CN219978638U - 光学模组以及头戴显示设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种光学模组以及头戴显示设备；所述光学模组包括沿同一光轴依次设置的分光元件、第一相位延迟器及圆偏光偏振反射器；其中，所述圆偏光偏振反射器能够反射右旋或左旋圆偏振光，同时透过左旋或右旋圆偏振光；在所述圆偏光偏振反射器与所述第一相位延迟器之间设置有至少一个镜片，且/或，在所述第一相位延迟器与所述分光元件之间设置有至少一个镜片。本申请实施例提供了一种新型折叠光路的光学构架，整个光学模组中通过使圆偏光偏振反射器与分光元件实现光路折叠。

Description

光学模组以及头戴显示设备

技术领域

本申请实施例涉及光学成像技术领域，更具体地，本申请实施例涉及一种光学模组以及头戴显示设备。

背景技术

虚拟现实技术（VR技术）的核心部件是内部采用的光学模组，其显示图像效果的好坏将直接决定着VR设备的质量。传统VR设备中采用基于非球面镜片和菲涅尔镜片的光学构架，但具有系统的光学总长大的问题，不利于实现VR光学系统的小型化。

实用新型内容

本申请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。

第一方面，本申请提供了一种光学模组。所述光学模组包括沿同一光轴依次设置的分光元件、第一相位延迟器及圆偏光偏振反射器；其中，所述圆偏光偏振反射器能够反射右旋或左旋圆偏振光，同时透过左旋或右旋圆偏振光；

在所述圆偏光偏振反射器与所述第一相位延迟器之间设置有至少一个镜片，且/或，在所述第一相位延迟器与所述分光元件之间设置有至少一个镜片。

可选地，所述光学模组还包括显示器，所述显示器位于所述分光元件背离所述第一相位延迟器的一侧。

可选地，所述光学模组还包括第一偏振器，所述第一偏振器位于所述分光元件与所述显示器之间，能用于将所述显示器发出的光线转变为线偏振光。

可选地，所述第一偏振器为线偏振器，且所述第一偏振器设于所述显示器的出光面。

可选地，所述光学模组还包括第二偏振器及第二相位延迟器，所述第二偏振器及所述第二相位延迟器设置在所述圆偏光偏振反射器背离所述第一相位延迟器的一侧，且所述第二相位延迟器位于所述第二偏振器与所述圆偏光偏振反射器之间。

可选地，所述第二偏振器为线偏振器，所述第二相位延迟器为四分之一波片；

所述第二偏振器的透过轴方向与所述第二相位延迟器的快轴或慢轴方向形成的夹角为45°。

可选地，所述光学模组包括第一镜片，且所述第一镜片位于所述分光元件与所述第一相位延迟器之间。

可选地，所述分光元件设于所述第一镜片靠近所述显示器的表面；

所述圆偏光偏振反射器及所述第一相位延迟器叠设并设置在所述第一镜片远离所述显示器的表面，且所述第一相位延迟器位于所述分光元件与所述圆偏光偏振反射器之间。

可选地，所述第二偏振器及所述第二相位延迟器为层叠设置，并设置在所述圆偏光偏振反射器背离所述第一相位延迟器的一侧；

所述第二偏振器、所述第二相位延迟器、所述圆偏光偏振反射器及所述第一相位延迟器依次叠设以形成叠合元件。

可选地，所述光学模组的光学总长TTL与最大尺寸镜片的光学口径D的比值满足：0.25≤TTL/D≤0.6。

第二方面，本申请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

如第一方面所述的光学模组。

本申请的有益效果为：

根据本申请实施例提供的光学模组，其主要由分光元件、至少一个相位延迟器及圆偏光偏振反射器组成，并在圆偏光偏振反射器与相位延迟器之间和/或相位延迟器与分光元件之间可以放置镜片，改变光线传输方向，实现成像，本申请实施例提供了一种新型的折叠光路光学构架，通过使用圆偏光偏振反射器和分光元件实现光路折叠，具有系统总长小的优点，利于实现光学模组的小型化设计。

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为本申请实施例提供的光学模组（不含镜片）的光学架构图之一；

图2为本申请实施例提供的光学模组（不含镜片）的光学结构图之二；

图3为本申请实施例提供的光学模组（含镜片）的光学结构图之三；

图4为本申请实施例提供的光学模组（含镜片）的光学结构图之四。

附图标记说明：

1、光轴；2、显示器；3、第一偏振器；4、分光元件；5、第一相位延迟器；6、圆偏光偏振反射器；7、第二相位延迟器；8、第二偏振器；9、第一镜片；01、光线；02、光阑。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本申请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申请的范围。

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，决不作为对本申请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。

下面结合附图，对本申请实施例提供的光学模组以及头戴显示设备进行详细地描述。

根据本申请实施例的一个方面，提供了一种光学模组，所述光学模组可适合应用于头戴显示设备（Head mounted display，HMD），如VR头戴显示设备。所述VR头戴显示设备例如包括VR智能眼镜或者VR智能头盔等，本申请实施例对头戴显示设备的具体形式对此不做限制。

本申请实施例提供的光学模组，参见图1，所述光学模组包括沿同一光轴依次设置的分光元件4、第一相位延迟器5及圆偏光偏振反射器6；其中，所述圆偏光偏振反射器6能够反射右旋或左旋圆偏振光，同时透过左旋或右旋圆偏振光；在所述圆偏光偏振反射器6与所述第一相位延迟器5之间设置有至少一个镜片，且/或，在所述第一相位延迟器5与所述分光元件4之间设置有至少一个镜片，参见图3。

根据上述实施例提供的光学模组，参见图1及图3，其主要由上述的分光元件4、第一相位延迟器5及圆偏光偏振反射器6组成，并在圆偏光偏振反射器6与第一相位延迟器5之间，和/或第一相位延迟器5与分光元件4之间可以放置一个或多个镜片，改变光线传输方向，使光线在分光元件4与圆偏光偏振反射器6之间折返，实现成像。本申请实施例提供了一种新型的折叠光路光学构架，通过使用圆偏光偏振反射器6和分光元件4实现光路折叠，形成的光学模组具有系统总长小的优点，从而利于实现光学模组的小型化设计。

根据本申请实施例提供的光学模组，设计了圆偏光偏振反射器6在折叠光路方案中应用，其替代了传统折叠光路中用到的偏振反射膜材。传统折叠光路中应用的偏振反射膜材为一种线偏振器。但是，本申请中所应用的圆偏光偏振反射器6能够实现反射右旋或左旋圆偏振光，同时透过左旋或右旋圆偏振光，与传统的偏振反射膜材的功能不同。

其中，所述分光元件4可供一部分光线透射，另一部分光线反射。

所述分光元件4例如为半透半反射膜。

需要说明的是，所述分光元件4的反射率及透射率可以根据具体需要灵活调整，本申请实施例中对此不作限制。

其中，所述第一相位延迟器5例如为四分之一波片。

当然，这里的所述第一相位延迟器5也可根据需要设置为其他相位延迟片如半波片等。

所述第一相位延迟器5可用于改变光线的偏振状态。例如，可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，所述圆偏光偏振反射器6能够反射右旋或左旋圆偏振光，同时透过左旋或右旋圆偏振光。本申请上述实施例提供的光学模组，旨在采用圆偏光偏振反射器6与分光元件4形成折叠光路。

在本申请的一些示例中，参见图1，所述光学模组还包括显示器2，所述显示器2位于所述分光元件4背离所述第一相位延迟器5的一侧。

所述显示器2用于发出光线，以实现最终成像。

可选的是，所述显示器2的出光面上设置有屏幕保护玻璃。

屏幕保护玻璃可用于对所述显示器2进行保护。

所述显示器2被配置为可以发出至少一种波段的可见光。

例如，所述显示器2可以发出多种不同波段的可见光（如RGB），以形成彩色图像。

经所述显示器2发出光线01可以入射至所述分光元件4，并在所述分光元件4与所述圆偏光偏振反射器6之间进行折返，延长光路，最终用于成像的光线01可以打入光阑02成像。

在本申请的一些示例中，所述光学模组还包括第一偏振器3，所述第一偏振器3位于所述分光元件4与所述显示器2之间，所述第一偏振器3能够用于将所述显示器2发出的光线转变为线偏振光。

根据上述示例，可以在近所述显示器2的一侧设置一偏振器，这样，所述显示器2发出的光线01透过在该偏振器后成为水平线偏振光，在透过所述分光元件4（例如半反半透膜）后成为水平线偏振光，通过所述第一相位延迟器5（例如四分之一波片）后，成为右旋或左旋圆偏光，然后被所述圆偏光偏振反射器6反射后，成为左旋或右旋圆偏光，透过所述第一相位延迟器5后，成为竖直线偏振光，由所述分光元件4反射后，形成竖直线偏光，再次透过所述第一相位延迟器5后，成为左旋或右旋圆偏光，然后透过圆偏光偏振反射器6后进入光阑02成像。

可选的是，所述第一偏振器3为线偏振器，且所述第一偏振器3设于所述显示器2的出光面。

其中，所述第一偏振器3为线偏振器，该偏振器的透过轴方向可以为水平方向、竖直方向或任一方向。

其中，所述第一偏振器3的透过轴方向与所述第一相位延迟器5的快轴或慢轴方向形成45°夹角。所述第一相位延迟器5是一种四分之一波片，用于实现线偏振光转化成圆偏振光，及圆偏振光转化成线偏振光。

其中，所述第一偏振器3的形式例如为线偏振膜，可以将其直接贴装或者镀附在所述显示器2上，这便于所述第一偏振器3在光路中的装配。

可选的是，所述第一偏振器3远离所述显示器2的表面上可以贴附或镀附增透膜。

在本申请的一些示例中，参见图2及图4，所述光学模组还包括：第二偏振器8及第二相位延迟器7，所述第二偏振器8及所述第二相位延迟器7设置在所述圆偏光偏振反射器6背离所述第一相位延迟器5的一侧，且所述第二相位延迟器7位于所述第二偏振器8与所述圆偏光偏振反射器6之间。

根据图1及图3展示的光学模组的光学架构，还可以在其中增加一个偏振器及一个相位延迟器。具体而言，参见图2及图4，在所述圆偏光偏振反射器6远离所述显示器2的一侧增加了一个相位延迟器和一个偏振器即上述示例中的第二相位延迟器7及第二偏振器8。

可选的是，所述第二相位延迟器7为四分之一波片，所述第二偏振器8为线偏振器，且所述第二偏振器8的透过轴方向与所述第二相位延迟器7的快轴或慢轴方向夹角为45°。

该结构设计可有效阻拦由于所述圆偏光偏振反射器6的自身误差导致的第一次入射就透过所述圆偏光偏振反射器6的右旋或左旋圆偏振光，进而能够有效减少杂散光，从而提高像质。

在本申请的一些示例中，参见图3及图4，所述光学模组可以包括第一镜片9，且所述第一镜片9位于所述分光元件4与所述第一相位延迟器5之间。

可选的是，在所述圆偏光偏振反射器6与所述分光元件4之间可以放置一个或多个镜片，改变光线传输方向，实现成像。

例如，在本申请实施例提供的一种光学架构中，最少可以仅引入一个镜片，也即图3及图4中示出的第一镜片9。

需要说明的是，本申请实施例提供的光学模组，其中使用的镜片数量可以根据需要进行设计，可以仅在所述分光元件4与所述第一相位延迟器5之间设置一个镜片，也可以在二者之间设置两个或两个以上的镜片。还可以在所述第一相位延迟器5与所述圆偏光偏振反射器6之间设置一个或多个镜片。此外，可以在所述显示器2与所述分光元件4之间增加一定数量的镜片。随着镜片数量的增加，可以提升光学模组的光学性能。

在一个例子中，参见图3，所述分光元件4设于所述第一镜片9靠近所述显示器2的表面；所述圆偏光偏振反射器6及所述第一相位延迟器5叠设并设置在所述第一镜片9远离所述显示器2的表面，且所述第一相位延迟器5位于所述分光元件4与所述圆偏光偏振反射器6之间。

在另一个例子中，参见图4，所述第二偏振器8及所述第二相位延迟器7为层叠设置，并设置在所述圆偏光偏振反射器6背离所述第一相位延迟器5的一侧；所述第二偏振器8、所述第二相位延迟器7、所述圆偏光偏振反射器6及所述第一相位延迟器5依次叠设以形成叠合元件。

图3及图4分别展示了光学模组的两种光学架构，二者的不同之处在于：图4示出的光学模组中，在所述圆偏光偏振反射器6靠近光阑02的一侧增加了所述第二偏振器8及所述第二相位延迟器7，这利于降低光学模组的杂散光，提升光学性能，从而提升成像质量。

根据上述的两个例子，均将所述分光元件4设于所述第一镜片9的一个表面，这样就无需在光路中额外引入例如平板支撑件来支撑分光元件4。

可选的是，所述分光元件4可以贴膜或以镀膜的形式形成在所述第一镜片9的一个表面上，本申请中对此不做限制。

根据上述两个例子，所述第一相位延迟器5及所述圆偏光偏振反射器6二者为叠设。尤其是，在所述圆偏光偏振反射器6靠近光阑02的一侧增加了所述第二偏振器8及所述第二相位延迟器7的情况下，可以将二者与所述圆偏光偏振反射器6及所述第一相位延迟器5结合在一起，形成复合膜再贴装在光路中的镜片上，如此可以降低膜材的装配难度。

需要强调的是，所述分光元件4、所述第一相位延迟器5及所述圆偏光偏振反射器6这些光学元件在靠近光阑02一侧且引入至少一个镜片的情况下可形成折叠光路，上述的各个光学元件的布设位置较为灵活，但需要保证的是，所述第一相位延迟器5介于所述分光元件4与所述圆偏光偏振反射器6之间。

参见图1及图3，所述光学模组的光传播路径如下：

所述显示器2发出的光线01透过所述第一偏振器3后成为水平线偏振光，透过所述分光元件4后成为水平线偏振光，通过所述第一相位延迟器5后，成为右旋或左旋圆偏光，然后被所述圆偏光偏振反射器6反射后，成为左旋或右旋圆偏光，透过所述第一相位延迟器5后，成为竖直线偏振光，再由所述分光元件4反射后，形成竖直线偏光，再次透过所述第一相位延迟器5后，成为左旋或右旋圆偏光，然后透过所述圆偏光偏振反射器6后进入光阑02（即人眼）成像。

在本申请的一些示例中，所述光学模组的光学总长TTL与最大尺寸镜片的光学口径D的比值满足：0.25≤TTL/D≤0.6。

根据上述示例，本申请实施例提供的光学模组，在控制沿光轴方向尺寸的同时，还调整了光学模组的径向尺寸。最终可以实现光学模组在体积小型化的同时，兼顾成像质量。

特别是，当所述光学模组中仅使用一个镜片，也即图3及图4示出的光学架构时，所述光学模组的光学总长TTL与所述第一镜片9的光学口径D1的比值满足：0.25≤TTL/D1≤0.6。

在一个具体例子中，参见图3，所述光学模组包括沿同一光轴1依次设置的显示器2、第一偏振器3、分光元件4、第一相位延迟器5及圆偏光偏振反射器6；其中，所述圆偏光偏振反射器6能够反射右旋或左旋圆偏振光，同时透过左旋或右旋圆偏振光，且在所述分光元件4与所述第一相位延迟器5之间设置有第一镜片9；

其中，所述第一偏振器3为线偏振器，且所述第一偏振器3设于所述显示器2的出光面；

其中，所述分光元件4设于所述第一镜片9靠近所述显示器2的表面；所述圆偏光偏振反射器6及所述第一相位延迟器5叠设并设置在所述第一镜片9远离所述显示器2的表面，且所述第一相位延迟器5位于所述分光元件4与所述圆偏光偏振反射器6之间。

根据上述具体例子，其中涉及的具体光学参数可如下表1所示。

表1

在上表1中，各光学器件靠近显示器2的表面为前表面，远离显示器2的表面为后表面。

在上述示出的具体例子的基础上，可以在所述圆偏光偏振反射器6远离所述显示器2的后表面上增加一个第二相位延迟器7及一个第二偏振器8，参见图4，以此降低光学模组的杂散光，提升成像质量。

根据本申请的另一个实施例，提供了一种头戴显示设备。所述头戴显示设备包括外壳以及如上述所述的光学模组。

所述头戴显示设备包括VR智能眼镜或者VR智能头盔等，本申请实施例中对此不做限制。

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

Claims (11)

1.一种光学模组，其特征在于，包括沿同一光轴（1）依次设置的分光元件（4）、第一相位延迟器（5）及圆偏光偏振反射器（6）；其中，所述圆偏光偏振反射器（6）能够反射右旋或左旋圆偏振光，同时透过左旋或右旋圆偏振光；

在所述圆偏光偏振反射器（6）与所述第一相位延迟器（5）之间设置有至少一个镜片，且/或，在所述第一相位延迟器（5）与所述分光元件（4）之间设置有至少一个镜片。

2.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（2），所述显示器（2）位于所述分光元件（4）背离所述第一相位延迟器（5）的一侧。

3.根据权利要求2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器（3），所述第一偏振器（3）位于所述分光元件（4）与所述显示器（2）之间，能用于将所述显示器（2）发出的光线转变为线偏振光。

4.根据权利要求3所述的光学模组，其特征在于，所述第一偏振器（3）为线偏振器，且所述第一偏振器（3）设于所述显示器（2）的出光面。

5.根据权利要求2-4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第二偏振器（8）及第二相位延迟器（7），所述第二偏振器（8）及所述第二相位延迟器（7）设置在所述圆偏光偏振反射器（6）背离所述第一相位延迟器（5）的一侧，且所述第二相位延迟器（7）位于所述第二偏振器（8）与所述圆偏光偏振反射器（6）之间。

6.根据权利要求5所述的光学模组，其特征在于，所述第二偏振器（8）为线偏振器，所述第二相位延迟器（7）为四分之一波片；

所述第二偏振器（8）的透过轴方向与所述第二相位延迟器（7）的快轴或慢轴方向形成的夹角为45°。

7.根据权利要求5所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组包括第一镜片（9），且所述第一镜片（9）位于所述分光元件（4）与所述第一相位延迟器（5）之间。

8.根据权利要求7所述的光学模组，其特征在于，所述分光元件（4）设于所述第一镜片（9）靠近所述显示器（2）的表面；

所述圆偏光偏振反射器（6）及所述第一相位延迟器（5）叠设并设置在所述第一镜片（9）远离所述显示器（2）的表面，且所述第一相位延迟器（5）位于所述分光元件（4）与所述圆偏光偏振反射器（6）之间。

9.根据权利要求8所述的光学模组，其特征在于，所述第二偏振器（8）及所述第二相位延迟器（7）为层叠设置，并设置在所述圆偏光偏振反射器（6）背离所述第一相位延迟器（5）的一侧；

所述第二偏振器（8）、所述第二相位延迟器（7）、所述圆偏光偏振反射器（6）及所述第一相位延迟器（5）依次叠设以形成叠合元件。

10.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组的光学总长TTL与最大尺寸镜片的光学口径D的比值满足：

0.25≤TTL/D≤0.6。

11.一种头戴显示设备，其特征在于，包括：

壳体；以及

如权利要求1-10中任一项所述的光学模组。