一种短焦折反投影系统及其杂光消除方法

技术领域

本发明涉及一种短焦折反投影系统，同时涉及该短焦折反投影系统的杂光消除方法。

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，通过使用偏振选择性光学器件，例如波片，透射偏振器，反射偏振器等来实现光路折叠。这样的折叠光路透镜由于其多层结构而通常被称作“扁平透镜”(pancakelens)。扁平透镜的折叠路径构造导致在宽视野中传送由电子显示器产生的图像的紧凑结构。

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

本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种短焦折反投影系统的杂光消除方法。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种短焦折反投影系统。

为了实现上述技术目的，本发明采用下述技术方案：

根据本发明的第一方面，提供了一种短焦折反投影系统的杂光消除方法，所述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、相位延迟元件、第一透镜、分光元件和圆偏振元件；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；

其中，通过将所述第二透镜设置在所述偏振反射元件和所述相位延迟元件之间，消除第二透镜双侧表面对从偏振反射元件反射后的第二线偏光形成的杂光。

优选地，通过将所述第一透镜、所述相位延迟元件和所述第二透镜依次胶合，消除第一透镜靠近所述第二透镜侧的表面反射形成的杂光。

优选地，所述分光元件设置在所述第一透镜面向像源侧的表面上。

优选地，所述偏振反射元件和所述第二透镜之间存在间隙。

优选地，所述圆偏振元件与所述分光元件之间存在间隙，所述圆偏振元件设置在显示屏的表面。

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。

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，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为凸面，所述第一透镜和所述第二透镜相靠近的两个表面同时为平面或曲面。

根据本发明的第二方面，提供了一种短焦折反投影系统，使用上述杂光消除方法。

本发明所提供的短焦折反投影系统，包括从出瞳侧向像源侧排列的，偏振反射元件、第二透镜、相位延迟元件、第一透镜、分光元件和圆偏振元件；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。本发明通过对短焦折反投影系统内部的多个元件之间的排列方式进行改变，将所述第二透镜设置在所述偏振反射元件和所述相位延迟元件之间，消除第二透镜双侧表面对从偏振反射元件反射后的第二线偏光形成的杂光，从而消除系统中的主要杂光。

附图说明

图1是本发明所提供的短焦折反投影系统的成像原理示意图；

图2是图1所示短焦折反投影系统的第一种杂光消除路径示意；

图3是图1所示短焦折反投影系统的第二种杂光消除路径示意；

图4是本发明所提供的短焦折反投影系统的具体示例。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明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，若本发明实施例中有涉及“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，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出了一种有效消除反射杂光的短焦折反投影系统方案，可以对不同镜片上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。

图1所示为本发明所提供的短焦折反投影系统，包括从出瞳侧到像源侧一侧排列的出瞳位置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、分光元件、圆偏振元件107和显示屏幕108，其中，分光元件设置在第一透镜106面向显示屏幕侧的表面上。

显示屏幕108为尺寸较小的LCD或OLED等显示屏。圆偏振元件107用于将来自显示屏幕108的光转换为圆偏振光，所述圆偏振元件107设置在显示屏幕108的表面。

第一透镜106，其远离出瞳侧的表面上设置有分光元件，从而实现曲面反射镜的作用。该分光元件优选为半透半反膜，以实现光能利用率的最大化。该分光膜同时实现对圆偏振光旋向的改变，左旋圆偏振光经过该表面反射后变为右旋圆偏振光，或右旋圆偏振光经过该表面反射后变为左旋圆偏振光。圆偏振元件107与所述分光元件之间存在间隙。

偏振反射元件103用于透射P型线偏振光和反射S型线偏振光。偏振反射元件103可以设置在第三透镜102面向像源侧表面，或者独立设置。相位延迟元件105为可以产生四分之一相位延迟的光学元件，可以将圆偏振光转换为线偏振光，或者将线偏振光转换为圆偏振光。偏振反射元件103和第一透镜106上的分光膜表面形成光学偏振折反腔。

第一透镜106和第二透镜104设置在分光元件和偏振反射元件103之间，所述偏振反射元件和所述第二透镜之间存在间隙。所述第一透镜面向像源侧为凸面，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。相位延迟元件105设置在第一透镜106和第二透镜104之间，第一透镜106、相位延迟元件105和第二透镜104依次胶合。

此外，所述偏振反射元件103和所述出瞳位置101之间设置有第三透镜102。所述偏振反射元件103优选设置在所述第三透镜102面向第二透镜104一侧表面上。所述第三透镜是正透镜，且面向出瞳侧表面为凸面，所述第三透镜面向第二透镜一侧表面为平面或凹面。第三透镜102为可更换的透镜，通过更换第三透镜102可以改变整个系统的光焦度，实现不同虚像距离成像，从而对屈光不正的使用人群进行适配。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。

该短焦折反投影系统的成像光路，如图1所示。具体的，来自显示屏幕108的图像信号经过圆偏振元件107后转换为左旋圆偏振光。然后进入第一透镜106，其中一部分图像信号经第一透镜106上的分光膜反射损失掉，另一部分图像信号经第一透镜106进入相位延迟片105，相位延迟片105对进入的左旋圆偏振光产生相位延迟并转换为S型线偏振光，然后，经过第二透镜104进入偏振反射元件103，偏振反射元件103透射P型线偏振光反射S型线偏振光，故将图像信号反射进入第二透镜104及相位延迟片105，相位延迟片105对进入的S型线偏振光产生相位延迟并转换为左旋圆偏振光并透射，然后进入第一透镜106，其中一部分图像信号经第一透镜106上的分光膜透射损失掉，另一部分图像信号经过第一透镜106反射并转换为右旋圆偏振光，并透射经过第一透镜106进入相位延迟片105，相位延迟片105对进入的右旋圆偏振光产生相位延迟并转换为P型线偏振光，经过第一透镜104后进入偏振反射元件103，P型线偏振光透射经过偏振反射元件103并进入第三透镜102，最终入射进入101人眼所在的出瞳位置形成图像。

然而该传输路径中，s型偏振光经第二透镜104前表面(面向出瞳侧表面S21)、后表面(面向图像源侧表面S22)和第一透镜前表面反(面向出瞳侧表面S31)反射后会形成多种反射杂光。

为了消除光线折反过程中由各透镜表面反射产生的杂光，本发明通过对短焦折反投影系统内部的多个元件之间的排列方式进行改变，该方案可以将以上的杂光进行消除，避免其进入到出瞳位置，对虚拟图像造成影响。通过将所述第二透镜104设置在所述偏振反射元件103和所述相位延迟元件105之间，消除第二透镜双侧表面对从偏振反射元件反射后的第二线偏光形成的杂光。同时，优选地，还通过将所述第一透镜106、所述相位延迟元件105和所述第二透镜104依次胶合，消除第一透镜106靠近所述第二透镜侧的表面反射形成的杂光。

下面结合图2和图3对该该短焦折反投影系统所使用的多种杂光消除方法进行描述。

第一种杂光的消除方法为：来自显示屏幕108的图像信号进入圆偏振元件107后转换为左旋圆偏振光。然后进入第一透镜106，其中一部分图像信号经第一透镜106表面上的分光膜反射损失掉，另一部分图像信号经第一透镜106透射进入相位延迟元件105，相位延迟元件105对进入的左旋圆偏振光产生相位延迟并转换为S型线偏振光，透射经过第二透镜104，进入偏振反射元件103，偏振反射元件103的作用为透射P型线偏振光反射S型线偏振光，故将图像信号反射，反射后的S型线偏光射向第二透镜104，在第二透镜104靠近出瞳位置101的表面上发生反射，形成第一种杂光，此时杂光依然为S型线偏振光，进入偏振反射元件103，杂光无法经过偏振反射元件103透射进入第三透镜102并进入人眼，故将第一种杂光消除，如图2所示。

第二种杂光的消除方法为：来自显示屏幕108的图像信号进入圆偏振元件107后转换为左旋圆偏振光。然后进入第一透镜106，其中一部分图像信号经第一透镜106表面上的分光膜反射损失掉，另一部分图像信号经第一透镜106透射进入相位延迟元件105，相位延迟元件105对进入的左旋圆偏振光产生相位延迟并转换为S型线偏振光，透射经过第二透镜104，进入偏振反射元件103，偏振反射元件103透射P型线偏振光并反射S型线偏振光，故将图像信号反射入射到第二透镜104，在第二透镜104远离出瞳位置101的表面上发生反射，形成第二种杂光，此时杂光依然为S型线偏振光，其透射经过第二透镜104并进入偏振反射元件103，杂光无法经过偏振反射元件103透射进入第三透镜102并进入人眼，故将第二种杂光消除，如图3所示。

第三种杂光的消除方法为：第二透镜104、相位延迟元件105和第一透镜106三个元件胶合在一起，第二透镜104远离出瞳101的表面和相位延迟元件105靠近出瞳101的表面之间不存在空气间隔，相位延迟元件105远离出瞳101的表面和第一透镜106靠近出瞳101的表面之间不存在空气间隔。此时，图像信号无法在第一透镜106靠近出瞳101的表面上发生反射，故消除了第三种杂光。

下面对本发明所提供的消杂光短焦折反投影系统方案的一种示例性的具体设计方案进行详细介绍。

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显示屏幕一侧排列的出瞳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、分光元件、圆偏振元件107和显示屏幕108。

其中，第三透镜102为凸平透镜，第二透镜104为凸平透镜，第三透镜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和相位延迟元件105靠近出瞳侧的表面之间不存在空气间隔，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

以上对本发明所提供的一种短焦折反投影系统及其杂光消除方法进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。