光学模组以及头戴显示设备的制作方法

1.本实用新型涉及光学结构技术领域，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：

2.光学模组作为vr设备中的核心部件之一，可以将视觉信息以放大的虚像传递至人眼中。但是，目前vr设备中应用的光学模组还存在一些问题，如成像质量差导致佩戴者在观看画面时产生晕眩感，以及人眼与设备距离不适合而导致佩戴者在使用设备的过程中易感到疲劳。因此，需要一种能适用于vr设备，具有体积轻巧、高成像质量的光学模组。


技术实现要素：

3.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，光学模组的体积轻巧且成像质量高，当应用于头戴显示设备后可以提升用户的视觉体验感和佩戴舒适感。
4.根据本实用新型的一个方面，提供了一种光学模组，所述光学模组沿同一光轴依次包括：光阑、偏振反射元件、第一相位延迟器及分光元件；
5.所述光学模组还包括至少一个透镜，所述至少一个透镜位于所述分光元件与所述偏振反射元件之间；
6.所述光学模组满足：2≤l/d≤4；其中，l为所述光阑到所述偏振反射元件之间的距离，d为所述光阑的直径。
7.可选地，所述至少一个透镜包括第一透镜，所述第一透镜包括靠近所述光阑的第一表面和背离所述光阑的第二表面；
8.所述偏振反射元件和所述第一相位延迟器层叠设置，并设于所述第一表面，所述分光元件设于所述第二表面。
9.可选地，所述至少一个透镜包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜位于靠近所述光阑的一侧，所述第二透镜位于所述第一透镜远离所述光阑的一侧；
10.所述第一透镜包括靠近所述光阑的第一表面和背离所述光阑（30）的第二表面；
11.所述偏振反射元件设于所述第一表面，所述第一相位延迟器设于所述第二表面，所述分光元件设于所述第二透镜的任一表面。
12.可选地，所述第一表面为平面，所述第二表面为非球凸面。
13.可选地，所述第一相位延迟器的光轴方向与偏振反射元件的透过轴方向形成45度夹角。
14.可选地，所述分光元件对垂直入射的光线的反射率为t，t＜53%。
15.可选地，所述光学模组还包括第一偏振元件，所述第一偏振元件位于所述偏振反射元件背离所述第一相位延迟器的一侧。
16.可选地，所述第一偏振元件、所述偏振反射元件及所述第一相位延迟器层叠设置
形成叠合元件。
17.可选地，所述光学模组还包括显示器，所述显示器具有出光面，所述出光面用于发射成像光线，所述至少一个透镜位于所述成像光线的传播路径上。
18.可选地，所述出光面被配置为能够发射圆偏振光或者线偏振光；
19.当所述出光面发射的成像光线为线偏振光时，在所述出光面与所述分光元件之间依次设置有第二相位延迟器及第二偏振元件，其中，所述第二相位延迟器用以将线偏振光转变为圆偏振光。
20.可选地，所述光学模组的光学总长ttl满足：ttl＜25mm。
21.可选地，所述显示器为点光源屏幕，所述点光源屏幕的发光点间距d＜0.05mm，且光亮度i＞300cd/m2。
22.根据本实用新型的另一个方面，提供了一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括：
23.壳体；以及
24.如上述所述的光学模组。
25.本实用新型实施例提供了一种折叠光路结构方案，在折叠光路结构中通过调整光阑与偏振反射元件之间的距离l及光阑的直径d（出瞳尺寸）的关系，能够使得光学模组在尺寸较小的情况下既满足人眼观看时的沉浸感要求，又能够有效提高成像质量。
26.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
27.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。
28.图1是本实用新型实施例提供的光学模组的结构示意图；
29.图2是本实用新型实施例1提供的光学模组的结构示意图；
30.图3为图2示出的光学模组的点阵列的示意图；
31.图4为图2示出的光学模组的mtf曲线图；
32.图5为图2示出的光学模组的场曲与畸变图；
33.图6是本实用新型实施例2提供的光学模组的结构示意图；
34.图7为图6示出的光学模组的点阵列的示意图；
35.图8为图6示出的光学模组的mtf曲线图；
36.图9为图6示出的光学模组的场曲与畸变图；
37.图10是本实用新型实施例3提供的光学模组的结构示意图；
38.图11为图10示出的光学模组的点阵列的示意图；
39.图12为图10示出的光学模组的mtf曲线图；
40.图13为图10示出的光学模组的场曲与畸变图。
41.附图标记说明：
42.10、第一透镜；11、第一表面；12、第二表面；20、第二透镜；21、前表面；22、后表面；30、光阑；40、偏振反射元件；50、第一相位延迟器；60、分光元件；70、第一偏振元件；80、显示
器；81、出光面。
具体实施方式
43.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。
44.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。
45.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。
46.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。
47.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。
48.下面结合附图1至图13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。
49.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。
50.本实用新型实施例提供的光学模组，如图1所示，沿同一光轴依次包括：光阑30、偏振反射元件40、第一相位延迟器50及分光元件60；所述光学模组还包括至少一个透镜（如图1中示出的两个透镜：第一透镜10和第二透镜20），所述至少一个透镜位于所述分光元件60与所述偏振反射元件40之间；所述光学模组满足：2≤l/d≤4；其中，l为所述光阑30到所述偏振反射元件40之间的距离，d为所述光阑30的直径。
51.在本实用新型实施例的光学模组中，透镜的设置数量可以为一片、两片或大于等于三片，可以根据具体需要灵活调整透镜的数量，本实用新型实施例中对此不做限制。
52.在本实用新型实施例的光学模组中，不仅包含一个或者多个透镜，还包含如上述的光阑30、偏振反射元件40、第一相位延迟器50及分光元件60，可形成一种折叠光路结构，有利于减小光学模组的尺寸。
53.通常，在光学模组中光阑的孔径为一个固定值。
54.为了灵活调整光学模组的成像清晰度，可以将光阑设置为可以调整孔径大小的方式。在本实用新型的方案中，将光阑30和偏振反射元件40之间的距离l与光阑30的直径d的比值控制在2~4，可以使光学模组在尺寸较小的情况下兼具较佳的成像质量。当将该光学模组应用于头戴显示设备，例如vr设备后，可以明显提高用户佩戴时的视觉观感及舒适性。
55.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。分光元件60的反射率可以根据具体需要灵活调整。
56.在本实用新型的光学模组中，例如可以通过镀膜的方式使半反半透膜形成在光学模组中某一个透镜的表面上，同时在光学模组中布设相位延迟器和偏振反射元件，并使相位延迟器位于半反半透膜与偏振反射元件之间。
57.当然，分光元件60在整个光学模组中也可以设置为独立的光学器件，而不依附于透镜。
58.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；偏振反射元件40例如为偏振反射膜。
59.在本实用新型实施例的光学模组中，如图1所示，可以在最远离像方的一个透镜的两个表面上分别贴装偏振反射元件40和第一相位延迟器50，并使得在光路结构中第一相位延迟器50位于偏振反射元件40与分光元件60之间。
60.此外，第一相位延迟器50和偏振反射元件40在光路结构中可以为相邻且间隔设置。当然，第一相位延迟器50和偏振反射元件40也可以贴装在一起形成叠合元件后设于光路中，本技术实施例对此不做具体限制。
61.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，并位于同一光轴上。整个光路结构的尺寸较小，并不会占用较大的空间。
62.本实用新型实施例提供了一种折叠光路结构方案，在折叠光路结构中通过调整光阑30与偏振反射元件40之间的距离l及光阑30的直径d（出瞳尺寸）的关系，能够使得光学模组在尺寸较小的情况下既满足人眼观看时的沉浸感要求，又能够有效提高成像质量。
63.在本实用新型的一些示例中，如图2所示，所述至少一个透镜包括第一透镜10，所述第一透镜10包括靠近所述光阑30的第一表面11和背离所述光阑30的第二表面12；其中，所述偏振反射元件40和所述第一相位延迟器50二者可以为层叠设置，并设于所述第一表面11；所述分光元件60设于所述第二表面12。
64.也就是说，当光学模组中设置一个透镜时，例如该透镜为上述的第一透镜10，此时，可以将分光元件60、第一相位延迟器50及偏振反射元件40均贴装在第一透镜10上，如此可以降低光学模组的装配难度，节省成本。
65.上述示例中的光学模组为单镜片光学模组，单镜片光学模组设计及加工简单，且能较好的实现轻薄化。
66.其中，如图2所示，偏振反射元件40与第一相位延迟器50二者可以均为膜结构，并将二者之间例如通过光学胶粘接形成二合一膜，再将该二合一膜通过光学胶贴装于第一透镜10靠近光阑30的表面上；分光元件60例如为半反半透膜，其可以通过镀膜的方式形成在第一透镜10远离光阑30的表面上。
67.当然，当光学模组中设置一个透镜时，并不限于上述的光学结构，还可以将偏振反射元件40通过光学胶贴装于第一透镜10靠近光阑30的表面，并将第一相位延迟器50与分光元件60二者通过光学胶贴装在一起，然后通过光学胶贴装在第一透镜10远离光阑30的表面上。
68.也就是说，当光学模组中设置一个透镜时，该透镜可以位于分光元件60与第一相位延迟器50之间，也可以位于第一相位延迟器50与偏振反射元件40之间，透镜的设置位置较为灵活，只要控制光路中偏振反射元件40与光阑30之间的距离l与光阑30的直径d二者的比值为2~4即可满足折叠光路轻薄化及成像质量高的要求，使得光路结构设计自由度高、灵活。
69.在本实用新型的一些示例中，如图1所示，所述至少一个透镜包括第一透镜10和第
二透镜20，所述第一透镜10位于靠近所述光阑30的一侧，所述第二透镜20位于所述第一透镜10远离所述光阑30的一侧；
70.所述第一透镜10包括靠近所述光阑30的第一表面11和背离所述光阑30的第二表面12；所述偏振反射元件40设于所述第一表面11，所述第一相位延迟器50设于所述第二表面12，所述分光元件60设于所述第二透镜20的任一表面。
71.当光学模组中设置两个透镜时，这两个透镜例如分别为上述的第一透镜10和第二透镜20，可以将分光元件60单独设置于远离光阑30的第二透镜20的其中一个表面上，同时，将第一相位延迟器50及偏振反射元件40分别贴装在靠近光阑30的第一透镜10的两个表面上。如此，可以降低光学模组的装配难度，节省成本。并且，两个透镜的光学模组成像质量更佳。
72.请继续如图1所示，偏振反射元件40与第一相位延迟器50二者可以均为膜结构，并分别通过光学胶贴装在第一透镜10的第一表面11和第二表面12上。分光元件60例如为半反半透膜，其可以通过镀膜的方式形成在第二透镜20远离光阑30的表面上。也即，两个透镜将分光元件60、第一相位延迟器50及偏振反射元件40分隔开来。
73.当然，当光学模组中设置上述的两个透镜时，并不限于上述的光学结构，还可以将偏振反射元件40与第一相位延迟器50设计为膜结构，并通过光学胶贴合形成二合一膜，将该二合一膜贴装于第一透镜10的任一表面；将分光元件60以镀膜的方式形成在第二透镜20的任一表面。这种贴装方式中涉及二合一膜贴装，可以降低光学膜的装配难度。
74.也就是说，当光学模组中设置两个透镜时，各透镜的设置位置也较为灵活，只要控制偏振反射元件40与光阑30之间的距离l与光阑30的直径d二者的比值为2~4，即可满足多透镜的折叠光路轻薄化及成像质量高的要求，使得光路结构设计自由度高、灵活。
75.需要说明的是，在本实用新型实施例的光学模组中，分光元件60、第一相位延迟器50及偏振反射元件40三者也可以为独立的光学器件设置于光路结构中，本实用新型实施例中对此不做限制。
76.此外，本实用新型实施例的光学模组中，并不限于设置一片或者两片透镜，可以根据需要设置三片、甚至更多的透镜。而需要说明的是，当光学模组中包括两片或者两片以上的透镜时，偏振反射元件40可以设于靠近光阑30的一个透镜的表面上，第一相位延迟器50设于该透镜的另一表面，分光元件60位于其余某一个透镜的任一表面上，第一相位延迟器50需要位于分光元件60与偏振反射元件40之间。
77.在本实用新型的一些示例中，如图1和图2所示，所述第一透镜10包括第一表面11和第二表面12，所述第一表面11靠近光阑30，第一表面11可以为平面，所述第二表面12可以为非球凸面。
78.其中，第一透镜10的第一表面11可用于贴装偏振反射元件40，或者可以贴装偏振反射元件40与第一相位延迟器50形成的二合一膜，将第一表面11设置为平面可以方便在其上进行贴膜，能降低贴装误差。
79.例如，可以将第一透镜10的第二表面12设计为非球凸面，如此可以降低像差，进而可以提高成像质量。
80.例如，非球凸面需要满足以下：
81.。
82.其中：r为镜片中心高度，z为非球面结构沿光轴方向在高度r时与表面顶点的位移差值，c为非球面的顶点曲率半径，k为圆锥系数，表示第i项非球面系数。此非球凸面的顶点曲率半径满足70《c《120，圆锥系数满足：-20《k《20。
83.可选的是，在本实用新型的光学模组中，远离光阑30侧的各透镜的面型均为标准球面，例如，第二透镜20的两个表面均标准球面。
84.在本实用新型的一些示例中，所述第一相位延迟器50的光轴方向与偏振反射元件40的透过轴方向形成45度夹角。
85.偏振反射元件40例如可以为一种可供水平/竖直线偏振光反射，竖直/水平线偏振光透过的偏振反射器件。或者，偏振反射元件40可以供其他任一特定角度线偏振光反射，与该角度垂直方向线偏振光透过的偏振反射器件。
86.偏振反射元件40具有光线透过的透过轴，偏振反射元件40的透过轴与第一相位延迟器50的光轴之间的夹角为45
°
。
87.第一相位延迟器50具有快轴和慢轴。与偏振反射元件40的透过轴方向相同的光线可以透过偏振反射元件40，与偏振反射元件40的透过轴方向正交的光线，无法透过偏振反射元件40。
88.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。
89.需要说明的是，在光学模组中，第一相位延迟器50及偏振反射元件40可以为独立的光学器件，也可以为膜结构。
90.在本实用新型的一些示例中，所述分光元件60对垂直入射的光线的反射率为t，t＜53%。
91.例如，分光元件60可以为半透半反射膜。其对入射的光线可以透射和反射，具体的反射率可以根据需要进行调整。
92.在本实用新型的一些示例中，如图1及图2所示，所述光学模组还包括第一偏振元件70，所述第一偏振元件70位于所述偏振反射元件40背离所述第一相位延迟器50的一侧。
93.第一偏振元件70可用于减少偏振反射元件40的偏振反射率不是100%而引起的杂散光。有利于提升光学模组的成像品质。
94.第一偏振元件70具有透过轴，第一偏振元件70的透过轴与第一相位延迟器50的快轴之间的夹角为45
°
；其夹角可以是正45
°
，也可以是负45
°
。第一相位延迟器50具有快轴和慢轴。与第一偏振元件70的透过轴方向相同的光线可以透过第一偏振元件70，而与第一偏振元件70的透过轴方向正交的光线，无法透过第一偏振元件70。
95.在本实用新型的一些示例中，如图1及图2所示，所述第一偏振元件70、所述偏振反射元件40以及所述第一相位延迟器50为层叠设置，可形成叠合元件。
96.也就是说，所述第一偏振元件70、所述偏振反射元件40以及所述第一相位延迟器50可以均为膜结构，并通过光学胶层叠粘接在一起形成层叠设置的三合一膜。在整个光学模组中，该三合一膜例如可以通过光学胶贴装在第一透镜10靠近光阑30的表面上，如图1及
图2所示。
97.具体地，请继续如图1及图2所示，上述的三合一膜可以贴装在第一透镜10的第一表面11上，可以降低装配难度。
98.在本实用新型的一些示例中，所述光学模组还包括显示器80，所述显示器80具有出光面81，所述出光面81用于发射成像光线，所述至少一个透镜位于所述成像光线的传播路径上。
99.显示器80所在的一侧为光学模组的像方。
100.在本实用新型的一些示例中，所述出光面81被配置为能够发射圆偏振光或者线偏振光；当所述出光面81发射的成像光线为线偏振光时，在所述出光面81与所述分光元件60之间依次设置有第二相位延迟器及第二偏振元件，其中，所述第二相位延迟器用以将线偏振光转变为圆偏振光。
101.可选的是，在显示器80的出光面81上可以贴装屏幕保护片。
102.显示器80的出光面81所发出的光线可以为线偏振光，也可以是圆偏振光或者自然光，本实用新型实施例中对此不作限制。
103.可选地是，当显示器80的出光面81发出的光线为圆偏振光时，可以省去上述的第二相位延迟器及第二偏振元件。
104.此外，第二相位延迟器及第二偏振元件二者可以层叠设置并设于显示器80的出光面81上，当然二者也可以间隔设置。第二相位延迟器位于第二偏振元件与显示器80的出光面81之间。
105.本实用新型实施例的光学模组，在光阑30与显示器80之间可以设置有两个透镜以及多个光学元件，各个光学元件在光路结构中的位置可以根据实际需要灵活选择，本实用新型实施例中对此不作限制。
106.在本实用新型的一些示例中，通过调整光阑30与光偏振反射元件40之间的距离l及光阑30的直径d之间的比值范围，可以使光学模组的光学总长ttl小于25mm，光学模组在具有尺寸小的同时具有极佳的成像质量。
107.本实用新型的光学模组的光学总长ttl为：近光阑30侧的第一透镜10的第一表面11与显示器80的出光面81之间的距离。
108.可选的是，所述显示器80为点光源屏幕，所述点光源屏幕的发光点间距d＜0.05mm，且光亮度i＞300cd/m2。
109.本实用新型的光学模组应用至头戴显示设备，例如vr设备中有轻薄化、小型化的优势且有良好的光学成像质量。
110.本实用新型实施例的光学模组，如图1所示，光线的传播路径如下：
111.显示器80的出光面81发出的供成像的圆偏振光在依次经过分光元件60、第二透镜20和第一透镜10、第一相位延迟器50后变为线偏振光，在偏振反射元件40发生反射，被反射的光线经过第一相位延迟器50后变为与初始圆偏振光旋转状态相反的圆偏振光，再依次经过第一透镜10、第二透镜20、分光元件60后发生反射，再次被反射的光线依次经过第二透镜20、第一透镜10、第一相位延迟器50后变为与第一次到达的线偏振光偏振方向垂直的线偏振光，在偏振反射元件40发生透射，传输至光阑30处供人眼成像。
112.实施例1
113.如图2所示，本实施例1提供了一种单镜片光学模组，单镜片光学模组设计及加工简易，且能较好的实现轻薄化。所述光学模组沿光轴方向依次包括显示器80、第一透镜10及光阑30。
114.其中，光阑30作为孔径光阑控制光线的通过量从而调节光学模组的光通量并减少非成像光线的影响。第一透镜10远离显示器80的表面（第一表面11）为平面，靠近显示器80的表面（第二表面12）为非球凸面。
115.其中，如图2，第一相位延迟器50为1/4波片膜，偏振反射元件40为apf膜，两者共同被贴附在第一透镜10远离显示器80的表面，且apf膜为外层。分光元件60为半反半透射膜，其被贴附在第一透镜10靠近显示器80的表面。
116.如图2所示，用于成像的光线从显示器80发出，经过第一透镜10，在第一透镜10的第一表面11被第一相位延迟器50和偏振反射元件40反射，再次经过第一透镜10后在第一透镜10的第二表面12被分光元件60部分反射，再次经过第一透镜10，在第一透镜10的第一表面11被第一相位延迟器50和偏振反射元件40透射达到光阑30处供人眼成像。
117.本实施例1中光学模组的设计数据如表1所示。
118.表1
119.表1
[0120][0121]
本实施例1中，各参数如下所述：
[0122]
偏振反射元件40与光阑30之间的距离l=12mm，光阑30的直径d为4mm，则l/d=3。
[0123]
其中，第二表面12的偶次非球面通过以下公式计算：
[0124]
。
[0125]
其中：r为镜片中心高度，z为非球面结构沿光轴方向在高度r时与表面顶点的位移差值，c为非球面的顶点曲率半径，k为圆锥系数，表示第i项非球面系数。对于此示例的第二表面12所设计的参数为c=142.47mm，k=39.739mm。
[0126]
，，，，。
[0127]
以下将本实施例1的光学设计方案进行像差分析评判成像质量。如图3所示，图3示出了本实施例1的光学模组的点列图。点列图是由一点发出的许多光线经光学模组后，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，因此图中弥散斑可用于评价光学模组的成像质量。在图3展示的七个视场中，第七视场的均方误差半径最大，值为44.3mm。
[0128]
图4为本实施例1的光学模组的调制传递函数（mtf）图，其中mtf是不同空间频率下光学模组所成像的对比度，其不但可以反映光学模组的反差，也可以反映光学模组的分辨率。图4中所示为七个视场的子午与弧矢方向mtf曲线。
[0129]
图5分别为本实施例1提供光学模组的场曲与畸变图，场曲与畸变图反应的是不同视场成清晰像的像面位置差异。在实施例1中，如图5所示，场曲图为f、d、c三种波长光线子午和弧矢的场曲曲线，范围保持在
±
0.8mm内，畸变最大百分比为27.7%。
[0130]
本实施例1的光学模组的最大视场角为90
°
，该光学模组在有效视场内的光斑直径小于45mm，畸变小于30%，从而保证了高质量成像。
[0131]
实施例2
[0132]
本实施例2设计了双透镜的折叠光学模组，如图6所示，所述光学模组沿光轴方向依次为显示器80、第二透镜20、第一透镜10、光阑30。两片透镜可以进一步提高光学模组的成像质量。
[0133]
其中，光阑30作为孔径光阑控制光线的通过量从而调节光学模组的光通量并减少非成像光线的影响。如图6所示，第二透镜20的两个表面均为球面。第一透镜10远离显示器80的表面（第一表面11）为平面，靠近显示器80的表面（第二表面12）为非球凸面。第一相位延迟器50为1/4波片膜，偏振反射元件40为apf膜，两者共同被贴附在第一透镜10远离显示器80的表面，且apf膜为外层。分光元件60为半反半透射膜，其被贴附在第二透镜20靠近显示器80的表面。
[0134]
如图6所示，用于成像的光线从显示器80的出光面81发出，经过第二透镜20、第一透镜10，在第一透镜10的第一表面11被第一相位延迟器50和偏振反射元件40反射，再次经过第一透镜10、第二透镜20，在第二透镜20靠近显示器80的表面被分光元件60部分反射，再次经过第二透镜20、第一透镜10，在第一透镜10的第一表面11被第一相位延迟器50和偏振反射元件40透射后，达到光阑30供人眼成像。
[0135]
本实施例2中光学模组的设计数据如表2所示。
[0136]
表2
[0137][0138]
本实施例2中，各参数如下所述：
[0139]
偏振反射元件40与光阑30之间的距离l=8mm，光阑30的直径d为4mm，则l/d=2。
[0140]
其中，第二表面12的偶次非球面与实施例1相同，通过以下公式计算：
[0141]
。
[0142]
其中：r为镜片中心高度，z为非球面结构沿光轴方向在高度r时与表面顶点的位移差值，c为非球面的顶点曲率半径，k为圆锥系数，表示第i项非球面系数。对于此示例的第二表面12所设计的参数为c=-103.93mm，k=-17.228mm。
[0143]
。
[0144]
以下将本实施例2的光学设计方案进行像差分析评判成像质量。如图7所示，图7示出了本实施例2的光学模组的点列图。点列图是由一点发出的许多光线经光学模组后，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，因此图7中弥散斑可用于评价光学模组的成像质量。在展示的七个视场中，第七视场的均方误差半径最大，值为29.7mm。
[0145]
图8为本实施例2的光学模组的调制传递函数（mtf）图，其中mtf是不同空间频率下光学模组所成像的对比度，其不但可以反映光学模组的反差，也可以反映光学模组的分辨率。图8中所示为七个视场的子午与弧矢方向mtf曲线。
[0146]
图9分别为本实施例2提供光学模组的场曲与畸变图，场曲与畸变图反应的是不同视场成清晰像的像面位置差异。在实施例2中，如图9所示，场曲图为f、d、c三种波长光线子午和弧矢的场曲曲线，范围保持在
±
0.8mm内，畸变最大百分比为24.6%。
[0147]
本实施例2的光学模组的最大视场角为90
°
，该光学模组在有效视场内的光斑直径小于30mm，畸变小于25%，从而保证了高质量成像。
[0148]
实施例3
[0149]
本实施例3设计了折叠式透镜与传统透镜结合的光学模组，如图10所示，所述光学模组沿光轴方向依次为显示器80、第二透镜20、第一透镜10、光阑30。
[0150]
其中，光阑30作为孔径光阑控制光线的通过量从而调节光学模组的光通量并减少非成像光线的影响。如图10所示，第二透镜20的两个表面均为球面。第一透镜10远离显示器80的表面（第一表面11）为平面，靠近显示器80的表面（第二表面12）为非球凸面。第一相位延迟器50为1/4波片膜，偏振反射元件40为apf膜，两者共同被贴附在第一透镜10远离显示器80的表面，且apf膜为外层。分光元件60为半反半透射膜，其被贴附在第二透镜20靠近显示器80的表面。
[0151]
如图10所示，用于成像的光线从显示器80的出光面81发出，经过第二透镜20、第一透镜10，在第一透镜10的第一表面11被第一相位延迟器50和偏振反射元件40反射，再次经过第二透镜20后被分光元件60部分反射，再次经过第一透镜10，在第一透镜10的第一表面11被第一相位延迟器50和偏振反射元件40透射后，达到光阑30处供人眼成像。
[0152]
本实施例3中光学模组的设计数据如表3所示。
[0153]
表3
[0154][0155]
本实施例3中，各参数如下所述：
[0156]
偏振反射元件40与光阑30之间的距离l=8mm，光阑30的直径d为4mm，则l/d=2。
[0157]
其中，第二表面12的偶次非球面与实施例1相同，通过以下公式计算：
[0158]
。
[0159]
其中：r为镜片中心高度，z为非球面结构沿光轴方向在高度r时与表面顶点的位移差值，c为非球面的顶点曲率半径，k为圆锥系数，i表示第i项非球面系数。对于此示例的第二表面12所设计的参数为c=-84.33mm，k=0.263mm。
[0160]
。
[0161]
以下将本实施例3的光学设计方案进行像差分析评判成像质量。如图11所示，图11示出了本实施例3的光学模组的点列图。点列图是由一点发出的许多光线经光学模组后，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，因此图11中弥散斑可用于评价光学模组的成像质量。在展示的十一个视场中，第十一视场的均方误差半径最大，值为29.92mm。
[0162]
图12为本实施例3的光学模组的调制传递函数（mtf）图，其中mtf是不同空间频率下光学模组所成像的对比度，其不但可以反映光学模组的反差，也可以反映光学模组的分辨率。图12中所示为十一个视场的子午与弧矢方向mtf曲线。
[0163]
图13分别为本实施例3提供光学模组的场曲与畸变图，场曲与畸变图反应的是不同视场成清晰像的像面位置差异。在实施例3中，如图13所示，场曲图为f、d、c三种波长光线子午和弧矢的场曲曲线，范围保持在
±
1mm内，畸变最大百分比为18.5%。
[0164]
本实施例3的光学模组的最大视场角为100
°
，该光学模组在有效视场内的光斑直径小于30mm，畸变小于20%，从而保证了高质量成像。
[0165]
根据本实用新型实施例的另一方面，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。
[0166]
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，本实用新型实施例对此不做具体限制。
[0167]
本实用新型实施例的头戴显示设备的具体实施方式可以参照上述显示模组各实施例，在此不再赘述。
[0168]
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。
[0169]
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。