光学模组及VR设备的制作方法

光学模组及vr设备
技术领域
1.本发明涉及一种光学器件组合，尤其涉及一种光学模组及应用该光学模组的vr设备。


背景技术：

2.在vr(virtual reality，虚拟现实)产品中，光学模组是其最核心的显示组件，包括vr显示屏(display)和vr透镜。display作为光学模组的成像元件，通过vr透镜将虚像呈现在人眼中
3.为了提供良好的用户体验感，目前的光学模组朝向轻薄方向发展。但是为了实现较佳的视场角、眼动范围、高质量的成像效果以及小尺寸超薄结构等，目前的光学模组还有待进一步优化。
4.随着科技的进步，用户越来越重视vr产品的体积以及重量，因此，需要研发一种体积小、重量轻的vr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，现有产品中的光学模组都采用超薄型vr光学模组。这种超薄型vr光学模组多使用折叠光路技术，其一般在靠近眼睛一侧把偏振片和相位延迟片与透镜贴合在一起，实现光路中的反射透射功能；现有的vr光学模组大都厚度在40mm及其以上。现有的方案在加工生产过程中，偏振片一般是通过镀膜工艺镀覆在透镜表面，而在凸透镜上镀覆偏振膜在设计上会少一个自由度，如果想增加自由度，必须要再引入一个平板在上面镀偏振膜或者再增加透镜，导致整个厚度和体积变大。
5.因此，亟需一种结构新颖、体积小及厚度薄的光学模组。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种结构新颖且轻薄的光学模组。
7.本发明的另一目的在于提供一种vr设备，该vr设备由于具有结构新颖且轻薄的光学模组，从而使得其佩戴轻松、立体效果好且易于生产制造。
8.为实现上述目的，本发明提供了一种光学模组，其包括沿主光轴从左至右依次呈平行排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜及用于提供入射偏振光源的显示面板，所述第一透镜为凹面镜，所述第二透镜及第三透镜均为凸透镜，所述显示面板呈平板结构，所述第一透镜的左侧面还呈面型贴合有偏振反射膜。
9.较佳地，本发明的光学模组还包括波片，所述波片呈面型贴合于所述第一透镜的右侧面。
10.较佳地，本发明的光学模组满足如下条件式：
11.f＜|f1|＜4f；
12.0.1f＜|f2|＜0.5f；
13.4f＜|f3|＜10f；
14.其中，f为所述光学模组的系统焦距，f1为第一透镜的焦距，f2为第二透镜的焦距，
f3为第三透镜的焦距。
15.将位于三透镜最外侧的第一透镜和第三透镜的焦距设置为远大于第二透镜的焦距，使得第一透镜和第三透镜的面型相较第二透镜的面型更加平直，有效的减小了第一透镜和第三透镜的厚度及整个光学模组的总光程；同时也使得较为弯曲的第二透镜的弯曲部分能伸入到第三透镜的弯曲区内，进一步的减小了透镜的厚度及整个光学模组的总光程。由此可见，提高了光学模组的轻薄化及立体成像效果。
16.较佳地，本发明的光学模组满足如下条件式：
17.其中，∑ct1为于主光轴上所述第一透镜的厚度，∑ct为于主光轴上所述第一透镜、第二透镜、第三透镜及显示面板的厚度相加之和。
18.较佳地，本发明的光学模组满足如下条件式：
19.其中，∑ct2为于主光轴上所述第二透镜的厚度，∑ct为于主光轴上所述偏振反射膜、第一透镜、波片、第二透镜、第三透镜及显示面板的厚度相加之和。
20.较佳地，本发明的光学模组满足如下条件式：
21.其中，∑ct3为于主光轴上所述第三透镜的厚度，∑ct为于主光轴上所述偏振反射膜、第一透镜、波片、第二透镜、第三透镜及显示面板的厚度相加之和。
22.将位于三透镜最外侧的第一透镜和第三透镜的厚度设置为远小于第二透镜的厚度，一方面增强第二透镜透射放大功能，另一方面使得第一透镜和第三透镜可以做到轻薄化设计；既有效的减小了第一透镜和第三透镜的厚度及整个光学模组的总光程；同时又使得立体成像效果更好，且还提高了视场角及自由度的设计。
23.较佳地，本发明的光学模组满足如下条件式：
24.其中，f为所述光学模组的系统焦距，r11为第一透镜的左侧面的曲率半径，r22为第二透镜的右侧面的曲率半径；r31为第三透镜的左侧面的曲率半径，r32为第一透镜的右侧面的曲率半径。该设计使得三透镜在物理三维结构上形成凹凸相互配合的空间设置，有效的减小了透镜的厚度，进一步提高了轻薄化的设计。同时使得三透镜在光路传播上所进行的三折叠式传播总光程更短，提高了视场角及成像效果。
25.较佳地，本发明的光学模组于主光轴上所述第一透镜与所述第二透镜的间距为1.0mm，于主光轴上所述第二透镜与所述第三透镜的间距为2.0mm，于主光轴上所述第三透镜与所述显示面板的间距为3.0mm。
26.较佳地，本发明的光学模组于主光轴上所述第一透镜的厚度为2.6mm，于主光轴上所述第二透镜的厚度为5.8mm，于主光轴上所述第三透镜的厚度为2.0mm，于主光轴上所述显示面板的厚度为0.4mm。
27.较佳地，本发明的光学模组的光程总长为18.4mm。
28.本发明提供的vr设备，包括上述任一所述的光学模组。
29.与现有技术相比，本发明提供了一种全新的光学模组，该光学模组沿主光轴从左至右依次呈平行排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜及显示面板，第一透镜为凹面镜且其左侧面还面型贴合有偏振反射膜，第二透镜及第三透镜均为凸透镜，显示面板提供入射偏振光源。由此可见，本发明的光学模组采用简单的三透镜结构设计，从而形成三段式折叠光路，有效的提高了对图像的透射放大和自由度的设计，实现了视场角的提高、轻薄的结构设计及优质的立体成像效果。同时，使得具有该光学模组的vr设备体积更小、质量更轻、图像显示效果更好且结构简单新颖，立体沉浸感更强且佩戴轻松，无劳累感及便于携带和易于生产制造，实用性强适于广泛推广应用。
附图说明
30.图1是本发明光学模组的结构图。
31.图2a是本发明光学模组的光路图。
32.图2b是本发明光学模组的光路原理图。
33.图3是本发明光学模组的四分之一nyp的mtf曲线图。
34.图4是本发明光学模组的二分之一nyp的mtf曲线图。
35.图5是本发明光学模组的全nyp的mtf曲线图。
36.图6是本发明光学模组的相对照度曲线图。
37.图7是本发明光学模组的场曲曲线图。
38.图8是本发明光学模组的畸变曲线图。
具体实施方式
39.现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。
40.如图1－图2b所示，本发明的光学模组100，其包括沿主光轴200从左至右依次呈平行排列的第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30及用于提供入射偏振光源的显示面板40，第一透镜为凹面镜，第二透镜20及第三透镜30均为凸透镜，显示面板40呈平板结构，该第一透镜10的左侧面还呈面型贴合有偏振反射膜50。本发明的第一透镜10为凹面镜具有透射放大功能，以将显示面板40的图像进行放大。本发明第二透镜20及第三透镜30均为凸面镜，均具有透射放大功能。本发明显示平板40用于产生偏振光，为本发明光学模组100提供入射圆偏振光或椭圆偏振光光源。由上可知，本发明的光学模组100沿主光轴200从左至右依次呈平行排列的第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30及显示面板40，第一透镜10为凹面镜且其左侧面还面型贴合有偏振反射膜50，第二透镜20及第三透镜30均为凸透镜，显示面板40提供入射偏振光源。由此可见，本发明的光学模组100采用简单的三透镜结构设计，从而形成三段式折叠光路，有效的提高了对图像的透射放大和自由度的设计，实现了视场角的提高、轻薄的结构设计及优质的立体成像效果。同时，使得具有该光学模组100的vr设备体积更小、质量更轻、图像显示效果更好且结构简单新颖，立体沉浸感更强且佩戴轻松，无劳累感及便于携带和易于生产制造，实用性强适于广泛推广应用。以下继续结合图1-图8对本发明光学模组100及具有该光学模组100的vr设备作进一下详细的说明。
41.本发明通过提高三段式折叠光路的光程差(即，相位差)本发明的光学模组还包括
波片60，该波片60呈面型贴合于第一透镜10的右侧面。本发明通过增加波片60来增加三段式折叠光路的光程差(即，相位差)，从而提高本发明光学模组100的成像效果。
42.较佳者，本发明的光学模组满足如下条件式：
43.f＜|f1|＜4f；0.1f＜|f2|＜0.5f；4f＜|f3|＜10f；其中，f为所述光学模组的系统焦距，f1为第一透镜的焦距，f2为第二透镜的焦距，f3为第三透镜的焦距。位于三透镜最外侧的第一透镜10和第三透镜20的焦距设置为远大于第二透镜20的焦距，使得第一透镜10和第三透镜30的面型相较第二透镜20的面型更加平直，有效的减小了第一透镜10及第三透镜30的厚度及整个光学模组的总光程；同时也使得较为弯曲的第二透镜20的弯曲部分能伸入到第三透镜的弯曲区内，进一步的减小了透镜的厚度及整个光学模组的总光程。由此可见，提高了光学模组的轻薄化及立体成像效果。
44.较佳者，本发明的光学模组满足如下条件式：
45.其中，∑ct1为于主光轴上所述第一透镜的厚度，∑ct为于主光轴上所述第一透镜、第二透镜、第三透镜及显示面板的厚度相加之和。
46.较佳者，本发明的光学模组满足如下条件式：
47.其中，∑ct2为于主光轴上所述第二透镜的厚度，∑ct为于主光轴上所述偏振反射膜、第一透镜、波片、第二透镜、第三透镜及显示面板的厚度相加之和。
48.较佳者，本发明的光学模组满足如下条件式：
49.其中，∑ct3为于主光轴上所述第三透镜的厚度，∑ct为于主光轴上所述偏振反射膜、第一透镜、波片、第二透镜、第三透镜及显示面板的厚度相加之和。
50.由上关于∑ct及∑ct1、∑ct2及∑ct3的关系可知，将位于三透镜最外侧的第一透镜10和第三透镜30的厚度设置为远小于第二透镜20的厚度，一方面增强第二透镜20透射放大功能，另一方面使得第一透镜10和第三透镜30可以做到轻薄化设计；既有效的减小了第一透镜10和第三透镜30的厚度及整个光学模组的总光程；同时又使得立体成像效果更好，且还提高了视场角及自由度的设计。
51.较佳者，本发明的光学模组满足如下条件式：
52.其中，f为所述光学模组的系统焦距，r11为第一透镜的左侧面的曲率半径，r22为第二透镜的右侧面的曲率半径；r31为第三透镜的左侧面的曲率半径，r32为第一透镜的右侧面的曲率半径。该设计使得三透镜在物理三维结构上形成凹凸相互配合的空间设置，有效的减小了透镜的厚度，进一步提高了轻薄化的设计。同时使得三透镜在光路传播上所进行的三折叠式传播总光程更短，提高了视场角及成像效果。
53.如图1－图2b所示，具体地，本发明的光学模组100于主光轴200上第一透镜10与第二透镜20的间距为1.0mm，于主光轴上第二透镜20与第三透镜30的间距为2.0mm，于主光轴
上第三透镜30与显示面板40的间距为3.0mm。更具体地，本发明的光学模组100于主光轴200上第一透镜10的厚度为2.6mm，于主光轴200上第二透镜20的厚度为5.8mm，于主光轴200上第三透镜30的厚度为2.0mm，于主光轴200上显示面板40的厚度为0.4mm。进一步地，本发明的光学模组100的光程总长为18.4mm，从而使得本发明的光学模组厚度为降至20mm以下，远远低于现有的40mm，轻薄化设计特征突出。
54.继续结合图1-图2b所示，对本发明的工作原理作详细说明：显示面板40发出圆偏振光或椭圆偏振光e1，经第三透镜30、第二透镜20透射后，经过波片60变成线偏振光束e2，线偏振光束e2经过第一透镜10透射后入射到偏振反射膜40，偏振反射膜40的偏振方向与线偏振光束e2的偏振方向正交，线偏振光束e2被偏振反射膜40反射，再次透射经过第一透镜10、波片60变成圆偏振光或椭圆偏振光e3，圆偏振光或椭圆偏振光e3再次经过第二透镜20及第三透镜30反射出圆偏振光或椭圆偏振光e4，反射出的圆偏振光或椭圆偏振光e4第三次透射经过第三透镜30、第二透镜20及波片60变成线偏振光束e5，线偏振光束e5经第一透镜10及偏振反射膜40射入人眼300，线偏振光束e5的偏振方向与偏振反射膜40的偏振方向相同，因此线偏振光束e5可以通过偏振反射膜40射入人眼300。
55.具体地，本发明光学模组100的光学系统的系统焦距f为5.0。最大半视场角设置为45
°
，最大全视场角设置为90
°
，波长依次设置0.486um，.587um，0.656um这三个值。更具体地，本发明的第一透镜10的焦距f1为-78.117mm，第一透镜10的左侧面r11曲率半径为-44.436mm，第一透镜10的右侧面r12曲率半径为+∞，第一透镜10的构造材料为h-zk1。本发明的第二透镜20的焦距f2为11.862mm，第二透镜20的左侧面r21曲率半径为-694.381mm，第二透镜20的右侧面r22曲率半径为-32.695mm，其中r22面镀半透半反膜，第二透镜20的构造材料为h-qk1。本发明的第三透镜30的等效焦距f3为115.951mm，第三透镜30的左侧面r31曲率半径为-72.352mm，第三透镜30的右侧面r32曲率半径为-35.196mm，第三透镜30的构造材料为h-zk1。本发明的显示面板40的构造材料为bk7。上述提及的构造材料h-zk1、h-qk1及bk7均为现有材料，是本领域普通技术人员所悉知的，在此不再赘述。
56.如图3-图5所示，分别给出了本发明在主光轴(即，ts0.00(deg))、5度(即，ts5.00(deg))、10度(即，ts10.00(deg))、15度(即，ts15.00(deg))、20度(即，ts20.00(deg))、25度(即，ts25.00(deg))、30度(即，ts30.00(deg))及35度(即，ts35.00(deg))的在四分之一nyp的mtf曲线、二分一nyp的mtf曲线及全nyp的mtf曲线。并结合图6所展示的相对照度曲线，可以看出，本发明的光学模组在全视场都能实现高清效果。
57.如图7及图8所示，分别展示了本发明光学模组100的场曲曲线和畸变曲线；从图7可得知，本发明光学模组100的场曲矫正良好；从图8可得知，本发明光学模组100具有较好的成像效果，畸变得到良好的矫正。
58.另，本发明所涉及的光学的透射、反射及偏振原理，均为本领域普通技术人员所熟知的，在此不再作详细的说明。
59.以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。