CN216210238U - 一种光学模组和近眼显示光学系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种光学模组和近眼显示光学系统，涉及近眼显示技术领域，包括图像源，以及在图像源的出光侧设置的偏振组件和光学元件，图像源出射的信号入射偏振组件的主光轴和偏振组件与光学元件之间的主光轴具有夹角，图像源信号经偏振组件反射向光学元件后，再反射回偏振组件，并经过偏振组件出射，最终到达人眼出瞳，接收图像源的图像。偏振组件用于吸收杂散光，杂散光从与图像源相反的方向入射偏振组件，经偏振组件反射向光学元件，光学元件将杂散光再次反射回偏振组件，最终被偏振组件吸收。偏振组件吸收杂散光，杂散光就无法经偏振组件出射到达人眼，减小杂散光进入人眼的几率，降低杂散光对图像源信号的干扰，实现了消除或减少杂散光的效果。

Description

一种光学模组和近眼显示光学系统

技术领域

本申请涉及近眼显示技术领域，具体涉及一种光学模组和近眼显示光学系统。

背景技术

近眼显示光学系统也称头盔显示器，是一种用于增强现实、虚拟现实、混合现实等显示在使用者头上戴着的视觉显示器，最初主要应用于军事和科研领域，随着科技进步和社会发展，人们对近眼显示技术的认识和学习越来越多，近眼显示技术逐步进入人们的生活，现有近眼显示技术的应用已经拓展到军事、工业、娱乐、医疗、交通运输等领域。

当前近眼显示光学系统存在杂散光较多的问题，杂散光进入近眼显示光学系统后最后被人眼接收，对用户接收正常图像造成了干扰，影响用户体验。

实用新型内容

本申请实施例的目的在于提供一种光学模组和近眼显示光学系统，能够减小杂散光进入人眼的几率。

本申请实施例的一方面，提供了一种光学模组，包括图像源，以及在所述图像源的出光侧设置的偏振组件和光学元件，所述图像源出射的信号入射所述偏振组件的主光轴和所述偏振组件与所述光学元件之间的主光轴具有夹角，所述图像源信号经所述偏振组件反射向所述光学元件后，再反射回所述偏振组件，并经过所述偏振组件出射。

可选地，所述偏振组件包括依次设置的线偏振片、基板、偏振分光片和1/4波片，所述1/4波片靠近所述光学元件一侧设置。

可选地，所述偏振组件包括依次设置的基板、线偏振片、偏振分光片和1/4波片，所述1/4波片靠近所述光学元件一侧设置。

可选地，所述图像源和所述偏振组件之间还设有至少一个汇聚透镜。

可选地，所述光学元件表面设有半透半反膜。

可选地，所述图像源的中心和所述汇聚透镜的中心之间的距离在 1.8mm～0.3mm之间；所述汇聚透镜的数量有多个时，所述距离为靠近所述图像源的所述汇聚透镜的中心和所述图像源的中心之间的距离。

可选地，所述汇聚透镜的中心和所述偏振组件的中心之间的距离在 10mm～7.5mm之间；所述汇聚透镜的数量有多个时，所述距离为靠近所述图像源的所述汇聚透镜的中心和所述偏振组件的中心之间的距离。

可选地，所述图像源包括微型发光二极管、有机发光二极管或小型发光二极管中的任意一种，或者所述图像源包括液晶显示器。

可选地，所述基板的材质为玻璃或树脂。

本申请实施例的另一方面，提供了一种近眼显示光学系统，包括：上述的光学模组。

本申请实施例提供的光学模组和近眼显示光学系统，光学模组包括图像源、偏振组件和光学元件，图像源、偏振组件和光学元件呈三角形排布，偏振组件和光学元件均位于图像源的出光侧，图像源出射的信号经偏振组件反射向光学元件后，再反射回偏振组件，并由偏振组件出射，最终到达人眼出瞳。同时，偏振组件用于吸收杂散光，杂散光从与图像源相反的方向入射偏振组件，经偏振组件反射向光学元件，光学元件将杂散光再次反射回偏振组件，最终被偏振组件吸收。偏振组件吸收杂散光后，杂散光就无法经偏振组件出射到达人眼，减小杂散光进入人眼的几率，人眼仅接收到图像源的信号，降低了杂散光对图像源信号的干扰，实现了消除或减少杂散光的效果，人眼能清晰识别或体验图像源信号所代表的图像，提高光能利用率和用户体验感。

进一步地，近眼显示光学系统，包括如上任意一项的光学模组。将前述的光学模组应用于近眼显示光学系统，可实现消除或减小杂散光干扰的目的，还可以调节屈光度以匹配近视人群，使近眼显示光学系统提高光能利用率，消除或减小杂散光对人眼接收图像源图像的干扰，并且还能扩大人群使用范围，使近视人群也可体验近眼显示技术的效果，提高用户体验。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。

图1是本实施例提供的光学模组结构示意图之一；

图2是本实施例提供的光学模组结构示意图之二；

图3是本实施例提供的光学模组结构示意图之三；

图4是本实施例提供的光学模组结构示意图之四。

图标：01-图像源；02-汇聚透镜；03-偏振组件；031-1/4波片；032-偏振分光片；033-基板；034-线偏振片；04-光学元件；05-人眼；d、s-距离。

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。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

近眼显示光学系统也称头盔显示器，是一种用于增强现实、虚拟现实、混合现实等显示在使用者头上戴着的视觉显示器，最初主要应用于军事和科研领域，随着科技进步和社会发展，人们对近眼显示技术的认识和学习越来越多，近眼显示技术逐步进入人们的生活。增强现实的头戴显示器可以让人们在查看周围环境的同时，将虚拟的图像投射到人眼，投影的虚拟图像可以叠加在用户感知的真实世界上，因此现有技术已经有将虚拟显示技术和增强显示技术结合应用于近眼显示，并将近眼显示技术的应用领域拓展到军事、工业、娱乐、医疗、交通运输等领域。

用户通过近眼显示光学系统可看到虚拟图像和真实图像融合后的图像，融合后的图像要符合人眼看到的场景。视场角的大小决定了视野的范围，视场角越大，视野就越大。因此近眼显示光学系统追求大视角。

近眼显示光学系统主流发明路径有：棱镜方式、自由曲面方式、波导方式，棱镜式成像质量好但视野范围小，通常视角小于30°；自由曲面方式本质上也与棱镜方式相同，只是复杂化的面型能提供性能更好的成像质量以及适当增加视角，通常视角小于45°；波导方式被视为是更穿戴的一类近眼显示光学系统，但目前技术还不成熟，工艺难度大，成像质量也较差，视角也受限。

当前近眼显示方案，存在光能利用率较低、杂散光较多等问题，影响用户体验。在此基础上，本申请实施例提供一种光学模组，通过偏振方案能够提高光能利用率和减小底部反射杂散光。

请参照图1，本申请实施例提供一种光学模组，包括图像源01，以及在图像源01的出光侧设置的偏振组件03和光学元件04，图像源01出射的信号入射偏振组件03的主光轴和偏振组件03与光学元件04之间的主光轴具有夹角，图像源01信号经偏振组件03反射向光学元件04后，再反射回偏振组件03，并经过偏振组件03出射。

图像源01、偏振组件03和光学元件04呈三角形排布，偏振组件03和光学元件04均位于图像源01的出光侧，图像源01出射的信号入射偏振组件03，然后经偏振组件03反射后射向光学元件04，光学元件04再次将信号反射回偏振组件03，信号最终由偏振组件03出射，以达到人眼05。

由此可见，光学元件04位于偏振组件03的一侧，图像源01的信号则通过偏振组件03的另一侧到达人眼05出瞳。

偏振组件03具有偏振功能，偏振组件03的作用是用于吸收杂散光，上述光学模组一旦形成，杂散光不可避免地从与图像源01相反的方向入射偏振组件03，再经偏振组件03反射向光学元件04，光学元件04将杂散光再次反射回偏振组件03，并由偏振组件03吸收，为的是不使杂散光由偏振组件03出射到达人眼05，实现了消除或减少杂散光的效果，这样一来，人眼05仅接收到图像源01的信号，而杂散光被尽可能吸收后不能到达人眼 05，减小杂散光进入人眼05的几率，降低了杂散光对图像源01信号的干扰，使人眼05能清晰识别或体验图像源01信号所代表的图像，提高光能利用率。

其中，图像源01包括微型发光二极管、有机发光二极管或小型发光二极管中的任意一种，或者图像源01包括液晶显示器。图像源01用于产生和出射携带图像信息的光线信号，图像源01的具体类型可参见上述几个示例，此处不再一一例举。

本申请实施例提供的光学模组，包括图像源01、偏振组件03和光学元件04，偏振组件03和光学元件04均位于图像源01的出光侧，图像源01 出射的信号入射偏振组件03的主光轴和偏振组件03与光学元件04之间的主光轴具有夹角，图像源01出射的信号经偏振组件03反射向光学元件04 后，再反射回偏振组件03，并由偏振组件03出射，最终到达人眼05出瞳。同时，偏振组件03用于吸收杂散光，杂散光从与图像源01相反的方向入射偏振组件03，经偏振组件03反射向光学元件04，光学元件04将杂散光再次反射回偏振组件03，最终被偏振组件03吸收。偏振组件03吸收杂散光后，杂散光就无法经偏振组件03出射到达人眼05，减小杂散光进入人眼05的几率，人眼05仅接收到图像源01的信号，降低了杂散光对图像源01信号的干扰，实现了消除或减少杂散光的效果，人眼05能清晰识别或体验图像源01信号所代表的图像，提高光能利用率和用户体验感。

进一步地，如图1所示，在本申请的一个可实现的方式中，偏振组件 03包括依次设置的线偏振片034、基板033、偏振分光片032和1/4波片031， 1/4波片031靠近光学元件04一侧设置。

图像源01出射光线，光线可以是线偏振态的，也可以是无偏振态的；光线入射偏振组件03，依次经过1/4波片031和偏振分光片032(PBS偏振片)反射形成线偏振光，再次经过1/4波片031，成为圆偏振光；紧接着光线进入光学元件04反射，再次经过1/4波片031，形成与偏振分光片032 光轴方向一致的偏振光，透过偏振分光片032，接着穿透基板033和线偏振片034，到达人眼05出瞳。另一方面，来自底部的杂散光经过线偏振片034，变成线偏振光，紧接着经过基板033和偏振分光片032，经过1/4波片031 成为圆偏振光，在1/4波片031朝向光学元件04的一侧反射，再次经过1/4 波片031形成线偏振光，到达线偏振片034被吸收，实现了消除底部杂散光的效果。

由上述可知，偏振分光片032的功能为，与偏振分光片032光轴方向一致的光线透射，与光轴方向垂直的光线反射；线偏振片034的功能为，与线偏振片034光轴方向一致的光线透射，与光轴方向垂直的光线吸收； 1/4波片031的功能为，经过两次1/4波片031，光线的相位发生90°的变化。因此，图像源01信号才能经过偏振组件03中的各元件最终到达人眼05出瞳，而杂散光经过偏振组件03中的各元件最终被偏振组件03吸收。

并且，线偏振片034、基板033、偏振分光片032和1/4波片031相互之间可以胶合在一起，也可以独立组装以形成偏振组件03。

而对于基板033来说，基板033的材质为玻璃或树脂，玻璃主要是指光学玻璃，其折射率比树脂高，玻璃的透光率和机械化学性能都比较好，硬度高、耐磨性能好，有恒定的折射率、理化性能稳定。一般其质量及各项参数不会随时间而改变，但是玻璃的抗冲击性及重量方面要略逊于树脂。树脂制作的基板033一般要比玻璃制作的基板033轻得多，且抗冲击性能要优于玻璃基板033，但其表面硬度较低，比较容易被擦伤。根据上述玻璃基板033或树脂基板033的优劣，本领域技术人员可根据具体需要进行选择。

在本申请的另一个可实现的方式中，如图2所示，偏振组件03包括依次设置的基板033、线偏振片034、偏振分光片032和1/4波片031，1/4波片031靠近光学元件04一侧设置。

可见，本实现方式和前述实现方式中，是将基板033和线偏振片034 的顺序互换。图像源01出射的光线入射偏振组件03，依次经过1/4波片031 和偏振分光片032反射形成线偏振光，再次经过1/4波片031，成为圆偏振光；紧接着光线进入光学元件04反射，再次经过1/4波片031，形成与偏振分光片032光轴方向一致的偏振光，透过偏振分光片032，接着穿透线偏振片034和基板033，到达人眼05出瞳。另一方面，来自底部的杂散光经过基板033和线偏振片034后变成线偏振光，紧接着经过偏振分光片032、经过1/4波片031后，成为圆偏振光，在1/4波片031朝向光学元件04的一侧反射，再次经过1/4波片031形成线偏振光，到达线偏振片034被吸收，实现了消除底部杂散光的效果。

本实现方式中偏振组件03的各元件与前述实现方式中偏振组件03的各元件原理和功能一致，此处不再赘述。

需要说明的是，前述两个实现方式中的偏振分光片032的作用为分光，偏振分光片032为平片，以和相邻的基板033和1/4波片031，或者线偏振片034和1/4波片031紧贴，以实现分光。并且，偏振分光片032还可以为其他光学元件，只要具有分光功能即可，例如可以为普通光学平片，但只要该光学平片上设有偏振分光膜即可。

此外，图像源01和偏振组件03之间还设有至少一个汇聚透镜02，当汇聚透镜02的数量有多个时形成透镜组，透镜组包括多个依次排列的汇聚透镜02，图像源01出射的光线经至少一个汇聚透镜02汇聚入射偏振组件 03。

汇聚透镜02的作用是用于分担光学模组的光焦度及矫正像差，其中光焦度是表征光学模组偏折光线的能力，汇聚透镜02通过改变其形状、其折射率、或二者来改变其光学特性。在汇聚透镜02各部分曝光于一次或多次照射而选择性并空间上修正其折射能力之后，照射整个汇聚透镜02，分担光焦度。

而像差是指实际光学模组中，由非近轴光线追迹所得的结果和近轴光线追迹所得的结果不一致，与高斯光学(一级近似理论或近轴光线)的理想状况的偏差。球差、场曲、像散、畸变、色差等均属于像差。像差使成像与原物形状产生差异，因此不能真实反映原物图像，使成像失真。因此，本申请通过设置汇聚透镜02以对像差进行矫正，使人眼05接收到的图像真实、还原。

对于光学元件04来说，光学元件04表面设有半透半反膜，光学元件 04的特征为部分透射、部分反射，反射和透射比例可调。假定为50％反射和50％透射，因此光学元件04的理论光效为50％*50％＝25％，实现光效提高。光学元件04同样可分担光学模组的光焦度，并实现部分透射、部分反射的功能。

前述通过偏振组件03对杂散光进行吸收，以消除或降低光学模组杂散光的影响。另一方面，当前部分近眼显示系统，不支持近视人群佩戴，为解决该问题，在本申请的一个实施例中，还可通过调整屈光度的方式以使光学模组匹配近视人群。

具体地，如图3所示，图像源01可沿光轴方向移动，以改变图像源01 和汇聚透镜02之间的距离d，图像源01发出的光线，光线可以是线偏振态的也可以是无偏振态的，按顺序经过汇聚透镜02汇聚到偏振组件03，由偏振组件03反射，紧接着进入光学元件04反射，再次经过偏振组件03透视到达人眼05出瞳，被人眼05接收。其中，图像源01可以沿着光轴方向移动，实现屈光度调节。调节时，图像源01和汇聚透镜02之间的距离d会发生变化，图像源01的中心和汇聚透镜02的中心之间的距离d在 1.8mm～0.3mm之间。若正常人眼05的位置对应在1.8mm，那么减小该值可实现近视调节，比如100°近视对应的数值为1.5mm，300°对应的数值为0.9mm，500度对应的数值为0.3mm，下述表一中例举了部分近视度数对应的距离d以供参考。

需要说明的是，当汇聚透镜02的数量有多个时，图像源01的中心和汇聚透镜02的中心之间的距离d指的是最靠近图像源01的那个汇聚透镜 02的中心和图像源01的中心之间的距离d。

表一

在另一种调节屈光度的实施例中，如图4所示，图像源01和汇聚透镜 02可同时移动，以改变图像源01和汇聚透镜02整体相对偏振组件03的距离s，实现屈光度调节功能。调节时，汇聚透镜02和偏振组件03之间的距离s会发生变化，汇聚透镜02的中心和偏振组件03的中心之间的距离s 在10mm～7.5mm之间。若正常人眼05的位置对应在10.0mm，那么减小该值可实现近视调节，比如100°近视对应的数值为9.5mm，300°对应的数值为8.5mm，500度对应的数值为7.5mm。

汇聚透镜02的数量有多个时，汇聚透镜02的中心和偏振组件03的中心之间的距离s为靠近图像源01的汇聚透镜02的中心和偏振组件03的中心之间的距离s。下述表二中例举了部分近视度数对应的距离s以供参考。

表二

由此可见，在第一个实施例中，图像源01到汇聚透镜02的距离d，距离d越小屈光度的调节力度越大；在第二个实施例中，汇聚透镜02到偏振组件03的距离s，距离s越小屈光度的调节力度越大。通过调节图像源01 到汇聚透镜02的距离d，或者汇聚透镜02到偏振组件03的距离s，实现屈光度的调节以应用于近眼显示光学系统，以匹配近视人群。

应理解，上述调节图像源01到汇聚透镜02的距离d范围，以及汇聚透镜02到偏振组件03的距离s范围，只是本申请的其中两个示例的情形，并非是对本申请图像源01到汇聚透镜02的距离d，以及汇聚透镜02到偏振组件03的距离s的唯一限制或者唯一可以支持的方案，本领域技术人员只需调节图像源01到汇聚透镜02的距离d，或者汇聚透镜02到偏振组件03的距离s，即可实现调节屈光度，而至于具体调节距离至多少，根据不同近视人群的近视程度决定，本申请在此不在一一例举。

综上，本申请实施例提供的光学模组，图像源01出射光线信号，光线携带图像信息，光线可以是线偏振态的，也可以是无偏振态的；光线入射偏振组件03，依次经过1/4波片031和偏振分光片032(PBS偏振片)反射形成线偏振光，再次经过1/4波片031，成为圆偏振光；紧接着光线进入光学元件04反射，再次经过1/4波片031，形成与偏振分光片032光轴方向一致的偏振光，透过偏振分光片032，接着穿透基板033和线偏振片034或者穿透线偏振片034和基板033，到达人眼05出瞳，人眼05接收来自于图像源01的图像。同时，来自底部的杂散光经过线偏振片034(或经过基板 033和线偏振片034)，变成线偏振光，紧接着经过基板033和偏振分光片 032，经过1/4波片031成为圆偏振光，在1/4波片031朝向光学元件04的一侧反射，再次经过1/4波片031形成线偏振光，到达线偏振片034被吸收，实现了消除底部杂散光的效果，杂散光无法经偏振组件03出射到达人眼05，减小杂散光进入人眼05的几率，人眼05仅接收到图像源01的信号，降低了杂散光对图像源01信号的干扰，人眼05能清晰识别或体验图像源01信号所代表的图像，提高光能利用率和用户体验感。另一方面，还可通过调整屈光度的方式以使光学模组匹配近视人群，图像源01可以沿着光轴方向移动，以改变图像源01和汇聚透镜02之间的距离d，或者图像源01和汇聚透镜02可整体同时移动，以改变图像源01和汇聚透镜02整体相对偏振组件03的距离s，实现屈光度调节功能，使近视人群也可体验近眼显示技术的效果，扩大人群使用范围。

本申请实施例还公开了一种近眼显示光学系统，包括如上任意一项的光学模组。

将前述的光学模组应用于近眼显示光学系统，可实现消除或减小杂散光干扰的目的，还可以调节屈光度以匹配近视人群，使近眼显示光学系统提高光能利用率，消除或减小杂散光对人眼05接收图像源01图像的干扰，并且还能扩大人群使用范围，使近视人群也可体验近眼显示技术的效果，提高用户体验。

该近眼显示光学系统包含与前述实施例中的光学模组相同的结构和有益效果。光学模组的结构和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种光学模组，其特征在于，包括：图像源，以及在所述图像源的出光侧设置的偏振组件和光学元件，所述图像源出射的信号入射所述偏振组件的主光轴和所述偏振组件与所述光学元件之间的主光轴具有夹角，所述图像源信号经所述偏振组件反射向所述光学元件后，再反射回所述偏振组件，并经过所述偏振组件出射。

2.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述偏振组件包括依次设置的线偏振片、基板、偏振分光片和1/4波片，所述1/4波片靠近所述光学元件一侧设置。

3.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述偏振组件包括依次设置的基板、线偏振片、偏振分光片和1/4波片，所述1/4波片靠近所述光学元件一侧设置。

4.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述图像源和所述偏振组件之间还设有至少一个汇聚透镜。

5.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述光学元件表面设有半透半反膜。

6.根据权利要求4所述的光学模组，其特征在于，所述图像源的中心和所述汇聚透镜的中心之间的距离在1.8mm～0.3mm之间；

所述汇聚透镜的数量有多个时，所述距离为靠近所述图像源的所述汇聚透镜的中心和所述图像源的中心之间的距离。

7.根据权利要求4所述的光学模组，其特征在于，所述汇聚透镜的中心和所述偏振组件的中心之间的距离在10mm～7.5mm之间；

所述汇聚透镜的数量有多个时，所述距离为靠近所述图像源的所述汇聚透镜的中心和所述偏振组件的中心之间的距离。

8.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述图像源包括微型发光二极管、有机发光二极管或小型发光二极管中的任意一种，或者所述图像源包括液晶显示器。

9.根据权利要求2或3所述的光学模组，其特征在于，所述基板的材质为玻璃或树脂。

10.一种近眼显示光学系统，其特征在于，包括如权利要求1-9任意一项所述的光学模组。

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