CN214474230U - 光学系统以及头戴式显示设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光学系统以及头戴式显示设备，所述光学系统包括：在第一方向上依次设置第一偏振选择组件、透镜组、半反半透镜以及第二偏振选择组件；第一方向为显示装置的出光方向；第一偏振选择组件包括：在第一方向上依次设置的第一四分之一波片、第一偏振片和第二四分之一波片；第一偏振片能够透过第一线偏光，吸收第二线偏光，所述第一线偏光与所述第二线偏光的偏振方向垂直；所述第二偏振选择组件包括：在所述第一方向上依次设置的第三四分之一波片、偏振反射片和第二偏振片；所述第二偏振片能够透过所述第一线偏光，吸收所述第二线偏光；所述偏振反射片能够透过所述第一线偏光，反射所述第二线偏光。所述光学系统的结构简单，制作成本低。

Description

光学系统以及头戴式显示设备

技术领域

本申请涉及显示设备技术领域，更具体的说，涉及一种光学系统以及头戴式显示设备。

背景技术

随着科学技术的不断发展，越来越多的具有显示设备被广泛的应用于人们的日常生活以及工作当中，为人们的日常生活以及工作带来了巨大的便利，成为当今人们不可或缺的重要工具。

VR(虚拟现实)和AR(增强现实)的头戴式显示设备是当前显示设备发展的一个新兴方向。头戴式显示设备需要具需要采用各种不同功能的光学元件组成的光学系统实现对光线的调制，以显示所需图像。

现有技术中，光学系统的结构复杂，制作成本高。

实用新型内容

有鉴于此，本申请提供了一种光学系统以及头戴式显示设备，方案如下：

一种光学系统，所述光学系统包括：在第一方向上依次设置第一偏振选择组件、透镜组、半反半透镜以及第二偏振选择组件；所述第一方向为显示装置的出光方向；

所述第一偏振选择组件包括：在所述第一方向上依次设置的第一四分之一波片、第一偏振片和第二四分之一波片；所述第一偏振片能够透过第一线偏光，吸收第二线偏光，所述第一线偏光与所述第二线偏光的偏振方向垂直；

所述第二偏振选择组件包括：在所述第一方向上依次设置的第三四分之一波片、偏振反射片和第二偏振片；所述第二偏振片能够透过所述第一线偏光，吸收所述第二线偏光；所述偏振反射片能够透过所述第一线偏光，反射所述第二线偏光。

优选的，在上述光学系统中，所述第一四分之一波片和所述第二四分之一波片的快轴均与所述第一偏振片的透振方向具有45°夹角，该夹角误差不超过5°。

优选的，在上述光学系统中，所述第一偏振选择组件还包括：设置在所述第二四分之一波片背离所述第一偏振片一侧的第一增透膜。

优选的，在上述光学系统中，所述第一偏振片为第一基材，所述第一四分之一波片以及所述第二四分之一波片分别贴合固定在所述第一基材相对的两个表面。

优选的，在上述光学系统中，所述第三四分之一波片的快轴与所述第二偏振片的透振方向具有45°夹角，该夹角误差不超过5°。

优选的，在上述光学系统中，所述第二偏振选择组件还包括：设置在所述第三四分之一波片朝向所述半反半透镜一侧的第二增透膜。

优选的，在上述光学系统中，所述第二偏振片为第二基材，所述偏振反射片与所述第三四分之一波片层叠贴合固定在所述第二基材朝向所述半反半透镜一侧的表面。

优选的，在上述光学系统中，所述第一偏振选择组件用于将所述显示装置出射的光线转换为第一圆偏光Y1，将第二方向入射的第二圆偏光Y2和所述第一圆偏光Y1吸收；

所述第二偏振选择组件用于将所述第一偏振选择组件出射的所述第一圆偏光Y1的一部分转换为所述第一线偏光出射，形成待显示图像，将所述第一圆偏光Y1的另一部分转换为所述第二圆偏光Y2，入射所述第一偏振选择组件；

其中，所述第二方向为所述第一方向的反向；所述第一圆偏光为左旋圆偏光，所述第二圆偏光为右旋圆偏光。

本申请还提供了一种头戴式显示设备，所述头戴式显示设备包括：

第一镜片模组和第二镜片模组，所述第一镜片模组与所述第二镜片模组均为上述任一项所述的光学系统。

优选的，在上述头戴式显示设备中，所述头戴式显示设备包括：

本体，所述第一镜片模组以及所述第二镜片模组固定在所述本体上，所述本体上固定有显示装置；

其中，所述第一镜片模组以及所述第二镜片模组分别单独设置一个所述显示装置，或，所述第一镜片组件以及所述第二镜片组件共用同一所述显示装置，所述显示装置能够分屏显示。

通过上述描述可知，本申请技术方案所述光学系统以及头戴式显示设备中，所述光学系统包括：在第一方向上依次设置第一偏振选择组件、透镜组、半反半透镜以及第二偏振选择组件；所述第一方向为显示装置的出光方向；所述第一偏振选择组件包括：在所述第一方向上依次设置的第一四分之一波片、第一偏振片和第二四分之一波片；所述第一偏振片能够透过第一线偏光，吸收第二线偏光，所述第一线偏光与所述第二线偏光的偏振方向垂直；所述第二偏振选择组件包括：在所述第一方向上依次设置的第三四分之一波片、偏振反射片和第二偏振片；所述第二偏振片能够透过所述第一线偏光，吸收所述第二线偏光；所述偏振反射片能够透过所述第一线偏光，反射所述第二线偏光。所述光学系统的结构简单，制作成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或相关技术中的技术方案，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申请的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本申请所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本申请实施例提供的一种光学系统的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的另一种光学系统的结构示意图

图3为图2所示光学系统中光线偏振态转换原理示意图；

图4为本申请实施例提供的一种头戴式显示设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请中的实施例进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

如图1所示，图1为本申请实施例提供的一种光学系统的结构示意图，所述光学系统包括：

在第一方向上依次设置第一偏振选择组件11、透镜组12、半反半透镜13 以及第二偏振选择组件14；所述第一方向为显示装置的出光方向，即图1中从左至右的方向。其中，所述透镜组包括至少一个光学透镜，用于实现图像的放大和准直等调节。

如图1所示，所述第一偏振选择组件11包括：在所述第一方向上依次设置的第一四分之一波片111、第一偏振片112和第二四分之一波片113；所述第一偏振片112能够透过第一线偏光，吸收第二线偏光，所述第一线偏光与所述第二线偏光的偏振方向垂直。

其中，所述第一四分之一波片111和所述第二四分之一波片113的快轴均与所述第一偏振片112的透振方向具有45°夹角，该夹角误差不超过5°。这样，显示装置出射的非偏振光(相当于自然光)沿第一方向入射第一偏振选择组件11，能够转换为第一圆偏振光出射。而沿着第二方向入射所述第一偏振选择组件11的第二圆偏振光，通过第一偏振选择组件11出射后，能够转换为第一圆偏振光，第一圆偏振光经过显示装置反射后，沿着第一方向入射第一偏振选择组件11，能够通过第一四分之一波片111转换为第二线偏光，被第一偏振片112吸收。所述第二方向为所述第一方向的反方向。

如图1所示，所述第二偏振选择组件14包括：在所述第一方向上依次设置的第三四分之一波片141、偏振反射片142和第二偏振片143；所述第二偏振片143能够透过所述第一线偏光，吸收所述第二线偏光；所述偏振反射片 142能够透过所述第一线偏光，反射所述第二线偏光。

其中，所述第三四分之一波片141的快轴与所述第二偏振片142的透振方向具有45°夹角，该夹角误差不超过5°。这样，沿着第一方向入射第二偏振选择组件14的第一圆偏振光能够通过第三四分之一波片141转换为第二线偏光，被偏振反射片142反射。而偏振反射片142反射的第二线偏光沿着第二方向传播，通过第三四分之一波片141后能够被转换为第二圆偏振光，第二圆偏振光沿着第二方向入射所述第一偏振选择组件11后，经过第一偏振选择组件11对光线偏振态调节后，最终被吸收。而沿着第一方向入射第二偏振选择组件14的第二圆偏振光，通过第二偏振选择组件14偏振调节后，能够转换为第一线偏光出射。

所述第二偏振选择组件14还可以通过第二偏振片143吸收外接环境光中国的第二线偏光，避免环境光中的第二线偏光对显示图像的光线造成干扰。环境光中的第一线偏光虽然能够沿着第二方向依次通过第二偏振片143和偏振反射片142，但是能够被第三四分之一波片141转换为第一圆偏光出射，所述第一圆偏光的一部分透过半反半透镜13和透镜组12入射第一偏振选择组件11后，通过第二四分之一波片113转换为第二线偏光，被第一偏振片112 吸收，所述第一圆偏光的另一部分被半反半透镜13反射后，再次通过第三四分之一波片，被转换为S光，从而被偏振反射片142反射。

所述第一线偏光为P光，所述第二线偏光为S光，二者偏振方向垂直。其他实施例中，也可以设置所述第二线偏光为P光，所述第一线偏光为S光。

所述第一圆偏光为左旋圆偏光，所述第二圆偏光为右旋圆偏光。其他实施例中，也可以设置所述第二圆偏光为左旋圆偏光，所述第一圆偏光为右旋圆偏光。

如图2所示，图2为本申请实施例提供的另一种光学系统的结构示意图，在图1所示方式基础上，图2所示光学系统中，所述第一偏振选择组件11还包括：设置在所述第二四分之一波片113背离所述第一偏振片112一侧的第一增透膜114，用于增加第一偏振选择组件11出射光线的透过率，提高对显示装置出射光线中所需偏振态的利用率。

本申请实施例所述光学系统中，所述第一偏振片112为第一基材，所述第一四分之一波片111以及所述第二四分之一波片113分别贴合固定在所述第一基材相对的两个表面。从而形成一体集成的第一偏振选择组件11，提高光学系统集成度，降低其系统在第一方向上的厚度。如果具有第一增透膜114，以第二四分之一波片113为第一增透膜114的基材，可以直接将第一增透膜 114固定在第二四分之一波片113背离第一偏振片112的表面。

如图2所示，所述第二偏振选择组件14还包括：设置在所述第三四分之一波片141朝向所述半反半透镜13一侧的第二增透膜144，用于增加入射第二偏振选择组件14光线的透过率，提高对显示装置出射光线中所需偏振态的利用率。

本申请实施例所述光学系统中，所述第二偏振片143为第二基材，所述偏振反射片142与所述第三四分之一波片141层叠贴合固定在所述第二基材朝向所述半反半透镜13一侧的表面。

如图3所示，图3为图2所示光学系统中光线偏振态转换原理示意图。以第一线偏光为P光，第二线偏光为S光为例，所述第一偏振选择组件11用于将所述显示装置出射的光线转换为第一圆偏光Y1，将第二方向入射的第二圆偏光Y2和所述第一圆偏光Y1吸收；所述第二偏振选择组件12用于将所述第一偏振选择组件11出射的所述第一圆偏光Y1的一部分转换为所述第一线偏光出射，形成待显示图像，将所述第一圆偏光Y1的另一部分转换为所述第二圆偏光Y2，入射所述第一偏振选择组件11。

其中，所述第二方向为所述第一方向的反向；所述第一圆偏光为左旋圆偏光，所述第二圆偏光为右旋圆偏光，如上述也可以设置第一圆偏光为右旋圆偏光，第二圆偏光为左旋圆偏光。

如图3所示，显示装置10沿第一方向出射的光线为非偏振光，相当于自然光，通过第一四分之一波片111后，仍为非偏振的自然光，入射第一偏振片112后，会被转换为P光，经过第二四分之一波片后，会被转换为第一圆偏光Y1，第一偏振选择组件11出射的第一圆偏光Y1通过透镜组12入射半反半透镜13后，一部分第一圆偏光Y1入射第三四分之一波片142，被第三四分之一波片142转换为S光，该过程的光线转换如图3中第一行箭头所示。

第一偏振选择组件11出射的第一圆偏光Y1通过透镜组12入射半反半透镜13后，另一部分第一圆偏光Y1被半反半透镜13反射，再次通过透镜组 12入射第一偏振选择组件11后，被第二四分之一波片113转换为S光，从而被第一偏振片112吸收，该过程的光线转换如图3中第二行箭头所示。

被第三四分之一波片142转换的S光会被偏振反射片142反射，通过第三四分之一波片转换为第二圆偏光Y2入射半反半透镜13，一部分第二圆偏光Y2通过半反半透镜13后，经过透镜组12入射第一偏振选择组件11，在第一偏振选择组件11中，经过第二四分之一波片113转换为P光，P光通过第一偏振片112后，经过第一四分之一波片111转换为第一圆偏振光Y1，第一圆偏振光Y1经过显示装置10反射后的第一圆偏振光Y1再次通过第一四分之一波片111转换为S光，从而被第一偏振片112吸收，该过程的光线转换如图3中第三行与第四行箭头所示。为了增大显示装置10的发射效果，可以设置显示装置为OLED显示装置，具有整面的公共阴极，反射能力强，能够提高对该部分光的吸收。

另一部分被半反半透镜13反射的第二圆偏光Y2通过第三四分之一波片 141会被转换为P光，从而能够通过偏振反射谱142和和第二偏振光143出射，展示预设图像，该过程的光线转换如图3中第三行与第五行箭头所示。

对于沿第二方向入射第二偏振选择组件14的环境光，环境光为非偏振的自然光，环境光中的S光会被第二偏振片143吸收，P光经过第二偏振片143 和偏振反射片142后，会被第三四分之一波片141转换为第一圆偏光Y1，所述第一圆偏光Y1的一部分透过半反半透镜13，沿图3中第二行箭头所示路径最终转换为S光被第一偏振片112吸收。所述第一圆偏光Y1中的另一部分被半反半透镜13反射后，经过第三四分之一波片141转换为S光，被偏振反射谱142，所述S光传播如图3中第三至第五行箭头所示路径。因此，最终入射环境光仅有1/8的P光出射，所有S光和7/8的P光被光学系统吸收，大大降低了环境光的干扰。

基于上述实施例，本申请另一实施例还提供了一种头戴式显示设备，如图4所示，图4为本申请实施例提供的一种头戴式显示设备的结构示意图，所述头戴式显示设备包括：第一镜片模组21和第二镜片模组22，所述第一镜片模组21与所述第二镜片模组22均为上述实施例所述的光学系统。

如图4所示，所述头戴式显示设备包括：

本体23，所述第一镜片模组21以及所述第二镜片模组22固定在所述本体23上，所述本体上固定有显示装置；图4中示出所述显示装置。

其中，所述第一镜片模组21以及所述第二镜片模组22分别单独设置一个所述显示装置，或，所述第一镜片组件21以及所述第二镜片组件22共用同一所述显示装置，所述显示装置能够分屏显示。

所述显示装置可拆卸的安装在所述本体23上。如图4所示，所述本体23 具有安装凹槽24，用于安装所述显示装置。所述显示装置可以为手机，此时所述第一镜片组件21以及所述第二镜片组件22共用同一所述显示装置。

所述头戴式显示设备可以为VR眼镜或是AR眼镜。如果为AR眼镜，此时所述显示装置为透明显示装置。

如图4所示，所述头戴式显示设备具有与所述本体23连接的维持部件25，所述维持部件25用于使得所述头戴式显示设备穿戴在用户的头部，使得所述第一镜片模组21以及所述第二镜片模组22分别用户的左右眼相对设置。

本说明书中各个实施例采用递进、或并列、或递进和并列结合的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的头戴式显示设备而言，由于其与实施例公开的光学系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见光学系统部分说明即可。

需要说明的是，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“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申请和简化描述，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申请的限制。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统包括：在第一方向上依次设置第一偏振选择组件、透镜组、半反半透镜以及第二偏振选择组件；所述第一方向为显示装置的出光方向；

所述第一偏振选择组件包括：在所述第一方向上依次设置的第一四分之一波片、第一偏振片和第二四分之一波片；所述第一偏振片能够透过第一线偏光，吸收第二线偏光，所述第一线偏光与所述第二线偏光的偏振方向垂直；

所述第二偏振选择组件包括：在所述第一方向上依次设置的第三四分之一波片、偏振反射片和第二偏振片；所述第二偏振片能够透过所述第一线偏光，吸收所述第二线偏光；所述偏振反射片能够透过所述第一线偏光，反射所述第二线偏光。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一四分之一波片和所述第二四分之一波片的快轴均与所述第一偏振片的透振方向具有45°夹角，该夹角误差不超过5°。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一偏振选择组件还包括：设置在所述第二四分之一波片背离所述第一偏振片一侧的第一增透膜。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一偏振片为第一基材，所述第一四分之一波片以及所述第二四分之一波片分别贴合固定在所述第一基材相对的两个表面。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第三四分之一波片的快轴与所述第二偏振片的透振方向具有45°夹角，该夹角误差不超过5°。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第二偏振选择组件还包括：设置在所述第三四分之一波片朝向所述半反半透镜一侧的第二增透膜。

7.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第二偏振片为第二基材，所述偏振反射片与所述第三四分之一波片层叠贴合固定在所述第二基材朝向所述半反半透镜一侧的表面。

8.根据权利要求1-7任一项所述的光学系统，其特征在于，所述第一偏振选择组件用于将所述显示装置出射的光线转换为第一圆偏光Y1，将第二方向入射的第二圆偏光Y2和所述第一圆偏光Y1吸收；

所述第二偏振选择组件用于将所述第一偏振选择组件出射的所述第一圆偏光Y1的一部分转换为所述第一线偏光出射，形成待显示图像，将所述第一圆偏光Y1的另一部分转换为所述第二圆偏光Y2，入射所述第一偏振选择组件；

其中，所述第二方向为所述第一方向的反向；所述第一圆偏光为左旋圆偏光，所述第二圆偏光为右旋圆偏光。

9.一种头戴式显示设备，其特征在于，所述头戴式显示设备包括：

第一镜片模组和第二镜片模组，所述第一镜片模组与所述第二镜片模组均为如权利要求1-8任一项所述的光学系统。

10.根据权利要求9所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述头戴式显示设备包括：

本体，所述第一镜片模组以及所述第二镜片模组固定在所述本体上，所述本体上固定有显示装置；

其中，所述第一镜片模组以及所述第二镜片模组分别单独设置一个所述显示装置，或，所述第一镜片组件以及所述第二镜片组件共用同一所述显示装置，所述显示装置能够分屏显示。

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