3D显示系统的互补多频宽角度色谱滤光膜

付秀华; 郭宇怀; 李爽; 张静; 孙宇勃

doi:doi:10.3788/AOS202141.0531001

光学学报, 2021, 41 (5): 0531001, 网络出版: 2021-04-07

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Complementary Multi-Band Wide-Angle Chromatography Filters in 3D Display System

论文大纲

付秀华 ^1,**郭宇怀 ^1,*李爽 ²张静 ¹孙宇勃 ²

作者单位

¹ 长春理工大学光电工程学院, 吉林长春 130022

² 光驰科技(上海)有限公司, 上海 200444

薄膜 3D显示三带通滤光膜等效间隔层分形结构 thin films 3D display treble-bandpass filter equivalent spacer layer fractal structure

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摘要

基于波分式3D技术成像原理,实现了一种宽角度互补三带通滤光膜的设计。通过对薄膜材料的研究,选择合适的材料作为法布里-珀罗滤光片的等效间隔层,改善了大角度入射时的能量分散现象,提高了大角度入射时的通带透过率。通过调节电感耦合等离子体反应气体量,降低了Nb₂O₅材料的消光系数,提高了薄膜在短波处的透过率。实验测试与分析结果表明,所研制的互补三带通滤光膜在0°~30°入射时的通带透过率均在92%以上,且透射光符合色平衡指标,满足设计要求。

Abstract

A wide-angle complementary treble-bandpass filter is prepared based on the imaging principle of wavelength-division 3D technology. Via the investigation of film materials, suitable materials are selected as the equivalent spacer layer of the Fabry-Perot filter, which improves energy dispersion and enhance the bandpass transmissivity at a large incident angle of light. With the adjustment of the amount of the reactive gas of inductive coupled plasma, the extinction coefficient of Nb₂O₅ material can be reduced and the film transmissivity at a short wavelength can be enhanced. The experimental test and analysis results show that the prepared complementary treble-bandpass filters process the transmissivity of larger than 92% at each bandpass when light incident at 0°--30°. Moreover, the transmitted light satisfies the color balance index and meets the design requirements.

1 引言

作为虚拟现实技术重要组成部分的3D(Three Dimensional)立体显示已经成为现代显示技术发展的必然方向,第五代移动通信技术时代的到来也为这种对复杂信息进行快速而准确传输的显示技术提供了极大便利。当高品质影像内容得到及时传输时,用户更希望借助大屏观看,以满足更高的视听需求^[1]。因此,对于遭遇巨大挑战的传统电视行业而言,将电视显示终端升级成3D信号接收终端将是电视媒体摆脱尴尬处境的契机。

国外对3D显示技术的研究相较成熟。Talcott等^[2]利用3D平视技术进行了临床手术。Kim等^[3]利用中心对称多边带滤波技术,制备了一种可以全角度观看的全息3D显示器。Continental公司利用衍射光栅和纳米结构,正在研发互联驾驶舱的车载3D技术显示器。Semrock公司和Iridian公司实现了亮度损失低、串扰小的波分式三带通滤光膜。

国内对3D显示技术的研究起步较晚,近几年的研究重点集中在改善偏光式3D成像角度、增强裸眼3D技术分辨率和研制集成成像中的全息透镜阵列等方面^[4-6]。对于波分式3D技术,郝琦^[7]研制了一种波分复用式滤光膜。这种滤光膜的使用角度为0°~10°,当入射光角度大于10°时,通带透过率严重下降,导致成像质量大幅降低;并且当入射光0°入射时,出射光不满足近似白光的色平衡指标,从而制约了这种滤光膜在电视显示端的应用。而国内其他波分式3D显示的研究多集中在光学特性方面,对膜系设计和实际制备过程鲜有报道。

本文修整了基础膜系的结构,研究了材料的光学特性,优化了制备过程中的工艺参数,设计并研制了可大角度使用的互补多频宽角度色谱滤光膜(Complementary Multi-band Wide-angle Chromatography Filter,CMWCF)。

2 设计指标

波分式3D显示技术的原理如图1、2所示。将可见光按色谱分为红(Red,R)、绿(Green,G)、蓝(Blue,B)三个主要区域,其中红色区R光谱范围为740~590 nm,绿色区G光谱范围为590~480 nm,蓝色区B光谱范围为480~380 nm,再分别将R、G、B三个区间均分为R1/R2、G1/G2、B1/B2左右两组颜色。

表 1. CMWCF-A的设计指标

Table 1. Design specifications of CMWCF-A

Index	Incident angle of 0°	Incident angle of 30°
Average transmissivity /%	<1@400--415 nm<1@437--487 nm<1@523--603 nm<1@637--780 nm	<1@400--407 nm<1@426--472 nm<1@508--583 nm<1@618--780 nm
Average transmissivity /%	≥92@424--432 nm≥92@495--516 nm≥92@615--630 nm	≥92@413--420 nm≥92@482--500 nm≥92@596--609 nm
Center wavelength /nm	500--505	485--490
a	-2≤a≤2	-8≤a≤8
b	-2≤b≤2	-8≤b≤8

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表 2. CMWCF-B的设计指标

Table 2. Design specifications of CMWCF-B

Index	Incident angle of 0°	Incident angle of 30°
Average transmissivity /%	<1@400--453 nm<1@482--550 nm<1@592--672 nm<1@729--780 nm	<1@400--440 nm<1@468--533 nm<1@574--645 nm<1@707--780 nm
Average transmissivity /%	≥92@460--469 nm≥92@559--574 nm≥92@680--712 nm	≥92@447--457 nm≥92@543--557 nm≥92@659--689 nm
Center wavelength /nm	565--570	550--555
a	-2≤a≤2	-8≤a≤8
b	-2≤b≤2	-8≤b≤8

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CMWCF-A组滤光片以R1、G1、B1作为透射光谱区,B组以互补区R2、G2、B2作为透射区。LED光源发出的光经过A、B两组有序排列的镜组,得到的两组差异化图像在被左、右眼接收时产生视觉差异,从而形成立体感。

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1 引言

2 设计指标

表 1. CMWCF-A的设计指标

Table 1. Design specifications of CMWCF-A

表 2. CMWCF-B的设计指标

Table 2. Design specifications of CMWCF-B

图 1. 可见光波段的色谱分类

Fig. 1. Visible light classified by color spectrum

图 2. 波分式3D技术的成像原理

Fig. 2. Imaging principle of wavelength-division 3D technology

3 理论设计

3.1 等效间隔层

图 3. 在30°入射角下,等效间隔层为6H时法布里-珀罗滤光片的透射光谱

Fig. 3. Transmittance spectra of F-P filter with equivalent spacer layer of 6H at incident angle of 30°

图 4. 在30°入射角下,等效间隔层为2H2L2H时法布里-珀罗滤光片的透射光谱

Fig. 4. Transmittance spectra of F-P filter with equivalent spacer layer of 2H2L2H at incident angle of 30°

3.2 分形结构

图 5. 当α=2 ,β=1.2时不同γ下三带通的位置

Fig. 5. Treble-bandpass positions at different γ when α=2 and β=1.2

图 6. 当α=2 ,γ=0.8 时不同β下三带通的位置

Fig. 6. Treble-bandpass positions at different β when α=2 and γ=0.8

图 7. 单面镀膜条件下CMWCF-A的理论光谱曲线

Fig. 7. Theoretical spectral curves of CMWCF-A with single-sided coating

图 8. 单面镀膜条件下CMWCF-B的理论光谱曲线

Fig. 8. Theoretical spectral curves of CMWCF-B with single-sided coating

图 9. CMWCF-A的随机误差模拟光谱

Fig. 9. Theoretical spectral curves of CMWCF-A obtained by random error simulation

图 10. CMWCF-B的随机误差模拟光谱

Fig. 10. Theoretical spectral curves of CMWCF-B obtained by random error simulation

4 制备工艺及参数

表 4. CMWCF的颜色测试结果

Table 4. Test color results of CMWCF

表 3. 制备工艺参数

Table 3. Process parameters for fabrication

图 11. 初步制备的CMWCF-A的测试光谱曲线及局部放大

Fig. 11. Test spectral curves of CMWCF-A at first preparation as well as local magnification

图 12. 不同O2流量下Nb2O5材料的光学常数。(a)折射率;(b)消光系数

Fig. 12. Optical constants of Nb2O5 under different oxygen gas flows. (a) Refractive index; (b) extinction coefficient

图 13. 60 mL·min-1 O2流量下单层Nb2O5的光谱

Fig. 13. Spectra of single-layer Nb2O5 under oxygen gas flow of 60 mL·min-1

图 14. 60 mL·min-1 O2流量下单层Nb2O5的光学常数

Fig. 14. Optical constants of single-layer Nb2O5 under oxygen gas flow of 60 mL·min-1

图 15. CMWCF-A的光谱测试结果

Fig. 15. Test spectral results of CMWCF-A

图 16. CMWCF-B的光谱测试结果

Fig. 16. Test spectral results of CMWCF-B

5 结论

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图 12. 不同O₂流量下Nb₂O₅材料的光学常数。(a)折射率;(b)消光系数

Fig. 12. Optical constants of Nb₂O₅ under different oxygen gas flows. (a) Refractive index; (b) extinction coefficient

图 13. 60 mL·min^-1 O₂流量下单层Nb₂O₅的光谱

Fig. 13. Spectra of single-layer Nb₂O₅ under oxygen gas flow of 60 mL·min^-1

图 14. 60 mL·min^-1 O₂流量下单层Nb₂O₅的光学常数

Fig. 14. Optical constants of single-layer Nb₂O₅ under oxygen gas flow of 60 mL·min^-1