光学模块和头戴显示设备的制作方法

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1.本实用新型属于电子设备技术领域，尤其涉及一种光学模块，以及一种头戴显示设备。

背景技术：

2.增强现实显示是将虚拟环境信息与真实世界叠加并应用的新型显示技术。光波导是实现增强现实显示设备高性能与微型化的核心光学元件，相较于传统的几何光波导，衍射光波导具有较高的设计自由度和性能。
3.在具有增强现实显示功能的显示设备中，衍射光波导主要搭配的是基于硅基液晶技术（liquid crystal on silicon，lcos）的显示器或者基于数字光处理技术（digital light processing，dlp）的显示器。这两种显示器均需要匹配被动光源，例如lcos光学引擎是将光源经分光棱镜将光束分为红、蓝、绿光后，再分别将光束投射入三片lcos面板，将投射出的三影像经过光学系统汇聚加以结合形成彩影像。
4.例如中国专利申请（cn213876169u）中所公开的方案：“增强现实近眼装置包括lcos模块、光机系统和体全息平板波导组；
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还包括led光源以及控制器，led光源包括r、g和b三光源，控制器用于控制led光源快速分时点亮r、g和b三光源，以实现彩照明。”这种方式虽然可以提高光效，实现光瞳扩展，但是由于需要设计独立的led光源，整个增强现实显示设备的体积较大，不利于增强现实设备小型化及轻薄化的设计。

技术实现要素：

5.针对现有利用衍射光波导的增强现实显示设备需要设计配套独立的led光源，整个增强现实显示设备的体积较大，不利于小型化及轻薄化设计的问题，本实用新型设计并提供一种光学模块。
6.为实现上述实用新型目的，本实用新型采用下述技术方案予以实现：
7.光学模块，应用于头戴显示设备，包括：偏振片，其构造为允许显示元件形成的图像光束通过并形成第一偏振光束；第一棱镜反射组件，其构造为将所述偏振片形成的第一偏振光束调制成第一中间态光束，并将所述第一中间态光束反射调制成第二偏振光束后出射；第二棱镜反射组件，其构造为将自所述第一棱镜反射组件出射的第二偏振光束调制成第二中间态光束，并将所述第二中间态光束反射调制成第一偏振光束后出射。
8.光学模块还包括偏振光吸收型偏振片；偏振光吸收型偏振片设置于所述第一棱镜反射组件和所述第二棱镜反射组件之间，其构造为吸收所述偏振片形成的第一偏振光束，从而提高光学模块的对比度。
9.在本技术的一些可选的实施方式中，所述第一棱镜反射组件包括：第一偏振分光棱镜，其具有光入射面；所述偏振片形成的第一偏振光束自所述光入射面射入；第一偏振转换器，其构造为将自所述第一偏振分光棱镜反射出的光束调制成第一中间态光束；和第一衍射反射元件，其构造为将所述第一中间态光束调制反射后再次射入至所述第一偏振转换
器并经所述第一偏振转换器调制成第二偏振光束后自所述第一偏振分光棱镜出射。
10.在本技术的一些可选的实施方式中，所述第二棱镜反射组件包括：第二偏振分光棱镜，其具有光出射面；自所述第一偏振分光棱镜出射的第二偏振光束入射至所述第二偏振分光棱镜；第二偏振转换器，其构造为将入射至所述第二偏振分光棱镜的第二偏振光束调制成第二中间态光束；和第二衍射反射元件，其构造为将所述第二中间态光束调制反射后再次射入所述第二偏振转换器并经所述第二偏振转换器调制成第一偏振光束后自所述光出射面出射。
11.在本技术的一些可选的实施方式中，所述第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜之间设置有偏振光吸收型偏振片；自所述第一偏振分光棱镜出射的第二偏振光束经所述偏振光吸收型偏振片入射至所述第二偏振分光棱镜。
12.在本技术的一些可选的实施方式中，所述第一衍射反射元件为第一hoe全息光学元件，所述第二衍射反射元件为第二hoe全息光学元件，hoe全息光学元件以在20um级别的厚度上实现传统镜片的光学功能，且每个hoe全息光学元件均可以实现衍射透镜和反射镜的组合功能，因此可以进一步压缩光学模块的整体尺寸。
13.在本技术的一些可选的实施方式中，所述第一衍射反射元件为第一透镜元件，所述第二衍射反射元件为第二透镜元件，所述第一透镜元件远离所述第一偏振分光棱镜的一侧镀设有高反射膜，所述第二透镜元件远离所述第二偏振分光棱镜的一侧镀设有高反射膜。
14.在本技术的一些可选的实施方式中，所述显示元件为自发光光源，包括micro led，oled，lcd，或者光谱半峰全宽在30nm以下的激光光源。
15.在本技术的一些可选的实施方式中，所述第一偏振光束为s偏振光束，所述第二偏振光束为p偏振光束。
16.本技术的第二个方面提供一种头戴显示设备，包括光学模块；光学模块包括：偏振片，其构造为允许显示元件形成的图像光束通过并形成第一偏振光束；第一棱镜反射组件，其构造为将所述偏振片形成的第一偏振光束调制成第一中间态光束，并将所述第一中间态光束反射调制成第二偏振光束后出射；第二棱镜反射组件，其构造为将自所述第一棱镜反射组件出射的第二偏振光束调制成第二中间态光束，并将所述第二中间态光束反射调制成第一偏振光束后出射。
17.与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：
18.本技术所提供的光学模块对光学模块中的光路进行折叠，利用第一棱镜反射组件和第二棱镜反射组件在满足成像条件的同时，减小从显示元件到光波导之间的距离，使得光学模块的整体尺寸更小，光学模块中无需增加独立的被动光源，有利于头戴显示设备的小型化和一体化设计。
19.结合附图阅读本实用新型的具体实施方式后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
20.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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获得其他的附图。
21.图1为本实用新型所提供的光学模块第一种实施例的结构示意图；
22.图2为如图1所示的光学模块的光路图；
23.图3为本实用新型所提供的光学模块第二种实施例的结构示意图；
24.图4为如图2所示的光学模块的光路图。
具体实施方式
25.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图和实施例，对本实用新型作进一步详细说明。
26.下面详细描述本实用新型的实施例，具体实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
27.需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖”、“横”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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。
28.图1和图3示出根据本技术的一些实施方式的光学模块10的结构示意图。如图所示的光学模块10应用于头戴显示设备中。在本技术的一些实施方式中，头戴显示设备可以构造为目镜的形式，通过头带佩戴在用户头部。在本技术的另一些实施方式中，头戴显示设备可以构造为眼镜的形式，通过镜腿佩戴在用户头部。在本技术的另一些实施方式中，头戴显示设备可以构造为头盔的一部分，以头盔的形式佩戴在用户头部。在本技术的另一些实施方式中，头戴显示设备可以通过支架等设备放置在用户的眼镜前方。
29.头戴显示设备中设置有显示元件11。显示元件11配置为在二维的显示面上形成彩的静态图像或动态图像，以向用户呈现可视内容，例如增强现实内容。在本技术的一些实施方式中，显示元件11同时也可以向用户呈现虚拟现实内容。在本技术的一些实施方式中，显示元件11也可以显示综合增强现实内容和虚拟现实内容的混合内容，或者其它的多媒体内容的组合。
30.在本技术的一些实施方式中，显示元件11是自发光型的显示设备，例如可以是microled（以自发光的微米量级的led作为像素单元，组装至驱动面板上形成的高密度led阵列）,oled显示器（有机发光二极管，organic light emitting diode, oled），lcd（液晶显示器，liquid crystal display）或者光谱半峰全宽（full width at half maxima，fwhm）在30nm以下的激光光源。显示元件11在显示控制电路的驱动下进行显示动作。
31.头戴显示设备中设置有处理器。处理器配置为执行存储在存储器中的指令或程序。存储器可以是易失性存储器或者非易失性存储器，存储器中的指令或程序可以使得显示元件11上显示一个或多个图像。显示元件11通过光学模块10向用户眼部投射图像。
32.参照图1和图2所示，光学模块10包括偏振片12、第一棱镜反射组件13、第二棱镜反
射组件14、镜头模组15和孔径光阑16。沿着光路的方向，偏振片12构造为允许显示元件11形成的图像光束通过并形成第一偏振光束。第一棱镜反射组件13构造为将偏振片12形成的第一偏振光束调制成第一中间态光束，并将第一中间态光束反射调制成第二偏振光束后出射。第二棱镜反射组件14构造为将自第一棱镜反射组件13出射的第二偏振光束调制成第二中间态光束，并将第二中间态光束反射调制成第一偏振光束后出射。镜头模组15构造为将从第二棱镜反射组件14出射的第一偏振光束朝向光波导（图中未示出）射出。孔径光阑16设置于镜头模组15外侧，光波导设置于孔径光阑16处。
33.在本技术的一些实施方式中，如图2所示，第一偏振光束为s偏振光，第二偏振光束为p偏振光。
34.本技术所提供的光学模块10对光学模块10中的光路进行折叠，利用第一棱镜反射组件13和第二棱镜反射组件14在满足成像条件的同时，减小从显示元件11到光波导之间的距离，使得光学模块10的整体尺寸更小，光学模块10中无需增加独立的被动光源，有利于头戴显示设备的小型化和一体化设计。
35.在本技术的一些可选的实施方式中，第一棱镜反射组件13由树脂或玻璃制成，是可实现光束衍射和反射的光学部件，使来自偏振片12的图像光束折射并反射，满足成像的要求。参见图1和图2所示，第一棱镜反射组件13包括第一偏振分光棱镜131、第一偏振转换器133和第一衍射反射元件。其中，第一偏振分光棱镜131具有光入射面132，偏振片12设置于光入射面132一侧。如图1所示，光入射面132是平面。偏振片12形成的第一偏振光束（s偏振光束）自光入射面132射入。第一偏振分光棱镜131将偏振片12形成的第一偏振光束反射（如图2中光束rs_1所示），经第一偏振分光棱镜131反射出的光束rs_1经第一偏振转换器133调制成第一中间态光束，第一中间态光束进入第一衍射反射元件中。第一衍射反射元件将第一中间态光束调制反射后再次射入至第一偏振转换器133。第一偏振转换器133再次对光束进行调制，将光束调成第二偏振光束（p偏振光束）后自第一偏振分光棱镜131出射。如图1所示，第一偏振分光棱镜131的反射面也为平面。
36.在如图1所示的第一棱镜反射组件13中，第一衍射反射元件为第一hoe全息光学元件134。第一hoe全息光学元件134呈扁平片状，可以在20um级别的厚度上实现传统镜片的光学功能，同时作为衍射透镜和反射镜的组合，可以实现光路元件的集成化，进一步压缩光学模块10的尺寸，释放更多头戴显示设备的设计空间。在本技术的一些实施方式中，第一hoe全息光学元件134设置于第一偏振分光棱镜131与光入射面132相邻且相互垂直的端面上。
37.如图3和图4所示，在本技术的另一些实施方式中，第一衍射反射元件还可以为第一透镜元件18。第一透镜元件18可以由树脂或者玻璃制成。第一透镜元件18远离第一偏振分光棱镜131的一侧，即反射面20上，镀设有高反射膜。第一透镜元件18的反射面20为曲面。图4中的光路基本与图2所示的光路一致，光束相对沿垂直路径传播，在此不再重复介绍。
38.在本技术的一些可选的实施方式中，第二棱镜反射组件14由树脂或玻璃制成，是可实现光束衍射和反射的光学部件，使自第一偏振分光棱镜131出射的第二偏振光束（p偏振光束）折射并反射。参见图1和图2所示，第二棱镜反射组件14包括第二偏振分光棱镜141、第二偏振转换器143和第二衍射反射元件。自第一偏振分光棱镜131出射的第二偏振光束（p偏振光束）入射至第二偏振分光棱镜141，第二偏振转换器143构造为将入射至第二偏振分光棱镜141的第二偏振光束（p偏振光束）调制成第二中间态光束。第二衍射反射元件构造为
将第二中间态光束调制反射后再次射入第二偏振转换器143，并经第二偏振转换器143调制成第一偏振光束（s偏振光束）后，经过第二偏振分光棱镜141反射呈反射光束rs_2，最终由第二偏振分光棱镜141的光出射面142出射至镜头模组15。如图1所示，光出射面142是平面，第二偏振分光棱镜141的反射面也为平面。
39.在如图1所示的第二棱镜反射组件14中，第二衍射反射元件为第二hoe全息光学元件144。第二hoe全息光学元件144同样为扁平片状，也可以在20um级别的厚度上实现传统镜片的光学功能，同时作为衍射透镜和反射镜的组合，可以实现光路元件的集成化，进一步压缩光学模块10的尺寸，释放更多头戴显示设备的设计空间。在本技术的一些实施方式中，第二hoe全息光学元件144设置于第二偏振分光棱镜141与光出射面142相邻且相互垂直的端面上。
40.如图3和图4所示，在本技术的另一些实施方式中，第二衍射反射元件还可以为第二透镜元件19。第二透镜元件19可以由树脂或者玻璃制成。第二透镜元件19远离第二偏振分光棱镜141的一侧，即反射面21上，镀设有高反射膜。第二透镜元件19的反射面为曲面。
41.在本技术的一些实施方式中，第一棱镜反射组件13和第二棱镜反射组件14之间还设置有偏振光吸收型偏振片17，其构造为吸收偏振片12形成的第一偏振光束（s偏振光束）。具体来说，如图1所示，偏振光吸收型偏振片17设置于第一偏振分光棱镜131和第二偏振分光棱镜141之间。自第一偏振分光棱镜131出射的第一偏振光束（s偏振光束）也经偏振光吸收型偏振片17入射至第二偏振分光棱镜141。设置于第一偏振分光棱镜131和第二偏振分光棱镜141之间的偏振光吸收型偏振片17可以有效地吸收透过第一偏振分光棱镜131的第一偏振光束（s偏振光束），从而提高光学模块10的对比度。
42.本技术的第二个方面提供一种头戴显示设备，头戴显示设备包括光学模块10。光学模块10可以参考上述实施方式和说明书附图的详细记载，在此不再重复介绍。设置有光学模块10的头戴显示设备可以实现同样的技术效果。头戴显示设备包括显示元件，显示元件配置为在二维的显示面上形成彩的静态图像或动态图像，以向用户呈现可视内容，例如增强现实内容。显示单元可以是microled、oled、lcd或者光谱半峰全宽在30nm以下的激光光源。
43.以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述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；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型所要求保护的技术方案的精神和范围。

技术特征：

1.光学模块，应用于头戴显示设备，其特征在于，包括：偏振片，其构造为允许显示元件形成的图像光束通过并形成第一偏振光束；第一棱镜反射组件，其构造为将所述偏振片形成的第一偏振光束调制成第一中间态光束，并将所述第一中间态光束反射调制成第二偏振光束后出射；和第二棱镜反射组件，其构造为将自所述第一棱镜反射组件出射的第二偏振光束调制成第二中间态光束，并将所述第二中间态光束反射调制成第一偏振光束后出射。2.根据权利要求1所述的光学模块，其特征在于，还包括：偏振光吸收型偏振片，所述偏振光吸收型偏振片设置于所述第一棱镜反射组件和所述第二棱镜反射组件之间，其构造为吸收所述偏振片形成的第一偏振光束。3.根据权利要求1或2所述的光学模块，其特征在于，所述第一棱镜反射组件包括：第一偏振分光棱镜，其具有光入射面；所述偏振片形成的第一偏振光束自所述光入射面射入；第一偏振转换器，其构造为将自所述第一偏振分光棱镜反射出的光束调制成第一中间态光束；和第一衍射反射元件，其构造为将所述第一中间态光束调制反射后再次射入至所述第一偏振转换器并经所述第一偏振转换器调制成第二偏振光束后自所述第一偏振分光棱镜出射。4.根据权利要求3所述的光学模块，其特征在于，所述第二棱镜反射组件包括：第二偏振分光棱镜，其具有光出射面；自所述第一偏振分光棱镜出射的第二偏振光束入射至所述第二偏振分光棱镜；第二偏振转换器，其构造为将入射至所述第二偏振分光棱镜的第二偏振光束调制成第二中间态光束；和第二衍射反射元件，其构造为将所述第二中间态光束调制反射后再次射入所述第二偏振转换器并经所述第二偏振转换器调制成第一偏振光束后自所述光出射面出射。5.根据权利要求4所述的光学模块，其特征在于，所述第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜之间设置有偏振光吸收型偏振片；自所述第一偏振分光棱镜出射的第二偏振光束经所述偏振光吸收型偏振片入射至所述第二偏振分光棱镜。6.根据权利要求4所述的光学模块，其特征在于，所述第一衍射反射元件为第一hoe全息光学元件，所述第二衍射反射元件为第二hoe全息光学元件。7.根据权利要求4所述的光学模块，其特征在于，所述第一衍射反射元件为第一透镜元件，所述第二衍射反射元件为第二透镜元件，所述第一透镜元件远离所述第一偏振分光棱镜的一侧镀设有高反射膜，所述第二透镜元件远离所述第二偏振分光棱镜的一侧镀设有高反射膜。8.根据权利要求1或2所述的光学模块，其特征在于，所述显示元件为micro led，oled，lcd，或者光谱半峰全宽在30nm以下的激光光源。
9.根据权利要求1或2所述的光学模块，其特征在于，所述第一偏振光束为s偏振光束，所述第二偏振光束为p偏振光束。10.一种头戴显示设备，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的光学模块。

技术总结

光学模块，应用于头戴显示设备，包括：偏振片，其构造为允许显示元件形成的图像光束通过并形成第一偏振光束；第一棱镜反射组件，其构造为将偏振片形成的第一偏振光束调制成第一中间态光束，并将第一中间态光束反射调制成第二偏振光束后出射；第二棱镜反射组件，其构造为将自第一棱镜反射组件出射的第二偏振光束调制成第二中间态光束，并将第二中间态光束反射调制成第一偏振光束后出射。还提供一种头戴显示设备。本申请利用折叠光路满足成像条件，无需独立的被动光源，有利于头戴显示设备的小型化和一体化设计。型化和一体化设计。型化和一体化设计。