CN112925102A - 光学成像系统及头戴式显示设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光学成像系统及头戴式显示设备，该光学成像系统包括第一1/4波片，用于将第一类型偏振光转换为圆偏振光；半透半反镜，用于透射一部分圆偏振光，反射另一部分圆偏振光；第二1/4波片，用于将半透半反镜透射的圆偏振光转换为第二类型偏振光，以及将半透半反镜反射的圆偏振光转换为第一类型偏振光；分光单元，具有入射面、第一分光面和第二分光面，第一分光面和第二分光面对称设置在双目中轴线的两侧，第一分光面和第二分光面均配置为透射第一类型偏振光以及反射第二类型偏振光，本申请利用偏振原理，能够使光路多次反射折叠；从而大幅缩短显示器到人眼的距离，减小了光学成像系统的体积。
Description
技术领域
本发明涉光学成像技术领域，具体涉及一种光学成像系统及头戴式显示设备。
背景技术
人眼在观察现实世界的时候，依靠双目视差产生立体视觉。依据该原理，科研人员研究出头戴式显示设备，例如，VR(Virtual Reality，虚拟现实)产品和AR(AugmentedReality，增强现实)产品，以实现3D显示。
现有技术的头戴式显示设备中，由于光路成像系统的结构设计并不是很成熟，从屏幕到人眼的距离较长，造成头戴式显示设备的体积过大，空间浪费严重。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光学成像系统及头戴式显示设备，以解决现有技术存在的屏幕到人眼的距离较长、造成体积过大，空间浪费严重的问题。
基于上述目的，第一方面，本申请提供的一种光学成像系统，包括：
第一1/4波片，用于将第一类型偏振光转换为圆偏振光；
半透半反镜，用于透射一部分圆偏振光，反射另一部分圆偏振光；
第二1/4波片，用于将所述半透半反镜透射的所述圆偏振光转换为第二类型偏振光，以及将所述半透半反镜反射的所述圆偏振光转换为第一类型偏振光；
分光单元，具有入射面、第一分光面和第二分光面，所述第一分光面和所述第二分光面对称设置在双目中轴线的两侧，所述第一分光面和所述第二分光面均配置为透射所述第一类型偏振光，以及反射所述第二类型偏振光，
所述第一类型偏振光依次经所述第一1/4波片、所述半透半反镜透射及所述第二1/4波片后转换为第二类型偏振光，所述第二类型偏振光经过入射面进入所述分光单元，经过所述第一分光面、所述第二分光面的反射作用后，所述第二类型偏振光再次经所述第二1/4波片变为圆偏振光，所述圆偏振光经所述半透半反镜反射后再次经过所述第二1/4波片后转换为第一类型偏振光，所述第一类型偏振光最后经所述第二分光面透射至人眼观察位置。
进一步的，光学成像系统包括：
显示器，用于向所述第一1/4波片发射偏振光线，所述显示器设置两个，并且与人眼观察位置对应布置，非偏振发光显示器可通过增加偏振片来获得偏振光线。
进一步的，光学成像系统包括：
显示放大单元，显示放大单元对称分布在双目中轴线两侧；所述双目中轴线为双目正视屏幕时，双目中心连线的中点位置的法线。
进一步的，光学成像系统包括：
显示放大单元，显示放大单元设置在所述显示器和所述第一1/4波片之间位置。
进一步的，光学成像系统包括：
显示放大单元，显示放大单元设置在所述第一1/4波片之间和所述半透半反镜之间位置。
进一步的，所述第一分光面和所述第二分光面设置为平面。
进一步的，所述第一分光面和所述第二分光面设置为曲面。
进一步的，所述半透半反镜为平面镜或者曲面镜。
进一步的，所述第一类型偏振光为P型偏振光，所述第二类型偏振光为S型偏振光；
或者，
所述第一类型偏振光为S型偏振光，所述第二类型偏振光为P型偏振光。
第二方面，本申请提供了一种头戴式显示设备，包括上述的光学成像系统。
采用上述技术方案，相对于现有技术，本申请提供的光学成像系统及头戴式显示设备的技术效果有：
本申请提供的光学成像系统中，显示器发出第一类型偏振光，第一类型偏振光依次经第一1/4波片、半透半反镜及第二1/4波片后转换为第二类型偏振光，第二类型偏振光经过入射面进入分光单元，依次经过第一分光面、第二分光面的反射作用后，第二类型偏振光再次经第二1/4波片变为圆偏振光，所述圆偏振光经所述半透半反镜反射后再次经过所述第二1/4波片转换为第一类型偏振光，第一类型偏振光最后经第二分光面透射至人眼观察位置。通过第一1/4波片、半透半反镜、第二1/4波片和分光单元共同组合作用，同时利用偏振原理，使光路多次反射折叠；从而大幅缩短显示器到人眼的距离，大幅减小了光学成像系统的体积。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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是本发明实施例一提供的光学成像系统的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的光学成像系统中，右眼成像示意图；
图3是本发明实施例一提供的光学成像系统中，左眼成像示意图；
图4是本发明实施例二提供的光学成像系统的结构示意图；
图5是本发明实施例三提供的光学成像系统的结构示意图；
图6是本发明实施例三提供的光学成像系统的另一种结构示意图；
图7是本发明实施例四提供的光学成像系统的结构示意图；
图8是本发明实施例五提供的光学成像系统的结构示意图。
附图标记：1-显示器，2-1-第一1/4波片，2-2-第二1/4波片，3-半透半反镜，4-1-第一分光面，4-2-第二分光面，5-显示放大单元，6-中轴线。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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做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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
为了解决现有技术存在的从屏幕到人眼的距离较长导致头戴显示设备体积加大的问题，如图1所示，本申请实施例提供的一种光学成像系统，包括：两个显示器1、第一1/4波片2-1、半透半反镜3、第二1/4波片2-2和分光单元；
其中，两个显示器1分别与左右眼观察位置对应布置，用于发出偏振光线；
第一1/4波片2-1，设置在显示器1的出光侧，用于将第一类型偏振光转换为圆偏振光；
半透半反镜3，设置在第一1/4波片2-1的出光侧，用于透射一部分圆偏振光，反射另一部分圆偏振光，例如，透射50％的圆偏振光，反射另外50％的圆偏振光；
第二1/4波片2-2，设置在半透半反镜3的出光侧，用于将半透半反镜3透射的圆偏振光转换为第二类型偏振光，以及将半透半反镜3反射的圆偏振光转换为第一类型偏振光；
分光单元，设置在第二1/4波片2-2的出光侧，具有入射面、第一分光面4-1和第二分光面4-2，第一分光面4-1和第二分光面4-2对称设置在双目中轴线6的两侧，第一分光面4-1和第二分光面4-2均配置为透射第一类型偏振光，以及反射第二类型偏振光；需要说明的是，双目中轴线6为双目正视屏幕时，双目中心连线的中点位置的法线。
可选地，第一分光面4-1可以呈45度角对称设置。
本实施例中的1/4波片也可以称为90度相位延迟片。1/4波片由双折射的材料制成。在线偏振光的光矢量与1/4波片的快轴或慢轴成±45°时，通过1/4波片的光为圆偏振光；反之，当圆偏振光经过1/4波片后变为线偏振光。
本实施例中，对于显示器1的类型不做限定，示例的，该显示器可以是LCD(LiquidCrystal Display，液晶显示器1)显示器、OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)显示器、Micro OLED微显示器1、Mini LED微显示器中的任一种；还可以是DLP(Digital Light Processing，数字光处理)显示器；还可以是LCOS(Liquid CrystalonSilicon，硅基液晶)显示器等。另外，该显示器可以是柔性屏，也可以是刚性屏(即非柔性屏)。实际应用中，可以根据用户需求选择，当显示器发光类型为非偏振光时，可以通过在显示器前增加偏振片来获得所需偏振光。
本实施例中，半透半反镜3为一种使入射光能够部分透过部分反射的成像透镜。例如，透射率和反射率均为50％的膜。其中，透射是入射光经过折射穿过物体后的出射现象。被透射的物体为透明体或半透明体，如玻璃或滤色片等。若透明体是无色的，除少数光被反射外，大多数光均透过物体。为了表示物体透过光的程度，通常将入射光透过膜以后，透射后的光强与入射光的光强之比表征透射率(transmissivity)。被反射回来的光强与入射光的光强之比表征反射率(reflectivity)。
需要说明的是，半透半反镜3用于对入射光线的一半进行透射，另一半进行反射。图中只是对本申请的有效光路进行了说明，在实际应用中，半透半反镜3，用于透射部分第一1/4波片2-1透射的圆偏振光，可理解为还有部分1/4波片透射的第一圆偏振光被半透半反镜3反射出去。半透半反镜3，还用于反射部分第二1/4波片2-2透射的圆偏振光，可理解为还有部分第二1/4波片2-2透射的圆偏振光，被半透半反棱镜透射出去。
本实施例中的第一类型偏振光为P型偏振光，第二类型偏振光为S型偏振光；或者，第一类型偏振光为S型偏振光，第二类型偏振光为P型偏振光。
本申请实施例提供的光学成像系统的工作原理为：
显示器1发出第一类型偏振光，第一类型偏振光依次经第一1/4波片2-1、半透半反镜3及第二1/4波片2-2后转换为第二类型偏振光，第二类型偏振光经过入射面进入分光单元，依次经过第一分光面4-1、第二分光面4-2的反射作用后，第二类型偏振光再次经所述第二1/4波片2-2变为圆偏振光，该圆偏振光经半透半反镜3反射后再次经过所述第二1/4波片2-2转换为第一类型偏振光，第一类型偏振光最后经第二分光面4-2透射至人眼观察位置。上述实施方案中，通过第一1/4波片2-1、半透半反镜3、第二1/4波片2-2和分光单元共同组合，同时利用偏振原理，使光路多次反射折叠；从而大幅缩短显示器1到人眼的距离，减小光学成像系统的体积。
下面结合具体的实施例对本申请方案进行说明。
右眼光路如图2所示；
假设显示器1发出的光线为P型偏振光，P型偏振光透射第一1/4波片2-1变为圆偏光后，圆偏光入射半透半反镜3，其中，圆偏光50％反射，另外50％透射，所述50％透射的圆偏振光经过第二1/4波片2-2后转换为S型偏振光，所述S型偏振光入射第一分光面4-1，经过第一分光面4-1反射至第二分光面4-2，然后经过第二分光面4-2反射至第二1/4波片2-2，需要说明的是，第一分光面4-1和第二分光面4-2都是反射S型偏振光，并且透射P型偏振光，所述S型偏振光经过第二分光面4-2反射后，再一次入射第二1/4波片2-2变为圆偏光，该圆偏光再入射半透半反镜3，其中，圆偏光50％反射，另外50％透射，所述50％反射的圆偏振光透射第二1/4波片2-2，转换为P型偏振光，所述P型偏振光透射第二分光面4-2后进入右眼；
这里需要说明的是，若显示器1发射S型偏振光，则第一分光面4-1、第二分光面4-2反射P型偏振光，透射S型偏振光。
左眼光路如图3所示；
假设显示器1发出的光线为P型偏振光，P型偏振光透射第一1/4波片2-1变为圆偏光后，圆偏光入射半透半反镜3，其中，圆偏光50％反射，另外50％透射，所述50％透射的圆偏振光经过第二1/4波片2-2后转换为S型偏振光，所述S型偏振光入射第二分光面4-2，经过第二分光面4-2反射至第一分光面4-1，然后经过第一分光面4-1反射至第二1/4波片2-2，需要说明的是，第一分光面4-1和第二分光面4-2都是反射S型偏振光，并且透射P型偏振光，所述S型偏振光经过第一分光面4-1反射后，再一次入射第二1/4波片2-2变为圆偏光，该圆偏光再入射半透半反镜3，其中，圆偏光50％反射，另外50％透射，所述50％反射的圆偏振光透射第二1/4波片2-2，转换为P型偏振光，所述P型偏振光透射第一分光面4-1后进入左眼；
这里需要说明的是，若显示器1发射S型偏振光，则第一分光面4-1、第二分光面4-2反射P型偏振光，透射S型偏振光。
实施例二
如图4所示，本实施例中提供了一种光学成像系统，是在实施例一中提供的光学成像系统的结构基础上做出了进一步改进，具体的：
光学成像系统还包括：
显示放大单元5，显示放大单元5对称分布在双目中轴线6两侧；显示放大单元5用于对显示器1发出的光线进行显示放大及像差矫正，该实施例的特点是只用一组显示放大单元5就可以实现双目的放大显示，节省器件及成本；需要说明的是，为了使双目看到的图像一致，显示放大单元5需要关于中轴线6对称分布。
需要说明的是，上述的显示放大单元可以采用球面、非球面、自由曲面、全息透镜及液晶透镜等。
实施例三
如图5和图6所示，本实施例中提供了一种光学成像系统，是在实施例一中提供的光学成像系统的结构基础上做出了进一步改进，具体的：
光学成像系统还包括：
显示放大单元5，显示放大单元5设置在显示器1和第一1/4波片2-1之间位置。例如，设置两个显示器1时，每一个显示器1的出光侧均配置一个显示放大单元5，实现双目的放大显示，这里不再对显示放大单元5的工作原理和作用进行赘述。
此外，本实施例中，参照图5，第一分光面4-1和第二分光面4-2可以采用平面，参照图6，第一分光面4-1和第二分光面4-2还可以采用曲面。
实施例四
本实施例中提供了一种光学成像系统，是在实施例一中提供的光学成像系统的结构基础上做出了进一步改进，具体的：
如图7所示，光学成像系统还包括：显示放大单元5，显示放大单元5设置在第一1/4波片2-1之间和半透半反镜3之间位置，显示放大单元5设置两个，与显示器1的数量对应，实现双目的放大显示。这里不再对显示放大单元5的工作原理和作用进行赘述。
实施例五
本实施例中提供了一种光学成像系统，是在实施例一中提供的光学成像系统的结构基础上做出了进一步改进，具体的：
如图8所示，光学成像系统还包括：
显示放大单元5，显示放大单元5设置在显示器1和第一1/4波片2-1之间位置。例如，设置两个显示器1时，每一个显示器1的出光侧均配置一个显示放大单元5，实现双目的放大显示，这里不再对显示放大单元5的工作原理和作用进行赘述。本实施例中，第一分光面4-1和第二分光面4-2采用曲面，半透半反镜3为曲面镜，共同实现双目的放大显示。
需要说明的是，上述实施例一至实施例五中提供的光学成像系统中，第一分光面4-1和第二分光面4-2可以设置为平面，还可以根据使用情况将第一分光面4-1和第二分光面4-2设置为曲面。
基于同样的原理，半透半反镜3可以采用为平面镜，也可以采用曲面镜。当半透半反镜3的表面为曲面时，曲面的半透半反镜3既可以透射部分偏振光又有聚焦的作用。
上述技术方案中，显示放大单元、第一分光面4-1和第二分光面4-2及半透半反镜3，均采用曲面，可以在折叠光路的同时起到放大图像的作用，节省了光学器件，有利于减小系统体积，降低成本。
实施例六
本申请实施例提供了一种头戴式显示设备，包括上述的实施例一至实施例五中提供的光学成像系统。
上述各实施例所述的光学成像系统可应用于头戴式显示设备中，例如，VR/AR设备。VR/AR设备可以是AR头盔、VR/AR眼镜或观影眼镜。观影眼镜可以是虚拟显示屏为矩形的VR/AR设备。通过VR/AR设备将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成，即将原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息、声音、味道、触觉等)通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，达到超越现实的感官体验。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种光学成像系统，其特征在于，包括：
第一1/4波片，用于将第一类型偏振光转换为圆偏振光；
半透半反镜，用于透射一部分圆偏振光，反射另一部分圆偏振光；
第二1/4波片，用于将所述半透半反镜透射的所述圆偏振光转换为第二类型偏振光，以及将所述半透半反镜反射的所述圆偏振光转换为第一类型偏振光；
分光单元，具有入射面、第一分光面和第二分光面，所述第一分光面和所述第二分光面对称设置在双目中轴线的两侧，所述第一分光面和所述第二分光面均配置为透射所述第一类型偏振光，以及反射所述第二类型偏振光；
所述第一类型偏振光依次经所述第一1/4波片、所述半透半反镜透射及所述第二1/4波片后转换为第二类型偏振光，所述第二类型偏振光经过入射面进入所述分光单元，依次经过所述第一分光面、所述第二分光面的反射作用后，所述第二类型偏振光再次经所述第二1/4波片变为圆偏振光，所述圆偏振光经所述半透半反镜反射后再次经过所述第二1/4波片转换为第一类型偏振光，所述第一类型偏振光最后经所述第二分光面透射至人眼观察位置。
2.根据权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，包括：
显示器，用于向所述第一1/4波片发射偏振光线，所述显示器设置两个，并且与人眼观察位置对应布置。
3.根据权利要求2所述的光学成像系统，其特征在于，包括：
显示放大单元，显示放大单元对称分布在双目中轴线两侧；所述双目中轴线为双目正视屏幕时，双目中心连线的中点位置的法线。
4.根据权利要求2所述的光学成像系统，其特征在于，包括：
显示放大单元，显示放大单元设置在所述显示器和所述第一1/4波片之间位置。
5.根据权利要求2所述的光学成像系统，其特征在于，包括：
显示放大单元，显示放大单元设置在所述第一1/4波片之间和所述半透半反镜之间位置。
6.根据权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述第一分光面和所述第二分光面设置为平面。
7.根据权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述第一分光面和所述第二分光面设置为曲面。
8.根据权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述半透半反镜的为平面镜或者曲面镜。
9.根据权利要求1-8任一项所述的光学成像系统，其特征在于，所述第一类型偏振光为P型偏振光，所述第二类型偏振光为S型偏振光；
或者，
所述第一类型偏振光为S型偏振光，所述第二类型偏振光为P型偏振光。
10.一种头戴式显示设备，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的光学成像系统。
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110258261.3A Pending CN112925102A (zh) | 2021-03-09 | 2021-03-09 | 光学成像系统及头戴式显示设备 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112925102A (zh) |
-
2021
- 2021-03-09 CN CN202110258261.3A patent/CN112925102A/zh active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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