反射式偏振片偏振光学应用——折反式VR专利解读及案例分析

2023-11-04 03:34:00 来源 : haohaofanwen.com 投稿人 : admin

下面是好好范文网小编收集整理的反射式偏振片偏振光学应用——折反式VR专利解读及案例分析，仅供参考，欢迎大家阅读！

反射式偏振片

本篇文章探讨偏振光学在VR中的应用，主要是针对利用偏振特性实现光路折叠的折反式 VR光学方案的专利解读，并结合专利中的某一个方案进行光学建模及分析。本文会涉及到反射式偏振片（膜）、1/4相位延迟片，以及线偏振光和圆偏振光的应用。

1）背景介绍

如图1所示，常见的VR光学方案是采用单片折射式透镜，一般是采用非曲面透镜或菲涅尔透镜。从功能上来说，VR透镜就是一个放大镜，将显示器件（LCD、OLED等）上的图像放大，在用户眼前的一定距离上形成一个放大的虚像。

图1 单片折射式透镜VR光学方案

图1中的非球面透镜的厚度通常是在10~15mm左右，透镜右侧表面顶点距离显示器表面大概是30~40mm左右，用户的眼睛距离透镜左侧表面顶点大概是15~20mm左右。因此，图1中的光路总长（从用户眼睛到显示器）大概是60mm左右。考虑到VR头戴显示器的硬件电路和结构设计，其整体厚度在80mm左右，整机重量在400g~500g左右。将接近一斤重的东西放在头上，佩戴半小时以上会是怎样一种感受？相信体验过VR头显的读者应该深有体会。

即使将非球面透镜换成菲涅尔透镜，其厚度也不过只能减小8mm左右，作用相当有限。为了能够显著减小VR头显的整体厚度，最可行的方案就是将VR光路总长显著减小，本文将要解读的专利中的光学方案就可以实现这个目标。

2）专利解读

本文的专利解读是基于3M公司已经公布的专利US20190235235A1。有想要这篇专利的小伙伴可以在私信我哦。

为了有效减小VR光路总长，考虑把单片折射式透镜更换为折反式光学方案，利用光的反射来缩短光路总长，如图2所示。图2所示方案是3M专利其中的一种，其他方案详见专利。

图2 3M专利中的折反式VR光学方案

下面根据图2解释该光学方案的工作原理。该方案包含有两个弯月形透镜（Lens 1912、Lens 1922）和一个显示面板（Panel1989），1935是入瞳面，可以认为是用户的眼睛瞳孔所在的位置。为了解释方便，将Lens 1912称为透镜1，将Lens 1922称为透镜2。

我们从光学设计的角度来分析光线的传播方向，即光线从入瞳面1935发出，穿过透镜1的左侧表面11和右侧表面12后，入射至透镜2的左侧表面21后发生部分反射（表面21镀有部分反射膜），然后入射至透镜1的右侧表面12后发生偏振反射（表面12镀有反射偏振片和1/4相位延迟片），然后再穿过透镜2，最终到达显示面板表面1930。实际的光线传播方向与上述路径刚好相反，即光线从显示面板发出，最终到达用户的瞳孔（入瞳面1935）。

透镜2的左侧表面21镀有部分反射膜（partial reflector），部分反射膜的作用是既可以透过一部分光线，又可以反射一部分光线，最典型的就是半反半透膜。部分反射膜可以是金属膜，可以是介质膜，也可以是两者的混合膜层。需要注意的是，部分反射膜不改变光的偏振特性。

透镜1的右侧表面镀有反射偏振膜（Reflective polarizer）和1/4相位延迟片（Quarter wave retarder，业内习惯称之为相位延迟片或者波片）。这里所说的“镀”并不是传统意义上的镀膜技术。专利中有说到，反射偏振膜是事先制备好的平面膜层，然后通过热弯成型技术使其成为特定的二维曲面，并不是直接在透镜的二维曲面上直接镀膜的。需要注意的是，1/4相位延迟片必须要在反射偏振膜的上面，如果顺序反了，该系统就不能正常工作了。

既然采用了偏振反射，该系统中的成像光束都应该是偏振光，那么显示面板发出的光也必须是偏振光。虽然专利中并未明确说明显示面板采用的是哪种偏振光，但通过分析，可以推断该方案中的显示面板发出的只可能是圆偏振光（左旋或右旋圆偏振光）。

图3 偏振光光线传播示意图

图3给出了光线在传播路径上的偏振特性，图中省略了圆偏振光经过1/4相位延迟片后与线偏振光的转换过程。透镜1右侧表面的绿色和蓝色膜层分别代表反射偏振膜和1/4相位延迟片，透镜2左侧红色膜层代表部分反射膜。图中逆时针方向的蓝色箭头代表左旋圆偏振光，顺时针方向的黄色箭头代表右旋圆偏振光。

假设显示面板发出的是左旋圆偏振光，穿过透镜2之后，入射至透镜1右侧表面12上。由于1/4相位延迟片在上层，所以光线先穿过1/4相位延迟片，则左旋圆偏振光会变成线偏振光。根据1/4相位延迟片的快慢轴方向，左旋圆偏振光可能会变为水平线偏振光，也可能会变成垂直线偏振光。假设光线变成了垂直线偏振光（即s偏振光，偏振方向与图3中的x轴平行，垂直于纸面），然后入射至反射偏振膜上。反射偏振膜可以反射s偏振光，透过水平线偏振光（即p偏振光）。因此，s偏振光被反射后，再次穿过1/4相位延迟片，变成了右旋圆偏振光。右旋圆偏振光入射至镀有部分反射膜的面21上被反射，反射后的右旋圆偏振光第三次穿过1/4相位延迟片之后，变成了p偏振光（偏振方向与图3中的Y轴平行），此时光线可以透过反射偏振膜，最后穿过透镜1到达入瞳面。