一种近眼显示系统及设备的制作方法

1.本实用新型实施例涉及近眼显示技术领域，特别涉及一种近眼显示系统及设备。


背景技术：

2.近眼显示系统，也称为头盔显示器，它最初起源于空军领域，主要是解决驾驶员面对飞机上日益增多的精密仪器及武器系统所收集的大量信息的困扰，利用近眼显示产品可以将各仪器仪表的所有的信息全部呈现在驾驶员前面的视场内,使驾驶员集中精力操作飞机和进行瞄准。随着人们对于近眼显示产品的学习和认识，近眼显示产品的应用领域也不断扩展。在民用方面主要是结合相关的虚拟技术，应用于教育与训练；商业产品的展览与推销；医学的模拟训练等。
3.在实现本实用新型实施例过程中，发明人发现以上相关技术中至少存在如下问题：在现有的近眼显示系统中，通常使用的光学元件数目较多，同时系统较为复杂，不易减轻装置的体积和重量。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供了一种结构简单的近眼显示系统及设备。
5.本实用新型实施例的目的是通过如下技术方案实现的。
6.为解决上述技术问题，第一方面，本实用新型实施例中提供了一种近眼显示系统，包括：图像源；依次设于所述图像源的出光侧的第一偏振分光镜(polarization beam splitter，pbs)、第二偏振分光镜、四分之一波片和反射单元；设于所述第一偏振分光镜的入光侧的照明模组；设于所述第二偏振分光镜的出光侧的成像单元。
7.在一些实施例中，所述图像源为反射式图像源时，所述系统还包括：设于所述第一偏振分光镜的入光侧的照明模组。
8.在一些实施例中，所述成像单元包括依次设置在所述第二偏振分光镜的出光侧的至少一个成像透镜和光波导。
9.在一些实施例中，所述反射单元包括至少一个反射透镜。
10.在一些实施例中，所述照明模组包括：照明光源，用于产生照明光。
11.在一些实施例中，所述照明光源为点光源时，所述照明模组还包括：扩散单元，其设于所述照明光源的出光侧。
12.在一些实施例中，所述扩散单元包括依次设置在所述照明光源的出光侧的第一扩散片、第一菲涅尔透镜、第二菲涅尔透镜和第二扩散片。
13.在一些实施例中，所述系统还包括：偏振片，其设于所述图像源和所述第一偏振分光镜之间。
14.在一些实施例中，所述系统还包括：偏振片，其设于所述第一偏振分光镜和所述第二偏振分光镜之间。
15.为解决上述技术问题，第二方面，本实用新型实施例中提供了一种近眼显示设备，
包括：如上述第一方面所述的近眼显示系统。
16.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：区别于现有技术的情况，本实用新型实施例中提供了一种近眼显示系统，该系统包括图像源，依次设于所述图像源的出光侧的第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、四分之一波片和反射单元，设于所述第一偏振分光镜的入光侧的照明模组和设于所述第二偏振分光镜的出光侧的成像单元。该近眼显示系统使用的光学器件较少，系统结构简单，设置在近眼显示设备中时体积较小且成本较低。
附图说明
17.一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块表示为类似的元件/模块，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
18.图1是本实用新型实施例一提供的一种近眼显示系统的结构示意图；
19.图2是图1所示近眼显示系统的光路示意图；
20.图3是本实用新型实施例二提供的一种近眼显示设备的结构示意图。
21.附图标记说明：10、图像源；21、第一偏振分光镜；22、第二偏振分光镜；30、四分之一波片；40、反射单元；50、成像透镜；60、光波导；70、照明模组；71、照明光源；72、第一扩散片；73、第一菲涅尔透镜；74、第二菲涅尔透镜；75、第二扩散片；100、近眼显示设备；101、近眼显示系统。
具体实施方式
22.下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。
23.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
24.需要说明的是，如果不冲突，本实用新型实施例中的各个特征可以相互结合，均在本技术的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分。此外，本文所采用的“第一”、“第二”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。
25.除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本实用新型。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
26.此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
27.具体地，下面结合附图，对本实用新型实施例作进一步阐述。
28.实施例一
29.本实用新型实施例提供了一种近眼显示系统，请一并参见图1和图2，其示出了本实用新型实施例提供的一种近眼显示系统的结构及光路，所示近眼显示系统包括：图像源10、第一偏振分光镜21、第二偏振分光镜22、四分之一波片30、反射单元40、成像单元(图1中的成像透镜50和光波导60)和照明模组70。
30.所述图像源10用于产生图像光束，或者，用于接收照明光并调制生成图像光束。在本实用新型实施例提供的图1所示示例中，所述图像源10的出光方向标记为第一方向x，所述图像源10的出光侧，也即是所述第一方向x上依次设置有第一偏振分光镜21、第二偏振分光镜22、四分之一波片30和反射单元40。且有，在图1所示示例中，第一偏振分光镜21、第二偏振分光镜22、四分之一波片30和反射单元40依次贴合设置。
31.所述图像源10可以是液晶显示器(liquid crystal display，lcd)、有机发光二极管(organic light emitting diode，oled)、硅基液晶(liquid crystal on silicon，lcos)、数字微镜器件(digital micromirror device，dmd)或者微型发光二极管(micro-light emitting diode，micro-led)中的一种，用于提供图像信息，可输出用于成像的光束。
32.所述第一偏振分光镜21设于所述图像源10的出光侧，所述第一偏振分光镜21配置为能够反射所述照明模组70出射的照明光，使得所述照明光能够打到所述图像源10上，所述图像源10调制后产生的图像光束能够通过所述第一偏振分光镜21透射出射。
33.所述第二偏振分光镜22设于所述第一偏振分光镜21的出光侧，用于透射出射所述图像光束，以使所述图像光束通过所述四分之一波片30调整偏振方向后输出，在本实用新型实施例中，所述第二偏振分光镜22的分光面与所述第一偏振分光镜21的分光面平行设置，所述第二偏振分光镜22接收并透射的图像光束为p偏振光，该p偏振光两次经过所述四分之一波片30后调制为s偏振光，所述第二偏振分光镜22能够将调制后得到的s偏振光反射出射。
34.所述第一偏振分光镜21和/或所述第二偏振分光镜22可以配置为镀膜式pbs或者线栅式pbs；进一步的，当为线栅式pbs时，可以是金属线栅式pbs或者玻璃线栅式pbs。例如，可在所述第一偏振分光镜21的分光面和所述第二偏振分光镜22的分光面上镀设有偏振分光膜以形成镀膜式pbs，或者，在所述第一偏振分光镜21的分光面和所述第二偏振分光镜22的分光面上贴合有金属线栅或者刻蚀有玻璃线栅形成线栅式pbs，具体地，可根据实际需要进行设置。
35.所述四分之一波片30设于所述第二偏振分光镜22的出光侧，且设于所述反射单元40的入光侧，所述四分之一波片30用于将两次经过的p偏振光经过转换为s偏振光。
36.所述反射单元40设于所述四分之一波片30的出光侧；在本实用新型实施例提供的图1所示示例中，所述反射单元40包括至少一个反射透镜，所述反射透镜的面型可为球面或非球面的，其材质可为树脂或玻璃，具体，可根据实际需要进行选择。
37.所述成像单元设于所述第二偏振分光镜22的出光侧；在本实用新型实施例提供的图1和图2所示示例中，所述成像单元包括依次设置在所述第二偏振分光镜22的出光侧的至少一个成像透镜50和光波导60。
38.所述成像透镜50的面型可为球面或非球面的，其材质可为树脂或玻璃，具体地，可根据实际需要进行选择。
39.所述光波导60为几何阵列光波导或光栅光波导中的一种，具体地，可根据实际需要进行选择。例如，当所述光波导60为几何阵列光波导时，几何阵列光波导还可以包括入射棱镜(图未示)，入射棱镜设于所述第二偏振分光镜22的s偏振光的出光方向上；如此，所述第二偏振分光镜22出射的s偏振光能通过入射棱镜耦入到几何阵列光波导中，最后经过几何光波导内部的选择性透过反射膜反射至人眼。又例如，光波导为光栅光波导时，光栅光波导可包括耦入光栅和耦出光栅，耦入光栅设于所述第二偏振分光镜22的s偏振光的出光方向上；如此，耦入光栅可将s偏振光耦入至光栅光波导中，并经过耦出光栅的扩展和耦出，最终能在耦出光栅的工作区域内耦出至人眼。
40.所述照明模组70设于所述第一偏振分光镜21的入光侧，所述照明模组70用于产生照明光。其中，当所述图像源10为透射式图像源时，例如，为上述的液晶显示器lcd时，可以通过调节正确的电压使其输出p偏振光，此时可省略所述照明模组70。当所述图像源10为反射式图像源时，则需要设置所述照明模组70提供照明光线照射在所述图像源10上才能产生图像光束。
41.在本实用新型实施例提供的图1所示示例中，所述照明模组70的出光方向标记为第二方向y，所述照明模组70的出光侧，也即是所述第二方向y上设置有所述第一偏振分光镜21。且有，在图1所示示例中，所述第二方向y垂直于第一方向x，因此，沿所述第二方向y平行的方向还设置有所述成像透镜50和光波导60，需要说明的是，在其他实施例中，所述第一方向x和所述第二方向y也可以是不相互垂直的，例如，在所述第一偏振分光镜21和所述第二偏振分光镜22的侧面(即图1所示视角)为菱形的时候，具体地，所述第一方向x与所述第二方向y之间的设置关系可根据光路上各光学元件的形状导致的光束传播方向的不同进行设置，仅需保证所述照明模组70出射的照明光能够通过所述第一偏振分光镜21反射后进入所述图像源10即可。
42.具体地，请继续参见图1，所述照明模组70包括：照明光源71，用于产生照明光；所述照明光源71可以是发光二极管(light-emitting diode，led)或激光光源等点光源，当所述照明光源71为发光二极管时，其可以是三色或四色的集成发光二极管。且有，请继续参见图1，所述照明光源71为点光源时，所述照明模组70还包括：扩散单元，其设于所述照明光源71的出光侧，用于扩散所述照明光的角度，提高照明的均匀性。具体地，所述扩散单元包括依次设置在所述照明光源71的出光侧的第一扩散片72、第一菲涅尔透镜73、第二菲涅尔透镜74和第二扩散片75，且有，所述第一扩散片72、第一菲涅尔透镜73、第二菲涅尔透镜74和第二扩散片75沿着所述第二方向y设置。在其他的一些实施实施例中，所述扩散单元也可以是由其他的一个或多个扩散器件组成，例如，可以是散射片。具体地，所述照明光源71和所述扩散单元的设置结构和设置位置可根据实际需要进行选择，不需要拘泥于本实用新型实施例及图1的限定。
43.在一些实施例中，当所述图像源10不能直接输出p偏振光或者输出非线偏光时，所述系统还应当包括：偏振片(图未示)，其设于所述图像源10和所述第一偏振分光镜21之间，或者，设于所述第一偏振分光镜21和所述第二偏振分光镜22之间。且有，所述偏振片的方向为s偏振光的方向，其能够过滤所述图像源10出射的光线，将所述图像源10出射的光线转成s偏振光。另一方面，设置的偏振片还可以将所述图像源10出射的光线可能含有的杂散光过滤掉。
44.请继续参见图2，本实用新型实施例提供的近眼显示系统在工作时，以所述图像源10为lcos为例，此时存在所述照明模组70；所述照明光源71以led为例，如图2所示，照明光源71(led)产生的光线依次经过第一扩散片72、第一菲涅尔透镜73、第二菲涅尔透镜74和第二扩散片75后被整形成均匀的光斑，穿过第一偏振分光镜21后将s偏振光反射至图像源10(lcos)上，图像源10(lcos)上携带图像信息的光线以p偏振光形式被反射出，穿过第一偏振分光镜21；此时光线相对于第二偏振分光镜22是p偏振光，p偏振光透过第二偏振分光镜22并通过四分之一波片30进入反射单元(如反射透镜)40，由反射单元(如反射透镜)40反射至四分之一波片30，此时p偏振光经过两次四分之一波片30之后变成s偏振光，s偏振光由第二偏振分光镜22的出射端出射并透过成像透镜50进入到光波导60中，经光波导60作用后，用户的眼睛在光波导60的光线出射处可接收到携带图像源信息的光线，再经过大脑处理后可以看到完整的图像。
45.实施例二
46.本实用新型实施例提供了一种近眼显示设备，请参见图3，其示出了本实用新型实施例提供的一种近眼显示设备的结构，所述近眼显示设备100包括如上述实施例一所示的近眼显示系统101。
47.所述近眼显示系统101(即实施例一所示的近眼显示系统101)相较于传统的近眼显示系统，减少近眼显示系统中的光学元件数目，简化近眼显示系统的结构，从而可减少近眼显示系统的整体体积和重量，可使近眼显示系统更方便的应用于头盔显示等近眼显示设备中。具体地，所述近眼显示系统101的结构和成像原理请参见上述实施例一，此处不再详述。
48.所述近眼显示设备100优选为头戴式的近眼显示设备，例如，可以是搭载有所述近眼显示系统101的眼镜、头盔等，具体地，可根据实际市场需要及应用场景选择所述近眼显示设备100的壳体形状，设置其内部结构。
49.综上，本实用新型实施例中提供了一种近眼显示系统，该系统包括图像源，依次设于所述图像源的出光侧的第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、四分之一波片和反射单元，设于所述第一偏振分光镜的入光侧的照明模组和设于所述第二偏振分光镜的出光侧的成像单元。该近眼显示系统使用的光学器件较少，系统结构简单，设置在近眼显示设备中时体积较小且成本较低。
50.需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
51.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。