CN109765691B - 一种光学系统及显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光学系统及显示设备，光学系统包括显示单元与镜组，镜组包括第一透镜与第二透镜；第一透镜包括第一工作表面与第二工作表面；第二透镜包括第三工作表面与第四工作表面；第一工作表面为凸面且为非球面结构，并镀有分光膜；第三工作表面为凹面；显示单元发出的光线从第一工作表面后进入第一透镜，依次经过第二工作表面以及第三工作表面，在第四工作表面发生反射后，再依次经过第三工作表面以及第二工作表面，光线在第一工作表面发生反射，再依次经过第二工作表面以及第三工作表面，最终从第四工作表面射出第二透镜后进入人眼。本发明解决了现有技术中VR产品中的光学系统尺寸大，导致VR产品尺寸及重量大，用户佩戴舒适性差的问题。

Description

一种光学系统及显示设备

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种光学系统及显示设备。

背景技术

现有的光学系统主要是由显示单元与镜组组成，其中，随着虚拟现实(VirtualReality，VR)产品的不断发展，对VR产品中的光学系统也有了更高的要求。目前的VR产品逐渐向小型化、轻量化、大视场的方向发展，现有的VR产品光学系统中，镜组通常采用单一的双曲面透镜或菲涅尔透镜，镜组与显示屏的距离较远，从而导致增大了VR产品的重量及尺寸，严重影响用户的佩戴舒适性。

发明内容

本发明提供一种光学系统及显示设备，旨在解决现有技术中VR产品中的光学系统尺寸大，导致VR产品尺寸及重量大，用户佩戴舒适性差的问题。

为实现上述目的，本发明提出了一种光学系统，所述光学系统包括显示单元与镜组，所述镜组包括第一透镜与第二透镜，其中，

所述第一透镜设于所述显示单元与所述第二透镜之间；

所述第一透镜包括靠近所述显示单元的第一工作表面以及远离所述显示单元的第二工作表面；

所述第二透镜包括靠近所述第一透镜的第三工作表面以及远离所述第一透镜的第四工作表面；

所述第一透镜的所述第一工作表面为凸面且为非球面结构，且镀有分光膜；

所述第二透镜的所述第三工作表面为凹面；

所述第二透镜的第四工作表面沿远离所述显示单元的方向上依次设有第一1/4波片以及反射式偏振片，其中所述第一1/4波片与所述反射式偏振片的透射轴的夹角为45度；

所述显示单元发出的光线经过所述第一工作表面后进入所述第一透镜，并从所述第二工作表面射出后，从所述第三工作表面进入所述第二透镜，光线在所述第四工作表面反射后，从所述第三工作表面射出所述第二透镜，并从所述第二工作表面进入所述第一透镜，光线在所述第一工作表面发生反射后，再次从所述第二工作表面射出所述第一透镜，并从所述第三工作表面进入所述第二透镜后，最终从所述第四工作表面射出所述第二透镜后进入人眼。

可选地，所述第一工作表面的顶点曲率半径小于所述第三工作表面的曲率半径。

可选地，所述显示单元靠近所述第一透镜一侧设有第二1/4波片。

可选地，所述第二1/4波片的快轴方向与所述第一1/4波片的快轴方向相同。

可选地，所述显示单元还包括第一透射式偏振片，所述第一透射式偏振片设于所述显示单元与所述第二1/4波片之间，且所述第一透射式偏振片的透射轴与所述第二1/4波片的夹角为45度。

可选地，所述第一透射式偏振片的两侧分别与所述第二1/4波片以及所述显示单元胶合连接。

可选地，所述反射式偏振片远离所述第一1/4波片一侧还设有第二透射式偏振片，所述反射式偏振片的透射轴与所述第二透射式偏振片的透射轴方向相同。

可选地，所述光学系统还包括增透片，所述增透片设于所述第一1/4波片靠近所述反射式偏振片的一侧；

或者，所述增透片设于所述第一1/4波片远离所述反射式偏振片的一侧；

或者，所述增透片设于所述第二透射式偏振片远离所述反射式偏振片的一侧。

可选地，所述第一1/4波片、所述增透片、所述反射式偏振片以及所述第二透射式偏振片依次胶合连接；

或者，所述第一1/4波片、所述反射式偏振片、所述第二透射式偏振片以及所述增透片依次胶合连接；

或者，所述增透片、所述第一1/4波片、所述反射式偏振片以及所述第二透射式偏振片依次胶合连接。

为实现上述目的，本申请提出一种显示设备，所述显示设备包括如上述任一项实施方式所述的光学系统。

本发明提出的技术方案中，所述光学系统包括显示单元与镜组，所述镜组包括第一透镜与第二透镜，其中，所述第一透镜设于所述显示单元与所述第二透镜之间；所述显示单元的中心与所述第一透镜以及所述第二透镜的光轴共线；所述第一透镜包括靠近所述显示单元的第一工作表面以及远离所述显示单元的第二工作表面；所述第二透镜包括靠近所述第一透镜的第三工作表面以及远离所述第一透镜的第四工作表面；所述显示单元发出的光线经过所述第一工作表面后进入所述第一透镜，并从所述第二工作表面射出后，从所述第三工作表面进入所述第二透镜，光线在所述第四工作表面反射后，从所述第三工作表面射出所述第二透镜，并从所述第二工作表面进入所述第一透镜，光线在所述第一工作表面发生反射后，再次从所述第二工作表面射出所述第一透镜，并从所述第三工作表面进入所述第二透镜后，最终从所述第四工作表面射出所述第二透镜后进入人眼。通过所述第一透镜与所述第二透镜对所述光学系统的光路进行折叠，在不改变所述光学系统的总光程时，有效地减小了所述镜组与所述显示单元的距离。减小了光学系统的尺寸，从而解决了现有技术中VR产品中的光学系统尺寸大，导致VR产品尺寸及重量大，用户佩戴舒适性差的问题。

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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明光学系统的结构示意图；

图2为本发明光学系统的光路示意图；

图3为本发明第一实施例的垂轴色差图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	显示单元	212	第二工作表面
20	镜组	22	第二透镜
				21	第一透镜	221	第三工作表面
211	第一工作表面	222	第四工作表面

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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的一部分实施例，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作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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提供一种光学系统及显示设备。

请参照图1与图2，所述光学系统包括显示单元10与镜组20，所述镜组20包括第一透镜21与第二透镜22，其中，

所述第一透镜21设于所述显示单元10与所述第二透镜22之间；

所述第一透镜21包括靠近所述显示单元10的第一工作表面211以及远离所述显示单元10的第二工作表面212；

所述第二透镜22包括靠近所述第一透镜21的第三工作表面221以及远离所述第一透镜21的第四工作表面222；

所述第一透镜21的所述第一工作表面211为凸面且为非球面结构，且镀有分光膜；

所述第二透镜22的所述第三工作表面221为凹面；

所述第二透镜22的第四工作表面222沿远离所述显示单元10的方向上依次设有第一1/4波片以及反射式偏振片，其中所述第一1/4波片与所述反射式偏振片的透射轴的夹角为45度；

所述显示单元10发出的光线经过所述第一工作表面211后进入所述第一透镜21，并从所述第二工作表面212射出后，从所述第三工作表面221进入所述第二透镜22，光线在所述第四工作表面反射后，从所述第三工作表面221射出所述第二透镜22，并从所述第二工作表面212进入所述第一透镜21，光线在所述第一工作表面211发生反射后，再次从所述第二工作表面212射出所述第一透镜21，并从所述第三工作表面221进入所述第二透镜22后，最终从所述第四工作表面222射出所述第二透镜22后进入人眼。

本发明实施例提出的技术方案中，所述光学系统包括显示单元10与镜组20，所述镜组20包括第一透镜21与第二透镜22，其中，所述第一透镜21设于所述显示单元10与所述第二透镜22之间；所述显示单元10的中心与所述第一透镜21以及所述第二透镜22的光轴共线；所述第一透镜21包括靠近所述显示单元10的第一工作表面211以及远离所述显示单元10的第二工作表面212；所述第二透镜22包括靠近所述第一透镜21的第三工作表面221以及远离所述第一透镜21的第四工作表面222；所述显示单元10发出的光线经过所述第一工作表面211后进入所述第一透镜21，并从所述第二工作表面212射出后，从所述第三工作表面221进入所述第二透镜22，光线在所述第四工作表面反射后，从所述第三工作表面221射出所述第二透镜22，并从所述第二工作表面212进入所述第一透镜21，光线在所述第一工作表面211发生反射后，再次从所述第二工作表面212射出所述第一透镜21，并从所述第三工作表面221进入所述第二透镜22后，最终从所述第四工作表面222射出所述第二透镜22后进入人眼。通过所述第一透镜21与所述第二透镜22对所述光学系统的光路进行折叠，在不改变所述光学系统的总光程时，有效地减小了所述镜组20与所述显示单元10的距离。减小了光学系统的尺寸，从而解决了现有技术中VR产品中的光学系统尺寸大，导致VR产品尺寸及重量大，用户佩戴舒适性差的问题。

具体实施方式中，当所述显示单元10发出的光为圆偏振光时，所述显示单元10发出的所述第一圆偏振光经过所述第一工作表面211、所述第二工作表面212、所述第三工作表面221后，所述第一圆偏振光在经过所述第一1/4波片后，从第一圆偏振光转变为第一线偏振光，并且所述第一线偏振光的偏振方向与所述反射式偏振片的透射轴方向相垂直，因此所述第一线偏振光在所述反射式偏振片发生反射后，再次经过所述第一1/4波片，并从第一线偏振光转变为第二圆偏振光，并且所述第二圆偏振光与所述显示单元10发出的所述第一圆偏振光方向相同。由于所述第二圆偏振光在所述第一工作表面211反射，所述第二圆偏振光转变为第三圆偏振光，所述第三圆偏振光的偏振方向与所述第二圆偏振光的偏振方向相反。所述第三圆偏振光在经过所述第一1/4波片后转变为第二线偏振光，所述第二线偏振光的偏振方向与所述反射式偏振片的透射轴方向相同，因此所述第二线偏振光经过所述反射式偏振片后进入人眼。

在一些可选的实施方式中，所述第一工作表面211的顶点曲率半径小于所述第三工作表面221的曲率半径。具体实施方式中，所述第一透镜21的所述第一工作表面211为凸面，所述第二透镜22的所述第三工作表面221为凹面，当所述第一工作表面211的顶点曲率半径小于所述第三工作表面221的曲率半径时，有利于所述镜组20对入射光线进行汇聚，有效减小所述光学系统的色差。

在一实施例中，所述第三工作表面221为球面结构，所述第一工作表面211为非球面结构，其中，所述第一工作表面211的非球面结构满足非球面公式，

其中，Y为镜面中心高度，Z为所述第一工作表面211沿光轴方向在高度为Y的位置，以表面顶点作参考距光轴的位移值，C为所述第一透镜21的顶点曲率半径，K为圆锥系数；a、b、m、d、e、f、g、h是各项次的非球面系数。

表1

表面编号

表面类型

曲率

厚度

K

a

b

显示单元

球面

Infinity

Infinity

/

/

/

第一透镜

非球面

-71.791

6.382

-1

0

-3.74E-07

球面

Infinity

/

/

/

/

第二透镜

球面

250

3.285

/

/

/

球面

Infinity

/

/

/

/

像面

球面

Infinity

/

/

/

在上述实施例中，图3为所述第一实施例的垂轴色差图；其中，垂轴色差是指又称为倍率色差，主要是指物方的一根复色主光线，因折射系统存在色散，在像方出射时变成多根光线，氢蓝光与氢红光在像面上的焦点位置的差值。具体的，图中表示可见光波段中蓝光，绿光以及红光的垂轴色差；另外，图3中艾里斑的大小，主要用于衡量光学系统的成像分辨率，艾里斑越小表示光学系统越能对较小的物体进行成像区分。请参照图3，所述第一实施例的垂轴色差为151μm。

在一些可选的实施方式中，当所述显示单元10发出的光线为线偏振光时，为了保证进入所述第一工作表面211的光线为圆偏振光，在所述显示单元10靠近所述第一透镜21一侧增设第二1/4波片，其中，所述第二1/4波片的快轴方向与所述显示单元10发出的光线偏振方向成45度夹角，从而保证从所述第二1/4波片出射向所述第一工作表面211的光线为圆偏振光。

在一些可选的实施方式中，所述第二1/4波片的快轴方向与所述第一1/4波片的快轴方向相同，具体实施方式中，在所述显示单元10与所述第二1/4波片组合使用过程中，由于存在安装误差，所述显示单元10发出的光线偏振方向与所述第二1/4波片的快轴夹角不为45度时，从所述第二1/4波片出射的光线为椭圆偏振光，所述椭圆偏振光传输至所述第四工作表面222，当所述第二1/4波片的快轴方向与所述第一1/4波片的快轴方向不相同时，所述椭圆偏振光会在所述第一1/4波片的多次干涉下，导致所述光学系统的出射光线光亮度低，容易出现鬼影的问题；当所述第二1/4波片的快轴方向与所述第一1/4波片的快轴方向相同时，所述光线在多次经过所述第一1/4波片时，不会因为所述第二1/4波片的快轴方向与所述第一1/4波片的快轴方向不相同降低光线亮度，从而避免出现所述光学系统的出射光线光亮度低的问题。

在一些可选的实施方式中，所述显示单元10还包括第一透射式偏振片，所述第一透射式偏振片设于所述显示单元10与所述第二1/4波片之间，且所述第一透射式偏振片的透射轴与所述第二1/4波片的快轴夹角为45度。具体实施方式中，当所述显示单元10与所述第二1/4波片的快轴夹角不为45度时，可以通过在所述显示单元10与所述第二1/4波片之间增设所述第一透射式偏振片，其中所述第一透射式偏振片与所述第二1/4波片的夹角为45度，所述显示单元10发出的光在经过所述第一透射式偏振片后，与所述第一透射式偏振片的透射轴方向相同的光线进入所述第二1/4波片，由于所述第一透射式偏振片与所述第二1/4波片的夹角为45度，因此进入所述第二1/4波片后出射的光线从线偏振光转变为圆偏振光。

在一些可选的实施方式中，所述第一透射式偏振片的两侧分别与所述第二1/4波片以及所述显示单元10胶合连接。具体的，所述第一透射式偏振片靠近所述显示单元10一侧与所述显示单元10的发光面胶合，所述第一透射式偏振片远离所述显示单元10的一侧与所述第二1/4波片胶合。

光线在通过所述反射式偏振片后可能会存在部分与所述反射式偏振片的透射轴方向不同的杂散光，杂散光与出射光线混合后，会产生眩光现象或鬼影现象，为了减少所述杂散光，在一些可选的实施方式中，所述反射式偏振片远离所述第一1/4波片一侧还设有第二透射式偏振片，通过所述反射式偏振片的光线进入所述第二透射式偏振片，由于所述反射式偏振片的透射轴与所述第二透射式偏振片的透射轴方向相同，所述杂散光在所述第二透射式偏振片进行二次过滤，从而减少杂散光的产生，避免产生眩光现象或鬼影现象。

在一些可选的实施方式中，所述光学系统还包括增透片；

在一实施例中，所述增透片设于所述第一1/4波片靠近所述反射式偏振片的一侧；具体的，光线进入所述第二透镜22并经过所述第一1/4波片后，圆偏振光转变为线偏振光，通过在所述第一1/4波片靠近所述反射式偏振片的一侧表面增设增透片，能够减小光线在不同光学元件之间传递时的损耗，从而提高所述光学系统的光线传递效率。

在另一实施例中，所述增透片设于所述第一1/4波片远离所述反射式偏振片的一侧；具体的，所述增透片能够提高进入所述第一1/4波片的光线透过率，从而提高所述光学系统中的光线传递效率。

在另一实施例中，所述增透片设于所述第二透射式偏振片远离所述反射式偏振片的一侧；具体的，所述增透片能够提高从所述第二透射式偏振片的出射光线的光线透过率，从而提高所述光学系统的光线传递效率。

可以理解的是，于另一实施方式中，可以在所述第一1/4波片靠近所述反射式偏振片的一侧镀制增透膜，或在所述第一1/4波片远离所述反射式偏振片的一侧镀制增透膜，或所述第二透射式偏振片远离所述反射式偏振片的一侧镀制增透膜，所述增透膜能够减小光线在不同光学元件之间传递时的损耗。

可以理解的是，于另一实施方式中，可以在所述第一1/4波片靠近所述反射式偏振片的一侧增设滤光片或镀制滤光膜，或在所述第一1/4波片远离所述反射式偏振片的一侧增设滤光片或镀制滤光膜，或所述第二透射式偏振片远离所述反射式偏振片的一侧增设滤光片或镀制滤光膜，所述滤光片或所述滤光膜能够减小光线在不同光学元件之间传递时的损耗，同时减小杂散光的干扰，提高所述光学系统的信噪比。

在一些可选的实施方式中，所述第一1/4波片、所述增透片、所述反射式偏振片以及所述第二透射式偏振片依次胶合连接。具体的，所述第一1/4波片一侧与所述第四工作表面222胶合，另一侧与所述增透片的一侧胶合；所述增透片的另一侧与所述反射式偏振片的一侧胶合，所述反射式偏振片的另一侧与所述第二透射式偏振片胶合。于另一实施例中，所述第一1/4波片、所述反射式偏振片、所述第二透射式偏振片以及所述增透片依次胶合连接，其中，所述增透片用于增加从所述第二透射式偏振片出射光线的透过率；于另一实施例中，所述增透片、所述第一1/4波片、所述反射式偏振片以及所述第二透射式偏振片依次胶合连接。其中，所述增透片用于增加进入所述第一1/4波片的入射光线的透过率。

可以理解的是，在本申请提出的技术方案中，所述第一透镜以及所述第二透镜的光轴与所述显示单元的中心共线，以保证所述显示单元发出的光线能够对称地通过所述光学系统进入人眼。

本发明还提出一种显示设备，所述显示设备包括如上述任一实施方式所述光学系统，该光学系统的具体结构参照上述实施例，由于该光学系统采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统包括显示单元与镜组，所述镜组包括第一透镜与第二透镜，其中，

所述第一透镜设于所述显示单元与所述第二透镜之间；

所述第一透镜包括靠近所述显示单元的第一工作表面以及远离所述显示单元的第二工作表面；

所述第二透镜包括靠近所述第一透镜的第三工作表面以及远离所述第一透镜的第四工作表面；

所述第一透镜的所述第一工作表面为凸面且为非球面结构，且镀有分光膜；

所述第一透镜的所述第二工作表面为平面；

所述第二透镜的所述第三工作表面为凹面；

所述第二透镜的所述第四工作表面为平面；

所述第一工作表面的顶点曲率半径小于所述第三工作表面的曲率半径；

所述第二透镜的第四工作表面沿远离所述显示单元的方向上依次设有第一1/4波片以及反射式偏振片，其中所述第一1/4波片与所述反射式偏振片的透射轴的夹角为45度；

所述显示单元发出的光线经过所述第一工作表面后进入所述第一透镜，并从所述第二工作表面射出后，从所述第三工作表面进入所述第二透镜，光线在所述第四工作表面反射后，从所述第三工作表面射出所述第二透镜，并从所述第二工作表面进入所述第一透镜，光线在所述第一工作表面发生反射后，再次从所述第二工作表面射出所述第一透镜，并从所述第三工作表面进入所述第二透镜后，最终从所述第四工作表面射出所述第二透镜后进入人眼。

2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述显示单元靠近所述第一透镜一侧设有第二1/4波片。

3.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述第二1/4波片的快轴方向与所述第一1/4波片的快轴方向相同。

4.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述显示单元还包括第一透射式偏振片，所述第一透射式偏振片设于所述显示单元与所述第二1/4波片之间，且所述第一透射式偏振片的透射轴与所述第二1/4波片的夹角为45度。

5.如权利要求4所述的光学系统，其特征在于，所述第一透射式偏振片的两侧分别与所述第二1/4波片以及所述显示单元胶合连接。

6.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述反射式偏振片远离所述第一1/4波片一侧还设有第二透射式偏振片，所述反射式偏振片的透射轴与所述第二透射式偏振片的透射轴方向相同。

7.如权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括增透片，所述增透片设于所述第一1/4波片靠近所述反射式偏振片的一侧；

或者，所述增透片设于所述第一1/4波片远离所述反射式偏振片的一侧；

或者，所述增透片设于所述第二透射式偏振片远离所述反射式偏振片的一侧。

8.如权利要求7所述的光学系统，其特征在于，所述第一1/4波片、所述增透片、所述反射式偏振片以及所述第二透射式偏振片依次胶合连接；

或者，所述第一1/4波片、所述反射式偏振片、所述第二透射式偏振片以及所述增透片依次胶合连接；

或者，所述增透片、所述第一1/4波片、所述反射式偏振片以及所述第二透射式偏振片依次胶合连接。

9.一种显示设备，其特征在于，所述显示设备包括如权利要求1-8任一项所述的光学系统。