CN217879831U - 一种光学系统及近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种光学系统和近眼显示设备，包括显示单元、偏振分光棱镜、第一四分之一波片、第一反射透镜、第二四分之一波片和第二反射透镜。偏振分光棱镜的第一面设于显示单元的出光侧、第二面贴设于第一四分之一波片的第一面、第三面贴设于第二四分之一波片的第一面；第一反射透镜的透射面贴设于第一四分之一波片的第二面；第二反射透镜的透射面贴设于第二四分之一波片的第二面；其中，偏振分光棱镜关于偏振分光棱镜的偏振分光面对称，第一反射透镜、第一四分之一波片分别与第二反射透镜、第二四分之一波片关于偏振分光面对称，通过上述设置，非偏振光经过该光学系统后，两种偏振态的光线均可用于显示，从而减少非偏振光的能量损失。

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近眼显示技术领域，特别涉及一种光学系统及近眼显示设备。

背景技术

目前随着科学技术的发展，增强现实(AugmentedReality，AR) 显示技术逐渐被越来越多的人所了解，并且在现实生活中有着越来越多的应用。

成像系统是AR技术的核心部分之一，为了便于成像系统的产品结构设计，通常使用偏振分光棱镜(Polarization Beam Splitter，PBS) 对光路进行折叠设计，但是由于PBS的偏振分光特性，导致非偏振光进入PBS后必将有一半以上的能量损失。

实用新型内容

本实用新型实施例主要提供一种光学系统及近眼显示设备，能减少非偏振光的能量损失。

本实用新型实施方式采用的一个技术方案是：提供一种光学系统，包括：显示单元、偏振分光棱镜、第一四分之一波片、第一反射透镜、第二四分之一波片和第二反射透镜；所述偏振分光棱镜的第一面设于所述显示单元的出光侧，所述偏振分光棱镜的第二面贴设于所述第一四分之一波片的第一面，所述偏振分光棱镜的第三面贴设于所述第二四分之一波片的第一面，所述第一四分之一波片的第二面贴设于所述第一反射透镜的透射面，所述第二四分之一波片的第二面贴设于所述第二反射透镜的透射面，所述偏振分光棱镜关于所述偏振分光棱镜的偏振分光面对称，所述第一反射透镜与所述第二反射透镜关于所述偏振分光面对称，所述第一四分之一波片与所述第二四分之一波片关于所述偏振分光面对称；

其中，所述显示单元用于提供含有图像信息的光线；所述偏振分光棱镜用于接收所述光线，并通过所述偏振分光面将所述光线分成第一偏振光和第二偏振光，并将所述第一偏振光透射至所述第一四分之一波片，以及将所述第二偏振光反射至所述第二四分之一波片；所述第一偏振光经所述第一四分之一波片透射、所述第一反射透镜反射，并再次经过所述第一四分之一波片透射，形成第三偏振光；所述第二偏振光经过所述第二四分之一波片透射、所述第二反射透镜反射，并再次经过所述第二四分之一波片透射，形成第四偏振光；所述偏振分光棱镜还用于将所述第三偏振光通过所述偏振分光面反射至所述偏振分光棱镜的第四面，以及将所述第四偏振光通过所述偏振分光面透射至所述偏振分光棱镜的第四面。

在一些实施例中，所述偏振分光棱镜包括第一三角棱镜和第二三角棱镜，所述第一三角棱镜包括第一直角面、第二直角面和第一斜面，所述第二三角棱镜包括第三直角面、第四直角面和第二斜面；其中，所述偏振分光棱镜的第一面为所述第三直角面，所述偏振分光棱镜的第二面为所述第二直角面，所述偏振分光棱镜的第三面为所述第四直角面，所述偏振分光棱镜的第四面为所述第一直角面；所述第一斜面和所述第二斜面贴合形成所述偏振分光面；所述第一三角棱镜与所述第二三角棱镜关于所述偏振分光面对称。

在一些实施例中，所述偏振分光面镀设偏振分光膜，或者，所述偏振分光面贴合金属线栅。

在一些实施例中，所述第一反射透镜包括球面反射透镜、非球面反射透镜和自由曲面反射透镜中的至少一种。

在一些实施例中，所述第二反射透镜包括球面反射透镜、非球面反射透镜和自由曲面反射透镜中的至少一种。

在一些实施例中，所述显示单元包括LCD、OLED、LCOS、DMD、DLP 和Micro-LED中的一种。

在一些实施例中，所述光学系统还包括照明单元；所述照明单元用于提供照明光束，并将所述照明光束输出至所述显示单元，以使所述显示单元根据所述照明光束发出所述光线。

第二方面，本实用新型实施例提供一种近眼显示设备，该近眼显示设备包括光波导以及如第一方面任意一项所述的光学系统；所述光波导邻近所述偏振分光棱镜的第四面设置。

在一些实施例中，所述光波导包括衍射光波导或几何阵列光波导。

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光学系统和近眼显示设备，包括显示单元、偏振分光棱镜、第一四分之一波片、第一反射透镜、第二四分之一波片和第二反射透镜。偏振分光棱镜的第一面设于显示单元的出光侧、偏振分光棱镜的第二面贴设于第一四分之一波片的第一面，偏振分光棱镜的第三面贴设于第二四分之一波片的第一面，第一四分之一波片的第二面贴设于第一反射透镜的透射面，第二四分之一波片的第二面贴设于第二反射透镜的透射面，偏振分光棱镜关于偏振分光棱镜的偏振分光面对称，第一反射透镜与第二反射透镜关于偏振分光面对称，第一四分之一波片与第二四分之一波片关于偏振分光面对称；其中，偏振分光棱镜用于接收显示单元发出的带有图像信息的光线，并通过偏振分光面将光线分成第一偏振光和第二偏振光，并将第一偏振光透射至第一四分之一波片，以及将第二偏振光反射至第二四分之一波片；第一偏振光经第一四分之一波片透射、第一反射透镜反射，并再次经过第一四分之一波片透射，形成第三偏振光；第二偏振光经过第二四分之一波片透射、第二反射透镜反射，并再次经过第二四分之一波片透射，形成第四偏振光；偏振分光棱镜还用于将第三偏振光通过偏振分光面反射至偏振分光棱镜的第四面，以及将第四偏振光通过偏振分光面透射至偏振分光棱镜的第四面，这样，非偏振光经过该光学系统后，两种偏振态的光线均可用于显示，从而减少非偏振光的能量损失，提高非偏振光的光效。

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光学系统的结构示意图；

图2是图1的光路示意图。

附图标记说明：10、显示单元，20、偏振分光棱镜，21、第一三角棱镜，22、第二三角棱镜，31、第一四分之一波片，41、第一反射透镜， 32、第二四分之一波片，42、第二反射透镜，S1、第一直角面，S2、第二直角面，P1、第一斜面，S3、第三直角面，S4、第四直角面，P2、第二斜面。

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。

第一方面，本实用新型实施例提供一种光学系统，请参阅图1，该光学系统包括：显示单元10、偏振分光棱镜20、第一四分之一波片31、第一反射透镜41、第二四分之一波片32和第二反射透镜42。

偏振分光棱镜20的第一面设于显示单元10的出光侧，偏振分光棱镜20的第二面贴设于第一四分之一波片31的第一面，偏振分光棱镜20 的第三面贴设于第二四分之一波片32的第一面，第一四分之一波片31 的第二面贴设于第一反射透镜41的透射面，第二四分之一波片32的第二面贴设于第二反射透镜42的透射面，偏振分光棱镜20关于偏振分光棱镜20的偏振分光面对称，第一反射透镜41与第二反射透镜42关于偏振分光面对称，第一四分之一波片31与第二四分之一波片32关于偏振分光面对称。

其中，显示单元10用于提供含有图像信息的光线；偏振分光棱镜 20用于接收光线，并通过偏振分光面将光线分成第一偏振光和第二偏振光，并将第一偏振光透射至第一四分之一波片31，以及将第二偏振光反射至第二四分之一波片32；第一偏振光经第一四分之一波片31透射、第一反射透镜41反射，并再次经过第一四分之一波片31透射，形成第三偏振光；第二偏振光经过第二四分之一波片32透射、第二反射透镜 42反射，并再次经过第二四分之一波片32透射，形成第四偏振光；偏振分光棱镜20还用于将第三偏振光通过偏振分光面反射至偏振分光棱镜20的第四面，以及将第四偏振光通过偏振分光面透射至偏振分光棱镜20的第四面。

在该光学系统中，显示单元10可以为但不限于LCD、OLED、LCOS、 DMD、DLP和Micro-LED中的一种。第一反射透镜41包括透射面和反射面，第二反射透镜42也包括透射面和反射面，第一反射透镜41和第二反射透镜42均可以是光学玻璃反射透镜或树脂反射透镜。第一四分之一波片31和第二四分之一波片32均为光学延迟量为1/4波长的光学器件。偏振分光面具有偏振分光特性，能透射第一偏振态的光线并反射第二偏振态的光线。第一偏振光的偏振态为第一偏振态，第二偏振光的偏振态为第二偏振态，第四偏振光的偏振态与第一偏振光的偏振态相同，第三偏振光的偏振态与第二偏振光的偏振态相同。其中，第一偏振态可为P偏振态，第二偏振态可为S偏振态，或者，第一偏振态可以为S偏振态，第二偏振态可以为P偏振态。

在该光学系统中，请参阅图2，显示单元10发出的携带图像信息的光线既包含第一偏振光，也包含第二偏振光。当光线进入偏振分光棱镜 20后，由于偏振分光棱镜20具有偏振分光特性、且第一偏振光的偏振态为第一偏振态，偏振分光面将第一偏振光直接经偏振分光棱镜20透射至第一四分之一波片31，再经第一四分之一波片31透射进入第一反射透镜41，此时光线被第一反射透镜41反射至第一四分之一波片31、并经第一四分之一波片31透射，形成第三偏振光，由于第三偏振光由第一偏振光经过两次第一四分之一波片31形成，使得第三偏振光的偏振态为第二偏振态，这样，当第三偏振光重新进入偏振分光棱镜20后，第三偏振光会被偏振分光棱镜20反射至偏振分光棱镜20的第四面出射。而此时，由于第二偏振光具有第二偏振态，显示单元10发出的携带图像信息的光线中的第二偏振光经偏振分光棱镜20后反射至第二四分之一波片32，再经第一四分之一波片31透射进入第一反射透镜41，此时光线被第一反射透镜41反射至第一四分之一波片31、并经第一四分之一波片31透射，形成第四偏振光，由于第四偏振光由第二偏振光经过两次第一四分之一波片31形成，使得第四偏振光的偏振态为第一偏振态，这样，当第四偏振光重新进入偏振分光棱镜20后，第四偏振光会被偏振分光棱镜20反射至偏振分光棱镜20的第四面出射。

由于偏振分光棱镜20关于偏振分光棱镜20的偏振分光面对称，第一反射透镜41与第二反射透镜42关于偏振分光面对称，第一四分之一波片31与第二四分之一波片32关于偏振分光面对称，那么第一反射透镜41与第二反射透镜42结构相同、第一四分之一波片31与第二四分之一波片32结构相同。结合上述光路分析可知第一偏振光与第二偏振光走过的光程与经过的光学表面完全相同，那么可达到完全相同的显示效果。因此，显示单元10所发出的非偏振光的光线经过上述光学系统，第一偏振光和第二偏振光将全部被利用，减少了非偏振光的能量损失，提高非偏振光的光效。

在其中一些实施例中，请参阅图1，偏振分光棱镜20包括第一三角棱镜21和第二三角棱镜22，第一三角棱镜21包括第一直角面S1、第二直角面S2和第一斜面P1，第二三角棱镜22包括第三直角面S3、第四直角面S4和第二斜面P2。其中，偏振分光棱镜20的第一面为第三直角面S3，偏振分光棱镜20的第二面为第二直角面S2，偏振分光棱镜20 的第三面为第四直角面S4，偏振分光棱镜20的第四面为第一直角面S1。第一斜面P1和第二斜面P2贴合形成偏振分光面，第一三角棱镜21与第二三角棱镜22关于偏振分光面对称。具体的，第一三角棱镜21和第二三角棱镜22均为直角三角棱镜，即第一直角面S1与第二直角面S2 夹角为90°，第三直角面S3与第四直角面S4夹角为90°。通过上述设置，可进一步保证非偏振光进入该偏振分光棱镜20后，第一偏振光与第二偏振光所走的光程与经过的光学表面完全相同，从而保证第一偏振光与第二偏振光具有相同的显示效果。

在其中一些实施例中，偏振分光面镀设偏振分光膜，或者，偏振分光面贴合金属线栅。通过上述设置，可让偏振分光面具有偏振分光特性。

在其中一些实施例中，第一反射透镜41包括球面反射透镜、非球面反射透镜和自由曲面反射透镜中的至少一种。例如，第一反射透镜41 可为球面反射透镜，或为非球面反射透镜，或为自由曲面反射透镜，或由反射透镜、非球面反射透镜和自由曲面反射透镜中的至少两种反射透镜胶合而成。其中，球面反射透镜具有一球面反射面，非球面反射透镜具有一非球面反射面，自由曲面反射透镜具有一自由曲面反射面。通过提供多种反射透镜，可以灵活对第一反射透镜41进行设计，提高设计灵活性。

在其中一些实施例中，第二反射透镜42包括球面反射透镜、非球面反射透镜和自由曲面反射透镜中的至少一种。同样的，通过提供多种反射透镜，可以灵活对第二反射透镜42进行设计，提高设计灵活性。

在其中一些实施例中，当显示单元10反射式显示单元，如LCOS或DLP等，光学系统还包括照明单元。其中，照明单元用于提供照明光束，并将照明光束输出至显示单元10，以使显示单元10根据照明光束发出光线。照明单元出射的照明光束的光轴与显示单元10出射的光线的光轴可以在同一条直线上，也可以不在同一条直线上。具体的，照明单元可以包括光源、准直器件和匀光器件，准直器件可以是准直透镜、反光杯等器件，匀光器件可以是导光管、复眼透镜等。关于照明单元的具体设置可参照现有技术，在此不做限定。

第二方面，本实用新型实施例提供一种近眼显示设备，该近眼显示设备包括光波导以及如第一方面任意一项所述的光学系统；其中，光波导邻近偏振分光棱镜的第四面设置。在本实施例中，光学系统具有如第一方面任意一项实施例所述的光学系统相同的结构与功能，在此不再赘述。具体的，可将光波导的耦入侧邻近偏振分光棱镜的第四面设置，这样，经偏振分光棱镜出射的偏振光被耦入至光波导，并在光波导内部发生全反射传播，最后耦出进入人眼，实现近眼显示。

在其中一些实施例中，光波导包括衍射光波导或几何阵列光波导。其中，几何阵列光波导包括入射棱镜和波导基底，在波导基底内部设有选择性透过反射膜，可将入射棱镜设于偏振分光棱镜的第四面，这样，偏振分光棱镜出射的偏振光均能通过入射棱镜耦入到波导基底中，最后经过波导基底内部的选择性透过反射膜反射至人眼。光栅光波导包括波导基底、以及设于波导基底上的耦入光栅和耦出光栅，将耦入光栅设于偏振分光棱镜的第四面，这样，经偏振分光棱镜出射的偏振光均能通过耦入光栅耦入到波导基底中，最后经过耦出光栅耦出至人眼。或者，光栅光波导包括波导基底、以及设于波导基底上的耦入光栅、转折光栅和耦出光栅，将耦入光栅设于偏振分光棱镜的第四面，这样，偏振分光棱镜出射的偏振光均能通过耦入光栅耦入到波导基底中，通过转折光栅扩展后全反射传播至耦出光栅，最后经过耦出光栅耦出至人眼。实际应用中可根据实际需要对光波导进行设计，在此不需拘泥于本实施例中的限定。

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 (9)

1.一种光学系统，其特征在于，包括：显示单元、偏振分光棱镜、第一四分之一波片、第一反射透镜、第二四分之一波片和第二反射透镜；

所述偏振分光棱镜的第一面设于所述显示单元的出光侧，所述偏振分光棱镜的第二面贴设于所述第一四分之一波片的第一面，所述偏振分光棱镜的第三面贴设于所述第二四分之一波片的第一面，所述第一四分之一波片的第二面贴设于所述第一反射透镜的透射面，所述第二四分之一波片的第二面贴设于所述第二反射透镜的透射面，所述偏振分光棱镜关于所述偏振分光棱镜的偏振分光面对称，所述第一反射透镜与所述第二反射透镜关于所述偏振分光面对称，所述第一四分之一波片与所述第二四分之一波片关于所述偏振分光面对称；

其中，所述显示单元用于提供含有图像信息的光线；所述偏振分光棱镜用于接收所述光线，并通过所述偏振分光面将所述光线分成第一偏振光和第二偏振光，并将所述第一偏振光透射至所述第一四分之一波片，以及将所述第二偏振光反射至所述第二四分之一波片；所述第一偏振光经所述第一四分之一波片透射、所述第一反射透镜反射，并再次经过所述第一四分之一波片透射，形成第三偏振光；所述第二偏振光经过所述第二四分之一波片透射、所述第二反射透镜反射，并再次经过所述第二四分之一波片透射，形成第四偏振光；所述偏振分光棱镜还用于将所述第三偏振光通过所述偏振分光面反射至所述偏振分光棱镜的第四面，以及将所述第四偏振光通过所述偏振分光面透射至所述偏振分光棱镜的第四面。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述偏振分光棱镜包括第一三角棱镜和第二三角棱镜，所述第一三角棱镜包括第一直角面、第二直角面和第一斜面，所述第二三角棱镜包括第三直角面、第四直角面和第二斜面；

其中，所述偏振分光棱镜的第一面为所述第三直角面，所述偏振分光棱镜的第二面为所述第二直角面，所述偏振分光棱镜的第三面为所述第四直角面，所述偏振分光棱镜的第四面为所述第一直角面；所述第一斜面和所述第二斜面贴合形成所述偏振分光面，所述第一三角棱镜与所述第二三角棱镜关于所述偏振分光面对称。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述偏振分光面镀设偏振分光膜，或者，所述偏振分光面贴合金属线栅。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的光学系统，其特征在于，所述第一反射透镜包括球面反射透镜、非球面反射透镜和自由曲面反射透镜中的至少一种。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的光学系统，其特征在于，所述第二反射透镜包括球面反射透镜、非球面反射透镜和自由曲面反射透镜中的至少一种。

6.根据权利要求1-3任意一项所述的光学系统，其特征在于，所述显示单元包括LCD、OLED、LCOS、DMD、DLP和Micro-LED中的一种。

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照明单元；

所述照明单元用于提供照明光束，并将所述照明光束输出至所述显示单元，以使所述显示单元根据所述照明光束发出所述光线。

8.一种近眼显示设备，其特征在于，包括光波导以及如权利要求1-7任意一项所述的光学系统；

所述光波导邻近所述偏振分光棱镜的第四面设置。

9.根据权利要求8所述的近眼显示设备，其特征在于，所述光波导包括衍射光波导或几何阵列光波导。

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