CN116449566A - 近眼显示模组以及头戴显示设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种近眼显示模组以及头戴显示设置；近眼显示模组沿同一光轴依次包括第一透镜、第二透镜以及第三透镜，第一透镜的外径＜第二透镜的外径＜第三透镜的外径；近眼显示模组还包括分光元件、第一相位延迟器以及偏振反射元件，分光元件位于第一透镜的任一侧，第一相位延迟器和偏振反射元件位于第二透镜和第三透镜之间；近眼显示模组还包括眼球追踪组件，眼球追踪组件包括照明器件及成像器件，照明器件位于第一透镜的外周一侧，成像器件位于第一透镜的外周相对照明器件的另一侧。本申请实施例将眼球追踪组件的照明器件和成像器件排布于光学模组内部，且分别位于两侧，不会额外增加模组体积，且改善眼球追踪组件的精度。

Description

近眼显示模组以及头戴显示设备

技术领域

本申请实施例涉及光学成像技术领域，更具体地，本申请实施例涉及一种近眼显示模组以及头戴显示设备。

背景技术

虚拟现实设备为了实现特定的功能，需要追踪用户的眼球。目前，在进行眼球追踪时通常引入眼球追踪模块来实现眼球位置的实时追踪。然而，在虚拟现实设备中眼球追踪模块一般位于光学模组外侧，会在一定程度上增加虚拟现实设备的体积，这就违背了用户对虚拟现实设备小体积的要求，影响用户的佩戴感。此外，眼球追踪模块的照明器件与成像器件在光学模组的外侧会损失在大角度下的眼球追踪的精度。

发明内容

本申请的目的是提供一种近眼显示模组以及头戴显示设备的新技术方案。

第一方面，本申请提供了一种近眼显示模组。所述近眼显示模组沿同一光轴依次包括第一透镜、第二透镜以及第三透镜，所述第一透镜的外径D1、所述第二透镜的外径D2以及所述第三透镜的外径D3满足：D1＜D2＜D3；

所述近眼显示模组还包括分光元件、第一相位延迟器以及偏振反射元件，所述分光元件位于所述第一透镜的任一侧，所述第一相位延迟器和所述偏振反射元件位于所述第二透镜和所述第三透镜之间；

所述近眼显示模组还包括眼球追踪组件，所述眼球追踪组件包括照明器件及成像器件，所述照明器件位于所述第一透镜的外周一侧，所述成像器件位于所述第一透镜的外周相对所述照明器件的另一侧；所述照明器件出射的光线透过所述第二透镜和所述第三透镜后入射至人眼，经人眼反射后再次透过所述第三透镜和所述第二透镜，并入射至所述成像器件。

可选地，所述第一透镜的外径最高点和所述第三透镜的外径最高点的连线与垂直于所述光轴方向的夹角θ满足：θ≤50°。

可选地，所述照明器件包括红外光源，所述成像器件包括红外摄像装置。

可选地，所述照明器件还包括第一反射结构，所述第一反射结构位于所述红外光源的出光路径上；所述成像器件还包括第二反射结构，所述第二反射结构位于所述红外摄像装置的入光路径上。

可选地，所述第一反射结构和所述第二反射结构为平面镜或曲面镜。

可选地，所述第一反射结构不高于所述第三透镜的外径最高点，所述第二反射结构不低于所述第三透镜的外径最低点。

可选地，所述眼球追踪组件还包括第一驱动器件和第二驱动器件，所述第一驱动器件可驱动所述第一反射结构摆动，所述第二驱动器件可驱动所述第二反射结构摆动。

可选地，所述第一反射结构与所述光轴存在第一摆动角度α，所述第二反射结构与所述光轴存在第二摆动角度为β，满足：45°≤α≤85°，45°≤β≤85°。

可选地，所述第二透镜及所述第三透镜的组合光焦度为正，所述第二透镜及所述第三透镜的组合光焦度φ₂₃满足：0≤φ₂₃≤0.1。

可选地，所述近眼显示模组的***光焦度φ满足：0≤φ≤0.15。

可选地，所述近眼显示模组还包括第一偏光元件，所述第一偏光元件与所述偏振反射元件及所述第一相位延迟器依次叠设形成第一堆叠膜层；

所述分光元件设于所述第二透镜靠近所述第一透镜的表面，所述第一堆叠膜层设于所述第三透镜靠近所述第二透镜的表面。

可选地，所述近眼显示模组还包括第二堆叠膜层，所述第二叠堆设于所述第一透镜和所述第二透镜之间，所述第二堆叠膜层包括第二相位延迟器、第二偏光元件及第三相位延迟器，其中，所述第二偏光元件位于所述第二相位延迟器与所述第三相位延迟器之间。

可选地，所述近眼显示模组还包括显示屏，所述显示屏位于所述第一透镜远离所述第二透镜的一侧，所述显示屏被配置为能够发射出圆偏振光或者自然光。

可选地，所述第一透镜背离所述第二透镜一侧表面的矢高d满足：|d|＜1.5mm，d为所述第一透镜背离所述第二透镜一侧表面上的任一点至所述第一透镜背离所述第二透镜一侧表面上中心点的距离。

第二方面，本申请提供了一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括：

壳体；以及

如第一方面所述的近眼显示模组。

根据本申请实施例，提供了一种近眼显示模组，采用一种折叠光路结构设计，通过限定各个透镜的外径大小关系，可以在左右两侧的两个透镜外周形成容置空间，如此可以将引入的眼球追踪组件布设在容置空间内，且通过将眼球追踪组件中的照明器件和成像器件分别布设于容置空间的两侧，这样既不会额外增加模组体积，也提高了眼球追踪组件的精度。

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近眼显示模组的结构示意图之一；

图2为本申请实施例提供的近眼显示模组的第一堆叠膜层的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的近眼显示模组的第二堆叠膜层的结构示意图；

图4为图1示出的近眼显示模组的点列图；

图5为图1示出的近眼显示模组的MTF曲线图；

图6为图1示出的近眼显示模组的场曲畸变图；

图7为图1示出的近眼显示模组的垂轴色差图；

图8为图1示出的近眼显示模组的矢高d示意图；

图9为图1示出的近眼显示模组的第一反射结构及第二反射结构的另一种结构示意图；

图10为图1示出的近眼显示模组的夹角θ示意图；

图11为本申请实施例提供的近眼显示模组的结构示意图之二；

图12为图11示出的近眼显示模组的点列图；

图13为图11示出的近眼显示模组的MTF曲线图；

图14为图11示出的近眼显示模组的场曲畸变图；

图15为图11示出的近眼显示模组的垂轴色差图；

图16为图11示出的近眼显示模组的矢高d示意图。

附图标记说明：

10、第一透镜；11、第一表面；12、第二表面；20、第二透镜；21、第三表面；22、第四表面；30、第三透镜；31、第五表面；32、第六表面；40、显示屏；50、照明器件；51、红外光源；52、第一反射结构；60、成像器件；61、红外摄像装置；62、第二反射结构；70、第一堆叠膜层；71、第一偏光元件；72、偏振反射元件；73、第一相位延迟器；74、第一抗反射膜；80、第二堆叠膜层；81、第二抗反射膜；82、第二相位延迟器；83、第二偏光元件；84、第三相位延迟器；90、分光元件；100、屏幕保护玻璃；01、人眼。

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。

根据本申请实施例的一个方面，提供了一种近眼显示模组，所述近眼显示模组可适合应用于头戴显示设备(Head mounted display，HMD)，例如VR头戴设备。其中，VR头戴设备例如可以包括VR眼镜或者VR头盔等，本申请实施例对此不做具体限制。

本申请实施例提供了一种近眼显示模组，如图1所示，所述近眼显示模组沿同一光轴依次包括第一透镜10、第二透镜20以及第三透镜30，所述第一透镜10的外径D1、所述第二透镜20的外径D2以及所述第三透镜30的外径D3满足：D1＜D2＜D3；

所述近眼显示模组还包括分光元件90、第一相位延迟器73以及偏振反射元件72，所述分光元件90位于所述第一透镜10的任一侧，所述第一相位延迟器73和所述偏振反射元件72位于所述第二透镜20和所述第三透镜30之间；以在所述第三透镜30和所述第一透镜10的外周形成容置空间；

所述近眼显示模组还包括眼球追踪组件，所述眼球追踪组件包括照明器件50及成像器件60，所述照明器件50位于所述第一透镜10的外周一侧，所述成像器件60位于所述第一透镜10的外周相对所述照明器件50的另一侧；所述照明器件50出射的光线透过所述第二透镜20和所述第三透镜30后入射至人眼01，经人眼01反射后再次透过所述第三透镜30和所述第二透镜20，并入射至所述成像器件60。

本申请实施例提供的近眼显示模组，在折叠光路结构设计中引入了眼球跟踪组件，参见图1，该眼球跟踪组件包括照明器件50及成像器件60，所述照明器件50出射的光线透过所述第二透镜20和所述第三透镜30后入射至人眼01，经人眼01反射后再次透过所述第三透镜30和所述第二透镜20，并入射至所述成像器件60。所述成像器件60接收光线用以拍摄用户的眼部图像。通过所述眼球跟踪组件能够获取用户的眼球位置，也即由所述眼球跟踪组件来实现人眼01中眼球位置的实时追踪。这就赋予了近眼显示模组的眼球追踪功能。

通过在所述近眼显示模组中增加眼球追踪组件，可以追踪到用户的眼球具***置，这可以带来两方面的效果：一方面，根据追踪到的眼球位置，可以获取用户的瞳距，使近眼显示模组能够启动精确的瞳距调节功能，使得近眼显示模组在使用时能够与用户的瞳距进行准确的匹配，这样可以避免出现用户的瞳距与佩戴的设备不匹配时产生的不舒适感；另一方面，根据追踪眼球的位置还可以实现凝视点(注视点)的渲染，也即使得模组可以捕捉到眼球凝视的角度以找到凝视点，这样可以在凝视点附近做一些细节方面的渲染，利于提升成像质量，从而利于使用户获得良好视觉体验感。

需要说明的是，在不具备眼球追踪的光学显示模组中，若需要对画面进行渲染，通常是对整个画面进行渲染，这对渲染的计算机硬件要求较高，也会增加生产成本。实际上，在对画面进行渲染时最佳的方式是对用户眼睛的凝视点附近进行渲染。这是因为在凝视点附近看到的图像比较清晰，越往周边看到的图像越模糊。本申请可以达到在用户眼睛的凝视点附近进行画面渲染。

在本申请的实施例中，所述眼球追踪组件包括照明器件50及成像器件60，所述照明器件50位于所述第一透镜10的外周一侧，所述成像器件60位于所述第一透镜10的外周相对所述照明器件50的另一侧，在本申请实施例提供的各个透镜的设计中，通过限定各个透镜的外径大小关系，即所述第一透镜10的外径D1＜所述第二透镜20的外径D2＜所述第三透镜30的外径D3，如此可以在左右两侧的两个透镜外周形成容置空间，将引入的眼球追踪组件布设在容置空间内，这样不会在近眼显示模组的横向与纵向引入任何尺寸的增加，从而不会额外增加模组体积，且通过将眼球追踪组件中的照明器件50和成像器件60分别布设于容置空间的两侧，可以有效减少人眼01相对于眼球追踪模块(照明器件50和成像器件60)的角度，从而提高了眼球追踪组件的精度。

本申请实施例提供的近眼显示模组为一种折叠光路结构，其中除包含第一透镜10、第二透镜20以及第三透镜30外，还包含分光元件90、第一相位延迟器73及偏振反射元件72，这些光学元件(光学膜)可用以在各个透镜之间形成折叠光路，使光线在其中进行折返，减小整个光学模组的厚度。此外，透镜的数量包括但不限于上述的三个，可以根据具体需求设计和调整透镜的数量。

本申请实施例提供的近眼显示模组中，所述分光元件90可以为半透射半反射膜，所述分光元件90可供一部分光线透射，另一部分光线反射。需要说明的是，所述分光元件90的反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。

本申请实施例提供的近眼显示模组中，所述第一相位延迟器73可以为四分之一波片。需要说明的是，所述第一相位延迟器73也可根据需要设置为其他相位延迟片，如二分之一波片等。所述第一相位73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。

本申请实施例提供的近眼显示模组中，所述偏振反射元件72可以为偏振反射膜。所述偏振反射元件72是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。所述第一相位延迟器73与所述偏振反射元件72相配合，能够用于解析光线并对光线进行传递。其中，所述偏振反射元件72具有透过轴，所述偏振反射元件72的透过轴方向与所述第一相位延迟器73的快轴或者慢轴夹角为45°。

值得说明的是，所述分光元件90、所述第一相位延迟器73及所述偏振反射元件72在折叠光路中的设置位置较为灵活，但需要保证第一相位延迟器73位于分光元件90与偏振反射元件72之间。其中，可选的是，如图1及图2所示，所述分光元件90设于所述第二透镜20的靠近所述第一透镜10的表面，所述第一相位延迟器73与所述偏振反射元件72贴装在一起并设于所述第三透镜30的靠近所述第二透镜20的表面。这样的装配方式较为简单。此外，所述分光元件90、所述第一相位延迟器73及所述偏振反射元件72不仅可以为膜层结构，也可以作为独立器件设于折叠光路中。

如图1所示，本申请实施例的近眼显示模组的光路主要包括如下两条：

虚拟现实光路：圆偏振光首先经过第一透镜10的第一表面11透射至第二表面12，再经过第二透镜20的第三表面21的分光元件90，一部光线透射分光元件90，另一部分光线反射，透射过分光元件90的光线依次射向第二透镜20的第二表面21以及第二透镜20的第四表面22，之后透射第四表面22的光线射向第三透镜30的第五表面31的第一相位延迟器73，此时圆偏振光的偏振状态发生改变，圆偏振光变换为线偏振光，线偏振的光线再射向偏振反射元件72，此时，线偏振光的振动方向与偏振反射元件72的透过方向不同而被反射，反射后光线会重新经过第一相位延迟器73，以使得线偏振光再次变为圆偏振光反射依次穿过第二透镜20和第一透镜10，当光线再次反射经过分光元件90时，部分光线会又被反射后会依次穿过第一透镜10和第二透镜20。此时光线为圆偏振光，经过反射后，光线的旋转方向发生了改变，当光线再次经过第一相位延迟器73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元件72的透射方向相同，光线透过第三透镜30，在人眼01位置成像。

眼球追踪光路：照明器件50出射的光线透过第二透镜20和第三透镜30后入射至人眼01，经人眼01反射后再次透过第三透镜30和第二透镜20，并入射至成像器件60中。

在本申请的一些示例中，所述第一透镜10的外径最高点和所述第三透镜30的外径最高点的连线与垂直于所述光轴方向的夹角θ满足：θ≤50°。在此参数范围设计内，能使得在所述第一透镜10和所述第三透镜30的外周形成较大的容置空间，以便于给所述眼球跟踪组件中的照明器件50和成像器件60预留出足够可容置的空间，这就不会增加整个模组在纵向和横向上的尺寸。

在本申请实施例提供的折叠光路中，所述第二透镜20位于所述第一透镜10与所述第三透镜30之间，所述第一透镜10的周侧因需要布设所述眼球跟踪组件中的照明器件50和成像器件60，为此预留了一定的空间，从而设计了所述第三透镜30的外径D₃＜所述第一透镜10的外径D₁。同时，为了使得所述眼球跟踪组件中的照明器件50和成像器件60不被所述第二透镜20干涉，因此，所述第二透镜20的外径D₂应该介于所述第三透镜30的外径D₃和所述第一透镜10的外径D₁之间，也即所述第三透镜30的外径D₃＜所述第二透镜20的外径D₂＜所述第一透镜10的外径D₁。值得说明的是，本申请实施例中对所述第一透镜10的外径D₁、所述第二透镜20的外径D₂及所述第三透镜30的外径D₃相互之间的差异量不做具体数值限制，可以根据装配空间的尺寸要求灵活调整。

在本申请的一些示例中，参见图1所示，所述照明器件50包括红外光源51，所述成像器件60包括红外摄像装置61。所述照明器件50包括红外光源51，可以发出红外光线，红外光线透过所述第二透镜20和所述第三透镜30后入射至人眼01，经人眼01反射后再次透过所述第三透镜30和所述第二透镜20，并入射至所述成像器件60。

可选的是，参见图1所示，所述照明器件50还包括第一反射结构52，所述第一反射结构52位于所述红外光源51的出光路径上，至少部分所述红外光源51发出的光线能够经所述第一反射结构52反射至所述第二透镜20和第三透镜30中；所述成像器件60还包括第二反射结构62，所述第二反射结构62位于所述红外摄像装置61的入光路径上，至少部分所述红外光源51发出的光线能够透射至所述第三透镜30和第二透镜20，出射的光线经所述第二反射结构62反射至所述红外摄像装置61中。也就是说，对于近眼显示模组中引入的眼球跟踪组件，可以在其中的照明器件50和成像器件60中对应增加第一反射结构52以及第二反射结构62，所述照明器件50发出红外光线，红外光线透过所述第二透镜20和所述第三透镜30后入射至人眼01，经人眼01反射后再次透过所述第三透镜30和所述第二透镜20，并入射至所述成像器件60，可以适当的增加光程长度，且能更加多的接收红外光线，这也在一定程度上利于提升眼球跟踪的精度。

在本申请的一些示例中，参见图1和图9所示，所述第一反射结构和所述第二反射结构可以为平面镜或曲面镜。需要说明的是，不论所述第一反射结构和所述第二反射结构是平面镜还是曲面镜，所实现的功能都是用来反射红外光线，其本身结构并不会限制其在眼球追踪组件中的作用。

另外，本申请实施例提供的眼球追踪组件中，所述第一反射结构不高于所述第三透镜的外径最高点，所述第二反射结构不低于所述第三透镜的外径最低点。此参数设计限定了眼球追踪组件在光学模组中的位置，即在所述第一透镜10和所述第三透镜30的外周形成容置空间，将引入的眼球追踪组件布设在容置空间内，不会超出近眼显示模组的横向与纵向之外的位置，从而不会额外增加整体光学模组的体积，且眼球追踪组件中的照明器件50和成像器件60分别布设于容置空间的两侧，可以有效减少人眼01相对于眼球追踪模块(照明器件50和成像器件60)的角度，从而提高了眼球追踪组件的精度。

在本申请的一些示例中，所述眼球追踪组件还包括第一驱动器件和第二驱动器件，所述第一驱动器件可驱动所述第一反射结构52发生摆动，所述第二驱动器件可驱动所述第二反射结构62发生摆动，如此可以满足人眼动态范围的调整。

具体的，本申请的一些示例中，所述第一反射结构52与所述光轴存在第一摆动角度α，所述第二反射结构62与所述光轴存在第二摆动角度为β，满足：45°≤α≤85°，45°≤β≤85°。上述设计能够使得眼球追踪组件中的第一反射结构52和第二反射结构62可以分别通过第一驱动器件和第二驱动器件实现在一定角度范围内进行摆动扫描，从而增大眼球追踪的范围。

在本申请的一些示例中，所述第二透镜20及所述第三透镜30的组合光焦度为正，所述第二透镜20及所述第三透镜30的组合光焦度φ₂₃满足：0≤φ₂₃≤0.1。本申请实施例的近眼显示模组，参见图1，所述照明器件50包括红外光源51，可以发出红外光线，红外光线透过所述第二透镜20和所述第三透镜30后入射至人眼01，经人眼01反射后再次透过所述第三透镜30和所述第二透镜20，并入射至所述成像器件60，当所述第三透镜30与所述第二透镜20的组合光焦度设置为正，经人眼01反射的光线在依次透过所述第三透镜30、所述第二透镜20后相对于所述成像器件60的入射角度会相应的变小，这样可以提高眼球定位的精度。其中，所述第二透镜20的光焦度为正，所述第三透镜30的光焦度为正，例如，所述第二透镜20的光焦度范围为所述第三透镜30的光焦度范围为/>

其中，所述第二透镜20的中心厚度T₂范围为3mm＜T₂＜10mm，其包含两个光学面，参见图1，分别为靠近所述第一透镜10的第三表面21及靠近所述第三透镜30的第四表面22。所述第三透镜30的中心厚度T₃范围为3mm＜T₃＜10mm，其包含两个光学面，参见图1，分别为靠近所述第二透镜20的第五表面31及背离所述第二透镜20的第六表面32。

在本申请的一些示例中，所述第一透镜的光焦度为正，所述近眼显示模组的***光焦度φ满足：0≤φ≤0.15。

例如，所述第一透镜10的光焦度范围为

其中，所述第一透镜10的中心厚度T₁范围为1mm＜T₁＜10mm，其包含两个光学面，参见图1，分别为背离所述第二透镜20的第一表面11及靠近所述第二透镜20的第二表面12。

可选的是，所述第一表面11及所述第二表面12为非球面或者平面。

可选的是，所述分光元件90设于所述第三表面21，所述第三表面21可以是平面或者非球面。

可选的是，在所述第四表面22上可以选择性的设有抗反射膜。所述第四表面22可以是平面或者非球面。值得说明的是，抗反射膜能减少反射，降低反射能量，提升光效利用率。抗反射膜可以通过粘贴或者镀膜的方式形成在光学元器件上形成一些界面，增加透过率，减少反射率，从而减少图像失真，使用户可以享受更清晰的影像品质，以达到减少眩光的现象。

可选的是，所述第五表面31可以设计为非球面，所述第六表面32可以设计为平面或非球面。形成折叠光路的第一相位延迟器73及偏振反射元件72可以为层叠设置，并设于所述第三透镜30的第五表面31。

可选的是，在所述第六表面32上也以选择性的设有抗反射膜。

在本申请的一些示例中，参见图1及图11所示，所述近眼显示模组还包括显示屏40，所述显示屏40位于所述第一透镜10背离所述第二透镜20的一侧；

所述显示屏40被配置为能够发射出圆偏振光或者自然光；

其中，当所述显示屏40发射的光线为自然光时，所述第一透镜10与所述第二透镜20之间设置有第二堆叠膜层80，能够用以将自然光转变为圆偏振光后射入所述第二透镜20和所述第三透镜30中。

当显示屏40发出的是自然光时，则需要对自然光先进行偏振态的转化，使自然光先转变为圆偏振光之后在射入左侧的成像镜组中，最终经成像镜组出射的光线打入人眼01进行成像。

可选的是，所述第二堆叠膜层80设于所述第一透镜10远离所述显示屏40的表面；所述第二堆叠膜层80包括第二相位延迟器82、第二偏光元件83及第三相位延迟器84，其中，所述第二偏光元件83位于所述第二相位延迟器82与所述第三相位延迟器84之间。

在本申请的实施例中，用于将自然光转变为圆偏振光的器件为上述的所述第二堆叠膜层80。所述叠合片80包括两个相位延迟器及设于该两个相位延迟器之间的偏光元件。具体而言，显示屏40发出自然光，自然光会经过第三相位延迟器84后依然为自然光，经过第二偏光元件83后变为线偏振光，经过第二相位延迟器82变为圆偏振光。

在所述第二堆叠膜层80中，两个相位延迟器例如均为四分之一波片；其中一个四分之一波片能够用于调整光的偏振态，还有一个四分之波片位于最外侧，可用于阻挡一部分入射的光线，具体而言，这部分光线属于成像中不想要的光线，若这部分光线不被阻挡，就会通过显示屏40的出光面反射回来打入人眼01，这对于最终的成像不利。

在本申请的实施例中，所述第二堆叠膜层80被设计位于所述第一透镜10的第二表面12上，参见图3，所述第二堆叠膜层80包括依次叠设的第二抗反射膜81、第二相位延迟器82、第二偏光元件83及第三相位延迟器84，所述第三相位延迟器84与所述第二表面12贴合在一起。

具体地，所述第二堆叠膜层80为一种复合膜结构，是将两个四分之波片之间夹设偏光膜而形成。本申请中设计将所述第二堆叠膜层80通过例如光学胶直接贴装于第二表面12上。这种组装方式简单、可以降低生产成本及提高产品良率。

在本申请实施例提供的近眼显示模组中，通过在显示屏40与第一透镜10之间设置第二堆叠膜层80，实现了自然光偏振态变换，可以将显示屏40发出的自然光转变为圆偏振光后进入近人眼01一侧的折叠光路结构中进行光线折返，最终可以将光线经所述第三透镜30出射后形成清晰的图像。这利于提升近眼显示模组的显示效果，使得最终的成像质量佳。如此，可以提升用户的观看体验。

可选的是，所述显示屏40的出光面设有屏幕保护玻璃100。所述显示屏40发出的光线经过表面的屏幕保护玻璃100透射后进入所述叠合片80进行光的偏振态转变。

在本申请的一些示例中，参见图1及图2，所述成像镜组内还设置有第一偏光元件71，所述第一偏光元件71与所述偏振反射元件72及所述第一相位延迟器73依次叠设形成第一堆叠膜层70；所述分光元件90设于所述第二透镜20靠近所述第一透镜10的表面，所述复合膜70设于所述第三透镜30靠近所述第二透镜20的表面。

其中，所述第一偏光元件71可用于减少杂散光。

可选的是，如图2所示，所述第一堆叠膜层70还可包括第一抗反射膜74，则所述第一抗反射膜74、所述第一相位延迟器73、所述偏振反射元件72和所述第一偏光元件71依次层叠设置。所述第一堆叠膜层70贴装于所述第三透镜30靠近所述第二透镜20的表面上，此时，可以在所述第三透镜30远离所述第二透镜20的表面上也设置抗反射膜。抗反射膜可以通过粘贴或者镀膜的方式形成在光学元器件上形成一些界面，增加透过率，减少反射率，从而减少图像失真，使用户可以享受更清晰的影像品质，以达到减少眩光的现象。

在本申请实施例的近眼显示模组中，所述分光元件90与所述第一相位延迟器73二者为间隔设置。例如，所述分光元件90设于所述第二透镜20靠近所述第一透镜10的一侧，所述第一相位延迟器73设于所述第二透镜20与所述第三透镜30之间，这样，所述分光元件90与所述第一相位延迟器73分设在所述第二透镜20的两侧，也即通过所述第二透镜20将所述分光元件90与所述第一相位延迟器73隔开。当然，所述分光元件90与所述第一相位延迟器73二者可以贴装在一起并设于所述第二透镜20的任一侧，本申请实施例对此不做具体限制。

可选的是，将所述偏振反射元件72与所述第一相位延迟器73贴装在一起，然后设于所述第三透镜30靠近所述第二透镜20的表面。此外，所述偏振反射元件72与所述第一相位延迟器73也可独立设置。

本申请实施例的近眼显示模组包括第一透镜10、第二透镜20及第三透镜30，所述第一透镜10、所述第二透镜20及所述第三透镜30的折射率n范围为：1.4＜n＜1.7；所述第一透镜10、所述第二透镜20及所述第三透镜30的色散系数v范围为：20＜v＜75。通过调整三个透镜的折射率和色散系数，使其相匹配，可以提升近眼显示模组的成像品质。

在本申请一个具体的例子中，所述第一透镜10的折射率为1.54，色散系数为56.3；所述第二透镜20的折射率为1.54，色散系数为56.3；所述第三透镜30的折射率为1.54，色散系数为55.7。

在本申请实施例的近眼显示模组中，如图15所示，所述第一透镜10背离所述第二透镜20一侧表面的矢高d满足：|d|＜1.5mm，d为所述第一透镜10背离所述第二透镜20一侧表面上的任一点至所述第一透镜10背离所述第二透镜20一侧表面上中心点的距离，以通过该参数设计来改善边缘视场成像质量。

以下通过两个实施例对本申请实施例提供的近眼显示模组进行详细描述。

实施例1

如图1至图3所述，所述近眼显示模组沿同一光轴依次包括第一透镜10、第二透镜20以及第三透镜30；还包括分光元件90、第一相位延迟器73、偏振反射元件72以及第一偏光元件71；所述第一偏光元件71与所述偏振反射元件72及所述第一相位延迟器73依次叠设形成第一堆叠膜层70，且所述第一相位延迟器73位于所述分光元件90与所述偏振反射元件72之间；其中，所述第二透镜20的光焦度为正，所述第三透镜30的光焦度为正，所述第二透镜20及所述第三透镜30的组合光焦度为0.0568；所述分光元件90位于所述第二透镜20的第三表面21，所述第一堆叠膜层70设于所述第三透镜30的第五表面31；所述第一透镜10的光焦度为正，所述近眼显示模组的***光焦度为0.0566；

所述第一透镜的外径D1、所述第二透镜的外径D2以及所述第三透镜的外径D3满足：D1＜D2＜D3，如此可以在左右两侧的两个透镜外周形成容置空间；

所述近眼显示模组还包括眼球追踪组件，所述眼球追踪组件包括照明器件50及成像器件60，所述照明器件50位于所述第一透镜10的外周一侧，所述成像器件60位于所述第一透镜10的外周相对所述照明器件50的另一侧；所述照明器件50出射的光线透过所述第二透镜20和所述第三透镜30后入射至人眼01，经人眼01反射后再次透过所述第三透镜30和所述第二透镜20，并入射至所述成像器件60；

所述近眼显示模组还包括显示屏40，所述显示屏40位于所述第一透镜10背离所述第二透镜20的一侧；所述显示屏40能够发射出自然光，所述第一透镜10的第二表面12设有第二堆叠膜层80，用以将自然光转变为圆偏振光后射入所述第二透镜20和所述第三透镜30；所述第二堆叠膜层80包括第二相位延迟器82、第二偏光元件83及第三相位延迟器84，其中，所述第二偏光元件83位于所述第二相位延迟器82与所述第三相位延迟器84之间。

表1示出了实施例1提供的近眼显示模组中各透镜的光学参数。

表1

根据上述例子中示出的近眼显示模组，请继续如图1所示，虚拟成像光线的传播理解为：显示屏40发出自然光，透射至第一透镜10，经过第一透镜10的第二表面12上的第三相位延迟器84变为自然光，经过第二偏光元件83变为线偏振光，经过第二相位延迟器82变为圆偏振光，经过第二透镜20的第三表面21上的分光元件90，一部光线透射分光元件90，另一部分光线反射，透射过分光元件90的光线依次射向第二透镜20的第二表面21以及第二透镜20的第四表面22，之后透射第四表面22的光线射向第三透镜30的第五表面31的第一相位延迟器73，经过第一相位延迟器73变成线偏振光(S光)，经过偏振反射元件72反射，经过第一相位延迟器73变成圆偏振光，经过分光元件90反射，经过第一相位延迟器73变成线偏振光(P光)，经过第三透镜30透射后打入人眼01。

针对上述实施例1提供的近眼显示模组，其光学性能可如图4至图7所示：图4是近眼显示模组的点列图示意图，图5是近眼显示模组的MTF曲线图，图6是近眼显示模组的场曲畸变图，图7是近眼显示模组的垂轴色差图。

点列图是指由一点发射出的许多光线经近眼显示模组之后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，可用于评价近眼显示模组的成像质量。如图4所示，本实施例1中，所述点列图中像点的最大值与最大视场相对应，所述点列图中像点的最大值小于8μm。

MTF曲线图是调制传递函数图，通过黑白线对的对比度表征近眼显示模组的成像清晰度。如图5所示，本实施例1中MTF在40lp/mm下>0.3，中心MTF在40lp/mm下>0.7，成像清晰。

畸变图反应的是不同视场成清晰像的像面位置差异，本实施例1中，如图6所示，畸变最大发生在1视场，绝对值小于30％；场曲图反应的是不同视场成清晰像的像面位置差异，在本案例1中，场曲最大值小于5mm。

垂轴色差又称为倍率色差，主要是指物方的一根复色主光线，因折射***存在色散，在像方出射时变成多根光线，蓝光与红光在像面上的焦点位置的差值。在实施例1中，如图7所示，近眼显示模组的最大色差值小于200μm。

如图8所示，所述第一透镜10略凹向显示屏40一侧，所述第一透镜10背离所述第二透镜20一侧表面的矢高d满足：|d|＜0.51mm，d为所述第一透镜10背离所述第二透镜20一侧表面上的任一点至所述第一透镜10背离所述第二透镜20一侧表面上中心点的距离，以通过该参数设计来改善边缘视场成像质量。

实施例2

实施例2提供的近眼显示模组，参见图11所示，其与实施例1提供的近眼显示模组的区别在于，所述第一透镜10略凸向显示屏40一侧。

表2示出了实施例2提供的近眼显示模组中各透镜的光学参数。

表2

针对上述实施例2提供的近眼显示模组，其光学性能与上述实施例1示出的近眼显示模组的光学性能差异不大，可继续参见图12至图15。

如图12所示，本实施例2中，所述点列图中像点的最大值与最大视场相对应，所述点列图中像点的最大值小于9μm。

如图13所示，本实施例2中，MTF在40lp/mm下>0.5，中心MTF在40lp/mm下>0.8，成像清晰。

如图14所述，本实施例2中，畸变最大发生在1视场，绝对值小于35％；在本案例2中，场曲最大值小于6mm。

如图15所示，在实施例2中，近眼显示模组的最大色差值小于200μm。

根据本申请实施例的另一方面，还提供了一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括壳体，以及如上述所述的近眼显示模组。

如图16所示，所述第一透镜10略凸向显示屏40一侧，所述第一透镜10背离所述第二透镜20一侧表面的矢高d满足：|d|＜1.3mm，d为所述第一透镜10背离所述第二透镜20一侧表面上的任一点至所述第一透镜10背离所述第二透镜20一侧表面上中心点的距离，以通过该参数设计来改善边缘视场成像质量。

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，本申请实施例对此不做具体限制。

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近眼显示模组各实施例，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。

Claims (15)

1.一种近眼显示模组，其特征在于，沿同一光轴依次包括第一透镜、第二透镜以及第三透镜，所述第一透镜的外径D1、所述第二透镜的外径D2以及所述第三透镜的外径D3满足：D1＜D2＜D3；

所述近眼显示模组还包括分光元件、第一相位延迟器以及偏振反射元件，所述分光元件位于所述第一透镜的任一侧，所述第一相位延迟器和所述偏振反射元件位于所述第二透镜和所述第三透镜之间；

所述近眼显示模组还包括眼球追踪组件，所述眼球追踪组件包括照明器件及成像器件，所述照明器件位于所述第一透镜的外周一侧，所述成像器件位于所述第一透镜的外周相对所述照明器件的另一侧；所述照明器件出射的光线透过所述第二透镜和所述第三透镜后入射至人眼，经人眼反射后再次透过所述第三透镜和所述第二透镜，并入射至所述成像器件。

2.根据权利要求1所述的近眼显示模组，其特征在于，所述第一透镜的外径最高点和所述第三透镜的外径最高点的连线与垂直于所述光轴方向的夹角θ满足：θ≤50°。

3.根据权利要求1所述的近眼显示模组，其特征在于，所述照明器件包括红外光源，所述成像器件包括红外摄像装置。

4.根据权利要求3所述的近眼显示模组，其特征在于，所述照明器件还包括第一反射结构，所述第一反射结构位于所述红外光源的出光路径上；所述成像器件还包括第二反射结构，所述第二反射结构位于所述红外摄像装置的入光路径上。

5.根据权利要求4所述的近眼显示模组，其特征在于，所述第一反射结构和所述第二反射结构为平面镜或曲面镜。

6.根据权利要求4所述的近眼显示模组，其特征在于，所述第一反射结构不高于所述第三透镜的外径最高点，所述第二反射结构不低于所述第三透镜的外径最低点。

7.根据权利要求4所述的近眼显示模组，其特征在于，所述眼球追踪组件还包括第一驱动器件和第二驱动器件，所述第一驱动器件可驱动所述第一反射结构摆动，所述第二驱动器件可驱动所述第二反射结构摆动。

8.根据权利要求7所述的近眼显示模组，其特征在于，所述第一反射结构与所述光轴存在第一摆动角度α，所述第二反射结构与所述光轴存在第二摆动角度为β，满足：45°≤α≤85°，45°≤β≤85°。

9.根据权利要求1所述的近眼显示模组，其特征在于，所述第二透镜及所述第三透镜的组合光焦度为正，所述第二透镜及所述第三透镜的组合光焦度φ₂₃满足：0≤φ₂₃≤0.1。

10.根据权利要求1所述的近眼显示模组，其特征在于，所述近眼显示模组的***光焦度φ满足：0≤φ≤0.15。

11.根据权利要求1所述的近眼显示模组，其特征在于，所述近眼显示模组还包括第一偏光元件，所述第一偏光元件与所述偏振反射元件及所述第一相位延迟器依次叠设形成第一堆叠膜层；

所述分光元件设于所述第二透镜靠近所述第一透镜的表面，所述第一堆叠膜层设于所述第三透镜靠近所述第二透镜的表面。

12.根据权利要求1所述的近眼显示模组，其特征在于，所述近眼显示模组还包括第二堆叠膜层，所述第二叠堆设于所述第一透镜和所述第二透镜之间，所述第二堆叠膜层包括第二相位延迟器、第二偏光元件及第三相位延迟器，其中，所述第二偏光元件位于所述第二相位延迟器与所述第三相位延迟器之间。

13.根据权利要求1所述的近眼显示模组，其特征在于，所述近眼显示模组还包括显示屏，所述显示屏位于所述第一透镜远离所述第二透镜的一侧，所述显示屏被配置为能够发射出圆偏振光或者自然光。

14.根据权利要求1所述的近眼显示模组，其特征在于，所述第一透镜背离所述第二透镜一侧表面的矢高d满足：|d|＜1.5mm，d为所述第一透镜背离所述第二透镜一侧表面上的任一点至所述第一透镜背离所述第二透镜一侧表面上中心点的距离。

15.一种头戴显示设备，其特征在于，包括：

壳体；以及

如权利要求1-14中任一项所述的近眼显示模组。