一種背光單元、液晶模組以及虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種背光單元、液晶模組以及虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，所述背光單元包括光源、準(zhǔn)直透鏡組、偏振分光棱鏡、偏振轉(zhuǎn)換波片、第一偏振反射棱鏡、第二偏振反射棱鏡、平面導(dǎo)光襯底、偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底和耦合輸出面。本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案能夠大幅度地提高背光單元的光能利用率，同時(shí)由于背光單元在液晶模組中所占的耗電量比例在70％以上，所以也能夠大幅度地降低液晶模組的能耗，因此，解決了現(xiàn)有技術(shù)中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的圖像顯示源存在的光能量的利用率較低的技術(shù)問(wèn)題。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種背光單元、液晶模組以及虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及液晶領(lǐng)域，尤其涉及一種背光單元、液晶模組以及虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002] 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī) 生成一種模擬環(huán)境，該模擬環(huán)境能夠同時(shí)通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等反饋方式，使得用戶沉浸 到模擬環(huán)境展示出的虛擬世界中。
[0003] 目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的圖像顯示源一般采用5~6英寸的顯示屏，并將該圖像顯示 源放置在目視放大鏡組的焦距附近，這樣，用戶就能夠看到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供的圖像。而5 ~6英寸的顯示屏基本是為適應(yīng)手機(jī)顯示需求而設(shè)計(jì)的，無(wú)論是液晶顯示屏還是0LED自發(fā) 光顯示屏，為了獲得更大更均勻的觀察視角，顯示屏的每一個(gè)像素的光出射角很大，一般在 140~170°，而根據(jù)目視光學(xué)系統(tǒng)的成像原理，實(shí)際用于成像的每一像素的出射光束角非常 的小，其一般滿足如下關(guān)系式：
[0004]
其中，F(xiàn)為目視系統(tǒng)的焦距，D 0為目視系統(tǒng)的出瞳口 徑，a為出射光束角。
[0005] 在現(xiàn)有技術(shù)中，F(xiàn)-般在30~40mm，D0為人眼的瞳孔口徑，一般取10mm，故出射光束 角a取值約為15~20°，而整個(gè)顯示屏的光束發(fā)散角一般為160°，光能量的角分布趨于角均 勻分布，因此，光束角a所占有的能量比為：
[0007] 可以看出，實(shí)際用到的光能量占每一像素出射光總能量的比例很小，絕大部分都 被浪費(fèi)，并且成為系統(tǒng)雜光的一項(xiàng)來(lái)源，同時(shí)為了保證圖像的亮度，顯示模塊的功耗也很 大。
[0008] 因此，現(xiàn)有技術(shù)中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的圖像顯示源存在光能量的利用率較低的技術(shù)問(wèn) 題。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0009] 本實(shí)用新型的目的是提供一種背光單元、液晶模組以及虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，解決了現(xiàn) 有技術(shù)中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的圖像顯示源存在的光能量的利用率較低的技術(shù)問(wèn)題，可提高光能 量的利用率。
[0010] 為了實(shí)現(xiàn)上述實(shí)用新型目的，本實(shí)用新型實(shí)施例第以方面還提供了一種背光單 兀，包括光源、準(zhǔn)直透鏡組、偏振分光棱鏡、偏振轉(zhuǎn)換波片、第一偏振反射棱鏡、第二偏振反 射棱鏡、平面導(dǎo)光襯底、偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底和親合輸出面；
[0011] 其中，所述光源用于發(fā)出照明光線；所述準(zhǔn)直透鏡組設(shè)置于所述光源的出射光路 上，用于對(duì)所述照明光線進(jìn)行準(zhǔn)直處理，獲得準(zhǔn)直光線;所述偏振分光棱鏡設(shè)置于所述準(zhǔn)直 透鏡組的出射光路上，用于對(duì)所述準(zhǔn)直光線進(jìn)行分光處理，將所述準(zhǔn)直光線中的S光反射， 且將所述準(zhǔn)直光線中的P光透射;所述偏振轉(zhuǎn)換波片設(shè)置于所述偏振分光棱鏡的透射光路 上，用于將所述準(zhǔn)直光線中的P光轉(zhuǎn)換為S光并透射;所述第一偏振反射棱鏡設(shè)置于所述偏 振轉(zhuǎn)換波片的透射光路上，用于反射所述偏振轉(zhuǎn)換波片透射的S光;所述第二偏振反射棱鏡 設(shè)置于所述偏振分光棱鏡和所述第一偏振反射棱鏡的反射光路上，用于反射所述偏振分光 棱鏡和所述第一偏振反射棱鏡反射的S光;所述平面導(dǎo)光襯底設(shè)置于所述第二偏振反射棱 鏡的反射光路上，用于將所述第二偏振反射棱鏡反射的S光進(jìn)行全反射傳播;所述偏振轉(zhuǎn)換 導(dǎo)光襯底與所述平面導(dǎo)光襯底相鄰，用于對(duì)所述平面導(dǎo)光襯底傳播的S光進(jìn)行偏振態(tài)的轉(zhuǎn) 換;所述耦合輸出面設(shè)置于所述偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底中，用于將經(jīng)過(guò)所述偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底 轉(zhuǎn)換后的光線輸出，且輸出的光線的出射光束角為10°~30°。
[0012] 可選地，所述出射光束角為20°。
[0013] 可選地，所述耦合輸出面包括多個(gè)子輸出面，所述多個(gè)子輸出面按所述照明光線 在所述偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底中的傳播方向，依次平行設(shè)置。
[0014] 可選地，每個(gè)子輸出面涂覆有透射膜。
[0015] 可選地，主軸光線與所述偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底上下表面法線的夾角i3-surf與主軸光線 與所述耦合輸出面法線的夾角之間滿足下述關(guān)系:= 〇. 5*i3-surf。
[0016] 可選地，所述偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底的厚度，所述平面導(dǎo)光襯底的厚度H-small，所述平 面導(dǎo)光襯底的長(zhǎng)度C- Length，以及主軸光線與所述平面導(dǎo)光襯底的上下表面法線的夾角β-surf 滿足下述關(guān)系：
[0017] C-Length>6*(H-small*tan(P-surf) ) 〇
[0018] 可選地，所述偏振轉(zhuǎn)換波片具體為1/4波片。
[0019] 可選地，所述偏振分光棱鏡具體為一對(duì)直角棱鏡膠合而成，其中一個(gè)直角棱鏡的 斜邊上鍍有偏振分光介質(zhì)膜。
[0020] 本實(shí)用新型實(shí)施例第三方面還提供一種液晶模組，包括液晶面板、設(shè)置于所述液 晶面板后方的上保護(hù)膜和設(shè)置于所述上保護(hù)膜后方的背光結(jié)構(gòu)，所述背光結(jié)構(gòu)包括至少一 個(gè)如第一方面所述的背光單元。
[0021] 本實(shí)用新型實(shí)施例第三方面還提供一種虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，包括：
[0022]殼體；
[0023] 如第二方面所述的液晶模組，設(shè)置于所述殼體中。
[0024] 本實(shí)用新型實(shí)施例中的一個(gè)或者多個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或者優(yōu) 占.
[0025] 由于采用了將光源101發(fā)出的照明光線中的Ρ光通過(guò)偏振轉(zhuǎn)換波片104轉(zhuǎn)換為S光， 并通過(guò)平面導(dǎo)光襯底107和偏振導(dǎo)光襯底108來(lái)引導(dǎo)光線，并通過(guò)耦合輸出面109將經(jīng)過(guò)偏 振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底108轉(zhuǎn)換后的光線輸出，且輸出的光線的出射光束角為10°~30°的技術(shù)方 案，在完全利用了照明光線中的能量的情況下，控制輸出的光線的出射光束角為10°~30°， 從而能夠大幅度地提高背光單元的光能利用率，同時(shí)由于背光單元在液晶模組中所占的耗 電量比例在70%以上，所以也能夠大幅度地降低液晶模組的能耗，因此，解決了現(xiàn)有技術(shù)中 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的圖像顯示源存在的光能量的利用率較低的技術(shù)問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0026] 為了更清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例 或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅 是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前 提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖：
[0027] 圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的背光單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的耦合輸出面109中一個(gè)子輸出面的光路示意圖； [0029]圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的子輸出面1091上透射膜的反射率隨角度變化示意 圖；
[0030] 圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的光線在偏振轉(zhuǎn)化導(dǎo)光襯底108中的轉(zhuǎn)化示意圖；
[0031] 圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的平面波導(dǎo)光學(xué)顯示器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖；
[0032] 圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的液晶模組的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行 清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的 實(shí)施例。基于本實(shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下 所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
[0034] 本實(shí)用新型實(shí)施例第一方面提供一種背光單元，請(qǐng)參考圖1，圖1為本實(shí)用新型實(shí) 施例提供的背光單元的結(jié)構(gòu)示意圖，包括光源101、準(zhǔn)直透鏡組102、偏振分光棱鏡103、偏振 轉(zhuǎn)換波片104、第一偏振反射棱鏡105、第二偏振反射棱鏡106、平面導(dǎo)光襯底107、偏振轉(zhuǎn)換 導(dǎo)光襯底108和耦合輸出面109;
[0035] 其中，光源101用于發(fā)出照明光線;準(zhǔn)直透鏡組102設(shè)置于光源的出射光路上，用于 對(duì)照明光線進(jìn)行準(zhǔn)直處理，獲得準(zhǔn)直光線;偏振分光棱鏡103設(shè)置于準(zhǔn)直透鏡組102的出射 光路上，用于對(duì)準(zhǔn)直光線進(jìn)行分光處理，將準(zhǔn)直光線中的S光反射，且將準(zhǔn)直光線中的P光透 射;偏振轉(zhuǎn)換波片104設(shè)置于偏振分光棱鏡103的透射光路上，用于將準(zhǔn)直光線中的P光轉(zhuǎn)換 為S光并透射;第一偏振反射棱鏡105設(shè)置于偏振轉(zhuǎn)換波片104的透射光路上，用于反射偏振 轉(zhuǎn)換波片104透射的S光;第二偏振反射棱鏡106設(shè)置于偏振分光棱鏡103和第一偏振反射棱 鏡105的反射光路上，用于反射偏振分光棱鏡103和第一偏振反射棱鏡105反射的S光;平面 導(dǎo)光襯底107設(shè)置于第二偏振反射棱鏡106的反射光路上，用于將第二偏振反射棱鏡106反 射的S光進(jìn)行全反射傳播;偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底108與平面導(dǎo)光襯底107相鄰，用于對(duì)平面導(dǎo)光 襯底107傳播的S光進(jìn)行偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換;耦合輸出面109設(shè)置于偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底108中，用 于將經(jīng)過(guò)偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底108轉(zhuǎn)換后的光線輸出，且輸出的光線的出射光束角為10°~ 30。。
[0036]
計(jì)算（其中設(shè)定背光單元的光束發(fā)散角為最大的 30° )，可得出在本實(shí)施例中，光束角a所占用的能量比為{0.254,0.450}，與現(xiàn)有技術(shù)中光束 角a的能量比為{0.035,0.062}相比，光能利用率大幅度提高。
[0037] 可以看出，由于采用了將光源101發(fā)出的照明光線中的P光通過(guò)偏振轉(zhuǎn)換波片104 轉(zhuǎn)換為S光，并通過(guò)平面導(dǎo)光襯底107和偏振導(dǎo)光襯底108來(lái)引導(dǎo)光線，并通過(guò)耦合輸出面 109將經(jīng)過(guò)偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底108轉(zhuǎn)換后的光線輸出，且輸出的光線的出射光束角為10°~ 30°的技術(shù)方案，在完全利用了照明光線中的能量的情況下，控制輸出的光線的出射光束角 為10°~30°，從而能夠大幅度地提高背光單元的光能利用率，同時(shí)由于背光單元在液晶模 組中所占的耗電量比例在70%以上，所以也能夠大幅度地降低液晶模組的能耗，因此，解決 了現(xiàn)有技術(shù)中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的圖像顯示源存在的光能量的利用率較低的技術(shù)問(wèn)題。
[0038] 在接下來(lái)的部分中，將結(jié)合附圖，詳細(xì)介紹上述技術(shù)方案。
[0039]在具體實(shí)施過(guò)程中，光源101可以采用耦合后的RGB三色激光作為照明光線，耦合 比例例如可以采用1:1:1，當(dāng)然，也可以根據(jù)實(shí)際情況，選擇其他合適的比例，在此就不再贅 述了。
[0040]在本實(shí)施例中，光源101可以通過(guò)掃描光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)，掃描光纖的掃描角滿足后續(xù)光 線的出射光束角要求，例如可以為10°~30°，在綜合掃描光線的性能與實(shí)際獲得的掃描效 果，較優(yōu)地，出射光束角在20°附近。
[0041] 在另一實(shí)施例中，光源10 1還可以通過(guò)電光偏轉(zhuǎn)器（英文：Electro Opt i C Deflector;簡(jiǎn)稱(chēng):E0D)來(lái)實(shí)現(xiàn)，電光偏轉(zhuǎn)器是一種效率較高的光束角度改變器件，能夠在一 定范圍內(nèi)改變光線的偏轉(zhuǎn)角度，還可以在電光材料上加上四極子電場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生使得折射率隨 著加的電壓而產(chǎn)生線性變化等等，在此就不再贅述了。
[0042]當(dāng)然，光源101除了采用掃描光纖或電光偏轉(zhuǎn)器之外，還可以根據(jù)實(shí)際情況，選擇 其他合適的方式，例如采用MEMS(英文:Micr〇-Electr〇-Mechanical System;中文:微機(jī)電 系統(tǒng))掃描振鏡等等，在此就不再贅述了。
[0043]當(dāng)然，為了保證傳輸給后續(xù)光路的光線的純凈度，還可以添加相應(yīng)的偏振過(guò)濾透 鏡等等，在此就不再贅述了。
[0044] 請(qǐng)參考圖1，準(zhǔn)直透鏡組102設(shè)置于光源101的出射光路上，主要是對(duì)光源發(fā)出的照 明光線進(jìn)行準(zhǔn)直處理。
[0045] 在虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備中，人眼作為最終的圖像接收器，需要對(duì)來(lái)自圖像的光線進(jìn)行準(zhǔn) 直以達(dá)到人眼自由放松觀看的實(shí)際要求，否則將會(huì)對(duì)人眼造成傷害，影響正常的視力。為了 實(shí)現(xiàn)這一效果，一般采用光學(xué)透鏡對(duì)顯示光源發(fā)出的光線進(jìn)行準(zhǔn)直，但是由于光學(xué)系統(tǒng)像 差的存在，圖像經(jīng)過(guò)單個(gè)透鏡后存在著象散、畸變、場(chǎng)曲、彗差等像差，導(dǎo)致圖像的對(duì)比度嚴(yán) 重降低，為此對(duì)于準(zhǔn)直透鏡組102需要按照應(yīng)用要求進(jìn)行嚴(yán)格的像差矯正，以期達(dá)到理想的 成像效果，否則就會(huì)影響光學(xué)系統(tǒng)的最終分辨率，使得人眼直接觀察時(shí)的圖像質(zhì)量發(fā)生變 化，無(wú)法觀看到清晰的虛擬圖像。
[0046] 由于普通球面鏡在矯正像差時(shí)，需要采用幾塊折射率不同和曲率半徑不同的透鏡 組合而成，這會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的重量和體積增大，因此通常采用非球面鏡和球面鏡組合來(lái)完 成像差的矯正，再者鑒于現(xiàn)代光學(xué)加工技術(shù)的發(fā)展，自由曲面技術(shù)也被應(yīng)用于像差矯正中， 因此還可結(jié)合自由曲面技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)微型化的要求，在此就不再贅述了。
[0047] 請(qǐng)參考圖1，偏振分光棱鏡(英文:polarizing beam splitter;簡(jiǎn)稱(chēng):PBS)組103設(shè) 置于準(zhǔn)直透鏡組102的出射光路上，用于對(duì)進(jìn)行準(zhǔn)直處理后的照明光線進(jìn)行分光處理。
[0048] 來(lái)自光源的光線由P光和S光組成，也即包括P偏振光和S偏振光，為了使本實(shí)用新 型器件能夠按照光學(xué)設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行工作，需要對(duì)來(lái)自光源的光線進(jìn)行相應(yīng)的處理。偏振 分光棱鏡組可以使P光線無(wú)損失的完全透射，而對(duì)S光線進(jìn)行相應(yīng)的反射，使其可以折射進(jìn) 入到器件中，因此可以保證進(jìn)入器件的光線的偏振性，使光線按照器件的光學(xué)設(shè)計(jì)要求進(jìn) 行傳播，從而保證了圖像的對(duì)比度，否則由于P光的存在將會(huì)加大光學(xué)設(shè)計(jì)的難度，降低了 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的可能性。
[0049] 在本實(shí)施例中，如圖1所示，偏振分光棱鏡組103設(shè)置在準(zhǔn)直透鏡組102的具體為一 對(duì)直角棱鏡膠合而成，其中一個(gè)直角棱鏡的斜邊上鍍有偏振分光介質(zhì)膜，這樣，即能夠?qū)⒔?jīng) 過(guò)準(zhǔn)直透鏡組102進(jìn)行準(zhǔn)直后的照明光線中的S光反射，且將準(zhǔn)直光線中的P光透射。
[0050] 請(qǐng)參考圖1，偏振轉(zhuǎn)換波片104設(shè)置于偏振分光棱鏡組103的出射光路上，用于將準(zhǔn) 直光線中的P光轉(zhuǎn)換為S光并透射。
[0051] 波片（英文:waVeplate)是指能夠使互相垂直的兩光振動(dòng)間產(chǎn)生附加光程差(或相 位差）的光學(xué)器件，通常由具有精確厚度的石英、方解石或云母等雙折射晶片做成，其光軸 與晶片表面平行。在本實(shí)施例中，偏振轉(zhuǎn)換波片104具體可以由一個(gè)二分之一波片組成，或 者由兩個(gè)四分之一波片組成，從而將準(zhǔn)直光線中的P光轉(zhuǎn)換為S光并向后透射，在此就不再 贅述了。
[0052]請(qǐng)參考圖1，第一偏振反射棱鏡105設(shè)置于偏振轉(zhuǎn)換波片104的出射光路上，用于反 射偏振轉(zhuǎn)換波片104透射的S光。
[0053]在本實(shí)施例中，如圖1所不，第一偏振反射棱鏡105具體為一個(gè)直角棱鏡，該直角棱 鏡的一條直角邊與偏振轉(zhuǎn)換波片104相鄰，且該直角邊的長(zhǎng)度大于或者等于偏振轉(zhuǎn)換波片 104的長(zhǎng)度，從而能夠?qū)钠褶D(zhuǎn)換波片104透射出的S光，當(dāng)然，為了加強(qiáng)第一偏振反射棱 鏡105的反射作用，可以在第一偏振反射棱鏡105的斜邊上鍍上全反射膜，在此就不再贅述 了。
[0054]請(qǐng)參考圖1，第二偏振反射棱鏡106設(shè)置于偏振分光棱鏡組103和第一偏振反射棱 鏡105的反射光路上，用于反射偏振分光棱鏡組103和第一偏振反射棱鏡105反射的S光。 [0055]在本實(shí)施例中，如圖1所不，第二偏振反射棱鏡106的一條直角邊與第一偏振反射 棱鏡105、偏振轉(zhuǎn)換波片104和偏振分光棱鏡組103均相鄰，且該直角邊的長(zhǎng)度大于或者等于 第一偏振反射棱鏡105、偏振轉(zhuǎn)換波片104和偏振分光棱鏡組103這3者組合的長(zhǎng)度，當(dāng)然了， 與第一偏振反射棱鏡105類(lèi)似的，為了加強(qiáng)第二偏振反射棱鏡106的反射作用，可以在第二 偏振反射棱鏡106的斜邊上鍍上全反射膜，在此就不再贅述了。
[0056]請(qǐng)參考圖1，如圖1所不，平面導(dǎo)光襯底107設(shè)置于第二偏振反射棱鏡106的反射光 路上，用于將第二偏振反射棱鏡106反射的S光進(jìn)行全反射傳播。在本實(shí)施例中，平面導(dǎo)光襯 底107具有一導(dǎo)光面1071，第二偏振反射棱鏡106反射的S光從導(dǎo)光面1071進(jìn)入平面導(dǎo)光襯 底107中。
[0057]平面導(dǎo)光襯底107的材料有很多種，如玻璃材料；51、；52、1(9、81(7等，塑料材料有 PET、PMMA等，但由于每種材料的折射率、色散系數(shù)等參數(shù)的不同，導(dǎo)致了其全反射角零界 角、材料的透過(guò)率、吸收系數(shù)、以及重量的不同，考慮到實(shí)際應(yīng)用條件以及加工工藝的限制， 需要根據(jù)具體要求進(jìn)行選擇。光線在襯底傳播過(guò)程中，必須在保證光線沒(méi)有折射出襯底的 同時(shí)，盡可能減少材料本身對(duì)光波能量的吸收，否則將導(dǎo)致大量的光波能量在傳輸過(guò)程中 損失掉，影響圖像最終的可見(jiàn)度以及對(duì)比度，再者導(dǎo)光襯底材料本身的特性限制了可在襯 底中傳輸?shù)膱D像的范圍以及圖像的亮度，為了進(jìn)一步擴(kuò)大傳輸圖像的范圍，通常需要在襯 底表面按照需求蒸鍍一定反射率的膜層或者選用高折射率的材料，從而對(duì)材料的全反射角 給予一定的擴(kuò)展，使圖像的傳輸范圍得到擴(kuò)大。
[0058] 為此，平面波導(dǎo)襯底的材料通常選擇具備合適折射率、透過(guò)率以及機(jī)械性能的光 學(xué)材料，如塑料亞克力PMMA，且塑料亞克力PMMA(Nd = 1 · 49)的全反射臨界角為42 · 20，高于 一般的K9玻璃(Nd = 1.52)的全反射臨界角41.80，另外PMMA的重量較輕，對(duì)于同等體積的K9 玻璃和PMMA塑料，PMMA的重量是K9玻璃的一半，屬于較為優(yōu)質(zhì)的材料。
[0059] 請(qǐng)參考圖1，偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底108與平面導(dǎo)光襯底107相鄰，用于對(duì)平面導(dǎo)光襯底 107傳播的S光進(jìn)行偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換。在本實(shí)施例中，偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底108的材料可以和平面 導(dǎo)光襯底107相同，在此就不再贅述了。偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底108與平面導(dǎo)光襯底107可以通過(guò) 光透過(guò)率較高的、光吸收率較低的黏合劑或粘著劑固定在一起，也可以兩者一體制成，然后 在偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底108對(duì)應(yīng)的位置制作相應(yīng)的結(jié)構(gòu)即可，在此就不再贅述了。
[0060] 請(qǐng)繼續(xù)參考圖1，光線在平面導(dǎo)光襯底107中傳輸一定的距離后，進(jìn)入偏振轉(zhuǎn)化導(dǎo) 光襯底108中，偏振轉(zhuǎn)化導(dǎo)光襯底108可以使P光經(jīng)過(guò)偏振轉(zhuǎn)化導(dǎo)光襯底108的下表面變?yōu)镾 光，S光經(jīng)過(guò)偏振轉(zhuǎn)化導(dǎo)光襯底10 8的上表面轉(zhuǎn)化為P光，偏振轉(zhuǎn)化導(dǎo)光襯底10 8的上下表面 的具體結(jié)構(gòu)可以由根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置，以滿足實(shí)際情況的需要，在此就不再贅述了。
[0061] 當(dāng)然，本領(lǐng)域所屬的技術(shù)人員能夠根據(jù)實(shí)際情況，分別為偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底108與 平面導(dǎo)光襯底107選擇合適的材料，以滿足實(shí)際情況的需要，在此就不再贅述了。
[0062] 請(qǐng)參考圖1，耦合輸出面109設(shè)置于偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底108中，用于將經(jīng)過(guò)偏振轉(zhuǎn)換 導(dǎo)光襯底108轉(zhuǎn)換后的光線輸出至人眼。
[0063] 在本實(shí)施例中，如圖1所示，耦合輸出面109包括多個(gè)子輸出面，多個(gè)子輸出面按照 明光線在偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底中的傳播方向，依次平行設(shè)置，其中，每個(gè)子輸出面涂覆有透射 膜。
[0064] 請(qǐng)繼續(xù)參考圖2,圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的耦合輸出面109中一個(gè)子輸出面 的光路示意圖，如圖2所示，來(lái)自偏振轉(zhuǎn)化導(dǎo)光襯底108的光線X-ray為S光，光線S-beaml首 先和子輸出面1091相碰，一部分S光被該子輸出面1091輸出到偏振轉(zhuǎn)化導(dǎo)光襯底108外進(jìn)入 人眼形成虛擬圖像，一部分透過(guò)該子輸出面1091和偏振轉(zhuǎn)化導(dǎo)光襯底108的上表面相碰，通 過(guò)上表面的反射，光波的偏振態(tài)由S光變?yōu)镻光，變?yōu)镻偏振態(tài)的光線P-beaml首先和子輸出 面1091相碰，由于子輸出面1091旋涂了相應(yīng)的透射膜，對(duì)P光完全透射，因此光線P-beaml可 以完全透射，這樣能夠避免光線P-beaml在子輸出面1091上的二次反射，進(jìn)而避免了二次成 像對(duì)原始圖像對(duì)比度造成的影響。光線P-beaml透過(guò)子輸出面1091以后和偏振轉(zhuǎn)化襯底的 下表面相碰，經(jīng)過(guò)下表面的反射，光波由P偏振態(tài)轉(zhuǎn)化為S偏振態(tài)，光線如此往復(fù)在親合輸出 面109之間進(jìn)行傳播，可以使光線均勻地并以較大輸出面積覆蓋輸出通光口徑，進(jìn)而完成光 線輸出有效孔徑的擴(kuò)展，最終實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)角的擴(kuò)展。
[0065]請(qǐng)繼續(xù)參考圖3,圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的子輸出面1091上透射膜的反射率 隨角度變化示意圖。為了避免大角度光線的二次成像，需要使P光完全透射，而對(duì)S光具有一 定的反射使其可以在人眼好成像。如圖3所示為當(dāng)入射光波波長(zhǎng)為550nm的P光和S光時(shí)，小 角度禍合輸出面的旋涂層的反射率隨角度變化的曲線，圖中在0-450范圍內(nèi)S光和P光都有 一定的反射率，而在450-850范圍內(nèi)，P光全部透射，S光具有一定的反射率。由于本實(shí)用新型 器件中P光是以大角度入射到子輸出面1091，S光以小角度入射到子輸出面1091，因此上述 反射率曲線滿足了相應(yīng)的要求，可以避免P光的二次成像，提高了圖像的對(duì)比度。
[0066] 當(dāng)然，由于偏振轉(zhuǎn)化導(dǎo)光襯底108是采用PMMA材料加工而成的，在蒸鍍膜層時(shí)必須 考慮到加熱帶來(lái)的對(duì)材料本身的影響，所以不宜采用傳統(tǒng)的熱蒸發(fā)鍍膜工藝，需要采用冷 鍍的方式進(jìn)行，例如通過(guò)新興的鍍膜技術(shù)離子鍍可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。這樣雖然膜層 牢固度不如加熱蒸發(fā)，但是由于膜層位于材料之間，牢固度不會(huì)受到周?chē)h(huán)境的影響。
[0067] 請(qǐng)繼續(xù)參考圖4,圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的光線在偏振轉(zhuǎn)化導(dǎo)光襯底108中 的轉(zhuǎn)化示意圖。如圖4所示，S偏振態(tài)的光線S-70首先和偏振轉(zhuǎn)化導(dǎo)光襯底108的上表面Up-surface 相碰 ，由于上表面Up-surf ace 具有偏振轉(zhuǎn)化特性 ，可以使入射光的偏振方向 發(fā)生轉(zhuǎn) 變，可以使S偏振光轉(zhuǎn)化為P偏振光，因此光線S-70經(jīng)過(guò)上表面的反射，變?yōu)槠穹较驗(yàn)镻偏 振光的光線P-70。對(duì)于P偏振態(tài)的光線P-71，和襯底下表面Down-SurfaCe相碰，由于下表面 Down-SurfaCe同樣具有偏振轉(zhuǎn)化特性，可以使入射光的偏振方向發(fā)生轉(zhuǎn)化，從而使P偏振光 轉(zhuǎn)化為S偏振光，因此光線P-71經(jīng)過(guò)下表面的反射，變?yōu)槠穹较驗(yàn)镾偏振態(tài)的光線S-71。通 過(guò)上述轉(zhuǎn)化，大角度P光可以完全透射穿過(guò)小角度輸出面，小角度入射的S光可以被子輸出 面以一定的反射率從偏振轉(zhuǎn)化導(dǎo)光襯底108出射到人眼，形成圖像信息。
[0068] 請(qǐng)繼續(xù)參考圖5,圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的平面波導(dǎo)光學(xué)顯示器件的結(jié)構(gòu)參 數(shù)示意圖，為了實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的效果，在光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，襯底的結(jié)構(gòu)參數(shù)之間應(yīng)該滿足一定 的條件，否則將導(dǎo)致最終圖像的分辨率、對(duì)比度、清晰度失去實(shí)際的意義。如圖5所示，以軸 上物點(diǎn)發(fā)出的主軸光線為參考光線設(shè)計(jì)，主軸光線垂直入射進(jìn)入禍合輸入面，各參數(shù)的相 應(yīng)關(guān)系為：
[0069] β-surf = β-big，β-ref = 0 · 5*β-surf，其中，如圖 5所1示，β-big是導(dǎo)光面 1071 與平面導(dǎo)光襯 底107下表面的夾角，β-surf是主軸光線與襯底上下表面法線的夾角，是主軸光線與子輸 出面1091法線的夾角。為了避免色散引起的圖像對(duì)比度降低，|^ 18應(yīng)該滿足主軸光線垂直 入射的條件，同時(shí)主軸光線進(jìn)入襯底以后能夠滿足平面導(dǎo)光襯底107的全反射條件進(jìn)行傳 播；
[0070] β-surf = β-small，β-small是子輸出面1091與偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底108下表面的夾角， 是導(dǎo)光面1071輸入面與導(dǎo)光襯底上表面連接面的夾角，為了保證設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的視場(chǎng)都能夠 進(jìn)入到襯底中傳輸，需要按照設(shè)計(jì)要求來(lái)進(jìn)行設(shè)置，在此不做限制；
[0071 ] C-Length>6*(H-small*tan(β-surf ))，H-small是導(dǎo)光襯底的厚度，C-Length是平面導(dǎo)光襯 底107的長(zhǎng)度。為了加工和設(shè)計(jì)的方便，將導(dǎo)光襯底和偏振轉(zhuǎn)化襯底分開(kāi)設(shè)計(jì)，但是導(dǎo)光襯 底的長(zhǎng)度不宜過(guò)短，否則無(wú)法使光線按照既定的路徑傳播，同時(shí)不利于裝置最終的應(yīng)用。
[0072] 為了進(jìn)一步說(shuō)明本實(shí)用新型器件的優(yōu)點(diǎn)和實(shí)際意義，下面以具體的參數(shù)對(duì)本實(shí)用 新型給予定性的解釋說(shuō)明，取iUlg = 4,子輸出面1091的數(shù)量為4,則：
[0073] β-surf = 54，β-ref = 27，β-small = 54。，β-_=80。，H-small = 3mm。
[0074] 通過(guò)上述參數(shù)設(shè)計(jì)相應(yīng)的平面導(dǎo)光襯底顯示結(jié)構(gòu)，可以獲得水平30°的視場(chǎng)角，極 大地?cái)U(kuò)展了用戶觀察的視場(chǎng)范圍，而對(duì)于采用基于45°反射式結(jié)構(gòu)或者離軸光學(xué)結(jié)構(gòu)而言， 如果需要獲得同樣大小的觀察視場(chǎng)反射式結(jié)構(gòu)的厚度至少需要6mm厚左右，由此可以看出 本實(shí)用新型器件在輕薄、以及視場(chǎng)角擴(kuò)展方面有很大的優(yōu)勢(shì)。
[0075] 當(dāng)然，為了保證每個(gè)子輸出面1091輸出的照明光線的光強(qiáng)度的均勻性，可以通過(guò) 設(shè)置每個(gè)子輸出面1091的反射效率來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體地，例如，按照照明光線在偏振轉(zhuǎn)換襯底 108中的傳播方向，第一個(gè)子輸出面1091的反射效率可以設(shè)置為25%，第二個(gè)子輸出面1091 的反射效率可以設(shè)置為33.3%，第三個(gè)子輸出面1091的反射效率可以設(shè)置為50%，第四個(gè) 子輸出面1091的反射效率可以設(shè)置為100%，這樣，按照照明光線在偏振轉(zhuǎn)換襯底108中的 傳播方向，每個(gè)子輸出面1091的反射效率按預(yù)設(shè)情況依次提高，從而能夠保證每個(gè)子輸出 面1091輸出的照明光線的光強(qiáng)度的均勻性。
[0076] 并且，由于采用了通過(guò)偏振轉(zhuǎn)換波片將照明光線中的P光轉(zhuǎn)換為S光，并傳輸至平 面導(dǎo)光襯底和偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底的技術(shù)方案，所以照明光線中的能量能夠幾乎全部進(jìn)入平 面導(dǎo)光襯底和偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底中，從而提高了能量的利用率。
[0077] 本實(shí)用新型實(shí)施例第二方面還提供一種虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，該虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備包括第一 方面介紹的平面波導(dǎo)光學(xué)裝置，在前述部分中已經(jīng)詳細(xì)介紹了平面波導(dǎo)光學(xué)裝置的具體過(guò) 程，當(dāng)然，虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備還可以包括外殼、穿戴裝置等等，在此就不再贅述了。
[0078] 需要說(shuō)明的是，在實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備可以包括多個(gè)第一方面介紹的 平面波導(dǎo)光學(xué)裝置，例如，可以為用戶的雙眼分別設(shè)置對(duì)應(yīng)的平面波導(dǎo)光學(xué)裝置，并且通過(guò) 3D的方式，可以讓用戶看到立體的圖像；或者，可以為每個(gè)眼睛設(shè)置多個(gè)平面波導(dǎo)光學(xué)裝 置，例如可以為每個(gè)眼睛在水平方向或者垂直方向并列設(shè)置3個(gè)平面波導(dǎo)光學(xué)裝置，這樣就 能夠使得虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備能夠提供更大的視場(chǎng)，在此就不再贅述了。
[0079] 本實(shí)用新型實(shí)施例中的一個(gè)或者多個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或者優(yōu) 占 .
[0080] 由于采用了將光源101發(fā)出的照明光線中的Ρ光通過(guò)偏振轉(zhuǎn)換波片104轉(zhuǎn)換為S光， 并通過(guò)平面導(dǎo)光襯底107和偏振導(dǎo)光襯底108來(lái)引導(dǎo)光線，并通過(guò)耦合輸出面109將經(jīng)過(guò)偏 振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底108轉(zhuǎn)換后的光線輸出，且輸出的光線的出射光束角為10°~30°的技術(shù)方 案，在完全利用了照明光線中的能量的情況下，控制輸出的光線的出射光束角為10°~30°， 從而能夠大幅度地提高背光單元的光能利用率，同時(shí)由于背光單元在液晶模組中所占的耗 電量比例在70%以上，所以也能夠大幅度地降低液晶模組的能耗，因此，解決了現(xiàn)有技術(shù)中 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的圖像顯示源存在的光能量的利用率較低的技術(shù)問(wèn)題。
[0081] 本實(shí)用新型實(shí)施例第二方面還提供一種液晶模組，請(qǐng)參考圖6,圖6為本實(shí)用新型 實(shí)施例提供的液晶模組的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖6所示，包括液晶面板603、設(shè)置于液晶面板后方 的上保護(hù)膜602和設(shè)置于上保護(hù)膜后方的背光結(jié)構(gòu)601，背光結(jié)構(gòu)601包括至少一個(gè)如第一 方面介紹的背光單元。
[0082] 本實(shí)施例提供的液晶模組可以應(yīng)用在對(duì)液晶模組的視場(chǎng)角要求較低的場(chǎng)合，例如 在近眼顯示系統(tǒng)中，根本不需要液晶模組提供較高的視場(chǎng)角，所以本實(shí)施例提供的液晶模 組即能夠適用于這類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景。
[0083]在第一方面中已經(jīng)詳細(xì)介紹了背光單元的詳細(xì)構(gòu)成，在此就不再贅述了。
[0084]本實(shí)用新型實(shí)施例第三方面還提供一種虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，包括:殼體;如第二方面的 液晶模組，設(shè)置于殼體中。
[0085]本實(shí)施例提供的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備采用了第二方面介紹的液晶模組，可以通過(guò)頭盔式 設(shè)備、眼鏡式設(shè)備或帽式設(shè)備。
[0086] 本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的所有特征，或公開(kāi)的所有方法或過(guò)程中的步驟，除了互相排斥 的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0087] 本說(shuō)明書(shū)(包括任何附加權(quán)利要求、摘要和附圖）中公開(kāi)的任一特征，除非特別敘 述，均可被其他等效或具有類(lèi)似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個(gè)特征只 是一系列等效或類(lèi)似特征中的一個(gè)例子而已。
[0088] 本實(shí)用新型并不局限于前述的【具體實(shí)施方式】。本實(shí)用新型擴(kuò)展到任何在本說(shuō)明書(shū) 中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過(guò)程的步驟或任何新的組 合。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種背光單元，其特征在于，包括光源、準(zhǔn)直透鏡組、偏振分光棱鏡、偏振轉(zhuǎn)換波片、 第一偏振反射棱鏡、第二偏振反射棱鏡、平面導(dǎo)光襯底、偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底和親合輸出面； 其中，所述光源用于發(fā)出照明光線;所述準(zhǔn)直透鏡組設(shè)置于所述光源的出射光路上，用 于對(duì)所述照明光線進(jìn)行準(zhǔn)直處理，獲得準(zhǔn)直光線;所述偏振分光棱鏡設(shè)置于所述準(zhǔn)直透鏡 組的出射光路上，用于對(duì)所述準(zhǔn)直光線進(jìn)行分光處理，將所述準(zhǔn)直光線中的S光反射，且將 所述準(zhǔn)直光線中的P光透射;所述偏振轉(zhuǎn)換波片設(shè)置于所述偏振分光棱鏡的透射光路上，用 于將所述準(zhǔn)直光線中的P光轉(zhuǎn)換為S光并透射;所述第一偏振反射棱鏡設(shè)置于所述偏振轉(zhuǎn)換 波片的透射光路上，用于反射所述偏振轉(zhuǎn)換波片透射的S光;所述第二偏振反射棱鏡設(shè)置于 所述偏振分光棱鏡和所述第一偏振反射棱鏡的反射光路上，用于反射所述偏振分光棱鏡和 所述第一偏振反射棱鏡反射的S光;所述平面導(dǎo)光襯底設(shè)置于所述第二偏振反射棱鏡的反 射光路上，用于將所述第二偏振反射棱鏡反射的S光進(jìn)行全反射傳播;所述偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯 底與所述平面導(dǎo)光襯底相鄰，用于對(duì)所述平面導(dǎo)光襯底傳播的S光進(jìn)行偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換;所述 耦合輸出面設(shè)置于所述偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底中，用于將經(jīng)過(guò)所述偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底轉(zhuǎn)換后的 光線輸出，且輸出的光線的出射光束角為10°~30°。2. 如權(quán)利要求1所述的背光單元，其特征在于，所述出射光束角為20°。3. 如權(quán)利要求1所述的背光單元，其特征在于，所述耦合輸出面包括多個(gè)子輸出面，所 述多個(gè)子輸出面按所述照明光線在所述偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底中的傳播方向，依次平行設(shè)置。4. 如權(quán)利要求3所述的背光單元，其特征在于，每個(gè)子輸出面涂覆有透射膜。5. 如權(quán)利要求1所述的背光單元，其特征在于，主軸光線與所述偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底上下 表面法線的夾角β-surf與主軸光線與所述耦合輸出面法線的夾角之間滿足下述關(guān)系： β-ref - 0 · 5*β-surf 〇6. 如權(quán)利要求1所述的背光單元，其特征在于，所述偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底的厚度，所述平 面導(dǎo)光襯底的厚度H-_n，所述平面導(dǎo)光襯底的長(zhǎng)度C- Length，以及主軸光線與所述平面導(dǎo)光 襯底的上下表面法線的夾角β-surf滿足下述關(guān)系： C-Length〉6* (H-small*t￡in(β-surf ))。7. 如權(quán)利要求1所述的背光單元，其特征在于，所述偏振轉(zhuǎn)換波片具體為1/4波片。8. 如權(quán)利要求1所述的背光單元，其特征在于，所述偏振分光棱鏡具體為一對(duì)直角棱鏡 膠合而成，其中一個(gè)直角棱鏡的斜邊上鍍有偏振分光介質(zhì)膜。9. 一種液晶模組，其特征在于，包括液晶面板、設(shè)置于所述液晶面板后方的上保護(hù)膜和 設(shè)置于所述上保護(hù)膜后方的背光結(jié)構(gòu)，所述背光結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)如權(quán)利要求1-8中任一 項(xiàng)所述的背光單元。10. -種虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，其特征在于，包括： 殼體； 如權(quán)利要求9所述的液晶模組，設(shè)置于所述殼體中。
【文檔編號(hào)】G02F1/13357GK205643970SQ201620440389
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月16日
【發(fā)明人】黃琴華, 周旭東, 喻秀英
【申請(qǐng)人】成都理想境界科技有限公司