CN115509011A - 光学模组及头戴显示设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种光学模组及头戴显示设备，光学模组由物方至像方依次包括第一透镜组、反射元件、第三透镜、光阑以及第二透镜组，其中：所述反射元件包括反射面，所述第一透镜组沿第一光轴设置；所述第三透镜和所述第二透镜组沿第二光轴设置；所述第三透镜的光焦度为正，所述第三透镜为双凸型球面透镜。本申请实施例的光学方案，通过在光路中设置反射元件，可以将多个光学器件分设于两个光路上，当将光学模组应用于例如头戴显示设备中，利于减小设备在厚度方向的尺寸，可实现光学模组整体的薄型化及紧凑化的要求，同时还兼具良好的成像效果。

Description

光学模组及头戴显示设备

技术领域

本申请属于光学镜头技术领域，具体地，本申请涉及一种光学模组及头戴显示设备。

背景技术

近年来，随着光学技术的快速发展，对光学模组的成像清晰度要求越来越高。光学模组要想获得更高的像素，通常需要匹配较大尺寸的芯片。与此同时，随着芯片的体积增大，会导致光学模组的整体体积也会增大。当将光学模组应用于头戴显示设备等产品中，就会导致整个头戴显示设备的尺寸较大，影响用户佩戴的舒适性。

受限于整机薄型化、紧凑化等设计要求，现有技术中通常要求光学模组体积小型化。但是过多的压缩体积则会导致光学模组的成像质量较差。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种光学模组及头戴显示设备的新技术方案。

根据本申请实施例的第一方面，提供了一种光学模组，由物方至像方依次包括第一透镜组、反射元件、第三透镜、光阑以及第二透镜组，其中：

所述反射元件包括反射面；

所述第一透镜组沿第一光轴设置；

所述第三透镜和所述第二透镜组沿第二光轴设置；

所述第三透镜的光焦度为正，所述第三透镜为双凸型球面透镜。

可选地，所述第一透镜组包括第一透镜，所述第一透镜为弯月形球面透镜，所述第一透镜的光焦度为负。

可选地，所述第一透镜的折射率N_d1＞1.65，所述第一透镜的阿贝数V_d1＞45。

可选地，所述第二透镜组远离所述光阑的一侧为像方；

所述第一透镜到所述反射面的中心的距离为T1，所述反射面到所述像方的中心的距离为T2，T2和T1的比值满足：1.2＜T2/T1＜1.6。

可选地，所述第一透镜组包括第二透镜，所述反射元件位于所述第二透镜与所述第三透镜之间；

所述第二透镜为弯月形非球面透镜。

可选地，所述第二透镜的光焦度为负，所述第二透镜的阿贝数V_d2＞50。

可选地，所述反射元件为直角棱镜，所述反射元件还包括相互垂直的入射面和出射面，所述反射面为倾斜设置；

其中，所述入射面与所述第一光轴垂直，所述出射面与所述第二光轴垂直，所述反射面的中心位于所述第一光轴与所述第二光轴的交汇处。

可选地，所述第二透镜的焦距为F2，F2与所述光学模组的有效焦距EFL的比值满足：-3.6＜F2/EFL＜-2.4。

可选地，所述光学模组的光学总长为TTL，所述光学模组的最大视场角为FOV，FOV与TTL的比值满足3＜FOV/TTL＜5。

可选地，所述第三透镜的折射率N_d3＞1.7，所述第三透镜的阿贝数V_d3＜30。

可选地，所述第二透镜组包括沿所述第二光轴依次设置的第四透镜、第五透镜、第六透镜及第七透镜，所述第二透镜组的光焦度为正；

所述光阑位于所述第三透镜与第四透镜之间；

其中，所述第四透镜与所述第五透镜胶合连接形成胶合透镜组，所述胶合透镜组具有正光焦度。

可选地，所述第四透镜为双凸球面透镜，所述第四透镜的光焦度为正，所述第四透镜的阿贝数V_d4＞50；

所述第五透镜为球面透镜，所述第五透镜的光焦度为负，所述第五透镜的折射率N_d5＞1.7，所述第五透镜的阿贝数V_d5＜30。

可选地，所述第六透镜为球面透镜，所述第六透镜的光焦度为正。

可选地，所述第七透镜为弯月形非球面透镜，所述第七透镜的光焦度为正。

可选地，所述第六透镜的阿贝数V_d6＞45；所述第七透镜的阿贝数V_d7＞40。

可选地，所述光学模组还包括滤光元件，所述滤光元件位于所述第二透镜组和所述像方之间。

可选地，所述光学模组的光圈值FNO≤2.0。

根据本申请实施例的第二方面，还提供了一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括第一方面所述的光学模组。

根据本申请实施例，提供了一种光学模组，通过在光路结构中设置反射元件，可以将模组中的多个光学器件分设于两个相互垂直的光路上，从而减小光学模组的长度，可实现光学模组的薄型化及紧凑化，同时还兼具良好的成像效果。

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提供的光学模组的调制传递函数图；

图3为图1提供的光学模组的点列图；

图4为图1提供的光学模组的场曲与畸变图；

图5为图1提供的光学模组的垂轴色差图；

图6为本申请实施例提供的光学模组的结构示意图之二；

图7为图6提供的光学模组的调制传递函数图；

图8为图6提供的光学模组的点列图；

图9为图6提供的光学模组的场曲与畸变图；

图10为图6提供的光学模组的垂轴色差图；

图11为本申请实施例提供的光学模组的结构示意图之三；

图12为图11提供的光学模组的点列图；

图13为图11提供的光学模组的调制传递函数图；

图14为图11提供的光学模组的场曲与畸变图；

图15为图11提供的光学模组的垂轴色差图。

附图标记说明：

100、第一透镜组；

110、第一透镜；S1、第一透镜的物侧面；S2、第一透镜的像侧面；

120、第二透镜；S3、第二透镜的物侧面；S4、第二透镜的像侧面；

200、第二透镜组；

210、第四透镜；S9、第四透镜的物侧面；S10、胶合面；

220、第五透镜；S11、第五透镜的像侧面；

230、第六透镜；S12、第六透镜的物侧面；S13、第六透镜的像侧面；

240、第七透镜；S14、第七透镜的物侧面；S15、第七透镜的像侧面；

300、第三透镜；S5、第三透镜的物侧面；S6、第三透镜的像侧面；

400、反射元件；410、反射面；420、入射面；430、出射面；

500、光阑；600、像方；

700、滤光元件；S16、滤光元件的物侧面；S17、滤光元件的像侧面。

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。

本申请实施例提供了一种光学模组，其可以应用于头戴显示设备中，例如VR智能眼镜等。所述光学模组例如可以形成一种广角镜头。

在本申请的实施例中，如图1所示，光学模组包括由物方至像方依次分布的第一透镜组100、反射元件400、第三透镜300、光阑500以及第二透镜组200，其中：

反射元件400具有反射面410，第一透镜组100沿第一光轴设置，第三透镜300和第二透镜组200沿第二光轴设置；

第三透镜300的光焦度为正，第三透镜为双凸型球面透镜。

也就是说，本申请实施例提供的光学模组，其对应的光学结构设计为以反射元件400为界，分为第一光轴和第二光轴。其中，沿第一光轴设置有第一透镜组100，第一透镜组100设置于反射元件400靠近物方的一侧。沿第二光轴依次设置有第三透镜300、光阑500以及第二透镜组200，第三透镜300、光阑500以及第二透镜组200位于反射元件400靠近像方的一侧。

需要说明的是，其中的物方是指所要拍摄的物体所在的一侧，如图1中最左侧。其中的像方是指光学模组成像的一侧，如图1中最上侧。

本申请实施例的光学模组，如图1所示，光线的传播路径为：物方反射的光线首先沿第一光轴穿过第一透镜组100，然后经过反射元件400的反射面410反射改变方向，再沿第二光轴依次穿过第三透镜300、光阑500以及第二透镜组200，最后在像方得到所需成像。

在本申请中较为优选的是，反射元件400上设置有反射面410，反射面410倾斜设置，第一光轴与反射面410成45°夹角，第一光轴与第二光轴垂直。

当第一光轴与第二光轴垂直时，光线穿过第一透镜组100，经反射面410垂直射入第三透镜300及第二透镜组200。通过反射元件400的设置，实现了物方反射的光线在第一光轴与第二光轴之间的垂直偏转，有利于减少反射元件400的公差敏感性，提高成像质量，避免因非对称布置导致图像出现半边清晰半边模糊等不良现象。

当然，反射面410与第一光轴之间也可以根据需要设置为其他夹角，第一光轴与第二光轴之间的夹角也可以根据实际需要进行设置。本申请不对此进行限定。

在本申请中较为优选的是，反射元件400可以采用高折射率的玻璃材料加工而成，有利于提高反射元件的反射效率。当然，反射元件400也可以采用其他材质加工而成，例如塑料材料等，本申请中对反射元件400的材质不做具体限定。

需要说明的是，反射面410可以通过在反射元件400的一表面上镀光学反射薄膜形成。当然，反射面410也可以采用其他方式形成。

在本申请的实施例中，第三透镜300为具有正光焦度的双凸型球面透镜。第三透镜300靠近物方的一侧为物侧面，第三透镜的物侧面S5为凸面，如图1中第三透镜300的下表面所示。第三透镜300靠近像方的一侧为像侧面，第三透镜的像侧面S6例如也可以设置为凸面，如图1中第三透镜300的上表面所示。第三透镜300的面型设计在整个光路中有利于对反射元件400反射的光线进行汇聚。

其中，光阑500例如为孔径光阑。光阑500可用于控制光学模组的通光孔径，调节射入第二透镜组200的光通量，并控制光学模组前后端口径大小，同时减少其他透镜经过反射产生的杂散光干扰，从而使光学模组的成像更加清晰。此外，光阑500的设置有利于降低主光线的入射角度，将经反射元件400反射的光线汇聚集中。

通常，光阑500的孔径为一个固定值。当然，为了根据实际需要灵活调整通光量，还可以将光阑500设置为可以调整孔径大小的方式。

本申请实施例中，通过在光路中设置一反射元件400，并将多个光学器件分布在反射元件400的两侧，也即将模组中的多个光学器件分布于两个光路上，不仅能够有效减少光学模组在厚度/长度方向的尺寸，还能够有效压缩反射元件400整体的体积，实现光学模组整体的薄型化及紧凑化的要求。并且，本申请提供的光学模组还兼具视场角大、成像质量佳的特点。

本申请实施例的光学模组由于体积小巧且成像质量好，当将其应用于头戴显示设备中，可以实现设备的轻薄化和高质量成像，能够提升用户佩戴的舒适性和视觉体验感。

在本申请的一些示例中，第一透镜组100包括第一透镜110，第一透镜110为弯月型球面透镜，第一透镜110的光焦度为负。

如图1所示，第一透镜110的左侧面为物侧面，第一透镜的物侧面S1例如可以设置为凸面。第一透镜110的右侧面为像侧面，第一透镜的像侧面S2例如可以设置为凹面。

可选的是，第一透镜110的折射率N_d1＞1.65，第一透镜110的阿贝数V_d1＞45。

需要说明的是，第一透镜110可以采用玻璃材料，当然也可以选择其他材料例如塑料材料等，本申请不对此进行限定。

第一透镜110采用高折射率、低色散的玻璃材料加工而成，有利于快速偏转光线，减少光学模组的前端口径和整体色差。

在本申请的一些示例中，参照图1，第二透镜组200远离光阑500的一侧为像方。

第一透镜110到反射面410的中心的距离为T1，反射面410的中心到像方600的距离为T2，T2和T1的比值满足：1.2＜T2/T1＜1.6。

本申请的实施例中，像方位置设置有像方600用于成像，也即像方600设置于第二透镜组200远离光阑500的一侧。也即图1中像方600位于第二透镜组200上方。物方反射的入射光线经反射元件400反射后的光线，沿第二光轴依次穿过第三透镜300、光阑500以及第二透镜组200，最终照射于像方600上并成像。

需要说明的是，像方600可以为CCD，英文全称是Charge coupled Device，中文全称为电荷耦合元件，可以称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD上植入的微小光敏物质称作像素(Pixel)。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。

对反射面410的中心位置与第一透镜110及像方600之间的距离按照上述的约束条件，有利于控制光学模组在第一光轴及第二光轴方向上的尺寸，也即控制光学模组在整机在厚度/长度方向的尺寸，以及压缩反射元件400的体积，有效实现光学模组整体的薄型化及紧凑化的要求。

在本申请的一些示例中，第一透镜组100包括第二透镜120，反射元件400位于第二透镜120与第三透镜300之间。第二透镜120为弯月型非球面透镜。

如图1所示，第二透镜120的左侧面为物侧面，第二透镜的物侧面S3例如可以设置为凸面。第二透镜120的右侧面为像侧面，第二透镜的像侧面S4例如可以设置为凹面。

在本申请的实施例中，第二透镜120可以采用上述的示例中的非球面设计，这样能够有效降低光学模组的畸变和场曲像差，进而可以提升像质。

在本申请的一些示例中，第二透镜120的光焦度为负，第二透镜120的阿贝数V_d2＞50。

可选的是，第二透镜120采用玻璃材料。第二透镜120采用玻璃有利于进一步降低第二透镜120的畸变并提高温度稳定性。

当然，第二透镜120也可以采用其他材料加工而成，本申请对此不做具体限制。

在本申请的一些示例中，反射元件400为直角棱镜，反射元件400还包括相互垂直的入射面420和出射面430，所述反射面410为倾斜设置。其中，入射面420与第一光轴垂直，出射面430与第二光轴垂直，反射面410的中心位于第一光轴与第二光轴的交汇处。

在本申请的实施例中，反射元件400靠近第一透镜组100的一侧表面为入射面420，也即图1中反射元件400的左侧表面。入射面420与第一光轴垂直。反射元件400靠近第三透镜300的一侧表面为出射面430，也即图1中反射元件400的上表面。出射面430与第二光轴垂直。入射面420与出射面430垂直。

反射元件400具有倾斜设置的反射面410，也即图1中反射元件400的右侧斜面。反射面410与第一光轴成45°夹角，反射面410与第二光轴也成45°夹角。

反射面410的中心位于第一光轴与第二光轴的交汇处。也就是说，第一光轴在反射面410的中心位置处发生偏转，偏转90°后形成第二光轴。通过该设置，可以使多个光学元件分设在这两个不同方向的光轴上，有利于减少反射元件400的公差敏感性，提高成像质量，避免因非对称布置导致图像出现半边清晰半边模糊等不良现象。

在本申请的一些示例中，第二透镜120的焦距为F2，F2与光学模组的有效焦距EFL的比值满足：-3.6＜F2/EFL＜-2.4。

本申请的实施例中，通过合理调整第二透镜120的焦距，可以优化光学模组的有效焦距EFL。对第二透镜120的焦距F2与有效焦距EFL按照上述的约束条件进行调节，有利于本申请的光学模组快速收缩广角光束，减小前端口径，增大光学模组的口径。

需要说明的是，光学模组的口径又称为绝对口径、有效孔径，表示光学模组的最大进光孔，也就是光学模组的最大光圈。口径的大小用口径系数F表示，F＝光学模组焦距/最大光孔直径，也可以用F系数的倒数表示，如F2.8或1∶2.8。F越小，表示口径越大。

光学模组的口径越大，实用价值越大。大口径光学模组的优点主要有：(1)便于在暗弱光线下手持相机利用现场光拍摄；(2)便于摄取小景深效果，使画面虚实结合；(3)便于使用较高的快门速度凝固动体。本申请的光学模组因口径较大，可兼具上述的优点。

在本申请的一些示例中，光学模组的光学总长为TTL，光学模组的最大视场角为FOV，FOV与TTL的比值满足3＜FOV/TTL＜5。

需要说明的是，光学模组的光学总长值为TTL为T1与T2之和，其中T1为第一透镜110到反射面410中心的距离，T2为反射面410的中心到像方600的距离。

视场角在光学工程中又称视场，视场角的大小决定了光学仪器的视野范围，视场角可用FOV表示。本申请的光学模组中将最大视场角与光学总长的比例安装上述的约束条件进行调节，使得本申请提供的光学模组具备较大的视场角，可以达到140°及以上，有利于应用于广角拍摄，提高拍摄效果。

可选的是，第三透镜300的折射率N_d3＞1.7，第三透镜300的阿贝数V_d3<30。

本申请的实施例中，第三透镜300采用高折射率、低色散材料加工而成，有利于对反射元件400反射的主光线进行汇聚，减少光线损失，提高成像质量。

在本申请的一些示例中，第二透镜组200包括沿第二光轴依次设置的第四透镜210、第五透镜220、第六透镜230及第七透镜240，第二透镜组200的光焦度为正；

其中，光阑500位于第三透镜300与第四透镜210之间，第四透镜210与第五透镜220胶合连接形成胶合透镜组，胶合透镜组具有正光焦度。

可选的是，所述第四透镜210为双凸球面透镜，所述第四透镜210的光焦度为正，所述第四透镜210的阿贝数V_d4＞50；

所述第五透镜220为球面透镜，所述第五透镜220的光焦度为负，所述第五透镜220的折射率N_d5＞1.7，所述第五透镜220的阿贝数V_d5＜30。

如图1所示，第四透镜210的下表面为物侧面，第四透镜的物侧面S9例如可以设置为凸面。第四透镜的上表面为像侧面，第四透镜的像侧面为凸面。

如图1所示，第五透镜220的下表面为物侧面，第五透镜的物侧面为凹面。第五透镜220的上表面为像侧面，第五透镜的像侧面S11为凹面。

第四透镜210与第五透镜220组合成胶合透镜，也即第四透镜210的上表面与第五透镜220的下表面相互胶合，形成的胶合面为S10。且胶合透镜组具有正光焦度。

本申请中，第四透镜210为低色散材质，第五透镜220为高色散材质，二者通过胶合能够有效减少色差和球差，改善广角镜头容易出现的紫边等问题，提高拍摄效果。

在本申请的一些示例中，第六透镜230为球面透镜，第六透镜230的光焦度为正。

如图1所示，第六透镜230的下表面为物侧面，第六透镜的物侧面S12为凸面。第六透镜230的上表面为像侧面，第六透镜的像侧面S13为凸面。

在本申请的一些示例中，第七透镜240为弯月形非球面透镜，第七透镜240的光焦度为正。

如图1所示，第七透镜240的下表面为物侧面，第七透镜的物侧面S14为凸面。第七透镜240的上表面为像侧面，第七透镜的像侧面S15为凹面。第七透镜240采用非球面透镜，有利于校正彗差、场曲，提高像质。

可选的是，第七透镜240材质可以是玻璃，有利于提高像质并提高温度稳定性。

在本申请的一些示例中，所述第六透镜230的阿贝数V_d6＞45，所述第七透镜240的阿贝数V_d7＞40。

第六透镜采用高折射率、低色散的材料加工而成，有利于减少色差，提高成像清晰度。

可选的是，第二透镜120以及第七透镜240的面型为偶数非球面面型，该面型满足如下公式：

Z＝cy²/{1+[1-(1+k)c²y²]^1/2}+a₁y²+a₂y⁴+a₃y⁶+a₄y⁸+a₅y¹⁰+a₆y¹²+a₇y¹⁴+a₈y¹⁶

其中，参数c为半径所对应的曲率，y为径向坐标(其单位与透镜长度单位相同)，k为圆锥二次曲线系数。当k小于-1时，面型曲线为双曲线；当k等于-1时，面型曲线为抛物线；当k介于-1到0之间是，面型曲线为椭圆；当k等于0时，面型为圆形；当k大于0时，面型为扁圆型曲线。a1至a8分别表示各径向坐标所对应的系数。通过以上参数可以精确设定透镜成像光学表面的非球面的形状尺寸。

需要说明的是，在本申请的实施例中，光学模组中的所有透镜的材质例如均可以为玻璃材质。由于玻璃材质价格优势，这样可以降低整个光学模组的制作成本。同时，利用玻璃材质还具有耐高温的特性。玻璃材料的受热畸变率较低，具有较高的稳定性，因此，可以将光路中的各个透镜设计为玻璃材质，避免高温对光学模组性能的影响。

当然，本领域技术人员可以根据具体需要对光学模组中各个透镜的材质进行合理的选择，本申请实施例中对此不作限制。

在本申请的一些示例中，参照图1，光学模组还包括滤光元件700，滤光元件700位于第二透镜组200和像方600之间。

需要说明的是，滤光元件700为具有光学滤波功能的平板玻璃镜片，滤光元件的物侧面S16以及滤光元件的像侧面S17均为平面，也即滤光元件的上表面与下表面均为平面。

通过设置滤光元件700，可以根据实际需要过滤非工作波段的光波，从而有效减少成像杂光和色偏问题，提高光学元件的成像性能。

需要说明的是，成像杂光是光学系统中的非有效光线。例如有效口径内的多次反射、机构反射、或是有效口径外的光线反射造成的鬼影(Ghost)或光斑(Flare)，而这些杂散光可能会对正常的成像造成影响。

在本申请的一些示例中，光学模组的光圈值FNO≤2.0。

需要说明的是，光圈值FNO指投影镜头的光圈比。具体地，光圈值FNO是指焦距与光圈直径的比值，当光圈值FNO越小时，投影镜头的相对口径越大，通光量越大；当光圈比越大时，投影镜头的相对口径越小，通光量越小。

本申请的光学模组的光圈值≤2.0，保证光学模组具有足够的通光量，从而提高暗环境下芯片的感光能力。

为了进一步优化光学模组的性能，以下采用三个例子进行说明。

实施例1

如图1所示，光学模组由物方至像方依次包括第一透镜110、第二透镜120、反射元件400、第三透镜300、光阑500、第四透镜210、第五透镜220、第六透镜230、第七透镜240以及滤光元件700。其中：

第一透镜110与第二透镜120沿第一光轴设置。

反射元件400为直角棱角，反射元件400靠近第一透镜组100的一侧表面为入射面420，入射面420与第一光轴垂直。反射元件400靠近第三透镜300的一侧表面为出射面430，出射面430与第二光轴垂直。反射元件400包括倾斜设置的反射面410，反射面410与第一光轴成45°夹角。

第三透镜300、第四透镜210、第五透镜220、第六透镜230以及第七透镜240沿第二光轴设置，第二光轴与第一光轴垂直，第二光轴与反射面410成45°夹角。

参见下表1，其中包含图1所示的光学模组中的各个透镜的表面类型、曲率半径、厚度、材料折射率、阿贝数、折射模式、半口径以及坐标转折数据。

表1

本申请公开的实施例1的第二透镜120、第七透镜240的非球面系数如下表2所示：

表2

本申请公开的实施例1的各项主要参数如表3所示：

表3

其中，实施例1中光圈值FNO为2，视场角FOV为120°。

基于表1-表3的数据，如图2所示，图2中示出的是光学模组的MTF曲线图，MTF曲线图是指调制度与图像内每毫米线对数之间的关系，用于评价对景物细部还原能力。根据图2可知，光学模组的中心视场在视场频率为230lp/mm处MTF值高达0.6，最大视场处在视场频率为100lp/mm处MTF值也有0.5以上。本实施例1中提供的光学模组具有很高的解析力，成像质量良好。

基于表1-表3的数据，如图3所示，示出的是光学模组的点列图。由一点发出的许多光线经光学系统后，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，称为点列图。根据图3可知，本实施例1中提供的光学模组中点列图的最大直径为3.2μm，光线的弥散范围小，成像质量较好。

基于表1-表3的数据，如图4所示，示出的是光学模组的场曲畸变曲线。其中，场曲是指像场弯曲，主要用于表示光学模组中，整个光束的交点与理想像点的不重合程度。畸变是指物体通过投影镜头成像时，物体不同部分有不同的放大率的像差，畸变会导致物像的相似性变坏，但不影响像的清晰度。根据图4可知，本实施例1中提供的光学模组的点列图场曲<0.03mm，光学畸变<-30％，满足人眼观看要求。

基于表1-表3的数据，如图5所示，示出的是光学模组的垂轴色差曲线。垂轴色差是指又称为倍率色差，主要是指一根复色主光线，因折射系统存在色散，在像方出射时变成多根光线，氢蓝光与氢红光在像面上的焦点位置的差值。根据图5可知，本实施例1中提供的光学模组的垂轴色差<3.2μm，成像拖影程度极低，成像质量较好。

实施例2

本申请公开的实施例2中的光学模组与实施例1大致相同，该光学模组与实施例1的不同之处在于：

参照下表4，其中包含图6所示的光学模组中各个透镜的表面类型、曲率半径、厚度、材料折射率、阿贝数、折射模式、半口径以及坐标转折数据。

表4

本申请公开的实施例2的第二透镜120、第七透镜240的非球面系数如下表5所示：

表5

本申请公开的实施例2的各项主要参数如表6所示：

表6

其中，实施例2中FNO为1.85，视场角FOV为140°。实施例2中的光圈相比实施例1有所增大，成像像圆尺寸有所减小以适配小尺寸感光芯片，光学模组的整体体积略有降低。

基于表4-表6的数据，如图7所示，示出的是光学模组的MTF曲线图，MTF曲线图是指调制度与图像内每毫米线对数之间的关系，用于评价对景物细部还原能力。根据图7可知，光学模组的中心视场在视场频率为230lp/mm处MTF值高达0.6，最大视场处在视场频率为100lp/mm处MTF值也有0.5以上。本实施例2中提供的光学模组具有很高的解析力，成像质量良好。

基于表4-表6的数据，如图8所示，示出的是光学模组的点列图。由一点发出的许多光线经光学系统后，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，称为点列图。根据图8可知，本实施例2中提供的光学模组中点列图的最大直径为3.2μm，光线的弥散范围小，成像质量较好。

基于表4-表6的数据，如图9所示，示出的是光学模组的场曲畸变曲线。其中，场曲是指像场弯曲，主要用于表示光学模组中，整个光束的交点与理想像点的不重合程度。畸变是指物体通过投影镜头成像时，物体不同部分有不同的放大率的像差，畸变会导致物像的相似性变坏，但不影响像的清晰度。根据图9可知，本实施例2中提供的光学模组的点列图场曲<0.01mm，光学畸变<-30％，满足人眼观看要求。

基于表4-表6的数据，如图10所示，示出的是光学模组的垂轴色差曲线。垂轴色差是指又称为倍率色差，主要是指一根复色主光线，因折射系统存在色散，在像方出射时变成多根光线，氢蓝光与氢红光在像面上的焦点位置的差值。根据图10可知，本实施例2中提供的光学模组的垂轴色差<3μm，成像拖影程度极低，成像质量较好。

实施例3

本申请公开的实施例3中的光学模组与实施例2大致相同，该光学模组与实施例2的不同之处在于：

参照下表7，其中包含图11所示的光学模组中各个透镜的表面类型、曲率半径、厚度、材料折射率、阿贝数、折射模式、半口径以及坐标转折数据。

表7

本申请公开的实施例3的第二透镜120、第七透镜240的非球面系数如下表8所示：

表8

本申请公开的实施例3的光学模组的各项主要参数如下表9所示：

表9

其中，实施例3中FNO为1.85，视场角FOV为140°。实施例3中的视场角度相比实施例2有所加大，以实现更大的视场拍摄范围。同时实施例3中的光圈相比实施例2略有收缩。

基于表7-表9的数据，如图12所示，示出的是光学模组的MTF曲线图，MTF曲线图是指调制度与图像内每毫米线对数之间的关系，用于评价对景物细部还原能力。根据图12可知，光学模组的中心视场在视场频率为230lp/mm处MTF值高达0.6，最大视场处在视场频率为100lp/mm处MTF值也有0.5以上。本实施例3中提供的光学模组具有很高的解析力，成像质量良好。

基于表7-表9的数据，如图13所示，示出的是光学模组的点列图。由一点发出的许多光线经光学系统后，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，称为点列图。根据图13可知，本实施例3中提供的光学模组中点列图的最大直径为3.7μm，光线的弥散范围小，成像质量较好。

基于表7-表9的数据，如图14所示，示出的是光学模组的场曲畸变曲线。其中，场曲是指像场弯曲，主要用于表示光学模组中，整个光束的交点与理想像点的不重合程度。畸变是指物体通过投影镜头成像时，物体不同部分有不同的放大率的像差，畸变会导致物像的相似性变坏，但不影响像的清晰度。根据图14可知，本实施例3中提供的光学模组的点列图场曲<0.02mm，光学畸变<-40％，满足人眼观看要求。

基于表7-表9的数据，如图15所示，示出的是光学模组的垂轴色差曲线。垂轴色差是指又称为倍率色差，主要是指一根复色主光线，因折射系统存在色散，在像方出射时变成多根光线，氢蓝光与氢红光在像面上的焦点位置的差值。根据图15可知，本实施例3中提供的光学模组的垂轴色差<4.2μm，成像拖影程度极低，成像质量较好。

本申请实施例还提供了一种头戴显示设备，头戴显示设备包括机体以及如上所示的光学模组，光学模组设置于头戴显示设备内部。

其中光学模组的具体结构可参见上述的各个实施例。

由于本申请的头戴显示设备采用上述所有实施例的光学模组，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。

虽然已经通过例子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，以上例子仅是为了进行说明，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 (18)

1.一种光学模组，其特征在于，由物方至像方依次包括第一透镜组(100)、反射元件(400)、第三透镜(300)、光阑(500)以及第二透镜组(200)，其中：

所述反射元件(400)包括反射面(410)；

所述第一透镜组(100)沿第一光轴设置；

所述第三透镜(300)和所述第二透镜组(200)沿第二光轴设置；

所述第三透镜(300)的光焦度为正，所述第三透镜(300)为双凸型球面透镜。

2.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述第一透镜组(100)包括第一透镜(110)，所述第一透镜(110)为弯月型球面透镜，所述第一透镜(110)的光焦度为负。

3.根据权利要求2所述的光学模组，其特征在于，所述第一透镜(110)的折射率N_d1＞1.65，所述第一透镜(110)的阿贝数V_d1＞45。

4.根据权利要求2所述的光学模组，其特征在于，所述第二透镜组(200)远离所述光阑(500)的一侧为像方(600)；

所述第一透镜(110)到所述反射面(410)的中心的距离为T1，所述反射面(410)的中心到像方的距离为T2，T2和T1的比值满足：1.2＜T2/T1＜1.6。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的光学模组，其特征在于，所述第一透镜组(100)包括第二透镜(120)，所述反射元件(400)位于所述第二透镜(120)与所述第三透镜(300)之间；

所述第二透镜(120)为弯月型非球面透镜。

6.根据权利要求5所述的光学模组，其特征在于，所述第二透镜(120)的光焦度为负；所述第二透镜(120)的阿贝数V_d2＞50。

7.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述反射元件(400)为直角棱镜，所述反射元件(400)还包括相互垂直的入射面(420)和出射面(430)，所述反射面(410)为倾斜设置；

其中，所述入射面(420)与所述第一光轴垂直，所述出射面(430)与所述第二光轴垂直，所述反射面(410)的中心位于所述第一光轴与所述第二光轴的交汇处。

8.根据权利要求5所述的光学模组，其特征在于，所述第二透镜(120)的焦距为F2，所述光学模组的有效焦距为EFL，F2与EFL的比值满足：-3.6＜F2/EFL＜-2.4。

9.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组的最大视场角为FOV，所述光学模组的光学总长为TTL，FOV与TTL的比值满足：3＜FOV/TTL＜5。

10.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述第三透镜(300)的折射率N_d3＞1.7，所述第三透镜(300)的阿贝数V_d3<30。

11.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述第二透镜组(200)包括沿所述第二光轴依次设置的第四透镜(210)、第五透镜(220)、第六透镜(230)及第七透镜(240)，所述第二透镜组(200)的光焦度为正；

所述光阑(500)位于所述第三透镜(300)与第四透镜(210)之间；

其中，所述第四透镜(210)与所述第五透镜(220)胶合形成胶合透镜组，所述胶合透镜组具有正光焦度。

12.根据权利要求11所述的光学模组，其特征在于，所述第四透镜(210)为双凸球面透镜，所述第四透镜(210)的光焦度为正，所述第四透镜(210)的阿贝数V_d4＞50；

所述第五透镜(220)为球面透镜，所述第五透镜(220)的光焦度为负，所述第五透镜(220)的折射率N_d5＞1.7，所述第五透镜(220)的阿贝数V_d5＜30。

13.根据权利要求11所述的光学模组，其特征在于，所述第六透镜(230)为球面透镜，所述第六透镜(230)的光焦度为正。

14.根据权利要求11所述的光学模组，其特征在于，所述第七透镜(240)为弯月形非球面透镜，所述第七透镜(240)的光焦度为正。

15.根据权利要求11所述的光学模组，其特征在于，所述第六透镜(230)的阿贝数V_d6＞45，所述第七透镜(240)的阿贝数V_d7＞40。

16.根据权利要求4所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组还包括滤光元件(700)，所述滤光元件(700)位于所述第二透镜组(200)和所述像方(600)之间。

17.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组的光圈值FNO≤2.0。

18.一种头戴显示设备，其特征在于，包括权利要求1-17中任一所述的光学模组。

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