一种微型近眼显示光学系统技术方案

本发明专利技术公开了一种微型近眼显示光学系统，包括：用于提供图像的LCOS图像源；LED光源；将LED光源的S光反射到LCOS图像源上并让LCOS图像源发射的P光通过的第一偏振分束器；用于将第一偏振分束器通过的P光通过以及将S光反射的第二偏振分束器；用于接收第二偏振分束器通过的P光的第一1/4波长板；用于将P光反射回穿过第一1/4波长板的第一反射镜；用于接收第一1/4波长板回穿过并经第二偏振分束器反射后的S光的第二1/4波长板；用于将S光反射回穿过第二1/4波长板的第二反射镜；耦合棱镜；用于接收从耦合棱镜输出的P光波导器件。本发明专利技术微型近眼显示光学系统结构紧凑且轻便，具有大视场，具有广阔的应用前景。

A miniature near eye display optical system

The invention discloses a miniature near eye display optical system, including: providing LCOS image of the source image; LED light source; the first polarization of LED light source S light reflection to LCOS image source and let LCOS image source P light emitted by the beam splitter; for the first polarization beam splitter by the P and second S polarized light through the light reflection beam splitter; for the first 1/4 wavelength plate receives second polarization beam splitter by P light; for the first mirror P light reflected back through the first 1/4 wavelength plate; for receiving a first 1/4 wave plate and back through the second 1/4 wavelength in S light the second polarizing beam splitter after reflection; the second mirror will reflect light back through the S second 1/4 wavelength plate for coupling; prism; optical waveguide devices for receiving from P prism coupling output. The miniature near eye display optical system of the invention has compact and light structure, large field of view and wide application prospect.

【技术实现步骤摘要】
一种微型近眼显示光学系统
本专利技术涉及显示用的光学设备领域，具体涉及一种微型近眼显示光学系统。
技术介绍
近眼显示系统也称为头盔显示器，是一种用于虚拟现实等显示在使用者头上戴着的视觉显示器，最初主要应用于军事和科研领域，随着科技的进步和社会的发展，人们对近眼显示技术的认识和学习越来越多，近眼显示技术逐步进入人们的生活。结合虚拟显示技术和增强现实技术，近眼显示技术的应用领域扩展到教育、训练、商业展览、医疗、娱乐等方面。随着显示装置的发展，成像装置的大小和重量也在不断下降。近眼显示系统要长期戴在头部，近眼显示系统应该便于佩戴和携带。因此对于显示器件的微型化、便携化和高性能的要求越来越突出。申请公布号为CN102998799A（申请号为201210512881.6）的中国专利技术专利申请公开了一种虚境与实境融合近眼显示系统，包括视频接口、近眼显示装置以及用以获取前方景象的第一外景摄取装置和拼接模块，从所述视频接口输入的视频信号与由所述第一外景摄取装置生成的前景信号经拼接模块处理后，产生输入所述近眼显示装置的图像信号。所述近眼显示装置包括显示构件、用以驱动所述显示构件显示的驱动电路、将所述显示构件发出的光传输至眼睛侧的波导构件以及将所述显示构件发出的光耦入波导构件的耦合器件。所述显示构件为由LCOS微显示屏、点光源、匀光板以及偏振分束器构成的LCOS显示构件；所述点光源发出的光经匀光板离散后，投射至所述偏振分束器，由所述偏振分束器反射起偏形成S光；所述S光投射至LCOS微显示屏，部分S光经所述LCOS微显示屏转变成携带图像信息的P光，经所述LCOS微显示屏反射的P光透过偏振分束器后，投射至所述耦合器件。上述的显示构件结构仍不够紧凑，其便携性有待进一步提高。公开号为CN1316063A（申请号为00801242.3）的中国专利技术专利申请公开了一种头戴型显示器，设有影像显示装置和光学系统，该光学系统包括半透镜、透镜元件、偏振镜和两个用于组合光束的λ/4片，从而将要形成的影像通过影像显示装置投射在使用者的视网膜上，从影像显示装置看，第一λ/4片、半透镜、透镜元件、第二λ/4片和偏振镜一个接一个地放置。通过这些光学元件的这种顺序，光线可以通过透镜原件三次，最终形成影像。虽然该技术方案简化了结构，有效地节约了成本，但是该头戴型显示器的结构紧凑性仍有待进一步提高。
技术实现思路
本专利技术提供了一种紧凑的大视场的微型近眼显示光学系统。一种微型近眼显示光学系统，包括：用于提供图像的LCOS图像源；用于为所述LCOS图像源提供光源的LED光源；用于将所述LED光源的S光反射到所述LCOS图像源上并让所述LCOS图像源发射的P光通过的第一偏振分束器；用于将所述第一偏振分束器通过的P光通过以及将S光反射的第二偏振分束器；用于接收所述第二偏振分束器通过的P光的第一1/4波长板；用于将所述第一1/4波长板接收的P光反射回穿过所述第一1/4波长板的第一反射镜；用于接收所述第一1/4波长板回穿过并经所述第二偏振分束器反射后的S光的第二1/4波长板；用于将所述第二1/4波长板接收的S光反射回穿过所述第二1/4波长板的第二反射镜；用于接收所述第二1/4波长板射出并通过所述第二偏振分束器的P光的耦合棱镜；用于接收从所述耦合棱镜输出的P光波导器件。本专利技术中，LED光源发出的光进入第一偏振分束器（PBS1），在第一偏振分束器（PBS1）的偏振分光面上S光被反射，入射到LCOS图像源上，LCOS图像源被照亮，LCOS图像源出射的光线反射到第一偏振分束器（PBS1）的偏振分光面上，由于LCOS图像源将光线的偏振态改变90度，因此，将S光变成P偏振光，照射到第一偏振分束器（PBS1）上的光线依次经过第二偏振分束器（PBS2）和第一1/4波长板，入射到第一反射镜上，反射后再次通过第一1/4波长板，其偏振态再次旋转发生变化，由之前的P光变成S光，入射到第二偏振分束器（PBS2）的偏振分光面上，再次反射通过第二1/4波长板，经过第二反射镜反射，返回第二1/4波长板，光的偏振态又变为P光，穿过第二偏振分束器，通过耦合棱镜耦合进入波导器件中，光线在波导器件中先以全反射形式传播，到达波导器件中的波导片的半透半反耦合输出端，一部分被反射后透过波导表面输出，被人眼接收，一部分光波透过波导片继续传播。作为优选，所述的第一偏振分束器和第二偏振分束器呈直线排布，且所述的第一偏振分束器的偏振分光面和第二偏振分束器的偏振分光面平行，一方面方便光信号的传播，另一方面，使得本专利技术微型近眼显示光学系统结构更紧凑。偏振分束器即为偏振分光棱镜，进一步优选，所述的第一偏振分束器包括以斜面共面相对设置的第一直角棱镜和第二直角棱镜，所述的第二直角棱镜靠近所述第二偏振分束器，所述的第一直角棱镜的斜面和第二直角棱镜的斜面相交处设有偏振分光面，可通过在第一直角棱镜和第二直角棱镜的斜面相交处镀有分光膜实现。更进一步优选，所述的LCOS图像源位于所述第一偏振分束器和第二偏振分束器呈直线排布的直线所在的第一直角棱镜的直角面处，所述的LED光源位于所述第一直角棱镜的另一个直角面处，一方面能够实现光路的通过和反射，另一方面，使得结构非常紧凑。进一步优选，所述的第二偏振分束器包括以斜面共面相对设置的第三直角棱镜和第四直角棱镜，所述的第三直角棱镜靠近所述第一偏振分束器，所述第三直角棱镜的斜面和第四直角棱镜的斜面相交处设有偏振分光面，即通过在第三直角棱镜和第四直角棱镜的斜面相交处镀有分光膜实现。更进一步优选，所述的第一1/4波长板和第一反射镜位于所述第一偏振分束器和第二偏振分束器呈直线排布的直线所在的第四直角棱镜的直角面处，所述的第二1/4波长板和第二反射镜位于所述第四直角棱镜的另一直角面处，且所述的第一1/4波长板位于所述第一反射镜和第四直角棱镜之间，所述的第二1/4波长板位于所述第二反射镜和第四直角棱镜之间，一方面能够实现光路的通过和反射，另一方面，使得结构非常紧凑。再进一步优选，所述的第三直角棱镜的一直角面靠近所述第二直角棱镜，所述的第三直角棱镜的另一直角面处接有所述耦合棱镜，所述耦合棱镜与所述波导器件连接，光线在波导器件中先以全反射形式传播，到达波导器件中的波导片的半透半反耦合输出端，一部分被反射后透过波导表面输出，被人眼接收，一部分光波透过波导片继续传播。在本专利技术中，所述的波导器件由N个半透半反耦合输出的波导片阵列组成，波导片之间相互平行，其中，N=2-6，且N为整数。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：本专利技术微型近眼显示光学系统，通过简单的光学元件，并经特定的光学路径排布，使得本专利技术微型近眼显示光学系统结构十分紧凑，同时，本专利技术微型近眼显示光学系统具有大视场，本专利技术微型近眼显示光学系统结构紧凑且轻便，因此可以安装在各种结构的近眼显示系统或者头戴显示系统中，有利于市场化推广应用，具有广阔的应用前景。附图说明图1为本专利技术的一种微型近眼显示系统的结构示意图；图2为本专利技术实施例微型近眼显示系统的光线传播示意图；图3为本专利技术实施例发光半角为θ的光线传播示意图；图4为本专利技术实施例第一反射镜反射光线的几何关系图；图5为本专利技术实施例第二反射镜反射光线的几何关系图；图6为本专利技术实施例光线在波导器件中的传播示意图；图7为本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微型近眼显示光学系统，其特征在于，包括：用于提供图像的LCOS图像源；用于为所述LCOS图像源提供光源的LED光源；用于将所述LED光源的S光反射到所述LCOS图像源上并让所述LCOS图像源发射的P光通过的第一偏振分束器；用于将所述第一偏振分束器通过的P光通过以及将S光反射的第二偏振分束器；用于接收所述第二偏振分束器通过的P光的第一1/4波长板；用于将所述第一1/4波长板接收的P光反射回穿过所述第一1/4波长板的第一反射镜；用于接收所述第一1/4波长板回穿过并经所述第二偏振分束器反射后的S光的第二1/4波长板；用于将所述第二1/4波长板接收的S光反射回穿过所述第二1/4波长板的第二反射镜；用于接收所述第二1/4波长板射出并通过所述第二偏振分束器的P光的耦合棱镜；用于接收从所述耦合棱镜输出的P光波导器件；所述的第一偏振分束器和第二偏振分束器呈直线排布，且所述的第一偏振分束器的偏振分光面和第二偏振分束器的偏振分光面平行；所述的波导器件由N个半透半反耦合输出的波导片阵列组成，波导片之间相互平行，其中，N＝2‑6，且N为整数；所述的第一偏振分束器包括以斜面共面相对设置的第一直角棱镜和第二直角棱镜，所述的第二直角棱镜靠近所述第二偏振分束器，所述的第一直角棱镜的斜面和第二直角棱镜的斜面相交处设有偏振分光面；所述的LCOS图像源位于所述的第一偏振分束器和第二偏振分束器呈直线排布的直线所在的第一直角棱镜的直角面处，所述的LED光源位于所述第一直角棱镜的另一个直角面处；所述的第二偏振分束器包括以斜面共面相对设置的第三直角棱镜和第四直角棱镜，所述的第三直角棱镜靠近所述第一偏振分束器，所述的第三直角棱镜的斜面和第四直角棱镜的斜面相交处设有偏振分光面；所述的第一1/4波长板和第一反射镜位于所述的第一偏振分束器和第二偏振分束器呈直线排布的直线所在的第四直角棱镜的直角面处，所述的第二1/4波长板和第二反射镜位于所述第四直角棱镜的另一直角面处，且所述的第一1/4波长板位于所述第一反射镜和第四直角棱镜之间，所述的第二1/4波长板位于所述第二反射镜和第四直角棱镜之间；所述的第三直角棱镜的一直角面靠近所述第二直角棱镜，所述的第三直角棱镜的另一直角面处接有所述耦合棱镜，所述耦合棱镜与所述波导器件连接。...

【技术特征摘要】
1.一种微型近眼显示光学系统，其特征在于，包括：用于提供图像的LCOS图像源；用于为所述LCOS图像源提供光源的LED光源；用于将所述LED光源的S光反射到所述LCOS图像源上并让所述LCOS图像源发射的P光通过的第一偏振分束器；用于将所述第一偏振分束器通过的P光通过以及将S光反射的第二偏振分束器；用于接收所述第二偏振分束器通过的P光的第一1/4波长板；用于将所述第一1/4波长板接收的P光反射回穿过所述第一1/4波长板的第一反射镜；用于接收所述第一1/4波长板回穿过并经所述第二偏振分束器反射后的S光的第二1/4波长板；用于将所述第二1/4波长板接收的S光反射回穿过所述第二1/4波长板的第二反射镜；用于接收所述第二1/4波长板射出并通过所述第二偏振分束器的P光的耦合棱镜；用于接收从所述耦合棱镜输出的P光波导器件；所述的第一偏振分束器和第二偏振分束器呈直线排布，且所述的第一偏振分束器的偏振分光面和第二偏振分束器的偏振分光面平行；所述的波导器件由N个半透半反耦合输出的波导片阵列组成，波导片之间相互平行，其中，N＝2-6，且N为整数；所述的第一偏...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晓华，郑臻荣，艾曼灵，金波，陶占辉，李小瑞，
申请(专利权)人：杭州科汀光学技术有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33