WO2019119258A1

WO2019119258A1 - 光学系统及近眼显示装置

Info

Publication number: WO2019119258A1
Application number: PCT/CN2017/117107
Authority: WO
Inventors: 郑琼羽
Original assignee: 深圳市柔宇科技有限公司
Priority date: 2017-12-19
Filing date: 2017-12-19
Publication date: 2019-06-27
Also published as: CN111433656A

Abstract

一种光学系统(10)和包括光学系统(10)的近眼显示装置(100)。光学系统(10)包括用于发出图像光(IMG)的显示屏(12)、用于将图像光(IMG)分成偏振态与传播方向均不同的第一偏振图像光(PIMG)和第二偏振图像光(SIMG)的偏振分光器(14)、用于将第一偏振图像光(PIMG)投射到右眼的第一偏振折返系统(16)和用于将第二偏振图像光(SIMG)投射到左眼的第二偏振折返系统(18)。光学系统(10)和近眼显示装置(100)由于采用偏振分光器(14)来起偏，起偏后的第一偏振图像光(PIMG)和第二偏振图像光(SIMG)可以分别用于第一偏振折返系统(16)和第二偏振折返系统(18)，提高了光线的利用率。

Description

光学系统及近眼显示装置

技术领域

本发明涉及显示技术领域，具体涉及一种光学系统及近眼显示装置。

背景技术

相关技术的近眼显示装置利用偏振反射器件使得光线折返从而缩短镜头长度，然而，光线起偏跟检偏存在损耗，不利于提高近眼显示装置的能效。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明需要提供一种光学系统及近眼显示装置。

本发明公开了一种光学系统和包括光学系统的近眼显示装置。

本发明实施方式的光学系统包括用于发出图像光的显示屏、用于将图像光分成偏振态与传播方向均不同的第一偏振图像光和第二偏振图像光的偏振分光器以及分别用于将第一偏振图像光和第二偏振图像光投射到左右眼的第一偏振折返系统和第二偏振折返系统。

本发明实施方式的光学系统可以应用于本发明实施方式的近眼显示装置。

除了光学系统外，本发明实施方式的近眼显示装置还包括外壳。光学系统设置在外壳内。

本发明实施方式的光学系统和近眼显示装置由于采用偏振分光器件来起偏，起偏后的第一偏振图像光和第二偏振图像光可以分别用于左右眼的偏振折返系统，提高了光线的利用率。

本发明的附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施方式的光学系统的光路示意图；

图2是本发明实施方式的近眼显示装置的示意图；

图3是本发明实施方式第一偏振折返系统的的光路示意图；

图4是本发明另一实施方式的光学系统的的光路示意图；

图5是本发明实施方式第二偏振折返系统的的光路示意图；

图6是本发明实施方式的光学系统的空间频率图；

图7是本发明实施方式的光学系统的像场弯曲曲线图和畸变曲线图。

主要元件符号说明：

光学系统10、显示屏12、偏振分光器14、第一偏振折返系统16、第一相位延迟器162、第一透镜L1、第一半透半反分光器164、第二透镜L2、第二相位延迟器166、第一反射型检偏器168、第三透镜L3、第二偏振折返系统18、第四相位延迟器182、第五透镜L5、第二半透半反分光器184、第六透镜L6、第五相位延迟器186、第二反射型检偏器188、第七透镜L7、光轴偏转系统11、第四透镜L4、反射器件112、第三相位延迟器114、近眼装置100、外壳20、第一偏振图像光PIMG、第一旋转方向的圆偏振光CPL1、第一透射光TL1、第一反射光RL1、第一偏振光PL1、第二旋转方向的圆偏振光CPL2、第二透射光TL2、第二反射光RL2、第二偏振光PL2、第二偏振图像光SIMG、第三旋转方向的圆偏振光CPL3、第三透射光TL3、第三反射光RL3、第三偏振光PL3、第四旋转方向的圆偏振光CPL4、第四透射光TL4、第四反射光RL4、第四偏振光PL4。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

请参阅图1，本发明实施方式的光学系统10包括用于发出图像光的显示屏12、用于将图像光IMG分成偏振态与传播方向均不同的第一偏振图像光PIMG和第二偏振图像光SIMG的偏振分光器14、用于将第一偏振图像光PIMG投射到右眼的第一偏振折返系统16和用于将第二偏振图像光SIMG投射到左眼的第二偏振折返系统18。

请参阅图2，本发明实施方式的光学系统10可以应用于本发明实施方式的近眼显示装置100，或者说，本发明实施方式的近眼显示装置100包括本发明实施方式的光学系统10。本发明实施方式的近眼显示装置100通常还包括外壳20。光学系统10可以设置在外壳20内。

本发明实施方式的光学系统10和近眼显示装置100由于采用偏振分光器14来起偏，起偏后的第一偏振图像光PIMG和第二偏振图像光SIMG可以分别用于第一偏振折返系统16和第二偏振折返系统18，提高了光线的利用率。

可以理解，光学系统10的应用并不限于上述实施方式而可以应用于其他合适的场景。

在某些实施方式中，显示屏12包括OLED显示屏。

OLED显示屏无需背光灯，有利于近眼显示装置的轻薄化。此外，OLED屏幕可视角度大，耗电较低，有利于节省耗电量。

在某些实施方式中，偏振分光器14包括偏振分光棱镜(PBS)。

偏振分光棱镜消光比高、成像质量好、光束偏转角小，且可以将图像光IMG的水平偏振和垂直偏振分开，分为偏振方向和传播方向均不同的第一偏振图像光PIMG和第二偏振图像光SIMG。第二偏振图像光SIMG的偏振方向与第一偏振图像光PIMG的偏振方向垂直，第二偏振图像光SIMG的传播方向与第一偏振图像光PIMG的传播方向垂直。

在某些实施方式中，偏振分光器14包括尼科尔棱镜。

利用尼科尔棱镜使得图像光IMG分成偏振方向和传播方向均不同的第一偏振图像光PIMG和第二偏振图像光SIMG。

在某些实施方式中，偏振分光器14包括镀多层偏振分光介质膜的透明平板。

通过在透明平板上镀多层偏振分光介质膜，使得图像光IMG分成偏振方向和传播方向均不同的第一偏振图像光PIMG和第二偏振图像光SIMG。

在某些实施方式中，偏振分光器14包括贴附有金属光栅偏振片(WGF)的透明平板。

通过在透明平板上贴附金属光栅偏振片(WGF)，使得图像光IMG分成偏振方向和传播方向均不同的第一偏振图像光PIMG和第二偏振图像光SIMG。

在某些实施方式中，偏振分光器14包括贴附有增亮片(APF)的透明平板。

通过在透明平板上贴附增亮片(APF)，使得图像光IMG分成偏振方向和传播方向均不同的第一偏振图像光PIMG和第二偏振图像光SIMG。

当然，偏振分光器14并不限于上面讨论的实施方式而可以根据需要在其他实施方式中采用其他合适的元器件或者组件。

在某些实施方式中，第一偏振折返系统16从像侧到物侧依次包括：第一相位延迟器162、第一透镜L1、第一半透半反分光器164、第二透镜L2、第二相位延迟器166、第一反射型检偏器168和第三透镜L3。

请参阅图3，第一相位延迟器162将第一偏振图像光PIMG转化成第一旋转方向的圆偏振光CPL1。第一旋转方向的圆偏振光CPL1经过第一透镜L1后，入射到第一半透半反分光器164。第一半透半反分光器164将第一旋转方向的圆偏振光CPL1分成第一透射光TL1和第一反射光RL1。第一透射光TL1经过第二透镜L2后，入射到第二相位延迟器166。第二相位延迟器166将第一透射光TL1转化成与偏振方向与第一偏振图像光PIMG平行的第一偏振光PL1。

第一偏振光PL1经第一反射型检偏器168反射，再次入射到第二相位延迟器166。第二相位延迟器166将第一偏振光PL1转化成第二旋转方向的圆偏振光CPL2，第二旋转方向的圆偏振光CPL2经过第二透镜L2后，入射到第一半透半反分光器164。第一半透半反分光器164将第二旋转方向的圆偏振光CPL2分成第二透射光TL2和第二反射光RL2。第二反射光RL2经过第二透镜L2后，入射到第二相位延迟器166。第二相位延迟器166将第二反射光RL2转化成偏振方向与第一偏振光PL1垂直即与第一偏振图像光PIMG的偏振方向垂直的第二偏振光PL2。第二偏振光PL2经过第一反射型检偏器168和第三透镜L3从第一偏振折返系统16中射出。

如此，通过第一偏振折返系统16使第一偏振图像光PIMG在第一偏振折返系统16中折返一次后投射到右眼，有利于缩短镜头长度和使光线迅速聚焦。

在某些实施方式中，第一相位延迟器162包括设置在第一透镜L1上的像侧面上的1/4波长延迟膜。1/4波长延迟膜的快轴与第一偏振图像光PIMG的偏振方向的夹角为45°。

基于1/4波长延迟膜的特性，即当1/4波长延迟膜的快轴与入射的线偏振光的夹角为45°时，出射的光为圆偏振光，利用1/4波长延迟膜将第一偏振图像光PIMG转化成第一旋转方向的圆偏振光CPL1，简单方便，容易实现。

在某些实施方式中，第一半透半反分光器164包括设置在第一透镜L1物侧面上的半透半反分光膜。

基于半透半反分光膜在不改变光的偏振方向的前提下能够透射一半光强的光并反射一半光强的光的特性，利用半透半反分光膜，将第一旋转方向的圆偏振光CPL1分成第一透射光TL1和第一反射光RL1，将第二旋转方向的圆偏振光CPL2分成第二透射光TL2和第二反射光RL2，简单方便，容易实现。

在某些实施方式中，第二相位延迟器166包括设置在第二透镜L2的物侧面上的1/4波长延迟膜。1/4波长延迟膜的快轴与第一偏振图像光PIMG的偏振方向的夹角成-45°。

通过令1/4波长延迟膜的快轴与第一偏振图像光PIMG的偏振方向的夹角成-45°，能够使第一透射光TL1转化成与偏振方向与第一偏振图像光PIMG平行的第一偏振光PL1，将第一偏振光PL1转化成第二旋转方向的圆偏振光CPL2。

在某些实施方式中，第一反射型检偏器168设置在第二透镜L2的物侧面。第一反射型检偏器168的透光轴与第一偏振图像光PIMG的偏振方向垂直。

通过令第一反射型检偏器168的透光轴与第一偏振图像光PIMG的偏振方向垂直，能够使偏振方向与第一偏振图像光PIMG的偏振方向平行的第一偏振光PL1被第一反射型检偏器168反射，再次入射到第二相位延迟器166，使偏振方向与第一偏振图像光PIMG的偏振方向垂直的第二偏振光PL2经过第一反射型检偏器168和第三透镜L3从第一偏振折返系统16中射出。

在某些实施方式中，光学系统10包括光轴偏转系统11，光轴偏转系统11用于偏转第二偏振图像光SIMG的传播方向，使第二偏振图像光SIMG投射到第二偏振折返系统18中。

在某些实施方式中，光轴偏转系统11包括第四透镜L4、反射器件112。

第二偏振图像光SIMG经过第四透镜L4入射到反射器件112，反射器件112使得第二偏振图像光SIMG的传播方向发生改变，即使得第二偏振图像光SIMG的传播方向与第一偏振图像光PIMG的传播方向平行，进而使第二偏振图像光SIMG得以入射到第二偏振折返系统18中。

请参阅图,4，在某些实施方式中，光轴偏转系统11包括第三相位延迟器114。

在光轴偏转系统11中加入第三相位延迟器114，将第二偏振图像光SIMG的偏振方向从与第一偏振图像光PIMG的偏振方向垂直转化成与第一偏振图像光PIMG的偏振方向平行，可以使第二偏振折返系统18中偏振器件的角度设置与第一偏振折返系统16中偏振器件的角度设置一致，不必再做变动，有利于简化生产工序，提高生产效率。

在某些实施方式中，第三相位延迟器114包括1/2波长延迟器。

基于1/2波长延迟器可以使入射光的偏振方向发生改变的特性，利用1/2波长延迟器改变第二偏振图像光SIMG的偏振方向，简单方便，容易实现。

在某些实施方式中，第二偏振折返系统18从像侧到物侧依次包括：第四相位延迟器182、第五透镜L5、第二半透半反分光器184、第六透镜L6、第五相位延迟器186、第二反射型检偏器188和第七透镜L7。

请参阅图5，第四相位延迟器182将第二偏振图像光SIMG转化成第三旋转方向的圆偏振光CPL3。第三旋转方向的圆偏振光CPL3经过第五透镜L5后，入射到第二半透半反分光器184。第二半透半反分光器184将第三旋转方向的圆偏振光CPL3分成第三透射光TL3和第三反射光RL3。第三透射光TL3经过第六透镜L6后，入射到第五相位延迟器186。第五相位延迟器186将第三透射光TL3转化成与偏振方向与第二偏振图像光SIMG平行的第三偏振光PL3。

第三偏振光PL3经第二反射型检偏器188反射，再次入射到第五相位延迟器186。第五相位延迟器186将第三偏振光PL3转化成第四旋转方向的圆偏振光CPL4，第四旋转方向的圆偏振光CPL4经过第六透镜L6后，入射到第二半透半反分光器184。第二半透半反分光器184将第四旋转方向的圆偏振光CPL4分成第四透射光TL4和第四反射光RL4。四反射光RL4经过第六透镜L6后，入射到第五相位延迟器186。第五相位延迟器186将第四反射光RL4转化成偏振方向与第三偏振光PL3垂直即与第二偏振图像光SIMG的偏振方向垂直的第四偏振光PL4。四偏振光PL4经过第二反射型检偏器188和第七透镜L7从第二偏振折返系统18中射出。

如此，通过第二偏振折返系统18使第二偏振图像光SIMG在第二偏振折返系统18中折返一次后投射到左眼，有利于缩短镜头长度和使光线迅速聚焦。

在某些实施方式中，第四相位延迟器182包括设置在第四透镜L4像侧面上的1/4波长延迟膜。1/4波长延迟膜的快轴与第二偏振图像光SIMG的偏振方向的夹角为45°。

基于1/4波长延迟膜的特性，即当1/4波长延迟膜的快轴与入射的线偏振光的夹角为45°时，出射的光为圆偏振光，利用1/4波长延迟膜将第二偏振图像光SIMG转化成第三旋转方向的圆偏振光CPL3，简单方便，容易实现。

在某些实施方式中，第二半透半反分光器184包括设置在第四透镜L4物侧面上的半透半反分光膜。

基于半透半反分光膜在不改变光的偏振方向的前提下能够透射一半光强的光并反射一半光强的光的特性，利用半透半反分光膜，将第三旋转方向的圆偏振光CPL3分成第三透射光TL3和第三反射光RL3，将第四旋转方向的圆偏振光CPL4分成第四透射光TL4和第四反射光RL4，简单方便，容易实现。

在某些实施方式中，第五相位延迟器186包括设置在第五透镜L5的物侧面上的1/4波长延迟膜。1/4波长延迟膜的快轴与第二偏振图像光SIMG的偏振方向的夹角成-45°。

通过令1/4波长延迟膜的快轴与第二偏振图像光SIMG的偏振方向的夹角成-45°，能够使第三透射光TL3转化成与偏振方向与第二偏振图像光SIMG平行的第三偏振光PL3，将第三偏振光PL3转化成第四旋转方向的圆偏振光CPL4。

在某些实施方式中，第二反射型检偏器188设置在第五透镜L5的物侧面。第二反射型检偏器188的透光轴与第二偏振图像光SIMG的偏振方向垂直。

通过令第二反射型检偏器188的透光轴与第二偏振图像光SIMG的偏振方向垂直，能够使偏振方向与第二偏振图像光SIMG的偏振方向平行的第三偏振光PL3被第二反射型检偏器188反射，再次入射到第五相位延迟器186，使偏振方向与第二偏振图像光SIMG的偏振方向垂直的第四偏振光PL4经过第二反射型检偏器188和第七透镜L7从第二偏振折返系统18中射出。

本发明实施方式的光学系统10满足下列表格的条件：

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

一种用于近眼显示装置的光学系统，其特征在于，所述光学系统包括：

显示屏，用于发出图像光；

偏振分光器，用于将所述图像光分成偏振态和传播方向均不同的第一偏振图像光和第二偏振图像光；

第一偏振折返系统，用于将所述第一偏振图像光透射到右眼；和

第二偏振折返系统，用于将所述第二偏振图像光投射到左眼。
如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述显示屏包括OLED显示屏。
如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述偏振分光器包括偏振分光棱镜(PBS)、尼科尔棱镜、镀多层偏振分光介质膜的透明平板或贴附有增亮片(APF)的透明平板。
如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一偏振折返系统从像侧到物侧依次包括：

第一相位延迟器；

第一透镜；

第一半透半反分光器；

第二透镜；

第二相位延迟器；

第一反射型检偏器；和

第三透镜。
如权利要求4所述的光学系统，其特征在于，所述第一相位延迟器包括设置在所述第一透镜上的像侧面上的1/4波长延迟膜，所述1/4波长延迟膜的快轴与所述第一偏振图像光的偏振方向的夹角为45°。
如权利要求4所述的光学系统，其特征在于，所述第一半透半反分光器包括设置在所述第一透镜物侧面上的半透半反分光膜。
如权利要求4所述的光学系统，其特征在于，所述第二相位延迟器包括设置在所述第二透镜的物侧面上的1/4波长延迟膜，所述1/4波长延迟膜的快轴与所述第一偏振图像光的偏振方向的夹角成-45°。
如权利要求4所述的光学系统，其特征在于，所述第一反射型检偏器设置在所述第二透镜的物侧面，所述第一反射型检偏器透光轴与所述第一偏振图像光的偏振方向垂直。
如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统包括光轴偏转系统，所述光轴偏转系统用于偏转第二偏振图像光的传播方向，使所述第二偏振图像光投射到所述第二偏振折返系统中。
如权利要求9所述的光学系统，其特征在于，所述光轴偏转系统包括第四透镜和反射器件。
如权利要求10所述的光学系统，其特征在于，所述光轴偏转系统包括第三相位延迟器。
如权利要求11所述的光学系统，其特征在于，所述第三相位延迟器包括1/2波长延迟器。
如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第二偏振折返系统从像侧到物侧依次包括：

第四相位延迟器；

第五透镜；

第二半透半反分光器；

第六透镜；

第五相位延迟器；

第二反射型检偏器；和

第七透镜。
如权利要求13所述的光学系统，其特征在于，所述第四相位延迟器包括设置在所述第五透镜上的像侧面上的1/4波长延迟膜，所述1/4波长延迟膜的快轴与所述第二偏振图像光的偏振方向的夹角为45°。
如权利要求13所述的光学系统，其特征在于，所述第二半透半反分光器包括设置在所述第五透镜物侧面上的半透半反分光膜。
如权利要求13所述的光学系统，其特征在于，所述第五相位延迟器包括设置在所述第六透镜的物侧面上的1/4波长延迟膜，所述1/4波长延迟膜的快轴与所述第二偏振图像光的偏振方向的夹角成-45°。
如权利要求13所述的光学系统，其特征在于，所述第二反射型检偏器设置在所述第六透镜的物侧面，所述第二反射型检偏器透光轴与所述第二偏振图像光的偏振方向垂直。
一种近眼显示装置，其特征在于，包括：

外壳；和

如权利要求1-17任意一项所述的光学系统，所述光学系统设置在所述外壳内。