光学模组和近眼显示装置的制作方法

1.本实用新型大致涉及光学领域，尤其涉及一种光学模组和近眼显示装置。


背景技术：

2.在虚拟显示(vr)、增强显示(ar)、其他混合显示技术中，需要采用光学模组来向用户呈现图像。现有的光学模组一般体积较大，厚度往往在30mm 以上，随着科技的进步，用户越来越重视产品的体积以及重量，因此，需要研发一种体积小、重量轻的产品以满足市场的需求。其中，受限最大的因素为其中的光学模组。为了解决上述的体积和重量问题，许多公司推出基于pancake技术方案的vr或者ar方案，即基于折叠光路的光学模组。
3.在这种折叠光路的光学模组中，主要包括依序设置的具有半反半透功能的镜片、1/4相位延迟片以及反射式偏振片。图像源进入半反半透功能的镜片之后，光线在镜片、相位延迟片以及反射式偏振片之间多次折返的方式，最终从反射式偏振片射出。通过此种光学方案，极大的缩小了产品体积。
4.但在目前的pancake方案中，入射到用户眼中的光线，除了用户期望的光线之外，还有一些非期望的光线，影响用户体验。尤其是当光线的入射角较大时，入射光第一次经过反射式偏振片时，不一定会被完全反射，而是会产生较大比例的漏光现象，一部分光仍然会通过反射式偏振片进入用户的眼中，漏光的强度可能会达到沿着光轴的信号光强度的38％，从而影响用户的观看体验。
5.背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。


技术实现要素：

6.针对现有技术的折叠光路中存在的漏光比例高、成像效果差的问题，本实用新型提供一种光学模组，所述光学模组包括：
7.半透半反层；
8.第一透镜单元，所述第一透镜单元与所述半透半反层相邻；
9.第一相位延迟单元，位于所述半透半反层的光路下游；
10.第一相位补偿单元，位于所述第一相位延迟单元的光路下游；
11.偏振分光片，设置在所述第一相位补偿单元的光路下游，所述偏振分光片具有透光轴；和
12.第二透镜单元，所述第二透镜单元位于所述半透半反层的光路下游。
13.根据本实用新型的一个方面，所述第一透镜单元位于所述半透半反层的光路上游或下游，所述半透半反层贴附在所述第一透镜单元上。
14.根据本实用新型的一个方面，所述第二透镜单元位于所述偏振分光片的光路下游，或位于所述第一相位延迟单元的光路上游。
15.根据本实用新型的一个方面，所述光学模组还包括位于所述偏振分光片的光路下
游的第一偏光片。
16.根据本实用新型的一个方面，其中所述第一相位补偿单元具有光轴，所述第一相位补偿单元的光轴位于与所述偏振分光片的透光轴正交的平面内、或与所述偏振分光片的反光轴正交的平面内。
17.根据本实用新型的一个方面，所述光学模组还包括位于所述半透半反层的光路上游的第二相位延迟单元和第二偏光片，所述第二偏光片配置成可产生线偏光，所述第二相位延迟单元从所述第二偏光片接收线偏光并将其调制为圆偏光或椭圆偏光后出射到所述半透半反层。
18.根据本实用新型的一个方面，所述光学模组还包括位于所述第二偏光片的光路上游的显示屏。
19.根据本实用新型的一个方面，所述第一相位补偿单元配置成使得：根据初次入射到第一相位补偿单元上的各入射角的光束的偏振态分布，对其进行调制，使得初次入射到第一相位补偿单元上的各入射角的光束透过所述第一相位补偿单元后的偏振态符合被所述偏振分光片反射的条件。
20.根据本实用新型的一个方面，所述第一相位延迟单元配置成可令入射到其上的线偏光沿光轴方向的偏振分量产生n*λ+3/4λ的相位延迟、或n*λ +1/4λ的相位延迟，所述第一相位延迟单元的光轴与偏振分光片的透光轴夹角为45
°±5°
，其中n为整数。
21.根据本实用新型的一个方面，所述第二相位延迟单元配置成可令入射到其上的线偏光沿光轴方向的偏振分量产生n*λ+3/4λ的相位延迟、或n*λ +1/4λ的相位延迟，其中n为整数。
22.根据本实用新型的一个方面，所述第一透镜单元和第二透镜单元配置成可将入射到所述第一透镜单元上的图像光成像到所述第二透镜单元的下游的用户眼中。
23.本实用新型还提供一种近眼显示装置，包括：
24.显示屏；和
25.如上所述的光学模组，设置在所述显示屏的光路下游。
26.通过本实用新型实施例的光学模组，能够减少折叠光路中漏光的发生，尤其是一些优选实施例能够在大角度范围内减少或者消除折叠光路中的漏光，有助于提高用户的感受效果。
附图说明
27.附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
28.图1示出了根据本实用新型的第一实施例的光学模组；
29.图2示出了根据本实用新型第一实施例的光学模组的光路示意图；
30.图3a示出了在缺少相位补偿单元的情况下的漏光情况，图3b示出了根据本实用新型第一实施例在添加相位补偿单元的情况下的漏光情况；
31.图4示出了根据本实用新型的第二实施例的光学模组；
32.图5示出了根据本实用新型的第三实施例的光学模组；
33.图6示出了根据本实用新型的第四实施例的光学模组；和
34.图7a
‑
7d示出了根据本实用新型实施例的光学参数的示意图。
具体实施方式
35.在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
36.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、 "长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、 "水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的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一个或者更多个所述特征。在本实用新型的描述中，" 多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
37.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；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。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实用新型中的具体含义。
38.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确规定和限定，属于“片”，“膜”应做广义理解，例如，可以是独立光学元件，也可以是贴敷在透镜或透明基片上的带膜层。
39.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之" 上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、" 下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
40.下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本实用新型提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
41.以下结合附图对本实用新型的实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
42.图1示出了根据本实用新型的一个实施例的光学模组10，下面参考图1 详细描述。如图1所示，光学模组10沿着光路方向从光路上游到光路下游(从物侧到像侧，图中从右向
左)包括第一透镜单元11、半透半反层12、第二透镜单元13、第一相位延迟单元14、第一相位补偿单元15以及偏振分光片16。图1中，在光学模组10的光路上游设置有显示屏30，显示屏30发射出的光线入射到光学模组10上，在光学模组10的内部发生折叠并最终出射，进入到人眼中成像。所述显示屏30发射出的光优选为圆偏光或者椭圆偏光。光学模组10的具体工作方式将在下文详细描述。
43.如图1所示，所述半透半反层12位于第一透镜单元11的光路下游，贴附在第一透镜单元11的表面上，本领域技术人员理解，本实用新型不限于此，所述半透半反层12也可以位于第一透镜单元11的光路上游，或者也可以与第一透镜单元11具有一定的间隔，这些都在本实用新型的范围内。
44.另外，在图1的实施例中，第一相位延迟单元14、第一相位补偿单元15 以及偏振分光片16依次堆叠在第二透镜单元13的表面上，这些光学部件彼此之间也可以间隔开，此处不再赘述。
45.本实用新型中，所述第一透镜单元11和第二透镜单元13配置成可将入射到所述第一透镜单元11上的图像光成像到所述第二透镜单元13的下游的用户眼中。第一透镜单元11和第二透镜单元13可将显示屏30的内容成像到人眼中，另外优选的，第一透镜单元11可对光学模组的屈光度进行调节。第一透镜单元11和第二透镜单元13可以由单透镜构成，也可以包括透镜组，这些都在本实用新型的范围内。
46.图2示出了图1的光学模组10的工作过程，下面参考图2详细描述。
47.如图2所示，显示屏30发射出圆偏光或椭圆偏光e2，圆偏光或椭圆偏光e2经过第一透镜单元11并入射到半透半反层12。半透半反层12位于所述第一透镜单元11的光路下游，并接收所述圆偏光或椭圆偏光e2，允许所述圆偏光或者椭圆偏光e2至少部分透射，本实用新型不限制所述半透半反层 12的具体的透射率，可以为50％或其他比例。部分透射的光束e2然后通过第二透镜单元13并入射到第一相位延迟单元14上。本领域技术人员容易理解，第一透镜单元11、半透半反层12和第二透镜单元13不改变光束的偏振状态，因此第一透镜单元11、半透半反层12和第二透镜单元13的光路上游和光路下游的光束均以e2来表示。
48.光束e2经过第一相位延迟单元14后被调制为线偏光e3，线偏光e3入射到第一相位补偿单元15上并且被调制为线偏光e3’，线偏光e3’的偏振方向与偏振分光片16的透光轴垂直，因而被偏振分光片16反射并发生折返，然后折返光束透射通过第一相位补偿单元15和第一相位延迟单元14后(圆偏光或椭圆偏光e4，与显示屏30发出的光线e2的偏振不同，其中一个是右旋圆(椭圆)偏振光，另一个是左旋圆(椭圆)偏振光)，通过第二透镜单元 13后被半透半反层12部分反射(圆偏光或椭圆偏光e5)，再次经过第一相位延迟单元14(线偏光e6)和第一相位补偿单元15(线偏光e6’)并再次入射到偏振分光片16上。偏振分光片16设置在所述第一相位延迟单元14的光路下游，所述偏振分光片16具有透光轴t
pbs
，允许偏振方向与透光轴t
pbs
平行的部分光束透射，并将其余部分光束反射回所述第一相位延迟单元14。此时偏振光e6’的偏振方向与偏振分光片16的透光轴平行，因此可透射通过偏振分光片16。
49.上述光路折返的过程中，被所述偏振分光片16反射的光束透射通过所述第一相位补偿单元15和第一相位延迟单元14，被所述半透半反层12部分反射，再次透射通过所述第一相位延迟单元14和第一相位补偿单元15，到达所述偏振分光片16的折返光束的偏振方向与所述偏振分光片16的透光轴平行，从而能够透射，形成信号(光)，在人眼中成像。
50.在图1和图2的实施例中，通过在第一相位延迟单元14和所述偏振分光片16之间增设第一相位补偿单元15，使得初次入射到所述偏振分光片16上的各入射角的光束e3’的偏振态符合或者尽量符合被所述偏振分光片16反射的条件，极大地减小了漏光和杂散光的强度，杂散光的强度可被减小到信号光强度的5％，同时基本不会影响信号光。图2中用于表明光束的箭头上面的圆点或者箭头，代表了该光束对应的偏振态。
51.根据本实用新型的一个优选实施例，其中所述第一相位补偿单元15的光轴位于与所述偏振分光片16的透光轴t
pbs
正交的平面内、或与所述偏振分光片16的反光轴正交的平面内。根据本实用新型的一个实施例，所述第一相位补偿单元15配置成使得：根据初次入射到第一相位补偿单元15上的各入射角的光束的偏振态分布，对其进行调制，使得初次入射到第一相位补偿单元 15上的各入射角的光束透过所述第一相位补偿单元15后的偏振态符合被所述偏振分光器16反射的条件。本领域技术人员容易理解，本实用新型中，第一相位补偿单元15使得初次入射到所述偏振分光片16上的各入射角的光束的偏振态符合被所述偏振分光片16反射的条件，并非必然使得初次入射到偏振分光片16上的光束的偏振态完全符合被反射的条件，只要使得更大比例的光束的偏振态符合被反射的条件即可(与不设置相位补偿单元的情形相比较)。
52.另外，本实用新型的上下文中，“正交”或“垂直”，包括相互之间成90 度的情形，但不严格限制于此，例如在90
°±5°
的范围内，都可以认为是“正交”或“垂直”。
53.另外，本实用新型的上下文中，λ表示入射光的波长。
54.下表i给出了本实用新型第一实施例的光学模组的透镜参数的一种组合 (其中光路上游为“前”，光路下游为“后”)。
55.表i
[0056][0057]
另外，第一相位补偿单元15可以具有多种构成方式。根据本实用新型一个优选实施例，第一相位补偿单元包括沿着光路方向叠加的相位延迟片a和相位延迟片b。其中相位延迟片a的参数如下：no<ne，光轴方向与其平面平行且垂直于偏振分光片16的透光轴、相位延迟量为80nm；相位延迟片b的参数如下：no>ne，光轴方向与其平面平行且平行于偏振分光片16的透光轴、相位延迟量为80nm。
[0058]
图3a和图3b示出了漏光情况的对比示意图。根据现有技术，在缺少相位补偿单元的情况下，在大视场内会有严重的漏光(如图3a所示的)；而根据本实用新型图1和图2的第一实施例，通过添加相位补偿单元，漏光可被降低为原来的4.3％(如图3b所示的)。
[0059]
图4示出了根据本实用新型第二实施例的光学模组10，下面重点描述与图1实施例的不同之处，相同之处不再赘述。
[0060]
如图4所示，在图4的光学模组10中，所述半透半反层12位于第一透镜单元11的光路上游，贴附在第一透镜单元11的光路上游的表面上。另外，第二透镜单元13位于偏振分光片16的光路下游，同时在偏振分光片16与第二透镜单元13还设置有第一偏光片17。通过设置第一偏光片17，能够进一步减少偏振分光片16的漏光。
[0061]
下表ii给出了本实用新型第二实施例的光学模组的透镜参数的一种组合(其中光路上游为“前”，光路下游为“后”)。
[0062]
表ii
[0063][0064]
图4实施例的光学模组10的工作方式基本与图2所示的相同，此处不再赘述。
[0065]
图5示出了根据本实用新型第三实施例的光学模组10。如图5所示，所述第二透镜单元13包括子透镜13
‑
1和13
‑
2，另外，第二透镜单元13位于第一相位延迟单元14的光路上游，位于半透半反层12的光路下游。图5中的光学模组10还包括位于偏振分光片16的光路下游的第一偏光片17。光学模组10还包括位于所述显示屏30和第一透镜单元11之间的第二偏光片18 和第二相位延迟单元19。第二偏光片18接收来自显示屏30的光束并出射线偏光，线偏光经过第二相位延迟单元19被调制为圆偏光或椭圆偏光e2并入射到所述第一透镜单元11上。
[0066]
下表iii给出了本实用新型第三实施例的光学模组的透镜参数的一种组合(其中光路上游为“前”，光路下游为“后”)。
[0067]
表iii
[0068][0069]
图6示出了根据本实用新型第四实施例的光学模组10，其中所述第二透镜单元13包括子透镜13
‑
1和13
‑
2。如图5所示，光学模组10沿着光路方向依次包括半透半反层12、第一透镜单元11、第二透镜单元13(子透镜13
‑
1 和13
‑
2)、第一相位延迟单元14、第一相位补偿单元15和偏振分光片16。
[0070]
下表iv给出了本实用新型第四实施例的光学模组的透镜参数的一种组合(其中光路上游为“前”，光路下游为“后”)。
[0071]
表iv
[0072][0073]
在上述图1
‑
6的实施例中，显示屏30也可以构成光学模组10的一部分。另外，本实用新型中，可以灵活设置第二透镜单元13的位置，只要第二透镜单元13位于所述半透半反层12的光路下游即可。
[0074]
根据本实用新型的一个优选实施例，第一相位延迟单元14配置成可令入射到其上的线偏光沿光轴方向的偏振分量产生n*λ+3/4λ的相位延迟、或n* λ+1/4λ的相位延迟，其中n为整数。另外，在包括第二相位延迟单元19的实施例中(例如图5的实施例)，第二相位延迟单元19配置成可令入射到其上的线偏光沿光轴方向的偏振分量产生n*λ+3/4λ的相位延迟、或n*λ+1/4 λ的相位延迟。根据本实用新型的一个优选实施例，所述第一相位延迟单元14和第二相位延迟单元19均为四分之一波片。
[0075]
另外，本实用新型的变型实施例中，光学模组10也可不包括第二偏光片 18，第二偏光片18例如可以与光路上游的光源(例如显示屏30)集成在一起，这些都在本实用新型的保护范围内。另外，第二偏光片18和第二相位延迟单元19可以同时集成在光源(显示屏30)中。
[0076]
本领域技术人员容易理解，第一相位补偿单元15的相位补偿量不限于具体的数值，只要能够有助于提高光束初次入射到偏振分光片16时被反射的比例即可。另外，第一相位补偿单元15可以由单个相位补偿片构成，也可以包括多个相位补偿片，本实用新型不限制其具体数量。在进行具体的光路设计时，在给定了波长、第二偏光片18、第二相位延迟单元19、第一相位延迟单元14、偏振分光片16的光学参数和器件方位参数之后，可进行第一相位补偿单元15的设计，只要相比于未增加第一相位补偿单元15时能够提高光束初次入射到偏振分光片16时被反射的比例即可。具体计算方法此处不再赘述。
[0077]
进一步优选的，通过设定第二相位延迟单元19的类型和光轴角度关系，可以进一步消除或者减少漏光。本实用新型中为了清楚描述，需要区分第一相位延迟单元14和第二相位延迟单元19的“正”和“负”的类型。“正”和“负”定义如下：
[0078]
正相位延迟单元：令入射光束沿光轴方向的偏振分量产生n*λ+1/4λ的相位延迟，其中n为整数；
[0079]
负相位延迟单元：令入射光束沿光轴方向的偏振分量产生m*λ+3/4λ的相位延迟，其中m为整数。
[0080]
根据本实用新型的实施例，当满足以下关系时，漏光现象可以被进一步减轻：第二相位延迟单元19和第一相位延迟单元14同为正相位延迟单元或同为负相位延迟单元，并且满足以下关系：α2＝α1＝45
°
或135
°
；或者所述第一相位延迟单元和第二相位延迟单元为类型相反的正相位延迟单元或负相位延迟单元，并且满足以下关系：α2＝
‑
α1＝45
°
或135
°
，
[0081]
其中α2为逆着所述光路方向观察(即在图中从左向右观察)、入射到所述第二相位延迟单元19上的线偏光正入射时的偏振方向d1逆时针旋转到第二相位延迟单元19的光轴t
qwp2
所转过的角度，α1为逆着所述光路方向观察、所述偏振分光片16的透光轴t
pbs
逆时针旋转到第一相位延迟单元14的光轴t
qwp1
所转过的角度。上面描述了角度α1和α2的关系，本领域技术人员容易理解，上述等式容许在工程可接受范围内的误差，例如当二者与目标角度之间的差异在正负5度的范围内时，均可认为满足上述等式。以目标角度α1＝α2＝45
°
为例，当实际中α1＝40
°
、α2＝50
°
时，可认为满足α1＝α2＝45
°
。
[0082]
当光学模组包括第二偏光片18时，第二偏光片18的透光轴与入射到所述第二相位延迟单元19上的线偏光正入射时的偏振方向d1是平行的，因此α2即为逆着所述光路方向观察(即在图从左向右观察)、所述第二偏光片的透光轴逆时针旋转到第二相位延迟单元19的光轴t
qwp2
所转过的角度。
[0083]
图7a示出了α2为45度的情形，图7b示出了α2为135度的情形，图7c 示出了α1为45度的情形，图7d示出了α1为135度的情形。当入射到第二相位延迟单元19上的光束为线偏光时，该偏振方向d1即为该线偏光的偏振方向。或者当第二相位延迟单元19的上游设置有第二偏光片时，该偏振方向即对应于第二偏光片的透光轴。
[0084]
另外，本实用新型中为了清楚起见，将区分初次(首次)入射到偏振分光片16的光束以及二次入射到偏振分光片16的光束。参考图2，光束e3’称为初次(首次)入射到偏振分光片16上的光束,光束e3称为初次(首次) 入射到第一相位补偿单元15上的光束；光束e6’称为二次入射到偏振分光片16上的光束，光束e6称为二次入射到第一相位补偿单元15上的光束，光束e4、e5、e6和e6’均可称为折返光束。对于其余附图中的光路结构也可做相同的理解，此处不再赘述。
[0085]
相比于现有技术的折叠光路的方案，通过本实用新型的技术方案，能够使得初次入射到所述偏振分光片上的光束透射通过偏振分光片的比例更小，因此产生的噪声(杂散光)更小。绝大部分光束被反射并形成折返光束，二次入射到偏振分光片上时，其偏振方向与所述偏振分光片的透光轴t
pbs
平行或尽可能平行，因而能够透射并形成信号(光)。另外，相比于单透镜单元的技术方案，本技术中，通过设置多个透镜单元，一方面能够增强人眼中的成像效果比如提高画面清晰度或者增大图像视场角，还可以提高成像模组的焦距使模组更加轻薄化，另外可以调节光学模组的屈光度以适应不同近视人群的裸眼观测需求。
[0086]
本实用新型还涉及一种近眼显示装置，包括：显示屏和如上所述的光学模组，所述光学模组设置在所述显示屏的光路下游。
[0087]
最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各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。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。