CN117666137A - Vr光学模组及vr设备 - Google Patents

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罗伟城
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Abstract

本申请公开了一种VR光学模组及VR设备，属于VR技术领域。所述VR光学模组包括从图像源至人眼依次排布的第一透镜、第二透镜和分光组件，第一透镜的两个相背的面中的一个面至少存在一个光焦度反曲点，第二透镜的两个相背的面中的一个面为部分反射面，图像源用于产生承载待投射图像的具有第一偏振态的光束，第一透镜用于透射具有第一偏振态的光束至第二透镜，第二透镜用于透射具有第一偏振态的光束至分光组件，分光组件用于反射具有第一偏振态的光束至第二透镜的部分反射面，第二透镜的部分反射面用于反射光束至分光组件，分光组件用于接收具有第二偏振态的光束，并透射光束至人眼。本申请能提升虚像的质量，并且减小VR设备的成本和体积。

Description

VR光学模组及VR设备
技术领域
本申请涉及虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术领域，特别涉及一种VR光学模组及VR设备。
背景技术
VR技术是一种创建和体验虚拟世界的计算机仿真技术，它能够利用计算机生成一种虚拟环境，用户通过佩戴VR设备(比如VR眼镜、VR头盔等等)能够沉浸到该虚拟环境中。而且，VR设备呈现的虚像的质量越高，虚拟环境就越真实，从而能够给用户带来更强的沉浸感。
在相关技术中，VR设备采用硅基有机发光二极管(Organic Light EmittingDiode，OLED)屏幕作为图像源。该硅基OLED屏幕能够提供更高像素密度的图像源，从而提升VR设备呈现的虚像的质量。然而，硅基OLED屏幕价格昂贵，导致VR设备的成本提升。
发明内容
本申请提供了一种VR光学模组及VR设备，可以解决相关技术中VR设备的成本高的问题。所述技术方案如下：
第一方面，提供了一种VR光学模组，所述VR光学模组包括从图像源至人眼依次排布的第一透镜、第二透镜和分光组件，所述第一透镜的两个相背的面中的一个面至少存在一个光焦度反曲点，所述光焦度反曲点是指正光焦度与负光焦度的交点，所述第二透镜的两个相背的面中的一个面为部分反射面，所述部分反射面是指光束能够被部分透射和部分反射的面，所述图像源用于产生承载待投射图像的具有第一偏振态的光束，所述第一透镜用于透射具有第一偏振态的所述光束至所述第二透镜，所述第二透镜用于透射具有第一偏振态的所述光束至所述分光组件，所述分光组件用于反射具有第一偏振态的所述光束至所述第二透镜的所述部分反射面，所述第二透镜的所述部分反射面用于反射所述光束至所述分光组件，其中，入射至所述第二透镜的所述部分反射面的所述光束具有第一偏振态，从所述第二透镜的所述部分反射面出射的所述光束具有第二偏振态，所述分光组件用于接收具有第二偏振态的所述光束，并透射所述光束至所述人眼。
本申请所提供的VR光学模组利用人眼的分辨率特性，能够在图像源分辨率相同的情况下使呈现的虚像的中心区域的PPD提升，进而满足人眼对中心视场高PPD的需求，提升VR设备呈现的虚像的质量。并且由于第一透镜的两个相背的面中的一个面至少存在一个光焦度反曲点，这样可以补偿虚像的边缘区域的PPD急剧下降带来的场曲，从而提高虚像的成像质量。第二透镜的两个相背的面中的一个面为部分反射面，该部分反射面能够透射部分光束，还能够反射部分光束，从而使光路在分光组件和部分反射面之间产生折叠，使光束能够在较小的空间内实现光束的汇聚，进而减小光学模组的厚度。由于申请所提供的VR光学模组对图像源的像素密度的要求不高，因此本申请提供的VR光学模组在提升虚像的质量的同时还能够保证VR设备的成本较低、体积较小。
由于本申请中的VR光学模组生成的虚像的中心区域的像素相比于边缘区域要更为密集，也即是，从图像源的边缘区域出射的光束的焦距需要比中间区域的焦距短，这样，会导致虚像的边缘区域的PPD急剧下降，产生场曲，从而影响虚像的成像质量，因此，通过在第一透镜的两个相背的面中的一个面设置至少一个光焦度反曲点，这样可以补偿虚像的边缘区域的PPD急剧下降带来的场曲，从而提高虚像的成像质量。可选地，上述至少一个光焦度反曲点可以位于第一透镜靠近人眼的面，从而更好地提升补偿虚像的边缘区域的PPD急剧下降带来的场曲，进一步提高虚像的成像质量。
由于第二透镜的两个相背的面中的一个面为部分反射面，该部分反射面能够透射部分光束，还能够反射部分光束，所以通过第二透镜的部分反射面能够将第一次入射至该部分反射面的部分光束进行透射，并将第二次入射至该部分反射面的部分光束进行反射，从而使光路在分光组件和第二透镜的部分反射面之间产生折叠，使光束能够在较小的空间内实现汇聚，进而减小光学模组的厚度。
可选地，第二透镜靠近图像源的面为部分反射面。在这种情况下，分光组件和第二透镜的部分反射面之间的距离能够实现最大化，进而最大程度地增加光束在分光组件和第二透镜的部分反射面之间传播的距离，使光束在分光组件和第二透镜的部分反射面之间汇聚的效果更好，进一步减小光学模组的厚度。并且，光路还能够在第二透镜内反复经过三次，从而提高像差校正能力。
在实际应用中，光束到达第二透镜的部分反射面之后才进行汇聚，光束在第二透镜的部分反射面达到的高度为光束所能够传播的最高高度，因此，该高度决定了VR光学模组的口径大小。所以，可选地，第二透镜靠近人眼的面也可以为部分反射面，这样，能够降低光束在第二透镜的部分反射面所达到的高度，进而降低VR光学模组的口径。
可选地，第二透镜的部分反射面的反射率大于30％。这样能够保证第二透镜的部分反射面透射部分光束并反射部分光束。可选地，第二透镜的部分反射面的反射率是50％，也即是，第二透镜的部分反射面的透射率与反射率的比例为1:1，在这种情况下，能够保证第二透镜的部分反射面进行反射的光束最多，从而保证最多的光束能够在分光组件和第二透镜的部分反射面之间产生折叠。
基于上文描述，为了满足人眼对中心视场高PPD的需求，在图像源分辨率相同的情况下，需要提升虚像的中心区域的PPD。可选地，上述VR光学模组生成的虚像中距离人眼的凝视方向的目标角度范围内的最大径向PPD大于或等于虚像的平均径向PPD的1.3倍，凝视方向是指人眼看向正前方的方向。
可选地，目标角度范围为0度至20度的范围，这样能够使虚像中心区域的PPD高于虚像平均PPD，从而提高清晰度体验。当然，目标角度范围还可以是其他的范围，本申请对此不做限定。
本申请所提供的VR光学模组中的第二透镜能够汇聚光束，使图像源的边缘区域出射的光束的焦距比中心区域的焦距短，但是这样会导致第二透镜的薄厚比过大并且虚像的边缘区域的PPD急剧下降。为了补偿虚像的边缘区域的PPD急剧下降带来的场曲，第一透镜的薄厚比就需要设置的更大。而且图像源的边缘区域出射的光束的焦距过短还会导致虚像中边缘部位的像差增大，并且透镜的薄厚比过大还会导致透镜的良品率降低。为了避免上述情况，可以减小第二透镜和第一透镜的薄厚比，此时，VR光学模组生成的虚像中边缘部位的PPD存在上升趋势。这样，能够减小VR光学模组生成的虚像中边缘部位的像差，从而提升该边缘部位的成像质量，避免边缘模糊，并且能够降低第一透镜和第二透镜的薄厚比，从而提高透镜的良品率。
可选地，分光组件包括相位延迟片和偏振分光片，相位延迟片位于第二透镜与偏振分光片之间，相位延迟片用于第一次透射光束至偏振分光片，其中，第一次入射至相位延迟片的光束具有第一偏振态，从相位延迟片第一次出射的光束具有第三偏振态，偏振分光片用于反射具有第三偏振态的光束，相位延迟片还用于第二次透射光束至第二透镜的部分反射面，其中，第二次入射至相位延迟片的光束具有第三偏振态，从相位延迟片第二次出射的光束具有第一偏振态，相位延迟片还用于第三次透射光束至偏振分光片，其中，第三次入射至相位延迟片的光束具有第二偏振态，从相位延迟片第三次出射的光束具有第四偏振态，偏振分光片还用于透射具有第四偏振态的光束至人眼，其中，第一偏振态与第二偏振态的方向正交，第三偏振态与第四偏振态的方向正交。
可选地，上述偏振分光片为平面偏振分光片或者曲面偏振分光片。在偏振分光片为平面偏振分光片的情况下，该平面偏振分光片能够透射具有某一偏振态的光束，同时反射具有另一正交偏振态的光束。由于曲面偏振分光片和第二透镜的部分反射面都能够反射光束，所以，对于曲面偏振分光片和第二透镜的部分反射面来说，从光线的角度来看，曲面偏振分光片提供负光焦度，第二透镜的部分反射面提供正光焦度，该曲面偏振分光片能够与第二透镜的部分反射面形成正负组相互配合，从而有效降低VR光学模组的厚度和体积，同时还能够提高光学设计自由度，进一步提升成像质量，使虚像中高PPD的中心区域更大，允许在更大的眼球转动范围实现高PPD体验。
可选地，上述平面偏振分光片为薄膜型偏振分光片，该薄膜型偏振分光片能够利用多层介质膜实现上述偏振分光片的功能。可选地，平面偏振分光片为金属线栅型偏振分光片，该金属线栅型偏振分光片利用金属线栅对偏振的各向异性选择，实现上述偏振分光片的功能，该金属线栅偏振分光片具有更广的入射角带宽以及波长带宽，从而提高成像质量。
可选地，上述相位延迟片为1/4波片。当然，相位延迟片还可以为其他能够实现相同功能的光学器件，本申请对此不做限定。
在实际应用中，如果1/4波片的快轴与偏振分光片能够透射的偏振态的方向呈45度夹角，那么慢轴和快轴就会具有相同的振幅分量，最终能够产生圆偏振光。如果该1/4波片的快轴与偏振分光片能够透射的偏振态的方向不呈45度夹角，则可能会导致从该相位延迟片出射的一部分光束不是预期的偏振态，进而影响最终的成像质量。因此，该1/4波片的快轴与偏振分光片能够透射的偏振态的方向可以呈45度夹角。这样能够保证该偏振分光片的效率最大化，提高成像质量。
由于光学器件的结构稳定性直接决定着光学性能的长期稳定性，因此，可选地，分光组件还包括光学支撑件，上述相位延迟片和偏振分光片固定于该光学支撑件上。这样能够保证相位延迟片和偏振分光片在整个VR光学模组的空间位置中的稳定性，进而保证VR光学模组的光学性能的长期稳定性。
可选地，相位延迟片和偏振分光片可以通过透明光学胶OCA(Optically ClearAdhesive)固定于该光学支撑件上，本申请对此不做限定。
可选地，分光组件为胆甾型液晶(Cholesteric Liquid Crystal，CLC)。该CLC具有反射特定圆偏振态的光束而透射具有另一圆偏振态的光束的特性，也即是，该CLC能够代替上述相位延迟片和偏振分光片在VR光学模组中的功能，这样，能够减少VR光学模组中的光学器件，进而降低VR光学模组的加工难度。
在实际应用中，由于加工和组装等问题会导致最终从VR光学模组出射的部分光束并不是预期的偏振态，也即是，存在杂光，这样会影响最终的成像质量，因此，可选地，上述VR光学模组还包括光学偏振片，该光学偏振片位于偏振分光片靠近人眼的一侧，该光学偏振片能够透射的偏振态的方向与偏振分光片能够透射的偏振态的方向相同。这样，能够消除杂光，提高VR光学模组所成虚像的对比度。
可选地，上述第一透镜、第二透镜和分光组件的面型为轴对称偶次非球面。
作为一种示例，轴对称偶次非球面的面型方程能够通过如下公式(1)表示:
其中，在上述公式(1)中，Say(r)为非中心对称的自由曲面在z轴方向上的矢高，c为曲面曲率，k为圆锥系数，r为镜头单位下的径向坐标，ai为面型方程的各次项所对应的系数，N为面型方程的各次项的最大次数。
由于上述VR光学模组所包含的光学器件具有中心对称性，该具有中心对称性的光学器件只能实现圆形图像源到圆形虚像的映射。然而，在实际应用中，图像源通常是正方形，因而浪费了图像源中四个角上的像素。因此，可选地，第一透镜、第二透镜和分光组件的面型为非中心对称的自由曲面。该非中心对称的自由曲面透镜能够实现正方形或者任意形状的图像源到圆形或者任意形状的虚像的映射，从而充分利用图像源的像素。
可选地，非中心对称的自由曲面的面型方程能够通过如下公式(2)表示：
其中，在上述公式(2)中，Say(x,y)为非中心对称的自由曲面在z轴方向上的矢高，c为曲面曲率，k为圆锥系数，x为非中心对称的自由曲面在x轴方向上的矢高，y为非中心对称的自由曲面在y轴方向上的矢高，ai,j为面型方程的各次项所对应的系数，N为面型方程的各次项的最大次数。
以正方形图像源到圆形虚像的映射为例，由于正方形图像源到圆形虚像的映射具有对称性，也即是，将正方形图像源映射到圆形虚像时，存在0度、45度和90度方向轴对称。基于45度对称性，能够使上述非中心对称的自由曲面的面型方程中x与y的偶次方项的系数相等，基于90度对称性，能够使上述非中心对称的自由曲面的面型方程中x与y的奇次方项都能够抵消，进而得到简化的非中心对称的自由曲面的面型方程。因此，可选地，基于0度、45度和90度方向的对称性，能够通过如下公式(3)表示该简化的非中心对称的自由曲面的面型方程。
其中，在上述公式(3)中，Sag(x,y)为非中心对称的自由曲面在z轴方向上的矢高，c为曲面曲率，k为圆锥系数，x为非中心对称的自由曲面在x轴方向上的矢高，y为非中心对称的自由曲面在y轴方向上的矢高，A1-A10为面型方程的各次项所对应的系数。这里示意性的将面型方程的最大项数设置为10，在实际应用中，该面型方程的最大项数能够设置为其他数量，本申请对此不做限定。
通过上述简化的非中心对称的自由曲面的面型方程确定第一透镜、第二透镜和分光组件能够大大缩小面型方程的参数空间，加快光学系统的优化。
由于本申请利用畸变重新分配图像源的像素排布，使得最终呈现的虚像中心视场的像素密度显著高于边缘视场，但是该畸变会导致虚像也发生畸变，因此本申请可以通过数码方法对虚像的畸变进行校正。即，基于虚像的畸变参数确定反畸变参数，进而基于该反畸变参数，按照相关算法，对待投射图像进行处理以得到反畸变的图像，将该反畸变的图像在图像源上进行显示，该图像源上显示的反畸变的图像经过上述VR光学模组会再次经过一次正的畸变，从而互相抵消，最终得到无畸变的虚像。
由于近视人群的人眼的焦距范围与正常人不同，为了保证VR光学模组能够适用于不同的人群，可选地，VR光学模组还包括调节机构，该调节机构与第二透镜或者分光组件或者图像源连接，调节机构用于沿光路传播方向移动第二透镜或者分光组件或者图像源，以调节虚像距。这样，能够使最终VR光学模组所成的虚像适应不同近视度数的人群。
基于上文描述，由于虚像会产生畸变，需要待投射图像进行反畸变处理，但在不同近视度数下，所需调节的虚像距不同，不同的虚像距会导致不同的畸变，也即是，不同的近视度数所对应的畸变参数不同。因此，为了保证成像质量，调节机构具有多个调节挡位，该多个调节挡位与多个反畸变参数一一对应。
可选地，VR光学模组还包括至少一个第三透镜，第三透镜位于图像源和人眼之间。也即是，为VR光学模组在图像源和人眼增加至少一个第三透镜，这样，能够提高光学设计自由度，进一步补偿像差，使成像质量更好。
可选地，第三透镜能够位于第二透镜和图像源之间、或者第二透镜和分光组件之间，又或者分光组件和人眼之间，并且，该第三透镜的数量可以是一个也可以是多个，也就是说，在第三透镜为的数量一个的情况下，该第三透镜能够位于图像源和人眼之间的任意位置，在第三透镜的数量为多个的情况下，该多个透镜能够整体位于第三透镜能够位于图像源和人眼之间的任意位置，该多个透镜也能够分别位于第三透镜能够位于图像源和人眼之间的任意位置，本申请对此不做限定。
可选地，上述第一透镜和第二透镜为菲涅尔透镜、液晶透镜或者超透镜。该菲涅尔透镜、液晶透镜或者超透镜能够有效降低透镜厚度，提高光束在分光组件和第二透镜的部分反射面之间的折叠效率，进而提高成像质量，减小VR光学模组的厚度和体积。当然，上述第一透镜和第二透镜还能够是玻璃透镜、胶合透镜、光学树脂透镜等等，本申请对此不做限定。
第二方面，提供了一种VR设备，所述VR设备包括两套上述第一方面所提供的VR光学模组，所述两套VR光学模组分别为第一光学模组和第二光学模组，所述第一光学模组对应第一图像源，所述第二光学模组对应第二图像源。
由于视场越宽，越有助于产生沉浸感和临场感，因此，可选地，第一图像源方向与第一凝视方向之间具有第一夹角，第一图像源方向为第一光学模组对应的第一人眼看向第一图像源的几何中心的方向，第一凝视方向为第一人眼看向正前方的方向，第一图像源的几何中心相比第一人眼的凝视点远离第二光学模组，第二图像源方向与第二凝视方向之间具有第二夹角，第二图像源方向为第二光学模组对应的第二人眼看向第二图像源的几何中心的方向，第二凝视方向为第二人眼看向正前方的方向，第二图像源的几何中心相比第二人眼的凝视点远离第一光学模组。这样，能够减小双眼视野重叠的区域，从而增大视场，提升用户的沉浸感和临场感。也就是说，人眼的凝视点与虚像的中心并不在同一点上，而是存在一定的距离，这样能够减少光学模组与鼻子的碰撞的尺寸，避开面部尺寸限制，使VR光学模组在设计时自由度更高。
可选地，上述第一夹角和第二夹角均位于0度到20度的范围内。
需要说明的是，在人眼的凝视点与图像源的几何中心不在同一点的情况下，图像源的几何中心与光轴不重合，如果需要调节虚像距，此时，光学器件只能平动不能旋转。因此上述调节机构在进行近视调节时，只能够平动。
本申请所提供的VR设备还能使人眼的凝视点与虚像的中心不在同一点，而是存在一定的距离，这样能够减小降低鼻侧光学模组的尺寸，避开面部尺寸限制，使VR光学模组在设计时具有更好的自由度的同时，还能够增大视场，从而提升用户的沉浸感和临场感。
附图说明
图1是本申请实施例提供的一种人眼分辨率特性的示意图；
图2是本申请实施例提供的一种VR光学模组的结构示意图；
图3是本申请实施例提供的一种PPD随角度分布的示意图；
图4是本申请实施例提供的另一种VR光学模组的结构示意图；
图5是本申请实施例提供的一种曲面偏振分光片的示意图；
图6是本申请实施例提供的另一种PPD随角度分布的示意图；
图7是本申请实施例提供的一种图像源像素利用区域的映射的示意图；
图8是本申请实施例提供的另一种VR光学模组的结构示意图；
图9是本申请实施例提供的另一种VR光学模组的结构示意图；
图10是本申请实施例提供的一种调节虚像距的示意图；
图11是本申请实施例提供的另一种调节虚像距的示意图；
图12是本申请实施例提供的一种第一夹角和第二夹角的示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。
VR技术是一种创建和体验虚拟世界的计算机仿真技术，它能够利用计算机生成一种虚拟环境，用户通过佩戴VR设备(比如VR眼镜、VR头盔等等)能够沉浸到该虚拟环境中。而且，VR设备呈现的虚像的质量越高，虚拟环境就越真实，从而能够给用户带来更强的沉浸感。
分辨率是表征图像质量的一个重要参数，在VR设备中，分辨率通过单位角度像素数(Pixel Per Degree，PPD)来表征。而且对于人眼来说，在不同的方向所需的PPD不同。请参考图1，图1中角度为0度的位置为人眼的凝视方向，从图1中能够看出人眼在凝视方向的极限为60PPD，并且越远离凝视方向，PPD越低。基于这一人眼的分辨率特性，本申请实施例提供了一种VR光学模组及VR设备，该VR光学模组能够使呈现的虚像的中心区域的PPD提升，适应人眼的分辨率特性，从而提升VR设备呈现的虚像的质量。
请参考图2，图2是本申请实施例提供的一种VR光学模组的结构示意图，如图2所示，该VR光学模组包括从图像源201至人眼依次排布的第一透镜202、第二透镜203和分光组件204。第一透镜202的两个相背的面中的一个面至少存在一个光焦度反曲点，该光焦度反曲点是指正光焦度与负光焦度的交点。第二透镜203的两个相背的面中的一个面为部分反射面，该部分反射面是指光束能够被部分透射和部分反射的面。
其中，图像源201用于产生承载待投射图像的具有第一偏振态的光束，第一透镜202用于透射具有第一偏振态的光束至第二透镜203，第二透镜203用于透射具有第一偏振态的光束至分光组件204，分光组件204用于反射具有第一偏振态的光束至第二透镜203的部分反射面，第二透镜203的部分反射面用于反射光束至分光组件204，其中，入射至第二透镜203的部分反射面的光束具有第一偏振态，从第二透镜203的部分反射面出射的光束具有第二偏振态，分光组件204用于接收具有第二偏振态的光束，并透射该光束至人眼。
也就是说，图像源201产生承载待投射图像的具有第一偏振态的光束，该具有第一偏振态的光束被第一透镜202透射后入射至第二透镜203。第二透镜203的部分反射面能够透射一部分具有第一偏振态的光束。被透射的具有第一偏振态的光束沿光路继续传播到达分光组件204，分光组件204将该具有第一偏振态的光束反射至第二透镜203的部分反射面。第二透镜203的部分反射面反射该光束，并且将该具有第一偏振态的光束转化为具有第二偏振态的光束，该具有第二偏振态的光束到达分光组件204后，分光组件204将该光束透射至人眼。
可选地，图像源为背光光源液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)或者OLED，本申请实施例对此不作限定。例如，图像源为背光光源LCD，利用液晶作为光调制器件。
需要说明的是，上述第一偏振态为第一圆偏振态或者第一线偏振态，第二偏振态为第二圆偏振态或者第二线偏振态。当第一偏振态为第一圆偏振态时，第二偏振态为第二圆偏振态；当第一偏振态为第一线偏振态时，第二偏振态为第二线偏振态。也就是说，第一偏振态和第二偏振态均为圆偏振态，或者，第一偏振态和第二偏振态均为线偏振态。而且，第一圆偏振态与第二圆偏振态的方向正交，第一线偏振态与第二线偏振态的方向正交。比如，第一圆偏振态为左旋圆偏振态或者右旋圆偏振态，当第一圆偏振态为左旋圆偏振态时，第二圆偏振态为右旋圆偏振态；当第一圆偏振态为右旋圆偏振态时，第二圆偏振态为左旋圆偏振态。第一线偏振态为P偏振态或者S偏振态，当第一线偏振态为P偏振态时，第二线偏振态为S偏振态；当第一线偏振态为S偏振态时，第二线偏振态为P偏振态。
实际应用中，图像源201输出的光束可能不能达到第一偏振态，此时需要将图像源201输出的光束进行转化。比如，在第一偏振态是左旋圆偏振态的情况下，如果图像源201输出的光束具有线偏振态，则需要在图像源201的出光口贴一层1/4波片来将线偏振光转化为左旋圆偏振光。如果图像源201输出的光束为非偏振光，则需要在图像源201的出光口贴一层左旋圆偏振片来将光束起偏为左旋圆偏振光。
上述提及的圆偏振态为光束在理想情况下的偏振态，实际光束的偏振态多为椭圆偏振态，当其椭圆率(或者椭圆角)接近45度时，认为该椭圆偏振光为圆偏振光，本申请实施例中的圆偏振光是指椭圆率(或者椭圆角)接近45度的椭圆偏振光。同理，上述提及的线偏振态为光束在理想情况下的偏振态，实际光束的偏振态多为椭圆偏振态，当其椭圆率(或者椭圆角)接近0度时，认为该椭圆偏振光为线偏振光，本申请实施例中的线偏振光是指椭圆率(或者椭圆角)接近0度的椭圆偏振光。
由于本申请实施例中的VR光学模组生成的虚像的中心区域的像素相比于边缘区域要更为密集，也即是，从图像源201的边缘区域出射的光束的焦距需要比中间区域的焦距短，这样，会导致虚像的边缘区域的PPD急剧下降，产生场曲，从而影响虚像的成像质量，因此，通过在第一透镜202的两个相背的面中的一个面设置至少一个光焦度反曲点，这样可以补偿虚像的边缘区域的PPD急剧下降带来的场曲，从而提高虚像的成像质量。可选地，上述至少一个光焦度反曲点可以位于第一透镜202靠近人眼的面，从而更好地提升补偿虚像的边缘区域的PPD急剧下降带来的场曲，进一步提高虚像的成像质量。
为了便于理解，请参考图2，从光束角度来看，图2中第一透镜202靠近人眼的面存在正光焦度的部位(第一透镜202靠近人眼的面的凸起部位)，也存在负光焦度的部位(第一透镜202靠近人眼的面的凹陷部位)，光束从正光焦度的部位透射后能够进行汇聚，光束从负光焦度的部位透射后能够进行发散，第一透镜202靠近人眼的面存在正光焦度与负光焦度的交点，也即是，第一透镜202靠近人眼的面存在光焦度为0的点。
由于第二透镜203的两个相背的面中的一个面为部分反射面，该部分反射面能够透射部分光束，还能够反射部分光束，所以通过第二透镜203的部分反射面能够将第一次入射至该部分反射面的部分光束进行透射，并将第二次入射至该部分反射面的部分光束进行反射，从而使光路在分光组件204和第二透镜203的部分反射面之间产生折叠，使光束能够在较小的空间内实现汇聚，进而减小光学模组的厚度。
可选地，第二透镜203靠近图像源201的面为部分反射面。在这种情况下，分光组件204和第二透镜203的部分反射面之间的距离能够实现最大化，进而最大程度地增加光束在分光组件204和第二透镜203的部分反射面之间传播的距离，使光束在分光组件204和第二透镜203的部分反射面之间汇聚的效果更好，进一步减小光学模组的厚度。并且，光路还能够在第二透镜203内反复经过三次，从而提高像差校正能力。
在实际应用中，光束到达第二透镜203的部分反射面之后才进行汇聚，光束在第二透镜203的部分反射面达到的高度为光束所能够传播的最高高度，因此，该高度决定了VR光学模组的口径大小。所以，在另一些实施例中，第二透镜203靠近人眼的面也可以为部分反射面，这样，能够降低光束在第二透镜203的部分反射面所达到的高度，进而降低VR光学模组的口径。
可选地，第二透镜203的部分反射面的反射率大于30％。这样能够保证第二透镜203的部分反射面透射部分光束并反射部分光束。在一些实施例中，第二透镜203的部分反射面的反射率是50％，也即是，第二透镜203的部分反射面的透射率与反射率的比例为1:1，在这种情况下，能够保证第二透镜203的部分反射面进行反射的光束最多，从而保证最多的光束能够在分光组件204和第二透镜203的部分反射面之间产生折叠。
基于上文描述，为了满足人眼对中心视场高PPD的需求，在图像源分辨率相同的情况下，需要提升虚像的中心区域的PPD。在一些实施例中，上述VR光学模组生成的虚像中距离人眼的凝视方向的目标角度范围内的最大径向PPD大于或等于虚像的平均径向PPD的1.3倍，凝视方向是指人眼看向正前方的方向。
可选地，目标角度范围为0度至20度的范围，这样能够使虚像中心区域的PPD高于虚像平均PPD，从而提高清晰度体验。当然，目标角度范围还可以是其他的范围，本申请实施例对此不做限定。
请参考图3，图3为VR光学模组生成的虚像的PPD随角度分布的示意图，在图3中，0度为人眼的凝视方向，若目标角度为0度至20度的范围，则从图3中可以看出，0度至20度的范围内的最大径向PPD为31，虚像的平均径向PPD为19.71。由于19.71×1.3＝25.623，31大于25.623，也即是，0度至20度的范围内的最大径向PPD大于虚像的平均径向PPD的1.3倍。
本申请实施例所提供的VR光学模组中的第二透镜203能够汇聚光束，使图像源201的边缘区域出射的光束的焦距比中心区域的焦距短，但是这样会导致第二透镜203的薄厚比过大并且虚像的边缘区域的PPD急剧下降。为了补偿虚像的边缘区域的PPD急剧下降带来的场曲，第一透镜202的薄厚比就需要设置的更大。而且图像源201的边缘区域出射的光束的焦距过短还会导致虚像中边缘部位的像差增大，并且透镜的薄厚比过大还会导致透镜的良品率降低。为了避免上述情况，可以减小第二透镜203和第一透镜202的薄厚比，此时，VR光学模组生成的虚像中边缘部位的PPD存在上升趋势。这样，能够减小VR光学模组生成的虚像中边缘部位的像差，从而提升该边缘部位的成像质量，避免边缘模糊，并且能够降低第一透镜202和第二透镜203的薄厚比，从而提高透镜的良品率。例如，上述VR光学模组生成的虚像中距离人眼的凝视方向的最大角度的0.8倍至最大角度的范围内的PPD存在上升趋势。该最大角度为VR光学模组生成的虚像中距离人眼的凝视方向最大的角度。
请参考图3，图3中50度之后的区域为VR光学模组生成的虚像中边缘部位，从图3中不难看出，该边缘部位(B点之后的曲线)PPD存在上升趋势。
请参考图4，分光组件204包括相位延迟片2041和偏振分光片2042，相位延迟片2041位于第二透镜203与偏振分光片2042之间，相位延迟片2041用于第一次透射光束至偏振分光片2042，其中，第一次入射至相位延迟片2041的光束具有第一偏振态，从相位延迟片2041第一次出射的光束具有第三偏振态，偏振分光片2042用于反射具有第三偏振态的光束，相位延迟片2041还用于第二次透射光束至第二透镜203的部分反射面，其中，第二次入射至相位延迟片2041的光束具有第三偏振态，从相位延迟片2041第二次出射的光束具有第一偏振态，相位延迟片2041还用于第三次透射光束至偏振分光片2042，其中，第三次入射至相位延迟片2041的光束具有第二偏振态，从相位延迟片2041第三次出射的光束具有第四偏振态，偏振分光片2042还用于透射具有第四偏振态的光束至人眼，其中，第一偏振态与第二偏振态的方向正交，第三偏振态与第四偏振态的方向正交。
也就是说，图像源201产生承载待投射图像的具有第一偏振态的光束，该具有第一偏振态的光束沿光路传播到达相位延迟片2041，相位延迟片2041将具有第一偏振态的光束转化为具有第三偏振态的光束，该具有第三偏振态的光束到达偏振分光片2042后被反射至相位延迟片2041，相位延迟片2041将该具有第三偏振态的光束转化为具有第一偏振态的光束，该具有第一偏振态的光束沿光路传播至第二透镜203的部分反射面，第二透镜203的部分反射面反射该光束，并且将该具有第一偏振态的光束转化为具有第二偏振态的光束，该具有第二偏振态的光束到达相位延迟片2041后，该相位延迟片2041将该具有第二偏振态的光束转化为具有第四偏振态的光束，该具有第四偏振态的光束被偏振分光片2042透射进而到达人眼。
基于上文描述，第一偏振态和第二偏振态均为圆偏振态，或者，第一偏振态和第二偏振态均为线偏振态。在第一偏振态和第二偏振态均为圆偏振态的情况下，第三偏振态和第四偏振态均为线偏振。在第一偏振态和第二偏振态均为线偏振态的情况下，第三偏振态和第四偏振态均为圆偏振态。为了便于理解，接下来将以第一偏振态和第二偏振态为圆偏振态，第三偏振态和第四偏振态为线偏振态为例，对光束沿VR光学模组传播的过程进行描述，而且，第一偏振态为第一圆偏振态，第二偏振态为第二圆偏振态，第三偏振态为第一线偏振态，第四偏振态为第二线偏振态。
图像源201产生承载待投射图像的具有第一圆偏振态的光束，该具有第一圆偏振态的光束被第一透镜202透射后，再经过第二透镜203的部分反射面透射至分光组件204的相位延迟片2041。相位延迟片2041将具有第一圆偏振态的光束转化为具有第一线偏振态的光束，该具有第一线偏振态的光束到达偏振分光片2042后被反射，从而再次到达相位延迟片2041，该具有第一线偏振态的光束经过相位延迟片2041转化为具有第一圆偏振态的光束，该具有第一圆偏振态的光束到达第二透镜203的部分反射面后，经过第二透镜203的部分反射面的反射后转化为具有第二圆偏振态的光束，该具有第二圆偏振态的光束到达相位延迟片2041后，相位延迟片2041将该具有第二圆偏振态的光束转化为具有第二线偏振态的光束，该具有第二线偏振态的光束被偏振分光片2042透射进而到达人眼。
在一些实施例中，上述偏振分光片2042为平面偏振分光片或者曲面偏振分光片。在偏振分光片2042为平面偏振分光片的情况下，该平面偏振分光片能够透射具有某一偏振态的光束，同时反射具有另一正交偏振态的光束，例如，透射P偏振光，同时反射S偏振光。在偏振分光片2042为曲面偏振分光片的情况下，该曲面偏振分光片也具有和上述平面偏振分光片相同的功能，而且请参考图5，由于曲面偏振分光片和第二透镜203的部分反射面都能够反射光束，所以，对于曲面偏振分光片和第二透镜203的部分反射面来说，从光线的角度来看，曲面偏振分光片提供负光焦度，第二透镜203的部分反射面提供正光焦度，该曲面偏振分光片能够与第二透镜203的部分反射面形成正负组相互配合，从而有效降低VR光学模组的厚度和体积，同时还能够提高光学设计自由度，进一步提升成像质量，使虚像中高PPD的中心区域更大，允许在更大的眼球转动范围实现高PPD体验。
例如，请参考图6，图6为偏振分光片为曲面偏振分光片的情况下，VR光学模组生成的虚像的PPD随角度分布的示意图，其中，0度为人眼的凝视方向。从图6中可以看出，VR光学模组生成的虚像中高PPD的中心区域相比于图4更大。
可选地，上述平面偏振分光片为薄膜型偏振分光片，该薄膜型偏振分光片能够利用多层介质膜实现上述偏振分光片的功能。可选地，平面偏振分光片为金属线栅型偏振分光片，该金属线栅型偏振分光片利用金属线栅对偏振的各向异性选择，实现上述偏振分光片的功能，该金属线栅偏振分光片具有更广的入射角带宽以及波长带宽，从而提高成像质量。
在一些实施例中，上述相位延迟片2041为1/4波片。当然，相位延迟片2041还可以为其他能够实现相同功能的光学器件，本申请实施例对此不做限定。
在实际应用中，如果1/4波片的快轴与偏振分光片2042能够透射的偏振态的方向呈45度夹角，那么慢轴和快轴就会具有相同的振幅分量，最终能够产生圆偏振光。如果该1/4波片的快轴与偏振分光片2042能够透射的偏振态的方向不呈45度夹角，则可能会导致从该相位延迟片2041出射的一部分光束不是预期的偏振态，进而影响最终的成像质量。因此，该1/4波片的快轴与偏振分光片2042能够透射的偏振态的方向可以呈45度夹角。这样能够保证该偏振分光片2042的效率最大化，提高成像质量。
由于光学器件的结构稳定性直接决定着光学性能的长期稳定性，因此，在一些实施例中，分光组件2042还包括光学支撑件，上述相位延迟片2041和偏振分光片2042固定于该光学支撑件上。这样能够保证相位延迟片2041和偏振分光片2042在整个VR光学模组的空间位置中的稳定性，进而保证VR光学模组的光学性能的长期稳定性。
在一些实施例中，相位延迟片2041和偏振分光片2042可以通过透明光学胶OCA(Optically Clear Adhesive)固定于该光学支撑件上，本申请实施例对此不做限定。
在一些实施例中，分光组件204为胆甾型液晶(Cholesteric Liquid Crystal，CLC)。该CLC具有反射特定圆偏振态的光束而透射具有另一圆偏振态的光束的特性，也即是，该CLC能够代替上述相位延迟片2041和偏振分光片2042在VR光学模组中的功能，这样，能够减少VR光学模组中的光学器件，进而降低VR光学模组的加工难度。
在实际应用中，由于加工和组装等问题会导致最终从VR光学模组出射的部分光束并不是预期的偏振态，也即是，存在杂光，这样会影响最终的成像质量，因此，在一些实施例中，上述VR光学模组还包括光学偏振片，该光学偏振片位于偏振分光片2042靠近人眼的一侧，该光学偏振片能够透射的偏振态的方向与偏振分光片2042能够透射的偏振态的方向相同。这样，能够消除杂光，提高VR光学模组所成虚像的对比度。
在一些实施例中，上述第一透镜202、第二透镜203和分光组件204的面型为轴对称偶次非球面。
作为一种示例，轴对称偶次非球面的面型方程能够通过如下公式(1)表示:
其中，在上述公式(1)中，Say(r)为非中心对称的自由曲面在z轴方向上的矢高，c为曲面曲率，k为圆锥系数，r为镜头单位下的径向坐标，ai为面型方程的各次项所对应的系数，N为面型方程的各次项的最大次数。
由于上述VR光学模组所包含的光学器件具有中心对称性，请参考图7，该具有中心对称性的光学器件只能实现圆形图像源到圆形虚像的映射。然而，在实际应用中，图像源201通常是正方形，因而浪费了图像源201中四个角上的像素。因此，在一些实施例中，第一透镜202、第二透镜203和分光组件204的面型为非中心对称的自由曲面。该非中心对称的自由曲面透镜能够实现正方形或者任意形状的图像源到圆形或者任意形状的虚像的映射，从而充分利用图像源201的像素。
可选地，非中心对称的自由曲面的面型方程能够通过如下公式(2)表示：
其中，在上述公式(2)中，Say(x,y)为非中心对称的自由曲面在z轴方向上的矢高，c为曲面曲率，k为圆锥系数，x为非中心对称的自由曲面在x轴方向上的矢高，y为非中心对称的自由曲面在y轴方向上的矢高，ai,j为面型方程的各次项所对应的系数，N为面型方程的各次项的最大次数。
以正方形图像源到圆形虚像的映射为例，由于正方形图像源到圆形虚像的映射具有对称性，也即是，将正方形图像源映射到圆形虚像时，存在0度、45度和90度方向轴对称。基于45度对称性，能够使上述非中心对称的自由曲面的面型方程中x与y的偶次方项的系数相等，基于90度对称性，能够使上述非中心对称的自由曲面的面型方程中x与y的奇次方项都能够抵消，进而得到简化的非中心对称的自由曲面的面型方程。因此，在一些实施例中，基于0度、45度和90度方向的对称性，能够通过如下公式(3)表示该简化的非中心对称的自由曲面的面型方程。
其中，在上述公式(3)中，Sag(x,y)为非中心对称的自由曲面在z轴方向上的矢高，c为曲面曲率，k为圆锥系数，x为非中心对称的自由曲面在x轴方向上的矢高，y为非中心对称的自由曲面在y轴方向上的矢高，A1-A10为面型方程的各次项所对应的系数。这里示意性的将面型方程的最大项数设置为10，在实际应用中，该面型方程的最大项数能够设置为其他数量，本申请实施例对此不做限定。
通过上述简化的非中心对称的自由曲面的面型方程确定第一透镜202、第二透镜203和分光组件204能够大大缩小面型方程的参数空间，加快光学系统的优化。
例如，请参考图8，图8为通过上述简化的非中心对称的自由曲面的面型方程所确定第一透镜202、第二透镜203和分光组件204，图8为从0度方位角方向所看到的VR光学模组，图8将正方形图像源中经过图像源中心且平行于边长的线映射到虚像空间，图9为从45度方位角方向所看到的VR光学模组，图9将正方形图像源的对角线映射到虚像空间。其中，由于正方形的对角线大约为边长的1.4倍，因此，从45度方位角方向所看到的图像源的高度大约是从0度方位角方向所看到的图像源的高度的1.4倍，但通过上述简化的非中心对称的自由曲面的面型方程所确定第一透镜202、第二透镜203和分光组件204使45度方位角和0度方位角所成的虚像高度相同，因此实现将正方形图像源的四个对角的像素聚集到圆形虚像中，相对于具有中心对称性的VR光学模组提高大约20％图像源像素的利用率。
由于本申请实施例利用畸变重新分配图像源的像素排布，使得最终呈现的虚像中心视场的像素密度显著高于边缘视场，但是该畸变会导致虚像也发生畸变，因此本申请实施例可以通过数码方法对虚像的畸变进行校正。即，基于虚像的畸变参数确定反畸变参数，进而基于该反畸变参数，按照相关算法，对待投射图像进行处理以得到反畸变的图像，将该反畸变的图像在图像源上进行显示，该图像源上显示的反畸变的图像经过上述VR光学模组会再次经过一次正的畸变，从而互相抵消，最终得到无畸变的虚像。
由于近视人群的人眼的焦距范围与正常人不同，为了保证VR光学模组能够适用于不同的人群，在一些实施例中，VR光学模组还包括调节机构，该调节机构与第二透镜203或者分光组件204或者图像源201连接，调节机构用于沿光路传播方向移动第二透镜203或者分光组件204或者图像源201，以调节虚像距。这样，能够使最终VR光学模组所成的虚像适应不同近视度数的人群。例如，上述调节机构为凸轮槽，通过旋转镜筒，能够使VR光学模组中的第二透镜203或者分光组件204或者图像源201沿镜筒前后移动，从而改变虚像距。
例如，请参考图10，从图10中可以看出，在近视度数为700度的情况下，通过移动第二透镜203来调节虚像距。又例如，请参考图11，从图11中可以看出，在近视度数为700度的情况下，也能够通过移动分光组件204来调节虚像距。
基于上文描述，由于虚像会产生畸变，需要待投射图像进行反畸变处理，但在不同近视度数下，所需调节的虚像距不同，不同的虚像距会导致不同的畸变，也即是，不同的近视度数所对应的畸变参数不同。因此，为了保证成像质量，调节机构具有多个调节挡位，该多个调节挡位与多个反畸变参数一一对应。例如，将近视度数分为3～7个档位，使用反馈电路确定当前的档位，进而基于该档位确定对应的反畸变参数，基于该反畸变参数，按照相关算法，对待投射图像进行处理，最终得到无畸变的虚像。
在一些实施例中，VR光学模组还包括至少一个第三透镜，第三透镜位于图像源201和人眼之间。也即是，为VR光学模组在图像源201和人眼增加至少一个第三透镜，这样，能够提高光学设计自由度，进一步补偿像差，使成像质量更好。
在一些实施例中，第三透镜能够位于第二透镜203和图像源201之间、或者第二透镜203和分光组件204之间，又或者分光组件204和人眼之间，并且，该第三透镜的数量可以是一个也可以是多个，也就是说，在第三透镜为的数量一个的情况下，该第三透镜能够位于图像源201和人眼之间的任意位置，在第三透镜的数量为多个的情况下，该多个透镜能够整体位于第三透镜能够位于图像源201和人眼之间的任意位置，该多个透镜也能够分别位于第三透镜能够位于图像源201和人眼之间的任意位置，本申请实施例对此不做限定。
可选地，上述第一透镜202和第二透镜203为菲涅尔透镜、液晶透镜或者超透镜。该菲涅尔透镜、液晶透镜或者超透镜能够有效降低透镜厚度，提高光束在分光组件204和第二透镜203的部分反射面之间的折叠效率，进而提高成像质量，减小VR光学模组的厚度和体积。当然，上述第一透镜202和第二透镜203还能够是玻璃透镜、胶合透镜、光学树脂透镜等等，本申请实施例对此不做限定。
本申请实施例所提供的VR光学模组利用人眼的分辨率需求特性，能够在图像源分辨率相同的情况下使呈现的虚像的中心区域的PPD提升，进而满足人眼对中心视场高PPD的需求，提升VR设备呈现的虚像的质量。并且由于第一透镜的两个相背的面中的一个面至少存在一个光焦度反曲点，这样可以补偿虚像的边缘区域的PPD急剧下降带来的场曲，从而提高虚像的成像质量。第二透镜的两个相背的面中的一个面为部分反射面，该部分反射面能够透射部分光束，还能够反射部分光束，从而使光路在分光组件和部分反射面之间产生折叠，使光束能够在较小的空间内实现光束的汇聚，进而减小光学模组的厚度。由于申请实施例所提供的VR光学模组对图像源的像素密度的要求不高，因此，本申请实施例提供的VR光学模组能够在不采用价格昂贵的硅基OLED屏幕作为图像源的同时，还能够提升虚像的质量，进而保证VR设备的成本较低、体积较小，在采用硅基OLED屏幕作为图像源时，能够使呈现的虚像的中心区域的PPD更高。
另外，由于VR光学模组生成的虚像中边缘部位的PPD存在上升趋势，因此能够减小VR光学模组生成的虚像中边缘部位的像差，从而提升该边缘部位的成像质量，避免边缘模糊，并且能够降低第一透镜和第二透镜的薄厚比，从而提高透镜的良品率。在偏振分光片为曲面偏振分光片的情况下，该曲面偏振膜面也具有和上述平面偏振分光片相同的功能，并且还能与第二透镜的部分反射面能够形成正负组相互配合，从而有效降低VR光学模组的厚度和体积，同时还能够提高光学设计自由度，进一步提升成像质量，使虚像中高PPD的中心区域更大，允许在更大的眼球转动范围实现高PPD体验。在第一透镜、第二透镜和分光组件的面型为非中心对称的自由曲面的情况下。该非中心对称的自由曲面透镜能够实现正方形或者任意形状的图像源到圆形或者任意形状的虚像的映射，从而充分利用图像源的像素。
本申请实施例还提供了一种VR设备，该VR设备包括两套上述VR光学模组，该两套VR光学模组分别为第一光学模组和第二光学模组，第一光学模组对应第一图像源，第二光学模组对应第二图像源。
由于视场越宽，越有助于产生沉浸感和临场感，因此，在一些实施例中，第一图像源方向与第一凝视方向之间具有第一夹角，第一图像源方向为第一光学模组对应的第一人眼看向第一图像源的几何中心的方向，第一凝视方向为第一人眼看向正前方的方向，第一图像源的几何中心相比第一人眼的凝视点远离第二光学模组，第二图像源方向与第二凝视方向之间具有第二夹角，第二图像源方向为第二光学模组对应的第二人眼看向第二图像源的几何中心的方向，第二凝视方向为第二人眼看向正前方的方向，第二图像源的几何中心相比第二人眼的凝视点远离第一光学模组。这样，能够减小双眼视野重叠的区域，从而增大视场，提升用户的沉浸感和临场感。也就是说，人眼的凝视点与虚像的中心并不在同一点上，而是存在一定的距离，这样能够减少光学模组与鼻子的碰撞的尺寸，避开面部尺寸限制，使VR光学模组在设计时自由度更高。
作为一种示例，请参考图12，若第一人眼为左眼，第二人眼为右眼，则左眼看向A点的方向为第一凝视方向，人眼看向B点的方向为第一图像源方向，右眼眼看向C点的方向为第二凝视方向，人眼看向D点的方向为第二图像源方向，此时，第一凝视方向与第一图像源方向之间具有第一夹角，第二凝视方向与第二图像源方向之间具有第二夹角。也即是，左眼的凝视点与图像源的几何中心不在同一点上，并且向相对左眼的凝视方向偏左，右眼的凝视点与图像源的几何中心不在同一点上，并且向相对右眼的凝视方向偏右。
在一些实施例中，上述第一夹角和第二夹角均位于0度到20度的范围内。
需要说明的是，在人眼的凝视点与图像源的几何中心不在同一点的情况下，图像源的几何中心与光轴不重合，如果需要调节虚像距，此时，光学器件只能平动不能旋转。因此上述调节机构在进行近视调节时，只能够平动。
本申请实施例所提供的VR设备还能使人眼的凝视点与虚像的中心不在同一点，而是存在一定的距离，这样能够减小降低鼻侧光学模组的尺寸，避开面部尺寸限制，使VR光学模组在设计时具有更好的自由度的同时，还能够增大视场，从而提升用户的沉浸感和临场感。
应当理解的是，本文提及的“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“/”表示或的意思，例如，A/B可以表示A或B；本文中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，为了便于清楚描述本申请实施例的技术方案，在本申请实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。
以上所述为本申请提供的实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (25)

1.一种虚拟现实VR光学模组，其特征在于，所述VR光学模组包括从图像源至人眼依次排布的第一透镜、第二透镜和分光组件；
所述第一透镜的两个相背的面中的一个面至少存在一个光焦度反曲点，所述光焦度反曲点是指正光焦度与负光焦度的交点；
所述第二透镜的两个相背的面中的一个面为部分反射面，所述部分反射面是指光束能够被部分透射和部分反射的面；
所述图像源用于产生承载待投射图像的具有第一偏振态的光束；
所述第一透镜用于透射具有第一偏振态的所述光束至所述第二透镜；
所述第二透镜用于透射具有第一偏振态的所述光束至所述分光组件；
所述分光组件用于反射具有第一偏振态的所述光束至所述第二透镜的所述部分反射面；
所述第二透镜的所述部分反射面用于反射所述光束至所述分光组件，其中，入射至所述第二透镜的所述部分反射面的所述光束具有第一偏振态，从所述第二透镜的所述部分反射面出射的所述光束具有第二偏振态；
所述分光组件用于接收具有第二偏振态的所述光束，并透射所述光束至所述人眼。
2.如权利要求1所述的VR光学模组，其特征在于，所述VR光学模组生成的虚像中距离所述人眼的凝视方向的目标角度范围内的最大径向单位角度像素数PPD大于或等于所述虚像的平均径向PPD的1.3倍，所述凝视方向是指所述人眼看向正前方的方向。
3.如权利要求2所述的VR光学模组，其特征在于，所述目标角度范围为0度至20度的范围。
4.如权利要求1-3任一所述的VR光学模组，其特征在于，所述VR光学模组生成的虚像中边缘部位的PPD存在上升趋势。
5.如权利要求1-4任一所述的VR光学模组，其特征在于，所述第一透镜靠近所述人眼的面至少存在一个所述光焦度反曲点。
6.如权利要求1-5任一所述的VR光学模组，其特征在于，所述第二透镜靠近所述图像源的面为所述部分反射面。
7.如权利要求1-6任一所述的VR光学模组，其特征在于，所述部分反射面的反射率大于30％。
8.如权利要求1-7任一所述的VR光学模组，其特征在于，所述分光组件包括相位延迟片和偏振分光片，所述相位延迟片位于所述第二透镜与所述偏振分光片之间；
所述相位延迟片用于第一次透射所述光束至所述偏振分光片，其中，第一次入射至所述相位延迟片的所述光束具有第一偏振态，从所述相位延迟片第一次出射的所述光束具有第三偏振态；
所述偏振分光片用于反射具有第三偏振态的所述光束；
所述相位延迟片还用于第二次透射所述光束至所述第二透镜的所述部分反射面，其中，第二次入射至所述相位延迟片的所述光束具有第三偏振态，从所述相位延迟片第二次出射的所述光束具有第一偏振态；
所述相位延迟片还用于第三次透射所述光束至所述偏振分光片，其中，第三次入射至所述相位延迟片的所述光束具有第二偏振态，从所述相位延迟片第三次出射的所述光束具有第四偏振态；
所述偏振分光片还用于透射具有第四偏振态的所述光束至所述人眼；
其中，所述第一偏振态与所述第二偏振态的方向正交，所述第三偏振态与所述第四偏振态的方向正交。
9.如权利要求8所述的VR光学模组，其特征在于，所述第一偏振态和所述第二偏振态为圆偏振态，所述第三偏振态和所述第四偏振态为线偏振态。
10.如权利要求8或9所述的VR光学模组，其特征在于，所述偏振分光片为平面偏振分光片或者曲面偏振分光片。
11.如权利要求8-10任一所述的VR光学模组，其特征在于，所述相位延迟片为1/4波片。
12.如权利要求11所述的VR光学模组，其特征在于，所述1/4波片的快轴与所述偏振分光片能够透射的偏振态的方向呈45度夹角。
13.如权利要求8-12任一所述的VR光学模组，其特征在于，所述分光组件还包括光学支撑件，所述相位延迟片和所述偏振分光片固定于所述光学支撑件上。
14.如权利要求1-7任一所述的VR光学模组，其特征在于，所述分光组件为胆甾型液晶CLC。
15.如权利要求8-12任一所述的VR光学模组，其特征在于，所述VR光学模组还包括光学偏振片，所述光学偏振片位于所述偏振分光片靠近所述人眼的一侧，所述光学偏振片能够透射的偏振态的方向与所述偏振分光片能够透射的偏振态的方向相同。
16.如权利要求1-15任一所述的VR光学模组，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜和所述分光组件的面型为轴对称偶次非球面。
17.如权利要求1-15任一所述的VR光学模组，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜和所述分光组件的面型为非中心对称的自由曲面。
18.如权利要求17所述的VR光学模组，其特征在于，所述非中心对称的自由曲面的面型方程为：
其中，所述Say(x,y)为所述非中心对称的自由曲面在z轴方向上的矢高，所述c为曲面曲率，所述k为圆锥系数，所述x为所述非中心对称的自由曲面在x轴方向上的矢高，所述y为所述非中心对称的自由曲面在y轴方向上的矢高，所述ai,j为所述面型方程的各次项所对应的系数，所述N为所述面型方程的各次项的最大次数。
19.如权利要求1-18任一所述的VR光学模组，其特征在于，所述VR光学模组还包括调节机构，所述调节机构与所述第二透镜或者所述分光组件或者所述图像源连接，所述调节机构用于沿光路传播方向移动所述第二透镜或者所述分光组件或者所述图像源，以调节虚像距。
20.如权利要求19所述的VR光学模组，其特征在于，所述调节机构具有多个调节挡位，所述多个调节挡位与多个反畸变参数一一对应。
21.如权利要求1-20任一所述的VR光学模组，其特征在于，所述VR光学模组还包括至少一个第三透镜，所述第三透镜位于所述图像源和所述人眼之间。
22.如权利要求1-21任一所述的VR光学模组，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜为菲涅尔透镜、液晶透镜或者超透镜。
23.一种VR设备，其特征在于，所述VR设备包括两套权利要求1-22任一所述的VR光学模组，所述两套VR光学模组分别为第一光学模组和第二光学模组，所述第一光学模组对应第一图像源，所述第二光学模组对应第二图像源。
24.如权利要求23所述的VR设备，其特征在于，第一图像源方向与第一凝视方向之间具有第一夹角，所述第一图像源方向为所述第一光学模组对应的第一人眼看向所述第一图像源的几何中心的方向，所述第一凝视方向为所述第一人眼看向正前方的方向，所述第一图像源的几何中心相比所述第一人眼的凝视点远离所述第二光学模组；
第二图像源方向与第二凝视方向之间具有第二夹角，所述第二图像源方向为所述第二光学模组对应的第二人眼看向所述第二图像源的几何中心的方向，所述第二凝视方向为所述第二人眼看向正前方的方向，所述第二图像源的几何中心相比所述第二人眼的凝视点远离所述第一光学模组。
25.如权利要求24所述的VR设备，其特征在于，所述第一夹角和所述第二夹角均位于0度到20度的范围内。
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