CN111610631A - 光学系统以及近眼显示装置 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种光学系统以及近眼显示装置。光学系统包括：光波导以及目镜系统。目镜系统位于光波导的入光侧，且目镜系统的出光侧与光波导的入光侧相对以使从目镜系统出射的光入射到光波导。目镜系统包括透镜组，透镜组包括沿平行于其光轴的方向依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，第一透镜远离第二透镜的一侧为目镜系统的出光侧，第一透镜和第三透镜具有正光焦度，第二透镜具有负光焦度。本公开实施提供的光学系统中设置的目镜系统具有较高的光能利用率和较小的体积，可以使光学系统提升光效，且结构更加紧凑。

Description

光学系统以及近眼显示装置
技术领域
本公开至少一个实施例涉及一种光学系统以及近眼显示装置。
背景技术
增强现实技术是将真实世界信息和虚拟世界信息集成的技术，其在展现真实世界的信息的同时可以将虚拟信息显示出来，从而将数码世界和真实世界的信息相互补充叠加以呈现在用户眼前。
发明内容
本公开的至少一实施例提供一种光学系统，包括：光波导；以及目镜系统，位于所述光波导的入光侧，且所述目镜系统的出光侧与所述光波导的入光侧相对以使从所述目镜系统出射的光入射到所述光波导。所述目镜系统包括透镜组，所述透镜组包括沿平行于其光轴的方向依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜远离所述第二透镜的一侧为所述目镜系统的出光侧，所述第一透镜和所述第三透镜具有正光焦度，所述第二透镜具有负光焦度。
例如，所述第一透镜包括相对的第一表面和第二表面，所述第二透镜包括相对的第三表面和第四表面，所述第三透镜包括相对的第五表面和第六表面，第一至第六表面沿平行于所述光轴方向依次排列，所述第一表面、所述第二表面、所述第三表面、所述第四表面、所述第五表面以及所述第六表面的曲率半径的范围分别为5～50mm，-50～0mm，0～50mm，2～20mm，5～20mm以及-5～-20mm。
例如，所述第一表面与所述光轴交点距所述第六表面与所述光轴交点的距离为10～30mm。
例如，所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜的厚度均为2～20mm。
例如，所述第一透镜的光焦度为0.01～0.2，所述第二透镜的光焦度为-0.01～0.2，以及所述第三透镜的光焦度为0.05～0.3。
例如，所述目镜系统的有效焦距为10～25mm。
例如，所述目镜系统的调制函数曲线中的空间频率为108p/mm位置处的对比度不小于0.05。
例如，所述透镜组在垂直于所述光轴的平面上的正投影沿第一方向具有最大尺寸；沿所述第一方向，每个透镜的口径为10～35mm，沿垂直于所述第一方向的第二方向，每个透镜的口径为5～15mm，所述第一方向和所述第二方向垂直于所述光轴。
例如，沿所述第一方向和所述第二方向的最大视场中，所述目镜系统的最大场曲不大于0.2mm。
例如，沿所述第一方向和所述第二方向的最大视场中，所述目镜系统的最大畸变小于4％。
例如，所述光波导包括主平面，所述光波导的入光侧和出光侧均位于所述主平面的同侧，且所述光波导包括沿所述第二方向排列的反射阵列，被配置为将从所述入光侧入射到所述光波导内的光反射至所述出光侧，并使所述光波导出射的光束沿所述第二方向的尺寸大于所述目镜系统出射的光束沿所述第二方向的尺寸。
例如，所述第一透镜的材料与所述第二透镜的材料不同。
本公开的至少一实施例提供一种近眼显示装置，包括显示屏以及上述任一实施例所述的光学系统，所述显示屏位于所述目镜系统入光侧的焦平面。
例如，所述显示屏显示的图像分辨率不小于5000PPI。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制。
图1A为本公开一实施例提供的光学系统的局部截面示意图；
图1B为图1A所示的光学系统的沿AA线所截的截面示意图；
图1C为图1A所示的光学系统中的目镜系统的截面图；
图1D为图1C所示的第一透镜的截面示意图；
图2为本公开一实施例的一示例提供的目镜系统对应的多重结构的视场图；
图3A为图1C所示的目镜系统的光路简图；
图3B和图3D为图3A所示的目镜系统沿不同方向的场曲像差图；
图3C和图3E为图3A所示的目镜系统沿不同方向的畸变像差图；
图4为本公开一实施例提供的目镜系统的点列图；
图5A-图5E分别为五重结构对应的调制函数曲线图；以及
图6A-图6B为本公开另一实施例提供的近眼显示装置示意图。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例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公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
在研究中，本申请的发明人发现：一般的具有增强现实显示效果的显示装置中设置有显示屏、目镜系统以及光波导。目镜系统为凸透镜与偏振分光棱镜(PBS)的组合，光波导为阵列式反射光波导。显示屏发出的光经过目镜系统后入射到光波导中，入射到光波导中的光首先进行全反射传播。该光波导中设置有一排部分反射面，当进行全反射传播的光到达该一排部分反射面时，反射面将部分光耦合出光波导以进入用户眼中。在目镜系统采用凸透镜或反射式凹透镜与偏振分光棱镜(PBS)的组合时，偏振分光棱镜用于转折光路，在显示屏很亮(例如LCOS)的情况下，可以满足需求，但是体积较大，成本较高。此外，显示装置中的目镜系统也有采用一个凸透镜的情况，此时，如果显示屏的屏幕分辨率很高，该目镜系统由于产生像差等原因而无法将高分辨率图像清晰呈现在用户眼前。
反射式光波导内设置反射阵列，该反射阵列用于使从光波导出射的光线沿平行于用户的两只眼睛连线的方向(称第一方向)的尺寸大于从目镜系统出射的光线沿第一方向的尺寸以实现出瞳扩展。同时，在垂直于第一方向的第二方向，从目镜系统出射的光线的尺寸等于从光波导出射的光线的尺寸，即光波导对出射光的第二方向不进行出瞳扩展。一般需要采用光学多重结构方案实现上述满足沿第一方向进行出瞳扩展，沿第二方向不进行出瞳扩展的像质要求，而采用上述光学多重结构方案的目镜系统需要特殊的设计，即需要优化目镜系统各参数的合理配置以及合理的优化过程。
本公开的实施例提供一种光学系统以及近眼显示装置，光学系统包括：光波导以及目镜系统。目镜系统位于光波导的入光侧，且目镜系统的出光侧与光波导的入光侧相对以使从目镜系统出射的光入射到光波导。目镜系统包括透镜组，透镜组包括沿平行于其光轴的方向依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，第一透镜远离第二透镜的一侧为目镜系统的出光侧，第一透镜和第三透镜具有正光焦度，第二透镜具有负光焦度。本公开实施提供的光学系统中设置的目镜系统具有较高的光能利用率和较小的体积，可以使光学系统提升光效，且结构更加紧凑。
下面结合附图对本公开实施例提供的光学系统以及近眼显示装置进行描述。
本公开一实施例提供一种光学系统，图1A为本实施例提供的光学系统的局部截面示意图，图1B为图1A所示的光学系统的沿AA线所截的截面示意图，图1C为图1A所示的光学系统中的目镜系统的截面图。如图1A-图1C所示，本实施例中的光学系统包括光波导100以及目镜系统200。目镜系统200位于光波导100的入光侧101，且目镜系统200的出光侧201与光波导100的入光侧101相对以使从目镜系统200出射的光入射到光波导100。目镜系统包括透镜组300，透镜组300包括多个透镜，且多个透镜的光轴重合，该多个透镜的光轴即为透镜组300的光轴301，且光轴301垂直于光波导100的入光侧表面。透镜组300包括沿平行于其光轴301的方向(例如Z方向)依次设置的第一透镜310、第二透镜320和第三透镜330，第一透镜310远离第二透镜320的一侧为目镜系统200的出光侧201。第一透镜310和第三透镜330具有正光焦度，例如，第一透镜310和第三透镜330可以为双凸型正透镜，第二透镜320具有负光焦度，例如，第二透镜320可以为弯月型负透镜。本公开实施例提供的包括上述透镜组的目镜系统相比于一般的包括偏振分光棱镜的目镜系统，既可以减小体积以使光学系统结构更紧凑，又可以提高光能利用率，提升光效，还可以通过校正像差以将图像分辨率不低于5000PPI的图像经光波导传导后清晰的呈现在用户眼前。
本实施例中的目镜系统通过第一透镜和第二透镜的组合结构，可以起到消除色差和部分过矫正像差(即矫正像差，且由于第三透镜也有像差，所以需过多矫正一些)的作用。
例如，第一透镜和第二透镜的材料不同以进一步消除色差。例如，第一透镜的材料可以为日本瑞翁公司的COP系列光学塑料材料(E48R)，第二透镜的材料可以为光学级聚酯树脂(OKP4)。
在目镜系统的优化参数过程中，目镜系统中的第三透镜起到调节从前面两个透镜出射光线的传播方向的作用，即对前面两个透镜出射光线进行偏折以使从第三透镜出射光在像面上所成像的高度为所需高度。
例如，第三透镜和第一透镜的材料可以相同，也可以不同。
例如，如图1C所示，第一透镜310包括相对的第一表面311和第二表面312，第二透镜320包括相对的第三表面321和第四表面322，第三透镜330包括相对的第五表面331和第六表面332。沿平行于光轴301的方向，例如沿图中所示的Z方向，第一至第六表面依次排列。
例如，第一透镜310的光焦度为0.01～0.2，第二透镜320的光焦度为-0.01～0.2，以及第三透镜330的光焦度为0.05～0.3。
例如，第一透镜310的光焦度为0.02～0.1，第二透镜320的光焦度为-0.05～0.2，以及第三透镜330的光焦度为0.1～0.2。
例如，第一透镜310的第一表面311的光焦度为0.0385，第二表面312的光焦度为0.052，第一透镜310的总光焦度为0.0905；第二透镜320的第三表面321的光焦度为0.0507，第四表面322的光焦度为-0.2126，总光焦度为-0.1619；第三透镜330的第五表面331的光焦度为0.0754，第六表面的光焦度为0.0593，总光焦度为0.1347。
例如，如图1C所示，第一表面311的曲率半径的范围为5～50mm，第二表面312的曲率半径的范围为-50～0mm，第三表面321的曲率半径的范围为0～50mm，第四表面322的曲率半径的范围为2～20mm，第五表面331的曲率半径的范围为5～20mm，以及第六表面332的曲率半径的范围为-5～-20mm。
例如，第一表面311的曲率半径的范围为10～30mm，第二表面312的曲率半径的范围为-20～0mm，第三表面321的曲率半径的范围为10～30mm，第四表面322的曲率半径的范围为2～10mm，第五表面331的曲率半径的范围为5～10mm，以及第六表面332的曲率半径的范围为-5～-10mm。
例如，第一表面311的曲率半径为13.82mm，第二表面312的曲率半径为-10.22mm，第三表面321的曲率半径为12.14mm，第四表面322的曲率半径2.86mm，第五表面331的曲率半径为7.04mm，第六表面332的曲率半径为-8.96mm。
例如，第一表面311、第二表面312、第三表面321、第四表面322以及第五表面331可以为偶次非球面(EVENASPH)，上述五个表面的曲率半径为其表面的基球面的曲率半径。第六表面332可以为球面，本实施例示意性示出各表面的面型，但不作限制。上述的“基球面”指非球面是以球面为基础进一步变形形成的，作为该非球面基础的球面即为该非球面的基球面。
例如，如图1C所示，在目镜系统的优化参数过程中，目镜系统的成像面302位于第三透镜330远离第二透镜320的一侧，且第一透镜310远离第二透镜320的第一表面311与光轴301的交点303距成像面302的距离为10～30mm。例如，第一透镜310远离第二透镜320的第一表面311与光轴301的交点303距成像面302的距离为25～30mm。例如，第一表面311与光轴301的交点303距成像面302的距离为24mm，即目镜系统200的光程总长为24mm。上述成像面为光学系统用于显示装置时，图像源所在位置。本实施例提供的目镜系统的光程总长较小，从而可以减小光学系统沿目镜系统的光轴方向的尺寸以提高光学系统结构的紧凑性。
例如，如图1C所示，透镜组300沿平行于光轴301的方向的尺寸为10～30mm，即，第一表面311与光轴301交点距第六表面332与光轴301交点的距离为10～30mm。例如，第一表面311与光轴301交点距第六表面332与光轴301交点的距离为10～20mm。例如，透镜组300被光轴301所截的尺寸为18mm。
例如，如图1C所示，第一透镜310、第二透镜320以及第三透镜330沿平行于光轴301的方向的尺寸范围均为2～20mm，即各个透镜被光轴301所截的厚度为2～20mm，也就是第一透镜310中的两个表面与光轴301的交点之间的距离为2～20mm，第二透镜320中的两个表面与光轴301的交点之间的距离为2～20mm，第三透镜330中的两个表面与光轴301的交点之间的距离为2～20mm。例如，各个透镜被光轴301所截的厚度为2～10mm。例如，第一透镜310的厚度为6.2mm，第一透镜310与第二透镜320之间沿光轴301的距离为0.47mm，第二透镜320的厚度为3mm，第二透镜320与第三透镜330之间沿光轴301的距离为1.85mm，第三透镜330的厚度为6.9mm，第三透镜330与成像面302之间沿光轴301的距离为5.75mm。
本实施例提供的目镜系统沿其光轴方向的尺寸较小，从而可以减小光学系统的尺寸以提高光学系统结构的紧凑性。
例如，图1D为图1C所示的第一透镜的截面示意图。如图1C和图1D所示，透镜组300在垂直于光轴301的平面上的正投影沿第一方向(Y方向)具有最大尺寸；沿第一方向，每个透镜的口径为10～35mm，沿垂直于第一方向的第二方向，每个透镜的口径为5～15mm，第二方向垂直于光轴301。透镜组300中的每个透镜中沿其中心指向顶部的方向为第一方向(Y方向)，第一方向垂直于光轴301。例如，第一透镜310的中心313指向其顶部314的方向为第一方向。
例如，沿第一方向，每个透镜的口径为10～20mm，沿垂直于第一方向的第二方向，每个透镜的口径为10～15mm。
例如，第一透镜310的第一表面311和第二表面312沿Y方向的口径D1均为17.4mm，第一表面311和第二表面312沿X方向的口径D2均为12.2mm。
例如，第二透镜320的第三表面321沿Y方向的口径为15.8mm，第四表面322沿Y方向的口径为13mm。第三透镜330的第五表面331和第六表面332沿Y方向的口径均为14mm。
上述透镜组中各个透镜沿第一方向和第二方向的口径尺寸的设置既可以保证其垂直于光轴的方向的尺寸较小，还可以满足视场范围的要求。
例如，本实施例的一示例中，第一透镜310的第一表面311的圆锥系数可以为-1.97，第一透镜310的第二表面312的圆锥系数可以为-13.68，第二透镜320的第三表面321的圆锥系数可以为-11.26，第二透镜320的第四表面322的圆锥系数可以为-2.18，第三透镜330的第五表面331的圆锥系数可以为-4.36，第三透镜330的第六表面332的圆锥系数可以为-3.45。
例如，非球面面型用下列数值公式表示：
Figure BDA0001976048450000081
上述公式中非球面沿垂直于光轴的方向的高度是r，从非球面顶点到非球面上高度为r处在光轴上的投影之间的距离是z，即，从非球面顶点处的切面到非球面上高度r处的位置的沿光轴的距离是z，曲率是c(曲率半径的倒数)，圆锥系数是k，第2n阶非球面系数依次是an。在实际优化目镜系统各参数的合理配置时，光学自动设计软件会在数据库中依次调取各透镜的曲率半径、圆锥系数、高度以及非球面系数等值放入上述数值公式中进行计算以得到能够校正光学多重结构的像差的各个优化参数。通过优化过程得到目镜系统各个透镜的上述曲率半径、沿光轴的厚度、口径以及圆锥系数的优选值。在优化过程中得到第一透镜的第一表面对应的非球面系数依次是a1＝0，a2＝1.1929E-004，a3＝-6.2790E-008，a4＝-4.6564E-008，a5＝3.5439E-010；第一透镜的第二表面对应的非球面系数依次是a1＝0，a2＝2.7939E-004，a3＝-9.2809E-006，a4＝9.6643E-008，a5＝-3.2173E-010；第二透镜的第三表面对应的非球面系数依次是a1＝0，a2＝-5.4382E-004，a3＝3.3851E-006，a4＝8.3376E-008，a5＝-8.3050E-010；第二透镜的第四表面对应的非球面系数依次是a1＝0，a2＝-4.3477E-005，a3＝6.9401E-007，a4＝1.7360E-007，a5＝-2.7186E-009；第三透镜的第五表面对应的非球面系数依次是a1＝0，a2＝6.8044E-004，a3＝-1.4767E-005，a4＝2.2080E-007，a5＝-1.4285E-009。由于上述第三透镜的第六表面为球面或圆锥面，则第三透镜的非球面系数a1＝a2＝a3＝a4＝a5＝0。
例如，在本实施例的一示例中，透过透镜组的光的波长可以设置为0.486133μm，0.587562μm，0.656273μm；透镜组的有效焦距(effective focal length)可以为10～25mm，例如可以为15.13mm；透镜组的机构后焦(back focal length)可以为5.76mm，即第三透镜的第二面距成像面的距离为5.76mm；透镜组所成的近轴像高(paraxial image height)可为2.3mm，即近轴像平面上近轴像的半径为2.3mm；透镜组的入瞳直径(entrance pupildiameter)为5mm；透镜组沿第二方向(X方向)的最大视场是15.7°，沿第一方向(Y方向)的最大视场为8.66°。上述透镜组的入瞳直径可以视为位于图1A和图1B所示的孔径光阑401的直径。本实施例中的孔径光阑并不是实际结构，而是设计其光阑直径为透镜组的出瞳直径(优化过程中作为入瞳直径)。
图2为本公开一实施例的一示例提供的目镜系统对应的多重结构的视场图。如图1A、图1B和图2所示，本示例示意性的示出多重结构为五重结构411-415，且该五重结构411-415沿Y方向排列。该五重结构指从透镜组的原点指向Y方向的正方向(或者负方向)，透镜组被划分为五个区域，入射到第一区域(第一结构411)的光线的视场角为0°，入射到第二区域(第二结构412)的光线的视场角为2.6°，入射到第三区域(第三结构413)的光线的视场角为4.33°，入射到第四区域(第四结构414)的光线的视场角为6.122°，入射到第五区域(第五结构415)的光线的视场角为8.659°。图1B示出了五重结构中的第一结构和第五结构，即第一结构和第五结构所在区域。
例如，如图2所示的XY坐标系中的原点对应于透镜组的光轴穿过的中心，该五重结构411-415也是位于透镜组300沿Y方向的且在中心一侧的五个区域。
例如，五重结构的视场位置如下：第一结构411沿Y方向的半视场角度为0°，沿X方向的半视场角度分别为0°，4.712°，7.854°，11.106°，15.708°；第二结构412沿Y方向的半视场角度为2.6°，沿X方向的半视场角度分别为0°，4.712°，7.854°，11.106°，15.708°；第三结构413沿Y方向的半视场角度为4.33°，沿X方向的半视场角度分别为0°，4.712°，7.854°，11.106°，15.708°；第四结构414沿Y方向的半视场角度为6.122°，沿X方向的半视场角度分别为0°，4.712°，7.854°，11.106°，15.708°；第五结构415沿Y方向的半视场角度为8.659°，沿X方向的半视场角度分别为0°，4.712°，7.854°，11.106°，15.708°。
例如，如图1A和图1B所示，沿X方向，目镜系统200面向光波导100的一侧设置一个孔径光阑401(或者402-405)，且从目镜系统200出射的光在孔径光阑对应位置处的出瞳直径与从光波导100出射的光在用户的人眼所在位置的出瞳位置202的出瞳直径相等。沿Y方向，目镜系统200面向光波导100的一侧设置对应于多重结构的多个光阑，多重结构的数量与光阑的数量相同。从目镜系统200的每个结构(即目镜系统200的五个出光区域中的每个区域)出射的光经过一个孔径光阑后入射到光波导100中。沿Y方向，从目镜系统200的每个结构出射的光在孔径光阑对应位置处的出瞳直径与从光波导100出射的光在用户的人眼所在位置的出瞳位置202的出瞳直径相等。
例如，对应五重结构的孔径光阑中心在图2所示坐标系中的横坐标为0，纵坐标分别为0、1.737、2.895、4.097以及5.807。
例如，如图1A和图1B所示，光波导100包括主平面104，光波导100包括相对的两个主平面，例如垂直于Z方向的两个平面。光波导100包括沿第二方向(X方向)排列的反射阵列103，以及与入光侧101对应的第一反射面102。光波导100的入光侧101和出光侧105均位于主平面104的同侧，即从光波导100的主平面104入射的光首先被第一反射面102反射，然后在光波导100中全反射传播后经过反射阵列103的反射后，从该主平面104射出。反射阵列103被配置为将从入光侧101入射到光波导100内的光反射至出光侧105，并扩大目镜系统200出射的光束的沿第二方向的尺寸。
例如，如图1A所示，沿第二方向，入射到目镜系统200的三束光(入射到上述多重结构中的一个结构)被目镜系统200准直后出射至光波导100，入射至光波导100的每束光经过反射阵列103后，都被扩束，以增加第二方向的视场，即该光学系统用于近眼装置时，增加了平行于用户的两只眼睛连线方向的视场。
例如，如图1B所示，沿第一方向，入射到目镜系统200的三束光(分别位于多重结构中的每个结构中)被目镜系统200准直后出射至光波导100，由于沿第一方向排列的多束光没有被反射阵列反射扩束，且多束光经过光波导100后汇聚到光波导100的出瞳位置202，因此从目镜系统200出射的每束光的尺寸与从光波导100出射的光束的尺寸相同。
本公开实施例通过对目镜系统中多个透镜的各参数的优化可以使得像差得到校正，进而使光学多重结构的复杂要求得到满足，以实现在第二方向实现出瞳扩展的同时，第一方向不进行出瞳扩展，从而保证第一方向和第二方向上的像质的清晰度。
图3A为图1C所示的目镜系统的光路简图。如图3A所示，在目镜系统的优化参数过程中，从目镜系统的第一透镜310远离第二透镜320入射的光在成像面302呈现光斑304；在该目镜系统用于显示装置时，成像面302为图像源，光斑304为图像源302上的像素。图3B和图3D为图3A所示的目镜系统沿不同方向的场曲像差图，图3C和图3E为图3A所示的目镜系统沿不同方向的畸变像差图。
如图3B示出了蓝光(波长为0.4861mm)的子午线1001、蓝光的弧矢线1004、绿光(波长为0.5876mm)的子午线1002、绿光的弧矢线1005、红光(波长为0.6563mm)的子午线1003、红光的弧矢线1006在沿第二方向分布的不同视场中的偏离值。在最大视场(15.7°)中，目镜系统的最大场曲不大于0.2mm。上述偏离值指在发生场曲时的像面与未发生场曲时的像面之间的距离，最大场曲指发生场曲时的像面与未发生场曲时的像面之间的最大距离。
如图3C示出了蓝光、绿光以及黄光在沿第二方向分布的不同视场中的畸变程度，三者的畸变程度基本相同，因此三条曲线几乎重合。如图3C所示，最大视场中，目镜系统的最大畸变小于4％。
如图3D示出了蓝光的子午线1001、蓝光的弧矢线1004、绿光的子午线1002、绿光的弧矢线1005、红光的子午线1003、红光的弧矢线1006在沿第一方向分布的不同视场中的偏离值。在最大视场(8.66°)中，目镜系统的最大场曲不大于0.1mm。
如图3E示出了蓝光、绿光以及黄光在第一方向上不同视场下的畸变程度，三者的畸变程度基本相同，因此三条曲线几乎重合。如图3C所示，第一方向的最大视场中，目镜系统的最大畸变小于4％。
图4为本公开实施例提供的目镜系统的点列图。图4所示的点列图是系统像质最直观和综合的体现，光斑的位置无需考虑，其变形的比例在艾里斑的10倍内人眼识别不出来，艾里斑在图中体现为黑色的圆圈。图4示出了红绿蓝三种颜色光在上述五重结构中的第一结构中的光斑示意图。如图4所示，这五个光斑分布在第二方向的不同视场中，位于像面原点的光斑的半径最小，其最小均方跟半径为3.635μm，几何半径为6.112μm，且没有色差；在光斑所在视场逐渐增大时，其最小均方跟半径依次为4.675μm、5.398μm、6.041μm以及3.171μm，其几何半径依次为12.999μm、15.644μm、15.898μm以及8.057μm。
图5A-图5E分别为五重结构对应的调制函数曲线图。如图5A为图2所示的第一结构411的调制函数曲线图，如图5B为图2所示的第二结构412的调制函数曲线图，如图5C为图2所示的第三结构413的调制函数曲线图，如图5D为图2所示的第四结构414的调制函数曲线图，如图5E为图2所示的第五结构415的调制函数曲线图。图5A示出了位于第一结构内不同视场的子午线1011、1012、1013、1014、1019(图中实线所示)以及弧矢线1015、1016、1017、1018、1010(图中虚线所示)在不同空间频率下的光学传递函数数值，图5B示出了位于第二结构内不同视场的子午线1021、1022、1023、1024、1029(图中实线所示)以及弧矢线1025、1026、1027、1028、1020(图中虚线所示)在不同空间频率下的光学传递函数数值，图5C示出了位于第三结构内不同视场的子午线1031、1032、1033、1034、1039(图中实线所示)以及弧矢线1035、1036、1037、1038、1030(图中虚线所示)在不同空间频率下的光学传递函数数值，图5D示出了位于第四结构内不同视场的子午线1041、1042、1043、1044、1049(图中实线所示)以及弧矢线1045、1046、1047、1048、1040(图中虚线所示)在不同空间频率下的光学传递函数数值，图5E示出了位于第五结构内不同视场的子午线1051、1052、1053、1054、1059(图中实线所示)以及弧矢线1055、1056、1057、1058、1050(图中虚线所示)在不同空间频率下的光学传递函数数值。如图5A-图5E所示，目镜系统的调制函数曲线中的空间频率为108p/mm(线对/毫米)位置处的对比度不小于0.05。本公开实施例通过校正像差以将图像分辨率不低于5000PPI的图像经光波导传导后清晰的呈现在用户眼前。
例如，本公开实施例中的目镜系统不限于透镜组包括三个透镜，还可以在第一透镜远离第二透镜的一侧，或者在第三透镜远离第二透镜的一侧增加一个或多个透镜。
例如，透镜的表面可以由球面或平面形成，亦可以由非球面形成。在透镜表面为球面或平面的情形时，透镜加工及组装调整会变得容易，能防止因加工及组装调整的误差而导致光学性能劣化。
例如，在透镜的表面为非球面的情形时，非球面可以通过研磨加工、机加工做成非球面，将玻璃透过模具形成为非球面形状的玻璃模具可以是非球面、在玻璃的表面将树脂形成为非球面形状的复合型非球面的一种。
例如，为减轻光晕、重影以及提高透过率，提升光效，并达到高对比度的光学性能，也可对各透镜表面进行镀膜，镀以宽波长区域中具有高穿透率的防反射膜。据此，可减轻光晕及重影并可达到高对比度的高光学性能。
图6A-图6B为本公开另一实施例提供的近眼显示装置示意图。如图6A和图6B所示，近眼显示装置包括显示屏500以及上述任一实施例提供的光学系统，显示屏500位于目镜系统200入光侧的焦平面。
例如，该显示屏500显示的图像分辨率不小于5000PPI。
例如，显示屏500可以为任何类型的显示装置例如LCD显示装置、OLED显示装置、无机发光二极管显示装置、投影仪(例如LCOS微型投影机)等。例如，第一投影装置和第二投影装置也可以为光线扫描器阵列。该光线扫描器阵列可以包括多个独立的光纤扫描器。
例如，光波导100可以几何光波导或者全息光波导。采用几何光波导的近眼显示装置用作增强现实装置时，具有重量轻、体积小、轻薄化(例如厚度可以小于2mm)的优势，使其得到广泛的关注。近眼显示装置中显示屏500显示的高分辨率的图像被耦合到光波导100中，然后通过部分反射镜阵列(PRMA)在全内反射(TIR)之后耦合到光波导100外，并最终转移到用户的眼睛中。此时，用户还可以透过光波导100看到外界真实的环境，从而实现了增强现实的显示效果。
例如，该近眼显示装置可穿戴AR头盔、AR眼镜等，本实施例不限于此。
本公开实施例提供的近眼显示装置中的目镜系统具有较高的光能利用率和较小的体积，可以使光学系统提升光效，还可以通过校正像差以将图像分辨率不低于5000PPI的图像经光波导传导后清晰的呈现在用户眼前，且满足近眼显示装置作为头戴式显示装置结构紧凑的要求。
有以下几点需要说明：
(1)本公开的实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。
(2)在不冲突的情况下，本公开的同一实施例及不同实施例中的特征可以相互组合。
以上所述仅是本公开的示范性实施方式，而非用于限制本公开的保护范围，本公开的保护范围由所附的权利要求确定。

Claims (14)

1.一种光学系统，包括：
光波导；以及
目镜系统，位于所述光波导的入光侧，且所述目镜系统的出光侧与所述光波导的入光侧相对以使从所述目镜系统出射的光入射到所述光波导，
其中，所述目镜系统包括透镜组，所述透镜组包括沿平行于其光轴的方向依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜远离所述第二透镜的一侧为所述目镜系统的出光侧，所述第一透镜和所述第三透镜具有正光焦度，所述第二透镜具有负光焦度。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一透镜包括相对的第一表面和第二表面，所述第二透镜包括相对的第三表面和第四表面，所述第三透镜包括相对的第五表面和第六表面，第一至第六表面沿平行于所述光轴方向依次排列，所述第一表面、所述第二表面、所述第三表面、所述第四表面、所述第五表面以及所述第六表面的曲率半径的范围分别为5～50mm，-50～0mm，0～50mm，2～20mm，5～20mm以及-5～-20mm。
3.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述第一表面与所述光轴交点距所述第六表面与所述光轴交点的距离为10～30mm。
4.根据权利要求3所述的光学系统，其中，所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜的厚度范围均为2～20mm。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一透镜的光焦度为0.01～0.2，所述第二透镜的光焦度为-0.01～0.2，以及所述第三透镜的光焦度为0.05～0.3。
6.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述目镜系统的有效焦距为10～25mm。
7.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述目镜系统的调制函数曲线中的空间频率为108p/mm位置处的对比度不小于0.05。
8.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述透镜组在垂直于所述光轴的平面上的正投影沿第一方向具有最大尺寸；
沿所述第一方向，每个透镜的口径为10～35mm，沿垂直于所述第一方向的第二方向，每个透镜的口径为5～15mm，所述第一方向和所述第二方向垂直于所述光轴。
9.根据权利要求8所述的光学系统，其中，沿所述第一方向和所述第二方向的最大视场中，所述目镜系统的最大场曲不大于0.2mm。
10.根据权利要求8所述的光学系统，其中，沿所述第一方向和所述第二方向的最大视场中，所述目镜系统的最大畸变小于4％。
11.根据权利要求8所述的光学系统，其中，所述光波导包括主平面，所述光波导的入光侧和出光侧均位于所述主平面的同侧，且所述光波导包括沿所述第二方向排列的反射阵列，被配置为将从所述入光侧入射到所述光波导内的光反射至所述出光侧，并使所述光波导出射的光束沿所述第二方向的尺寸大于所述目镜系统出射的光束沿所述第二方向的尺寸。
12.根据权利要求1-11任一项所述的光学系统，其中，所述第一透镜的材料与所述第二透镜的材料不同。
13.一种近眼显示装置，包括显示屏以及权利要求1-12任一项所述的光学系统，所述显示屏位于所述目镜系统入光侧的焦平面。
14.根据权利要求13所述的显示装置，其中，所述显示屏显示的图像分辨率不小于5000PPI。
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