VR眼鏡Pancake方案中的光學(xué)膜

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% 

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？

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

菲涅爾透鏡

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?；蛘呖梢詫⒎颇鶢柾哥R的每個(gè)凹槽都可以看做一個(gè)獨(dú)立的小透鏡，把光線調(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，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。

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（包括線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光）。

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。線偏振光在觀察時(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。

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。光線垂直于偏光片吸光軸方向的通過(guò)，平行于光軸的被吸收。

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。

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?？粗芎?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，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。

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 用的線路是金屬的，如鋁，銀等，其表面反射光線。如果在顯示屏使用環(huán)境亮度高的情況下，顯示對(duì)比度降低且線路可見(jiàn)。圓偏振片就是在 LCD 用線偏振片上加了一層 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 線偏光片的組合。

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。

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。

反射型偏光片， RP ， R 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 。

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。

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

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)的微觀結(jié)構(gòu)，具有如下的性能。對(duì)不同偏振方向的光線，透過(guò)率有巨大的差異。

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

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 線偏振光；

7，S 線偏振光可以通過(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。