VR眼鏡Pancake方案中的光學(xué)膜

2023-08-07 peng

據(jù) IDC 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示, 2021 年全球 VR/AR 終端出貨量達(dá)到 1123 萬(wàn)臺(tái),同比增長(zhǎng) 92.1% ,其中 VR 頭顯設(shè)備出貨量達(dá)到 1095 萬(wàn)臺(tái);預(yù)計(jì) 2022 年全球 VR 頭顯設(shè)備出貨 1573 萬(wàn)臺(tái),同比增長(zhǎng) 43.6% 

濾光片

這其中使用了多種光學(xué)膜材,一套膜材, 2 片大約 2 英寸顯示屏那么大, 4cmX3cm ,市面價(jià)格可能在 20-100 元左右,那么雖然單平方的價(jià)格很貴, 1500 萬(wàn)套的話(huà),目前差不多 100 億左右的市場(chǎng),當(dāng)然現(xiàn)在是初始階段,隨著更多應(yīng)用場(chǎng)景的開(kāi)發(fā),也許將來(lái)像手機(jī)一樣普及呢?

濾光片

VR 產(chǎn)業(yè)的日益發(fā)展,其一些新興的技術(shù)也慢慢出現(xiàn),我們會(huì)聽(tīng)到一些新的名詞,比如 Pancake ,這到底是一個(gè)什么樣的技術(shù)呢?今天我們來(lái)了解一下。

首先,使用那些光學(xué)技術(shù),無(wú)非就是將眼睛前面的顯示屏放大,并且清晰可見(jiàn)。那么就使用放大鏡,比較成熟的技術(shù)如下:


非球面透鏡

濾光片

菲涅爾透鏡

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工作原理是假設(shè)一個(gè)透鏡的折射能量?jī)H僅發(fā)生在光學(xué)表面(如:透鏡表面),拿掉盡可能多的光學(xué)材料,而保留表面的彎曲度。或者可以將菲涅爾透鏡的每個(gè)凹槽都可以看做一個(gè)獨(dú)立的小透鏡,把光線(xiàn)調(diào)整成平行光或聚光。這種透鏡還能夠消除部分球形像差。


以上是兩種傳統(tǒng)的成熟工藝,但是 VR 業(yè)界也都看好發(fā)展中的 pancake 技術(shù)路線(xiàn),英文原意是小薄餅,用在這里,翻譯為折疊光路。這類(lèi)工藝中,就會(huì)用到很多光學(xué)膜行業(yè)的產(chǎn)品,包括圓偏光片,線(xiàn)偏光片, 1/4 相位延時(shí)片,半透半反的分束鏡,反射型偏光片等等。如果不是光學(xué)專(zhuān)業(yè)的朋友,弄懂這些可是很不容易的。

先學(xué)一些基礎(chǔ)知識(shí),掌握這些,你才可以看懂一點(diǎn)光路,當(dāng)然也只是入門(mén)普及的知識(shí)。


光的偏振


光的波粒二象性,初中的物理知識(shí),光既具有粒子性,也具有波動(dòng)性。

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因?yàn)楣馐且环N電磁波,也是一類(lèi)橫波。從偏振性的角度來(lái)說(shuō),光可以分為自然光、部分偏振光和偏振光(包括線(xiàn)偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光)。

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自然光是大量的不同振動(dòng)方向的彼此無(wú)關(guān)的無(wú)優(yōu)勢(shì)振動(dòng)方向取向的線(xiàn)偏振光的集合 . 自然光相對(duì)于傳播方向呈軸對(duì)稱(chēng)性 . 普通光源發(fā)的光都是自然光,如陽(yáng)光、燭光、鈉燈光等。


部分偏振光是相對(duì)于傳播方向就不呈軸對(duì)稱(chēng)性而是有一個(gè)優(yōu)越的振動(dòng)方向 . 自然光經(jīng)過(guò)反射或折射一般變成部分偏振光,自然光經(jīng)過(guò)散射一般也會(huì)變成部分偏振光。


偏振光則不顯得那樣雜亂無(wú)章。線(xiàn)偏振光在觀(guān)察時(shí)間內(nèi),光矢量的大小隨時(shí)間改變,但振動(dòng)方向始終不變;圓偏振光的光矢量的大小不變,但方向卻隨時(shí)間改變,沿(逆)著傳播方向看矢量端點(diǎn)的軌跡是圓周,對(duì)于左旋圓偏光取正,而對(duì)于右旋圓偏光取負(fù)。橢圓偏振光的道理和圓偏振光類(lèi)似,光矢量的大小和方向都隨時(shí)間改變,矢量端點(diǎn)的軌跡是橢圓。

濾光片

偏光片

回到我們的熟悉的顯示行業(yè),偏光片是接觸最多的光學(xué)薄膜產(chǎn)品,利用了碘系或染料系作為二向性介質(zhì)使 PVA 膜產(chǎn)生極性化偏光。光線(xiàn)垂直于偏光片吸光軸方向的通過(guò),平行于光軸的被吸收。

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偏光片常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)如下,是一個(gè)多層光學(xué)膜結(jié)構(gòu),其中最主要的是 PVA 層,由于 PVA 怕水汽等問(wèn)題,兩面有 TAC 膜保護(hù) PVA 膜,目前高端一點(diǎn)的產(chǎn)品,也有使用 COP 膜替代 TAC 膜。再由于需要貼合在液晶玻璃面上,需要涂布一層丙烯酸類(lèi)的壓敏膠,這也是 OCA 光學(xué)透明膠的原型,光電類(lèi)產(chǎn)品,需要防止在生產(chǎn)中劃傷等問(wèn)題,在最外面需要貼合一層保護(hù)膜,這層膜完成組裝后會(huì)被撕掉,不隨產(chǎn)品一起。

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目前這個(gè)偏光片產(chǎn)業(yè),幾乎所有膜類(lèi)原料都在日本廠(chǎng)商,比如 PVA 膜是 Kuraray 的, TAC 膜和光學(xué)補(bǔ)償膜是 Fujikura 和 Konica 的,保護(hù)膜是 Fujimori 和 Nitto 的,離型膜是 Misubishi 和 Toray 的。看著很簡(jiǎn)單的膜,國(guó)內(nèi)的技術(shù)水平還是有很大差距,光學(xué) PET 也沒(méi)有,潔凈度也達(dá)不到,精密涂布設(shè)備也沒(méi)有,國(guó)內(nèi)的幾家涉足這個(gè)領(lǐng)域的,如世華潔美等,基本上都是要使用更上游的日本設(shè)備和原料。而國(guó)內(nèi)的上市公司,勝波三利譜等,也是拿日本的膜材,進(jìn)行拉伸和貼合,占有的核心技術(shù)不多,而那些號(hào)稱(chēng)加工偏光片的模切廠(chǎng),錦富冠石等,雖然不是簡(jiǎn)單切一下,但是技術(shù)含量也不高。所以高端的光學(xué)膜材,仍然有很多被“卡脖子”的地方,中國(guó)業(yè)界朋友仍需努力。

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QWP , 1/4 相位延遲片 , Quarter Wave Plate

相比于傳統(tǒng)的 LCD 顯示屏, OLED 屏用的是圓偏振片,由于 OLED 用的線(xiàn)路是金屬的,如鋁,銀等,其表面反射光線(xiàn)。如果在顯示屏使用環(huán)境亮度高的情況下,顯示對(duì)比度降低且線(xiàn)路可見(jiàn)。圓偏振片就是在 LCD 用線(xiàn)偏振片上加了一層 1/4 相位延遲片。如下圖 Circular polarizer 圓偏光片就是 1/4 相位延遲片和 Linear Polarize 線(xiàn)偏光片的組合。

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這個(gè) 1/4 相位延遲片在 OLED 顯示上會(huì)用,在 VR 顯示光路上也會(huì)單獨(dú)拿出來(lái)再被使用。如下圖示:入射自然光 Incident light 通過(guò)偏光片后變成線(xiàn)偏振,再通過(guò) QWP1/4 波片后 , 變成右旋圓偏振光 , 在 OLED 面反射后 , 變成左旋圓偏振光 , 第二次過(guò) QWP 后 , 相位延遲了 1/2, 相當(dāng)于偏振方向改變了 90 度 , 而無(wú)法穿透偏光片 , 所以人眼就不容易看見(jiàn) OLED 上的線(xiàn)路反射出來(lái)的印記了。而 OLED 屏上出來(lái)的光,不受大的影響。

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波片,也稱(chēng)相位延遲器,它可以使偏振光的兩個(gè)相互垂直的線(xiàn)偏振光之間產(chǎn)生相位延遲,從而改變光的偏振態(tài),而光強(qiáng)不會(huì)改變。入射光必須是偏振光,如果是自然光透過(guò)還是自然光。


目前這一類(lèi)產(chǎn)品,市場(chǎng)上只有日本的 Zeon 瑞翁一家可以提供,國(guó)內(nèi)在研究階段。 COP 聚烯烴膜,成膜的工藝設(shè)備也是不同于傳統(tǒng)的 MDTD 橫向縱向的拉伸,而是按照一定角度的拉伸,使用的 COP 粒子,基本上也只有日本的 Zeon ,三井,住友等公司能提供。

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反射型偏光片, RP , efl ective Polarizer

由于光的偏振性,有時(shí)候用 S 光和 P 光來(lái)表示不同的偏振方向, S 和 P 分別是兩個(gè)德語(yǔ)單詞的首字母,即 Senkrecht 和 Parallel ,所以 S 表示垂直偏振光, P 表示 平行偏振光 。 VR 領(lǐng)域用的 RP 也是利用了光的偏振性。

盡管在 VR 領(lǐng)域, 3M 不把這個(gè)拳頭產(chǎn)品叫做 HARP ,多層聚合物偏振片,但是它的工作原理還是類(lèi)似于他們現(xiàn)有的成熟產(chǎn)品 DBEF 。


濾光片

很多顯示領(lǐng)域的朋友,都聽(tīng)過(guò) DBEF 雙層增亮膜,用在背光里,可以大幅增加顯示屏的亮度,節(jié)省電量等效果。

濾光片

DBEF 本質(zhì)上也是一個(gè)偏光片,當(dāng)背光源的光, P 偏振光和 S 偏振光,不用 DBEF 的化,直接通過(guò)液晶 cell ,那么會(huì)有 50% 的亮度損失,因?yàn)?nbsp;S 偏振光不能透過(guò)液晶的下偏光片;而 DBEF 使 P 光透過(guò),但是反射 S 光,讓 S 光反射回背光后,再次變成 P 和 S 光入射過(guò)來(lái),繼續(xù)來(lái)回反復(fù),盡可能的將原來(lái)不能透的 S 光變成 P 光,增加了光的利用率。


BS , Beam Splitter ,分光鏡,半透半反鏡

濾光片

3M 有類(lèi)似的產(chǎn)品,而業(yè)界也有干脆在棱鏡表面蝕刻光柵的方案來(lái)嘗試替代這個(gè)膜。

以 3M 公司生產(chǎn)的 PBS 膜來(lái)看,不足 0.1mm 厚度的膜內(nèi)的微觀(guān)結(jié)構(gòu),具有如下的性能。對(duì)不同偏振方向的光線(xiàn),透過(guò)率有巨大的差異。

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最后,我們有了前面的儲(chǔ)備知識(shí)后,來(lái)看 Pancake 的光路圖 :

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1, 由于顯示屏一般使用 OLED 屏,屏上使用了圓偏光片,當(dāng)然如果 LCD 屏,就可以再加一層 QWP ,所以發(fā)出右旋偏振光,經(jīng)過(guò) BS 膜,光的強(qiáng)度損失 50% ,但是偏振態(tài)不變;


2, 通過(guò) QWP ,右旋圓偏振光變成了 P 線(xiàn)偏振光;


3,P 光在 RP 膜面上反射,不能通過(guò);


4,P 光再次過(guò) QWP ,變回右旋偏振光;


5, 右偏振光在 BS 膜被反射回,且兩次相位的變化,變成左旋圓偏振光;


6, 第三次通過(guò) QWP ,左旋偏振光變成 S 線(xiàn)偏振光;


7,S 線(xiàn)偏振光可以通過(guò) RP 膜,進(jìn)入人眼。


在實(shí)際設(shè)計(jì)中,可能在人眼前再加一面凸透鏡,這樣多次反射折射放大以后,就有很好的顯示效果。


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