CN114545626A - 光学模组和头戴显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学模组和头戴显示设备。光学模组包括：显示器，发射用于成像显示的光线；成像透镜组，包括第一透镜和第二透镜，第一透镜具有第一光轴，第二透镜具有第二光轴，第一光轴和第二光轴成第一夹角；转折元件，转折元件位于第一透镜和第二透镜之间，并与第一透镜的光轴成第二夹角。本发明的技术方案通过折叠光路与转折元件相结合，以缩短光学模组在水平方向上的光学总长，减小头戴显示设备的体积，便于用户穿戴。

Description

光学模组和头戴显示设备

技术领域

本发明涉及光学显示技术领域，尤其涉及一种光学模组和头戴显示设备。

背景技术

随着虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术的发展，虚拟显示设备的形态和种类也层出不穷，其应用领域也愈加广泛。目前虚拟现实设备主要是通过将显示器所显示的图像经光学系统的传递和放大后被人眼所接收，人眼所接收到的是放大后的虚线。然而，为了实现图像的放大，光学系统需要多个透镜组合来达到目的，这就使得光学系统的光学总长较长，进而导致虚拟现实设备的体积变大，不便于虚拟现实设备的携带及用户穿戴。

发明内容

基于此，针对现有头戴显示设备中的光学系统的光学总长较长，头戴显示设备体积较大，不便于虚拟现实设备的携带及用户穿戴的问题，有必要提供一种光学模组和头戴显示设备，旨在能够减少光学系统的光学总长，减小头戴显示设备的体积，便于虚拟现实设备的携带及用户穿戴。

为实现上述目的，本发明提出的一种光学模组，所述光学模组包括：

显示器，所述显示器发射用于成像显示的光线；

成像透镜组，所述成像透镜组包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜具有第一光轴，所述第二透镜具有第二光轴，所述第一光轴和所述第二光轴成第一夹角；

转折元件，所述转折元件位于所述第一透镜和所述第二透镜之间，并与所述第一透镜的光轴成第二夹角；

其中，所述第一透镜具有面向所述显示器的第一表面和背向所述显示器的第二表面，所述第二透镜具有面向所述转折元件的第三表面和背向所述转折元件的第四表面，所述转折元件具有面向所述第一透镜和所述第二透镜的第五表面。

可选地，定义所述显示器的像素尺寸为P，所述光学模组的全视场的光斑直径为D，则满足：D＜P。

可选地，所述光学模组的光斑直径小于18.2μm。

可选地，所述光学模组还包括：

分光元件，所述分光元件设于所述第一透镜面向所述显示器的一侧；

四分之一波片，所述四分之一波片设于所述第二透镜背向所述转折元件的一侧；

偏振反射膜，所述偏振反射膜设于所述四分之一波片背向所述第二透镜的一侧。

可选地，所述光学模组还包括偏光膜，所述偏光膜设于所述偏振反射膜背向所述第二透镜的一侧。

可选地，所述四分之一波片、所述偏振反射膜和所述偏光膜均为膜层结构，且所述四分之一波片、所述偏振反射膜和所述偏光膜合成一整体膜层。

可选地，所述光学模组还包括增透膜，所述增透膜设于所述第一透镜背向所述显示器的第二表面和所述第二透镜面向所述转折元件的第三表面。

可选地，所述光学模组还包括增反膜，所述增反膜设于所述转折元件的第五表面。

可选地，所述第一透镜的第一表面和第二表面至少其中之一为凸起面；所述第二透镜的第三表面和第四表面至少其中之一为凸起面。

可选地，所述光学模组的畸变小于15.1％，所述光学模组的色差小于36μm，。

可选地，所述光学模组水平方向上的光学总长为TTL1，所述光学模组垂直方向上的光学总长为TTL2，则满足：TTL1＜27mm，TTL2＜24mm

此外，为了解决上述问题，本发明还提供一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括壳体和如上文所述光学模组，所述光学模组设于所述壳体。

本发明提出的技术方案中，显示器发射光线，发射的光线为圆偏振光。光线在射向成像透镜组的第一透镜时，光线首先经过分光元件，一部分光线透射分光元件，另一部光线反射。透射分光元件的光线继续射向转折元件，光线经转折元件反射后经过第二透镜，透射第二透镜的光线继续射向四分之一波片，圆偏振光的偏振状态发生改变，圆偏振光变换为线偏振光。线偏振光再射向偏振反射膜，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。反射的光线依次经过四分之一波片和转折元件，此时光线为圆偏振光，经过反射后，光线的旋转方向发生了改变。光线再次经转折元件反射后经过第一透镜，透射第一透镜的光线继续射向分光元件，光线再次经过分光元件时，光线被部分反射向第一透镜，透射第一透镜的光线又一次经转折元件反射后经过第二透镜，光线再次经过四分之一波片后再次转换为线偏振光，此时线偏振光的偏振方向与偏振反射膜的透射方向相同，光线透过第二透镜，在光阑位置处成像。由此可知，光线通过成像透镜组时发生折反射，在这个过程中，光线不断的放大传递。在有限的空间内实现了图像的放大传递，进而减少整个系统的光学总长，利于减小头戴显示设备的体积，便于用户穿戴，并且通过折叠光路与转折元件结合的方式，借助转折元件将部分元件转置后，改变了水平方向上的占用体积，节省下的体积可用于其他元件的放置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明光学模组一实施例的结构示意图；

图2为图1中光学模组第一透镜和第二透镜的结构示意图；

图3为本发明光学模组另一实施例中分光元件、四分之一波片、偏振反射膜和偏光膜的结构示意图；

图4为图1中光学模组的点列图；

图5为图1中光学模组的场曲与畸变图；

图6为图1中光学模组的色差图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	显示器	222	第四表面
110	光线	30	转折元件
				20	成像透镜组	31	第五表面
210	第一透镜	40	分光元件
				211	第一表面	50	四分之一波片
212	第二表面	60	偏振反射膜
				220	第二透镜	70	偏光膜
221	第三表面	80	光阑

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；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，除非另有明确的限定。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。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

头戴显示设备的显示原理也包括多种，例如，除了VR显示之外，还包括AR(Augmented Reality，增强现实)显示，这些头戴显示设备的所显示的图像需要经过光学镜片的传递和放大，在图像要经过放大的过程中，需要足够的空间进行光线的传递，光学系统的光学总长较长，造成头戴显示设备体积较大，不便于用户穿戴。

为了解决上述问题，参阅图1至图3所示，本发明提供一种光学模组，光学模组包括：显示器10、成像透镜组20、转折元件30，显示器10发射用于成像显示的光线110，成像透镜组20设于显示器10的出光方向，经过显示器10出射的光线110具有圆偏振状态。

其中，成像透镜组20包括第一透镜210和第二透镜220，第一透镜210具有第一光轴，第二透镜220具有第二光轴，第一光轴和第二光轴成第一夹角；转折元件30位于第一透镜210和第二透镜220之间，并与第一透镜210的光轴成第二夹角；第一透镜210具有面向显示器的第一表面211和背向显示器的第二表面212，第二透镜220具有面向转折元件的第三表面221和背向转折元件的第四表面222，第一表面211朝向面向显示器10的方向凸起，第三表面221朝向面向转折元件30的方向凸起，第四表面222朝向背向转折元件30的方向凸起；转折元件30具有面向第一透镜210和第二透镜220的第五表面31。转折元件30的结构可以为实施例中的平板结构，但不限于平板结构，也可以为自由曲面、球面、非球面等结构。本实施例中，第一透镜210的第一光轴与第二透镜220的第二光轴垂直，即第一透镜210的第一光轴与第二透镜220的第二光轴所成的第一夹角为90°，转折元件30位于第一透镜210和第二透镜220之间并分别与第一透镜210和第二透镜220的光轴成45°放置，即转折元件30与第一透镜210的光轴所成第二夹角为45°，当然，值得说明的是，本实施例仅为其中一个优选实施例，本领域工作人员可以想到其他角度设置也可达到本发明的技术效果。

分光元件40设于第一透镜210面向显示器10的一侧；分光元件40的作用在于分光，让一部分光线110透射过去，另一部分光线110反射，例如，分光元件40可以是半反半透膜。还可以是让一种状态的光线110透射，另一种状态的光线110反射，例如偏振反射膜60，偏振反射膜60具有透过轴，当光线110的偏振状态与透过轴同向时，光线110透过，当光线110的偏振状态与透过轴不同向时，光线110被吸收或者被反射。

四分之一波片50设于第二透镜220背向转折元件30的一侧；四分之一波片50在于转换光线110的偏振状态，例如，将线偏振光转化为圆偏振光，或者将圆偏振光转化为线偏振光。偏振反射膜60设于四分之一波片50背向第二透镜220的一侧；偏振反射膜60具有偏振透过方向，也可以理解为透过轴，当光线110的偏振状态与透过轴同向时，光线110透过，当光线110的偏振状态与透过轴不同向时，光线110被反射。分光元件40、四分之一波片50以及偏振反射膜60可以为独立的光学器件，也可以为膜层结构，若为膜层结构时，可以粘贴设置，还可以采用镀膜的方式设置。定义显示器的像素尺寸为P，光学模组的全视场的光斑直径(Spot Size)为D，则满足：D＜P。简单来说就是，全视场的光斑直径小于1倍的像素尺寸。光斑直径越小代表成像质量越高。例如，像素尺寸P为34μm，光斑直径D为18.2μm，则全视场的光斑直径D小于34μm。例如，光斑直径还可以是15.0μm，20.0μm，25.0μm，30.0μm等。或者是其它小于34μm的其它数值。当然，需要指出的是，光斑直径的尺寸是随着像素尺寸而变化的，只要全视场的光斑直径小于1倍的像素尺寸的范围，均在本方案的保护范围内。

本实施例提出的技术方案中，显示器10发射光线110，发射的光线110为圆偏振光。光线110在射向成像透镜组20的第一透镜210时，光线110首先经过分光元件40，一部分光线110透射分光元件40，另一部光线110反射。透射分光元件40的光线110继续射向转折元件30，光线110经转折元件30反射后经过第二透镜220，透射第二透镜220的光线110继续射向四分之一波片50，圆偏振光的偏振状态发生改变，圆偏振光变换为线偏振光。线偏振光再射向偏振反射膜，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110被反射。反射的光线110依次经过四分之一波片50和转折元件30，此时光线110为圆偏振光，经过反射后，光线110的旋转方向发生了改变。光线110再次经转折元件30反射后经过第一透镜210，透射第一透镜210的光线110继续射向分光元件40，光线110再次经过分光元件40时，光线110被部分反射向第一透镜210，透射第一透镜210的光线110又一次经转折元件30反射后经过第二透镜220，光线110再次经过四分之一波片50后再次转换为线偏振光，此时线偏振光的偏振方向与偏振反射膜的透射方向相同，光线110透过第二透镜220，在人眼位置成像。由此可知，光线110通过成像透镜组20时发生折反射，在这个过程中，光线110不断的放大传递。在有限的空间内实现了图像的放大传递，进而减少整个系统的光学总长，利于减小头戴显示设备的体积，便于用户穿戴，并且通过折叠光路与转折元件结合的方式，借助转折元件将部分元件转置后，改变了水平方向上的占用体积，节省下的体积可用于其他元件的放置。

进一步地，第一透镜210和第二透镜220可以采用光学玻璃，光学玻璃能够保证成像质量。再者，为了减轻重量，减少加工成本，第一透镜210和第二透镜220可以采用光学塑料加工制作。例如，第一透镜210和第二透镜220可以为COC(Cycloalkene Copolymer)环烯烃类共聚物材料，或者是COP(Cyclo Olefin Polymer)环烯烃聚合物材料，除此之外，还可以选择OKP或者PMMA(methylmethacrylate)聚甲基丙烯酸甲酯等材料。

在上述实施例中，光学模组还包括偏光膜70，偏光膜70设于偏振反射膜60背向所述第二透镜的一侧。偏光膜70具有透过方向，偏光膜70的透射方向与偏振反射膜60的透射方向相同。偏光膜70对经过的光线110进行滤除，与透射方向不同的光线110会被过滤吸收，从而保证经过光学模组的光线110能够保持一致的振动方向，减少杂光的出现。

在上述实施例中，为了便利光学模组的组装，偏光膜70设于偏振反射膜60和第二透镜220之间，四分之一波片50、偏振反射膜60和偏光膜70合成一整体膜层。通过一个整体膜层结构，能够压缩膜层厚度，减少每个膜层之间的光学胶层。同时还能够通过一个整体膜层的贴覆就可以完成三个膜层的安装。贴覆整体膜层时，在四分之一波片面向第二透镜220的第四表面222设置光学胶层，通过光学胶层完成整体膜层的固定。

在本申请的一实施例中，四分之一波片的设置位置还包括：四分之一波片设于第二透镜220面向转折元件30的一侧；另一种设置位置是，四分之一波片设于第一透镜210背向显示器10的一侧。此时，两种设置方式的四分之一波片可以为独立的光学器件，也可以为膜层结构，若为膜层结构时，可以粘贴设置，还可以采用镀膜的方式设置。

在本申请的一实施例中，为了提高光线110的透过率，光学模组还包括增透膜，增透膜设于第一透镜210背向所述显示器10的第二表面212和第二透镜220面向转折元件30的第三表面221。增透膜使经过的光线110数量变多，减少透镜对光线110的反射和吸收。另外，增透膜的设置可以是采用粘贴的方式，也可以采用镀膜的方式，粘贴的方式操作简便。镀膜的方式能够使增透膜的膜层更加牢固。

在本申请的一实施例中，为了提高光线110的反射率，光学模组还包括增反膜，增反膜设于转折元件30的第五表面31。同样的，增透膜的设置可以是采用粘贴的方式，也可以采用镀膜的方式，粘贴的方式操作简便。镀膜的方式能够使增透膜的膜层更加牢固。

在本申请的一实施例中，第一透镜210的第一表面211和第二表面212至少其中之一为凸起面；第二透镜220的第三表面221和第四表面222至少其中之一为凸起面。本发明实施例提供的第一透镜210的第一表面211朝向面向显示器10的方向凸起，第二透镜220的第三表面221朝向面向转折元件30的方向凸起，及第二透镜220的第四表面222朝向背向转折元件30的方向凸起。需要说明的是，第一透镜210和第二透镜220的结构不限于上述实施例提及的情况，第一透镜210和第二透镜220还可以为凹凸、双凸、平凸结构，均在本方案的保护范围内。

在本申请的一实施例中，参阅图4-图6所示，在第一透镜210的第一表面211朝向面向显示器10的方向凸起，第一透镜210的第二表面212朝向背向显示器10的方向凹陷，第二透镜220的第三表面221朝向面向转折元件30的方向凸起，及第二透镜220的第四表面222朝向背向转折元件30的方向凸起，即第一透镜210为凹凸型结构，第二透镜220为双凸型结构的情况下，成像光斑小于18.2um；场曲小于0.5mm，最大视场位置的畸变小于15.1％；最大色散值小于35um。通过上述参数可知，光学模组满足设计要求，保证用户获得清晰度较高的成像。

本发明还提供一种头戴显示设备，头戴显示设备包括壳体和如上文涉及的光学模组，光学模组设于壳体，光学模组水平方向上的光学总长为TTL1，光学模组垂直方向上的光学总长为TTL2，则满足：TTL1＜27mm，TTL2＜24mm。例如，TTL1＝26.5mm，TTL2＝23.2mm。由此可知，该光学模组水平方向上的光学总长小于27mm，垂直方向上的光学总长小于24mm。基于上述光学模组的设计，光学模组的焦距可以为34mm。显示器10的发光面的尺寸在1.4英寸，成像视场角为35°，在这角度范围内，用户能够观察到清晰的成像。

其中一个实施方式的设计结果参阅表一和表二，分别列有由光阑(STOP)到显示屏依序编号的光学面号码(Surface)、在光轴上各光学面的曲率(C)、从光阑到显示屏的光轴上各面与后一光学表面的距离(T)。以及偶次非球面系数α2、α3、α4，其中非球面系数可以满足如下的方程。

其中，z是沿光轴方向的坐标，Y为以透镜长度为单位的径向坐标，C是曲率(1/R)，k为圆锥系数(Coin Constant)，αi是各高次项的系数，2i是非球面的高次方(the order ofAspherical Coefficient)，本实施例中考虑到场曲的平缓，无高次项球面系数至4阶。

表一

表二

需要指出的是，表一中的厚度是指该光学面距离下一个光学面的距离，厚度的正值是指显示器10到光阑80方向的距离，厚度的负值是指光阑80到显示器10方向的距离。材质是指该光学面到下一个光学面之间都是这种材质，其中，MIRROR(反射)的含义并不是材质，而是表示该光学面具有反射效果。表二中的4th代表的数据，是用于带入相应面型计算公式的4阶系数。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (12)

1.一种光学模组，其特征在于，所述光学模组包括：

显示器，所述显示器发射用于成像显示的光线；

成像透镜组，所述成像透镜组包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜具有第一光轴，所述第二透镜具有第二光轴，所述第一光轴和所述第二光轴成第一夹角；

转折元件，所述转折元件位于所述第一透镜和所述第二透镜之间，并与所述第一透镜的光轴成第二夹角；

其中，所述第一透镜具有面向所述显示器的第一表面和背向所述显示器的第二表面，所述第二透镜具有面向所述转折元件的第三表面和背向所述转折元件的第四表面，所述转折元件具有面向所述第一透镜和所述第二透镜的第五表面。

2.如权利要求1所述的光学模组，其特征在于，定义所述显示器的像素尺寸为P，所述光学模组的全视场的光斑直径为D，则满足：D＜P。

3.如权利要求2所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组的光斑直径小于18.2μm。

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：

分光元件，所述分光元件设于所述第一透镜面向所述显示器的一侧；

四分之一波片，所述四分之一波片设于所述第二透镜背向所述转折元件的一侧；

偏振反射膜，所述偏振反射膜设于所述四分之一波片背向所述第二透镜的一侧。

5.如权利要求4所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组还包括偏光膜，所述偏光膜设于所述偏振反射膜背向所述第二透镜的一侧。

6.如权利要求5所述的光学模组，其特征在于，所述四分之一波片、所述偏振反射膜和所述偏光膜均为膜层结构，且所述四分之一波片、所述偏振反射膜和所述偏光膜合成一整体膜层。

7.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增透膜，所述增透膜设于所述第一透镜背向所述显示器的第二表面和所述第二透镜面向所述转折元件的第三表面。

8.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增反膜，所述增反膜设于所述转折元件的第五表面。

9.如权利要求1至8中任一项所述的光学模组，其特征在于，所述第一透镜的第一表面和第二表面至少其中之一为凸起面；所述第二透镜的第三表面和第四表面至少其中之一为凸起面。

10.如权利要求1至8中任一项所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组的畸变小于15.1％，所述光学模组的色差小于36μm。

11.如权利要求1至8中任一项所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组水平方向上的光学总长为TTL1，所述光学模组垂直方向上的光学总长为TTL2，则满足：TTL1＜27mm，TTL2＜24mm。

12.一种头戴显示设备，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11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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