CN209496201U - Vr光学系统及vr显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种VR光学系统及VR显示设备，其中VR光学系统包括：显示屏幕、第一四分之一波片和胶合透镜组，显示屏幕发射成像光束；沿成像光束传播方向依次设置有第一四分之一波片和胶合透镜组；胶合透镜组包括折反射组件，折反射组件用于对射入胶合透镜组内部的成像光束进行偏振和反射。本实用新型提供一种VR光学系统，能够减小VR显示产品的体积，并有效降低VR显示产品的重量。

Description

VR光学系统及VR显示设备

技术领域

本实用新型涉及头戴显示设备技术领域，尤其涉及一种VR光学系统及VR显示设备。

背景技术

虚拟现实(Virtual Reality)简称VR，是一种利用计算机生成的模拟环境，并使用户沉浸到该环境中的技术，目前的VR显示产品设计光路复杂，在用户佩戴时，重量较重，佩戴起来舒适性体验较差，此外现有的VR显示产品光学系统一般是单片式透镜，由于光路成像要求，透镜距离显示屏幕距离较远，由此导致VR显示产品尺寸较大，不利于设备的小型化。

实用新型内容

基于此，针对传统上VR显示产品尺寸较大，重量较重的问题，有必要提供一种VR光学系统，能够减小VR显示产品的体积，降低VR显示产品的重量。

为实现上述目的，本实用新型提出的VR光学系统，包括：

显示屏幕，所述显示屏幕发射成像光束；

沿所述成像光束传播方向依次设置有第一四分之一波片和胶合透镜组；

所述胶合透镜组包括折反射组件，所述折反射组件用于对射入所述胶合透镜组内部的成像光束进行偏振和反射。

可选地，所述胶合透镜组还包括沿所述成像光束传播方向依次设置的第一透镜和第二透镜，所述折反射组件包括偏振反射单元和半反半透膜，所述偏振反射单元设置于所述第一透镜和所述第二透镜之间的光路中，所述半反半透膜设置于所述第一透镜背向所述第二透镜一侧的光学镜面的表面。

可选地，所述第二透镜背向所述第一透镜一侧的光学镜面为平面。

可选地，所述第二透镜面向所述第一透镜一侧的光学镜面为负曲面，所述负曲面朝向所述第一透镜方向凸起，所述第一透镜面向所述第二透镜的光学镜面为正曲面，所述正曲面自背离所述第二透镜方向凹陷，且所述第二透镜的负曲面形状和所述第一透镜的正曲面形状相适配。

可选地，所述偏振反射单元包括由所述第一透镜至所述第二透镜方向设置的第二四分之一波片和偏振反射膜，所述第一四分之一波片和所述第二四分之一波片的晶轴正交，所述偏振反射膜具有一偏振透射方向，所述偏振透射方向与所述显示屏幕发射的成像光束的偏振方向正交。

可选地，所述偏振反射单元还包括第一胶合层、第二胶合层和第三胶合层，所述第一胶合层设置于所述第一透镜和所述第二四分之一波片之间，所述第二胶合层设置于所述第二四分之一波片和所述偏振反射膜之间，所述第三胶合层置于所述偏振反射膜和所述第二透镜之间。

可选地，所述第一四分之一波片的晶轴和所述偏振反射膜的偏振透过方向夹角为45°，所述第二四分之一波片的晶轴和所述偏振反射膜的偏振透过方向夹角为45°。

可选地，所述第一透镜为凹凸透镜，所述第二透镜为平凸透镜，所述第一透镜和所述第二透镜的凸起面均朝向所述显示屏幕。

可选地，所述成像光束为非线偏振光时，所述第一四分之一波片和所述显示屏幕之间设置有偏振片。

为了实现上述目的，本实用新型还提供一种VR显示设备，包括上文所述的VR光学系统，所述VR显示设备还包括外壳，所述VR光学系统设置于所述外壳内。

本实用新型提出的技术方案中，显示屏幕发射的成像光束，射入胶合透镜组内，成像光束通过折反射组件时，成像光束实现偏振和反射，多次改变成像光束的前进方向和偏振状态，由此缩短成像光路的尺寸，减小VR显示产品的体积。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，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示出的结构获得其他的附图。

图1为本实用新型VR光学系统的一实施例的结构示意图；

图2为本实用新型VR光学系统的另一实施例的分解结构示意图；

图3为图1中本实用新型VR光学系统中偏振反射单元的结构示意图；

图4为图1中本实用新型VR光学系统中光线传播路径示意图；

图5为图4中本实用新型VR光学系统中的成像光束偏振状态示意图；

图6为图4中本实用新型VR光学系统中的第一圆偏振光的偏振状态示意图；

图7为图4中本实用新型VR光学系统中的第二圆偏振光的偏振状态示意图；

图8为图4中本实用新型VR光学系统中的第一线偏振光的偏振状态示意图；

图9为图4中本实用新型VR光学系统中的第二线偏振光的偏振状态示意图；

图10为图4中本实用新型VR光学系统中的第三圆偏振光的偏振状态示意图；

图11为图4中本实用新型VR光学系统中的第四圆偏振光的偏振状态示意图；

图12为图4中本实用新型VR光学系统中的第三线偏振光的偏振状态示意图；

图13为图4中本实用新型VR光学系统中的第四线偏振光的偏振状态示意图；

图14为图1中本实用新型VR光学系统中的第一四分之一波片的晶轴方向示意图。

图15为图3中本实用新型VR光学系统中的偏振反射膜的透射方向和反射方向示意图；

图16为图3中本实用新型VR光学系统中的第二四分之一波片的晶轴方向示意图。

附图标号说明：

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

另外，本实用新型各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

请参阅图1所示，本实用新型提出的VR光学系统，包括：显示屏幕100、第一四分之一波片200和胶合透镜组300。

显示屏幕100发射成像光束110；

沿成像光束110传播方向依次设置有第一四分之一波片200和胶合透镜组300；

胶合透镜组300包括折反射组件310，折反射组件310用于对射入胶合透镜组300内部的成像光束110进行偏振和反射。

具体地，显示屏幕100发射成像光束110为线偏振光。

本实用新型提出的技术方案中，显示屏幕100发射的成像光束110，射入胶合透镜组300内，成像光束110通过折反射组件310时，成像光束110实现偏振和反射，多次改变成像光束110的前进方向和偏振状态，由此缩短成像光路的尺寸，减小VR显示产品的体积，进一步降低VR显示产品的重量。

进一步地，参阅图2所示，胶合透镜组300还包括沿成像光束110传播方向依次设置的第一透镜320和第二透镜330，折反射组件310包括偏振反射单元311和半反半透膜312，偏振反射单元311设置于第一透镜320和第二透镜330之间，半反半透膜312设置于第一透镜320背向第二透镜330一侧的光学镜面的表面，具体地，半反半透膜312镀制在第一透镜320表面，成像光束110透过半反半透膜312后，射向所述偏振反射单元311，成像光束110再经过偏振反射单元311和半反半透膜312后反射偏振，由此缩短了各个光学元件的距离，减少了VR光学系统的体积，更利于VR设备的小型化。

进一步地，第二透镜330背向第一透镜320一侧的光学镜面为平面，具体地，成像光束110通过胶合透镜组300后在人眼400位置成像，进一步地，通过第二透镜330背向第一透镜320一侧的光学镜面的平面设计，能够在人眼400位置成像更加清晰。

进一步地，第二透镜面330面向第一透镜320一侧的光学镜面为负曲面，所述负曲面朝向所述第一透镜方向凸起，第一透镜320面向第二透镜330的光学镜面为正曲面，所述正曲面自背离所述第二透镜方向凹陷，且第二透镜330的负曲面形状和第一透镜320的正曲面形状相适配，具体地，胶合透镜组300的光轴方向为第一透镜320至第二透镜330方向，第二透镜面330的负曲面为朝向光轴方向凸起的镜面，所述第二透镜330的负曲面可以为球面、非球面或者自由曲面，第一透镜320面向第二透镜330的光学镜面为正曲面，第一透镜320的正曲面为朝向光轴方向凹陷的镜面，同样地，所述第一透镜320的正曲面可以为球面、非球面或者自由曲面，第二透镜330的负曲面为朝向光轴方向凸起的镜面，可以理解的是第一透镜320的正曲面形状和第二透镜330的负曲面形状相同，保证第一透镜320和第二透镜330胶合在一起时结构匹配，避免胶合位置出现空气泡，影响成像质量，其中第一透镜320和第二透镜330的材质可以为玻璃或光学塑质材料，优选光学塑质材料，便于注塑加工成型。

进一步地，第二透镜330朝向人眼400的镜面镀制有防反增透膜331，防反增透膜331能够减少光线反射、增加光线的透过率，保证人眼400能够观察到清晰明亮的像。

参阅图3所示，偏振反射单元311包括由第一透镜320至第二透镜330方向设置的第二四分之一波片3111和偏振反射膜3112，第一四分之一波片200和第二四分之一波片3111的晶轴正交，例如第一四分之一波片200的第一晶轴210和第二四分之一波片3111的第二晶轴31110正交，第一晶轴210和第二晶轴31110均为对应波片的快轴，偏振反射膜3112具有一偏振透射方向，偏振透射方向与显示屏幕100发射的成像光束110的偏振方向正交。

参阅图4-图13，以及图15所示，显示屏幕100发射成像光束110，成像光束110透射第一四分之一波片200后，线偏振状态的成像光束110转换为第一圆偏振光111，按照面向对应光线的入射方向观察，建立平面直角坐标，x代表横轴，y代表纵轴，第一圆偏振光111的偏振状态为左旋圆偏振态，第一圆偏振光111透过半反半透膜312后，形成第二圆偏振光112，第二圆偏振光112和第一圆偏振光111的偏振状态相同，均为左旋圆偏振态，第二圆偏振光112经过第二四分之一波片3111后，偏振状态发生改变，形成第一线偏振光113，第一线偏振光113和成像光束110的偏振状态相同，其中第一线偏振光113和成像光束110的偏振方向相同，由于偏振反射膜3112具有偏振透射方向31120和偏振反射方向31121，偏振透射方向31120与显示屏幕100发射的成像光束110的偏振方向正交，偏振反射方向31121与成像光束110的偏振方向同向，因此第一线偏振光113无法透射偏振反射膜3112，第一线偏振光113经偏振反射膜3112反射后，形成第二线偏振光114，第二线偏振光114射向第二四分之一波片3111后，偏振状态发生改变，第二线偏振光114转化为第三圆偏振光115，第三圆偏振光115为左旋圆偏振态，第三圆偏振光115射向半反半透膜312后，发生反射现象，第三圆偏振光115反射后形成第四圆偏振光116，同样按照面向第四圆偏振光116的入射方向观察，第四圆偏振光116的偏振状态发生改变，第四圆偏振光116的偏振状态为右旋圆偏振态，右旋圆偏振态的第四圆偏振光116再次射向第二四分之一波片3111后，偏振状态发生改变，形成第三线偏振光117，第三线偏振光117的偏振方向和成像光束110的偏振方向正交，可以理解的是，第三线偏振光117的偏振方向和偏振反射膜3112的偏振透射方向同向，第三线偏振光117由所述偏振反射单元311出射，形成第四线偏振光118，第四线偏振光118和第三线偏振光117的偏振状态相同，由此成像光束110在所述折反射组件310内完成偏振和反射。

进一步地，偏振反射单元311还包括第一胶合层3113、第二胶合层3114和第三胶合层3115，第一胶合层3113设置于第一透镜320和第二四分之一波片3111之间，第二胶合层3114设置于第二四分之一波片3111和偏振反射膜3112之间，第三胶合层3115置于偏振反射膜3112和第二透镜330之间，通过第一胶合层3113、第二胶合层3114和第三胶合层3115将偏振反射单元311胶合粘贴在第一透镜320至第二透镜330之间，进一步减小VR显示设备空间，具体地，由于第一胶合层3113、第二胶合层3114和第三胶合层3115分别需要粘合不同的材质，因此第一胶合层3113、第二胶合层3114和第三胶合层3115的材质可不同。

此外，传统上各种光学元件彼此分离设置，光线在传播的过程中，易在每个光学元件的表面发生反射，生成鬼像现象，通过第一透镜320、第二透镜330、折反射组件310和第二四分之一波片3111的胶合设置，减少光线在各个光学元件表面的反射，由此进一步减少鬼像的产生。

参阅图14和图16所示，第一四分之一波片200的晶轴和偏振反射膜3112的偏振透过方向夹角为45°，第二四分之一波片3111的晶轴和偏振反射膜3112的偏振透过方向夹角为45°，具体地，参阅图14-图16所示，以偏振反射膜3112反射方向为y轴，偏振反射膜3112的透射方向为x轴，例如，第一四分之一波片200的第一晶轴210方向与x轴的夹角为45°，则第二四分之一波片3111的第二晶轴31110方向与x轴的夹角为-45°，由此进一步确保改变入射光线的偏振态，将线偏振光转换为圆偏振光。

作为一种优选方式，所述第一透镜320为凹凸透镜，所述第二透镜330为平凸透镜，所述第一透镜320和所述第二透镜330的凸起面均朝向显示屏幕100。

进一步地，成像光束110为非线偏振光时，第一四分之一波片200和显示屏幕100之间设置有偏振片(图未示)，通过偏振片能够将非线偏振光的成像光束110转变为线偏振光。

为了实现上述目的，本实用新型还提供一种VR显示设备，包括上文所述的VR光学系统，所述VR显示设备还包括外壳(图未示)，VR光学系统设置于外壳内。

本实用新型提出的技术方案中，显示屏幕100发射的成像光束110，射入胶合透镜组300内，成像光束110通过折反射组件310时，成像光束110实现偏振和反射，多次改变成像光束110的前进方向和偏振状态，由此成像光路110的整体尺寸减少，能够适应小尺寸显示屏幕100，例如本实用新型的显示屏幕100能够适用于2.1英寸，显示屏幕100的分辨率为1600*1600，其中VR显示设备的视场角为104°，有效焦距为23.34mm，系统的厚度21.3mm，光学畸变率为36.7％，人眼400距离VR显示设备的最近光学镜片的距离为14mm，即Eye relief的距离为14mm，VR显示设备的观察窗口直径为12mm，即Eye box的数值为12mm。

以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的发明构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种VR光学系统，其特征在于，包括：

显示屏幕，所述显示屏幕发射成像光束；

沿所述成像光束传播方向依次设置有第一四分之一波片和胶合透镜组；

所述胶合透镜组包括折反射组件，所述折反射组件用于对射入所述胶合透镜组内部的成像光束进行偏振和反射。

2.如权利要求1所述的VR光学系统，其特征在于，所述胶合透镜组还包括沿所述成像光束传播方向依次设置的第一透镜和第二透镜，所述折反射组件包括偏振反射单元和半反半透膜，所述偏振反射单元设置于所述第一透镜和所述第二透镜之间的光路中，所述半反半透膜设置于所述第一透镜背向所述第二透镜一侧的光学镜面的表面。

3.如权利要求2所述的VR光学系统，其特征在于，所述第二透镜背向所述第一透镜一侧的光学镜面为平面。

4.如权利要求3所述的VR光学系统，其特征在于，所述第二透镜面向所述第一透镜一侧的光学镜面为负曲面，所述负曲面朝向所述第一透镜方向凸起，所述第一透镜面向所述第二透镜的光学镜面为正曲面，所述正曲面自背离所述第二透镜方向凹陷，且所述第二透镜的负曲面形状和所述第一透镜的正曲面形状相适配。

5.如权利要求2所述的VR光学系统，其特征在于，所述偏振反射单元包括由所述第一透镜至所述第二透镜方向设置的第二四分之一波片和偏振反射膜，所述第一四分之一波片和所述第二四分之一波片的晶轴正交，所述偏振反射膜具有一偏振透射方向，所述偏振透射方向和所述显示屏幕发射的成像光束的偏振方向正交。

6.如权利要求5所述的VR光学系统，其特征在于，所述偏振反射单元还包括第一胶合层、第二胶合层和第三胶合层，所述第一胶合层设置于所述第一透镜和所述第二四分之一波片之间，所述第二胶合层设置于所述第二四分之一波片和所述偏振反射膜之间，所述第三胶合层设置于所述偏振反射膜和所述第二透镜之间。

7.如权利要求5所述的VR光学系统，其特征在于，所述第一四分之一波片的晶轴和所述偏振反射膜的偏振透过方向夹角为45°，所述第二四分之一波片的晶轴和所述偏振反射膜的偏振透过方向夹角为45°。

8.如权利要求2所述的VR光学系统，其特征在于，所述第一透镜为凹凸透镜，所述第二透镜为平凸透镜，所述第一透镜和所述第二透镜的凸起面均朝向所述显示屏幕。

9.如权利要求1所述的VR光学系统，其特征在于，所述成像光束为非线偏振光时，所述第一四分之一波片和所述显示屏幕之间设置有偏振片。

10.一种VR显示设备，其特征在于，包括权利要求1-9任一所述的VR光学系统，所述VR显示设备还包括外壳，所述VR光学系统设置于所述外壳内。