本發(fā)明涉及光學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種偏振分光棱鏡器件與顯示設(shè)備。

背景技術(shù)：

高性能偏光棱鏡光學(xué)器件，其具有高對(duì)比度、小F數(shù)、低成本以及簡(jiǎn)單易制作等靈活特點(diǎn)，從而可以方便的用于增強(qiáng)顯示、背光源照明、裸眼3D顯示以及投影顯示等領(lǐng)域。

對(duì)于一些可穿戴顯示設(shè)備和投影設(shè)備，其主要信息顯示核心部分為光學(xué)元件。顯示系統(tǒng)利用光學(xué)元件將圖像信息以一定的虛擬方式顯示在人眼前方的一定距離處，這樣方便佩戴者在瀏覽信息的同時(shí)可以觀察到周圍景物的變化。通常此類顯示系統(tǒng)的核心光學(xué)組件主要分為三部分：照明系統(tǒng)組件、圖像變換組件以及圖像傳輸顯示組件，同時(shí)結(jié)構(gòu)輕巧、緊湊、大視場(chǎng)顯示以及圖像的高分辨率一直是此類光學(xué)系統(tǒng)的追求。其中獲得高對(duì)比度、高亮度的圖像是此類光學(xué)系統(tǒng)非常重要的一個(gè)指標(biāo)，這些指標(biāo)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合和對(duì)黑色圖像的渲染效果。

請(qǐng)參考圖1，其示意了傳統(tǒng)偏振分光棱鏡原理示意圖。

傳統(tǒng)的偏光棱鏡主要基于采用鍍膜工藝，使入射偏振光波的入射角度滿足布儒斯特角入射時(shí)，可以保證在一定角度范圍類的P偏振光波沒有吸收的通過，而S光波被完全反射，從而實(shí)現(xiàn)需要的分光要求。圖3中，從光源發(fā)出的光線Ray1、Ray2、Ray3、Ray4、Ray5以不同的角度入射到棱鏡PR1表面，其入射角分別為：β-1、β-2、β-3、β-4＝0°、β-5，且入射角大小為：β-1＞β-2＞β-3＝β-5＞β-4。對(duì)于入射角和F數(shù)的關(guān)系為

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

其中，α為入射光線與偏振分光棱鏡表面法線的夾角，F(xiàn)數(shù)(F/#)表示偏振分光棱鏡能夠控制的入射光線角度的一個(gè)指標(biāo)，F(xiàn)數(shù)越小，PBS的對(duì)比度以及可以利用的光波能量越高。對(duì)于入射光線Ray1、Ray2、Ray3、Ray5，其對(duì)應(yīng)的F數(shù)分別為：

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

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

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

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

因此，F(xiàn)₁/#＜F₂/#＜F₃/#＝＜F₅/#。由于入射偏振光線Ray3、Ray4、Ray5的入射角滿足偏振分光棱鏡可控制的F數(shù)范圍之內(nèi)，即可以保證入射角度在β-3和β-5范圍之內(nèi)的S光波都可以被完全反射，而對(duì)于入射光線Ray1、Ray2，其入射角分別為β-1、β-2，此角度入射光線首先與棱鏡1的側(cè)面10相遇，由于此時(shí)入射光線與側(cè)面10的夾角滿足全反射條件被全部反射。光線Ray1、Ray2在棱鏡1側(cè)面反射后與三明治結(jié)構(gòu)相遇，由于偏振分光棱鏡無(wú)法控制入射角度為β-1、β-2的光波，因此會(huì)有一部分光線反射，一部分透射。透射的光波Refr-ray1和Refr-ray2直接進(jìn)入棱鏡2。由于透射光波偏離了光線的傳播方向，因此造成了像質(zhì)的嚴(yán)重降低，影響了對(duì)比度，同時(shí)由于光波能量的透射，導(dǎo)致可被利用的光波能量降低，進(jìn)而降低了系統(tǒng)整體亮度。

對(duì)于采用傳統(tǒng)方式設(shè)計(jì)的偏振分光棱鏡，入射光的角度、對(duì)比度以及亮度都很難在一定的范圍之內(nèi)控制的很好。再者，傳統(tǒng)的偏振分光棱鏡為了控制對(duì)比度，通常采用高折射率的光學(xué)材料來(lái)加工設(shè)計(jì)，而由于這些材料色散很嚴(yán)重，最終導(dǎo)致圖像對(duì)比度降低，或有很嚴(yán)重的漏藍(lán)色現(xiàn)象。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是由于照明系統(tǒng)組件帶來(lái)的整體圖像亮度低、對(duì)比度不高的嚴(yán)重缺陷。

為了解決這一技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種偏振分光棱鏡器件，包括兩個(gè)棱鏡和一個(gè)分光組件，兩個(gè)所述棱鏡的斜面通過所述分光組件連接，所述分光組件至少包括層疊的第一金屬線柵薄膜和吸收型偏振薄膜。

可選的，所述分光組件還包括第二金屬線柵薄膜，所述第一金屬線柵薄膜、吸收型偏振薄膜和第二金屬線柵薄膜依次層疊。

可選的，所述第一金屬線柵薄膜和第二金屬線柵薄膜均為反射型金屬線柵薄膜。

可選的，所述第一金屬線柵薄膜、吸收型偏振薄膜和第二金屬線柵薄膜之間通過匹配折射率的UV紫外固化膠進(jìn)行膠合。

可選的，所述第一金屬線柵薄膜、吸收型偏振薄膜和第二金屬線柵薄的透光軸方向保持一致。

可選的，光線入射的所述棱鏡的入射光的側(cè)面設(shè)有起偏器。

可選的，光線入射的所述棱鏡的出射光的側(cè)面設(shè)有四分之一波片。

本發(fā)明還提供了一種顯示設(shè)備，包括本發(fā)明可選方案提供的偏振分光棱鏡器件。

可選的，所述顯示設(shè)備為可穿戴顯示設(shè)備或投影機(jī)系統(tǒng)

本發(fā)明可選的技術(shù)方案中：

采用了三明治結(jié)構(gòu)，即反射型的金屬線柵薄膜、吸收型偏振薄膜和反射型金屬線柵薄膜三層結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。來(lái)自照明光學(xué)系統(tǒng)的光波經(jīng)過二向色性偏振片的起偏，滿足偏振分光組件對(duì)入射光波偏振態(tài)的需求。

利用反射型金屬線柵選擇性分光的原理，可以反射或者透過需要的光波進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光線傳播方向的轉(zhuǎn)折，而吸收型偏振薄膜可以吸收掉從反射型的金屬線柵漏掉的雜散光，從而提高了成像系統(tǒng)的整體對(duì)比度。

因此通過金屬線柵薄膜的反射以及吸收性偏振薄膜對(duì)來(lái)自反射型的金屬線柵薄膜漏的光波能量的吸收，極大地提高了顯示圖像的對(duì)比度。再者由于反射型的金屬線柵薄膜對(duì)大角度入射光線具有良好的控制效果，從而可以進(jìn)一步了提高顯示圖像的亮度。

與現(xiàn)有偏振分光棱鏡器件相比，本發(fā)明的有益效果可以是：

本發(fā)明設(shè)計(jì)的偏振分光棱鏡光學(xué)器件主要有四個(gè)方面的明顯優(yōu)勢(shì)：高對(duì)比度、高亮度、制造工藝簡(jiǎn)單以及成本低廉。這些優(yōu)點(diǎn)導(dǎo)致本發(fā)明偏振分光棱鏡光學(xué)器件與傳統(tǒng)的偏振分光棱鏡相比，可以極大地改善穿戴顯示系統(tǒng)圖像的對(duì)比度，有效的渲染黑色效果，降低加工難度以及制造成本，同時(shí)由于高亮度可以保證穿戴設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)合，更為重要的是極大地降低了生產(chǎn)成本。

可見，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種高對(duì)比度的偏振分光棱鏡光學(xué)器件，此種光學(xué)器件擁有小的F數(shù)，同時(shí)提高了顯示圖像的對(duì)比度，并且在加工成本方面遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的偏振分光棱鏡器件。此種偏振分光棱鏡器件不但可以用于可穿戴顯示，同時(shí)在擴(kuò)展照明、投影顯示以及車載顯示方面有著極大應(yīng)用潛力。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)偏振分光棱鏡器件的原理示意圖；

圖2是采用單層金屬線柵薄膜的偏振分光棱鏡器件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是采用單層金屬線柵薄膜的偏振分光棱鏡器件的原理示意圖；

圖4、圖7和圖9是本發(fā)明可選實(shí)施例中偏振分光棱鏡器件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5和圖6是本發(fā)明可選實(shí)施例中偏振分光棱鏡器件的光路示意圖；

圖8是本發(fā)明可選實(shí)施例中偏振分光棱鏡器件的原理示意圖；

圖10是本發(fā)明另一可選實(shí)施例中偏振分光棱鏡器件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中，1、2-棱鏡；10-側(cè)面；3-分光組件；30-金屬線柵薄膜；31-第一金屬線柵薄膜；32-吸收型偏振薄膜；33-第二金屬線柵薄膜；4、5-光束；6-光源；7-光線；8-起偏器；9-四分之一波片；10-玻璃；11-顯示源。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合圖2至圖10對(duì)本發(fā)明提供的偏振分光棱鏡器件與顯示設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)的描述，其為本發(fā)明可選的實(shí)施例，可以認(rèn)為，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不改變本發(fā)明精神和內(nèi)容的范圍內(nèi)，對(duì)其進(jìn)行修改和潤(rùn)色。

在引出本發(fā)明提供的偏振分光棱鏡器件之前，先就單層金屬線柵薄膜的偏振分光棱鏡器件進(jìn)行分析闡述，其有利于對(duì)本發(fā)明的偏振分光棱鏡器件與顯示設(shè)備的技術(shù)方案和技術(shù)效果的展開。

請(qǐng)參考圖2，其為單層金屬線柵偏振分光棱鏡結(jié)構(gòu)示意圖，其實(shí)際是為了提高圖像的對(duì)比度同時(shí)避免由于邊緣漏光造成的圖像清晰地下降而采用的一種單層金屬線柵偏振分光方案。

其主要包括轉(zhuǎn)向的棱鏡1、金屬線柵薄膜30以及二次轉(zhuǎn)像的棱鏡2。為了降低色散對(duì)圖像對(duì)比度的影響，通常棱鏡1和二次轉(zhuǎn)像的棱鏡2都采用阿貝系數(shù)比較高的H-K9L材料加工。而金屬線柵薄膜30主要是基于亞波長(zhǎng)光柵原理設(shè)計(jì)的，通常在TAC、PET高透過率的基地上完成亞波長(zhǎng)光柵的制作。亞波長(zhǎng)光柵在應(yīng)用中具有很大的角度選擇性，因此可以保證大角度入射的光線也可以被反射，從而提高了圖像的對(duì)比度。

請(qǐng)參考圖3，單層金屬線柵偏振分光棱鏡工作原理示意圖。來(lái)自光源的光線B-ray-1、B-ray-2、B-ray-3、B-ray-4、B-ray-5分別以不同的角度進(jìn)入偏振分光棱鏡，且B-ray-2＞B-ray-1＞B-ray-3＝B-ray-5＞B-ray-4＝0°。對(duì)于小角度入射的光線B-ray-3、B-ray-5和B-ray-4，單層的金屬線柵薄膜30和圖1中傳統(tǒng)的偏振分光棱鏡一樣可以全部反射。大角度入射的光線B-ray-1，被側(cè)面10的一次反射后，經(jīng)過單層的金屬線柵薄膜30的二次反射，由于單層的金屬線柵薄膜30具有小的F數(shù)，因此被完全反射到偏振分光棱鏡外成為光線B-ray-R1，而傳統(tǒng)的偏振分光棱鏡由于無(wú)法完全反射，因此極大降低了顯示圖像的對(duì)比度。對(duì)于大角度入射的光線B-ray-2，首先遇到側(cè)面10的一次反射，通過全反射被反射到單層金屬線柵薄膜30上被二次反射，此時(shí)既有反射光線B-ray-R2，也有透射光線Big-ray。單層金屬線柵薄膜30和傳統(tǒng)的偏振分光棱鏡雖然都不能保證全部此角度的光線被全部反射，但是單層金屬線柵膜能夠在很大程度上限制光波的透射。

基于以上來(lái)看，請(qǐng)參考圖4至圖10，本發(fā)明提供了一種偏振分光棱鏡器件，包括兩個(gè)棱鏡1和2，以及一個(gè)分光組件3，兩個(gè)所述棱鏡1和2的斜面通過所述分光組件3連接，所述分光組件3至少包括層疊的第一金屬線柵薄膜31和吸收型偏振薄膜32。進(jìn)一步可選的方案中，所述分光組件3還包括第二金屬線柵薄膜33，所述第一金屬線柵薄膜31、吸收型偏振薄膜32和第二金屬線柵薄膜33依次層疊。所述第一金屬線柵薄膜31和第二金屬線柵薄膜33均為反射型金屬線柵薄膜。

棱鏡1和棱鏡2，其為轉(zhuǎn)像棱鏡，作為偏光棱鏡的轉(zhuǎn)像器件，主要用于改變光線的傳播方向，以及保證較小的F數(shù)，進(jìn)而提高顯示圖像的對(duì)比度和亮度，因此偏光棱鏡的材料需要根據(jù)具體使用環(huán)境以及設(shè)計(jì)的要求來(lái)選擇。常用的可作為偏光棱鏡的光學(xué)玻璃材料如國(guó)內(nèi)的H-K9L、H-ZF52A、H-F4等，國(guó)外的N-BK7、N-F2等。由于每種材料的折射率、色散系數(shù)和密度等都有所不同，且這些參數(shù)最終決定了轉(zhuǎn)像棱鏡1對(duì)于F數(shù)的控制以及雜散光的程度，因此次具體的選用時(shí)要根據(jù)設(shè)計(jì)的需要來(lái)選定。

請(qǐng)參考圖4和圖5，尤其圖5，其為本發(fā)明的工作原理示意圖。非偏振的光源6發(fā)出的光波可以按照入射面分解為P偏振光波和S偏振光波。光線折射進(jìn)入到棱鏡1中以后，S光波被偏振分光膜反射，然后按照既定的路徑輸出為光束4，而P光波直接透過偏振分光膜，進(jìn)入棱鏡2，最終輸出為光束5，因此偏振分光棱鏡具有反射S光波，透射P光波的作用。

所述第一金屬線柵薄膜31、吸收型偏振薄膜32和第二金屬線柵薄33的透光軸方向保持一致，三者的透光軸方向保持一致，從而保證了光波矢量振動(dòng)方向平行于透光軸方向的光波可以無(wú)阻礙的透過，而振動(dòng)方向垂直于透光軸方向的光波被完全反射。為了保證光線在不同膜層中傳輸時(shí)保持能量的最大以及避免二次鬼影像，因此不同的膜層之間的需要采用折射率匹配的UV紫外固化膠進(jìn)行結(jié)合，即，所述第一金屬線柵薄膜31、吸收型偏振薄膜32和第二金屬線柵薄膜33之間通過匹配折射率的UV紫外固化膠進(jìn)行膠合。

進(jìn)一步細(xì)究個(gè)器件：

棱鏡1，主要實(shí)現(xiàn)光線傳輸方向的偏轉(zhuǎn)以及控制F數(shù)保證盡可能大角度入射的光線都可以被利用，從而提高系統(tǒng)的能量利用率；

第一金屬線柵薄膜31，具有小的F數(shù)從而可以控制大角度的光線可以被反射或者透射；

吸收型偏振薄膜32，可以進(jìn)一步吸收掉從第一金屬線柵薄膜31漏掉的無(wú)法控制的大角度反射光波，從而防止此部分光線進(jìn)入成像系統(tǒng)，降低圖像的對(duì)比度；

第二金屬線柵薄膜33，主要實(shí)現(xiàn)光波的二次反射，由于吸收型偏振薄膜32無(wú)法有效的反射振動(dòng)方向垂直于透光軸的偏振光波，因此需要引入第二金屬線柵薄膜33來(lái)實(shí)現(xiàn)光線的二次反射，這樣三明治結(jié)構(gòu)既可以保證平行于透光軸振動(dòng)光波的透過，同時(shí)反射垂直于透光軸振動(dòng)光波的反射；轉(zhuǎn)像F數(shù)的棱鏡2在控制光線傳播距離的同時(shí)，可以收集系統(tǒng)中的光線使其被充分的利用，從而提高系統(tǒng)的整體能量利用率。

參閱圖8，本發(fā)明可用于穿戴顯示設(shè)備的高性能偏光棱鏡器件的工作原理示意圖。來(lái)自光源的光線V-beam-1、V-beam-2、V-beam-3、V-beam-4、V-beam-5分別以不同的角度進(jìn)入偏振分光棱鏡，且入射光線和偏振分光棱鏡表面的法線夾角關(guān)系為：V-beam-1＞V-beam-2＞V-beam-3＝V-beam-5＞V-beam-4＝0°。對(duì)于小角度入射的光線V-beam-3、V-beam-5和V-beam-4，三明治結(jié)構(gòu)的分光組件3可以和傳統(tǒng)的偏振分光棱鏡以及單層金屬線柵薄膜一樣都全部反射，實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度的圖像傳輸以及顯示，而對(duì)于大角度入射的光線V-beam-1、V-beam-2，首先遇到10的一次反射，通過全反射被反射到三明治結(jié)構(gòu)的分光組件3上被二次反射，此時(shí)既有反射光線，也有透射光線，透射的光線遇到分光組件3中吸收型偏振薄膜32時(shí)，被進(jìn)一步吸收，極大地降低了投射光波的能量，即使有少量的光波進(jìn)一步透過吸收型偏振片，由于第二金屬線柵薄膜332的存在，幾乎可以完全濾掉漏過的光波。

參閱圖9，其說明了器件的構(gòu)成順序，最外層為轉(zhuǎn)像直角的棱鏡1和2，在加工轉(zhuǎn)像棱鏡的時(shí)候，角度公差需要控制在2分之內(nèi)，不然很容易在器件的制作過程中導(dǎo)致圖像的偏轉(zhuǎn)或者扭曲。第一金屬線柵薄膜31與第二金屬線柵薄膜33，由于具有偏光方向性，因此在金屬線柵薄膜的加工過程中，需要嚴(yán)格的保證兩者的透光方向一致，否則很容易導(dǎo)致黑色漏光條紋的出現(xiàn)，從而導(dǎo)致最終顯示圖像的質(zhì)量出現(xiàn)嚴(yán)重的問題。再者，為了保持顯示圖像不出現(xiàn)扭曲等現(xiàn)象，在器件的制備中必須保證金屬線柵膜的平整度在具體應(yīng)用的范圍之內(nèi)。吸收性偏振薄膜主要吸收漏過的雜光，為此要求對(duì)偏振光波震動(dòng)方向平行于偏振方向的光波盡可能的少的吸收，否則造成能量的大量損失，因此在選取的過程中，盡可能選取對(duì)比度、透光度以及厚度比較匹配的吸收性偏光片。

請(qǐng)參閱圖10，其可以視作是高性能偏光棱鏡器件的另一種應(yīng)用實(shí)例，此種方式的應(yīng)用主要體現(xiàn)在投影機(jī)系統(tǒng)或者智能穿戴設(shè)備的二次反射中，可以極大地減小穿戴顯示設(shè)備的空間。來(lái)自照明光源的光線7被起偏器8(first polarizer-film)起偏實(shí)現(xiàn)光波的偏振選取從而進(jìn)入到轉(zhuǎn)像棱鏡，即棱鏡1中。經(jīng)過一段距離的傳播遇到分光組件3，由于分光組件3具有高效光比的偏振分光效應(yīng)，可以使起偏器8產(chǎn)生的S偏振光波被高效的反射，從而提高了圖像的對(duì)比度。被反射的S光波經(jīng)過四分之一玻片9(wave plate)的偏轉(zhuǎn)以及反射鏡的反射變?yōu)檎駝?dòng)方向平行于分光組件3透光軸方向的P偏振光，P偏振光波理論上完全透射到達(dá)顯示源11表面，經(jīng)過顯示源的轉(zhuǎn)換，P偏振光波被完全轉(zhuǎn)化為S偏振光波，S光波再經(jīng)過分光組件3的反射被反射出偏振分光棱鏡，由于分光組件3的存在，大角度的雜散光可以有效的被反射，從而極大地提高了成像系統(tǒng)的對(duì)比度?；谝陨峡梢姡饩€入射的所述棱鏡，即棱鏡1的入射光的側(cè)面設(shè)有起偏器8，其出射光的側(cè)面設(shè)有四分之一波片9。

基于以上偏振分光棱鏡器件，本發(fā)明還提供了一種顯示設(shè)備，包括本發(fā)明可選方案提供的偏振分光棱鏡器件。在優(yōu)選方案中，所述顯示設(shè)備為可穿戴顯示設(shè)備或投影機(jī)系統(tǒng)。

綜上所述，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種高對(duì)比度的偏振分光棱鏡光學(xué)器件，此種光學(xué)器件擁有小的F數(shù)，同時(shí)提高了顯示圖像的對(duì)比度，并且在加工成本方面遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的偏振分光棱鏡器件。此種偏振分光棱鏡器件不但可以用于可穿戴顯示，同時(shí)在擴(kuò)展照明、投影顯示以及車載顯示方面有著極大應(yīng)用潛力。