CN113874776A - 光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明描述用于显示图像的光学系统。该光学系统包括由空气分开的第一光学透镜和第二光学透镜。部分反射器设置于且适形于该第一光学透镜的主表面，其中该主表面可具有在20mm至200mm范围内的最佳拟合球面曲率半径。反射偏振器设置于且适形于该第一光学透镜的主表面，其中该主表面可具有大于约500mm的最佳拟合球面曲率半径。延迟层设置在该反射偏振器和该部分反射器之间。第一光学透镜可具有小于15nm/cm的光学双折射率，并且第二光学透镜可具有大于15nm/cm的光学双折射率。本发明描述一种制造光学组件的方法。

Description

光学系统

技术领域

本公开整体涉及光学系统，并且具体地涉及折叠光学器件。

背景技术

包括虚拟现实(VR)显示器的许多显示器尝试呈现复制真实或假想环境的真实图像。在一些应用中，VR显示器尝试提供三维环境的沉浸式模拟。

发明内容

在本说明书的一些方面中，提供了用于将图像显示给观察者的光学系统。该光学系统包括第一光学透镜和第二光学透镜、部分反射器、反射偏振器以及第一延迟层。第一光学透镜具有光学各向同性、弯曲的第一主表面和第二主表面，该第一主表面和第二主表面具有在约20mm至约200mm范围内的最佳拟合球面第一曲率半径。该弯曲的第一主表面和第二主表面朝向该第二光学透镜凹入。第一光学透镜具有约1mm至7mm的厚度范围并且第一光学透镜靠近显示器(成像器件)。第二光学透镜具有相对的第三主表面和第四主表面，该第三主表面和第四主表面具有大于约500mm的最佳拟合球面第二曲率半径。在一些实施方案中，第二光学透镜具有大于约15nm/cm的光学双折射率。在一些实施方案中，第二光学透镜是基本上平坦的并且具有在约0.5mm至6mm范围内的厚度。第一光学透镜通过空气与第二光学透镜分开。部分反射器设置于且适形于第一光学透镜的弯曲的第一主表面和弯曲的第二主表面中的一者，并且在不超过从约400nm至约700nm的预定波长范围内具有至少30％的平均光学反射率。反射偏振器设置于且适形于第二光学透镜的第三主表面或第四主表面中的一者。反射偏振器在预定波长范围内基本上反射具有第一偏振态的光并且基本上透射具有正交第二偏振态的光。在一些实施方案中，反射偏振器设置在第二光学透镜和第一光学透镜之间，并且第二光学透镜具有光学双折射率。在一些实施方案中，反射偏振器设置在第二光学透镜和观察者之间，并且第二光学透镜具有光学各向同性。第一延迟层设置在显示器和第一光学透镜之间，并且第二延迟层设置在第一光学透镜和第二光学透镜之间。

在本说明书的一些方面中，提供了用于将图像作为虚拟图像显示给观察者的光学系统。光学系统包括中空透镜，该中空透镜包括弯曲的第一主表面和第二主表面以及相对的平坦的第三主表面和第四主表面。弯曲的主表面和平坦的主表面由空气分开。基本上如弯曲的第一主表面和第二主表面那样弯曲的部分反射器设置在弯曲的第一主表面和显示器之间，并且反射至少30％的可见光。平坦的反射偏振器设置在弯曲的第二主表面和观察者之间。反射偏振器基本上反射垂直入射的可见光，从而反射具有第一偏振态的入射光的至少50％并且透射具有正交的第二偏振态的入射光的至少50％。在一些实施方案中，第一延迟层设置在弯曲的第一主表面和显示器之间，并且第二延迟层设置在弯曲的第二主表面和平坦的反射偏振器之间。在一些实施方案中，第一延迟层设置在弯曲的第一主表面上并且第二延迟层设置在第三主表面上。在一些实施方案中，第一延迟层为针对至少一个可见光波长的基本上四分之一波长延迟器。光学系统基本上以光轴为中心，使得对于由显示器发射的下述图像，由光学系统形成的所发射的图像的虚拟图像具有大于约0.5的调制传递函数(MTF)：所述图像具有每毫米11个线对的空间频率，从图像到虚拟图像的光线在由光轴和第二偏振态形成的平面上的投影与光轴成约0度的角度，并且光线在由光轴和第一偏振态形成的平面上的投影与光轴成约25度的角度。

在本说明书的一些方面，提供一种制造光学组件的方法。该方法包括提供第一模具，该第一模具包括第一弯曲模具表面，该第一弯曲模具表面具有在约20mm至约200mm范围内的最佳拟合球面第一曲率半径；提供基本上平坦的反射偏振器，所述反射偏振器上的每个位置对于阻光偏振态具有大于约70％的最大反射率并且对于正交透光偏振态具有大于约70％的最大透射率，所述透光偏振态的取向跨所述反射偏振器的最大变化为约θ1度；将所述基本上平坦的反射偏振器放置在所述弯曲的第一模具表面上，并且施加压力和热中的至少一者以使所述基本上平坦的反射偏振器至少部分地适形于所述弯曲的第一模具表面；提供包括与该第一模具表面间隔开并与之对准的第二模具表面的第二模具，该第一模具表面和该第二模具表面在两者间限定模具腔体；用可流动材料基本上填充所述模具腔体，所述可流动材料具有大于所述反射偏振器的玻璃化转变温度的温度；以及使该可流动材料固化以形成粘结到该反射偏振器的固体光学元件，该透光偏振态的取向跨已粘结的反射偏振器的最大变化为约θ2度，θ1和θ2在彼此约3度内。

附图说明

图1是示意性地示出光学系统的图示；

图2是光学系统的示意性剖视图；

图3A示意性地示出了成像器件；

图3B示意性地示出了光学系统的出射光瞳的开口；

图4A至图4B示出了针对根据一些实施方案的光学系统的表示作为以每毫米的周期为单位(也称为每毫米的线对)的空间频率的函数绘制的调制传递函数(光学传递函数(OTF)模量)的曲线族；

图4C示意性地示出了其中来自对象的光锥的主光线穿过出射光瞳的开口的中心并且与光轴形成θ的角度的光学系统；

图4D示意性地示出了主光线在由光轴和第一偏振态形成的平面上以及由光轴和正交偏振态形成的平面上的投影；

图5A至图5D示意性地示出了用于制造光学组件的方法；

图6是反射偏振器的示意性前视图；

图7是反射谱带的示意性曲线图；

图8A至图8B是反射偏振器的示意性前视图；并且

图8C是弯曲表面的示意性前视图。

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。

图1是示出根据本说明书的一些实施方案的光学系统(100)的示意图。光学系统(100)可被描述为折叠光学系统，其中光束在其横穿系统时弯曲，使得光的光学路径长于系统的长度。本文所公开的光学系统采用折叠光学器件，并且可用于头戴式显示器诸如虚拟现实显示器，以及相机诸如包括在例如手机中的相机。本发明所公开的光学系统包括反射偏振器、多个透镜和/或设置在光阑表面(例如，出射光瞳或入射光瞳)和图像表面(例如，显示面板的表面或图像记录仪的表面)之间的延迟器。这些系统可以紧凑配置提供具有高视场、高对比度、低色差、低失真和/或高效率的可用于各种应用中的光学系统。折叠光学系统例如在美国专利9,557,568(Ouderkirk等人)中有所描述，该专利以不与本说明书矛盾的程度据此以引用方式并入本文。

可期望用于虚拟现实应用的紧凑光学系统具有高分辨率(小光斑尺寸)和宽视场(FOV)。宽视场为观察者提供沉浸式体验。小光斑尺寸使图像锐利且清晰。当从图像到出射光瞳横穿光学系统时，光斑尺寸由于包括球面像差、彗形像差、像散等各种像差而增加。除理想点的分布之外，透镜的像差和光的波状性质可导致来自图像(参见例如图1)的一个点的光分布在出射光瞳开口上。期望减小此类像差，以提供具有大视场的小斑点尺寸的期望方面。

调制光学传递函数(MTF)是表征光学系统将对比度从图像转移到出射光瞳开口的能力的图像质量的量度。MTF通过从空间域(光斑尺寸)到频域(MTF)的傅立叶变换而与光斑尺寸相关。光学系统的MTF(和光斑尺寸)可表示为空间频率的函数。空间频率量化出射光瞳开口处图像中存在的细部水平，并且通常以每毫米的线对为单位指定。高空间频率图像具有比较低空间频率的图像大的细部量。可以针对不同波长的光和相对于光轴的不同光角确定MTF的切向和矢状取向。

本文所公开的一些实施方案涉及在预定空间频率下具有指定的(例如，高)MTF的折叠光学系统。本文所公开的系统包括具有光学性质的光学透镜，当与反射偏振器和至少一个延迟层结合使用时，该多个透镜提供增强观察者体验沉浸式三维虚拟环境的MTF。

图1是根据一些实施方案的光学系统(100)的侧视图。光学系统(100)被配置为通过开口(155)将图像(115)显示给观察者(145)。光学系统(100)包括第一光学透镜(10)和第二光学透镜(20)，该第一光学透镜和该第二光学透镜在其间限定腔体(160)，其中腔体可填充有空气或折射率高于一的另一种材料。第一光学透镜(10)被配置为从成像器件(110)接收图像(115)。在一些配置中，入射到第一光学透镜(10)上的图像(115)为椭圆偏振的。在一些配置中，入射到第一光学透镜(10)上的图像(115)为圆形偏振的。

第一光学透镜(10)具有弯曲的第一主表面(125)和弯曲的第二主表面(120)。在一些实施方案中，第一光学透镜(10)具有在约1mm至7mm范围内的厚度。在一些实施方案中，第一光学透镜(10)的弯曲的第一主表面(125)和弯曲的第二主表面(120)具有至少约20mm、或至少约25mm、或至少约30mm的最佳拟合球面第一曲率半径。在一些实施方案中，最佳拟合球面第一曲率半径不超过约200mm、或不超过约150mm、或不超过约100mm、或不超过约60mm。例如，在一些实施方案中，第一光学透镜(10)的弯曲的第一主表面(125)和弯曲的第二主表面(120)具有在约20mm至约150mm的范围内或在约25mm至约100mm或约30mm至约60mm的范围内的最佳拟合球面第一曲率半径。在一些实施方案中，第一光学透镜(10)的弯曲的第一主表面(125)和弯曲的第二主表面(120)具有非球面表面。在一些实施方案中，弯曲的第一主表面(125)更靠近显示器(110)。在一些实施方案中，弯曲的第一主表面(125)具有约1.49的折射率并且包括玻璃、塑料或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的一种。在一些实施方案中，弯曲的第二主表面(120)具有约1.49至1.8的折射率并且包括玻璃、塑料或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的一种。

第二光学透镜(20)具有第三主表面(130)和第四主表面(135)。在一些实施方案中，第二光学透镜(20)具有在约0.5mm至6mm范围内的厚度。在一些实施方案中，第二光学透镜(20)的第三主表面(130)和第四主表面(135)具有大于约500mm、或大于约750mm、或大于约1000mm的最佳拟合球面第二曲率半径。在一些实施方案中，第二光学透镜(20)的第三主表面(130)和第四主表面(135)为平坦的或基本上平坦的。如果表面的任何曲率对光学系统的光学器件具有忽略不计的影响，则光学系统中的透镜的表面可被描述为基本上平坦的。在一些实施方案中，基本上平坦的透镜表面可具有大于约2m或大于约5m的最佳拟合球面第二曲率半径。

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”应用于表达特征大小、数量和物理特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。

第一光学透镜(10)通过空气(160)与相对的第二光学透镜(20)分开。在一些实施方案中，透镜(10)和透镜(20)限定中空透镜，该中空透镜包括弯曲的第一主表面(125)和弯曲的第二主表面(120)以及相对的平坦的第三主表面(130)和平坦的第四主表面(135)，其中弯曲的主表面和平坦的主表面由空气(160)分开。

图2是具有第一光学透镜(10)和第二光学透镜(20)的光学系统(100)的示意性剖视图。如图2所示，弯曲的第一主表面(125)和弯曲的第二主表面(120)朝向平坦的第三主表面(130)和平坦的第四主表面(135)凹入。第一主表面(125)和第二主表面(120)具有最佳拟合球面曲率半径R1。表面的最佳拟合球面曲率半径为球体的半径，该半径使沿着球体的法线从球体到表面的平方距离最小化。最佳拟合球面曲率半径可使用常规最小平方拟合技术来确定。第一主表面(125)和第二主表面(120)在顶点处具有可与R1相同(例如，对于球面透镜)、大于R1或小于R1的曲率半径。

如图1所示，在一些实施方案中，第一主表面(125)和第二主表面(120)朝向第三主表面(130)和第四主表面(135)凹入。在一些实施方案中，第一光学透镜和第二光学透镜中的一者或两者(10和/或20)具有至少一个非球面表面。在一些实施方案中，光学透镜的非球面表面由式1描述：

其中r为从光学系统的光轴到非球面表面的距离，z为沿着光轴从非球面表面的顶点到非球面表面上的点的距离，c为曲率系数，k为二次曲线常数，并且D、E、F、G、H、I、J为非球面表面的校正系数。在一些实施方案中，高阶项(例如，Kr¹⁶项和/或Lr¹⁸项和/或Mr²⁰项)包括在内，并且在一些实施方案中，所有高阶项可忽略不计，使得非球面表面形状可由式1来描述，没有项具有比r¹⁴高的阶。量c+2D为非球面表面的顶点处的曲率。在一些实施方案中，D为零或约零，使得其对非球面表面的形状的贡献可忽略不计。在这种情况下，c为非球面表面的顶点处的曲率，并且顶点处的曲率半径为1/c。可指定校正系数而不明确地列举单位，前提是z和r以mm为单位表示。如果校正系数足够小使得具有所包括的校正系数并且省略了校正系数的表面形状的差异足够小以致其对光学系统的光学性能的影响可忽略不计，则校正系数可被描述为约零。

在一些实施方案中，第一光学透镜(10)的第一主表面(125)和第二主表面(120)具有非球面表面。在一些实施方案中，该非球面表面由式1描述。在一些实施方案中，二次曲线常数k在约3至7的范围内(例如，约4.6)。在一些实施方案中，非球面表面的顶点的曲率半径在约40mm至50mm的范围内。在一些实施方案中，k为约4.6，c为约1/44.9mm^-1，D为约零，E为约-1.3E-06(其也可写为-1.3×10^-6)，F为约6E-09，并且G为约-1.6E-12。在一些实施方案中，H、I和J以及更高阶项为零或为约零。

如图2所示，部分反射器(220)设置于且适形于第一光学透镜(10)的弯曲的第一主表面(125)。在一些实施方案中，部分反射器(220)也可设置于且适形于第一光学透镜(10)的弯曲的第二主表面(120)。在一些实施方案中，部分反射器(220)基本上如弯曲的第一主表面和第二主表面(125和120)那样弯曲。在一些实施方案中，部分反射器(220)在预定波长范围内具有至少30％的平均光学反射率。波长范围可从约400nm延伸至约700nm。

在本说明书的光学系统(100)中使用的部分反射器(220)可为任何合适的部分反射器。例如，部分反射器(220)可通过将金属(例如，银或铝)的薄层涂覆在透明的基板(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(220)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形成，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(220)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(220)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。除非另外指明，否则在预定波长下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光学反射率和光学透射率在偏振上的未加权平均值。在一些实施方案中，部分反射器(220)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，法向入射的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。例如，可使用基本上各向同性的金属层和/或介电层来获得此类偏振独立性。

光学系统(100)包括反射偏振器(225)，该反射偏振器设置于且适形于第二光学透镜(20)的第三主表面(130)和第四主表面(135)中的一者。在例示的实施方案中，反射偏振器(225)设置于且适形于第二光学透镜(20)的第三主表面(130)。在其他实施方案中，反射偏振器(225)可设置在第二光学透镜(20)的第四主表面(135)上。在一些实施方案中，在预定波长范围内，反射偏振器(225)基本上反射具有第一偏振态(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正交的第二偏振态(例如，电场沿着y轴的第二偏振态)的光。如果在预定波长范围内具有第二偏振态的光的至少60％透射穿过偏振器，则可认为反射偏振器基本上透射在预定波长范围内具有第二偏振态的光。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％透射穿过偏振器。如果在预定波长范围内具有第二偏振态的光的至少60％被从偏振器反射，则可认为反射偏振器(225)基本上反射在预定波长范围内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％被从反射偏振器(225)反射。

在本说明书的光学系统(100)中使用的反射偏振器(225)可以是任何合适类型的反射偏振器。反射偏振器(225)可为可基本上单轴取向的聚合物多层光学膜，如本文其它地方进一步描述的。基本上单轴取向的反射偏振器可以商品名Advanced Polarizing Film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)。在一些实施方案中，使用其它类型的反射偏振器(例如，线栅偏振器)。

如图2所示，光学系统(100)包括设置在显示器(110)和第一光学透镜(10)之间的第一延迟层(210)以及设置在第一光学透镜(10)和第二光学透镜(20)之间的第二延迟层(215)。更具体地，第二延迟层(215)设置在第一光学透镜(10)和反射偏振器(225)之间。在一些实施方案中，第一延迟层(210)设置于且适形于弯曲的第一主表面(125)。在一些实施方案中，第二延迟层(215)设置于且适形于第三主表面(130)。在一些实施方案中，第一延迟层(210)可为针对预定波长范围内的至少一个波长(例如，针对至少一个可见光波长)的基本上四分之一波长延迟器。在一些情况下，预定波长范围是从约420nm至约700nm的可见光波长范围。光学系统(100)的一些配置包括第二延迟层(215)，其中第一光学透镜(10)设置在第二光学透镜(20)和第二延迟层(215)之间。任选地，光学系统(100)包括第一线性吸收型偏振器(未在图中示出)。例如，第二延迟层(215)可设置在第一光学透镜(10)和第一线性吸收型偏振器之间。任选地，光学系统(100)包括第二线性吸收型偏振器(未示出)，其中第二光学透镜(20)设置在第二线性吸收型偏振器和反射偏振器(225)之间。

在一些配置中，预定波长范围可包括约550nm的波长，例如，可包括587.6nm的波长。在一些实施方案中，预定波长范围可以从约400nm延伸到约700nm。例如，预定波长范围可包括蓝色原色波长、绿色原色波长和红色原色波长。预定波长范围可为光学系统设计用于操作的任何波长范围。在一些实施方案中，预定波长范围包括其它波长范围。例如，可在预定波长范围内包括红外(例如，近红外(约700nm至约2500nm))和/或紫外(例如，近紫外(约300nm至约400nm))波长以及可见(400nm至700nm)波长。

光学系统(100)具有光轴(140)。光学系统(100)被配置成使得沿着光轴(140)传播的光线穿过第一光学透镜(10)和第二光学透镜(20)、部分反射器(220)、反射偏振器(225)和第一延迟层(210)而基本上不被折射。在一些配置中，第一光学透镜(10)、第二光学透镜(20)、部分反射器(220)、反射偏振器(225)和第一延迟层(210)中的至少一者为旋转对称的。在一些配置中，第一光学透镜(10)、第二光学透镜(20)、部分反射器(220)、反射偏振器(225)和第一延迟层(210)中的至少一者为非旋转对称的。例如，第一光学透镜(10)、第二光学透镜(20)、部分反射器(220)、反射偏振器(225)和第一延迟层(210)中的至少一者具有至少一个对称平面。

光学系统(100)或显示系统或者光学系统(100)中的光学透镜或光学元件的光轴(140)可被理解为在系统或透镜或光学元件的中心附近的轴线，其中沿着光轴传播的光线以最小程度的折射穿过透镜和/或一个或多个光学元件，使得沿着不同于光轴的轴线传播的光经历更大程度的折射。在一些实施方案中，透镜中的每一个通过透镜中的每一个的顶点对中在光轴上。沿着光轴的光线可穿过透镜和/或一个或多个光学元件而不被折射或基本上不被折射。基本上不被折射意味着入射到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。在一些实施方案中，光学系统的光轴为这样的轴线，使得沿着轴线传播的光线穿过光学透镜、部分反射器、反射偏振器和一个或多个延迟层而基本上不被折射。在一些实施方案中，沿着光轴传播的光线穿过光学透镜、部分反射器、反射偏振器和一个或多个延迟层，而在光学系统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。

光学系统(100)的第一光学透镜(10)和第二光学透镜(20)可由任何合适的材料诸如玻璃或塑料制成。第一光学透镜(10)可包括以下中的一者或多者：硼硅酸盐BK7玻璃、镧冠LAK34、镧燧石LAF7玻璃、燧石F2玻璃、致密燧石SF2、镧致密燧石LASF45、以及氟磷酸盐FPL51和氟磷酸盐FPL55玻璃。第二光学透镜(20)可由塑料制成，并且可包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯、聚乙烯醇和聚碳酸酯中的一者或多者。在一些实施方案中，第一光学透镜(10)为单片玻璃元件。在一些实施方案中，第二光学透镜(20)为单片塑料元件。

在一些实施方案中，第一光学透镜(10)由具有低双折射率的玻璃制成，并且第二光学透镜(20)由双折射率大于第一光学透镜(10)的双折射率的塑料制成。根据一些实施方案，第一光学透镜(10)的光学双折射率小于约20nm/cm、或小于约15nm/cm、或小于约10nm/cm、或小于约7nm/cm。在一些实施方案中，第二光学透镜(20)的双折射率大于约10nm/cm、或大于约15nm/cm、或大于约20nm/cm。在一些实施方案中，第一光学透镜(10)的双折射率小于第二光学透镜(20)的双折射率。在一些实施方案中，第一光学透镜(10)具有光学各向同性(例如，第一光学透镜(10)可为基本上光学各向同性的，使得透镜不含双折射率或可存在的任何双折射率小于约10nm/cm或小于约7nm/cm)。在一些实施方案中，反射偏振器(225)设置在第二光学透镜(20)和第一光学透镜(10)之间(即当反射偏振器(225)更靠近显示器(110)时)，并且第二光学透镜(20)具有光学双折射率。在一些实施方案中，反射偏振器(225)设置在第二光学透镜(20)和观察者(145)之间(即当反射偏振器(225)更靠近观察者(145)时)，并且第二光学透镜(20)具有光学各向同性。

在一些实施方案中，在约550nm例如587.6nm的波长下，第一光学透镜(10)的材料的折射率可为约1.44、或约1.50、或约1.52。在一些实施方案中，第二光学透镜(20)在约550nm例如587.6nm下具有约1.49、或约1.62的折射率。

如图1所示，成像器件(110)可邻近并面向第一光学透镜(10)设置。成像器件(110)发射入射到第一光学透镜(10)上的图像(115)。出射光瞳(150)邻近并面向第二透镜(20)设置，并在其中限定开口(155)。入射到第一光学透镜(10)上的图像(115)通过出射光瞳(150)中的开口(155)离开光学系统(100)。入射到第一光学透镜(10)上的图像(115)可为椭圆偏振的。开口(155)处的出射图像可为基本上线性偏振的。

如图3A所示，成像器件(110)可为基本上多边形。图3B示出出射光瞳(150)的可为基本上圆形的开口(155)。如图3A和图3B所示，成像器件的有效区域的最大侧向尺寸为D(参见图3A)，并且出射光瞳的开口的最大侧向尺寸为d(参见图3B)。在一些实施方案中，比率D/d介于约1和约20之间，例如1≤D/d≤20。在一些实施方案中，D/d的比率介于约2和约15之间，例如2≤D/d≤15。在一些实施方案中，D/d的比率介于约5和约10之间，例如5≤D/d≤10。

在一些实施方案中，出射光瞳(150)为限定开口(155)的物理孔径。在其他实施方案中，出射光瞳(150)为虚拟孔径。例如，出射光瞳(150)可为光学系统(100)的孔径光阑的图像。在出射光瞳(150)为虚拟孔径的实施方案中，出射光瞳(150)中的开口(155)是指虚拟孔径的内部区域。出射光瞳(150)和/或开口(155)可为矩形、正方形、椭圆形、圆形，或可具有某个其他形状。在一些实施方案中，光学系统(100)为头戴式显示器的部件，其被配置为使得当由观察者(145)佩戴时，出射光瞳开口(155)与观察者(145)的眼睛的瞳孔重叠。

出射光瞳(155)的开口(150)的最大侧向尺寸可在例如约2mm至约10mm的范围内或在约2mm至约80mm的范围内。出射光瞳(150)和第二光学透镜(20)之间的间距可在例如约5mm至约30mm的范围内或在约10mm至约20mm的范围内。

根据一些实施方案，光学系统(100)提供指定的调制传递函数。图4A至图4B示出表示作为沿着x轴的以每毫米的周期为单位(也称为每毫米的线对)的空间频率的函数而沿着y轴绘制的调制传递函数(光学传递函数(OTF)模量)的曲线族。对于通过光学建模确定的光学系统(100)的三个实施方案，曲线族为相对于光学系统(100)的光轴(140)的在出射光瞳开口(155)处的光的各种角度提供光学系统(100)的MTF对空间频率。在图4A的实施方案中，焦距为18.2mm，视场为70度，图像高度为12.7mm，f数为1.8，良视距为17mm并且眼箱(eyebox)为10mm。在图4B的实施方案中，焦距为18.2mm，视场为90度，图像高度为18.1mm，f数为1.8，良视距为17mm并且眼箱为10mm。在图4A至图4B的实施方案的每一个实施方案中，将第二透镜(20)被建模为丙烯酸透镜。在图4A和图4B的实施方案中，第一透镜(10)被建模为硼硅酸盐BK7玻璃。在图4A中，对于切向(T)取向和矢状(S)取向两者，在出射光瞳开口(155)处针对0度、0度、15度和10度角的光绘制MTF对空间频率曲线。在图4B中，对于切向(T)取向和矢状(S)取向两者，在出射光瞳开口(155)处针对0度、20度、0度和25度角的光绘制MTF对空间频率曲线。

在本说明书的一些方面，提供制造光学组件的方法。在一些实施方案中，与使用常规技术制成的其它光学组件相比，所得光学组件具有改善的性能，如本文其它地方进一步描述。在一些实施方案中，光学组件通过将镜片插入模制到光学膜上而无需在模制过程之前将光学膜预先成形来形成。已发现这可减少或消除缺陷，诸如光学膜的屈曲或撕裂。光学组件可包括光学透镜(例如，第二光学透镜(20))和设置于且适形于光学透镜的主表面的反射偏振器(225)。

如图4C所示，光锥(410)从对象(420)入射到光学系统上(200)并且填充出射光瞳开口(155)。光锥(410)的主光线(415)穿过出射光瞳(150)的开口(155)的中心(151)，并且主光线(415)与光轴(140)成角度θ(在一些实施方案中，主光线的投影与光轴(140)成角度θ)。光锥(410)的边缘光线(400)穿过开口(155)的边缘处的出射光瞳(150)。图4D示意性地示出了主光线(415)在由光轴(z)和第一偏振态(x)形成的平面上以及由光轴(z)和正交偏振态(y)形成的平面上的投影。光锥(410)可包括每毫米约11个线对的空间频率，并且当角度“θ”为约0度并且角度“b”为约25度时，光学系统(200)的调制传递函数(MTF)可大于约0.5或大于约0.55，或甚至大于约0.575。在一些实施方案中，光锥(410)包括每毫米约3个线对、或每毫米约4个线对或每毫米约5个线对的空间频率，并且当角度“θ”为约15度并且角度“b”为约10度时，光学系统(200)的调制传递函数(MTF)大于约0.7、或大于约0.75、或大于约0.8、或大于约0.825。例如，在图4A的实施方案中，对于曲线图中每毫米约3个线对下示出的每个角度“a”和“b”，切向和矢状MTF均为约0.7或更大，并且在图4B的实施方案中，对于曲线图中每毫米约11个线对下示出的角度“θ”，切向MTF为约0.5或更大，并且对于曲线图中每毫米约11个线对下示出的每个角度“b”，矢状MTF为约0.05或更大。

在一些实施方案中，对于均大于约5度的至少一个较大的θ和至少一个较小的θ，在每毫米约30个线对的空间频率下，光学系统(200)对于较大的θ具有较小的调制传递函数(MTF)，对于较小的θ具有较大的MTF。要在较大和较小的θ下进行比较的是对应MTF(例如，切向或矢状、或两者的平均值)。例如，在图4A的实施方案中，在每毫米约20个线对的空间频率下，θ为25度的矢状MTF小于θ为10度的矢状MTF。在图4B的实施方案中，在每毫米约20个线对的空间频率下，θ为45度的切向MTF小于θ为40度的切向MTF。在图4C的实施方案中，在每毫米约20个线对的空间频率下，θ为50度的矢状MTF小于θ为45度或25度的矢状MTF。

成像器件(110)发射的各种光锥示于例如图1中。在例示的实施方案中，光锥的每个主光线穿过出射光瞳开口(155)的中心并与光轴(140)形成对于沿着光轴(140)发射的主光线为0度的角度，并且随着在y方向上距光轴(140)的距离而增大。在一些实施方案中，对于从成像器件(110)的边缘发出的主光线，与光轴(140)的角度为至少约35度或至少约45度。

图5A至图5D示意性地示出了制造光学组件的方法。该方法包括：提供具有第一弯曲模具表面(515)的第一模具(510)(图5A)；将基本上平坦的光学膜(540)放置在第一弯曲模具表面(515)上并施加压力和热中的至少一者以至少部分地使光学膜(540)适形于第一弯曲模具表面(515)(图5B至图5C)；提供包括与第一模具表面(515)间隔开并与之对准的第二模具表面(535)的第二模具(530)，第一模具表面(515)和第二模具表面(535)在两者间限定模具腔(520)(图5B)；用可流动材料(545)基本上填充模具腔(520)(图5C)；以及使可流动材料固化以形成粘结到光学膜(560)的固体光学元件(555)(图5D)。

粘结到光学膜的固体光学元件可被称为光学组件，并且可对应于例如粘结到反射偏振器(225)的透镜(20)。可移除第一模具(510)和第二模具(530)，并且移除任何多余材料(例如，来自浇口(525)的流道材料)以提供图5D所示的光学组件。基本上填充模具腔可被理解为意指将模具腔填充到大于50体积％。在一些实施方案中，将模具腔填充到至少80体积％、或至少90体积％、或至少95体积％。在一些实施方案中，除了由光学膜(540)占据的体积之外，模具腔(520)完全填充有可流动材料(545)。

在一些实施方案中，光学膜(540)通过使用可流动材料(545)将光学膜(540)推到第一弯曲模具表面(515)上而适形于第一弯曲模具表面(515)。在一些实施方案中，当可流动材料(545)流入腔体(520)中时，可流动材料(545)具有大于光学膜(540)的玻璃化转变温度的温度。在一些实施方案中，将第一模具(510)和第二模具(530)保持在低于可流动材料(545)的熔点的温度下，以便使可流动材料(545)固化。在一些实施方案中，当可流动材料(545)流入腔体(520)中时，第一模具(510)和第二模具(530)的温度也低于光学膜(540)的玻璃化转变温度。例如，当可流动材料(545)被引入腔体(520)中时可具有在250至300℃范围内的温度，第一模具和第二模具可具有在75至100℃范围内的温度，并且光学膜(540)可具有在105至130℃范围内的玻璃化转变温度。在一些实施方案中，光学膜(540)具有多个层，并且当可流动材料(545)流入腔体(520)中时，可流动材料(545)具有大于光学膜(540)的玻璃化转变温度的温度。在一些实施方案中，光学膜(540)具有多个层，并且当可流动材料(545)流入腔体(520)中时，可流动材料(545)具有大于光学膜(540)的至少一个层的玻璃化转变温度的温度。在一些实施方案中，光学膜(540)具有多个层，并且当可流动材料(545)流入腔体(520)中并接触光学膜(540)时，可流动材料(545)具有大于光学膜(540)的紧邻可流动材料(545)的层的玻璃化转变温度的温度。

图5A至图5D中所描绘的步骤可按其他顺序执行。例如，在例如使用空气压力引入可流动材料(545)之前光学膜(540)可适形于第一弯曲模具表面(515)。然后可接着提供第二模具(530)，然后将可流动材料(545)引入模具腔体(520)中。

在一些实施方案中，第一模具(510)为被配置为放置在模具基座中的第一模具插入件。类似地，在一些实施方案中，第二模具(530)为被配置为放置在模具基座中的第二模具插入件。

在一些实施方案中，固体光学元件(555)永久地粘结到光学膜(540)。在其他实施方案中，固体光学元件(555)可剥离地粘结到光学膜(540)。例如，在将光学膜(540)放置在第一模具表面(515)上之前，可将剥离涂层施加到光学膜。可这样做以允许光学膜(540)从固体光学元件(555)移除并放置在例如具有类似形状的另一光学元件的表面上。

第一弯曲模具表面(515)具有最佳拟合球面第一曲率半径R，在一些实施方案中，该第一曲率半径R在约20mm或约30mm至约1000mm或约200mm的范围内(例如，在约20mm至约200mm的范围内)。第一弯曲模具表面(515)具有垂度S。在一些实施方案中，垂度S与最佳拟合球面第一曲率半径R的比在约0.02至约0.2的范围内、或在约0.02至约0.15的范围内、或在约0.02至约0.12的范围内、或在约0.03至约0.12的范围内、或在0.04至约0.12的范围内。在一些实施方案中，光学膜(540)在形成为弯曲形状之后具有在这些范围中的任一个中的垂度半径比。在一些实施方案中，基本上平坦的光学膜(540)至少为单轴向拉伸取向的。在一些实施方案中，基本上平坦的光学膜(540)具有在约20微米至约100微米范围内的平均厚度。

在一些实施方案中，光学膜(540)为反射偏振器(225)。在一些实施方案中，反射偏振器(225)基本上反射垂直入射的可见光，从而反射具有第一偏振态的入射光的至少50％，并且透射具有正交的第二偏振态的入射光的至少50％。在一些实施方案中，反射偏振器(225)对于第一偏振态具有大于约60％的最大光学透射率，并且对于正交的第二偏振态具有大于约60％的最大光学反射率。在一些实施方案中，反射偏振器(225)对于第一偏振态具有大于约70％的最大光学透射率，并且对于正交的第二偏振态具有大于约70％的最大光学反射率。在一些实施方案中，反射偏振器(225)对于第一偏振态具有大于约80％的最大光学透射率，并且对于正交的第二偏振态具有大于约80％的最大光学反射率。在一些实施方案中，反射偏振器(225)对于第一偏振态具有大于约90％的最大光学透射率，并且对于正交的第二偏振态具有大于约90％的最大光学反射率。在一些实施方案中，反射偏振器(225)在图5A至图5D中所描绘的过程中成形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)/(TDDR^1/2–1)，其中MDDR定义为机向拉伸比，并且TDDR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)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。

在一些实施方案中，光学膜(540)沿着第一轴线(例如，沿着图5B的x方向或y方向的轴线)被拉伸。在一些实施方案中，可流动材料(545)通过连接到模具腔体(520)的浇口(525)(图5B)流入模具腔体(520)中。在一些实施方案中，可流动材料(545)沿着第一轴线(例如，沿着x方向的轴线)或基本上沿着第一轴线流入模具腔体(520)中。在一些实施方案中，可流动材料(545)沿着第二方向(图5C所示实施方案中的x方向)流入模具腔体(520)中，该第二方向基本上垂直于第一轴线(例如，沿着y方向的轴线)。基本上沿着指定方向可被理解为意指沿着在指定方向40度内的方向，并且基本上垂直可被理解为意指在垂线40度内。在一些实施方案中，被描述为基本上沿着第一轴线的方向为在30度内，或在第一轴线20度内。在一些实施方案中，被描述为基本上垂直于第一轴线的方向在30度内，或在第一轴线的垂线20度内。

在一些实施方案中，反射偏振器(225)使用本文所述的过程成形在光学透镜上，以形成用于本说明书的光学系统中的光学组件。在一些实施方案中，与使用将膜成形为弯曲形状的常规方法制成的光学组件相比，该光学组件提供反射偏振器(225)的最大透射率、谱带边缘波长、透光轴取向和厚度中的一者或多者的减小的空间变化。

再次参考图5A至图5D，光学膜(540)具有面向第一模具(510)的第一模具表面(515)的主表面和面向第二模具(530)的第二模具表面(535)的相背对的主表面。在一些实施方案中，第一模具表面(515)具有第一平均表面粗糙度，并且所得光学组件中的光学膜(540)的第一主表面具有第二平均表面粗糙度。在一些实施方案中，第二平均表面粗糙度大于第一平均表面粗糙度。在一些实施方案中，第一平均表面粗糙度为约0.05微米，并且第二平均表面粗糙度为约0.1微米。在一些实施方案中，光学膜(540)在成形之前为对于第一偏振态具有大于约70％的平均光学透射率并且对于正交第二偏振态具有大于约70％的平均光学反射率的基本上平坦的反射偏振器。在一些实施方案中，在成形之后，反射偏振器粘结到固体光学元件，并且反射偏振器的第一主表面具有大于第一平均表面粗糙度的第二平均表面。

图6是反射偏振器(225)的示意性前视图。透射率变化和/或谱带边缘波长变化可通过参考反射偏振器(225)的至少一个第一位置、第二位置和第三位置来描述，其中该至少一个第一位置靠近该反射偏振器(225)的中心(615)，该至少一个第二位置和第三位置靠近该反射偏振器(225)的边缘(229)，并且该至少一个第二位置和该至少一个第三位置在该至少一个第一位置处对向约30度至约110度范围内的角度。如果位置分别在反射偏振器(225)的距中心或边缘的最大侧向尺寸的约30％以内，则该位置可被描述为靠近中心或边缘。被描述为靠近中心或边缘的位置可分别在反射偏振器(225)距中心或边缘的最大侧向尺寸的约25％或约20％范围内。

第一位置(226)、第二位置(227)和第三位置(228)示于图6中。第二位置(227)和第三位置(228)在第一位置(226)处对向角度θ。在一些实施方案中，角度θ在约30度至约110度的范围内或在约40度至约100度的范围内。在例示的实施方案中，第二位置(227)更靠近可为例如反射偏振器(225)的阻光轴(610)的轴线(610)，并且第三位置(228)更靠近可为例如反射偏振器(225)的透光轴的正交轴线(600)。在一些实施方案中，阻光轴(610)可具有阻光偏振态，并且正交轴线(600)可具有正交透光偏振态。在一些实施方案中，反射偏振器(225)上的每个位置对于阻光偏振态可具有大于约70％的最大反射率，并且对于正交透光偏振态可具有大于约70％的最大透射率，透光偏振态的取向跨反射偏振器(225)的最大变化为约θ1度。

在一些实施方案中，对于具有在预定波长范围内的波长的垂直入射光，反射偏振器(225)上的每个位置对于第一偏振态具有大于70％的最大反射率，对于正交第二偏振态具有大于70％的最大透射率并且对于第一偏振态具有最小透射率，使得至少一个第一位置(例如，第一位置(226))、第二位置(例如，第二位置(227))和第三位置(例如，第三位置(228))的最大透射率在彼此的约1％内、或约0.5％内，该至少一个第一位置靠近反射偏振器(225)的中心(615)并且该至少一个第二位置和第三位置靠近反射偏振器(225)的边缘(229)，该至少一个第二位置和该至少一个第三位置在该至少一个第一位置处对向在约30度至约110度范围内的角度(例如，角度θ)。

发现使用本文其他地方所述的过程成形到k为约4.9、c为约1/120mm^-1、D为约零、E为约2.5E-06mm^-3并且F和更高阶项为约零的情况下由式1所述的透镜(20)的表面上的多层聚合物反射偏振器膜具有带有小于约0.5％的标准偏差的线性双衰减。线性双衰减由(T_Max–T_Min)/(T_Max+T_Min)给出，其中T_Max为沿着使透射率最大化的方向线性偏振的光的透射率，并且T_Min为沿着使透射率最小化的方向线性偏振的光的透射率。例如，可用于表征包括设置在光学透镜上的反射偏振器的光学组件的另一参数为可由(T_R–T_L)/(T_R+T_L)给出的圆形双衰减，其中T_R为右圆形偏振光的透射率，并且T_L为左圆形偏振光的透射率。反射偏振器或包括透镜和反射偏振器的光学组件的线性双衰减和圆形双衰减可使用偏振计在透射模式下测量。合适的偏振器为购自Axometrics公司(Huntsville，AL)的AxoScan^TM穆勒矩阵偏振计。偏振计可包括偏振器和分析仪。偏振计可为双旋转延迟器偏振计。

在一些实施方案中，对于垂直入射光，反射偏振器(225)上的每个位置具有带有谱带边缘波长的对应反射带，使得至少一个第一位置(例如，第一位置(226))、第二位置(例如，第二位置(227))和第三位置(例如，第三位置(228))谱带边缘波长在彼此的3％、2％或1％内，该至少一个第一位置靠近反射偏振器(225)的中心(615)并且该至少一个第二位置和第三位置靠近反射偏振器(225)的边缘(229)，该至少一个第二位置和该至少一个第三位置在该至少一个第一位置处对向在约30度至约110度范围内的角度(例如，θ)。

预期谱带边缘波长随膜的厚度变化而变化。发现使用本文其它地方所述的过程成形到k为约4.9、c为约1/120mm^-1、D为约零、E为约2.5E-06mm^-3并且F和更高阶项为约零的情况下由式1所述的透镜(20)的表面上的多层聚合物反射偏振器在第一位置、第二位置和第三位置处具有在彼此的约1％内的厚度。在一个示例中，反射偏振器在透镜的顶点处具有65.7微米的厚度，在靠近透镜边缘的位置处具有约66.1微米的厚度，并且在靠近透镜边缘的另一位置处具有约65.8微米的厚度。最小厚度为64.8微米而最大厚度为66.1微米。

图7示意性地示出具有谱带边缘波长λ1和λ2的反射谱带。如US2015/0146166(Weber等人)中所述，每个谱带边缘波长可被标识为其中反射比下降至反射谱带中的最大反射率(P)和反射谱带外的基线反射率(B)之间的中间值的波长。在例示的实施方案中，波长λ1处的反射率和波长λ2处的反射率为(B+P)/2。当比较不同位置处的谱带边缘波长时，其具有应在不同位置进行比较的相同谱带边缘(上波长谱带边缘λ1或下波长谱带边缘λ2)。

图8A是具有沿着光轴(840)的原点或顶点(757)的反射偏振器(827)的示意性前视图。反射偏振器(827)关于两个正交轴(例如，x轴和y轴)弯曲。图8B是反射偏振器(827)的示意性前视图，其示意性地示出透光轴和阻光轴的取向的可能空间变化。反射偏振器(827)在顶点(757)处具有正交的透光轴(757p)和阻光轴(757b)。反射偏振器(827)在第一位置(752)处具有正交的透光轴(752p)和阻光轴(752b)，并且在第二位置(753)处具有正交的透光轴(753p)和阻光轴(753b)。在例示的实施方案中，透光轴(752p)和阻光轴(752b)与透光轴(757p)和阻光轴(757b)基本上对准，而透光轴(753p)和阻光轴(753b)相对于与透光轴(757p)和阻光轴(757b)对准的轴线旋转角度α。如果轴和弯曲表面上两个位置之间的最短平滑曲线的切线之间的对应角度相同，则可认为与弯曲表面上不同位置处的弯曲表面相切的轴是彼此对准的。这在图8C中示意性地示出，该图为弯曲表面(1727)的前平面图，其示出第一位置(1757)处的第一轴线(1757-1)和第二轴线(1757-2)以及第二位置(1753)处的第一轴线(1753-1)和第二轴线(1753-2)。第一轴线(1757-1)和第二轴线(1757-2)在第一位置(1757)处于表面(1727)相切，并且第一轴线(1753-1)和第二轴线(1753-2)在第二位置(1753)处与表面(1727)相切。由于表面(1727)是弯曲的，因此第一轴线(1753-1)和第二轴线(1753-2)通常处于与第一轴线(1757-1)和第二轴线(1757-2)不同的平面中。最短曲线(1777)示出于第一位置(1757)和第二位置(1753)之间。最短曲线(1777)在平面图中被示出为线性的，但在其他情况下，曲线(1777)可在平面图中是非线性的。角度

在第一位置(1757)处被示出为在第一轴线(1757-1)和曲线(1777)之间。第一轴线(1753-1)和曲线(1777)之间的对应角度也为

使得第一轴线(1757-1)和轴线(1753-1)对准。类似地，在第一位置(1757)处第二轴线(1757-2)与曲线(1777)之间的角度等于第二位置(1753)处第二轴线(1753-2)和曲线(1777)之间的对应角度(90度减

)，因此第二轴线(1757-2)和第二轴线(1753-2)对准。第一位置(1757)位于弯曲表面的原点(1740)处，该原点可为表面的形心和/或顶点和/或由包括弯曲表面(1727)的光学系统的光轴相交的位置。与第一轴线(1757-1)和第二轴线(1757-2)对准的轴线可通过使轴线取向成使得它们相对于表面(1727)上的每个点和第一位置之间的最短曲线形成与第一轴线(1757-1)和第二轴线(1757-2)相同的对应角度来限定在该点处。反射偏振器(827)上的每个点处的局部透光轴和阻光轴可相对于在光轴(例如，轴线(757b)和/或(757p))处限定的轴线对准的与反射偏振器(827)相切的轴线来指定。例如，位置(753)处的轴线(753a)与阻光轴(757b)对准，因为轴线(753a)和(757b)两者与反射偏振器(827)相切并且相对于位置(757)和(753)之间的最短曲线具有相同角度。

在一些实施方案中，在将反射偏振器成形为弯曲形状之前，反射偏振器具有约θ1的透光偏振态的取向的最大变化，并且在成形之后具有约θ2的透光偏振态的取向的最大变化。例如，在图8A所示的实施方案中，透光偏振态相对于与透光轴(757p)和(757b)对准的轴线旋转角度α。在这种情况下，反射偏振器上的角度α的最大值减最小值在成形之前为θ1，并且在成形之后为θ2。在一些实施方案中，θ1和θ2在彼此的约5度内，或约4度内，或约3度内，或约2度内，或约1度内。在一些实施方案中，θ1不超过约0.5度、或不超过约0.3度，并且θ2不超过约1度、或不超过约0.8度、或不超过约0.6度。在一些实施方案中，θ1为约0.5度，并且θ2为约1度。在一些实施方案中，θ1为约0.3度，并且θ2为约0.5度。在一些实施方案中，θ1在约0.2度和约0.3度之间，并且θ2在约0.4度和约1度之间。例如，发现当使用本文其它地方所述的过程成形到k为约4.9、c为约1/120mm^-1、D为约零、E为约2.5E-06mm^-3并且F和更高阶项为约零的情况下由式1所述的透镜(20)的表面上的多层聚合物反射偏振器膜在成形之前具有在约0.2度和约0.3度之间的θ1时具有在约0.4度和约1度之间的θ2。

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 (10)

1.一种用于将图像显示给观察者的光学系统，所述光学系统包括：

第一光学透镜，所述第一光学透镜具有光学各向同性、具有约1mm至7mm范围内的厚度、具有弯曲的第一主表面和弯曲的第二主表面，所述弯曲的第一主表面和弯曲的第二主表面具有在约20mm至约200mm范围内的最佳拟合球面第一曲率半径，所述弯曲的第一主表面更靠近被配置为发射光的显示器；

第二光学透镜，所述第二光学透镜与所述第一光学透镜相对、具有约0.5mm至6mm范围内的厚度、具有第三主表面和第四主表面，所述第三主表面和第四主表面具有大于约500mm的最佳拟合球面第二曲率半径，所述第四主表面更靠近所述观察者，所述第一光学透镜朝向所述第二光学透镜凹入，其中所述第一光学透镜通过空气与所述第二光学透镜分开；

部分反射器，所述部分反射器设置于且适形于所述第一光学透镜的所述弯曲的第一主表面和所述弯曲的第二主表面中的一者，并且在从约400nm到约700nm的预定波长范围内具有至少30％的平均光学反射率；

反射偏振器，所述反射偏振器设置于且适形于所述第二光学透镜的所述第三主表面和所述第四主表面中的一者，所述反射偏振器在所述预定波长范围内基本上反射具有第一偏振态的光并且基本上透射具有正交的第二偏振态的光；和

第一延迟层和第二延迟层，所述第一延迟层设置在所述显示器和所述第一光学透镜之间，所述第二延迟层设置在所述第一光学透镜和所述第二光学透镜之间。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述第一光学透镜的所述弯曲的第一主表面和所述弯曲的第二主表面具有在约20mm至约150mm范围内的最佳拟合球面第一曲率半径。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述第一光学透镜的所述弯曲的第一主表面和所述弯曲的第二主表面由下式描述：

其中r为从光学系统的光轴到所述非球面表面的距离，c为曲率系数，k为二次曲线常数，并且D、E、F、G、H、I和J为所述非球面表面的校正系数。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述第二光学透镜的所述第三主表面和所述第四主表面具有大于约750mm的最佳拟合球面第二曲率半径。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述第二光学透镜具有光学双折射率，并且所述反射偏振器设置在所述第二光学透镜和所述第一光学透镜之间，其中所述光学双折射率大于约15nm/cm。

6.根据权利要求1所述的光学系统，所述光学系统具有光轴；光线沿着所述光轴传播穿过所述第一光学透镜和所述第二光学透镜、所述部分反射器、所述反射偏振器以及所述第一延迟层和所述第二延迟层而基本上不被折射，使得所述光学系统对于下述光锥具有大于约0.5的调制传递函数(MTF)：所述光锥从对象入射到所述光学系统上，包括每毫米约11个线对的空间频率，以所述光锥的穿过出射光瞳的开口的中心的主光线填充所述出射光瞳，并且所述主光线在由所述光轴和所述第二偏振态形成的平面上的投影与所述光轴成约0度的角度，而所述主光线在由所述光轴和所述第一偏振态形成的表面上的投影与所述光轴成约25度的角度。

7.根据权利要求1所述的光学系统，所述光学系统具有光轴；光线沿着所述光轴传播穿过所述第一光学透镜和所述第二光学透镜、所述部分反射器、所述反射偏振器以及所述第一延迟层和所述第二延迟层而基本上不被折射，使得所述光学系统对于下述光锥具有大于约0.7的调制传递函数(MTF)：所述光锥从对象入射到所述光学系统上，包括每毫米约3个线对的空间频率，以所述光锥的穿过出射光瞳的开口的中心的主光线填充所述出射光瞳，并且所述主光线在由所述光轴和所述第二偏振态形成的平面上的投影与所述光轴成约15度的角度，而所述主光线在由所述光轴和所述第一偏振态形成的表面上的投影与所述光轴成约10度的角度。

8.根据权利要求1中任一项所述的光学系统，所述光学系统具有光轴；光线沿着所述光轴传播穿过所述第一光学透镜和所述第二光学透镜、所述部分反射器、所述反射偏振器、所述第一延迟层和所述第二延迟层而基本上不被折射；如果光锥从对象入射到所述光学系统上，所述光锥包括每毫米约20个线对的空间频率，以所述光锥的穿过出射光瞳的开口的中心的主光线填充所述出射光瞳，且所述主光线与所述光轴成角度θ，则对于均大于约5度的至少一个较大的θ和至少一个较小的θ，使得所述光学系统对于所述较大的θ具有较小的调制传递函数(MTF)并且对于较小θ的具有较大的MTF。

9.一种用于将图像作为虚拟图像显示给观察者的光学系统，所述光学系统包括：

中空透镜，所述中空透镜包括弯曲的第一主表面和第二主表面以及相对的平坦的第三主表面和第四主表面，所述弯曲的主表面和所述平坦的主表面由空气分开；

部分反射器，所述部分反射器基本上如所述弯曲的第一主表面和第二主表面那样弯曲，设置在所述弯曲的第一主表面和显示器之间，并且反射至少30％的可见光；

平坦的反射偏振器，所述平坦的反射偏振器设置在所述弯曲的第二主表面和所述观察者之间，用于基本上反射垂直入射的可见光，所述反射偏振器反射具有第一偏振态的所述入射光的至少50％并且透射具有正交的第二偏振态的所述入射光的至少50％；和

第一延迟层和第二延迟层，所述第一延迟层设置在所述弯曲的第一主表面和所述显示器之间，所述第二延迟层设置在所述弯曲的第二主表面和所述平坦的反射偏振器之间并且为针对至少一个可见光波长的基本上四分之一波长延迟器，所述光学系统基本上以光轴为中心，使得对于由所述显示器发射的下述图像，由所述光学系统形成的所发射的所述图像的所述虚拟图像具有大于约0.5的调制传递函数(MTF)：所述图像具有每毫米约11个线对的空间频率，从所述图像到所述虚拟图像的光线在由所述光轴和所述第二偏振态形成的平面上的投影与所述光轴成约0度的角度，并且所述光线在由所述光轴和所述第一偏振态形成的平面上的投影与所述光轴成约25度的角度，其中所述反射偏振器对于所述第一偏振态具有大于约60％的最大反射率并且对于所述第二偏振态具有大于约60％的最大透射率。

10.一种制造光学组件的方法，包括：

提供第一模具，所述第一模具包括弯曲的第一模具表面，所述弯曲的第一模具表面具有在约20mm至约200mm范围内的最佳拟合球面第一曲率半径；

提供基本上平坦的反射偏振器，所述反射偏振器上的每个位置对于阻光偏振态具有大于约70％的最大反射率并且对于正交透光偏振态具有大于约70％的最大透射率，所述透光偏振态的取向跨所述反射偏振器的最大变化为约θ1度；

将所述基本上平坦的反射偏振器放置在所述弯曲的第一模具表面上，并且施加压力和热中的至少一者以使所述基本上平坦的反射偏振器至少部分地适形于所述弯曲的第一模具表面；

提供包括与所述第一模具表面间隔开并与之对准的第二模具表面的第二模具，所述第一模具表面和所述第二模具表面在两者间限定模具腔体；

用可流动材料基本上填充所述模具腔体，所述可流动材料具有大于所述反射偏振器的玻璃化转变温度的温度；以及

使所述可流动材料固化以形成粘结到所述反射偏振器的固体光学元件，所述透光偏振态的取向跨已粘结的所述反射偏振器的最大变化为约θ2度，θ1和θ2在彼此约3度内。

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