降低鬼影的显示光学系统及头戴显示装置

技术领域

本发明涉及光学显示技术领域，特别涉及一种降低鬼影的显示光学系统及头戴显示装置。

背景技术

在近眼显示NED(Near eye display)或头戴显示HMD(Head mounted display)光学系统中，光学膜材(optical film)因为其功能性和高性价比，应用越来越广泛，比如偏振控制元件、偏光片、补偿片等，在折叠光路(pancake)中发挥重要的作用。但是，这些元件暴露在空气中会产生菲涅尔反射(指当光入射到折射率不同的两个媒质分界面时，一部分光会被反射的现象)，进而产生鬼影，影响图像质量。

现主要有三种思路来解决该问题。第一种是在偏振控制元件的表面涂布AR(Anti-Reflection)层或者复合一层具有AR功能的光学薄膜，但是这些材料仅能在589nm附近具有较低的反射率(比如<0.7％，DNP LR Film)，无法做到在整个可见光范围内保持较好的一致性能。第二种是将四分之一波片QWP(

发明内容

本发明的主要目的是提出一种降低鬼影的显示光学系统，旨在降低折叠光路中不同元件的界面暴露在空气中产生菲涅尔反射造成的鬼影，提高显示光学系统的图像质量，并具有轻量化的特点。

为实现上述目的，本发明提出一种降低鬼影的显示光学系统，包括依序设置的显示屏、偏振件、第一偏振转换元件、部分透射部分反射元件、第二偏振转换元件和偏振分光元件；显示光学系统还包括设置于部分透射部分反射元件背离显示屏的一侧的透镜；透镜与第二偏振转换元件贴合设置，和/或，透镜与偏振分光元件贴合设置；第二偏振转换元件与偏振分光元件之间间隔设置，第二偏振转换元件暴露于空气中的表面设置有基片，且基片上设置有增透膜。

可选地，透镜设置于部分透射部分反射元件与第二偏振转换元件之间，透镜同时与部分透射部分反射元件和第二偏振转换元件贴合设置，第二偏振转换元件与偏振分光元件之间存在空气间隔，第二偏振转换元件朝向偏振分光元件的表面、偏振分光元件朝向第二偏振转换元件的表面上均设置有基片和增透膜。

可选地，基片朝向第二偏振转换元件的表面的曲率和基片朝向偏振分光元件的表面的曲率相同。

可选地，基片朝向第二偏振转换元件的表面的曲率与透镜朝向第二偏振转换元件的表面的曲率相同。

可选地，基片朝向第二偏振转换元件的表面为平面。

可选地，基片具有与透镜相反的色散特性。

可选地，透镜和第二偏振转换元件之间填充有光学胶。

可选地，第二偏振转换元件和基片之间填充有光学胶。

可选地，光学胶采用折射率匹配材料。

为实现上述目的，本发明还提出一种降低鬼影的头戴显示装置，包括：头戴主体；及上述的降低鬼影的显示光学系统，降低鬼影的显示光学系统设于头戴主体内。

本发明技术方案采用显示屏、偏振件、第一偏振转换元件、部分透射部分反射元件、第二偏振转换元件和偏振分光元件依序设置，且透镜设置于部分透射部分反射元件背离显示屏的一侧，能够实现折叠光路的屈光度叠加。通过透镜与第二偏振转换元件贴合设置，和/或，透镜与偏振分光元件贴合设置，使透镜与相邻元件中的一个或两个直接接触，即透镜和与之贴合的相邻元件之间没有空气隔离，从而可以减少相应界面的菲涅尔反射带来的鬼影；同时，通过在第二偏振转换元件暴露于空气中的表面设置有基片以及位于基片上的增透膜，基片可以使表面反射率显著降低，并且使增透膜具有更高的可靠性，增透膜可以进一步地降低菲涅尔反射产生的鬼影现象，因此，本发明可以大幅降低折叠光路中因菲涅尔反射产生的鬼影现象，从而提高显示光学系统的图像质量。而且，因为透镜和偏振分光元件之间的距离可以根据实际需求进行调整，以满足光学设计的屈光度和像质的要求，因而可以避免透镜较厚、重量上升等不利因素，故本降低鬼影的显示光学系统具有轻量化的特点，能够满足头戴显示装置对重量的要求，便于在产品中推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为基本的折叠光路的结构示意图(图中箭头所指方向为主像光路的方向)；

图2为本发明降低鬼影的显示光学系统一实施例的结构示意图(图中箭头所指方向为剩余的鬼影光路的方向)；

图3为本发明降低鬼影的显示光学系统另一实施例的结构示意图(图中箭头所指方向为剩余的鬼影光路的方向)；

图4为图3降低鬼影的显示光学系统中透镜与第二偏振转换元件贴合的结构示意图；

图5为图3降低鬼影的显示光学系统中透镜、第二偏振转换元件及基片贴合的结构示意图；

图6为本发明降低鬼影的显示光学系统又一实施例中透镜、第二偏振转换元件及基片贴合的结构示意图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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。

本发明提出一种降低鬼影的显示光学系统100。

作为本发明的一种实施方式，请参阅图2至5，该降低鬼影的显示光学系统，包括依序设置的显示屏10、偏振件20、第一偏振转换元件30、部分透射部分反射元件90、第二偏振转换元件50和偏振分光元件60；显示光学系统还包括设置于部分透射部分反射元件90背离显示屏的一侧的透镜40；透镜40与第二偏振转换元件50贴合设置，和/或，透镜40与偏振分光元件60贴合设置；第二偏振转换元件50与偏振分光元件60之间间隔设置，第二偏振转换元件50暴露于空气中的表面设置有基片70，且基片70上设置有增透膜71。

请参阅图1，图1示出的是基本的折叠光路的结构示意图(图中箭头所指方向为主像光路的方向)。基本的折叠光路结构，包括依序设置的偏振件20、第一偏振转换元件30、部分透射部分反射元件90、透镜40、第二偏振转换元件50和偏振分光元件60。

其中，偏振件20优选吸收型偏光片，比如显示行业常用的PVA(polyvinylalcohol，聚乙烯醇)偏光片。第一偏振转换元件30具体来说是四分之一波片QWP(quarterwave plate)，该四分之一波片能够对入射偏振光在快慢轴分量间产生四分之一波长的延迟量，通常情况下，该四分之一波片光轴与偏光片透过轴的方位角为40°～50°，进一步为44°～46°。透镜40带有一定屈光度，可以为平凸透镜、双凸透镜或者焦距为正的弯月透镜，为了达到更好的像差控制，优选双凸形状的透镜40，即透镜40朝向第一偏振转换元件30的表面和透镜40朝向第二偏振转换元件50的表面均为凸面。部分透射部分反射元件90(比如分光膜，通常为透反膜)可以与透镜40分离设置，也可以贴合设置在透镜40朝向屏幕一侧的表面，优选贴合设置在透镜40朝向屏幕一侧的表面，透过率为30％～70％，进一步为40％～60％。第二偏振转换元件50具体来说是四分之一波片(QWP，quarter wave plate)，第二偏振转换元件50的材料可以与第一偏振转换元件30相同，也可以不同，优选与第一偏振转换元件30相同的材料。第二偏振转换元件50的光轴方向通常有两种，一种方案为平行于第一偏振转换元件30，另一种方案为垂直于第一偏振转换元件30。当采用第一种方案时，偏振分光元件60(PBS，polarization beam splitter)的透过轴与偏振件20平行，当采用第二种方案时，偏振分光元件60的透过轴与偏振件20垂直。通过这样配置，偏振分光元件60可以反射直透的偏振光，从而达到光路折叠的效果。偏振分光元件60，可以选择布拉格型反射偏振器件，也可以选择金属线栅型(wire grid)反射偏振器件。

在上述折叠光路结构中，光线的具体走向如下：显示屏10上像元的光经偏振件20起偏为线偏，通过第一偏振转换元件30后变为圆偏光，继续穿过第二偏振转换元件50后再次变为线偏光，此时偏振方向与偏振分光元件60的透过轴垂直，因而被反射，并第二次穿过第二偏振转换元件50，反射光到达部分透射部分反射元件90时被反射，同时由于反射带来的半波损失，圆偏光的手性发生翻转，导致该光线第三次穿过第二偏振转换元件50后的偏振态与第一次穿过第二偏振转换元件50后的偏振态正交，因此能够被偏振分光元件60透过，从而形成主像。

在上述基本的折叠光路的基础上，对本发明的降低鬼影的显示光学系统进行具体说明，在本发明实施例中，透镜40设置于部分透射部分反射元件90背离显示屏的一侧；透镜40与第二偏振转换元件50贴合设置，和/或，透镜40与偏振分光元件60贴合设置；第二偏振转换元件50与偏振分光元件60之间间隔设置，第二偏振转换元件50暴露于空气中的表面设置有基片70，且基片70上设置有增透膜71。

具体地，上述结构至少包括四种情形：

第一种，透镜40设于部分透射部分反射元件90和第二偏振转换元件50之间，透镜40与第二偏振转换元件50贴合设置，第二偏振转换元件50朝向偏振分光元件60的表面设置有基片70和增透膜71。

第二种，透镜40设于第二偏振转换元件50和偏振分光元件60之间，透镜40与第二偏振转换元件50贴合设置，且透镜40与偏振分光元件60间隔设置，第二偏振转换元件50朝向第一偏振转换元件30的表面设置有基片70和增透膜71。

第三种，透镜40设于第二偏振转换元件50和偏振分光元件60之间，透镜40同时与第二偏振转换元件50和偏振分光元件60贴合设置，第二偏振转换元件50朝向第一偏振转换元件30的表面设置有基片70和增透膜71。

第四种，透镜40设于偏振分光元件60背离第二偏振转换元件50的一侧，透镜40与偏振分光元件60贴合设置；当第二偏振转换元件50与部分透射部分反射元件90贴合设置时，则第二偏振转换元件50朝向偏振分光元件60的表面设置有基片70和增透膜71；当第二偏振转换元件50与偏振分光元件60贴合设置时，则第二偏振转换元件50朝向第一偏振转换元件30的表面设置有基片70和增透膜71。

需要说明的是，而第二偏振转换元件50与偏振分光元件60之间间隔设置，可以是通过透镜40间隔，也是可以通过空气间隔。当透镜40与第二偏振转换元件50贴合设置，或透镜40与偏振分光元件60贴合设置时，第二偏振转换元件50与偏振分光元件60之间设置空气间隔。当透镜40同时与第二偏振转换元件50和偏振分光元件60贴合设置时，第二偏振转换元件50和偏振分光元件60之间通过透镜40间隔。

可以理解的是，透镜40与第二偏振转换元件50贴合设置，或，透镜40与偏振分光元件60贴合设置，或，透镜40同时与第二偏振转换元件50和偏振分光元件60贴合设置，即透镜40与相邻元件中的一个或两个直接接触，透镜40和与之贴合的相邻元件之间没有空气隔离，因此可以减少相应界面的菲涅尔反射带来的鬼影。同时，在第二偏振转换元件50暴露于空气中的表面设有基片70以及位于基片70上的增透膜71，增透膜71，又称减反射膜，它的主要功能是减少光学表面的反射光，增加透光率，因而可以进一步地降低菲涅尔反射产生的鬼影现象。综上，透镜40与第二偏振转换元件50贴合设置，和/或，偏振分光元件60贴合设置，配合第二偏振转换元件50暴露于空气中的表面设置基片70和增透膜71，可以大幅降低菲涅尔反射产生的鬼影现象，从而提高显示光学系统的图像质量。

实际中，如果直接在第二偏振转换元件50朝向偏振分光元件60的表面镀增透(AR)膜，表面反射通常在0.5～1％之间，并且色散性能较差，容易产生明显的偏色现象，同时无法得到较高的可靠性。本实施例中，在第二偏振转换元件50朝向偏振分光元件60的表面增设一个基片70，然后再在基片70朝向偏振分光元件60的表面镀增透(AR)膜，则表面反射率可以显著降低，比如0.3％，并且具有更高的可靠性。因此，相较于直接在第二偏振转换元件50的表面镀增透膜71，本实施例中，鬼影可以进一步下降50％～70％，降低鬼影的效果更为明显。

需要说明的是，本发明对显示屏10、偏振件20、第一偏振转换元件30、部分透射部分反射元件90、透镜40、偏振分光元件60中任意两个元件之间的距离并不进行限制，可以根据实际需要进行设置。比如，透镜40和偏振分光元件60的间距可以根据主像的光学设计来确定。因此，本技术方案能够满足光学设计的屈光度调节和成像像质的要求，避免了透镜40较厚、重量上升等不利因素，适于在产品中推广应用。故本降低鬼影的显示光学系统100还具有轻量化的特点，可满足头戴显示(HMD)装置对重量的要求。

在本发明的一实施例中，请参照图3至5，透镜40设置于部分透射部分反射元件90与第二偏振转换元件50之间，透镜40同时与部分透射部分反射元件90和第二偏振转换元件50贴合设置，第二偏振转换元件50与偏振分光元件60之间存在空气间隔，第二偏振转换元件50朝向偏振分光元件60的表面、偏振分光元件60朝向第二偏振转换元件50的表面上均设置有基片70和增透膜71。

其中，由基片70的后表面(即朝向偏振分光元件60)的界面反射形成的剩余的鬼影光路如图2中所示，其相对主像的比例为RR

本实施例中，透镜40与部分透射部分反射元件90直接接触，且透镜40与第二偏振转换元件50直接接触，则透镜40与部分透射部分反射元件90之间，以及透镜40与第二偏振转换元件50之间均没有空气隔离，可以减少相应界面的菲涅尔反射带来的鬼影；同时，第二偏振转换元件50暴露在空气中的表面(即朝向偏振分光元件60的表面)和偏振分光元件60暴露在空气中的表面(即朝向第二偏振转换元件50的表面)均设有基片70和增透膜71，基片70可以使表面反射率显著降低，并且使增透膜71具有更高的可靠性，增透膜71可以进一步地降低菲涅尔反射产生的鬼影现象，从而提高显示光学系统的图像质量。此外，透镜40和偏振分光元件60的间距可以根据主像的光学设计来确定，以满足光学设计的屈光度调节和成像像质的要求。

进一步地，请参照图4至5，基片70朝向第二偏振转换元件50的表面的曲率和基片70朝向偏振分光元件60的表面的曲率相同。

本实施例中，基片70无光焦度，即基片70的前后表面的曲率相同，故不会影响原有光路结构中光线的走向，从而能够保证原有光路结构的正常工作，保证原有光路结构的光学性能。

进一步地，请参照图4至5，基片70朝向第二偏振转换元件50的表面的曲率与透镜40朝向第二偏振转换元件50的表面的曲率相同。

具体地，第二偏振转换元件50(比如为四分之一波片)可以由晶体、聚合物拉伸、液晶涂布等方式构成，优选聚合物拉伸与液晶涂布等薄膜形态，以方便与不同曲率半径的透镜的曲面贴合。当第二偏振转换元件50与透镜40的表面贴合时，第二偏振转换元件50能够适应透镜40的形状。并且，本实施例中，基片70的前后表面的曲率还与透镜40的后表面(即朝向第二偏振转换元件50的表面)的曲率相同，因此，基片70可以与透镜40后表面上的第二偏振转换元件50很好地胶合在一起，并且不会影响原有光路结构中光线的走向，从而保证成像质量。

在本发明的又一实施例中，请参照图6，基片70朝向第二偏振转换元件50的表面为平面。

在透镜40的后表面(即朝向第二偏振转换元件50的表面)的面型接近平面的情况下，例如R>400mm，基片70可以考虑选用平面元件，即基片70的前后表面(即朝向第二偏振转换元件50和朝向偏振分光元件60的表面)均为平面，当直径达到40mm时，边缘间隙小于0.5mm，便于光学胶的填充和固化，光学胶优选折射率匹配材质，填充后的组合透镜相当于由折射率匹配材质形成的透镜与透镜40胶合。如此，同样可以实现降低鬼影的效果，这种结构可以降低工艺难度和制作成本，但胶合透镜带来的影响需要在成像设计时予以考虑。

可选地，基片70具有与透镜40相反的色散特性。

基片70通过选用合适的材料，可以在不影响已有光学性能的前提下对系统的色差进行额外校正。具体来说，平板型或者不带屈光度(即前后表面的曲率相同)的基片70，其位置色差为正色差，与折射率、厚度和阿贝数有关，而凸透镜40具有负的位置色差，因此可以基于相应的色差计算公式，如初级赛德尔像差以及高级色差来选择合适的材料和厚度，使得显示光学系统具有更理想的色差表现。本实施例中，通过具有与透镜40相反的色散特性的基片70对透镜40的色差进行补偿，可以有效消除色差。

进一步地，透镜40和第二偏振转换元件50之间填充有光学胶80。

本实施例中，透镜40与第二偏振转化元件之间通过光学胶80胶合在一起。光学胶80(光学零件胶合用胶)是用于胶结透明光学零件的特种胶粘剂，要求具有无色透明、光透过率在90％以上、胶结强度良好，可在室温或中温下固化，且有固化收缩小等特点。有机硅胶、丙烯酸型树脂及不饱和聚酯、聚氨酯、环氧树脂等胶粘剂都可胶结光学零件。光学胶80是一种与光学零件的光学性能相近，并具有优良胶接性能的高分子物质。光学胶80可以选择涂覆在透镜40的后表面(即朝向第二偏振转换元件50的表面)上，也可以选择涂覆在第二偏振转换元件50的前表面(即朝向透镜40的表面)上，优选涂覆在第二偏振转换元件50上，因为第二偏振转换元件50(比如四分之一波片)整体呈软质，在第二偏振转换元件50贴合到透镜40前，第二偏振转换元件50可以处于平面状态，在第二偏振转换元件50的前表面涂覆光学胶80后，再将第二偏振转换元件50贴合到透镜40的后表面并适应透镜40的凸面形状，能够实现更好的均匀度和平整度。同时，需要用除泡机进行真空除泡操作，以避免第二偏振转换元件50和透镜40胶合时，二者间隙的气泡残留对成像光线造成散射。

进一步地，第二偏振转换元件50和基片70之间填充有光学胶80。

本实施例中，第二偏振转换元件50和基片70之间同样通过光学胶80胶合在一起。光学胶80可以选择涂覆在基片70的前表面(即朝向第二偏振转换元件50的表面)上，也可以选择涂覆在第二偏振转换元件50的后表面(即朝向偏振分光元件60的表面)上，优选涂覆在第二偏振转换元件50的后表面上，因为第二偏振转换元件50(比如四分之一波片)整体呈软质，在第二偏振转换元件50贴合到透镜40前，第二偏振转换元件50可以处于平面状态，在第二偏振转换元件50的前后表面涂覆光学胶80后，再将第二偏振转换元件50贴合到透镜40的后表面并适应透镜40的凸面形状，最后将基片70贴合在第二偏振转换元件50的后表面，能够实现更好的均匀度和平整度。同时，需要用除泡机进行真空除泡操作，以避免第二偏振转换元件50和基片70胶合时，二者间隙的气泡残留对成像光线造成散射。

具体地，光学胶80采用折射率匹配材料。

此处匹配的意思就是减少界面两边物质的折射率差值，从而将反射光损失减少到最小。折射率匹配是光学的重要手段，其目的使得相接触物质的折射率符合一定规律，以减少光的反射或增大光的透射。通过选用折射率匹配材料能够减少光学系统内部的界面反射，从而降低鬼影，提高成像质量。

可选地，基片70的材质为玻璃、树脂或光学薄膜。

本实施例中，基片70的材料优选玻璃。由镀膜工艺可知，高温通常能够实现更好的镀膜效果，这是因为在对基底进行预处理时，首先起到活化的作用，增加了基底与膜料的化学键力，提高膜层与基底的结合力，同时降低基底杂气和高折射率膜料的吸收，另外，一些用作增透膜71的低折射材料如氟化镁(MgF2)只适合高温沉积，而玻璃通常有更好的耐高温特性，因此，与树脂和光学薄膜相比，基片70选用玻璃材质，能够实现更低的界面反射和更好的膜材可靠性。

本发明还提出一种降低鬼影的头戴显示装置，该降低鬼影的头戴显示装置包括头戴主体和降低鬼影的显示光学系统100，降低鬼影的显示光学系统100设于头戴主体内，该降低鬼影的显示光学系统100的具体结构参照上述实施例，由于本降低鬼影的头戴显示装置采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

其中，头戴主体可以包括适于佩戴在用户头部的框架、用于调节框架束缚程度的松紧调节装置，以及与显示光学系统连接以对显示屏10进行控制的控制系统等，头戴主体的具体结构和设置可以采用现有技术，此处不再赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。