CN110892309A - 广角可变中性密度滤光器 - Google Patents

广角可变中性密度滤光器 Download PDF

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Abstract

使用三个(或更多个)偏振器布置来演示具有对比度均匀性和颜色均匀性的广角可变中性密度(VND)滤光器。根据一实施例，外部偏振器相对于固定的中心偏振器有效地反向旋转，作为补偿与非法向光线所经历的几何偏振畸变相关的透射不均匀性的手段。特别地，消色差补偿布置在衰减的级数量增大时(例如10级或OD3)相对于法向入射透射实现角度均匀性。该滤光器可用于相机或仪器，以进行机械或机电调谐。

Description

广角可变中性密度滤光器
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年03月08日提交的美国临时申请第62/468803号的权益，其全部内容通过引用合并于此。
背景技术
长期以来，特别是对于摄像机和相机，一直需要具有大范围可调衰减的滤光器附件。例如，可变中性密度(VND)滤光器可以实现与场景亮度无关的曝光时间选择，从而为摄影师提供了宝贵的自由度。VND滤光器使用偏振作为改变透射率的手段。当偏振器吸收轴平行时，透射率最大。当一个偏振器相对于另一个偏振器旋转时(参见图1)，透射率下降；当吸收轴交叉时，理论上透射率为零。问题在于，行业中的VND滤光器趋向于引入空间/角度伪影，从而限制了它们在实践中的实用性。由于这些伪影，当将VND滤光器放置在相机镜头前面时，对比度或颜色不均匀性可能会阻止广角拍摄和/或高密度。
理想的交叉偏振器的透射不均匀性是完全由于几何形状导致的吸收轴旋转的结果。对于非法向入射的光线，最坏情况下的入射平面方位角相对于偏振器吸收轴为±45°。在VND滤光器的情况下，问题最大的情况发生在交叉偏振器附近，这对应于更高密度的选择。例如，10级(stop)对应于轴之间的88.2°角度，在法向入射时给出0.1％的透射率(光学密度＝3)。图2示出了在OD3设置下的二偏振器VND的最小和最大透射率与入射角(AOI)的关系。在AOI为±45°的极端情况下，偏振透射图上的最高透射率为1.9％，最低透射率为零。因此，在最坏的情况下，最高透射率比目标透射率高19倍，最低透射率表示完全阻挡了入射光，从而产生非常高的对比度伪影。图2示出了最小透射率通过24°AOI而降为零，而对于所有更高的AOI，存在具有零透射率的一个或多个角。在图像捕获的情况下，该伪影采取叠加在图像上的高对比度交叉图案的形式。
在许多情况下，聚乙烯醇(PVA)偏振器膜也覆盖有三乙酸纤维素(TAC)保护膜。通过在PVA膜之间引入约100nm的负c板延迟(即，光轴垂直于基板的负单轴延迟器)，这进一步加剧了该问题。c板在±45°方位角时影响最大，而对0/90°方位角没有影响。因此，交叉图案的对比度进一步提高。TAC还可能引入其他雾度，从而造成遮盖眩光。在当前产品中，通过多个空气间隔元件以及散射光并降低图像对比度的功能/载体基板，遮盖眩光也会增加。除了TAC保护膜外，这还包括由低规格厚玻璃、补偿膜和四分之一波延迟器膜(例如聚碳酸酯)、粘合剂和涂层产生的雾度。防反射(AR)涂层在法向入射时反射一些光，反射率和颜色偏差通常会增加非法向。与镜头光晕类似，这会产生重影，尤其是在广角镜头中使用时。
更高质量的VND产品倾向于使用“补偿膜”来抵消几何旋转现象。补偿器可以通过有效地应用特定于入射角和方位角的偏振旋转来极大地改善对比度均匀性。尽管这可以大大减轻对比度变化，但补偿器也倾向于引入颜色偏差。这是因为它们倾向于由具有波长依赖性(即延迟色散)的单轴/双轴延迟器膜构成。这样，针对特定入射角/方位角的偏振变换(如在庞加莱球上观察到)根据波长描绘出轮廓。分析偏振时的结果是彩色透射率函数，这又会引入图像伪影。通常将伪影从高对比度十字转换为具有方位角相关色调的低对比度十字。
补偿膜包括沿吸收轴定向的单层双轴半波延迟器，其中沿厚度方向的延迟是四分之一波。在±45°方位角，光轴的投影偏离偏振器吸收轴，并随入射角的增加而增加。半波延迟器将输入偏振绕慢轴反射，从而使偏振与分析偏振器的吸收轴对齐。这大大减少了泄漏，但引入了颜色偏差。
一对偏振器(其间具有双轴半波延迟器，使用88.2°的角(10级))在最大入射角为45°时，透射率范围为0.43对数单位，与没有补偿的情况相比有了很大的改进。但是，在45°方位角时，滤光器在半波延迟时(对于聚碳酸酯通常在约520nm)具有最小光谱。这会产生明显的品红色调，尤其是在45°/-135°方位角时。在此入射角时，理想的光谱平坦输入的颜色偏差为Δu′v′＝0.083。在0/90°时，输出通常是消色差的。
另一补偿器是与正c板(光轴垂直于基板的正单轴)组合的双轴膜。例如，另一实施例是具有115nm的面内延迟和103.5nm的厚度方向延迟以及150nm的正c-板延迟的双轴拉伸膜。像双轴半波延迟器一样，它是几何畸变的校正器。同样，延迟器的色散会导致与方位角有关的颜色偏差。假设双折射色散为零，则该解决方案的最坏情况下的对比度变化(在10级时)为0.84对数单位，并且颜色偏差相对于等能量白色为Δu′v′＝0.147。该解决方案显示出比前者更多的与方位角有关的颜色变化，在任意两个点之间的最大偏差为Δu′v′＝0.196。VND滤光器的另一种形式是电光；使用液晶设备来改变密度。在某些应用中(例如视频中密度的场内调制)，快速调谐和缺少运动部件是有利的。近年来，在生产角度不敏感的密度/颜色和足够的调谐密度范围的LC VND滤光器方面取得了重大进展。但是，对于LC器件而言，在45°半锥角以及整个密度调谐范围内保持均匀透射和颜色的能力极具挑战性。这可能迫使它们进入光学系统中的光更加准直的位置，这种情况可能是不希望的。此外，电光装置(例如用于无人飞行器、UAV或无人机)可能具有缺点，其中对恒定施加DC平衡的驱动电压的需求导致不期望的功率消耗。机电调谐仅在改变密度时才需要消耗功率。
发明内容
本文公开了一种可旋转重新配置的光机械结构。该结构包括：第一光学功能层，其对围绕其表面法向的旋转敏感；第二光学功能层，其对围绕其表面法向的旋转敏感；腔，其形成在第一光学功能层与第二光学功能层之间；机械结构，用于使第一层能够相对于第二层旋转；以及透明的光学油脂，其填充所述层之间的腔，并在第一层相对于第二层旋转期间保持完整。油脂的折射率基本上与第一光学功能层和第二光学功能层的折射率匹配。
第一和第二光学功能层可以是线性偏振器。第一和第二光学功能层中的一个或多个可以是延迟器(retarder)。可以使用压敏粘合剂将第一和第二光学功能层层压到外部基板上。
还公开了一种接收具有输入偏振的输入光的可变中性密度滤光器。该滤光器包括：第一偏振器；具有多个面内延迟波的延迟板；以及第二偏振器。使用延迟板使输入偏振基本上去偏振。延迟大于10个波。延迟器是石英、蓝宝石或铌酸锂中的一种。延迟足够大，以至于来自具有偏振输入光谱功率分布的输入光的颜色偏差低于恰好可注意到的差。
还公开了一种可变中性密度滤光器，包括：第一偏振器；第二偏振器；以及入射角敏感近红外反射滤光器。偏振器具有偏振效率，其光谱覆盖范围延伸到近红外，从而形成了无关带。入射角敏感近红外反射滤光器基本上将以法向入射角的光从无关带的长波长边缘反射到约1000nm。近红外反射滤光器使从法向入射到最大截止入射角具有不明显颜色偏差的可见光通过。
还公开了一种可变中性密度滤光器，包括：第一偏振器；第二偏振器；以及基本上入射角不敏感近红外反射滤光器。近红外反射滤光器包括涂覆在可见光透射基板上的薄银和介电层的重复堆叠。
还公开了一种可变中性密度滤光器，包括：第一偏振器；第二偏振器；以及用于旋转第一和第二偏振器的机械结构。第一致动器使第一(输入)偏振器和第二(输出)偏振器能够一致旋转，并且第二致动器使第二偏振器能够旋转而无需改变第一偏振器的方向。
还公开了一种可变中性密度滤光器(VND)，包括：第一偏振器；第二偏振器；以及第三偏振器。第一和第二偏振器形成第一衰减阶段，其透射率由在第一和第二偏振器吸收轴之间形成的第一角度确定。第二和第三偏振器形成第二衰减阶段，其透射率由第二和第三偏振器吸收轴之间形成的第二角度确定。复合透射率是第一阶段透射率和第二阶段透射率的乘积。选择第一和第二角度的组合以保持法向入射复合透射率用于非法向入射的光线。
第一和第二偏振器之间的角度可以是+θ，而第二和第三偏振器之间的角度可以是-θ。添加第三偏振器可以降低在最大密度设置时的角度分辨率要求。在入射角超过35°时，在偏振光的衰减的10级时的透射率不均匀性可以低于0.5对数单位。可以选择角度的组合以在密度设置和入射角的整个范围上最小化透射的亮度和颜色不均匀性。在第一/第二偏振器与第二/第三偏振器之间形成的腔可以填充有光学油脂。可以使用压敏粘合剂将第一、第二和第三偏振器层压到透明基板上。光学油脂可以消除AR涂层，并降低偏振器平整度要求。光学油脂可以消除实现可接受的透射波前畸变所需的基板。
可以进一步包括机械调谐结构，其中，第一致动器使第一(输入)偏振器、第二(中间)偏振器和第三(输出)偏振器能够一致旋转，并且其中，第二致动器使第三偏振器能够相对于第一偏振器旋转，其中，第三致动器将第二偏振器角从属于第三偏振器角。齿条齿轮布置可以使第二偏振器以第三偏振器的速率的一半旋转。制动器可以通过使用者感觉提供衰减的级数量。标记可以提供衰减的级数量的视觉指示。
机电装置可以选择复合透射率的量。使用者可以基于来自相机馈源或亮度传感器的亮度信息来远程调谐密度。可以预先选择最佳亮度水平，并且马达和亮度传感器可以形成自动选择密度的闭环系统。VND滤光器可以安装在无人飞行器相机上。VND滤光器可以安装在无人机相机上。
附图说明
图1示出了现有技术的二偏振器可变中性密度滤光器。
图2示出了设置为OD3(0.1％透射率)的二偏振器VND滤光器。这示出了偏振透射率函数相对于入射角的最小和最大透射率值。
图3示出了本发明的宽视场三偏振器可变中性密度滤光器。
图4示出了设置为OD3(0.1％透射率)的本发明的三偏振器VND滤光器。这示出了偏振透射率函数相对于入射角的最小和最大透射率值。
图5示出了本发明的宽视场四偏振器可变中性密度滤光器。
图6是二、三和四偏振器可变中性密度滤光器的比较；x轴是衰减的级(stop)的数量(假设理想的偏振器和偏振输入)，y轴是以对数单位的峰谷对比度不均匀性。
图7是示出所有光学层的三偏振器VND滤光器的横截面。
图8是示出所有光学层的二偏振器VND滤光器的横截面。
图9示出了组装的三偏振器配置，其示出了三个环和机械调谐机构。
图10示出了三偏振器VND滤光器的机械放大。
具体实施方式
尽管本文公开的实施例易于进行各种修改和替代形式，但是其特定实施例已经通过示例在附图中示出并且在本文中进行了详细描述。然而，应理解，其并非旨在将本发明限制为所公开的特定形式，相反，本发明将覆盖由权利要求书限定的本发明的实施例的所有修改、等同物及替代形式。参考附图描述了本公开，其中相同的附图标记表示基本相似的元件。
如今，摄影师和摄像师可以在一组固定的中性密度滤光器、具有高对比度消色差交叉伪影的VND滤光器或低对比度色差交叉伪影之间进行选择。因此，一直存在着对可变中性密度滤光器的长期需求，尤其是在摄影和视频拍摄中，这种滤光器是真正中性的，并且在宽的接收角度和衰减范围内保持对比度和颜色的高度均匀性。
在此描述的是三个或更多个线性偏振器的布置，它们成对地具有通常的几何透射伪影。但是由于透射率变化是消色差的，因此仅偏振器方案的好处是不会出现颜色偏差。本文提出的解决方案是将偏振器布置成使得它们以协作的方式起作用；其中，复合透射率函数在入射角和方位角上的透射率变化最小。
对于特定的期望透射水平，在三偏振器配置中存在连续的相对偏振器取向，其满足法向入射要求。然而，有些没有什么好处，有些甚至加剧了透射率不均匀性。根据实施例，角度布置补偿在每个密度设置下由几何旋转引起的透射率变化。在三偏振器设计的情况下，基本上有两个与第一/第二偏振器和第二/第三偏振器相关的透射率函数。尽管优化的设计使一组的与方位角有关的透射率最大值与另一组的透射率最小值之间的对应关系最大化，但是每个都具有几何畸变。这趋于使方位角透射率变化平滑，从而极大地抑制了透射率变化。并且因为没有分散元素，所以不会引入颜色不均匀性。
随着衰减级数量的增加，该设计变得越来越有效。显然，对于零级透射率只有一种解决方案：所有偏振器都是平行的。在此，不存在几何畸变，因此不需要补偿。所公开的补偿方案的有效性随着在较高密度下对它的需求的增加而增加，因此，即使滤光器具有最大衰减(例如10级)也保持了良好的性能。
在实际应用中，使用机械或机电硬件来实现每个衰减级的偏振器角度的最佳布置。在摄影应用中，可能有必要将输入(第一)偏振器锁定在使用者选择的方向，使得第二和第三偏振器相对于该角度定向。在随后的光密度调整中，可以调整第三偏振器，使第二偏振器的角度从属于它。这种布置被称为两步调谐，并且在共同待决的申请(Tunable ColorEnhancement，PCT申请号PCT/US2018/015041，其全部内容通过引用并入本文)中描述。
该方法可以扩展到四个或更多个偏振器设计。在从三个变为四个偏振器时，引入了额外的自由度，可以进一步提高对比度均匀性。
还描述了成功部署具有广角和高密度范围的VND滤光器所需的许多设计注意事项。它进一步描述了结构简单且光学单片的设计，从而使遮盖眩光和重影反射最小。
以下对二偏振器VND的详细分析具有指导意义，因为：(a)它给问题定了框架并给出基线性能；以及(b)二偏振器配置是本发明技术的基础。图1示出了现有技术VND滤光器20。分析偏振器22，其吸收轴由一系列竖直线表示，以消除使用者选择的输入光量。具有示出为竖直箭头的光轴的可选补偿器24可以改善由非法向的几何效应引起的亮度不均匀性。偏振器26具有使用者选择的吸收轴取向α。在法向入射时，此简单配置可以很好地执行。但是，当此VND滤光器必须接受锥形光束时，通常不能保持法向入射透射。
尤其是近交叉偏振器的对比度不均匀性是完全由于几何形状引起的吸收轴旋转的结果。对于非法向入射的光线，当入射平面(POI)相对于偏振器的吸收轴在±45°时，会发生最大的几何旋转。当有一对偏振器时，当POI将偏振器吸收轴一分为二时，偏振器之间会出现最大的几何旋转。在一种极端情况下，吸收轴似乎一起旋转，从而增加了透射率，并且与该POI成90°时，它们似乎分开旋转，从而降低了透射率。因此，非法向几何旋转会导致密度的变化，而密度的变化很大程度上取决于方位角。当密度设置较低时，小的几何旋转对均匀性的影响相对较小。然而，当密度较高时，特定方位角上的小的几何旋转会驱使透射率达到零，从而导致出现不可接受的伪影。相反，小的反向几何旋转会增加透射率，使其远高于设置的密度值。当轴相交时(对于理论上无限的密度)，沿0/90°方位角保持密度，而没有几何旋转。通常，泄漏沿±45°方位角最大增加。摄影师和摄像师通常将此伪影称为“恐惧的X”。
一对理想线性偏振器的透射率函数(即，沿吸收轴的零透射和与吸收轴正交的一致透射)由下式给出
T(θ，α1，φ1，α2，φ2)＝cos2[α2(θ，φ2)-α1(θ，φ1)]
其中，α(θ,φ)是偏振器吸收轴之间的投影角。它既包括法向入射选定的角度差，又包括由于几何旋转而引起的增量旋转，其中，
α2(0)-α1(0)＝α
其中，α是选定的角度差，以及
T(0)＝cos2(α)
方程中的方位角不同，因为坐标系与相对于POI的特定偏振器方向相关。该角度设置为在法向入射时所需的光学密度。例如，衰减的10级对应于偏振器之间的角度α＝88.2°，给出透射率为0.1％(光学密度＝3对数单位)。
此处以对数单位描述对比度不均匀性，其是与查看图像时观察到的对比度感知有关的度量。在特别具有挑战性的情况下，透射率不均匀性对应于通过光谱上平坦的均匀朗伯源/散射体的VND滤光器捕获的图像。法向入射时的特定衰减设置由log[T0]表示。通常，圆柱极坐标中的透射率由[T(θ，φ)]给出，其中，θ是空气相对于法向的入射角，而φ是方位角。为了简化分析，预期作用于极端AOI，θmax的衰减器限制了透射率最大值log[Tmax]和透射率最小值log[Tmin]。尽管最大值和最小值倾向于位于最大入射角，但有时它们处于减小的入射角。
对数单位以与视觉系统的响应一致的方式表示与VND滤光器伪影相关的“图像”。最大透射率与中心目标透射率之间的原始对比度为Tmax/T0，或以对数单位表示为log[Tmax]-log[T0]。类似地，中心目标透射率与最小透射率之间的对比度为T0/Tmin或log[T0]-log[Tmin]。以对数单位的峰谷对比度不均匀性是这些的总和或
R＝log[Tmax]-log[Tmin]
显然，当最小透射率接近零时，上述方程变得不稳定，这种情况很容易在两偏振VND滤光器中发生。实际上，在达到这种极端情况之前，出现了不均匀性的不可接受阈值。
Berreman 4×4矩阵模型用于生成透射率极坐标图。为了说明在高密度时几何旋转的敏感性，对于设置为OD3密度的两偏振VND滤光器，从极坐标图中提取了最小和最大透射率值。图2示出了仅在几度之后，最小值/最大值便开始偏离0.1％设定点。到22°AOI时，极坐标图包含透射率零点，对于所有更大的AOI都持续存在。最大透射率值是设定点的两倍，即15°AOI，并且随AOI的增加而增加。
使用该模型，对于二偏振器现有技术滤光器，针对空气中的非法向最大入射角20°，在衰减的每个级时也产生了极坐标图。在这些图中，最大和最小透射率值位于角度空间中，然后将其转换为以对数单位的峰谷不均匀性。偏振器是理想的，输入光谱功率分布是平坦的，并且对比度是适光的。请注意，尽管进行了计算/监视，但在这些图中从未观察到明显的颜色偏差。
表1给出了基线二偏振器的情况，示出了偏振器绝对角度(不失一般性)，极端最大和最小透射率以及衰减的每个级的对数单位的透射率不均匀性。请注意，从9级到10级的过渡仅需要偏振器旋转0.7°，从使用者的角度出发，要求机械元件的角分辨率具有高精度。该表基于20°的最大AOI，因为在更大AOI时，最小透射率接近零，并且在更高密度设置时对数单位的不均匀性变得不稳定。实际上，超过一个对数单位的不均匀性不太可能被接受。表1基于极化输入，如果假定输入是非极化的，则所有条目都会产生一级偏移。
Figure BDA0002251671240000091
表1，2-偏振器VND滤光器在最大入射角为20°时的明暗对比度均匀性。
以上验证了在给定任何合理可接受的对比度不均匀性的情况下，二偏振器VND不能同时适应大接收角度和宽密度范围。使用短焦距镜头时，可以使用非常有限的动态范围；而使用长焦距镜头时，可以使用较大的动态范围。还需要注意的是，伪影不会突然出现在焦距和密度的特定组合下；不希望的伪影以远低于不可接受阈值的密度存在。
三偏振器VND
可以使用一个或多个附加的偏振器，以及特定的一组相对角度，以在很大程度上消除几何旋转对现有技术VND滤光器的影响。如果使用三个偏振器，则透射率函数变为：
T(θ，α1，φ1，α2，φ2，α3，φ3)＝cos2[α2(θ，φ2)-α1(θ，φ1）]cos2[α3(θ，φ3）-α2(θ，φ2）]
其中，α1,α2,α3给出第一/第二以及第二/第三偏振器吸收轴之间的几何形状相关角度。现在，VND滤光器透射率函数由两个衰减阶段的乘积确定，角度组合的连续性l在法向入射时产生所需的光密度。例外是零级衰减，其中可能有单个解决方案(即所有偏振器平行)。然而，由第三偏振器引入的自由度允许以互补的方式分别定向每个阶段的对比度极坐标图时具有一定的灵活性。
根据实施例，第二偏振器被有效地固定，而外部偏振器反向旋转以产生期望的光密度。在法向入射时，这减少为单个变量，或者
α3(0)-α2(0)＝α2(0)-α1(0)＝α
并且法向入射透射率变为
T(0)＝cos4(α)
其用于根据衰减的级来确定偏振器角度。
图3示出了三偏振器VND滤光器30。在该配置中，中心偏振器32具有固定的竖直取向，并且外部偏振器34和36分别反向旋转角度α和-α，以产生期望的衰减。
与现有技术分析一样，当密度设置为OD3时，该模型用于评估三偏振VND滤光器的不均匀性。图4示出了在45°的极端AOI时，最大透射率从0.1％增加到0.16％，最小透射率下降至0.04％。前者出现在8°AOI时的二偏振器情况下，而后者出现在14°AOI时的情况。
表2以与表1相同的格式示出了3偏振器性能。由于在高密度和AOI时均匀性仍然很高，因此，在45°的极端AOI时评估了三偏振器VND。注意，任何偏振器都可以与其他两个旋转适当的相对量而固定角度，从而提供相同的透射率功能。尽管不均匀性像以前一样随着级数量的增加而增加，但其速率远低于二偏振器的情况。10级时的最大不均匀性范围为0.556对数单位。考虑到这表示低空间频率函数，可以认为即使将这种极端情况叠加到图像上，在视觉上也不会出现问题。例如，具有中等增益的电影院屏幕从中心到角落的亮度都会出现类似的下降，而视觉系统在观看图像时无法察觉。
Figure BDA0002251671240000101
Figure BDA0002251671240000111
表2,3-偏振器VND滤光器在最大入射角为45°时的明暗对比度均匀性。
四偏振器VND
通过引入第四偏振器，可以进一步提高角度均匀性，从而提供另一自由度。这给出了透射率函数：
T(θ，α1，φ1，α2，φ2，α3，φ3α4，φ4)＝cos2[α2(θ，φ2)-α1(θ，φ1)]cos2[α3(θ，φ3)-α2(θ，φ2)]cos2[α4(θ，φ4)-α3(θ，φ3)]
在实施例中，可以再次引入对称性以使用给出以下的法向入射角布置(α，α′，-α′，-α)来将变量的数量从四个减少到两个：
α2(0)-α1(0)＝α4(0)-α3(0)＝(α′-α)，and(α3(0)-α2(0)＝2α′
其中，法向入射透射率函数：
T(0)＝cos2[2α′]cos4[α′-α]
对于特定的第一偏振器角度，可以产生一定范围的第二偏振器角度，其满足法向入射时的光密度要求。对于每组，该模型用于确定哪对给出最低的角度不均匀性。注意，随着衰减的级数量变大，模型解决最佳情况变得更加困难。然而，发现接近最佳情况时灵敏度低。表3示出了四偏振器情况的性能。
Figure BDA0002251671240000112
Figure BDA0002251671240000121
表3，4-偏振器VND滤光器在最大入射角为45°时的明暗对比度均匀性。
在10级时，入射角为45°时的最大不均匀性降低至0.22对数单位，而三偏振器的情况为0.56对数单位。包括了另外的衰减级，因为4-偏振器情况具有如此低的对比度不均匀性。尽管该模型无法准确预测在12级的性能，但似乎可以在12级或更多级时充分发挥性能。请注意，从9级到10级衰减的过渡对角度分辨率的要求甚至进一步降低。偏振器二和三可以保持在±37.0°，而偏振器一和四的角度调整步骤增加到四度，这是三偏振器设计的两倍。
图5示出了本发明的四偏振VND滤光器40的具体配置。外部偏振器42和44相对于竖直分别反向旋转角度α和–α。内部偏振器46和48分别相对于竖直反向旋转角度α′和-α′。可以生成查找表，该表给出这些角度之间的关系，以在法向入射时生成所需的光学密度以及最佳的非法向透射率均匀性。
图6比较了评估的三种VND滤光器设计的透射率不均匀性。由于先前讨论的原因，在减小的AOI为20°时评估了现有技术二偏振器VND。三偏振器和四偏振器设计在低密度下具有更高的不均匀性，这完全是由于最大AOI为45°(而不是20°)这一事实。然而，跨界(cross-over)为6级，对于更高密度而言，三偏振器情况的性能要优于二偏振器情况。四偏振器情况的跨界约为3级，超过此范围，设计性能将比二偏振器情况好得多。如果在20°AOI时对本发明的VND滤光器设计进行评估，则对于任何衰减水平(零级相同的情况除外)，其性能都将优于现有技术。
材料和光学考虑
以下是用于使根据本发明的VND滤光器表现最佳的附加设计/制造考虑；真正实现了大密度范围和宽接收角度。VND滤光器的实际光学性能可能受到材料选择、制造过程以及空气中表面数量的限制。
当今可用的大多数高质量VND滤光器产品是通过在玻璃之间层压聚合物，然后进行双面抛光，然后使用宽带减反射(BBAR)涂层来制造的。该过程顺序是劳动密集的、昂贵的，并且通常导致零件厚/重。尽管此解决方案可以改善透射的波前畸变，但可能会以其他性能指标为代价。
包含N个偏振器的VND滤光器通常会具有(N-1)个气腔和2N个反射面。两个外表面是不可避免的，输入表面的反射会影响产量，但原则上不会造成杂散光。输出(传感器侧)表面会导致杂散光，因为它会将光引导回输入。它应该接受宽带减反射(BBAR)涂层，以最小化整个角度场的反射率。例如，这可以是物理气相沉积(PVD)涂层，也可以是蛾眼压纹。由空气间隔开的VND滤光器产生的腔可能会特别成问题，这是由于紧密间隔的表面之间的耦合，再加上大入射角时的AR涂层失效，以及随着时间的推移腔表面会累积残留物/碎屑的趋势会增加杂散光。
如果腔的两个表面接收BBAR涂层，则在法向入射时反射率可低至0.25％(明暗)，尽管在极端入射角时其可增长至2％。这会在腔表面之间产生多次反射，就像镜头光晕一样。根据本发明的一方面，使用唯一地适应旋转重新配置要求的折射率匹配材料在光学上消除了所有内部腔。这是适用于滤光器的解决方案，因为与相机镜头不同，滤光器不包含折光力。包含一定量折射率匹配油脂的凹穴的正确设计可以使一个光学部件能够相对于另一个光学部件几乎无限地旋转重新配置，而不会引入空隙。而且，填充腔使得不可能从环境中引入残留物或碎屑。优选的光学油脂在体积上是稳定的(无挥发物)，在所有温度条件下均不具有离开凹穴的趋势，具有与表面匹配的折射率，并且散射低(例如由于填料在尺寸上是波长的很大一部分)。硅脂对于满足所有这些要求具有吸引力。
可用硅脂的粘度、折射率(1.47-1.49)和透明度可以很好地满足要求。使用折射率为1.47的硅脂和折射率为1.52的玻璃，法向入射(以及几乎所有其他入射角)时的反射率为0.028％；比优质BBAR涂层小十倍。这些材料的粘度往往在很宽的温度范围内变化很小。粘度足以使材料不流动，也不显示出离开凹穴的趋势。通过旋转重新配置VND会产生剪切阻力。通过适当选择粘度和腔间隙(通常为200-500微米)，可以控制粘性阻力。产品在调谐期间应具有一定量的阻力，并且可以根据需要对此进行调整以产生所需的使用者感觉。
使用硅脂消除了三偏振VND滤光器的两个气腔。在一定程度上使内层被很好地进行折射率匹配，该结构看起来像单个光学平板，其中外表面的局部平行度是最重要的。在这种情况下，外表面的平整度和平行度非常重要，必须在调谐过程中保持。这包括抛光规范、机械对准以及由涂层造成的应力引起的畸变的综合影响。除非相机侧表面上存在相似且相反的光焦度，否则输入表面上的涂层引入的折射光焦度会产生较小的镜头效果。可替代地，可以增加玻璃厚度以最小化应力的影响，或者可以在玻璃的背面上施加涂层以平衡应力。
填充光学腔的好处之一是，它可以大大降低对腔表面局部平整度的敏感性。偏振器膜具有不规则的表面，其通常在相机滤光器中通过用折射率匹配的光学胶粘剂将其粘合在玻璃之间来管理。在常规的二偏振器VND滤光器中，这会增加结构的额外玻璃/厚度，并且通常添加处理步骤以确保夹层结构的外表面局部平行。通过夹层结构提供可接受的透射波前畸变(TWD)通常可能需要对每个元件进行双面抛光。此外，随后可能需要在所有表面上使用BBAR涂层以减轻杂散光。所有这些导致高制造成本。在空气间隔开的配置中添加第三偏振器只会加剧成本和杂散光的问题。
原则上，用折射率匹配的油脂填充腔实现与将偏振器膜埋在玻璃之间相同的功能。然而，它可以以较低的成本实现，同时减小了体积/重量，并且消除了空气间隔开的腔问题。根据本发明的一方面，可以使用在显示工业中常见的压敏胶粘剂(PSA)，将偏振器膜单面层压到玻璃表面，如图7所示。然后，在VND组装后，每个偏振器膜的一个表面都与硅脂紧密接触。在某种程度上，油脂的折射率类似于通常用于将膜安装在玻璃之间的光学粘合剂，光学效果实际上是相同的。
为了与(例如)DSLR相机一起使用，进入相机的偏振可能必须是非偏振的。如图7所示，可以使用以与偏振器吸收轴成45°的慢轴定向的(宽带)四分之一波延迟器来有效地完成此。QW延迟器优选是第三偏振器的一部分，允许其相对于相机旋转而不会产生光学冲击。
图7示出了本发明的三偏振器VND滤光器组件(50)的光学层的横截面。将近红外(NIR)反射涂层(52)施加到玻璃元件(54)的输入侧。输入偏振器(56)通过PSA粘合剂(58)粘合到玻璃(54)。将宽带抗反射涂层(60)施加到玻璃元件(62)的输出(传感器侧)表面。使用PSA粘合剂(66)将四分之一波延迟器(64)粘合至玻璃(62)，并且利用PSA粘合剂(70)将传感器侧偏振器(68)粘合至QW。用PSA粘合剂(76)将中间偏振器(72)粘合到中间玻璃(74)。由偏振器(56)的表面和玻璃(74)的表面形成的腔填充有硅脂(78)。由偏振器(72)和偏振器(68)的表面形成的腔填充有硅脂(80)。在期望将偏振器层压在玻璃之间的情况下，实施例使用以最小的玻璃厚度实现可接受的TWD的过程。偏振器优选仅是PVA，没有TAC层。(25微米)PVA薄膜可以使用水透明的无雾粘合剂在玻璃层之间粘合。在实施例中，使用约100-300微米的非常薄的玻璃(例如Schott D263)来安装偏振器。根据一种制造方法，将一对未涂覆的薄柔性玻璃片材(其可能不是整体平坦的，但是具有低的反射不规则性(即良好的局部平整度))用作偏振器的外基板。具体地，允许不规则性，只要玻璃具有足够的柔性以至于可以通过迫使其与参考表面相符而将其移除。薄玻璃使光程长度最小化和更轻，并且雾度和双折射可以更低。分配水透明粘合剂，并且例如在玻璃微片之间夹压或压制PVA偏振器，以分配粘合剂并产生未固化的层压体。未固化的层压体是无气泡的，但是由于层压过程中粘合剂厚度的不均匀性，可能具有较差的透射波前畸变。随后，包含一对彼此非常平行安装的抛光平板(例如玻璃)的压力机然后向夹层结构施加均匀的压力。这将选择粘合线的厚度，并迫使薄玻璃的外表面与压板相符。然后可以在压力下固化(例如UV固化)粘合剂，从而锁定外表面平行度。在除去压力可以保持均匀性的程度上，还可以使用其他固化方法(例如时间/热)。可替代地，可以使用真空装袋技术来固化粘合剂。也可以使用热压机通过回流的粘合剂比如PSA获得相似的结果。然后，可以使用去芯锯、喷水等方法从夹层结构上切下厚度可以小于0.5mm的成品零件。
如图8所示，本文中所教导的技术的方面还可用于改善二偏振器VND滤光器的性能。二偏振器VND滤光器(200)具有输入石英延迟器基板(201)，其具有NIR反射涂层(202)。输入偏振器(203)通过PSA(204)层压到石英延迟器(201)的后表面，其中，光轴与吸收轴成45°角。第二玻璃基板(205)被BBAR涂覆(206)。用PSA将四分之一波延迟器(207)层压到(205)，并且用PSA(210)将第二偏振器(209)层压到QW延迟器(207)。在偏振器1和偏振器2之间形成的腔填充有油脂(211)。
在某些产品情况下，构建“全塑料”VND滤光器可能是可行的且具有吸引力。例如，成本和重量问题可能是最重要的。另外，在不需要玻璃的硬度/刚度的情况下，该应用可能进一步要求小孔径。移动电话和无人机相机可能允许这种解决方案。可以制造足够坚硬的高光学质量塑料基板(例如单元浇铸丙烯酸)，其中可以通过浇铸在平坦的基准基板上来最小化不规则性。塑料基板也可被抛光以降低不规则性。塑料优于玻璃的优点包括重量轻、成本低以及低成本制造过程的可行性。这包括将膜大规模转换为层压体，以母片比例涂覆涂料，以及从母片上冲模/激光/CNC切割成品零件。
光谱考虑
由于CMOS传感器对可见光(700-1000nm)以外的光敏感，因此相机具有内置的近红外(NIR)阻挡滤光器。它可以采取染料滤光器、多层二向色NIR反射镜、吸收玻璃或它们的组合的形式。相机的质量通常与NIR滤光器的质量有关。在许多情况下，这些滤光器由于过渡斜率较浅而产生的长波红色阻挡而呈现青色。这通常没有问题，因为它只是成为整个颜色平衡算法的另一个输入参数。对于带有内置辅助NIR阻挡器的售后VND滤光器，这可能不是一个选择。也就是说，可能要求VND滤光器呈现中性灰色，从而不需要颜色校正。还可能需要在透射中不发生依赖于AOI的明显颜色偏差。
需要特别注意的是，相机内置的NIR阻挡器的动态范围有限。它们将NIR透射降低到相对于可见光透射而言微不足道的程度，但是NIR永远不会完全消失。随着VND滤光器的动态范围增加，可用的可见光的量可以与NIR泄漏相当。根本原因是，可用的片状偏振器在NIR中趋于各向同性，通常在800nm以上具有非常有效的透射率。实际上，设置为高密度(例如OD3)的VND滤光器的作用类似于NIR长通滤光器，这对内置NIR阻挡器的动态范围提出了不切实际的要求。结果通常会转化为图像动态范围的损失和色彩偏移。因此，高动态范围VND滤光器可能需要内置辅助NIR阻塞滤光器。
保守的观点是，VND的总NIR透射率应与最高密度设置时的可见光透射率相当。此外，可能需要在法向入射时没有来自NIR阻挡器的可察觉的颜色偏差，并且在极端入射角(例如45°)时没有额外的颜色偏差。对于典型的滤光器技术，这些要求可能非常具有挑战性。例如，吸收性玻璃滤光器和染料滤光器的过渡斜率相对较浅，因此它们趋向于呈现青色，或者当显示白色时，对NIR阻挡的贡献不足。二向色涂层可以具有陡峭的过渡斜率，但是它们倾向于蓝移和/或在大入射角处具有旁瓣。这使得很难获得既具有中性灰色透射率(在所有入射角上)又具有足够NIR阻挡的VND滤光器。
本发明的一方面是管理NIR泄漏的光谱滤波，从而使有用的VND滤光器具有高动态范围。如果可以使用在400nm至1000nm范围内表现良好的偏振器(例如线栅偏振器)，则不需要辅助NIR阻挡器，因为任何密度设置都将适用于硅敏感的所有波长。但是典型的显示偏振器开始失去700nm或以上的偏振效率。本发明的一方面是使用具有扩展的光谱覆盖范围的片状偏振器，其为NIR阻挡器产生“无关带”。例如，Sanritz UHLC 5610偏振器在740nm的波长下表现良好，因此不需要其他比该波长短的NIR阻挡。另一方面，可以使NIR滤光器光谱侵蚀可见光到约670nm，并且仍然看起来是中性的。因此，无关带约为70nm宽(670nm至740nm)。因此，在法向入射时阻挡740nm的光、在极端入射角时在670nm处透射率约90％的二向色滤光器可以满足目标。本发明可以包括使用这种无关频带方法以使用二向色滤光器，否则由于颜色偏差而导致广角VND出现问题。如图7所示，该二向色性涂层优选涂覆在VND的输入表面上，以便在前端将其拒绝，从而减少杂散光问题。
根据本发明的解决NIR问题的另一种方法是使用对AOI本质上不敏感并且还具有陡峭的过渡斜率的滤光器。例如，在Low-E建筑玻璃中通常使用包含金属薄层的多层涂层。这些滤光器用来拒绝阳光中的NIR，而更先进的产品则使用了可提供更陡峭过渡斜率的重复堆叠。“三重银”Low-E涂层具有角度不敏感的光谱轮廓、良好的NIR阻挡和高可见光效率的优点。在VND滤光器中使用诸如三重银设计的涂层来保持白色透射功能同时有效地拒绝NIR光代表了本发明的实施例。
当使用非最佳偏振器材料时，也可能将颜色偏差引入VND滤光器。理想的滤光器(使用偏振器)提供以下：(1)当一对偏振器具有平行吸收轴时的高中性透射；以及(2)当一对偏振器具有交叉吸收轴时的低(>1000:1)中性透射。显示器行业已经开发出很好地满足这些要求的基于碘的偏振器。在低密度设置中，垂直于吸收轴的透射光谱最重要。例如，在三偏振器的情况下，垂直于吸收轴的内部透射率函数被立方化，以给出最低密度设置的颜色。随着密度设置变高，沿吸收轴的色度泄漏可能会成为问题。如果后者明显但中性，则可以在三偏振器配置中使用相对角度的较小变化来克服它。但是如果是彩色的，则颜色偏差会随着密度设置的增加而增加。根据本发明的一方面，选择符合上述标准的偏振器。
尽管有一些“白色”偏振器能够以低密度实现中性透射，但在单个产品中可能难以满足其他高优先级要求(例如高透射率和中性泄漏)，这会造成折衷。然而，在一定程度上，可以使用估计光源的典型算法自动校正来自VND滤光器的均匀一致的色相偏移。或者，使用者可以在后期处理中根据需要选择颜色平衡。然而，如果需要保留中立性的VND滤光器，则可以添加补偿整个透射光谱的滤光器。可以测量VND滤光器以及NIR阻挡器，并设计具有基本上反谱的滤光器，从而使产品完全呈中性。
当VND滤光器的输入基本上被极化并且使用四分之一波(QW)延迟器对输入进行“去极化”时，也会引入颜色偏差。线性输入偏振器的潜在问题是输入偏振的空间依赖性会造成不均匀性。例如，当使用偏振器进行分析时，天空偏振的空间依赖性会在广角拍摄中造成亮度不均匀性。这样，可能优选在第一偏振器之前使输入偏振去偏振。原则上，这可以使用四分之一波(QW)延迟器来完成。然而，大多数QW延迟器既不是消色差的，也不是与入射角无关的。这也会造成颜色/亮度不均匀性，特别是对于广角拍摄。在一种配置中，省略了QW延迟器，并且输入玻璃基板可以用无机延迟板代替。后者可以使用光轴面内的与输入偏振器成±45°对齐的无机晶体来实现。材料可以包括(例如)石英、蓝宝石或铌酸锂。延迟足够大(波的10倍)，以至于调制偏振输入的椭圆率所引起的光谱振荡超过了输入光谱功率分布(SPD)中的任何特征。即，由这种大延迟器引起的过滤保留了输入颜色，并且由于非法向入射而引起的延迟的任何变化都是无关紧要的。此外，无机延迟器可具有优异的TWD，其中聚合物QW延迟器可引起图像畸变。本发明的一方面是使用大延迟器来代替VND滤光器中的QW延迟器。
机械设计、组装和调谐考虑
根据实施例，VND滤光器使得能够进行如待决的申请(标题为Tunable ColorEnhancement，PCT申请号为PCT/US2018/015041，其全部内容通过引用并入本文)中所述的两步定向过程。在步骤一中，三个偏振器一致旋转，以固定的光密度选择偏振输入场景元件的期望透射水平(例如眩光衰减/消光)。为了最准确地进行此调整，偏光器二和三最好在步骤一中默认为衰减的零级。然后将外部偏振器锁定在该方向，然后旋转另一组偏振器。由于第三偏振器具有最低的角度灵敏度，因此使用者最好选择该方向。然后，第二偏振器法向经由齿轮机构等从属于第三偏振器。
图9示出了组装的VND(100)的示例，其中省略了壳体。图中还省略了与相机侧QW/偏振器环上的凸耳啮合的旋转环。该环是操作者使用的密度选择元件。相机侧玻璃(带有BBAR涂层和层压)粘合到相机侧环(102)中。该环包含齿条，其允许偏振器相对于输入偏振旋转2θ。中间玻璃(具有偏振器层压)粘合到中间环(104)中，该中间环具有安装在侧面的小齿轮(106)柱。相机侧环的旋转使小齿轮旋转，小齿轮使中间环相对于输入偏振器旋转角度(θ)。输入玻璃(具有NIR反射涂层和偏振器层压)粘合到输入环(108)中。该环还包含齿条，其允许小齿轮完成所有范围的密度设置。光学组件完成后，使用一对销(110)将组件定向并坐落在壳体中。此特定配置适应了前面介绍的两步调谐方法。即，上述的三环组装单元能够相对于凸缘(112)旋转，该凸缘具有用于附接到相机镜头的螺纹部。凸缘(112)上的唇缘用于封闭光学组件并将其固定到壳体(未示出)。凸缘(112)进一步包含与离合器板(116)上的脊接合的一系列脊，以在改变密度设置的同时抑制旋转。离合器板上的突片(118)突出穿过壳体。使用者可以压下突片，从而基本上消除光学组件相对于凸缘的旋转阻力。这允许选择安装到输入环(108)的输入偏振器的方向，而无需改变密度设置。
图10是放大图(150)，示出了图9中描述的VND滤光器的所有元件。光学组件包括相机侧环/滤光器(152)、带小齿轮的中间环/滤光器(154)和输入环/滤光器(156)，它们在两个腔之间使用硅脂进行组装。然后将组件插入壳体(158)。壳体包含特征(160)，特征(160)识别与衰减中的离散级相对应的角度。相机侧滤光器环(162)上的突片与这些特征接合，形成了制动器，其允许使用者通过感觉识别衰减的级数量。
壳体(158)还包含狭槽(164)，相机侧滤光器环上的突片穿过该狭槽延伸，从而允许相机侧环(152)旋转。插入光学组件后，旋转环(166)在壳体上滑动。它有内部狭槽，其可与环(152)上的突片接合。安装旋转环后，插入离合器板(168)。它包含突片(170)，该突片穿过壳体(158)中的狭槽(172)，以允许使用者相对于相机旋转光学组件。然后将带螺纹的凸缘(174)附接(例如压配合)到壳体(158)上。当压下离合器板的突片时，壳体可以在凸缘上自由旋转。
综上所述，根据图9和10的配置，组装VND滤光器的顺序可以如下：
1.模切偏振器和PSA层压偏振器到(三个)玻璃盘上。
2.将偏振器/玻璃粘合到环中，使偏振器方向相对于环上的套准特征进行光学对准。
3.分配油脂并将三个环压在一起，使外环上的齿条相对于中间环上的小齿轮对齐。
4.将三环光学组件插入壳体，推动突片穿过狭槽。
5.将旋转环滑到壳体上。
6.插入离合器板。
7.将凸缘附接到壳体。
可变中性密度滤光器的好处之一是，可以随着输入亮度的变化对密度进行实时模拟调整，以优化捕获的图像。显然，固定中性密度滤光器无法启用此功能，使用者必须在选择密度水平时做出最佳猜测。此外，VND滤光器可以启用闭环系统，该系统可以根据输入的实时亮度自动调整密度。在视频捕获的情况下，这是一种特别强大的功能，可最大程度地减少由于非最佳集成时间而产生的“果冻效应”的影响。50:50的占空比(或“180°快门角度”)是众所周知的设置，可最大程度地减少这种影响，从而营造出更具电影感的外观。
可以手动或机电方式进行调谐VND滤光器。用于确定最佳密度水平的输入传感器可以是人眼或某种形式的光电传感器。后者可以是测量聚合亮度或场中心亮度的前瞻性传感器，或者其可以是测量输入场景的不同区域中的亮度的多像素传感器。它可以是辅助传感器，或者它可以是图像传感器本身。最终，将从感测输入亮度中提取的信息转换为驱动VND滤光器密度的单个输出。这可以即时更改，仅受与测量输入和移动VND致动器相关的时间常数限制。致动器可以是用于调谐变焦镜头等的马达。
其他配置和应用
本发明不限于四个偏振器。可以通过增加附加的自由度来实现进一步降低对比度不均匀性。本发明的多偏振器也可以与其他(例如基于延迟器的)补偿器组合。在某种程度上，可以设计多层延迟器堆叠以消色差的方式校正几何形状，可以实现更多的性能优势。三个或更多个偏振器设计的角度之间的其他关系也是可能的。给出的示例证实了使用三个或更多个偏振器可以大大减少与角度相关的不均匀性，尽管它们并不意味着限制本发明的范围。
本发明中描述的VND滤光器可以用于改善任何系统的性能，这些系统需要在大视场上具有角度稳定的透射率和色彩性能的调光输入光。领域包括消费、商业、工业、医疗和军事应用。本发明通常用于光水平的广角模拟控制。通过适当调整偏振器技术，可以将这些概念应用于其他光谱带(例如红外或UV)。本发明可用于快门、时间调制或按需透射选择。对于图像捕获或任何传感器，可以将VND滤光器放置在光学系统中的各个位置。这包括例如在相机镜头外部、在相机镜头内(例如孔径光阑或图像中继器)或者在传感器所在的图像平面处/附近。
本发明使得能够远程和自动地选择透射水平。例如，在无人驾驶飞行器或无人机中，本发明使传感器能够在没有任何人工干预的情况下接收最佳亮度水平。它还允许通过使用者观察相机馈源来远程改变密度。
本发明还实现了周期性调制的密度，例如在高动态范围视频捕获中可能需要的。这可以通过将捕获与VND滤光器的调制同步来完成。可以使用快速旋转的偏振器来完成调制，同时保持本发明中描述的角度布置。
本发明可以应用于当前使用固定和两偏振VND滤光器的任何应用。例如，这包括长时间曝光的静态捕捉以创建特定的图像外观。密度调整允许选择与场景亮度无关的快门时间。这允许控制相对于场景中发生的时间变化的积分时间。例如，海水的随机运动可以在时间上进行平均，从而平滑空间结构，否则该空间结构可能会在短时间内被捕获。VND滤光器可以在不减小光圈的情况下实现此功能，或者可以在光圈已完全停下来时实现。
如果需要进一步提高均匀性，则可以使用图像处理技术。原则上，关于重叠(例如交叉)空间图案的知识允许其在后处理中被基本去除。对于亮度误差，相对于颜色偏差，这相对简单。由于颜色偏差通常涉及“估计光源”，因此校正可能会变得模棱两可。对于已知的视场，可以将图像亮度通道乘以(已知的)VND透射率极坐标图的倒数。
尽管已经在附图和前述描述中详细图示和描述了本发明的实施例，但是这种图示和描述应被认为是示例而不是限制性的。例如，上文描述的某些实施例可以与其他描述的实施例组合和/或以其他方式布置(例如可以以其他顺序执行处理元件)。因此，应当理解，仅示出和描述了示例性实施例及其变型。

Claims (26)

1.一种可旋转配置的光机械结构，包括：
第一光学功能层，其对围绕其表面法向的旋转敏感；
第二光学功能层，其对围绕其表面法向的旋转敏感；
腔，其形成在第一光学功能层与第二光学功能层之间；
机械结构，用于使第一层能够相对于第二层旋转；以及
透明的光学油脂，其填充所述层之间的腔，在第一层相对于第二层旋转期间保持完整；
其中，所述油脂的折射率基本上与第一光学功能层和第二光学功能层的折射率匹配。
2.根据权利要求1所述的结构，其中，所述第一和第二光学功能层是线性偏振器。
3.根据权利要求1所述的结构，其中，所述第一和第二光学功能层中的一个或多个是延迟器。
4.根据权利要求1所述的结构，其中，使用压敏粘合剂将所述第一和第二光学功能层层压到外部基板上。
5.一种接收具有输入偏振的输入光的可变中性密度滤光器，包括：
第一偏振器；
具有多个面内延迟波的延迟板；以及
第二偏振器；
其中，使用所述延迟板使输入偏振基本上去偏振；
其中，所述延迟大于10个波；
其中，所述延迟器是石英、蓝宝石或铌酸锂中的一种；
其中，所述延迟足够大，以至于从具有偏振输入光谱功率分布的输入光的颜色偏差低于恰好可注意到的差异。
6.一种可变中性密度滤光器，包括：
第一偏振器；
第二偏振器；以及
入射角敏感近红外反射滤光器，
其中，所述偏振器具有偏振效率，其光谱覆盖范围延伸到近红外，从而形成无关带；
其中，入射角敏感近红外反射滤光器基本上将以法向入射角的光从无关带的长波长边缘反射到约1000nm；
其中，近红外反射滤光器使具有从法向入射到最大截止入射角的不明显颜色偏差的可见光通过。
7.一种可变中性密度滤光器，包括：
第一偏振器；
第二偏振器；以及
基本上入射角不敏感的近红外反射滤光器，其中，所述近红外反射滤光器包括涂覆在可见光透射基板上的薄银和介电层的重复堆叠。
8.一种可变中性密度滤光器，包括：
第一偏振器；
第二偏振器；以及
用于旋转第一和第二偏振器的机械结构，其中，第一致动器使第一(输入)偏振器和第二(输出)偏振器能够一致旋转，并且其中，第二致动器使第二偏振器能够旋转而无需改变第一偏振器的方向。
9.一种可变中性密度滤光器(VND)，包括：
第一偏振器；
第二偏振器；以及
第三偏振器；
其中，所述第一和第二偏振器形成第一衰减阶段，其透射率由在第一和第二偏振器吸收轴之间形成的第一角度确定；
其中，所述第二和第三偏振器形成第二衰减阶段，其透射率由在第二和第三偏振器吸收轴之间形成的第二角度确定；
其中，复合透射率是第一阶段透射率和第二阶段透射率的乘积；
其中，选择第一和第二角度的组合以保持法向入射复合透射率用于非法向入射的光线。
10.根据权利要求9所述的VND滤光器，其中，第一和第二偏振器之间的角度是+θ，而第二和第三偏振器之间的角度是-θ。
11.根据权利要求9所述的VND滤光器，其中，添加第三偏振器降低在最大密度设置时的角度分辨率要求。
12.根据权利要求9所述的VND滤光器，其中，在入射角超过35°时，在偏振光衰减10级时的透射率不均匀性低于0.5对数单位。
13.根据权利要求9所述的VND滤光器，其中，选择角度的组合以在密度设置和入射角的整个范围上最小化透射的亮度和颜色不均匀性。
14.根据权利要求9所述的VND滤光器，其中，在第一/第二偏振器与第二/第三偏振器之间形成的腔填充有光学油脂。
15.根据权利要求14所述的VND滤光器，其中，使用压敏粘合剂将所述第一、第二和第三偏振器层压到透明基板上。
16.根据权利要求14所述的VND滤光器，其中，所述光学油脂消除AR涂层并降低偏振器平整度要求。
17.根据权利要求14所述的VND滤光器，其中，所述光学油脂消除实现可接受的透射波前畸变所需的基板。
18.根据权利要求9所述的VND滤光器，包括机械调谐结构，其中，第一致动器使第一(输入)偏振器、第二(中间)偏振器和第三(输出)偏振器能够一致旋转，并且其中，第二致动器使第三偏振器能够相对于第一偏振器旋转，其中，第三致动器使第二偏振器角从属于第三偏振器角。
19.根据权利要求18所述的VND滤光器，其中，齿条齿轮布置使第二偏振器以第三偏振器的速率的一半旋转。
20.根据权利要求18所述的VND滤光器，其中，制动器通过使用者感觉提供衰减的级数量。
21.根据权利要求18所述的VND滤光器，其中，标记提供衰减的级数量的视觉指示。
22.根据权利要求9所述的VND滤光器，其中，机电装置选择复合透射率的量。
23.根据权利要求9所述的VND滤光器，其中，使用者基于来自相机馈源或亮度传感器的亮度信息远程调谐密度。
24.根据权利要求9所述的VND滤光器，其中，预先选择最佳亮度水平，并且，马达和亮度传感器形成自动选择密度的闭环系统。
25.根据权利要求9所述的VND滤光器，其中，所述VND滤光器安装在无人飞行器相机上。
26.根据权利要求9所述的VND滤光器，其中，所述VND滤光器安装在无人机相机上。
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