CN116745658A - 光学系统 - Google Patents
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Abstract
一种光学组件包括一体式透镜组件，该一体式透镜组件具有一个透镜或彼此结合的多个透镜与间隔开的第一透镜主表面和第二透镜主表面。第一光学膜和第二光学膜结合到相应的第一透镜主表面和第二透镜主表面。该第一光学膜和该第二光学膜包括多个聚合物层。这些聚合物层中的每一个具有小于约500nm的平均厚度。对于基本上法向入射的光和可见光波长范围，该第一光学膜中的该多个聚合物层分别具有对于第一偏振态和正交的第二偏振态的大于约70％的平均光学透射率和平均光学反射率。该第二光学膜中的该多个聚合物层具有对于该第一偏振态和该第二偏振态中的至少一者大于约70％的平均光学透射率。
Description
技术领域
本公开整体涉及光学领域，更具体地涉及一种用于形成图像的光学系统。
背景技术
能够从被照射物体形成图像的光学系统在诸如广告、营销和产品展示的领域中有许多重要的应用。光学系统也可包括在头戴式显示器中以向观察者提供图像。光学系统可包括显示面板以及显示面板与观察者的眼睛之间的各种光学部件。此类系统的优点是尺寸紧凑、视场宽、对比度高，并且在所有环境照明条件下都是可见的。
发明内容
本公开的一些方面涉及一种光学组件，该光学组件包括一体式透镜组件，该一体式透镜组件具有一个透镜或彼此结合的多个透镜与间隔开的第一透镜主表面和第二透镜主表面。第一光学膜和第二光学膜结合到相应的第一透镜主表面和第二透镜主表面。该第一光学膜和该第二光学膜中的每一者包括总计数为至少10个的多个聚合物层，其中这些聚合物层中的每一个具有小于约500nm的平均厚度。对于基本上法向入射的光和从约420nm延伸至约680nm的可见光波长范围，该第一光学膜中的该多个聚合物层在该可见光波长范围内具有对于第一偏振态的大于约70％的平均光学透射率以及对于正交的第二偏振态的大于约70％的平均光学反射率。该第二光学膜中的该多个聚合物层在该可见光波长范围内具有对于该第一偏振态和该第二偏振态中的至少一者的大于约70％的平均光学透射率。
本公开的一些其它方面涉及一种光学组件，该光学组件包括具有相反的第一透镜主表面和第二透镜主表面的聚合物光学透镜，其中该第一透镜主表面和该第二透镜主表面中的至少一者是弯曲的。第一聚合物光学膜和第二聚合物光学膜结合到相应的第一透镜主表面和第二透镜主表面。该第一聚合物光学膜和该第二聚合物光学膜具有各自的平均厚度T1和T2、沿同一第一方向的各自的弹性刚度Q1和Q2以及沿同一第二方向的各自的热应变E1和E2，其中乘积Q1T1E1和Q2T2E2彼此相差20％以内。
本公开的一些其它方面涉及一种光学组件，该光学组件包括具有相反的第一透镜主表面和第二透镜主表面的聚合物光学透镜，其中该第一透镜主表面和该第二透镜主表面中的至少一者是弯曲的。第一聚合物光学膜和第二聚合物光学膜结合到相应的第一透镜主表面和第二透镜主表面。该第一聚合物光学膜和该第二聚合物光学膜具有各自的平均厚度T1和T2、沿同一第一方向的各自的弹性刚度Q1和Q2以及沿同一第二方向的各自的热膨胀系数A1和A2，其中乘积Q1T1A1和Q2T2A2彼此相差20％以内。
本公开的一些其它方面涉及一种光学组件，该光学组件包括一体式透镜组件，该一体式透镜组件具有一个透镜或彼此结合的多个透镜与间隔开的第一透镜主表面和第二透镜主表面。聚合物反射偏振器结合到该第一透镜主表面，并且光学膜结合到该第二透镜主表面。该光学膜包括第一光学层，该第一光学层具有沿着相互正交的面内相应的x方向和y方向的折射率nx1和ny1以及沿着与该x方向和该y方向正交的该光学层的厚度方向的折射率nz1。对于从约420nm延伸至约650nm的可见光波长范围中的至少一个波长，nx1与ny1之间的差的大小大于约0.02，并且nz1与nx1和ny1之一之间的差的大小小于约0.02。对于基本上法向入射的光和可见光波长范围，该反射偏振器具有对于沿该x方向和该y方向之一偏振的入射光的大于约70％的平均光学透射率，以及具有对于沿该x方向和该y方向中的另一个偏振的入射光的大于约70％的平均光学反射率。该聚合物反射偏振器表现出取决于方位取向的透射变化，其中最大反射对应于限定主光轴的一个取向。这也可以称为阻挡状态。在与阻挡状态垂直的取向上，透射将达到最大值，并且这通常称为偏振器的通过状态。这些通过状态和阻挡状态限定了反射偏振器的主光轴。光学膜的第一光学层具有对于沿该x方向和该y方向中的每一者偏振的入射光的大于约70％的平均光学透射率。
本公开的一些其它方面涉及一种光学组件，该光学组件包括一体式透镜组件，该一体式透镜组件具有一个透镜或彼此结合的多个透镜与间隔开的第一透镜主表面和第二透镜主表面。聚合物反射偏振器结合到该第一透镜主表面，并且光学膜结合到该第二透镜主表面。该光学膜包括第一光学层，该第一光学层具有沿着相互正交的面内相应的x方向和y方向的折射率nx1和ny1以及沿着与该x方向和该y方向正交的该光学层的厚度方向的折射率nz1。对于在从约420nm延伸至约650nm的可见光波长范围内的至少一个波长，nx1>ny1>nz1，并且nx1-ny1和ny1-nz1各自大于约0.02。对于基本上法向入射的光和可见光波长范围，该反射偏振器具有对于沿该x方向和该y方向之一偏振的入射光的大于约70％的平均光学透射率，以及具有对于沿该x方向和该y方向中的另一个偏振的入射光的大于约70％的平均光学反射率。光学膜的第一光学层具有对于沿该x方向和该y方向中的每一者偏振的入射光的大于约70％的平均光学透射率。
本公开的一些其它方面涉及一种光学组件，该光学组件包括具有相反的第一透镜主表面和第二透镜主表面的聚合物光学透镜，其中该第一透镜主表面和该第二透镜主表面中的至少一者是弯曲的。第一聚合物光学膜和第二聚合物光学膜结合到相应的第一透镜主表面和第二透镜主表面。该第一聚合物光学膜和该第二聚合物光学膜中的每一者具有平均厚度T、沿同一第一方向的弹性刚度Q以及沿该第一方向的热应变E，其中该第一聚合物光学膜的乘积QTE与该第二聚合物光学膜的乘积QTE相差20％以内。
在一些情况下，热应变可以由可逆热膨胀行为主导。在这些情况下，热应变可以被充分地定义为在同一第二方向上定义的热膨胀系数A1和A2与温度变化的乘积。在其它方面，热应变可以由不可逆行为或收缩行为主导。在其它方面中，热应变可由可逆热膨胀和不可逆效应两者的组合产生。
本公开的一些其它方面涉及一种光学组件，该光学组件包括具有相反的第一透镜主表面和第二透镜主表面的聚合物光学透镜，其中该第一透镜主表面和该第二透镜主表面中的至少一者是弯曲的。第一聚合物光学膜和第二聚合物光学膜结合到相应的第一透镜主表面和第二透镜主表面。该第一聚合物光学膜和该第二聚合物光学膜中的每一者具有平均厚度T、沿同一第一方向的弹性刚度Q以及沿该第一方向的热膨胀系数A，其中该第一聚合物光学膜的乘积QTA与该第二聚合物光学膜的乘积QTA相差20％以内。
本公开的其它实施方案涉及一种用于向观察者显示图像的光学系统，该光学系统包括适于发射图像的显示器和根据本公开中描述的一个或多个实施方案的光学组件。第一延迟层设置在该光学组件与该显示器之间。显示透镜设置在该第一延迟层与该显示器之间。部分反射器设置在该第一光学透镜的主表面上并与该第一光学透镜的该主表面适形，并且在可见光波长范围内具有至少30％的平均光学反射率。
附图说明
将参考附图更详细地讨论本公开的各个方面，其中，
图1A示意性地示出了根据一些实施方案的光学组件；
图1B示意性地示出根据一些实施方案的一体式透镜组件；
图2示意性地示出了根据一些实施方案的光学膜的构造；
图3A至图3C示意性地示出了根据不同实施方案的具有一个或多个透镜的透镜组件，这些透镜具有凹和/或凸透镜表面；
图4示意性地示出了根据一些实施方案的用于向观察者显示图像的光学系统；并且
图5示意性地示出了根据一些实施方案的具有聚合物光学透镜的光学组件。
图未必按照比例绘制。图中使用的相似数字指代相似的部件。然而，应当理解，在给定图中使用数字指代部件不旨在限制另一图中用相同数字标记的部件。
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。应当理解，在不脱离本说明书的范围或实质的情况下，可设想并进行其它实施方案。因此，以下具体实施方式不应被视为具有限制意义。
具有光学膜的嵌入注塑的透镜在不考虑机械系统平衡的情况下，特别是在与层状复合材料中的热膨胀失配有关的情况下，可能导致光学形式的变化，这可能不再满足透镜的光学规格。如果面内机械特性不平衡，则可能发生曲率随温度或时间变化。在一个/多个透镜表面上包括光学功能膜(单轴/双轴拉伸光学膜，其材料与聚合物树脂相似或不同)的机械不平衡复合聚合物光学透镜可能不能保持形状精度并且可能无法通过可靠性测试。在层状复合材料中，通过确保从中心“平面”存在材料特性的对称分布来实现机械平衡。
虽然可以通过使一层比另一层更厚来减小弯曲效应，但是它可能不能消除该效应。可以改变初始曲率，使得该结构在该过程结束时翘曲成期望的形状，但是期望的形状可能仅在一个温度下出现并且可能由于蠕变而易于随时间改变。平衡弹性(可逆)特性以及构造内的残余应力两者可能是有利的。另外，虽然可以采用在一个方向上平衡机械特性以减轻在该方向上的弯曲，但是在实践中，这种平衡通常必须沿着两个独立的正交轴同时进行，优选地这两个正交轴与膜内应力产生的最大值和最小值的轴对准，在本文中也称为应力产生的主方向。
本文所公开的实施方案提供了一种制造具有可靠形式的嵌入注塑的光学透镜的解决方案。本文所公开的其它实施方案描述了在一个/多个透镜表面上具有平衡的单轴/双轴拉伸光学膜的复合光学透镜，以保持和改善形状精度。
在图4中示意性地示出了用于向观察者(113)显示图像(111)的光学系统(600)。该光学系统包括光学组件(400)和适于发射图像(112)的显示器(110)。第一延迟层(120)可以设置在光学组件(400)和显示器(110)之间，并且显示透镜(130)可以设置在第一延迟层(120)和显示器(110)之间。部分反射器(140)可以设置在显示透镜(130)上，并且在一些实施方案中，使其与显示透镜(130)的主表面(131)适形。部分反射器(140)在可见光波长范围内可具有至少30％的平均光学反射率。
图1A和图1B示意性地示出了包括一体式透镜组件(100)的光学组件(400)。在一些实施方案中，一体式透镜组件可包括单个透镜(10,20)。在其它实施方案中，透镜组件(100)可包括一个透镜或彼此结合的多个透镜(10,20)并具有间隔开的第一透镜主表面(11)和第二透镜主表面(21)，如图1B最佳所示。第一光学膜(30)可以结合到第一透镜主表面(11)，并且第二光学膜(40)可以结合到第二透镜主表面(21)。
在一些方面，如图3A所示，一体式透镜组件(100')的一个或多个透镜(10,20)可经由粘合剂层(60)彼此结合。如图3A至图3C所示，透镜(10,20)的第一透镜主表面(11)和第二透镜主表面(21)均可以是凸的，或者第一透镜主表面(11')和第二透镜主表面(21')均可以是凹的。在其它实施方案中，第一透镜主表面和第二透镜主表面中的一者(11")可以是凹的，而第一透镜主表面和第二透镜主表面中的另一者(21")可以是凸的。
在一些方面，第一光学膜和第二光学膜(30,40)中的每一者可为包括多个聚合物层(31,32)的多层光学膜(MOF)，如图2所示。在一些情况下，该多个聚合物层(31,32)的总数可以为至少10层。在一些情况下，该多个聚合物层(31,32)的总数可以为至少50、或至少100、或至少200、或至少300、或至少400、或至少500。聚合物层(31,32)中的每一个可具有小于约500nm、或小于约400n、或小于约200nm的平均厚度。在一些实施方案中，出于膜厚度、柔性和经济性的原因，可选择光学膜(30)的层数以使用最小层数实现期望的光学特性。例如，第一光学膜和第二光学膜(30,40)中的至少一者可包括少于10个聚合物层。第一光学膜和第二光学膜(30,40)中的至少一者可包括至少一个表层(33)。该至少一个表层(33)的平均厚度可以大于约500nm，或在一些情况下，大于700nm或大于1微米。对于如本文所述的包括多个聚合物层的第一光学膜和第二光学膜，选择主方向使得x轴和y轴在层的平面内，并且z轴对应于层的厚度。膜的弹性主轴是模量、热膨胀和折射率将达到其极限(最大或最小)值的方向。这些方向还应当与膜内的通过和阻挡光学方向对准。当热应变由可逆热膨胀行为主导时，应力产生的主方向将与膜的弹性的主方向对准。然而，当不可逆效应(诸如收缩)主导热应变时，应力产生的主方向可显著不同于弹性主方向。
多层聚合物薄膜可能显示具有宽泛范围的光学和物理特性，并且可以用于多种光学和非光学应用中。多层薄膜的光学和物理特性可以取决于多个变量，包括用于单独层的聚合物材料的类型、薄膜的单独层的总数和/或薄膜的层厚度分布。因此，可以定制多层薄膜的特性，方法是在薄膜制备过程期间精确地控制这些变量中的一个或多个。多层聚合物薄膜可以包括多个单独层，每一个单独层由一种或多种类型的聚合物材料形成。例如，某些多层光学薄膜可包括数百个单独的聚合物层，这些单独的聚合物层在高折射率与低折射率聚合物材料之间交替。这种聚合物层的形成可通过送料区块设备而实现，该送料区块设备接收通常采用聚合物熔融料流形式的合适的聚合物材料，并且将这些聚合物材料取向为包括单独层叠堆的多层聚合物料流。从送料区块排出后，所述多层料流可接着在薄膜生产线内进一步处理以产生多层光学薄膜。例如，在授予Neavin等人的美国专利6,783,349中，对被构造成制备多层光学薄膜的送料区块和薄膜生产线的实施例进行了描述。
各种MOF是众所周知的。MOF通常包括交替的第一聚合物层(31)和第二聚合物层(32)，这些聚合物层包括至少一种双折射聚合物(例如取向的半结晶聚合物)和一种第二聚合物。在一些方面，光学膜(30)可为具有至少两种材料的交替的第一光学层和第二光学层(31,32)的多层叠堆。在一个实施方案中，第一层(31)和第二层(32)的材料可由聚合物，诸如聚酯构成。例如，用作多层光学膜(30)中的第一双折射层(31)的示例性聚合物可以是聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)。能够适合作为双折射聚合物、作为多层光学膜(30)中的第一双折射层(31)的其它半结晶聚酯可包括例如聚2,6-萘二甲酸丁二醇酯(PBN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等。多层光学膜(30)的第二层(32)可以由玻璃化转变温度与第一双折射聚合物层(31)的玻璃化转变温度相容并且折射率类似于第一双折射聚合物层(31)的各向同性折射率的各种聚合物制得。能够适用于光学膜(特别是第二聚合物层(32))的其它聚合物的示例可以包括由诸如乙烯基萘、苯乙烯、马来酸酐、丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯之类的单体制得的烯类聚合物和共聚物。此类聚合物的示例包括聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯(诸如，聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA))以及全同立构或间规立构聚苯乙烯。其它聚合物包括缩聚物，诸如聚砜、聚酰胺、聚氨酯、聚酰胺酸和聚酰亚胺。另外，第二聚合物层(32)可由聚酯、聚碳酸酯、含氟聚合物和聚二甲基硅氧烷的均聚物和共聚物及它们的共混物形成。这些层被选择为实现特定带宽的电磁辐射的反射。在一个实施方案中，该多个层(31,32)的材料可以具有不同的折射率。在一些实施方案中，该第一光学膜和第二光学膜(30,40)中的一者可包括作为第一光学层(31)的PET和作为第二光学层(32)的PMMA的共聚物(coPMMA)或具有低折射率的任何其它聚合物(包括共聚酯、氟化聚合物或它们的组合)。光学膜(30,40)的透射和反射特性是基于由层(31,32)之间的折射率差值和层(31,32)的厚度引起的光的相干干涉。
在一些实施方案中，对于基本上法向入射的光(50)和从约420nm延伸至约680nm的可见光波长范围，该第一光学膜(30)中的该多个聚合物层(31,32)在该可见光波长范围内具有对于第一偏振态(x轴)的大于约70％的平均光学透射率以及对于正交的第二偏振态(y轴)的大于约70％的平均光学反射率。在一些情况下，第一光学膜(30)在该可见光波长范围内对于第一偏振态(x轴)的平均光学透射率可大于约80％、或大于约85％、或大于约90％、或大于约95％、或大于约99％，并且第一光学膜(30)在该可见光波长范围内对正交的第二偏振态(y轴)的光学反射率可大于约80％、或大于约85％、或大于约90％、或大于约95％、或大于约99％。第二光学膜(40)中的多个聚合物层在该可见光波长范围内可具有对于第一偏振态和第二偏振态中的至少一者或每一者的大于约70％或在一些情况下大于约80％、或大于约85％、或大于约90％、或大于约95％、或大于约99％的平均光学透射率。
在一些实施方案中，在紫外波长范围内，例如对于小于约400nm的至少一个波长，第二光学膜(40)中的多个聚合物层(31,32)可具有对于第一偏振态(x轴)的大于约60％、或大于约70％、或大于约80％的平均光学透射率，以及对于第二偏振态(y轴)的大于约60％、或大于约70％、或大于约80％的平均光学反射率。
根据一些实施方案，在红外波长范围内，例如对于大于约750nm的至少一个波长，第二光学膜(40)中的多个聚合物层(31,32)可具有对于第一偏振态(x轴)的大于约60％、或大于约70％、或大于约80％的平均光学透射率，以及对于第二偏振态(y轴)的大于约60％、或大于约70％、或大于约80％的平均光学反射率。
在另一个实施方案中，对于红外波长范围内大于约750nm的至少一个波长，可将第二光学膜(40)制成基本上透明的。例如，第二光学膜(40)中的多个聚合物层可具有对于第一偏振态(x轴)和第二偏振态(y轴)中的每一者的大于约60％、或大于约70％、或大于约80％的平均光学透射率。
在另一个实施方案中，对于红外波长范围内大于约750nm的至少一个波长，可将第二光学膜(40)制成基本上反射的。例如，第二光学膜(40)中的多个聚合物层可具有对于第一偏振态(x轴)和第二偏振态(y轴)中的每一者的大于约60％、或大于约70％、或大于约80％的平均光学反射率。
在另一个实施方案中，在从约420nm延伸至约680nm的可见光波长范围内，第一光学膜(30)和第二光学膜(40)中的至少一者可被制成为基本上非吸收性的。例如，第一光学膜(30)和第二光学膜(40)中的至少一者的多个聚合物层在可见光波长范围内可具有对于第一偏振态(x轴)和第二偏振态(y轴)中的至少一者的小于约20％、或小于约15％、或小于约10％、或小于约5％的平均光学吸收率。
在其它实施方案中，该光学组件可包括多层正交各向异性材料，其可由于外部或内部(例如，热失配)负载而经历小程度的弯曲。每一层可具有平均厚度、一组正交各向异性弹性刚度特性和一组正交各向异性热应变。例如，如图5最佳所示，具有多个层的光学组件(500)可包括具有第一透镜主表面(71)和相反的第二透镜主表面(72)的聚合物光学透镜(70)、结合到第一透镜主表面(71)的第一聚合物光学膜(80)和结合到第二透镜主表面(72)的第二聚合物光学膜(90)。第一透镜表面和第二透镜表面(71,72)中的至少一者可以是弯曲的。第一聚合物光学膜和第二聚合物光学膜(80,90)中的每一者可具有平均厚度T、沿同一第一方向(101)的弹性刚度Q和沿该第一方向的热应变E。在一些方面，第一聚合物光学膜(80)的乘积QTE可与第二聚合物光学膜(90)的乘积QTE相差20％、或15％、或10％、或5％、或2％、或1％以内。当聚合物光学透镜(70)的厚度大于第一聚合物光学膜和第二聚合物光学膜(80,90)的平均厚度时，沿着作为平面的中性平面位于光学组件的整个厚度的中间的热应变可由透镜材料主导。在一些情况下，为了防止光学透镜的热弯曲，可以平衡第一聚合物光学膜和第二聚合物光学膜(80,90)的层刚度以及层刚度与第一聚合物光学膜和第二聚合物光学膜(80,90)的热应变的乘积两者。
在其它实施方案中，结合到第一透镜主表面(71)的第一聚合物光学膜(80)可具有平均厚度T1，并且结合到第二透镜主表面(72)的第二聚合物光学膜(90)可具有平均厚度T2。第一透镜表面和第二透镜表面(71,72)中的至少一者可以是弯曲的。在一些情况下，第一聚合物光学膜(80)可以是机械平衡膜(MBF)，并且第二聚合物光学膜(90)可以是反射偏振膜(RPF)。例如，第一聚合物光学膜和第二聚合物光学膜(80,90)的厚度分布可如美国专利号5,882,774(Jonza等人)；6,179,948(Merrill等人)；6,783,349(Neavin等人)；6,967,778(Wheatley等人)；和9,162,406(Neavin等人)中大致描述的那样选择性地获得。在一些情况下，第一聚合物光学膜和第二聚合物光学膜(80,90)中的至少一者可包括总计至少10个的多个聚合物层。在其它情况下，第一聚合物光学膜和第二聚合物光学膜(80,90)中的至少一者可包括少于10个聚合物层。
例如，如图5所示，第一聚合物光学膜(80)可在第一方向(101)上具有弹性刚度Q1，并且第二聚合物光学膜(90)可在同一第一方向(101)上具有弹性刚度Q2。第一聚合物光学膜(80)可在第二方向(102)上具有热应变E1，并且第二聚合物光学膜(90)可在同一第二方向(102)上具有热应变E2。第一方向和第二方向(101,102)可以彼此相差20度以内，或者在一些情况下，彼此相差15度、或10度、或5度、或2度以内。
在一些实施方案中，乘积“Q1T1E1”和“Q2T2E2”可以彼此相差20％以内。在一些其它实施方案中，乘积Q1T1E1和Q2T2E2可以彼此相差15％、或10％、或5％、或2％、或1％以内。平衡第一聚合物光学膜和第二聚合物光学膜(80,90)的弹性刚度、厚度和热应变的乘积可以防止透镜曲率发生变化。
作为透镜材料的简单热膨胀的结果，透镜曲率变化也可能发生在光学透镜中。在一些实施方案中，第一聚合物光学膜和第二聚合物光学膜(80,90)中的每一者均可具有平均厚度T、沿同一第一方向(101)的弹性刚度Q以及沿该同一第一方向的热膨胀系数A。第一聚合物光学膜(80)的乘积QTA可与第二聚合物光学膜(90)的乘积QTA相差20％以内。在一些情况下，第一聚合物光学膜(80)的乘积QTA可与第二聚合物光学膜(90)的乘积QTA相差15％以内、或10％以内、或5％以内、或2％以内、或1％以内。
在大多数情况下，A的主轴将在5度内与Q的主轴匹配。相反，E的主轴可以完全独立于Q和A的主轴。在一些情况下，A和Q的主轴与E的主轴之差可以大于20度。在其它情况下，A和Q的主轴与E的主轴之间的差可以大于30度。在其它情况下，A和Q的主轴与E的主轴之间的差可以大于40度。在这种情况下，热应力发展的主轴或方向将被定义为其中模量Q和热应变E的乘积达到它们的极端(最大或最小)值的方向，与单个特性的主方向相反。在这种情况下，热应力的主方向可能不与膜内的通过和阻挡光学方向对准。另外，虽然可以采用在一个方向上平衡机械特性以减轻在该方向上的弯曲，但是在实践中，这种平衡通常必须沿着两个独立的正交轴同时进行，优选地这两个正交轴与膜内应力产生的最大值和最小值的轴对准。
在透镜厚度比膜厚度大得多并且透镜曲率小的情况下，可以相当严格地应用上述设计标准，特别是当膜膨胀由可逆行为主导时。然而，对于较薄的透镜和/或高透镜曲率的情况，控制机械平衡的大小和方向的机构可能变得更加复杂并且需要一些校正。例如，对于较薄的透镜，可能还需要考虑透镜的弹性和抗弯刚度。覆盖精确平衡的数学方程变得更复杂，但是随着时间的推移在复合材料工业中已经得到很好地研究，并且在复合材料教科书诸如Vinson和Sierakowski(由复合材料构成的结构的行为(The Behavior of StructuresComposed of Composite Materials)，多德雷赫特的马蒂努斯·尼约夫出版社(MartinusNijhoff Publishers,Dordrecht),1987)和其它文献中得到很好地描述。高透镜曲率会使这些关系更复杂。然而，尽管描述精确平衡的数学方程可能变得更复杂，但对于本申请内的许多感兴趣的情况，精确计算的结果仍然落在每个膜的Q、T和E和/或Q、T和A的乘积的前述条件内，并且在同一方向内，彼此相差20％以内。
另外，在透镜面之一相对于另一侧具有非常高的曲率的情况下，向曲面形成正交各向异性膜可能导致该膜的主方向，甚至那些主方向在低曲率(或平坦)侧上的投影随着位置和相对于低曲率侧上的基本上均匀的膜而变化。在这种情况下，仅可能在单个点处或沿着一对横向轴线实现完美的平衡。在这种情况下，平衡成为优化问题，其中最佳平衡的区域的选择由与期望透镜形状偏差量最小的任何一个结果确定。然而，对于本申请内感兴趣的许多情况，两个膜在投射到低曲率面上的任何点处的主方向之间的方向差保持彼此相差20°以内。
在一些实施方案中，第一聚合物光学膜和第二聚合物光学膜(80,90)可具有沿同一第三方向(103)的各自的热膨胀系数A1和A2，如图5所示。在一些情况下，平衡第一聚合物光学膜和第二聚合物光学膜(80,90)的弹性刚度、厚度和热膨胀的乘积可以防止透镜曲率发生变化。例如，在一些方面，乘积Q1T1A1和Q2T2A2可以彼此相差20％以内。在其它情况下，乘积Q1T1A1和Q2T2A2可以彼此相差15％、或10％、或5％、或2％、或1％以内。第一方向(101)和第三方向(103)可以彼此相差20度以内，或者在一些情况下，彼此相差15度、或10度、或5度、或2度以内。
在一些其它实施方案中，对于与第一方向正交的相同第二方向(102)，第一聚合物光学膜和第二聚合物光学膜(80,90)中的每一者均可具有平均厚度T、弹性刚度Q'和热应变E'。第一聚合物光学膜(80)的乘积Q’TE’可与第二聚合物光学膜(90)的乘积Q’TE’相差20％以内。在一些情况下，第一聚合物光学膜(80)的乘积Q’TE’可与第二聚合物光学膜(90)的乘积Q’TE’相差15％以内、或10％以内、或5％以内、或2％以内、或1％以内。在其它方面，沿着第二方向(102)，第一聚合物光学膜(80)和第二聚合物光学膜(90)中的每一者可具有热膨胀系数A'。第一聚合物光学膜(80)的乘积Q’TA’可与第二聚合物光学膜(90)的乘积Q’TA’相差20％以内、或15％以内、或10％以内、或5％以内、或2％以内、或1％以内。
在一些方面，第一方向可基本上为第一聚合物光学膜和第二聚合物光学膜(80,90)中的每一者的面内方向。第二方向可以基本上是第一聚合物光学膜和第二聚合物光学膜(80,90)中的每一者的面内方向。对于如本文所述的包括多个聚合物层的第一聚合物光学膜和第二聚合物光学膜，选择主方向使得x轴和y轴在层的平面内，并且z轴对应于层的厚度或高度。在一些方面，第一方向和第二方向可选择为与膜中的主面内方向(x,y)相差10度以内或5度以内。
在一些方面，对于基本上法向入射的光(51,52)，第一聚合物光学膜和第二聚合物光学膜(80,90)中的每一者在从约420nm延伸至约650nm的可见光波长范围内可具有对于至少第一偏振态(x轴)的大于约70％、或大于80％、或大于90％的平均光学透射率。对于基本上法向入射的光(51,52)，第一聚合物光学膜和第二聚合物光学膜(80,90)中的至少一者在从约420nm延伸至650nm的可见光波长范围内可具有对于与第一偏振态正交的第二偏振态(y轴)的大于约70％、或大于80％、或大于90％的平均光学透射率。
重新参考图1A和图1B，在一些实施方案中，第一光学膜(30)可以是结合到第一透镜主表面(11)的聚合物反射偏振器(30)，并且第二光学膜(40)可以是结合到第二透镜主表面(21)的单轴取向的光学膜(40)。在一些方面，光学膜可包括双折射材料。术语“双折射”表示正交的x方向、y方向和z方向上的折射率不完全相同。对于本文所述的光学膜，选择主方向使得x轴和y轴在膜的面内，而z轴对应于膜的厚度或高度。膜的主方向是模量、热膨胀和折射率将达到其极限(最大或最小)值的方向。这些方向还应当与反射偏振膜内的通过和阻挡光学方向对准。
在一些情况下，光学膜(40)可包括第一光学层，该第一光学层具有沿着相互正交的面内相应的x方向和y方向的折射率nx1和ny1以及沿着与x方向和y方向正交的光学层的厚度方向的折射率nz1。对于在从约420nm延伸至约650nm的可见光波长范围内的至少一个波长，作为第一光学层的最大面内折射率nx1与最小面内折射率ny1之间的差的大小的面内双折射率可以大于约0.02。在一些情况下，nx1和ny1之间的差的大小可以大于约0.05、或大于约0.10、或大于约0.15、或大于约0.20、或大于约0.22。作为第一光学层的面内折射率之一(例如，nx1或ny1)与面外折射率nz1之间的差的大小的面外双折射率可小于约0.02。在一些情况下，nz1与nx1和ny1之一之间的差的大小可小于约0.015、或小于约0.01、或小于约0.007、或小于约0.005。光学膜(40)还可以包括第二光学层，其可以是各向同性层。第二光学层包括分别沿x方向、y方向和z方向的折射率nx2、ny2和nz2。在一些情况下，对于在从约420nm延伸至约650nm的可见光波长范围内的至少一个波长，作为第二光学层的折射率nx2、ny2和nz2之间的最大差的大小的面内双折射率可以小于约0.02。在一些情况下，作为第二光学层的折射率nx2、ny2和nz2之间的差的大小的面外双折射率可小于约0.015、或小于约0.01、或小于约0.007、或小于约0.005。
在一些其它实施方案中，对于从约420nm延伸至约650nm的可见光波长范围内的至少一个波长，nx1>ny1>nz1。在其它实施方案中，nx1-ny1和ny1-nz1中的每一者之间的差的大小可以大于约0.02。在一些情况下，nx1-ny1与ny1-nz1中的每一者之间的差的大小可大于约0.03、或大于约0.04、或大于约0.05。
对于基本上法向入射的光和可见光波长范围，反射偏振器(30)可具有对于沿x方向和y方向之一偏振的入射光的大于约70％的平均光学透射率。在一些情况下，对于沿x方向和y方向之一偏振的入射光，平均光学透射率可大于约80％、或大于约90％。对于沿x方向和y方向中的另一个偏振的入射光，反射偏振器(30)对于基本上法向入射的光和可见光波长范围的平均光学反射率可大于约70％。在一些情况下，对于沿x方向和y方向中的另一个偏振的入射光，平均光学反射率可大于约80％、或大于约90％。光学膜(40)的第一光学层可具有对于沿x方向和y方向中的每一者偏振的入射光的大于约70％的平均光学透射率。在一些情况下，对于沿x方向和y方向中的每一者偏振的入射光，平均光学透射率可大于约80％、或大于约90％。
Claims (10)
1.一种光学组件，包括：
一体式透镜组件，所述一体式透镜组件包括一个透镜或彼此结合的多个透镜，并且包括间隔开的第一透镜主表面和第二透镜主表面；以及
结合到相应的第一透镜主表面和第二透镜主表面的第一光学膜和第二光学膜，所述第一光学膜和所述第二光学膜中的每一者包括总计数为至少10个的多个聚合物层，所述聚合物层中的每一个具有小于约500nm的平均厚度，使得对于基本上法向入射的光和从约420nm延伸到约680nm的可见光波长范围：
所述第一光学膜中的所述多个聚合物层在所述可见光波长范围内具有对于第一偏振态的大于约70％的平均光学透射率以及对于正交的第二偏振态的大于约70％的平均光学反射率；并且
所述第二光学膜中的所述多个聚合物层在所述可见光波长范围内具有对于所述第一偏振态和所述第二偏振态中的至少一者的大于约70％的平均光学透射率。
2.根据权利要求1所述的光学组件，其中所述第二光学膜中的所述多个聚合物层在所述可见光波长范围内具有对于所述第一偏振态和所述第二偏振态中的每一者的大于约70％的平均光学透射率。
3.根据权利要求1所述的光学组件，其中对于小于约400nm的至少一个波长，所述第二光学膜中的所述多个聚合物层具有对于所述第一偏振态的大于约60％的平均光学透射率以及对于所述第二偏振态的大于约60％的平均光学反射率，并且其中对于大于约750nm的至少一个波长，所述第二光学膜中的所述多个聚合物层具有对于所述第一偏振态的大于约60％的平均光学透射率以及对于所述第二偏振态的大于约60％的平均光学反射率。
4.根据权利要求1所述的光学组件，其中所述第一光学膜和所述第二光学膜中的至少一者的所述多个聚合物层在所述可见光波长范围内具有对于所述第一偏振态和所述第二偏振态中的至少一者的小于约20％的平均光学吸收率。
5.一种用于向观察者显示图像的光学系统，所述光学系统包括：
显示器，所述显示器适于发射图像；
根据权利要求1所述的光学组件；
第一延迟层，所述第一延迟层设置在所述光学组件与所述显示器之间；
显示透镜，所述显示透镜设置在所述第一延迟层与所述显示器之间；和
部分反射器，所述部分反射器设置在所述显示透镜的主表面上并与所述显示透镜的所述主表面适形，并且在所述可见光波长范围内具有至少30％的平均光学反射率。
6.一种光学组件，包括：
聚合物光学透镜，所述聚合物光学透镜包括相反的第一透镜主表面和第二透镜主表面，所述第一透镜主表面和所述第二透镜主表面中的至少一者是弯曲的；以及
结合到相应的第一透镜主表面和第二透镜主表面的第一聚合物光学膜和第二聚合物光学膜，所述第一聚合物光学膜和所述第二聚合物光学膜具有各自的平均厚度T1和T2、沿同一第一方向的各自的弹性刚度Q1和Q2以及沿同一第二方向的各自的热应变E1和E2，其中乘积Q1T1E1和Q2T2E2彼此相差20％以内。
7.根据权利要求6所述的光学组件，其中所述第一聚合物光学膜和所述第二聚合物光学膜具有沿同一第三方向的各自的热膨胀系数A1和A2，其中乘积Q1T1A1和Q2T2A2彼此相差20％以内，并且其中所述第一方向和所述第三方向彼此相差20度以内。
8.一种光学组件，包括：
聚合物光学透镜，所述聚合物光学透镜包括相反的第一透镜主表面和第二透镜主表面，所述第一透镜主表面和所述第二透镜主表面中的至少一者是弯曲的；以及
结合到相应的第一透镜主表面和第二透镜主表面的第一聚合物光学膜和第二聚合物光学膜，所述第一聚合物光学膜和所述第二聚合物光学膜具有各自的平均厚度T1和T2、沿同一第一方向的各自的弹性刚度Q1和Q2以及沿同一第二方向的各自的热膨胀系数A1和A2，其中乘积Q1T1A1和Q2T2A2彼此相差20％以内。
9.根据权利要求8所述的光学组件，其中对于基本上法向入射的光，所述第一聚合物光学膜和所述第二聚合物光学膜中的每一者在从约420nm延伸至约650nm的可见光波长范围内具有对于至少第一偏振态的大于约70％的平均光学透射率。
10.根据权利要求8所述的光学组件，其中所述第一聚合物光学膜和所述第二聚合物光学膜具有沿同一第三方向的各自的热应变E1和E2，其中乘积Q1T1E1和Q2T2E2彼此相差20％以内，并且其中所述第一方向和所述第三方向彼此相差20度以内。
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