CN116165804B - 一种光学显示设备及ar显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学器件领域，公开了一种光学显示设备及AR显示设备，该光学显示设备包括：图像源、第一三棱镜、第二三棱镜、第一透镜；其中，图像源设置在第一三棱镜的第一表面的一侧，第一透镜贴合第一三棱镜的第二表面设置；第二三棱镜的第一表面贴合第一三棱镜的第三表面设置；第一三棱镜的第一表面靠近佩戴者人眼的一侧；第一透镜背离第一三棱镜一侧的表面上设置有第一半透半反射膜。本申请中所提供的光学显示设备结构简单，且整体显示设备尺寸相对较小，在一定程度上实现了光学显示设备的轻量化，有利于设备的广泛应用。

Description

一种光学显示设备及AR显示设备

技术领域

本发明涉及光学器件领域，特别是涉及一种光学显示设备以及一种AR显示设备。

背景技术

AR显示技术，即虚拟现实显示技术，是通过光学元件实现虚拟和显示图像的叠加显示。目前实现AR显示技术的光学设备大体上可划分为两种不同的类型，一类是通过投影光机将投影光线投射到光波导中并在光波导中全反射传导后输出至人眼，与此同时，环境中的光线也可以通过光波导投射至人眼，从而实现虚拟和现实画面叠加显示；另一类是通过几何光学元件将投影光线传导至人眼，同时环境光线同样可以通过几何光学元件投射入射至人眼，从而实现虚拟现实叠加显示。

在利用几何光学元件实现AR显示技术得显示设备中，如何实现设备结构的轻量化是业内热门研究方向之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学显示设备以及一种AR显示设备，结构简单，在一定程度上实现了整体结构的轻量化。

为解决上述技术问题，本发明提供一种光学显示设备，包括：图像源、第一三棱镜、第二三棱镜以及第一透镜；

其中，所述图像源设置在所述第一三棱镜的第一表面的一侧，所述第一透镜贴合所述第一三棱镜的第二表面设置；所述第二三棱镜的第一表面贴合所述第一三棱镜的第三表面设置；所述第一三棱镜的第一表面和第三表面均位于所述第二三棱镜靠近佩戴者人眼的一侧，且所述第一三棱镜的第二表面位于所述第二三棱镜背离佩戴者人眼的一侧；所述第一透镜背离所述第一三棱镜一侧的表面上设置有第一半透半反射膜；

所述第一三棱镜的第二表面和第三表面的夹角a满足15°＜a＜35°；所述第二三棱镜地第一表面和第二表面的夹角b满足15°＜b ＜25 °；且a-b≤10°，所述第二三棱镜的第二表面为输出投影光线一侧的表面；

所述图像源输出的投影光线通过所述第一三棱镜的第一表面入射到所述第一三棱镜内，并依次经过所述第一三棱镜的第二表面的全反射、所述第一三棱镜的第三表面的反射、经所述第一三棱镜的第二表面透射入射至所述第一透镜、并经过所述第一半透半反射膜反射后，依次经过所述第一三棱镜的第二表面和第三表面以及所述第二三棱镜透射输出入射至人眼。

可选地，所述第一三棱镜的第三表面设置有起偏膜；所述第一透镜和所述起偏膜之间设置有1/4波片；

或，所述第一三棱镜的第三表面设置有第二半透半反射膜。

可选地，所述第一三棱镜和所述第二三棱镜均为折射率为1.45~1.75，阿贝数为18.0~60.0的棱镜；

所述第一透镜的焦距f1满足10mm≤f1≤25mm，折射率为1.45~1.90，阿贝数为35.0~85.0，第一表面的曲率半径R11满足R11≥100mm或R11≤-100mm，第二表面的曲率半径R12满足40mm≤R12≤80mm；其中，所述第一透镜的第一表面为靠近所述第一三棱镜一侧的表面；所述第一透镜的第二表面为背离所述第一三棱镜一侧的表面；

所述第一透镜的第一表面和所述第一三棱镜的第二表面之间的间隙为0.01mm~1.0mm。

可选地，所述图像源和所述第一三棱镜的第一表面之间还设置有第二透镜。

可选地，所述第二透镜的焦距f2满足f2≥50mm或f2≤-50mm，折射率为1.45~1.90，阿贝数为35.0~85.0，第一表面的曲率半径R21和第二表面的曲率半径R22满足|R21-R22|>50mm；其中，所述第二透镜的第一表面为背离所述第一三棱镜体一侧的表面；所述第二透镜的第二表面为靠近所述第一三棱镜一侧的表面；

所述第二透镜的第一表面和所述第一三棱镜的第一表面之间的间隙为0.05mm~3.0mm。

可选地，所述第二三棱镜的第二表面的一侧还设置有第三透镜；其中，所述第二三棱镜的第二表面为投影光线从所述第二三棱镜透射输出的表面。

可选地，所述第三透镜的焦距f3满足f3≥50mm或f3≤-50mm，折射率为1.45~1.90，阿贝数为35.0~85.0，第一表面的曲率半径R31满足R31≥100mm或R31≤-100mm，第二表面的曲率半径R32满足R32≥100mm或R32≤-100mm；其中，所述第三透镜的第一表面为靠近所述第二三棱镜体一侧的表面；所述第三透镜的第二表面为背离所述第二三棱镜体一侧的表面。

一种AR显示设备，包括如上任一项所述的光学显示设备。

本发明所提供的一种光学显示设备及一种AR显示设备，该光学显示设备包括：图像源、第一三棱镜、第二三棱镜以及第一透镜；其中，图像源设置在第一三棱镜的第一表面的一侧，第一透镜贴合第一三棱镜的第二表面设置；第二三棱镜的第一表面贴合第一三棱镜的第三表面设置；第一三棱镜的第一表面和第三表面均位于第二三棱镜靠近佩戴者人眼的一侧，且第一三棱镜的第二表面位于第二三棱镜背离佩戴者人眼的一侧；第一透镜背离第一三棱镜一侧的表面上设置有第一半透半反射膜；第一三棱镜的第二表面和第三表面的夹角a满足15°＜a＜35°；第二三棱镜地第一表面和第二表面的夹角b满足15°＜b ＜25 °；且a-b≤10°，第二三棱镜的第二表面为输出投影光线一侧的表面；图像源输出的投影光线通过第一三棱镜的第一表面入射到第一三棱镜内，并依次经过第一三棱镜的第二表面的全反射、第一三棱镜的第三表面的反射、经第一三棱镜的第二表面透射入射至第一透镜、并经过第一半透半反射膜反射后，依次经过第一三棱镜的第二表面和第三表面以及第二三棱镜透射输出入射至人眼。

本申请中所提供的光学显示设备中，通过第一三棱镜和第一透镜之间的相互配合，即可实现图像源输出的投影光线在第一三棱镜内反复反射，进而使得投影光线的传输光路可以在第一三棱镜内反复折叠，为投影光线提供足够大的传输光程；且投影光线在第一三棱镜内仅需要进行两次反射，在保证投影光线足够的光程的基础上，避免反射次数过多大导致第一三棱镜尺寸过大的问题，有利于整个显示设备结构的轻量化。此外，因为第一三棱镜的第一表面靠近佩戴者人眼的一侧，而图像源是向第一三棱镜的第一表面输出投影光线；因此使得图像源位于第一三棱镜靠近佩戴者头部一侧，方便图像源的安装，简化图像源的安装结构。本申请中所提供的光学显示设备结构简单，且整体显示设备尺寸相对较小，在一定程度上实现了光学显示设备的轻量化，有利于设备的广泛应用。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，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获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种光学显示设备的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的另一光学显示设备的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的又一光学显示设备的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的再一光学显示设备的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做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。

如图1至图4所示，图1为本申请实施例提供的一种光学显示设备的结构示意图；图2为本申请实施例提供的另一光学显示设备的结构示意图；图3为本申请实施例提供的又一光学显示设备的结构示意图；图4为本申请实施例提供的再一光学显示设备的结构示意图。

在本申请的一种具体实施例中，该光学显示设备可以包括：

图像源1、第一三棱镜2、第二三棱镜3、第一透镜4；

其中，图像源1设置在第一三棱镜2的第一表面201的一侧，第一透镜4贴合第一三棱镜2的第二表面202设置；第二三棱镜的第一表面贴合第一三棱镜2的第三表面203设置；第一三棱镜2的第一表面201和第三表面203均位于第二三棱镜3靠近佩戴者人眼的一侧，且第一三棱镜2的第二表面202位于第二三棱镜3背离佩戴者人眼的一侧；第一透镜4背离第一三棱镜2一侧的表面上设置有第一半透半反射膜；

第一三棱镜2的第二表面201和第三表面203的夹角a满足15°＜a＜35°；第二三棱镜3地第一表面301和第二表面302的夹角b满足15°＜b ＜25 °；且a-b≤10°，第二三棱镜3的第二表面302为输出投影光线一侧的表面；

图像源1输出的投影光线通过第一三棱镜2的第一表面201入射到第一三棱镜2内，并依次经过第一三棱镜2的第二表面202的全反射、第一三棱镜2的第三表面203的反射、经第一三棱镜2的第二表面202透射入射至第一透镜4、并经过第一半透半反射膜反射后，依次经过第一三棱镜2的第二表面202和第三表面203以及第二三棱镜3透射输出入射至人眼。

参照图1，在图1所示的实施例中，图像源1输出的投影光线先经过第一三棱镜2的第一表面201入射到第一三棱镜2内之后，在第一三棱镜2的第二表面202发生全反射之后，入射至第一三棱镜2的第三表面203，因在第一三棱镜2的第三表面203上设置有起偏膜，所以该起偏膜对投影光线进行部分反射，反射输出的投影光线为偏振光线，该偏振光线再次向第一三棱镜2的第二表面202的一侧传输，并经过第一三棱镜2的第二表面202透射输出第一次经过1/4波片5之后，经过第一透镜4的第一表面401入射至第一透镜4内，并经过第一透镜4的第二表面402上的半透半反射膜反射，使得偏振光线第二次经过第一透镜4的第一表面401和1/4波片5入射至第一三棱镜2，因为偏振光线两次经过1/4波片5，因此，偏振方向发生变化，当偏振光线再次入射至第一三棱镜2上设置有起偏膜的第三表面203时，即可直接透射，由此偏振光线即可依次经过第一三棱镜2的第二表面202和第三表面203透射之后入射至第二三棱镜3，并经过第二三棱镜3透射后输出至光阑100，该光阑100即为人眼所在位置，也即是说经过第二三棱镜透3射输出的光线即可入射至人眼。

被起偏膜反射至第一半透半反射膜的光线，再次被反射至起偏膜时，需要能够透射起偏膜，所以需要在起偏膜和第一半透半反射膜之间设置能够转变光的偏振态的器件；光线两次经过该器件，偏振态发生改变，从能够被起偏膜反射改变成能够透射起偏膜，本实施例中选用1/4波片5实现该作用，按照上述原理，1/4波片5需设置在起偏膜和第一半透半反射膜之间，实际使用时，1/4波片5可贴附在起偏膜或第一半透半反射膜上，再或者设置在第一透镜4和第一三棱镜2之间或者两者邻近的其中一个表面上。

在图1所示的实施例中，为了使得投影光线在第一次入射至第一三棱镜2的第三表面时，能够发生部分透射部分反射，在第一三棱镜2的第三表面203设置起偏膜，并在起偏膜和第一半透半反射膜之间设置1/4波片5。但在实际应用中，也并不必然在第一三棱镜2的第三表面203设置起偏膜，以及在起偏膜和第一半透半反射膜之间设置1/4波片5。在本申请的另一可选地实施例中，还可以在第一三棱镜2的第三表面203设置第二半透半反射膜。此时无需设置1/4波片5，也能够使得投影光线在经过第一三棱镜2的第三表面203时产生部分反射和部分透射。

并且，对于第一三棱镜2的第三表面203本身而言，对于入射的光线就具有部分反射部分透射的功能，至于反射和透射的比例，则视入射的光线的角度而定；由此，在实际应用中，也可以考虑在第一三棱镜2的第三表面203既不设置起偏膜也不设置第二半透半反射膜。

参照图1所示的实施例可知，因为本实施例中第一三棱镜2的第一表面201和第三表面203均位于第二三棱镜3靠近佩戴者人眼的一侧，且第一三棱镜2的第二表面202位于第二三棱镜3背离佩戴者人眼的一侧，而图像源1是向第一三棱镜2的第一表面201输出投影光线的，由此，使得图像源1也同样位于第一三棱镜2靠近人眼的一侧，相对于图像源1位于第一三棱镜2背离人眼的一侧而言，本实施例中的图像源1更便于安装，有利于降低图像源1安装结构的复杂性。

此外，在本实施例中，投影光线入射到第一三棱镜2之后，仅仅只进行了两次反射，在保证投影光线足够的光程的基础上，避免投影光线过多次数的反射，进而导致的第一三棱镜2体积过大的问题。并且，因为本申请中的投影光线仅仅只在第一三棱镜2中进行了两次反射，相对而言，投影光线在第一三棱镜2中传输的发散程度不至于过大，由此，即本实施例可以选择能够输出更大面积投影光线的图像源1，也即是说可以输出更大面积的图像的投影光线，从而使得依次经过第一三棱镜2、第二三棱镜3以及第一透镜4等光学元件传导后输出的投影光线所形成的成像画面足够的大，并且确保图像因为发散导致的畸变较小，进而确保成像画面的显示效果。由此，在实际应用中，可以设定图像源1输出投影光线的发光面面积不小于某一设定面积大小。

并且，第一三棱镜2和第二三棱镜3的结构形状直接影响到整个光学显示设备所占的空间体积和成像效果等。

对于第一三棱镜2而言，第一三棱镜2的第二表面201和第三表面203的夹角a过大或者过小，都不能满足投影光线在第一三棱镜2内两次反射后，再射出的要求。如果夹角a太小，图像源1输出的投影光线会在第一三棱镜2内来回多次反射，或无法满足图像源1输出的投影光线在第一三棱镜2的第二表面201上进行全反射的要求，如果夹角a太大，图像源1输出的投影光线则只能在第一三棱镜2内反射一次便射出第一三棱镜2，无法满足两次反射的要求。为此，本实施例中的第一三棱镜2的夹角a在（15°，35°）这一角度区间范围内，能够在保证图像源1输出的投影光线在第一三棱镜2内实现两次反射的要求。

对于第二三棱镜3而言，其主要作用是弥补图像源1上不同发光位置输出的投影光线分别在第一三棱镜1内反复反射后产生的光程差；对于第二三棱镜3地第一表面301和第二表面302的夹角b如果过小，则无法达到弥补光程差的目的，如果夹角b过大，会导致光程差弥补过度，额外造成反向的光程差，导致较大的画面畸变，影响实际成像质量。为此，本实施例中为了保证对投影光线的弥补效果，且保证投影光线的成像质量，设置夹角b满足15°＜b ＜25 °，且a-b≤10°。

对于本实施例中的第一透镜4，一方面可以对投影光线起到反射作用，另一方面可以对投影光线起到校正像差的作用。

另外，根据图1至图4所示的实施例可知，对于图像源1上不同位置输出的投影光线在经过第一三棱镜2的两个表面分别进行反射之后的光程是存在区别，由此本实施例中进一步地将第一三棱镜2的第三表面203的一侧贴合设置第二三棱镜3，以调整不同位置输出的光程，使得各个部分的投影光线的光程基本相同，进而减小图像畸变，保证投影画面的显示效果。

在图1至图4所示的实施例中，均是以第一三棱镜2的第一表面201、第二表面202以及第三表面203为平面、第二三棱镜3的第一表面301和第二表面302也为平面为例进行说明的；但在实际应用中，第一三棱镜2的第一表面201、第二表面201以及第三表面201并不必然为平面，而是可以采用具有校正像差功能的曲面表面；同理，对于第二三棱镜3的第一表面301和第二表面302同样可以是曲面表面，对此本申请中不再赘述。

此外，为了进一步地提升整个光学显示设备显示投影画面的显示效果，如图2所示，在本申请的另一可选地实施例中，还可以进一步地在图像源1和第一三棱镜2的第一表面201之间设置第二透镜6。通过该第二透镜6可以对投影光线起到进一步地的消除像差的作用。

当然，要消除投影光线的像差，也并不仅限于上述一种实现方式。如图3所示，在本申请的另一可选地实施例中，还可以进一步地在第二三棱镜3输出投影光线的一侧（第二三棱镜3的第二表面302一侧），即靠近人眼的一侧进一步地设置一个第三透镜7。

另外，如图4所示，在实际应用中还可以在图像源1和第一三棱镜2之间设置第二透镜6的基础上，进一步地在第二三棱镜3靠近人眼的一侧设置第三透镜7，也同样能够实现本申请中的技术方案。

基于上述论述，进一步地考虑到光学显示设备在实际被佩戴使用的过程中，佩戴者有可能存在近视的情况，而不同的佩戴者近视的程度可能有不同，为此，在本申请的另一可选地实施例中，还可以进一步地包括：

图像源1和第一三棱镜2的第一表面201之间的相对距离可调；且相对距离的变化量小于2.5mm。

通过改变图像源1和第一三棱镜2的第一表面201之间不同位置，可以改变投影光线的不同成像位置，进而适应不同近视度数的佩戴者佩戴使用；也即是说，本实施例中通过改变图像源1和第一三棱镜2的第一表面201之间的相对距离，可以改变整个光学显示设备的屈光度。

在实际应用中，若图像源1相对于第一三棱镜2的第一表面移动距离过大，图像源1靠近人眼一侧的边界相对于第二三棱镜3的第二表面302更加靠近人眼，而图像源1工作时，会产生较大的热量，靠近人眼会造成佩戴不适；并且因为图像源1移动距离过大，也就需要为图像源1的移动预留较大的可移动空间，造成光学显示设备整体体积较大，易造成佩戴不适；且会导致图像畸变、FOV缩减严重，移动到范围边界处时，可能导致显示画面边缘无法完整清晰，难以确保成像效果。图像源1相对于第一三棱镜2的第一表面的最大移动变化量可以等于2.5mm，也即是说移动变化量在0~2.5mm的范围内变化，即可满足整个光学显示设备的屈光度在0D-6D范围内调节，并在一定程度上降低图像畸变、FOV缩减，并提升图像显示效果。

对于在图像源1和第一三棱镜2的第一表面201之间设置有第二透镜6的实施例而言，同样可以通过移动图像源1相对于第一三棱镜2之间的距离，实现屈光度的变化，但也同样可以通过相对于第一三棱镜2移动第二透镜6或者是同步移动图像源1和第二透镜6来实现屈光度的变化，对此本实施例中不做限制。

而对于包含有第三透镜7的光学显示设备而言，也可以通过移动第三透镜7相对于第二三棱镜3的第二表面302之间的距离，实现整个光学显示设备屈光度的变化，对此，本实施例中不再详细赘述。

为了进一步介绍本申请的光学显示设备，下面对各个光学元件的具体结构参数进行说明。

在本申请的一种具体实施例中，还可以进一步地包括第一三棱镜2的第二表面202和第三表面203的夹角a满足15°＜a＜35°；第二三棱镜3地第一表面301和第二表面302的夹角b满足15°＜b ＜25 °；且a-b≤10°，第二三棱镜3的第二表面302为输出投影光线一侧的表面。

此外，第一三棱镜2和第二三棱镜3均可以为折射率为1.45~1.75，阿贝数为18.0~60.0的棱镜；

而对于第一透镜4可以为焦距f1满足10mm≤f1≤25mm，折射率为1.45~1.90，阿贝数为35.0~85.0，第一表面401的曲率半径R11满足R11≥100mm或R11≤-100mm，第二表面402的曲率半径R12满足40mm≤R12≤80mm的透镜；其中，第一透镜4的第一表面401为靠近第一三棱镜2一侧的表面；第一透镜4的第二表面402为背离第一三棱镜2一侧的表面；

并且，第一透镜4的第一表面401和第一三棱镜2的第二表面202之间的间隙为0.01mm~1.0mm。

如上所示，本申请的图像源1和第一三棱镜2的第一表面201之间还可以进一步地设置第二透镜6。对于第二透镜6具体可以为焦距f2满足f2≥50mm或f2≤-50mm，折射率为1.45~1.90，阿贝数为35.0~85.0，第一表面601的曲率半径R21和第二表面602的曲率半径R22满足|R21-R22|>50mm；其中，第二透镜6的第一表面601为背离第一三棱镜2体一侧的表面；第二透镜6的第二表面602为靠近第一三棱镜2一侧的表面；第二透镜6的第一表面601和第一三棱镜2的第一表面201之间的间隙为0.05mm~3.0mm。

对于在图像源1和第一三棱镜2的第一表面201之间设置有第二透镜6的实施例而言，同样可以通过移动图像源1相对于第一三棱镜2之间的距离，实现屈光度的变化；还可以通过相对于第一三棱镜2移动第二透镜6或者是同步移动图像源1和第二透镜6来实现屈光度的变化，对此本实施例中不做限制。

如前所述，第二透镜6也可以有矫正像差和分摊屈光的作用，第二透镜的加入能够使得成像素质更高，光学畸变更小。

在本实施例中，在保持第一三棱镜2、第二三棱镜3、第一透镜4等三个光学元件的位置保持固定不动的基础上，若不设置第二透镜6或第二透镜6的位置保持固定，要改变整个光学显示设备的屈光度，则只能通过移动图像源1来调节适配屈光度，而设置了可以移动的第二透镜6，则可以通过移动体积较小的图像源1和/或第二透镜6来调节适配屈光度。

当然，仅移动图像源1和第二透镜6中的一个，与图像源1和第二透镜6均发生移动，也会造成不同的效果。仅移动图像源1或第二透镜6，驱动结构上更加简单，只需要配置一个对应的驱动部件即可；但相应的，所带来的图像畸变和fov缩减会比较大，可能会造成图像边缘不能够完整清晰地显示。

而图像源1和第二透镜6均进行移动，对两者移动时的相对稳定性要求更高，对驱动部件的稳定性和准确度也要求更高；第二透镜6分摊了屈光，图像源1透射过第二透镜6的光线角度始终一致，能够减少移动过程中的图像畸变与FOV缩减，确保屈光度调节过程中，更高的成像质量。

对于本申请中在第二三棱镜3的第二表面302一侧设置第三透镜7的实施例中，该第三透镜7可以为焦距f3满足f3≥50mm或f3≤-50mm，折射率为1.45~1.90，阿贝数为35.0~85.0，第一表面701的曲率半径R31满足R31≥100mm或R31≤-100mm，第二表面701的曲率半径R32满足R32≥100mm或R32≤-100mm的透镜；其中，第三透镜7的第一表面701为靠近第二三棱镜3体一侧的表面；所述第三透镜7的第二表面702为背离所述第二三棱镜3体一侧的表面。

而对于包含有第三透镜7的光学显示设备而言，也可以通过移动第三透镜7相对于第二三棱镜3的第二表面302之间的距离，实现整个光学显示设备屈光度的变化。

在上述移动图像源1和/或第二透镜6的实施例中，都只能对图像源1的投影成像光线进行屈光度调节，人眼看到的外界环境光线并没有经过屈光度的调节。

而对于设置有第三透镜7的光学显示设备而言，不仅图像源1的投影成像光线会经过第三透镜7进入人眼，外界环境光线也需要经过第三透镜7进入人眼；为此，通过移动第三透镜7，既可以对进入人眼的投影光线进行屈光度调节，还能够对外界环境光线进行屈光度调节，使佩戴者能够同时看清外界环境画面和图像源1输出的投影光线所成的投影画面，更好地实现虚实融合，避免因为需要切换观看投影画面和外界环境画面带来的晶状体频繁调节，造成的用眼疲劳和不适感。

如表1所示，表1为对应于图1所示的实施例中，各个光学元件对应的一组参数。

表1：

光学元件	第一表面曲率半径	第二表面曲率半径	第三表面曲率半径	折射率	阿贝数
						第一三棱镜	Infinity	Infinity	-289.59	1.72	25.4
第二三棱镜	Infinity	Infinity	--	1.72	29.5
						第一透镜	356.13	-59.12	--	1.72	81.6

基于表1所形成的光学显示设备，各视场几何点扩散函数在50um左右，投影画面的最大畸变在14.0%左右，各个视场MTF在24lp/mm以内大于0.1，整个像面相对照度大于80%，光照均匀；由此可见，光学显示设备具有较好的成像质量。

如表2所示，表2为对应于图2所示的实施例中，各个光学元件对应的一组参数。

表2：

光学元件	第一表面曲率半径	第二表面曲率半径	第三表面曲率半径	折射率	阿贝数
						第一三棱镜	Infinity	Infinity	Infinity	1.72	29.5
第二三棱镜	Infinity	Infinity	--	1.72	29.5
						第一透镜	610.15	-51.73	--	1.50	81.6
第二透镜	-72.55	-20.31	--	1.52	58.7

基于表2所形成的光学显示设备，各视场几何点扩散函数小于50um；投影画面的最大畸变在9.5%左右，整体畸变较小；成像系统各个视场MTF在30lp/mm以内大于0.1；成像系统整个像面相对照度大于80%，光照均匀。

如表3所示：

光学元件	第一表面曲率半径	第二表面曲率半径	第三表面曲率半径	折射率	阿贝数
						第一三棱镜	Infinity	Infinity	Infinity	1.65	19.0
第二三棱镜	Infinity	Infinity	--	1.65	19.0
						第一透镜	-6501.77	-65.17	--	1.80	80.0
第三透镜	-193.18	-109.49	--	1.80	63.2

基于表3所形成的光学显示设备，各视场几何点扩散函数小于50um；投影画面的最大畸变在14.0%左右；成像系统各个视场MTF在30lp/mm以内大于0.1；成像系统整个像面相对照度大于80%，光照均匀。

综上所述，本申请中通过第一三棱镜和第一透镜之间的相互配合，使得投影光线的传输光路可以在第一三棱镜内反复折叠，为投影光线提供足够大的传输光程；且投影光线在第一三棱镜内仅需要进行两次反射，在保证投影光线足够的光程的基础上，避免反射次数过多大导致第一三棱镜尺寸过大的问题，有利于整个显示设备结构的轻量化。此外，因为第一三棱镜的第一表面靠近佩戴者人眼的一侧，而图像源是向第一三棱镜的第一表面输出投影光线；因此使得图像源位于第一三棱镜靠近佩戴者头部一侧，方便图像源的安装，简化图像源的安装结构。本申请中所提供的光学显示设备结构简单，且整体显示设备尺寸相对较小，有利于设备的广泛应用。

本申请还提供了一种AR显示设备，包括以上任一实施例所述的光学显示设备。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、 “包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种光学显示设备，其特征在于，包括：图像源、第一三棱镜、第二三棱镜以及第一透镜；

其中，所述图像源设置在所述第一三棱镜的第一表面的一侧，所述第一透镜贴合所述第一三棱镜的第二表面设置；所述第二三棱镜的第一表面贴合所述第一三棱镜的第三表面设置；所述第一三棱镜的第一表面和第三表面均位于所述第二三棱镜靠近佩戴者人眼的一侧，且所述第一三棱镜的第二表面位于所述第二三棱镜背离佩戴者人眼的一侧；所述第一透镜背离所述第一三棱镜一侧的表面上设置有第一半透半反射膜；

所述第一三棱镜的第二表面和第三表面的夹角a满足15°＜a＜35°；所述第二三棱镜地第一表面和第二表面的夹角b满足15°＜b ＜25 °；且a-b≤10°，所述第二三棱镜的第二表面为输出投影光线一侧的表面；

所述图像源输出的投影光线通过所述第一三棱镜的第一表面入射到所述第一三棱镜内，并依次经过所述第一三棱镜的第二表面的全反射、所述第一三棱镜的第三表面的反射、经所述第一三棱镜的第二表面透射入射至所述第一透镜、并经过所述第一半透半反射膜反射后，依次经过所述第一三棱镜的第二表面和第三表面以及所述第二三棱镜透射输出入射至人眼。

2.如权利要求1所述的光学显示设备，其特征在于，所述第一三棱镜的第三表面设置有起偏膜；所述第一透镜和所述起偏膜之间设置有1/4波片；

或，所述第一三棱镜的第三表面设置有第二半透半反射膜。

3.如权利要求1所述的光学显示设备，其特征在于，所述第一三棱镜和所述第二三棱镜均为折射率为1.45~1.75，阿贝数为18.0~60.0的棱镜；

所述第一透镜的焦距f1满足10mm≤f1≤25mm，折射率为1.45~1.90，阿贝数为35.0~85.0，第一表面的曲率半径R11满足R11≥100mm或R11≤-100mm，第二表面的曲率半径R12满足40mm≤R12≤80mm；其中，所述第一透镜的第一表面为靠近所述第一三棱镜一侧的表面；所述第一透镜的第二表面为背离所述第一三棱镜一侧的表面；

所述第一透镜的第一表面和所述第一三棱镜的第二表面之间的间隙为0.01mm~1.0mm。

4.如权利要求1至3任一项所述的光学显示设备，其特征在于，所述图像源和所述第一三棱镜的第一表面之间还设置有第二透镜。

5.如权利要求4所述的光学显示设备，其特征在于，所述第二透镜的焦距f2满足f2≥50mm或f2≤-50mm，折射率为1.45~1.90，阿贝数为35.0~85.0，第一表面的曲率半径R21和第二表面的曲率半径R22满足|R21-R22|>50mm；其中，所述第二透镜的第一表面为背离所述第一三棱镜体一侧的表面；所述第二透镜的第二表面为靠近所述第一三棱镜一侧的表面；

所述第二透镜的第一表面和所述第一三棱镜的第一表面之间的间隙为0.05mm~3.00mm。

6.如权利要求1至3任一项所述的光学显示设备，其特征在于，所述第二三棱镜的第二表面的一侧还设置有第三透镜；其中，所述第二三棱镜的第二表面为投影光线从所述第二三棱镜透射输出的表面。

7.如权利要求6所述的光学显示设备，其特征在于，所述第三透镜的焦距f3满足f3≥50mm或f3≤-50mm，折射率为1.45~1.90，阿贝数为35.0~85.0，第一表面的曲率半径R31满足R31≥100mm或R31≤-100mm，第二表面的曲率半径R32满足R32≥100mm或R32≤-100mm；其中，所述第三透镜的第一表面为靠近所述第二三棱镜体一侧的表面；所述第三透镜的第二表面为背离所述第二三棱镜体一侧的表面。

8.一种AR显示设备，其特征在于，包括如权利要求1至7任一项所述的光学显示设备。