CN114637107A - 光学系统和显示装置 - Google Patents

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CN114637107A CN202111513834.9A CN202111513834A CN114637107A CN 114637107 A CN114637107 A CN 114637107A CN 202111513834 A CN202111513834 A CN 202111513834A CN 114637107 A CN114637107 A CN 114637107A
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Abstract

本公开涉及光学系统和显示装置。一种光学系统将来自显示元件的光束引导到出射光瞳。该光学系统包括：第一光学元件，该第一光学元件包括透射面、反射‑透射面、和反射面；以及负透镜，该负透镜在出射光瞳侧包括凹面。来自显示元件的光束依次经由透射面、反射‑透射面、反射面、反射‑透射面和负透镜朝着出射光瞳前进。预定条件被满足。

Description

光学系统和显示装置
技术领域
实施例的方面涉及适用于允许用户将显示在显示元件上的图像作为放大虚拟图像来观看的诸如头戴式显示器(HMD)之类的显示装置的光学系统。
背景技术
传统上，已知的是薄型光学系统(目镜光学系统)，并且目镜光学系统是通过以下来配置的：使用具有入射面、多个反射面和出射面的光学元件，使得中心视角光束的主光线以偏心的方式被多次反射。这种目镜光学系统需要具有加宽的观察视角。为了加宽观察视角，日本专利(JP)第6392066号和第5791991号公开了各自具有设置在观察者和偏心光学元件之间的第二偏心光学元件的光学系统。
然而，利用JP 6392066和5791991中公开的光学系统，难以实现焦距减小和视角加宽二者。如果使JP 6392066或5791991中公开的光学系统具有短焦距以使得视角加宽，则从光学系统的显示元件侧的主平面到显示元件的距离太短，以至于不能确保用于部署装入显示元件所必需的部件的空间并且配置光学系统的部件干扰显示元件。
发明内容
本公开提供了光学系统和显示装置，它们中的每一个都是小型的并具有宽视角。
根据实施例的一方面的光学系统将来自显示元件的光束引导到出射光瞳。所述光学系统包括：第一光学元件，所述第一光学元件包括透射面、反射-透射面、和反射面；以及负透镜，所述负透镜在出射光瞳侧包括凹面。来自显示元件的光束依次经由透射面、反射-透射面、反射面、反射-透射面和负透镜朝着出射光瞳前进。预定条件被满足。
根据实施例的一方面的光学系统将来自显示元件的光束引导到出射光瞳。所述光学系统包括：第一光学元件，所述第一光学元件包括透射面、反射-透射面、和反射面；以及负透镜，所述负透镜在出射光瞳侧包括凹面。反射-透射面与负透镜彼此相邻。来自显示元件的光束依次经由透射面、反射-透射面、反射面、反射-透射面和负透镜朝着出射光瞳前进。预定条件被满足。
根据实施例的一方面的光学系统将来自显示元件的光束引导到出射光瞳。所述光学系统包括：第一光学元件，所述第一光学元件包括透射面、反射-透射面、和反射面；负透镜，所述负透镜在出射光瞳侧包括凹面；以及第二光学元件，所述第二光学元件是设置在第一光学元件和负透镜之间的棱镜。来自显示元件的光束依次经由透射面、反射-透射面、反射面、反射-透射面和负透镜朝着出射光瞳前进。预定条件被满足。
从以下参考附图对示例性实施例的描述中，实施例的其他特征将变得清楚。
附图说明
图1是图示了根据第一实施例的显示装置的配置图。
图2A和图2B是根据第一实施例的目镜光学系统的说明图。
图3A和图3B是根据第一实施例的目镜光学系统和观察者的眼镜之间的物理干扰的说明图。
图4是图示了根据第二实施例的显示装置的配置图。
图5是根据第二实施例的目镜光学系统的说明图。
图6是根据第二实施例的像场弯曲(field curvature)的说明图。
图7是图示了根据第三实施例的显示装置的配置图。
图8是图示了根据第四实施例的显示装置的配置图。
图9是根据第四实施例的像场弯曲的说明图。
图10是图示了根据第五实施例的显示装置的配置图。
图11是图示了根据第五实施例的信息的重叠显示的图。
图12是数值示例1的说明图。
图13是根据数值示例1的目镜光学系统的横向像差图。
图14是数值示例2的说明图。
图15是根据数值示例2的目镜光学系统的横向像差图。
图16是数值示例3的说明图。
图17是根据数值示例3的目镜光学系统的横向像差图。
图18是数值示例4的说明图。
图19是根据数值示例4的目镜光学系统的横向像差图。
具体实施方式
现在参照附图，将给出对根据本公开的实施例的描述。
在对各示例的描述中，当原点是出射光瞳(光瞳中心)并且在由观察者观察的视角(观察视角)的中心处的光束被称为中心视角光束时，如下地定义绝对坐标系的X轴、Z轴和Y轴。与中心视角光束的主光线匹配的轴被称为Z轴(沿着中心视角光束的主光线的直线，并且从出射光瞳到第一平面的方向被视为正方向)，通过在图1的截面中使Z轴绕原点逆时针旋转90度而形成的轴被称为Y轴，并且穿过原点并与Z轴和Y轴正交的轴被称为X轴。
第一实施例
首先，将参考图1和图12给出对根据本公开的第一实施例的目镜光学系统和显示装置的描述。图1是图示了该实施例中的包括目镜光学系统的显示装置的配置图。图12是对应于该实施例的数值示例1的说明图。附图标记101表示显示装置，其也将被称为观察装置或图像显示装置。图像显示装置101包括作为光学系统的目镜光学系统和作为显示元件的图像显示元件105。目镜光学系统被配置成将来自图像显示元件105的光束引导到出射光瞳S。
附图标记102表示第一光学元件。第一光学元件102具有作为入射面的透射面102C、反射-透射面102A、和反射面102B，并且第一光学元件102的内部填充有折射率为n>1的介质。附图标记103表示第二光学元件，该第二光学元件是棱镜，具有作为折射面的两个透射面103B和103A。附图标记104表示作为负透镜的凹透镜。凹透镜104设置在第一光学元件102和出射光瞳S之间，并在出射光瞳S侧具有凹面。在该实施例中，目镜光学系统包括第一光学元件102、第二光学元件103和凹透镜104这三个光学元件。在该实施例中，显示装置101包括目镜光学系统和图像显示元件105。来自图像显示元件105的光束经由第一光学元件102和凹透镜104形成出射光瞳S。即，来自图像显示元件105的光束依次经由第一光学元件102的作为入射面的透射面102C、反射-透射面102A、反射面102B和反射-透射面102A以及凹透镜104前进至出射光瞳S。
将给出对每个光学元件内部的光线路径的描述。从显示在图像显示元件105上的图像发射的光从第一光学元件的作为入射面的透射面102C进入第一光学元件102。进入了第一光学元件102的光被反射-透射面102A全反射并被反射面102B反射，使得第一光学元件102中的光路被折叠。此后，第一光学元件102从反射-透射面102A发射光。从第一光学元件102发射的光穿过第二光学元件103的透射面103B和103A，并进入凹透镜104。在光从凹透镜104发射之后，光被引导到目镜光学系统的出射光瞳S，并且显示在图像显示元件105上的图像被把瞳孔放在出射光瞳S附近的观察者通过出射光瞳S看作远的放大虚拟图像。
与在JP 6392066中公开的第二光学元件的面一样，第二光学元件103的作为折射面的透射面103B具有抵消在光穿过反射-透射面102A时出现的折射的功能。由此，可以抵消在反射-透射面102A上出现的像差。反射-透射面102A和作为折射面的透射面103B可以具有相同的形状，并且第二光学元件103可以由与第一光学元件102相同的材料制成。第一光学元件102和第二光学元件103可以由光学树脂制成，并且随后将描述其原因。反射-透射面102A和作为折射面的透射面103B可以具有相同的形状，但形状不限于此，只要透射面103B具有能够抵消在光透射通过反射-透射面102A时出现的像差的形状即可。
接下来，将参考图2A和图2B给出对根据该实施例的目镜光学系统的特征的描述。图2A和图2B是根据该实施例的目镜光学系统的说明图。当要增大目镜光学系统的视角时，目镜光学系统的焦距被缩短。从出射光瞳S到目镜光学系统的最终面的距离即出瞳距离(eye relief)被设置为约15至30mm的值，使得观察者可以容易地执行观察。然而，如果要在图像显示元件105小时获得宽视角，则目镜光学系统的焦距变得比出瞳距离短。第一光学元件102的尺寸大致由出瞳距离和视角确定。即，出瞳距离越长，第一光学元件102越大。如果通过增加第一光学元件102的尺寸来缩短目镜光学系统的焦距，则使目镜光学系统的焦平面更靠近作为入射面的透射面102C。
在机械部件被设置在图像显示元件105和第一光学元件102之间的情况下，或者在图像显示元件105是例如电致发光并释放热的情况下，要在第一光学元件102和图像显示元件105之间确保一定的距离或更大。然而，如果目镜光学系统的焦平面靠近第一光学元件102，则例如如图2A中图示的，在第一光学元件102与图像显示元件105之间的距离即后焦距小。因此，可能无法确保足够的空间，并且元件可能相互碰撞。
为了防止这些问题，目镜光学系统的像侧主平面的位置被移位到更靠近图像显示元件105的位置，并且焦平面背离第一光学元件102移位。作为使像侧主平面移位的方法之一，JP 6392066公开了一种在出射光瞳S和对应于第一光学元件102的棱镜之间插入包括具有负光焦度(折光力)的面的第二光学元件的技术。第二光学元件103被设置在出射光瞳S和第一光学元件102之间，使得整个目镜光学系统的焦距减小，并且像侧主平面的位置被移位到更靠近图像显示元件的位置。由此，可以确保图像显示元件105和第一光学元件102之间有足够空间(参照图2B)。
为了使观察视角比JP 6392066的配置的观察视角更宽，并且为了目镜光学系统的焦距进一步减小，主平面的位置被进一步移位。为此目的，使凹透镜104具有增加的负折光力和大曲率。然而，如果曲率太大，则凹透镜104的下垂(sag)量太大，以至于凹透镜104的边缘大幅突出到出射光瞳侧。此时，例如，当佩戴眼镜的观察者观看目镜光学系统时，眼镜碰到凹透镜104的边缘部分104a，如图3A中图示的。图3A是在凹透镜104的下垂量大的情况下目镜光学系统与观察者的眼镜之间的物理干扰的说明图。
为了阻止物理干扰的发生，该实施例增加凹透镜104的折射率。当折射率增大时，可以在凹透镜104的曲率保持小的同时增加负光焦度。因此，如图3B中图示的，凹透镜104的下垂量可以减小，并且即使在凹透镜104的边缘周围，也可以确保足够的出瞳距离。图3B是在凹透镜104的下垂量小的情况下目镜光学系统与观察者的眼镜之间的物理干扰的说明图。在该实施例中，满足以下不等式(1)，其中，nn表示凹透镜104的在d线(夫琅和费(Fraunhofer)线的d线，即，587.56nm的波长)处的折射率，并且nm表示第一光学元件102的在d线处的折射率。
nn>nm (1)
折射率nn和nm可以满足以下不等式(2)。
nn/nm>1.05 (2)
该实施例令nn＝1.854和nm＝1.531。通过以这种方式增加凹透镜104的折射率，该实施例实现了在使用与JP 6392066中的图像显示元件的尺寸类似的尺寸(0.7英寸)的图像显示元件的同时具有45°的宽视角的目镜光学系统。此时，凹透镜104的焦距为-81.5mm，这指示比焦距为-94.3mm的JP 6392066的凹透镜的负焦度强的负焦度。
为了通过移动目镜光学系统的像侧主平面来增加后焦距，像面被移位至少几毫米。该移位量需要凹透镜的光焦度比目镜光学系统的光焦度大一定量。在该实施例中，可以满足以下不等式(3)，其中，
Figure BDA0003406152020000061
表示凹透镜104的光焦度并且
Figure BDA0003406152020000062
表示目镜光学系统的光焦度。
Figure BDA0003406152020000063
为了进一步确保足够量的像面移位，不等式(3)的数值范围可以被设置为以下不等式(4)的数值范围。
Figure BDA0003406152020000071
当满足不等式(4)时，像面可以被充分移位，并且可以确保第一光学元件102与图像显示元件105之间的足够距离。该实施例令
Figure BDA0003406152020000072
Figure BDA0003406152020000073
通过以这种方式使凹透镜104具有足够强度的负光焦度，该实施例实现了约5mm的像面的移位。
凹透镜104被设置为使其强凹面面对光瞳侧。由此，通过使布置更接近使光瞳居中的同心布置，减少了由凹透镜104引起的像差的出现。与以相对方式设置凹透镜104的情况相比，该实施例的布置具有将第一光学元件102与凹透镜104之间的距离减小达凹透镜104的下垂量并使光学系统小的效果。
第一光学元件102的每个光学面常常使用非旋转对称面(即，自由曲面(free-formsurface))，以减少斜入射光线的影响。当光学系统使用这种自由曲面时，第一光学元件102常常是通过使用光学树脂进行模制来制造的，因为该制造容易并且成本可以降低。要使用的光学树脂例如是丙烯酸树脂、聚碳酸酯树脂、环烯烃聚合物树脂等。在该实施例中，对于第二光学元件103，使用相同的光学材料。由此，在第一光学元件102的反射-透射面102A上产生的像差可以通过作为第二光学元件的入射面的透射面103B抵消，这两个面具有相同的形状并由相同的材料制成。使用树脂的模制可以使得可以制造具有复杂形状的光学元件，但材料由于易受油和水分的影响而可能引起腐蚀和膨胀，并且由于其柔软性而可能容易被划伤。为了解决这些问题，有诸如布置保护玻璃窗以及向树脂表面施加保护涂层之类的措施，但这些措施导致部件数量和工艺的增加。
在该实施例中，凹透镜104由光学玻璃(玻璃材料)制成。与树脂材料相比，光学玻璃非常硬和稳定，具有高耐环境性，并且耐划伤，因此光学玻璃可以用于保护树脂材料。即，当凹透镜104由光学玻璃制成时，凹透镜还可以用作第一光学元件的保护窗。另外，当使用光学玻璃时，容易选择折射率和色散，并向凹透镜104赋予适当的光焦度。
在该实施例中，当νn表示凹透镜104的阿贝数并且νm表示第一光学元件102的阿贝数时，可以满足以下不等式(5)。
15<νn<νm (5)
通过以下等式来计算阿贝数，其中nd、nF和nC分别表示在夫琅和费线的d线(波长587.6nm)、F线(波长486.1nm)和C线(波长656.3nm)处的折射率。
ν＝(nd-1)/(nF-nC)
在该实施例中，可以满足以下不等式(6)，其中，nO表示第二光学元件103的在d线处的折射率。
nn>nO (6)
在该实施例中，光学系统是目镜光学系统，但光学系统可以是例如图像拾取光学系统，其中在图像显示元件105的位置处设置图像传感器并且在与出射光瞳S的位置对应的位置处设置光圈。在这种情况下，光学系统是前光圈式图像拾取光学系统，并可以应用于例如眼底相机。
第二实施例
接下来，将参考图4和图14给出对根据本公开的第二实施例的目镜光学系统和显示装置的描述。图4是该实施例中的具有目镜光学系统的显示装置的配置图。图14是对应于该实施例的数值示例2的说明图。作为显示装置的图像显示装置401包括作为光学系统的目镜光学系统和作为显示元件的图像显示元件405。目镜光学系统被配置成将来自图像显示元件405的光束引导到出射光瞳S。
根据该实施例的目镜光学系统包括作为设置在第一光学元件402和图像显示元件405之间的正透镜的凸透镜406。凸透镜406具有强凸面406A，该强凸面406A具有向第一光学元件402凸起的形状。当与其上形成有出射光瞳S的平面正交的方向被称为第一方向时，在凸透镜406内部，穿过在第一方向上最靠近反射面402B的位置的光束的光路的长度比穿过在第一方向上最靠近反射-透射面402A的位置的光束的光路的长度长。即，在Z轴方向上最靠近反射面的最外侧离轴光束(来自显示面的边缘的光束)的光路的长度比在Z轴方向上最靠近反射-透射面的最外侧离轴光束的光路的长度长。该实施例可以在使用比第一实施例中的图像显示元件更小的图像显示元件(0.5英寸)的同时实现更宽的视角(50°)。另外，观察者可以将透射图像和显示图像叠加以进行观察。
从显示在图像显示元件405上的图像发射的光穿过凸透镜406，进入第一光学元件402，在被内表面多次反射之后从第一光学元件402出射，并进入第二光学元件403。在从第二光学元件403出射之后，光束进入凹透镜404。在光束从凹透镜404发射之后，光束被引导到目镜光学系统的出射光瞳S，并且显示在图像显示元件405上的图像被把瞳孔放在出射光瞳S附近的观察者通过出射光瞳S看作远的放大虚拟图像。
第三光学元件407被设置在第一光学元件402的一侧，该侧与出射光瞳S相对。当第一光学元件402的反射面402B的反射率被设置为低于100％时，把瞳孔放在出射光瞳S附近的观察者也可以经由凹透镜404、第二光学元件403、第一光学元件402和第三光学元件407观看外部的图像，该图像也将被称为外部图像。即，观察者可以同时观察外部图像和显示在图像显示元件405上的图像。
图5是目镜光学系统的说明图，并图示了第三光学元件407的布置。如图5中图示的，降低第一光学元件的反射面402B的反射率(例如，50％的反射率)，并添加第三光学元件407。这允许把瞳孔放在目镜光学系统的出射光瞳S附近的观察者经由凹透镜404、第二光学元件403、第一光学元件402和第三光学元件407观察外部图像。第三光学元件407的外表面407B具有正光焦度，几乎抵消凹透镜404的负光焦度，并使第三光学元件407和凹透镜404的总光焦度为无焦度或非常弱的光焦度，从而允许观察外部图像。
在凹透镜404的光焦度非常强的情况下，第三光学元件407的表面407B的光焦度也强，使得观察到外部图像。如果第一光学元件402和第三光学元件407由不同的材料制成，则在这两个光学元件的界面501A处出现诸如色差和像散之类的像差，从而使得难以观察外部图像。因此，第三光学元件407可以由与第一光学元件402相同的材料制成。如在第一实施例中描述的，第一光学元件402由与第二光学元件403相同的材料制成，因此第三光学元件407的折射率低于凹透镜404的折射率。因此，如果凹透镜404的光焦度太强，则要赋予第三光学元件的表面407B的光焦度甚至更强，并且因此，需要具有非常大的曲率的表面407B。如果曲率太大，则表面407B具有半球形状，并且不仅不能将第三光学元件407配置为光学元件，而且在观察外部图像时引起极大的像差，从而使得难以观察外部图像。
因此，如下面不等式(7)表示的，对凹透镜404的光焦度赋予限制。
Figure BDA0003406152020000101
在不等式(7)中，
Figure BDA0003406152020000102
表示凹透镜404的光焦度，并且
Figure BDA0003406152020000103
表示显示装置401的整个目镜光学系统的光焦度。如果值低于不等式(7)的下限，则表面407B的光焦度太强，从而使得难以观察外部图像。另一方面，如果不等式(7)的值太大，则凹透镜404的光焦度不足，并且图像显示元件405与凸透镜406之间的距离太小，以至于难以设置图像显示元件405。基于不等式(7)和第一实施例中的不等式(3)，可以满足以下不等式(8)。
Figure BDA0003406152020000104
当满足不等式(8)的这种条件时，像面的位置可以被充分移位，并且可以容易地观察外部。当不等式(8)的数值范围被设置为以下不等式(9)的数值范围时，更容易确保像面的移位和对外部的观察二者。
Figure BDA0003406152020000105
该实施例令
Figure BDA0003406152020000106
这里，将给出对凹透镜404的折射率与第二光学元件403的折射率之间的关系的描述。如在第一实施例中描述的，凹透镜404的折射率增加，使得获取比通过在第二光学元件403上赋予负光焦度而获取的负光焦度大的负光焦度，并使得像侧主平面的位置大幅移位。在凹透镜404的出射面404A与空气之间的界面处产生该负光焦度，因此，当(nn-1)充分大于(nO-1)时，凸透镜406和图像显示元件405可以彼此远离。因此，可以满足以下不等式(10)。
(nn-1)/(nO-1)>1.3 (10)
如果值低于不等式(10)的下限，则凹透镜404的光焦度不足，并且图像显示元件405干扰凸透镜406。通过将不等式(10)的数值范围设置为以下不等式(11)的数值范围，可以更容易地阻止图像显示元件405与凸透镜406之间的干扰。
(nn-1)/(nO-1)>1.4 (11)
在该实施例的目镜光学系统中，通过插入凹透镜404，像面的位置被移位约5mm。该实施例令(nn-1)/(nO-1)＝1.59。
图6是该实施例的目镜光学系统中的第一光学元件402和凹透镜404中出现的像场弯曲的说明图。成像平面601被设置在穿过出射光瞳S的光束被凹透镜404和第一光学元件402成像的位置附近，并且计算穿过出射光瞳S的边缘的边缘光线(marginal ray)在中心视角和边缘视角相交的相应点。当轴602被设置在成像平面601的法线方向中时，在相交处的轴602的坐标值处于以下关系：边缘视角>中心视角。即，由第一光学元件402和凹透镜404成像的像面603处于过校正的状态。
该像场弯曲如将描述的那样被引起。在该实施例的光学系统中，出瞳距离为约21mm。该值比目镜光学系统的焦距(13.5mm)长，因此第一光学元件402的反射面402B大。当反射面402B大时，反射面402B的下垂大，并且下垂量引起像场弯曲。因此，尽管光学系统具有正焦度，但出现负像场弯曲。
为了校正该像场弯曲，有使用具有强的正光焦度的元件并使用该元件的下垂量执行校正的方法。作为被赋予正光焦度的面，可以考虑使用第一光学元件402的作为入射面的透射面402C。然而，当观察视角加宽时，在从出射光瞳S侧跟踪的光线的路径中，边缘视角处的光束在作为入射面的透射面402C上被全反射，从而使得不可能观察图像。因此，可能无法向第一光学元件402的作为入射面的透射面402C赋予强的正焦度。
因此，作为正焦度，凸透镜406被设置在第一光学元件402和图像显示元件405之间。凸透镜被设置为使得具有强的正焦度的凸面406A面对第一光学元件402。这使得即使当使视角加宽时，也可以在透射面402C上不发生全反射的同时观察图像。
通过使用由凸透镜406的透射面的下垂量获取的光路差异来相对于反射面402B的下垂量执行校正，因此，在凸透镜406的具有正焦度的凸面406A上赋予强曲率。满足以下不等式(12)，其中，RB表示反射面402B在与中心视角光束的主光线的相交处的曲率半径，该主光线是连接图像的中心与出射光瞳S的中心的沿着Z轴的线，并且RP表示凸透镜406的面对第一光学元件402的凸面406A的曲率半径。
-8.0<RB/RP<-2.0 (12)
不等式(12)的数值范围可以被设置为以下不等式(13)的数值范围。
-5.0<RB/RP<-1.5 (13)
通过以这种方式设置曲率半径，可以校正由凹透镜404和第一光学元件402产生的像场弯曲。该实施例令RB/RP＝-3.68。
可以通过设置凸透镜406来校正像场弯曲，但因为赋予了强的正焦度，所以出现色差。为了校正该色差，可设想分割凸透镜406以形成消色差透镜，或者通过适当地设置凹透镜404的折射率和色散来执行校正。
通常，色差的校正条件被表示为以下等式(14)。
Figure BDA0003406152020000121
这里，
Figure BDA0003406152020000122
表示凹透镜404的光焦度，
Figure BDA0003406152020000123
表示凸透镜406的光焦度，νn表示凹透镜404的阿贝数，并且νp表示凸透镜406的阿贝数。当穿过观察者执行观察时的视角的顶部、底部、左部和右部的中心的光束被称为中心视角光束时，hn和hp表示凹透镜404上和凸透镜406上的中心视角光束的光束半径。这里，由于色差小，因此由第一光学元件402引起的色差可忽略不计。
当凹透镜404和凸透镜406彼此相邻时，等式(14)的hn和hp的值基本上相同。因此，
Figure BDA0003406152020000131
和
Figure BDA0003406152020000132
的绝对值基本上相同，并且
Figure BDA0003406152020000133
的值大。然而，在像场弯曲校正中使用了大的正焦度的量，并且如果凹透镜的焦度也增大，则像场弯曲校正效果减弱。
另一方面，在该实施例中，凹透镜404和凸透镜406彼此分开布置，并且透镜上的光束直径相差数倍。具体地，在凹透镜404上，因为凹透镜404靠近光瞳，所以光束具有大的光束直径，而在凸透镜406上，因为凸透镜406靠近成像平面，所以光束细。
由于凹透镜404上的光束半径hn大于凸透镜406上的光束半径hp，因此当满足等式(14)时，凹透镜404的光焦度可以减小。如在第一实施例中描述的，难以减小凹透镜404的曲率半径并增大凹透镜404的光焦度。然而，由于凹透镜404上的光束直径如这里描述地足够大，因此凹透镜404可以在具有大曲率半径的同时，具有用于获取足够的色差校正效果的光焦度。凹透镜404和凸透镜406上的光束直径相差约1.5至3倍，因此满足以下不等式(15)。
Figure BDA0003406152020000134
通过设置每个透镜的光焦度和玻璃材料使得满足不等式(15)的关系，可以减小色差。该实施例令
Figure BDA0003406152020000135
νp＝35.25、νn＝23.78且
Figure BDA0003406152020000136
第二光学元件403的作为折射面的透射面403B具有抵消在光穿过反射-透射面402A时出现的折射的功能。作为折射面的透射面403B可以具有与反射-透射面402A相同的形状，并且第二光学元件403可以由与第一光学元件402相同的材料制成。然而，作为折射面的透射面403B和反射-透射面402A可以不具有相同的形状，只要透射面403B具有能够充分抵消在光穿过反射-透射面402A时出现的像差的形状即可。作为抵消像差的条件，满足以下不等式(16)，其中，α1表示由Z轴和作为第一光学元件的出射面的反射-透射面402A在与中心视角光束的主光线的相交处的表面法线形成的角度，并且α2表示由Z轴和作为折射面的透射面403B在与中心视角光束的主光线的相交处的表面法线形成的角度。
|α1-α2|<5 (16)
在该实施例中，由于两个表面具有相同的形状，因此值为|α1-α2|＝0。
在该实施例中，关于不等式(2)的上限，如果第三光学元件407的负焦度太强，则像差的影响可能无法忽略不计。因此，可以满足以下不等式(17)。
1.50>nn/nm>1.05 (17)
不等式(17)的数值范围可以被设置为以下不等式(18)的数值范围。
1.40>nn/nm>1.10 (18)
第三实施例
接下来，将参考图7和图16给出对根据本公开的第三实施例的目镜光学系统和显示装置的描述。图7是图示了该实施例中的具有目镜光学系统的显示装置的配置图。图16是对应于该实施例的数值示例3的说明图。作为显示装置的图像显示装置701包括作为光学系统的目镜光学系统和作为显示元件的图像显示元件705。目镜光学系统被配置成将来自图像显示元件705的光束引导到出射光瞳S。
该实施例从第一实施例的目镜光学系统中移除第二光学元件，以使第一光学元件702的反射面的位置更靠近出射光瞳S的位置，并减小第一光学元件702的尺寸。利用这样的配置，即使当图像显示元件705的尺寸减小时，也可以在凹透镜703的光焦度基本不改变的同时实现宽视角。
从显示在图像显示元件705上的图像发射的光进入第一光学元件702，在内部被多次反射之后从第一光学元件702出射，并进入凹透镜703。在光从凹透镜703发射之后，光被引导到目镜光学系统的出射光瞳S，并且显示在图像显示元件705上的图像被把瞳孔放在出射光瞳S附近的观察者通过出射光瞳S看作远的放大虚拟图像。
在该实施例中，凹透镜703和第一光学元件702彼此相邻。即，可以说，在保持出瞳距离的长度的同时使第一光学元件702更靠近光瞳。由此，第一光学元件702的尺寸减小，并且因此，从目镜光学系统的像侧主平面到作为第一光学元件的入射面的透射面702C的距离也减小，从而使得可以容易地确保后焦距。
另一方面，如果凹透镜703与第一光学元件的反射面702B之间的距离大，则第一光学元件702的尺寸大，并且不能获取移除第二光学元件的效果。因此，凹透镜703的出射面703A与第一光学元件702的反射面702B之间的距离满足以下不等式(19)。
LPB/fL<0.75 (19)
这里，当出射光瞳S中的中心视角光束的主光线的方向被称为Z轴时，LPB表示凹透镜703的出射面703A和第一光学元件702的反射面702B之间的在Z轴上的距离，并且fL表示目镜光学系统的焦距。如上所述，凹透镜703和第一光学元件702彼此相邻，并且使反射面702B更靠近出射光瞳S，使得在凹透镜703的光焦度稍微减弱的同时实现宽视角。该实施例令LPB＝8.0mm、fL＝18.4mm和LPB/fL＝0.43。
凹透镜703的焦距与JP 6392066的第一实施例的负表面的焦距-94.3mm基本上相同。通过使用这样的配置，在图像显示元件具有比JP 6392066的图像显示元件小的0.6英寸的尺寸同时，实现45°的宽视角。像面的移位量为约4mm。
当凹透镜703由光学玻璃制成时，如果凹透镜703具有诸如自由曲面的形状之类的特殊形状，则成本可能增加，并且因此凹透镜703可以是同轴光学元件。因此，凹透镜703难以被配置为使得通过使第一光学元件的出射面和第二光学元件的第一面如JP 6392066中描述的具有相同的形状来抵消像差。凹透镜703被倾斜以匹配作为第一光学元件702的出射面的反射-透射面702A，使得表面形状差异的影响减小。具体地，满足以下不等式(20)，其中，α1表示由Z轴与第一光学元件702的反射-透射面702A在与中心视角光束的由图1的线A所指示的主光线的相交处的表面法线形成的角度，并且α3表示由Z轴与凹透镜703的光轴形成的角度。
|α1-α3|<5 (20)
当满足不等式(20)时，可以抵消从第一光学元件702发射的光束的像差。该实施例中的光学系统令|α1-α3|＝1.6。
另外，在图7中指示的X轴方向上，通过作为第一光学元件702的出射面的反射-透射面702A和凹透镜703抵消像差，并且满足以下不等式(21)。
0.3<RAX/RMX<2.0 (21)
这里，RAX表示在反射-透射面702A与中心视角光束的主光线的相交处第一光学元件702的在与图平面正交的方向上的曲率半径，并且RMX表示凹透镜703的入射面703B的曲率半径。换句话说，RMX是作为凹透镜703的凸面的入射面703的在与包括穿过图像显示元件到出射光瞳S的中心视角光束的主光线的截面正交的截面中的曲率半径，并且RAX是第一光学元件702的出射面的在与包括该主光线的截面正交的截面中在第一光学元件702的出射面与中心视角光束的主光线的相交处的曲率半径。通过以这种方式使两个表面的曲率更接近，抵消了两个表面上的像差。该实施例令RAX＝-48.8、RMX＝-67.7和RAX/RMX＝0.72。在该实施例中，凹透镜703是弯月透镜，但本公开不限于此。
第四实施例
接下来，将参考图8和图18给出对根据本公开的第四实施例的目镜光学系统和显示装置的描述。图8是图示了该实施例中的具有目镜光学系统的显示装置的配置图。图18是对应于该实施例的数值示例4的说明图。作为显示装置的图像显示装置801包括作为光学系统的目镜光学系统和作为显示元件的图像显示元件804。目镜光学系统被配置为将来自图像显示元件804的光束引导到出射光瞳S。在该实施例中，图像显示元件被配置为使得第三实施例的图像显示元件更小，并且观察者可以将透射图像和显示图像叠加以进行观察。
从图像显示元件804发射的光束穿过作为正透镜的凸透镜805、第一光学元件802和凹透镜803，并形成出射光瞳S。在该实施例中，如第二实施例中一样，第三光学元件806被设置在第一光学元件802的一侧，该侧与出射光瞳S相对。这里，当第一光学元件的反射面802B的反射率被设置为低于100％时，把瞳孔放在出射光瞳S附近的观察者也可以经由凹透镜803、第一光学元件802和第三光学元件806观察外部图像。即，观察者可以同时观察外部图像和显示在图像显示元件804上的图像。
在该实施例的光学系统中，图像显示元件804被配置为使得尺寸为0.5英寸并且视角为50°。目镜光学系统的焦距为约13.5mm。视点与25mm一样大，并且因此如图9中图示的，在凹透镜803和第一光学元件802中出现的像场弯曲非常大。因此，如在第二实施例中一样，凸透镜805被设置在第一光学元件802和图像显示元件804之间。
这里，将参考图9给出对在凹透镜803和第一光学元件802中出现的像场弯曲的描述。图9是该实施例中的像场弯曲的说明图。附图标记901表示穿过出射光瞳S的光束被凹透镜803和第一光学元件802成像的位置附近的成像平面。附图标记902是成像平面901的法线方向的轴。附图标记903表示第一光学元件802和凹透镜803的像面。如在第二实施例中描述的，像场弯曲的主要因素是反射面802B的下垂。然而，现实中，在形成像面时还涉及两个因素(因素1和因素2)。
因素1
反射-透射面802A对进入入射面802C的光束进行全反射。光束以等于或大于全反射角的非常大的角度在图9的截面(即，YZ截面)中进入反射-透射面802A，并且因此，当考虑像差校正时，反射-透射面802A可能无法具有强的光焦度，并且YZ截面可能无法具有强的光焦度。然而，为了具有全反射角，反射-透射面802A的上部偏离直线，并且反射-透射面802A具有负焦度，即，具有向后弯曲的形状。因此，如图9中图示的，穿过反射-透射面802A的上部的光束受负光焦度的影响，并且被成像在比穿过反射-透射面802A的下部的光束被成像的位置更远的位置处。
因素2
反射-透射面802A具有接近如第三实施例中描述的同心配置的配置，并在X轴方向上的截面中具有曲率。因此，反射-透射面802A在全反射时具有负焦度，并且因此，在X轴方向的截面中比在Y方向的截面中出现更强的负像场弯曲。
以上两个因素造成凹透镜803和第一光学元件802产生在YZ截面中的不对称的像场弯曲和在X轴方向上的强的负像场弯曲。为了校正这些像差，凸透镜805具有以下特征。
特征1
凸透镜805被移位并且设置为使得穿过第一光学元件的反射面802B侧的光束穿过作为正透镜的凸透镜805的部分，该部分比反射-透射面802A侧的光束穿过的部分厚。
特征2
在凸透镜805中，作为第一光学元件802侧的出射面的凸面805A是变形面并满足以下不等式(22)。
RPX<RPY (22)
这里，RPX表示凸透镜805的凸面805A的在X轴方向上的曲率半径，并且RPY表示凸透镜805的凸面805A的在Y轴方向上的曲率半径。换句话说，凸透镜805的凸面805A面对第一光学元件802，RPY是凸透镜805的凸面805A的在包括穿过图像显示元件804到出射光瞳S的中心视角光束的主光线的截面中的曲率半径，并且RPX是凸透镜805的凸面805A的在与包括中心视角光束的主光线的截面正交的截面中的曲率半径。
关于不对称出现的像场弯曲，凸透镜805在YZ截面中被移位并被设置为使得使下垂量不对称，由此高效地校正像场弯曲。关于在X轴方向上强烈出现的像场弯曲，凸透镜805被配置为使得在X轴方向上的曲率半径减小，由此可以在所有截面方向上有效地校正像场弯曲。
在本实施例中，在图8的截面中，凸透镜805在穿过最靠近反射-透射面802A的位置的光束附近的厚度为约2.7mm，并且凸透镜805在穿过最靠近反射面802B的位置的光束附近的厚度为约5mm。作为凸透镜805的出射面的凸面805A的曲率半径被设置为RPX＝15.51mm和RPY＝22.51mm。
第五实施例
接下来，将参考图10给出对根据本公开的第五实施例的作为显示装置的观察装置1001的描述。图10是图示了包括第四实施例的目镜光学系统的观察装置1001的配置图。观察装置1001被配置为包括光学透视显示器的智能眼镜。
观察装置1001包括根据第四实施例的目镜光学系统801a和801b及图像显示元件804a和804b以及连接到它们的图像显示电路1002。观察装置1001还包括相机1003、被配置为处理由相机1003获取的图像的图像拾取电路1004以及被配置为从由图像拾取电路1004处理的图像识别正被捕获的对象的图像识别单元1005。目镜光学系统801a和801b以及相机1003被设置在耳机(headset)单元1006内部。
观察者以与眼镜相同的方式佩戴观察装置1001的耳机单元1006。当佩戴耳机单元1006时，观察者的眼睛(双眼)的瞳孔分别位于安装在耳机单元1006上的目镜光学系统801a和801b的出射光瞳S和出射光瞳S'(未图示)附近。因此，显示在图像显示元件804a和804b上的图像被观察者看作放大虚拟图像。
附接到耳机单元1006的相机1003获取观察者的观察方向上的图像。由相机1003成像的图像经由图像拾取电路1004传输到图像识别单元1005。图像识别单元1005识别在所捕获图像中捕获的内容，并将描述所成像对象的文本信息等传输到图像显示电路1002。图像显示电路1002基于从图像识别单元1005接收到的信息，在图像显示元件804a和804b上的在对象附近或与对象重叠的部分显示有用字符信息。例如，信息是在视场中捕获的餐馆名称和菜单信息、关于博物馆等的展览的详细信息、关于商店中产品的价格和产地的信息、地图信息、导航信息等。通过将这种信息叠加在可以通过目镜光学系统801a和801b看到的外部图像上，如图11中图示的，观察者可以观察添加有信息的周围真实空间。图11是图示了信息的重叠显示的图。该信息不限于文本信息，而是可以是移动图像或静止图像的图像信息。除了简单地提供信息之外，观察者还可以观看增强现实空间，在增强现实空间中诸如游戏图像、虚构建筑图像等之类的另一图像叠加在真实空间上。
当图像识别单元1005和相机1003检测关于外部的信息(外部信息)的性能不足时，可以通过诸如使用加速传感器获取三维方向上的信息的方法以及使用GPS和地图信息添加关于观察者的位置和观察方向的信息的方法之类的另一方法来获取要使用的信息。通过用多种方法获取外部信息，可以提高叠加信息的位置精度，并且信息可以无偏差地叠加在真实空间上。因此，例如，在驾驶自行车等的同时，观察者可以使导航信息显示在眼前，可以在没有大幅移动视线的情况下获取基于GPS的准确位置的方向指示信息，并可以实现安全驾驶。
如果显示视角窄，则所显示的信息集中在视场中心附近，并且显示可能困扰观察者。当使用该实施例的目镜光学系统801a和801b时，由于显示视角宽，因此可以在不困扰观察者的范围内显示信息。
通过如上所述配置具有宽视角目镜光学系统的光学透视显示器，可以获取能够在不困扰观察者的范围内将新的信息图像叠加在相对宽视场的真实空间上的智能眼镜。这种智能眼镜使得可以显示信息，同时在例如驾驶、运动或使用双手工作期间阻止视场中的显示困扰观察者并阻止视线大幅移动。该实施例描述了向观察者的双眼显示信息的观察装置，但观察装置可以向观察者的一只眼睛显示信息。在这种情况下，针对一只眼睛有目镜光学系统就足够了。
下文中，将分别给出对与第一实施例至第四实施例对应的数值示例1至数值示例4的描述。在对每个实施例的描述中，从光源起依次给出对光路的描述，但在每个数值示例中，从投影光学系统的光瞳位置跟踪光线。
表1至表12描述了相应数值示例。在描述中，绝对坐标系的参考被描述为全局原点。表1至表3对应于第一实施例，表4A至表6对应于第二实施例，表7至表9对应于第三实施例，并且表10A至表12对应于第四实施例。
绝对坐标系中的三维坐标轴被如下地定义为Z轴、Y轴和X轴。
Z轴是穿过第0面的中心到第一面的中心(即，绝对坐标的原点)的直线，并且该方向是正方向。
Y轴是穿过第一面的中心(即，绝对坐标的原点)的直线，并与Z轴逆时针形成90度。
X轴是穿过原点并与Z轴和Y轴正交的直线。
设置局部坐标系，并用基于局部坐标系的函数表示光学系统中包括的第i面的面形状。第i面在YZ平面中的倾斜角度由与绝对坐标系的Z轴形成的角度θgi(单位：度)表示，其中，逆时针方向是正方向。在每个数值示例中，倾斜角度仅设置在YZ平面中。第i面的局部坐标系(x，y，z)的y轴和z轴在绝对坐标系的YZ平面中，并在YZ平面中倾斜角度θgi。
z轴是穿过局部坐标的原点并在YZ平面中逆时针地与绝对坐标系的Z轴形成角度θi的直线。
y轴是穿过局部坐标的原点并在YZ平面中逆时针地与z方向形成90度的直线。
x轴是穿过局部坐标的原点并与YZ平面正交的直线。
Ndi和νdi表示在第i面和第(i+1)面之间在d线处的折射率和阿贝数。
用以下函数表示每个数值示例中使用的没有旋转对称轴的面形状。在每个表中，非旋转对称平面被描述为XYP。
Figure BDA0003406152020000221
该函数通过第i面的局部坐标(x，y，z)定义面形状。在该相同函数中，当具有奇数阶的x的项为0时，在局部坐标系中可以获得相对于yz平面对称的平面。下面，给出了在每个数值示例中使用的圆环面的函数。在每个数值示例中，圆环面被描述为XTO。
Figure BDA0003406152020000222
在每个数值示例中，每个面的面顶点的偏心仅为y轴和z轴方向上的移位偏心以及围绕x轴的倾斜偏心，并且因此，在每个面中，标准母线上的截面和局部母线上的截面是相同的截面，而标准矢状线上的截面和局部矢状线上的截面是不同的。
在每个数值示例中，如果数值被写入表中指示局部原点位置的列Yg、Zg或θg，则面的原点处于从被描述为全局原点的面绕Y轴、Z轴或X轴旋转的位置处。如果这些列是空的，则面位于从该面前方的面在Z轴方向上移位达距离D的位置处。每个数值示例的坐标系都是基于全局原点的位置。
XYP指示面为自由曲面，SPH指示面具有球形形状，并且XTO指示面为圆环面，并且在所附的表中描述了相应系数。M指示面是反射面。
数值示例1
在垂直于图平面的方向上的水平视角为±20.5度，在平行于图平面的方向上的垂直视角为±11.25度，并且光瞳直径为4mm。每个面编号对应于图12中图示的那些。图12图示了与图1中相同的光学系统。表1指示每个面上的局部原点的位置。表2指示非旋转对称面的系数。表3指示各种条件的值。图13是根据该数值示例的目镜光学系统的横向像差图。
表1
Figure BDA0003406152020000231
表2
Figure BDA0003406152020000241
表3
Figure BDA0003406152020000251
数值示例2
在垂直于图平面的方向上的水平视角为±20.5度，在平行于图平面的方向上的垂直视角为±15.56度，并且光瞳直径为4mm。每个面编号对应于图14中图示的那些。图14图示了与图4中相同的光学系统。表4A指示观察来自显示元件的图像所经由的光路中每个面上的局部原点的位置。表4B指示观察外部所经由的光路中每个面上的局部原点的位置。表5指示非旋转对称面的系数。表6指示各种条件的值。图15是根据该数值示例的目镜光学系统的横向像差图。
表4A
Figure BDA0003406152020000252
表4B
类型 面编号 Yg Zg θg Rx Ry D Nd Vd
SPH 0.000 0.000 0.000 -1400.000 -1400.000 -1400.000
SPH S 0.000 0.000 0.000
SPH 404A 21.100 -69.858 -69.858 0.500 1.8467 23.78
SPH 403A 21.600 0.000 0.000 0.000 1.5311 55.75
XYP 403B 2.509 23.932 -6.163 0.000 0.000 0.000
XYP 402B 2.509 24.032 -6.163 0.000 0.000 0.000 1.5311 55.75
ASP 407B 0.000 16.000 0.000 -49.077 -49.077 0.000
表5
Figure BDA0003406152020000271
表6
Figure BDA0003406152020000281
数值示例3
在垂直于图平面的方向上的水平视角为±20.5度，在平行于图平面的方向上的垂直视角为±11.25度，并且光瞳直径为4mm。每个面编号对应于图16中图示的那些。图16图示了与图7中相同的光学系统。表7指示观察来自显示元件的图像所经由的光路中每个面上的局部原点的位置。表8指示非旋转对称面的系数。表9指示各种条件的值。图17是根据该数值示例的目镜光学系统的横向像差图。
表7
Figure BDA0003406152020000282
表8
Figure BDA0003406152020000291
表9
Figure BDA0003406152020000301
数值示例4
在垂直于图平面的方向上的水平视角为±20.5度，在平行于图平面的方向上的垂直视角为±15.56度，并且光瞳直径为4mm。每个面编号对应于图18中图示的那些。图18图示了与图8中相同的光学系统。表10A指示观察来自显示元件的图像所经由的光路中每个面上的局部原点的位置，并且表10B指示观察外部所经由的光路中每个面上的局部原点的位置。表11指示非旋转对称面的系数和圆环面的系数。表12指示各种条件的值。图19是根据该数值示例的目镜光学系统的横向像差图。
表10A
Figure BDA0003406152020000302
表10B
类型 面编号 Yg Zg θg Rx Ry D Nd Vd
SPH 0.000 0.000 0.000 -1400.000 -1400.000 -1400.000
SPH S 0.000 0.000 0.000
SPH 803A 25.000 8.000 -69.858 -69.858 0.500 1.8467 23.78
SPH 803B 0.000 0.000 0.000 1.5311 55.75
XYP 802A 2.174 25.193 -19.872 0.000 0.000 0.000
XYP 802B -2.010 32.668 3.138 0.000 0.000 0.000 1.5311 55.75
ASP 806B -1.406 40.857 8.000 -49.077 -49.077 0.000
表11
Figure BDA0003406152020000321
表12
Figure BDA0003406152020000331
根据每个实施例，可以提供光学系统和显示装置，它们中的每一个都是小型的并具有宽视角。
虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但要理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。随附权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释，以便涵盖所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (20)

1.一种光学系统，所述光学系统将来自显示元件的光束引导到出射光瞳，所述光学系统包括：
第一光学元件，所述第一光学元件包括透射面、反射-透射面、和反射面；以及
负透镜，所述负透镜在出射光瞳侧包括凹面，
其特征在于，来自所述显示元件的光束依次经由所述透射面、所述反射-透射面、所述反射面、所述反射-透射面和所述负透镜朝着所述出射光瞳前进，
其中，满足以下不等式：
nn>nm
Figure FDA0003406152010000011
其中，nn表示所述负透镜的在d线处的折射率，nm表示所述第一光学元件的在d线处的折射率，
Figure FDA0003406152010000012
表示所述负透镜的光焦度，并且
Figure FDA0003406152010000013
表示所述光学系统的光焦度。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，满足以下不等式：
nn/nm>1.05。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其中，满足以下不等式：
15<νn<νm
其中，νn表示所述负透镜的阿贝数，并且νm表示所述第一光学元件的阿贝数。
4.根据权利要求1所述的光学系统，所述光学系统还包括设置在所述第一光学元件和所述显示元件之间的正透镜。
5.根据权利要求4所述的光学系统，其中，所述正透镜具有面对所述第一光学元件的凸面，并且
其中，满足以下不等式：
-8.0<RB/RP<-2.0
其中，RB表示所述反射面在与中心视角光束的主光线的相交处的曲率半径，并且RP表示所述凸面的曲率半径。
6.根据权利要求4所述的光学系统，其中，所述正透镜具有面对所述第一光学元件的凸面，并且
其中，满足以下不等式：
RPX<RPY
其中，RPY表示所述凸面的在包括从所述显示元件到所述出射光瞳的中心视角光束的主光线的截面中的曲率半径，并且RPX表示所述凸面的在与包括所述主光线的截面正交的截面中的曲率半径。
7.根据权利要求6所述的光学系统，其中，当与其上形成有所述出射光瞳的平面正交的方向为第一方向时，在所述正透镜内部，穿过在所述第一方向上最靠近所述反射面的位置的光束的光路的长度比穿过在所述第一方向上最靠近所述反射-透射面的位置的光束的光路的长度长。
8.根据权利要求4所述的光学系统，其中，满足以下不等式：
Figure FDA0003406152010000021
其中，
Figure FDA0003406152010000022
表示所述正透镜的光焦度，
Figure FDA0003406152010000023
表示所述负透镜的光焦度，νp表示所述正透镜的阿贝数，并且νn表示所述负透镜的阿贝数。
9.一种光学系统，所述光学系统将来自显示元件的光束引导到出射光瞳，所述光学系统包括：
第一光学元件，所述第一光学元件包括透射面、反射-透射面、和反射面；以及
负透镜，所述负透镜在出射光瞳侧包括凹面，
其特征在于，所述反射-透射面与所述负透镜彼此相邻，
其中，来自所述显示元件的光束依次经由所述透射面、所述反射-透射面、所述反射面、所述反射-透射面和所述负透镜朝着所述出射光瞳前进，以及
其中，满足以下不等式：
nn>nm
其中，nn表示所述负透镜的在d线处的折射率，并且nm表示所述第一光学元件的在d线处的折射率。
10.一种光学系统，所述光学系统将来自显示元件的光束引导到出射光瞳，所述光学系统包括：
第一光学元件，所述第一光学元件包括透射面、反射-透射面、和反射面；
负透镜，所述负透镜在出射光瞳侧包括凹面；以及
第二光学元件，所述第二光学元件是设置在所述第一光学元件和所述负透镜之间的棱镜，
其特征在于，来自所述显示元件的光束依次经由所述透射面、所述反射-透射面、所述反射面、所述反射-透射面和所述负透镜朝着所述出射光瞳前进，
其中，满足以下不等式：
nn>nm
其中，nn表示所述负透镜的在d线处的折射率，并且nm表示所述第一光学元件的在d线处的折射率。
11.根据权利要求10所述的光学系统，其中，所述第二光学元件在显示元件侧的面具有与所述反射-透射面相同的形状。
12.根据权利要求11所述的光学系统，其中，所述第二光学元件在出射光瞳侧的透射面具有与所述负透镜在显示元件侧的面相同的形状，以及
其中，满足以下不等式：
|α1-α2|<5
其中，当原点在所述出射光瞳上时，Z轴是与中心视角光束的主光线匹配的轴，Y轴是通过在包括所述主光线的截面中使所述Z轴绕所述原点逆时针旋转90度而获取的轴，并且X轴是与所述Z轴和所述Y轴正交的轴，α1表示由所述Z轴和所述反射-透射面在透射所述主光线的位置处的法线形成的角度，并且α2表示由所述Z轴和所述透射面在透射所述主光线的位置处的法线形成的角度。
13.根据权利要求11所述的光学系统，其中，满足以下不等式：
nn>nO
其中，nO表示所述第二光学元件的在d线处的折射率。
14.根据权利要求13所述的光学系统，其中，满足以下不等式：
(nn-1)/(nO-1)>1.3。
15.根据权利要求1所述的光学系统，所述光学系统还包括设置在所述第一光学元件的一侧的第三光学元件，所述一侧与所述负透镜相对。
16.根据权利要求1所述的光学系统，其中，满足以下不等式：
LPB/fL<0.75
其中，当Z轴是与中心视角光束的主光线匹配的轴时，LPB表示所述负透镜的出射面和所述第一光学元件的所述反射面之间的在所述Z轴上的距离，并且fL表示所述光学系统的焦距。
17.根据权利要求1所述的光学系统，其中，满足以下不等式：
|α1-α3|<5
其中，当原点在所述出射光瞳上时，Z轴是与中心视角光束的主光线匹配的轴，Y轴是通过在包括所述主光线的截面中使所述Z轴绕所述原点逆时针旋转90度而获取的轴，并且X轴是与所述Z轴和所述Y轴正交的轴，α1表示由所述Z轴和所述反射-透射面的在透射所述主光线的位置处的法线形成的角度，并且α3表示由所述Z轴和所述负透镜的光轴形成的角度。
18.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述负透镜是弯月透镜，以及
其中，满足以下不等式：
0.3<RAX/RMX<2.0
其中，RMX表示所述负透镜的凸面的在与包括从所述显示元件到所述出射光瞳的中心视角光束的主光线的截面正交的截面中的曲率半径，并且RAX表示所述反射-透射面的在与包括所述主光线的截面正交的截面中在透射所述主光线的位置处的曲率半径。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的光学系统，其中，所述负透镜由玻璃材料制成。
20.一种显示装置，其特征在于，所述显示装置包括：
根据权利要求1至19中任一项所述的光学系统；以及
显示元件。
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