CN113866982B

CN113866982B - 一种近眼显示光学模组和vr显示设备

Info

Publication number: CN113866982B
Application number: CN202111120383.2A
Authority: CN
Inventors: 贾春晖
Original assignee: Vision Technology Co ltd
Current assignee: Vision Technology Co ltd
Priority date: 2021-09-24
Filing date: 2021-09-24
Publication date: 2023-05-23
Anticipated expiration: 2041-09-24
Also published as: CN113866982A

Abstract

本发明实施例公开了一种近眼显示光学模组和VR显示设备。该近眼显示光学模组包括第一透镜、可移动折返镜组和第二透镜，所述第一透镜、所述可移动折返镜组和所述第二透镜均具有正光焦度；所述可移动折返镜组用于将来自物方的光线经内部反射后再透射出射，所述可移动折返镜组的至少部分组件可沿光轴前后移动，以改变所述近眼显示光学模组的屈光度。本发明实施例解决了现有VR设备不具有屈光度可调功能或者具备屈光度可调功能的现有VR设备结构复杂、装调难度大的问题，在给予不同视力状况的用户相应的屈光度以达到最佳的视觉效果外，还满足了VR显示系统中对于光机系统小型化、轻量化的使用需求。

Description

一种近眼显示光学模组和VR显示设备

技术领域

本发明实施例涉及虚拟现实技术领域，尤其涉及一种近眼显示光学模组和VR显示设备。

背景技术

虚拟现实技术(virtual reality，VR)是采用计算机技术为核心结合光电传感技术生成逼真的视、听、触、嗅一体化的特定范围内虚拟的环境。用户使用VR设备可以自然地与虚拟世界中的客体进行实时逼真交互，从而产生身临其境的感受和体验。

VR设备，通常内置独立的屏幕，可以将VR资源呈现给用户的左右眼，形成VR影像。由于VR设备的屏幕与用户的眼睛的距离很近，因此在屏幕与用户的眼睛之间通常设置有光学组件，屏幕上显示的画面经过光学组件的折射产生类似远方的效果，利用此效果可以将近处物体放大至远处观赏而达到全像视觉，其中光学组件和屏幕可以统称为镜头模组。

然而，目前的VR设备的镜头模组或者不能实现屈光度可调，或者能够实现屈光度可调，但调节结构复杂，调节精度差，同时屈光度调节范围较小。

发明内容

本发明提供一种近眼显示光学模组和VR显示设备，以满足不同视力状况的用户需求，实现VR显示系统中光机系统的小型化、轻量化。

第一方面，本发明实施例提供了一种近眼显示光学模组，包括第一透镜、可移动折返镜组和第二透镜，所述第一透镜、所述可移动折返镜组和所述第二透镜均具有正光焦度；

所述可移动折返镜组用于将来自物方的光线经内部反射后再透射出射，所述可移动折返镜组的至少部分组件可沿光轴前后移动，以改变所述近眼显示光学模组的屈光度。

可选地，所述可移动折返镜组沿所述第一透镜朝向所述第二透镜的方向依次包括偏光片、第一四分之一波片、第三透镜、第四透镜、第二四分之一波片和半透半反式偏光片；所述第四透镜朝向所述第三透镜的一侧表面设置有半透半反膜，所述第三透镜具有负光焦度，所述第四透镜具有正光焦度。

可选地，所述第三透镜和所述第四透镜相互胶合形成胶合镜组。

可选地，所述第三透镜为平凹透镜，所述第四透镜为平凸透镜，所述第三透镜和所述第四透镜的平面分别位于相互背离的一侧；所述第一四分之一波片贴附在所述第三透镜的平面上，所述第二四分之一波片和所述半透半反式偏光片层叠贴附在所述第四透镜的平面上。

可选地，所述第四透镜与所述第三透镜的折射率差ΔVd满足：0.34<ΔVd<0.51。

可选地，所述第四透镜的折射率Vd4满足：1.45＜Vd4＜1.6。

可选地，所述可移动折返镜组与所述第二透镜之间的空气间隔距离，与所述近眼显示光学模组的光学总长之比在3％～26％范围内。

可选地，所述第一透镜和所述第二透镜为非球面塑胶透镜。

可选地，所述近眼显示光学模组的入瞳直径D满足：4mm≤D≤12mm。

可选地，所述近眼显示光学模组的焦距f满足：8mm≤f≤25mm。

可选地，所述近眼显示光学模组中入瞳直径D和焦距f的比值关系D/(2*f)满足；1.4≤D/(2*f)≤2.5。

第二方面，本发明实施例还提供了一种VR显示设备，包括本发明任一实施例所述的近眼显示光学模组和微显示面板，所述微显示面板用于产生和发射携带图像信息的光束，所述微显示面板位于所述近眼显示光学模组的物侧且与所述近眼显示光学模组同轴放置；所述VR显示设备还包括外壳，所述近眼显示光学模组和所述微显示面板设置于所述外壳内。

本发明实施例中，通过设置第一透镜、可移动折返镜组和第二透镜构成近眼显示光学模组，其中，第一透镜、可移动折返镜组和第二透镜均设置为正光焦度，可移动折返镜组用于将来自物方的光线经内部反射后再透射出射，并且至少部分组件可沿光轴前后移动，用于改变近眼显示光学模组的屈光度，从而实现整个近眼显示光学模组可以在像面以不同屈光度成像。本发明实施例解决了现有VR设备不具有屈光度可调功能或者具备屈光度可调功能现有VR设备结构复杂、装调难度大的问题，在给予不同视力状况的用户相应的屈光度以达到最佳的视觉效果外，还满足了VR显示系统中对于光机系统小型化、轻量化的使用需求，使近眼显示光学模组更易于集成到各个设备上，且更具美观性；同时，采用可移动折返镜组调节近眼显示光学模组的屈光度，无需改变系统总长，装调相对简单，还能够利用相应的驱动机构保证较高的调节精度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种VR显示设备的结构示意图；

图2和图3为本发明实施例一的VR显示设备分别在+2D和-8D屈光度下的镜组位置示意图；

图4为实施例一提供的近眼显示光学模组的MTF图；

图5为实施例一提供的近眼显示光学模组的畸变图；

图6为实施例一提供的近眼显示光学模组的场曲图；

图7为实施例一提供的近眼显示光学模组的垂轴色差图；

图8是本发明实施例二提供的一种VR显示设备的结构示意图；

图9为实施例二提供的近眼显示光学模组的MTF图；

图10为实施例二提供的近眼显示光学模组的畸变图；

图11为实施例二提供的近眼显示光学模组的场曲图；

图12为实施例二提供的近眼显示光学模组的垂轴色差图；

图13是本发明实施例三提供的一种VR显示设备的结构示意图；

图14为实施例三提供的近眼显示光学模组的畸变图；

图15为实施例三提供的近眼显示光学模组的场曲图；

图16为实施例三提供的近眼显示光学模组的垂轴色差图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

如背景技术部分所述，现有的VR设备一般不能实现屈光度可调，而为了给不同视力状况的用户呈现清晰的图像，通常仅仅是在设备中预留容纳用户眼镜的空间，以方便用户自带眼镜使用VR设备。这种VR设备由于留有用户带眼镜的空间，加大了VR设备的体积。现有的具有屈光度调节能力的VR设备，一般是通过调节光学组件与屏幕之间的距离，从而调整屏幕画面在人眼中的成像距离，以此适应不同视力状况的用户，实现屈光度的调节。然而其调节原理和方式决定了微显示屏幕会和透镜产生相对位移，导致系统总长会发生变化，同时屏幕的移动会给装调造成更大的困难和更高精度的装调要求，造成结构复杂且调节精度较差。

基于上述问题，本发明实施例提供了一种近眼显示光学模组，图1是本发明实施例提供的一种VR显示设备的结构示意图，参考图1，该VR显示设备包括本发明实施例提供的近眼显示光学模组100，该近眼显示光学模组100包括第一透镜11、可移动折返镜组13和第二透镜12；第一透镜11、可移动折返镜组13和第二透镜12均具有正光焦度，可移动折返镜组13用于将来自物方的光线经内部反射后再透射出射，可移动折返镜组13的至少部分组件可沿光轴前后移动，以改变近眼显示光学模组100的屈光度。

其中，光焦度等于像方光束汇聚度与物方光束汇聚度之差，它表征光学系统偏折光线的能力。光焦度的绝对值越大，对光线的弯折能力越强，光焦度的绝对值越小，对光线的弯折能力越弱。光焦度为正数时，光线的屈折是汇聚性的；光焦度为负数时，光线的屈折是发散性的。本发明实施例中，设置正光焦度的第一透镜11、可移动折返镜组13和第二透镜12，可以利用三组透镜分别对光线进行不同程度地汇聚，使物方的光束成像在相应的像面上。而同时，可以理解，光学组件的光束汇聚效果不仅取决于光学组件光学性能例如光焦度，还取决于光学组件的位置，本实施例中设置可移动折返镜组13可沿光轴进行前后移动，一定程度上可以利用该可移动折返镜组13的位置变化，调节可移动折返镜组13在整个近眼显示光学模组100中的光束汇聚效果，也即可以调节近眼显示光学模组100的整体光焦度。换言之，从用户目视角度而言，调节可移动折返镜组13实质上可以改变整个光学模组的屈光度。本发明实施例通过改变可移动折返镜组的位置，能够调节近眼显示光学模组的虚像面的位置，基于不同近视程度的用户清晰观看画面时所需的近眼显示光学模组虚像面位置不同，本发明实施例满足了不同近视程度的用户对于观看清晰画面的光焦度需求。

此外，本实施例在第一透镜11和第二透镜12之间设置可移动折返镜组13，实质上是利用了折返镜组本身具备增加光程的能力。可移动折返镜组13偏折光线的能力整体上表现为汇聚光线，其内部的光线偏折过程则实质是将光线在内部进行至少两次反射，再将反射光束按照原光路透射出射。显然，因为光线在折返镜组13中进行了至少两次反射，故而可以增加光线在该光学组件中的光程，保证了有效的光学汇聚效果。基于该可移动折返镜组13，本实施例的近眼显示光学模组可以仅使用三组透镜完成视场角为50°的目视光学系统设计，并且，匹配0.49英寸微显示器件，实现+2D～－8D的屈光度调节范围。相较于传统透射式光学系统，其在满足50°视场角且屈光度可调的设计时，透镜数量需要5片，且为了保证成像质量，其中三片透镜需要设置非球面透镜。而且，传统透射式光学系统还需增加透镜数量或增加总长才能提升像质。本实施例提供的近眼显示光学模组相较于传统的透射式光学系统，能够减少所使用的透镜数量、减少系统质量、缩短光路，此外还能在总长约为透射式镜头的1/2、有效口径更小、体积更小的情况下得到更佳的成像质量，其性能及体积具有明显优势。

下面继续参考图1所示，对本实施例中的可移动折返镜组的具体结构进行示例。可移动折返镜组13沿第一透镜11朝向第二透镜12的方向依次包括偏光片131、第一四分之一波片132、第三透镜133、第四透镜134、第二四分之一波片135和半透半反式偏光片136；第四透镜134朝向第三透镜133的一侧表面设置有半透半反膜(图中未示出)，第三透镜133具有负光焦度，第四透镜134具有正光焦度。

本领域技术人员可知，四分之一波片具有将一定波长的光垂直入射通过时使出射的寻常光和异常光之间相位差1/4波长的功能，在光路中四分之一波片可使线偏振光变为圆偏振光或椭圆偏振光或者相反。本实施例中的可移动折返镜组13的折返原理为：物方光线经偏光片131后转换为第一线偏振光，该第一线偏振光经第一四分之一波片132后转换为圆偏振光；圆偏振光依次经第三透镜133和第四透镜134后入射至第二四分之一波片135，经第二四分之一波片135转换为第二线偏振光，通过设置半透半反式偏光片136的透光轴与第二线偏振光的偏振方向垂直，则该第二线偏振光在经该半透半反式偏光片136时会发生反射，形成反射光，反射光第二次通过第二四分之一波片135转换为圆偏光；部分反射光在经第三透镜133和第四透镜134之间的半透半反膜(图中未示出)时会发生第二次反射，从而第二次透过第四透镜134后入射至第二四分之一波片135，此时的反射光为圆偏光，第三次经第二四分之一波片135后转换为第三线偏光，此时的第三线偏振光与半透半反式偏光片136的透光轴平行，从而透射出射。

需要说明的是，该实施例中偏光片131和半透半反式偏光片136的透光轴方向以及第一四分之一波片132和第二四分之一波片135的光轴方向需要适应性设置。首先，对于偏光片131和第一四分之一波片132，其透光轴和光轴应呈45°夹角，此时经偏光片131出射的第一线偏光经第一四分之一波片132后可变换为圆偏光。而对于第二四分之一波片135和半透半反式偏光片136而言，其光轴和透光轴也应保证45°夹角，经过第二四分之一波片135的第二线偏振光与第二四分之一波片135光轴的夹角也为45°，从而可转换为圆偏光。此外，需要注意的是，当第二线偏振光相对第二四分之一波片135的光轴左旋45°时，半透半反式偏光片136的透光轴应相对第二四分之一波片135的光轴右旋45°，换言之，半透半反式偏光片136的透光轴相对第二四分之一波片135的光轴的旋转方向，应与第二线偏振光相对第二四分之一波片135的光轴的旋光方向相反，此时，第二线偏振光的偏振方向与半透半反式偏光片136的透光轴夹角为90°，第二线偏振光会在半透半反式偏光片136处发生反射，进而形成折返现象。

此外，本发明实施例中第一四分之一波片132、第三透镜133、第四透镜134、第二四分之一波片135和半透半反式偏光片136在第一透镜11和第二透镜12之间移动，用以改变整个近眼显示光学模组的屈光度，偏光片131则贴附在VR显示设备的其他光学组件例如微显示面板100表面，保持位置不变。当然，在本发明的其他实施例中，也可选偏光片131设置在第一透镜11和第一四分之一波片132之间，例如贴附在第一四分之一波片132朝向第一透镜11的表面。或者，也可选不设置偏光片131，此时由微显示面板100出射的光线经第一四分之一波片132后，同样会在半透半反式偏光片136和半透半反膜之间发生折返，并由半透半反式偏光片136透射出射。

在上述实施例的基础上，本发明实施例还可选第三透镜133和第四透镜134相互胶合形成胶合镜组。其中，采用胶合镜组的形式，可以减少透镜间的间距，能够适当校正色差，还能改善场曲和彗差，从而对成像质量进行进一步优化。

在一具体实施例中，可选第三透镜133为平凹透镜，第四透镜134为平凸透镜，第三透镜133和第四透镜134的平面分别位于相互背离的一侧；第一四分之一波片132贴附在第三透镜133的平面上，第二四分之一波片135和半透半反式偏光片136层叠贴附在第四透镜134的平面上。

其中，设置第三透镜133为平凹透镜，第四透镜134为平凸透镜，且第三透镜133和第四透镜134的平面分别位于相互背离的一侧，实质是将第三透镜133和第四透镜134的胶合面设置向背离像方一侧外凸，此时可使得光线通过折反后成像高度快速下降，有利于矫正大角度像差，缩小光学模组的口径。

需要说明的是，上述实施例中半透半反式偏光片136和第二四分之一波片135设置在第四透镜134的平面上，实质上使得可移动折返镜组13的折返过程在第四透镜134中进行，半透半反式偏光片136和第二四分之一波片135相对更容易贴附在第四透镜134的平面上，能够保证较低的加工成本。在本发明的其他实施例中，本领域技术人员也可选将半透半反式偏光片和第二四分之一波片设置在第四透镜的曲面上，相应地，半透半反膜可设置在第三透镜的平面上，此时折返过程主要在第三透镜中进行。

考虑到折返镜组中的折返效率，在一具体实施例中，可选第四透镜134与第三透镜133的折射率差ΔVd满足：0.34<ΔVd<0.51。此时，第四透镜134相较于第三透镜133为光密介质，光线在经半透半反式偏光片反射后形成的反射光束更容易在第四透镜134和第三透镜133的界面发生反射，从而避免光线损失，提高反射效率，保证成像亮度。进一步地，可选第三透镜133和第四透镜134为玻璃球面透镜，以保证可移动折返镜组对温度的不敏感性，防止温度变化对折返镜组的影响。具体地，可设置该第四透镜134的折射率Vd4满足：1.45＜Vd4＜1.6。

此外，考虑到整个近眼显示光学模组的成像质量，本发明实施例中可选对第一透镜11和第二透镜12进行优化，以利用该两个单独的透镜对成像像差进行校正。具体地，可设置第一透镜11和第二透镜12为非球面塑胶透镜。相较于玻璃透镜，采用塑胶透镜制备非球面透镜时，其制备难度和制备成本均较低，有利于降低制造成本和量产化。而且，非球面的透镜能够满足不同高度、不同视场角度下需要相应的光线偏折能力的要求，可以在满足光焦度要求的同时，矫正除色差外的全部像差，对于匹配可移动折返镜组13而言，非球面的第一透镜11和第二透镜12可以在可移动折返镜组13的移动过程中对动态变化的像质均能进行有效校正，降低场曲、畸变和色差等，提高成像分辨率，保证成像质量。第一透镜11和第二透镜12可选采用树脂透光材料制备，其折射率可设置满足如下条件：1.67>折射率(Vd)＞1.475。

在上述实施例的基础上，本发明实施例可设置所述可移动折返镜组13与所述第二透镜12之间的空气间隔距离，与所述近眼显示光学模组100的光学总长之比在3％～26％范围内。此处，采用可移动折返镜组13与第二透镜12之间的空气间隔距离变化，表征可移动折返镜组13在第一透镜11和第二透镜12之间前后移动的移动量。该比值在上述范围内变化时，可移动折返镜组13具备适当的光线聚焦效果，通过匹配前后两个透镜的光焦度，可以使得最终所成的虚像处于适当的位置，从用户观看的角度而言，能够适应眼睛屈光度在+2D～-8D的近视用户，保证不同近视程度用户观看到清晰画面。需要强调的是，上述的比值范围实质是在限定可移动折返镜组13在近眼显示光学模组100中的位置，从光束传播的角度而言，则是在限定可移动折返镜组13在整个近眼显示光学模组100中所起的光束折返和汇聚作用，其利用位置变化调节对光束的作用效果，以此改变整体的汇聚能力以及虚像位置，实现不同的屈光度以满足不同近视程度用户的使用需求。

在一可选实施例中，近眼显示光学模组100的入瞳直径D满足：4mm≤D≤12mm，优选入瞳直径D为8mm，以此保证光学模组入瞳直径与人眼匹配，平衡光学模组的设计难度以及成本。

在另一可选实施例中，近眼显示光学模组100的焦距f满足：8mm≤f≤25mm，优选焦距f为14.3mm，用以获得较佳的聚集光能力，实现合适焦距的光学系统，满足近眼显示的观看需求，平衡设计难度以及视场角度匹配。

更进一步地，可选近眼显示光学模组100中入瞳直径D和焦距f的比值关系D/(2*f)满足；1.4≤D/(2*f)≤2.5。本领域技术人员可以理解，光学镜头的数值孔径NA近似等于D/(2*f)，此时该近眼显示光学模组100的数值孔径NA处于合适范围，能够满足VR对于收光能力以及空间分辨率的要求。

在另一可选实施例中，可选入瞳(人眼)到第四透镜134的距离L，即近眼显示光学模组100到人眼之间的距离L满足：8mm≤L≤15mm，优选f＝15mm。此时，人眼和镜片处于合适的距离，能够保证最佳视觉效果。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种VR显示设备。继续参考图1，该VR显示设备包括上述任一实施例的近眼显示光学模组100和微显示面板200，微显示面板200用于产生和发射携带图像信息的光束，微显示面板200位于近眼显示光学模组100的物侧且与近眼显示光学模组100同轴放置；VR显示设备还包括外壳(图中未示出)，近眼显示光学模组100和微显示面板200设置于外壳内。由于该VR显示设备采用本发明实施例提供的任意一种近眼显示光学模组，故而具备近眼显示光学模组相同或相似的有益效果，此处不再赘述。

下面以三个具体实施例对上述的近眼显示光学模组以及VR显示设备进行说明。

实施例一

如图1所示，本发明实施例一的VR显示设备中，近眼显示光学模组100包括第一透镜11、可移动折返镜组13和第二透镜12；第一透镜11、可移动折返镜组13和第二透镜12均具有正光焦度，可移动折返镜组13用于将来自物方的光线经内部反射后再透射出射，可移动折返镜组13的至少部分组件可沿光轴前后移动，以改变近眼显示光学模组100的屈光度。

可移动折返镜组13沿第一透镜11朝向第二透镜12的方向依次包括偏光片131、第一四分之一波片132、第三透镜133、第四透镜134、第二四分之一波片135和半透半反式偏光片136；第四透镜134朝向第三透镜133的一侧表面设置有半透半反膜(图中未示出)，第三透镜133具有负光焦度，第四透镜134具有正光焦度。

第三透镜133和第四透镜134相互胶合形成胶合镜组。第三透镜133为平凹透镜，第四透镜134为平凸透镜，第三透镜133和第四透镜134的平面分别位于相互背离的一侧；第一四分之一波片132贴附在第三透镜133的平面上，第二四分之一波片135和半透半反式偏光片136层叠贴附在第四透镜134的平面上，偏光片131贴附在微显示面板200的表面。

本实施例一的VR显示设备的设计参数为：入瞳为8mm，视场为50°，焦距为14.3mm，入瞳(人眼)到第一片透镜的距离L＝15mm，最大有效口径小于30mm，总长为24mm，畸变为5.5％，使用的屏幕对角线尺寸为：0.49英寸，分辨率为：1920*1080，有效区域大小为：10.752mm*6.048mm，像素尺寸为5.6μm。

在该实施例一中，第一透镜11、可移动折返镜组13以及第二透镜12的各个设计值如下表1所示。

表1为本发明实施例一的VR显示设备中各光学组件的设计值

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表1中的面序号是根据各个透镜或光学组件的表面按照从左至右的顺序来进行编号，其中“S1”代表入瞳面(人眼所在位置)，“S2”代表第二透镜11的前表面，“S3”代表第二透镜12的后表面，依次类推；曲率半径代表镜片表面的弯曲程度，正值代表该表面弯向像面一侧，负值代表该表面弯向物面一侧，“Infinity”表示为平面；厚度代表当前表面到下一表面的中心轴向距离。此外，需要说明的是，表中材料列所示MIRROR表示该表面为反射面，在可移动折返镜组中实现光束折返作用。

非球面圆锥系数可用以下非球面公式进行限定，但不仅限于以下表示方法：

Z＝cy²/{1+√[1-(1+k)c²y²]}+Ay⁴+By⁶+Cy⁸+Dy¹⁰+Ey¹²+Fy¹⁴；

其中，Z为非球面沿光轴方向在高度为y的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c＝1/R，R表示镜面的近轴曲率半径；K为圆锥系数；A、B、C、D、E、F为高次非球面系数。

本实施例一中非球面面型参数见表2：

表2为实施例一的VR显示设备中非球面系数的设计值

图2和图3为本发明实施例一的VR显示设备分别在+2D和-8D屈光度下的镜组位置示意图，参考图2和图3可知，表面3与表面4的空气间隔以及表面12和表面13的空气间隔能够表示可移动折返镜组13相对第二透镜12和第一透镜11的位置距离，其最大最小差值为整体移动量。本实施例一的VR显示设备中可移动折返镜组的相对位置参数见表3：

表3为实施例一可移动折返镜组的相对位置参数

+2D	+1D	0D	-2.5D	-5D	-6D	-7D	-8D
								2.866	3.156	3.429	4.153	4.932	5.266	5.616	5.966

需要说明的是，上述表3为不同屈光度下表面3与表面4的空气间隔距离，根据光学总长，即可计算获得表面12和表面13之间的空气间隔距离。如该表3所示，逐渐增加表面3至表面4的空气间隔距离的过程，实质是移动可移动折返镜组13逐渐远离第二透镜12并靠近第一透镜11的过程。可以理解，可移动折返镜组13逐渐靠近第一透镜11的过程中，会对由第一透镜11出射的光束提早进行光束折返和汇聚，从而改变了近眼显示光学模组100整体光汇聚效果，使得近眼显示光学模组100整体的屈光度逐渐减小。并且，在移动至适当位置时，可以相应实现一个标准的屈光度值，如表所示的屈光度+2D、+1D、-2.5D等。具体地，该实施例一中近眼显示光学模组的光学总长为23.1731mm，表面3和表面4的空气间隔距离为2.866mm时，占光学总长12.37％，表面3和表面4的空气间隔距离为5.996mm时，占光学总长5.966％，占比均处于3％～26％范围内，此时近眼显示光学模组100屈光度可以在+2D～-8D之间调节。基于此位置坐标与标准屈光度值对应列表，可以在实际的VR显示设备中指导调节可移动折返镜组13至相应位置，实现相应的标准屈光度值，满足相应用户的观看需求。具体而言，本实施例中的VR显示设备可通过调节可移动折返镜组13至少实现+2D～-8D的屈光度调节，满足不同视力状况的用户。

本发明实施例一还针对近眼显示光学模组在0屈光度下的光学性能进行了测试，图4为实施例一提供的近眼显示光学模组的MTF图，图5为实施例一提供的近眼显示光学模组的畸变图，图6为实施例一提供的近眼显示光学模组的场曲图，图7为实施例一提供的近眼显示光学模组的垂轴色差图。其中，图4分别示出了上述近眼显示光学模组在不同视场角成像位置处的MTF与空间频率的关系曲线，由图4可知，该近眼显示光学模组在45lp/mm处，成像中心的MTF值≥0.4，表示该光学模组可以实现较高分辨率的成像。根据图5和图6的畸变和场曲可知，该近眼显示光学模组最大畸变在-10％以内，同时，对不同波长的光线所产生的子午方向与弧矢方向场曲介于±0.10mm之间。由图7可以看出，长波长光线和短波长光线所产生的轴向色差均在±3.0μm以内，垂轴色差与艾里斑范围相差不大。综上可知，本发明实施例一提供的近眼显示光学模组不仅能够较好地校正场曲和畸变，提升像质，还能实现较高分辨率，满足高质量成像要求。

实施例二

图8是本发明实施例二提供的一种VR显示设备的结构示意图，参考图8，本发明实施例二的VR显示设备中，近眼显示光学模组100包括第一透镜11、可移动折返镜组13和第二透镜12；第一透镜11、可移动折返镜组13和第二透镜12均具有正光焦度，可移动折返镜组13用于将来自物方的光线经内部反射后再透射出射，可移动折返镜组13的至少部分组件可沿光轴前后移动，以改变近眼显示光学模组100的屈光度。

与实施例一不同的是，本发明实施例二中的第一透镜11和第二透镜12采用不同的非球面参数进行像差校正，以期获得较优的像质。在该实施例二中，第一透镜11、可移动折返镜组13以及第二透镜12的各个设计值如下表4所示。

表4为本发明实施例二的VR显示设备中各光学组件的设计值

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本实施例二中非球面面型参数见表5：

表5为实施例二的VR显示设备中非球面系数的设计值

本实施例二的VR显示设备中可移动折返镜组的相对位置参数见表6：

表6为实施例二可移动折返镜组的相对位置参数

同样地，在该实施例二中，逐渐增加表面3至表面4的空气间隔距离的过程，可移动折返镜组13会对由第一透镜11出射的光束提早进行光束折返和汇聚，从而改变近眼显示光学模组100整体光汇聚效果，使得近眼显示光学模组100整体的屈光度逐渐减小。具体地，该实施例二中近眼显示光学模组的光学总长为19.3173mm，由该表6可知，表面3和表面4的空气间隔距离为0.709014mm时，占光学总长3.67％，表面3和表面4的空气间隔距离为3.567878mm时，占光学总长18.47％，占比均处于3％～26％范围内，此时近眼显示光学模组100屈光度可以在+2D～-8D之间调节。

本发明实施例二同样针对近眼显示光学模组在0屈光度下的光学性能进行了测试，图9为实施例二提供的近眼显示光学模组的MTF图，图10为实施例二提供的近眼显示光学模组的畸变图，图11为实施例二提供的近眼显示光学模组的场曲图，图12为实施例二提供的近眼显示光学模组的垂轴色差图。其中，图9分别示出了上述近眼显示光学模组在不同视场角成像位置处的MTF与空间频率的关系曲线，由图9可知，上述实施例的近眼显示光学模组，其在45lp/mm处，成像中心的MTF值≈0.4，表示该光学模组可以实现较高分辨率的成像。根据图10和图11的畸变和场曲可知，该近眼显示光学模组最大畸变在-6.0％以内，同时，对不同波长的光线所产生的子午方向与弧矢方向场曲介于±0.16mm之间。由图12可以看出，长波长光线和短波长光线所产生的轴向色差均在±4.0μm以内，垂轴色差与艾里斑范围相差不大。综上可知，本发明实施例二提供的近眼显示光学模组不仅能够较好地校正场曲和畸变，提升像质，还能实现较高分辨率，满足高质量成像要求。

实施例三

图13是本发明实施例三提供的一种VR显示设备的结构示意图，参考图13，本发明实施例三的VR显示设备中，近眼显示光学模组100包括第一透镜11、可移动折返镜组13和第二透镜12；第一透镜11、可移动折返镜组13和第二透镜12均具有正光焦度，可移动折返镜组13用于将来自物方的光线经内部反射后再透射出射，可移动折返镜组13的至少部分组件可沿光轴前后移动，以改变近眼显示光学模组100的屈光度。

可移动折返镜组13沿第一透镜11朝向第二透镜12的方向依次包括第一四分之一波片132、第三透镜133、第四透镜134、第二四分之一波片135和半透半反式偏光片136；第四透镜134朝向第三透镜133的一侧表面设置有半透半反膜(图中未示出)，第三透镜133具有负光焦度，第四透镜134具有正光焦度。

第三透镜133为平凹透镜，第四透镜134为平凸透镜，第三透镜133和第四透镜134的平面分别位于相互背离的一侧；第一四分之一波片132贴附在第三透镜133的平面上，第二四分之一波片135和半透半反式偏光片136层叠贴附在第四透镜134的平面上，偏光片131贴附在微显示面板200的表面。

与实施例一和二不同的是，本发明实施例三中可移动折返镜组13并不包含偏光片131，此外，第三透镜133和第四透镜134并非组合形成胶合透镜。在该实施例三中，第一透镜11、可移动折返镜组13以及第二透镜12的各个设计值如下表7所示。

表7为本发明实施例三的VR显示设备中各光学组件的设计值

面序号	表面类型	曲率半径	厚度	材料(nd)	视场半径
						S1	球面	Infinity	15		4
S2	非球面	48.1435268	2.85432863	APL5014CL	12.02511343
						S3	非球面	-777.382178	1.24557419		12.31686227
S4	球面	Infinity	0.31	PMMA	12.6743328
						S5	球面	Infinity	3.02437778	H-ZK3	12.74311012
S6	球面	-54.6095735	-3.0243778	MIRROR	13.05264537
						S7	球面	Infinity	-0.127	PMMA	12.63955207
S8	球面	Infinity	0.127	MIRROR	12.60186284
						S9	球面	Infinity	3.02437778	H-ZK3	12.56417361
S10	球面	-54.6095735	0.2		13.05264537
						S11	球面	-54.5462226	1.14642512	H-ZF88	13.05264537
S12	球面	Infinity	0.32	PMMA	11.4811254
						S13	球面	Infinity	4.59752581		11.4051292
S14	非球面	103.742446	3.6801129	APL5014CL	9.58170993
						S15	非球面	-13.4481638	1.91424756		9.163783934
S16	球面	Infinity	0.7	BK7	6.760453697
						S17	球面	Infinity	0		6.341141294

本实施例三中非球面面型参数见表8：

表8为实施例三的VR显示设备中非球面系数的设计值

本实施例三的VR显示设备中可移动折返镜组的相对位置参数见表9：

表9为实施例三可移动折返镜组的相对位置参数

同样地，在该实施例三中，逐渐增加表面3至表面4的空气间隔距离的过程，可移动折返镜组13会对由第一透镜11出射的光束提早进行光束折返和汇聚，从而改变近眼显示光学模组100整体光汇聚效果，使得近眼显示光学模组100整体的屈光度逐渐减小。具体地，该实施例三中近眼显示光学模组的光学总长为19.2926mm，由该表9可知，表面3和表面4的空气间隔距离为0.72984547mm时，占光学总长3.78％，表面3和表面4的空气间隔距离为3.550642mm时，占光学总长18.40％，占比均处于3％～26％范围内，此时近眼显示光学模组100屈光度可以在+2D～-8D之间调节。

本发明实施例三同样针对近眼显示光学模组在0屈光度下的光学性能进行了测试，图14为实施例三提供的近眼显示光学模组的畸变图，图15为实施例三提供的近眼显示光学模组的场曲图，图16为实施例三提供的近眼显示光学模组的垂轴色差图。根据图14和图15的畸变和场曲可知，该近眼显示光学模组最大畸变在-6.0％以内，同时，对不同波长的光线所产生的子午方向与弧矢方向场曲介于±0.16mm之间。由图16可以看出，长波长光线和短波长光线所产生的轴向色差均在±4.0μm以内，垂轴色差与艾里斑范围相差不大。综上可知，本发明实施例三提供的近眼显示光学模组不仅能够较好地校正场曲和畸变，提升像质，还能实现较高分辨率，满足高质量成像要求。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims

1.一种近眼显示光学模组，其特征在于，包括第一透镜、可移动折返镜组和第二透镜，所述第一透镜、所述可移动折返镜组和所述第二透镜均具有正光焦度；

所述可移动折返镜组沿所述第一透镜朝向所述第二透镜的方向依次包括偏光片、第一四分之一波片、第三透镜、第四透镜、第二四分之一波片和半透半反式偏光片；所述第四透镜朝向所述第三透镜的一侧表面设置有半透半反膜，所述第三透镜具有负光焦度，所述第四透镜具有正光焦度；

所述第三透镜和所述第四透镜相互胶合形成胶合镜组；

所述第三透镜和所述第四透镜胶合面设置向背离像方一侧外凸；

所述可移动折返镜组用于将来自物方的光线经内部反射后再透射出射，所述可移动折返镜组的至少部分组件可沿光轴前后移动，以改变所述近眼显示光学模组的屈光度；

所述可移动折返镜组与所述第二透镜之间的空气间隔距离，与所述近眼显示光学模组的光学总长之比在3％～26％范围内。

2.根据权利要求1所述的近眼显示光学模组，其特征在于，所述第三透镜为平凹透镜，所述第四透镜为平凸透镜，所述第三透镜和所述第四透镜的平面分别位于相互背离的一侧；所述第一四分之一波片贴附在所述第三透镜的平面上，所述第二四分之一波片和所述半透半反式偏光片层叠贴附在所述第四透镜的平面上。

3.根据权利要求1所述的近眼显示光学模组，其特征在于，所述第四透镜与所述第三透镜的折射率差ΔVd满足：0.34<ΔVd<0.51。

4.根据权利要求1所述的近眼显示光学模组，其特征在于，所述第四透镜的折射率Vd4满足：1.45＜Vd4＜1.6。

5.根据权利要求1所述的近眼显示光学模组，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜为非球面塑胶透镜。

6.根据权利要求1所述的近眼显示光学模组，其特征在于，所述近眼显示光学模组的入瞳直径D满足：4mm≤D≤12mm。

7.根据权利要求1所述的近眼显示光学模组，其特征在于，所述近眼显示光学模组的焦距f满足：8mm≤f≤25mm。

8.根据权利要求1所述的近眼显示光学模组，其特征在于，所述近眼显示光学模组中入瞳直径D和焦距f的比值关系D/(2*f)满足；1.4≤D/(2*f)≤2.5。

9.一种VR显示设备，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的近眼显示光学模组和微显示面板，所述微显示面板用于产生和发射携带图像信息的光束，所述微显示面板位于所述近眼显示光学模组的物侧且与所述近眼显示光学模组同轴放置；所述VR显示设备还包括外壳，所述近眼显示光学模组和所述微显示面板设置于所述外壳内。