CN214409450U - 一种光学系统及近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例涉及光学器件设计领域，公开了一种光学系统，该光学系统包括：图像源、转折棱镜和光波导，转折棱镜设置在所述图像源和所述光波导之间，图像源用于出射包含图像信息的光束，转折棱镜用于接收所述包含图像信息的光束并将所述包含图像信息的光束平行输入到所述光波导中，光波导用于传递并输出包含图像信息的光束，本实用新型实施例采用转折棱镜作为光波导的耦入装置，应用于近眼显示设备中时能够大大缩小光学系统的体积，减少用户佩戴设备时的负担，提升用户体验。

Description

一种光学系统及近眼显示设备

技术领域

本实用新型实施例涉及光学器件设计技术领域，特别涉及一种光学系统及近眼显示设备。

背景技术

光波导是一种能够引导光波在其中传播的介质装置，又称为介质光波导，通常由光透明介质，如石英玻璃构成，能够将光波局限在波导及其周围有限区域内传播，由于其具有传输衰减小、频带宽等优点，因此被应用在各类需要进行光传输的光学系统中。例如，常见的一种情况是应用于近眼显示设备，如AR眼镜中，光波导能够将图像源出射的包含图像信息的光束传输到目标位置后输出。

在实现本实用新型实施例过程中，发明人发现以上相关技术中至少存在如下问题：为实现光束在光波导的耦入和耦出，光波导的输入侧和输出侧需要分别设置光学系统和耦出装置，以使得光束能够进入光波导以及从光波导出射，目前，光波导的光学系统通常由多个透镜组合构成，总长通常在30mm以上，同时在图像源的输出侧无法正对光波导时还需要在光学系统中增设反射镜，这进一步会增加光学系统的体积和重量，当应用在近眼显示设备这类设备上时，会影响到用户的使用体验。

实用新型内容

针对现有技术的上述缺陷，本实用新型实施例的目的是提供一种体积小且能够实现光线转折的光学系统及近眼显示设备。

本实用新型实施例的目的是通过如下技术方案实现的：

为解决上述技术问题，第一方面，本实用新型实施例中提供了一种光学系统，包括：

图像源，用于出射包含图像信息的光束；

光波导，用于传递并输出包含图像信息的光束；

转折棱镜，其设置在所述图像源和所述光波导之间，用于接收所述包含图像信息的光束并将所述包含图像信息的光束平行输入到所述光波导中。

在一些实施例中，所述转折棱镜包括：

第一透射面，用于接收图像源出射的包含图像信息的光束并透射出射第一光束；

第一反射面，其与所述第一透射面相交且其能够反射光束的一侧朝向所述第一透射面的出光侧，用于反射所述第一光束；

第二反射面，其与所述第一透射面相交且与所述第一反射面相对设置，用于将反射后的所述第一光束进行二次反射形成第二光束，其中，所述第二光束为平行光；

第二透射面，其分别与所述第一反射面和所述第二反射面相交且与所述第一透射面相对设置，用于将所述第二光束透射出射。

在一些实施例中，所述第二透射面与所述光波导的入光面贴合设置。

在一些实施例中，所述第一透射面、所述第一反射面和所述第二反射面皆为曲面。

在一些实施例中，所述第一透射面的凸面、所述第一反射面的凹面和第二反射面的凹面朝向所述转折棱镜的内部。

在一些实施例中，所述转折棱镜的长度小于20mm。

在一些实施例中，所述光学系统还包括：耦出装置，设置在所述光学系统的输出端一侧，用于耦出所述包含图像信息的光束。

在一些实施例中，所述光学系统还包括：光学透镜组，其设置在所述转折棱镜的入光侧，用于调整所述图像源所出射的光束。

为解决上述技术问题，第二方面，本实用新型实施例中提供了一种近眼显示设备，包括：

镜框，以及，固定在所述镜框上的如上述第一方面所述的光学系统。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：区别于现有技术的情况，本实用新型实施例中提供了一种光学系统，该光学系统包括：图像源、转折棱镜和光波导，转折棱镜设置在所述图像源和所述光波导之间，图像源用于出射包含图像信息的光束，转折棱镜用于接收所述包含图像信息的光束并将所述包含图像信息的光束平行输入到所述光波导中，光波导用于传递并输出包含图像信息的光束，本实用新型实施例采用转折棱镜作为光波导的耦入装置，应用于近眼显示设备中时能够大大缩小光学系统的体积，减少用户佩戴设备时的负担，提升用户体验。

附图说明

一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块表示为类似的元件/模块，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本实用新型实施例提供的光学系统的一种应用场景的示意图；

图2是本实用新型实施例一中提供的一种光学系统的结构示意图；

图3(a)为图2所示光学系统中的一种转折棱镜在第一个视角上的结构示意图；

图3(b)为图2所示光学系统中的一种转折棱镜在第二个视角上的结构示意图；

图3(c)为图2所示光学系统中的一种转折棱镜在第三个视角上的结构示意图；

图3(d)为图2所示光学系统中的一种转折棱镜在第四个视角上的结构示意图；

图4是本实用新型实施例一中提供的另一种光学系统的结构示意图；

图5是图2所示光学系统的光路示意图；

图6是本实用新型实施例二中提供的一种近眼显示设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对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。

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，如果不冲突，本实用新型实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分。此外，本文所采用的“第一”、“第二”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。为了便于连接结构限定，本实用新型以光束的传输方向为参考进行部件的位置限定。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本实用新型。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为了解决目前应用于近眼显示设备中的光波导的耦入装置体积较大，导致光学系统及设备整体体积和重量较大的问题，本实用新型实施例提供了一种光学系统，该系统采用转折棱镜作为光波导的耦入装置，应用于近眼显示设备中时能够大大缩小光学系统的体积，减少用户佩戴设备时的负担，提升用户体验。

图1为本实用新型实施例提供的光学系统的其中一种应用环境的示意图，该应用环境中包括：近眼显示设备10，该近眼显示设备10呈现为一眼镜的形状，该近眼显示设备10包括镜框11，以及固定在所述镜框11上的光学系统100，其中，所述镜框11包括镜腿11a和镜架11b，所述光学系统100包括有图像源110、耦入装置120和光波导130。

在实际应用场景中，所述近眼显示设备10的形状及其镜框11的形状也可以是其他的形状，具体地，可根据实际需要进行选择，不需要拘泥于本应用场景的限定。

所述图像源110固定在所述镜腿11a上，更加符合人体工学设计，所述光波导130固定在所述镜架11b，所述耦入装置120可以是固定在所述镜腿11a和所述镜架11b的连接处，也可以是悬空设置，依靠与所述图像源110和/或所述光波导130粘和为一体实现固定，具体地，可根据实际需要设置所述图像源110、所述耦入装置120和所述光波导130 的固定方式及在所述近眼显示设备10上的固定位置，不需要拘泥于本应用场景的限定。

用户在佩戴所述近眼显示设备10时，所述图像源110出射的包含图像信息的光束通过所述耦入装置120输入到所述光波导130中，通过所述光波导130耦出到人眼的视网膜中实现成像。需要说明的是，所述光波导130可以直接将包含推向信息的光束成像到人眼视网膜，或者，也可以成像为一人眼可视的虚像，由人眼获取所述虚像的光线从而获取图像信息。所述光波导130可以是整个区域都能够耦出包含图像信息的光束，也可以是在部分区域设置耦出装置实现光束在特定位置的耦出，具体地，可根据实际需要进行设置，不需要拘泥于本应用场景的限定。

在本应用场景中，所述耦入装置120采用的是转折棱镜，其一方面能够实现光束的转折，使得所述图像源110不需要完全正对所述光波导 130用于接收光束的一侧，从而能够灵活调整图像源110的位置；另一方面采用转折棱镜作为耦入装置120也能够有效缩短所述光学系统100 的长度，减小所述近眼显示设备10的体积。

具体地，下面结合附图，对本实用新型实施例作进一步阐述。

实施例一

本实用新型实施例提供了一种光学系统，请参见图2，其示出了本实用新型实施例提供的一种光学系统的结构，所述光学系统100应用于近眼显示设备，所述近眼显示设备可以是如上述应用场景所示的近眼显示设备10，同时，所述光学系统100也可以是如上述应用场景所示的光学系统100，所述光学系统100包括：图像源110、转折棱镜120和光波导130，所述转折棱镜120设置在所述图像源110和所述光波导130 之间。其中，

所述图像源110，用于出射包含图像信息的光束；优选地，所述图像源110可以是LCD、OLED、LCOS、DMD、Mi cro-LED等显示芯片中的一种。

所述光波导130，用于传递并输出包含图像信息的光束；优选地，所述光波导130为平面光波导或者波导片，且所述光波导130可如上述应用场景及图1所示的设计为镜片的形状安装在近眼显示设备10的镜架11b上，直接将光束耦入到人眼中实现成像。

所述转折棱镜120，其设置在所述图像源110和所述光波导130之间，用于接收所述包含图像信息的光束并将所述包含图像信息的光束平行输入到所述光波导130中。所述转折棱镜120的材料可以是玻璃的，也可以是塑料的，其可以通过模压、车削、注塑等加工手段加工出来。

具体地，请一并参见图3（a）至图3（d），其示出了图2所示光学系统中转折棱镜120在四个视角上的结构，所述转折棱镜120包括：第一透射面S1，用于接收图像源出射的包含图像信息的光束L1并透射出射第一光束L2；第一反射面S2，其与所述第一透射面S1相交且其能够反射光束的一侧朝向所述第一透射面S1的出光侧，用于反射所述第一光束 L2；第二反射面S3，其与所述第一透射面S1相交且与所述第一反射面S2相对设置，用于将反射后的所述第一光束L2进行二次反射形成第二光束L3，其中，所述第二光束L3为平行光；第二透射面S4，其分别与所述第一反射面S2和所述第二反射面S3相交且与所述第一透射面S1 相对设置，用于将所述第二光束L3透射出射。

进一步地，请继续参见图2和图3，所述第二透射面S4与所述光波导130的入光面贴合设置。进一步地，请继续参见图2和图3，所述第一透射面S1、所述第一反射面S2和所述第二反射面S3皆为曲面。进一步地，请继续参见图2和图3，所述第一透射面S1的凸面、所述第一反射面S2的凹面和第二反射面S3S的凹面朝向所述转折棱镜120的内部。进一步地，请继续参见图2和图3，所述转折棱镜120的长度小于20mm。

进一步地，请参见图4和图5，其分别示出了本实用新型实施例提供的另一种光学系统的结构及其光路，所述光学系统100还包括：耦出装置140，设置在所述光学系统100的输出端一侧，用于耦出所述包含图像信息的光束。所述耦出装置140可以是贴合设置在所述光波导130 表面的光栅、透镜和/或棱镜等，或者，可以是在所述光波导130的表面通过刻蚀等化学或者物理的方式加工得到的，具体地，是否需要设置所述耦出装置140，所述耦出装置140的设置位置、加工工艺等可根据实际需要进行设置，不需要拘泥于本实用新型实施例的限定。

进一步地，请继续参见图4和图5，所述光学系统100还包括：光学透镜组150，其设置在所述转折棱镜120的入光侧，用于调整所述图像源110所出射的光束。所述光学透镜组150可以设置也可以不设置，当设置有所述光学透镜组150时，所述光学透镜组150由至少一个光学透镜组成，且优选能够调整图像大小，提高图像成像效果，减少图像畸变和色散等现象的光学透镜组，具体地，可根据实际需要对所述光学透镜组150的数量、形状、位置等进行设计，不需要拘泥于本实用新型实施例的限定。

采用本实用新型实施例提供的光学系统100实现近眼显示设备中的光学成像时，首先，启动所述近眼显示设备中的所述光学系统100后，所述图像源110发出包含图像信息的发散光光束，该光束经过转折棱镜 120，或者光学透镜组150和转折棱镜120后，准直为平行光并入射到所述光波导130中，再从所述光波导130或者所述耦出装置140输出成像。

实施例二

本实用新型实施例提供了一种近眼显示设备10，请参见图6，其示出了本实用新型实施例提供的一种近眼显示设备10的结构，所述近眼显示设备10包括镜框(图未示)，以及，固定在所述镜框(图未示) 上的如上述实施例一所述的光学系统100。

优选地，所述光学系统100的光路中心如上述应用场景所示的，移动至所述光波导的边缘，也即是设置在所述镜框的镜腿所在位置的附近，尽量与所述镜腿重合，从而更加符合人体工学设计以及常规眼镜的设计，使得所述近眼显示设备10的体积更加地小巧便携。

需要说明的是，所述近眼显示设备10可以是如上述应用场景所述的及其附图(即图1)所示的近眼显示设备10，所述镜框可以是如上述应用场景所述的及其附图(即图1)所示的镜框11，所述光学系统100 为如上述应用场景及实施例一中所述的光学系统100，因此，所述镜框 11和所述近眼显示设备10的具体结构及设置请参见上述应用场景所述，所述光学系统100的具体结构、连接方式、设置位置等请参见上述应用场景及实施例一所述，此处不再详述。

本实用新型实施例中提供了一种光学系统，该光学系统包括：图像源、转折棱镜和光波导，转折棱镜设置在所述图像源和所述光波导之间，图像源用于出射包含图像信息的光束，转折棱镜用于接收所述包含图像信息的光束并将所述包含图像信息的光束平行输入到所述光波导中，光波导用于传递并输出包含图像信息的光束，本实用新型实施例采用转折棱镜作为光波导的耦入装置，应用于近眼显示设备中时能够大大缩小光学系统的体积，减少用户佩戴设备时的负担，提升用户体验。

需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种光学系统，其特征在于，包括：

图像源，用于出射包含图像信息的光束；

光波导，用于传递并输出包含图像信息的光束；

转折棱镜，其设置在所述图像源和所述光波导之间，用于接收所述包含图像信息的光束并将所述包含图像信息的光束平行输入到所述光波导中，其中，所述转折棱镜包括：

第一透射面，用于接收图像源出射的包含图像信息的光束并透射出射第一光束，

第一反射面，其与所述第一透射面相交且其能够反射光束的一侧朝向所述第一透射面的出光侧，用于反射所述第一光束，

第二反射面，其与所述第一透射面相交且与所述第一反射面相对设置，用于将反射后的所述第一光束进行二次反射形成第二光束，其中，所述第二光束为平行光，

第二透射面，其分别与所述第一反射面和所述第二反射面相交且与所述第一透射面相对设置，用于将所述第二光束透射出射。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，

所述第二透射面与所述光波导的入光面贴合设置。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，

所述第一透射面、所述第一反射面和所述第二反射面皆为曲面。

4.根据权利要求3所述的光学系统，其特征在于，

所述第一透射面的凸面、所述第一反射面的凹面和第二反射面的凹面朝向所述转折棱镜的内部。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，

所述转折棱镜的长度小于20mm。

6.根据权利要求1-5任一项所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括：

耦出装置，设置在所述光学系统的输出端一侧，用于耦出所述包含图像信息的光束。

7.根据权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括：

光学透镜组，其设置在所述转折棱镜的入光侧，用于调整所述图像源所出射的光束。

8.一种近眼显示设备，其特征在于，包括：镜框，以及，固定在所述镜框上的如上述权利要求1-7任一项所述的光学系统。

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