CN206321882U - 一种光学系统及装配该光学系统的头戴式显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种光学系统及装配该光学系统的头戴式显示装置。该光学系统位于图像生成单元和图像接收器之间，包括：透镜，用于对图像生成单元的图像光信息形成预定的焦距；分光组件，用于使图像生成单元的图像光信息中的目标光线往返多次经过透镜后进入图像接收器，包括在透镜和图像生成单元之间的第一分光器和透镜和图像接收器之间的第二分光器；光调制组件，用于调制入射的偏振光的偏振态；及偏振过滤器，用于阻挡杂散光线进入图像接收器。本实用新型的光学装置更为简洁有效，可以用一片透镜，有利于缩短光路，减小显示装置的整体重量。装置总长小，体积小，重量轻，便于用户携带和使用。

Description

一种光学系统及装配该光学系统的头戴式显示装置

技术领域

本实用新型涉及显示技术领域，特别涉及一种光学系统以及装配该光学系统的头戴式显示装置。

背景技术

随着时代的进步，头戴显示器(Head-Mounted Display,HMD)正逐渐走进人们的生活，其颠覆了传统显示装置给使用者带来的视觉感受，具有较强的沉浸感与真实感。头戴显示器有着十分重要的应用和商业价值，在文化传播、娱乐游戏、军事训练、医疗诊断、虚拟现实和增强现实等领域都有广泛的应用。

头戴显示器要佩戴在使用者的头部，其重量和体积都要尽可能小。头戴显示器作为一种显示设备，光学装置是其核心部件之一，现有的应用于头戴式显示器的光学装置可分为共轴和离轴两种。共轴光学装置体积大、重量大、成像质量差，很难解决大视场角和大出瞳距与设备小型化之间的矛盾。离轴光学装置中透镜数目相对共轴光学装置较少，但一般也多于两片，另外其装配较困难、成本高，体积和重量也很难减小。

随着光学器件加工精度的提高，自由曲面透镜逐渐地应用于头戴显示光学装置中。自由曲面透镜能够减小装置的体积和重量，提升成像质量。但现存的文献中涉及自由曲面透镜在头戴显示中的应用依然存在体积过大的问题，同时由于自由曲面加工难度大，相应光学装置的制造成本较高。

在先技术“基于球面棱镜的头戴式显示器的光学装置”(中国实用新型专利CN102692709A)中，公开了一种使用两片光学元器件的离轴式头戴显示器。该实用新型中至少包含一个球面棱镜和一个球面透镜，虽然其矫正了色差，但其重量和体积都较大，不能给佩戴者提供较好的舒适度。

在先技术“双片式自由曲面头戴显示器光学装置”(中国实用新型专利CN101900872A)公开了一种双片式自由曲面装置。该实用新型主要包括自由曲面透镜和自由曲面棱镜，因为该装置为离轴装置，所以装置长度有所减小，但依然较长，在缩减装置结构尺寸方面没有实质性的突破。另外，该实用新型中的像源与自由曲面透镜贴合，像源更换困难，维修代价高。

实用新型内容

本实用新型旨在克服在先技术的不足，提出了一种工作距离短、结构紧凑、具有大视场角和大出瞳直径的轻型光学系统以及装配该光学系统的头戴式显示装置。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型提供一种光学系统，该光学系统位于图像生成单元和图像接收器之间。该光学系统包括：

透镜，用于对图像生成单元生成的图像光信息形成预定的焦距；

分光组件，用于使图像生成单元生成的图像光信息中的目标光线往返多次经过透镜后进入图像接收器，包括第一分光器和第二分光器，第一分光器位于透镜和图像生成单元之间，第二分光器位于透镜和图像接收器之间；

光调制组件，用于调制入射的偏振光的偏振态；以及

偏振过滤器，用于阻挡图像生成单元生成的图像光信息中的杂散光线进入图像接收器。

对于上述光学系统，第一分光器用于透射具有第一偏振态的光并且反射具有与第一偏振态正交的第二偏振态的光。

对于上述光学系统，第一分光器是透镜靠近图像生成单元一侧镀有偏振分光膜的表面或者是位于透镜和图像生成单元之间的偏振分光片。

对于上述光学系统，第二分光器用于对入射的光线透射其中一部分而且反射其余部分。

对于上述光学系统，第二分光器是半透半反镜。

对于上述光学系统，图像生成单元生成的图像光信息是偏振光，或者该光学系统还包括位于图像生成单元和第一分光器之间的偏振形成器，用于保留与其透光轴平行的线偏振光。

对于上述光学系统，偏振形成器是偏振片。

对于上述光学系统，作为偏振形成器的偏振片的透光轴与图像生成单元发出的偏振光或图像生成单元发出的光线经第一次偏振形成的偏振光的偏振方向垂直。

对于上述光学系统，光调制组件包括位于透镜和第二分光器之间的第一光调制器和位于第二分光器和偏振过滤器之间的第二光调制器。

对于上述光学系统，第一光调制器是相位可变延时器或四分之一波片。

对于上述光学系统，第一光调制器的快轴与图像生成单元发出的偏振光或图像生成单元发出的光线经第一次偏振形成的偏振光的偏振方向夹角为45°。

对于上述光学系统，第二光调制器是相位可变延时器或四分之一波片。

对于上述光学系统，第二光调制器的快轴与第一光调制器的快轴垂直。

对于上述光学系统，相位可变延时器用于对入射的特定波长的光产生相位延时。

对于上述光学系统，相位可变延时器对入射的特定波长的光产生四分之一波长或等效四分之一波长的相位延时。

对于上述光学系统，相位可变延时器产生相位延时的光的波长由相位可变延时器的电压或电流确定。

对于上述光学系统，偏振过滤器是偏振片。

对于上述光学系统，透镜、分光组件、光调制组件以及偏振过滤器贴附形成透镜组。

对于上述光学系统，透镜为多个透镜组合的透镜组。

对于上述光学系统，透镜两侧面型分别为平面、球面、非球面或自由曲面中的任一种。

本实用新型还提供一种头戴式显示装置，该头戴式显示装置包括上述光学系统和位于同一光轴上的图像生成单元。

对于上述头戴式显示装置，图像生成单元生成的图像为单色或彩色图像。

对于上述头戴式显示装置，图像生成单元为硅基液晶三色投影装置。

与现有技术相比，本实用新型技术方案主要的优点如下：

本实用新型的头戴式显示装置中，通过折反射多次利用透镜材料和边缘折射，形成一片透镜被多次利用的物理本质，使得使用一片透镜得到两片或者更多片透镜才能达到的像质，从而实现了利用更小的厚度和体积实现相同成像质量的要求。

同时，本实用新型的光学装置更为简洁有效，可以用一片透镜，有利于缩短光路，减小显示装置的整体重量。装置总长小，体积小，重量轻，便于用户携带和使用。

此外，本实用新型的头戴式显示装置利用液晶相位可变延时器对不同波长的光进行调制，利用偏振原理对光线进行筛选，同时使用折反的方式，多次利用透镜，提供适当的光焦度，使得光线能够以接近平行的状态进入人眼，实现了用于虚拟现实的头戴显示器目镜的设计。

进一步地，本实用新型的头戴式显示装置的光学装置的视场角可以做到很大，用户佩戴舒适且沉浸感强，另外，该光学装置的出瞳直径可以做到很大，便于与佩戴者眼睛的瞳孔匹配。

进一步地，本实用新型的头戴式显示装置的光学装置中使用的液晶相位可变延时器可以适用于多波长情况，能够实现彩色显示。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本实用新型实施例所述的头戴式显示装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例1所述的头戴式显示装置的结构示意图；

图3是本实用新型实施例1中的液晶相位可变延时器处于一种状态时的结构示意图；

图4是本实用新型实施例1中的液晶相位可变延时器处于另一种状态时的结构示意图；

图5是本实用新型实施例1中的硅基液晶三色投影装置的显示时序图；

图6是本实用新型实施例1中的液晶相位可变延时器的控制时序示意图；

图7是本实用新型实施例2所述的头戴式显示装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

图1示出了本实用新型一个实施例所述的光学系统的结构示意图。

如图1所示，本实用新型的光学系统位于图像生成单元1和图像接收器2例如人眼之间。该光学系统包括透镜3，透镜3用于对图像生成单元生成的图像光信息形成预定的焦距。透镜3可为材料均匀的透镜，其材质不限，例如可以为玻璃或透明有机玻璃，此外，透镜3也可以为两种或多种材料组成的胶合透镜或透镜组。此外，透镜3中透镜的面型可以为平面，也可以带有一定的曲率，如球面、非球面或自由曲面。

本实用新型的光学系统包括分光组件4，用于使图像生成单元生成的图像光信息中的目标光线往返多次经过透镜3后进入图像接收器2。该分光组件包括第一分光器41和第二分光器42，第一分光器41位于透镜3和图像生成单元1之间，第二分光器42位于透镜3和图像接收器2之间。第一分光器41用于透射具有第一偏振态的线偏振光并且反射具有正交的第二偏振态的线偏振光，可以是贴附在透镜3朝向图像生成单元1的一面上的偏振分光膜，作为替代也可以是设置在透镜3和图像生成单元1之间的偏振分光片。第二分光器42用于对入射的光线透射其中一部分而且反射其余部分，可以是半透半反镜，使入射到其上的光一部分透过并且另外一部分反射，透过光与反射光的比值可以根据具体要求决定，在此不做具体限定。

本实用新型的光学系统包括光调制组件5，用于调制入射的偏振光的偏振态。光调制组件包括第一光调制器51和第二光调制器52，第一光调制器51是四分之一波片或相位可变延时器，第二光调制器52是四分之一波片或相位可变延时器。相位可变延时器用于对入射的特定波长的光产生相位延时。在一个优选实施例中，利用液晶相位可变延时器对不同波长的光进行调制。相位可变延时器能够适应多种波长的光，因此该显示装置能够显示彩色图像，因此图像生成单元1生成的图像可以是单色的，也可以是彩色的。

本实用新型的光学系统包括偏振过滤器6，用于阻挡图像生成单元生成的图像光信息中的杂散光线进入图像接收器2。偏振过滤器6可以是一个偏振片。

本实用新型的头戴式显示装置包括上述光学系统和位于同一光轴上的图像生成单元1。

在一个实施例中，图像生成单元1出射的光不具有偏振特性，该光线入射到偏振形成器7后，偏振形成器7使入射的光线发生偏振形成线偏振光。偏振形成器7例如可以是一个偏振片。作为偏振形成器7的偏振片和作为偏振过滤器6的偏振片均为线偏振片，可以使偏振方向与线偏振片透光方向平行的光通过，将偏振方向与线偏振片透光方向垂直的光遮挡，从而可以将特定的光透过。

在另一个实施例中，图像生成单元1和偏振形成器7可以采用手机显示屏实现，手机显示屏发出的光线通常为线偏振光，因此可以直接用手机替代图像生成单元1和偏振形成器7。图像生成单元1也可以是微显示器或微型投影仪，凡是能够发出光线的显示器都可以作为像源。比如可以使用硅基液晶(LCOS)三色(RGB)投影技术的微投影仪作为本实施例的头戴式显示装置的图像生成单元1。

本实用新型的实施例1提供一种头戴式显示装置，如图2所示，其包括手机11、偏振分光片411、透镜3、第一相位可变延时器511、半透半反镜421、第二相位可变延时器521以及偏振片61。

具体地，图像光信息从手机11的显示屏出射，本实用新型的实施例中，从手机11的显示屏出射的光具有偏振特性，称为第一线偏振光，第一线偏振光经过偏振分光片411和透镜3的透射后入射到第一相位可变延时器511，经过第一相位可变延时器511的相位延迟后形成第一旋转方向圆偏振光后，第一旋转方向圆偏振光经过半透半反镜421后，形成第一反射光和第一透射光，第一反射光再次入射到第一相位可变延时器511后，经过第一相位可变延时器511的相位延迟后形成偏振方向与第一线偏振光的偏振方向垂直的第二线偏振光，第二线偏振光经过透镜3偏折后被偏振分光片411反射，再次透过透镜3后入射到第一相位可变延时器511，并被第一相位可变延时器511相位延迟后形成旋转方向与第一旋转方向圆偏振光的旋转方向相反的第二旋转方向圆偏振光，第二旋转方向圆偏振光经过半透半反镜421后，形成第二反射光和第二透射光，第二透射光经过第二相位可变延时器511后，形成偏振方向与第二偏振片7的透光方向平行的第二线偏振光，第二线偏振光经过偏振片61后进入人眼。

在上述实施例中，偏振片61的透光轴方向与第一线偏振光的偏振方向垂直，第一透射光经过第二相位可变延时器521相位延迟后形成偏振方向与第一线偏振光的偏振方向平行的第二线偏振光，由于其偏振方向与偏振片61的透光方向垂直，因此被偏振片61遮挡，无法进入到人眼。此外，第二透射光入射到人眼，第二反射光再次通过第一相位可变延时器511和透镜3，然后透过偏振分光片411，之后不再在光路中折返。

第一相位可变延时器511的快轴与第一线偏振光的偏振方向的夹角为45°。第二相位可变延时器521的快轴与第一相位可变延时器511的快轴垂直，即第二相位可变延时器521的快轴与第一线偏振光的偏振方向夹角为-45°。此外，半透半反镜片421主要起到对光线进行反射和透射作用，并不改变光线偏振态。从而通过设置第一相位可变延时器511、第二相位可变延时器521和偏振片61来实现对特定光的透过。

在本实施例中，如图2所示，偏振分光片411、第一相位可变延时器511、半透半反镜421、第二相位可变延时器521和偏振片61可以为平面结构，也可为曲面结构，根据具体的显示要求进行具体的设计。

本实施例的头戴式显示装置中，通过折反射多次利用透镜材料和边缘折射，形成一片透镜被多次利用的物理本质，使得使用一片透镜得到两片或者更多片透镜才能达到的像质，从而实现了利用更小的厚度和体积实现相同成像质量的要求。同时，本实用新型的光学装置更为简洁有效，可以用一片透镜，有利于缩短光路，减小显示装置的整体重量。

进一步地，上述实施例所述的头戴式显示装置的光学装置的视场角可以做到很大，用户佩戴舒适且沉浸感强，另外，该光学装置的出瞳直径可以做到很大，便于与佩戴者眼睛的瞳孔匹配。

在一个实施例中，将偏振分光片411、透镜3、第一相位可变延时器511、半透半反镜421、第二相位可变延时器521以及偏振片61依次贴附形成一体。另外，也可以选择将靠近透镜3的单元贴附到透镜3上，例如可以将偏振分光片411贴附到透镜3的一个表面上并且将第一相位可变延时器511贴附在透镜3的另一个表面上。

此外，上述的各个单元也可以相距一定的距离，即偏振分光片411、透镜3、第一相位可变延时器511、半透半反镜421、第二相位可变延时器521以及偏振片61，相邻的两个单元之间均相距一定的距离，此距离根据具体的光学装置成像质量进行设计。

此外，也可以将部分单元贴附在透镜3上，例如将第一相位可变延时器511贴附到透镜3上，半透半反镜421、第二相位可变延时器521以及偏振片61各自独立设置，并且半透半反镜521、第二相位可变延时器521以及偏振片61可以是平面结构，可以使用曲面结构，根据具体的光学系统进行设置。

通过上述设置，可以进一步地减小头戴式显示装置的体积，从而实现了装置总长小，体积小，重量轻，以便于用户携带和使用。

在优选实施例中，手机11被替换为硅基液晶(LCOS)三色(RGB)投影技术的微投影仪和第一偏振片71。该投影仪采用三片式红绿蓝三元素先分离再组合的成像方式，利用人眼视觉暂留效应，分时段将红绿蓝三色光按比例交替投射，形成彩色图像。其投射时序示意图如图3所示。在使能端为有效的情况下，由时钟信号触发，并交替投射三种色光，并且在一次使能时间内，进行两轮投射，以达到构成彩色图像的目的。

本实施例中所使用的第一相位可变延时器511和第二相位可变延时器521为液晶相位可变延时器，其内部结构如图3所示。所使用的液晶为向列型液晶，通过外加电场可以指向形成双折射层。如图3所示，熔融石英501、透明氧化锡铟(ITO)502、提供间隔的物质503和取向膜聚酰亚胺(PI)505共同构成液晶相位可变延时器的电子控制部分，在其上加不同的电压即可实现对液晶分子504偏转的控制。另外，图3示出液晶波片最大延迟的情况；图4示出液晶分子504的偏转情况，此时液晶波片有最小延迟，且其上附加电压为最大。液晶分子在电压下发生偏转角度θ与V的关系如下公式所示：

其中，V_th为阈值电压，其中，K_ΙΙ为液晶分子的展曲弹性常量，ε₀为真空介电常数，ε_ΙΙ、ε_⊥分别为平行和垂直液晶分子轴方向的介电常数，V₀为液晶分子偏转到某一特定角度的电压。随着θ的变化，光在液晶波片内部的折射率n_eff(θ)也会发生变化，满足以下关系：

此时液晶波片对光线附加的相位延迟量δ为：

其中，n₀和n_e分别为o光和e光的折射率，d为液晶波片的厚度，λ为入射光入射波长。

由上可知，根据所需调整的光的波长和需要附加的角度可以计算出此时需要在液晶波片上的电压大小。当图像生成单元1发射彩色光时，对于其某一帧图像，在某一时间段内，通过调节第一液晶相位可变延时器和第二液晶相位可变延时器的电压，使得第一液晶相位可变延时器和第二液晶相位可变延时器对某一波长的光产生四分之一和负四分之一或者等效四分之一和等效负四分之一的相位延时。在另一时间段内，通过调节第一液晶相位可变延时器和第二液晶相位可变延时器的电压，使得所述第一液晶相位可变延时器和所述第二液晶相位可变延时器对另一波长的光产生四分之一和负四分之一或者等效四分之一和等效负四分之一的相位延时。由于人眼的视觉延迟效应，人眼将看到从图像生成单元1发射的某一帧彩色图像，实现彩色显示的目的。

施加在第一相位可变延时器511和第二相位可变延时器521上的电压与图5中图像生成单元1所发出三色光(RGB)的时序相匹配，故而其时序控制如图6中Vth以及Vth'所示。

第一相位可变延时器511和第二相位可变延时器521均使用液晶相位可变延时器，通过控制液晶相位可变延时器的电压或电流，可以对入射的特定波长的光产生相位延时，例如可以对入射的光产生四分之一波长或等效四分之一波长的相位延时。需要说明的是，延时的相位可以根据具体的要求进行设置，在此处不做具体限定。

进一步地，上述实施例所述的头戴式显示装置的光学装置中使用的相位可变延时器可以适用于多波长情况，能够实现彩色显示。在使用中，当图像生成单元1发射彩色光时，对于发射的某一帧图像，在某一时间段内，通过调节第一液晶相位可变延时器和第二液晶相位可变延时器的电压或者电流，使得第一液晶相位可变延时器和第二液晶相位可变延时器对某一波长的光产生四分之一或者等效四分之一的相位延时。在另一时间段内，通过调节第一液晶相位可变延时器和第二液晶相位可变延时器的电压或者电流，使得第一液晶相位可变延时器和第二液晶相位可变延时器对另一波长的光产生四分之一或者等效四分之一的相位延时。由于人眼的视觉延迟效应，因此人眼将看到从图像生成单元1发射的某一帧彩色图像。

此外，上述实施例所述的头戴式显示装置利用液晶相位可变延时器对不同波长的光进行调制，利用偏振原理对光线进行筛选，同时使用折反的方式，多次利用透镜，提供适当的光焦度，使得光线能够以接近平行的状态进入人眼，实现了用于虚拟现实的头戴显示器目镜的设计。

本实用新型的实施例2的戴式图像显示装置如图7所示，21为装置出瞳位置，22为人眼视网膜所在位置。

如图7所示，图像生成单元1产生的光线可以认为不具有偏振特性，经过第一偏振片71后，假设光线为振动方向沿x轴的第一线偏振光，第一线偏振光在透镜3处发生偏折，然后在通过第一四分之一波片512时，被附加上1/4波长的相位，从而调制为右旋偏振光，此光线在半透半反镜421的作用下分为了两束，分别为杂散光线和目标光线。

经过第一四分之一波片512的光线在半透半反镜421上发生透射的光线即为杂散光线。杂散光线穿过半透半反镜421继续向前传播，然后被第二四分之一波片522附加上1/4波长的相位，调制为线偏振光，偏振方向沿x轴。由于第二偏振片61的透光轴方向与第一偏振片71垂直，即是沿y轴方向，所以杂散光线不能透过第二偏振片61，人眼不能观察到此光线。因此，此光学装置可以使杂散光线不能透过，目标光线正常透过，实现对光线进行筛选的目的。

经过第一四分之一波片512的光线被半透半反镜421反射的光线即为目标光线。由于反射是发生在光疏介质到光密介质的界面上，所以目标光线会附加一个π的相位差，入射的右旋偏振光反射后变为了左旋偏振光。该左旋偏振光经过第一四分之一波片512，被附加上1/4波长的相位，调制为偏振方向沿y轴的第二线偏振光，然后第二线偏振光在透镜3中经过一定的偏折，被透镜3朝向图像生成单元1的镀有偏振分光膜的一面412反射，此时的反射发生在光密介质到光疏介质的界面上，没有附加相位。接着目标光线第三次经过第一四分之一波片512，被调制为第二左旋偏振光。之后第二左旋偏振光向前传播穿过半透半反镜421和第二四分之一波片522被调制为偏振方向沿y轴的线偏振光，此偏振态和第二偏振片61的透光方向相符合，可以正常出射，被人眼接收。

本实施例的第一偏振片71和第二偏振片61均为线偏振片而且第一偏振片71和第二偏振片61的透光轴方向垂直，从而可以实现对透过的光的选择性。

第一四分之一波片512的快轴与第一偏振片71的透光轴方向的夹角为45°。第二四分之一波片522的快轴与第一四分之一波片512的快轴垂直，即第二四分之一波片512的快轴与第一偏振片71的透光轴方向夹角为-45°。此外，半透半反镜片421主要起到对光线进行反射和透射作用，并不改变光线偏振态。从而通过设置第一偏振片71、第一四分之一波片512、第二四分之一波片522和第二偏振片61来实现对特定光的透过。

在本实施例中，第一偏振片71、第一四分之一波片512、半透半反镜421、第二四分之一波片522和第二偏振片61可以为平面结构，也可以为曲面结构，根据具体的显示要求进行具体的设计。

在一个实施例中，将第一偏振片71、透镜3、第一四分之一波片512、半透半反镜421、第二四分之一波片522以及第二偏振片61依次贴附形成一体。另外，也可以选择将靠近透镜3的单元贴附到透镜3上，如可以将第一偏振片71贴附到透镜3的一个表面上，将第一四分之一波片512贴附在透镜3的另一个表面上。

进一步地，如图1所示，第一偏振片71与透镜3之间相距一定的距离，在透镜3朝向图像接收器2的表面上依次贴附第一四分之一波片512、半透半反镜421、第二四分之一波片522和第二偏振片61。

此外，上述的各个单元也可以相距一定的距离，即第一偏振片71、透镜3、第一四分之一波片512、半透半反镜421、第二四分之一波片522以及第二偏振片61，相邻的两个单元之间均相距一定的距离，此距离根据具体的光学装置成像质量进行设计。

此外，也可以将部分单元贴附在第一透镜3上，如图7所示，将第一四分之一波片512贴附到透镜3上，半透半反镜421、第二四分之一波片522以及第二偏振片61各自独立设置，其出射的光路如图7中所示，并且半透半反镜421、第二四分之一波片522以及第二偏振片61可以是平面结构，可以使用曲面结构，根据具体的光学系统进行设置。

本实用新型由于使用了单片透镜，所以畸变、色差(尤其是垂轴色差)无法得到有效校正。但畸变和色差均可以由现有的配套软件的预校正技术进行校正，在本实用新型的实施例中不做具体描述。

本实用新型的头戴式显示装置中，通过折反射多次利用透镜材料和边缘折射，形成一片透镜被多次利用的物理本质，使得使用一片透镜得到两片或者更多片透镜才能达到的像质，从而实现了利用更小的厚度和体积实现相同成像质量的要求。

同时，本实用新型的光学装置更为简洁有效，可以用一片透镜，有利于缩短光路，减小显示装置的整体重量。装置总长小，体积小，重量轻，便于用户携带和使用。

进一步地，本实用新型的头戴式显示装置的光学装置的视场角可以做到很大，用户佩戴舒适且沉浸感强，另外，该光学装置的出瞳直径可以做到很大，便于与佩戴者眼睛的瞳孔匹配。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (23)

1.一种光学系统，位于图像生成单元和图像接收器之间，其特征在于，该光学系统包括：

透镜，用于对图像生成单元生成的图像光信息形成预定的焦距；

分光组件，用于使图像生成单元生成的图像光信息中的目标光线往返多次经过透镜后进入图像接收器，包括第一分光器和第二分光器，第一分光器位于透镜和图像生成单元之间，第二分光器位于透镜和图像接收器之间；

光调制组件，用于调制入射的偏振光的偏振态；以及

偏振过滤器，用于阻挡图像生成单元生成的图像光信息中的杂散光线进入图像接收器。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，第一分光器用于透射具有第一偏振态的光并且反射具有与第一偏振态正交的第二偏振态的光。

3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，第一分光器是透镜靠近图像生成单元一侧镀有偏振分光膜的表面或者是位于透镜和图像生成单元之间的偏振分光片。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，第二分光器用于对入射的光线透射其中一部分而且反射其余部分。

5.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于，第二分光器是半透半反镜。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，图像生成单元生成的图像光信息是偏振光，或者该光学系统还包括位于图像生成单元和第一分光器之间的偏振形成器，用于保留与其透光轴平行的线偏振光。

7.根据权利要求6所述的光学系统，其特征在于，偏振形成器是偏振片。

8.根据权利要求7所述的光学系统，其特征在于，作为偏振形成器的偏振片的透光轴与图像生成单元发出的偏振光或图像生成单元发出的光线经第一次偏振形成的偏振光的偏振方向垂直。

9.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，光调制组件包括位于透镜和第二分光器之间的第一光调制器和位于第二分光器和偏振过滤器之间的第二光调制器。

10.根据权利要求9所述的光学系统，其特征在于，第一光调制器是相位可变延时器或四分之一波片。

11.根据权利要求10所述的光学系统，其特征在于，第一光调制器的快轴与图像生成单元发出的偏振光或图像生成单元发出的光线经第一次偏振形成的偏振光的偏振方向夹角为45°。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的光学系统，其特征在于，第二光调制器是相位可变延时器或四分之一波片。

13.根据权利要求12所述的光学系统，其特征在于，第二光调制器的快轴与第一光调制器的快轴垂直。

14.根据权利要求12所述的光学系统，其特征在于，相位可变延时器用于对入射的特定波长的光产生相位延时。

15.根据权利要求14所述的光学系统，其特征在于，相位可变延时器对入射的特定波长的光产生四分之一波长或等效四分之一波长的相位延时。

16.根据权利要求12所述的光学系统，其特征在于，相位可变延时器产生相位延时的光的波长由相位可变延时器的电压或电流确定。

17.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，偏振过滤器是偏振片。

18.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，透镜、分光组件、光调制组件以及偏振过滤器贴附形成透镜组。

19.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，透镜为多个透镜组合的透镜组。

20.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，透镜两侧面型分别为平面、球面、非球面或自由曲面中的任一种。

21.一种头戴式显示装置，其特征在于，包括如上述任一项权利要求所述的光学系统和位于同一光轴上的图像生成单元。

22.根据权利要求21所述的头戴式显示装置，其特征在于，图像生成单元生成的图像为单色或彩色图像。

23.根据权利要求21所述的头戴式显示装置，其特征在于，图像生成单元为硅基液晶三色投影装置。