CN111221130A - 光学系统和近眼显示设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学系统和近眼显示设备，以消除近眼显示设备中产生的杂散光，提升近眼显示设备的显示效果。所述光学系统包括发光源、光线转换单元和第一反射单元，所述光线转换单元设置在所述发光源的出光侧，且所述光线转换单元的第一表面朝向所述发光源的出光面；所述第一反射单元设置于所述光线转换单元远离所述发光源的一侧，且所述第一反射单元的第二表面与所述第一表面之间具有第一角度；其中，所述发光源发出的第一光线经所述光线转换单元转换为第二光线，所述第二光线被所述第一反射单元反射。

Description

光学系统和近眼显示设备
技术领域
本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种光学系统和近眼显示设备。
背景技术
随着智能设备的普及，增强现实(Augmented Reality，AR)设备等近眼显示(Near-eye Displays，NED)设备逐步进入消费领域。为了易于设计，现有的近眼显示设备通常采用Birdbath光学系统，即显示源发出的自然光投射至分光镜，其中一部分光线经分光镜反射后入射至部分透射部分反射镜上，经部分透射部分反射镜反射后入射至分光镜，穿过分光镜到达人眼，形成虚像；而另一部分光线则直接穿过分光镜到达人眼，这部分光线不能成像，成为杂散光，从而影响近眼显示设备的显示效果。
发明内容
本发明实施例提供一种光学系统和近眼显示设备，能够消除近眼显示设备中产生的杂散光，提升近眼显示设备的显示效果。
本发明实施例采用下述技术方案：
第一方面，提供了一种光学系统，包括发光源、光线转换单元和第一反射单元，所述光线转换单元设置在所述发光源的出光侧，且所述光线转换单元的第一表面朝向所述发光源的出光面；
所述第一反射单元设置于所述光线转换单元远离所述发光源的一侧，且所述第一反射单元的第二表面与所述第一表面之间具有第一角度；
其中，所述发光源发出的第一光线经所述光线转换单元转换为第二光线，所述第二光线被所述第一反射单元反射。
第二方面，提供了一种近眼显示设备，包括第一方面提供的光学系统。
在本发明实施例中，光学系统采用光线转换单元并设置于发光源的出光侧，可以将发光源发出的第一光线转换为第二光线；采用第一反射单元并设置于光线转换单元远离发光源的一侧，且使第一反射单元的第二表面与光线转换单元的第一表面之间具有第一角度，可以将经光学转换单元转换得到的第二光线反射出去，进而避免第二光线直接穿过第一反射单元到达人眼，形成杂散光，提升近眼显示设备的显示效果，提升用户体验。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为现有的一种光学系统的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的一种光学系统的结构示意图。
图3为本发明实施例提供的另一种光学系统的结构示意图。
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。
随着智能设备的普及，AR设备等近眼显示设备逐步进入消费领域。为了易于生产，现有的近眼显示设备通常采用Birdbath光学系统，如图1所示，显示源1发出的自然光投射至分光镜2，其中一部分光线(如图1中的实线)经分光镜2反射后入射至部分透射反射镜3上，经部分透射反射镜3反射后入射至分光镜2，通过分光镜2透射出去，到达人眼，形成虚像；而另一部分光线(如图1中的虚线)则直接透过分光镜2到达人眼，这部分光线不能成像，成为杂散光，从而影响近眼显示设备的成像质量。其中，图中的黑色圆点表示振动方向垂直于纸面。
有鉴于此，本发明实施例提供一种光学系统和近眼显示设备，以解决现有的近眼显示设备中存在的上述问题。
以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
请参照图2和图3，本发明实施例提供一种光学系统，所述光学系统可以用于近眼显示设备中，如AR设备，所述光学系统可以包括：发光源10、光线转换单元20和第一反射单元30。
其中，光线转换单元20设置在发光源10的出光侧，且光线转换单元20的第一表面20a朝向发光源10的出光面10a。第一反射单元30设置于光线转换单元20远离发光源10的一侧，且第一反射单元30的第二表面30a与光线转换单元20的第一表面20a之间具有第一角度。
在本发明实施例提供的光学系统中，发光源10发出的第一光线(如图中所示的虚线)经光线转换单元20转换为第二光线，所述第二光线被第一反射单元30反射，使得发光源10发出的第一光线无法直接通过第一反射单元30到达人眼。
应用中，近眼显示设备(如AR眼镜)上的反射镜片40的反射面40a朝向第一反射单元30的第二表面30a。发光源10发出的另一部分光线(如图中所示的实线)经光线转换单元20转换后振动方向发生变化(如从自然光变为圆偏振光或椭圆偏振光)，这部分光线入射至第一反射单元30，被第一反射单元30反射至反射镜片40的反射面40a，再被反射面40a反射至第一反射单元30后通过第一反射单元30到达人眼，形成虚像。
可以理解，由于发光源10发出的第一光线无法直接到达人眼，不会影响另一部分光线形成的虚像的成像质量，从而可以提升近眼显示设备的显示效果，提升用户体验。
可选地，本发明实施例提供的光学系统中，光线转换单元20的第一表面20a与第一反射单元30的第二表面30a之间的第一角度不小于30度且不大于60度。由此，可以使光线转换单元20投射的光线能够投射至第一反射单元30并以合适的角度反射出去，进而起到进一步起到消除杂散光的作用。
需要说明的是，本发明实施例提供的光学系统中，第一表面20a与第二表面30a之间的第一角度不限于在30度至60度之间，例如，第一角度还可以小于30度，或者，第一角度也可以大于60度，等等。在这些情况下，同样能够实现第一反射单元30将光线转换单元20投射的光线反射出去，起到消除杂散光的作用。
下面分别对本发明实施例提供的光学系统中的各组成部件进行说明。
一种可选的实施方式中，本发明实施例提供的光学系统中的发光源10可以为液晶显示屏(Liquid Crystal Display，LCD)、有机发光二极管(Organic Light-emittingDiode，OLED)显示屏或者其他材质的显示屏，具体此处不做限定。
一种可选的实施方式中，本发明实施例提供的光学系统中的光线转换单元20可以包括吸收式偏振片21和第一相位延迟片22。其中，吸收式偏振片21包括第一表面20a，第一相位延迟片22设置于吸收式偏振片21远离发光源10的一侧。
在本实施方式中，第一光线可以为自然光，第二光线可以为圆偏振光或椭圆偏振光。发光源10发出的第一光线经过吸收式偏振片21后变成线偏振光，该线偏振光经第一相位延迟片22后转换成第二光线。所述第二光线经第一反射单元30反射后再入射至第一相位延迟片22，经第一相位延迟片22后变成线偏振光，且振动方向发生了变化，进而被吸收式偏振片21吸收。
可以理解，通过采用吸收式偏振片21可以将发光源10发出的自然光变为线偏振光，采用第一相位延迟片22可以调整从吸收式偏振片21透过的线偏振光的振动方向以及调整从第一反射单元30反射回来的光线的振动方向，进而使得从第一反射单元30反射回来的光线能够被吸收式偏振片21吸收，使得发光源10发出的不能到达人眼，从而消除了杂散光，提升了近眼显示设备的显示效果。
可选地，为了获得更好的成像质量，吸收式偏振片21的透光轴和第一相位延迟片22的光轴之间具有第二角度。优选地，所述第二角度可以为45度，此时，经第一相位延迟片22转换得到的第二光线为圆偏振光，进一步得到的成像质量最好。
当然，所述第二角度还可以是除45度以外的其他任意角度，在此情形下，经第一相位延迟片22转换得到的第二光线为椭圆偏振光，所述椭圆偏振光入射至第一反射单元30后，同样能够被第一反射单元30反射回来，再次经过第一相位延迟片22转换为线偏振光，被吸收式偏振片21吸收，达到消除杂散光的效果。
可选地，吸收式偏振片21和第一相位延迟片22可以贴合设置，由此，一方面可以缩短光线在光线转换单元20中的传输路径，减小光线损失；另一方满，可以减小光线转换单元20的体积，进而减小光学系统占用的空间。
相应地，本发明实施例提供的光学系统中的第一反射单元30可以包括反射式偏振片31和第二相位延迟片32。其中，第二相位延迟片32包括第二表面30a，且第二表面30a朝向光线转换单元20，反射式偏振片31设置于第二相位延迟片32远离光线转换单元20的一侧，且反射式偏振片31与吸收式偏振片21的振动方向正交。例如，若反射式偏振片31的振动方向为P方向，则吸收式偏振片21的振动方向为S方向；若反射式偏振片31的振动方向为S方向，则吸收式偏振片21的振动方向为P方向。
在本实施方式中，经光线转换单元20转换投射来的第二光线经第二相位延迟片32转换为第三光线，经第三光线被反射式偏振片31反射至第二相位延迟片32，经第二相位延迟片32转换为第四光线后传输至第一相位延迟片22，并经第一相位延迟片22转换成第五光线，所述第五光线被吸收式偏振片21吸收。
示例地，第一光线可以为自然光，第二光线可以为圆偏振光，第三光线可以为线偏振光，第四光线可以为圆偏振光，第五光线可以为线偏振光，其中，第三光线与第五光线振动方向正交。例如，第三光线为P偏振光，则第五光线为S偏振光；若第三光线为S偏振光，则第五光线为P偏振光。
可以理解，在该实施方式中，通过采用振动方向与吸收式偏振片21的振动方向正交的反射式偏振片31，使得反射式偏振片31可以反射从吸收式偏振片21透过的线偏振光；采用第二相位延迟片32与第一相位延迟片22相配合可以调整从吸收式偏振片21透射出的线偏振光的振动方向以使其能够被反射式偏振片31反射，还可以调整经反射式偏振片31反射后返回至吸收式偏振片21的线偏振光的振动方向使其能够被吸收式偏振片21吸收，使得发光源10发出的光线不能到达人眼，从而消除了杂散光，提升了近眼显示设备的显示效果。
可选地，第一相位延迟片22和第二相位延迟片32均可以为四分之一波片。采用四分之一波片作为相位延迟片，成本低廉、实现简单且便于装配。
可选地，为了获得更好的成像质量，反射式偏振片31的透光轴和第二相位延迟片32的光轴之间具有第三角度。优选地，所述第三角度可以为45度，此时，经第二相位延迟片32转换得到的第三光线和第四光线均为圆偏振光，进一步得到的成像质量最好。
当然，所述第三角度还可以是除45度以外的其他任意角度，在此情形下，经第二相位延迟片22转换得到的第三光线和第四光线均为椭圆偏振光，同样能够达到吸收杂散光的效果。
可选地，如图3所示，第一反射单元30还可以包括吸收式偏振片33(为了便于与光线转换单元20中的吸收式偏振片21区分，将吸收式偏振片21称为第一吸收式偏振片，将吸收式偏振片33称为第二吸收式偏振片)。其中，该吸收式偏振片33可设置于反射式偏振片31远离光线转换单元20的一侧，该吸收式偏振片33的振动方向与反射式偏振片31的振动方向相同。
例如，当光学系统所处的环境中存在从人眼的侧面入射至第一反射单元30的环境光线A时，吸收式偏振片33可以从环境光线A中吸收与吸收式偏振片33的振动方向不同的所有光线，由此，可以避免环境光线A中与反射式偏振片31的振动方向正交的偏振光经反射式偏振片31反射至人眼，形成杂散光而造成视觉干扰，同时从反射式偏振片31透过的偏振光可以直接从吸收式偏振片33透出到达人眼，从而不会影响成像。
可选地，反射式偏振片31、第二相位延迟片32以及吸收式偏振片33贴合设置。由此，一方面可以缩短光线在第一反射单元30中的传输路径，减小光线损失；另一方面，还可以减小第一反射单元30的体积，进一步减小光学系统占用的空间。
进一步地，如图3所示，第一反射单元30还可以包括平板玻璃34，吸收式偏振片33贴合设置在平板玻璃34上。由此，可以避免反射式偏振片31、第二相位延迟片32以及吸收式偏振片33中的任一者皱褶导致通过第一反射单元30的光线不均导致的像差而影响成像，进一步提升了近眼显示设备的显示效果。
在另一个实施例中，本发明实施例提供的光学系统还可以包括第二反射单元40。其中，第二反射单元40设置于光线转换单元20远离发光源10的一侧，且第二反射单元40的反射面40a朝向第一反射单元30的第二表面30a。实际应用中，第二反射单元40可作为近眼显示设备的反射镜片。
在第二反射单元40中，发光源发出的第六光线(如图中所示的实线)经光线转换单元20转换为第七光线，所述第七光线传输至第一反射单元30，并被第一反射单元30转换为第八光线后反射至第二反射单元40，再被第二反射单元40反射至第一反射单元30并被第一反射单元30转换为第九光线后通过第一反射单元30。
示例地，第六光线可以为自然光，第七光线可以为圆偏振光，第八光线可以为线偏振光，第九偏振光可以为线偏振光，其中，第八光线和第九光线的振动方向正交，如第八光线为S偏振光，则第九偏振光为P偏振光；或者，若第八光线为P偏振光，则第九偏振光为S偏振光。
可以理解，发光源10发出的光线依次经光线转换单元20、第一反射单元30以及第二反射单元40后投射到第一反射单元30，经第一反射单元30转换后可到达人眼，形成虚像，由此实现了近眼显示。
需要说明的是，对于AR设备，如图2和图3所示，第二反射单元40还可以透过来自远离第一反射单元30一侧的环境光线(如图中所示的环境光线B)，这部分环境光线透过第二反射单元40后入射至第一反射单元30，经第一反射单元30转化后通过第一反射单元30，到达人眼，形成实像。由此，使得形成的实像和虚像融合，相互增强，形成增强现实AR显示。
在一种可选的实施方式中，第二反射单元40可以包括曲面镜片，曲面镜片朝向第一反射单元30的表面40b为平面且远离第一反射单元30的表面为曲面40a，该曲面40a的凹面可形成为反射面。由此，可以减小曲面发生色散的程度，有利于光线在第二反射单元40中发生的反射和透射更稳定，且不影响光学系统的成像效果。
在另一个实施例中，如图3所示，本发明实施例提供的光学系统还可以包括镜片50。其中，镜片50设置在发光源10和光线转换单元20之间，可对发光源10发出的光线进行校正，起到消除像差的作用，从而进一步提高近眼显示设备的显示效果。应用中，镜片50的数量可以根据实际需要设置，例如可以为一个，也可以为多个，具体此处不做限定。
需要说明的是，图2和图3中所示的黑色圆点表示振动方向垂直于纸面，旋转箭头表示光线的旋向。
本说明书实施例还提供一种近眼显示设备，包括上述一个或多个实施例提供的光学系统。
可以理解的是，本说明书实施例中，近眼显示设备可以为增强现实设备、虚拟现实设备(Virtual Reality，VR)或者其他近眼显示设备，具体此处不做限定。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本发明的保护之内。

Claims (12)

1.一种光学系统，其特征在于，包括发光源、光线转换单元和第一反射单元，所述光线转换单元设置在所述发光源的出光侧，且所述光线转换单元的第一表面朝向所述发光源的出光面；
所述第一反射单元设置于所述光线转换单元远离所述发光源的一侧，且所述第一反射单元的第二表面与所述第一表面之间具有第一角度；
其中，所述发光源发出的第一光线经所述光线转换单元转换为第二光线，所述第二光线被所述第一反射单元反射。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光线转换单元包括吸收式偏振片和第一相位延迟片，所述吸收式偏振片包括所述第一表面，所述第一相位延迟片设置于所述吸收式偏振片远离所述发光源的一侧。
3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述吸收式偏振片的透光轴和所述第一相位延迟片的光轴之间具有第二角度。
4.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述第一反射单元包括反射式偏振片和第二相位延迟片，所述第二相位延迟片包括所述第二表面，且所述第二表面朝向所述光线转换单元，所述反射式偏振片设置于所述第二相位延迟片远离所述光线转换单元的一侧，所述反射式偏振片与所述吸收式偏振片的振动方向正交；
其中，所述第二光线经所述第二相位延迟片转换成第三光线，所述第三光线被所述反射式偏振片反射至所述第二相位延迟片，经所述第二相位延迟片转换为第四光线后传输至所述第一相位延迟片，并经所述第一相位延迟片转换成第五光线，所述第五光线被所述吸收式偏振片吸收。
5.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于，所述第一光线为自然光，所述第二光线为圆偏振光，第三光线为线偏振光，所述第四光线为圆偏振光，所述第五光线为线偏振光；
其中所述第三光线与第五光线振动方向正交。
6.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于，所述第一相位延迟片和所述第二相位延迟片为四分之一波片。
7.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于，所述第二相位延迟片的光轴和所述反射式偏振片的透光轴之间具有第三角度。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括第二反射单元，所述第二反射单元设置于所述光线转换单元远离所述发光源的一侧，且所述第二反射单元的反射面朝向所述第一反射单元的第二表面；
其中，所述发光源发出的第六光线经所述光线转换单元转换为第七光线，所述第七光线传输至所述第一反射单元，并被所述第一反射单元转换为第八光线后反射至所述第二反射单元，再被所述第二反射单元反射至所述第一反射单元并被所述第一反射单元转换为第九光线后通过所述第一反射单元。
9.根据权利要求8所述的光学系统，其特征在于，所述第二反射单元包括曲面镜片，所述曲面镜片朝向所述第一反射单元的表面为平面且远离所述第一反射单元的表面为曲面。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的光学系统，其特征在于，所述第一角度不小于30度且不大于60度。
11.根据权利要求1至7中任一项所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括镜片，所述镜片设置在所述发光源和所述光线转换单元之间。
12.一种近眼显示设备，其特征在于，包括权利要求1至11中任一项所述的光学系统。
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