CN221007975U - 一种低杂光短焦折反投影系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种低杂光短焦折反投影系统，包括从出瞳侧向像源侧排列的偏振反射元件、第二透镜、1/4相位延迟元件、第一透镜、分光元件和圆偏振元件；所述第一透镜、所述1/4相位延迟元件和所述第二透镜依次胶合；所述分光元件设置在所述第一透镜面向像源侧的表面上；其中，透过分光元件的圆偏振光在所述分光元件和所述偏振反射元件之间折反，部分光线转化为第一线偏光后透过所述偏振反射元件射向出瞳位置。如此，可以对短焦折反投影系统中第一透镜和第二透镜不同表面的反射杂光进行消除，减小进入出瞳的杂光比例，提高成像效果和观看体验。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种低杂光短焦折反投影系统。
背景技术
近年来，近眼显示设备已经在教育、工业、娱乐、军事、医疗等许多领域得到了广泛的关注和应用。作为近眼显示中的一个重要分支，虚拟现实可以给使用者提供大视场、高沉浸的视觉体验。
新一代的虚拟现实显示设备为了实现设备的体积小型化和重量轻型化，普遍采用短焦折反投影系统，然而由于采用了偏振折反光路，光线在光学系统内多次折反，在镜片不同表面上产生的反射杂光进行累加，会使入眼的图像叠加上多层不同放大率的模糊图像，造成虚拟图像的清晰度和对比度下降，严重影响观察者的使用体验。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种低杂光短焦折反投影系统。
为了实现上述技术目的，本实用新型采用下述技术方案：
一种低杂光短焦折反投影系统，包括从出瞳侧向像源侧排列的：偏振反射元件、第二透镜、1/4相位延迟元件、第一透镜、分光元件和圆偏振元件；所述第一透镜、所述1/4相位延迟元件和所述第二透镜依次胶合；所述分光元件设置在所述第一透镜面向像源侧的表面上；所述偏振反射元件和所述第二透镜之间存在间隙；其中，透过分光元件的圆偏振光在所述分光元件和所述偏振反射元件之间折反，部分光线转化为第一线偏光后透过所述偏振反射元件射向出瞳位置。
优选地，所述偏振反射元件和所述出瞳位置之间设置有第三透镜，构成所述第一透镜、第二透镜或第三透镜的各表面的至少一个为非球面的表面。
优选地，所述偏振反射元件设置在所述第三透镜面向第二透镜一侧表面上。
优选地，所述第三透镜是正透镜，且面向出瞳侧表面为凸面。
优选地，所述第三透镜面向第二透镜一侧表面为平面或凹面。
优选地，所述第一透镜面向像源侧的表面为凸面。
优选地，所述第一透镜和所述第二透镜相靠近的两面同时为平面或曲面。
优选地，所述第一透镜和所述第二透镜都是正透镜，所述第一透镜和所述第二透镜的折射率相同。或者，所述第一透镜和所述第二透镜是正-负胶合透镜，所述第一透镜和所述第二透镜的折射率不同。
优选地，所述圆偏振片与所述分光元件之间存在间隙，所述圆偏振片设置在像源的表面。
本实用新型所提供的低杂光短焦折反投影系统，包括从出瞳侧向像源侧排列的：偏振反射元件、第二透镜、1/4相位延迟元件、第一透镜、分光元件和圆偏振元件，其中，透过分光元件的圆偏振光在所述分光元件和所述偏振反射元件之间折反，部分光线转化为第一线偏光后透过所述偏振反射元件射向出瞳位置；通过将第二透镜、1/4相位延迟片和第一透镜胶合，将分光元件设置在胶合透镜面向像源侧的表面，如此，可以对不同镜片的多个表面的反射杂光进行消除，减小进入出瞳的杂光比例，提高成像效果和观看体验。
附图说明
图1是本实用新型所提供的短焦折反投影系统的偏振原理示意图；
图2是第一实施例的短焦折反投影系统的纵剖面图；
图3是第二实施例的短焦折反投影系统的纵剖面图；
图4是第三实施例的短焦折反投影系统的纵剖面图；
图5是第四实施例的短焦折反投影系统的纵剖面图。
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，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。
如图1所示，本实用新型提供一种低杂光短焦折反投影系统，包括从出瞳位置101向像源108依次共轴排列的：第三透镜102、偏振反射元件103、第二透镜104、1/4相位延迟元件105、第一透镜106、分光元件(贴附在第一透镜106面向像源侧的表面)、圆偏振元件107；其中，第二透镜104、1/4相位延迟元件105和第一透镜106依次胶合，偏振反射元件103和第二透镜104之间存在间隙。
从像源108发出的光线透过圆偏振元件107变为左旋圆偏振光，透过分光元件的圆偏振光在所述分光元件和所述偏振反射元件103之间折反，部分光线转化为第一线偏光(p型偏振光)后透过所述偏振反射元件103射向出瞳位置101。具体来说，透过分光元件的圆偏振光在穿过1/4相位延迟片后转化为第二线偏光(s型偏振光)，并被偏振反射元件反射，s型偏振光再次穿过1/4相位延迟片105转化为左旋圆偏振光，然后部分光线被分光元件反射后转化为右旋圆偏振光，右旋圆偏振光经过1/4相位延迟片105后转化为p型偏振光，p型偏振光透过偏振反射元件103射向出瞳位置101。
在该过程中，透过分光元件的左旋圆偏振光，部分光线在第二透镜104的前表面(面向出瞳侧表面)和后表面(面向像源侧表面)反射，部分光线在第一透镜106的前表面(面向出瞳侧表面)反射，形成杂光。上述短焦折反投影系统，通过将1/4相位延迟元件105设置在第一透镜106和第二透镜105之间，使得在第二透镜105前表面和后表面反射的光线无法转变为第一偏振光，所以不能透过偏振反射元件103；而通过将第一透镜106、1/4相位延迟元件105和第二透镜104粘贴在一起，避免光线在第一透镜106靠近出瞳侧的表面发生反射，消除了第三种杂光。
在该低杂光短焦折反投影系统中，还包括设置在偏振反射元件103和出瞳位置101之间的第三透镜102，以使整个光学系统适配不同使用者的人眼视度，该透镜可更换。第三透镜102是正透镜，且面向出瞳侧表面为凸面，第三透镜102面向像源侧的表面为平面或凹面，偏振反射元件设置在所述第三透镜面向第二透镜一侧表面上。
第一透镜106和第二透镜104，可以是折射率相同的透镜，也可以选择折射率不同的透镜，第一透镜106和第二透镜104相靠近的表面可以是平面或曲面，1/4相位延迟元件设置在两者之间。其中，第一透镜106和第二透镜104的折射率相同时，整体可以胶合为正透镜；第一透镜106和第二透镜104的折射率不同时，整体可以胶合为正-负胶合透镜，对系统的色差具有较好的控制效果。第一透镜106面向像源侧的表面为凸面，分光元件设置在该表面上。第二透镜104面向出瞳侧的表面的面型可以根据系统的整体焦距及像差控制进行设置。
优选地，在上述低杂光短焦折反投影系统中，构成第一透镜106、第二透镜104或第三透镜102的各表面的至少一个为非球面的表面，以此对系统的像差进行控制。
在该低杂光短焦折反投影系统中，圆偏振片107与分光元件之间存在间隙，圆偏振片107设置在像源108的表面，用于将像源发出的光线转化为圆偏振光。
下面对本实用新型所提供的消杂光短焦折反投影系统方案的四种具体设计方案进行详细介绍，以此作为上述消杂光短焦折反投影系统的示例。
第一实施例
如图2所示的消杂光短焦折反投影系统，包括从观察者一侧到像源一侧排列的出瞳101、偏振反射元件103、第二透镜104、相位延迟元件105、第一透镜106、圆偏振元件107和像源108。
其中，第二透镜104为凹平透镜，第一透镜106为平凸透镜。第二透镜104靠近人眼一侧表面(前表面S11)为球面，远离人眼一侧表面(后表面S12)为平面。第一透镜106靠近人眼一侧表面(前表面S21)为平面，远离人眼一侧表面(后表面S22)为非球面。表面S11不与空气相接触，表面S11上贴附有偏振反射元件103。第二透镜104、相位延迟元件105和第一透镜106三者胶合在一起，第二透镜104远离出瞳侧的表面S12和1/4相位延迟元件105靠近出瞳侧的表面之间不存在空气间隔，1/4相位延迟元件105远离出瞳侧的表面和第一透镜106靠近出瞳的表面S21之间不存在空气间隔。表1为第一实施例光学镜组中透镜各光学表面的设计参数。
表1第一实施例的光学镜组中各光学表面的参数
第二实施例
如图3所示的消杂光短焦折反投影系统，包括从观察者一侧到像源一侧排列的出瞳101、第三透镜102、偏振反射元件103、第二透镜104、相位延迟元件105、第一透镜106、圆偏振元件107和像源108。
其中，第三透镜102为凸平透镜，第二透镜104为凸平透镜，第一透镜106为平凸透镜。第三透镜102靠近人眼一侧表面(前表面S11)为球面，远离人眼一侧表面(后表面S12)为平面。第二透镜104靠近人眼一侧表面(前表面S21)为非球面，远离人眼一侧表面(后表面S22)为平面。第一透镜106靠近人眼一侧表面(前表面S31)为平面，远离人眼一侧表面(后表面S32)为非球面。表面S11与空气相接触，表面S12上贴附有偏振反射元件103。第二透镜104，相位延迟元件105和第一透镜106三者胶合在一起，第二透镜104远离出瞳侧的表面S22和1/4相位延迟元件105靠近出瞳侧的表面之间不存在空气间隔，1/4相位延迟元件105远离出瞳侧的表面和第一透镜106靠近出瞳的表面S31之间不存在空气间隔。表2为第二实施例光学镜组中透镜各光学表面的设计参数。
表2第二实施例的光学镜组中各光学表面的参数
第三实施例
如图4所示的消杂光短焦折反投影系统，包括从观察者一侧到像源一侧排列的出瞳101、第三透镜102、偏振反射元件103、第二透镜104、相位延迟元件105、第一透镜106、圆偏振元件107和像源108。
其中，第三透镜102为凸平透镜，第二透镜104为双凸透镜，第一透镜106为凹凸透镜。第三透镜102靠近人眼一侧表面(S11)为球面，远离人眼一侧表面(S12)为平面。第二透镜104靠近人眼一侧表面(S21)为非球面，远离人眼一侧表面(S22)为球面。第一透镜106靠近人眼一侧表面(S31)为球面，远离人眼一侧表面(S32)为球面。该实施例中S22和S31表面为球面，增加了一个可以提供光焦度的表面，提高了光学设计的自由度，在保证较高可加工性的同时为校正系统像差提供了帮助。表面S11与空气相接触，表面S12上贴附有偏振反射元件103。第二透镜104，相位延迟元件105和第一透镜106三者胶合在一起，第二透镜104远离出瞳的表面S22和1/4相位延迟元件105靠近出瞳的表面之间不存在空气间隔，1/4相位延迟元件105远离出瞳的表面和第一透镜106靠近101出瞳的表面S31之间不存在空气间隔。表3为第三实施例光学镜组中透镜各光学表面的设计参数。
表3第三实施例的光学镜组中各光学表面的参数
第四实施例
如图5所示的消杂光短焦折反投影系统方案，包括从观察者一侧到像源一侧排列的出瞳101、第三透镜102、偏振反射元件103、第二透镜104、1/4相位延迟元件105、第一透镜106、圆偏振元件107和像源108。
其中，第三透镜102为凸凹透镜，第二透镜104为凸平透镜，第一透镜106为平凸透镜。第三透镜102靠近人眼一侧表面(S11)为球面，远离人眼一侧表面(S12)为球面。第二透镜104靠近人眼一侧表面(S21)为非球面，远离人眼一侧表面(S22)为平面。第一透镜106靠近人眼一侧表面(S31)为平面，远离人眼一侧表面(S32)为非球面。该实施例中S12表面为球面，由于该面为反射面，相比于折射面，可以提供更高的光焦度和校正像差的能力，提高了光学设计的自由度，在保证较高可加工性的同时为校正系统像差提供了帮助。表面S11与空气相接触，表面S12上贴附有偏振反射元件103。第二透镜104，相位延迟元件105和第一透镜106三者胶合在一起。表4为第四实施例光学镜组中透镜各光学表面的设计参数。
表4第四实施例的光学镜组中各光学表面的参数
综上所述，本实用新型所提供的低杂光短焦折反投影系统，包括从出瞳侧向像源侧排列的：偏振反射元件、1/4相位延迟元件、分光元件和圆偏振元件，其中，1/4相位延迟片设置在两个胶合的透镜之间，分光元件设置在胶合透镜面向像源侧的表面，如此，可以对不同镜片的多个表面的反射杂光进行消除，减小进入出瞳的杂光比例，提高成像效果和观看体验。
以上对本实用新型所提供的一种低杂光短焦折反投影系统进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本实用新型实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本实用新型专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。
Claims (10)
1.一种低杂光短焦折反投影系统，其特征在于包括从出瞳侧向像源侧排列的：偏振反射元件、第二透镜、1/4相位延迟元件、第一透镜、分光元件和圆偏振元件；所述第一透镜、所述1/4相位延迟元件和所述第二透镜依次胶合；所述分光元件设置在所述第一透镜面向像源侧的表面上；所述偏振反射元件和所述第二透镜之间存在间隙；
其中，透过分光元件的圆偏振光在所述分光元件和所述偏振反射元件之间折反，部分光线转化为第一线偏光后透过所述偏振反射元件射向出瞳位置。
2.如权利要求1所述的低杂光短焦折反投影系统，其特征在于：
所述偏振反射元件和所述出瞳位置之间设置有第三透镜，构成所述第一透镜、第二透镜或第三透镜的各表面的至少一个为非球面的表面。
3.如权利要求2所述的低杂光短焦折反投影系统，其特征在于：
所述偏振反射元件设置在所述第三透镜面向第二透镜一侧表面上。
4.如权利要求2所述的低杂光短焦折反投影系统，其特征在于：
所述第三透镜是正透镜，且面向出瞳侧表面为凸面。
5.如权利要求4所述的低杂光短焦折反投影系统，其特征在于：
所述第三透镜面向第二透镜一侧表面为平面或凹面。
6.如权利要求2所述的低杂光短焦折反投影系统，其特征在于：
所述第一透镜面向像源侧为凸面。
7.如权利要求6所述的低杂光短焦折反投影系统，其特征在于：
所述第一透镜和所述第二透镜相靠近的两面为平面或曲面。
8.如权利要求2所述的低杂光短焦折反投影系统，其特征在于：
所述第一透镜和所述第二透镜都是正透镜，所述第一透镜和所述第二透镜的折射率相同。
9.如权利要求2所述的低杂光短焦折反投影系统，其特征在于：
所述第一透镜和所述第二透镜是正负胶合透镜，所述第一透镜和所述第二透镜的折射率不同。
10.如权利要求2所述的低杂光短焦折反投影系统，其特征在于：
所述圆偏振片与所述分光元件之间存在间隙，所述圆偏振片设置在像源的表面。
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