CN219039487U - 一种近眼显示光学系统及近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种近眼显示光学系统及近眼显示设备。近眼显示光学系统包括：用于发射光线的图像源、透镜组、反射式偏振器、透反射镜以及偏振转换器，透镜组设置于图像源的出光侧，至少用于透射图像源发射的光线；反射式偏振器设置于透镜组远离图像源的一侧，至少用于反射透镜组透射过来的光线；透反射镜设置于透镜组远离图像源的一侧，且设置于反射式偏振器的反射面的一侧，至少用于对经由反射式偏振器反射的光线进行反射，透反射镜具有成像区域和设置在成像区域外周的非成像区域；偏振转换器设置于反射式偏振器与透反射镜之间，偏振转换器的投影对应成像区域，且至少部分与非成像区域错开。本方案有效改善杂散光的问题，提升显示效果。

Description

一种近眼显示光学系统及近眼显示设备

技术领域

本实用新型涉及显示技术领域，特别是涉及一种近眼显示光学系统及近眼显示设备。

背景技术

随着智能设备的普及，增强现实(Augmented Reality，AR)设备等近眼显示(Near-Eye Dsiplays，NED)设备逐步进入消费领域。目前比较成熟的增强现实技术中的光学显示方案主要分为棱镜方案、birdbath方案、自由曲面方案、离轴全息透镜方案和波导(Lightguide)方案。其中，birdbath(简称BB)方案相对于其他方案来说技术成熟，量产性能佳，相对来说可以更快的推向消费端。但当前的BB技术方案存在严重杂散光，极大的影响了显示效果以及用户体验。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提供一种近眼显示光学系统及近眼显示设备，旨在有效改善杂散光的问题，提升显示效果。

为实现上述目的，本实用新型提出的一种近眼显示光学系统，所述近眼显示光学系统包括图像源、透镜组、反射式偏振器、透反射镜以及偏振转换器；所述图像源用于发射光线；所述透镜组设置于所述图像源的出光侧，至少用于透射所述图像源发射的所述光线；所述反射式偏振器设置于所述透镜组远离所述图像源的一侧，至少用于反射所述透镜组透射过来的所述光线；所述透反射镜设置于所述透镜组远离所述图像源的一侧，且设置于所述反射式偏振器的反射面的一侧，至少用于对经由所述反射式偏振器反射的所述光线进行反射，所述透反射镜具有成像区域和设置在所述成像区域外周的非成像区域；所述偏振转换器设置于所述反射式偏振器与所述透反射镜之间，用于转换经过的所述光线的偏振态；其中，所述偏振转换器的投影对应所述成像区域，且至少部分与所述非成像区域错开，使经所述成像区域反射的所述光线经过所述偏振转换器到达所述反射式偏振器，并经所述反射式偏振器透射后进入使用者的眼睛。

可选地，所述偏振转换器的投影与所述非成像区域完全错开。

可选地，所述偏振转换器为四分之一波片。

可选地，所述透反射镜具有靠近所述透镜组的第一端部，所述四分之一波片具有靠近所述透镜组的第二端部，所述第一端部在靠近所述透镜组的方向上超出所述第二端部的尺寸为3mm～5mm。

可选地，所述反射式偏振器为多层薄膜式反射偏振器或者线栅偏振器。

可选地，所述图像源为OLED显示器或LCD显示器。

可选地，所述透镜组包括至少一片透镜，所述透镜的面型结构为平面、或球面、或非球面、或自由曲面。

可选地，所述透反射镜的面型结构为平面、或球面、或非球面、或自由曲面。

本实用新型还提供一种近眼显示设备，包括如上所述的近眼显示光学系统。

可选地，所述近眼显示设备为AR眼镜。

本实用新型的技术方案中，所述图像源发出的光线经过透反射式偏振器反射后处于S光偏振态，由于所述偏振转换器的投影对应所述透反射镜的所述成像区域，且至少部分与所述透反射镜的所述非成像区域错开，则至少部分不参与成像的光线不经过偏振转换器，故到达透反射镜的杂散光线的偏振态仍然为S偏振光，S偏振光经所述透反射镜反射后，不经过所述偏振转换器，偏振态不发生变化，经过所述透镜组反射后到达所述反射式偏振器时光的偏振态仍然为S偏振光而无法通过所述反射式偏振器，因此，无法经过所述反射式偏振器进入使用者的眼睛，有效拦截杂散光线，改善杂散光问题。

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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为相关技术中的近眼显示光学系统的光路示意图；

图2为图1中的近眼显示光学系统产生的杂散光的示意图；

图3为图2中的杂散光的形成光路示意图；

图4为本实用新型提供的近眼显示光学系统消除杂散光的光路示意图；

图5为图4中的近眼显示光学系统改善后的效果示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				100	近眼显示光学系统	43	第一端部
1	图像源	5	偏振转换器
				2	透镜组	51	第二端部
3	反射式偏振器	20	眼睛
				4	透反射镜	10	杂散光
41	成像区域	201	光线
				42	非成像区域

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，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作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。

需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

随着智能设备的普及，增强现实(Augmented Reality，AR)设备等近眼显示(Near-Eye Dsiplays，NED)设备逐步进入消费领域。目前比较成熟的增强现实技术中的光学显示方案主要分为棱镜方案、birdbath方案、自由曲面方案、离轴全息透镜方案和波导(Lightguide)方案。其中，birdbath(简称BB)方案相对于其他方案来说技术成熟，量产性能佳，相对来说可以更快的推向消费端。但当前的BB技术方案存在严重杂散光，极大的影响了显示效果以及用户体验。

参阅图1，相关AR增强现实技术中，BB方案主要通过反射式偏振器3对图像源1发出的信息进行反射，通过偏振转换器5转化为圆偏光，再经过透反射镜4反射回来，再次经过偏振转换器5使光的偏振态发生旋转，使其图像信息透过反射式偏振器3，进入使用者的眼睛20。如图2，该方案中会存在一些不必要的杂散光线，同样会通过上述转化进入使用者的眼睛20形成杂散光10，其形成光路原理如图3所示。

本实用新型提供一种近眼显示光学系统及近眼显示设备，图4和图5为本实用新型提供的近眼显示光学系统100的实施例。

在本实用新型实施例中，请参照图4和图5，所述近眼显示光学系统100包括图像源1、透镜组2、反射式偏振器3、透反射镜4以及偏振转换器5；所述图像源1用于发射光线201；所述透镜组2设置于所述图像源1的出光侧，至少用于透射所述图像源1发射的所述光线201；所述反射式偏振器3设置于所述透镜组2远离所述图像源1的一侧，至少用于反射所述透镜组2透射过来的所述光线201；所述透反射镜4设置于所述透镜组2远离所述图像源1的一侧，且设置于所述反射式偏振器3的反射面的一侧，至少用于对经由所述反射式偏振器3反射的所述光线201进行反射，所述透反射镜4具有成像区域41和设置在所述成像区域41外周的非成像区域42；所述偏振转换器5设置于所述反射式偏振器3与所述透反射镜4之间，用于转换经过的所述光线201的偏振态；其中，所述偏振转换器5的投影对应所述成像区域41，且至少部分与所述非成像区域42错开，使经所述成像区域41反射的所述光线201经过所述偏振转换器5到达所述反射式偏振器3，并经所述反射式偏振器3透射后进入使用者的眼睛20。

本实用新型的技术方案中，所述图像源1发出的光线201经过透反射式偏振器3反射后处于S光偏振态，由于所述偏振转换器5的投影对应所述透反射镜4的所述成像区域41，且至少部分与所述透反射镜4的所述非成像区域42错开，则至少部分不参与成像的光线201不经过偏振转换器5，故到达透反射镜4的杂散光线的偏振态仍然为S偏振光，S偏振光经所述透反射镜4反射后，不经过所述偏振转换器5，偏振态不发生变化，经过所述透镜组2反射后到达所述反射式偏振器3时光的偏振态仍然为S偏振光而无法通过所述反射式偏振器3，因此，无法经过所述反射式偏振器3进入使用者的眼睛20，有效拦截杂散光线，改善杂散光问题。

本实施例中，所述偏振转换器5的投影与所述非成像区域42完全错开，使所述反射式偏振器3与所述非成像区域42之间的光线201均不经过所述偏振转换器5，杂散光线被更有效的拦截，更好地改善杂散光问题。

进一步地，所述偏振转换器5为四分之一波片，实现光线201的偏振态转换。

所述四分之一波片在靠近所述透镜组2的端部与所述透反镜在靠近所述透镜组2存在一段距离，根据光学设计，该距离以不影响有效成像面为限，即四分之一波片仅覆盖所述透反射镜4的有效反射面，对于透反射镜4在靠近所述透镜组2的端部的不参与成像的无效区域不覆盖，其距离通常在2mm～7mm，本实施例中，所述透反射镜4具有靠近所述透镜组2的第一端部43，所述四分之一波片具有靠近所述透镜组2的第二端部51，所述第一端部43在靠近所述透镜组2的方向上超出所述第二端部51的尺寸为3mm～5mm，以实现合理的对应，有效改善杂散光问题。

所述反射式偏振器3主要用于反射某一方向的偏振光(定义S偏振光)，透过与S偏振方向垂直的偏振光(定义P偏振光)，本实施例中，所述反射式偏振器3是多层薄膜式反射偏振器或者线栅偏振器。

图像源1的作用是显示需要投射到人眼中的图像，图像源1可以是微显示器。像源1可以采用平面像源，包括但不限于集成光源的像源或单一像源。例如，OLED(OrganicLight-Emitting Diode，有机发光二极管)、LCOS(Liquid Crystal On Silicon，硅基液晶)、LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)、MEMS(Micro Electrome ChanicalSystems，微机电显示系统)、DMD(Digital Micro-mirror Device，数字微镜元件)等显示原理的电子器件。本实用新型对其种类不做限制，本实施例中，所述图像源为OLED显示器或LCD显示器，OLED和LCD为集成光源的像源，不需要另外增加光源以作为单一像源的辅助光源。

本实施例中，所述透镜组2包括至少一片透镜，所述透镜的面型结构为平面、或球面、或非球面、或自由曲面，透镜组2对图像源1出射的光线201进行调制，承担整个成像光路中的一部分光焦度，并校正系统中的像差。

进一步地，所述透反射镜4的面型结构为平面、或球面、或非球面、或自由曲面。所述透反射镜4一方面反射图像的有效光，一方面透射真实场景的光线，该部分透射部分反射通过镀膜方式实现且透过反射均为无偏振特性，即无论光线偏振特性如何，均可以按设计比例进行透射和反射。

本实用新型还提供一种近眼显示设备，包括如上所述的近眼显示光学系统100。由于近眼显示设备采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述，近眼显示设备可以是但不限于AR眼镜、AR头盔或AR面罩，本实施例中，所述近眼显示设备为AR眼镜，便于穿戴。

以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种近眼显示光学系统，其特征在于，所述近眼显示光学系统包括：

图像源，用于发射光线；

透镜组，设置于所述图像源的出光侧，至少用于透射所述图像源发射的所述光线；

反射式偏振器，设置于所述透镜组远离所述图像源的一侧，至少用于反射所述透镜组透射过来的所述光线；

透反射镜，设置于所述透镜组远离所述图像源的一侧，且设置于所述反射式偏振器的反射面的一侧，至少用于对经由所述反射式偏振器反射的所述光线进行反射，所述透反射镜具有成像区域和设置在所述成像区域外周的非成像区域；以及，

偏振转换器，设置于所述反射式偏振器与所述透反射镜之间，用于转换经过的所述光线的偏振态；

其中，所述偏振转换器的投影对应所述成像区域，且至少部分与所述非成像区域错开，使经所述成像区域反射的所述光线经过所述偏振转换器到达所述反射式偏振器，并经所述反射式偏振器透射后进入使用者的眼睛。

2.如权利要求1所述的近眼显示光学系统，其特征在于，所述偏振转换器的投影与所述非成像区域完全错开。

3.如权利要求2所述的近眼显示光学系统，其特征在于，所述偏振转换器为四分之一波片。

4.如权利要求3所述的一种近眼显示光学系统，其特征在于，所述透反射镜具有靠近所述透镜组的第一端部，所述四分之一波片具有靠近所述透镜组的第二端部，所述第一端部在靠近所述透镜组的方向上超出所述第二端部的尺寸为3mm～5mm。

5.如权利要求3所述的一种近眼显示光学系统，其特征在于，所述反射式偏振器为多层薄膜式反射偏振器或者线栅偏振器。

6.如权利要求3所述的一种近眼显示光学系统，其特征在于，所述图像源为OLED显示器或LCD显示器。

7.如权利要求3所述的一种近眼显示光学系统，其特征在于，所述透镜组包括至少一片透镜，所述透镜的面型结构为平面、或球面、或非球面、或自由曲面。

8.如权利要求3所述的一种近眼显示光学系统，其特征在于，所述透反射镜的面型结构为平面、或球面、或非球面、或自由曲面。

9.一种近眼显示设备，其特征在于，所述近眼显示设备包括如权利要求1至8任意一项所述的近眼显示光学系统。

10.如权利要求9所述的近眼显示设备，其特征在于，所述近眼显示设备为AR眼镜。

Images