CN1930511A - 用于真实世界模拟的改进的准直光学元件 - Google Patents

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弗兰克·吕勒
保罗·韦斯曼
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RUHLE Cos Inc
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Abstract

本发明披露了一种包括第一线偏振器的准直成像装置。第一四分之一波片邻近该第一偏振器设置且其快、慢轴相对于第一偏振器的偏振平面成大致45°。该装置还包括：分光曲面镜，该曲面镜的凸表面邻近第一偏振器且面向第一四分之一波片；邻近曲面镜凹陷一侧的第二四分之一波片，该第二四分之一波片的快、慢轴关于第一四分之一波片的对应轴成基本上等于90°的第一整数倍的角度；和邻近第二四分之一波片的反射－透射偏振元件。第二线性偏振器邻近反射－透射偏振元件，第二线性偏振器的偏振平面关于第一线性偏振器的偏振平面成基本上等于90°的第二整数倍的角度，所述两个整数倍同为偶数或同为奇数。

Description

用于真实世界模拟的改进的准直光学元件
技术领域
本发明涉及用于模拟器的准直显示器，该模拟器用来显示看起来象是在远距离处的物体。
关于联邦资助研究或开发的声明
不适用。
相关申请的交叉引用
本申请是2003年11月26日提交的美国申请10/723,395的部分延续申请，其要求2002年11月27日提交的美国临时申请60/333,041的优先权，这两个申请中每一个所披露的内容都以引用方式合并于此。
背景技术
真实世界的模拟实施在广泛的应用中，其范围从车辆驾驶培训模拟器到视频游戏机。最简单的模拟器是在例如视频游戏机中使用的那些模拟器。一般地，这种模拟器利用在阴极射线管监视器或液晶显示器上显示的视频显示。这种显示器是指模拟通过窗口看到的外部世界图像的外观。在二维显示器中的真实世界窗口的类似物可以是，例如，液晶显示器的表面。显示器具有维度、运动特性和一些透视特性，在某些方面类似于由摄影机产生的视频图像。不过，这种显示器仅仅是二维的，从而，由于它们仅仅处于二维而非三维中，所以不会显示出对于头部运动的任何反应。因此，出现在这些类型的系统中的图像缺乏对于头部运动、眼睛运动等等的实际图像改变响应。除此以外，这种显示器相对于一个观察同样视场的人具有较窄的视场角部分。因此，通常，观看这些二维显示器中的一个的人，通常只看见由真实世界的大得多的图像所包围的很小的显示。
例如，如果一个通过窗口观看真实世界的人将其头部向右或左移动，则距离观察者很远处的图像看起来会在窗口内向右或左移动。换句话说，当观看者移动他的头或眼时，通过窗口看到的场景会改变且即使观察者运动时物体看起来也是静止的。这与比如在个人电脑或电视机上产生的直接观看的阴极射线管显示图像相反，在个人电脑和电视机上图像与使用者的头部运动无关。
在使用者向着显示器或远离显示器移动时也会出现类似的影响。这种使用者的移动导致表观图像大小的根本改变。这与真实世界相反，在真实世界中即使头部向着或远离显示器移动小的距离(例如5-10厘米)位于较远距离(例如100米)处的物体看起来大小也不会改变。
显示器上的模拟场景距离使用者大概40cm的相对有限的距离的事实也会滋生问题。因此，几个厘米的头部运动会导致预期图像位置与实际图像位置之间产生根本差异。但是，这些系统在老百姓的圈子中确实很受欢迎，因为人脑受到电视的训练以接受这些显示。无论如何，这些显示图像虽然被人的大脑所接受，但不能提供告知并指导反应的众多视觉提示比如图像移动、视差、图像大小等等。
因此，仅仅提供二维图画型显示不适于飞机飞行员、船只领航员、海员等、战斗车辆驾驶员、宇航员、司机等等以及与车辆和固定装备比如掩体、通信设施和防御/进攻炮位有关的射击、导航和其他人员所需要的以经验为基础的训练。除此以外还需要响应于观看者的移动的真实世界图像的预知系统。
一种解决该问题的方法是使用接收来自图像源的光并使其准直的聚焦光学器件，使得看起来图像源处在无穷远或至少相距很远的距离。因为来自位于很远处的光学器件的光基本上是平行的，因此在显示到观看者的眼睛之前使图像源准直对于把有效的真实世界模拟展示给观看者是有效的策略，这种模拟将对训练反射、反应等很有用。
这种显示器通常需要把图像源放置在聚焦光学器件的焦点附近。例如，如果图像源是阴极射线管(CRT)的表面，那么CRT表面板可以放置在聚焦光学器件的焦平面内。从而，从阴极射线管的表面发出并由聚焦光学器件收集得到的所有的光将显示为经过准直的平行光束。虽然，原则上折射光学器件能够实现此功能，但实际上与折射光学器件相关联的重量、厚度和色差致使这种方法不可行。因此，理想的是使用反射光学器件。
不过，反射光学器件提出了许多挑战。例如，一般会通过使光源与观察者一样位于反射光学器件的相同侧而形成图像。如果通过利用部分反射、部分投射的平面光学器件来折叠光轴从而呈现图像，那么组件显得笨拙并且相邻组件的显示会很复杂或者不可能实现。虽然，原则上可以用半反射的凹面元件及其全息等效元件或类似物代替凹面光学器件，但直接观看到原始图像会破坏效果的有用性。
从20世纪60年代以来，已经可以不同程度地解决上述问题的模拟器显示器。例如，以商标名Pancake Window出售的准直模拟光学器件提供了针对该问题的一种解决方案。
这种系统在美国专利号Re 27,356中有所说明，包括了夹层结构，该夹层结构包括垂直偏振器、半反射凹面光学器件、四分之一波片、平面分光镜、四分之一波片以及水平偏振片，该夹层结构耦合到图像源上。
一般地，根据该技术，可使图像源的光通过垂直偏振器。来自垂直偏振器的光通过凹面半反射聚焦光学器件，该器件继而使图像源的光通过四分之一波片，该四分之一波片使光具有顺时针(或右)圆偏振特性。圆偏振光反射离开分光镜(半反射平面镜)，该分光镜使得它具有反转或逆时针的圆偏振态。现为逆时针(或左)方向上的圆偏振光的光再次通过四分之一波片，作为水平偏振光而出射，继而被凹面反射光学器件反射并再次通过四分之一波片，该四分之一波片使其恢复成逆时针圆偏振光束，该光束以不改变偏振态的方式透射过分光镜并最后通过四分之一波片，该四分之一波片使具有水平线性偏振特性的光通过。然后输出图像通过水平偏振器。
从图像源直接通过垂直偏振器并通过各种光学元件的光将会是垂直偏振的且会被最后的偏振器阻挡，该偏振器仅能通过指定的水平偏振态光束。
这些系统已经看到了广泛的应用，包括各种交通工具模拟器，比如飞机模拟器、太空交通工具模拟器等等。与这些系统一起使用的图像源包括阴极射线管显示器、模型、彩色显示器等等。
然而，理论上，每一次透射通过和反射离开半反射光学元件以及某几次透射通过偏振器将产生额定百分之五十的强度损失。这种损失在聚焦光学器件处出现两次、在分光镜处出现两次并且在两个偏振器中的第一个处出现一次。因此，产生了相当的损失，下面将对此更明显地阐释。
原则上，用于模拟器的准直光学元件的一些缺点可通过包括由多个元件构成的夹层结构的系统来克服，该夹层结构包括垂直偏振器、四分之一波片、凹面半反射聚焦光学器件以及胆甾型偏振器。例如，参见美国专利No.4859031。一般地，这种系统由于胆甾型偏振器具有传送一种圆偏振态的光而透射相反圆偏振态的光的特性。但是，这种系统受到胆甾型偏振器(这种偏振器的反射率范围相对较窄且需要利用例如三层光学器件，导致形成准直光学模拟器元件的组件相对较厚，并使得具有多种颜色成分的图像的显示无法相互对准)的不足的困扰。
发明内容
本发明提供一种准直图像形成装置，包括第一线性偏振器、邻近第一偏振器并且其快慢轴相对于第一偏振器的偏振平面成大致45°角的第一四分之一波片。分光曲面镜具有邻近第一偏振器并面向第一四分之一波片的凸表面。第二四分之一波片邻近曲面镜的凹侧。第二四分之一波片的快慢轴关于第一四分之一波片的相应轴定向在基本上等于90°的第一整数倍的角度。反射-透射式偏振元件邻近第二四分之一波片定位。第二线性偏振器邻近反射-透射式偏振元件。第二线性偏振器的偏振平面关于第一线性偏振器的偏振平面定向在基本上等于90°的第二整数倍的角度，所述两个整数倍同是偶数或同是奇数。
附图说明
可以参考仅仅图解了本发明几个实施例的以下附图并结合包含在此的本发明的说明书内容来理解本发明的实施，在附图中：
图1是本发明准直器的优选实施例的示意性分解透视图，示出了源和观看者的位置；
图2是图1所示的本发明准直器的示意性横截面视图；且
图3是类似于图2所示视图的本发明准直器的可选实施例的示意性横截面视图。
图4-6是实施例的示意性横截面图，表示本发明准直器的可选实施例。
具体实施方式
参考图1，根据本发明，准直器10包括具有垂直偏振取向的偏振器12。光透过偏振器12到达四分之一波片14，该波片输出右圆偏振光至聚焦反射镜16。聚焦凹面反射镜16是具有半反射表面18的凹面镜，该表面涂覆在凹玻璃衬底20上。凹面镜16光耦合至第二四分之一波片22上，该第二四分之一波片光耦合至凹面镜16和全色反射/透射偏振器24，该偏振器24光耦合至四分之一波片22和水平偏振器26。根据本发明，可以知道水平和垂直偏振器可以处于不同的角度，只要他们基本上彼此成直角。
根据本发明的优选实施例，反射/透射偏振器24用液晶和可光成像对准的材料在衬底上涂覆多层而制成，这些材料可从RolicTechnologies Ltd.获得。反射/透射偏振器24具有反射垂直偏振光而透射水平偏振光的特性。
提供偏振器24的理想的反射/透射特性的可选结构是多层双轴结构比如由3M制造的结构以及已知为DBAF偏振器的材料。
获得偏振器24的理想的反射/透射特性的另一种方法是使用栅网分析器，比如由Moxtek制造的栅网分析器。
可以知道根据本发明，全色(即全彩色特性)对于偏振器24以及本发明的准直显示器10中的其它元件是理想的。考虑到这一点，可以知道尽管光学元件14和22被称作是四分之一波片，它们在不同波长下具有不同的厚度，但却在整个可见光谱上起作用以实现全彩色模拟。其原因在于，真正的四分之一波长所产生的厚度上的偏差在光学元件14和22中都一致，以及它们产生互补以便如下所述地实现全彩色特性。
现有技术的如美国专利No.Re.27,356中所述的准直光学成像装置已经成为众多光学显示器和模拟系统中的基本组成部分。尽管如此，根据本发明改进美国专利No.Re.27,356中所述的装置可以获得本发明的光学设计。特别地，对于现有技术的光学设计，来自图像源的用来产生模拟的光在整个区域中的透射量一般为2％或以下。尽管能够利用更亮的图像源一定程度地补偿损耗，但更大功率的照明有可能增大该基本光学设计的某些其他负面后果。
更特别地，一种后果是在显示视场中出现变暗、色移的区域。这些区域通常位于显示视场的角落中。根据本发明，这个问题通过构造元件以补偿在四分之一波相移器元件上的入射角的偏差来解决。在现有技术中，入射角通过球面分光光学元件来改变，该元件用来准直针对相对远离显示视场主轴的光线的图像。
本发明的光学设计部分地源自下述理解：偏振态在这些区域中从理想的均匀线性偏振态变成在相对于理想的均匀线性偏振发生了角度上的旋转的线性偏振、导致尤其在距离显示视场主轴最远的区域中改变了椭圆偏振的程度和发展。尽管这在其表面不会表现为问题，但偏振态的改变，尤其是在这些区域中的偏振态的改变，导致经由该线性偏振器的相应区域的透射减少，该线性偏振器随后将遇到通过该系统的光。
在这些区域中还会存在色彩的偏移，因为光谱的某一部分中的光比光谱其他部分中的光被削弱得更厉害。在这种类型的装置中的普通实施例中普遍存在的其他缺陷与传统上在这些设备的制造过程中所使用的材料相关联。特别是所使用的四分之一波相移器和线性偏振器通常是塑料薄膜材料，因为迄今为止只有这些材料在尺寸上足够大以便制造这些装置的典型应用所需的大型设备。即便如此，对于最大的设备，必须使用多片四分之一波相移器和线性偏振器材料，从而带来这样的结果，即不同的片之间的接缝在显示视场中显而易见。这些塑料薄膜还必须用各种粘合剂层压到其它元件上，这些粘合剂很难处理并有随着时间退化的潜在问题。此外，制造四分之一波相移器的材料通常是被拉伸过的塑料薄膜。类似地，线性偏振膜也呈现出在显示视场中可见的应变痕。由于这些材料以不同角度设置在该装置的结构中，因而结果是不均匀照明的“网纹”或“格子”图案。
作为本专利主题的改进的装置通过用直接涂覆到其他光学元件比如集成在本发明系统中的平面分光镜上的液晶材料代替塑料薄膜四分之一波相移器和线性偏振器薄膜而解决了与先前使用的材料相关联的问题，如下面更清晰地所述。利用这项技术形成的四分之一波和线性偏振器避免了在大型显示设备中有接缝的必要性并且基本上不存在引起不均匀照明的“网纹”或“格子”图案的应变。采用这种液晶材料来形成本发明系统的光学元件，如下所述，在本技术领域中是已知的并且不是本发明的部分。根据本发明，用这些液晶材料制成的四分之一波相移器可以具有适于校正变暗角落现象的特性，该现象是最初的光学设计的结果。更特别地，根据本发明，四分之一波相移器的特性可以用几种方法来修改。在一种可能的修改中，可以通过生成多层液晶材料使四分之一波相移器对入射角的敏感性减小，每一层具有垂直于在其上生成该层的表面的不同角度取向。另一种可能的修改是改变特定区域中液晶材料的厚度，从而改变在这些特定区域中的延迟量。另一种可能的修改是改变特定区域中延迟材料的快、慢通路的对准调整。
这种结构可以利用可从Rolic Technologies Ltd.获得的材料形成。
一般地，需要这三种更改的相移器特性组合起来以校正显示装置的任意个例的特定光学设计所产生的现象。为了方便起见，可根据最后装置的要求来采用由新的液晶材料和更传统的材料制成的元件的任意组合。此外，由液晶材料形成的光学相移器和线性偏振器可以在塑料薄膜衬底上制成。对于改进的显示器的特定实施例，这会是更便利的形式。
一般地，实现这三种更改的相移器特性中的一种或多种的组合的设计目标是使得通过光学系统的全色透射的均匀性最大化。
以上讨论的改进克服了美国专利Re.27,356中所述的显示装置的许多缺陷。此外，图1的设计还解决了由于图像源(比如阴极射线管表面28)的系统衰减导致的低透射值。光学设计中的基本变化利用理论透射增大大约百分之十二至百分之五十的结果来解决该问题，尽管实际值会由于各个光学元件尤其是偏振光学元件12和16中的固有损耗而稍微降低。
在图1中，表示了对于准直器10的改进光学设计的基本布置。该系统可采用多个图像源，它们可包括阴极射线管(CRT)表面28、投影屏、模型、各种类型的投影仪等类似物或它们的组合。例如，图像可以首先投影在合适的屏幕上。当CRT用作图像源时，屏幕不是必需的，且投影在CRT的表面28上的图像产生具有水平和垂直分量的光30。屏幕或CRT后面的第一组两个元件是线性偏振器12，其输出垂直偏振光32。垂直偏振光32被传送至四分之一波相移器14，该相移器输出右或顺时针圆偏振光34。
线性偏振器12和四分之一波相移器14都设置在球面分光镜16的凸出一侧。来自第一线性偏振器12的线性偏振光32在通过第一四分之一波相移器14后转换为右(或顺时针)圆偏振光34。该圆偏振光的一部分36(通常为百分之五十)通过球面分光镜16。球面分光镜16可以是真实的球面光学元件或可选地可以是全息等效光学元件，如美国专利No.3,940,203中所述。
然后，圆偏振光36通过第二四分之一波相移器22并作为垂直偏振光线束38出射。从图1中可以看出，四分之一波相移器22设置在球面分光镜16的凹陷一侧。通过第二四分之一波相移器22之后，圆偏振光36被转换成线偏振光38，然后入射到反射-透射偏振器24上，该偏振器这样取向，使得垂直偏振光38作为光线束40反射回来、通过第二四分之一波相移器22以作为右圆偏振光42出射。从而，四分之一波相移器22再次将线偏振光转换成圆偏振光，该圆偏振光然后被球面分光镜16部分地透射和部分地反射。
反射-透射偏振器是反射与反射-透射偏振器的特定轴线对准的线偏振光并透射其偏振平面定向成与反射-透射偏振器所反射的线偏振光的偏振平面成90度的线偏振光的光学元件。
由球面分光镜16反射的光的部分44现在被准直形成焦点处于无穷远的图像(即，准直图像看起来是从无穷远处或者根据光学分量的值及其位置而定至少是相对很远处发生的)。这是因为发光CRT屏幕或表面28与反射-透射偏振器24之间的距离加上反射-透射偏振器24与凸面镜16之间的距离大约等于凸面镜16的焦距。
该准直的左(或逆时针)圆偏振光44然后通过第二四分之一波片22，在这里它作为水平线性偏振光46出射。换句话说，线性偏振平面现在相对于由通过球面分光镜16并首先通过第二四分之一波相移器22的圆偏振光38和40生成的线偏振光成90度。该准直水平线偏振光44现在通过反射-透射偏振器24成为光48，该光形成了将要观看的图像。
如果想要的话，可使用任选的偏振滤光器26来第二次过滤光以产生到达使用者眼睛52的光50。偏振滤光器26具有除去不想要的杂散和馈入图像，比如可以直接从表面28透过光学元件12，14，16，22和24的垂直偏振光和从使用者52进入光学系统向着反射-透射偏振器24行进的光。
除了改进装置有更大的透射值以外，还减小了这种类型的显示装置中固有的幻像的强度，这种幻像是由于各种偏振器未完全阻挡的初始未准直图像的“泄漏贯通(bleed through)”所引起的。可以通过另外使用如美国专利No.4,163,542所述的“偏轴的”或“倾斜的”光学设计作为可选的办法或除了采用最后的线性偏振器26以外的可选或附加办法来进一步减小这些幻像的影响，该线性偏振器设置成接收反射-透射偏振器24的输出，如图1所示。
制造该改进的显示装置的优选材料是液晶材料。这些材料允许生产足够的大小和质量的反射-透射偏振器以便有可能实现大的显示，同时避免与更传统的材料有关的接缝及其它问题。考虑到四分之一波相移器将要应用在改进装置中，对于改进装置中的四分之一波相移器使用液晶材料还能够使相同的技术用于加工以上结构以便校正由于入射角引起的变暗区域。对于某些显示设备，更便利的是采用四分之一波相移器、线性偏振器以及不是用液晶材料制成的反射/透射偏振器，例如栅网型反射-透射偏振器。
如图2所示，光学元件12、14、16、22、24和26可以保持在框架54中。
由于液晶材料或其它类似材料可以直接涂覆在各种光学元件上，所以可以生产经改进的准直器的可选的且有可能更紧凑的实施例110，如图3所示。在图3所示的实施例中，偏振器112、反射-透射偏振器124和偏振器126基本上与图1所示的偏振器12、反射-透射偏振器24和偏振器26执行相同的功能。不过，四分之一波片14和22由直接涂覆在凸面镜116上的四分之一波涂层114和122代替。
根据本发明，理想的是除去准直器10或110的输出的偏振特性。这能够使模拟器与具有偏振特性的系统一起使用，比如某些类型的安装在头盔上的头戴式显示器、偏振太阳镜等等。为此可使用伪消偏振镜。一系列彼此成不同角度设置的几个双折射相移器对于线性偏振白光的入射光束能够起到使不同的波长成分以不同的偏振形式出射的作用。出射光束的偏振态如此多种多样以至于光束具有非偏振光束的许多特性。这种相移器的堆叠可用来使光“消偏振”。尽管任何一种波长的光仍保持偏振的状态，但所有波长的组合效果大概地模拟了消偏振的状态。这种堆叠就是已知的伪消偏振镜。这种伪消偏振镜56可用来使本发明系统适于与具有偏振特性或敏感度的附件一起使用。伪消偏振镜56包括几百个微米厚的彩色延迟片的堆叠结构，以使得光输出由近似非偏振光的大量偏振态组成。
上述新光学设计的另一改进是使用线性偏振的投影源。在这种情况下，由漫射来自投影仪的偏振光从而产生非偏振光的典型屏幕材料制成的投影屏被由液晶材料制成的屏幕所代替，从而能够控制散射方向，因此大大地保留了投影仪的线性偏振态。这种液晶屏的制造是根据传统技术进行的，不组成本发明的部分。这种方法还能够消除球面分光镜的凸出一侧上的第一线性偏振器，从而使得这种系统的总体透射值更大。尽管最便利的是利用液晶材料制造改进的投影屏，但制造具有受控漫射方向以足以很大程度地保留投影仪的偏振态的屏幕的任何方法都可以采用。
图1-3所示的本发明实施例使用胆甾型球面镜(在所示的例子中是球面分光镜)作为光学活性元件以形成准直的或接近准直的图像源。尽管球面镜校正了一些像差(例如色彩的)，但该解决方案留下了其它像差(比如场曲)没有校正。
当使用球面镜且眼睛位于曲率中心处时，最小化或消除了几个像差，比如彗差。在这种情况下，如果图像表面是平的则变形为零且场由于场曲而不聚焦，如果图像表面是曲面则变形没有被校正。重要的是，在两种情况下球面像差都没有被校正。此外，把眼睛放在曲率中心处并不总是理想的，这又会导致其他像差比如像散和彗差。
图4所示的实施例的目标在于解决光学像差。除了减小光学像差，图4所示的实施例还解决了其他方面的问题。这些涉及设计的坚固性。球面分光镜被涂覆有金属或介电层以使得表面反射大约一半的光。这些涂层在暴露到空气和/或紫外线或暴露于诸如水的一些元素的情况下会随着时间的推移而遭到破坏。
图1-3所示的设计还包括几个离散的可分离的组成部分，它们可以相对彼此移动。类似地，各组成部分之间的空间可能会被诸如水或灰尘的元素污染，这会导致各种问题，比如发霉、透射率受损、变形等等。尽管图1的设计可以用O形环或密封剂密封以及用氮气净化以解决这些环境造成的问题，但这种方法对于改善以上提到的像差毫无作用。
大多数常见的普通镜(非光学型比如家用镜)在玻璃背面涂有银。银可以化学沉积并且通过在银涂层的背面涂覆油漆来加以保护。这些一般称为背表面镜。当该布置用在还起到反射器作用的元件的背表面上时，这种镜还称为以其发明者命名的曼金镜(Mangin mirror)。这些镜用在望远镜中以执行某些像差校正。
根据图4所示的本发明实施例，部分反射涂层或层224完全沉积在元件216的凸出一侧或元件218的凹陷一侧上，其上覆盖有填充该部分反射层224与反射层224的相反侧上的折射介质之间的空间的光学粘合剂。尽管可以说该反射层沉浸在粘合剂中，且这是本领域使用的术语，但应指出的是在功能设备中的粘合剂具有形状且是固态的。在图1-3所示的实施例中，端板、偏振器、四分之一波片、以及平面分光镜的组合件粘合在一起以形成一种双折射夹层组件。在图4所示的实施例中，双折射夹层组件粘合到球面分光镜上。在图1-3所示的实施例中，线性偏振器粘合在两个端板之间。在图4所示的本发明实施例中，线性偏振器利用光学粘合剂比如Epoxy Technologies 301FL粘合到双折射夹层结构和球面分光镜上。这样，三个组成部分成为了单片结构。
本发明中所使用的球面镜最理想的特性之一是等量地反射所有色光从而没有色差。球面镜的有效光学系数为2。这意味着，与由普通光学玻璃制成的具有相似折射率的元件相比，许多像差都较低。
通过沉浸球面镜，系统损失了基本上最优的颜色校正，但结果利大于弊。为了校正颜色，引入了颜色校正元件。即燧石玻璃。燧石玻璃结合了冕牌玻璃以平衡色差。每一表面都对佩茨瓦尔和做出贡献。必须调整与表面曲率相结合的折射率以控制佩茨瓦尔和，该曲率与总体场曲有关。目镜的球面校正一般留下有待校正。不过，当眼睛相对于光轴偏离中心时该像差可导致看起来像是像散。此外，必须把像散校正到在切向与径向之间聚焦的中间焦点与被观察的图像的最大频率的清晰表示相称的程度。彗差也利用像散校正来校正和平衡。
理想的是使光学器件内的平表面嵌入偏振器和四分之一波材料中。
图4表示器件210，其表示了本发明的一个实施例。在该实施例中所有曲面都是球面。抗反射涂层211沉积在凸平元件212上，其间接地与反射-透射偏振器214光学相通，该偏振器取向为透射水平取向的线偏振光并反射垂直取向的线偏振光。在凸平元件212与反射-透射偏振器214之间，水平地定向为清除通过反射-透射偏振器的任何泄漏贯通光的线性偏振器213沉积或构造在反射-透射偏振器214上。平凸元件216间接接收来自反射-透射偏振器214的光。在反射-透射偏振器214与平凸元件216之间的是四分之一波片215，该四分之一波片定向成慢轴相对于竖直轴线成45度。在平凸透镜216的后面是凹面分光镜217，其后跟随着凹凹元件218。分光镜217可以设置在凹凹元件218或平凸元件216的相邻表面的任意一个上。凹凹透镜218后跟随着平凸元件219。平凸元件219后跟随着四分之一波片220，其慢轴相对于四分之一波片215的慢轴旋转90度角。四分之一波片220后跟随着线性偏振器221，该线性偏振器后面跟随着保护性平板222，其也可以设置类似于抗反射涂层211的抗反射涂层223。
在本发明的光学器件的工作过程中，光从光源228发出。然后光被滤光器229平面偏振化，在该滤光器之后光进入管226。在管的内部是部分反射表面230，其反射部分平面偏振光以便它现在向着像素化图像源空间调光器(SLM)224前行。根据本发明，优选的SLM是硅上液晶型SLM(LCoS)。
从管射出并进入SLM224的光是分解为两个彼此垂直的平面偏振矢量的平面偏振光。在SLM型设备中，光的振幅大体没有改变。相反地，偏振平面发生改变以便把信息赋予将特定像素留在SLM上的光。虽然，原则上已被改变的偏振程度可以是光振幅的模拟指示器，但一般地，这些设备通过把偏振态编码成一系列开关脉冲来工作。更特别地，偏振态用来为指示出留下像素的信号的振幅的数字进行编码。换句话说，射出像素的信号的振幅用时域中的数字信号来编码。
关于这一点，可注意到留下给定像素的光的实际强度保持恒定，但编码信号被编码成了偏振信息，且更特别地，编成了形成了信号的一系列一和零，或者一系列例如垂直的(例如，这可以表示一)和水平的(例如，这可以表示零)偏振光，这些偏振光把振幅信息以数字方式编码。
因此反射离开SLM的光被用像素化的图像来编码。从SLM反射的光沿着相同的路径再次进入管226但却是离开SLM 224。光再次碰到部分反射表面230且一部分承载编码信息的光通过涂层并继续向左行进。编码光从管226射出并向着本发明的透镜组件210行进。编码光经由抗反射涂层223和保护性平板222进入本发明的透镜组件210。
编码光入射到线性偏振器221上，在该偏振器处编码光通过吸收一个平面偏振矢量而解码。所传递的矢量在垂直平面内具有透射轴。然后光入射到四分之一波片220上并成为圆偏振光。然后光通过平凸透镜219和凹透镜218。然后它入射到球面分光镜217的部分反射表面上。一部分光通过球面分光镜217和凸平透镜216，并入射到四分之一波片215上。该光恢复成使偏振矢量的取向基本上与它离开线性偏振器221时所具有的取向相同。
然后光入射到透射-反射偏振器214上，该偏振器定向成它的透射矢量是水平的且它的反射矢量是垂直的。然后光由反射-透射偏振器214反射并入射到四分之一波片215且被圆偏振化。而后圆偏振光通过凸平透镜216并入射到球面分光镜217。该圆偏振光的一部分被球面分光镜217反射。圆偏振光的该反射部分随后通过凸平透镜216并入射到四分之一波片215上。通过四分之一波片215之后的光被具有水平取向透射矢量线性偏振化。然后线偏振光入射到透射-反射偏振器214上并通过且入射到线性偏振器213上，并通过线性偏振器213，其中透射矢量对准成与透射-反射偏振器214的透射矢量相同。然后光通过凸平元件212和抗反射涂层211并射出本发明的透镜组件210。承载图像的光然后进入观察者的眼睛232。
在图5和图6中，执行图4所示实施例的类似相似功能的部分分别用附图标记100和200表示，区别于图4中的对应部分。
图5所示的实施例的工作基本上与图4所示的实施例相同，除了一部分器件的顺序是相反的以外，这不损害系统的工作。这具有增大后焦距的优点，该优点是通过把球面分光镜在光学上更靠近SLM的焦平面放置来实现的。更特别地，线性偏振器321、反射-透射偏振器314、四分之一波片320、平凹折射元件316、球面分光镜317、平凸折射元件318、四分之一波片315以及线性偏振器313是反向。抗反射涂层也可用于该实施例中，其被放置在类似于图4所示实施例的位置。
图6所示的实施例校正了图4所示实施例的所有像差。不过，该系统还利用非球面光学器件来校正变形。这通过一对非球面表面来实现。原则上，该解决办法也可以通过用更多的非球面表面来获得。
图6所示实施例的操作与关于图4所示实施例所述的内容相同。不过，图6所实施例中获得的变形校正可以被理解为其目的在于保持图4所示设计的校正，同时又引入了图6所示设计所期望的其它校正。更特别地，在图4所示的球面设计中，有可能校正像散，但变形变大了。类似地，有可能校正变形，但像散可能会成为问题。通过引入在设计中结合球面的可能性，则有可能同时实现极大地减小变形和像散。这种解决方案利用传统透镜设计软件来完成，比如Zemax程序。
图6表示器件410，其表示了本发明的一个实施例。抗反射涂层411沉积在非球面凸平元件412上，其间接地与反射-透射偏振器414在光学上相通，该偏振器定向成透射水平取向的线偏振光并反射垂直取向的线偏振光。在凸平元件412与反射-透射偏振器414之间，水平定向为“清除”通过反射-透射偏振器的任何泄漏贯通光的线性偏振器413沉积或构造在反射-透射偏振器414上。平凸元件416间接地接收来自反射-透射偏振器414的光。在反射-透射偏振器414与平凸元件416之间的是四分之一波片415，该波片定向成慢轴相对于垂直轴线成45度。在平凸透镜416后面的是凹面分光镜417，其后跟随着凹凹元件418。分光镜417能够沉积在凹凹元件418或平凸元件416的相邻表面的任意一面上。凹凹透镜418后跟随着凸平元件419。凸平元件419后跟随着四分之一波片420，其慢轴关于四分之一波片415旋转90度角。四分之一波片420后跟随着线性偏振器421，其后跟随着保护性非球面透镜422，该透镜也可以设置类似于抗反射涂层411的抗反射涂层423。
在本发明光学器件的工作过程中，光从光源428发出。然后光被滤光器429平面偏振化，在此之后光进入管426。在管内是部分反射表面430，其反射部分平面偏振光以便其向着像素化空间调光器(SLM)424前行。根据本发明，优选的SLM是硅上液晶型SLM(LCoS)。不过，也可以使用背照明LCD，而不需要管。
从管射出并进入SLM224的光是编码为两个彼此垂直的平面偏振矢量的平面偏振光。在SLM型设备中，光的振幅大体没有改变。相反地，偏振平面发生改变以便把信息赋予将特定像素留在SLM上的光。虽然，原则上，偏振所改变的程度可以是光振幅的模拟指示器，但一般地，这些器件以把偏振态编码成一系列开关脉冲的方式工作。更特别地，偏振态用来为指示留下像素的信号的振幅的数字进行编码。换句话说，射出像素的信号的振幅用时域中的数字信号来编码。
关于这一点，可注意到留下给定像素的光的实际强度保持恒定，但编码信号被编码成偏振信息，且更特别地，编码成了形成了信号的一系列一和零，或者一系列例如垂直的(例如，这可以表示一)和水平的(例如，这可以表示零)偏振光，这些偏振光以数字方式为振幅信息编码。
因此，反射离开SLM的光用像素化的图像来编码。从SLM反射的光沿着相同的路径再次进入管426但却是离开SLM 424。光再次碰撞到部分反射表面430且一部分承载编码信息的光通过涂层并继续向左行进。编码光从管426射出并向着本发明的透镜组件410行进。编码光经由抗反射涂层423和保护性平板422进入本发明透镜组件410。
编码光入射到线性偏振器421上，在该偏振器处编码光通过吸收一个平面偏振矢量而解码。所传递的矢量具有在垂直平面内的透射轴线。然后光入射到四分之一波片420上并被圆偏振化。然后光通过平凸透镜419和凹透镜418。然后它入射到球面分光镜417的部分反射表面上。一部分光通过球面分光镜417和凸平透镜416，并入射到四分之一波片415上。该光恢复成使偏振矢量的取向基本上与它离开线性偏振器421时所具有的取向相同。
然后光入射到透射-反射偏振器414上，该偏振器定向成它的透射矢量是水平的且它的反射矢量是垂直的。然后光由反射-透射偏振器414反射并入射到四分之一波片415且被圆偏振化。而后圆偏振光通过凸平透镜416并入射到球面分光镜417。该圆偏振光的一部分被球面分光镜417反射。圆偏振光的该反射部分随后通过凸平透镜416并入射到四分之一波片415上。通过四分之一波片415之后，的光被具有水平取向的透射矢量线性偏振化。然后线偏振光入射到透射-反射偏振器414上并通过且入射到线性偏振器413上，并通过线性偏振器413，其中透射矢量对准成与透射-反射偏振器414的透射矢量相同。然后光通过凸平元件412和抗反射涂层411并射出本发明的透镜组件410。承载图像的光然后进入观察者的眼睛432。
根据本发明，希望本发明的光学系统(例如光学系统410)可包括在多个设备中的任何一个(例如蜂窝电话450，其容纳于蜂窝电话450的外壳452内)中。在这样使用的情况下，使用者会以与一个人使用相机取景器相同的方式向着光学系统410抬起他的眼睛，如图6所示。其他的使用包括虚拟现实眼镜、头戴式显示器等等。
在图4-6所示的所有例子中，接触表面用光学粘合剂结合起来。
粘合剂的折射率范围在1.48和1.65之间。粘合剂可以是双部RTV(比如Dow Sylgard 184)，双部光学粘合剂比如Summers Labs C-59，或者UV固化粘合剂(比如Norland UV-63)，环氧树脂(比如EpoxyTechnologies 301FL)。粘合剂的折射率可以通过化学添加剂(比如乙烯基咔唑)来改变，以便以本领域公知的方式改变内边界处的反射率。
各种偏振片可使用在该装置中。可以是Polariod/3M偏振片以及由其它厂商制造的偏振片，它们属于两个主要的类别：碘偏振片和染色偏振片。这些结合了拉伸塑料四分之一波材料，比如由OptiGraphics(美国)或Nitto(日本)制造的材料。当粘合在两个塑料层之间时必须使用除UV固化粘合剂以外的粘合剂。
根据本发明，可以平铺或堆叠几个本发明的准直器以覆盖比单个准直器所覆盖的区域更大的区域。结果是有可能合成比其它方式下更大的准直器。
尽管已经描述了本发明的说明性实施例，但应该理解的是可以在不脱离有所附的权利要求限定和确定的本法明主旨和范围的情况下进行各种各样的修改。例如，一个或多个光学元件可以用结合有全息光学元件的平薄片和夹在一起以形成超薄件的整个组件来代替。除此以外，来自其他图像源的其他图像也可以引入由本发明系统形成的模拟显示中，这些图像通过以45度角插在模拟器光路中的分光镜而引入，从而分光镜沿着光路向观看者反射来自其它图像源的光。这些修改都包含在限定了本发明的以下权利要求中。
权利要求书
(按照条约第19条的修改)
1.一种用于显示在理想的表观距离处的图像源的虚拟光学图像的光学系统，该图像源在前向上输出光，该光学系统包括：
(a)第一至少部分透光元件，该元件具有不均匀透射的特性以接收来自所述图像源的光并在前向上输出改变了的光；
(b)部分透明且部分反射的聚焦元件，该元件接收所述改变了的光并输出经透射的改变了的光；以及
(c)部分透射且部分反射元件，该元件用于在后向上向所述聚焦元件反射所述经透射的改变的光，所述聚焦元件具有反射所述经反射的经透射的改变了的光的特性，且所述部分透射且部分反射元件透射经反射的经透射的改变了的光，该经反射的经透射的改变了的光从所述部分透明且部分反射聚焦元件处反射。
2.如权利要求1所述的光学系统，其中具有不均匀透射特性以便接收来自所述图像源的光并输出改变了的光的所述第一至少部分透光元件包括第一偏振器。
3.如权利要求2所述的光学系统，其中所述第一偏振器包括圆偏振器，该圆偏振器包括线性偏振器和四分之一波片。
4.如权利要求3所述的光学系统，其中接收所述改变了的光并输出经透射的改变了的光的所述部分透明且部分反射聚焦元件包括部分透射凹面镜。
5.如权利要求3所述的光学系统，其中用于在后向上向所述聚焦元件反射所述经透射的改变了的光的所述部分透射且部分反射元件包括四分之一波片和反射/透射偏振器。
6.如权利要求1所述的光学系统，其中用于在后向上向所述聚焦元件反射所述经透射的改变了的光的所述部分透射且部分反射元件包括四分之一波片和反射/透射偏振器。
7.如权利要求1所述的光学系统，其中用于在后向上向所述聚焦元件反射所述经透射的改变了的光的所述部分透射且部分反射元件包括具有第一取向的第一线性偏振器，并且，具有不均匀透射的特性以便接收来自所述图像源的光并在前向上输出改变了的光的所述第一至少部分透光元件包括具有第二取向的第二线性偏振器，该第二取向与所述第一取向不同。
8.一种用于显示在理想的表观距离处的图像源的虚拟光学图像的光学系统，该图像源在前向上输出光，该光学系统包括：
(a)第一线性偏振元件，该元件定向成接收来自所述图像源的光并输出具有在第一方向上的取向的第一线偏振光，所述第一线性偏振元件定向在所述第一方向；
(b)第一椭圆偏振元件，该元件定向在第二方向上并定位成接收所述第一线偏振光和输出第一椭圆偏振光，所述第一椭圆偏振光定向在第一椭圆方向上；
(c)部分透明且部分反射聚焦元件，该元件定位成接收所述第一椭圆偏振光并透射一部分所述第一椭圆偏振光；
(d)第二椭圆偏振元件，该元件设置成接收来自所述聚焦元件的所述第一椭圆偏振光的所述一部分并透射所述聚焦元件的所述第一椭圆偏振光的所述一部分使其成为第二线偏振光，所述第二线偏振光定向在所述第一方向上；以及
(e)反射-透射偏振器，该偏振器构造和定位成反射在所述第一方向上线性偏振的光并透射在与所述第一方向横交的方向上线性偏振的光，所述第二椭圆偏振元件构造和定位成把由所述反射-透射偏振器在后向上反射的线偏振光转换成第二椭圆偏振光，其中所述第二椭圆偏振光在所述第一椭圆方向上偏振，所述凹面镜定位成在前向上反射所述第二椭圆偏振光使其成为第三椭圆偏振光，所述第三椭圆偏振光具有不同于所述第一椭圆方向的第二椭圆方向，且所述第二椭圆偏振元件定位成把所述第三椭圆偏振光转换成第三线偏振光，同时在前向上透射所述第三线偏振光，所述第三线偏振光定向在与所述第一方向横交的第二方向上，从而所述反射-透射偏振器在前向上透射所述第三线偏振光。
9.如权利要求7所述的光学系统，还包括：
(f)第二线偏振元件，该元件定向成接收来自所述反射-透射偏振器的光，所述第二线偏振元件构造和定位成透射在所述第二方向上线性偏振的光。
10.如权利要求7所述的光学系统，其中所述椭圆偏振元件是圆偏振元件。
11.如权利要求7所述的光学系统，其中所述椭圆偏振元件采用涂层工艺制造。
12.如权利要求7所述的光学系统，其中所述反射-透射偏振器由液晶材料形成。
13.如权利要求7所述的光学系统，其中所述椭圆偏振元件涂覆到所述部分透明且部分反射凹面镜的相对侧上。
14.如权利要求7所述的光学系统，其中所述椭圆偏振元件是圆偏振元件且所述圆偏振元件是四分之一波片。
15.如权利要求7所述的光学系统，其中所述反射-透射偏振器包括栅网。
16.如权利要求7所述的光学系统，其中所述第一和第二椭圆偏振元件是包括液晶材料的一个四分之一波片相移器，该液晶材料构造成结合了适于校正暗角现象的特性。
17.如权利要求7所述的光学系统，其中所述第一和第二椭圆偏振元件构造成结合了适于校正暗角现象的特性。
18.如权利要求7所述的光学系统，还包括图像源，该图像源包括偏振投影仪和由液晶材料制成的屏幕，这些液晶材料很大程度地保持了所述投影仪的线性偏振态。
19.如权利要求7所述的光学系统，其中所述反射-透射偏振器包括液晶元件。
20.一种用于将图像聚焦在离观看者无限远处或在比无限远处近的位置的光学准直装置，包括：
(a)第一椭圆偏振滤光器；
(b)半反射凹面镜；和
(c)反射-透射偏振元件。
21.如权利要求20所述的光学准直装置，还包括：
(d)第二椭圆偏振滤光器。
22.如权利要求21所述的光学准直装置，其中所述第一和第二椭圆偏振滤光器定位在所述半反射凹面镜的相对侧上。
23.如权利要求22所述的光学准直装置，其中所述反射-透射偏振元件是全色的。
24.如权利要求23所述的光学准直装置，其中所述反射-透射偏振元件接收线偏振光并输出线偏振光。
25.如权利要求20所述的光学准直装置，其中所述反射-透射偏振元件接收线偏振光并输出线偏振光。
26.如权利要求25所述的光学准直装置，其中所述第一和第二椭圆偏振滤光器定位在所述半反射凹面镜的相对侧上。
27.一种成像装置，其包括：第一线性偏振器；邻近所述第一偏振器并具有相对于所述第一偏振器的偏振平面成大致45°的快、慢轴的第一四分之一波片；具有邻近第一偏振器并面向第一四分之一波片的凸表面的分光曲面镜；邻近曲面镜的凹陷一侧的第二四分之一波片，所述第二四分之一波片的快、慢轴定向成与第一四分之一波片的对应轴成大致等于90°的第一整数倍的角度；以及邻近所述第二四分之一波片的反射-透射偏振元件。
28.如权利要求27所述的成像装置，还包括邻近所述反射-透射偏振元件的第二线性偏振器，该第二线性偏振器的偏振平面定向成与第一线性偏振器的偏振平面成大致等于90°的第二整数倍的角度，两个所述整数倍同为偶数或者同为奇数。
29.如权利要求28所述的成像装置，其中所述反射-透射偏振元件接收线偏振光并输出线偏振光。
30.一种用于形成看起来好像在远处的图像的成像装置，包括：第一线性偏振器；第一四分之一波片；具有邻近第一偏振器的凸表面的分光曲面镜；邻近曲面镜的凹陷一侧的第二四分之一波片；所述第二四分之一波片；和定位成为成像装置的输出滤光的伪消偏振元件。
31.如权利要求30所述的成像装置，其中所述第一四分之一波片的快、慢轴与所述第一偏振器的偏振平面成大致45°，所述分光曲面镜面向第一四分之一波片，且所述第二四分之一波片的快、慢轴与第一四分之一波片的对应轴成大致等于90°的第一整数倍的角度。
32.如权利要求30所述的成像装置，还包括邻近所述第二四分之一波片的反射-透射偏振元件。
33.一种如权利要求1所述并包括至少一个非球面聚焦元件的光学系统。
34.一种如权利要求1所述并包括至少两个非球面聚焦元件的光学系统。
35.一种如权利要求34所述的光学系统，其中光学系统包含在蜂窝电话内。
36.一种用于显示在理想的表观距离处的图像源的虚拟光学图像的光学系统，该图像源在前向上输出光，该光学系统包括：
(a)第一至少部分透光元件，该元件具有不均匀透射特性，定向在第一方向上，以接收来自所述图像源的光并在前向上输出改变了的光；
(b)部分透明且部分反射的聚焦元件，该元件接收所述改变了的光并输出经透射的改变了的光；以及
(c)部分透射且部分反射元件，该元件具有第二不均匀透射特性，并被定向在与所述第一方向不同的第二方向上，用于在后向上向所述聚焦元件反射所述经透射的改变了的光，所述聚焦元件具有反射所述经反射的经透射的改变了的光的特性，且所述部分透射且部分反射元件透射从所述部分透明且部分反射聚焦元件处反射的经反射的经透射的改变了的光。

Claims (35)

1.一种用于显示在理想的表观距离处的图像源的虚拟光学图像的光学系统，该图像源在前向上输出光，该光学系统包括：
(a)第一至少部分透光元件，该元件具有不均匀透射的特性以接收来自所述图像源的光并在前向上输出改变的光；
(b)部分透明且部分反射的聚焦元件，该元件接收所述被改变的光并输出透射的改变的光；以及
(c)部分透射和部分反射元件，该元件用于向后朝所述聚焦元件反射所述透射过的被改变的光，所述聚焦元件具有反射所述反射的透射的改变的光的特性，且所述部分透射和部分反射元件透射所反射的所透射的改变的光，该反射的透射的改变的光从所述部分透明且部分反射的聚焦元件反射。
2.如权利要求1所述的光学系统，其中具有不均匀透射特性以便接收来自所述图像源的光并输出改变的光的所述第一至少部分透光元件包括第一偏振器。
3.如权利要求2所述的光学系统，其中所述第一偏振器包括圆偏振器，该圆偏振器包括线性偏振器和四分之一波片。
4.如权利要求3所述的光学系统，其中接收所述改变的光并输出透射的改变的光的所述部分透明且部分反射的聚焦元件包括部分透射凹面镜。
5.如权利要求4所述的光学系统，其中用于在后向上向着所述聚焦元件反射所述透射的改变的光的所述部分透射和部分反射元件包括四分之一波片和反射/透射偏振器。
6.如权利要求1所述的光学系统，其中用于在后向上向着所述聚焦元件反射所述透射的改变的光的所述部分透射和部分反射元件包括四分之一波片和反射/透射偏振器。
7.一种用于显示在理想的表观距离处的图像源的虚拟光学图像的光学系统，该图像源在前向上输出光，该光学系统包括：
(a)第一线性偏振元件，该元件定向成接收来自所述图像源的光并输出具有第一方向上的取向的第一线偏振光，所述第一线性偏振元件定向在所述第一方向；
(b)第一椭圆偏振元件，该元件定向在第二方向上并设置成接收所述第一线偏振光和输出第一椭圆偏振光，所述第一椭圆偏振光定向在第一椭圆方向上；
(c)部分透明且部分反射聚焦元件，该元件定位成接收所述第一椭圆偏振光并透射所述第一椭圆偏振光的一部分；
(d)第二椭圆偏振元件，该元件设置成接收来自所述聚焦元件的所述第一椭圆偏振光的所述一部分并透射所述聚焦元件的所述第一椭圆偏振光的所述一部分使其成为第二线偏振光，所述第二线偏振光定向在所述第一方向上；以及
(e)反射-透射偏振器，该偏振器构造和设置成反射在所述第一方向上线性偏振的光并透射在与所述第一方向横交的方向上线性偏振的光，所述第二椭圆偏振元件构造和设置成将由所述反射-透射偏振器在后向上反射的光转换成第二椭圆偏振光，其中所述第二椭圆偏振光在所述第一椭圆方向上偏振，所述凹面镜设置成在前向上反射所述第二椭圆偏振光使其成为第三椭圆偏振光，所述第三椭圆偏振光具有不同于所述第一椭圆方向的第二椭圆方向，且所述第二椭圆偏振元件定位成把所述第三椭圆偏振光转换成第三线偏振光，同时在前向上透射所述第三线偏振光，所述第三线偏振光定向在与所述第一方向横交的第二方向上，从而所述反射-透射偏振器在前向上透射所述第三线偏振光。
8.如权利要求7所述的光学系统，还包括：
(f)第二线偏振元件，该元件定向成接收来自所述反射-透射偏振器的光，所述第二线偏振元件构造和定位成透射在所述第二方向上线性偏振的光。
9.如权利要求7所述的光学系统，其中所述椭圆偏振元件是圆偏振元件。
10.如权利要求9所述的光学系统，其中所述圆偏振元件是四分之一波片。
11.如权利要求7所述的光学系统，其中所述椭圆偏振元件采用涂层工艺制造。
12.如权利要求7所述的光学系统，其中所述反射-透射偏振器由液晶材料形成。
13.如权利要求7所述的光学系统，其中所述椭圆偏振元件涂覆到所述部分透明且部分反射凹面镜的相对侧上。
14.如权利要求7所述的光学系统，其中所述椭圆偏振元件是圆偏振元件且所述圆偏振元件是四分之一波片。
15.如权利要求7所述的光学系统，其中所述反射-透射偏振器包括栅网。
16.如权利要求7所述的光学系统，其中所述第一和第二椭圆偏振元件是包括液晶材料的四分之一波片，该液晶材料构造成结合了适于校正变暗角落现象的特性。
17.如权利要求7所述的光学系统，其中所述第一和第二椭圆偏振元件构造成结合了适于校正变暗角落现象的特性。
18.如权利要求7所述的光学系统，还包括图像源，该图像源包括偏振投影仪和由液晶材料制成的屏幕，这些液晶材料很大程度地体保持了所述投影仪的线性偏振态。
19.如权利要求7所述的光学系统，其中所述反射-透射偏振器包括液晶元件。
20.一种用于将图像聚焦在离观看者无限远处或在比无限远处近的位置的光学准直装置，包括：
(a)第一椭圆偏振滤光器；
(b)半反射凹面镜；和
(c)反射-透射偏振元件。
21.如权利要求20所述的光学准直装置，还包括：
(d)第二椭圆偏振滤光器。
22.如权利要求21所述的光学准直装置，其中所述第一和第二椭圆偏振滤光器定位在所述半反射凹面镜的相对侧上。
23.如权利要求22所述的光学准直装置，其中所述反射-透射偏振元件是全色的。
24.如权利要求23所述的光学准直装置，其中所述反射-透射偏振元件接收线偏振光并输出线偏振光。
25.如权利要求20所述的光学准直装置，其中所述反射-透射偏振元件接收线偏振光并输出线偏振光。
26.如权利要求25所述的光学准直装置，其中所述第一和第二椭圆偏振滤光器定位在所述半反射凹面镜的相对侧上。
27.一种成像装置，其包括：第一线偏振器，邻近所述第一偏振器并具有相对于所述第一偏振器的偏振平面成大致45°的快、慢轴的第一四分之一波片，具有邻近第一偏振器并面向第一四分之一波片的凸表面的分光曲面镜，邻近曲面镜的凹陷一侧的第二四分之一波片，所述第二四分之一波片的快、慢轴定向成与第一四分之一波片的对应轴成大致等于90°的第一整数倍的角度，以及邻近所述第二四分之一波片的反射-透射偏振元件。
28.如权利要求27所述的成像装置，还包括邻近所述反射-透射偏振元件的第二线性偏振器，该第二线性偏振器的偏振平面定向成与第一线性偏振器的偏振平面成大致等于90°的第二整数倍的角度，两个所述整数倍同为偶数或者同为奇数。
29.如权利要求28所述的成像装置，其中所述反射-透射偏振元件接收线偏振光并输出线偏振光。
30.一种用于形成看起来好像在远处的图像的成像装置，包括：第一线性偏振器，第一四分之一波片，具有邻近该第一偏振器的凸表面的分光曲面镜，邻近曲面镜的凹陷一侧的第二四分之一波片，所述第二四分之一波片，和定位成对成像装置的输出滤光的伪消偏振元件。
31.如权利要求30所述的成像装置，其中所述第一四分之一波片的快、慢轴与所述第一偏振器的偏振平面成大致45°，所述分光曲面镜面向第一四分之一波片，且所述第二四分之一波片的快、慢轴与第一四分之一波片的对应轴成大致等于90°的第一整数倍的角度。
32.如权利要求30所述的成像装置，还包括邻近于所述第二四分之一波片的反射-透射偏振元件。
33.一种如权利要求1所述并包括至少一个非球面聚焦元件的光学系统。
34.一种如权利要求1所述并包括至少两个非球面聚焦元件的光学系统。
35.一种如权利要求34所述的光学系统，其中光学系统包含在蜂窝电话内。
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