CN112817082A - 色散补偿结构和近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种色散补偿结构和近眼显示设备，色散补偿结构包括：相位延迟片和补偿膜，补偿膜设于相位延迟片的入射光路或出射光路；补偿膜包括第一补偿膜和/或第二补偿膜，在可见光的波段范围内具有第一波长范围和/或第二波长范围，所述第一波长范围不同于所述第二波长范围；在第一波长范围内，相位延迟片的实际相位延迟量大于其理想延迟量，第一补偿膜满足：在第一波长范围的实际相位延迟量随着波长的增加而减小；在第二波长范围内，相位延迟片的实际相位延迟量小于其理想延迟量，第二补偿膜满足：在第二波长范围内的实际相位延迟量随着波长的增加而增加。本发明的技术方案能够减少显示画面出现的偏色现象以及杂散光的产生。

Description

色散补偿结构和近眼显示设备

技术领域

本发明涉及光学显示技术领域，尤其涉及一种色散补偿结构和近眼显示设备。

背景技术

在近眼显示(Near eye display)设备或头戴显示(Head mounted display)光学系统中，通常采用偏振元件，尤其是在折叠光路中，通过偏振元件完成光线的折反射控制。但是，偏振元件具有严重的色散，一方面导致形成的主像色坐标与屏幕对比时存在明显的色偏，另一方面，色散也导致了常用相位延迟片的延迟量在大部分波长处均明显偏离理想状态，因而用户在使用时，会看到偏色的画面。

发明内容

基于此，针对现有偏振元件具有严重的色散，导致用户在使用时，观看到的画面容易出现偏色的问题，有必要提供一种色散补偿结构和近眼显示设备，旨在减少显示画面出现的偏色现象以及杂散光的产生。

为实现上述目的，本发明提出的一种色散补偿结构，所述色散补偿结构包括：相位延迟片和补偿膜，所述补偿膜设于所述相位延迟片的入射光路或出射光路；所述补偿膜包括第一补偿膜和/或第二补偿膜，在可见光的波段范围内具有第一波长范围和/或第二波长范围，所述第一波长范围不同于所述第二波长范围；

在所述第一波长范围内，所述相位延迟片的实际相位延迟量大于其理想延迟量，所述第一补偿膜满足：在所述第一波长范围的实际相位延迟量随着波长的增加而减小；

在所述第二波长范围内，所述相位延迟片的实际相位延迟量小于其理想延迟量，所述第二补偿膜满足：在所述第二波长范围内的实际相位延迟量随着波长的增加而增加。

可选地，所述相位延迟片包括：四分之一波片，所述第一波长范围包括可见光的蓝光波长，所述第二波长范围包括可见光的红光波长，所述四分之一波片的面内相位延迟量随着波长的增加而增加，且面内相位延迟量的增加量与理想延迟量存在偏差；

在可见光的蓝光波长范围内，所述相位延迟片的实际面内相位延迟量大于其理想延迟量；

在可见光的红光波长范围内，所述相位延迟片的实际面内相位延迟量小于其理想延迟量；

所述第一补偿膜的光轴与所述相位延迟片的光轴垂直，所述第二补偿膜的光轴与所述相位延迟片的光轴平行。

可选地，所述色散补偿结构的标准面内相位延迟量为Ri，所述相位延迟片在蓝光波长范围内的面内相位延迟量为Re，所述第一补偿膜在蓝光波长范围内面内相位延迟量为R₁，则满足：

R₁＝Re-Ri。

可选地，所述第一补偿膜在红光波长范围内面内相位延迟量小于5nm。

可选地，所述色散补偿结构的标准面内相位延迟量为Ri，所述相位延迟片在红光波长范围内的面内相位延迟量为Re`，所述第二补偿膜在红光波长范围内面内相位延迟量为R₂，则满足：

R₂＝Ri-Re`。

可选地，所述第二补偿膜在蓝光波长范围内面内相位延迟量小于5nm。

可选地，所述色散补偿结构的标准面内相位延迟量为Ri，所述相位延迟片在蓝光波长范围内的面内相位延迟量为Re，所述第一补偿膜在蓝光波长范围内面内相位延迟量为R₁，若满足：

R₁＝(Re-Ri)/2，则所述第一补偿膜设有两个，两所述第一补偿膜沿光线的传播方向依次设置。

可选地，所述色散补偿结构的标准面内相位延迟量为Ri，所述相位延迟片在红光波长范围内的面内相位延迟量为Re`，所述第二补偿膜在红光波长范围内面内相位延迟量为R₂，若满足：

R₂＝(Ri-Re`)/2，则所述第二补偿膜设有两个，两所述第二补偿膜沿光线的传播方向设置并且光轴平行。

可选地，所述补偿膜包括第一补偿膜和第二补偿膜；

所述第一补偿膜设于所述相位延迟片的出光面，所述第二补偿膜设于所述第一补偿膜背向所述相位延迟片的一侧；

或，所述第二补偿膜设于所述相位延迟片的出光面，所述第一补偿膜设于所述第二补偿膜背向所述相位延迟片的一侧。

此外，为了实现上述目的，本发明还提供一种近眼显示设备，所述近眼显示设备包括折反射光路，所述折反射光路包括若干光学元件和如上文所述色散补偿结构，所述色散补偿结构设于若干所述光学元件之间，所述近眼显示设备的光线在所述色散补偿结构和若干所述光学元件之间折反射。

本发明提出的技术方案中，理想的面内相位延迟量是随着波长的增加而增加的，并且面内相位延迟量和波长关系固定。常见的相位延迟片在可见光范围内，面内相位延迟量的增加幅度与理想的面内相位延迟量的增加幅度出现差值。在第一波长范围相位延迟片的面内相位延迟量增加的幅度高于理想的面内相位延迟量，在第二波长范围相位延迟片的面内相位延迟量增加的幅度低于理想的面内相位延迟量。通过在相位延迟片的入射光路或出射光路设置补偿膜，该补偿膜具有在第一波长范围内面内相位延迟量随着波长的增加而减少的特性，从而在第一波长范围使面内相位延迟量趋近于理想面内相位延迟量。或者，在第二波长范围内，面内相位延迟量随着波长的增加而增加，从而使第二波长范围内面内相位延迟量趋近于理想面内相位延迟量。如此，光路中加入色散补偿结构，能够在相应的波长范围内使面内相位延迟量趋近于理想的面内相位延迟量，使相应波长光正常显示，继而减少偏色现象以及杂散光的产生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明色散补偿结构的结构示意图；

图2为使用色散补偿结构第一补偿膜的效果示意图；

图3为使用色散补偿结构第二补偿膜的效果示意图；

图4为使用色散补偿结构第一补偿膜和第二补偿膜的效果示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

在近眼显示(Near eye display)设备或头戴显示(Head mounted display)光学系统中，通常采用偏振元件，尤其是在折叠光路中，通过偏振元件完成光线的折反射控制。但是，偏振元件具有严重的色散，导致形成的主像色坐标与屏幕对比时存在明显的色偏，另一方面，色散也导致了常用相位延迟片的延迟量在大部分波长处均明显偏离理想状态，因而用户在使用时，会看到偏色的画面。

为了解决上述问题，参阅图1所示，本发明提供一种色散补偿结构，色散补偿结构包括：相位延迟片和补偿膜，光线经过相位延迟片后，光线的偏振状态会发生改变，补偿膜设于相位延迟片的入射光路或出射光路，通过补偿膜补偿可见光光谱的色散。

相位延迟片的面内相位延迟量随着波长的增加而增加，且面内相位延迟量的增加量与理想延迟量存在偏差，这种相位延迟片被称呼为反常相位延迟片。通过反常相位延迟片可以使面内相位延迟量Re在整个可见光光谱范围内具有和波长大小相关的特性。需要说明的是相位延迟片的延迟特性是由x，y，z三个方向的折射率nx，ny，nz的差异造成的，进一步可将延迟量分为面内延迟量Re和厚度方向延迟量Rth。理想的相位延迟片延迟量应该随着波长增加而增加，并且和波长的大小关系固定。例如，随着波长的增加而增加。

补偿膜设于相位延迟片的出光面，补偿膜包括第一补偿膜和/或第二补偿膜。可知，补偿膜的具体膜层设计有三种情况。第一种情况是：补偿膜包括第一补偿膜，通过第一补偿膜，在第一波长范围内，面内相位延迟量随着波长的增加而减少，从而在第一波长范围使面内相位延迟量趋近于理想面内相位延迟量。第二种情况是：补偿膜包括第二补偿膜，通过第二补偿膜，在第二波长范围内，面内相位延迟量随着波长的增加而增加，从而使第二波长范围内面内相位延迟量趋近于理想面内相位延迟量。第三种情况是：补偿膜包括第一补偿膜和第二补偿膜，补偿膜同时在第一波长范围内和第二波长范围内弥补面内相位延迟量。

参阅图2至图4所示，横坐标是波长，纵坐标是相对面内相位延迟量的比值，是可见光波长范围内的面内相位延迟量与550nm位置的面内相位延迟量的比值。从图2可见，理想面内相位延迟量是一条固定斜率的直线，反常相位延迟片的面内相位延迟量，在第一波长范围高于理想的面内相位延迟量，而在第二波长范围低于理想的面内相位延迟量。在设置了第一补偿膜后，反常相位延迟片的面内相位延迟量在第一波长范围内面内相位延迟量趋近于理想面内相位延迟量。在设置了第二补偿膜后，反常相位延迟片的面内相位延迟量在第二波长范围内面内相位延迟量趋近于理想面内相位延迟量。在第一补偿膜和第二补偿膜结合的方案中，可见在第一波长范围内和第二波长范围内面内相位延迟量均趋近于理想面内相位延迟量。

本实施例提出的技术方案中，理想状况下，面内相位延迟量是随着波长的增加而增加的，并且面内相位延迟量和波长关系固定，该波长决定相位延迟片的理想延迟量，也即是说，相位延迟片的理想延迟量由波长决定。常见的相位延迟片在可见光范围内，面内相位延迟量的增加幅度与理想的面内相位延迟量的增加幅度出现差值。在第一波长范围相位延迟片的面内相位延迟量增加的幅度高于理想的面内相位延迟量，在第二波长范围相位延迟片的面内相位延迟量增加的幅度低于理想的面内相位延迟量。通过补偿膜设置在相位延迟片，补偿膜具有在第一波长范围内面内相位延迟量随着波长的增加而减少的特性，从而在第一波长范围使面内相位延迟量趋近于理想面内相位延迟量。或者，在第二波长范围内，面内相位延迟量随着波长的增加而增加，从而使第二波长范围内面内相位延迟量趋近于理想面内相位延迟量。如此，光路中加入色散补偿结构，能够在相应的波长范围内使面内相位延迟量趋近于理想的面内相位延迟量，使相应波长光正常显示，继而减少偏色现象以及杂散光的产生。

另外，补偿膜可以具有增透作用，补偿膜设置在相位延迟片与空气相对的表面时，能够提高光线的透过率。再者，补偿膜具有表面硬化作用，补偿膜设置在相位延迟片与空气相对的表面时，还能够保护相位延迟片的表面。

在本申请的上述实施例中，相位延迟片包括：四分之一波片QWP(Quarterwaveplate)，第二波长范围包括可见光的红光波长，第一波长范围包括可见光的蓝光波长。理想的四分之一波片的面内相位延迟量应该随着波长增加而增加，并且面内相位延迟量始终等于波长的四分之一，也就是说，面向相位延迟量的增加量与相应波长的关系固定。四分之一波片的色散特性主要分为三类：第一类是正常色散，以常规PC(聚碳酸酯)为例，其特性是面内延迟量随着波长增加而减小，主要是因为在树脂材料中，长波段的折射率差值小于短波段的折射率差值；第二类是均匀延迟，其特性是延迟量随波长增加几乎不变；第三类是反常色散，以改性PC为例，其特性是延迟量随着波长增加而增加。本实施例中，四分之一波片的面内相位延迟量随着波长的增加而增加，且面向相位延迟量的增加量与理想延迟量存在偏差。本实施例中的四分之一波片为反常四分之一波片。所述四分之一波片可以为单层膜，也可以是两层或者多层相位延迟膜复合而成的复合膜，例如二分之一波片与四分之一波片以一定角度复合而成的宽波段四分之一波片，此时复合四分之一波片的光轴为等效光轴；

具体地，在可见光的蓝光波长范围内，反常四分之一波片的实际面内相位延迟量大于其理想延迟量；在可见光的红光波长范围内，反常四分之一波片的实际面内相位延迟量小于其理想延迟量；第一补偿膜的光轴与反常四分之一波片的光轴垂直，第二补偿膜的光轴与反常四分之一波片的光轴平行。

具体地，在黄绿光范围(500nm-590nm)内，面内相位延迟量符合理想四分之一波片的面内相位延迟量特性，但是在蓝光波长范围反常四分之一波片的面内相位延迟量通常高于理想四分之一波片的面内相位延迟量，在红光波长范围反常四分之一波片的面内相位延迟量通常低于理想四分之一波片的面内相位延迟量。蓝光波长范围在400nm～480nm，红光波长范围在620nm～760nm。第一补偿膜可以在400nm～480nm的波长范围内降低通过反常四分之一波片的面内相位延迟量的增加幅度，第二补偿膜可以在620nm～760nm的波长范围内提高通过反常四分之一波片的面内相位延迟量的增加幅度。

在本申请的一实施例中，色散补偿结构的标准面内相位延迟量为Ri，相位延迟片在蓝光波长范围内的面内相位延迟量为Re，第一补偿膜在蓝光波长范围内面内相位延迟量为R₁，则满足：R₁＝Re-Ri。在蓝光波长范围内，通过反常相位延迟片的面内相位延迟量Re的增加幅度较高，高于理想标准的面内相位延迟量为Ri，也就是说Re大于Ri，为了计算得出准确的第一补偿膜在蓝光波长范围内面内相位延迟量为R₁，将Re与Ri做差值处理。

在本申请的一实施例中，第一补偿膜在红光波长范围内面内相位延迟量小于5nm。第一补偿膜在整个蓝绿光光谱范围内均可以产生降低偏振光通过反常相位延迟片的面内相位延迟量的增加幅度的效果，为了减少在红光波长范围内面内相位延迟量出现更大幅度的偏离标准面内相位延迟量，将第一补偿膜在红光波长范围内面内相位延迟量控制在小于5nm，进一步地可以控制在小于2nm。

在本申请的一实施例种，色散补偿结构的标准面内相位延迟量为Ri，相位延迟片在红光波长范围内的面内相位延迟量为Re`，第二补偿膜在红光波长范围内面内相位延迟量为R<sub>2</sub>，则满足：R<sub>2</sub>＝Ri-Re`。在红光波长范围内，通过反常相位延迟片的面内相位延迟量Re`的增加幅度较低，低于理想标准的面内相位延迟量为Ri，也就是说Re`小于Ri，为了计算得出准确的第二补偿膜在红光波长范围内面内相位延迟量为R₂，将Ri与Re`做差值处理。

在本申请的一实施例中，第二补偿膜在蓝光波长范围内面内相位延迟量小于5nm。第二补偿膜在整个红绿光范围内均可以产生提高偏振光通过反常相位延迟片的面内相位延迟量的增加幅度的效果，为了减少在蓝光波长范围内面内相位延迟量出现更大幅度的偏离标准面内相位延迟量，将第二补偿膜在蓝光波长范围内面内相位延迟量控制在小于5nm，进一步地可以控制在小于2nm。

在本申请的一实施例中，色散补偿结构的标准面内相位延迟量为Ri，相位延迟片在蓝光波长范围内的面内相位延迟量为Re，第一补偿膜在蓝光波长范围内面内相位延迟量为R₁，若满足：

R₁＝(Re-Ri)/2，则第一补偿膜设有两个，两第一补偿膜沿光线的传播方向设置并且光轴平行。也就是说第一补偿膜可以为单层膜，也可以为双层膜。双层膜时，面内相位延迟量为R₁，为Re与Ri之间差值的一半。具体膜层的数量，主要依据面内相位延迟量的数值大小来决定。

在本申请的一实施例中，色散补偿结构的标准面内相位延迟量为Ri，相位延迟片在红光波长范围内的面内相位延迟量为Re`，第二补偿膜在红光波长范围内面内相位延迟量为R₂，若满足：

R₂＝(Ri-Re`)/2，则第二补偿膜设有两个，两第二补偿膜沿光线的传播方向设置并且光轴平行。也就是说第二补偿膜可以为单层膜，也可以为双层膜。双层膜时，面内相位延迟量为R<sub>2</sub>，为Ri与Re`之间差值的一半。具体膜层的数量，主要依据面内相位延迟量的数值大小来决定。

在本申请的一实施例中，补偿膜包括第一补偿膜和第二补偿膜；第一补偿膜设于相位延迟片的出光面，第二补偿膜设于第一补偿膜背向相位延迟片的一侧。经过反常相位延迟片的光线先通过第一补偿膜后，再通过第二补偿膜。

或者，第二补偿膜设于相位延迟片的出光面，第一补偿膜设于第二补偿膜背向相位延迟片的一侧。经过反常相位延迟片的光线先通过第二补偿膜后，再通过第一补偿膜。由此可知，第一补偿膜和第二补偿膜之间的位置可以任意设置，在制作色散补偿结构时具有更大的灵活性。

本发明还提供一种近眼显示设备，近眼显示设备包括折反射光路，折反射光路包括若干光学元件和如上文色散补偿结构，色散补偿结构设于若干光学元件之间，近眼显示设备的光线在色散补偿结构和若干光学元件之间折反射。

本实施例中，通过折反射光路可以减小近眼显示设备的体积，通过色散补偿结构能够在相应的波长范围内使面内相位延迟量趋近于理想的面内相位延迟量，使相应波长光正常显示，继而减少偏色现象以及杂散光的产生。

其中，近眼显示设备的具体实施方式，可以参照色散补偿结构的实施例，在此不在赘述。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种色散补偿结构，其特征在于，所述色散补偿结构包括：相位延迟片和补偿膜，所述补偿膜设于所述相位延迟片的入射光路或出射光路；所述补偿膜包括第一补偿膜和/或第二补偿膜，在可见光的波段范围内具有第一波长范围和/或第二波长范围，所述第一波长范围不同于所述第二波长范围；

在所述第一波长范围内，所述相位延迟片的实际相位延迟量大于其理想延迟量，所述第一补偿膜满足：在所述第一波长范围的实际相位延迟量随着波长的增加而减小；

在所述第二波长范围内，所述相位延迟片的实际相位延迟量小于其理想延迟量，所述第二补偿膜满足：在所述第二波长范围内的实际相位延迟量随着波长的增加而增加。

2.如权利要求1所述的色散补偿结构，其特征在于，所述相位延迟膜包括：四分之一波片，所述第一波长范围包括可见光的蓝光波长，所述第二波长范围包括可见光的红光波长，所述四分之一波片的面内相位延迟量随着波长的增加而增加，且面内相位延迟量的增加量与理想延迟量存在偏差；

在可见光的蓝光波长范围内，所述相位延迟片的实际面内相位延迟量大于其理想延迟量；

在可见光的红光波长范围内，所述相位延迟片的实际面内相位延迟量小于其理想延迟量；

所述第一补偿膜的光轴与所述相位延迟片的光轴垂直，所述第二补偿膜的光轴与所述相位延迟片的光轴平行。

3.如权利要求2所述的色散补偿结构，其特征在于，所述色散补偿结构的标准面内相位延迟量为Ri，所述相位延迟片在蓝光波长范围内的面内相位延迟量为Re，所述第一补偿膜在蓝光波长范围内面内相位延迟量为R₁，则满足：

R₁＝Re-Ri。

4.如权利要求3所述的色散补偿结构，其特征在于，所述第一补偿膜在红光波长范围内面内相位延迟量小于5nm。

5.如权利要求2所述的色散补偿结构，其特征在于，所述色散补偿结构的标准面内相位延迟量为Ri，所述相位延迟片在红光波长范围内的面内相位延迟量为Re`，所述第二补偿膜在红光波长范围内面内相位延迟量为R₂，则满足：

R₂＝Ri-Re`。

6.如权利要求5所述的色散补偿结构，其特征在于，所述第二补偿膜在蓝光波长范围内面内相位延迟量小于5nm。

7.如权利要求2所述的色散补偿结构，其特征在于，所述色散补偿结构的标准面内相位延迟量为Ri，所述相位延迟片在蓝光波长范围内的面内相位延迟量为Re，所述第一补偿膜在蓝光波长范围内面内相位延迟量为R₁，若满足：

R₁＝(Re-Ri)/2，则所述第一补偿膜设有两个，两所述第一补偿膜沿光线的传播方向设置且光轴平行。

8.如权利要求2所述的色散补偿结构，其特征在于，所述色散补偿结构的标准面内相位延迟量为Ri，所述相位延迟片在红光波长范围内的面内相位延迟量为Re`，所述第二补偿膜在红光波长范围内面内相位延迟量为R₂，若满足：

R₂＝(Ri-Re`)/2，则所述第二补偿膜设有两个，两所述第二补偿膜沿光线的传播方向设置且光轴平行。

9.如权利要求1至8中任一项所述的色散补偿结构，其特征在于，所述补偿膜包括第一补偿膜和第二补偿膜；

所述第一补偿膜设于所述相位延迟片的出光面，所述第二补偿膜设于所述第一补偿膜背向所述相位延迟片的一侧；

或，所述第二补偿膜设于所述相位延迟片的出光面，所述第一补偿膜设于所述第二补偿膜背向所述相位延迟片的一侧。

10.一种近眼显示设备，其特征在于，所述近眼显示设备包括折反射光路，所述折反射光路包括若干光学元件和如权利要求1至9中任一项所述色散补偿结构，所述色散补偿结构设于若干所述光学元件之间，所述近眼显示设备的光线在所述色散补偿结构和若干所述光学元件之间折反射。

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