光学模组和头戴显示器的制作方法

1.本发明涉及光学显示技术领域，尤其涉及一种光学模组和头戴显示器。


背景技术：

2.随着先进光学设计及加工技术、显示技术及处理器的发展和升级，头戴显示器(head mount display，hmd)产品的形态和种类层出不穷，其应用领域也愈加广泛。头戴显示器所显示的图像需要通过光学镜片传递至人眼。图像经过放大传递，需要足够长的光程，由此造成光学系统的厚度较厚，导致头戴显示器体积较大。


技术实现要素：

3.基于此，针对现有头戴显示器中的光学系统的厚度较厚，导致头戴显示器体积较大的问题，有必要提供一种光学模组和头戴显示器，旨在能够减少光学系统的厚度，减小头戴显示器的体积。
4.为实现上述目的，本发明提出的一种光学模组，所述光学模组包括：
5.显示组件，所述显示组件用于发射圆偏振状态的光线；
6.第一透镜，所述第一透镜设于所述显示组件的出光方向，所述第一透镜具有第一反射面，光线射入所述第一透镜后，光线经所述第一反射面反射，并射出所述第一透镜；
7.第二透镜，所述第二透镜设于所述第一透镜的出光方向，所述第二透镜具有第二反射面和第三反射面，光线射入所述第二透镜，并经所述第二反射面反射向第三反射面；
8.第一四分之一波片，所述第一四分之一波片设于所述第三反射面；以及
9.偏振反射膜，所述偏振反射膜设于所述第一四分之一波片背离所述第二反射面的一侧。
10.可选地，所述光学模组包括分光元件，所述分光元件设于所述第二反射面。
11.可选地，所述分光元件为半反半透膜，所述半反半透膜设于所述第二反射面。
12.可选地，所述第一透镜和所述第二透镜胶合设置；
13.或者，所述第一透镜和所述第二透镜一体式设置；
14.或者，所述第一透镜和所述第二透镜分体式设置，且相互间隔。
15.可选地，光线射向所述第一反射面，光线在所述第一反射面的入射角大于或等于全反射临界角；
16.或者，所述光学模组还包括反光膜，所述反光膜设于所述第一反射面。
17.可选地，所述第一透镜还包括第一入光面和第一出光面，所述第一入光面面向所述显示组件设置，所述第一出光面面向所述第二透镜设置，所述第一入光面和所述第一出光面均连接于所述第一反射面；
18.所述第一入光面和所述第一出光面至少其中之一为球面、非球面或者自由曲面。
19.可选地，所述第二反射面与所述第三反射面于远离所述第一透镜的一端相交，所述第二透镜包括第二入光面，所述第二入光面朝向所述第一透镜，所述第二入光面连接于
所述第二反射面和所述第三反射面；
20.所述第二入光面和所述第二反射面至少其中之一为球面、非球面或者自由曲面。
21.可选地，所述光学模组还包括第三透镜，所述第三透镜设于所述第二反射面，所述第三透镜包括第三入光面，所述第三入光面和所述第三反射面相对设置，且所述第三入光面和所述第三反射面相互平行。
22.可选地，定义所述第三入光面和所述第三反射面之间的距离为d，则满足：
23.d＜12mm。
24.可选地，所述显示组件发射的光线于人眼位置成像，定义所述第三反射面至人眼位置的距离为l，则满足：
25.12mm＜l＜18mm。
26.可选地，所述第一反射面和所述第三反射面位于同一平面。
27.可选地，所述显示组件包括显示器、线偏振器和第二四分之一波片，所述显示器用于发射光线，所述线偏振器和所述第二四分之一波片沿光线的传播方向依次设置。
28.可选地，所述光学模组还包括消色差透镜，所述消色差透镜设于所述第一透镜和所述显示组件之间。
29.可选地，所述第二反射面包括第一反射区和第二反射区，所述第一反射区接收经所述第一透镜的光线并反射向所述第三反射面，所述第二反射区接收经所述偏振反射膜反射的光线，并再次将光线反射向所述第三反射面，所述第三透镜与所述第二透镜之间至少于所述第一反射区位置间隔设置。
30.此外，为了解决上述问题，本发明还提供一种头戴显示器，所述头戴显示器包括壳体和如上文所述光学模组，所述光学模组设于所述壳体。
31.本发明提出的技术方案中，显示组件发射圆偏振状态的光线，光线在射向第一透镜后，在第一透镜的第一反射面发生了反射，然后光线进入到第二透镜。光线在第二透镜的第二反射面也发生了反射，之后光线射向第三反射面。第三反射面设置有第一四分之一波片和偏振反射膜，圆偏振的光线经过第一四分之一波片，圆偏光转化为线偏光，偏振反射膜具有偏振透射方向，此时线偏光的偏振方向与偏振反射膜的偏振透射方向不同，线偏光被偏振反射膜反射回第一四分之一波片，并转化为圆偏振光。光线再次射向第二透镜的第二反射面，在第二反射面的作用下，圆偏振光再次反射向第一四分之一波片，并且圆偏振光的旋转方向发生改变。圆偏振光经过第一四分之一波片后，再次转化为线偏光，此时线偏光的偏振方向与偏振反射膜的偏振透射方向同向，光线穿过偏振反射膜，在人眼位置显示成像。由上述可见，显示组件发射的光线依次经过第一透镜和第二透镜，光线首先经过第一反射面，再经过第二反射面，射向第三反射面。射向第三反射面后，在第一四分之一波片和偏振反射膜的作用下被反射回第二反射面，第二反射面再次将光线反射，此时，光线的偏振状态为圆偏振，光线再次经过第一四分之一波片后会变为线偏振光且振动方向与偏振反射膜的透过方向同向，从而可以使光线透过偏振反射面。光线至少经过了四次反射，且来回在第二透镜内折返。由此可知通过第二透镜的设置，避免增加光线传播路径，可以减少另外增加透镜。使加工制作的光学系统的厚度较薄，有利于头戴显示器的小型化。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。
33.图1为本发明光学模组一实施例的结构示意图；
34.图2为本发明光学模组另一实施例中第三反射面的结构示意图。
35.附图标号说明：
36.标号名称标号名称10显示组件311第一反射区110光线312第二反射区120显示器320第三反射面130线偏振器330第二入光面140第二四分之一波片40第三透镜20第一透镜410第三入光面210第一反射面70消色差透镜220第一入光面80人眼位置230第一出光面910第一四分之一波片30第二透镜920偏振反射膜310第二反射面
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37.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
40.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
41.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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发明中的具体含义。
42.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
43.头戴显示器的显示原理包括多种，例如，vr(virtual reality，虚拟现实)显示和ar(augmented reality，增强现实)显示，这些头戴显示器的所显示的图像需要经过光学镜片的传递和放大，相关技术中，头戴显示器体积较大，不便于用户穿戴。
44.为了解决上述问题，参阅图1和图2所示，本发明提供一种光学模组，光学模组包括：显示组件10、第一透镜20、第二透镜30、第一四分之一波片910和偏振反射膜920。第一透镜20和第二透镜30沿光线110的传播方向依次设置，第一四分之一波片910和偏振反射膜920设于第二透镜30。第一透镜20和第二透镜30的材质可以为光学玻璃，也可以是光学塑料，光学玻璃的光学特性更好，光学塑料便于加工成型。第一四分之一波片910和偏振反射膜920可以为独立的光学元件，也可以为依附于第二透镜30的膜层结构。
45.显示组件10用于发射圆偏振状态的光线110；圆偏振状态的光线110可以是左旋偏振光，还可以是右旋偏振光。显示组件10的发光原理包括多种，例如，lcos(liquid crystal on silicon，硅基液晶)，或者是amoled(active
‑
matrix organic light
‑
emitting diode，有源矩阵有机发光二极体)等。
46.第一透镜20设于显示组件10的出光方向，第一透镜20具有第一反射面210，光线110射入第一透镜20后，光线110经第一反射面210反射，并射出第一透镜20；第一反射面210的作用在于反射光线110，圆偏振状态的光线110在经过第一反射面210的反射后，旋转方向发生改变，例如，左旋偏振光变为右旋偏振光，或者是右旋偏振光变为左旋偏振光。
47.第二透镜30设于第一透镜20的出光方向，第二透镜30具有第二反射面310和第三反射面320，光线110射入第二透镜30，并经第二反射面310反射向第三反射面320；第一反射面210、第二反射面310和第三反射面320的作用在于反射光线110，保证光线110的直径逐渐扩大，继而保证光线110在人眼位置80放大成像。
48.第一四分之一波片910设于第三反射面320；第一四分之一波片910是一种偏振转化器件，第一四分之一波片910可以将线偏光转化为圆偏光，也可以将圆偏光转化为线偏光。偏振反射膜920设于第一四分之一波片910背离第二反射面310的一侧。偏振反射膜920具有偏振透射方向，也可以理解为透过轴，光线110的偏振方向与偏振反射膜920的透过轴同向才能使光线110透过偏振反射膜920，否则光线110会被偏振反射膜920反射。
49.本实施例提出的技术方案中，显示组件10发射圆偏振状态的光线110，光线110在射向第一透镜20后，在第一透镜20的第一反射面210发生了反射，然后光线110进入到第二透镜30。光线110在第二透镜30的第二反射面310也发生了反射，之后光线110射向第三反射面320。圆偏振的光线110简称为圆偏光，线偏振的光线110简称为线偏光。在第三反射面320设置有第一四分之一波片910和偏振反射膜920，圆偏振的光线110经过第一四分之一波片910，圆偏光转化为线偏光，偏振反射膜920具有偏振透射方向，此时线偏光的偏振方向与偏振反射膜920的偏振透射方向不同，线偏光被偏振反射膜920反射回第一四分之一波片910，并转化为圆偏振光。光线110再次射向第二透镜30的第二反射面310，在第二反射面310的作用下，圆偏振光再次反射向第一四分之一波片910，并且圆偏光的旋转方向发生改变。圆偏光经过第一四分之一波片910后，再次转化为线偏光，此时线偏光的偏振方向与偏振反射膜
920的偏振透射方向同向，光线110穿过偏振反射膜920，在人眼位置80显示成像。由上述可见，显示组件10发射的光线110依次经过第一透镜20和第二透镜30，光线110首先经过第一反射面210，再经过第二反射面310，射向第三反射面320。射向第三反射面320后，在第一四分之一波片910和偏振反射膜920的作用下被反射回第二反射面310，第二反射面310再次将光线110反射。此时，光线的偏振状态为圆偏振，光线再次经过第一四分之一波片910后会变为线偏振光且振动方向与偏振反射膜920.的透过方向同向，从而可以使光线透过偏振反射面。光线110至少经过了四次反射，且来回在第二透镜30内折返。由此可知通过第二透镜30的设置，避免增加光线110传播路径，可以减少另外增加透镜。使加工制作的光学系统的厚度较薄，有利于头戴显示器的小型化。
50.需要强调的是，本实施例中，第一四分之一波片910和偏振反射膜920设置的位置是面向人眼位置80的一侧，即第三反射面320位置。光线110在人眼位置80成像，离开第二透镜30时，是依次经过第三反射面320、第一四分之一波片910和偏振反射膜920。
51.在本技术的其中一个实施例中，为了提高第二反射面310的反射效果，光学模组包括分光元件，分光元件设于第二反射面310。分光元件的作用在于将经过偏振反射膜920反射的光线110，再次反射回第二反射面310。在这里有两种情况需要说明。
52.第一种情况是，光学模组应用于vr头戴显示器中，此时不需要外界的光线射入人眼，分光元件可以包括反射膜，将反射膜设置在第二反射面310，从而保证射向第二反射面310的光线110全部反射。
53.第二情况是，光学模组应用于ar头戴显示器中，此时需要外界的光线射入人眼，分光元件可以为半反半透膜，保证外界的光线可以进入到光学模组内。半反半透膜设于第二反射面310，从第二反射面310的反射的光线110，在半反半透膜的作用下，一部分光线110透射，另一部分光线110反射，充分利用反射的光线110。反射的光线110满足透过偏振反射膜920的条件，即偏振方向与偏振反射膜920的透过方向相同。另外，半反半透膜还具有透过的作用，外界的光线在射向半反半透膜时，一部分光线透射，另一部分光线反射，充分利用透射进来的外界光线。透射的光线依次经过第一四分之一波片910和偏振反射膜920，在人眼位置80成像。另外需要指出的是，光线110在由第一透镜20射入至第二反射面310时，入射角度大于或等于全反射临界角，光线110由光密介质射向光疏介质，满足光的全反射条件，光线110被反射向第三反射面320。
54.在本技术中，第一透镜20和第二透镜30的设置方式有三种情况。
55.第一种情况是，第一透镜20和第二透镜30胶合设置；此时，第一透镜20和第二透镜30是两个独立的光学元件为了减少光线110的偏折，可以通过光学胶将第一透镜20和第二透镜30胶合在一起。还可以避免灰尘等杂质落入到光学模组内。
56.第二种情况是，第一透镜20和第二透镜30一体式设置；此时，第一透镜20和第二透镜30是一个整体结构。整体结构在安装的时候易于放置，作业更加简便，便于提升组装作业效率。
57.第三种情况是，第一透镜20和第二透镜30分体式设置，且相互间隔。第一透镜20和第二透镜30分开设置。如此在第一透镜20和第二透镜30之间具有其他光学介质存在，例如空气。光线110在经过第一透镜20后，光线110发生了折射，光线110的传播方向发生了改变，光线110在由空气射向第二透镜30后，光线110再次发生了折射。通过两次折射，光线110射
入在第二反射面310，可以满足光的全反射条件。通过两个透镜分开设置，第一透镜20和第二透镜30的摆放位置也更加的灵活。另外，第一透镜20和第二透镜30之间的位置还可以设置空气以外的其它介质。
58.在本技术的一实施例中，光线110在射向第一透镜20的第一表面时包括有两种情况。
59.第一种情况是，光线110射向第一反射面210，光线110在第一反射面210的入射角大于或等于全反射临界角，第一透镜20的外部是空气，第一透镜20的折射率大于空气，所以光线110在第一反射面210是由光密介质射向光疏介质，满足光的全反射条件，光线110被反射向第二透镜30。
60.第二种情况是，光学模组还包括反光膜，反光膜设于第一反射面210。反光膜能够将接收到的光线110反射向第二透镜30。例如，通过反光膜可以形成一个镜面反射效果。通过反光膜的设置，光线110在第一反射面210的入射角可以灵活调整，也就是说显示组件10的位置可以更加的灵活。
61.在本技术的一实施例中，第一透镜20还包括第一入光面220和第一出光面230，第一入光面220面向显示组件10设置，第一出光面230面向第二透镜30设置，第一入光面220和第一出光面230均连接于第一反射面210；由此可知，第一透镜20具有三个光学面。例如可以是三角形的截面。通过三个光学面的设置既能够保证第一透镜20发挥作用，还能够减少光学表面的设置，使第一透镜20的结构更加简单，也便于加工制作。
62.进一步地，第一入光面220和第一出光面230至少其中之一为球面、非球面或者自由曲面，第一入光面220可以是球面、非球面或者自由曲面其中任意一种，第一出光面230也可以是球面、非球面或者自由曲面其中任意一种。球面便于加工成型，在球面为凸起面时，还能够有效的会聚光线110。在球面为凹陷面时，能够有效的分散光线110，便于图像的扩大。另外，光线110在传递过程中容易产生像差，通过非球面和自由曲面的设置能够校正像差，提高成像质量。
63.在本技术的一实施例中，第二反射面310与第三反射面320于远离第一透镜20的一端相交，第二透镜30包括第二入光面330，第二入光面330朝向第一透镜20，第二入光面330连接于第二反射面310和第三反射面320；由此可知，第二透镜30也具有三个光学面，通过三个光学面的设置既能够保证第二透镜30发挥作用，也能够减少光学表面的设置，使第二透镜30的结构简单，便于加工制作。
64.进一步地，第二入光面330和第二反射面310至少其中之一为球面、非球面或者自由曲面，第二入光面330可以是球面、非球面或者自由曲面的其中任意一种，第二反射面310也可以为球面、非球面或者自由曲面。球面便于加工成型，在球面为凸起面时，还能够有效的会聚光线110。在球面为凹陷面时，能够有效的分散光线110，便于图像的扩大。另外，光线110在传递过程中容易产生像差，通过非球面和自由曲面的设置能够校正像差，提高成像质量。
65.除此之外，需要指出的是，第一入光面220、第一出光面230、第二入光面330以及第二反射面310还可以是平面，平面易于加工，成本更低。
66.在本技术的一实施例中，光学模组应用在ar头戴显示器中时，光学模组还包括第三透镜40，第三透镜40设于第二反射面310，第三透镜40包括第三入光面410，第三入光面
410和第三反射面320相对设置，且第三入光面410和第三反射面320相互平行。外界的光线通过第三入光面410进入到第三透镜40，第三透镜40可以对外界的光线进行解析处理，保证外界光线能够清晰的在人眼位置80成像。第三入光面410和第三反射面320相互平行便于光学模组的安装。另外为了便于第二透镜30和第三透镜40对接，第三透镜40的出光面和第二透镜30的第二反射面310的结构相同。
67.在本技术的一实施例中，定义第三入光面410和第三反射面320之间的距离为d，则满足：d＜12mm。第三入光面410和第三反射面320之间的距离可以理解为光学模组的厚度，可知光学模组的厚度小于12mm，厚度较薄。在12mm这个范围内还能够保证光线110顺利的在第二透镜30内折反射。如果厚度大于12mm，则厚度太厚，不利于头戴显示器的小型化。
68.在本技术的一实施例中，显示组件10发射的光线110于人眼位置80成像，定义第三反射面320至人眼位置80的距离为l，则满足：12mm＜l＜18mm。由此可知人眼位置80距离光学模组的位置较近，同样也利于头戴显示器小型化。如果l大于18mm，则头戴显示器体积过大，如果l小于12mm，则人眼距离光学模组太近，会影响用户观看，比如太近视角会变小，甚至用户的睫毛会触碰的第三反射面320。
69.进一步地，定义显示组件10的中间位置至第三透镜40的底端之间的距离为h，则满足：35.0mm＜h＜45.0mm，可知光学模组的高度较小，也利于头戴显示器的小型化。
70.在本技术的一实施例中，为了便于光学模组的安装，第一反射面210和第三反射面320位于同一平面，如此便于第一透镜20和第二透镜30的定位，在确定了其中一个透镜的位置，便于确定另外一个透镜的位置。比如，在确定了第一透镜20的位置后，就能够快速确定第二透镜30的位置。
71.在本技术的一实施例中，为了保证显示组件10发射的光线110在射入第一透镜20时具有统一状态的圆偏光。显示组件10包括显示器120、线偏振器130和第二四分之一波片140。显示器120用于发射光线，此时光线的偏振状态可以是多种。线偏振器130和第二四分之一波片140均设于显示器120和第一透镜20之间，线偏振器130和第二四分之一波片140沿光线110的传播方向依次设置。通过线偏振器130和第二四分之一波片140，光线110先统一被线偏振器130转化为线偏光，再通过第二四分之一波片140将光线110统一转化为旋转方向一致的圆偏光。
72.在本技术的一实施例中，光线110在传递的过程中容易产生色差。为此，光学模组还包括消色差透镜70，消色差透镜70设于第一透镜20和显示组件10之间。光线110通过消色差透镜70透镜后，能够保证不同波长的光线110在同一个焦面成像。消色差透镜70可以采用高低折射率搭配的两者镜片组合在一起。也可以采用一个高折射率的材质镜片。
73.在本技术的一实施例中，光学模组在应用于ar头戴显示器的情况下，外界光线需要依次经过第二反射面310和第三反射面320在人眼位置80成像。为了使来自第一透镜20的光线110顺利的被反射，第二反射面310包括第一反射区311和第二反射区312，第一反射区311接收经第一透镜20的光线110并反射向第三反射面320，第二反射区312接收经偏振反射膜920反射的光线110，并再次将光线110反射向第三反射面320，第三透镜40与第二透镜30之间至少对应第一反射区311位置间隔设置。由此可知，来自第一透镜20的光线110射向第一反射区311，通过在第一反射区311第二透镜30和第三透镜40间隔设置，第二透镜30和第三透镜40在第一反射区311形成空气间隙，第二透镜30的折射率大于空气，同样能够满足光
的全反射。还能够避免考虑第三透镜40的折射率。使设计过程更加简化。需要指出的是为了便于加工组装，第二透镜30和第三透镜40之间的间隔位置向第二反射区312延伸。或者理解为，第二透镜30和第三透镜40之间是没有接触的，通过其它部件例如镜框来固定第二透镜30和第三透镜40。
74.本发明还提供一种头戴显示器，头戴显示器包括壳体和如上文光学模组，光学模组设于壳体。壳体能够提供一个支撑光学模组的安装空间，光学模组设置在壳体内，还能够避免外部环境的水汽或者灰尘落入到光学模组的内部。
75.本发明的头戴显示器的实施方式可以参照上述光学模组各实施例，在此不再赘述。
76.以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。