CN115268069A

CN115268069A - 光学模组以及头戴显示设备

Info

Publication number: CN115268069A
Application number: CN202210768807.4A
Authority: CN
Inventors: 宋文宝
Original assignee: Goertek Optical Technology Co Ltd
Current assignee: Goertek Optical Technology Co Ltd
Priority date: 2022-06-30
Filing date: 2022-06-30
Publication date: 2022-11-01
Also published as: WO2024001239A1

Abstract

本申请实施例公开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第一透镜及第二透镜；所述光学模组还包括分光元件、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；所述分光元件位于所述第二透镜的任一侧，所述第一相位延迟器及所述偏振反射元件位于所述第一透镜的任一侧；其中，所述光学模组的折叠光路间光程与所述光学模组总光程的比值为0.2～0.3。本申请实施例提供的光学方案，通过合理调整折叠光路间光程与光学模组总光程的比值，实现了有效减小光学模组总长。

Description

光学模组以及头戴显示设备

技术领域

本申请涉及光学显示技术领域，更具体地，本申请涉及一种光学模组以及头戴显示设备。

背景技术

近年来，虚拟现实设备发展迅速，但目前虚拟现实设备普遍存在体积较大、重量较重的问题，这在一定程度上影响用户的使用体验感。相对于传统的非球面和菲涅尔VR光学结构，折叠光路形式VR光学结构因具有光学模组总长小的优点，利于实现VR光学模组的小型化发展趋势。但是，现有的方案中都是通过减少光学镜片或者光学膜的数量来实现光学模组总长的减少，这可能会导致成像质量不佳。

发明内容

本申请的目的在于提供的一种光学模组以及头戴显示设备的新技术方案，能够有效减小光学模组总长。

根据本申请的一个方面，提供了一种光学模组，所述光学模组包括第一透镜及第二透镜；

所述光学模组还包括分光元件、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；所述分光元件位于所述第二透镜的任一侧，所述第一相位延迟器及所述偏振反射元件位于所述第一透镜的任一侧；

其中，所述光学模组的折叠光路间光程与所述光学模组总光程的比值为0.2～0.3。

可选地，所述折叠光路间光程为：所述偏振反射元件与所述分光元件之间每个元件的厚度与自身折射率的乘积叠加，且其中包括空气间隔与空气折射率乘积；

所述光学模组总光程为：光线在所述光学模组中依次经过的每个元件的厚度与自身折射率的乘积叠加，且其中包括空气间隔与空气折射率乘积。

可选地，所述第一透镜包括第一表面和第二表面，所述第二透镜包括第三表面和第四表面，其中，所述第二表面与所述第三表面为相邻设置，且二者形成有空气间隔；

所述分光元件设于所述第二透镜的第四表面，所述第一相位延迟器设于所述第二透镜的第三表面；

所述偏振反射元件设于所述第一透镜的第二表面。可选地，所述折叠光路间光程为：A₁₂*n₀+T₅₀*n₅₀+T₂₀*n₂₀；

其中：A₁₂为所述第一透镜与所述第二透镜之间的空气间隔，n₀为空气折射率；T₅₀为所述第一相位延迟器的厚度，n₅₀为所述第一相位延迟器的折射率；T₂₀为所述第二透镜的厚度，n₂₀为所述第二透镜的折射率。

可选地，所述光学模组还包括显示屏幕，所述显示屏幕具有出光面，所述出光面被配置为能够发射圆偏振光或者线偏振光；

当所述显示屏幕的出光面发射的光线为线偏振光时，在所述显示屏幕的出光面一侧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，所述分光元件位于所述第一相位延迟器与所述第二相位延迟器之间。

可选地，所述光学模组还包括偏振元件，所述第二相位延迟器与所述偏振元件层叠设置形成复合膜，所述复合膜设于所述显示屏幕的出光面；

所述偏振元件位于所述第二相位延迟器与所述显示屏幕的出光面之间，所述出光面与所述复合膜之间设置有屏幕保护片。

可选地，所述光学模组总光程如下：

T₉₀*n₉₀+T₈₀*n₈₀+T₇₀*n₇₀+A₂₇*n₀+T₂₀*n₂₀+T₅₀*n₅₀+A₁₂*n₀+A₁₂*n₀+T₅₀*n₅₀+

T₂₀*n₂₀+T₂₀*n₂₀+T₅₀*n₅₀+A₁₂*n₀+T₆₀*n₆₀+T₁₀*n₁₀；

其中：T₉₀为所述屏幕保护片的厚度，n₉₀为所述屏幕保护片的折射率；T₈₀为所述偏振元件的厚度，n₈₀为所述偏振元件的折射率；T₇₀为所述第二相位延迟器的厚度，n₇₀为所述第二相位延迟器的折射率；A₂₇为所述第二透镜与所述第二相位延迟器之间的空气间隔，n₀为空气折射率；T₂₀为所述第二透镜的厚度，n₂₀为所述第二透镜的折射率；T₅₀为所述第一相位延迟器的厚度，n₅₀为所述第一相位延迟器的折射率；A₁₂为所述第一透镜与所述第二透镜之间的空气间隔，n₀为空气折射率；T₆₀为所述偏振反射元件的厚度，n₆₀所述偏振反射元件的折射率；T₁₀为所述第一透镜的厚度，n₁₀为所述第一透镜的折射率。

可选地，所述光学模组还包括第三透镜，其中，所述第二透镜位于所述第一透镜和所述第三透镜之间，所述第三透镜用于透射光线。

可选地，所述分光元件位于所述第二透镜与所述第三透镜之间；

所述第一相位延迟器和所述偏振反射元件位于所述第二透镜与所述第一透镜之间。

可选地，所述光学模组还包括显示屏幕，所述显示屏幕靠近所述第三透镜设置；

所述显示屏幕具有出光面，所述出光面被配置为能够发射圆偏振光或者线偏振光；

当所述显示屏幕的出光面发射的光线为线偏振光时，在所述显示屏幕的出光面与所述第三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，所述分光元件设置于所述第二透镜靠近所述显示屏幕的表面，所述第一相位延迟器设于所述第二透镜远离所述显示屏幕的表面，所述偏振反射元件设于所述第一透镜靠近所述显示屏幕的表面；

所述光学模组还包括偏振元件，所述第二相位延迟器与所述偏振元件层叠设置形成复合膜，所述复合膜设于所述显示屏幕的出光面，其中，所述偏振元件位于所述第二相位延迟器与所述显示屏幕的出光面之间，在所述出光面与所述复合膜之间设置有屏幕保护片。

可选地，在所述光学模组还包括第三透镜的情况下，所述光学模组总光程为：

T₉₀*n₉₀+T₈₀*n₈₀+T₇₀*n₇₀+A₃₇*n₀+T₃₀*n₃₀+A₂₃*n₀+T₂₀*n₂₀+T₅₀*n₅₀+A₁₂*n₀+

A₁₂*n₀+T₅₀*n₅₀+T₂₀*n₂₀+T₂₀*n₂₀+T₅₀*n₅₀+A₁₂*n₀+T₆₀*n₆₀+T₁₀*n₁₀；

其中：T₉₀为所述屏幕保护片的厚度，n₉₀为所述屏幕保护片的折射率；T₈₀为所述偏振元件的厚度，n₈₀为所述偏振元件的折射率；T₇₀为所述第二相位延迟器的厚度，n₇₀为所述第二相位延迟器的折射率；A₃₇为所述第三透镜与所述第二相位延迟器之间的空气间隔，n₀为空气的折射率；T₃₀为所述第三透镜的厚度，n₃₀为所述第三透镜的折射率；A₂₃为所述第二透镜与所述第三透镜之间的空气间隔，n₀为空气的折射率；T₂₀为所述第二透镜的厚度，n₂₀为所述第二透镜的折射率；T₅₀为所述第一相位延迟器的厚度，n₅₀为所述第一相位延迟器的折射率；A₁₂为所述第一透镜与所述第二透镜之间的空气间隔，n₀为空气折射率；T₆₀为所述偏振反射元件的厚度，n₆₀所述偏振反射元件的折射率；T₁₀为所述第一透镜的厚度，n₁₀为所述第一透镜的折射率。

根据本申请的另一个方面，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。

本申请的有益效果在于：

本申请实施例提供了一种折叠光路方案，通过调整折叠光路间光程与光学模组总光程的比值，将该比值控制在一定的范围内，可以合理减小光学模组总长，进而可以减小光学模组的尺寸；光学模组还可兼具较佳的成像质量。

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

图1是本申请一实施例提供的光学模组的结构示意图之一；

图2是图1示出的光学模组450nm下调制传递函数MTF曲线；

图3是图1示出的光学模组540nm下调制传递函数MTF曲线；

图4是图1示出的光学模组610nm下调制传递函数MTF曲线；

图5是本申请一实施例提供的光学模组的结构示意图之二；

图6是本申请一实施例提供的光学模组的结构示意图之三；

图7是本申请另一实施例提供的光学模组的结构示意图之一；

图8是图7示出的光学模组450nm下调制传递函数MTF曲线；

图9是图7示出的光学模组540nm下调制传递函数MTF曲线；

图10是图7示出的光学模组610nm下调制传递函数MTF曲线；

图11是本申请另一实施例提供的光学模组的结构示意图之二；

图12是本申请另一实施例提供的光学模组的结构示意图之三。

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；40、分光元件；50、第一相位延迟器；60、偏振反射元件；70、第二相位延迟器；80、偏振元件；90、显示屏幕；100、光轴；01、光阑；02、光线。

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、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法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12对本申请实施例提供的光学模组以及头戴显示设备进行地详细描述。

根据本申请实施例的一个方面，提供了光学模组，所述光学模组为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)，具有尺寸小且兼具较好的成像质量。

本申请实施例提供了一种光学模组，如图1所示，所述光学模组包括第一透镜10及第二透镜20；

所述光学模组还包括分光元件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；所述分光元件40位于所述第二透镜20的任一侧，所述第一相位延迟器50及所述偏振反射元件60位于所述第一透镜10的任一侧；

需要说明的是，在所述光学模组中，在偏振反射元件60与分光元件40间形成了折叠光路，因此，本申请实施例中定义的折叠光路间光程是指偏振反射元件60与分光元件40间光程。

本申请实施例提供的光学模组，其可以包括一透镜组，该透镜组中例如可以包括两个光学镜片，分别为上述的第一透镜10及第二透镜20，光路结构中光学镜片的设置数量可以比较少，如此可降低装配难度，以及光学模组的尺寸和重量，还可以适当降低生产成本。

本申请实施例提供的光学模组，除了包含第一透镜10及第二透镜20之外，其还包含分光元件40、第一相位延迟器50及偏振反射元件60等光学元件(光学膜)，如此可以使光学模组形成折叠光路结构，这也有利于减小光学模组的尺寸。

本申请实施例提供的光学模组，其是一种折叠光路结构，如图1所示，光学模组中的各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100上。整个光路结构的尺寸较小，并不会占用较大的空间。非常适合应用于智能穿戴设备，例如头戴显示设备。

本申请实施例提供了一种折叠光路方案，通过调整偏振反射元件60和分光元件40间光程(或称为折叠光路间光程)与光学模组总光程的比值，并将该比值控制在0.2～0.3内，可以合理减小光学模组总长，进而可以减小光学模组的尺寸，当将光学模组应用于头戴显示设备中时，可以减小整个头戴显示设备的尺寸，进而可以提升用户的佩戴舒适感。

并且，本申请实施例的光学模组还可兼具较佳的成像质量，可以提升用户观看体验。

需要说明的是，在现有的相关技术中，都是通过调整透镜或者光学膜的数量和位置等方式调整光学模组的尺寸及成像质量。但本申请实施例提供的方案并非如此。本申请实施例提供的方案创造性的发现通过调整折叠光路中折叠光路间光程与光学模组总光程的比值，以此可以减小光线在显示屏幕上的出射角度，可以使光学模组边缘视场与中心视场的成像亮度差异减小，可以提升成像画面质量。

需要说明的是，光学模组总长为第一透镜10的第一表面11与光轴100交点到显示屏幕90的出光面的距离。

其中，分光元件40例如为半反半透膜，其可供一部分光线透射，另一部分光线反射。

需要说明的是，分光元件40的反射率可以根据具体需要灵活调整，本申请实施例中对此不作限制。

其中，第一相位延迟器50例如为四分之一波片(膜)或者其他相位延迟片。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，用于将线偏振光转化为圆偏振光，或者用于将圆偏振光转化为线偏振光。

其中，偏振反射元件60例如为偏振反射膜。

偏振反射元件60例如为一种可供水平线偏振光反射，竖直线偏振光透过的偏振反射器件。或者，偏振反射元件60也可以是供其他任一特定角度线偏振光反射，与该角度垂直方向线偏振光透过的偏振反射器件。

偏振反射元件60具有光线透过的透过轴，偏振反射元件60的透过轴与第一相位延迟器50的快轴或者慢轴之间的夹角为45°。

也就是说，偏振反射元件60的透过轴与第一相位延迟器50的快轴之间的夹角设置为45°，偏振反射元件60的透过轴与第一相位延迟器50的慢轴之间的夹角设置为负45°。

第一相位延迟器50具有快轴和慢轴。其中，与偏振反射元件60的透过轴方向相同的光线可以透过偏振反射元件60，与偏振反射元件60的透过轴方向正交的光线，无法透过偏振反射元件60。

在本申请的实施例中，第一相位延迟器50与偏振反射元件60相配合可用于解析光线，并对光线进行传递。

可选的是，第一相位延迟器50及偏振反射元件60可以为独立的光学器件，也可以为膜结构。

此外，第一相位延迟器50及偏振反射元件60可以贴装在一起。当然，二者也可以呈间隔设置，本申请实施例中对此不作限制。

本申请实施例提供的光学模组中，分光元件40、第一相位延迟器50及偏振反射元件60位于同一光轴100上，第一相位延迟器50需要位于分光元件40与偏振反射元件60之间，但具体设置位置可以根据需要灵活调整。

在本申请的一些示例中，如图1所示，所述折叠光路间光程为：所述偏振反射元件60与所述分光元件40之间每个元件的厚度与自身折射率的乘积叠加，其中包括空气间隔与空气折射率乘积；

所述光学模组总光程为：入射光线在所述光学模组中依次经过的每个元件的厚度与自身折射率的乘积叠加，其中包括空气间隔与空气折射率乘积。

其中，对于光学模组总光程是指从显示侧发出入射光线开始，直至入射光线从第一透镜10靠近光阑01一侧的表面出射，该入射光线在整个光路中依次经过的每个元件的厚度与自身折射率的乘积叠加，其中包括空气间隔与空气折射率乘积。

本申请实施例提供的光学模组，折叠光路间光程与光学模组总光程的比值可以控制在0.2～0.3。此时，光学模组总长可以合理减小，还可以具有非常好的成像质量，用户在使用该光学模组时具有较佳的观看体验。

在本申请实施例的光学模组中，光学模组总光程与光学模组的焦距为正相关，折叠光路间光程与光学模组总长为负相关。因此，在整个光学模组焦距一定的情况下，折叠光路间光程与光学模组总光程的比值越大，则光学模组总长可以越小，如此可以适当减小光学模组的尺寸。

进一步地，本申请实施例提供的光学模组，折叠光路间光程与光学模组总光程的比值可以控制在0.22～0.3。在此基础上，光学模组总长可以为30mm以下。光学模组总长明显较小。

在本申请的一些示例中，如图1所示，第一透镜10例如可以位于靠近光阑01的一侧，第二透镜20例如可以位于远离光阑01的一侧；此时，分光元件40可设于第二透镜20远离光阑01的表面，第一相位延迟器50可设于第二透镜20靠近光阑01的表面，偏振反射元件60可设于第一透镜10远离所述光阑01的表面。

也就是说，图1所示，当光学模组包括两个透镜，即第一透镜10和第二透镜20时，第一透镜10包括第一表面11和第二表面12，第一表面11靠近光阑01，第二表面12远离光阑，偏振反射元件60可以贴装于第二表面12。第二透镜20包括第三表面21及第四表面22，第三表面21靠近光阑01，第四表面22远离光阑01，第一相位延迟器50可以贴装于第三表面21，分光元件40可以通过镀膜的方式设于第四表面22。

在本申请的实施例中，将分光元件40和第一相位延迟器50设于第二透镜20，将偏振反射元件60设于第一透镜10，如此可以降低光学元件的装配难度，节省成本。其中，第一相位延迟器50、偏振反射元件60可以贴附到平面、球面、非球面、柱面、自由面以及其他形式曲面上，本申请实施例对此不作限制。

需要说明的是，分光元件40也可以设置为独立的光学器件设置于光路中，本领域技术人员可以根据具体需要灵活选择，本申请在此不作具体限制。

此外，偏振反射元件60和第一相位延迟器50二者也可以贴合在一起形成复合膜，并可以设置在多种面型的光学元件上，从而使得偏振反射元件60和第一相位延迟器50能够有效适应安装面的位置。

在本申请的一些示例中，如图1所示，所述折叠光路间光程为：A₁₂*n₀+T₅₀*n₅₀+T₂₀*n₂₀；

其中：A₁₂为所述第一透镜10与所述第二透镜20之间的空气间隔，n₀为空气折射率；T₅₀为所述第一相位延迟器50的厚度，n₅₀为所述第一相位延迟器50的折射率；T₂₀为所述第二透镜20的厚度，n₂₀为所述第二透镜20的折射率。

在本申请的一个具体实施例中，如图1所示，当将分光元件40设于第二透镜20的第四表面22，将第一相位延迟器50设于第二透镜20的第三表面21，以及将偏振反射元件60设于第一透镜10的第二表面12，则位于分光元件40与偏振反射元件60之间的元件就包括有第二透镜20和第一相位延迟器50，同时还涉及第一透镜10与第二透镜20之间的空气间隔A₁₂。

基于此，折叠光路间光程计算时可以包含第二透镜20的厚度乘以第二透镜20的折射率，第一相位延迟器50的厚度乘以第一相位延迟器50的折射率，以及第二透镜20与第一透镜10之间空气间隔乘以空气折射率。再将得到的三个乘积进行求和，即可得到光学模组中折叠光路间光程。

需要说明的是，当分光元件40、第一相位延迟器50及偏振反射元件60在光路结构中的设置位置变化时，需要根据具体的情况计算折叠光路间光程，其中可以能含有其他的光学元件或者空气间隔。

在本申请的一些示例中，如图1所示，所述光学模组还包括显示屏幕90，所述显示屏幕90具有出光面，所述出光面被配置为能够发射圆偏振光或者线偏振光；当所述显示屏幕90的出光面发射的光线为线偏振光时，在所述显示屏幕90的出光面一侧设置有第二相位延迟器70，所述第二相位延迟器70用以将线偏振光转变为圆偏振光。

例如，显示屏幕90可以位于分光元件40背离第二透镜20的一侧。

例如，显示屏幕90的出光面可以贴装屏幕保护片。

显示屏幕90的出光面所发出的光线可以为线偏振光，也可以是圆偏振光或者自然光，本申请实施例中对此不作限制。

此外，显示屏幕90可以是自发光式屏幕或者反射式屏幕。

其中，自发光式屏幕包括但不限于LCD、LED、OLED、Micro-OLED、ULED等。

其中，反射式屏幕包括但不限于DMD(Digital MicromirrorDevice)数字微镜芯片。

也就是说，本申请实施例的光学模组，在光阑01与显示屏幕90之间可以设置有两个透镜以及多个光学元件，各个光学元件在光路结构中的位置可以根据实际需要灵活选择，本申请实施例中对此不作限制。

在本申请的一些示例中，如图1所示，所述分光元件40可以位于所述第一相位延迟器50与所述第二相位延迟器70之间。

分光元件40在整个光学模组中的设置位置灵活，可以根据实际需要进行调整。但需要将第一相位延迟器50设置在分光元件40与第一偏振反射元件60之间。

在本申请的一些示例中，如图1所示，所述光学模组还包括偏振元件80，所述第二相位延迟器70与所述偏振元件80层叠设置形成复合膜，所述复合膜设于所述显示屏幕90的出光面；所述偏振元件80位于所述第二相位延迟器70与所述显示屏幕90的出光面之间，所述出光面与所述复合膜之间设置有屏幕保护片。

其中，偏振元件80例如可以为线偏振片。偏振元件80具有光线透过的透过轴，其透过轴的方向可以为沿着水平方向、竖直方向或者其他任一方向。

显示屏幕90的出光面所发射的入射光线在经过偏振元件80时，可以转化为线偏振光。

在本申请的实施例中，第二相位延迟器70和偏振元件80沿显示屏幕90的出光面发出的光线的传播方向依次设置。其中，偏振元件80具有透过轴，偏振元件80的透过轴与第二相位延迟器70的快轴之间的夹角为45°；其夹角可以是正45°，也可以是负45°。

第二相位延迟器70具有快轴和慢轴。与偏振元件80的透过轴方向相同的光线可以透过偏振元件80，而与偏振元件80的透过轴方向正交的光线，无法透过偏振元件80。

如图1所示，本申请的实施例中，所述第二相位延迟器70和所述偏振元件80均为膜结构，二者之间可以通过光学胶粘接形成复合膜，再将该复合膜通过光学胶贴装于所述显示屏幕90的出光面。这种方式可以降低偏振元件80和第二相位延迟器70的装配难度。

此外，偏振元件80及第二相位延迟器70二者也可以间隔设置，并设置于显示屏幕90的出光一侧的合适位置，此时，偏振元件80和第二相位延迟器70可以为独立器件。

在本申请的一个具体实施例中，如图1所示，光学模组包括第一透镜10和第二透镜20；第一透镜10靠近光阑01，第二透镜20远离光阑01；将分光元件40设于第二透镜20的第四表面22，将第一相位延迟器50设于第二透镜20的第三表面21，将偏振反射元件60设于第一透镜10的第二表面12；将第二相位延迟器70和偏振元件80层叠设置形成复合膜，并将复合膜设于显示屏幕90的出光面，且出光面与复合膜之间设置有屏幕保护片。

根据上述具体实施例提供的光学模组，光线的传播过程如下：

如图1所示，显示屏幕90发出的光线透过偏振元件80后成为水平线偏振光，透过第二相位延迟器70后成为左旋或右旋圆偏振光，透过分光元件40、第二透镜20和透过第一相位延迟器50后成为水平线偏振光；然后被偏振反射元件60反射后，成为水平线偏振光，然后透过第一相位延迟器50及第二透镜20后，成为左旋或右旋圆偏振光，然后由分光元件40反射后，形成右旋或左旋圆偏振光，然后再次透过第二透镜20和第一相位延迟器50后，成为竖直线偏振光，透过偏振反射元件60和第一透镜10后进入光阑01。

在上述例子的基础上，光学模组总光程可按照如下方法计算后获取：T₉₀*n₉₀+T₈₀*n₈₀+T₇₀*n₇₀+A₂₇*n₀+T₂₀*n₂₀+T₅₀*n₅₀+A₁₂*n₀+A₁₂*n₀+T₅₀*n₅₀+

其中：T₉₀为所述屏幕保护片的厚度，n₉₀为所述屏幕保护片的折射率；T₈₀为所述偏振元件80的厚度，n₈₀为所述偏振元件80的折射率；T₇₀为所述第二相位延迟器70的厚度，n₇₀为所述第二相位延迟器70的折射率；A₂₇为所述第二透镜20与所述第二相位延迟器70之间的空气间隔，n₀为空气折射率；T₂₀为所述第二透镜20的厚度，n₂₀为所述第二透镜20的折射率；T₅₀为所述第一相位延迟器50的厚度，n₅₀为所述第一相位延迟器50的折射率；A₁₂为所述第一透镜10与所述第二透镜20之间的空气间隔，n₀为空气折射率；T₆₀为所述偏振反射元件60的厚度，n₆₀所述偏振反射元件60的折射率；T₁₀为所述第一透镜10的厚度，n₁₀为所述第一透镜10的折射率。

如图1所示，光学模组总光程是指从显示侧发出光线开始，直至光线02从第一透镜10靠近光阑01一侧的表面出射，光线依次经过的每个元件的厚度与自身折射率的乘积叠加，其中还包括空气间隔与空气折射率乘积。

需要说明的是，当显示屏幕90可以直接发出圆偏振光时，可以在光学模组中省去偏振元件80及第二相位延迟器70的设计。在这种情况下，在计算光学模组总光程时无需加入第二相位延迟器70和偏振元件80。折叠光路间光程可以不受影响。

在本申请的一些示例中，如图7所示，所述光学模组还可以包括第三透镜30，其中，所述第二透镜20位于所述第一透镜10和所述第三透镜30之间，所述第三透镜30用于透射光线。

通过在光学模组的透镜组中增加一个透镜，即增加上述的第三透镜30，如此可以更好地提升光学模组的成像质量。

其中，第三透镜30可以设计位于靠近显示屏幕90一侧，也即其并不在折叠光路之内，因此，不影响折叠光路间光程。

由于第三透镜30的引入会增加光学模组总长。本申请实施例中通过控制折叠光路间光程与光学模组总光程的比值，使得光学模组总长可以合理减小。如此，可以在提升光学模组成像质量的同时，减小光学模组尺寸。

可选的是，在光学模组包含三个透镜的情况下，可以将折叠光路间光程与光学模组总光程的比值控制在0.2～0.3。进一步地，可以将二者的比值控制在0.22～0.28。此时光学模组总长减小。同时，由于光学模组中新增透镜，可以有效提升光学模组的成像质量。

在本申请的一些示例中，如图7所示，所述分光元件40位于所述第二透镜20与所述第三透镜30之间；所述第一相位延迟器50和所述偏振反射元件60位于所述第二透镜20与所述第一透镜10之间。

在本申请的一些示例中，如图7所示，所述光学模组还包括显示屏幕90，所述显示屏幕90靠近所述第三透镜30设置；所述显示屏幕90具有出光面，所述出光面被配置为能够发射圆偏振光或者线偏振光；

当所述显示屏幕90的出光面发射的光线为线偏振光时，在所述显示屏幕90的出光面与所述第三透镜30之间设置有第二相位延迟器70，所述第二相位延迟器70用以将线偏振光转变为圆偏振光。

例如，显示屏幕90的出光面可以贴装屏幕保护片。

此外，显示屏幕90可以是自发光式屏幕或者反射式屏幕。

在本申请的一些示例中，所述分光元件40位于所述第一相位延迟器50与所述第二相位延迟器70之间。

在本申请的一些示例中，如图7所示，所述分光元件40设置于所述第二透镜20靠近所述显示屏幕90的表面，所述第一相位延迟器50设于所述第二透镜20远离所述显示屏幕90的表面，所述偏振反射元件60设于所述第一透镜10靠近所述显示屏幕90的表面；

所述光学模组还包括偏振元件80，所述第二相位延迟器70与所述偏振元件80层叠设置形成复合膜，所述复合膜设于所述显示屏幕90的出光面，其中，所述偏振元件80位于所述第二相位延迟器70与所述显示屏幕90的出光面之间，在所述出光面与所述复合膜之间设置有屏幕保护片。

当光学模组中包含三个透镜时，也即包括上述的第一透镜10、第二透镜20及第三透镜30时，光线的传播过程如下：

如图7所示，显示屏幕90发出的光线透过偏振元件80后成为水平线偏振光，透过第二位相延迟器70后成为左旋或右旋圆偏振光，透过第三透镜30、分光元件40、第二透镜20和透过第一相位延迟器50后，成为水平线偏振光；然后被偏振反射元件60反射后，成为水平线偏振光，然后透过第一相位延迟器50和第二透镜20后，成为左旋或右旋圆偏振光，然后由分光元件40反射后，形成右旋或左旋圆偏振光，然后再次透过第二透镜20和第一相位延迟器50后，成为竖直线偏振光，透过偏振反射元件60和第一透镜10后，进入光阑01。

在本申请的一些示例中，如图7所示，在所述光学模组还包括第三透镜30的情况下，所述光学模组总光程为：

其中：T₉₀为所述屏幕保护片的厚度，n₉₀为所述屏幕保护片的折射率；T₈₀为所述偏振元件80的厚度，n₈₀为所述偏振元件80的折射率；T₇₀为所述第二相位延迟器70的厚度，n₇₀为所述第二相位延迟器70的折射率；A₃₇为所述第三透镜30与所述第二相位延迟器70之间的空气间隔，n₀为空气的折射率；T₃₀为所述第三透镜30的厚度，n₃₀为所述第三透镜30的折射率；A₂₃为所述第二透镜20与所述第三透镜30之间的空气间隔，n₀为空气的折射率；T₂₀为所述第二透镜20的厚度，n₂₀为所述第二透镜20的折射率；T₅₀为所述第一相位延迟器50的厚度，n₅₀为所述第一相位延迟器50的折射率；A₁₂为所述第一透镜10与所述第二透镜20之间的空气间隔，n₀为空气折射率；T₆₀为所述偏振反射元件60的厚度，n₆₀所述偏振反射元件60的折射率；T₁₀为所述第一透镜10的厚度，n₁₀为所述第一透镜10的折射率。

需要说明的是，第三透镜30位于第二透镜20与显示屏幕90之间，光路结构中的其他元件位置不发生变化。

在包含三个镜片的光学模组中光学模组总光程与光学模组的焦距正相关，折叠光路间光程与光学模组总长负相关。折叠光路间光程与光学模组总光程之比为0.22～0.28，或者说光学模组总光程与折叠光路间光程之比为3.6～4.5之间时，光学模组具有较好成像质量。

以下通过实施例1～实施例3对光学模组包含两个透镜的情况进行说明。

实施例1

如图1所示，所述光学模组沿光轴100方向依次包括第一透镜10及第二透镜20，所述第一透镜10位于靠近光阑01一侧，所述第二透镜20位于远离光阑01一侧；所述第一透镜10包括第一表面(前表面)11和第二表面(后表面)12，所述第一表面11靠近所述光阑01，所述第二表面12背离所述光阑01，所述偏振反射元件60设于所述第二表面12；所述第二透镜20包括第三表面(前表面)21及第四表面(后表面)22，第三表面21与第二表面12相邻设置，第四表面22靠近显示侧，所述分光元件40设于所述第四表面22，所述第一相位延迟器50设于所述第三表面21；

所述显示屏幕90具有出光面，所述出光面用于发射出入射光线；

所述光学模组还包括第二相位延迟器70和偏振元件80，所述第二相位延迟器70和所述偏振元件80层叠设置形成复合膜，所述复合膜设于所述显示屏幕90的出光面；在所述出光面与所述复合膜层之间可以设置有屏幕保护片。

图1示出的光学模组中，光学模组总长为第一透镜10的第一表面11与光轴100交点到显示屏幕90出光面的距离，在本实施例1中，光学模组总长为24.0mm。

折叠光路间光程为：第一透镜10与第二透镜20之间的空气间隔2.6mm乘以空气折射率1+第一相位延迟器50的厚度0.08mm乘以其折射率1.5+第二透镜20的厚度8.4mm乘以其折射率1.54，可得到折叠光路间光程为15.7mm。

光学模组总光程为：显示屏幕90的屏幕保护片的厚度0.34mm乘以其折射率1.52+偏振元件80的厚度0.08mm乘以其折射率1.5+第二相位延迟器70的厚度0.08mm乘以其折射率1.5+第二透镜20与第二相位延迟器70之间的空气间隔8.3mm乘以空气折射率1.0+第二透镜20的厚度8.4mm乘以其折射率1.54+第一相位延迟器50的厚度0.08mm乘以其折射率1.5+第一透镜10与第二透镜20之间的空气间隔2.6mm乘以空气折射率1+第一透镜10与第二透镜20之间的空气间隔2.6mm乘以空气折射率1+第一相位延迟器50的厚度0.08mm乘以其折射率1.5+第二透镜20的厚度8.4mm乘以其折射率1.54+第二透镜20的厚度8.4mm乘以其折射率1.54+第一相位延迟器50的厚度0.08mm乘以其折射率1.5+第一透镜10与第二透镜20之间的空气间隔2.6mm乘以空气折射率1+偏振反射元件60的厚度0.08乘以其折射率1.5+第一透镜10的厚度4.0mm乘以其折射率1.54，得到光学模组总光程为62.3mm。

如此，折叠光路间光程与光学系统总光程之比为0.25。

在表1中示出了实施例1提供的光学模组的具体参数。

表1结构参数表

图2、图3及图4分别示出了在450nm、540nm、610nm下，本申请实施例提供的光学模组调制传递函数MTF曲线。

从图2-图4中可以看出：在20lp/mm空间频率下：

450nm波长下，光学模组的MTF值高于0.7；

540nm波长下，光学模组的MTF值高于0.7；

610nm波长下，光学模组的MTF高于0.6。

本申请实施例提供的光学模组可以清晰成像。

实施例2

表2中示出了实施例2提供的光学模组的结构参数。

图5示出了该光学模组的结构，其与实施例1的不同之处在于：

光学模组总长为19.1mm；

折叠光路间光程为20.0mm，光学模组总光程为66.1mm；

折叠光路间光程与光学模组总光程之比为0.30。

表2结构参数表

本申请实施例2提供的光学模组分别在450nm、540nm、610nm，在20lp/mm空间频率下的调制传递函数MTF曲线与图2至图4示出的调制传递函数MTF曲线近似。本实施例2提供的光学模组也可以清晰成像，且光学模组总长较小。

实施例3

表3中示出了实施例3提供的光学模组的结构参数。

图6示出了该光学模组的结构，其与实施例1的不同之处在于：

光学模组总长为29.5mm；

折叠光路间光程为15.8mm，光学模组总光程为70.7mm；

折叠光路间光程与光学模组总光程之比为0.22。

表3结构参数表

本申请实施例3提供的光学模组分别在450nm、540nm、610nm，在20lp/mm空间频率下的调制传递函数MTF曲线与图2至图4示出的调制传递函数MTF曲线近似。本实施例2提供的光学模组也可以清晰成像，且光学模组总长较小。

以下通过实施例4～实施例6对光学模组包含两个透镜的情况进行说明。

实施例4

如图7所示，所述光学模组沿光轴100方向依次包括第一透镜10、第二透镜20及第三透镜30，所述第一透镜10位于靠近光阑01一侧，所述第三透镜30位于靠近显示屏幕90一侧，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，所述第一透镜10包括第一表面(前表面)11和第二表面(后表面)12，所述第一表面11靠近所述光阑01，所述第二表面12背离所述光阑01，所述偏振反射元件60设于所述第二表面12；所述第二透镜20包括第三表面(前表面)21及第四表面(后表面)22，第三表面21与第二表面12相邻设置，第四表面22远离光阑01，所述分光元件40设于所述第四表面22，所述第一相位延迟器50设于所述第三表面21；

图7示出的光学模组中，光学模组总长为第一透镜10的第一表面11与光轴100交点到显示屏幕90出光面的距离，在本实施例4中，光学模组总长为17.2mm。

折叠光路间光程为：

第一透镜10与第二透镜20之间的空气间隔0.4mm乘以空气折射率1+第一相位延迟器50的厚度0.08mm乘以其折射率1.5+第二透镜20厚度8.5mm乘以其折射率1.54，可得到折叠光路间光程为13.6mm。

光学模组总光程为：

显示屏幕90的屏幕保护片的厚度0.34mm乘以其折射率1.52+偏振元件80的厚度0.08mm乘以其折射率1.5+第二相位延迟器70厚度0.08mm乘以其折射率1.5+第三透镜30与第二相位延迟器70之间的气间隔1.7mm乘以空气折射率1+第三透镜30的厚度2.8mm乘以其折射率1.54+第三透镜30与第二透镜20之间的空气间隔0.4mm乘以空气折射率1+第二透镜20厚度8.5mm乘以其折射率1.54+第一相位延迟器50的厚度0.08mm乘以其折射率1.5+第一透镜10与第二透镜20之间的空气间隔0.4mm乘以空气折射率1+第一透镜10与第二透镜20之间的空气间隔0.4mm乘以空气折射率1+第一相位延迟器50的厚度0.08mm乘以其折射率1.5+第二透镜20的厚度8.5mm乘以其折射率1.54+第二透镜20厚度8.5mm乘以其折射率1.54+第一相位延迟器50的厚度0.08mm乘以其折射率1.5+第一透镜10与第二透镜20之间的空气间隔0.4mm乘以空气折射率1+偏振反射元件60的厚度0.08mm乘以其折射率1.5+第一透镜10厚度2.7mm乘以其折射率1.64，得到光学模组总光程为52.5m。

如此，折叠光路间光程与光学系统总光程之比为0.26。

在表4中示出了实施例4提供的光学模组的具体参数。

表1结构参数表

图8、图9及图10分别示出了在450nm、540nm、610nm下，本申请实施例提供的光学模组调制传递函数MTF曲线。

从图8-图10中可以看出：在20lp/mm空间频率下：

450nm波长下，光学模组的MTF值高于0.5；

540nm波长下，光学模组的MTF值高于0.8；

610nm波长下，光学模组的MTF高于0.6。

本申请实施例提供的光学模组可以清晰成像。

实施例5

表5中示出了实施例5提供的光学模组的结构参数。图11示出了该光学模组的结构，其与实施例4的不同之处在于：

光学模组总长为20.8mm；

折叠光路间光程为12.4mm，光学模组总光程为55.8mm；

折叠光路间光程与光学模组总光程之比为0.22。

表5结构参数表

本申请实施例5提供的光学模组分别在450nm、540nm、610nm，在20lp/mm空间频率下的调制传递函数MTF曲线与图8至图10示出的调制传递函数MTF曲线近似。本实施例5提供的光学模组也可以清晰成像，且光学模组总长较小。

实施例6

表6中示出了实施例6提供的光学模组的结构参数。图12示出了该光学模组的结构，其与实施例4的不同之处在于：

光学模组总长为16mm；

折叠光路间光程为15mm，光学模组总光程为53.6mm；

折叠光路间光程与光学模组总光程之比为0.28。

表6结构参数表

本申请实施例6提供的光学模组分别在450nm、540nm、610nm，在20lp/mm空间频率下的调制传递函数MTF曲线与图8至图10示出的调制传递函数MTF曲线近似。本实施例6提供的光学模组也可以清晰成像，且光学模组总长较小。

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光学模组各实施例，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

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

1.一种光学模组，其特征在于，所述光学模组包括第一透镜(10)及第二透镜(20)；

所述光学模组还包括分光元件(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；所述分光元件(40)位于所述第二透镜(20)的任一侧，所述第一相位延迟器(50)及所述偏振反射元件(60)位于所述第一透镜(10)的任一侧；

2.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述折叠光路间光程为：所述偏振反射元件(60)与所述分光元件(40)之间每个元件的厚度与自身折射率的乘积叠加，且其中包括空气间隔与空气折射率乘积；

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)包括第一表面(11)和第二表面(12)，所述第二透镜(20)包括第三表面(21)和第四表面(22)，其中，所述第二表面(12)与所述第三表面(21)为相邻设置，且二者形成有空气间隔；

所述分光元件(40)设于所述第二透镜(20)的第四表面(22)，所述第一相位延迟器(50)设于所述第二透镜(20)的第三表面(21)；

所述偏振反射元件(60)设于所述第一透镜(10)的第二表面(12)。

4.根据权利要求3所述的光学模组，其特征在于，所述折叠光路间光程为：A₁₂*n₀+T₅₀*n₅₀+T₂₀*n₂₀；

其中：A₁₂为所述第一透镜(10)与所述第二透镜(20)之间的空气间隔，n₀为空气折射率；T₅₀为所述第一相位延迟器(50)的厚度，n₅₀为所述第一相位延迟器(50)的折射率；T₂₀为所述第二透镜(20)的厚度，n₂₀为所述第二透镜(20)的折射率。

5.根据权利要求3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(90)，所述显示屏幕(90)具有出光面，所述出光面被配置为能够发射圆偏振光或者线偏振光；

当所述显示屏幕(90)的出光面发射的光线为线偏振光时，在所述显示屏幕(90)的出光面一侧设置有第二相位延迟器(70)，所述第二相位延迟器(70)用以将线偏振光转变为圆偏振光。

6.根据权利要求5所述的光学模组，其特征在于，所述分光元件(40)位于所述第一相位延迟器(50)与所述第二相位延迟器(70)之间。

7.根据权利要求5所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组还包括偏振元件(80)，所述第二相位延迟器(70)与所述偏振元件(80)层叠设置形成复合膜，所述复合膜设于所述显示屏幕(90)的出光面；

所述偏振元件(80)位于所述第二相位延迟器(70)与所述显示屏幕(90)的出光面之间，所述出光面与所述复合膜之间设置有屏幕保护片。

8.根据权利要求7所述的光学模组，其特征在于，

所述光学模组总光程如下：

T₉₀*n₉₀+T₈₀*n₈₀+T₇₀*n₇₀+A₂₇*n₀+T₂₀*n₂₀+T₅₀*n₅₀+A₁₂*n₀+A₁₂*n₀+T₅₀*n₅₀+T₂₀*n₂₀+T₂₀*n₂₀+T₅₀*n₅₀+A₁₂*n₀+T₆₀*n₆₀+T₁₀*n₁₀；

其中：T₉₀为所述屏幕保护片的厚度，n₉₀为所述屏幕保护片的折射率；T₈₀为所述偏振元件(80)的厚度，n₈₀为所述偏振元件(80)的折射率；T₇₀为所述第二相位延迟器(70)的厚度，n₇₀为所述第二相位延迟器(70)的折射率；A₂₇为所述第二透镜(20)与所述第二相位延迟器(70)之间的空气间隔，n₀为空气折射率；T₂₀为所述第二透镜(20)的厚度，n₂₀为所述第二透镜(20)的折射率；T₅₀为所述第一相位延迟器(50)的厚度，n₅₀为所述第一相位延迟器(50)的折射率；A₁₂为所述第一透镜(10)与所述第二透镜(20)之间的空气间隔，n₀为空气折射率；T₆₀为所述偏振反射元件(60)的厚度，n₆₀所述偏振反射元件(60)的折射率；T₁₀为所述第一透镜(10)的厚度，n₁₀为所述第一透镜(10)的折射率。

9.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)，其中，所述第二透镜(20)位于所述第一透镜(10)和所述第三透镜(30)之间，所述第三透镜(30)用于透射光线。

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)位于所述第二透镜(20)与所述第三透镜(30)之间；

所述第一相位延迟器(50)和所述偏振反射元件(60)位于所述第二透镜(20)与所述第一透镜(10)之间。

11.根据权利要求10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(90)，所述显示屏幕(90)靠近所述第三透镜(30)设置；

所述显示屏幕(90)具有出光面，所述出光面被配置为能够发射圆偏振光或者线偏振光；

当所述显示屏幕(90)的出光面发射的光线为线偏振光时，在所述显示屏幕(90)的出光面与所述第三透镜(30)之间设置有第二相位延迟器(70)，所述第二相位延迟器(70)用以将线偏振光转变为圆偏振光。

12.根据权利要求11所述的光学模组，其特征在于，所述分光元件(40)位于所述第一相位延迟器(50)与所述第二相位延迟器(70)之间。

13.根据权利要求11所述的光学模组，其特征在于，所述分光元件(40)设置于所述第二透镜(20)靠近所述显示屏幕(90)的表面，所述第一相位延迟器(50)设于所述第二透镜(20)远离所述显示屏幕(90)的表面，所述偏振反射元件(60)设于所述第一透镜(10)靠近所述显示屏幕(90)的表面；

所述光学模组还包括偏振元件(80)，所述第二相位延迟器(70)与所述偏振元件(80)层叠设置形成复合膜，所述复合膜设于所述显示屏幕(90)的出光面，其中，所述偏振元件(80)位于所述第二相位延迟器(70)与所述显示屏幕(90)的出光面之间，在所述出光面与所述复合膜之间设置有屏幕保护片。

14.根据权利要求13所述的光学模组，其特征在于，在所述光学模组还包括第三透镜(30)的情况下，所述光学模组总光程为：

T₉₀*n₉₀+T₈₀*n₈₀+T₇₀*n₇₀+A₃₇*n₀+T₃₀*n₃₀+A₂₃*n₀+T₂₀*n₂₀+T₅₀*n₅₀+A₁₂*n₀+A₁₂*n₀+T₅₀*n₅₀+T₂₀*n₂₀+T₂₀*n₂₀+T₅₀*n₅₀+A₁₂*n₀+T₆₀*n₆₀+T₁₀*n₁₀；

其中：T₉₀为所述屏幕保护片的厚度，n₉₀为所述屏幕保护片的折射率；T₈₀为所述偏振元件(80)的厚度，n₈₀为所述偏振元件(80)的折射率；T₇₀为所述第二相位延迟器(70)的厚度，n₇₀为所述第二相位延迟器(70)的折射率；A₃₇为所述第三透镜(30)与所述第二相位延迟器(70)之间的空气间隔，n₀为空气的折射率；T₃₀为所述第三透镜(30)的厚度，n₃₀为所述第三透镜(30)的折射率；A₂₃为所述第二透镜(20)与所述第三透镜(30)之间的空气间隔，n₀为空气的折射率；T₂₀为所述第二透镜(20)的厚度，n₂₀为所述第二透镜(20)的折射率；T₅₀为所述第一相位延迟器(50)的厚度，n₅₀为所述第一相位延迟器(50)的折射率；A₁₂为所述第一透镜(10)与所述第二透镜(20)之间的空气间隔，n₀为空气折射率；T₆₀为所述偏振反射元件(60)的厚度，n₆₀所述偏振反射元件(60)的折射率；T₁₀为所述第一透镜(10)的厚度，n₁₀为所述第一透镜(10)的折射率。

15.一种头戴显示设备，其特征在于，包括：

壳体；以及

如权利要求1-14中任一项所述的光学模组。