CN109313340A - 嵌入式反射目镜 - Google Patents
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Abstract
嵌入式反射目镜包括：光学透镜(12)、在光学透镜的凸表面(16)处的分束器和反射涂层(18)、以及具有光学透镜的凹表面的圆偏振反射器(24)表面。一种用于形成放大图像的方法包括从显示源发射圆偏振光，至少部分地折射跨透镜的分束器反射涂层的凸表面跨透镜的圆偏振光，在内部从透镜的凹圆偏振反射器表面至少部分地反射经折射的圆偏振光，并且在内部从凸表面处的分束器反射涂层至少部分地反射经反射的圆偏振光。
Description
技术领域
本申请要求于2016年2月1日提交的美国临时申请号62/289,408的权益。上述申请的全部教导通过引用并入本文。
背景技术
虽然存在几种类型的光学准直装置，但它们都在准直准确性并且通常还在尺寸和重量方面受到限制。已知的光学准直装置的示例包括美国专利号：3,679,290中所教导的那些，它公开了一种采用胆甾型液晶薄膜组合的光学过滤***；美国专利号：4,704,010，公开了一种采用单个平面凸透镜的装置，其中在凸表面上施加准直标记，并在平面的中心部分施加反射涂层；以及美国专利号：5,050,966，教导了一种通过使用调谐到不同波长的多个胆甾型元件制造的多色显示***。
另外两个专利包括美国专利号：5,715,023，涉及采用胆甾型液晶的平面平行光学准直装置，Hoppe、Michael J.和欧洲专利EP 1,024,388A3(Compact collimatingapparatus，Hoppe，Michael J)。
因此，需要一种能够克服并最小化上述问题的反射目镜。
发明内容
本发明一般涉及反射准直目镜和用于形成放大图像的方法。
在一个实施例中，本发明的反射准直目镜包括具有凹表面和与凹表面相对的凸表面的光学透镜。分束器反射涂层位于凸表面处。圆偏振反射器表面位于凹表面处，由此来自圆偏振光源的圆偏振光在分束器反射涂层处折射并在圆偏振反射器表面处反射，然后在分束器反射涂层处反射以形成在圆偏振反射器上透射的相反圆偏振光束，在光学透镜的各个凸表面和凹表面处的折射和反射的组合，从而准直和放大显示源的图像。
在另一个实施例中，反射准直目镜还包括与分束器反射涂层相对的显示源，诸如圆偏振光源，其中显示源主要将圆偏振光引导到分束器反射涂层。
在另一个实施例中，目镜包括第一部件和第二部件，在第一部件和第二部件之间具有1/4波片。
在又一个实施例中，本发明是一种用于形成放大图像的方法，该方法包括从圆偏振光源发射圆偏振光，至少部分地折射穿过分束器反射涂层的凸表面并且穿过光学透镜的圆偏振光。并且主要在光学透镜的凹圆偏振反射器表面内部反射折射的圆偏振光。反射圆偏振光的至少一部分在凸表面处从分束器反射涂层内部反射，由此形成圆偏振光的相反圆偏振光束，从而使相反圆偏振光的光束在圆偏振反射表面上透射，光学透镜的各个凸表面和凹表面的折射和反射的组合从而准直和放大圆偏振光源的图像。
嵌入式反射目镜的优点及其使用方法包括在一些实施例中使用单个单片透镜元件。而且，制造成本低于嵌入式反射目镜中通常可能的成本。较低成本的贡献者包括：与多元素折射目镜相比的单元素折射目镜；更便宜，单模塑或双模塑透镜元件；和反射膜偏振技术，其可能比CLC或线栅便宜得多。
此外，本发明中的反射目镜的形状因数很小。与折射目镜设计相比，在这种情况下“较小”主要可追溯到较短折叠的光学目镜形式。本发明还更加稳定，因为单片目镜元件形式保持粘合在其中的部件不会相对于彼此移动。本发明的反射目镜比本领域中的典型更容易制造，因为假设有可能将光学器件模制为单个元件，而不是使用在组装期间必须具有额外对准的多个玻璃元件。在图像平面中存在低入射角，因为视图/图像主要垂直于显示器。另外，圆偏振反射器1/4波片可以埋入***或双合透镜元件配置中。此外，可以引入1/4波片作为粘合在单片玻璃元件内的扁平元件。这很重要，因为弯曲的波片不是成熟的，并且当这样粘合时，粘合界面的反射要少得多。
本发明的一个改进是使用单片单层厚壳状光学元件的两个单独的壳状光学元件的嵌入式单片性质。这种方法提高了性能，允许更宽的视野，并提高视觉分辨率。
与标准折射目镜相比，本发明的一般反射目镜方法通过将光学器件折叠在其自身上来提供更短的光学路径，其中光仅在一个方向上透射并且仅通过表面折射来成像。在反射目镜中，成像也通过反射发生，该反射在光学***内引起较少的色差。具有嵌入式/单片光学器件的弯曲反射偏振元件允许改善整体目镜性能。
附图说明
该专利或申请文件包含至少一个彩色附图。具有彩色附图的本专利或专利申请公开的副本将在请求和支付必要费用后由主管局提供。
图1是本发明的反射准直目镜的一个实施例的示意图。
图2是本发明的反射准直目镜的另一实施例的示意图。
图3是另一实施例的示意图，其中目镜是双合透镜。
图4是另一实施例的示意图，其中目镜是双合透镜。
不同图中的相同附图标记表示相同的项目。
具体实施方式
本发明一般涉及反射准直目镜，以及形成放大和准直图像的方法。“嵌入式”是对光学设计的单个单片透镜性质的参考，其中反射元件嵌入或结合在两个外表面上。
在本发明的一个实施例中，如图1所示，反射准直目镜10包括光学透镜12。光学透镜12限定凹表面14和与凹表面14相对的凸表面16。分束器反射涂层18位于凸表面14处。通常，这是一种具有约为50:50的涂层性能的介电涂层。50:50是指分束器涂层处的反射光和透射光之间的比率或分流比。其他比率或反射分流也是可能的。涂层设计用于保持透射偏振光和反射偏振光的偏振。它也可以是部分反射的金属涂层。圆偏振反射器24位于凹表面14处。适于形成圆偏振反射器24的材料的示例包括：液晶形式、与1/4波片组合的线栅偏振器、以及与线偏振反射器相结合的1/4波片，诸如本领域已知的。在一个实施例中，液晶形式可以是胆甾型液晶(CLC)。CLC是单片圆偏振膜的膜，其仅反射/透射偏振光的单旋向性(one-handedness)。在另一个实施例中，圆偏振发射器/反射器包括与1/4波片元件组合的线偏振反射器。在特定实施例中，线偏振反射器可以是例如线栅偏振器。1/4波片通常是基于膜的双折射膜，但也可以是例如结晶波片。在该实施例中，在分束器涂层处折射的透射/折射的圆偏振光首先被1/4波片转换成偏振光，该偏振光具有将在反射偏振器膜处被反射的偏振取向。在反射偏振器膜处反射之后，偏振光再次转换成在相反方向上透射通过1/4波片的圆偏振光。来自圆偏振光源22的圆偏振光20在分束器反射涂层18处折射并在圆偏振反射器24处反射。然后在分束器反射涂层18处反射圆偏振光20以形成相反圆偏振光的光束26，因此，当采用线偏振滤波器和1/4波片时，由此形成偏振光28，并且如果改为采用CLC层，则透射圆偏振光。如果从凹表面14发射偏振光，则板25是吸收线偏振器。另一方面，如果从凹表面14发射圆偏振光，则板25是1/4波片。分别在光学透镜12的凸表面14和凹表面16处的折射和反射的组合使圆偏振光源32的图像准直并放大。
在一个实施例中，反射目镜10包括与分束器反射涂层18相对的圆偏振光源32，其中圆偏振光源22主要将圆偏振光20引导到分束器反射涂层18。在一个实施例中，圆偏振光源包括非偏振光源32，和在非偏振光源32和分束器反射涂层18之间的偏振滤波器34。在该实施例中，偏振滤波器34可以是例如圆偏振器或1/4波片与偏振膜结合，位于分束器反射涂层18和非偏振光源32之间，其中由非偏振光源32发射的非偏振光被偏振，使得分束器反射涂层18接收来自圆偏振光源32的圆偏振光。偏振滤波器34可以是滤波非偏振光以生成圆偏振输出的任何膜，诸如结合了吸收偏振膜和1/4波双折射膜的膜。偏振滤波器34首先对光进行滤波以使其线偏振，然后将线偏振光转换成具有适当取向的1/4波膜的圆偏振光。
图2是本发明方法的一个实施例的示意图。如图2所示，该方法包括从圆偏振显示源42发射圆偏振光40。显示源42通常包括非偏振光源39、线偏振滤波器41和1/4波片43。线偏振器和1/4波片的适当定向是圆偏振器的一个实施例。圆偏振光40在分束器反射涂层48处跨光学透镜44的凸表面46以及跨光学透镜44至少部分地折射。折射的圆偏振光50的至少一部分(例如，大部分如果不是基本上全部)在内部从光学透镜44的凹表面54处的凹圆偏振反射器表面52被反射。反射的圆偏振光56的至少一部分在内部从在凸表面46处的分束器反射涂层48被反射，由此形成圆偏振光的相反圆偏振光束58，如果圆偏振反射器52是1/4波片和线偏振反射器的组合，从而使相反圆偏振光光束58跨圆偏振反射器表面52折射，以形成线偏振光60。在这种情况下，光然后通过吸收线偏振器55。备选地，如果圆偏振器52是CLC，则从凹表面54发射的光是圆偏振的，在这种情况下，板55是1/4波片并且光经过1/4波片变成线偏振的。分别在光学透镜44的凸表面46和凹表面54处的折射和反射的组合，从而准直和放大显示源42的图像。
在一个特定实施例中，来自非偏振光源39的非偏振光被线偏振滤波器41偏振，然后偏振光被1/4波片43圆偏振并且在凸表面的涂层48处至少部分地折射。圆偏振光40在分束器反射涂层48处跨光学透镜44的凸表面46和跨光学透镜44至少部分地折射。折射的圆偏振光50的至少一部分(或大部分如果不是基本上全部)在内部从光学透镜44的凹表面54处的凹圆偏振反射器表面52被反射。反射的圆偏振光56的至少一部分在内部从在凸表面46处的分束器反射涂层48被反射，由此形成圆偏振光的相反圆偏振的光束58，从而使相反圆偏振光的光束58跨圆偏振反射器52透射。分别在光学透镜44的凸表面46和凹表面54处的折射和反射的组合从而准直和放大显示源42的图像。
图3是本发明的反射准直目镜的另一个实施例。如图3所示，反射准直目镜70包括作为双合透镜的光学透镜72。双合光学透镜72包括第一部件74和第二部件76。每个部件限定平坦表面78、80，其彼此邻接。该配置具有的优点是，例如，允许第一部件74的凸表面82和第二部件76的凹表面84中的每一个被制造为单独的部件，诸如在弯曲表面82、84中的至少一个是非球面的情况下。
在一个实施例中，1/4波片86***在透镜部件74、76之间的平坦表面78、80之间。1/4波片86将经过/衍射穿过分束器反射涂层88的圆偏振光转换回线偏振光，该线偏振光在凹表面84处从弯曲的线偏振器87被反射。在凹表面84处从弯曲的线偏振器87反射的偏振光在1/4波片86处转换成圆偏振光，然后在分束器反射涂层处被部分地反射，其中光的反射部分被转换成相反的旋向性。来自分束器反射涂层88的相反旋向反射的光然后在1/4波片86处被转换成偏振光，并且基本上或者基本上完全地在凹表面处跨线偏振器87透射。该实施例具有例如通过允许在结构中使用平坦的1/4波片而便于制造反射目镜的优点。分束器反射涂层88位于凸表面82处。
吸收线偏振器90位于反射准直目镜70的用户的眼睛92和目镜70的弯曲反射表面116之间。吸收线偏振器90的存在消除了来自眼睛92的从凹表面84的大量反射，否则将对用户可见。
在另一个实施例中，本发明是一种用于形成放大图像的方法，该放大图像包括从显示源102发射圆偏振光，如图4中示意性所示。来自显示源102的圆偏振光100至少部分地跨分束器反射涂层106和跨光学透镜108的凸表面104折射。然后折射的圆偏振光被双合光学透镜108的第一透镜部件112和第二透镜部件114之间的1/4波片110折射，以形成偏振光。折射的偏振光大部分(如果不是基本上全部)在内部从透镜108的凹偏振反射器表面116反射，以形成反射的线偏振光。反射的线偏振光经过1/4波片110以形成圆偏振光，其在凸表面104处至少部分地在内部从分束器反射涂层106反射，由此形成圆偏振光的相反圆偏振的光束，该光束然后跨1/4波片110，从而使相反圆偏振光的光束转变成线偏振光，该线偏振光跨凹反射表面116并且然后跨吸收偏振器90透射。分别在凸表面和凹表面处的折射和反射的组合透镜和透过1/4波片(或胶片)的透射率进行准直并放大显示源的图像。在一个实施例中，吸收线偏振器90基本上消除来自用户眼睛的光从目镜的凹表面116的反射，否则将对用户可见。
此外，还可以构造目镜，其中在凹表面上具有分束器涂层，在凸表面上具有偏振反射器。这将要求吸收偏振器和1/4波片组合位于眼睛和目镜之间，以消除来自分束器涂层的第一通过透射。
本文引用的所有参考文献的相关部分均通过引用整体并入。
尽管已经参考本发明的示例实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求所涵盖的本发明的范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。
Claims (17)
1.一种反射准直目镜，包括：
a)光学透镜，包括
i)凹表面，和
ii)与所述凹表面相对的凸表面；
b)所述凸表面处的分束器反射涂层；和
c)所述光学透镜处的圆偏振反射器，由此来自圆偏振光源的圆偏振光在所述分束器反射涂层处被折射并且在所述圆偏振反射器处被反射，并且然后在所述分束器反射涂层处被反射以形成跨所述圆偏振反射器被透射的相反的圆偏振光的光束，从而准直和放大所述圆偏振光源的图像。
2.根据权利要求1所述的目镜，其中所述光学透镜是单透镜。
3.根据权利要求2所述的目镜，其中所述圆偏振反射器包括1/4波片和线偏振反射器的组合。
4.根据权利要求3所述的目镜，还包括靠近所述凹表面的吸收线偏振器，从而在所述凹表面处从所述光学透镜发射的光跨所述吸收线偏振器被透射。
5.根据权利要求2所述的目镜，其中所述圆偏振反射器包括胆甾型液晶膜。
6.根据权利要求1所述的目镜，还包括与所述反射涂层相对的显示源，其中所述显示源主要将圆偏振光引导到所述分束器反射涂层。
7.根据权利要求6所述的目镜，其中所述显示源包括非偏振光源，并且还包括在所述非偏振光源和所述分束器反射涂层之间的偏振滤波器，以及在所述偏振滤波器和所述分束器反射涂层之间的1/4波片，其中由所述显示源发射的非偏振光通过所述偏振器和所述1/4波片被偏振，由此所述分束器反射涂层接收来自所述显示源的圆偏振光。
8.根据权利要求1所述的目镜，其中所述光学透镜是双合透镜，所述双合透镜包括限定所述凸表面的第一部件，和限定所述凹表面的第二部件，所述第一部件和所述第二部件一起限定所述凸表面和所述凹表面之间的平坦的界面。
9.根据权利要求8所述的目镜，其中所述凹表面和所述凸表面中的至少一个表面是非球面的。
10.根据权利要求9所述的目镜，其中所述圆偏振反射器包括在所述第一部件和所述第二部件之间的所述界面处的1/4波片，和在所述凹表面处的线偏振反射器。
11.根据权利要求9所述的目镜，其中所述凸表面和所述凹表面中的至少一个表面是非球面的。
12.根据权利要求1所述的目镜，还包括在所述凹表面处的吸收偏振器，所述吸收偏振器减少来自眼睛的光从所述目镜的所述圆偏振反射器的表面的反射，所述眼睛观察所述图像。
13.根据权利要求1所述的目镜，其中所述圆偏振反射器与所述凹表面共形。
14.根据权利要求13所述的目镜，其中所述圆偏振反射器包括选自由如下组成的组中的至少一个构件：胆甾型液晶膜、1/4波片和线栅偏振器的组合、以及1/4波片膜和线偏振反射器的组合。
15.一种反射准直目镜，包括：
a)光学透镜，包括
i)凹表面，和
ii)与所述凹表面相对的凸表面；
b)在所述凸表面处的分束器反射涂层；
c)在所述凹表面处的圆偏振反射器，由此来自圆偏振光源的圆偏振光在所述分束器反射涂层处被折射并且在所述圆偏振反射器处被反射，并且然后在所述分束器反射涂层处被反射以形成跨所述圆偏振反射器被透射的相反的圆偏振光的光束，从而准直和放大所述显示源的图像；和
d)与所述分束器反射涂层相对的显示源，其中所述显示源主要将圆偏振光引导到所述分束器反射涂层。
16.一种反射准直目镜，包括：
a)光学透镜，包括
i)限定凸表面的第一部件，
ii)限定凹表面的第二部件，所述第一部件和所述第二部件一起限定所述凸表面和所述凹表面之间的界面；
b)在所述第一部件和所述第二部件之间的所述界面处的1/4波片；
c)在所述凸表面处的分束器涂层；和
d)在所述光学透镜处的圆偏振反射器，由此来自圆偏振光源的圆偏振光在所述分束器反射涂层处被折射并且在所述圆偏振反射器处被反射，并且然后在所述分束器反射涂层处被反射以形成跨所述圆偏振反射器被透射的相反的圆偏振光的光束，从而准直和放大所述圆偏振光源的图像。
17.一种用于形成放大图像的方法，包括以下步骤：
a)从圆偏振光源发射圆偏振光；
b)跨分束器反射涂层的凸表面并且跨光学透镜至少部分地折射所述圆偏振光；
c)在内部从所述光学透镜的凹圆偏振反射器至少部分地反射经折射的所述圆偏振光；
d)在内部从所述凸表面处的所述分束器反射涂层至少部分地反射经反射的所述圆偏振光，由此形成所述圆偏振光的相反圆偏振的光束，从而使相反圆偏振光的所述光束跨所述圆偏振反射器被透射，从而准直和放大所述圆偏振光源的所述图像。
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