偏振分光棱镜器件与显示设备的制作方法

本发明涉及光学领域，尤其涉及一种偏振分光棱镜器件与显示设备。

背景技术：

高性能偏光棱镜光学器件，其具有高对比度、小F数、低成本以及简单易制作等灵活特点，从而可以方便的用于增强显示、背光源照明、裸眼3D显示以及投影显示等领域。

对于一些可穿戴显示设备和投影设备，其主要信息显示核心部分为光学元件。显示系统利用光学元件将图像信息以一定的虚拟方式显示在人眼前方的一定距离处，这样方便佩戴者在浏览信息的同时可以观察到周围景物的变化。通常此类显示系统的核心光学组件主要分为三部分：照明系统组件、图像变换组件以及图像传输显示组件，同时结构轻巧、紧凑、大视场显示以及图像的高分辨率一直是此类光学系统的追求。其中获得高对比度、高亮度的图像是此类光学系统非常重要的一个指标，这些指标直接影响到整个系统的应用场合和对黑色图像的渲染效果。

请参考图1，其示意了传统偏振分光棱镜原理示意图。

传统的偏光棱镜主要基于采用镀膜工艺，使入射偏振光波的入射角度满足布儒斯特角入射时，可以保证在一定角度范围类的P偏振光波没有吸收的通过，而S光波被完全反射，从而实现需要的分光要求。图3中，从光源发出的光线Ray1、Ray2、Ray3、Ray4、Ray5以不同的角度入射到棱镜PR1表面，其入射角分别为：β-1、β-2、β-3、β-4＝0°、β-5，且入射角大小为：β-1＞β-2＞β-3＝β-5＞β-4。对于入射角和F数的关系为

$tan\mathrm{\α}=\frac{1}{2}\×\frac{1}{F/\#}$

其中，α为入射光线与偏振分光棱镜表面法线的夹角，F数(F/#)表示偏振分光棱镜能够控制的入射光线角度的一个指标，F数越小，PBS的对比度以及可以利用的光波能量越高。对于入射光线Ray1、Ray2、Ray3、Ray5，其对应的F数分别为：

$tan(\mathrm{\β}-1)=\frac{1}{2}\×\frac{1}{F_1/\#}$

$\tan (\mathrm{\β}-2)=\frac{1}{2}\×\frac{1}{F_2/\#}$

$tan(\mathrm{\β}-3)=\frac{1}{2}\×\frac{1}{F_3/\#}$

$tan(\mathrm{\β}-5)=\frac{1}{2}\×\frac{1}{F_5/\#}$

因此，F₁/#＜F₂/#＜F₃/#＝＜F₅/#。由于入射偏振光线Ray3、Ray4、Ray5的入射角满足偏振分光棱镜可控制的F数范围之内，即可以保证入射角度在β-3和β-5范围之内的S光波都可以被完全反射，而对于入射光线Ray1、Ray2，其入射角分别为β-1、β-2，此角度入射光线首先与棱镜1的侧面10相遇，由于此时入射光线与侧面10的夹角满足全反射条件被全部反射。光线Ray1、Ray2在棱镜1侧面反射后与三明治结构相遇，由于偏振分光棱镜无法控制入射角度为β-1、β-2的光波，因此会有一部分光线反射，一部分透射。透射的光波Refr-ray1和Refr-ray2直接进入棱镜2。由于透射光波偏离了光线的传播方向，因此造成了像质的严重降低，影响了对比度，同时由于光波能量的透射，导致可被利用的光波能量降低，进而降低了系统整体亮度。

对于采用传统方式设计的偏振分光棱镜，入射光的角度、对比度以及亮度都很难在一定的范围之内控制的很好。再者，传统的偏振分光棱镜为了控制对比度，通常采用高折射率的光学材料来加工设计，而由于这些材料色散很严重，最终导致图像对比度降低，或有很严重的漏蓝色现象。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是由于照明系统组件带来的整体图像亮度低、对比度不高的严重缺陷。

为了解决这一技术问题，本发明提供了一种偏振分光棱镜器件，包括两个棱镜和一个分光组件，两个所述棱镜的斜面通过所述分光组件连接，所述分光组件至少包括层叠的第一金属线栅薄膜和吸收型偏振薄膜。

可选的，所述分光组件还包括第二金属线栅薄膜，所述第一金属线栅薄膜、吸收型偏振薄膜和第二金属线栅薄膜依次层叠。

可选的，所述第一金属线栅薄膜和第二金属线栅薄膜均为反射型金属线栅薄膜。

可选的，所述第一金属线栅薄膜、吸收型偏振薄膜和第二金属线栅薄膜之间通过匹配折射率的UV紫外固化胶进行胶合。

可选的，所述第一金属线栅薄膜、吸收型偏振薄膜和第二金属线栅薄的透光轴方向保持一致。

可选的，光线入射的所述棱镜的入射光的侧面设有起偏器。

可选的，光线入射的所述棱镜的出射光的侧面设有四分之一波片。

本发明还提供了一种显示设备，包括本发明可选方案提供的偏振分光棱镜器件。

可选的，所述显示设备为可穿戴显示设备或投影机系统

本发明可选的技术方案中：

采用了三明治结构，即反射型的金属线栅薄膜、吸收型偏振薄膜和反射型金属线栅薄膜三层结构来实现。来自照明光学系统的光波经过二向色性偏振片的起偏，满足偏振分光组件对入射光波偏振态的需求。

利用反射型金属线栅选择性分光的原理，可以反射或者透过需要的光波进而实现光线传播方向的转折，而吸收型偏振薄膜可以吸收掉从反射型的金属线栅漏掉的杂散光，从而提高了成像系统的整体对比度。

因此通过金属线栅薄膜的反射以及吸收性偏振薄膜对来自反射型的金属线栅薄膜漏的光波能量的吸收，极大地提高了显示图像的对比度。再者由于反射型的金属线栅薄膜对大角度入射光线具有良好的控制效果，从而可以进一步了提高显示图像的亮度。

与现有偏振分光棱镜器件相比，本发明的有益效果可以是：

本发明设计的偏振分光棱镜光学器件主要有四个方面的明显优势：高对比度、高亮度、制造工艺简单以及成本低廉。这些优点导致本发明偏振分光棱镜光学器件与传统的偏振分光棱镜相比，可以极大地改善穿戴显示系统图像的对比度，有效的渲染黑色效果，降低加工难度以及制造成本，同时由于高亮度可以保证穿戴设备的应用场合，更为重要的是极大地降低了生产成本。

可见，本发明设计了一种高对比度的偏振分光棱镜光学器件，此种光学器件拥有小的F数，同时提高了显示图像的对比度，并且在加工成本方面远低于传统的偏振分光棱镜器件。此种偏振分光棱镜器件不但可以用于可穿戴显示，同时在扩展照明、投影显示以及车载显示方面有着极大应用潜力。

附图说明

图1是现有技术中传统偏振分光棱镜器件的原理示意图；

图2是采用单层金属线栅薄膜的偏振分光棱镜器件的结构示意图；

图3是采用单层金属线栅薄膜的偏振分光棱镜器件的原理示意图；

图4、图7和图9是本发明可选实施例中偏振分光棱镜器件的结构示意图；

图5和图6是本发明可选实施例中偏振分光棱镜器件的光路示意图；

图8是本发明可选实施例中偏振分光棱镜器件的原理示意图；

图10是本发明另一可选实施例中偏振分光棱镜器件的结构示意图；

图中，1、2-棱镜；10-侧面；3-分光组件；30-金属线栅薄膜；31-第一金属线栅薄膜；32-吸收型偏振薄膜；33-第二金属线栅薄膜；4、5-光束；6-光源；7-光线；8-起偏器；9-四分之一波片；10-玻璃；11-显示源。

具体实施方式

以下将结合图2至图10对本发明提供的偏振分光棱镜器件与显示设备进行详细的描述，其为本发明可选的实施例，可以认为，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，对其进行修改和润色。

在引出本发明提供的偏振分光棱镜器件之前，先就单层金属线栅薄膜的偏振分光棱镜器件进行分析阐述，其有利于对本发明的偏振分光棱镜器件与显示设备的技术方案和技术效果的展开。

请参考图2，其为单层金属线栅偏振分光棱镜结构示意图，其实际是为了提高图像的对比度同时避免由于边缘漏光造成的图像清晰地下降而采用的一种单层金属线栅偏振分光方案。

其主要包括转向的棱镜1、金属线栅薄膜30以及二次转像的棱镜2。为了降低色散对图像对比度的影响，通常棱镜1和二次转像的棱镜2都采用阿贝系数比较高的H-K9L材料加工。而金属线栅薄膜30主要是基于亚波长光栅原理设计的，通常在TAC、PET高透过率的基地上完成亚波长光栅的制作。亚波长光栅在应用中具有很大的角度选择性，因此可以保证大角度入射的光线也可以被反射，从而提高了图像的对比度。

请参考图3，单层金属线栅偏振分光棱镜工作原理示意图。来自光源的光线B-ray-1、B-ray-2、B-ray-3、B-ray-4、B-ray-5分别以不同的角度进入偏振分光棱镜，且B-ray-2＞B-ray-1＞B-ray-3＝B-ray-5＞B-ray-4＝0°。对于小角度入射的光线B-ray-3、B-ray-5和B-ray-4，单层的金属线栅薄膜30和图1中传统的偏振分光棱镜一样可以全部反射。大角度入射的光线B-ray-1，被侧面10的一次反射后，经过单层的金属线栅薄膜30的二次反射，由于单层的金属线栅薄膜30具有小的F数，因此被完全反射到偏振分光棱镜外成为光线B-ray-R1，而传统的偏振分光棱镜由于无法完全反射，因此极大降低了显示图像的对比度。对于大角度入射的光线B-ray-2，首先遇到侧面10的一次反射，通过全反射被反射到单层金属线栅薄膜30上被二次反射，此时既有反射光线B-ray-R2，也有透射光线Big-ray。单层金属线栅薄膜30和传统的偏振分光棱镜虽然都不能保证全部此角度的光线被全部反射，但是单层金属线栅膜能够在很大程度上限制光波的透射。

基于以上来看，请参考图4至图10，本发明提供了一种偏振分光棱镜器件，包括两个棱镜1和2，以及一个分光组件3，两个所述棱镜1和2的斜面通过所述分光组件3连接，所述分光组件3至少包括层叠的第一金属线栅薄膜31和吸收型偏振薄膜32。进一步可选的方案中，所述分光组件3还包括第二金属线栅薄膜33，所述第一金属线栅薄膜31、吸收型偏振薄膜32和第二金属线栅薄膜33依次层叠。所述第一金属线栅薄膜31和第二金属线栅薄膜33均为反射型金属线栅薄膜。

棱镜1和棱镜2，其为转像棱镜，作为偏光棱镜的转像器件，主要用于改变光线的传播方向，以及保证较小的F数，进而提高显示图像的对比度和亮度，因此偏光棱镜的材料需要根据具体使用环境以及设计的要求来选择。常用的可作为偏光棱镜的光学玻璃材料如国内的H-K9L、H-ZF52A、H-F4等，国外的N-BK7、N-F2等。由于每种材料的折射率、色散系数和密度等都有所不同，且这些参数最终决定了转像棱镜1对于F数的控制以及杂散光的程度，因此次具体的选用时要根据设计的需要来选定。

请参考图4和图5，尤其图5，其为本发明的工作原理示意图。非偏振的光源6发出的光波可以按照入射面分解为P偏振光波和S偏振光波。光线折射进入到棱镜1中以后，S光波被偏振分光膜反射，然后按照既定的路径输出为光束4，而P光波直接透过偏振分光膜，进入棱镜2，最终输出为光束5，因此偏振分光棱镜具有反射S光波，透射P光波的作用。

所述第一金属线栅薄膜31、吸收型偏振薄膜32和第二金属线栅薄33的透光轴方向保持一致，三者的透光轴方向保持一致，从而保证了光波矢量振动方向平行于透光轴方向的光波可以无阻碍的透过，而振动方向垂直于透光轴方向的光波被完全反射。为了保证光线在不同膜层中传输时保持能量的最大以及避免二次鬼影像，因此不同的膜层之间的需要采用折射率匹配的UV紫外固化胶进行结合，即，所述第一金属线栅薄膜31、吸收型偏振薄膜32和第二金属线栅薄膜33之间通过匹配折射率的UV紫外固化胶进行胶合。

进一步细究个器件：

棱镜1，主要实现光线传输方向的偏转以及控制F数保证尽可能大角度入射的光线都可以被利用，从而提高系统的能量利用率；

第一金属线栅薄膜31，具有小的F数从而可以控制大角度的光线可以被反射或者透射；

吸收型偏振薄膜32，可以进一步吸收掉从第一金属线栅薄膜31漏掉的无法控制的大角度反射光波，从而防止此部分光线进入成像系统，降低图像的对比度；

第二金属线栅薄膜33，主要实现光波的二次反射，由于吸收型偏振薄膜32无法有效的反射振动方向垂直于透光轴的偏振光波，因此需要引入第二金属线栅薄膜33来实现光线的二次反射，这样三明治结构既可以保证平行于透光轴振动光波的透过，同时反射垂直于透光轴振动光波的反射；转像F数的棱镜2在控制光线传播距离的同时，可以收集系统中的光线使其被充分的利用，从而提高系统的整体能量利用率。

参阅图8，本发明可用于穿戴显示设备的高性能偏光棱镜器件的工作原理示意图。来自光源的光线V-beam-1、V-beam-2、V-beam-3、V-beam-4、V-beam-5分别以不同的角度进入偏振分光棱镜，且入射光线和偏振分光棱镜表面的法线夹角关系为：V-beam-1＞V-beam-2＞V-beam-3＝V-beam-5＞V-beam-4＝0°。对于小角度入射的光线V-beam-3、V-beam-5和V-beam-4，三明治结构的分光组件3可以和传统的偏振分光棱镜以及单层金属线栅薄膜一样都全部反射，实现高对比度的图像传输以及显示，而对于大角度入射的光线V-beam-1、V-beam-2，首先遇到10的一次反射，通过全反射被反射到三明治结构的分光组件3上被二次反射，此时既有反射光线，也有透射光线，透射的光线遇到分光组件3中吸收型偏振薄膜32时，被进一步吸收，极大地降低了投射光波的能量，即使有少量的光波进一步透过吸收型偏振片，由于第二金属线栅薄膜332的存在，几乎可以完全滤掉漏过的光波。

参阅图9，其说明了器件的构成顺序，最外层为转像直角的棱镜1和2，在加工转像棱镜的时候，角度公差需要控制在2分之内，不然很容易在器件的制作过程中导致图像的偏转或者扭曲。第一金属线栅薄膜31与第二金属线栅薄膜33，由于具有偏光方向性，因此在金属线栅薄膜的加工过程中，需要严格的保证两者的透光方向一致，否则很容易导致黑色漏光条纹的出现，从而导致最终显示图像的质量出现严重的问题。再者，为了保持显示图像不出现扭曲等现象，在器件的制备中必须保证金属线栅膜的平整度在具体应用的范围之内。吸收性偏振薄膜主要吸收漏过的杂光，为此要求对偏振光波震动方向平行于偏振方向的光波尽可能的少的吸收，否则造成能量的大量损失，因此在选取的过程中，尽可能选取对比度、透光度以及厚度比较匹配的吸收性偏光片。

请参阅图10，其可以视作是高性能偏光棱镜器件的另一种应用实例，此种方式的应用主要体现在投影机系统或者智能穿戴设备的二次反射中，可以极大地减小穿戴显示设备的空间。来自照明光源的光线7被起偏器8(first polarizer-film)起偏实现光波的偏振选取从而进入到转像棱镜，即棱镜1中。经过一段距离的传播遇到分光组件3，由于分光组件3具有高效光比的偏振分光效应，可以使起偏器8产生的S偏振光波被高效的反射，从而提高了图像的对比度。被反射的S光波经过四分之一玻片9(wave plate)的偏转以及反射镜的反射变为振动方向平行于分光组件3透光轴方向的P偏振光，P偏振光波理论上完全透射到达显示源11表面，经过显示源的转换，P偏振光波被完全转化为S偏振光波，S光波再经过分光组件3的反射被反射出偏振分光棱镜，由于分光组件3的存在，大角度的杂散光可以有效的被反射，从而极大地提高了成像系统的对比度。基于以上可见，光线入射的所述棱镜，即棱镜1的入射光的侧面设有起偏器8，其出射光的侧面设有四分之一波片9。

基于以上偏振分光棱镜器件，本发明还提供了一种显示设备，包括本发明可选方案提供的偏振分光棱镜器件。在优选方案中，所述显示设备为可穿戴显示设备或投影机系统。

综上所述，本发明设计了一种高对比度的偏振分光棱镜光学器件，此种光学器件拥有小的F数，同时提高了显示图像的对比度，并且在加工成本方面远低于传统的偏振分光棱镜器件。此种偏振分光棱镜器件不但可以用于可穿戴显示，同时在扩展照明、投影显示以及车载显示方面有着极大应用潜力。