一种显示系统和近眼显示设备的制作方法

1.本实用新型实施例涉及光学技术领域，特别涉及一种显示系统和近眼显示设备。


背景技术：

2.增强现实是将虚拟信息和真实世界相融合的技术，其中近眼显示系统设计是增强现实技术中的关键环节。
3.随着人们对于近眼显示系统的学习和认识，近眼显示系统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。
4.然而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且质量较重。


技术实现要素：

5.本实用新型实施例主要解决的技术问题是提供一种显示系统和近眼显示设备，系统简单、体积且重量较小。
6.第一方面，本实用新型实施方式采用的一个技术方案是：提供一种显示系统，包括：照明单元、偏振分光棱镜、反射式显示单元、四分之一波片和反射透镜；所述偏振分光棱镜的第一侧设于所述照明单元的出光方向上，所述反射式显示单元邻近所述偏振分光棱镜的第二侧设置，所述四分之一波片的第一面邻近所述偏振分光棱镜的第三侧设置，所述反射透镜的透射面邻近所述四分之一波片的第二面设置；其中，所述照明单元用于提供照明光线，所述偏振分光棱镜用于将所述照明光线反射至所述反射式显示单元、并将所述反射式显示单元产生的图像光线透射至所述反射透镜、以及将所述反射透镜的反射面反射的所述图像光线反射至所述偏振分光棱镜的第四侧出射。
7.在一些实施例中，所述照明单元包括光源、匀光扩散模块和偏振片；所述匀光扩散模块和所述偏振片依次设于所述光源和所述偏振分光棱镜的第一侧之间。
8.在一些实施例中，所述匀光扩散模块包括透镜、微阵列透镜、反光杯、导光管、菲涅尔透镜、扩散片和散射片中的至少一种。
9.在一些实施例中，所述显示系统还包括成像单元；所述成像单元邻近所述偏振分光棱镜的第四侧设置，所述成像单元用于对所述图像光线进行整形。
10.在一些实施例中，所述成像单元包括至少一个整形透镜。
11.在一些实施例中，所述偏振分光棱镜为镀膜式偏振分光棱镜或线栅式偏振分光棱镜。
12.在一些实施例中，所述反射透镜为球面透镜或非球面透镜。
13.在一些实施例中，所述反射式显示单元为lcos或dmd。
14.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：光波导、以及如第一方面任意一项所述的显示系统；所述光波导设于所述显示系统的出光方向上。
15.在一些实施例中，所述光波导为几何阵列光波导或光栅光波导。
16.本实用新型实施方式的有益效果是：区别于现有技术的情况，本实用新型实施例提供一种显示系统及近眼显示设备，包括：照明单元、偏振分光棱镜、反射式显示单元、四分之一波片和反射透镜。偏振分光棱镜的第一侧设于照明单元的出光方向上，反射式显示单元邻近偏振分光棱镜的第二侧设置，四分之一波片的第一面邻近偏振分光棱镜的第三侧设置，反射透镜的透射面邻近四分之一波片的第二面设置。照明单元用于提供照明光线，偏振分光棱镜用于将照明光线反射至反射式显示单元、并将反射式显示单元产生的图像光线透射至反射透镜、以及将反射透镜的反射面反射的图像光线反射至偏振分光棱镜的第四侧出射。在该显示系统中，照明光线和成像光线共用一个偏振分光棱镜，系统简单、体积且重量较小。
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/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，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提供的一种显示系统的结构示意图；
19.图2是图1的光路示意图；
20.图3是本实用新型实施例提供的另一种显示系统的结构示意图；
21.图4是图3的光路示意图；
22.图5是本实用新型实施例提供的显示系统的调制传递函数(modulation transfer function，mtf)曲线示意图；
23.图6是本实用新型实施例提供的显示系统的全视场的点列图；
24.图7是本实用新型实施例提供的显示系统的全视场全波段的场曲与畸变图。
具体实施方式
25.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。
26.为了便于理解本技术，下面结合附图和具体实施例，对本技术进行更详细的说明。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技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本技术。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。
27.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。
28.第一方面，本实用新型实施例提供一种显示系统，请参阅图1，该显示系统包括：照
明单元10、偏振分光棱镜20、反射式显示单元30、四分之一波片40和反射透镜50。
29.其中，偏振分光棱镜20的第一侧设于照明单元10的出光方向上，反射式显示单元30邻近偏振分光棱镜20的第二侧设置，四分之一波片40的第一面邻近偏振分光棱镜20的第三侧设置，反射透镜50的透射面邻近四分之一波片40的第二面设置。照明单元10用于提供照明光线，偏振分光棱镜20用于将照明光线反射至反射式显示单元30、并将反射式显示单元30产生的图像光线透射至反射透镜50、以及将反射透镜50的反射面反射的图像光线反射至偏振分光棱镜20的第四侧出射。
30.在该显示系统中，请参阅图2，首先，照明单元10发出照明光线；然后，照明光线通过偏振分光棱镜20的第一侧入射至偏振分光棱镜20、被偏振分光棱镜20反射至偏振分光棱镜20的第二侧出射至反射式显示单元30；接着，反射式显示单元30接收照明光线后，产生带有图像信息的图像光线，该图像光线通过偏振分光棱镜20的第二侧入射至偏振分光棱镜20、被偏振分光棱镜20透射至偏振分光棱镜20的第三侧出射；再接着，该图像光线经过四分之一波片40、反射透镜50的透射面后到达反射透镜50的反射面，被反射透镜50的反射面反射后，再经过反射透镜50的透射面、四分之一波片40和偏振分光棱镜20的第三侧入射至偏振分光棱镜20；最后，该图像光线被偏振分光棱镜20反射至偏振分光棱镜20的第四侧出射。
31.可见，在该显示系统中，照明光线和成像光线共用一个偏振分光棱镜，实现了照明和转折成像的目的，减少了偏振分光棱镜的数量，系统简单，减少了系统的整体体积，降低重量及成本，有利于后续实际生产。
32.在其中一些实施例中，请参阅图3，照明单元包括光源11、匀光扩散模块12和偏振片13；匀光扩散模块12和偏振片13依次设于光源11和偏振分光棱镜20的第一侧之间。在该显示系统中，光源11发出非偏振态的照明光线后，匀光扩散模块12可对照明光线进行匀光扩散，增大照明光线的照明面积，提高照明光线的均匀性；并且，照明光线经过偏振片13后，照明光线的偏振态可变为第一偏振态入射到偏振分光棱镜20。具体的，光源可以为led光源，三色集成光源或四色集成光源。
33.在其中一些实施例中，匀光扩散模块包括透镜、微阵列透镜、反光杯、导光管、菲涅尔透镜、扩散片和散射片中的至少一种。其中，匀光扩散模块中的透镜可以包括球面透镜、非球面透镜和胶合透镜中的至少一种；微阵列透镜可以为复眼透镜或柱面阵列透镜。请继续参阅图2，该匀光扩散模块12包括导光管121、扩散片122和菲涅尔透镜123。实际应用中，匀光扩散模块所使用的器件可根据实际需要进行设置，在此不需拘泥于本实施例中的限定。
34.在其中一些实施例中，请参阅图3，显示系统还包括成像单元60；该成像单元60邻近所述偏振分光棱镜20的第四侧设置，成像单元60用于对所述图像光线进行整形，并将整形后的图像光线出射至后续的光学元件中。具体的，在一些实施例中，成像单元60包括至少一个整形透镜。整形透镜可以包括球面透镜、非球面透镜、胶合透镜和自由曲面透镜中的至少一种，实际应用中，整形透镜的材料、曲率和形状均可自由设置，在此不做限定。
35.在其中一些实施例中，偏振分光棱镜为镀膜式偏振分光棱镜或线栅式偏振分光棱镜。具体的，偏振分光棱镜由两个对称的三角棱镜组成，例如由两个对称的直角棱镜组成，然后，组成后在偏振分光棱镜内部有一分光面，可在偏振分光棱镜的分光面上镀设有偏振分光膜，或者，在偏振分光棱镜的分光面上贴合有金属线栅或者刻蚀有玻璃线栅，从而使该
分光面能透射p偏振态的光线、以及反射s偏振态的光线。
36.在其中一些实施例中，反射透镜为球面透镜或非球面透镜。具体的，请参阅图3，该反射透镜50的透射面为平面，反射面为球面或非球面，通过设计反射透镜的反射面的曲率，可以对图像光线进行整形，可以进一步减少显示系统所需的整形透镜的数量。
37.在其中一些实施例中，所述反射式显示单元为硅基液晶(liquid crystal on silicon，lcos)、数字微镜器件(digital micromirror device，dmd)、或者是其他一切可以用于接收照明光线后输出图像光线的反射式像源芯片。该图像光线带有图像信息、可用于成像。
38.下面结合图3所示的实施例详细阐述本实用新型实施例提供的显示系统的工作过程。在图3所示的实施例中，光源为led光源11；反射式显示单元为lcos30；偏振片13与偏振分光棱镜20的第一侧贴合设置；四分之一波片40的第一面与偏振分光棱镜20的第三侧贴合设置；反射透镜50的透射面为平面，反射面为球面，且反射透镜50的透射面与四分之一波片40的第二面贴合设置；成像透镜60为胶合透镜，入射面为平面，胶合面为球面，出射面也为球面。
39.请参阅图4，在该显示系统中，首先，led光源11发出的照明光线为非偏振光，该照明光线经过导光管121、扩散片122和菲涅尔透镜123的匀光扩散后，再经过偏振片13，该偏振片13吸收p偏振态的照明光线，透射s偏振态的照明光线至偏振分光棱镜20的第一侧；然后，该s偏振态的照明光线被偏振分光棱镜20反射至偏振分光棱镜20的第二侧出射，并到达lcos30；接着，lcos30接收s偏振态的照明光线后，产生带有图像信息的p偏振态的图像光线，该p偏振态的图像光线通过偏振分光棱镜20的第二侧入射至偏振分光棱镜20、被偏振分光棱镜20透射至偏振分光棱镜20的第三侧出射；再接着，该p偏振态的图像光线经过四分之一波片40、反射透镜50的透射面后到达反射透镜50的反射面，被反射透镜50的反射面反射后，再经过反射透镜50的透射面、四分之一波片40和偏振分光棱镜20的第三侧入射至偏振分光棱镜20，此时，由于两次经过四分之一波片40，图像光线的偏振态由p偏振态变为s偏振态；最后，该s偏振态的图像光线被偏振分光棱镜20反射至偏振分光棱镜20的第四侧、到达成像透镜的入射面，并经过成像透镜的整形后变成平行光出射。
40.下面请参阅图5-图7，为图3所示的显示系统在全视场全波段的成像质量图。图5是本实用新型实施例提供的显示系统的mtf曲线示意图，如图所示，显示系统在全视场范围内成像mtf＞0.2@100lp/mm。图6是本实用新型实施例提供的显示系统的全视场的点列图，如图所示，100％视场的均方根(root mean square，rms)＜10μm，中心视场rms＜5μm。图7是本实用新型实施例提供的显示系统的全视场全波段的场曲与畸变图，其中，左边的是场曲图，右边是畸变图，如图所示，显示系统的场曲控制在20μm内，光学畸变小于4％。
41.综上，本实用新型实施例提供的显示系统中的反射透镜和成像透镜均为球面透镜，成本较低，利于加工，并且全视场角能达到28
°
；同时，在未使用非球面透镜的情况下，只使用单个偏振分光棱镜，系统简单，整体体积较小，重量及成本较低；并且该显示系统可达到高清晰度、高分辨率、畸变小、场曲小、像差低，成像效果好。
42.第二方面，本实用新型实施例还提供一种近眼显示设备，该近眼显示设备包括：光波导、以及如上述第一方面任意一项所述的显示系统；其中，光波导设于显示系统的出光方向上。具体的，光波导设于偏振分光棱镜的第四侧。
43.在该近眼显示设备中，照明单元发出照明光线通过偏振分光棱镜的第一侧入射至偏振分光棱镜、被偏振分光棱镜反射至偏振分光棱镜的第二侧出射至反射式显示单元；接着，反射式显示单元接收照明光线后，产生带有图像信息的图像光线，该图像光线通过偏振分光棱镜的第二侧入射至偏振分光棱镜、被偏振分光棱镜透射至偏振分光棱镜的第三侧出射；再接着，该图像光线经过四分之一波片、反射透镜的透射面后到达反射透镜的反射面，被反射透镜的反射面反射后，再经过反射透镜的透射面、四分之一波片和偏振分光棱镜的第三侧入射至偏振分光棱镜；最后，该图像光线被偏振分光棱镜反射至偏振分光棱镜的第四侧出射，然后进入光波导中，再进入到用户人眼，从而实现增强现实显示。在该近眼显示设备中，照明光线和成像光线共用一个偏振分光棱镜，实现了照明和转折成像的目的，减少了偏振分光棱镜的数量，系统简单，系统的整体体积较小，重量及成本较低，且有利于后续实际生产和设计。
44.在一些实施例中，光波导为几何阵列光波导。几何阵列光波导包括入射棱镜，入射棱镜设于显示系统的出光方向上，此时，显示系统出射的图像光线能通过入射棱镜耦入到几何阵列光波导中，最后经过光波导内部的选择性透过反射膜反射至人眼。
45.在另一些实施例中，光波导为光栅光波导。光栅光波导包括耦入光栅和耦出光栅，耦入光栅设于显示系统的出光方向上，此时，呕吐光栅可将图像光线耦入至光波导中，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。
46.本实用新型实施例提供一种显示系统及近眼显示设备，包括：照明单元、偏振分光棱镜、反射式显示单元、四分之一波片和反射透镜。偏振分光棱镜的第一侧设于照明单元的出光方向上，反射式显示单元邻近偏振分光棱镜的第二侧设置，四分之一波片的第一面邻近偏振分光棱镜的第三侧设置，反射透镜的透射面邻近四分之一波片的第二面设置。照明单元用于提供照明光线，偏振分光棱镜用于将照明光线反射至反射式显示单元、并将反射式显示单元产生的图像光线透射至反射透镜、以及将反射透镜的反射面反射的图像光线反射至偏振分光棱镜的第四侧出射。在该显示系统中，照明光线和成像光线共用一个偏振分光棱镜，系统简单、体积且重量较小。
47.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。
48.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。