CN116661154B - 一种光路多次折叠的光学系统及头戴显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光路多次折叠的光学系统及头戴显示装置，属于光学成像技术领域，包括显示器、第一光学组件、第二光学元件、第三光学元件和第四光学元件，第一光学组件设置于显示器的出光光路上，第二光学元件设置于第一光学组件的透射光或反射光光路上，第三光学元件设置于第二光学元件的反射光光路上，第四光学元件设置于第二光学元件的透射光光路上，第二光学元件包括第二光学镜片，以及设置于第二光学镜片一侧的第二光学膜层或HOE层，第四光学元件的上方设有第一消光元件和/或第四光学元件的下方设有第二消光元件。其结构紧凑，体积小，重量轻，成像质量好，视场角大，大大提升了用户的体验感。

Description

一种光路多次折叠的光学系统及头戴显示装置

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，具体涉及一种光路多次折叠的光学系统及头戴显示装置。

背景技术

增强现实/虚拟显示设备是一种丰富和方便人们生活的智能穿戴设备，目前已经广泛应用到各种领域，教育，医疗，包括航天事业等。通过这种新的技术能够把现实和虚拟的世界进行巧妙结合，带给人们全新的体验。

增强现实快速发展的过程中衍生出了许多不同的技术方案，有Birdbath，阵列光波导，衍射光波导等。为了实现更大的FOV和更薄的体积，许多公司开发出了使用棱镜压缩体积增加光程的方案，但是该方案会导致模组体积重量增加，同时棱镜需要胶合，工艺更加复杂，导致生产不方便，成本也较高。

发明内容

本发明实施方式的目的在于提供一种光路多次折叠的光学系统，其体积小，重量轻，成像质量好，视场角大，大大提升了用户体验感。

本发明实施方式的另一个目的在于提供一种头戴显示装置，其重量轻，穿戴方便。

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光路多次折叠的光学系统，包括显示器、第一光学组件、第二光学元件、第三光学元件和第四光学元件，所述第一光学组件设置于所述显示器的出光光路上，所述第二光学元件设置于所述第一光学组件的透射光或反射光光路上，所述第三光学元件设置于所述第二光学元件的反射光光路上，所述第四光学元件设置于所述第二光学元件的透射光光路上，所述第二光学元件用于对入射角大于或等于30°的光线实现反射，对入射角小于30°的光线实现透射，从所述第一光学组件出射的光线进入所述第二光学元件，从所述第二光学元件反射的光线进入所述第三光学元件后又被反射，然后再次进入所述第二光学元件处理后透射出去，从所述第四光学元件反射的光线进入所述第二光学元件并透射出去进入所述第三光学元件处理后透射出去，所述第二光学元件包括第二光学镜片，以及设置于所述第二光学镜片一侧的第二光学膜层或HOE层，所述第四光学元件的上方设有第一消光元件和/或所述第四光学元件的下方设有第二消光元件。

进一步的，所述第一光学组件包括第一光学镜片和第一偏光片，所述第一光学镜片设置于所述显示器的出光光路上，所述第一偏光片设置于所述第一光学镜片的一侧，所述第二光学元件设置于所述第一光学镜片的透射光光路上。

进一步的，所述第一光学组件包括第一光学镜片、第一偏光片和全反射棱镜，所述第一光学镜片设置于所述显示器的出光光路上，所述第一偏光片设置于所述第一光学镜片的一侧，所述全反射棱镜设置于所述第一光学镜片的透射光光路上，所述全反射棱镜包括第一光学面、第二光学面和第三光学面，所述第一光学面朝向所述第一光学镜片，所述第三光学面朝向所述第二光学元件，从所述第一光学镜片透射出的光线经过所述第一光学面进入所述全反射棱镜，然后到达所述第二光学面被全反射，从所述第二光学面反射的光线经过所述第三光学面透射出去并进入所述第二光学元件。

进一步的，所述第一光学组件包括第一光学镜片、第一偏光片和第五光学镜片，所述第一光学镜片设置于所述显示器的出光光路上，所述第一偏光片设置于所述第一光学镜片的一侧，所述第五光学镜片设置于所述第一光学镜片的透射光光路上，所述第五光学镜片的一侧设有第五光学膜层或HOE层，所述第二光学元件设置于所述第五光学镜片的反射光光路上。

进一步的，所述第三光学元件包括第三光学镜片、第三光学膜片和第四光学膜层，所述第三光学膜片设置于所述第三光学镜片的靠近所述第二光学元件的一侧，所述第四光学膜层设置于所述第三光学镜片的远离所述第二光学元件的一侧。

进一步的，所述第四光学元件包括第四光学镜片和相位延迟片，所述相位延迟片设置于所述第四光学镜片的靠近所述第二光学元件的一侧。

进一步的，所述第四光学元件的上方设有第一消光元件和/或所述第四光学元件的下方设有第二消光元件。

进一步的，从所述第一光学组件透射或反射出去并进入所述第二光学元件的光线入射角θ1为30°-85°。

进一步的，从所述第三光学元件反射进入所述第二光学元件的光线入射角θ2为0°-30°。

进一步的，所述第一光学组件的焦距为10-40mm，所述第四光学元件的焦距为10-30mm。

本发明的实施方式还提供了一种头戴显示装置，包括穿戴部件和上述所述的光路多次折叠的光学系统，所述光学系统设置于所述穿戴部件上。

本发明的有益效果为：

本发明实施方式提供的光路多次折叠的光学系统，其结构紧凑，体积小，重量轻，成像质量好，视场角能够达到40°以上，大大提升了用户的体验感。

本发明实施方式提供的头戴显示装置，其生产工艺简单，成本低，重量轻，穿戴方便，大大提升了用户的佩戴体验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施方式，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为实施例一的光路多次折叠的光学系统的构架示意图；

图2为实施例一的第一光学组件的结构示意图；

图3为第二光学元件的结构示意图；

图4为第三光学元件的结构示意图；

图5为第四光学元件的结构示意图；

图6为实施例二的光路多次折叠的光学系统的构架示意图；

图7为实施例三的光路多次折叠的光学系统的构架示意图；

图中：10-第一光学组件；11-第一光学镜片；12-第一偏光片；13-全反射棱镜；131-第一光学面；132-第二光学面；133-第三光学面；14-第五光学镜片；15-第五光学膜层；20-第二光学元件；21-第二光学镜片；22-第二光学膜层；30-第三光学元件；31-第三光学镜片；32-第三光学膜片；33-第四光学膜层；40-第四光学元件；41-第四光学镜片；42-相位延迟片；50-显示器；60-第一消光元件；70-第二消光元件。

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。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。

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“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，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光路多次折叠的光学系统，包括显示器50、第一光学组件10、第二光学元件20、第三光学元件30和第四光学元件40。

显示器50主要起到发出光线的作用，显示器50可显示2D或3D的图像或视频等，显示器50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。

第一光学组件10设置于显示器50的出光光路上。

参考图2所示，第一光学组件10包括第一光学镜片11和第一偏光片12第一光学镜片11设置于显示器50的出光光路上，第一偏光片12可以设置在第一光学镜片11的靠近显示器50的一侧，也可以设置在第一光学镜片11的远离显示器50的一侧。

第一光学镜片11的数量可以设置一片，也可以设置多片。

第一偏光片12为线偏光片或圆偏光片，根据需要选择。

第一光学镜片11的两侧表面可以加工为平面、球面、非球面或自由曲面等面型。第一光学镜片11的厚度为3-10mm，焦距为10-40mm。

第一光学组件10用来矫正像差和改变光线的偏振态，显示器50发出的光线经过第一光学组件10处理后透射出去形成透射光。

第二光学元件20设置于第一光学镜片11的透射光光路上。

参考图3所示，第二光学元件20包括第二光学镜片21，第二光学镜片21的一侧设有第二光学膜层22或HOE层（全息光学元件），需要说明的是，第二光学膜层22或HOE层（全息光学元件）可以设置在第二光学镜片21的任意一侧。第二光学膜层22为特殊设计的镀膜膜层，第二光学膜层22或全息光学元件HOE层的作用都是对入射角度在一定角度以上的入射光线的光束实现反射，对小于该角度入射的光束实现透射。该角度可以是0到90°范围内任意角度，比如入射角大于和等于30°的被反射，入射角小于30°的光线则透射出去。

从第一光学镜片11透射出去并进入第二光学元件20的光线入射角θ1为30°-85°。

第二光学镜片21的两侧表面可以加工为平面、球面、非球面或自由曲面等面型。

从第一光学组件10透射出去并进入第二光学元件20的光线在第二光学元件20处被反射形成反射光，第三光学元件30设置于第二光学元件20的反射光光路上。

参考图4所示，第三光学元件30包括第三光学镜片31、第三光学膜片32和第四光学膜层33，第三光学膜片32设置于第三光学镜片31的靠近第二光学元件20的一侧，第四光学膜层片33设置于第三光学镜片31的远离第二光学元件20的一侧。

第三光学膜片32可以采用偏振反射膜片，也可以采用线偏振片和偏振反射膜片制成的复合膜片，还可以采用线偏振片、偏振反射膜片和相位延迟膜片制成的复合膜片，还可以采用线偏振片、偏振反射膜片、相位延迟膜片和增透膜片制成的复合膜片，根据需要进行选择。

第四光学膜层33采用增透膜层或线偏光片膜层制成,其作用是用于增加光线穿透能力或消除杂光。

第三光学镜片31的两侧表面可以加工为平面、球面、非球面或自由曲面等面型。

从第三光学元件30反射进入第二光学元件20的光线入射角θ2为0°-30°。本实施例中，不同光线入射角θ2的范围为0-20°。

从第三光学元件30反射进入第二光学元件20的光线经过第二光学元件20处理后透射出去形成一次透射光。第四光学元件40设置于第二光学元件20的透射光光路上，第四光学元件40用于对光线进行反射。

参考图5所示，第四光学元件40包括第四光学镜片41和相位延迟片42，相位延迟片42设置于第四光学镜片41的靠近第二光学元件20的一侧。

第四光学镜片41的两侧表面可以加工为平面、球面、非球面或自由曲面等面型。第四光学镜片41的厚度为1-3mm，第四光学镜片41的焦距为10-30mm。

从第二光学元件20透射出去并进入第四光学元件40的光线，在第四光学元件40处被反射并重新进入第二光学元件20内处理后透射出去，再次进入第三光学元件30处理后透射出去到达人眼。

第四光学元件40的上方设有第一消光元件60，第四光学元件40的下方设有第二消光元件70。第一消光元件60和第二消光元件70可以是采用黑色遮光片制成，也可以采用偏光片制成，或者采用其他能够吸收光线的材料制成，其作用是为了吸收外界的杂散光，避免影响系统的成像效果。

本实施例提供的光学系统的成像原理如下：

显示器50发出的光线进入第一光学组件10处理后透射出去进入第二光学元件20，并在第二光学元件20处被反射后进入第三光学元件30，然后又被第三光学元件30处理后反射再次进入第二光学元件20，光线经过第二光学元件20处理后透射出去进入第四光学元件40，光线经过第四光学元件40处理后被反射再次进入第二光学元件20，并经过第二光学元件20处理后透射出去再次进入第三光学元件30，然后经过第三光学元件30处理后透射出去到达人眼，形成特定放大倍数的虚像。

实施例2

参考图6所示，本发明实施例二提供了一种光路多次折叠的光学系统，包括显示器50、第一光学组件10、第二光学元件20、第三光学元件30和第四光学元件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组件10。

本实施例的显示器50、第二光学元件20、第三光学元件30和第四光学元件40采用实施例一中的显示器50、第二光学元件20、第三光学元件30和第四光学元件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，第一光学组件10包括第一光学镜片11、第一偏光片12和全反射棱镜13，第一光学镜片11设置于显示器50的出光光路上，第一偏光片12设置于第一光学镜片11的一侧，全反射棱镜13设置于第一光学镜片11的透射光光路上。

第一光学镜片11的数量可以设置一片，也可以设置多片。

第一偏光片12为线偏光片或圆偏光片，根据需要选择。

第一光学镜片11的两侧表面可以加工为平面、球面、非球面或自由曲面等面型。第一光学镜片11的厚度为3-10mm，焦距为10-40mm。

全反射棱镜13包括第一光学面131、第二光学面132和第三光学面133，第一光学面131朝向第一光学镜片，第三光学面133朝向第二光学元件20。从第一光学镜片11透射出去的光线从全反射棱镜13的第一光学面131进入全反射棱镜13，然后到达第二光学面132被全反射，从第二光学面132反射的光线又从第三光学面133透射出去并进入第二光学元件20。

从全反射棱镜13的第三光学面133透射出去并进入第二光学元件20的光线入射角θ1为30°-85°。

全反射棱镜13的作用是折叠光路，压缩系统体积，改善畸变和像差。

第一光学面131、第二光学面132和第三光学面133可以加工为平面、球面、非球面或自由曲面等面型。

本实施例提供的光学系统的成像原理如下：

显示器50发出的光线进入第一光学组件10处理后透射出去进入第二光学元件20，并在第二光学元件20处被反射后进入第三光学元件30，然后又被第三光学元件30处理后反射再次进入第二光学元件20，光线经过第二光学元件20处理后透射出去进入第四光学元件40，光线经过第四光学元件40处理后被反射再次进入第二光学元件20，并经过第二光学元件20处理后透射出去再次进入第三光学元件30，然后经过第三光学元件30处理后透射出去到达人眼，形成特定放大倍数的虚像。

实施例3

参考图7所示，本发明实施例三提供了一种光路多次折叠的光学系统，包括显示器50、第一光学组件10、第二光学元件20、第三光学元件30和第四光学元件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组件10。

本实施例的显示器50、第二光学元件20、第三光学元件30和第四光学元件40采用实施例一中的显示器50、第二光学元件20、第三光学元件30和第四光学元件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，第一光学组件10包括第一光学镜片11、第一偏光片12和第五光学镜片14，第一光学镜片11设置于显示器50的出光光路上，第一偏光片12设置于第一光学镜片11的一侧，第五光学镜片14设置于第一光学镜片11的透射光光路上，第五光学镜片14的一侧设有第五光学膜层15或HOE层（全息光学元件），需要说明的是，第五光学膜层15或HOE层（全息光学元件）可以设置在第五光学镜片14的任意一侧。第二光学元件20设置于第五光学镜片14的反射光光路上。

第一光学镜片11的数量可以设置一片，也可以设置多片。

第一偏光片12为线偏光片或圆偏光片，根据需要选择。

第一光学镜片11的两侧表面可以加工为平面、球面、非球面或自由曲面等面型。第一光学镜片11的厚度为3-10mm，焦距为10-40mm。

第五光学膜层15为反射膜层。

第五光学镜片14的两侧表面可以加工为平面、球面、非球面或自由曲面等面型。

从第五光学镜片14反射出去并进入第二光学元件20的光线入射角θ1为30°-85°。

本实施例提供的光学系统的成像原理如下：

显示器50发出的光线进入第一光学组件10处理后反射出去进入第二光学元件20，并在第二光学元件20处被反射后进入第三光学元件30，然后又被第三光学元件30处理后反射再次进入第二光学元件20，光线经过第二光学元件20处理后透射出去进入第四光学元件40，光线经过第四光学元件40处理后被反射再次进入第二光学元件20，并经过第二光学元件20处理后透射出去再次进入第三光学元件30，然后经过第三光学元件30处理后透射出去到达人眼，形成特定放大倍数的虚像。

实施例4

本发明实施例四还提供了一种头戴显示装置，包括穿戴部件和光学系统。

需要说明的是，本实施例中的光学系统可以采用实施例1、实施例2或实施例3中的光路多次折叠的光学系统，其结构、工作原理和产生的技术效果参考实施例1中的相应内容，此处不作赘述。

光路多次折叠的光学系统设置于穿戴部件上。穿戴部件可以是头盔或眼镜架等，这样方便人们戴在头上。当然，头戴显示装置还包括控制单元、储存单元等，控制单元用于控制设备，储存单元用于存储图像、视频等。

需要说明的是，本申请不限定光学系统应用在头戴显示装置上，该系统也可以应用在其他设备上，在一种可能的应用场景中，还可以集成用于桌面级的光学显示设备和车载的光学显示设备，其虚像距离较远，可以实现护眼功能，提升观看体验。

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 (10)

1.一种光路多次折叠的光学系统，其特征在于：包括显示器、第一光学组件、第二光学元件、第三光学元件和第四光学元件，所述第一光学组件设置于所述显示器的出光光路上，所述第二光学元件设置于所述第一光学组件的透射光或反射光光路上，所述第三光学元件设置于所述第二光学元件的反射光光路上，所述第四光学元件设置于所述第二光学元件的透射光光路上，所述第二光学元件用于对入射角大于或等于30°的光线实现反射，对入射角小于30°的光线实现透射，从所述第一光学组件出射的光线进入所述第二光学元件，从所述第二光学元件反射的光线进入所述第三光学元件后又被反射，然后再次进入所述第二光学元件处理后透射出去，从所述第四光学元件反射的光线进入所述第二光学元件并透射出去进入所述第三光学元件处理后透射出去，所述第二光学元件包括第二光学镜片，以及设置于所述第二光学镜片一侧的第二光学膜层或HOE层，所述第四光学元件的上方设有第一消光元件和/或所述第四光学元件的下方设有第二消光元件。

2.根据权利要求1所述的光路多次折叠的光学系统，其特征在于：所述第一光学组件包括第一光学镜片和第一偏光片，所述第一光学镜片设置于所述显示器的出光光路上，所述第一偏光片设置于所述第一光学镜片的一侧，所述第二光学元件设置于所述第一光学镜片的透射光光路上。

3.根据权利要求1所述的光路多次折叠的光学系统，其特征在于：所述第一光学组件包括第一光学镜片、第一偏光片和全反射棱镜，所述第一光学镜片设置于所述显示器的出光光路上，所述第一偏光片设置于所述第一光学镜片的一侧，所述全反射棱镜设置于所述第一光学镜片的透射光光路上，所述全反射棱镜包括第一光学面、第二光学面和第三光学面，所述第一光学面朝向所述第一光学镜片，所述第三光学面朝向所述第二光学元件，从所述第一光学镜片透射出的光线经过所述第一光学面进入所述全反射棱镜，然后到达所述第二光学面被全反射，从所述第二光学面反射的光线经过所述第三光学面透射出去并进入所述第二光学元件。

4.根据权利要求1所述的光路多次折叠的光学系统，其特征在于：所述第一光学组件包括第一光学镜片、第一偏光片和第五光学镜片，所述第一光学镜片设置于所述显示器的出光光路上，所述第一偏光片设置于所述第一光学镜片的一侧，所述第五光学镜片设置于所述第一光学镜片的透射光光路上，所述第五光学镜片的一侧设有第五光学膜层或HOE层，所述第二光学元件设置于所述第五光学镜片的反射光光路上。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的光路多次折叠的光学系统，其特征在于：所述第三光学元件包括第三光学镜片、第三光学膜片和第四光学膜层，所述第三光学膜片设置于所述第三光学镜片的靠近所述第二光学元件的一侧，所述第四光学膜层设置于所述第三光学镜片的远离所述第二光学元件的一侧。

6.根据权利要求1-4中任意一项所述的光路多次折叠的光学系统，其特征在于：所述第四光学元件包括第四光学镜片和相位延迟片，所述相位延迟片设置于所述第四光学镜片的靠近所述第二光学元件的一侧。

7.根据权利要求1-4中任意一项所述的光路多次折叠的光学系统，其特征在于：从所述第一光学组件透射或反射出去并进入所述第二光学元件的光线入射角θ1为30°-85°。

8.根据权利要求1-4中任意一项所述的光路多次折叠的光学系统，其特征在于：从所述第三光学元件反射进入所述第二光学元件的光线入射角θ2为0°-30°。

9.根据权利要求1-4中任意一项所述的光路多次折叠的光学系统，其特征在于：所述第一光学组件的焦距为10-40mm，所述第四光学元件的焦距为10-30mm。

10.一种头戴显示装置，其特征在于：包括穿戴部件和权利要求1-9中任意一项所述的光路多次折叠的光学系统，所述光学系统设置于所述穿戴部件上。