CN117289472A - 一种光学模组以及头戴式显示设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种光学模组以及头戴式显示设备，光学模组包括第一镜片、第二镜片、半反半透膜、第三镜片以及第一复合膜，第一镜片包括第一入光面以及第一出光面；第二镜片包括第二入光面以及第二出光面；第三镜片包括第三入光面以及第三出光面；第一复合膜包括第一相位延迟片以及偏振反射膜；中心圆偏振光线依次经过第一镜片、第二镜片的中心区域以及第三镜片并射出；边缘圆偏振光线依次经过半反半透膜以及第二镜片的边缘区域，被偏振反射膜反射至半反半透膜，并被半反半透膜反射至第二镜片，再依次经过第二镜片、第一复合膜以及第三镜片并射出；中心圆偏振光线的旋向与边缘圆偏振光线的旋向相反，以解决设备视场角小导致其沉浸感差的技术问题。

Description

一种光学模组以及头戴式显示设备

技术领域

本申请涉及头戴式显示设备技术领域，具体涉及一种光学模组以及头戴式显示设备。

背景技术

虚拟现实(virtual reality，VR)是指通过光学成像系统将数字化的内容投射到人眼，其本质就是呈现一个以用户视角为主体，可以实时无限制地观察三维空间内的物体，给用户沉浸感体验。在VR设备中最关键的部件是光学成像系统，光学成像系统最核心的部件包含光学模组和显示屏。显示屏发出的光经过光学模组折射后入射到人眼瞳孔，进入人眼瞳孔的光线的反向延长线汇聚在远处形成虚像，即人眼观看到的图像。

现有的头戴式显示设备多采用菲涅尔透镜、pancake方案等其他设计方案，随着视场角（FOV）的增大，成像光线会逐渐偏离近轴成像的条件（即成像光线与光轴的夹角小于50°），使得头戴式显示设备易出现边缘像质差、汇入人眼的主光线出射角CRA较大的问题，从而导致头戴式显示设备无法在高像质的前提下增大视场角。

根据人眼的视觉特性，双目视场是两个单目视场的组合，两个单目视场重叠立体部分即为双目视场，人眼在水平方向有120°的双目重叠视场。不管是真实世界，还是虚拟的头戴式显示设备，宽视场有助于产生沉浸感和临场感。

但是目前市场上主流的头戴式显示设备的双目重叠视场只有90°-100°，使得穿戴体验与理想的沉浸感还有一定的差距。

发明内容

本申请提供一种光学模组以及头戴式显示设备，以解决现有的头戴式显示设备视场角小导致其沉浸感差的技术问题。

本申请提供一种光学模组，其包括第一镜片、第二镜片、半反半透膜、第三镜片以及第一复合膜，第一镜片包括相对的第一入光面以及第一出光面；第二镜片包括相对的第二入光面以及第二出光面，所述第一出光面与所述第二入光面的中心区域相对设置；半反半透膜设于所述第二入光面；第三镜片包括相对的第三入光面以及第三出光面，所述第三入光面与所述第二出光面相对设置；第一复合膜位于所述第二镜片与所述第三镜片之间，并包括贴合的第一相位延迟片以及偏振反射膜，所述第一相位延迟片与所述第二出光面相对设置；其中，中心圆偏振光线依次经过所述第一镜片、所述第二镜片的中心区域以及所述第三镜片的中心区域并射出；边缘圆偏振光线依次经过所述半反半透膜以及所述第二镜片的边缘区域，被所述偏振反射膜反射至所述半反半透膜，并被所述半反半透膜反射至所述第二镜片，再依次经过所述第二镜片、所述第一复合膜以及所述第三镜片并射出；所述中心圆偏振光线的旋向与所述边缘圆偏振光线的旋向相反。

可选的，所述第一入光面为凹面，所述第一出光面为凸面；所述第二入光面为凸面，所述第二出光面为凹面；所述第三入光面为凸面，所述第三出光面为凹面。

可选的，所述光学模组的中心视场Fc大小为60°~ 90°，其边缘视场Fm大小为60°~90°；所述中心视场与所述边缘视场的比值范围为0.6≤Fc/Fm≤1.5。

可选的，所述光学模组的边缘区域被光轴分割为上边缘区域以及下边缘区域；所述光学模组的中心区域与上边缘区域的分割视场为30°~ 45°；所述光学模组的中心区域与下边缘区域的分割视场为-45°~ -30°。

可选的，所述半反半透膜设于所述第二入光面的边缘区域。

可选的，所述第一镜片为球面、非球面、变焦或自由曲面；所述第二镜片为球面、非球面、变焦或自由曲面；所述第三镜片为球面、非球面、变焦或自由曲面。

相应的，本申请还提供一种光学系统，其包括光学模组、中心显示屏、第二复合膜、至少两个边缘显示屏以及至少两个第三复合膜，中心显示屏被配置为能够发射偏振光或自然光，所述中心显示屏与所述第一入光面相对设置；第二复合膜位于所述中心显示屏与所述第一镜片之间；至少两个边缘显示屏被配置为能够发射偏振光或自然光，至少两个所述边缘显示屏分别位于所述中心显示屏的两侧，并与所述第二入光面的边缘区域相对设置；每一所述第三复合膜位于一所述边缘显示屏与所述第二镜片之间；其中，所述中心显示屏发射的光线经所述第二复合膜被转化为中心圆偏振光线；所述边缘显示屏发射的光线经所述第三复合膜被转化为边缘圆偏振光线；所述光学模组为上述任一项所述的光学模组。

可选的，所述第二复合膜包括贴合的第二相位延迟片以及第二偏振片，所述第二相位延迟片与所述第一入光面相对设置；所述第三复合膜包括贴合的第三相位延迟片以及第三偏振片，所述第三相位延迟片与所述第二入光面的边缘区域相对设置；其中，所述中心显示屏发射的自然光线依次经过所述第二偏振片与所述第二相位延迟片被转化为中心圆偏振光线；所述边缘显示屏发射的自然光线依次经过所述第三偏振片与所述第三相位延迟片被转化为边缘圆偏振光线。

可选的，所述第二偏振片的透过方向与所述第三偏振片的透过方向相垂直，且所述第二相位延迟片的快慢轴方向与所述第三相位延迟片的快慢轴方向相同；或者所述第二偏振片的透过方向与所述第三偏振片的透过方向相同，且所述第二相位延迟片的快慢轴方向与所述第三相位延迟片的快慢轴方向相反。

可选的，所述第二复合膜包括依次贴合的第四相位延迟片、第四偏振片以及第五相位延迟片，所述第四相位延迟片与所述中心显示屏相对设置，所述第五相位延迟片与所述第一入光面相对设置；所述第三复合膜包括依次贴合的第六相位延迟片、第五偏振片以及第七相位延迟片，所述第六相位延迟片与所述边缘显示屏相对设置，所述第七相位延迟片与所述第二入光面的边缘区域相对设置；其中，所述中心显示屏发射的圆偏振光线经过所述第二复合膜被转化为中心圆偏振光线；所述边缘显示屏发射的圆偏振光线经过所述第三复合膜被转化为边缘圆偏振光线。

可选的，所述第四偏振片的透过方向与所述第五偏振片的透过方向相同，所述第四相位延迟片的快慢轴方向与所述第六相位延迟片的快慢轴方向相同，所述第五相位延迟片的快慢轴方向与所述第七相位延迟片的快慢轴方向相反；或者所述第四偏振片的透过方向与所述第五偏振片的透过方向相垂直，所述第四相位延迟片的快慢轴方向与所述第六相位延迟片的快慢轴方向相反，所述第五相位延迟片的快慢轴方向与所述第七相位延迟片的快慢轴方向相同。

可选的，至少两个所述边缘显示屏关于光轴对称式设置；所述第一镜片、所述第二镜片以及所述第三镜片均具有旋转对称性。

可选的，定义所述光学系统的光轴为Z轴，垂直于光轴且沿竖直方向为Y轴，垂直于光轴且沿水平方向为X轴；所述边缘显示屏沿X轴方向的中心面与Y轴形成一倾斜角，该倾斜角为-60°~60°；所述中心显示屏所在的平面、所述第一镜片边缘的相切平面、所述第二镜片边缘的相切平面以及所述第二入光面围成一偏心区域，所述边缘显示屏位于所述偏心区域内。

可选的，光学系统还包括眼球追踪相机，眼球追踪相机设于所述中心显示屏与所述边缘显示屏之间，用以接收人眼反射的红外光线。

相应的，本申请还提供一种头戴式显示设备，其包括光学系统，所述显示面板为上述任一项所述的光学系统。

本申请提供一种光学模组以及头戴式显示设备，本申请利用中心显示屏与边缘显示屏构成直通式和折返式结合的光学结构，由于中心圆偏振光线的旋向与边缘圆偏振光线的旋向相反，因而通过控制不同屏幕发出的光线的偏振态，可以组合中心显示屏对应的中心视场以及边缘显示屏对应的边缘视场，使得中心视场与边缘视场组合显示的方式实现了120°以上的视场，同时可以有效地改善大视场下的场曲，使得整体视场都具有较高的像质。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请提供的光学系统的结构示意图；

图2是本申请提供的光学系统的爆炸示意图；

图3是本申请提供的光学系统中第二复合膜的示意图；

图4是本申请提供的光学系统中第三复合膜的示意图；

图5是本申请提供的光学系统的另一实施例中第二复合膜的示意图；

图6是本申请提供的光学系统的另一实施例中第三复合膜的示意图；

图7是本申请提供的光学系统中第二复合膜和第三复合膜中相对位置关系的示意图；

图8是本申请提供的光学系统的另一方案中第二复合膜和第三复合膜中相对位置关系的示意图；

图9是本申请提供的光学系统中第一复合膜的示意图；

图10是本申请提供的光学系统中中心视场光线与边缘视场光线的示意图；

图11是本申请提供的光学系统中眼球追踪相机、中心显示屏与边缘显示屏的示意图；

图12是本申请提供的光学系统中中心视场的光斑图；

图13是本申请提供的光学系统中中心视场的调制传递函数图；

图14是本申请提供的光学系统中中心视场的场曲和畸变的示意图；

图15是本申请提供的光学系统中边缘视场的光斑图；

图16是本申请提供的光学系统中边缘视场的调制传递函数图；

图17是本申请提供的光学系统中边缘视场的场曲和畸变的示意图。

附图标记说明：

100、中心显示屏；200、第二复合膜；211、第一离型膜；212、第二偏振片；213、第二相位延迟片；214、第一保护膜；221、第三离型膜；222、第四相位延迟片；223、第四偏振片；224、第五相位延迟片；225、第三保护膜；300、边缘显示屏；400、第三复合膜；411、第二离型膜；412、第三偏振片；413、第三相位延迟片；414、第二保护膜；421、第四离型膜；422、第六相位延迟片；423、第五偏振片；424、第七相位延迟片；425、第四保护膜；500、眼球追踪相机；600、第一镜片；610、第一入光面；620、第一出光面；700、第二镜片；710、第二入光面；720、第二出光面；730、半反半透膜；800、第一复合膜；810、AR增透膜；820、第一偏振片；830、偏振反射膜；840、第一相位延迟片；900、第三镜片；910、第三入光面；920、第三出光面。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。此外，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本申请，并不用于限制本申请。在本申请中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上”、“下”、“左”、“右”通常是指装置实际使用或工作状态下的上、下、左和右，具体为附图中的图面方向。

本申请提供一种光学模组以及头戴式显示设备，以下分别进行详细说明。需要说明的是，以下实施例的描述顺序不作为对本申请实施例优选顺序的限定。且在以下实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

请参阅图1，本申请提供一种光学系统，其可以适用于头戴式显示设备，比如虚拟实镜设备（VR）、扩增实境设备（AR）、虚拟显示设备（XR）以及混合实境设备（MR）等其他电子设备，本申请中以VR设备为示例进行说明。

头戴式显示设备多基于Pancake折叠光路方案，从光路上看，图像源进入半反半透功能的镜片BS（分束镜）之后，光线在镜片、相位延迟片以及反射式偏振膜之间多次折返，最终从反射式偏振膜射出进入人眼。

现有技术中头戴式显示设备的视场角增大时，成像光线逐渐偏离近轴成像条件，使得汇入人眼的主光线出射角CRA太大，用户可以观察到明显的色偏现象。同时主流的头戴式显示设备的双目重叠市场只有90°-100°，由于人眼在水平方向有120°的双目重叠视场，因此导致头戴式显示设备易出现沉浸体验感不足、边缘像质差等问题，使得其无法在高像质的前提下实现120°以上的视场角。

请参阅图1，光学系统包括中心显示屏100、至少两个边缘显示屏300以及光学模组，中心显示屏100与边缘显示屏300均被配置为能够发射圆偏振光或者自然光，至少两个边缘显示屏300分别位于中心显示屏100的两侧，光学模组基于Pancake折叠光路，可以将中心显示屏100与边缘显示屏300发射的光线经折叠光路汇入人眼中。

请参阅图1，由于光学模组的入射光线必须是圆偏振光，因此需要根据中心显示屏100以及边缘显示屏300发射的光线确定屏幕前是否需要添加复合膜，以及复合膜的具体组成。

请参阅图1-图6，当中心显示屏100以及边缘显示屏300发射的光线为自然光时，中心显示屏100的屏幕上设置有第二复合膜200，同时边缘显示屏300的屏幕上设置有第三复合膜400，本方案中中心显示屏100与边缘显示屏300可以选用OLED屏。

请参阅图3，第二复合膜200包括依次排布并粘结的第一离型膜211、第二偏振片212、第二相位延迟片213以及第一保护膜214，并且第一离型膜211粘合至中心显示屏100的屏幕。中心显示屏100发射的光线为非偏振光线，利用第二偏振片212将光线转化为偏振光线，再利用第二相位延迟片213将偏振光线转化为中心圆偏振光线。

请参阅图4，第三复合膜400包括依次排布并粘结的第二离型膜411、第三偏振片412、第三相位延迟片413以及第二保护膜414，并且第二离型膜411粘合至边缘显示屏300的屏幕。边缘显示屏300发射的光线为非偏振光线，利用第三偏振片412将光线转化为偏振光线，再利用第三相位延迟片413将偏振光线转化为边缘圆偏振光线。

请参阅图1-图4，由于中心圆偏振光线的旋向与边缘圆偏振光线的旋向相反，因此要求中心视场对应的中心显示屏100和边缘视场对应的边缘显示屏300所发出的光的圆偏振态不同，具体可以通过第二复合膜200与第三复合膜400实现。

请参阅图3、图4和图7，一种可实施的方法为，第二偏振片212的透过方向与第三偏振片412的透过方向相垂直，且第二相位延迟片213的快慢轴方向与第三相位延迟片413的快慢轴方向相同。中心显示屏100发射的光线利用第二偏振片212被转化为中心偏振光线，再利用第二相位延迟片213将中心偏振光线转化为中心圆偏振光线。边缘显示屏300发射的光线利用第三偏振片412被转化为边缘偏振光线，再利用第三相位延迟片413将边缘偏振光线转化为边缘圆偏振光线。由于第二偏振片212的透过方向与第三偏振片412的透过方向相垂直，使得中心偏振光线的偏振方向与边缘偏振光线垂直，因此中心圆偏振光线的旋向与边缘圆偏振光线的旋向相反。

请参阅图3、图4和图8，另一种可实施的方法为，第二偏振片212的透过方向与第三偏振片412的透过方向相同，且第二相位延迟片213的快慢轴方向与第三相位延迟片413的快慢轴方向相反。中心显示屏100发射的光线利用第二偏振片212被转化为中心偏振光线，再利用第二相位延迟片213将中心偏振光线转化为中心圆偏振光线。边缘显示屏300发射的光线利用第三偏振片412被转化为边缘偏振光线，再利用第三相位延迟片413将边缘偏振光线转化为边缘圆偏振光线。此时中心偏振光线的偏振方向与边缘偏振光线相同，由于第二相位延迟片213的快慢轴方向与第三相位延迟片413的快慢轴方向相反，因此中心圆偏振光线的旋向与边缘圆偏振光线的旋向相反。

实现中心圆偏振光线的旋向与边缘圆偏振光线的旋向相反包括不限于上述所列举的方法，本申请不在此赘述。

请参阅图1和图5，当中心显示屏100与边缘显示屏300发射的光线均为圆偏振光时，第二复合膜200包括依次排布并连接的第三离型膜221、第四相位延迟片222、第四偏振片223、第五相位延迟片224以及第三保护膜225，并且第三离型膜221粘合至中心显示屏100的屏幕。中心显示屏100发射的光线为圆偏振光线，利用第四相位延迟片222将光线转化为线偏振光线，利用第四偏振片223对线偏振光线进行过滤，再利用第五相位延迟片224将线偏振光线转化为中心圆偏振光线。

请参阅图1和图6，第三复合膜400包括依次排布并连接的第四离型膜421、第六相位延迟片422、第五偏振片423、第七相位延迟片424以及第四保护膜425，并且第四离型膜421粘合至边缘显示屏300的屏幕。边缘显示屏300发射的光线为圆偏振光线，利用第六相位延迟片422将光线转化为线偏振光线，利用第五偏振片423对线偏振光线进行过滤，再利用第七相位延迟片424将线偏振光线转化为边缘圆偏振光线。

为实现中心视场对应的中心显示屏100和边缘视场对应的边缘显示屏300所发出的光的圆偏振态不同，下述为举例示意的两种方法。

请参阅图5、图6和图8，一种可实施的方法为，第四偏振片223的透过方向与第五偏振片423的透过方向相同，第四相位延迟片222的快慢轴方向与第六相位延迟片422的快慢轴方向相同，第五相位延迟片224的快慢轴方向与第七相位延迟片424的快慢轴方向相反。图8中的POL表示偏振片，QWP表示相位延迟片。

请参阅图图5、图6和图7，另一种可实施的方法为，第四偏振片223的透过方向与第五偏振片423的透过方向相垂直，第四相位延迟片222的快慢轴方向与第六相位延迟片422的快慢轴方向相反，第五相位延迟片224的快慢轴方向与第七相位延迟片424的快慢轴方向相同。图7中的POL表示偏振片，QWP表示相位延迟片。

请参阅图1和图2，光学模组包括沿光路方向依次排布的第一镜片600、半反半透膜730、第二镜片700、第一复合膜800以及第三镜片900，同时第一镜片600的主光轴、第二镜片700的主光轴以及第三镜片900的主光轴均位于同一直线上。

定义透镜朝向显示屏的表面为入光面，并且朝向眼睛的表面为出光面。

请参阅图1和图2，第一镜片600包括相对的第一入光面610以及第一出光面620，其中第一入光面610为凹面，第一出光面620为凸面，并且第一入光面610与中心显示屏100相对设置。上述第一镜片600可以为球面、非球面、变焦或自由曲面。

请参阅图1和图2，第二镜片700包括相对的第二入光面710以及第二出光面720，其中第二入光面710为凸面，第二出光面720为凹面，第二入光面710的中心区域与第一出光面620相对设置，并且第二入光面710的边缘区域与边缘显示屏300相对设置。上述第二镜片700可以为球面、非球面、变焦或自由曲面。

请参阅图1和图2，半反半透膜730设置在第一镜片600与第二镜片700之间，用以透射出部分从第一镜片600发射出的圆偏振光，本申请中半反半透膜730可以镀在第二入光面710的全部区域，也可以仅镀在第二入光面710的边缘区域。

当仅在第二入光面710的边缘区域镀半反半透膜730时，中心显示屏100射出的光线可直接穿过第一镜片600以及第二镜片700，从而避免由半反半透膜730造成的50%的光效损失，从而可以提高光效，并实现较高的对比度。

在该种方案中镀膜的过程可以参照下述示例：预先在第二入光面710的中心区域贴附隔离膜，待镀膜完成后将隔离膜从第二镜片700上揭下，使得第二入光面710的中心区域未被镀膜。

请参阅图1和图2，第三镜片900包括相对的第三入光面910以及第三出光面920，其中第三入光面910为凸面，第三出光面920为凹面，并且第三入光面910与第二出光面720相对设置。上述第三镜片900可以为球面、非球面、变焦或自由曲面。

请参阅图2和图9，第一复合膜800位于第二镜片700与第三镜片900之间，其包括依次排布并贴合的AR增透膜810、第一偏振片820、偏振反射膜830以及第一相位延迟片840，其中第一相位延迟片840与第二出光面720相对设置，AR增透膜810与第三入光面910相对设置，本申请中第一复合膜800粘结至第二出光面720。

第一镜片600、第二镜片700以及第三镜片900的具体参数请参照表1所示：

表1 光学成像装置中透镜的参数

序号

表面

曲率半径/mm

厚度/mm

材料

圆锥系数

A2

A4

A6

A8

A10

A12

1

第三镜片_E

-800

11.62

E-FDS3

-10

0

-7.165169E-006

3.837596E-009

7.447821E-012

-4.886261E-015

3.318092E-018

2

第三镜片_S

-22.898382

14.980601

空气

-86.639297

0

6.204412E-006

1.368361E-008

-5.909232E-011

9.567112E-014

-4.545421E-017

3

第二镜片_E

-120.292673

7.860302

APL5013VH

2.772441

0

4.532957E-006

2.679263E-009

-3.306804E-011

4.844909E-014

-2.280501E-017

4

第二镜片_S

-799.815514

7.550733

空气

10

0

-2.736096E-006

-4.837811E-009

5.229072E-012

-1.530169E-015

-1.964857E-019

5

第一镜片_E

18.131976

8.590748

TAFD65

49.118153

0

-2.334058E-005

-5.698965E-008

1.939647E-009

-1.085638E-011

2.105653E-014

6

第一镜片_S

12.192851

6.929712

空气

45.807384

0

-1.459270E-004

-6.697361E-007

1.341930E-009

1.953166E-010

-1.777335E-012

请参阅图1和图2，由于第一镜片600与第二入光面710的中心区域相对设置，边缘显示屏300与第二入光面710的边缘区域相对设置，因此第二镜片700的径向尺寸大于第一镜片600的径向尺寸。中心显示屏100所在的平面、第一镜片600边缘的相切平面、第二镜片700边缘的相切平面以及第二入光面710可以围成一偏心区域A，上述偏心区域A位于中心显示屏100的两侧，并且边缘显示屏300位于偏心区域A内。

请参阅图1，本申请包括两个边缘显示屏300，上述两个边缘显示屏300关于光轴对称式设置，同时由于第一镜片600、第二镜片700以及第三镜片900均具有旋转对称性，因此两个边缘显示屏300的光线传输路径也关于光轴相对称。

请参阅图1-图9，光学模组的光路传输过程示例如下：

中心显示屏100发出的自然光经过第二复合膜200中的第二偏振片212以及第二相位延迟片213被转化为中心圆偏振光线（左旋圆偏振光线），中心圆偏振光线依次穿过第一镜片600以及第二镜片700，在穿过第一复合膜800中的第一相位延迟片840时，中心圆偏振光线的偏振态被转变为振动方向垂直于入射面的线偏振光，该偏振态的线偏振光可以直接通过偏振反射膜830而不发生反射，使得其可以经过第三镜片900并射出至人眼的瞳孔内，从而在视网膜上形成中心视场的虚像。

边缘显示屏300发出的自然光经过第三复合膜400中的第三偏振片412以及第三相位延迟片413被转化为边缘圆偏振光线（右旋圆偏振光线），边缘圆偏振光线穿过半反半透膜730以及第二镜片700，在穿过第一复合膜800中的第一相位延迟片840时，边缘圆偏振光线的偏振态被转变为振动方向平行于入射面的线偏振光，该偏振态的线偏振光通过偏振反射膜830时发生折返，使得线偏振光第二次穿过第一相位延迟片840，此时光线为右旋圆偏振光线，该右旋圆偏振光线继续穿过第二镜片700，并在半反半透膜730处发生折返，使得右旋圆偏振光线被转变为左旋圆偏振光线。左旋圆偏振光线穿过第二镜片700，且第三次穿过第一相位延迟片840，使得左旋圆偏振光线的偏振态被转变为振动方向垂直于入射面的线偏振光，该偏振态的线偏振光可以直接通过偏振反射膜830而不发生反射，使得其可以经过第三镜片900并射出至人眼的瞳孔内，从而在视网膜上形成边缘视场的虚像。

请参阅图1，本申请利用中心显示屏100与边缘显示屏300构成直通式和折返式结合的光学结构，由于中心圆偏振光线的旋向与边缘圆偏振光线的旋向相反，因而通过控制不同屏幕发出的光线的偏振态，可以组合中心显示屏100对应的中心视场以及边缘显示屏300对应的边缘视场，使得中心视场与边缘视场组合显示的方式实现了120°以上的视场，同时可以有效地改善大视场下的场曲，使得整体视场都具有较高的像质。

现有的用于虚拟显示、增强现实显示、光场显示等设备的高分辨率屏幕都比较小，一般小于1.5inch，与逐渐增大的视场角相矛盾。通过利用中心显示屏100与边缘显示屏300构成直通式和折返式结合的光学结构，在实现120°以上的视场的前提下，所需屏幕的尺寸都小于1英寸。如果都采用高像素的MicroOled等屏幕下，其对应的每一度视场角的像素数（PPD）大于60，超过人眼的分辨极限。

请参阅图1，光学模组的中心视场Fc大小为60°~ 90°，其边缘视场Fm大小为60°~90°；同时中心视场与边缘视场的比值范围为0.6≤Fc/Fm≤1.5。

为了追求更大的双目重叠视场，传统的Pancake光路在大视场的情况下，不可避免地出现了更为严重的场曲、畸变、慧差等像差，导致无法在像面处得到好的像质。本申请通过将显示区域划分为中心区域以及边缘区域，实现中心视场与边缘视场组合显示。中心区域以及边缘区域对应的视场范围均控制在60°范围内，在此范围内可以通过调控光学镜片的面型对像质进行优化，从而有效地避免了大视场引入的像差，实现了高像质前提下视场的扩展。

请参阅图1，由于两个边缘显示屏300分别位于中心显示屏100的两侧，因此光学模组的边缘区域可以被光轴分割为上边缘区域以及下边缘区域；其中，光学模组的中心区域与上边缘区域的分割视场为30°~ 45°；光学模组的中心区域与下边缘区域的分割视场为-45°~ -30°。

请参阅图1，为了使人眼观察到的图像是完整、不割裂的，需保证中心区域的视场与边缘区域的视场之间具有连续性，即在中心区域和边缘区域的分割视场如±30°~ ±45°时，进入人眼的光线始终是连续的。

请参阅图1和图10，光线S1为中心显示屏100的最大视场光线，光线S2为边缘显示屏300的最小视场光线，两个光线在点Q之前是相互独立，在点Q处完成光线的融合成为光线S3，最终汇入人眼成像，从而实现了从中心视场到边缘视场的延续。

请参阅图1，定义光学系统的光轴为Z轴，垂直于光轴且沿竖直方向为Y轴，垂直于光轴且沿水平方向为X轴。边缘显示屏300沿X轴方向的中心面与Y轴形成一倾斜角，该倾斜角为-60°~ 60°。

相较于现有的光学方案中屏幕位置只可以设置在垂直于光轴的方向上，本申请中边缘显示屏300的位置可以相较于光轴进行倾斜和偏心。如前述所示，边缘显示屏300位于光轴（或中心显示屏100）两侧的偏心区域内，同时为了保证边缘视场的像质，边缘显示屏300的中心点以X轴为旋转轴，使得边缘显示屏300沿X轴方向的中心面与Y轴形成一倾斜角，该倾斜角为-60°~60°。

结合光路折返特性，边缘显示屏300的光路相较于传统光路具有更高的光焦度，从而可以极大地减小大视场成像所需光学镜片的数量。同时利用中心显示屏100与边缘显示屏300构成直通式和折返式结合的光学结构，可以有效地改善大视场下的场曲，避免理想像面发生明显的弯曲，使得整体视场都具有较高的像质。

请参阅图1和图11，中心显示屏100与边缘显示屏300之间设置有眼球追踪相机500，该眼球追踪相机500用于接收人眼反射的红外光线，从而可以眼球追踪相机500接收的信息作为一种新的操作方式控制设备，还可以根据注视点渲染图像减少算力需求。

通过利用中心显示屏100与边缘显示屏300构成直通式和折返式结合的光学结构，在实现120°以上的视场的前提下，所需屏幕的尺寸都小于1英寸。正由于中心视场对应的中心显示屏100尺寸较小，可以在中心显示屏100和边缘显示屏300之间放置眼球追踪相机500，该眼球追踪相机500所接收到人眼反射的红外光的角度只有30°- 34°，使得小角度极大地保证了眼动追踪的计算精度。

图12、图13、图14分别为中心视场下的光斑图、调制传递函数图和场曲/畸变图，结果表明该实施例下中心视场具有较小的光斑尺寸，常规VR设备受限于屏幕像素大小，一般关注空间频率在15~25lp/mm的MTF（调制传递函数）表现，而本申请在空间频率60lp/mm时MTF值都大于0.5，像质很高，即使采用像素小、分辨率高的屏幕也完全能满足需求。

图15、图16、图17分别为边缘视场下的光斑图、调制传递函数图和场曲/畸变图，边缘视场的光斑尺寸同样较小，在空间频率60lp/mm时MTF值仍大于0.2，像质较高。

以上对本申请提供一种光学模组以及头戴式显示设备进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (15)

1.一种光学模组，其特征在于，包括：

第一镜片(600)，其包括相对的第一入光面(610)以及第一出光面(620)；

第二镜片(700)，其包括相对的第二入光面(710)以及第二出光面(720)，所述第一出光面(620)与所述第二入光面(710)的中心区域相对设置；

半反半透膜(730)，其设于所述第二入光面(710)；

第三镜片(900)，其包括相对的第三入光面(910)以及第三出光面(920)，所述第三入光面(910)与所述第二出光面(720)相对设置；以及

第一复合膜(800)，其位于所述第二镜片(700)与所述第三镜片(900)之间，并包括贴合的第一相位延迟片(840)以及偏振反射膜(830)，所述第一相位延迟片(840)与所述第二出光面(720)相对设置；

其中，中心圆偏振光线依次经过所述第一镜片(600)、所述第二镜片(700)的中心区域以及所述第三镜片(900)的中心区域并射出；

边缘圆偏振光线依次经过所述半反半透膜(730)以及所述第二镜片(700)的边缘区域，被所述偏振反射膜(830)反射至所述半反半透膜(730)，并被所述半反半透膜(730)反射至所述第二镜片(700)，再依次经过所述第二镜片(700)、所述第一复合膜(800)以及所述第三镜片(900)并射出；

所述中心圆偏振光线的旋向与所述边缘圆偏振光线的旋向相反。

2.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，

所述第一入光面(610)为凹面，所述第一出光面(620)为凸面；

所述第二入光面(710)为凸面，所述第二出光面(720)为凹面；

所述第三入光面(910)为凸面，所述第三出光面(920)为凹面。

3.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，

所述光学模组的中心视场Fc大小为60°~ 90°，其边缘视场Fm大小为60°~ 90°；

所述中心视场与所述边缘视场的比值范围为0.6≤Fc/Fm≤1.5。

4.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，

所述光学模组的边缘区域被光轴分割为上边缘区域以及下边缘区域；

所述光学模组的中心区域与上边缘区域的分割视场为30°~ 45°；

所述光学模组的中心区域与下边缘区域的分割视场为-45°~ -30°。

5.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，

所述半反半透膜(730)设于所述第二入光面(710)的边缘区域。

6.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，

所述第一镜片(600)为球面、非球面、变焦或自由曲面；

所述第二镜片(700)为球面、非球面、变焦或自由曲面；

所述第三镜片(900)为球面、非球面、变焦或自由曲面。

7.一种光学系统，其特征在于，包括：

权利要求1-6中任一项所述的光学模组；

中心显示屏(100)，其被配置为能够发射偏振光或自然光，所述中心显示屏(100)与所述第一入光面(610)相对设置；

第二复合膜(200)，其位于所述中心显示屏(100)与所述第一镜片(600)之间；

至少两个边缘显示屏(300)，其被配置为能够发射偏振光或自然光，至少两个所述边缘显示屏(300)分别位于所述中心显示屏(100)的两侧，并与所述第二入光面(710)的边缘区域相对设置；以及

至少两个第三复合膜(400)，每一所述第三复合膜(400)位于一所述边缘显示屏(300)与所述第二镜片(700)之间；

其中，所述中心显示屏(100)发射的光线经所述第二复合膜(200)被转化为中心圆偏振光线；所述边缘显示屏(300)发射的光线经所述第三复合膜(400)被转化为边缘圆偏振光线。

8.根据权利要求7所述的光学系统，其特征在于，

所述第二复合膜(200)包括贴合的第二相位延迟片(213)以及第二偏振片(212)，所述第二相位延迟片(213)与所述第一入光面(610)相对设置；

所述第三复合膜(400)包括贴合的第三相位延迟片(413)以及第三偏振片(412)，所述第三相位延迟片(413)与所述第二入光面(710)的边缘区域相对设置；

其中，所述中心显示屏(100)发射的自然光线依次经过所述第二偏振片(212)与所述第二相位延迟片(213)被转化为中心圆偏振光线；

所述边缘显示屏(300)发射的自然光线依次经过所述第三偏振片(412)与所述第三相位延迟片(413)被转化为边缘圆偏振光线。

9.根据权利要求8所述的光学系统，其特征在于，

所述第二偏振片(212)的透过方向与所述第三偏振片(412)的透过方向相垂直，且所述第二相位延迟片(213)的快慢轴方向与所述第三相位延迟片(413)的快慢轴方向相同；或者

所述第二偏振片(212)的透过方向与所述第三偏振片(412)的透过方向相同，且所述第二相位延迟片(213)的快慢轴方向与所述第三相位延迟片(413)的快慢轴方向相反。

10.根据权利要求7所述的光学系统，其特征在于，

所述第二复合膜(200)包括依次贴合的第四相位延迟片(222)、第四偏振片(223)以及第五相位延迟片(224)，所述第四相位延迟片(222)与所述中心显示屏(100)相对设置，所述第五相位延迟片(224)与所述第一入光面(610)相对设置；

所述第三复合膜(400)包括依次贴合的第六相位延迟片(422)、第五偏振片(423)以及第七相位延迟片(424)，所述第六相位延迟片(422)与所述边缘显示屏(300)相对设置，所述第七相位延迟片(424)与所述第二入光面(710)的边缘区域相对设置；

其中，所述中心显示屏(100)发射的圆偏振光线经过所述第二复合膜(200)被转化为中心圆偏振光线；所述边缘显示屏(300)发射的圆偏振光线经过所述第三复合膜(400)被转化为边缘圆偏振光线。

11.根据权利要求10所述的光学系统，其特征在于，

所述第四偏振片(223)的透过方向与所述第五偏振片(423)的透过方向相同，所述第四相位延迟片(222)的快慢轴方向与所述第六相位延迟片(422)的快慢轴方向相同，所述第五相位延迟片(224)的快慢轴方向与所述第七相位延迟片(424)的快慢轴方向相反；或者

所述第四偏振片(223)的透过方向与所述第五偏振片(423)的透过方向相垂直，所述第四相位延迟片(222)的快慢轴方向与所述第六相位延迟片(422)的快慢轴方向相反，所述第五相位延迟片(224)的快慢轴方向与所述第七相位延迟片(424)的快慢轴方向相同。

12.根据权利要求7所述的光学系统，其特征在于，

至少两个所述边缘显示屏(300)关于光轴对称式设置；

所述第一镜片(600)、所述第二镜片(700)以及所述第三镜片(900)均具有旋转对称性。

13.根据权利要求7所述的光学系统，其特征在于，

定义所述光学系统的光轴为Z轴，垂直于光轴且沿竖直方向为Y轴，垂直于光轴且沿水平方向为X轴；

所述边缘显示屏(300)沿X轴方向的中心面与Y轴形成一倾斜角，该倾斜角为-60°~60°；

所述中心显示屏(100)所在的平面、所述第一镜片(600)边缘的相切平面、所述第二镜片(700)边缘的相切平面以及所述第二入光面(710)围成一偏心区域，所述边缘显示屏(300)位于所述偏心区域内。

14.根据权利要求7所述的光学系统，其特征在于，还包括：

眼球追踪相机(500)，其设于所述中心显示屏(100)与所述边缘显示屏(300)之间，用以接收人眼反射的红外光线。

15.一种头戴式显示设备，其特征在于，包括权利要求7-14中任一项所述的光学系统。