光学模组以及头戴显示设备的制作方法

1.本实用新型涉及光学显示技术领域，更具体地，本实用新型涉及一种光学模组以及头戴显示设备。


背景技术：

2.相对于传统的非球面和菲涅尔vr光学结构，折叠光路形式vr光学结构因具有光学模组总长小的优点，利于实现vr光学模组的小型化发展趋势。然而，现有的折叠光路结构在成像上存在边缘视场和中心视场亮度差异较大的问题，这将导致用户看到的边缘视场的图像亮度不佳，影响整个画面的质量。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于提供的一种光学模组以及头戴显示设备的新技术方案，解决了现有的折叠光路结构在成像上存在边缘视场和中心视场亮度差异较大的问题。
4.根据本实用新型的一个方面，提供了一种光学模组，所述光学模组沿光轴方向依次包括第一透镜及第二透镜；
5.所述光学模组还包括偏振反射元件、第一相位延迟器及分光元件，其中，所述第一相位延迟器位于所述分光元件与所述偏振反射元件之间；
6.所述分光元件位于所述第二透镜的任一侧，所述第一相位延迟器及所述偏振反射元件位于所述第一透镜的任一侧；
7.所述第一透镜的口径l1与所述第二透镜的口径l2的比值为l1/l2， l1/l2满足：0.8＜l1/l2＜1.1。
8.可选地，所述第一透镜的口径l1与所述第二透镜的口径l2的比值为 l1/l2，l1/l2满足：0.89≤l1/l2≤1.06。
9.可选地，所述光学模组还包括显示屏幕，所述显示屏幕位于所述第二透镜背离所述第一透镜的一侧；
10.所述显示屏幕的出光面用于出射光线，所述显示屏幕的出射角度为＜ 35
°
。
11.可选地，所述光学模组的边缘视场和中心视场的成像亮度差异小于 20％。
12.可选地，所述偏振反射元件具有光线透过的透过轴，所述偏振反射元件的透过轴与所述第一相位延迟器的快轴或者慢轴之间的夹角为45
°
。
13.可选地，所述光学模组还包括偏振元件及第二相位延迟器，所述偏振元件及所述第二相位延迟器位于所述显示屏幕的出光面一侧，其中，所述偏振元件位于所述第二相位延迟器与所述显示屏幕的出光面之间。
14.可选地，所述分光元件位于所述第一相位延迟器与所述第二相位延迟器之间。
15.可选地，所述偏振元件为线偏振器，所述第二相位延迟器的快轴或慢轴方向与所述偏振元件的透过轴方向夹角为45
°
。
16.可选地，所述偏振元件与所述第二相位延迟器层叠设置形成第二膜层结构，所述
第二膜层结构设于所述显示屏幕。
17.可选地，所述第一透镜包括第一表面及第二表面，所述第二透镜包括第三表面及第四表面，其中，所述第二表面与所述第三表面为相邻且间隔设置；
18.所述分光元件设于所述第四表面；
19.所述偏振反射元件与所述第一相位延迟器层叠设置形成第一膜层结构，所述第一膜层结构设于所述第二表面。
20.根据本实用新型的另一个方面，提供了一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括：
21.壳体；以及
22.如上述所述的光学模组。
23.本实用新型的有益效果在于：
24.本实用新型实施例提供了一种折叠光路设计方案，该光学模组中可以包括两个透镜，通过合理调整这两个透镜的口径比值，可以有效减小光线在显示屏幕上的出射角度，进而可以使光学模组边缘视场与中心视场的成像亮度差异减小，可以提升成像画面品质。
25.通过以下参照附图对本实用新型的示例性实施例的详细描述，本实用新型的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
26.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实用新型的实施例，并且连同其说明一起用于解释本实用新型的原理。
27.图1是本实用新型实施例提供的光学模组的结构示意图之一；
28.图2是本实用新型实施例提供的光学模组的两个透镜之间空气间隔的边缘厚度的原理示意图；
29.图3是本实用新型实施例提供的光学模组450nm下调制传递函数 mtf曲线；
30.图4是本实用新型实施例提供的光学模组540nm下调制传递函数 mtf曲线；
31.图5是本实用新型实施例提供的光学模组610nm下调制传递函数 mtf曲线；
32.图6是本实用新型实施例提供的光学模组的结构示意图之二；
33.图7是本实用新型实施例提供的光学模组的结构示意图之三。
34.附图标记说明：
35.10、第一透镜；11、第一表面；12、第二表面；20、第二透镜；21、第三表面；22、第四表面；30、显示屏幕；40、偏振反射元件；50、第一相位延迟器；60、分光元件；70、光轴；80、偏振元件；90、第二相位延迟器；01、光阑；02、光线；03、中心主光线。
具体实施方式
36.现在将参照附图来详细描述本实用新型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实用新型的范围。
37.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，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。
38.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
39.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。
40.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。
41.下面结合附图1至图7对本实用新型实施例提供的光学模组以及头戴显示设备进行地详细描述。
42.根据本实用新型实施例的一个方面，提供了一种光学模组，所述光学模组为一种折叠光路光学结构设计，其可适合应用于头戴显示设备(headmounted display，hmd)，例如vr智能眼镜等。
43.本实用新型实施例提供了一种光学模组，如图1所示，所述光学模组沿光轴70方向依次包括第一透镜10及第二透镜20；
44.所述光学模组还包括偏振反射元件40、第一相位延迟器50及分光元件60，其中，所述第一相位延迟器50位于所述分光元件60与所述偏振反射元件40之间；所述分光元件60位于所述第二透镜20的任一侧，所述第一相位延迟器50及所述偏振反射元件40位于所述第一透镜10的任一侧；
45.其中，所述第一透镜10的口径l1与所述第二透镜20的口径l2的比值为l1/l2，l1/l2满足：0.8＜l1/l2＜1.1。
46.本实用新型实施例提供的光学模组，其中例如可以包含两个光学镜片，分别为上述的第一透镜10及第二透镜20，光学镜片的设置数量少，可以降低装配难度、光学模组的尺寸及生产成本。
47.如图1所示，本实用新型实施例提供的光学模组，第一透镜10可以设计位于靠近光阑01的一侧，此时，第二透镜20可以位于远离光阑01的一侧，通过合理减小这两个透镜的口径比值，可以调整光线在显示屏幕30 上的出射角度，例如可以使该出射角度适当减小。如此，可以使光学模组边缘视场与中心视场的成像亮度差异减小，从而可以提升成像画面品质，提升用户观看体验。
48.通常，光线在显示屏幕上出射角度越大，中心光线强度就越大，边缘光线则比较弱，这就导致了中心视场成像亮度大而边缘视场成像亮度低。基于此，需要对光线在显示屏幕上的出射角度进行合理调控。
49.如图2所示，在图2示出的光学模组中，边缘视场光线在显示屏幕30 上的出射角度例如为a，也即在光学模组最大视场下，光束的中心主光线 03在显示屏幕30上的出射角度。本实用新型的实施例中，通过使靠近光阑01一侧的第一透镜10与远离光阑01一侧的第二透镜20的口径比值调整为上述范围，可以改善光线在显示屏幕30的出射角度，以此实现边缘视场与中心视场成像效果一致，改善边缘视场与中心视场成像亮度差异大的问题。
50.本实用新型实施例提供的光学模组，除了包含第一透镜10及第二透镜20之外，还包含偏振反射元件40、第一相位延迟器50及分光元件60，如此可以形成一种折叠光路。
51.本实用新型实施例提供的光学模组，其是一种折叠光路结构，如图1、图6及图7所示，光学模组中的各个光学镜片及光学元件可以按照设定的方式排列并位于同一光轴70
上。整个光路结构的尺寸较小，并不会占用较大的空间。非常适合应用于智能穿戴设备，例如头戴显示设备。
52.其中，分光元件60例如为半反半透膜。
53.分光元件60可供一部分光线透射，一部分光线反射。
54.需要说明的是，分光元件60的反射率可以根据具体需要灵活调整，本实用新型实施例中对此不作限制。
55.其中，偏振反射元件40例如为偏振反射膜。
56.偏振反射元件40例如是一种可供水平线偏振光反射，竖直线偏振光透过的偏振反射器件。或者，偏振反射元件40可以供其他任一特定角度线偏振光反射，与该角度垂直方向线偏振光透过的偏振反射器件。
57.其中，第一相位延迟器50例如为四分之一波片或者其他相位延迟片。
58.相位延迟器可用于改变折叠光路结构中光线的偏振状态。例如，用于将线偏振光转化为圆偏振光，或者用于将圆偏振光转化为线偏振光。
59.在本实用新型的实施例中，第一相位延迟器50与偏振反射元件40配合可用于解析光线，并对光线进行传递。
60.本实用新型实施例提供了一种折叠光路设计方案，该光学模组中可以包括两个透镜，通过合理调整这两个透镜的口径比值，可以有效减小光线在显示屏幕上的出射角度，进而可以使光学模组边缘视场与中心视场的成像亮度差异减小，可以提升成像画面品质。
61.需要说明的是，在现有的相关技术中，都是通过调整透镜或者光学膜的数量和位置等方式调整光学模组的成像质量。但本实用新型实施例提供的方案并非如此。本实用新型实施例提供的方案创造性的发现通过调整两个透镜的口径比值，以此可以减小光线在显示屏幕上的出射角度，可以使光学模组边缘视场与中心视场的成像亮度差异减小，可以提升成像画面质量。
62.如此，当将光学模组应用于头戴显示设备中，可以提升用户观看画面的使用体验感。
63.在本实用新型的一些示例中，所述第一透镜10的口径l1与所述第二透镜20的口径l2的比值设置为l1/l2，则l1/l2满足：0.89≤l1/l2≤1.06。
64.也就是说，当光学模组中第一透镜10的口径l1与第二透镜20的口径 l2的比值在上述0.89～1.06这一范围时，可以合理减小光线在显示屏幕30 上的出射角度，以此来保证边缘视场和中心视场的成像亮度一致，使得用户在使用该光学模组时具有较佳的观看体验。
65.在本实用新型的一些示例中，如图1所示，所述光学模组还包括显示屏幕30，所述显示屏幕30位于所述第二透镜20背离所述第一透镜10的一侧；所述显示屏幕30具有出光面，该出光面能够用于出射光线，所述显示屏幕30的出射角度为＜35
°
。
66.其中，显示屏幕30的出光面例如可以贴装屏幕保护片。
67.显示屏幕30的出光面所发出的光线可以为线偏振光，也可以是圆偏振光或者自然光，本实用新型实施例中对此不作限制。
68.显示屏幕30可以是自发光式屏幕或者反射式屏幕。
69.自发光式屏幕包括但不限于lcd、led、oled、micro-oled、uled 等。反射式屏幕包括但不限于dmd(digital micromirrordevice)数字微镜芯片。
70.也就是说，本实用新型实施例的光学模组，在光阑01与显示屏幕30 之间可以设置有两个透镜以及多个光学元件，各个光学元件在光路结构中的位置可以根据实际需要灵活选择，本实用新型实施例中对此不作限制。
71.在本实用新型实施例的光学模组中，通过将靠近光阑01一侧的第一透镜10与远离光阑01一侧的第二透镜20的口径比值控制在一定的范围之内，可以适当的调整光线在显示屏幕30上的出射角度a，如图2所示。
72.例如，出射角度a可以调整为35
°
以下，甚至更小，具体可以根据第一透镜10与第二透镜20的口径比l1/l2进行调整，最终使得光学模组边缘视场和中心视场的成像亮度一致，这样可以提升成像画面质量。
73.在本实用新型的一些示例中，所述光学模组的边缘视场和中心视场的成像亮度差异小于20％。
74.通过减小第一透镜10与第二透镜20的口径比值，可以将光学模组的边缘视场和中心视场的成像亮度差异控制在很小，例如可以在20％，甚至在 20％以下。如此，使得光学模组的边缘视场具有较佳的成像亮度。
75.在本实用新型的一些示例中，所述偏振反射元件40具有光线透过的透过轴，所述偏振反射元件40的透过轴与所述第一相位延迟器50的快轴或者慢轴之间的夹角为45
°
。
76.本实用新型实施例的光学模组中，第一相位延迟器50与偏振反射元件 40二者均位于同一光轴70上，第一相位延迟器50需要位于分光元件60 与偏振反射元件40之间，但其具体设置位置可以根据需要灵活调整。
77.偏振反射元件40具有透过轴，偏振反射元件40的透过轴与第一相位延迟器50的快轴之间的夹角设置为45
°
，偏振反射元件40的透过轴与第一相位延迟器50的慢轴之间的夹角设置为负45
°
。
78.偏振反射元件40例如是一种可供水平线偏振光反射，竖直线偏振光透过的偏振反射器件。或者，偏振反射元件40可以供其他任一特定角度线偏振光反射，与该角度垂直方向线偏振光透过的偏振反射器件。
79.第一相位延迟器50例如为四分之一波片，可用于改变折叠光路结构中光线的偏振状态。在本实用新型的实施例中，第一相位延迟器50与偏振反射元件40配合可用于解析光线，并对光线进行传递。
80.第一相位延迟器50具有快轴和慢轴。其中，与偏振反射元件40的透过轴方向相同的光线可以透过偏振反射元件40，而与偏振反射元件40的透过轴方向正交的光线，无法透过偏振反射元件40。
81.可选的是，偏振反射元件40及第一相位延迟器50可以为独立的光学器件，也可以为膜结构。
82.需要说明的是，偏振反射元件40及第一相位延迟器50可以贴装在一起，二者也可以呈间隔设置，本实用新型实施例中对此不作限制。
83.在本实用新型一个具体的实施例中，如图1所示，光学模组沿光轴方向依次包括第一透镜10及第二透镜20，第一透镜10位于靠近光阑01的一侧，第二透镜20位于显示屏幕30的一侧；其中，第一透镜的口径l1与第二透镜的口径l2的比值为l1/l2，l1/l2满足：0.89≤l1/l2≤1.06；光学模组还包括偏振反射元件40、第一相位延迟器50及分光元件60，偏振反射元
件40及第一相位延迟器50位于第一透镜10靠近光阑01的表面上，分光元件60位于第二透镜20靠近显示屏幕30的表面。其中，显示屏幕30 的出射角度为＜35
°
。光学模组的边缘视场和中心视场的成像亮度差异小于 20％。
84.在本实用新型的一些示例中，如图1所示，所述光学模组还包括偏振元件80及第二相位延迟器90，所述偏振元件80及所述第二相位延迟器90 位于所述显示屏幕30的出光面一侧，其中，所述偏振元件80位于所述第二相位延迟器90与所述显示屏幕30的出光面之间。
85.其中，偏振元件80例如可以为线偏振片。其具有光线透过的透过轴，其透过轴的方向可以为沿着水平方向、竖直方向或者其他任一方向。显示屏幕30的发光面所发射的光线在经过偏振元件80时，可以转化为线偏振光。
86.在本实用新型的一些示例中，所述分光元件60位于所述第一相位延迟器50与所述第二相位延迟器90之间。
87.分光元件60在光学模组中的设置位置非常灵活，可以根据实际需要进行调整。
88.在本实用新型的一些示例中，所述偏振元件80为线偏振器，所述第二相位延迟器90的快轴或慢轴方向与所述偏振元件80的透过轴方向夹角为 45
°
。
89.在本实用新型的实施例中，第二相位延迟器90和偏振元件80沿显示屏幕30的发光面发出的光线的传播方向依次设置。偏振元件80具有透过轴，偏振元件80的透过轴与第二相位延迟器90的快轴之间的夹角为45
°
；其夹角可以是正45
°
，也可以是负45
°
。
90.第二相位延迟器90具有快轴和慢轴。与偏振元件80的透过轴方向相同光线的可以透过偏振元件80，而与偏振元件80的透过轴方向正交的光线，无法透过偏振元件80。
91.在本实用新型的一些示例中，如图1所示，所述偏振元件80与所述第二相位延迟器90可以层叠设置形成第二膜层结构，所述第二膜层结构设于所述显示屏幕30。
92.这种方式可以降低偏振元件80和第二相位延迟器90的装配难度。
93.例如，偏振元件80可以通过光学胶贴装在显示屏幕30的出光面(例如贴装在屏幕保护片背离显示屏幕的一侧)，第二相位延迟器90可以通过光学胶贴装在偏振元件80背离显示屏幕30的出光面的一侧。
94.需要说明的是，当显示屏幕30可以直接发出圆偏振光时，可以在光学模组中省去偏振元件80及第二相位延迟器90的设计。使得光学模组的尺寸更小、重量更轻。
95.此外，偏振元件80及第二相位延迟器90也可以间隔设置，且设置于显示屏幕30的出光一侧的合适位置。
96.在本实用新型的一些示例中，如图1所示，所述第一透镜10包括第一表面11及第二表面12，所述第二透镜20包括第三表面21及第四表面22，其中，所述第二表面12与所述第三表面21为相邻且间隔设置；
97.所述分光元件60设于所述第四表面22；
98.所述偏振反射元件40与所述第一相位延迟器50层叠设置形成第一膜层结构，所述第一膜层结构设于所述第二表面12。
99.其中，分光元件60为半反半透膜，其能保证一部分光线透过，一部分光线反射。
100.分光元件60可以设置为独立的光学器件设置于光路结构中，其也可以设置为膜结构贴设在第二透镜20的第四表面22上，本领域技术人员可以根据具体需要灵活选择，本实用新型在此不作具体限制。
101.其中，偏振反射元件40和第一相位延迟器50设于的第二表面12可以为平面、球面、非球面、自由曲面或者柱面其中的任意一种。
102.也就是说，偏振反射元件40和第一相位延迟器50二者可以形成膜层结构，并可以设置在多种面型的光学元件(例如，第一透镜10)上，从而使得偏振反射元件40和第一相位延迟器50能够有效适应安装面的位置。
103.本实用新型的实施例中，将分光元件60、第一相位延迟器50及偏振反射元件40贴装在不同透镜的表面上，可以降低光学模组的装配难度，节省成本。
104.本实用新型实施例提供的光学模组，如图1所示，光线的传播过程如下：
105.显示屏幕30发出的光线透过偏振元件80后成为水平线偏振光，透过第二相位延迟器90后成为左旋或右旋圆偏振光，透过分光元件60、第二透镜20 及第一透镜10后，透过第一相位延迟器50成为水平线偏振光；然后被偏振反射元件40反射后，成为水平线偏振光，然后透过第一相位延迟器50、第一透镜10及第二透镜20后，成为左旋或右旋圆偏振光，然后由分光元件60反射后，形成右旋或左旋圆偏振光，然后再次透过第一透镜10、第二透镜20和第一相位延迟器50后，成为竖直线偏振光，进入光阑01。
106.本实用新型实施例提供的光学模组中，可以将靠近光阑01一侧的透镜与远离光阑01一侧的透镜口径的比值调整为0.89～1.06，以此使得光线在显示屏幕30上的出射角度较小，同时光学模组具有较好成像质量。
107.实施例1
108.如图1所示，所述光学模组沿光轴70方向依次包括第一透镜10及第二透镜20，所述第一透镜10可以位于靠近光阑01一侧，所述第二透镜20 位于远离光阑01一侧；所述第一透镜10的口径l1与所述第二透镜20的口径l2的比值为l1/l2，l1/l2为0.99；
109.所述第一透镜10包括第一表面11及第二表面12，所述第二透镜20 包括第三表面21及第四表面22，其中，所述第二表面12与所述第三表面 21为相邻且间隔设置；
110.所述光学模组还包括偏振反射元件40、第一相位延迟器50及分光元件60；其中，所述分光元件60为半反半透膜，所述分光元件60设于所述第四表面22；所述第一相位延迟器50为四分之一波片，所述偏振反射元件40为偏振反射膜，所述偏振反射元件40与所述第一相位延迟器50层叠设置形成第一膜层结构，所述第一膜层结构设于所述第二表面12；
111.所述光学模组还包括显示屏幕30，所述显示屏幕30具有出光面，所述出光面用于发射出入射光线，所述显示屏幕30位于所述第二透镜20背离所述第一透镜10的一侧；
112.所述光学模组还可以包括第二相位延迟器90及偏振元件80，所述偏振元件80与所述第二相位延迟器90叠设形成第二膜层结构，所述第二膜层结构设于所述显示屏幕30的出光面。
113.在整个光学模组中，所述第一透镜10的口径l1与所述第二透镜20的口径l2的比值为0.99，光线在显示屏幕30上的出射角度a为18.2
°
。
114.在表1中示出了实施例1提供的光学模组的具体参数。
115.表1结构参数表
[0116][0117][0118]
图3、图4及图5分别示出了在450nm、540nm、610nm下，本实用新型实施例提供的光学模组调制传递函数mtf曲线。
[0119]
从图3-图5中可以看出：在20lp/mm空间频率下：
[0120]
450nm波长下，光学模组的mtf值高于0.8；
[0121]
540nm波长下，光学模组的mtf值高于0.5；
[0122]
610nm波长下，光学模组的mtf高于0.3。
[0123]
本实用新型实施例提供的光学模组可以清晰成像。
[0124]
实施例2
[0125]
表2中示出了实施例2提供的光学模组的结构参数。
[0126]
图6示出了该光学模组的结构，其与实施例1的不同之处在于：
[0127]
在光学模组中，所述第一透镜10的口径l1与所述第二透镜20的口径 l2的比值为1.06，光线在显示屏幕30上的出射角度a为22.4
°
。
[0128]
表2结构参数表
[0129][0130][0131]
本实用新型实施例2提供的光学模组分别在450nm、540nm、610nm，在20lp/mm空间频率下的调制传递函数mtf曲线与图3至图5示出的调制传递函数mtf曲线近似。本实施例2提供的光学模组也可以清晰成像。
[0132]
实施例3
[0133]
表3中示出了实施例3提供的光学模组的结构参数。
[0134]
图7示出了该光学模组的结构，其与实施例1的不同之处在于：
[0135]
在光学模组中，所述第一透镜10的口径l1与所述第二透镜20的口径 l2的比值为0.89，则光线在显示屏幕30上的出射角度a为10
°
。
[0136]
表3结构参数表
[0137][0138]
本实用新型实施例3提供的光学模组分别在450nm、540nm、610nm，在20lp/mm空间频率下的调制传递函数mtf曲线与图3至图5示出的调制传递函数mtf曲线近似。本实施例3提供的光学模组也可以清晰成像。
[0139]
根据本实用新型实施例的另一方面，还提供了一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括壳体，以及如上述所述的光学模组。
[0140]
所述头戴显示设备例如为vr头戴设备，包括vr眼镜或者vr头盔等，本实用新型实施例对此不做具体限制。
[0141]
本实用新型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。
[0142]
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。
[0143]
虽然已经通过示例对本实用新型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，而不是为了限制本实用新型的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本实用新型的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本实用新型的范围由所附权利要求来限定。