CN113671708A - 光学系统和头戴显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学系统和头戴显示设备。其中，光学系统包括：第一透镜具有相对设置的第一表面和第二表面，第一透镜还包括光线耦入端面光线耦入端面连接于第一表面和第二表面；偏振反射器设于第一透镜远离光线耦入端面的一侧；分光透镜设于第一透镜的第一表面的一侧；校正透镜设于第一透镜远离光线耦入端面的一侧，校正透镜用于校正像差，偏振反射器设于第一透镜和校正透镜之间；解析透镜设于第一透镜的光线耦入端面的一侧，解析透镜背离第一透镜的一侧为入光面，解析透镜的入光面为自由曲面或非球面。本发明的技术方案能够提高对光线的解析力，从而提高成像画面的边缘清晰度。

Description

光学系统和头戴显示设备

技术领域

本发明涉及光学显示技术领域，尤其涉及一种光学系统和头戴显示设备。

背景技术

在头戴显示设备(Head Mount Display)能够为用户提供身临其境的虚拟画面体验。头戴显示设备中设置有显示单元，显示单元的尺寸较小，为此需要将显示单元发射的光线进行解析放大处理。但是为了减少头戴显示设备的体积，通常采用波导片的方式完成光线的传递，由于波导片本身的厚度较薄，对光线的解析力不足，尤其是在图像的边缘位置，难以充分完成光线的解析处理，容易导致成像画面的边缘模糊。

发明内容

基于此，针对目前的头戴显示设备中对光线的解析力不足，难以充分完成光线的解析处理，容易导致成像画面边缘模糊的问题，有必要提供一种光学系统和头戴显示设备，旨在能够提高对光线的解析力，提高成像画面的边缘清晰度。

为实现上述目的，本发明提出一种光学系统，所述光学系统包括：

第一透镜，所述第一透镜具有相对设置的第一表面和第二表面，所述第一透镜还包括光线耦入端面，所述光线耦入端面连接于所述第一表面和所述第二表面；

偏振反射器，所述偏振反射器设于所述第一透镜远离所述光线耦入端面的一侧，光线由所述光线耦入端面入射所述第一透镜内，光线至少经过所述第一表面和所述第二表面其中之一反射至所述偏振反射器；

分光透镜，所述分光透镜设于所述第一透镜的第一表面的一侧；

校正透镜，所述校正透镜设于所述第一透镜远离所述光线耦入端面的一侧，所述校正透镜用于校正像差，所述偏振反射器设于所述第一透镜和所述校正透镜之间；以及

解析透镜，所述解析透镜设于所述第一透镜的光线耦入端面的一侧，所述解析透镜背离所述第一透镜的一侧为入光面，所述解析透镜的入光面为自由曲面或非球面。

可选地，所述解析透镜凸设于所述第一透镜的光线耦入端面。

可选地，所述解析透镜和所述第一透镜的材质相同，所述解析透镜与所述第一透镜一体成型。

可选地，所述光学系统包括第二透镜，所述第二透镜为补偿透镜，所述第二透镜设于所述分光透镜和所述第一透镜之间，所述第二透镜用于补偿所述分光透镜的光焦度。

可选地，所述分光透镜的外边缘与所述第二透镜的外边缘对齐。

可选地，所述校正透镜具有相对设置的第三表面和第四表面，所述第三表面和所述第一表面对接，所述第四表面和所述第二表面对接，所述第一表面和所述第二表面相互之间平行，所述第三表面和所述第四表面相互之间平行。

可选地，所述第一透镜的第一表面具有与所述光线耦入端面连接的第一端点，所述校正透镜的第三表面具有远离所述第一端点的第三端点，所述分光透镜的外边缘的一端对齐所述第一端点，所述分光透镜的外边缘的另一端对齐所述第三端点。

可选地，所述光学系统包括第一遮盖部和第二遮盖部，所述第一遮盖部设于所述第一透镜或所述校正透镜，所述第二遮盖部设于所述第一透镜或所述校正透镜，所述第一遮盖部延伸并覆盖所述第一表面和所述第三表面的对接位置，所述第二遮盖部延伸并覆盖所述第二表面和所述第四表面的对接位置。

可选地，所述光学系统还包括位相延迟器，所述位相延迟器设于所述分光透镜和所述第一透镜之间。

此外，为了解决上述问题，本发明还提供一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括显示器和如上文所述光学系统，所述显示器设于所述第一透镜的光线耦入端面。

本发明提出的技术方案中，光线在光线耦入端面入射至第一透镜内，光线射向第二表面，光线在第二表面满足光的全反射条件，射向第一表面。光线在第一表面也满足光的全反射条件，光线经第一表面后射向偏振反射器。此时，光线的偏振方向与偏振反射器的透过方向不同，光线被反射向第一表面。此时，光线在第一表面的入射角不满足全反射临界角，光线透射出第一表面。经过第一表面后，光线射向分光透镜。在分光透镜的分光作用下，光线至少部分被反射向第一表面。光线经过第一表面后，再次射向偏振反射器。此时，光线的偏振方向与偏振反射器的透过方向相同，光线透射偏振反射器进入人眼。其中，在第一透镜的光线耦入端面的一侧设置解析透镜。通过将解析透镜的入光面设置为自由曲面，或者将解析透镜的入光面设置为非球面。自由曲面以及非球面的中间位置和边缘位置的曲率不同，光线经过解析透镜的入光面时，中间位置光线的光程和边缘位置光线的光程也不同，通过调整边缘位置光线的光程使边缘位置的成像画面更加清晰。由此可知，本方案中，通过解析透镜够提高了对光线的解析力，提高成像画面的边缘清晰度。

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为本发明光学系统一实施例的结构示意图；

图2为图1中光学系统的分解结构示意图；

图3为相关技术中拼接缝隙位置的结构示意图；

图4为本发明中第一透镜和校正透镜对接结构示意图；

图5为本发明中第一遮盖部和第二遮盖部的第一实施例的结构示意图；

图6为本发明中第一遮盖部和第二遮盖部的第二实施例的结构示意图；

图7为本发明中第一遮盖部和第二遮盖部的第三实施例的结构示意图；

图8为本发明中第一遮盖部和第二遮盖部的第四实施例的结构示意图。

附图标号说明：

10	第一透镜	320	第四表面
				110	第一表面	321	第四端点
111	第一端点	330	第二胶合端面
				120	第二表面	40	解析透镜
121	第二端点	410	解析透镜的入光面
				130	光线耦入端面	50	第二透镜
140	第一胶合端面	60	遮盖部
				20	分光透镜	610	第一遮盖部
30	校正透镜	620	第二遮盖部
				310	第三表面	70	显示器
311	第三端点	710	光线

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。

在相关技术中，在头戴显示设备的显示原理包括AR(Augmented Reality，增强现实)显示和VR(Virtual Reality，虚拟现实)显示。为了减小头戴显示设备的体积，通常采用第一透镜将光线由显示单元的位置导出。显示单元的尺寸较小，但是第一透镜本身的厚度较薄，对光线的解析力不足，尤其是在图像的边缘位置，难以充分完成光线的解析处理，容易导致成像画面的边缘模糊。

为了解决上述问题，参阅图1、图2和图4所示，本实施例提供一种光学系统，光学系统包括：第一透镜10、分光透镜20、校正透镜30和解析透镜40以及偏振反射器(图未示)。

第一透镜10具有相对设置的第一表面110和第二表面120，第二表面120面向佩戴头戴显示设备的用户，第一表面110背向用户。第一透镜10还包括光线耦入端面130，光线耦入端面130连接于第一表面110和第二表面120。偏振反射器设于第一透镜10远离光线耦入端面130的一侧，光线由光线耦入端面130入射第一透镜10内，光线至少经过第一表面110和第二表面120其中之一反射至偏振反射器，光线由光线耦入端面130入射第一透镜10内，光线510至少经过第一表面110和第二表面120其中之一反射至偏振反射器。可以将第一透镜10理解为几何波导片。

分光透镜20设于第一透镜10的第一表面110的一侧；分光透镜20的作用在于将入射的光线分光，例如将一部分光线反射，另一部分光线透射。反射和透射的比例是可调的，反射和透射比可以是1:2，或者是1:1，还可以是2:1等。

外界光线透射到波导结构时，不同颜色的光线折射率不同，容易出现色散，色散可以理解为色差，色差是像差的一种。校正透镜30设于第一透镜10远离光线耦入端面130的一侧，校正透镜30用于校正像差，从而减少光线的色散。其中，第一透镜10具有第一胶合端面140，第一胶合端面140设于第一透镜10远离光线耦入端面130的一侧，校正透镜30具有用于与第一胶合端面140胶合对接的第二胶合端面330。通过第一胶合端面140和第二胶合端面330胶合对接，完成第一透镜10和校正透镜30的胶合设置。

解析透镜40设于第一透镜10的光线耦入端面130的一侧，解析透镜40背离第一透镜10的一侧为入光面，解析透镜的入光面410为自由曲面或非球面。通过解析透镜40的自由曲面或者非球面调整光线在边缘位置的光程，从而使边缘位置的光线聚焦的位置和中心位置光线聚焦的位置在同一平面，由此减少边缘位置的画面不清晰的情况。另外，需要指出的是，非球面中心位置的曲率到边缘位置的曲率逐渐变化，自由曲面可以理解多个非球面的组合。

本实施例提出的技术方案中，光线在光线耦入端面130入射至第一透镜10内，光线射向第二表面120，光线在第二表面120满足光的全反射条件，射向第一表面110。光线在第一表面110也满足光的全反射条件，光线经第一表面110后射向偏振反射器。光线的偏振方向与偏振反射器的透过方向不同，光线被反射向第一表面110。此时，光线在第一表面110的入射角不满足全反射临界角，光线透射出第一表面110。经过第一表面110后，光线射向分光透镜20。在分光透镜20的分光作用下，光线至少部分被反射向第一表面110。光线经过第一表面110后，再次射向偏振反射器。此时，光线与偏振反射器的透过方向相同，光线透射偏振反射器进入人眼。其中，在第一透镜10的光线耦入端面130的一侧设置解析透镜40。通过将解析透镜的入光面410设置为自由曲面，或者将解析透镜的入光面410设置为非球面。自由曲面以及非球面的中间位置和边缘位置的曲率不同，光线经过解析透镜的入光面410时，中间位置光线的光程和边缘位置光线的光程也不同，通过调整边缘位置光线的光程使边缘位置的成像画面更加清晰。由此可知，本方案中，通过解析透镜40够提高了对光线的解析力，提高成像画面的边缘清晰度。

进一步地，为了保证结构紧凑，解析透镜40凸设于第一透镜10的光线耦入端面130。如此，解析透镜40抵接在光线耦入端面130，从而减少两者之间的距离。并且为了保证两者的固定更加牢固，解析透镜40和第一透镜10可以扣合在一起，也可以通过光学胶粘贴在一起。

并且，为了便于光学系统的组装，解析透镜40和第一透镜10的材质相同，解析透镜40与第一透镜10一体成型。由此，在组装光学系统时，通过一次的摆放或安装就可以完成解析透镜40和第一透镜10的组装，从而节省安装步骤，进而便于完成组装，提升组装效率。

在本申请的一实施例中，光学系统应用于AR显示。在AR显示中，需要内部的光线进行会聚或者扩散处理，因此分光透镜20具有一定的光焦度。此外，AR显示还需要外界的光线射入头戴显示设备内部。为了保证外界的光线能够顺利平行进入到人眼，需要对分光透镜20的光焦度进行补偿。为此，光学系统包括第二透镜50，第二透镜50为补偿透镜，第二透镜50设于分光透镜20和第一透镜10之间，第二透镜50用于补偿分光透镜20的光焦度。例如，分光透镜20的光焦度为正，则第二透镜50的光焦度为负。分光透镜20的光焦度为负，则第二透镜50的光焦度为正。分光透镜20和第二透镜50之间的设置方式包括胶合设置和间隔设置。其中，分光透镜20包括平凹透镜和分光膜(图未示)，平凹透镜的凹陷面朝向第二透镜50，分光膜设于平凹透镜的凹陷面。分光膜包括半反半透膜，分光膜可以粘贴在平凹透镜的凹陷面，也可以采用镀膜的方式。粘贴的方式作业简单，易操作。镀膜的方式，能够提高膜层的致密性，使膜层更加牢固。第二透镜50为平凸透镜，平凸透镜具有朝向分光透镜20的凸起面和背向分光透镜20的平板面。为了保证光线能够更加有效的折反射，光学系统还包括位相延迟器，位相延迟器设于平凸透镜的凸起面或平凸透镜的平板面。位相延迟器为膜层结构。例如，位相延迟器可以粘贴在平凸透镜的凸起面，也可以采用镀膜的方式。粘贴的方式作业简单，易操作。镀膜的方式，能够提高膜层的致密性，使膜层更加牢固。

在上述实施例中，分光透镜20和第二透镜50胶合在一起，两者的外边缘位置容易出现拼接缝隙，光线在经过拼接缝隙位置时出现折射或者散光，影响用户正常观看显示画面。为了减少拼接缝隙，分光透镜20的外边缘与第二透镜50的外边缘对齐。也可以理解为是将两者的拼接位置延伸到用户视角观察不到的地方，不会影响用户对显示画面的观察。

在上述实施例中，校正透镜30具有相对设置的第三表面310和第四表面320，第三表面310和第一表面110对接，第四表面320和第二表面120对接，第一表面110和第二表面120相互之间平行，第三表面310和第四表面320相互之间平行。为了保证光线在第一表面110和第二表面120之间反射时，入射角满足全反射临界角。将第一表面110和第二表面120平行设置，同样地，第三表面310和第四表面320之间相互平行设置。另外，光线耦入端面130的延伸方向逐渐远离第二透镜50，也可以说光线耦入端面130与第二表面120的夹角为锐角，光线耦入端面130与第一表面110的夹角为钝角。进一步地，光线耦入端面130与第一胶合端面140相互之间也平行设置。进而可知，第一胶合端面140与第二表面120的夹角为钝角，第一胶合端面140与第一表面110的夹角为锐角。

进一步地，为了提高分光镜的分光作用面积，第一透镜10的第一表面110具有与光线耦入端面130连接的第一端点111，校正透镜30的第三表面310具有远离第一端点111的第三端点311，分光透镜20的外边缘的一端对齐第一端点111，分光透镜20的外边缘的另一端对齐第三端点311。

在上述实施例中，在第一透镜10和校正透镜30之间形成拼接缝隙，参阅相关技术中的图3所示，拼接缝隙位置A和拼接缝隙位置B。拼接缝隙会影响用户的正常观看。为了减少拼接缝隙位置的影响。光学系统包括第一遮盖部610和第二遮盖部620，第一遮盖部610设于第一表面110和第三表面310的对接位置，第二遮盖部620设于第二表面120和第四表面320的对接位置。其中，第一遮盖部610可以设于第一透镜10或校正透镜30其中之一，第二遮盖部620也可以设置在第一透镜10或校正透镜30其中之一。也就是说，第一遮盖部610与第一透镜10或校正透镜30其中之一一体成型，第二遮盖部620与第一透镜10或校正透镜30其中之一一体成型。通过一体成型设置，在用户视角看不到拼接缝隙，从而减少对用户观察显示画面的影响。

需要指出的是，第一透镜10的第二表面120具有与光线耦入端面130连接的第二端点121，校正透镜30的第四表面320具有远离第二端点121的第四端点321，第一遮盖部610可以与第一透镜10或校正透镜30一体成型，第二遮盖部620也可以与第一透镜10或校正透镜30一体成型。

第一遮盖部610和第二遮盖部620的位置至少包括以下四种情况，参阅图5所示，第一种情况是，第一遮盖部610与第一透镜10一体成型，第一遮盖部610由第一端点111延伸至第三端点311，第二遮盖部620与校正透镜30一体成型，第二遮盖部620由第四端点321延伸至第二端点121。参阅图6所示，第二种情况是，第一遮盖部610和第二遮盖部620均与第一透镜10一体成型，第一遮盖部610由第一端点111延伸至第三端点311，第二遮盖部620由第二端点121延伸至第四端点321。参阅图7所示，第三种情况是，第一遮盖部610和第二遮盖部620均与校正透镜30一体成型，第一遮盖部610由第三端点311延伸至第一端点111，第二遮盖部620由第四端点321延伸至第二端点121。参阅图8所示，第四种情况是，第一遮盖部610与校正透镜30一体成型，第二遮盖部620均与第一透镜10一体成型，第一遮盖部610由第三端点311延伸至第一端点111，第二遮盖部620由第二端点121延伸至第四端点321。

在上述实施例中，为了减少光学系统的体积。光学系统还包括位相延迟器(图未示)，偏振反射器为偏振反射膜，位相延迟器设于分光透镜20和第一透镜10之间，偏振反射膜设于第一透镜10和校正透镜30之间。光线由光线耦入端面130进入到第一透镜10内，在第一表面110和第二表面120之间光线全反射，并射向偏振反射器。光线在第一次入射至偏振反射器时，光线的偏振方向与偏振反射器的透过轴方向正交，光线被反射向第一表面110。光线透射出第一透镜10后，经过位相延迟器，光线转化为圆偏振光，并且光线经过分光透镜20后发生了反射，圆偏振光的旋转方向发生变化，左旋变成右旋，或者是右旋变成左旋。光线再次经过位相延迟器后，光线由圆偏振状态转化为线偏振状态，且偏振光线第二次入射至偏振反射器时，光线的偏振方向与偏振反射器的透过轴方向同向，光线透射第一透镜10进入人眼。由此可知，光线经过多次折反射。从而减少了光学系统的体积。需要指出的是，位相延迟器也可以为膜层结构，位相延迟器可以设置在分光透镜的上，也可以设置在第二透镜上。

本发明还提供一种头戴显示设备，头戴显示设备包括显示器70和如上文光学系统，显示器70设于第一透镜10的光线耦入端面130。显示器70发射的光线710为线偏振光，线偏振状态的光线710射向第一透镜的光线耦入端面130，并射向第二表面120。

本发明的头戴显示设备的实施方式可以参照上述光学系统各实施例，在此不再赘述。

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)

1.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统包括：

第一透镜，所述第一透镜具有相对设置的第一表面和第二表面，所述第一透镜还包括光线耦入端面，所述光线耦入端面连接于所述第一表面和所述第二表面；

偏振反射器，所述偏振反射器设于所述第一透镜远离所述光线耦入端面的一侧，光线由所述光线耦入端面入射所述第一透镜内，光线至少经过所述第一表面和所述第二表面其中之一反射至所述偏振反射器；

分光透镜，所述分光透镜设于所述第一透镜的第一表面的一侧；

校正透镜，所述校正透镜设于所述第一透镜远离所述光线耦入端面的一侧，所述校正透镜用于校正像差，所述偏振反射器设于所述第一透镜和所述校正透镜之间；以及

解析透镜，所述解析透镜设于所述第一透镜的光线耦入端面的一侧，所述解析透镜背离所述第一透镜的一侧为入光面，所述解析透镜的入光面为自由曲面或非球面。

2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述解析透镜凸设于所述第一透镜的光线耦入端面。

3.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述解析透镜和所述第一透镜的材质相同，所述解析透镜与所述第一透镜一体成型。

4.如权利要求1至3中任一项所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统包括第二透镜，所述第二透镜为补偿透镜，所述第二透镜设于所述分光透镜和所述第一透镜之间，所述第二透镜用于补偿所述分光透镜的光焦度。

5.如权利要求4所述的光学系统，其特征在于，所述分光透镜的外边缘与所述第二透镜的外边缘对齐。

6.如权利要求1至3中任一项所述的光学系统，其特征在于，所述校正透镜具有相对设置的第三表面和第四表面，所述第三表面和所述第一表面对接，所述第四表面和所述第二表面对接，所述第一表面和所述第二表面相互之间平行，所述第三表面和所述第四表面相互之间平行。

7.如权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜的第一表面具有与所述光线耦入端面连接的第一端点，所述校正透镜的第三表面具有远离所述第一端点的第三端点，所述分光透镜的外边缘的一端对齐所述第一端点，所述分光透镜的外边缘的另一端对齐所述第三端点。

8.如权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统包括第一遮盖部和第二遮盖部，所述第一遮盖部设于所述第一透镜或所述校正透镜，所述第二遮盖部设于所述第一透镜或所述校正透镜，所述第一遮盖部延伸并覆盖所述第一表面和所述第三表面的对接位置，所述第二遮盖部延伸并覆盖所述第二表面和所述第四表面的对接位置。

9.如权利要求1至3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位相延迟器，所述位相延迟器设于所述分光透镜和所述第一透镜之间。

10.一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括显示器和如权利要求1至9任一项所述光学系统，所述显示器设于所述第一透镜的光线耦入端面。

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