一种光学模组和头戴显示设备的制作方法

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1.本技术实施例涉及光学显示技术领域，更具体地，本技术实施例涉及一种光学模组和头戴显示设备。

背景技术：

2.成像光学模组是vr(virtual reality，虚拟现实)装置的重要组成部分，目前vr装置中的成像光学模组在朝着小型化的方向发展的同时，需要实现较大的视场角，高质量的成像效果，来给用户带来极佳的体验。
3.现有技术中的成像光学模组多使用折叠光路技术，在成像光学模组中，光学膜材(optical film)因为其功能性和高性价比，应用越来越广泛，比如偏振控制元件偏光片等，在折叠光路(pancake)中发挥重要的作用。
4.但是，目前vr装置普遍存在体积大、杂散光严重而产生鬼影的问题，影响图像质量。

技术实现要素：

5.本技术的目的在于提供一种光学模组和头戴显示设备的新技术方案。
6.第一方面，本技术提供了一种光学模组。所述光学模组包括：
7.透镜组，所述透镜组包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜具有第一表面，所述第二透镜具有第二表面，其中第一表面和第二表面相邻设置；
8.所述光学模组还包括偏振反射元件、第一相位延迟器、分光元件、第二相位延迟器和偏振器，其中所述偏振反射元件设置在所述第一表面上，所述第一相位延迟器、所述分光元件、所述第二相位延迟器和所述偏振器依次设置在所述第二表面上，所述第一相位延迟器相对于所述偏振器靠近所述第一透镜设置。
9.可选地，所述光学模组还包括第三相位延迟器；
10.所述第三相位延迟器设置在所述第二透镜的第二表面上，所述第三相位延迟器与所述偏振器相邻设置，且所述第三相位延迟器相对于所述偏振器远离所述第一透镜设置。
11.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远离所述第一透镜的一侧，所述显示屏幕用于发出非偏振光。
12.可选地，所述第一相位延迟器、所述分光元件、所述第二相位延迟器和所述偏振器层叠形成第一膜层结构，所述第一膜层结构设置在所述第二透镜的第二表面上。
13.可选地，所述偏振器为线偏振器。
14.可选地，所述第二相位延迟器的快轴方向与所述偏振器的透过轴方向形成45
°
夹角。
15.可选地，所述第一相位延迟器、所述第二相位延迟器和第三相位延迟器均为四分之一波片；
16.所述第一相位延迟器用于将圆偏振光转化为线偏振光，所述第二相位延迟器用于
将线偏振光转化为圆偏振光，所述第三相位延迟器用于将圆偏振光转化为线偏振光。
17.可选地，所述偏振反射元件的透过方向与所述第一相位延迟器的快轴方向形成45
°
夹角。
18.可选地，所述光学模组还包括减反膜，所述减反膜设置在所述第二透镜的第二表面上，且所述减反膜位于所述第一相位延迟器背离所述分光元件的一侧。
19.可选地，所述分光元件具有至少47％的平均光学透射率。
20.第二方面，提供了一种头戴显示设备。头戴显示设备包括：壳体；以及如第一方面所述的光学模组。
21.根据本技术的实施例，提供了一种光学模组，光学模组中偏振反射元件、以及第一相位延迟器、分光元件、第二相位延迟器和偏振器分别设置在相邻设置的两个表面上，从而可以有效减少杂散光，也即可以最小化杂散光，可以抑制鬼影的产生。
22.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
23.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。
24.图1所示为光学模组的结构示意图。
25.图2所示为光学模组的mtf测试图一。
26.图3所示为光学模组的mtf测试图二。
27.图4所示为光学模组的mtf测试图三。
28.附图标记说明：
29.1、第一透镜；2、第二透镜；3、显示屏幕；4、光阑；
30.10、偏振反射元件；11、减反膜；12、第一相位延迟器；13、分光元件；14、第二相位延迟器；15、偏振器；16、第三相位延迟器。
具体实施方式
31.现在将参照附图来详细描述本技术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技术的范围。
32.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，决不作为对本技术及其应用或使用的任何限制。
33.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。
34.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。
35.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。
36.下面结合附图1至图4对本技术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。
37.根据本技术实施例的一个方面，提供了一种光学模组，所述光学模组为一种折叠光路，其适合应用于头戴显示设备(head mounted display，hmd)。
38.本技术实施例提供了一种光学模组，如图1所示，光学模组包括：透镜组，所述透镜组包括相邻设置的第一透镜1和第二透镜2，所述第一透镜1具有第一表面，所述第二透镜2具有第二表面，其中第一表面和第二表面相邻设置；
39.所述光学模组还包括偏振反射元件10、第一相位延迟器12、分光元件13、第二相位延迟器14和偏振器15，其中所述偏振反射元件10设置在所述第一表面上，所述第一相位延迟器12、所述分光元件13、所述第二相位延迟器14和所述偏振器15依次设置在所述第二表面上，所述第一相位延迟器12相对于所述偏振器15靠近所述第一透镜1设置。
40.本技术实施例提供的光学模组，其中可以设计为包含至少两个光学镜片，例如光学模组中不限于2片透镜，也可以是3片透镜或更多片透镜。参照图1，光学模组包括了两片透镜，如上述的第一透镜1和第二透镜2。
41.本技术实施例的光学模组，如图1所示，在透镜组的一侧可以设置光阑4。光阑4作为孔径光阑，其可用于控制光线的通过量，从而调节光学模组的光通量，并可以减少非成像光线的影响。例如第一透镜1和第二透镜2中的其中一个靠近光阑4设置。具体地，参照图1，第一透镜1靠近光阑4设置，第二透镜2远离光阑4设置。例如第一透镜1具有第一表面和第三表面，第一表面远离光阑4设置，第三表面靠近光阑4设置。
42.本技术实施例提供的光学模组为一种折叠光路，除了包含上述的第一透镜1和第二透镜2之外，还包括了偏振反射元件10、第一相位延迟器12、分光元件13、第二相位延迟器14和偏振器15。偏振反射元件10、第一相位延迟器12、分光元件13、第二相位延迟器14和偏振器15与透镜组搭配使得光线可以在形成的光学模组中进行折返，经光学模组出射的光线可以在人眼呈现成像画面。
43.在现有技术中，偏振反射元件10和分光元件13之间的光学部件表面反射会引起杂散光，以及分光元件13和偏振器15之间的光学部件表面和空气面反射会引起杂散光，或者第一相位延迟器12、分光元件13、第二相位延迟器14和偏振器15等元件暴露在空气中会产生菲涅尔反射(指当光入射到折射率不同的两个媒质分界面时，一部分光会被反射的现象)，而形成杂散光造成鬼影现象，影响图像质量。例如在现有技术中，若是将偏振器15设置在显示屏幕3上，会使得分光元件13与偏振器15之间存在空气面(空气的折射率和透镜的折射率不同)，或者还会存在其他透镜，光线在传输过程中很容易在分光元件13和显示屏幕3之间形成反射(例如由于空气面和其他透镜造成的反射)，容易造成杂散光。
44.基于上述技术问题，本技术实施例提供的光学模组，第一透镜1的第一表面，与第二透镜2的第二表面相邻设置，其中第一透镜1的第一表面上设置有偏振反射元件10，第二透镜2的第二表面上设置有第一相位延迟器12、分光元件13、第二相位延迟器14和偏振器15，使得偏振反射元件10和分光元件13不存在任何光学元件，可有效减少由于偏振反射元件10和分光元件13之间的光学元件表面反射引起的杂散光，以及使得分光元件13和偏振器15之间不存在任何光学元件和任何空气面，可有效减少由于偏振器15和分光元件13之间的光学元件表面和空气面反射引起的杂散光，进而减小了光学模组整体的杂散光现象的产生，提升了光学模组的成像质量。
45.具体地，由于偏振反射元件10和分光元件13之间，以及分光元件13和偏振器15之间不存在任何光学元件，外部光线(例如显示屏幕3发出的光线)在第一透镜1和第二透镜2之间进行折叠传输，不经过任何光学元件，使得被传输的光线在透过偏振反射元件10和第一透镜1后，进入光阑4。
46.具体地，被传输的光线经过偏振器15、第二相位延迟器14、分光元件13和第一相位延迟器12传输至偏振反射元件10，光线只经过一种媒介(空气))。然后被偏振反射元件10反射后，不经过任何光学元件，传输至分光元件13，并被分光元件13反射后，可以透过偏振反射元件10和第一透镜1，进入光阑。
47.因此由于偏振反射元件10和分光元件13不存在任何光学元件，以及分光元件13和偏振器15之间不存在任何光学元件和任何空气面，避免了杂散光的形成，进而降低甚至避免了鬼影现象的产生。
48.其中，分光元件13例如为半反半透膜。分光元件13可供一部分光线透射，一部分光线反射。
49.其中，偏振反射元件10例如为偏振反射膜。
50.偏振反射元件10可用于透过p偏振光反射s偏振光；或者，偏振反射元件10可用于透过s偏振光反射p偏振光。
51.其中第一相位延迟器12和第二相位延迟器14可以为四分之一波片或者其他相位延迟片。两个相位延迟器均可以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，或将圆偏振光转化为线偏振光。
52.在该实施例中，第一相位延迟器12和第二相位延迟器14位于分光元件13的两侧，第一相位延迟器12和第二相位延迟器14改变偏振光的偏振态的相反的，例如第二相位延迟器14可以将线偏振光转化为圆偏振光，第二相位延迟器14可以将圆偏振光转化为线偏振光。
53.在一个具体的实施例中，光学模组的光线传输过程如下：
54.显示屏幕3发出的光线先透过第二透镜2和偏振器15(用于将非偏振光转变为偏振光)后，成为线偏振光；线偏振光接着透过第二相位延迟器14后，成为左旋或右旋圆偏振光；然后左旋或右旋圆偏振光透过分光元件13，再透过第一相位延迟器12后，成为水平线偏振光；然后水平线偏振光被偏振反射元件10反射后，透过第一相位延迟器12，成为左旋或右旋圆偏振光；左旋或右旋圆偏振光由分光元件13反射后，形成右旋或左旋圆偏振光，然后再次透过第一相位延迟器12后，成为竖直线偏振光，竖直线偏振光透过偏振反射元件10和第一透镜1后，进入光阑4。
55.在一个实施例中，参照图1所示，所述光学模组还包括第三相位延迟器16。
56.所述第三相位延迟器16设置在所述第二透镜2的第二表面上，所述第三相位延迟器16与所述偏振器15相邻设置，且所述第三相位延迟器16相对于所述偏振器15远离所述第一透镜1设置。
57.在该实施例中，第一相位延迟器12、分光元件13、第二相位延迟器14、偏振器15和第三相位延迟器16依次贴设在第二透镜2的第二表面上，避免了各个功能膜之间存在额外的空气面和额外设置的透镜，从而可以有效减少杂散光，也即可以最小化杂散光，可以抑制鬼影的产生。在该实施例中，第三相位延迟器16可用于阻挡一部分入射的光线，即消杂光。
58.在一个具体的实施例中，显示屏幕3发出的光线先透过第二透镜2、第三相位延迟器16和偏振器15后，成为线偏振光，接着透过第二相位延迟器14后，成为左旋或右旋圆偏振光，然后透过分光元件13，再透过第一相位延迟器12后，成为水平线偏振光；然后被偏振反射元件10反射后，成为水平线偏振光，然后再透过第一相位延迟器12后，成为左旋或右旋圆偏振光，由分光元件13反射后，形成右旋或左旋圆偏振光，然后再次透过第一相位延迟器12后，成为竖直线偏振光，竖直线偏振光透过偏振反射元件10和第一透镜1后，进入光阑4。
59.当显示屏幕3发出的光线第一次到达分光元件13的时候，会有一部分的正常光线透过分光元件13，也会有另外一部分的杂散光线被分光元件13反射。其中被分光元件13反射的光线在依次透过第二相位延迟器14和偏振器15后，变成水平线偏振光，然后透过第三相位延迟器16后变成左旋或右旋圆偏振光，然后被第三相位延迟器16和显示屏幕3发光面之间任一表面反射后，变成右旋或左旋圆偏振光，再次透过第三相位延迟器16后成为竖直线偏振光，被偏振器15的吸收轴吸收。除第一次到达分光元件13，被分光元件13反射的杂散光线外，其他两次以上透过分光元件13，并且透过第二相位延迟器14、偏振器15和第三相位延迟器16的杂散光线，在被第三相位延迟器16和显示屏幕3发光面之间任一表面反射后，也会被偏振器15的吸收轴拦截吸收。
60.在偏振光被偏振器15吸收的过程中，避免了现有技术无法对显示屏幕3的表面反射的光线、以及显示屏幕3和分光元件13之间的光学元件的反射形成的光线的吸收现象，即在本技术实施例中，由分光元件13反射的杂散光均可以被偏振器15吸收，以及在吸收过程中还不会形成额外的杂散光，从而可以有效减少杂散光，也即可以最小化杂散光，可以抑制鬼影的产生。
61.在该实施例中，所述光学模组还包括显示屏幕3，所述显示屏幕3位于所述第二透镜2远离所述第一透镜1的一侧，所述显示屏幕3用于发出非偏振光。在该实施例中，显示屏幕3发出非偏振光，通过第三相位延迟器16和偏振器15后，可以将非偏振光转换为偏振光。
62.在一个可选的实施例中，显示屏幕3可以是lcd、led、oled、micro-oled、uled等自发光式屏幕，或者dmd等反射式屏幕。
63.在一个实施例中，所述第一相位延迟器12、所述分光元件13、所述第二相位延迟器14和所述偏振器15层叠设置形成第一膜层结构，所述第一膜层结构设置在所述第二透镜2的第二表面上。
64.在该实施例中，第一相位延迟器12、分光元件13、第二相位延迟器14和偏振器15层叠设置形成复合膜层并贴装于第二透镜2的第二表面上，一方面可以降低装配难度、提升良品率和装配效率；第二方面，可以使得光路校准变得更加容易。
65.在一个可选的实施例中，所述光学模组还包括显示屏幕3，所述第二透镜2和所述显示屏幕3之间设置有第三透镜，在所述第三透镜的表面上设置依次设置有所述第二相位延迟器14、所述偏振器15和所述第三相位延迟器16。
66.在该实施例中，在显示屏幕3和第二透镜2之间设置第三透镜，在第三透镜靠近第二透镜2的表面上依次设置有第二相位延迟器14、偏振器15和第三相位延迟器16，或者在第三透镜远离第二透镜2的表面上依次设置有第二相位延迟器14、偏振器15和第三相位延迟器16。在该实施例中，可以在一定程度上降低杂散光的形成，但是无法避免第二透镜2和第三透镜之间形成的空气面对光线的反射形成的杂散光。例如本技术实施例提供的光学模组
包括但不限于包括2片透镜，也可以是3片或更多片透镜。
67.在一个实施例中，所述偏振器15为线偏振器。
68.在该实施例中，显示屏幕3上不设置相位延迟器和偏振器15，显示屏幕3发出的光线为非偏振光，本实施例对偏振器15的类型进行限定，使得从显示屏幕3发出的光线经过第二透镜2、第三相位延迟器16和偏振器15后，形成线偏振光，以用于后续的传输。
69.在一个实施例中，所述第二相位延迟器14的快轴方向与所述偏振器15的透过轴方向形成45
°
夹角。
70.具体地，第二相位延迟器14具有快轴和慢轴。偏振器15的透过轴方向与第二相位延迟器14的快轴方向或者慢轴方向之间的夹角可以为正45
°
，或者也可以为负45
°
。
71.第二相位延迟器14具有快轴和慢轴。与偏振器15的透过轴方向相同的可以透过偏振器15，而与偏振器15的透过轴方向正交的，无法透过偏振器15，以被偏振器15拦截吸收，例如无法透过偏振器15的光线方向与偏振器15的吸收轴(偏振器15(例如可以是偏光片)的吸收轴是指在偏振器15中在这个轴平行位置的光线都会被吸收掉,从而垂直方向的光线可以穿过去。)方向平行，该光线会被偏振器15拦截吸收。
72.在一个实施例中，所述偏振反射元件10的透过方向与所述第一相位延迟器12的快轴方向形成45
°
夹角。
73.在该实施例中，第一相位延迟器12具有快轴和慢轴。偏振反射元件10的透过轴方向与第一相位延迟器12的快轴方向或者慢轴方向之间的夹角可以为正45
°
，或者也可以为负45
°
。
74.第一相位延迟器12具有快轴和慢轴。与偏振反射元件10的透过轴方向相同的可以透过偏振反射元件10，而与偏振反射元件10的透过轴方向正交的，无法透过偏振反射元件10。
75.在一个实施例中，所述光学模组还包括减反膜11，所述减反膜11设置在所述第二透镜2的第二表面上，且所述减反膜11位于所述第一相位延迟器12背离所述分光元件13的一侧。
76.在该实施例中，光学模组还包括减反膜11，其中光线透过第一相位延迟器12后，经过减反膜11后，进一步减少或消除光线反射，减少或消除光学模组的杂散光。
77.在该实施例中，可以将减反膜11和第一相位延迟器12层叠设置形成复合膜并贴装于第二透镜2的第二表面上可以降低装配难度、提升良品率和装配效率。
78.一个具体的实施例中，减反膜11和第一相位延迟器12、分光元件13、第二相位延迟器14和偏振器15层叠设置形成第二膜层结构，将第二膜层结构设置在第二透镜2的第二表面上。
79.在一个实施例中，分光元件13具体至少47％的平均光学透射率，以减小杂散光的形成。
80.需要说明的是，分光元件13的透射率可以根据具体需要灵活调整，本技术实施例中对此不作限制。
81.在一个具体的实施例中，光学模组包括显示屏幕3，第二透镜2和第一透镜1。显示屏幕3、第二透镜2和第一透镜1共光轴设置。其中第一透镜1的第一表面上贴设有偏振反射元件10，在第二透镜2的第二表面上依次设置有减反膜11、第一相位延迟器12、分光元件13、
第二相位延迟器14、偏振器15和第三相位延迟器16。其中减反膜11最靠近第一透镜1设置，第三相位延迟器16最远离第一透镜1设置。其中表1给出了该实施例的结构参数。
82.表1：
[0083][0084][0085]
在该实施例中，第一透镜1为非球面透镜，第二透镜2为非球面透镜，因此偏振反射元件10贴设在非球面上，以及减反膜11、第一相位延迟器12、分光元件13、第二相位延迟器14、偏振器15、第三相位延迟器16也均贴设在非球面上。另外需要说明的是，本实施例中，偏振反射元件10、减反膜11、第一相位延迟器12、分光元件13、第二相位延迟器14、偏振器15、第三相位延迟器16还可以贴附到平面、球面、柱面、自由曲面以及其他形式曲面上。
[0086]
图2、图3、图4分别为在450nm、540nm、610nm下，光学模组的调制传递函数mtf曲线，从图2中可以看出在20lp/mm空间频率下，450nm波长下，光学模组mtf值高于0.3；从图3中可以看出，在20lp/mm空间频率下，540nm波长下，光学模组的mtf值高于0.7；从图4中可以看出，在20lp/mm空间频率下，在610nm波长下，光学模组mtf高于0.3。由此可见，本实施例提供的光学模组，可以有效减小了光学模组中的杂散光，提升了光学模组的成像质量。
[0087]
根据本技术实施例的另一方面，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。
[0088]
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，本技术实施例对此不做具体限制。
[0089]
本技术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。
[0090]
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。
[0091]
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。

技术特征：

1.一种光学模组，其特征在于，所述光学模组包括透镜组，所述透镜组包括第一透镜(1)和第二透镜(2)，所述第一透镜(1)具有第一表面，所述第二透镜(2)具有第二表面，其中第一表面和第二表面相邻设置；所述光学模组还包括偏振反射元件(10)、第一相位延迟器(12)、分光元件(13)、第二相位延迟器(14)和偏振器(15)，其中所述偏振反射元件(10)设置在所述第一表面上，所述第一相位延迟器(12)、所述分光元件(13)、所述第二相位延迟器(14)和所述偏振器(15)依次设置在所述第二表面上，所述第一相位延迟器(12)相对于所述偏振器(15)靠近所述第一透镜(1)设置。2.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组还包括第三相位延迟器(16)；所述第三相位延迟器(16)设置在所述第二透镜(2)的第二表面上，所述第三相位延迟器(16)与所述偏振器(15)相邻设置，且所述第三相位延迟器(16)相对于所述偏振器(15)远离所述第一透镜(1)设置。3.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组还包括显示屏幕(3)，所述显示屏幕(3)位于所述第二透镜(2)远离所述第一透镜(1)的一侧，所述显示屏幕(3)用于发出非偏振光。4.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述第一相位延迟器(12)、所述分光元件(13)、所述第二相位延迟器(14)和所述偏振器(15)层叠设置形成第一膜层结构，所述第一膜层结构设置在所述第二透镜(2)的第二表面上。5.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述偏振器(15)为线偏振器。6.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述第二相位延迟器(14)的快轴方向与所述偏振器(15)的透过轴方向形成45
°
夹角。7.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述偏振反射元件(10)的透过方向与所述第一相位延迟器(12)的快轴方向形成45
°
夹角。8.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组还包括减反膜(11)，所述减反膜(11)设置在所述第二透镜(2)的第二表面上，且所述减反膜(11)位于所述第一相位延迟器(12)背离所述分光元件(13)的一侧。9.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述分光元件(13)具有至少47％的平均光学透射率。10.一种头戴显示设备，其特征在于，包括：壳体；以及如权利要求1-9中任一项所述的光学模组。

技术总结

本申请实施例提供了一种光学模组和头戴显示设备。该光学模组包括：第一透镜和第二透镜，所述第一透镜具有第一表面，所述第二透镜具有第二表面，其中第一表面和第二表面相邻设置；所述光学模组还包括偏振反射元件、第一相位延迟器、分光元件、第二相位延迟器和偏振器，其中所述偏振反射元件设置在所述第一表面上，所述第一相位延迟器、所述分光元件、所述第二相位延迟器和所述偏振器依次设置在所述第二表面上，所述第一相位延迟器相对于所述偏振器靠近所述第一透镜设置。靠近所述第一透镜设置。靠近所述第一透镜设置。