CN108594441A - 一种光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光学系统，属于光学成像和显示技术领域，包括显示系统、第一光学镜片、第二光学镜片、第三光学镜片和第四光学镜片；显示系统发出的光为入射光，第一光学镜片设置于入射光的光路上，从第一光学镜片透射出的光为第一透射光；第二光学镜片设置于第一透射光的光路上，第一透射光经过第二光学镜片处理后生成第一反射光；第三光学镜片设置于第一反射光的光路上，第一反射光经过第三光学镜片处理后部分反射形成第二反射光，其余部分透射形成第二透射光，第二反射光入射进入第二光学镜片并从第二光学镜片透射出去；第四光学镜片设置于第二透射光的光路上。其结构简单，重量较轻，成像质量好，无漏光现象发生，避免了信息发生泄漏。
Description
技术领域
本发明属于光学成像技术领域，具体涉及一种光学系统。
背景技术
增强现实(AR,Augmented Reality)领域核心技术之一是穿透式光学显示系统，它可以使计算机生成的图像叠加在用户的真实视觉上，是使虚拟图像和真实图像无缝融合。数字世界和真实世界的结合，将带给用户全新的体验。目前AR技术已广泛应用在游戏、零售，教育，工业,医疗等领域。
目前，穿透式光学显示有全息光栅，反射波导，普通反射棱镜和自由曲面棱镜等方案。全息光栅方案轻薄，穿透率高，但是工艺非常复杂，价格昂贵，视角有限；反射波导需要负责的镀膜工艺和组装工艺，量产困难，成像一致性难以保证；普通反射棱镜，工艺简单，但视角很小；自由曲面棱镜视角较大，但工艺复杂，量产困难，一致性难以保证；此外，部分穿透式光学显示方案有显示图像对外可视的问题，造成用户浏览的信息被外界察觉，保密性较差，会有信息泄露的情况发生。
发明内容
本发明实施方式的目的在于提供一种光学系统，其结构简单，性能优异，能够较好的改善上述问题。
本发明的实施方式是这样实现的：
本发明的实施方式提供了一种光学系统，包括显示系统、第一光学镜片、第二光学镜片、第三光学镜片和第四光学镜片；
所述显示系统发出的光为入射光，所述第一光学镜片设置于所述入射光的光路上，从所述第一光学镜片透射出的光为第一透射光；
所述第二光学镜片设置于所述第一透射光的光路上，所述第一透射光经过所述第二光学镜片处理后生成第一反射光；
所述第三光学镜片设置于所述第一反射光的光路上，所述第一反射光经过所述第三光学镜片处理后部分反射形成第二反射光，其余部分透射形成第二透射光，所述第二反射光入射进入所述第二光学镜片并从所述第二光学镜片透射出去；
所述第四光学镜片设置于所述第二透射光的光路上，所述第四光学镜片用于吸收所述第二透射光。
进一步的，所述第一光学镜片包括透镜本体和设置于所述透镜本体的两侧表面的第一光学膜。
进一步的，所述第二光学镜片包括依次层叠设置的第一光学板、第一偏光片、偏振反射片和第一四分之一波片，所述第一透射光从所述第二光学镜片的第一四分之一波片一侧入射。
进一步的，所述第一光学板的远离所述第一偏光片的一侧设有第二光学膜。
进一步的，所述第三光学镜片包括第二光学板和设置于所述第二光学板的一侧表面的第三光学膜，所述第一反射光从所述第三光学镜片的第三光学膜的一侧入射。
进一步的，所述第二光学板的远离所述第三光学膜的一侧表面设有第四光学膜。
进一步的，所述第四光学镜片包括依次层叠设置的第三光学板、线性偏光片和第二四分之一波片，所述第三光学板的远离所述线性偏光片的一侧表面设有第五光学膜，所述第二四分之一波片的远离所述线性偏光片的一侧表面设有第六光学膜，所述第二透射光从所述第四光学镜片的第六光学膜的一侧入射。
进一步的，所述第四光学镜片粘贴于所述第三光学镜片的远离所述第二光学镜片的一侧。
进一步的，所述光学系统还包括第五光学镜片，所述第五光学镜片设置于所述第一光学镜片与所述第二光学镜片之间，所述第五光学镜片包括第四光学板，所述第四光学板的一侧设有第三四分之一波片或二分之一波片，所述第一透射光从所述第五光学镜片的第三四分之一波片的一侧或二分之一波片的一侧入射。
进一步的，所述显示系统为OLED显示系统、LCOS显示系统、LED显示系统或LCD显示系统。
本发明的有益效果为：
本发明实施方式提供的光学系统，重量较轻，视角大于40度；允许人眼移动范围宽；成像质量好，图像畸变小，无漏光现象发生，避免信息泄漏。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施方式，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施方式一的光学系统的结构示意图；
图2为本发明实施方式二的光学系统的结构示意图；
图3为本发明实施方式三的光学系统的结构示意图。
图中：10-显示系统；101-入射光；20-第一光学镜片；201-透镜本体；202- 第一光学膜；203-第一透射光；30-第二光学镜片；301-第一光学板；302-第一偏光片；303-偏振反射片；304-第一四分之一波片；305-第一反射光；306-第二光学膜；40-第三光学镜片；401-第二光学板；402-第三光学膜；403-第二反射光；404-第二透射光；405-第四光学膜；50-第四光学镜片；501-第三光学板； 502-线性偏光片；503-第二四分之一波片；504-第五光学膜；505-第六光学膜； 60-第五光学镜片；601-第四光学板；602-第三四分之一波片；604-第三透射光； 70-第六光学镜片；701-第七光学膜。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
实施方式1
参考图1所示，本发明实施方式一提供了一种光学系统，该光学系统主要应用在头戴产品上，比如AR眼镜，该光学系统包括显示系统10、第一光学镜片20、第二光学镜片30、第三光学镜片40和第四光学镜片50。
显示系统10主要起到发出光线的作用，定义显示系统10发出的光线为入射光101。本实施方式中，显示系统10为OLED显示系统或LED显示系统，显示系统10发出的光为非偏振光。当然，显示系统10也可以采用其他符合要求的显示系统10。
第一光学镜片20设置在入射光101的光路上，第一光学镜片20的作用是用来降低场曲、畸变和色散。第一光学镜片20的数量为一个、两个或两个以上，当第一光学镜片20的数量为两个或两个以上时，多个第一光学镜片20在入射光101的光路上并排设置。
第一光学镜片20为场镜，第一光学镜片20包括透镜本体201和第一光学膜202，第一光学膜202设置在透镜本体201的两侧表面，第一光学膜202可以通过镀膜工艺设置在透镜本体201上。透镜本体201可以是球面、非球面或自由曲面透镜；第一光学膜202为增透膜，这样可以提高第一光学镜片20的透射率。
入射光101从第一光学镜片20透射出形成第一透射光203，第一透射光203 包括第一类型偏振光和第二类型偏振光。
需要说明的是，若第一类型偏振光为S偏振光，则第二类型偏振光为P偏振光；若第一类型偏振光为P偏振光，则第二类型偏振光为S偏振光。
第二光学镜片30设置在第一透射光203的光路上。
第二光学镜片30包括依次层叠设置的第一光学板301、第一偏光片302、偏振反射片303和第一四分之一波片304。第一光学板301可以制成平板，也可以制成表面为球面、非球面或自由曲面面型的曲面板。
为了提高第二光学镜片30的透射率，还可以在第一光学板301的远离第一偏光片302的一侧设置第二光学膜306，第二光学膜306为增透膜，第二光学膜306可以通过镀膜工艺设置在第一光学板301上。
第一透射光203从第一四分之一波片304入射进入第二光学镜片30，偏振反射片303将第一透射光203中的第一类型偏振光和第二类型偏振光分离，其中第一类型偏振光被反射，第二类型偏振光依次经过第一偏光片302和第一光学板301透射出去，该透射出去的光不到达人眼，被反射的第一类型偏振光经过第一四分之一波片304后变为圆偏振光，并形成第一反射光305。
第三光学镜片40设置在第一反射光305的光路上。
第三光学镜片40包括第二光学板401和第三光学膜402，第三光学膜402 设置在第二光学板401的一侧表面，第三光学膜402可以通过镀膜工艺设置在第二光学板401上。第二光学板401两侧表面可以是球面、非球面或自由曲面。第三光学膜402为透射反射膜，起到反射和透射光线的作用，即光线进入第三光学膜402，部分被反射，其余部分透射过去。
为了提高第三光学镜片40的透射率，还可以在第二光学板401的远离第三光学膜402的一侧表面设置第四光学膜405。第四光学膜405为增透膜，第四光学膜405可以通过镀膜工艺设置在第二光学板401上。
第一反射光305从第三光学膜402入射进入第三光学镜片40，部分第一反射光305经过第三光学镜片40处理后反射形成第二反射光403，其余部分从第三光学镜片40透射出去形成第二透射光404。需要说明的是，第二反射光403 入射进入第二光学镜片30，经过第一四分之一波片304后变为第二类型偏振光，然后依次经过偏振反射片303、第一偏光片302和第一光学板301透射出去到达人眼，从而人们就能看到从显示系统10发出的光构成的特定放大倍数和特定位置的虚像。
第二透射光404透射出去会造成显示内容的泄露，因此，在第二透射光404 的光路上设置第四光学镜片50，第四光学镜片50起到吸收第二透射光404的作用，从而避免显示内容的泄露。
第四光学镜片50包括层叠设置的第三光学板501、线性偏光片502和第二四分之一波片503。第二透射光404从第二四分之一波片503的一侧入射进入第四光学镜片50，第二透射光404经过第二四分之一波片503后变为第二类型偏振光，第二类型偏振光到达线性偏光片502，线性偏光片502设置为能够吸收第二类型偏振光的角度，从而能够吸收第二透射光404，避免了光线泄露。
为了提高第四光学镜片50的透射率，还可以在第三光学板501的远离线性偏光片502的一侧表面设置第五光学膜504，在第二四分之一波片503的远离线性偏光片502的一侧设置第六光学膜505。第五光学膜504和第六光学膜505 均为增透膜。第二透射光404从第四光学镜片50的第五光学膜504的一侧入射。
需要说明的是，第二四分之一波片503的快慢轴设置方向与第一四分之一波片304的快慢轴方向一致,其快轴都与S偏振方向成45度角。本实施方式中，第二光学镜片30与第三光学镜片40形成的夹角为30°～50°，优选第二光学镜片30与第三光学镜片40形成的夹角为40°。
还需要说明的是，第四光学镜片50的设置并不会阻挡用户观看外界信息，例如从外界环境入射到第四光学镜片50的非偏振光，先经过线性偏光片502，线性偏光片502将第二类型偏振光吸收，第一类型偏振光进入第二四分之一波片503后变为圆偏振光透射出去，然后经过第三光学镜片40，部分圆偏振光穿透第三光学镜片40后进入第二光学镜片30，圆偏振光经过第一四分之一波片 304后变为第二类型偏振光，第二类型偏振光依次经过偏振反射片303、第一偏光片302和第一光学板301透射出去到达人眼。由于线性偏光片502的透射率为90％以上，因此，用户看到外界的光的亮度的损失率小于10％，不会让用户观看外界信息造成影响。
实施方式2
参考图2所示，本发明实施方式二提供了一种光学系统，该光学系统主要应用在头戴产品上，比如AR眼镜，该光学系统包括显示系统10、第一光学镜片20、第二光学镜片30、第三光学镜片40、第四光学镜片50和第五光学镜片 60。
需要说明的是，本实施方式中的第一光学镜片20、第二光学镜片30、第三光学镜片40和第四光学镜片50采用实施方式一中的第一光学镜片20、第二光学镜片30、第三光学镜片40和第四光学镜片50，其结构、工作原理和产生的技术效果可以参考实施方式一中的相应内容，此处不做赘述。
本实施方式中的显示系统10采用LCOS显示系统，也可以采用LCD显示系统。LCOS显示系统和LCD显示系统发出的光为线偏振光。
第五光学镜片60设置在第一光学镜片20与第二光学镜片30之间。第五光学镜片60的作用是将线偏振光变为圆偏振光，从第五光学镜片60透射出的光为第三透射光604，第三透射光604为圆偏振光。
第五光学镜片60包括第四光学板601和第三四分之一波片602，第三四分之一波片602设置在第四光学板601的一侧，第一透射光203从第五光学镜片 60的第三四分之一波片602一侧入射；当然，也可以根据需要在第三四分之一波片602的远离第四光学板601的一侧设置二分之一波片，则第一透射光203 从第五光学镜片60的二分之一波片的一侧入射。
为了提高第五光学镜片60的透射率，还可以在第四光学板601的远离第三四分之一波片602的一侧表面设置增透膜。
本实施方式的成像原理如下：
显示系统10发射出入射光101，入射光101经过第一光学镜片20透射出去形成第一透射光203，第一透射光203经过第五光学镜片60透射出去形成第三透射光604，第三透射光604入射进入第二光学镜片30并反射形成第一反射光305，第一反射光305从第三光学膜402入射进入第三光学镜片40，部分第一反射光305经过第三光学镜片40处理后反射形成第二反射光403，其余部分从第三光学镜片40透射出去形成第二透射光404。需要说明的是，第二反射光 403入射进入第二光学镜片30，经过第一四分之一波片304后变为线偏振光，然后依次经过偏振反射片303、第一偏光片302和第一光学板301透射出去到达人眼，从而人们就能看到从显示系统10发出的光构成的特定放大倍数和特定位置的虚像。第二透射光404从第二四分之一波片503的一侧入射进入第四光学镜片50，第二透射光404经过第二四分之一波片503后变为线偏振光，线偏振光到达线性偏光片502后被吸收，避免了光线泄露。
实施方式3
参考图3所示，本发明实施方式三提供了一种光学系统，该光学系统主要应用在头戴产品上，比如AR眼镜，该光学系统包括显示系统10、第一光学镜片20、第二光学镜片30和第六光学镜片70。
需要说明的是，本实施方式中的显示系统10、第一光学镜片20和第二光学镜片30采用实施方式一中的显示系统10、第一光学镜片20和第二光学镜片 30，其结构、工作原理和产生的技术效果可以参考实施方式一中的相应内容，此处不做赘述。
第六光学镜片70设置在第一反射光305的光路上。
第六光学镜片70包括依次层叠设置的线性偏光片502、第二四分之一波片 503、第二光学板401和第三光学膜402，即可以将实施方式一中的第三光学镜片40和第四光学镜片50粘接在一起制成。第三光学膜402为透射反射膜，第一反射光305从第三光学膜402入射进入第六光学镜片70。
为了提高第六光学镜片70的透射率，还可以在线性偏光片502的远离第二四分之一波片503的一侧表面设置第七光学膜701，第七光学膜701为增透膜。
本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。
Claims (10)
1.一种光学系统，其特征在于：包括显示系统、第一光学镜片、第二光学镜片、第三光学镜片和第四光学镜片；
所述显示系统发出的光为入射光，所述第一光学镜片设置于所述入射光的光路上，从所述第一光学镜片透射出的光为第一透射光；
所述第二光学镜片设置于所述第一透射光的光路上，所述第一透射光经过所述第二光学镜片处理后生成第一反射光；
所述第三光学镜片设置于所述第一反射光的光路上，所述第一反射光经过所述第三光学镜片处理后部分反射形成第二反射光，其余部分透射形成第二透射光，所述第二反射光入射进入所述第二光学镜片并从所述第二光学镜片透射出去；
所述第四光学镜片设置于所述第二透射光的光路上，所述第四光学镜片用于吸收所述第二透射光。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述第一光学镜片包括透镜本体和设置于所述透镜本体的两侧表面的第一光学膜。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述第二光学镜片包括依次层叠设置的第一光学板、第一偏光片、偏振反射片和第一四分之一波片，所述第一透射光从所述第二光学镜片的第一四分之一波片一侧入射。
4.根据权利要求3所述的光学系统，其特征在于：所述第一光学板的远离所述第一偏光片的一侧设有第二光学膜。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述第三光学镜片包括第二光学板和设置于所述第二光学板的一侧表面的第三光学膜，所述第一反射光从所述第三光学镜片的第三光学膜的一侧入射。
6.根据权利要求5所述的光学系统，其特征在于：所述第二光学板的远离所述第三光学膜的一侧表面设有第四光学膜。
7.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述第四光学镜片包括依次层叠设置的第三光学板、线性偏光片和第二四分之一波片，所述第三光学板的远离所述线性偏光片的一侧表面设有第五光学膜，所述第二四分之一波片的远离所述线性偏光片的一侧表面设有第六光学膜，所述第二透射光从所述第四光学镜片的第六光学膜的一侧入射。
8.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述第四光学镜片粘贴于所述第三光学镜片的远离所述第二光学镜片的一侧。
9.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述光学系统还包括第五光学镜片，所述第五光学镜片设置于所述第一光学镜片与所述第二光学镜片之间，所述第五光学镜片包括第四光学板，所述第四光学板的一侧设有第三四分之一波片或二分之一波片，所述第一透射光从所述第五光学镜片的第三四分之一波片的一侧或二分之一波片的一侧入射。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的光学系统，其特征在于：所述显示系统为OLED显示系统、LCOS显示系统、LED显示系统或LCD显示系统。
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