显示光学系统及头戴显示设备的制作方法

本申请涉及显示设备技术领域，更具体而言，涉及一种显示光学系统及头戴显示设备。

背景技术：

显示光学系统需要同时满足环境光透视，还需要能够改变显示器的图像光线，最终环境光和图像光线达到人眼。显示光学系统在传递显示器的图像光线时，存在非常大的光能损耗，显示光学系统的光能利用率只有不到12％。为了达到足够的图像亮度，需要显示器以较高的功率显示，显示光学系统的能耗较大且发热严重。

技术实现要素：

本申请实施方式提供一种显示光学系统及头戴显示设备。

本申请实施方式的显示光学系统包括显示件、透射反射件及反射件，所述显示件用于沿投射光路投射虚拟影像；光线到达所述透射反射件时，被所述透射反射件透射的光线多于被所述透射反射件反射的光线，所述透射反射件设置于所述投射光路上，以使至少部分所述虚拟影像沿出射方向透过所述透射反射件；所述反射件用于反射沿入射方向入射的环境影像至所述透射反射件，所述透射反射件沿所述出射方向反射至少部分所述环境影像。

在某些实施方式中，所述显示光学系统还包括增透件，所述增透件设置在所述透射反射件上，所述增透件用于增强进入及\或穿过所述透射反射件的光线的强度。

在某些实施方式中，所述入射方向与所述出射方向平行。

在某些实施方式中，所述显示光学系统还包括第一镜组，所述环境影像穿过所述第一镜组后到达所述反射件，所述第一镜组用于调制所述环境影像。

在某些实施方式中，所述显示光学系统还包括第二镜组，所述第二镜组设置于所述透射反射件远离所述显示件的一侧，经所述透射反射件反射的环境影像的光线，及透过所述透射反射件的所述虚拟影像的光线穿过所述第二镜组。

在某些实施方式中，所述显示光学系统还包括第三镜组，所述第三镜组设置于所述反射件与所述透射反射件之间，由所述反射件反射的环境影像穿过所述第三镜组后到达所述透射反射件。

在某些实施方式中，所述显示光学系统还包括驱动件，所述驱动件能够驱动所述第一镜组、所述第二镜组及所述第三镜组中的至少一个运动。

在某些实施方式中，所述第一镜组、所述第二镜组、及所述第三镜组中的至少一个包括菲涅尔透镜。

在某些实施方式中，所述显示光学系统还包括第四镜组，所述第四镜组设置于所述透射反射件及所述显示件之间，所述虚拟影像穿过所述第四镜组到达所述透射反射件，所述第四镜组用于调制所述虚拟影像。

本申请实施方式的头戴显示设备包括主体及上述任一实施方式所述的显示光学系统，所述显示光学系统设置于所述主体内。

本申请实施方式的显示光学系统及头戴显示设备中，显示光学系统包括显示件、透射反射件及反射件，透射反射件的透射率高于反射率，透射反射件设置在显示件的投射光路上，则显示件投射的虚拟影像的光线透过透射反射件时，较多的虚拟影像的光线可以透过透射反射件，到达用户的眼睛中，环境影像依次通过反射件及透射反射件的反射到达用户的眼睛中。显示件投射的虚拟影像到达用户的眼睛的过程中，虚拟影像只需要穿过透射反射件即可出射并进一步进入到用户的眼睛中，且较多的虚拟影像光线可以透过透射反射件，虚拟影像传输的过程中的光能消耗较低，由此，显示件在低亮度的工况下使用时，到达用户的眼睛中的虚拟影像也可以具备足够的亮度，用户可以观察到较清晰的虚拟影像，显示光学系统的能耗可以较低且发热量较小。

本申请的实施方式的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实施方式的实践了解到。

附图说明

本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本申请某些实施方式的头戴显示设备的结构示意图；

图2是本申请某些实施方式的显示光学系统的结构示意图；

图3是本申请某些实施方式的显示光学系统的结构示意图；

图4是本申请某些实施方式的显示光学系统的结构示意图；

图5是本申请某些实施方式的显示光学系统的结构示意图；

图6是本申请某些实施方式的显示光学系统的结构示意图；

图7是本申请某些实施方式的显示光学系统的结构示意图。

主要元件符号说明：

头戴显示设备1000、显示光学系统100、显示件10、透射反射件20、反射件30、进光口31、第一镜组41、第二镜组42、第三镜组43、第四镜组44、菲涅尔透镜45、主体200、支架300

具体实施方式

以下结合附图对本申请的实施方式作进一步说明。附图中相同或类似的标号自始至终表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

另外，下面结合附图描述的本申请的实施方式是示例性的，仅用于解释本申请的实施方式，而不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参阅图1，本申请实施方式的头戴显示设备1000包括主体200及显示光学系统100，其中显示光学系统100设置于所述主体200内，主体200可以对显示光学系统100起到保护及提供安装空间的作用。其中，头戴显示设备1000可以实现虚拟现实(virtualreality，vr)、增强现实(augmentedreality，ar)及混合现实混合现实(mixedreality，mr)等效果，进一步地，头戴显示设备1000可以是ar设备、vr设备、mr设备等，在此不做限制。本申请实施例中以头戴显示设备1000为ar设备为例进行描述，可以理解，头戴显示设备1000的具体形式可以是其它。

进一步地，头戴显示设备1000还包括支架300，支架300可以为主体200及显示光学系统100提供支撑，通过支架300用户可以将头戴显示设备1000戴在头上。

请参阅图2，本申请实施方式的显示光学系统100包括显示件10、透射反射件20及反射件30，显示件10用于沿投射光路a投射虚拟影像，光线到达透射反射件20时，被透射反射件20透射的光线多于被透射反射件20反射的光线，透射反射件20设置于投射光路a上，以使至少部分虚拟影像沿出射方向b透过透射反射件20，反射件30用于沿入射方向c入射的环境影像至透射反射件20，透射反射件20沿出射方向反射至少部分环境影像。

本申请实施方式的显示光学系统100及头戴显示设备1000中，显示光学系统100包括显示件10、透射反射件20及反射件30，透射反射件20的透射率高于反射率，透射反射件20设置在显示件10的投射光路a上，则显示件10投射的虚拟影像的光线透过透射反射件20时，较多的虚拟影像光线可以透过透射反射件20，到达用户的眼睛中，环境影像依次通过反射件30及透射反射件20的反射到达用户的眼睛中。显示件10投射的虚拟影像到达用户的眼睛的过程中，虚拟影像只需要穿过透射反射件20即可出射并进一步进入到用户的眼睛中，且较多的虚拟影像光线可以透过透射反射件20，虚拟影像传输的过程中的光能消耗较低，由此，显示件10在低亮度的工况下使用时，到达用户的眼睛中的虚拟影像也可以具备足够的亮度，用户可以观察到较清晰的虚拟影像，显示光学系统的能耗可以较低且发热量较小。

例如，相较于环境光线透过透射反射件，虚拟影像的光线被透射反射件反射的方式，本申请的显示光学系统100及头戴显示设备1000在传输虚拟影像的过程中，光能损耗较低。显示件在相同亮度下时，本申请的显示光学系统100及头戴显示设备1000到达用户眼睛中的虚拟影像的亮度将更高；在到达用户眼睛中的虚拟影像的亮度相同时，本申请的显示光学系统100及头戴显示设备1000中的显示件10的功耗以及显示亮度可以较低。

例如，相较于通过摄像头捕获环境影像，然后将环境影像与虚拟影像通过处理后由显示器投射出来再传输至用户眼睛中的方式，本申请的显示光学系统100及头戴显示设备1000不需要额外借助摄像头捕获环境影像，不会发生摄像头出故障或者不开启便看不到真实环境的情况。同时，可以避免因摄像头实时打开以及对环境影像与虚拟影像进行编解码等处理工作产生的较大功耗。

进一步地，由于显示件10在以低亮度显示时，便可实现有充足的虚拟影像到达用户的眼睛中，可以有效地减少显示件10的功耗，使头戴显示设备1000只需要较小的散热结构即可满足显示件10的散热，可以有效减少显示光学系统100及头戴显示设备1000的体积以及重量，同时还可以增加头戴显示设备1000的续航时间。

具体地，光学显示系统包括显示件10、透射反射件20及反射件30。

显示件10用于沿投射光路a投射虚拟影像，可以理解，显示件10可以是显示器，显示器能够显示虚拟影像，并将虚拟影像沿投射光路a投射，其中，显示件10可以是oled型、led型、lcos型及lcd型等微型显示器，在此不做限制。

透射反射件20设置于投射光路a上，透射反射件20用于透射及反射光线，可以理解，光线到达透射反射件20时，一部分光线将被透射反射件20透射，另一部分将被透射反射件20反射，其中，透射反射件20的透射率大于反射率，也即是说，光线到达透射反射件20时，被透射反射件20透射的光线多余被透射反射件20反射的光线，透射与反射的比例可以是3:2、7:3、4:1、9:1等，在此不做限制。由此，显示件10投射的虚拟影像到达透射反射件20时，较多的虚拟影像将沿出射方向b透过透射反射件20，该部分虚拟影像进一步到达用户的眼睛中，由此，用户可以观看到亮度足够的虚拟影像。同时，虚拟影像直接透过透射反射件20，到达用户眼睛中的虚拟影像的光线将较多，光能消耗较低，由此，即使显示件10的亮度比较低，也有较多的光线进入到用户的眼睛中，用户可以清楚的看到虚拟影像。显示件10的功耗较低，还可以减少头戴显示设备1000中的散热结构的体积，提高头戴显示设备1000的续航能力。

其中，透射反射件20可以是透射反射镜片，也可以是将透射反射膜安装在镜片上形成的，在此不做限制。

在某些实施方式中，显示光学系统100还包括增透件(在图中未标出)，增透件设置在透射反射件上，增透件能够增强进入及/或穿过透射反射件20的光线的强度。具体地，增透件可以设置在透射反射件20靠近显示件10的一侧，则可以增强进入透射反射件20的光线的强度，增透件也可以设置在透射反射件20远离显示件10的一侧，则可以增强穿过透射反射件20的光线的强度，还可以是在透射反射件20的两侧均设置有增透件，可以同时增强进入及穿过透射反射件20的光线的强度。通过在透射反射件20上设置增透件，使进入及/或穿过透射反射件20的虚拟影像的光线的强度更强，进一步减少虚拟影像的光线在传输过程中的损耗，使用户看到的虚拟影像更加地清晰。

在一个实施例中，增透件为增透膜，增透膜设置在透射反射件20靠近显示件10的一侧，由此，虚拟影像穿过增透膜时，虚拟影像的光线强度将被加强，然后进入到透射反射件20中，使更多的虚拟影像可以穿过透射反射件20。

进一步地，请再次参阅图2，环境影像通过进光口31沿入射方向c入射，到达反射件30上时被反射件30反射至透射反射件20，然后被透射反射件20再次反射进用户的眼睛中。具体地，环境影像到达反射件30时，发生全反射，即全部的环境影像均被反射件30反射，而没有发生透射，由此，可以使更多的环境影像进入到透射反射件20上，进一步进入到用户的眼睛中，使用户可以看到更清楚的真实环境。其中，反射件30可以是棱镜、镜片等具备反射功能的光学元件，在此不做限制。

在某些实施方式中，环境影像的入射方向c与出射方向b平行，可以理解，环境影像的入射方向c与透射反射件20反射环境影像的反射方向平行，及环境影像的入射方向c还与虚拟影像的出射方向b平行，由此，用户观看环境影像时，看到的环境影像是处于用户眼睛的正前方的方向，而不是其他方向上的环境影像，看到的环境影像将更加真实，例如用户在低头时，入射方向为从上往下的方向，用户可以看到俯视场景时的画面，用户在抬头时，入射方向为从下往上的方向，用户可以看到仰视场景时的画面，用户获取的环境影像更贴合于用户的真实感受。同时，显示光学系统100的结构将比较紧凑。在一个实施方式中，环境影像的入射方向c与虚拟影像的投射光路a平行。

请参阅图3，在某些实施方式中，显示光学系统100还包括第一镜组41，环境影像穿过第一镜组41后到达反射件30，第一镜组41用于调制环境影像。具体地，第一镜组41设置于进光口31与反射件30之间，环境影像从进光口31入射后，首先需要穿过第一镜组41，穿过第一镜组41后到达反射件30。其中，第一镜组41可以包括一个或多个透镜，透镜可以是凸透镜或凹透镜，可以通过调节第一镜组41的屈光度等性质，使更多的环境影像可以到达反射件30。同时，第一镜组41还可以调节环境影像的像差，使环境影像可以更好地成像在用户的眼睛中。

请参阅图4，在某些实施方式中，显示光学系统100还包括第二镜组42，第二镜组42设置于透射反射件20远离显示件10的一侧，经透射反射件反射的环境影像，及透过透射反射件20的虚拟影像穿过第二镜组42。具体地，第二镜组42设置于出射方向b上，且靠近用户眼睛的位置，虚拟影像先透过透射反射件20后到达第二镜组42，第二镜组42可以对虚拟影像进行调制处理，以减少虚拟影像的像差，使用户更清楚地观察虚拟影像。

进一步地，环境影像在被透射反射件20反射后，需要穿过第二镜组42后才可以进入到用户的眼睛中。环境影像穿过第二镜组42时，第二镜组42可以对环境影像进行相应的调制处理，与第一镜组41相互作用，以使环境影像更加清楚的投射在用户的眼睛中，使用户可以得到比较舒适的视觉体验。第二镜组42包可以包括一个或多个透镜，透镜可以是凸透镜或凹透镜，可以通过调节第二镜组42的屈光度等性质，使更多的光线穿过第二镜组42后汇聚到用户的眼睛中，也即是说，调节第二镜组42的屈光度等性质，可以使更多的环境影像及虚拟影像进入到用户的眼睛中。

请参阅图5，在某些实施方式中，显示光学系统100还包括第三镜组43，第三镜组43设置于反射件30及透射反射件20之间，由反射件30反射的环境影像穿过第三镜组43后到达透射反射件20。具体地，第三镜组43设置在反射件30与透射反射件20之间，环境光线到达反射件30时，被反射件30沿反射方向d反射，第三镜组43设置在反射方向d上，环境影像被反射件30反射后到达第三镜组43，第三镜组43可以调制穿过的环境影像，以使更多的环境影像可以到达透射反射件20，进一步地使更多的环境影像进入到用户的眼睛中，使用户可以清楚地看到环境影像。

更具体地，第三镜组43可以包括一个或多个透镜，透镜可以是凸透镜或凹透镜，环境影像穿过第三镜组43时，第三镜组43可以对穿过的环境影像进行调制处理，可以消除部分环境影像的像差。还可以通过第三镜组43的屈光度等性质，使得更多的环境影像可以进入到用户的眼睛中。

请继续参阅图5，在某些实施方式中，显示光学系统100还包括驱动件(在图中未标出)，驱动件能够驱动第一镜组41、第二镜组42及第三镜组43中的至少一个运动。具体地，显示光学系统100包括驱动件，驱动件与第一镜组41、第二镜组42及第三镜组43中的至少一个连接，驱动件可以驱动第一镜组41运动，驱动件也可以驱动第二镜组42运动，驱动件还可以驱动第三镜组43运动，驱动件也可以同时驱动第一镜组41及第二镜组42运动，驱动件也可以驱动第二镜组42及第三镜组43运动，还可以同时驱动第一镜组41、第二镜组42及第三镜组43运动，在此不做限制。

进一步地，驱动件可以是电动马达、微型电机等具备驱动能力的元件，在某些实施方式中，驱动件与第一镜组41、第二镜组42及第三镜组43连接，驱动件可以驱动第一镜组41、第二镜组42及第三镜组43中的至少一个运动，以改变第一镜组41、第二镜组42及第三镜组43中的至少一个的安装位置。

在一个实施例中，驱动件驱动第一镜组41运动，第一镜组41的安装位置发生改变，由此，环境影像穿过第一镜组41时，环境影像的汇聚点发生了改变，同时用户的视场角也相应的发生了改变。在另一个实施例中，驱动件驱动第二镜组42运动，第二镜组42的安装位置发生了改变，以调节环境影像及虚拟影像穿过第二镜组42时，环境影像及虚拟影像的汇聚点，并调节用户观看到环境影像的视场角。又一个实施例中，驱动件同时驱动第一镜组41及第二镜组42运动，以调节环境影像及虚拟影像穿过第一镜组41及第二镜组42时，环境影像及虚拟影像的汇聚点，并调节用户观看到环境影像的视场角。在又一个实施例中，驱动件驱动第三镜组43运动，使环境影像穿过第三镜组43时，环境影像的汇聚点发生了变化，对应用户看到的环境影像的视场角也发生了变化，由此，用户可以根据自己的需求控制驱动件工作，以使第一镜组41、第二镜组42及第三镜组43中的至少一个运动，使用户可以实现较好的视觉体验。

请参阅图5及图6，在某些实施方式中，第一镜组41、第二镜组42及第三镜组43中的至少一个包括菲涅尔透镜45。具体地，可以是第一镜组41包括菲涅尔透镜45，也可以是第二镜组42包括菲涅尔透镜45，还可以是第三镜组43包括菲涅尔透镜45，还可以是第一镜组41及第二镜组42均包括有菲涅尔透镜45，还可以是第一镜组41、第二镜组42及第三镜组43均包括有菲涅尔透镜45，在此不做限制。通过使用菲涅尔透镜45可以实现较大的视场角，同时还可以减少显示光学系统100的体积及重量，同时菲涅尔透镜45还可以消除部分球形像差。

请参阅图6，在一个实施例中，第二镜组42包括菲涅尔透镜45，环境影像和虚拟影像穿过菲涅尔透镜45时可以实现较大的视场角，用户观看环境影像及虚拟影像时将更加舒适，用户的体验效果更佳。同时，由于菲涅尔透镜45的使用，显示光学系统100的体积相较于使用凹透镜及凸透镜的第二镜组42将更小，同时显示光学系统100的重量也会更小，同时菲涅尔透镜45还可以消除虚拟影像及环境影像中的部分球形像差。

在另一个实施例中，第一镜组41及第三镜组43包括菲涅尔透镜45，环境影像穿过第一镜组41时，菲涅尔透镜45可以改变环境光的屈光度性能，使得环境影像可以更好地成像在用户的眼睛中。通过菲涅尔透镜45可以减少环境影像入射部分的体积，使得显示光学系统100的体积较小，显示光学系统100的重量更小。

在另一个实施例中，第一镜组41、第二镜组42及第三镜组43均包括菲涅尔透镜45，由此，环境影像及虚拟影像的视场角将会更大，以及显示光学系统100的体积更小，显示光学系统100的重量更小，显示光学系统100的成像质量更好。

当然，每个镜组中的菲涅尔透镜45的数量可以是一个，也可以是多个，例如两个、三个、四个等，在此不做限制。若某个镜组中存在多个菲涅尔透镜45，则多个菲涅尔透镜45采用堆叠结构安排，由此，可以实现更大的视场角。

请参阅图7，在某些实施方式中，显示光学系统100还包括第四镜组44，第四镜组44设置于透射反射件20及显示件10之间，虚拟影像穿过第四镜组44到达透射反射件20，第四镜组44用于调制虚拟影像。具体地，第四镜组44设置在显示件10的投射光路a上，且设置于透射反射件20靠近于显示件10的一侧，显示件10投射的虚拟影像需要穿过第四镜组44后到达透射反射件20，第四镜组44对虚拟影像进行调制处理，例如减少虚拟影像发散、调整虚拟影像的汇聚位置、修正虚拟影像穿过时的像差等。通过设置第四镜组44可以使虚拟影像的成像质量更佳，使显示光学系统100具备更好的成像质量。

进一步地，第四镜组44可以包括一个或多个透镜，透镜可以是凸透镜或凹透镜，以更好地调制穿过的虚拟影像。驱动件可以与第四镜组44连接，驱动第四镜组44运动，以改变虚拟影像在穿过第四镜组44后的汇聚点，以使用户更清楚地看到虚拟影像。

当然，第四镜组44也可以包括一个或多个菲涅尔透镜45，以使虚拟影像可以呈现更大的视场角。

请再次参阅3，在某些实施方式中，第一镜组41中包括电致变色镜片(在图中未标出)，根据环境影像的亮度可以调整电致变色镜片的透光率。具体地，显示光学系统100还包括控制件(在图中未标出)，控制件与电致变色镜片连接，控制件可以给电致变色镜片的两端施加电压，通过改变电致变色镜片两端的电压，可以改变电致变色镜片的透光率，当环境影像的亮度比较亮时，控制电致变色镜片的着色为深色，此时电致变色镜片的透光率比较低，使进入到人眼中的环境影像的亮度较低，可以避免环境影像亮度过高的情况下而造成虚拟影像不清晰的现象发生。

请参阅图7，在某些实施方式中，显示光学系统100包括第一镜组41、第二镜组42、第三镜组43、第四镜组44及透射反射件20，在第一镜组41、第二镜组42、第三镜组43、第四镜组44中的至少一个上安装有增透膜(在图中未标出)，其中增透膜可以是通过直接粘贴在第一镜组41、第二镜组42、第三镜组43、第四镜组44，也可以是将增透膜镀在第一镜组41、第二镜组42、第三镜组43、第四镜组44上，在此不做限制。通过将安装增透膜可以增加透过的光线，例如在第二镜组42上安装增透膜可以增加穿过第二镜组42的环境影像及虚拟影像，在第一镜组41上安装增透膜可以增加穿过第一镜组41的环境影像。

在本说明书的描述中，参考术语“某些实施方式”、“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个，除非另有明确具体的限定。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。