[发明专利]广角可变中性密度滤光器

说明书

使用三个(或更多个)偏振器布置来演示具有对比度均匀性和颜色均匀性的广角可变中性密度(VND)滤光器。根据一实施例，外部偏振器相对于固定的中心偏振器有效地反向旋转，作为补偿与非法向光线所经历的几何偏振畸变相关的透射不均匀性的手段。特别地，消色差补偿布置在衰减的级数量增大时(例如10级或OD3)相对于法向入射透射实现角度均匀性。该滤光器可用于相机或仪器，以进行机械或机电调谐。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年03月08日提交的美国临时申请第62/468803号的权益，其全部内容通过引用合并于此。

背景技术

长期以来，特别是对于摄像机和相机，一直需要具有大范围可调衰减的滤光器附件。例如，可变中性密度(VND)滤光器可以实现与场景亮度无关的曝光时间选择，从而为摄影师提供了宝贵的自由度。VND滤光器使用偏振作为改变透射率的手段。当偏振器吸收轴平行时，透射率最大。当一个偏振器相对于另一个偏振器旋转时(参见图1)，透射率下降；当吸收轴交叉时，理论上透射率为零。问题在于，行业中的VND滤光器趋向于引入空间/角度伪影，从而限制了它们在实践中的实用性。由于这些伪影，当将VND滤光器放置在相机镜头前面时，对比度或颜色不均匀性可能会阻止广角拍摄和/或高密度。

理想的交叉偏振器的透射不均匀性是完全由于几何形状导致的吸收轴旋转的结果。对于非法向入射的光线，最坏情况下的入射平面方位角相对于偏振器吸收轴为±45°。在VND滤光器的情况下，问题最大的情况发生在交叉偏振器附近，这对应于更高密度的选择。例如，10级(stop)对应于轴之间的88.2°角度，在法向入射时给出0.1％的透射率(光学密度＝3)。图2示出了在OD3设置下的二偏振器VND的最小和最大透射率与入射角(AOI)的关系。在AOI为±45°的极端情况下，偏振透射图上的最高透射率为1.9％，最低透射率为零。因此，在最坏的情况下，最高透射率比目标透射率高19倍，最低透射率表示完全阻挡了入射光，从而产生非常高的对比度伪影。图2示出了最小透射率通过24°AOI而降为零，而对于所有更高的AOI，存在具有零透射率的一个或多个角。在图像捕获的情况下，该伪影采取叠加在图像上的高对比度交叉图案的形式。

在许多情况下，聚乙烯醇(PVA)偏振器膜也覆盖有三乙酸纤维素(TAC)保护膜。通过在PVA膜之间引入约100nm的负c板延迟(即，光轴垂直于基板的负单轴延迟器)，这进一步加剧了该问题。c板在±45°方位角时影响最大，而对0/90°方位角没有影响。因此，交叉图案的对比度进一步提高。TAC还可能引入其他雾度，从而造成遮盖眩光。在当前产品中，通过多个空气间隔元件以及散射光并降低图像对比度的功能/载体基板，遮盖眩光也会增加。除了TAC保护膜外，这还包括由低规格厚玻璃、补偿膜和四分之一波延迟器膜(例如聚碳酸酯)、粘合剂和涂层产生的雾度。防反射(AR)涂层在法向入射时反射一些光，反射率和颜色偏差通常会增加非法向。与镜头光晕类似，这会产生重影，尤其是在广角镜头中使用时。

更高质量的VND产品倾向于使用“补偿膜”来抵消几何旋转现象。补偿器可以通过有效地应用特定于入射角和方位角的偏振旋转来极大地改善对比度均匀性。尽管这可以大大减轻对比度变化，但补偿器也倾向于引入颜色偏差。这是因为它们倾向于由具有波长依赖性(即延迟色散)的单轴/双轴延迟器膜构成。这样，针对特定入射角/方位角的偏振变换(如在庞加莱球上观察到)根据波长描绘出轮廓。分析偏振时的结果是彩色透射率函数，这又会引入图像伪影。通常将伪影从高对比度十字转换为具有方位角相关色调的低对比度十字。

补偿膜包括沿吸收轴定向的单层双轴半波延迟器，其中沿厚度方向的延迟是四分之一波。在±45°方位角，光轴的投影偏离偏振器吸收轴，并随入射角的增加而增加。半波延迟器将输入偏振绕慢轴反射，从而使偏振与分析偏振器的吸收轴对齐。这大大减少了泄漏，但引入了颜色偏差。