CN111051936B - 光学膜、光学元件和成像装置 - Google Patents

光学膜、光学元件和成像装置 Download PDF

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Abstract

本申请涉及光学膜、光学元件和成像装置。本申请的光学膜不仅在可见光区域中表现出宽带偏振转换特性，而且在可见光区域中具有吸收带。这样的光学膜可以作为光学元件例如衍射导光板层合体应用于成像装置例如增强现实设备以抑制串扰。

Description

光学膜、光学元件和成像装置
技术领域
本申请涉及光学膜、光学元件和成像装置。
本申请要求基于2017年9月26日提交的韩国专利申请第10-2017-0124103号的优先权权益，其公开内容通过引用整体并入本文。
背景技术
增强现实是当通过计算机编程显示图像和照片时，通过将它们叠加在图像上来组合或增加由计算机产生的有用信息的过程，简而言之，这是将三维虚拟物体叠加在现实世界上的过程。使用增强现实的装置的实例包括平视显示装置(head-up display device，HUD)，所述平视显示装置应用于战斗机或坦克驾驶员的座舱盖或头盔，使得驾驶员可以查看地形或特征并同时查看各种信息。最近，经常可以看到，当其也应用于车辆时，诸如速度的信息显示在车辆的前窗上(专利文献1：韩国专利特许公开第2016-0109021号)。
发明内容
技术问题
成像装置例如增强现实设备可以包括复数个衍射导光板层合体，以使来自光源的光到达观察者的眼睛。此时，当与每个衍射导光板匹配的波长分量的光未被耦合(在下文中，可以称为串扰)时，可能导致到达观察者的眼睛的光的亮度降低，获得不均匀的颜色和使再现虚拟图像的品质劣化。因此，需要能够在提高衍射导光板的耦合效率的同时减少串扰的技术。
技术方案
本申请涉及作为用于解决上述问题的手段的光学膜。本申请的光学膜可以满足以下式1，具有半波相位延迟特性并且在可见光区域中具有吸收带。
[式1]
R(650)/R(550)>R(450)/R(550)
在以上式1中，R(λ)为光学膜对波长为λnm的光的面内延迟值。
在本说明书中，面内延迟(Rin)值可以通过以下式2计算。
[式2]
Rin＝d×(nx-ny)
在式2中，d为光学膜、延迟膜或液晶层的厚度，nx和ny各自为光学膜、延迟膜或液晶层在x轴和y轴方向上的折射率。x轴意指平行于光学膜、延迟膜或液晶层的面内慢轴的方向，y轴意指平行于光学膜、延迟膜或液晶层的面内快轴的方向。x轴和y轴可以在光学膜的平面中彼此正交。在本说明书中，虽然描述了面内延迟，但除非另有说明，否则其意指对波长为550nm的光的面内延迟。
在本说明书中，当在限定角度时使用诸如垂直、水平、正交或平行的术语时，其意指不损害期望效果的程度的大致垂直、水平、正交或平行，这包括例如考虑到生产误差或偏差(变化)等的误差。例如，前述的每种情况可以包括在约±15度内的误差、在约±10度内的误差或在约±5度内的误差。
通过满足以上式1，光学膜可以在可见光波长区域中表现出期望的相位延迟特性。满足以上式1的特性可以称为反向波长色散特性。
在一个实例中，光学膜中R(650)/R(550)的值可以为1.01至1.19、1.02至1.18、1.03至1.17、1.04至1.16、1.05至1.15、1.06至1.14、1.07至1.13、1.08至1.12、或1.09至1.11。在一个实例中，光学膜中R(450)/R(550)的值可以为0.81至0.99、0.82至0.98、0.83至0.97、0.84至0.96、0.85至0.95、0.86至0.94、0.87至0.93、0.88至0.92、或0.89至0.91。
光学膜可以具有半波相位延迟特性。在本说明书中，术语“n波长相位延迟特性”可以意指入射光可以在至少一部分波长范围内相位延迟n倍入射光的波长的特性。在本说明书中，半波相位延迟特性可以意指对波长为550nm的光的面内延迟值为200nm至290nm、或240nm至280nm。
如果光学膜具有半波相位延迟特性，则其可以使入射偏振光的振动方向旋转90度。如下所述，衍射导光板可以使特定偏振状态的波长带中的光通过，其中另一偏振状态的波长带中的光可以耦合到衍射导光板中。光学膜可以控制波长分量的偏振状态以耦合至衍射导光板。因此，光学膜可以提高衍射导光板的耦合效率并减少串扰。
光学膜可以在可见光波长区域中具有吸收带。在本说明书中，可见光可以意指在约380nm至750nm的波长范围内的光线。在本说明书中，“吸收带”可以意指包括在测量对波长的吸光度或透射率时表现出最高吸光度的点或表现出最低透射率的点的波长的波长带。在一个实例中，本文中的吸收带可以意指在对波长的透射光谱中表现出约20％或更小的透射率的点的波长带。波长带的宽度可以为例如约20nm或更大。
在一个实例中，光学膜的吸收带可以包括红色波长区域、绿色波长区域和蓝色波长区域中的一个或更多个波长区域。在本说明书中，红色波长区域可以意指约620nm至750nm，绿色波长区域可以意指约495nm至570nm，并且具体地，500nm至570nm，蓝色波长区域可以意指约450nm至495nm，并且具体地，450nm至490nm。在一个实例中，光学膜可以在波长区域的组合中的任一个波长区域中具有吸收带，或者可以在波长区域的组合中的两个波长区域的组合中具有吸收带。
由于光学膜在可见光波长区域中具有吸收带，因此当光学膜与衍射导光板一起使用时，如下所述，其可以吸收透射而未耦合至衍射导光板的残余光，从而进一步抑制串扰。
在一个实例中，如图1所示，光学膜可以依次包括第一延迟膜10、滤色器层30和第二延迟膜20。第一延迟膜可以满足以上式1并且具有四分之一波相位延迟特性。滤色器层可以包含在可见光波长区域中具有吸收带的染料。第二延迟膜可以满足以上式1并且具有四分之一波相位延迟特性。在本说明书中，四分之一波相位延迟特性可以意指对波长为550nm的光的面内延迟值为130nm至200nm、或130nm至180nm、或130nm至150nm。本申请的光学膜具有基于滤色器层的垂直对称结构，使得可以使在薄膜中发生的卷曲最小化。
在一个实例中，第一延迟膜和第二延迟膜可以具有多层结构，所述多层结构包括具有半波相位延迟特性的第一液晶层和具有四分之一波相位延迟特性的第二液晶层。这样的多层结构可以有利于实现宽带相位延迟特性。
图2说明性地示出了光学膜，所述光学膜依次包括包含第一液晶层101和第二液晶层102的第一延迟膜、滤色器层30以及包含第一液晶层201和第二液晶层202的第二延迟膜。
在一个实例中，第一延迟膜的光轴和第二延迟膜的光轴可以彼此平行。因此，光学膜可以有利于实现作为第一延迟膜和第二延迟膜的相位延迟特性之和的半波相位延迟特性。
在下文中，虽然描述了第一液晶层和第二液晶层，但除非另有说明，否则该描述可以共同地应用于分别包括在第一延迟膜和第二延迟膜中的第一液晶层和第二液晶层。
在一个实例中，第二液晶层可以设置为比第一液晶层更靠近滤色器层。通过这种结构，光学膜可以有利于实现半波相位延迟特性。
在一个实例中，第一液晶层的光轴和第二液晶层的光轴可以相对于彼此形成55度至65度、57度至63度、或59度至61度。因此，可能更有利于实现满足以上式1且具有四分之一波相位延迟特性的延迟膜。
在一个实例中，基于横向(TD，与机器流动方向正交的方向)或纵向(MD；机器方向，机器流动方向)，第一液晶层的光轴可以形成12.5度至17.5度，第二液晶层的光轴可以形成72.5度至77.5度。因此，可能更有利于实现满足以上式1且具有四分之一波相位延迟特性的延迟膜。在一个实例中，纵向可以意指光学膜的纵向，横向可以意指光学膜的宽度方向。
在一个实例中，第一液晶层和第二液晶层中的每一者可以具有反向波长色散特性、正常波长色散特性或平坦波长色散特性。在本说明书中，反向波长色散特性可以意指满足以上式1的特性。正常波长色散特性可以意指满足以下式3的特性，平坦波长色散特性可以意指满足以下式4的特性。
[式3]
R(650)/R(550)<R(450)/R(550)
[式4]
R(650)/R(550)≒R(450)/R(550)
在式3和4中，R(λ)为光学膜、延迟膜或液晶层对波长为λnm的光的面内延迟值。
第一液晶层和第二液晶层可以各自包含液晶化合物。液晶化合物可以为可聚合液晶化合物。在一个实例中，第一液晶层和第二液晶层可以包含聚合形式的可聚合液晶化合物。在本说明书中，术语“可聚合液晶化合物”可以意指包含能够表现出液晶性的部分(例如液晶元骨架)且还包含一个或更多个可聚合官能团的化合物。此外，短语“包含聚合形式的可聚合液晶化合物”可以意指液晶化合物聚合以形成骨架例如液晶层中液晶聚合物的主链或侧链的状态。在一个实例中，第一液晶层和第二液晶层可以各自包含水平取向状态的液晶化合物。
第一液晶层和第二液晶层可以各自包含非聚合状态的可聚合液晶化合物，或者还可以包含已知添加剂，例如可聚合非液晶化合物、稳定剂、不可聚合的非液晶化合物、或引发剂。
在一个实例中，第一液晶层和第二液晶层各自可以具有在0.05至0.2、0.07至0.2、0.09至0.2、或0.1至0.2的范围内的在平面慢轴方向上的折射率与在平面快轴方向上的折射率之差。在此，在平面慢轴方向上的折射率可以意指在液晶层的平面中显示出最高折射率的方向上的折射率，在快轴方向上的折射率可以意指在液晶层的平面上显示出最低折射率的方向上的折射率。通常，在光学各向异性液晶层中，快轴和慢轴在彼此垂直的方向上形成。各折射率可以为对波长为550nm或589nm的光测量的折射率。例如，使用来自Axomatrix的Axoscan，根据制造商手册，可以测量折射率差。
在一个实例中，第一液晶层和第二液晶层可以各自具有约0.5μm至2.0μm、或约0.5μm至1.5μm的厚度。
具有折射率和厚度的关系的液晶层可以实现适合于待应用的应用的相位延迟特性。
第一延迟膜和第二延迟膜中的每一者可以通过在第一液晶层上涂覆第二液晶层的方法来形成。第一液晶层可以通过在以下将描述的基底层上涂覆第一液晶层的方法来形成。
滤色器层可以为包含染料和压敏粘合剂树脂的压敏粘合层。考虑到本申请中所需的滤色器层的吸收带和粘着性等，可以适当地控制染料的含量。相对于100重量份的压敏粘合剂树脂，染料的含量可以包含在例如0.5重量份至20重量份的范围内。具体地，相对于100重量份的压敏粘合剂树脂，染料可以以0.5重量份或更大、1重量份或更大、或者2重量份或更大的比率包含在内，并且可以以20重量份或更小、10重量份或更小、7.5重量份或更小、或者5重量份或更小的比率包含在内。由于其在这样的含量范围内用于衍射导光板层合体，因此可以适用于减少串扰。
作为染料，可以使用选自以下的一种或更多种染料：蒽醌染料、次甲基染料、甲亚胺染料、
Figure GDA0002398164900000061
嗪染料、偶氮染料、苯乙烯基染料、香豆素染料、卟啉染料、二苯并呋喃酮染料、二酮吡咯并吡咯染料、罗丹明染料、呫吨染料和吡咯亚甲基(pyrromethene)染料。
染料可以在可见光波长区域中具有吸收带或吸收峰。在本说明书中，吸收峰可以意指在测量对波长的吸光度或透射率时表现出最高吸光度的点或表现出最低透射率的点的波长。染料的吸收带或吸收峰可以包括在光学膜或滤色器层的吸收带中。
作为包含在滤色器层中的染料，可以使用单一染料或混合染料。在一个实例中，在光学膜或滤色器层中，如果需要在稍宽波长区域中的吸收带，则还可以使用在窄波长区域中具有吸收带的复数种染料的混合物。压敏粘合剂树脂可以包括选自以下的一者或更多者：丙烯酸类树脂、有机硅树脂、酯树脂、氨基甲酸酯树脂、酰胺树脂、醚树脂、氟树脂和橡胶树脂。
压敏粘合层的厚度可以为7μm至30μm。当压敏粘合层的厚度范围在上述范围内时，从膜之间的附接可靠性的观点来看可能是有利的。
在一个实例中，光学膜可以通过经由压敏粘合层附接第一延迟膜和第二延迟膜来制造。
光学膜还可以包括基底层。在一个实例中，如图3所示，光学膜还可以包括分别在第一延迟膜10和第二延迟膜20的外侧上的第一基底层40和第二基底层50。在本说明书中，“外侧”可以意指存在滤色器层的一侧的相对侧。
作为基底层，可以使用膜基材。作为基底层，可以使用具有光学透明性的基材。作为基底层，可以使用调节面内延迟值以使对偏振的影响最小化的基底层。在一个实例中，作为基底层，可以使用各向同性膜。在本说明书中，各向同性可以意指面内延迟值为10nm或更小的特性。作为各向同性膜，可以使用PC(聚碳酸酯)膜、TAC(三乙酰纤维素)膜或COP(环烯烃共聚物)膜等。在另一个实例中，作为基底层，可以使用超延迟膜(super retardationfilm，SRF)。这样的SRF的面内延迟值可以为约1000nm或更大。作为这样的SRF，可以使用PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)膜。在一个实例中，如果各向同性膜或超延迟膜包含UV添加剂，则对于可靠性可能是有利的。
光学膜还可以包括抗反射层。在一个实例中，光学膜还可以包括分别在第一延迟膜和第二延迟膜的外侧上的第一抗反射层和第二抗反射层。当光学膜还包括在第一延迟膜和第二延迟膜的外侧上的其他层例如基底层时，第一抗反射层和第二抗反射层可以存在于光学膜的最外侧。图4说明性地示出了光学膜，其包括在图3的光学膜的最外侧上的第一抗反射层60和第二抗反射层70。
光学膜可以通过抗反射层改善光学膜的透射率。在一个实例中，抗反射层可以通过湿涂法或沉积法制造。如下所述，当光学膜还包括阻挡层时，在改善透射率方面，使用沉积法的抗反射层可能是有利的。
作为抗反射层，可以使用低折射层。作为适合于沉积法的抗反射层的材料，例如，可以使用低折射无机材料。作为低折射无机材料，可以使用对550nm波长的折射率为约1.45或更小、或者1.40或更小的材料。低折射无机材料可以例示为例如金属氟化物等。金属氟化物的具体实例可以例示为氟化镁(MgF2)等。适合于湿涂法(溶液法)的抗反射层的材料可以为例如有机粘结剂和低折射颗粒的混合物。作为有机粘结剂，可以使用可光聚合化合物的(共)聚合物，其中其具体实例可以例示为丙烯酸类树脂。作为低折射颗粒，可以使用对550nm波长的折射率为约1.45或更小、或者1.40或更小的颗粒。低折射颗粒可以例示为中空二氧化硅、介孔二氧化硅等。
光学膜还可以包括阻挡层。在一个实例中，光学膜可以包括在第一延迟膜的一侧上的第一阻挡层，并且可以包括在第二延迟膜的一侧上的第二阻挡层。在一个具体实例中，如图5所示，光学膜可以包括在第一延迟膜10与滤色器层30之间的第一阻挡层80，并且还可以包括在第二延迟膜20与滤色器层30之间的第二阻挡层90。在另一个具体实例中，如图6所示，光学膜可以包括在第一延迟膜10的外侧上的第一阻挡层80，并且还可以包括第二延迟膜的第二阻挡层90。此时，当光学膜还包括在第一延迟膜和第二延迟膜的外侧上的其他层例如基底层时，第一阻挡层和第二阻挡层可以设置为比其他层更靠近第一延迟膜和第二延迟膜。
光学膜可以通过阻挡层改善耐光性。例如，染料可以与空气中的氧反应以引起降解，其中可以通过阻挡层减少降解的发生。作为阻挡层，可以使用气体阻挡层。
作为阻挡层，可以使用具有防止大气中的氧、水分、氮氧化物、硫氧化物或臭氧渗透的功能的层。作为阻挡层的材料，可以适当地选择和使用具有防止诸如水分和氧的物质(其促进元件的劣化)进入元件的功能的材料。
在一个实例中，阻挡层可以包含金属，例如In、Sn、Pb、Au、Cu、Ag、Al、Ti和Ni；金属氧化物，例如TiO、TiO2、Ti3O3、Al2O3、MgO、SiO、SiO2、GeO、NiO、CaO、BaO、Fe2O3、Y2O3、ZrO2、Nb2O3和CeO2；金属氮化物，例如SiN；金属氧氮化物，例如SiON；金属氟化物，例如MgF2、LiF、AlF3和CaF2；聚合物，例如聚丙烯酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚脲、聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯或聚二氯二氟乙烯、或三氟氯乙烯和二氯二氟乙烯的共聚物；通过使四氟乙烯与包含至少一种共聚单体的共聚单体混合物共聚而获得的共聚物；在共聚主链中具有环状结构的含氟共聚物；吸收率为1％或更大的吸收性材料；以及吸收系数为0.1％或更小的防潮材料。
在一个实例中，阻挡层可以为单层结构或多层结构。单层结构可以包含例如一种阻挡层材料，或者也可以包含两种或更多种阻挡层材料的混合物。当光学膜包括阻挡层时，由于光吸收和折射率不匹配导致透射率降低，从而可能使性能劣化。在这种情况下，当应用通过具有高涂覆膜密度的沉积法(例如，溅射法)的抗反射层时，可以改善耐光性而不降低透射率。包括抗反射层的膜的水蒸气透过率(WVTR)可以为例如1g/m2/天或更小。
本申请还涉及包括光学膜的光学元件。本申请的示例性光学元件可以包括光学膜和衍射导光板。在一个实例中，光学元件可以包括复数个衍射导光板和设置在复数个衍射导光板之间的光学膜。在一个具体实例中，光学元件可以依次包括至少两个衍射导光板，并且可以包括在至少两个衍射导光板之间的光学膜。两个衍射导光板可以以叠置状态层合。因此，在入射到至少两个衍射导光板中的任一个衍射导光板上之后穿过其的光可以入射在剩余的衍射导光板上。
在本说明书中，衍射导光板可以意指包括复数个衍射光学元件(diffractiveoptical element，DOE)的导光板。衍射导光板可以由塑料或玻璃的薄平板形成。在本说明书中，衍射光学元件可以意指使用通过周期性结构的衍射的元件。衍射光学元件可以缩写为衍射光栅或DOE。
图7说明性地示出了衍射导光板100的结构和耦合至衍射导光板的内部或外部的波长带λ1的全内反射(由箭头指示)。衍射导光板100可以包括两个或更多个衍射光栅，例如将光线耦合到衍射导光板中的输入衍射光栅10A和将光线衍射出衍射导光板的出射衍射光栅10B。在图7中，衍射光栅10A、10B已经显示为附接在衍射导光板的基底10C的下表面内的透射衍射光栅。
来自光源300的波长带λ1的光线可以通过透镜等准直，并且可以通过输入衍射光栅10A以入射角θ1耦合至基底10C。输入衍射光栅10A可以将波长带重定向至衍射角θ2。可以控制折射率n2、入射角θ1和衍射角θ2，使得波长带λ1的光线在基底10C内经历内部全反射。波长带λ1的光线可以在基底10C的表面上反射，直至它们到达出射衍射光栅10B，并且波长带λ1的光线可以从基底10C朝向眼箱500衍射。
衍射导光板的DOE对光学偏振敏感。因此，通过选择性地控制进入衍射导光板的DOE的波长带的偏振光，与衍射导光板匹配的波长带可以以高效率耦合至DOE。另一方面，不匹配的波长带可以以大的宽度或完全不受影响的方式穿过衍射导光板。虽然在此描述了使用DOE的实例，但应理解，衍射导光板可以包括全息图、表面浮雕光栅或光学元件以及DOE的其他类型的周期性结构。这样的结构可以称为“光栅”。
可以将衍射导光板匹配或优化至特定波长带。根据以下式5的晶格方程确定关系。
[式5]
mλ＝p(n1sinθ1+n2sinθ2)
在此，m意指衍射级，λ意指与导光板或衍射光栅匹配的波长带，p意指晶格周期，n1意指入射介质的折射率，n2意指导光板的折射率，θ1意指入射角，θ2意指衍射角。
可以通过改变参数例如导光板的光栅周期p和折射率n2来使包括输入衍射光栅和出射衍射光栅的特定衍射导光板与特定波长带匹配。即，特定波长带可以耦合至具有比其他波长带更高的耦合效率的匹配的衍射导光板。
入射在衍射光栅上的光的偏振光可以由其电磁场相对于入射平面的方向限定。平面可以由晶格法向矢量和来自照射光源的传播矢量来限定。传播矢量是衍射导光板上的光的K矢量扫描。晶格矢量是衍射光栅平面中的限定晶格线的方向的矢量。如本文所使用的，术语“E状态”是指其中波长带的电场分量沿晶格矢量为零的偏振状态。如本文所使用的，术语“M状态”是指其中磁场分量沿晶格矢量为零的偏振状态。入射在衍射导光板的衍射光栅上的波长带的偏振光受到控制并在E状态与M状态之间变化。在一个实例中，入射在衍射光栅上的偏振M状态的波长带穿过包括衍射光栅的导光板，而入射在衍射光栅上的偏振E状态的波长带耦合到包括衍射光栅的导光板中。衍射导光板的耦合或衍射原理是已知的，这可以参考韩国专利特许公开第2015-0071612号中公开的内容。
在一个实例中，至少两个衍射导光板可以在待耦合(或匹配)的波长带方面彼此不同。彼此不同的波长带可以存在于可见光区域中。
在一个实例中，光学膜的吸收带和至少两个衍射导光板中的任一个衍射导光板的耦合波长带可以具有彼此重叠的区域。光学膜的吸收带可以与耦合至至少两个衍射导光板中邻近光学膜的衍射导光板的波长带具有彼此重叠的区域。
在一个具体实例中，光学膜的吸收带可以与光通过其透射到光学膜侧的最近的衍射导光板的耦合波长带具有彼此重叠的区域。由此，光学膜可以吸收未耦合在衍射导光板中并被透射的剩余光，使得可以进一步抑制串扰。
此外，可以优选的是，光学膜的吸收带不与穿过光学膜的光通过其入射的最近的衍射导光板的耦合波长带具有彼此重叠的区域。这是因为当吸收待耦合至衍射导光板的波长区域中的光线时，到达观察者的眼睛的光线的强度可能减弱。
在一个实例中，光学元件可以包括至少三个衍射导光板，并且可以包括设置在至少三个衍射导光板之间的至少两个光学膜。图8说明性地示出了这样的光学元件。光学元件可以依次包括第一衍射导光板200A、第二衍射导光板200B和第三衍射导光板200C。第一光学膜100A可以设置在第一衍射导光板200A与第二衍射导光板200B之间。第二光学膜100B可以设置在第二衍射导光板200B与第三衍射导光板200C之间。在一个实例中，第一衍射导光板、第二衍射导光板和第三衍射导光板可以分别匹配蓝色、绿色和红色波长带。此时，当来自光源的光首先入射在第一衍射导光板上时，第一光学膜可以对蓝光具有吸收带，第二光学膜可以对蓝光和绿光具有吸收带。
本申请还涉及包括光学膜或光学元件的成像装置。成像装置可以包括光源和设置在光源的光出射侧的光学元件。光学元件可以使来自光源的光到达眼箱或观察者的眼睛。
存在多种可以用于实现成像装置的图像产生技术。成像装置可以使用其中光源由白光背光光学活性材料调节的透射扫描技术来实现。该技术通常使用具有强背光和高光能密度的LCD型显示器来实现。成像装置还可以使用其中外部光被活性材料反射并光学调节的反射技术来实现。根据技术，照明由白色来源或RGB来源从顶部照亮。来自Qualcomm的数字光处理(在下文中，DLP)、硅上液晶(在下文中，LCOS)和Mirasol显示技术是其中大部分能量从调节结构反射的高效、反射技术的实例，其可以用于本发明系统中。
成像装置还可以包括在光学元件与光源之间的透镜。透镜可以将来自光源的光引导到光学元件。透镜可以为准直透镜。
从光源发射的光可以为非偏振光、E状态偏振光或M状态偏振光。成像设备还可以包括在光学元件与光源之间的偏振开关。偏振开关可以将入射偏振光的所有波长带或一些波长带的偏振方向切换90度。
在一个实例中，成像装置可以为平视显示装置(HUD)。成像装置可以具有眼镜类型。在一个实例中，成像装置可以用作增强现实设备。成像装置可以用于在物理环境中显示实际物体和虚拟图像的混合。这样的成像装置可以通过应用本申请的光学膜和衍射导光板来防止串扰以及提高衍射效率。
图9说明性地示出了使用本申请的光学元件的耦合效率改善和串扰减少原理。依次从光源(LcoS)300开始，依次设置匹配蓝色波长的第一衍射导光板200A、匹配绿色波长的第二衍射导光板200B和匹配红色波长的第三衍射导光板200C。对蓝光具有吸收带的第一光学膜100A设置在第一衍射导光板与第二衍射导光板之间，对绿光和蓝光具有吸收带的第二光学膜100B设置在第二衍射导光板与第三衍射导光板之间。
穿过衍射导光板而不耦合至其的M偏振状态的振动方向被假定为0度，耦合的E偏振状态的振动方向被假定为90度。红色、绿色和蓝色波长从光源(LCos)300发射至0度偏振状态(M偏振状态)。当光穿过偏振开关400时，红色波长和蓝色波长被转换为90度偏振状态(E偏振状态)。当红色、绿色和蓝色波长穿过第一衍射导光板200A时，蓝色波长与其耦合。蓝色波长可以通过第一衍射导光板到达眼箱或观察者的眼睛500。透射而未耦合至第一衍射导光板的剩余蓝色波长被第一光学膜100A吸收。在穿过第一衍射导光板200A的红色和绿色波长中，其偏振方向通过第一光学膜100A旋转90度。然后，绿色波长通过第二衍射导光板200B耦合，红色波长穿过第二衍射导光板200B。绿色波长可以通过第二衍射导光板到达眼箱或观察者的眼睛500。此后，透射而未耦合至第二衍射导光板200B的剩余绿色波长和剩余蓝色波长被第二光学膜100B吸收。在红色波长中，其偏振方向通过第二光学膜100B旋转90度。此后，红色波长耦合至第三衍射导光板200C。红色波长可以通过第三衍射导光板到达眼箱或观察者的眼睛500。因此，通过本申请的光学膜，每个衍射导光板可以以高耦合效率耦合匹配的波长，从而减少串扰。
只要成像装置包括本申请的光学膜或光学元件，其他部件或结构等没有特别限制，其中可以适当地应用本领域中已知的所有内容。
有益效果
本申请的光学膜不仅在可见光区域中表现出宽带偏振转换特性，而且还在可见光区域中具有吸收带。这样的光学膜可以作为光学元件例如衍射导光板层合体应用于成像装置例如增强现实设备以抑制串扰。
附图说明
图1说明性地示出了本申请的光学膜。
图2说明性地示出了本申请的光学膜。
图3说明性地示出了本申请的光学膜。
图4说明性地示出了本申请的光学膜。
图5说明性地示出了本申请的光学膜。
图6说明性地示出了本申请的光学膜。
图7说明性地示出了衍射导光板的结构和耦合至衍射导光板的内部或外部的光线的全内反射。
图8说明性地示出了本申请的光学元件。
图9说明性地示出了使用本申请的光学元件的耦合效率改善和串扰减少原理。
图10是参考例1和参考例2对波长的吸收轴透射率(A)和透射轴透射率(B)图。
图11是具有不同吸收带的四种染料对波长的透射率图。
图12是包含染料的压敏粘合层对波长的透射率图。
图13是实施例1(A)和实施例2(B)在耐光性测试之后对波长的透射率图。
具体实施方式
在下文中，将通过实施例具体描述本申请，但本申请的范围不受以下实施例限制。
评估例1.宽带相位延迟特性评估
参考例1
制备具有如下结构的光学膜：其中通过压敏粘合层(来自LG Chemical的AD701产品，丙烯酸压敏粘合剂)将具有大于R(450)/R(550)值的R(650)/R(550)值(反向色散特性)和四分之一波相位延迟特性的第一延迟膜和第二延迟膜粘结在一起，使得它们的光轴彼此平行。具体地，第一延迟膜具有第一液晶层和第二液晶层的多层结构，所述第一液晶层具有半波相位延迟特性(对550nm波长的Rin值为275nm)和相对于参考轴(横向)的15度的光轴，所述第二液晶层具有四分之一波相位延迟特性(对550nm波长的Rin值为137.5nm)和相对于参考轴(横向)的75度的光轴。以与第一延迟膜相同的方式制备第二延迟膜。在第一延迟膜和第二延迟膜的粘结中，粘结具有四分之一波延迟特性的第二液晶层以与压敏粘合层接触。
参考例2
制备具有小于R(450)/R(550)值的R(650)/R(550)值(正常色散特性)和半波相位延迟特性的延迟膜(来自Teijin公司的聚碳酸酯拉伸膜)作为参考例2的光学膜。
对于参考例1和参考例2中制备的各光学膜，通过经由20μm厚的压敏粘合剂附接各光学膜和偏振膜，使得光学膜的光轴与偏振膜的吸收轴之间的角度为45度来制备样品。对于样品，通过使用来自JASCO Co.的透射光谱测量仪器使光源的起偏振器旋转以测量最小透射率和最大透射率的方法来测量对380nm至780nm的波长的吸收轴透射率和透射轴透射率，并且结果示于表1和图10中。图10中的图(A)示出了吸收轴透射率，图(B)示出了透射轴透射率。可以确认，与具有正常色散特性的参考例2相比，具有反向色散特性的参考例1在整个可见光波长区域中具有偏振转换特性，并且具有优异的特性。
[表1]
Figure GDA0002398164900000141
评估例2.可见光吸收特性评估
对包含染料的压敏粘合层的可见光吸收特性进行评估。
图11示出了在窄波长区域中具有吸收带的四种染料对波长的透射率图(x轴：波长[nm]，y轴：透射率[％])。染料1、染料2、染料3和染料4分别为来自Yamada Chemical的FDB005、FDB006、FDG003和FDG007产品。在压敏粘合层中，使用丙烯酸树脂(来自LGChemical的AD701产品)作为压敏粘合剂树脂。
图12示出了包含染料的压敏粘合层的透射率图(x轴：波长[nm]，y轴：透射率[％])。如图12所示，使用染料4，减绿色(Green cut)是可能的，通过混合染料1、染料2、染料3和染料4，减绿色-蓝色(Green-Blue cut)是可能的，通过混合染料1、染料2和染料3，减蓝色(Blue cut)是可能的。
评估例3.耐光性评估
实施例1
制备具有图4的结构的光学膜作为实施例1。以与参考例1中相同的方式制备第一延迟膜和第二延迟膜。然而，使用包含染料4的压敏粘合层作为用于粘结第一延迟膜和第二延迟膜的压敏粘合层。作为压敏粘合层的压敏粘合剂树脂，使用丙烯酸树脂(来自LGChemical的AD701产品)，并且相对于100重量份的压敏粘合剂树脂，以约3.5重量份的量添加染料。作为第一抗反射层和第二抗反射层中的每一者，使用无机低折射(MgF2)材料施加溅射型抗反射层(来自Dexerials的Clear Type AR1.5级)。
实施例2
以与实施例1中相同的方式制备光学膜，不同之处在于在实施例1的光学膜的制造中，作为第一抗反射层和第二抗反射层中的每一者，使用溶液型PETA(季戊四醇三丙烯酸酯)有机粘结剂和中空二氧化硅的混合材料施加抗反射层(来自DNP的DSG03级)代替溅射型抗反射层。
对于实施例1和2，使用波长为420nm的光在1.2W/m2的强度下评估在40℃下的耐光性测试(Atlas Ci3000)之后根据波长的透射率，并且结果示于图13中。图13中的图(A)是实施例1的透射率图，图(B)是实施例2的透射率图。当如实施例1中使用具有高涂覆膜密度的溅射型抗反射层时，可以确认与如实施例2中使用通过湿涂法的抗反射层的情况相比，可以改善耐光性而相对于开始在耐光性测试100小时之后不降低透射率。
评估例4.串扰评估
实施例3
制备具有图9的结构的成像装置。具体地，从光源(LcoS)300开始依次设置匹配蓝色波长的第一衍射导光板200A、匹配绿色波长的第二衍射导光板200B和匹配红色波长的第三衍射导光板200C。对蓝光具有吸收带的第一光学膜100A设置在第一衍射导光板与第二衍射导光板之间，对绿光和蓝光具有吸收带的第二光学膜100B设置在第二衍射导光板与第三衍射导光板之间。
比较例1
制备其中从光源(LcoS)300开始依次设置匹配蓝色波长的第一衍射导光板200A、匹配绿色波长的第二衍射导光板200B和匹配红色波长的第三衍射导光板200C的衍射导光板层合体作为比较例1。然而，实施例1的第一光学膜和第二光学膜未设置在衍射导光板之间。
可以通过操作光源并测量从衍射导光板层合体发光的一侧上的光的强度来评估串扰。在实施例3中，RGB区域显示均匀且高的光强度(亮度)，而在比较例1中，RGB区域中的颜色不均匀并且光的强度也减小。
[附图标记说明]
10：第一延迟膜，20：第二延迟膜，30：滤色器层，101、201：第一液晶层，102、202：第二液晶层，40：第一基底层，50：第二基底层，60：第一抗反射层，70：第二抗反射层，80：第一阻挡层，90：第二阻挡层，100：衍射导光板，10A：输入衍射光栅，10B：出射衍射光栅，10C：基底，100A：第一光学膜，100B：第二光学膜，200A：第一衍射导光板，200B：第二衍射导光板，200C：第三衍射导光板，300：光源，400：偏振开关，500：眼箱(观察者)。

Claims (16)

1.一种光学元件，依次包括至少两个衍射导光板，并且包括设置在所述至少两个衍射导光板之间的光学膜，其中所述光学膜满足以下式1，所述光学膜具有半波相位延迟特性并且在可见光波长区域中具有吸收带：
[式1]
R(650)/R(550)>R(450)/R(550)
其中，R(λ)为所述光学膜对波长为λnm的光的面内延迟值。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述光学膜的R(650)/R(550)值为1.01至1.19，以及所述光学膜的R(450)/R(550)值为0.81至0.99。
3.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述光学膜依次包括满足式1并且具有四分之一波相位延迟特性的第一延迟膜、包含在可见光波长区域中具有吸收带的染料的滤色器层、和满足式1且具有四分之一波相位延迟特性的第二延迟膜。
4.根据权利要求3所述的光学元件，其中所述第一延迟膜的光轴和所述第二延迟膜的光轴彼此平行。
5.根据权利要求3所述的光学元件，其中所述第一延迟膜和所述第二延迟膜各自包括包含具有半波相位延迟特性的第一液晶层和具有四分之一波相位延迟特性的第二液晶层的多层结构。
6.根据权利要求5所述的光学元件，其中所述第二液晶层设置为比所述第一液晶层更靠近所述滤色器层。
7.根据权利要求5所述的光学元件，其中所述第一液晶层的光轴和所述第二液晶层的光轴相对于彼此形成55度至65度。
8.根据权利要求5所述的光学元件，其中基于所述光学膜的横向或纵向，所述第一液晶层的光轴形成12.5度至17.5度，以及所述第二液晶层的光轴形成72.5度至77.5度。
9.根据权利要求3所述的光学元件，其中所述滤色器层为包含所述染料和压敏粘合剂树脂的压敏粘合层。
10.根据权利要求3所述的光学元件，还包括分别在所述第一延迟膜和所述第二延迟膜的外侧上的第一基底层和第二基底层。
11.根据权利要求3所述的光学元件，还包括分别在所述第一延迟膜和所述第二延迟膜的外侧上的第一抗反射层和第二抗反射层。
12.根据权利要求3所述的光学元件，还包括在所述第一延迟膜的一侧上的第一阻挡层和在所述第二延迟膜的一侧上的第二阻挡层。
13.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述至少两个衍射导光板具有不同的待耦合的光的波长带。
14.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述光学膜的所述吸收带和耦合至与所述光学膜相邻的所述衍射导光板的光的波长带具有彼此重叠的区域。
15.一种成像装置，包括光源和设置在所述光源的光出射侧上的根据权利要求1所述的光学元件。
16.根据权利要求15所述的成像装置，其中所述成像装置包括增强现实设备。
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