CN219871838U - 一种分光组件及增强现实显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种分光组件及增强现实显示设备。分光组件包括反射式偏振片、位于反射式偏振片一侧依次层叠设置的液晶光学位相差膜和增透层；液晶光学位相差膜包括利用液晶材料形成的四分之一波片。本实用新型实施例的分光组件应用于平面贴合结构，通过在反射式偏振片表面制备较小厚度的液晶光学位相差膜形成四分之一波片，是传统结构厚度的三十分之一，通过降低反射式偏振片表面各功能层的厚度，以减少或消除原有的鬼影等缺陷。

Description

一种分光组件及增强现实显示设备

技术领域

本实用新型涉及增强现实显示技术领域，尤其涉及一种分光组件及增强现实显示设备。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，AR)系统可以分为光学透视型(optical see-through display)和视频透视型(video see-through display)。光学透视型通过图像组合器将虚拟信息直接叠加在真实的环境信息上。目前对于AR光学系统的研究主要集中于光学透视型。从图像组合器的形式上，主要分为自由曲面型(Freeform Combiner)和光波导型(optical waveguide combiner)两类。

其中自由曲面半反射镜+分光组件(Beam splitter，BS)形成的Birdbath结构是目前最主流的AR光机方案，这种结构是在半透半反镜的基础上，发展出了将半透半反镜和分光组件结合的图像组合器。通过分光组件的集成提供了一个折叠的光路，这在一定程度上降低了外形尺寸。

按照光路设计原理，Birdbath结构折叠光路需依赖偏振光特性实现，因此偏振膜材是光路设计的重要原材，而膜材需贴附于镜片表面。碍于工艺技术限制，目前市面产品多以镜片平面设计贴附膜材为主，导致光路设计自由度降低，现目前平面贴膜涉及的分光膜叠层较多，反射偏光膜表面涉及粘接胶、位相差膜、增透膜等多层膜材，总厚度可达150μm以上，导致成像易出现鬼影、重像等显示缺陷。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种分光组件及增强现实显示设备，该分光组件应用于平面贴合结构，通过在反射式偏振片表面制备较小厚度的液晶光学位相差膜形成四分之一波片，是传统结构厚度的三十分之一，通过降低反射式偏振片表面各功能层的厚度，以减少或消除原有的鬼影等缺陷。

根据本实用新型的一方面，提供了一种分光组件，包括反射式偏振片、位于所述反射式偏振片一侧依次层叠设置的液晶光学位相差膜和增透层；

所述液晶光学位相差膜包括利用液晶材料形成的四分之一波片。

可选的，所述液晶光学位相差膜包括配向层和液晶材料层，所述配向层位于所述液晶材料层靠近所述反射式偏振片的一侧。

可选的，所述液晶材料层包括具有波长逆分散性聚合性的液晶化合物膜，所述液晶化合物膜的厚度为1μm～3μm。

可选的，所述液晶光学位相差膜对应的垂直入射光线的相位延迟量在137nm～143nm之间，45°入射光线的相位延迟量在128nm～135nm之间。

可选的，所述反射式偏振片包括线偏光片和位于所述线偏光片一侧的偏振反射层，所述偏振反射层位于所述线偏光片靠近所述液晶光学位相差膜的一侧；

所述线偏光片的吸收轴与所述液晶光学位相差膜的慢轴所成的角度为大于或等于44°，小于或等于46°；

所述偏振反射层的反射轴与所述液晶光学位相差膜的慢轴所成的角度为大于或等于44°，小于或等于46°；

所述线偏光片的吸收轴与所述偏振反射层的反射轴光轴夹角小于或等于1°。

可选的，所述线偏光片的厚度小于或等于60μm。

可选的，所述增透层的反射率小于或等于0.5％，厚度小于或等于1μm。

可选的，所述增透层包括依次层叠的低折射率层、高折射率层和基材层；

所述低折射率层的折射率在1.34～1.40之间，厚度在90nm～135nm之间；

所述高折射率层的折射率在1.63～1.67之间，厚度在100nm～145nm之间。

可选的，还包括粘合剂，所述粘合剂位于所述反射式偏振片背离所述液晶光学位相差膜的一侧。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种增强现实显示设备，包括显示面板、曲面半透半反镜和上述的分光组件；

所述显示面板出射的成像光线入射至所述分光组件发生反射，反射后的成像光线入射至所述曲面半透半反镜再次发生反射后入射至所述分光组件，经过所述分光组件透射后入射至人眼；

外界环境光线经过所述曲面半透半反镜和所述分光组件透射后入射至人眼。

本实用新型实施例提供的分光组件，包括反射式偏振片、位于反射式偏振片一侧依次层叠设置的液晶光学位相差膜和增透层；液晶光学位相差膜包括利用液晶材料形成的四分之一波片。通过在反射式偏振片表面制备较小厚度的液晶光学位相差膜形成四分之一波片，是传统结构厚度的三十分之一，通过降低反射式偏振片表面各功能层的厚度，以减少或消除原有的鬼影等缺陷。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本实用新型的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本实用新型的范围。本实用新型的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，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获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种分光组件的结构示意图；

图2为现有技术中的一种分光组件的光路示意图；

图3为图2中一条光线的光路示意图；

图4为本实用新型实施例提供的一种分光组件的光路示意图；

图5为本实用新型实施例提供的另一种分光组件的结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的又一种分光组件的结构示意图；

图7为本实用新型实施例提供的又一种分光组件的结构示意图；

图8为本实用新型实施例提供的又一种分光组件的结构示意图；

图9为本实用新型实施例提供的一种增强现实显示设备的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

AR技术是一种基于计算机实时计算和多传感器融合，将现实世界与虚拟信息结合起来的技术。该技术通过对人的视觉、听觉、嗅觉、触觉等感受进行模拟和再输出，并将虚拟信息叠加到真实信息上，给人提供超越真实世界感受的体验。

现有技术中利用半透半反镜和分光组件组合成Birdbath的光路折叠结构有利于减小体积，但碍于工艺技术限制，目前市面产品多以镜片平面设计贴附膜材为主，导致光路设计自由度降低，现目前平面贴膜涉及的分光膜叠层较多，反射偏光膜表面涉及粘接胶、位相差膜、增透膜等多层膜材，总厚度可达150μm以上，导致成像易出现鬼影、重像等显示缺陷。相比之下，曲面贴膜可以获得更大的视场角和更优的成像质量，但工艺难度较大，同时由于涉及偏振片，光学补偿膜的曲面贴合会出现各个点光学延迟量及偏振特性不一，导致光线还原不准影响成像效果。

为了解决上述问题，本实用新型实施例提供一种应用于平面贴合的分光组件，图1为本实用新型实施例提供的一种分光组件的结构示意图，参考图1，该分光组件包括反射式偏振片10、位于反射式偏振片10一侧依次层叠设置的液晶光学位相差膜20和增透层30；液晶光学位相差膜20包括利用液晶材料形成的四分之一波片。

其中，反射式偏振片10透射所需的偏振并反射其余的偏振，本实施例中利用液晶光学相位差膜20形成四分之一波片，其厚度可以在5μm以下，从而有效减小分光组件的厚度。增透层30即为AR(Anti-Reflection)膜，利用干涉效果减弱反射光，起到降低反射功能。

由于空气与光学组件的折射率不同，即使设置了AR膜但仍旧必然存在空气反射面(即空气与AR膜反射面)的反光，在Birdbath结构中此反射光为杂光，是造成重影的主要原因，必须消弱。图2为现有技术中的一种分光组件的光路示意图，图3为图2中一条光线的光路示意图，参考图2和图3，将反射式偏振片之上各层材料简化为单一折射率n的材料，通过计算可知：

D＝2d·tanβ (2)

根据sinβ²+cosβ²＝1，结合公式(1)和(2)可以得到：

D为空气面反射光与反射式偏振片反射光的偏移量，D越大，像A(杂光像)和像B(真实图像)的偏移量越大，d为反射式偏振片之上各层材料厚度之和，n为反射式偏振片之上材料的平均折射率；α为光线入射角；β为折射角。

由上可知，像A、像B之间的位移仅仅和反射式偏振片之上材料折射率、膜材厚度、入射角有关，通过减少材料厚度d，可以有效降低像A、像B两者之间的位移。

图4为本实用新型实施例提供的一种分光组件的光路示意图，参考图4，通过减小反射式偏振片上层膜材的厚度d，可以使得真实图像B与杂光像A无限重合，从而改善显示效果。

本实用新型实施例的技术方案，通过在反射式偏振片表面制备较小厚度的液晶光学位相差膜形成四分之一波片，是传统结构厚度的三十分之一，通过降低反射式偏振片表面各功能层的厚度，以减少或消除原有的鬼影等缺陷。

图5为本实用新型实施例提供的另一种分光组件的结构示意图，参考图5，可选的，液晶光学位相差膜20包括配向层21和液晶材料层22，配向层21位于液晶材料层22靠近反射式偏振片10的一侧。

其中，配向层21用来实现液晶的配向，具体实施时，可以采用直接在反射式偏振片10表面涂布的方式，通过光固化成膜。为了使得液晶形成良好的光学取向效果，需要在反射式偏振片10表面首先涂布制备一层配向层以保证液晶材料获得所需的光轴角度。

可选的，液晶材料层包括具有波长逆分散性聚合性的液晶化合物膜，液晶化合物膜的厚度为1μm～3μm。该厚度远小于现有的四分之一波片的厚度，有利于减小反射式偏振片上方材料厚度d。其中液晶化合物膜可以利用涂布方式制成。

可选的，液晶光学位相差膜对应的垂直入射光线的相位延迟量在137nm～143nm之间，45°入射光线的相位延迟量在128nm～135nm之间。

其中，相位延迟量(Retardation，Re)表示双折射中o光和e光的面内相位差，具体的，在某一实施例中，液晶光学位相差膜对应的垂直入射光线的相位延迟量为142nm，45°入射光线的相位延迟量为131nm。

图6为本实用新型实施例提供的又一种分光组件的结构示意图，参考图6，可选的，反射式偏振片10包括线偏光片11和位于线偏光片11一侧的偏振反射层12，偏振反射层12位于线偏光片靠近液晶光学位相差膜20的一侧；线偏光片11的吸收轴与液晶光学位相差膜20的慢轴所成的角度为大于或等于44°，小于或等于46°；偏振反射层12的反射轴与液晶光学位相差膜20的慢轴所成的角度为大于或等于44°，小于或等于46°；线偏光片11的吸收轴与偏振反射层12的反射轴光轴夹角小于或等于1°。

本实施例中，设置的线偏光片11吸收轴与液晶光学位相差膜20的慢轴所成的角度可以为45°±1°，优选45°±0.5°以内；设置的偏振反射层12的反射轴与液晶光学位相差膜20的慢轴所成的角度可以为45°±1°，优选45°±0.5°以内；设置的线偏光片11的吸收轴与偏振反射层12的反射轴光轴夹角控制在±1°，优选±0.5°以内，可以保证对偏振光线的调制效果。

线偏光片具有从自然光等非偏振光的光线中选择性地使某一方向的线性偏振光透过的功能。本实用新型实施例对线偏光片没有特别限定，可以使用常规市售的聚乙烯醇系膜、二向色液晶涂布偏光膜、盘状液晶涂布式偏光膜等偏光膜。这些偏光膜的膜厚没有特别限制，然而一般为1μm～300μm左右，可选的，线偏光片的厚度小于或等于60μm。各层膜之间采用粘合树脂贴合方式实现，成品制程采用卷对卷贴合方式制程。

可选的，增透层30的反射率小于或等于0.5％，厚度小于或等于1μm。

为了实现表面抗反射效果，AR膜光线反射率应选择≤0.5％以内的，最佳效果应选用反射率≤0.2％。

可选的，增透层包括依次层叠的低折射率层、高折射率层和基材层；低折射率层的折射率在1.34～1.40之间，厚度在90nm～135nm之间；高折射率层的折射率在1.63～1.67之间，厚度在100nm～145nm之间。

其中基材层可选用TAC膜、SRF膜等，本实用新型实施例对此不作限定。

图7为本实用新型实施例提供的又一种分光组件的结构示意图，参考图7，可选的，该分光组件还包括粘合剂40，粘合剂40位于反射式偏振片10背离液晶光学位相差膜20的一侧。

其中，粘合剂40可以根据实际情况设置，例如选用压敏胶PSA。

图8为本实用新型实施例提供的又一种分光组件的结构示意图，参考图8，该分光组件包括依次层叠的离型层50、第一压敏胶41、线偏光片11、第二压敏胶42、偏振反射层12、配向层21、液晶材料层22、增透层30和保护层60，其中离型层50和保护层60可以选用PET材质，起到保护作用，使用时撕除，第一压敏胶41在使用时与分光组件的镜片贴合，示例性的，表1为本实用新型实施例提供的一种用于增强现实显示设备的分光组件膜层及参数：

表1

本实用新型实施例提供的如上叠构的分光组件具有较好的分光成像特性，同时对鬼影、清晰度等进行优化。

图9为本实用新型实施例提供的一种增强现实显示设备的结构示意图，参考图9，该增强现实显示设备包括显示面板1、曲面半透半反镜2和上述实施例提供的任意一种分光组件3；显示面板1出射的成像光线入射至分光组件3发生反射，反射后的成像光线入射至曲面半透半反镜2再次发生反射后入射至分光组件3，经过分光组件3透射后入射至人眼4；外界环境光线经过曲面半透半反镜2和分光组件3透射后入射至人眼4。

其中，显示面板1可以为液晶显示面板LCD或有机发光显示面板OLED等结构，用于出射虚拟画面的成像光线，显示面板1的出光侧还可以设置透镜(或透镜组)5。半透半反镜2可以为自由曲面的半透半反镜。分光组件3包括层叠设置的镀膜镜片301、线偏光片11、偏振反射层12、液晶光学位相差膜20和增透层30。图9中还示意性示出了该增强现实显示设备的光线传输示意图，为了清楚示出光线传输过程，图中示出分光组件3为分离结构。显示面板1出射的0°线偏光在传输过程中发生偏振态变化，最终以90°线偏光入射至人眼4；外界光直接经过半透半反镜2和分光组件3透射入射至人眼4，从而人眼4观察到虚拟和现实叠加的增强现实图像。

由于本实用新型实施例提供的增强现实显示设备包括上述实施例提供的任意一种分光组件，具备与分光组件相同或相应的技术效果。

上述具体实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本实用新型的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分光组件，其特征在于，包括反射式偏振片、位于所述反射式偏振片一侧依次层叠设置的液晶光学位相差膜和增透层；

所述液晶光学位相差膜包括利用液晶材料形成的四分之一波片。

2.根据权利要求1所述的分光组件，其特征在于，所述液晶光学位相差膜包括配向层和液晶材料层，所述配向层位于所述液晶材料层靠近所述反射式偏振片的一侧。

3.根据权利要求2所述的分光组件，其特征在于，所述液晶材料层包括具有波长逆分散性聚合性的液晶化合物膜，所述液晶化合物膜的厚度为1μm～3μm。

4.根据权利要求1所述的分光组件，其特征在于，所述液晶光学位相差膜对应的垂直入射光线的相位延迟量在137nm～143nm之间，45°入射光线的相位延迟量在128nm～135nm之间。

5.根据权利要求1所述的分光组件，其特征在于，所述反射式偏振片包括线偏光片和位于所述线偏光片一侧的偏振反射层，所述偏振反射层位于所述线偏光片靠近所述液晶光学位相差膜的一侧；

所述线偏光片的吸收轴与所述液晶光学位相差膜的慢轴所成的角度为大于或等于44°，小于或等于46°；

所述偏振反射层的反射轴与所述液晶光学位相差膜的慢轴所成的角度为大于或等于44°，小于或等于46°；

所述线偏光片的吸收轴与所述偏振反射层的反射轴光轴夹角小于或等于1°。

6.根据权利要求5所述的分光组件，其特征在于，所述线偏光片的厚度小于或等于60μm。

7.根据权利要求1所述的分光组件，其特征在于，所述增透层的反射率小于或等于0.5％，厚度小于或等于1μm。

8.根据权利要求1所述的分光组件，其特征在于，所述增透层包括依次层叠的低折射率层、高折射率层和基材层；

所述低折射率层的折射率在1.34～1.40之间，厚度在90nm～135nm之间；

所述高折射率层的折射率在1.63～1.67之间，厚度在100nm～145nm之间。

9.根据权利要求1所述的分光组件，其特征在于，还包括粘合剂，所述粘合剂位于所述反射式偏振片背离所述液晶光学位相差膜的一侧。

10.一种增强现实显示设备，其特征在于，包括显示面板、曲面半透半反镜和权利要求1～9任一所述的分光组件；

所述显示面板出射的成像光线入射至所述分光组件发生反射，反射后的成像光线入射至所述曲面半透半反镜再次发生反射后入射至所述分光组件，经过所述分光组件透射后入射至人眼；

外界环境光线经过所述曲面半透半反镜和所述分光组件透射后入射至人眼。