具有高对比度的紧凑型基于偏振的准直器的制作方法

具有高对比度的紧凑型基于偏振的准直器
1.交叉引用
2.本技术要求于2019年7月8日提交的美国临时专利申请no.62/871,680的优先权，其全部内容通过引用合并于此。


背景技术：

3.已知基于偏振的三通镜头能够实现广角紧凑型准直器。但是，当在虚拟现实头戴式设备中使用这种镜头时，不充分的偏振管理会生成损害视觉体验质量的杂散光。这可能采取纱幕眩光、漫反射背景散射和重影图像的形式。例如，一组重影图像可以归因于在线偏振基向量与圆偏振基向量之间的(来回)转换中缺乏控制。另一组可以与未消失的菲涅耳反射相关联并有效地出射到观看者。


技术实现要素：

4.描述了用于管理基于偏振的三通镜头中的偏振的优化光学配置。可以通过将优化分为两个步骤来分析镜头，从而分析两个相关的光学系统。第一优化可以与最小化第一通行光的透射相关联，第二优化可以与精确管理第二/第三通行光的偏振相关联。后者可以与最小化与第四通行光相关联的功率，或最大化第二/第三通行中的偏振转换相耦合。与(菲涅耳)反射相关联的重影作为单独的问题进行分析，并且给定光学布置来减轻这些贡献。
5.本文公开了一种基于偏振的广角三通镜头，其包括：输入偏振器，产生第一透射的线偏振；第一延迟器堆叠体，用于从线偏振转换为圆偏振；弯曲的部分反射器；第二延迟器堆叠体，用于从圆偏振转换为线偏振；反射式线偏振器；以及几何补偿器(gc)，位于输入偏振器与第一延迟器堆叠体、第二四分之一波延迟器与反射式线偏振器或两者之间。对于偏离法向入射的光线，gc降低了镜头的第一通行的透射率。
6.吸收式线偏振器可以在透射时是o型，反射式偏振器可以在反射时是o型，并且吸收轴线与反射轴线交叉。几何补偿器可以由具有70-130nm相位差的正a板和具有70-130nm相位差的正c板构成。第二延迟器堆叠体可以与第一延迟器堆叠体具有逆序反射约为零的关系(reverse-order-reflection-about-zero relationship)。镜头还可以包括位于第一延迟器堆叠体与部分反射器、部分反射器与第二延迟器堆叠体或两者之间的正c板，其中选择正c板延迟以最小化偏离法向入射光线的第一通行光的透射率。镜头还可以包括位于第一延迟器堆叠体与部分反射器、部分反射器与第二延迟器堆叠体或两者之间的双向衰减补偿器(diattenuation-compensator)，其中选择双向衰减补偿器的吸收以最小化偏离法向入射光线的第一通行光的透射率。
7.还公开了一种广角放大成像系统，其包括：显示装置；输入偏振器，产生第一透射的线偏振；第一延迟器堆叠体，用于从线偏振转换为圆偏振；弯曲的部分反射器；第二延迟器堆叠体，用于从圆偏振转换为线偏振；反射式线偏振器；以及几何补偿器(gc)，位于输入偏振器和第一延迟器堆叠体、第二四分之一波延迟器和反射式线偏振器或两者之间。对于偏离法向入射的光线，gc降低了镜头的第一通行的透射率。
8.吸收式线偏振器可以在透射时是o型，反射式偏振器可以在反射时是o型，并且吸收轴线与反射轴线交叉。几何补偿器可以由具有70-130nm相位差的正a板和具有70-130nm相位差的正c板构成。第二延迟器堆叠体可以与第一延迟器堆叠体具有逆序反射约为零的关系。成像系统还可以包括位于第一延迟器堆叠体与部分反射器、部分反射器与第二延迟器堆叠体或两者之间的正c板，其中选择正c板延迟以最小化偏离法向入射光线的第一通行光的透射率。成像系统还可以包括位于第一延迟器堆叠体与部分反射器、部分反射器与第二延迟器堆叠体或两者之间的双向衰减补偿器，其中选择双向衰减补偿器的吸收以最小化偏离法向入射光线的第一通行光的透射率。
9.还公开了一种减少重影的广角放大成像系统，其包括：显示装置；输入吸收式偏振器，固定到显示装置以产生第一透射的线偏振；弯曲的反射式线偏振器，与输入偏振器物理分离；第一延迟器堆叠体，用于从线偏振转换为圆偏振；部分反射器；第二延迟器堆叠体，用于从圆偏振转换为线偏振；以及分析吸收式线偏振器，其吸收轴线与输入偏振器吸收轴线交叉。
10.弯曲的反射式偏振器、第一延迟器堆叠体、部分反射器、第二延迟器堆叠体和分析偏振器都可以光学耦合以最小化反射。弯曲的反射式偏振器可以形成输入凸表面并且凹表面可以填充有各向同性折射率匹配电介质(isotropic index-matching dielectric)，从而形成用于耦合到输入延迟器堆叠体的平坦表面。部分反射器可以是平坦的。弯曲的反射式偏振器可以与第一延迟器堆叠体物理分离，并且第一延迟器堆叠体、部分反射器、第二延迟器堆叠体和分析偏振器都可以光学耦合。弯曲的反射式偏振器的输出表面和第一四分之一波延迟器的输入表面可以具有抗反射涂层。
11.广角放大成像系统还可以包括在反射式偏振器和第一延迟器堆叠体、第二延迟器堆叠体与分析吸收式偏振器或两者之间的几何补偿器(gc)，其中gc降低偏离法向入射光线的镜头的第一通行的透射率。几何补偿器可以由具有70-130nm相位差的正a板和具有70-130nm相位差的正c板构成。第二延迟器堆叠体可以与第一延迟器堆叠体具有逆序反射约为零的关系。广角放大成像系统还可以包括位于第一延迟器堆叠体与部分反射器、部分反射器与第二延迟器堆叠体或两者之间的正c板，其中选择正c板延迟以最小化偏离法向入射光线的第一通行光的透射率。广角放大成像系统还可以包括位于第一延迟器堆叠体与部分反射器、部分反射器与第二延迟器堆叠体或两者之间的双向衰减补偿器，其中选择双向衰减补偿器的吸收以最小化偏离法向入射光线的第一通行光的透射率。
附图说明
12.图1：与第一通行光相关联的光学系统的分解视图。
13.图2：含有几何补偿器的光学布置。
14.图3：一对交叉偏振器与具有本发明的几何补偿的一对交叉偏振器的对比度比较。
15.图4：针对第一通行光进行优化的基于偏振的三通镜头的示例。
16.图5：图4的布置的对比度与入射角的关系。
17.图6：与第二/第三通行光相关联的光学系统的分解和展开视图。
18.图7：针对第二/第三通行光进行优化的光学系统的分解和展开视图的示例。
19.图8：图7的布置的对比度与入射角的关系。
20.图9：本发明的针对第一通行和第二/第三通行光进行了优化的三通镜头的示例。
21.图10：现有技术中的示出两个显示器反射重影迹线的三通镜头。
22.图11：本发明的示出减少的显示反射重影的示例三通镜头。
具体实施方式
23.第一通行优化
24.图1示出了与基于偏振的广角准直器的第一通行光相关的现有技术光学系统的分解视图。由(例如)液晶显示器(lcd)生成的图像光可以具有共享的线偏振器(p1)，其可以用作显示分析器和对圆偏振器的输入。圆偏振可以由一层或多层各向异性材料生成(qw1)，共同提供四分之一波的延迟。实际输出可以由入射角和波长相关的椭圆率ε1(θ，φ，λ)来表示。随后是部分反射器(pr)，其形成了光学腔体的第一层。该部件可能对偏振态(sop)产生实质性影响，将其变换为椭圆率ε2(θ，φ，λ)。第二四分之一波延迟器(qw2)可以用于(理想情况下)恢复原始线性sop。最终椭圆率ε3(θ，φ，λ)是所描述的三个要素的影响最小的结果。没有表示但很重要的是这个椭圆sop(相对于角度/波长)的取向。反射式偏振器(p2)用作第一通行光的sop的分析器，其还形成光学腔体的第二层。
25.该分析仅考虑第一通行光，而不考虑可能在所示层之间出现的反射。实践中，这些表面可以基本上经由光学耦合(例如具有匹配折射率的粘合剂)消除。还注意到，在该简化分析中没有考虑由穿过与成像光学件相关联的每个元件的光线角度差引起的任何影响。优化设计产生零透射流明(l(θ，φ，λ))，分别根据所有相关的入射角(aoi)、方位角和波长。aoi是关于显示法线的，并且方位角定义局部入射平面(poi)。用于实现第一通行零透射的功能元件是输入偏振器(p1)和反射式偏振器(p2)，其中前者的吸收轴线优选地与后者的反射轴线交叉。这意味着偏振器之间不需要实际的偏振变换到零透射率。在法向入射时，该优化需要偏振器之间的元件集体“消失”；引入零净旋转和椭圆率。但如果是这种情况，则对于偏离法线光的性能不一定是最佳的。这可能纯粹是由于几何形状，因为仅当poi含有偏振器轴线之一时，交叉的偏振器才能典型地以最佳方式来执行偏离法线操作。
26.几何旋转
27.第一通行的优化需要在所有波长和入射角上最小化通向观看者的透射率。输入偏振器通常是碘或染料偏振器，其中吸收轴线位于pva(聚乙烯醇)拉伸方向。这对应于非寻常轴线，因此这些偏振器被称为o型，因为它们透射与非寻常轴线正交的光(即它们透射寻常光)。分析器是反射式偏振器，典型地是线栅偏振器(wgp)或是拉伸的多层聚合物。前者的示例包括来自asahi kasei或moxtek的wgp产品，而后者的示例是来自3m的拉伸的共挤出产品(例如dbef)。减轻几何旋转偏离法线问题的一种方法是使用作为透射时e型的反射式偏振器。这种情况下，使轴线交叉与非寻常轴线的共同对齐是同义的。由于两个偏振器的几何旋转是共同的，因此可以在所有入射角处保持高对比度。本发明包括o型输入偏振器和e型反射式偏振器(透射时)的组合，反之亦然，这有助于简化补偿要求。
28.在偏振器既是o型又是e型的情况下，仅由于几何形状可能会出现漏光问题。也就是说，在
±
45
°
方位角，偏振器轴线的几何反向旋转会导致漏光，从而限制性能。这被称为(例如)摄影师/摄像师当使用高密度设置下的可变中性密度滤光片时面临的“dreaded-x”问题。在最坏情况(
±
45
°
)方位角下，理想的交叉线偏振器的对比度在24
°
aoi时为1000∶1，
在28
°
aoi时为500∶1，在36
°
aoi时为200∶1，在44
°
aoi时为100∶1。本发明认识到这种性能限制器并且可以包括辅助几何补偿器(gc)，诸如偏离法线接合的a板/c板组合，以根据需要校正sop。替代地，本发明可以将几何补偿集成到现有偏振管理部件的功能要求中。这些包括优化第二光学配置(即第二/第三通行光)所需的偏振变换。产生比单独使用交叉偏振器所能实现的偏离法线对比度更高的偏离法线对比度的任一组部件都被认为具有集成的gc功能。
29.本发明的独立几何补偿器(gc)可以当使用交叉o型偏振器时用作优化设计的起点。通过将其放置在任一偏振器附近，可以应用适当的偏振校正以确保在所有入射角处都具有高对比度。具体地，补偿器根据需要应用小的旋转，使得sop仅沿着反射式偏振器的反射轴线投射，而与入射角/方位角无关。在这种情况下，其他功能部件(例如qw)没有校正几何旋转的额外负担。替代地，该组合可以以互补的方式工作，以提供比其他方式可行的更高的性能。
30.图2示出了结合本发明的三元件的gc的布置。显示器与线性输入偏振器光学耦合，线性输入偏振器由功能性pva层(即单轴吸收器)构成，由透明支撑基板界定。输入基板可以具有用于优化显示器性能(例如，fov上的对比度)的功能。在平面内切换(ips)模式lcd的情况下，该基板可以优选地是各向同性的。在这种情况下，示出为(三乙酰纤维素)tac的输出基板，具有32nm的负c板延迟，并且作为gc的一部分具有功能优势。c板是单轴的，具有法向于基板的光轴。正c板具有比厚度方向的折射率更小的平面内折射率，负c板具有比厚度方向的折射率更大的平面内折射率。随后的元件包括100nm a板(单轴平面内延迟器)和100nm c板。分析器(p2)示出为交叉线偏振器，其可以是反射式线偏振器。偏振器之间是通用光学系统，如(例如)三通镜头所需要的。
31.图3示出了常规交叉偏振器和图2系统在最坏情况方位角处的对比度与入射角的关系。在该示例中，图2中所示的光学系统没有偏振功能(例如各向同性)。在存在gc的情况下，对比度通常要更高。例如，交叉偏振器在40
°
aoi的对比度仅为130∶1，而gc为3484∶1；提高了27倍。就这样的gc被结合以实现足够的对比度而言，第一通行光的优化可以成为在所有相关角度和波长上设计示为消失的光学系统的练习。注意到，此方法仅用作更广泛解决方案空间的示例。
32.部分反射器偏振畸变
33.回到图1，从输入圆偏振器(p1 qw1)出射的光具有椭圆度ε1(θ，φ，λ)，，该椭圆度通常是入射角(aoi)、方位角和波长的函数。qw1(和qw2)可以表征为具有包括波长依赖性的平面内延迟(或路程长度差)(re)以及描述偏离法线光线的sop中的任何变化的厚度方向延迟(r
th
)。类似地，诸如部分反射器(pr)的涂层会使sop畸变，特别是对于偏离法线的光线。椭圆度ε2(θ，φ，λ)的变换可以是由涂层引起的延迟(s和p偏振之间的相位差)和双向衰减(s和p偏振之间的透射率差)造成的结果。涂层上的入射角是图像光的光线角与局部表面法线之间形成的角度，可以是复合弯曲表面。对于基本上以光轴为中心的方位角对称镜头，局部p在径向方向上，局部s在方位角方向上。在本技术中，入射在部分反射器上的光实质上具有圆偏振，因此，偏振畸变可以跟随poi并且实质上与方位角无关。
34.在一个示例性情况下，部分反射器通常保持圆偏振器产生的sop的准确性(ε2(θ，φ，λ)＝ε1(θ，φ，λ))。为此，涂层对于所有入射角和波长应具有零延迟和零双向衰减。这对
于薄膜涂层设计来说是极其困难的，尽管可以添加补偿器(如共同未决的美国专利申请第62/832,824号，用于倾斜表面的偏振补偿器，其全部内容通过引用并入本文)以抵消这些问题。例如，可以添加匹配的c板延迟器来抵消任何涂层r
th
，并且可以添加吸收性c板来平衡s和p透射。该元件可以添加到qw1的输出、qw2的输入或两者。每个补偿器可以是补偿双向衰减/延迟两者的单层，或两层，一层补偿双向衰减，另一层补偿延迟。
35.在本系统中，其中圆形光入射到pr上，延迟和双向衰减对性能产生非常相似的影响。由于双向衰减引起的椭圆率畸变产生了含有在局部poi中的取向的椭圆，而由于相位差引起的椭圆率畸变与poi以
±
45
°
取向。然而，当在理想的交叉圆偏振器之间引入畸变时，这可以表明通过分析器的漏光量仅取决于椭圆率畸变的幅度，并且得到的椭圆取向无关紧要。
36.局部poi中透射场的琼斯向量可以写成三项的乘积：输入圆偏振向量、部分反射器的琼斯矩阵和理想交叉圆分析器的琼斯矩阵。
[0037][0038]
其中ts，t
p
分别表示s偏振和p偏振的功率透射率，以及γ是相位差。
[0039]
根据上式，由于非理想部分反射器引起的穿过系统的总功率泄漏为两项之和：
[0040][0041]
其中第一项是由于双向衰减引入的椭圆率畸变，第二项是由于相位差引起的椭圆率畸变。由于部分反射器的贡献引起的对比度近似为上述的倒数。
[0042]
生产在所有角度和波长上消除这两项的薄膜设计的挑战是巨大的。本发明预期一个或多个附加偏振控制层可以在宽fov上将这两项驱动到可忽略的水平的方面提供帮助。该补偿器可以添加到第一个qw的输出、第二个qw的输入或两者。
[0043]
匹配re和取向
[0044]
三通镜头的基本功能需要线偏振基向量与圆偏振基向量之间的变换，其细节是第二/第三通行优化的一部分。在第一通行的上下文中，当这些变换完全抵消时，法向入射对比度是最佳的。也就是说，来自这对qw延迟器的净偏振变换为零。在简单的qw线性延迟器的情况下，第一qw的取向为45
°
，第二qw的取向为-45
°
，反之亦然。相关联矩阵的乘积在法向入射时是单位矩阵。这些qw还可以是基于延迟器堆叠体的，例如pancharamam hw/qw对。交叉qw概念可以通过使用“逆序交叉”(roc)布置扩展到延迟器堆叠体，如现有技术中所述，该布置通常给出垂直入射的琼斯单位矩阵。在roc布置中，第一堆叠体中的每个延迟器与第二堆叠体中具有相等延迟的对应层交叉。然而，正如在共同未决的申请中所描述的(美国专利申请第16/289,335号，用于偏振基向量变换的延迟器堆叠体对，其全部内容通过引用并入本文中)，roc布置表示过约束(over-constraint)，以及用于实现此目的的其他选项(即堆叠体对的本征偏振)可以是优选的。下一章节讨论替代堆叠体对设计的理由。
[0045]
在roc情况下，当堆叠体1(qw1)中的延迟器层在延迟方面匹配并且与堆叠体2(qw2)中的对应层交叉时，出现同轴的最优对比度。从实际的角度来看，由于延迟器层的不精确匹配引起的前向光泄漏可能限制系统对比度。在网状制造(例如拉伸聚合物)延迟器或网状涂
覆延迟器(例如反应性介晶涂层)的情况下，通常存在慢轴取向和延迟公差的统计分布，其可以限制堆叠体对的re匹配。厚度均匀性通常对于保持延迟均匀性至关重要。这对于rm来说可能具有挑战性，因为双折射趋于相对较大，并且因此厚度公差更严格。对于铸造的(cast)/挤出的基于膜延迟器，拉伸均匀性对于控制慢轴取向和延迟交叉网至关重要。
[0046]
具有复合旋转角度α对和复合延迟γ的堆叠体给出如下透射率(到二阶)
[0047]
t＝sin2α sin2γ/2
[0048]
其中在三通镜头中，对比度近似为1/(2t)。例如，具有5.5nm残余延迟(在550nm处)或旋转1.8
°
的镜头的对比度为1000∶1，而具有12.4nm残余延迟或旋转4
°
的镜头的对比度为200∶1。在(例如)pancharatnam设计中，堆叠体对可以具有三个半波(或约800nm)的总和re，需要残余re被管理至近似0.7％的水平，以便保持＞1000∶1的对比度。
[0049]
除了延迟器材料的制造统计数据外，稳健的性能要求由层压引起的应力或环境条件的变化不会进一步损害性能。例如，层压工艺可以引入与将层放在一起的方法、粘合剂的热固化或材料的不同热膨胀相关联的应力。水分的吸收会导致隆起，其可能引入内部应力。柔软且具有高应力光学系数的延迟器材料(例如聚碳酸酯)对这些问题可能特别敏感。相反，环烯烃聚合物具有相对高的硬度，低的应力光学系数，并且趋向不吸收水分。它的雾度也非常低。
[0050]
最小化复合r
th
[0051]
在法向入射时第一通行的优化不需要来自qw1或qw2的特定偏振变换。假设存在几何补偿，它可以仅要求组合消失，以便p2处的sop沿反射轴线是线性的。也就是说，我们要求ε3(θ，φ，λ)＝0，其取向沿反射轴线。对于一般的延迟器堆叠体，现有技术的qw1/qw2的逆序交叉(roc)布置实现了这一点。假设堆叠体中的净rth为零，则所有aoi的理想情况都将持续存在。然而，使用现成的单轴延迟器(nz＝1(或r
th
＝1/2)相对于理想上nz＝0.5(或r
th
＝0)延迟器)的实际事实在于r
th
的累积有可能是不可避免的并且广角系统需要一些附加的补偿。补偿r
th
的实际方式是校正整个堆叠体对的 c板。但这可能需要qw1和qw2之间的空间中的sop具有一些方位角不敏感性，使得与方位角无关的补偿器(即c板)可以产生积极的整体影响。在许多实例下，由于堆叠体对的方位角依赖性，roc配置无法通过c板进行有效补偿。
[0052]
如共同未决的申请中描述的(美国专利申请第16/289,335号，偏振基向量变换的延迟器堆叠体对，其全部内容通过引用并入本文中)，存在被称为“非退化本征偏振”的roc的替代方案。来自该空间的一组解决方案是逆序反射约为零的(roraz)配置，其中第一堆叠体中的每一层都在第二个堆叠体中具有一个匹配的延迟对应层，其角度符号相反。roraz配置的性能可以非常好，特别是当堆叠体之间应用了最佳 c板时。事实上，与先前讨论的简单理想交叉偏振器相比，qw1和qw2的组合可以在aoi/方位角上传递更高的对比度。这表明可以在45
°
方位角上享受一定程度的几何补偿，而无需在qw1的上游(或qw2的下游)添加附加的几何补偿器堆叠体。
[0053]
优化的第一通行的实施例
[0054]
图4是第一通行(图1)配置的优化版本的实施例。虽然第一通行优化(即透射时为零)不需要特定的偏振基向量变换，但是插入特定cp设计来说明上述一些优化原理是合适的。在这种情况下，pancharatnam cp用于生成到腔体的输入的sop。将roraz对应件插入在pr与反射式偏振器之间。将具有组合延迟为180nm的一对 c板插入在部分反射器任一侧的
堆叠体之间。可以插入吸收式单轴c板，以抵消在穿过部分反射器的透射过程中可能出现的任何双向衰减。a/c板gc插入在输入偏振器和qw1之间，如图所示。图5示出了图4的配置的最坏情况方位角时对比度与aoi的关系。与理论上在法向入射时具有无限对比度的roc不同，在此对比度受到本征偏振的残余波长依赖性限制。在法向入射(甚至达10
°
)时，这种对比度保持近似14000∶1。更重要的是，对比度保持在1000∶1以上直至38
°
。
[0055]
图4的配置的一些具体细节值得注意。第一，存在用于将0
°
或90
°
偏振输入到第一堆叠体(即分别分析90
°
或0
°
偏振)的设计选项。在该示例中，通过输入0
°
偏振可以实现更好的对比度性能，这就是吸收轴线沿90
°
示出的原因。第二，在该示例中，输入偏振器出射基板优选是各向同性的(即没有c板延迟)，否则这会损害大入射角时的性能。第三，选择的净c板延迟值(180nm)基于平均折射率为1.52的低双折射延迟器(0.01)。如果要改变(例如改变为1.60)，则最佳r
th
值需要向上调整。这是因为平均折射率的增加表示延迟器中光线角度的减少，因此投射的r
th
的减少。第四，该示例假设存在与反射式偏振器相关联的零r
th
，因此(例如)线性入射偏振在被分析之前通常保持不变。第六，几何补偿器可以位于输入偏振器之后，也可以位于分析器之前。通过将其定位在输入偏振器之后，它对第二/第三通行光没有影响。通过将其定位在分析器处，它可以有助于第二和第三通行光中的sop。第七，所有延迟器都假定为单轴和无色散的(即没有路程长度差的波长依赖性)。第八，双向衰减补偿器，作为单轴吸收器，很可能也有显著的r
th
。虽然选择的180nm c板补偿器忽略了该贡献，但是总体目标保持一致；将与整个堆叠体相关联的净r
th
驱动到最小值。复合r
th
与交叉qw、部分反射器和双向衰减补偿器相关联。实际上，实际的最佳 c板值可以从180nm开始调整，以实现总体目标。
[0056]
图5示出了图4的设计在最坏情况方位角处的对比度与入射角的关系。对比度在17
°
时为10000∶1，在24
°
时为5000∶1，在32
°
时为2000∶1，在38
°
时为1000∶1。
[0057]
第二/第三通行优化
[0058]
图6示出了表示腔体的第二和第三通行的分解和展开布置。在这种情况下，光被90
°
取向的反射式偏振器重新引入到腔体。在其中反射式偏振器是在反射时e型和在透射时o型(或反之亦然)的情况下，对于偏离法线的光，交叉偏振器的几何旋转问题可以大大减少。这种类型的自补偿是有益的，因为它可以消除针对第一通行优化所描述的补偿。在反射式偏振器表现出任何双轴性(例如c板行为)的事件中，则可以添加补偿以最小化与反射式偏振器相互作用而引入的椭圆率。
[0059]
沿反射轴线偏振的光首先执行穿过qw2的反向通行，给出作为理想统一、表示为ε4(θ，φ，λ)的椭圆度。然后光从部分反射器反射，这还可以经由双向衰减和延迟来使畸变椭圆率。因为这是展开的布置，所以它表示为将sop变换为椭圆度ε5(θ，φ，λ).的透射部件。最后，光跟随穿过qw2的前向通行，其中光以椭圆率ε6(θ，φ，λ)出现。在这种情况下，sop是理想的线性(ε6(θ，φ，λ)＝0)，其中投射通常正交于反射轴线。如果精确完成，图像光会有效地出射，并且反射式偏振器不会将光返回到腔体。前者说明了优化的渐增式通量优势，但更重要的是，通过不将光引回腔体，优化设计不允许随后通行产生额外的重影。可以通过最大化与反射轴线正交的投射或通过最小化沿反射轴线的投射来实现优化。
[0060]
qw2的双通行：平面内延迟(re)
[0061]
在第二通行/第三通行的情况下，优化很大程度上依赖于qw2在双通行下的功能。
这是因为，最小化沿反射轴线的投射相当于将所有相关波长和入射角的光转换为正交sop。换句话说，qw2的双通行理想地在所有波长和入射角上提供半波延迟。
[0062]
在垂直入射时，需要非常特定的反向色散函数来优化可见波段上的双通行hw。这可以通过合成设计者(例如聚合物或rm)分子、工程化延迟器堆叠体或两者的一些组合来实现。延迟器堆叠体的好处在于任何程度的re控制可以通过简单地添加更多层来实现，因此它提供的精度使其成为该优化的重点。
[0063]
在其中qw2是延迟器堆叠体的这种情况下，结构的两个通行之间存在固定关系。这是现有技术中讨论的逆序(ro)布置(参见例如“用于lcd投射的偏振工程”的第145-148页)。可以选择层数和每一层的取向以产生对理想色散关系的任意精确近似
[0064][0065]
其中λ是波长，d是延迟器厚度。在只有两层的情况下，pancharatnam型cp典型地执行得比任何市售的单层色散控制延迟器更好。通过超越这一点并添加更多数量的半波延迟器，可以进一步改进对上述的近似。在展开布置中，ro堆叠体可以采用奇数个半波延迟器的形式。当被分割以形成cp时，qw2结构变为任意数量的半波延迟器，然后是单个qw延迟器。使用四层cp的示例来说明当进一步定制色散函数时可以实现的对比度改进。
[0066]
最小化qw2双通行的复合r
th
[0067]
与添加附加层以定制re的波长依赖性相关的潜在权衡在于，还可以增加复合r
th
，从而折衷偏离法线的性能。本发明通过选择具有自补偿功能的堆叠体来认识到这一点。这指代示例性设计的复合r
th
是总堆叠体re的最小部分的事实。此外，示例性设计可以示出r
th
的方位角依赖性，其对c板补偿反应良好。再次，呈现了四层cp设计的示例，该设计在入射角的较宽范围内维持性能。
[0068]
最小化反射中的部分反射器偏振畸变
[0069]
如前向通行优化中所讨论的，双向衰减和相位差还可以自部分反射器的反射而发生。结果与透射情况非常相似，其中透射系数由反射系数代替，并且替换反射相位差。在这种情况下，s偏振的反射率通常超过p的反射率，这趋向于需要各向异性吸收器，以最小化由s偏振的aoi敏感吸收引起的双向衰减。这与透射模式补偿器相反，并且在实践中可能更难实现。然而，第二通行光在部分反射器上的入射角可能小于第一通行光的入射角，这将趋向于减少对双向衰减补偿的需要。相位差的补偿仍然可以通过调整 c板补偿器来最小化，该补偿器可以存在于qw2与部分反射器之间。
[0070]
优化的第二/第三通行的实施例
[0071]
虽然图4的示例说明了优化第一通行光可能需要的特征，但没有特别注意第二/第三通行光的特征。在使用pancharatnam设计的情况下，qw2的逆序(ro)平行偏振器泄漏在法向入射时给出近似1200∶1的对比度。因此，较高对比度需要具有较高双通行转换效率的堆叠体设计，理想情况下不会引入与增加的r
th
相关联的权衡。图7示出了图6的分解展开的光学配置的实施例，其附加地优化了第二/第三通行光。与上一个示例相比，最显著的改变是强调qw2性能。相对于pancharatam设计(每个堆叠体四个延迟器)，该设计具有附加的两个半波层，这给出了更好的色散控制因此允许更好的法向入射性能。在本示例中，qw2的逆序(ro)平行偏振器泄漏在法向入射时给出多于50000∶1的理论对比度。还注意到，在这种情况
下，roraz交叉偏振器对比度理论上超过77000∶1，而pancharatnam设计为13700。但重要的是，该特殊设计的附加r
th
与pancharatnam设计相比不会损害第一通行对比度的角度依赖性。两种设计在32
°
aoi处的第一通行对比度近似为2000∶1。为了优化角度性能，在对称轴线的任一侧添加 c板补偿器，如图所示。
[0072]
图7还示出了与反射式偏振器的两种相互作用，分别作为反射时为e型的偏振器和透射时为o型的偏振器。在这种情况下，假设需要补偿的任何相互作用都没有相位差。此外，如前所述，可以对c板延迟做出任意调整以解决来自部分反射器的反射。就平行o型偏振器近似于交叉o型和e型偏振器而言，该模型应充分考虑(常见)几何旋转。
[0073]
图8示出了图7的ro堆叠体在最坏情况方位角处的平行偏振器泄漏。由于需要双通行将所有波长(光学加权)转换为正交sop以维持高对比度，因此与入射角相比，对比度的降低比第一通行优化时更为陡峭。对比度在9
°
时为10000∶1，在18.5
°
时为1000∶1。
[0074]
优化的三通镜头示例
[0075]
图9示出了本发明的示例镜头，它整合了第一通行和第二/第三通行优化的结果。ips模式lcd的分析偏振器具有各向同性输入基板、功能性pva o型偏振器以及具有32nm的-c板延迟的tac输出基板。后者典型地是tac基板的固有方面，它也用作几何补偿器(gc)的功能层。gc还由如前所述的a板/c板组合构成。该偏振器还用作第一圆偏振器的输入，在这种情况下，它是先前描述的四层设计。同样如前所述，c板补偿放置在qw1的出口处，并在qw2的输入处，每个c板都在部分反射器(pr)的相对两侧。所示补偿是优化单轴roraz堆叠体的性能所需的补偿，不包括pr的任何效应。如前所述，当增加pr的效应时，可能需要调整以优化补偿，包括相位和双向衰减。
[0076]
菲涅耳反射重影
[0077]
单片显示器构造(即所有层之间的光学耦合)可以最小化可能产生重影图像的不必要(菲涅耳)反射。但在光学系统中接受气隙可能存在正当理由。这可能与以下需要相关：长度太大而无法光学耦合的表面之间的路程长度、具有不同曲率的表面之间间隙的存在、制造设计考虑、动态/可变焦光程长度调整要求以及光学耦合所涉及的实际性能权衡。例如，在显示堆叠体出口与镜头的第一表面之间需要几毫米的光学系统可能产生对空气空间的偏好。本发明的方面是承认与空气空间相关联的权衡可能会产生对接受某些菲涅耳反射的偏好。但重要的是，本发明试图识别这样的反射与镜头输出的耦合较弱的架构，特别是当它们表示对焦重影时。
[0078]
只要实际可行，通常优选地使用折射率匹配电介质光学耦合相邻表面。但是，这可能会变得具有挑战性；当(1)表面之间的光程长度必须很大(例如，如优化光学系统设计的需要)，(2)表面不具有相同的曲率(出于功能或实际原因)，以及；(3)在制造组装过程中填补这些间隙是不实际的。当需要空气空间时，抗反射涂层可以在法向入射时将反射率从4％降低到0.2％以下。但这在实践中可能还不够充分。并且在广角系统中，当使用薄膜ar涂层时，聚集反射可能显著变差。
[0079]
在基于偏振的三通准直镜头中，引入任何影响sop的耦合电介质都可能会影响性能，尤其是在较厚的部分。交联的材料(例如硅树脂凝胶)可以具有固化时的引入的双折射或具有由环境(例如温度/湿度)和机械应力(例如灌封)的变化引起的双折射。例如，如果聚合物用于耦合平坦表面和复合弯曲表面，则该材料具有不均匀的厚度。当交联时，可能存在
导致延迟的残余应力。此外，虽然雾度在典型的粘合剂部分(10-100微米)可能非常小，但它可能会对超过一毫米厚的部分的性能产生显著影响。此外，耦合材料的较厚部分会显著增加重量并带来制造挑战。
[0080]
光学系统的功能层可以具有由玻璃或聚合物构成的折射或反射能力所需的复合弯曲表面。前者可以具有低双折射但相对较重，而后者可以重量轻但可以具有显著双折射。在折射材料的情况下，光能力来源于可排除使用光耦合材料的光程长度差。相反地，反射能力可以出现在埋入表面中，如hoppe的现有技术系统(us 6,075,651)所示。根本地，全反射架构有在单片堆叠体中实现镜头的潜力，这从最小化杂散反射重影的角度来看可以是最佳选择。但同样，附加介电材料对sop、图像质量和重量的影响可能产生权衡。
[0081]
考虑到基于偏振的三通镜头，它需要在显示堆叠体与镜头的输入表面之间的空气空间。在现有技术系统中，图像光通常源自初始部分反射器透射，其中初始反射(理想地)消失。近似50％的反射以与显示堆叠体菲涅耳反射率成比例的振幅返回到镜头。而且因为这种光与图像光共享相同的sop，它可以有效地耦合到输出并产生重影。
[0082]
图10示出了可用于虚拟现实头戴设备20的现有技术的光学系统，其中观看者22通过三通镜头观看电子显示器(在这种情况下为有机发光显示器(oled))。虽然示出分解视图以便于偏振跟踪，但是假设仅在显示堆叠体与镜头之间存在空气空间，并且镜头在所有层之间都具有光学耦合。示出了两个偏振轨迹(由虚线分开)。光学部件的额外插入损耗(例如偏振器和部分反射器吸收)不包括在此分析中。显示堆叠体可以包含宽带四分之一波(qw0)延迟器24和线偏振器26，它们一起用于吸收从背板电极反射的环境光。在lcd中，可以只有线性显示分析偏振器。
[0083]
单一功率的图像光通过宽带qw延迟器28(qw1)转换到左旋圆sop，其中50％被部分反射器30透射到腔体中。第二宽带qw延迟器32(qw2)(例如与第一qw交叉)恢复输入线性sop。反射式偏振器34被取向为将所有光返回到腔体。该元件可以是平面、圆柱状，或者可以是复合弯曲(例如热形成)以提供光学能力。lh圆形光从qw2在部分反射器30处发生旋向性变化(产生右旋圆偏振)，还导致反射进一步损失50％。因此，腔体的附加往返将光转换为正交sop，其中它被反射式偏振器34有效地透射。然后，该光可以通行穿过清除偏振器36。现有技术的三通镜头因此可以具有25％的最大效率，其中反射回到显示器的剩余75％(最多)被显示偏振器吸收。替代地，其中一些光可能会导致杂散光和重影，从而降低图像的对比度和整体质量。存在两个显著的显示反射重影；一个由部分反射器的初始(50％)反射产生，另一个由穿过部分反射器透射的(25％)第二通行光产生。
[0084]
最初由部分反射器30返回的50％的圆偏振光(理想地)由qw128转换为正交线性sop，并且由偏振器26吸收。该光在显示器上转换为热量。该项图示为图10的下部分迹线中。一部分返回光也被qw1的外表面反射并且反射回部分反射器30。由于该光与图像光具有相同的sop，因此它可以有效地跟随图像路径到达观看者。由于图像光的(理想)振幅为25％，因此相关联的信号与重影对比度(sgc)近似是qw1表面的反射率倒数的两倍。良好的ar涂层可以传递＞200∶1的对比度，给出总sgc约为400∶1。
[0085]
由部分反射器透射的25％的第二通行光(如图10的上部迹线所示)也入射到qw128的表面。从qw1的外表面反射后，该光具有与图像光相同的sop。其中一半光由部分反射器30透射并从qw232沿反射式偏振器的透射轴线偏振。如前文，该重影的sgc是qw1表面的反射率
倒数的两倍。
[0086]
当显示堆叠体与镜头之间需要空气空间时，优选的设计可以最小化从显示器表面的(菲涅耳)反射的耦合。在本发明的配置中，图像光可以来源于初始部分反射器反射，其中初始透射(理想地)消失。这涉及翻转镜头，使得(例如)弯曲的反射式偏振器位于输入处，并且平面部分反射器位于输出处。显示器输出线性sop，这有利于简化显示堆叠体。此外，显示堆叠体对镜头的取向敏感性很弱，因为不适当的取向表示通量损失增加。现有技术输入圆偏振器(即28的添加)被移动至输出，并且用于选择图像光进行透射，同时吸收第一通行光。
[0087]
本发明的图11示出了现有技术配置的替代方案，其中形成腔体的反射元件被反转。虽然这是偏振跟踪的分解视图，但是可以假设像前文一样仅在显示器与镜头之间存在空气空间。图11示出了光学系统40，其中观看者42通过本发明的三通镜头46观看电子显示系统44。该示例示出了具有圆偏振器的有机发光二极管(oled)显示器，如前文，其也可以是液晶显示器。在这种情况下，与现有技术不同，显示堆叠体不含有特定于三通镜头的元件(可能除了输出表面上的ar涂层以外)。
[0088]
出于说明目的，这些部件被认为具有零插入损耗。反射式偏振器48(wgp)将来自显示器的在附图的平面中偏振的光透射到腔体1中。显示偏振器的取向并不重要，其中任何误差都会导致通量损失的增加。此外，由于(例如)反射式偏振器的凸表面上的基板引起的小的双折射问题，可能会在不影响对比度的情况下导致通量损失的增加，因为反射式偏振器会清除sop。来自显示堆叠体与反射式偏振器之间的暴露表面的双反射应该使相关联重影相对不显著。宽带四分之一波延迟器50(qw1)在该示例中将偏振转换为左旋圆。几何补偿器(未示出)可以放置在腔体(48与50之间)中，这解释了前面讨论的几何旋转以及反射式偏振器的曲率。50∶50的部分反射器52透射一半的入射光。其他50％从部分反射器反射并转换为右旋圆，然后是图像光。在该示例中，反射式偏振器是弯曲的，而部分反射器是平坦的，但是反射器表面中的一者或两者可以是弯曲的。然而，某些配置还可以利用偏振光学件(例如qw2)的热成形以消除空气空间。
[0089]
在该示例中的四分之一波延迟器54(qw2)的慢轴垂直于qw1的慢轴，所以在通行穿过qw2后，恢复原始线性sop。由部分反射器52透射的第一通行光实质上被线偏振器56吸收，其中吸收轴线在图的平面内。这是在现有技术系统中通常反射回到显示器的项，因此从显示堆叠体的出口表面产生重影。部分反射器52与qw254之间的空气空间将产生具有返回光振幅的项(η/4)，类似于与现有技术系统相关联的系统，但在此假设光学耦合。
[0090]
由部分反射器52反射的50％使qw1的第二通行与附图垂直地偏振，其将sop转换为线性的。该光从反射式偏振器48反射。在qw1的第三通行后，sop再次为右旋圆偏振的，在部分反射器的第二反射后旋向性反转。这25％在qw1的第四通行后转换为线性sop，其平行于反射式偏振器的透射轴线偏振。这种光的大部分透射到显示器中，但一部分(反射率η)从显示堆叠体反射并再次通行穿过反射式偏振器。对于第5通行至第7通行，偏振迹线与第1通行至第3通行相同，重影在离开腔体时在振幅方面减小到η/16。假设所有其他层之间的折射率匹配，这是最显著的菲涅耳重影项(sgc是显示器反射率倒数的四倍)，并且可能比现有技术系统的显示器反射重影更加散焦。
[0091]
相对于现有技术，本发明的示例可以具有制造过程优势。首先，显示堆叠体可由显示器制造商以常规方式制造，而无需引入任何外来材料(例如qw)。对显示器出口面添加ar
涂层是相当标准的。其次，复合弯曲的反射式偏振器可以作为独立部件来制造。它可以在机械支撑基板固定到凸表面的情况下热成形，然后嵌入成型。ar涂层可以应用于反射式偏振器的一个/两个表面。从对比度的角度来看，外部支撑基板中的双折射问题可能相对不重要，只会导致通量损失的增加。第三，可以执行偏振光学堆叠体的片级制造，然后进行单体化。例如，一种制造顺序可以如下：(1)层压分离的qw1和qw2堆叠体；(2)层压偏振器到qw2；(3)层压qw1到部分反射器；(4)层压(qw2 偏振器)到部分反射器；(5)单体化和接合镜头。步骤(2)表示关键的取向对齐，就像完成的堆叠体与反射式偏振器的对齐一样。后者可以作为最终的光学对齐来完成。部分反射器可以制造在各向同性基板上，例如单元铸造的丙烯酸，添加机械支撑并引入可忽略的双折射。几何补偿器可以添加到qw1的输入，以用于管理由形成的反射式偏振器引入的几何旋转。
[0092]
增加的反射和雾度(haze)
[0093]
单独很小的许多杂散光贡献体可能共同限制视觉体验的质量。来自基板(内部/界面)和层压粘合剂中的小特征的随机散射，以及来自不恰当的折射率匹配的增加的反射会产生背景光，这限制黑色的对比度并降低色彩的饱和度。它还可以通过将明亮状态的光渗透到黑暗区域中来产生限制图像清晰度的纱幕眩光。
[0094]
考虑到使用类pancharatnam堆叠体以在线偏振与圆偏振之间后向/前向变换的情况。如果cop堆叠体(n＝1.52)与压敏粘合剂(n＝1.46)组装在一起，则单个界面的反射率近似为0.04％。在图4的情况下，含有输入圆偏振器和具有各向同性基板的c板，总共可能存在12个界面。一旦进入镜头后，可能还有10个附加的界面，在三次通行的情况下，总共30个界面。42个界面起作用的总反射能力可能高达1.7％，这会严重限制总对比度。对于聚碳酸酯(n＝1.59)，这种反射可能会大得多。
[0095]
在本发明的示例性构造中，(类似)延迟层之间的界面经由折射率匹配粘合剂或溶剂接合来消除。此外，高折射率粘合剂(例如聚氨酯或聚氨酯丙烯酸酯)实际上可以匹配不同的基板，例如玻璃与延迟器、偏振器与延迟器(tac到cop)以及延迟器与玻璃。替代地，化学移接可用于接合不同的基板，类似于将pva附接到tac的方法。一项挑战涉及与rm c板的折射率匹配。