光学系统的制作方法

1.本公开一般涉及光学系统，特别是涉及用于向观察者显示第一图像和第二图像的光学系统。


背景技术：

2.增强现实(ar)技术通过将虚拟的由计算机生成的图像叠加到现实物理世界中，极大地增强了用户对现实物理世界的感知和与现实物理世界的交互。头戴式显示器(hmd)是ar技术最广泛使用的实施方案之一。ar hmd是佩戴在头部或头盔的一部分上的装置并且使得用户能够看到虚拟图像和现实世界图像两者。光学透视系统采用半反射镜或分束器以允许与计算机生成的图像一起直接观察现实物理世界。因此，在不降低分辨率的情况下，可以更自然地观察现实世界。光学透视型hmd通常用于ar hmd产品中。


技术实现要素：

3.在本公开的一些方面，提供了一种用于向观察者显示第一图像和第二图像的光学系统。该光学系统包括不同的第一显示部和第二显示部。反射偏振器设置在该第二显示部与该观察者之间，并且相对于该第一显示部倾斜地定向。该反射偏振器包括基本上区分开的蓝色反射带、绿色反射带和红色反射带。光学叠堆设置在该反射偏振器与该第二显示部之间。该光学叠堆包括设置在该反射偏振器与该第二显示部之间的部分反射器。该光学叠堆还包括设置在该反射偏振器与该部分反射器之间的延迟层。对于基本上垂直入射光，并且对于从约400nm延伸至约700nm的预定波长范围内的蓝色波长、绿色波长和红色波长中的每种波长，该反射偏振器反射至少70％的具有第一偏振态的入射光并且透射至少60％的具有正交第二偏振态的入射光。对于基本上垂直入射光，并且对于从约400nm延伸至约700nm的预定波长范围内的蓝色波长、绿色波长和红色波长中的每种波长，该部分反射器对于该第一偏振态和该第二偏振态中的每种偏振态反射至少70％的入射光。对于该第一偏振态和该第二偏振态中的至少一种偏振态，该延迟层在蓝色波长、绿色波长和红色波长中的至少一种波长处基本上是四分之一波长延迟器。对于该第一偏振态和该第二偏振态中的每种偏振态，并且对于该蓝色波长与该绿色波长之间的蓝-绿波长和该绿色波长与该红色波长之间的绿-红波长中的每种波长，该反射偏振器透射至少70％的入射光。对于该第一偏振态和该第二偏振态中的每种偏振态，并且对于该蓝色波长与该绿色波长之间的蓝-绿波长和该绿色波长与该红色波长之间的绿-红波长中的每种波长，该部分反射器透射至少60％的入射光。
附图说明
4.将参考附图更详细地讨论本公开的各个方面，其中，
5.图1和图2是显示了根据本公开的一些方面的光学系统的示意图；
6.图3示意性地示出了根据一些方面的光学系统上的垂直入射光；
polarizing film 5或apf购自3m公司(3m company)。也可使用其他类型的多层光学膜反射偏振器(例如，购自3m公司的反射式偏光增亮膜或dbef)。在一些实施方案中，使用其它类型的反射偏振器(例如，线栅偏振器)。
15.光学系统(300)包括设置在反射偏振器(40)与第二显示部(30)之间的光学叠堆(50)。光学叠堆至少包括部分反射器(60)和延迟层(70)。在一些实施方案中，部分反射器(60)可以设置在反射偏振器(40)与第二显示部(30)之间，并且延迟层(70)可以设置在反射偏振器(40)与部分反射器(60)之间。在一些方面，光学叠堆可以是如图2所示的弯曲光学叠堆(50a)。在一些情况下，部分反射器(60a)和延迟层(70a)中的至少一者可以是弯曲的。
16.在某些方面，部分反射器(60,60a)可以是陷波反射器。例如，部分反射器(60,60a)可以具有如图4中示意性示出的反射带(例如，对于第一偏振态和第二偏振态中的每种偏振态)。在其他方面，部分反射器(60,60a)可以是通过将金属(例如铝或银)涂覆到塑料板或玻璃板上而获得的50/50分束器。在一些其他方面，部分反射器(60)可包括总数大于约50、或大于100、或大于150的多个聚合物层。聚合物层可以足够薄，使得在多个界面处反射的光经历相长干涉或相消干涉作用，以赋予部分反射器期望的反射或透射特性。例如在美国专利号5882774(jonza等人)、6179948(merrill等人)和6783349(neavin等人)中描述了包括多个聚合物层的反射膜(例如，部分反射器或反射偏振器)，在不与本说明书相矛盾的情况下，每项专利以引用方式并入本文中。在一些实施方案中，聚合物层包括以下中的一种或多种：聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、二醇改性的聚对苯二甲酸乙二醇酯(petg)、聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)和pen/pet共聚物。对于窄带宽源，在波长范围内的较少数量的层对在较低波长下在对应的入射角下可增大透射率。根据本公开的一个方面，部分反射器(60,60a)透射由第二显示部(30)产生的第二图像(31)。
17.在某些实施方案中，延迟层(70)可以是层合在反射偏振器(40)上的膜，或者可以是施加至反射偏振器(40)的涂层。例如，延迟层(70)可以是层合到反射偏振器(40)上的取向聚合物膜，或者是反射偏振器(40)上的液晶聚合物涂层。在一些其他实施方案中，延迟层(70)在至少一种期望的波长中的至少一种波长处可以是四分之一波长延迟层。在一些实施方案中，至少一种期望的波长可以是期望的多种波长，并且延迟层(70)在期望的多种波长中的至少一种波长处可以是四分之一波长延迟器。在一些方面，对于第一偏振态和第二偏振态中的至少一种偏振态，延迟层(70)在蓝色波长、绿色波长和红色波长中的至少一种波长处可以是四分之一波长延迟层。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。
18.在一些方面，光学叠堆(50)包括部分反射器(60)和延迟层(70)，该光学叠堆(50)可以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膜上，或通过将部分反射器膜和四分之一波长延迟膜层合在一起而制备。在一些其他方面，光学叠堆(50)包括粘合剂层(120)，其用于将部分反射器(60)粘结到延迟层(70)，如图5中示意性地示出。
19.在一些实施方案中，对于如图3所示的基本上垂直入射光(80)，并且对于预定波长范围内的蓝色波长(90b)、绿色波长(90g)和红色波长(90r)中的每种波长(图4)，如果至少70％的具有第一偏振态(x轴)的入射光从偏振器(40)反射，则反射偏振器(40)可被称为基本上反射具有第一偏振态的光。在一些实施方案中，至少80％或至少90％的具有第一偏振
态的入射光从偏振器(40)反射。在一些实施方案中，对于基本上垂直入射光，并且对于预定波长范围内的蓝色波长(90b)、绿色波长(90g)和红色波长(90r)中的每种波长，如果至少60％的具有正交第二偏振态(y轴)的入射光从反射偏振器(40)透射，则反射偏振器(40)可被称为基本上透射具有正交第二偏振态的光。在一些实施方案中，至少70％或至少80％的具有正交第二偏振态的入射光从偏振器(40)透射。在一些方面，预定波长范围可以是从约400nm延伸至约700nm的可见波长范围。例如，蓝色波长(90b)可以在约425nm至约475nm的范围内，绿色波长(90g)可以在约525nm至约575nm的范围内，并且红色波长(90r)可以在约625nm至约700nm的范围内。
20.在一些实施方案中，对于基本上垂直入射光(80)，并且对于预定波长范围内的蓝色波长(90b)、绿色波长(90g)和红色波长(90r)中的每种波长，部分反射器(60)对于第一偏振态(x轴)和第二偏振态(y轴)中的每种偏振态反射至少70％的入射光。在一些方面，对于基本上垂直入射光，并且对于预定波长范围内的蓝色波长(90b)、绿色波长(90g)和红色波长(90r)中的每种波长，部分反射器(60)对于第一偏振态和第二偏振态中的每种偏振态反射至少80％的入射光。在一些方面，预定波长范围可以是从约400nm延伸至约700nm的可见波长范围。例如，蓝色波长(90b)可以在约425nm至约475nm的范围内，绿色波长(90g)可以在约525nm至约575nm的范围内，并且红色波长(90r)可以在约625nm至约700nm的范围内。
21.在一些方面，对于基本上垂直入射光，并且对于第一偏振态和第二偏振态中的每种偏振态，并且对于蓝色波长与绿色波长之间的蓝-绿波长(90bg)和绿色波长与红色波长之间的绿-红波长(90gr)中的每种波长(图4)，反射偏振器(40)可透射至少70％或至少80％的入射光。在一些其他方面，对于基本垂直的入射光，并且对于第一偏振态和第二偏振态中的每种偏振态，并且对于蓝色波长与绿色波长之间的蓝-绿波长(90bg)和绿色波长与红色波长之间的绿-红波长(90gr)中的每种波长，部分反射器(60)透射至少60％或至少70％的入射光。在一些情况下，蓝色波长与绿色波长之间的蓝-绿波长(90bg)可小于550nm，并且绿色波长与红色波长之间的绿-红波长(90gr)可小于650nm。
22.在一些其他实施方案中，光学系统(300)包括吸收偏振器(110)。吸收偏振器(110)可以设置在第一显示部(20)与反射偏振器(40)之间。对于蓝色波长、绿色波长和红色波长中的每种波长，吸收偏振器(110)基本上透射具有正交的第一偏振态和第二偏振态中的一者(例如，电场沿着x轴的第一偏振态)的光，并且基本上吸收具有第一偏振态和第二偏振态中的另一者(例如，电场沿着y轴的第二偏振态)的光。
23.在一些实施方案中，对于基本上垂直入射光(80)，并且对于蓝色波长、绿色波长和红色波长中的每种波长，如果至少60％或至少70％的具有第一偏振态的入射光透射通过吸收偏振器(110)，则吸收偏振器(110)可被称为基本上透射具有第一偏振态的光。在一些实施方案中，对于蓝色波长、绿色波长和红色波长中的每种波长至少80％的具有第一偏振态的入射光透射通过吸收偏振器(110)。
24.在一些实施方案中，对于基本上垂直入射光(80)，并且对于蓝色波长、绿色波长和红色波长中的每种波长，如果至少60％或至少70％的具有第二偏振态的入射光被吸收偏振器(110)吸收，则吸收偏振器(110)可被称为基本上吸收具有第二偏振态的光。在一些实施方案中，至少80％的具有第二偏振态或蓝色波长、绿色波长和红色波长中的每种波长的入射光被吸收偏振器(110)吸收。
25.例如，蓝色波长(90b)可以在约425nm至约475nm的范围内，绿色波长(90g)可以在约525nm至约575nm的范围内，并且红色波长(90r)可以在约625nm至约700nm的范围内。
26.在一些实施方案中，吸收偏振器(110)可以是碘掺杂的聚乙烯醇(pva)偏振器。此类偏振器包括用碘浸渍的取向pva层。在其它实施方案中，使用其它类型的吸收偏振器(例如，用有机染料浸渍的取向聚合物偏振器)。
27.根据本文描述的一个或多个实施方案的光学系统(300)在保持高分辨率和对比度的同时增加图像的亮度。

技术特征：
1.一种光学系统，所述光学系统用于向观察者显示第一图像和第二图像，所述光学系统包括：不同的第一显示部和第二显示部；反射偏振器，所述反射偏振器设置在所述第二显示部与所述观察者之间，并且相对于所述第一显示部倾斜地定向，所述反射偏振器包括基本上区分开的蓝色反射带、绿色反射带和红色反射带；和光学叠堆，所述光学叠堆设置在所述反射偏振器与所述第二显示部之间并且包括：部分反射器，所述部分反射器设置在所述反射偏振器与所述第二显示部之间；和延迟层，所述延迟层设置在所述反射偏振器与所述部分反射器之间，使得对于基本上垂直入射光，并且对于在从约400nm延伸至约700nm的预定波长范围内的蓝色波长、绿色波长和红色波长中的每种波长：所述反射偏振器反射至少70％的具有第一偏振态的所述入射光并且透射至少60％的具有正交第二偏振态的所述入射光；以及所述部分反射器对于所述第一偏振态和所述第二偏振态中的每种偏振态反射至少70％的所述入射光；其中对于所述第一偏振态和所述第二偏振态中的至少一种偏振态，所述延迟层在所述蓝色波长、所述绿色波长和所述红色波长中的至少一种波长处基本上是四分之一波长延迟器；并且对于所述第一偏振态和所述第二偏振态中的每种偏振态，并且对于所述蓝色波长与所述绿色波长之间的蓝-绿波长和所述绿色波长与所述红色波长之间的绿-红波长中的每种波长：所述反射偏振器透射至少70％的所述入射光；以及所述部分反射器透射至少60％的所述入射光。2.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述第一显示部是电子显示器，并且所述第二显示部是现实世界场景中的现实世界对象。3.根据权利要求2所述的光学系统，其中所述第一显示部包括液晶显示器(lcd)和有机发光二极管(oled)显示器中的一者或多者。4.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述光学叠堆是弯曲的。5.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述部分反射器和所述延迟层中的至少一者是弯曲的。6.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述反射偏振器包括线栅反射偏振器和多层聚合物反射偏振器中的一者或多者。7.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述反射偏振器与所述第一显示部形成约30度至约60度之间的角度。8.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述反射偏振器与所述第一显示部形成约45度的角度。9.根据权利要求1所述的光学系统，所述光学系统还包括设置在所述第一显示部与所述反射偏振器之间的吸收偏振器，使得对于基本上垂直入射光，并且对于所述蓝色波长、所述绿色波长和所述红色波长中的每种波长，所述吸收偏振器透射至少70％的具有所述第一
偏振态的所述入射光并且吸收至少70％的具有所述第二偏振态的所述入射光。10.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述光学叠堆还包括将所述部分反射器粘结到所述延迟层的粘合剂层。11.根据权利要求1所述的光学系统，其中对于基本上垂直入射光，并且对于所述蓝色波长、所述绿色波长和所述红色波长中的每种波长：所述反射偏振器反射至少80％的具有所述第一偏振态的所述入射光并且透射至少70％的具有所述第二偏振态的所述入射光；以及所述部分反射器对于所述第一偏振态和所述第二偏振态中的每种偏振态反射至少80％的所述入射光。12.根据权利要求1所述的光学系统，其中对于基本上垂直入射光，并且对于所述第一偏振态和所述第二偏振态中的每种偏振态，并且对于所述蓝-绿波长和所述绿-红波长中的每种波长：所述反射偏振器透射至少80％的所述入射光；以及所述部分反射器透射至少70％的所述入射光。13.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述蓝色波长在从约425nm至约475nm的范围内，所述绿色波长在从约525nm至约575nm的范围内，并且所述红色波长在从约625nm至约700nm的范围内。14.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述部分反射器包括总数大于约50的多个聚合物层。

技术总结
本发明提供了一种用于向观察者显示第一图像和第二图像的光学系统。反射偏振器设置在该第二显示部与该观察者之间，并且相对于该第一显示部倾斜地定向。光学叠堆包括部分反射器和延迟层，该光学叠堆设置在该反射偏振器与该第二显示部之间。该反射偏振器反射至少70％的具有第一偏振态的入射光并且透射至少60％的具有正交第二偏振态的入射光。该部分反射器对于该偏振态中的每种偏振态反射至少70％的入射光。对于该第一偏振态和该第二偏振态中的每种偏振态，并且对于蓝-绿波长和绿-红波长中的每种波长，该反射偏振器透射至少70％的入射光并且该部分反射器透射至少60％的入射光。并且该部分反射器透射至少60％的入射光。并且该部分反射器透射至少60％的入射光。


技术研发人员：约翰
受保护的技术使用者：3M创新有限公司
技术研发日：2020.09.09
技术公布日：2022/4/15