CN208384244U - 一种基于自由曲面棱镜的光学系统及显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光学成像技术领域，提供一种基于自由曲面棱镜的光学系统及显示装置，基于自由曲面棱镜的光学系统包括沿光路依次设置的背光模组、分光单元、硅基液晶显示器以及自由曲面棱镜，背光模组用于产生光线，分光单元反射具有第一偏振态的光线、且透射具有第二偏振态的光线，硅基液晶显示器用于反射光线且改变光线的偏振态；背光模组产生的光线传播至分光单元，分光单元将具有第一偏振态的光线反射至硅基液晶显示器，硅基液晶显示器改变光线的偏振态并将光线反射至分光单元，分光单元将来自硅基液晶显示器的光线透射至自由曲面棱镜，光线经过自由曲面棱镜后出射；硅基液晶显示器产生的虚拟图像具有很高的亮度，用户具有良好的使用体验。

Description

一种基于自由曲面棱镜的光学系统及显示装置

技术领域

本实用新型涉及光学成像技术领域，更具体地说，是涉及一种基于自由曲面棱镜的光学系统及显示装置。

背景技术

头戴显示光学技术，例如虚拟现实技术(Virtual Reality，简称VR)和增强现实技术(Augmented Reality，简称AR)，作为由光学、电子学、软件交互等多种领域相结合的新型技术，近年来得到了迅猛的发展。

增强现实技术是一种将真实世界信息和虚拟世界信息集成，从而将虚拟图像和现实场景进行结合展现的新技术，在日常生活中可以为人们的生活带来便利。增强现实技术的基本光学原理为向人眼同时入射携带真实世界景物信息和虚拟图像信息的光线，两个光学路径上传输的图像信息在人眼处融合，使得人眼同时获得真实世界景物信息和虚拟图像的混合图像，从而达到增强现实的效果。而虚拟现实技术则能够为人们带来沉浸式的用户体验，使得用户可以观看到更加震撼的虚拟图像信息。

现有的头戴显示光学系统通常采用液晶显示器(LCD)提供图像光线，然而液晶显示器的光能利用率较低，因此在光线较强的室外环境中使用时，液晶显示器产生的虚拟图像的亮度较低，从而在室外强光下使用时由于液晶显示器产生的虚拟图像很暗，使得用户无法看清楚虚拟图像的内容，难以满足使用需求。

以上不足，有待改进。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于自由曲面棱镜的光学系统，以解决现有头戴显示光学系统存在的虚拟图像的亮度较低，用户的观看体验不佳的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：提供一种基于自由曲面棱镜的光学系统，其特征在于：包括沿光路依次设置的背光模组、分光单元、硅基液晶显示器以及自由曲面棱镜；

所述背光模组用于产生光线；

所述分光单元用于反射具有第一偏振态的光线，且透射具有第二偏振态的光线；

所述硅基液晶显示器用于反射光线且改变光线的偏振态；

所述背光模组产生的光线传播至所述分光单元，所述分光单元将具有第一偏振态的光线反射至所述硅基液晶显示器，所述硅基液晶显示器改变光线的偏振态并将光线反射至所述分光单元，所述分光单元将来自所述硅基液晶显示器的光线透射至所述自由曲面棱镜，光线经过所述自由曲面棱镜后出射。

在一个实施例中，所述自由曲面棱镜设有第一曲面、第二曲面以及第三曲面；

所述第三曲面供光线入射；

所述第一曲面将从所述第三曲面入射的光线反射至所述第二曲面，且将来自所述第二曲面的光线出射；

所述第二曲面将来自所述第一曲面的光线反射回所述第一曲面。

在一个实施例中，所述第一曲面、所述第二曲面或所述第三曲面的面型方程为：

其中c_x是曲面在X-Z平面内X方向的曲率半径，c_y是曲面在Y-Z平面内Y方向的曲率半径，k_x是曲面X方向的二次曲线系数，k_y是曲面Y方向的二次曲线系数，A_i是4,6,8,10，…2n阶非球面系数，关于Z轴对称，P_i是4,6,8,10，…2n阶非旋转对称系数，n为预先设定的正整数；

或者，

所述第一曲面、所述第二曲面或所述第三曲面的面型方程为：

其中，Z为沿Z方向的矢高，c为曲率，r是以自由曲面镜片的长度单位为单位的径向坐标，且满足x²+y²＝r²，r的坐标为沿X轴方向、Y轴方向创建的直角坐标系重的坐标值，k为圆锥系数，为Zernike多项式，A_i为多项式系数，其展开为：

其中，Zernike多项式项数为

或者，

所述第一曲面、所述第二曲面或所述第三曲面的面型方程为：

其中c为曲率半径，k为二次曲面系数，A,B,C,D分别为4,6,8,10阶非球面系数。

在一个实施例中，所述硅基液晶显示器靠近所述背光模组的端部为第一端部，经所述第一端部反射的光线依次与所述分光单元、所述第三曲面、所述第一曲面、所述第二曲面以及所述第一曲面的交点分别为第一交点、第二交点、第三交点、第四交点以及第五交点；

所述硅基液晶显示器远离所述背光模组的端部为第二端部，经所述第二端部反射的光线依次与所述分光单元、所述第三曲面、所述第一曲面、所述第二曲面以及所述第一曲面的交点分别为第六交点、第七交点、第八交点、第九交点以及第十交点；

所述第七交点和所述第八交点所在直线与所述第八交点处的法线之间的夹角大于arcsin(1/n)，其中n为所述自由曲面棱镜的折射率；

竖直方向为Y方向，且在Y方向上，从所述第一端部向所述第二端部的方向为Y正方向；

水平方向为Z方向，且在Z方向上，从所述第二端部向所述第一端部的方向为Z正方向。

在一个实施例中，所述第四交点和所述第五交点满足：

0.5≤Z4-Z5≤2，单位为毫米；

Y4-Y5＜0，单位为毫米；

其中Y4为第四交点的Y轴坐标，Z4为第四交点的Z轴坐标；

Y5为第五交点的Y轴坐标，Z5为第五交点的Z轴坐标。

在一个实施例中，所述第二交点和所述第九交点满足：

0.5≤Z9-Z2≤2，单位为毫米；

0.5≤Y2-Y9≤2，单位为毫米；

0.5≤Y1-Y2≤2，单位为毫米；

其中Y1为第一交点的Y轴坐标；

Y2为第二交点的Y轴坐标，Z2为第二交点的Z轴坐标；

Y9为第九交点的Y轴坐标，Z9为第九交点的Z轴坐标。

在一个实施例中，所述第七交点和所述第八交点满足：

0.5≤Z7-Z8≤2，单位为毫米；

0.5≤Y7-Y8≤2，单位为毫米；

其中Y7为第七交点的Y轴坐标，Z7为第七交点的Z轴坐标；

Y8为第八交点的Y轴坐标，Z8为第八交点的Z轴坐标。

在一个实施例中，所述第三曲面上最靠近所述硅基液晶显示器的点至所述硅基液晶显示器的垂线长度为5毫米～15毫米；

所述背光模组在所述垂线方向上的投影不大于所述垂线长度。

在一个实施例中，所述分光单元包括偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜用于反射具有第一偏振态的光线，且透射具有第二偏振态的光线；

或者，

所述分光单元包括偏振膜，所述偏振膜用于反射具有第一偏振态的光线，且透射具有第二偏振态的光线；

或者，

所述分光单元包括基底和偏振片，所述偏振片设于所述基底的表面，所述偏振片用于反射具有第一偏振态的光线，且透射具有第二偏振态的光线。

本实用新型的目的还在于提供一种显示装置，包括上述的基于自由曲面棱镜的光学系统。

本实用新型提供的一种基于自由曲面棱镜的光学系统的有益效果在于：

(1)采用硅基液晶显示器作为显示器，其具有很高的光线能量利用率，即便是在光线较强的室外环境中使用时，也可以保证硅基液晶显示器所产生的虚拟图像具有很高的亮度，确保用户具有良好的观看体验，满足不同场景的使用需求。

(2)采用分光单元对光线的偏振态进行选择，从而实现对背光光线的选择，有利于提高硅基液晶显示器所产生的图像效果。

(3)由于采用自由曲面棱镜，而自由曲面棱镜采用单个元件即可实现传统多面透镜才能实现的光学质量，不仅可有效保证基于自由曲面棱镜的光学系统的光学质量，而且使得基于自由曲面棱镜的光学系统的整体结构更加紧凑，同时其成本低廉，有利于降低制造成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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为本实用新型实施例一提供的基于自由曲面棱镜的光学系统的结构示意图一；

图2为本实用新型实施例一提供的基于自由曲面棱镜的光学系统的结构示意图二；

图3为本实用新型实施例一提供的基于自由曲面棱镜的光学系统的各视场的MTF曲线图；

图4为本实用新型实施例一提供的基于自由曲面棱镜的光学系统的网格畸变图；

图5为本实用新型实施例二提供的基于自由曲面棱镜的光学系统的结构示意图；

图6为本实用新型实施例二提供的基于自由曲面棱镜的光学系统的各视场的MTF曲线图；

图7为本实用新型实施例二提供的基于自由曲面棱镜的光学系统的网格畸变图；

图8为本实用新型实施例三提供的基于自由曲面棱镜的光学系统的结构示意图一；

图9为本实用新型实施例三提供的基于自由曲面棱镜的光学系统的结构示意图二；

图10为本实用新型实施例三提供的基于自由曲面棱镜的光学系统的各视场的MTF曲线图；

图11为本实用新型实施例三提供的基于自由曲面棱镜的光学系统的网格畸变图；

图12为本实用新型实施例四提供的基于自由曲面棱镜的光学系统的结构示意图一；

图13为本实用新型实施例四提供的基于自由曲面棱镜的光学系统的结构示意图二；

图14为本实用新型实施例四提供的基于自由曲面棱镜的光学系统的各视场的MTF曲线图；

图15为本实用新型实施例四提供的基于自由曲面棱镜的光学系统的网格畸变图。

其中，图中各附图标记：

1-背光模组； 2-分光单元；

21-偏振分光棱镜； 22-偏振膜；

23-基底； 24-偏振片；

3-硅基液晶显示器； 301-第一端部；

3010-第一光线； 3020-第二光线；

302-第二端部； 4-自由曲面棱镜；

401-第一曲面； 402-第二曲面；

403-第三曲面； 5-眼睛。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1，一种基于自由曲面棱镜的光学系统，包括沿光路依次设置的背光模组1、分光单元2、硅基液晶显示器3以及自由曲面棱镜4，背光模组1用于产生光线，分光单元2用于反射具有第一偏振态的光线、且透射具有第二偏振态的光线，硅基液晶显示器3用于反射光线且改变光线的偏振态。背光模组1产生的光线传播至分光单元2，分光单元2将具有第一偏振态的光线反射至硅基液晶显示器3，硅基液晶显示器3改变光线的偏振态并将光线反射至分光单元2，分光单元2将来自硅基液晶显示器3的光线透射至自由曲面棱镜4，光线经过自由曲面棱镜4后出射。

在一个实施例中，当具有第一偏振态的光线为S偏振光时，具有第二偏振态的光线为P偏振光；当具有第一偏振态的光线为P偏振光时，具有第二偏振态的光线为S偏振光。当硅基液晶显示器3(Liquid Crystal on Silicon，简写为LCoS)工作时，其可以改变光线的偏振态，即可以将具有第一偏振态的光线变为具有第二偏振态的光线、将具有第二偏振态的光线变为具有第一偏振态的光线。硅基液晶显示器3是一种反射式微型液晶显示器，背光模组1产生的光线照射至硅基液晶显示器3，硅基液晶显示器3对光线进行反射，通过对硅基液晶显示器3的工作状态进行控制，从而可以获得相应的图像。与透射式的液晶显示器不同，硅基液晶显示器3通过对背光模组1产生的光线进行反射，光线的能量利用率高达80％，进而会使得硅基液晶显示器3所产生的虚拟图像的亮度提高。

本实施例提供的一种基于自由曲面棱镜的光学系统的工作原理如下：

背光模组1产生的光线首先传播至分光单元2；

分光单元2将具有第一偏振态的光线反射至硅基液晶显示器3，而具有第二偏振态的光线则经分光单元2透射至光学系统外；

硅基液晶显示器3将传播至其表面的具有第一偏振态的光线反射回分光单元2，且将其偏振态改为第二偏振态，因此反射回分光单元2的光线为具有第二偏振态的光线，且经硅基液晶显示器3反射的光线携带有相应的图像信息；

由于分光单元2可以透射具有第二偏振态的光线，因此分光单元2将来自硅基液晶显示器3的光线透射至自由曲面棱镜4；

光线经过自由曲面棱镜4后出射至用户的眼睛5，从而用户可以观看硅基液晶显示器3的图像信息。

本实施例提供的一种基于自由曲面棱镜的光学系统的有益效果在于：

(1)采用硅基液晶显示器3作为显示器，其具有很高的光线能量利用率，即便是在光线较强的室外环境中使用时，也可以保证硅基液晶显示器3所产生的虚拟图像具有很高的亮度，确保用户具有良好的观看体验，满足不同场景的使用需求。

(2)采用分光单元2对光线的偏振态进行选择，从而实现对背光光线的选择，有利于提高硅基液晶显示器3所产生的图像效果。

(3)由于采用自由曲面棱镜4，而自由曲面棱镜采用单个元件即可实现传统多面透镜才能实现的光学质量，不仅可有效保证基于自由曲面棱镜的光学系统的光学质量，而且使得基于自由曲面棱镜的光学系统的整体结构更加紧凑，同时其成本低廉，有利于降低制造成本。

在一个实施例中，硅基液晶显示器3的屏幕尺寸为0.2英寸～1.3英寸(1英寸约为2.54厘米)，可根据需要进行设置，其屏幕的长宽比优选为16：9。优选地，为了尽量缩小基于自由曲面棱镜的光学系统的体积，并保证基于自由曲面棱镜的光学系统拥有较大的视场角，硅基液晶显示器3的屏幕尺寸优选为0.37英寸，此时基于自由曲面棱镜的光学系统的视场角为33°，用户可以具有良好的观看体验。

在一个实施例中，背光模组1包括光源、导光板、扩散片以及增光膜等，导光板、扩散片以及增光膜层叠设置，光源设于导光板的一侧；光源产生的光线经过导光板导光后出射至扩散片，扩散片对光线进行扩散，使得光线的整体分布更加均匀；增光膜通过光的折射和反射来达到凝聚光线、提高正面辉度的目的，从而增加光线的使用效益。背光模组1可采用RGB色光作为光源，采用时序的方式将信号分解为R场、G场和B场并分别显示，利用人眼的视觉暂留特性进行混色，形成完整的彩色图像；背光模组1也可以采用白光作为光源，采用单片CF-LCoS(彩色滤光片-硅基液晶显示器)直接成像为彩色图像，可以根据需要进行选择，此处不做限制。

请参阅图2，进一步地，背光模组1的中心轴与分光单元2的中心轴之间的夹角为第一夹角θ1，分光单元2的中心轴与硅基液晶显示器3之间的夹角为第二夹角θ2，第一夹角θ1和第二夹角θ2优选均为45°，从而确保背光模组1产生的光线经分光单元2反射后能够垂直照射至硅基液晶显示器3，从而该部分光线经硅基液晶显示器3反射时可以垂直于硅基液晶显示器3的角度返回分光单元2。应当理解的是，第一夹角θ1和第二夹角θ2也可以为其他值，并不仅限于上述的情形，只要能确保背光模组1产生的光线经分光单元2反射后能够垂直照射至硅基液晶显示器3即可，此处不做限制。

请参阅图8，在一个实施例中，分光单元2包括偏振分光棱镜21，偏振分光棱镜21通过在直角棱镜的斜面镀制多层膜结构，然后胶合成一个立方体结构，利用光线以布鲁斯特角入射时具有第二偏振态的光线(例如P偏振光)透射率为1而具有第一偏振态的光线(例如S偏振光)透射率小于1的性质，在光线以布鲁斯特角多次通过多层膜结构以后，达到使具有第二偏振态的光线完全透过，而绝大部分具有第一偏振态的光线反射。因此偏振分光棱镜21用于反射具有第一偏振态的光线，且透射具有第二偏振态的光线，从而确保背光模组1产生的光线照射至偏振分光棱镜21时，具有第一偏振态的光线会反射至硅基液晶显示器3处，同时来自硅基液晶显示器3的具有第二偏振态的光线可以透射至自由曲面棱镜4中。

请参阅图12，在一个实施例中，分光单元2包括偏振膜22，偏振膜22用于反射具有第一偏振态的光线，且透射具有第二偏振态的光线，从而确保背光模组1产生的光线照射至偏振膜22时，具有第一偏振态的光线会反射至硅基液晶显示器3处，同时来自硅基液晶显示器3的具有第二偏振态的光线可以透射至自由曲面棱镜4中。优选地，偏振膜22的材质可以为PVA(聚乙烯醇)、TAC(三醋酸纤维素)等，其曲率半径可为8毫米～30毫米，且其厚度很薄，从而可以有效缩小基于自由曲面棱镜的光学系统的体积。

请参阅图1，在一个实施例中，分光单元2包括基底23和偏振片24，基底23由透明材料制成，确保光线能够顺利通过；偏振片24设于基底23的表面(可以贴合在基底的上表面或下表面)，用于反射具有第一偏振态的光线，且透射具有第二偏振态的光线，从而确保背光模组1产生的光线照射至偏振分光棱镜21时，具有第一偏振态的光线会反射至硅基液晶显示器3处，同时来自硅基液晶显示器3的具有第二偏振态的光线可以透射至自由曲面棱镜4中。

请参阅图2，进一步地，自由曲面棱镜4设有第一曲面401、第二曲面402以及第三曲面403，其中第三曲面403供光线入射，第一曲面401将从第三曲面403入射的光线反射至第二曲面402，且将来自第二曲面402的光线出射至用户的眼睛5，第二曲面402将来自第一曲面401的光线反射回第一曲面401。具体地，第一曲面401、第二曲面402以及第三曲面403构成自由曲面棱镜4的外表面，自由曲面棱镜4的第三曲面403靠近分光单元2。经硅基液晶显示器3反射的光线透过分光单元2后从第三曲面403入射至自由曲面棱镜4中，通过对入射角进行设置，使得光线传播至第一曲面401后发生全反射，避免了光线的损失；光线继续传播至第二曲面402，并经过第二曲面402反射回第一曲面401；此时，经第二曲面402反射的光线经第一曲面401透射后出射至用户的眼睛5。

在一个实施例中，第二曲面402表面镀有反射膜，此时光线照射至第二曲面402表面时会全部进行反射，一方面使得来自第一曲面401的光线在第二曲面402表面会全部反射回第一曲面401，避免了光线的损失，提高了光线的利用率；另一方面外部光线照射至第二曲面402表面时会全部反射，从而无法进入基于自由曲面棱镜的光学系统中。当将基于自由曲面棱镜的光学系统应用于虚拟现实装置时，可避免外部光线的影响，从而为用户提供更好的沉浸式体验。

在一个实施例中，第二曲面402表面镀有部分反射膜，光线照射至第二曲面402表面时一部分会发生反射，而另一部分则会发生透射。此时一方面来自第一曲面401的光线在第二曲面402表面会部分反射回第一曲面401，部分经第二曲面402透射出基于自由曲面棱镜的光学系统；另一方面外部光线照射至第二曲面402时，一部分会经第二曲面402透射至基于自由曲面棱镜的光学系统中。当将基于自由曲面棱镜的光学系统应用于增强现实装置时，用户可以同时获得来自硅基液晶显示器3的虚拟图像以及来自环境的真实图像，从而为用户提供良好的增强现实使用体验。

在一个实施例中，第一曲面401、第二曲面402或第三曲面403的面型方程为第一方程：

其中c_x是曲面在X-Z平面内X方向的曲率半径，c_y是曲面在Y-Z平面内Y方向的曲率半径，k_x是曲面X方向的二次曲线系数，k_y是曲面Y方向的二次曲线系数，A_i是4,6,8,10，…2n阶非球面系数，关于Z轴对称，P_i是4,6,8,10，…2n阶非旋转对称系数，n为预先设定的正整数。

在进行实际设计时，第一曲面401、第二曲面402以及第三曲面403的设计参数可根据实际情况进行具体设置，从而确保第一曲面401、第二曲面402或第三曲面403的面型满足使用需求，提高光学质量。

在一个实施例中，第一曲面401、第二曲面402或第三曲面403的面型方程为第二方程：

其中，Z为沿Z方向的矢高，c为曲率，r是以自由曲面镜片的长度单位为单位的径向坐标，且满足x²+y²＝r²，r的坐标为沿X轴方向、Y轴方向创建的直角坐标系重的坐标值，k为圆锥系数，为Zernike多项式，A_i为多项式系数，其展开为：

其中，Zernike多项式项数为

在进行实际设计时，第一曲面401、第二曲面402以及第三曲面403的设计参数可根据实际情况进行具体设置，从而确保第一曲面401、第二曲面402或第三曲面403的面型满足使用需求，提高光学质量。

在一个实施例中，第一曲面401、第二曲面402或第三曲面403的面型方程为第三方程：

其中c为曲率半径，k为二次曲面系数，A,B,C,D分别为4,6,8,10阶非球面系数。

在进行实际设计时，第一曲面401、第二曲面402以及第三曲面403的设计参数可根据实际情况进行具体设置，从而确保第一曲面401、第二曲面402或第三曲面403的面型满足使用需求，提高光学质量。

应当理解的是，在对第一曲面401、第二曲面402以及第三曲面403进行设计时，其可以选择相同的面型方程(上述第一方程、第二方程或第三方程)，改变相应的参数；也可以选择不同的面型方程(上述第一方程、第二方程或第三方程)，同时调整相应的参数，此处不做限制，只要第一曲面401、第二曲面402或第三曲面403的面型满足使用需求，提高光学质量即可。

硅基液晶显示器3靠近背光模组1的端部为第一端部301，经第一端部301反射的光线记为第一光线3010，第一光线3010依次与分光单元2、第三曲面403、第一曲面401、第二曲面402以及第一曲面401的交点分别为第一交点601、第二交点602、第三交点603、第四交点604以及第五交点605。硅基液晶显示器3远离背光模组1的端部为第二端部302，经第二端部302反射的光线记为第二光线3020，第二光线3020依次与分光单元2、第三曲面403、第一曲面401、第二曲面402以及第一曲面401的交点分别为第六交点606、第七交点607、第八交点608、第九交点609以及第十交点610。

为了更好地描述，在本实施例中，将竖直方向设定为Y方向，且在Y方向上，从第一端部301向第二端部302的方向为Y正方向；水平方向设定为Z方向，水平方向为Z方向，且在Z方向上，从第二端部302向第一端部301的方向为Z正方向。

相应地，在Y-Z平面内，第一交点601的坐标为(Y1，Z1)，第二交点602的坐标为(Y2，Z2)，第三交点603的坐标为(Y3，Z3)，第四交点604的坐标为(Y4，Z4)，第五交点605的坐标为(Y5，Z5)，第六交点606的坐标为(Y6，Z6)，第七交点607的坐标为(Y7，Z7)，第八交点608的坐标为(Y8，Z8)，第九交点609的坐标为(Y9，Z9)，第十交点610的坐标为(Y10，Z10)。

在一个实施例中，第四交点604和第五交点605满足如下关系：

0.5≤Z4-Z5≤2，单位为毫米；

Y4-Y5＜0，单位为毫米；

即在Y轴方向上，第四交点604在第五交点605的下方；而在Z轴方向上，第四交点604则在第五交点605的右边，且第四交点604和第五交点605在Z轴方向上的距离为0.5毫米～2毫米。

在一个实施例中，第二交点602和第九交点609满足如下关系：

0.5≤Z9-Z2≤2，单位为毫米；

0.5≤Y2-Y9≤2，单位为毫米；

0.5≤Y1-Y2≤2，单位为毫米；

即在Y轴方向上，第九交点609在第二交点602的下方，且第九交点609和第二交点602在Y轴方向上的距离为0.5毫米～2毫米；第二交点602在第一交点601的下方，且第二交点602和第一交点601在Y轴方向上的距离为0.5毫米～2毫米。在Z轴方向上，第九交点609在第二交点602的右边，且第九交点609和第二交点602在Z轴方向上的距离为0.5毫米～2毫米。

在一个实施例中，第七交点和所述第八交点满足如下关系：

0.5≤Z7-Z8≤2，单位为毫米；

0.5≤Y7-Y8≤2，单位为毫米；

即在Y轴方向上，第八交点608在第七交点607的下方，且第八交点608和第七交点607在Y轴方向上的距离为0.5毫米～2毫米；在Z轴方向上，第八交点608在第七交点607的右边，且第八交点608和第七交点607在Z轴方向上的距离为0.5毫米～2毫米。

通过上述方式，可以确保自由曲面棱镜4能够有效提高基于自由曲面棱镜的光学系统的光学质量，用户可以获得更好的使用体验。

在一个实施例中，第七交点607和第八交点608所在直线与第八交点处的法线之间的夹角为第三夹角θ3，第三夹角θ3大于arcsin(1/n)，其中n为自由曲面棱镜4的折射率。自由曲面棱镜4的材料优选为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，此时第三夹角θ3大于42.2°，可以确保光线到达第二曲面402处可以发生全反射，避免了光线的损失，提高光线的利用率。应当理解的是，自由曲面棱镜4的材料也可以为其他值，并不仅限于上述的情形。

在一个实施例中，第三曲面403上最靠近硅基液晶显示器3的点至硅基液晶显示器3的垂线长度为5毫米～15毫米，确保整体结构紧凑；背光模组1在该垂线方向上的投影长度不大于该垂线长度，从而确保背光模组1和自由曲面棱镜4之间不会相互干扰。

在一个实施例中，基于自由曲面棱镜的光学系统还设有背光模组容置部，背光模组容置部的宽度h，宽度h不大于上述垂线长度，优选为7毫米，且宽度h不小于背光模组1的尺寸，一方面可确保有足够空间放置背光模组1，另一方面也避免了其体积过大导致基于自由曲面棱镜的光学系统的整体体积过大，整体结构紧凑。

本实施例提供的基于自由曲面棱镜的光学系统的出瞳直径可达到7毫米，出瞳距离不小于15毫米，从而确保用户具有更好的观看体验，使用过程也更加舒适。

以下提供几种具体的实施例，但并不仅限于下述实施例。

请参阅图1至图4，实施例一：

一种基于自由曲面棱镜的光学系统，包括沿光路依次设置的背光模组1、分光单元2、硅基液晶显示器3以及自由曲面棱镜4，背光模组1用于产生光线，硅基液晶显示器3用于反射光线且改变光线的偏振态。分光单元2包括基底23和偏振片24，基底23由透明材料制成，确保光线能够顺利通过；偏振片24设于基底23的表面(可以贴合在基底23的上表面或下表面)，用于反射具有第一偏振态的光线，且透射具有第二偏振态的光线。背光模组1的中心轴与分光单元2的中心轴之间的第一夹角θ1为45°，分光单元2的中心轴与硅基液晶显示器3之间的第二夹角θ2为45°。

背光模组1产生的光线传播至分光单元2，偏振片24将具有第一偏振态的光线反射至硅基液晶显示器3，硅基液晶显示器3改变光线的偏振态并将光线反射至分光单元2，偏振片24将来自硅基液晶显示器3的光线透射至自由曲面棱镜4，光线经过自由曲面棱镜4后出射至用户的眼睛5。

该基于自由曲面棱镜的光学系统对应的MTF曲线(Modulation TransferFunction，即调制传递函数)如图3所示。由于当空间频率为30lp/mm时，MTF值越高，则分辨率越高，进而图像成像质量越高；从图3中可知，图中各曲线代表不同视场下的MTF曲线，各视场的MTF曲线在空间频率为30lp/mm时均大于0.05，其中大部分视场的MTF曲线均高于0.1，远大于人眼的分辨极限(0.03)，因此具有很高的成像质量。

该基于自由曲面棱镜的光学系统对应的网格畸变如图4所示。从图4中可知，最大的网格畸变为4.9％，小于人眼能够分辨5％的畸变量，因此具有很好的图像呈现效果，无需进行畸变矫正。

请参阅图5至图7，实施例二：

一种基于自由曲面棱镜的光学系统，包括沿光路依次设置的背光模组1、分光单元2、硅基液晶显示器3以及自由曲面棱镜4，背光模组1用于产生光线，硅基液晶显示器3用于反射光线且改变光线的偏振态。分光单元2包括基底23和偏振片24，基底23由透明材料制成，确保光线能够顺利通过；偏振片24设于基底23的表面(可以贴合在基底23的上表面或下表面)，用于反射具有第一偏振态的光线，且透射具有第二偏振态的光线。背光模组1的中心轴与分光单元2的中心轴之间的第一夹角θ1以及分光单元2的中心轴与硅基液晶显示器3之间的第二夹角θ2均不为45°，且背光模组1产生的光线经分光单元2反射后垂直照射至硅基液晶显示器3。

背光模组1产生的光线传播至分光单元2，偏振片24将具有第一偏振态的光线反射至硅基液晶显示器3，硅基液晶显示器3改变光线的偏振态并将光线反射至分光单元2，偏振片24将来自硅基液晶显示器3的光线透射至自由曲面棱镜4，光线经过自由曲面棱镜4后出射至用户的眼睛5。

该基于自由曲面棱镜的光学系统对应的MTF曲线(Modulation TransferFunction，即调制传递函数)如图6所示。由于当空间频率为30lp/mm时，MTF值越高，则分辨率越高，进而图像成像质量越高；从图6中可知，图中各曲线代表不同视场下的MTF曲线，各视场的MTF曲线在空间频率为30lp/mm时均大于0.05，其中大部分视场的MTF曲线均高于0.1，远大于人眼的分辨极限(0.03)，因此具有很高的成像质量。

该基于自由曲面棱镜的光学系统对应的网格畸变如图7所示。从图7中可知，最大的网格畸变为4.3％，小于人眼能够分辨5％的畸变量，因此具有很好的图像呈现效果，无需进行畸变矫正。

请参阅图8至图11，实施例三：

一种基于自由曲面棱镜的光学系统，包括沿光路依次设置的背光模组1、偏振分光棱镜21、硅基液晶显示器3以及自由曲面棱镜4，背光模组1用于产生光线，硅基液晶显示器3用于反射光线且改变光线的偏振态。偏振分光棱镜21用于反射具有第一偏振态的光线，且透射具有第二偏振态的光线。

背光模组1产生的光线传播至偏振分光棱镜21，偏振分光棱镜21将具有第一偏振态的光线反射至硅基液晶显示器3，硅基液晶显示器3改变光线的偏振态并将光线反射至偏振分光棱镜21，偏振分光棱镜21将来自硅基液晶显示器3的光线透射至自由曲面棱镜4，光线经过自由曲面棱镜4后出射至用户的眼睛5。

该基于自由曲面棱镜的光学系统对应的MTF曲线(Modulation TransferFunction，即调制传递函数)如图10所示。由于当空间频率为30lp/mm时，MTF值越高，则分辨率越高，进而图像成像质量越高；从图10中可知，图中各曲线代表不同视场下的MTF曲线，各视场的MTF曲线在空间频率为30lp/mm时均大于0.05，其中大部分视场的MTF曲线均高于0.1，远大于人眼的分辨极限(0.03)，因此具有很高的成像质量。

该基于自由曲面棱镜的光学系统对应的网格畸变如图11所示。从图11中可知，最大的网格畸变为4.7％，小于人眼能够分辨5％的畸变量，因此具有很好的图像呈现效果，无需进行畸变矫正。

请参阅图12至图15，实施例四：

一种基于自由曲面棱镜的光学系统，包括沿光路依次设置的背光模组1、偏振膜22、硅基液晶显示器3以及自由曲面棱镜4，背光模组1用于产生光线，硅基液晶显示器3用于反射光线且改变光线的偏振态。偏振膜22用于反射具有第一偏振态的光线，且透射具有第二偏振态的光线。

背光模组1产生的光线传播至偏振膜22，偏振膜22将具有第一偏振态的光线反射至硅基液晶显示器3，硅基液晶显示器3改变光线的偏振态并将光线反射至偏振膜22，偏振膜22将来自硅基液晶显示器3的光线透射至自由曲面棱镜4，光线经过自由曲面棱镜4后出射至用户的眼睛5。

该基于自由曲面棱镜的光学系统对应的MTF曲线(Modulation TransferFunction，即调制传递函数)如图14所示。由于当空间频率为30lp/mm时，MTF值越高，则分辨率越高，进而图像成像质量越高；从图14中可知，图中各曲线代表不同视场下的MTF曲线，各视场的MTF曲线在空间频率为30lp/mm时均大于0.05，其中大部分视场的MTF曲线均高于0.1，远大于人眼的分辨极限(0.03)，因此具有很高的成像质量。

该基于自由曲面棱镜的光学系统对应的网格畸变如图15所示。从图15中可知，最大的网格畸变为4.5％，小于人眼能够分辨5％的畸变量，因此具有很好的图像呈现效果，无需进行畸变矫正。

本实施例的目的还在于提供一种显示装置，包括上述的基于自由曲面棱镜的光学系统。显示装置可以为虚拟现实装置，也可以为增强现实装置，还可以是其他类型的显示装置，此处不做限制。

本实施例提供的一种显示装置的有益效果在于：

(1)采用硅基液晶显示器3作为显示器，其具有很高的光线能量利用率，即便是在光线较强的室外环境中使用时，也可以保证硅基液晶显示器3所产生的虚拟图像具有很高的亮度，确保用户具有良好的观看体验，满足不同场景的使用需求。

(2)分光单元2包括偏振分光棱镜21、偏振膜22或设于基底23上的偏振片24，可以对光线的偏振态进行选择，从而实现对背光光线的选择，有利于提高硅基液晶显示器3所产生的图像效果；分光单元2的选择方式多样化，可满足不同的使用需求。

(3)由于采用自由曲面棱镜4，而自由曲面棱镜4采用单个元件即可实现传统多面透镜才能实现的光学质量，不仅可有效保证基于自由曲面棱镜4的光学系统的光学质量，而且使得基于自由曲面棱镜4的光学系统的整体结构更加紧凑，同时其成本低廉，有利于降低制造成本。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于自由曲面棱镜的光学系统，其特征在于：包括沿光路依次设置的背光模组、分光单元、硅基液晶显示器以及自由曲面棱镜；

所述背光模组用于产生光线；

所述分光单元用于反射具有第一偏振态的光线，且透射具有第二偏振态的光线；

所述硅基液晶显示器用于反射光线且改变光线的偏振态；

所述背光模组产生的光线传播至所述分光单元，所述分光单元将具有第一偏振态的光线反射至所述硅基液晶显示器，所述硅基液晶显示器改变光线的偏振态并将光线反射至所述分光单元，所述分光单元将来自所述硅基液晶显示器的光线透射至所述自由曲面棱镜，光线经过所述自由曲面棱镜后出射。

2.如权利要求1所述的基于自由曲面棱镜的光学系统，其特征在于：所述自由曲面棱镜设有第一曲面、第二曲面以及第三曲面；

所述第三曲面供光线入射；

所述第一曲面将从所述第三曲面入射的光线反射至所述第二曲面，且将来自所述第二曲面的光线出射；

所述第二曲面将来自所述第一曲面的光线反射回所述第一曲面。

3.如权利要求2所述的基于自由曲面棱镜的光学系统，其特征在于：所述第一曲面、所述第二曲面或所述第三曲面的面型方程为：

其中c_x是曲面在X-Z平面内X方向的曲率半径，c_y是曲面在Y-Z平面内Y方向的曲率半径，k_x是曲面X方向的二次曲线系数，k_y是曲面Y方向的二次曲线系数，A_i是4,6,8,10，…2n阶非球面系数，关于Z轴对称，P_i是4,6,8,10，…2n阶非旋转对称系数，n为预先设定的正整数；

或者，

所述第一曲面、所述第二曲面或所述第三曲面的面型方程为：

其中，Z为沿Z方向的矢高，c为曲率，r是以自由曲面镜片的长度单位为单位的径向坐标，且满足x²+y²＝r²，r的坐标为沿X轴方向、Y轴方向创建的直角坐标系重的坐标值，k为圆锥系数，为Zernike多项式，A_i为多项式系数，其展开为：

其中，Zernike多项式项数为

或者，

所述第一曲面、所述第二曲面或所述第三曲面的面型方程为：

其中c为曲率半径，k为二次曲面系数，A,B,C,D分别为4,6,8,10阶非球面系数。

4.如权利要求2所述的基于自由曲面棱镜的光学系统，其特征在于：

所述硅基液晶显示器靠近所述背光模组的端部为第一端部，经所述第一端部反射的光线依次与所述分光单元、所述第三曲面、所述第一曲面、所述第二曲面以及所述第一曲面的交点分别为第一交点、第二交点、第三交点、第四交点以及第五交点；

所述硅基液晶显示器远离所述背光模组的端部为第二端部，经所述第二端部反射的光线依次与所述分光单元、所述第三曲面、所述第一曲面、所述第二曲面以及所述第一曲面的交点分别为第六交点、第七交点、第八交点、第九交点以及第十交点；

所述第七交点和所述第八交点所在直线与所述第八交点处的法线之间的夹角大于arcsin(1/n)，其中n为所述自由曲面棱镜的折射率；

竖直方向为Y方向，且在Y方向上，从所述第一端部向所述第二端部的方向为Y正方向；

水平方向为Z方向，且Z在方向上，从所述第二端部向所述第一端部的方向为Z正方向。

5.如权利要求4所述的基于自由曲面棱镜的光学系统，其特征在于：所述第四交点和所述第五交点满足：

0.5≤Z4-Z5≤2，单位为毫米；

Y4-Y5＜0，单位为毫米；

其中Y4为第四交点的Y轴坐标，Z4为第四交点的Z轴坐标；

Y5为第五交点的Y轴坐标，Z5为第五交点的Z轴坐标。

6.如权利要求4所述的基于自由曲面棱镜的光学系统，其特征在于：所述第二交点和所述第九交点满足：

0.5≤Z9-Z2≤2，单位为毫米；

0.5≤Y2-Y9≤2，单位为毫米；

0.5≤Y1-Y2≤2，单位为毫米；

其中Y1为第一交点的Y轴坐标；

Y2为第二交点的Y轴坐标，Z2为第二交点的Z轴坐标；

Y9为第九交点的Y轴坐标，Z9为第九交点的Z轴坐标。

7.如权利要求4所述的基于自由曲面棱镜的光学系统，其特征在于：所述第七交点和所述第八交点满足：

0.5≤Z7-Z8≤2，单位为毫米；

0.5≤Y7-Y8≤2，单位为毫米；

其中Y7为第七交点的Y轴坐标，Z7为第七交点的Z轴坐标；

Y8为第八交点的Y轴坐标，Z8为第八交点的Z轴坐标。

8.如权利要求2所述的基于自由曲面棱镜的光学系统，其特征在于：所述第三曲面上最靠近所述硅基液晶显示器的点至所述硅基液晶显示器的垂线的长度为5毫米～15毫米；

所述背光模组在所述垂线上的投影不大于所述垂线的长度。

9.如权利要求1～8任一项所述的基于自由曲面棱镜的光学系统，其特征在于：所述分光单元包括偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜用于反射具有第一偏振态的光线，且透射具有第二偏振态的光线；

或者，

所述分光单元包括偏振膜，所述偏振膜用于反射具有第一偏振态的光线，且透射具有第二偏振态的光线；

或者，

所述分光单元包括基底和偏振片，所述偏振片设于所述基底的表面，所述偏振片用于反射具有第一偏振态的光线，且透射具有第二偏振态的光线。

10.一种显示装置，其特征在于：包括权利要求1～9任一项所述的基于自由曲面棱镜的光学系统。