CN114942523A - 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；其中，所述光学模组包括分光元件、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第一透镜及可变焦透镜；所述第一透镜位于所述分光元件与所述偏振反射元件之间；所述可变焦透镜位于所述第一透镜的任一侧；所述可变焦透镜包括至少一个可变焦表面，所述可变焦表面被配置为能够在驱动下发生面型变化。本申请实施例提供的光学结构可以适应不同成像视场下的不同成像要求。

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

不同的应用场景对光学模组的要求是不同的。例如，针对游戏等应用场景，其对沉浸感要求高，这就需要光学模组拥有较大的视场角，此时光学模组可以对图像的解像力不高。在其他的一些应用场景下，例如办公应用需求光学模组需要具有较高的PPD（每度下的像素数），在显示屏幕分辨率一定的情况下需求在较小的视场内拥有高的解像力，这就需要光学模组在一定视场内MTF要高，但是现有的光学设计方案均无法同时满足上述两种不同应用场景的要求。

此外，现有的光学模组还存在不同视度人群因眼距不同，在进行虚拟体验时观看到的图像会有不同程度的缺失，不能观察到完整的画面。

发明内容

本申请的目的是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第一透镜及可变焦透镜；

所述第一透镜位于所述分光元件与所述偏振反射元件之间；所述可变焦透镜位于所述第一透镜的任一侧；

所述可变焦透镜包括至少一个可变焦表面，所述可变焦表面被配置为能够在驱动下发生面型变化。

可选地，所述可变焦透镜位于靠近人眼的一侧，且所述可变焦表面靠近所述人眼；

所述第一透镜位于所述可变焦透镜远离所述人眼的一侧；

所述分光元件设于所述第一透镜远离所述人眼的表面，所述第一相位延迟器及所述偏振反射元件层叠设置并设于所述可变焦透镜远离所述人眼的表面。

可选地，所述可变焦透镜远离所述人眼的表面设置为面型固定不变的不可变焦表面。

可选地，所述光学模组还包括第二透镜，所述第一透镜位于所述第二透镜与所述可变焦透镜之间。

可选地，所述第二透镜位于所述第一透镜靠近人眼一侧，所述可变焦透镜位于所述第一透镜背离所述第二透镜的一侧；

所述分光元件设于所述第一透镜远离所述人眼一侧的表面，所述第一相位延迟器及所述偏振反射元件层叠设置并设于所述第二透镜的任一表面。

可选地，所述可变焦透镜位于靠近人眼一侧，所述第二透镜位于所述第一透镜背离所述可变焦透镜的一侧；

所述分光元件设于所述第一透镜远离所述人眼的表面，所述第一相位延迟器及所述偏振反射元件层叠设置并设于所述可变焦透镜远离所述人眼一侧的表面，其中，所述可变焦透镜远离所述人眼一侧的表面设置为面型固定不变的不可变焦表面，所述可变焦透镜靠近所述人眼的表面为可变焦表面。

可选地，所述可变焦表面的SAG值为0.01mm~6.5mm，所述SAG值为所述可变焦表面最大口径处的矢高与中心矢高的矢高差。

可选地，所述光学模组还包括偏光元件，所述偏光元件位于所述偏振反射元件背离所述第一相位延迟器的一侧。

可选地，所述偏光元件、所述偏振反射元件及所述第一相位延迟器层叠设置形成膜层结构，所述第一透镜位于所述分光元件与所述膜层结构之间。

可选地，所述第一透镜的中心厚度为T₁，T₁满足：3mm＜T₁＜8mm；

所述可变焦透镜的中心厚度为T₃，T₃满足：4mm＜T₃＜6mm。

可选地，所述第二透镜的中心厚度为T₂，T₂满足：2mm＜T₂＜5mm。

可选地，所述分光元件的反射率为47%至53%。

可选地，所述光学模组还包括显示器，所述显示器具有出光面，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一侧设置有第二相位延迟器。

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，在光路中引入了可变焦透镜，通过变焦功能使得形成的光学模组可以实现不同应用场景下的不同成像需求；可变焦透镜通过自身的至少一个可变焦表面改变面型，不仅可以实现在大视场的情况下中心视场与边缘视场成像质量一致，还可以实现在高PPD的情况下所有视场的成像质量俱佳；同时，可以满足不同视度人群的视度调节。

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的局部结构示意图；

图3为图1示出的光学模组在一种应用场景下的结构示意图；

图4为图3示出的光学模组的点阵列的示意图；

图5为图3示出的光学模组的MTF曲线图；

图6为图3示出的光学模组的场曲畸变图；

图7为图3示出的光学模组的垂轴色差图；

图8为图3示出的光学模组中可变焦透镜的可变焦表面一的SAG值图；

图9为图1示出的光学模组在另一种应用场景下的结构示意图；

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示出的光学模组中可变焦透镜的可变焦表面二的SAG值图；

图15为本申请实施例2提供的光学模组的结构示意图；

图16为图15的局部结构示意图；

图17为图15示出的光学模组在一种应用场景下的结构示意图；

图18为图17示出的光学模组的点阵列的示意图；

图19为图17示出的光学模组的MTF曲线图；

图20为图17示出的光学模组的场曲畸变图；

图21为图17示出的光学模组的垂轴色差图；

图22为图17示出的光学模组中可变焦透镜的可变焦表面一的SAG值图；

图23为图15示出的光学模组在另一种应用场景下的结构示意图；

图24为图23出的光学模组的点阵列的示意图；

图25为图23示出的光学模组的MTF曲线图；

图26为图23示出的光学模组的场曲畸变图；

图27为图23示出的光学模组的垂轴色差图；

图28为图23示出的光学模组中可变焦透镜的可变焦表面二的SAG值图；

图29为可变焦透镜的可变焦表面在施加电压前后的不同状态示意图；

图30为图3示出的光学模组中可变焦表面面型变化的误差图（理论想要变成的面型与实际变成面型的差异值）；

图31为图3示出的光学模组中可变焦透镜具有一个可变焦表面，且该可变焦表面增加图30示出的误差时的点阵列图（可变焦表面为一个且不位与转折光路中）；

图32为图3示出的光学模组中可变焦透镜具有两个可变焦表面，且各个可变焦表面增加图30示出的误差时的点阵列图（可变焦表面为两个且不位与转折光路中）；

图33为图3示出的光学模组中第一透镜的第二表面为可变焦表面，且该表面增加图30示出的误差时的点阵列图（可变焦表面为一个且位于转折光路中）；

图34为本申请实施例3提供的光学模组在一种应用场景下的结构示意图；

图35为图34示出的光学模组的点阵列的示意图；

图36为图34示出的光学模组的MTF曲线图；

图37为图34示出的光学模组的场曲畸变图；

图38为图34示出的光学模组的垂轴色差图；

图39为图34示出的光学模组中可变焦透镜的可变焦表面的SAG值图；

图40为本申请实施例3提供的光学模组在另一种应用场景下的结构示意图；

图41为图40出的光学模组的点阵列的示意图；

图42为图40示出的光学模组的MTF曲线图；

图43为图40示出的光学模组的场曲畸变图；

图44为图40示出的光学模组的垂轴色差图；

图45为图40示出的光学模组中可变焦透镜的可变焦表面的SAG值图。

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、可变焦透镜；31、不可变焦表面；32、可变焦表面；321、可变焦表面一；322、可变焦表面二；40、分光元件；50、第一相位延迟器；60、偏振反射元件；70、偏光元件；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45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15及图16所示，所述光学模组包括分光元件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及可变焦透镜30；

所述第一透镜10位于所述分光元件40与所述偏振反射元件60之间；所述可变焦透镜30位于所述第一透镜10的任一侧；

所述可变焦透镜30包括至少一个可变焦表面32，所述可变焦表面32被配置为能够在驱动下发生面型变化。

本申请的实施例提供了一种折叠光路方案，在光路中设计了至少一个透镜，如上述的第一透镜10，需要说明的是，该透镜的具体数量可以根据实际需要灵活调整，并不限于一个透镜，本申请实施例中对此不作限制。并且，将这一透镜的两个表面的面型设计为不会发生变化，也即该透镜两个表面的面型是固定的。

同时，在整个光路中还引入了一个可变焦透镜30，该可变焦透镜30与上述的第一透镜10不同，其至少有一个表面被设计为面型是可以发生变化的，该表面即为可变焦表面32。此外，可变焦透镜30还可以具有一个不可变焦表面31，该不可变焦表面31的面型是固定不变的。

例如，驱动可变焦表面32的面型发生变化的驱动源为电压。

如图29所示，当对可变焦表面32施加设定电压时，可变焦表面32可以发生面型改变。

例如，不同的电压可以驱使可变焦表面32形成不同的面型，可分别如图3和图9所示。

图3中示出的可变焦表面一321和图9中示出的可变焦表面二322，二者分别为图1中的可变焦表面32在被施加不同电压后变化形成的两种不同面型，这两种不同的面型可应用于不同的场景。例如，图3中的可变焦表面一321可适用于游戏等需要大视场的情况，图9中的可变焦表面二322可适用于文字阅读等小视场的情况下。

需要说明的是，可变焦透镜30例如可以设计为包括一个可变焦表面32，它的另一表面可以为不可变焦表面31，不可变焦表面31是不发生面型变化的，即面型是固定的。本申请实施例中采用这一设计是因为：可变焦透镜面型变换会有一定的公差范围，为减少该误差对光学模组性能的影响，将可变焦透镜30一个表面的面型设计为固定的，始终保持不变，而另一个表面的面型设计为可以发生变化。

在本申请实施例提供的光学方案中，较为优选的是，将面型可以变化的表面即可变焦表面32设计为不在折叠光路内，以使得光线不会两次经过该可变焦表面32，如此也可以降低误差对光学模组性能的影响。

本申请实施例提供的光学方案中，可变焦表面32的面型变化可以根据不同应用场景下成像需求的面型以及使用者视度调节需要的面型叠加。

本申请实施例提供的光学模组中，如图1所示，不仅包括有第一透镜10及可变焦透镜30，其还包括有分光元件40、第一相位延迟器50及偏振反射元件60，这样可形成折叠光路结构。

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，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。

为了使可变焦透镜30的可变焦表面32尽量不在折叠光路内，本申请实施例中设计：可变焦透镜30不在分光元件40、第一相位延迟器50及偏振反射元件60之间进行布设。可变焦透镜30可以位于分光元件40入光的一侧，或者位于整个光路结构的出光一侧。如此，光线只会一次经过可变焦表面32，可变焦表面32面型变化误差对光学模组的性能影响小，在不同视场下的成像质量俱佳，可以提升用户的观看体验感。

其中，分光元件40可用于供一部分的入射光线反射，还有一部分的入射光线可以透过。分光元件40的反射率可以根据具体需要灵活调整。

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。

在本申请一个具体的实施例中，分光元件40可以为半反半透膜，第一相位延迟器50可以为四分之一波片，偏振反射元件60可以为偏振反射膜。

在本申请的实施例中，当光学模组中不可变焦的透镜仅包含一个第一透镜10时，如图1所示，第一透镜10可以将分光元件40与第一相位延迟器50隔开，第一透镜10的两个表面的面型均为固定的，始终保持不变。第一相位延迟器50与偏振反射元件60可以贴装在一起，二者也可以呈间隔设置。

根据本申请的实施例，提供了一种折叠光路方案，在光路中引入了可变焦透镜30，通过变焦功能使得形成的光学模组可以实现不同应用场景下的不同成像需求；可变焦透镜30通过可变焦表面32可以改变面型，不仅可以实现在大视场的情况下中心视场与边缘视场成像质量一致，还可以实现在高PPD的情况下所有视场的成像质量俱佳。此外，可以满足不同视度人群的视度调节。

也就是说，本申请实施例提供的光学模组，通过对其中的可变焦透镜30的可变焦表面32的面型进行合理调整，可以使光学模组适应不同视场下的成像需求，可以提升用户使用光学模组的观看体验感。

在本申请的一些示例中，如图1至图3及图9所示，所述可变焦透镜30位于靠近人眼01的一侧，且所述可变焦表面32靠近所述人眼01；

所述第一透镜10位于所述可变焦透镜30远离所述人眼01的一侧；

所述分光元件40设于所述第一透镜10远离所述人眼01的表面，所述第一相位延迟器50及所述偏振反射元件60层叠设置并设于所述可变焦透镜30远离所述人眼01的表面。

本申请的实施例中，如图1所示，当光学模组包括一个第一透镜10及一个可变焦透镜30时，为了实现可变焦表面32不在折叠光路内的光学结构设计，本实施例中将可变焦透镜30设置在靠近人眼01的一侧，且将可变焦表面32靠近人眼01，将分光元件40、第一相位延迟器50及偏振反射元件60设置在第一透镜10与可变焦透镜30的不可变焦表面31之间。如此，光线可以直接经可变焦表面32出射并打入人眼01中进行成像。这种设计下，光线不会两次经过可变焦透镜30的可变焦表面32，可变焦表面32在发生面型变化后，面型变化误差对光学性能的影响小。

也就是说，当光学模组包括一个第一透镜10及一个可变焦透镜30时，请继续如图1所示，可变焦透镜30为靠近人眼01的第一个透镜，此时，第一透镜10可相当于位于靠近人眼01的第二个透镜。折叠光路位于第一透镜10与可变焦透镜30远离人眼01的表面（即不可变焦表面31）之间，如此可以保证光线不会两次经过可变焦表面32。

具体地，如图1所示，第一透镜10包括第一表面11和第二表面12，第一表面11设置为第一透镜10远离人眼01的表面，第二表面12设置为第一透镜10靠近人眼01的表面。此时，分光元件40可以通过镀膜的方式直接形成在第一表面11上，第一相位延迟器50及偏振反射元件60可以设于可变焦透镜30的不可变焦表面31上，可变焦透镜30的可变焦表面32靠近人眼01。

本申请实施例提供的光学模组中，可变焦透镜30的引入可以使得形成的光学模组能够适应不同应用场景下的成像要求。可变焦透镜30通过可变焦表面32可以改变面型，不仅可以实现在大视场的情况下中心视场与边缘视场成像质量相差不大，还可实现在高PPD的情况下所有视场的成像质量俱佳；同时，可以满足不同视度人群的视度调节。

根据本申请实施例提供的上述光学模组，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，经过第一透镜10透射，经过可变焦透镜30的不可变焦表面31一侧的膜层结构反射，经过第一透镜10的第二表面12透射，经过第一表面11一侧的分光元件40反射，经过第二表面12、可变焦透镜30透射之后，将光线打入人眼01中。

在本申请的一些示例中，所述可变焦透镜30远离所述人眼01的表面设置为面型固定不变的不可变焦表面31。

在整个光路中，当将可变焦透镜30设计为靠近人眼01的第一个透镜时，可以将该可变焦透镜30远离人眼01的表面设计为面型始终固定不变，该表面即为不可变焦表面31，如此：一来可以降低生成成本，二来光线可以经过该表面进行折返，可以避免因透镜表面面型变化产生的误差对光学模组的光学性能产生影响。

此外，当光学模组中包括第一透镜10及可变焦透镜30时，也可以将第一透镜10设计位于靠近人眼01的一侧，在该情况下，可变焦透镜30则位于远离人眼01的一侧，此时，可变焦透镜30用于透射光线。也即，经可变焦透镜30出射的光线在进入折叠光路内进行光线折返，光线也尽可能的不会两次经过可变焦表面32。

在本申请的一些示例中，如图15所示，所述光学模组还包括第二透镜20，其中，所述第一透镜10可以设计位于所述第二透镜20与所述可变焦透镜30之间。

也就是说，本申请实施例的光学模组也可以包括三个透镜：第一透镜10、第二透镜20及可变焦透镜30。可以将新引入的第二透镜20与可变焦透镜30分设在第一透镜10的两侧。其中，新引入的第二透镜20其两个表面的面型也是不会发生变化的。

在本申请的一些示例中，如图34及图40所示，所述第二透镜20可以位于所述第一透镜10靠近所述人眼01一侧，所述可变焦透镜30位于所述第一透镜10背离所述第二透镜20的一侧；所述分光元件40设于所述第一透镜10远离所述人眼01的表面，所第一相位延迟器50及所述偏振反射元件60层叠设置并设于所述第二透镜20的任一表面。

当光学模组包括三个透镜时，可以将引入的第二透镜20设计位于靠近人眼01的一侧；可变焦透镜30可以位于显示侧，其可以为远离人眼01的第三个透镜；第一透镜10位于第二透镜20与可变焦透镜30之间。在此基础上，可变焦透镜30可用于透射经出光侧发出的光线。

例如，第二透镜20包括第三表面21和第四表面22，第三表面21为第二透镜20远离人眼01的表面，第四表面22为第二透镜20靠近人眼01的表面。

在本申请的实施例中，分光元件40可以直接设于第一透镜10远离人眼01的一表面（即第一表面11），这样设置分光元件40，可以降低光学模组的装配难度。分光元件40例如可以通过镀膜的方式与第一透镜10的表面结合。

当然，分光元件40也可以设计位于可变焦透镜30与第一透镜10远离人眼01的表面之间的合适位置处。此时，分光元件40可以通过一平板支撑。

在本申请的实施例中，第一相位延迟器50及偏振反射元件60均被贴装于第二透镜20远离人眼01的表面。

当然，第一相位延迟器50及偏振反射元件60也可以位于第二透镜20的任一侧。此外，二者可以贴合在一起，也可以呈间隔设置，本申请实施例中对此不作限制。

需要说明的是，在本申请的实施例中，可变焦透镜30靠近显示侧，可以透射经显示侧出射的光线，其本身不在折叠光路之内。该可变焦透镜30的两个表面都可以设计为不固定的，在电压驱动下可以发生面型变化。

在本申请的一些示例中，如图15至图17，以及图23所示，所述可变焦透镜30位于靠近所述人眼01一侧，所述第二透镜20位于所述第一透镜10背离所述可变焦透镜30的一侧；所述分光元件40设于所述第一透镜10远离所述人眼01的表面，所述第一相位延迟器50及所述偏振反射元件60层叠设置并设于所述可变焦透镜30远离所述人眼01的表面，其中，所述可变焦透镜30远离所述人眼01一侧的表面为设置为面型固定不变的不可变焦表面31，所述可变焦透镜30靠近所述人眼01的表面为可变焦表面32。

也即调换上述示例中第二透镜20与可变焦透镜30的位置，第一透镜10的位置保持不变。在此基础上，可变焦透镜30被设计位于靠近人眼01一侧，新引入的第二透镜20位于显示侧，也即远离人眼01布设，而第一透镜10位于可变焦透镜30与第二透镜20之间。

此时，第二透镜20可用于透射显示侧出射的光线至分光元件40。第二透镜20包括第三表面21和第四表面22，第三表面21为第二透镜20远离人眼01的表面，第四表面22为第二透镜20靠近人眼01的表面。

具体地，分光元件40可以直接设于第一透镜10远离人眼01的一表面（即第一表面11）。这样，可以降低光学模组的装配难度。分光元件40例如可以通过镀膜的方式与第一透镜10结合。

当然，分光元件40也可以设计位于第二透镜20与第一透镜10远离人眼01的表面之间的合适位置处。此时，分光元件40例如可以通过一平板支撑。

请继续如图15所示，位于人眼01一侧的可变焦透镜30，其可以设计为包括一个可变焦表面32及一个不可变焦表面31，其中，不可变焦表面31设计位于背离人眼01的一侧，而可变焦表面32靠近人眼01。在本申请的实施例中，第一相位延迟器50及偏振反射元件60均贴装于不可变焦表面31。这样，不仅可以降低光学模组的装配难度，而且使得可变焦表面32不在折叠光路内。

当然，第一相位延迟器50及偏振反射元件60也可以位于第一透镜10靠近人眼01的表面与不可变焦表面31之间的合适位置。此外，二者可以贴合在一起，也可以呈间隔设置，本申请实施例中对此不作限制。

如图15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、第二透镜20、第一透镜10透射，经过可变焦透镜30的不可变焦表面31上的第一相位延迟器50将光线变成线偏振光（S光），经偏振反射元件60反射，经过第一相位延迟器50将光线变成圆偏振光（P光），经过第一透镜10的第二表面12透射，经过第一表面11的分光元件40反射，经过第二表面12透射，经过可变焦透镜30的不可变焦表面31上的第一相位延迟器50将光线变成线偏振光经可变焦透镜30透射之后，将光线打入人眼01中。

根据上述的两个示例，本实施例的光学模组可以包含三个光学镜片，其中一个为可变焦透镜30，其余两个透镜是不可变焦的，将可变焦透镜30的可变焦表面32设计为不在折叠光路内，如此可以很好的减小因面型变化误差对光学性能产生影响。通过可变焦透镜30搭配两个面型固定的透镜，使得光学模组的光学性能可调，可以应用于多种应用场景下适应不同的成像需求。例如，既可以实现在大视场的情况下中心视场与边缘视场成像质量相差不大，还可以实现在高PPD的情况下所有视场的成像质量俱佳；同时，可以满足不同视度人群的视度调节。

需要说明的是，本申请的实施例中可以根据光路设计需要灵活调整透镜组中透镜的数量，透镜组至少包括一个透镜即可，本申请实施例中对此不作限制。

在本申请的一些示例中，所述可变焦表面32的SAG值为0.01mm~6.5mm，SAG值为所述可变焦表面32最大口径处的矢高与中心矢高的矢高差。

根据不同应用场景，通过调整可变焦表面32的电压，从而可以调整可变焦表面32的面型。当可变焦表面32的面型在上述SAG值范围之内，可以实现不同应用场景下的不同成像需求。不仅可以实现在大视场的情况下中心视场与边缘视场成像质量一致，还可以实现在高PPD的情况下所有视场的成像质量俱佳；同时，可以满足不同视度人群的视度调节。

在本申请的一些示例中，如图2及图16所示，所述光学模组还包括偏光元件70，所述偏光元件70位于所述偏振反射元件60背离所述第一相位延迟器50的一侧。

偏光元件70例如可以为偏光膜，其可以用以减少杂散光。

偏光元件70的设置位置与偏振反射元件60和第一相位延迟器50相关。三者可以按照设定的顺序呈间隔设置，也可以贴装在一起。这三个光学元件与分光元件40配合可以形成折叠光路。

在本申请的一些示例中，如图1及如2所示，所述偏光元件70、所述偏振反射元件60及所述第一相位延迟器50层叠设置形成膜层结构，所述第一透镜10位于所述分光元件40与所述膜层结构之间。

可以将偏光元件70、偏振反射元件60及第一相位延迟器50依次叠设形成一膜层结构，这有利于这些光学元件在光学模组中的组装，可以降低装配难度及提高生产效率。

此外，还可以在第一相位延迟器50背离偏振反射元件60的表面上贴装抗反射膜90，如图2及图16，也即在上述的膜层结构中增加抗反射膜90。

随着可变焦透镜30在光路结构中位置的不同，偏光元件70、偏振反射元件60及第一相位延迟器50形成的膜层结构的位置也有变化。

例如，当可变焦透镜30为位于近人眼01侧的第一个透镜时，上述的膜层结构可以设置于可变焦透镜30的不可变焦表面31。

又例如，当可变焦透镜30为位于近显示侧的第一个透镜时，上述的膜层结构可以设置在第二透镜20的任一侧，设置位置就比较灵活。

在本申请的一些示例中，所述第一透镜10的中心厚度为T₁，T₁满足：3mm＜T₁＜8mm；所述可变焦透镜30的中心厚度为T₃，T₃满足：4mm＜T₃＜6mm。

可选的是，第一透镜10的光焦度φ₁为0＜φ₁＜0.01。

可选的是，第一透镜10的一个表面上可以贴装分光元件40，则背离分光元件40的表面上可以贴装抗反射膜。

可选的是，第一透镜10的两个表面均为非球面。

可选的是，可变焦透镜30可以具有一个不可变焦表面31，该不可变焦表面31可以为平面或者非球面，其面型是固定不变化的。在其表面上可贴装上述的膜层结构（包括偏光元件70、偏振反射元件60及第一相位延迟器50等）。

可变焦透镜30还具有一可变焦表面32。

可选的是，可变焦表面32上可以贴装抗反射膜。

可选的是，可变焦透镜30的光焦度φ₃为0＜φ₃＜0.01。

在本申请的一些示例中，所述第二透镜20的中心厚度为T₂，T₂满足：2mm＜T₂＜5mm。

可选的是，第二透镜20包括两个表面，这两个表面可以均为非球面。

可选的是，第二透镜20的两个表面分别贴装有抗反射膜。

可选的是，所述第二透镜20的光焦度φ₂为0＜φ₂＜0.01。

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，所述光学模组还包括显示器80，所述显示器80具有出光面，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的出光面一侧设置有第二相位延迟器。

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的出光面可以发出光线。第二相位延迟器，其可以设置在显示器80的出光面上。

其中，所述第一透镜10、所述第二透镜20及所述可变焦透镜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及所述可变焦透镜30的色散系数v为：20＜v＜75。

可选的是，第一透镜10的折射率n₁为1.54，色散系数v₁为56.3。

可选的是，第二透镜20的折射率n₂为1.54，色散系数v₂为56.3。

可选的是，可变焦透镜30的折射率n₃为1.54，色散系数v₃为55.7。

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说明。

实施例1

本申请提供了一种光学模组，如图1所示，光学模组包括分光元件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位于分光元件40与偏振反射元件60之间；

光学模组还包括第一透镜10及可变焦透镜30，第一透镜10位于靠近显示器80一侧，可变焦透镜30位于人眼01一侧；

第一透镜10的中心厚度T₁为3mm＜T₁＜8mm，第一透镜10的第一表面11和第二表面12均设计为非球面；可变焦透镜30包括一个可变焦表面32和一个不可变焦表面31，可变焦透镜30的中心厚度T₃为4mm＜T₃＜6mm，可变焦表面32靠近人眼01，可变焦表面32在电压驱动下发生面型变化，不可变焦表面31为平面或非球面，不可变焦表面31与第二表面12相邻且间隔设置；

分光元件40设于第一透镜10的第一表面11，偏光元件70、偏振反射元件60、第一相位延迟器50及抗反射膜90形成膜层结构并贴装于可变焦透镜的不可变焦表面31。

图3至图8是图1示出的光学模组游戏应用示意，视场角度为115°，沉浸感要求较强。图3示出的是图1中的可变焦表面32经驱动变形后形成的一种可变焦表面，也即可变焦表面一321。图4是图3示出的光学模组的设计点列图。图5是图3示出的光学模组的MTF曲线图。图6是图3示出的光学模组的场曲畸变图。图7是图3示出的光学模组的垂轴色差图。图8是图3示出的光学模组中可变焦表面一321的SAG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4所示，在实施例1中，所有视场最大的RMS半径小于10μm。

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5所示，在实施例1中MTF在38p/mm下>0.25，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6所示，场曲最大值小于0.3mm；畸变反应的是成像发生的形变状况，在实施例1畸变最大发生在1视场，最大值小于50%。

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。如图7所示，在实施例1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400μm。

图8是图3示出的光学模组中可变焦表面一321的SAG图，其最大SAG为4.2mm。

如图9至图14是图1示出的光学模组文字阅读应用示意，视场角度为60°。图9示出的可变焦表面322为图1中可变焦表面32的另一种面型结构，如图9中示出的可变焦表面二322。图10是图9示出的光学模组的设计点列图。图11是图9示出的光学模组的MTF曲线图。图12是图9示出的光学模组的场曲畸变图。图13是图3示出的光学模组的垂轴色差图。图14是图9示出的光学模组中可变焦表面二322的SAG图。

需要说明的是，游戏应用与办公应用切换可以通过控制显示器80显示区域来进行视场角度的切换。

如图10所示，在实施例1中，所有视场的点列图RMS半径相差不大，最大差异小于1μm，且最大的RMS半径小于4μm。

如图11所示，在实施例1中，MTF在38lp/mm下>0.5，高清成像。

如图12所示，在实施例1中，场曲最大值小于0.2mm，畸变最大发生在1视场，最大值小于15%。

如图13所示，在实施例1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180μm。

图14是图3示出的光学模组中可变焦表面二322的SAG图，最大SAG为0.7mm。

本实施例1提供的光学模组中，第一透镜10及可变焦透镜30的光学参数具体可如下表1。

表1

实施例2

本申请提供了一种光学模组，如图15所示，所述光学模组包括分光元件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位于分光元件40与偏振反射元件60之间；

所述光学模组还包括第一透镜10、第二透镜20及可变焦透镜30，其中，第二透镜20位于靠近显示器80一侧，可变焦透镜30位于靠近人眼01一侧，第一透镜10位于第二透镜20与可变焦透镜30之间；

第一透镜10的中心厚度T₁为3mm＜T₁＜8mm，第一透镜10的第一表面11和第二表面12均设计为非球面；第二透镜20的中心厚度T₂为2mm＜T₂＜5mm，第二透镜20的第三表面21和第四表面22均设计为非球面；可变焦透镜30包括可变焦表面32和不可变焦表面31，可变焦透镜30的中心厚度T₃为4mm＜T₃＜6mm，可变焦表面32靠近人眼01，可变焦表面32能够在电压驱动下发生面型变化，不可变焦表面31为非球面，不可变焦表面31与第二表面12为相邻且间隔设置；

分光元件40设于第一透镜10的第一表面11，偏光元件70、偏振反射元件60、第一相位延迟器50及抗反射膜90形成膜层结构并贴装于可变焦透镜的不可变焦表面31。

如图17至图22是图15示出的光学模组游戏应用示意，视场角度为110°，对沉浸感要求较强。图17示出的可变焦表面一321为图15中可变焦表面32的一种面型结构。图18是图17示出的光学模组的设计点列图。图19是图17示出的光学模组的MTF曲线图。图20是图17示出的光学模组的场曲畸变图。图21是图17示出的光学模组的垂轴色差图。图22是图17示出的光学模组中可变焦表面一321的SAG图，最大SAG为1.3mm。

如图18所示，在实施例2中，所有视场最大的RMS半径小于10μm。

如图19所示，在实施例2中，MTF在38lp/mm下>0.3，成像清晰。

如图20所示，在实施例2中，场曲最大值小于0.5mm，畸变最大发生在1视场，最大值小于40%。

如图21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300μm。

图22是图17示出的光学模组中可变焦表面一321的SAG图，最大SAG为1.3mm。

如图23至图28是图15示出的光学模组文字阅读应用示意，视场角度为69°。图23示出的可变焦表面二322为图15中可变焦表面32的另一种面型结构。图24是图23示出的光学模组的设计点列图。图25是图23示出的光学模组的MTF曲线图。图26是图23示出的光学模组的场曲畸变图。图27是图23示出的光学模组的垂轴色差图。图28是图23示出的光学模组中可变焦表面二322的SAG图，最大SAG为0.42mm。

需要说明的是，游戏应用与办公应用切换可以通过控制显示器显示区域来进行视场角度的切换。

如图24所示，在实施例2中，所有视场的点列图RMS半径相差不大，最大差异小于1μm，且最大的RMS半径小于3μm。

如图25所示，在实施例2中，MTF在38lp/mm下>0.5，高清成像。

如图26所示，在实施例2中，场曲最大值小于0.2mm，畸变最大发生在1视场，最大值小于15%。

如图27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160μm。

图28是图23示出的光学模组中可变焦表面二322的SAG图，最大SAG为0.42mm。

本实施例2提供的光学模组中，第一透镜10、第二透镜20及可变焦透镜30的光学参数具体可如下表2。

表2

实施例1和实施例2中，可变焦透镜30的一个表面的面型是固定的，另一个表面的面型是可变化的，可变化的面型不在折叠光路以内（光线不会2次经过该面）。

图30至图33是图3示出的光学模组中可变焦表面的面型变化误差对光学性能的影响。图30为图3示出的光学模组中可变焦表面321面型变化的误差图（理论想要变成的面型与实际变成面型的差异值）。图31为图1中可变焦表面32增加图30面型误差时的点阵列图（可变焦表面为一个且不位与转折光路中）。图32为图1中可变焦透镜两个表面均为可变焦表面，且各个可变焦表面增加图30面型误差时的点阵列图（可变焦表面为两个且不位与转折光路中）。图33为图1中第一透镜10的第二表面12为可变焦表面，且该表面增加图30面型误差时的点阵列图（可变焦表面为一个且位于转折光路中）。

由图31、图32及图33可以看出：在可变焦透镜30的可变焦表面32的面型变化误差一定的情况下，可变焦表面32设置为一个且不位于转折光路之内成像效果最佳，其次可变焦表面32置为两个且不位于转折光路之内，最后是可变焦表面32位于转折光路中。

实施例3

本申请提供了一种光学模组，如图34及图40所示，所述光学模组包括分光元件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位于分光元件40与偏振反射元件60之间；

所述光学模组还包括第一透镜10、第二透镜20及可变焦透镜30，其中，可变焦透镜30位于靠近显示器80一侧，第二透镜20位于靠近人眼01一侧，第一透镜10位于第二透镜20与可变焦透镜30之间；

第一透镜10的中心厚度T₁为3mm＜T₁＜8mm，第一透镜10的第一表面11和第二表面12均设计为非球面；第二透镜20的中心厚度T₂为2mm＜T₂＜5mm，第二透镜20的第三表面21和第四表面22均设计为非球面；可变焦透镜30包括可变焦表面32和不可变焦表面31，可变焦透镜30的中心厚度T₃为4mm＜T₃＜6mm，可变焦透镜30靠近显示器80的表面为可变焦表面32，与第一表面11相邻的表面设置为不可变焦表面31；

分光元件40设于第一透镜10的第一表面11，偏光元件70、偏振反射元件60、第一相位延迟器50及抗反射膜90形成膜层结构并贴装于第二透镜20的任一表面。

图34至图39是光学模组游戏应用示意，视场角度为110°，对沉浸感要求较强。图34示出的可变焦表面32为一种面型结构，即形成可变焦表面一321。图35是光学模组的设计点列图。图36是光学模组的MTF曲线图。图37是光学模组的场曲畸变图。图38是光学模组的垂轴色差图。图39是光学模组中可变焦表面一321的SAG图。

如图35所示，在实施例3中，所有视场最大的RMS半径小于5μm。

如图36所示，在实施例3中，MTF在38lp/mm下>0.6，成像清晰。

如图37所示，在实施例3中，场曲最大值小于0.1mm，畸变最大发生在1视场，最大值小于40%。

如图38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300μm。

图39是可变焦表面一321的SAG图，最大SAG为6.5mm。

如图40至图45示出光学模组文字阅读应用示意，视场角度为69°。图40示出的可变焦表面二322为可变焦表面32变形后的另一种面型结构。图41是光学模组的设计点列图。图42示出光学模组的MTF曲线图。图43示出光学模组的场曲畸变图。图44示出的光学模组的垂轴色差图。图45示出光学模组中可变焦表面二322的SAG图。

需要说明的是，游戏应用与办公应用切换可以通过控制显示器显示区域来进行视场角度的切换。

如图41所示，在实施例3中，所有视场的点列图RMS半径相差不大，最大的RMS半径小于3μm。

如图42所示，在实施例3中，MTF在38lp/mm下>0.8，高清成像。

如图43所示，在实施例3中，场曲最大值小于0.2mm，畸变最大发生在1视场，最大值小于15%。

如图44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150μm。

图45是光学模组中可变焦表面二322的SAG图，最大SAG为3mm。

本实施例3提供的光学模组中，第一透镜10、第二透镜20及可变焦透镜30的光学参数具体可如下表3。

表3

本申请的实施例中，通过可变焦透镜至少一个表面形状的变化，可以同时实现不同使用场景以及使用者视度调节的功能；可变焦透镜30的可变焦表面的SAG值变化范围为0.01 mm~6.5mm。

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，所述光学模组包括分光元件（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）及可变焦透镜（30）；

所述第一透镜（10）位于所述分光元件（40）与所述偏振反射元件（60）之间；所述可变焦透镜（30）位于所述第一透镜（10）的任一侧；

所述可变焦透镜（30）包括至少一个可变焦表面（32），所述可变焦表面（32）被配置为能够在驱动下发生面型变化。

2.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述可变焦透镜（30）位于靠近人眼（01）的一侧，且所述可变焦表面（32）靠近所述人眼（01）；

所述第一透镜（10）位于所述可变焦透镜（30）远离所述人眼（01）的一侧；

所述分光元件（40）设于所述第一透镜（10）远离所述人眼（01）的表面，所述第一相位延迟器（50）及所述偏振反射元件（60）层叠设置并设于所述可变焦透镜（30）远离所述人眼（01）的表面。

3.根据权利要求2所述的光学模组，其特征在于，所述可变焦透镜（30）远离所述人眼（01）的表面设置为面型固定不变的不可变焦表面（31）。

4.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二透镜（20），所述第一透镜（10）位于所述第二透镜（20）与所述可变焦透镜（30）之间。

5.根据权利要求4所述的光学模组，其特征在于，所述第二透镜（20）位于所述第一透镜（10）靠近人眼（01）一侧，所述可变焦透镜（30）位于所述第一透镜（10）背离所述第二透镜（20）的一侧；

所述分光元件（40）设于所述第一透镜（10）远离人眼（01）一侧的表面，所述第一相位延迟器（50）及所述偏振反射元件（60）层叠设置并设于所述第二透镜（20）的任一表面。

6.根据权利要求4所述的光学模组，其特征在于，所述可变焦透镜（30）位于靠近人眼（01）一侧，所述第二透镜（20）位于所述第一透镜（10）背离所述可变焦透镜（30）的一侧；

所述分光元件（40）设于所述第一透镜（10）远离人眼（01）的表面，所述第一相位延迟器（50）及所述偏振反射元件（60）层叠设置并设于所述可变焦透镜（30）远离人眼（01）一侧的表面，其中，所述可变焦透镜（30）远离所述人眼（01）一侧的表面设置为面型固定不变的不可变焦表面（31），所述可变焦透镜（30）靠近所述人眼（01）的表面为可变焦表面（32）。

7.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述可变焦表面（32）的SAG值为0.01mm~6.5mm，所述SAG值为所述可变焦表面（32）最大口径处的矢高与中心矢高的矢高差。

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偏光元件（70），所述偏光元件（70）位于所述偏振反射元件（60）背离所述第一相位延迟器（50）的一侧。

9.根据权利要求8所述的光学模组，其特征在于，所述偏光元件（70）、所述偏振反射元件（60）及所述第一相位延迟器（50）层叠设置形成膜层结构，所述第一透镜（10）位于所述分光元件（40）与所述膜层结构之间。

10.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）的中心厚度为T₁，T₁满足：3mm＜T₁＜8mm；

所述可变焦透镜（30）的中心厚度为T₃，T₃满足：4mm＜T₃＜6mm。

11.根据权利要求4所述的光学模组，其特征在于，所述第二透镜（20）的中心厚度为T₂，T₂满足：2mm＜T₂＜5mm。

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，所述光学模组还包括显示器（80），所述显示器（80）具有出光面，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）的出光面一侧设置有第二相位延迟器。

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。

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