[实用新型]一种基于自由曲面棱镜的光学系统及显示装置

权利要求书

1.一种基于自由曲面棱镜的光学系统，其特征在于：包括沿光路依次设置的背光模组、分光单元、硅基液晶显示器以及自由曲面棱镜；

所述背光模组用于产生光线；

所述分光单元用于反射具有第一偏振态的光线，且透射具有第二偏振态的光线；

所述硅基液晶显示器用于反射光线且改变光线的偏振态；

所述背光模组产生的光线传播至所述分光单元，所述分光单元将具有第一偏振态的光线反射至所述硅基液晶显示器，所述硅基液晶显示器改变光线的偏振态并将光线反射至所述分光单元，所述分光单元将来自所述硅基液晶显示器的光线透射至所述自由曲面棱镜，光线经过所述自由曲面棱镜后出射。

2.如权利要求1所述的基于自由曲面棱镜的光学系统，其特征在于：所述自由曲面棱镜设有第一曲面、第二曲面以及第三曲面；

所述第三曲面供光线入射；

所述第一曲面将从所述第三曲面入射的光线反射至所述第二曲面，且将来自所述第二曲面的光线出射；

所述第二曲面将来自所述第一曲面的光线反射回所述第一曲面。

3.如权利要求2所述的基于自由曲面棱镜的光学系统，其特征在于：所述第一曲面、所述第二曲面或所述第三曲面的面型方程为：

其中c_x是曲面在X-Z平面内X方向的曲率半径，c_y是曲面在Y-Z平面内Y方向的曲率半径，k_x是曲面X方向的二次曲线系数，k_y是曲面Y方向的二次曲线系数，A_i是4,6,8,10，…2n阶非球面系数，关于Z轴对称，P_i是4,6,8,10，…2n阶非旋转对称系数，n为预先设定的正整数；

或者，

所述第一曲面、所述第二曲面或所述第三曲面的面型方程为：

其中，Z为沿Z方向的矢高，c为曲率，r是以自由曲面镜片的长度单位为单位的径向坐标，且满足x²+y²＝r²，r的坐标为沿X轴方向、Y轴方向创建的直角坐标系重的坐标值，k为圆锥系数，为Zernike多项式，A_i为多项式系数，其展开为：

其中，Zernike多项式项数为

或者，

所述第一曲面、所述第二曲面或所述第三曲面的面型方程为：

其中c为曲率半径，k为二次曲面系数，A,B,C,D分别为4,6,8,10阶非球面系数。

4.如权利要求2所述的基于自由曲面棱镜的光学系统，其特征在于：

所述硅基液晶显示器靠近所述背光模组的端部为第一端部，经所述第一端部反射的光线依次与所述分光单元、所述第三曲面、所述第一曲面、所述第二曲面以及所述第一曲面的交点分别为第一交点、第二交点、第三交点、第四交点以及第五交点；

所述硅基液晶显示器远离所述背光模组的端部为第二端部，经所述第二端部反射的光线依次与所述分光单元、所述第三曲面、所述第一曲面、所述第二曲面以及所述第一曲面的交点分别为第六交点、第七交点、第八交点、第九交点以及第十交点；

所述第七交点和所述第八交点所在直线与所述第八交点处的法线之间的夹角大于arcsin(1/n)，其中n为所述自由曲面棱镜的折射率；

竖直方向为Y方向，且在Y方向上，从所述第一端部向所述第二端部的方向为Y正方向；

水平方向为Z方向，且Z在方向上，从所述第二端部向所述第一端部的方向为Z正方向。

5.如权利要求4所述的基于自由曲面棱镜的光学系统，其特征在于：所述第四交点和所述第五交点满足：

0.5≤Z4-Z5≤2，单位为毫米；

Y4-Y5＜0，单位为毫米；

其中Y4为第四交点的Y轴坐标，Z4为第四交点的Z轴坐标；

Y5为第五交点的Y轴坐标，Z5为第五交点的Z轴坐标。