CN114236855A - 光学系统和ar设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种光学系统和AR设备，该光学系统包括：显示模组，所述显示模组用于出射包含虚拟图像的第一光束；光学模组，所述光学模组包括圆偏振片和半透半反射镜，所述圆偏振片为胆甾相液晶聚合物圆偏振片，所述圆偏振片相对于所述第一光束的传播方向倾斜设置，且位于所述显示模组的出光侧，所述圆偏振片用于透射射向其的光中旋向为第一旋向的光，且反射旋向为第二旋向的光；所述半透半反射镜设置于所述圆偏振片的反射侧，所述半透半反射镜用于反射射向其的光中的一部分，且透射另一部分。以解决目前AR眼镜的成本相对较高，不利于AR眼镜普及的问题。

Description

光学系统和AR设备

技术领域

本申请涉及光学器件技术领域，尤其涉及一种光学系统和AR设备。

背景技术

随着科学技术的进步，如基于AR（Augmented Reality，增强现实）技术产生的AR眼镜等越来越多的专业产品逐渐进入到日常生活中。目前的AR眼镜中，通常利用线偏振片和四分之一波片改变虚像光和环境光的偏振态，使自眼镜的不同方向分别入射的环境光和虚像光均能够传播至用户的眼睛中，使用户“看到”虚像叠加在环境中的复合图像。但是，由于反射式线偏振片的成本相对较高，不利于AR眼镜的普及。

发明内容

本申请公开一种光学系统和AR设备，以解决目前AR眼镜的成本相对较高，不利于AR眼镜普及的问题。

为了解决上述问题，本申请采用下述技术方案：

第一方面，本申请实施例公开一种光学系统，应用于AR设备，所述光学系统包括：

显示模组，所述显示模组用于出射包含虚拟图像的第一光束；

光学模组，所述光学模组包括圆偏振片和半透半反射镜，所述圆偏振片为胆甾相液晶聚合物圆偏振片，所述圆偏振片相对于所述第一光束的传播方向倾斜设置，且位于所述显示模组的出光侧，所述圆偏振片用于透射射向其的光中旋向为第一旋向的光，且反射旋向为第二旋向的光；所述半透半反射镜设置于所述圆偏振片的反射侧，所述半透半反射镜用于反射射向其的光中的一部分，且透射另一部分。

第二方面，本申请实施例公开一种AR设备，包括第一方面所述的光学系统。

本申请采用的技术方案能够达到以下有益效果：

本申请实施例公开一种光学系统，光学系统包括显示模组和光学模组，其中，显示模组能够出射包含虚拟图像的第一光束，光学模组能够对第一光束和光学系统之外的光线进行处理。其中，第一光束能够在圆偏振片处发生透射和反射，发生透射的光线和发生反射的光线的旋向不同，且发生反射的光线能够继续在半透半反射镜处再次反射，形成旋向具备穿过圆偏振片能力的光线；同时，光学系统之外的光线亦可以穿过半透半反射镜入射至光学系统中，且在圆偏振片处发生透射和反射，从而使透射的光线能够与第一光束中在半透半反射镜处发生反射的光线一并透射至圆偏振片背离显示模组和半透半反射镜的一侧，以具备一并入射至用户眼睛的能力，这可以保证本申请实施例公开的光学系统具备增强现实的能力，能够被应用在AR设备中。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本申请实施例公开的光学系统的结构示意图；

图2是本申请实施例公开的光学系统的另一种结构示意图；

图3是本申请实施例公开的光学系统的再一种结构示意图。

附图标记说明：

100-显示模组、

210-圆偏振片、220-半透半反射镜、230-吸收型线偏振片、240-四分之一波片、

300-保护壳、

400-收束透镜。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各个实施例公开的技术方案。

如图1-图3所示，本申请实施例公开一种光学系统，该光学系统可以应用在AR眼镜等AR设备中，使虚像光能够和环境光一并入射至用户的眼睛中，达到使用户“看到”虚像和实像相互叠加的图像，为了便于描述，下文均以AR眼镜为例对光学系统进行介绍。光学系统包括显示模组100和光学模组。

其中，显示模组100用于提供虚像，显示模组100具体能够出射第一光束，第一光束包含虚拟图像，也即，需要结合至实景图像中的光线。显示模组100具体可以为微型投影设备等，其具备射出光线的能力，显示模组100的具体参数等可以根据实际需求选定，此处不作限定。

光学模组能够为射向其的光线提供光学作用，如改变光线的传播方向和相位等。其中，光学模组包括圆偏振片210和半透半反射镜220。圆偏振片210为胆甾相液晶聚合物偏振片，也即，圆偏振片210采用胆甾相液晶聚合物形成，这种材料的圆偏振片210的整体制造成本相对较低，且其具备对光线进行处理的能力。半透半反射镜220为同时具备透射和反射能力的光学器件，但并非意味着其透射/反射比即为1：1，对于半透半反射镜220的透射/反射比，此处不作限定。

圆偏振片210可以对光线进行过滤，且使与圆偏振片210的旋向相反的光线穿过圆偏振片210，而与圆偏振片210的旋向相同的光线则会在圆偏振片210处进行反射，也即，圆偏振片210能够透射射向其的光中旋向为第一旋向的光，且反射旋向为第二旋向的光，当然，第一旋向和第二旋向相反。例如，圆偏振片210的旋向为右手型，则显示模组100出射的无偏振态的第一光束在入射至圆偏振片210时，第一光束中旋向为右手型的光线会在圆偏振片210处发生反射，第一光束中旋向为左手型的光线则能够自圆偏振片210处发生透射。

基于此，可以利用圆偏振片210对显示模组100出射的第一光束进行分光，进而可以使圆偏振片210相对于第一光束的传播方向倾斜设置，且使圆偏振片210位于显示模组100的出光侧，保证显示模组100出射的第一光束能够自圆偏振片210处发生透射和反射，使反射光线能够射向显示模组100所在处之外的其他方向，且使前述反射光线能够在上述半透半反射镜220处再次发生反射，且最终入射至用户的眼睛，使用户获取虚拟图像。

并且，半透半反射镜220设置在圆偏振片210的反射侧，半透半反射镜220能够反射射向其的光中的一部分，且透射另一部分，从而在第一光束中自圆偏振片210处发生反射的光线在入射至半透半反射镜220处时，使得前述反射光线中的一部分能够再次在半透半反射镜220处发生反射，一方面改变光线的传播方向，使光线能够重新射向圆偏振片210，另一方面，还可以利用半透半反射镜220改变自圆偏振片210处发生反射的光线的旋向，从而使光线自半透半反射镜220处发生反射之后，能够形成旋向为第一旋向的光线，且自圆偏振片210处发生透射现象。

同时，光学系统之外的光线亦能够经半透半反射镜220入射至光学系统中，且入射的光线亦能够在圆偏振片210处发生分光过程，使旋向为第一旋向的光穿过圆偏振片210，且与第一光束中自半透半反射镜220处发生反射的光线一并向圆偏振片210的另一侧传播，由于圆偏振片210的另一侧通常为用户所在侧，继而可以使光学系统之外的光线可以与显示模组100发出的光线一并入射至用户的眼睛，使用户“看到”虚拟图像和光学系统之外的环境实景图像叠加形成的复合图像。

基于上述内容，在具体的组装过程中，可以使显示模组100的出射方向与环境图像的入射方向垂直设置，同时，可以使圆偏振片210相对前述出射方向和前述入射方向的角度均呈45°，在这种情况下，便于调节光线的传播路径，且可以尽量降低光线在传播过程中出现失真的情况，提升成像清晰度。为了进一步提升成像清晰度，半透半反射镜220具体可以为弧面结构件，以利用半透半反射镜220为光线提供收束聚拢的作用，扩大光学系统所能收集的光线的角度，使光学系统的成像角度和成像范围增大，提升其整体性能。另外，圆偏振片210具体可以为平面结构件，也即，其整体为平板片状结构件，这可以进一步降低圆偏振片210的制造成本。

本申请实施例公开一种光学系统，光学系统包括显示模组100和光学模组，其中，显示模组100能够出射包含虚拟图像的第一光束，光学模组能够对第一光束和光学系统之外的光线进行处理。其中，第一光束能够在圆偏振片210处发生透射和反射，发生透射的光线和发生反射的光线的旋向不同，且发生反射的光线能够继续在半透半反射镜220处再次反射，形成旋向具备穿过圆偏振片210能力的光线；同时，光学系统之外的光线亦可以穿过半透半反射镜220入射至光学系统中，且在圆偏振片210处发生透射和反射，从而使透射的光线能够与第一光束中在半透半反射镜220处发生反射的光线一并透射至圆偏振片210背离显示模组100和半透半反射镜220的一侧，以具备一并入射至用户眼睛的能力，这可以保证本申请实施例公开的光学系统具备增强现实的能力，能够被应用在AR设备中。

同时，本申请实施例公开的光学系统中的圆偏振片210为胆甾相液晶聚合物圆偏振片210，其整体的制造成本相对较低，使得光学系统的整体成本也相对较低，从而有利于降低AR设备的普及难度。在备置圆偏振片210的过程中，需要使圆偏振片210的反射波段为宽波段，至少覆盖可视光的波长范围。并且，可以采用多层窄波段聚合物层相互堆叠的方式形成上述圆偏振片210；或者，还可以采用制造聚合单体的浓度梯度的方法来构建单层宽波段膜层，以形成上述圆偏振片210。

在上述实施例中，在第一光束中旋向为第二旋向的光射向半透半反射镜220时，前述光中的一部分能够穿过半透半反射镜220，且射向半透半反射镜220背离圆偏振片210的一侧；同时，在光学系统之外的光线射向半透半反射镜220时，除了一部分光线能够透过半透半反射镜220之外，光学系统之外射向半透半反射镜220的光中还有另一部分在半透半反射镜220处发生反射，且射向半透半反射镜220背离圆偏振片210的一侧，这会造成光学系统中半透半反射镜220的外侧（即背离圆偏振片210的一侧）的反射率相对较高，进而导致在用户的眼睛处反射的、光强相对较弱的光线很难被AR设备之外的其他人员所观察到，造成AR设备之外的其他人员基本无法“看到”AR设备的使用者的眼睛，不利于用户与用户之间，以及用户与周围的其他人体或动物体进行眼神交流等操作，给用户的使用带来较大的不便。

基于上述情况，进一步地，如图2所示，本申请实施例公开的光学系统中，光学模组还可以包括吸收型线偏振片230和四分之一波片240。吸收型线偏振片230设置在半透半反射镜220背离圆偏振片210的一侧，四分之一波片240位于吸收型线偏振片230与圆偏振片210之间。也即，四分之一波片240和吸收型线偏振片230均位于半透半反射镜220背离圆偏振片210的一侧，以利用吸收型线偏振片230对自半透半反射镜220处反射（或透射）出的光线进行吸收，防止光学系统中的光线外泄。其中，为了使光学系统中部件间的配合关系更精准，四分之一波片240和吸收型线偏振片230亦均可以为弧形结构件，且二者的具体结构参数可以与半透半反射镜220的结构参数相同，从而使三者之间的配合精度相对更高，且降低组装难度。

吸收型线偏振片230能够透射射向其的光中方向为第一线性方向的光，且吸收方向为第二线性方向的光，第一线性方向和第二线性方向相反。详细地说，吸收型线偏振片230能够对无偏振态的光线进行处理，使无偏振态的光线改变为线偏振状态，且通过对吸收型线偏振片230的参数进行设置，使得光线中特定的线性方向的光线能够自吸收型线偏振片230穿过，而其他线性方向的光则无法自吸收型线偏振片230处穿过，而会被吸收型线偏振片230所阻挡，进而不会进入光学系统中，且光学系统中对应的光亦不会自光学系统中射出。

同时，四分之一波片240能够使光在线偏振态和圆偏振态之间切换，也即，线偏振态的光经过四分之一波片240之后能够变成圆偏振态，而圆偏振态的光经过四分之一波片240之后能够变成线偏振态。并且，通过对四分之一波片240的参数进行调整，可以保证光学系统之外，且穿过吸收型线偏振片230的光线再经过四分之一波片240之后，能够穿过圆偏振片210，也即，光学系统之外的光线经吸收型线偏振片230和四分之一波片240处理后的光线为圆偏振态，且旋向为第一旋向；相应地，四分之一波片240还可以对显示模组100出射的第一光束穿过半透半反射镜220之后的光线进行处理，使该光线的线性方向为第二方向，从而被吸收型线偏振片230所阻挡吸收，防止光学系统中的光线出射至光学系统之外。

因而，在采用上述技术方案公开的光学系统时，可以防止光学系统的外侧存在反射率较高的问题，保证光学系统的用户的眼睛可以被其他人员或用户看到，提升光学系统的交互能力。另外，在采用上述技术方案的情况下，由于显示模组100出射的光线均不会自光学系统中外泄，从而可以保护用户的隐私，提升该光学系统的安全可靠程度。

另外，在采用上述技术方案的过程中，吸收型线偏振片230和四分之一波片240的作用是防止光学系统中的光线（包括光学系统中显示模组100出射的光线和光学系统之外入射至光学系统中的光线）自光学系统外泄。而在目前常规的AR设备中，还需要利用反射型线偏振片和四分之一波片240对显示模组100的出射光和光学系统之外的入射光进行处理，这使得本实施例公开的技术方案相较于目前的AR设备，仍具备成本低的优势，且光学系统中的部件相对较少，便于组装。

在光学模组包括吸收型线偏振片230和四分之一波片240的情况下，本申请的另一实施例中，可选地，如图3所示，四分之一波片240可以设置在显示模组100的出光侧，吸收型线偏振片230可以设置在四分之一波片240和显示模组100之间，也即，四分之一波片240和吸收型线偏振片230均设置在显示模组100的出光侧，且二者位于第一光束的光路上，从而使显示模组100出射的第一光束先经过吸收型线偏振片230，之后再经过四分之一波片240，才会入射至圆偏振片210处。四分之一波片240和吸收型线偏振片230的作用和具体参数可以参照上述实施例，考虑文本简洁，此处不再重复。

在采用本实施例的情况下，通过对吸收型线偏振片230和四分之一波片240的参数进行设置，在经吸收型线偏振片230和四分之一波片240之后，可以使显示模组100出射的无偏振态的第一光束转变为旋向为第二旋向的圆偏振态的光线，进而使该光线可以依次在圆偏振片210和半透半反射镜220上上发生反射，且最终入射至圆偏振片210，且自圆偏振片210处发生透射，以被用户所获取。而在上述技术方案中，由于光学系统之外的光线仅会在半透半反射镜220处发生损耗，从而相较于光学系统之外的光线亦需要穿过吸收型线偏振片230和四分之一波片240的技术方案而言，本申请实施例公开的技术方案可以降低环境光线，也即光学系统之外入射至光学系统之内的光线的损耗，提升图像的整体清晰度。

另外，在本实施例中，亦可以在半透半反射镜220的外侧额外设置四分之一波片240和吸收型偏振片，从而利用二者吸收光学系统内的出射光，防止光学系统内的光出现外泄现象，提升设备的整体性能，且保护用户的隐私。但是，这又会导致整个光学系统的成本重新上升。

基于此，进一步地，如图3所示，在显示模组100的出光侧设置有吸收型线偏振片230和四分之一波片240的情况下，可以使吸收型线偏振片230和四分之一波片240均为平面片状结构件。相较于弧形结构的吸收型线偏振片230和四分之一波片240而言，平面片状结构的吸收型线偏振片230和四分之一波片240的制造成本相对更低，且精度更高，从而既可以进一步降低光学系统的整体成本，亦可以提升光学系统的成像精度。并且，在采用本申请实施例公开的技术方案的情况下，即便在显示模组100的出光侧设置有吸收型线偏振片230和四分之一波片240的情况下，仍额外在半透半反射镜220背离圆偏振片210的一侧设置吸收型线偏振片230和四分之一波片240，基本仍可以保证光学系统的整体成本低于目前的AR设备中光学系统的成本。

在显示模组100的出光侧设置有吸收型线偏振片230和四分之一波片240，且吸收型线偏振片230和四分之一波片240均为平面片状结构件的情况下，可以使吸收型线偏振片230贴合设置在显示模组100的出光侧，且使四分之一波片240贴合设置在吸收型线偏振片230背离显示模组100的一侧，从而使显示模组100、吸收型线偏振片230和四分之一波片240之间的配合精度更高，提升光线被三者处理之后的整体参数，进而提升光学系统的成像清晰度。

可选地，本申请实施例公开的半透半反射镜220的透射/反射比可以为4:6至6:4之间。在采用这种技术方案的情况下，使得显示模组100出射的第一光束最终能够透射至圆偏振片210背离显示模组100的一侧的光线的强度，以及光学系统之外的光线最终透射至圆偏振片210背离显示模组100的一侧的光线的强度相对平衡，从而使用户所最终“看到”的复合图像中的虚拟图像和环境图像（即真实图像）均相对较为清晰，而不会出现虚拟图像和真实图像中一者的清晰度远高于另一者的清晰度，提升用户的实际观感。

可选地，本申请实施例公开的光学系统中，可以通过使圆偏振片210的相背两端或圆偏振片210的周缘固定在光学系统的外壳上，实现使圆偏振片210和半透半反射镜220相互固定的目的。在本申请的另一实施例中，可选地，本申请实施例公开的光学系统还可以包括支撑衬底，支撑衬底为透光结构件，保证自圆偏振片210透射而出的光线能够穿过支撑衬底。具体地，支撑衬底可以采用透明塑料或亚克力等透明材料，且基本不具备处理光线的能力的材料制成，支撑衬底的厚度可以根据实际需求确定，且可以使支撑衬底在具备良好的支撑能力的前提下，使支撑衬底的厚度越小越好。

同时，圆偏振片210在自身厚度方向上的投影位于支撑衬底上，也即，支撑衬底可以为圆偏振片210上的任意位置处提升支撑作用，从而保证支撑衬底为圆偏振片210所提供的支撑作用较为全面，提升圆偏振片210的被支撑效果。更具体地，圆偏振片210可以通过粘接等方式固定在支撑衬底上，支撑衬底与光学系统的外壳等结构之间可以通过粘接等方式相互固定，或者，亦可以利用螺纹连接件等结构件将支撑衬底固定在光学系统的外壳上。

另外，在固定半透半反射镜220的过程中，亦可以利用粘接的方式直接将半透半反射镜220固定在光学系统的外壳上。在本申请的另一实施例中，光学系统还可以包括保护壳300，保护壳300具体可以是上述外壳的一部分，且保护壳300亦可以采用透光材料制成，保证光学系统之外的光能够穿过保护可和半透半反射镜220入射至光学系统中。并且，可以使保护壳300的形状与半透半反射镜220仿形，且使半透半反射镜220与保护壳300贴合设置，提升光线的传播能力，同时，保护壳300可以为半透半反射镜220提供支撑和保护作用，提升半透半反射镜220的使用寿命和安全性。如上所述，光学系统的半透半反射镜220背离圆偏振片210的一侧还可以设置有四分之一波片240和吸收型线偏振片230，在这种情况下，可以使吸收型线偏振片230支撑在保护壳300上。

可选地，圆偏振片210的入射侧设有增透膜，以利用增透膜提升光线自圆偏振片210处透射的能力，进而增强光学系统的成像清晰度。增透膜具体可以通过真空贴合的方式吸附在圆偏振片210的入射侧的表面。另外，如上所述，圆偏振片210可以支撑在支撑衬底上，虽然支撑衬底为透光结构件，但是其仍会造成光线出现些许损耗的问题，基于此，通过在圆偏振片210的入射侧设置增透膜，可以保证透射至圆偏振片210背离显示模组100的一侧，且用以入射至用户的眼睛中的光线的强度仍相对较强，保证用户“看到”的图像的清晰度仍相对较高。

可选地，如图2所示，本申请实施例公开的光学系统还可以包括收束透镜400，收束透镜400设置在显示模组100的出光侧，且位于显示模组100和圆偏振片210的光路之间，以保证自显示模组100出射的第一光束能够穿过收束透镜400，收束透镜400能够收束第一光束，使第一光束的成像质量更高。具体地，收束透镜400可以包括凸透镜，且收束透镜400中透镜的数量可以为一个，或者，收束透镜400可以包括多个透镜，形成透镜组，以进一步提升第一光束的成像质量。

另外，在显示模组100的出光侧设置有吸收型线偏振片230和四分之一波片240的情况下，可以使收束透镜400设置在四分之一波片240背离显示模组100的一侧，以防止收束透镜400对吸收型线偏振片230和四分之一波片240的正常工作产生妨碍作用。

基于上述任一实施例公开的光学系统，本申请实施例还公开一种AR设备，其包括上述任一光学系统。当然，AR设备还包括壳体等其他结构件，考虑文本简洁，此处不再一一介绍。其中，AR设备具体可以为AR眼镜，在这种情况下，AR设备还可以包括镜腿等结构。

本申请上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种光学系统，应用于AR设备，其特征在于，所述光学系统包括：

显示模组，所述显示模组用于出射包含虚拟图像的第一光束；

光学模组，所述光学模组包括圆偏振片和半透半反射镜，所述圆偏振片为胆甾相液晶聚合物圆偏振片，所述圆偏振片相对于所述第一光束的传播方向倾斜设置，且位于所述显示模组的出光侧，所述圆偏振片用于透射射向其的光中旋向为第一旋向的光，且反射旋向为第二旋向的光；所述半透半反射镜设置于所述圆偏振片的反射侧，所述半透半反射镜用于反射射向其的光中的一部分，且透射另一部分。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学模组还包括四分之一波片和吸收型线偏振片，所述吸收型线偏振片设置于所述半透半反射镜背离所述圆偏振片的一侧，所述四分之一波片位于所述吸收型线偏振片与所述半透半反射镜之间，所述吸收型线偏振片用于透射射向其的光中方向为第一线性方向的光，且吸收方向为第二线性方向的光，所述第一线性方向和所述第二线性方向相反，所述四分之一波片用于使光在线偏振态和圆偏振态之间切换。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学模组还包括四分之一波片和吸收型线偏振片，所述四分之一波片设置于所述显示模组的出光侧，所述吸收型线偏振片位于所述四分之一波片与所述显示模组之间，所述吸收型线偏振片用于改变所述第一光束的偏振态为线偏振态，所述四分之一波片用于将射向其的光自线偏振态改变至旋向为第二旋向的圆偏振态。

4.根据权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述吸收型线偏振片和所述四分之一波片均为平面片状结构件。

5.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于，所述吸收型线偏振片贴合设置于所述显示模组的出光侧，所述四分之一波片贴合设置于所述吸收型线偏振片背离所述显示模组的一侧。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述半透半反射镜的透射/反射比为4:6至6:4之间。

7.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括支撑衬底，所述支撑衬底为透光结构件，所述圆偏振片支撑于所述支撑衬底，且所述圆偏振片在自身厚度方向上的投影位于所述支撑衬底上。

8.根据权利要求7所述的光学系统，其特征在于，所述圆偏振片的入射侧设有增透膜。

9.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括收束透镜，所述收束透镜设置于所述显示模组的出光侧，且位于所述显示模组和所述圆偏振片的光路之间，所述收束透镜用于收束所述第一光束。

10.一种AR设备，其特征在于，包括权利要求1-9任意一项所述的光学系统。

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