CN220232119U - 用于近眼显示设备的光学模组和近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于近眼显示设备的光学模组和近眼显示设备，其中光学模组包括显示屏、第一光学结构、部分反射器、反射式偏振分光片和第二透镜。第一光学结构设置于显示屏的出光面上，与显示屏贴合，包括第一透镜，第一透镜配置为对显示屏的出射光进行汇聚或发散。部分反射器设置在第一光学结构的光路下游。反射式偏振分光片设置于部分反射器的光路下游，具有透光轴。第二透镜设置于反射式偏振分光片与部分反射器之间，或设置于反射式偏振分光片背离部分反射器的一侧。本实用新型的实施例占用空间小且重量较轻，并且本实施例中第一光学结构和显示屏之间相互贴合，由显示屏出射的光束直接入射至第一光学结构中，能够极大地减少漏光。

Description

用于近眼显示设备的光学模组和近眼显示设备

技术领域

本实用新型大致涉及光学元器件技术领域，尤其是一种用于近眼显示设备的光学模组和近眼显示设备。

背景技术

目前，近眼显示设备中使用的光学模组主要分为两类，但均存在缺陷。其中一种是单透镜的光学模组，单透镜的光学模组存在体积和重量较大的问题，一片透镜对光束的调制作用有限，并且光程限制导致只能通过增大近眼显示设备的尺寸的方法得到出射光场，与市场需求的小型化和轻量化近眼显示设备不匹配。另外一种光学模组采用折叠光路的方案，即pancake(超短焦光学折叠光路)方案，能够极大地缩小近眼显示设备的体积和重量，但是现有的折叠光路方案中成像光路需要进行多次折叠，存在严重的漏光问题，同样影响用户的使用体验。

背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

实用新型内容

针对现有技术中的一个或多个缺陷，本实用新型的目的在于提供一种用于近眼显示设备的光学模组，包括：

显示屏；

第一光学结构，所述第一光学结构设置于所述显示屏的出光面上，所述第一光学结构与所述显示屏贴合，所述第一光学结构包括第一透镜，所述第一透镜配置为对所述显示屏的出射光进行汇聚或发散；

部分反射器，设置在所述第一光学结构的光路下游；

反射式偏振分光片，设置于所述部分反射器的光路下游，所述反射式偏振分光片具有透光轴；和

第二透镜，所述第二透镜设置于所述反射式偏振分光片与所述部分反射器之间，或设置于所述反射式偏振分光片背离所述部分反射器的一侧。

根据本实用新型的一个方面，其中所述光学模组还包括第一相位延迟单元，其中所述第一相位延迟单元设置在所述反射式偏振分光片与所述部分反射器之间，所述第一相位延迟单元贴附在所述反射式偏振分光片的靠近所述部分反射器的一侧上。

根据本实用新型的一个方面，其中所述第一相位延迟单元配置成可令入射到其上的线偏光沿光轴方向的偏振分量产生n*λ+3/4λ的相位延迟，或n*λ+1/4λ的相位延迟，其中n为整数；且所述第一相位延迟单元的光轴与所述反射式偏振分光片的透光轴夹角为45°±5°。

根据本实用新型的一个方面，其中所述第一光学结构还包括第二相位延迟单元和第一吸收式偏振分光片，所述第一吸收式偏振分光片贴合于所述显示屏的出光面，所述第二相位延迟单元贴合在所述第一吸收式偏振分光片与所述第一透镜之间。

根据本实用新型的一个方面，其中所述第二透镜和所述反射式偏振分光片贴合在一起。

根据本实用新型的一个方面，所述光学模组还包括第二吸收式偏振分光片，所述第二吸收式偏振分光片设置在所述反射式偏振分光片的光路下游。

根据本实用新型的一个方面，其中所述部分反射器贴附在所述第一透镜的像侧面上。

根据本实用新型的一个方面，所述光学模组还包括第三透镜，所述第三透镜设置于所述第一光学结构和所述第二透镜之间。

根据本实用新型的一个方面，其中所述第一光学结构与所述显示屏胶合在一起。

根据本实用新型的一个方面，本实用新型还包括一种近眼显示设备，所述近眼显示设备包括：

外壳；和

至少一个如前所述的光学模组，所述光学模组封装于所述外壳内。

与现有技术相比，本实用新型的实施例提供了一种用于近眼显示设备的光学模组，利用部分反射器和反射式偏振分光片对光束进行反射，延长光路的同时还能够利用第一透镜、第二透镜等调制透镜优化出射光场，占用空间小且重量较轻，并且本实施例中第一光学结构和显示屏之间相互贴合，由显示屏出射的光束直接入射至第一光学结构中，能够极大地减少漏光。本实用新型还包括一种近眼显示设备的实施例，应用前述的光学模组，能够减小近眼显示设备的体积，降低重量，并且减少漏光，提升用户的使用体验。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是本实用新型的一个实施例中光学模组的示意图；

图2和图3是本实用新型的不同实施例中光学模组的示意图；

图4是本实用新型的一个实施例中透镜面型和光线示意图。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本实用新型的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"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:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本实用新型提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1示出了根据本实用新型的一个实施例中光学模组1的具体结构，光学模组1用于近眼显示设备中，例如VR(Virtual Reality虚拟现实)眼镜、AR(Augmented Reality增强现实)眼镜以及具有类似功能的头戴式设备等。下面结合图1对本实施例中的光学模组1展开说明。

光学模组1包括显示屏11、第一光学结构12、部分反射器13、反射式偏振分光片14和第二透镜15，其中显示屏11用于根据控制显示特定的图像，例如是LCD(Liquid CrystalDisplay液晶显示器)等，显示屏11能够受控发出图像光束，在本实施例中可将其视为面光源进行光路说明和分析。

第一光学结构12设置在显示屏11的出光面上，并且本实施例中的第一光学结构12与显示屏11贴合，根据成像方向，在图1中，右侧为物侧，左侧为像侧，第一光学结构12的右侧面为物侧面，左侧面为像侧面，根据本实用新型的优选实施例，第一光学结构12可以设置成与显示屏11的出光面胶合固定，将第一光学结构12粘贴在显示屏11的出光面。第一光学结构12完全覆盖显示屏11的出光面，即显示屏11中的全部发光位置发出的光束均穿过第一光学结构12。

第一光学结构12包括第一透镜121，第一透镜121设置成对显示屏11发出的光束进行汇聚或发散，在光学模组1中，第一透镜121用于对显示屏11的出射光进行第一次调制。用于近眼显示设备的光学模组1最终的出射光需要入射到人眼中，同时需要根据人眼的视场范围对显示屏11进行适当比例的放大，而本实施例中的光学模组1具有多片透镜，其中靠近显示屏11的第一透镜121在总体的光路设计中可以对显示屏11发出的光束进行发散，也可以进行汇聚，或者对部分位置的出射光进行发散，例如靠近显示屏11中间的位置，对另外一部分的出射光进行汇聚，在本实用新型的实施例中不进行限制。

部分反射器13设置在第一光学结构12的光路下游，优选的，部分反射器13贴附在第一透镜121的像侧面，例如部分反射器13为半透半反膜，粘贴在第一透镜121的表面。本实施例中的光束经过多次反射，形成折叠光路，因此在描述中，本实施例的光路以光学模组1整体的光路为标准，如图1所示，显示屏11位于图中的右侧，人眼位于图中的左侧，本实施例中可将右侧视为光路上游，左侧视为光路下游，后续实施例中相同，不再赘述。

部分反射器13能够同时实现反射和透射，例如50％透射、50％反射的半透半反结构，也可以具有其他的透射和反射比例。部分反射器13设置在第一光学结构12的光路下游，由第一光学结构12出射的光束入射到部分反射器13，其中有部分光束透过部分反射器13继续传播。部分反射器13的反射功能在本实施例光路折叠中的应用在后续说明。

反射式偏振分光片14设置在部分反射器13的光路下游(即图1中所示的左侧)，反射式偏振分光片14具有透光轴，偏振分光片是一种用于分光的光学元件，能够根据入射光的偏振方向对入射光进行分光，本实施例中的反射式偏振分光片14具有透光轴，入射光中偏振方向平行与透光轴的光束能够透过反射式偏振分光片14，而其他偏振方向的光束被反射式偏振分光片14反射。具体参见图1，显示屏11发出的光束经过第一光学结构12调制后，入射至部分反射器13，其中部分光束由部分反射器13透射，继续向反射式偏振分光片14传播，由于初次入射到反射式偏振分光片14上的光束的偏振方向与透光轴垂直，因此光束被反射式偏振分光片14反射，成像光路发生折叠，照射向部分反射器13，在经过部分反射器13的反射后，光路再次发生折叠，同时光束的偏振方向发生变化，当再次入射到反射式偏振分光片14时，偏振方向与反射式偏振分光片14透光轴的平行，因此由反射式偏振分光片14出射至人眼。本实施例中的部分反射器13和反射至偏振分光片14形成相对设置的反射部，能够延长成像光路，进而缩小光学模组1的整体体积。

本实施例中的光学模组1中还包括第二透镜15，如图1所示，第二透镜15设置在反射式偏振分光片14与部分反射器13之间，或者如图2所示，第二透镜15设置在反射式偏振分光片14背离部分反射器13的一侧，即第二透镜15也可以设置在图1中所示的反射式偏振分光片14的左侧。第二透镜15同样用于对光束进行调制，根据前述对光路折叠的说明，第二透镜15设置在反射式偏振分光片14与部分反射器13之间时，光束三次穿过第二透镜15，当第二透镜15设置在反射式偏振分光片14背离部分反射器13的一侧时，光束一次穿过第二透镜15，因此在不同的实施例中，第二透镜15的光学性能也根据不同的光路进行相应的调整，以得到目标出射光。

在光路折叠的方案中，需要应用到同时实现透射和反射的光学元器件，但入射光透射时同样会产生部分反射光，同时显示屏表面产生反射，这部分偏离设计光路的光束会导致漏光，在实际应用中显示屏表面的漏光尤为严重。本实施例中第一光学结构12和显示屏11的出光面贴合，由显示屏11发出的光束直接入射到第一光学结构12中，也能够减少或者避免形成漏光，通过将第一光学结构12和显示屏11集成在一起的结构还能够进一步减小光学模组1的尺寸，并提高结构稳定程度。根据本实用新型的优选实施例，其中反射式偏振分光片14和第二透镜15也可以贴合设置，具体例如将第二透镜15的一个侧面(不限于物侧面或像侧面)设置为平面，将反射式偏振分光片14粘贴在该平面上，能够进一步降低漏光影响，并提高光学模组1的集成程度。

根据本实用新型的优选实施例，其中光学模组1还包括第一相位延迟单眼16，第一相位延迟单元16设置在反射式偏振分光片14和部分反射器13之间，并且第一相位延迟单元16贴附在反射式偏振分光片14的靠近部分反射器13的一侧上。第一相位延迟单元16例如是片状的光学结构，例如相位延迟片，第一相位延迟单元16和反射式偏振分光片14贴合，优选为胶合设置。如图1中所示，当第二透镜15设置在反射式偏振分光片14和部分反射器13之间时，第一相位延迟单元16可以设置在反射式偏振分光片14和第二透镜15之间，并与第二透镜15胶合在一起。

第一相位延迟单元16能够调整调整入射光的偏振状态，设置在反射式偏振分光片14的光路上游(图1中所示的右侧)，能够根据需要改变入射到反射式偏振分光片14的光束的偏振方向，具体的，例如第一相位延迟单元16设置成能够使入射在其上的线偏光沿光轴方向的偏振分量产生n*λ+3/4λ的相位延迟，或者产生n*λ+1/4λ的相位延迟，其中n为正整数，λ为光束的波长。并且第一相位延迟单元16的光轴和反射式偏振分光片14的透光轴的夹角为45°，具体可以具有±5°的偏差。当入射光入射在第一相位延迟单元16上后，调整偏振方向为与反射式偏振分光片14的透光轴具有夹角，以使光束中的大部分能够被反射式偏振分光片14反射，当经过部分反射器13反射后再次入射至第一相位延迟单元16上后，再次调整入射光的偏振状态，以使其偏振方向与反射式偏振分光片14的透光轴平行，透过反射式偏振分光片14后出射。本实施例中的第一相位延迟单元16能够与反射式偏振分光片14相互配合，能够减少预设光路外的出射光，进一步优化光路。

如图2和图3所示，第一光学结构12还包括第二相位延迟单元122和第一吸收式偏振分光片123，其中第一吸收式偏振分光片123贴合于显示屏的出光面，第二相位延迟单元122贴合在第一吸收式偏振分光片123与第一透镜121之间。本实施例设置成显示屏11不与第一透镜121直接贴合，而是在两者之间设置了第一吸收式偏振分光片123和第二相位延迟单元122。

同时第二相位延迟单元122和第一吸收式偏振分光片123相互配合，还能够与第一相位延迟单元16和反射式偏振分光片14相匹配，调整显示屏11出射的光束的偏振状态，控制反射式偏振分光片14的表面投射和反射的比例，减少杂光出射，提高用户的使用体验。

根据本实用新型的优选实施例，如图2所示，其中光学模组1还包括第二吸收式偏振分光片17，第二吸收式偏振分光片17设置在反射式偏振分光片14的光路下游(图2中所示的左侧)，优选的，第一相位延迟单元16、反射式偏振分光片14和第二吸收式偏振分光片17依次贴合，集成为整体，并与第二透镜15贴合。其中第二吸收式偏振分光片17设置在反射式偏振分光片14的光路下游，能够进一步拦截吸收部分光束，对反射式偏振分光片14的出射光进行过滤，优化光学模组1的出射光，形成预设的出射光场，满足用户的使用要求。

如图2和图3所示，在本实用新型的优选实施例中，光学模组1还包括第三透镜18，第三透镜18设置在第一光学结构12和第二透镜15之间，第三透镜18同样可以作为调制透镜，用于对光束进行整形，例如图2和图3中所示的光路，通过对光路进行折叠，光束三次穿过第三透镜18，既能够实现对光束进行调制，又可以减少透镜的使用数量，简化光学模组1的结构，减轻重量，缩小体积。本实施例中的第一透镜121、第二透镜15和第三透镜18均用于对光束进行调制，以获得预设的出射光场。

根据本实用新型的具体实施例，如图4所示，其中第一透镜121、第二透镜15和第三透镜18可以设置成不同位置的曲率不同，以对应显示屏11中不同位置发出的光束，最终在人眼对应的位置汇聚，以使用户能够获取显示屏11显示的图像。其中第一透镜121可以对显示屏11发出的光束进行发散，在显示屏11不同位置的出射光可以设置成对应不同的发散角度。第三透镜18可以设置成进一步发散，以对显示屏11进行放大，第二透镜15可以设置成将光束汇聚至人眼的位置。

本实用新型还包括一种近眼显示设备的实施例，其中具体包括外壳和至少一个前述实施例中所述的光学模组1，优选为两个光学模组1，与使用者的双眼对应，本实施例中的光学模组1封装在外壳内。根据本实用新型的优选实施例，其中第一透镜121、第二透镜15和第三透镜18的相对位置还可以设置成可调，以实现调焦，适应不同使用者的需求。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于近眼显示设备的光学模组，其特征在于，包括：

显示屏；

第一光学结构，所述第一光学结构设置于所述显示屏的出光面上，所述第一光学结构与所述显示屏贴合，所述第一光学结构包括第一透镜，所述第一透镜配置为对所述显示屏的出射光进行汇聚或发散；

部分反射器，设置在所述第一光学结构的光路下游；

反射式偏振分光片，设置于所述部分反射器的光路下游，所述反射式偏振分光片具有透光轴；和

第二透镜，所述第二透镜设置于所述反射式偏振分光片与所述部分反射器之间，或设置于所述反射式偏振分光片背离所述部分反射器的一侧。

2.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，其中所述光学模组还包括第一相位延迟单元，其中所述第一相位延迟单元设置在所述反射式偏振分光片与所述部分反射器之间，所述第一相位延迟单元贴附在所述反射式偏振分光片的靠近所述部分反射器的一侧上。

3.根据权利要求2所述的光学模组，其特征在于，其中所述第一相位延迟单元配置成可令入射到其上的线偏光沿光轴方向的偏振分量产生n*λ+3/4λ的相位延迟，或n*λ+1/4λ的相位延迟，其中n为整数；且所述第一相位延迟单元的光轴与所述反射式偏振分光片的透光轴夹角为45°±5°。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的光学模组，其特征在于，其中所述第一光学结构还包括第二相位延迟单元和第一吸收式偏振分光片，所述第一吸收式偏振分光片贴合于所述显示屏的出光面，所述第二相位延迟单元贴合在所述第一吸收式偏振分光片与所述第一透镜之间。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的光学模组，其特征在于，其中所述第二透镜和所述反射式偏振分光片贴合在一起。

6.根据权利要求5所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组还包括第二吸收式偏振分光片，所述第二吸收式偏振分光片设置在所述反射式偏振分光片的光路下游。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的光学模组，其特征在于，其中所述部分反射器贴附在所述第一透镜的像侧面上。

8.根据权利要求5所述的光学模组，其特征在于，还包括第三透镜，所述第三透镜设置于所述第一光学结构和所述第二透镜之间。

9.根据权利要求1-3中任一项所述的光学模组，其特征在于，其中所述第一光学结构与所述显示屏胶合在一起。

10.一种近眼显示设备，其特征在于，包括：

外壳；和

至少一个如权利要求1-9中任一项所述的光学模组，所述光学模组封装于所述外壳内。