CN218675347U - 光学模组以及头戴显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种光学模组以及头戴显示设备；其中，光学模组包括成像镜组及至少一个菲涅尔透镜，成像镜组包括第一透镜及第二透镜，菲涅尔透镜靠近发光的显示侧设置，第一透镜及第二透镜位于菲涅尔透镜的出光侧，第一透镜倾斜设于菲涅尔透镜的出光光路上；成像镜组还包括分光元件、第一相位延迟器及偏振反射元件，分光元件设于第二透镜的任一侧，第一相位延迟器及偏振反射元件位于第一透镜与第二透镜之间，且第一相位延迟器位于分光元件与偏振反射元件之间；第一透镜为平面镜片，第二透镜为凹透镜。本实用新型的方案，在显示侧增设了菲涅尔透镜，在增加光学模组设计自由度的同时，实现了缩小光学模组的体积和重量，同时兼具大视场及高分辨率。

Description

光学模组以及头戴显示设备

技术领域

本实用新型实施例涉及光学成像技术领域，更具体地，本实用新型实施例涉及一种光学模组以及头戴显示设备。

背景技术

随着计算机技术及光学设计的发展，头戴显示器快速发展。头戴显示器包括虚拟现实头戴显示器、增强现实头戴显示器及混合现实头戴显示器。

以混合现实头戴显示器为例，混合现实显示技术MR是利用透明光学元件在短距离内显示放大的虚像，同时呈现真实外界环境的光学特性，以实现用户虚拟画面和现实环境混合的视觉感受。用户在使用MR设备时，通常将MR设备佩戴在头部进行视觉体验。对于MR设备来说，应当满足低重量、体积小的要求。现有的混合现实显示的光学系统分为两种形式：光波导形式及自由曲面透镜形式，但这两种形式的光学系统均存在生产工艺复杂、制作成本高的缺陷，不便于头戴显示器的使用以及普及。

实用新型内容

本实用新型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，在近显示侧设置了至少一个菲涅尔透镜，利于减小光学模组的体积和重量，光学模组还兼具大视场及高分辨率的特点。

第一方面，本实用新型提供了一种光学模组，所述光学模组包括成像镜组及至少一个菲涅尔透镜，所述成像镜组包括第一透镜及第二透镜，所述菲涅尔透镜靠近发光的显示侧设置，所述第一透镜及所述第二透镜位于所述菲涅尔透镜的出光侧，其中，所述第一透镜倾斜设于所述菲涅尔透镜的出光光路上；

所述成像镜组还包括分光元件、第一相位延迟器及偏振反射元件，所述分光元件设于所述第二透镜的任一侧，所述第一相位延迟器及所述偏振反射元件位于所述第一透镜与所述第二透镜之间，且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；

所述第一透镜为平面镜片，所述第二透镜为凹透镜。

可选地，所述第一透镜相对于所述菲涅尔透镜呈倾斜45度倾斜设置；

所述第一相位延迟器与所述偏振反射元件为层叠设置，并设于所述第一透镜靠近所述第二透镜的表面；所述第一透镜远离所述第二透镜的表面设置有全透片。

可选地，所述成像镜组还包括偏振元件，所述偏振元件与所述偏振反射元件、所述第一相位延迟器依次叠设形成叠合元件，所述偏振元件与所述第一透镜的表面连接。

可选地，所述分光元件设于所述第二透镜远离所述第一透镜的表面；

所述第二透镜靠近所述第一透镜的表面设置有全透片。

可选地，所述光学模组还包括位于所述显示侧的显示屏或者反射式光机；

所述菲涅尔透镜的入光面靠近所述显示屏，所述菲涅尔透镜的入光面为偶次非球面；

所述菲涅尔透镜的出光面靠近所述第一透镜，所述菲涅尔透镜的出光面为环形菲涅尔面，所述菲涅尔透镜的出光面的光焦度为正，所述菲涅尔透镜的基底为偶次非球面。

可选地，所述光学模组的焦距为f，所述菲涅尔透镜的焦距为f₂₀，所述第二透镜的焦距为f₁₂，则满足：0.5＜f₂₀/f＜0.85，0.65＜f₁₂/f＜1.15，1.1＜f₁₂/f₂₀＜1.6。

可选地，所述菲涅尔透镜的光轴与所述第二透镜的光轴形成设定角度θ，所述设定角度θ设置为：75°＜θ＜105°。

可选地，所述菲涅尔透镜的中心与所述第二透镜的中心之间具有设定高度差h，所述设定高度差h设置为：12mm＜h＜23mm。

可选地，所述光学模组的系统总长TL与所述光学模组中最大镜片口径D之间满足：1.5＜TL/D＜2.1；

所述光学模组的总有效焦距EFFL设置为：23.5mm＜EFFL＜31.5mm。

可选地，所述第一相位延迟器的快轴方向与所述偏振反射元件的偏振透射方向形成45度夹角；

所述偏振元件的偏振方向与所述偏振反射元件的偏振透射方向相同。

可选地，所述发光的显示侧被配置能够向所述菲涅尔透镜发射出圆偏振光或者线偏振光；

当所述发光的显示侧发射的光线为线偏振光时，在所述显示侧与所述菲涅尔透镜之间设有第二相位延迟器，所述第二相位延迟器能够用以将线偏振光转变为圆偏振光。

第二方面，本实用新型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

如上所述的光学模组。

根据本实用新型实施例，提供了一种光学模组，该光学模组结构简单、制作成本低，通过在发光的显示侧前增加至少一个菲涅尔透镜，菲涅尔透镜可用于会聚显示侧的光线并射入光学模组中，菲涅尔透镜的使用能减轻光学模组的重量，且能在厚度尺寸小的情况下实现光线聚焦，如此可以在短距离下控制显示侧光线的发散角，利于减小光学模组中凹透镜的曲率以进一步减小光学模组的体积，同时能获得大视场的设计要求。

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为本实用新型实施例的光学模组的结构示意图；

图2为本实用新型实施例1提供的光学模组的结构示意图；

图3为图2示出的光学模组的点列图；

图4为本实用新型实施例2提供的光学模组的结构示意图；

图5为图4示出的光学模组的点列图。

附图标记说明：

10、成像镜组；11、第一透镜；12、第二透镜；13、分光元件；14、第一相位延迟器；15、偏振反射元件；16、偏振元件；20、菲涅尔透镜；21、入光面；22、出光面；30、显示屏；40、屏幕保护玻璃；01、光阑。

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。

根据本实用新型实施例的一个方面，提供了一种光学模组，所述光学模组适合应用于头戴显示设备(Head mounted display，HMD)，例如MR头戴显示设备。其中，MR头戴显示设备例如可以包括MR眼镜或者MR头盔等，本实用新型实施例中对此不做具体限制。

本实用新型实施例提供了一种光学模组，如图1所示，所述光学模组包括成像镜组10及至少一个菲涅尔透镜20，所述成像镜组10包括第一透镜11及第二透镜12，所述菲涅尔透镜20靠近发光的显示侧设置，所述第一透镜11及所述第二透镜12位于所述菲涅尔透镜20的出光侧，其中，所述第一透镜11倾斜设于所述菲涅尔透镜20的出光光路上；

所述成像镜组10还包括分光元件13、第一相位延迟器14及偏振反射元件15，所述分光元件13设于所述第二透镜12的任一侧，所述第一相位延迟器14及所述偏振反射元件15位于所述第一透镜11与所述第二透镜12之间，且所述第一相位延迟器14位于所述分光元件13与所述偏振反射元件15之间；

其中，所述第一透镜11为平面镜片，所述第二透镜12为凹透镜。

需要说明的是，在本实用新型的实施例中，所述显示侧也即发光侧，在该侧可以用以产生成像光线或者图像。在所述显示侧产生的光线或者图像可以射入菲涅尔透镜20，再经所述菲涅尔透镜20出射后进入折叠光路。所述菲涅尔透镜20能够用于会聚显示侧发出的光线并射入成像镜组10中。

在整个光学模组中，在靠近所述显示侧的位置设有至少一个菲涅尔透镜20。本实用新型中.利用菲涅尔透镜独特的结构特性，当将其应用于光学模组中，能够减轻光学模组的重量，并且能够在很小的厚度下实现光线聚焦。而且，在发光的显示侧附近设置菲涅尔透镜20，可以实现在短距离下控制发射出的光线发散角，利于减小光学模组中设置的所述第二透镜12即凹透镜的曲率，这就利于进一步缩小整个光学模组的体积，同时更容易获得大视场的设计要求，有利于大视场角下的光学模组设计。

本实用新型实施例的光学模组，如图1所示，在靠近光阑01的一侧设置有一成像镜组10，该成像镜组10例如设计为一种折叠光路，可以减小光学模组的尺寸。所述成像镜组10整体位于所述菲涅尔透镜20的出光侧。可接收来自经菲涅尔透镜20会聚后出射的光线。

本实用新型实施例的光学模组，所述成像镜组10中至少包括两个镜片，即上述的第一透镜11及第二透镜12，参见图1；同时，所述成像镜组10还包括有分光元件13、第一相位延迟器14及偏振反射元件15，如此形成折叠光路，使得光线在该两个镜片之间进行折返，利于提升成像质量。

可选的是，所述第一透镜11在光学模组中可形成平面反射透镜(其表面贴有相位延迟器及偏振反射元件等)，所述第二透镜12为球面凹透镜。

需要说明的是，在所述成像镜组10中，镜片的设置数量包括但并不限于为上述例子中的两个，可以根据具体需要灵活调整镜片的数量。

具体地，在本实用新型的光学模组中，镜片的总数量可以大于等于三片。所述菲涅尔透镜20的数量可以大于或者等于一片，本实用新型对此不做限制。

需要说明的是，随着光学模组中镜片数量的增多，虽然可以提升光学模组的成像质量，但也可能会影响到光学模组的尺寸(参见图1的横向尺寸)，导致光学模组的体积较大而且重量增加。因此，在本实用新型的实施例中，考虑到光学模组的体积、重量、成像质量及生产成本等诸多因素，在成像镜组10中设计了包含两个镜片(上述的第一透镜11及第二透镜12)。

其中，所述分光元件13例如为半透射半反射膜。

所述分光元件13可供一部分光线透射，另一部分光线反射。

需要说明的是，所述分光元件13的反射率可以根据具体需要灵活调整，本实用新型实施例中对此不作限制。

其中，所述第一相位延迟器14例如为四分之一波片等可以转换光线相位的光学器件。

参见图1，在位于靠近光阑01一侧的成像镜组10(折叠光路)中，所述第一相位延迟器14可用于改变折叠光路中光线的偏振状态。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，偏振反射元件15例如为偏振反射膜/偏振反射片。

偏振反射元件15是一种水平/竖直线偏振光反射，竖直/水平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。也就是说，偏振反射元件15能够透过与反射方向成90度方向的线偏振光。

在本实用新型的实施例中，所述偏振反射元件15与所述第一相位延迟器14配合，能够用于解析光线并对光线进行传递。所述偏振反射元件15具有透过轴(沿透射方向)，所述偏振反射元件15的透过轴方向与第一相位延迟器14的快轴或者慢轴夹角为45°。

需要说明的是，所述分光元件13、所述第一相位延迟器14及所述偏振反射元件15在所述第一透镜11和所述第二透镜12之间的设置位置较为灵活，三者可以贴装在第一透镜11和/或第二透镜12的表面上，也可以分别作为独立器件单独设置于光路中，但需要保证所述第一相位延迟器14应当位于所述分光元件13与所述偏振反射元件15之间。

在本实用新型的实施例中，所述第一透镜11与参考平面如所述菲涅尔透镜20所在的平面呈倾斜设置，二者之间具有一定的夹角。这样，经所述菲涅尔透镜20出射的光线能射入所述第一透镜11，同时经所述第一透镜11反射的光线可以射入所述第二透镜12。所述第一透镜11的设置方式还可以减少成像镜组10的尺寸。

如图1所示，光线在所述光学模组中的传播过程如下：

左旋圆偏振光线自显示侧发射出，依次透过所述菲涅尔透镜20、所述第一相位延迟器14后转化为水平/竖直方向的线偏振光线，经偏振反射方向是竖直/水平的所述偏振反射元件15后反射，再次通过所述第一相位延迟器14后转化为左旋圆偏振光线，经所述第二透镜12和所述分光元件13反射后转化为右旋圆偏振光，再次通过第二透镜12和所述第一相位延迟器14后转化为竖直/水平方向的线偏振光线，透过所述第一透镜11后，在光阑01位置处成像。

本实用新型实施例提供的光学模组，结构简单、制作成本低，通过在发光的显示侧之前增加了菲涅尔透镜20，菲涅尔透镜20的使用能够减轻整个光学模组的重量，且能在厚度尺寸小的情况下实现光线聚焦，如此可以在短距离下控制显示侧光线的发散角，利于减小光学模组中凹透镜的曲率以进一步减小光学模组的体积，同时能获得大视场的设计要求。

所述光学模组可应用于例如混合显示现实设备中，整体具有重量轻、体积小、大视场角及高分辨率的性能优势。

在本实用新型的一些示例中，参见图1所示，所述第一透镜11相对于所述菲涅尔透镜20呈45度倾斜设置；所述第一相位延迟器14与所述偏振反射元件15为层叠设置，并设于所述第一透镜11靠近所述第二透镜12的表面，所述第一透镜11远离所述第二透镜12的表面可以设置有全透片。

所述第一透镜11相对于所述述菲涅尔透镜20可以呈倾斜45度设置，这样能更好的获取所述菲涅尔透镜20出射的光线，同时能将反射的部分光线尽可能多的入射至右侧的所述第二透镜12，可参见图1示出的方向。所述第一透镜11在光路中为反射透镜，所述第二透镜12设置为凹透镜，利于凹透镜与反射透镜的相对位置的固定组装。

其中，所述第二透镜12为凹透镜，且在一侧设置有分光元件13(即半透射半反射膜)，能用于反射来自显示侧发出的例如左旋/右旋圆偏振光，可以透射外界的环境光线。

所述第一透镜11本身为平面镜片(例如平板玻璃)，在其靠近所述第二透镜12的一侧可以设有层叠设置的所述第一相位延迟器14和所述偏振反射元件15，如此使得第一透镜11在光路中形成了平面反射透镜。所述第一透镜11以及所述第一相位延迟器14和所述偏振反射元件15能够用于反射来自显示侧发射出的圆偏振光，同时可以透射来自所述第二透镜12(凹透镜)的与所述显示侧相反旋向的圆偏振光。例如反射左旋圆偏振光，透射右旋圆偏振光；或者是反射右旋圆偏振光，透射左旋圆偏振光。

在本实用新型中，所述第一相位延迟器14与所述第一偏振反射元件15两者设计，为层叠设置并设置于所述第一透镜11的表面，如此可以降低光学元件的组装难度。

其中，在所述第一透镜11靠近光阑01的表面上还可以贴装上全透片，如此可以使经折叠光路出射的光线尽量完全透过所述第一透镜11而射入所述光阑01，以在所述光阑01的位置进行成像，这利于提升成像清晰度、成像品质，进而可以提高用户的视觉体验感。

可选的是，参见图1，所述成像镜组10还包括偏振元件16，所述偏振元件16与所述偏振反射元件15、所述第一相位延迟器14依次叠设形成叠合元件，所述偏振元件16与所述第一透镜11的表面连接。

也就是说，可以将偏振元件16、偏振反射元件15及第一相位延迟器14三个形成折叠光路的光学元件形成层叠的叠合元件，将其整体设于所述第一透镜11靠近所述第二透镜12的表面上(也即远离光阑01的表面)。在叠合元件中，所述偏振元件16的偏振方向与所述偏振反射元件15的偏振透射方向相同，能够用于减少偏振反射元件15的偏振反射率不是100％而引起的杂散光。

当然，所述偏振元件16、所述偏振反射元件15及所述第一相位延迟器14三者也可以分开独立设置于成像镜组内，本实用新型对此不做限制。

需要说明的是，当所述偏振元件16、所述偏振反射元件15及所述第一相位延迟器14形成叠合元件后，所述偏振元件16应当与所述第一透镜11的表面粘接固定。

其中，所述第一相位延迟器14的快轴方向与所述偏振反射元件15的偏振透射方向形成45度夹角。

在本实用新型的一些示例中，参见图1所示，所述分光元件13设于所述第二透镜12远离所述第一透镜11的表面；所述第二透镜12靠近所述第一透镜11的表面设置有全透片。

在本实用新型中，所述分光元件13被设于所述第二透镜12远离光阑01的表面上。也即，所述分光元件13与所述叠合元件之间设置有所述第二透镜12。光线可以在所述第一透镜11与所述第二透镜12之间进行折返，最终经所述第一透镜11靠近所述光阑01的表面出射后入射至所述光阑01中进行成像。

可选的是，所述第二透镜12靠近所述第一透镜11的表面上贴装有全透片。

在本实用新型的一些示例中，参见图1所示，所述光学模组还包括设于所述显示侧的显示屏30或者反射式光机；所述菲涅尔透镜20的入光面21靠近所述显示屏30，所述菲涅尔透镜20的入光面21为偶次非球面；所述菲涅尔透镜20的出光面22靠近所述第一透镜11，所述菲涅尔透镜20的出光面22为环形菲涅尔面，所述菲涅尔透镜20的出光面22的光焦度为正，所述菲涅尔透镜20的基底为偶次非球面。

本实用新型提供的光学模组可实现混合现实光学方案。而且，基于菲涅尔透镜20独特的结构特性，引入光学模组中能够减轻模组的重量，并能够在很小的厚度下实现光线聚焦。在发光的显示侧附近添加菲涅尔透镜20，可在短距离下控制光线发散角，利于减小凹透镜的曲率进一步缩小光学模组体积，同时更容易获得大视场的设计要求，有利于大视场角下的光学模组设计。

其中，以非球面为基底的菲涅尔透镜20为光学设计提供了更多的自由度，自由度的提升可以进一步提升成像质量，有助于降低镜片的加工敏感度。

其中，所述显示屏30为发光屏幕。例如可以为Micro OLED、LCD、Micro LED等任何可以将发光表面制成回转对称结构的屏幕。

当然，在所述光学模组的显示侧也可以设置光机。

所述光机例如可以为DMD或者LCOS等反射式光机。

可选的是，所述菲涅尔透镜20的至少一个表面上设有全透片。

可以使经所述显示屏30或者所述反射式光机发出的成像光线尽可能全部透过所述菲涅尔透镜20，用以提高光效利用率。

可选的是，所述发光的显示侧被配置能够向所述菲涅尔透镜20发射出圆偏振光或者线偏振光；当所述发光的显示侧发射的光线为线偏振光时，在所述显示侧与所述菲涅尔透镜20之间设有第二相位延迟器，所述第二相位延迟器能够用以将线偏振光转变为圆偏振光。

本实用新型的光学模组中，在所述显示侧设置有显示屏30或者反射式光机。当在所述显示侧设置显示屏30时，在所述显示屏30与所述菲涅尔透镜20之间设置有屏幕保护玻璃40。

例如，屏幕保护玻璃40设于所述显示屏30的出光面上。

其中，所述屏幕保护玻璃40与所述显示屏30为平行设置。

其中，所述第二相位延迟器可以设于所述屏幕保护玻璃40背离所述显示屏30的表面。

此外，需要说明的是，当所述显示侧发射出的光线直接为圆偏振光时，无需设置第二相位延迟器。

在本实用新型的一些示例中，所述光学模组的焦距为f，所述菲涅尔透镜20的焦距为f₂₀，所述第二透镜12的焦距为f₁₂，则满足：0.5＜f₂₀/f＜0.85，0.65＜f₁₂/f＜1.15，1.1＜f₁₂/f₂₀＜1.6。

在本实用新型的光学模组中，圆偏振光线自所述显示屏30发射出后，依次透过所述菲涅尔透镜20、所述第一相位延迟器14后转化为水平/竖直方向的线偏振光线，经偏振反射方向是竖直/水平的所述偏振反射元件15后反射，再次通过所述第一相位延迟器14后转化为圆偏振光线，经所述第二透镜12和所述分光元件13反射后转化为圆偏振光，再次通过第二透镜12和所述第一相位延迟器14后转化为竖直/水平方向的线偏振光线，透所述第一透镜11后在光阑01位置处形成虚像。对于上述焦距的限定可以决定虚像的距离范围和整个光学模组的架构。

若超出上述的焦距范围限定，形成的虚像范围可能会过大或者过小，不利于清晰成像，也会影响整个光学模组的架构，从而导致光学模组的体积过大等缺陷。

在本实用新型的一些示例中，所述菲涅尔透镜20的光轴与所述第二透镜12的光轴形成设定角度θ，所述设定角度θ为：75°＜θ＜105°。

在本实用新型中，所述第一透镜11为平面反射透镜，其为倾斜设置，与所述菲涅尔透镜20具有45度的夹角。所述第二透镜12为球面凹透镜，位于所述第一透镜11的一侧，所述第二透镜12的光轴与所述菲涅尔透镜20的光轴之间具有设定角度θ为：75°＜θ＜105°。这样，一方面便于所述第二透镜12和所述第一透镜11的相对位置的固定安装，降低光学模组的装配难度，同时能保证良好的光学成像质量；另一方面，可以在较小的尺寸范围内形成折叠光路，并保证较大的视场角，可参见图3及图5，视场角可以在±40°左右。

若菲涅尔透镜20的光轴与第二透镜12的光轴形成的设定角度θ不在上述的范围之内，这会影响光学模组的整个光学架构，同时影响形成的折叠光路结构，可能会导致无法形成折叠光路结构，且影响成像质量。

在本实用新型的一些示例中，所述菲涅尔透镜20的中心与所述第二透镜12的中心之间具有设定高度差h，所述设定高度差h为：12mm＜h＜23mm。

参见图1，所述设定高度差h为所述第二透镜12的光轴到所述菲涅尔透镜20中心的垂直距离。

通过这一参数设计，再配合上述的光轴夹角的范围，可以在较小的尺寸范围内形成折叠光路，并保证较大的视场角和良好的成像质量。从而使用户获得良好的视觉体验感。

在本实用新型的一些示例中，所述光学模组的系统总长TL与所述光学模组中最大透镜口径D之间满足：1.5＜TL/D＜2.1。

如此可以合理的控制光学模组的有效焦距EFFL，从而控制光学模组的体积。

所述光学模组的有效焦距EFFL满足：23.5mm＜EFFL＜31.5mm。

可以使得光学模组具备良好的光学汇聚能力，能够更好的调整光学聚集位置，从而提升成像质量。

以下通过两个具体实施例对本实用新型的光学模组进行详细地描述。

实施例1

如图2所示，所述光学模组包括：成像镜组10及一个菲涅尔透镜20；其中，所述成像镜组10包括第一透镜11及第二透镜12，所述第一透镜11设置为平面反射透镜，所述第二透镜12设置为球面凹透镜；所述菲涅尔透镜20为靠近显示屏30设置，所述菲涅尔透镜20的两个表面上均设置有全透片，所述菲涅尔透镜20的入光面21为凹面偶次非球面，其出光面22为具有正光焦度的环形菲涅尔面，其基底为偶次非球面；

所述第一透镜11及所述第二透镜12位于所述菲涅尔透镜20的出光侧，其中所述第一透镜11倾斜设于所述菲涅尔透镜20的出光光路上，所述第一透镜11靠近光阑01设置，所述第二透镜12位于所述第一透镜11远离光阑01的一侧；

所述成像镜组10还包括：分光元件13、第一相位延迟器14及偏振反射元件15，所述分光元件13设于所述第二透镜12远离所述光阑01的表面，所述第二透镜12靠近所述光阑01的表面设有全透片，所述第一相位延迟器14、所述偏振反射元件15及所述偏振元件16形成叠合元件并设于所述第一透镜11远离所述光阑01的表面，其中，所述偏振反射元件15位于所述第一相位延迟器14与所述偏振元件16之间，所述第一透镜11靠近所述光阑01的表面设有全透片。

其中，所述显示屏30使用1.0英寸的屏幕，像元尺寸为7.2μm，发光有效区为18毫米×18毫米，光学模组的径向视场角为40度，1.5<光学模组的系统总长TL/最大透镜口径D<2.1，光学模组的有效焦距23.5mm<EFFL<31.5mm。

光学模组的焦距为f，所述菲涅尔透镜20的焦距为f₂₀，所述第二透镜12的焦距为f₁₂，满足以下关系：0.5<f₂₀/f<0.85；0.65<f₁₂/f<0.9；1.1<f₁₂/f₂₀<1.4。

所述菲涅尔透镜20的光轴与附有所述分光元件13的所述第二透镜12的光轴存在设定夹角θ，满足以下关系：75°<θ<105°。所述菲涅尔透镜20的中心与与附有所述分光元件13的所述第二透镜12的中心的设定高度差为h，满足以下关系：15mm<h<23mm。

上述实施例1提供的光学模组的光学参数具体可参见表1。

本实施例1提供的光学模组为体积(尺寸)最小的情况。

表1

表1中：1R1为第一透镜11靠近光阑01的表面，1R2为第一透镜11远离光阑01的表面；2R1为第二透镜12靠近光阑01的表面，2R2为第二透镜12远离光阑01的表面；3R1为菲涅尔透镜20的入光面21，3R2为菲涅尔透镜20的出光面22。

针对上述实施例1提供的光学模组，其光学性能可如3所示：图3是本实用新型实施例1提供的光学模组的点列图示意图。如图3所示，在全视场范围内，spotsize的值小于1pixel，可以清晰成像，不会产生像差。

实施例2

实施例2提供的光学模组，如图4所示，与实施例1的光学模组采用相同的光学结构和显示屏30尺寸规格；其中，将所述菲涅尔透镜20的入光面21设置为凸面偶次非球面进行设计优化。仍满足以下要求：

光学模组的焦距为f，所述菲涅尔透镜20的焦距为f₂₀，所述第二透镜12的焦距为f₁₂，满足以下关系：0.5<f_20/f<0.85；0.85<f₁₂/f<1.15；1.3<f₁₂/f₂₀<1.6。

所述菲涅尔透镜20的光轴与附有所述分光元件13的所述第二透镜12的光轴存在设定夹角θ，满足以下关系：75°<θ<105°。所述菲涅尔透镜20的中心与与附有所述分光元件13的所述第二透镜12的中心的设定高度差为h，满足以下关系：12mm<h<17mm。

需要说明的是，相比于实施例1，实施例2中显示屏30与菲涅尔透镜20之间的距离更大一些。

表2示出了实施例2提供的光学模组中各透镜的光学参数。

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5所示：图5是本实用新型实施例2提供的光学模组的点列图示意图。如图5所示，在全视场范围内，spotsize的值小于1pixel，可以清晰成像，不会产生像差。

根据本实用新型的另一方面，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MR头戴设备，包括MR眼镜或者MR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 (12)

1.一种光学模组，其特征在于，所述光学模组包括成像镜组(10)及至少一个菲涅尔透镜(20)，所述成像镜组(10)包括第一透镜(11)及第二透镜(12)，所述菲涅尔透镜(20)靠近发光的显示侧设置，所述第一透镜(11)及所述第二透镜(12)位于所述菲涅尔透镜(20)的出光侧，其中，所述第一透镜(11)倾斜设于所述菲涅尔透镜(20)的出光光路上；

所述成像镜组(10)还包括分光元件(13)、第一相位延迟器(14)及偏振反射元件(15)，所述分光元件(13)设于所述第二透镜(12)的任一侧，所述第一相位延迟器(14)及所述偏振反射元件(15)位于所述第一透镜(11)与所述第二透镜(12)之间，且所述第一相位延迟器(14)位于所述分光元件(13)与所述偏振反射元件(15)之间；

所述第一透镜(11)为平面镜片，所述第二透镜(12)为凹透镜。

2.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(11)相对于所述菲涅尔透镜(20)呈倾斜45度倾斜设置；

所述第一相位延迟器(14)与所述偏振反射元件(15)为层叠设置，并设于所述第一透镜(11)靠近所述第二透镜(12)的表面；所述第一透镜(11)远离所述第二透镜(12)的表面设置有全透片。

3.根据权利要求2所述的光学模组，其特征在于，所述成像镜组(10)还包括偏振元件(16)，所述偏振元件(16)与所述偏振反射元件(15)、所述第一相位延迟器(14)依次叠设形成叠合元件，所述偏振元件(16)与所述第一透镜(11)的表面连接。

4.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(13)设于所述第二透镜(12)远离所述第一透镜(11)的表面；

所述第二透镜(12)靠近所述第一透镜(11)的表面设置有全透片。

5.根据权利要求1-4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位于所述显示侧的显示屏(30)或者反射式光机；

所述菲涅尔透镜(20)的入光面(21)靠近所述显示屏(30)，所述菲涅尔透镜(20)的入光面(21)为偶次非球面；

所述菲涅尔透镜(20)的出光面(22)靠近所述第一透镜(11)，所述菲涅尔透镜(20)的出光面(22)为环形菲涅尔面，所述菲涅尔透镜(20)的出光面(22)的光焦度为正，所述菲涅尔透镜(20)的基底为偶次非球面。

6.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组的焦距为f，所述菲涅尔透镜(20)的焦距为f₂₀，所述第二透镜(12)的焦距为f₁₂，则满足：0.5＜f₂₀/f＜0.85，0.65＜f₁₂/f＜1.15，1.1＜f₁₂/f₂₀＜1.6。

7.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述菲涅尔透镜(20)的光轴与所述第二透镜(12)的光轴形成设定角度θ，所述设定角度θ设置为：75°＜θ＜105°。

8.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述菲涅尔透镜(20)的中心与所述第二透镜(12)的中心之间具有设定高度差h，所述设定高度差h设置为：12mm＜h＜23mm。

9.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组的系统总长TL与所述光学模组中最大镜片口径D之间满足：1.5＜TL/D＜2.1；

所述光学模组的总有效焦距EFFL设置为：23.5mm＜EFFL＜31.5mm。

10.根据权利要求3所述的光学模组，其特征在于，所述第一相位延迟器(14)的快轴方向与所述偏振反射元件(15)的偏振透射方向形成45度夹角；

所述偏振元件(16)的偏振方向与所述偏振反射元件(15)的偏振透射方向相同。

11.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述发光的显示侧被配置能够向所述菲涅尔透镜(20)发射出圆偏振光或者线偏振光；

当所述发光的显示侧发射的光线为线偏振光时，在所述显示侧与所述菲涅尔透镜(20)之间设有第二相位延迟器，所述第二相位延迟器能够用以将线偏振光转变为圆偏振光。

12.一种头戴显示设备，其特征在于，包括：

壳体；以及

如权利要求1-11中任一项所述的光学模组。

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