光学模组以及头戴显示设备

技术领域

本申请实施例涉及增强现实光学现实技术领域，更具体地，本申请实施例涉及一种光学模组以及头戴显示设备。

背景技术

目前，在增强现实传统光学架构的设计中，存在体积较大的问题，技术瓶颈在于有效焦距受像高和视场角的限制，导致形成的光学模组体积较大，这在传统自由曲面方案和Birdbath方案中有突出体现。

随着人们对增强现实产品的佩戴舒适性要求越来越高，对增强现实产品提出了轻薄化的设计要求。但是，现有的应用在增强现实产品中的光学模组除了光波导器件外无法满足在轻薄化的情况下兼顾成像效果。

发明内容

本申请的目的是提供一种光学模组以及头戴显示设备的新技术方案，能够实现增强现实类产品的轻薄化设计需求。

第一方面，本申请提供了一种光学模组。应用于AR显示设备，所述光学模组包括成像镜组，及设置在所述成像镜组的光路之间的分光元件、第一相位延迟器和偏振反射元件，且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；

所述成像镜组包括沿同一光轴设置的第一镜片及第二镜片；所述第一镜片为平板元件，所述第二镜片弯月形镜片；

在出瞳距离≥30mm及眼盒≥14mm的情况下，所述光学模组的光学总长TTL<21mm。

可选地，所述第一镜片为塑料材质或者玻璃材质；

所述第二镜片为塑料材质，所述第二镜片的两个表面均为非球面。

可选地，所述成像镜组还包括第三镜片，且所述第三镜片位于所述第二镜片远离所述第一镜片的一侧；

所述第三镜片为平凸塑料镜片，所述第三镜片远离所述第二镜片的表面为凸面。

可选地，在所述出瞳距离≥30mm及眼盒≥14mm的情况下，所述光学模组的全视场点列图RMS半径<10μm，全视场MTF>0.6 @0.25倍奈奎斯特频率，且畸变>-2%，色差＜16μm。

可选地，所述光学模组的光学总长TTL与所述成像镜组中最大镜片的口径L

0.75≤TTL/L

可选地，所述第二镜片位于所述第一镜片与所述第三镜片之间，所述第二镜片的口径L

所述光学模组的光学总长TTL与所述第二镜片的口径L

可选地，所述第二镜片靠近所述第一镜片的表面的曲率半径R

所述第三镜片远离所述第二镜片的表面的曲率半径R

可选地，所述光学模组的有效焦距f为：18.5mm＜f＜22mm。

可选地，所述第一镜片为玻璃材质，且折射率大于1.65；

所述第二镜片及所述第三镜片的折射率小于1.57。

可选地，所述分光元件设于所述第二镜片远离所述第一镜片的表面；

所述第一相位延迟器及所述偏振反射元件叠设形成第一叠合片，所述第一叠合片设于所述第一镜片靠近所述第二镜片的表面。

可选地，所述光学模组还包括第一偏振元件，所述第一偏振元件设置在所述偏振反射元件背离所述第一相位延迟器的一侧，所述第一偏振元件的透射方向与所述偏振反射元件的透射方向相同。

可选地，所述光学模组还包括显示屏，所述显示屏位于所述第二镜片远离所述第一镜片的一侧，所述显示屏的出光面上设有第二叠合片，所述第二叠合片包括第二相位延迟器、第三相位延迟器及设于所述第二相位延迟器与所述第三相位延迟器之间的第二偏振元件。

可选地，所述光学模组还包括显示屏，所述显示屏设于所述第三镜片远离所述第二镜片的一侧，在所述第三镜片的任一表面设置第二叠合片，所述第二叠合片包括第二相位延迟器、第三相位延迟器及设于所述第二相位延迟器与所述第三相位延迟器之间的第二偏振元件。

第二方面，本申请提供了一种头戴显示设备。所述头戴显示设备为AR眼镜或者AR头盔，包括：

壳体；以及

如第一方面所述的光学模组

本申请的有益效果为：

根据本申请实施例提供的光学模组，其为一种折叠光路方案，该光学模组被应用于AR显示设备，可在满足出瞳距离≥30mm及眼盒≥14mm（出瞳孔径8mm+眼动距离±4mm）的条件下，实现模组全视场下的轻薄化的设计需求。本申请实施例中设计的出瞳距离和眼盒均超过现有自由曲面方案和Birdbath方案的普遍规格。

通过以下参照附图对本说明书的示例性实施例的详细描述，本说明书的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

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说明书的实施例，并且连同其说明一起用于解释本说明书的原理。

图1为本申请实施例提供的光学模组的结构示意图；

图2为实施例1提供的光学模组的结构示意图；

图3为图2示出的光学模组的调制传递函数MTF图；

图4为图2示出的光学模组的垂轴色差图；

图5为图2示出的光学模组的网格畸变图；

图6为实施例2提供的光学模组的结构示意图；

图7为图6示出的光学模组的调制传递函数MTF图；

图8为图6示出的光学模组的垂轴色差图；

图9为图6示出的光学模组的网格畸变图；

图10为本申请实施例提供的光学模组的光学总长与直透式光路的光学总长的对比图。

附图标记说明：

01、光阑；1、第一镜片；2、第二镜片；3、第三镜片；4、显示屏；5、第二叠合片；6、分光元件；7、第一相位延迟器；8、偏振反射元件。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本申请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申请的范围。

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，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。

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。

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。

下面结合附图，对本申请实施例提供的光学模组以及头戴显示设备进行详细地描述。

根据本申请实施例的一个方面，提供了一种光学模组，所述光学模组适用于增强现实显示设备例如AR头戴显示设备。具体地，所述AR头戴显示设备包括AR智能眼镜或者AR智能头盔等，本申请实施例对头戴显示设备的具体形式对此不做限制。

本申请实施例提出的光学模组，参见图1所示，其应用于AR显示设备，所述光学模组包括成像镜组，及设置在所述成像镜组的光路之间的分光元件6、第一相位延迟器7和偏振反射元件8，且所述第一相位延迟器7位于所述分光元件6与所述偏振反射元件8之间。所述成像镜组包括沿同一光轴设置的第一镜片1及第二镜片2；所述第一镜片1为平板元件，所述第二镜片2弯月形镜片。在出瞳距离≥30mm及眼盒≥14mm的情况下，所述光学模组的光学总长TTL<21mm。

根据本申请上述实施例提供的光学模组，其为基于折叠光路（pancake）的光学模组，使得折叠光路可被应用于增强现实显示设备（AR设备）中。

本申请上述实施例提供的光学模组，其给出一种新的基于至少两片镜片的偏振反射光学设计架构，该光学架构可在满足出瞳距离≥30mm及眼盒≥14mm（出瞳孔径8mm+眼动距离±4mm）的条件下，实现光学模组在全视场下的轻薄化设计需求。整个光学模组的光学总长<21mm。

需要说明的是，常规增强显示设备，在不使用光波导器件的情况下，通常采用的光学构架为直透式光路。以视场角24°出瞳距离30mm、出瞳直径8mm为例，传统直透式光学构架的光学总长TTL

为实现折转光路，并且尽可能提高量产良率，本申请的光学方案中提出了近光阑01侧的第一镜片1设计为平板镜片，可以在第一镜片1的近光阑01侧贴光学膜，在尽可能减少部件造价和制造难度的条件下实现了折转光路，平板制造和平面贴膜均有助于提高良率。

本申请上述实施例提供的光学模组，可用于工业级增强现实显示设备应用，例如信息提示类单眼增强现实使用。本申请中设计的出瞳距离及眼盒均超过现有自由曲面方案和Birdbath方案的普遍规格。用户在佩戴自己眼镜的情况下也能获得良好的使用体验感。

需要强调的是，本申请实施例提供的光学模组，适合应用于单眼增强现实产品。

本申请上述实施例提供的光学模组，利于实现增强现实显示设备在不使用光波导器件情况下的轻薄化设计，将折叠光路创新的应用在增强现实技术中。基于光学模组的轻薄化，能实现增强现实显示设备的轻薄化，更加适合用户佩戴使用，可提升佩戴的舒适性，长时间佩戴也不会有疲劳感。

本申请实施例提供的光学模组为一种折叠光路，除包含有成像镜组之外，所述光学模组还包含有分光元件6、第一相位延迟器7及偏振反射元件8等用于形成折叠光路的光学器件。这些光学器件的通常形式为膜材，可用以在所述成像镜组内形成折叠光路，使光线在其中进行折返，用以延长光线的传播路径，这利于最终的清晰成像，同时能减小整个光学模组的厚度。

其中，所述分光元件6例如为半透半反射膜。

需要说明的是，所述分光元件6的反射率及透射率可以根据具体需要灵活调整，本申请实施例中对此不作限制。

其中，所述第一相位延迟器7例如为四分之一波片。

当然，这里的所述第一相位延迟器7也可根据需要设置为其他相位延迟片如半波片等。

本申请实施例提供的光学模组中，参见图1，所述第一相位延迟器7位于靠近光阑01一侧的折叠光路中，其可用于改变光线的偏振状态。例如，用于将线偏振光转化为圆偏振光，或将圆偏振光转化为线偏振光。

其中，所述偏振反射元件8例如为线偏振器，其为一种水平线偏振光反射，竖直线偏振光透过的偏振反射器，或者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。

需要强调的是，所述分光元件6、所述第一相位延迟器7及所述偏振反射元件8在近光阑01一侧的成像镜组内可形成折叠光路，上述的各个光学元件在成像镜组内的布设位置较为灵活，但需要保证的是，所述第一相位延迟器7要介于所述分光元件6与所述偏振反射元件8之间。

在本申请的一些示例中，所述第一镜片1为塑料材质或者玻璃材质。所述第二镜片2为塑料材质，所述第二镜片2的两个表面均为非球面。

参见图1，靠近光阑01侧的第一镜片1可以为透光的玻璃平板，也可以为塑料平板。采用玻璃材料可以提升光学模组的耐温性。采用塑料材料利于降低光学模组的重量。

所述第一镜片1与所述第二镜片2采用相同材料，可以降低生产成本。

作为一种较为优选的方案，所述第一镜片1与所述第二镜片2为同种塑料材质。

所述第二镜片2可以设计为凹透镜，具体为弯月形镜片。所述第二镜片2的两个表面均可以设计为非球面。可以有效减少因为镜片折射率差异造成的相差现象。

在本申请的一些示例中，参见图1所示，所述成像镜组还可以包括第三镜片3，且所述第三镜片3位于所述第二镜片2远离所述第一镜片1的一侧；其中的所述第三镜片3为平凸塑料镜片，所述第三镜片3远离所述第二镜片2的表面为凸面。

根据本申请实施例提供的光学模组，其中的成像镜组包括但并不限于使用两片镜片，还可以使用三片镜片或者大于三片镜片。

作为本申请一种较为优选的方式，所述成像镜组内可以使用三片镜片，也即采用上述示例的镜片方案。相比于两片镜片的光学架构，三片镜片形成的光学架构的光学总长更短且成像质量更好。

需要说明的是，当所述成像镜组中使用数量大于三片镜片，增设的镜片有助于减小镜片尺寸和提高成像质量，但会提升生产成本和产品重量，可根据需求情况灵活调整。

根据上述示例，所述第三镜片3例如为凸透镜，其一种形式为上述的平凸塑料镜片。所述第三镜片3与所述第二镜片2的材质均为塑料材料，利于降低成本。并且，近光阑01侧的第二镜片2与第三镜片3分别为凹透镜和凸透镜，这样形成的组合既有利于灵活调整光线高度，以匹配各种尺寸的屏幕，又可用于校正色差，用以解决偏振折转光路中色差过大的问题。

可选的是，所述第二镜片2及所述第三镜片3的材质可选择为低应力的不同注塑材料，可进一步减小色差。

在本申请的一些示例中，在所述出瞳距离≥30mm及眼盒≥14mm的情况下，所述光学模组的全视场点列图RMS半径<10μm，全视场MTF>0.6 @0.25倍奈奎斯特频率，且畸变>-2%，色差＜16μm。

根据上述示例，参见图1示出的光学模组，其给出一种3P偏振反射光学设计架构，可在满足出瞳距离≥30mm及眼盒≥14mm（出瞳孔径8mm + 眼动距离 ±4mm）的条件下，实现全视场低畸变和轻薄化的设计需求。

也就是说，本申请实施例提供的光学模组，在应用于增强现实显示设备中后，不仅可以实现其轻薄化设计，还可以提高成像质量，例如可以在全视场内降低成像的畸变和色差，提升全视场内的清晰度。如此可以使用户获得更好的沉浸式视觉体验感。

在本申请的一些示例中，所述光学模组的光学总长TTL与所述成像镜组中最大镜片的口径L

0.75≤TTL/L

根据上述示例提供的比值，可以更好的控制光学模组中镜片的尺寸，可以在两个方向上压缩光学模组的体积。

根据本申请实施例提供的光学模组，当所述成像镜组包括沿同一光轴依次设置的第一镜片1、第二镜片2及第三镜片3时，参见图2，其中的第二镜片2位于所述第一镜片1与所述第三镜片3之间，所述第二镜片2的口径是最大的，这样，光线在透过所述第三镜片3后，在所述第二镜片2与所述第一镜片1之间进行折返，所述第二镜片2的透光量更大，利于提升光效，利于使更多光线可以进入左侧的光阑01位置进行成像。

在一个例子中，所述第二镜片2位于所述第一镜片1与所述第三镜片3之间，所述第二镜片2的口径L

在本申请的一些示例中，所述第二镜片2靠近所述第一镜片1的表面的曲率半径R

所述第二镜片2为凹透镜，所述第三镜片3远离所述第二镜片2的表面为凸面。

在本申请的一些示例中，所述光学模组的有效焦距f为：18.5mm＜f＜22mm。

本申请实施例提供的光学模组，其光学总长较短，在21mm以下，此时，所述光学模组的有效焦距f与其光学总长有关，其有效焦距在上述的18.5mm~22mm之间，具有短焦的特点。

在本申请的一些示例中，所述第一镜片1为玻璃材质，且折射率大于1.65；所述第二镜片2及所述第三镜片3的折射率小于1.57。

需要说明的是，当在所述成像镜组中设置三个镜片，也即第一镜片1、第二镜片2及第三镜片3时，可以将该三个镜片的材质全部使用塑料材料。

根据上述示例，也可以将第一镜片1的塑料材质替换为玻璃材质，可利用与第二镜片2、第三镜片3的折射率搭配进一步减小色差，也可提高耐温特性。

在本申请的一些示例中，参见图1，所述分光元件6设于所述第二镜片2远离所述第一镜片1的表面；所述第一相位延迟器7及所述偏振反射元件8叠设形成第一叠合片，所述第一叠合片设于所述第一镜片1靠近所述第二镜片2的表面。

其中，所述分光元件6例如为四分之一波片，其可以直接贴装或镀附在所述第二镜片2远离所述第一镜片1的表面上。而所述第一相位延迟器7及所述偏振反射元件8可以设计为叠设以形成上述的第一叠合片，并设于所述第一镜片1靠近所述第二镜片2的表面上。无需在光学架构中再引入单独的平板支撑件去支撑光学膜。这样，光学膜在成像镜组中的组装更为简单，整个光学构架也较为紧凑。

其中，所述偏振反射元件8的反射方向与所述第一相位延迟器7的快轴或慢轴夹角为45°，能够将左旋圆偏振光转换为所述偏振反射元件8反射方向的线偏振光。

根据上述示例，将所述偏振反射元件8与所述第一相位延迟器7设于所述第一镜片1的同一侧，利于二者之间的对位调整。

在本申请的一些示例中，所述光学模组还包括第一偏振元件，所述第一偏振元件设置在所述偏振反射元件8背离所述第一相位延迟器7的一侧，所述第一偏振元件的透射方向与所述偏振反射元件8的透射方向相同。

也就是说，所述第一偏振元件与所述偏振反射元件8透射方向一致，所述第一偏振元件的引入可用于减少鬼像。

其中，可以将所述第一偏振元件、所述偏振反射元件8及所述第一相位延迟器7依次胶合叠设。

在本申请的一些示例中，参见图1，所述光学模组还包括显示屏4，所述显示屏4位于所述第二镜片2远离所述第一镜片1的一侧，所述显示屏4的出光面上设有第二叠合片5。其中，所述第二叠合片5包括第二相位延迟器、第三相位延迟器及设于所述第二相位延迟器与所述第三相位延迟器之间的第二偏振元件。

根据上述示例，当所述成像镜组内仅具有第一镜片1和第二镜片2时，可以在显示屏4的出光面上设置上述的第二叠合片5。

在本申请的一些示例中，参见图1，所述光学模组还包括显示屏4，所述显示屏4设于所述第三镜片3远离所述第二镜片2的一侧，在所述第三镜片3的任一表面设置第二叠合片5，所述第二叠合片5包括第二相位延迟器、第三相位延迟器及设于所述第二相位延迟器与所述第三相位延迟器之间的第二偏振元件。

根据上述示例，所述成像镜组内具有第一镜片1、第二镜片2及第三镜片3时，可将上述的第二叠合片设置在所述第三镜片3的任一个表面上。

根据上述的两个示例，在所述第二叠合片5中，近光阑01的第二相位延迟器与近显示屏4侧的第三相位延迟器的快轴相差90°，所述第二偏振元件的透过轴方向与近光阑01侧的第二相位延迟器的快轴方向成45°夹角，与近显示屏4侧的第三相位延迟器的快轴方向成135°夹角。

在所述第一叠合片中，所述第一相位延迟器7与所述第二叠合片5中近光阑01侧的第二相位延迟器的快轴方向相同，而所述偏振反射元件8的反射方向与所述第一相位延迟器的快轴方向成45°夹角，能够将左旋圆偏振光转换为所述偏振反射元件反射方向的线偏振光。

所述显示屏4，其被配置为能够发射自然光或者圆偏振光或者线偏振光。当所述显示屏4发射的光线为自然光时，所述第三镜片3的任意一侧设置有第二叠合片5，能够将自然光转变为圆偏振光。当所述显示屏4发射的光线为圆偏振光时，所述第三镜片3任意一侧的第二叠合片5，能够将利用偏振元件和光线的偏振特性，减少因为显示屏4表面反射引起的鬼像。当所述显示屏4发射的光线为线偏振光时，其偏振方向需与第二叠合片中的第二偏振元件的透过方向一致。

可选的是，在所述显示屏4的出光面上可以设置屏幕保护玻璃。所述屏幕保护玻璃可以对显示屏4进行保护。

参见图1，所述光学模组的光线传播过程如下：

经所述显示屏4发出的光线为线偏振光，线偏振光依次透过所述第三镜片3、第二叠合片5，在分光元件6、第二镜片2和第一叠合片之间进行折返后，透过所述第一镜片1，在光阑01位置处，即模拟人眼位置处显示成像。

实施例1

参见图2，显示屏4使用0.35英寸屏幕，像元尺寸6μm，发光有效区7.68mm×4.32mm，出瞳距离Eye relief为30mm，光学模组的视场角为24度，眼盒为16mm（出瞳孔径8mm+眼动距离±4mm），0.75<光学总长TL/最大镜片口径<0.93，光学模组的总有效焦距18.5mm

分别参见图3至图5，眼盒16mm内，MTF@21lp/mm>0.61，畸变>-1%，色差<16微米。

表1示出了光学模组的光学参数，具体如下。

表1

实施例2

参见图6，显示屏4使用0.35英寸屏幕，像元尺寸6μm，发光有效区7.68mm×4.32mm，出瞳距离Eye relief为30mm，光学模组的视场角为24度，眼盒为16mm（出瞳孔径8mm+眼动距离±4mm），0.83<学总长TL/最大镜片口径<1.1，光学模组的总有效焦距18.5mm

分别参见图7至图9，眼盒16mm内，MTF@21lp/mm>0.64，畸变>-10.9%，色差<6微米。

表2示出了光学模组的光学参数，具体如下。

表2

需要说明的是，表1和表2中，1R1为第一镜片1靠近光阑01的表面，1R2为第一镜片1远离光阑01的表面；2R1为第二镜片2靠近光阑01的表面，2R2为第二镜片2远离光阑01的表面；3R1为第三镜片3靠近光阑01的表面，3R2为第三镜片3远离光阑01的表面。

根据本申请的另一个实施例，提供了一种头戴显示设备。所述头戴显示设备为AR眼镜或者AR头盔，包括：壳体以及如上所述的光学模组。

所述头戴显示设备包括AR智能眼镜或者AR智能头盔等，本申请实施例中对此不做限制。

本申请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。

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。

虽然已经通过示例对本申请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，而不是为了限制本申请的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本申请的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本申请的范围由所附权利要求来限定。