CN111344613B - 光学部件和光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种光学系统，光学系统包括：具有弯曲的第一主表面的第一光学元件；和结合到第一光学元件的弯曲的第一主表面并适形于弯曲的第一主表面的光学叠堆。光学叠堆包括反射偏振器和非粘合剂挠性光学层，反射偏振器基本上透射具有第一偏振态的光并且基本上反射具有正交的第二偏振态的光，并且非粘合剂挠性光学层结合到反射偏振器并且包括基本上平行且相反的第一主表面和第二主表面。非粘合剂挠性光学层上的至少一个位置在约550nm的波长下具有小于约100nm或大于约200nm的光学延迟。

Description

光学部件和光学系统
背景技术
反射偏振器用于多种光学系统中。一些光学系统利用设置在透镜表面上的反射偏振器。其他光学系统包括偏振分束器，该偏振分束器包括设置在两个棱镜之间的反射偏振器。
发明内容
在本说明书的一些方面，提供了一种光学系统，该光学系统包括具有弯曲的第一主表面的第一光学元件，和光学叠堆，该光学叠堆结合到第一光学元件的弯曲的第一主表面并适形于该第一主表面。该光学叠堆包括反射偏振器和非粘合剂挠性光学层，该反射偏振器基本上透射具有第一偏振态的光并且基本上反射具有正交的第二偏振态的光，并且该非粘合剂挠性光学层结合到该反射偏振器并且包括基本上平行且相反的第一主表面和第二主表面。该非粘合剂挠性光学层上的至少一个位置在约550nm的波长下具有小于约100nm或大于约200nm的光学延迟。
在本说明书的一些方面，提供了一种偏振分束器(PBS)，该偏振分束器包括具有第一斜边的第一棱镜、具有面向第一斜边的第二斜边的第二棱镜、以及设置在第一斜边和第二斜边之间并粘附到第一斜边和第二斜边的光学叠堆。该光学叠堆包括反射偏振器、非粘合剂挠性光学层和粘合剂层，其中该反射偏振器基本上透射具有第一偏振态的光并且基本上反射具有正交的第二偏振态的光，该非粘合剂挠性光学层结合到该反射偏振器并且包括基本上平行且相反的第一主表面和第二主表面，该粘合剂层设置在该反射偏振器和该非粘合剂挠性光学层之间并且将该反射偏振器结合到该非粘合剂挠性光学层。该非粘合剂挠性光学层上的至少一个位置具有小于约100nm或大于约200nm的光学延迟。
在本说明书的一些方面，提供了一种透镜组件，该透镜组件包括在至少一个方向上具有屈光度的第一光学透镜和粘附到该第一光学透镜的光学叠堆。该光学叠堆包括反射偏振器、非粘合剂挠性光学层和粘合剂层，其中该反射偏振器基本上透射具有第一偏振态的光并且基本上反射具有正交的第二偏振态的光，该非粘合剂挠性光学层结合到该反射偏振器并且包括基本上平行且相反的第一主表面和第二主表面，该粘合剂层设置在该反射偏振器和该非粘合剂挠性光学层之间并且将该反射偏振器结合到该非粘合剂挠性光学层。该非粘合剂挠性光学层上的至少一个位置具有小于约100nm或大于约200nm的光学延迟。
在本说明书的一些方面，提供了一种透镜组件，该透镜组件包括第一光学透镜和一体形成的反射偏振器，该第一光学透镜在至少一个方向上具有屈光度并且包括弯曲的第一主表面，该一体形成的反射偏振器粘附到第一光学透镜的第一主表面。该一体形成的反射偏振器包括多个干涉层，每个干涉层主要通过光学干涉来反射或透射光。至少一个干涉层在至少一个位置处基本上单轴取向。反射偏振器基本上透射具有第一偏振态的光并且基本上反射具有正交的第二偏振态的光。第一主表面包括具有最大投影尺寸D和相应最大垂度S的作用区域，其中S/D≥0.03。该反射偏振器的平均厚度大于约50微米。
在本说明书的一些方面，提供了一种光学膜，该光学膜包括多个干涉层和至少一个非干涉层。每个干涉层主要通过光学干涉来反射或透射光。该至少一个非干涉层与该多个干涉层一体形成，并且不是主要通过光学干涉来反射或透射光。该多个干涉层的平均总厚度为约20微米至约70微米。该至少一个非干涉层的平均总厚度为约40微米至约100微米。对于在预定波长范围内的基本上法向入射的光，该多个干涉层对于第一偏振态具有大于约85％的平均光学透射率，并且对于正交的第二偏振态具有大于约80％的平均光学反射率。
在本说明书的一些方面，提供了一种反射偏振器组件，该反射偏振器组件包括一体形成的反射偏振器，和光学元件，该光学元件直接形成在该反射偏振器的最外弯曲主表面上并适形于该最外弯曲主表面。
该一体形成的反射偏振器具有大于约50微米的平均厚度并且包括多个干涉层，每个干涉层主要通过光学干涉来反射或透射光。至少一个干涉层在至少一个位置处基本上单轴取向。该一体形成的反射偏振器具有最外弯曲主表面。
在本说明书的一些方面，提供了一种透镜组件，该透镜组件包括第一光学透镜、一体形成的反射偏振器和粘合剂层；其中第一光学透镜在至少一个方向上具有屈光度并且具有弯曲的第一主表面，该弯曲的第一主表面具有不期望的特性，该一体形成的反射偏振器具有相反的第一最外主表面和第二最外主表面，该粘合剂层将该一体形成的反射偏振器的第一主表面结合到该第一光学透镜的第一主表面。该一体形成的反射偏振器包括多个干涉层，每个干涉层主要通过光学干涉来反射或透射光。该结合补偿第一光学透镜的第一主表面的该不期望的特性。该一体形成的反射偏振器的第二最外表面具有期望的特性。
在本说明书的一些方面，提供了一种光学系统，该光学系统包括至少一个透镜、部分反射器和反射偏振器；其中该至少一个透镜在至少一个方向上具有大于零的屈光度，该部分反射器对于在预定波长范围内的基本上法向入射的光具有至少30％的平均光学反射率，该反射偏振器基本上透射在预定波长范围内的具有第一偏振态的光并且基本上反射在预定波长范围内的具有正交的第二偏振态的光。光学系统具有光轴。沿光轴传播的光线穿过该至少一个透镜、该部分反射器和该反射偏振器而基本上不被折射。对于具有第二偏振态和在预定波长范围内的波长并且以约100度至约160度的全锥角对中于光轴上的光的入射光锥，入射的光从该光学系统出射，出射的光具有第一光分量和第二光分量，第一光分量具有第一偏振态，第二光分量具有第二偏振态。第一光分量的平均强度与第二光分量的平均强度之比大于约100。
附图说明
图1是光学部件的示意性剖视图；
图2是光学系统的示意性剖视图；
图3是光学部件的示意性剖视图；
图4至图6B是光学系统的示意性剖视图；
图7是光学部件的示意性剖视图；
图8至图9是偏振分束器的示意性剖视图；
图10是光学系统的示意性剖视图；
图11是一体形成的反射偏振器的示意性剖视图；
图12至图13是光学膜的示意性剖视图；
图14A是作为反射偏振器的层数的函数的层厚度的示意图；
图14B至图14C是包括两个干涉层分组的反射偏振器的层厚度与层数的关系的图；
图15至图16是透镜组件的示意性剖视图；
图17是反射偏振器的透射率的示意图；
图18是反射偏振器的反射率的示意图；
图19是反射偏振器的吸光度的示意图；并且
图20是光学元件的示意性剖视图。
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。
本说明书的光学部件包括光学膜，诸如反射偏振器膜、反射偏振器组件、透镜组件和偏振分束器(PBS)。本说明书的光学系统包括结合有本说明书的光学部件的光学系统。在一些情况下，该光学系统利用折叠光学器件设计。根据本说明书的一些实施方案，已发现，在光学叠堆中包括具有反射偏振器的非粘合剂挠性光学层并且/或者使用厚的多层光学膜反射偏振器可以允许该反射偏振器弯曲到例如更高的垂度直径比并保持适当的性能，而不会在形成过程中出现缺陷。例如，已发现，与使用如本文其他地方进一步描述的常规光学叠堆或反射偏振器相比，利用结合有本说明书的光学叠堆或反射偏振器以及部分反射器的折叠光学器件设计的光学系统可以实现更高的偏振对比度。又如，已发现，与使用常规PBS的光学系统相比，利用结合有本说明书的光学叠堆或反射偏振器的偏振分束器(PBS)的光学系统提供了改善的对比度，以及制造无缺陷PBS的改善的能力。
虽然不是基本上单轴取向的反射偏振器膜(例如购自美国明尼苏达州圣保罗的3M公司(St.Paul,MN)的反射式偏光增亮膜(DBEF))可具有大于100微米的总厚度，但是基本上单轴取向的膜(例如购自3M公司的先进偏振膜(APF))通常要薄得多。例如，APF膜的厚度通常小于约35微米。根据本说明书，已发现，厚(例如，大于约50微米厚)的基本上单轴取向的反射偏振器膜在例如形成弯曲的形状并用于如本文其他地方进一步描述的光学系统中时提供了改善的性质。改善的性质包括改善的机械性质和改善的光学性质。改善的机械性质包括改善的可成形性以获得更高的曲率或更高的垂度直径比，而不会在膜中产生缺陷(例如，来自屈曲导致的皱纹)。改善的光学性质包括当在如本文其他地方进一步描述的利用折叠光学器件设计的光学系统中使用时改善的偏振对比度。在一些情况下，光学性质的改善是由于较厚的膜或光学叠堆在形成弯曲的形状时更好地保持反射偏振器膜的所需光学性质。另选地或除此之外，光学性质的改善可从(在形成之前)改善的反射偏振器膜开始产生。例如，可通过将二色性染料掺入到一些干涉层中并且/或者包括附加干涉层来提供具有减小的阻光态透射率的反射偏振器膜，如本文其他地方进一步描述。
除了使用厚反射偏振器膜之外或代替使用厚反射偏振器膜，已发现在形成之前将非粘合剂挠性光学膜结合到反射偏振器将改善物理性质。可通过在给定厚度范围内包括附加干涉层(例如，通过使用具有相同或大致相同厚度范围的两个干涉层分组)并且/或者通过增加非干涉层的厚度来增加反射偏振器的厚度。
在一些实施方案中，反射偏振器包括两个或更多个交替聚合物干涉层分组以提供高对比度。此类反射偏振器在提交于2017年3月6日并且以不与本说明书矛盾的程度据此以引用方式并入本文的美国临时专利申请62/467712(Haag等人)中进一步描述。术语“分组”用于指代连续的一组交替干涉层，不存在在该分组内形成的任何间隔物或非干涉层(例如，按顺序地排列)。在一些示例中，可以将间隔物、非干涉层或其他层添加到给定叠堆/分组的外侧，从而形成膜的外层而不破坏该分组中的干涉层的交替图案。在一些实施方案中，两个不同分组中的干涉层的厚度分布基本上重叠(例如，两者覆盖相同的预定波长范围)以便增大反射偏振器的对比度。在一些实施方案中，反射偏振器具有至少100、或至少200、或至少500、或至少1000、或至少2000的对比度(透光偏振态的法向入射光的透射率除以阻光偏振态的法向入射光的透射率)。相比之下，常规多层光学膜反射偏振器通常具有约50或更小的对比度。
图1是光学部件100的示意性剖视图，该光学部件包括：第一光学元件110，该第一光学元件具有弯曲的第一主表面111和相反的第二主表面112；以及光学叠堆120，该光学叠堆结合到第一光学元件110的弯曲的第一主表面111并适形于该第一主表面。在一些实施方案中，光学叠堆120通过任选的粘合剂层132结合到光学元件110。在一些实施方案中，光学叠堆120由于光学元件110通过例如嵌入模制工艺一体形成在光学叠堆120上而结合到光学元件110，并且省略任选的粘合剂层132。光学叠堆120包括第一层122和第二层126。第一层122具有相反的第一主表面123和第二主表面124，第二层126具有相反的第一主表面127和第二主表面128。在一些实施方案中，第一层122和第二层126通过任选的粘合剂层130彼此结合。在一些实施方案中，第一层122和第二层126通过彼此一体形成而彼此结合，并且省略任选的粘合剂层130。
如本文所用，与第二元件“一体形成”的第一元件意味着第一元件和第二元件一起制造而不是分开制造然后连接。一体形成包括制造第一元件，然后在第一元件上制造第二元件。如果将包括多个层的反射偏振器的各层一起制造(例如，作为熔体流组合，然后浇铸到冷却辊上以形成具有各层中的每一层的流延膜，然后对流延膜进行定向)而不是分开制造然后接合，则该反射偏振器为一体形成的。
本文所用的粘合剂层中的任一个粘合剂层可具有约1微米至约50微米的平均厚度。该粘合剂层可为或包括例如压敏粘合剂、热熔粘合剂、热固性粘合剂、溶剂基粘合剂和水基粘合剂中的一种或多种。在一些实施方案中，粘合剂层与紧邻的层基本上折射率匹配，如本文其他地方进一步描述。在一些实施方案中，粘合剂层是光学透明的粘合剂。合适的光学透明的粘合剂包括例如购自3M公司的那些(例如，3M光学透明粘合剂8171和8172，分别为1密耳和2密耳厚)和购自美国新泽西州克兰伯里市的诺兰德产品公司(Norland ProductsInc.,Cranbury,NJ)的Norland光学粘合剂。
在一些实施方案中，第一层122是基本上透射具有第一偏振态的光并且基本上反射具有正交的第二偏振态的光的反射偏振器；并且第二层126是结合到反射偏振器并具有基本上平行且相反的第一主表面127和第二主表面128的非粘合剂挠性光学层。在一些实施方案中，第二层126是基本上透射具有第一偏振态的光并且基本上反射具有正交的第二偏振态的光的反射偏振器；并且第一层122是结合到反射偏振器并具有基本上平行且相反的第一主表面123和第二主表面124的非粘合剂挠性光学层。
在一些实施方案中，第二层126是可剥离地结合到第一层122的衬垫。可在将光学膜形成为弯曲的形状之前将剥离衬垫施加到光学膜以保护该光学膜。可在将透镜或其他光学元件模塑到该光学膜上之前移除剥离衬垫中的一者，并且可保留另一个剥离衬垫以保护该光学膜(例如，使得模具不会造成刮擦或将表面纹理从模具施加到该光学膜上)。结合到光学膜但可在基本上不损坏光学膜的情况下从光学膜干净地移除的衬垫可被描述为可剥离地结合到光学膜并且可被描述为剥离衬垫。在一些实施方案中，可剥离地结合到光学膜的衬垫可在不对光学膜造成可见的损坏的情况下从光学膜移除。可剥离地结合的衬垫可包括具有粘合剂层的基板，该粘合剂层牢固地结合到基板，但较弱地结合到光学膜。例如，衬垫可包括施加到基板的低粘性粘合剂的薄层，该基板具有被处理为增大其与粘合剂的结合的表面。其他合适的衬垫包括静电结合到光学膜的那些，如例如美国专利6,991,695(Tait等人)所述。合适的衬垫的一个示例是购自太阳化研公司(Sun A Kaken Co,Ltd)的OCPETNSA33T。
如果非粘合剂挠性光学层的第一主表面和第二主表面足够接近平行以使该非粘合剂挠性光学层具有可忽略的折射屈光度，或者如果第一主表面和第二主表面的至少80％上每一对相反的点处的斜率相差不超过30度，则可以将这两个主表面描述为基本上平行。在一些实施方案中，第一主表面和第二主表面的至少80％、或至少85％、或至少90％上每一对相反的点的斜率相差不超过20度、或不超过10度、或不超过5度。相反的点是指沿非粘合剂挠性光学层厚度方向上的一条直线的点，其中该直线垂直于第一主表面和第二主表面中的至少一者。在一些实施方案中，非粘合剂挠性光学层在形成所需形状之前具有平行的主表面，但是在成形之后，这些表面由于成形所导致的层的厚度变化而不是完全平行的。
在预定波长范围内，反射偏振器基本上反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，并且基本上透射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。如果预定波长范围内的具有第一偏振态并且从反射偏振器的一侧法向入射在反射偏振器上的光的至少60％透射穿过反射偏振器，则可以认为反射偏振器基本上透射预定波长范围内的具有第一偏振态的光。在一些实施方案中，在预定波长范围内具有第一偏振态的光的至少70％、或至少80％、或至少85％透射穿过偏振器。如果预定波长中的具有第二偏振态并且从反射偏振器的一侧法向入射在反射偏振器上的光的至少60％从反射偏振器反射，则可以认为反射偏振器基本上反射预定波长范围内的具有第二偏振态的光。在一些实施方案中，具有第二偏振态和预定波长的光的至少70％、或至少80％、或至少85％从偏振器反射。在一些实施方案中，如本文其他地方进一步描述，反射偏振器可包括部分地吸收具有第二偏振态的光的层。
预定波长范围可以是光学系统被设计用于在其中工作的波长范围。例如，预定波长范围可以是可见光范围(400nm至700nm)。又如，预定波长范围可包括一个或多个可见光波长范围。例如，预定波长范围可为多于一个窄波长范围的并集(例如，对应于显示面板的发光颜色的不相交的红色、绿色和蓝色波长范围的并集)。此类波长范围在美国专利申请公布2017/0068100(Ouderkirk等人)中描述，该申请以不与本说明书矛盾的程度据此以引用方式并入本文。在一些实施方案中，预定波长范围包括其他波长范围(例如，红外(例如，近红外(约700nm至约2500nm))或紫外(例如，近紫外(约300nm至约400nm))以及可见光波长范围。
在本说明书的光学系统中使用的反射偏振器可为任何合适类型的反射偏振器。该反射偏振器可为聚合物多层光学膜，诸如在美国专利5,882,774(Jonza等人)和美国专利6,609,795(Weber等人)中所述的那些。该反射偏振器可以是基本上单轴取向的。如果反射偏振器或反射偏振器中的层在一个平面内方向上基本上取向并且没有基本上取向成在正交的平面内方向上并且没有基本上取向成在厚度方向上，则该反射偏振器或反射偏振器中的层是基本上单轴取向的。基本上单轴取向的反射偏振器可以商品名Advanced PolarizingFilm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)。DBEF膜被取向成在一个平面内方向上比在正交的平面内方向上明显得多，并且还在厚度方向上表现出取向。按照本文使用的“基本上单轴取向”，DBEF膜不是基本上单轴取向的。
在一些实施方案中，反射偏振器形成弯曲的形状之前为基本上单轴向取向的，因为它具有至少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在美国专利2010/0254002(Merrill等人，该专利以不与本说明书矛盾的程度据此并入本文)中有所描述，并且可包括多个交替的第一聚合物层和第二聚合物层，其中第一聚合物层具有沿长度方向(例如，x方向)和厚度方向(例如，z方向)基本上相同但与沿宽度方向(例如，y方向)的折射率基本上不同的折射率。例如，沿x方向和z方向的折射率之差的绝对值可以小于0.02或小于0.01，并且沿x方向和y方向的折射率之差的绝对值可以大于0.05或大于0.10。除非另外指明，否则折射率是指在550nm的波长下的折射率。在形成弯曲的形状之后，反射偏振器可具有在至少一个位置处基本上单轴取向的至少一个层。在一些实施方案中，该至少一个层在该至少一个位置处具有在沿该层厚度的第一方向上的第一折射率、在与第一方向正交的第二方向上的第二折射率、以及在正交于第一方向和第二方向的第三方向上的第三折射率，第一折射率和第三折射率之差的绝对值小于约0.02、或小于约0.01，并且第二折射率和第三折射率之差的绝对值大于约0.05、或大于约0.10。在一些实施方案中，在形成弯曲的形状之后，反射偏振器具有在多个位置处基本上单轴取向的至少一个层。
根据本说明书，已发现，与常规的基本上单轴取向的反射偏振器膜相比明显更厚的基本上单轴取向的反射偏振器膜在形成弯曲的形状并用于光学系统中时提供改善的性质，如本文其他地方进一步描述。在一些实施方案中，反射偏振器的平均厚度大于约50微米、或大于约60微米、或大于约70微米。
适用于反射偏振器或反射镜膜中的较高折射率干涉层的材料包括例如聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、含有PEN和聚酯的共聚物(例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或二苯甲酸)、二醇改性的聚对苯二甲酸乙二醇酯。适用于反射偏振器或反射镜膜中的较低折射率干涉层的材料包括例如基于PEN的共聚酯、基于PET的共聚酯、聚碳酸酯(PC)、或这三类材料的共混物。为了通过期望数量的层来获得高反射率，相邻微层可例如对沿阻光轴偏振的光表现出至少0.2的折射率差值。
非粘合剂挠性光学层是这样一种光学层，它不是将相邻层结合在一起的粘合剂，并且是挠性的。在一些情况下，根据该层的抗弯刚度来表征该层的柔韧性是方便的，该抗弯刚度由D＝(1/12)Et3/(1-μ2)给出，其中t为层厚度，E为杨氏模量，并且μ为泊松比。在一些实施方案中，非粘合剂挠性光学层具有小于100N-m、或小于50N-m、或小于20N-m、或小于10N-m、或小于5N-m、或小于3N-m、或小于1N-m、或小于0.5N-m的抗弯刚度。
非粘合剂挠性光学层可以是或包括例如聚合物膜、抗反射涂层、吸收偏振器、中性密度滤光器、延迟器、染色膜、光学滤光器、包含电路的膜、电极、红外反射膜、多层光学膜和漫射器中的一者或多者。在一些实施方案中，非粘合剂挠性光学层是光学透明的膜基板，诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。如果膜或粘合剂层对于在预定波长范围(例如，400nm至700nm)内的非偏振法向入射光具有至少80％的透射率并且具有小于20％的雾度，则该膜或粘合剂层可被描述为光学透明的。在一些实施方案中，非粘合剂挠性光学层为对于在400nm至700nm的波长范围内的非偏振法向入射光具有至少85％的透射率并且具有小于10％、或小于5％的雾度的光学透明的膜。在一些实施方案中，非粘合剂挠性光学层为染色膜和/或光学滤光器，并且用于调节透射光的某个方面(例如，颜色或强度)。例如，可包括中性密度滤光器以减小透射穿过滤光器的所有可见光的强度。电路可用于例如控制显示元件或触敏元件。可包括电极以用于例如暗化液晶显示元件。在一些实施方案中，非粘合剂挠性光学层为如本文其他地方进一步描述的剥离衬垫。在一些实施方案中，剥离衬垫包括例如PET基板。
在一些实施方案中，第一光学元件110为刚性的。例如，第一光学元件110可由厚度足以使第一光学元件110在被施加0.5磅(2.2牛顿)的力时不会明显弯曲的玻璃材料或聚合物材料制成。在一些实施方案中，第一光学元件110的挠性不如非粘合剂挠性光学层(第一层122和第二层126中的一者)。例如，第一光学元件110可以是刚性的，而非粘合剂挠性光学层可以是挠性膜(例如，在被施加0.5磅的力时会弯曲或折叠的膜)。
光学部件100可用作光学系统中的部件或可被认为是光学系统本身。在一些实施方案中，光学元件110为光学透镜，并且光学部件100为透镜组件。在一些实施方案中，该光学透镜在至少一个方向上具有屈光度。例如，参考图1的x-y-z坐标系，该光学透镜可以是在y方向上具有屈光度的柱面透镜。又如，该光学透镜可以在两个互相正交的方向(例如，x方向和y方向)上弯曲，并且可以在两个互相正交的方向(例如，x方向和y方向)上具有屈光度。在一些实施方案中，该光学透镜具有基本平坦的表面(例如，第二主表面112可以是平坦的)。如果在表面的至少80％上的每个点的曲率半径是该表面的最大横向尺寸的至少5倍，则该表面是基本上平坦的。在一些实施方案中，基本上平坦的表面在曲线的至少80％、或至少90％、或至少95％上的每个点处的曲率半径是该表面的最大横向尺寸的至少5倍、或至少10倍、或至少20倍或至少50倍。
图2是包括透镜组件200的光学系统201的示意性剖视图。透镜组件200可以对应于光学部件100，并且包括第一透镜210以及设置在第一透镜210的弯曲的主表面上并适形于该弯曲的主表面的光学叠堆220。光学叠堆220包括第一层222和第二层226。任选的粘合剂层可以设置在第一层222与第二层226之间以及/或者光学叠堆220与第一透镜210之间。在一些实施方案中，第一层222和第二层226中的一者是反射偏振器，并且第一层222和第二层226中的另一者是非粘合剂挠性光学层。光学系统201还包括延迟器235、延迟器239和第二透镜240，该第二透镜具有设置在第二透镜240的主表面上的部分反射器242。在一些实施方案中，光学系统201适于将由显示器250发射的图像显示到观看位置265。
在一些实施方案中，第一透镜210和第一光学叠堆220与第二透镜240间隔开。在一些实施方案中，第一透镜210是具有基本上不平行的第一主表面和第二主表面的第一光学元件，第二透镜240是具有基本上不平行的第一主表面和第二主表面的第二光学元件。如果透镜的第一主表面和第二主表面足够不同以使透镜具有不可忽略的折射屈光度，或者如果第一主表面和第二主表面上的至少一对相反的点处的斜率相差至少10度，则第一主表面和第二主表面可被描述为基本上不平行。在一些实施方案中，第一主表面和第二主表面上的至少一对相反的点处的斜率相差至少20度或至少30度。相反的点是指沿透镜厚度方向上的一条直线的点，其中该直线垂直于第一主表面和第二主表面中的一者。如果棱镜的第一主表面和第二主表面之间的角度为至少约20度，则第一主表面和第二主表面可被描述为基本上不平行。在一些实施方案中，棱镜的基本上不平行的第一主表面和第二主表面之间的角度为至少约30度。
光学系统201的其他构型是可以的。在一些实施方案中，延迟器235可以设置在光学叠堆220上，与第一透镜210相反，或者可以设置在第二透镜240上，与部分反射器242相反。在一些实施方案中，延迟器239可以设置在部分反射器242上，或者可以设置在显示器250上。在一些实施方案中，第一透镜210和第二透镜240被单个透镜替换(例如，使部分反射器242在一个主表面上并且光学叠堆220在相反的主表面上)。在另外的其他实施方案中，包括超过两个透镜。光学系统的其他可能的布置在美国专利申请公布2017/0068100(Ouderkirk等人)中描述。光学叠堆220可用于代替美国专利申请公布2017/0068100(Ouderkirk等人)中描述的任何实施方案中的反射偏振器。
在一些实施方案中，显示器250发射反射偏振器的阻光偏振态的光，并且延迟器235和239被设置成使得显示器发射的光首先以阻光偏振状态入射在反射偏振器上。例如，延迟器235和239可具有相对于彼此定向成约90度的快轴。延迟器235和239可以是在预定波长范围内的至少一个波长下的四分之一波延迟器。其他构型也是可以的。例如，延迟器235和239可以是其各自的快轴对准的四分之一波延迟器。在这种情况下，显示器250可以发射反射偏振器的透光偏振态的光，使得光首先以阻光态入射在反射偏振器上。
延迟器235和/或239可以是基板或透镜上的涂层，或者可以是延迟器膜，并且可以由任何合适的材料形成，包括例如在美国专利申请公布US2002/0180916(Schadt等人)、US2003/028048(Cherkaoui等人)、以及US 2005/0072959(Moia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-5185EXP 410LCP，这两者均可购自瑞士奥什维尔落利刻新材料公司(Rolic Technologies，Allschwil，Switzerland)。在一些实施方案中，延迟器235是在预定波长范围(例如，400nm至700nm)内的至少一个波长下的四分之一波延迟器。
部分反射器242可以是任何合适的部分反射器，并且可例如在预定波长范围内具有至少20％或至少30％的平均光学反射率。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，部分反射器具有在预定波长下或在预定波长范围内的平均光学反射率和平均光学透射率，该平均光学反射率和该平均光学透射率各自在20％至80％的范围内、或各自在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，否则在预定波长范围内的平均光学反射率和平均光学透射率分别是指在法向入射下确定的在预定波长范围内以及在光学反射率和光学透射率的偏振上的未加权平均值。在一些实施方案中，部分反射器可为反射偏振器或可具有偏振相关反射率。然而，通常优选的是，法向入射光学反射率和光学透射率独立于或基本上独立于入射光的偏振态。此类偏振独立性可使用例如基本上各向同性金属层和/或电介质层来获得。
在一些实施方案中，优选的是非粘合剂挠性光学层具有低延迟或高延迟。在其中非粘合剂挠性光学层(例如，层226)设置在反射偏振器(例如，层222)和部分反射器242之间的实施方案中，通常优选的是非粘合剂挠性光学层具有低延迟。在一些实施方案中，非粘合剂挠性光学层的至少一个位置具有小于约100nm、或小于约80nm、或小于约60nm、或小于约40nm、或小于约30nm、或小于约20nm、或小于约10nm、或小于约5nm的光学延迟。在其中非粘合剂挠性光学层(例如，层222)设置在反射偏振器(例如，层226)和部分反射器242之间的某个区域之外的实施方案中，可能优选的是非粘合剂挠性光学层具有高延迟。例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)层可具有高延迟，具体取决于该层的厚度和取向(例如单轴或双轴)的程度。在一些实施方案中，非粘合剂挠性光学层的至少一个位置具有大于约200nm、或大于约400nm、或大于约800nm、或大于约1000nm、或大于约2000nm、或大于约3000nm、或小于约4000nm的光学延迟。
层的位置处的光学延迟是法向入射在该位置处的该层上的透射穿过该层的光的相位延迟。相位延迟是两个正交的偏振光线的相位的最大差值。除非另外指明，否则入射光线的波长为约550nm。例如，由于普通的制造变化，延迟可随着位置而变化。在一些实施方案中，非粘合剂挠性光学层的每个位置具有在本文其他地方描述的任何范围内的光学延迟。
在一些实施方案中，第一透镜210和第二透镜240中的每一者在至少一个方向上具有大于零的屈光度。在一些实施方案中，部分反射器242对于预定波长范围内的基本上法向入射的光具有至少30％的平均光学反射率。在一些实施方案中，反射偏振器(第一层222和第二层226中的一者)基本上透射预定波长范围内的具有第一偏振态的光，并且基本上反射预定波长范围内的具有正交的第二偏振态的光。光学系统201具有光轴260，该光轴可被理解为这样的一根轴，光线261沿着光轴260穿过第一透镜210、第二透镜240、部分反射器242和反射偏振器传播而基本上不被折射。基本上不被折射意味着入射在表面上的光线与透射穿过该表面的光线之间的角度不超过15度。在一些实施方案中，沿光轴260传播的光线穿过第一透镜210和第二透镜240、部分反射器242以及反射偏振器，而在光学系统201的任何主表面处被折射不超过10度、或不超过5度、或不超过3度、或不超过2度。
在一些实施方案中，光学系统201适于接收入射光并将光透射至观察位置265处的观察者。从光学系统201出射的光由第一光分量255和第二光分量257示意性地示出。
已发现，本说明书的光学叠堆和反射偏振器允许光学系统实现比常规光学系统更高的偏振对比度。在一些实施方案中，对于具有第二偏振态(对于反射偏振器的阻光态)和在预定波长范围内的波长并且以约100度至约160度的全锥角θ对中于光轴260上的光253的入射光锥，入射的光从该光学系统出射，出射的光具有第一光分量255和第二光分量257，第一光分量具有第一偏振态(反射偏振器的透光态)，第二光分量具有第二偏振态。在一些实施方案中，第一光分量255的平均强度与第二光分量257的平均强度之比大于约100、或大于约110、或大于约120、或大于约130。
图3是光学部件300的示意性剖视图，该光学部件在许多方面类似于光学部件100。光学部件300包括第一光学元件310和光学叠堆320，该光学叠堆结合到第一光学元件310的弯曲的主表面并适形于该弯曲的主表面。光学叠堆320包括第一层322和第二层326，其中一者可以是反射偏振器，并且另一者可以是非粘合剂挠性光学层。在一些实施方案中，第一层322和第二层326彼此一体形成。在其他实施方案中，粘合剂层可用于将第一层322和第二层326彼此粘附。在一些实施方案中，第一光学元件310与光学叠堆320一体形成，并且在其他实施方案中，光学叠堆320粘附到第一光学元件310。第一光学元件310在远离第一光学元件310的边缘314的位置317处较薄(厚度t1)，并且在更靠近第一光学元件310的边缘314的另一位置319处较厚(厚度t2)。相比之下，在光学部件100中，第一光学元件110在远离第一光学元件110的边缘的位置处较厚，并且在更靠近第一光学元件110的边缘的另一位置处较薄。
在一些实施方案中，第一光学元件310或其他光学元件(例如，第二光学元件或非粘合剂挠性光学层)的平均厚度在约50微米到约500微米或约50微米到约100微米的范围内。元件或层的平均厚度是该元件或层的总面积上的厚度的未加权平均值。
图4是光学系统400的示意性剖视图，该光学系统包括第一光学元件410和光学叠堆420，该第一光学元件和光学叠堆例如可如针对光学部件100所述的那样。光学叠堆420包括第一层422和第二层426，其中一者可以是反射偏振器，并且另一者可以是非粘合剂挠性光学层。第一层422和第二层426可以结合在一起(例如，利用光学透明的粘合剂)，并且光学叠堆可以结合到第一光学元件410(例如，利用光学透明的粘合剂)。光学系统400还包括第二光学元件440，该第二光学元件与第一光学元件410相邻并且包括基本上不平行的第一主表面443和第二主表面444。在例示的实施方案中，第一光学元件410和第二光学元件440通过粘合剂层434结合在一起。在其他实施方案中，第一光学元件410和第二光学元件440彼此间隔开。这在图5中示出，该图是光学系统500的示意性剖视图。元件510、520、522和526分别对应于元件410、420、422和426。光学系统500包括第二光学元件540，第二光学元件被设置成与第一光学元件510相邻并与第一光学元件510间隔开，并且具有相反的第一主表面543和第二主表面544。在例示的实施方案中，第二主表面544是基本上平坦的。
在一些实施方案中，该光学叠堆设置在第一光学元件和第二光学元件之间。这在图6A中示出，该图是光学系统600的示意性剖视图。元件610、620、622和626分别对应于元件410、420、422和426。光学系统600包括第二光学元件640，该第二光学元件被设置成与第一光学元件610相邻并且具有基本上不平行的第一主表面643和第二主表面644。光学叠堆620设置在第一光学元件610和第二光学元件640之间。在例示的实施方案中，光学叠堆620设置在第二光学元件640的第二主表面644上并适形于该第二主表面。在其他实施方案中，光学叠堆620可以不适形于第二主表面644并且/或者第二光学元件640可以与光学叠堆620间隔开。在例示的实施方案中，光学叠堆620粘附到第一光学元件610和第二光学元件640中的每一者的主表面(分别为611和644)。在其他实施方案中，光学叠堆620可以粘附到第一光学元件610和第二光学元件640中的一者而不粘附到另一者。在一些实施方案中，光学叠堆620可以经由例如嵌入模制工艺与第一光学元件610和/或第二光学元件640一体形成。
在一些实施方案中，第二光学元件640被具有基本上平行且相反的主表面的第二光学层代替。这在图6B中示出，该图是光学系统600b的示意性剖视图。光学系统600b对应于光学系统600，不同的是使用第二光学层640b来代替第二光学元件640。光学叠堆620b包括第一层622和第二层626以及第二光学层640b。在一些实施方案中，第一层622是第一非粘合剂挠性光学层，第二层626是反射偏振器，并且第二光学层640b是第二非粘合剂挠性光学层。第二光学层640b的相反的主表面643b和644b可以基本上平行。
在一些实施方案中，第一光学元件是第一光学透镜，并且第二光学元件(如果包括的话)是第二光学透镜。在一些实施方案中，第一光学透镜和第二光学透镜(如果包括的话)可以独立地选自双凸透镜、平凸透镜、正弯月面透镜、负弯月面透镜、平凹透镜或双凹透镜。在其他实施方案中，光学元件是光学棱镜。
图7是光学部件700的示意性剖视图，该光学部件包括第一光学元件710和光学叠堆720，其中第一光学元件具有弯曲的第一主表面711，光学叠堆720结合到弯曲的第一主表面711并适形于该第一主表面。光学叠堆720以及第一光学层722和第二光学层726可以分别对应于光学叠堆120以及第一光学层722和第二光学层726并且如针对光学叠堆120以及第一光学层722和第二光学层726所述的那样。例如，在一些实施方案中，第一光学层722和第二光学层726中的一者是反射偏振器，并且第一光学层722和第二光学层726中的另一者是非粘合剂挠性光学层。光学部件700可为光学系统中的部件或可被认为是光学系统本身。在一些实施方案中，光学部件700是偏振分束器(PBS)。
在例示的实施方案中，第一光学元件710是具有第一侧面712和第二侧面713以及具有第一弯曲的主表面711的斜边侧面的第一光学棱镜。第一侧面712与第二侧面713之间的角度α1可以在约85度至约95度的范围内。第一侧面712与第一弯曲的主表面711之间的角度α2可以在约40度至约50度的范围内，并且第二侧面713与第一弯曲的主表面711之间的角度α3可以在约40度至约50度的范围内。在一些实施方案中，第一光学元件710具有基本上正交的第一侧面712和第二侧面713，以及以大致45度(例如，40至50度)与第一侧面712和第二侧面713中的每一者相交的斜边侧面(具有第一弯曲的主表面711的侧面)。
在例如光学元件的第一主表面和第二主表面在边缘处交会的实施方案中，光学元件的第一主表面与第二主表面之间的角度是在这两个表面交会处它们之间的角度。在第一主表面和第二主表面不交会但在光学元件的提供该光学元件的次表面的边缘处彼此分开的实施方案中，第一主表面与第二主表面之间的角度可以被定义为在该边缘处与第一主表面和第二主表面相切的直线之间的角度。这在图20中示出，该图是具有第一主表面2011和第二主表面2012的光学元件2010的示意性剖视图。第一主表面2010和第二主表面2011在它们之间形成一个角度φ。在一些实施方案中，φ小于约45度、或小于约35度。在一些实施方案中，φ大于约10度、或大于约20度。
在一些实施方案中，在光学元件的第一主表面和第二主表面之间形成在约20度至约120度的范围内的角度。就棱镜而言，该角度可以例如为约45度或约90度，具体取决于棱镜的几何结构以及光学叠堆或反射偏振器设置在棱镜的哪一侧(第一主表面)上。就光学透镜而言，该角度可以例如为约20度至约40度。
图8是偏振分束器800的示意性剖视图，该偏振分束器包括：具有第一斜边811的第一棱镜810；具有面向第一斜边811的第二斜边844的第二棱镜840；以及设置在第一斜边811和第二斜边844之间并粘附到第一斜边和第二斜边的光学叠堆820。光学叠堆820通过粘合剂层832粘附到第一斜边811，并且通过粘合剂层834粘附到第二斜边844。光学叠堆820的第一层822和第二层826通过粘合剂层830彼此粘附。光学叠堆820可以对应于例如光学叠堆120。例如，在一些实施方案中，光学叠堆820包括反射偏振器(第一层822和第二层826中的一者)，该反射偏振器基本上透射具有第一偏振态的光并且基本上反射具有正交的第二偏振态的光；以及非粘合剂挠性光学层(第一层822和第二层826中的另一者)，该非粘合剂挠性光学层结合到反射偏振器并具有基本上平行且相反的第一主表面和第二主表面。粘合剂层830设置在反射偏振器和非粘合剂挠性光学层之间并且将反射偏振器结合到非粘合剂挠性光学层。
图9是偏振分束器900的示意性剖视图，该偏振分束器在许多方面类似于偏振分束器800，不同的是第一棱镜910和第二棱镜940的斜边是基本上平坦的并且光学叠堆920是基本上平坦的。光学叠堆920的层可以如针对光学叠堆820所述的那样，不同的是光学叠堆920的层是基本上平坦的。例如，光学叠堆920可以包括通过粘合剂层结合在一起的反射偏振器和非粘合剂挠性光学层。光学叠堆920可以通过相应的粘合剂层结合到第一棱镜910和第二棱镜940中的每一者。
在一些实施方案中，光学叠堆820或920包括第二非粘合剂挠性光学层。例如，光学叠堆820或920可以对应于光学叠堆620b，并且可以包括设置在第一非粘合剂挠性光学层和第二非粘合剂挠性光学层之间的反射偏振器。
在一些实施方案中，偏振分束器包括第一棱镜和第二棱镜，其中一个棱镜具有弯曲的斜边，而另一个棱镜具有基本上平坦的斜边。在这种情况下，光学叠堆可以适形于一个斜边，或者可以不适形于任一个斜边，并且具有不均匀厚度的粘合剂层可以用于将该光学叠堆结合到该光学叠堆不适形的斜边。
图10是包括透镜组件1000和显示面板1050的光学系统1001的示意性剖视图。透镜组件1000包括第一光学透镜1010，该第一光学透镜在至少一个方向上具有屈光度并且具有弯曲的第一主表面1011。透镜组件1000还包括设置在第一主表面1011上的光学层1020。在一些实施方案中，光学层1020粘附到第一主表面1011并适形于该第一主表面。在一些实施方案中，光学层1020是本文其他地方描述的任何光学叠堆。例如，在一些实施方案中，光学层1020包括反射偏振器，该反射偏振器基本上透射具有第一偏振态的光并且基本上反射具有正交的第二偏振态的光；并且包括非粘合剂挠性光学层，该非粘合剂挠性光学层结合(例如，经由粘合剂层)到反射偏振器并具有基本上平行且相反的第一主表面和第二主表面。在一些实施方案中，光学层1020是包括多个干涉层的一体形成的反射偏振器，其中每个干涉层主要通过光学干涉来反射或透射光。在一些实施方案中，该反射偏振器粘附到第一光学透镜1010的第一主表面1011。
显示面板1050发射光1073，该光确定第一主表面1011的作用区域，该作用区域具有最大投影尺寸D和相应最大垂度S。D是该作用区域在平面上的最大的并且在平面中最大尺寸上的投影到一个平面上的最大尺寸。S是在与投影尺寸最大化的平面正交的方向上测量的最大垂度。在例示的实施方案中，投影尺寸是在x-y平面中的最大值，并且S是沿z轴的最大值。在光学系统1001具有光轴的实施方案中，最大投影尺寸通常在投影到垂直于光轴的平面上时发生，并且最大垂度通常沿着光轴。在一些实施方案中，S/D大于或等于约0.03、或大于或等于约0.05、或大于或等于约0.1。在一些实施方案中，S/D不大于约0.5。
图11是一体形成的反射偏振器1129的示意性剖视图，该反射偏振器包括多个干涉层1170和一个非干涉层1177。在一些实施方案中，该多个干涉层包括交替的聚合物层1172和1174。在例示的实施方案中，包括单个非干涉层1177。当可以通过光学干涉合理地描述干涉层的反射率和透射率或者干涉层的反射率和透射率可以被合理地准确建模为光学干涉的结果时，干涉层可以被描述为主要通过光学干涉来反射或透射光。例如，美国专利5,882,774(Jonza等人)和美国专利6,609,795(Weber等人)中描述了此类干涉层。当具有不同折射率的干涉层的相邻对具有为光波长的1/2的组合光学厚度(折射率乘以物理厚度)时，该干涉层对通过光学干涉反射光。干涉层通常具有小于约200纳米的物理厚度。非干涉层具有过大而无法经由干涉来反射可见光的光学厚度。通常，非干涉层具有至少1微米的物理厚度。在一些实施方案中，包括多于一个非干涉层。在一些实施方案中，多个干涉层1170设置在至少一个非干涉层1177的同一侧。在一些实施方案中，至少一个非干涉层(在例示的实施方案中为非干涉层1177)与多个干涉层1170一体形成，并且不是主要通过光学干涉来反射或透射光。在一些实施方案中，非干涉层1177是如本文其他地方进一步描述的非粘合剂挠性光学层。在一些实施方案中，反射偏振器1129对从第一主侧面1178入射的阻光态的光与从第二主侧面1179入射的阻光态的光具有不同的反射率，如本文其他地方进一步描述。
多个干涉层1170的平均总厚度为Tint，并且至少一个非干涉层1177的平均总厚度为Tnon。在一些实施方案中，Tint在约20微米至约70微米的范围内，并且Tnon在约40微米至约100微米的范围内。例如，如果一个或多个非干涉层的表面被结构化，则总厚度可以变化。总厚度也可以由于普通的制造变化而变化。平均总厚度是层面积上的厚度的未加权平均值。在一些实施方案中，反射偏振器的平均总厚度(Tint+Tnon)为至少50微米、或至少60微米、或至少70微米。在一些实施方案中，反射偏振器1129是基本上单轴取向的。在一些实施方案中，层1172例如沿x轴是基本上单轴取向的，并且层1174是基本上各向同性的。在这种情况下，法向入射光的阻光偏振态通常是沿x轴偏振的光的偏振态，并且法向入射光的透光偏振态通常是沿y轴偏振的光的偏振态。
图12是光学膜1229的示意图，该光学膜包括多个干涉层1270以及与多个干涉层1270一体形成的至少一个非干涉层1277a和1277b。至少一个非干涉层1277a和1277b的平均总厚度是非干涉层1277a和1277b的厚度之和。光学膜1229还包括粘合剂层1232，该粘合剂层可用于例如将该膜粘附到光学元件诸如光学透镜。光学膜1229在多个干涉层1270的每一侧上包括至少一个非干涉层。在一些实施方案中，对于在预定波长范围内的基本上法向入射的光，多个干涉层1270对于第一偏振态具有大于约85％的平均光学透射率，并且对于正交的第二偏振态具有大于约80％的平均光学反射率。
图13是光学膜1329的示意图，该光学膜包括布置在第一分组1370-1和第二分组1370-2中的多个干涉层，以及与多个干涉层一体形成的多个非干涉层1377a、1377b和1277c。至少一个非干涉层1377b设置在该多个干涉层中的两个干涉层1370a和1370b之间。光学膜1329可以是具有如本文其他地方进一步描述的平均光学透射率和平均光学反射率的反射偏振器。在一些实施方案中，第一分组1370-1和第二分组1370-2具有重叠的厚度分布。
在一些实施方案中，光学膜1229或1329是反射偏振器，该反射偏振器是基本上单轴取向的，并且该反射偏振器的平均总厚度(Tint+Tnon)为至少50微米、或至少60微米、或至少70微米。
在一些实施方案中，该至少一个非干涉层包括非粘合剂挠性光学层，该非粘合剂挠性光学层包括基本上平行且相反的第一主表面和第二主表面，该非粘合剂挠性光学层具有在本文其他地方描述的任何范围内的光学延迟(例如，小于100nm或大于200nm)。
在一些实施方案中，反射偏振器包括N个按顺序编号的层，其中每个层具有小于约200nm的厚度。例如，可以将干涉层1170按这样的顺序编号：与非干涉层1177紧邻的层被编为1，与第一主侧面1178紧邻的层被编为N。在一些实施方案中，N是大于200且小于800的整数。图14A示意性地示出了作为层数的函数的层厚度1407。还示出了具有平均斜率m的拟合曲线1409。拟合曲线1409是应用于该反射偏振器的作为层数的函数的层厚度的最佳拟合回归。在一些实施方案中，该拟合曲线在从第一层延伸到第N层的区域中的平均斜率m小于约0.2nm。在一些实施方案中，该N个按顺序编号的层不包括任何非干涉层、间隔层或其他任选的不形成反射偏振器中的叠堆/分组的光学层。在一些实施方案中，拟合曲线1409是最佳拟合线性回归、最佳拟合非线性回归、最佳拟合多项式回归和最佳拟合指数回归中的一者或多者。在一些实施方案中，最佳拟合回归是线性最小二乘拟合，并且平均斜率是线性最小二乘拟合的斜率。在一些实施方案中，在与编号为1的层相邻的一端和/或与编号为N的层相邻的一端处包括附加层。附加层可能不遵循从第一层到第N层的近似线性趋势线，并且被包括以提供锐利的带边，如在例如美国专利申请公布2005/0243425号(Wheatley等人)中所述。
在一些实施方案中，该反射偏振器包括多个分组(例如，分组1370-1和1370-2)，其中每个分组具有为基本上连续曲线的层厚度与层数的关系。图14B示出了包括两个分组(分组1和分组2)的反射偏振器的层厚度与层数的关系。在一些实施方案中，厚度轮廓基本上重叠(例如，分组1的厚度范围的大于50％与分组2的厚度范围的大于50％重叠)。在其他实施方案中，厚度范围内几乎没有重叠。如图14B所示，两个分组的厚度轮廓基本上重叠。图14C示出了包括两个分组(分组1和分组2)的反射偏振器的层厚度与层数的关系，其中这两个分组的厚度范围只有很少的重叠或基本上不重叠。在图14B中，第一分组的干涉层具有从1到325的编号，并且第二分组的干涉层具有从326到700的编号。在图14C中，第一分组和第二分组中的每一者的干涉层具有从1到325的编号。在一些实施方案中，每个分组具有层厚度轮廓，该厚度轮廓的拟合曲线的平均斜率m小于约0.2nm。
在一些实施方案中，层厚度轮廓可以通过应用于每个分组的厚度轮廓的最佳拟合线性方程来表征，其中厚度轮廓是按顺序编号的干涉层的层数的函数。在一些实施方案中，每个分组具有斜率相似(例如，彼此相差20％以内)的最佳拟合厚度轮廓。在一些实施方案中，反射偏振器内所有分组的最佳拟合线性回归的平均斜率之间的最大差异小于约20％。此类反射偏振器在2017年3月6日提交的美国临时专利申请62/467712(Haag等人)中进一步描述。
图15是透镜组件1500的示意性剖视图，该透镜组件包括具有弯曲的第一主表面1511的第一光学透镜1510、具有相反的最外第一主表面1563和最外第二主表面1567的光学膜1520、以及将光学膜1520的第一主表面1523结合到第一光学透镜1510的第一主表面1511的粘合剂层1532。在一些实施方案中，第一光学透镜1510的第一主表面1511具有不期望的特性(例如，曲率或表面粗糙度)，并且该结合补偿了第一光学透镜1510的第一主表面1511的不期望的特性。在一些实施方案中，光学膜1520是光学叠堆，该光学叠堆包括反射偏振器和结合到该反射偏振器的非粘合剂挠性光学层，如本文其他地方进一步描述。在一些实施方案中，光学膜1520是或包括一体形成的反射偏振器。在一些实施方案中，该一体形成的反射偏振器包括多个干涉层，每个干涉层主要通过光学干涉来反射或透射光。
在一些实施方案中，第一光学透镜1510的第一主表面1511具有不期望的特性，包括表面曲率。例如，在一些实施方案中，第一光学透镜1510的弯曲的第一主表面1511具有不期望的曲率1/R1，其中R1是第一主表面1511的曲率半径。在一些实施方案中，光学膜1520到第一主表面1511的结合补偿了该不期望的曲率，因为光学膜1520的最外第二主表面1567可以具有期望的曲率1/R2，其中R2是最外第二主表面1567的曲率半径。
图16是透镜组件1600的示意性剖视图，该透镜组件包括：具有弯曲的主第一表面1611的第一光学透镜1610；一体形成的反射偏振器1620，该反射偏振器包括多个干涉层，其中每个干涉层主要通过光学干涉来反射或透射光，并且具有相反的第一最外主表面1663和第二最外主表面1667；以及粘合剂层1632，该粘合剂层将一体形成的反射偏振器1620的第一主表面1623结合到第一光学透镜1610的第一主表面1611。在例示的实施方案中，第一光学透镜1610的第一主表面1611具有不期望的特性，包括平均表面粗糙度。一体形成的反射偏振器1620与第一光学透镜1610的结合通过提供期望的平均表面粗糙度来补偿第一光学透镜1610的第一主表面1611的不期望的平均表面粗糙度。在一些实施方案中，一体形成的反射偏振器被本文其他地方描述的包括反射偏振器以及结合到第一光学透镜的至少一个非粘合剂挠性光学层的光学叠堆代替。光学叠堆的与第一光学透镜相反的最外主表面可以具有本文针对第二最外表面1667描述的性质。
在一些实施方案中，平均表面粗糙度是粗糙度参数Ra，它是表面与平均表面(忽略表面粗糙度的光滑表面)的偏差的绝对值的平均值。在一些实施方案中，第一主表面1611具有大于约200nm、或大于约150nm的平均表面粗糙度Ra，并且第二最外表面1667具有小于约100nm、或小于50nm的表面粗糙度Ra。在一些实施方案中，第一主表面1611不是光学上平滑的(例如，光可以由于表面粗糙度而散射)，而第二主表面1667是光学上平滑的。
在一些实施方案中，透镜组件或光学叠堆或光学系统中的两个或更多个层(例如，两个紧邻的层)是基本上折射率匹配的。基本上折射率匹配的层具有使得折射率之差的绝对值小于约0.20的折射率。除非另外指明，否则折射率是在550nm的波长下确定的。
在一些实施方案中，第一光学透镜1610和粘合剂层1632的折射率之差的绝对值小于约0.20、或小于约0.15、或小于约0.10、或小于约0.08、或小于约0.06、或小于约0.04、或小于约0.02、或小于约0.01。在本文所述的其中粘合剂层将光学叠堆或反射偏振器结合到光学元件诸如透镜或棱镜的任何实施方案中，光学元件和粘合剂层的折射率之差的绝对值可以在这些范围中的任一者内。
在一些实施方案中，本说明书的光学膜(例如，光学叠堆、反射偏振器)或光学膜中的多个干涉层对于第一偏振态具有大于约85％的平均光学透射率，并且对于正交的第二偏振态具有大于约80％的平均光学反射率。在一些实施方案中，对于从光学膜的一侧或两侧法向入射在该光学膜上的光的第一偏振态，平均光学透射率大于约85％。在一些实施方案中，对于从光学膜的一侧或两侧法向入射在该光学膜上的光的第二偏振态，平均光学反射率大于约80％。在一些实施方案中，光学膜对于第二偏振态具有大于约2％、或5％或10％的平均光学吸收率，使得对于预定波长范围内的基本上法向入射的光，该光学膜对于从光学膜的第一主侧面入射的光具有较大的平均光学反射率，并且对于从光学膜的相反的第二主侧面入射的光具有较小的平均光学反射率。在其他实施方案中，平均光学吸收率小于约1％，使得从光学膜的任一侧来看，平均光学透射率和平均光学反射率大致相同。例如，参见图11，干涉层1170中的更靠近非干涉层1177的一些干涉层与远离非干涉层1177的层相比可以具有对于第二偏振态的更高的吸光度，使得该光学膜对于入射在第一主侧面1178上的具有第二偏振态的光具有比入射在第二主侧面1179上的具有第二偏振态的光更大的平均反射率，这是由于入射在第二主侧面1179上的具有第二偏振态的光的更高吸收率。
可以通过在光学膜的多个干涉层中的至少一些层中包括吸光分子来实现入射在光学膜的相反的主侧面上的光的平均光学反射率的差异。在一些实施方案中，多个干涉层包括基本上沿第二偏振态取向的多个吸光分子。在一些实施方案中，该多个吸光分子具有至少部分地在预定波长范围内的吸收带。在通过拉伸(例如，基本上单轴拉伸)膜来将膜取向之前，可以通过在该膜的至少一些层中包括吸光分子来将吸光分子取向。然后当膜被拉伸时，吸光分子可以被对准。在一些实施方案中，该多个干涉层包括多个交替的较高折射率第一层和较低折射率第二层。例如，层1174可以是较高折射率层，并且层1172可以是较低折射率层。在一些实施方案中，对于预定波长范围内的至少一个波长，第一层比第二层吸收明显更多的光。例如，第一层的吸光度可以为第二层的吸光度的至少2倍、或至少5倍、或至少10倍。在一些实施方案中，第一层具有明显较高浓度的吸光分子，并且第二层具有明显较低浓度的吸光分子。结合有吸光分子的反射偏振器在例如美国专利申请公布2016/0306086(Haag等人)和美国专利6,096,375(Ouderkirk等人)中描述，这些专利中的每个以不与本说明书矛盾的程度以引用方式并入本文。
合适的吸光分子包括购自日本三井精细化工公司(Mitsui Fine Chemicals,Japan)的蒽醌染料、偶氮染料和二色性染料(例如，PD-325H、PD-335H、PD-104和PD-318H)。该多个吸光分子可以是多种常见类型的分子(例如，一种二色性染料)，或者可以包括多种不同类型的分子(例如，二色性染料的混合物)。
图17是反射偏振器对于从该反射偏振器的一侧法向入射在该反射偏振器上的光在反射偏振器的透光态和阻光态下的透射率的示意图。对于从该反射偏振器的另一侧法向入射在该反射偏振器上的光，透射率可以基本上相同。在从λ1到λ2的预定波长范围内的波长上的透射率的平均值在透光态下为Tp，在阻光态下为Tb。在一些实施方案中，λ1为约400nm，并且λ2为约700nm。在一些实施方案中，Tp大于约80％、或大于约85％、或大于约90％。在一些实施方案中，Tb不超过约10％、或不超过约5％、或不超过约2％、或不超过约1％、或不超过约0.5％。在一些实施方案中，对于入射在该反射偏振器的一侧上的光的Tp和Tb满足这些条件中的至少一个条件，并且在一些实施方案中，对于入射在该反射偏振器的每一侧上的光的Tp和Tb满足这些条件中的至少一个条件。
图18是反射偏振器对于从该反射偏振器的一侧法向入射在该反射偏振器上的光在反射偏振器的透光态和阻光态下的反射率的示意图。对于从该反射偏振器的另一侧法向入射在该反射偏振器上的光，反射率可以基本上相同，或者可以例如由于二色性染料的存在而不同。在从λ1到λ2的预定波长范围内的波长上的反射率的平均值在透光态下为Rp，在阻光态下为Rb。在一些实施方案中，Rb大于约75％、或大于约80％、或大于约85％、或大于约90％。在一些实施方案中，Rp不超过约20％、或不超过约15％、或不超过约10％、或不超过约5％。在一些实施方案中，对于入射在该反射偏振器的一侧上的光的Rp和Rb满足这些条件中的至少一个条件，并且在一些实施方案中，对于入射在该反射偏振器的每一侧上的光的Rp和Rb满足这些条件中的至少一个条件。
图19是结合有多个吸光分子的反射偏振器对于从该反射偏振器的一侧法向入射在该反射偏振器上的光在反射偏振器的透光态和阻光态下的吸光度的示意图。对于从该反射偏振器的另一侧法向入射在该反射偏振器上的光，吸光度可由于吸光染料的存在而不同。在从λ1到λ2的预定波长范围内的波长上的吸光度的平均值在透光态下为Ap，在阻光态下为Ab。在一些实施方案中，Ap不超过约3％、或不超过约2％、或不超过约1％。在一些实施方案中，Ab大于约2％、或大于约5％、或大于约10％。在一些实施方案中，对于入射在该反射偏振器的一侧上的光的Ap和Ab满足这些条件中的至少一个条件，并且在一些实施方案中，对于入射在该反射偏振器的每一侧上的光的Ap和Ab满足这些条件中的至少一个条件。在一些实施方案中，多个吸光分子具有从λ3到λ4的吸收带1904。在一些实施方案中，从λ3到λ4的波长范围至少部分地在从λ1到λ2的预定波长范围内。在一些实施方案中，从λ3到λ4的波长范围完全在从λ1到λ2的预定波长范围内，并且在一些实施方案中，从λ3到λ4的波长范围延伸到小于λ1的波长并且/或者延伸到大于λ2的波长。
在一些实施方案中，光学膜对于从该光学膜的第一主侧面入射的光具有较大的平均光学反射率，并且对于从该光学膜的相反的第二主侧面入射的光具有较小的平均光学反射率。在一些实施方案中，提供了用于将显示器发射的图像显示到观看位置的光学系统。该光学系统包括该光学膜，其中该光学膜的第一主侧面面向显示器，并且该光学膜的第二主侧面面向观看位置。例如，参见图2，层226可以是反射偏振器，该反射偏振器对于从该光学膜的第一主侧面(面向显示器250的侧面)入射的光具有较大的平均光学反射率，并且对于从该光学膜的相反的第二主侧面(面向层222的侧面)入射的光具有较小的平均光学反射率。当将二色性染料包括在该光学膜的一些层中时，会发生这种情况，如本文其他地方进一步描述。
在一些实施方案中，该反射偏振器或包括该反射偏振器的光学叠堆形成弯曲的形状。在一些实施方案中，使用光学粘合剂将成形的反射偏振器或成形的光学叠堆结合到光学元件的曲面。在其他实施方案中，通过如例如美国专利申请公布2017/0068100(Ouderkirk等人)中大体描述的嵌入模制来将光学元件直接形成到成形的反射偏振器或成形的光学叠堆上。
该反射偏振器或光学叠堆可经由热成形来成形，例如，如美国专利申请公布2017/0068100(Ouderkirk等人)中大体描述的热成形。合适的热成形系统包括购自美国伊利诺伊州凯洛斯崔姆的MAAC机器公司(MAAC Machinery Corporation,Carol Stream,IL)的真空成形系统和购自美国亚利桑那州凤凰城的Hy-Tech Forming Systems美国公司(Hy-TechForming Systems(USA),Inc.,Phoenix,AZ)的加压成形系统。
诸如“约”的术语将在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理解。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”应用于表达特征尺寸、数量和物理属性的量的使用不清楚，则“约”将被理解为是指在指定值的10％以内。给定为约指定值的量可精确地为指定值。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的值的量是指该量具有介于0.9和1.1之间的值，并且该值可为1。
本领域普通技术人员将在本说明书中使用和描述的上下文中理解术语诸如“基本上”。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“基本上平行”的使用不清楚，则“基本上平行”将指在平行的30度以内。在一些实施方案中，描述为彼此基本上平行的方向或表面可以在20度内、或在平行的10度内、或者可以是平行的或标称平行的。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“基本上垂直”的使用不清楚，则“基本上垂直”将指在法线的30度以内。在一些实施方案中，描述为基本上垂直的方向可以在法线的20度内或10度内，或者可以是法线或标称法线。
以下为本说明书的示例性实施方案的列表。
实施方案1为一种光学系统，包括：
第一光学元件，该第一光学元件包括弯曲的第一主表面；和
光学叠堆，该光学叠堆结合到第一光学元件的弯曲的第一主表面并适形于该弯曲的第一主表面，并且包括：
反射偏振器，所述反射偏振器基本上透射具有第一偏振态的光并且基本上反射具有正交的第二偏振态的光；和
非粘合剂挠性光学层，该非粘合剂挠性光学层结合到反射偏振器并且包括基本上平行且相反的第一主表面和第二主表面，在约550nm的波长下，该非粘合剂挠性光学层上的至少一个位置具有小于约100nm或大于约200nm的光学延迟。
实施方案2为根据实施方案1所述的光学系统，其中第一光学元件还包括第二主表面，在第一光学元件的第一主表面和第二主表面之间形成在约20度至约120度的范围内的角度。
实施方案3为根据实施方案1所述的光学系统，其中第一光学元件包括在两个互相正交的方向上具有屈光度的第一光学透镜。
实施方案4为根据实施方案1所述的光学系统，其中第一光学元件包括第一光学棱镜。
实施方案5为根据实施方案1所述的光学系统，该光学系统还包括第二光学元件，第二光学元件与第一光学元件相邻并且包括基本上不平行的第一主表面和第二主表面。
实施方案6为根据实施方案1所述的光学系统，其中反射偏振器包括N个按顺序编号的层，N是大于200且小于800的整数，各层具有小于约200nm的平均厚度，拟合曲线为应用于该反射偏振器的作为层数的函数的层厚度的最佳拟合回归，该拟合曲线在从第一层延伸到第N层的区域中的平均斜率小于约0.2nm。
实施方案7为根据实施方案1所述的光学系统，其中光学延迟小于约80nm、或小于约60nm、或小于约40nm、或小于约30nm、或小于约20nm、或小于约10nm、或小于约5nm。
实施方案8为根据实施方案1所述的光学系统，其中光学延迟大于约400nm、或大于约800nm、或大于约1000nm、或大于约2000nm、或大于约3000nm、或大于约4000nm。
实施方案9为根据实施方案1所述的光学系统，其中非粘合剂挠性光学层包括聚合物膜、抗反射涂层、吸收偏振器、中性密度滤光器、延迟器、染色膜、光学滤光器、包含电路的膜、电极、红外反射膜、多层光学膜和漫射器中的一者或多者。
实施方案10为根据实施方案1所述的光学系统，其中非粘合剂挠性光学层为剥离衬垫。
实施方案11为根据实施方案1所述的光学系统，其中反射偏振器为聚合物多层光学膜，该聚合物多层光学膜包括：
多个干涉层，每个干涉层主要通过光学干涉来反射或透射光，该多个干涉层的平均总厚度为约20微米至约70微米；以及
至少一个非干涉层，该至少一个非干涉层与该多个干涉层一体形成并且不是主要通过光学干涉来反射或透射光，该至少一个非干涉层的平均总厚度为约40微米至约100微米，使得对于在预定波长范围内的基本上法向入射的光，该多个干涉层对于第一偏振态具有大于约85％的平均光学透射率，并且对于第二偏振态具有大于约80％的平均光学反射率。
实施方案12为一种偏振分束器(PBS)，包括：
第一棱镜，该第一棱镜包括第一斜边；
第二棱镜，该第二棱镜包括面向第一斜边的第二斜边；以及
光学叠堆，该光学叠堆设置在第一斜边和第二斜边之间并粘附到第一斜边和第二斜边，该光学叠堆包括：
反射偏振器，所述反射偏振器基本上透射具有第一偏振态的光并且基本上反射具有正交的第二偏振态的光；
非粘合剂挠性光学层，该非粘合剂挠性光学层结合到反射偏振器并且包括基本上平行且相反的第一主表面和第二主表面，该非粘合剂挠性光学层上的至少一个位置具有小于约100nm或大于约200nm的光学延迟；和
粘合剂层，该粘合剂层设置在反射偏振器和非粘合剂挠性光学层之间并且将反射偏振器结合到非粘合剂挠性光学层。
实施方案13为根据实施方案12所述的PBS，其中第一斜边和第二斜边中的至少一者是弯曲的。
实施方案14为根据实施方案12所述的PBS，其中反射偏振器包括多个干涉层，每个干涉层主要通过光学干涉来反射或透射光。
实施方案15为根据实施方案12所述的PBS，其中反射偏振器包括N个按顺序编号的层，N是大于200且小于800的整数，各层具有小于约200nm的平均厚度，拟合曲线为应用于该反射偏振器的作为层数的函数的层厚度的最佳拟合回归，该拟合曲线在从第一层延伸到第N层的区域中的平均斜率小于约0.2nm。
实施方案16为根据实施方案12所述的PBS，其中反射偏振器为聚合物多层光学膜，该聚合物多层光学膜包括：
多个干涉层，每个干涉层主要通过光学干涉来反射或透射光，该多个干涉层的平均总厚度为约20微米至约70微米；以及
至少一个非干涉层，该至少一个非干涉层与该多个干涉层一体形成并且不是主要通过光学干涉来反射或透射光，该至少一个非干涉层的平均总厚度为约40微米至约100微米，使得对于在预定波长范围内的基本上法向入射的光，该多个干涉层对于第一偏振态具有大于约85％的平均光学透射率，并且对于第二偏振态具有大于约80％的平均光学反射率。
实施方案17为一种透镜组件，包括：
第一光学透镜，该第一光学透镜在至少一个方向上具有屈光度；
和
光学叠堆，该光学叠堆粘附到第一光学透镜并且包括：
反射偏振器，所述反射偏振器基本上透射具有第一偏振态的光并且基本上反射具有正交的第二偏振态的光；
非粘合剂挠性光学层，该非粘合剂挠性光学层结合到反射偏振器并且包括基本上平行且相反的第一主表面和第二主表面，该非粘合剂挠性光学层上的至少一个位置具有小于约100nm或大于约200nm的光学延迟；和
粘合剂层，该粘合剂层设置在反射偏振器和非粘合剂挠性光学层之间并且将反射偏振器结合到非粘合剂挠性光学层。
实施方案18为根据实施方案17所述的透镜组件，其中非粘合剂挠性光学层包括聚合物膜、抗反射涂层、吸收偏振器、中性密度滤光器、延迟器、染色膜、光学滤光器、包含电路的膜、电极、红外反射膜、多层光学膜和漫射器中的一者或多者。
实施方案19为根据实施方案17所述的透镜组件，其中非粘合剂挠性光学层为剥离衬垫。
实施方案20为根据实施方案17所述的透镜组件，其中反射偏振器为聚合物多层光学膜，该聚合物多层光学膜包括：
多个干涉层，每个干涉层主要通过光学干涉来反射或透射光，该多个干涉层的平均总厚度为约20微米至约70微米；以及
至少一个非干涉层，该至少一个非干涉层与该多个干涉层一体形成并且不是主要通过光学干涉来反射或透射光，该至少一个非干涉层的平均总厚度为约40微米至约100微米，使得对于在预定波长范围内的基本上法向入射的光，该多个干涉层对于第一偏振态具有大于约85％的平均光学透射率，并且对于第二偏振态具有大于约80％的平均光学反射率。
实施方案21为根据实施方案17所述的透镜组件，其中反射偏振器包括多个干涉层，每个干涉层主要通过光学干涉来反射或透射光，使得对于在预定波长范围内的基本上法向入射的光，该多个干涉层对于第一偏振态具有大于约85％的平均光学透射率，对于第二偏振态具有大于约80％的平均光学反射率，并且对于第二偏振态具有大于约2％的平均光学吸收率，使得对于预定波长范围内的基本上法向入射的光，该光学膜对于从反射偏振器的第一主侧面入射的光具有较大的平均光学反射率，并且对于从反射偏振器的相反的第二主侧面入射的光具有较小的平均光学反射率。
实施方案22为一种透镜组件，包括：
第一光学透镜，该第一光学透镜在至少一个方向上具有屈光度并且包括弯曲的第一主表面；和
一体形成的反射偏振器，该一体形成的反射偏振器包括多个干涉层，每个干涉层主要通过光学干涉来反射或透射光，至少一个干涉层在至少一个位置处基本上单轴取向，该反射偏振器粘附到第一光学透镜的第一主表面，该反射偏振器基本上透射具有第一偏振态的光并且基本上反射具有正交的第二偏振态的光，
其中第一主表面包括具有最大投影尺寸D和相应最大垂度S的作用区域，S/D≥0.03；并且
该反射偏振器的平均厚度大于约50微米。
实施方案23为根据实施方案22所述的透镜组件，其中反射偏振器还包括与该多个干涉层一体形成并且不是主要通过光学干涉来反射或透射光的至少一个非干涉层，该至少一个非干涉层的平均总厚度为约40微米至约100微米，该多个干涉层的平均总厚度为约20微米至约70微米。
实施方案24为一种光学膜，包括：
多个干涉层，每个干涉层主要通过光学干涉来反射或透射光，该多个干涉层的平均总厚度为约20微米至约70微米；以及
至少一个非干涉层，该至少一个非干涉层与该多个干涉层一体形成并且不是主要通过光学干涉来反射或透射光，该至少一个非干涉层的平均总厚度为约40微米至约100微米，使得对于在预定波长范围内的基本上法向入射的光，该多个干涉层对于第一偏振态具有大于约85％的平均光学透射率，并且对于正交的第二偏振态具有大于约80％的平均光学反射率。
实施方案25为根据实施方案24所述的光学膜，其中至少一个非干涉层包括具有基本上平行且相反的第一主表面和第二主表面的非粘合剂挠性光学层，该非粘合剂挠性光学层上的至少一个位置具有小于约100nm或大于约200nm的光学延迟。
实施方案26为根据实施方案24所述的光学膜，该光学膜对于预定波长范围内的基本上法向入射的具有第二偏振态的光具有大于约2％的平均光学吸收率，使得对于预定波长范围内的基本上法向入射的光，该光学膜对于从光学膜的第一主侧面入射的光具有较大的平均光学反射率，并且对于从光学膜的相反的第二主侧面入射的光具有较小的平均光学反射率。
实施方案27为一种反射偏振器组件，包括：
一体形成的反射偏振器，该一体形成的反射偏振器具有大于约50微米的平均厚度并且包括多个干涉层，每个干涉层主要通过光学干涉来反射或透射光，至少一个干涉层在至少一个位置处基本上单轴取向，该一体形成的反射偏振器包括最外弯曲主表面；和
光学元件，该光学元件直接形成在该反射偏振器的最外弯曲主表面上并适形于该最外弯曲主表面。
实施方案28为根据实施方案27所述的反射偏振器组件，其中一体形成的反射偏振器还包括与该多个干涉层一体形成并且不是主要通过光学干涉来反射或透射光的至少一个非干涉层，该至少一个非干涉层的平均总厚度为约40微米至约100微米，该多个干涉层的平均总厚度为约20微米至约70微米。
实施方案29为根据实施方案27所述的反射偏振器组件，其中对于在预定波长范围内的基本上法向入射的光，该多个干涉层对于第一偏振态具有大于约85％的平均光学透射率，对于正交的第二偏振态具有大于约80％的平均光学反射率，并且对于第二偏振态具有大于约2％的平均光学吸收率，使得对于预定波长范围内的基本上法向入射的光，该一体形成的反射偏振器对于从反射偏振器的第一主侧面入射的光具有较大的平均光学反射率，并且对于从反射偏振器的相反的第二主侧面入射的光具有较小的平均光学反射率。
实施方案30为一种透镜组件，包括：
第一光学透镜，该第一光学透镜在至少一个方向上具有屈光度并且具有弯曲的第一主表面，该弯曲的第一主表面具有不期望的特性；
一体形成的反射偏振器，该一体形成的反射偏振器包括多个干涉层，每个干涉层主要通过光学干涉来反射或透射光，该一体形成的反射偏振器包括相反的第一最外主表面和第二最外主表面；和
粘合剂层，该粘合剂层将该一体形成的反射偏振器的第一主表面结合到第一光学透镜的第一主表面，该结合补偿第一光学透镜的第一主表面的该不期望的特性，该一体形成的反射偏振器的第二最外表面具有期望的特性。
实施方案31为根据实施方案30所述的透镜组件，其中不期望的特性包括表面曲率，第一光学透镜的弯曲的第一主表面具有不期望的曲率，一体形成的反射偏振器的第二最外表面具有期望的曲率。
实施方案32为根据实施方案30所述的透镜组件，其中不期望的特性包括平均表面粗糙度，弯曲的第一主表面具有不期望的平均表面粗糙度，一体形成的反射偏振器的第二最外表面具有期望的平均表面粗糙度。
实施方案33为根据实施方案32所述的透镜组件，其中第二最外表面是光学上平滑的，但弯曲的第一主表面不是光学上平滑的。
实施方案34为一种光学系统，包括：
在至少一个方向上具有大于零的屈光度的至少一个透镜；
部分反射器，该部分反射器对于预定波长范围内的基本上法向入射的光具有至少30％的平均光学反射率；和
反射偏振器，该反射偏振器基本上透射预定波长范围内的具有第一偏振态的光并且基本上反射预定波长范围内的具有正交的第二偏振态的光，该光学系统具有光轴，沿光轴传播的光线穿过至少一个透镜、部分反射器和反射偏振器而基本上不被折射，使得对于具有第二偏振态和在预定波长范围内的波长并且以约100度至约160度的全锥角对中于光轴上的光的入射光锥，入射的光从该光学系统出射，出射的光具有第一光分量和第二光分量，第一光分量具有第一偏振态，第二光分量具有第二偏振态，第一光分量的平均强度与第二光分量的平均强度之比大于约100。
实施方案35为根据实施方案34所述的光学系统，其中光学叠堆包括该反射偏振器和结合到该反射偏振器的非粘合剂挠性光学层。
实施方案36为根据实施方案35所述的光学系统，其中该至少一个透镜包括第一透镜，第一透镜包括弯曲的第一主表面，该光学叠堆结合到该弯曲的第一主表面并适形于该弯曲的第一主表面。
实施方案37为根据实施方案34所述的光学系统，其中反射偏振器为聚合物多层光学膜，该聚合物多层光学膜包括：
多个干涉层，每个干涉层主要通过光学干涉来反射或透射光，该多个干涉层的平均总厚度为约20微米至约70微米；以及
至少一个非干涉层，该至少一个非干涉层与该多个干涉层一体形成并且不是主要通过光学干涉来反射或透射光，该至少一个非干涉层的平均总厚度为约40微米至约100微米，使得对于在预定波长范围内的基本上法向入射的光，该多个干涉层对于第一偏振态具有大于约85％的平均光学透射率，并且对于第二偏振态具有大于约80％的平均光学反射率。
实施方案38为根据实施方案34所述的光学系统，其中该反射偏振器是一体形成的并且包括多个干涉层，每个干涉层主要通过光学干涉来反射或透射光，该反射偏振器粘附到弯曲的第一主表面，弯曲的第一主表面包括具有最大投影尺寸D和相应最大垂度S的作用区域，S/D≥0.03。
实施方案39为根据实施方案34所述的光学系统，其中反射偏振器的平均厚度大于约50微米。
实施例
反射偏振器1
如下制备了双折射反射偏振器光学膜。共挤出了两个多层光分组，其中每个分组包括325个聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)交替层和一个低折射率各向同性层，该层由聚碳酸酯和共聚酯的共混物(PC:coPET)构成，使得折射率为约1.57并在单轴取向时保持基本上各向同性，其中PC:coPET摩尔比为大约42.5摩尔％Pc和57.5摩尔％coPET，并且Tg为105摄氏度。选择这种各向同性材料，使得在拉伸之后，其在两个非拉伸方向上的折射率与双折射材料在非拉伸方向上的折射率基本上保持匹配，而在拉伸方向上，双折射层和非双折射层之间的折射率基本上不匹配。将PEN和PC:coPET聚合物从单独的挤出机进料到多层共挤出进料区块，在该进料区块中，这些聚合物被组装成具有325个交替的光学层的分组(“分组1”和“分组2”)，加上在叠堆光分组的外侧上较厚的PC/coPET保护边界层，总共652层。将该膜在如美国专利6,916,440(Jackson等人)中描述的抛物面拉幅机中进行基本上单向拉伸。将该膜在约150℃的温度下拉伸至约6的拉伸比。
反射偏振器1的该层厚度轮廓在图14B中示出，其中指示了分组1和2。使用最小二乘线性回归，分组1的平均斜率约为0.17nm/层，分组2的平均斜率约为0.18nm/层，从而表现出两个分组的约6％的相应斜率差异。反射偏振器1具有如通过电容规测得的大约63.2μm的所得总厚度、在透光态下90％的透射率、以及在阻光态下0.015％的透射率。干涉层的总厚度为54.2微米，包括最外层(例如，对应于非干涉层1377a和1377c)的非干涉层具有分别为2.2微米和3.5微米的厚度，并且内部间隔层(例如，对应于非干涉层1377b)具有3.3微米的厚度。
实施例1
使用1密耳厚的3M 8171光学透明粘合剂(购自美国明尼苏达州圣保罗的3M公司(3M Company,St.Paul,MN))将反射偏振器1层压到75微米厚的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)膜。使用真空成形工艺将所得层压体热成形为弯曲的形状，该弯曲的形状具有0.026的垂度直径比。通过在嵌入模制工艺中将光学级丙烯酸注模到该层压体上，将透镜形成到该层压体上。热成形和注塑成型按美国专利申请公布2017/0068100(Ouderkirk等人)中所述执行。在成形工艺期间未观察到层压体发生褶皱。
实施例2
使用1密耳厚的3M 8171光学透明粘合剂(购自美国明尼苏达州圣保罗的3M公司(3M Company,St.Paul,MN))将反射偏振器1层压到75微米厚的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)膜。使用真空成形工艺将所得层压体热成形为弯曲的形状，该弯曲的形状具有0.13的垂度直径比。通过在嵌入模制工艺中将光学级丙烯酸注模到该层压体上，将透镜形成到该层压体上。热成形和注塑成型按美国专利申请公布2017/0068100(Ouderkirk等人)中所述执行。在成形工艺期间未观察到层压体发生褶皱。
实施例3
使用1密耳厚的3M 8171光学透明粘合剂(购自美国明尼苏达州圣保罗的3M公司(3M Company,St.Paul,MN))将反射偏振器1层压在两个75微米厚的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)膜之间。使用真空成形工艺将所得层压体热成形为弯曲的形状，该弯曲的形状具有0.026的垂度直径比。与实施例1的层压体相比，实施例3的层压体将其期望的形状保持到更好的公差。通过在嵌入模制工艺中将光学级丙烯酸注模到该层压体上，将透镜形成到该层压体上。热成形和注塑成型按美国专利申请公布2017/0068100(Ouderkirk等人)中所述执行。在成形工艺期间未观察到层压体发生褶皱。
实施例4
使用1密耳厚的3M 8171光学透明粘合剂(购自美国明尼苏达州圣保罗的3M公司(3M Company,St.Paul,MN))将反射偏振器1层压在两个75微米厚的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)膜之间。使用真空成形工艺将所得层压体热成形为弯曲的形状，该弯曲的形状具有0.13的垂度直径比。与实施例2的层压体相比，实施例4的层压体将其期望的形状保持到更好的公差。通过在嵌入模制工艺中将光学级丙烯酸注模到该层压体上，将透镜形成到该层压体上。热成形和注塑成型按美国专利申请公布2017/0068100(Ouderkirk等人)中所述执行。在成形工艺期间未观察到层压体发生褶皱。
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 (9)

1.一种光学系统，包括：
第一光学元件，所述第一光学元件包括弯曲的第一主表面；和
光学叠堆，所述光学叠堆结合到所述第一光学元件的所述弯曲的第一主表面并通过变形适形于所述弯曲的第一主表面，并且包括：
反射偏振器，所述反射偏振器基本上透射具有第一偏振态的光并且基本上反射具有正交的第二偏振态的光，所述反射偏振器在变形之前为基本上单轴取向的；和
非粘合剂挠性光学层，所述非粘合剂挠性光学层结合到所述反射偏振器，所述非粘合剂挠性光学层的抗弯刚度小于所述第一光学元件的抗弯刚度，并且所述非粘合剂挠性光学层包括在变形之前基本上平行且相反的第一主表面和第二主表面以及在变形之后基本上不平行且相反的第一主表面和第二主表面，其中基本上平行是指所述第一主表面和所述第二主表面的至少80％上每一对相反的点处的斜率相差不超过5度，基本上不平行是指所述第一主表面和所述第二主表面上的至少一对相反的点处的斜率相差超过5度，所述相反的点是指沿所述非粘合剂挠性光学层的厚度方向上的一条直线的点，其中该直线垂直于所述第一主表面和所述第二主表面中的至少一者，并且其中在550nm的波长下，所述非粘合剂挠性光学层上的至少一个位置具有大于400nm的光学延迟。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述第一光学元件包括在两个互相正交的方向上具有屈光度的第一光学透镜。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述第一光学元件包括第一光学棱镜。
4.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N个按顺序编号的层，N是大于200且小于800的整数，各层具有小于200nm的平均厚度，拟合曲线为应用于所述反射偏振器的作为层数的函数的层厚度的最佳拟合回归，所述拟合曲线在从第一层延伸到第N层的区域中的平均斜率小于0.2nm。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述反射偏振器为聚合物多层光学膜，所述聚合物多层光学膜包括：
多个干涉层，每个干涉层主要通过光学干涉来反射或透射光，所述多个干涉层的平均总厚度为20微米至70微米；和
至少一个非干涉层，所述至少一个非干涉层与所述多个干涉层一体形成并且不是主要通过光学干涉来反射或透射光，所述至少一个非干涉层的平均总厚度为40微米至100微米，使得对于在预定波长范围内的基本上法向入射的光，所述多个干涉层对于所述第一偏振态具有大于85％的平均光学透射率，并且对于所述第二偏振态具有大于80％的平均光学反射率。
6.一种偏振分束器(PBS)，包括：
第一棱镜，所述第一棱镜包括弯曲的第一斜边；
第二棱镜，所述第二棱镜包括面向所述弯曲的第一斜边的弯曲的第二斜边；和
光学叠堆，所述光学叠堆设置在所述弯曲的第一斜边和所述弯曲的第二斜边之间、粘附到所述弯曲的第一斜边和所述弯曲的第二斜边、并通过变形适形于所述弯曲的第一斜边和所述弯曲的第二斜边，所述光学叠堆包括：
反射偏振器，所述反射偏振器基本上透射具有第一偏振态的光并且基本上反射具有正交的第二偏振态的光，所述反射偏振器在变形之前为基本上单轴取向的；
非粘合剂挠性光学层，所述非粘合剂挠性光学层结合到所述反射偏振器，所述非粘合剂挠性光学层的抗弯刚度小于所述第一棱镜和所述第二棱镜的抗弯刚度，并且所述非粘合剂挠性光学层包括在变形之前基本上平行且相反的第一主表面和第二主表面以及在变形之后基本上不平行且相反的第一主表面和第二主表面，其中基本上平行是指所述第一主表面和所述第二主表面的至少80％上每一对相反的点处的斜率相差不超过5度，基本上不平行是指所述第一主表面和所述第二主表面上的至少一对相反的点处的斜率相差超过5度，所述相反的点是指沿所述非粘合剂挠性光学层的厚度方向上的一条直线的点，其中该直线垂直于所述第一主表面和所述第二主表面中的至少一者，并且其中所述非粘合剂挠性光学层上的至少一个位置具有小于100nm或大于400nm的光学延迟；和
粘合剂层，所述粘合剂层设置在所述反射偏振器和所述非粘合剂挠性光学层之间并且将所述反射偏振器结合到所述非粘合剂挠性光学层。
7.根据权利要求6所述的PBS，其中所述反射偏振器包括N个按顺序编号的层，N是大于200且小于800的整数，各层具有小于200nm的平均厚度，拟合曲线为应用于所述反射偏振器的作为层数的函数的层厚度的最佳拟合回归，所述拟合曲线在从第一层延伸到第N层的区域中的平均斜率小于0.2nm。
8.根据权利要求6所述的PBS，其中所述反射偏振器为聚合物多层光学膜，所述聚合物多层光学膜包括：
多个干涉层，每个干涉层主要通过光学干涉来反射或透射光，所述多个干涉层的平均总厚度为20微米至70微米；和
至少一个非干涉层，所述至少一个非干涉层与所述多个干涉层一体形成并且不是主要通过光学干涉来反射或透射光，所述至少一个非干涉层的平均总厚度为40微米至100微米，使得对于在预定波长范围内的基本上法向入射的光，所述多个干涉层对于所述第一偏振态具有大于85％的平均光学透射率，并且对于所述第二偏振态具有大于80％的平均光学反射率。
9.一种透镜组件，包括：
第一光学透镜，所述第一光学透镜包括弯曲的第一主表面并在至少一个方向上具有屈光度；和
光学叠堆，所述光学叠堆粘附到所述第一光学透镜并通过变形适形于所述第一光学透镜的所述弯曲的第一主表面，并且包括：
反射偏振器，所述反射偏振器基本上透射具有第一偏振态的光并且基本上反射具有正交的第二偏振态的光，所述反射偏振器在变形之前为基本上单轴取向的；
非粘合剂挠性光学层，所述非粘合剂挠性光学层结合到所述反射偏振器，所述非粘合剂挠性光学层的抗弯刚度小于所述第一光学透镜的抗弯刚度，并且所述非粘合剂挠性光学层包括在变形之前基本上平行且相反的第一主表面和第二主表面以及在变形之后基本上不平行且相反的第一主表面和第二主表面，其中基本上平行是指所述第一主表面和所述第二主表面的至少80％上每一对相反的点处的斜率相差不超过5度，基本上不平行是指所述第一主表面和所述第二主表面上的至少一对相反的点处的斜率相差超过5度，所述相反的点是指沿所述非粘合剂挠性光学层的厚度方向上的一条直线的点，其中该直线垂直于所述第一主表面和所述第二主表面中的至少一者，并且其中所述非粘合剂挠性光学层上的至少一个位置具有小于100nm或大于400nm的光学延迟；和
粘合剂层，所述粘合剂层设置在所述反射偏振器和所述非粘合剂挠性光学层之间并且将所述反射偏振器结合到所述非粘合剂挠性光学层。
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