CN112596238A - 成像光路和头戴显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种成像光路和头戴显示设备，成像光路包括：成像光路包括：显示屏幕和胶合镜组，显示屏幕发射光线；所述胶合镜组设于所述光线的出射方向，所述胶合镜组包括面向所述显示屏幕设置的第一透镜，所述第一透镜面向所述显示屏幕的表面为第一表面，所述第一表面朝向所述显示屏幕凸起，所述第一表面设置半反半透膜；所述胶合镜组还包括四分之一波片和偏振反射膜，所述四分之一波片和所述偏振反射膜沿所述光线的传播方向依次设置，并且位于所述第一透镜背离所述显示屏幕的一侧。本发明的技术方案能够减少灰尘沉积在透镜的表面，使光线顺利通过透镜，从而避免成像画面缺失，保证成像画面的亮度较亮。

Description

成像光路和头戴显示设备

技术领域

本发明涉及近眼显示技术领域，尤其涉及一种成像光路和头戴显示设备。

背景技术

目前的虚拟现实设备中，通常将设备中的显示屏幕的光线经过成像系统的传递和放大后传递至人眼，而为了实现图像的放大，成像系统通常需要多个透镜组合的方式实现。

多个透镜是分离式的设计，透镜和透镜之间存在间隙，外界环境中的灰尘通过透镜和透镜之间的间隔进入到成像系统中，灰尘沉积在透镜的表面，沉积的灰尘会影响光线的顺利通过，如此导致成像系统的成像画面缺失或者是成像画面的亮度较暗。

发明内容

基于此，针对灰尘沉积在透镜的表面，影响光线的顺利通过，导致成像系统的成像画面缺失或者是成像画面的亮度较暗的问题，有必要提供一种成像光路和头戴显示设备，旨在能够减少灰尘沉积在透镜的表面，使光线顺利通过透镜，从而避免成像画面缺失，保证成像画面的亮度较亮。

为实现上述目的，本发明提出的一种成像光路，所述成像光路包括：

显示屏幕，所述显示屏幕发射光线；和

胶合镜组，所述胶合镜组设于所述光线的出射方向，所述胶合镜组包括面向所述显示屏幕设置的第一透镜，所述第一透镜面向所述显示屏幕的表面为第一表面，所述第一表面朝向所述显示屏幕凸起，所述第一表面设置半反半透膜；

所述胶合镜组还包括四分之一波片和偏振反射膜，所述四分之一波片和所述偏振反射膜沿所述光线的传播方向依次设置，并且位于所述第一透镜背离所述显示屏幕的一侧。

可选地，所述胶合镜组还包括第二透镜和第三透镜，所述第二透镜和所述第三透镜朝向所述显示屏幕一侧的表面为凸起面；

所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜沿光线的传播方向依次设置。

可选地，所述第一透镜具有面向所述第二透镜的第二表面；

所述第二透镜具有面向所述第一透镜的第三表面和背向所述第一透镜的第四表面，所述第三透镜具有面向所述第二透镜的第五表面和背向所述第二透镜的第六表面；

所述第一表面、所述第二表面、所述第三表面、所述第四表面、所述第五表面和所述第六表面至少其中之一设置增透膜。

可选地，所述第一表面和所述第六表面至少其中之一非球面。

可选地，所述第二表面、所述第三表面、所述第四表面和所述第五表面为球面或非球面。

可选地，所述第二表面和所述第三表面的形状相同，所述第四表面和所述第五表面的形状相同。

可选地，定义所述第一透镜的光焦度为

所述第二透镜的光焦度为

所述第三透镜的光焦度为

所述第一透镜的厚度为T₁，所述第二透镜的厚度为T₂，所述第三透镜的厚度为T₃；

则满足：

2.0mm＜T₁＜8.0mm，2.0mm＜T₂＜5.0mm，2.0mm＜T₃＜5.0mm，所述成像光路的光学畸变小于30％、色差小于180um、视角角度大于100°。

可选地，所述四分之一波片设于所述第一透镜和所述第二透镜之间，所述偏振反射膜设于所述第二透镜和所述第三透镜之间。

可选地，所述成像光路包括移动组件，所述移动组件连接于所述胶合镜组，所述移动组件用于调整所述胶合镜组和所述显示屏幕之间的距离。

此外，为了实现上述目的，本发明还提供一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括外壳和如上文所述的成像光路，所述成像光路设于所述外壳。

本发明提出的技术方案中，显示屏幕发射光线，光线穿过胶合镜组，胶合镜组包括第一透镜，光线穿过第一透镜。第一透镜的第一表面设置半反半透膜，胶合镜组还包括沿光线的传播方向依次设置的四分之一波片和偏振反射膜。其中，光线在由显示屏幕射出后，光线经过半反半透膜透射时，一部分光线反射，一部分光线透射。透射半反半透膜的光线穿过第一透镜。光线射向四分之一波片，在四分之一波片的作用下光线的偏振状态由圆偏振转化为线偏振，线偏振状态的光线射向偏振反射膜，此时，偏振反射膜的偏振透过方向和线偏振状态的光线的偏振方向不同，光线无法穿过偏振反射膜，被偏振反射膜反射回四分之一波片。光线穿过四分之一波片后，线偏振状态再次转化为圆偏振状态，并射向半反半透膜。光线在半反半透膜表面再次发生反射和透射，一部分光线再次被反射向四分之一波片，再次产生线偏振状态的光线，经过两次反射，线偏振状态的光线的偏振角度发生转动，此时，光线的偏振方向和偏振反射膜的偏振方向相同，光线穿过偏振反射膜，并在用户人眼位置显示成像。

其中，显示成像主要通过胶合镜组，胶合镜组之间没有空气间隙，因此外界环境中的灰尘难以进入胶合镜组之间。从而灰尘难以沉积在胶合镜组的透镜的表面，继而保证光线能够顺利通过，减少灰尘对成像系统的影响，避免成像画面缺失，使成像画面的亮度较亮。进一步地，第一表面向显示屏幕凸起，便于将显示屏幕发射的光线会聚起来。

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为本发明成像光路一实施例的结构示意图；

图2为图1中部分膜层的结构示意图；

图3为图1中第一透镜和第二透镜的结构示意图；

图4为图1中成像光路的点列图；

图5为图1中成像光路的调制传递函数曲线图；

图6为图1中成像光路的畸变图；

图7为图1中成像光路的垂轴色差图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	显示屏幕	222	第四表面
110	光线	230	第三透镜
				20	胶合镜组	231	第五表面
210	第一透镜	232	第六表面
				211	第一表面	310	四分之一波片
212	第二表面	320	偏振反射膜
				220	第二透镜	330	偏光膜
221	第三表面	40	保护板

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。

成像系统中实现光路传递的多个透镜是分离式的设计，透镜和透镜之间存在间隙，外界环境中的灰尘沉积在透镜的表面，会阻挡光线的顺利通过，导致成像系统的成像画面缺失或者是成像画面的亮度较暗。

为了解决上述问题，参阅图1至图3所示，本发明提供一种成像光路，成像光路可以应用于头戴显示设备，头戴显示设备的显示原理包括多种，例如，VR(Virtual Reality，虚拟现实)显示原理，AR(Augmented Reality，增强现实)显示原理。成像光路包括：显示屏幕10和胶合镜组20，显示屏幕10发射光线110，胶合镜组20设于光线110的出射方向，胶合镜组20用于完成显示屏幕10的成像画面的放大传递。胶合镜组20内的镜片是胶合设置在一起的，相互之间具有很小的空隙间隔，或者没有间隔，因此外界的灰尘难以进入到胶合镜组20内。胶合镜组20包括面向显示屏幕10设置的第一透镜210，第一透镜210面向显示屏幕10的表面为第一表面211，第一表面211朝向显示屏幕10凸起，第一表面211设置半反半透膜；显示屏幕10的成像画面需要经过放大传递，光线经显示屏幕射出后，光线会发散，通过第一表面211的凸起设置，能够起到将发散的光线110会聚的作用。胶合镜组20还包括沿光线110的传播方向依次设置四分之一波片310和偏振反射膜320。其中，光线110在经过半反半透膜时，一部分光线反射，另一部分光线透射。四分之一波片310能够转化光线110的偏振状态，例如，将线偏振光线转化为圆偏振光或者将圆偏振光转化为线偏振光。偏振反射膜320具有偏振透射方向，光线110在沿偏振透射方向振动时，才能顺利通过偏振反射膜320，其余方向的振动光线，在遇到偏振反射膜320时光线110被反射。偏振反射膜320和四分之一波片310可以采用镀膜方式设置，也可以采用贴覆的方式，贴覆的方式更加容易操作，镀膜的方式能够使固定的更加牢固。

进一步的，在显示屏幕10的出光面还设置保护板40，保护板40可以为透明玻璃，还可以是透明塑料，保护板40的作用主要在于保护显示屏幕10，避免显示屏幕10的出光面受到外力影响而破损。

本发明提出的技术方案中，显示屏幕发射光线，光线穿过胶合镜组，胶合镜组包括第一透镜，光线穿过第一透镜。第一透镜的第一表面设置半反半透膜，胶合镜组还包括沿光线的传播方向依次设置的四分之一波片和偏振反射膜320。其中，光线在由显示屏幕射出后，光线经过半反半透膜透射时，一部分光线反射，一部分光线透射。透射半反半透膜的光线穿过第一透镜。光线射向四分之一波片，在四分之一波片的作用下光线的偏振状态由圆偏振转化为线偏振，线偏振状态的光线射向偏振反射膜320，此时，偏振反射膜320的偏振透过方向和线偏振状态的光线的偏振方向不同，光线无法穿过偏振反射膜320，被偏振反射膜320反射回四分之一波片。光线穿过四分之一波片后，线偏振状态再次转化为圆偏振状态，并射向半反半透膜。光线在半反半透膜表面再次发生反射和透射，一部分光线再次被反射向四分之一波片，再次产生线偏振状态的光线，经过两次反射，线偏振状态的光线的偏振角度发生转动，此时，光线的偏振方向和偏振反射膜320的偏振方向相同，光线穿过偏振反射膜320，并在用户人眼位置显示成像。

其中，显示成像主要通过胶合镜组，胶合镜组之间没有空气间隙，因此外界环境中的灰尘难以进入胶合镜组之间。从而灰尘难以沉积在胶合镜组的透镜的表面，继而保证光线能够顺利通过，减少灰尘对成像系统的影响，避免成像画面缺失，使成像画面的亮度较亮。进一步地，第一表面向显示屏幕凸起，便于将显示屏幕发射的光线会聚起来。

在上述实施例中，光线110的偏振方向和偏振反射膜320的偏振透射方向相同时透射，垂直时反射。除此之外，还可能存在两者之间有夹角，夹角范围在0°～90°之间。也就是说，光线110的偏振方向和偏振反射膜320的偏振透射方向介于相同和垂直之间，在这种情况下，会有部分光线透射于偏振反射膜320，如此，出现杂散光。为了减少杂散光，偏振反射膜320背向显示屏幕10的一侧设置偏光膜330。由此可知，光线110在经过偏振反射膜320后射向偏光膜330，偏光膜330也称为偏光片或者偏振光片，偏光膜330能够消除杂散光，从而保证光线110的成像质量。其中，偏光膜330可以采用镀膜方式设置在第五表面231，也可以采用贴覆的方式，贴覆的方式更加容易操作，镀膜的方式能够使膜层更加牢固。

在上述实施例中，胶合镜组还包括第二透镜220和第三透镜230，第二透镜220和第三透镜230朝向显示屏幕10一侧的表面为凸起面；第一透镜210、第二透镜220和第三透镜230沿光线110的传播方向依次设置。显示屏幕10的尺寸较小，例如显示屏幕10的尺寸在1英寸。发出的光线110通常具有较大的发散角度，为了保证光线110能够顺利的传导射向人眼，需要将显示屏幕10的光线110收拢会聚，在第一表面211向显示屏幕10一侧凸起的基础上，第二透镜220和第三透镜230朝向显示屏幕10一侧的表面均为凸起面。由此可知，在第一透镜210能够会聚光线10的基础上，第二透镜210和第三透镜230均能够起到会聚光线110的作用，避免光线110的出射角度过大，是光线110能够顺利的通过胶合镜组20，并成像在人眼前。

在本申请的其中上述实施例中，光线110经过在空气或者镜片中传播，容易损耗，导致成像画面的亮度降低。为此，第一透镜210具有面向第二透镜220的第二表面212；第二透镜220具有面向第一透镜210的第三表面221和背向第一透镜210的第四表面222，第三透镜230具有面向第二透镜的第五表面231和背向第二透镜的第六表面232；第一表面211、第二表面212、第三表面221、第四表面222、第五表面231和第六表面232至少其中之一设置增透膜。通过增透膜能够提高光线110的透过数量，减少光线的损耗。为了尽可能的提高光线110的透过数量，第二表面212、第三表面221、第四表面222、第五表面231和第六表面232均可以设置增透膜。还可以是只在第二表面212、第三表面221、第四表面222、第五表面231和第六表面232的其中一个表面设置增透膜，如此可以减少加工成本，还能提高光线透过数量。

在上述实施例中，光线110在经过多次折反射后，容易产生像差，为此，第一表面211和第六表面232至少其中之一为非球面。非球面能够有效的消除像差，可以是第一表面211和第六表面232为非球面，也可以是其中之一为非球面。

除此之外，第一表面211和第六表面232还可以是自由曲面，通过自有曲面同样也可以消除光线110形成的像差。

进一步地，为了能够更加有效的消除像差，第二表面212、第三表面221、第四表面222和第五表面231为非球面，通过多个非球面能够更加有效的对光线110的光程进行调整，从而有效的减少像差的产生。另外，第一透镜210和第二透镜220以及第三透镜230之间胶合设置，为了便于胶合，第二表面212、第三表面221、第四表面222和第五表面231为球面。具体地，第一透镜210和第二透镜220胶合时，第二表面212和第三表面221对接胶合，第二透镜220和第三透镜230胶合时，第四表面222和第五表面231对接胶合。通过球面设计，能够减少对接胶合的复杂性，使对接胶合的作业更加简单。

在本申请的其中一实施例中，第二表面212和第三表面221的形状相同，第四表面222和第五表面231的形状相同。第一透镜210和第二透镜220胶合设置，第二透镜220和第三透镜230胶合设置，第二表面212和第三表面221是相互对接的表面，两表面的形状相同，在胶合对接时，能够减少两者之间的缝隙，从而能够使第一透镜210和第二透镜220胶合对接的更加紧凑。同样地，第四表面222和第五表面231是相互对接的表面，两表面的形状相同，在第二透镜220和第三透镜230胶合对接时，能够减少两者之间的缝隙，从而能够使胶合对接的更加紧凑。

参阅图3所示，在上述实施例中，定义第一透镜210的光焦度为

第二透镜220的光焦度为

第三透镜230的光焦度为

第一透镜210的厚度为T₁，第二透镜220的厚度为T₂，第三透镜230的厚度为T₃；则满足：

2.0mm＜T₁＜8.0mm，2.0mm＜T₂＜5.0mm，2.0mm＜T₃＜5.0mm，成像光路的光学畸变小于30％、色差小于180um、视角角度大于100°。其中，透镜的厚度是镜片中心线位置的厚度。例如，第一透镜210的厚度T₁是指第一透镜210中心点位置第一表面211到第二表面212之间的距离。第一透镜210的光焦度

在0～0.067之间选择，第二透镜220的光焦度

在0～0.01之间选择，第三透镜230的光焦度

在0～0.01之间选择，能够使成像光路的光学畸变小于30％、色差小于180um、视角角度大于100°。

具体地，举例说明，表一

偶次非球面系数满足如下的方程：

其中，z是沿光轴方向的坐标，Y为以透镜长度单位为单位的径向坐标，C是曲率(1/R)，k为圆锥系数(Coin Constant)，ai是各高次项的系数，2i是非球面的高次方。

依据上图实施例，参阅图4所示，本实施例的点列图，其中点列图是指由一点发出的光线经图像显示结构后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，用于评价图像显示结构的成像质量。区域1～11的排列顺序是由左至右，由上至下。由此可知，最大半视场对应的像高小于19.231mm。最大视场对应的最大均方根半径值小于50.346um。

参阅图5所示，为本实施例的调制传递函数曲线图，即MTF(Modulation TransferFunction)图，MTF图用于是指调制度与图像内每毫米线对数之间的关系，用于评价对景物细部还原能力；其中最上面黑色实线是理论上没有像差的曲线，越靠近黑色实线成像质量越好。图5中曲线虽有分散，但是更多曲线靠近黑色实线，符合设计规格。

参阅图6所示，本实施例中的畸变图。畸变是指物体通过图像显示结构成像时，物体不同部分有不同的放大率的像差，畸变会导致物像的相似性变坏，但不影响像的清晰度。由图6可知，最大视场处光学畸变小于30％之间变动，畸变较小，符合设计规定。

参阅图7所示，本实施例中的垂轴色差图，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。由此可知，最大色散的视场最大位置小于180um，可满足后期终端用户的需求。

在上述实施例中，成像光路包括移动组件，移动组件连接于胶合镜组20，移动组件用于调整胶合镜组20和显示屏幕10之间的距离。移动组件可以带动胶合镜组20移动，靠近或者远离显示屏幕10。通过调整胶合镜组20和显示屏幕10之间的距离，能够改变成像光路成像位置。如此可以使成像光路适用于近视或者远视，例如，成像光路可以在0°～800°近视范围内进行调节。

本发明还提供一种头戴显示设备，头戴显示设备包括外壳和如上文的成像光路，成像光路设于外壳。成像光路设置在外壳内，外壳能够有效的保护成像光路，避免减少灰尘落入到成像光路，还能够减少水分渗入到成像光路内，避免成像光路失灵。

本申请中头戴显示设备的具体实施方式可以参照上文成像光路的各实施例，在此不在赘述。

以上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 (10)

1.一种成像光路，其特征在于，所述成像光路包括：

显示屏幕，所述显示屏幕发射光线；和

胶合镜组，所述胶合镜组设于所述光线的出射方向，所述胶合镜组包括面向所述显示屏幕设置的第一透镜，所述第一透镜面向所述显示屏幕的表面为第一表面，所述第一表面朝向所述显示屏幕凸起，所述第一表面设置半反半透膜；

所述胶合镜组还包括四分之一波片和偏振反射膜，所述四分之一波片和所述偏振反射膜沿所述光线的传播方向依次设置，并且位于所述第一透镜背离所述显示屏幕的一侧。

2.如权利要求1所述的成像光路，其特征在于，所述胶合镜组还包括第二透镜和第三透镜，所述第二透镜和所述第三透镜朝向所述显示屏幕一侧的表面为凸起面；

所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜沿光线的传播方向依次设置。

3.如权利要求2所述的成像光路，其特征在于，所述第一透镜具有面向所述第二透镜的第二表面；

所述第二透镜具有面向所述第一透镜的第三表面和背向所述第一透镜的第四表面，所述第三透镜具有面向所述第二透镜的第五表面和背向所述第二透镜的第六表面；

所述第一表面、所述第二表面、所述第三表面、所述第四表面、所述第五表面和所述第六表面至少其中之一设置增透膜。

4.如权利要求3所述的成像光路，其特征在于，所述第一表面和所述第六表面为非球面。

5.如权利要求3所述的成像光路，其特征在于，所述第二表面、所述第三表面、所述第四表面和所述第五表面为球面或非球面。

6.如权利要求3所述的成像光路，其特征在于，所述第二表面和所述第三表面的形状相同，所述第四表面和所述第五表面的形状相同。

7.权利要求2所述的成像光路，其特征在于，定义所述第一透镜的光焦度为

所述第二透镜的光焦度为

所述第三透镜的光焦度为

所述第一透镜的厚度为T₁，所述第二透镜的厚度为T₂，所述第三透镜的厚度为T₃；

则满足：

2.0mm＜T₁＜8.0mm，2.0mm＜T₂＜5.0mm，2.0mm＜T₃＜5.0mm，所述成像光路的光学畸变小于30％、色差小于180um、视角角度大于100°。

8.如权利要求2所述的成像光路，其特征在于，所述四分之一波片设于所述第一透镜和所述第二透镜之间，所述偏振反射膜设于所述第二透镜和所述第三透镜之间。

9.如权利要求1至8中任一项所述的成像光路，其特征在于，所述成像光路包括移动组件，所述移动组件连接于所述胶合镜组，所述移动组件用于调整所述胶合镜组和所述显示屏幕之间的距离。

10.一种头戴显示设备，其特征在于，所述头戴显示设备包括外壳和如权利要求1至9中任一项所述的成像光路，所述成像光路设于所述外壳。

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