CN220357339U - 一种紧凑型低杂散的光学显示系统及头戴显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种紧凑型低杂散的光学显示系统及头戴显示装置，属于光学成像技术领域，包括显示单元、第一光学元件、第二光学元件、第三光学元件、第四光学元件、第一光学膜层和第二光学膜层；第一光学元件设置于显示单元的出光光路上；第二光学元件包括传导镜片，传导镜片包括第一光学面、第二光学面和第三光学面，第二光学面的表面依次设有四分之一波片、第二光学镜片、第一光学膜层，第一光学面朝向第一光学元件；第三光学元件设置于第一光学膜层的外侧；第二光学膜层设置于第三光学面的外侧；第四光学元件设置于第二光学膜层的透射光光路上。其结构紧凑，体积小，重量轻，低杂散，成像质量好，视场角大，大大提升了用户的体验感。

Description

一种紧凑型低杂散的光学显示系统及头戴显示装置

技术领域

本实用新型属于光学成像技术领域，具体涉及一种紧凑型低杂散的光学显示系统及头戴显示装置。

背景技术

增强显示光学显示技术是一种将显示画面能够进行投射放大的技术。通过该项技术不仅能够扩展传统的显示技术，而且能够引入全新的体验：将现实世界与虚拟世界融合在一起，方便人们的生活，丰富人们的娱乐。目前已经广泛应用到教育，医疗，航天等多种领域。

增强现实光学显示技术快速发展的过程中衍生出了许多不同的技术方案，有Birdbath，阵列光波导，衍射光波导等。但是经过几代的发展，受限于传统架构的限制，这些技术的发展也到了一定瓶颈，尤其是光学系统体积较大和画面杂散问题，对用户体验该产品造成了较大的影响。

实用新型内容

本实用新型实施方式的目的在于提供一种紧凑型低杂散的光学显示系统，其体积小，重量轻，低杂散，成像质量好，视场角大，大大提升了用户体验感。

本实用新型实施方式的另一个目的在于提供一种头戴显示装置，其重量轻，穿戴方便。

本实用新型的实施方式是这样实现的：

本实用新型的实施方式提供了一种紧凑型低杂散的光学显示系统，包括显示单元、第一光学元件、第二光学元件、第三光学元件、第四光学元件、第一光学膜层和第二光学膜层；

所述第一光学元件设置于所述显示单元的出光光路上；

所述第二光学元件包括传导镜片，所述传导镜片包括第一光学面、第二光学面和第三光学面，所述第二光学面的表面设有四分之一波片，所述四分之一波片的远离所述第二光学面的一侧设有第二光学镜片，所述第二光学镜片的远离所述四分之一波片的一侧表面设有第一光学膜层，所述传导镜片设置于所述第一光学元件的透射光光路上，所述第一光学面朝向所述第一光学元件；

所述第三光学元件设置于所述第一光学膜层的外侧；

所述第二光学膜层设置于所述第三光学面的透射光光路上；

所述第四光学元件设置于所述第二光学膜层的透射光光路上。

进一步的，所述第四光学元件包括补偿镜片，所述补偿镜片包括第四光学面、第五光学面和第六光学面，所述第四光学面朝向所述传导镜片的第三光学面，经过所述补偿镜片处理的光线从所述第五光学面透射出去到达人眼。

进一步的，所述第二光学面与所述第三光学面的夹角范围为20°～35°，所述第四光学面与所述第五光学面的夹角范围为15°～25°，所述第二光学面与所述第五光学面的夹角范围为0°～15°。

进一步的，所述第二光学膜层为偏振反射片、线性偏振吸收片、四分之一波片、二分之一波片和反射膜层中的一种或多种膜组成的功能膜层。

进一步的，所述显示单元与所述第一光学元件之间设有偏振片。

进一步的，所述第三光学元件为反射镜片或反射镜片组，其反射率率大于5%，所述反射镜片或所述反射镜片组的焦距范围30mm～150mm， 厚度范围0.5mm～5mm。

进一步的，所述传导镜片的折射率为ｎ，所述四分之一波片和所述第二光学镜片的折射率范围为0.9ｎ～1.1n。

进一步的，所述传导镜片的折射率范围为1.5～1.7，阿贝数范围为18～57。

进一步的，所述第一光学元件包括至少一片第一透射镜，所述第一透射镜的焦距范围为15mm～80mm，折射率为范围为1.5～1.7。

进一步的，所述第一光学膜层的作用为光线从所述第二光学镜片入射到第一光学膜层时，入射角大于42°的光线被第一光学膜层反射，其可见光谱400-700 nm范围内平均反射率大于95%，入射角小于或等于25°的光线透射出第一光学膜层，其可见光谱400-700 nm范围内平均透射率大于97%；光线从第三光学元件的方向入射到第一光学膜层时，入射角小于或等于25°的光线透射出第一光学膜层进入所述第二镜片，其可见光谱400-700 nm范围内平均透射率大于97%。

进一步的，所述第一透射镜的两侧表面面型为平面或曲面。

进一步的，所述第一光学面、所述第二光学面、所述第三光学面、所述第四光学面、所述第五光学面和所述第六光学面的表面面型为平面或曲面。

进一步的，所述第五光学面和所述第六光学面的表面上设有消光膜层，该消光膜层由线偏振膜片、四分之一波片、二分之一波片、遮黑消光膜片、涂层或增透膜层中的一种或多种组成的功能膜层。

本实用新型的实施方式还提供了一种头戴显示装置，包括穿戴部件和上述所述的成像效果好的光学显示系统，所述光学显示系统设置于所述穿戴部件上。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型实施方式提供的紧凑型低杂散的光学显示系统，其结构紧凑，体积小，重量轻，低杂散，成像质量好，视场角能够达到40°以上，大大提升了用户的体验感。

本实用新型实施方式提供的头戴显示装置，其生产工艺简单，成本低，重量轻，穿戴方便，大大提升了用户的佩戴体验。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施方式，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为实施例一的紧凑型低杂散的光学显示系统的架构图；

图中：10-第一光学元件；20-第二光学元件；21-传导镜片；211-第一光学面；212-第二光学面；213-第三光学面；22-四分之一波片；23-第二光学镜片；24-第一光学膜层；30-第三光学元件；40-第四光学元件；41-补偿镜片；411-第四光学面；412-第五光学面；413-第六光学面；50-显示单元；60-偏振片；70-第二光学膜层。

具体实施方式

为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。基于本实用新型中的实施方式，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方式，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例1

参考图1所示，本实用新型实施例一提供了一种成像效果好的光学显示系统，包括显示单元50、第一光学元件10、第二光学元件20、第三光学元件30、第四光学元件40和第二光学膜层70。

显示单元50主要起到发出光线的作用，显示单元50可显示2D或3D的图像或视频等，显示单元50可以采用OLED显示器、LCD显示器、LCOS显示器、micro-LED显示器或mini-LED显示器等。

第一光学元件10包括第一透射镜，第一透射镜设置于显示单元50的出光光路上，第一透射镜的数量可以是一片，也可以是多片第一透射镜组成的镜片组。

第一透射镜用来实现对光线的控制、提升图像畸变和解像力等图像质量参数，减小系统体积。

第一透射镜的两侧表面可以加工为平面、球面、非球面或自由曲面等面型。第一透射镜的焦距为15mm～80mm，折射率为1.5～1.7。

显示单元50与第一透射镜之间设有偏振片60，偏振片60可以设置在显示单元50的出光面上，也可以设置在第一透射镜的一侧表面上，偏振片60为线偏振膜或圆偏振膜，其作用是用于改变显示单元50出射光线的偏振态。

第二光学元件20包括传导镜片21，传导镜片21包括围成近似三角形的第一光学面211、第二光学面212和第三光学面213，传导镜片21设置于第一光学元件10的透射光光路上且第一光学面211朝向第一光学元件10。

第二光学面212的表面设有四分之一波片22，四分之一波片22的远离第二光学面212的一侧设有第二光学镜片23，第二光学镜片23的远离四分之一波片22的一侧表面设有第一光学膜层24。第二光学镜片23为透射镜，可以无光焦度或带有一定的光焦度，其作用是作为第一光学膜层24的承载载体和对光线进行调整、提升画质。

从第一光学元件10透射的光线经过第一光学面211进入传导镜片21，然后在传导镜片21内部传播第一次到达第二光学面212，并从第二光学面212透射出去依次进入四分之一波片22、第二光学镜片23、第一光学膜层24，并在第一光学膜层24处被第一次反射，第一次反射的光线传播到达第三光学面213，在第三光学面213处被第二次反射，第二次反射的光线又传播依次进入四分之一波片22、第二光学镜片23、第一光学膜层24，并从第一光学膜层24透射出去形成透射光。

由于四分之一波片22和第二光学镜片23的折射率与传导镜片21的折射率相同或相近，所以光线第一次到达第二光学面212时不会被反射，假如传导镜片的折射率为ｎ，则四分之一波片和第二光学镜片的折射率选取为0.9ｎ～1.1n。本实施例中，传导镜片21的折射率为1.5～1.7，优选1.54，阿贝数为18～57，优选55。四分之一波片22和第二光学镜片23的折射率选取为1.56。

第一光学膜层24为特殊的镀膜层，其能够实现光线从所述第二光学镜片23入射到第一光学膜层24时，入射角大于等于42°的光线被第一光学膜层24反射，其可见光谱400-700 nm范围内平均反射率大于95%，入射角小于或等于25°的光线透射出第一光学膜层24，其可见光谱400-700 nm范围内平均透射率大于97%。

在第一光学膜层24处，从第二光学镜片23入射的入射角大于等于42°的光线是参与成像的主要光线，因此提高该角度以上的光线的反射率能够提高成像图像亮度、提高光能利用率；入射角小于或等于25°的光线也是参与成像的主要光线，提高该角度以内的透射率，能够降低无用反射引起的杂散光，降低了鬼影、重影等杂光，提高了成像质量；至于25°～42°的光线，对杂散现象和成像质量影响都较小，可以不限定其反射率和透射率。

本实施例中，从第一光学面211入射到达第二光学面212的光线入射角为41°～70°。

第二光学面212与第三光学面213的夹角为20°～35°，优选25°。

第一光学面211、第二光学面212和第三光学面213的表面可以加工为平面、球面、非球面或自由曲面等面型。

第三光学元件30设置在从第一光学膜层24透射出去的透射光光路上，第三光学元件30的作用是用于将从第二光学元件20的第一光学膜层24透射出来并进入第三光学元件30的光线反射。

第三光学元件30为为反射镜片或反射镜片组，其可见光谱400-700 nm范围内平均反射率大于5%，反射镜片或反射镜片组的焦距范围30mm～150mm， 厚度范围0.5mm～6mm。

从第二光学元件20的第一光学膜层24透射出来并进入第三光学元件30的光线被反射，从第三光学元件30反射的光线会依次经过第一光学膜层24、第二光学镜片23、四分之一波片22，并从第二光学面212进入传导镜片21，然后向前传播到达第三光学面213，并从第三光学面213透射出去。

光线从第三光学元件30的方向入射到第一光学膜层24时，入射角小于或等于25°的光线透射出第一光学膜层24进入所述第二镜片23，其可见光谱400-700 nm范围内平均透射率大于97%。

第四光学元件40设置于第三光学面213的透射光光路上。

第四光学元件40包括补偿镜片41，补偿镜片41包括围成近似三角形的第四光学面411、第五光学面412和第六光学面413，第四光学面411朝向第三光学面213。

第四光学面411与第三光学面213之间设有第二光学膜层70，第二光学膜层70的两侧表面分别与第三光学面213和第四光学面411相贴合或胶合或其它方式结合在一起。从第三光学面213透射出去的光线依次进入第二光学膜层70、补偿镜片41，经过补偿镜片41处理的光线从第五光学面412透射出去到达人眼。

第四光学面411与第五光学面412的夹角为15°～25°，优选20°。第二光学面212与第五光学面412的夹角范围为0°～15°。

第二光学膜层70的作用是透射和反射分光、相位控制和杂光吸收。

第二光学膜层70可以采用偏振分光片，也可以采用偏振反射膜片，还可以采用线偏振片和偏振反射膜片制成的复合膜层，还可以采用线偏振片、偏振反射膜片和相位延迟膜片制成的复合膜层，还可以采用线偏振片、相位延迟膜片和反射膜层制成的复合膜层，根据需要进行选择。

第四光学面411、第五光学面412和第六光学面413的表面可以加工为平面、球面、非球面或自由曲面等面型。

第五光学面412上可以设有消光膜片，其作用是用于消除杂散光，消光膜片可以采用线偏振膜片、四分之一波片、二分之一波片、遮黑消光膜片、涂层或增透膜层制成。可以是以上一种或多种构成的复合膜，根据实际选择。

第六光学面413上可以设有消光膜片，其作用是用于消除杂散光。消光膜可以采用线偏振膜片、四分之一波片、二分之一波片、遮黑消光膜片、涂层或增透膜层制成。可以是以上一种或多种构成的复合膜，根据实际选择。

需要说明的是，图中的虚线箭头表示成像光线的传播路径。

本实施例提供的光学系统的成像原理如下：

显示单元50发出的光线进入第一光学元件10处理后透射出去，然后从第一光学面211进入传导镜片21，然后在传导镜片21内部传播第一次到达第二光学面212，并从第二光学面212透射出去依次进入四分之一波片22、第二光学镜片23、第一光学膜层24，并在第一光学膜层24处被第一次反射，第一次反射的光线传播到达第三光学面213，在第三光学面213处被第二次反射，第二次反射的光线又传播依次进入四分之一波片22、第二光学镜片23、第一光学膜层24，并从第一光学膜层24透射出去进入第三光学元件30被反射，然后从第三光学元件30反射的光线会依次经过第一光学膜层24、第二光学镜片23、四分之一波片22，并从第二光学面212进入传导镜片21，然后向前传播到达第三光学面213，并从第三光学面213透射出去进入第二光学膜层70、补偿镜片41，经过补偿镜片41处理的光线从第五光学面412透射出去到达人眼，形成特定放大倍数的虚像。

实施例2

本发明实施例二还提供了一种头戴显示装置，包括穿戴部件和光路系统。

需要说明的是，本实施例中的光路系统可以采用实施例1中的光学显示系统，其结构、工作原理和产生的技术效果参考实施例1中的相应内容，此处不作赘述。

光学显示系统设置于穿戴部件上。穿戴部件可以是头盔或眼镜架等，这样方便人们戴在头上。当然，头戴显示装置还包括控制单元、储存单元等，控制单元用于控制设备，储存单元用于存储图像、视频等。

需要说明的是，本申请不限定光学显示系统应用在头戴显示装置上，该系统也可以应用在其他设备上，在一种可能的应用场景中，还可以集成用于桌面级的光学显示设备和车载的光学显示设备，其虚像距离较远，可以实现护眼功能，提升观看体验。

本实用新型不局限于上述可选的实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本实用新型的保护范围的限制，本实用新型的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (14)

1.一种紧凑型低杂散的光学显示系统，其特征在于：包括显示单元、第一光学元件、第二光学元件、第三光学元件、第四光学元件、第一光学膜层和第二光学膜层；

所述第一光学元件设置于所述显示单元的出光光路上；

所述第二光学元件包括传导镜片，所述传导镜片包括第一光学面、第二光学面和第三光学面，所述第二光学面的表面设有四分之一波片，所述四分之一波片的远离所述第二光学面的一侧设有第二光学镜片，所述第二光学镜片的远离所述四分之一波片的一侧表面设有第一光学膜层，所述传导镜片设置于所述第一光学元件的透射光光路上，所述第一光学面朝向所述第一光学元件；

所述第三光学元件设置于所述第一光学膜层的外侧；

所述第二光学膜层设置于所述第三光学面的透射光光路上；

所述第四光学元件设置于所述第二光学膜层的透射光光路上。

2.根据权利要求1所述的紧凑型低杂散的光学显示系统，其特征在于：所述第四光学元件包括补偿镜片，所述补偿镜片包括第四光学面、第五光学面和第六光学面，所述第四光学面朝向所述传导镜片的第三光学面，经过所述补偿镜片处理的光线从所述第五光学面透射出去到达人眼。

3.根据权利要求1所述的紧凑型低杂散的光学显示系统，其特征在于：所述第一光学膜层的作用为光线从所述第二光学镜片入射到第一光学膜层时，入射角大于42°的光线被第一光学膜层反射，其可见光谱400-700 nm范围内平均反射率大于95%，入射角小于或等于25°的光线透射出第一光学膜层，其可见光谱400-700 nm范围内平均透射率大于97%；光线从第三光学元件的方向入射到第一光学膜层时，入射角小于或等于25°的光线透射出第一光学膜层进入所述第二光学镜片，其可见光谱400-700 nm范围内平均透射率大于97%。

4.根据权利要求2所述的紧凑型低杂散的光学显示系统，其特征在于：所述第二光学面与所述第三光学面的夹角范围为20°～35°，所述第四光学面与所述第五光学面的夹角范围为15°～25°，所述第二光学面与所述第五光学面的夹角范围为0°～15°。

5.根据权利要求1所述的紧凑型低杂散的光学显示系统，其特征在于：所述第二光学膜层为偏振反射片、线性偏振吸收片、四分之一波片、二分之一波片和反射膜层中的一种或多种膜组成的功能膜层。

6.根据权利要求1所述的紧凑型低杂散的光学显示系统，其特征在于：所述显示单元与所述第一光学元件之间设有偏振片。

7.根据权利要求1所述的紧凑型低杂散的光学显示系统，其特征在于：所述第三光学元件为反射镜片或反射镜片组，其可见光谱400-700 nm范围内平均反射率大于5%，所述反射镜片或所述反射镜片组的焦距范围30mm～150mm， 厚度范围0.5mm～6mm。

8.根据权利要求1所述的紧凑型低杂散的光学显示系统，其特征在于：所述传导镜片的折射率为ｎ，所述四分之一波片和所述第二光学镜片的折射率范围为0.9ｎ～1.1n。

9.根据权利要求8所述的紧凑型低杂散的光学显示系统，其特征在于：所述传导镜片的折射率范围为1.5～1.7，阿贝数范围为18～57。

10.根据权利要求1所述的紧凑型低杂散的光学显示系统，其特征在于：所述第一光学元件包括至少一片第一透射镜，所述第一透射镜的焦距范围为15mm～80mm，折射率为范围为1.5～1.7。

11.根据权利要求10所述的紧凑型低杂散的光学显示系统，其特征在于：所述第一透射镜的两侧表面面型为平面或曲面。

12.根据权利要求2所述的紧凑型低杂散的光学显示系统，其特征在于：所述第一光学面、所述第二光学面、所述第三光学面、所述第四光学面、所述第五光学面和所述第六光学面的表面面型为平面或曲面。

13.根据权利要求2所述的紧凑型低杂散的光学显示系统，其特征在于：所述第五光学面和所述第六光学面的表面上设有消光膜层，该消光膜层由线偏振膜片、四分之一波片、二分之一波片、遮黑消光膜片、涂层或增透膜层中的一种或多种组成的功能膜层。

14.一种头戴显示装置，其特征在于：包括穿戴部件和权利要求1-13中任意一项所述的紧凑型低杂散的光学显示系统，所述光学显示系统设置于所述穿戴部件上。