CN103837988A

CN103837988A - 一种微型近眼显示光学系统

Info

Publication number: CN103837988A
Application number: CN201410077766.XA
Authority: CN
Inventors: 杨晓华; 郑臻荣; 艾曼灵; 金波; 陶占辉; 李小瑞
Original assignee: Keting Optical Tech Co Ltd Hangzhou
Current assignee: Keting Optical Tech Co Ltd Hangzhou
Priority date: 2014-03-05
Filing date: 2014-03-05
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2034-03-05
Also published as: CN103837988B

Abstract

本发明公开了一种微型近眼显示光学系统，包括：用于提供图像的LCOS图像源；LED光源；将LED光源的S光反射到LCOS图像源上并让LCOS图像源发射的P光通过的第一偏振分束器；用于将第一偏振分束器通过的P光通过以及将S光反射的第二偏振分束器；用于接收第二偏振分束器通过的P光的第一1/4波长板；用于将P光反射回穿过第一1/4波长板的第一反射镜；用于接收第一1/4波长板回穿过并经第二偏振分束器反射后的S光的第二1/4波长板；用于将S光反射回穿过第二1/4波长板的第二反射镜；耦合棱镜；用于接收从耦合棱镜输出的P光波导器件。本发明微型近眼显示光学系统结构紧凑且轻便，具有大视场，具有广阔的应用前景。

Description

一种微型近眼显示光学系统

技术领域

本发明涉及显示用的光学设备领域，具体涉及一种微型近眼显示光学系统。

背景技术

近眼显示系统也称为头盔显示器，是一种用于虚拟现实等显示在使用者头上戴着的视觉显示器，最初主要应用于军事和科研领域，随着科技的进步和社会的发展，人们对近眼显示技术的认识和学习越来越多，近眼显示技术逐步进入人们的生活。结合虚拟显示技术和增强现实技术，近眼显示技术的应用领域扩展到教育、训练、商业展览、医疗、娱乐等方面。

随着显示装置的发展，成像装置的大小和重量也在不断下降。近眼显示系统要长期戴在头部，近眼显示系统应该便于佩戴和携带。因此对于显示器件的微型化、便携化和高性能的要求越来越突出。

申请公布号为CN102998799A（申请号为201210512881.6）的中国发明专利申请公开了一种虚境与实境融合近眼显示系统，包括视频接口、近眼显示装置以及用以获取前方景象的第一外景摄取装置和拼接模块，从所述视频接口输入的视频信号与由所述第一外景摄取装置生成的前景信号经拼接模块处理后，产生输入所述近眼显示装置的图像信号。所述近眼显示装置包括显示构件、用以驱动所述显示构件显示的驱动电路、将所述显示构件发出的光传输至眼睛侧的波导构件以及将所述显示构件发出的光耦入波导构件的耦合器件。所述显示构件为由LCOS微显示屏、点光源、匀光板以及偏振分束器构成的LCOS显示构件；所述点光源发出的光经匀光板离散后，投射至所述偏振分束器，由所述偏振分束器反射起偏形成S光；所述S光投射至LCOS微显示屏，部分S光经所述LCOS微显示屏转变成携带图像信息的P光，经所述LCOS微显示屏反射的P光透过偏振分束器后，投射至所述耦合器件。上述的显示构件结构仍不够紧凑，其便携性有待进一步提高。

公开号为CN1316063A（申请号为00801242.3）的中国发明专利申请公开了一种头戴型显示器，设有影像显示装置和光学系统，该光学系统包括半透镜、透镜元件、偏振镜和两个用于组合光束的λ/4片，从而将要形成的影像通过影像显示装置投射在使用者的视网膜上，从影像显示装置看，第一λ/4片、半透镜、透镜元件、第二λ/4片和偏振镜一个接一个地放置。通过这些光学元件的这种顺序，光线可以通过透镜原件三次，最终形成影像。虽然该技术方案简化了结构，有效地节约了成本，但是该头戴型显示器的结构紧凑性仍有待进一步提高。

发明内容

本发明提供了一种紧凑的大视场的微型近眼显示光学系统。

一种微型近眼显示光学系统，包括：

用于提供图像的LCOS图像源；

用于为所述LCOS图像源提供光源的LED光源；

用于将所述LED光源的S光反射到所述LCOS图像源上并让所述LCOS图像源发射的P光通过的第一偏振分束器；

用于将所述第一偏振分束器通过的P光通过以及将S光反射的第二偏振分束器；

用于接收所述第二偏振分束器通过的P光的第一1/4波长板；

用于将所述第一1/4波长板接收的P光反射回穿过所述第一1/4波长板的第一反射镜；

用于接收所述第一1/4波长板回穿过并经所述第二偏振分束器反射后的S光的第二1/4波长板；

用于将所述第二1/4波长板接收的S光反射回穿过所述第二1/4波长板的第二反射镜；

用于接收所述第二1/4波长板射出并通过所述第二偏振分束器的P光的耦合棱镜；

用于接收从所述耦合棱镜输出的P光波导器件。

本发明中，LED光源发出的光进入第一偏振分束器（PBS1），在第一偏振分束器（PBS1）的偏振分光面上S光被反射，入射到LCOS图像源上，LCOS图像源被照亮，LCOS图像源出射的光线反射到第一偏振分束器（PBS1）的偏振分光面上，由于LCOS图像源将光线的偏振态改变90度，因此，将S光变成P偏振光，照射到第一偏振分束器（PBS1）上的光线依次经过第二偏振分束器（PBS2）和第一1/4波长板，入射到第一反射镜上，反射后再次通过第一1/4波长板，其偏振态再次旋转发生变化，由之前的P光变成S光，入射到第二偏振分束器（PBS2）的偏振分光面上，再次反射通过第二1/4波长板，经过第二反射镜反射，返回第二1/4波长板，光的偏振态又变为P光，穿过第二偏振分束器，通过耦合棱镜耦合进入波导器件中，光线在波导器件中先以全反射形式传播，到达波导器件中的波导片的半透半反耦合输出端，一部分被反射后透过波导表面输出，被人眼接收，一部分光波透过波导片继续传播。

作为优选，所述的第一偏振分束器和第二偏振分束器呈直线排布，且所述的第一偏振分束器的偏振分光面和第二偏振分束器的偏振分光面平行，一方面方便光信号的传播，另一方面，使得本发明微型近眼显示光学系统结构更紧凑。

偏振分束器即为偏振分光棱镜，进一步优选，所述的第一偏振分束器包括以斜面共面相对设置的第一直角棱镜和第二直角棱镜，所述的第二直角棱镜靠近所述第二偏振分束器，所述的第一直角棱镜的斜面和第二直角棱镜的斜面相交处设有偏振分光面，可通过在第一直角棱镜和第二直角棱镜的斜面相交处镀有分光膜实现。更进一步优选，所述的LCOS图像源位于所述第一偏振分束器和第二偏振分束器呈直线排布的直线所在的第一直角棱镜的直角面处，所述的LED光源位于所述第一直角棱镜的另一个直角面处，一方面能够实现光路的通过和反射，另一方面，使得结构非常紧凑。

进一步优选，所述的第二偏振分束器包括以斜面共面相对设置的第三直角棱镜和第四直角棱镜，所述的第三直角棱镜靠近所述第一偏振分束器，所述第三直角棱镜的斜面和第四直角棱镜的斜面相交处设有偏振分光面，即通过在第三直角棱镜和第四直角棱镜的斜面相交处镀有分光膜实现。更进一步优选，所述的第一1/4波长板和第一反射镜位于所述第一偏振分束器和第二偏振分束器呈直线排布的直线所在的第四直角棱镜的直角面处，所述的第二1/4波长板和第二反射镜位于所述第四直角棱镜的另一直角面处，且所述的第一1/4波长板位于所述第一反射镜和第四直角棱镜之间，所述的第二1/4波长板位于所述第二反射镜和第四直角棱镜之间，一方面能够实现光路的通过和反射，另一方面，使得结构非常紧凑。

再进一步优选，所述的第三直角棱镜的一直角面靠近所述第二直角棱镜，所述的第三直角棱镜的另一直角面处接有所述耦合棱镜，所述耦合棱镜与所述波导器件连接，光线在波导器件中先以全反射形式传播，到达波导器件中的波导片的半透半反耦合输出端，一部分被反射后透过波导表面输出，被人眼接收，一部分光波透过波导片继续传播。

在本发明中，所述的波导器件由N个半透半反耦合输出的波导片阵列组成，波导片之间相互平行，其中，N=2-6，且N为整数。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明微型近眼显示光学系统，通过简单的光学元件，并经特定的光学路径排布，使得本发明微型近眼显示光学系统结构十分紧凑，同时，本发明微型近眼显示光学系统具有大视场，本发明微型近眼显示光学系统结构紧凑且轻便，因此可以安装在各种结构的近眼显示系统或者头戴显示系统中，有利于市场化推广应用，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的一种微型近眼显示系统的结构示意图；

图2为本发明实施例微型近眼显示系统的光线传播示意图；

图3为本发明实施例发光半角为θ的光线传播示意图；

图4为本发明实施例第一反射镜反射光线的几何关系图；

图5为本发明实施例第二反射镜反射光线的几何关系图；

图6为本发明实施例光线在波导器件中的传播示意图；

图7为本发明实施例微型近眼显示系统嵌入到眼镜架中的侧视图；

图中，1.LED光源，2.LCOS图像源，3.第一偏振分束器，4.第二偏振分束器，5.第一1/4波长板，6.第一反射镜，7.第二1/4波长板，8.第二反射镜，9.耦合棱镜，10.波导器件，11.人眼。

具体实施方式

图1为本发明的一种微型近眼显示光学系统结构示意图。如图1所示，沿着光传播方向，微型近眼显示光学系统依次包括LED光源1、第一偏振分束器3、LCOS图像源2、第二偏振分束器4、第一1/4波长板5、第一反射镜6、第二1/4波长板7、第二反射镜8、耦合棱镜9和波导器件10，最后，人眼11用于接受本发明微型近眼显示光学系统的图像光信号。具体地，LCOS图像源2用于提供图像，LED光源1用于为LCOS图像源2提供光源，第一偏振分束器3用于将LED光源1的S光反射到LCOS图像源2上并让LCOS图像源2发射的P光通过，第二偏振分束器4用于将第一偏振分束器3通过的P光通过以及将S光反射，第一1/4波长板5用于接收第二偏振分束器4通过的P光，第一反射镜6用于将第一1/4波长板5接收的P光反射回穿过第一1/4波长板5，第二1/4波长板7用于接收第一1/4波长板回穿过并经第二偏振分束器4反射后的S光，第二反射镜8用于将第二1/4波长板7接收的S光反射回穿过第二1/4波长板7，耦合棱镜9用于接收第二1/4波长板7射出并通过第二偏振分束器4的P光，波导器件10用于将接收从耦合棱镜9输出的P光。

第一偏振分束器3和第二偏振分束器4呈直线排布，且第一偏振分束器3的偏振分光面和第二偏振分束器4的偏振分光面平行。第一偏振分束器3包括以斜面共面相对设置的第一直角棱镜和第二直角棱镜，第二直角棱镜靠近第二偏振分束器4，第一直角棱镜的斜面和第二直角棱镜的斜面相交处设有偏振分光面，LCOS图像源2位于第一偏振分束器3和第二偏振分束器4呈直线排布的直线所在的第一直角棱镜的直角面处，LED光源1位于第一直角棱镜的另一个直角面处。第二偏振分束器4包括以斜面共面相对设置的第三直角棱镜和第四直角棱镜，第三直角棱镜靠近第一偏振分束器3，第三直角棱镜的斜面和第四直角棱镜的斜面相交处设有偏振分光面，第一1/4波长板5和第一反射镜6位于第一偏振分束器3和第二偏振分束器4呈直线排布的直线所在的第四直角棱镜的直角面处，第二1/4波长板7和第二反射镜8位于第四直角棱镜的另一直角面处，且第一1/4波长板5位于第一反射镜6和第四直角棱镜之间，第二1/4波长板7位于第二反射镜8和第四直角棱镜之间，第三直角棱镜的一直角面靠近第二直角棱镜，第三直角棱镜的另一直角面处接有耦合棱镜9，耦合棱镜9与波导器件10连接。波导器件10由N个半透半反耦合输出的波导片阵列组成，波导片之间相互平行，其中，N=2-6，且N为整数，本实施例中，具体N=2。

LED光源1发出的光进入第一偏振分束器（PBS1）3，在第一偏振分束器（PBS1）3的偏振分光面上S光被反射，入射到LCOS图像源2上，LCOS图像源2被照亮，照亮LCOS图像源2后光线反射到第一偏振分束器（PBS1）3的偏振分光面上，由于LCOS图像源2将光线的偏振态改变90度，变为P光，因此照射到第一偏振分束器（PBS1）3上依次经过第二偏振分束器（PBS2）4和第一1/4波长板5，光的偏振态旋转45度，经过第一反射镜6反射后再次通过第一1/4波长板5，其偏振态再次旋转45度，由之前的P光变成S光，入射到第二偏振分束器（PBS2）4的偏振分光面上，反射通过第二1/4波长板7，经过第二反射镜8反射，返回第二1/4波长板7，光的偏振态又变为P光，穿过第二偏振分束器4，通过波导器件10连接的耦合棱镜9耦合进波导器件10中，光线在波导器件10以全反射的形式传播，到达波导片的半透半反耦合输出面，一部分光反射后穿过波导片表面输出进入人眼11，一部分光继续传播，到达下一个半透半反面。

图2为本发明实施例微型近眼显示光学系统的光线传播示意图。图3为本发明实施例发光半角为θ的光线传播示意图。LED光源1为面光源，为了使LCOS图像源被均匀的照明，LED阵列尺寸与LCOS的尺寸比例相同。取LED阵列的发光半角为θ，图中光线12以θ出射，折射进入第一偏振分束器3中传播，之后照射到LCOS图像源2，LCOS图像源2反射回的光线折射从A点进入第一偏振分束器3中，入射到第一反射镜6的B点反射，反射光线入射到第二偏振分束器4的偏振分光面上的C点，反射光传播到第二反射镜8上的D点，再次反射，耦合进光波导器件10中，传播到波导器件10的E点，在光波导内多次反射，入射到光波导的半透半反面14上，反射后从波导片表面折射输出，被人眼11接收，如光线13所示。

以光线12为例，LED的光束半角为θ，第一偏振分束器3和第一偏振分束器4的折射率为n，从LED光源1出射的光线从空气折射进入第一偏振分束器3，折射角为θ₁，根据折射定律

n sinθ₁=sinθ

因此，

θ_{1} = \arcsin \frac{\sin θ}{n} .

光线在第一偏振分束器3的入射面折射后照射到第一偏振分束器3的偏振分光面上，S光被反射，从第一偏振分束器3出射时再次折射，之后传播到LCOS图像源2上，图像源被照亮，反射回来的光偏振态改变，折射后进入第一偏振分束器3中，如图3所示，折射角

θ_{2} = θ_{1} = \arcsin \frac{\sin θ}{n} .

光线在两个PBS（即第一偏振分束器3和第二偏振分束器4）及反射镜（即第一反射镜6和第二反射镜8）中的传播，转化为几何关系，如图4所示。取第一偏振分束器3和第二偏振分束器4的长度为L，第一1/4波长板5和第二1/4波长板7的厚度忽略不计，第一反射镜6的厚度为l₁，半径为r₁，LCOS图像源2的尺寸记为P。光从A点折射进入第一偏振分束器3和第二偏振分束器4中传播，依次透过第一偏振分束器3和第二偏振分束器4及第一1/4波长板5，最后照射到第一反射镜6上的B点，设入射光线与第一反射镜6法线的夹角为θ₃。转化为几何问题，图中，记L₁=2L+l₁，设GF=x，AB=s，则scosθ₂=L₁-x；

在三角形BOG中，

r_{1}^{2} = {(r_{1} - x)}^{2} + {[s \sin θ_{2} + (P / 2)]}^{2}

即，2s[r₁cosθ₂-L₁cosθ₂+(P/2)sinθ₂]+s²=2r₁L₁-L₁ ²-(P/2)²

s = AB = \sqrt{2 r_{1} L_{1} - {L_{1}}^{2} - {(P / 2)}^{2} + {[\sin θ_{2} P / 2 + (r_{1} - L_{1}) {\cos θ}_{2}]}^{2}} - [{\sin θ}_{2} \times P / 2 + (r_{1} - L_{1}) \cos θ_{2}]

= \sqrt{{2 r}_{1} L_{1} - {L_{1}}^{2} - {(P / 2)}^{2} + {[\sin θ \times P / 2 n + (r_{1} - L_{1}) \sqrt{1 - {(\sin θ / n)}^{2}}]}^{2}} - \sin θ \times P / 2 n + (L_{1} - r_{1}) \sqrt{1 - {(\sin θ / n)}^{2}}

在三角形AOB中，根据余弦定理，

{\cos θ}_{3} = \frac{s^{2} + {r_{1}}^{2} - [{(P / 2)}^{2} + {(L_{1} - r_{1})}^{2}]}{2 s \times r_{1}} = \frac{s^{2} - {(P / 2)}^{2} - L_{1}^{2} + 2 L_{1} r_{1}}{2 s \times r_{1}}

= \frac{2 s^{2} + 2 s [r_{1} \cos θ_{2} - L_{1} \cos θ_{2} + (P / 2) \sin θ_{2}]}{2 s \times r_{1}}

= \frac{1}{r_{1}} \sqrt{{2 r}_{1} L_{1} - {L_{1}}^{2} - {(P / 2)}^{2} + {[\sin θ_{2} P / 2 + (r_{1} - L_{1}) {\cos θ}_{2}]}^{2}}

= \frac{1}{r_{1}} \sqrt{2 r_{1} L_{1} - {L_{1}}^{2} - {(P / 2)}^{2} + {[\sin θ \times P / 2 n + (r_{1} - L_{1}) \sqrt{1 - {(\sin θ / n)}^{2}}]}^{2}}

θ_{3} = \arccos \frac{1}{r_{1}} \sqrt{2 r_{1} L_{1} - {L_{1}}^{2} - {(P / 2)}^{2} + {[\sin θ \times P / 2 n + (r_{1} - L_{1}) \sqrt{1 - \sqrt{{(\sin θ / n)}^{2}}}]}^{2}}

则光线在第一反射镜6上的位置B点可以确定，设B点到第二偏振分束器4上表面的距离记为h，到第二偏振分束器4左侧的距离记为x，得到

x=(L-P)/2-ssinθ₂=(L-P)/2-ssinθ/n

h = s {\cos θ}_{2} - 2 L = s \sqrt{1 - {(\sin θ / n)}^{2}} - 2 L

B点反射的光线经过第一1/4波长板5，偏振态再次发生变化，入射到第一1/4波长板5的偏振分光面上，记为C点，图5为本发明实施例第二反射镜8反射光线的几何关系图。

三角形OBC中，

∠B=θ₄=θ₂+2θ₃

∠OCB=45°-∠B=45°-θ₄

由正弦定理

\frac{OC}{\sin &angle; B} = \frac{BO}{\sin &angle; OCB}

解得

OC = \frac{\sqrt{2} (h + x)}{\cot θ_{4} - 1}

C点距离第二偏振分束器4的上边和左侧边均为：

c = \frac{\sqrt{2}}{2} (\sqrt{2} x + OC) = x + \frac{h + x}{\cot θ_{4} - 1}

= (L - P) / 2 - s \sin θ / n + \frac{1}{n ({\cot θ}_{4} - 1)} [s (\sqrt{n^{2} - \sin^{2} θ} - \sin θ) - (L + P) / 2]

C点距离第二反射镜8的轴线距离为

c_{1} = \frac{L}{2} - c = P / 2 + s \sin θ / n - \frac{1}{n (\cot θ_{4} - 1)} [s (\sqrt{n^{2} - \sin^{2} θ} - \sin θ) - (L + P) / 2]

距离第二反射镜8的水平距离为

c_{2} = L - c = (L + P) / 2 + s \sin θ / n - \frac{1}{n (\cot θ_{4} - 1)} [s (\sqrt{n^{2} - \sin^{2} θ} - \sin θ) - (L + P) / 2]

表示光以与第二反射镜8光轴呈θ₄的角度入射，在第二反射镜8的表面反射，第二反射镜8的厚度记为l₂。

光射到第二反射镜8的D点上，则光从C点到D点的路程为：

s_{1} = CD, L_{2} = c_{2} + l_{2} = L + l_{2} - x - \frac{h + x}{{\cot θ}_{4} - 1}

s_{1} = \sqrt{{2 r}_{2} L_{2} - {L_{2}}^{2} - {c_{1}}^{2} + {[(r_{1} - L_{2}) {\cos θ}_{4} - c_{1} {\sin θ}_{4}]}^{2}} - (r_{2} - L_{2}) {\cos θ}_{4} + c_{1} {\sin θ}_{4}

同理第一反射镜6的计算过程，在第二反射镜8的光路中构造三角形，设入射光线与第二反射镜8法线的夹角为θ₅，根据余弦定理

{\cos θ}_{5} = \frac{{s_{1}}^{2} + {r_{2}}^{2} - c_{1}^{2} - {(r_{2} - L_{2})}^{2}}{{2 s}_{1} r_{2}} = \frac{{s_{1}}^{2} - c_{1}^{2} + {2 r}_{2} L_{2} - {L_{2}}^{2}}{{2 s}_{1} r_{2}}

= \frac{s_{1} + (r_{2} - L_{2}) {\cos θ}_{4} - c_{1} {\sin θ}_{4}}{r_{2}}

= \frac{1}{r_{2}} \sqrt{{2 r}_{2} L_{2} - {L_{1}}^{2} - {c_{1}}^{2} + {[(r_{2} - L_{2}) {\cos θ}_{4} - c_{1} \sin θ_{4}]}^{2}}

得到，

θ_{5} = \arccos \frac{1}{r_{2}} \sqrt{{2 r}_{2} L_{2} - {L_{1}}^{2} - {c_{1}}^{2} + {[(r_{2} - L_{2}) {\cos θ}_{4} - c_{1} {\sin θ}_{4}]}^{2}}

图6为本发明实施例光线在波导器件10中的传播示意图。光在第二反射镜8上以θ₅的角度反射，透过第二偏振分束器4，传播进入波导器件10。耦合棱镜9的耦合角为v，波导器件10的耦合角为u，波导片半透半反耦合输出面与表面的夹角为w，光波以角度i入射到波导片上。

i=u+v-(2θ₅-θ₄)

光波被耦合进波导片内传播，在波导内经过几次全反射后，入射到第一个波导片的半透半反面上，一半的光反射后，从表面出射，一半的光穿过半透半反面继续传播，最后从在波导表面折射后射出，进入人眼11。

α=2w-i=2w-u-v+2θ₅-θ₄

nsinα=sinβ

β=arcsin(nsinα)=arcsin[nsin(2w-u-v+2θ₅-θ₄)]

本发明实施例中，视场角

FOV=2β=2arcsin[nsin(2w-u-v+2θ₅-θ₄)]

在上式中，θ₅,θ₄均与第一偏振分束器3和第二偏振分束器4的尺寸L，LCOS图像源2的尺寸P，第一反射镜6和第二反射镜8的半径和厚度，LED光源的发光半角有关，因此系统的视场角FOV是θ,P,L,r₁,r₂,l₁,l₂的函数，即FOV=f(θ,P,L,r₁,r₂,l₁,l₂)

其中，函数f由上边的计算过程给出。因此，系统的视场角与LCOS图像源2的尺寸，第一偏振分束器3和第二偏振分束器4的尺寸，第一反射镜6和第二反射镜8的半径和厚度，LED光源1的发光半角有关。

根据计算公式，设：第一偏振分束器3和第二偏振分束器4的长度L=9mm，LCOS图像源2的尺寸P=6mm，r₁=r₂=15mm,l₁=l₂=2mm，v=30°，u=23°，w=28°，LED光源1发光半角为θ=5°，计算系统的视场角FOV。计算过程中涉及的部分参数数值如表1所示。

表1 LED光源1发光半角为5°时光学系统部分参数计算值实例

θ₂	3.30889609377018°
		L₁(mm)	20
s(mm)	19.4546956648936°

θ₃	12.6448000236707°
		θ₄	28.5984961411116°
x(mm)	0.37709374132222
		h(mm)	1.4222620965698
c（mm）	2.53396295733334
		c₁（mm）	1.96603704266666
c₂（mm）	6.46603704266666
		L₂（mm）	8.46603704266666
s₁（mm）	9.39727651441846
		θ₅	18.8798738944984°
i	43.8387483521148°
		α	12.1612516478852°
β	18.5481951678244°
		FOV	37.09°

由表1可以看出，当LED光源1发光半角为5°时，由给定的参数可以得到光学系统的视场角FOV≈37°。光学系统PBS和反射镜部分的长约为20mm，宽为11mm。当光学系统的厚度为10mm时，本发明光学系统除波导器件和耦合棱镜的重量约为6g（材料密度取2.51g/cm³）。

图7为本发明实施例微型近眼显示系统嵌入到眼镜架的近眼显示系统的侧视图。近眼显示系统15包括眼镜架16，眼镜片20，光学显示系统19及固定到眼镜架的眼镜腿17上的驱动电子设备21。图中17为一个眼镜腿，18为第二个眼镜腿，眼镜腿18可以具有另一只眼镜的光学系统，也可以没有。眼镜腿17和18可以具有共同零件。眼镜架16支撑眼镜片20，眼镜片20是任意材料的镜片，具有任意折射率，可以具有矫正近视或者远视的功能。眼镜架16还支撑微型近眼显示系统19，LCOS图像源2反射的光线最终通过波导器件中波导片22的半透半反面耦合输出，进入人眼。波导片22为耦合输出端为半透半反面，不会遮挡显示图像。电源和数据接口23通过导线24，或者无线电，光学传输等连接到驱动电子设备21。电源和数据接口23可以是电池和微型数据连接电子设备，集成于眼镜架16中。本发明的微型近眼显示系统是紧凑且轻便的，因此可以安装在各种结构的近眼显示系统，或者头戴显示系统中。

Claims

1.一种微型近眼显示光学系统，其特征在于，包括：

用于提供图像的LCOS图像源；

用于为所述LCOS图像源提供光源的LED光源；

用于接收所述第二偏振分束器通过的P光的第一1/4波长板；

用于接收从所述耦合棱镜输出的P光波导器件。

2.根据权利要求1所述的微型近眼显示光学系统，其特征在于，所述的第一偏振分束器和第二偏振分束器呈直线排布，且所述的第一偏振分束器的偏振分光面和第二偏振分束器的偏振分光面平行。

3.根据权利要求2所述的微型近眼显示光学系统，其特征在于，所述的第一偏振分束器包括以斜面共面相对设置的第一直角棱镜和第二直角棱镜，所述的第二直角棱镜靠近所述第二偏振分束器，所述的第一直角棱镜的斜面和第二直角棱镜的斜面相交处设有偏振分光面。

4.根据权利要求3所述的微型近眼显示光学系统，其特征在于，所述的LCOS图像源位于所述的第一偏振分束器和第二偏振分束器呈直线排布的直线所在的第一直角棱镜的直角面处，所述的LED光源位于所述第一直角棱镜的另一个直角面处。

5.根据权利要求2所述的微型近眼显示光学系统，其特征在于，所述的第二偏振分束器包括以斜面共面相对设置的第三直角棱镜和第四直角棱镜，所述的第三直角棱镜靠近所述第一偏振分束器，所述的第三直角棱镜的斜面和第四直角棱镜的斜面相交处设有偏振分光面。

6.根据权利要求5所述的微型近眼显示光学系统，其特征在于，所述的第一1/4波长板和第一反射镜位于所述的第一偏振分束器和第二偏振分束器呈直线排布的直线所在的第四直角棱镜的直角面处，所述的第二1/4波长板和第二反射镜位于所述第四直角棱镜的另一直角面处，且所述的第一1/4波长板位于所述第一反射镜和第四直角棱镜之间，所述的第二1/4波长板位于所述第二反射镜和第四直角棱镜之间。

7.根据权利要求6所述的微型近眼显示光学系统，其特征在于，所述的第三直角棱镜的一直角面靠近所述第二直角棱镜，所述的第三直角棱镜的另一直角面处接有所述耦合棱镜，所述耦合棱镜与所述波导器件连接。

8.根据权利要求1所述的微型近眼显示光学系统，其特征在于，所述的波导器件由N个半透半反耦合输出的波导片阵列组成，波导片之间相互平行，其中，N=2-6，且N为整数。