CN113485012A - 折叠光路结构、光学成像系统及虚拟现实设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种折叠光路结构、光学成像系统以及虚拟现实设备，应用于光学领域，该折叠光路结构包括：光路主体以及相位补偿元件，光路主体包括依次设置的第一1/4波片、透镜模组、第二1/4波片和偏振反射片，其中，透镜模组中设置有部分反射膜，相位补偿元件设置于透镜模组与偏振反射片之间的光路上，用于对透镜模组与偏振反射片之间传输的偏振光进行偏振补偿，使得入射到偏振反射片的偏振光为对应的线偏振光，有利于消除鬼影，改善用户的观看效果。

Description

折叠光路结构、光学成像系统及虚拟现实设备

技术领域

本发明属于光学领域，尤其涉及一种折叠光路结构、光学成像系统以及虚拟现实设备。

背景技术

随着显示技术的发展，虚拟现实(Virtual Reality，VR)显示技术受到了广泛的关注，逐渐出现在了人们的生活和工作中。在VR显示领域，为使得VR设备更轻更薄，多数技术人员均选择采用pancake式的折叠光路结构，此结构可大大减小VR光学结构的厚度，但也带来了较为严重的杂散光，形成鬼影等不良，影响用户的观看效果。

发明内容

本发明实施例通过提供一种折叠光路结构、光学成像系统以及虚拟现实设备，能够有效地改善现有技术容易导致鬼影等不良，影响用户观看效果的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种折叠光路结构，包括：

光路主体，所述光路主体包括依次设置的第一1/4波片、透镜模组、第二1/4波片和偏振反射片，其中，所述透镜模组中设置有部分反射膜，所述部分反射膜用于将入射的光一部分反射，一部分透射；

相位补偿元件，所述相位补偿元件设置于所述透镜模组与所述偏振反射片之间的光路上，用于对所述透镜模组与所述偏振反射片之间传输的偏振光进行偏振补偿，使得入射到偏振反射片的偏振光为对应的线偏振光。

可选地，所述相位补偿元件设置于所述第二1/4波片与所述偏振反射片之间的光路上，用于将沿第一方向从所述第二1/4波片出射的椭圆偏振光补偿为相应的线偏振光，所述第一方向为朝向所述偏振反射片的方向。

可选地，所述相位补偿元件为波片，所述波片的光轴与基准椭圆偏振光长轴之间的夹角以及所述波片的相位延迟量满足预设条件，其中，所述基准椭圆偏振光为透过所述部分反射膜且从所述第二1/4波片向着所述偏振反射片出射的椭圆偏振光，所述预设条件为将椭圆偏振光转换为线偏振光的条件。

可选地，所述波片为第三1/4波片。

可选地，所述第三1/4波片的光轴与所述基准椭圆偏振光的长轴之间的夹角在0°到2°之间。

可选地，所述第三1/4波片的光轴与所述基准椭圆偏振光的长轴平行。

可选地，所述偏振反射片的透光轴与参考线偏振光的振动方向垂直，其中，所述参考线偏振光为光线透过所述部分反射膜后，经过所述第二1/4波片以及所述相位补偿元件转换后得到的线偏振光。

第二方面，本发明实施例提供一种光学成像系统，包括显示屏以及第一方面任一所述的折叠光路结构，所述折叠光路结构中的第一1/4波片设置于所述显示屏的出光侧，所述显示屏发出的线偏振光经过所述折叠光路结构出射后成像。

第三方面，本发明实施例提供一种虚拟现实设备，包括第二方面所述的光学成像系统。

可选地，所述虚拟现实设备为虚拟现实VR眼镜。

本发明实施例提供的折叠光路结构、光学成像系统以及虚拟现实设备，通过在透镜模组与偏振反射片之间的光路上增设相位补偿元件，对透镜模组与偏振反射片之间传输的偏振光进行偏振补偿，使得入射到偏振反射片的偏振光为对应的线偏振光。这样能够有效地补偿因透镜的双折射效应导致的光线退偏，有利于消除鬼影，且保证光效，从而提高成像质量，改善用户的观看效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种折叠光路结构的示意图；

图2为本发明实施例中的偏振补偿原理示意图；

图3为本发明实施例提供的一种光学成像系统的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种虚拟现实设备的结构示意图。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。术语“中心”“上”“下”“左”、“右”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

还需要说明的是，“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“设置”“连接”或者“相连”等类似的词语应做广义理解，并非限定于物理的或者机械的连接，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。

在虚拟现实(Virtual Reality，VR)设备中，为了减小VR设备的体积，通常会采用折叠光路的方式，通过光线反射以及光线的偏振态变化的方式实现轻薄化设计。然而由于材料、加工工艺等因素的影响，折叠光路中的透镜存在双折射效应，使得经过透镜的光线出现了不期望出现的偏振态变化，在光线第一次到达偏振反射片时，较多的光线透过偏振反射片形成了鬼影；另外，剩余光线再次到达偏振反射片时，没有完全透过偏振反射片，使得有效光损失。

传统pancake折叠光路结构的工作原理为：屏幕发出的第一线偏振光，经过第一1/4波片QWP1，变为圆偏振光；然后经过单个透镜或多个透镜组成的透镜组，其中一片透镜的一个表面上设置有部分反射膜；部分光线透过透镜，由于透镜的双折射效应，光线由圆偏振光退偏为椭圆偏振光，但比较接近圆偏振光；然后经过第二1/4波片QWP2，变为比较接近第二线偏振光的椭圆偏振光。需要说明的是，如果光线没有退偏，此时应为与偏振反射片PBS透光轴垂直的第二线偏振光，则光线会被PBS全部反射，但光线退偏为椭圆偏振光后，将有部分光线透过PBS形成鬼影。剩余光线反射回来，同时变为第二线偏振光；然后，被PBS反射回来的第二线偏振光，经过QWP2，变为圆偏振光；接着经过透镜并被部分反射膜反射，并再次经过透镜，变为比较接近圆偏振光的椭圆偏振光，再经过QWP2，变为比较接近第三线偏振光的椭圆偏振光，此时大部分光线能够透过PBS形成主像，剩余光线被PBS反射回来，造成有效光的损失。

有鉴于此，本发明实施例通过在透镜模组与偏振反射片之间的光路上增设相位补偿元件，用以补偿因透镜的双折射效应导致的光线退偏，有利于消除鬼影，且保证光效，从而提高成像质量，改善用户的观看效果。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。另外，附图中各结构的厚度、大小和形状不反应光路结构中各元件的真实比例，目的在于示意说明本发明内容。

第一方面，本发明实施例提供了一种折叠光路结构，可以应用于虚拟现实设备中，如头戴式设备。如图1所示，该折叠光路结构100包括：光路主体以及相位补偿元件105。其中，光路主体包括依次设置的第一1/4波片101、透镜模组102、第二1/4波片104和偏振反射片106。相位补偿元件105设置于透镜模组102与偏振反射片106之间的光路上，用于对透镜模组102与偏振反射片106之间传输的偏振光进行偏振补偿，使得入射到偏振反射片106的偏振光为相应的线偏振光。

具体来讲，透镜模组102包括单个透镜或多个透镜组成的透镜组(图1中仅示出了一个)，其中一片透镜的一个表面上设置有部分反射膜103。部分反射膜103用于将入射的光一部分反射，一部分透射。例如，部分反射膜103可以为半透半反膜，即透射光线与反射光线的比例是5：5，或者是，也可以采用其他分光比例的分光膜如6：4或7：3等，此处不做限定。

偏振反射片106用于根据入射光的偏振方向进行选择性地透射和反射，具体为透过偏振方向与自身透光轴平行的光，反射偏振方向与自身透光轴垂直的光。偏振反射片106的透光轴方向根据实际应用场景中参考线偏振光的偏振方向设置。其中，参考线偏振光为光线透过透镜模组102中的部分反射膜103后，经过第二1/4波片104以及相位补偿元件105转换后得到的线偏振光。具体来讲，偏振反射片106的透光轴与参考线偏振光的振动方向垂直。这样，参考线偏振光就会被偏振反射片106反射回去，进一步经过部分反射膜103反射后，再次经过第二1/4波片104以及相位补偿元件105转换并入射到偏振反射片106，此时，这部分线偏振光与偏振反射片106的透光轴平行，透过偏振反射片106出射。

需要说明的是，设置偏振反射片106时，在可接受的效果误差程度以内，偏振反射片106的透光轴与参考线偏振光的振动方向之间夹角也可以距离90°有一定的偏差，例如，偏差可以在±5度以内。可接受的效果误差程度即为对杂散光构成的鬼影的消除程度，具体偏差范围可以经过多次试验，由用户的观看体验确定。偏差越小，对鬼影的消除也就越好，有效光损失量也越少。

在一种可选的实施方式中，为了方便设置且尽量减小对折叠光路结构100整体厚度的影响，相位补偿元件105可以设置于第二1/4波片104与偏振反射片106之间的光路上，用于将沿第一方向从第二1/4波片104出射的椭圆偏振光补偿为相应的线偏振光。其中，第一方向为朝向所述偏振反射片106的方向。此时，偏振反射片106的透光轴与第一次经由相位补偿元件105补偿后得到的线偏振光的偏振方向垂直。

使用时，由显示屏发出的第一线偏振光入射到上述折叠光路结构100，先经过第一1/4波片101，转换为圆偏振光；然后进入透镜模组102，一部分圆偏振光透过透镜模组102中的部分反射膜103，并经透镜模组102折射后从透镜模组102出射。由于透镜的双折射效应影响，透射的圆偏振光退偏为比较接近圆偏振光的第一椭圆偏振光，继续经第二1/4波片104后，转换成接近第二线偏振光的第二椭圆偏振光。第二椭圆偏振光经过相位补偿元件105的相位补偿后，转换为第二线偏振光即上述的参考线偏振光，其振动方向与偏振反射片106的透光轴垂直，被偏振反射片106全部反射回来；然后经过相位补偿元件105、第二1/4波片104以及透镜模组102的折反射后，再次穿过相位补偿元件105后，变为第三线偏振光，其振动方向与偏振反射片106透光轴平行，可全部透过偏振反射片106形成主像。

这样就可以补偿因透镜双折射效应导致的光线退偏，有利于消除鬼影，同时，能够减小再次到达偏振反射片106的光线没有完全透过偏振反射片106带来的有效光损失，有利于保证光效，从而提高成像质量，改善用户的观看效果。

当然，在本发明其他实施例中，相位补偿元件也可以设置在透镜模组102与第二1/4波片104之间，此时，相位补偿元件用于将透镜折射出的第一椭圆偏振光补偿回圆偏振光，例如，可以采用两个波片级联实现。相比于将椭圆偏振光补偿为圆偏振光，将椭圆偏振光补偿为线偏振光的相位补偿结构更为简单，例如，可以通过单一波片实现，无需采用多个波片级联。

具体来讲，在图1示出的实施方式为例，即相位补偿元件105设置于第二1/4波片104与偏振反射片106之间的光路上，相位补偿元件105可以采用波片，波片的光轴与基准椭圆偏振光长轴之间的夹角以及波片的相位延迟量满足预设条件。其中，基准椭圆偏振光为透过上述部分反射膜103且从第二1/4波片104向着偏振反射片106出射的椭圆偏振光，也就是上述的第二椭圆偏振光。预设条件为将椭圆偏振光转换为线偏振光的条件。

具体实施时，波片的补偿原理以及设置方式如下：

椭圆偏振光的琼斯矩阵可表示为

b为椭圆偏振光y和x方向电场分量振幅比，j为虚数

椭圆偏振光经过一个光轴与其长轴成θ角、相位延迟量为δ的波片后，其x和y方向电场分量分别为：

如果波片的设置角度θ和相位延迟量δ满足

则出射光即为线偏振光。其中，arg为辐角计算函数。

作为一种实施方式，为了进一步简化设置，上述波片可以采用1/4波片，为了便于区分，将该1/4波片命名为第三1/4波片。可以理解的是，1/4波片为一定厚度的双折射单晶波片，当光从法向入射透过波片时，寻常光和非常光之间的位相差等于π/2或其奇数倍。

具体实施时，第三1/4波片的光轴与基准椭圆偏振光即上述第二椭圆偏振光的长轴之间的夹角可以在0°到2°之间。当然，为了达到更好的相位补偿效果，第三1/4波片的光轴可以设置为与第二椭圆偏振光的长轴平行。这样，上述第二椭圆偏振光入射到第三1/4波片后，输出光场就会变成第二线偏振光。第二线偏振光的振动方向与第二椭圆偏振光相关。

可以理解的是，在设置第三1/4波片时，第三1/4波片的光轴与第二椭圆偏振光长轴之间的夹角越接近0度即越接近平行，偏振补偿效果越好，从而对鬼影的消除也就越好。

例如，假设第二椭圆偏振光A的形式如图2所示，以第二椭圆偏振光A的短轴为x轴，长轴为y轴，短轴长度为a，长轴长度为b，则经第三1/4波片补偿后得到的第二线偏振光B的振动方向与x轴的夹角的正切为tan(b/a)。

当然，除1/4波片以外，在本发明其他实施例中，相位补偿元件105也可以采用设置角度θ和相位延迟量δ满足上述预设条件的其他波片，此处不做限定。

下面以相位补偿元件105为设置于第二1/4波片104与偏振反射片106之间光路上的第三1/4波片为例，对折叠光路结构100的实际组装过程中，第三1/4波片以及偏振反射片106的一种示例性设置方式进行说明。

可以先检测显示屏出射的第一线偏振光经过第一1/4波片101、带有部分反射膜103的透镜模组102、第二1/4波片104后，得到的第二椭圆偏振光的长轴方向。然后，再设置第三1/4波片，使得其光轴与第二椭圆偏振光的长轴平行。接着，检测第二椭圆偏振光经第三1/4波片转换成为第二线偏振光的振动方向。进一步，设置偏振反射片106，并使得偏振反射片106的透光轴与第二线偏振光的振动方向垂直。

本发明实施例提供的折叠光路结构100，通过在透镜模组102与偏振反射片106之间的光路上增设相位补偿元件105，补偿因透镜的双折射效应导致的光线退偏，有利于消除鬼影，保证光效，从而提高成像质量，改善用户的观看效果。另外，相位补偿元件105可以使用常用光学元件如波片实现，无需复杂计算，易于实现。

第二方面，基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种光学成像系统。如图3所示，光学成像系统300包括显示屏200以及上述第一方面任一实施方式所述的折叠光路结构100。其中，折叠光路结构100中的第一1/4波片101设置于显示屏200的出光侧，显示屏200发出的线偏振光经过该折叠光路结构100出射后成像。

需要说明的是，折叠光路结构100的具体实施细节可以参考前述实施例，而光学成像系统300的其他实施细节可以参考相关技术，此处不进行限定。

另外，本实施例对于显示屏200的类型不做限定，例如，该显示屏可以是LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)显示屏、OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)显示屏、Micro OLED微显示屏、Mini LED微显示屏中的任一种；还可以是DLP(Digital Light Processing，数字光处理)显示屏；还可以是LCOS(Liquid Crystal onSilicon，硅基液晶)显示屏等。另外，该显示屏可以是柔性屏，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。

第三方面，基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种虚拟现实设备。如图4所示，该虚拟现实设备40包括上述第二方面任一实施方式所述的光学成像系统300。需要说明的是，光学成像系统300的具体实施细节可以参考前述实施例，而虚拟现实设备40的其他实施细节如壳体、处理器、存储器以及通信接口等可以参考相关技术，此处不进行限定。

具体来讲，本发明实施例提供的虚拟现实设备40可以为任何适用上述第一方面所述的折叠光路结构100的设备，例如，可以是头戴式显示设备，如VR眼镜等。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种折叠光路结构，其特征在于，包括：

光路主体，所述光路主体包括依次设置的第一1/4波片、透镜模组、第二1/4波片和偏振反射片，其中，所述透镜模组中设置有部分反射膜，所述部分反射膜用于将入射的光一部分反射，一部分透射；

相位补偿元件，所述相位补偿元件设置于所述透镜模组与所述偏振反射片之间的光路上，用于对所述透镜模组与所述偏振反射片之间传输的偏振光进行偏振补偿，使得入射到偏振反射片的偏振光为对应的线偏振光。

2.如权利要求1所述的折叠光路结构，其特征在于，所述相位补偿元件设置于所述第二1/4波片与所述偏振反射片之间的光路上，用于将沿第一方向从所述第二1/4波片出射的椭圆偏振光补偿为相应的线偏振光，所述第一方向为朝向所述偏振反射片的方向。

3.如权利要求2所述的折叠光路结构，其特征在于，所述相位补偿元件为波片，所述波片的光轴与基准椭圆偏振光长轴之间的夹角以及所述波片的相位延迟量满足预设条件，其中，所述基准椭圆偏振光为透过所述部分反射膜且从所述第二1/4波片向着所述偏振反射片出射的椭圆偏振光，所述预设条件为将椭圆偏振光转换为线偏振光的条件。

4.如权利要求3所述的折叠光路结构，其特征在于，所述波片为第三1/4波片。

5.如权利要求4所述的折叠光路结构，其特征在于，所述第三1/4波片的光轴与所述基准椭圆偏振光的长轴之间的夹角在0°到2°之间。

6.如权利要求5所述的折叠光路结构，其特征在于，所述第三1/4波片的光轴与所述基准椭圆偏振光的长轴平行。

7.如权利要求1所述的折叠光路结构，其特征在于，所述偏振反射片的透光轴与参考线偏振光的振动方向垂直，其中，所述参考线偏振光为光线透过所述部分反射膜后，经过所述第二1/4波片以及所述相位补偿元件转换后得到的线偏振光。

8.一种光学成像系统，其特征在于，包括显示屏以及如权利要求1-7中任一所述的折叠光路结构，所述折叠光路结构中的第一1/4波片设置于所述显示屏的出光侧，所述显示屏发出的线偏振光经过所述折叠光路结构出射后成像。

9.一种虚拟现实设备，其特征在于，包括如权利要求8所述的光学成像系统。

10.如权利要求9所述的虚拟现实设备，其特征在于，所述虚拟现实设备为虚拟现实VR眼镜。

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