一种光学模组及增强现实装置的制作方法

本实用新型涉及近眼显示技术领域，具体而言，涉及一种光学模组及增强现实装置。

背景技术：

增强现实(英文名称：augmentedreality，ar)，是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。增强现实技术，不仅展现了真实世界的信息，而且将虚拟的信息同时显示出来，使真实环境和虚拟物体之间重叠之后，能够在同一个画面以及空间中同时存在，从而实现超越现实的感官体验。另外，虚拟现实(英文名称：virtualreality，vr)作为一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，使用户沉浸到该环境中，两者在成像上具有共同之处。

现有技术中，不管是增强现实装置还是虚拟现实装置，均需佩戴在用户头部使用，为了减轻用户头部压力，提升用户体验效果，紧凑性、轻量化是主流设计方向。然而，为了追求紧凑性以及轻量化，则降低了成像的质量，影响用户观看体验。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种光学模组及增强现实装置，能够在保证成像质量的同时提升成像结构的紧凑性。

本实用新型的实施例是这样实现的：

本实用新型实施例的一方面，提供一种光学模组，包括汇聚光学组件、第一透反组件和第二透反组件，所述汇聚光学组件设置于图像源光发射方向，所述汇聚光学组件的入光侧设置有第一光学组件，所述汇聚光学组件的出光侧设置有第二光学组件，所述第一光学组件和所述第二光学组件用于将入射光线的部分光线透射并将部分光线反射，所述第一透反组件设置于所述第二光学组件透射所述图像源的光线一侧，所述第二透反组件设置于所述第一透反组件反射所述图像源的光线一侧。

可选地，所述汇聚光学组件包括第一汇聚透镜，或，所述汇聚光学组件包括沿所述图像源的光发射方向依次设置的第二汇聚透镜和第三汇聚透镜。

可选地，所述第一光学组件包括第一透反膜，所述第二光学组件包括第二透反膜；当所述汇聚光学组件包括第一汇聚透镜时，所述第一透反膜设置于所述第一汇聚透镜的入光侧，所述第二透反膜设置于所述第一汇聚透镜的出光侧；当汇聚光学组件包括沿所述图像源的光发射方向依次设置的第二汇聚透镜和第三汇聚透镜时，所述第一透反膜设置于所述第二汇聚透镜的入光侧，所述第二透反膜设置于所述第三汇聚透镜的出光侧。

可选地，所述第一光学组件包括第一透反膜，所述第二光学组件包括第一1/4玻片和第一偏振片；当所述汇聚光学组件包括第一汇聚透镜时，所述第一透反膜设置于所述第一汇聚透镜的入光侧，所述第一1/4玻片和所述第一偏振片依次设置于所述第一汇聚透镜的出光侧；当汇聚光学组件包括沿所述图像源光发射方向依次设置的第二汇聚透镜和第三汇聚透镜时，所述第一透反膜设置于所述第二汇聚透镜的入光侧，所述第一1/4玻片和所述第一偏振片依次设置于所述第三汇聚透镜的出光侧。

可选地，所述第一光学组件还包括第二1/4玻片，所述第二1/4玻片位于所述第一透反膜远离所述第一汇聚透镜或所述第二汇聚透镜的一侧。

可选地，所述第一光学组件还包括第二偏振片，所述第二偏振片位于所述第二1/4玻片远离所述第一透反膜的一侧。

可选地，所述汇聚光学组件与所述第一透反组件之间形成有中间像面。

可选地，所述第一透反膜和所述第二透反膜的透过率为t，反射率为r，其中10％<t<90％，90％>r>10％。

可选地，所述汇聚光学组件的焦距|f1|的范围满足：5mm<|f1|<50mm；所述第二透反组件用于反射的焦距|f2|的范围满足：10mm<|f2|<80mm；所述第二透反组件用于透射的焦距|f3|的范围满足：|f3|>1000mm。

本实用新型实施例还提供一种增强现实装置，包括图像源，以及如上所述任意一项所述的光学模组，所述光学模组的汇聚光学组件设置于所述图像源光发射方向。

本实用新型实施例的有益效果包括：

本实用新型实施例提供的光学模组及增强现实装置，通过设置于图像源的光发射方向的汇聚光学组件，能够对图像源发出的光线起到汇聚的作用，避免图像源的光线过于分散，有利于减小光学模组球差、畸变和场曲等，进而提高成像质量。通过在汇聚光学组件的入光侧设置的第一光学组件以及在汇聚光学组件的出光侧设置的第二光学组件，使得从图像源出射的光线从第一光学组件透射出的光线经过汇聚光学组件后，再被第二光学组件反射回第一光学组件，反射回第一光学组件的光线再次经过汇聚光学组件后经第二光学组件透射至第一透反组件，图像源出射的光线通过在汇聚光学组件内多次折返，能够分担光学模组的光焦度，并矫正相差，无需采用增加镜组的形式来提升成像质量，有利于提升增强现实装置结构的紧凑性。经第二光学组件透射至第一透反组件的光线反射至第二透反组件后反射回第一透反组件，并从第一透反组件透射，使图像源发射的光线进入人眼。而环境光的光线直接依次从第二透反组件和第一透反组件透射，以进入人眼，从而使真实环境与虚像叠加。采用上述方式，在虚像成像的过程中能够提升增强现实装置的成像质量，并且无需过多的设置其他光学镜组来实现此目的，可以在保证成像质量的同时提升成像结构的紧凑性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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获得其他相关的附图。

图1为本实用新型实施例提供的光学模组的结构示意图之一；

图2为本实用新型实施例提供的光学模组的结构示意图之二；

图3为本实用新型实施例提供的光学模组的结构示意图之三；

图4为本实用新型实施例提供的光学模组的结构示意图之四；

图5为本实用新型实施例提供的光学模组的调制传递函数曲线图；

图6为本实用新型实施例提供的光学模组成像的畸变图。

图标：100-光学模组；105-图像源；107-人眼；110-汇聚光学组件；112-第一汇聚透镜；114-第二汇聚透镜；116-第三汇聚透镜；120-第一透反组件；130-第二透反组件；140-第一光学组件；150-第二光学组件；160-中间像面。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

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定义和解释。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本申请的光学模组100，即可应用于增强现实装置，也可应用于虚拟现实装置，区别在于：当应用于增强现实装置时，第二透反组件130需要透射环境光；当应用于虚拟现实装置时，第二透反组件130不需要用来透射环境光，只需使用其反射的功能即可。本申请以增强现实装置为例加以说明：

请参照图1，本实施例提供一种光学模组100，包括汇聚光学组件110、第一透反组件120和第二透反组件130，汇聚光学组件110设置于图像源105光发射方向，汇聚光学组件110的入光侧设置有第一光学组件140，汇聚光学组件110的出光侧设置有第二光学组件150，第一光学组件140和第二光学组件150用于将入射光线的部分光线透射并将部分光线反射，第一透反组件120设置于第二光学组件150透射图像源105的光线一侧，第二透反组件130设置于第一透反组件120反射图像源105的光线一侧。

需要说明的是，第一，本实用新型实施例对图像源105的结构形式不作具体限制，只要能够保证所需的成像效果，并适用于本申请的结构即可。示例的，图像源105可采用有机发光二极管(英文名称：organiclight-emittingdiode，oled)、硅基液晶(英文名称：liquidcrystalonsilicon，lcos)、液晶显示器(英文名称：liquidcrystaldisplay，lcd)、微型发光二极管(microled)或小型发光二极管(miniled)的任意一种。另外，本申请对图像源105发出的光线形式不作具体限制，示例的，该光线可以是线偏振态的，可以是无偏振态的，也可以是圆偏振态的。

第二，第一光学组件140和第二光学组件150用于将入射光线的部分光线透射并将部分光线反射，以使从图像源105出射的光线透过第一光学组件140的部分光线在第二光学组件150的作用下被反射回第一光学组件140，再经第一光学组件140反射，最终从第二光学组件150出射。从第二光学组件150出射的光线在第一透反组件120的作用下，使光线反射至第二透反组件130，再经过第二透反组件130的反射作用从第一透反组件120入射，最终进入到人眼107的可视范围。

第三，第一透反组件120主要用于将从第二光学组件150出射的光线以反射的形式改变光路的方向，使图像源105出射的光线从第一透反组件120反射至第二透反组件130，再经过第二透反组件130的反射作用从第一透反组件120入射，最终进入到人眼107的可视范围。同时，使透过第二透反组件130的环境光穿过第一透反组件120进入人眼107的可视范围。因此，第一透反组件120可采用透明基板，并在透明基板上设置透反膜即可，具体透反比例可根据实际需要进行设置，以保证环境光与生成的虚像更好的融合。同样的，第二透反组件130可采用球面、非球面或自由曲面等光学元件，并在光学元件上设置透反膜，以透过环境光并反射图像源105反射至第二透反组件130的光线。

本实用新型实施例提供的光学模组100，通过设置于图像源105的光发射方向的汇聚光学组件110，能够对图像源105发出的光线起到汇聚的作用，避免图像源105的光线过于分散，有利于减小光学模组100球差、畸变和场曲等，进而提高成像质量。通过在汇聚光学组件110的入光侧设置的第一光学组件140以及在汇聚光学组件110的出光侧设置的第二光学组件150，使得从图像源105出射的光线从第一光学组件140透射出的光线经过汇聚光学组件110后，再被第二光学组件150反射回第一光学组件140，反射回第一光学组件140的光线再次经过汇聚光学组件110后经第二光学组件150透射至第一透反组件120，图像源105出射的光线通过在汇聚光学组件110内多次折返，能够分担光学模组100的光焦度，并矫正相差，无需采用增加镜组的形式来提升成像质量，有利于提升增强现实装置结构的紧凑性。经第二光学组件150透射至第一透反组件120的光线反射至第二透反组件130后反射回第一透反组件120，并从第一透反组件120透射，使图像源105发射的光线进入人眼107。而环境光的光线直接依次从第二透反组件130和第一透反组件120透射，以进入人眼107，从而使真实环境与虚像叠加。采用上述方式，在虚像成像的过程中能够提升增强现实装置的成像质量，并且无需过多的设置其他光学镜组来实现此目的，可以在保证成像质量的同时提升成像结构的紧凑性。

请参考图5和图6，图5为光学模组100的调制传递函数曲线图，从图示中可以看出，在40lp/mm处，mtf的数值为0.6以上，因此，该光学模组100具有较高的分辨率，可以提升显示品质。图6为光学模组100成像的畸变图，由图中可以看出，成像畸变在3％以内，畸变量较小，有利于提升画面品质，保证使用者的感官体验。

如图1所示，在本实施例中汇聚光学组件110可以包括第一汇聚透镜112，或者采用如图2所示的形式，汇聚光学组件110包括沿图像源105的光发射方向依次设置的第二汇聚透镜114和第三汇聚透镜116。

具体的，第一汇聚透镜112的面形可采用球面、非球面或自由曲面等形式，只要能够保证成像的质量即可。当汇聚光学组件110包括第一汇聚透镜112时，使得从图像源105出射的光线从第一光学组件140透射出的光线经过第一汇聚透镜112后，再被第二光学组件150反射回第一光学组件140，反射回第一光学组件140的光线再次经过第一汇聚透镜112后经第二光学组件150透射至第一透反组件120，图像源105出射的光线通过在第一汇聚透镜112内多次折返，进而提升成像质量。

同样的，第二汇聚透镜114和第三汇聚透镜116的面型也可采用球面、非球面或自由曲面等形式，另外，采用第二汇聚透镜114和第三汇聚透镜116结合的形式，可以减小光线发散造成的像散等问题的同时，可以更好的补偿光线传播过程发生的畸变，有利于提升成像质量。当汇聚光学组件110包括第二汇聚透镜114和第三汇聚透镜116时，使得从图像源105出射的光线从第一光学组件140透射出的光线经过第二汇聚透镜114和第三汇聚透镜116后，再被第二光学组件150反射回第一光学组件140，反射回第一光学组件140的光线再次经过第二汇聚透镜114和第三汇聚透镜116后经第二光学组件150透射至第一透反组件120，图像源105出射的光线通过在第二汇聚透镜114和第三汇聚透镜116内多次折返，进而成像质量进一步提升。

如图1所示，在本实施例的可行方案之一中，当图像源105出射的光线是线偏振态、无偏振态或圆偏振态时，第一光学组件140包括第一透反膜，第二光学组件150包括第二透反膜；当汇聚光学组件110包括第一汇聚透镜112时，第一透反膜设置于第一汇聚透镜112的入光侧，第二透反膜设置于第一汇聚透镜112的出光侧。此时，第一透反膜和第二透反膜可以直接粘贴或者镀设在第一汇聚透镜112上，以提升空间的利用率。

同样的，如图2所示，当汇聚光学组件110包括沿图像源105的光发射方向依次设置的第二汇聚透镜114和第三汇聚透镜116时，第一透反膜设置于第二汇聚透镜114的入光侧，第二透反膜设置于第三汇聚透镜116的出光侧。此时，第一透反膜可以直接粘贴或者镀设在第二汇聚透镜114上，第二透反膜可以直接粘贴或者镀设在第三汇聚透镜116上，以提升空间的利用率。

另外，第一透反膜和第二透反膜的透过率为t，反射率为r，其中10％<t<90％，90％>r>10％。示例的，第一透反膜的透过率可设置为10％，反射率可设置为90％，或第一反射膜的透过率可设置为90％，反射率可设置为10％，或第一反射膜的透过率可设置为50％，反射率可设置为50％。同样的，第二透反膜的透过率可设置为10％，反射率可设置为90％，或第二反射膜的透过率可设置为90％，反射率可设置为10％，或第二反射膜的透过率可设置为50％，反射率可设置为50％。具体可根据实际的光强的调光需要进行灵活设置，以保证入射至人眼107的光线更好的融合叠加即可。

如图3所示，在本实施例的可行方案之二中，当图像源105出射的光线是圆偏振态时，第一光学组件140包括第一透反膜，第二光学组件150包括第一1/4玻片和第一偏振片。同时，汇聚光学组件110包括第一汇聚透镜112时，第一透反膜设置于所述第一汇聚透镜112的入光侧，第一1/4玻片和所述第一偏振片依次设置于所述第一汇聚透镜112的出光侧，即第一偏振片位于第一1/4玻片远离第一汇聚透镜112的一侧。

采用上述形式，圆偏振态的光线透射第一透反膜之后，穿过第一汇聚透镜112，之后再通过第一1/4玻片时，使圆偏振态的光线转化为线偏振态的光线，为了描述方便此处以s光为例进行说明(也可以为其他偏振方向的光线，如p光)，此时第一偏振片的需要使p光透射，s光反射。这样一来，到达第一偏振片的光线被反射，再次经过第一1/4玻片，使光线再次变为圆偏振光，并透射第一汇聚透镜112后在第一透反膜处被反射。反射回来的光线再次穿过第一汇聚透镜112和第一1/4玻片，同时使光线变为p光，并从第一偏振片出射。

同样的，如图4所示，当汇聚光学组件110包括沿图像源105光发射方向依次设置的第二汇聚透镜114和第三汇聚透镜116时，第一透反膜设置于第二汇聚透镜114的入光侧，第一1/4玻片和第一偏振片依次设置于第三汇聚透镜116的出光侧，即第一偏振片位于第一1/4玻片远离第三汇聚透镜116的一侧。

采用上述形式，圆偏振态的光线透射第一透反膜之后，穿过第二汇聚透镜114和第三汇聚透镜116，之后再通过第一1/4玻片时，使圆偏振态的光线转化为线偏振态的光线，为了描述方便此处以s光为例进行说明(也可以为其他偏振方向的光线，如p光)，此时第一偏振片的需要使p光透射，s光反射。这样一来，到达第一偏振片的光线被反射，再次经过第一1/4玻片，使光线再次变为圆偏振光，并依次透射第三汇聚透镜116和第二汇聚透镜114后在第一透反膜处被反射。反射回来的光线再次穿过第二汇聚透镜114和第三汇聚透镜116以及第一1/4玻片，同时使光线变为p光，并从第一偏振片出射。

需要说明的是，利用1/4玻片相位延迟的属性，使圆偏振光转化为线偏振光被第一偏振片反射，并使该偏振光再次经过第一1/4玻片后，偏振光的偏振方向相差90°，从而从第一偏振片透射。本申请对第一1/4玻片和第一偏振片的设置形式不作具体限制，只要能够满足所需的光线通路即可。另外，第一偏振片需采用反射型偏振片，避免所需的光线被第一偏振片吸收。

如图3和图4所示，当图像源105出射的光线是线偏振态时，第一光学组件140还包括第二1/4玻片，第二1/4玻片位于第一透反膜远离第一汇聚透镜112或第二汇聚透镜114的一侧。

具体的，当汇聚光学组件110包括第一汇聚透镜112时，为了保证图像源105出射的光线能够在第一汇聚透镜112之间往返后再从第一偏振片出射。而第二光学组件150包括第一1/4玻片和第一偏振片时，需要保证初次入射至第一汇聚透镜112的光线为圆偏振态，因此需要在第一透反膜远离第一汇聚透镜112的一侧设置第二1/4玻片。

同样的，当汇聚光学组件110包括第二汇聚透镜114和第三汇聚透镜116时，为了保证图像源105出射的光线能够在第二汇聚透镜114和第三汇聚透镜116之间往返后再从第一偏振片出射。而第二光学组件150包括第一1/4玻片和第一偏振片时，需要保证初次入射至第二汇聚透镜114和第三汇聚透镜116的光线为圆偏振态，因此需要在第一透反膜远离第二汇聚透镜114的一侧设置第二1/4玻片。

如图3和图4所示，当图像源105出射的光线是无偏振态时，第一光学组件140还包括第二偏振片，第二偏振片位于第二1/4玻片远离所述第一透反膜的一侧。

具体的，当汇聚光学组件110包括第一汇聚透镜112时，为了保证图像源105出射的光线能够在第一汇聚透镜112之间往返后再从第一偏振片出射。而第二光学组件150包括第一1/4玻片和第一偏振片时，需要保证初次入射至第一汇聚透镜112的光线为圆偏振态，因此需要在第一透反膜远离第一汇聚透镜112的一侧设置第二1/4玻片，并且在第二1/4玻片远离第一透反膜的一侧设置第二偏振片，以使初次入射至第一汇聚透镜112的光线为圆偏振态。同样的，当汇聚光学组件110包括第二汇聚透镜114和第三汇聚透镜116时，也需采用上述形式，在此不再赘述。

在前述实施例中，汇聚光学组件110与第一透反组件120之间形成有中间像面160。通过使图像源105发出的光线在入射的人眼107过程中二次成像，有利于增大光学系统的视角和矫正像差，同时有利于减小从第一透反组件120入射光线的扭曲，并使第二透反组件130的光焦距拉长，使人的视觉更加舒适。

可选地，汇聚光学组件110的焦距|f1|的范围满足：5mm<|f1|<50mm，其中，较优选的范围为7mm<|f1|<25mm，这样一来可以在保证汇聚图像源105发出的光线，避免光线分散的同时，有利于提升成像的品质，减小畸变。

另外，第二透反组件130用于反射的焦距|f2|的范围满足：10mm<|f2|<80mm，其中，较优选的范围为20mm<|f2|<50mm，这样一来，可以避免图像源105入射至人眼107的光线发生相散，有利于保证成像的清晰度及分辨率；第二透反组件130用于透射的焦距|f3|的范围满足：|f3|>1000mm，其中，较优选的范围为|f3|>3000mm，这样一来，可以减小环境光入射至人眼107的光线扭曲，有利于保证成像的真实度，避免视觉疲劳，时使用者在使用过程中更加舒适。

本实用新型实施例还公开了一种增强现实装置，包括图像源105，以及前述实施例的光学模组100。该增强现实装置包含与前述实施例中的光学模组100相同的结构和有益效果。光学模组100的结构和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。

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，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。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。