CN113359303B - 成像模组和头戴显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种成像模组和头戴显示设备。其中，成像模组包括：显示屏幕、胶合镜组、第一位相延迟器和起偏器，所述显示屏幕具有出射光线的出光面；所述胶合镜组设于所述显示屏幕的出光方向，所述胶合镜组包括胶合设置的第一透镜和第二透镜，所述第一透镜和所述第二透镜沿光线的传播方向依次设置；所述第一位相延迟器设于所述第一透镜的入光面；所述起偏器设于所述第一位相延迟器背向所述第一透镜的表面。本发明的技术方案能够减少鬼影的产生，保证用户获得清晰的成像画面。

Description

成像模组和头戴显示设备

技术领域

本发明涉及光学显示技术领域，尤其涉及一种成像模组和头戴显示设备。

背景技术

在头戴显示设备(Head Mount Display)中为了减少整个设备的体积，通常在头戴显示设备的内部设计折反射光路，使光线在有限的空间内多次往返传递，放大成像。为保证光线能够顺利折反射，显示屏幕发射的光线需要具有一致的偏振状态，为此在显示屏幕上设置偏振转换器件。但是这些偏振转换器件与空气直接接触，光线在经过这些偏振转换器件时，光线会发生反射，这部分反射的光线容易在人眼成像另外一个虚像，导致鬼影的产生，影响用户获得清晰的显示画面。

发明内容

基于此，针对现有显示屏幕上设置偏振转换器件，光线在经过这些偏振转换器件时，容易产生鬼影，影响用户获得清晰的显示画面的问题，有必要提供一种成像模组和头戴显示设备，旨在能够减少鬼影的产生，保证用户获得清晰的成像画面。

为实现上述目的，本发明提出一种成像模组，所述成像模组包括：

显示屏幕，所述显示屏幕具有出射光线的出光面；

胶合镜组，所述胶合镜组设于所述显示屏幕的出光方向，所述胶合镜组包括胶合设置的第一透镜和第二透镜，所述第一透镜和所述第二透镜沿光线的传播方向依次设置；

第一位相延迟器，所述第一位相延迟器设于所述第一透镜的入光面；以及

起偏器，所述起偏器设于所述第一位相延迟器背向所述第一透镜的表面。

可选地，所述成像模组还包括：

分光件，所述分光件设于所述第一位相延迟器和所述第一透镜之间；

第二位相延迟器，所述第二位相延迟器设于所述第一透镜和所述第二透镜之间；以及

偏振反射器，所述偏振反射器设于所述第二透镜的出光面，所述起偏器的透过轴与所述偏振反射器的透过轴正交。

可选地，所述第一位相延迟器和所述第二位相延迟器均为四分之一波片。

可选地，所述成像模组还包括第三位相延迟器，所述第三位相延迟器设于所述起偏器和所述显示屏幕之间。

可选地，所述第一透镜为平板透镜、凹凸透镜、双凸透镜或者双凹透镜的其中一种。

可选地，所述第二透镜为平凸透镜、凹凸透镜或者双凸透镜的其中一种，所述第二透镜的出光面为凸起面。

可选地，所述成像模组还包括第三透镜，所述第三透镜设于所述胶合镜组背离所述显示屏幕的一侧，所述第三透镜为正透镜。

可选地，定义垂直于所述成像模组的光轴方向为高度方向，所述第一透镜的高度为D1，所述第二透镜的高度为D2，所述第三透镜的高度为D3，则满足：

D3＜D2，且，D3＜D1。

可选地，所述胶合镜组设于所述显示屏幕的出光面；

或者，所述胶合镜组与所述显示屏幕间隔设置。

此外，为了解决上述问题，本发明还提供一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括壳体和如上文所述成像模组，所述成像模组设于所述壳体。

本发明提出的技术方案中，显示屏幕发射的光线射向胶合镜组的第一透镜。光线依次穿过起偏器和第一位相延迟器。由于第一位相延迟器设置在起偏器和第一透镜之间，第一位相延迟器的光学面避免了与空气的接触，从而减少光线的反射。进一步可知，起偏器设置在第一位相延迟器背向第一透镜的表面。光线在遇到起偏器反射时，反射的方向也是朝向远离人眼的方向。同样可知的是，光线在由显示屏幕射向第一位相延迟器时，即使在第一位相延迟器的表面有反射，反射的方向同样是朝向远离人眼的方向。由此可知，在第一位相延迟器避免与空气接触减少反射的情况下，反射的方向还是朝向远离人眼的方向，进一步的减少反射光线射入人眼，减少鬼影的产生，保证用户获得清晰的显示画面。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明成像模组一实施例的结构示意图；

图2为图1中胶合镜组的部分位置的结构示意图；

图3为图1中透镜的高度示意图；

图4为图1中成像模组在450nm下的调制传递函数图；

图5为图1中成像模组在540nm下的调制传递函数图；

图6为图1中成像模组在610nm下的调制传递函数图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	显示屏幕	222	第二透镜的出光面
101	人眼	30	第一位相延迟器
				110	光线	40	起偏器
20	胶合镜组	50	分光件
				210	第一透镜	60	第二位相延迟器
211	第一透镜的入光面	70	偏振反射器
				212	第一透镜的出光面	80	第三位相延迟器
220	第二透镜	90	第三透镜
				221	第二透镜的入光面

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；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，除非另有明确的限定。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发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

在头戴显示设备中设置偏振转换器件。这些偏振转换器件与空气直接接触，例如位相传感器是偏振转换器件的一种，光线在经过位相传感器时，光线会发生反射，位相传感器每个光学面的反射比例在4％～5％，即便设置增透膜，反射率依然在0.5％左右，这部分反射的光线容易在人眼成像另外一个虚像，还可能形成杂散光，这些都会影响用户获得清晰的显示画面。

为了解决上述问题，参阅图1和图2所示，本发明提供一种成像模组，成像模组包括：显示屏幕10、胶合镜组20、第一位相延迟器30和起偏器40。显示屏幕10发射光线110，第一位相延迟器30和起偏器40设置在显示屏幕10和胶合镜组20之间。

显示屏幕10具有出射光线110的出光面；其中，显示屏幕10的显示原理包括有多种。例如，显示屏幕10的原理包括LCD(Liquid Crystal Display)液晶显示器，或者是LED(LightEmitting Diode)发光二极管，OLED(Organic Light-Emitting Diode)有机发光二极管，Micro-OLED(Micro-Organic Light-Emitting Diode)微型有机发光二极管、ULED(Ultra Light Emitting Diode)极致发光二极管，或者DMD(Digital MicromirrorDevice)数字微镜芯片等。

胶合镜组20设于显示屏幕10的出光方向，胶合镜组20包括胶合设置的第一透镜210和第二透镜220，第一透镜210和第二透镜220沿光线110的传播方向依次设置；显示屏幕10中出光面面积较小，为了保证用户获得放大后的显示画面，光线110需要经过放大，胶合镜组20的作用在于放大解析光线110，从而保证用户获得能够识别的清晰画面。

第一位相延迟器30设于第一透镜的入光面211；第一位相延迟器30用于改变光线110的偏振状态，例如将线偏振光转化为圆偏振光，或者将圆偏振光转化为线偏振光。当然，第一位相延迟器30也可以转化的椭圆偏振光。

起偏器40设于第一位相延迟器30背向第一透镜210的表面。起偏器40的作用在于使光线110进行偏振，使经过起偏器40的光线110具有统一的偏振状态。第一位相延迟器30和起偏器40可以膜层结构，膜层结构利于成像模组体积减小。其中，第一位相延迟器30和起偏器40可以通过光学胶粘贴设置在第一透镜210的表面。也可以采用镀膜的方式，依次将第一位相延迟器30和起偏器40镀在第一透镜210的表面。除此之外，第一位相延迟器30和起偏器40为独立的光学元件，设置方式也采用光学胶粘贴的方式。

本实施例提出的技术方案中，显示屏幕10发射的光线110射向胶合镜组20的第一透镜210。光线110依次穿过起偏器40和第一位相延迟器30。由于第一位相延迟器30设置在起偏器40和第一透镜210之间，第一位相延迟器30的光学面避免了与空气的接触，减少经过的光学介质，从而减少光线110的反射。进一步可知，起偏器40设置在第一位相延迟器30背向第一透镜210的表面。光线110在遇到起偏器40反射时，反射的方向也是朝向远离人眼101的方向。同样可知的是，光线110在由显示屏幕10射向第一位相延迟器30时，即使在第一位相延迟器30的表面有反射，反射的方向同样是朝向远离人眼101的方向。由此可知，在第一位相延迟器30避免与空气接触减少反射的情况下，反射的方向还是朝向远离人眼101的方向，进一步的减少反射光线110射入人眼101，减少鬼影的产生，保证用户获得清晰的显示画面。

在上述实施例中，成像模组还包括：分光件50、第二位相延迟器60、偏振反射器70。分光件50设于第一位相延迟器30和第一透镜210之间；光线110在经过分光件50时部分光线110反射，另一部分光线110透射，反射和透射比可以是1:1，也可以是2:1，还以是1:2等例如，分光件50可以为半反半透膜。分光件50可以通过光学胶粘贴在第一位相延迟器30和第一透镜210之间。也可以采用镀膜的方式，将分光件50镀在第一位相延迟器30的表面或是镀在第一透镜210的表面。第二位相延迟器60设于第一透镜210和第二透镜220之间，第二位相延迟器60的光轴与起偏器40的透过轴之间夹角为45°，可以正45°，也可以是负45°；第二位相延迟器60也为膜层结构，第二位相延迟器60可以通过光学胶粘贴在第一透镜210和第二透镜220之间。也可以采用镀膜的方式，将分光件50镀在第一透镜210的表面或是镀在第二透镜220的表面。

偏振反射器70设于第二透镜的出光面222，起偏器40的透过轴与偏振反射器70的透过轴正交。同样地，偏振反射器70也可以为膜层结构，偏振反射器70可以通过光学胶粘贴在第二透镜220上。也可以采用镀膜的方式，将分光件50镀在第二透镜220的表面。另外，起偏器40的透过轴与偏振反射器70的透过轴正交能够保证光线110在成像模组内部折反射。具体的是，显示屏幕10发射光线110，发射的光线110依次经过起偏器40和第一位相延迟器30后，光线110的偏振状态为圆偏振光。光线110在射向第一透镜210时，光线110首先经过分光件50，一部光线110透射，另一部分光线110反射。透射分光件50的光线110继续传播，并经过第一透镜210后射向第二位相延迟器60，圆偏振光线110的偏振状态发生改变，圆偏振光变换为线偏振光。线偏振的光线110透射第二透镜220，射向偏振反射器70。此时，线偏振光的振动方向与偏振反射器70的透过轴方向不同，光线110被反射。反射的光线110依次经过第二透镜220、第二位相延迟器60和第一透镜210，并再次射向分光件50，光线110再次经过分光件50时，光线110被部分反射向第一透镜210。此时光线110为圆偏振光，经过反射后，光线110的旋转方向发生了改变，光线110再次经过第二位相延迟器60后再次转换为线偏振光。此时，线偏振光的偏振方向与偏振反射器70的透射轴方向相同，在这个过程中，光路直径不断的放大。通过光线110的多次折反射，在有限的空间内实现了图像的放大传递，有利的减少了成像模组的体积。粘贴的方式作业简单，镀膜的方式膜层更加牢固。

进一步地，为了有效保证光线110在圆偏振和线偏振状态之间切换，第一位相延迟器30和第二位相延迟器60均为四分之一波片。线偏振状态的光线110经过四分之一波片后转化为圆偏振光。圆偏振光线110经过四分之一波片转化为线偏振光。

在上述实施例中，起偏器40为线偏振器，显示屏幕10发出的光线110可能具有多种偏振状态，圆偏振光、椭圆偏振光或者线偏振光，还可以是三者其中一种或两种光线110的组合，还可以是自然光。这些光线110在经过起偏器40后，都转化为偏振方向相同的线偏振光，光线110的偏振状态统一，也便于接下来完成光线110的折反射。

在本申请的一实施例中，显示屏幕10发射出的光线110在遇到起偏器40后，除了透射于起偏器40的光线110外，还有一部分光线110被反射，这部分光线110在射向显示屏幕10后会再次反射，容易产生影响显示屏幕10的杂散光。为了进一步的减少杂散光，成像模组还包括第三位相延迟器80，第三位相延迟器80设于起偏器40和显示屏幕10之间，第三相位延迟器的光轴与起偏器40的透过轴之间夹角为45°，可以正45°，也可以是负45°。其中，第三位相延迟器80也可以为四分之一波片。起偏器40反射的光线110在经过第三位相延迟器80，转化为圆偏振光，经过显示屏幕10的反射后，圆偏振光的旋转方向发生了改变，左旋变右旋，或者是右旋变成左旋。光线110再次经过第三相位延迟器后，圆偏振光转化为线偏振光，且线偏振光的偏振方向与起偏器40的透过轴垂直，光线110无法穿过起偏器40，从而减少杂散光的产生。

进一步地，为了胶合镜组20发挥解析成像的作用，第一透镜210为平板透镜、凹凸透镜、双凸透镜或者双凹透镜的其中一种。第一透镜210为平板透镜时，第一透镜的入光面211和第一透镜的出光面212均为平面，且两者平行设置。通过平整的光学表面，便于设置第一位相延迟器30和起偏器40。第一透镜210为凹凸透镜时，可以是凹面朝向显示屏幕10，也可以是凸面朝向显示屏幕10。凹凸透镜的种类较多，例如弯月透镜。凹面效果能够使经过的光线发散，便于扩大光路直径。第一透镜210为双凸透镜时，可以有效的会聚光线110。第一透镜210为双凹透镜时，可以有效的使光线110发散。

进一步地，第二透镜220的设置类型也具有多种，具体包括第二透镜220为平凸透镜、凹凸透镜或者双凸透镜的其中一种。第二透镜220为平凸透镜时，第二透镜的入光面221为平面，第二透镜的出光面222为凸起面。第二透镜220为凹凸透镜时，凹凸透镜可以是弯月透镜，第二透镜的入光面221为凹面，第二透镜的出光面222为凸起面。第二透镜220为双凸透镜时，第二透镜的入光面221和第二透镜的出光面222均为凸起面。通过第二透镜的出光面222凸起设置，光线110有效的向人眼101位置会聚成像。

在本申请的另一实施例中，成像模组还包括第三透镜90，第三透镜90设于胶合镜组20背离显示屏幕10的一侧，第三透镜90为正透镜。正透镜的光焦度为正，也就是说，光线110在经过第三透镜90后，光线110会向成像模组的光轴位置会聚，进一步保证光线110在人眼101位置会聚成像。另外，第三透镜90还可以与胶合镜组20胶合在一起，有利于成像模组体积的减少。

参阅图3所示，为了减小成像模组的体积，定义垂直于成像模组的光轴方向为高度方向，与光轴方向平行的方向为水平方向。第一透镜210的高度为D1，第二透镜220的高度为D2，第三透镜90的高度为D3，则满足：D3＜D2，且，D3＜D1。由此可知的是，第三透镜90的有效高度尺寸小于第一透镜210和第二透镜220的有效高度尺寸。如此，光线110在射向第三透镜90时需要向成像模组的光轴方向大角度弯曲。且由于第三透镜90为正透镜，光线110会聚的位置距离成像模组更近，如此，成像的位置更近。成像模组的整体体积更加小巧，也便于用户使用。

在上述实施例中，胶合镜组20的设置位置至少有两种情况，第一种情况是胶合镜组20设于显示屏幕10的出光面。这样，光线110在经过显示屏幕10射出后直接进入到胶合镜组20，光线110避免在大气中传播，如此减少光线110经过的光学介质，进而减少光线110的反射，减少光线110被光学介质的吸收。

除此之外，第二种情况是胶合镜组20与显示屏幕10间隔设置。如此，能够扩大光线110的传播距离，增加光程，使光线110拥有充分的折反射路径，进而使光线110充分放大解析成像。

表一列出了成像模组中一实施例的具体参数，并给出了计算光学表面对应系数。

表一

另外，针对上述实施例，图4、图5、图6分别为450nm、540nm、610nm下本实施例中成像模组的调制传递函数MTF(Modulation Transfer Function)曲线图，MTF图是指调制度与图像内每毫米线对数之间的关系，用于评价对景物细部还原能力。从图中可以看出在空间频率每毫米线对数70下，540nm波长下，成像模组MTF值高于0.55，450nm和610nm波长下，成像模组MTF高于0.1。在主要视场角范围内，MTF值大于0.55，分辨率良好。

本实施例中，将位相延迟器30和偏振器40贴附到镜片210后表面，取消位相延迟器30与空气交接界面，位相延迟器30表面反射率降低到0.1％以下，可将由于位相延迟器30表面反射引起的杂散光强度降低约80％。

本发明还提供一种头戴显示设备，头戴显示设备包括壳体和如上文成像模组，成像模组设于壳体。壳体能够提供一个支撑成像模组的安装空间，成像模组设置在壳体内，如此能够避免外部环境的水汽或者灰尘落入到成像模组的内部。

本发明的头戴显示器的实施方式可以参照上述成像模组各实施例，在此不再赘述。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种成像模组，其特征在于，所述成像模组包括：

显示屏幕，所述显示屏幕具有出射光线的出光面；

胶合镜组，所述胶合镜组设于所述显示屏幕的出光方向，所述胶合镜组包括胶合设置的第一透镜和第二透镜，所述第一透镜和所述第二透镜沿光线的传播方向依次设置；

第一位相延迟器，所述第一位相延迟器设于所述第一透镜的入光面；以及

起偏器，所述起偏器设于所述第一位相延迟器背向所述第一透镜的表面；

分光件，所述分光件设于所述第一位相延迟器和所述第一透镜之间；

所述分光件为半反半透膜。

2.如权利要求1所述的成像模组，其特征在于，所述成像模组还包括：

第二位相延迟器，所述第二位相延迟器设于所述第一透镜和所述第二透镜之间；以及

偏振反射器，所述偏振反射器设于所述第二透镜的出光面。

3.如权利要求2所述的成像模组，其特征在于，所述第一位相延迟器和所述第二位相延迟器均为四分之一波片。

4.如权利要求1所述的成像模组，其特征在于，所述成像模组还包括第三位相延迟器，所述第三位相延迟器设于所述起偏器和所述显示屏幕之间。

5.如权利要求1至4中任一项所述的成像模组，其特征在于，所述第一透镜为平板透镜、凹凸透镜、双凸透镜或者双凹透镜的其中一种。

6.如权利要求5所述的成像模组，其特征在于，所述第二透镜为平凸透镜、凹凸透镜或者双凸透镜的其中一种，所述第二透镜的出光面为凸起面。

7.如权利要求1至4中任一项所述的成像模组，其特征在于，所述成像模组还包括第三透镜，所述第三透镜设于所述胶合镜组背离所述显示屏幕的一侧，所述第三透镜为正透镜。

8.如权利要求7所述的成像模组，其特征在于，定义垂直于所述成像模组的光轴方向为高度方向，所述第一透镜的高度为D1，所述第二透镜的高度为D2，所述第三透镜的高度为D3，则满足：

D3＜D2，且，D3＜D1。

9.如权利要求1至4中任一项所述的成像模组，其特征在于，所述胶合镜组设于所述显示屏幕的出光面；

或者，所述胶合镜组与所述显示屏幕间隔设置。

10.一种头戴显示设备，其特征在于，所述头戴显示设备包括壳体和如权利要求1至9中任一项所述成像模组，所述成像模组设于所述壳体。

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