CN116719154A - 光学模组以及头戴显示设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种光学模组以及头戴显示设备；其中，光学模组包括透镜组以及设于所述透镜组的光路之间的分光元件、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；所述光学模组还包括显示屏，所述显示屏位于所述透镜组的一侧；所述透镜组包括第一透镜及第二透镜，且所述第一透镜靠近所述显示屏，所述第二透镜位于所述第一透镜背离所述显示屏的一侧；所述第一透镜的外径D3，所述第二透镜的外径D4及所述显示屏的发光面的口径D1之间满足：1≤(D1+D4)/D3≤3。本申请实施例提供的光学模组在小尺寸的情况下，可兼顾较大的视场角。

Description

光学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光学模组以及头戴显示设备。

背景技术

虚拟现实技术的核心部件是内部采用的光学系统，其显示图像效果的好坏将直接决定着虚拟现实产品的质量。虚拟现实显示产品的显示器的尺寸越小，分辨率越高，则对光学系统的要求越高，尤其是视场角度。但是，目前针对小尺寸显示器的光学系统一般很难做到大视场角。

发明内容

本申请的目的是提供一种光学模组以及头戴显示设备的新技术方案，解决了现有小尺寸显示器的光学模组一般很难做到大视场角的问题。

第一方面，本申请提供了一种光学模组。所述光学模组包括透镜组以及设于所述透镜组的光路之间的分光元件、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；

所述光学模组还包括显示屏，所述显示屏位于所述透镜组的一侧；

所述透镜组包括第一透镜及第二透镜，且所述第一透镜靠近所述显示屏，所述第二透镜位于所述第一透镜背离所述显示屏的一侧；

所述第一透镜的外径D3，所述第二透镜的外径D4及所述显示屏的发光面的口径D1之间满足：1≤(D1+D4)/D3≤3。

可选地，所述透镜组还包括第三透镜，所述第三透镜位于所述第二透镜远离所述显示屏的一侧，所述第一透镜、所述第二透镜及所述第三透镜位于同一光轴上；所述第一透镜、所述第二透镜及所述第三透镜的光焦度为正。

可选地，所述第三透镜靠近所述显示屏的表面至所述显示屏的出光面之间的距离为L，所述第三透镜靠近所述显示屏的表面至所述第一透镜远离所述显示屏的表面之间的距离为L1，所述光学模组满足：

-500≤D1*L1-D3*L<0。

可选地，所述光学模组的光焦度为φ，所述第二透镜的光焦度为φ₂，所述光学模组满足：

0<D1*φ-D4*φ₂≤2。

可选地，所述第一透镜的光焦度φ₁为0≤φ₁<0.01；

所述第二透镜的光焦度φ₂为0<φ₂<0.1；

所述第三透镜的光焦度φ₃为0<φ₃<0.1。

可选地，所述第二透镜及所述第三透镜的组合光焦度φ₄为0.03≤φ₄≤0.07。

可选地，所述第一透镜、所述第二透镜及所述第三透镜的组合光焦度φ₅为0.02≤φ₅≤0.08。

可选地，所述光学模组还包括第一偏振元件，所述第一相位延迟器、所述偏振反射元件及所述第一偏振元件依次层叠设置形成复合膜；

所述分光元件设于所述第二透镜，所述复合膜设于所述第三透镜。

可选地，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，在所述第一透镜的任一侧设置有叠合元件，用以将自然光转变为圆偏振光；其中，所述叠合元件包括层叠设置的第二相位延迟器、第二偏振元件及第三相位延迟器；其中，所述第二偏振元件位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，所述叠合元件设于所述第一透镜远离所述显示屏的表面，所述分光元件设于所述第二透镜靠近所述显示屏的表面，所述复合膜设于所述第三透镜靠近所述显示屏的表面。

可选地，所述光学模组的有效焦距为F，所述第一透镜的中心厚度为T₁，所述光学模组满足：

0<(F-T₁)/D1≤1.5。

可选地，所述光学模组的有效焦距F为15mm≤F≤30mm。

可选地，所述光学模组的FOV值为≥95°。

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：

外壳；以及

如第一方面所述的光学模组。

本申请的有益效果为：

根据本申请实施例提供的光学模组，其为一种折叠光路结构，通过设计光学模组中靠近显示屏一侧的两个透镜的外径与显示屏的口径三者之间的尺寸关系，使得光学模组可以在采用小尺寸显示屏的情况下能够兼顾较大的视场角FOV。

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光学模组的结构示意图之一；

图2为本申请实施例提供的第一透镜、第二透镜及显示屏的尺寸关系示意图；

图3为本申请实施例提供的第三透镜上设置复合膜的示意图；

图4为本申请实施例提供的第一透镜上设置叠合元件的示意图；

图5为图1示出的光学模组的点列图；

图6为图1示出的光学模组的MTF曲线图；

图7为图1示出的光学模组的场曲畸变图；

图8为图1示出的光学模组的垂轴色差图；

图9为本申请实施例提供的光学模组的结构示意图之二；

图10为图9示出的光学模组的点列图；

图11为图9示出的光学模组的MTF曲线图；

图12为图9示出的光学模组的场曲畸变图；

图13为图9示出的光学模组的垂轴色差图；

图14为本申请实施例提供的光学模组的结构示意图之三；

图15为图14示出的光学模组的点列图；

图16为图14示出的光学模组的MTF曲线图；

图17为图14示出的光学模组的场曲畸变图；

图18为图14示出的光学模组的垂轴色差图；

附图标记：

1、显示屏；2、屏幕保护玻璃；3、第一透镜；31、第一表面；32、第二表面；4、第二透镜；41、第三表面；42、第四表面；5、第三透镜；51、第五表面；52、第六表面；6、叠合元件；61、第二相位延迟器；62、第二偏振元件；63、第三相位延迟器；64、第二抗反射膜；7、分光元件；8、复合膜；80、第一抗反射膜；81、第一相位延迟器；82、偏振反射元件；83、第一偏振元件；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光学模组以及头戴显示设备进行详细地描述。

根据本申请实施例的一个方面，提供了一种光学模组，所述光学模组可适合应用于可穿戴设备。所述可穿戴设备例如为头戴显示设备(Head mounted display，HMD)，如VR头戴显示设备。所述VR头戴显示设备例如包括VR智能眼镜或者VR智能头盔等，本申请实施例对头戴显示设备的具体形式对此不做限制。

本申请实施例提出的光学模组，参见图1至图4，所述光学模组包括透镜组以及设于所述透镜组的光路之间的分光元件7、第一相位延迟器81及偏振反射元件82；其中，所述第一相位延迟器81位于所述分光元件7与所述偏振反射元件82之间。所述光学模组还包括显示屏1，所述显示屏1位于所述透镜组的一侧。所述透镜组包括第一透镜3及第二透镜4，且所述第一透镜3靠近所述显示屏1，所述第二透镜4位于所述第一透镜3背离所述显示屏1的一侧；所述第一透镜3的外径D3，所述第二透镜4的外径D4及所述显示屏1的发光面的口径D1之间满足1≤(D1+D4)/D3≤3。

根据本申请上述实施例提供的光学模组，其为一种基于折叠光路(pancake)的光学模组，该光学模组可应用于虚拟现实产品例如VR产品。

根据本申请上述实施例提供的光学模组，参见图1及图2，在靠近所述显示屏1的一侧，沿同一光轴依次设置有第一透镜3及第二透镜4，在所述第一透镜3背离所述第二透镜4的一侧设置有显示屏1，本申请实施例的光学方案，通过参数的全新设计得到在所述第一透镜3的外径D3、所述第二透镜4的外径D4与所述显示屏1的口径D1三者满足1≤(D1+D4)/D3≤3这一关系时，所述光学模组可以在所述显示屏1尺寸较小的情况下兼顾较大的视场角FOV。

例如，在(D1+D4)/D3为1时，所述光学模组可以在保证视场角度≥95度时适配0.94英寸的显示屏。

例如，在(D1+D4)/D3为1.9时，所述光学模组可以在保证视场角度≥95度时适配1.3英寸的显示屏。

例如，在(D1+D4)/D3为3时，所述光学模组可以在保证视场角度≥95度时适配2.1英寸的显示屏。

需要说明的是，当(D1+D4)/D3的值小于1或者大于3时，所形成的光学模组在小尺寸的显示屏下的视场角FOV是较小的，不能达到95度。

本申请实施例提供的光学模组中可以采用尺寸较小的显示屏1，例如显示屏1的尺寸可以不大于2.1英寸，以此可以降低光学模组的重量及生产成本。而为了改善小尺寸显示屏带来的光学模组的视场角受限问题，设计调整了靠近所述显示屏1的两个透镜的尺寸，使该两个透镜与所述显示屏1的尺寸满足特定的比例关系，使得光学模组可以兼顾大视场的性能，光学模组的视场角FOV可以达到例如95°以上。

本申请实施例提出的光学模组，利于实现虚拟现实显示设备例如VR设备在小显示屏下的大视场要求。基于其中的显示屏的小尺寸设计能减小光学模组的重量，这样更加适合用户佩戴使用，能够提升佩戴的舒适性，即使长时间使用也不会有疲劳感。

根据本申请实施例提供的光学模组，其为一种折叠光路结构，通过调整光学模组中靠近所述显示屏1一侧的两个透镜的外径与所述显示屏1的口径三者之间的尺寸关系，使得光学模组可以在采用小尺寸显示屏的情况下能够兼顾较大的视场角FOV，从而可以提升用户的沉浸式体验感。

本申请实施例提供的光学模组为一种折叠光路，其中除包含有透镜组之外，所述光学模组还包含有分光元件7、第一相位延迟器81及偏振反射元件82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)可用以在所述透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，同时利于减小整个光学模组的体积。

本申请实施例提出的光学模组，所述第一透镜3为靠近所述显示屏1的第一个透镜，所述第二透镜4为靠近所述显示屏1的第二个透镜，该两个透镜的外径尺寸与显示屏1的口径尺寸相关，通过调整该两个透镜的外径与所述显示屏1的口径之间的尺寸关系，可以保证所述显示屏1即使在小尺寸下，也可以使得整个形成的光学模组兼顾较大的视场。

需要说明的是，在所述透镜组还可以包括其他的透镜。对于所述透镜组而言，其中透镜的使用数量可以根据具体需要灵活调整。随着折叠光路中透镜使用数量的增多，可以提升光学模组的成像质量，但也会影响光学模组沿光轴方向(横向)的尺寸及生产成本，导致光学模组的体积较大、重量增加及成本增加。

作为本申请一种较为优选的方式，所述透镜组中在靠近所述显示屏1的一侧可以设置两个透镜，参见图1。

其中，所述分光元件7例如为半透半反射膜。所述分光元件7可供一部分光线透射，另一部分光线反射。

可选的是，所述分光元件7的反射率为47％～53％。

需要说明的是，所述分光元件7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。

其中，所述第一相位延迟器81例如为四分之一波片。当然，这里的所述第一相位延迟器81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光学模组中，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81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82例如为偏振反射膜/片。所述偏振反射元件82为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81与所述偏振反射元件82二者相配合，能够用于解析光线并对光线进行传递。

需要强调的是，所述分光元件7、所述第一相位延迟器81及所述偏振反射元件82这些光学元件在近人眼01一侧的所述透镜组内可形成折叠光路，上述的各个光学元件的布设位置较为灵活，但需要保证的是，所述第一相位延迟器81要介于所述分光元件7与所述偏振反射元件82之间。

在本申请的一些示例中，参见图1，所述透镜组还包括第三透镜5，所述第三透镜5位于所述第二透镜4远离所述显示屏1的一侧，所述第一透镜3、所述第二透镜4及所述第三透镜5位于同一光轴上；所述第一透镜3、所述第二透镜4及所述第三透镜5的光焦度为正。

根据上述的示例，所述透镜组具有三个透镜，且该三个透镜的光焦度均设计为正，这对于校正光学模组的像差有利，从而能够提高成像质量，使得光学模组具有良好的光学性能。

在本申请的一些示例中，参见图1，所述第三透镜5靠近所述显示屏1的表面至所述显示屏1的出光面之间的距离为L，所述第三透镜5靠近所述显示屏1的表面至所述第一透镜3远离所述显示屏1的表面之间的距离为L1，所述光学模组满足：-500≤D1*L1-D3*L<0。

其中，所述第三透镜5位于远离所述显示屏1的一侧，所述第三透镜5包括两个表面，参见图1，所述第三透镜5靠近所述显示屏1的表面为第五表面51，远离所述显示屏1的表面为第六表面52。

其中，所述第一透镜3位于靠近所述显示屏1的一侧，所述第一透镜3包括两个表面，参见图1，所述第一透镜3靠近所述显示屏1的表面为第一表面31，远离所述显示屏1的表面为第二表面32。

根据上述示例中，L为所述第三透镜5的第五表面51至所述显示屏1的发光面的距离，L1为所述第三透镜5的第五表面51至所述第一透镜3的第二表面32的距离，这两个距离与所述显示屏1的口径D1和所述第一透镜3的外径D3应当满足上述示例中的-500≤D1*L1-D3*L<0这一关系，可以保证光学模组在拥有大视场的前提下，且在同等性能要求下，允许所述第一透镜3及所述第二透镜4具有更宽的尺寸公差，可以降低光学模组的组装难度。

在本申请的一些示例中，所述光学模组的光焦度为φ，所述第二透镜4的光焦度为φ₂，所述光学模组满足：0<D1*φ-D4*φ₂≤2。

根据上述示例中光学模组满足的条件，可以保证大视场的同时，减少光学模组的径向尺寸，从而可以在保证用户使用光学模组的沉浸式体验感及佩戴光学模组时的舒适性。

在本申请的一些示例中，所述第一透镜3的光焦度φ₁为0≤φ₁<0.01；所述第二透镜4的光焦度φ₂为0<φ₂<0.1；所述第三透镜5的光焦度φ₃为0<φ₃<0.1。

根据上述示例，通过对所述透镜组中的三个透镜的光焦度范围进行分别限定，使得三个透镜相互搭配组合后组合光焦度为正，可以更好的校正像差，以提高成像质量。

在本申请的一些示例中，所述第二透镜4及所述第三透镜5的组合光焦度φ₄为：0.03≤φ₄≤0.07。

本申请实施例提供的光学模组，其中的所述透镜组具有三个透镜，参见图1，分别为靠近所述显示屏1的第一透镜3、靠近人眼01的第三透镜5以及介于所述第一透镜3与所述第三透镜5之间的第二透镜4。根据上述示例，所述第二透镜4及所述第三透镜5的组合光焦度范围设计为上述的0.03～0.07，在此基础上，对应固定尺寸的显示屏，在增大视场的情况下，减少光学模组的场曲与慧差。

可选的是，所述第一透镜3及所述第二透镜4的组合光焦度φ₆为：0＜φ₆≤0.05。所述第一透镜3与所述第二透镜4的组合光焦度范围设计，可以保证光学模组的边缘视场场曲较小。

在本申请的一些示例中，所述第一透镜3、所述第二透镜4及所述第三透镜5的组合光焦度φ₅为0.02≤φ₅≤0.08。

根据上述示例，三个透镜的组合光焦度范围设计可以很好的降低光学模组的像差，从而能够提高像质，使得光学模组具有良好的光学性能。

在本申请的一些示例中，参见图1、图3及图4，所述光学模组还包括第一偏振元件83，所述第一相位延迟器81、所述偏振反射元件82及所述第一偏振元件83依次层叠设置形成复合膜8；所述分光元件7设于所述第二透镜4，所述复合膜8设于所述第三透镜5。

根据上述示例，所述分光元件7及所述复合膜8均设于所述透镜组内，并分设在所述第二透镜4及第三透镜5上，使光学模组形成折叠光路的光学架构，这利于减少光学模组的沿光轴方向的尺寸，从而利于实现光学模组的轻薄化设计。将构成折叠光路的光学元件例如分光元件7及复合膜8直接分设在不同的镜片上，这样利于降低光学模组的组装难度。

当然，所述分光元件7、所述复合膜8也可以分别设置在平板玻璃(透光支撑件)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。

在本申请的一些示例中，参见图1及图4，所述显示屏1被配置为能够发射圆偏振光或者自然光；当所述显示屏1发射的光线为自然光时，在所述第一透镜3的任一侧设置有叠合元件6，用以将自然光转变为圆偏振光；其中，所述叠合元件6包括层叠设置的第二相位延迟器61、第二偏振元件62及第三相位延迟器63；其中，所述第二偏振元件62位于所述第二相位延迟器61与所述第三相位延迟器63之间。

需要说明的是，进入所述透镜组中的入射光线应当为圆偏振光。

当所述显示屏1发出的是自然光时，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透镜组中，最终经所述透镜组出射的光线打入人眼01进行成像。

其中，用于将自然光转变为圆偏振光的器件为上述的叠合元件6。

具体地，所述叠合元件6例如包括第二相位延迟器61、第三相位延迟器63及设于该两个相位延迟器之间的第二偏振元件62，参见图4。所述显示屏1若发出自然光，自然光经过第二相位延迟器61后依然为自然光，经过第二偏振元件62后变为线偏振光，再经过第三相位延迟器63变为圆偏振光。

可选的是，参见图4，所述叠合元件6还可以包括第二抗反射膜64。此时，所述第二抗反射膜64设于所述第三相位延迟器63背离所述第二偏振元件62的一侧。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透镜上形成一些界面，能够用以增加透过率，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。

可选的是，参见图1，在所述显示屏1的出光面上可以设置屏幕保护玻璃2。所述屏幕保护玻璃2可以对显示屏1进行保护。此时，所述显示屏1发出的光线经过屏幕保护玻璃2透射后进入所述叠合元件6进行光的偏振态转变。

在本申请的一些示例中，参见图1，所述叠合元件6设于所述第一透镜3远离所述显示屏1的表面，所述分光元件7设于所述第二透镜4靠近所述显示屏1的表面，所述复合膜8设于所述第三透镜5靠近所述显示屏1的表面。

在本申请实施例提供的光学模组中，所述透镜组包括第一透镜3、第二透镜4及第三透镜5，该三个透镜采用的材料折射率和色散系数范围为：1.4<n<1.7，20<v<75。

例如，所述第一透镜3的折射率n＝1.54，色散系数v＝56.3。

例如，所述第二透镜4的折射率n＝1.54，色散系数v＝56.3。

例如，所述第三透镜5的折射率n＝1.54，色散系数v＝55.7。

通过调整上述三个透镜的折射率和色散系数，使其相匹配，可以提升光学模组的成像品质。

其中，所述第一透镜3的中心厚度范围例如为：1mm≤T₁≤8mm，其包含两个光学面，参见图1，分别为第一表面31和第二表面32，该两个光学面为非球面或平面。所述第一透镜3的光焦度φ₁为0≤φ₁<0.01。

例如，在所述第一表面31和所述第二表面32中的一个表面上设置所述叠合元件6，则在其另一个表面上贴装抗反射膜。

其中，所述第二透镜4的中心厚度范围例如为：1mm≤T₂≤8mm，其包含两个光学面，参见图1，分别为第三表面41和第四表面42，该两个光学面为非球面或者平面。所述第二透镜4的光焦度φ₂为0＜φ₂＜0.1。

例如，在所述第三表面41设置所述分光元件7(例如半透射半反射膜)，在所述第四表面42上可以设置抗反射膜。

其中，所述第三透镜5的中心厚度范围例如为：1mm≤T₃≤8mm，其包含两个光学面，参见图1，分别为第五表面51和第六表面52，该两个光学面为非球面或者平面。所述第三透镜5的光焦度φ₃为0＜φ₃＜0.1。

例如，参见图1及图3，可以在所述第五表面51设置所述复合膜8，所述复合膜8例如包含第一抗反射膜80、第一相位延迟器81(例如1/4波片)、偏振反射元件82(例如偏振反射膜，可透P光反S光)以及第一偏振元件83(例如偏振膜，可透P光)。可以在所述第六表面52设置有抗反射膜。其中，所述第一偏振元件83可以减少杂散光。

根据本申请实施例提供的光学模组，参见图1，光线的传播如下：

所述显示屏1发出自然光，经过所述第一透镜3表面的第二相位延迟器61后依然为自然光，经过所述第二偏振元件62变为线偏振光，经过所述第三相位延迟器63变为圆偏振光，经过所述第二透镜4透射，经过所述第三透镜5表面的第一相位延迟器81变成线偏振光(S光)，经过所述偏振反射元件82反射，再次经过所述第一相位延迟器81变成圆偏振光，经过所述分光元件7反射，经过所述第一相位延迟器81变成线偏振光(P光)，再经过所述第三透镜5透射，打入人眼01，最终在人眼01中呈现图像。

在本申请的一些示例中，所述光学模组的有效焦距为F，所述第一透镜3的中心厚度为T₁，所述光学模组满足0<(F-T₁)/D1≤1.5。

根据上述示例中光学模组满足的条件，可以在所述显示屏尺寸一定的前提下，减少光学模组的系统总长(轴向尺寸)。利于实现光学模组的轻薄化。

根据本申请的一些示例，所述光学模组的有效焦距EFL为15mm≤EFL≤30mm。

根据本申请的一些示例，所述光学模组的FOV值为≥95°。

以下通过实施例1至实施例3对本申请实施例提供的光学模组的光学性能进行详细描述。

实施例1

本实施例1提供的光学模组，其光学构架参见图1，包括沿同一光轴依次设置的第一透镜3、第二透镜4及第三透镜5，还包括显示屏1，所述显示屏1设于所述第一透镜3背离所述第二透镜4的一侧；其中，所述第一透镜3的外径D3，所述第二透镜4的外径D4及所述显示屏1的发光面的口径D1之间满足：1≤(D1+D4)/D3≤3。

所述光学模组还包括分光元件7、复合膜8及叠合元件6；其中，所述叠合元件6设于所述第一透镜3的第二表面32上，所述分光元件7设于所述第二透镜4的第三表面41上，所述复合膜8设于所述第三透镜5的第五表面51上。

其中，所述叠合元件6包括层叠设置的第二相位延迟器61、第二偏振元件62及第三相位延迟器63；其中，所述第二偏振元件62位于所述第二相位延迟器61与所述第三相位延迟器63之间。

其中，所述复合膜8包括层叠设置的第一相位延迟器81、所述偏振反射元件82及所述第一偏振元件83；其中，所述偏振反射元件82位于所述第一相位延迟器81与所述第一偏振元件83之间。

表1示出了本实施例1提供的光学模组中各透镜的具体光学参数。

表1

针对上述实施例1提供的光学模组，其光学性能可如图5至图8所示：

图5是光学模组的点列图示意图，图6是光学模组的MTF曲线图，图7是光学模组的场曲畸变图，图8是光学模组的垂轴色差图。

点列图是指由一点发射出的许多光线经光学模组之后，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，可用于评价光学模组的成像质量。参见图5所示，所述点列图中像点的最大值小于21μm。

MTF曲线图是调制传递函数图，通过黑白线对的对比度表征光学模组的成像清晰度。参见图6所示，中心MTF在40lp/mm下>0.15，成像清晰。

参见图7，畸变最大发生在1视场，绝对值小于40％。

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，光学模组的最大色差值小于200μm。

实施例2

参见图9，本实施例2与实施例1的光学架构相同，不同之处在于光学模组中的各透镜的光学参数不同，可参见下表2。

表2

针对上述实施例2提供的光学模组，其光学性能可如图10至图13所示：图10是光学模组的点列图示意图，图11是光学模组的MTF曲线图，图12是光学模组的场曲畸变图，图13是光学模组的垂轴色差图。

点列图是指由一点发射出的许多光线经光学模组之后，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，可用于评价光学模组的成像质量。参见图10所示，所述点列图中像点的最大值小于21μm。

MTF曲线图是调制传递函数图，通过黑白线对的对比度表征光学模组的成像清晰度。参见图11所示，中心MTF在40lp/mm下>0.15，成像清晰。

参见图12，畸变最大发生在1视场，绝对值小于40％。

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，光学模组的最大色差值小于200μm。

实施例3

参见图14，本实施例3与实施例1的光学架构相同，不同之处在于光学模组中的各透镜的光学参数不同，可参见下表3。

表3

针对上述实施例3提供的光学模组，其光学性能可如图15至图18所示：图15是光学模组的点列图示意图，图16是光学模组的MTF曲线图，图17是光学模组的场曲畸变图，图18是光学模组的垂轴色差图。

点列图是指由一点发射出的许多光线经光学模组之后，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，可用于评价光学模组的成像质量。参见图15所示，所述点列图中像点的最大值小于21μm。

MTF曲线图是调制传递函数图，通过黑白线对的对比度表征光学模组的成像清晰度。参见图16所示，中心MTF在40lp/mm下>0.15，成像清晰。

参见图17，畸变最大发生在1视场，绝对值小于40％。

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18所示，光学模组的最大色差值小于200μm。

根据本申请的另一个实施例，提供了一种头戴显示设备。所述头戴显示设备包括外壳以及如上述所述的光学模组。

所述头戴显示设备包括VR智能眼镜或者VR智能头盔等，本申请实施例中对此不做限制。

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 (14)

1.一种光学模组，其特征在于，包括透镜组以及设于所述透镜组的光路之间的分光元件(7)、第一相位延迟器(81)及偏振反射元件(82)；其中，所述第一相位延迟器(81)位于所述分光元件(7)与所述偏振反射元件(82)之间；

所述光学模组还包括显示屏(1)，所述显示屏(1)位于所述透镜组的一侧；

所述透镜组包括第一透镜(3)及第二透镜(4)，且所述第一透镜(3)靠近所述显示屏(1)，所述第二透镜(4)位于所述第一透镜(3)背离所述显示屏(1)的一侧；

所述第一透镜(3)的外径D3，所述第二透镜(4)的外径D4及所述显示屏(1)的发光面的口径D1之间满足：1≤(D1+D4)/D3≤3。

2.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述透镜组还包括第三透镜(5)，所述第三透镜(5)位于所述第二透镜(4)远离所述显示屏(1)的一侧，所述第一透镜(3)、所述第二透镜(4)及所述第三透镜(5)位于同一光轴上；所述第一透镜(3)、所述第二透镜(4)及所述第三透镜(5)的光焦度为正。

3.根据权利要求2所述的光学模组，其特征在于，所述第三透镜(5)靠近所述显示屏(1)的表面至所述显示屏(1)的出光面之间的距离为L，所述第三透镜(5)靠近所述显示屏(1)的表面至所述第一透镜(3)远离所述显示屏(1)的表面之间的距离为L1，所述光学模组满足：

-500≤D1*L1-D3*L<0。

4.根据权利要求2所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组的光焦度为φ，所述第二透镜(4)的光焦度为φ₂，所述光学模组满足：

0<D1*φ-D4*φ₂≤2。

5.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(3)的光焦度φ₁为0≤φ₁<0.01；

所述第二透镜(4)的光焦度φ₂为0<φ₂<0.1；

所述第三透镜(5)的光焦度φ₃为0<φ₃<0.1。

6.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(4)及所述第三透镜(5)的组合光焦度φ₄为0.03≤φ₄≤0.07。

7.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(3)、所述第二透镜(4)及所述第三透镜(5)的组合光焦度φ₅为0.02≤φ₅≤0.08。

8.根据权利要求2-7中任一项所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组还包括第一偏振元件(83)，所述第一相位延迟器(81)、所述偏振反射元件(82)及所述第一偏振元件(83)依次层叠设置形成复合膜(8)；

所述分光元件(7)设于所述第二透镜(4)，所述复合膜(8)设于所述第三透镜(5)。

9.根据权利要求8所述的光学模组，其特征在于，所述显示屏(1)被配置为能够发射圆偏振光或者自然光；

当所述显示屏(1)发射的光线为自然光时，在所述第一透镜(3)的任一侧设置有叠合元件(6)，用以将自然光转变为圆偏振光；其中，所述叠合元件(6)包括层叠设置的第二相位延迟器(61)、第二偏振元件(62)及第三相位延迟器(63)；其中，所述第二偏振元件(62)位于所述第二相位延迟器(61)与所述第三相位延迟器(63)之间。

10.根据权利要求9所述的光学模组，其特征在于，所述叠合元件(6)设于所述第一透镜(3)远离所述显示屏(1)的表面，所述分光元件(7)设于所述第二透镜(4)靠近所述显示屏(1)的表面，所述复合膜(8)设于所述第三透镜(5)靠近所述显示屏(1)的表面。

11.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组的有效焦距为F，所述第一透镜(3)的中心厚度为T₁，所述光学模组满足：

0<(F-T₁)/D1≤1.5。

12.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组的有效焦距F为15mm≤F≤30mm。

13.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FOV值为≥95°。

14.一种头戴显示设备，其特征在于，包括：

外壳；以及

如权利要求1-13中任一项所述的光学模组。