本实用新型涉及头戴式显示设备领域，特别是涉及一种用于增强现实的光学系统及头戴式增强现实设备。
背景技术：
增强现实(ar，augmentedreality)将计算机生成的虚拟图像叠加于真实场景之上并投射至人眼，使用户达到虚拟与现实融合的体验，已广泛应用在游戏、零售、教育、工业、医疗等领域。
市面常见的增强现实的光学系统过于复杂，会占用较大的空间。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于提供一种用于增强现实的光学系统，以解决现有技术中的缺点与不足。
本实用新型的一种用于增强现实的光学系统，包括：图像单元、第一光学单元和第二光学单元；
所述图像单元用于发出图像光线至所述第一光学单元；所述第一光学单元用于将所述图像光线部分反射为第一偏振状态的第一图像光束，并将所述第一图像光束透射变换为圆偏振状态或椭圆偏振状态后传播至所述第二光学单元；所述第二光学单元用于反射所述第一图像光束至所述第一光学单元；所述第一光学单元还用于将所述第二光学单元反射的第一图像光束透射变换为第二偏振状态，并将其透射后进入人眼；所述第二光学单元还用于透射环境光线，经所述第二光学单元透射的环境光线传播至所述第一光学单元并被透射后进入人眼。
相对于现有技术，本实用新型的光学系统结构简单，且能够用于头戴式增强现实设备。
在一优选或可选实施例中，所述第一光学单元包括沿图像光线发出方向依次设置的第一四分之一波片和第一偏振分光元件；所述第一偏振分光元件用于反射第一偏振状态的光、透射第二偏振状态的光；
被所述第二光学单元反射的第一图像光束依次经所述第一光学单元的第一四分之一波片和第一偏振分光元件被透射后进入人眼。
在一优选或可选实施例中，还包括第三光学单元；所述第一光学单元还用于将所述图像光线部分透射为第二偏振状态的第二图像光束，并将所述第二图像光束透射变换为圆偏振状态或椭圆偏振状态后传播至所述第三光学单元；所述第三光学单元用于反射所述第二图像光束至所述第一光学单元，所述第一光学单元还用于将所述第三光学单元反射的第二图像光束透射变换为第一偏振状态，并将其反射后再次透射变换为圆偏振状态或椭圆偏振状态，进入人眼；
所述第一光学单元还用于将所述第二光学单元反射的第一图像光束透射变换为第二偏振状态，再将其透射并变换为圆偏振状态或椭圆偏振状态后进入人眼；所述第三光学单元还用于反射干扰光线，经所述第三光学单元反射的干扰光线进入外部环境。
在一优选或可选实施例中，所述一光学单元包括沿图像光线发出方向依次设置的第一四分之一波片、第一偏振分光元件、第二偏振分光元件和第二四分之一波片，所述第一偏振分光元件和第二偏振分光元件均用于反射第一偏振状态的光、透射第二偏振状态的光；所述第三光学单元包括第一半透半反元件；
被所述第二光学单元反射的第一图像光束依次经所述第一四分之一波片、第一偏振分光元件、第二偏振分光元件和第二四分之一波片被透射后进入人眼；
被所述第三光学单元反射的第二图像光束依次经所述第一光学单元的第二四分之一波片被透射，经所述第二偏振分光元件被反射，再次经所述第二四分之一波片被透射，进入人眼。
在一优选或可选实施例中，所述第二光学单元包括沿第一图像光束射入方向依次设置的第二半透半反元件、第三四分之一波片和偏光片；所述偏光片用于吸收第二偏振状态的光、透射第一偏振状态的光；
依次经所述第二光学单元的偏光片、第三四分之一波片和第二半透半反元件透射的环境光线传播至所述第一光学单元。
在一优选或可选实施例中，所述第一光学单元还包括第一透明基板，所述第一四分之一波片、第一偏振分光元件、第一透明基板、第二偏振分光元件和第二四分之一波片依次贴合安装；所述第二光学单元还包括第二透明基板，所述第二半透半反元件、第二透明基板、第三四分之一波片和偏光片依次贴合安装；所述第三光学单元还包括第三透明基板，所述第一半透半反元件和第三透明基板依次贴合安装。
在一优选或可选实施例中，所述图像单元、第一光学单元和第三光学单元沿竖直方向依次设置；所述第一光学单元和第二光学单元沿水平方向依次设置。
在一优选或可选实施例中，所述图像单元包括显示屏和至少一个透镜；所述显示屏用于发出所述图像光线；所述透镜用于对所述图像光线进行整形。
在一优选或可选实施例中，所述透镜的两侧均镀有增透膜。
本实用新型还提供一种头戴式增强现实设备，包括：眼镜架、眼镜腿和如上述任一所述的用于增强现实的光学系统；所述眼镜架两侧分别设置所述眼镜腿，所述眼镜架形成一光学系统容腔，所述用于增强现实的光学系统设置在所述光学系统容腔内。
附图说明
图1为本实用新型一个实施例的用于增强现实的光学系统的结构示意图；
图2为本实用新型另一实施例的用于增强现实的光学系统的结构示意图；
图3为本实用新型又一实施例的用于增强现实的光学系统的结构示意图；
图4为本实用新型图3对应实施例中的第一光学单元的结构示意图；
图5为本实用新型图3对应实施例中的第二光学单元的结构示意图；
图6为本实用新型图3对应实施例中的第三光学单元的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
下面结合附图对本实用新型的各个实施例进行详细说明：
如图1所示，为本实用新型的第一个实施例提供的一种用于增强现实的光学系统，其包括：图像单元10、第一光学单元20、第二光学单元30。
所述图像单元用于发出图像光线至所述第一光学单元，具体地，所述图像单元10包括显示屏11，所述显示屏用于发出所述图像光线，在本实施例中，图像光线均为非偏振光，即自然光。显示屏11主要作用是提供虚拟图像，其包括但不限于集成光源的显示屏或单一显示屏，例如，micro-oled、oled等显示电子元件，这些显示电子元件均可以发出图像光线。优选地，所述图像单元还包括至少一个透镜12，所述透镜用于对所述图像光线进行整形。当存在多个透镜时，可以将多个透镜组成透镜组。透镜的镜面可以是球面、非球面或自由曲面等形式，优选地，透镜的两侧均镀有增透膜，增透膜可提高光学传递效率并减小成像鬼影产生的可能性。
所述第一光学单元用于将所述图像光线部分反射为第一偏振状态的第一图像光束，并将所述第一图像光束透射变换为圆偏振状态或椭圆偏振状态后传播至所述第二光学单元；所述第二光学单元用于反射所述第一图像光束至所述第一光学单元；所述第一光学单元还用于将所述第二光学单元反射的第一图像光束透射变换为第二偏振状态，并将其透射后进入人眼；所述第二光学单元还用于透射环境光线，经所述第二光学单元透射的环境光线传播至所述第一光学单元并被透射后进入人眼。第一图像光束和环境光线均到达人眼，即虚拟图像和真实景物图像均到达人眼，用户可看到叠加的混合图像，从而达到增强现实的效果。图像单元、第一光学单元和第二光学单元可以通过不同的设置来实现上面的功能。
请参阅图1，作为一种实施方式，本实施例所述第一光学单元包括沿图像光线发出方向依次设置的第一四分之一波片21和第一偏振分光元件22，所述第一偏振分光元件用于反射第一偏振状态的光、透射第二偏振状态的光；被所述第二光学单元反射的第一图像光束依次经所述第一光学单元的第一四分之一波片和第一偏振分光元件被透射后进入人眼。需要说明的是，本实施例所述第二光学单元可以为半透半反镜片。第一图像光束经过该半透半反镜片被反射至第一四分之一波片。环境光线可以经过该半透半反镜片透射。环境光线依次经过所述第二光学单元被透射，经过所述第一四分之一波片被透射，经过所述第一偏振分光元件被透射，进入人眼。
图像光线发出方向即图像光线从图像单元至第一光学单元的方向，本实施例的图像光线发出方向也可以理解为竖直向下。优选地，所述第一四分之一波片21和第一偏振分光元件22上下贴合安装，即两者可以制作成一个单独的光学元件，在其他实施方式中，两者也可以为两个独立的光学元件。
第一偏振分光元件可以为反射式偏振分光片，也可以为反射式偏振分光膜，或者是其他实现偏振分光的光学元件，本领域技术人员可根据不同需求来选择其类型。上述偏振分光元件可将完全非偏振光(如自然光)分为两种偏振方向正交的线偏振光，透射一种线偏振光，反射另一种线偏振光。其中，第一偏振状态的光为第一偏振方向的线偏振光，第二偏振状态的光为第二偏振方向的线偏振光，可以定义第一偏振方向为s方向，第二偏振方向为p方向，s方向与p方向正交。因此，第一偏振状态的光也可以称之为s偏振光，第二偏振状态的光同理可以称为p偏振光。
第一四分之一波片能够将线偏振光转换为椭圆偏振光或圆偏振光，或者将椭圆偏振光或圆偏振光转换为线偏振光，其中，所述圆偏振光为所述椭圆偏振光的特殊情形。本领域技术人员应该理解四分之一波片的特性，即：当s偏振光穿过四分之一波片时，会被转换为椭圆偏振光或圆偏振光，而该椭圆偏振光或圆偏振光再次经过四分之一波片时，会被转换为p偏振光；同理，当p偏振光穿过四分之一波片时，会被转换为椭圆偏振光或圆偏振光，而该椭圆偏振光或圆偏振光再次经过四分之一波片时，会被转换为s偏振光。
所述图像光线还可以被所述第一偏振分光元件部分透射为第二偏振状态的第二图像光束，在本实施例中，第二偏振状态的第二图像光束射向外部环境。
为了便于区别，附图中将带有第一偏振状态的光线标记为“●”；将带有第二偏振状态的光线标记为左右方向的箭头
请参阅图1，下面对本实施例提供的一种用于增强现实的光学系统的工作原理进行详细说明：
一方面，图像单元的显示屏发射出图像光线，图像单元的透镜对所述图像光线整形并折射(图像光线传播至第一四分之一波片)；第一四分之一波片将所述图像光线透射(该图像光线传播至第一偏振分光元件)；第一偏振分光元件将图像光线部分反射为第一偏振状态的第一图像光束(此部分图像光线即第一图像光束，其再次传播至第一四分之一波片)、另一部分透射为第二偏振状态的第二图像光束(此部分图像光线即第二图像光束，其传播至外部环境)；第一四分之一波片将所述第一图像光束透射并变换其光线的偏振状态为圆偏振状态或椭圆偏振状态(第一图像光束传播至第二光学单元)；第二光学单元将第一图像光束部分反射(此部分的第一图像光束再次传播至第一四分之一波片)、另一部分透射(此部分的第一图像光束传播至外部环境)；第一四分之一波片将第一图像光束透射并变换其光线的偏振状态为第二偏振状态(第一图像光束传播至第一偏振分光元件)，第一偏振分光元件将第一图像光束透射(第一图像光束传播至人眼)，从而使人眼看到图像单元所显示的虚拟图像。此时进入人眼的第一图像光束，其光线的偏振状态为第二偏振状态。
另一方面，第二光学单元将环境光线部分透射(此部分环境光线传播至第一四分之一波片)、另一部分反射(此部分环境光线传播至外部环境)；第一四分之一波片将环境光线透射(环境光线传播至第一偏振分光元件)，第一偏振分光元件将环境光线部分透射为第二偏振状态的环境光线(此部分环境光传播至人眼)、另一部分反射为第一偏振状态的环境光线(此部分环境光线传播至外部环境)，从而使人眼看到真实景物图像。此时进入人眼的环境光线，其光线的偏振状态为第二偏振状态。本领域技术人员可以设置上述几种光学元件的位置，来实现上述几种光的传播。
基于上述实施例，当虚拟图像和真实景物图像均到达人眼时，用户可看到叠加的混合图像，从而达到增强现实的效果。
图2是本实用新型的另一实施例提供的一种用于增强现实的光学系统的结构示意图，请参阅图2，不难理解的是本实施例相较于图1对应实施例的区别在于所述用于增强现实的光学系统还包括第三光学单元40；所述第一光学单元还用于将所述图像光线部分透射为第二偏振状态的第二图像光束，并将所述第二图像光束透射变换为圆偏振状态或椭圆偏振状态后传播至所述第三光学单元；所述第三光学单元用于反射所述第二图像光束至所述第一光学单元，所述第一光学单元还用于将所述第三光学单元反射的第二图像光束透射变换为第一偏振状态，并将其反射后再次透射变换为圆偏振状态或椭圆偏振状态，进入人眼；所述第一光学单元还用于将所述第二光学单元反射的第一图像光束透射变换为第二偏振状态，再将其透射并变换为圆偏振状态或椭圆偏振状态后进入人眼；所述第三光学单元还用于反射干扰光线，经所述第三光学单元反射的干扰光线进入外部环境。
本实施例中，第一图像光束、第二图像光束和环境光线均到达人眼，即虚拟图像(第一图像光束和第二图像光束)和真实景物图像均到达人眼，用户可看到叠加的混合图像，从而达到增强现实的效果，且相较于图1对应的实施例，本实施例充分利用了第二图像光束，图像光线利用率更高，使得进入人眼的图像光线更多，图像的质量更好，亮度更高。且由于在增强现实的光学系统中，不可避免的会产生干扰光线，干扰光线通常会从第一光学单元背向所述图像光源的一方射入，并且通过第一光学单元的反射进入人眼，因此，本实施例所述第三光学单元还位于干扰光线入射的光路上，并可反射干扰光线。即第三光学单元不仅可将第二图像光束的反射，还可反射干扰光线。图像单元、第一光学单元、第二光学单元和第三光学单元可以通过不同的设置来实现上面的功能。
请参阅图2，作为一种实施方式，本实施例所述第一光学单元20包括沿图像光线发出方向依次设置的第一四分之一波片21、第一偏振分光元件22、第二偏振分光元件23和第二四分之一波片24，所述第一偏振分光元件和第二偏振分光元件均用于反射第一偏振状态的光、透射第二偏振状态的光；所述第三光学单元40包括第一半透半反元件41；被所述第二光学单元反射的第一图像光束依次经所述第一四分之一波片、第一偏振分光元件、第二偏振分光元件和第二四分之一波片被透射后进入人眼；被所述第三光学单元反射的第二图像光束依次经所述第一光学单元的第二四分之一波片被透射，经所述第二偏振分光元件被反射，再次经所述第二四分之一波片被透射，进入人眼。
相对于图1对应的实施例，本实施例的第一光学单元20还包括第二偏振分光元件23和第二四分之一波片24，光学系统还包括第三光学单元40，所述第三光学单元40包括第一半透半反元件41。其中，所述第二偏振分光元件23的特性与第一偏振分光元件相同，第二四分之一波片24的特性也与第一四分之一波片相同，在此不再赘述。所述第一半透半反元件可以为半透半反膜，也可以是半透半反镜片，本领域技术人员可需根据不同需求来选择其类型。在本实施例中，所述第一半透半反元件为半透半反膜，其透反比的范围可配置为0：10至8：2，本领域技术人员可根据入眼光亮度及图像对比度设置，优选地，其透反比为0：10，实现最大的光能利用率。
相对于图1对应的实施例，由于第一光学单元还包括第二偏振分光元件和第二四分之一波片，因此第一图像光束的传播路径还需要经过上述光学元件。且本实施例环境光线依次经过所述第二光学单元被透射，经过所述第一四分之一波片被透射，经过所述第一偏振分光元件被透射，经过所述第二偏振分光元件被透射，经过所述第二四分之一波片被透射，进入人眼。
优选地，本实施例所述图像单元、第一光学单元和第三光学单元沿竖直方向依次设置；所述第一光学单元和第二光学单元沿水平方向依次设置。
下面对图2对应的实施例提供的一种用于增强现实的光学系统的工作原理进行详细说明：
一方面，图像单元的显示屏发射出图像光线，图像单元的透镜对所述图像光线整形并折射(图像光线传播至第一四分之一波片)；第一四分之一波片将所述图像光线透射(该图像光线传播至第一偏振分光元件)；第一偏振分光元件将图像光线部分反射为第一偏振状态的第一图像光束(此部分图像光线即第一图像光束，再次传播至第一四分之一波片)、另一部分透射为第二偏振状态的第二图像光束(此部分图像光线即第二图像光束，传播至第二偏振分光元件)；
第一图像光束(此时偏振状态为第一偏振状态)部分：第一四分之一波片将所述第一图像光束透射并变换其光线的偏振状态为圆偏振状态或椭圆偏振状态(第一图像光束传播至第二光学单元)；第二光学单元将第一图像光束部分反射(此部分的第一图像光束再次传播至第一四分之一波片)、另一部分透射(此部分的第一图像光束传播至外部环境)；第一四分之一波片将第一图像光束透射并变换其光线的偏振状态为第二偏振状态(第一图像光束传播至第一偏振分光元件)，第一偏振分光元件将第一图像光束透射(第一图像光束传播至第二偏振分光元件)；第二偏振分光元件将第一图像光束透射(第一图像光束传播至第二四分之一波片)；第二四分之一波片将第一图像光束透射并变换其光线的偏振状态为圆偏振状态或椭圆偏振状态(第一图像光束传播至人眼)，从而使人眼看到图像单元所显示的虚拟图像。此时进入人眼的第一图像光束，其光线的偏振状态为圆偏振状态或椭圆偏振状态。
第二图像光束(此时偏振状态为第二偏振状态)部分：第二偏振分光元件将所述第二图像光束透射(第二图像光束传播至第二四分之一波片)；第二四分之一波片将第二图像光束透射并变换其光线的偏振状态为圆偏振状态或椭圆偏振状态(第二图像光束传播至第一半透半反元件)；第一半透半反元件将第二图像光束反射(第二图像光束再次传播至第二四分之一波片)；第二四分之一波片将第二图像光束透射并变换其光线的偏振状态为第一偏振状态(第二图像光束传播至第二偏振分光元件)；第二偏振分光元件将第二图像光束反射(第二图像光束再次传播至第二四分之一波片)；第二四分之一波片将第二图像光束透射并变换其光线的偏振状态为圆偏振状态或椭圆偏振状态(第二图像光束传播至人眼)，从而使人眼看到图像单元所显示的虚拟图像。此时进入人眼的第二图像光束，其光线的偏振状态为圆偏振状态或椭圆偏振状态。
另一方面，第二光学单元将环境光线部分透射(此部分环境光线传播至第一四分之一波片)、另一部分反射(此部分环境光线传播至外部环境)；第一四分之一波片将环境光线透射(环境光线传播至第一偏振分光元件)，第一偏振分光元件将环境光线部分透射为第二偏振状态的环境光线(此部分环境光传播至第二偏振分光元件)、另一部分反射为第一偏振状态的环境光线(此部分环境光线传播至外部环境)；第二偏振分光元件将环境光线透射(环境光传播至第二四分之一波片)；第二四分之一波片将环境光线透射并变换其光线的偏振状态为圆偏振状态或椭圆偏振状态(环境光传播至人眼)，从而使人眼看到真实景物图像。此时进入人眼的环境光线，其光线的偏振状态为圆偏振状态或椭圆偏振状态。
基于上述实施例，当虚拟图像和真实景物图像均到达人眼时，用户可看到叠加的混合图像，从而达到增强现实的效果。且本实施例中，到达人眼的虚拟图像包括了第一图像光束和第二图像光束，相对于图1对应的实施例，本实施例的提高整个光学系统的光能利用率，减小成像图像光束的像差，且本实施例设置的第三光学单元，还可用于反射干扰光线，防止干扰光线进入人眼。
图3是本实用新型的又一实施例提供的一种用于增强现实的光学系统的结构示意图，请参阅图3，本实施例相对于图2对应的实施例区别主要在于：所述第二光学单元包括沿第一图像光束射入方向依次设置的第二半透半反元件31、第三四分之一波片32和偏光片33；所述偏光片33用于吸收第二偏振状态的光、透射第一偏振状态的光。依次经所述第二光学单元的偏光片、第三四分之一波片和第二半透半反元件透射的环境光线传播至所述第一光学单元。
所述第二半透半反元件31可以为半透半反膜，也可以是半透半反镜片，本领域技术人员可需根据不同需求来选择其类型。在本实施例中，所述第二半透半反元件为半透半反膜，其透反比的范围可配置为2：8至8：2，本领域技术人员可根据入眼光亮度及图像对比度设置。
第三四分之一波片32的特性也与第一四分之一波片相同，在此不做赘述。
不难理解的是，为实现偏光片不透射一部分光的目的，本领域技术人员可基于实际所需及市面上可能出现的偏光片33特性，来配置所述偏光片，如配置所述偏光片可反射第一偏振状态的光，又如，配置所述偏光片可吸收所述第二偏振态的光、透射第一偏振状态的光，在本实施例中，偏光片被配置为如后者的特性。
如图1对应的实施例和图2对应的实施例中的技术方案，第一图像光束经过第二光学单元时，会有一部分光传播至外部环境，此部分的第一图像光束会被使用户所显示的信息直接暴露于外界环境，不利于隐私保护，因此在本实施例中，通过设置第三四分之一波片和偏光片来使透射经过第二半透半反元件的第一图像光束被吸收，以此来防止图像信息直接暴露于外界环境。
本实用新型中的第一光学单元、第二光学单元和第三光学单元，三者所包括的光学元件均可以是独立设置的，也可以是相互贴合安装的。请参阅图4-6，在本实施例中，所述第一光学单元20还包括第一透明基板25，所述第一四分之一波片21、第一偏振分光元件22、第一透明基板25、第二偏振分光元件23和第二四分之一波片24依次贴合安装；所述第二光学单元30还包括第二透明基板34，所述第二半透半反元件31、第二透明基板34、第三四分之一波片32和偏光片33依次贴合安装；所述第三光学单元还包括第三透明基板42，所述第一半透半反元件41和第三透明基板42依次贴合安装。贴合安装的第一光学单元、第二光学单元和第三光学单元，三者镜面均可以是球面或非球面或自由曲面。透明基板是为了提供一种光学元件的方式，在其他实施例中，也可以使用其他方式安装光学元件其中，上述透明基板并不影响光线的传播，因此，下面工作原理不涉及对透明基板的说明。
下面对本实施例提供的一种用于增强现实的光学系统的工作原理进行详细说明：
一方面，图像单元的显示屏发射出图像光线，图像单元的透镜对所述图像光线整形并折射(图像光线传播至第一四分之一波片)；第一四分之一波片将所述图像光线透射(该图像光线传播至第一偏振分光元件)；第一偏振分光元件将图像光线部分反射为第一偏振状态的第一图像光束(此部分图像光线即第一图像光束，再次传播至第一四分之一波片)、另一部分透射为第二偏振状态的第二图像光束(此部分图像光线即第二图像光束，传播至第二偏振分光元件)；
第一图像光束(此时偏振状态为第一偏振状态)部分：第一四分之一波片将所述第一图像光束透射并变换其光线的偏振状态为圆偏振状态或椭圆偏振状态(第一图像光束传播至第二半透半反元件)；第二半透半反元件将第一图像光束部分反射(此部分的第一图像光束定义为a，a再次传播至第一四分之一波片)、另一部分透射(此部分的第一图像光束定义为b，b传播至第三四分之一波片)；
a部分：第一四分之一波片将的第一图像光束透射并变换其光线的偏振状态为第二偏振状态(第一图像光束传播至第一偏振分光元件)，第一偏振分光元件将第一图像光束透射(第一图像光束传播至第二偏振分光元件)；第二偏振分光元件将第一图像光束透射(第一图像光束传播至第二四分之一波片)；第二四分之一波片将第一图像光束透射并变换其光线的偏振状态为圆偏振状态或椭圆偏振状态(第一图像光束传播至人眼)，从而使人眼看到图像单元所显示的虚拟图像。此时进入人眼的第一图像光束，其光线的偏振状态为圆偏振状态或椭圆偏振状态。
b部分：第三四分之一波片将的第一图像光束透射并变换其光线的偏振状态为第二偏振状态(第一图像光束传播至偏光片)，偏光片将第一图像光束吸收，此时被偏光片吸收的第一图像光束，其光线的偏振状态为第二偏振状态。
第二图像光束(此时偏振状态为第二偏振状态)部分：此部分与实施例2相同，故不做赘述。
另一方面，偏光片将环境光线部分透射为第一偏振状态的第一环境光束(此部分环境光线传播至第三四分之一波片)、另一部分反射或吸收(此部分环境光线传播至外部环境)；第三四分之一波片将第一环境光束透射并变换其光线的偏振状态为圆偏振状态或椭圆偏振状态(第一环境光束传播至第二半透半反元件)，第二半透半反元件将第一环境光束部分透射(此部分第一环境光束传播至第一四分之一波片)、另一部分反射(此部分环境光线传播经过第三四分之一波片并被偏光片吸收)；第一四分之一波片将第一环境光束透射并变换其光线的偏振状态为第二偏振状态(第一环境光束传播至第一偏振分光元件)；第一偏振分光元件将第一环境光束透射(第一环境光束传播至第二偏振分光元件)；第二偏振分光元件将第一环境光束透射(第一环境光束传播至第二四分之一波片)；第二四分之一波片将第一环境光束透射并变换其光线的偏振状态为圆偏振状态或椭圆偏振状态(第一环境光束传播至人眼)；从而使人眼看到真实景物图像。此时进入人眼的环境光线，其光线的偏振状态为圆偏振状态或椭圆偏振状态。
基于上述实施例，当虚拟图像和真实景物图像均到达人眼时，用户可看到叠加的混合图像，从而达到增强现实的效果。且本实施例中，第一图像光束b部分不会透射至外部，而是直接被第二光学单元吸收，相对于图2对应的实施例，本实施例还能防止图像信息直接暴露于外界环境，保证了光学系统的隐私性。
本实施例的优点在于：
1、采用了第三光学单元，将向下透射到环境中的图像光线光反射利用，可提高整个光学系统的光能利用率；同时防止向上干扰光线通过第一光学单元反射至人眼对成像产生干扰的问题；
2、提出了整体偏振解决方案，解决了水平方向图像光泄露问题，保护了使用者的隐私。
本实用新型还提供一种头戴式增强现实设备，其包括：眼镜架、眼镜腿和如上述任一实施例中所述的用于增强现实的光学系统；所述眼镜架两侧分别设置所述眼镜腿，所述眼镜架形成一光学系统容腔，所述用于增强现实的光学系统设置在所述光学系统容腔内。光学系统安装于光学系统容腔内，为本领域技术人员常用的技术，因此不作赘述。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于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。
1.一种用于增强现实的光学系统，其特征在于，包括：图像单元、第一光学单元和第二光学单元；
所述图像单元用于发出图像光线至所述第一光学单元；所述第一光学单元用于将所述图像光线部分反射为第一偏振状态的第一图像光束，并将所述第一图像光束透射变换为圆偏振状态或椭圆偏振状态后传播至所述第二光学单元；所述第二光学单元用于反射所述第一图像光束至所述第一光学单元；所述第一光学单元还用于将所述第二光学单元反射的第一图像光束透射变换为第二偏振状态，并将其透射后进入人眼；所述第二光学单元还用于透射环境光线，经所述第二光学单元透射的环境光线传播至所述第一光学单元并被透射后进入人眼。
2.根据权利要求1所述的用于增强现实的光学系统，其特征在于：所述第一光学单元包括沿图像光线发出方向依次设置的第一四分之一波片和第一偏振分光元件；所述第一偏振分光元件用于反射第一偏振状态的光、透射第二偏振状态的光；
被所述第二光学单元反射的第一图像光束依次经所述第一光学单元的第一四分之一波片和第一偏振分光元件被透射后进入人眼。
3.根据权利要求1所述的用于增强现实的光学系统，其特征在于：还包括第三光学单元；所述第一光学单元还用于将所述图像光线部分透射为第二偏振状态的第二图像光束，并将所述第二图像光束透射变换为圆偏振状态或椭圆偏振状态后传播至所述第三光学单元；所述第三光学单元用于反射所述第二图像光束至所述第一光学单元，所述第一光学单元还用于将所述第三光学单元反射的第二图像光束透射变换为第一偏振状态，并将其反射后再次透射变换为圆偏振状态或椭圆偏振状态，进入人眼；
所述第一光学单元还用于将所述第二光学单元反射的第一图像光束透射变换为第二偏振状态，再将其透射并变换为圆偏振状态或椭圆偏振状态后进入人眼；所述第三光学单元还用于反射干扰光线，经所述第三光学单元反射的干扰光线进入外部环境。
4.根据权利要求3所述的用于增强现实的光学系统，其特征在于：所述一光学单元包括沿图像光线发出方向依次设置的第一四分之一波片、第一偏振分光元件、第二偏振分光元件和第二四分之一波片，所述第一偏振分光元件和第二偏振分光元件均用于反射第一偏振状态的光、透射第二偏振状态的光；所述第三光学单元包括第一半透半反元件；
被所述第二光学单元反射的第一图像光束依次经所述第一四分之一波片、第一偏振分光元件、第二偏振分光元件和第二四分之一波片被透射后进入人眼；
被所述第三光学单元反射的第二图像光束依次经所述第一光学单元的第二四分之一波片被透射，经所述第二偏振分光元件被反射，再次经所述第二四分之一波片被透射，进入人眼。
5.根据权利要求4所述的用于增强现实的光学系统，其特征在于：所述第二光学单元包括沿第一图像光束射入方向依次设置的第二半透半反元件、第三四分之一波片和偏光片；所述偏光片用于吸收第二偏振状态的光、透射第一偏振状态的光；
依次经所述第二光学单元的偏光片、第三四分之一波片和第二半透半反元件透射的环境光线传播至所述第一光学单元。
6.根据权利要求5所述的用于增强现实的光学系统，其特征在于：所述第一光学单元还包括第一透明基板，所述第一四分之一波片、第一偏振分光元件、第一透明基板、第二偏振分光元件和第二四分之一波片依次贴合安装；所述第二光学单元还包括第二透明基板，所述第二半透半反元件、第二透明基板、第三四分之一波片和偏光片依次贴合安装；所述第三光学单元还包括第三透明基板，所述第一半透半反元件和第三透明基板依次贴合安装。
7.根据权利要求3-6任一项所述的用于增强现实的光学系统，其特征在于：所述图像单元、第一光学单元和第三光学单元沿竖直方向依次设置；所述第一光学单元和第二光学单元沿水平方向依次设置。
8.根据权利要求1-6任一项所述的用于增强现实的光学系统，其特征在于：所述图像单元包括显示屏和至少一个透镜；所述显示屏用于发出所述图像光线；所述透镜用于对所述图像光线进行整形。
9.根据权利要求8所述的用于增强现实的光学系统，其特征在于：所述透镜的两侧均镀有增透膜。
10.一种头戴式增强现实设备，其特征在于，包括：眼镜架、眼镜腿和如权利要求1-9任一项中所述的用于增强现实的光学系统；所述眼镜架两侧分别设置所述眼镜腿，所述眼镜架形成一光学系统容腔，所述用于增强现实的光学系统设置在所述光学系统容腔内。
技术总结