CN112400125A - 光学系统和光学膜 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了光学膜诸如反射偏振膜，以及包括该光学膜的光学系统。光学系统包括具有至少一个弯曲主表面的一个或多个光学透镜、部分反射器以及反射偏振器。对于在至少从约450nm延伸到约600nm的预先确定的波长范围内的基本上垂直入射光：该部分反射器具有至少30％的平均光学反射率，并且该反射偏振器对于第一偏振态具有平均光学反射率Rs，对于正交的第二偏振态具有平均光学透射率Tp，并且对于该第二偏振态具有平均光学反射率Rp，其中Tp≥80％，Rp≤1％，以及50％≤Rs≤95％。

Description

光学系统和光学膜
背景技术
光学系统可以用于头戴式显示器例如以向观察者提供图像。光学系统可包括光学膜诸如反射偏振膜。
发明内容
在本说明书的一些方面，提供了光学系统，该光学系统包括具有至少一个弯曲主表面的一个或多个光学透镜、部分反射器和反射偏振器。对于在至少从约450nm延伸到约600nm的预先确定的波长范围内的基本上垂直入射光：部分反射器具有至少30％的平均光学反射率；并且反射偏振器对于第一偏振态具有平均光学反射率Rs，对于正交的第二偏振态具有平均光学透射率Tp，并且对于第二偏振态具有平均光学反射率Rp，其中Tp≥80％，Rp≤1％，并且50％≤Rs≤95％。
在本说明书的一些方面，提供了光学系统，该光学系统包括：一个或多个光学透镜；部分反射器，该部分反射器设置在一个或多个光学透镜的弯曲主表面上并且适形于该弯曲主表面；反射偏振器，该反射偏振器设置在一个或多个光学透镜的主表面上并且适形于该主表面，并且包括多个聚合物层，每个聚合物层具有小于约500nm的平均厚度；以及出射表面。对于在至少从约450nm延伸到约600nm的预先确定的波长范围内的基本上垂直入射光：部分反射器具有至少30％的平均光学反射率；并且多个聚合物层对于第一偏振态具有平均光学反射率Rs，其中50％≤Rs≤95％，并且对于正交的第二偏振态具有平均光学透射率Tp≥80％。光学系统被配置为向定位在出射表面附近的观察者显示图像。对于具有至少10度的全锥角的入射光锥，该入射光锥从空间频率小于约1线对每毫米的对象入射到光学系统上并且作为出射光锥通过出射表面离开光学系统，当出射光锥在出射表面附近成像时，该图像具有多个交替的亮区域和暗区域。Ib是亮区域的中心50％区域的平均亮度，Id是暗区域的中心50％区域的平均亮度，并且Ib/Id≥50。
在本说明书的一些方面，提供了光学膜，该光学膜包括数量在200和500之间的多个交替的第一聚合物层和第二聚合物层。第一聚合物层和第二聚合物层每个具有小于约500nm的平均厚度。对于每对相邻的第一聚合物层和第二聚合物层：第一聚合物层具有沿光学膜的平面中的第一轴线的折射率n1x、沿光学膜的平面中的正交的第二轴线的折射率n1y、以及沿正交于第一轴线和第二轴线的z轴的折射率n1z；并且第二聚合物层具有沿第一轴线的折射率n2x、沿第二轴线的折射率n2y和沿z轴的折射率n2z。对于至少从约450nm延伸到约600nm的预先确定的波长范围内的至少一个波长：n1x、n1y和n1z之间的最大差值小于约0.002；并且n2x和n1x之间的差值大于约0.2。对于具有在预先确定的波长范围内的至少一个波长的基本上垂直入射光，多个交替的第一聚合物层和第二聚合物层对于沿第一轴线的第一偏振态具有平均光学反射率Rs，并且对于沿第二轴线的第二偏振态具有平均光学透射率Tp和平均光学反射率Rp，其中Tp≥80％，Rp≤0.25％，并且80％≤Rs≤95％。
在本说明书的一些方面中，提供了光学系统，该光学系统包括：一个或多个光学透镜；部分反射器，该部分反射器设置在一个或多个光学透镜的弯曲主表面上并适形于该弯曲主表面；反射偏振器，该反射偏振器设置在一个或多个光学透镜的主表面上并适形于该主表面；以及出射表面。反射偏振器包括多个交替的第一聚合物层和第二聚合物层，其中每个聚合物层具有小于约500nm的平均厚度。对于在至少从约450nm延伸到约600nm的预先确定的波长范围内的基本上垂直入射光：部分反射器具有至少30％的平均光学反射率；并且第二聚合物层的最大折射率大于第一聚合物层的最大折射率，并且第二聚合物层的最大折射率与第一聚合物层的最小折射率之间的差值小于约0.3。该光学系统被配置为向定位在出射表面附近的观察者显示图像。对于具有至少10度的全锥角的入射光锥，该入射光锥从空间频率小于约1线对每毫米的对象入射到光学系统上并且作为出射光锥通过出射表面离开光学系统，当出射光锥在出射表面附近成像时，该图像具有多个交替的亮区域和暗区域。Ib是亮区域的中心50％区域的平均亮度，Id是暗区域的中心50％区域的平均亮度，并且Ib/Id≥50。
附图说明
图1至图2是光学系统的示意性剖视图；
图3是包括第一光学透镜和第二光学透镜的光学系统的示意性剖视图；
图4是被配置为从显示面板向观察者显示图像的光学系统的示意性剖视图；
图5A是可显示在显示面板上的对象的示意图；
图5B是由图5A的对象形成的图像的示意图；
图6是包括面向显示面板的部分反射器的光学系统的示意性剖视图；
图7是包括面向显示面板的反射偏振器的光学系统的示意性剖视图；
图8是光学膜或光学膜中包括的多个聚合物层的透射率作为波长的函数的示意曲线图；
图9是光学膜或光学膜中包括的多个聚合物层的反射率作为波长的函数的示意曲线图；
图10A是光学膜的示意性透视图；
图10B是图10A的光学膜的区段的示意性透视图；
图11A至图11B是延迟量与波长关系的示意曲线图；
图12是头戴式耳机的示意性俯视图；
图13是对于阻光态和透光态的通过反射偏振器的透射率与波长的关系的曲线图；并且
图14是对于阻光态和透光态的从反射偏振器的反射率与波长的关系的曲线图。
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。
折叠光学系统诸如描述于美国专利号9557568(Ouderkirk等人)中的那些利用反射偏振器和部分反射器来提供折叠光学路径。此类光学系统可用于例如头戴式显示器中以向例如观察者提供高视场。在此类光学系统中的反射偏振器通常被选择为在阻光态下提供高反射率(例如，阻光态下的反射率Rs大于97％)并且在透光态下提供高透射率，以便提供高效率。如美国专利号9557568(Ouderkirk等人)中所述，单轴取向的反射偏振器诸如可购自明尼苏达州圣保罗的3M公司(3M Company,St.Paul,MN)的APF在用于折叠光学系统中时提供优点。具有275个干涉层的单个分组的APF膜具有约98％的内部平均阻光态反射率Rs和约2％的浸没平均透光态反射率Rp。根据本说明书，已经发现，即使为了提供低透光态反射率而牺牲了阻光态的反射率(例如，Rs不大于95％)，具有基本上较低的透光态反射率(例如，透光态反射率Rp不大于1％或不大于0.6％)的反射偏振器也能提供比使用常规反射偏振器更高的对比度。已经发现，由于反射的透光态光在光学系统中的多次后续反射，在透光态下来自反射偏振器的反射导致对比度降低。
已经发现，为了实现期望的低Rp，通常减少Rs。例如，在一些实施方案中，反射偏振器是包括较高折射率聚合物层和较低折射率聚合物层的交替层的多层光学膜。减少此类反射偏振器中的层数或减小较高折射率层与较低折射率层之间的折射率差可减小Rp(例如，由于沿透光方向折射率失配引起的反射减少)，但也减小Rs。又如，在一些实施方案中，反射偏振器为线栅偏振器。减小线密度可减小Rp，但也可减小Rs。
图1是光学系统100的示意性剖视图，该光学系统包括具有至少一个弯曲主表面112的一个或多个光学透镜110、部分反射器120和反射偏振器130。光学系统100被配置为使得对于在至少从约450nm延伸到约600nm的预先确定的波长范围内的基本上垂直入射光140：部分反射器120具有至少30％的平均光学反射率，并且反射偏振器130对于第一偏振态142具有平均光学反射率Rs，对于正交的第二偏振态144具有平均光学透射率Tp，并且对于第二偏振态144具有平均光学反射率Rp。在一些实施方案中，Tp≥80％，Rp≤1％，并且50％≤Rs≤95％。在一些实施方案中，Tp≥85％或Tp≥90％。在一些实施方案中，Rp≤0.8％，或Rp≤0.6％，或Rp≤0.4％，或Rp≤0.25％，或Rp≤0.2％。在一些实施方案中，80％≤Rs≤95％或85％≤Rs≤95％。在一些实施方案中，对于在预先确定的波长范围内的基本上垂直入射光140，反射偏振器对于第一偏振态142具有小于约10％或小于约5％的平均光学透射率T。Tp、Ts、Rp和Rs是指在预先确定的波长范围内的对应透射率或反射率的未加权平均值。在一些情况下，可以分别指定对应的明视上平均的透射率或反射率Tp ph、Ts ph、Rp ph和Rs ph。Tp ph、Ts ph、Rp ph和Rs ph可在针对Tp、Ts、Rp和Rs所述的任何相应范围内。用于确定Tp ph、Ts ph、Rp ph和Rs ph的明视加权(photopic weighting)可由CIE(国际照明委员会)1931 2°标准观察者定义，用于确定Tp ph、Ts ph、Rp ph和Rs ph的光源可为CIE发光体C。
预先确定的波长范围至少从约450nm延伸到约600nm。已经发现，在至少从约450nm延伸到约600nm的波长范围内的平均反射率和平均透射率可用于表征反射偏振器。预先确定的波长范围可延伸到低于450nm的波长和/或高于600nm的波长。在一些实施方案中，预先确定的波长范围至少从约400nm延伸到约600nm，或至少从约450nm延伸到约650nm，或至少从约450nm延伸到约700nm，或至少从约400nm延伸到约700nm。在一些实施方案中，预先确定的波长范围为约450nm至约600nm，或约450nm至约650nm，或约450nm至约700nm，或约400nm至约700nm。
在例示的实施方案中，部分反射器120设置在一个或多个光学透镜110的弯曲主表面112上并适形于该弯曲主表面。在一些实施方案中，反射偏振器130设置在一个或多个光学透镜110的主表面上并适形于该主表面。例如，反射偏振器130可(例如，直接或间接地通过一个或多个光学层和/或一个或多个粘合剂层)设置在一个或多个光学透镜110的主表面114上，该主表面可以是如图所示的基本上平坦的表面或者可以是弯曲表面。在例示的实施方案中，仅包括一个透镜110，但应当理解，光学系统100可包括多于一个透镜(例如，两个或更多个，或者三个或更多个光学透镜)。例如，部分反射器120可设置在第一光学透镜的主表面上，并且反射偏振器130可设置在不同的第二光学透镜的主表面上(参见例如图3)。
在一些实施方案中，光学系统100包括光轴150，使得沿光轴150传播的光线穿过一个或多个光学透镜110、反射偏振器130和部分反射器120而基本上不被折射。在一些实施方案中，一个或多个光学透镜110、反射偏振器130和部分反射器120以光轴150为中心。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，入射线与透射线之间的角度小于10度、或小于5度、或小于3度、或小于2度。一个或多个光学透镜110、反射偏振器130和部分反射器120被设置成彼此光学连通。如应用于两个对象的光学连通意指光可以从一个对象直接地或使用光学方法(例如，反射、衍射、折射)间接地透射到另一个对象。
在一些实施方案中，光学系统100还包括设置在部分反射器120和反射偏振器130之间的延迟器。延迟器可以是透镜110和反射偏振器130之间的单独层，或者可以设置在透镜110上或光学系统中的另一个透镜上，或者可以设置在反射偏振器130上。延迟器可在预先确定的波长范围内的一个或多个波长处具有四分之一波长延迟量。
图1示意性地示出了光140的路径。实际路径可不同于所示的路径(例如，光路的不同部分之间的所示间距可能未按比例绘制)。光140的部分140a透射通过部分反射器120，并且以阻光态142入射到反射偏振器上。部分140a的一部分140c(例如，与Rs成比例)从反射偏振器130反射，并且另一部分140b(例如，与Ts成比例)透射通过反射偏振器。部分140c的一部分140d从部分反射器120反射，并且另一部分(未示出)透射通过部分反射器120。部分140d以透光态144入射到反射偏振器130上。延迟器可以包括在部分反射器120和反射偏振器130之间，使得部分140d在入射到反射偏振器130上时处于透光态144。部分140d的一部分140e(例如，与Tp成比例)透射通过反射偏振器130，并且另一部分140f(例如，与Rp成比例)从反射偏振器130反射。在其中光140来自显示面板并且光学系统100被配置为向观察者显示图像的一些实施方案中，期望的图像在部分140e中。部分140f的一部分140g从部分反射器120反射，并且另一部分(未示出)透射通过部分反射器120。部分140g的一部分140h(例如，与Rs成比例)从反射偏振器130反射，并且另一部分(例如，与Ts成比例；未示出)透射通过反射偏振器130。部分140h的一部分140i从部分反射器120反射，并且另一部分(未示出)透射通过部分反射器120。部分140i的一部分140j(例如，与Tp成比例)从反射偏振器130反射，并且另一部分(未示出)从反射偏振器130反射。
不期望的反射可降低光学系统100的对比度。已经发现，部分140j对光学系统100的感知对比度(例如，如本文其他地方所述由Ib/Id量化)具有很大影响，即使它是更高阶的反射。可通过包括净化偏振器(例如，反射偏振器130和光学系统100的出射表面之间的光学吸收偏振器)来阻挡部分140b，但部分140j具有与部分140e相同的偏振态144，因此净化偏振器在没有衰减部分140e的情况下也将不消除部分140j。图1中未必示出的其他不需要的反射也可降低对比度。如本文其他地方进一步所述(参见例如图6)，可包括多种折射率匹配层和/或防反射涂层以减少不需要的反射。
可包括显示面板以提供光140。偏振元件(诸如光学吸收偏振器和延迟器)可被包括在显示面板中或设置在显示面板和部分反射器120之间，使得光140在首次入射到反射偏振器130上时基本上处于第一偏振态142。
在本说明书的光学系统中的任一者中使用的部分反射器可为任何合适的部分反射器。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，对于在至少从约450nm延伸到约600nm的预先确定的波长范围内的基本上垂直入射光，部分反射器具有至少30％的平均光学反射率。在一些实施方案中，部分反射器的平均光学反射率在40％至60％的范围内。在一些实施方案中，部分反射器在预先确定的波长范围中具有平均光学反射率和平均光学透射率，其中平均光学反射率和平均光学透射率各自在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，否则部分反射器的平均光学反射率是指基本上垂直入射在部分反射器上并且在预先确定的波长范围内的波长上平均(未加权平均值)的基本上非偏振光的光学反射率。除非另外指明，否则对于特定偏振态的反射偏振器的平均光学反射率和平均光学透射率分别是指对于以特定偏振态基本上垂直地入射到反射偏振器上并且在预先确定的波长范围内的波长上取平均(未加权平均值)的光的光学反射率和光学透射率。
基本上非偏振光是具有足够小的偏振度的光，使得垂直入射的基本上非偏振光的透射率和反射率与垂直入射的非偏振光的透射率和反射率的差异可忽略不计。偏振度是被偏振的光的分数(按强度计)。在一些实施方案中，被描述为基本上非偏振的光具有小于10％的偏振度。在一些实施方案中，被描述为基本上非偏振的光是非偏振的或标称非偏振的。基本上垂直入射光是充分接近于垂直入射光，使得基本上垂直入射的非偏振光的透射率和反射率与垂直入射的非偏振光的透射率和反射率的差异可忽略不计。在一些实施方案中，基本上垂直入射光可在垂直入射的20度之内、或在垂直入射的10度之内、或可以是垂直入射的或标称垂直入射的。
反射偏振器可以是具有期望反射特性的任何合适的反射偏振器。例如，可使用线栅偏振器，该线栅偏振器具有被选择来提供Tp≥80％、Rp≤1％和50％≤Rs≤95％的线密度(例如，纳米线)。在一些实施方案中，反射偏振器包括多个交替的第一聚合物层和第二聚合物层，并且选择第一聚合物层和第二聚合物层的折射率以及第一聚合物层和第二聚合物层的总数以提供Tp≥80％、Rp≤1％和50％≤Rs≤95％，如本文其他地方进一步所述。
图2是光学系统200的示意性剖视图，该光学系统包括：一个或多个光学透镜210，所述一个或多个光学透镜具有至少一个弯曲主表面212；部分反射器220；以及反射偏振器230。除了部分反射器和反射偏振器的相对取向之外，光学系统200在许多方面类似于光学系统100。光学系统200被配置为接收入射在反射偏振器230上的光并且通过部分反射器220将光透射到观察者，而光学系统100被配置为接收入射在部分反射器120上的光并且通过反射偏振器130将光透射到观察者。反射偏振器230可如针对反射偏振器130所述，并且部分反射器220可如针对部分反射器120所述。光学系统200还可包括延迟器，该延迟器设置在部分反射器220和反射偏振器230之间，如针对光学系统100所述的。在所示实施方案中，仅示出了一个透镜210，但应当理解，光学系统200可包括多于一个透镜(例如，两个或更多个、或者三个或更多个光学透镜)，如本文其他地方进一步描述的。例如，反射偏振器230可设置在第一光学透镜的主表面上，并且部分反射器220可设置在不同的第二光学透镜的主表面上(参见例如图3)。
图2示意性地示出了具有透光(第二)偏振态244的光240的路径。实际路径可不同于所示的路径(例如，光路的不同部分之间的所示间距可能未按比例绘制)。光240的部分240a(例如，与Tp成比例)透射通过反射偏振器230，并且另一部分240b(例如，与Rp成比例)从反射偏振器230反射。部分240c透射通过部分反射器220，并且另一部分240d从部分反射器220反射。部分240d以阻光(第一)偏振态242入射到反射偏振器230上。部分240d的一部分240e(例如，与Rs成比例)从反射偏振器230反射，并且另一部分(未示出)透射通过反射偏振器230。部分240e的一部分240f透射通过部分反射器220，并且另一部分(未示出)从部分反射器220反射。在其中光240来自显示面板并且光学系统200被配置为向观察者显示图像的一些实施方案中，期望的图像在部分240f中。透射通过反射偏振器230的部分240b(以及部分240d和部分240i的各部分)从光学系统200前方的对象(未示出)反射为部分240g。部分240g的部分240h(例如，与Tp成比例)透射通过反射偏振器230作为部分240h，并且另一部分(未示出)从反射偏振器230反射。部分240h的部分240i从部分反射器220反射，并且另一部分(未示出)透射通过部分反射器220。部分240j(例如，与Rs成比例)从反射偏振器230反射，并且另一部分(未示出)透射通过反射偏振器230。部分240j的一部分240k透射通过部分反射器220，并且另一部分(未示出)从部分反射器220反射。
不期望的反射可降低光学系统200的对比度。已经发现，部分240k对光学系统200的感知对比度具有很大影响，即使它是更高阶的反射。可通过包括净化偏振器(例如，在部分反射器220和光学系统200的出射表面之间的光学吸收偏振器)来阻挡部分240c，但部分240k具有与部分240f相同的偏振态，因此净化偏振器在没有衰减部分240f的情况下也将不消除部分240k。如本文其他地方进一步所述(参见例如图7)，可包括多种折射率匹配层和/或防反射涂层以减少不需要的反射。
可包括显示面板以提供光240。偏振元件(诸如光学吸收偏振器)可包括在显示面板中或设置在显示面板和反射偏振器230之间，使得光240在首次入射到反射偏振器230上时基本上处于第二偏振态244。
图3是包括一个或多个光学透镜310的光学系统300的示意性剖视图。在例示的实施方案中，一个或多个光学透镜310包括第一光学透镜311和第二光学透镜313。光学层315设置在第一光学透镜311的主表面上并适形于该主表面，该主表面在例示的实施方案中是第一光学透镜311的弯曲主表面。光学层317设置在第二光学透镜313的主表面上并适形于该主表面，该主表面在例示的实施方案中是第二光学透镜313的弯曲主表面。光学层315和317中的任一者或两者可为设置在相应的第一光学透镜311和第二光学透镜313上的膜或涂层。在一些实施方案中，光学层315和317中的一者是反射偏振器(例如，对应于反射偏振器130或230)，其可以是多层光学膜，并且光学层315和317中的另一者是部分反射器(例如，对应于部分反射器120或220)。在一些实施方案中，光学系统300具有光轴350，使得沿光轴350传播的光线340穿过一个或多个光学透镜310以及第一光学层315和第二光学层317而基本上不被折射。在一些实施方案中，一个或多个光学透镜310以光轴350为中心。
图4是包括光学系统401和显示面板405的光学系统400的示意性剖视图。光学系统401可对应于例如光学系统100或200或300，并且光学系统400可对应于例如本文其他地方所述的光学系统600或700。在一些实施方案中，光学系统401包括：一个或多个光学透镜；部分反射器，该部分反射器设置在一个或多个光学透镜的弯曲主表面上并适形于该弯曲主表面；反射偏振器，该反射偏振器设置在一个或多个光学透镜的主表面上并适形于该主表面，并且包括多个聚合物层，每个聚合物层具有小于约500nm的平均厚度，使得对于在至少从约450nm延伸到约600nm的预先确定的波长范围内的基本上垂直入射光：部分反射器具有至少30％的平均光学反射率；并且多个聚合物层对于第一偏振态具有平均光学反射率Rs，50％≤Rs≤95％，并且对于正交的第二偏振态具有平均光学透射率Tp≥80％。在一些实施方案中，Tp≥80％，Rp≤1％，并且50％≤Rs≤95％。在一些实施方案中，Tp≥85％或Tp≥90％。在一些实施方案中，Rp≤0.8％，或Rp≤0.6％，或Rp≤0.4％，或Rp≤0.25％，或Rp≤0.2％。在一些实施方案中，80％≤Rs≤95％或85％≤Rs≤95％。在一些实施方案中，对于在预先确定的波长范围内的基本上垂直入射光，多个聚合物层对于第一偏振态具有小于约10％或小于约5％的平均光学透射率T。符号Rs、Rp、Ts和Tp可分别用于指反射偏振器或多个聚合物层对第一偏振态和第二偏振态的反射率以及第一偏振态和第二偏振态的透射率，多个聚合物层可为主要通过光学干涉来反射和透射光的多个干涉层。由于反射偏振器中的附加界面，反射偏振器的值可与多个聚合物层的对应值略有不同。在一些实施方案中，反射偏振器和多个聚合物层具有在任何上述范围内的Rs、Rp、Ts和/或Tp。
光学系统401包括出射表面452，该出射表面是(例如，从显示面板405)入射在光学系统401上的光通过其离开光学系统401的表面。在一些实施方案中，出射表面405是光学系统401的组件的最远离显示面板405的主表面。在一些实施方案中，出射表面405不是组件的表面，而是适于与第二光学系统(例如，相机或观察者的眼睛)的入射光瞳重叠的表面。光学系统400和401被配置为向定位在出射表面452附近的观察者454显示图像。
通过光学系统显示具有亮区域和暗区域的对象，形成对象的图像，并且确定图像中亮区域的平均亮度与暗区域的平均亮度的比率，可以获得光学系统的对比度的度量。在一些实施方案中，期望限定具有低空间频率(例如，小于约1线对每毫米)的对象的对比度。在一些情况下，当形成表征对比度的比率时，亮区域和暗区域的在亮区域和暗区域之间的过渡区域附近的一些部分被排除，因为此类过渡区域可具有高效空间频率，并且可能期望在低特殊频率的极限下限定对比率。对象可包括例如交替的亮线和暗线或者亮和暗正方形或矩形。对象可用线对(亮线和暗线或亮区域或暗区域的对)每毫米来表征。平均亮度可通过以下方式确定：使用相机测量强度，然后对亮区域的指定区域(例如，亮区域的中心区域，其中每个中心区域的面积为对应亮区域的面积的大约50％)和暗区域的指定区域(例如，暗区域的中心区域，其中每个中心区域的面积为对应暗区域的面积的大约50％)上的强度求平均值。除非另外指明，否则平均亮度是指未加权平均强度。例如，小于1线对每毫米的空间频率可用于确定光学系统的对比度的量度，而其他空间频率可在光学系统用于显示器应用时使用。例如，在使用时，光学系统可显示具有基本上大于1线对每毫米的空间频率的对象的图像(例如，高清晰度图像)。
在一些实施方案中，对于具有至少10度(例如，10度至60度，或15度至40度，或20度至35度，或约30度)的全锥角θ(半极大处全宽度)的入射光锥440，该入射光锥从空间频率小于约1线对每毫米(例如，约0.1至约1线对每毫米)的对象407(例如，显示在显示面板405上)入射到光学系统401上并且作为出射光锥441通过出射表面452离开光学系统401，当出射光锥441在出射表面452附近成像时，该图像具有多个交替的亮区域和暗区域。例如，图5A为可显示在显示面板405上的对象507的示意图。对象507可仅在显示面板的一部分上延伸。例如，可以在显示面板上显示14个正方形x14个正方形的棋盘图案，并且可以将该图案的一部分(例如，靠近显示面板中心的10个正方形x10个正方形，或者6个正方形x6个正方形，或者5个正方形x5个正方形，或者4个正方形x4个正方形棋盘图案)作为对象507。对象507具有沿第一方向(x方向)的1线对每单位距离d1的第一空间频率，以及沿正交的第二方向(y方向)的1线对每单位距离d2的第二空间频率。如果第一空间频率和第二空间频率中的至少一者小于约1线对每毫米，则对象507具有小于约1线对每毫米的空间频率。在一些实施方案中，第一空间频率和第二空间频率中的每一者小于约1线对每毫米。在一些实施方案中，Ib/Id≥50，其中Ib是亮区域的中心50％区域的平均亮度，并且Id是暗区域的中心50％区域的平均亮度。图5B是来自对象507的光形成的图像509的示意图，该光已经通过出射表面452离开光学系统401。除了整体比例之外，图像509可看起来是对象507，或者图像509可通过光学系统失真(如果有的话，此类失真可根据需要进行电子校正)。图像509具有多个交替的亮区域571和暗区域573。对于每个亮区域571，存在中心50％区域576，并且对于每个暗区域573，存在中心50％区域579。中心50％区域576是指亮区域571的内部区域中的区域，该区域的面积为亮区域571面积的约50％。类似地，中心50％区域579是指暗区域573的内部中的区域，该区域的面积为暗区域573面积的约50％。通过对中心50％区域576上的亮度(强度)求平均值来确定亮区域571的中心50％区域576的平均亮度。类似地，通过对中心50％区域579上的亮度求平均值来确定暗区域573的中心50％区域579的平均亮度。对于红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素，可分别测量比率Ib/Id；或者可针对白光输出来确定；或者可例如针对预先确定的波长范围内的一个或多个波长来确定。例如，至少10度的全锥角θ可用于确定光学系统的对比度的量度，而当光学系统用于显示器应用中时，可利用其他锥角。例如，在使用中，光学系统可包括显示面板，该显示面板提供具有任何合适的全锥角(例如，小于10度、约10度或大于10度)的入射光锥。
在一些情况下，代替使用显示面板显示对象407或507，通过使用例如发光二极管(LED)光源来照射例如涂覆在玻璃上的棋盘图案(涂覆在玻璃上的这种图案可购自例如纽约州拉什的精密光学成像(Precision Optical Imaging,Rush,NY))来产生对象407或507。光学组件可包括在光源和玻璃之间以产生指定的全锥角θ。LED可为白色LED，并且例如可以使用彩色相机在彩色相机的红色通道、绿色通道或蓝色通道中的任何一个或多个通道中确定Id和Ib。通过使用与其中彩色相机的颜色通道敏感的波长范围相对应的波长范围内的光源，并且确定光源所发射的光在整个波长范围上的亮度，可以获得与Ib/Id类似或基本上相同的结果。例如，利用白色光源和彩色相机的绿色通道将给出与使用具有与彩色相机的绿色通道的波长相对应的波长分布的光源以及确定发射的光的整个波长范围内的亮度相似的Ib/Id结果。在一些实施方案中，用于确定Ib/Id的入射光锥包括至少520nm至570nm、以及/或者至少430nm至480nm、以及/或者至少610nm至660nm的波长。在一些实施方案中，光源发射在预先确定的波长范围内的光。
在一些实施方案中，例如，折射率匹配层、防反射涂层、附加延迟器和/或光学吸收偏振器可包括在光学系统中，以便减少不期望的反射，从而增加Ib/Id。例如，本说明书的任何光学系统可以具有Ib/Id≥50、Ib/Id≥55、或Ib/Id≥60、或Ib/Id≥65、或Ib/Id≥70、或Ib/Id≥72、或Ib/Id≥75、或Ib/Id≥76、或Ib/Id≥77、或Ib/Id≥78。在一些实施方案中，用于确定这些范围中的任何一个范围内的Ib/Id的入射光锥包括预先确定的波长范围内的至少一个波长。在一些实施方案中，用于确定这些范围中的任何一个范围内的Ib/Id的入射光锥包括至少520nm至570nm、以及/或者至少430nm至480nm、以及/或者至少610nm至660nm的波长。在一些实施方案中，入射光锥包括至少500nm至570nm的波长；并且Ib/Id≥72，或Ib/Id≥75，或Ib/Id≥76，或Ib/Id≥77，或Ib/Id≥78。图6至图7示意性地示出了各自包括一个或多个折射率匹配层和一个或多个耐反射涂层的两个光学系统。在一些实施方案中，省略折射率匹配层、耐反射涂层、附加延迟器和/或光学吸收偏振器中的一者或多者。在一些实施方案中，包括附加折射率匹配层、耐反射涂层、附加延迟器和/或光学吸收偏振器。
图6是光学系统600的示意图，该光学系统包括一个或多个光学透镜610、部分反射器620和反射偏振器630。在一些实施方案中，部分反射器620设置在一个或多个光学透镜610的弯曲主表面612上并适形于该弯曲主表面，并且反射偏振器630设置在一个或多个光学透镜610的主表面614上并适形于该主表面。在例示的实施方案中，部分反射器620直接设置在一个或多个光学透镜610的主表面612上，并且反射偏振器630间接设置在一个或多个光学透镜610的主表面614上。在例示的实施方案中，仅示出了一个或多个光学透镜610中的一个光学透镜611。在其他实施方案中，包括两个或更多个光学透镜，如本文其他地方进一步所述。
在一些实施方案中，光学系统600被配置为(例如，从显示面板605)向邻近光学系统600的出射表面652定位的观察者显示图像。反射偏振器630设置在部分反射器620和出射表面652之间。延迟器625设置在部分反射器620与反射偏振器630之间。
在例示的实施方案中，光学系统600包括一体化光学叠堆690。一体化光学叠堆是彼此粘结的光学层或组件的叠堆。一体化光学叠堆690依次包括部分反射器620、一个或多个光学透镜610中的第一光学透镜611、第一光学透明的粘合剂层655、延迟器625、第二光学透明的粘合剂层657和反射偏振器630。在一些实施方案中，对于一体化光学叠堆690中的至少一对相邻层，折射率匹配层设置在该对相邻层之间。例如，在例示的实施方案中，一体化光学叠堆690还包括设置在第一光学透明的粘合剂层655和延迟器625之间的第一折射率匹配层624、设置在延迟器625和第二光学透明的粘合剂层657之间的第二折射率匹配层626、以及设置在第二光学透明的粘合剂层657和反射偏振器630之间的第三折射率匹配层627。在一些实施方案中，一体化光学叠堆690还包括在反射偏振器630的与第二光学透明的粘合剂层657相对的主表面上的防反射涂层629。
在一些实施方案中，光学系统600包括设置在出射表面652和反射偏振器630之间的光学吸收偏振器661。这种光学吸收偏振器可用作净化偏振器。在一些实施方案中，对于预先确定的波长范围内的第一(阻光)偏振态，光学吸收偏振器661具有大于约50％，或大于约60％，或大于约70％，或大于约80％的平均光学吸收。在一些实施方案中，光学系统600包括设置在光学吸收偏振器661和出射表面652之间的延迟器663。可包括延迟器663，使得当离开光学系统600时以及当重新进入光学系统时，在通过延迟器663之后，回到光学系统中的反射(例如，从观察者的眼睛)基本上被旋转到光学吸收偏振器661的阻光态。
在一些实施方案中，光学系统600包括显示面板605，该显示面板具有面向一个或多个光学透镜的最外主表面662。在一些实施方案中，显示面板605的最外主表面662包括防反射涂层649。可包括防反射涂层649以防止从部分反射器620朝向显示面板605反射的光朝向部分反射器620反射回来。在一些实施方案中，显示面板605包括延迟器665和光学吸收偏振器691中的至少一者，其中显示面板605的防反射涂层649设置在延迟器665或吸收偏振器691上。在例示的实施方案中，包括延迟器665和光学吸收偏振器691，其中防反射涂层649设置在延迟器665上。在一些实施方案中，折射率匹配层647设置在光学吸收偏振器691和延迟器665之间。在例示的实施方案中，显示面板605依次包括第一显示面板604、第一光学透明的粘合剂层675、延迟器685、第二光学透明的粘合剂层677、光学吸收偏振器691、第三光学透明的粘合剂层678、折射率匹配层647、延迟器665和防反射涂层649。还可包括另外的折射率匹配层(例如，在延迟器685的每个主表面上)。第一显示面板604可被配置为发射非偏振光，并且延迟器685、第二光学透明的粘合剂层677和光学吸收偏振器691可以一起是圆偏振器(例如，通常包括在有机发光二极管(OLED)显示器中的圆偏振器)。可以包括光学吸收偏振器691和延迟器665，使得光以圆偏振态入射到部分反射器620上，然后在以反射偏振器630的阻光态穿过延迟器625之后入射到反射偏振器630上。
图7是光学系统700的示意图，该光学系统包括一个或多个光学透镜710、部分反射器720和反射偏振器730。在一些实施方案中，反射偏振器730设置在一个或多个光学透镜710的弯曲主表面712上并适形于该弯曲主表面，并且部分反射器720设置在一个或多个光学透镜710的主表面714上并适形于该主表面。在例示的实施方案中，反射偏振器730直接设置在一个或多个光学透镜710的主表面712上，并且部分反射器720间接设置在一个或多个光学透镜710的主表面714上。在例示的实施方案中，仅示出了一个或多个光学透镜710中的一个光学透镜711。在其他实施方案中，包括多于一个光学透镜711，如本文其他地方进一步描述的。
在一些实施方案中，光学系统700被配置为(例如，从显示面板705)向邻近光学系统700的出射表面752定位的观察者显示图像。部分反射器720设置在反射偏振器730和出射表面752之间。延迟器725设置在反射偏振器730和部分反射器720之间。反射偏振器730可为光学膜反射偏振器，如本文其他地方进一步所述。
在一些实施方案中，如本文其他地方进一步所述，反射偏振器630或730包括多个聚合物层，其中每个聚合物层具有小于约500nm的平均厚度。在一些实施方案中，对于在至少从约450nm延伸到约600nm的预先确定的波长范围内的基本上垂直入射光：部分反射器620或720具有至少30％的平均光学反射率，并且多个聚合物层对于第一偏振态具有平均光学反射率Rs，50％≤Rs≤95％，并且对于正交的第二偏振态具有平均光学透射率Tp≥80％。在一些实施方案中，Tp≥80％，Rp≤1％，并且50％≤Rs≤95％。在一些实施方案中，Tp≥85％或Tp≥90％。在一些实施方案中，Rp≤0.8％，或Rp≤0.6％，或Rp≤0.4％，或Rp≤0.25％，或Rp≤0.2％。在一些实施方案中，80％≤Rs≤95％或85％≤Rs≤95％。在一些实施方案中，对于在预先确定的波长范围内的基本上垂直入射光，多个聚合物层对于第一偏振态具有小于约10％或小于约5％的平均光学透射率T。在一些实施方案中，如本文其他地方进一步所述，对于具有至少10度的全锥角的入射光锥，该入射光锥从空间频率小于约1线对每毫米的对象入射到光学系统600或700上，并且作为出射光锥通过出射表面652或752离开光学系统600或700，当出射光锥在出射表面652或752附近成像时，该图像具有多个交替的亮区域和暗区域。在一些实施方案中，Ib/Id≥50，其中Ib是亮区域的中心50％区域的平均亮度，并且Id是暗区域的中心50％区域的平均亮度。在一些实施方案中，Ib/Id≥55，Ib/Id≥60，或Ib/Id≥65，Ib/Id≥70，或Ib/Id≥72，或Ib/Id≥75，或Ib/Id≥76，或Ib/Id≥78。在一些实施方案中，亮区域的每个中心50％区域为亮区域的内部区域，该内部区域的面积为亮区域的面积的约50％，并且暗区域的每个中心50％区域为暗区域的内部区域，该内部区域的面积为暗区域的面积的约50％。
在例示的实施方案中，光学系统700包括一体化光学叠堆790。一体化光学叠堆依次包括反射偏振器730、一个或多个光学透镜710中的第一光学透镜711、第一光学透明的粘合剂层755、延迟器725和部分反射器720。在一些实施方案中，一体化光学叠堆790还依次包括第二光学透明的粘合剂层757、第二延迟器735、第三光学透明的粘合剂层759、光学吸收偏振器761以及第三延迟器763，该第二光学透明的粘合剂层与延迟器725相背对地设置在部分反射器720上，该光学吸收偏振器对于预先确定的波长范围内的第一偏振态可具有大于约50％的平均光学吸收率。在一些实施方案中，一体化光学叠堆790还包括在光学吸收偏振器761和第三延迟器763之间的第四光学透明的粘合剂层779。在一些实施方案中，对于一体化光学叠堆790中的至少一对相邻层，折射率匹配层设置在该对相邻层之间。例如，在例示的实施方案中，折射率匹配层724设置在第一光学透明的粘合剂层755和延迟器725之间，折射率匹配层727设置在第二光学透明的粘合剂层757和延迟器735之间，折射率匹配层729设置在延迟器735和第三光学透明的粘合剂层759之间，并且折射率匹配层769设置在第四光学透明的粘合剂层779和第三延迟器763之间。在一些实施方案中，一体化光学叠堆具有最外第一主表面797和第二主表面798，并且最外第一主表面797和第二主表面798中的每一者分别具有防反射涂层795和796。可包括延迟器763，使得当离开光学系统700时以及当重新进入光学系统时，(例如，从观察者的眼睛的)反射在穿过延迟器763之后基本上旋转到光学吸收偏振器761的阻光态。
光学系统700包括显示面板705，该显示面板具有面向一个或多个光学透镜710的最外主表面762。在一些实施方案中，显示面板705的最外主表面762包括防反射涂层749。在一些实施方案中，显示面板705包括延迟器785或光学吸收偏振器791中的至少一者，并且显示面板705的防反射涂层749设置在延迟器785或光学吸收偏振器791上。在例示的实施方案中，显示面板705依次包括第一显示面板704、第一光学透明的粘合剂层775、折射率匹配层774、延迟器785、折射率匹配层747、第二光学透明的粘合剂层778、光学吸收偏振器791和在最外主表面762处的防反射涂层749。可以包括光学吸收偏振器791，使得来自显示面板705的光以反射偏振器730的透光偏振态入射到反射偏振器730上。
任何合适的折射率匹配层或防反射涂层可用于任何光学系统中。两个相邻层或组件之间的折射率匹配层通常具有介于两个相邻层或组件的折射率之间的至少一个折射率。在一些实施方案中，折射率匹配层包括两个或更多个子层，以相比于使用单个层提供更渐进的折射率偏移。防反射涂层可为单个层(例如，纳米结构化的防反射层)或可包括两个或更多个子层。例如，可以使用不同折射率的交替层，其厚度被选择为导致相消干涉。折射率匹配层和/或防反射涂层可包括一个或多个无机层，诸如氧化铝、二氧化钛、二氧化硅、MgF2的层。
任何合适的光学透明的粘合剂均可用于光学透明的粘合剂层。光学透明的粘合剂是在预先确定的波长范围内具有合适的高透射率(例如，对于预先确定的波长范围内基本上垂直入射的、基本上非偏振光，透射率为至少80％，或至少85％，或至少90％)和合适的低雾度(例如，由ASTM D1003-13测试标准确定的小于20％、或小于10％、或小于5％的雾度)的粘合剂。
图8是光学膜或光学膜中包括的多个聚合物层(例如，主要通过光学干涉反射和透射光的多个干涉层和/或交替的第一聚合物层和第二聚合物层)对于基本上垂直入射光的正交的第一偏振态和第二偏振态的透射率的示意曲线图。在从λ1至λ2的预先确定的波长范围内的波长上的透射率的平均值在第一偏振态下为Ts，并且在第二偏振态下为Tp。在一些实施方案中，λ1在约400nm至约450nm的范围内，并且λ2在约600nm至约700nm的范围内，或者在约650nm至约700nm的范围内。
图9是光学膜或光学膜中包括的多个聚合物层(例如，主要通过光学干涉反射和透射光的多个干涉层和/或交替的第一聚合物层和第二聚合物层)对于基本上垂直入射光的正交的第一偏振态和第二偏振态的反射率的示意曲线图。在从λ1至λ2的预先确定的波长范围内的波长上的反射率的平均值在第一偏振态下为Rs，并且在第二偏振态下为Rp。
图8至图9中所示的透射率和/或反射率可以针对光学膜上的某个位置，并且膜上的每个位置可以具有对应的透射率和反射率，该透射率和反射率可以由于例如成形(例如，热成形)工艺而在不同位置之间有所不同。例如，每个位置可以具有通常如图9所示的对应反射带，但是带边缘波长λ0和/或λ3可以随着位置有所变化。如果光学膜上的至少一个位置具有在指定范围内的平均透射率和/或反射率，则该光学膜可被说成具有在指定范围内的平均透射率和/或反射率。在一些实施方案中，光学膜的至少大部分区中的每个位置或光学膜的全部或基本上全部区中的每个位置可具有指定的平均透射率和/或反射率。
在图8至图9中示出长波长带边缘λ3，并且在图9中指示短波长带边缘λ0。反射带通常具有长波长带边缘和短波长带边缘两者，其中反射率快速下降。在例示的实施方案中，短波长带边缘λ0小于λ1，并且长波长带边缘λ3大于λ2。确定基本上垂直入射光的带边缘。可使用若干不同的标准来限定带边缘的精确波长。可将带边缘的波长视为例如其中具有第一偏振态的垂直入射光的反射率下降到1/2Rs的波长，或其中具有第一偏振态的垂直入射光的透射率增加到10％的波长。
用于多层光学膜制备的材料通常为聚合物材料，该材料至少在可见和几乎可见波长以及对膜内的典型光路距离吸收率非常低。因此，多层膜对给定光线的反射百分比R和透射百分比T通常基本互补，即，R+T≈100％，通常精确性在约1％内。
光学膜的透射率一般是指透射光强度除以入射光强度(对于给定波长、入射方向等的光而言)，但可用术语“外部透射率”或“内部透射率”来表示。光学膜的外部透射率为光学膜当浸没在空气中时的透射率，并且无需对元件前方的空气/元件界面处的菲涅尔反射、或者元件后方的元件/空气界面处的菲涅耳反射进行任何修正。光学膜的内部透射率为当该光学膜的前表面和后表面处的菲涅耳反射已被去除时的膜的透射率。前菲涅尔反射和后菲涅尔反射的去除可通过计算(例如，通过从外部透射/反射光谱中减去适当的函数，该外部透射/反射光谱可由菲涅尔方程和光学膜的最外层的测量折射率确定)完成，或通过实验(例如，可根据在光学膜的前侧设置或不设置与光学膜适当地对准的吸收偏振器的情况下光学膜的反射率和透射率的测量结果、在光学膜的前侧和后侧设置或不设置与光学膜适当地对准的吸收偏振器的情况下光学膜的反射率和透射率的测量结果、以及吸收偏振器的反射率和透射率的测量结果推断出内部透射率和内部反射率)完成。对于许多类型的聚合物和玻璃材料，在两个外表面中的每个外表面处，菲涅耳反射为约4％至6％(对于垂直入射角或近垂直入射角)，这导致外部透射率相对于内部透射率下移约10％。
因此，光学膜的内部透射率是指仅得自膜组件的内部、而非其两个外表面的透射率。类似于内部透射率的是“内部反射率”。膜的内部反射率是指仅得自膜组件的内部、而非其两个最外表面的反射率。光学膜的透射率或反射率也可针对浸入一些介质(例如玻璃)中的膜来确定。例如，如果玻璃的折射率接近于光学膜的外层的折射率并且使用折射率匹配的粘合剂将光学膜粘结到光学膜的每一侧上的玻璃(例如，玻璃棱镜)，则浸入玻璃中的光学膜的垂直入射透射率和反射率将分别大约等于垂直入射内部透射率和反射率。如果本文提及透射率或反射率没有指明是内部或外部，则除非上下文另有说明，应假设透射率或反射率分别指内部透射率或内部反射率。
内部反射和透射特性可以易于从光学模型或实验室测量中确定。就建模膜的反射率和透射率的计算值而言，通过省略计算来自所计算值的那些表面反射率易于实现内部反射率和透射率。反射光谱及其所有特征，诸如任何角度下的反射率以及用于双折射多层膜的带边缘，均可使用《物理评论快报》(Phys.Rev.Lett.)(1970年，第25期，第577页)中Berreman和Scheffer的4x4叠堆代码来计算。在由Azzam和Bashara编写、荷兰艾斯维尔科学出版社(Elsevier Science,Holland)出版的著作“Ellipsometry and Polarized Light”(椭圆光度法和偏振光)中对该方法进行了说明。
就反射率或透射率的测量值而言，可通过以下方法确定内部反射和透射特性：在空气中对膜进行测量，并减去仅表示表面反射率的计算值或测量值。例如，给定具有比干涉层厚得多的平滑透光表面层的多层膜，该表面层的折射率可以测量。一旦表面层的折射率已知，就可通过使用本领域所熟知的数学公式从测量的总反射率中减去表面反射率。
图10A是光学膜3100的示意性透视图，该光学膜可为反射偏振器并且可用于本文其他地方所述的光学系统中的任一种中。图10B是光学膜3100的区段的示意性透视图。光学膜3100包括多个具有总共(N)个干涉层的聚合物干涉层3102。图10B示出了交替的较高折射率(A层)和较低折射率(B层)聚合物层3102a和3102b。较高折射率层在至少一个方向上的折射率大于较低折射率层在相同方向上的折射率。较低折射率层3102b可被称为第一层，并且较高折射率层3102a可被称为第二层。在一些实施方案中，对于在至少从约450nm延伸到约600nm的预先确定的波长范围内的基本上垂直入射光，第二聚合物层的最大折射率大于第一聚合物层的最大折射率，并且第二聚合物层的最大折射率与第一聚合物层的最小折射率之间的差值小于约0.3、或小于约0.28、或在约0.2至约0.3的范围内、或在约0.22至约0.28的范围内、或为约0.25。由于涉及基本上垂直入射光，因此最大折射率和最小折射率基本上是面内折射率。
在一些实施方案中，多个交替的第一聚合物层3102b和第二聚合物层3102a包括少于约900层、或少于约500层、或少于约300层、或包括在约200至约300层范围内的总层数(N)。在一些实施方案中，光学膜3100具有小于约500微米的平均厚度t。平均厚度是指光学膜的整个区域上的厚度平均值。在一些实施方案中，厚度是基本上均匀的，使得光学膜的厚度基本上等于平均厚度t。在一些实施方案中，光学膜成形为弯曲形状并且具有由成形工艺产生的厚度变化。在一些实施方案中，每个聚合物层3102具有小于约500nm的平均厚度。
在使用期间，由入射光3110描绘的入射在光学膜3100的主表面(例如，膜表面3104)上的光可进入光学膜3100的第一层并且传播通过多个干涉层3102，经历通过取决于入射光3110的偏振态的光学干涉来选择反射或透射。入射光3110可包括彼此相互正交的第一偏振态(b)和第二偏振态(a)。在一些实施方案中，光学膜3100是偏振器，并且第二偏振态(a)可被视为“透光”态，而第二偏振态(b)可被视为“阻光”态。在一些实施方案中，光学膜3100是沿着拉伸轴3120定向而不沿着正交轴3122定向的偏振器。在此类实施方案中，沿着轴线3122具有电场的垂直入射光的偏振态是第二偏振态(a)，并且沿着轴线3120具有电场的垂直入射光的偏振态是第一偏振态(b)。在一些实施方案中，当入射光3110传播通过多个干涉层3102时，处于第一偏振态(b)的光的部分被相邻干涉层反射，从而导致第一偏振态(b)被光学膜3100反射，而处于第二偏振态(a)的光的一部分全部通过光学膜3100。
当干涉层的反射率和透射率可以通过光学干涉合理地描述或由光学干涉而合理地精确地建模时，干涉层可以被描述为主要通过光学干涉来反射和透射光。当一对具有不同折射率的相邻干涉层的组合光学厚度(沿着阻光轴的折射率乘以物理厚度)为光波长的1/2时，它们通过光学干涉来反射光。在一些实施方案中，光学重复单元中相邻干涉层对的光学厚度大约相等。干涉层通常具有小于约500nm或小于约200纳米的物理厚度。在一些实施方案中，每个聚合物干涉层具有在约45纳米至约200纳米的范围内的平均厚度(该层上的物理厚度的未加权平均数)。非干涉层具有过大的光学厚度以有助于通过干涉反射可见光。非干涉层通常具有至少1微米或至少5微米的物理厚度。干涉层3102可以是主要通过预先确定的波长范围内的光学干涉来反射和透射光的多个聚合物干涉层。包括干涉层和非干涉层的光学膜的平均厚度可小于约500微米。
用于交替聚合物层的合适材料包括例如聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、包含PEN和聚酯(例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或二苯甲酸)的共聚物、乙二醇改性的聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯(PC)或这些类别材料的共混物。
制备包括交替的聚合物干涉层的光学膜的方法是本领域已知的，并且在例如美国专利5882774(Jonza等人)、6179948(Merrill等人)、6783349(Neavin等人)和9162406(Neavin等人)中有所描述。简而言之，制造方法可包括：(a)提供至少第一树脂流和第二树脂流，该至少第一树脂流和第二树脂流与待用于成品膜中的第一聚合物和第二聚合物对应；(b)使用合适的送料区块将第一树脂流和第二树脂流分成多个层；(c)使复合材料流穿过挤出模具以形成多层辐材，其中每个层通常平行于相邻层的主表面；以及(d)将多层辐材浇注到冷却辊(有时称为浇注轮或浇注鼓)上，以形成浇注的多层膜。该浇注膜可具有与成品膜相同数量的层，但是浇注膜的层通常比成品膜的那些厚很多。此外，浇注膜的层通常全部为各向同性的。在冷却辊上冷却多层辐材后，可将其拉延或拉伸，以制备成品或接近成品的多层光学膜。拉延或拉伸实现两个目标：其使层薄化到其所需的最终厚度；其使层取向，使得层中的至少一些变成双折射的层。取向或拉伸可沿横维方向(例如，经由拉幅机)、沿纵维方向(例如，经由长度取向机)或它们的任何组合(无论同时还是依次进行)来实现。
在一些实施方案中，反射偏振器包括多个交替的第一聚合物层和第二聚合物层，其中每个第二聚合物层在一个或多个位置(例如，在反射偏振器是基本上平坦的情况下的所有位置，以及在从弯曲反射偏振器的顶点沿着大致沿反射偏振器的阻光轴的弧的位置)处基本上单轴取向(例如，沿着图10B中描绘的轴线3120)。基本上单轴取向的层在一个面内(例如，长度)方向和厚度方向上的折射率基本上相同(例如，在0.02或0.01内)，但是与正交面内(例如，宽度)方向上的折射率显著不同(例如，至少0.05的差异)。在一些实施方案中，在热成形之前，多层光学膜是基本上单轴牵拉的膜，并且具有至少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。这种基本上单轴取向的多层光学膜在美国专利申请号2010/0254002(Merrill等人)中有所描述，并且可以通过使用抛物线拉幅机定向多层膜获得。如美国专利号9557568(Ouderkirk等人)中所述，基本上单轴取向的反射偏振膜在折叠光学系统中提供改善的性能。在一些实施方案中，多个交替的第一聚合物层和第二聚合物层的第二层在透光方向和厚度方向上的折射率差值小于约0.008(例如，差值大于约0.002并且小于约0.008)。
在一些实施方案中，多个交替的第一聚合物层和第二聚合物层对于第一偏振态具有平均光学反射率Rs，并且对于第二偏振态具有平均光学透射率Tp和平均光学反射率Rp，其中Tp≥80％；Rp≤1％，或Rp≤0.8％，或Rp≤0.6％，或Rp≤0.4％，或Rp≤0.25％；并且80％≤Rs≤95％。通过紧密匹配第一层和第二层在透光方向上的折射率(例如，差值小于约0.006或小于约0.005)以及/或者通过限制交替的第一聚合物层和第二聚合物层的数量(例如，在一些实施方案中，交替的第一聚合物层和第二聚合物层的数量在200和500之间，并且在一些实施方案中，多个交替的第一聚合物层和第二聚合物层包括少于约300层)，可以使透光态(第二偏振态)的反射率理想地较低。当通过利用第一层和第二层在阻光方向上的显著不同的折射率(例如，大于约0.2或大于约0.22的差值)来包括有限数量的层时，阻光方向上的反射率(第一偏振态)可以理想地较高(例如，80％≤Rs≤95％)。
通过适当选择材料以及通过适当选择拉伸比MDDR和TDDR，第一层和第二层在透光方向上的折射率可紧密匹配。在一些情况下，对于给定的TDDR，MDDR被降低到低于在膜工艺中通常使用的值，以便产生较低的Rp。利用这种低MDDR可在工艺期间引起光学膜中的翘曲，但是产生没有翘曲且足够大以用于本说明书的光学系统中的光学膜的区域。例如，85重量％的聚碳酸酯与15重量％的PETG(乙二醇改性的聚对苯二甲酸乙二醇酯)共混的各向同性的第一层的折射率n1x、n1y和n1z在约550nm的波长处各自为约1.5792，并且在633nm的波长处各自为约1.5705；并且以TDDR为约6、MDDR为约0.43的拉伸比取向的90/10coPEN(由90％聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和10％聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)构成的聚合物)的取向第二层的折射率n2x、n2y和n2z在约550nm的波长处分别为约1.8372、1.5755和1.5690，并且在约633nm的波长处分别为约1.8120、1.5652和1.5587。这提供了第一层和第二层在透光方向上的折射率之间的适当紧密匹配。
在一些实施方案中，反射偏振器包括多个交替的第一聚合物层和第二聚合物层，其中每个第二聚合物层在一个或多个位置处基本上单轴取向。在一些实施方案中，反射偏振器包括至少一个层，至少一个层在至少一个层上远离穿过反射偏振器顶点的光轴的至少一个位置处基本上是光学单轴的。在一些实施方案中，在至少一个位置处的至少一个层在厚度方向上具有第一折射率，在正交于厚度方向的第二方向上具有第二折射率，以及在正交于厚度方向并且正交于第二方向的第三方向上具有第三折射率，其中第一折射率和第二折射率的差值的绝对值小于0.02、或小于0.01、或小于0.008；并且第二折射率和第三折射率的差值的绝对值大于0.05、或大于0.1、或大于0.15、或大于0.2。
第一聚合物层和第二聚合物层的折射率可以用沿着由基本上垂直入射光的正交偏振态限定的方向的折射率分量来表示，以及/或者可以用沿着光学膜的平面内的正交的第一轴线和第二轴线的折射率分量来表示。在一些实施方案中，对于每对相邻的第一聚合物层和第二聚合物层：第一层3102b具有沿第一偏振态(例如，沿轴线3120或沿x轴偏振)的折射率n1x、沿第二偏振态(例如，沿轴线3123或沿y轴偏振)的折射率n1y、以及沿正交于第一偏振态和第二偏振态的z轴的折射率n1z；并且第二层3102a具有沿第一偏振态的折射率n2x、沿第二偏振态的折射率n2y、以及沿z轴的折射率n2z。在一些实施方案中，对于每对相邻的第一聚合物层和第二聚合物层：第一层3102b具有沿光学膜的平面中的第一轴线(例如，轴线3120或x轴)的折射率n1x、沿光学膜的平面中的正交的第二轴线(例如，轴线3123或y轴)的折射率n1y、以及沿正交于第一轴线和第二轴线的z轴的折射率n1z；并且第二层3102a具有沿第一轴线的折射率n2x、沿第二轴线的折射率n2y和沿z轴的折射率n2z。光学膜的平面通常指与光学膜相切的平面。如果光学膜设置在平面内，则该平面为光学膜的平面。如果光学膜是弯曲的(例如，设置在透镜的弯曲表面上并适形于透镜的弯曲表面)，则光学膜的平面是在指定折射率的位置处的正切平面。例如，基本上垂直入射的光可以沿第一轴线以第一偏振态偏振(即第一偏振态可以是具有沿第一轴线的电场的线性偏振态)，或者沿第二轴线以第二偏振态偏振(即第二偏振态可以是具有沿第二轴线的电场的线性偏振态)，并且光学膜可以具有在本文其他地方描述的任何范围内的第一偏振态和第二偏振态的反射率和透射率。
在一些实施方案中，对于至少从约450nm延伸到约600nm的预先确定的波长范围内的至少一个波长，n1x、n1y和n1z之间的最大差值小于约0.002；并且n2x和n1x之间的差值大于约0.2。在一些实施方案中，对于预先确定的波长范围内的至少一个波长，n2y和n2z之间的差值大于约0.002并且小于约0.008。在一些实施方案中，对于预先确定的波长范围内的至少一个波长，n1y和n2y之间的差值的绝对值小于约0.006，或小于约0.005。在一些实施方案中，对于预先确定的波长范围内的至少一个波长，n2x和n1x之间的差值在约0.22至约0.28的范围内。折射率可通过适当选择用于第一层和第二层的聚合物来调整，或者通过层的适当取向度来调整(例如，增大拉伸比可增加取向(较高折射率)层中的拉伸方向上的折射率)。折射率可针对例如预先确定的波长范围内的至少一个波长来指定，以及/或者可在固定的参考波长(例如，532nm或550nm或633nm)处指定。例如，在一些实施方案中，在约550nm的波长处，n1x、n1y和n1z各自为约1.5792，并且n2x、n2y和n2z分别为约1.8372、1.5755和1.5690。在一些实施方案中，在约633nm的波长处，n1x、n1y和n1z各自为约1.5705，并且n2x、n2y和n2z分别为约1.8120、1.5652和1.5587。在一些实施方案中，光学膜在光学膜上的至少一个位置处具有在任何这些范围内的折射率。在一些实施方案中，光学膜在光学膜的总面积的至少80％、或至少90％、或基本上全部上具有在任何这些范围内的折射率。
在一些实施方案中，光学系统包括设置在部分反射器和反射偏振器之间的延迟器。在一些实施方案中，设置在部分反射器和反射偏振器之间的延迟器在预先确定的波长范围内的一个或多个波长处具有四分之一波长延迟量。在一些实施方案中，光学系统包括多个延迟器(例如，图6或图7中描绘的多个延迟器)。在一些实施方案中，每个延迟器在预先确定的波长范围内的一个或多个波长处具有四分之一波长延迟量。
用于本说明书的光学系统中的延迟层可为膜或涂层或膜和涂层的组合。合适的膜包括双折射聚合物膜延迟器，诸如例如购自科罗拉多州弗雷德里克的百灵光学公司(Meadowlark Optics，Frederick，CO)的那些。用于形成延迟层的合适涂层包括在美国专利申请公开号2002/0180916(Schadt等人)、2003/028048(Cherkaoui等人)、2005/0072959(Moia等人)和2006/0197068(Schadt等人)以及美国专利号6300991(Schadt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有限公司(ROLIC Technologies，Allschwil，Switzerland)。
图11A为延迟器的延迟量(例如，以nm为单位)与波长的关系的示意图。延迟量与波长的关系是波长色散曲线1600a。例如，色散曲线1600a类似于可购自德国达姆施塔特的默克公司(Merck,Darmstadt,Germany)的消色差延迟器的色散曲线。还示出了理想消色差四分之一波长延迟器的色散曲线1607。例如，具有色散曲线1600a的延迟器可以是波长λa处和λb处的四分之一波长延迟器，并且可以在预先确定的波长范围(例如，从λ1到λ2)内的波长范围内基本上是四分之一波长(例如，四分之一波长的5％内的延迟量)。图11B是不同延迟层的波长色散曲线1600b的示意图。色散曲线1600b类似于常规延迟器(诸如取向聚合物层的延迟器)的色散曲线。色散曲线1600b随着预先确定的波长范围内的波长增加而单调变化。例如，具有色散曲线1600b的延迟层可以是波长λ3处的基本上四分之一波长延迟器。
本说明书的任何光学系统或显示系统可以用于装置诸如头戴式耳机(例如，用于头戴式显示器或虚拟或增强现实显示器的头戴式耳机)中。头戴式耳机可包括可移除的一个或多个显示面板(例如，头戴式耳机可适于接纳具有显示面板的电话)。图19是头戴式耳机1790的示意性俯视图，该头戴式耳机包括框架1792以及左显示部分1794a和右显示部分1794b，该左显示部分和右显示部分可以包括相应的左光学系统和右光学系统，其中左光学系统和右光学系统中的每一者是根据本说明书的光学系统。示出了任选的可移除显示面板1785。在其他实施方案中，左显示面板和右显示面板或者显示面板的左部分和右部分包括在左显示部分1794a和右显示部分1794b中。
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”应用于表达特征大小、数量和物理性质的量的使用不清楚，则“约”将被理解为意指与指定量相差10％以内，但还包括精确的指定量。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，并且还包括精确地为1的值。
实施例
实施例1
如下制备反射偏振器。共挤出单个多层光分组。分组包括275个90/10coPEN和低折射率各向同性层的交替层。90/10coPEN是由90％聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和10％聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)构成的聚合物。各向同性层由聚碳酸酯和共聚酯(PC:coPET)的共混物制成，如WO2015035030中所述，使得折射率为约1.57，并且层在单轴取向时保持基本上各向同性。PC:coPET摩尔比为大约42.5摩尔％PC和57.5摩尔％coPET。各向同性层具有105摄氏度的Tg。选择此各向同性材料，使得在拉伸之后，其在两个非拉伸方向上的折射率与在非拉伸方向上的双折射材料的折射率保持基本匹配，而在拉伸方向上，双折射层和非双折射层之间的折射率存在显著失配。将90/10PEN和PC:coPET聚合物分别从单独的挤出机中以90/10coPEN和PC:coPET的44％和56％的总流量的比率进料到多层共挤出进料区块。材料被组装成275个交替光学层的分组，加上每一侧各有一个较厚的保护性边界层，即一侧上的90/10PEN和另一侧上的PC:coPET，总共277个层。然后，以用于聚酯膜的传统方式将多层熔体通过膜模头浇铸到冷却辊上，在该冷却辊上对其进行淬火。然后，在类似于以下文献中所述的抛物线拉幅机中拉伸浇铸料片：由Denker等人编著的名称为“用于改善的液晶显示器性能的高级偏振膜(Advanced Polarizer Film for Improved Performance of LiquidCrystal Displays)”的特邀报告45.1，该报告于2006年6月4日至9日发表于加利福尼亚旧金山的信息显示协会(SID)国际会议。抛物线拉幅机中的横向拉伸比(TDDR)为约6.0，并且纵向拉伸比(MDDR)为约0.43。
使用可购自马萨诸塞州沃尔瑟姆的珀金埃尔默公司(PerkinElmer,Waltham,MA)的具有偏振器选项的LAMBDA 1050UV/Vis分光光度计测量垂直入射下空气中的反射率和透射率(外部反射率和透射率)。CIE发光体C用于光源。图13至图14示出了实施例1的反射偏振器和可购自明尼苏达州圣保罗的3M公司的高级偏振膜(Advanced Polarizing Film，APF)样品在空气中的所得透射率和反射率。接下来，利用Metricon 2010/M棱镜耦合器在404nm、532nm和633nm的波长处测量反射偏振器的最外层的折射率。下表列出了实施例1的反射偏振器和APF样品的最外层(反射偏振器的每个最外层使用相同的聚合物材料，因此假设每个最外层中的折射率相同)在对应于透光轴的纵向(MD)、对应于阻光轴的横向(TD)和厚度(Z)方向上的测量折射率。
Figure BDA0002891585860000281
根据测量的折射率，使用可购自亚利桑那州图森的薄膜中心公司(Thin FilmCenter Inc,Tucson,AZ)的Macleod光学建模软件确定这些表面中每个表面的明视上平均的反射率为约5.03％。然后通过同时求解描述外部反射率和透射率的方程，根据内部反射率和透射率以及根据来自前表面和后表面的重复菲涅耳反射来确定内部反射率和内部透射率。这一系列重复反射包括来自反射偏振器的至多5次反射。实施例1的反射偏振器的明视上平均的结果为Rs ph＝92.4％、Rp ph＝0.15％、Ts ph＝7.8％和Tp ph＝99.7％。所有明视平均基于CIE 1931 2°标准观察者进行。相比之下，应用于APF的样品的测量方法的结果为Rs ph＝98.8％、Rp ph＝1.2％、Ts ph＝1.2％、以及Tp ph＝98.4％。
构造类似于光学系统600的光学系统，其中实施例1的反射偏振器的样品用作反射偏振器630。光学系统利用可购自纽约州拉什的精密光学成像(Precision OpticalImaging,Rush,NY)的玻璃上的棋盘图案代替显示面板604。光学系统中使用的光学透明的粘合剂层中的每个粘合剂层是可购自明尼苏达州圣保罗的3M公司(的光学透明的粘合剂8172的层。延迟器685、625和663各自是可购自日本帝人株式会社(Teijin Co.,Japan)的Teijin FM143四分之一波长延迟器。对于延迟器685和625，在延迟器的每个主表面上包括基本上由直接设置在延迟器上的SiO2层和设置在SiO2层上的Al2O3层组成的折射率匹配层。将防反射层629替换为类似的折射率匹配层，并且将吸收偏振器661层合至该折射率匹配层，并且将延迟器663通过另一个光学透明的粘合剂层层合至吸收偏振器661。将如上所述的折射率匹配层邻近该光学透明的粘合剂层设置在延迟器663上。将防反射涂层面向出射表面652设置在延迟器663上。该防反射涂层和防反射涂层649基本上由TiO2和MgF2的交替层组成，总共6层。吸收偏振器691是可购自宾夕法尼亚州雷丁的API美国偏振器公司(APIAmerican Polarizers,Inc.,Reading,PA)的AP38偏振器。吸收偏振器661是可购自日本三立株式会社(Sanritz Co.,Japan)的AP Sanritz HLC2-5618。部分反射器620是半镀银反射镜。透镜610是可购自新泽西州巴灵顿市的爱特蒙特光学(Edmund Optics,Barrington,NJ)的平凸玻璃透镜。
通过使用白光发光二极管(LED)光源向具有棋盘图案的玻璃提供光，从而显示在约19mm孔口内被布置成亮正方形和暗正方形的棋盘图案的14x14正方形阵列。由所显示的图案形成图像，并且分析靠近图像中心的4个正方形x4个正方形的正方形区域(包括2个亮正方形和2个暗正方形的4个正方形)。用彩色相机测量亮正方形和暗正方形中的强度，该彩色相机记录红色通道、绿色通道和蓝色通道中的每个通道中的与强度成比例的计数数量。将透镜和漫射体放置在LED和具有棋盘图案的玻璃之间，以提供约30度的全锥角。掩模被限定为从亮区域和暗区域(正方形)中排除过渡区域。这限定每个亮区域和暗区域的中心区域。当中心区域的面积在对应亮区域或暗区域的面积的约30％至约70％的范围内时，中心区域的面积是变化的并且发现对所得的Ib/Id比率具有最小的影响。使用8ms、12ms、16ms和24ms的相机曝光，并且在相机镜头盖就位的情况下重复测量以应用黑暗像元法(darksubtract)，以便提供正确的基线。对不同曝光的结果进行积分以形成高动态范围图像。确定亮区域的中心区域中的平均(平均值)亮度Ib，并且确定红色通道、绿色通道和蓝色通道中的每个通道的暗区域的中心区域中的平均(平均值)亮度Id。制备另一个光学系统，其等同于所测试的光学系统，不同的是反射偏振器被替换为APF。如上所述确定该光学系统的比率Ib/Id。结果提供于下表中。
Figure BDA0002891585860000291
Figure BDA0002891585860000301
实施例2
对类似于实施例1的反射偏振器的反射偏振器进行建模。使用Berreman算法的4x4矩阵方法用于确定从反射偏振器中的层界面产生的相长干涉和相消干涉的光谱。反射偏振器被建模为具有275个交替的双折射层和各向同性层，其中双折射层和各向同性层的厚度和折射率基于实施例1的反射偏振器的双折射层和各向同性层的特性来建模。各向同性层在每个方向上的折射率在550nm的波长处取为1.5792，在633nm的波长处取为1.5705，并且在大于633nm的波长与小于500nm的波长之间平滑变化。双折射层在阻光方向上的折射率在550nm处取为1.8372，在633nm处取为1.8120，在可见光谱上类似地变化。双折射层在透光方向上的折射率在550nm处取为1.5755，并且在633nm处取为1.5652。双折射层在厚度方向上的折射率在550nm处取为1.5690，并且在633nm处取为1.5587。如上文所述，两者均被视为在整个可见光谱上平滑变化。通过原子力显微镜测量获得反射偏振器的光学叠堆厚度。通过将整个叠堆嵌入材料的1/2空间中来计算垂直入射在反射偏振器光学叠堆上的光的透光态和阻光态的内反射率，材料的折射率与反射偏振器叠堆上的外层的折射率匹配。在450nm至650nm的波长上平均的结果为Rs＝89.0％并且Rp＝0.198％。
上述所有引用的参考文献、专利和专利申请以一致的方式全文据此以引用方式并入本文。在并入的参考文献部分与本申请之间存在不一致或矛盾的情况下，应以前述说明中的信息为准。
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的元件。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 (15)

1.一种光学系统，所述光学系统包括：
一个或多个光学透镜，所述一个或多个光学透镜具有至少一个弯曲主表面；
部分反射器；和
反射偏振器，使得对于在至少从约450nm延伸到约600nm的预先确定的波长范围内的基本上垂直入射光：
所述部分反射器具有至少30％的平均光学反射率；并且
所述反射偏振器对于第一偏振态具有平均光学反射率Rs，对于正交的第二偏振态具有平均光学透射率Tp，并且对于所述第二偏振态具有平均光学反射率Rp，Tp≥80％，Rp≤1％，并且50％≤Rs≤95％。
2.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多个干涉层，所述多个干涉层主要通过光学干涉来反射和透射光，使得对于所述预先确定的波长范围内的基本上垂直入射光，所述多个干涉层对于所述第一偏振态具有在50％至95％范围内的平均光学反射率，对于所述第二偏振态具有至少80％的平均光学透射率，并且对于所述第二偏振态具有不超过1％的平均光学反射率。
3.根据权利要求1或2所述的光学系统，其中对于所述预先确定的波长范围内的基本上垂直入射光，所述反射偏振器具有小于约10％的平均光学透射率Ts。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学系统，所述光学系统被配置为向定位在所述光学系统的出射表面附近的观察者显示图像，其中对于具有至少10度的全锥角的入射光锥，所述入射光锥从空间频率小于约1线对每毫米的对象入射到所述光学系统上并且作为出射光锥通过所述出射表面离开所述光学系统，当所述出射光锥在所述出射表面附近成像时，所述图像具有多个交替的亮区域和暗区域，Ib为所述亮区域的中心90％的平均亮度，Id为所述暗区域的中心90％的平均亮度，Ib/Id≥50。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学系统，其中所述反射偏振器包括多个交替的第一聚合物层和第二聚合物层，每个聚合物层具有小于约500nm的平均厚度，使得对于在至少从约450nm延伸到约600nm的预先确定的波长范围内的基本上垂直入射光：所述第二聚合物层的最大折射率大于所述第一聚合物层的最大折射率，并且所述第二聚合物层的最大折射率与所述第一聚合物层的最小折射率之间的差值小于约0.3。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的光学系统，其中所述反射偏振器包括多个交替的第一聚合物层和第二聚合物层，第一聚合物层和第二聚合物层每个具有小于约500nm的平均厚度，对于每对相邻的第一聚合物层和第二聚合物层：
所述第一聚合物层具有沿所述第一偏振态的折射率n1x、沿所述第二偏振态的折射率n1y、以及沿正交于所述第一偏振态和所述第二偏振态的z轴的折射率n1z；并且
所述第二聚合物层具有沿所述第一偏振态的折射率n2x、沿所述第二偏振态的折射率n2y、以及沿所述z轴的折射率n2z，使得对于至少从约450nm延伸到约600nm的预先确定的波长范围内的至少一个波长：
n1x、n1y和n1z之间的最大差值小于约0.002；并且
n2x和n1x之间的差值大于约0.2。
7.一种光学系统，所述光学系统包括：
一个或多个光学透镜；
部分反射器，所述部分反射器设置在所述一个或多个光学透镜的弯曲主表面上并适形于所述弯曲主表面；
反射偏振器，所述反射偏振器设置在所述一个或多个光学透镜的主表面上并适形于所述主表面，并且包括多个聚合物层，每个聚合物层具有小于约500nm的平均厚度，使得对于在至少从约450nm延伸到约600nm的预先确定的波长范围内的基本上垂直入射光：
所述部分反射器具有至少30％的平均光学反射率；并且
所述多个聚合物层对于第一偏振态具有平均光学反射率Rs，50％≤Rs≤95％，并且对于正交的第二偏振态具有平均光学透射率Tp≥80％；和
出射表面，所述光学系统被配置为向定位在所述出射表面附近的观察者显示图像；
使得对于具有至少10度的全锥角的入射光锥，所述入射光锥从空间频率小于约1线对每毫米的对象入射到所述光学系统上并且作为出射光锥通过所述出射表面离开所述光学系统，当所述出射光锥在所述出射表面附近成像时，所述图像具有多个交替的亮区域和暗区域，Ib为所述亮区域的中心50％区域的平均亮度，Id为所述暗区域的中心50％区域的平均亮度，Ib/Id≥50。
8.根据权利要求7所述的光学系统，其中所述亮区域的每个中心50％区域为亮区域的内部区域，所述内部区域的面积为所述亮区域的面积的约50％，并且所述暗区域的每个中心50％区域为暗区域的内部区域，所述内部区域的面积为所述暗区域的面积的约50％。
9.根据权利要求7至8中任一项所述的光学系统，其中所述入射光锥包括从至少520nm至570nm的波长并且Ib/Id≥72。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的光学系统，其中所述多个聚合物层包括多个交替的第一聚合物层和第二聚合物层，对于每对相邻的第一聚合物层和第二聚合物层：
所述第一聚合物层具有沿所述第一偏振态的折射率n1x、沿所述第二偏振态的折射率n1y、以及沿正交于所述第一偏振态和所述第二偏振态的z轴的折射率n1z；并且
所述第二聚合物层具有沿所述第一偏振态的折射率n2x、沿所述第二偏振态的折射率n2y、以及沿所述z轴的折射率n2z，使得对于至少从约450nm延伸到约600nm的预先确定的波长范围内的至少一个波长：
n1x、n1y和n1z之间的最大差值小于约0.002；并且
n2x和n1x之间的差值大于约0.2。
11.一种光学膜，所述光学膜包括数量在200和500之间的多个交替的第一聚合物层和第二聚合物层，第一聚合物层和第二聚合物层每个具有小于约500nm的平均厚度，对于每对相邻的第一聚合物层和第二聚合物层：
所述第一聚合物层具有沿所述光学膜的平面中的第一轴线的折射率n1x、沿所述光学膜的所述平面中的正交的第二轴线的折射率n1y、以及沿正交于所述第一轴线和所述第二轴线的z轴的折射率n1z；并且
所述第二聚合物层具有沿所述第一轴线的折射率n2x、沿所述第二轴线的折射率n2y、以及沿所述z轴的折射率n2z，使得对于至少从约450nm延伸到约600nm的预先确定的波长范围内的至少一个波长：
n1x、n1y和n1z之间的最大差值小于约0.002；并且
n2x和n1x之间的差值大于约0.2；
使得对于具有在所述预先确定的波长范围内的所述至少一个波长的基本上垂直入射光，多个交替的所述第一聚合物层和所述第二聚合物层对于沿所述第一轴线的第一偏振态具有平均光学反射率Rs，并且对于沿所述第二轴线的第二偏振态具有平均光学透射率Tp和平均光学反射率Rp，Tp≥80％，Rp≤0.25％，并且80％≤Rs≤95％。
12.根据权利要求11所述的光学膜，使得对于所述预先确定的波长范围内的所述至少一个波长，n2y和n2z之间的差值大于约0.002并且小于约0.008。
13.根据权利要求11或12所述的光学膜，其中对于所述预先确定的波长范围内的所述至少一个波长，n2x和n1x之间的差值在约0.22至约0.28的范围内。
14.一种光学系统，所述光学系统包括：
一个或多个光学透镜；
部分反射器，所述部分反射器设置在所述一个或多个光学透镜的弯曲主表面上并适形于所述弯曲主表面；
反射偏振器，所述反射偏振器设置在所述一个或多个光学透镜的主表面上并适形于所述主表面，并且包括多个交替的第一聚合物层和第二聚合物层，每个聚合物层具有小于约500nm的平均厚度，使得对于在至少从约450nm延伸到约600nm的预先确定的波长范围内的基本上垂直入射光：
所述部分反射器具有至少30％的平均光学反射率；并且
所述第二聚合物层的最大折射率大于所述第一聚合物层的最大折射率，并且所述第二聚合物层的最大折射率与所述第一聚合物层的最小折射率之间的差值小于约0.3；和
出射表面，所述光学系统被配置为向定位在所述出射表面附近的观察者显示图像；
使得对于具有至少10度的全锥角的入射光锥，所述入射光锥从空间频率小于约1线对每毫米的对象入射到所述光学系统上并且作为出射光锥通过所述出射表面离开所述光学系统，当所述出射光锥在所述出射表面附近成像时，所述图像具有多个交替的亮区域和暗区域，Ib为所述亮区域的中心50％区域的平均亮度，Id为所述暗区域的中心50％区域的平均亮度，Ib/Id≥50。
15.根据权利要求14所述的光学系统，其中所述第二聚合物层的最大折射率与所述第一聚合物层的最小折射率之间的差值小于约0.28。
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