CN214669868U - 光学显示系统及头戴式显示设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种光学显示系统及头戴式显示设备，该光学显示系统包括显示模块、偏振分光元件、第一偏振态转换单元和第二偏振态转换单元，显示模块设置在偏振分光元件一侧，第一偏振态转换单元、偏振分光元件和第二偏振态转换单元依次排列，其中：显示模块，用于发射第一类型偏振光；偏振分光元件，具有分光面，分光面配置为透射第二类型偏振光，以及反射第一类型偏振光；第一偏振态转换单元，用于将分光面反射的第一类型偏振光转换为第二类型偏振光；第二偏振态转换单元，用于将分光面透射的第二类型偏振光转换为第一类型偏振光。通过光线偏振状态的转换，实现光路的折叠压缩，缩小显示系统体积，实现小体积、大FOV的虚拟/增强现实显示。
Description
技术领域
本实用新型涉及光学显示领域，具体而言，涉及一种光学显示系统及头戴式显示设备。
背景技术
虚拟现实技术(英文名称∶Virtual Reality，缩写为VR)，又称灵境技术，是20世纪发展起来的一项全新的实用技术。虚拟现实技术囊括计算机、电子信息、仿真技术于一体，其基本实现方式是计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感。
增强现实技术(英文名称∶Augmented Reality，缩写为AR)，是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术，广泛运用了多媒体、三维建模、实时跟踪及注册、智能交互、传感等多种技术手段，将计算机生成的文字、图像、三维模型、音乐、视频等虚拟信息模拟仿真后，应用到真实世界中，两种信息互为补充，从而实现对真实世界的 "增强"。
在VR和AR设备中最关键的部件是光学成像系统。显示屏发出的光经过成像透镜折射后入射到人眼瞳孔，进入人眼瞳孔的光线的反向延长线汇聚在远处形成虚像，人眼观看到的图像就是所述虚像。所谓虚像就是放大的显示屏显示的图像。该虚像对人眼所张开的角度即为视场角(field of view，FoV)。
现有虚拟/增强现实显示系统体积较大，FOV较小,因此，如何在较大FoV的情况下，减小光学显示系统的体积和重量，是一个亟待解决的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种光学显示系统及头戴式显示设备，以解决现有技术存在的显示系统体积较大，FOV较小的问题。
基于上述目的，第一方面，本申请提供的一种光学显示系统，包括：
显示模块、偏振分光元件、第一偏振态转换单元和第二偏振态转换单元，所述显示模块设置在所述偏振分光元件一侧，所述第一偏振态转换单元、偏振分光元件和第二偏振态转换单元依次排列，其中：
显示模块，用于发射第一类型偏振光；
所述偏振分光元件，具有分光面，所述分光面配置为透射第二类型偏振光，以及反射所述第一类型偏振光；
所述第一偏振态转换单元，用于将所述分光面反射的所述第一类型偏振光转换为所述第二类型偏振光；
所述第二偏振态转换单元，用于将所述分光面透射的所述第二类型偏振光转换为所述第一类型偏振光；
所述分光面将所述第一类型偏振光反射，所述第一类型偏振光经过所述第一偏振态转换单元转换为所述第二类型偏振光，所述第二类型偏振光透过所述分光面进入所述第二偏振态转换单元转换为所述第一类型偏振光，所述第一类型偏振光经过所述分光面的反射作用后至人眼观察位置。
进一步地，所述显示模块包括显示器和偏振片，所述显示器设置在所述偏振分光元件一侧，所述偏振片设置在所述显示器与所述偏振分光元件之间，其中：
所述显示器，用于发射非偏振光；
所述偏振片，用于从所述显示器发射出的非偏振光中透射所述第一类型偏振光。
进一步地，所述显示模块包括显示器，所述显示器用于发射所述第一类型偏振光。
进一步地，所述第一偏振态转换单元，包括第一1/4波片和第一准直放大光学元件，所述第一准直放大光学元件设置在所述第一1/4 波片远离所述偏振分光元件的一侧，其中：
所述第一1/4波片，用于将所述分光面反射的所述第一类型偏振光转换为第一类型圆偏振光，以及将所述第一准直放大光学元件准直反射的所述第一类型圆偏振光转换为所述第二类型偏振光；
所述第一准直放大光学元件，用于将经所述第一1/4波片转换的所述第一类型圆偏振光放大后准直的反射给所述第一1/4波片。
进一步地，所述第二偏振态转换单元，包括第二1/4波片和第二准直放大光学元件，所述第二准直放大光学元件设置在所述第二1/4 波片远离所述偏振分光元件的一侧，其中：
所述第二1/4波片，用于将所述分光面透过的所述第二类型偏振光转换为第二类型圆偏振光，以及将所述第二准直放大光学元件准直反射的所述第二类型圆偏振光转换为所述第一类型偏振光；
所述第二准直放大光学元件，用于将经所述第二1/4波片转换的所述第二类型圆偏振光放大后准直的反射给所述第二1/4波片。
进一步地，所述分光面设置为平面。
进一步地，所述第一类型偏振光为P型偏振光，所述第二类型偏振光为S型偏振光；或者，
所述第一类型偏振光为S型偏振光，所述第二类型偏振光为P 型偏振光。
进一步地，还包块第一像差补偿透镜组，所述第一像差补偿透镜组设置在所述显示模块与所述偏振分光元件之间，其中：
所述第一像差补偿透镜组，用于对所述显示模块发射出的所述第一类型偏振光进行像差补偿。
进一步地，还包括第二像差补偿透镜组，所述第二像差补偿透镜组设置在所述偏振分光元件与人眼观察位置之间，其中：
所述第二像差补偿透镜组，用于对所述偏振分光元件的所述分光面反射的所述第一类型偏振光进行像差补偿。
第二方面，本申请提供了一种头戴式显示设备，包括上述所述的光学显示系统。
采用上述技术方案，相对于现有技术，本申请提供的光学显示系统及头戴式显示设备的技术效果有：
本申请的光学显示系统，偏振分光元件将显示器发射的第一类型偏振光反射，第一类型偏振光经过第一偏振态转换单元转换为第二类型偏振光，第二类型偏振光透过分光面进入第二偏振态转换单元转换第一类型偏振光，第一类型偏振光经过所述分光面的反射作用后至人眼观察位置。
通过显示模块、偏振分光元件、第一偏振态转换单元和第二偏振态转换单元共同组合作用，通过对光线偏振状态的转换，实现光路的折叠压缩，从而缩小显示系统体积，实现小体积、大FOV的虚拟/增强现实显示。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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为本实用新型实施例一提供的光学显示系统的结构示意图。
图2为本实用新型实施例一提供的光学显示系统的另一种结构示意图。
图3为本实用新型实施例一提供的光学显示系统的光路的折叠压缩示意图。
图4为本实用新型实施例一提供的畸变网格的示意图。
图5为本实用新型实施例一提供的使用4mm瞳孔直径评估的的场图绘图(fieldmap)。
图6为本实用新型实施例二提供的光学显示系统的结构示意图。
图7为本实用新型实施例二提供的光学显示系统的另一种结构结构示意图。
附图标记：1-显示模块；2-偏振分光元件；3-第一偏振态转换单元；4-第二偏振态转换单元；21-分光面；11-显示器；12-偏振片； 31-第一1/4波片；32-第一准直放大光学元件；41-第二1/4波片； 42-第二准直放大光学元件；5-第一像差补偿透镜组；6-第二像差补偿透镜组。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
实施例一：
如图1-图5所示，本申请的光学显示系统，包括：
显示模块1、偏振分光元件2、第一偏振态转换单元3和第二偏振态转换单元4，显示模块1设置在偏振分光元件2一侧，第一偏振态转换单元3、偏振分光元件2和第二偏振态转换单元4依次排列，其中：
显示模块1，用于发射第一类型偏振光；
偏振分光元件2，具有分光面21，分光面21配置为透射第二类型偏振光，以及反射第一类型偏振光；
第一偏振态转换单元3，用于将分光面21反射的第一类型偏振光转换为第二类型偏振光；
第二偏振态转换单元4，用于将分光面21透射的第二类型偏振光转换为第一类型偏振光；
分光面21将第一类型偏振光反射，第一类型偏振光经过第一偏振态转换单元3转换为第二类型偏振光，第二类型偏振光透过分光面 21进入第二偏振态转换单元4转换为第一类型偏振光，第一类型偏振光经过分光面21的反射作用后至人眼观察位置。
可选地，第一偏振态转换单元3和第二偏振态转换单元4与显示模块1发射的第一类型偏振光平行设置，分光面21呈45度角设置在第一偏振态转换单元3和第二偏振态转换单元4之间。
可选地，本申请的显示模块1有两种结构，具体如下：
显示模块1的第一种结构，显示模块1包括包括显示器11和偏振片12，显示器11设置在偏振分光元件2一侧，偏振片12设置在显示器11与偏振分光元件2之间，其中：
显示器11，用于发射非偏振光；
偏振片12，用于从显示器11发射出的非偏振光中透射第一类型偏振光。
偏振片12是指可以使天然光变成偏振光的光学元件。偏振片可分为天然偏振片和人造偏振片。天然偏振片由晶体制成。人造偏振片是由偏振膜、内保护膜、压敏胶层及外保护膜层压而成的复合材料。根据偏振片的底色偏振片可以分为黑白偏振片和彩色偏振片两种类型。根据偏振片的应用偏振片可以划分成透射、透反射及反透射三种类型。在该实施例中，该偏振片是指吸收型偏振片(absorptive polarizer)。对入射光具有遮蔽和透过的功能。例如，可使纵向光透过，横向光遮蔽；或者，使横向光透过，纵向光遮蔽。
显示模块1的第二种结构，显示模块1包括显示器11，显示器 11用于发射第一类型偏振光。
显示器11的类型不做限定，示例的，该显示器11可以是 LCD(LiquidCrystalDisplay，液晶显示器)显示器、OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)显示器、Micro OLED微显示器、Mini LED微显示器中的任一种；还可以是DLP(Digital LightProcessing，数字光处理)显示器；还可以是LCOS(Liquid Crystal onSilicon，硅基液晶)显示器等。另外，该显示器11可以是柔性屏，也可以是刚性屏(即非柔性屏)。
实际使用过程中，可以根据用户需求选择，当显示器11发光类型为非偏振光时，可以采用本申请显示模块1的第一种结构，即在显示器11前增加偏振片12来获得所需偏振光。
具体地，第一偏振态转换单元3，包括第一1/4波片31和第一准直放大光学元件32，第一准直放大光学元件32设置在第一1/4波片31远离偏振分光元件2的一侧，其中：
第一1/4波片31，用于将分光面21反射的第一类型偏振光转换为第一类型圆偏振光，以及将第一准直放大光学元件32反射的第一类型圆偏振光转换为第二类型偏振光；
第一准直放大光学元件32，用于将经第一1/4波片31转换的第一类型圆偏振光准直并放大，经过准直、放大后的第一类型圆偏振光反射至第一1/4波片31。
1/4波片又称“1/4推迟板”。一定波长的光垂直入射通过时，出射的寻常光和异常光之间相位差1/4波长。在光路中它常用来使线偏振光变为圆偏振光或椭圆偏振光；或者相反。这种波片通常采用双折射材料沿平行于光轴方向切割制成平行平面板，其厚度应精确地为双折射材料两个主轴折射率差和给定波长1/4的乘积的奇数倍。用旋光材料制成的能使入射光偏振面旋转x/2的奇数倍的波片也称为四分之一波片。
具体地，第二偏振态转换单元4，包括第二1/4波片41和第二准直放大光学元件42，第二准直放大光学元件42设置在第二1/4波片41远离偏振分光元件2的一侧，其中：
第二1/4波片41，用于将分光面21透过的第二类型偏振光转换为第二类型圆偏振光，以及将第二准直放大光学元件42反射的第二类型圆偏振光转换为第一类型偏振光；
第二准直放大光学元件42，用于将经第二1/4波片41转换的第二类型圆偏振光准直并放大，经过准直、放大后的第二类型圆偏振光反射至第二1/4波片41。
具体地，分光面21设置为平面。
具体地，第一类型偏振光为P型偏振光，第二类型偏振光为S 型偏振光；或者，
第一类型偏振光为S型偏振光，第二类型偏振光为P型偏振光。
假设显示器11发射P型偏振光，P型偏振光经过分光面21反射后入射第一1/4波片31变为P型圆偏振光，P型圆偏振光经过第一准直放大光学元件32准直、放大后反射，再次经过第一1/4波片31 变为S型偏振光，S型偏振光透过分光面21入射第二1/4波片41变为S型圆偏振光，S型圆偏振光经过第二准直放大光学元件42准直、放大后反射，再次经过第二1/4波片41变为P型偏振光，P型偏振光经过分光面21的反射作用后至人眼观察位置。
需要说明的是，如果显示器11发射P型偏振光，则分光面21 设置为反射P型偏振光，透射S型偏振光。
假设显示器11发射S型偏振光，S型偏振光经过分光面21反射入射第一1/4波片31变为S型圆偏振光，S型圆偏振光经过第一准直放大光学元件32准直、放大后反射，再次经过第一1/4波片31 变为P型偏振光，P型偏振光透过分光面21入射第二1/4波片41变为P型圆偏振光，P型圆偏振光经过第二准直放大光学元件42准直、放大后反射，再次经过第二1/4波片41变为S型偏振光，S型偏振光经过分光面21的反射作用后至人眼观察位置。
需要说明的是，如果显示器11发射S型偏振光，则分光面21 设置为反射S型偏振光，透射P型偏振光。
本申请的光学显示系统，以表1的各项参数为实验条件，采用 0.23”屏幕，能够实现对角线50°FOV显示，同时光学系统体积为 5mm×10mm×20mm，在极紧凑的体积内实现较大FOV显示。
| 项目 | 参数 | 数值 |
| 显示屏幕 | 尺寸 | 0.23” |
| 瞳孔 | 直径 | 4mm |
| 偏振分光元件 | 尺寸 | 5mm×5mm×20mm |
| 系统FOV | 度 | 对角线50° |
| 出瞳距 | 距离 | 5mm |
表1
采用表1的实验参数，畸变网格和场图绘图(field map)如图4、图5所示，图4和图5表明本系统畸变矫正良好，满足目视系统要求。
实施例二：
如图6和图7所示，本实施例二提供的光学显示系统，是在实施例一中提供的光学显示系统的结构基础上做出了进一步改进，具体的：
还包块第一像差补偿透镜组5，第一像差补偿透镜组5设置在显示模块1与偏振分光元件2之间，其中：
第一像差补偿透镜组5，用于对显示模块1发射出的第一类型偏振光进行像差补偿。
还包括第二像差补偿透镜组6，第二像差补偿透镜组6设置在偏振分光元件2与人眼观察位置之间，其中：
第二像差补偿透镜组6，用于对偏振分光元件2的分光面21反射的第一类型偏振光进行像差补偿。
具体地，当显示模块1采用实施例一中的第一种结构，即，显示模块1包括包括显示器11和偏振片12，显示器11设置在偏振分光元件2一侧，偏振片12设置在显示器11与偏振分光元件2之间，其中：显示器11，用于发射非偏振光；偏振片12，用于从显示器11 发射出的非偏振光中透射第一类型偏振光，第一像差补偿透镜组5 设置在显示器11与偏振片12之间。
具体地，当显示模块1采用实施例一中的第二种结构，即，显示模块1包括显示器11，显示器11用于发射第一类型偏振光，第一像差补偿透镜组5设置在显示器11与偏振分光元件2之间。
本实施例通过设置第一像差补偿透镜组5和第二像差补偿透镜组 6，进行像差补偿，来实现提高成像清晰度。
第一像差补偿透镜组5、第二像差补偿透镜组6均包括至少一个像差补偿透镜，从而，通过增加像差补偿透镜的个数，提高成像清晰度。
具体的，第一像差补偿透镜组5的像差补偿方法可以根据像差的大小调整第一像差补偿透镜组5包括的像差补偿透镜的材料、表面、面型和数量。
具体的，第二像差补偿透镜组6的像差补偿方法可以根据像差的大小调整第二像差补偿透镜组6包括的像差补偿透镜的材料、表面、面型和数量。
实施例三：
本实施例提三提供的一种头戴式显示设备，包括上述实施例一或实施例二中提供的光学显示系统。
实际应用时，本实施例中的头戴式显示设备，可以是VR/AR设备， VR/AR设备可以是AR头盔、VR/AR眼镜或观影眼镜等。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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 (10)
1.一种光学显示系统，其特征在于，包括：显示模块、偏振分光元件、第一偏振态转换单元和第二偏振态转换单元，所述显示模块设置在所述偏振分光元件一侧，所述第一偏振态转换单元、偏振分光元件和第二偏振态转换单元依次排列，其中：
显示模块，用于发射第一类型偏振光；
所述偏振分光元件，具有分光面，所述分光面配置为透射第二类型偏振光，以及反射所述第一类型偏振光；
所述第一偏振态转换单元，用于将所述分光面反射的所述第一类型偏振光转换为所述第二类型偏振光；
所述第二偏振态转换单元，用于将所述分光面透射的所述第二类型偏振光转换为所述第一类型偏振光；
所述分光面将所述第一类型偏振光反射，所述第一类型偏振光经过所述第一偏振态转换单元转换为所述第二类型偏振光，所述第二类型偏振光透过所述分光面进入所述第二偏振态转换单元转换为所述第一类型偏振光，所述第一类型偏振光经过所述分光面的反射作用后至人眼观察位置。
2.根据权利要求1所述的光学显示系统，其特征在于，所述显示模块包括显示器和偏振片，所述显示器设置在所述偏振分光元件一侧，所述偏振片设置在所述显示器与所述偏振分光元件之间，其中：
所述显示器，用于发射非偏振光；
所述偏振片，用于从所述显示器发射出的非偏振光中透射所述第一类型偏振光。
3.根据权利要求1所述的光学显示系统，其特征在于，所述显示模块包括显示器，所述显示器用于发射所述第一类型偏振光。
4.根据权利要求1所述的光学显示系统，其特征在于，所述第一偏振态转换单元，包括第一1/4波片和第一准直放大光学元件，所述第一准直放大光学元件设置在所述第一1/4波片远离所述偏振分光元件的一侧，其中：
所述第一1/4波片，用于将所述分光面反射的所述第一类型偏振光转换为第一类型圆偏振光，以及将所述第一准直放大光学元件准直反射的所述第一类型圆偏振光转换为所述第二类型偏振光；
所述第一准直放大光学元件，用于将经所述第一1/4波片转换的所述第一类型圆偏振光放大后准直的反射给所述第一1/4波片。
5.根据权利要求1所述的光学显示系统，其特征在于，所述第二偏振态转换单元，包括第二1/4波片和第二准直放大光学元件，所述第二准直放大光学元件设置在所述第二1/4波片远离所述偏振分光元件的一侧，其中：
所述第二1/4波片，用于将所述分光面透过的所述第二类型偏振光转换为第二类型圆偏振光，以及将所述第二准直放大光学元件准直反射的所述第二类型圆偏振光转换为所述第一类型偏振光；
所述第二准直放大光学元件，用于将经所述第二1/4波片转换的所述第二类型圆偏振光放大后准直的反射给所述第二1/4波片。
6.根据权利要求1所述的光学显示系统，其特征在于，所述分光面设置为平面。
7.根据权利要求1所述的光学显示系统，其特征在于，所述第一类型偏振光为P型偏振光，所述第二类型偏振光为S型偏振光；或者，
所述第一类型偏振光为S型偏振光，所述第二类型偏振光为P型偏振光。
8.根据权利要求1所述的光学显示系统，其特征在于，还包块第一像差补偿透镜组，所述第一像差补偿透镜组设置在所述显示模块与所述偏振分光元件之间，其中：
所述第一像差补偿透镜组，用于对所述显示模块发射出的所述第一类型偏振光进行像差补偿。
9.根据权利要求1或8所述的光学显示系统，其特征在于，还包括第二像差补偿透镜组，所述第二像差补偿透镜组设置在所述偏振分光元件与人眼观察位置之间，其中：
所述第二像差补偿透镜组，用于对所述偏振分光元件的所述分光面反射的所述第一类型偏振光进行像差补偿。
10.一种头戴式显示设备，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的光学显示系统。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202120441676.XU CN214669868U (zh) | 2021-03-01 | 2021-03-01 | 光学显示系统及头戴式显示设备 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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2021
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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