[实用新型]一种光学系统及装配该光学系统的头戴式显示装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及显示技术领域，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。

背景技术

随着时代的进步，头戴显示器(Head-Mounted Display,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”(中国实用新型专利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。该实用新型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”(中国实用新型专利CN101900872A)公开了一种双片式自由曲面装置。该实用新型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，该实用新型中的像源与自由曲面透镜贴合，像源更换困难，维修代价高。

实用新型内容

本实用新型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，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型提供一种光学系统，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。