CN113671709A - 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二表面的一侧；第二透镜设于分光透镜和第一透镜之间；位相延迟器设于分光透镜或第二透镜，第二透镜包括主体部和延伸部，主体部对应分光透镜的中间区域设置，延伸部自主体部向分光透镜的外边缘方向延伸，且延伸部的外边缘与分光透镜的外边缘对齐。本发明的技术方案能够避免缝隙的产生，保证头戴显示设备的成像效果。

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。为了减小头戴显示设备的体积，通过多次光路折转降低厚度。为了保证顺利完成多次光路折转，在头戴显示设备中设置分光器件，分光器件具有一定的光焦度。并且为了保证外界的光线能够透射入头戴显示设备，头戴显示设备还设置有补偿器件来对分光器件的光焦度进行补偿。但是补偿器件和分光器件两者的外边缘对接位置存在缝隙，光线在经过这个缝隙位置出现偏折或散射，用户在佩戴头戴显示设备时能够看到两者的拼接缝隙，导致用户在观看画面时，缝隙偏折的光线影响画面的成像效果。

发明内容

基于此，针对目前的头戴显示设备中补偿器件和分光器件两者的外边缘对接位置存在缝隙，用户在佩戴头戴显示设备时缝隙偏折的光线影响画面的成像效果的问题，有必要提供一种光学系统和头戴显示设备，旨在能够避免缝隙的产生，保证头戴显示设备的成像效果。

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二表面的一侧；

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；以及

位相延迟器，所述位相延迟器设于所述分光透镜或所述第二透镜，所述第二透镜包括主体部和延伸部，所述主体部对应所述分光透镜的中间区域设置，所述延伸部自所述主体部向所述分光透镜的外边缘方向延伸，且所述延伸部的外边缘与所述分光透镜的外边缘对齐。

可选地，所述光学系统还包括校正透镜，所述校正透镜用于校正外界光线的像差，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，所述偏振反射器设于所述第一透镜和所述校正透镜之间。

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处于同一平面，所述第四表面和所述第二表面处于同一平面。

可选地，所述第一透镜的第二表面具有与所述光线耦入端面连接的第一端点，所述校正透镜的第四表面具有远离所述第一端点的第二端点，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二端点。

可选地，所述偏振反射器为偏振反射膜，所述偏振反射膜设于所述校正透镜，所述第一透镜与所述校正透镜胶合设置。

可选地，所述位相延迟器设于所述分光透镜，所述分光透镜与所述第二透镜胶合设置，所述第二透镜与所述第一透镜间隔设置。

可选地，所述分光透镜包括平凹透镜和分光膜，所述平凹透镜的凹陷面朝向所述第二透镜，所述分光膜设于所述位相延迟器和所述平凹透镜的凹陷面之间。

可选地，所述第二透镜为平凸透镜，所述平凸透镜具有朝向所述分光透镜的凸起面和背向所述分光透镜的平板面。

可选地，所述第一表面和所述第二表面相互平行设置。

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，光线由光线耦入端面进入到第一透镜内，在第一表面和第二表面之间光线全反射，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，光线被反射向第二表面。光线透射出第一透镜后，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，且线偏振的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，光线透射第一透镜进入人眼。其中，第二透镜用于对分光透镜的光焦度进行补偿，分光透镜的光焦度为正，则第二透镜的光焦度为负。分光透镜的光焦度为负，则第二透镜的光焦度为正。通过延伸部的外边缘与分光透镜的外边缘对齐，两者在外边缘位置不存在对接缝隙，从而不会产生光线的散射。用户在佩戴头戴显示设备时，看不到缝隙，从而保证显示画面的正常显示。

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为相关技术中对接缝隙位置的结构示意图；

图4为图3中对接缝隙产生的效果示意图；

图5为图1中光学系统的效果示意图。

附图标号说明：

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，如图3所示，补偿器件和分光器件两者的外边缘对接位置A和位置B，两者存在缝隙。光线在经过这个缝隙位置出现偏折或散射，参阅图4所示，用户在佩戴头戴显示设备时能够看到两者的拼接缝隙C，在补偿器件为圆形结构时，形成的拼接缝隙也为圆形。用户在观看画面时，缝隙偏折的光线影响画面的成像效果。

为了解决上述问题，参阅图1和图2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、第二透镜30和位相延迟器(图未示)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，第一透镜10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，光线510由光线耦入端面130射入第一透镜10内，光线510由光密介质射向光疏介质，入射角大于或等于全反射临界角，光线510在第一表面110满足光的全反射条件。光线510在第一表面110的作用下，反射向第二表面120。同样地，光线510在第二表面120也满足光的全反射条件，光线510在第二表面120的作用下被再次反射。其中，第一透镜10可以理解为一种波导结构。

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510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；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，偏振反射器可以设置在第一胶合端面140上，也可以与第一胶合端面140间隔设置。

分光透镜20设于第一透镜10的第二表面120的一侧；分光透镜20的作用在于将入射的光线510分光，例如将一部分光线510反射，另一部分光线510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。

第二透镜30设于分光透镜20和第一透镜10之间，第二透镜为补偿透镜，第二透镜用于补偿分光透镜20的光焦度；本实施例中的光学系统应用于头戴显示设备，头戴显示设备的显示原理包括AR(Augmented Reality，增强现实)显示。在AR显示中，需要内部的光线510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。分光透镜20和第二透镜30之间的设置方式包括胶合设置和间隔设置。

位相延迟器可以设于分光透镜20上，还可以设置在设于第二透镜30上，第二透镜30包括主体部310和延伸部320，主体部310对应分光透镜20的中间区域设置，延伸部320自主体部310向分光透镜20的外边缘方向延伸，且延伸部320的外边缘与分光透镜20的外边缘对齐。通过延伸部320的外边缘与分光透镜20的外边缘对齐设置可知，两者相对的截面积大小相等。从而避免出现外边缘位置没有对齐的情况。也可以理解为是将延伸部320的外边缘延伸到用户视角观察不到的地方。在其他实施例中，第二透镜与分光透镜的尺寸之差较小的情况也被视为“边缘对齐”，如其中较小者尺寸为较大者尺寸的90％。其中，位相延迟器用于改变光线510的偏振状态，例如将线偏振光转化为圆偏振光，或者是将圆偏振光转化为线偏振光。位相延迟器为膜层结构或者是独立的器件。膜层结构的位相延迟器利于减少整体光学系统的体积。其中，位相延迟器包括四分之一波片。

本实施例提出的技术方案中，光线510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510全反射，并射向偏振反射器。光线510在第一次入射至偏振反射器时，光线510的偏振方向与偏振反射器的透过轴方向正交，光线510被反射向第二表面120。光线510透射出第一透镜10后，经过位相延迟器，光线510转化为圆偏振光，并且光线510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510再次经过位相延迟器后，光线510由圆偏振状态转化为线偏振状态，且线偏振的光线510第二次入射至偏振反射器时，光线510的偏振方向与偏振反射器的透过轴方向同向，光线510透射第一透镜10进入人眼。其中，第二透镜30用于对分光透镜20的光焦度进行补偿，分光透镜20的光焦度为正，则第二透镜30的光焦度为负。分光透镜20的光焦度为负，则第二透镜30的光焦度为正。通过延伸部320的外边缘与分光透镜20的外边缘对齐，两者在外边缘位置不存在对接缝隙，从而不会产生光线510的散射。参阅图5所示，用户在佩戴头戴显示设备时，看不到缝隙，从而保证显示画面的正常显示。

在本申请的其中一实施例中，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。为了减少色散，光学系统还包括校正透镜40，校正透镜40用于校正外界光线的像差，校正透镜40设于第一透镜10远离光线耦入端面130的一侧，偏振反射器设于第一透镜和校正透镜之间。校正透镜40可以胶合设置在第一透镜10上。例如，校正透镜40具有第二胶合端面410，在第二胶合端面410设置光学胶，将校正透镜40的第二胶合端面410和第一透镜10的第一胶合端面140对接胶合，完成校正透镜40的固定。可以理解的是，偏振反射器此时还可以设置在校正透镜40上，偏振反射器可以为贴附在校正透镜上的偏振反射膜或者直接镀在校正透镜上的膜层结构。

在上述实施例中，为了保证光学系统简洁，便于安装。校正透镜40具有相对设置的第三表面420和第四表面430，第三表面420和第一表面110处于同一平面，第四表面430和第二表面120处于同一平面。由此可知，便于校正透镜40和第一透镜10的拼接对正，校正透镜40和第一透镜10形成一个整体结构。

在上述实施例中，为了进一步的避免分光透镜20和第二透镜30的外边缘影响用户观看。第一透镜10的第二表面120具有与光线耦入端面130连接的第一端点121，校正透镜40的第四表面430具有远离第一端点121的第二端点431，分光透镜20的外边缘的一端对齐第一端点121，分光透镜20的外边缘的另一端对齐第二端点431。由此可知，分光透镜20或第二透镜30的朝向第一透镜10的表面的截面积等于第二表面120与第四表面430的面积之和。也可以理解为是，分光透镜20或第二透镜30的正投影面积，覆盖住第二表面120与第四表面430。

为了保证光线510顺利折转，偏振反射器为偏振反射膜，偏振反射膜设于校正透镜30，第一透镜10与校正透镜30胶合设置。偏振反射膜具有光线510透过轴，光线510的偏振方向在和光线510透过轴相同时，光线510才能够通过。而其它偏振方向的光线510在遇到偏折反射膜时，光线510会被反射。需要指出的是入射第一透镜10的光线510为线偏振光，且该线偏振光的振动方向与偏振反射膜的光线510透过轴正交。另外，偏振反射器为膜层结构，有利于减少光学系统的体积。

在本申请的其中一实施例中，为了便于结构紧凑，位相延迟器设于分光透镜20，分光透镜20与第二透镜30胶合设置，通过胶合设置，可以有效的减小光学系统的整体体积。另外，第二透镜30与第一透镜10间隔设置，从而使第二透镜30与第一透镜10之间形成空气间隔。保证光线510入射至第二表面120时满足光线510由光密介质射向光疏介质，从而保证光线510在第二表面120是全反射。

在上述实施例中，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30，分光膜设于位相延迟器和平凹透镜的凹陷面之间。分光膜包括半反半透膜，位相延迟器和分光膜可以设置在分光透镜20上，也可以设置在第二透镜上。位相延迟器和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。

另外，第二透镜30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，位相延迟器和分光膜可以设置在第二透镜30上。例如，位相延迟器和分光膜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。

在本申请的另一实施例中，第一表面110和第二表面120相互平行设置。从而保证光线510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。并且，第一表面110和第二表面120平行，第一透镜10的整体结构也更加紧凑。另外，光线耦入端面130的延伸方向逐渐远离第二透镜30，也可以说光线耦入端面130与第一表面110的夹角为锐角，光线耦入端面130与第二表面120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与第一表面110的夹角为钝角，第一胶合端面40与第二表面120的夹角为锐角。

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50和如上文所述光学系统，显示器50设于第一透镜10的光线耦入端面130。显示器50发射的光线510为线偏振光，线偏振状态的光线510射向第一透镜10的第一表面110。

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二表面的一侧；

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；以及

位相延迟器，所述位相延迟器设于所述分光透镜或所述第二透镜，所述第二透镜包括主体部和延伸部，所述主体部对应所述分光透镜的中间区域设置，所述延伸部自所述主体部向所述分光透镜的外边缘方向延伸，且所述延伸部的外边缘与所述分光透镜的外边缘对齐。

2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括校正透镜，所述校正透镜用于校正外界光线的像差，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，所述偏振反射器设于所述第一透镜和所述校正透镜之间。

3.如权利要求2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处于同一平面，所述第四表面和所述第二表面处于同一平面。

4.如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜的第二表面具有与所述光线耦入端面连接的第一端点，所述校正透镜的第四表面具有远离所述第一端点的第二端点，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二端点。

5.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述偏振反射器为偏振反射膜，所述偏振反射膜设于所述校正透镜，所述第一透镜与所述校正透镜胶合设置。

6.如权利要求1至5中任一项所述的光学系统，其特征在于，所述位相延迟器设于所述分光透镜，所述分光透镜与所述第二透镜胶合设置，所述第二透镜与所述第一透镜间隔设置。

7.如权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述分光透镜包括平凹透镜和分光膜，所述平凹透镜的凹陷面朝向所述第二透镜，所述分光膜设于所述位相延迟器和所述平凹透镜的凹陷面之间。

8.如权利要求7所述的光学系统，其特征在于，所述第二透镜为平凸透镜，所述平凸透镜具有朝向所述分光透镜的凸起面和背向所述分光透镜的平板面。

9.如权利要求1至6中任一项所述的光学系统，其特征在于，所述第一表面和所述第二表面相互平行设置。

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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