CN115963638A

CN115963638A - 近眼显示模组以及可穿戴设备

Info

Publication number: CN115963638A
Application number: CN202211697321.2A
Authority: CN
Inventors: 史柴源
Original assignee: Goertek Optical Technology Co Ltd
Current assignee: Goertek Optical Technology Co Ltd
Priority date: 2022-12-28
Filing date: 2022-12-28
Publication date: 2023-04-14

Abstract

本申请实施例提供了一种近眼显示模组以及可穿戴设备；其中，所述近眼显示模组包括成像镜组，以及分光元件、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；所述成像镜组包括至少一个透镜，且所述成像镜组中设置有至少一个自由曲面，所述自由曲面沿第一方向的矢高与沿第二方向矢高的差异量绝对值设置为＜1mm；其中，所述第一方向与所述第二方向垂直，且所述第一方向为所述自由曲面的高度方向。本申请实施例提供的近眼显示模组，通过引入至少一个自由曲面，可以降低近眼显示模组的像散。

Description

近眼显示模组以及可穿戴设备

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可穿戴设备。

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。在现有的技术中，折叠光路的像散一般均在＞0.2mm。也即，虚拟现实显示设备在大视场角的前提下无法保证较高的成像清晰度。这与现今需求的虚拟现实显示产品的高沉浸感及高成像清晰度发展趋势相悖。

发明内容

本申请的目的是提供一种近眼显示模组以及可穿戴设备的新技术方案，在近眼显示模组小型化的前提下可以减小像散，实现高清成像。

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；

所述成像镜组包括至少一个透镜，且所述成像镜组中设置有至少一个自由曲面，所述自由曲面沿第一方向的矢高与沿第二方向矢高的差异量绝对值设置为＜1mm；其中，所述第一方向与所述第二方向垂直，且所述第一方向为所述自由曲面的高度方向。

可选地，所述自由曲面沿第一方向的矢高绝对值为0.75mm，所述自由曲面沿第二方向的矢高绝对值为0.52mm。

可选地，所述近眼显示模组的像散＜0.1mm。

可选地，所述成像镜组包括沿同一光轴依次设置的第一透镜、第二透镜及第三透镜；其中，所述第一透镜、所述第二透镜及所述第三透镜的面型包括自由曲面、非球面或者平面。

可选地，所述第二透镜和所述第三透镜的组合焦距与所述第一透镜的焦距比值的绝对值满足≤0.3。

可选地，所述第一透镜的焦距

为：

所述第二透镜的焦距

为：

所述第三透镜的焦距

为：

可选地，所述分光元件设于所述第二透镜与所述第一透镜之间，所述第一相位延迟器和所述偏振反射元件依次设于所述第二透镜与所述第三透镜之间。

可选地，所述近眼显示模组还包括显示屏，所述第一透镜位于靠近所述显示屏的一侧，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；

其中，所述叠合片包括第二相位延迟器、第三相位延迟器及介于所述第二相位延迟器与所述第三相位延迟器之间的第二偏振元件。

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；

所述第一透镜远离所述显示屏的表面为非球面或者平面；

所述第一透镜靠近所述显示屏的表面为自由曲面。

可选地，所述近眼显示模组还包括第一偏振元件；

所述分光元件设于所述第二透镜靠近所述显示屏的表面，所述第一相位延迟器设于所述第二透镜远离所述显示屏的表面；

所述偏振反射元件及所述第一偏振元件为层叠设置，并设于所述第三透镜靠近所述显示屏的表面。

可选地，所述第二透镜靠近所述显示屏的表面为自由曲面或非球面，所述第二透镜远离所述显示屏的表面为非球面或平面；

所述第三透镜靠近所述显示屏的表面为自由曲面或非球面，所述第三透镜远离所述显示屏的表面为自由曲面。

可选地，所述近眼显示模组的焦距为14mm～25mm。

可选地，所述近眼显示模组的光学总长TTL为：TTL≤25mm。

第二方面，本申请提供了一种可穿戴设备，所述可穿戴设备包括：

壳体；以及

如第一方面所述的近眼显示模组。

本申请的有益效果为：

根据本申请实施例提供的近眼显示模组，其为一种折叠光路结构设计，通过在折叠光路设计中引入至少一个自由曲面，并调整引入的自由曲面的具体面型参数，能有效降低近眼显示模组的像散，提高了成像质量；本申请实施例提供的近眼显示模组能够在小体积的情况下保证高清成像。

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之一；

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偏振反射元件及第一偏振元件的示意图；

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；

图9为本申请实施例提供的近眼显示模组的结构示意图之二；

图10为图9示出的近眼显示模组的点列图；

图11为图9示出的近眼显示模组的MTF曲线图；

图12为图9示出的近眼显示模组的场曲畸变图；

图13为图9示出的近眼显示模组的垂轴色差图；

图14为与图1、图9示出的近眼显示模组相同规格下非球面光学方案的场曲畸变图；

图15为本申请实施例中的自由曲面的矢高在两个方向上的示意图；

图16为本申请实施例中的自由曲面的矢高在第一方向上的变化曲线；

图17为本申请实施例中的自由曲面的矢高在第二方向上的变化曲线。

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；41、屏幕保护玻璃；50、分光元件；60、第一相位延迟器；70、偏振反射元件；80、第一偏振元件；90、叠合片；91、第二抗反射膜；92、第二相位延迟器；93、第二偏振元件；94、第三相位延迟器；100、第一抗反射膜；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。

下面结合附图对本申请实施例提供的近眼显示模组以及可穿戴设备进行详细地描述。

根据本申请实施例的一个方面，提供了一种近眼显示模组，所述近眼显示模组可适合应用于可穿戴设备如头戴显示设备(Head mounted display，HMD)，例如VR头戴显示设备。

其中，VR头戴显示设备例如可以包括VR智能眼镜或者VR智能头盔等，本申请实施例中对可穿戴设备的具体形式对此不做限制。

本申请实施例提出的近眼显示模组，参见图1至图4，所述近眼显示模组包括成像镜组，以及分光元件50、第一相位延迟器60和偏振反射元件70；其中，所述第一相位延迟器60位于所述分光元件50与所述偏振反射元件70之间；所述成像镜组包括至少一个透镜，且所述成像镜组中设置有至少一个自由曲面，所述自由曲面沿第一方向的矢高与沿第二方向矢高的差异量绝对值设置为＜1mm；其中，所述第一方向与所述第二方向垂直，且所述第一方向为所述自由曲面的高度方向，参见图15。

根据本申请上述实施例提出的近眼显示模组，其为一种基于折叠光路(pancake)的光学模组。具体而言，参见图1至图4，在所述成像镜组内的不同透镜之间设置了所述分光元件50、所述第一相位延迟器60及所述偏振反射元件70，用以使所述近眼显示模组形成折叠光路。其中，所述第一相位延迟器60要位于所述分光元件50及所述偏振反射元件70之间。

在本申请实施例提出的近眼显示模组中，参见图1，所述成像镜组中的透镜数量可以根据需要灵活进行设置。例如，所述成像镜组中可以仅设置一个透镜，也可以设置两个或者两个以上的透镜。具体地，如图1中示出的，在成像镜组中设置三个透镜。

并且，设计在所述成像镜组中至少有一个透镜具有一个自由曲面，使得整个成像镜组中至少具有一个自由曲面。通过在所述成像镜组中引入至少一个自由曲面，能够有效降低近眼显示模组的像散，从而提升成像质量。

参见图14，在与图1示出的近眼显示模组相同的规格下，不含自由曲面的非球面面型方案的折叠光路像散一般为＞0.2mm。像散明显较大，这会影响最终的成像质量。

本申请实施例提供的近眼显示膜组，通过在整个光路中引入至少一个自由曲面，且通过合理调整该自由曲面的面型参数，例如将所述自由曲面沿第一方向的矢高与沿第二方向矢高的差异量绝对值设置为＜1mm，所述第一方向与所述第二方向垂直，且所述第一方向为所述自由曲面的高度方向。如此，可以明显的降低近眼显示模组的像散，例如像散可以达到＜0.1，这非常利于高清成像。

本申请实施例提出的近眼显示模组，可以在折叠光路小体积的设计下，兼具良好的成像质量。所述近眼显示模组基于小体积的特点，从而使得应用该近眼显示模组的虚拟现实显示设备能够保证具有尺寸小、轻薄化的特点，如此就更加适合用户佩戴使用、能够提升佩戴的舒适性。

本申请实施例提出的近眼显示模组，其为一种折叠光路结构设计，通过在折叠光路设计中引入至少一个自由曲面，并调整引入的自由曲面的具体面型参数，能有效降低近眼显示模组的像散，提高了成像质量；本申请实施例提供的近眼显示模组能够在小体积的情况下保证高清成像。

本申请实施例提供的近眼显示模组具体为一种折叠光路，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用于形成折叠光路的光学元件。

上述的这些光学元件(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，用以延长光线的传播路径，这利于最终的清晰成像，同时利于减小整个近眼显示模组的体积。

在本申请实施例提出的近眼显示模组中，透镜的使用数量可以根据具体需要灵活调整透镜的数量。随着折叠光路中透镜使用数量的增多，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，考虑到整个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，在光路中设计了三个透镜，参见图1。当然，本申请实施例提供的近眼显示模组并不限于内部设置三个透镜，这仅是一种示例。

其中，所述分光元件50例如为半透半反射膜。

所述分光元件50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50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50的反射率为47％～53％。

其中，所述第一相位延迟器60例如为四分之一波片。当然，这里的所述第一相位延迟器60也可根据需要设置为其他相位延迟片如半波片等。

本申请实施例提出的近眼显示模组中，在位于靠近人眼01一侧的折叠光路中，设置所述第一相位延迟器60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70例如为偏振反射膜/片。

所述偏振反射元件70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60与所述偏振反射元件70二者相配合，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70具有透过轴，所述偏振反射元件70的透过轴方向与所述第一相位延迟器60的快轴或者慢轴夹角例如为45°。

其中，所述分光元件50、所述第一相位延迟器60及所述偏振反射元件70这三个光学元件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的一侧或者两侧，但需要保证的是，所述第一相位延迟器60要介于所述分光元件50与所述偏振反射元件70之间。

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：入射光线例如为圆偏振光，则入射光线在进入所述成像镜组中后，入射光线能够在所述成像镜组中进行光线折返，最终经所述第三透镜30靠近人眼01的表面(参见图1中示出的第二表面12)出射，最终可以在左侧的人眼01中呈现出高清的画面，画面质感较佳。

可选的是，参见图16，所述自由曲面沿第一方向的矢高绝对值为0.75mm，参见图17，所述自由曲面沿第二方向的矢高绝对值为0.52mm。

在此基础上，在本申请实施例提供的近眼显示模组中，各所述自由曲面沿第一方向的矢高与沿第二方向矢高的差异量绝对值均为＜1mm。

需要说明的是，当所述近眼显示模组中不限于设一个透镜时，所述近眼显示模组中可以包含两个或者两个以上的镜片，则可能包含两个或者更多个自由曲面，此时，各所述自由曲面沿第一方向的矢高之和与沿第二方向的矢高之和的差异量绝对值也应当满足＜1mm。

在本申请的一些示例中，所述近眼显示模组的像散＜0.1mm，参见图7所示。

本申请实施例提出的近眼显示模组，基于在光路中引入了至少一个自由曲面，能够调整近眼显示模组的像散。例如，可以将像散降低至小于0.1mm。用户在使用近眼显示模组时能观察到高清的成像画面，从而利于提升用户的沉浸体验感。

具体地，像散是水平跟垂直两个方向的成像差异，如图7所示，场曲图上有2条线，分为为：T线和S线，分别代表垂直跟和水平两个方向，这两个方向的差异即为像散。图7示出的是图1提供的近眼显示模组的像散，可以看到：近眼显示模组的像散＜0.1mm。

在本申请的一些示例中，参见图1，所述成像镜组包括沿同一光轴依次设置的第一透镜10、第二透镜20及第三透镜30；其中，所述第一透镜10、所述第二透镜20及所述第三透镜30的面型包括自由曲面、非球面或者平面。

参见图1，例如在所述成像镜组中可以设计包含三个光学镜片，即上述的第一透镜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，所述第二透镜20的外径最大。三个光学镜片相互配合可以提高成像质量。

例如，所述第一透镜10、所述第二透镜20及所述第三透镜30的面型可以设计为各自包括至少一个自由曲面。这样，通过在光路设计中引入了更多的自由曲面，更加利于近眼显示模组的清晰成像，提升用户的沉浸感。

当然，所述第一透镜10、所述第二透镜20及所述第三透镜30考虑到需要贴膜方便，也可以采用其他的面型例如非球面或者平面等。

在本申请的一些示例中，所述第二透镜20和所述第三透镜30的组合焦距与所述第一透镜10的焦距比值的绝对值满足≤0.3。

参见图1，本申请上述示例提出的近眼显示模组包含第一透镜10、第二透镜20及第三透镜30；其中，所述第三透镜30设于靠近人眼01的一侧，所述第一透镜10位于入光侧，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。通过调整靠近人眼01一侧的两个透镜与远离人眼01的单个透镜的焦距比值，可以在折叠光路小尺寸的前提下，保证良好的成像质量。

可选的是，所述第一透镜10的焦距

为：

所述第二透镜20的焦距

为：

所述第三透镜30的焦距

为：

在本申请实施例的近眼显示模组中，所述第三透镜30及所述第二透镜20设置在靠近人眼01的一侧，而形成折叠光路中的偏振反射元件70例如设于所述第二透镜20与所述第三透镜30之间。当所述第二透镜20与所述第三透镜30的组合焦距设置为正时，二者的光焦度也为正，入射光线经所述第二透镜20和所述第三透镜30透射入射到偏振反射元件70的角度较小，利于使大量的光线打入人眼01中进行成像。

在本申请的一些示例中，所述分光元件50设于所述第二透镜20与所述第一透镜10之间，所述第一相位延迟器60和所述偏振反射元件70依次设于所述第二透镜20与所述第三透镜30之间。

所述分光元件50、所述第一相位延迟器60及所述偏振反射元件70在上述的三个透镜之间形成折叠光路，可以延长光线传播路径，利于提升成像质量。

在本申请的一些示例中，参见图1，所述近眼显示模组还包括显示屏40，所述第一透镜10位于靠近所述显示屏40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90，能够用以将所述显示屏40发射的自然光转变为圆偏振光。

其中，所述叠合片90包括第二相位延迟器92、第三相位延迟器94及介于所述第二相位延迟器92与所述第三相位延迟器94之间的第二偏振元件93。

进入所述成像镜组中的入射光线应当为圆偏振光。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所述成像镜组中，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，所述叠合片90包括第二相位延迟器92、第三相位延迟器94及介于所述第二相位延迟器92与所述第三相位延迟器94之间的第二偏振元件93。用于将自然光转变为圆偏振光的器件为叠合片90。

所述叠合片90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振元件。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94)后依然为自然光，经过所述第二偏振元件93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92)变为圆偏振光。

在所述叠合片90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。

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41。

所述显示屏40发出的光线经过表面的所述屏幕保护玻璃41透射后进入所述叠合片90进行光的偏振态转变。

可选的是，所述叠合片90设于所述第一透镜10远离所述显示屏40的表面；所述第一透镜10远离所述显示屏40的表面为非球面或者平面；所述第一透镜10靠近所述显示屏40的表面为自由曲面。

所述叠合片90例如为一种复合膜，通过将两个四分一之波片之间夹设偏振膜形成。在本申请的实施例中，设计将所述叠合片90通过例如光学胶直接贴装于所述第一透镜10的表面上，且贴装的表面设计为非球面或者平面。这种组装方式简单、可以降低生产成本及提高产品良率。

此外，还可以选择在所述第一透镜10的两个表面上均设置抗反射膜。

具体地，参见图2，所述叠合片90还可以包括第二抗反射膜91，则所述第二抗反射膜91设于所述第二相位延迟器92背离所述第二偏振元件93的一侧。

当然，还可以选择在所述第一透镜10靠近所述显示屏40的表面(第一表面11)也设置抗反射膜。

抗反射膜能够减少反射，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。

在本申请的一些示例中，参见图1、图3及图4，所述近眼显示模组还包括第一偏振元件80；

所述分光元件50设于所述第二透镜20靠近所述显示屏40的表面，所述第一相位延迟器60设于所述第二透镜20远离所述显示屏40的表面；所述偏振反射元件70及所述第一偏振元件80为层叠设置，并设于所述第三透镜30靠近所述显示屏40的表面。

可选的是，所述第二透镜20靠近所述显示屏40的表面为自由曲面或非球面，所述第二透镜20远离所述显示屏40的表面为非球面或平面；

所述第三透镜30靠近所述显示屏40的表面为自由曲面或非球面，所述第三透镜30远离所述显示屏40的表面为自由曲面。

其中，所述第一偏振元件80的引入可用于减少杂散光。

在上述的例子中，将构成折叠光路的光学元件贴装在不同的镜片上。

例如，所述分光元件50及所述第一相位延迟器60分设在所述第二透镜20的两个表面上，同时，所述偏振反射元件70及所述第一偏振元件80共同设于所述第一透镜10的同一个表面上，所述分光元件50、所述第一相位延迟器60及所述偏振反射元件70分别为独立设置。这样，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。

当然，所述分光元件50、所述第一相位延迟器60及所述偏振反射元件70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，本申请实施例中对此不做限制。

上述例子提供的近眼显示模组，参见图1，光线的传播如下：

显示屏40发出自然光，经过屏幕保护玻璃41透射，经过第一透镜10表面的叠合片90变成圆偏振光，经第二透镜20表面上的分光元件50透射，经第二透镜20另一表面上的第一相位延迟器60变成线偏振光(P光)，经过第三透镜30表面的偏振反射元件70反射，经过第二透镜20的第一相位延迟器60变成圆偏振光，经过所述分光元件50反射，经过所述第一相位延迟器60变成线偏振光(S光)，经过所述第三透镜30透射之后打入人眼01。

在本申请实施例提供的近眼显示模组中，所述第一透镜10的中心厚度T₁为：1mm＜T₁＜8mm，其包含两个光学面，参见图1，分别为靠近显示屏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可以为自由曲面、非球面或者平面。

较为优选的是，所述第一表面11设置为自由曲面。

所述第二表面12设置有叠合片90，如图2所示，所述叠合片90可以包括第二抗反射膜91、第二相位延迟器92、第二偏振元件93及第三相位延迟器94，所述第一表面11上也可以设置抗反射膜。

通过在所述第一透镜10的第二表面12设置所述叠合片90，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。

在本申请实施例提供的近眼显示模组中，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，分别为靠近所述显示屏40的第三表面21及远离所述显示屏40的第四表面22，参见图1。

可选的是，所述第三表面21及所述第四表面22可以为自由曲面、非球面或者平面。

例如，在所述第三表面21上设置有分光元件50，所述第三表面21可以为自由曲面或者非球面。参见图3，所述第四表面22上设置有第一相位延迟器60，所述第四表面22可以是平面或者非球面。平面或者非球面的设计更加利于简化贴膜工艺。

此外，参见图3，还可以在所述第四表面22上选择性的设置第一抗反射膜100。如此，所述第一抗反射膜100也设置在所述第四表面22上，可以与所述第一相位延迟器60层叠设置。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。

在本申请实施例提供的近眼显示模组中，所述第三透镜30的中心厚度T₃范围为1mm＜T₃＜8mm，其包含两个光学面，参见图1，分别为靠近所述显示屏40的第五表面31及远离所述显示屏40的第六表面32。

可选的是，所述第五表面31及第六表面32均为自由曲面；或者，所述第五表面31为非球面，所述第六表面32为自由曲面。

参见图4，在所述第五表面31上设置所述偏振反射元件70及所述第一偏振元件80。

可选的是，所述近眼显示模组的焦距为14mm～25mm。

可选的是，所述近眼显示模组的光学总长TTL为：TTL≤25mm。

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。

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。

以下通过实施例1和实施例2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，以及分光元件50、第一相位延迟器60、偏振反射元件70及第一偏振元件80，所述近眼显示模组还包括显示屏40，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；

所述显示屏40发出的入射光线为自然光，在所述第一透镜10的第二表面12上设有叠合片90，所述叠合片90包括第二相位延迟器92、第三相位延迟器94及介于二者之间的第二偏振元件93；

所述分光元件50设于所述第二透镜20的第三表面21，所述第一相位延迟器60设于所述第二透镜20的第四表面22，所述第一偏振元件80与所述偏振反射元件70叠设后设于所述第三透镜30的第五表面31；

所述第一透镜10的第一表面11为自由曲面，所述第一透镜10的第二表面12为非球面或平面；所述第二透镜20的第三表面21为自由曲面，所述第二透镜20的第四表面为平面或者非球面；所述第三透镜30的第五表面为非球面，所述第三透镜30的第六表面为由曲面；

所述第一透镜10的焦距为-55mm，所述第二透镜20的焦距为14.8mm，所述第三透镜30的焦距为226mm；

所述近眼显示模组的焦距为18.2mm；

所述近眼显示模组的光学系统总长TTL为23.5mm。

表1～表3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自由曲面系数

表2非球面系数

表3各透镜的参数

	材料	镜片厚度/mm	镜片间隙/mm
				第三透镜30	K26R	2.6	0.3
第二透镜20	APEL	6.23	0.38
				第一透镜10	APEL	6	2.6

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。参见图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11μm。

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。参见图6所示，MTF在60lp/mm下>0.5，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，参见图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，参见图7，场曲最大发生在1视场附近，最大值小于0.2mm。

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。参见图8所示，近眼显示模组的最大色差值小于160μm。

实施例2

参见图9，所述近眼显示模组包括成像镜组，以及分光元件50、第一相位延迟器60、偏振反射元件70及第一偏振元件80，所述近眼显示模组还包括显示屏40，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的第一表面11为自由曲面，所述第一透镜10的第二表面12为非球面或平面；所述第二透镜20的第三表面21为非球面，所述第二透镜20的第四表面为平面或者非球面；所述第三透镜30的第五表面及第六表面为由曲面；

所述第一透镜10的焦距为-143mm，所述第二透镜20的焦距为16.7mm，所述第三透镜30的焦距为198mm；

所述近眼显示模组的焦距为19mm；

所述近眼显示模组的光学系统总长TTL为24.1mm。

表4～表6示出了本实施例2提供的近眼显示模组中各透镜的具体光学参数。

表4自由曲面系数

表5非球面系数

表6各透镜的参数

	材料	镜片厚度/mm	镜片间隙/mm
				第三透镜30	K26R	5.2	0.4
第二透镜20	APEL	7	0.3
				第一透镜10	APEL	5.8	2.6

针对上述实施例2提供的近眼显示模组，其光学性能可如图10至图13所示：图10是近眼显示模组的点列图示意图，图11是近眼显示模组的MTF曲线图，图12是近眼显示模组的场曲畸变图，图13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。参见图10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11μm。

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。参见图11所示，MTF在60lp/mm下>0.2，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，参见图12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，参见图12，场曲最大发生在1视场附近，最大值小于0.2mm。

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。参见图13所示，近眼显示模组的最大色差值小于190μm。

需要说明的是，像散是水平跟垂直两个方向的成像差异，如图7所示，场曲图上有2条线，分为为：T线和S线，分别代表垂直跟和水平两个方向，这两个方向的差异即为像散。

上述的实施例1与实施例2的像散均为＜0.1mm。图14是相同规格下非球面方案的像散＞0.2mm。可见，本申请提供的光学方案能够有效降低近眼显示模组的像散，利于提升成像质量。

根据本申请实施例的另一方面，还提供了一种可穿戴设备，所述可穿戴设备包括壳体，以及如上述所述的近眼显示模组。

所述可穿戴设备例如为头戴显示设备。

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。

本申请实施例的可穿戴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

1.一种近眼显示模组，其特征在于，包括成像镜组，以及分光元件(50)、第一相位延迟器(60)和偏振反射元件(70)；其中，所述第一相位延迟器(60)位于所述分光元件(50)与所述偏振反射元件(70)之间；

2.根据权利要求1所述的近眼显示模组，其特征在于，所述自由曲面沿第一方向的矢高绝对值为0.75mm，所述自由曲面沿第二方向的矢高绝对值为0.52mm。

3.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像散＜0.1mm。

4.根据权利要求1所述的近眼显示模组，其特征在于，所述成像镜组包括沿同一光轴依次设置的第一透镜(10)、第二透镜(20)及第三透镜(30)；其中，所述第一透镜(10)、所述第二透镜(20)及所述第三透镜(30)的面型包括自由曲面、非球面或者平面。

5.根据权利要求4所述的近眼显示模组，其特征在于，所述第二透镜(20)和所述第三透镜(30)的组合焦距与所述第一透镜(10)的焦距比值的绝对值满足≤0.3。

6.根据权利要求4所述的近眼显示模组，其特征在于，所述第一透镜(10)的焦距φ₁为：-200mm<φ₁<60mm；

所述第二透镜(20)的焦距φ₂为：10mm<φ₂<20mm；

所述第三透镜(30)的焦距φ₃为：100mm<φ₃<600mm。

7.根据权利要求4所述的近眼显示模组，其特征在于，所述分光元件(50)设于所述第二透镜(20)与所述第一透镜(10)之间，所述第一相5位延迟器(60)和所述偏振反射元件(70)依次设于所述第二透镜(20)与所述第三透镜(30)之间。

8.根据权利要求7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)，所述第一透镜(10)位于靠近所述显示屏(40)0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(90)，能够用以将所述显示屏(40)发射的自然光转变为圆偏振光；

其中，所述叠合片(90)包括第二相位延迟器(92)、第三相位延迟5器(94)及介于所述第二相位延迟器(92)与所述第三相位延迟器(94)之间的第二偏振元件(93)。

9.根据权利要求8所述的近眼显示模组，其特征在于，所述叠合片(90)设于所述第一透镜(10)远离所述显示屏(40)的表面；

0所述第一透镜(10)远离所述显示屏(40)的表面为非球面或者平面；

所述第一透镜(10)靠近所述显示屏(40)的表面为自由曲面。

10.根据权利要求8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第一偏振元件(80)；

5所述分光元件(50)设于所述第二透镜(20)靠近所述显示屏(40)的表面，所述第一相位延迟器(60)设于所述第二透镜(20)远离所述显示屏(40)的表面；

所述偏振反射元件(70)及所述第一偏振元件(80)为层叠设置，并设于所述第三透镜(30)靠近所述显示屏(40)的表面。

11.根据权利要求10所述的近眼显示模组，其特征在于，所述第二透镜(20)靠近所述显示屏(40)的表面为自由曲面或非球面，所述第二透镜(20)远离所述显示屏(40)的表面为非球面或平面；

所述第三透镜(30)靠近所述显示屏(40)的表面为自由曲面或非球面，所述第三透镜(30)远离所述显示屏(40)的表面为自由曲面。

12.根据权利要求1-11中任一项所述的近眼显示模组，其特征在于，所述近眼显示模组的焦距为14mm～25mm。

13.根据权利要求12所述的近眼显示模组，其特征在于，所述近眼显示模组的光学总长TTL为：TTL≤25mm。

14.一种可穿戴设备，其特征在于，包括：

壳体；以及

如权利要求1-13中任一项所述的近眼显示模组。