CN216622845U - 一种增强现实光学系统和双目光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种增强现实光学系统和双目光学系统，该增强现实光学系统，包括：照明模块、偏振转换模块、显示模块、反射模块、偏振分光模块和曲面半透半反模块；照明模块和显示模块分别位于偏振转换模块相对设置的两侧；偏振转换模块包括：第一偏振分光单元、第一偏振转换单元、第二偏振转换单元和第三偏振转换单元；偏振分光模块包括：第二偏振分光单元和第四偏振转换单元。本实用新型实施例提供的增强现实光学系统，能够实现高分辨率的增强现实效果，提供较大的视场范围和眼动范围，且整体结构更加紧凑。

Description

一种增强现实光学系统和双目光学系统

技术领域

本实用新型实施例涉及增强现实技术领域，尤其涉及一种增强现实光学系统和双目光学系统。

背景技术

对于增强现实光学系统，大视场非常重要，而视场角越大，通常整个光学系统的体积也会越大。现有的大视场光学系统中，通常将偏振分光棱镜(Polarizing BeamSplitter，简称PBS)置于整个光学系统的末端，显示模块与照明模块分别位于PBS的相邻两侧，则整个光学系统的体积将会大大增加，严重影响佩戴的舒适性。因此，现有的增强现实光学系统不能同时满足大视场和结构紧凑的要求。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种增强现实光学系统和双目光学系统，以提供一种具有较大视场范围和眼动范围且结构紧凑的光学系统。

本实用新型实施例提供了一种增强现实光学系统，包括：照明模块、偏振转换模块、显示模块、反射模块、偏振分光模块和曲面半透半反模块；

所述照明模块和显示模块分别位于所述偏振转换模块相对设置的两侧；

所述偏振转换模块包括：第一偏振分光单元、第一偏振转换单元、第二偏振转换单元和第三偏振转换单元，所述第一偏振转换单元位于所述第一偏振分光单元与所述显示模块之间的光路中，所述第二偏振转换单元位于所述第一偏振分光单元与所述反射模块之间的光路中，所述第三偏振转换单元位于所述第一偏振分光单元与所述偏振分光模块之间的光路中；

所述偏振分光模块包括：第二偏振分光单元和第四偏振转换单元，所述第四偏振转换单元位于所述第二偏振分光单元和所述曲面半透半反模块之间的光路中；

所述照明模块用于出射第一光束；

所述第一光束依次经所述第一偏振分光单元分光、所述第一偏振转换单元转换和所述显示模块调制后再次经所述第一偏振转换单元转换后形成第一偏振光束；

所述第一偏振光束依次经所述第一偏振分光单元反射、所述第二偏振转换单元转换和所述反射模块反射后再次经所述第二偏振转换单元转换后形成第二偏振光束；所述第二偏振光束的偏振方向与所述第一偏振光束的偏振方向正交；

所述第二偏振光束依次经所述第一偏振分光单元透射、所述第三偏振转换单元转换和所述第四偏振转换单元转换后形成第三偏振光束；所述第三偏振光束的偏振方向与所述第二偏振光束的偏振方向正交；

所述第三偏振光束依次经所述第二偏振分光单元反射、所述第四偏振转换单元转换、所述曲面半透半反模块反射后再次经所述第四偏振转换单元转换后形成第四偏振光束，所述第四偏振光束的偏振方向与所述第三偏振光束的偏振方向正交；

所述第四偏振光束经所述第二偏振分光单元透射后进入人眼；自然光经所述曲面半透半反模块和所述偏振分光模块透射后进入人眼。

可选地，所述偏振转换模块还包括：第一偏振吸收单元，所述第一偏振吸收单元位于所述照明模块与所述第一偏振分光单元之间的光路中；

所述第一光束经所述第一偏振吸收单元透射后形成第五偏振光束，所述第五偏振光束的偏振方向与所述第一偏振光束的偏振方向正交。

可选地，所述偏振转换模块还包括：第二偏振吸收单元，所述第二偏振吸收单元位于所述第一偏振分光单元与所述第三偏振转换单元之间的光路中；

所述第二偏振吸收单元用于吸收与所述第二偏振吸收单元的偏振方向正交的干扰光。

可选地，所述增强现实光学系统还包括：第一透镜组和第二透镜组；

所述第一透镜组位于所述第二偏振转换单元和所述反射模块之间的光路中，所述第二透镜组位于所述第三偏振转换单元和所述偏振分光模块之间的光路中；

所述第一透镜组包括：第一透镜和第二透镜，所述第二透镜组包括：第三透镜和第四透镜；

所述第一透镜包括第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面均包括非球面，且所述第一表面和/或所述第二表面设置有增透膜；

所述第二透镜包括第三表面和第四表面，所述第三表面和所述第四表面均包括非球面，且所述第三表面和/或所述第四表面设置有增透膜；

所述第三透镜包括第五表面和第六表面，所述第五表面和所述第六表面均包括非球面，且所述第五表面和/或所述第六表面设置有增透膜；

所述第四透镜包括第七表面和第八表面，所述第七表面和所述第八表面均包括非球面，且所述第七表面和/或所述第八表面设置有增透膜。

可选地，所述第一透镜的折射率为n1，所述第一透镜的阿贝数为v1，所述第二透镜的折射率为n2，所述第二透镜的阿贝数为v2，其中，n1＞n2，v1＜v2；

所述第三透镜的折射率为n3，所述第三透镜的阿贝数为v3，所述第四透镜的折射率为n4，所述第二透镜的阿贝数为v4，其中，n3＞n4，v3＜v4。

可选地，所述增强现实光学系统的中心视场包括：第一中心光线和第二中心光线；

所述反射模块、所述第一偏振分光单元、所述第一透镜组、所述第二透镜组的中心轴以及所述显示模块的中心轴均与所述第一中心光线在同一光轴上，所述曲面半反半透模块的中心轴与所述第二中心光线在同一光轴上。

可选地，所述曲面半透半反模块包括曲面半透半反透镜；

所述曲面半反半透镜的中心轴与所述第二偏振分光单元所在平面的夹角为α，其中，35°≤α≤50°。

可选地，所述曲面半透半反模块包括相对设置的第一曲面表面和第二曲面表面；

所述第一曲面表面和所述第二曲面表面的面型相同；

且所述第一曲面表面和所述第二曲面表面均为球面或者均为非球面。

可选地，所述第二偏振分光单元包括：平面玻璃和偏振分光膜。

可选地，所述显示模块包括：硅基液晶显示器和彩色滤光片；

所述照明模块包括白色发光器件。

可选地，所述反射模块包括曲面反射镜。

基于同一构思，本实用新型实施例还提供了一种双目光学系统，该双目光学系统包括：第一光学系统和第二光学系统，所述第一光学系统和所述第二光学系统均包括本实用新型任意实施例所述的增强现实光学系统。

可选地，所述第一偏振分光单元包括偏振分光棱镜；

所述偏振分光棱镜围绕所述增强现实光学系统的中心视场的中心光线可旋转。

本实用新型实施例提供的增强现实光学系统，通过合理调节第二偏振分光单元和曲面半反半透模块的夹角，可实现大视场角和大眼动范围，提升使用者的观感效果；同时，通过将偏振转换模块置于光路之中，且显示模块和照明模块分别位于偏振转换模块相对设置的两侧，充分利用偏振转换模块和反射模块进行光线转折以折叠光路，使得光学系统的整体结构更加紧凑，体积更小，可提高佩戴舒适性，提升用户体验。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图虽然是本实用新型的一些具体的实施例，对于本领域的技术人员来说，可以根据本实用新型的各种实施例所揭示和提示的器件结构，驱动方法和制造方法的基本概念，拓展和延伸到其它的结构和附图，毋庸置疑这些都应该是在本实用新型的权利要求范围之内。

图1是本实用新型实施例提供的一种增强现实光学系统的侧视图；

图2是本实用新型实施例提供的一种增强现实光学系统的正视图；

图3是本实用新型实施例提供的另一种增强现实光学系统的侧视图；

图4是本实用新型实施例提供的另一种增强现实光学系统的正视图；

图5是本实用新型实施例提供的一种双目光学系统的正视图；

图6是本实用新型实施例提供的一种双目光学系统的俯视图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本实用新型实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本实用新型的技术方案，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所揭示和提示的基本概念，本领域的技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1是本实用新型实施例提供的一种增强现实光学系统的侧视图，图2是本实用新型实施例提供的一种增强现实光学系统的正视图，示例性地，参考图1和图2，本实用新型实施例提供的增强现实光学系统10，包括：照明模块100、偏振转换模块200、显示模块300、反射模块400、偏振分光模块500和曲面半透半反模块600；照明模块100和显示模块300分别位于偏振转换模块200相对设置的两侧；偏振转换模块200包括：第一偏振分光单元210、第一偏振转换单元220、第二偏振转换单元230和第三偏振转换单元240，第一偏振转换单元220位于第一偏振分光单元210与显示模块300之间的光路中，第二偏振转换单元230位于第一偏振分光单元210与反射模块400之间的光路中，第三偏振转换单元240位于第一偏振分光单元210与偏振分光模块500之间的光路中；偏振分光模块500包括：第二偏振分光单元510和第四偏振转换单元520，第四偏振转换单元520位于第二偏振分光单元510和曲面半透半反模块600之间的光路中；照明模块100用于出射第一光束；第一光束依次经第一偏振分光单元210分光、第一偏振转换单元220转换和显示模块300调制后再次经第一偏振转换单元220转后形成第一偏振光束；第一偏振光束依次经第一偏振分光单元210反射、第二偏振转换单元230转换和反射模块400反射后再次经第二偏振转换单元230转换后形成第二偏振光束；第二偏振光束的偏振方向与第一偏振光束的偏振方向正交；第二偏振光束依次经第一偏振分光单元210透射、第三偏振转换单元240转换和第四偏振转换单元520转换后形成第三偏振光束；第三偏振光束的偏振方向与第二偏振光束的偏振方向正交；第三偏振光束依次经第二偏振分光单元510反射、第四偏振转换单元520转换、曲面半透半反模块600反射后再次经第四偏振转换单元520转换后形成第四偏振光束，第四偏振光束的偏振方向与第三偏振光束的偏振方向正交；第四偏振光束经第二偏振分光单元510透射后进入人眼；自然光经曲面半透半反模块600和偏振分光模块500透射后进入人眼900。

示例性地，参考图1和图2，本实用新型实施例提供的增强现实光学系统10包括：照明模块100、偏振转换模块200、显示模块300、反射模块400、偏振分光模块500和曲面半透半反模块600。照明模块100出射第一光束，第一光束可以是偏振光，也可以是自然光。显示模块300用于显示图像，示例性地，显示模块300可以为硅基液晶(Liquid Crystal onSilicon，简称LCOS)显示器。偏振转换模块200包括第一偏振分光单元210，第一偏振分光单元210可以为偏振分光棱镜即PBS，设置照明模块100和显示模块300分别位于偏振转换模块200相对设置的两侧，利用偏振转换模块200中的第一偏振分光单元210，不仅能够满足照明模块100对显示模块300的照明需求及显示模块300成像原理的需要，还能折叠光路，使光学系统的整体结构更加紧凑，有助于增加光程，消除偏振分光模块500中第二偏振分光单元510下表面的平移鬼像。

具体地，偏振转换模块200包括：第一偏振分光单元210、第一偏振转换单元220、第二偏振转换单元230和第三偏振转换单元240。其中，第一偏振分光单元210具有分光功能，既具有选择入射光束偏振方向的功能，第一偏振分光单元210可以透过满足预设偏振方向的P偏振光束，同时反射与P偏振光束的偏振方向正交的S偏振光束，或者，第一偏振分光单元210可以透过满足预设偏振方向的S偏振光束，同时反射与S偏振光束的偏振方向正交的P偏振光束。示例性地，可以在PBS中设置偏振分光膜211实现第一偏振分光单元210的分光功能。第一偏振转换单元220、第二偏振转换单元230和第三偏振转换单元240可以对光束的相位进行调制以改变光束的偏振态，示例性地，第一偏振转换单元220、第二偏振转换单元230和第三偏振转换单元240均可以为四分之一波片。下面以第一偏振分光单元210可以透过满足预设偏振方向的P偏振光束，同时反射与P偏振光束的偏振方向正交的S偏振光束为例进行说明。

照明模块100出射的第一光束中的P偏振光束透过第一偏振分光单元210后，经第一偏振转换单元220转换照射到显示模块300上，经显示模块300调制形成携带图像信息的光束，包含图像信息的光束再次经第一偏振转换单元220转换后形成第一偏振光束，由于P偏振光束两次经过第一偏振转换单元220，出射的第一偏振光束相对于入射的P偏振光束存在一定相位差，P偏振光束转变为S偏振光束，即第一偏振光束为S偏振光束。第一偏振光束依次经第一偏振分光单元210反射和第二偏振转换单元230转换后，经反射模块400反射折回，再次经第二偏振转换单元230转换后形成第二偏振光束，第一偏振光束即S偏振光束两次经过第二偏振转换单元230，偏振态发生改变，转变为P偏振光束即第二偏振光束。第二偏振光束即P偏振光束透过第一偏振分光单元210，然后经过第三偏振转换单元240旋转偏振态。

偏振分光模块500包括第二偏振分光单元510和第四偏振转换单元520。第二偏振分光单元510同样具有分光功能，第二偏振分光单元510可以透过满足预设偏振方向的P偏振光束，同时反射与P偏振光束的偏振方向正交的S偏振光束，或者，第一偏振分光单元210可以透过满足预设偏振方向的S偏振光束，同时反射与S偏振光束的偏振方向正交的P偏振光束。第四偏振转换单元520可以为四分之一波片，以对光束的相位进行调制，转换光束的偏振态。入射到曲面半透半反模块600上的光束，部分被曲面半透半反模块600反射折回，部分能够透过曲面半透半反模块600。下面接着以第二偏振分光单元510可以透过满足预设偏振方向的P偏振光束，同时反射与P偏振光束的偏振方向正交的S偏振光束为例进行说明。

具体地，第二偏振光束即P偏振光束透过第一偏振分光单元210后，依次经过第三偏振转换单元240和第四偏振转换单元520，使得第二偏振光束转换为与第二偏振光束的偏振方向正交的第三偏振光束即S偏振光束。第三偏振光束在第二偏振分光单元510上反射，然后再经第四偏振转换单元520出射，部分光束在曲面半透半反模块600上反射，反射返回的光束再次经第四偏振转换单元520出射，第三偏振光束即S偏振光束两次经第四偏振转换单元520转换，转变为P偏振光束即第四偏振光束。第四偏振光束可以透过第二偏振分光单元510进入人眼900，在物侧形成放大的虚像，外界光线即自然光则依次通过曲面半透半反模块600和偏振分光模块500透射后进入人眼900，人眼900可同时看到显示模块300的虚拟图像和外界的真实景物，形成增强现实的观测效果。

本实用新型实施例可通过合理调节第二偏振分光单元510和曲面半反半透模块600的夹角，实现大视场角和大眼动范围；此外，保证出瞳距大于20mm的情况下也能实现大眼动范围、大视场的显示效果。同时，在满足大视场角和大眼动范围的条件下，光学系统的整体体积相对较小，结构更加紧凑。具体地，本实用新型实施例将偏振转换模块200置于光路之中，且显示模块300和照明模块100可以分别放置在偏振转换模块200的对向面上，充分利用偏振转换模块200和反射模块300进行光线转折以折叠光路，使得光学系统的整体结构更加紧凑，可以极大地缩小光学系统的体积。此外，偏振转换模块200中采用多个偏振转换单元，能够有效提升画面对比度，并消除第二偏振分光单元510引起的平移鬼像。

需要说明的是，第一偏振分光单元210具有规整的表面即其表面为平面时，第一偏振转换单元220、第二偏振转换单元230和第三偏振转换单元240可以直接贴附在第一偏振分光单元210的表面。第一偏振分光单元210规整的平面有利于偏振转换单元的贴附，无需单独再做夹具结构进行固定，整体结构和装配工艺比较简单。此外，本实用新型实施例对于照明模块100、偏振转换模块200、显示模块300、反射模块400、偏振分光模块500和曲面半透半反模块600的具体结构均不作限定，任何能实现相应功能的结构均在本实用新型的保护范围内。

本实用新型实施例提供的增强现实光学系统，通过合理调节第二偏振分光单元和曲面半反半透模块的夹角，可实现大视场角和大眼动范围，提升使用者的观感效果；同时，通过将偏振转换模块置于光路之中，且显示模块和照明模块分别位于偏振转换模块相对设置的两侧，充分利用偏振转换模块和反射模块进行光线转折以折叠光路，使得光学系统的整体结构更加紧凑，体积更小，可提高佩戴舒适性，提升用户体验。

图3是本实用新型实施例提供的另一种增强现实光学系统的侧视图，图4是本实用新型实施例提供的另一种增强现实光学系统的正视图，参考图3和图4，在上述实施例的基础上，可选地，偏振转换模块200还包括：第一偏振吸收单元250，第一偏振吸收单元250位于照明模块100与第一偏振分光单元210之间的光路中；第一光束经第一偏振吸收单元250透射后形成第五偏振光束，第五偏振光束的偏振方向与第一偏振光束的偏振方向正交。

第一偏振吸收单元250可以为偏振吸收膜，第一偏振吸收单元250可以透过满足预设偏振方向的P偏振光束，同时吸收与P偏振光束的偏振方向正交的S偏振光束，或者，第一偏振吸收单元250可以透过满足预设偏振方向的S偏振光束，同时吸收与S偏振光束的偏振方向正交的P偏振光束。下面以第一偏振吸收单元250可以透过P偏振光束同时吸收S偏振光束为例进行说明。

照明模块100出射的第一光束为自然光时，第一光束经第一偏振吸收单元250后只剩下P偏振光束即第五偏振光束。第五偏振光束依次经第一偏振分光单元210透射、第一偏振转换单元220转换、显示模块300调制后再次经第一偏振转换单元220转换后形成第一偏振光束，第五偏振光束即P偏振光束两次经过第一偏振转换单元220，转变为与第五偏振光束的偏振方向正交的第一偏振光束即S偏振光束。

需要说明的是，本实施例仅对于与上述实施例的不同之处即第一偏振吸收单元250进行解释说明，其他相同的结构和光路可参考上述描述，此处不再赘述。

参考图3和图4，可选地，偏振转换模块200还包括：第二偏振吸收单元260，第二偏振吸收单元260位于第一偏振分光单元210与第三偏振转换单元240之间的光路中；第二偏振吸收单元260用于吸收与第二偏振吸收单元260的偏振方向正交的干扰光。

示例性地，第二偏振吸收单元260可以为偏振吸收膜，第二偏振吸收单元260可以透过满足预设偏振方向的P偏振光束，同时吸收与P偏振光束的偏振方向正交的S偏振光束，或者，第二偏振吸收单元260可以透过满足预设偏振方向的S偏振光束，同时吸收与S偏振光束的偏振方向正交的P偏振光束，即第二偏振吸收单元260可以吸收与第二偏振吸收单元260的偏振方向正交的干扰光。

下面以第二偏振吸收单元260可以透过P偏振光束同时吸收S偏振光束，且第二偏振光束为P偏振光束为例，描述设置第二偏振吸收单元260后的部分光路。具体地，第二偏振光束即P偏振光束依次经第一偏振分光单元210透射、第二偏振吸收单元260透射、第三偏振转换单元240转换和第四偏振转换单元520转换后形成第三偏振光束即S偏振光束。

通过在第一偏振分光单元210与第三偏振转换单元240之间的光路中设置第二偏振吸收单元260，使得成像光路的光线在入射到第二偏振分光单元510上时，为只有第三偏振光束的线偏振光，第三偏振光束无法透过第二偏振分光单元510而在第二偏振分光单元510上形成反射，能够最大限度地消除第二偏振分光单元510引入的鬼像；同时，可以最大程度去除照明模块100产生的背景光及其他杂光，提升显示图像的对比度。

需要说明的是，第一偏振分光单元210具有规整的表面即其表面为平面时，第一偏振吸收单元250和第二偏振吸收单元260也可以直接贴附在第一偏振分光单元210的表面，以简化整体结构和装配工艺。

参考图3和图4，可选地，增强现实光学系统10还包括：第一透镜组700和第二透镜组800；第一透镜组700位于第二偏振转换单元230和反射模块400之间的光路中，第二透镜组800位于第三偏振转换单元240和偏振分光模块500之间的光路中；第一透镜组700包括：第一透镜710和第二透镜720，第二透镜组800包括：第三透镜810和第四透镜820；第一透镜710包括第一表面和第二表面，第一表面和第二表面均包括非球面，且第一表面和/或第二表面设置有增透膜；第二透镜720包括第三表面和第四表面，第三表面和第四表面均包括非球面，且第三表面和/或第四表面设置有增透膜；第三透镜810包括第五表面和第六表面，第五表面和第六表面均包括非球面，且第五表面和/或第六表面设置有增透膜；第四透镜820包括第七表面和第八表面，第七表面和第八表面均包括非球面，且第七表面和/或第八表面设置有增透膜。

通过在第二偏振转换单元230和反射模块400之间的光路中设置第一透镜组700，在第三偏振转换单元240和偏振分光模块500之间的光路中设置第二透镜组800，且第一透镜组700和第二透镜组800中每个透镜的表面均为非球面，能够矫正像差。此外，还可以在第一透镜710、第二透镜720、第三透镜810和第四透镜820的一个或两个表面设置增透膜，以增加透镜的透射，减少反射，进一步提高显示效果。

参考图3和图4，成像光线即第一偏振光束两次通过第一透镜710和第二透镜720，最大限度地利用了有限的光学元件，来实现显示效果。将第一透镜组700和第二透镜组800放置在纵向的光路中，可以极大地缩小横向体积，使得整体结构更加紧凑，当两套增强现实光学系统组成双目光学系统时，能够大大缩小整机系统的体积。

参考图3和图4，可选地，第一透镜710的折射率为n1，第一透镜710的阿贝数为v1，第二透镜的折射率为n2，第二透镜的阿贝数为v2，其中，n1＞n2，v1＜v2；第三透镜的折射率为n3，第三透镜的阿贝数为v3，第四透镜的折射率为n4，第二透镜的阿贝数为v4，其中，n3＞n4，v3＜v4。

阿贝数是用以表示透明介质色散能力的指数，一般来说，介质的折射率越大，色散越严重，阿贝数越小；反之，介质的折射率越小，色散越轻微，阿贝数越大。利用高折射率、低阿贝数和低折射率、高阿贝数的材料间的相互配合，能够有效地减小系统的轴外像差，最大限度地降低多波长条件下点列斑的大小，从而降低色散的影响。在此基础上，可进一步设置第一透镜组700和第二透镜组800中每个透镜的表面均为非球面以对光学系统进行优化，实现高分辨率、低色散的效果。

此外，由于成像光路的光线均为偏振光，偏振光容易与双折射材料产生色差，因此可以设置第一透镜组700和第二透镜组800中的透镜均采用具有低应力双折射的材料，有助于减弱光学系统的色差。

可选地，第一透镜的焦距为f1，第二透镜的焦距为f2，-10＜f1/f2＜-1，如此设置可校正色差。

参考图3和图4，可选地，增强现实光学系统10的中心视场包括：第一中心光线11和第二中心光线12；反射模块400、第一偏振分光单元210、第一透镜组700、第二透镜组800的中心轴以及显示模块300的中心轴均与第一中心光线11在同一光轴上，曲面半反半透模块600的中心轴与第二中心光线12在同一光轴上，即通过设置反射模块400、第一偏振分光单元210、第一透镜组700、第二透镜组800、曲面半反半透模块600的中心轴以及显示模块300的中心轴都与中心视场(0视场)的中心光线(第一中心光线11和第二中心光线12)均在同一光轴上，有助于矫正光学系统的畸变，使其畸变≤1％，满足人眼观看效果。

边缘视场的中心主光线角度接近远心状态，保证屏幕外围区域的光线能最大程度地进入光学系统，能防止眼动造成地边缘视场图像丢失，也能保证眼动过程中的图像亮度均匀性。

参考图1和图3，可选地，曲面半透半反模块600包括曲面半透半反透镜；曲面半反半透镜的中心轴与第二偏振分光单元510所在平面的夹角为α，其中，35°≤α≤50°。

本实施例中曲面半透半反模块600可以为曲面半透半反透镜，通过设置曲面半反半透镜的中心轴与第二偏振分光单元510所在平面的夹角为α，且满足35°≤α≤50°，可实现单眼75°的大视场角，且获得8mm×6.6mm大眼动范围，提升使用者的观感效果。具体的调节过程如下：调节曲面半透半反透镜的位置或者第二偏振分光单元510的角度增大垂直视场角，相应地增大对角视场角。当视场角增大到满足要求之后，固定视场角，继续调节曲面半透半反镜的位置和第二偏振分光单元510的角度以增大眼动范围。

综上所述，本实用新型实施例提供的增强现实光学系统，能够完整地实现高分辨率的增强现实效果，提供较大的视场范围和眼动范围，且具备结构紧凑，网格畸变小，消除鬼像等优异性能。

参考图1和图3，可选地，曲面半透半反模块600包括相对设置的第一曲面表面和第二曲面表面；第一曲面表面和第二曲面表面的面型相同；且第一曲面表面和第二曲面表面均为球面或者均为非球面。

曲面半透半反模块600的第一曲面表面即内表面可以为球面或者非球面，第二曲面表面即外表面与内表面的面型相同，即外表面是根据内表面的面型做等厚效果，以使光线均匀通过，防止看外界景象出现变形扭曲。

参考图1和图3，可选地，第二偏振分光单元510包括：平面玻璃511和偏振分光膜512。偏振分光膜512可以贴附在平面玻璃511的表面，第二偏振分光单元510通过偏振分光膜512实现分光功能。

参考图4，可选地，显示模块300包括：硅基液晶显示器和彩色滤光片；照明模块100包括白色发光器件110。

显示模块300采用硅基液晶显示器即LCOS显示器，LCOS显示器具有成本低，可大批量量产，像素开口率高，分辨率高等优点，而且采用外部照明，不仅可以提供比常规OLED、LCD屏更高的亮度，还可以根据使用需求，随时调节亮度。在此基础上，设置彩色滤光片，形成彩色滤色片型硅基液晶(Color Filter Liquid Crystal on Silicon，简称CF-LCOS)显示器，仅采用一块CF-LCOS屏幕，不需要复杂的分色和合色结构，即可实现彩色显示，可进一步减小光学系统的体积。

照明模块100包括白色发光器件110如白光LED，以白色发光器件110作为光源，配合CF-LCOS显示器，实现彩色显示。照明模块100还可以包括准直透镜组和复眼微透镜阵列，以使照明模块100出光均匀且亮度均匀，实现匀光照明。

可选地，反射模块400包括曲面反射镜，曲面反射镜可以为球面或非球面。在其他实施例中，反射模块400也可以为平面反射镜，本实用新型实施例对此不作限定。

基于同一构思，本实用新型实施例还提供了一种双目光学系统，图5是本实用新型实施例提供的一种双面光学系统的正视图，如图5所示，该双目光学系统20包括：第一光学系统21和第二光学系统22，第一光学系统21和第二光学系统22均包括本实用新型任意实施例提供的增强现实光学系统10。

采用两个如上所述的增强现实光学系统10，并设置好两个增强现实光学系统10的间距，使其间距与瞳间距相匹配，可以获得双目观测的增强现实效果。由于双目光学系统20包括两个增强现实光学系统10，因此，双目光学系统20具备本实用新型任意实施例提供的增强现实光学系统10的功能结构和有益效果。

图6是本实用新型实施例提供的一种双目光学系统的俯视图，参考图5和图6，在上述实施例的基础上，可选地，第一偏振分光单元210包括偏振分光棱镜；偏振分光棱镜围绕增强现实光学系统10的中心视场的中心光线即第一中心光线11可旋转。

示例性地，参考图5和图6，第一偏振分光单元210可以为偏振分光棱镜，偏振分光棱镜可以围绕中心视场的第一中心光线11自由旋转，同时位于偏振分光棱镜相对设置的两侧的照明模块100和显示模块300也随着偏振分光棱镜一起旋转，即偏振分光棱镜、照明模块100和显示模块300可同时围绕中心视场的第一中心光线11自由旋转，为照明模块100的放置腾出足够的空间，以充分利用双目光学系统20中间的空间，使整体结构更加紧凑。

需要说明的是，为方便解释说明，图6仅示出了增强现实光学系统10中的第一偏振分光单元210、照明模块100和显示模块300，其他模块可参照图5。此外，图6仅示出了第一光学系统21和第二光学系统22中两个第一偏振分光单元210旋转后的一种相对位置，而非限定，在其他实施例中本领域技术人员可根据实际需求具体设置第一光学系统21和第二光学系统22中两个第一偏振分光单元210的相对位置。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互组合和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (13)

1.一种增强现实光学系统，其特征在于，包括：照明模块、偏振转换模块、显示模块、反射模块、偏振分光模块和曲面半透半反模块；

所述照明模块和显示模块分别位于所述偏振转换模块相对设置的两侧；

所述偏振转换模块包括：第一偏振分光单元、第一偏振转换单元、第二偏振转换单元和第三偏振转换单元，所述第一偏振转换单元位于所述第一偏振分光单元与所述显示模块之间的光路中，所述第二偏振转换单元位于所述第一偏振分光单元与所述反射模块之间的光路中，所述第三偏振转换单元位于所述第一偏振分光单元与所述偏振分光模块之间的光路中；

所述偏振分光模块包括：第二偏振分光单元和第四偏振转换单元，所述第四偏振转换单元位于所述第二偏振分光单元和所述曲面半透半反模块之间的光路中；

所述照明模块用于出射第一光束；

所述第一光束依次经所述第一偏振分光单元分光、所述第一偏振转换单元转换和所述显示模块调制后再次经所述第一偏振转换单元转换后形成第一偏振光束；

所述第一偏振光束依次经所述第一偏振分光单元反射、所述第二偏振转换单元转换和所述反射模块反射后再次经所述第二偏振转换单元转换后形成第二偏振光束；所述第二偏振光束的偏振方向与所述第一偏振光束的偏振方向正交；

所述第二偏振光束依次经所述第一偏振分光单元透射、所述第三偏振转换单元转换和所述第四偏振转换单元转换后形成第三偏振光束；所述第三偏振光束的偏振方向与所述第二偏振光束的偏振方向正交；

所述第三偏振光束依次经所述第二偏振分光单元反射、所述第四偏振转换单元转换、所述曲面半透半反模块反射后再次经所述第四偏振转换单元转换后形成第四偏振光束，所述第四偏振光束的偏振方向与所述第三偏振光束的偏振方向正交；

所述第四偏振光束经所述第二偏振分光单元透射后进入人眼；自然光经所述曲面半透半反模块和所述偏振分光模块透射后进入人眼。

2.根据权利要求1所述的增强现实光学系统，其特征在于，所述偏振转换模块还包括：第一偏振吸收单元，所述第一偏振吸收单元位于所述照明模块与所述第一偏振分光单元之间的光路中；

所述第一光束经所述第一偏振吸收单元透射后形成第五偏振光束，所述第五偏振光束的偏振方向与所述第一偏振光束的偏振方向正交。

3.根据权利要求1所述的增强现实光学系统，其特征在于，所述偏振转换模块还包括：第二偏振吸收单元，所述第二偏振吸收单元位于所述第一偏振分光单元与所述第三偏振转换单元之间的光路中；

所述第二偏振吸收单元用于吸收与所述第二偏振吸收单元的偏振方向正交的干扰光。

4.根据权利要求1所述的增强现实光学系统，其特征在于，所述增强现实光学系统还包括：第一透镜组和第二透镜组；

所述第一透镜组位于所述第二偏振转换单元和所述反射模块之间的光路中，所述第二透镜组位于所述第三偏振转换单元和所述偏振分光模块之间的光路中；

所述第一透镜组包括：第一透镜和第二透镜，所述第二透镜组包括：第三透镜和第四透镜；

所述第一透镜包括第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面均包括非球面，且所述第一表面和/或所述第二表面设置有增透膜；

所述第二透镜包括第三表面和第四表面，所述第三表面和所述第四表面均包括非球面，且所述第三表面和/或所述第四表面设置有增透膜；

所述第三透镜包括第五表面和第六表面，所述第五表面和所述第六表面均包括非球面，且所述第五表面和/或所述第六表面设置有增透膜；

所述第四透镜包括第七表面和第八表面，所述第七表面和所述第八表面均包括非球面，且所述第七表面和/或所述第八表面设置有增透膜。

5.根据权利要求4所述的增强现实光学系统，其特征在于，所述第一透镜的折射率为n1，所述第一透镜的阿贝数为v1，所述第二透镜的折射率为n2，所述第二透镜的阿贝数为v2，其中，n1＞n2，v1＜v2；

所述第三透镜的折射率为n3，所述第三透镜的阿贝数为v3，所述第四透镜的折射率为n4，所述第二透镜的阿贝数为v4，其中，n3＞n4，v3＜v4。

6.根据权利要求4所述的增强现实光学系统，其特征在于，所述增强现实光学系统的中心视场包括：第一中心光线和第二中心光线；

所述反射模块、所述第一偏振分光单元、所述第一透镜组、所述第二透镜组的中心轴以及所述显示模块的中心轴均与所述第一中心光线在同一光轴上，所述曲面半反半透模块的中心轴与所述第二中心光线在同一光轴上。

7.根据权利要求1所述的增强现实光学系统，其特征在于，所述曲面半透半反模块包括曲面半透半反透镜；

所述曲面半反半透镜的中心轴与所述第二偏振分光单元所在平面的夹角为α，其中，35°≤α≤50°。

8.根据权利要求1所述的增强现实光学系统，其特征在于，所述曲面半透半反模块包括相对设置的第一曲面表面和第二曲面表面；

所述第一曲面表面和所述第二曲面表面的面型相同；

且所述第一曲面表面和所述第二曲面表面均为球面或者均为非球面。

9.根据权利要求1所述的增强现实光学系统，其特征在于，所述第二偏振分光单元包括：平面玻璃和偏振分光膜。

10.根据权利要求1所述的增强现实光学系统，其特征在于，所述显示模块包括：硅基液晶显示器和彩色滤光片；

所述照明模块包括白色发光器件。

11.根据权利要求1所述的增强现实光学系统，其特征在于，所述反射模块包括曲面反射镜。

12.一种双目光学系统，其特征在于，包括：第一光学系统和第二光学系统，所述第一光学系统和所述第二光学系统均包括权利要求1-11任一项所述的增强现实光学系统。

13.根据权利要求12所述的双目光学系统，其特征在于，所述第一偏振分光单元包括偏振分光棱镜；

所述偏振分光棱镜围绕所述增强现实光学系统的中心视场的中心光线可旋转。

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