光学系统、一体式多层光学膜以及光学组件技术方案

本实用新型专利技术描述用于显示图像的光学系统、一体式多层光学膜以及光学组件。光学系统包括间隔开的第一光学透镜和第二光学透镜。部分反射器设置在该第一光学透镜的主表面上并与第一光学透镜的主表面适形，其中该主表面可具有在20mm至200mm范围内的最佳拟合球面曲率半径。反射偏振器设置在第二光学透镜的主表面上并与第二光学透镜的主表面适形，其中该主表面可具有在14mm至250mm范围内的最佳拟合球面曲率半径。延迟层设置在反射偏振器和部分反射器之间。第一光学透镜可具有小于15nm/cm的光学双折射率，并且第二光学透镜可具有大于15nm/cm的光学双折射率。cm的光学双折射率。cm的光学双折射率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光学系统、一体式多层光学膜以及光学组件

技术介绍

[0001]包括虚拟现实(VR)显示器的许多显示器尝试呈现复制真实或假想环境的真实图像。在一些应用中，VR显示器尝试提供三维环境的沉浸式模拟。

技术实现思路

[0002]在本说明书的一些方面中，提供了用于向观察者显示图像的光学系统。该光学系统包括第一光学透镜和第二光学透镜、部分反射器、反射偏振器以及第一延迟层。第一光学透镜具有小于约15nm/cm的光学双折射率、具有在约20mm至约200mm范围内的最佳拟合球面第一曲率半径的弯曲的第一主表面、以及具有大于约500mm的最佳拟合球面第二曲率半径的相背对的第二主表面。弯曲的第一主表面朝向该第二主表面凹入。第二光学透镜具有大于约15nm/cm的光学双折射率、面向第一光学透镜的第二主表面且朝向第二主平面凸出并且具有在约14mm至约250mm范围内的最佳拟合球面第一曲率半径的弯曲的第一主表面、以及具有大于约125mm的最佳拟合球面第二曲率半径的相背对的第二主表面。部分反射器设置在该第一光学透镜的弯曲的第一主表面上并与第一光学透镜的弯曲的第一主表面适形，并且在预定波长范围内具有小于30％的平均光学反射率。反射偏振器设置在第二光学透镜的弯曲的第一主表面上并与第二光学透镜的弯曲的第一主表面适形。反射偏振器在预定波长范围内基本上反射具有第一偏振态的光并且基本上透射具有正交第二偏振态的光。第一延迟层设置在第一光学透镜的第二主表面上并与第一光学透镜的第二主表面适形。
[0003]在本说明书的一些方面中，提供了用于向观察者显示图像的光学系统。光学系统包括间隔开的第一光学透镜和第二光学透镜，、部分反射器、反射偏振器和设置在反射偏振器和部分反射器之间的第一延迟层，其中没有光学透镜设置在第一光学透镜和第二光学透镜之间。第一光学透镜包括玻璃，并且第二光学透镜包括塑料。第一光学透镜和第二光学透镜中的每一者具有相背对的第一主表面和第二主表面。最佳拟合球体与第一光学透镜的第一主表面和第二主表面的曲率半径的比率大于约5。最佳拟合球体与第二光学透镜的第一主表面和第二主表面的曲率半径的比率在约1.5至 10的范围内。部分反射器设置在该第一光学透镜的主表面上并与第一光学透镜的主表面适形，并且在预定波长范围内具有至少30％的平均光学反射率。反射偏振器设置在第二光学透镜的主表面上并与第二光学透镜的主表面适形。反射偏振器在预定波长范围内基本上反射具有第一偏振态的光并且基本上透射具有正交第二偏振态的光。光学系统具有在其中限定开口的出射光瞳以及光轴，使得沿光轴传播的光线穿过第一光学透镜、第二光学透镜、部分反射器、反射偏振器以及第一延迟层而基本上不被折射。光学系统被构造成使得对于从对象入射在该光学系统上、包括每毫米约40个线对的空间频率且填充出射光瞳的光锥而言，光学系统的调制传递函数 (MTF)大于约0.2，光锥的主光线穿过出射光瞳的开口的中心并且与光轴形成约22.5度的角度。
[0004]在本说明书的一些方面中，提供了用于向观察者显示图像的光学系统。光学系统包括间隔开的第一光学透镜和第二光学透镜、部分反射器、反射偏振器和设置在反射偏振器和部分反射器之间的第一延迟层，其中没有光学透镜设置在第一光学透镜和第二光学透
镜之间。第一光学透镜包括玻璃，并且该第二光学透镜包括塑料并且具有相背对的非球面主表面。最佳拟合球体与相背对的非球面主表面的曲率半径的比率大于约1.1。部分反射器设置在第一光学透镜的弯曲主表面上并与第一光学透镜的弯曲主表面适形，并且在预定波长范围内具有至少30％的平均光学反射率。反射偏振器设置在第二光学透镜的非球面主表面中的一个上并与第二光学透镜的非球面主表面中的一个适形。反射偏振器在预定波长范围内基本上反射具有第一偏振态的光并且基本上透射具有正交第二偏振态的光。光学系统还具有在其中限定开口的出射光瞳以及光轴，使得沿光轴传播的光线穿过第一光学透镜、第二光学透镜、部分反射器、反射偏振器以及第一延迟层而基本上不被折射。光锥从对象入射在光学系统上、包括每毫米约40个线对的空间频率且填充出射光瞳，光锥的主光线穿过出射光瞳的开口的中心并且与光轴形成角度θ，使得对于各自大于5度的至少一个较大的θ和至少一个较小的θ，光学系统对于较大的θ具有较小的调制传递函数(MTF)并且对于较小的θ具有较大的MTF。
[0005]在本说明书的一些方面中，提供了用于向观察者显示图像的光学系统。光学系统包括第一光学透镜、第二光学透镜、部分反射器、第一延迟层和反射偏振器。第一光学透镜具有小于约15nm/cm的光学双折射率并且具有弯曲的第一主表面和相背对的基本上平坦的第二主表面。部分反射器设置在第一光学透镜的弯曲的第一主表面上并与第一光学透镜的弯曲的第一主表面适形，并且在预定波长范围内具有至少30％的平均光学反射率。第一延迟层设置在第一光学透镜的基本上平坦的第二主表面上并与第一光学透镜的基本上平坦的第二主表面适形。第二光学透镜邻近第一光学透镜设置，并且具有大于约15nm/cm的光学双折射率。第二光学透镜具有面向第一延迟层的弯曲的第一主表面以及相背对的弯曲的第二主表面。反射偏振器设置在第二光学透镜的弯曲的第一主表面上并与第二光学透镜的弯曲的第一主表面适形。对于具有在预定波长范围内的波长的垂直入射光，反射偏振器上的每个位置对于第一偏振态具有大于约70％的最大反射率，对于正交的第二偏振态具有大于约70％的最大透射率并且对于该第一偏振态具有最小透射率。至少一个第一位置、至少一个第二位置和至少一个第三位置的最大透射率在彼此的1％内，其中至少一个第一位置靠近反射偏振器的中心并且至少一个第二位置和至少一个第三位置靠近反射偏振器的边缘。在至少一个第一位置处，至少一个第二位置和至少一个第三位置所成夹角在约30度至约110度范围内。
[0006]在本说明书的一些方面中，提供一种用于向观察者显示图像的光学系统。光学系统包括第一光学透镜、第二光学透镜、部分反射器、第一延迟层和反射偏振器。第一光学透镜具有小于约15nm/cm的光学双折射率并且具有弯曲的第一主表面和相背对的基本上平坦的第二主表面。部分反射器设置在第一透镜的弯曲的第一主表面上并与第一透镜的弯曲的第一主表面适形，并且在预定波长范围内具有至少30％的平均光学反射率。第一延迟层设置在第一光学透镜的基本上平坦的第二主表面上并与第一光学透镜的基本上平坦的第二主表面适形。第二光学透镜邻近第一光学透镜设置，并且具有大于约15nm/cm的光学双折射率。第二光学透镜具有面向第一延迟层的弯曲的第一主表面以及相背对的弯曲的第二主表面。反射偏振器设置在第二光学透镜的弯曲的第一主表面上并与第二光学透镜的弯曲的第一主表面适形。对于垂直入射光，反射偏振器上的每个位置具有带有谱带边缘波长的对应反射谱带，使得至少一个第一位置、至少一个第二位置和至少一个第三位置的谱带边缘波
长在彼此的2％内，其中至少一个第一位置靠近反射偏振器的中心并且至少一个第二位置和至少一个第三位置靠近反射偏振器的边缘，并且在至少一个第一位置处，至少一个第二位置和至少一个第三位置所成夹角在约30度至约110度范围内。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于向观察者显示图像的光学系统，其特征在于，所述光学系统包括：第一光学透镜，所述第一光学透镜包括小于约15nm/cm的光学双折射率、具有在约20mm至约200mm范围内的最佳拟合球面第一曲率半径的弯曲的第一主表面、以及具有大于约500mm的最佳拟合球面第二曲率半径的相背对的第二主表面，所述弯曲的第一主表面朝向所述第二主表面凹入；第二光学透镜，所述第二光学透镜包括大于约15nm/cm的光学双折射率、面向所述第一光学透镜的所述第二主表面且朝向所述第二主平面凸出并且具有在约14mm至约250mm范围内的最佳拟合球面第一曲率半径的弯曲的第一主表面、以及具有大于约125mm的最佳拟合球面第二曲率半径的相背对的第二主表面；部分反射器，所述部分反射器设置在所述第一光学透镜的所述弯曲的第一主表面上并与所述第一光学透镜的所述弯曲的第一主表面适形，并且在预定波长范围内具有至少30％的平均光学反射率；反射偏振器，所述反射偏振器设置在所述第二光学透镜的所述弯曲的第一主表面上并与所述第二光学透镜的所述弯曲的第一主表面适形，所述反射偏振器在所述预定波长范围内基本上反射具有第一偏振态的光并且基本上透射具有正交的第二偏振态的光；以及第一延迟层，所述第一延迟层设置在所述第一光学透镜的所述第二主表面上并与所述第一光学透镜的所述第二主表面适形。2.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述第一光学透镜的所述弯曲的第一主表面为由下式描述的非球面表面：其中r为从所述光学系统的光轴到所述非球面表面的距离，c为曲率系数，k为二次曲线常数，并且D、E、F、G、H、I和J为所述非球面表面的校正系数，其中k为约4.6，c为约1/44.9mm-1
，D为约零，E为约-1.3E-06，F为约6E-09并且G为约-1.6E-12。3.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述第二光学透镜的所述弯曲的第一主表面为由下式描述的非球面表面：其中r为从所述光学系统的光轴到所述非球面表面的距离，c为曲率系数，k为二次曲线常数，并且D、E、F、G、H、I和J为所述非球面表面的校正系数，其中k为约4.9，c为约1/120mm-1
，D为约零，E为约2.5E-06，F为约零并且G为约零。4.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述第二光学透镜的所述第二主表面为由下式描述的非球面表面：其中r为从所述光学系统的光轴到所述非球面表面的距离，c为曲率系数，k为二次曲线常数，并且D、E、F、G、H、I和J为所述非球面表面的校正系数，其中k为约4.9，c为约1/231mm-1
，D为约零，E为约-1.4E-05，F为约2.1E-08，并且G为约-9.3E-11。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学系统，所述光学系统具有光轴；沿着所述光轴传播的光线穿过所述第一光学透镜、所述第二光学透镜、所述部分反射器、所述反射偏振器以及所述第一延迟层而基本上不被折射，使得对于从对象入射在所述光学系统上、包括每毫米约40个线对的空间频率且填充出射光瞳的光锥而言，所述光学系统的调制传递函数(MTF)大于约0.2，所述光锥的主光线穿过所述出射光瞳的开口的中心并且与所述光轴形成约22.5度的角度。6.一种用于向观察者显示图像的光学系统，其特征在于，所述光学系统包括：间隔开的第一光学透镜和第二光学透镜，没有光学透镜设置在所述第一光学透镜和所述第二光学透镜之间，所述第一光学透镜包括玻璃并且所述第二光学透镜包括塑料，所述第一光学透镜和所述第二光学透镜中的每一者包括相背对的第一主表面和第二主表面，最佳拟合球体与所述第一光学透镜的所述第一主表面和所述第二主表面的曲率半径的比率大于约5，最佳拟合球体与所述第二光学透镜的所述第一主表面和所述第二主表面的曲率半径的比率在约1.5至10的范围内；部分反射器，所述部分反射器设置在所述第一光学透镜的主表面上并与所述第一光学透镜的主表面适形，并且在预定波长范围内具有至少30％的平均光学反射率；反射偏振器，所述反射偏振器设置在所述第二光学透镜的主表面上并与所述第二光学透镜的主表面适形，所述反射偏振器在所述预定波长范围内基本上反射具有第一偏振态的光并且基本上透射具有正交的第二偏振态的光；第一延迟层，所述第一延迟层设置在所述反射偏振器和所述部分反射器之间；以及出射光瞳，所述出射光瞳在其中限定开口，所述光学系统具有光轴；沿着所述光轴传播的光线穿过所述第一光学透镜、所述第二光学透镜、所述部分反射器、所述反射偏振器以及所述第一延迟层而基本上不被折射，使得对于从对象入射在所述光学系统上、包括每毫米约40个线对的空间频率且填充所述出射光瞳的光锥而言，所述光学系统的调制传递函数(MTF)大于约0.2，所述光锥的主光线穿过所述出射光瞳的所述开口的中心并且与所述光轴形成约22.5度的角度。7.一种用于向观察者显示图像的光学系统，其特征在于，所述光学系统包括：间隔开的第一光学透镜和第二光学透镜，没有光学透镜设置在所述第一光学透镜和所述第二光学透镜之间，所述第一光学透镜包括玻璃，所述第二光学透镜包括塑料和相背对的非球面主表面，最佳拟合球体与所述相背对的非球面主表面的曲率半径的比率大于约1.1；部分反射器，所述部分反射器设置在所述第一光学透镜的弯曲主表面上并与所述第一光学透镜的弯曲主表面适形，并且在预定波长范围内具有至少30％的平均光学反射率；反射偏振器，所述反射偏振器设置在...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：新型
国别省市：