CN117215072A - 光学系统及成像设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学系统及虚像成像设备，光学系统包括像源屏、分光合光元件、曲面镜，分光合光元件沿主光线轴倾斜设置，用于将像源屏的出射光线反射至曲面镜进行反射，并将曲面镜反射后的沿主光线轴的光线透射后继续沿主光线轴出射，沿主光线轴垂直设有位于分光合光元件透射光路上的窗口玻璃，像源屏、分光合光元件、曲面镜、窗口玻璃密封形成一密封腔体，窗口玻璃和分光合光元件中的至少一个上设有至少一层圆偏光片。虚像成像设备包括所述光学系统。本发明实现了主光线与窗口形成与实像显示器相仿的垂直形态，并更有效地降低外部杂光。

Description

光学系统及成像设备

技术领域

本发明属于成像光学技术领域，涉及虚像显示技术，具体涉及一种光学系统及成像设备。

背景技术

科学研究表明，近视是遗传和环境因素共同作用的结果。近距离用眼后，人眼的屈光状态出现小幅度的、暂时的近视漂移现象，称为近距离用眼诱导的短暂性近视，而长时间的持续近距离用眼被认为是近视产生的关键诱导因素。

为了改善近距离用眼问题，一种新型“桌面虚像显示”概念产品被提出来，其采用光学远像成像方案，在桌面上小体积空间中将近处小尺寸屏幕放大到6m远处成140吋巨幅虚像显示，如图1所示，6m处虚像可以减小眼睛聚焦所需要的屈光度，从而降低视疲劳以及近视风险。这种产品的技术特点在于远像成像，源于增强现实中较为成熟的Birdbath共轴折反光方案，其原理如图2所示，鸟盆状的Birdbath曲面镜3将来自眼镜顶部的像源屏1光线汇聚反射进入入眼，具体的，利用分光合光元件2将像源屏1发出的光线反射至Birdbath曲面镜3汇聚反射，并再由分光合光元件2将反射的汇聚光透射后入眼，从而模拟在远处确定位置虚像像面4发出的光线，人根据光线沿直线传播的经验感受到光线由远处虚像像面4传来，并且眼睛聚焦到虚像像面4上。由于Birdbath光学原理的限制，分光合光元件2与主光轴存在20°~45°的夹角，如目前市场上在售的睿视系列远像显示产品，其虚像显示窗口向上倾斜45°左右，这就与生活中常见的实像显示器（如LCD/LED显示屏等）发光主光线与窗口相互垂直的形态存在较大差别。

另外，分光合光元件的基底材料通常为平面度较高的玻璃或者类玻璃透明平板，其折射率通常在1.5左右，若是窗口玻璃如果不做任何处理，靠近窗口外侧的反射率约为4%，而分光合光玻璃内侧为了反射像源发出的成像光其反射率一般在15%~85%之间，整体的反射率在19%~89%之间。这会导致外部杂光经分光合光元件反射进入人眼，影响正常成像光的成像。现有的设计方案一般在分光合光元件2有外部杂光进入的路径上有吸光结构遮挡，以降低如图3所示路径的杂光强度，然而外部杂光路径①②然而仍然可能被分光合光元件2反射进入人眼。也有技术利用光的偏振特性来进行杂光消减，偏振吸光/消光的原理如图4所示，线偏光片62（Polarizer，简称POL）和1/4波片61（Quarter Wave-plate，简称QWP）制成圆偏光片6，利用1/4波片61的旋光特性，线偏光片62转换的特定方向的线偏振光与反射光偏振方向垂直时，被线偏光片62吸收，通过调整圆偏光片6的位置和角度可以较大程度的消除杂光。然而，此种理论在实际实现时会因为工程实现的复杂度导致效果大打折扣；如专利技术文献CN217587749U中也有提及通过在出射线偏振光的显示源前设置1/4波片来形成圆偏振光，并设置线偏光片和1/4波片组成的圆偏振片来消除外界环境产生的杂光，但并未给出具体工程实现可行的解决方案。同时由于此类现有技术的光学结构设计限制导致人眼看到的经分光合光元件反射的外部杂光入射膜材的角度并不是正入射，会导致1/4波片产生的相位差偏离1/4波片的相位差，从而导致漏光；材料的限制也会导致1/4波片在特定入射角度仅能针对单波长产生严格的1/4波长的相位差，而可见光波长范围400~700nm范围内其他波长会有漏光。因此，当分光合光元件选择反射率约为30%的反射镀膜时，使用市场上常用的逆分散圆偏光片得到的小角度（约为6°）反射率约为0.5%~1.2%，大角度（约为45°）外侧反射率约为2%~4%。当外界环境光较强或者反射物体的反射率较高时，观看者很容易通过分光合光元件看到反光所成的虚像，当成像光画面较暗时，成像效果会有较大程度劣化。

发明内容

为解决上述相关现有技术不足，本发明提供一种光学系统及成像设备，主光线与窗口形成与实像显示器相仿的垂直形态，并密封光路和进行偏振状态调整，更有效地降低杂光。

为了实现本发明的目的，拟采用以下方案：

一种光学系统，包括像源屏、分光合光元件、曲面镜，分光合光元件沿主光线轴倾斜设置，用于将像源屏的出射光线反射至曲面镜进行反射，并将曲面镜反射后的沿主光线轴的光线透射后继续沿主光线轴出射，沿主光线轴垂直设有位于分光合光元件透射光路上的窗口玻璃，像源屏、分光合光元件、曲面镜、窗口玻璃密封形成一密封腔体，窗口玻璃和分光合光元件中的至少一个上设有至少一层圆偏光片。

进一步，圆偏光片包括沿光线出射方向依次设置的一个1/4波片和一个或两个线偏光片。

进一步，窗口玻璃的外侧和内侧中至少一侧上设有至少一层圆偏光片，和/或，分光合光元件外侧设有至少一层圆偏光片。

进一步，圆偏光片在窗口玻璃的外侧或内侧设置一层，或在窗口玻璃的外侧或内侧设置两层，或在窗口玻璃外侧和内侧各设置一层，或在窗口玻璃的内侧或外侧和分光合光元件的外侧各设置一层。

进一步，像源屏上沿光线出射方向依次设有线偏光片和1/4波片，或依次设有线偏光片、1/4波片和减反膜。

进一步，当圆偏光片在窗口玻璃外侧或者内侧设置一层时：设像源屏上的线偏光片的吸收轴方向与长边方向夹角为θ，像源屏上的1/4波片慢轴方向与长边方向夹角为θ±45°；窗口玻璃上的1/4波片慢轴方向与长边方向夹角为θ±45°，窗口玻璃上的线偏光片的吸收轴方向与长边方向夹角为θ±90°，或窗口玻璃上的1/4波片慢轴方向与长边方向夹角为θ∓45°，窗口玻璃上的线偏光片的吸收轴方向与长边方向夹角为θ。

进一步，当圆偏光片在窗口玻璃的外侧或者内侧设置两层，或在窗口玻璃的外侧和内侧各设置一层，或在窗口玻璃的内侧或外侧和分光合光元件的外侧各设置一层时：设像源屏上的线偏光片吸收轴方向与长边方向夹角为θ，像源屏上的1/4波片慢轴方向与长边方向夹角θ±45°；沿出射方向，第一层圆偏光片的1/4波片慢轴方向与长边方向夹角为θ±45°，第一层圆偏光片的线偏光片吸收轴方向与长边方向夹角为θ±90°，第二层圆偏光片的1/4波片慢轴方向与长边方向夹角为(θ±45°)+α，第二层圆偏光片的线偏光片吸收轴方向与长边方向夹角(θ±45°)＋(α±45°)；或第一层圆偏光片的1/4波片慢轴方向与长边方向夹角为θ∓45°，第一层圆偏光片的线偏光片吸收轴方向与长边方向夹角为θ，第二层圆偏光片的1/4波片慢轴方向与长边方向夹角为(θ∓45°)+α，第二层圆偏光片的线偏光片吸收轴方向与长边方向夹角(θ∓45°)＋(α±45°)，α∈[0,45°]。

进一步，当圆偏光片在窗口玻璃的内侧或外侧和分光合光元件的外侧各设置一层时，第一层圆偏光片外侧设有一1/4波片，沿出射方向，第一层圆偏光片的1/4波片慢轴方向与长边方向夹角为θ±45°，第一层圆偏光片的线偏光片吸收轴方向与长边方向夹角为θ±90°，第二层圆偏光片的1/4波片慢轴方向与长边方向夹角为(θ±45°)+α，第一层圆偏光片外侧的1/4波片慢轴方向与第二层圆偏光片的1/4波片慢轴方向平行或垂直，其中，当第一层圆偏光片外侧的1/4波片慢轴方向与第二层圆偏光片的1/4波片慢轴方向平行时，第二层圆偏光片的线偏光片吸收轴方向与第一层圆偏光片的线偏光片吸收轴方向夹角为2α；当第一层圆偏光片外侧的1/4波片慢轴方向与第二层圆偏光片的1/4波片慢轴方向垂直时，第二层圆偏光片的线偏光片吸收轴方向与第一层圆偏光片的线偏光片吸收轴方向夹角为0。

进一步，还具有以下结构中的一种或多种：

于窗口玻璃外侧设置的减反膜，其中，当窗口玻璃的外侧设置有圆偏光片时，减反膜位于窗口玻璃外侧设置的圆偏光片表面；

于窗口玻璃内侧设置的减反膜，其中，当窗口玻璃的内侧设置有圆偏光片时，减反膜位于窗口玻璃内侧设置的圆偏光片表面；

于分光合光元件外侧设置的减反膜，其中，当分光合光元件外侧设置有圆偏光片时，减反膜位于分光合光元件外侧设置的圆偏光片表面。

一种成像设备，包括所述光学系统。

本发明的有益效果：

1、在光学系统设计中引入垂直设于主光线轴的窗口玻璃，使包含本发明光学系统的成像设备外观与当前市场上常见的发光主光线与窗口垂直形态的实像显示器相仿，更加利于产品化及应用普及推广，也对于用户使用而言，具有更好的体验感；同时，相比于现有技术的方案，本发明的方案中引入垂直设于主光线轴的窗口玻璃，将使现有技术中圆偏光片在非正入射条件下漏光严重的问题得到有效避免；

2、通过将像源屏、分光合光元件、曲面镜及窗口玻璃制备形成一个密封腔体，使成像光仅可通过窗口玻璃出射到腔体外，外部环境光仅可通过窗口玻璃进入腔体，利于营造光学黑体效果，并控制及消除杂光；

3、通过在窗口玻璃和分光合光元件中的至少一个上设置至少一层圆偏光片，可以进一步消除可能的杂光，并基于此提供了多种组合解决方案，以及提出了可以省略AR膜的方案；并通过对圆偏光片的偏振调控，与像源屏上的POL及QWP的偏振调控，更好的实现杂光消除，并保持整体较高的透射率；

4、通过优选实施例解决了窗口玻璃上单层圆偏光片对外界环境光的消光效果对于宽光谱和广视角效果有限的问题；通过进一步优选实施例解决了由于可能NPBS材料及工艺限制引起的杂光问题；通过再一步优选实施例解决了最后出光偏振态不匹配导致的成像光损失问题。

附图说明

图1示出了桌面虚像显示产品应用场景示意图。

图2示出了Birdbath方案原理图。

图3示出了外部杂光路径示意图。

图4示出了圆偏光片消除反光原理示意图。

图5示出了本申请实施例的直立窗口光学系统及成像设备设计方案原理图。

图6示出了本申请实施例一的圆偏光片有一层且设置于窗口玻璃外侧的设计方案原理图。

图7示出了本申请实施例一的圆偏光片有一层且设置于窗口玻璃内侧的设计方案原理图。

图8示出了本申请实施例一的一种偏振状态调整方案原理。

图9示出了本申请实施例一的又一种偏振状态调整方案原理。

图10示出了本申请实施例二的圆偏光片有两层且设置于窗口玻璃内侧的设计方案原理图。

图11示出了本申请实施例二的圆偏光片有两层且设置于窗口玻璃外侧的设计方案原理图。

图12示出了本申请实施例二的圆偏光片在窗口玻璃外侧和内侧各设置一层的设计方案原理图。

图13示出了本申请实施例三的圆偏光片在窗口玻璃内侧和分光合光元件外侧各设置一层的设计方案原理图。

图14示出了本申请实施例二和实施例三的一种偏振状态调整方案原理。

图15示出了本申请实施例二和实施例三的又一种偏振状态调整方案原理。

图16示出了本申请实施例四的分光合光元件外侧的圆偏光片上设有1/4波片的设计方案原理图。

图17示出了本申请实施例四的偏振状态调整方案原理。

附图标记：像源屏-1，分光合光元件-2，非偏振分光膜-21，曲面镜-3，虚像像面-4，窗口玻璃-5，圆偏光片-6，1/4波片-61，线偏光片-62，减反膜-7。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明，但本发明所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本申请实施例提供一种光学系统及成像装置，相比于图2所示的光学方案，在光路中引入与主光线垂直的窗口玻璃5，具体如图5所示，包括像源屏1、分光合光元件2、曲面镜3及窗口玻璃5，分光合光元件2沿主光线轴倾斜设置，用于将像源屏1的出射光线反射至曲面镜3进行反射，并将曲面镜3反射后的沿主光线轴的光线透射后继续沿主光线轴出射，窗口玻璃5沿主光线轴垂直设有位于分光合光元件2透射光路上。

通过此种设计，一方面使其外观与当前市场上常见的发光主光线与窗口垂直形态的实像显示器相仿。具体来说，像源屏1发出的特定偏振态光线经过分光合光元件2反射之后照射到Birdbath曲面镜3上，经过曲面镜3反射之后，成像光透过分光合光元件2和窗口玻璃5之后进入人眼，人眼逆着光线聚焦到虚像像面4上。实际实施时，可使用结构将像源屏1、分光合光元件2、Birdbath曲面镜3以及窗口玻璃5形成一个密封腔体，使成像光仅可以通过窗口玻璃5出射到腔体之外，外部环境光仅可以通过窗口玻璃进入到腔体内部。其中，像源屏1优选白场亮度500nit~4000nit范围、对角线尺寸3’’~10.5’’、分辨率范围720p~4K RGB全彩显示、发光主光线角度范围0°~50°、出射偏振态优选圆偏振光或者线偏振光，分光合光元件2优选内侧反射率为15%~85%范围、摆放角度与竖直方向夹角为15°~45°，Birdbath曲面镜3优选曲率半径200mm~1000mm、yz平面离轴角度-10°~10°、面型为球面或者旋转非球面或者自由曲面。

另一方面，通过在窗口玻璃5和分光合光元件2上配合使用不同的偏振调控膜材，降低外部杂光的影响。分光合光元件2与窗口玻璃5的偏振调控方法对于显示效果至关重要的主要原因在于：为了保持虚像显示产品的科技感和神秘感，产品的理想效果为观察者无法看到腔体内部的具体结构，这要求在像源屏1发光（亮屏）状态下尽量避免照亮某些内部结构，或者即使照亮内部结构，也能在透过分光合光元件2和窗口玻璃5时，被成像光学元件之外的其他结构元件反射的光被分光合光元件2或者窗口玻璃5遮挡；在像源屏1不发光（熄屏）状态下进入腔体的光均被腔体吸收，实现近似光学黑体的效果。

为了实现熄屏状态下腔体近似光学黑体的效果，在窗口玻璃5和分光合光元件2中的至少一个上设有至少一层圆偏光片6，如图6-图7、图10-图13、图16所示。具体分光合光元件2与窗口玻璃5的偏振调控方案在以下具体实施例一至实施例四中讨论。

实施例一

如图6-图7所示，在窗口玻璃5的外侧或内侧上设有一层圆偏光片6，每一层圆偏光片6为一层组合膜，包括沿光线出射方向依次设置的一个1/4波片61和一个或两个线偏光片62构成的复合膜，即沿着环境光进入腔体的结构顺序来说，自外而内可能是POL +QWP复合膜，也可能是POL+POL+QWP复合膜，其中QWP优选具有逆分散特性的QWP膜。因为POL本身有一定的吸收，其平行偏振的透过率约为92%，会降低亮度，采用POL+POL+QWP复合膜组合，理论上小角度环境光来回经过两次透过率会降低到约85%，另外大角度的光吸收也会变多，反光实测会更低一些，对于除去杂光更有效。

在该窗口玻璃5的外侧上还设有减反膜7（Anti-Reflection膜，简称AR膜），其位于圆偏光片6的外侧，当窗口玻璃5的外侧设有圆偏光片6时，减反膜7位于圆偏光片6表面，如图6所示；当窗口玻璃5的外侧无圆偏光片6时，减反膜7位于窗口玻璃5外侧表面，如图7所示。由于最外侧作为显示窗口不可避免会被触摸，优选最外侧的减反膜7也具有防指纹（AF:Anti-Fingerprint）功能，即优选同时具有AR膜和AF膜功能，AF膜功能优选对应的水滴角大于105°。窗口玻璃5的基材优选本身各向同性不产生相位差的材料，比如玻璃。窗口玻璃5内侧不做特殊AR处理（NULL）或者使用减反膜7，可以使用单层MgF₂AR镀膜或者多层镀膜或者贴合AR膜，比如：蛾眼膜G-moth、湿法微纳结构AR膜等。当窗口玻璃5的内侧设有圆偏光片6时，减反膜7位于圆偏光片6表面，如图7所示；当窗口玻璃5的内侧无圆偏光片6时，减反膜7位于窗口玻璃5内侧表面，如图6所示。窗口玻璃5内侧可以不做AR处理的原因在于，根据如图4所示的光学原理，玻璃基材与空气界面约4%的反射在入射角度比较小时被圆偏光片6消除的程度会比较明显，而观看者在观看时基本上正对着窗口玻璃5，刚好处于此种情况。

分光合光元件2外侧设置减反膜7，可使用单层MgF₂AR镀膜或者多层镀膜或者贴合AR膜，比如：蛾眼膜G-moth、湿法微纳结构AR膜等，分光合光元件2外侧使用AR膜除了尽可能消除对外部环境光的反射，还可以减弱对于成像光的反射以减弱成像中的重影。分光合光元件2内侧使用非偏振分光膜21（NPBS: non-polarizing beam-splitter），优选的分光比例为可见光光谱范围内平均反射率R=15%~85%，透射率T=100%-R，并且尽可能控制全波段（400nm~700nm）范围内s光与p光反射率之差以及反射相位变化之差。工艺优选镀膜，或者使用可以保证平面度的贴膜。

像源屏1上沿光线出射方向依次设有线偏光片62和1/4波片61，或依次设有线偏光片62、1/4波片61和减反膜7。即，像源屏1上除了LCD屏正常使用的POL，一般会贴合QWP和AR膜以减少腔体内部光学元件之间的反射以减弱鬼像，后面可以看到此层QWP还可以配合窗口玻璃5上圆偏光片6提高成像光的整体透过率，另外，如果鬼像产生的场景较少，像源屏1上的AR膜也可以去掉（NULL）。

值得指出的是，除了消除外部杂光，偏振膜材的调控还需要使得成像光尽可能透过分光合光元件2和窗口玻璃5以提高成像光的光效，因此需要对成像光光路中的偏振元件进行偏振调控，线偏光片62的吸收轴（AA: Absorption Axis）方向与1/4波片61的慢轴（SA:Slow Axis）方向需要满足一定的角度关系。在如图6-图7所示的圆偏振片设置方式中，可以采用如图8和图9的偏振状态调整设计方案，依照像源屏1发光的传播顺序分析如下，不失一般性：设像源屏1上的线偏光片62的吸收轴AA方向与长边方向夹角为任意角度θ，其中，本申请实施例中所述长边方向为世界坐标系x轴方向，或者定义各元件所在平面局部坐标系的x轴方向为所述的长边方向，所有局部坐标系的x轴相互平行；像源屏1上的1/4波片61慢轴SA方向与长边方向夹角为θ±45°；窗口玻璃5上的1/4波片61慢轴SA方向与长边方向夹角为θ±45°，窗口玻璃5上的线偏光片62的吸收轴AA方向与长边方向夹角为θ±90°，如图8所示；或如图9所示，窗口玻璃5上的1/4波片61慢轴SA方向与长边方向夹角为θ∓45°，窗口玻璃5上的线偏光片62的吸收轴AA方向与长边方向夹角为θ。

具体的，以其中一种偏振状态调整设计示例进行说明：对θ指定角度，比如像源屏1上的线偏光片62的吸收轴AA方向垂直于长边方向，出射偏振光的偏振方向为平行于长边方向，经过像源屏1上的慢轴SA方向与长边方向夹角为135°（或者-45°）的1/4波片61后变为左旋圆偏光。注意由于不同的符号定义会使得左旋/右旋圆偏振光的定义刚好相反，本申请实施例中采用的符号定义如下：描述简谐振动的时间因子取e^iωt的形式，并且以逆着光线传播方向看过去的电场随时间变化方向判断左旋或者右旋。左旋圆偏振光经过非偏振分光膜21和曲面镜3两次反射后依然保持左旋圆偏振特性入射到窗口玻璃5上；经过窗口玻璃5上慢轴SA方向与长边方向夹角为 135°（或者-45°）的1/4波片61后变为沿竖直方向振动的线偏振光，再经过窗口玻璃5上的吸收轴AA方向平行于长边方向的线偏光片62后保持垂直方向的振动方向，从而保持成像光整体上较高的透射率。

当然，在采用一层圆偏光片6的方案中，也可以在分光合光元件2的外侧设置，其偏振状态调整方案可以采用原理与设置在窗口玻璃5内侧或外侧时一致的方式，此处不再赘述。

实施例二

在实施例一中，窗口玻璃5上单层圆偏光片6对外界环境光的消光效果对于宽光谱和广视角效果有限，此外，将圆偏光片6放在窗口玻璃5外侧会对窗口玻璃5基材自身的相位延迟量有一定要求。另外，由于像源屏1上1/4波片61与窗口玻璃5的圆偏光片6中的1/4波片61慢轴SA方向相互平行时，会使得实际材料色散特性导致的对于理想波片的色散特性的偏离更加严重，一般会使得画面偏黄，这种特性在实现硬件级低蓝光时会有一定有益效果，这里为了从不同方面对本申请实施例进行全面描述，示例中，在窗口玻璃5的圆偏光片6上将使用两片慢轴SA方向与像源屏1上1/4波片61的慢轴SA方向相互垂直的1/4波片61，以对实施例一的方案进行调整，得到如图10-图12所示的实施例二的方案。

本实施例中，圆偏光片6采用两层，即POL+QWP+POL+QWP复合膜方案，具体于窗口玻璃5内侧设置两层，如图10所示；或于窗口玻璃5外侧设置两层，如图11所示；或于窗口玻璃5外测和内侧各设置一层，如图12所示。这种双层圆偏光片6方案对于整体成像光的光效会有约一定损失，但可以带来整体反光效果的大幅改善。另外，对于图10的情形，将双层圆偏光片6方案贴合在窗口玻璃5内侧，这样成像光的偏振光路经过窗口玻璃5基材之后就没有检偏器件，因此，即使窗口玻璃5基材引入额外的相位差影响最终出射的偏振态，而人眼本身对偏振不敏感的特性使得此种方案对虚像成像效果不会产生影响。

在此方案的基础上，当圆偏光片6在窗口玻璃5内侧设置两层时，窗口玻璃5外侧的减反膜7贴设于窗口玻璃5外侧表面，如图10所示，此种情况时，窗口玻璃5内侧可设置减反膜7也可以不设置；窗口玻璃5内侧设置减反膜7时，两层圆偏光片6位于该减反膜7与窗口玻璃5之间。当圆偏光片6在窗口玻璃5外侧设置两层时，窗口玻璃5外侧的减反膜7贴设于最外侧的圆偏光片6表面，如图11所示，此种情况时，窗口玻璃5内侧可设置减反膜7也可以不设置；窗口玻璃5内侧设置减反膜7时，贴于窗口玻璃5内侧表面。当圆偏光片6在窗口玻璃5内侧和外侧各设置一层时，窗口玻璃5外侧的减反膜7贴设于窗口玻璃5外侧的圆偏光片6表面，如图12所示，此种情况时，窗口玻璃5内侧可设置减反膜7也可以不设置；窗口玻璃5内侧设置减反膜7时，贴于窗口玻璃5内侧的圆偏光片6表面。

在实施例二中，可以采用如图14-图15的偏振状态调整设计方案，依照像源屏1发光的传播顺序分析如下，不失一般性：设像源屏1上的线偏光片62吸收轴AA方向与长边方向夹角为任意角度θ，像源屏1上的1/4波片61慢轴SA方向与长边方向夹角θ±45°；沿出射方向，如图14所示，第一层圆偏光片6的1/4波片61慢轴SA方向与长边方向夹角为θ±45°，第一层圆偏光片6的线偏光片62吸收轴AA方向与长边方向夹角为θ±90°，第二层圆偏光片6的1/4波片61慢轴SA方向与长边方向夹角为(θ±45°)+α，第二层圆偏光片6的线偏光片62吸收轴AA方向与长边方向夹角(θ±45°)＋(α±45°)；或沿出射方向，如图15所示，第一层圆偏光片6的1/4波片61慢轴SA方向与长边方向夹角为θ∓45°，第一层圆偏光片6的线偏光片62吸收轴AA方向与长边方向夹角为θ，第二层圆偏光片6的1/4波片61慢轴SA方向与长边方向夹角为(θ∓45°)+α，第二层圆偏光片6的线偏光片62吸收轴AA方向与长边方向夹角(θ∓45°)＋(α±45°)，α∈[0,45°]。

具体的，为了方便对照说明，对应实施例一中的一种具体偏振状态调整设计示例，实施例二也给出一种具体的偏振状态调整设计方案说明：当像源屏1上1/4波片61的慢轴SA方向沿45°方向，像源屏1出射右旋圆偏光，经过窗口玻璃5上最内侧的慢轴SA方向沿135°（或者-45°）1/4波片61后，变为平行于长边的线偏光以较好效果透过其后的吸收轴AA方向垂直于长边方向的线偏光片62，当再次通过一层慢轴SA方向沿135°（或者-45°）1/4波片61后变为左旋圆偏振光，当通过下一层吸收轴AA方向垂直于长边方向的线偏光片62后变为水平方向的线偏振光，透过率低于50%。

实施例三

实施例一和实施例二中潜在的一个问题是非偏振分光膜21的反射率一般在15%~85%区间，而在使用多层介质镀膜时，膜层对光几乎没有吸收，因此对应的透过率在85%~15%范围区间。像源屏1发出的光实际上会有较大一部分直接透过分光合光元件2照射到结构件上，当前产品上较为成熟的吸光结构反射率普遍在1%~5%之间，因此仍然有较大一部分光会被反射而成为影响成像效果的内部杂光。为了改善这个问题，在采用两层圆偏光片6的方案中，本申请实施例三在实施例二的基础上，提出在窗口玻璃5内侧或外侧和分光合光元件2外侧各设置一层圆偏光片6的方案，其中，以窗口玻璃5内侧和分光合光元件2外侧各设置一层的情况为例进行说明，如图13所示。

从而，窗口玻璃5外侧的减反膜7贴设于窗口玻璃5外侧表面，窗口玻璃5内侧可设置减反膜7也可以不设置；窗口玻璃5内侧设置减反膜7时，位于窗口玻璃5的圆偏光片6表面。同时，若分光合光元件2外侧设置减反膜7时，位于分光合光元件2上的圆偏光片6表面。

在实施例三中，其偏振状态调整设计方案也可以采用如图14-图15的两层圆偏光片6的方案，第一层圆偏光片6对应为分光合光元件2上的圆偏光片6，第二层圆偏光片6对应为窗口玻璃5上的圆偏光片6，原理一致，此处不再赘述。

具体以如下一种具体的偏振状态调整设计示例进行说明：对θ指定角度，比如像源屏1上的线偏光片62吸收轴AA方向垂直于长边方向，1/4波片61慢轴SA方向沿135°（或者-45°），成像光以左旋圆偏振光状态出射像源屏1，经过非偏振分光膜21和曲面镜3反射之后进入分光合光元件2外侧的慢轴SA方向沿135°（或者-45°）的1/4波片61后变为偏振方向垂直于长边方向，再经过吸收轴AA方向平行于长边方向的线偏光片62后照射到窗口玻璃5上。这里，分光合光元件2外侧设有减反膜7，可以避免外侧面的菲涅尔反射再次进入成像光路中产生鬼像。照射到窗口玻璃5上的线偏光经过窗口玻璃5上慢轴SA方向沿135°（或者-45°）的1/4波片61后变为右旋圆偏振光，再经过吸收轴AA方向平行于长边方向的线偏光片62，以低于50%的透过率透过窗口玻璃5，以垂直方向的线偏振光出射进入人眼。

在窗口玻璃5外侧和分光合光元件2外侧各设置一层圆偏光片6的方案，与上述的窗口玻璃5内侧和分光合光元件2外侧各设置一层的方案原理一致，此处不再赘举。

实施例四

实施例三中，成像光从分光合光元件2透过之后，与窗口玻璃5需求的偏振态并不匹配，因此会有约50%的成像光损失。一个改善的方案是在分光合光元件2的最外侧增加一层QWP，在实施例三的基础上，在分光合光元件2的圆偏光片6的外侧再额外设置一个1/4波片61。具体可以是在窗口玻璃5外侧和分光合光元件2外侧各设置一层圆偏光片6的基础上额外设置一个1/4波片61，也可以在窗口玻璃5内侧和分光合光元件2外侧各设置一层圆偏光片6的基础上额外设置一个1/4波片61，此处以后一种情况为例进行说明，如图16所示。

在实施例四中，其偏振状态调整设计方案采用在实施例三中图15所示偏振状态调整设计方案基础上增加一个1/4波片61的方式，如图17所示，依照像源屏1发光的传播顺序分析如下，不失一般性：设像源屏1上的线偏光片62吸收轴AA方向与长边方向夹角为θ，像源屏1上的1/4波片61慢轴SA方向与长边方向夹角θ±45°；沿出射方向，第一层圆偏光片6的1/4波片61慢轴SA方向与长边方向夹角为θ∓45°，第一层圆偏光片6的线偏光片62吸收轴AA方向与长边方向夹角为θ，这里第一层圆偏光片6即为分光合光元件2上的圆偏光片6，其外侧/表面额外设置有一1/4波片61，第二层圆偏光片6的1/4波片61慢轴SA方向与长边方向夹角为(θ∓45°)+α，额外设置的1/4波片61慢轴SA方向与第二层圆偏光片6的1/4波片61慢轴SA方向平行或垂直，其中，平行时，第二层圆偏光片6的线偏光片62吸收轴AA方向与第一层圆偏光片6的线偏光片62吸收轴AA方向夹角为2α；垂直时，第二层圆偏光片6的线偏光片62吸收轴AA方向与第一层圆偏光片6的线偏光片62吸收轴AA方向夹角为0。

当然，也可以是在图16的偏振状态调整设计方案基础上额外设置一个1/4波片61，原理一致，此处不再赘举。

同样，以一种具体的偏振状态调整设计示例进行说明：对θ指定角度，比如像源屏1上线偏光片62吸收轴AA方向垂直于长边方向，1/4波片61慢轴SA方向沿 135°（或者-45°），成像光以左旋圆偏振光状态出射像源屏1，经过非偏振分光膜21和曲面镜3反射之后进入分光合光元件2外侧的圆偏光片6的慢轴SA方向沿 135°（或者-45°）1/4波片61后变为偏振方向垂直于长边方向，再经过吸收轴AA方向平行于长边方向的线偏光片62后依然保持垂直方向线偏振状态，之后再经过额外增加的慢轴SA方向沿45°的1/4波片后变为左旋圆偏振光，之后照射到窗口玻璃5上。此实例中，分光合光元件2外侧的减反膜7则设置在该额外增加的1/4波片61外侧，或者可以不在分光合光元件2上设置减反膜7，原因在于：即使不贴合减反膜7，其上的线偏光片62与额外增加的1/4波片61也等效为圆偏光片6，从而使得图4中的原理依然适用，进而使得最外侧面的菲涅尔反射后大部分会被 线偏光片62吸收从而避免再次进入成像光路中产生鬼像。照射到窗口玻璃5上的左旋圆偏光经过窗口玻璃5上慢轴SA方向沿 135°（或者-45°）1/4波片61后变为垂直方向的线偏振光，再经过吸收轴AA方向平行于长边方向的线偏光片61后，以较高的透过率透过窗口玻璃5，以垂直方向的线偏振光出射进入人眼。

值得指出的是，成像光的整体光效可以通过此方案大幅提高，外部杂光也可以沿着成像光路径透过非偏振分光膜21进入腔体最内部，但被反射回来后由于分光合光元件2上的POL+QWP组合大部分被吸收，因此从光学效果来说，实施例四相比于实施例三的方案改进利大于弊。

具体的，本申请实施例提供的成像设备，包括本申请实施例中设计各种的光学系统，用于进行桌面虚像成像显示。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不表示是唯一的或是限制本发明。本领域技术人员应理解，在不脱离本发明的范围情况下，对本发明进行的各种改变或同等替换，均属于本发明保护的范围。

Claims (14)

1.一种光学系统，包括像源屏（1）、分光合光元件（2）、曲面镜（3），分光合光元件（2）沿主光线轴倾斜设置，用于将像源屏（1）的出射光线反射至曲面镜（3）进行反射，并将曲面镜（3）反射后的沿主光线轴的光线透射后继续沿主光线轴出射，其特征在于，沿主光线轴垂直设有位于分光合光元件（2）透射光路上的窗口玻璃（5），像源屏（1）、分光合光元件（2）、曲面镜（3）、窗口玻璃（5）密封形成一密封腔体，窗口玻璃（5）和分光合光元件（2）中的至少一个上设有至少一层圆偏光片（6）。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，圆偏光片（6）包括沿光线出射方向依次设置的一个1/4波片（61）和一个或两个线偏光片（62）。

3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，窗口玻璃（5）的外侧和内侧中至少一侧上设有至少一层圆偏光片（6）；

和/或，分光合光元件（2）外侧设有至少一层圆偏光片（6）。

4.根据权利要求3所述的光学系统，其特征在于，圆偏光片（6）在窗口玻璃（5）的外侧或内侧设置一层，或在窗口玻璃（5）的外侧或内侧设置两层，或在窗口玻璃（5）外侧和内侧各设置一层，或在窗口玻璃（5）的内侧或外侧和分光合光元件（2）的外侧各设置一层。

5.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于，像源屏（1）上沿光线出射方向依次设有线偏光片（62）和1/4波片（61），或依次设有线偏光片（62）、1/4波片（61）和减反膜（7）。

6.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于，分光合光元件（2）内侧设有非偏振分光膜（21）。

7.根据权利要求6所述的光学系统，其特征在于，非偏振分光膜（21）的分光比例为可见光光谱范围内平均反射率R=15%~85%，透射率T=100%-R。

8.根据权利要求5所述的光学系统，其特征在于，当圆偏光片（6）在窗口玻璃（5）外侧或者内侧设置一层时：

设像源屏（1）上的线偏光片（62）的吸收轴方向与长边方向夹角为θ，像源屏（1）上的1/4波片（61）慢轴方向与长边方向夹角为θ±45°；

窗口玻璃（5）上的1/4波片（61）慢轴方向与长边方向夹角为θ±45°，窗口玻璃（5）上的线偏光片（62）的吸收轴方向与长边方向夹角为θ±90°，或窗口玻璃（5）上的1/4波片（61）慢轴方向与长边方向夹角为θ∓45°，窗口玻璃（5）上的线偏光片（62）的吸收轴方向与长边方向夹角为θ。

9.根据权利要求5所述的光学系统，其特征在于，当圆偏光片（6）在窗口玻璃（5）的外侧或者内侧设置两层，或在窗口玻璃（5）的外侧和内侧各设置一层，或在窗口玻璃（5）的内侧或外侧和分光合光元件（2）的外侧各设置一层时：

设像源屏（1）上的线偏光片（62）吸收轴方向与长边方向夹角为θ，像源屏（1）上的1/4波片（61）慢轴方向与长边方向夹角θ±45°；

沿出射方向，第一层圆偏光片（6）的1/4波片（61）慢轴方向与长边方向夹角为θ±45°，第一层圆偏光片（6）的线偏光片（62）吸收轴方向与长边方向夹角为θ±90°，第二层圆偏光片（6）的1/4波片（61）慢轴方向与长边方向夹角为(θ±45°)+α，第二层圆偏光片（6）的线偏光片（62）吸收轴方向与长边方向夹角(θ±45°)＋(α±45°)；或第一层圆偏光片（6）的1/4波片（61）慢轴方向与长边方向夹角为θ∓45°，第一层圆偏光片（6）的线偏光片（62）吸收轴方向与长边方向夹角为θ，第二层圆偏光片（6）的1/4波片（61）慢轴方向与长边方向夹角为(θ∓45°)+α，第二层圆偏光片（6）的线偏光片（62）吸收轴方向与长边方向夹角(θ∓45°)＋(α±45°)，α∈[0,45°]。

10.根据权利要求9所述的光学系统，其特征在于，当圆偏光片（6）在窗口玻璃（5）的内侧或外侧和分光合光元件（2）的外侧各设置一层时，第一层圆偏光片（6）外侧设有一1/4波片（61），沿出射方向，第一层圆偏光片（6）的1/4波片（61）慢轴方向与长边方向夹角为θ±45°，第一层圆偏光片（6）的线偏光片（62）吸收轴方向与长边方向夹角为θ±90°，第二层圆偏光片（6）的1/4波片（61）慢轴方向与长边方向夹角为(θ±45°)+α，第一层圆偏光片（6）外侧的1/4波片（61）慢轴方向与第二层圆偏光片（6）的1/4波片（61）慢轴方向平行或垂直，其中，当第一层圆偏光片（6）外侧的1/4波片（61）慢轴方向与第二层圆偏光片（6）的1/4波片（61）慢轴方向平行时，第二层圆偏光片（6）的线偏光片（62）吸收轴方向与第一层圆偏光片（6）的线偏光片（62）吸收轴方向夹角为2α；当第一层圆偏光片（6）外侧的1/4波片（61）慢轴方向与第二层圆偏光片（6）的1/4波片（61）慢轴方向垂直时，第二层圆偏光片（6）的线偏光片（62）吸收轴方向与第一层圆偏光片（6）的线偏光片（62）吸收轴方向夹角为0。

11.根据权利要求3所述的光学系统，其特征在于，还具有以下结构中的一种或多种：

于窗口玻璃（5）外侧设置的减反膜（7），其中，当窗口玻璃（5）的外侧设置有圆偏光片（6）时，减反膜（7）位于窗口玻璃（5）外侧设置的圆偏光片（6）表面；

于窗口玻璃（5）内侧设置的减反膜（7），其中，当窗口玻璃（5）的内侧设置有圆偏光片（6）时，减反膜（7）位于窗口玻璃（5）内侧设置的圆偏光片（6）表面；

于分光合光元件（2）外侧设置的减反膜（7），其中，当分光合光元件（2）外侧设置有圆偏光片（6）时，减反膜（7）位于分光合光元件（2）外侧设置的圆偏光片（6）表面。

12.根据权利要求11所述的光学系统，其特征在于，设置于窗口玻璃（5）外侧的减反膜（7）具有抗指纹功能。

13.根据权利要求12所述的光学系统，其特征在于，抗指纹功能对应的水滴角大于105°。

14.一种成像设备，其特征在于，包括如权利要求1-13中任意一项所述的光学系统。