CN215769205U - 一种近眼显示系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例涉及光学技术领域，特别涉及一种近眼显示系统。本实用新型实施例提供一种近眼显示系统，包括图像单元、偏振分光棱镜、四分之一波片、球面反射透镜、球面透镜和非球面透镜，其中图像单元设于偏振分光棱镜的第一侧，图像单元用于提供图像光线，四分之一波片的第一面设于偏振分光棱镜的第二侧，球面反射透镜的透射面邻近四分之一波片的第二面设置；球面透镜的第一面邻近偏振分光棱镜的第三侧设置；非球面透镜的第一面邻近球面透镜的第二面设置。在该近眼显示系统中，通过非球面透镜提高视场角，以及通过偏振分光棱镜对光路进行折叠，减小系统的体积和重量。

Description

一种近眼显示系统

技术领域

本实用新型实施例涉及光学技术领域，特别涉及一种近眼显示系统。

背景技术

增强现实是将虚拟信息和真实世界相融合的技术，其中近眼显示系统设计是增强现实技术中的关键环节，如何同时提升近眼显示系统的视场角、亮度、均匀性和对比度并减小系统功耗和体积是该研究领域的热点问题。目前市面上的增强现实近眼显示系统的视场角都较小，并且使用的光学器件较多、使得近眼显示系统的体积和重量较大。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种近眼显示系统，能满足大视场角且系统体积、重量较小。

本实用新型实施方式采用的一个技术方案是：提供一种近眼显示系统，包括：

图像单元，用于提供图像光线；

偏振分光棱镜，具有第一侧、第二侧和第三侧，所述图像单元设于所述偏振分光棱镜的第一侧，所述偏振分光棱镜用于将所述偏振分光棱镜的第一侧入射的第一偏振态的图像光线透射至所述偏振分光棱镜的第二侧，以及将所述偏振分光棱镜的第二侧入射的第二偏振态的图像光线反射至所述偏振分光棱镜的第三侧；

四分之一波片，具有第一面和第二面，所述四分之一波片的第一面设于所述偏振分光棱镜的第二侧，所述四分之一波片用于改变所述图像光线的偏振态；

球面反射透镜，具有透射面和反射面，所述透射面邻近所述四分之一波片的第二面设置，所述透射面用于透射所述图像光线，所述反射面用于将所述图像光线反射至所述偏振分光棱镜的第二侧；

球面透镜，具有第一面和第二面，所述球面透镜的第一面邻近所述偏振分光棱镜的第三侧设置，所述球面透镜用于对所述图像光线进行整形；

非球面透镜，具有第一面和第二面，所述非球面透镜的第一面邻近所述球面透镜的第二面设置，所述非球面透镜用于对所述图像光线进行整形。

在一些实施例中，所述近眼显示系统还包括光波导，所述光波导邻近所述非球面透镜的第二面设置。

在一些实施例中，所述非球面透镜的第一面为球面，所述非球面透镜的第二面为非球面。

在一些实施例中，所述非球面透镜的第二面的曲率半径为负数，圆锥系数为0。

在一些实施例中，所述球面透镜和所述非球面透镜胶合设置，所述四分之一波片的第一面与所述偏振分光棱镜的第二侧贴合设置，所述球面透镜的第一面与所述偏振分光棱镜的第三侧贴合设置。

在一些实施例中，所述非球面透镜的厚度为4mm。

在一些实施例中，所述非球面透镜的第二面的曲率半径为-15.35。

在一些实施例中，所述非球面透镜的第二面的二阶非球面系数为0.0469，所述非球面透镜的第二面的四阶非球面系数为1.813*10^-5，所述非球面透镜的第二面的六阶非球面系数为3.676*10^-7，所述非球面透镜的第二面的八阶非球面系数为1.847*10^-9。

在一些实施例中，所述偏振分光棱镜为镀膜式偏振分光棱镜或线栅式偏振分光棱镜。

在一些实施例中，所述图像单元为OLED、Mini-LED、QLED和Micro-LED中的一种。

本实用新型实施方式的有益效果是：区别于现有技术的情况，本实用新型实施例提供一种近眼显示系统，包括图像单元、偏振分光棱镜、四分之一波片、球面反射透镜、球面透镜和非球面透镜，其中图像单元设于偏振分光棱镜的第一侧，图像单元用于提供图像光线，四分之一波片的第一面设于偏振分光棱镜的第二侧，球面反射透镜的透射面邻近四分之一波片的第二面设置；球面透镜的第一面邻近偏振分光棱镜的第三侧设置；非球面透镜的第一面邻近球面透镜的第二面设置。在该近眼显示系统中，通过非球面透镜提高视场角，以及通过偏振分光棱镜对光路进行折叠，有效地减少光学器件，从而减小系统的体积和重量。

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/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，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一种近眼显示系统的结构示意图；

图2是图1的光路图；

图3是本实用新型实施例提供的另一种近眼显示系统的结构示意图；

图4是图3的一种光路追迹示意图；

图5是图3所示近眼显示系统的MTF图；

图6是图3所示近眼显示系统的点列图；

图7是图3所示近眼显示系统的场曲与畸变图。

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。

为了便于理解本申请，下面结合附图和具体实施例，对本申请进行更详细的说明。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申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本申请。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。

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。

本实用新型提供一种近眼显示系统，请参阅图1，所述近眼显示系统包括100：图像单元1、偏振分光棱镜2、四分之一波片3、球面反射透镜4、球面透镜5和非球面透镜6。其中，偏振分光棱镜2具有第一侧、第二侧和第三侧，四分之一波片3具有第一面和第二面，球面反射透镜4具有透射面和反射面，球面透镜5具有第一面和第二面，非球面透镜6具有第一面和第二面。图像单元1设于偏振分光棱镜2的第一侧，图像单元1用于提供图像光线，偏振分光棱镜2用于将偏振分光棱镜2的第一侧入射的第一偏振态的图像光线透射至偏振分光棱镜2的第二侧，以及将偏振分光棱镜2的第二侧入射的第二偏振态的图像光线反射至偏振分光棱镜2的第三侧；四分之一波片3的第一面设于所述偏振分光棱镜2的第二侧，四分之一波片3用于改变图像光线的偏振态；球面反射透镜4的透射面邻近四分之一波片3的第二面设置，球面反射透镜4的透射面用于透射图像光线，球面反射透镜4的反射面用于将图像光线反射至偏振分光棱镜2的第二侧；球面透镜5的第一面邻近偏振分光棱镜2的第三侧设置，非球面透镜6的第一面邻近球面透镜5的第二面设置，球面透镜5和非球面透镜6用于对图像光线进行整形。

在该近眼显示系统100中，偏振分光棱镜2内部具有偏振分光面，使其具有偏振分光选择性，能够透射P偏振光反射S偏振光。具体的，图像单元1、偏振分光棱镜2、四分之一波片3和球面反射透镜4依次沿第一光轴设置，并且偏振分光棱镜2和球面透镜5和非球面透镜6依次沿第二光轴设置，其中，第一光轴和第二光轴互相垂直。请结合参阅图1和图2，图像单元1发出的图像光线经过偏振分光棱镜2的第一侧进入偏振分光棱镜2后，一般，图像单元1发出的图像光线为非线偏振光，则图像光线既包含S偏振光又包含P偏振光，此时，S偏振光(图2虚线箭头所示)被反射出偏振分光棱镜2的第四端，P偏振光(图2实线箭头所示)透射至偏振分光棱镜2的第二侧并透过四分之一波片3进入球面反射透镜4，那么光线的偏振方向旋转了90°；接着，光线被球面反射透镜4的反射面反射再次透过四分之一波片3，此时，光线的偏振方向再次旋转了90°，变为S偏振光；然后，光线再次经过偏振分光棱镜2的偏振分光面，被反射至偏振分光棱镜2的第三侧出射，并通过球面透镜5入射至非球面透镜6、最终由非球面透镜6出射。

在该近眼显示系统100中，通过非球面透镜6对图像光线进行发散，能够提高近眼显示系统的视场角；另外，在该近眼显示系统100中，通过偏振分光棱镜2对图像光线进行折叠，并且通过设计好球面反射透镜4、球面透镜5和非球面透镜6的曲率，可以对图像光线进行整形，从而有效地减少光学元件的数目，进而减小近眼显示系统100的体积和重量；并且，仅使用一片非球面透镜6，其余透镜的表面为球面，这样方便量产加工以及系统组装，能够保证较高的良率。当该近眼显示系统应用于增强现实(Augmented Reality，AR)设备中，能够提高AR设备的视场角、且减小AR设备的体积和重量。

在其中一些实施例中，请参阅图3，近眼显示系统还包括光波导7，其中，光波导7邻近非球面透镜6的第二面设置。具体的，光波导7设于非球面透镜6的出光方向上，当光波导为阵列光波导时，请参阅图4，光波导7可以接收非球面透镜6出射的图像光线，经过内部的选择性透过反射膜将图像光线耦出。当光波导为几何阵列光波导时，其包括入射棱镜，入射棱镜设于非球面透镜的出光方向上，此时，非球面透镜出射的图像光线能通过入射棱镜耦入到几何阵列光波导中，最后经过光波导内部的选择性透过反射膜反射至人眼。或者，当光波导为光栅光波导时，其包括耦入光栅和耦出光栅，耦入光栅设于非球面透镜的出光方向上，可将图像光线耦入至光波导中，并经过耦出光栅的扩展和耦出，最终能在耦出光栅的工作区域内耦出至人眼。

具体的，在其中一些实施例中，图像单元为OLED、Mini-LED、QLED和Micro-LED中的一种，用于提供图像光线。可以理解的是，图像单元还可以为其他一切合适的可以自主的输出图像光线的器件。

在其中一些实施例中，偏振分光棱镜为镀膜式偏振分光棱镜或线栅式偏振分光棱镜。当偏振分光棱镜为镀膜式分光棱镜时，即在偏振分光面上镀设有偏振分光膜，当偏振分光棱镜为线栅式偏振分光棱镜时，即在偏振分光面上贴合有金属线栅，从而能对不同偏振态的光线进行透射或者反射，实现分光。

为了能够让近眼显示系统更为紧凑，在其中一些实施例中，请参阅图1，球面透镜5和非球面透镜6胶合设置，这样，可以减少系统的体积。

为了进一步让近眼显示系统更为紧凑，在其中一些实施例中，请继续参阅图1，四分之一波片3的第一面与偏振分光棱镜2的第二侧贴合设置，球面透镜5的第一面与偏振分光棱镜2的第三侧贴合设置，通过这样的贴合方式设置，可以让近眼显示系统显得更为紧凑，进一步减少系统的体积。具体的，球面透镜5的第一面为平面，可与偏振分光棱镜2的第三侧进行贴合。

在其中一些实施例中，非球面透镜的第一面为球面、第二面为非球面。其中，非球面的曲率半径为负数、圆锥系数为0，非球面透镜可以通过树脂材料或地软化点材料制成。在实际应用中，非球面透镜的第一面也可以为非球面，在此不需要拘泥于本实施例中的限定。

在其中一些实施例中，非球面透镜6的厚度为4mm。

为了能让人眼适配该近眼显示系统，在其中一些实施例中，近眼显示系统的出瞳距离为16-24mm，近眼显示系统100的眼动范围为10mm*8mm。

下面结合具体的实施例对本实用新型提供的近眼显示系统作进一步阐述。

请参阅图3，该近眼显示系统100包括图像单元1、偏振分光棱镜2、四分之一波片3、球面反射透镜4、球面透镜5、非球面透镜6和光波导7。其中，球面反射透镜4的透射面为凹面、反射面为凸面，球面透镜5的第一面为平面、第二面为凹面，非球面透镜6的第一面为凹面、第二面为凸面。球面反射透镜4的透射面、反射面、球面透镜5的第二面以及非球面透镜6的第一面为球面，非球面透镜6的第二面为非球面，其表面参数如下表1所示，其中，R为曲率半径，K为圆锥系数，A、B、C、D分别对应2、4、6、8阶非球面系数。

表1非球面透镜6的非球面的表面参数

非球面参数

R

K

A

B

C

D

数值

-15.35

0

0.0469

1.813*10<sup>-5</sup>

3.676*10<sup>-7</sup>

1.847*10<sup>-9</sup>

基于上述结构，该近眼显示系统的出瞳距离为16-24mm，可见，该近眼显示系统的出瞳距离较小，能有效缩短人眼到图像光线之间的距离，从而可以减小应用此近眼显示系统100的设备体积，实现小型化设计；同时，该近眼显示系统100的对角视场角为50°，眼动范围在10mm*8mm，可达到人眼观察的范围。在实际应用中，各透镜的表面类型、参数可根据实际需要进行设置，在此不做限定。

下面对该近眼显示系统100的成像质量进行检测。

图5为图3所示近眼显示系统100的MTF图，MTF(调制传递函数)可以综合反映光学系统的成像质量，其曲线形状越平滑，且相对X轴高度越高，证明系统的成像质量越好。从图5中可以看出，MTF曲线较为平滑，且该近眼显示系统100在空间频率为25lp/mm下的MTF＞0.2，可见该近眼显示系统100在全视场范围内具有良好的成像效果。

图6为图3所示近眼显示系统100的点列图，点列图反应的是光学系统成像的几何结构，在像质评价中，可用点列图的密集程度更加直观反映和衡量系统成像质量的优劣，点列图的RMS半径越小，证明像差越小、系统的成像质量越好。如图6所示，100％视场的RMS＜20μm，中心视场RMS＜10μm，可见，各视场的光斑很小，像差校正比较好，该近眼显示系统100的成像质量好。

图7为图3所示近眼显示系统100的场曲与畸变图，其中左侧为场曲曲线，右侧为畸变曲线。场曲是物平面形成曲面像的一种像差，以子午场曲和弧矢场曲来表征，二者过大会严重影响光学系统的轴外光线成像质量。从图7可以看到，场曲在±0.01mm范围内，即该近眼显示系统100的场曲被校正到较小的范围内。同时从图7可以看出，该目镜光学系统的最大畸变小于4％，人眼很难察觉，可见该近眼显示系统100场曲和畸变小，成像效果好。

由以上数据可知，该近眼显示系统不仅具有较大的视场角和较高的成像质量，并且利用偏振分光棱镜进行折叠光路还能减小系统体积和重量，而且像差校正较好，成像质量优良。

本实用新型实施例提供一种近眼显示系统，包括图像单元、偏振分光棱镜、四分之一波片、球面反射透镜、球面透镜和非球面透镜，其中图像单元设于偏振分光棱镜的第一侧，图像单元用于提供图像光线，四分之一波片的第一面设于偏振分光棱镜的第二侧，球面反射透镜的透射面邻近四分之一波片的第二面设置；球面透镜的第一面邻近偏振分光棱镜的第三侧设置；非球面透镜的第一面邻近球面透镜的第二面设置。在该近眼显示系统中，通过非球面透镜提高视场角，以及通过偏振分光棱镜对光路进行折叠，减小系统的体积和重量。

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 (10)

1.一种近眼显示系统，其特征在于，包括：

图像单元，用于提供图像光线；

偏振分光棱镜，具有第一侧、第二侧和第三侧，所述图像单元设于所述偏振分光棱镜的第一侧，所述偏振分光棱镜用于将所述偏振分光棱镜的第一侧入射的第一偏振态的图像光线透射至所述偏振分光棱镜的第二侧，以及将所述偏振分光棱镜的第二侧入射的第二偏振态的图像光线反射至所述偏振分光棱镜的第三侧；

四分之一波片，具有第一面和第二面，所述四分之一波片的第一面设于所述偏振分光棱镜的第二侧，所述四分之一波片用于改变所述图像光线的偏振态；

球面反射透镜，具有透射面和反射面，所述透射面邻近所述四分之一波片的第二面设置，所述透射面用于透射所述图像光线，所述反射面用于将所述图像光线反射至所述偏振分光棱镜的第二侧；

球面透镜，具有第一面和第二面，所述球面透镜的第一面邻近所述偏振分光棱镜的第三侧设置，所述球面透镜用于对所述图像光线进行整形；

非球面透镜，具有第一面和第二面，所述非球面透镜的第一面邻近所述球面透镜的第二面设置，所述非球面透镜用于对所述图像光线进行整形。

2.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述近眼显示系统还包括光波导，所述光波导邻近所述非球面透镜的第二面设置。

3.根据权利要求2所述的近眼显示系统，其特征在于，所述非球面透镜的第一面为球面，所述非球面透镜的第二面为非球面。

4.根据权利要求3所述的近眼显示系统，其特征在于，所述非球面透镜的第二面的曲率半径为负数，圆锥系数为0。

5.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述球面透镜和所述非球面透镜胶合设置，所述四分之一波片的第一面与所述偏振分光棱镜的第二侧贴合设置，所述球面透镜的第一面与所述偏振分光棱镜的第三侧贴合设置。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的近眼显示系统，其特征在于，所述非球面透镜的厚度为4mm。

7.根据权利要求1-5任意一项所述的近眼显示系统，其特征在于，所述非球面透镜的第二面的曲率半径为-15.35。

8.根据权利要求7所述的近眼显示系统，其特征在于，所述非球面透镜的第二面的二阶非球面系数为0.0469，所述非球面透镜的第二面的四阶非球面系数为1.813*10^-5，所述非球面透镜的第二面的六阶非球面系数为3.676*10^-7，所述非球面透镜的第二面的八阶非球面系数为1.847*10^-9。

9.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述偏振分光棱镜为镀膜式偏振分光棱镜或线栅式偏振分光棱镜。

10.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述图像单元为OLED、Mini-LED、QLED和Micro-LED中的一种。

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