CN108594439A - 一种显示器光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种显示器光学系统。该显示器光学系统包括依次排布的透镜、第一平行平板、第二平行平板及图像面；所述第一平行平板包括依次排布的第一基板、偏振反射器及第一波长延迟器，所述第一波长延迟器朝向所述图像面；所述第二平行平板包括依次排布的部分反射器、第二基板及第二波长延迟器，所述第二波长延迟器朝向所述图像面；其中所述第一波长延迟器的光轴方向与所述偏振反射器的偏振方向具有预设夹角阈值，所述第二波长延迟器的光轴方向与所述第一波长延迟器的光轴方向正交或平行，所述图像面的射出光线的偏振方向与所述偏振反射器的偏振方向正交或平行。本发明提供的显示器光学系统，能够使显示器产品更加轻薄。

Description

一种显示器光学系统

技术领域

本发明涉及光学系统技术领域，更具体地，本发明涉及一种显示器光学系统。

背景技术

头戴显示器是一种将微型显示器的图像或数据信息投射到人眼瞳孔的目视光学系统。按其投射方式不同，头戴显示器分为目镜式头戴显示器和投影式头戴显示器。目镜式头戴显示器将图像放置在光学系统的焦距以内产生放大的虚像，并经过后续透镜组的折射或反射在人眼瞳孔处形成系统出瞳，该出瞳位置与光学系统的孔径光阑位置重合。

随着科学技术的发展，光电产业对光学系统的性能要求也越来越高。现代光电系统正朝小型化、高性能方向发展，因而要求相应的光学系统以较紧凑的结构实现较高的成像质量。头戴式显示器是一种典型的现代光电显示系统，在多媒体娱乐、军事、工业、医疗以及虚拟现实和增强现实等领域都具有巨大的应用价值和市场。对头戴式显示器的要求为佩戴舒适、结构紧凑、体积小、高成像质量和尽可能大的视场。

头戴式显示器的光学系统结构经历了从传统的共轴透镜式目镜结构到自由曲面棱镜式结构的发展过程。传统共轴透镜式结构形式很难解决系统对视场角、出瞳距离的要求与小型轻量化之间的矛盾，

发明内容

本发明的一个目的是提供一种显示器光学系统的新的技术方案。

根据本发明的一个方面，提供了一种显示器光学系统。该显示器光学系统包括依次排布的透镜、第一平行平板、第二平行平板及图像面；所述第一平行平板包括依次排布的第一基板、偏振反射器及第一波长延迟器，所述第一波长延迟器朝向所述图像面；所述第二平行平板包括依次排布的部分反射器、第二基板及第二波长延迟器，所述第二波长延迟器朝向所述图像面；其中

所述第一波长延迟器的光轴方向与所述偏振反射器的偏振方向具有预设夹角阈值，所述第二波长延迟器的光轴方向与所述第一波长延迟器的光轴方向正交或平行，所述图像面的射出光线的偏振方向与所述偏振反射器的偏振方向正交或平行。

可选地，所述第一波长延迟器的光轴方向与所述偏振反射器的偏振方向成±45°角度。

可选地，所述第一波长延迟器与所述第二波长延迟器均为四分之一波长延长器。

可选地，所述偏振反射器为偏振反射膜，所述第一波长延迟器为第一四分之一波片，所述偏振膜贴敷在所述第一基板上朝向所述图像面的一侧，所述第一四分之一波片贴敷在所述偏振反射膜的表面。

可选地，所述部分反射器为半反膜，所述第二波长延迟器为第二四分之一波片，所述半反膜贴附在所述第二基板上朝向所述第一平行平板的一侧，所述第二四分之一波片贴敷在所述第二基板上朝向所述图像面的一侧。

可选地，所述第一基板由亚克力材料制成，且厚度在0.5mm-3mm之间。

可选地，所述第二基板由K9光学玻璃材料制成。

可选地，所述半反膜的透过率≥40％。

可选地，所述透镜、所述第一平行平板、所述第二平行平板与所述图像面之间互相平行。

可选地，所述透镜为菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜的菲涅尔面朝向所述图像面。

本发明的一个技术效果在于，显示器产品能够更加轻薄。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本发明的实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明的具体实施例提供的显示器光学系统的示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明提供了一种显示器光学系统，如图1所示，该显示器光学系统包括依次排布的透镜1、第一平行平板2、第二平行平板3及图像面4，透镜1的另一侧还设置有光阑面5。

可选地，光阑面5可以为人眼、相机或者其它图像接受设备的入孔；图像面4被配置为提供图像源，其可以为LCD屏等显示设备，本申请对此不做限制。

具体地，第一平行平板2包括依次排布的第一基板、偏振反射器及第一波长延迟器，第一波长延迟器朝向图像面4；第二平行平板包括依次排布的部分反射器、第二基板及第二波长延迟器，第二波长延迟器朝向图像面4。优选地，第一波长延迟器与第二波长延迟器均为四分之一波长延长器，能够使光学系统具有更优的光学性能。此外，在第一波长延迟器与第二波长延迟器均为四分之一波长延长器基础上，四分之一波长延长器可以具有十分之一波长的公差，同样可以满足光学系统的条件。

其中，偏振反射器能够透过一种偏振态光线的同时反射该与偏振光线正交的光线；部分反射器能够反射部分光线并投射剩余的光线；第一四分之一波长延迟器与第二四分之一波长延迟器能够在特定条件下将线偏光转化为圆偏光，或者将圆偏光转化为线偏光。

进一步地，第一波长延迟器的光轴方向与偏振反射器的偏振方向具有预设的夹角阈值，第二波长延迟器的光轴方向与第一波长延迟器的光轴方向正交或平行，图像面的射出光线的偏振方向与偏振反射器的偏振方向正交或平行。优选地，第一波长延迟器的光轴方向与偏振反射器的偏振方向成±45°角度，能够使光学系统具有更优的光学性能。此外，在第一波长延迟器的光轴方向与偏振反射器的偏振方向成±45°角度基础上，允许其夹角的角度具有±5°的偏差，同样可以满足光学系统的条件。

具体地，图像面4能够发出线偏振光，该线偏振光经过第二四分之一波长延迟器后转化为圆偏振光；该圆偏振光的光线经过部分反射平板后部分光线继续射向第一四分之一波长延迟器，另一部分光线被反射并被系统吸收；透过部分反射器的圆偏振光的光线在经过第一四分之一波长延迟器后被转化为线偏振光，该线偏振光的偏振态与偏振反射器的能够透过的偏振光线的偏振态被配置为正交，因此光线被全部反射；该光线被全数反射后再次经过第一四分之一波长延迟器转化为圆偏振光，且旋光性发生180°变化，接着射向部分反射器，部分光线反射回第一四分之一波长延迟器，经过第一四分之一波长延迟器后再次转化为线偏振光，从而使该光线的偏振方向与第一次射向偏振反射器的偏振方向相比发生了90°变化；此时，该线偏振光的偏振方向能够经偏振反射器透过，接着经过透镜1摄向光阑面5。

本发明提供的显示器光学系统，利用波长延迟器和反射振膜形成折叠光路，缩短了光学系统整体的宽度，能够使显示器光学系统的尺存更小，进而能够使显示器产品更加轻薄。

可选地，偏振反射器为偏振反射膜，第一波长延迟器为第一四分之一波片。偏振膜贴敷在第一基板上朝向图像面5的一侧，第一四分之一波片贴敷在偏振反射膜的表面。偏振反射膜与第一四分之一波片选取，能够使第一平行平板2的厚度相对较薄，进一步缩小了光学系统的尺寸。

可选地，部分反射器为半反膜，第二波长延迟器为第二四分之一波片。半反膜贴附在第二基板上朝向第一平行平板2的一侧，第二四分之一波片贴敷在第二基板上朝向图像面5的一侧。半反膜与第二四分之一波片的选取，能够使第二平行平板3的厚度相对较薄，进一步缩小了光学系统的尺寸。

其中，第一基板由亚克力材料制成，且厚度在0.5mm-3mm之间，采用亚克力材料制作基板，能够便于偏振膜的贴敷。第二基板由K9光学玻璃材料制成，能够便于半反膜的镀设。本领域技术人员还可以选取其他材料，凡是能达到同样技术效果的方案，都属于本发明的保护范围。

具体地，半反膜的透过率大于等于40％，保证图像面5有足够的光线能够透过半反膜。

进一步地，透镜1、第一平行平板2、第二平行平板3与图像面5之间基本上处于互相平行的状态，使显示器光学系统具有更好地光学性能。

具体地，透镜1为菲涅尔透镜，菲涅尔透镜的菲涅尔面朝向图像面5，同时菲涅尔齿尖也指向图像面5。采用菲涅尔透镜，能够减少透镜1的厚度，进一步缩小了光学系统的尺寸。

进一步地，制作菲涅尔透镜的材料折射率在1.5-1.7之间，且色散系数大于50，使得其在满足各向光学性能指标的前提下厚度做到更薄。可选地，菲涅尔透镜由亚克力材料制成。本申请对此不做限制，凡是能达到同样技术效果的方案，都属于本申请的保护范围。

可选地，菲涅尔透镜的厚度不大于8mm，口径在40mm-60mm之间。

虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种显示器光学系统，其特征在于，包括依次排布的透镜、第一平行平板、第二平行平板及图像面；所述第一平行平板包括依次排布的第一基板、偏振反射器及第一波长延迟器，所述第一波长延迟器朝向所述图像面；所述第二平行平板包括依次排布的部分反射器、第二基板及第二波长延迟器，所述第二波长延迟器朝向所述图像面；其中

所述第一波长延迟器的光轴方向与所述偏振反射器的偏振方向具有预设夹角阈值，所述第二波长延迟器的光轴方向与所述第一波长延迟器的光轴方向正交或平行，所述图像面的射出光线的偏振方向与所述偏振反射器的偏振方向正交或平行。

2.根据权利要求1所述的显示器光学系统，其特征在于，所述第一波长延迟器的光轴方向与所述偏振反射器的偏振方向成±45°角度。

3.根据权利要求1所述的显示器光学系统，其特征在于，所述第一波长延迟器与所述第二波长延迟器均为四分之一波长延长器。

4.根据权利要求1所述的显示器光学系统，其特征在于，所述偏振反射器为偏振反射膜，所述第一波长延迟器为第一四分之一波片，所述偏振膜贴敷在所述第一基板上朝向所述图像面的一侧，所述第一四分之一波片贴敷在所述偏振反射膜的表面。

5.根据权利要求4所述的显示器光学系统，其特征在于，所述部分反射器为半反膜，所述第二波长延迟器为第二四分之一波片，所述半反膜贴附在所述第二基板上朝向所述第一平行平板的一侧，所述第二四分之一波片贴敷在所述第二基板上朝向所述图像面的一侧。

6.根据权利要求4所述的显示器光学系统，其特征在于，所述第一基板由亚克力材料制成，且厚度在0.5mm-3mm之间。

7.根据权利要求5所述的显示器光学系统，其特征在于，所述第二基板由K9光学玻璃材料制成。

8.根据权利要求5所述的显示器光学系统，其特征在于，所述半反膜的透过率≥40％。

9.根据权利要求1所述的显示器光学系统，其特征在于，所述透镜、所述第一平行平板、所述第二平行平板与所述图像面之间互相平行。

10.根据权利要求1所述的显示器光学系统，其特征在于，所述透镜为菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜的菲涅尔面朝向所述图像面。