光学模组及系统、显示装置、头戴式显示设备及其系统的制作方法

1.本技术涉及光学技术领域，具体涉及一种光学模组、光学系统、显示装置、头戴式显示设备以及显示系统。


背景技术：

2.随着技术的发展，光学显示领域产生了翻天覆地的变化。其中，近眼显示(near to eye display，ned)技术取得了非常大的成果。用户可以通过虚拟现实(virtual reality，vr)、增强现实(augmented reality，ar)等ned技术获得沉浸式的感官体验。
3.光学模组的结构和性能直接影响了用户使用包括该光学模组的显示装置的体验。下面以图1和图2所示的光学模组说明现有技术存在的问题。
4.图1为一种光学模组100。光学模组100可以用于将显示屏101显示的光线转化为射入人眼的光线。光学模组包括第一光学组件102和第二光学组件103。
5.图1通过灰色折线表示光路，显示屏101发出的光线经过第一光学器件102反射至第二光学组件103，第二光学组件103将光线反射回第一光学组件102，第一光学组件102进一步将光线透射入人眼。
6.可以看出，光学模组100中包括一个或多个即可以透射又可以反射的元器件，在光线经过这些元器件的过程中，会造成一定的光损。例如，第一光学组件102的反射率为50％，透射率为50％，则显示屏101显示的原始图像到达人眼的剩余光效为50％
×
50％＝25％。由此可见，显示屏101发出的光线仅有很少的一部分可以进入人眼，进入人眼的光线的亮度较低，光学模组的光能利用率(光效)较低。为了达到人眼能接受的亮度，通常需要将屏幕亮度调至较高的水平，但是这会导致屏幕发热现象严重，不仅浪费能源，还会降低光学模组的寿命。
7.为了提高光学模组的光效，一般设置偏振反射组件以及波片。以图2所示的光学模组200为例，光学模组200包括：偏振反射组件202、波片203以及反射组件204。波片203一般与反射组件204的表面固定或者连接，此时，反射组件204可以作为波片203的支撑。为了实现更好的显示效果，反射组件204一般为曲面反射组件，为实现曲面反射组件和波片的连接，需要将波片加工为曲面结构，或者将平面波片贴合到曲面反射组件表面。但是，曲面波片加工工艺复杂，平面波片也很难与曲面反射组件的表面的贴合，即使实现了贴合，贴合效果也比较差。为了简化加工工艺，波片可以与曲面反射组件分离放置，但这需要额外增加波片的支撑结构，从而导致光学模组的体积、重量增加。光学模组应用的ar或vr显示装置通常为头戴式显示装置，头戴式装置的体积以及重量的增加将严重影响用户的体验感。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本技术致力于提供一种光学模组、光学系统、显示装置、头戴式显示设备以及显示系统，以解决现有光学模组为提高光效而导致的能耗增加、加工工艺复杂或体积增大等问题。
9.第一方面，本技术提供了一种光学模组，所述光学模组包括：第一波片和第二波片，均位于入射光线的传输方向的一侧，入射光线包括第一光线，第一光线依次经过第一波片和第二波片，形成第二光线，第二光线为线偏振光；平面偏振反射组件，固定在第二波片的一侧，用于将第二光线反射至第二波片，得到第三光线；曲面反射组件，用于接收第三光线，并将第三光线再次反射至第二波片，形成第四光线，第四光线为振动方向与第二光线的振动方向垂直的线偏振光，且第四光线经过平面偏振反射组件透射至人眼。
10.作为一个实施例，所述第一波片设于所述入射光线形成的组件的出光一侧表面，所述第二波片设于所述平面偏振反射组件靠近所述入射光线的一侧表面。
11.作为一个实施例，所述平面偏振反射组件包括偏振反射膜，所述偏振反射膜镀在远离所述入射光线的所述第二波片表面。
12.作为一个实施例，所述平面偏振反射组件包括基板和偏振反射膜。
13.作为一个实施例，所述偏振反射膜用于反射振动方向与入射面相垂直的偏振光并且透射振动方向与入射面相平行的偏振光，其中，所述入射面为入射所述偏振反射膜的光线与所述偏振反射膜面法线所在的平面。
14.作为一个实施例，提供所述入射光线的元件包括显示屏，所述第二波片靠近所述显示屏表面与所述显示屏之间具有夹角α，，所述夹角α满足35
°
≤α≤65
°
。
15.作为一个实施例，所述第一波片为1/4波片，所述第二波片为波片。
16.作为一个实施例，所述第一光线与所述显示屏出射角度小于5
°
，所述第一光线经过所述第一波片或所述第二波片时，所述第一光线被分解为光线a和光线b，所述第一光线穿过所述第一波片和所述第二波片后，所述光线a和所述光线b的相位差为半个波长。
17.作为一个实施例，所述第二光线以入射角β斜入射所述第二波片，所述入射角β满足35
°
≤β≤55
°
，所述第二光线经过所述第二波片时，所述第二光线被分解为光线a和光线b，所述第二光线两次穿过所述第二波片后，所述光线a和所述光线b的相位差为半个波长。
18.作为一个实施例，所述曲面反射组件在竖直方向和水平方向凹向人眼，所述曲面反射组件的焦距f满足以下条件：5mm<f<200mm。
19.作为一个实施例，所述曲面反射组件为非球面镜。
20.作为一个实施例，所述曲面反射组件为半透半反射镜。
21.第二方面，本技术提供了一种光学系统，包括显示屏、位于所述显示屏出光源一侧的左眼镜头组件和右眼镜头组件，其特征在于，所述左眼镜头组件和右眼镜头组件分别包括第一方面所述的光学模组。
22.第三方面，本技术提供了一种显示装置，所述显示装置包括第二方面所述的光学系统及外壳，所述光学系统容纳于所述外壳内。
23.作为一个实施例，所述显示装置包括：vr显示装置及摄像头，所述摄像头的镜头面对人眼。
24.第四方面，本技术提供了一种头戴式显示设备，所述头戴式显示设备包括如第二方面所述的光学系统以及眼镜框，所述眼镜框包括镜腿，所述光学系统固定于所述镜腿之间。
25.第五方面，本技术提供了一种头戴式显示装置，其特征在于，所述头戴显示装置包
括设置于其内的如第二方面所述的光学系统及扣箍件，所述扣箍件用于将所述光学系统固定于人眼前方。
26.第六方面，本技术提供了一种显示系统，所述显示系统为虚拟现实和/或增强现实显示系统，其特征在于，所述显示系统包括信号输入装置及如第四方面或第五方面的头戴式显示装置，所述头戴式显示装置接收所述信号输入装置的信号并传输至所述头戴式显示装置进行处理。
27.作为一个实施例，所述信号输入装置包括用于与所述头戴式显示装置电性连接的手柄控制器。
28.作为一个实施例，所述显示系统为虚拟现实和/或增强现实一体机，所述头戴式显示装置设有用于控制手柄控制器及显示内容的独立的中央处理器。
29.本技术通过设置第一波片和第二波片，并将第二波片与平面偏振反射组件固定，在提高光学模组的光效的基础上，一方面避免了将波片与曲面反射组件连接导致的工艺复杂的问题，另一方面也不需要额外增加波片的支撑装置，从而减小了光学模组的体积，提高了用户体验感。
附图说明
30.图1为现有技术中一种光学模组的光路轨迹示意图。
31.图2为现有技术中另一种光学模组的光路轨迹示意图。
32.图3为本发明一种光学模组的光学结构的光路轨迹示意图。
33.图4为本发明所述光学模组中的偏振反射组件的光路轨迹示意图。
具体实施方式
34.本技术针对现有技术中存在的技术问题，提出了一种光学模组。图3为本技术实施例提出的一种光学模组300，其包括：第一波片301、第二波片303、平面偏振反射组件304以及曲面反射组件305。
35.入射光线形成的组件500发出入射到光学模组的入射光线。入射光线可以包括第一光线l1。为便于描述，下文将入射光线形成的组件500简称为出光源500。
36.以出光源500为显示屏为例。出光源500用于发出第一光线l1从而显示原始图像。原始图像可以是图片，也可以是视频。第一光线l1可以为线偏振光。显示屏可以为被动发光显示屏，例如液晶显示屏(liquid crystal display，lcd)。显示屏也可以为主动发光显示屏，例如发光二极管显示屏(light emitting diode，led)。由于主动发光屏的发光效果更好些，因此主动发光屏的应用更为广泛。
37.为了说明第一波片301或第二波片303的作用，下文将介绍波片的原理。
38.光线入射波片后，会发生双折射现象，分解成振动方向互相垂直、传播速度不同、折射率不等的两种偏振光，分别为光线a和光线b。光线a遵守折射定律，称为寻常光线(ordinary wave，简称o光)。光线b不按照折射定律的角度折射，称为非常光线(extraordinary wave，简称e光)。o光的振动方向垂直于波片的光轴，e光的振动方向平行于波片的光轴。由于o光和e光存在上述不同的特性，因此，光线穿出波片后，o光和e光之间会产生附加光程差(或称为光相位差)。不同的波片可以产生不同的附加光程差，例如，能使
o光和e光产生1/4波长的附加光程差的波片为1/4波片，能使o光和e光产生1/2波长的附加光程差的波片为1/2波片。基于波片的上述特性，可以借助波片实现诸多功能。以1/4波片为例，线偏振光经过1/4波片，可以产生1/4波长的附加光程差，从而形成圆或椭圆偏振光；或者，圆或椭圆偏振光经过1/4波片，可以产生1/4波长的附加光程差，从而形成线偏振光；或者，线偏振光两次经过1/4波片，可以产生1/2波长的附加光程差，从而形成与原振动方向垂直的线偏振光。
39.第一波片301和第二波片303均位于出光源500的出光侧。第一光线l1依次经过第一波片301和第二波片303，形成第二光线l2。第二光线l2为线偏振光，振动方向为第一方向。
40.继续以出光源500为显示屏为例。第一光线l1可以与显示屏(即出光源500)之间的出射角度小于5
°
。第一波片301和第二波片303的设置使得第一光线l1穿过第一波片301和第二波片303后，o光和e光相位差为半个波长，从而形成第二光线l2。第二光线l2的振动方向(即第一方向)和第一光线l1的振动方向垂直。
41.需要说明的是，本技术不限制第一波片301或第二波片303的材料，例如可以为塑料、玻璃或晶体等。
42.另外，本技术不限制设置第一波片301的位置。例如，第一波片301可以单独设置在出光源500的出光侧。或者，第一波片301可以与出光源500出光一侧表面连接，例如贴合在出光源500出光一侧表面。或者，第一波片301可以与设置于出光源500的出光侧的器件连接，以图3为例，第一波片可以贴合在透镜302的表面。考虑到贴合难度，第一波片301可以贴合在透镜302的平面表面。
43.平面偏振反射组件304位于第二波片的一侧，用于将第二光线l2反射至第二波片303，得到第三光线l3。平面偏振反射组件304可以反射大部分振动方向(或称为偏振方向)为第一方向的线偏振光(对于振动方向为第一方向的线偏振光反射率大于50％，可以接近100％)，而将大部分与振动方向与第一方向垂直的线偏振光透射(对于振动方向为与第一方向垂直的线偏振光的透射率大于50％，可以接近100％)。其中，第二方向可以与第一方向垂直。因此，平面偏振反射组件304接收振动方向为第一方向的第二光线l2，并可以将大部分第二光线l2反射回第二波片303。第二光线l2经过第二波片303，形成第三光线l3。第三光线l3可以是圆偏振光或椭圆偏振光。
44.图4为偏振反射组件400的一个示例。偏振反射组件400可以使偏振方向与入射面相垂直的光分量(通常被称为p光)尽可能多地反射，而偏振方向与入射面相平行的光分量(通常被称为s光)尽可能多地透射。其中，入射面为入射光线与面法线所在的平面。对于这种偏振反射组件，可以称为p透s反组件，例如可以为p透s反膜。如图3所示，入射光线包括p光(图4以双向箭头表示)以及s光(图4以点表示)。偏振反射组件400将入射光线中的大部分s光都反射形成反射光线，将入射光线中大部分p光透射，形成透射光线。由此可知，当入射光线仅包括p光时，入射光线的大部分将通过偏振反射组件400透射，即偏振反射组件400对p光的透射率大于50％；当入射光线仅包括s光时，入射光线的大部分将通过偏振反射组件400反射，即偏振反射组件400对s光的反射率大于50％。
45.可以理解的是，图4仅为偏振反射组件的一个示例，本技术的偏振反射组件可以为p透s反膜，也可以为其他元件。
46.曲面反射组件305用于接收第三光线l3，并将第三光线l3再次反射至第二波片303，形成第四光线l4。第四光线l4为线偏振光，振动方向为第二方向。第四光线l4可以经过平面偏振反射组件304透射至人眼。曲面反射组件305的曲面面型可以在竖直方向和水平方向皆凹向人眼。曲面反射组件305的焦距f可以满足5mm<f<200mm。
47.曲面反射组件305的曲面结构可以实现对光线的汇聚作用，因此，曲面反射组件305可以使得更多的光线进入人眼，达到提高显示亮度的效果。
48.曲面反射组件305可以仅实现反射功能，使得光学模组300可以应用于vr系统中，从而使vr系统的用户看到虚拟的图像。曲面反射组件305也可以为半透半反射镜，使外界环境光线通过曲面反射组件305以及平面半透半反射组件304进入到人眼，从而实现出光源显示的内容和外界环境的融合，进而实现ar功能。
49.曲面反射组件103可以为非球面镜。非球面镜更轻薄，成像效果更好，有利于提高成像的清晰度以及亮度，还有利于实现光学模组的轻量化。
50.除上述光学元器件，光学模组300还可以包括其他光学元器件，本技术对此不作限制。例如，光学模组300可以包括透镜302。透镜302可以设置于出光源500的出光侧。透镜302可以为凸面镜，以用于调焦或扩散。例如，凸面镜可以将出光源500发出的入射光线进行扩散，使入射光线更加均匀地入射到平面半透半反射组件304，使得后续光路上的元器件对光线处理的分辨率更高，有利于提高人眼接收画面的精细度。
51.光学模组300的光路如图3中灰色折线所示。经过光学模组300的剩余光效计算如下。
52.平面偏振反射组件304对于振动方向为第一方向的线偏振光的最高反射率为d％，对于振动方向为第二方向的线偏振光的透射率为e％，则出光源500显示的光线(出光源500为显示屏时，则为显示屏显示的原始图像)到达人眼处的剩余光效为d％
×
e％。由上文可知，d％和e％均大于50％，因此，d％
×
e％大于25％。以光学模组300应用于ar显示装置为例，曲面反射组件305为反射率为50％的半透半反射镜，出光源500显示的光线到达人眼处的剩余光效为d％
×
50％
×
e％，d％和e％均大于50％，因此，d％
×
50％
×
e％大于12.5％。
53.本技术提出的光学模组可以使出光源显示的光线到达人眼处的剩余光效较高，从而可以降低出光源的显示亮度，还可以降低光学模组的能耗以及发热，进而提高光学模组的寿命，并且减少了能耗。
54.需要说明的是，本技术不限制平面偏振反射组件304的具体结构。例如，平面偏振反射组件304可以为偏振反射膜、偏振反射镜等结构。其中，偏振反射镜可以包括基板和偏振反射膜，偏振反射膜可以与基板的表面连接。或者，平面偏振反射组件304可以为偏振反射膜，偏振反射膜可以与其他光学元器件连接，例如可以与第二波片303连接。其中，基板可以为透明平板，也可以为平面半透半反射镜。
55.可选地，偏振反射膜可以为p透s反膜。第二波片303可以设于平面偏振反射组件304靠近入射光线的一侧表面。设置方式例如可以为固定设置，固定设置例如可以是接触固定，也可以是非接触固定，也就是说，平面偏振反射组件304与第二波片303之间还可以包括其他元器件。
56.需要说明的是，平面偏振反射组件304固定在第二波片303的一侧，使得平面偏振反射组件304与第二波片303存在支撑关系，例如，平面偏振反射组件304可以支撑第二波片
303。或者，第二波片303可以支撑平面偏振反射组件304。
57.本技术不限制第二波片303与平面偏振反射组件304的固定或连接情况。例如，平面偏振反射组件304包括基板和偏振反射膜，第二波片303可以为硬片或软片，第二波片303可以与平面偏振反射膜或基板的表面固定。这种情况下，平面偏振反射组件304可以为第二波片303提供支撑。或者，平面偏振反射组件304为软片，第二波片303为硬片，平面偏振反射组件304可以与第二波片303表面固定。这种情况下，第二波片303可以为平面偏振反射组件304提供支撑。
58.需要说明的是，本技术并未限制上文所述的固定或者连接的具体方式，固定或连接的元器件之间存在支撑关系即可。固定或连接方式可以根据需要灵活选择，例如可以为表面贴合或蒸发镀膜的方式。
59.本技术将第二波片与光学模组中的平面偏振反射组件固定或连接在一起，避免了将波片贴合于曲面反射组件的曲面表面，也避免了为波片设置额外的支撑装置。从而避免了复杂的工艺步骤，简化了光学模组的结构，减小了光学模组的体积。用户在使用包括光学模组的显示装置时，可以获得更佳的用户体验感。
60.所述入射光线的元件包括显示屏可以包括显示屏。如图3所示，第二波片303靠近显示屏(即出光源500)的表面与显示屏之间具有夹角α。由于第二波片303与平面偏振反射组件304固定连接，则平面偏振反射组件304的表面与显示屏的夹角也为α。夹角α的大小可以满足35
°
≤α≤65
°
。一方面，α的设置可以使得曲面反射组件305接收到尽可能多的光线，从而进一步反射更多的光线到人眼中，进而提高人眼可以看到的图像的显示亮度。另一方面，这也可以进一步提高平面偏振反射组件304对第二波片303的支撑作用，减少第二波片303受重力影响而产生变形或偏移。
61.为了适配α，第二波片303需要进行调整。波片对o光和e光之间产生的光程差与光线在波片内传播的距离相关，当光线垂直入射到波片时，才可以产生与预期相符的光程差。由于35
°
≤α≤65
°
，第二光线l2并非垂直射入第二波片303。因此，需要调整第二波片303的参数，使得第二波片303可以对光线产生预设的光程差。第二波片303的参数例如可以为第二波片303的厚度，或其他与光程差相关的参数。例如，第一波片可以为1/4波片，第二波片可以为波片，第一光线依次经过第一波片和第二波片后，可以形成第二光线，第一光线和第二光线均为线偏振光，第二光线的振动方向和第一光线的振动方向垂直；第二光线两次经过第二波片后，可以形成第四光线，第四光线也为线偏振光，第四光线的振动方向和第二光线的振动方向垂直。
62.需要说明的是，本技术不限制第二光线入射第二波片角度。例如，第二光线可以以入射角β斜入射所述第二波片。可选地，入射角β满足35
°
≤β≤55
°
，第二波片的设置使得第二光线两次穿过所述第二波片后，o光和e光相位差为半个波长，即π。
63.本技术还提出了一种光学系统。所述光学系统包括显示屏、位于所述显示屏出光源一侧的左眼镜头组件和右眼镜头组件。所述左眼镜头组件和右眼镜头组件分别包括上述任意一种光学模组。其中，所述显示屏用于发出光学模组接收的入射光线，形成原始图像。入射光线分别经过左眼镜头组件和右眼镜头组件进入到人的左眼和右眼。其中，左眼镜头组件和右眼镜头组件可以向人眼传输相同的图像，也可以传输不同的图像。当左眼镜头组
件和右眼镜头组件向人眼传输的图像不同时，可以为用户提供更加丰富多样的显示体验。
64.本技术还提供了一种显示装置，包括上述任意一项光学模组。所述显示装置可以包括近眼显示装置，例如可以包括vr显示装置或ar显示装置等。例如，显示装置可以单独实现ar的功能，则该显示装置包括ar显示装置，显示装置也可以单独实现vr的功能，则该显示装置包括vr显示装置，或者，显示装置可以同时实现vr和ar的功能，则该显示装置包括vr和ar显示装置。
65.所述显示装置可以包括外壳，所述光学模组容纳于所述外壳中，外壳可以将所述光学模组与外界环境隔离开，从而实现了对光学模组的保护。外壳也可以用于将显示装置固定在人眼附近，例如固定在用户的头上，从而使用户在使用过程中不需要用手支撑显示装置。
66.可选地，所述显示装置还可以包括摄像头。例如，所述摄像头可以面对人眼，用于实现人眼检测或人眼跟踪。所述摄像头还可以将拍摄的图像反馈至显示装置，用于预测用户的状态和需求，并进行响应，从而达到用眼镜控制显示装置的目的。
67.本技术还提出一种头戴式显示设备，所述显示装置包括上述任意一种光学系统以及眼镜框。所述眼镜框包括镜腿，所述光学系统固定于所述镜腿之间。这种头戴式显示设备也可以被称为眼镜式显示设备。
68.本技术还提出一种头戴式显示设备，所述显示装置包括上述任意一种光学系统以及扣箍件。所述扣箍件用于将所述光学系统固定于人眼前方。本技术不限制所述扣箍件的具体结构，例如可以为头盔状、绑带状等。
69.本技术还提出一种显示系统，所述显示系统为虚拟现实和/或增强现实(ar和/或vr)显示系统，所述显示系统包括信号输入装置及上述任一项的头戴式显示装置。所述信号输入装置用于将信号输入至头戴式显示装置。所述头戴式显示装置接收所述信号输入装置的信号并传输至所述头戴式显示装置进行处理。
70.其中，显示系统可以单独实现ar的功能，则该显示系统包括ar显示系统，显示系统也可以单独实现vr的功能，则该显示系统包括vr显示系统，或者，显示系统可以同时实现vr和ar的功能，则该显示系统包括vr和ar显示系统。
71.本技术不限制信号输入装置的具体类型。例如，信号输入装置可以是传感器，传感器可以包括：速度传感器、加速度传感器或振动传感器等，对应地，输入至头戴式显示装置的信号可以为速度信号、加速度信号、振动信号等传感器信号。或者，输入至头戴式显示装置的信号也可以为基于传感器信号生成的其他信号。具体地，信号输入装置可以包括用于与所述头戴式显示装置电性连接的手柄控制器。用户可以通过手柄控制器，实现对头戴式显示装置的控制。
72.本技术不限制头戴式显示装置的处理方式，例如所述处理可以根据手柄控制器调整显示的内容、显示的参数等。
73.可选地，显示系统可以为虚拟现实和/或增强现实一体机，所述头戴式显示装置设有独立的中央处理器。所述中央处理器可以用于控制手柄控制器及显示内容。基于此，显示系统可以独立进行运算与处理，无需与pc连接。
74.可选地，上述装置均可以为智能显示装置。该智能显示装置可以实现智能处理，例如可以运行神经网络学习模型等，显示屏可以是液晶显示屏，也可以是led显示屏。
75.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本技术的保护范围之内。