CN114942489A - 一种光学模组以及头戴显示设备 - Google Patents

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CN114942489A CN202210887328.4A CN202210887328A CN114942489A CN 114942489 A CN114942489 A CN 114942489A CN 202210887328 A CN202210887328 A CN 202210887328A CN 114942489 A CN114942489 A CN 114942489A
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splitting element
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吴玉登
赵博刚
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Abstract

本发明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：透镜组，所述透镜组包括至少一个透镜；所述光学模组还包括偏振元件、分光元件和相位延迟器，所述透镜组中透镜的任一侧设置有所述偏振元件、分光元件和相位延迟器；所述分光元件的有效口径B2为45mm‑65mm；所述偏振元件至所述分光元件的距离为A2；所述分光元件的曲率半径为C6；其中，所述光学模组满足于：0.1＜A2/（C6/2）＜0.5。

Description

一种光学模组以及头戴显示设备
技术领域
本发明涉及近眼显示成像技术领域，更具体地，本发明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。光学模组显示图像效果的好坏将直接决定着智能穿戴设备的质量。
其中在pancake光学系统设计方案中，偏振元件与分光元件之间的间距决定了光路可折叠的距离，以及决定了系统总长可缩减的程度，但是过大的间距又会导致设置有分光元件的透镜的口径过大，对pancake光学系统整体小型化、紧凑性设计产生不利的影响。
因此如何使得偏振元件与分光元件之间的距离，与pancake光学系统的整个焦距更加匹配，以解决pancake光学系统整体小型化、紧凑性设计，是目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明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，本发明提供了一种光学模组，所述光学模组包括：
透镜组，所述透镜组包括至少一个透镜；
所述光学模组还包括偏振元件、分光元件和相位延迟器，所述透镜组中透镜的任一侧设置有所述偏振元件、分光元件和相位延迟器；
所述分光元件的有效口径B2为45mm-65mm；
所述偏振元件至所述分光元件的距离为A2；所述分光元件的曲率半径为C6；
其中，所述光学模组满足于：0.1＜A2/（C6/2）＜0.5。
可选地，所述偏振元件至所述分光元件的距离A2为8mm-17mm。
可选地，所述光学模组的有效焦距范围为15mm-35mm。
可选地，所述透镜组包括靠近人眼侧的第一透镜，所述第一透镜具有朝向人眼侧的第一表面，以及所述第一透镜具有朝向显示屏幕侧的第二表面；
在所述第一表面的一侧设置有所述偏振元件，或者在所述第二表面的一侧设置有所述偏振元件。
可选地，所述透镜组包括靠近显示屏幕侧的透镜，在该透镜的近显示屏幕侧设置有所述分光元件。
可选地，所述相位延迟器包括第一相位延迟器；
所述透镜组包括靠近人眼侧的第一透镜，所述第一透镜具有朝向人眼侧的第一表面，以及所述第一透镜具有朝向显示屏幕侧的第二表面；
在所述第一表面的一侧设置有所述第一相位延迟器，或者在所述第二表面的一侧设置有所述第一相位延迟器，其中所述第一相位延迟器相对于所述偏振元件更靠近显示屏幕侧设置。
可选地，所述相位延迟器包括第二相位延迟器；
所述透镜组包括靠近显示屏幕侧的透镜，在该透镜的近显示屏幕侧设置有所述第二相位延迟器。
可选地，所述光学模组还包括显示屏幕，所述显示屏幕的尺寸为D1；
所述偏振元件至所述显示屏幕的距离为L1；
所述偏振元件的有效口径为B1；
其中所述光学模组满足于：0＜(B1/2-D1/2)/L1＜0.8。
可选地，所述偏振元件至所述显示屏幕的距离L1为12mm-25mm。
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；以及
如第一方面所述的光学模组。
本发明的一个技术效果在于，通过控制偏振元件至分光元件的距离，与分光元件的二分之一曲率半径的比值，使得光学模组具有更好的紧凑性，缩小了光学模组的整体体积。
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所示为本发明提供的光学模组的结构示意图一。
图2所示为本发明提供的光学模组的结构示意图二。
图3所示为本发明提供的光学模组的结构示意图三。
附图标记说明：
1、显示屏幕；2、透镜组；21、第一透镜；22、第二透镜；23、第三透镜；3、偏振元件；4、光阑；5、分光元件；6、第一相位延迟器。
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。
其中，在pancake光学系统设计方案中，pancake光学系统设计方案是利用偏振元件对偏振光的调制作用来实现对特定偏振态的光线进行限定性透射或者反射，从而实现光路的折叠。其中在pancake光学系统设计方案中，偏振元件与分光元件之间的间距决定了光路可折叠的距离，以及决定了系统总长可缩减的程度，但是过大的间距又会导致设置有分光元件的透镜的口径过大，对pancake光学系统整体小型化、紧凑性设计产生不利的影响。因此如何使得偏振元件与分光元件之间的距离，与pancake光学系统的整个焦距更加匹配，以解决pancake光学系统整体小型化、紧凑性设计，是目前需要解决的技术问题。
基于上述技术问题，本发明的第一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，其可以包含至少一个光学镜片，可应用于头戴显示设备（headmounted display，HMD）中，例如，VR头戴设备，如可以包括VR眼镜或者VR头盔等产品，本发明实施例中对此不做具体限制。
下面结合附图1至图3对本发明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。
本发明实施例提供了一种光学模组，如图1至图3所示，光学模组包括：透镜组2，所述透镜组2包括至少一个透镜。所述光学模组还包括偏振元件3、分光元件5和相位延迟器，所述透镜组2中透镜的任一侧设置有所述偏振元件3、分光元件5和相位延迟器。
所述分光元件5的有效口径B2为45mm-65mm。
所述偏振元件3至所述分光元件5的距离为A2；所述分光元件5的曲率半径为C6。其中，所述光学模组满足于：0.1＜A2/（C6/2）＜0.5。
换句话说，光学模组主要包括透镜组2、偏振元件3、分光元件5和相位延迟器。
其中透镜组2的作用在于放大解析光线。例如在VR(Virtual Reality，虚拟现实)等显示设备中，为了保证使用者获得放大后的显示画面，光线需要经过放大，通过透镜组2保证用户获得能够识别的放大画面。在折叠光路中，考虑到已经对光线折叠处理，相对于直射式光学架构，折叠光路的光学架构中透镜的数量可以至多是三个。
其中具体地，为了实现折叠光路设置，在透镜组2中透镜的任一一侧设置偏振元件3、分光元件5和相位延迟器。例如在透镜组2中朝向显示屏幕1的一侧设置分光元件5；在透镜组2中背离显示屏幕1的一侧设置偏振元件3，或者在透镜组2中一个透镜的一侧设置偏振元件3；在透镜组2中朝向显示屏幕1的一侧设置相位延迟器，或者在透镜组中一个透镜的一侧设置相位延迟器。
其中偏振元件3可用于透过P偏振光反射S偏振光；或者，偏振反射元件可用于透过S偏振光反射P偏振光。具体地，偏振元件3具有偏振透射方向，光线在沿偏振透射方向振动时，才能顺利通过偏振元件3，其余方向的振动光线，在遇到偏振元件3时光线被反射。例如偏振元件3可以为偏振反射膜、或者反射型偏振片等结构。在该实施例中，无论偏振元件3设置在哪一位置，限定偏振元件3至分光元件5的距离为A2。
其中相位延迟器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。例如相位延迟器可以为四分之一波片。
其中光线在经过分光元件5时，部分光线透射，另一部光线反射，这其中不考虑光线被吸收的情况。例如由显示屏幕1至人眼侧传播的光可透过该分光元件5，而由人眼侧至显示屏幕1传播的光在该分光元件5上发生反射。分光元件5可以是半反半透膜或者是偏光膜。在该实施例中，无论偏振元件3设置在哪一位置，限定偏振元件3至分光元件5的距离为A2，以及限定分光元件5的曲率半径为C6。
在该实施例中，限定A2/（C6/2）在此范围内，也即限定了0.1＜2A2/C6＜0.5，同时对分光元件5的有效口径B2进行限定，使得光学模组的结构具有紧凑性。其中分光元件5的有效口径B2可以为：分光元件5设置在透镜的表面上，其中分光元件5的有效口径B2可以为设置有分光元件5的透镜的有效口径；或者分光元件设置在光学部件（光学部件位于相邻透镜之间，或者光学部件位于透镜和显示屏幕1之间）上，其中分光元件5的有效口径B2可以为设置有分光元件5的光学部件的有效口径。
具体地，本申实施例不特别限定偏振元件3、分光元件5的具体设置位置，只限定偏振元件3至分光元件5的距离为A2，也即限定了偏振元件3至分光元件5在光轴上的距离为A2。其中光线在偏振元件3与分光元件5之间形成折叠，偏振元件3与分光元件5的距离A2是减少光学模组的系统总长度的重要因素，可以使得光线较直透式光路减少2*A2的长度。
其中光线在偏振元件3至分光元件5的折叠光路越长，偏振元件3至分光元件5的距离越长，光学模组的整体的光学总长度越小，但是光学模组的焦距却可以维持在一定范围内。因此本实施例对A2/（C6/2）的比值关系进行限定，使得偏振元件3至分光元件5的距离，与光学模组的系统焦距得到一个合理的搭配。
其中光学模组的有效焦距，体现了在光学模组的光焦度上（光学模组的总有效焦距的倒数为光学模组的整体光焦度），在pancake光学系统设计方案（即本发明的光学模组）中，整个系统的光焦度主要贡献来自于设置有分光元件5的透镜的曲率半径，即设置有分光元件5的透镜的光焦度是较大的。因此本实施例对A2/（C6/2）的比值进行限定，使得偏振元件3至分光元件5的距离，与光学模组的有效焦距得到一个合理的搭配，使得光学模组的整体紧凑性更好。
其中，整个系统的光焦度主要贡献来自设置有分光元件5的透镜的曲率半径，主要是因为分光元件5对光线进行反射，对边缘视场的偏折作用和对中心视场的偏折作用较大，偏振元件3所在表面或透镜贡献的光焦度较小，光线在设置有偏振元件3的镜头或者表面对边缘视场的偏振作用较小。因此整个系统的光焦度主要贡献来自设置有分光元件5的透镜的曲率半径，而并非是来自于设置有偏振元件3的透镜的曲率半径。因此设置有分光元件5的透镜的曲率半径影响着光学模组的整体焦距。
另外考虑到分光元件5与偏振元件3之间的距离A2越长，分光元件5所在透镜的口径B2是越大的，分光元件5所在透镜的口径B2越大，会扩大光学模组系统口径，对系统的小型化会产生负面效果。
因此综上所述，考虑到光学模组的焦距、分光元件5的曲率半径、以及偏振元件3至分光元件5的距离的相互关系，以及考虑到偏振元件3至分光元件5的距离，与分光元件5的有效口径B2的相互关系，本发明实施例对A2/（C6/2）的比值进行限定，限定0.1＜A2/（C6/2）＜0.5，同时限定设置有所述分光元件5的透镜的有效口径B2为45mm-65mm，使得光学模组的结构是紧凑的结构。
需要说明的是，在本发明的实施例中，本领域技术人员可以根据具体需要灵活调整光学模组中偏振元件3至分光元件5的距离，与分光元件5的曲率半径的比值关系，只要使得比值关系控制在预设范围内即可。
例如，A2/（C6/2）的范围可以为0.2~0.4。
又例如，A2/（C6/2）的范围可以为0.25~0.35。
再例如，A2/（C6/2）的范围可以为0.15~0.45。
在上述的各个比值范围之内，可以实现紧凑型的光学模组系统。
当然，在本发明的实施例中，光学模组中对偏振元件3至分光元件5的距离，与分光元件5的曲率半径的比值关系并不限于上述的三个例子，本领域技术人员可以根据需要灵活调整，本发明实施例对此不作具体限制。
在一个可选的实施例中，所述透镜组2包括了至少两个透镜。
在该实施例中，特别限定了透镜组2包括了至少两个透镜，在透镜组2只包括了一个透镜的情况下，光学模组只通过一个透镜对光线实现放大时，则需要拉大一个透镜与显示屏幕1的距离，这样才能够确保显示屏幕1发出的所有入射光均被一个透镜接收，另外也需要对透镜的参数进行特定限定，确保一个透镜对光线的放大作用。因此在透镜组2只包括了一个透镜时，光学模组的紧凑性相对较差差的。因此为了实现更好的紧凑效果，可以不考虑光学模组只包括一个透镜的情况，本实施例限定了透镜组2包括了至少两个透镜。
在一个实施例中，所述偏振元件3至所述分光元件5的距离为8mm-17mm。
在该实施例中，对偏振元件3至分光元件5的距离进行限定，也即对光学模组中折叠光路的长度进行限定。本实施例对折叠光路的长度进行限定，折叠光路的长度在缩短系统光学总长度的贡献也越大，相较于直射式光路，本发明折叠式光路减小了16mm-34mm的光路，可以使得光学模组的整体光学总长度缩小。例如偏振元件3至分光元件5的距离A2可以为8mm-15mm，或者偏振元件3至分光元件5的距离A2可以为10mm-16.5mm，或者偏振元件3至分光元件5的距离A2可以为13mm-16mm。
另外在该实施例中，对偏振元件3至分光元件5的距离进行限定，使得偏振元件3至分光元件5的距离A2，与分光元件5的二分之一曲率半径的比值限定在此范围内，以达到缩小光学模组的体积，提升光学模组的紧凑性的目的。
另外本实施例对偏振元件3至分光元件5的距离A2进行限定，结合分光元件5的有效口径B2，使得偏振元件3至分光元件5的距离A2，与分光元件5的有效口径得到合理的搭配，例如可以通过限定分光元件5所在透镜的有效口径B2，与偏振元件3至分光元件5的距离A2比值，B2/A2的比值可以在4-6，使得光学模组的紧凑性和光学模组的有效口径得到搭配，光学模组具有紧凑性能，以及光学模组的整体有效口径不至于过大，光学模组满足轻巧化和小型化要求。
在该实施例中，偏振元件3与分光元件5的距离在8mm-17mm，对应的分光元件5的二分之一的曲率半径大于16mm且小于170mm，即分光元件5的曲率半径C6大于32mm且小于340mm。
在一个实施例中，所述光学模组的有效焦距范围为15mm-35mm。
在该实施例中，将光学模组的有效焦距进行限定，也即对光学模组的整体光焦度进行限定。例如光学模组的有效焦距范围为15mm-35mm，光学模组的整体光焦度为1/35-1/15。
本实施例对光学模组的焦距进行限定，光学模组的有效焦距越短，整个光学模组的整体光学总长度也越小，折叠光路在缩短光学模组的光学总长度的贡献也越大，使得光学模组获得更好的系统紧凑性。
在一个可选的实施例中，所述分光元件5的曲率半径C6为：50mm-145mm。
在该实施例中，对分光元件5的曲率半径进行限定，也即对分光元件5所在表面的曲率半径进行限定，分光元件5所在表面的曲率半径为正，也即基本能够体现光学模组的整个系统的光焦度（即整个系统的光焦度的主要贡献来自分光元件5所在表面的曲率半径），光学模组的整个系统的光焦度为正。例如分光元件5所在透镜的表面可以为凸面，可以更好的校正视场光线。
另外在该实施例中，对分光元件5所在表面的曲率半径进行限定，使得偏振元件3至分光元件5的距离A2，与分光元件5所在表面的二分之一的曲率半径的比值限定在此范围内，以达到缩小光学模组的体积，提升光学模组的紧凑性的目的。
在一个实施例中，所述透镜组2包括靠近人眼侧的第一透镜21，所述第一透镜21具有朝向人眼侧的第一表面，以及所述第一透镜21具有朝向显示屏幕侧的第二表面；
在所述第一表面的一侧设置有所述偏振元件3，或者在所述第二表面的一侧设置有所述偏振元件3。
在该实施例中，透镜组2无论包括了一个透镜、两个透镜或者三个透镜等，透镜组2均包括了靠近人眼侧的第一透镜21，即透镜组2均包括了与人眼相邻设置的第一透镜21，通过第一透镜21对光线的处理，使得处理后的光线输出至人眼并进行成像。
参照图1和图2所示，第一透镜21包括了朝向人眼的第一表面，其中在第一表面的一侧设置有偏振元件3，例如可以在第一表面上设置有偏振元件3，或者在人眼和第一表面之间设置偏振元件3，其中偏振元件3可以借助于光学部件设置在人眼和第一表面之间。
参照图3所示，第一透镜21包括了背离人眼设置的第二表面，其中在第二表面的一侧设置偏振元件3，例如可以在第二表面上设置有偏振元件3，或者在第一透镜21和与第一透镜21相邻设置的透镜之间设置偏振元件3，例如偏振元件3可以借助于光学部件设置在相邻设置的两个透镜之间。
本实施例对偏振元件3的具体设置位置不作特别限定，只要能够实现偏振元件至分光元件的距离，与分光元件的二分之一曲率半径的比值关系限定在上述范围即可。
在一个实施例中，参照图1-图3所示，所述透镜组2包括靠近显示屏幕侧的透镜，在该透镜的近显示屏幕侧设置有所述分光元件5。
在该实施例中，透镜组2无论包括了一个透镜、两个透镜或者三个透镜等，透镜组2均包括了靠近显示屏幕1的透镜，显示屏幕1出射的光线会先经过该透镜的传输，进而光线进行折返，最后传输至人眼。
本实施例在靠近显示屏幕1透镜的，近显示屏幕侧设置分光元件5。例如靠近显示屏幕的透镜包括了朝向显示屏幕的表面，在该表面上设置有分光元件5，或者在该表面和显示屏幕1之间设置分光元件5，例如分光元件5可以借助于光学部件设置在该表面和显示屏幕1之间。
本实施例对分光元件5的具体设置位置不作特别限定，只要能够实现偏振元件3至分光元件5的距离，与分光元件5的二分之一曲率半径的比值关系限定在上述范围即可。
在一个实施例中，所述相位延迟器包括第一相位延迟器6；所述透镜组2包括靠近人眼侧的第一透镜21，所述第一透镜21具有朝向人眼侧的第一表面，以及所述第一透镜21具有朝向显示屏幕侧的第二表面；在所述第一表面的一侧设置有所述第一相位延迟器6，或者在所述第二表面的一侧设置有所述第一相位延迟器6，其中所述第一相位延迟器6相对于所述偏振元件更靠近显示屏幕侧设置。
在该实施例中，透镜组2无论包括了一个透镜、两个透镜或者三个透镜等，透镜组2均包括了靠近人眼侧的第一透镜21，即透镜组2均包括了与人眼相邻设置的第一透镜21，通过第一透镜21对光线的处理，使得处理后的光线输出至人眼并进行成像。
参照图1和图2所示，第一透镜21包括了朝向人眼的第一表面，其中在第一表面的一侧设置有第一相位延迟器6，例如可以在第一表面上设置有第一相位延迟器6，或者在人眼和第一表面之间设置第一相位延迟器6，其中第一相位延迟器6可以借助于光学部件设置在人眼和第一表面之间。
参照图3所示，第一透镜21包括了背离人眼设置的第二表面，其中在第二表面的一侧设置第一相位延迟器6，例如可以在第二表面上设置有第一相位延迟器6，或者在第一透镜21和与第一透镜21相邻设置的透镜之间设置第一相位延迟器6，例如第一相位延迟器6可以借助于光学部件设置在相邻设置的两个透镜之间。
在该实施例中，第一相位延迟器6相对于偏振元件3更靠近显示屏幕1设置，例如在第一透镜21的第一表面上设置偏振元件3和第一相位延迟器6，其中第一相位延迟器6相对于偏振元件3更靠近第一透镜21设置；或者在第一透镜21的第二表面上设置偏振元件3和第一相位延迟器6，其中第一相位延迟器6相对于偏振元件3更远离第一透镜21设置。
具体地，经过第一相位延迟器6的光线的偏振态发生改变，其中光线第一次经过第一相位延迟器6的光线被偏振元件3反射，反射后的光线经过分光元件5的处理，再次经过第一相位延迟器6，其中第二次经过第一相位延迟器6的光线被偏振元件3所透射并传输至人眼。
在一个实施例中，所述相位延迟器包括第二相位延迟器；所述透镜组2包括靠近显示屏幕侧的透镜，在该透镜的近显示屏幕侧设置有所述第二相位延迟器。
在该实施例中，所述透镜组2无论包括了一个透镜、两个透镜或者三个透镜等，透镜组2均包括了靠近显示屏幕1的透镜，即透镜组均包括了与显示屏幕1相邻设置的透镜，显示屏幕1出射的光线会先经过该透镜的传输，进而光线进行折返，最后传输至人眼。
本实施例在靠近显示屏幕透镜的，近显示屏幕侧设置分光元件5。例如靠近显示屏幕的透镜包括了朝向显示屏幕的表面，在该表面上设置有第二相位延迟器，或者在该表面和显示屏幕1之间设置第二相位延迟器，例如第二相位延迟器可以借助于光学部件设置在该表面和显示屏幕1之间。其中第二相位延迟器相对于分光元件5更靠近显示屏幕1设置。具体地，在靠近显示屏幕1的透镜的朝向显示屏幕1的表面上设置分光元件5和第二相位延迟器，其中第二相位延迟器相对于分光元件5更靠近显示屏幕1设置。
在一个实施例中，参照图1-图3所示，所述光学模组还包括显示屏幕1，所述显示屏幕1的尺寸为D1。所述偏振元件3至所述显示屏幕1的距离为L1。
所述偏振元件3的有效口径为B1。其中所述光学模组满足于：0＜(B1/2-D1/2)/L1＜0.8。
在该实施例中，光学模组还包括显示屏幕1，其中显示屏幕1可以是LCD(LiquidCrystal Display)液晶显示器，或者是LED(Light Emitting Diode)发光二极管，OLED(Organic Light-Emitting Diode)有机发光二极管，Micro-OLED(Micro-Organic Light-Emitting Diode)微型有机发光二极管、ULED(Ultra Light Emitting Diode)极致发光二极管，或者DMD(Digital Micro mirror Device)数字微镜芯片等。
其中在该实施例中，显示屏幕1的尺寸为D1，其中显示屏幕1的尺寸定义为：用于显示图像画面的最大尺寸，例如显示屏幕1具有显示画面的区域，该区域的最大尺寸为显示屏幕1的尺寸。
在该实施例中，通过限定(B1/2-D1/2)/L1在此范围内，调节了显示图像的亮度均匀度（差异越小代表均匀度越高，差异越大代表均匀度越低），使得使用者在观察不同视角小的图像时，不同视角下的图像的亮度差异性较小，也即使用者在观察中心区域的图像和边缘区域的图像时，视觉感受到的亮度差异性较小，使用者观察屏幕时眼睛不容易疲倦，提升了用户体验。
具体地，其中偏振元件3作为折叠光路中对光线进行反射的最关键以及最有效的膜层，显示屏幕1发出的光线在偏振元件3和分光元件5之间进行折叠，偏振元件3反射的显示屏幕1图像边缘区域光线走向，能够基本对应于光源模组中边缘视场的光线走向，具体地，边缘光线的角度的正切值近似于设置有偏振元件3的有效口径B1与显示屏幕1的尺寸口径的差值，与偏振元件3至显示屏幕1的距离L1的比值。
因此本实施例为了更好的模拟显示屏幕1中图像中发出光线的角度（因为角度是不能准确控制），限定了偏振元件3的有效口径B1、偏振元件3至显示屏幕1的距离L1、以及显示屏幕1的尺寸D1，这三个参数的关系，使得(B1/2-D1/2)/L1能够基本反应边缘视场的光线亮度与中心视场的光线亮度的亮度关系。
具体地，(B1/2-D1/2)/L1在此范围内，使得偏振元件3与显示屏幕1具有好的搭配效果，以及设置有偏振元件3的有效口径与显示屏幕1具有较好的搭配效果。具体地，(B1/2-D1/2)/L1主要调节了边缘视场的亮度，使得边缘视场亮度相对于中心视场的亮度的下降范围控制在30%以内，满足人眼观察图像亮度的敏感度。
因此在该实施例中，光学模组满足于：0.1＜A2/（C6/2）＜0.5，以及满足于：0＜(B1/2-D1/2)/L1 ＜0.8，光学模组在满足紧凑性要求的前提下，使得使用者视觉观察到的成像图像亮度是均匀化的。
在一个实施例中，所述偏振元件3至所述显示屏幕1的距离L1为12mm-35mm。
在该实施例中，在光学模组中，无论偏振元件3设置在光学模组中的哪一位置，需要使得偏振元件3至显示屏幕1的距离满足在此范围内。本实施例对偏振元件3至显示屏幕1的距离进行控制，一方面使得(B1/2-D1/2)/L1满足于0＜(B1/2-D1/2)/L1 ＜0.8，降低边缘视场光线亮度和中心视场光线亮度的差异；另一方面，通过对偏振元件3至显示屏幕1的距离进行控制，使得光学模组的整体光学总长限定在一定范围内，使得光学模组满足小型化、轻量化要求。
另外本实施例对偏振元件3至所述显示屏幕1的距离L1进行限定，结合偏振元件3至分光元件5的距离A2，可以对偏振元件3至所述显示屏幕1的距离L1，与偏振元件3至分光元件5的距离A2的比值进行限定，使得光学模组具有紧凑性结构。
在一个可选的实施例中，所述偏振元件3的有效口径B1为44mm-63mm。
在该实施例中，对偏振元件3的有效口径进行限定，一方面使得(B1/2-D1/2)/L1满足于0＜(B1/2-D1/2)/L1 ＜0.8，降低边缘视场光线亮度和中心视场光线亮度的差异；另一方面，偏振元件3对光学进行处理后，使得处理后的光线能够更好的模拟光学模组边缘视场的光线，使得(B1/2-D1/2)/L1更能够反应边缘视场光线的传输特性。
根据本发明实施例第二方面，提供了一种头戴显示设备。所述头戴显示设备包括：壳体；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，本发明实施例对此不做具体限制。
本发明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。
以下通过三个实施例对本发明实施例提供的光学模组进行具体说明。
实施例1
参照图1所示，本发明实施例提供的光学模组，包括显示屏幕1，第一透镜21、第二透镜22、偏振元件3、分光元件5和光阑4，其中第一透镜21具有朝向显示屏幕1的第二表面，和背离显示屏幕1的第一表面；第二透镜22具有与第一透镜21相邻设置的第一表面、和朝向显示屏幕1的第二表面；在第二透镜22的第二表面上设置分光元件5，在第一透镜21的第一表面上设置偏振元件3和第一相位延迟器6。其中光阑4的设置位置为人眼所在位置。
其中偏振元件3至分光元件5的距离A2为9.6088mm，分光元件5所在表面的曲率半径C6为53.86mm，分光元件5（其中分光元件5设置在第二透镜22上，此处也指第二透镜22的有效口径B2为46.34mm）的有效口径B2为46.34mm；偏振元件3至显示屏幕1的距离L1为12mm，偏振元件3（其中偏振元件3设置在第一透镜21上，此处也指第一透镜21的有效口径B1为44.5mm）的有效口径B1为44.5mm，显示屏幕1的尺寸D1为26mm。光学模组的有效焦距F为15.73mm。
其中显示屏幕1、第一透镜21、第二透镜22和光阑4的光学参数可以参照表1所示：
Figure 927288DEST_PATH_IMAGE001
本实施例适配100°FOV 和26mm（小尺寸屏幕）像面大小，本实施例A2/(C6/2)=0.357，分光元件5的有效口径B2为46.34mm，使得光学模组具有良好的紧凑性。
本案例适配100°FOV 和26mm像面大小，边缘视场的光线入射角度为-41°，本实施例(B1/2-D1/2)/L1=0.77，此时控制边缘视场光线的显示亮度较0°角度（中心视场）下亮度会下降30%，即降低了边缘视场的光线亮度，提升了显示屏幕1亮度的均匀度。
实施例2
参照图2所示，本发明实施例提供的光学模组，包括显示屏幕1，第一透镜21、第二透镜22、偏振元件3、分光元件5和光阑4，其中第一透镜21具有朝向显示屏幕1的第二表面，和背离显示屏幕1的第一表面；第二透镜22具有与第一透镜21相邻设置的第一表面、和朝向显示屏幕1的第二表面；在第二透镜22的第二表面上设置分光元件5，在第一透镜21的第一表面上设置偏振元件3和第一相位延迟器6。其中光阑4的设置位置为人眼所在位置。
其中偏振元件3至分光元件5的距离A2为8.2078mm，分光元件5所在表面的曲率半径C6为97.369mm，分光元件5（其中分光元件5设置在第二透镜22上，此处也指第二透镜22的有效口径B2为47.3mm）的有效口径B2为47.3mm；偏振元件3至显示屏幕1的距离L1为20.89mm，偏振元件3（其中偏振元件3设置在第一透镜21上，此处也指第一透镜21的有效口径B1为47.6mm）的有效口径B1为47.6mm，显示屏幕1的尺寸D1为38mm。光学模组的有效焦距F为23.68mm。
其中显示屏幕1、第一透镜21、第二透镜22和光阑4的光学参数可以参照表2所示：
Figure 7240DEST_PATH_IMAGE002
本实施例适配100°FOV 和38mm（中尺寸屏幕）像面大小，本实施例A2/(C6/2)=0.169，分光元件5的有效口径B2为47.3mm，使得光学模组具有良好的紧凑性。
本案例适配100°FOV 和38mm像面大小，边缘视场的光线入射角度为-10°，本实施例(B1/2-D1/2)/L1=0.23，此时控制边缘视场光线的显示亮度较0°角度（中心视场）下亮度会下降20%，即降低了边缘视场的光线亮度，提升了显示屏幕1亮度的均匀度。
实施例3
参照图3所示，本发明实施例提供的光学模组，包括显示屏幕1、第一透镜21、第二透镜22和第三透镜23，其中第一透镜21相对于第三透镜23更远离显示屏幕1设置，第三透镜23与显示屏幕1相邻设置，第二透镜22位于第一透镜21和第三透镜23之间。
第一透镜21具有背离第二透镜22的第一表面，以及与第二透镜22相邻设置的第二表面，第二透镜22具有与第一透镜21相邻设置的第一表面，以及与第三透镜23相邻设置的第二表面，第三透镜23具有与第二透镜22相邻设置的第一表面，以及朝向显示屏幕1设置的第二表面。
在第一透镜21的第二表面上设置偏振元件3和第一相位延迟器6，在第三透镜23的第二表面上设置分光元件5。
其中偏振元件3至分光元件5的距离A2为16.089mm，分光元件5所在表面的曲率半径C6为142.42mm，分光元件5（其中分光元件5设置在第三透镜23上，此处也指第三透镜23的有效口径B2为62.44mm）的有效口径B2为62.44mm；偏振元件3至显示屏幕1的距离L1为24.089mm，偏振元件3（其中偏振元件3设置在第一透镜21上，此处也指第一透镜21的有效口径B1为62.55mm）的有效口径B1为62.55mm，显示屏幕1的尺寸D1为56mm。光学模组的有效焦距F为34.7mm。
其中显示屏幕1、第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23和光阑4的光学参数可以参照表3所示：
Figure 892019DEST_PATH_IMAGE003
本实施例适配100°FOV 和56mm（大尺寸屏幕）像面大小，本实施例A2/(C6/2)=0.226，分光元件5的有效口径B2为62.44mm，使得光学模组具有良好的紧凑性。
本案例适配100°FOV 和56mm像面大小，边缘视场的光线入射角度为-8.62°，本实施例(B1/2-D1/2)/L1=0.136，此时控制边缘视场光线的显示亮度较0°角度（中心视场）下亮度会下降15%，即降低了边缘视场的光线亮度，提升了显示屏幕1亮度的均匀度。
根据本发明实施例的另一方面，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。
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，以上示例仅是为了进行说明，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 (10)

1.一种光学模组，其特征在于，包括：
透镜组（2），所述透镜组（2）包括至少一个透镜；
所述光学模组还包括偏振元件（3）、分光元件（5）和相位延迟器，所述透镜组（2）中透镜的任一侧设置有所述偏振元件（3）、分光元件（5）和相位延迟器；
所述分光元件（5）的有效口径B2为45mm-65mm；
所述偏振元件（3）至所述分光元件（5）的距离为A2；所述分光元件（5）的曲率半径为C6；
其中，所述光学模组满足于：0.1＜A2/（C6/2）＜0.5。
2.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述偏振元件（3）至所述分光元件（5）的距离A2为8mm-17mm。
3.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组的有效焦距范围为15mm-35mm。
4.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述透镜组（2）包括靠近人眼侧的第一透镜（21），所述第一透镜（21）具有朝向人眼侧的第一表面，以及所述第一透镜（21）具有朝向显示屏幕侧的第二表面；
在所述第一表面的一侧设置有所述偏振元件（3），或者在所述第二表面的一侧设置有所述偏振元件（3）。
5.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述透镜组（2）包括靠近显示屏幕侧的透镜，在该透镜的近显示屏幕侧设置有所述分光元件（5）。
6.根据权利要求1或4所述的光学模组，其特征在于，所述相位延迟器包括第一相位延迟器（6）；
所述透镜组（2）包括靠近人眼侧的第一透镜（21），所述第一透镜（21）具有朝向人眼侧的第一表面，以及所述第一透镜（21）具有朝向显示屏幕侧的第二表面；
在所述第一表面的一侧设置有所述第一相位延迟器（6），或者在所述第二表面的一侧设置有所述第一相位延迟器（6），其中所述第一相位延迟器（6）相对于所述偏振元件（3）更靠近显示屏幕侧设置。
7.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述相位延迟器包括第二相位延迟器；
所述透镜组（2）包括靠近显示屏幕侧的透镜，在该透镜的近显示屏幕侧设置有所述第二相位延迟器。
8.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屏幕（1），所述显示屏幕（1）的尺寸为D1；
所述偏振元件（3）至所述显示屏幕（1）的距离为L1；
所述偏振元件（3）的有效口径为B1；
其中所述光学模组满足于：0＜(B1/2-D1/2)/L1＜0.8。
9.根据权利要求8所述的光学模组，其特征在于，所述偏振元件（3）至所述显示屏幕（1）的距离L1为12mm-25mm。
10.一种头戴显示设备，其特征在于，包括：
壳体；以及
如权利要求1-9中任一项所述的光学模组。
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