CN114895469B - 光学模组以及头戴显示设备 - Google Patents

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CN114895469B CN202210560045.9A CN202210560045A CN114895469B CN 114895469 B CN114895469 B CN 114895469B CN 202210560045 A CN202210560045 A CN 202210560045A CN 114895469 B CN114895469 B CN 114895469B
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Abstract

本申请实施例提供了一种光学模组以及头戴显示设备；其中，所述光学模组包括依次设置的第一透镜、第二透镜及第三透镜；所述第一透镜被配置为用于透射入射的光线；所述第二透镜与所述第一透镜之间设置有分光元件；所述第三透镜的任一侧设置有第一相位延迟器和偏振反射膜；所述第一透镜在1.0口径处的光程与中心光程的光程差是中心光程的0.25～0.5倍。本申请实施例提供的方案可以实现中心视场与边缘视场同时清晰成像。

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。
在现有的技术中，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显示器。然而，在同等的光学规格下(如视场角度、成像质量等)，显示器的尺寸越小，就对光学模组的要求越严苛。现有折叠光路的光学方案大都包含两个镜片，针对小屏，光学模组要提供较大的光焦度，对边缘视场弯折角度很大，导致很难实现中心视场与边缘视场同时可以清晰成像，会造成场曲难以消除的问题，这会影响成像效果。
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，所述光学模组包括依次设置的第一透镜、第二透镜及第三透镜；
所述第一透镜被配置为用于透射入射的光线；
所述第二透镜与所述第一透镜之间设置有分光元件；
所述第三透镜的任一侧设置有第一相位延迟器和偏振反射膜；
所述第一透镜在1.0口径处的光程与中心光程的光程差是中心光程的0.25～0.5倍。
可选地，所述第一透镜在1.0口径处的光程与中心光程的光程差为-1.6～-1。
可选地，所述第一透镜在1.0口径处的光程与中心光程的光程差为-1.58～-1.2。
可选地，所述第一透镜在0.7～0.9口径处的光程与中心光程的光程差为-1.5～-0.05。
可选地，所述第一透镜在0.7口径处的光程与中心光程的光程差为-1～-0.05；
所述第一透镜在0.8口径处的光程与中心光程的光程差为-1.2～-0.3；
所述第一透镜在0.9口径处的光程与中心光程的光程差为-1.5～-0.5。
可选地，所述第一透镜的中心厚度T1为3mm＜T1＜6mm；
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，所述第二透镜包括第三表面和第四表面，所述第三表面与所述第二表面相邻设置，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，所述第五表面与所述第四表面为相邻设置。
可选地，所述第一相位延迟器和所述偏振反射膜依次设置于所述第四表面与所述第五表面之间。
可选地，所述光学模组还包括偏光膜，所述偏光膜设置于所述第五表面与所述偏振反射膜之间。
可选地，所述偏振反射膜和所述偏光膜叠设形成膜层结构，并贴设于所述第五表面；
所述第一相位延迟器贴设于所述第四表面。
可选地，所述分光元件的反射率为47％至53％。
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，所述光学模组还包括显示器，所述显示器用以发射出圆偏振光或者线偏振光；
当所述显示器发射的光线为线偏振光时，在所述显示器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。
可选地，所述显示器的尺寸为1in～2.1in。
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，通过采用三个透镜的合理组合，以及有效控制靠近入光一侧的光学镜片即第一透镜的边缘光程和中心光程的光程差与中心光程的比值关系，这有助于实现边缘视场与中心视场在同一像面位置处可以同时清晰成像，可以消除场曲，进而实现小场曲的光学模组，能够有效提升成像质量，以使用户获得较佳的视觉体验感。
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为图1示出的光学模组中第一透镜在不同口径处的光程与中心光程的光程差变化图；
图3为本申请实施例的光学模组中第二透镜的第四表面和第三透镜的第六表面分别贴设膜层结构的示意图；
图4为本申请实施例提供的光学模组的结构示意图之二；
图5为图4示出的光学模组中第一透镜在不同口径处的光程与中心光程的光程差变化图；
图6为图1和图4示出的光学模组的点阵列的示意图；
图7为图1和图4示出的光学模组的MTF曲线图；
图8为图1和图4示出的光学模组的场曲畸变图；
图9为图1和图4示出的光学模组的垂轴色差图；
图10为本申请实施例提供的光学模组的结构示意图之三；
图11为图10示出的光学模组中第一透镜在不同口径处的光程与中心光程的光程差变化图；
图12为图10示出的光学模组的点阵列的示意图；
图13为图10出的光学模组的MTF曲线图；
图14为图10示出的光学模组的场曲畸变图；
图15为图10示出的光学模组的垂轴色差图；
图16为本申请实施例提供的光学模组的结构示意图之四；
图17为图16示出的光学模组中第一透镜在不同口径处的光程与中心光程的光程差变化图；
图18为图16示出的光学模组的点阵列的示意图；
图19为图16出的光学模组的MTF曲线图；
图20为图16示出的光学模组的场曲畸变图；
图21为图16示出的光学模组的垂轴色差图；
图22为本申请实施例提供的光学模组中第一透镜的局部结构示意图之一；
图23为本申请实施例提供的光学模组中第一透镜的局部结构示意图之二。
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、第三抗反射膜；50、第一相位延迟器；60、偏光膜；70、偏振反射膜；80、显示器；81、保护玻璃；90、分光元件；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23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，所述光学模组为一种折叠光路光学结构设计，其例如可以包含3个光学镜片，可适合应用于头戴显示设备(Headmounted 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3、图4、图10及图16所示，所述光学模组包括依次设置的第一透镜10、第二透镜20及第三透镜30；
所述第一透镜10被配置为用于透射入射的光线；
所述第二透镜20与所述第一透镜10之间设置有分光元件90；
所述第三透镜30的任一侧设置有第一相位延迟器(或称为1/4波片)50和偏振反射膜70；
所述第一透镜10在1.0口径(或称最大口径)处的光程与中心光程的光程差是中心光程的0.25～0.5倍。
现有折叠光路光学模组中，通常包含两个光学镜片，当采用尺寸较小的显示器时，光学模组需要提供较大的光焦度，此时，边缘视场的弯折角度较大，这就导致很难实现中心视场和边缘视场同时清晰成像，无法实现小场曲的光学模组。
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。第一透镜10被布设在光线入射的一侧，也即入射的光线会先射入第一透镜10。第一透镜10可用以对入射的光线进行透射。本申请的实施例中，通过控制该第一透镜10的边缘光程和中心光程的光程差与中心光程的比值关系，以此能够实现中心视场与边缘视场同时在同一个平面清晰成像，从而可以实现小场曲的光学模组。
本申请的实施例中，第一透镜10在1.0口径(1.0口径或称为最大口径，也即边缘视场)处的光程与中心光程的光程差应当是最大的，第一透镜10从中心向外侧，光程差是逐渐变小的。而且，第一透镜10越靠近外侧，与中心光程形成的光程差减少的幅度越大。
如图22所示，其中示出了第一透镜10上的不同位置处，例如z0、z1、z2、z3、z4、z5；其中，z0为第一透镜10的中心位置，z1～z5为位置由中心向外侧逐渐变化。
第一透镜10上z1位置的光程差＝n*(z1-z0)，z2位置的光程差＝n*(z2-z0)，……以此类推，z5位置的光程差＝n*(z5-z0)；其中，n为第一透镜10的折射率，z为光线在第一透镜10指定位置处走过的光程。
本申请的实施例中设计，第一透镜10在任一指定位置(或称指定口径)处的光程和中心光程的光程差与中心光程的比值关系(为绝对值)如下式：
n*(z-z0)/n*z0。
在本申请的实施例中，可以将第一透镜10在1.0口径处的光程与中心光程的光程差控制为中心光程的0.25～0.5倍。在该比值范围之内，可以实现边缘视场和中心视场均能够清晰成像，从而能够提高光学模组的成像质量。
此外，本申请的实施例中还控制了第一透镜10上不同口径处的光程和中心光程的光程差与中心光程的比例关系，以此来更好的提升光学模组的光学性能。以下具体进行说明。
例如，可以将第一透镜10在0.9口径处的光程与中心光程的光程差控制为中心光程的0.2～0.4倍。
例如，可以将第一透镜10在0.8口径处的光程与中心光程的光程差控制为中心光程的0.15～0.35倍。
例如，可以将第一透镜10在0.7口径处的光程与中心光程的光程差控制为中心光程的0.1～0.3倍。
例如，可以将第一透镜10在0.5口径处的光程与中心光程的光程差控制为中心光程的0.05～0.25倍。
例如，可以将第一透镜10在0.3口径处的光程与中心光程的光程差控制为中心光程的0～0.1倍。
根据本申请实施例，通过三个透镜的合理组合，以及有效控制靠近入光一侧的光学镜片即第一透镜的边缘光程和中心光程的光程差与中心光程的比值关系，这有助于实现边缘视场与中心视场在同一像面位置处可以同时清晰成像，可以消除场曲，进而实现小场曲的光学模组，能够有效提升成像质量，以使用户获得较佳的视觉体验感。
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之外，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90，以及设置于第三透镜30任一侧的第一相位延迟器50(又称为1/4波片)和偏振反射膜70。
需要说明的是，可以在第二透镜20与第三透镜30之间合适的位置处设置第一相位延迟器50和偏振反射膜70，也可以在第三透镜30靠近人眼01一侧的合适位置处设置第一相位延迟器50和偏振反射膜70。
当然，还可以将第一相位延迟器50和偏振反射膜70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和偏振反射膜70的具体设置位置。
此外，第一相位延迟器50和偏振反射膜70二者可以贴设在一起，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。
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，偏振反射膜70可用于透过P偏振光反射S偏振光；或者，偏振反射膜70可用于透过S偏振光反射P偏振光。
第一相位延迟器50与偏振反射膜70配合可用于解析光线并对光线进行传递。
在整个光路结构中，射入第一透镜10的入射光线例如为圆偏振光。
如此，圆偏振光经第一透镜10和第二透镜20透射，经第三透镜30上邻近第二透镜20的表面反射，接着经第二透镜20上邻近第三透镜30的表面对光线透射，然后经第二透镜20上邻近第一透镜10的表面对光线进行反射，再经第二透镜20上邻近第三透镜的表面及第三透镜30对光线依次透射，使得光线可以射入人眼01中显示成像。这样，人眼01可以观看到清晰完整的画面。
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，请继续如图1、图4、图10及图16所示，光学模组中的各个光学镜片位于同一光轴上，各个光学镜片的排布方式简单、易于实现，而且尺寸较小，不会占用较大的空间。该光学模组可以实现中心视场与边缘视场同时在同一个平面清晰成像，从而可以实现小场曲的光学模组，可以搭配小尺寸的显示器，例如显示器的尺寸可以为1in～2.1in。
在本申请的一些示例中，所述第一透镜在1.0口径处的光程与中心光程的光程差为-1.6～-1。
在本申请实施例提供的光学模组中，靠近入光一侧的第一透镜10在1.0口径(1.0口径可以称为最大口径，也是边缘视场)处的光程与中心光程的光程差是最大的，可以将其范围控制在-1.6～-1。而在第一透镜10上从中心向外侧，其与中心光程形成的光程差是逐渐变小的。第一透镜10上越靠近外侧与中心光程的光程差减少的幅度越大。
第一透镜10上不同口径处的光程与中心光程的光程差的限定范围可参见如下示出的表1。
表1
在上述的表1中，归一化半口径＝MD/SD；如图23所示，SD指第一透镜10的最大半口径，MD指第一透镜10上不同口径(不同位置)处与第一透镜10中心的距离。
表1中示出的数据是第一透镜10上不同口径处的光程与中心光程的光程差边界的量化表示。
如图2、图5、图11及图17所示，这四幅图分别示出了四个不同实施例中，第一透镜10在不同口径处的光程与中心光程的光程差及限定范围。可以看出的是，第一透镜10的最大光程差发生在其最大口径处(即1.0口径处或者边缘视场处)，该处的光程与中心光程的光程差的范围可以控制为-1.6～-1。第一透镜10从中心向外侧，光程差是逐渐变小的。第一透镜10上越靠近外侧，光程差减少的幅度越大。
例如，第一透镜10在1.0口径处的光程与中心光程的光程差可以控制为-1.6、-1.58或者-1，本领域技术人员可以根据需要灵活进行调整。
实际上，在理论无像差系统中，中心视场与边缘视场的光程一致，可以使得中心视场与边缘视场在同一个平面上清晰成像。由于像差的存在，特别是边缘视场的轴外像差以及边缘视场与中心视场本身光程的差异，都会影响边缘视场的成像，为保证边缘成像质量，需要限制边缘视场的光程。传统的2P折叠光路光学结构因可变量有限，难以对边缘视场光程进行很好的约束。
在本申请实施例提供的光线模组中，通过引入一光学镜片(即上述的第一透镜10)，并将其布设在入光的一侧，可以通过对该光学镜片本身的折射率以及厚度变化等来实现对其边缘视场光程的控制。需要说明的是，关于第一透镜10的折射率以及厚度的设计在下文中进行详细的描述。
在本申请的一些示例中，如图2、图5及图11所示，所述第一透镜在1.0口径处的光程与中心光程的光程差为-1.58～-1.2。也即，本申请的实施例中优化了第一透镜10最大口径处的光程与中心光程的光程差范围，将其范围设计为-1.58～-1.2。
在本申请的实施例中，为了保证边缘成像质量，需要合理的限制边缘视场与中心视场形成的光程差范围。可以设计将靠近入光一侧的第一透镜10在最大口径处(也即1.0口径)的光程与中心光程的光程差范围控制在-1.58～-1.2。如此，可以更好的实现中心视场与边缘视场的光程一致，从而可以使得中心视场与边缘视场在同一个平面上清晰成像，保证了边缘成像质量，以提升最终的成像效果，使得用户获得较佳的视觉体验感。
例如，第一透镜10在1.0口径处的光程与中心光程的光程差可以设置为-1.58、-1.3、-1.25或者-1.2，本领域技术人员可以根据需要灵活进行调整。
在本申请的一些示例中，如图2、图5、图11及图17所示，所述第一透镜在0.7～0.9口径处的光程与中心光程的光程差为-1.5～-0.05。
本申请的实施例中，在第一透镜10上靠近边缘的位置，也即上述的0.7～0.9口径处的光程与中心光程的光程差控制为-1.5～-0.05，配合上述的1.0口径处光程与中心光程的光程差控制范围，可以更好地保证边缘成像质量。
在本申请的一些示例中，所述第一透镜10在0.7口径处的光程与中心光程的光程差为-1～-0.05；所述第一透镜10在0.8口径处的光程与中心光程的光程差为-1.2～-0.3；所述第一透镜10在0.9口径处的光程与中心光程的光程差为-1.5～-0.5。
通过进一步优化，本申请的实施例中对第一透镜10在0.7口径、0.8口径及0.9口径处的光程与中心光程的光程差分别进行了合理控制，以实现边缘视场更好的成像效果。
例如，第一透镜10在0.7口径处的光程与中心光程的光程差可以为-0.6、-0.74、-0.3或者-0.9，本领域技术人员可以根据需要灵活进行调整。
例如，第一透镜10在0.8口径处的光程与中心光程的光程差可以为-0.75、-0.85、-1.01或者-0.48，本领域技术人员可以根据需要灵活进行调整。
例如，第一透镜10在0.9口径处的光程与中心光程的光程差可以为-0.95、-0.94、-1.1或者-0.97，本领域技术人员可以根据需要灵活进行调整。
此外，在本申请的实施例中，还设计将第一透镜10在0.3～0.7口径处的光程与中心光程的光程差控制为-1～0.2。
其中，0.3～0.7口径为靠近中心视场的范围。也就是说，本申请的实施例中，不仅控制了第一透镜10的边缘视场的光程差范围，同时，还合理控制了第一透镜10的靠近中心视场的光程差范围。
本申请的实施例中，采用了合理调整靠近入光一侧的第一透镜10上不同口径处的光程与中心光程的光程差的方案，这使得对于第一透镜10的设计更为细致。通过细致的控制边缘视场的光程差范围和中心视场的光程差范围，能够更好地实现边缘视场与中心视场在同一像面位置处同时能够清晰成像，可以实现小场曲的光学模组。
例如，第一透镜10在0.3口径处的光程与中心光程的光程差可以控制为-0.5～0.2，第一透镜10在0.5口径处的光程与中心光程的光程差可以控制为-0.7～0.1，第一透镜10在0.7口径处的光程与中心光程的光程差可以控制为-1～-0.05。
例如，第一透镜10在0.3口径处的光程与中心光程的光程差可以控制为-0.14、-0.11、-0.02或者-0.3，本领域技术人员可以根据需要灵活进行调整。
例如，第一透镜10在0.5口径处的光程与中心光程的光程差可以控制为-0.34、-0.44、-0.4或者-0.6，本领域技术人员可以根据需要灵活进行调整。
例如，第一透镜10在0.7口径处的光程与中心光程的光程差可以控制为-0.6、-0.74、-0.3或者-0.9，本领域技术人员可以根据需要灵活进行调整。
本申请实施例提供的光学模组，还对第一透镜10的中心视场的光程差，也即0.3～0.7口径处的光程与中心光程的光程差分别进行了进一步优化。配合对边缘视场的光程与中心光程的光程差控制，可以更好地控制成像效果。在人眼01中形成图像可以完全消除场曲，以使用户获得极佳的视觉体验。
在本申请的一些示例中，所述第一透镜10的中心厚度T1为3mm＜T1＜6mm，如图1、图4、图10及图16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，在所述第一表面11的一侧设置有第一抗反射膜，并在所述第二表面12与所述分光元件90之间设置有第二抗反射膜。
在本申请的实施例中设计，第一透镜10位于整个光学模组入光的一侧。外部入射的光线先可以透过第一透镜10。在第一透镜10的两侧可以分别设置抗反射膜，可以使光线尽可能完全透过第一透镜10，并射入至第二透镜20。
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。
在本申请的一些示例中，如图1、图4、图10及图16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与所述第二表面12相邻设置，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，所述第五表面31与所述第四表面22为相邻设置。
可选的是，在所述第四表面22的一侧设置有第四抗反射膜。
本申请的实施例中，第二透镜20的光焦度为正，且光焦度/>满足：第二透镜20也不需要提供较大的光焦度。
其中，在第三透镜30的第四表面22上，或者在第四表面22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。
在本申请的一些示例中，如图3所示，所述第一相位延迟器50和所述偏振反射膜70依次设置于所述第四表面22与所述第五表面31之间。
其中，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，偏振反射膜70可以设置在第三透镜30的第五表面31的一侧。此时，第一相位延迟器50和偏振反射膜70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的第五表面31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，偏振反射膜70可以设置在第二透镜20的第四表面22与第三透镜30的第五表面31之间的合适位置；或者，使偏振反射膜70设置在靠近第三透镜30的第五表面31的合适位置处。
当然，偏振反射膜70也可以直接贴设在第三透镜30的第五表面31上。
此外，还可以设计将第一相位延迟器50和偏振反射膜70层叠设置并贴设在第三透镜30的第六表面32上，此时，第一相位延迟器50和偏振反射膜70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和偏振反射膜70的位置进行合理的调整。
可选的是，请继续如图3所示，所述第四表面22与所述第一相位延迟器50之间设置有第三抗反射膜40；所述第一相位延迟器50与所述第三抗反射膜40叠设可以形成一种膜层结构，并贴设于所述第四表面22。
在本申请的实施例中，第二透镜20的中心厚度T2范围可以为：3mm<T2<8mm，其包含两个光学面，即上述的第三表面21和第四表面22，其中，第三表面21与第一透镜10的第二表面12为相邻设置，第三表面21可以设计为非球面，并可以在第三表面21上或者靠近的一侧设置分光元件90，第四表面22为平面或非球面，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，该膜层结构例如以包含上述的第一相位延迟器50和第三抗反射膜40。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。
在本申请的一些示例中，请继续如图3所示，所述光学模组还包括偏光膜60，所述偏光膜60设置于所述第五表面31与所述偏振反射膜70之间。
其中，所述偏振反射膜70与所述偏光膜60二者可以叠设形成一种膜层结构，并将其贴设于所述第五表面31上；所述第一相位延迟器50可以贴设于所述第四表面22。
在本申请的实施例中，第三透镜30中心厚度T3范围可以为：3mm<T3<6mm，其包含2个光学面，即上述的第五表面31和第六表面32，这两个光学面均设计为非球面。上述的偏振反射膜70与偏光膜60可以层叠设置并直接贴装到第五表面31上。
例如，偏振反射膜70可以透过P偏振光反射S偏振光，偏光膜60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90的反射率为47％至53％。
例如，分光元件90可以为半透半反射膜。
分光元件90可以设置在第二透镜20的第三表面21的一侧。
例如，分光元件90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90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90也可以贴设在第二透镜20的第三表面21的表面上。
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的折射率为1.54，色散系数v为56.3；第二透镜20的折射率为1.54，色散系数v为56.3；第三透镜30的折射率为1.54，色散系数v为55.7。
本申请的实施例中，通过引入一光学镜片(即上述的第一透镜10)，并将其布设在入光的一侧，可以形成3P结构，可以通过对该光学镜片本身的折射率以及厚度变化来实现对其边缘视场光程的控制。
在本申请的一些示例中，如图1、图4、图10及图16所示，所述光学模组还包括显示器80，所述显示器80用以发射出圆偏振光或者线偏振光；
当所述显示器80发射的光线为线偏振光时，在所述显示器80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，光学模组还可以包括显示器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的出光面上，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。
在本申请的一些示例中，所述显示器80的尺寸为1in～2.1in。
本申请实施例提供的光学模组可以实现中心视场与边缘视场同时在同一个平面清晰成像，从而可以实现小场曲的光学模组，其可以搭配小尺寸的显示器，例如1in～2.1in的显示器。可以使得形成头戴显示设备体积较小。
根据本申请实施例提供的光学模组，光线的传播过程如下：
显示器80发出圆偏振光，经显示器80表面的保护玻璃81透射之后，光线可以透过第一透镜10和第二透镜20的第三表面21，经第二透镜20的第四表面22上或者一侧的第一相位延迟器50使圆偏振光变为线偏振光(S光)，接着经第三透镜30的第五表面31发生反射，再经第二透镜20的第四表面22上或者一侧的第一相位延迟器50变成圆偏振光，之后经第二透镜20的第三表面21发生反射，再经第二透镜20的第四表面22上或者一侧的第一相位延迟器50变成线偏振光(P光)，最后经第三透镜30透射之后进入人眼01中。
以下通过四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提供的光学模组，如图1所示，该光学模组包括依次设置的第一透镜10、第二透镜20及第三透镜30；所述第一透镜10被配置为用于透射入射的光线；所述第二透镜20与所述第一透镜10之间设置有分光元件90；所述第三透镜30的任一侧设置有第一相位延迟器50和偏振反射膜70。
其中，所述第一透镜10在1.0口径处的光程与中心光程的光程差是中心光程的0.34倍；所述第一透镜10在0.9口径处的光程与中心光程的光程差是中心光程的0.27倍；所述第一透镜10在0.8口径处的光程与中心光程的光程差是中心光程的0.2倍；所述第一透镜10在0.7口径处的光程与中心光程的光程差是中心光程的0.16倍；所述第一透镜10在0.5口径处的光程与中心光程的光程差是中心光程的0.09倍；所述第一透镜10在0.3口径处的光程与中心光程的光程差是中心光程的0.04倍。
其中，所述第一透镜10在1.0口径处的光程差为-1.3，在0.9口径处的光程差为-0.95，在0.8口径处的光程差为-0.75，在0.7口径处的光程差为-0.6，在0.5口径处的光程差为-0.34，在0.3口径处的光程差为-0.14。
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。
上述的光学模组还包括显示器80，显示器80为小尺寸的显示器，其尺寸范围为1in～2.1in。
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2。
表2
实施例2
本申请实施例2提供的光学模组，如图4所示，该光学模组包括依次设置的第一透镜10、第二透镜20及第三透镜30；所述第一透镜10被配置为用于透射入射的光线；所述第二透镜20与所述第一透镜10之间设置有分光元件90；所述第三透镜30的任一侧设置有第一相位延迟器50和偏振反射膜70。
其中，所述第一透镜10在1.0口径处的光程与中心光程的光程差是中心光程的0.37倍；所述第一透镜10在0.9口径处的光程与中心光程的光程差是中心光程的0.31倍；所述第一透镜10在0.8口径处的光程与中心光程的光程差是中心光程的0.26倍；所述第一透镜10在0.7口径处的光程与中心光程的光程差是中心光程的0.23倍；所述第一透镜10在0.5口径处的光程与中心光程的光程差是中心光程的0.14倍；所述第一透镜10在0.3口径处的光程与中心光程的光程差是中心光程的0.04倍。
其中，所述第一透镜10在1.0口径处的光程差为-1.2，在0.9口径处的光程差为-0.94，在0.8口径处的光程差为-0.85，在0.7口径处的光程差为-0.74，在0.5口径处的光程差为-0.44，在0.3口径处的光程差为-0.11。
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。
上述的光学模组还包括显示器80，显示器80为小尺寸的显示器，其尺寸范围为1in～2.1in。
本实施例2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
针对上述的实施例1和实施例2示出的光学模组，可如图6至图9所示：图6是光学模组的点列图示意图，图7是光学模组的MTF曲线图，图8是光学模组的场曲畸变图，图9是光学模组的垂轴色差图。
上述的表2是实施例1的设计参数。上述的表3是实施例2的设计参数。
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6所示，在实施例1和实施例2中，点列图中像点的最大值与最大视场相对应，点列图中像点的最大值小于7μm，且中心视场与边缘视场差异小于4μm，中心视场与边缘视场在同一像面同时清晰成像。
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7所示，在实施例1和实施例2中，MTF在38lp/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和实施例2中，如图8所示，场曲畸变最大发生在0.5视场附近，最大值小于0.12mm。
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和实施例2中，如图9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160μm。
实施例3
本申请实施例提供了一种光学模组，如图10所示，该光学模组包括依次设置的第一透镜10、第二透镜20及第三透镜30；所述第一透镜10被配置为用于透射入射的光线；所述第二透镜20与所述第一透镜10之间设置有分光元件90；在所述第三透镜30的任一侧设置有第一相位延迟器50和偏振反射膜70。
其中，所述第一透镜10在1.0口径处的光程与中心光程的光程差是中心光程的0.32倍；所述第一透镜10在0.9口径处的光程与中心光程的光程差是中心光程的0.29倍；所述第一透镜10在0.8口径处的光程与中心光程的光程差是中心光程的0.26倍；所述第一透镜10在0.7口径处的光程与中心光程的光程差是中心光程的0.23倍；所述第一透镜10在0.5口径处的光程与中心光程的光程差是中心光程的0.16倍；所述第一透镜10在0.3口径处的光程与中心光程的光程差是中心光程的0.05倍。
其中，所述第一透镜10在1.0口径处的光程差为-1.58，在0.9口径处的光程差为-1.1，在0.8口径处的光程差为-1.01，在0.7口径处的光程差为-0.3，在0.5口径处的光程差为-0.4，在0.3口径处的光程差为-0.02。
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。
上述的光学模组还包括显示器80，显示器80为小尺寸的显示器，其尺寸范围为1in～2.1in。
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4。
表4
针对上述实施例3提供的光学模组，如图12至图15所示：图12是本申请实施例3提供的光学模组的点列图示意图，图13是本申请实施例3提供的光学模组的MTF曲线图，图14是本申请实施例3提供的场曲畸变图，图15是本申请实施例3提供的垂轴色差图，上述的表4是实施例3的设计参数。
如图12所示，在实施例3中，点列图中像点的最大值与最大视场相对应，点列图中像点的最大值小于15μm，且中心视场与边缘视场差异小于9μm，中心视场与边缘视场在同一像面同时清晰成像。
如图13所示，在实施例3中，MTF在22lp/mm下>0.2，成像清晰。
在实施例3中，如图14所示，场曲畸变最大发生在1(最大视场)视场附近，最大值小于0.45mm。
在实施例3中，如图15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200μm。
实施例4
本申请实施例提供了一种光学模组，如图16所示，该光学模组包括依次设置的第一透镜10、第二透镜20及第三透镜30；所述第一透镜10被配置为用于透射入射的光线；所述第二透镜20与所述第一透镜10之间设置有分光元件90；在所述第三透镜30的任一侧设置有第一相位延迟器50和偏振反射膜70。
其中，所述第一透镜10在1.0口径处的光程与中心光程的光程差是中心光程的0.46倍；所述第一透镜10在0.9口径处的光程与中心光程的光程差是中心光程的0.36倍；所述第一透镜10在0.8口径处的光程与中心光程的光程差是中心光程的0.23倍；所述第一透镜10在0.7口径处的光程与中心光程的光程差是中心光程的0.26倍；所述第一透镜10在0.5口径处的光程与中心光程的光程差是中心光程的0.2倍；所述第一透镜10在0.3口径处的光程与中心光程的光程差是中心光程的0.02倍。
其中，所述第一透镜10在1.0口径处的光程差为-1.25，在0.9口径处的光程差为-0.97，在0.8口径处的光程差为-0.48，在0.7口径处的光程差为-0.9，在0.5口径处的光程差为-0.6，在0.3口径处的光程差为-0.3。
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。
上述的光学模组还包括显示器80，显示器80为小尺寸的显示器，其尺寸范围为1in～2.1in。
实施例4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5。
表5
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针对上述实施例4示出的光学模组，如图18至图21所示，图18是本申请实施例4提供的光学模组的点列图示意图，图19是本申请实施例4提供的光学模组的MTF曲线图，图20是本申请实施例4提供的场曲畸变图，图21是本申请实施例4提供的垂轴色差图，上述的表5是实施例4的设计参数。
如图18所示，在实施例4中，点列图中像点的最大值与最大视场相对应，点列图中像点的最大值小于14μm，且中心视场与边缘视场差异小于12μm，中心视场与边缘视场在同一像面同时清晰成像。
如图19所示，在实施例4中，MTF在22lp/mm下>0.2，成像清晰。
在实施例4中，如图20所示，场曲畸变最大发生在1(最大视场)视场附近，最大值小于0.45mm。
在实施例4中，如图21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200μm。
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 (16)

1.一种光学模组，其特征在于，包括依次设置的第一透镜(10)、第二透镜(20)及第三透镜(30)；
所述第一透镜(10)被配置为用于透射入射的光线；
所述第二透镜(20)与所述第一透镜(10)之间设置有分光元件(90)；
所述第三透镜(30)的任一侧设置有第一相位延迟器(50)和偏振反射膜(70)；
所述第一透镜(10)在1.0口径处的光程与中心光程的光程差是中心光程的0.25～0.5倍；
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。
2.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述第一透镜(10)在1.0口径处的光程与中心光程的光程差为-1.6～-1。
3.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述第一透镜(10)在1.0口径处的光程与中心光程的光程差为-1.58～-1.2。
4.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述第一透镜(10)在0.7～0.9口径处的光程与中心光程的光程差为-1.5～-0.05。
5.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述第一透镜(10)在0.7口径处的光程与中心光程的光程差为-1～-0.05；
所述第一透镜(10)在0.8口径处的光程与中心光程的光程差为-1.2～-0.3；
所述第一透镜(10)在0.9口径处的光程与中心光程的光程差为-1.5～-0.5。
6.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述第一透镜(10)的中心厚度T1为3mm＜T1＜6mm；
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。
7.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述第一透镜(10)的光焦度φ1为正，且光焦度φ1满足：0<φ1<0.01。
8.根据权利要求6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)与所述第二表面(12)相邻设置，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，所述第五表面(31)与所述第四表面(22)为相邻设置。
9.根据权利要求8所述的光学模组，其特征在于，所述第一相位延迟器(50)和所述偏振反射膜(70)依次设置于所述第四表面(22)与所述第五表面(31)之间。
10.根据权利要求9所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组还包括偏光膜(60)，所述偏光膜(60)设置于所述第五表面(31)与所述偏振反射膜(70)之间。
11.根据权利要求10所述的光学模组，其特征在于，所述偏振反射膜(70)和所述偏光膜(60)叠设形成膜层结构，并贴设于所述第五表面(31)；
所述第一相位延迟器(50)贴设于所述第四表面(22)。
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(90)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。
14.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显示器(80)，所述显示器(80)用以发射出圆偏振光或者线偏振光；
当所述显示器(80)发射的光线为线偏振光时，在所述显示器(80)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。
15.根据权利要求14所述的光学模组，其特征在于，所述显示器(80)的尺寸为1in～2.1in。
16.一种头戴显示设备，其特征在于，包括：
壳体；以及
如权利要求1-15中任一项所述的光学模组。
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