偏振光与LCD、OLED、3D、AR到底有什么关系?
发布时间:2020-04-15 15:57:58 编辑:麓帮主 阅读次数:640
你了解自然界物体反射的光与电子显示设备发出的光有什么区别吗?
你知道LCD、OLED、3D、AR的工作原理吗?
你清楚偏振光与它们的关系吗?
今天我们就跟大家聊一聊偏振光与多媒体显示设备的关系。

人们常说眼睛是心灵的窗户,其实眼睛不单是心灵的窗户,也是我们接收信息的窗口。据统计,人们接收的信息90%以上都需要通过眼睛,眼睛接收来自外界的可见光,在人眼视网膜成像,最终成为我们观察到的信息。眼睛接收到的光可以分为两种,一种是非偏振光,例如我们看到的自然景观、花草动物、街景人物,都是属于非偏振光在人眼成像;另一种是偏振光,我们通过多媒体电子设备(例如手机、电脑、电视、3D电影)所看到的影像信息,大多属于偏振光在人眼成像。

在这里先简要说明什么是偏振光。光可以看作是一种横电磁波,它具有相互耦合的电场分量和磁场分量。根据光波电矢量大小和方向的变化规律,可以将光分为线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、部分偏振光和自然光。线偏振光的光矢量端点振动轨迹呈一条直线,圆偏振和椭圆偏振光的光矢量端点振动轨迹分别是一个正圆、椭圆,而自然光的光矢量振动在各个方向上是随机且平均的,部分偏振光则可以视为自然光和线偏振光的线性叠加。

 

偏振光与LCD

 

 

图1.LCD结构示意图。

从LCD(Liquid Crystal Display,液晶显示器)的结构示意图看,POL(Polarizer,偏光膜)在其中扮演着关键的角色。从BLU(Back Light Unit,背光源)发出的光是波长从380 nm到780 nm的白色自然光,经过下POL后变成线偏振光。LC(Liquid Crystal,液晶)层填充具有双折射特性的液晶分子,TFT(Thin Film Transistor,薄膜晶体管)阵列基板在外部输入电信号的作用下,能够驱动每个亚像素内的液晶分子旋转,从而改变经过每个亚像素的线偏振光的偏振方向。从下POL出来的线偏振光经过液晶层后,每个亚像素对应的线偏振光都具有各自独立的偏振方向,再经过CF(Color Filter,彩色滤光片)后,分别变成红、绿、蓝三原色线偏振光。在CF上方还有上POL,三原色线偏振光经过上POL,由于各自偏振方向不同,因此透过上POL的光强不同,每个像素中不同强度的红绿蓝三原色将合成为各种颜色的色光,从而显示彩色画面。

显然,从LCD屏幕出射的光为线偏振光,其偏振方向与上POL的透过方向一致,拿一个线偏振片放在眼睛前方,转动线偏振片,能够很明显地观察到显示器发出的光发生亮→暗→亮→暗的明暗变化。

 

偏振光与OLED

 

OLED(Organic Light-Emitting Diode,有机发光二极管显示器)显示器与LCD最大的不同是没有背光源,在外界电信号的驱动下,它每个像素可以独立发出不同强度的红、绿、蓝三色光。也就是常说的OLED的像素可以自发光,无需通过偏光膜的配合来控制每个像素的光强度和颜色。那么是不是意味着OLED发出的光是自然光而不是偏振光呢?

图2.OLED工作原理。

答案当然是否定的!虽然OLED不需要像LCD一样有两张偏光膜,但是外界环境光经过玻璃基板后照射到OLED金属电极上(一般是金属阴极,阳极是ITO氧化铟锡透明电极)会反射回来,严重干扰OLED图像显示质量。为了抑制金属电极的反射光干扰,OLED需要搭配线偏光膜和1/4相位延迟片。外界自然光经过线偏光膜、1/4相位延迟片,依次变成线偏振光、圆偏振光,经过OLED金属阴极反射后,变成旋向相反的圆偏振光,再经过1/4相位延迟膜,变成振动方向与线偏光膜偏振方向垂直的线偏振光,不能透过,从而抑制了外界环境光的反射干扰。

同样,OLED像素自发光为自然光,经过1/4相位延迟膜后还是自然光(注:1/4相位延迟膜只对偏振光产生作用),再经过线偏振膜,最后从屏幕出射的为线偏振光。可通过转动线偏振片验证OLED发光的偏振状态。

需要特别说明的是,为了减少线偏振光对人眼的损伤,部分LCD和OLED屏幕还会在最外面再额外加上一片1/4相位延迟膜,将屏幕出射的光变为圆偏振光(实际是椭圆偏振光),这时候转动线偏振片,会发现屏幕发出的光有一定的亮度变化,但不会呈现出亮→暗→亮→暗的循环。

 

偏振光与3D显示

 

 

除了手机、电脑、电视等电子显示设备发出的光是偏振光之外,平时我们在电影院看到的3D电影,是不是也跟偏振光有密不可分的关系呢?看3D电影,为什么需要佩戴专门的眼镜?摘掉眼镜,为什么看到的3D电影画面会有重影?这些都与目前3D显示技术的原理有关,它的核心就是光的偏振。

图3.3D电影拍摄示意图。

如图3,3D电影拍摄的时候,用两个摄像机模拟人的双眼,对同一景象从不同的角度拍摄了两幅画面。放映的时候,同样有两台放映机(或者一台放映机,带两个放映头),分别将两幅不同角度拍摄的画面投射到荧幕上,而且两幅画面的光的偏振方向互相垂直,经过荧幕的漫反射,偏振方向不同的两幅画面都照射到人眼上。这时候如果不佩戴3D偏光眼镜,那么两幅画面将同时进入人的双眼,就会形成重影。如果佩戴3D眼镜(3D眼镜的偏振透过方向分别与两幅画面的光偏振方向对应),那么其中一幅画面只能从左边的镜片透过,另一幅画面只能从右边的镜片透过,左右眼观察到不同的画面,经过大脑对图像的分析与合成后,得以让人感知到3D效果。

目前的所谓3D显示,其本质上都只是显示2D画面,只不过通过偏振技术让人眼感知到3D显示效果。真正的3D显示,应当直接呈现3D立体图像,从而具有更真实的立体感,这有赖于另一种更先进的3D全息光学显示技术的进一步发展。

图4.3D电影显示示意图。

 

偏振光与AR显示

 

VR(Virtual Reality,虚拟现实)与AR(Augmented Reality,增强现实)显示技术是当前非常流行的技术热点,其根本目的是为了提供比3D显示更真实的沉浸式感受。其中AR与VR最大的不同在于,VR是利用电子设备,将虚拟的场景转化为能够让人们感受到的现象(包括3D图像、声音、气味、触觉……);而AR是将虚拟的场景嵌套在现实世界当中,人们感知到的是一个虚拟与现实融合增强的世界,这就要求AR显示设备中提供光信号的微显示器不能直接设置在人眼前方,以免遮挡人眼对现实世界的观察,为此需要通过光波导将微显示器发出的光信号耦合进人眼。那么偏振光与AR显示技术又存在什么关联呢?

图5.AR显示过程。

AR显示最重要的虚拟信号来源于微显示器提供的影像光信号,这些光信号需要经历耦入波导→波导传输→耦出波导→进入人眼的一个过程,其中波导传输依赖于光在光密介质→光疏介质界面处的全反射,而光的耦合、耦出依赖于对光传播方向的偏转。按照对光束偏转方式的不同,AR光波导可以分为几何式、衍射式。其中AR衍射光波导是利用衍射光栅来实现光束偏转,目前市面上较为流行的是表面浮雕结构衍射光栅和全息体光栅,但是今天我们给大家介绍一种可以高效偏转光束的新型光栅:偏振光栅。

顾名思义,偏振光栅(Pancharatnam-Berry相位光栅,区别于传统纯相位型表面浮雕结构光栅)是一种衍射效应与入射光偏振态相关的光栅器件。如图,当入射为自然光时,经过偏振光栅后出射为相位无关联的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光;入射为线偏振光时,经过偏振光栅后出射为相位互相关联的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光;入射为右旋圆偏振光时,经过偏振光栅后出射为旋向相反的左旋圆偏振光;入射为左旋圆偏振光时,经过偏振光栅后出射为旋向相反的右旋圆偏振光。

图6.偏振光栅的作用。

 前面提到,不管是LCD还是OLED屏幕发出的光都是线偏振光,因此偏振光栅完全可以用于AR光波导中的光束偏转。相比于传统表面浮雕结构光栅,偏振光栅具有更高的衍射效率、实现更大角度光束偏转、可以制成平板甚至柔性弯曲结构、可以通过优化设计减少衍射色散效应,具有一系列优点。

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