CN114236832A - 光学模组和电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光学模组和电子设备。所述光学模组包括棱镜、镜头和至少一个显示面板；所述显示面板用于发出成像光束，所述棱镜具有一个光出射面和至少一个光入射面；所述成像光束由所述光入射面射入所述棱镜，从所述光出射面射出，最终沿所述镜头的光轴射入所述镜头；所述光出射面与镜头之间具有空气间隙，所述空气间隙的距离范围为0.1mm～0.5mm。本申请提供的光学模组，通过对光出射面和镜头之间的空气间隙进行合理化控制，使得光学模组在保证成像光束投射效果的基础上，尽量减小了棱镜和镜头的尺寸，减轻了整个系统的体积和重量。

Description

光学模组和电子设备

技术领域

本申请涉及光学技术领域，更具体地，涉及一种光学模组和电子设备。

背景技术

增强现实(Augmented Reality)技术是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术，不仅能够有效体现出真实世界的内容，也能够促使虚拟的信息内容显示出来，这些细腻内容相互补充和叠加。在视觉化的增强现实中，用户需要在头盔显示器的基础上，促使真实世界能够和电脑图形之间重合在一起，在重合之后可以充分看到真实的世界围绕着它。

在现有技术中，为了使AR设备的体验更好，用户对于其轻便性的要求越来越高。因此，AR设备的轻量化和小型化是一个急需解决的问题。

发明内容

本申请的一个目的是提供一种光学模组和电子设备的新技术方案。

根据本申请的第一方面，提供了一种光学模组，应用于增强现实设备，包括：

棱镜、镜头和至少一个显示面板；

所述显示面板用于发出成像光束，所述棱镜具有一个光出射面和至少一个光入射面；所述成像光束由所述光入射面射入所述棱镜，从所述光出射面射出，最终沿所述镜头的光轴射入所述镜头；

所述光出射面与镜头之间具有空气间隙，所述空气间隙的距离范围为0.1mm～0.5mm。

可选地，所述光出射面的尺寸为4mm～6.1mm；所述镜头具有多个镜片，距离所述光出射面最近的所述镜片的口径为4.81mm～6.42mm。

可选地，所述显示面板的尺寸为0.1"，距离所述光出射面最近的所述镜片的口径为4.81mm～5.02mm。

可选地，所述显示面板的尺寸为0.13"，距离所述光出射面最近的所述镜片的口径为5.98mm～6.16mm。

可选地，所述显示面板的尺寸为0.14"，距离所述光出射面最近的所述镜片的口径为6.27mm～6.42mm。

可选地，所述显示面板采用micro-led。

可选地，所述镜头的焦距为6.5mm～7mm，视场角大于或等于28°。

可选地，所述成像光束的发散角为小于或等于180°，半峰值发射角为±25.5°以内。

可选地，所述棱镜为胶合棱镜，其胶合面上设置有滤光膜，所述滤光膜能够使从所述光入射面射入的所述成像光束从所述光出射面射出。

根据本申请的第二方面，提供了一种电子设备，包括第一方面所述的光学模组。

根据本申请的一个实施例，所述光学模组包括至少一个显示面板、棱镜以及镜头，显示面板发出的成像光束能够透过棱镜进入镜头，实现投影过程。本申请提供的光学模组，通过对光出射面和镜头之间的空气间隙进行合理化控制，使得光学模组在保证成像光束透射效果的基础上，尽量减小了棱镜和镜头的尺寸，减轻了整个系统的体积和重量。

通过以下参照附图对本申请的示例性实施例的详细描述，本申请的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本申请的实施例，并且连同其说明一起用于解释本申请的原理。

图1是本申请提供的一种光学模组的示意图。

图2是本申请提供的另一种光学模组的示意图。

其中：1、显示面板；2、棱镜；3、镜头；4、光入射面；5、光出射面。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本申请的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本申请提供的光学模组应用于AR设备中。例如，在AR眼镜中，可以将本光学模组设置在镜腿上，在使用时，显示面板发出的成像光束依次通过棱镜、镜头，最终进入到人眼，形成虚拟影像，这些虚拟影响与现实环境的结合，起到了增强现实的效果，使用户拥有更高的感官享受。为了使用户佩戴、使用更加轻便，光学模组的重量和体积对整个设备具有很大影响。

如图1至图2所示，本申请提供的一种光学模组，应用于增强现实设备，包括：棱镜2、镜头3和至少一个显示面板1；所述显示面板1用于发出成像光束，所述棱镜2具有一个光出射面5和至少一个光入射面4；所述成像光束由所述光入射面4射入所述棱镜2，从所述光出射面5射出，最终沿所述镜头3的光轴射入所述镜头3；所述光出射面5与镜头3之间具有空气间隙(如图1中的b处)，所述空气间隙的距离范围为0.1mm～0.5mm。

具体地，如图1所示，本申请的光学模组包括至少一个显示面板1，显示面板1设置在棱镜2的光入射面4的一侧，镜头3设置在棱镜2的光出射面5的一侧。在实际应用中，显示面板1发出的成像光束通过光入射面4射入棱镜2中，如果显示面板1设置有多个，多个显示面板1发出的成像光束分别通过不同的光入射面4射入棱镜2中，通过棱镜2的反射作用，最终同时从棱镜2的光出射面5射出，达到合色效果。从光出射面5射出的合色光束进入镜头3中，经镜头3作用形成清晰的图像信息，最终射入镜头3物侧的人眼中，进入人眼的图像信息便可和现实环境进行融合，达到增强现实的效果。其中，图像信息从镜头3射入人眼的过程中，也可以利用其它功能器件对其进行再加工，本申请对此不作限制。

在实际生产中，棱镜2和镜头3的体积以及重量对于整个光学模组的重量和体积有很大影响。显示面板1发出的成像光束在传输过程中，会依次经过棱镜2和镜头3，而显示面板1与棱镜2之间的空气间隙会对棱镜2的尺寸产生影响，距离越大，棱镜2的尺寸越大。另一方面，在现有技术中，一些显示面板1直接贴合在光入射面4上，以尽量减小棱镜2的尺寸，但这种设置方式，会在一些具有后焦距补偿的镜头3中会影响产品的装配。

本申请在显示面板1与棱镜2的光入射面4之间留设了空气间隙(如图1中的a处)，并且空气间隙为0.25mm～0.6mm。参考表2，在这个间隙范围内，一方面，最大0.6mm的空气间隙可以保证棱镜2的整体尺寸不至于过大，降低了整个系统的体积和重量。另一方面，最小0.25mm的空气间隙，还可以保证在对显示面板1进行实时校准(Active alignment)时，防止显示面板1与棱镜2互相干涉，保证组装效率和成像模组的成像效果。其中，实时校准即是指在实际组装产品的时候，缓慢调整显示面板1的位置，同时观察画面的清晰度，在画面最清晰的时候，停止移动显示面板1，把当前位置作为最佳清晰点，并固定显示面板1。

另外，棱镜2的光出射面5和镜头3之间的距离也会影响光学模组的系统重量和体积。如图2所示，棱镜2的光出射面5和镜头3之间的距离过大，为了使得显示面板1发出的成像光线全部进入镜头3，便会导致镜头3的外径变大，导致系统重量变大。另外，镜头3一般由镜筒和镜片组装而成，而镜筒与镜片组装存在公差，因此如果棱镜2的光出射面5与镜头3直接接触，可能会存在装配问题。参考表1，在本申请中，配合显示面板1和棱镜2的尺寸以及装配公差，棱镜2的光出射面5和镜头3之间的空气间隙设置为0.1mm～0.5mm。不大于0.5mm的空气间隙，可以使镜头3在保证进光量的同时，尽量减小镜头3的外径，以减小系统体积和重量。

可选地，所述光学模组包括两个或三个显示面板1，每个所述显示面板1的尺寸相同，且每个所述显示面板1分别与所述光入射面4之间的所述空气间隙的距离相等。

具体地，在本实施例中，显示面板1可以为两个或者三个。如图1所示，当显示面板1为两个时，可以设置在棱镜2的任意两个光入射面4的一侧(例如分别位于上下两侧，或者分别位于左侧和上侧，其具体位置可以根据实际需求和器件内部的结构特征进行选择，本申请对此不作限制)，当显示面板1为三个时，同样参考图1，可以分别设置在棱镜2的上、下和左侧，由于棱镜2具有合色效果，显示面板1发出的成像光束均可以从光出射面5同时射出，以形成图像信息射入镜头3。其中，棱镜2的具体结构形式也可以根据现实面板的数量和成像光束的不同波段进行设计，例如常用的x-cube，即可满足不同数量面板的设计需求，本申请对此不作限制。

表1提供了在不同尺寸的显示面板1下，光出射面5与镜头3之间的空气间隙在0.1mm～0.5mm范围内时，对应镜片的口径尺寸范围。

表1：

由表1可知，将棱镜2的光出射面5与镜头3之间的空气间隙在0.1mm～0.5mm范围内时时，对应镜片的口径尺寸范围能够保持在较小尺寸内，有效降低了光学模组的系统体积和系统重量。

另外，表2提供了在不同尺寸的显示面板1下，显示面板1与光入射面4之间的空气间隙在0.25mm～0.6mm范围内时，对应棱镜2的尺寸范围。

表2：

由表2可知，将显示面板1与光入射面4之间的空气间隙设置0.25mm～0.6mm范围内时，所述棱镜2的尺寸范围能够保持在较小尺寸内，有效降低了光学模组的系统体积和系统重量。

在上述表1和表2中，显示面板的尺寸单位为英寸(")，棱镜的尺寸、各空气间隔的尺寸以及镜片口径的尺寸单位均为毫米(mm)。

可选地，所述光出射面5的尺寸为4mm～6.1mm；所述镜头3具有多个镜片，距离所述光出射面5最近的所述镜片的口径为4.81mm～6.42mm。

具体地，在本实施例中，所述显示面板1一般为矩形，其尺寸即为对角线尺寸。而棱镜2的光入射面4一般与显示面板1的形状相同，其尺寸即光入射面4的对角线尺寸。在实际应用中，显示面板1的尺寸越大，棱镜2的尺寸便会越大，直接影响光学模组的系统重量和尺寸。而显示面板1过小，会影响图像信息的传递。在本实施例中，可以将显示面板1设置为0.1"～0.4"，结合0.25mm～0.6mm的显示面板1与所述光入射面4之间的空气间隙，可以将棱镜2的尺寸限制在4mm～13.1mm之间，既保证了图像信息的完整性，又兼顾了系统的体积和重量，可普遍应用于大部分的AR设备中。

另外，光出射面5尺寸与光入射面4尺寸相同，为4mm～6.1mm。将距离所述光出射面5最近的所述镜片的口径设置为4.81mm～6.42mm，结合0.1mm～0.5mm的光出射面5和镜头3之间的空气间隙，以保证显示面板1发出的成像光束能够完全进入镜头3，并使镜头3的镜片尺寸尽量减小，进一步减轻系统的体积和重量。

优选地，所述显示面板1的尺寸为0.1"，距离所述光出射面5最近的所述镜片的口径为4.81mm～5.02mm，同时可设置显示面板1与光入射面4之间的距离为0.3mm，棱镜2的尺寸为4.05mm。

优选地，所述显示面板1的尺寸为0.13"，距离所述光出射面5最近的所述镜片的口径为5.98mm～6.16mm，同时可设置显示面板1与光入射面4之间的距离为0.3mm，棱镜2的尺寸为5.48mm。

优选地，所述显示面板1的尺寸为0.14"，距离所述光出射面5最近的所述镜片的口径为6.27mm～6.42mm，同时可设置显示面板1与光入射面4之间的距离为0.3mm，棱镜2的尺寸为5.7mm。

显示面板1的尺寸与镜头3的视场角等相关，尺寸越大，视场角越大，从而使镜头3显示更大范围的图像信息。以上显示面板1的不同尺寸可以根据具体的成像需求进行适应性选择，本申请对此不作限制。

可选地，所述显示面板1采用micro-led。

具体地，micro-led显示技术是指以自发光的微米量级的LED为发光像素单元，将其组装到驱动面板上形成高密度LED阵列的显示技术。由于micro-led芯片尺寸小、集成度高和自发光等特点,在显示方面与LCD、OLED相比在亮度、分辨率、对比度、能耗、使用寿命、响应速度和热稳定性等方面具有更大的优势。本实施例的显示面板1选择micro-led，有利于提高光学模组各方面的光学性能。

可选地，所述镜头3的焦距为6.5mm～7mm，视场角大于或等于28°。所述成像光束的发散角为小于或等于180°，半峰值发射角为±25.5°以内。

成像光束的发散角是用来衡量光束从束腰向外发散的速度，由于波动性，光束中存在一些发散是不可避免的(假设光在各向同性介质中传输)，但成像光束的发散角过大，便会影响图像信息传递的完整性和清晰度。在本实施例中，可以通过对显示面板1进行选择，使成像光束的发散角为小于或等于180°，半峰值发射角±25.5°以内，以保证光学模组的成像效果。而焦距和视场角的选择，可以使镜头3的尺寸调整在合适范围内，保证光学模组的成像清晰度。

可选地，所述棱镜2为胶合棱镜2，其胶合面上设置有滤光膜，所述滤光膜能够使从所述光入射面4射入的所述成像光束从所述光出射面5射出。在本实施例中，棱镜2可以采用四个45°角的直角三棱镜2胶合而成，也可以采用两个直角三棱镜2胶合而成，通过在胶合斜面上镀设相应的滤光膜，使各个显示面板1的成像光束从不同的光入射面4射入棱镜2后，从同一个光出射面5射出。胶合棱镜2的数量以及滤光膜的具体形式可以根据显示面板1的数量和显示的成像光束的特征进行相应选择，本申请对此不作限制。

根据本申请的第二方面，提供了一种电子设备，包括上述任意实施例所述的光学模组。

具体地，为了实现电子设备的轻薄化，结合上述各实施例，本申请提供了一种可用于电子设备中的光学模组的具体实施方式。优选地，参考图1，所述显示面板1设置有三个，其尺寸(对角线尺寸)均为0.13"，每个显示面板1与棱镜2的光入射面4的空气间隙为0.3mm，棱镜2的尺寸(光入射面4的对角线)为5.48mm，棱镜2与镜头3的空气间隙为0.3mm，镜头3的外径尺寸(即最靠近物侧面的镜片口径)为6.07mm。其中，棱镜2采用H-K9L材料，折射率为1.5168，阿贝数为64.2123，色散系数为-0.0023，其结构为由四个45°等腰直角棱镜2胶合而成。镜头3焦距为6.787mm，视场角为28°，物方孔径角为±17°；显示面板1的分辨率为640*480P，像素点尺寸为4μm，光束发散角为180°，半峰值发射角为±25.5°。根据上述参数信息，可得出本申请中的光学模组的光程为8.913mm。

采用本实施例中的光学模组制成的电子设备，相较于现有技术其体积更小，重量更轻，并且能够应用于现有的AR设备中，例如，AR眼镜等头戴设备中，对于电子设备的具体形式，本申请不作限制。

上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。

虽然已经通过例子对本申请的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本申请的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本申请的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本申请的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种光学模组，应用于增强现实设备，其特征在于，包括：

棱镜、镜头和至少一个显示面板；

所述显示面板用于发出成像光束，所述棱镜具有一个光出射面和至少一个光入射面；所述成像光束由所述光入射面射入所述棱镜，从所述光出射面射出，最终沿所述镜头的光轴射入所述镜头；

所述光出射面与镜头之间具有空气间隙，所述空气间隙的距离范围为0.1mm～0.5mm。

2.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述光出射面的尺寸为4mm～6.1mm；所述镜头具有多个镜片，距离所述光出射面最近的所述镜片的口径为4.81mm～6.42mm。

3.根据权利要求2所述的光学模组，其特征在于，所述显示面板的尺寸为0.1"，距离所述光出射面最近的所述镜片的口径为4.81mm～5.02mm。

4.根据权利要求2所述的光学模组，其特征在于，所述显示面板的尺寸为0.13"，距离所述光出射面最近的所述镜片的口径为5.98mm～6.16mm。

5.根据权利要求2所述的光学模组，其特征在于，所述显示面板的尺寸为0.14"，距离所述光出射面最近的所述镜片的口径为6.27mm～6.42mm。

6.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述显示面板采用micro-led。

7.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述镜头的焦距为6.5mm～7mm，视场角大于或等于28°。

8.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述成像光束的发散角为小于或等于180°，半峰值发射角为±25.5°以内。

9.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述棱镜为胶合棱镜，其胶合面上设置有滤光膜，所述滤光膜能够使从所述光入射面射入的所述成像光束从所述光出射面射出。

10.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求1-9任意一项所述的光学模组。

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