廣角寬帶偏振分束器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種分束器，其包含：第一棱鏡，其包含輸入面、輸出面及傾斜面；及第二棱鏡，其包含輸出面及傾斜面，所述第二棱鏡的所述傾斜面耦合到所述第一棱鏡的所述傾斜面。偏振涂層夾在所述第一棱鏡的所述傾斜面與所述第二棱鏡的所述傾斜面之間，且線性偏振器耦合到所述第一棱鏡的所述輸出面及所述第二棱鏡的所述輸出面中的至少一者。
【專利說明】廣角寬帶偏振分束器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體來說涉及分束器，且特定來說(但非排他地)涉及一種由低折射率材料制成的廣角寬帶偏振分束器。

【背景技術(shù)】
[0002]分束器是存在于許多類型的光學(xué)裝置中的光學(xué)組件。顧名思義，分束器將輸入光束分離成兩個(gè)或兩個(gè)以上輸出光束。偏振分束器(PBS)是可基于偏振而將輸入光束分離成兩個(gè)或兩個(gè)以上輸出光束以使得每一輸出光束具有不同偏振的特定類型的分束器。舉例來說，PBS可接收具有經(jīng)P偏振光及經(jīng)s偏振光兩者的輸入光束并將其分離成兩個(gè)單獨(dú)輸出光束-一者經(jīng)P偏振，另一者經(jīng)S偏振。在已經(jīng)P偏振或S偏振的輸入光束的情況下，PBS也可用以選擇性地使經(jīng)偏振輸入光束通過或?qū)⑵浞瓷洹Ｔ谠S多現(xiàn)有PBS中，輸出光束具有低對比度一也就是說，在每一輸出光束中，非所要偏振對所要偏振的比率高于所要比率。換句話說，低對比度意指輸出光束具有過少的所要偏振。
[0003]雖然存在高對比度PBS，但其遭受數(shù)個(gè)缺點(diǎn)。高對比度PBS必須由具有極高折射率(例如，大于1.7)的光學(xué)材料制成；在一個(gè)實(shí)例中，可使用具有1.78的折射率的SFll玻璃。但例如SFll的高折射率材料為昂貴的且由于密度與折射率成比例而為沉重的，這意味著所得分束器以及使用這些分束器的光學(xué)裝置也為昂貴且沉重的。此外，存在很少可用以連結(jié)以良好接合強(qiáng)度構(gòu)成PBS的高折射率材料的折射率匹配光學(xué)粘合劑，這意味著難以制造堅(jiān)固且耐久的高對比度PBS。最后，現(xiàn)有高對比度PBS是針對跨越一波長帶的僅極窄入射角而優(yōu)化的。舉例來說，在一些PBS中，高對比度輸出(例如，小于0.5%的非所要偏振)僅跨越從450mm到650mm的波長帶針對窄入射角范圍(小于1° )是可能的。許多高對比度PBS還展現(xiàn)角度相依分離，這導(dǎo)致跨越輸出的視野的色彩不均勻性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0004]參考以下各圖描述本發(fā)明的非限制性及非詳盡實(shí)施例，其中在所有各視圖中相似參考編號指代相似部件，除非另有規(guī)定。除非另有說明，否則各圖并非按比例繪制。
[0005]圖1是分束器的實(shí)施例的橫截面圖。
[0006]圖2A是可用于例如圖1中所展示的分束器的分束器中的偏振涂層的實(shí)施例的橫截面圖。
[0007]圖2B是例如圖2A中所展示的偏振涂層的偏振涂層的實(shí)施例的細(xì)節(jié)表。
[0008]圖3A到3B是圖1中所展示的分束器的實(shí)施例的操作的實(shí)施例的橫截面圖。
[0009]圖3C是圖解說明圖1中所展示的分束器的操作的實(shí)施例的曲線圖。
[0010]圖4是分束器的另一實(shí)施例的橫截面圖。
[0011]圖5是分束器的另一實(shí)施例的橫截面圖。
[0012]圖6是分束器的另一實(shí)施例的橫截面圖。
[0013]圖7A到7F是用于制造圖1中所展示的分束器的實(shí)施例的工藝的實(shí)施例的橫截面圖。
[0014]圖8是使用圖1及4的分束器實(shí)施例的抬頭顯示器的實(shí)施例的橫截面圖。
[0015]圖9是抬頭顯示器的實(shí)施例的俯視橫截面圖。

【具體實(shí)施方式】
[0016]本發(fā)明描述用于由低折射率玻璃制成的廣角寬帶分束器的設(shè)備、系統(tǒng)及方法的實(shí)施例。描述眾多特定細(xì)節(jié)以提供對所述實(shí)施例的透徹理解，但相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識至IJ，可在無所述特定細(xì)節(jié)中的一或多者的情況下或借助其它方法、組件、材料等來實(shí)踐本發(fā)明。在一些實(shí)例中，雖然并未詳細(xì)展示或描述眾所周知的結(jié)構(gòu)、材料或操作，但盡管如此其仍囊括于本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0017]在本說明書通篇中所提及的“一個(gè)實(shí)施例”或“一實(shí)施例”意指結(jié)合所述實(shí)施例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包含于至少一個(gè)所描述的實(shí)施例中。因此，本說明書中出現(xiàn)的短語“在一個(gè)實(shí)施例中”或“在一實(shí)施例中”未必全部指代同一實(shí)施例。此外，在一或多個(gè)實(shí)施例中可以任何適合方式組合所述特定特征、結(jié)構(gòu)或特性。
[0018]圖1圖解說明偏振分束器(PBS) 100的實(shí)施例。PBS 100為具有正方形橫截面的體積形狀且包含稱合到第二棱鏡110的第一棱鏡102。第一棱鏡102具有輸入面104、輸出面106及傾斜面108，而第二棱鏡110具有面112、輸出面114及傾斜面116。偏振涂層118夾在第一棱鏡102的傾斜面108與第二棱鏡110的傾斜面116之間。線性偏振器120耦合到第一棱鏡102的輸出面106，且偏振涂層122耦合到第二棱鏡110的輸出面114。
[0019]在所圖解說明的實(shí)施例中，第一棱鏡102及第二棱鏡110具有呈90/45/45等腰直角三角形(其中對向直角的棱鏡面長度相等且三角形的三個(gè)角為實(shí)質(zhì)上90度、45度及45度)的形狀的橫截面，但在其它實(shí)施例中，可使用例如90/60/30的其它直角三角形配置。其它實(shí)施例也可使用非直角三角形的三角形，且又一些實(shí)施例可使用除三角形之外的橫截面形狀。
[0020]在一個(gè)實(shí)施例中，第一棱鏡102及第二棱鏡110可由在550nm的波長下具有1.52的折射率的低折射率玻璃(例如BK7)制成，但在其它玻璃實(shí)施例中，可使用其它類型的玻璃。在另一實(shí)施例中，第一棱鏡102及第二棱鏡110可由塑料材料制成。可使用的塑料材料的實(shí)例包含聚碳酸酯、光學(xué)級丙烯酸、Zeonex-E48R及聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。在所圖解說明的實(shí)施例中，第一棱鏡102及第二棱鏡110由相同材料制成，但在其它實(shí)施例中其無需如此，只要其折射率在所關(guān)注波長范圍中可匹配即可。第一棱鏡102使用放置于偏振涂層118與傾斜面116之間的折射率匹配光學(xué)粘合劑耦合到第二棱鏡110，以使得偏振涂層118夾在傾斜面108與傾斜面116之間。在特定實(shí)施例中所使用的確切光學(xué)粘合劑將取決于所述實(shí)施例中制成棱鏡的材料。
[0021]偏振涂層118形成于第一棱鏡102的傾斜面108上。在一個(gè)實(shí)施例中,偏振層118為經(jīng)設(shè)計(jì)以在寬波帶(即，波長帶，舉例來說，在一個(gè)實(shí)施例中，450nm到650nm，但其它實(shí)施例可使用不同波長范圍)內(nèi)及在比當(dāng)前可得的范圍寬的入射角Θ范圍(在一個(gè)實(shí)施例中，45° +/-8°，但其它實(shí)施例可具有不同角度范圍)內(nèi)產(chǎn)生高對比度偏振分離的多層涂層。在其它實(shí)施例中，代替偏振涂層118，可使用其它類型的偏振器，例如線柵偏振器或基于例如購自明尼蘇達(dá)州明尼亞波利(Minneapolis, Minnesota)的3M公司的APF膜的雙折射材料層的市售線性偏振器。下文結(jié)合圖2A到2B來論述多層偏振涂層118的實(shí)施例的細(xì)節(jié)。
[0022]線性偏振器120耦合到第一棱鏡102的輸出面106，且經(jīng)定向以使所要偏振通過同時(shí)濾除非所要偏振；在其中PBS 100為s反射P通過分束器的實(shí)施例中，線性偏振器120將經(jīng)定向以使經(jīng)s偏振光通過同時(shí)濾除經(jīng)P偏振光。線性偏振器122類似地耦合到第二棱鏡110的輸出面114且經(jīng)定向以使所要偏振通過同時(shí)濾除非所要偏振；在s反射P通過分束器中，線性偏振器122將經(jīng)定向以使經(jīng)P偏振光通過同時(shí)濾除經(jīng)s偏振光。在一個(gè)實(shí)施例中，線性偏振器120及線性偏振器122可為相同材料的線性偏振器，但可經(jīng)不同定向以濾除不同偏振。舉例來說，在一個(gè)實(shí)施例中，第一線性偏振器120及第二線性偏振器122可為線性偏振涂層，例如由日本的三立(Sanritz)公司制成的線性偏振涂層。然而，在其它實(shí)施例中，線性偏振器120可為不同于線性偏振器122的材料?？墒褂霉鈱W(xué)粘合劑將線性偏振器120及122耦合到其相應(yīng)的輸出面。
[0023]圖2A到2B圖解說明偏振涂層118的實(shí)施例。偏振層118為經(jīng)設(shè)計(jì)以在比當(dāng)前可得的范圍寬的入射角Θ范圍內(nèi)產(chǎn)生經(jīng)P偏振光的波長獨(dú)立透射及經(jīng)s偏振光的波長獨(dú)立反射的多層涂層。因此，偏振分束器的效率(經(jīng)S偏振光的反射與經(jīng)P偏振光的透射的乘積)跨越針對所要入射角Θ的波帶為實(shí)質(zhì)上平坦的。通過將經(jīng)分離光束中的高偏振對比度及偏振分束器效率折衷來實(shí)現(xiàn)此性能。通過使用高消光線性偏振器來使反射或透射中的主導(dǎo)偏振通過來恢復(fù)高對比度。也就是說，偏振涂層118經(jīng)設(shè)計(jì)而以充足偏振對比度分離入射光束，但在一些實(shí)施例中，在較高入射角Θ下，可容許分離時(shí)的次于最優(yōu)的偏振對比度，這是因?yàn)楫?dāng)經(jīng)分離(經(jīng)透射及經(jīng)反射)光束通過其相應(yīng)線性偏振器時(shí)可恢復(fù)實(shí)質(zhì)量的對比度。折衷的凈效應(yīng)是PBS 100在寬波長帶(在一個(gè)實(shí)施例中，450nm到650nm，但其它實(shí)施例可使用不同波長范圍)內(nèi)及在比當(dāng)前可得的范圍寬的入射角Θ范圍(在一個(gè)實(shí)施例中，高達(dá)45° +/-8°，但其它實(shí)施例可具有不同角度范圍)內(nèi)提供均勻高對比度偏振光束分離。
[0024]偏振涂層118具有總體厚度Λ且包含第一材料的N個(gè)層202及第二材料的M個(gè)層204。第一材料的每一層202具有厚度δ，而第二材料的每一層204具有厚度ε ;因此，層202-1具有厚度δ I且層204-1具有厚度ε 1，層202-2具有厚度δ 2且層204-2具有厚度ε 2，等等。在一個(gè)實(shí)施例中，第一材料的所有層202可具有相同厚度δ且第二材料的所有層204可具有相同厚度ε，但在其它實(shí)施例中，不同層202可具有不同厚度，不同層204也可具有不同厚度。最后，第一材料的層202的厚度δ可(但無需)與第二材料的層204的厚度ε相同。
[0025]在所圖解說明的實(shí)施例中，每一材料的層的數(shù)目相等(N = Μ)，但在其它實(shí)施例中，每一材料的層的數(shù)目無需相等，以使得N無需等于Μ。此外，在所圖解說明的實(shí)施例中，層202及層204規(guī)則交替，但在其它實(shí)施例中，其它層布置為可能的，包含其中不同材料層不規(guī)則交替的布置或其中不同材料層在偏振涂層的僅部分中規(guī)則或不規(guī)則交替的布置。
[0026]在一個(gè)實(shí)施例中，第一材料可為氧化硅(標(biāo)稱地Si02)，而第二材料可為氧化鉭(標(biāo)稱地Ta205)，但在其它實(shí)施例中可使用其它材料，舉例來說，氧化鋯(標(biāo)稱地Zr02)。雖然所圖解說明的實(shí)施例使用兩種不同材料，但其它實(shí)施例可使用更大或更小數(shù)目種不同材料，包含此處未列示的材料。
[0027]圖2B是圖解說明包含氧化硅及氧化鋯的交替層的偏振層118的實(shí)施例的構(gòu)造的表。所述表中所描述的實(shí)施例具有37個(gè)層及3513.04nm或大約3.5微米的總體厚度Λ。Zr02層的數(shù)目大于Si02層的數(shù)目以使得Ν#Μ，且不同Zr02層具有不同厚度δ而不同Si02層具有不同厚度ε。
[0028]圖3Α到3Β圖解說明PBS 100的操作的實(shí)施例。在一個(gè)實(shí)施例中，PBS 100可為s反射P通過分束器，此意味著其反射經(jīng)s偏振光但透射經(jīng)P偏振光(使其通過)。在另一實(shí)施例中，PBS 100可為s通過P反射分束器,此意味著其透射經(jīng)s偏振光(使其通過)但反射經(jīng)P偏振光。所圖解說明的光學(xué)路徑是針對s反射P通過PBS，但s通過P反射PBS中的光學(xué)路徑將為類似的，其中調(diào)換經(jīng)P偏振光束與經(jīng)s偏振光束。
[0029]在操作中，具有P偏振及s偏振兩者的光束302以相對于PBS 100的輸入面104的法線的入射角Θ入射于輸入面104上。在遇到輸入面104后，光射線302即刻根據(jù)斯涅耳定律折射且朝向偏振涂層118經(jīng)引導(dǎo)穿過第一棱鏡102，光射線302將以入射角β入射于偏振涂層118上。在遇到偏振涂層118后，光束302即刻分離成兩個(gè)單獨(dú)光束:經(jīng)s偏振光束304及經(jīng)P偏振光束306。在一些實(shí)施例中，在較高入射角Θ下，可容許經(jīng)s偏振光束304及經(jīng)P偏振光束306中的次于最優(yōu)的偏振對比度，這是因?yàn)楫?dāng)這些光束通過其相應(yīng)線性偏振器時(shí)可恢復(fù)實(shí)質(zhì)量的對比度。
[0030]經(jīng)s偏振光束304由偏振涂層118朝向輸出面106反射穿過第一棱鏡102。在遇到輸出面106后，經(jīng)s偏振光束304即刻經(jīng)折射以使得其以使得其實(shí)質(zhì)上平行于輸入光束302的角Θ射出輸出面106。在射出輸出面106后，經(jīng)s偏振光束304即刻由線性偏振器120過濾以從光束移除P偏振，這意味著光束以實(shí)質(zhì)上較高對比度從PBS 100顯現(xiàn)?？扇菰S在偏振涂層118處的分離之后在一波帶內(nèi)針對高入射角Θ經(jīng)s偏振光束304中的次于最優(yōu)的偏振對比度的折衷，這是因?yàn)樵诰€性偏振器120處可恢復(fù)實(shí)質(zhì)量的對比度。凈結(jié)果是在射出線性偏振器120后，經(jīng)s偏振光束304在寬波長帶(在一個(gè)實(shí)施例中，450nm到650nm，但其它實(shí)施例可使用不同波長范圍)內(nèi)及在較寬入射角Θ范圍(在一個(gè)實(shí)施例中，繞光學(xué)軸高達(dá)45° +/-8°，但其它實(shí)施例可具有不同角度范圍)內(nèi)具有高對比度。
[0031]在于偏振涂層118處從輸入光束302分開后，經(jīng)P偏振光束306透射穿過偏振涂層118及第二棱鏡110直到其到達(dá)輸出面114為止，光束在輸出面114處經(jīng)折射以使得其以使得其實(shí)質(zhì)上平行于輸入光束302的角Θ從輸出面114射出。在射出輸出面114后，經(jīng)P偏振光束306由線性偏振器122過濾以移除s偏振，這意味著經(jīng)P偏振光束306以實(shí)質(zhì)上較高對比度從PBS 100顯現(xiàn)?？扇菰S在偏振涂層118處的分離后在一波帶內(nèi)針對高入射角Θ經(jīng)P偏振光束306中的次于最優(yōu)的偏振對比度的折衷，這是因?yàn)樵诰€性偏振器122處可恢復(fù)實(shí)質(zhì)量的對比度。凈結(jié)果是在射出線性偏振器122后，經(jīng)P偏振光束306在寬波長帶(在一個(gè)實(shí)施例中，450nm到650nm，但其它實(shí)施例可使用不同波長范圍)內(nèi)及在較寬入射角Θ范圍(在一個(gè)實(shí)施例中，高達(dá)45° +/-8°，但其它實(shí)施例可具有不同角度范圍)內(nèi)具有高對比度。圖3B圖解說明針對其中入射角Θ為實(shí)質(zhì)上零的特殊情況的光束的光學(xué)路徑。
[0032]圖3C展示偏振分束器100的效率(經(jīng)s偏振光的反射與經(jīng)P偏振光的透射的乘積)。所述效率針對在37°到53°的范圍中的入射角Θ在所要波帶(在此實(shí)施例中，450nm至IJ 650nm，但其它實(shí)施例可使用不同波帶)內(nèi)為實(shí)質(zhì)上平坦的。為了增加性能(高對比度以及波帶內(nèi)的實(shí)質(zhì)上平坦效率)的角度范圍，可進(jìn)一步將偏振光束效率折衷，同時(shí)維持折衷的偏振對比度且借助使用線性偏振器來恢復(fù)偏振對比度。
[0033]由于其操作，PBS 100在實(shí)質(zhì)上較大的入射角Θ范圍下及在一波長范圍內(nèi)提供透射及反射兩者中的色彩獨(dú)立高對比度輸出。舉例來說，在一個(gè)實(shí)施例中，PBS 100可在一個(gè)實(shí)施例中高達(dá)45° +/-8°的入射角Θ下在450nm到650nm的波長范圍內(nèi)提供小于0.1%的非所要偏振的色彩獨(dú)立輸出對比度，但其它實(shí)施例可具有不同角度范圍及/或不同波長范圍。由于PBS 100由低折射率材料(例如，在一個(gè)玻璃實(shí)施例中，BK7)制造，因此許多折射率匹配光學(xué)粘合劑是可用的且可廉價(jià)且容易地制造堅(jiān)固耐久的PBS 100。此外，低折射率玻璃及塑料材料比高折射率材料(如SF11)輕數(shù)倍，這意味著其產(chǎn)生較輕PBS且減輕其中使用所述PBS的任何裝置。PBS 100也不遭受由于在角度上可變的分離所致的色彩失真。
[0034]圖4圖解說明PBS 400的另一實(shí)施例。PBS 400在大多數(shù)方面類似于PBS 100。PBS400與PBS 100之間的主要差異在于PBS 400省略了線性偏振器120且僅具有線性偏振器122。在其中PBS 500為P通過s反射PBS的實(shí)施例中，PBS 400在其中僅在經(jīng)p偏振輸出中需要高對比度的應(yīng)用中可為有用的。
[0035]圖5圖解說明PBS 500的另一實(shí)施例。PBS 500在大多數(shù)方面類似于PBS 100。PBS500與PBS 100之間的主要差異在于PBS 500省略了線性偏振器122且僅具有線性偏振器120。在其中PBS 500為P通過s反射PBS的實(shí)施例中，PBS 500在其中僅在經(jīng)s偏振輸出中需要高對比度的應(yīng)用中可為有用的。
[0036]圖6圖解說明PBS 600的另一實(shí)施例。PBS 600與PBS 100共有許多特征。PBS600與PBS 100之間的主要差異在于PBS 600在其面中的一或多者上包含抗反射涂層。在所圖解說明的實(shí)施例中，抗反射涂層602形成于輸入面104上，抗反射涂層604形成于輸出面106上，抗反射涂層606形成于面112上且抗反射涂層608形成于輸出面114上。在抗反射涂層604及608的特定情況中，抗反射涂層夾在相應(yīng)輸出面與線性偏振器之間。雖然所圖解說明的實(shí)施例在所有面上展示了抗反射膜，但其它實(shí)施例可在少于所有面上包含抗反射涂層且又一些實(shí)施例可根本不包含抗反射涂層。
[0037]圖7A到7F圖解說明用于組裝PBS 100的工藝的實(shí)施例，但針對其它所揭示的PBS，組裝工藝將為類似的。所述工藝在圖7A處開始，其中第一棱鏡102具有傾斜面108。在圖7B中，在傾斜面108上形成偏振涂層118，且在圖7C中，通過使用折射率匹配光學(xué)粘合劑將傾斜面116耦合到偏振涂層118而將第二棱鏡110耦合到第一棱鏡102，以使得偏振涂層118夾在傾斜面108與傾斜面116之間。在圖7D中，使用光學(xué)粘合劑將線性偏振器120附著到輸出面106，且在圖7E中，也使用光學(xué)粘合劑將線性偏振器122附著到輸出面114。圖7F圖解說明工藝的結(jié)束，其為完成的PBS 100。
[0038]圖8是圖解說明包含耦入PBS 805及耦出PBS 810的抬頭顯示器800的橫截面圖。耦入PBS 805可使用圖5中所圖解說明的PBS 500的實(shí)施例來實(shí)施且耦出PBS 810可使用圖1中所圖解說明的PBS 100的實(shí)施例來實(shí)施。抬頭顯示器800的所圖解說明的實(shí)施例包含耦入PBS 805、照明源815、顯示面板820及目鏡825。目鏡825的所圖解說明的實(shí)施例包含波導(dǎo)830、耦出PBS 810、半波板延遲器835、四分之一波板延遲器840及端反射器845。
[0039]照明源815產(chǎn)生用以照明顯示面板820的燈光，顯示面板820將圖像數(shù)據(jù)模塊化到燈光上以產(chǎn)生圖像光或計(jì)算機(jī)產(chǎn)生圖像光。由照明源815產(chǎn)生的燈光發(fā)射到耦入PBS805中。在一個(gè)實(shí)施例中，耦入PBS 805為P通過s反射PBS。由照明源815發(fā)射的光可為經(jīng)預(yù)偏振(例如，經(jīng)P偏振)光或未經(jīng)偏振光。在任一情況中，經(jīng)P偏振分量通過稱入PBS 805以照明顯示面板820而任何其余經(jīng)s偏振部分中的大多數(shù)往回反射(例如，朝向圖8中的左側(cè))。
[0040]顯示面板820(例如，硅上液晶面板、數(shù)字微鏡顯示器等)經(jīng)由反射式像素陣列的選擇性反射將圖像數(shù)據(jù)賦予到燈光上。在使用LCOS面板的實(shí)施例中，顯示面板820的反射使入射燈光的偏振旋轉(zhuǎn)達(dá)90度。在入射燈光的反射后，圖像光(其已經(jīng)偏振旋轉(zhuǎn)達(dá)90度以成為(舉例來說)經(jīng)s偏振)即刻穿過成像表面855往回引導(dǎo)到耦入PBS 805中?，F(xiàn)在為經(jīng)s偏振的圖像光由耦入PBS 805反射且進(jìn)入到波導(dǎo)830中。
[0041]圖像光沿著正向傳播路徑朝向耦出PBS 810而順著波導(dǎo)830往下傳播。波導(dǎo)830的長度可基于普通成人的太陽穴-眼睛分離來選擇且使得端反射器845的焦平面與對應(yīng)于顯示面板820的發(fā)射孔口的成像表面855實(shí)質(zhì)上重合。為了實(shí)現(xiàn)與顯示面板820的發(fā)射孔口的焦平面對準(zhǔn)，波導(dǎo)830的長度及端反射器845的曲率半徑兩者可彼此結(jié)合地來選擇。
[0042]在所圖解說明的實(shí)施例中，波導(dǎo)830包含在圖像光的正向傳播路徑內(nèi)的半波板延遲器835。半波板延遲器835使圖像光的偏振旋轉(zhuǎn)達(dá)90度(例如，其將經(jīng)s偏振光往回轉(zhuǎn)換成經(jīng)P偏振光)。
[0043]在所圖解說明的實(shí)施例中，耦出PBS 810將使沿著正向傳播路徑傳播的圖像光傳遞到四分之一波板延遲器840。在通過四分之一波板延遲器840后，圖像光沿著反向傳播路徑往回朝向耦出PBS 810反射回去。因此，圖像光在其兩次通過四分之一波板延遲器840期間經(jīng)偏振旋轉(zhuǎn)總共90度且到其射到反向傳播路徑上的耦出PBS 810內(nèi)的多層偏振涂層時(shí)經(jīng)s偏振。
[0044]在一個(gè)實(shí)施例中，端反射器845既反射圖像光又使圖像光準(zhǔn)直以使得使沿著反向傳播路徑行進(jìn)的圖像光實(shí)質(zhì)上準(zhǔn)直。使圖像光準(zhǔn)直(或接近準(zhǔn)直)有助于使圖像聚焦以用于近眼式配置(例如，放置于距眼睛1cm內(nèi)且通常距眼睛不足5cm內(nèi)的目鏡825)。朝向用戶的眼睛890將圖像光引導(dǎo)出朝眼側(cè)880。
[0045]耦出PBS 810對通過外部場景側(cè)885接收的外部光部分地透明，這是因?yàn)槠涫挂粋€(gè)線性偏振分量通過。在一個(gè)實(shí)施例中，抬頭顯示器800促進(jìn)其中圖像光疊加于外部場景光上的擴(kuò)增實(shí)境(AR)。在另一實(shí)施例中，目鏡825可實(shí)質(zhì)上不透明或選擇性不透明，這促進(jìn)使用戶沉浸于由圖像光顯示的虛擬環(huán)境中或提供較大圖像對比度的虛擬實(shí)境(VR)。
[0046]圖9圖解說明實(shí)施為其中眼鏡鏡片充當(dāng)光導(dǎo)的一副眼鏡的抬頭顯示器900的實(shí)施例。抬頭顯示器900包含一對目鏡901，目鏡901中的每一者可為例如抬頭顯示器700的抬頭顯示器。目鏡901安裝到包含鼻梁905、左耳臂910及右耳臂915的框架組合件。雖然所述圖圖解說明雙目式實(shí)施例(兩個(gè)目鏡)，但還可將抬頭顯示器900實(shí)施為單目式(一個(gè)目鏡)實(shí)施例。
[0047]目鏡901緊固到可佩戴于用戶的頭部上的眼鏡布置中。左耳臂910及右耳臂915擱置于用戶的耳朵上，而鼻組合件905擱置于用戶的鼻子上。所述框架組合件經(jīng)成形及定大小以將耦出PBS定位于用戶的對應(yīng)眼睛920的前方。當(dāng)然，可使用具有其它形狀的其它框架組合件(例如，具有耳臂及鼻梁支撐件的護(hù)目鏡、單一連續(xù)頭戴式耳機(jī)部件、頭帶或泳鏡型眼鏡等)
[0048]包含發(fā)明摘要中所描述內(nèi)容的本發(fā)明的所圖解說明實(shí)施例的以上描述并非打算為窮盡性或?qū)⒈景l(fā)明限制于所揭示的精確形式。盡管出于說明性目的而在本文中描述本發(fā)明的特定實(shí)施例及實(shí)例，但如相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到，可在本發(fā)明的范圍內(nèi)做出各種等效修改?？筛鶕?jù)以上詳細(xì)描述對本發(fā)明做出這些修改。
[0049]所附權(quán)利要求書中所使用的術(shù)語不應(yīng)理解為將本發(fā)明限制于說明書及權(quán)利要求書中所揭示的特定實(shí)施例。而是，本發(fā)明的范圍將完全由所附權(quán)利要求書來確定，所述權(quán)利要求書將根據(jù)所創(chuàng)建的權(quán)利要求解釋原則來加以理解。
【權(quán)利要求】
1.一種方法，其包括: 通過偏振分束器PBS的輸入面接收光，其中所述光在選定波帶中且以一入射角入射于所述輸入面上； 將所述所接收光分離成具有實(shí)質(zhì)上第一偏振的第一光束及具有實(shí)質(zhì)上第二偏振的第二光束，其中分離所述所接收光包括將所述第一光束及所述第二光束中的高偏振對比度以及偏振分束器效率折衷以換取在所述波帶內(nèi)針對所述入射角的增加的范圍的實(shí)質(zhì)上平坦效率； 將所述第一光束引導(dǎo)到所述PBS的第一輸出面且將所述第二光束引導(dǎo)到所述PBS的第二輸出面 '及 在所述兩個(gè)光束中的至少一者通過定位于所述第一輸出面及所述第二輸出面中的一者或兩者上的線性偏振器時(shí)，恢復(fù)所述至少一者中在分離時(shí)折衷的偏振對比度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中從所述第一光束過濾具有所述第二偏振的光包括:引導(dǎo)所述第一光束穿過耦合到所述第一輸出面且經(jīng)定向以僅使所述第一偏振通過的偏振膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括:在所述第二輸出面處從所述第二光束過濾具有所述第一偏振的光。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中從所述第二光束過濾具有所述第一偏振的光包括:引導(dǎo)所述第二光束穿過耦合到所述第二輸出面且經(jīng)定向以僅使所述第二偏振通過的偏振膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述第一偏振為s偏振且所述第二偏振為P偏振。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述偏振分束器包括: 第一棱鏡，其包含所述輸入面、所述第一輸出面及傾斜面； 第二棱鏡，其包含所述第二輸出面及傾斜面，所述第二棱鏡的所述傾斜面耦合到所述第一棱鏡的所述傾斜面； 偏振涂層，其夾在所述第一棱鏡的所述傾斜面與所述第二棱鏡的所述傾斜面之間；及 線性偏振器，其耦合到所述第一棱鏡的所述輸出面及所述第二棱鏡的所述輸出面中的至少一者。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述偏振涂層為包括多個(gè)層的多層涂層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述多個(gè)涂覆層包含至少兩個(gè)不同涂層的層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述至少兩個(gè)不同涂層包括選自由以下各項(xiàng)組成的群組的至少兩個(gè)涂層:氧化硅、氧化鉭及氧化鋯。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括:使用所述輸入面、所述第一輸出面及所述第二輸出面中的至少一者上的抗反射涂層來減少或消除反射。
11.一種分束器，其包括: 第一棱鏡，其包含輸入面、輸出面及傾斜面； 第二棱鏡，其包含輸出面及傾斜面，所述第二棱鏡的所述傾斜面耦合到所述第一棱鏡的所述傾斜面； 偏振涂層，其夾在所述第一棱鏡的所述傾斜面與所述第二棱鏡的所述傾斜面之間；及 線性偏振器，其耦合到所述第一棱鏡的所述輸出面及所述第二棱鏡的所述輸出面中的至少一者； 其中通過所述輸入面在選定波帶中接收且以一入射角入射于所述輸入面上的光通過所述偏振涂層而分離成兩個(gè)光束，以使得將所述兩個(gè)光束中的高偏振對比度及偏振分束器效率折衷以換取在所述波帶內(nèi)針對所述入射角的增加的范圍的實(shí)質(zhì)上平坦效率，且使得在所述兩個(gè)光束中的至少一者通過所述線性偏振器時(shí)恢復(fù)所述至少一者中在分離時(shí)折衷的對比度。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的分束器，其中耦合到所述第一棱鏡的所述輸出面的所述線性偏振器經(jīng)定向以使經(jīng)s偏振光通過且耦合到所述第二棱鏡的所述輸出面的所述線性偏振器經(jīng)定向以使經(jīng)P偏振光通過。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的分束器，其中耦合到所述第一棱鏡的所述輸出面的所述線性偏振器具有與耦合到所述第二棱鏡的所述輸出面的所述線性偏振器相同的材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的分束器，其中所述偏振涂層為包括多個(gè)涂覆層的多層涂層。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的分束器，其中所述多個(gè)涂覆層包含至少兩個(gè)不同涂層的層。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的分束器，其中所述至少兩個(gè)不同涂層包括選自由以下各項(xiàng)組成的群組的至少兩個(gè)涂層:氧化硅、氧化鉭及氧化鋯。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的分束器，其中所述第一棱鏡及所述第二棱鏡由玻璃形成。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的分束器，其中所述第一棱鏡及所述第二棱鏡由塑料形成。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的分束器，其中所述第一棱鏡的至少所述輸入面涂覆有抗反射涂層。
20.一種抬頭顯示器，其包括: 第一偏振分束器PBS,其包含: 第一棱鏡，其包含輸入面、輸出面及傾斜面， 第二棱鏡，其包含輸出面及傾斜面，所述第二棱鏡的所述傾斜面耦合到所述第一棱鏡的所述傾斜面， 偏振涂層，其夾在所述第一棱鏡的所述傾斜面與所述第二棱鏡的所述傾斜面之間，及線性偏振器，其耦合到所述第一棱鏡的所述輸出面及所述第二棱鏡的所述輸出面中的至少一者， 其中通過所述輸入面在選定波帶中接收且以一入射角入射于所述輸入面上的光通過所述偏振涂層而分離成兩個(gè)光束，以使得將所述兩個(gè)光束中的高偏振對比度及偏振分束器效率折衷以換取在所述波帶內(nèi)針對所述入射角的增加的范圍的實(shí)質(zhì)上平坦效率，且使得在所述兩個(gè)光束中的至少一者通過所述線性偏振器時(shí)恢復(fù)所述至少一者中在分離時(shí)折衷的對比度； 顯示器，其光學(xué)耦合到所述第一 PBS，其中所述顯示器可將圖像光引導(dǎo)到所述第一PBS ;及 目鏡，其光學(xué)耦合到所述第一 PBS以接收所述圖像光且當(dāng)用戶佩戴所述抬頭顯示器時(shí)將所述圖像光遞送到眼睛。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的抬頭顯示器，其中所述目鏡包括: 波導(dǎo)，其耦合到所述第一 PBS以接收從所述第一 PBS進(jìn)入到所述波導(dǎo)中的所述圖像光且沿著所述波導(dǎo)內(nèi)的正向光學(xué)路徑傳遞所述圖像光； 耦出分束器，其光學(xué)耦合到所述第一 PBS且定位于所述波導(dǎo)的與所述第一 PBS相對的端處；及 端反射器，其經(jīng)定位以使所述圖像光沿著反向光學(xué)路徑朝向所述耦出分束器往回反射，其中所述圖像光的至少第一部分沿著所述正向光學(xué)路徑通過所述耦出分束器且至少第二部分沿著所述反向光學(xué)路徑被重新引導(dǎo)出所述目鏡。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的抬頭顯示器，其中所述目鏡進(jìn)一步包括: 半波板延遲器，其定位于所述正向光學(xué)路徑中在所述第一 PBS與所述耦出分束器之間；及 四分之一波板延遲器，其定位于所述正向及反向光學(xué)路徑中在所述耦出分束器與所述端反射器之間。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的抬頭顯示器，所述耦出分束器包括第二PBS，所述第二 PBS包含: 第一棱鏡，其包含輸入面、輸出面及傾斜面； 第二棱鏡，其包含輸出面及傾斜面，所述第二棱鏡的所述傾斜面耦合到所述第一棱鏡的所述傾斜面； 偏振涂層，其夾在所述第一棱鏡的所述傾斜面與所述第二棱鏡的所述傾斜面之間；及 線性偏振器，其耦合到所述第一棱鏡的所述輸出面及所述第二棱鏡的所述輸出面中的至少一者。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的抬頭顯示器，其中所述耦出分束器包括非偏振分束器。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的抬頭顯示器，其中所述顯示器包括: 照明源，其用以產(chǎn)生燈光，安裝到所述第一 PBS ;及 顯示面板，其用以將圖像調(diào)制到所述燈光上以產(chǎn)生所述圖像光，所述顯示面板安裝到所述第一 PBS。
【文檔編號】G02B5/30GK104204866SQ201380014701
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年3月8日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月21日
【發(fā)明者】安諾亞吉·庫皮塔 申請人:谷歌公司