CN112585511A - 光学*** - Google Patents

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大卫·J·W·奥斯吐恩
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Abstract

本发明公开了一种用于向观察者显示图像的光学***，该光学***包括：像素化显示器，该像素化显示器包括多个发射未经偏振的图像光的像素；部分反射器，该部分反射器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，该第一延迟层设置在该像素化显示器与该部分反射器之间；第二延迟层，该第二延迟层设置在该第一延迟层与该部分反射器之间；和反射偏振器，该反射偏振器设置在该第一延迟层与该第二延迟层之间。该反射偏振器适于：通过再循环由这些像素发射的未经偏振的图像光的至少一部分来增加由该像素化显示器发射并向该观察者显示的像素化图像的亮度；以及接收由该部分反射器反射的图像射线并将所接收到的图像射线朝向该观察者反射。

Description

光学***
背景技术
光学***可以用于头戴式显示器例如以向观察者提供图像。该光学***可包括部分反射器、反射偏振器和显示面板。
发明内容
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***。该光学***包括：像素化显示器，该像素化显示器适于发射像素化图像；第一光学透镜，所述第一光学透镜包括弯曲的第一主表面；部分反射器，该部分反射器设置在第一光学透镜的主表面上并适形于该主表面；第一延迟层，该第一延迟层设置在该像素化显示器与该部分反射器之间；第二延迟层，该第二延迟层设置在该第一延迟层与该部分反射器之间；以及反射偏振器，该反射偏振器设置在该第一延迟层与该第二延迟层之间。该像素化显示器包括多个发光像素，其中每个发光像素适于发射未经偏振的图像光。该部分反射器在至少从约450nm延伸到约600nm的预定波长范围内具有至少30％的平均光学反射率。该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。该反射偏振器适于：通过再循环由每个发光像素发射的未经偏振的图像光的至少一部分来增加由该像素化显示器发射并向观察者显示的像素化图像的亮度；以及接收由该部分反射器反射的图像射线并将所接收到的图像射线朝向该观察者反射。
在本说明书的一些方面中，提供了用于向观察者显示像素化虚像的光学***。该光学***包括：像素化显示***，该像素化显示***适于发射像素化图像；以及折叠光学***，该折叠光学***设置在该像素化显示***与该观察者之间，并且适于接收该发射的像素化图像并形成像素化虚像。该像素化显示***和该折叠光学***在这两者之间共享共同的反射偏振器。该共同的反射偏振器适于：通过在该像素化显示***内再循环所发射的像素化图像的至少一部分来增加所发射的像素化图像的亮度；将该发射的像素化图像的由该反射偏振器透射的至少一部分朝向该观察者反射。
附图说明
图1为用于向观察者显示图像的光学***的示意图；
图2为用于向观察者显示图像的光学***的示意性剖视图；
图3为反射偏振器对正交第一偏振态和第二偏振态的透射率的示意性曲线图；
图4为反射偏振器对正交第一偏振态和第二偏振态的反射率的示意性曲线图；
图5为多层反射偏振器的示意性剖视图；
图6为线栅偏振器的示意性前视图；
图7A至图7B为延迟量与波长关系的示意曲线图；并且
图8是头戴式显示器的示意性俯视图。
具体实施方式
在以下说明中参考附图，该附图形成本发明的一部分并且其中以举例说明的方式示出各种实施方案。附图未必按比例绘制。应当理解，在不脱离本说明书的范围或实质的情况下，可设想并进行其他实施方案。因此，以下具体实施方式不应被视为具有限制意义。
折叠光学***诸如描述于美国专利第9557568号(Ouderkirk等人)中的那些例如利用反射偏振器和部分反射器来提供折叠光学路径。此类光学***可用于例如头戴式显示器中以向例如观察者提供高视场。像素化有机发光二极管(OLED)显示器可用于向折叠光学***提供图像。此类OLED显示器通常包括圆偏振器，该圆偏振器具有吸收性线性偏振器和四分之一波长延迟器，以便以降低显示器的亮度或效率为代价来降低环境反射。如美国专利第9773847号(Epstein等人)中所述，反射偏振器可设置在该吸收偏振器与该延迟器之间，以通过再循环发射材料的光输出的原本将被吸收性线性偏振器吸收的部分来增加增益或亮度(例如，增加至少10％、或至少20％、或至少30％)。
根据本说明书，已经发现的是，单个反射偏振器可用于在折叠光学***中提供折叠光学路径并且在像素化显示***中提供再循环。例如，在部分反射器与反射偏振器之间的折叠光学路径是指比在该反射偏振器与该部分反射器之间的距离显著更长(例如，至少2倍长或约3倍长)的光学路径。折叠光学***是指包括此类折叠光学路径的光学***。像素化显示***可包括OLED显示面板，该OLED显示面板不具有常规用于OLED显示面板中的吸收偏振器。
图1为用于向观察者315显示像素化虚像340的光学***100的示意性剖视图。光学***100包括像素化显示***250，该像素化显示***包括像素化显示器410并且适于发射像素化图像316。光学***100还包括折叠光学***260，该折叠光学***设置在该像素化显示***250与观察者315之间。该折叠光学***260包括部分反射器240，该部分反射器可围绕两个正交轴弯曲(在图1的示意图中未示出曲率)。该像素化显示***250和该折叠光学***260在这两者之间共享共同的反射偏振器270。该折叠光学***260适于接收发射的像素化图像316并形成像素化虚像340。该共同的反射偏振器270适于通过在像素化显示***250内再循环所发射的像素化图像316的至少一部分来增加所发射的像素化图像316的亮度。例如，所发射的像素化图像316可由包括光312的光线形成。光312的部分314透射穿过反射偏振器270，并且光312的部分313由反射偏振器270朝向像素化显示器410反射。部分313的至少一部分317由像素化显示器410反射回反射偏振器270。部分317的至少一部分在入射到反射偏振器270上时处于第二偏振态，并且透射穿过反射偏振器270。以此方式，光313被至少部分地再循环。
该折叠光学***260在形成像素化虚像340之前借助于共同的反射偏振器270和部分反射器240中的每一者将所发射的像素化图像在折叠光学***260内反射至少一次来折叠所发射的像素化图像316的光学路径。该共同的反射偏振器270适于将所发射的像素化图像316的由反射偏振器270透射的至少一部分朝向观察者315反射。例如，所发射的像素化图像316的由反射偏振器270透射的部分可包括光314，该光的至少一部分310被部分反射器240反射回反射偏振器270，然后该反射偏振器将光310的至少一部分311朝向观察者315反射。
光311和313在从反射偏振器270反射之后立即具有第一偏振态142，并且光314和317在透射穿过反射偏振器270之后立即具有第二偏振态144(可包括延迟层以随后改变偏振态，如本文别处进一步所述)。第一偏振态142可表征为反射偏振器270的阻光态，并且第二偏振态144可表征为反射偏振器的透光态。在一些实施方案中，反射偏振器270适于通过反射所发射的光的具有第一偏振态142的至少一部分313来再循环由像素化显示器410中的每个发光像素发射的未经偏振的图像光312的至少一部分，其中所反射的光的至少一部分317具有第二偏振态144并且在由像素化显示器410反射之后由反射偏振器透射。
该像素化显示***250和折叠光学***260可包括图1中未示出的附加元件，如本文其他地方进一步描述的(参见例如图2)。
图2为用于向观察者215显示图像140(例如，像素化虚像)的光学***200的示意性剖视图。光学***200可对应于例如光学***100。光学***200包括像素化显示器10，该像素化显示器适于发射像素化图像16。像素化显示器10包括多个发光像素11，其中每个发光像素适于发射未经偏振的图像光12。光学***200还包括第一光学透镜30，该第一光学透镜具有弯曲的第一主表面31；部分反射器40，该部分反射器设置在该第一光学透镜30的主表面(例如，第一主表面31或相反的第二主表面32)上并适形于该主表面，并且在至少从约450nm延伸到约600nm的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50，该第一延迟层设置在该像素化显示器10与该部分反射器40之间；第二延迟层60，该第二延迟层设置在该第一延迟层50与该部分反射器40之间；以及反射偏振器70，该反射偏振器设置在该第一延迟层50与该第二延迟层60之间。
反射偏振器70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。例如，所示横截面中光线的第一偏振态可为具有沿关于图2所示的x-y-z坐标系的y方向的电场的偏振态，并且第二偏振态可具有在x-z平面中的电场，或反之亦然。基本上反射可被理解为意指反射在预定波长范围内的具有第一偏振态的入射光的至少60％，并且基本上透射可被理解为意指透射在预定波长范围内的具有第二偏振态的入射光的至少60％。在一些实施方案中，在预定波长范围内，反射偏振器70反射具有第一偏振态的光的至少70％，并且透射具有第二偏振态的光的至少70％。在一些实施方案中，在预定波长范围内，反射偏振器70反射具有第一偏振态的光的至少80％，并且透射具有第二偏振态的光的至少80％。
预先确定的波长范围至少从约450nm延伸到约600nm。已经发现，在至少从约450nm延伸到约600nm的波长范围内的平均反射率和平均透射率可用于表征反射偏振器和/或部分反射器。预先确定的波长范围可延伸到低于450nm的波长和/或高于600nm的波长。在一些实施方案中，预先确定的波长范围至少从约400nm延伸到约600nm，或至少从约450nm延伸到约650nm，或至少从约450nm延伸到约700nm，或至少从约400nm延伸到约700nm。在一些实施方案中，预先确定的波长范围为约450nm至约600nm、或约450nm至约650nm、或约450nm至约700nm、或约400nm至约600nm、或约400nm至约700nm。
反射偏振器70适于：通过再循环由每个发光像素11发射的未经偏振的图像光12的至少一部分来增加由像素化显示器10发射并向观察者215显示的像素化图像16的亮度；并且反射偏振器70适于接收由部分反射器40反射的图像射线210并且将所接收到的图像射线210朝向观察者215反射。在一些实施方案中，反射偏振器70适于将由像素化显示器发射的像素化图像的亮度增加至少10％、或至少20％、或至少30％。在一些实施方案中，反射偏振器70适于通过反射所发射的光的具有第一偏振态的至少一部分来再循环由每个发光像素11发射的未经偏振的图像光12的至少一部分，其中所发射的光的至少一部分具有第二偏振态并且在由像素化显示器10反射之后由反射偏振器透射。
任何合适的显示器均可用作像素化显示器10。在一些实施方案中，像素化显示器10是像素化有机发光二极管(OLED)显示器。在一些实施方案中，每个发光像素包括对应的薄膜晶体管13。在一些实施方案中，该多个发光像素11设置在基板14上。在一些实施方案中，基板14在可见光范围(例如，400nm至700nm的波长)内的平均光学反射率大于约20％、或大于约30％、或大于约40％、或大于约50％、或大于约60％、或大于约60％、或大于约70％。该平均值为在可见光范围内的波长上和在基板14的面积上的未加权平均值。基板14可包括例如反射金属层，或者可包括例如交替电介质层的反射堆叠。在一些实施方案中，该多个发光像素11包括至少第一发光像素11a，该至少第一发光像素适于发射未经偏振的蓝色图像光(例如，介于400nm与500nm之间的波长)；至少第二发光像素11b，该至少第二发光像素适于发射未经偏振的绿色图像光(例如，介于500nm与600nm之间的波长)；以及至少第三发光像素11c，该至少第三发光像素适于发射未经偏振的红色图像光(例如，介于600nm与700nm之间的波长)。在一些实施方案中，像素化显示器10还包括光学透明电极15，该光学透明电极设置在多个发光像素11上。
在一些实施方案中，第一光学透镜30的弯曲的第一主表面31朝向像素化显示器10凹入。在一些实施方案中，第一光学透镜30具有弯曲的第二主表面32，该弯曲的第二主表面朝向像素化显示器10凹入。在一些实施方案中，部分反射器40设置在第一光学透镜30的弯曲的第一主表面31上并适形于该弯曲的第一主表面。
在一些实施方案中，第一延迟层50为针对预定波长范围内的至少一个波长的基本上四分之一波长延迟器(例如，针对预定波长范围内的至少一个波长，具有在该波长的1/4的10％内或5％内的延迟)。在一些实施方案中，光学***200还包括第一粘合剂层80，该第一粘合剂层将第一延迟层50粘合到反射偏振器70。在一些实施方案中，第二延迟层60为针对预定波长范围内的至少一个波长的基本上四分之一波长延迟器。在一些实施方案中，光学***200还包括第二光学透镜90，该第二光学透镜设置在第一光学透镜30与反射偏振器70之间。在一些实施方案中，第二光学透镜90具有弯曲的第一主表面91，该弯曲的第一主表面朝向像素化显示器10凹入；以及相反的平坦第二主表面92，该相反的平坦第二主表面设置在第二光学透镜90的第一主表面91与像素化显示器10之间。在一些实施方案中，第二延迟层60设置在第二光学透镜90的平坦第二主表面92上。
在一些实施方案中，反射偏振器70设置在透明的阻挡基板183上，其中反射偏振器70设置在阻挡基板183与像素化显示器10之间，并且其中阻挡基板183结合到像素化显示器10以防止湿气或氧气中的至少一者渗透到像素化显示器10中。例如，透明的阻挡基板183可为或包括玻璃。
在一些实施方案中，光学***200还包括吸收偏振器110，该吸收偏振器设置在观察者215与部分反射器40之间。在一些实施方案中，在预定波长范围内，吸收偏振器110基本上透射具有第一偏振态的光(例如，透射具有第一偏振态的光的至少60％、或至少70％、或至少80％)并且基本上吸收具有第二偏振态的光(例如，吸收具有第二偏振态的光的大于50％、或大于60％、或大于70％)。在一些实施方案中，光学***200还包括第三延迟层120，该第三延迟层设置在吸收偏振器110与部分反射器40之间。在一些实施方案中，第三延迟层120为针对预定波长范围内的至少一个波长的基本上四分之一波长延迟器。在一些实施方案中，第二延迟层60和第三延迟层120具有彼此基本上正交(例如，在正交的20度或10度内)的快光轴。利用具有基本上正交的快光轴的延迟器允许例如对由于延迟器的延迟量的波长依赖性而引起的偏振态变化的至少部分消除。可包括吸收偏振器110和第三延迟层120以阻挡光到达观察者215，该光透射穿过反射偏振器70和部分反射器40，而不是先前由该部分反射器40反射。例如，在第二延迟层60和第三延迟层120具有与彼此基本上正交的快光轴并且第二偏振态为吸收偏振器110的阻光态的实施方案中，透射穿过部分反射器40而不被部分反射器40反射的以第二偏振态(反射偏振器70的透光偏振态)透射穿过反射偏振器70的光当入射在吸收偏振器110上时可处于吸收偏振器110的阻光偏振态下。在其他实施方案中，在预定波长范围内，吸收偏振器110基本上透射具有第二偏振态的光并且基本上吸收具有第一偏振态的光，并且第二延迟层60和第三延迟层120具有与彼此基本上平行(例如，在平行的20度或10度内)的快光轴。
在一些实施方案中，提供了用于向观察者215显示像素化虚像140的光学***200。光学***200包括：像素化显示***150，该像素化显示***适于发射像素化图像16；以及折叠光学***160，该折叠光学***设置在像素化显示***150与观察者215之间，并且适于接收发射的像素化图像16并形成虚像140。像素化显示***150和折叠光学***160在这两者之间共享共同的反射偏振器70。共同的反射偏振器70适于通过在像素化显示***150内再循环所发射的像素化图像16的至少一部分来增加所发射的像素化图像16的亮度(例如，轴向强度)；并且适于将所发射的像素化图像16的由反射偏振器70透射的至少一部分朝向观察者215反射。在一些实施方案中，该折叠光学***160在形成像素化虚像140之前通过共同的反射偏振器70和部分反射器40中的每一者将所发射的像素化图像在折叠光学***160内反射至少一次来折叠所发射的像素化图像16的光学路径。
在本说明书的光学***中的任一者中使用的部分反射器可为任何合适的部分反射器。在一些实施方案中，部分反射器40在预定波长范围内具有至少30％的平均光学透射率。在一些实施方案中，部分反射器40包含金属。例如，部分反射器可通过将金属(例如，银或铝)的薄层涂覆在透明的基板(例如，可随后粘附到透镜上的膜，或基板可为透镜)上来构造。部分反射器也可通过例如将薄膜电介质涂层沉积到透镜基板的表面上，或者通过将金属和电介质涂层的组合沉积在表面上来形成。在一些实施方案中，对于在至少从约450nm延伸到约600nm的预先确定的波长范围内的垂直入射光，部分反射器具有至少30％的平均光学反射率。在一些实施方案中，部分反射器的平均光学反射率在40％至60％的范围内。在一些实施方案中，部分反射器在预先确定的波长范围中具有平均光学反射率和平均光学透射率，其中平均光学反射率和平均光学透射率各自在30％至70％的范围内、或各自在40％至60％的范围内、或各自在45％至55％的范围内。部分反射器可以是例如半反射镜。
除非另外指明，否则部分反射器的平均光学反射率是指垂直入射在部分反射器上并且在预先确定的波长范围内的波长上平均(未加权平均值)的未经偏振的光的光学反射率。针对特定偏振态的反射偏振器的平均光学反射率和平均光学透射率分别可类似地指以特定偏振态垂直地入射到反射偏振器上并且在预先确定的波长范围内的波长上取平均(未加权平均值)的光的光学反射率和光学透射率。例如，在一些实施方案中，对于预定波长范围内的垂直入射光，反射偏振器针对第一偏振态的平均光学反射率为至少60％、或至少70％、或至少80％；并且针对第二偏振态的平均光学透射率为至少60％、或至少70％、或至少80％。
图3为反射偏振器针对垂直入射光的正交第一偏振态和第二偏振态的透射率的示意性曲线图。在从λ1至λ2的预先确定的波长范围内的波长上的透射率的平均值在第一偏振态下为Ts，并且在第二偏振态下为Tp。在一些实施方案中，λ1在约400nm至约450nm的范围内，并且λ2在约600nm至约700nm的范围内，或者在约650nm至约700nm的范围内。在一些实施方案中，Tp为至少60％、或至少70％、或至少80％。在一些实施方案中，Ts不超过30％、或不超过20％、或不超过10％、或不超过5％、或不超过3％。
图4为反射偏振器针对垂直入射光的正交第一偏振态和第二偏振态的反射率的示意性曲线图。在从λ1至λ2的预先确定的波长范围内的波长上的反射率的平均值在第一偏振态下为Rs，并且在第二偏振态下为Rp。在一些实施方案中，Rs为至少60％、或至少70％、或至少80％。在一些实施方案中，Rp不超过30％、或不超过20％、或不超过10％、或不超过5％。
图3至图4中所示的透射率和/或反射率可以针对反射偏振器上的某个位置，并且反射偏振器上的每个位置可具有对应的透射率和反射率，该透射率和反射率可以由于例如成形工艺而随位置一定程度地变化。例如，每个位置可具有通常如图4所示的对应反射带，但是带边缘波长λ0和/或λ3可随位置一定程度地变化。如果反射偏振器上的至少一个位置具有在指定范围内的平均透射率和/或反射率，则该反射偏振器可被说成具有在指定范围内的平均透射率和/或反射率。在一些实施方案中，光学膜的至少大部分区中的每个位置或光学膜的全部或基本上全部区中的每个位置可具有指定的平均透射率和/或反射率。
在多层光学膜反射偏振器的制备中使用的材料通常为聚合物材料，该聚合物材料至少在可见光和近可见光波长上以及针对膜内的典型光路距离具有非常低的吸收。因此，多层膜对给定光线的反射百分比R和透射百分比T通常基本互补，即，R+T≈100％，通常精确性在约1％内。
光学膜(例如反射偏振膜)的透射率一般是指透射光强度除以入射光强度(对于具有给定波长、入射方向等的光而言)，但可用术语“外部透射率”或“内部透射率”来表示。光学膜的外部透射率为光学膜当浸没在空气中时的透射率，并且无需对元件前方的空气/元件界面处的菲涅尔反射、或者元件后方的元件/空气界面处的菲涅耳反射进行任何修正。光学膜的内部透射率为当该光学膜的前表面和后表面处的菲涅耳反射已被去除时的膜的透射率。前菲涅尔反射和后菲涅尔反射的去除可通过计算(例如，通过从外部透射/反射光谱中减去适当的函数，该外部透射/反射光谱可由菲涅尔方程和光学膜的最外层的测量折射率确定)完成，或通过实验(例如，可根据在光学膜的前侧设置或不设置与光学膜适当地对准的吸收偏振器的情况下光学膜的反射率和透射率的测量结果、在光学膜的前侧和后侧设置或不设置与光学膜适当地对准的吸收偏振器的情况下光学膜的反射率和透射率的测量结果、以及吸收偏振器的反射率和透射率的测量结果推断出内部透射率和内部反射率)完成。对于许多类型的聚合物和玻璃材料，在两个外表面中的每个外表面处，菲涅耳反射为约4％至6％(对于垂直入射角或近垂直入射角)，这导致外部透射率相对于内部透射率下移约10％。
因此，光学膜的内部透射率是指仅得自膜组件的内部、而非其两个外表面的透射率。类似于内部透射率的是“内部反射率”。膜的内部反射率是指仅得自膜组件的内部、而非其两个最外表面的反射率。光学膜的透射率或反射率也可针对浸入一些介质(例如玻璃)中的膜来确定。例如，如果玻璃的折射率接近于光学膜的外层的折射率并且使用折射率匹配的粘合剂将光学膜结合到光学膜的每一侧上的玻璃(例如，玻璃棱镜)，则浸入玻璃中的光学膜的垂直入射透射率和反射率将分别大约等于垂直入射内部透射率和反射率。如果本文提及透射率或反射率没有指明是内部或外部，则除非上下文另有说明，应假设透射率或反射率分别指内部透射率或内部反射率。
内部反射和透射特性可以易于从光学模型或实验室测量中确定。就建模膜的反射率和透射率的计算值而言，通过省略计算来自所计算值的那些表面反射率易于实现内部反射率和透射率。反射光谱及其所有特征，诸如任何角度下的反射率以及用于双折射多层膜的带边缘，均可使用《物理评论快报》(Phys.Rev.Lett.)(1970年，第25期，第577页)中Berreman和Scheffer的4x4叠堆代码来计算。在由Azzam和Bashara编写、荷兰艾斯维尔科学出版社(Elsevier Science,Holland)出版的著作“Ellipsometry and Polarized Light”(椭圆光度法和偏振光)中对该方法进行了说明。
就反射率或透射率的测量值而言，可通过以下方法确定内部反射和透射特性：在空气中对膜进行测量，并减去仅表示表面反射率的计算值或测量值。例如，给定具有比干涉层厚得多的平滑透光表面层的多层膜，该表面层的折射率可以测量。一旦表面层的折射率已知，就可通过使用本领域所熟知的数学公式从测量的总反射率中减去表面反射率。
在本说明书的光学***中使用的反射偏振器可为任何合适类型的反射偏振器。在一些实施方案中，反射偏振器(例如，反射偏振器70或270)为或包括多层聚合物光学膜。在一些实施方案中，反射偏振器(例如，反射偏振器70或270)为或包括线栅反射偏振器。
图5为多层反射偏振器470的示意性剖视图，该多层反射偏振器可例如对应于反射偏振器70或270。在一些实施方案中，反射偏振器470包括多个聚合物层。在一些实施方案中，反射偏振器470包括多个交替的第一聚合物层71和第二聚合物层72。在一些实施方案中，多个交替的第一聚合物层71和第二聚合物层72的数目介于100个与700个之间，并且每个第一聚合物层71和第二聚合物层72具有小于约500nm的平均厚度。在一些实施方案中，反射偏振器470(或共同的反射偏振器70或270)包括多个交替的具有较低折射率的第一聚合物层71和具有较高折射率的第二聚合物层72。例如，在预定波长范围内的预定波长(例如，532nm、或550nm、或633nm)下，第一聚合物层71沿阻光轴的折射率可小于第二聚合物层72沿阻光轴的折射率。
第一层71和第二层72可以是主要通过光学干涉作用反射和透射光的干涉层。作为非干涉层的外表层或保护性边界层也可包括在反射偏振膜中。当干涉层的反射率和透射率可以通过光学干涉合理地描述或由光学干涉而合理地精确地建模时，干涉层可以被描述为主要通过光学干涉来反射和透射光。当一对具有不同折射率的相邻干涉层的组合光学厚度(沿着阻光轴的折射率乘以物理厚度)为光波长的1/2时，它们通过光学干涉来反射光。在一些实施方案中，光学重复单元中相邻干涉层对的光学厚度大约相等。干涉层通常具有小于约500nm或小于约200纳米的物理厚度。在一些实施方案中，每个聚合物干涉层具有在约45纳米至约200纳米的范围内的平均厚度(该层上的物理厚度的未加权平均数)。非干涉层具有过大的光学厚度以有助于通过干涉反射可见光。非干涉层通常具有至少1微米或至少5微米的物理厚度。干涉层3102可以是主要通过预先确定的波长范围内的光学干涉来反射和透射光的多个聚合物干涉层。包括干涉层和非干涉层的反射偏振膜的平均厚度可小于约500微米。
用于交替聚合物层的合适材料包括例如聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、包含PEN和聚酯(例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或二苯甲酸)的共聚物、乙二醇改性的聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯(PC)或这些类别材料的共混物。
制备包括交替的聚合物干涉层的光学膜的方法是本领域已知的，并且在例如美国专利第5882774号(Jonza等人)、第6179948号(Merrill等人)、第6783349号(Neavin等人)和第9162406号(Neavin等人)中有所描述。简而言之，制造方法可包括：(a)提供至少第一树脂流和第二树脂流，该至少第一树脂流和第二树脂流与待用于成品膜中的第一聚合物和第二聚合物对应；(b)使用合适的送料区块将第一树脂流和第二树脂流分成多个层；(c)使复合材料流穿过挤出模具以形成多层辐材，其中每个层通常平行于相邻层的主表面；以及(d)将多层辐材浇注到冷却辊(有时称为浇注轮或浇注鼓)上，以形成浇注的多层膜。该浇注膜可具有与成品膜相同数量的层，但是浇注膜的层通常比成品膜的那些厚很多。此外，浇注膜的层通常全部为各向同性的。在冷却辊上冷却多层辐材后，可将其拉延或拉伸，以制备成品或接近成品的多层光学膜。拉延或拉伸实现两个目标：其使层薄化到其所需的最终厚度；其使层取向，使得层中的至少一些变成双折射的层。取向或拉伸可沿横维方向(例如，经由拉幅机)、沿纵维方向(例如，经由长度取向机)或它们的任何组合(无论同时还是依次进行)来实现。
在一些实施方案中，反射偏振器包括多个交替的第一聚合物层和第二聚合物层，其中每个第二聚合物层在一个或多个位置处(例如，当反射偏振器为基本上平坦的时在所有位置处，以及在从弯曲的反射偏振器的顶点沿着大致沿着反射偏振器的阻光轴的弧的位置处)为基本上单轴取向的。基本上单轴取向的层在一个面内(例如，长度)方向和厚度方向上的折射率基本上相同(例如，相差0.02或相差0.01)，但与在正交的面内(例如，宽度)方向上的折射率显著不同(例如，相差至少0.05)。在一些实施方案中，在任何成形工艺之前，多层光学膜是基本上单轴牵拉的膜，并且具有至少0.7或至少0.8或至少0.85的单轴性程度U，其中U＝(1/MDDR-1)/(TDDR1/2-1)，其中MDDR被定义为纵向拉伸比，并且TDDR被定义为横向拉伸比。此类基本上单轴取向的多层光学膜描述于美国专利申请第2010/0254002号(Merrill等人)中，并且可通过使用抛物线拉幅机对多层膜进行取向而获得。如美国专利第9557568号(Ouderkirk等人)中所述，基本上单轴取向的反射偏振膜在折叠光学***中提供改善的性能。
在一些实施方案中，本说明书的光学***的反射偏振器为或包括线栅偏振器。合适的线栅偏振器是本领域中已知的，并且通常包括设置在基板(例如，基板183)上并且以显著小于预定波长范围内的波长的距离间隔开的基本上平行(例如，在平行的20度内、或10度内、或5度内、或2度内)的金属线材。此类线栅偏振器可使用例如光刻技术制成。图6为可例如对应于反射偏振器70或270的线栅偏振器130的示意性前视图。线栅偏振器130包括沿第一偏振态的方向132延伸的多条基本上平行的金属线131。
用于本说明书的光学***中的延迟层可为膜或涂层，或膜和涂层的组合。合适的膜包括双折射聚合物膜延迟器，诸如例如购自科罗拉多州弗雷德里克的百灵光学公司(Meadowlark Optics，Frederick，CO)的那些。用于形成延迟层的合适涂层包括在美国专利第6717644号(Schadt等人)、第6905739号(Cherkaoui等人)、第7201948号(Moia等人)、第7364671号(Schadt等人)和第6300991号(Schadt等人)中描述的线性可光致聚合的聚合物(LPP)材料和液晶聚合物(LCP)材料。合适的LPP材料包括ROP-131EXP 306LPP，并且合适的LCP材料包括ROF-5185EXP410LCP，这两者均可购自瑞士奥什维尔落利刻新材料有限公司(ROLIC Technologies，Allschwil，Switzerland)。在一些实施方案中，延迟层的厚度小于约2微米。利用薄的第一延迟层50和第一粘合剂层80可为期望的，以便将反射偏振器70定位成靠近多个像素11的平面，从而避免或最小化相邻像素之间的串扰。
图7A为延迟器的延迟量(例如，以nm为单位)与波长的关系的示意图。延迟量与波长的关系是波长色散曲线1600a。例如，色散曲线1600a类似于可购自德国达姆施塔特的默克公司(Merck,Darmstadt,Germany)的消色差延迟器的色散曲线。还示出了理想消色差四分之一波长延迟器的色散曲线1607。例如，具有色散曲线1600a的延迟器可以是波长λa处和λb处的四分之一波长延迟器，并且可以在预先确定的波长范围(例如，从λ1到λ2)内的波长范围内基本上是四分之一波长(例如，四分之一波长的10％内或5％内的延迟量)。图7B是不同延迟层的波长色散曲线1600b的示意图。色散曲线1600b类似于常规延迟器(诸如取向聚合物层的延迟器)的色散曲线。色散曲线1600b随着预先确定的波长范围内的波长增加而单调变化。例如，具有色散曲线1600b的延迟层可以是波长λ3处的基本上四分之一波长延迟器。
在本说明书的光学***中使用的光学透镜可以是任何合适类型的光学透镜。该光学透镜可由例如玻璃或聚合物(例如，低双折射聚甲基丙烯酸甲酯)制成。
在一些实施方案中，提供了包括至少一个本说明书的光学***的头戴式显示器。例如，头戴式显示器可包括邻近的左光学***和右光学***，其中左光学***和右光学***中的每一者是本说明书的光学***，该左光学***被配置为向观察者的左眼提供图像，并且该右光学***适于向观察者的右眼提供图像。在一些实施方案中，左显示器和右显示器为或包括邻接的像素化显示面板的左部分和右部分。类似地，在一些实施方案中，左反射偏振器和右反射偏振器为或包括邻接反射偏振器的左部分和右部分。在其他实施方案中，在左光学***和右光学***中使用单独的左像素化显示面板和右像素化显示面板以及单独的左反射偏振器和右反射偏振器。图8是包括框架1792以及左显示部分1794a和右显示部分1794b的头戴式显示器1790的示意性俯视图，该左显示部分和右显示部分可包括相应的左光学***和右光学***，其中左光学***和右光学***中的每一者是根据本说明书的光学***，该光学***被设置成使得部分反射器(例如，40或24)面向观察者，并且当头戴式显示器1790被穿戴时，像素化显示器(例如，10或410)背向观察者。
如果本领域普通技术人员在本说明书中使用和描述的上下文中对“约”或“基本上”应用于表达特征大小、数量和物理性质的量的使用不清楚，则“约”或“基本上”将被理解为意指与指定量相差10％以内，但还包括精确的指定量。例如，如果本领域普通技术人员在本说明书中使用和描述的上下文中对其不清楚，则具有约1的值或基本上为1的值的量是指该量具有介于0.9与1.1之间的值，并且还包括精确地为1的值。
上述所有引用的参考文献、专利和专利申请以一致的方式全文据此以引用方式并入本文。在并入的参考文献部分与本申请之间存在不一致或矛盾的情况下，应以前述说明中的信息为准。
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。本申请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。

Claims (15)

1.一种用于向观察者显示图像的光学***，包括：
像素化显示器，所述像素化显示器适于发射像素化图像并包括多个发光像素，每个发光像素适于发射未经偏振的图像光；
第一光学透镜，所述第一光学透镜包括弯曲的第一主表面；
部分反射器，所述部分反射器设置在所述第一光学透镜的主表面上并适形于所述主表面，并且在至少从约450nm延伸到约600nm的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，所述第一延迟层设置在所述像素化显示器与所述部分反射器之间；
第二延迟层，所述第二延迟层设置在所述第一延迟层与所述部分反射器之间；和
反射偏振器，所述反射偏振器设置在所述第一延迟层与所述第二延迟层之间，并且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基本上透射具有正交的第二偏振态的光，其中所述反射偏振器适于：
通过再循环由每个发光像素发射的未经偏振的图像光的至少一部分来增加由所述像素化显示器发射并向所述观察者显示的像素化图像的亮度；以及
接收由所述部分反射器反射的图像射线并将所接收到的图像射线朝向所述观察者反射。
2.根据权利要求1所述的光学***，其中所述多个发光像素设置于基板上，所述基板在可见光范围内具有大于约20％的平均光学反射率。
3.根据权利要求1或2所述的光学***，其中所述第一延迟层为针对所述预定波长范围内的至少一个波长的基本上四分之一波长延迟器。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学***，其中所述第二延迟层为针对所述预定波长范围内的至少一个波长的基本上四分之一波长延迟器。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学***，还包括第二光学透镜，所述第二光学透镜设置在所述第一光学透镜与所述反射偏振器之间。
6.根据权利要求5所述的光学***，其中所述第二光学透镜包括朝向所述像素化显示器凹入的弯曲的第一主表面以及设置在所述第二光学透镜的所述第一主表面与所述像素化显示器之间的相反的平坦的第二主表面。
7.根据权利要求6所述的光学***，其中所述第二延迟层设置在所述第二光学透镜的所述平坦的第二主表面上。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光学***，其中所述反射偏振器设置在透明的阻挡基板上，所述反射偏振器设置在所述阻挡基板与所述像素化显示器之间，所述阻挡基板结合到所述像素化显示器以防止湿气或氧气中的至少一者渗透到所述像素化显示器中。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光学***，还包括吸收偏振器，所述吸收偏振器设置在所述观察者与所述部分反射器之间，所述吸收偏振器在所述预定波长范围内基本上透射具有所述第一偏振态的光并基本上吸收具有所述第二偏振态的光。
10.根据权利要求9所述的光学***，还包括第三延迟层，所述第三延迟层设置在所述吸收偏振器与所述部分反射器之间。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的光学***，其中所述反射偏振器适于通过反射所发射的光的具有所述第一偏振态的至少一部分来再循环由每个发光像素发射的所述未经偏振的图像光的至少一部分，其中所反射的光的至少一部分具有所述第二偏振态并且在由所述像素化显示器反射之后由所述反射偏振器透射。
12.一种用于向观察者显示像素化虚像的光学***，包括：
像素化显示***，所述像素化显示***适于发射像素化图像；和
折叠光学***，所述折叠光学***设置在所述像素化显示***与所述观察者之间并且适于接收所发射的像素化图像并形成所述像素化虚像，所述像素化显示***和所述折叠光学***在这两者之间共享共同的反射偏振器，所述共同的反射偏振器适于：
通过在所述像素化显示***内再循环所发射的像素化图像的至少一部分来增加所发射的像素化图像的亮度；以及
将所发射的像素化图像的由所述反射偏振器透射的至少一部分朝向所述观察者反射。
13.根据权利要求12所述的光学***，其中所述共同的反射偏振器包括多个交替的具有较低折射率的第一聚合物层和具有较高折射率的第二聚合物层。
14.根据权利要求12所述的光学***，其中所述共同的反射偏振器包括线栅偏振器。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的光学***，其中所述折叠光学***还包括部分反射器，所述部分反射器在至少从约450nm延伸到约600nm的预定波长范围内具有至少30％的平均光学反射率，所述折叠光学***在形成所述像素化虚像之前通过所述共同的反射偏振器和所述部分反射器中的每一者将所发射的像素化图像在所述折叠光学***内反射至少一次来折叠所发射的像素化图像的光学路径。
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