CN114942522A - 一种光学系统和近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学系统和近眼显示设备，包括沿第一方向依次设置的显示单元、第一透镜组和光源；光源发射的用于照明的第一光线经第一透镜组准直匀光后照射至显示单元，使显示单元反射出带有图像信息的第二光线，第二光线经第一透镜组聚焦后、于光源所在的平面处初步成像并出射。在该光学系统中，通过利用第一透镜组实现对第一光线准直匀光、以及对第二光线聚焦成像，使光学系统的照明部分与成像部分可共用第一透镜组的组件，从而降低光学系统的结构复杂程度，减小光学系统的整体体积和重量，后续应用于近眼显示设备时，可减小近眼显示设备光机尺寸和整体体积。

Description

一种光学系统和近眼显示设备

技术领域

本发明实施例涉及光学技术领域，特别涉及一种光学系统和近眼显示设备。

背景技术

近眼显示设备，也称为头盔显示器，它最初起源于空军领域，主要是解决驾驶员面对飞机上日益增多的精密仪器及武器系统所收集的大量信息的困扰，利用近眼显示产品可以将各仪器仪表的所有的信息全部呈现在驾驶员前面的视场内,使驾驶员集中精力操作飞机和进行瞄准。随着人们对于近眼显示产品的学习和认识，近眼显示产品的应用领域也不断扩展。在民用方面主要是结合相关的虚拟技术，应用于教育与训练；商业产品的展览与推销；医学的模拟训练等。

然而，现有的近眼显示设备采用的光机通常包括像源部分、照明部分、成像部分以及作为转折元件的偏振分光棱镜，照明部分的各组件和成像部分的各组件之间相互独立设置，且照明部分和成像部分设置不同的方向上，这样的光机需要的组件多且结构复杂，会导致光机的体积和重量较大且加工困难；从而导致光机所在的近眼显示设备的体积和重量较大、结构复杂且加工困难。

发明内容

本发明实施例主要提供一种光学系统和近眼显示设备，能降低光学系统的整体体积。

第一方面，本发明实施方式采用的一个技术方案是提供一种光学系统，包括：沿第一方向依次设置的显示单元、第一透镜组和光源；所述光源发射的用于照明的第一光线经所述第一透镜组准直匀光后照射至所述显示单元，使所述显示单元反射出带有图像信息的第二光线，所述第二光线经所述第一透镜组聚焦后、于所述光源所在的平面处初步成像并出射。

在一些实施例中，沿所述第一方向对所述光学系统进行投影时，在投影面上，所述显示单元的中心与所述光源的中心互不重叠，以使所述初步成像的中心位置偏离于所述第一透镜组的中心轴。

在一些实施例中，所述第一透镜组包括球面透镜、非球面透镜、自由曲面透镜和全息透镜中的至少一种。

在一些实施例中，所述第一透镜组包括沿所述第一方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；所述第一透镜为第一弯月透镜，所述第一弯月透镜的凸面靠近所述显示单元，所述第一弯月透镜的凹面靠近所述光源；所述第二透镜为双凹透镜；所述第三透镜为第二弯月透镜，所述第二弯月透镜的凹面靠近所述显示单元，所述第二弯月透镜的凸面靠近所述光源；所述第四透镜为双凸透镜。

在一些实施例中，所述光学系统还包括第二透镜组；所述第二透镜组沿所述第一方向设于所述光源的远离所述第一透镜组的一侧；其中，初步成像后的所述第二光线经所述第二透镜组校正位置和方向后出射。

在一些实施例中，所述第二透镜组包括球面透镜、非球面透镜、自由曲面透镜和全息透镜中的至少一种。

在一些实施例中，所述第二透镜组包括第五透镜和第六透镜；所述第五透镜为平凹透镜，所述第五透镜的平面靠近所述第一透镜组，所述第五透镜的凹面远离所述第一透镜组；所述第六透镜为第三弯月透镜，所述第三弯月透镜的凹面靠近所述第五透镜，所述第三弯月透镜的凸面远离所述第五透镜。

在一些实施例中，所述光源包括LED光源，所述显示单元包括LCoS。

第二方面，本发明实施例还提供一种近眼显示设备，所述近眼显示设备包括至少一层光波导、以及如第一方面任意一项所述的光学系统；各所述光波导沿所述第一方向依次设于所述光学系统的出光侧；所述光学系统出射的所述第二光线经各所述光波导出射至人眼成像。

在一些实施例中，所述近眼显示设备还包括二向色镜；所述二向色镜设于各所述光波导与所述光学系统之间；所述光学系统出射的所述第二光线经所述二向色镜分离成若干个不同波段的成像光线，各波段的所述成像光线分别经对应的所述光波导出射至人眼成像。

本发明实施方式的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例提供一种光学系统和近眼显示设备，包括：沿第一方向依次设置的显示单元、第一透镜组和光源；其中，光源发射的用于照明的第一光线经第一透镜组准直匀光后照射至显示单元，使显示单元反射出带有图像信息的第二光线，第二光线经第一透镜组聚焦后、于光源所在的平面处初步成像并出射。在该光学系统中，通过利用第一透镜组实现对第一光线准直匀光、以及对第二光线聚焦成像，使光学系统的照明部分(包括光源和第一透镜组)与成像部分(包括第一透镜组)可共用第一透镜组的组件，从而降低光学系统的结构复杂程度，减小光学系统的整体体积和重量；另外，光源、第一透镜组及显示单元设置同一方向上、排列有序，减小了光学系统的横向尺寸，从而使得光学系统用于近眼设备时便于后续设计、以及进一步减小近眼显示设备的体积。

附图说明

一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本发明实施例提供的一种光学系统的结构示意图；

图2是图1的光路示意图；

图3是本发明实施例提供的一种光学系统的部分光路示意图；

图4是本发明实施例提供的一种光学系统沿第一方向上的投影示意图；

图5是本发明实施例提供的另一种光学系统的结构示意图；

图6是图5的光路示意图；

图7是本发明实施例提供的一种近眼显示设备的结构示意图；

图8是图7的光路示意图。

附图标记说明：10-显示单元，20-第一透镜组，30-光源，40-第二透镜组，21-第一透镜，22-第二透镜，23-第三透镜，24-第四透镜，41-第五透镜，42-第六透镜，50-二向色镜，L1-第一光线，L2-第二光线，S-第二光线经第一透镜组所成的像，61-第一光波导，611-第一光波导的耦入区域，62-第二光波导，621-第二光波导的耦入区域，63-第三光波导，631-第三光波导的耦入区域，X-第一方向。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

为了便于理解本申请，下面结合附图和具体实施例，对本申请进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本申请。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分。此外，本文所采用的“第一”、“第二”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。

第一方面，本发明实施例提供一种光学系统，请参阅图1，该光学系统包括沿第一方向X依次设置的显示单元10、第一透镜组20和光源30。

其中，请参阅图2，所述光源30发射的用于照明的第一光线L1经所述第一透镜20组准直匀光后照射至所述显示单元10，使所述显示单元10反射出带有图像信息的第二光线L2，所述第二光线L2经所述第一透镜组20聚焦后、于所述光源30所在的平面处初步成像并出射。也即：光源30用于发出用于照明的第一光线L1至第一透镜组20的第一侧；第一透镜组20用于通过第一透镜组20的第一侧接收第一光线L1，并通过第一透镜组20的第二侧透射第一光线L1至显示单元10。显示单元10用于接收经第一透镜组20透射的第一光线L1，并产生带有图像信息的第二光线L2，以及将第二光线L2输出至第一透镜组20的第二侧；第一透镜组20还用于通过第一透镜组20的第二侧接收第二光线L2，并通过第一透镜组20的第一侧透射第二光线L2。在图2中，带有箭头的实线为第一光线L1，带有箭头的虚线为第二光线L2，第一方向X为竖直向上的方向。实际应用中，第一方向X的具体方向可根据实际需要进行设置，在此不做限定。

具体的，光源30的第一侧可用于产生照明的第一光线L1，且光源30的第一侧设于第一透镜组20的第一侧。第一光线L1可具有偏振特性，如可为S偏振光或P偏振光。光源30可以包括LED光源，具体的，LED光源可以是三色集成光源，如可以是RGB三色集成光源。

显示单元10通常为反射式显示单元，其需要接收照明光线才可以发出带有图像信息的第二光线L2。具体的，显示单元10可以是硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon,LCoS)，其接收到具有偏振特性的光线后可产生带有图像信息的第二光线。

第一透镜组20由至少两个透镜构成，各透镜可以是树脂材质的透镜、或者是玻璃材质的透镜、又或者是树脂和玻璃组合材质的透镜。关于第一透镜组20中的透镜数量和材质在此不做限定，仅需要保证第一透镜组20能将光源30产生的第一光线L1准直匀光后照射至显示单元10上、以及将显示单元10产生的第二光线L2进行整形成像即可。

由于光线可逆，在光学系统中如果切换像面与物面的位置，光学系统可以正常工作。那么，在该光学系统中，如图3所示，显示单元10产生第二光线L2经过第一透镜组20聚焦成像后，像S所在的平面将处于光源30所在的平面。可见，在光学系统中，一方面可利用第一透镜组20对光源30产生的第一光线L1进行准直匀光，另一方面可利用第一透镜组20对现实单元产生的第二光线L2进行聚集成像。

可见，在该光学系统中，通过利用第一透镜组20实现对第一光线L1准直匀光、以及对第二光线L2整形成像，使光源30与显示单元10共用第一透镜组20，可以降低光学系统的复杂程度，方便结构设计，并且可以有效减少光学元件的数目，从而有效地减小光学系统的体积和重量，应用于近眼显示设备中，也降低了近眼显示设备的体积和重量，适配于小型化设计。同时，在该光学系统中，通过第一透镜组对第一光线进行准直匀光，相比于使用扩散片等准直匀光器件，可提高光线的能量利用率。

前述提到，第二光线L2经过第一透镜组20成像后像S所在的平面将处于光源30所在的平面，为了减小光源30对第二光线L2的遮挡面积，在其中一些实施例中，请结合参阅图1和图4，在沿第一方向X上，对光学系统进行投影时，在投影面上，显示单元10的中心与光源30的中心互不重叠，使所述初步成像的中心位置偏离于所述第一透镜组20的中心轴，从而可以减少所述光源10对聚焦后的所述第二光线L2的遮挡，提高聚焦后的所述第二光线L2出射的光效。具体的，请结合图4，在沿第一方向上，对光学系统进行投影时，在投影面上，显示单元10的中心与第一透镜组20的中心相互重叠，显示单元10与光源30互不重叠。通过将光源30的位置偏离显示单元10的中心设置，可以减小光源30对第二光线L2的遮挡面积，从而可以提高成像效果。

在其中一些实施例中，第一透镜组20可以包括球面透镜、非球面透镜、自由曲面透镜和全息透镜中的至少一种。具体的，请再次参阅图1，第一透镜组20包括沿第一方向X依次设置的第一透镜21、第一透镜22、第三透镜23和第四透镜24；第一透镜21为第一弯月透镜，第一弯月透镜的凸面靠近显示单元10，第一弯月透镜的凹面靠近光源30；第一透镜22为双凹透镜；第三透镜23为第二弯月透镜，第二弯月透镜的凹面靠近显示单元10，第二弯月透镜的凸面靠近光源30；第四透镜24为双凸透镜。

通过设置上述透镜，可在实际应用中利用光学设计软件对各透镜的表面曲率、厚度、焦距等参数进行设计，关于具体参数在此不做限定，只需要保证第一透镜组20能将光源30产生的第一光线L1准直匀光后照射至显示单元10上、以及将显示单元10产生的第二光线L2进行整形成像即可。

在其中一些实施例中，请结合参阅图5和图6，光学系统还包括第二透镜组40；第二透镜组40设于第一透镜组20的第一侧；第二透镜组40用于通过第二透镜组40的第一侧接收经第一透镜组20第一侧透射的第二光线L2，并对第二光线L2进行整形后、通过第二透镜组40的第二侧透射第二光线L2。为便于后续成像，具体的，第二透镜组40还设于光源30的第二侧；也即：所述第二透镜组40沿所述第一方向X设于所述光源30的远离所述第一透镜组20的一侧；其中，初步成像后的所述第二光线L2经所述第二透镜组40校正位置和方向后出射。

可以理解的是，在未设置第二透镜组40时，当显示单元10中心与第一透镜组20中心重叠、且光源30的中心与显示单元10中心不重叠时，请参阅图3，显示单元10产生的第二光线L2经过第一透镜组20后成像中心将与显示单元10和第一透镜组20共用的中心存在一定的位置偏离。而在本实施例中，通过在第一透镜组20的第一侧设置第二透镜组40，可对第二光线L2的成像位置和传播方向进行校正，使输出的第二光线L2的中心与显示单元10和第一透镜组20共用的中心一致，且第二光线L2为平行光。

在其中一些实施例中，第二透镜组40包括球面透镜、非球面透镜、自由曲面透镜和全息透镜中的至少一种。具体的，请再次参阅图5，第二透镜组40包括第五透镜41和第六透镜42；第五透镜41为平凹透镜，第五透镜41的平面靠近第一透镜组20，第五透镜41的凹面远离第一透镜组20；第六透镜42为第三弯月透镜，第三弯月透镜的凹面靠近第五透镜41，第三弯月透镜的凸面远离第五透镜41。

通过设置上述透镜，可在实际应用中利用光学设计软件对各透镜的表面曲率、厚度、焦距等参数进行设计，关于具体参数在此不做限定，只需要保证第二透镜组40能通过第一侧接收经第一透镜组20第二侧出射的第二光线L2，并对该第二光线L2的成像位置和传播方向进行校正后，通过第二透镜组40的第二侧输出第二光线L2，且第二光线L2为平行光即可。

下面结合图5所示的实施例详细阐述本发明实施例提供的光学系统的具体工作过程。其中，在该实施例中，在沿第一方向X对光学系统进行投影后，在投影面上，显示单元10的中心、第一透镜组20的中心与第二透镜组40的中心互相重叠，显示单元10与光源30不重叠。

在该光学系统中，光源30发出具有偏振特性的第一光线L1至第一透镜组20，第一透镜组20对第一光线L1进行准直匀光后输出至显示单元10；显示单元10被第一光线L1均匀照亮后，显示单元10反射出第二光线L2至第一透镜组20，由于光线可逆，请参阅图6，第二光线L2经过第一透镜组20后，将在光源30所在平面出聚焦，但在沿第一方向X上进行投影时，聚焦成像的中心与显示单元10的中心不重叠，接着，第二光线L2经过第二透镜组40进行校正成像后，最终该第二光线L2经过该第二透镜组40后，变成平行光，且在沿第一方向X进行投影时，第二光线L2中心与显示单元10的中心重叠。

在该光学系统中，通过利用第一透镜组20实现对第一光线L1准直匀光、以及对第二光线L2整形成像，使光源30与显示单元10共用第一透镜组20，可以降低光学系统的复杂程度，方便结构设计，有效减少光学元件的数目，从而有效地减小光学系统的体积和重量，应用于近眼显示设备中，也降低了近眼显示设备的体积和重量，适配于小型化设计。

第二方面，本发明实施例还提供一种近眼显示设备，该近眼显示设备包括至少一层光波导、以及如第一方面任意一项所述的光学系统；各光波导沿第一方向依次设于光学系统的出光侧，光学系统出射的第二光线经各光波导出射至人眼成像。

其中，当光学系统未设置第二透镜组时，光学系统的出光侧为第一透镜组的第一侧、且为光源的第二侧，当光学系统设置第二透镜组时，光学系统的出光侧为第二透镜组的第二侧。在此实施例中，光学系统与上述任一实施例中的光学系统具有相同的结构和功能，在此不再一一赘述。

在其中一些实施例中，光波导可以为几何阵列光波导、衍射光波导中的一种。在一些实施例中，光波导为几何阵列光波导，其包括入射棱镜，入射棱镜设于光学系统的出光方向上，此时，光学系统出射的第二光线能通过入射棱镜耦入到几何阵列光波导中，最后经过几何阵列光波导内部的选择性透过反射膜反射至人眼。或者，在另一些实施例中，光波导为衍射光波导，其包括耦入光栅和耦出光栅，耦入光栅设于光学系统的出光方向上，可将光学系统出射的第二光线耦入至光波导中，并经过耦出光栅的扩展和耦出，最终能在耦出光栅的工作区域内耦出至人眼。

在其中一些实施例中，近眼显示设备还包括二向色镜；二向色镜设于各光波导与光学系统之间；光学系统出射的第二光线经二向色镜分离成若干个不同波段的成像光线，各波段的成像光线分别经对应的光波导出射至人眼成像。当光波导为对应某一波长的光线衍射的衍射光波导时，可以通过设置二向色镜使入射至衍射光波导的第二光线满足衍射光波导对应的波长。

具体的，请参阅图7，所述光波导包括沿第一方向X依次设置的第一光波导61、第二光波导62、第三光波导63；其中，二向色镜50设于第一光波导61和第六透镜42之间。

具体的，第一方向X为各光波导所在平面的法线方向，沿第一方向X对各光波导进行投影，在投影面上，各光波导的耦入区域互不重叠，各光波导的耦出区域互相重叠。第一光波导61、第二光波导62和第三光波导63均为衍射光波导，其中，第一光波导61对应衍射红色，第二光波导62对应衍射绿色，第三光波导63对应衍射蓝色。且在二向色镜50上，在对应第一光波导61的耦入区域611的第一区域上透射红光的透射率最高、在对应第二光波导62的耦入区域621的第二区域上绿光的透射率最高、在对应第三光波导63的耦入区域631的第三区域上透射蓝光的透射率最高。

当光源30采用RGB三色集成光源时，最终第二光线L2也是红绿蓝三色混合，这样，请参阅图8，当第二光线L2经过二向色镜50后，红光可透过第一区域进入第一光波导61、绿光可透过第二区域进入第二光波导62、蓝光可透过第三区域进入第三光波导63，可见，通过设置二向色镜50，可让不同波段的光线进入对应的光波导内部，并在光波导内遵循衍射定理及折反射定理传播，最终被耦出区域耦出至人眼。

在该光学系统中，通过设置第一光波导61、第二光波导62和第三光波导63分别对红光、绿光和蓝光进行衍射，可实现全彩显示。实际应用中，光波导的具体设置、二向色镜50的具体设置和数量可根据实际需要进行设置，在此不做限定。

需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述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)

1.一种光学系统，其特征在于，包括：沿第一方向依次设置的显示单元、第一透镜组和光源；

所述光源发射的用于照明的第一光线经所述第一透镜组准直匀光后照射至所述显示单元，使所述显示单元反射出带有图像信息的第二光线，

所述第二光线经所述第一透镜组聚焦后、于所述光源所在的平面处初步成像并出射。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，沿所述第一方向对所述光学系统进行投影时，在投影面上，所述显示单元的中心与所述光源的中心互不重叠，以使所述初步成像的中心位置偏离于所述第一透镜组的中心轴。

3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜组包括球面透镜、非球面透镜、自由曲面透镜和全息透镜中的至少一种。

4.根据权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜组包括沿所述第一方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；

所述第一透镜为第一弯月透镜，所述第一弯月透镜的凸面靠近所述显示单元，所述第一弯月透镜的凹面靠近所述光源；

所述第二透镜为双凹透镜；

所述第三透镜为第二弯月透镜，所述第二弯月透镜的凹面靠近所述显示单元，所述第二弯月透镜的凸面靠近所述光源；

所述第四透镜为双凸透镜。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括第二透镜组；

所述第二透镜组沿所述第一方向设于所述光源的远离所述第一透镜组的一侧；

其中，初步成像后的所述第二光线经所述第二透镜组校正位置和方向后出射。

6.根据权利要求5所述的光学系统，其特征在于，所述第二透镜组包括球面透镜、非球面透镜、自由曲面透镜和全息透镜中的至少一种。

7.根据权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述第二透镜组包括第五透镜和第六透镜；

所述第五透镜为平凹透镜，所述第五透镜的平面靠近所述第一透镜组，所述第五透镜的凹面远离所述第一透镜组；

所述第六透镜为第三弯月透镜，所述第三弯月透镜的凹面靠近所述第五透镜，所述第三弯月透镜的凸面远离所述第五透镜。

8.根据权利要求1-4任意一项所述的光学系统，其特征在于，所述光源包括LED光源，所述显示单元包括LCoS。

9.一种近眼显示设备，其特征在于，所述近眼显示设备包括至少一层光波导、以及如权利要求1-8任意一项所述的光学系统；

各所述光波导沿所述第一方向依次设于所述光学系统的出光侧；

所述光学系统出射的所述第二光线经各所述光波导出射至人眼成像。

10.根据权利要求9所述的近眼显示设备，其特征在于，所述近眼显示设备还包括二向色镜；

所述二向色镜设于各所述光波导与所述光学系统之间；

所述光学系统出射的所述第二光线经所述二向色镜分离成若干个不同波段的成像光线，各波段的所述成像光线分别经对应的所述光波导出射至人眼成像。

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