TWI685682B - 光學膜、光學元件及成像裝置 - Google Patents

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Abstract

本申請案是關於光學膜、光學元件以及成像裝置。本申請案的光學膜不僅在可見光區域中展現寬帶偏振轉換特性，亦在可見光區域中具有吸收帶。此光學膜可應用於成像裝置(例如擴增虛擬實境設備)作為光學元件(例如繞射光導板層積(diffractive light guide plate laminate))以抑制串擾(crosstalk)。

Description

光學膜、光學元件及成像裝置
本申請案是關於光學膜、光學元件及成像裝置。
本申請案主張2017年9月26日申請之韓國專利申請案第10-2017-0124103號，其揭露內容全文併入本案作為說明書的一部分。
擴增虛擬實境(augmented reality) 是一種組合或增加電腦產生的有用資訊的過程，當影像和照片藉由電腦程式設計而顯示時，藉由將它們疊加在影像上，簡而言之，它是在現實世界中疊加三維虛擬物體的過程。使用擴增虛擬實境的裝置實例包含平視顯示裝置(head-up display device，HUD)，它適用於座艙罩或戰鬥機或坦克飛行員的頭盔，以便飛行員可以查看地形或特徵並同時查看各種資訊。近來，也常可看到將它應用於車輛，資訊(諸如速度)顯示在車輛的前窗上(專利文件1：韓國專利公開案第2016-0109021號)。
技術問題
成像裝置(例如擴增虛擬實境設備)可包括複數個繞射光導板層積(diffractive light guide plate laminate)，以使得來自光源的光到達觀察者的眼睛。此時，當與每個繞射光導板匹配的波長分量的光未耦合(下文中，可稱為串擾(crosstalk))時，其可導致降低到達觀察者眼睛的光的亮度、獲得不均勻的顏色且降低再現的虛像之品質。據此，需要一種能夠在提高繞射光導板的耦合效率之同時減少串擾的技術。 技術方案
本申請案是關於用於解決上述問題之手段的光學膜。本申請案的光學膜可滿足下列方程式1、具有半波相位延遲特性並且在可見光區域具有吸收帶。
[方程式1]
R(650)/R(550) ＞ R(450)/R(550)
在上述方程式1中，R(λ)是光學膜對於波長λnm的光之面內延遲值(in-plane retardation value)。
在此說明書中，可由下列方程式2計算面內延遲(Rin)值
[方程式2]
Rin = d × (nx - ny)
在方程式2中，d是光學膜、延遲膜或液晶層的厚度，以nx與ny分別為該光學膜、延遲膜或液晶層在x軸與y軸方向的反射率。x軸是指平行於光學膜、延遲膜或液晶層的面內慢軸(in-plane slow axis)的方向，y軸是指平行於光學膜、延遲膜或液晶層的面內快軸(in-plane fast axis)的方向。x軸和y軸可在光學膜的平面中彼此正交。在本說明書中，當描述面內延遲(in-plane retardation)時，它是指對於波長為550nm的光之面內延遲。
在本說明書中，當在定義角度時使用諸如垂直、水平、正交或平行的術語時，它是指實質上垂直、水平、正交或平行於不損害期望效果的程度，其包含例如考量生產誤差或偏差(變異)等之誤差。例如，前述的每種情況可包含約±15度內的誤差、約±10度內的誤差或約±5度內的誤差。
藉由滿足以上的方程式1，光學膜可在可見光波長區域中展現出所欲之相位延遲特性。滿足以上方程式1的特性可稱為反向波長色散特性(reverse wavelength dispersion characteristic)。
在一實例中，光學膜中R(650)/R(550)的值可為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。在一實例中，光學膜中R(450)/R(550)的值可為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。
光學膜可具有半波長相位延遲特性。在本說明書中，「n-波長相位延遲特性」可指入射光可在至少一部分波長範圍內相位延遲n倍入射光波長的特性。在本說明書中，半波長相位延遲特性可指波長為550nm的光的面內延遲值為200nm至290nm或240nm至280nm。
如果光學膜具有半波相位延遲特性，則它可使入射偏振光的振動方向旋轉90度。如下所述，繞射光導板可以使特定偏振態的波長帶中的光通過，其中另一偏振態的波長帶中的光可以耦合到繞射光導板中。光學膜可控制波長分量的偏振狀態，以耦合至繞射光導板。因此，光學膜可改善繞射光導板的耦合效率並減少串擾。
光學膜可在可見光波長區域中具有吸收帶。在本說明書中，可見光可指波長範圍為約380nm至750nm的光線。在本說明書中，「吸收帶(absorption band)」可指當已經測量到波長的吸光度(absorption)或透光率(transmittance)時，包含展現最高吸光度的點或展現出最低透光率的點的波長之波長帶。在一實例中，本文的吸收帶可指在波長的透射光譜(transmittance spectrum)中，該點的波長帶展現出約20％或更低的透光率。波長帶的寬度可為例如約20nm或更大。
在一實例中，光學膜的吸收帶可包括紅色波長區域、綠色波長區域和藍色波長區域的一或多個波長區域。在本說明書中，紅色波長區域可指約620nm至750nm，綠色波長區域可指約495nm至570nm，且更具體而言為500nm至570nm，以及藍色波長區域可指約450nm至495nm，更具體而言為450nm至490nm。在一實例中，光學膜可具有在波長區域之組合中的任何一個波長區域中的吸收帶，或者可具有在波長區域之組合中的兩個波長區域的組合中的吸收帶。
由於光學膜在可見光波長區域中具有吸收帶，當光學膜與繞射光導板一起使用時，如下所述，它可吸收透射的殘餘光而不耦合到繞射光導板，藉以進一步抑制串擾。
在一實例中，光學膜可依序包括第一延遲膜(10)、彩色濾光層(color filter layer)(30)與第二延遲膜(20)，如圖1所示。第一延遲膜可滿足以上方程式1且具有四分之一波相位延遲特性。彩色濾光層可包括在可見光波長區域具有吸收帶的染料。第二延遲膜可滿足以上方程式1且具有四分之一波相位延遲特性。在本說明書中，四分之一波相位延遲特可指波長為550nm的光之面內延遲值為130nm至200nm或130至180nm或130至150nm。本申請案的光學膜具有基於彩色濾光層的垂直對稱結構，因而可最小化發生在薄膜中的捲曲(curling)。
在一實例中，第一延遲膜與第二延遲膜可具有多層結構，其包括具有半波相位延遲特性的第一液晶層以及具有四分之一波相位延遲特性的第二液晶層。此多層結構可有利於實現寬帶相位延遲特性(broadband phase retardation characteristic)。
圖2說明性地顯示光學膜，其依序包括具有第一液晶層(101)與第二液晶層(102)的第一延遲膜、彩色濾光層(30)以及具有第二液晶層(201)與第一液晶層(202)的第二延遲膜。
在一實例中，第一延遲膜的光軸與第二延遲膜的光軸可彼此平行。據此，光學膜有利於實現半波相位延遲特性作為第一延遲膜和第二延遲膜的相位延遲特性之和。
在下文中，當描述第一液晶層與第二液晶層時，除非特別聲明，否則描述內容可共同地應用於分別包含在第一延遲膜和第二延遲膜中的第一液晶層和第二液晶層。
在一實例中，第二液晶層可比第一液晶層更接近彩色濾光層。經由此結構，光學膜可有利於實現半波相位延遲特性。
在一實例中，第一液晶層的光軸與第二液晶層的光軸彼此形成55度至65度、57度至63度或59度至61度。據此，實現滿足以上方程式1且具有四分之一波相位延遲特性的延遲膜可為更有利的。
在一實例中，基於橫向(transverse direction) (TD，與機械流動方向垂直的方向)或縱向(longitudinal direction)(MD；機械方向，機械流動方向)，第一液晶層的光軸可形成12.5度至17.5度且第二液晶層的光軸可形成72.5度至77.5度。據此，實現滿足方程式1且具有四分之一波相位延遲特性的延遲膜可為更有利的。在一實例中，縱向可指光學膜的縱向，橫向可指光學膜的寬度方向。
在一實例中，第一與第二液晶層各自可具有反向波長色散特性、正常波長色散特性(normal wavelength dispersion characteristic)或平坦波長色散特性(flat wavelength dispersion characteristic)。在本說明書中，反向波長色散特性可指滿足以上方程式1特性。正常波長色散特性可指滿足下列方程式3的特性，以及平坦波長色散特性可指滿足下列方程式4的特性。
[方程式3]
R(650)/R(550) ＜ R(450)/R(550)
[方程式4]
R(650)/R(550) ≒ R(450)/R(550)
在方程式3與4中，R (λ)為光學膜、延遲膜或液晶層對於波長λ nm的光之面內延遲值。
第一與第二液晶層各自可包括液晶化合物。液晶化合物可為可聚合液晶化合物。在一實例中，第一與第二液晶層可包括聚合形式的可聚合液晶化合物。在本說明書中，術語「可聚合液晶化合物」可指含有能展現液晶性(liquid crystallinity)的部分(moiety)(例如液晶原骨架(mesogen skeleton))且亦含有一或多個可聚合官能基之化合物。此外，用語「聚合形式的可聚合液晶化合物」可指液晶化合物聚合形成液晶層中液晶聚合物的主鏈或側鏈等骨架的狀態。在一實例中，第一液晶層與第二液晶層可各自包括處於水平位向狀態(horizontally oriented state)的液晶化合物。
第一與第二液晶層可各自包括非聚合狀態的可聚合液晶化合物，或可另包括已知的添加物，例如可聚合非液晶化合物、穩定劑、非可聚合非液晶化合物或起始劑。
在一實例中，第一液晶層與第二液晶層可各自具有在平面慢軸方向的折射率和在平面快軸方向的折射率之間的差值，範圍在0.05至0.2、0.07至0.2、0.09至0.2或0.1至0.2。在本文中，平面慢軸方向的折射率可指顯示在液晶層的平面中最高折射率之方向的折射率，以及平面快軸方向的折射率可指顯示在液晶層的平面上最低折射率之方向的折射率。通常，在光學異向性液晶層中，快軸和慢軸形成在彼此垂直的方向上。各個折射率可為對波長為550 nm或589 nm的光所測量的折射率。例如，使用來自Axomatrix的Axoscan，根據製造商手冊，可測量折射率差值。
在一實例中，第一與第二液晶層可各自具有約0.5μm至2.0μm或約0.5μm至1.5μm的厚度。
具有折射率和厚度關係的液晶層可實現適合於所應用之應用的相位延遲特性。
第一與第二延遲膜各自可藉由在第一液晶層上塗覆第二液晶層的方法而形成。第一液晶層可藉由在下列所述之基底層上塗覆第一液晶層的方法而形成。
彩色濾光層可為含有染料與壓力敏感黏著樹脂的壓力敏感黏著層(pressure-sensitive adhesive layer)。考量本申請案所需的彩色濾光層的吸收帶與厚度等，可適當地控制染料的含量。相對於100重量份的壓力敏感黏著樹脂，染料的含量可包含在例如0.5至20重量份的範圍中。具體而言，相對於100重量份的壓力敏感黏著樹脂，染料的含量可為0.5重量份或更多、1重量份或更多、或2重量份或更多，並且含量可為20重量或更少、10重量份或更少、7.5重量份或更少、或5重量份或更少。由於它在此含量範圍內用於繞射光導板層積，因此可適合於減少串擾(crosstalk)。
可使用選自由下列所組成之群組的一或多種染料作為染料：蒽醌(anthraquinone)染料、次甲基(methine)染料、甲亞胺(azomethine)染料、噁嗪(oxazine)染料、偶氮染料、苯乙烯基(styryl)染料、香豆素(coumarin)染料、卟啉(porphyrin)染料、二苯並呋喃酮(dibenzofuranone)染料、二酮基吡咯並吡咯(diketopyrrolopyrrole)染料、玫瑰紅(rhodamine)染料、
Figure 107133618-A0304-12-01
Figure 107133618-A0304-12-02
(xanthene)染料和pyrromethene染料。
染料可在可見光波長區域中具有吸收帶或吸收峰。在本說明書中，吸收峰可指當測量到波長的吸光度或透光率時，展現出最高吸光度的點或展現出最低透光率的點之波長。染料的吸收帶或吸收峰可包含在光學膜或彩色濾光層的吸收帶中。
可使用單一染料或混合染料作為彩色濾光層中包含的染料。在一實例中，在光學膜或彩色濾光層中，如果需要稍寬波長區域中的吸收帶，則亦可使用具有窄波長區域中的吸收帶的複數個染料的混合物。壓力敏感黏著樹脂可包含選自由下列所組成之群組中的一或多個：丙烯酸樹脂、聚矽氧(silicone)樹脂、酯樹脂、胺基甲酸乙酯(urethane)樹脂、醯胺樹脂、醚樹脂、氟樹脂和橡膠樹脂。
壓力敏感黏著層可具有7μm至30μm的厚度。當壓力敏感黏著層的厚度在上述範圍內時，從膜之間的附接可靠性的觀點來看，其可為有利的。
在一實例中，可藉由經由壓力敏感黏著層附接第一延遲膜與第二延遲膜而產生光學膜。
光學膜可另包括基底層。在一實例中，如圖3所示，光學膜可另包括分別在第一延遲膜(10)與第二延遲膜(30)之外側上的第一基底層(40)與第二基底層(50)。在本說明書中，「外側」可指彩色濾光層存在的一側之對側。
可使用膜基底材料作為基底層。可使用具有光學透明性的基底材料作為基底層。可使用調整面內延遲值以使對偏振的影響最小化的基底層作為基底層。在一實例中，可使用等向膜作為基底層。在本說明書中，等向性可指面內延遲值為10nm或更小的特性。可使用PC(聚碳酸酯(polycarbonate))膜、TAC(三乙醯纖維素(triacetyl cellulose))膜或COP(環烯烴共聚物(cycloolefin copolymer))膜與類似物作為等向膜。在另一實例中，作為基底層，可使用超延遲膜(super retardation film，SRF)。此SRF可具有約1000nm或更大的面內延遲值。可使用PET(聚對苯二甲酸乙酯(polyethyleneterephtalate))膜作為SRF。在一實例中，若等向膜或超延遲膜包括UV添加劑，則其可有利於可靠性。
光學膜可另包括抗反射層。在一實例中，光學膜可另包括分別在第一延遲膜與第二延遲膜之外側上的第一抗反射層與第二抗反射層。當光學膜在第一延遲膜和第二延遲膜的外側上另包括諸如基層的其他層時，第一抗反射層和第二抗反射層可存在於光學膜的最外側。圖4說明性地顯示光學膜，其包括在圖3的光學膜的最外側上之第一抗反射層(60)和第二抗反射層(70)。
光學膜可經由抗反射層改善光學膜的透光率。在一實例中，可藉由濕塗覆方法或沉積方法，產生抗反射層。如下所述，當光學膜另包括阻障層時，就改善透光率而言，使用沉積方法的抗反射層可為有利的。
可使用低折射層作為抗反射層。例如，可使用低折射無機材料作為適合沉積方法的抗反射層之材料。可使用對於波長550nm具有折射率約1.45或更小或1.40或更小之材料作為低折射無機材料。低折射無機材料的實例可為例如金屬氟化物與類似物。金屬氟化物的具體實例可為氟化鎂(MgF2 )與類似物。適合用於濕塗覆方法(溶液方法)的抗反射層之材料可為例如有機結合劑與低折射粒子的混合物。可使用光可聚合化合物的(共)聚合物作為有機結合劑，其中其具體實例可為丙烯酸酯樹脂(acrylic resin)。可使用對於波長550nm具有約1.45或更小或是1.40或更小之折射率的粒子作為低折射粒子。低折射率粒子可為中空氧化矽(hollow silica)、中孔氧化矽(mesoporous silica)與類似物。
光學膜可另包括阻障層。在一實例中，光學膜可包括第一阻障層於第一延遲膜的一側上，並且可包括第二阻障層於第二延遲膜的一側上。在一具體實例中，如圖5所示，光學膜可包括位於第一延遲膜(10)與彩色濾光層(30)之間的第一阻障層(80)，並且可另包括位於第二延遲膜(20)與彩色濾光層(30)之間的第二阻障層(90)。在另一具體實例中，如圖6所示，光學膜可包括第一阻障層(80)於第一延遲膜(10)的外側上，並且可另包括第二延遲膜的第二阻障層(90)。在此時，當光學膜另包括其他層，例如第一延遲膜與第二延遲膜之外側上的基底層，第一阻障層與第二阻障層可比其他層更接近第一延遲膜與第二延遲膜。
光學膜可改善經由阻障層的耐光性(light resistance)。例如，染料可以與空氣中的氧氣反應引起降解，其中可經由阻障層降低降解的發生。可使用氣體阻障層作為阻障層。
可使用具有防止氧氣、水分、氮氧化物、硫氧化物或臭氧在大氣中滲透的功能的層作為阻障層。可適當地選擇與使用具有防止諸如水分和氧氣之物質的功能的材料(其由進入元件促使元件降解)作為阻障層的材料。
在一實例中，阻障層可包括金屬(例如In、Sn、Pb、Au、Cu、Ag、Al、Ti與Ni)；金屬氧化物(例如TiO、TiO2 、Ti3 O3 、 Al2 O3 、MgO、SiO、SiO2 、GeO、NiO、CaO、BaO、Fe2 O3 、Y2O3 、ZrO2 、Nb2 O3 與CeO2 )；金屬氮化物(例如SiN)；金屬氧氮化物(例如SiON)；金屬氟化物(例如MgF2 、LiF、AlF3 與CaF2 )；聚合物(例如聚丙烯酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚亞醯胺、聚脲(polyurea)、聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯(polychlorotrifluoroethylene)或聚二氟二氯乙烯(polydichlorodifluoroethylene)、或聚三氟氯乙烯與聚二氟二氯乙烯的共聚物；共聚合聚四氟乙烯與包括至少一共單體(comonomer)的共單體混合物所得之共聚物；在共聚主鏈中具有環狀結構的含氟共聚物；吸收率為1％或更高的吸收材料；以及吸濕係數為0.1％或更低的防濕材料。
在一實例中，阻障層可為單層結構或多層結構。單層結構可包括例如一阻障層材料，或亦可包括二或多種阻障層材料的混合物。當光學膜包括阻障層時，由於光吸收和折射率不匹配，因而透光率降低，從而性能可能劣化。在此情況下，當使用藉由具有高塗覆膜密度的沉積方法(例如濺鍍方法)之抗反射層時，可改善耐光性而不降低透光率。包括抗反射層的膜可具有例如1 g/m2 /天或更小的水蒸氣傳送率(water vapor transmission rate，WVTR)。
本申請案亦是關於包括該光學膜的光學元件。本申請案的例示光學元件可包括光學膜與繞射光導板。在一實例中，光學元件可包括複數個繞射光導板以及位在該複數個繞射光導板之間的光學膜。在具體實例中，光學元件可依序包括至少二個繞射光導板，並且可包括在該至少二個繞射光導板之間的光學膜。可用疊置狀態(superposed state)層疊兩個繞射光導板。因此，在入射到其上之後穿過至少二個繞射光導板的任何一個繞射光導板的光可入射在剩餘的繞射光導板上。
在本說明書中，繞射光導板可指包括複數個繞射光元件(diffractive optical element，DOE)的光導板。繞射光導板可由塑膠或玻璃的薄平板形成。在本說明書中，繞射光導板可指使用藉由週期性結構繞射的元件。繞射光學元件可簡稱為繞射光柵(diffraction grating)或DOE。
圖7說明性地顯示繞射光導板(100)的結構以及耦合至繞射光導板內部或外部的波長帶λ1 (由箭號表示)之全內反射(total internal reflection)。繞射光導板(100)可包括二或多個繞射光柵，例如將光線耦合至繞射光導板中的輸入繞射光柵(input diffraction grating)(10A)以及將光線繞射到繞射光導板外的出射繞射光柵(outgoing diffraction grating)(10B)。在圖7中，已經將繞射光柵(10A、10B)顯示為附接在繞射光導板之基板(10C)的下表面內的透射繞射光柵(transmissive diffraction grating)。
來自光源(300)的波長帶λ1的光線可以經由透鏡或類似物而準直(collimated)，並且可藉由輸入繞射光柵(10A)以入射角θ1耦合到基板(10C)。輸入繞射光柵(10A)可將波長帶重定向(redirect)至繞射角θ2。可控制折射率n2、入射角θ1和繞射角θ2，使得波長帶λ1的光線在基板(10C)內受到內部全反射(internal total reflection)。波長帶λ1的光線可在基板(10C)的表面上反射，直到它們到達出射繞射光柵(10B)，並且波長帶λ1的光線可以從基板(10C)朝向眼睛盒(eye box)(500)繞射。
繞射光導板的DOE對光學偏振敏感。因此，藉由選擇性控制進入繞射光導板DOE之波長帶的偏振光，與繞射光導板匹配的波長帶可高效率地耦合至DOE。在另一方面，未匹配的波長帶可用大的寬度或完全不受影響的方式通過繞射光導板。雖然在本文中描述使用DOE的實例，然而可理解繞射光導板可包括全像(hologram)、表面浮雕光柵(surface relief grating)或光學元件之其他類型的週期性結構(periodic structures of holograms)以及DOE。此結構可稱為「光柵(optical grating)」。
可將繞射光導板匹配或優化至特定波長帶。根據下列方程式5的晶格方程確定該關係。
[方程式5]
mλ = p(n1sinθ1 + n2 sinθ2)
在本文中，m是指繞射級，λ是指與光導板或繞射光柵匹配的波長帶，p是指晶格週期，n1是指入射介質的折射率，n2是指光導板的折射率，θ1是指入射角，θ2是指繞射角。
藉由改變諸如光導板的光柵週期p和折射率n2之類的參數，可將包括輸入繞射光柵和出射繞射光柵的特定繞射光導板與特定波長帶匹配。亦即，特定波長帶可耦合至匹配的繞射光導板，其具有比其他波長帶更高的耦合效率。
入射在繞射光柵上的光的偏振光可藉由其電磁場相對於入射平面的方向而定義。平面可藉由晶格法向量(lattice normal vector)以及來自照射光源的傳播向量(propagation vector)而定義。傳播向量為繞射光導板上的光之K-向量掃描。晶格向量為繞射光柵之平面中的向量，其定義晶格線的方向。如本文所使用，術語「E狀態」是指沿著晶格向量之波長帶的電場分量為零的偏振狀態。如本文所使用，術語「M狀態」是指沿著晶格向量之磁場分量為零的偏振狀態。入射在繞射光導板的繞射光柵上的波長帶之偏振光受到控制且在E狀態和M狀態之間變化。在一實例中，入射在繞射光柵上的偏振M狀態的波長帶通過包含繞射光柵的光導板，而入射在繞射光柵上的偏振E狀態的波長帶耦合至包含繞射光柵的光導板中。繞射光導板的耦合或繞射原理是已知的，其可參考韓國專利公開案第2015-0071612號中揭露的內容。
在一實例中，該至少二個繞射光導板可在待耦合(或匹配)的波長帶彼此不同。彼此不同的波長帶可存在可見光區域中。
在一實例中，在至少二個繞射光導板中，光學膜的吸收帶和任何一個繞射光導板的耦合波長帶可具有彼此重疊的區域。光學膜的吸收帶可具有彼此重疊的區域，其中波長帶耦合到至少二個繞射光導板中與光學膜相鄰的繞射光導板。
在一具體實例中，光學膜的吸收帶可具有彼此重疊的區域，該區域具有最近的繞射光導板之耦合波長帶，光經其傳送至光學膜側。由此，光學膜可吸收未耦合在繞射光導板中並被傳送的剩餘光，因而可進一步抑制串擾。
此外，較佳可為光學膜的吸收帶不具有彼此重疊的區域，該區域具有最近的繞射光導板的耦合波長帶，光經其通過光學膜而入射。這是因為當吸收波長區域中的光線以耦合到繞射光導板時，到達觀察者眼睛的光線之強度可能會減弱。
在一實例中，光學元件可包括至少三個繞射光導板，並且可包括位於該至少三個繞射光導板之間的至少二個光學膜。圖8說明性顯示此光學元件。光學元件可依序包括第一繞射光導板(200A)、第二繞射光導板(200B)以及第三繞射光導板(200C)。第一光學膜(100A)可位於第一繞射光導板(200A)與第二繞射光導板(200B)之間。第二光學膜(100B)可位於第二繞射光導板(200B)與第三繞射光導板(200C)之間。在一實例中，第一繞射光導板、第二繞射光導板與第三繞射光導板可分別匹配藍色、綠色與紅色波長帶。此時，當來自光源的光先入射在第一繞射光導板上時，第一光學膜可具有藍光的吸收帶，且第二光學膜可具有藍光與綠光的吸收帶。
本申請案亦是關於一種包括光學膜或光學元件的成像裝置。成像裝置可包括光源以及位於該光源之出射處上的光學元件。光學元件可使來自光源的光到達眼睛盒或是觀察者的眼睛。
有許多影像產生技術可用於實現成像裝置。可使用透射掃描技術(transmissive scanning technique)實現成像裝置，其中藉由白光背光光學活性材料(white light backlight optically active material)調節光源。通常使用具有強背光和高光學能量密度的LCD型顯示器來實現此技術。亦可使用反射技術來實現成像裝置，其中藉由活性材料反射且光學調節外部光。取決於該技術，由白色光源或RGB光源從頂部照亮。Qualcomm的數位光處理(Digital light processing)(以下簡稱DLP)、矽上液晶(liquid crystal on silicon)(以下簡稱LCOS)和Mirasol顯示技術是有效的反射技術之實例，其中從調節結構反射大部分能量，該調節結構可用於本系統中。
成像裝置可另包括位於光學元件與光源之間的透鏡。透鏡可將來自光源的光引導至光學元件。透鏡可為準直透鏡(collimate lens)。
從光源發出的光可為非偏振光、E狀態偏振光或M狀態偏振光。成像設備可另包括位於光學元件和光源之間的偏振開關。偏振開關可將入射偏振光的所有波長帶或一些波段的偏振方向切換90度。
在一實例中，成像裝置可為平視顯示裝置(head-up display device，HUD)。成像裝置可具有眼部配戴類型(eyewear type)。在一實例中，成像裝置可作為擴增虛擬實境(augmented reality)設備。成像裝置可用於在物理環境中顯示實際物體和虛擬影像的混合。此影像裝置藉由將本申請案的光學膜與繞射光導板一起應用而防止串繞並且改善繞射效率。
圖9說明性顯示使用本申請案之光學元件之耦合效率改良與串擾降低原理。依序配置光源(LcoS)(300)、匹配藍光波長的第一繞射光導板(200A)、匹配綠光波長的第二繞射光導板(200B)以及匹配紅光波長的第三繞射光導板(200C)。對於藍光具有吸收帶的第一光學膜(100A)位於第一繞射光導板與第二繞射光導板之間，以及對於綠光與藍光具有吸收帶的第二光學膜(100B)位於第二繞射光導板與第三繞射光導板之間。
將穿過繞射光導板而不耦合至繞射光導板的M偏振狀態之振動方向假設為0度，並且將耦合之E偏振狀態的振動方向假設為90度。從光源(LCos)(300)發出紅色、綠色與藍色波長至0度偏振狀態(M偏振狀態)。當光穿過偏振開關(400)時，紅色波長和藍色波長被轉換為90度偏振狀態(E偏振態)。當紅色、綠色和藍色波長穿過第一繞射光導板(200A)時，藍色波長與其耦合。藉由第一繞射光導板，藍色波長可到達眼睛盒或觀察者的眼睛(500)。經傳送且未耦合至第一繞射光導板的剩餘藍光被第一光學膜(100A)吸收。在穿過第一繞射光導板(200A)的紅色和綠色波長中，它們的偏振方向被第一光學膜(100A)旋轉90度。而後，綠色波長藉由第二繞射光導板(200B)耦合，以及紅色波長穿過第二繞射光導板(200B)。藉由第二繞射光導板，綠色波長可到達眼睛盒或觀察者的眼睛(500)。而後，經傳送且未耦合至第二繞射光導板(200B)的剩餘綠色波長與剩餘藍色波長被第二光學膜(100B)吸收。在紅色波長中，其偏振方向被第二光學膜(100B)旋轉90度。而後，紅色波長耦合至第三繞射光導板(200A)。藉由第三繞射光導板，紅色波長可到達眼睛盒或觀察者的眼睛(500)。因此，經由本申請案的光學膜，每一個繞射光導板可用高耦合效率耦合匹配的波長，藉以減少串擾。
只要成像裝置包括本申請案的光學膜或光學元件，其他部分或結構等不特別受限，其中在此領域中已知的所有內容均可予以適當地應用。 有利效果
本申請案的光學膜不僅在可見光區域中展現寬帶偏振轉換特性，亦在可見光區域中具有吸收帶。此光學膜可應用於成像裝置(例如擴增虛擬實境設備)作為光學元件(例如繞射光導板層積)以抑制串擾。
在下文中，將藉由實例具體描述本申請案，然而本申請案的範圍不受限於以下實例。
評估實例1. 寬帶相位延遲特性評估
參考實例1
製備一種光學膜，其具有一種結構，其中具有R(650)/R(550)值大於R(450)/R(550)值(反向色散特性)和四分之一波相位延遲特性的第一與第二延遲膜藉由壓力敏感黏著層(AD701產品來自LG Chemical，丙烯酸壓力敏感黏著劑)而結合在一起，使得它們的光軸彼此平行。具體而言，第一延遲膜具有第一液晶層多層結構與第二液晶層的多層結構，第一液晶層具有半波相位延遲特性(對於波長550nm的Rin值為275nm)且相對於參考軸(橫向)的光軸為15度，第二液晶層具有四分之一波相位延遲特性(對於波長550nm的Rin值為137.5nm)且相對於參考軸(橫向)的光軸為75度。第二延遲膜的製備方法與第一延遲膜的製備方法相同。在第一與第二延遲膜的結合中，結合具有四分之一波延遲特性的第二液晶層以與壓力敏感黏著層接觸。
參考實例2
製備延遲膜(來自Teijin Company的聚碳酸酯拉伸膜)作為參考實例2的光學膜，延遲膜具有R (650)/R (550)值小於R (450)/R (550)值(正常色散特性(normal dispersion characteristic))以及半波相位延遲特性。
對於參考實例1與參考實例2分別製備的光學膜，經由20μm後的壓力敏感黏著劑藉由附接每一個光學膜與偏振膜而製備樣品，使得光學膜的光軸與偏振膜的吸收軸之間的角度為45度。關於樣品，藉由使用JASCO Co.的透射光譜測量儀器旋轉光源的偏振器的方法，測量波長380nm至780nm的吸收軸透光率(absorption axis transmittance)和透射軸透光率(transmission axis transmittance)以測量最小透光率與最大透光率，結果如表1與圖10所示。圖10的圖(A)顯示吸收軸透光率，圖(B)顯示透射軸透光率。可確認相較於具有正常散射特性的參考實例2，具有反向散射特性的參考實例1在整個可見光波長區域中具有偏振轉換特性並且具有優異特性。
[表1]
Figure 107133618-A0304-0001
評估實例2. 可見光吸收特性評估 評估包含染料之壓力敏感黏著層的可見光吸收特性。
圖11顯示在窄波長區域中具有吸收帶的四種染料對於波長的透光率圖(x軸：波長[nm]，y軸：透光率[%])。染料1、染料2、染料3與染料4分別為Yamada Chemical的FDB005、FDB006、FDG003與FDG007產品。在壓力敏感黏著層中，丙烯酸樹脂(來自LG Chemical的AD701產品)作為壓力敏感黏著樹脂。
圖12顯示包含染料的壓力敏感黏著層之透光率圖(x軸：波長[nm]，y軸：透光率[%])。如圖12所示，減綠色(Green cut)可能使用染料4，減綠色-藍色(Green-Blue cut)可能混合染料1、染料2、染料3與染料4，以及減藍色(Blue cut)可能混合染料1、染料2與染料3。
評估實例3. 耐光性評估
實例1
如同實例1，製備具有圖4之結構的光學膜。第一延遲膜與第二延遲膜的製備方法與參考實例1的製備方法相同。然而，包含染料4的壓力敏感黏著層作為結合第一延遲膜與第二延遲膜的壓力敏感黏著層。使用丙烯酸樹脂(來自LG Chemical的AD701)作為壓力敏感黏著層的壓力敏感黏著樹脂，以及相對於100重量份的壓力敏感黏著樹脂，染料添加量約3.5重量份。使用無機低折射(MgF2 )材料，應用濺鍍型(sputter-type)抗反射層 (來自Dexerials的清晰型AR1.5級)作為第一與第二抗反射層中的每一個。
實例2
用與實例1相同的方法製備光學膜，差別在於在實例1的光學膜之生產中，使用溶液型PETA(新戊四醇三丙烯酸酯(pentaerythritol triacrylate))有機結合劑與中空氧化矽(hollow silica)的混合材料替代濺鍍型抗反射層，應用抗反射層(DNP的DSG03級)作為第一與第二抗反射層中的每一個。
關於實例1與2，在耐光性測試(Atlas Ci3000)之後，使用波長420 nm的光，強度為1.2 W/m2 ，於40°C評估根據波長的透光率，結果如圖13所示。圖13中的圖(A)為實例1的透光率圖，圖(B)為實例2的透光率圖。當具有高塗覆膜密度的濺鍍型抗反射層使用於實例1中時，可確認在相較於藉由實例2中的濕塗覆方法使用抗反射層的情況，在耐光性測試100小時之後，相對於一開始，可改善耐光性而不降低透光率。
評估實例4. 串擾評估
實例3
製備具有圖9之結構的成像裝置。具體而言，從光源(LcoS)(300)依序配置匹配藍色波長的第一繞射光導板(200A)、匹配綠色波長的第二繞射光導板(200B)以及匹配紅色波長的第三繞射光導板(200C)。對於藍光具有吸收帶的第一光學膜(100A)位於第一繞射光導板與第二繞射光導板之間，以及對於綠光及藍光具有吸收帶的第二光學膜(100B)位於第二繞射光導板與第三繞射光導板之間。
比較例1
如比較例1，製備繞射光導板層積，其中從光源(LcoS)(300)依序配置匹配藍色波長的第一繞射光導板(200A)、匹配綠色波長的第二繞射光導板(200B)以及匹配紅色波長的第三繞射光導板(200C)。然而，實例1的第一與第二光學膜沒有位於繞射光導板之間。
藉由操作光源與測量從繞射光導板層積發光的那側上的光強度，可評估串擾。在實例3中，RGB區域顯示均勻且高的光強度(亮度)，而在比較例1中，RGB區域中的顏色不均勻且光強度亦降低。
10‧‧‧第一延遲膜 20‧‧‧彩色濾光層 30‧‧‧第二延遲膜 101、201‧‧‧第一液晶層 102、202‧‧‧第二液晶層 40‧‧‧第一基底層 50‧‧‧第二基底層 60‧‧‧第一抗反射層 70‧‧‧第二抗反射層 80‧‧‧第一阻障層 90‧‧‧第二阻障層 100‧‧‧繞射光導板 10A‧‧‧輸入繞射光柵 10B‧‧‧出射繞射光柵 10C‧‧‧基板 100A‧‧‧第一光學膜 100B‧‧‧第二光學膜 200A‧‧‧第一繞射光導板 200B‧‧‧第二繞射光導板 200C‧‧‧第三繞射光導板 300‧‧‧光源 400‧‧‧偏振開關 500‧‧‧眼睛盒(觀察者)
圖1說明性顯示本申請案的光學膜。
圖2說明性顯示本申請案的光學膜。
圖3說明性顯示本申請案的光學膜。
圖4說明性顯示本申請案的光學膜。
圖5說明性顯示本申請案的光學膜。
圖6說明性顯示本申請案的光學膜。
圖7說明性顯示繞射光導板的結構以及耦合至繞射光導板的內部或外部之光線的全內反射。
圖8說明性顯示本申請案的光學元件。
圖9說明性顯示使用本申請案的光學元件之耦合效率改良與串擾降低原理。
圖10為參考實例1和參考實例2之波長的吸收軸透光率(A)和透射軸透光率(B)圖。
圖11為對於波長具有不同吸收帶的四種染料的透光率圖。
圖12為含有染料的壓力敏感黏著層對於波長的透光率圖。
圖13為實例1(A)與實例2(B)在耐光性測試之後對於波長的透光率圖。
10‧‧‧第一延遲膜
20‧‧‧彩色濾光層
30‧‧‧第二延遲膜

Claims (17)

  1. 一種滿足下列方程式1之光學膜，該光學膜具有半波相位延遲特性且具有在可見光波長區域中的吸收帶：[方程式1]R(650)/R(550)>R(450)/R(550)其中，R(λ)為該光學膜對於波長λ nm之光的面內延遲值(in-plane retardation value)，其中該吸收帶係指在波長的透射光譜(transmittance spectrum)中展現出20%或更低的透光率的點的波長帶。
  2. 如申請專利範圍第1項之光學膜，其中該光學膜的該R(650)/R(550)值為1.01至1.19，以及該光學膜的該R(450)/R(550)值為0.81至0.99。
  3. 如申請專利範圍第1項之光學膜，依序包括第一延遲膜，其滿足方程式1且具有四分之一波相位延遲特性；彩色濾光層(color filter layer)，其包含染料，該染料具有在該可見光波長區域內的吸收帶；以及第二延遲膜，其滿足方程式1且具有四分之一波延遲特性。
  4. 如申請專利範圍第3項之光學膜，其中該第一延遲膜的光軸與該第二延遲膜的光軸彼此平行。
  5. 如申請專利範圍第3項之光學膜，其中該第一延遲膜與該第二延遲膜各自包括多層結構，該多層結構包含具有半波相位延遲特性的第一液晶層與具有四分之一波相位延遲特性的第二液晶層。
  6. 如申請專利範圍第5項之光學膜，其中該第二液晶層係經配置而比該第一液晶層更接近該彩色濾光層。
  7. 如申請專利範圍第5項之光學膜，其中該第一液晶層的該光軸與該第二液晶層的該光軸彼此形成55度至65度。
  8. 如申請專利範圍第5項之光學膜，其中，基於該光學膜的橫向或縱向，該第一液晶層的該光軸形成12.5度至17.5度，以及該第二液晶層的該光軸形成72.5度至77.5度。
  9. 如申請專利範圍第3項之光學膜，其中該彩色濾光層為壓力敏感黏著層，其包括該染料與壓力敏感黏著樹脂。
  10. 如申請專利範圍第3項之光學膜，其進一步包括分別在該第一延遲膜與該第二延遲膜之外側上的第一基底層與第二基底層。
  11. 如申請專利範圍第3項之光學膜，其進一步包括分別 在該第一延遲膜與該第二延遲膜之外側上的第一抗反射層與第二抗反射層。
  12. 如申請專利範圍第3項之光學膜，其進一步包括在該第一延遲膜之一側上的第一阻障層以及在該第二延遲膜之一側上的第二阻障層。
  13. 一種光學元件，其依序包括至少二個繞射光導板並且包括如申請專利範圍第1項之該光學膜，該光學膜位於該至少二個繞射光導板之間。
  14. 如申請專利範圍第13項之光學元件，其中該至少二個繞射光導板具有待耦合之不同的波長帶。
  15. 如申請專利範圍第13項之光學元件，其中該光學膜的該吸收帶以及耦合至與該光學膜相鄰的該繞射光導板的該光的該波長帶具有彼此重疊的區域。
  16. 一種成像裝置，其包括光源以及如申請專利範圍第13項之該光學元件，該光學元件位於該光源的光出射側上。
  17. 如申請專利範圍第16項之成像裝置，其中該成像裝置包括擴增虛擬實境(augmented reality)設備。
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