，使得光束在從小平面反射時不會產生偏振。這裡同樣，應用到LOE表面的偏振加擾塗層42將確保來自小平面的反射將不依賴於光束的偏振態。
圖11示出了根據本發明的LOE的另一實施方式。在該實施方式中，LOE被設計成使光束在波導的中心進入並且朝向每個相對端傳播。在這種情況下，入射光束傳播通過會聚透鏡6。光線64L和光線64R通過LOE。到達眼睛的光束將透射穿過中心小平面或者將由中心小平面反射並且向側部傳播並且由其他小平面朝向眼睛反射。從中心小平面傳播到側部小平面，光線從表面1和表面2遇到TIR。因此，表面1和表面2還應該塗覆有偏振加擾塗層42(以及可選的一層或更多層AR塗層44)，以使光束消偏振，因為接下來的反射小平面是針對非偏振光設計的。這裡同樣，AR塗層的添加將增加表面1和表面2的透射率。
應當理解，現在描述的LOE的實施方式可以在大量成像
應用中實現，例如頭戴式顯示器(HMD)和平視顯示器(Head-up Display，HUD)、蜂窩電話、緊湊顯示器、3-D顯示器、緊湊擴束器，以及在非成像應用中實現，例如平板指示器、緊湊照明器和掃描器。
應當理解，本發明並不將其應用限於在本文中包含的描述中闡述的或在圖式中示出的細節。本發明能夠具有其他實施方式並且能夠以各種方式實施和執行。因此，應當理解，本文中使用的措辭和術語是為了描述的目的，而不應被認為是限制性的。同樣地，本領域技術人員將理解，本發明內容所基於的構思可以容易地用作設計用於實現本發明主題的若干目的的其他結構、方法和系統的基礎。
34:基板
42:偏振加擾塗層
44:抗反射(AR)塗層
Claims (7)
- 一種光導光學元件(Lightguide Optical Element，LOE)，被構造用於偏振加擾，所述光導光學元件包括：透明基板，具有第一折射率，所述基板包括成對平行外表面和多個相互平行的部分反射內表面，所述成對平行外表面被構造成使光通過全內反射(Total Internal Reflection，TIR)在所述LOE內傳播，所述多個相互平行的部分反射內表面不平行於所述成對平行外表面，並且被構造成將所述光耦合出至觀看者；第一塗層，在所述基板的至少一個外表面上，厚度在100nm與10微米之間，所述第一塗層包括具有比所述第一折射率高的第二折射率的塗層材料；以及抗反射(Antireflective，AR)塗層，在所述基板的至少一個外表面上在所述第一塗層上方，其中，所述第一塗層被構造成增加以TIR以上的角度入射的波長在400nm與1300nm之間的光的s偏振分量與p偏振分量之間的相移。
- 如請求項1所述的LOE，其中，所述AR塗層被構造成減少或消除以0°與50°之間的入射角進入所述LOE的光的反射。
- 如請求項1所述的LOE，其中，所述AR塗層被構造成將以預定角度進入所述LOE的光的反射減少至0.3%與10%反射光之間。
- 如請求項1所述的LOE，其中，所述第一塗層包括高折射率介電材料。
- 如請求項4所述的LOE，其中，所述第一塗層包括選自包括TiO2、Si3N4和ZnS的組中的材料。
- 如請求項1所述的LOE，其中，所述AR塗層包括選自包括SiO2、HfO2、TiO2、MgF2和Al2O3的組中的至少一種塗層材料的一個或更多個層。
- 如請求項1所述的LOE，其中，所述AR塗層包括折射率在1.35至2.5的範圍內的至少一種材料的一個或更多個層。
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