一种光学系统及装配该光学系统的头戴式显示装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种光学系统及装配该光学系统的头戴式显示装置。该光学系统位于图像生成单元和图像接收器之间，包括：透镜，用于对图像生成单元的图像光信息形成预定的焦距；分光组件，用于使图像生成单元的图像光信息中的目标光线往返多次经过透镜后进入图像接收器，包括在透镜和图像生成单元之间的第一分光器和透镜和图像接收器之间的第二分光器；光调制组件，用于调制入射的偏振光的偏振态；及偏振过滤器，用于阻挡杂散光线进入图像接收器。本发明专利技术的头戴式显示装置包括上述光学系统和图像生成单元。本发明专利技术的光学装置更为简洁有效，可以用一片透镜，有利于缩短光路，减小显示装置的整体重量。装置总长小，体积小，重量轻，便于用户携带和使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及显示
，特别涉及一种光学系统以及装配该光学系统的头戴式显示装置。
技术介绍
随着时代的进步，头戴显示器(Head-MountedDisplay,HMD)正逐渐走进人们的生活，其颠覆了传统显示装置给使用者带来的视觉感受，具有较强的沉浸感与真实感。头戴显示器有着十分重要的应用和商业价值，在文化传播、娱乐游戏、军事训练、医疗诊断、虚拟现实和增强现实等领域都有广泛的应用。头戴显示器要佩戴在使用者的头部，其重量和体积都要尽可能小。头戴显示器作为一种显示设备，光学装置是其核心部件之一，现有的应用于头戴式显示器的光学装置可分为共轴和离轴两种。共轴光学装置体积大、重量大、成像质量差，很难解决大视场角和大出瞳距与设备小型化之间的矛盾。离轴光学装置中透镜数目相对共轴光学装置较少，但一般也多于两片，另外其装配较困难、成本高，体积和重量也很难减小。随着光学器件加工精度的提高，自由曲面透镜逐渐地应用于头戴显示光学装置中。自由曲面透镜能够减小装置的体积和重量，提升成像质量。但现存的文献中涉及自由曲面透镜在头戴显示中的应用依然存在体积过大的问题，同时由于自由曲面加工难度大，相应光学装置的制造成本较高。在先技术“基于球面棱镜的头戴式显示器的光学装置”(中国专利技术专利CN102692709A)中，公开了一种使用两片光学元器件的离轴式头戴显示器。该专利技术中至少包含一个球面棱镜和一个球面透镜，虽然其矫正了色差，但其重量和体积都较大，不能给佩戴者提供较好的舒适度。在先技术“双片式自由曲面头戴显示器光学装置”(中国专利技术专利CN101900872A)公开了一种双片式自由曲面装置。该专利技术主要包括自由曲面透镜和自由曲面棱镜，因为该装置为离轴装置，所以装置长度有所减小，但依然较长，在缩减装置结构尺寸方面没有实质性的突破。另外，该专利技术中的像源与自由曲面透镜贴合，像源更换困难，维修代价高。
技术实现思路
本专利技术旨在克服在先技术的不足，提出了一种工作距离短、结构紧凑、具有大视场角和大出瞳直径的轻型光学系统以及装配该光学系统的头戴式显示装置。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术提供一种光学系统，该光学系统位于图像生成单元和图像接收器之间。该光学系统包括：透镜，用于对图像生成单元生成的图像光信息形成预定的焦距；分光组件，用于使图像生成单元生成的图像光信息中的目标光线往返多次经过透镜后进入图像接收器，包括第一分光器和第二分光器，第一分光器位于透镜和图像生成单元之间，第二分光器位于透镜和图像接收器之间；光调制组件，用于调制入射的偏振光的偏振态；以及偏振过滤器，用于阻挡图像生成单元生成的图像光信息中的杂散光线进入图像接收器。对于上述光学系统，第一分光器用于透射具有第一偏振态的光并且反射具有与第一偏振态正交的第二偏振态的光。对于上述光学系统，第一分光器是透镜靠近图像生成单元一侧镀有偏振分光膜的表面或者是位于透镜和图像生成单元之间的偏振分光片。对于上述光学系统，第二分光器用于对入射的光线透射其中一部分而且反射其余部分。对于上述光学系统，第二分光器是半透半反镜。对于上述光学系统，图像生成单元生成的图像光信息是偏振光，或者该光学系统还包括位于图像生成单元和第一分光器之间的偏振形成器，用于保留与其透光轴平行的线偏振光。对于上述光学系统，偏振形成器是偏振片。对于上述光学系统，作为偏振形成器的偏振片的透光轴与图像生成单元发出的偏振光或图像生成单元发出的光线经第一次偏振形成的偏振光的偏振方向垂直。对于上述光学系统，光调制组件包括位于透镜和第二分光器之间的第一光调制器和位于第二分光器和偏振过滤器之间的第二光调制器。对于上述光学系统，第一光调制器是相位可变延时器或四分之一波片。对于上述光学系统，第一光调制器的快轴与图像生成单元发出的偏振光或图像生成单元发出的光线经第一次偏振形成的偏振光的偏振方向夹角为45°。对于上述光学系统，第二光调制器是相位可变延时器或四分之一波片。对于上述光学系统，第二光调制器的快轴与第一光调制器的快轴垂直。对于上述光学系统，相位可变延时器用于对入射的特定波长的光产生相位延时。对于上述光学系统，相位可变延时器对入射的特定波长的光产生四分之一波长或等效四分之一波长的相位延时。对于上述光学系统，相位可变延时器产生相位延时的光的波长由相位可变延时器的电压或电流确定。对于上述光学系统，偏振过滤器是偏振片。对于上述光学系统，透镜、分光组件、光调制组件以及偏振过滤器贴附形成透镜组。对于上述光学系统，透镜为多个透镜组合的透镜组。对于上述光学系统，透镜两侧面型分别为平面、球面、非球面或自由曲面中的任一种。本专利技术还提供一种头戴式显示装置，该头戴式显示装置包括上述光学系统和位于同一光轴上的图像生成单元。对于上述头戴式显示装置，图像生成单元生成的图像为单色或彩色图像。对于上述头戴式显示装置，图像生成单元为硅基液晶三色投影装置。与现有技术相比，本专利技术技术方案主要的优点如下：本专利技术的头戴式显示装置中，通过折反射多次利用透镜材料和边缘折射，形成一片透镜被多次利用的物理本质，使得使用一片透镜得到两片或者更多片透镜才能达到的像质，从而实现了利用更小的厚度和体积实现相同成像质量的要求。同时，本专利技术的光学装置更为简洁有效，可以用一片透镜，有利于缩短光路，减小显示装置的整体重量。装置总长小，体积小，重量轻，便于用户携带和使用。此外，本专利技术的头戴式显示装置利用液晶相位可变延时器对不同波长的光进行调制，利用偏振原理对光线进行筛选，同时使用折反的方式，多次利用透镜，提供适当的光焦度，使得光线能够以接近平行的状态进入人眼，实现了用于虚拟现实的头戴显示器目镜的设计。进一步地，本专利技术的头戴式显示装置的光学装置的视场角可以做到很大，用户佩戴舒适且沉浸感强，另外，该光学装置的出瞳直径可以做到很大，便于与佩戴者眼睛的瞳孔匹配。进一步地，本专利技术的头戴式显示装置的光学装置中使用的液晶相位可变延时器可以适用于多波长情况，能够实现彩色显示。本专利技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。附图说明通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1是本专利技术实施例所述的头戴式显示装置的结构示意图；图2是本专利技术实施例1所述的头戴式显示装置的结构示意图；图3是本专利技术实施例1中的液晶相位可变延时器处于一种状态时的结构示意图；图4是本专利技术实施例1中的液晶相位可变延时器处于另一种状态时的结构示意图；图5是本专利技术实施例1中的硅基液晶三色投影装置的显示时序图；图6是本专利技术实施例1中的液晶相位可变延时器的控制时序示意图；图7是本专利技术实施例2所述的头戴式显示装置的结构示意图。具体实施方式下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学系统，位于图像生成单元和图像接收器之间，其特征在于，该光学系统包括：透镜，用于对图像生成单元生成的图像光信息形成预定的焦距；分光组件，用于使图像生成单元生成的图像光信息中的目标光线往返多次经过透镜后进入图像接收器，包括第一分光器和第二分光器，第一分光器位于透镜和图像生成单元之间，第二分光器位于透镜和图像接收器之间；光调制组件，用于调制入射的偏振光的偏振态；以及偏振过滤器，用于阻挡图像生成单元生成的图像光信息中的杂散光线进入图像接收器。

【技术特征摘要】
1.一种光学系统，位于图像生成单元和图像接收器之间，其特征在于，该光学系统包括：透镜，用于对图像生成单元生成的图像光信息形成预定的焦距；分光组件，用于使图像生成单元生成的图像光信息中的目标光线往返多次经过透镜后进入图像接收器，包括第一分光器和第二分光器，第一分光器位于透镜和图像生成单元之间，第二分光器位于透镜和图像接收器之间；光调制组件，用于调制入射的偏振光的偏振态；以及偏振过滤器，用于阻挡图像生成单元生成的图像光信息中的杂散光线进入图像接收器。2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，第一分光器用于透射具有第一偏振态的光并且反射具有与第一偏振态正交的第二偏振态的光。3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，第一分光器是透镜靠近图像生成单元一侧镀有偏振分光膜的表面或者是位于透镜和图像生成单元之间的偏振分光片。4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，第二分光器用于对入射的光线透射其中一部分而且反射其余部分。5.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于，第二分光器是半透半反镜。6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，图像生成单元生成的图像光信息是偏振光，或者该光学系统还包括位于图像生成单元和第一分光器之间的偏振形成器，用于保留与其透光轴平行的线偏振光。7.根据权利要求6所述的光学系统，其特征在于，偏振形成器是偏振片。8.根据权利要求7所述的光学系统，其特征在于，作为偏振形成器的偏振片的透光轴与图像生成单元发出的偏振光或图像生成单元发出的光线经第一次偏振形成的偏振光的偏振方向垂直。9.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，光调制组件包括位于透镜和第二分光器之间的第一光调制器和位于第二分光器和偏振过滤器之间的第二光调制器...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞世铭，
申请(专利权)人：浙江舜通智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33