CN114859560B - 光学模组以及头戴显示设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种光学模组以及头戴显示设备；所述光学模组包括显示器、分光元件、相位延迟器及偏振反射元件，其中，所述相位延迟器位于所述分光元件与所述偏振反射元件之间；所述光学模组还包括依次设置的第一透镜及第二透镜，所述第一透镜位于所述显示器与所述分光元件之间，所述第二透镜位于所述分光元件远离所述显示器的一侧；所述分光元件的光学有效口径D₂和所述显示器的有效显示区域的高度D₁之间的差值与所述分光元件到所述显示器距离T的比值为2～6。本申请实施例中通过在分光元件与显示器之间设置一光学镜片，可以有效约束光线入射到分光元件的角度及显示器发出的光线入射到该光学镜片的角度，以此来提高光效。

Description

光学模组以及头戴显示设备

技术领域

本申请实施例涉及近眼显示成像技术领域，更具体地，本申请实施例涉及一种光学模组以及头戴显示设备。

背景技术

近年来，增强现实(Augmented Reality，AR)技术及虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术等在例如智能穿戴设备中得到了应用并快速发展起来。增强现实技术和虚拟现实技术的核心部件均是光学模组。光学模组显示效果的好坏将直接决定着智能穿戴设备的质量。

现有的技术中，为实现小型化、轻量化的虚拟现实成像系统，需要使用尺寸较小的屏幕。然而，在同等的光学规格下(如视场角度、成像质量等)，屏幕的尺寸越小，就对光学模组的要求越严苛。现有折叠光路在大视场角需求下，屏幕尺寸越小，光学模组需要的光焦度越大，光线入射到半透半反射膜的角度以及屏幕本身的发光角度的要求越高。随着入射角度的增大，半透半反射膜的反射率和透过率就越低，同时屏幕本身的发光角度是一定的，当屏幕发出的光线打到光学模组中的入射角度过大时，会有一部分角度不能被屏幕本身的发光角度覆盖，这将导致光效降低，影响光学模组最终的成像质量。

发明内容

本申请的目的在于提供一种光学模组以及头戴显示设备的新技术方案。

第一方面，本申请提供了一种光学模组，所述光学模组包括显示器、分光元件、第一相位延迟器及偏振反射元件，其中，所述第一相位延迟器位于所述分光元件与所述偏振反射元件之间；

所述光学模组还包括依次设置的第一透镜及第二透镜，所述第一透镜位于所述显示器与所述分光元件之间，所述第二透镜位于所述分光元件远离所述显示器的一侧；

所述分光元件的光学有效口径D₂和所述显示器的有效显示区域的高度D₁之间的差值与所述分光元件到所述显示器距离T的比值为2～6。

可选地，所述分光元件的光学有效口径D₂和所述显示器的有效显示区域的高度D₁之间的差值与所述分光元件到所述显示器距离T的比值为2.9～4.2。

可选地，所述显示器的尺寸为1.0in～2.1in。

可选地，光线入射到所述分光元件的角度为＜65°。

可选地，所述光学模组还包括第三透镜，所述第二透镜位于所述第一透镜与所述第三透镜之间；

所述第三透镜的任一侧设置有所述第一相位延迟器及所述偏振反射元件。

可选地，所述第一透镜的中心厚度T₁为2mm＜T₁＜5mm；

所述第一透镜包括第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面均为非球面。

可选地，所述第一透镜的光焦度为正，且光焦度/>满足：/>

可选地，所述第三透镜的口径D满足：D₁≤D≤D₂。

可选地，所述第二透镜包括第三表面和第四表面，所述第三表面为非球面，所述第四表面为平面或者非球面；

所述第三透镜包括第五表面和第六表面，所述第五表面和所述第六表面均为非球面；

其中，所述第四表面与所述第五表面相邻设置。

可选地，所述分光元件位于所述第三表面的一侧；

所述第一相位延迟器和所述偏振反射元件依次设置于所述第四表面与所述第六表面之间。

可选地，所述光学模组还包括偏光膜，所述偏光膜位于所述偏振反射元件与所述第六表面之间。

可选地，所述分光元件贴设于所述第三表面；

所述第一相位延迟器贴设于所述第四表面；

所述偏振反射元件和所述偏光膜叠设形成膜层结构，并贴设于所述第六表面。

可选地，所述第一透镜、所述第二透镜及所述第三透镜的折射率n为：1.4＜n＜1.7；

所述第一透镜、所述第二透镜及所述第三透镜的色散系数v为：20＜v＜75。

可选地，所述分光元件的反射率为47％至53％。

可选地，所述显示器的出光面被配置为能够发射圆偏振光或者线偏振光；

当所述显示器的出光面发射的光线为线偏振光时，在所述显示器的出光面与所述第一透镜之间设置有第二相位延迟器，所述第二相位延迟器用以将线偏振光转变为圆偏振光。

第二方面，本申请提供了一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括：

壳体；以及

如上所述的光学模组。

根据本申请的实施例，提供了一种折叠光路方案，在光路结构中通过在分光元件与显示器之间设置第一透镜来改善分光元件的入射角度及显示器发出的光线射入第一透镜的角度，，使得显示器发出的光线射入第一透镜形成的入射角度可以落在显示器的原入射角度范围之内，以此来提高光效，有助于提升成像质量。

通过以下参照附图对本说明书的示例性实施例的详细描述，本说明书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说明书的实施例，并且连同其说明一起用于解释本说明书的原理。

图1为本申请实施例提供的光学模组的结构示意图之一；

图2为本申请实施例提供的光学模组的局部结构示意图；

图3为图1示出的光学模组的点阵列的示意图；

图4为图1示出的光学模组的MTF曲线图；

图5为图1示出的光学模组的场曲畸变图；

图6为图1示出的光学模组的垂轴色差图；

图7为图1示出的光学模组中显示器和分光元件的发光角度变化示意图；

图8为本申请实施例提供的光学模组的结构示意图之二；

图9为本申请实施例提供的光学模组的结构示意图之三；

图10为图9示出的光学模组的点阵列的示意图；

图11为图9示出的光学模组的MTF曲线图；

图12为图9示出的光学模组的场曲畸变图；

图13为图9示出的光学模组的垂轴色差图；

图14为图9示出的光学模组中显示器和分光元件的发光角度变化示意图；

图15为本申请实施例提供的光学模组的结构示意图之四；

图16为图15示出的光学模组的点阵列的示意图；

图17为图15示出的光学模组的MTF曲线图；

图18为图15示出的光学模组的场曲畸变图；

图19为图15示出的光学模组的垂轴色差图；

图20为图15示出的光学模组中显示器和分光元件的发光角度变化示意图；

图21为本申请实施例的光学模组中的显示器和分光元件的发光角度示意图。

附图标记说明：

10、第一透镜；11、第一表面；12、第二表面；20、第二透镜；21、第三表面；22、第四表面；30、第三透镜；31、第五表面；32、第六表面；40、分光元件；50、第一相位延迟器；60、偏振反射元件；70、偏光膜；80、显示器；81、保护玻璃；90、抗反射膜；01、人眼。

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和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术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。

下面结合附图1至图21对本申请实施例提供的光学模组以及头戴显示设备进行详细地描述。

根据本申请实施例的一个方面，提供了一种光学模组，该光学模组为一种折叠光路光学结构设计，其可适合应用于头戴显示设备(Head mounted display，HMD)。例如，VR头戴设备，如可以包括VR眼镜或者VR头盔等，本申请实施例对此不做具体限制。

本申请实施例提供了一种光学模组，如图1、图2、图9及图15所示，所述光学模组包括：显示器80、分光元件40、第一相位延迟器50及偏振反射元件60，其中，所述第一相位延迟器50位于所述分光元件40与所述偏振反射元件60之间；

所述光学模组还包括：透镜组，且该透镜组至少包括依次设置的第一透镜10和第二透镜20，所述第一透镜10位于所述显示器80与所述分光元件40之间，所述第二透镜20位于所述分光元件40远离所述显示器80的一侧；

如图8所示，所述分光元件40的光学有效口径D₂和所述显示器80的有效显示区域的高度D₁之间的差值与所述分光元件40到所述显示器80距离T的比值为2～6。

也就是说，本申请的实施例中，将(D₂-D₁)/T的范围控制在2～6。

本申请的实施例中，通过对(D₂-D₁)/T的范围进行合理约束，以及在分光元件40与显示器80之间设置第一透镜10，可以很好地改善分光元件40的光线入射角度及显示器80发出的光线射入到第一透镜10的入射角度，可以保证显示器80打入第一透镜10的入射角度在显示器80原有的入射角度之内，以此可以提升光学模组的光效。

如图21所示，图21中的θp示出的是显示器(或者说屏幕)的原有的入射角度，图21中的θx1示出的是显示器发出的光线射入第一透镜10的入射角度，图21中的θx1示出的是显示器发出的光线射入第一透镜10的入射角度可以被显示器原有的入射角度覆盖的情况，光效利用率可以达到100％。此时，光学模组的成像效果是比较好。

请继续如图21所示，当显示器发出的光线射入第一透镜10的入射角度较大，如图21中示出的θx2，其中有一部分入射角度θl是不能被显示器原有的入射角度覆盖的，这将会导致光效降低。

根据本申请的实施例，提供了一种折叠光路方案，在光路结构中通过对(D₂-D₁)/T的范围的合理控制约束，及在分光元件40与显示器80之间设置第一透镜10，以此来改善分光元件40的入射角度及显示器80发出的光线射入第一透镜10的角度，使得显示器80发出的光线射入第一透镜10形成的入射角度可以落在显示器80的原入射角度范围之内，以此来提高光效，有助于提升成像质量。这可如图21中示出θx1，以此可以提高光学模组的光效，有助于提升成像质量。

本申请实施例提供的光学模组不仅包括有透镜组，还包括有如上述的分光元件40、第一相位延迟器50及偏振反射元件60。

其中，第一相位延迟器50可用于改变折叠光路结构中光线的偏振状态。例如，能够将线偏振光转化为圆偏振光，又或者将圆偏振光转化为线偏振光。

其中，偏振反射元件60可用于透过P偏振光反射S偏振光；或者，偏振反射元件60可用于透过S偏振光反射P偏振光。

第一相位延迟器50与偏振反射元件60配合可用于解析光线并对光线进行传递。

可选的是，所述分光元件40的光学有效口径D₂和所述显示器80的有效显示区域的高度D₁之间的差值与所述分光元件40到所述显示器80距离T的比值还可以为2.8～4.5。也即，(D₂-D₁)/T的范围可以控制在2.8～4.5。

可选的是，所述分光元件40的光学有效口径D₂和所述显示器80的有效显示区域的高度D₁之间的差值与所述分光元件40到所述显示器80距离T的比值控制在2.9～4.2。也即，(D₂-D₁)/T的范围可以控制在2.9～4.2。

进一步地，(D₂-D₁)/T的值例如可以控制为2.94、3.5或者4.2等。

当然，本申请的实施例中并不限于上述的例子中列举的三个点值，本领域技术人员可以根据需要灵活调整(D₂-D₁)/T在2～6这一范围内取值。

在本申请的一些示例中，所述显示器80的尺寸为1.0in～2.1in。这是一种小尺寸的显示器。

本申请实施例提供的光学模组，其是一种折叠光路光学结构设计，如图1、图2、图8、图9及图15所示所示，光学模组中的各个光学镜片及光学元件可以按照设定的方式排列，并位于同一光轴上。整个光路结构的尺寸较小，并不会占用较大的空间。该光学模组可以与小尺寸的显示器80相配合，这有助于缩小光学模组的体积。

在本申请的一些示例中，光线入射到所述分光元件40的角度为＜65°。

如图7、图14及图20所示，本申请实施例提供的光学模组中，经调整后光线入射到分光元件40的角度可以调整为＜65°，最大光线入射角度变小之后可以有效改善分光元件40的反射率及透过率，以此也可以提升光学模组的光效。

进一步地，光线入射到分光元件40的角度为＜53°，甚至还可以≤40°。

请继续如图7、图14及图20所示，本申请实施例提供的光学模组中，经调整后显示器80发出的光线射入到第一透镜10的入射角度可以为＜35°，该光线入射角度可以被显示器80原有的入射角度覆盖，如此可以提升光学模组的光效。

进一步地，经调整后显示器80发出的光线射入到第一透镜10的入射角度还可以为＜27°，甚至可以为＜26°。本申请实施例提供的光学模组，可以使用户获得较佳的视觉体验感。

在本申请的一些示例中，如图1、图2、图8、图9及图15所示，所述光学模组还包括第三透镜30，其中，所述第二透镜20位于所述第一透镜10与所述第三透镜30之间；所述第三透镜30的任一侧设置有所述第一相位延迟器50及所述偏振反射元件60。

本申请的实施例中，采用了三个光学镜片，即上述的第一透镜10、第二透镜20和第三透镜30。其中，第一透镜10被设计布设在光线入射的一侧，也即靠近显示器80一侧的合适位置处。入射的光线可以先射入第一透镜10，第一透镜10可用以对入射的光线进行透射。第三透镜30位于靠近人眼01的一侧。第二透镜20位于第一透镜10和第三透镜30之间合适的位置处。

本申请的实施例中，通过三个透镜的合理搭配，以及有效约束(D₂-D₁)/T的范围，能够适当减小分光元件40的入射角度及显示器80发出的光线射入第一透镜10的入射角度(如分光元件40的光线入射角度小于65°，显示器80的光线入射角度小于35°)，这可以使得经显示器80发出的光线射入到显示器80的入射角度被显示器80原有的发光角度完全覆盖，以此可以提高光学模组的光效，从而可以提升成像质量。

在本申请实施例提供的光学模组中，除了包含上述的三个光学镜片(3P)之外，其还可以包括设置于第一透镜10与第二透镜20之间的分光元件40，以及设置于第三透镜30相对两侧中任一侧的第一相位延迟器50(又称为1/4波片)和偏振反射元件60。

其中，分光元件40例如可以位于第二透镜20与第一透镜10之间合适的位置处。当然，分光元件40也可以被直接贴装在第二透镜20面向第一透镜10的表面上。

其中，第一相位延迟器50和偏振反射元件60例如可以设置在第二透镜20与第三透镜30之间合适的位置处。当然，第一相位延迟器50和偏振反射元件60也可以在第三透镜30靠近人眼01一侧的合适位置处。

当然，还可以将第一相位延迟器50和偏振反射元件60贴装在第二透镜20和/或第三透镜30合适的表面上。本领域技术人员可以根据需要灵活调整第一相位延迟器50和偏振反射元件60的具体设置位置。

需要说明的是，第一相位延迟器50和偏振反射元件60二者可以贴设在一起，二者也可以呈间隔设置，本申请实施例中对此不作具体限制。

在本申请的一些示例中，所述第一透镜10的中心厚度T₁为2mm＜T₁＜5mm；如图1、图2、图9及图15所示，所述第一透镜10包括第一表面11和第二表面12，所述第一表面11和所述第二表面12均为非球面。

可选的是，在第一透镜10的两侧均设置有抗反射膜。

也就是说，可以在第一表面11的一侧设置抗反射膜，并在第二表面12的一侧设置抗反射膜。

例如，可以分别在第一表面11和第二表面12上贴装抗反射膜。

在本申请的实施例中设计，第一透镜10可以位于整个光学模组入光的一侧，或者说，其可以靠近显示器80的出光面设置。显示器80发出的光线可以透过第一透镜10，在第一透镜10的两侧可以分别设置抗反射膜，这样，可以使光线尽可能完全透过第一透镜10并射入至光学模组中。

在本申请的一些示例中，所述第一透镜10的光焦度为正，且光焦度/>满足：

第一透镜10无需为光学模组提供较大的光焦度。

本申请的实施例中，通过合理布设第一透镜10在光路结构中的位置及约束(D₂-D₁)/T的范围为2～6，可如图8所示。配合第一透镜10的中心厚度、面型及光焦度等参数，可减少光线入射到分光元件40的角度及显示器80发出的光线打入第一透镜10的入射角度。

在本申请的一些示例中，所述第三透镜30的口径D满足：D₁≤D≤D₂。

如图8所示，在本申请实施例的光学模组中，分光元件40的光学有效口径为D₂，显示器80的有效显示区域的高度为D₁。

需要说明的是，上述的显示器80的有效显示区域的高度D₁指的是显示器长度和宽度中值最大的一者。当显示器80正常放置时指的就是高度。

本申请实施例的光学模组中，将第三透镜30的口径设计在上述范围内，可以使经显示器80出射的光线经较大口径的光学镜片折转之后再经第三透镜30集中打入人眼01中，以更好的在人眼01中进行显示成像。

需要说明的是，本领域技术人员可以根据实际需要灵活调整第三透镜30的口径值，只要使其处于上述的范围内即可。

在本申请的一些示例中，如图1、图2、图9及图15所示，所述第二透镜20包括第三表面21和第四表面22，所述第三表面21为非球面，所述第四表面22为平面或者非球面；所述第三透镜30包括第五表面31和第六表面32，所述第五表面31和所述第六表面32均为非球面；其中，所述第四表面22与所述第五表面31可以为相邻设置。

可选的是，如图2所示，在第二透镜的第四表面22的一侧设置有一抗反射膜90。

其中，第二透镜20的光焦度为正，且光焦度/>满足：/>

可选的是，在第三透镜30的第五表面31上，或者在第五表面31的一侧也可以设置抗反射膜，这使得光线可以尽可能完整的射入人眼01中显示图像。

其中，第三透镜30的光焦度为正，且光焦度/>满足：/>

在本申请的实施例中，第二透镜20的中心厚度T₂可以设计为：3mm<T₂<6mm。第三透镜30的中心厚度T₃可以设计为：3mm<T₃<6mm。

在本申请的一些示例中，所述分光元件40位于所述第三表面21的一侧；所述第一相位延迟器50和所述偏振反射元件60依次设置于所述第四表面22与所述第六表面32之间。

例如，分光元件40可以设置在第一透镜10的第二表面12与第二透镜20的第三表面21之间的合适位置处；或者，使分光元件40设置在靠近第二透镜20的第三表面21的合适位置处。当然，分光元件40也可以贴装在第二透镜20的第三表面21的表面上，如图1所示。

例如，第一相位延迟器50可以设置在第二透镜20的第四表面22的一侧，偏振反射元件60可以设置在第三透镜30的第六表面32的一侧。此时，第一相位延迟器50和偏振反射元件60在光路结构中呈间隔设置。

例如，第一相位延迟器50可以设置在第二透镜20的第四表面22与第三透镜30的第六表面32之间的合适位置；或者，使第一相位延迟器50设置在靠近第二透镜20的第四表面22的合适位置处。

当然，第一相位延迟器50也可以直接贴设在第二透镜20的第四表面22上。

例如，偏振反射元件60可以设置在第二透镜20的第四表面22与第三透镜30的第六表面32之间的合适位置；或者，使偏振反射元件60设置在靠近第三透镜30的第六表面32的合适位置处。当然，偏振反射元件60也可以直接贴设在第三透镜30的第六表面32上。

此外，还可以设计将第一相位延迟器50和偏振反射元件60层叠贴设在第三透镜30的第六表面32上，此时，第一相位延迟器50和偏振反射元件60可以贴合在一起。本领域技术人员可以根据需要对第一相位延迟器50和偏振反射元件60的位置进行合理的调整。

在本申请的一些示例中，如图2所示，所述光学模组还包括偏光膜70，所述偏光膜70位于所述偏振反射元件60与所述第六表面32之间。

在本申请的一些示例中，如图2所示，所述分光元件40贴设于所述第三表面21；所述第一相位延迟器50贴设于所述第四表面22；所述偏振反射元件60和所述偏光膜70叠设形成膜层结构，并贴设于所述第六表面32。

本申请的实施例中，第二透镜20包含两个光学面，即上述的第三表面21和第四表面22，第三表面21与第一透镜10的第二表面12可以为相邻设置，可以在第三表面21上或者靠近的一侧设置分光元件40，可以在第四表面22的表面上或者靠近的一侧设置有膜层结构，且该膜层结构例如以包含上述的第一相位延迟器50和抗反射膜90。其中的第一相位延迟器50可用于改变折叠光路结构中光线的偏振状态。

在本申请的实施例中，偏振反射元件60与偏光膜70二者可以叠设形成膜层结构，并可以将其贴设于第六表面32上。偏振反射元件60可以透过P偏振光反射S偏振光，偏光膜70可以透过P偏振光，可以减少杂散光。

在本申请的一些示例中，所述分光元件40的反射率为47％至53％。

例如，分光元件40可以为半透半反射膜。

在本申请的一些示例中，所述第一透镜10、所述第二透镜20及所述第三透镜30的折射率n为：1.4＜n＜1.7；

所述第一透镜10、所述第二透镜20及所述第三透镜30的色散系数v为：20＜v＜75。

例如，第一透镜10的折射率n₁为1.54，色散系数v₁为56.3；第二透镜20的折射率n₂为1.54，色散系数v₂为56.3；第三透镜30的折射率n₃为1.54，色散系数v₃为56.3。

在本申请的一些示例中，如图1、图2、图9及图15所示，所述显示器80的出光面被配置为能够发射圆偏振光或者线偏振光；

当所述显示器80的出光面发射的光线为线偏振光时，在所述显示器80的出光面与所述第一透镜10之间设置有第二相位延迟器，所述第二相位延迟器用以将线偏振光转变为圆偏振光。

本申请的实施例中，光学模组可以包括显示器80，该显示器80的出光面设置有保护玻璃81，该显示器80的出光面可以朝向第一透镜10发出光线，并且光线可以透过该第一透镜10。

本申请的实施例中，第二相位延迟器可以设置在显示器80的出光面，或者设置在显示器80与第一透镜10之间合适的位置处，或者，可以设置在靠近显示器80的出光面的合适位置处。

根据本申请实施例提供的光学模组，光线的传播过程如下：

如图1所示，显示器80发出圆偏振光，经显示器80出光面的保护玻璃81透射之后，光线可以透过第一透镜10、第二透镜20及第三透镜30的第五表面31，接着经过第三透镜30的第六表面32上的偏振反射元件60发生反射，经过第三透镜30的第五表面31、第二透镜20的第四表面22透射，由第四表面22或者一侧的第一相位延迟器50使圆偏振光变为线偏振光，经过第二透镜20的第三表面21的分光元件40发生反射，经过第二透镜20的第四表面22或者一侧第一相位延迟器50变成圆偏振光，经过第三透镜30透射之后可以进入人眼01中显示图像。

以下通过三个实施例对本申请实施例提供的光学模组进行具体说明。

实施例1

本申请实施例1提供了一种光学模组，如图1所示，所述光学模组包括：显示器80、分光元件40、第一相位延迟器50及偏振反射元件60，其中，所述第一相位延迟器50位于所述分光元件40与所述偏振反射元件60之间；

所述光学模组还包括：第一透镜10、第二透镜20和第三透镜30，所述第一透镜10位于所述显示器80与所述分光元件40之间，所述第二透镜20位于所述第一透镜10与所述第三透镜30之间；所述第三透镜30的任一侧设置有所述第一相位延迟器50及所述偏振反射元件60；如图8所示，所述分光元件40的光学有效口径D₂和所述显示器80的有效显示区域的高度D₁之间的差值与所述分光元件40到所述显示器80距离T的比值为4.2；其中，所述分光元件40的光学有效口径D₂为42.8mm，所述显示器80的有效显示区域的高度D₁为22mm，所述分光元件40到所述显示器80距离T为4.95mm。

在上述的范围内，如图7所示，显示器80发出的光线射入第一透镜10的入射角度范围<27°，光线入射到分光元件40的角度范围<53°。其中，第三透镜30的口径D满足：22≤D≤42.8。

其中，第一透镜10包括第一表面11和第二表面12，第二透镜20包括第三表面21和第四表面22，第三透镜30包括第五表面31和第六表面32。本实施例1提供的光学模组中，第一透镜10、第二透镜20及第三透镜30的光学参数具体可如下表1。

表1

根据实施例1示出的光学模组，如图3至图6所示：图3是实施例1提供的光学模组的点列图示意图，图4是实施例1提供的光学模组的MTF曲线图，图5是实施例1提供光学模组的场曲畸变图，图6是实施例1提供的光学模组的垂轴色差图。

点列图是指由一点发射出的许多光线经光学模组之后，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，可于评价光学模组的成像质量。如图3所示，在实施例1中，点列图中像点的最大值小于28μm。

MTF曲线图是调制传递函数图，通过黑白线对的对比度表征光学模组的成像清晰度。如图4所示，在实施例1中，MTF在20lp/mm下>0.45，成像清晰。

场曲畸变图反应的是不同视场成清晰像的像面位置差异，在实施例1中，如图5所示，场曲最大值小于0.4mm，本实施例畸变最大发生在1视场，最大值小于22％。

垂轴色差又称为倍率色差，主要是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。在实施例1中，如图6所示，最大色散为系统的1视场位置，光学模组的最大色差值小于240μm。

实施例2

本申请实施例2提供了一种光学模组，如图9所示，该光学模组包括：显示器80、分光元件40、第一相位延迟器50及偏振反射元件60，其中，所述第一相位延迟器50位于所述分光元件40与所述偏振反射元件60之间；

该光学模组还包括：第一透镜10、第二透镜20和第三透镜30，所述第一透镜10位于所述显示器80与所述分光元件40之间，所述第二透镜20位于所述第一透镜10与所述第三透镜30之间；所述第三透镜30的任一侧设置有所述第一相位延迟器50及所述偏振反射元件60；

如图8所示，所述分光元件40的光学有效口径D₂和所述显示器80的有效显示区域的高度D₁之间的差值与所述分光元件40到所述显示器80距离T的比值为2.94；

其中，所述分光元件40的光学有效口径D₂为40mm，所述显示器80的有效显示区域的高度D₁为25mm，所述分光元件40到所述显示器80距离T为5.1mm。

在上述的范围内，如图14所示，显示器80发出的光线射入第一透镜10的入射角度范围<26°，光线入射到分光元件40的角度范围<41°。其中，第三透镜30的口径D满足：25mm≤D≤40mm。

其中，第一透镜10包括第一表面11和第二表面12，第二透镜20包括第三表面21和第四表面22，第三透镜30包括第五表面31和第六表面32。第一透镜10、第二透镜20及第三透镜30的光学参数具体可如下表2。

表2

根据实施例2提供的光学模组，如图10至图13所示：图10是实施例2提供的光学模组的点列图示意图，图11是实施例2提供的光学模组的MTF曲线图，图12是实施例2提供光学模组的场曲畸变图，图13是实施例2提供光学模组的垂轴色差图。

如图10所示，在实施例2中，点列图中像点的最大值小于8μm。

如图11所示，在实施例2中，MTF在20lp/mm下>0.65，成像清晰。

如图12所示，场曲畸变值小于0.06mm，本实施例畸变最大发生在1视场，最大值小于25％。

如图13所示，在实施例2中，最大色散为系统的1视场位置，光学模组的最大色差值小于190μm。

实施例3

本申请实施例3提供了一种光学模组，如图15所示，该光学模组包括：显示器80、分光元件40、第一相位延迟器50及偏振反射元件60，其中，所述第一相位延迟器50位于所述分光元件40与所述偏振反射元件60之间；

该光学模组还包括：第一透镜10、第二透镜20和第三透镜30，所述第一透镜10位于所述显示器80与所述分光元件40之间，所述第二透镜20位于所述第一透镜10与所述第三透镜30之间；所述第三透镜30的任一侧设置有所述第一相位延迟器50及所述偏振反射元件60；

如图8所示，所述分光元件40的光学有效口径D₂和所述显示器80的有效显示区域的高度D₁之间的差值与所述分光元件40到所述显示器80距离T的比值为3.5；

其中，所述分光元件40的光学有效口径D₂为40mm，所述显示器80的有效显示区域的高度D₁为25mm，所述分光元件40到所述显示器80距离T为4.3mm。

在上述的范围内，如图20所示，显示器80发出的光线射入第一透镜10的入射角度范围<26°，光线入射到分光元件40的角度范围≤40°。其中，第三透镜30的口径D满足：25mm≤D≤40mm。

其中，第一透镜10包括第一表面11和第二表面12，第二透镜20包括第三表面21和第四表面22，第三透镜30包括第五表面31和第六表面32。本实施例3提供的光学模组中，第一透镜10、第二透镜20及第三透镜30的光学参数具体可如下表3。

表3

根据实施例3提供的光学模组，如图16至图19所示：图16是实施例3提供的光学模组的点列图示意图，图17是实施例3提供的光学模组的MTF曲线图，图18是实施例3提供的光学模组的场曲畸变图，图19是实施例3提供的光学模组的垂轴色差图。

如图16所示，在实施例3中，点列图中像点的最大值小于7μm。

如图17所示，在实施例3中，MTF在20lp/mm下>0.75，成像清晰。

如图18所示，场曲最大值小于0.05mm，本实施例畸变最大发生在1视场，最大值小于25％。

如图19所示，在实施例3中，最大色散为系统的1视场位置，光学模组的最大色差值小于190μm。

根据本申请实施例的另一方面，还提供了一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括壳体，以及如上述所述的光学模组。

所述头戴显示设备例如为VR头戴设备，包括VR眼镜或者VR头盔等，本申请实施例对此不做具体限制。

本申请实施例的头戴显示设备的具体实施方式可以参照上述显示模组各实施例，在此不再赘述。

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。

虽然已经通过示例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，以上示例仅是为了进行说明，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 (14)

1.一种光学模组，其特征在于，包括显示器(80)、分光元件(40)、第一相位延迟器(50)及偏振反射元件(60)，其中，所述第一相位延迟器(50)位于所述分光元件(40)与所述偏振反射元件(60)之间；

所述光学模组还包括依次设置的第一透镜(10)及第二透镜(20)，所述第一透镜(10)位于所述显示器(80)与所述分光元件(40)之间，所述第二透镜(20)位于所述分光元件(40)远离所述显示器(80)的一侧；

所述分光元件(40)的光学有效口径D₂和所述显示器(80)的有效显示区域的高度D₁之间的差值与所述分光元件(40)到所述显示器(80)距离T的比值为2～6；

所述第一透镜(10)的中心厚度T₁为2mm＜T₁＜5mm；

所述第一透镜(10)包括第一表面(11)和第二表面(12)，所述第一表面(11)和所述第二表面(12)均为非球面；

所述第一透镜(10)的光焦度φ₁为正，且光焦度φ₁满足：0<φ₁<0.05。

2.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述分光元件(40)的光学有效口径D₂和所述显示器(80)的有效显示区域的高度D₁之间的差值与所述分光元件(40)到所述显示器(80)距离T的比值为2.9～4.2。

3.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述显示器(80)的尺寸为1.0in～2.1in。

4.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，光线入射到所述分光元件(40)的角度为＜65°。

5.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组还包括第三透镜(30)，所述第二透镜(20)位于所述第一透镜(10)与所述第三透镜(30)之间；

所述第三透镜(20)的任一侧设置有所述第一相位延迟器(50)及所述偏振反射元件(60)。

6.根据权利要求5所述的光学模组，其特征在于，所述第三透镜(30)的口径D满足：D₁≤D≤D₂。

7.根据权利要求5所述的光学模组，其特征在于，所述第二透镜(20)包括第三表面(21)和第四表面(22)，所述第三表面(21)为非球面，所述第四表面(22)为平面或者非球面；

所述第三透镜(30)包括第五表面(31)和第六表面(32)，所述第五表面(31)和所述第六表面(32)均为非球面；

其中，所述第四表面(22)与所述第五表面(31)相邻设置。

8.根据权利要求7所述的光学模组，其特征在于，所述分光元件(40)位于所述第三表面(21)的一侧；

所述第一相位延迟器(50)和所述偏振反射元件(60)依次设置于所述第四表面(22)与所述第六表面(32)之间。

9.根据权利要求7所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组还包括偏光膜(70)，所述偏光膜(70)位于所述偏振反射元件(60)与所述第六表面(32)之间。

10.根据权利要求9所述的光学模组，其特征在于，所述分光元件(40)贴设于所述第三表面(21)；

所述第一相位延迟器(50)贴设于所述第四表面(22)；

所述偏振反射元件(60)和所述偏光膜(70)叠设形成膜层结构，并贴设于所述第六表面(32)。

11.根据权利要求5所述的光学模组，其特征在于，所述第一透镜(10)、所述第二透镜(20)及所述第三透镜(30)的折射率n为：1.4＜n＜1.7；

所述第一透镜(10)、所述第二透镜(20)及所述第三透镜(30)的色散系数v为：20＜v＜75。

12.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述分光元件(40)的反射率为47％至53％。

13.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述显示器(80)的出光面被配置为能够发射圆偏振光或者线偏振光；

当所述显示器(80)的出光面发射的光线为线偏振光时，在所述显示器(80)的出光面与所述第一透镜(10)之间设置有第二相位延迟器，所述第二相位延迟器用以将线偏振光转变为圆偏振光。

14.一种头戴显示设备，其特征在于，包括：

壳体；以及

如权利要求1-13中任一项所述的光学模组。