光学模组和头戴显示设备的制作方法

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设备。


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，虚拟现实(virtual reality，vr)产品的形态和种类层出不穷，其应用领域也愈加广泛。虚拟现实产品的主要工作原理是，显示器所显示的图像通过光学镜片的传递和放大后，其图像被人眼所接收，人眼观察到的是放大的虚像。图像经过放大，需要足够长的光程，因此光学系统的光学总长较长，造成头戴显示设备体积较大，不便于用户穿戴。


技术实现要素：

3.基于此，针对现有头戴显示设备中的光学系统的光学总长较长，头戴显示设备体积较大，不便于用户穿戴的问题，有必要提供一种光学模组和头戴显示设备，旨在能够减少光学系统的光学总长，减小头戴显示设备的体积，便于用户穿戴。
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.显示器，所述显示器发射用于成像显示的光线；
6.胶合透镜，所述胶合透镜设于所述显示器的出光方向，所述胶合透镜包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜和所述第二透镜沿光路的传播方向依次设置，所述第一透镜具有面向所述显示器的第一表面和背向所述显示器的第二表面，所述第二透镜具有面向所述显示器的第三表面和背向所述显示器的第四表面，所述第二表面与所述第三表面胶合设置，所述第三表面朝向所述显示器的方向凸起，所述第四表面朝向背离所述显示器的方向凸起；
7.分光件，所述分光件设于所述第一表面；
8.四分之一波片，所述四分之一波片设于所述第一透镜和所述第二透镜之间；以及
9.偏振反射膜，所述偏振反射膜设于所述四分之一波片和所述第二透镜之间；
10.定义所述光学模组的场曲为fv，则满足：0.3mm＜fv＜0.8mm。
11.可选地，定义所述显示器的像素尺寸为p，所述光学模组的全视场的光斑直径为d，则满足：d＜p。
12.可选地，所述第二表面与所述第三表面的结构相同。
13.可选地，所述第一表面朝向所述显示器的方向凸起。
14.可选地，所述光学模组还包括偏光膜，所述偏光膜设于所述第一透镜背离所述显示器的一侧。
15.可选地，所述偏光膜设于所述偏振反射膜和所述第二透镜之间，所述四分之一波片、所述偏振反射膜和所述偏光膜合成一整体膜层。
16.可选地，所述光学模组还包括增透膜，所述增透膜设于所述第四表面。
17.可选地，所述第一透镜的中心厚度为t1，所述第二透镜的中心厚度为t2，所述第一
表面与所述显示器的出光面之间的距离为l，则满足：
18.4mm<t1<8mm，3mm<t2<7mm，10mm<l<15mm。
19.可选地，所述第一表面的半径值为r1，所述第一表面的圆锥系数为c1，所述第二表面的半径值为r2，所述第二表面的圆锥系数为c2，所述第四表面的半径值为r4，所述第四表面的圆锥系数为c4，则满足：
20.40mm＜r1＜60mm，c1＜5；
21.70mm＜r2＜100mm，c2≤5；
22.150mm＜r4＜200mm，c4≤10。
23.此外，为了解决上述问题，本发明还提供一种头戴显示设备，所述头戴显示设备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，所述光学模组的光学总长为ttl，则满足：
24.ttl＜25mm。
25.本发明提出的技术方案中，显示器发射光线，发射的光线为圆偏振光。光线在射向胶合透镜时，光线首先经过分光件，一部光线透射分光件，另一部分光线反射。透射分光件的光线继续射向四分之一波片，圆偏振的光线的偏振状态发生改变，圆偏振光变换为线偏振光。线偏振的光线在射向偏振反射膜，此时，线偏振光的振动方向与偏振反射膜的透过方向不同，光线被反射。反射的光线依次经过四分之一波片和分光件，光线再次经过分光件时，光线被部分反射向胶合透镜。此时光线为圆偏振光，经过反射后，光线的旋转方向发生了改变，光线再次经过四分之一波片后再次转换为线偏振光，此时，线偏振光的偏振方向与偏振反射膜的透射方向相同，光线透过胶合镜组，在人眼位置成像。由此可知，光线通过胶合透镜时光线发生折反射，在这个过程中，光线不断的放大传递。在有限的空间内实现了图像的放大传递，利于减小光学总长，另外，第二透镜的第四表面背离显示器的方向凸起。如此，可以会聚光线，进一步的减少整个系统的光学总长，利于减小头戴显示设备的体积，便于用户穿戴。并且，通过第三表面的凸起，增加一个调节光学模组成像性能的手段。进而光学模组的场曲fv小于0.8mm，大于0.3mm，可知光学模组的场曲较小，成像质量较高。
附图说明
26.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。
27.图1为本发明光学模组一实施例的结构示意图；
28.图2为图1中光学模组第一透镜和第二透镜的结构示意图；
29.图3为本发明光学模组另一实施例中四分之一波片、偏振反射膜和偏光膜的结构示意图；
30.图4为图1中光学模组的场曲与畸变图；
31.图5为图1中光学模组的色差图；
32.图6为图1中光学模组的点列图。
33.附图标号说明：
34.标号名称标号名称10显示器221第三表面110光线222第四表面20胶合透镜30分光件210第一透镜40四分之一波片211第一表面50偏振反射膜212第二表面60偏光膜220第二透镜70人眼
35.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
36.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。
37.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。
38.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。
39.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。
40.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。
41.头戴显示设备的显示原理也包括多种，例如，除了vr显示之外，还包括ar(augmented reality，增强现实)显示，这些头戴显示设备的所显示的图像需要经过光学镜片的传递和放大，在图像要经过放大的过程中，需要足够的空间进行光线的传递，光学系统的光学总长较长，造成头戴显示设备体积较大，不便于用户穿戴。
42.为了解决上述问题，参阅图1至图3所示，本发明提供一种光学模组，光学模组包括：显示器10、胶合透镜20、分光件30、四分之一波片40和偏振反射膜50。其中，分光件30、四分之一波片40和偏振反射膜50在光线110的传播方向依次设置。
43.显示器10发射用于成像显示的光线110；发射的光线110为圆偏光，在显示器10发射的光线110为线偏光时，可在显示器10的出光面设置一个四分之一波片，线偏振光经过四
分之一波片后，转化为圆偏振光。
44.胶合透镜20设于显示器10的出光方向，胶合透镜20包括第一透镜210和第二透镜220，可以理解的是，第一透镜210和第二透镜220是胶合设置的，如此，通过胶合设置的方式可以减少光学模组的整体的体积。另外，通过第一透镜210和第二透镜220的胶合设置，使两个透镜形成一个整体结构，在组装光学模组时，通过一次放置就可以完成两个镜片的安装。具体地，第一透镜210和第二透镜220沿光路的传播方向依次设置，第一透镜210具有面向显示器10的第一表面211和背向显示器10的第二表面212，第二透镜220具有面向显示器10的第三表面221和背向显示器10的第四表面222，第二表面212与第三表面221胶合设置，第四表面222朝向背离显示器10的方向凸起；人眼70在第四表面222背离显示器10的一侧。光线110经过第四表面222后，在人眼70位置成像。通过第四表面222的凸起设置，光线110经过第四表面222后光线110向人眼70的位置会聚。光线110的会聚能够进一步的减少光学总长，也利于光学模组的小型化。为了进一步提高成像质量，第三表面221朝向显示器10的方向凸起。通过第三表面221的凸起设置，增加一个调整光学设计的新的自由度，也可以理解为增加了一个可以调整的手段，通过第三表面221的可以灵活配合第一表面211和第四表面222。例如，可以将第三表面221设置成非球面或者自由曲面等，通过非球面或者自由曲面来减少像差。另外，通过第三表面221的凸起设置，可以知道第二透镜220形成双面凸起的双凸透镜，通过双凸透镜可以进一步的缩短光线110的聚焦成像位置，减少整个系统的光学总长。
45.分光件30设于第一表面211；分光件30的作用在于分光，将入射的光线110部分反射部分透射，例如半反半透膜。或是一种状态的光线110透过，另一种状态的光线110反射，例如偏振反射膜50层。分光件30可以独立的设置在显示器10和胶合镜组之间，也可以是设于第一透镜210的第一表面211。比如，分光件30和第一表面211之间设置光学胶，分光件30通过光学胶贴覆在第一表面211。也可以采用镀膜的方式，设置在第一表面211。
46.四分之一波片40设于第一透镜210和第二透镜220之间；四分之一波片40用于转化光线110的偏振状态，例如，将线偏振光转化圆偏振光，或者是将圆偏振光转化为线偏振光，光线110每次经过四分之一波片40后，光线110的偏振状态都会发生改变。偏振反射膜50设于四分之一波片40和第二透镜220之间。偏振反射膜50具有一个偏振透射方向，也可以理解为透过轴。比如，透过轴水平方向延伸，显示器10发射的光线110为圆偏振光，圆偏振光经过四分之一波片40后转化为线偏振光，该线偏振光的振动方向与透过轴相同，则光线110透过。如果该线偏振光的振动方向与透过轴不同，则光线110反射。为了保证偏振反射膜50的反射效果，该线偏振光的振动方向与透过轴的延伸方向正交。定义光学模组的场曲为fv，则满足：0.3mm＜fv＜0.8mm。再次举例说明，参阅图4和图5所示，例如，在第三表面221是平面的情况下，场曲为1.2mm，若将第三表面221设置为凸面，则场曲为0.5mm，提升58％。当然需要指出的是，场曲越小代表成像质量越高。例如，场曲还可以做到0.4mm或者是0.6mm。由此可知，通过增加第三表面221的凸起设置，能够有效提升成像效果和清晰度，使光学模组可以匹配分辨率更高的显示器10，场曲的提升可以让屏幕从中心到边缘的像质变得更清晰，让用户体验效果更佳。
47.本实施例提出的技术方案中，显示器10发射光线110，发射的光线110为圆偏振光。光线110在射向胶合透镜20时，光线110首先经过分光件30，一部光线110透射分光件30，另一部分光线110反射。透射分光件30的光线110继续射向四分之一波片40，圆偏振的光线110
的偏振状态发生改变，圆偏振光变换为线偏振光。线偏振的光线110在射向偏振反射膜50，此时，线偏振光的振动方向与偏振反射膜50的透过方向不同，光线110被反射。反射的光线110依次经过四分之一波片40和分光件30，光线110再次经过分光件30时，光线110被部分反射向胶合透镜20。此时光线110为圆偏振光，经过反射后，光线110的旋转方向发生了改变，光线110再次经过四分之一波片40后再次转换为线偏振光，此时，线偏振光的偏振方向与偏振反射膜50的透射方向相同，光线110透过胶合镜组，在人眼70位置成像。由此可知，光线110通过胶合透镜20时光线110发生折反射，在这个过程中，光线110不断的放大传递。在有限的空间内实现了图像的放大传递，利于减小光学总长，另外，第二透镜220的第四表面222背离显示器10的方向凸起。如此，可以会聚光线110，进一步的减少整个系统的光学总长，利于减小头戴显示设备的体积，便于用户穿戴。并且，通过第三表面的凸起，增加一个调节光学模组成像性能的手段。进而光学模组的场曲fv小于0.8mm，大于0.3mm，可知光学模组的场曲较小，成像质量较高。需要指出的是，场曲包括子午方向和弧矢方向，两个方向的场曲接近相等，或者相等，且两个方向的场曲均在0.3mm至0.8mm之间。
48.进一步地，通过第一透镜210和第二透镜220的胶合设置，光线110在经过胶合镜组时能够减少经过空气，进而减少由于经过不同折射率介质形成的鬼影和杂散光。
49.第一透镜210和第二透镜220可以采用光学玻璃，光学玻璃能够保证成像质量。再者，为了减轻重量，减少加工成本，第一透镜210和第二透镜220可以采用光学塑料加工制作。例如，第一透镜210为coc(cycloalkene copolymer)环烯烃类共聚物材料，第二透镜220为cop(cyclo olefin polymer)环烯烃聚合物材料，其中，光线110在第一透镜210内折反射，coc材料能够承受较高应力，光线110直接透射第二透镜220，cop材料应力要求较低。除此之外，第一透镜210和第二透镜220还可以选择okp或者pmma(methylmethacrylate)聚甲基丙烯酸甲酯等材料。
50.参阅图6所示，定义显示器的像素尺寸为p，光学模组的全视场的光斑直径为d，则满足：d＜p。简单来说就是，全视场的光斑直径小于1倍的像素尺寸。同样地，光斑直径越小代表成像质量越高。例如，像素尺寸p为24um，在第三表面221是平面的情况下，光斑直径大小为47.5um，若将第三表面221设置为凸面，则光斑直径大小为17.6um，成像质量提升60％。此外，光斑直径还可以是15um，20.0um，25.0um等。或者是其它小于24um的其它数值。当然，需要指出的是，光斑直径的尺寸是随着像素尺寸而变化的，只要全视场的光斑直径小于1倍的像素尺寸的范围，均在本方案的保护范围内。
51.进一步地，为了提高第一透镜210和第二透镜220的贴合度，第二表面212与第三表面221的结构相同，如此在第一透镜210和第二透镜220胶合设置时，两个透镜可以减少缝隙。继而还能够避免灰尘等杂质落入到两个透镜之间。
52.在其中一个实施例中，为了进一步缩短光学总长，第一表面211朝向显示器10的方向凸起。由此可知，通过第一表面211的凸起，以及第四表面222的凸起，可以使胶合透镜20整体形成一个双凸透镜的效果。由此可以进一步的缩短光线110的聚焦成像位置，减少整个系统的光学总长。需要说明的是，如果第二透镜220的第三表面221为凸起面，则第一透镜210的第二表面212为凹陷面，在第一表面211为凸起面的基础上可知，第一透镜210为凹凸透镜。
53.在上述实施例中，光线110在传播过程中，可能出现部分线偏振光的振动方向与偏
振反射膜50的透射方向形成夹角，夹角范围在0
°
～90
°
之间，也就是说部分线偏振光的振动方向既不与偏振反射膜50的透射方向相同，也不垂直。如此光线110在经过偏振反射膜50后，会出现杂光，为了减少杂光，光学模组还包括偏光膜60，偏光膜60设于第一透镜210背离显示器10的一侧。偏光膜60具有透过方向，偏光膜60的透射方向与偏振反射膜50的透射方向相同。偏光膜60对经过的光线110进行滤除，与透射方向不同的光线110会被过滤吸收，从而保证经过光学模组的光线110能够保持一致的振动方向，减少杂光的出现。
54.另外，经过偏光膜60的光线是线偏振光，而人眼70观察线偏振光，成像效果质量较差。如此可以在第二透镜220和偏光膜60之间在设置一个四分之波片，将线偏振光转化为圆偏振光，保证人眼70接收到的光线是圆偏振的，从而提高成像质量。
55.进一步地，为了减少光学总长，偏光膜60设于偏振反射膜50和第二透镜220之间，四分之一波片40、偏振反射膜50和偏光膜60合成一整体膜层。通过一个整体膜层结构，能够压缩膜层厚度，减少每个膜层之间的光学胶层。同时还能够通过一个整体膜层的贴覆就可以完成三个膜层的安装。贴覆整体膜层时，在四分之一波片40面向第一透镜210的表面和偏光膜60面向第二透镜220的表面设置光学胶层，通过光学胶层完成整体膜层的固定。
56.在本技术的另一个实施例中，为了提高光线110的透过率，光学模组还包括增透膜，增透膜设于第四表面222。增透膜使经过的光线110数量变多，减少透镜对光线110的反射和吸收。另外，增透膜的设置可以是采用粘贴的方式，也可以采用镀膜的方式，粘贴的方式操作简便。镀膜的方式能够使增透膜的膜层更加牢固。
57.在本技术的其中一个实施例中，第一透镜210的中心厚度为t1，第二透镜220的中心厚度为t2，第一表面211与显示器10的出光面之间的距离为l，则满足：4mm<t1<8mm，3mm<t2<7mm，10mm<l<15mm。其中，l是指第一表面211与显示器10的出光面之间最接近的两点之间的距离。如果t1小于4mm，则第一透镜210太薄，如果t1大于8mm，则第一透镜210太厚，会增加光学模组整体的体积。另外第一透镜210太薄或者太厚都会导致成像质量降低。同样地，如果t2小于3mm，则第二透镜220太薄，如果t2大于7mm，则第二透镜220太厚，太厚会增加光学模组整体的体积，第二透镜220太薄或者太厚都会导致成像质量降低。如果l小于10mm，则第一透镜210和显示器10距离太近，光线110难以获得足够的光程，成像质量会降低。如果l大于15mm，则第一透镜210和显示器10距离太远，会增加光学模组整体的体积。
58.在本技术的其中一个实施例中，第一表面211的半径值为r1，第一表面211的圆锥系数为c1，第二表面212的半径值为r2，第二表面212的圆锥系数为c2，第四表面222的半径值为r4，第四表面222的圆锥系数为c4，则满足：40mm＜r1＜60mm，c1＜5；70mm＜r2＜100mm，c2≤5；150mm＜r4＜200mm，c4≤10。上述参数在相应的范围内灵活选择，从而保证成像质量。如果参数的选择超出相应的范围，容易导致成像质量降低。
59.本发明还提供一种头戴显示设备，头戴显示设备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。光学模组的光学总长为ttl，则满足：ttl＜25mm。例如，24.6mm。由此可知，该光学模组的光学总长小于25mm。基于上述光学模组的设计，光学模组的焦距可以为22.9mm，第一透镜210的焦距为96.94mm，第二透镜220的焦距为108.2mm。显示器10的发光面的尺寸在2.1英寸，每个像素的尺寸为24微米。成像视场角为100
°
～105
°
，例如100
°
，在这角度范围内，用户能够观察到清晰的成像。
60.其中一个实施方式的设计结果参阅表一和表二，分别列有由人眼(光阑stop)到显示屏依序编号的光学面号码(surface)、在光轴上各光学面的曲率(c)、从人眼(光阑)到显示屏的光轴上各面与后一光学表面的距离(t)。以及偶次非球面系数α2、α3、α4，其中非球面系数可以满足如下的方程。
[0061][0062]
其中，z是沿光轴方向的坐标，y为以透镜长度为单位的径向坐标，c是曲率(1/r)，k为圆锥系数(coin constant)，αi是各高次项的系数，2i是非球面的高次方(the order of aspherical coefficient)，本实施例中考虑到场曲的平缓，无高次项球面系数至4阶。
[0063]
表一
[0064][0065]
[0066]
表二
[0067][0068][0069]
需要指出的是，表一中的厚度是指该光学面距离下一个光学面的距离，厚度的正值是指显示器10到人眼70方向的距离，厚度的负值是指人眼70到显示器10方向的距离。材质是指该光学面到下一个光学面之间都是这种材质，其中，mirror(反射)的含义并不是材质，而是表示该光学面具有反射效果。表二中的4th代表的数据，是用于带入相应面型计算公式的4阶系数。
[0070]
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。