CN108873344A - 光学系统及头戴显示设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种光学系统及一种头戴显示设备，该系统包括具有光焦度反射面的光学镜组、部分反射平行平板及曲面部分反射镜。所述光学镜组的光焦度反射面用于至少将部分入射光线反射至所述部分反射平行平板的第一入光面。所述第一入光面用于将至少部分所述入射光线反射至所述曲面部分反射镜的第二入光面。所述第二入光面用于将至少部分所述入射光线反射至所述部分反射平行平板的出光面。所述出光面透射至少部所述入射光线至人眼成像。其中，由所述光焦度反射面至所述第二入光面之间的光路上形成有中间像面。本申请增大了系统视场。

Description

光学系统及头戴显示设备

技术领域

本申请实施例涉及头戴显示技术领域，尤其涉一种光学系统及一种头戴显示设备。

背景技术

光学系统是指各种光学元件按一定次序组合形成的系统，通常用来成像或进行光学信息处理，被广泛应用于各种电子设备中，例如基于(Augmented Reality，增强现实)AR技术的头戴显示设备。在头戴显示设备中，显示器显示的虚拟图像就需要先经由光学系统放大，再与现实图像叠加呈现给用户。由于头戴显示设备佩戴在用户头部，为了减轻用户头部压力，紧凑化、轻量化是头戴显示设备成为需求设计方向。

现有技术中，应用于头戴显示设备中基于部分反射平行平板及曲面部分反射镜组成的光学系统由于其结构紧凑、可大大减少光学系统占用的空间体积得到了广泛的应用。但由于受显示器尺寸和光学系统尺寸的限制难以获得较大的视场。

发明内容

本申请实施例提供一种光学系统及一种头戴显示设备，用以增大光学系统的视场。

本申请提供了一种光学系统，包括具有光焦度反射面的光学镜组、部分反射平行平板及曲面部分反射镜；

所述光学镜组的光焦度反射面用于将至少部分入射光线反射至所述部分反射平行平板的第一入光面；

所述第一入光面用于将至少部分所述入射光线反射至所述曲面部分反射镜的第二入光面；

所述第二入光面用于将至少部分所述入射光线反射至所述部分反射平行平板的出光面；

所述出光面透射至少部所述入射光线至人眼成像；

其中，由所述光焦度反射面至所述第二入光面之间的光路上形成有中间像面。

优选地，所述光学镜组包括第一偏振反射棱镜及与所述第一偏振反射棱镜胶合的第二偏振反射棱镜；其中，所述第一偏振反射棱镜包括偏振反射面和第一光焦度反射面；

所述入射光线经所述第一偏振反射棱镜的入光面进入所述第一偏振反射棱镜；

至少部分所述入射光线被所述偏振反射面反射至所述第一偏振反射棱镜的第一光焦度反射面；

至少部分来自所述偏振反射面的所述入射光线被所述第一光焦度反射面反射并透过所述第二偏振反射棱镜后出射。

优选地，所述光学镜组包括具有第二光焦度反射面的曲面反射镜。

优选地，还包括由至少一个透镜组成的投影镜组；

至少部分所述光学镜组的光焦度反射面反射的所述入射光线经所述投影镜组透射后出射至所述部分反射平行平板的第一入光面。

优选地，所述投影镜组与所述部分反射平行平板之间的光路上产生所述中间像面。

优选地，所述光学镜组包括：第三偏振反射棱镜、第四偏振反射棱镜以及分别与所述第三偏振反射棱镜及所述第四偏振反射棱镜胶合的第一偏振分束片、具有第三光焦度反射面的第一折返射镜以及分别与所述第四偏振反射棱镜及所述第一折返射镜胶合的第一波片、具有第四光焦度反射面的第二折返射镜以及分别与所述第四偏振反射棱镜及所述第二折返射镜胶合的第二波片；

所述入射光线经所述第三偏振反射棱镜的入光面进入所述第三偏振反射棱镜；

至少部分所述入射光线被所述第三偏振反射棱镜透射至所述第一偏振分束片；

至少部分所述入射光线被所述第一偏振分束片及所述第四偏振反射棱镜透射至所述第一波片；

至少部分所述入射光线被所述第一波片透射至所述第三光焦度反射面并被所述第三光焦度反射面反射至所述第一波片；

至少部分所述入射光线被所述第一波片及所述第四偏振反射棱镜透射至所述第一偏振分束片并被所述第一偏振分束片反射至所述第二波片；

至少部分所述入射光线被所述第二波片透射至所述第四光焦度反射面；

至少部分所述入射光线被所述第四光焦度反射面至少部分反射并透过所述第二波片、所述第四偏振反射棱镜、所述第一偏振分束片及所述第三偏振反射棱镜后出射至所述部分反射平行平板的第一入光面。

优选地，所述光学镜组包括：第五偏振反射棱镜、第六偏振反射棱镜以及分别与所述第五偏振反射棱镜及所述第六偏振反射棱镜胶合的第二偏振分束片、具有第五光焦度反射面的第三折返射镜以及分别与所述第五偏振反射棱镜及所述第三折返射镜胶合的第三波片、具有第六光焦度反射面的第四折返射镜以及分别与所述第六偏振反射棱镜及所述第四折返射镜胶合的第四波片；

所述入射光线经所述第五偏振反射棱镜的入光面进入所述第五偏振反射棱镜；

至少部分所述入射光线被所述第五偏振反射棱镜透射至所述第二偏振分束片并被所述第二偏振分束片反射至所述第三波片；

至少部分所述入射光线被所述第三波片透射至所述第五光焦度反射面；

至少部分所述入射光线被所述第五光焦度反射面反射并经所述第三波片、所述第五偏振反射棱镜、所述第二偏振分束片及所述第六偏振反射棱镜透射至所述第四波片；

至少部分所述入射光线被所述第四波片透射至所述第六光焦度反射面后被所述第六光焦度反射面反射至所述第四波片，并被所述第四波片、所述第六偏振反射棱镜透射至所述第二偏振分束片；

至少部分所述入射光线被所述第二偏振分束片反射并透过所述第六偏振反射棱镜后出射至所述部分反射平行平板的第一入光面。

优选地，所述曲面部分反射镜的入光面用于接收环境光线并将至少部分所述环境光线透射至所述部分反射平行平板的出光面；

所述出光面用于将至少部分所述环境光线透射至人眼，以将至少部分所述环境光线与至少部分所述入射光线景融合到一起成像。

本申请提供了一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括光学系统以及显示系统，其中所述光学系统具有上述实施例的任一项所述的结构；

所述显示系统用于产生所述入射光线。

优选地，所述显示系统包括第一显示器，所述第一显示器设置在所述光学镜组一侧。

优选地，所述显示系统包括第二显示器和照明组件，所述照明组件和所述第二显示器分设于所述光学镜组两侧；

所述照明组件出射的光透过所述光学镜组后照射到所述第二显示器上以点亮所述第二显示器。

本申请实施例提供了一种光学系统及一种头戴显示设备，该光学系统具有光焦度反射面的光学镜组、部分反射平行平板及曲面部分反射镜。所述光学镜组的光焦度反射面用于将至少部分入射光线反射至所述部分反射平行平板的第一入光面。所述第一入光面用于将至少部分入射光线反射至所述曲面部分反射镜的第二入光面。所述第二入光面用于将至少部分所述入射光线反射至所述部分反射平行平板的出光面。所述出光面透射至少部所述入射光线至人眼成像。其中，由所述光焦度反射面至所述第二入光面之间的光路上形成中间像面。由于光学镜组的光焦度反射面可以将以宽光束形式存在入射光线调制后的发生汇聚，从而减小光线在系统传播过程中的光束宽度，并根据光线汇聚位置不同可以在光焦度反射面至所述第二入光面之间的光路上任一位置形成中间像面。因此，本申请通过该光学系统使入射光线在入射到人眼的光路中实现了二次成像，通过中间成像使以宽光束形式存在的入射光线产生汇聚，增大系统视场。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，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示出了本申请提供的一种光学系统一个实施例的结构示意图；

图2示出了本申请提供的一种光学系统又一个实施例的结构示意图；

图3示出了本申请提供的一种光学系统的另一个实施例的结构示意图；

图4示出了本申请提供的一种光学系统的另一个实施例的结构示意图；

图5示出了本申请提供的一种光学系统一个实施例的光学镜组的结构示意图；

图6示出了本申请提供的一种光学系统的另一个实施例的结构示意图；

图7示出了本申请提供的一种光学系统另一个实施例的光学镜组的结构示意图；

图8(a)-图8(e)示出了本申请提供的一种头戴显示设备的一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的描述的一些流程中，包含了按照特定顺序出现的多个操作，但是应该清楚了解，这些操作可以不按照其在本文中出现的顺序来执行或并行执行，操作的序号如101、102等，仅仅是用于区分开各个不同的操作，序号本身不代表任何的执行顺序。另外，这些流程可以包括更多或更少的操作，并且这些操作可以按顺序执行或并行执行。需要说明的是，本文中的“第一”、“第二”等描述，是用于区分不同的消息、设备、模块等，不代表先后顺序，也不限定“第一”和“第二”是不同的类型。

本申请提供的光学系统可应用于当前的虚拟现实、增强现实、医学成像等技术领域。适用但不限于头戴显示设备中，其中，头戴显示设备可以包括VR(虚拟现实，VirtualReality)设备、AR(增强现实，Augmented Reality)设备及MR(混合现实，Mixed Reality)设备等。

为了解决现有技术中基于部分反射平行平板及曲面部分反射镜组成的光学系统视场较小的技术问题。发明人经过一系列研究发现，该光学系统中显示器尺寸和系统尺寸大小会限制视场大小；可通过增大显示器尺寸和系统尺寸来增大系统的视场，但这就会导致与光学系统紧凑化、轻量化设计需求相背离，还会额外提高了系统成本。因此本申请提供了一种光学系统及一种头戴显示设备，该光学系统包括具有光焦度反射面的光学镜组、部分反射平行平板及曲面部分反射镜。所述光学镜组的光焦度反射面用于将至少部分入射光线反射至所述部分反射平行平板的第一入光面。所述第一入光面用于将至少部分所述入射光线反射至所述曲面部分反射镜的第二入光面。所述第二入光面用于将至少部分所述入射光线反射至所述部分反射平行平板的出光面。所述出光面透射至少部所述入射光线至人眼成像。其中，由所述光焦度反射面至所述第二入光面之间的光路上形成有中间像面。由于光学镜组的光焦度反射面可以将以宽光束形式存在入射光线调制后的发生汇聚，从而减小光线在系统传播过程中的光束宽度，并根据光线汇聚位置不同可以在光焦度反射面至所述第二入光面之间的光路上任一位置形成中间像面。因此，本申请通过该光学系统使入射光线在入射到人眼的光路中实现了二次成像，通过中间成像使以宽光束形式存在的入射光线产生汇聚，增大系统视场。

下面将结合附图对本申请技术方案进行详细描述。

图1为本申请实施例提供的一种光学系统的一个实施例的结构示意图，该系统可以包括具有光焦度反射面的光学镜组101、部分反射平行平板102及曲面部分反射镜103。

实际应用中，该光学系统可以应用但不限于头戴显示设备中，尤其适用于AR成像的头戴显示设备。为了使该头戴显示设备更加轻量化、结构更加紧凑。该入射光线可以由显示器显示或其它显示系统显示。其中，显示器可以是背光式LCOS(Liquid Crystal OnSilicon，液晶覆硅)显示器、LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)、Micro-OLED(Organic Light-Emitting Diode，微型有机发光二极管)或其它小型化显示器。

所述光学镜组101的光焦度反射面用于将至少部分入射光线反射至所述部分反射平行平板102的第一入光面S1。

可选地，光焦度反射面反射特性可以是部分反射部分透射或偏振反射，也可以是全反射在此不做具体限定。

所述第一入光面S1用于将至少部分所述入射光线反射至所述曲面部分反射镜103的第二入光面S2。

所述第二入光面S2用于将至少部分所述入射光线反射至所述部分反射平行平板102的出光面S1。

本实施例中，部分反射平行平板102的第一入光面与出光面为该部分反射平行平板102的同一面。

在该光学系统中，部分反射平行平板102与曲面部分反射镜103均不带有光焦度，且具有反射特性，其反射特性可以是无偏振性的部分反射部分透射，也可以是偏振反射。部分反射平行平板102与曲面部分反射镜103的光轴可以一致，也可以不一致，在此均不做具体限定。

实际应用中，该曲面部分反射镜103可以包括凸表面和凹表面，该凹表面面向该部分反射平行平板。其中，该曲面部分反射镜103的面型可以是球面、非球面、菲涅尔面或自由曲面等，可根据实际需求进行设定，在此不做任何限定。

所述出光面透射至少部分所述入射光线至人眼E1。

其中，由所述光焦度反射面至所述第二入光面S2之间的光路上形成有中间像面M1。

光学镜组101通过光焦度反射面将光路进行反射和汇聚，从而将以宽光束形式存在的入射光进行汇聚产生中间像面，大大减少了光束在系统内部传播过程中占有各光学有效面的面积。由图1光学系统光路中可知，虚线表示待显示图像的边缘视场光线，实线表示中心视场光线。其中，边缘视场光线及中心视场光线分别在中间像面位置M1处发生汇聚，从而形成中间像面M1。

实际应用中，根据实际光焦度反射面的焦距的不同，入射光线经由光焦度反射面进行汇聚形成中间像面的位置，可以是在光焦度反射面至第二入光面S2之间的光路上的任一位置处形成。该光学系统可以使入射光线在光学系统的传播过程中产生中间像面，实现了系统的二次成像。且这一可实现系统二次成像的光学系统可以增大系统视场角，同时减小系统尺寸和显示器尺寸对视场的限制。

本申请实施例中，通过具有光焦度反射面的光学镜组对以宽光束形式存在的入射光线进行汇聚形成中间像面，然后经过部分反射平行平板和曲面部分反射镜的调制最终在人眼成像。该光学系统在具有二次成像特点的同时进一步增大了系统的视场，减小系统尺寸和显示器尺寸对视场的限制。使得在具有小尺寸显示器和小尺寸光学系统的同时拥有较大的视场，从而满足系统紧凑化、轻量化的设计需求。

图2为本申请实施例提供的一种光学系统的又一个实施例的结构示意图，该系统除包括图1实施例中的光学镜组101、部分反射平行平板102及曲面部分反射镜103之外，还可以包括由至少一个透镜组成的投影镜组104。其中，光学镜组101可以包括第一偏振反射棱镜1011及与第一偏振反射棱镜1011胶合的第二偏振反射棱镜1012。作为一种实施方式，该第一偏振反射棱镜1011可以包括偏振反射面S11和第一光焦度反射面S12。

可选地，在某些实施例中，所述入射光线经所述第一偏振反射棱镜1011的入光面S13进入所述第一偏振反射棱镜1011。

至少部分所述入射光线被所述偏振反射面S11反射至所述第一偏振反射棱镜1011的第一光焦度反射面S12。

至少部分来自所述偏振反射面S11的所述入射光线被所述第一光焦度反射面S12反射并透过所述第二偏振反射棱镜1012后出射。

其中，至少部分来自偏振反射面S11的入射光线，首先被第一光焦度反射面S12反射至偏振反射面S11，然后经偏振反射面S11透射至第二偏振反射棱镜1012中，并通过第二偏振反射棱镜1012的出光面S14射出。

本申请实施例中的光学镜组101可适用于不需要独立配光的显示系统；也可适用于需要独立配光的显示系统，在此不做具体限定。

实际应用中，第一偏振反射棱镜1011的偏振反射面S11的反射特性可以是无偏振性的部分反射部分透射，也可以是偏振反射，其面型可以是平面、自由曲面、球面或非球面。第一光焦度反射面S12具有一定的曲率，曲率大小可根据实际设计需求设定，其面型可以是球面、非球面或自由曲面等，在此不做具体限定。该光学镜组101中的其它各面型根据需要可以是平面、球面、非球面或自由曲面。同时，该光学镜组101还可以实现对系统中的像差矫正及不同视场光线的转折，实现投影镜组104的功能。此时，系统中可以省去投影镜组104的设置。

实际应用中，对于光学镜组101不能实现投影镜组104功能时，投影镜组104可以设置于光学镜组101及部分反射平行平板102之间。在某些实施例中，所述至少部分所述光学镜组101的光焦度反射面S12反射的所述入射光线经所述投影镜组104透射后出射至所述部分反射平行平板102的第一入光面S1。

其中，投影镜组104的各个透镜的面型可以是球面、非球面、菲涅尔面或自由曲面等，在此不做具体限定。

可选地，在某些实施例中，该光学系统的中间像面可以是在所述投影镜组104与所述曲面部分反射镜103之间的光路上任一位置处产生。

本申请实施例，提供了一种可以适用于需要独立配光的显示器的光学成像系统，该系统应用偏振反射棱镜的折反射成像原理，可以实现在所述投影镜组与所述曲面部分反射镜之间的光路上产生中间像面，使得系统在大大提高系统的视场角的同时还可以减小系统尺寸，实现与小尺寸显示器的匹配，提高成像质量。

图3为本申请实施例提供的一种光学系统的另一个实施例的结构示意图，该系统除包括图1实施例中的光学镜组101、部分反射平行平板102及曲面部分反射镜103之外，还可以包括由至少一个透镜组成的投影镜组104；其中，光学镜组101可以包括曲面反射镜。

实际应用中，曲面反射镜包含第二光焦度反射面。可选地，曲面反射镜的第二光焦度反射面接收所述入射光线；曲面反射镜的第二光焦度反射面将至少部分所述入射光线反射至所述部分反射平行平板102的第一入光面S1。

由于曲面反射镜不能实现对系统中的像差矫正及不同视场光线的转折，因此不具有投影镜组104的功能，实际应用中，在曲面反射镜及部分反射平行平板102之间还需要设置投影镜组104。因此，所述曲面反射镜的第二光焦度反射面将至少部分所述入射光线反射至所述投影镜组104并经所述投影镜组104透射后出射至所述部分反射平行平板102的第一入光面。

本申请实施例中投影镜组104与图2实施例中的投影镜组104相同，在此不再赘述。

本申请实施例中，光学镜组101仅适用于不需要独立配光的显示器，后续的光路与图1实施例及图2实施例中的光路相同，并可在投影镜组104至曲面部分反射镜103之间的光路上的任一位置形成中间像面。使得光学系统基于该成像光路，在大大提高系统的视场角的同时还可以减小系统尺寸，并可适配小尺寸显示器，提高成像质量。

为了进一步减小系统尺寸，使系统结构更加紧凑、从而满足系统结构紧凑化、轻量化的设计需求，发明人给提供了以下光学系统的实施例，同时以下光学系统实施例均适用于不需要独立配光的显示器。

图4为本申请实施例提供的一种光学系统的另一个实施例的结构示意图，该系统包括与图1实施例中相同的光学镜组101、部分反射平行平板102及曲面部分反射镜103。

其中，光学镜组101可以包括：第三偏振反射棱镜1041、第四偏振反射棱镜1042以及分别与所述第三偏振反射棱镜1041及所述第四偏振反射棱镜1042胶合的第一偏振分束片PBS1、具有第三光焦度反射面S42的第一折返射镜1043以及分别与所述第四偏振反射棱镜1042及所述第一折返射镜1043胶合的第一波片WP1、具有第四光焦度反射面S43的第二折返射镜1044以及分别与所述第四偏振反射棱镜1042及所述第二折返射镜1044胶合的第二波片WP2。

其中，所述第三光焦度反射面S42及所述第四光焦度反射面S43可以分别具有正的光焦度或负的光焦度，并使该光学镜组101具有正的光焦度。

图5为本申请实施例中光学镜组101的结构示意图，结合图4可知入射光线在所述光学镜组101中的光路可以包括：所述入射光线首先经所述第三偏振反射棱镜1041的入光面S41进入所述第三偏振反射棱镜1041。

然后，至少部分所述入射光线被所述第三偏振反射棱镜1041透射至所述第一偏振分束片PBS1。

之后，至少部分所述入射光线被所述第一偏振分束片PBS1及所述第四偏振反射棱镜1042透射至所述第一波片WP1。

至少部分所述入射光线被所述第一波片WP1透射至所述第三光焦度反射面S42并被所述第三光焦度反射面S42反射至所述第一波片WP1。

至少部分所述入射光线被所述第一波片WP1及所述第四偏振反射棱镜1042透射至所述第一偏振分束片PBS1并被所述第一偏振分束片PBS1反射至所述第二波片WP2。

而后，至少部分所述入射光线被所述第二波片WP2透射至所述第四光焦度反射面S43。

至少部分所述入射光线被所述第四光焦度反射面S43至少部分反射并透过所述第二波片WP2、所述第四偏振反射棱镜1042、所述第一偏振分束片PBS1及所述第三偏振反射棱镜1041的出光面S44后出射至所述部分反射平行平板102的第一入光面S1。

实际应用中，第一偏振分束片PBS1的反射特性可以是偏振反射或无偏振性的部分反射部分透射。第一波片WP1及第二波片WP2均为四分之一波片，用于对该光学镜组101中入射光线的相位进行调节。第三光焦度反射面S42及第四光焦度反射面S43的光焦度可以是正的光焦度也可以是负的光焦度，在此不做具体限定，但通过根据第三光焦度反射面S42及第四光焦度反射面S43的反射特性及光焦度大小进行设计后，最终使得该光学镜组101具有正的光焦度。

可选地，本申请实施例中，光学镜组101的各光学有效面例如透射面、反射面等面型根据需要可以是平面、球面、非球面、或自由曲面。其中，构成该光学镜组101的材料优选为玻璃材料。

本申请实施例中的光学镜组101可同时起到偏振反射及投影镜组的作用。因此，该系统不需要额外设置单独的投影镜组。该光学镜组101通过对入射光线进行调制后可以获得更小的光路高度，进一步降低系统中传播光路需要占用的空间，从而可以使系统更加紧凑化，进一步减小系统的尺寸。

实际应用中，入射光可以为偏振光。本申请实施例中光学镜组101可适用于无偏振性的显示器，也可适用于偏振性的显示器。对于无偏振性的显示器需要在显示器和偏振反射棱镜之间增加一个偏振片，实现入射光为偏振光。

本申请实施例中，该光学镜组通过对入射光线进行调制后可以获得更小的光路高度，进一步降低系统中传播光路需要占用的空间，从而可以使光学系统更加紧凑化，进一步减小系统的尺寸。

图6为本申请实施例提供的一种光学系统的另一个实施例的结构示意图，该系统包括与图1实施例中相同的光学镜组101、部分反射平行平板102及曲面部分反射镜103。

其中，光学镜组101可以包括：第五偏振反射棱镜1061、第六偏振反射棱镜1062以及分别与所述第五偏振反射棱镜1061及所述第六偏振反射棱镜1062胶合的第二偏振分束片PBS2、具有第五光焦度反射面S62的第三折返射镜1063以及分别与所述第五偏振反射棱镜1061及所述第三折返射镜1063胶合的第三波片WP3、具有第六光焦度反射面S63的第四折返射镜1064以及分别与所述第六偏振反射棱镜1062及所述第四折返射镜1064胶合的第四波片WP4。

如图7所示，为本申请实施例中光学镜组101的结构示意图，结合图6可知入射光线在所述光学镜组101中的光路可以包括：

所述入射光线首先经所述第五偏振反射棱镜1061的入光面S61进入所述第五偏振反射棱镜1061。

然后，至少部分所述入射光线被所述第五偏振反射棱镜1061透射至所述第二偏振分束片PBS2并被所述第二偏振分束片PBS2反射至所述第三波片WP3。

至少部分所述入射光线被所述第三波片WP3透射至所述第五光焦度反射面S62。

至少部分所述入射光线被所述第五光焦度反射面S62反射并经所述第三波片WP3、所述第五偏振反射棱镜1061、所述第二偏振分束片PBS2及所述第六偏振反射棱镜1062透射至所述第四波片WP4。

而后，至少部分所述入射光线被所述第四波片WP4透射至所述第六光焦度反射面S63后被所述第六光焦度反射面S63再次反射至所述第四波片WP4，并被所述第四波片WP4、所述第六偏振反射棱镜1062透射至所述第二偏振分束片PBS2。

至少部分所述入射光线被所述第二偏振分束片PBS2反射并透过所述第六偏振反射棱镜1061的出光面S64后出射至所述部分反射平行平板102的第一入光面S1。

实际应用中，第二偏振分束片PBS2的反射特性可以是偏振反射或无偏振性的部分反射部分透射。第三波片WP3及第四波片WP4均可为四分之一波片，用于对该光学镜组101中入射光线的相位进行调节。第五光焦度反射面S62及第六光焦度反射面S63的光焦度可以是正的光焦度也可以是负的光焦度，在此不做具体限定，但通过根据第五光焦度反射面S62及第六光焦度反射面S63的反射特性及光焦度大小进行设计后，最终使得该光学镜组101具有正的光焦度。

可选地，本申请实施例中，光学镜组101的各光学有效面例如透射面、反射面等面型根据需要可以是平面、球面、非球面、或自由曲面。其中，构成该光学镜组101的材料优选为玻璃材料。

本申请实施例中的光学镜组101可同时起到偏振反射及投影镜组的作用。因此，该系统不需要额外设置单独的投影镜组。该光学镜组101通过对入射光线进行调制后可以获得更小的光路高度，进一步降低系统中传播光路需要占用的空间，从而可以使系统结构更加紧凑化，进一步减小系统的尺寸。

实际应用中，入射光可以为偏振光。本申请实施例中光学镜组101可适用于无偏振性的显示器，也可适用于偏振性的显示器。对于无偏振性的显示器需要在显示器和偏振反射棱镜之间增加一个偏振片，实现入射光为偏振光。

本申请实施例光学系统与图4实施例中的光学系统具有相似的结构，入射光线均可以通过光学镜组101的调制获得更小的光路高度，使系统结构更加紧凑化，进一步减小系统尺寸。

可选地，在某些实施例中，所述曲面部分反射镜103的第二入光面用于接收环境光线并将至少部分所述环境光线透射至所述部分反射平行平板102的出光面S1。

所述出光面S1用于将至少部分所述环境光线透射至人眼E1，以使待显示图像与真实场景在人眼位置处混叠，产生增强现实效果。

本申请图1实施例、图2实施例、图3实施例、图4实施例及图6实施例提供的光学系统，对系统中光学镜组101、部分反射平行平板102及曲面部分反射镜103等光学元件各个有效面的形状、尺寸、反射形式等均不作具体地限定，以上光学系统中的各个光学元件的尺寸，位置及形状经过组合，可以在系统中的光路上实现二次成像，产生中间像面，根据结构不同中间像面可以是在由光学镜组101至曲面部分反射镜103之间的光路上任一位置产生或在由投影镜组104至曲面部分反射镜103之间的光路上任一位置产生，在此也不做具体限定。

可选地，本申请图1实施例、图2实施例、图3实施例、图4实施例及图6实施例提供的光学系统，通过将自由曲面棱镜代替上述实施例中的部分反射平行平板102及曲面部分反射镜103，同样可以实现二次成像光路，获得大视场，高成像质量的光学系统。

综上，本申请实施例提供的光学系统，具有小尺寸、大视场，高成像质量的优点，并且适配与小尺寸显示器。通过对系统中传播的光束宽度进行汇聚，解决了现有技术中由于传播宽光束对系统尺寸及系统视场的限制，从而进一步解决了系统视场受显示器尺寸及系统尺寸限制的影响，提高系统视场的同时，大大降低了系统结构设计的难度。

图8(a)-图8(e)为本申请实施例提供的一种头戴显示设备的一个实施例的结构示意图。所述头戴显示设备可以包括光学系统以及显示系统，其中所述光学系统具有图1-图6的任一项实施例所述的结构。

所述显示系统用于产生所述入射光线。

该头戴显示设备可以是基于VR的头戴显示设备也可以是基于AR的头戴显示设备，在此不做具体限定。

光学镜组101可适配于不需要单独配光的显示器例如LCD或Micro-OLED等显示器；也可适配于需要单独配光的显示器例如LCOS等显示器中。下述实施例分别提供适用于需要单独配光的显示系统及不需要单独配光的显示系统的具体实施方式。

所述显示系统包括第一显示器D1，所述第一显示器D1设置在所述光学镜组101一侧。

可选地，如图8(a)所示，在某些实施例中，该第一显示D1可以设置于与所述第一偏振反射棱镜1011的入光面S13相邻的一侧，该入光面S13用于接收所述第一显示器显示待显示图像时产生的入射光线。

可选地，如图8(b)所示，在某些实施例中，该第一显示器D1还可以设置在与所述曲面反射镜的第二光焦度反射面相邻的一侧。

可选地，如图8(c)所示，在某些实施例中，该第一显示器D1还可以设置在与所述第三偏振反射棱镜1041的入光面S41相邻的一侧。

可选地，如图8(d)所示，在某些实施例中，该第一显示器D1还可以设置在与所述第五偏振反射棱镜1061的入光面S61相邻的一侧。

其中，该第一显示器可以是LCD显示器、OLED显示器等，用于产生入射光线。

可选地，在某些实施例中，所述显示系统可以包括第二显示器D1和照明组件Q1，所述照明组件Q1和所述第二显示器D2分设于所述光学镜组101两侧。

所述照明组件Q1出射的光透过所述光学镜组101后照射到所述第二显示器D2上以点亮所述第二显示器D2。

其中，该照明组件Q1可以是由一个或多个LED构成的任意形状的照明组件，也可以是能够用于照明的其它照明装置组成的照明组件，在此不做具体限定。

由于第二显示器D2为基于反射模式的显示器，例如，可以是LCOS显示器，无法独立发光，因此需要对该第二显示器进行独立配光，可通过发射自然光的照明组件将产生的自然光照射至该第二显示器上，基于第二显示器D2的反射原理点亮该第二显示器从而产生入射光线。

可选地，在某些实施例中，如图8(e)所示所述第二显示器D2可以是设置于所述第一偏振反射棱镜1011的入光面S13相邻的一侧，所述照明组件Q1设置于所述第二偏振反射棱镜1012的入光面S15相邻的一侧，其中所述第一偏振反射棱镜1011的入光面S13与所述第二偏振反射棱镜1012的入光面S15相对设置。

所述第二偏振反射棱镜1012的入光面S15，用于将照明组件Q1产生的至少部分自然光线透射至所述第一偏振反射棱镜1011的偏振反射面S11。至少部分来自偏振反射面S11的自然光线经所述第一偏振反射棱镜101的入光面S13透射至第二显示器D2并点亮该第二显示器D2，以使该第二显示器D2产生入射光线。

实际应用中，不同的显示系统适用于不同的光学系统中以实现与较小尺寸显示器的适配。该头戴显示设备可以包括智能头盔、智能眼镜等，同时根据设功能设计可以是基于AR、VR或MR等功能的头戴显示设备，在此不做具体限定。

本实施例保护了一种头戴显示设备，该头戴显示设备包括上述光学系统的结构及显示系统结构，可以进一步减小头戴显示设备的体积和重量，获得更加紧凑化，轻量化的头戴显示设备。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种光学系统，其特征在于，包括具有光焦度反射面的光学镜组、部分反射平行平板及曲面部分反射镜；

所述光学镜组的光焦度反射面用于将至少部分入射光线反射至所述部分反射平行平板的第一入光面；

所述第一入光面用于将至少部分所述入射光线反射至所述曲面部分反射镜的第二入光面；

所述第二入光面用于将至少部分所述入射光线反射至所述部分反射平行平板的出光面；

所述出光面透射至少部分所述入射光线至人眼；

其中，由所述光焦度反射面至所述第二入光面之间的光路上形成有中间像面。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光学镜组包括第一偏振反射棱镜及与所述第一偏振反射棱镜胶合的第二偏振反射棱镜；其中，所述第一偏振反射棱镜包括偏振反射面和第一光焦度反射面；

所述入射光线经所述第一偏振反射棱镜的入光面进入所述第一偏振反射棱镜；

至少部分所述入射光线被所述偏振反射面反射至所述第一偏振反射棱镜的第一光焦度反射面；

至少部分来自所述偏振反射面的所述入射光线被所述第一光焦度反射面反射并透过所述第二偏振反射棱镜后出射。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光学镜组包括具有第二光焦度反射面的曲面反射镜。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括由至少一个透镜组成的投影镜组；

至少部分所述光学镜组的光焦度反射面反射的所述入射光线经所述投影镜组透射后出射至所述部分反射平行平板的第一入光面。

5.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于，所述投影镜组与所述曲面部分反射镜之间的光路上产生所述中间像面。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光学镜组包括：第三偏振反射棱镜、第四偏振反射棱镜以及分别与所述第三偏振反射棱镜及所述第四偏振反射棱镜胶合的第一偏振分束片、具有第三光焦度反射面的第一折返射镜以及分别与所述第四偏振反射棱镜及所述第一折返射镜胶合的第一波片、具有第四光焦度反射面的第二折返射镜以及分别与所述第四偏振反射棱镜及所述第二折返射镜胶合的第二波片；

所述入射光线经所述第三偏振反射棱镜的入光面进入所述第三偏振反射棱镜；

至少部分所述入射光线被所述第三偏振反射棱镜透射至所述第一偏振分束片；

至少部分所述入射光线被所述第一偏振分束片及所述第四偏振反射棱镜透射至所述第一波片；

至少部分所述入射光线被所述第一波片透射至所述第三光焦度反射面并被所述第三光焦度反射面反射至所述第一波片；

至少部分所述入射光线被所述第一波片及所述第四偏振反射棱镜透射至所述第一偏振分束片并被所述第一偏振分束片反射至所述第二波片；

至少部分所述入射光线被所述第二波片透射至所述第四光焦度反射面；

至少部分所述入射光线被所述第四光焦度反射面至少部分反射并透过所述第二波片、所述第四偏振反射棱镜、所述第一偏振分束片及所述第三偏振反射棱镜后出射至所述部分反射平行平板的第一入光面。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光学镜组包括：第五偏振反射棱镜、第六偏振反射棱镜以及分别与所述第五偏振反射棱镜及所述第六偏振反射棱镜胶合的第二偏振分束片、具有第五光焦度反射面的第三折返射镜以及分别与所述第五偏振反射棱镜及所述第三折返射镜胶合的第三波片、具有第六光焦度反射面的第四折返射镜以及分别与所述第六偏振反射棱镜及所述第四折返射镜胶合的第四波片；

所述入射光线经所述第五偏振反射棱镜的入光面进入所述第五偏振反射棱镜；

至少部分所述入射光线被所述第五偏振反射棱镜透射至所述第二偏振分束片并被所述第二偏振分束片反射至所述第三波片；

至少部分所述入射光线被所述第三波片透射至所述第五光焦度反射面；

至少部分所述入射光线被所述第五光焦度反射面反射并经所述第三波片、所述第五偏振反射棱镜、所述第二偏振分束片及所述第六偏振反射棱镜透射至所述第四波片；

至少部分所述入射光线被所述第四波片透射至所述第六光焦度反射面后被所述第六光焦度反射面反射至所述第四波片，并被所述第四波片、所述第六偏振反射棱镜透射至所述第二偏振分束片；

至少部分所述入射光线被所述第二偏振分束片反射并透过所述第六偏振反射棱镜后出射至所述部分反射平行平板的第一入光面。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述曲面部分反射镜的第二入光面用于接收环境光线并将至少部分所述环境光线透射至所述部分反射平行平板的出光面；

所述出光面用于将至少部分所述环境光线透射至人眼。

9.一种头戴显示设备，其特征在于，所述头戴显示设备包括光学系统以及显示系统，其中所述光学系统具有权利要求1-8任一项所述的结构；

所述显示系统用于产生所述入射光线。

10.根据权利要求9所述的头戴显示设备，其特征在于，所述显示系统包括第一显示器，所述第一显示器设置在所述光学镜组一侧。

11.根据权利要求9所述的头戴显示设备，其特征在于，所述显示系统包括第二显示器和照明组件，所述照明组件和所述第二显示器分设于所述光学镜组两侧；

所述照明组件出射的光透过所述光学镜组后照射到所述第二显示器上以点亮所述第二显示器。