CN115561910A - 近眼显示模组以及头戴显示设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种近眼显示模组以及头戴显示设置；其中，所述近眼显示模组包括成像镜组以及设于所述成像镜组内的分光元件、第一相位延迟器和偏振反射元件，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；所述成像镜组沿同一光轴依次包括第一透镜、第二透镜及第三透镜，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二透镜与所述第三透镜之间；所述第三透镜的焦距f₃与所述第三透镜的外径D₃的比值为4～8，所述偏振反射元件的焦距f与所述分光元件和所述偏振反射元件的轴向距离L的比值为30～40。本申请实施例的近眼显示模组具有纵向尺寸小的特点，同时兼具良好的成像质量。

Description

近眼显示模组以及头戴显示设备

技术领域

本申请实施例涉及光学成像技术领域，更具体地，本申请实施例涉及一种近眼显示模组以及头戴显示设备。

背景技术

近年来，虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术在例如头戴显示设备中得到了应用并快速发展起来。虚拟现实技术的核心部件是光学模组。光学模组显示图像效果的好坏将直接决定着头戴显示设备的质量。

基于折叠光路(pancake)的光学模组沿光轴方向(横向)的尺寸较小，利于减小头戴显示设备的厚度，可使头戴显示设备实现轻薄化。但就目前的技术而言，折叠光路光学模组实现的是在其光轴方向的尺寸较小，但是，在垂直于光轴方向上的尺寸无法做到减小，形成的头戴显示设备仅能在一个方向具有较小尺寸，其整体尺寸还是较大的，会在一定程度上影响用户的佩戴体验感。

发明内容

本申请的目的是提供一种近眼显示模组以及头戴显示设备的新技术方案，能够减小近眼显示模组的纵向尺寸及使光线入射到偏振反射元件的入射角度减小。

第一方面，本申请提供了一种近眼显示模组。所述近眼显示模组包括成像镜组以及设于所述成像镜组内的分光元件、第一相位延迟器和偏振反射元件，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；

所述成像镜组沿同一光轴依次包括第一透镜、第二透镜及第三透镜，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二透镜与所述第三透镜之间；

所述第三透镜的焦距f₃与所述第三透镜的外径D₃的比值为4～8，所述偏振反射元件的焦距f与所述分光元件和所述偏振反射元件的轴向距离L的比值为30～40。

可选地，所述第一透镜、所述第二透镜及所述第三透镜均包括有效光学区域及围设在所述有效光学区域外周侧的非透光区域，所述第一透镜、所述第二透镜及所述第三透镜中任一者上的所述非透光区域的径向尺寸为T，T≥1mm。

可选地，所述成像镜组中外径尺寸最大的透镜对应的外径值为D_max；

所述第一透镜、所述第二透镜及所述第三透镜均包括有效光学区域及围设在所述有效光学区域外周侧的非透光区域；

所述第一透镜、所述第二透镜及所述第三透镜中任一者上的所述非透光区域的径向尺寸T与所述D_max的比值为0.01～0.1。

可选地，所述近眼显示模组的纵向高度为小于50mm，所述纵向为垂直于光轴的方向。

可选地，入射光线进入所述成像镜组内后，射入所述偏振反射元件的入射角度为小于10度。

可选地，所述第二透镜及所述第三透镜的光焦度为正。

可选地，所述第二透镜与所述第三透镜的组合焦距为15mm～20mm。

可选地，所述第二透镜与所述第三透镜的组合焦距为18.6mm。

可选地，所述近眼显示模组还包括显示屏，所述显示屏位于所述第一透镜背离所述第二透镜的一侧；

所述显示屏被配置为能够发射圆偏振光或者自然光；

当所述显示屏发射的光线为自然光时，所述第一透镜的任一侧设置有叠合片，能够用以将所述显示屏发射的自然光转变为圆偏振光。

可选地，所述叠合片设于所述第一透镜远离所述显示屏的表面；

所述叠合片包括第二相位延迟器、第二偏光元件及第三相位延迟器，其中，所述第二偏光元件介于所述第二相位延迟器与所述第三相位延迟器之间。

可选地，所述成像镜组内还设置有第一偏光元件，所述第一偏光元件与所述偏振反射元件叠设形成复合膜，所述复合膜设于所述第三透镜靠近所述第二透镜的表面；

所述分光元件设于所述第二透镜靠近所述第一透镜的表面，所述第一相位延迟器设于所述第二透镜远离所述第一透镜的表面。

可选地，所述第一透镜的光焦度为

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

如第一方面所述的近眼显示模组。

根据本申请实施例，提供了一种近眼显示模组，其为一种折叠光路结构设计，通过控制靠近人眼一侧的透镜的光学参数，以及分光元件与偏振反射元件之间的距离参数，能够减小近眼显示模组中各透镜的纵向尺寸，从而能够减小整个近眼显示模组的纵向尺寸，同时，还可以使得光线在进入成像镜组后射入偏振反射元件的入射角度减小，对应的偏振光的反射率及透过率就会越高，这利于提升光学效率。

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近眼显示模组的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的近眼显示模组中第一透镜的表面设置的叠合片的示意图；

图3为本申请实施例提供的近眼显示模组中第二透镜的表面设置的第一相位延迟器与第一抗反射膜的示意图；

图4为本申请实施例提供的近眼显示模组中第三透镜的表面设置的复合膜的示意图；

图5为图1示出的近眼显示模组的点列图；

图6为图1示出的近眼显示模组的MTF曲线图；

图7为图1示出的近眼显示模组的场曲畸变图；

图8为图1示出的近眼显示模组的垂轴色差图。

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、第三透镜；31、第五表面；32、第六表面；40、显示屏；50、屏幕保护玻璃；60、叠合片；61、第二抗反射膜；62、第二相位延迟器；63、第二偏光元件；64、第三相位延迟器；70、分光元件；80、第一相位延迟器；81、第一抗反射膜；90、复合膜；91、偏振反射元件；92、第一偏光元件；01、人眼；02、入射光线。

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。

根据本申请实施例的一个方面，提供了一种近眼显示模组，所述近眼显示模组可适合应用于头戴显示设备(Head mounted display，HMD)，例如VR头戴设备。其中，VR头戴设备例如可以包括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近眼显示模组，如图1所示，所述近眼显示模组包括成像镜组以及设于所述成像镜组内的分光元件70、第一相位延迟器80和偏振反射元件91，其中，所述第一相位延迟器80位于所述分光元件70与所述偏振反射元件91之间；所述成像镜组沿同一光轴依次包括第一透镜10、第二透镜20及第三透镜30，所述分光元件70位于所述第二透镜20的任一侧，所述第一相位延迟器80及所述偏振反射元件91位于所述第二透镜20与所述第三透镜30之间；

所述第三透镜30的焦距f₃与所述第三透镜30的外径D₃的比值为4～8，所述偏振反射元件91的焦距f与所述分光元件70和所述偏振反射元件91的轴向距离L的比值为30～40。

本申请实施例提供的近眼显示模组，其为一种基于折叠光路(pancake)的光学模组。具体地，在所述成像镜组内的透镜之间合理设置了所述分光元件70、所述第一相位延迟器80及所述偏振反射元件91，用以在不同的透镜之间形成折叠光路。

在本申请实施例的近眼显示模组中，参见图1，所述第三透镜30例如为靠近人眼01/光阑的第一个透镜，通过将所述第三透镜30的焦距f₃与该第三透镜30的外径D₃的比值控制为4～8，同时调整所述偏振反射元件91的焦距f，使其与所述分光元件70到所述偏振反射元件91之间的轴向距离L的比值控制为30～40，通过模组中光学参数的合理调整可以缩减所述成像镜组中各个透镜的纵向尺寸，从而可以使得近眼显示模组的纵向尺寸得以减小。再基于折叠光路的结构设计，可以减小近眼显示模组的横向尺寸，从而使得整个近眼显示模组具有体积更小的特点，更加适合用户佩戴使用，能够提升用户的佩戴体验感、舒适度。

并且，通过将所述第三透镜30的焦距f₃与该第三透镜30的外径D₃的比值控制在4～8，及调整所述偏振反射元件91的焦距f，使其与所述分光元件70到所述偏振反射元件91之间的轴向距离L的比值控制为30～40，还可以带来另一个技术效果：减少所述偏振反射元件91的入射角度。具体而言，当光线入射至所述成像镜组中后，射入所述偏振反射元件91的入射角度会明显减小，而这一角度越小对应的偏振光的反射率及透过率越高，利于提升光学效率，从而利于提升成像品质。

本申请实施例提出的近眼显示模组，通过对所述成像镜组中近人眼01侧的一个透镜(图1中的第三透镜30)的尺寸与焦距调整，配合调整形成折叠光路的光学元件之间的光学参数，可以实现整个近眼显示模组的体积在横向和纵向上的小型化设计，同时可以很好的提升光效。使得含有所述近眼显示模组的头戴显示设备如AR显示设备具有较佳的图像显示性能。

本申请实施例提供的近眼显示模组为一种折叠光路，其中除包含有成像镜组之外，所述近眼显示模组还包含有分光元件、相位延迟器及偏振反射元件等，这些光学元件(光学膜)可用以在所述成像镜组的各个透镜之间形成折叠光路，使光线在其中进行折返，能够用以延长光线的传播路径，利于最终的清晰成像。

在本申请实施例的近眼显示模组中，透镜的数量包括但不限于上述的三个，可以根据具体需要灵活调整透镜的数量。其中，随着折叠光路中透镜数量的增多，可以提升近眼显示模组的成像质量，但也会影响近眼显示模组沿光轴方向(横向)的尺寸，导致近眼显示模组的体积较大和重量增加。在本申请的实施例中，考虑到近眼显示模组的体积、重量、成像质量及生产成本等诸多因素，因此较为优选的是在光路中设计了三个透镜。

其中，所述分光元件70例如为半透射半反射膜。

所述分光元件70可供一部分光线透射，另一部分光线反射。

需要说明的是，所述分光元件70的反射率及透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。

可选的是，所述分光元件70的反射率为47％～53％。

其中，所述第一相位延迟器80例如为四分之一波片。当然，这里的所述第一相位延迟器80也可根据需要设置为其他相位延迟片如半波片等。

本申请实施例的近眼显示模组，在位于靠近人眼01侧的折叠光路中，所述第一相位延迟器80可用于改变光线的偏振状态。例如，用于将线偏振光转化为圆偏振光，或将圆偏振光转化为线偏振光。

其中，所述偏振反射元件91例如为偏振反射膜/片。

所述偏振反射元件91是一种水平线偏振光反射，竖直线偏振光透过的偏振反射器，或者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。

在本申请的实施例中，所述第一相位延迟器80与所述偏振反射元件91二者相配合，能够用于解析光线并对光线进行传递。其中，所述偏振反射元件91具有透过轴，所述偏振反射元件91的透过轴方向与所述第一相位延迟器80的快轴或者慢轴夹角例如为45°。

其中，所述分光元件70、所述第一相位延迟器80及所述偏振反射元件91在所述成像镜组内的布设位置较为灵活，可根据需要布设在例如上述的第一透镜10、第二透镜20及第三透镜30之间，但需要保证的是，所述第一相位延迟器80要介于所述分光元件70与所述偏振反射元件91之间。

可选的是，所述分光元件70可设于所述第二透镜20的靠近所述第一透镜10的一侧的合适位置；所述第一相位延迟器80及所述偏振反射元件91二者可独立的设于所述第二透镜20与所述第三透镜30之间的合适位置处。这样，所述分光元件70与所述第一相位延迟器80和所述偏振反射元件91为各自独立设置，可以使光路设计的自由度更高，也利于调整各个光学元件的对位精度。

其中，所述分光元件70、所述第一相位延迟器80及所述偏振反射元件91可以分别设于不同透镜的表面上，这样的装配方式较为简单。

当然，所述分光元件70、所述第一相位延迟器80及所述偏振反射元件91可以分别设置在平板玻璃上，再作为独立器件布设于光路中。

本申请实施例的近眼显示模组的光路图，参见图1，光线传播路径为：

入射光线02为圆偏振光，入射光线02进入所述成像镜组中，经过所述第一透镜10及所述第二透镜20透射，经过所述偏振反射元件91反射，再经过所述第一相位延迟器80透射，经过所述分光元件70反射，经过所述第一相位延迟器80、所述第三透镜30透射之后打入人眼01/光阑中显示图像。

本申请实施例提供的近眼显示模组为一种折叠光路结构设计，通过控制靠近人眼01一侧的透镜(所述第三透镜30)的参数，以及所述分光元件70与所述偏振反射元件91之间的距离等参数，能够减小近眼显示模组中各透镜的纵向尺寸，从而能够减小整个近眼显示模组的纵向尺寸，同时，还可以使得光线在进入成像镜组后射入所述偏振反射元件91的入射角度减小，对应的偏振光的反射率及透过率就会越高，这利于提升光学效率。

在本申请的一些示例中，所述第一透镜10、所述第二透镜20及所述第三透镜30均包括有效光学区域及围设在所述有效光学区域外周侧的非透光区域，所述第一透镜10、所述第二透镜20及所述第三透镜30中任一者上的所述非透光区域的径向尺寸为T，T≥1mm。

需要说明的是，在所述成像镜组中，各透镜应当均具有透光的有效光学区域，同时为了方便装配和承托透镜，各透镜自身还具有位于有效光学区域周侧的无效光学区域也即上述的非透光区域。

在本申请的实施例中，通过调整所述成像镜组中各透镜上的非透光区域的尺寸大小，可用于限制透镜的整体口径大小，避免透镜在纵向上的尺寸过大而影响整个近眼显示模组的纵向尺寸。其中，纵向指与近眼显示模组的光轴垂直的方向。

当将各透镜的非透光区域的尺寸设计在上述的≥1mm时，可以缩减透镜的口径，例如使透镜的纵向尺寸控制在50mm，甚至50mm以下。

在本申请的一些示例中，所述成像镜组中外径尺寸最大的透镜对应的外径值为D_max；所述第一透镜10、所述第二透镜20及所述第三透镜30均包括有效光学区域及围设在所述有效光学区域外周侧的非透光区域；

所述第一透镜10、所述第二透镜20及所述第三透镜30中任一者上的所述非透光区域的径向尺寸T与所述D_max的比值为0.01～0.1。

在本申请实施例的成像镜组中，将透镜的非透光区域的尺寸与光路中最大外径的透镜的外径尺寸结合，通过控制这两个参数的比值，可以使透镜的纵向尺寸合理的减小，同时还能够保证优异的成像品质。

例如，参见图1，在所述成像镜组中包含第一透镜10、第二透镜20及第三透镜30，其中，所述第二透镜20介于所述第一透镜10与所述第三透镜30之间，且所述第二透镜20的外径最大，所述第一透镜10、所述第二透镜20及所述第三透镜30的非透光区域与所述第二透镜20的外径之比的范围为0.01～0.1。

在本申请中，较为优选的是，所述第一透镜10、所述第二透镜20及所述第三透镜30中任一者上的所述非透光区域的径向尺寸T与所述D_max的比值为0.05～0.07。可以使形成的近眼显示模组的纵向尺寸更小且能保证极佳的成像品质。

在本申请的一些示例中，所述近眼显示模组的纵向高度为小于50mm，所述纵向为垂直于光轴的方向。

本申请实施例提出的近眼显示模组，其中成像镜组的高度例如可以为小于50mm，也即整个近眼显示模组的高度可以小于50mm。这样，含有该近眼显示模组的头戴显示设备在高度方向上的尺寸就比较小，利于实现头戴显示设备的小型化、轻量化结构设计，能够提升用户佩戴的舒适感。

进一步地，所述近眼显示模组的高度尺寸例如可以为48mm，甚至更小一些。这比传统光学模组的纵向尺寸明显减小了很多。传统光学模组的最小纵向尺寸也在50mm以上，通常是60mm，甚至更大。本申请实施例提供的近眼显示模组的纵向尺/高度尺寸较小，将其装配在头戴显示设备中后，可以节省头戴显示设备纵向上的空间。

在本申请的一些示例中，入射光线02进入所述成像镜组内后，射入所述偏振反射元件91的入射角度为小于10度。

在本申请的实施例中，例如通过控制近人眼01的第三透镜30，以及分光元件70与偏振反射元件91等参数，实现了在缩减近眼显示模组纵向的尺寸的同时，还使得偏振反射元件91的入射角度减小。也即，入射光线02入射到所述偏振反射元件的角度可以减小为小于10度。而这利于使所述偏振反射元件的偏振光的反射率及透过率提升，利于提升光效，可以使成像画面质量较佳。

在本申请的一些示例中，所述第二透镜20及所述第三透镜30的光焦度为正。

可选的是，所述第二透镜20及所述第三透镜30的组合光焦度为正。

参见图1，所述第二透镜20与所述第三透镜30可以组成透镜组，并在二者之间布设形成折叠光路的各个光学元件，使得光线可以在所述第二透镜20与所述第三透镜30之间折返延长光线的传播路径。当所述第二透镜20与所述第三透镜30的组合光焦度设置为正时，入射光线02经所述第二透镜20和所述第三透镜30透射入射到偏振反射元件91的角度较小，利于使大量的光线打入人眼01中进行成像。

其中，所述第二透镜20的光焦度为正。例如，所述第二透镜20的光焦度范围为

其中，所述第二透镜20的中心厚度T₂范围为3mm＜T₂＜8mm，其包含两个光学面，分别为靠近所述第一透镜10的第三表面21及靠近所述第三透镜30的第四表面22，参见图1。

可选的是，参见图1，所述分光元件70设于所述第三表面21，所述第三表面21例如为非球面。

可选的是，参见图1及图3，所述第一相位延迟器80设于所述第四表面22上，所述第四表面22可以是平面或者非球面。

此外，还可以在所述第四表面22上选择性的设置第一抗反射膜81，所述第一抗反射膜81设置在所述第四表面22上，所述第一相位延迟器80设于所述第一抗反射膜81背离所述第四表面22的一侧。

抗反射膜能减少反射，降低反射能量，提升光效利用率。

抗反射膜可以通过粘贴或者镀膜的方式形成在光学元器件上形成一些界面，增加透过率，减少反射率，从而减少图像失真，使用户可以享受更清晰的影像品质，以达到减少眩光的现象。

其中，所述第三透镜30的光焦度为正。例如，所述第三透镜30的光焦度范围为

其中，所述第三透镜30的中心厚度T₃范围为1mm＜T₃＜6mm，其包含两个光学面，参见图1，分别为靠近所述第二透镜20的第五表面31及远离所述第二透镜20的第六表面32。

可选的是，所述第五表面31及所述第六表面32可以设计为非球面。

可选的是，参见图1及图4，形成折叠光路的所述偏振反射元件91(透射P光反射S光)直接设于所述第三透镜30的第五表面31。

可选的是，在所述第六表面32上也以选择性的设有抗反射膜。

上述的第一抗反射膜81相同，第六表面32上的抗反射膜能减少反射，降低反射能量，提升光效利用率。该处的抗反射膜也可以通过粘贴或者镀膜的方式形成在光学元器件上形成一些界面，增加透过率，减少反射率，从而减少图像失真，使用户可以享受更清晰的影像品质，以达到减少眩光的现象。

在本申请的一些示例中，所述第二透镜20与所述第三透镜30的组合焦距为15mm～20mm。

通过对靠近人眼01一侧的两个透镜的组合焦距进行调整，并控制在上述范围之内，可以合理的控制整个近眼显示模组的光学总长，从而控制横向尺寸，并且能够保证形成的画面的质量。

例如，所述第二透镜20与所述第三透镜30的组合焦距为18.6mm。这可以使整个所述近眼显示模组的光学总长较小，从而使得所述近眼显示模组的横向尺寸较小，同时能兼具优异的成像性能，能更好的提升用户的佩戴舒适感及视觉体验感。

在本申请的一些示例中，所述近眼显示模组还包括显示屏40，所述显示屏40位于所述第一透镜10背离所述第二透镜20的一侧；所述显示屏40被配置为能够发射圆偏振光或者自然光；当所述显示屏40发射的光线为自然光时，所述第一透镜10的任一侧设置有叠合片60，能够用以将所述显示屏40发射的自然光转变为圆偏振光。

也就是说，进入成像镜组中的入射光线02应当为圆偏振光。

当所述显示屏40发出的是自然光时，则需要对自然光先进行偏振态的转化，使自然光先转变为圆偏振光之后在射入左侧的成像镜组中，最终经成像镜组出射的光线打入人眼01进行成像。

可选的是，参见图2，所述叠合片60设于所述第一透镜10远离所述显示屏40的表面；所述叠合片60包括第二相位延迟器62、第二偏光元件63及第三相位延迟器64，其中，所述第二偏光元件63介于所述第二相位延迟器62与所述第三相位延迟器64之间。

在本申请的实施例中，用于将自然光转变为圆偏振光的器件为上述的叠合片60。所述叠合片60例如包括两个相位延迟器及设于该两个相位延迟器之间的偏光元件。

具体而言，参见图2，所述显示屏40发出自然光，所述自然光先经过一个相位延迟器(例如第三相位延迟器64)后依然为自然光，经过所述第二偏光元件63后变为线偏振光，再经过另一个相位延迟器(例如第二相位延迟器62)变为圆偏振光。

在所述叠合片60中，两个相位延迟器例如均为四分之一波片；其中一个四分之一波片能够用于调整光的偏振态，还有一个四分之波片位于最外侧，可用于阻挡一部分入射的光线，具体而言，这部分光线属于成像中不想要的光线，若这部分光线不被阻挡，就会通过显示屏40的出光面反射回来打入人眼01，这对于最终的成像不利。

所述叠合片60为一种复合膜，将两个四分一之波片之间夹设偏光膜形成。本申请中设计将叠合片60通过例如光学胶直接贴装于所述第一透镜10的任一表面上。这种组装方式简单、可以降低生产成本及提高产品良率。

在本申请的实施例中，参见图1，所述第一透镜10的中心厚度T₁范围为1mm＜T₁＜8mm，其包含两个光学面，分别为靠近所述显示屏40的第一表面11及远离所述显示屏40的第二表面12。可选的是，所述第一表面11及所述第二表面12为非球面或者平面。

其中，所述叠合片60可以设置在所述第一表面11上，当然也可以设置在所述第二表面12上，本申请中对此不做具体限制。

请继续参见图2，所述叠合片60包括依次叠设的第二抗反射膜61、第二相位延迟器62、第二偏光元件63及第三相位延迟器64，所述第二抗反射膜61与所述第一表面11连接，所述第二相位延迟器62、所述第二偏光元件63及所述第三相位延迟器64依次叠设在所述第二抗反射膜61上。

可选的是，所述第一透镜10的光焦度为

在本申请实施例提供的近眼显示模组中，参见图1，通过在显示屏40与第一透镜10之间设置叠合片60，实现了自然光偏振态变换，可以将显示屏40发出的自然光转变为圆偏振光后进入近人眼01一侧的折叠光路结构中进行光线折返，最终可以将光线经所述第三透镜30出射后形成清晰的图像。这利于提升近眼显示模组的显示效果，使得最终的成像质量佳。如此，可以提升用户的观看体验。

可选的是，参见图1，所述显示屏40的出光面设有屏幕保护玻璃50。

所述显示屏40发出的光线经过表面的所述屏幕保护玻璃50透射后进入所述叠合片60进行光的偏振态转变。

在本申请的一些示例中，参见图1及图4，所述成像镜组内还设置有第一偏光元件92，所述第一偏光元件92与所述偏振反射元件91叠设形成复合膜90，所述复合膜90设于所述第三透镜30靠近所述第二透镜20的表面；其中，所述分光元件70设于所述第二透镜20靠近所述第一透镜10的表面，所述第一相位延迟器80设于所述第二透镜20远离所述第一透镜10的表面。

其中，所述第一偏光元件92可用于减少杂散光。

在本申请实施例的近眼显示模组中，所述分光元件70及所述第一相位延迟器80分设在所述第二透镜20的两个表面上，所述偏振反射元件91设于所述第三透镜30的一个表面上，所述分光元件70、所述第一相位延迟器80及所述偏振反射元件91分别为独立设置。利于调整所述分光元件70至所述偏振反射元件91之间的距离，从而可以调整偏振反射元件的焦距f与所述分光元件和所述偏振反射元件的轴向距离L的比值为30～40。

当然，所述分光元件70与所述第一相位延迟器80二者可以贴装在一起并设于所述第二透镜20的任一表面，所述偏振反射元件91可以独立设于所述第三透镜30的任一表面。

此外，也可以将所述偏振反射元件91与所述第一相位延迟器80贴装在一起并设于所述第三透镜30的任一表面，而将所述分光元件70独立设于所述第二透镜20的任一表面，本申请实施例对此不做具体限制。

本申请实施例的近眼显示模组，其成像镜组包括第一透镜10、第二透镜20及第三透镜30，所述第一透镜10、所述第二透镜20及所述第三透镜30的折射率n范围为：1.4＜n＜1.7；所述第一透镜10、所述第二透镜20及所述第三透镜30的色散系数v范围为：20＜v＜75。通过调整三个透镜的折射率和色散系数，使其相匹配，可以提升近眼显示模组的成像品质。

在本申请一个具体的例子中，所述第一透镜10的折射率为1.54，色散系数为56.3；所述第二透镜20的折射率为1.54，色散系数为56.3；所述第三透镜30的折射率为1.54，色散系数为55.7。

以下通过一个具体实施例对本申请实施例提供的近眼显示模组进行详细描述。

实施例1

参见图1至图4，所述近眼显示模组包括：成像镜组以及设于所述成像镜组内的分光元件70、第一相位延迟器80、偏振反射元件91及第一偏光元件92；所述成像镜组沿同一光轴依次包括第一透镜10、第二透镜20及第三透镜30，其中，所述第一透镜10位于近显示屏40的一侧，所述第三透镜30位于人眼01的一侧，所述第一透镜10的光焦度为

为，

所述第二透镜20及所述第三透镜30的光焦度为正，所述第二透镜20与所述第三透镜30的组合焦距为15mm～20mm；

所述分光元件70设于所述第二透镜20的第三表面21，所述第一相位延迟器80设于所述第二透镜20的第四表面22，所述第一偏光元件92与所述偏振反射元件91叠设形成复合膜90后设于所述第三透镜30的第五表面31；

所述显示屏40发出的入射光线02为自然光，在所述第一透镜10的第二表面12上设有叠合片60，所述叠合片60包括第二相位延迟器62、第三相位延迟器64及介于二者之间的第二偏光元件63；

所述第三透镜30的焦距f₃与所述第三透镜30的外径D₃的比值为4～8，所述偏振反射元件91的焦距f与所述分光元件70和所述偏振反射元件91的轴向距离L的比值为30～40；

所述成像镜组中外径尺寸最大的第二透镜20的外径值为D_max；所述第一透镜10、所述第二透镜20及所述第三透镜30均包括有效光学区域及围设在所述有效光学区域外周侧的非透光区域；所述第一透镜10、所述第二透镜20及所述第三透镜30中任一者上的所述非透光区域的径向尺寸T与所述D_max的比值为0.01～0.1。

本申请实施例1提供的近眼显示模组的纵向高度为48mm，所述纵向为垂直于光轴的方向。并且，入射光线02进入所述成像镜组内后，射入所述偏振反射元件91的入射角度为小于10度。

表1示出了本实施例1提供的近眼显示模组中各透镜的具体光学参数。

表1

针对上述实施例1提供的近眼显示模组，其光学性能可如图5至图8所示：图5是近眼显示模组的点列图示意图，图6是近眼显示模组的MTF曲线图，图7是近眼显示模组的场曲畸变图，图8是近眼显示模组的垂轴色差图。

点列图是指由一点发射出的许多光线经近眼显示模组之后，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，可用于评价近眼显示模组的成像质量。如图5所示，所述点列图中像点的最大值与最大视场相对应，所述点列图中像点的最大值小于12μm。

MTF曲线图是调制传递函数图，通过黑白线对的对比度表征近眼显示模组的成像清晰度。如图6所示，MTF在22lp/mm下>0.3，成像清晰。

畸变图反应的是不同视场成清晰像的像面位置差异，如图7所示，畸变最大发生在1视场，绝对值小于35％。场曲图反应的是不同视场成清晰像的像面位置差异，如图7，场曲最大发生在1视场附近，最大值小于0.25mm。

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8所示，近眼显示模组的最大色差值小于200μm。

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，以及如上述所述的近眼显示模组。

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近眼显示模组各实施例，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 (13)

1.一种近眼显示模组，其特征在于，所述近眼显示模组包括成像镜组以及设于所述成像镜组内的分光元件(70)、第一相位延迟器(80)和偏振反射元件(91)，其中，所述第一相位延迟器(80)位于所述分光元件(70)与所述偏振反射元件(91)之间；

所述成像镜组沿同一光轴依次包括第一透镜(10)、第二透镜(20)及第三透镜(30)，所述分光元件(70)位于所述第二透镜(20)的任一侧，所述第一相位延迟器(80)及所述偏振反射元件(91)位于所述第二透镜(20)与所述第三透镜(30)之间；

所述第三透镜(30)的焦距f₃与所述第三透镜(30)的外径D₃的比值为4～8，所述偏振反射元件(91)的焦距f与所述分光元件(70)和所述偏振反射元件(91)的轴向距离L的比值为30～40。

2.根据权利要求1所述的近眼显示模组，其特征在于，所述第一透镜(10)、所述第二透镜(20)及所述第三透镜(30)均包括有效光学区域及围设在所述有效光学区域外周侧的非透光区域，所述第一透镜(10)、所述第二透镜(20)及所述第三透镜(30)中任一者上的所述非透光区域的径向尺寸为T，T≥1mm。

3.根据权利要求1所述的近眼显示模组，其特征在于，所述成像镜组中外径尺寸最大的透镜对应的外径值为D_max；

所述第一透镜(10)、所述第二透镜(20)及所述第三透镜(30)均包括有效光学区域及围设在所述有效光学区域外周侧的非透光区域；

所述第一透镜(10)、所述第二透镜(20)及所述第三透镜(30)中任一者上的所述非透光区域的径向尺寸T与所述D_max的比值为0.01～0.1。

4.根据权利要求1所述的近眼显示模组，其特征在于，所述近眼显示模组的纵向高度为小于50mm，所述纵向为垂直于光轴的方向。

5.根据权利要求1所述的近眼显示模组，其特征在于，入射光线(02)进入所述成像镜组内后，射入所述偏振反射元件(91)的入射角度为小于10度。

6.根据权利要求1所述的近眼显示模组，其特征在于，所述第二透镜(20)及所述第三透镜(30)的光焦度为正。

7.根据权利要求1所述的近眼显示模组，其特征在于，所述第二透镜(20)与所述第三透镜(30)的组合焦距为15mm～20mm。

8.根据权利要求1所述的近眼显示模组，其特征在于，所述第二透镜(20)与所述第三透镜(30)的组合焦距为18.6mm。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的近眼显示模组，其特征在于，所述近眼显示模组还包括显示屏(40)，所述显示屏(40)位于所述第一透镜(10)背离所述第二透镜(20)的一侧；

所述显示屏(40)被配置为能够发射圆偏振光或者自然光；

当所述显示屏(40)发射的光线为自然光时，所述第一透镜(10)的任一侧设置有叠合片(60)，能够用以将所述显示屏(40)发射的自然光转变为圆偏振光。

10.根据权利要求9所述的近眼显示模组，其特征在于，所述叠合片(60)设于所述第一透镜(10)远离所述显示屏(40)的表面；

所述叠合片(60)包括第二相位延迟器(62)、第二偏光元件(63)及第三相位延迟器(64)，其中，所述第二偏光元件(63)介于所述第二相位延迟器(62)与所述第三相位延迟器(64)之间。

11.根据权利要求1所述的近眼显示模组，其特征在于，所述成像镜组内还设置有第一偏光元件(92)，所述第一偏光元件(92)与所述偏振反射元件(91)叠设形成复合膜(90)，所述复合膜(90)设于所述第三透镜(30)靠近所述第二透镜(20)的表面；

所述分光元件(70)设于所述第二透镜(20)靠近所述第一透镜(10)的表面，所述第一相位延迟器(80)设于所述第二透镜(20)远离所述第一透镜(10)的表面。

12.根据权利要求1所述的近眼显示模组，其特征在于，所述第一透镜(10)的光焦度为

13.一种头戴显示设备，其特征在于，包括：

壳体；以及

如权利要求1-12中任一项所述的近眼显示模组。

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