CN114236865A - 光学模组及头戴显示设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学模组及头戴显示设备，所述光学模组包括依序设置的第二透镜、第一透镜、偏振反射膜、第一四分之一波片以及分光元件；所述第一透镜具有朝向所述偏振反射膜设置的第一表面以及远离所述偏振反射膜设置的第二表面，所述第二表面为菲涅尔结构；所述第二透镜具有朝向所述偏振反射膜设置的第三表面以及远离所述偏振反射膜设置的第四表面，所述第三表面为菲涅尔结构；所述分光元件与所述第一四分之一波片之间具有预设间隙。本发明的技术方案中，通过设置菲涅尔结构可以减少像差的影响，转折光路的介质为空气，能够有效地减少杂散光，提高成像清晰度以及成像质量。
Description
技术领域
本发明涉及光学显示技术，更具体地，涉及一种光学模组及头戴显示设备。
背景技术
随着头戴显示设备的发展，头戴显示设备的形态和种类也层出不穷，其应用领域也越加广泛，对头戴显示设备的要求也越来越高，尤其是对设备的体积和成像质量。
头戴显示设备的光路需要通过透镜，透镜本身的内应力会影响光的偏振状态，这样会导致杂散光生成，影响成像清晰度，造成了成像清晰度下降的问题。
因此，需要提供一种新的技术方案，以解决现有上述技术问题。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种光学模组及头戴显示设备的新技术方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种光学模组，所述光学模组包括依序设置的第二透镜、第一透镜、偏振反射膜、第一四分之一波片以及分光元件；
所述第一透镜具有朝向所述偏振反射膜设置的第一表面以及远离所述偏振反射膜设置的第二表面，所述第二表面为菲涅尔结构；
所述第二透镜具有朝向所述偏振反射膜设置的第三表面以及远离所述偏振反射膜设置的第四表面，所述第三表面为菲涅尔结构；
所述分光元件与所述第一四分之一波片之间具有预设间隙。
可选地，所述光学模组还包括显示器；
所述显示器用于产生圆偏振光、椭圆偏振光或线偏振光；
当所述显示器用于产生线偏振光时，所述光学模组还包括设置于所述分光元件与所述显示器之间的第二四分之一波片，所述第二四分之一波片用于将所述显示器发射的线偏振光转换成圆偏振光或椭圆偏振光。
可选地，所述光学模组还包括保护玻璃，所述保护玻璃设于所述显示器与所述分光元件之间。
可选地，所述光学模组还包括偏振膜，所述偏振膜设于所述第一透镜和所述偏振反射膜之间。
可选地，所述第一四分之一波片、所述偏振反射膜和所述偏振膜均为膜层结构，且所述第一四分之一波片、所述偏振反射膜和所述偏振膜合成一整体膜层。
可选地，所述第一透镜和所述第二透镜的总焦距范围在18mm～30mm之间。
可选地，所述第一透镜和所述第二透镜的折射率范围在1.45～1.60之间。
可选地，所述第一透镜和所述第二透镜的色散系数范围在50～75之间。
可选地，所述第一表面为平面球面结构或平面非球面结构或凹面球面结构或凹面非球面结构，所述第二表面为平面非球面结构或凸面非球面结构或凹面非球面结构。
可选地，定义所述第一透镜和所述第二透镜的厚度分别为T1、T2，则满足：
2mm<T1<4mm，3mm<T2<8mm。
根据本发明的第二方面，提供了一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括壳体和如第一方面中任一项所述光学模组，所述光学模组设于所述壳体。
根据本公开的一个实施例，在本发明的方案中，光线在射向第一透镜时，光线首先经过分光元件，一部分光线透射分光元件，另一部分光线反射。透射的光线经过预设间隙后经过第一四分之一波片，圆偏振光变为线偏振光。线偏振光射向偏振反射膜，此时线偏振光的振动方向与偏振反射膜的透过方向不同，光线被反射。反射折回的的光线再次经过第一四分之一波片，线偏振光变为圆偏振光。圆偏振光射向分光元件，分光元件反射的光线又一次经过第一四分之一波片，圆偏振光变为线偏振光，此时的线偏振光的偏振方向与偏振反射膜的透射方向相同，光线经过偏振反射膜后透过第一透镜和第二透镜，以在人眼所处的位置成像。此外，第二表面和第三表面的菲涅尔结构可以减少像差的影响。本公开方案中的光学模组能够有效地减少杂散光，提高成像清晰度，减少像差，提高成像质量。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明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发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1是本公开一个实施例中光学模组的结构示意图之一。
图2是本公开一个实施例中第一表面所在一侧的局部放大图。
图3是本公开一个实施例中光学模组的调制传递函数图。
图4是本公开一个实施例中光学模组的点列图。
图5是本公开一个实施例中光学模组的色散图。
图6是本公开一个实施例中光学模组的畸变图。
图7是本公开一个实施例中光学模组的垂直色差图。
图8是本公开一个实施例中光学模组的结构示意图之二。
图9是本公开一个实施例中光学模组的结构示意图之三。
图10是本公开一个实施例中光学模组的结构示意图之四。
图11是本公开一个实施例中光学模组的结构示意图之五。
图12是本公开一个实施例中光学模组的结构示意图之六。
附图标记说明：
1、显示器；2、保护玻璃；3、第一透镜；31、第一表面；32、第二表面；13、第一四分之一波片；14、偏振反射膜；4、第二透镜；41、第三表面；42、第四表面；5、人眼。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明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发明的范围。
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，决不作为对本发明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。
根据本公开的一个实施例，提供了一种光学模组，如图1-图12所示，所述光学模组包括依序设置的第二透镜4、第一透镜3、偏振反射膜14、第一四分之一波片13以及分光元件。
所述第一透镜3具有朝向所述偏振反射膜14设置的第一表面31以及远离所述偏振反射膜14设置的第二表面32，所述第二表面32为菲涅尔结构。
所述第二透镜4具有朝向所述偏振反射膜14设置的第三表面41以及远离所述偏振反射膜14设置的第四表面42，所述第三表面41为菲涅尔结构。
所述分光元件与所述第一四分之一波片13之间具有预设间隙。
在该实施例中，光线在射向第一透镜3时，光线为圆偏振光或椭圆偏振光。光线首先经过分光元件，一部分光线透射分光元件，另一部分光线反射。透射的光线经过预设间隙后经过第一四分之一波片13，圆偏振光变为线偏振光。线偏振光射向偏振反射膜14，此时线偏振光的振动方向与偏振反射膜14的透过方向不同，光线被反射。反射折回的的光线再次经过第一四分之一波片13，线偏振光变为圆偏振光。圆偏振光射向分光元件，分光元件反射的光线又一次经过第一四分之一波片13，圆偏振光变为线偏振光，此时的线偏振光的偏振方向与偏振反射膜14的透射方向相同，光线经过偏振反射膜14后透过第一透镜3和第二透镜4，以在人眼所处的位置成像。此外，第二表面32和第三表面41的菲涅尔结构可以减少像差的影响。本公开方案中的光学模组能够有效地减少杂散光，提高成像清晰度，减少像差，提高成像质量。
画面的光线在第一表面31与分光元件之间发生转折的过程中，光线以空气为介质的部分能够降低杂散光的生成，提高了光线成像后的清晰度。
第二表面32和第三表面41为菲涅尔结构，第二表面32和第三表面41能够减少像差的影响，进一步提升了成像质量。
画面光线的光路在第一表面31与分光元件之间发生转折，使有限的空间内减少了透镜的使用，有效地缩减了光学模组的体积和重量。并且画面光线以空气为介质的部分能够避免透镜的折射率对光路转折的影响。
在一个实施例中，所述光学模组还包括显示器1。
所述显示器1用于产生圆偏振光、椭圆偏振光或线偏振光。
当所述显示器1用于产生线偏振光时，所述光学模组还包括设置于所述分光元件与所述显示器1之间的第二四分之一波片，所述第二四分之一波片用于将所述显示器1发射的线偏振光转换成圆偏振光或椭圆偏振光。
在该实施例中，显示器1发出的光线在进入分光元件前为圆偏振光或椭圆偏振光，以使光线经该光学模组后能够经第四表面42射出并在人眼5的位置成像。
在一个实施例中，所述光学模组还包括保护玻璃2，所述保护玻璃2设于所述显示器1与所述分光元件之间。
保护玻璃2用于对显示器1形成保护。显示器1发出的光线经过保护玻璃2后作用在分光元件上。
例如，分光元件可以设置在保护玻璃2的朝向第一透镜3的一侧表面上。
例如，第二四分之一波片可以设置在保护玻璃2的朝向显示器1一侧的表面上。
在一个实施例中，所述光学模组还包括偏振膜，所述偏振膜设于所述第一透镜3和所述偏振反射膜14之间。
在该实施例中，偏振膜对透过偏振反射膜14的光线作用，抑制薄膜的偏振效应，以降低对透过偏振反射膜14后进入第一透镜3和第二透镜4的光线的影响，提高了成像质量。
在一个实施例中，所述第一四分之一波片13、所述偏振反射膜14和所述偏振膜均为膜层结构，且所述第一四分之一波片13、所述偏振反射膜14和所述偏振膜合成一整体膜层。
在该实施例中，整体膜层更方便设置第一四分之一波片13、所述偏振反射膜14和所述偏振膜，并且能够降低空间占用。
在一个实施例中，如图1，图8-图12所示，所述第一表面31为平面球面结构或平面非球面结构或凹面球面结构或凹面非球面结构。所述第四表面为平面非球面结构或凸面非球面结构或凹面非球面结构。
第一表面31上设置有第一四分之一波片13和偏振反射膜14，平面或凹面或凸面的非球面结构能够保障画面光线有效地经第一四分之一波片13和偏振反射膜14作用，以形成相应的透射和反射效果。这样能够保障画面光线在该光学模组中有效地传输。具体结构根据实际需求在该实施例给出的结构中选择。
在一个实施例中，定义所述第一透镜3的中心厚度为T1,2mm<T1<4mm，定义所述第二透镜4的中心厚度为T2，3mm<T2<8mm。
在该实施例中，第一透镜3和第二透镜4的厚度能够影响光学模组的整体厚度，在该实施例的中心厚度内光学模组既能够满足画面光线的折射需求，保障光线路径准确，又能够使光学模组具有较小的体积。
在一个实施例中，如图3-图7所示，在分辨率小于60lp/mm的条件下，该光学模组的调制传递函数值＞0.3。
如图3，为该实施例中的光学模组的调制传递函数图，在调制传递函数图中，能够通过黑白线对的对比度表征成像清晰度。该光学模组在60lp/mm以下，调制传递函数值＞0.3。该光学模组具有成像清晰的特点。
在该光学模组的点列图中，全波段像点的最大值＜30μm。
如图4所示，为该实施例中的光学模组的点列图。点列图是通过使一点发出的许多光线经该光学模组后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，能够表征成像质量。而在该光学模组的点列图中，全波段像点的最大值与最大视场相对应，全波段像点的最大值＜30μm。该光学模组的具有更优的成像质量。
该光学模组的最大色差位于边缘最大视场，最大色差值小于150μm，最大视场为50°，最大光斑位于边缘最大视场，最大光斑值小于30μm。
如图5-图7所示，轴色差又称倍率色差，指物方的一根复色主光线，因折射系统存在色散，在像方出射时变成多根光线，蓝光与红光在像面上的焦点位置的差值。该光学模组的最大色差值小于150μm，最大视场为50°，具有更小的色差值和视场角度。
最大光斑小于30μm，该光学模组的光斑对成像的影响更小，具有更优的成像质量。
在一个实施例中，如图1所示，所述第一透镜3和所述第二透镜4的折射率均为1.53，色散系数均为55.7。
在该实施例中，第一透镜3和第二透镜4能够满足画面光线在光学模组内的折射角度需求，以保障画面光线能够准确地经第四表面42射出成像。
第一透镜3和第二透镜4的总焦距范围在18mm～30mm之间。该范围的总焦距保障了光学模组对光线的折射能力满足将画面光线准确折射至从第四表面42射出并成像。
所述第一透镜3的焦距为56.4mm，所述第二透镜4的焦距为47mm。
在该实施例中，保障了光学模组对光线的折射能力满足将画面光线准确折射至从第四表面42射出，以能够保持成像的清晰度。
该实施例中的光学模组参数如表1所示。
表1
在一个实施例中，如图8所示，所述第一透镜3和所述第二透镜4的折射率均为1.53，色散系数均为55.7。
在该实施例中，第一透镜3和第二透镜4能够满足画面光线在光学模组内的折射角度需求，以保障画面光线能够准确地经第四表面42射出成像。
第一透镜3和第二透镜4的总焦距范围在18mm～30mm之间。该范围的总焦距保障了光学模组对光线的折射能力满足将画面光线准确折射至从第四表面42射出并成像。
所述第一透镜3的焦距为61mm，所述第二透镜4的焦距为43mm。
在该实施例中，保障了光学模组对光线的折射能力满足将画面光线准确折射至从第四表面42射出，以能够保持成像的清晰度。
该实施例中的光学模组参数如表2所示。
| 透镜面 | 半径 | 中心厚度 | 材料 | Conic系数 | A4 | a6 | a8 |
| 第四表面 | Inf | 3 | K26R | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 第三表面 | -23.2 | 1.5 | / | 0 | -2.3E-05 | 5E-08 | 7.1E-11 |
| 第二表面 | 32.8 | 2.5 | K26R | 0 | -2.9E-05 | 7.6E-08 | -5.6E-11 |
| 第一表面 | inf | 7.4 | / | 0 | 0 | 0 | 0 |
表2
在一个实施例中，如图9所示，所述第一透镜3和所述第二透镜4的折射率均为1.53，色散系数均为55.7。
在该实施例中，第一透镜3和第二透镜4能够满足画面光线在光学模组内的折射角度需求，以保障画面光线能够准确地经第四表面42射出成像。
第一透镜3和第二透镜4的总焦距范围在18mm～30mm之间。该范围的总焦距保障了光学模组对光线的折射能力满足将画面光线准确折射至从第四表面42射出并成像。
所述第一透镜3的焦距为78mm，所述第二透镜4的焦距为32mm。
在该实施例中，保障了光学模组对光线的折射能力满足将画面光线准确折射至从第四表面42射出，以能够保持成像的清晰度。
该实施例中的光学模组参数如表3所示。
| 透镜面 | 半径 | 中心厚度 | 材料 | Conic系数 | A4 | a6 | a8 |
| 第四表面 | 66.1 | 2.6 | K26R | 0 | -9E-06 | 0 | 0 |
| 第三表面 | -23.7 | 0.7 | / | 0 | -3.9E-05 | 1.1E-07 | 1.3E-11 |
| 第二表面 | 42 | 4.8 | K26R | 0 | -4.1E-05 | 1.5E-07 | -1.3E-10 |
| 第一表面 | inf | 6.2 | / | 0 | 0 | 0 | 0 |
表3
在一个实施例中，如图10所示，所述第一透镜3和所述第二透镜4的折射率均为1.53，色散系数均为55.7。
在该实施例中，第一透镜3和第二透镜4能够满足画面光线在光学模组内的折射角度需求，以保障画面光线能够准确地经第四表面42射出成像。
第一透镜3和第二透镜4的总焦距范围在18mm～30mm之间。该范围的总焦距保障了光学模组对光线的折射能力满足将画面光线准确折射至从第四表面42射出并成像。
所述第一透镜3的焦距为58mm，所述第二透镜4的焦距为50mm。
在该实施例中，保障了光学模组对光线的折射能力满足将画面光线准确折射至从第四表面42射出，以能够保持成像的清晰度。
该实施例中的光学模组参数如表4所示。
表4
在一个实施例中，如图11所示，所述第一透镜3和所述第二透镜4的折射率均为1.53，色散系数均为55.7。
在该实施例中，第一透镜3和第二透镜4能够满足画面光线在光学模组内的折射角度需求，以保障画面光线能够准确地经第四表面42射出成像。
第一透镜3和第二透镜4的总焦距范围在18mm～30mm之间。该范围的总焦距保障了光学模组对光线的折射能力满足将画面光线准确折射至从第四表面42射出并成像。
所述第一透镜3的焦距为58mm，所述第二透镜4的焦距为46mm。
在该实施例中，保障了光学模组对光线的折射能力满足将画面光线准确折射至从第四表面42射出，以能够保持成像的清晰度。
该实施例中的光学模组参数如表5所示。
| 透镜面 | 半径 | 中心厚度 | 材料 | Conic系数 | A4 | a6 | a8 |
| 第四表面 | Inf | 2.5 | K26R | 0 | -1.9E-06 | 0 | 0 |
| 第三表面 | -24.8 | 2.1 | / | 0 | -1.7E-05 | 3.7E-08 | 3.1E-11 |
| 第二表面 | 27 | 2.5 | K26R | 0 | -2.3E-05 | 4.8E-08 | -4.7E-11 |
| 第一表面 | 179 | 7.3 | / | 0 | -2.0E-06 | 0 | 0 |
表5
在一个实施例中，如图12所示，所述第一透镜3和所述第二透镜4的折射率均为1.53，色散系数均为55.7。
在该实施例中，第一透镜3和第二透镜4能够满足画面光线在光学模组内的折射角度需求，以保障画面光线能够准确地经第四表面42射出成像。
第一透镜3和第二透镜4的总焦距范围在18mm～30mm之间。该范围的总焦距保障了光学模组对光线的折射能力满足将画面光线准确折射至从第四表面42射出并成像。
所述第一透镜3的焦距为60mm，所述第二透镜4的焦距为32mm。
在该实施例中，保障了光学模组对光线的折射能力满足将画面光线准确折射至从第四表面42射出，以能够保持成像的清晰度。
该实施例中的光学模组参数如表6所示。
| 透镜面 | 半径 | 中心厚度 | 材料 | Conic系数 | A4 | a6 | a8 |
| 第四表面 | 56.1 | 2.8 | K26R | 0 | -1.2E-05 | 0 | 0 |
| 第三表面 | -25.7 | 0.8 | / | 0 | -4.1E-05 | 1.1E-07 | 4.5E-13 |
| 第二表面 | 30.6 | 4.0 | K26R | 0 | -4.1E-05 | 1.5E-07 | -1.3E-10 |
| 第一表面 | 498 | 5.7 | / | 0 | 2.7E-06 | 0 | 0 |
表6
根据本公开的一个实施例，提供了一种头戴显示设备，该头戴显示设备包括壳体和如任意一项实施例所述的光学模组，所述光学膜组设置于所述壳体。
该头戴显示设备具有光学模组所带来的技术效果。
显示器1用于发出该头戴显示设备的画面光线，画面光线经保护玻璃2射入，最终经第四表面42射出，并射向该头戴显示设备的人眼5所处的位置，以在该人眼5的区域内成像。
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发明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，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。
Claims (11)
1.一种光学模组，其特征在于，所述光学模组包括依序设置的第二透镜、第一透镜、偏振反射膜、第一四分之一波片以及分光元件；
所述第一透镜具有朝向所述偏振反射膜设置的第一表面以及远离所述偏振反射膜设置的第二表面，所述第二表面为菲涅尔结构；
所述第二透镜具有朝向所述偏振反射膜设置的第三表面以及远离所述偏振反射膜设置的第四表面，所述第三表面为菲涅尔结构；
所述分光元件与所述第一四分之一波片之间具有预设间隙。
2.如权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组还包括显示器；
所述显示器用于产生圆偏振光、椭圆偏振光或线偏振光；
当所述显示器用于产生线偏振光时，所述光学模组还包括设置于所述分光元件与所述显示器之间的第二四分之一波片，所述第二四分之一波片用于将所述显示器发射的线偏振光转换成圆偏振光或椭圆偏振光。
3.如权利要求2所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组还包括保护玻璃，所述保护玻璃设于所述显示器与所述分光元件之间。
4.如权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组还包括偏振膜，所述偏振膜设于所述第一透镜和所述偏振反射膜之间。
5.如权利要求4所述的光学模组，其特征在于，所述第一四分之一波片、所述偏振反射膜和所述偏振膜均为膜层结构，且所述第一四分之一波片、所述偏振反射膜和所述偏振膜合成一整体膜层。
6.如权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜的总焦距范围在18mm～30mm之间。
7.如权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜的折射率范围在1.45～1.60之间。
8.如权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜的色散系数范围在50～75之间。
9.如权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述第一表面为平面球面结构或平面非球面结构或凹面球面结构或凹面非球面结构，所述第四表面为平面非球面结构或凸面非球面结构或凹面非球面结构。
10.如权利要求1所述的光学模组，其特征在于，定义所述第一透镜和所述第二透镜的厚度分别为T1、T2，则满足：
2mm<T1<4mm，3mm<T2<8mm。
11.一种头戴显示设备，其特征在于，所述头戴显示设备包括壳体和如权利要求1至10中任一项所述光学模组，所述光学模组设于所述壳体。
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