CN114236844B - 一种可满足双目观看的光学显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可满足双目观看的光学显示系统，属于光学成像技术领域，该光学显示系统包括显示器、第一光学镜片、第二光学镜片和第三光学镜片，第一光学镜片设置于显示器的出光光路上，第二光学镜片设置于第一光学镜片的透射光光路上，第三光学镜片设置于第二光学镜片的反射光光路上，第三光学镜片包括第三光学基片和全反射膜，全反射膜设置于第三光学基片的一侧；其结构紧凑，体积小，重量轻，成像质量好，视场角范围大，能够满足双目同时进行观看，人眼可移动范围大，能够适配近视用户，可以对眼睛进行锻炼，起到保护眼睛的作用，大大提升了用户体验感。

Description

一种可满足双目观看的光学显示系统

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，具体涉及一种可满足双目观看的光学显示系统。

背景技术

近年来，随着消费电子产品的蓬勃发展，人们使用电子产品的时间越来越长，极大地影响了使用者的用眼健康。尤其是在青少年群体中，学习时，长时间近距离的观看书本，休息放松时，又近距离的玩耍电子产品，导致这一群体近视比率越来越高。为了保护眼睛，可以做眼保健操或者闭眼休息，但是能长期坚持的人比较少，目前还没有一种在娱乐时还能放松眼睛的设备。

发明内容

本发明实施方式的目的在于提供一种可满足双目观看的光学显示系统，其体积小，成像质量好，视场角范围大，能够适配近视用户，可以对眼睛进行锻炼，起到保护眼睛，矫正视力的作用，大大提升了用户体验感。

本发明的实施方式是这样实现的：

本发明的实施方式提供了一种可满足双目观看的光学显示系统，包括显示器、第一光学镜片、第二光学镜片和第三光学镜片，所述第一光学镜片设置于所述显示器的出光光路上，所述第二光学镜片设置于所述第一光学镜片的透射光光路上，所述第三光学镜片设置于所述第二光学镜片的反射光光路上，所述第三光学镜片包括第三光学基片和全反射膜，所述全反射膜设置于所述第三光学基片的一侧，所述显示器的中心与所述第一光学镜片的中心之间的距离为L1，其满足0＜L1≤200mm，所述第一光学镜片的中心与所述第二光学镜片的中心之间的距离为L2，其满足0＜L2≤200mm，所述第二光学镜片的中心与第三光学镜片的中心之间的距离为L3，其满足50mm≤L3≤200mm。

可选的，所述第一光学镜片包括第一光学基片和第一相位延迟膜，所述第一相位延迟膜设置于所述第一光学基片的一侧。

可选的，所述第一光学镜片包括第一光学基片、第一偏振膜和第一相位延迟膜，所述第一偏振膜设置于所述第一光学基片的一侧，所述第一相位延迟膜设置于所述第一偏振膜的远离所述显示器的一侧。

可选的，所述第二光学镜片包括第二光学基片、第二偏振膜、第二偏振反射膜、第二相位延迟膜和增透光学膜；

所述第二偏振膜设置于所述第二光学基片的靠近所述第一光学镜片的一侧，所述第二偏振反射膜设置于所述第二偏振膜的远离所述第二光学基片的一侧，所述第二相位延迟膜设置于所述第二偏振反射膜的远离所述第二光学基片的一侧，所述第二相位延迟膜的远离所述第二光学基片的一侧和所述第二光学基片的远离所述第二偏振膜的一侧均设有所述增透光学膜；

或，所述第二偏振膜设置于所述第二光学基片的远离所述第一光学镜片的一侧，所述第二偏振反射膜设置于所述第二光学基片的远离所述第二偏振膜的一侧，所述第二相位延迟膜设置于所述第二偏振反射膜的远离所述第二光学基片的一侧，所述第二相位延迟膜的远离所述第二光学基片的一侧和所述第二偏振膜的远离所述第二光学基片的一侧均设有所述增透光学膜；

或，所述第二偏振反射膜设置于所述第二光学基片的远离所述第一光学镜片的一侧，所述第二偏振膜设置于所述第二偏振反射膜的远离所述第二光学基片的一侧，所述第二相位延迟膜设置于所述第二光学基片的远离所述第二偏振反射膜的一侧，所述第二相位延迟膜的远离所述第二光学基片的一侧和所述第二偏振膜的远离所述第二光学基片的一侧均设有所述增透光学膜；

或，所述第二相位延迟膜设置于所述第二光学基片的远离所述第一光学镜片的一侧，所述第二偏振反射膜设置于所述第二相位延迟膜的远离所述第二光学基片的一侧，所述第二偏振膜设置于所述第二偏振反射膜的远离所述第二光学基片的一侧，所述第二偏振膜的远离所述第二光学基片的一侧和所述第二光学基片的远离所述第二相位延迟膜的一侧均设有所述增透光学膜。

可选的，所述第一偏振膜、所述第一相位延迟膜、所述第二偏振膜、所述第二偏振反射膜、所述第二相位延迟膜、所述增透光学膜和所述全反射膜的厚度小于0.2mm。

可选的，所述第一光学基片、所述第二光学基片和所述第三光学基片采用塑料或玻璃制成，所用材料的折射率为N，其满足1.3＜N＜1.8，色散系数为V，其满足20＜V＜70。

可选的，该光学显示系统的视场角为FOV，其满足：10°≤FOV≤50°；该光学显示系统的焦距为f，其满足：100mm≤|f|。

可选的，所述第一光学镜片的光轴与所述第二光学镜片的光轴形成的锐角为α，其满足30°≤α≤60°。

可选的，使用时，双目到所述第三光学镜片之间的距离为L4，其满足100mm≤L4≤500mm。

可选的，该光学显示系统形成的虚像到双目的距离为L5，其满足100mm≤L5≤10000mm。

上述各光学镜片中，增透光学膜的作用是为了提高光学镜片的透过率，降低杂散光带来的影响；偏振膜的作用是吸收某一方向的线偏振光，透射另一方向的线偏振光；偏振反射膜的作用是反射某一方向的线偏振光，透射另一方向的线偏振光；相位延迟膜可为四分之一波片，其作用是将线偏振光转为圆偏振光。

本发明的有益效果为：

本发明实施方式提供的可满足双目观看的光学显示系统，其结构紧凑，体积小，重量轻，成像质量好，视场角范围大，能够满足双目同时进行观看，人眼可移动范围大，能够适配近视用户，可以对眼睛进行锻炼，起到保护眼睛，矫正视力的作用，大大提升了用户体验感。

附图说明

图1为本发明实施例一的可满足双目观看的光学显示系统的光学架构示意图；

图2为实施例一的第一光学镜片的结构示意图；

图3为第二光学镜片的一种结构示意图；

图4为第二光学镜片的另一种结构示意图；

图5为第二光学镜片的又一种结构示意图；

图6为第二光学镜片的再一种结构示意图；

图7为第三光学镜片的结构示意图；

图8为本发明实施例二的可满足双目观看的光学显示系统的光学架构示意图；

图9为实施例二的第一光学镜片的结构示意图；

图中：10-显示器；20-第一光学镜片；201-第一光学基片；202-第一相位延迟膜；203-第一偏振膜；30-第二光学镜片；301-第二光学基片；302-第二偏振膜；303-第二偏振反射膜；304-第二相位延迟膜；305-增透光学膜；40-第三光学镜片；401-第三光学基片；402-全反射膜；50-人眼。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例1

参考图1所示，本发明实施例一提供了一种可满足双目观看的光学显示系统，包括显示器10、第一光学镜片20、第二光学镜片30和第三光学镜片40。

显示器10主要起到发出光线的作用，显示器10可显示2D或3D的图像或视频，显示器10可以采用OLED显示器、LCD显示器、LCOS显示器、micro-LED显示器或mini-LED显示器等。

第一光学镜片20设置于显示器10的出光光路上，显示器10发出的光线经过第一光学镜片20处理后透射出去形成透射光。

参考图2所示，第一光学镜片20包括第一光学基片201和第一相位延迟膜202，第一相位延迟膜202设置于第一光学基片201的远离显示器10的一侧，当然，在另一种实施例中，第一相位延迟膜202也可以设置于第一光学基片201的靠近显示器10的一侧。

第一光学基片201的两侧表面可以加工为球面、非球面或自由曲面等面型。

第一相位延迟膜202的厚度小于0.2mm。本实施例中，第一相位延迟膜202的厚度为0.1mm。

第二光学镜片30设置于第一光学镜片20的透射光光路上，从第一光学镜片20透射出去的透射光进入第二光学镜片30被反射形成反射光。

第一光学镜片20的光轴与第二光学镜片30的光轴形成的锐角为α，其满足30°≤α≤60°。本实施例中，α＝45°，当然，α也可以为30°、35°、40°、50°、60°等。

第二光学镜片30包括第二光学基片301、第二偏振膜302、第二偏振反射膜303、第二相位延迟膜304和增透光学膜305。

第二光学基片301的两侧表面可以加工为球面、非球面或自由曲面等面型。

本实施例中，参考图3所示，第二偏振膜302设置于第二光学基片301的靠近第一光学镜片20的一侧，第二偏振反射膜303设置于第二偏振膜302的远离第二光学基片301的一侧，第二相位延迟膜304设置于第二偏振反射膜303的远离第二光学基片301的一侧，第二相位延迟膜304的远离第二光学基片301的一侧和第二光学基片301的远离第二偏振膜302的一侧均设有增透光学膜305。

当然，在另一种实施例中，参考图4所示，第二偏振膜302设置于第二光学基片301的远离第一光学镜片20的一侧，第二偏振反射膜303设置于第二光学基片301的远离第二偏振膜302的一侧，第二相位延迟膜304设置于第二偏振反射膜303的远离第二光学基片301的一侧，第二相位延迟膜304的远离第二光学基片301的一侧和第二偏振膜302的远离第二光学基片301的一侧均设有增透光学膜305。

在又一种实施例中，参考图5所示，第二偏振反射膜303设置于第二光学基片301的远离第一光学镜片20的一侧，第二偏振膜302设置于第二偏振反射膜303的远离第二光学基片301的一侧，第二相位延迟膜304设置于第二光学基片301的远离第二偏振反射膜303的一侧，第二相位延迟膜304的远离第二光学基片301的一侧和第二偏振膜302的远离第二光学基片301的一侧均设有增透光学膜305。

在又一种实施例中，参考图6所示，第二相位延迟膜304设置于第二光学基片301的远离第一光学镜片20的一侧，第二偏振反射膜303设置于第二相位延迟膜304的远离第二光学基片301的一侧，第二偏振膜302设置于第二偏振反射膜303的远离第二光学基片301的一侧，第二偏振膜302的远离第二光学基片301的一侧和第二光学基片301的远离第二相位延迟膜304的一侧均设有增透光学膜305。

第二偏振膜302、第二偏振反射膜303、第二相位延迟膜304和增透光学膜305的厚度小于0.2mm。本实施例中，第二偏振膜302、第二偏振反射膜303、第二相位延迟膜304和增透光学膜305的厚度均为0.1mm。

第三光学镜片40设置于第二光学镜片30的反射光光路上。

参考图7所示，第三光学镜片40包括第三光学基片401和全反射膜402，全反射膜402设置于第三光学基片401的靠近第二光学镜片30的一侧，当然，在另一种实施例中，全反射膜402也可以设置于第三光学基片401的远离第二光学镜片30的一侧。

第三光学基片401的两侧表面可以加工为球面、非球面或自由曲面等面型。

全反射膜402的厚度小于0.2mm。本实施例中，全反射膜402的厚度为0.1mm。

该光学显示系统的视场角10°≤FOV≤50°；焦距100mm≤|f|。本实施例中优选FOV＝40°，|f|＝50mm。

显示器10的中心与第一光学镜片20的中心之间的距离为L1，0＜L1≤200mm；本实施例中，L1＝20mm。

第一光学镜片20的中心与第二光学镜片30的中心之间的距离为L2，0＜L2≤200mm；本实施例中，L2＝100mm。

第二光学镜片30的中心与第三光学镜片40的中心之间的距离为L3，50mm≤L3≤200mm；本实施例中，L3＝110mm。

使用时，假设人眼所在的平面为XY平面，则XY平面与第二光学镜片30的中心之间的距离为L4，100mm≤L4≤500mm，本实施例中，L4＝250mm。人眼在XY平面内可移动的范围为EB(Eye Box)，|EBx|≤150mm，|EBy|≤100mm。

本光学显示系统形成的虚像到人的双目的距离为L5，其满足100mm≤L5≤10000mm；本实施例中，L5＝500mm。

本光学显示系统，能够满足双目同时进行观看，而且人眼移动范围大，能够适配不同瞳距的人群使用，还能够适配近视用户。

需要说明的是，第一光学基片201、第二光学基片301和第三光学基片401采用塑料或玻璃制成，所用材料的折射率为N，其满足1.3＜N＜1.8，色散系数为V，其满足20＜V＜70。本实施例中，选用N＝1.5，V＝30的材料。

本实施例的可满足双目观看的光学显示系统的成像原理如下：

显示器10发出的偏振光线首先进入第一光学镜片，偏振光线经过第一光学镜片20处理后变为圆偏振光透射出去,从第一光学镜片20透射出的圆偏振光进入第二光学镜片30，圆偏振光在第二光学镜片30上被全反射，从第二光学镜片30全反射的光线进入第三光学镜片40又被全反射后又进入第二光学镜片30，被第三光学镜片40反射的光线相位发生改变，然后经过第二光学镜片30处理后变为线偏振光透射出去到达人眼50形成特定成像位置和特定放大倍数的虚像。

实施例2

参考图8所示，本发明实施例二提供了一种可满足双目观看的光学显示系统，包括显示器10、第一光学镜片20、第二光学镜片30和第三光学镜片40。

需要说明的是，本实施例与实施例一的区别在于第一光学镜片20。

本实施例的显示器10、第二光学镜片30和第三光学镜片40采用实施例一中的显示器10、第二光学镜片30和第三光学镜片40，其结构、工作原理和产生的技术效果参考实施例一中的相应内容，此处不做赘述。

本实施例中，参考图9所示，第一光学镜片20包括第一光学基片201、第一偏振膜203和第一相位延迟膜202，第一偏振膜203设置于第一光学基片201的远离显示器10的一侧，第一相位延迟膜202设置于第一偏振膜203的远离显示器10的一侧。当然，在另一种实施例中，第一偏振膜203设置于第一光学基片201的靠近显示器10的一侧，第一相位延迟膜202设置于第一光学基片201的远离显示器10的一侧；或者，第一相位延迟膜202设置于第一光学基片201的靠近显示器10的一侧，第一偏振膜203设置于第一相位延迟膜202的靠近显示器10的一侧。

第一偏振膜203和第一相位延迟膜202的厚度小于0.2mm。本实施例中，第一偏振膜203和第一相位延迟膜202的厚度均为0.1mm。

本实施例的可满足双目观看的光学显示系统的成像原理如下：

显示器10发出的非偏振光线首先进入第一光学镜片20，非偏振光线经过第一光学镜片20处理后变为圆偏振光透射出去,从第一光学镜片20透射出的圆偏振光进入第二光学镜片30，圆偏振光在第二光学镜片30上被全反射，从第二光学镜片30全反射的光线进入第三光学镜片40被全反射后又进入第二光学镜片30，被第三光学镜片40反射的光线相位发生改变，然后经过第二光学镜片30处理后变为线偏振光透射出去到达人眼50形成特定成像位置和特定放大倍数的虚像。

本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (9)

1.一种可满足双目观看的光学显示系统，其特征在于：包括显示器、第一光学镜片、第二光学镜片和第三光学镜片，所述第一光学镜片设置于所述显示器的出光光路上，所述第二光学镜片设置于所述第一光学镜片的透射光光路上，所述第三光学镜片设置于所述第二光学镜片的反射光光路上，所述第三光学镜片包括第三光学基片和全反射膜，所述全反射膜设置于所述第三光学基片的一侧，所述显示器的中心与所述第一光学镜片的中心之间的距离为20mm，所述第一光学镜片的中心与所述第二光学镜片的中心之间的距离为100mm，所述第二光学镜片的中心与第三光学镜片的中心之间的距离为110mm，该光学显示系统的视场角为FOV＝40°，该光学显示系统的焦距为f＝50mm，假设人眼所在的平面为XY平面，则XY平面与第二光学镜片30的中心之间的距离为L4，100mm≤L4≤500mm，人眼在XY平面内的X方向上可移动的范围为EBx，其满足|EBx|≤150mm，人眼在XY平面内的Y方向上可移动的范围为EBy，其满足|EBy|≤100mm。

2.根据权利要求1所述的可满足双目观看的光学显示系统，其特征在于：所述第一光学镜片包括第一光学基片和第一相位延迟膜，所述第一相位延迟膜设置于所述第一光学基片的一侧。

3.根据权利要求1所述的可满足双目观看的光学显示系统，其特征在于：所述第一光学镜片包括第一光学基片、第一偏振膜和第一相位延迟膜，所述第一偏振膜设置于所述第一光学基片的一侧，所述第一相位延迟膜设置于所述第一偏振膜的远离所述显示器的一侧。

4.根据权利要求2或3所述的可满足双目观看的光学显示系统，其特征在于：所述第二光学镜片包括第二光学基片、第二偏振膜、第二偏振反射膜、第二相位延迟膜和增透光学膜；

所述第二偏振膜设置于所述第二光学基片的靠近所述第一光学镜片的一侧，所述第二偏振反射膜设置于所述第二偏振膜的远离所述第二光学基片的一侧，所述第二相位延迟膜设置于所述第二偏振反射膜的远离所述第二光学基片的一侧，所述第二相位延迟膜的远离所述第二光学基片的一侧和所述第二光学基片的远离所述第二偏振膜的一侧均设有所述增透光学膜；

或，所述第二偏振膜设置于所述第二光学基片的远离所述第一光学镜片的一侧，所述第二偏振反射膜设置于所述第二光学基片的远离所述第二偏振膜的一侧，所述第二相位延迟膜设置于所述第二偏振反射膜的远离所述第二光学基片的一侧，所述第二相位延迟膜的远离所述第二光学基片的一侧和所述第二偏振膜的远离所述第二光学基片的一侧均设有所述增透光学膜；

或，所述第二偏振反射膜设置于所述第二光学基片的远离所述第一光学镜片的一侧，所述第二偏振膜设置于所述第二偏振反射膜的远离所述第二光学基片的一侧，所述第二相位延迟膜设置于所述第二光学基片的远离所述第二偏振反射膜的一侧，所述第二相位延迟膜的远离所述第二光学基片的一侧和所述第二偏振膜的远离所述第二光学基片的一侧均设有所述增透光学膜；

或，所述第二相位延迟膜设置于所述第二光学基片的远离所述第一光学镜片的一侧，所述第二偏振反射膜设置于所述第二相位延迟膜的远离所述第二光学基片的一侧，所述第二偏振膜设置于所述第二偏振反射膜的远离所述第二光学基片的一侧，所述第二偏振膜的远离所述第二光学基片的一侧和所述第二光学基片的远离所述第二相位延迟膜的一侧均设有所述增透光学膜。

5.根据权利要求3所述的可满足双目观看的光学显示系统，其特征在于：所述第一偏振膜的厚度小于0.2mm。

6.根据权利要求4所述的可满足双目观看的光学显示系统，其特征在于：所述第一相位延迟膜、所述第二偏振膜、所述第二偏振反射膜、所述第二相位延迟膜、所述增透光学膜和所述全反射膜的厚度小于0.2mm。

7.根据权利要求4所述的可满足双目观看的光学显示系统，其特征在于：所述第一光学基片、所述第二光学基片和所述第三光学基片采用塑料或玻璃制成，所用材料的折射率为N，其满足1.3＜N＜1.8，色散系数为V，其满足20＜V＜70。

8.根据权利要求1-3中任意一项所述的可满足双目观看的光学显示系统，其特征在于：所述第一光学镜片的光轴与所述第二光学镜片的光轴形成的锐角为α，其满足30°≤α≤60°。

9.根据权利要求1-3中任意一项所述的可满足双目观看的光学显示系统，其特征在于：该光学显示系统形成的虚像到双目的距离为L5，其满足100mm≤L5≤10000mm。

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