CN213338213U - 用于头戴式显示设备的光学系统及头戴式显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于头戴式显示设备的光学系统及头戴式显示设备，所述用于头戴式显示设备的光学系统包括：光源单元、第一偏振分束元件、第二偏振分束元件、第一图像单元、第二图像单元、第一四分之一波片、第二四分之一波片、反射器；所述光源单元用于发出光线，所述第一偏振分束元件和第二偏振分束元件均用于反射第一偏振状态的光、透射第二偏振状态的光；所述第一图像单元和第二图像单元均用于显示图像信息；所述反射器用于偏转光路；相对于现有技术，本实用新型的光学系统光源复用，同一光源对应两个图像单元，使得整个光学系统的体积变小，更加的紧凑，使用效率高。

Description

用于头戴式显示设备的光学系统及头戴式显示设备

技术领域

本实用新型涉及头戴式显示设备领域，特别是涉及一种用于头戴式显示设备的光学系统及一种头戴式显示设备。

背景技术

虚拟现实(VR，Virtual Reality)技术基于计算机模拟虚拟环境并将其通过各种输出设备转化为方便人感知的图像、音频等，使用户能体验到完整的环境沉浸感，已广泛应用于游戏、零售，教育，工业，医疗等领域。

虚拟现实的头戴式显示设备，以往常见的是采用主动发光显示屏，但是主动发光显示屏的亮度不足，显示图像质量不好，因此出现采用两个被动发光的显示屏的头戴式显示设备，这种设计需要两套照明系统(即光源)对显示屏进行照明，但是在头戴式显示设备中采用两套照明系统的光学系统体积过于庞大，使用起来效率低下。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于头戴式显示设备的光学系统，以解决现有技术中的缺点与不足。

本实用新型的一种用于头戴式显示设备的光学系统，包括：光源单元、第一偏振分束元件、第二偏振分束元件、第一图像单元、第二图像单元、第一四分之一波片、第二四分之一波片、反射器；

所述光源单元用于发出光线，所述第一偏振分束元件和第二偏振分束元件均用于反射第一偏振状态的光、透射第二偏振状态的光；所述第一图像单元和第二图像单元均用于显示图像信息；所述反射器用于偏转光路；

光线由所述光源单元发出，并经过所述第一偏振分束元件部分反射为第一偏振状态的第一光束、部分透射为第二偏振状态的第二光束；

所述第一偏振状态的第一光束依次经过所述第一四分之一波片被透射变换为圆偏振状态或椭圆偏振状态的第一光束，经过所述第一图像单元被反射，再次经过所述第一四分之一波片被透射变换为第二偏振状态的第一光束；所述第二偏振状态的第一光束经过所述第一偏振分束元件被透射，并经过所述反射器被反射进入人眼；

所述第二偏振状态的第二光束依次经过所述第二四分之一波片被透射变换为圆偏振状态或椭圆偏振状态的第二光束，经过所述第二图像单元被反射，再次经过所述第二四分之一波片被透射变换为第一偏振状态的第二光束；所述第一偏振状态的第二光束经过所述第一偏振分束元件被反射，并经过所述第二偏振分束元件被反射进入人眼。

相对于现有技术，本实用新型的光学系统光源复用，同一光源对应两个图像单元，使得整个光学系统的体积变小，更加的紧凑，使用效率高。

在一可选或优选的实施例中，所述第二偏振状态的第一光束经过所述第一偏振分束元件被透射，还经过所述第二偏振分束元件被透射，经过所述反射器被反射进入人眼。

在一可选或优选的实施例中，所述光源单元、第一偏振分束元件、第二四分之一波片和第二图像单元沿竖直方向依次设置；所述第一图像单元、第一四分之一波片、第一偏振分束元件、第二偏振分束元件和反射器沿水平方向依次设置。

在一可选或优选的实施例中，还包括第一透镜组和第二透镜组；所述第一透镜组至少包括一个透镜，所述第二透镜组至少包括一个透镜；

所述第二偏振状态的第一光束经过所述第一偏振分束元件被透射，经过所述第二偏振分束元件被透射，并经过所述反射器被反射，经过所述第一透镜组被透射后进入人眼；

所述第一偏振状态的第二光束经过所述第一偏振分束元件被反射，并经过所述第二偏振分束元件被反射，经过所述第二透镜组被透射后进入人眼。

在一可选或优选的实施例中，所述光源单元包括光源，所述光源用于发出所述光线。

在一可选或优选的实施例中，所述光源单元还包括准直扩束透镜组，光线由所述光源发出并经过所述准直扩束透镜组进行准直扩束。

在一可选或优选的实施例中，所述第一图像单元和第二图像单元均为LCOS屏。

在一可选或优选的实施例中，所述反射器为平面反射镜。

在一可选或优选的实施例中，所述第一透镜组的透镜表面和所述第二透镜组的透镜表面均镀有增透膜。

本实用新型还提供一种头戴式显示设备，其包括：眼镜架，眼镜腿和如上所述用于头戴式显示设备的光学系统；所述眼镜架两端连接所述眼镜腿，所述眼镜架形成一光学系统容置腔，所述用于头戴式显示设备的光学系统设置于所述光学系统容置腔内。

附图说明

图1为本实用新型实施例中用于头戴式显示设备的光学系统的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1，本实施例所述用于头戴式显示设备的光学系统，其包括光源单元10、第一偏振分束元件20、第二偏振分束元件30、第一四分之一波片40、第二四分之一波片50、第一图像单元60、第二图像单元70、反射器80；

所述光源单元用于发出光线，具体地，所述光源单元10包括光源11，所述光源用于发出所述光线，优选地光源为非偏振光源，在其他实施例中，所述光源可以是LED点光源或面光源。优选地，所述光源单元10还包括准直扩束透镜组12，光线由所述光源发出并经过所述准直扩束透镜组进行准直扩束。准直扩束透镜组作用为对光源所发出的光线进行准直扩束，其可以是单个透镜，也可以是包括开普勒望远镜或伽利略望远镜的透镜组。

所述第一偏振分束元件20和第二偏振分束元件30，两者的分光方向一致，即两者均用于反射第一偏振状态的光、透射第二偏振状态的光。

偏振分束元件可以为偏振分光棱镜、偏振分束片，也可以为偏振分束膜，或者是其他实现偏振分束的光学元件，本领域技术人员可需根据不同需求来选择其类型。在本实施例中，所述第一偏振分束元件和第二偏振分束元件均为两个直角棱镜胶合形成的立方体结构，其中，直角棱镜胶合的斜面上可以根据需求镀制多层膜结构。

上述偏振分束元件均可按照光线的偏振状态，将光线分为两种偏振方向正交的线偏振光，即反射一种线偏振光，透射另一种线偏振光。其中，第一偏振状态的光为第一偏振方向的线偏振光，第二偏振状态的光为第二偏振方向的线偏振光，可以定义第一偏振方向为S方向，第二偏振方向为P方向，则S方向与P方向正交。因此，第一偏振状态的光也可以称之为S偏振光，第二偏振状态的光同理可以称为P偏振光。

四分之一波片能够将线偏振光转换为椭圆偏振光或圆偏振光，或者将椭圆偏振光或圆偏振光转换为线偏振光，其中，所述圆偏振光为所述椭圆偏振光的特殊情形。本领域技术人员应该理解四分之一波片的特性，即：当S偏振光穿过四分之一波片时，会被转换为椭圆偏振光或圆偏振光，而该椭圆偏振光或圆偏振光再次经过四分之一波片时，会被转换为P偏振光；同理，当P偏振光穿过四分之一波片时，会被转换为椭圆偏振光或圆偏振光，而该椭圆偏振光或圆偏振光再次经过四分之一波片时，会被转换为S偏振光。本实施例所述第一四分之一波片40和第二四分之一波片50具有四分之一波片的特性。

所述第一图像单元60和第二图像单元70均用于显示图像信息，在本实施例中，所述第一图像单元和第二图像单元为非自发光图像源，优选地，两者均为LCOS屏。

所述反射器80用于偏转光路，其可以是平面反射镜或直角棱镜，在本实施例中，所述反射器为平面反射镜。

基于上述光学元件的特性或原理，本实施例提供一种用于虚拟现实头戴式显示设备的光学系统，即光线由所述光源单元发出，并经过所述第一偏振分束元件部分反射为第一偏振状态的第一光束、部分透射为第二偏振状态的第二光束。

其中，所述第一偏振状态的第一光束依次经过所述第一四分之一波片被透射变换为圆偏振状态或椭圆偏振状态的第一光束，经过所述第一图像单元被反射(携带第一图像单元显示的图像信息)，再次经过所述第一四分之一波片被透射变换为第二偏振状态的第一光束；所述第二偏振状态的第一光束经过所述第一偏振分束元件被透射，并经过所述反射器被反射进入人眼。另外，在本实施例中，所述第二偏振状态的第一光束经过所述第一偏振分束元件被透射，还经过所述第二偏振分束元件被透射，经过所述反射器被反射进入人眼。

所述第二偏振状态的第二光束依次经过所述第二四分之一波片被透射变换为圆偏振状态或椭圆偏振状态的第二光束，经过所述第二图像单元被反射(携带第二图像单元显示的图像信息)，再次经过所述第二四分之一波片被透射变换为第一偏振状态的第二光束；所述第一偏振状态的第二光束经过所述第一偏振分束元件被反射，并经过所述第二偏振分束元件被反射进入人眼。在本实施例中，第一光束进入右眼，第二光束进入左眼，当然，在其他实施例中，两者也可以相反，当第一图像单元和第二图像单元的图像信息存在视差，则可令用户产生立体视觉。本领域技术人员可以根据第一光束和第二光束的光路设置上述几种光学元件的具体位置。

而在本实施例中，所述光源单元、第一偏振分束元件、第二四分之一波片和第二图像单元沿竖直方向依次设置；所述第一图像单元、第一四分之一波片、第一偏振分束元件、第二偏振分束元件和反射器沿水平方向依次设置。

请参阅图1，为了便于区别，附图中将第一偏振状态的光线标记为“●”；将第二偏振状态的光线标记为左右方向的箭头

或者上下方向的箭头；将圆偏振状态或椭圆偏振状态的光线标记为“■”；将第一光束标记为

将第二光束标记为

下面对本实施例提供的一种用于头戴式显示设备的光学系统的工作原理进行详细说明：

首先，光线由所述光源单元发出，并经过所述第一偏振分束元件部分反射为第一偏振状态的第一光束(该第一光束传播至第一四分之一波片)、部分透射为第二偏振状态的第二光束(该第二光束传播至第二四分之一波片)；

一方面，第一四分之一波片将所述第一光束透射并变换其光线的偏振状态为圆偏振状态或椭圆偏振状态(该第一光束传播至第一图像单元)；第一图像单元将第一光束反射(该第一光束携带第一图像单元的图像信息并再次传播至第一四分之一波片)；第一四分之一波片将所述第一光束透射并变换其光线的偏振状态为第二偏振状态(该第一光束再次传播至第一偏振分束元件)；第一偏振分束元件将第一光束透射(该第一光束传播至第二偏振分束元件)；第二偏振分束元件将第一光束透射(第一光束传播至反射器)；反射器将第一光束反射(该第一光束进入人眼)，从而使人眼(右眼)看到第一图像单元所显示的虚拟图像。此时进入人眼的第一光束，其光线的偏振状态为第二偏振状态。

另一方面，第二四分之一波片将所述第二光束透射并变换其光线的偏振状态为圆偏振状态或椭圆偏振状态(该第二光束传播至第二图像单元)；第二图像单元将第二光束反射(该第二光束携带第二图像单元的图像信息并再次传播至第二四分之一波片)；第二四分之一波片将所述第二光束透射并变换其光线的偏振状态为第一偏振状态(该第二光束再次传播至第一偏振分束元件)；第一偏振分束元件将第二光束反射(该第二光束传播至第二偏振分束元件)；第二偏振分束元件将第二光束反射(该第二光束传播至人眼)；从而使人眼(左眼)看到第二图像单元所显示的虚拟图像。此时进入人眼的第二光束，其光线的偏振状态为第一偏振状态。

基于本实施例，当携带第一图像单元的图像信息的第一光束和携带第二图像单元的图像信息的第二光束均到达人眼，且第一图像单元和第二图像单元的图像信息存在视差时，用户会产生立体视觉，从而达到虚拟现实的效果。

在一些实施例中，所述用于头戴式显示设备的光学系统还包括第一透镜组90和第二透镜组91；所述第一透镜组至少包括一个透镜，所述第二透镜组至少包括一个透镜；两者均可将第一光束或第二光束转换为平行光束并透射至人眼进行成像，优选地，所述第一透镜组的透镜表面和所述第二透镜组的透镜表面均镀有增透膜，以提高光能传递率。

所述第二偏振状态的第一光束经过所述第一偏振分束元件被透射，经过所述第二偏振分束元件被透射，并经过所述反射器被反射，经过所述第一透镜组被透射后进入人眼；所述第一偏振状态的第二光束经过所述第一偏振分束元件被反射，并经过所述第二偏振分束元件被反射，经过所述第二透镜组被透射后进入人眼。即所述第一透镜组位于所述反射器和人眼之间的光路上，第一光束可以透射经过第一透镜组，第二透镜组位于所述第二偏振分束元件和人眼之间的光路上，第二光束可以透射经过第二透镜组。

本实用新型所述用于头戴式显示设备的光学系统，相对于现有技术，光源复用，同一光源对应两个图像单元，使得整个光学系统的体积变小，更加的紧凑，使用效率高。

本实用新型还提供一种头戴式显示设备，其包括：眼镜架，眼镜腿和如上述任一项实施例所述的用于头戴式显示设备的光学系统，其中，所述眼镜架两端连接所述眼镜腿，所述眼镜架形成一光学系统容置腔，所述用于头戴式显示设备的光学系统设置于所述光学系统容置腔内。光学系统安装于光学系统容置腔内，为本领域技术人员常用的技术，因此不作赘述。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于头戴式显示设备的光学系统，其特征在于，包括：光源单元、第一偏振分束元件、第二偏振分束元件、第一图像单元、第二图像单元、第一四分之一波片、第二四分之一波片、反射器；

所述光源单元用于发出光线，所述第一偏振分束元件和第二偏振分束元件均用于反射第一偏振状态的光、透射第二偏振状态的光；所述第一图像单元和第二图像单元均用于显示图像信息；所述反射器用于偏转光路；

光线由所述光源单元发出，并经过所述第一偏振分束元件部分反射为第一偏振状态的第一光束、部分透射为第二偏振状态的第二光束；

所述第一偏振状态的第一光束依次经过所述第一四分之一波片被透射变换为圆偏振状态或椭圆偏振状态的第一光束，经过所述第一图像单元被反射，再次经过所述第一四分之一波片被透射变换为第二偏振状态的第一光束；所述第二偏振状态的第一光束经过所述第一偏振分束元件被透射，并经过所述反射器被反射进入人眼；

所述第二偏振状态的第二光束依次经过所述第二四分之一波片被透射变换为圆偏振状态或椭圆偏振状态的第二光束，经过所述第二图像单元被反射，再次经过所述第二四分之一波片被透射变换为第一偏振状态的第二光束；所述第一偏振状态的第二光束经过所述第一偏振分束元件被反射，并经过所述第二偏振分束元件被反射进入人眼。

2.根据权利要求1所述用于头戴式显示设备的光学系统，其特征在于：

所述第二偏振状态的第一光束经过所述第一偏振分束元件被透射，还经过所述第二偏振分束元件被透射，经过所述反射器被反射进入人眼。

3.根据权利要求2所述用于头戴式显示设备的光学系统，其特征在于：

所述光源单元、第一偏振分束元件、第二四分之一波片和第二图像单元沿竖直方向依次设置；所述第一图像单元、第一四分之一波片、第一偏振分束元件、第二偏振分束元件和反射器沿水平方向依次设置。

4.根据权利要求2所述用于头戴式显示设备的光学系统，其特征在于：

还包括第一透镜组和第二透镜组；所述第一透镜组至少包括一个透镜，所述第二透镜组至少包括一个透镜；

所述第二偏振状态的第一光束经过所述第一偏振分束元件被透射，经过所述第二偏振分束元件被透射，并经过所述反射器被反射，经过所述第一透镜组被透射后进入人眼；

所述第一偏振状态的第二光束经过所述第一偏振分束元件被反射，并经过所述第二偏振分束元件被反射，经过所述第二透镜组被透射后进入人眼。

5.根据权利要求1-4任一项所述用于头戴式显示设备的光学系统，其特征在于：所述光源单元包括光源，所述光源用于发出所述光线。

6.根据权利要求5所述用于头戴式显示设备的光学系统，其特征在于：所述光源单元还包括准直扩束透镜组，光线由所述光源发出并经过所述准直扩束透镜组进行准直扩束。

7.根据权利要求6所述用于头戴式显示设备的光学系统，其特征在于：所述第一图像单元和第二图像单元均为LCOS屏。

8.根据权利要求1-4、6和7任一项所述用于头戴式显示设备的光学系统，其特征在于：所述反射器为平面反射镜。

9.根据权利要求4所述用于头戴式显示设备的光学系统，其特征在于：所述第一透镜组的透镜表面和所述第二透镜组的透镜表面均镀有增透膜。

10.一种头戴式显示设备，其特征在于，包括：眼镜架，眼镜腿和如权利要求1-9任一所述用于头戴式显示设备的光学系统；所述眼镜架两端连接所述眼镜腿，所述眼镜架形成一光学系统容置腔，所述用于头戴式显示设备的光学系统设置于所述光学系统容置腔内。

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