CN218003854U

CN218003854U - 光学模组以及头戴显示设备

Info

Publication number: CN218003854U
Application number: CN202221694146.7U
Authority: CN
Inventors: 宋文宝
Original assignee: Goertek Optical Technology Co Ltd
Current assignee: Goertek Optical Technology Co Ltd
Priority date: 2022-06-30
Filing date: 2022-06-30
Publication date: 2022-12-09
Anticipated expiration: 2032-06-30

Abstract

本实用新型公开了一种光学模组以及头戴显示设备；其中，所述光学模组沿光轴方向依次包括第一透镜、第二透镜及第三透镜，其中，所述第二透镜与第三透镜胶合连接形成胶合透镜，胶合连接采用的胶水的折射率为n，n满足：1.4＜n＜1.7；所述光学模组还包括偏振反射元件、分光元件及位于所述偏振反射元件与所述分光元件之间的第一相位延迟器，所述胶合透镜位于所述分光元件与所述偏振反射元件之间。本实用新型提供的方案可以降低杂散光形成鬼影的情况，提升用户的视觉体验感。

Description

光学模组以及头戴显示设备

技术领域

本实用新型涉及光学显示技术领域，更具体地，本实用新型涉及一种光学模组以及头戴显示设备。

背景技术

随着虚拟现实技术的快速发展，虚拟现实设备的种类多样化，并且应用领域也越来越广泛。目前的虚拟现实设备，为了实现小型化，现有技术中会采用折叠光路的方式。

杂散光是影响光学模组成像对比度的重要因素。杂散光按照表现形式可以分为鬼影、耀斑等。对于现有的折叠光路的虚拟现实设备来说，经过光学透镜的偏振光的偏振态发生变化的过程中容易造成光线的偏振度下降，由此产生的杂散光在射出光学模组后会形成鬼影，从而影响用户对成像画面的观察。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供的一种光学模组以及头戴显示设备的新技术方案。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种光学模组，所述光学模组沿光轴方向依次包括第一透镜、第二透镜及第三透镜，其中，所述第二透镜与第三透镜胶合连接形成胶合透镜，胶合连接采用的胶水的折射率为n，n 满足：1.4＜n＜1.7；

所述光学模组还包括偏振反射元件、分光元件及位于所述偏振反射元件与所述分光元件之间的第一相位延迟器，所述胶合透镜位于所述分光元件与所述偏振反射元件之间。

可选地，所述第二透镜的折射率n₂大于所述第三透镜的折射率n₃；所述第二透镜的阿贝数v₂小于所述第三透镜的阿贝数v₃。

可选地，所述第二透镜的折射率为n₂，n₂满足：1.6≤n₂≤2.0，阿贝系数为v₂，v₂满足：v₂≥40；

所述第三透镜的折射率为n₃，n₃满足：1.3≤n₃≤1.58，阿贝系数为v₃， v₃满足：v₃≤35。

可选地，所述第二透镜的光焦度为负，所述第三透镜的光焦度为正。

可选地，所述分光元件位于所述胶合透镜中所述第三透镜背离所述第二透镜的一侧；

所述偏振反射元件及所述第一相位延迟器位于所述第一透镜与所述第二透镜相邻的一侧。

可选地，所述第一透镜包括第一表面和第二表面，所述第二透镜包括第三表面和第四表面，所述第三透镜包括第五表面和第六表面，其中，所述第二表面与所述第三表面为相邻设置，所述第四表面与所述第五表面胶合连接；

所述分光元件设于所述第六表面，所述第一相位延迟器与所述偏振反射元件叠设形成第一膜层结构，所述第一膜层结构设于所述第二表面。

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分光元件背离所述胶合透镜的一侧。

可选地，所述显示屏幕与所述分光元件之间设置有偏振元件和第二相位延迟器。

可选地，所述偏振元件为线偏振器；

所述偏振元件具有透过轴，所述偏振元件的透过轴与所述第二相位延迟器的快轴或慢轴之间的夹角为45°；

所述偏振元件的透过轴与所述显示屏幕发出的线偏振光的偏振方向呈45°。

可选地，所述偏振元件与所述第二相位延迟器叠设形成第二膜层结构，所述第二膜层结构设于所述显示屏幕的出光面，其中，所述偏振元件位于所述第二相位延迟器与所述显示屏幕的出光面之间。

根据本申请的另一个方面，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。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型实施例提供了一种折叠光路设计方案，在光路中引入了胶合透镜，其可用以消色差，有效降低折叠光路的垂轴色差；同时，将胶合透镜之间的胶水的折射率设计为在1.4～1.7之间，可以有效减小光线在胶合面产生的反射杂散光，从而可以消除鬼影现象。

整个光学模组结构简单、装配难度低、可以降低生产成本。

通过以下参照附图对本实用新型的示例性实施例的详细描述，本实用新型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实用新型的实施例，并且连同其说明一起用于解释本实用新型的原理。

图1是本实用新型实施例提供的光学模组的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的光学模组450nm～610nm的垂轴色差曲线图；

图3是本实用新型实施例提供的光学模组450nm下调制传递函数 MTF曲线；

图4是本实用新型实施例提供的光学模组540nm下调制传递函数 MTF曲线；

图5是本实用新型实施例提供的光学模组610nm下调制传递函数 MTF曲线。

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、偏振反射元件；50、第一相位延迟器；60、分光元件；70显示屏幕；80、偏振元件；90、第二相位延迟器；100、光轴；01、光阑；02、光线。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本实用新型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实用新型的范围。

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，决不作为对本实用新型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、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法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1至图5对本实用新型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。

根据本实用新型实施例的一个方面，提供了一种光学模组，所述光学模组为一种折叠光路光学结构设计，其可适合应用于头戴显示设备(Head mounted display，HMD)，例如，VR智能眼镜等。

本实用新型实施例提供了一种光学模组，如图1所示，所述光学模组沿光轴100方向依次包括第一透镜10、第二透镜20及第三透镜30，其中，所述第二透镜20与第三透镜30胶合连接形成胶合透镜，胶合连接采用的胶水的折射率为n，n满足：1.4＜n＜1.7；

所述光学模组还包括偏振反射元件40、分光元件60及位于所述偏振反射元件40与所述分光元件60之间的第一相位延迟器50，所述胶合透镜位于所述分光元件60与所述偏振反射元件40之间。

本实用新型实施例提供的光学模组中，可以包含三个光学镜片，分别为上述的第一透镜10、第二透镜20及第三透镜30，其中，第二透镜20与第三透镜30胶合形成胶合透镜，在光路结构中通过引入该胶合透镜可以有效降低杂散光，以改善光学模组的鬼影现象，有助于提升成像质量。

其中，第二透镜20与第三透镜30形成的胶合透镜还是一组可以消除色差的透镜组。射入光学模组中的光线02可以在胶合透镜之间进行多次折转，可以达到消除色差的目的，从而降低了折叠光路的垂轴色差。

其中，第二透镜20与第三透镜30胶合连接，胶合连接的胶水的折射率n设计为：1.4＜n＜1.7。胶水的折射率在这一范围内，可以有效减小光线在胶合面产生的反射杂散光，这有利于消除鬼影现象。

本实用新型实施例提供的光学模组为一种折叠光路，除了包含上述的三个透镜之外，其还包含有偏振反射元件40、第一相位延迟器50及分光元件60。在光路结构中，将消色差的胶合透镜设置在分光元件60与偏振反射元件40之间，如此，光线02可以三次经过该胶合透镜。当光线02三次经过消色差的胶合透镜，可以有效降低光学模组的垂轴色差。垂轴色差值例如可以降低至38μm，甚至更低，如图2所示。

本实用新型实施例提供的光学模组，光线的传播过程如下：

光线02透过第三透镜30、第三透镜30与第二透镜20之间的胶水、第二透镜20以及第一相位延迟器50之后，由偏振反射元件40反射，光线02 第二次透过第一相位延迟器50、第二透镜20、第三透镜30与第二透镜20之间的胶水以及第三透镜30之后，由分光元件60反射，光线02第三次透过第三透镜30、第三透镜30与第二透镜20之间的胶水、第二透镜20及第一相位延迟器50后，透过偏振反射元件40和第一透镜10打入光阑01。

其中，分光元件60例如为半反半透膜。

分光元件60可供一部分光线透射，一部分光线反射。

需要说明的是，分光元件60的反射率可以根据具体需要灵活调整，本实用新型实施例中对此不作限制。

其中，偏振反射元件40例如为偏振反射膜。

偏振反射元件40可用于透过P偏振光反射S偏振光；或者，偏振反射元件40可用于透过S偏振光反射P偏振光。

其中，第一相位延迟器50例如为四分之一波片或者其他相位延迟片。

相位延迟器可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。

在本实用新型的实施例中，第一相位延迟器50与偏振反射元件40配合可用于解析光线，并对光线进行传递。

本实用新型实施例提供了一种折叠光路设计方案，在光路中引入了胶合透镜，其可用以消色差，可以有效降低折叠光路的垂轴色差；同时，将胶合透镜之间的胶水的折射率设计为在1.4～1.7之间，可以有效减小光线在胶合面产生的反射杂散光，从而可以消除鬼影现象。

而且，本申请实施例提供的光学模组结构简单、装配难度低、可以降低生产成本，体积尺寸也较小。

在本实用新型的一些示例中，所述第二透镜20的折射率n₂大于所述第三透镜30的折射率n₃；所述第二透镜20的阿贝数v₂小于所述第三透镜 30的阿贝数v₃。

也就是说，胶合的两个透镜中：第二透镜20为高折射率、低阿贝数的透镜，第三透镜30为低折射率、高阿贝数的透镜。将这二者胶合在一起，在光路结构中，第二透镜20及第三透镜30形成了一组消色差胶合透镜。

可选的是，所述第二透镜20的折射率为n₂，n₂满足：1.6≤n₂≤2.0，阿贝系数为v₂，v₂满足：v₂≥40；所述第三透镜30的折射率为n₃，n₃满足： 1.3≤n₃≤1.58，阿贝系数为v₃，v₃满足：v₃≤35。

可选的是，所述第二透镜20的光焦度为负；所述第三透镜30的光焦度为正。如此设计，光焦度分配均匀，使得每个透镜的公差敏感度较低，以此可以提升光学模组的良品率，便于量产。

在本实用新型的一个具体实施例中，光学模组中的第二透镜20及第三透镜30通过胶合连接形成了一组可以消色差胶合透镜。其中，第二透镜 20例如可以设计为高折射率、低阿贝数的玻璃材质负透镜，第三透镜30可以设计为低折射率、高阿贝数的塑胶材质正透镜。

根据菲尼尔反射定律，光线在第二透镜20与胶水结合面和光线在第三透镜30与胶水结合面的反射率近似为(n₂-n)²/(n₂+n)²和(n₃-n)²/(n₃+n)²。其中：n₂＝1.49和n₃＝1.75，n₂为第二透镜20的折射率，n₃为第三透镜30的折射率，n为胶水的折射率。

当胶水的折射率n为1.45时，光线在第二透镜20与胶水结合面和光线在第三透镜30与胶水结合面的反射率分别近似为0.018％和0.88％，这两个表面反射率之和为0.9％。

当胶水的折射率n为1.61时，光线在第二透镜20与胶水结合面和光线在第三透镜30与胶水结合面的反射率分别近似为0.15％和0.17％，这两个表面反射率之和为0.32％。

当胶水的折射率n为1.75时，光线在第二透镜20与胶水结合面和光线在第三透镜30与胶水结合面的反射率分别近似为0.64％和0.0％，这两个表面反射率之和为0.64％。

本实施例中，当胶水的折射率n在1.45～1.75之间时，可以有效减小光线在第二透镜20与第三透镜30胶合面产生的反射杂散光。通过在折叠光路中引入这样一组胶合式的消色差透镜组，光线三次经过胶合消色差透镜组，有效降低了形成的光学模组的垂轴色差。

在本实用新型的一些示例中，如图1所示，所述分光元件60位于所述胶合透镜中所述第三透镜30背离所述第二透镜20的一侧；所述偏振反射元件40及所述第一相位延迟器50位于所述第一透镜10与所述第二透镜 20相邻的一侧。

在本实施例中，分光元件60和偏振反射元件40例如可以分设在胶合透镜的左、右两侧，同时，需要将第一相位延迟器50设置在分光元件60 与偏振反射元件40之间。需要让光线可以三次经过胶合透镜，以此可以有效降低光学模组的垂轴色差。

本实用新型实施例提供的光学模组，其是一种折叠光路光学结构设计，如图1所示，光学模组中的各个光学镜片及光学元件可以按照设定的方式排列并位于同一光轴100上。整个光路结构的尺寸较小，并不会占用较大的空间。非常适合应用于智能穿戴设备，例如头戴显示设备。

在本实用新型的一个具体实施例中，如图1所示，所述第一透镜10 包括第一表面11(或者称为前表面)和第二表面12(或称为后表面)，所述第二透镜20包括第三表面21(或者称为前表面)和第四表面22(或称为后表面)，所述第三透镜30包括第五表面31(或者称为前表面)和第六表面32(或称为后表面)，其中，所述第二表面12与所述第三表面21 为相邻设置，所述第四表面22与所述第五表面31胶合连接；所述分光元件60设于所述第六表面32，所述第一相位延迟器50与所述偏振反射元件40叠设形成第一膜层结构，所述第一膜层结构设于所述第二表面12。

在本实施例中，可以将分光元件60贴装在胶合透镜的相应表面上，同时，将第一相位延迟器50及偏振反射元件40贴装在第一透镜10的相应表面上，如此设计不仅可以达到光线02三次经过消色差胶合透镜，还以降低光学模组的组装难度，提高生产效率。

本实用新型实施例提供的光学模组结构简单，可以有效降低鬼影问题及使垂轴色差值可以降低至38μm，甚至38μm以下。

图2示出了本实用新型实施例提供的光学模组的垂轴色差曲线。

从图2中可以看出：在450nm～610nm波段范围内，在0°～45°范围内，光学模组的垂轴色差≤38um。

如图3至图5所示，分别为在450nm、540nm、610nm下本实用新型实施例的光学模组调制传递函数MTF曲线。

从图3至图5中可以看出在80lp/mm空间频率下：450nm波长下，光学模组的MTF高于0.2；540nm波长下，光学模组的MTF值高于0.60；610nm 波长下，光学模组的MTF值高于0.40。

本实用新型实施例提供的光学模组可以清晰成像。

需要说明的是，第一相位延迟器50及偏振反射元件40可以贴装到平面上，也可以贴装到球面、非球面、柱面等曲面上。

在本实用新型的一些示例中，如图1所示，所述光学模组还包括显示屏幕70，所述显示屏幕70位于所述分光元件60背离所述胶合透镜的一侧。

也就是说，分光元件60可以位于胶合透镜与光学模组搭配的显示屏幕70之间。其中，显示屏幕70可以发射成像光线。

显示屏幕70具有出光面。

可选地是，显示屏幕70的出光面例如可以设置保护玻璃。

显示屏幕70可以是自发光式屏幕或者DMD等反射式屏幕。

自发光式屏幕包括LCD、LED、OLED、Micro-OLED、ULED等。

在本实用新型的一些示例中，如图1所示，所述显示屏幕70与所述分光元件60之间设置有偏振元件80和第二相位延迟器90。

可选的是，偏振元件80和第二相位延迟器90可以位于靠近显示屏幕 70的出光面处。

在本实用新型的一些示例中，如图1所示，所述偏振元件80与所述第二相位延迟器90叠设形成第二膜层结构，所述第二膜层结构设于所述显示屏幕70的出光面，其中，所述偏振元件80位于所述第二相位延迟器90 与所述显示屏幕70的出光面之间。

当然，偏振元件80及第二相位延迟器90二者也可以间隔设置，且设置于靠近显示屏幕70的出光面的合适位置。

也就是说，显示屏幕70偏振元件80及第二相位延迟器90可以贴合到一起，也可以分离布设。

在本实用新型的一些示例中，所述偏振元件80为线偏振器；所述偏振元件80具有透过轴，所述偏振元件80的透过轴与所述第二相位延迟器 90的快轴或慢轴之间的夹角为45°；所述偏振元件80的透过轴与所述显示屏幕70发出的线偏振光的偏振方向呈45°。

根据本实用新型实施例提供的光学模组，如图1所示，沿同一光轴100 可以依次包括光阑01、第一透镜10、偏振反射元件40、第一相位延迟器50、第二透镜20、第三透镜30、分光元件60、第二相位延迟器90、偏振元件80 及显示屏幕70；其中，第二透镜20与第三透镜30胶合，偏振反射元件40、第一相位延迟器50贴装在第一透镜10的第二表面12(朝向胶合透镜的表面) 上，分光元件60贴装在胶合透镜中第三透镜30的第六表面32(朝向显示屏幕70的表面)。

如图1所示，光线在光学模组中的传播过程如下：

显示屏幕70发出的光线依次经过偏振元件80、第二相位延迟器90后、透过第三透镜30、第三透镜30与第二透镜20之间的胶水、第二透镜20及第一相位延迟器50后，由偏振反射元件40反射，光线第二次透过第一相位延迟器50、第二透镜20、第三透镜30与第二透镜20之间的胶水、第三透镜30 之后，由分光元件60反射，第三次透过第三透镜30、第三透镜30与第二透镜20之间的胶水、第二透镜20及第一相位延迟器50后，透过偏振反射元件 40和第一透镜10打入光阑01。

表1中示出图1中光学模组的结构参数。

表1

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，以及如上述所述的光学模组。

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。

Claims

1.一种光学模组，其特征在于，所述光学模组沿光轴(100)方向依次包括第一透镜(10)、第二透镜(20)及第三透镜(30)，其中，所述第二透镜(20)与第三透镜(30)胶合连接形成胶合透镜，胶合连接采用的胶水的折射率为n，n满足：1.4＜n＜1.7；

所述光学模组还包括偏振反射元件(40)、分光元件(60)及位于所述偏振反射元件(40)与所述分光元件(60)之间的第一相位延迟器(50)，所述胶合透镜位于所述分光元件(60)与所述偏振反射元件(40)之间。

2.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述第二透镜(20)的折射率n₂大于所述第三透镜(30)的折射率n₃；

所述第二透镜(20)的阿贝数v₂小于所述第三透镜(30)的阿贝数v₃。

3.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述第二透镜(20)的折射率为n₂，n₂满足：1.6≤n₂≤2.0，阿贝系数为v₂，v₂满足：v₂≥40；

所述第三透镜(30)的折射率为n₃，n₃满足：1.3≤n₃≤1.58，阿贝系数为v₃，v₃满足：v₃≤35。

4.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述第二透镜(20)的光焦度为负，所述第三透镜(30)的光焦度为正。

5.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(60)位于所述胶合透镜中所述第三透镜(30)背离所述第二透镜(20)的一侧；

所述偏振反射元件(40)及所述第一相位延迟器(50)位于所述第一透镜(10)与所述第二透镜(20)相邻的一侧。

6.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述第一透镜(10) 包括第一表面(11)和第二表面(12)，所述第二透镜(20)包括第三表面(21)和第四表面(22)，所述第三透镜(30)包括第五表面(31)和第六表面(32)，其中，所述第二表面(12)与所述第三表面(21)为相邻设置，所述第四表面(22)与所述第五表面(31)胶合连接；

所述分光元件(60)设于所述第六表面(32)，所述第一相位延迟器(50)与所述偏振反射元件(40)叠设形成第一膜层结构，所述第一膜层结构设于所述第二表面(12)。

7.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(70)，所述显示屏幕(70)位于所述分光元件(60)背离所述胶合透镜的一侧。

8.根据权利要求7所述的光学模组，其特征在于，所述显示屏幕(70)与所述分光元件(60)之间设置有偏振元件(80)和第二相位延迟器(90)。

9.根据权利要求8所述的光学模组，其特征在于，所述偏振元件(80)为线偏振器；

所述偏振元件(80)具有透过轴，所述偏振元件(80)的透过轴与所述第二相位延迟器(90)的快轴或慢轴之间的夹角为45°；

所述偏振元件(80)的透过轴与所述显示屏幕(70)发出的线偏振光的偏振方向呈45°。

10.根据权利要求8所述的光学模组，其特征在于，所述偏振元件(80)与所述第二相位延迟器(90)叠设形成第二膜层结构，所述第二膜层结构设于所述显示屏幕(70)的出光面，其中，所述偏振元件(80)位于所述第二相位延迟器(90)与所述显示屏幕(70)的出光面之间。

11.一种头戴显示设备，其特征在于，包括：

壳体；以及

如权利要求1-10中任一项所述的光学模组。