CN104062769B - 一种光学装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光学装置，该装置包括：显示器、第一波片、第二波片、棱镜、偏振分光器组、反射镜；其中，所述偏振分光器组至少有一片偏振分光器；所述显示器发出S光；所述S光经所述第一波片后转换成P光；所述P光通过所述棱镜传输至所述偏振分光器组处，P光全部透过所述偏振分光器组，入射透过所述第二波片后传输至所述反射镜处，所述反射镜的反射形成平行光；所述平行光继续入射再次透过所述第二波片后输出S光，S光经所述偏振分光器组反射进入人眼。
Description
技术领域
本发明涉及光学仪器领域，特别涉及一种光学装置，主要是一种适用于头戴式可视设备等结构紧凑的光学装置。
背景技术
头戴式可视设备(Head Mount Display)可以从LCD，OLED，LCOS等微型显示器直接获得二维图像，也可以通过光纤等传导方式间接获得二维图像。图像通过准直透镜成像在无穷远处，然后通过反射面把图像反射进人的眼睛里。上述工作过程主要是利用反射片的原理把图像传递到人的眼睛里面，同时成像系统和波导系统整合在一起，使整个系统结构更加紧凑。此系统结构虽然紧凑，但是由于光在进入人眼之前先后两次经过半反半透反射器，这样就导致亮度损失比较多，产品功耗上升。并且，由于采用了半反半透反射器，使得光学装置整体偏厚，阻碍了产品的推广。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种光学装置，将半反半透反射器更换为偏振分光器组，使得光学装置在同样功耗的基础上，亮度可以提升。并且，使得光学装置的厚度整体变薄。
为实现上述目的，本发明提供了一种光学装置，该装置包括：显示器、第一波片、第二波片、棱镜、偏振分光器组、反射镜；其中，所述偏振分光器组至少有一片偏振分光器；
所述显示器发出S光；
所述S光经所述第一波片后转换成P光；
所述P光通过所述棱镜传输至所述偏振分光器组处，P光全部透过所述偏振分光器组，入射透过所述第二波片后传输至所述反射镜处，所述反射镜的反射形成平行光；
所述平行光继续入射再次透过所述第二波片后输出S光，S光经所述偏振分光器组反射进入人眼。
可选的，在本发明一实施例中，所述显示器为主动式矩阵液晶显示器。
可选的，在本发明一实施例中，所述第一波片为二分之一波片。
可选的，在本发明一实施例中，所述第二波片为四分之一波片。
可选的，在本发明一实施例中，所述偏振分光器组中的偏振分光器的倾斜角a与光学装置厚度d的关系表达式为：
n*d/tan(a)＝2*H1*tan(FOV/2)+H2
其中，n表示偏振分光器的个数，a表示偏振分光器的倾斜角，d表示光学装置厚度，H1表示为眼睛距离光学装置的距离，FOV表示为视角，H2表示为眼睛平视观看的范围。
可选的，在本发明一实施例中，所述第一波片输出的P光进入所述棱镜后，通过全反射的方式传输至偏振分光器组。
为实现上述目的，本发明提供了另一种光学装置，该装置包括：显示器、第一波片、棱镜、偏振分光器组、反射镜；其中，所述偏振分光器组至少有一片偏振分光器；
所述显示器发出P光；
所述P光通过所述棱镜传输至所述偏振分光器组处，所述P光全部透过所述偏振分光器组，入射透过所述第一波片后，通过所述反射镜的反射形成平行光；
所述平行光继续入射再次透过所述第一波片后输出S光，S光经所述偏振分光器组反射进入人眼。
可选的，在本发明一实施例中，所述显示器为有机电激光显示器。
可选的，在本发明一实施例中，所述第一波片为四分之一波片。
可选的，在本发明一实施例中，所述偏振分光器组中的偏振分光器的倾斜角a与光学装置厚度d的关系表达式为：
n*d/tan(a)＝2*H1*tan(FOV/2)+H2
其中，n表示偏振分光器的个数，a表示偏振分光器的倾斜角，d表示光学装置厚度，H1表示为眼睛距离光学装置的距离，FOV表示为视角，H2表示为眼睛平视观看的范围。
可选的，在本发明一实施例中，所述显示器输出的P光进入所述棱镜后，通过全反射的方式传输至偏振分光器组。
为实现上述发明目的，本发明还提供了第三种光学装置，该装置包括：显示器、第一偏振分光器、偏振分光器组、棱镜、第一波片、第二波片和反射镜；其中，所述偏振分光器组至少有一片偏振分光器；
光源发出的光经过所述第一偏振分光器后，光中的S光反射掉，P光入射至所述显示器上；
所述显示器将P光反射后转换为S光，S光经所述第一偏振分光器反射进入所述棱镜，通过所述棱镜将S光输出至所述第一波片；
所述第一波片将所述S偏振光转换为P光，P光全部透过所述偏振分光器组，入射透过所述第二波片后传输至所述反射镜处，所述反射镜的反射形成平行光；
所述平行光继续入射再次透过所述第二波片后输出S光，S光经所述偏振分光器组反射进入人眼。
可选的，在本发明一实施例中，所述显示器为硅基液晶芯片。
可选的，在本发明一实施例中，所述第一波片为二分之一波片。
可选的，在本发明一实施例中，所述第二波片为四分之一波片。
可选的，在本发明一实施例中，所述偏振分光器组中的偏振分光器的倾斜角a与光学装置厚度d的关系表达式为：
n*d/tan(a)＝2*H1*tan(FOV/2)+H2
其中，n表示偏振分光器的个数，a表示偏振分光器的倾斜角，d表示光学装置厚度，H1表示为眼睛距离光学装置的距离，FOV表示为视角，H2表示为眼睛平视观看的范围。
上述技术方案具有如下有益效果：由于将原装置中的半反半透反射器替换为偏振分光器，使得光学装置在同样功耗的基础上，亮度可以提升至少4倍。并且，将偏振分光器应用在光学装置中，偏振分光器的角度可以是45度，也可以是其他角度，也就是说偏振分光器的倾斜角度可以根据需求进行变化，能够使得光学装置整体变薄，易于产品的市场推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的光学装置变薄的工作原理示意图；
图2为本发明提出的一种光学装置示意图之一；
图3为本发明提出的一种光学装置示意图之二；
图4为本发明提出的一种光学装置示意图之三；
图5为本发明提出的一种光学装置示意图之四；
图6为本发明提出的一种光学装置示意图之五；
图7为本发明提出的一种光学装置示意图之六；
图8为本发明提出的一种光学装置示意图之七；
图9为本发明提出的一种光学装置示意图之八。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本技术方案的工作原理：将人的眼睛前面的半反半透反射器换成偏振分光器组，并增加一个1/4波片，改变光的偏振状态。第一次通过该偏振分光器组的光是P光，P光入射到反射面上经过反射又重新入射到该偏振分光器组的反射面上。在反射镜和该偏振分光器组之间有1/4波片，光先后两次经过1/4波片，光的偏振状态会由P光转换成S光，此时，该偏振分光器的反射面直接把S光反射进入人眼，由于采用偏振分管器组，能够将P光全部通过抵达1/4波片处，同时，也能够使S光全部反射进入人眼，从而进入人眼的光的能量达到近似100％，提升了亮度。
在此基础上，为了使装置变薄，采用的技术方案就是采用多片平行的偏振分光器。如图1所示，为本发明的光学装置变薄的工作原理示意图。偏振分光器的数量、光学装置的厚度以及设计需求的光学参数、偏振分光器的倾斜角度有关。替代半反半透反射器的偏振分光器的倾斜角a与光学装置厚度d的关系表达式为：
n*d/tan(a)＝2*H1*tan(FOV/2)+H2
其中，n表示偏振分光器的个数，a表示偏振分光器的倾斜角，d表示光学装置厚度，H1表示为眼睛距离光学装置的距离，FOV表示为视角，H2表示为眼睛平视观看的范围。
这样，替代半反半透反射器的偏振分光器的倾斜角度可以是45度也可以是锐角。N片偏振分管器平行排列，其中，第1片要求P光全部通过，s光全部反射，第2～n片，偏着分光器的S光的反射率由变化，根据片数的多少来确定，主要是保证从偏振分光器出来的亮度都是均匀的。
如图2所示，为本发明提出的一种光学装置示意图之一。该装置包括：显示器201、第一波片202、第二波片205、棱镜203、偏振分光器组204、反射镜206；其中，所述偏振分光器组204至少有一片偏振分光器；
所述显示器201发出S光；
所述S光经所述第一波片202后转换成P光；
所述P光通过所述棱镜203传输至所述偏振分光器组204处，P光全部透过所述偏振分光器组204，入射透过所述第二波片205后传输至所述反射镜206处，所述反射镜206的反射形成平行光；
所述平行光继续入射再次透过所述第二波片205后输出S光，S光经所述偏振分光器组204反射进入人眼。
可选的，在本发明一实施例中，所述显示器201为主动式矩阵液晶显示器。
可选的，在本发明一实施例中，所述第一波片202为二分之一波片。
可选的，在本发明一实施例中，所述第二波片205为四分之一波片。
如图3所示，为本发明提出的一种光学装置示意图之二。在图2的基础上，所述偏振分光器组204中的偏振分光器的倾斜角a与光学装置厚度d的关系表达式为：
n*d/tan(a)＝2*H1*tan(FOV/2)+H2
其中，n表示偏振分光器的个数，a表示偏振分光器的倾斜角，d表示光学装置厚度，H1表示为眼睛距离光学装置的距离，FOV表示为视角，H2表示为眼睛平视观看的范围。
如图4所示，为本发明提出的一种光学装置示意图之三。在图3的基础上，所述第一波片输出的P光进入所述棱镜后，通过全反射的方式传输至偏振分光器组。
如图5所示，为本发明提出的一种光学装置示意图之四。该装置包括：显示器301、第一波片305、棱镜303、偏振分光器组304、反射镜306；其中，所述偏振分光器组304至少有一片偏振分光器；
所述显示器301发出P光；
所述P光通过所述棱镜303传输至所述偏振分光器组304处，所述P光全部透过所述偏振分光器组304，入射透过所述第一波片305后，通过所述反射镜306的反射形成平行光；
所述平行光继续入射再次透过所述第一波片305后输出S光，S光经所述偏振分光器组304反射进入人眼。
可选的，在本发明一实施例中，所述显示器301为有机电激光显示器。
可选的，在本发明一实施例中，所述第一波片305为四分之一波片。
如图6所示，为本发明提出的一种光学装置示意图之五。在图5的基础上，所述偏振分光器组304中的偏振分光器的倾斜角a与光学装置厚度d的关系表达式为：
n*d/tan(a)＝2*H1*tan(FOV/2)+H2
其中，n表示偏振分光器的个数，a表示偏振分光器的倾斜角，d表示光学装置厚度，H1表示为眼睛距离光学装置的距离，FOV表示为视角，H2表示为眼睛平视观看的范围。
如图7所示，为本发明提出的一种光学装置示意图之六。在图6的基础上，所述显示器301输出的P光进入所述棱镜303后，通过全反射的方式传输至偏振分光器组304。
如图8所示，为本发明提出的一种光学装置示意图之七。该装置包括：显示器401、第一偏振分光器402、偏振分光器组405、棱镜403、第一波片404、第二波片406和反射镜407；其中，所述偏振分光器组405至少有一片偏振分光器；
光源发出的光经过所述第一偏振分光器402后，光中的S光反射掉，P光入射至所述显示器401上；
所述显示器401将P光反射后转换为S光，S光经所述第一偏振分光器402反射进入所述棱镜403，通过所述棱镜403将S光输出至所述第一波片404；
所述第一波片404将所述S偏振光转换为P光，P光全部透过所述偏振分光器组405，入射透过所述第二波片406后传输至所述反射镜407处，所述反射镜407的反射形成平行光；
所述平行光继续入射再次透过所述第二波片406后输出S光，S光经所述偏振分光器组405反射进入人眼。
可选的，在本发明一实施例中，所述显示器401为硅基液晶芯片。
可选的，在本发明一实施例中，所述第一波片404为二分之一波片。
可选的，在本发明一实施例中，所述第二波片406为四分之一波片。
如图9所示，为本发明提出的一种光学装置示意图之八。在图8的基础上，所述偏振分光器组405中的偏振分光器的倾斜角a与光学装置厚度d的关系表达式为：
n*d/tan(a)＝2*H1*tan(FOV/2)+H2
其中，n表示偏振分光器的个数，a表示偏振分光器的倾斜角，d表示光学装置厚度，H1表示为眼睛距离光学装置的距离，FOV表示为视角，H2表示为眼睛平视观看的范围。
在本发明的具体实施方案附图2中，显示器201为AMLCD。波片202为1/2波片，LCD出来的光的偏振态是S光，经过波片的转换，S光转换成P光，透过棱镜203到达偏振分光器组204，棱镜的长度主要考虑了系统的光学焦距需求。
在本发明的具体实施方案附图5中，显示器201为OLED。这种情况下，显示器301发出的光是P光，则不需要1/2波片，P光直接经过棱镜305。
在图2和图5中，偏振分管器组内仅有一片偏振分光器，偏振分光器组由两个三角棱镜胶合在一起，在其中一个三角棱镜的斜面上进行镀膜形成偏振分光器。在此胶合好的偏振分光器组后设置有1/4波片和一个反射镜，反射镜的曲率根据光学参数的要求而变化。玻璃的材料的选择也根据产品的光学设计而变化。P光透过偏振分光器组后传输至1/4波片，然后经过反射镜的反射形成平行光，此平行光继续入射到1/4波片上。经过两次1/4波片，P光的相位发生90的变化，转化成S光。S光通过偏振分光器组是会被反射，从而在这个光学装置中S光被反射进入人眼，从而形成了观看的图像。对于偏振分光器组来说，P光会全部通过，不考虑偏振分光器组的消光比的话，基本上光能利用率为100％，在整个过程中的光的利用率几乎为100％。相比于现有技术来说，本方案的光能利率能提高4倍左右，从而可以极大地节省系统的功耗。
为了减少工艺加工的流程，可以讲棱镜203与一三角棱镜合成一个棱镜，偏振分光面可以镀膜在合成的棱镜的斜面上。
对于本发明的具体实施方案附图3和图6来说，利用了全反射的原理，显示器发出的光由一定的倾斜角度入射，这个方案能够使得偏振反射器的倾斜角度更小，可以是锐角，这样整个光学装置可以做的更薄。
对于本发明的具体实施方案附图4和图7来说，与图2和图5相比，偏振分光器组204内至少有两片偏振分光器，偏振分光器的倾斜角度和光学装置的厚度满足关系：
n*d/tan(a)＝2*H1*tan(FOV/2)+H2
其中，n表示偏振分光器的个数，a表示偏振分光器的倾斜角，d表示光学装置厚度，H1表示为眼睛距离光学装置的距离，FOV表示为视角，H2表示为眼睛平视观看的范围。
在此实例中选用偏振分光器的倾斜角是45度，第一片偏振分光器的消光比要求很高，能够使P光全部透过，S光全部被反射，后面的偏振分光器的S光反射率根据偏振分光器的片数和整体的要求而变化，主要是满足在观察范围内的亮度均匀性即可。
对于本发明的具体实施方案附图8来说，显示器401为LCOS微型芯片。该芯片不会自动发光，需要照明系统，可以用背光源导光板照明，也可以采用方棒和复眼等组合照明。光源发出的光经过第一偏振分光器402后，P光通过，入射至LCOS微型芯片，LCOS将光反射，并且P光转换为S光，S光经过第一偏振分管器402后被反射进入棱镜403,。其中，第一偏振分管器是在两个三角形棱镜中的某一个斜面上镀偏振分光膜制成。经过1/2波片404后S光转换成P光，P光透过偏振分光器组405后传输至1/4波片406。在图8中，偏振分管器组405内仅有一个偏振分光器，P光经过1/4波片406后变成椭圆偏振光，然后经过反射镜407反射后重新经过1/4波片406，椭圆偏振光就转变成了S光，那么S光经过偏振分光组405就会反射进入人眼，形成了人眼所观看的图像。
对于图9来说，偏振分光器组407内至少有两个偏振分光器，那么经过一系列的平行的偏振分光器反射后就进入了人眼。
偏振分光器组407内的偏振分光器的倾斜角度和光学装置的厚度满足关系：
n*d/tan(a)＝2*H1*tan(FOV/2)+H2
其中，n表示偏振分光器的个数，a表示偏振分光器的倾斜角，d表示光学装置厚度，H1表示为眼睛距离光学装置的距离，FOV表示为视角，H2表示为眼睛平视观看的范围。
在此实例中选用偏振分光器的倾斜角是45度，第一片偏振分光器的消光比要求很高，能够使P光全部透过，S光全部被反射，后面的偏振分光器的S光反射率根据偏振分光器的片数和整体的要求而变化，主要是满足在观察范围内的亮度均匀性即可。
经过上述实施例分析可知，本技术方案能够提高装置的整体光学效率，同时可以使整个装置的变薄。
最后应说明的是：上述仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；尽管本说明书对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的技术人员仍然可以对本发明进行修改或等同替换，一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
Claims (13)
1.一种光学装置，其特征在于，该装置包括：显示器、第一波片、第二波片、棱镜、偏振分光器组、反射镜；其中，所述偏振分光器组至少有两片偏振分光器；
所述显示器发出S光；
所述S光经所述第一波片后转换成P光；
所述P光通过所述棱镜传输至所述偏振分光器组处，P光全部透过所述偏振分光器组，入射透过所述第二波片后传输至所述反射镜处，所述反射镜的反射形成平行光；
所述平行光继续入射再次透过所述第二波片后输出S光，S光经所述偏振分光器组反射进入人眼；
所述偏振分光器组中的偏振分光器的倾斜角a与光学装置厚度d的关系表达式为：
n*d/tan(a)＝2*H1*tan(FOV/2)+H2
其中，n表示偏振分光器的个数，a表示偏振分光器的倾斜角，d表示光学装置厚度，H1表示为眼睛距离光学装置的距离，FOV表示为视角，H2表示为眼睛平视观看的范围。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述显示器为主动式矩阵液晶显示器。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一波片为二分之一波片。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二波片为四分之一波片。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一波片输出的P光进入所述棱镜后，通过全反射的方式传输至偏振分光器组。
6.一种光学装置，其特征在于，该装置包括：显示器、第一波片、棱镜、偏振分光器组、反射镜；其中，所述偏振分光器组至少有两片偏振分光器；
所述显示器发出P光；
所述P光通过所述棱镜传输至所述偏振分光器组处，所述P光全部透过所述偏振分光器组，入射透过所述第一波片后，通过所述反射镜的反射形成平行光；
所述平行光继续入射再次透过所述第一波片后输出S光，S光经所述偏振分光器组反射进入人眼；
所述偏振分光器组中的偏振分光器的倾斜角a与光学装置厚度d的关系表达式为：
n*d/tan(a)＝2*H1*tan(FOV/2)+H2
其中，n表示偏振分光器的个数，a表示偏振分光器的倾斜角，d表示光学装置厚度，H1表示为眼睛距离光学装置的距离，FOV表示为视角，H2表示为眼睛平视观看的范围。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述显示器为有机电激光显示器。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一波片为四分之一波片。
9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述显示器输出的P光进入所述棱镜后，通过全反射的方式传输至偏振分光器组。
10.一种光学装置，其特征在于，该装置包括：显示器、第一偏振分光器、偏振分光器组、棱镜、第一波片、第二波片和反射镜；其中，所述偏振分光器组至少有两片偏振分光器；
光源发出的光经过所述第一偏振分光器后，光中的S光反射掉，P光入射至所述显示器上；
所述显示器将P光反射后转换为S光，S光经所述第一偏振分光器反射进入所述棱镜，通过所述棱镜将S光输出至所述第一波片；
所述第一波片将所述S光转换为P光，P光全部透过所述偏振分光器组，入射透过所述第二波片后传输至所述反射镜处，所述反射镜的反射形成平行光；
所述平行光继续入射再次透过所述第二波片后输出S光，S光经所述偏振分光器组反射进入人眼；
所述偏振分光器组中的偏振分光器的倾斜角a与光学装置厚度d的关系表达式为：
n*d/tan(a)＝2*H1*tan(FOV/2)+H2
其中，n表示偏振分光器的个数，a表示偏振分光器的倾斜角，d表示光学装置厚度，H1表示为眼睛距离光学装置的距离，FOV表示为视角，H2表示为眼睛平视观看的范围。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述显示器为硅基液晶芯片。
12.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述第一波片为二分之一波片。
13.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述第二波片为四分之一波片。
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