CN112596236A

CN112596236A - 光学模组、近眼显示装置和光投射方法

Info

Publication number: CN112596236A
Application number: CN202011209555.9A
Authority: CN
Inventors: 梁乾亿; 吴皓; 王天寅; 杨兴朋
Original assignee: Shanghai Yourui Optical Co ltd
Current assignee: Shanghai Yourui Optical Co ltd
Priority date: 2020-09-30
Filing date: 2020-11-03
Publication date: 2021-04-02
Also published as: CN217506273U

Abstract

本发明提供一种光学模组，包括：第一相位延迟单元，配置成可将入射到其上的光束调制为圆偏光或椭圆偏光；半透半反层，位于所述第一相位延迟单元的光路下游，并接收所述圆偏光或椭圆偏光；第二相位延迟单元，位于所述半透半反层的光路下游；和偏振分光片，设置在所述第二相位延迟单元的光路下游，所述偏振分光片具有透光轴，其中所述光学模组还包括位于所述第一相位延迟单元光路上游的第一相位补偿单元。通过本发明实施例的光学模组，能够减少折叠光路中漏光的发生，尤其是一些优选实施例能够在大角度范围内减少或者消除折叠光路中的漏光，有助于提高用户的感受效果。

Description

光学模组、近眼显示装置和光投射方法

技术领域

本发明大致涉及光学领域，尤其涉及一种光学模组、近眼显示装置以及光投射方法。

背景技术

在虚拟显示(VR)、增强显示(AR)、其他混合显示技术中，需要采用光学模组来向用户呈现图像。现有的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，用户越来越重视产品的体积以及重量，因此，需要研发一种体积小、重量轻的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或者AR方案，即基于折叠光路的光学模组。

在这种折叠光路的光学模组中，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。尤其是当光线的入射角较大时，入射光第一次经过反射式偏振片时，不一定会被完全反射，而是会产生较大比例的漏光现象，一部分光仍然会通过反射式偏振片进入用户的眼中，漏光的强度可能会达到沿着光轴的信号光强度的38％，从而影响用户的观看体验。

背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

有鉴于现有技术的至少一个问题，本发明提供一种光学模组，包括：

第一相位延迟单元，配置成可将入射到其上的光束调制为圆偏光或椭圆偏光；

半透半反层，位于所述第一相位延迟单元的光路下游，并接收所述圆偏光或椭圆偏光；

第二相位延迟单元，位于所述半透半反层的光路下游；和

偏振分光片，设置在所述第二相位延迟单元的光路下游，所述偏振分光片具有透光轴，

其中所述光学模组还包括位于所述第一相位延迟单元光路上游的第一相位补偿单元。

根据本发明的一个方面，所述光学模组，还包括位于所述第一相位补偿单元的光路上游的偏光片，所述偏光片接收入射光束，并将其调制成线偏光，所述第一相位补偿单元接收所述线偏光，并且调制后使其出射到所述第一相位延迟单元。

根据本发明的一个方面，所述第一相位补偿单元的光轴位于与所述偏光片的透光轴正交的平面内、或与所述偏光片的吸光轴正交的平面内。

根据本发明的一个方面，所述第一相位延迟单元配置成可令入射到其上的线偏光沿光轴方向的偏振分量产生n*pi+3/4pi的相位延迟、或 n*pi+1/4pi的相位延迟；第二相位延迟单元配置成可令入射到其上的线偏光沿光轴方向的偏振分量产生n*pi+3/4pi的相位延迟、或n*pi+1/4pi的相位延迟，其中n为整数。

根据本发明的一个方面，被所述偏振分光片反射的光束透射通过所述第二相位延单元，被所述半透半反层部分反射，再次透射通过所述第二相位延迟单元，到达所述偏振分光片的折返光束的偏振方向与所述偏振分光片的透光轴平行。

根据本发明的一个方面，所述第一相位延迟单元和第二相位延迟单元同为正相位延迟单元或同为负相位延迟单元，并且满足以下关系：

α₁＝α₂＝45°或135°，

α₁为逆着所述光路方向观察、所述偏光片的透光轴逆时针旋转到第一相位延迟单元的光轴所述所转过的角度，α₂为逆着所述光路方向观察、所述偏振分光片的透光轴逆时针旋转到第二相位延迟单元的光轴所述所转过的角度。

根据本发明的一个方面，所述第一相位延迟单元和第二相位延迟单元为类型相反的正相位延迟单元或负相位延迟单元，并且满足以下关系：

α₁＝-α₂＝45°或135°，

根据本发明的一个方面，所述第一相位补偿单元配置成使得：根据从所述偏光片沿各个方向入射到其上的线偏光的偏振态分布对其进行调制，使得初次入射到所述偏振分光片上的各入射角的光束的偏振态符合被所述偏振分光片反射的条件。

根据本发明的一个方面，所述光学模组还包括位于所述第二相位延迟单元和所述偏振分光片之间的第二相位补偿单元，所述第二相位补偿单元的光轴位于与所述偏振分光片的透光轴正交的平面内、或与所述偏振分光片的反光轴正交的平面内。

根据本发明的一个方面，所述第二相位补偿单元配置成使得：根据初次入射到第二相位补偿单元上的各入射角的光束的偏振态分布，对其进行调制，使得初次入射到第二相位补偿单元上的各入射角的光束透过所述第二相位补偿单元后的偏振态符合被所述偏振分光片反射的条件。

根据本发明的一个方面，所述光学模组还包括透镜，所述透镜与所述半透半反层相邻设置。

根据本发明的一个方面，所述半透半反层贴附在所述透镜的表面上。

本发明还提供一种近眼显示装置，包括：

显示屏；和

如上所述的光学模组，设置在所述显示屏的光路下游。

本发明还提供一种光投射方法，包括：

S101：通过第一相位补偿单元接收线偏光，进行调制后使其出射；

S102：通过第一相位延迟单元从所述第一相位补偿单元接收光束并将其调制为圆偏光或椭圆偏光；

S103：通过半透半反层接收所述圆偏光或椭圆偏光，并允许所述圆偏光或椭圆偏光至少部分透射；

S104：通过第二相位延迟单元接收所述透射的圆偏光或椭圆偏光并调制后出射；和

S105：通过偏振分光片从所述第二相位延迟单元接收光束，所述偏振分光片设置在所述第二相位延迟单元的光路下游，所述偏振分光片具有透光轴，允许偏振方向与所述偏振分光片的透光轴平行的部分光束透射，并将其余部分光束反射回所述第二相位延迟单元。

根据本发明的一个方面，所述光投射方法还包括：通过偏光片产生线偏光，所述线偏光入射到所述第一相位补偿单元上，其中所述第一相位补偿单元的光轴位于与所述偏光片的透光轴正交的平面内、或与所述偏光片的吸光轴正交的平面内，所述第一相位补偿单元配置成使得：根据从所述偏光片沿各个方向入射到其上的线偏光的偏振态分布对其进行调制，使得初次入射到所述偏振分光片上的各入射角的光束的偏振态符合被所述偏振分光片反射的条件。

根据本发明的一个方面，所述光投射方法还包括：通过位于所述第二相位延迟单元和所述偏振分光片之间的第二相位补偿单元对入射到第二相位补偿单元上的光束进行调制，其中所述第二相位补偿单元的光轴位于与所述偏振分光片的透光轴正交的平面内、或与所述偏振分光片的反光轴正交的平面内，所述第二相位补偿单元配置成使得：根据初次入射到第二相位补偿单元上的光束的偏振态分布，对其进行调制，使得初次入射到第二相位补偿单元上的光束透过所述第二相位补偿单元后的偏振态符合被所述偏振分光片反射的条件

根据本发明的一个方面，所述第一相位延迟单元和第二相位延迟单元同为正相位延迟单元或同为负相位延迟单元，并且满足以下关系：α₁＝α₂＝45°或135°；或者所述第一相位延迟单元和第二相位延迟单元为类型相反的正相位延迟单元或负相位延迟单元，并且满足以下关系：α₁＝-α₂＝45°或135°，

其中α₁为逆着所述光路方向观察、所述偏光片的透光轴逆时针旋转到第一相位延迟单元的光轴所述所转过的角度，α₂为逆着所述光路方向观察、所述偏振分光片的透光轴逆时针旋转到第二相位延迟单元的光轴所述所转过的角度。

根据本发明的一个方面，所述光投射方法还包括：被所述偏振分光片反射的光束经过所述第二相位延迟单元和半透半反层后折返，折返光束从所述偏振分光片出射。

根据本发明的一个方面，所述光投射方法通过如上所述的光学模组实施。

通过本发明实施例的光学模组，能够减少折叠光路中漏光的发生，尤其是一些优选实施例能够在大角度范围内减少或者消除折叠光路中的漏光，有助于提高用户的感受效果。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1示出了基于折叠光路的光学模组的示意图；

图2示出了根据本发明一个实施方式的光学模组的示意图；

图3示出了根据本发明另一个实施方式的光学模组的示意图；

图4A、图4B、图4C和图4D分别示出了根据本发明实施例的光学模组的光学参数的示意图；

图5示出了根据本发明实施例1的光学模组的示意图；

图6A、6B分别示出了根据本发明实施例1的光学模组的特定角度入射的光束的偏振状态变化；

图6C和6D分别示出了根据本发明实施例1的光学模组的信号光、杂散光的强度随光线不同入射角度的分布；

图7示出了根据本发明实施例2的光学模组的示意图；

图8A示出了根据本发明实施例2的光学模组的光束的偏振状态；

图8B示出了根据本发明实施例2的光学模组的信号光、杂散光的强度随光线不同入射角度的分布；

图9示出了根据本发明实施例3的光学模组的示意图；

图10A示出了根据本发明实施例3的光学模组的光束的偏振状态；

图10B示出了根据本发明实施例3的光学模组的信号光、杂散光的强度随光线不同入射角度的分布；以及

图11示出了根据本发明一个实施例的光投射方法。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、" 长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、 "水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语"第一"、" 第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语" 安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，。除非另有明确规定和限定，属于“片”，“膜”应做广义理解，例如，可以是独立光学元件，也可以是贴敷在透镜或透明基片上的带膜层。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上" 或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方 "和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

以下结合附图对本发明的实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了基于折叠光路的光学模组，图中右侧为物侧，例如放置显示屏，图中左侧为像侧(观察侧)，即用户的眼球所在的位置。如图1所示的光学模组中，沿着光路的方向(从物侧到像侧)依次包括四分之一波片11、半透半反层13(图1中贴附在透镜12上)、四分之一波片14、偏振分光片15。理论上，来自物侧的光束E1(线偏光)依次经过四分之一波片11、透镜12 和半透半反层13、四分之一波片14后入射到偏振分光片15上，首次入射到偏振分光片15上的光束E3为线偏光，偏振方向与偏振分光片15的透光轴垂直，因而理论上应当被偏振分光片15反射，然后透射通过四分之一波片14 后被半透半反层13反射，再次经过四分之一波片14并再次入射到偏振分光片15上，此时偏振光E6的偏振方向与偏振分光片15的透光轴平行，因此可透射通过偏振分光片15，如图1中的“信号”所示。但在实际的折叠光路中，首次入射到偏振分光片15上的光束，部分光束将透射通过偏振分光片15，形成图1所示的“噪声”，即产生漏光现象。尤其是当入射光束与光学组件的光轴OO(图1中水平方向)所成的入射角较大时，这种漏光现象更为严重，漏光的强度(噪声的强度)甚至可达到轴向信号光强度的38％，严重干扰用户的观看体验。

本申请的发明人发现，针对上述问题，可以通过在光路中设置一个或多个相位补偿单元来解决。并且进一步优选的，可以通过结合光学模组中的一些元件的参数设置来进一步改善。下面详细说明。

图2示出了根据本发明一个实施例的光学模组20，下面参考图2详细描述。如图2所示，光学模组20沿着光路方向(从物侧到像侧，图中从右向左) 包括偏光片Pol、第一相位延迟单元QWP1、半透半反层BS、第二相位延迟单元QWP2、以及偏振分光片PBS，并且还包括第一相位补偿单元RA，第一相位补偿单元RA位于所述第一相位延迟单元QWP1的光路上游，在图中位于所述第一相位延迟单元QWP1与所述偏光片Pol之间。

其中所述偏光片Pol配置成可接收入射光束，并将其调制成线偏光E1，所述第一相位补偿单元RA接收所述线偏光E1，并且调制后使其出射到所述第一相位延迟单元QWP1。第一相位延迟单元QWP1配置成可将入射到其上的光束调制为圆偏光或椭圆偏光。半透半反层BS位于所述第一相位延迟单元 QWP1的光路下游，并接收所述圆偏光或椭圆偏光，并使其部分透射，部分反射。第二相位延迟单元QWP2位于所述半透半反层BS的光路下游，偏振分光片PBS设置在所述第二相位延迟单元QWP2的光路下游，所述偏振分光片PBS 具有透光轴。

如图2所示的光学模组20的工作过程如下。偏光片Pol接收入射的光束并出射线偏光E1，线偏光E1经过第一相位补偿单元RA后，出射带有一定圆偏分量的线偏光E1’，然后经过第一相位延迟单元QWP1被调制为圆偏光或椭圆偏光E2，圆偏光或椭圆偏光E2入射到半透半反层BS。半透半反层BS位于所述第一相位延迟单元QWP1的光路下游，并接收所述圆偏光或椭圆偏光 E2，允许所述圆偏光或者椭圆偏光至少部分透射，本发明不限制所述半透半反层BS的具体的透射率，可以为50％或其他比例。部分透射的光束经过第二相位延迟单元QWP2被调制为线偏光E3，线偏光E3的偏振方向与偏振分光片 PBS的透光轴垂直，因而被偏振分光片PBS反射，然后折返光束透射通过第二相位延迟单元QWP2后(圆偏光或椭圆偏光E4)被半透半反层BS反射(圆偏光或椭圆偏光E5)，再次经过第二相位延迟单元QWP2(线偏光E6)并再次入射到偏振分光片PBS上。偏振分光片PBS设置在所述第二相位延迟单元QWP2 的光路下游，所述偏振分光片具有透光轴T_PBS，允许偏振方向与透光轴平行的部分光束透射，并将其余部分光束反射回所述第二相位延迟单元QWP2。此时偏振光E6的偏振方向与偏振分光片PBS的透光轴平行，因此可透射通过偏振分光片PBS。也就是被所述偏振分光片PBS反射的光束透射通过所述第二相位延迟单元QWP2，被所述半透半反层BS部分反射，再次透射通过所述第二相位延迟单元QWP2，到达所述偏振分光片PBS的折返光束的偏振方向与所述偏振分光片PBS的透光轴平行。

在图2的实施例中，通过在第一相位延迟单元QWP1和所述偏光片Pol之间增设第一相位补偿单元RA，使得初次入射到所述偏振分光片PBS上的各入射角的光束E3的偏振态符合或者尽量符合被所述偏振分光片PBS反射的条件，极大地减小了漏光和杂散光的强度，杂散光的强度可被减小到信号光强度的5％，同时基本不会影响信号光。图2中用于表明光束的箭头上面的圆点或者箭头，代表了该光束对应的偏振态。另外，图2的光学模组20的结构中，也可以不包括偏光片Pol，同时，入射到第一相位延迟单元QWP1上的光束可以为线偏光，也可以为带有一定圆偏分量的线偏光。

相比于图1的光学结构，图2的光学模组20中包括位于所述第一相位延迟单元QWP1和所述偏光片Pol之间的第一相位补偿单元RA。根据本发明的一个优选实施例，其中所述第一相位补偿单元RA的光轴位于与所述偏光片 Pol的透光轴T_Pol正交的平面内、或与所述偏光片Pol的吸光轴正交的平面内。根据本发明的一个实施例，所述第一相位补偿单元RA配置成使得：根据从所述偏光片Pol沿各个方向入射到其上的线偏光的偏振态分布对其进行调制，使得初次入射到所述偏振分光片上的各入射角的光束的偏振态符合被所述偏振分光片反射的条件。本领域技术人员容易理解，本发明中，第一相位补偿单元RA使得初次入射到所述偏振分光片PBS上的各入射角的光束的偏振态符合被所述偏振分光片反射的条件，并非必然使得初次入射到偏振分光片上的光束的偏振态完全符合被反射的条件，只要使得更大比例的光束的偏振态符合被反射的条件即可(与不设置相位补偿单元的情形相比较)。

另外，本发明的上下文中，“正交”或“垂直”，包括相互之间成90度的情形，但不严格限制于此，例如在90°±5°的范围内，都可以认为是“正交”或“垂直”。

根据本发明的一个优选实施例，所述第一相位延迟单元QWP1配置成可令入射到其上的线偏光沿光轴方向的偏振分量产生n*pi+3/4pi的相位延迟、或 n*pi+1/4pi的相位延迟；第二相位延迟单元QWP2配置成可令入射到其上的线偏光沿光轴方向的偏振分量产生n*pi+3/4pi的相位延迟、或n*pi+1/4pi 的相位延迟，其中n为整数。根据本发明的一个优选实施例，所述第一相位延迟单元QWP1和第二相位延迟单元QWP2均为四分之一波片。

另外优选的，除了在第一相位延迟单元QWP1的光路上游设置第一相位补偿单元RA之外，还可以在所述第二相位延迟单元QWP2和所述偏振分光片PBS 之间设置第二相位补偿单元RB。图3示出了根据这样一个实施例的光学模组 30。图3中还示出了xyz坐标系，其中垂直纸面向里为正x方向，竖直向下为正y方向，水平向左(从物侧到像侧)为正z方向(即沿着光路的方向)。下面参考附图详细描述。

优选的，所述第二相位补偿单元RB的光轴位于与所述偏振分光片PBS的透光轴T_PBS正交的平面内、或与所述偏振分光片PBS的反光轴正交的平面内。

所述第二相位补偿单元RB配置成使得：根据初次入射到第二相位补偿单元RB上的各入射角的光束的偏振态分布，对其进行调制，使得初次入射到第二相位补偿单元RB上的各入射角的光束透过所述第二相位补偿单元RB后的偏振态符合被所述偏振分光片反射的条件。因此，在图3的实施例中，第一相位补偿单元RA和第二相位补偿单元RB共同对光束的相位进行补偿，其中所述第一相位补偿单元RA配置成根据从所述偏光片Pol沿各个方向入射到其上的线偏光的偏振态分布对其进行调制，所述第二相位补偿单元RB配置成根据初次入射到第二相位补偿单元RB上的各入射角的光束的偏振态分布对其进行调制，使得初次入射到所述偏振分光片PBS上的光束的偏振态符合被所述偏振分光片PBS反射的条件。

在图2和图3的实施例中，光学模组20和30均包括偏光片Pol，本发明不限于此，光学模组20和30也可不包括偏光片Pol，偏光片Pol例如可以与光路上游的光源(例如屏幕)集成在一起，这些都在本发明的保护范围内。

本领域技术人员容易理解，第一相位补偿单元RA、第二相位补偿单元RB 的相位补偿量不限于具体的数值，只要能够有助于提高光束初次入射到偏振分光片PBS时被反射的比例即可。另外，第一相位补偿单元RA和第二相位补偿单元可以均由单个相位补偿片构成，也可以包括多个相位补偿片，本发明不限制其具体数量。在进行具体的光路设计时，在给定了波长、偏光片Pol、第一相位延迟单元QWP1、第二相位延迟单元QWP2、PBS的光学参数和器件方位参数之后，可进行第一相位补偿单元RA、第二相位补偿单元RB的设计，只要相比于未增加第一相位补偿单元RA、第二相位补偿单元RB时能够提高光束初次入射到偏振分光片PBS时被反射的比例即可。具体计算方法此处不再赘述。

根据本发明的一个实施例，所述光学模组还包括透镜，所述透镜与所述半透半反层BS相邻设置，半透半反层BS例如可以贴附在所述透镜的表面上。

进一步优选的，通过设定第一相位延迟单元的类型和光轴角度关系，可以进一步消除或者减少漏光。本发明中为了清楚描述，需要区分第一相位延迟单元QWP1和第二相位延迟单元QWP2的“正”和“负”的类型。“正”和“负”定义如下：

正相位延迟单元：令入射光束沿光轴方向的偏振分量产生N*pi+1/4pi 的相位延迟，其中N为整数；

负相位延迟单元：令入射光束沿光轴方向的偏振分量产生M*pi+3/4pi 的相位延迟，其中M为整数。

根据本发明的优选实施例，当满足以下关系时，图1所示的漏光现象可以被进一步减轻：第一相位延迟单元QWP1和第二相位延迟单元QWP2同为正相位延迟单元或同为负相位延迟单元，并且满足以下关系：α₁＝α₂＝45°或135°；或者所述第一相位延迟单元和第二相位延迟单元为类型相反的正相位延迟单元或负相位延迟单元，并且满足以下关系：α₁＝-α₂＝45°或135°，

其中α₁为逆着所述光路方向观察(即在图2或图3中从左向右观察)、入射到所述第一相位延迟单元QWP1上的线偏光正入射时的偏振方向D1逆时针旋转到第一相位延迟单元QWP1的光轴T_QWP1所转过的角度，α₂为逆着所述光路方向观察、所述偏振分光片的透光轴T_PBS逆时针旋转到第二相位延迟单元QWP2 的光轴T_QWP2所转过的角度。上面描述了角度α₁和α₂的关系，本领域技术人员容易理解，上述等式容许在工程可接受范围内的误差，例如当二者与目标角度之间的差异在正负5度的范围内时，均可认为满足上述等式。以目标角度α₁＝α₂＝45°为例，当实际中α₁＝40°、α₂＝50°时，可认为满足α₁＝α₂＝45°。

当光学模组包括偏光片时，偏光片的透光轴与入射到所述第一相位延迟单元QWP1上的线偏光正入射时的偏振方向D1是平行的，因此α₁即为逆着所述光路方向观察(即在图2中从左向右观察)、所述偏光片的透光轴逆时针旋转到第一相位延迟单元QWP1的光轴T_QWP1所转过的角度。

图4A示出了α₁为45度的情形，图4B示出了α₁为135度的情形，图4C 示出了α₂为45度的情形，图4D示出了α₂为135度的情形。当入射到第一相位延迟单元QWP1上的光束为线偏光时，该偏振方向D1即为该线偏光的偏振方向。或者当第一相位延迟单元QWP1的上游设置有偏光片时，该偏振方向即对应于偏光片的透光轴。

在上述实施例中，通过增加第一相位补偿单元RA、第二相位补偿单元RB、设置第一相位延迟单元QWP1和第二相位延迟单元QWP2的类型以及光轴角度关系，能够使得初次入射到所述偏振分光片PBS上的各入射角的光束的偏振态符合或者尽可能符合被所述偏振分光片PBS反射的条件，即偏振方向垂直于或者尽可能垂直于所述偏振分光片PBS的透光轴T_PBS，或平行于或者尽可能平行于所述偏振分光片PBS的反光轴。

另外，本发明中为了清楚起见，将区分初次(首次)入射到偏振分光片的光束以及二次入射到偏振分光片的光束。参考图2，光束E1经过第一相位补偿单元RA、第一相位延迟单元QWP1、半透半反层BS、第二相位延迟单元 QWP2后被调制为光束E3并入射到偏振分光片PBS上，光束E3称为初次(首次)入射到偏振分光片PBS上的光束；光束E6称为二次入射到偏振分光片上的光束，光束E4、E5和E6均可称为折返光束。对于其余附图中的光路结构也可做相同的理解，此处不再赘述。

相比于现有技术的折叠光路的方案，通过本发明的技术方案，能够使得初次入射到所述偏振分光片PBS上的光束透射通过偏振分光片PBS的比例更小，因此产生的噪声(杂散光)更小。绝大部分光束被反射并形成折返光束，二次入射到偏振分光片PBS上时，其偏振方向与所述偏振分光片PBS的透光轴T_PBS平行或尽可能平行，因而能够透射并形成信号(光)。

发明人通过如下具体实施例测试了本发明的效果。

实施例1

实施例1的光路结构如图5所示，其中在吸收式偏振片Pol的光路上游具有发光的屏幕。实施例1的光路结构的具体参数如下：

吸收性偏振片Pol的透光轴平行于x轴；第一相位延迟单元QWP1为正相位延迟单元，它由n_o＜n_e且光轴满足α₁＝45°的四分之一波片构成；半透半反层BS的透射率为50％，反射率为50％；第二相位延迟单元QWP2为正相位延迟单元，它由n_o＜n_e且光轴满足α₂＝α₁＝45°的四分之一波片构成；偏振分光片 PBS的透光轴平行于y轴。

为方便说明，将光在传播时的偏振态用Pioncare球进行表示。光线的入射角θ和方位角

的定义如下：θ为光线与z轴正方向的夹角，

为光线在xy 平面内投影与x轴正方向夹角。

信号光、杂散光的强度随光线不同入射角度分布如图6C、图6D所示。由图可知，光线在θ小于30°时,信号光的强度远大于杂散光强度，该区域漏光现象并不明显。

图6A表示在实施例1中，以θ＝60°，

入射的入射光线在依次首次通过吸收型偏振片Pol、第一相位延迟单元QWP1、第二相位延迟单元QWP2、偏振分光片PBS后的偏振状态，分别用绿点M、品红点N、红点O、黑色点P表示；在光以θ＝60°，

入射时：由第一相位延迟单元QWP1的快轴和慢轴组成的旋转轴为品红色直线F_OS_O，由QWP2的快轴和慢轴组成的旋转轴为红色直线F_NS_N，如图6A所示；当光以θ＝60°，

入射时，它首次经过第一相位延迟单元QWP1和首次经过第二相位延迟单元QWP2后偏振被调制的过程在 Poincare球上表示为：QWP1调制过程——将M点绕着品红色直线F_NS_N顺时针旋转90°到点N；QWP2调制过程——将N点绕着红色直线F_OS_O顺时针旋转90°到点O。(顺时针旋转指对于直线FS从F端向S端看去时顺时针旋转)

当光以θ＝60°，

入射时，符合被偏振分光片PBS反射的偏振态在 Pioncare球上为黑点P关于球心对称的点(此时与绿点M重合)，而由图6A 可以看到以θ＝60°，

入射的光在依次首次经过吸收型偏振片Pol、第一相位延迟单元QWP1、第二相位延迟单元QWP2后偏振态(红点O)与绿点M并不重合，且两点处半径构成的夹角较大，因此首先到达偏振分光片PBS的光不会被全部吸收，会产生一定程度的漏光。

图6B表示在实施例1中，以θ＝60°，

入射的入射光线在依次首次通过吸收型偏振片Pol、第一相位延迟单元QWP1、第二相位延迟单元QWP2、偏振分光片PBS后的偏振状态，分别用绿点M、品红点N、红点O、黑色点P表示。光以θ＝60°，

入射时，符合被PBS反射偏振态在Pioncare球上为黑点P关于球心对称的点，而由图6B可以看到以θ＝60°，

入射的光在依次首次经过偏光片、第一相位延迟单元QWP1、第二相位延迟单元QWP2后偏振态与P点关于球心的对称点并不重合，且两点处半径构成的夹角很大，因此首次到达偏振分光片PBS的光会有一部分直接通过偏振分光片PBS，而不是被完全反射，会有一定程度的漏光产生。

根据实施例1的方案，当θ较大时，杂散光的强度和信号光强度可比拟，特别是在θ＝65°、

附近，此时具有一定的漏光现象。

实施例2

相比于实施例1，实施例2的光路结构中具有如下区别：添加第一相位补偿单元RA。实施例2的光路结构如图7所示。

第二相位延迟单元为负相位延迟单元，它由n_o＞n_e且光轴满足α₂＝-α₁＝-45°(即135°)的四分之一波片构成。第一相位延迟单元为正相位延迟单元。

第一相位补偿RA可以有多种构型。本实施例中选定的第一相位补偿单元 RA的参数如下表所示，其包括沿着光路方向叠加的相位延迟片A1和相位延迟片A2。其中相位延迟片A1的参数如下：n_o＜n_e，光轴方向平行于x轴、相位延迟量为100nm。相位延迟片A2的参数如下：n_o＞n_e，光轴方向平行于 y轴、相位延迟量为101nm。

	相位延迟片A1	相位延迟片A2
			光轴方向	与x轴平行	与y轴平行
Retardance(相位延迟量)	100nm	101nm
			类型	n<sub>o</sub>＜n<sub>e</sub>	n<sub>o</sub>＞n<sub>e</sub>

仍然以θ＝60，

入射的光线为例进行说明，在实施例2结构中的偏振态变化如图8A所示，可以看到光第一次经过第二相位延迟单元QWP2的偏振态点O与P点关于球心的对称点相距很近，因此该光线在第一次进入偏振分光片PBS时大部分被反射，漏光被减少。

杂散光的强度随光线不同入射角度分布如图8B所示。与图6D相比，本实施例极大降低折叠光路中的漏光，漏光强度减小到原来的12％。

实施例3

图9示出了实施例3的光路结构。相比于实施例1，实施例3的光路结构中具有如下区别：添加第一相位补偿单元RA和第二相位补偿单元RB。

第二相位延迟单元为负相位延迟单元，它由n_o＞n_e且光轴满足α₂＝-α₁＝-45°的四分之一波片构成。第一相位延迟单元为正相位补偿单元。

第一相位补偿单元RA可以有多种构型。本实施例中选定的第一相位补偿单元RA的参数如下：其包括沿着光路方向叠加的相位延迟片A1和相位延迟片A2。其中相位延迟片A1的参数如下：n_o＜n_e，光轴方向平行于x轴、相位延迟量为206nm。相位延迟片A2的参数如下：n_o＜n_e，光轴方向平行于y 轴、相位延迟量为85nm。

	相位延迟片A1	相位延迟片A2
			光轴方向	与x轴平行	与y轴平行
Retardance(相位延迟量)	206nm	85nm
			类型	n<sub>o</sub>＜n<sub>e</sub>	n<sub>o</sub>＞n<sub>e</sub>

第二相位补偿单元RB可以有多种构型。本实施中选定的第二相位补偿单元RB的参数如下：其包括沿着光路方向叠加的相位延迟片B1和相位延迟片 B2。其中相位延迟片B1的参数如下：n_o＞n_e，光轴方向平行于x轴、相位延迟量为85nm。相位延迟片B2的参数如下：n_o＞n_e，光轴方向平行于y轴、相位延迟量为206nm。

	相位延迟片B1	相位延迟片B2
			光轴方向	与x轴平行	与y轴平行
Retardance(相位延迟量)	85nm	206nm
			类型	n<sub>o</sub>＞n<sub>e</sub>	n<sub>o</sub>＞n<sub>e</sub>

以θ＝60，

入射的光线在实施例3结构中的偏振态变化如图10A 所示，可以看到光第一次经过第二相位补偿单元的偏振态点V与P点关于球心的对称点几乎重合，因此该光线在第一次进入偏振分光片PBS时几乎全被反射，不产生漏光。

杂散光的强度随光线不同入射角度分布如图10B所示。与图8B相比，本实施例极大降低折叠光路中的漏光，漏光强度减小到原来的7％。

通过上述实施例1-3可以看出，根据本发明实施例的光学模组，能够减少折叠光路中漏光的发生。

本发明还涉及一种近眼显示装置，包括：显示屏；和如上所述的光学模组20或30，光学模组20或30设置在所述显示屏的光路下游。所述近眼显示装置诸如增强现实AR装置、虚拟现实VR装置或其他类型的混合现实MR装置。

图11示出了根据本发明一个实施例的光投射方法100,下面参考图11详细描述。

在步骤S101：通过第一相位补偿单元接收线偏光，进行调制后使其出射；

在步骤S102：通过第一相位延迟单元从所述第一相位补偿单元接收光束并将其调制为圆偏光或椭圆偏光；

在步骤S103：通过半透半反层接收所述圆偏光或椭圆偏光，并允许所述圆偏光或椭圆偏光至少部分透射；

在步骤S104：通过第二相位延迟单元接收所述透射的圆偏光或椭圆偏光并调制后出射；和

在步骤S105：通过偏振分光片从所述第二相位延迟单元接收光束，所述偏振分光片设置在所述第二相位延迟单元的光路下游，所述偏振分光片具有透光轴，允许偏振方向与所述偏振分光片的透光轴平行的部分光束透射，并将其余部分光束反射回所述第二相位延迟单元。

根据本发明的一个方面，所述第一相位延迟单元和第二相位延迟单元同为正相位延迟单元或同为负相位延迟单元，并且满足以下关系：α₁＝α₂＝45°或135°^°；或者所述第一相位延迟单元和第二相位延迟单元为类型相反的正相位延迟单元或负相位延迟单元，并且满足以下关系：α₁＝-α₂＝45°或135°，

根据本发明的一个方面，上述光投射方法通过如上所述的光学模组20或 30实施。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种光学模组，包括：

第二相位延迟单元，位于所述半透半反层的光路下游；和

2.如权利要求1所述的光学模组，还包括位于所述第一相位补偿单元的光路上游的偏光片，所述偏光片接收入射光束，并将其调制成线偏光，所述第一相位补偿单元接收所述线偏光，并且调制后使其出射到所述第一相位延迟单元。

3.如权利要求2所述的光学模组，其中所述第一相位补偿单元的光轴位于与所述偏光片的透光轴正交的平面内、或与所述偏光片的吸光轴正交的平面内。

4.如权利要求1-3中任一项所述的光学模组，其中所述第一相位延迟单元配置成可令入射到其上的线偏光沿光轴方向的偏振分量产生n*pi+3/4pi的相位延迟、或n*pi+1/4pi的相位延迟；第二相位延迟单元配置成可令入射到其上的线偏光沿光轴方向的偏振分量产生n*pi+3/4pi的相位延迟、或n*pi+1/4pi的相位延迟，其中n为整数。

5.如权利要求1-3中任一项所述的光学模组，其中被所述偏振分光片反射的光束透射通过所述第二相位延单元，被所述半透半反层部分反射，再次透射通过所述第二相位延迟单元，到达所述偏振分光片的折返光束的偏振方向与所述偏振分光片的透光轴平行。

6.如权利要求2所述的光学模组，其中所述第一相位延迟单元和第二相位延迟单元同为正相位延迟单元或同为负相位延迟单元，并且满足以下关系：

α₁＝α₂＝45°或135°，

7.如权利要求2所述的光学模组，其中所述第一相位延迟单元和第二相位延迟单元为类型相反的正相位延迟单元或负相位延迟单元，并且满足以下关系：

α₁＝-α₂＝45°或135°，

8.如权利要求2所述的光学模组，其中所述第一相位补偿单元配置成使得：根据从所述偏光片沿各个方向入射到其上的线偏光的偏振态分布对其进行调制，使得初次入射到所述偏振分光片上的各入射角的光束的偏振态符合被所述偏振分光片反射的条件。

9.如权利要求1-3中任一项所述的光学模组，还包括位于所述第二相位延迟单元和所述偏振分光片之间的第二相位补偿单元，所述第二相位补偿单元的光轴位于与所述偏振分光片的透光轴正交的平面内、或与所述偏振分光片的反光轴正交的平面内。

10.如权利要求9所述的光学模组，其中所述第二相位补偿单元配置成使得：根据初次入射到第二相位补偿单元上的各入射角的光束的偏振态分布，对其进行调制，使得初次入射到第二相位补偿单元上的各入射角的光束透过所述第二相位补偿单元后的偏振态符合被所述偏振分光片反射的条件。

11.如权利要求1-3中任一项所述的光学模组，还包括透镜，所述透镜与所述半透半反层相邻设置。

12.如权利要求10所述的光学模组，其中所述半透半反层贴附在所述透镜的表面上。

13.一种近眼显示装置，包括：

显示屏；和

如权利要求1-12中任一项所述的光学模组，设置在所述显示屏的光路下游。

14.一种光投射方法，包括：

15.如权利要求14所述的光投射方法，还包括：通过偏光片产生线偏光，所述线偏光入射到所述第一相位补偿单元上，其中所述第一相位补偿单元的光轴位于与所述偏光片的透光轴正交的平面内、或与所述偏光片的吸光轴正交的平面内，所述第一相位补偿单元配置成使得：根据从所述偏光片沿各个方向入射到其上的线偏光的偏振态分布对其进行调制，使得初次入射到所述偏振分光片上的各入射角的光束的偏振态符合被所述偏振分光片反射的条件。

16.如权利要求14所述的光投射方法，还包括：通过位于所述第二相位延迟单元和所述偏振分光片之间的第二相位补偿单元对入射到第二相位补偿单元上的光束进行调制，其中所述第二相位补偿单元的光轴位于与所述偏振分光片的透光轴正交的平面内、或与所述偏振分光片的反光轴正交的平面内，所述第二相位补偿单元配置成使得：根据初次入射到第二相位补偿单元上的光束的偏振态分布，对其进行调制，使得初次入射到第二相位补偿单元上的光束透过所述第二相位补偿单元后的偏振态符合被所述偏振分光片反射的条件。

17.如权利要求14-16中任一项所述的光投射方法，其中所述第一相位延迟单元和第二相位延迟单元同为正相位延迟单元或同为负相位延迟单元，并且满足以下关系：α₁＝α₂＝45°或135°；或者所述第一相位延迟单元和第二相位延迟单元为类型相反的正相位延迟单元或负相位延迟单元，并且满足以下关系：α₁＝-α₂＝45°或135°，

18.如权利要求14-16中任一项所述的光投射方法，还包括：被所述偏振分光片反射的光束经过所述第二相位延迟单元和半透半反层后折返，折返光束从所述偏振分光片出射。

19.如权利要求14-16中任一项所述的光投射方法，其中所述光投射方法通过如权利要求1-11中任一项所述的光学模组实施。