光学系统的制作方法

1.本公开整体涉及光学系统，并且具体地涉及折叠光学器件。


背景技术：

2.能够从被照射的物体形成图像的光学系统有许多重要的应用。光学系统可包括显示器以及在显示器与观察者的眼睛之间沿光路的各种光学部件。此类系统的优点是尺寸紧凑、视场宽、对比度高，并且在所有环境照明条件下都是可见的。光路的折叠产生了紧凑型光学系统，这在受空间限制的应用中是必需的。此类光学系统可被包括在头戴式显示器诸如虚拟现实显示器中，以向观察者提供图像。


技术实现要素：

3.本文所述的各个方面和实施方案涉及具有折叠光路的光学系统。
4.在本说明书的一些方面，一种光学系统包括适于发射供观察者查看的图像的显示器。所发射的图像包括在显示器和观察者之间沿着折叠光轴传播的中心图像射线。光学系统包括反射偏振器。对于蓝色波长范围内的至少一个波长λ
b
和绿色波长范围内的至少一个波长λ
g
以及红色波长范围内的至少一个波长λ
r
中的每一者，中心图像射线以介于约30度到约60度之间的第一入射角入射在反射偏振器上。反射偏振器透射具有第一偏振态的入射中心图像射线的至少70％并且反射具有正交的第二偏振态的入射中心图像射线的至少70％。此外，对于在λ
b
和λ
g
之间的至少一个波长λ
bg
以及在λ
g
和λ
r
之间的至少一个波长λ
gr
中的每一者，反射偏振器透射具有第一偏振态和第二偏振态中的每一者的入射中心图像射线的至少70％。光学系统还包括反射镜，该反射镜和显示器位于反射偏振器的相反两侧上。中心图像射线基本上法向入射在反射镜上，使得对于至少λ
b
、λ
g
和λ
r
，反射镜对于第一偏振态和第二偏振态中的每一者反射入射中心图像射线的至少70％。光学系统还包括部分反射器，该部分反射器和观察者位于反射偏振器的相反两侧上。中心图像射线基本上法向入射在部分反射器上，使得对于至少λ
b
、λ
g
和λ
r
以及对于第一偏振态和第二偏振态中的每一者，部分反射器反射所入射的中心图像射线的至少30％并透射所入射的中心图像射线的至少30％。
5.本技术的这些方面和其它方面根据下面的具体实施方式将是显而易见的。然而，在任何情况下都不应将上面的总结理解为是对所要求保护的主题的限制，该主题仅仅由所附权利要求限定。
附图说明
6.将参考附图更详细地讨论本公开的各个方面，其中，
7.图1是根据一个实施方案的折叠光学系统的示意图；
8.图2是透射率对波长的示意性图表。
9.图未必按照比例绘制。图中使用的相似数字指代相似的部件。然而，应当理解，在给定图中使用数字指代部件不旨在限制另一图中用相同数字标记的部件。
具体实施方式
10.本说明书的光学系统可用于诸如头戴式显示器的装置中，以在薄型紧凑系统中提供高效的宽视场。在一些实施方案中，光学系统包括显示器、反射偏振器、反射镜和部分反射器，以在图像源和观察者的眼睛之间提供折叠光路。
11.如图1和图2示意性地示出，光学系统(200)的显示器(10)适于发射供观察者(30)查看的图像(20)。观察者佩戴眼镜并看到由眼镜形成的图像，并且还可看到眼镜外部的环境图像。所发射的图像(20)具有在显示器和观察者(30)之间沿着折叠光轴(50)传播的中心图像射线(40)。显示器可包括一个或多个led，在一些情况下包括一个或多个激光二极管。可将若干个此类led组合起来以产生所需的光的光谱分布。显示器可具有红色、绿色和蓝色子元素以提供全彩图像。例如，可将发红光、发绿光和发蓝光的led的输出组合起来以提供标称的白光，或者可替代地或另外地使用发白光的led。显示器10可为任何合适类型的显示器，包括例如液晶显示器(lcd)和有机发光二极管(oled)显示器。显示器10可为基本上平坦的或平面的，或可为弯曲的，或可包括相对于彼此以钝角设置的多个平坦的或平面的面板。在某些方面，由显示器发射的图像可为基本上非偏振的。
12.光学系统还包括反射偏振器，其中中心图像射线(40)以介于约15度到约75度之间的第一入射角(a1)入射在反射偏振器(60)上。在一些实施方案中，该第一入射角(a1)可介于约30度到约60度之间。反射偏振器(60)可为宽带反射偏振器或陷波反射偏振器。在一些实施方案中，反射偏振器(60)可为或包括吸收线性偏振器、多层聚合物反射偏振器、或反射偏振器和吸收线性偏振器的层合物，其基本上透射具有第一偏振态(p)的光并且基本上反射具有正交的第二偏振态(s)的光，从而导致由显示器(10)发射的光被偏振。在某些实施方案中，反射偏振器(60)可为线栅偏振器。在其他实施方案中，反射偏振器(60)可为多层光学膜偏振器。根据一个实施方案，对于蓝色波长范围(70)内的至少一个波长λ
b
和绿色波长范围(80)内的至少一个波长λ
g
以及红色波长范围(90)内的至少一个波长λ
r
中的每一者，反射偏振器(60)透射具有第一偏振态(p)的入射中心图像射线(40)的至少70％并且反射具有正交的第二偏振态(s)的入射中心图像射线(40)的至少70％。在某些方面，反射偏振器(60)透射具有第一偏振态(p)的入射中心图像射线(40)的至少70％
‑
80％或75％
‑
85％，并且反射具有正交的第二偏振态(s)的入射中心图像射线(40)的至少70％
‑
80％或75％
‑
80％。
13.对于在λ
b
和λ
g
之间的至少一个波长λ
bg
以及在λ
g
和λ
r
之间的至少一个波长λ
gr
中的每一者，反射偏振器透射具有第一偏振态(p)和第二偏振态(s)中的每一者的入射中心图像射线(40)的至少70％、或70％
‑
80％、或75％
‑
85％。
14.光学系统(200)还包括反射镜(100)，其中反射镜和显示器(10)位于反射偏振器(60)的相反两侧上。在一些方面，反射镜(100)可为宽带电介质反射镜，该宽带介电反射镜对于宽光谱波长具有高反射率，具有高程度的表面平坦度、低散射，并且适用于宽入射角，如别处所述。中心图像射线(40)基本上法向入射在反射镜(100)上，使得对于蓝色波长范围(70)内的至少一个波长λ
b
和绿色波长范围(80)内的至少一个波长λ
g
以及红色波长范围(90)内的至少一个波长λ
r
，反射镜(100)对于第一偏振态(p)和第二偏振态(s)中的每一者反射入射中心图像射线(40)的至少70％、或70％
‑
80％、或75％
‑
85％。
15.光学系统(200)还包括部分反射器(110)，其中部分反射器和观察者(30)位于反射偏振器(60)的相反两侧上。部分反射器(110)对于至少一个期望的或预定的波长具有至少
25％或至少30％或30％
‑
40％，在一些实施方案中至少40％
‑
50％的平均光学反射率，并且对于至少一个期望的或预定的波长可具有至少30％的平均光学透射率。至少一个期望的或预定的波长可为期望的或预定的多个波长，其可为单个连续的波长范围(例如，400nm到700nm的可见光范围)，或其可为多个连续的波长范围。根据某些实施方案，蓝色波长范围可从约425nm到约475nm，绿色波长范围可从约525nm到约575nm，并且红色波长范围可从约625nm到约675nm。
16.在一些实施方案中，部分反射器可为陷波反射器，并且至少一个期望的或预定的波长可包括一个或多个波长范围，该一个或多个波长范围中的至少一些波长范围的半极大反射谱带处的全宽度例如不超过100nm或不超过50nm。在其他方面，部分反射器可以是通过将金属例如铝或银蒸发到塑料或玻璃板上而获得的50/50分束器。根据本公开的一个方面，部分反射器(110)透射由环境图像(150)发射的光(140)。观察者(30)被构造为接收并查看来自环境图像(150)的经部分反射器(110)透射的光(140)。
17.根据一个实施方案，中心图像射线(40)基本上法向入射在部分反射器(110)上，使得对于蓝色波长范围(70)内的至少一个波长λ
b
和绿色波长范围(80)内的至少一个波长λ
g
以及红色波长范围(90)内的至少一个波长λ
r
，并且对于第一偏振态(p)和第二偏振态(s)中的每一者，部分反射器(110)反射和透射入射中心图像射线(40)的至少30％、或至少约30％到约50％。
18.第一折叠光轴(50)至少包括第一部分(51)和第二部分(52)。在一些实施方案中，折叠光轴(50)的第一部分(51)与折叠光轴(50)的第二部分(52)正交。
19.光学系统(200)包括设置在反射镜(100)和反射偏振器(60)之间的第一延迟器层(120)，以将例如由显示器(10)发射的直线偏振光的偏振改变为例如旋转偏振(圆偏振或椭圆偏振)光。在一些实施方案中，第一延迟器层(120)可为基本上四分之一波长延迟器层。在某些实施方案中，第一延迟器层(120)可为层合在反射偏振器(60)上的膜，或者可为施加至反射偏振器(60)的涂层。例如，第一延迟器(120)可为层合至反射偏振器(60)的取向聚合物膜，或者为反射偏振器(60)上的液晶聚合物涂层。用于形成四分之一波长延迟器的合适涂层包括(但不限于)直线光致聚合型聚合物(lpp)材料和液晶聚合物(lcp)材料，如在别处所述。包括在光学系统(200)中的第一延迟器(120)可为在至少一个期望的波长中的至少一个波长处的四分之一波长延迟器。在一些实施方案中，至少一个期望的波长为期望的多个波长，并且第一延迟器层(120)为在期望的多个波长中的至少一个波长处的四分之一波长延迟器。
20.光学系统(200)还包括第二延迟器层(130)，该第二延迟器层设置在部分反射器(110)与反射偏振器(60)之间。在一些实施方案中，第二延迟器层(130)可为基本上四分之一波长延迟器层。在一些方面，部分反射器(110)和四分之一波长第二延迟器(130)可例如通过将四分之一波长延迟器涂覆到部分反射器膜上，或通过将部分反射器涂层涂覆到四分之一波长延迟器膜上，或通过将部分反射器膜和四分之一波长延迟器膜层合在一起来制备。包括在光学系统(200)中的第二延迟器(130)可为在至少一个期望的波长中的至少一个波长处的四分之一波长延迟器。在一些实施方案中，至少一个期望的波长为期望的多个波长，并且第二延迟器层(130)为在期望的多个波长中的至少一个波长处的四分之一波长延迟器。
21.在一些方面，由显示器(10)发射的图像具有第一强度(i1)。经光学系统透射并经观察者(30)查看到的图像具有第二强度(i2)。由显示器(10)发射的图像在其穿过反射偏振器(60)时强度减小，该反射偏振器基本上透射具有第一偏振态(p)的光。具有第一偏振态的光(p)穿过第一延迟器(120)，并且所述光的相当大一部分被反射镜(100)反射并且穿过第一延迟器(120)，该第一延迟器将第一偏振态(p)转换成第二偏振态(s)。具有第二偏振态的入射中心图像射线(40)的至少70％被反射偏振器(60)反射并以第二强度(i2)到达观察者(30)。在一些实施方案中，第二强度与第一强度的比率可为至少0.5、或至少0.6、或至少0.7、或介于0.6到0.75之间。由显示器(10)发射的入射在反射偏振器(60)上并被反射偏振器(60)反射的中心图像射线(40)的第二偏振态(s)被部分反射器(110)部分地反射穿过第二波长延迟器(130)，该第二波长延迟器将第二偏振态(s)转换为第一偏振态(p)。由第二延迟器(130)发射的具有第一偏振态(p)的入射中心图像射线的至少70％被反射偏振器(60)透射并到达观察者(30)。
22.在一些方面，环境图像(150)具有第三强度(i3)。经光学系统透射并经观察者(30)查看到的环境图像(150)具有第四强度(i4)。在由图像(150)发射的光(140)穿过部分反射器(110)之后，环境图像的第三强度(i3)减小，并且当该光被基本上透射具有第一偏振态(p)的光的反射偏振器(60)在到达观察者(30)之前透射时，强度进一步减小。在一些实施方案中，第四强度与第三强度的比率可为至少0.15、或至少0.20、或至少约0.20到0.30。
23.以下是示例性实施方案的列表：
24.实施方案1.一种光学系统，包括：显示器，所述显示器适于发射用于供观察者查看的图像，所发射的图像具有在所述显示器和所述观察者之间沿着折叠光轴传播的中心图像射线；反射偏振器，对于蓝色波长范围内的至少一个波长λ
b
和绿色波长范围内的至少一个波长λ
g
以及红色波长范围内的至少一个波长λ
r
中的每一者，所述中心图像射线以介于约30度到约60度之间的第一入射角入射在所述反射偏振器上，所述反射偏振器透射具有第一偏振态的入射中心图像射线的至少70％并且反射具有正交的第二偏振态的入射中心图像射线的至少70％，并且对于在λ
b
和λ
g
之间的至少一个波长λ
bg
以及在λ
g
和λ
r
之间的至少一个波长λ
gr
中的每一者，所述反射偏振器透射具有所述第一偏振态和所述第二偏振态中的每一者的所述入射中心图像射线的至少70％；反射镜，所述反射镜和所述显示器位于所述反射偏振器的相反两侧上，所述中心图像射线基本上法向入射在所述反射镜上，使得对于至少λ
b
、λ
g
和λ
r
，所述反射镜对于所述第一偏振态和所述第二偏振态中的每一者反射所入射的所述中心图像射线的至少70％；以及部分反射器，所述部分反射器和所述观察者位于所述反射偏振器的相反两侧上，所述中心图像射线基本上法向入射在所述部分反射器上，使得对于至少λ
b
、λ
g
和λ
r
以及对于所述第一偏振态和所述第二偏振态中的每一者，所述部分反射器反射所入射的所述中心图像射线的至少30％并透射所入射的所述中心图像射线的至少30％。
25.实施方案2.根据实施方案1所述的光学系统，其中所述折叠光轴的至少第一部分与所述折叠光轴的至少第二部分正交。
26.实施方案3.根据实施方案1所述的光学系统，其中所述蓝色波长范围从约425nm到约475nm。
27.实施方案4.根据实施方案1所述的光学系统，其中所述绿色波长范围从约525nm到约575nm。
28.实施方案5.根据实施方案1所述的光学系统，其中所述红色波长范围从约625nm到约675nm。
29.实施方案6.根据实施方案1所述的光学系统，还包括第一延迟器层和第二延迟器层，所述第一延迟器层设置在所述反射镜和所述反射偏振器之间，所述第二延迟器层设置在所述部分反射器和所述反射偏振器之间。
30.实施方案7.根据实施方案6所述的光学系统，其中所述第一延迟器层和所述第二延迟器层中的每一者为基本上四分之一波长延迟器层。
31.实施方案8.根据实施方案1所述的光学系统，其中所述显示器为有机发光显示器(oled)。
32.实施方案9.根据实施方案1所述的光学系统，其中所述显示器为液晶显示器(lcd)。
33.实施方案10.根据实施方案1所述的光学系统，其中所述反射偏振器为线栅偏振器。
34.实施方案11.根据实施方案1所述的光学系统，其中所述反射偏振器为多层光学膜偏振器。
35.实施方案12.根据实施方案1所述的光学系统，其中所述观察者被构造为接收并查看来自环境图像并经所述部分反射器透射的光。
36.实施方案13.根据实施方案1所述的光学系统，其中所述环境图像具有第三强度，其中经所述光学系统透射并经所述观察者查看到的所述环境图像具有第四强度，所述第四强度与所述第三强度的比率为至少0.15。
37.实施方案14.根据实施方案13所述的光学系统，其中所述第四强度与所述第三强度的比率为至少0.2。
38.实施方案15.根据实施方案1所述的光学系统，其中由所述显示器发射的所述图像为基本上非偏振的。
39.实施方案16.根据实施方案1所述的光学系统，其中由所述显示器发射的所述图像具有第一强度，其中经所述光学系统透射并经所述观察者查看到的所述图像具有第二强度，所述第二强度与所述第一强度的比率为至少0.6。
40.实施方案17.根据实施方案16所述的光学系统，其中所述第二强度与所述第一强度的比率为至少0.7。
41.除非另外指明，否则针对附图中元件的描述应被理解为同样应用于其他附图中的对应的元件。虽然本文已经例示并描述了具体实施方案，但本领域的普通技术人员将会知道，在不脱离本公开范围的情况下，可用多种另选的和/或等同形式的具体实施来代替所示出和所描述的具体实施方案。本技术旨在涵盖本文所讨论的具体实施方案的任何改型或变型。因此，本公开旨在仅受权利要求及其等同形式的限制。