光学模组及头戴显示装置的制作方法

1.本实用新型涉及光学显示技术领域，特别涉及一种光学模组及头戴显示装置。


背景技术：

2.增强现实(augmented reality，简称ar)技术，是一种将真实世界信息和虚拟世界信息巧妙融合的新技术，可以把原本在现实世界一定时间、空间范围内很难体验到的实体信息(例如，视觉信息、声音、味道、触觉等)，通过电脑等科学技术模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。
3.目前，现有的增强现实方案中，显示装置由于其光路设计的原因，在虚像上方往往出现较亮的光斑，即光学中常见的“鬼影”现象。


技术实现要素：

4.本实用新型的主要目的是提出一种光学模组及头戴显示装置，旨在解决现有显示装置中虚像上方出现的光斑较亮的技术问题。
5.为实现上述目的，本实用新型提出的光学模组包括：
6.图像产生单元，所述图像产生单元用于产生携带图像信息的光束；
7.透镜单元，所述透镜单元设置于所述图像产生单元的发光光路上；
8.第一光学单元，所述第一光学单元设置于所述透镜单元背离所述图像产生单元的一侧，所述第一光学单元用于透射以及反射光束；
9.第二光学单元，所述第二光学单元设置于所述第一光学单元反射光束的光路上，所述第二光学单元用于透射以及反射光束；
10.杂光消除单元，所述杂光消除单元设置于所述透镜单元或/和所述第二光学单元，所述杂光消除单元用于降低所述第二光学单元反射至所述透镜单元的光束的能量；
11.其中，所述图像产生单元产生的光束依次经过所述透镜单元、所述第一光学单元和所述第二光学单元，并经所述第二光学单元反射后从所述第一光学单元透射至人眼。
12.可选地，当所述杂光消除单元设置于所述第二光学单元时，所述杂光消除单元为吸光层或第一增透膜。
13.可选地，当所述杂光消除单元设置于所述第二光学单元时，所述杂光消除单元为曲面镜或异形镜，所述杂光消除单元用于将光束反射至人眼之外。
14.可选地，所述第二光学单元包括所述杂光消除单元，所述第二光学单元相对于所述图像产生单元的最高点低于所述透镜单元相对于所述图像产生单元的最低点。
15.可选地，当所述杂光消除单元设置于所述透镜单元时，所述杂光消除单元为第二增透膜，且所述第二增透膜的最佳入射角度为15
°‑
75
°
。
16.可选地，所述第二增透膜的最佳入射角度为30
°‑
60
°
。
17.可选地，所述第二增透膜的最佳入射角度为45
°
。
18.可选地，当所述杂光消除单元设置于所述第二光学单元时，所述杂光消除单元包
括圆偏振器件；所述光学模组还包括1/4相位延迟件，且所述1/4相位延迟件设置于所述第一光学单元与所述第二光学单元之间且所述1/4相位延迟件与所述第二光学元件间隔设置，所述杂光消除单元设置于所述第二光学单元且靠近所述透镜单元的一端；或
19.当所述杂光消除单元设置于所述第二光学单元时，所述杂光消除单元包括吸收型偏振件；所述光学模组还包括1/4相位延迟件，且所述1/4相位延迟件设置于所述第二光学单元，所述杂光消除单元设置于所述1/4相位延迟件且靠近所述透镜单元的一端。
20.可选地，所述杂光消除单元相对于所述图像产生单元的最低点与所述透镜单元相对于所述图像产生单元的最低点的高度差小于或等于2mm。
21.此外，本实用新型还提供一种头戴显示装置，所述头戴显示装置包括上述任一技术方案述及的光学模组。
22.本实用新型技术方案的图像产生单元用于产生携带图像信息的光束，以通过透镜单元、第一光学单元和第二光学单元的反射以及透射以将该携带图像信息的光束投射至人眼，使得用户可以看到图像单元产生的图像信息；透镜单元设置于图像产生单元的发光光路上，通过透镜单元可以调整光束的传播方向；第一光学单元设置于透镜单元背离图像产生单元的一侧，以通过第一光学单元将从透镜单元透射的光束反射至第二光学单元；第二光学单元设置于第一光学单元反射光束的光路上，以通过第二光学单元将从第一光学单元反射的光束反射至第一光学单元，再通过第一光学单元透射至人眼，使得用户可以看到图像产生单元产生的图像信息；由于第一光学单元和第二光学单元均具有透射以及反射光束的能力，因此外界的光可以依次从第二光学单元以及第一光学单元透射至人眼，使得用户可以看清外界实物，而且用户还可以看清图像产生单元产生的图像信息，因此用户可以同时看清图像产生单元产生的图像信息以及外界实物，以增强现实；杂光消除单元设置透镜单元或/和第二光学单元，以通过降低第二光学单元反射至透镜单元的光束的能量的方式，降低用户视野中光斑的亮度，从而实现消除光斑或减小光斑的亮度。
附图说明
23.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。
24.图1为用户视野中形成光斑的光路的结构示意图；
25.图2为本实用新型光学模组一实施例的结构示意图一；
26.图3为本实用新型光学模组一实施例的结构示意图二；
27.图4为本实用新型光学模组一实施例的结构示意图三；
28.图5为本实用新型光学模组一实施例的结构示意图四；
29.图6为本实用新型光学模组一实施例的结构示意图五；
30.图7为本实用新型光学模组一实施例的结构示意图六；
31.图8为本实用新型光学模组一实施例的结构示意图七。
32.附图标号说明：
33.标号名称标号名称
100光学模组1图像产生单元2透射单元3第一光学单元4第二光学单元5杂光消除单元61/4相位延迟件7光束8人眼
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34.本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
35.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，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
36.需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
37.另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
38.本实用新型提出一种光学模组，用于解决现有显示装置中虚像上方出现的光斑较亮的技术问题。
39.在本实用新型实施例中，如图1至图3以及图6所示，该光学模组包括图像产生单元1、透镜单元2、第一光学单元3、第二光学单元4和杂光消除单元5，图像产生单元1用于产生携带图像信息的光束7，透镜单元2设置于图像产生单元1的发光光路上，第一光学单元3设置于透镜单元2背离图像产生单元1的一侧，第一光学单元3用于透射以及反射光束7，第二光学单元4设置于第一光学单元3反射光束7的光路上，第二光学单元4用于透射以及反射光束7，杂光消除单元5设置于透镜单元2或/和第二光学单元4，杂光消除单元5用于降低第二光学单元4反射至透镜单元2的光束7的能量；
40.其中，图像产生单元1产生的光束7依次经过透镜单元2、第一光学单元3 和第二光学单元4，并经第二光学单元4反射后从第一光学单元3透射至人眼8。
41.本实用新型技术方案的图像产生单元1用于产生携带图像信息的光束7，以通过透镜单元2、第一光学单元3和第二光学单元4的反射以及透射以将该携带图像信息的光束7投射至人眼8，使得用户可以看到图像单元产生的图像信息；透镜单元2设置于图像产生单元1的发光光路上，通过透镜单元2可以调整光束7的传播方向；第一光学单元3设置于透镜单元2背离图像产生单元1的一侧，以通过第一光学单元3将从透镜单元2透射的光束7反射至第二光学单元4；第二光学单元4设置于第一光学单元3反射光束7的光路上，以通过第二光学单元4将从第一光学单元3反射的光束7反射至第一光学单元3，再通过第一光学单元3透射
至人眼8，使得用户可以看到图像产生单元1产生的图像信息；由于第一光学单元3和第二光学单元4均具有透射以及反射光束7的能力，因此外界的光可以依次从第二光学单元4以及第一光学单元3透射至人眼8，使得用户可以看清外界实物，而且用户还可以看清图像产生单元1产生的图像信息，因此用户可以同时看清图像产生单元1产生的图像信息以及外界实物，以增强现实；杂光消除单元5设置透镜单元2或/和第二光学单元4，以通过降低第二光学单元4反射至透镜单元2的光束7的能量的方式，降低用户视野中光斑的亮度，从而实现消除光斑或减小光斑的亮度。
42.在本实施例中，图像产生单元1可以为屏幕，第一光学单元3可以为偏振分光元件(polarization beam splitter，简称pbs)，第二光学单元4可以为曲面镜，可以理解地，本实施例中对图像产生单元1、第一光学单元3和第二光学单元4的限定包括但不限于上述方案。
43.可以理解地，如图1所示，若不对到达第二光学单元4的光束7进行处理，部分光束7会反射至透镜单元2，通过透镜单元2反射至第一光学单元3，从第一光学单元3透射至人眼8，就会在用户视野中出现较亮的光斑，即光学中常见的鬼影现象。
44.在本实施例中，第一光学单元3的中心轴与透镜单元2的中心轴成45
°
角，可以理解地，当第一光学单元3的中心轴与透镜单元2的中心轴成其他角度时，杂光消除单元5的位置可以相应地改变。
45.在本实施例中，第一光学单元3、第二光学单元4均是等厚度的光学元器件，因此在第一光学单元3与第二光学单元4的透过方向上无光焦度，即不改变实景的大小，也不产生畸变。
46.在一实施例中，如图3所示，当杂光消除单元5设置于第二光学单元4时，杂光消除单元5为吸光层，通过吸光层吸收光束7，减小到达吸光层的光束7的反射，从而减少或避免光束7被该吸光层反射至透镜单元2，再经过透镜单元2 反射，最终透过第一光学单元3到达人眼8，以减小用户视野中光斑的亮度，实现消除光斑或减小光斑的亮度，其中吸光层例如可以包括但不限于吸光油墨、消光纸等。
47.在一实施例中，如图4所示，当杂光消除单元5设置于第二光学单元4时，杂光消除单元5为第一增透膜，通过第一增透膜增加对光束7的透射率，以使到达第一增透膜的光束7透射过第二光学单元4，减小第一增透膜的反射率，从而减少或避免光束7被第一增透膜反射至透镜单元2，再经过透镜单元2反射，最终透过第一光学单元3到达人眼8，以减小用户视野中光斑的亮度，实现消除光斑或减小光斑的亮度。
48.在一实施例中，如图6所示，当杂光消除单元5设置于第二光学单元4时，杂光消除单元5为曲面镜或异形镜，杂光消除单元5用于将光束7反射或导向至人眼8之外，从而减少或避免被透镜单元2反射的光束7到达人眼8而形成较亮的光斑，实现消除光斑或减小光斑的亮度。
49.在本实施例中，通过对杂光消除单元5结构形状的改进，使得杂光消除单元5只要可以将光束7反射至人眼8之外即可，具体实现方式，杂光消除单元5 可以为曲面镜或异形镜，以杂光消除单元5为曲面镜为例，通过增大杂光消除单元5的曲率，可以将到达杂光消除单元5的光束7反射至人眼8之外，以第二光学单元4为参考时，杂光消除单元5的曲率大于第二光学单元4的曲率，如图8所示，当杂光消除单元5为异形镜时，可以将该异形镜设计为杂
散光阱，以通过杂散光阱将到达杂光消除单元5的光线透射出去，减小反射至透镜单元2 的光束。
50.在一实施例中，如图5所示，第二光学单元4包括杂光消除单元5，第二光学单元4相对于图像产生单元1的最高点低于透镜单元2相对于图像产生单元1 的最低点，可以避免透镜单元2遮挡第二光学单元4，从而避免用户观看实物的视野受限，同时，从第一光学单元3反射至第二光学单元4靠近图像产生单元1的光束7会没有限制而直接向第二光学单元4之外传播，不会产生反射至透镜单元2的光束7，因此，可以避免用户视野中出现较亮的光斑。第二光学单元4包括杂光消除单元5可以理解为：第二光学单元4与杂光消除单元5集成为一体。
51.在一实施例中，透镜单元2上的增透膜的最佳入射角度对鬼影也存在影响。例如，在透镜单元2上设置第二增透膜之后，若第二增透膜增透的最佳入射角度(或者中心角度)为0
°
(即入射光束与其表面法线的夹角)，即在入射角度为0
°
时，透镜单元2的反射率最低，例如0.5％，当入射光束的角度逐渐增大时，第二增透膜减小反射率的性能会逐渐下降，这种现象在光束7大角度入射时会非常明显，例如，当对0
°
入射角度的第二增透膜进行优化时，当入射角度由0
°
增加到60
°
时，透镜单元2在450～650nm波长范围内的平均反射率，从0.11％增加到4.22％，当入射角度增加到75
°
时，平均反射率甚至增加到20.6％，因此，可以通过优化第二增透膜对大角度入射光线的反射特性，来降低反射至透镜单元2的光束的能量。
52.具体地，在一实施例中，当杂光消除单元5设置于透镜单元2时，杂光消除单元5为第二增透膜，且第二增透膜的最佳入射角度为15
°‑
75
°
。通过在透镜单元2上设置第二增透膜可以减小透镜单元2对光束7的反射作用，从而减少或消除从透镜单元2反射至第一光学单元3的光束7，避免用户视野出现较亮的光斑；当第二增透膜的入射角度为15
°‑
75
°
时，可以更好地减小第二增透膜的反射率，以减少从透镜单元2反射至第一光学单元3的光束7。
53.在本实施例中，再进一步地，第二增透膜的最佳入射角度为30
°‑
60
°
，以进一步提高第二增透膜的反射率。
54.在本实施例中，更进一步地，第二增透膜的最佳入射角度为45
°
，此时，第二增透膜的平均反射率可选择0.8％以下，可以进一步优化为0.5％以下，此时，当入射角度为60
°
时，透镜单元2的反射率会从4.22％降低到2.0％以下，对于入射角度为75
°
时，透镜单元2的反射率会从20.6％降低到10.0％以下，可以使得用户视野中，光斑的亮度至少降低一半。
55.在一实施例中，如图7所示，当杂光消除单元5设置于第二光学单元4时，杂光消除单元5包括圆偏振器件(图中未示出)，该圆偏振器件具有透过一种圆偏振光而吸收与之正交的另一种圆偏振光的特性；光学模组100还包括1/4 相位延迟件6，且1/4相位延迟件6设置于第一光学单元3与第二光学单元4之间， 1/4相位延迟件6与第二光学元件间隔设置，杂光消除单元5设置于第二光学单元4且靠近透镜单元2的一端，经过透镜单元2到达第一光学单元3的光束7经第一光学单元3反射后会变为线偏光，不失一般性可设为s光(s表示与入射面垂直的偏振分量)，该s光经过1/4相位延迟件6后会转变为圆偏光，通过适当选择，使得其偏振态与杂光消除单元的透过偏振态正交，因此当圆偏光到达杂光消除单元5时，会被圆偏振器件(即杂光消除单元5)吸收，以通过圆偏振器件减少反射至透镜单元2上的光束7，降低用户视野中光斑的亮度。
56.在一实施例中，如图7所示，当杂光消除单元5设置于第二光学单元4时，杂光消除单元5包括吸收型偏振件(图中未示出)，该吸收型偏振件具有透过一种线偏振光而吸收与之正交的另一种线偏振光的特性；光学模组100还包括 1/4相位延迟件6，1/4相位延迟件6设置于第二光学单元4，杂光消除单元5设置于1/4相位延迟件6且靠近透镜单元2的一端，以将杂光消除单元5通过1/4相位延迟件6间接设置于第二光学单元4，经过透镜单元2到达第一光学单元3的光束7经第一光学单元3反射后会变为线偏光，不失一般性可设为s光，通过适当选择，使得杂光消除单元透过p光，因此该s光到达杂光消除单元5时，会被吸收型偏振件(即杂光消除单元5)吸收，以通过吸收型偏振件减少反射至透镜单元2上的光束7，降低用户视野中光斑的亮度。
57.在一实施例中，杂光消除单元5相对于图像产生单元1的最低点与透镜单元2相对于图像产生单元1的最低点的高度差小于或等于2mm，以使杂光消除单元5相对于图像产生单元1的最低点不至于过低或过高，若过低，则会影响用户观看图像产生单元1产生的图像信息，若杂光消除单元5相对于图像产生单元1的最低点过高，则对用户视野中出现的光斑的亮度降低不明显，而在杂光消除单元5相对于图像产生单元1的最低点与透镜单元2相对于图像产生单元1的最低点的高度差小于或等于2mm时，则可以使得杂光消除单元5相对于图像产生单元1的高度更合适，可以在降低用户视野中光斑亮度的同时，使得用户可以正常观看图像产生单元1产生的图像信息。
58.此外，本实施例实用新型实施例还提出一种头戴显示装置，该头戴显示装置包括上述任一实施例述及的光学模组100。
59.本实用新型实施例提出的头戴显示装置包括光学模组100，该光学模组 100的具体结构参照上述实施例，由于该头戴显示装置采用了上述所有实施例的全部技术方案，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。
60.以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。