光学模组以及头戴显示设备的制作方法

1.本技术实施例涉及光学成像技术领域，更具体地，本技术实施例涉及一种光学模组以及头戴显示设备。


背景技术：

2.增强现实(augmented reality，ar)技术是指通过某种技术手段为使用者在现实世界中提供额外的信息(即所谓的“增强”)，这种技术把虚拟世界的图像和现实世界的场景有机的融合在一起，通过将计算得到的信息与真实世界进行深度整合，从而给使用者提供更丰富的信息和浸入式体验。
3.在增强现实技术的硬件实现形式中，应用最多的是可穿戴增强现实设备，例如ar眼镜。随着消费者对产品需求的提升，要求ar眼镜的体积小、能高清成像，这就需要前端光学模组本身轻薄且分辨率高，但现有的光学模组很难做到轻薄的同时兼顾高清成像。


技术实现要素：

4.本技术的目的是提供一种光学模组以及头戴显示设备的新技术方案。
5.第一方面，本技术提供了一种光学模组，所述光学模组包括：
6.自由曲面棱镜，所述自由曲面棱镜包括第一表面、第二表面及第三表面，所述第一表面和所述第三表面均为自由曲面，所述第二表面包括第一区域和第二区域，其中，所述第二区域设有全反射膜；
7.第一透镜，所述第一透镜位于所述第一表面的一侧，第一光线经所述第一透镜透射后射入所述自由曲面棱镜内，经所述第二区域反射后在所述第一表面发生全反射，所述第一光线在所述自由曲面棱镜中折转次数≥3；及
8.第二透镜，所述第二透镜位于所述第三表面的一侧，第二光线经所述第二透镜透射后射入所述自由曲面棱镜内并经所述第一区域出射。
9.可选地，所述光学模组还包括偏振反射元件，所述偏振反射元件位于所述自由曲面棱镜与所述第二透镜之间。
10.可选地，所述第二透镜靠近所述自由曲面棱镜的表面与所述第三表面均为自由曲面，且二者胶合连接。
11.可选地，所述第二透镜靠近所述自由曲面棱镜的表面设有偏振反射元件。
12.可选地，所述第二透镜用于透射所述第二光线，所述第二光线为现实世界的光线；
13.所述第二透镜远离所述自由曲面棱镜的表面设有抗反射膜。
14.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第一透镜背离所述第一表面的一侧；
15.所述显示屏幕用于发射所述第一光线，所述第一光线经所述第一透镜、所述第一表面透射，经所述第二区域反射，经所述第一表面全反射，经所述第一区域全反射，经所述第三表面反射，经所述第一区域透射后进入人眼。
16.可选地，所述显示屏幕沿第一方向设置，所述显示屏幕与所述第一方向的夹角为-30
°
～+30
°
；
17.其中，所述第一方向为垂直于所述光学模组的厚度方向。
18.可选地，所述第一区域设有抗反射膜；
19.所述第二区域与所述第一区域的长度比值为0.9～3。
20.可选地，所述第一透镜包括两个表面，所述第一透镜的两个表面均为自由曲面。
21.可选地，所述第一透镜的两个表面中的至少一者上贴装有抗反射膜。
22.可选地，所述自由曲面棱镜的厚度为t3，t3满足：0.5mm＜t3＜15mm。
23.可选地，所述第一透镜的厚度为t1，t1满足：1mm＜t3＜10mm；
24.所述第二透镜的厚度为t2，t2满足：0.5mm＜t2＜15mm。
25.可选地，所述自由曲面棱镜、所述第一透镜及所述第二透镜中至少一者的材质为塑料材料。
26.第二方面，本技术提供了一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括：
27.壳体；以及
28.如上所述的光学模组。
29.根据本技术实施例，提供了一种光学模组，该光学模组例如可应用于ar设备中，在光路中引入了一具有三个光学面的自由曲面棱镜，通过使虚拟光路的光线在该自由曲面棱镜中多次进行反射，可以达到延长光线传播路径的目的，由此可以减小光学模组的厚度，同时可以保证光学模组的成像质量。使得光学模组具有尺寸小、分辨率高的特点。
30.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
31.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。
32.图1为本技术实施例提供的光学模组的结构示意图；
33.图2为图1示出的光学模组的mtf曲线图；
34.图3为图1示出的光学模组的点列图；
35.图4为图1示出的光学模组的场曲畸变图；
36.图5为图1示出的光学模组的垂轴色差图。
37.附图标记说明：
38.10、第一透镜；20、第二透镜；30、自由曲面棱镜；31、第一表面；32、第二表面；321、第一区域；322、第二区域；33、第三表面；40、显示屏幕；41、屏幕保护片；01、人眼；02、第一光线；03、第二光线。
具体实施方式
39.现在将参照附图来详细描述本技术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技术的范围。
40.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，决不作为对本技术及其应用或使用的任何限制。
41.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。
42.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。
43.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。
44.根据本技术实施例的一个方面，提供了一种光学模组，所述光学模组的体积小、分辨率高。所述光学模组可适合应用于头戴显示设备(head mounted display，hmd)，例如ar头戴设备。ar头戴设备可以包括ar眼镜或者ar头盔等，本技术实施例对此不做具体限制。
45.本技术实施例提供了一种光学模组，如图1所示，所述光学模组包括：自由曲面棱镜30，以及第一透镜10和第二透镜20；
46.所述自由曲面棱镜30包括第一表面31、第二表面32及第三表面33，所述第一表面31和所述第三表面33均为自由曲面，所述第二表面32包括第一区域321和第二区域322，其中，所述第二区域322设有全反射膜；
47.所述第一透镜10位于所述第一表面31的一侧，第一光线02经所述第一透镜10透射后射入所述自由曲面棱镜30内，经所述第二区域322反射后在所述第一表面31发生全反射，所述第一光线02在所述自由曲面棱镜30中折转次数≥3；
48.所述第二透镜20位于所述第三表面33的一侧，第二光线03经所述第二透镜20透射后射入所述自由曲面棱镜30内并经所述第一区域321出射。
49.在本技术实施例的光学模组中，第一透镜10可用于透射例如显示屏幕40所发射的虚拟成像光线，也即图1中示出的第一光线02。第二透镜20可用于透射例如现实世界的光线，也即图1中示出的第二光线03。整个光学模组可以接收虚拟和现实两路光线，经处理之后即可在人眼01中进行成像。本技术实施例的光学模组可应用于ar设备中，用户可以观看到虚拟现实图像。
50.本技术实施例的光学模组，在光路中引入了一自由曲面棱镜30，该自由曲面棱镜30的引入可以在不需要增加光路中透镜数量或者光学膜层的情况下对入射的虚拟成像光线(也即图1中示出的第一光线02)进行多次折转，其中折转次数可以达到≥3，如此可以延长成像光线的传播路径，能在减小光学模组厚度的同时，保证较佳的成像质量。
51.例如，本技术实施例的光学模组，其厚度(沿眼轴方向厚度或者图1中示出的水平方向)可以小于15mm。整个光学模组的体积较小，可实现光学模组的轻薄化设计。并且，由于虚拟成像光线在自由曲面棱镜30中经过多次折转，这可以提高成像质量，即利于光学模组的高清成像。
52.在本技术的实施例中，如图1所示，自由曲面棱镜30的第二表面32，也即靠近人眼01的表面被分为两个不同的区域，在其中的第二区域322上设有全反射膜，这使得射入自由曲面棱镜30内的第一光线02在经第二表面32的第二区域322反射之后，能够在第一表面31上达到全反射的条件，从而能在第一表面31上进行全反射，再在第二表面32上的第一区域321进行全反射，由此可以增加第一光线02在自由曲面棱镜30中的折转次数，具体地，折转
次数可以达到三次或者三次以上。
53.根据本技术实施例提供的光学模组，如图1所示，光线的传播过程如下：
54.显示屏幕40发出的第一光线02(也即虚拟成像光线)经过第一透镜10透射、经过自由曲面棱镜30的第一表面31透射、经过第二表面32的第二区域322反射、经过第一表面31全反射，经过第二表面32的第一区域321全反射，经过第三表面33反射，经过第一区域321透射后进入人眼01；第二光线03(也即现实世界的光线)经过第二透镜20和自由曲面棱镜30透射后也进入人眼01。如此，可以把虚拟世界的图像和现实世界的场景有机的融合在一起，在人眼01中形成高清的画面。
55.请继续如图1所示，在本技术实施例的光学模组中，第一透镜10、第二透镜20及自由曲面棱镜30并非在同一光轴上按照设定顺序排列，而是将第一透镜10和第二透镜20分别布设在靠近自由曲面棱镜30的两个光学面处，该设计从结构上可以减少光学模组的厚度方向的尺寸。
56.根据本技术实施例，提供了一种光学模组，该光学模组例如可应用于ar设备中，在光路中引入了一具有三个光学面的自由曲面棱镜30，通过使虚拟光路的光线在该自由曲面棱镜30中多次进行反射，可以达到延长光线传播路径的目的，由此可以减小光学模组的厚度，同时可以保证光学模组的成像质量。使得光学模组具有尺寸小、分辨率高的特点。
57.在本技术的一些示例中，如图1所示，所述光学模组还包括有偏振反射元件，所述偏振反射元件位于所述自由曲面棱镜30与所述第二透镜20之间。
58.本技术的实施例中，在自由曲面棱镜30与第二透镜20之间设置有偏振反射膜，通过引入偏振反射膜可以提高虚拟光路的光效，从而可以提高成像质量。其中，可以提高虚拟光路的光效是因为：可以使得虚拟光路的第一光线02在自由曲面棱镜30的第三表面33上尽量多的参与(或者说全部参与)反射后经第一区域321透射进入人眼01，避免第一光线02在入射至第三表面33后因大量透过第三表面33而影响成像的效果。
59.需要说明的是，偏振反射膜可以贴装在自由曲面棱镜30的第三表面33上。偏振反射膜也可以作为一个独立光学器件，通过一个例如透光的平板元件支撑在自由曲面棱镜30的第三表面33与第二透镜20之间合适的位置处，本技术实施例中对此不做限制。
60.在本技术的一些示例中，如图1所示，所述第二透镜20靠近所述自由曲面棱镜30的表面与所述第三表面33的面型是相同的，二者均为自由曲面，且二者胶合连接。
61.在本技术实施例的光学模组中，自由曲面棱镜30包含有三个光学面，即上述的第一表面31、第二表面32及第三表面33。其中，第二表面32独立位于靠近人眼01的一侧。第一表面31靠近第一透镜10，与显示屏幕40配合可以形成虚拟光路。第三表面33靠近第二透镜20，第二透镜20可透过现实世界的光线(第二光线03)。
62.第二透镜20靠近第三表面33的表面与第三表面33的面型设计为相同，二者均为自由曲面，这利于提升光学模组成像的清晰度。并且，二个表面的面型相同，也利于两个表面的胶合连接。
63.第二透镜20靠近自由曲面棱镜30的表面与自由曲面棱镜30的第三表面33例如可以通过光学胶胶合在一起，这使得第二透镜20与自由曲面棱镜30形成了胶合透镜组，该设计可以降低光学模组的色差。而且，使得光学模组的组装难度降低。
64.可选的是，如图1所示，在所述第二透镜20靠近所述自由曲面棱镜30的表面设有偏
振反射膜。
65.引入偏振反射膜可以提高虚拟光路的光效，提升成像质量，而该例子中偏振反射膜夹设于第二透镜20和自由曲面棱镜30胶合的两个表面之间，该设置方式可以降低光学膜的组装难度。
66.此外，由于第二透镜20靠近自由曲面棱镜30的表面为自由曲面，在其上设置偏振反射膜时，例如可以通过镀膜的方式将偏振反射膜与第二透镜20的表面结合，这样结合牢度高。当然，也可以采用光学胶粘贴，本技术实施例中对此不做限制。
67.其中，所述第二透镜20可用于透射所述第二光线03，所述第二光线03为现实世界的光线；所述第二透镜20远离所述自由曲面棱镜的表面设有抗反射膜。
68.可选的是，第二透镜20远离自由曲面棱镜30的表面可以设计为平面，这样，利于在其上平整的贴装抗反射膜或者其他类型的光学膜层。
69.当然，第二透镜20远离自由曲面棱镜30的表面也可以为非平面，本技术中对此不做限制。
70.在本技术的一些示例中，如图1所示，所述光学模组还包括显示屏幕40，所述显示屏幕40位于所述第一透镜10背离所述第一表面31的一侧；所述显示屏幕40用于发射所述第一光线02，所述第一光线02经所述第一透镜10、所述第一表面31透射，经所述第二区域322反射，经所述第一表面31全反射，经所述第一区域321全反射，经所述第三表面33反射，经所述第一区域321透射后进入人眼01。
71.在本技术的实施中，显示屏幕40可以用以发射出线偏振光或者圆偏振光。但需要说明的是，入射至第一透镜10的光线应当为线偏振光。
72.可选的是，显示屏幕40的出光面设置有屏幕保护片41，该屏幕保护片例如为玻璃材质。显示屏幕40发出的第一光线02经过表面的屏幕保护片41透射之后射入第一透镜10。第一光线02(也即虚拟成像光线)经过第一透镜10透射、经过自由曲面棱镜30的第一表面31透射、经过第二表面32的第二区域322反射、经过第一表面31全反射，经过第二表面32的第一区域321全反射，经过第三表面33反射，经过第一区域321透射后进入人眼01。可以看出，第一光线02入射至自由曲面棱镜30中经过了至少三次反射，如此可以延长光线的传播路径。
73.在本技术的一些示例中，如图1所示，所述显示屏幕40沿第一方向设置，所述显示屏幕40与所述第一方向的夹角为-30
°
～+30
°
；其中，所述第一方向为垂直于所述光学模组的厚度方向。
74.需要说明的是，如图1所示，光学模组的厚度方向为图1示出的水平方向，其也可以称为光学模组的长度方向。本技术实施例的光学模组，其厚度尺寸较小，可以小于15mm。
75.在本技术的实施例中，如图1所示，显示屏幕40位于第一透镜10背离自由曲面棱镜30的第一表面31的一侧，并且显示屏幕40是沿垂直于整个光学模组的厚度方向呈倾斜设置的，倾斜范围为上述的-30
°
～+30
°
，采用这一设计是因为：第一透镜10的两个表面均为自由曲面，将显示屏幕40按上述方式倾斜设置，使得显示屏幕40发出的第一光线02在打到自由曲面棱镜30的第一表面31时能够满足发生全反射的条件，从而可以在第一表面31上发生全反射。进而可以增加第一光线02在自由曲面棱镜30中的反射次数。
76.在本技术的一些示例中，所述第一区域321设有抗反射膜；所述第二区域322与所
述第一区域321的长度比值为0.9～3。
77.本技术的实施例中，自由曲面棱镜30设计包含三个光学面，其中第二表面32为靠近人眼01的表面，并且，在第二表面32上分区域贴装有两种不同的光学膜层，分别为：设于第一区域321的抗反射膜及设于第二区域322的全反射膜。当虚拟光路的第一光线02入射至第二表面32反射之后，可以在自由曲面棱镜30的第一表面31上发生全反射，可以增加虚拟光路的光线传播路径，可以在减薄光学模组厚度的同时，提升光学模组的分辨率。现实世界的第二光线03可以尽可能完全的透过第二表面32的第一区域。使得最终在人眼01中呈现高清的虚拟现实画面，可以提升用户的观看体验。
78.需要说明的是，在自由曲面棱镜30的第二表面32上，当第二区域322与第一区域321的长度比值为0.9～3时，显示屏幕40发出的所有第一光线02能在第一表面31上发生全反射。其中，第一区域321和第二区域322的长度方向可以为如图1示出的垂直于光学模组厚度的方向(或水平方向)。
79.在本技术的一些示例中，如图1所示，所述第一透镜10包括两个表面，所述第一透镜10的这两个表面均为自由曲面。
80.本技术实施例的光学模组中，通过在自由曲面棱镜30的第一表面31的一侧设置自由曲面面型的镜片，也即上述的第一透镜10，可以实现光学模组的高清成像。
81.在整个光学模组中，通过多个自由曲面的使用，可以增加光学模组设计的自由度，可以有效的改善光学模组的成像质量。
82.可选的是，所述第一透镜10的两个表面中的至少一者上贴装有抗反射膜。
83.例如，第一透镜10的两个表面均为自由曲面，且两个表面上均贴装有抗反射膜。
84.在本技术的一些示例中，所述自由曲面棱镜30的厚度为t3，t3满足：0.5mm＜t3＜15mm。
85.自由曲面棱镜30上不同位置的厚度不同，在上述厚度范围之内，可以保证光学模组的成像质量，同时不会影响整个光学模组的厚度和重量。
86.可选的是，所述第一透镜10的厚度为t1，t1满足：1mm＜t1＜10mm；所述第二透镜20的厚度为t2，t2满足：0.5mm＜t2＜15mm。第一透镜10和第二透镜20二者均具有自由曲面，其上不同位置的厚度不同，本技术中第一透镜10和第二透镜20的厚度范围，利于缩小光学模组的体积和重量，同时与自由曲面棱镜30可以很好的配合，提升成像质量。
87.在本技术的一些示例中，所述自由曲面棱镜30、所述第一透镜10及所述第二透镜20中至少一者的材质为塑料材料。光学模组中的各个镜片采用塑料材质，可以有效降低光学模组的重量。
88.其中，第二透镜20与自由曲面棱镜30胶合在一起，二者例如可以采用相同材质，可以降低色差和像差。
89.可选的是，所述第一透镜10、所述第二透镜20及所述自由曲面棱镜30的折射率n为：1.45＜n＜1.70；所述第一透镜10、所述第二透镜20及所述自由曲面棱镜30的色散系数v为：20＜v＜70。通过调整两个透镜的折射率和色散系数，使二者相匹配，可以提升光学模组的成像品质。
90.实施例
91.如图1所示，所述光学模组包括第一透镜10、第二透镜20及自由曲面棱镜30，这三
个透镜均为塑料材质；
92.其中，所述自由曲面棱镜30包括第一表面31、第二表面32及第三表面33，所述第一表面31和所述第三表面33均为自由曲面，所述第二表面32包括第一区域321和第二区域322，在所述第一区域321设有抗反射膜，在所述第二区域322设有全反射膜；也即，在第二表面32上分两个区域设有不同的光学膜；
93.所述第一透镜10位于所述第一表面31的一侧，第一光线02经所述第一透镜10透射后射入所述自由曲面棱镜30内，经所述第二区域322反射后在所述第一表面31发生全反射，所述第一光线在所述自由曲面棱镜30中折转次数≥3；所述第二透镜20位于所述第三表面33的一侧，第二光线03经所述第二透镜20透射后射入所述自由曲面棱镜30内并经所述第一区域321出射。
94.其中，所述第一透镜10及所述自由曲面棱镜30的学参数可如下表1～表7，其中，11表示第一透镜10远离自由曲面棱镜30的表面，12表示第一透镜10靠近自由曲面棱镜30的表面，31表示自由曲面棱镜30的第一表面，33表示自由曲面棱镜30的第三表面。
95.表1
[0096][0097]
表2
[0098][0099]
表3
[0100][0101]
表4
[0102]
a19a20a21a22a23a24a25a26
0.00e+000.00e+003.47e-120.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+001.16e-05-7.08e-060.00e+001.55e-050.00e+000.00e+000.00e+000.00e+00-2.01e+030.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+004.26e+030.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+00
[0103]
表5
[0104]
a27a28a29a30a31a32a33a340.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+00-1.13e-080.00e+00-1.30e-100.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+00
[0105]
表6
[0106][0107][0108]
表7
[0109]
a40a41a42a43a440.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+00-8.13e-100.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+000.00e+00
[0110]
针对上述实施例提供的光学模组，可如图2至图5所示：
[0111]
图2是本技术实施例提供的光学模组的mtf曲线图，图3是本技术实施例提供的光学模组的点列图示意图，图4是本技术实施例提供的场曲畸变图，图5是本技术实施例提供的垂轴色差图。
[0112]
mtf曲线图是调制传递函数图，通过黑白线对的对比度表征光学模组的成像清晰度。如图2所示，在本实施例中mtf在38lp/mm下》0.3，成像清晰。
[0113]
点列图是指由一点发射出的许多光线经光学模组之后，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，可用于评价光学模组的成像质量。如图3所示，在本实施例中，点列图中像点的最大值小于11μm，清晰成像。
[0114]
场曲畸变图反应的是不同视场成清晰像的像面位置差异，在本实施例中，如图4所示，场曲最大值小于0.4mm，畸变反应成像的形变情况，畸变最大值小于20％(绝对值)。
[0115]
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，因折射系统存在色散，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5所示，光学模组的最大色差值小于130μm。
[0116]
根据本技术实施例的另一方面，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。
[0117]
所述头戴显示设备例如为ar头戴设备，包括ar眼镜或者ar头盔等，本技术实施例对此不做具体限制。
[0118]
本技术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。
[0119]
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。
[0120]
虽然已经通过示例对本技术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，而不是为了限制本技术的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本技术的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本技术的范围由所附权利要求来限定。