CN218272936U

CN218272936U - 光学模组以及头戴显示设备

Info

Publication number: CN218272936U
Application number: CN202222299075.7U
Authority: CN
Inventors: 张力友; 宋文宝
Original assignee: Goertek Optical Technology Co Ltd
Current assignee: Goertek Optical Technology Co Ltd
Priority date: 2022-08-31
Filing date: 2022-08-31
Publication date: 2023-01-10
Anticipated expiration: 2032-08-31

Abstract

本实用新型公开了一种光学模组以及头戴显示设备；其中，所述光学模组依序包括：偏振反射元件、第一相位延迟器、第一透镜及分光元件；所述光学模组还包括滤光元件，所述滤光元件位于所述偏振反射元件远离所述第一透镜的一侧。本实用新型的光学模组通过在折叠光路结构中增设滤光元件，消除镜片双折射现象以及相位延迟器之间的相位延迟误差导致的蓝光鬼影，从而有效提高成像质量。

Description

光学模组以及头戴显示设备

技术领域

本实用新型涉及光学结构技术领域，更具体地，本实用新型涉及一种光学模组以及头戴显示设备。

背景技术

头戴显示设备包括虚拟现实(VR，Virtual Reality)设备、增强现实(AR，Augmented Reality)设备等，其中折叠光路结构在虚拟现实设备中应用越来越多，然而，目前的折叠光路结构，光线在系统中理论上会两次经过分光元件，但是由于镜片存在双折射现象，两个相位延迟器之间存在一定的相位延迟误差，以及膜材间存在的角度对准误差、性能误差等原因，部分光束会直接透过偏振反射元件进入人眼，会导致蓝光鬼影的产生。因此，需要一种适用于虚拟现实设备，具有消鬼影功能的光学模组。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供的一种光学模组以及头戴显示设备的新技术方案，可以消除镜片双折射现象以及相位延迟器之间的相位延迟误差导致的蓝光鬼影现象。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种光学模组，所述光学模组依序包括：偏振反射元件、第一相位延迟器、第一透镜及分光元件；

所述光学模组还包括滤光元件，所述滤光元件位于所述偏振反射元件远离所述第一透镜的一侧。

可选地，所述滤光元件为蓝光滤光元件，所述蓝光滤光元件用于对波段范围在400nm～480nm之间的蓝光进行滤光。

可选地，所述蓝光滤光元件的蓝光透过率小于40％。

可选地，所述滤光元件的口径为D1，所述第一透镜的口径为D2，则满足D1≤D2。

可选地，所述滤光元件为插入式元件，且可插设于所述第一透镜背离所述分光元件一侧的任意位置处。

可选地，所述光学模组还包括显示器，所述显示器用于发射线偏振光，在所述显示器与所述分光元件之间设置有第二相位延迟器及第二偏振元件，其中，所述第二偏振元件位于所述显示器与所述第二相位延迟器之间。

可选地，所述光学模组还包括第一偏振元件，所述第一偏振元件位于所述偏振反射元件远离所述第一相位延迟器的一侧。

可选地，所述第一偏振元件、所述偏振反射元件及所述第一相位延迟器为膜层结构，且依次层叠设置形成第一叠合膜层。

可选地，所述滤光元件为膜层结构，且层叠设置在所述第一偏振元件远离所述偏振反射元件的一侧。

可选地，所述光学模组还包括增透膜，所述第二相位延迟器及所述第二偏振元件为膜层结构，且依次层叠设置形成第二叠合膜层，所述增透膜层叠设置在所述第二相位延迟器远离所述第二偏振元件的一侧。

可选地，所述第一透镜具有朝向所述分光元件的第一表面和背离所述分光元件的第二表面，所述第一表面为凸面，所述第二表面为平面。

可选地，所述分光元件具有至少47％的平均光学透射率。

根据本实用新型的另一个方面，提供了一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括：

壳体；以及

如上述所述的光学模组。

本实用新型实施例提供了一种折叠光路结构方案，在折叠光路结构中通过增设滤光元件，能够消除镜片双折射现象以及相位延迟器之间的相位延迟误差导致的蓝光鬼影，从而有效提高成像质量。

通过以下参照附图对本实用新型的示例性实施例的详细描述，本实用新型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实用新型的实施例，并且连同其说明一起用于解释本实用新型的原理。

图1是本实用新型光学模组的结构示意图；

图2是本实用新型光学模组中滤光元件的结构示意图；

图3是本实用新型光学模组中滤光元件的又一结构示意图；

附图标记说明：

10、人眼；20、第一透镜；21、分光元件；22、第一相位延迟器；23、偏振反射元件；24、第一偏振元件；30、显示器；31、第二偏振元件；32、第二相位延迟器；33、增透膜；40、滤光元件。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本实用新型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实用新型的范围。

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，决不作为对本实用新型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、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法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1至图3对本实用新型实施例提供的光学模组以及头戴显示设备进行地详细描述。

目前的折叠光路结构，光线在系统中理论上会两次经过分光元件，但是由于镜片存在双折射现象，两个相位延迟器之间存在一定的相位延迟误差，以及膜材间存在的角度对准误差、性能误差等原因，部分光束会直接透过偏振反射元件进入人眼，会导致蓝光鬼影的产生。根据本实用新型实施例的一个方面，提供了一种光学模组，所述光学模组为一种折叠光路设计，其可适合应用于头戴显示设备(Head mounted display，HMD)，例如VR智能眼镜等，可以消除镜片双折射现象以及相位延迟器之间的相位延迟误差导致的蓝光鬼影现象。

本实用新型实施例提供的光学模组，如图1至图3所示，由物方至像方沿同一光轴依次包括：偏振反射元件23、第一相位延迟器22、第一透镜20及分光元件21；所述光学模组还包括滤光元件40，所述滤光元件40位于所述偏振反射元件23远离所述第一透镜20的一侧。

在本实用新型实施例的光学模组中，透镜的设置数量可以为一片、两片或大于等于三片，可以根据具体需要灵活调整透镜的数量，本实用新型实施例中对此不做限制。

其中，分光元件21例如为半反半透膜。分光元件21可供一部分光线透射，一部分光线反射。分光元件21的反射率可以根据具体需要灵活调整。

当然，分光元件21在整个光学模组中也可以设置为独立的光学器件，而不依附于透镜。

在本实用新型的实施例中，所述光学模组还包括显示器30，所述显示器30用于发射线偏振光，在所述显示器30与所述分光元件21之间设置有第二相位延迟器32及第二偏振元件31，其中，所述第二偏振元件31位于所述显示器30与所述第二相位延迟器32之间。

此外，第二相位延迟器32及第二偏振元件31二者可以层叠设置并设于显示器30朝向第一透镜20的一侧，当然二者也可以间隔设置。

所述光学模组还包括第一偏振元件24，所述第一偏振元件24位于所述偏振反射元件23远离所述第一相位延迟器22的一侧。

其中，所述第一偏振元件24、所述偏振反射元件23及所述第一相位延迟器22可以设置为独立的光学器件，也可以为膜层结构，且依次层叠设置形成第一叠合膜层。

第一偏振元件24可用于减少偏振反射元件23的偏振反射率不是100％而引起的杂散光，有利于提升光学模组的成像品质。

本实用新型实施例的光学模组，如图1所示，光线的传播路径如下：

显示器30发出线偏振光依次经过第二偏振元件31及第二相位延迟器32后变为圆偏振光，再依次经过分光元件21、第一透镜20及第一相位延迟器22后变为线偏振光，经偏振反射元件23发生反射，被反射的光线经过第一相位延迟器21后变为与初始圆偏振光旋转状态相反的圆偏振光，再依次经过第一透镜20、分光元件21后发生反射，再次被反射的光线依次经过第一透镜20、第一相位延迟器22后变为与第一次到达的线偏振光偏振方向垂直的线偏振光，经偏振反射元件23发生透射，传输至人眼10处供人眼成像。

然而，在此折叠式光路系统中，主要有三种鬼影产生方式：

(1)显示器30发出的光，依次经过第二偏振元件31、第二相位延迟器32、分光元件21、第一透镜20、第一相位延迟器22、偏振反射元件23后，直接进入人眼，没有经过两次分光元件21，此种情况会产生一级鬼影，鬼影强度较大，产生的原因主要是由于第一透镜20存在双折射现象，第一相位延迟器22、第二相位延迟器32存在一定的相位延迟误差，以及各膜材的对准角度误差、性能误差等，从而导致部分光束直接透过偏振反射元件23进入人眼；

(2)显示器30发出的光，第一次经过分光元件21，50％的光反射回显示器30上的第二相位延迟器32处，再反射到分光元件21上，光线经过两次分光元件21后最终出射至人眼，此种情况产生二级鬼影，鬼影强度取决于分光元件21的反射率和第二相位延迟器32表面的反射率，强度比一级鬼影程度低；

(3)显示器30发出的光，第一次经过偏振反射元件23时，光线被反射后再经分光元件21透射，50％的光线透射到第二相位延迟器32上，再反射到分光元件21上，光线经过两次分光元件21后最终出射至人眼，此种情况产生三级鬼影，鬼影强度最低，约为二级鬼影强度的一半。

针对一级鬼影，产生的鬼影主要来自两个相位延迟器之间的相位延迟误差，而相位延迟器在窄波段时的相位延迟曲线较差，反映在系统中的鬼影呈蓝光，在对光学模组进行光谱分析后，能够找到蓝色鬼影在光谱中的分布波段，该波段分布范围较窄，在可见光短波内集中在较小的一个波段范围，根据该波段，定制特定的滤光片，可以对该较窄波段的蓝光进行滤光。在图1光学模组的基础上，通过在位于偏振反射元件23远离第一透镜20的一侧增设滤光元件40，可以有效消除掉部分蓝光，能够有效减轻鬼影程度。其中，滤光元件40可以为蓝光滤光元件，当然如果在设计光学系统的过程中反映在系统中的鬼影呈现其他色光，滤光元件40也可为其他色光的滤光元件，如红光滤光元件、绿光滤光元件等，本实施例中的滤光元件40为蓝光滤光元件，用于对波段范围在400nm～480nm之间的蓝光进行滤光。进一步地，可用于对波段范围在420nm～480nm之间的蓝光进行滤光。由于蓝光透过率过高会使得蓝光强度变强，所以本实施例中的蓝光滤光元件的蓝光透过率小于40％。进一步地，蓝光滤光元件的蓝光透过率可为30％～40％，这样设计又可避免蓝光透过率过低画面会呈现橘黄色的现象。其中，滤光元件40的口径为D1，第一透镜20的口径为D2，则满足D1≤D2；滤光元件40的位置可调，同时如图2和图3所示，滤光元件40可以设置为独立的光学器件，也可以为膜层结构，当滤光元件40为独立的光学元件时，滤光元件40为插入式元件，且可插设于所述第一透镜20和背离所述分光元件21一侧的任意位置处；当滤光元件40为膜层结构时，即滤光元件40为滤光膜，且层叠设置在所述第一偏振元件24远离所述偏振反射元件23的一侧。

在本实用新型的一些示例中，所述光学模组还包括增透膜33，所述第二相位延迟器32及所述第二偏振元件31可以为膜层结构，且依次层叠设置形成第二叠合膜层，所述增透膜33层叠设置在所述第二相位延迟器32远离所述第二偏振元件31的一侧。在靠近显示器40的二合一膜外侧增设增透膜，可以有效减少二级鬼影和三级鬼影。

在本实用新型的一些示例中，所述分光元件60具有至少47％的平均光学透射率。进一步地，分光元件60可以为半反半透元件，即具有50％的平均光学透射率和50％的平均光学反射率。

在本实用新型的一些示例中，如图1和图2所示，所述第一透镜20具有朝向所述分光元件21的第一表面和背离所述分光元件21的第二表面，所述第一表面为凸面，所述第二表面为平面。当然，不限于实施例中的面型结构，透镜的表面也可以通过光学设计为其他任意面型。

根据本实用新型实施例的另一方面，还提供了一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括壳体，以及如上述所述的光学模组。

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，本实用新型实施例对此不做具体限制。

本实用新型实施例的头戴显示设备的具体实施方式可以参照上述显示模组各实施例，在此不再赘述。

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实用新型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，而不是为了限制本实用新型的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本实用新型的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本实用新型的范围由所附权利要求来限定。

Claims

1.一种光学模组，其特征在于，所述光学模组依序包括：偏振反射元件、第一相位延迟器、第一透镜及分光元件；

2.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述滤光元件为蓝光滤光元件，所述蓝光滤光元件用于对波段范围在400nm～480nm之间的蓝光进行滤光。

3.根据权利要求2所述的光学模组，其特征在于，所述蓝光滤光元件的蓝光透过率小于40％。

4.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述滤光元件的口径为D1，所述第一透镜的口径为D2，则满足D1≤D2。

5.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述滤光元件为插入式元件，且可插设于所述第一透镜背离所述分光元件一侧的任意位置处。

6.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组还包括显示器，所述显示器用于发射线偏振光，在所述显示器与所述分光元件之间设置有第二相位延迟器及第二偏振元件，其中，所述第二偏振元件位于所述显示器与所述第二相位延迟器之间。

7.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组还包括第一偏振元件，所述第一偏振元件位于所述偏振反射元件远离所述第一相位延迟器的一侧。

8.根据权利要求7所述的光学模组，其特征在于，所述第一偏振元件、所述偏振反射元件及所述第一相位延迟器为膜层结构，且依次层叠设置形成第一叠合膜层。

9.根据权利要求8所述的光学模组，其特征在于，所述滤光元件为膜层结构，且层叠设置在所述第一偏振元件远离所述偏振反射元件的一侧。

10.根据权利要求6所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组还包括增透膜，所述第二相位延迟器及所述第二偏振元件为膜层结构，且依次层叠设置形成第二叠合膜层，所述增透膜层叠设置在所述第二相位延迟器远离所述第二偏振元件的一侧。

11.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述第一透镜具有朝向所述分光元件的第一表面和背离所述分光元件的第二表面，所述第一表面为凸面，所述第二表面为平面。

12.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述分光元件具有至少47％的平均光学透射率。

13.一种头戴显示设备，其特征在于，包括：

壳体；以及

如权利要求1-12中任一项所述的光学模组。