光学显示模组及近眼显示设备的制作方法

1.本公开涉及光学显示技术领域，尤其涉及一种光学显示模组及一种近眼显示设备。


背景技术：

2.增强现实技术(augmented reality，简称ar)是在展示真实场景的同时，通过图像、视频、3d模型等技术为用户提供虚拟信息，实现将虚拟信息与现实世界巧妙地相互融合，为用户提供超越现实的感官。当前在众多ar光学解决方案中，birdbath方案以其低成本，结构紧凑，较好的光学效果等因素受到大量的关注。在birdbath方案中，通过光路中的偏振元件操纵显示器输出图像，使该图像与外部环境光叠加输入人眼。而偏振元件都是针对轴向光进行设计，因此在传输图像时仅在轴向不会发生漏光，而非轴向特别是大视角时会发生严重的漏光，从而导致各个视角的显示能力不均匀(斜视能力小于正视能力)。
3.图1示出了一种传统birdbath结构漏光示意图，在该结构中，轴向光路不会漏光，即轴向信号光在首次入射到反射式偏振片时全部被反射，而大角度的信号光会在第一次入射到反射式偏振片以及第二次入射到反射式偏振片时发生漏光，如图1中的漏光1和漏光2，这些漏光会导致斜视能力小于正视能力。
4.背景技术部分的内容仅仅是公开发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。


技术实现要素：

5.有鉴于现有的一个或多个缺陷，本实用新型提供一种光学显示模组，包括：
6.反射式偏振片，配置成接收第一线偏光并反射，还配置成接收第二线偏光并透射至观察端；
7.分光镜组，设置于所述反射式偏振片的远离观察端的一侧，配置成接收被所述反射式偏振片反射的第一线偏光并转换为第二线偏光；
8.第一相位补偿单元，配置成补偿入射至所述反射式偏振片的第一线偏光的相位；和/或
9.第二相位补偿单元，配置成补偿入射至所述反射式偏振片的第二线偏光的相位；
10.其中，所述反射式偏振片的轴向与所述分光镜组的轴向夹角在30度到60度之间。
11.根据本实用新型的一个方面，所述光学显示模组还包括：
12.第一偏振片，设置于所述第一相位补偿单元的光路上游，配置成接收信号光并调制成所述第一线偏光；和
13.透镜单元，设置于所述第一相位补偿单元和所述反射式偏振片之间，配置成对相位补偿后的第一线偏光进行放大变焦并投射至所述反射式偏振片。
14.根据本实用新型的一个方面，其中所述第一相位补偿单元的光轴位于与所述第一偏振片的透光轴正交的平面内、或与所述第一偏振片的吸光轴正交的平面内。
15.根据本实用新型的一个方面，其中所述分光镜组还包括：
16.第一相位延迟单元，配置成接收反射的第一线偏光并转换为第一圆偏光；和
17.分光单元，配置成接收所述第一圆偏光并部分反射；
18.其中，所述第一相位延迟单元还配置成接收部分反射的第一圆偏光并转换为所述第二线偏光。
19.根据本实用新型的一个方面，其中所述第二相位补偿单元设置于所述第一相位延迟单元和所述分光单元之间。
20.根据本实用新型的一个方面，其中所述第二相位补偿单元设置于所述反射式偏振片和所述第一相位延迟单元之间。
21.根据本实用新型的一个方面，其中所述第二相位补偿单元的光轴位于与反射的第一线偏光偏振方向正交的平面内，或与第二线偏光偏振方向正交的平面内。
22.根据本实用新型的一个方面，所述光学显示模组还包括：
23.第二偏振片，配置成接收环境光并调制成第三线偏光；和
24.第二相位延迟单元，设置于所述第二偏振片和所述分光镜组之间，配置成接收所述第三线偏光并转换为第三圆偏光；
25.其中，所述分光镜组还配置为将所述第三圆偏光部分透射并转换为第四线偏光，所述反射式偏振片还配置为接收所述第四线偏光并透射至观察端。
26.根据本实用新型的一个方面，其中所述反射式偏振片的轴向与所述分光镜组的轴向夹角为45度。
27.本实用新型还涉及一种近眼显示设备，包括：
28.显示屏；和
29.如上所述的光学显示模组，设置在所述显示屏的光路下游。
30.本实用新型在birdbath基本结构上进行改进，减小偏振元件在大视角下产生的漏光，从而增强斜视能力，消除或降低非轴向光的漏光的同时对轴向光无影响，从而在各个视角上提供均匀的显示能力。
附图说明
31.构成本公开的一部分的附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：
32.图1示出了一种传统birdbath结构漏光示意图；
33.图2a-图2d示出了本实用新型多个实施例的光学显示模组结构示意图；
34.图3示出了本实用新型一个实施例的光学显示模组光路示意图。
具体实施方式
35.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。
36.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。
37.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。
38.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上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
39.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。
40.本实用新型在birdbath基本结构上进行改进，减小偏振元件在大视角下产生的漏光，从而增强斜视能力，消除或降低非轴向光的漏光的同时对轴向光无影响，从而在各个视角上提供均匀的显示能力。
41.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。
42.图2a示出了本实用新型一个实施例的光学显示模组结构示意图，光学显示模组包括反射式偏振片3、分光镜组、第一相位补偿单元71以及第二相位补偿单元72，具体如下：
43.反射式偏振片3，配置成接收第一线偏光并反射，还配置成接收第二线偏光并透射至观察端。信号光沿光路81传播时为轴向光线，信号光沿光路91传播时为大角度非轴向光线。沿光路81传播的信号光转换为第一线偏光后入射至反射式偏振片3并全部被反射，反射后的第一线偏光转换为第二线偏光再次入射至反射式偏振片3，第二线偏光全部透射至观察端。由图2a可见，轴向信号光在传输时不会发生漏光。如果未采用本实用新型的方案，沿光路91传播的信号光转换为第一线偏光后入射至反射式偏振片3，部分反射，部分透射形成漏光901，部分反射的第一线偏光转换为第二线偏光再次入射至反射式偏振片3，第二线偏光部分透射至观察端，部分反射形成漏光902。由此可见，非轴向信号光在传输时会发生漏
光，并且视角越大漏光越严重。如果采用本实用新型的方案，可以消除或减小漏光901和/或漏光902，从而增强斜视能力，以在各个视角上提供均匀的显示能力。无论是否采用本实用新型的方案，沿光路81传播的轴向信号光均不会发生漏光。
44.分光镜组，设置于所述反射式偏振片3的远离观察端的一侧，配置成接收被所述反射式偏振片3反射的第一线偏光并转换为第二线偏光。继续参考图2a，沿光路81传播的信号光转换为第一线偏光后入射至反射式偏振片3并全部被反射，反射后的第一线偏光入射至分光镜组，部分反射并转换为第二线偏光再次入射至反射式偏振片3，第二线偏光全部透射至观察端。
45.根据本实用新型的一个优选实施例，其中所述分光镜组还包括第一相位延迟单元41和分光单元5，具体如下：
46.第一相位延迟单元41，配置成接收反射的第一线偏光并转换为第一圆偏光。分光单元5，配置成接收所述第一圆偏光并部分反射。其中，所述第一相位延迟单元41还配置成接收部分反射的第一圆偏光并转换为所述第二线偏光。
47.继续参考图2a，沿光路81传播的信号光转换为第一线偏光后入射至反射式偏振片3并全部被反射，反射后的第一线偏光入射至分光镜组中的第一相位延迟单元41，第一相位延迟单元41接收反射的第一线偏光并转换为第一圆偏光，第一圆偏光入射至分光单元5，分光单元接收第一圆偏光并将部分第一圆偏光反射，反射的第一圆偏光返回到第一相位延迟单元41，并被转换为第二线偏光，第二线偏光入射至反射式偏振片3并全部透射至观察端。
48.第一相位补偿单元71，配置成补偿入射至所述反射式偏振片3的第一线偏光的相位。第二相位补偿单元72，配置成补偿入射至所述反射式偏振片3的第二线偏光的相位。
49.继续参考图2a，第一相位补偿单元71配置为使得经过其并首次到达所述反射式偏振片3的光全部被反射，第二相位补偿单元72配置为使得经过其并首次到达所述反射式偏振片3的光全部被反射。
50.根据本实用新型的一个优选实施例，其中所述第二相位补偿单元72设置于所述第一相位延迟单元41和所述分光单元5之间。
51.继续参考图2a，光路91和92均为大视角光路。在光路中没有添加相位补偿单元时，沿光路91传播的光线在第一次经过反射式偏振片3时不能被全部反射，而是部分透射形成漏光901；沿光路91和92传播的光线第二次经过反射式偏振片3时，也不是全部透射，而是部分反射形成漏光902。漏光901和902会降低大视角光路91和92的强度，从而导致大视角的显示能力不如正视角。本实施例在光路中添加了第一相位补偿单元71后，漏光901会被消除或降低，添加了第二相位补偿单元72后，漏光902会被消除或降低，从而使大视角的光线强度与正视角光线强度相当，即光学显示模组可以在各个视角上提供均匀的显示能力。
52.根据本实用新型的一个优选实施例，继续参考图2a，所述光学显示模组还包括第一偏振片1和透镜单元2，具体如下：
53.第一偏振片1，设置于所述第一相位补偿单元71的光路上游，配置成接收信号光并调制成所述第一线偏光。第一偏振片1例如由二向色性材料制成，当信号光通过第一偏振片1时，其中正交偏振分量之一被偏振片吸收，另一分量被调制成第一线偏光。
54.透镜单元2，设置于所述第一相位补偿单元71和所述反射式偏振片3之间，配置成对相位补偿后的第一线偏光进行放大变焦并投射至所述反射式偏振片3。
55.图3示出了本实用新型一个实施例的光学显示模组光路示意图，结合图2a，光学显示模组包括：第一偏振片1、第一相位补偿单元71、透镜单元2、反射式偏振片3、第一相位延迟单元41、第二相位补偿单元72以及分光单元5。第一偏振片1用于接收显示屏(未示出)发出的图像信号光a1并产生第一线偏光a2；第一线偏光a2经过第一相位补偿单元71变为第一线偏光a3，再经过透镜单元2变为第一线偏光a4，第一线偏光a4入射到反射式偏振片3时被全部反射；接着反射光a5经过第一相位延迟单元41变为第一圆偏光a6，经过第二相位补偿单元72后变为第一圆偏光a7；然后当第一圆偏光a7入射到分光单元5时部分被反射并形成第二圆偏光a8；第二圆偏光a8经过第二相位补偿单元72后变为第二圆偏光a9，经过第一相位延迟单元41后变为第二线偏光a10；第二线偏光a10在到达反射式偏振片3时全部透射形成透射光a11并进入人眼。
56.根据本实用新型的一个优选实施例，所述光学显示模组还包括第二偏振片6和第二相位延迟单元42，具体如下：
57.第二偏振片6，配置成接收环境光并调制成第三线偏光。第二相位延迟单元42，设置于所述第二偏振片6和所述分光镜组之间，配置成接收所述第三线偏光并转换为第三圆偏光。其中，所述分光镜组还配置为将所述第三圆偏光部分透射并转换为第四线偏光，所述反射式偏振片3还配置为接收所述第四线偏光并透射至观察端。
58.结合图2a和图3，环境光b1沿轴向光路82通过第二偏振片6后变为第三线偏光b2；该第三线偏光b2在经过第二相位延迟单元42后变为第三圆偏光b3；第三圆偏光b3在分光单元5上部分透射形成第三圆偏光b4；第三圆偏光b4经过第二相位补偿片72变为第三圆偏光b5，经过第一相位延迟单元后变为第四线偏光b6；第四线偏光b6经过反射式偏振片3透射形成透射光b7并进入人眼。环境光沿非轴向光路92传播时，路径相同，此处不再赘述。
59.继续参考图3，当第一圆偏光a7入射到分光单元5时部分被反射并形成第二圆偏光a8，部分透射并继续经过第二相位延迟单元42变为第二线偏光(未示出)并在到达第二偏振片6时被吸收，以防止前向漏光；第三圆偏光b3在分光单元5上部分反射并返回第二相位延迟单元42变为第三线偏光(未示出)，再次到达第二偏振片6时透射。
60.光学显示模组中的第一偏振片1和第二偏振片6都是透射第一线偏光，吸收第二线偏光；反射式偏振片3是透射第二线偏光，反射第一线偏光。
61.综上所述，图像信号光a1沿光路依次经过多个光学元件后变为a11进入人眼，环境光沿光路依次经过多个光学元件后变为b7进入人眼，亦即，利用光学元件的半透半反特性，光学显示模组将部分信号光反射到观察端的同时，外部环境光也可以穿过光学显示模组，在展示真实场景的同时，还能为佩戴者提供虚拟信息，从而实现真实世界景象与虚拟图像的融合，为佩戴者提供超越现实的视觉感受。
62.以上对光学显示模组的结构进行了介绍，其中所述反射式偏振片3的轴向与所述分光镜组的轴向夹角在30度到60度之间。优选地，反射式偏振片3的轴向与分光镜组的轴向夹角为45度，以实现更加紧凑的、更适于佩戴的结构。
63.根据本实用新型的一个优选实施例，其中所述第一相位补偿单元71的光轴位于与所述第一偏振片1的透光轴正交的平面内、或与所述第一偏振片1的吸光轴正交的平面内。
64.根据本实用新型的一个优选实施例，其中所述第二相位补偿单元72的光轴位于与反射的第一线偏光偏振方向正交的平面内，或与第二线偏光偏振方向正交的平面内。
65.根据本实用新型的一个优选实施例，其中所述第一相位延迟单元41和/或第二相位延迟单元42为四分之一波片。
66.第一偏振片1、第二偏振片6、第一相位延迟单元41、第二相位延迟单元42、第一相位补偿单元71、第二相位补偿单元72、分光单元5中的一个或多个为依附于承靠面的膜层，例如贴附在透镜表面，透镜表面可以为平面也可以为曲面，都在本实用新型的保护范围内。
67.优选地，其中所述第一相位补偿单元和/或第二相位补偿单元包括正a膜、负a膜、正b膜、负b膜、正c膜、负c膜、z膜中的一种或多种相位补偿膜膜片。
68.第一相位补偿单元71和/或第二相位补偿单元72可以包含单个的正a膜(nz＝ny＜nx)、负a膜(nz＝ny》nx)、正c膜(nz＞nx＝ny)、负c膜(nz《nx＝ny)、正b膜(nz＜ny＜nx)、负b膜(nz＞nx＞ny)、z膜(nx＞nz＞ny)等其他类型的相位补偿膜膜片，也可是多个这些膜片的组合。其中，nx，ny、nz分别为膜片在三维坐标系内的折射率。
69.根据本实用新型的一个优选实施例，其中所述第二相位补偿单元72设置于所述反射式偏振片3和所述第一相位延迟单元41之间。
70.图2b示出了本实用新型另一个实施例的光学显示模组结构示意图，与图2a实施例的不同之处在于：第二相位补偿单元72在图2a实施例中设置于第一相位延迟单元41和分光单元5之间，在图2b实施例中设置于反射式偏振片3和第一相位延迟单元41之间。本实施例在光路中设置第一相位补偿单元71后，漏光901会被消除或降低，设置第二相位补偿单元72后，漏光902会被消除或降低，从而使大视角的光线强度与正视角光线强度相当，即光学显示模组可以在各个视角上提供均匀的显示能力。
71.图2a和图2b的实施例中均包括了第一相位补偿单元71和第二相位补偿单元72，但根据应用场景或需求，可以选择仅配置第一相位补偿单元71，或仅配置第二相位补偿单元72，以下通过实施例进一步介绍。
72.图2c示出了本实用新型另一个实施例的光学显示模组结构示意图，与图2a实施例的不同之处在于：没有设置第二相位补偿单元72，此时无法消除漏光902，但可以消除或降低漏光901，仍能增强斜视能力。
73.图2d示出了本实用新型另一个实施例的光学显示模组结构示意图，与图2a实施例的不同之处在于：没有设置第一相位补偿单元71，此时无法消除漏光901，但可以消除或降低漏光902，仍能增强斜视能力。可选地，第二相位补偿单元72可以设置在反射式偏振片3和第一相位延迟单元41之间。
74.综上所述，本实用新型在birdbath基本结构上进行改进，减小偏振元件在大视角下产生的漏光，从而增强斜视能力，消除或降低非轴向光的漏光的同时对轴向光无影响，从而在各个视角上提供均匀的显示能力。
75.本实用新型还涉及一种近眼显示设备，包括：
76.显示屏；和
77.如上所述的光学显示模组，设置在所述显示屏的光路下游。
78.本实用新型的近眼显示设备基于birdbath设计，并在birdbath基本结构上进行改进，减小偏振元件在大视角下产生的漏光，从而增强斜视能力，消除或降低非轴向光的漏光的同时对轴向光无影响，从而在各个视角上提供均匀的显示能力。
79.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。