[发明专利]光学系统

说明书

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。

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。