CN115113405A - 具有折叠光路的光学模组、近眼显示装置和光投射方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有折叠光路的光学模组，包括：半透半反层，配置成将入射到其上的光束部分反射，部分透射；反射式偏振器，位于所述半透半反层的光路下游，具有透光轴，配置成允许偏振方向平行于所述透光轴的偏振光通过，并将偏振方向与所述透光轴垂直的偏振光反射；和相位调制液晶透镜，所述相位调制液晶透镜设置在所述半透半反层的光路上游、或所述半透半反层与所述反射式偏振器之间，所述相位调制液晶透镜配置成对通过其中的光束进行相位延迟和/或相位补偿，其中所述半透半反层和所述反射式偏振器之间形成用作所述折叠光路的腔。

Description

具有折叠光路的光学模组、近眼显示装置和光投射方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种具有折叠光路的光学模组、包括其的近眼显示装置和光投射方法。

背景技术

在现有技术中，通常是利用四分之一波片的性质，将其与其他偏振光学元件搭配使用，以实现线偏振光与圆偏振光的转换；大多数AR光学系统即是借此实现对光线的控制。在与其它光学元件搭配使用时，四分之一波片通常是结合或涂覆在其它光学元件表面的涂层，以实现光线的控制。通过研究发现，偏振分光棱镜(PBS)加工难度大且固定不可旋转，当四分之一波片在贴合或者涂层在偏振分光棱镜表面时光轴与偏振轴存在有夹角的可能，这样会使偏振转换效果不佳，影响对光线的控制效果。尤其是当四分之一波片贴合在PBS膜片上光轴与偏振轴存在夹角的可能，导致偏振转换效果不佳，使系统产生漏光而影响产品性能和视觉体验。

背景技术部分的内容仅仅是公开发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明提供一种具有折叠光路的光学模组，包括：

半透半反层，配置成将入射到其上的光束部分反射，部分透射；

反射式偏振器，位于所述半透半反层的光路下游，具有透光轴，配置成允许偏振方向平行于所述透光轴的偏振光通过，并将偏振方向与所述透光轴垂直的偏振光反射；和

相位调制液晶透镜，所述相位调制液晶透镜设置在所述半透半反层的光路上游、或所述半透半反层与所述反射式偏振器之间，所述相位调制液晶透镜配置成对通过其中的光束进行相位延迟和/或相位补偿，

其中所述半透半反层和所述反射式偏振器之间形成用作所述折叠光路的腔。

根据本发明的一个方面，其中所述相位调制液晶透镜配置为四分之一波片或者具有相位补偿的相位延迟器件。

根据本发明的一个方面，所述光学模组还包括第一透镜，所述半透半反层贴附在所述第一透镜的表面上。

根据本发明的一个方面，所述光学模组还包括第二透镜，所述反射式偏振器靠近所述第二透镜的表面设置。

根据本发明的一个方面，所述光学模组还包括调焦液晶透镜，所述调焦液晶透镜设置在所述腔的外侧。

根据本发明的一个方面，所述相位调制液晶透镜与调焦液晶透镜设置在所述腔的外部的同一侧或者相反侧。

根据本发明的一个方面，所述相位调制液晶透镜设置在所述腔的内部。

根据本发明的一个方面，所述相位调制液晶透镜配置成使得：入射到所述光学模组上的偏振光经调制后首次入射到所述反射式偏振器时，偏振方向垂直于所述反射式偏振器的透光轴；二次入射到所述反射式偏振器时，偏振方向平行于所述反射式偏振器的透光轴。

本发明还提供一种近眼显示装置，包括：

显示屏；和

如上所述的光学模组，设置在所述显示屏的光路下游。

本发明还提供一种光学模组的光投射方法，包括：

S101：将光束照射到在半透半反层和反射式偏振器之间形成的腔中并进行光路折叠，其中所述反射式偏振器位于所述半透半反层的光路下游，并具有透光轴；和

S102：通过相位调制液晶透镜对所述光束进行相位延迟和/或相位补偿，使得入射到所述光学模组上的偏振光经调制后首次入射到所述反射式偏振器时，偏振方向垂直于所述反射式偏振器的透光轴；二次入射到所述反射式偏振器时，偏振方向平行于所述反射式偏振器的透光轴。

根据本发明的一个方面，所述光投射方法还包括：通过透镜对所述光束进行成像和放大。

根据本发明的一个方面，所述光投射方法还包括：通过设置在所述腔的外侧的调焦液晶透镜，调节所述光学模组的焦距。

根据本发明的一个方面，所述光投射方法通过如上所述的光学模组实施。

和现有技术相比，本申请中的液晶透镜具有相位延迟和/或电子相位补偿的功能，且所述液晶透镜的相位延迟和/或电子相位补偿功能是通过电压控制实现的，通过电子修正能够使所述夹角消除或者极小，进而旋转整个波片(也即由于PBS自身属性保持不变为正常方向，另一个方向(液晶透镜)可根据需要实现一定角度的旋转，以消除两者间的夹角)，实现较好的偏振转换效果；同时由于所述液晶透镜具有电子相位补偿的功能，从而可以消除相位异常，消除应力双折射导致的色散问题，从而以较好的角度实现光线偏振转换。利用液晶透镜，实现四分之一波片的功能以及相位补偿功能，可以和PBS膜层配合消除相位偏差，也可以用在液晶显示屏端贴合实现已经消除相位偏差的圆偏振光。

附图说明

构成本公开的一部分的附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的具有折叠光路的光学模组；

图2示出了根据本发明一个优选实施例的光学模组；

图3和图4中示出了图2的光学模组的两个变型；

图5A示出了根据本发明另一个实施例的光学模组；

图5B示出了图5A所示的光学模组的光路示意图；

图6A示出了根据本发明另一个实施例的光学模组；

图6B示出了图6A所示的光学模组的光路示意图；

图7A示出了根据本发明另一个实施例的光学模组；

图7B示出了图7A所示的光学模组的光路示意图；

图8A示出了根据本发明另一个实施例的光学模组；

图8B示出了图8A所示的光学模组的光路示意图；

图9A示出了根据本发明另一个实施例的光学模组；

图9B示出了图9A所示的光学模组的光路示意图；

图10示出了根据本发明一个实施例的光投射方法。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；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。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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

针对现有技术中四分之一波片带来的一些偏振转换效果不佳、影响对光线控制效果等问题，本发明提出一种新的光学模组，可用于实现折叠光路，该折叠光路可广泛适用于虚拟现实设备以及增强现实设备中。下面参考附图详细描述。

图1示出了根据本发明一个实施例的具有折叠光路的光学模组100，其中包括半透半反层101、反射式偏振器103以及相位调制液晶透镜102。图1中还示出了显示屏SC。本领域技术人员容易理解，显示屏SC可以构成光学模组100的一部分，也可以不属于光学模组100的一部分，这些都在本发明的保护范围内。图1中右侧为物侧，例如放置显示屏SC，图中左侧为像侧(观察侧)，即用户的眼球所在的位置。

半透半反层101配置成将入射到其上的光束部分反射，部分透射。本发明不限制所述半透半反层101的具体的透射率，可以为50％或其他比例。图中，显示屏SC发射出的光束171L入射到半透半反层101上，部分反射，部分透射，其中部分反射的光束未示出，部分透射的光束以172L表示。

反射式偏振器103位于所述半透半反层101的光路下游，具有透光轴，配置成允许偏振方向平行于所述透光轴的偏振光通过，并将偏振方向与所述透光轴垂直的偏振光反射。如图1所示，半透半反层101和所述反射式偏振器103之间形成光学腔，用于光路折叠。从而优选的，光束在首次入射到所述反射式偏振器103之后，并不直接出射，而是被反射，返回到所述半透半反层101之后被部分反射，被半透半反层101反射的光束再次入射到反射式偏振器103之后，透过反射式偏振器103出射，在用户的眼中成像。具体工作原理将在下面详细描述。

如图1所示，相位调制液晶透镜102设置在所述半透半反层101与所述反射式偏振器103之间，位于所述用于折叠光路的腔中。相位调制液晶透镜102配置成对通过其中的光束进行相位延迟和/或相位补偿。本发明中，由于光的相位在透过具有二相性或多向性的物质时发生偏转所产生的相位的延后作用称为相位延迟。相位补偿就是让信号处理超前或延时,实现在场同步下的细微调节。

根据本发明的一个优选实施例，所述相位调制液晶透镜102提供相位延迟的光学调制，具体的，可以配置为四分之一波片。所述相位调制液晶透镜102例如配置成使得：入射到所述光学模组100上的偏振光(例如圆偏光，线偏振s光，线偏振p光)经调制后首次入射到所述反射式偏振器103时，偏振方向垂直于所述反射式偏振器103的透光轴，因而会被反射；二次入射到所述反射式偏振器103时，偏振方向平行于所述反射式偏振器103的透光轴，因而可以透射，从而在用户眼中成像，用户可以观察到显示屏SC上的图像。相位调制液晶透镜102或者配置为具有相位补偿的相位延迟器件。

下面参考图1详细描述光学模组100的工作原理。其中以L、R、s和p来表示光线的偏振态，其中L表示左旋圆偏振光，R表示右旋圆偏振光，s表示线偏振s光，p表示线偏振p光。

如图1所示，从显示屏SC发射的光可以是左旋圆偏振光171L，入射到半透半反层101上，部分被反射，部分被透射，部分透射的光为左旋圆偏振光172L(透射穿过半透半反层前后，光束的偏振态不变)。该左旋圆偏振光172L入射到相位调制液晶透镜102上。相位调制液晶透镜102例如具有四分之一波片的功能，可以将左旋圆偏振光172L转换成线偏振s光173s,线偏振s光173s入射到反射偏振器103上。反射偏振器103布置成允许线偏振p光透射，并将线偏振s光反射，因此反射偏振器103将会把线偏振s光173s反射，即沿反方向行进的线偏振s光174s。反射的线偏振s光174s第二次进入相位调制液晶透镜102，并被转换为沿负z方向行进的左旋圆偏振光175L。左旋圆偏振光175L被半透半反层101反射，形成右旋圆偏振光176R，该右旋圆偏振光176R第三次进入相位调制液晶透镜102并被转换为线偏振p光177p，该线偏振p光177p入射到反射式偏振器103上，偏振方向平行于所述反射式偏振器103的透光轴，因此透射通过反射式偏振器103，形成线偏振p光178p。线偏振p光178p入射到用户眼睛中并在视网膜上成像，从而用户可以观察到显示屏SC上的图像。

在上面的实施例中，相位调制液晶透镜130具有四分之一波片的功能，本发明不限于此，相位调制液晶透镜130可以具有其他数值的相位延迟量，例如具有二分之一波片的功能，本领域技术人员在本发明的教导下可以根据实际光学调制的需求来设计相位调制液晶透镜130的相位调制的数值。

另外，在图1的实施例中，一个相位调制液晶透镜102设置在所述半透半反层101与所述反射式偏振器103之间，本发明不限于此，相位调制液晶透镜也可以设置在所述半透半反层101的光路上游，即位于图1中半透半反层101与显示屏SC之间。另外，光学模组100也可以包括两个或更多个相位调制液晶透镜102。例如分别设置在所述反射式偏振器103的光路上游，多个相位调制液晶透镜102共同用于对光束进行调制，以使得入射到所述光学模组上的光束经调制后首次入射到所述反射式偏振器103时，偏振方向垂直于所述反射式偏振器103的透光轴；二次入射到所述反射式偏振器103时，偏振方向平行于所述反射式偏振器103的透光轴。这些都在本发明的保护范围内。

另外，除了相位延迟以外，相位调制液晶透镜102还可以具有相位补偿功能。根据本发明的一个优选实施例，相位调制液晶透镜102配置成对通过其中的光束进行λ/4的相位延迟以及±λ/100范围内的相位补偿，以减少由于相位延迟偏差产生的漏光效应。通过增加相位补偿功能，可以使得首次入射到所述反射式偏振器103的光束尽可能多的被反射式偏振器103反射，换言之，尽可能少地透射通过反射式偏振器，减少相位延迟偏差产生的漏光效应。另外，通过相位补偿，可以让信号处理超前或延时,实现在场同步下的细微调节，让图像居中，避免出现半截在上、半截在下的情形。因此本发明的实施例中，相位调制液晶透镜102可以单独具有1/4波片功能，还可以具有1/4波片功能+相位补偿功能。当具有第二种功能时，也即采用相位调制液晶透镜102实现1/4波片功能时，可能会产生夹角并存在漏光的可能性，所以可以通过相位调制液晶透镜102的相位补偿减轻或者消除漏光。

液晶(微)透镜是一种利用电光效应来改变透镜折射率空间分布和微电子技术工艺制作的新型微透镜，是结合了微透镜技术和液晶良好电控特性的新型光学微纳器件。液晶微透镜具有尺寸微小，焦距可调等优点，同时具有易于集成、成像质量好、响应时间相对较快等优点；相比依赖厚度、折射率与焦距单一的传统固定透镜,液晶微透镜能够在毫秒量级的反应时间内在电场驱动调节下实现焦距的变化功能,因为是一种无机械运动部件的变焦器件。

由于液晶透镜是通过电控可调电场来实现不同功能，因此通过调节电场，可使液晶透镜实现相位延迟和电子相位补偿的功能。本申请就是利用液晶透镜的相位延迟和电子相位补偿的功能来实现所述效果的。

本发明的上述实施例中，相位调制液晶透镜102具有相位延迟和/或电子相位补偿的功能，且所述相位调制液晶透镜的相位延迟的功能可通过电压控制实现。以用作四分之一波片为例，通过电子修正能够使所述反射式偏振器103与相位调制液晶透镜102之间的夹角消除或者极小，进而旋转整个波片(也即由于反射式偏振器PBS自身属性保持不变为正常方向，另一个方向(液晶透镜)可根据需要实现一定角度的旋转，以消除两者间的夹角)，实现较好的偏振转换效果；同时由于所述液晶透镜具有电子相位补偿的功能，从而可以消除相位异常，消除应力双折射导致的色散问题，从而以较好的角度实现光线偏振转换。利用液晶透镜，实现四分之一波片的功能以及相位补偿功能，可以和PBS膜层配合消除相位偏差，也可以用在液晶显示屏端贴合实现已经消除相位偏差的圆偏振光。

波片又称之为相位延迟片，可使偏振光两个振动方向相互垂直的偏振分量间产生一个相对的相位延迟，从而改变光的偏振特性。四分之一波片有以下特点：产生π/2奇数倍的相位延迟，能使入射线偏振光变为椭圆偏振光。若入射线偏振光的光矢量与波片快慢轴成±45°，将得到圆偏振光。四分之一波片通常由塑料薄膜/片制成，透明度非常高，能对光进行圆偏振，并将其相位向左或向右延迟四分之一波长。如果将光在同一方向上以四分之一波循环延迟两次，实际上进行了“半个波长”的旋转，光则线性旋转90度。从镜子反射的光将导致圆偏振从右侧或左侧变为相反的圆偏振。四分之一波片可以实现线偏振光和圆偏振光的互相转换。

在图1所示的实施例中未示出透镜。本领域技术人员容易理解，光学模组100可根据需要在光路中包括一个或多个透镜，例如一个或多个凸透镜，从而可以对显示屏SC的图像进行放大。另外，通过光束在光路中折叠，多次穿过凸透镜，可以增大光程，有效放大图像，同时减小光学模组的整体厚度。

通过“折叠路径”，光线在相同的元件间来回反射，从而节省了空间。最靠近显示设备的透镜例如可具有半反射镜涂层，因此，既能在第一次透射时充当面透镜，又能在光反射时充当曲面镜。

下面参考附图描述根据本发明的多个优选实施例。

图2示出了根据本发明一个优选实施例的光学模组100，其中沿着光路方向(图中从右到左的方向)依次包括半透半反层101、第一透镜104、相位调制液晶透镜102、反射式偏振器103以及第二透镜105，其中半透半反层101贴附在第一透镜104的物侧(右侧)表面上，例如具有与第一透镜104的物侧表面相匹配的曲面形状。反射式偏振器103贴附在第二透镜105的物侧表面上，例如具有平面形状。可替换的，所述反射式偏振器103也可以靠近所述第二透镜105的表面设置，二者之间根据需要设置一定的间隔，并且表面形状也可以设置为不同。

图2中，相位调制液晶透镜102夹在所述第一透镜104与所述第二透镜105之间，图3和图4中示出了光学模组100的两个变型，其中在图3中，相位调制液晶透镜102与第一透镜104的像侧表面贴附在一起，在图4中，相位调制液晶透镜102与第二透镜105的物侧表面贴附在一起，反射式偏振器103夹在相位调制液晶透镜102与第二透镜105的物侧表面之间。

图2-图4中示出了光学模组100包括第一透镜104和第二透镜105，本发明不限于此，也可以仅包括一个透镜，也可以包括更多的透镜，这些都在本发明的保护范围内。

图2-图4中的光学模组100的光束调制过程与图1所示的基本相同，此处不再赘述。

图5A示出了根据本发明另一个实施例的光学模组200。图5A所示实施例的光学模组100沿着光路方向依次包括：相位调制液晶透镜202、半透半反层201、第一透镜204、四分之一波片206、反射式偏振器203以及第二透镜205。其中半透半反层201和四分之一波片206分别贴附在第一透镜204的物侧表面上和像侧表面上。相位调制液晶透镜202例如配置成实现四分之一波片的相位延迟效果，并且可选的提供相位补偿功能。

图5B示出了图5A所示的光学模组200的光路示意图。显示屏SC发射出线偏振s光271s并入射到相位调制液晶透镜202上，通过相位调制液晶透镜202的四分之一波片的相位延迟功能，被转换为左旋圆偏振光272L，随后入射到半透半反层201上，部分透射后穿过第一透镜204，如左旋圆偏振光273L所示。左旋圆偏振光273L由四分之一波片206转换为线偏振s光274s，并入射到反射偏振器203上，由于线偏振s光274s的偏振方向不平行于反射式偏振器203的透光轴，因此线偏振s光274s被反射，如线偏振s光275s所示。线偏振s光275s第二次经过四分之一波片206并被转换为左旋圆偏振光276L，左旋圆偏振光276L进入第一透镜204并被半透半反层201反射为右旋圆偏振光277R，右旋圆偏振光277R第三次经过四分之一波片206，并被转换成线偏振p光278p，线偏振p光278p的偏振方向平行于反射式偏振器203的透光轴，因此可以透射通过，成为线偏振p光279p，然后透射通过第二透镜205入射到用户眼睛中(280p)。

根据本发明的一个优选实施例，光学模组还可包括调焦液晶透镜，设置在所述光学腔的外侧，例如可以与所述相位调制液晶透镜设置在所述腔的外部的相同侧或者相反侧。下面具体描述。

图6A示出了根据本发明一个优选实施例的光学模组300，其中包括调焦液晶透镜，下面参考图6A详细描述。

如图6A所示，光学模组300沿着光路方向依次包括：半透半反层301、第一透镜304、相位调制液晶透镜302、反射式偏振器303、第二透镜305、四分之一波片306以及调焦液晶透镜307，其中半透半反层301优选贴附在第一透镜304的物侧表面上，反射式偏振器303和四分之一波片306优选分别贴附在第二透镜305的物侧表面和像侧表面上。图6A中，相位调制液晶透镜302位于所述光学腔的内部，调焦液晶透镜307位于所述光学腔的外部。调焦液晶透镜307例如为PBP(Pancharatnam Berry Phase)液晶透镜堆叠构成的，具有调焦功能，可以对右旋圆偏振光做出响应。

图6B示出了图6A所示的光学模组300的光路示意图。如图6B所示，从显示屏SC发射的光371L例如可以是左旋圆偏振光并入射到半透半反层301上，部分被反射，部分被透射(如372L所示)。透射的光束372L通过第一透镜304并出射光束373L，该光束372L和373L均是左旋圆偏振光。该左旋圆偏振光373L入射到相位调制液晶透镜302上，相位调制液晶透镜302优选具有四分之一波片的功能和相位补偿功能，其中四分之一波片的功能可以将左旋圆偏振光373L转换成线偏振s光374s,线偏振s光374s进入反射偏振器303。反射偏振器303可以透射线偏振p光并反射线偏振s光，因此线偏振s光374s被反射为沿反方向行进的线偏振s光375s。反射的线偏振s光375s第二次进入相位调制液晶透镜302，并被转换为沿负z方向行进的左旋圆偏振光376L。左旋圆偏振光376L进入第一透镜304内，出射左旋圆偏振光377L，左旋圆偏振光377L被半透半反层301部分反射为右旋圆偏振光378R，该右旋圆偏振光378R从第一透镜304出射，形成射右旋圆偏振光379R，该右旋圆偏振光379R第三次进入相位调制液晶透镜302并被转换为线偏振p光380P，该线偏振p光380P透射通过反射偏振器303成为线偏振p光381P。线偏振p光381P经过第二透镜305和四分之一波片306，被转换成右旋圆偏振光382R，该右旋圆偏振光382R入射到调焦液晶透镜307上，最终出射到用户的眼睛中并且成像。其中，通过控制PBP液晶透镜堆叠中的可切换半波片SHWP的切换状态，调焦液晶透镜307可以提供光焦度的连续调节。

图7A示出了根据本发明一个优选实施例的光学模组400，其中包括调焦液晶透镜，下面参考图7A详细描述。

如图7A所示，光学模组400沿着光路方向依次包括：相位调制液晶透镜402、半透半反层401、第一透镜404、(第一)四分之一波片406、反射式偏振器403、第二透镜405、(第二)四分之一波片408以及调焦液晶透镜407，其中半透半反层401优选贴附在第一透镜404的物侧表面上，(第一)四分之一波片406贴附在第一透镜404的像侧表面上，反射式偏振器403和(第二)四分之一波片408优选分别贴附在第二透镜405的物侧表面和像侧表面上。图7A中，相位调制液晶透镜402位于所述光学腔的外部，调焦液晶透镜407位于所述光学腔的外部，并且与相位调制液晶透镜402位于所述光学腔的相反侧上。调焦液晶透镜407例如为PBP液晶透镜堆叠构成的，具有调焦功能，可以对右旋圆偏振光做出响应。

图7B示出了图7A所示的光学模组400的光路示意图。如图7B所示，从显示屏SC发射线偏振s光471s，入射到相位调制液晶透镜402，通过相位调制液晶透镜402的相位延迟功能(例如四分之一波片的功能)，被转换为左旋圆偏振光472L，然后入射到半透半反层401上，被部分反射和部分透射(473L)。部分透射的光473L进入第一透镜404，并通过(第一)四分之一波片406，被转换为线偏振s光474s，入射到反射偏振器403上，并被反射为沿反方向行进的线偏振s光475s。线偏振s光475s第二次经过(第一)四分之一波片406，并被转换为左旋圆偏振光476L，其结果第一透镜404并被半透半反层401部分反射，形成右旋圆偏振光477R，右旋圆偏振光477R第三次经过(第一)四分之一波片406，并被转换成线偏振p光478p，线偏振p光478p透射通过反射偏振器表面403并成为线偏振p光479p，然后经过第二透镜405和(第二)四分之一波片408，被转换为右旋圆偏振光480R，入射到调焦液晶透镜407上。通过控制PBP LC透镜堆叠407中的可切换半波片SHWP的切换状态，调焦液晶透镜407可以提供光焦度的连续调节。

图8A示出了根据本发明一个优选实施例的光学模组500，其中包括调焦液晶透镜，下面参考图8A详细描述。

如图8A所示，光学模组500沿着光路方向依次包括：相位调制液晶透镜502、调焦液晶透镜507、半透半反层501、第一透镜504、四分之一波片506、反射式偏振器503以及第二透镜505，其中半透半反层501和四分之一波片506优选分别贴附在第一透镜504的物侧表面和像侧表面上，反射式偏振器503优选贴附在第二透镜405的物侧表面上。图8A中，相位调制液晶透镜502位于所述光学腔的外部，调焦液晶透镜507位于所述光学腔的外部，并且与相位调制液晶透镜402位于所述光学腔的相同侧上。调焦液晶透镜507例如为PBP液晶透镜堆叠构成的，具有调焦功能，可以对右旋偏振光做出响应。相位调制液晶透镜502实现QWP和相位补偿功能，可响应s线偏振光。

图8B示出了图8A所示的光学模组500的光路示意图。如图8B所示，显示屏SC发射线偏振s光571s，入射到相位调制液晶透镜502上，通过相位调制液晶透镜502的相位延迟及功能，例如QWP功能，被转换为左旋圆偏振光572L，经过调焦液晶透镜507后，光束仍然为左旋圆偏振光573L，入射到半透半反层501上，部分透射和部分反射，其中部分透射的光束(574L)进入第一透镜504内，然后被四分之一波片506转换为线偏振s光575s并出射。线偏振s光575s入射到反射偏振器503，并被反射为沿反方向行进的线偏振s光576s，线偏振s光576s第二次经过四分之一波片506并被转换为左旋圆偏振光577L，然后穿过第一透镜504并被半透半反层501部分反射为右旋圆偏振光578R，第三次经过四分之一波片506，并被转换成线偏振p光579p，然后透射通过反射偏振器503成为线偏振p光580p，继续透射通过第二具体505(581P)，入射到用户眼睛中并且成像。

图9A示出了根据本发明一个优选实施例的光学模组600，其中包括两个相位调制液晶透镜，下面参考图9A详细描述。

如图9A所示，光学模组600沿着光路方向依次包括：(第一)相位调制液晶透镜607、(第二)相位调制液晶透镜602、半透半反层601、第一透镜604、四分之一波片606、反射式偏振器603以及第二透镜605，其中半透半反层601和四分之一波片606优选分别贴附在第一透镜604的物侧表面和像侧表面上，反射式偏振器603优选贴附在第二透镜605的物侧表面上。图9A中，(第二)相位调制液晶透镜602位于所述光学腔的外部，(第一)相位调制液晶透镜607位于所述光学腔的外部，并且与(第二)相位调制液晶透镜602位于所述光学腔的相同侧上。(第一)相位调制液晶透镜607例如为PBP液晶透镜堆叠构成的，具有调焦功能，可以对右旋偏振光做出响应。(第二)相位调制液晶透镜602实现QWP(四分之一波片)和相位补偿功能，可响应s线偏振光。

相位调制液晶透镜602实现QWP和相位补偿功能，响应s线偏振光。(第一)相位调制液晶透镜607实现QWP功能，响应左旋圆偏振光(L)。

图9B示出了图9A所示的光学模组500的光路示意图。如图9B所示，显示屏SC发射左旋圆偏振光671L，入射到(第一)相位调制液晶透镜607上，经过(第一)相位调制液晶透镜607的QWP功能，转换为线偏振s光672s，然后经过相位调制液晶透镜602的QWP功能，被转换为左旋圆偏振光673L，入射到半透半反层601上，并被部分反射，部分透射(674L)。部分透射的光束674L经过第一透镜604和四分之一波片606被转换为线偏振s光675s，其入射到反射偏振器603上，并被反射为沿反方向行进的线偏振s光676s，线偏振s光676s第二次经过四分之一波片606，被转换为左旋圆偏振光677L，其通过第一透镜604，并被半透半反层601反射为右旋圆偏振光678R，然后第三次经过四分之一波片606，并被转换成线偏振p光679p，线偏振p光679p透射通过反射偏振器603并成为线偏振p光680p，其可以透射通过第二镜头605(681p)并入射到用户眼睛中。

本发明还涉及一种近眼显示装置，包括：显示屏SC和如上所述的光学模组100、200、300、400、500或600，所述光学模组光学模组设置在所述显示屏SC的光路下游。

如图10所示，本发明还涉及一种光学模组的光投射方法700，包括：

S701：将光束照射到在半透半反层和反射式偏振器之间形成的腔中并进行光路折叠，其中所述反射式偏振器位于所述半透半反层的光路下游，并具有透光轴；和

S702：通过相位调制液晶透镜对所述光束进行相位延迟和/或相位补偿，使得入射到所述光学模组上的圆偏光经调制后首次入射到所述反射式偏振器时，偏振方向垂直于所述反射式偏振器的透光轴；二次入射到所述反射式偏振器时，偏振方向平行于所述反射式偏振器的透光轴。

根据本发明的一个实施例，所述的光投射方法还包括：通过透镜对所述光束进行成像和放大。

根据本发明的一个实施例，所述的光投射方法还包括：通过设置在所述腔的外侧的调焦液晶透镜，调节所述光学模组的焦距。

根据本发明的一个实施例，所述光投射方法通过如上所述的光学模组实施。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种具有折叠光路的光学模组，包括：

半透半反层，配置成将入射到其上的光束部分反射，部分透射；

反射式偏振器，位于所述半透半反层的光路下游，具有透光轴，配置成允许偏振方向平行于所述透光轴的偏振光通过，并将偏振方向与所述透光轴垂直的偏振光反射；和

相位调制液晶透镜，所述相位调制液晶透镜设置在所述半透半反层的光路上游或所述半透半反层与所述反射式偏振器之间，所述相位调制液晶透镜配置成对通过其中的光束进行相位延迟和/或相位补偿，

其中所述半透半反层和所述反射式偏振器之间形成用作所述折叠光路的腔。

2.根据权利要求1所述的光学模组，其中所述相位调制液晶透镜配置为四分之一波片或者具有相位补偿的相位延迟器件。

3.根据权利要求1或2所述的光学模组，还包括第一透镜，所述半透半反层贴附在所述第一透镜的表面上。

4.根据权利要求1或2所述的光学模组，还包括第二透镜，所述反射式偏振器靠近所述第二透镜的表面设置。

5.根据权利要求1或2所述的光学模组，还包括调焦液晶透镜，所述调焦液晶透镜设置在所述腔的外侧。

6.根据权利要求5所述的光学模组，其中所述相位调制液晶透镜与调焦液晶透镜设置在所述腔的外部的同一侧或者相反侧。

7.根据权利要求5所述的光学模组，其中所述相位调制液晶透镜设置在所述腔的内部。

8.根据权利要求1所述的光学模组，其中所述相位调制液晶透镜配置成使得：入射到所述光学模组上的偏振光经调制后首次入射到所述反射式偏振器时，偏振方向垂直于所述反射式偏振器的透光轴；二次入射到所述反射式偏振器时，偏振方向平行于所述反射式偏振器的透光轴。

9.一种近眼显示装置，包括：

显示屏；和

如权利要求1-8中任一项所述的光学模组，设置在所述显示屏的光路下游。

10.一种光学模组的光投射方法，包括：

S101：将光束照射到在半透半反层和反射式偏振器之间形成的腔中并进行光路折叠，其中所述反射式偏振器位于所述半透半反层的光路下游，并具有透光轴；和

S102：通过相位调制液晶透镜对所述光束进行相位延迟和/或相位补偿，使得入射到所述光学模组上的偏振光经调制后首次入射到所述反射式偏振器时，偏振方向垂直于所述反射式偏振器的透光轴；二次入射到所述反射式偏振器时，偏振方向平行于所述反射式偏振器的透光轴。

11.根据权利要求10所述的光投射方法，还包括：通过透镜对所述光束进行成像和放大。

12.根据权利要求10所述的光投射方法，还包括：通过设置在所述腔的外侧的调焦液晶透镜，调节所述光学模组的焦距。

13.根据权利要求10-12所述的光投射方法，其中光投射方法通过如权利要求1-8中任一项所述的光学模组实施。

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