CN213423604U - 近眼显示光学系统及穿戴式显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种近眼显示光学系统及穿戴式显示设备，近眼显示光学系统包括发光源、第一光学单元、分光镜和第二光学单元，第一光学单元设置于发光源的出光侧，分光镜设置于第一光学单元远离发光源的一侧，第二光学单元设置在分光镜的反射面的一侧，第二光学单元用于对经由分光镜反射的光线进行反射，第一光学单元和/或第二光学单元的非成像区设置有遮光结构。本实用新型实施例公开的近眼显示光学系统及穿戴式显示设备，利用遮光结构降低非成像区的反射率或者是遮挡透射或反射至该非成像区的光线，从而能够降低该部分光线进入人眼中形成杂光的概率，有利于提高近眼显示光学系统的显示效果。

Description

近眼显示光学系统及穿戴式显示设备

技术领域

本实用新型涉及显示技术领域，尤其涉及一种近眼显示光学系统及穿戴式显示设备。

背景技术

随着智能设备的普及，增强现实(Augmented Reality，AR)设备等近眼显示(Near-Eye Dsiplays，NED)设备逐步进入消费领域。为了易于设计，相关技术中的近眼显示设备通常采用Birdbath光学系统，即，发光源发出的一部分自然光通过第一光学单元投射至分光镜，经由分光镜反射至第二光学单，通过第二光学单元再次反射，后通过分光镜投射进入人眼，而真实场景的入射光也通过第二光学单元和分光镜投射进入至人眼中。发光源发出的另一部分自然光则通过上述第一、第二光学单元的边缘区域直接进入至人眼中，从而导致在上述光学单元的边缘位置形成杂光，影响近眼显示设备的显示效果。

实用新型内容

本实用新型实施例公开了一种近眼显示光学系统及穿戴式显示设备，能够有效减少杂光现象的产生，提高近眼显示光学系统的显示效果。

为了实现上述目的，第一方面，本实用新型公开了一种近眼显示光学系统，所述近眼显示光学系统包括：

发光源，所述发光源用于发射光线；

第一光学单元，所述第一光学单元设置于所述发光源的出光侧，所述第一光学单元用于透射所述发光源发射的所述光线；

分光镜，所述分光镜设置于所述第一光学单元远离所述发光源的一侧，所述分光镜用于反射所述第一光学单元透射过来的所述光线；以及

第二光学单元，所述第二光学单元设置在所述分光镜的反射面的一侧，所述第二光学单元用于对经由所述分光镜反射的所述光线进行反射；

其中，所述第一光学单元和/或所述第二光学单元的非成像区设置有遮光结构。

第二方面，本实用新型公开了一种所述穿戴式显示设备包括穿戴部件和如上述第一方面所述的近眼显示光学系统，所述近眼显示光学系统设置在所述穿戴部件上。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

本实用新型实施例提供的近眼显示光学系统及穿戴式显示设备，通过在第一光学单元和/或第二光学单元的非成像区设置遮光结构，利用遮光结构降低非成像区的反射率或者是遮挡透射或反射至该非成像区的光线，从而能够降低该部分光线进入人眼中形成杂光的概率，有利于提高近眼显示光学系统的显示效果。

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是相关技术中的近眼显示光学系统产生的杂光的示意图；

图2是本实用新型实施例一公开的近眼显示光学系统的结构示意图；

图3是本实用新型实施例一公开的第一光学单元的透镜的结构示意图；

图4是本实用新型实施例一公开的透镜上设置第一遮光结构的示意图；

图5是本实用新型实施例一公开的第二光学单元的结构示意图；

图6是本实用新型实施例一公开的第二光学单元的反射面的示意图；

图7是本实用新型实施例二公开的穿戴式显示设备的结构框图。

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，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，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做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。

在本实用新型中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”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。这些术语主要是为了更好地描述本实用新型及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本实用新型中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，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。

此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。

下面将结合实施例和附图对本实用新型的技术方案作进一步的说明。

实施例一

随着智能设备的普及，增强现实(Augmented Reality，AR)设备等近眼显示(Near-Eye Dsiplays，NED)设备逐步进入消费领域。为了易于设计，相关技术中的近眼显示设备通常采用Birdbath光学系统，即，发光源发出的一部分自然光通过第一发光单元投射至分光镜，经由分光镜反射至第二发光单，通过第二发光单元再次反射，后通过分光镜投射进入人眼，而真实场景的入射光也通过第二光学单元和分光镜投射进入至人眼中。发光源发出的另一部分自然光则通过上述光学单元的边缘区域(即非成像区)直接进入至人眼中，从而导致在上述光学单元的边缘位置形成杂光(如图1中的杂光Z1、Z2、Z3所示)。其中，杂光Z1为近似椭圆形杂光，杂光Z2为近似倒影杂光，杂光Z3为近似斑点形杂光。如图1所示，图1的中部区域A为成像区，其余位置为非成像区B，可见，该非成像区B的杂光严重影响近眼显示光学系统的显示效果。

有鉴于此，本实用新型实施例一公开了一种近眼显示光学系统，以解决上述提及的杂光问题。

以下将结合附图，详细说明本实用新型的近眼显示光学系统的具体技术方案。

请参阅图2，图2是本实用新型实施例一公开的近眼显示光学系统100的结构示意图。本实用新型实施例一公开了一种近眼显示光学系统100，其可应用于穿戴式显示设备，例如AR眼镜中，以实现增强现实显示效果。具体地，该近眼显示光学系统100包括发光源10、第一光学单元11、分光镜12和第二光学单元13。其中，发光源10用于发射光线，第一光学单元11设置在发光源10的出光侧，该第一光学单元11用于透射发光源10发射的光线。分光镜12设置在第一光学单元11远离发光源10的一侧，分光镜12用于反射镜第一光学单元11透射过来的光线。第二光学单元13设置在第一光学单元11远离发光源10的一侧，且该第二光学单元13设置在分光镜12的反射面的一侧，第二光学单元13用于对经由分光镜12反射的光线进行反射。在该第一光学单元11和/或第二光学单元13的非成像区设置有遮光结构14(图2中的涂黑部分所示)。

可以理解的是，该发光源10可为微显示器。

发光源10发出光线时，一部分光线通过第一光学单元11透射至分光镜12，经由分光镜12反射至第二光学单元13，进而经由第二光学单元13再次反射通过分光镜12透射进入人眼1000中，而另一部分光线则可能通过第一光学单元11、第二光学单元13的非成像区进入人眼1000中，导致人员观看到杂光产生，影响视觉显示效果。基于此，本实施例采用在第一光学单元11和/或第二光学单元13的非成像区设置遮光结构14，利用遮光结构14降低该非成像区的反射率或者是遮挡投射或反射至该非成像区的光线，从而减少杂光产生。

可以理解的是，上述的第一光学单元11和/或第二光学单元13的非成像区设置有遮光结构14，包括：可在第一光学单元11的非成像区设置有遮光结构14，或者，可在第二光学单元13的非成像区设置有遮光结构14，或者，在第一光学单元11的非成像区、以及第二光学单元13的非成像区都设置有遮光结构14。

以下将结合附图，对该第一光学单元11、第二光学单元13上设置遮光结构14的情况进行详细说明。

一些实施例中，该遮光结构14可为遮光片、涂覆设置的遮光层等。当遮光结构14为遮光片时，其可通过贴设在第一光学单元11和/或第二光学单元13的非成像区上的方式实现。当遮光结构14为遮光层时，其可通过在第一光学单元11和/或第二光学单元13的非成像区上涂覆一些反射率低的遮光材料，例如油墨，具体可为黑色油墨，以提高其遮光效果。

结合图2、图3所示，一些实施例中，第一光学单元11为透镜结构，其可包括至少一片透镜110，该透镜110具有第一光学部分111和设置在第一光学部分111外周的第一外周部分112，该第一光学部分111形成为该第一光学单元11的成像区，该第一外周部分112形成为该第一光学单元11的非成像区。可以理解的是，该透镜110可为球面透镜或非球面透镜，当光线透过该透镜110的第一外周部分112时，产生的杂光形状多为近似与该透镜110的第一外周部分112的形状类似的椭圆形杂光(如图1中的杂光Z1所示)，从而影响用户的观感。因此，在透镜110的第一外周部分112设置遮挡结构，能够遮挡光线从第一外周部分112透过，从而避免生成杂光。

其中，该第一光学部分111为该透镜110的供成像光线通过充当成像区的部分，该第一外周部分112是指用于充当该透镜110的非成像区的部分。

该第一光学单元11可包括一片或多片透镜110。当该第一光学单元11包括一片透镜110时，其可在该透镜110的第一外周部分112上设置该遮光结构14，例如涂覆遮光层或者是设置遮光片。这样，利用该第一外周部分112上的遮光结构14，可遮挡自发光源10发射至第一外周部分112上的光线透过，从而可以减少杂光(即椭圆形杂光)的产生。

进一步地，当第一光学单元11包括多片透镜110时，该多片透镜110可沿第一光学单元11的光轴依次排列设置。例如，如图2所示，图2中示出了该透镜110为两片的情况，该两片透镜110沿着光轴自该发光源10的方向向靠近该分光镜12的方向依次排列。当该透镜110为多片时，可在至少靠近分光镜12的透镜110的非成像区设置该遮光结构14。

以该第一光学单元10包括三片透镜110为例。

示例性的，可在每一片透镜110的非成像区(即第一外周部分112)都设置该遮光结构14。这样，可以有效提高该非成像区的遮光效果，最大程度上降低该第一光学单元11的非成像区产生杂光的几率。

或者，也可在其中的两片透镜110的非成像区设置遮光结构14。例如，在靠近分光镜12的透镜110和其他任意两片透镜110中的任一片的非成像区设置遮光结构14。

当然，作为其他的实施方式，考虑到第一光学单元11的非成像区上的光线主要透射至分光镜12上，经由分光镜12进入人眼中形成杂光，因此，也可只在最靠近分光镜12的透镜110的非成像区设置该遮光结构14，从而可以降低光线由该透镜110的非成像区透射至分光镜12上的几率。在这种方式中，该第一光学单元11的其他透镜110可不设置遮光结构14。

可以理解的是，该第一光学单元11包括的多片透镜110的数量通常不设置太多，例如一般为一片、两片或三片，这是因为，如果透镜110数量较多，则一方面增加近眼显示光学系统100的整体体积，另一方面，光线在多片透镜110透射过程中可能存在损耗，导致影响最终成像的质量。

进一步的，如图4所示，图4(a)、图4(b)以及图4(c)分别示出了遮光结构14设置在该第一光学单元11的透镜110上的非成像区的情况。其中，在图4(a)中，遮光结构14可设置在第一外周部分112的两端区域，在图4(b)中，遮光结构14可设置在第一外周部分112的两侧区域，在图4(c)中，该遮光结构14可设置在第一外周部分112的朝向该分光镜12的表面上。

可以理解的是，该遮光结构14可同时设置在图4(a)、(b)、(c)示出的区域，也可择一设置，即，上述图4中的遮光结构14在透镜110的非成像区上的设置情况仅为便于理解做的示例，不限定本实施例的范围。

结合图2和图5所示，图5示出了第二光学单元13的结构。由前述可知，分光镜12用于反射光线至第二光学单元13，该第二光学单元13再将光线反射至分光镜12上并通过分光镜12投射至人眼1000，因此，该第二光学单元13的反射面朝向该分光镜12的反射面设置，从而可将光线反射至该分光镜12上。也就是说，在设置时，第二光学单元13可设置在第一光学单元11的远离发光源10的一侧，同时，该第二光学单元13位于该分光镜12的反射面的一侧。这样，经由分光镜12反射的光线才能够尽可能多的反射至该第二光学单元13上，然后再经由第二光学单元13进行反射。

进一步地，该第二光学单元13可具有第二光学部分130和设置在第二光学部分130外周的第二外周部分131，该第二光学部分130形成为第二光学单元13的成像区，至少部分第二外周部分131形成为该第二光学单元13的非成像区。换言之，当在第二光学单元13上设置遮光结构14时，该遮光结构14可设置在至少部分第二外周部分131上。

具体地，该第二外周部分131具有朝向该第一光学单元11设置的周侧面131a，该周侧面131a可形成为该第二光学单元13的非成像区。这样，可在该周侧面131a上设置遮光结构14，从而可以遮挡从第一光学单元11的第一外周部分112透射至该周侧面131a上的光线，减少杂光的形成。例如，如图1所示，从第一光学单元11的第一外周部分112透射至周侧面131a上的光线，如果通过该周侧面131a反射至分光镜12进入人眼1000中，则可能形成倒影现象(如图1中的Z2所示)，影响用户的视觉显示效果。因此，通过在周侧面131a上(即杂光产生的路径上)设置遮光结构14，利用该遮光结构14遮挡这部分光线，有效缓解倒影现象的发生，提高视觉显示效果。

结合图2、图6所示，该第二光学单元13具有朝向该分光镜12设置的反射面132，该反射面132用于反射经由分光镜12反射过来的光线。具体地，该反射面132可为球面或非球面，且该反射面132为凹面，这样可将反射至该反射面132上的光线尽可能多地反射出去。该反射面132具有中心区域132a和设置在中心区域132a外周的外周区域132b，该中心区域132a对应第二光学部分130设置，即，中心区域132a对应该第二光学单元13的成像区设置，该外周区域132b则对应该第二外周部分131设置，即，该外周区域132b则对应该第二光学单元13的非成像区设置。这样，一种可选的实施方式中，可以在至少部分该外周区域132b设置遮光结构14，从而可以遮挡反射至该外周区域132b的光线，避免这部分光线重新反射至分光镜12上。

另一种可选的实施方式中，为了减少光线由该外周区域132b反射至分光镜12上，该至少部分外周区域132b的反射率可小于中心区域132a的反射率，这样，反射到中心区域132a的光线能够大部分被反射至分光镜12上，而反射到该至少部分外周区域132b上的光线则可尽可能少的反射至分光镜12上，从而减少斑点形杂光(如图1中的Z3所示)的产生。

在该种实施方式中，为了保证中心区域132a的反射率，可在中心区域132a上设置分光膜132c，而在该至少部分外周区域132b则可不设置分光膜132c，这样，可提高中心区域132a的反射率，同时降低外周区域132b的反射率。

采用在中心区域132a设置分光膜132c，而至少部分外周区域132b不设置分光膜132c的方式，能够有效降低该至少部分外周区域132b的反射率，且这种方式不会造成视野遮挡的问题，从而不仅有效减少杂光产生，而且也不会影响第二光学单元13的光学性能。

一些实施例中，考虑到杂光主要是从第一光学单元11直接透射至第二光学单元13上产生，因此，该外周区域132b靠近第一光学单元11的区域为第一区域，该第一区域的反射率小于中心区域132a的反射率。将靠近第一光学单元11的外周区域132b的反射率降低，能够减少从第一光学单元11透射至该第一区域上的光线的反射率，从而降低这部分光线反射至分光镜12的几率，由此可以减少杂光的产生。

以下对本实施例的近眼显示光学系统100的光路传输过程简单描述：

发光源10发出的光线L1通过第一光学单元11透射至分光镜12上，经由分光镜12反射至第二光学单元13的反射面132，第二光学单元13的反射面132将这部分光线L1再次反射至分光镜12，通过分光镜12透射至人眼1000中，同时，第二光学单元13将真实场景的光线L2透射至分光镜12，通过分光镜12透射至人眼1000中，使得人眼可同时接收到发光源10的光线L1和真实场景的光线L2进行叠加，从而实现对真实场景的光线进行增强。

本实用新型实施例一公开的近眼显示光学系统100，通过在第一光学单元11和/或第二光学单元13的非成像区设置遮光结构14，利用遮光结构14降低该第一光学单元11和/或第二光学单元13的非成像区的反射率、或者是遮挡该非成像区的光线，从而降低杂光产生的几率，有效提高该近眼显示光学系统的显示效果。

实施例二

请参阅图7，为本实用新型实施例二公开的穿戴式显示设备的结构示意图。该穿戴式显示设备200包括穿戴部件201和如上述实施例一所述的近眼显示光学系统100，该近眼显示光学系统100设置在穿戴部件201上。

具体地，该穿戴式显示设备200可包括但不局限于AR眼镜、AR头盔等。当该穿戴式显示设备200为AR眼镜时，该穿戴部件201可为眼镜主体，该近眼显示光学系统100可设置在该AR眼镜的眼镜主体上，作为该AR眼镜的镜片使用。

本实用新型实施例二公开的穿戴式显示设备200，由于其在穿戴部件201上设置该近眼显示光学系统100，因此，该穿戴式显示设备200具有该近眼显示光学系统100的有益效果，即能够有效减少杂光的产生，显示效果更佳。

以上对本实用新型实施例公开的近眼显示光学系统及穿戴式显示设备进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的近眼显示光学系统及穿戴式显示设备及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (13)

1.一种近眼显示光学系统，其特征在于，所述近眼显示光学系统包括：

发光源，所述发光源用于发射光线；

第一光学单元，所述第一光学单元设置于所述发光源的出光侧，所述第一光学单元用于透射所述发光源发射的所述光线；

分光镜，所述分光镜设置于所述第一光学单元远离所述发光源的一侧，所述分光镜用于反射所述第一光学单元透射过来的所述光线；以及

第二光学单元，所述第二光学单元设置在所述分光镜的反射面的一侧，所述第二光学单元用于对经由所述分光镜反射的所述光线进行反射；

其中，所述第一光学单元和/或所述第二光学单元的非成像区设置有遮光结构。

2.如权利要求1所述的近眼显示光学系统，其特征在于：所述遮光结构包括遮光片或涂覆设置的遮光层。

3.根据权利要求1所述的近眼显示光学系统，其特征在于：所述第一光学单元包括至少一片透镜，所述透镜具有第一光学部分和设置在所述第一光学部分外周的第一外周部分，所述第一光学部分形成为所述第一光学单元的成像区，所述第一外周部分形成为第一光学单元的非成像区。

4.根据权利要求3所述近眼显示光学系统，其特征在于：所述第一光学单元包括多片透镜，多片所述透镜沿所述第一光学单元的光轴依次排列设置；多片所述透镜中，至少最靠近所述分光镜的所述透镜的所述非成像区设置有所述遮光结构。

5.根据权利要求1-4任一项所述的近眼显示光学系统，其特征在于：所述第二光学单元具有第二光学部分和设置在所述第二光学部分外周的第二外周部分，所述第二光学部分形成为所述第二光学单元的成像区，至少部分所述第二外周部分形成为所述第二光学单元的非成像区。

6.根据权利要求5所述的近眼显示光学系统，其特征在于：所述第二外周部分具有朝向所述第一光学单元的周侧面，所述周侧面设置有所述遮光结构。

7.根据权利要求1-4任一项所述的近眼显示光学系统，其特征在于：所述第二光学单元具有朝向所述分光镜设置的反射面，所述第二光学单元的所述反射面具有中心区域和设置在所述中心区域外周的外周区域，所述中心区域对应所述第二光学单元的成像区设置，所述外周区域对应所述第二光学单元的非成像区设置。

8.根据权利要求7所述的近眼显示光学系统，其特征在于：至少部分所述外周区域的反射率小于所述中心区域的反射率。

9.根据权利要求8所述的近眼显示光学系统，其特征在于：所述外周区域靠近所述第一光学单元的区域为第一区域，所述第一区域的反射率小于所述中心区域的反射率。

10.根据权利要求7所述的近眼显示光学系统，其特征在于：所述中心区域设置有分光膜，至少部分所述外周区域未设置分光膜。

11.根据权利要求7所述的近眼显示光学系统，其特征在于：所述第二光学单元的所述反射面为凹面。

12.一种穿戴式显示设备，其特征在于：所述穿戴式显示设备包括穿戴部件和如权利要求1-11任一项所述的近眼显示光学系统，所述近眼显示光学系统设置在所述穿戴部件上。

13.根据权利要求12所述的穿戴式显示设备，其特征在于：所述穿戴式显示设备为AR眼镜。

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