CN110716314A - 一种轻薄型光学模组及vr设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种轻薄型光学模组及VR设备，该光学模组包括依序设置的透镜单元、第一偏振件以及设于所述第一偏振件与所述透镜单元之间的第一相位延迟件；从所述透镜单元一侧入射的光线在所述透镜单元、所述第一相位延迟件和所述第一偏振件之间发生折返，最终从所述第一偏振件射出至人眼；所述入射的光线为圆偏振光或椭圆偏振光；所述光学模组还包括：设于所述第一偏振件与所述第一相位延迟件之间、用于矫正相位的相位补偿单元；或者，所述第一相位延迟件的公差ε满足：|ε|＜λ/36，λ为入射光的波长。本发明提供的光学模组消除因相位误差导致非期望入射至人眼影响用户观看体验的问题，提升用户观看体验。

Description

一种轻薄型光学模组及VR设备

技术领域

本发明涉及一种光学模组，尤其涉及一种轻薄型光学模组及VR设备。

背景技术

传统的VR光学模组一般体积较大，厚度往往在30mm以上，随着科技的进步，用户越来越重视VR产品的体积以及重量，因此，需要研发一种体积小、重量轻的VR产品以满足市场的需求。其中，受限最大的因素为其中的光学模组。为了解决上述的体积和重量问题，许多公司推出基于pancake技术方案的VR眼镜。

基于pancake技术方案的VR眼镜，其光学模组主要包括依序设置的具有半反半透功能的镜片、1/4相位延迟片以及反射式偏振片。图像源进入半反半透功能的镜片之后，光线在镜片、相位延迟片以及反射式偏振片之间多次折返的方式，最终从反射式偏振片射出。通过此种光学方案，极大的缩小了产品体积。

但在目前的pancake方案中，入射到用户眼中的光线，除了用户期望的光线之外，还有一些非期望的光线，影响用户体验感，造成有非期望光线入射人眼的一个原因是：相位延迟片的误差导致。相位延迟片的作用是改变光的偏振态，但若相位延迟片的误差太大，就会导致一些光线的偏振态并非按照理论改变，从而导致本该从反射式偏振片反射回去的光线从反射式偏振片透射进入人眼，从而影响用户的观看体验。

另外，基于pancake方案的VR眼镜虽然在体积和重量上有一定程度的降低，但VR眼镜仍然较重，用户体验仍可以提升。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种轻薄型光学模组，以克服现有VR设备中因相位误差导致非期望入射至人眼影响用户观看体验的问题。

本发明还提供一种VR设备，以解决现有技术中VR眼镜等设备重量较重的问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：本发明提供一种轻薄型光学模组，包括依序设置的透镜单元、第一偏振件以及设于所述第一偏振件与所述透镜单元之间的第一相位延迟件；

从所述透镜单元一侧入射的光线在所述透镜单元、所述第一相位延迟件和所述第一偏振件之间发生折返，最终从所述第一偏振件射出至人眼；所述入射的光线为圆偏振光或椭圆偏振光；

所述光学模组还包括：设于所述第一偏振件与所述第一相位延迟件之间、用于矫正相位的相位补偿单元；或者，所述第一相位延迟件的公差ε满足：|ε|＜λ/36，λ为入射光的波长。

进一步地，当所述光学模组还包括相位补偿单元时，所述第一相位延迟件的公差ε满足：|ε|＜λ/36，λ为入射光的波长；或，

当所述第一相位延迟件的公差ε满足：|ε|＜λ/36时，所述光学模组还包括设于所述第一偏振件与所述第一相位延迟件之间的、用于矫正相位的相位补偿单元，其中，λ为入射光的波长。

进一步地，所述透镜单元包括透镜以及一透反膜，所述透镜具有透射放大功能，所述透反膜镀设在所述透镜且靠近所述入射的光线这一侧面上；所述透镜为双凸透镜、平凸透镜或凹凸透镜，所述透反膜镀设在所述透镜靠近所述入射的光线一侧的凸面上。

进一步地，所述第一偏振件与所述第一相位延迟件通过一透明基板贴合，形成偏振单元；所述透镜单元与所述偏振单元之间存在一间隔。

进一步地，所述轻薄型光学模组还包括：图像单元；所述图像单元用于产生所述圆偏振光或椭圆偏振光，或所述图像单元用于产生线偏振光；

当所述图像单元用于产生线偏振光时，所述轻薄型光学模组还包括：设置于所述透镜单元与所述图像单元之间的第二相位延迟件，用于将所述图像单元出射的线偏振光转换成所述圆偏振光或所述椭圆偏振光。

进一步地，当所述图像单元用于产生所述圆偏振光或椭圆偏振光时，所述图像单元包括依序设置的：显示屏、第二偏振件以及第三相位延迟件；所述第三相位延迟件靠近所述透镜单元这一侧；

当所述图像单元用于产生线偏振光时，所述图像单元包括依序设置的显示屏和第二偏振件，所述第二偏振件靠近所述第二相位延迟件；

所述第二偏振件为吸收型偏振件。

进一步地，当所述第一相位延迟件的公差ε满足：|ε|＜λ/36时，所述第二相位延迟件或所述第三相位延迟件的公差ε也满足：|ε|＜λ/36，λ为入射光的波长。

进一步地，所述第三相位延迟件与所述透镜单元之间存在一间隔；或，所述第二偏振件和所述第二相位延迟件之间存在一间隔。

进一步地，所述透镜单元中透镜的材质为树脂材料。

进一步地，所述树脂材料的双折射率<20。

进一步地，所述透镜包括位于中心的有效区域以及设于所述有效区域外围的无效区域，所述透镜的注水口位于所述无效区域内。

进一步地，所述无效区域上涂覆有黑色吸光层。

本发明还提供一种VR设备，包括上述的轻薄型光学模组。

采用上述方案，本发明提供一种轻薄型光学模组及VR设备，具有以下有益效果：

1、通过在第一相位延迟件和第一偏振件之间加一层相位补偿件，用于矫正从第一相位延迟件出射的偏振光的相位延迟，即便图像光线在经过第一相位延迟件之后产生了非期望的相位延迟光线，但通过该相位补偿片补偿之后，非期望的相位延迟光线的相位会得到矫正，从而保证透过第一偏振件的光线是用户需要的，从而提升进入人眼的图像质量。本发明提供的光学模组既可以减小体积(减小厚度)，也可以减轻重量，提升用户观看体验感。

2、通过限制第一相位延迟件至第三相位延迟件的公差的方式，如要求第一至第三相位延迟件的公差满足|ε|＜λ/36，这样做的目的是，使得因相位延迟引起的光线偏振态的改变在可接受范围之内，从而保证用户看到的图像质量。

3、透镜的材质选用树脂材料，可以进一步降低设备的重量，并选用应力系数小的树脂材料来解决应力纹所带来的观看质量不佳的问题。

4、增大材质为树脂材料的透镜的口径，并将透镜划分为有效区域和无效区域，将注水口设计于透镜的无效区域内，解决注水口的应力纹影响观看质量的问题，提升了进入人眼的图像质量；进一步，还可以将无效区域涂黑，以防止无效区域的反射光对成像质量造成的影响。

附图说明

图1为本发明轻薄型光学模组的结构示意图。

图2为本发明中图像单元的结构示意图。

图3为本发明中透镜单元的结构示意图。

图4为本发明中偏振单元的结构示意图。

图5为本发明中透镜有效区域与无效区域的位置关系示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

请参阅图1、图3及图4，本发明提供一种轻薄型光学模组，包括依序设置的透镜单元20、第一偏振件31以及设于第一偏振件31与透镜单元20之间的第一相位延迟件32。其中，为减小光学模组的厚度与体积，第一偏振件31可以选用偏振膜，第一相位延迟件32可以选用波片，如1/4波片。

为更好固定偏振膜，可以考虑通过一薄的透明基板(图中未示意出)来固定偏振膜，即将偏振膜贴合在该透明基板上，此时可以将该包括偏振膜与透明基板定义为一偏振单元30。当然，为减小模组体积与厚度，也可以将第一相位延迟件32贴合在该偏振单元30上。此时，偏振单元30即包括第一相位延迟件32和第一偏振件31。其中，偏振膜与1/4波片可以位于透明基板的同一侧或不同侧，但顺序不变，即第一相位延迟件32靠近透镜单元20，或者说第一相位延迟件32设置于第一偏振件31与透镜单元20之间。可以理解的是，第一相位延迟件32也可以不设置在偏振单元30上，而是将其紧密贴合在透镜单元20靠近人眼一侧的表面上。

需要特别说明的一点时，透镜单元20与偏振单元30之间存在一间隔，这样设计的目的是，增加光线光程，提升图像质量。

第一偏振件31为一反射偏振片，具有透射反射功能，例如，透过第一线偏振光，反射第二线偏振光。为防止有非期望光线进入人眼，要求第一线偏振光与第二线偏振光正交。例如，当第一线偏振光为P线偏振光时，第二线偏振光则为S线偏振光。当第一线偏振光为S线偏振光时，第二线偏振光则为P线偏振光。透镜单元20具有放大、透射及反射功能，具体包括透镜21以及一透反膜22，透镜21具有透射放大功能，以将显示屏50显示的图像进行放大。

理论上而言，本发明的轻薄型光学模组工作时，要求从透镜单元20一侧入射的光线为圆偏振光或椭圆偏振光。从透镜一侧入射的光线通过透镜单元20透射后传输至偏振单元30，经偏振单元30上的第一相位延迟件32进行相位延迟后，变成第一线偏振光到达第一偏振件31，并在第一偏振件31产生反射(假定第一偏振件31反射第一线偏振光，透射第二线偏振光)。经第一偏振件31反射的光线经第一相位延迟件32之后，发生相位延迟，变成圆偏振光或椭圆偏振光并到达透镜单元20。透镜单元20将该圆偏振光或椭圆偏振光反射回第一相位延迟件32，光线在第一相位延迟件32再一次发生相位延迟，变成第二线偏振光，并从第一偏振件31透射出去，进入人眼。即入射至透镜单元20的圆偏振光或椭圆偏振光，在透镜单元20、第一相位延迟件21和第一偏振件31之间发生折返后，最终从第一偏振件31射出至人眼。由于第一线偏振光与第二线偏振光相互正交，因此，不会有非期望的光线进入人眼。这样方案的好处是，既延长了光路，实现图像的放大，同时又能够减小光学模组的厚度与体积，具有很强的实用性。

但，根据本申请背景技术的分析，由于相位延迟件的误差，就会导致一些光线的偏振态并非按照理论改变，从而导致本该从反射式偏振片反射回去的光线从反射式偏振片透射进入人眼，从而影响用户的观看体验。

因此，在本发明实施例中，为减小因相位延迟件的误差对成像质量的影响，提出了两种解决方案。

第一种方案是，光学模组增加一相位补偿单元40，相位补偿单元40可以为相位延迟补偿片，设置在第一偏振件31与第一相位延迟件32之间，用于对从第一相位延迟件32射出的光线的相位进行矫正。具体地，相位补偿单元40可以设置在偏振单元30上，也可以设置在透镜单元20上。图4中示意的是设置在偏振单元30上的情形。在一具体实施例中，优选的，相位补偿单元40贴附于第一偏振件31朝向透镜单元20这一侧上。

通过增加相位补偿单元40，即便入射的光线在经过第一相位延迟件31之后产生了非期望的相位延迟光线，但通过该相位补偿片补偿之后，非期望的相位延迟光线的相位会得到矫正，从而保证透过第一偏振件31的光线是用户需要的，从而提升进入人眼的图像质量。同时，本发明提供的光学模组采用光线多次折返的方案进行图像放大，既可以减小光学模组体积(减小厚度)，也可以减轻重量，还可以提升用户观看体验感。

第二种方案是，限制第一相位延迟件的公差的方式，如要求第一相位延迟件的公差满足|ε|＜λ/36，λ为入射光的波长，这样做的目的是，使得因相位延迟引起的光线偏振态的改变在可接受范围之内，从而保证用户看到的图像质量。

可以理解的是，上述两种保证或提升成像质量，提升用户观看体验的解决方案，可以单独使用，也可以合并使用。例如，在具体的实施例中，当光学模组还包括相位补偿单元时，第一相位延迟件的公差ε满足：|ε|＜λ/36，λ为入射光的波长；在另一种具体实施中，当第一相位延迟件的公差ε满足：|ε|＜λ/36时，光学模组还包括设于第一偏振件31与第一相位延迟件32之间的、用于矫正相位的相位补偿单元40，其中，λ为入射光的波长。

在本实施例中，透镜21为双凸透镜、平凸透镜或凹凸透镜，优选双凸透镜或凹凸透镜，这样可以进一步对相差进行矫正，进一步提升成像质量。其中，透反膜22可以设置镀设在透镜21靠近人眼一侧的表面上，也可以设置在靠近入射光这一侧的表面上，优选为镀在透镜21且靠近入射圆偏振光或椭圆偏振光这一侧的凸面上，这样可以使得产品结构更为紧密，利于缩小产品体积以及提升组装效率。当透镜21为平凸透镜时，透镜21靠近入射圆偏振光或椭圆偏振光这一面的光学面为凸面，透镜21朝向偏振单元30的光学面为平面。透反膜22为部分透射部分反射反膜，比例可以为50％比例透射、50％比例反射的曲面膜片。当然，也可以为其他透射反射比例的膜片。

在一种具体实施例中，轻薄型光学模组还包括图像单元10，图像单元10具有两种情形：一是用于产生圆偏振光或椭圆偏振光，二是用来产生线偏振光。

当图像单元10用于产生第二线偏振光时，轻薄型光学模组还包括：设置于透镜单元20与图像单元10之间的第二相位延迟件，用于将图像单元10出射的线偏振光转换成圆偏振光或椭圆偏振光。此时，图像单元10包括依序设置的显示屏和第二偏振件，第二偏振件靠近第二相位延迟件，第二偏振件为反射型偏振件或者吸收型偏振件，优选为吸收型偏振件。

当图像单元10用于产生圆偏振光或椭圆偏振光时，如图2所示，图像单元10包括依序设置的：显示屏50、第二偏振件11以及第三相位延迟件12；第三相位延迟件12靠近透镜单元20这一侧。显示屏50产生的光线经第二偏振件11变成线偏振光，并利用第三相位延迟件12将该线偏振光变为圆偏振光或椭圆偏振光。第一相位延迟件32、第二相位延迟件、及第三相位延迟件12均优选选用45度相位延迟片。当然，可以理解的是，为了进一步消除相位延迟片的误差所带来的影响，在实施例中可以既设置相位补偿单元40，同时还对第一至第三相位延迟件的公差的绝对值进行限制，如可以要求第一相位延迟件，也可以要求第二相位延迟件，或第三相位延迟件的公差ε也满足：|ε|＜λ/36，λ为入射光的波长。

本发明提供的轻薄型光学模组光路走向原理如下：

显示屏50发出的光线经过第二偏振件11形成第二线偏振光，之后再经过第二相位延迟件或第三相位延迟件12，使该第二线偏振光变为圆偏振光或椭圆偏振光；形成的圆偏振光或椭圆偏振光穿过透镜单元20的透反膜22后入射至透镜21，光线通过透镜21达到第一相位延迟件32，经一相位延迟件32相位延迟和相位补偿单元40之后，变为第一线偏振光并入射至第一偏振件31。由于第一偏振件31反射第一线偏振光并透射第二线偏振光。因此，第一线偏振光入射至第一偏振件31后会反射回第一相位延迟件32，反射的光线经第一相位延迟件32相位延迟后形成圆偏振光或椭圆偏振光并入射至透镜21，经透镜单元20的透反膜22反射后再次穿过第一延迟件32和相位补偿单元40，此时光线变为与第一线偏振光正交的第二线偏振光，然后透过第一偏振件31进入人眼。此时人眼可以看到屏幕上成放大的图像，实现短距离实现超大视场角。本发明提供的光学模组既可以减小体积(减小厚度)，也可以减轻重量，同时又能消除因相位误差所带来的非期望光线，提升图像成像质量以及用户体验感。

综上所述，本实施例解决因相位延迟误差所引起的有非期望光线进入人眼的关键之处在于：

在第一相位延迟件32和第一偏振件31之间加一层相位补偿单元40，用于矫正第一偏振件31的线偏振光的相位延迟。如此，即便图像光线在经过第一相位延迟件32之后产生了非期望的相位延迟光线，但通过该相位补偿片补偿之后，非期望的相位延迟光线的相位会得到矫正，从而保证透过第一偏振件31的光线是用户需要的，从而提升进入人眼的图像质量。

为了进一步降低光学模组的重量，本发明将透镜21的材质由玻璃材质换为树脂材料。但，采用树脂镜片作为光学模组中透镜21的材料，由于透镜21镜片往往采用注塑或热压的加工方式进行加工，因此，受到树脂材料双折射率的影响，将导致使用透镜时将出现明显的应力纹现象，导致有不期望的光线进入人眼，严重影响观看质量。

理论上而言，显示屏发出的光线经第二偏振件之后为第二线偏振光，当经过有应力的透镜放大后再经过反射式偏振片之后，理论上在此折返过程中是没有光线从反射式偏振片透出的。但由于透镜材料选用树脂材料，由于树脂材料内应力问题的存在，那么从第二偏振件出射的光线经过透镜之后，会改变部分光线的偏振态，从而从反射式偏振片透出。这部分透出的光线实际上并非是我们需要的光线，从而会影响用户的观看体验。

为解决上述材料应力所引起的相位延迟，进而导致观看质量不佳的问题，本发明的解决思路是：

首先，由于树脂材料的特征，应当选择具有特定双折射率的树脂材质，以便在注塑时不会出现因应力问题导致偏振态的改变。基于上述原因，透镜21的材质选用树脂材料且树脂材料的双折射率<20。如：树脂材料选择5013VH、K26R、OKP-1等型号的树脂材料。选用双折射率<20的树脂材料，可以解决因树脂材料内应力所带来的观看质量不佳的问题。在检测树脂材料的双折射率时，操作方式例如可以是：将塑料粒成形成片,并将该片延伸3倍,再用相位差测量设备测量其相位差，以及将测试得到的数值以薄膜的厚度,即可计算出双折射率。

其次，即便选择特定双折射率的树脂材料，但在注塑成型的过程中，需要预留注水口。该注水口的存在也会带来应力纹，从而影响观看质量。为解决注水口所带来的应力纹问题，本发明的解决思路是增大透镜21的口径。具体的做法为增加透镜21的口径，并将透镜21的表面积分为有效区域23(靠近透镜21中心)和无效区域24，如图5所示，无效区域24设于有效区域23的外围，透镜21的注水口全部落在透镜21的无效区域24内。透镜21的有效区域23用于正常成像。由于注水口位于透镜21的无效区域24内，所以注水口位置所带来的应力问题不会对成像造成影响，从而保证成像质量。这样，既能实现透镜21的注塑加工，同时由于注水口处于无效区域，能够消除注水口带来的应力问题，从而提升进入人眼的图像质量。所述透镜21的有效区域23和无效区域24同心设置，无效区域24的口径比有效区域23的口径大1mm-4mm。

最后，因为透镜21口径的增加，引入了无效区域24，本发明还将无效区域24涂黑，以保证无效区域24的反射光不会对成像质量造成影响。具体的做法为在无效区域上涂覆有黑色吸光层，如涂覆黑色油墨。

本发明还提供一种VR设备，包括上述的轻薄型光学模组。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种轻薄型光学模组，其特征在于，包括依序设置的透镜单元、第一偏振件以及设于所述第一偏振件与所述透镜单元之间的第一相位延迟件；

从所述透镜单元一侧入射的光线在所述透镜单元、所述第一相位延迟件和所述第一偏振件之间发生折返，最终从所述第一偏振件射出至人眼；所述入射的光线为圆偏振光或椭圆偏振光；

所述光学模组还包括：设于所述第一偏振件与所述第一相位延迟件之间、用于矫正相位的相位补偿单元；或者，所述第一相位延迟件的公差ε满足：|ε|＜λ/36，λ为入射光的波长。

2.根据权利要求1所述的轻薄型光学模组，其特征在于，当所述光学模组还包括相位补偿单元时，所述第一相位延迟件的公差ε满足：|ε|＜λ/36，λ为入射光的波长；或，

当所述第一相位延迟件的公差ε满足：|ε|＜λ/36时，所述光学模组还包括设于所述第一偏振件与所述第一相位延迟件之间的、用于矫正相位的相位补偿单元，其中，λ为入射光的波长。

3.根据权利要求2所述的轻薄型光学模组，其特征在于，所述透镜单元包括透镜以及一透反膜，所述透镜具有透射放大功能，所述透反膜镀设在所述透镜且靠近所述入射的光线这一侧面上；

所述透镜为双凸透镜、平凸透镜或凹凸透镜，所述透反膜镀设在所述透镜靠近所述入射的光线一侧的凸面上。

4.根据权利要求2所述的轻薄型光学模组，其特征在于，所述第一偏振件与所述第一相位延迟件通过一透明基板贴合，形成偏振单元；所述透镜单元与所述偏振单元之间存在一间隔。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的轻薄型光学模组，其特征在于，所述光学模组还包括：图像单元；所述图像单元用于产生所述圆偏振光或椭圆偏振光，或所述图像单元用于产生线偏振光；

当所述图像单元用于产生线偏振光时，所述轻薄型光学模组还包括：设置于所述透镜单元与所述图像单元之间的第二相位延迟件，所述第二相位延迟件用于将所述图像单元出射的线偏振光转换成所述圆偏振光或所述椭圆偏振光。

6.根据权利要求5所述的轻薄型光学模组，其特征在于，当所述图像单元用于产生所述圆偏振光或椭圆偏振光时，所述图像单元包括依序设置的：显示屏、第二偏振件以及第三相位延迟件；所述第三相位延迟件靠近所述透镜单元这一侧；

当所述图像单元用于产生线偏振光时，所述图像单元包括依序设置的显示屏和第二偏振件，所述第二偏振件靠近所述第二相位延迟件；

所述第二偏振件为吸收型偏振件。

7.根据权利要求6所述的轻薄型光学模组，其特征在于，当所述第一相位延迟件的公差ε满足：|ε|＜λ/36时，所述第二相位延迟件或所述第三相位延迟件的公差ε也满足：|ε|＜λ/36，λ为入射光的波长。

8.根据权利要求7所述的轻薄型光学模组，其特征在于，所述第三相位延迟件与所述透镜单元之间存在一间隔；或，所述第二偏振件和所述第二相位延迟件之间存在一间隔。

9.根据权利要求1-4任一项所述的轻薄型光学模组，其特征在于，所述透镜单元中透镜的材质为树脂材料。

10.根据权利要求9所述的轻薄型光学模组，其特征在于，所述树脂材料的双折射率＜20。

11.根据权利要求10所述的轻薄型光学模组，其特征在于，所述透镜包括位于中心的有效区域以及设于所述有效区域外围的无效区域，所述透镜的注水口位于所述无效区域内。

12.根据权利要求11所述的轻薄型光学模组，其特征在于，所述无效区域上涂覆有黑色吸光层。

13.一种VR设备，其特征在于，包括权利要求1-12中任一项所述的轻薄型光学模组。

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