CN115166943A - 一种光学系统以及增强现实设备 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提供了一种光学系统以及增强现实设备。该光学系统从物侧至像侧依次包括：光阑、透镜组和显示单元，所述透镜组从物侧至像侧依次包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；其中所述第一透镜、所述第二透镜和所述第四透镜的光焦度均为正，所述第三透镜的光焦度为负；其中所述显示单元的最大成像圆直径小于所述光阑的直径。

Description

一种光学系统以及增强现实设备
技术领域
本申请实施例涉及成像显示技术领域，更具体地，本申请实施例涉及一种光学系统以及增强现实设备。
背景技术
随着计算机技术的发展，各种可穿戴装置产品应运而生，AR(增强现实，AugmentedReality)、VR(虚拟现实，Virtual Reality)、MR(介导现实，Mediated Reality)、XR等设备越来越得到人们的关注。其中，AR技术是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术，广泛运用了多媒体、三维建模、实时跟踪及注册、智能交互、传感等多种技术手段，将计算机生成的文字、图像、三维模型、音乐、视频等虚拟信息模拟仿真后，应用到真实世界中，两种信息互为补充，从而实现对真实世界的“增强”。
随着人们对增强现实设备的要求提高，如何使得光学系统同时具有清晰度高、大相对孔径、小型化等特点是亟需解决的技术问题。
发明内容
本申请的目的在于提供一种光学系统以及增强显示设备新技术方案，以解决上述至少一种技术问题。
第一方面，本申请提供了一种光学系统。所述光学系统从物侧至像侧依次包括：光阑、透镜组和显示单元；
所述透镜组从物侧至像侧依次包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；其中所述第一透镜、所述第二透镜和所述第四透镜的光焦度均为正，所述第三透镜的光焦度为负；
其中所述显示单元的最大成像圆直径小于所述光阑的直径。
可选地，所述最大成像圆直径范围为3.1mm～3.3mm，所述光阑的直径范围为3.8mm～4.2mm。
可选地，所述透镜组包括最靠近所述光阑设置的第一透镜，所述第一透镜的物侧面与所述光阑在光轴上的距离为0.1mm～0.4mm。
可选地，所述光学系统的总有效焦距范围为5.8mm-6.1mm。
可选地，所述第一透镜的有效焦距范围为5.3mm～5.8mm；所述第二透镜的有效焦距范围为8mm～8.5mm；所述第三透镜的有效焦距范围为-2.5mm～-2mm；所述第四透镜的有效焦距范围为3.8mm～4.3mm。
可选地，所述光学系统的F数为1.45-1.55。
可选地，所述第一透镜的物侧面为凸面，所述第一透镜的像侧面为凹面，其中光线传输至第一透镜的物侧面的高度高于光线传输至第一透镜的像侧面的高度；所述第二透镜的物侧面为凸面，所述第二透镜的像侧面为凹面，其中光线传输至第二透镜的物侧面的高度高于光线传输至第二透镜的像侧面的高度。
可选地，所述第一透镜与所述第二透镜之间存在第一空气间隔，其中所述第一空气间隔小于0.1mm。
可选地，所述第三透镜与所述第四透镜之间存在第二空气间隔，所述第二空气间隔为1.73mm～1.78mm，其中第二空气间隔为光学系统的光学总长的23％～25％。
第二方面，提供了一种增强现实设备。所述增强现实设备包括壳体与如第一方面所述的光学系统，所述光学系统收容于所述壳体内。
根据本申请的实施例，本申请提供的光学系统，其透镜组采用第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜组成，通过对每片透镜的光焦度分配合理分配，以及对显示单元的最大成像圆直径与光阑的直径的关系进行限定，提升了光学系统的通光量，提升了光学系统成像画面的清晰度，减轻了系统重量。
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
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。
图1所示为本申请实施例提供的光学系统的结构示意图。
图2所示为本申请实施例提供的光学系统的光路示意图。
图3所示为光学系统的相对照度图。
图4所示为光学系统的畸变图。
图5所示为光学系统的调制传递函数图。
图6所示为光学系统的离焦曲线图。
附图标记说明：
1、显示单元；2、透镜组；21、第一透镜；22、第二透镜；23、第三透镜；24、第四透镜；3、光阑。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本申请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申请的范围。
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，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。
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。
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。
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。
增强现实设备通常包含各种元器件，例如散热器件，光学结构(光机)、驱动板灯等，本申请的光学系统即为光学结构的一部分，为光学结构提供成像光路。在现有技术中，增强现实设备在保证基本的功能的前提下，穿戴舒适性、以及高质量成像也尤为重要，尤其对于AR眼镜，轻量化对于提升用户体验有较大影响。因此，本申请提供了一种适用于增强现实设备的光学系统，其能够在保证成像质量的前提下，通过减轻本身重量，以轻量化整个增强现实设备。
本申请实施例第一方面提供的一种光学系统。参照图1-图2所示，该光学系统从物侧至像侧依次包括：光阑3、透镜组2和显示单元1。
所述透镜组2从物侧至像侧依次包括：第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23和第四透镜24，其中所述第一透镜21、所述第二透镜22和所述第四透镜24的光焦度均为正，所述第三透镜23的光焦度为负。其中所述显示单元1的最大成像圆直径小于所述光阑3的直径。
具体地，光学系统从物侧至像侧依次包括光阑3、透镜组2和显示单元1，具体地，显示单元1(也即图像源)发出的光线依次经过透镜组2的透镜后，即依次经过第四透镜24、第三透镜23、第二透镜22和第一透镜21后，从光阑3射出所述光学系统。根据光路可逆原理，在对光学系统进行模拟优化的过程中，光线自物侧入射光阑3，从光阑3处传输的光线，依次经过透镜组2的透镜后，即依次经过第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23和第四透镜24后，在显示单元1(像面)上成像。其中本申请实施例限定的最大成像圆是指在成像在显示单元1上的最大成像圆，也即即在根据光线可逆性，光线经过第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23和第四透镜24后，入射到显示单元1上所形成的图像的最大直径。其中光阑3可以是孔径光阑3。
在本实施例中，透镜组2采用四片透镜组2成，四片透镜具有同一光轴，显示单元1发出的光束能够依次通过透镜组2的第四透镜24、第三透镜23、第二透镜22和第一透镜21，最终从光阑3射出。
其中在该实施例中，第一透镜21的光焦度为正，第二透镜22的光焦度为正，第三透镜23的光焦度为负，第四透镜24的光焦度正，对第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23和第四透镜24的光焦度进行合理分配，确保光学系统的像差平衡，保证系统清晰度。
相比于现有技术，本申请实施例光学系统中透镜的数量为四片，减少了透镜的数量，有效降低了系统总重量。并且，透镜数量的减少，在一定程度上也缩小了光学系统的体积。
在本实施例中，还限定显示单元1的最大成像圆直径是小于光阑3的直径的，也即光阑3的直径是大于最大成像圆直径。具体地，最大成像圆直径越小，对应地光学系统的视场角越小，光学系统的有效焦距越小，光阑3的直径会越大，光学系统的F数会越小，当光学系统的F数较小的情况下，会增大光学系统的通光量，这样光学系统在成像过程中，会提升成像画面的清晰度，提高成像质量。
因此本申请提供的光学系统，其透镜组2采用第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23和第四透镜24组成，通过对每片透镜的光焦度分配合理分配，以及对显示单元1的最大成像圆直径与光阑3的直径的关系进行限定，在提升了光学系统的通光量，提升了光学系统成像画面的清晰度的同时，减轻了系统重量，使得光学系统满足轻小型发展要求。
在一个可选地实施例中，光学系统的使用波长为530±20nm，满足光学系统的成像。
在一个实施例中，所述最大成像圆直径范围为3.1mm～3.3mm，所述光阑3的直径范围为3.8mm～4.2mm。
在该实施例中，对最大成像圆直径范围进行限定，在使用过程中，确保了显示单元1(图像源)所发出的光线均能够传输至第四透镜24。其中最大成像圆直径影响着光学系统的视场角。本实施例将最大成像圆直径限定在此范围内，光学系统的系统视场角为28°～32°。另外本实施例将最大成像圆直径限定在此范围内，在一定程度上也对显示单元1的尺寸进行了限定，使得显示单元1的尺寸不必过大。
在该实施例中，对光阑3的直径范围进行限定，其中光阑3的直径范围是大于最大成像圆直径范围的，提升了光学系统的通光量，改善了成像画面的清晰度。
具体地，光阑3的直径越大，光学系统的通光量会越大，会更好的改善成像画面。但是光阑3的直径越大，会使得光学系统的设计难度越高，在实现缩小光学系统的体积和重量方向不利。因此本申请实施例架构光阑3的直径范围限定在此范围内，以及将最大成像圆直径范围限定在此范围内，缩小了光学系统的整体体积和减小了光学系统的整体重量。
在一个实施例中，参照图1和图2所示，所述透镜组2包括最靠近所述光阑3设置的第一透镜21，所述第一透镜21的物侧面与所述光阑3在光轴上的距离为0.1mm～0.4mm。
具体地，在本申请实施例中，光阑3是设置在透镜组2最远离显示单元1的一侧的，即采用光阑3外置的方案，将光阑3放置在第一透镜21镜片的物侧面一侧。在使用到增强现实设备(例如AR光机)中，保证光阑3的设置位置可以与光波导的入瞳放置在一起，在缩小了增强现实设备整体体积的情况下，保证增强现实设备的光效率。
在该实施例中，限定第一透镜21的物侧面与所述光阑3在光轴上的距离为0.1mm～0.4mm，缩短了光阑3与透镜组2之间的间隔，缩小了光学系统的体积。另外将光学系统应用到增强现实设备中，也缩小了增强现实设备的体积。可选地，第一透镜21的物侧面与所述光阑3在光轴上的距离为0.2mm。
在一个实施例中，所述光学系统的总有效焦距范围为5.8mm-6.1mm。
具体地，光学系统的总有效焦距f与各个透镜本身的有效焦距以及各光学部件之间的距离、尺寸相关，而各个透镜本身的有效焦距受到每个透镜的曲率半径和厚度的影响。本实施例通过对系统总有效焦距的进一步限定，光学系统的总有效焦距短，可以达到缩小光学系统的体积目的。
在一个实施例中，所述第一透镜21的有效焦距范围为5.3mm～5.8mm；所述第二透镜22的有效焦距范围为8mm～8.5mm；所述第三透镜23的有效焦距范围为-2.5mm～-2mm；所述第四透镜24的有效焦距范围为3.8mm～4.3mm。
在该实施例中，对每一透镜的有效焦距限定进行，第一透镜21、第二透镜22和第四透镜24对光线起到汇聚作用，第三透镜23对光线起到发散作用。本实施对每一透镜的有效焦距进行限定，使得光学系统的总有效焦距满足上述范围，达到缩小光学系统的体积目的。
在一个实施例中，所述光学系统的F数为1.45-1.55。
在该实施例中，对光学系统的F数进行限定，其中光学系统的F数在1.45-1.55范围内可调。相比于现有技术，光学系统的F数在1.7-1.8范围，本实施缩小了光学系统的F数，提升了光学系统的通光量。
在一个实施例中，所述第一透镜21的物侧面为凸面，所述第一透镜21的像侧面为凹面，其中光线传输至第一透镜21的物侧面的高度高于光线传输至第一透镜21的像侧面的高度；
所述第二透镜22的物侧面为凸面，所述第二透镜22的像侧面为凹面，光线传输至第二透镜22的物侧面的高度高于光线传输至第二透镜22的像侧面的高度。
在该实施例中，对第一透镜21的面型和第二透镜22的面型进行限定，其中第一透镜21的光焦度为正，第一透镜21的物侧面S11为凸面，第一透镜21的像侧面S12为凹面，因此第一透镜21的物侧面的光焦度为正，第一透镜21的像侧面的光焦度为负。
其中根据光路可逆原理，光线自物侧入射光阑3，从光阑3处传输的光线，经过第一透镜21传输至第二透镜22；具体地，从光阑3处传输的光线首先经过第一透镜21的物侧面S11，然后在经过第一透镜21的像侧面S12，进而传输至第二透镜22。
在该实施例中，由于光阑3直径是大于最大成像圆直径的，根据光路可逆原理，从物侧传输的光线，经过光阑3传输至透镜组2，需要第一透镜21和第二透镜22将光线收缩，传输至第三透镜23和第四透镜24，直至传输至显示单元1。
具体地，参照图2，光线传输至第一透镜21的物侧面S11的高度，是高于光线传输至第一透镜21的像侧面S12的高度，其中光线达到透镜的表面高度越高，对应的光焦度越大。因此第一透镜21的物侧面具有较大的正光焦度，第一透镜21的像侧面具有较小的负光焦度，因此两者结合在一起后，使得第一透镜21的光焦度为正。在一个具体的实施例中，第一透镜21为弯月型具有正光焦度的透镜。
具体地，继续参照图2，光线被第一透镜21收缩，进而传输至第二透镜22，光线传输至第二透镜22的物侧面S21的高度，是大于光线传输至第二透镜22的像侧面S22的高度，其中光线达到透镜的表面高度越高，对应的光焦度越大。因此第二透镜22的物侧面S21具有较大的正光焦度，第二透镜22的像侧面S22具有较小的负光焦度，因此两者结合在一起后，使得第二透镜22的光焦度为正。
因此在透镜组2中，通过第一透镜21和第二透镜22对光线进行持续收缩，以缩小光斑尺寸。
另外第三透镜23的光焦度为负的原因是，第四透镜24做为显示单元1前的最后一个镜片，必须要具有正光焦度，才能把光线汇聚到显示单元1上，因此为了整个系统的光焦度平衡，第三透镜23的光焦度必须为负，否则整个光学系统只有正透镜，无法做到像差平衡，也即无法保证系统清晰度。
在一个具体的实施例中，第三透镜23的物侧面S31为平面，第三透镜23的像侧面S32为凹面，第四透镜24的物侧面S41为凸面，第四透镜24的像侧面S42为平面。
在一个具体地实施例中，入射进所述第一透镜21的光斑尺寸大于从所述第二透镜22出射的光斑尺寸。
具体地，光线自物侧入射进光阑3，从光阑3处传输的光线，依次经过透镜组2的透镜后，即依次经过第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23和第四透镜24后，在显示单元1(此处显示单元为像面)上成像，由于光阑3的直径是大于最大成像面直径，第一透镜21的光焦度为正，以及第二透镜22的光焦度为正，第一透镜21和第二透镜22将光线收缩，缩小光斑尺寸，因此入射进第一透镜21的光斑尺寸大于从第二透镜22出射的光斑尺寸。
在一个实施例中，所述第一透镜21与所述第二透镜22之间存在第一空气间隔，其中所述第一空气间隔小于0.1mm。
在该实施例中，对第一透镜21和第二透镜22之间的空气间隔进行限定，缩小了光学系统的光学总长。
在一个实施例中，所述第三透镜23与所述第四透镜24之间存在第二空气间隔，所述第二空气间隔为1.73mm～1.78mm，其中第二空气间隔为光学系统的光学总长的23％～25％。
在该实施例中，对第三透镜23和第四透镜24之间的空气间隔进行限定，其中将第三透镜23和第四透镜24的空气间隔限定在此范围内，保证从第三透镜23出射的光线，有足够的距离扩大光斑尺寸，用于第四透镜24汇聚光线，进而在显示单元1成像。
在一个实施例中，显示单元1为自发光部件，例如显示单元1为自发光的Micro-LED芯片。
具体地，本实施例对显示单元1的类型进行限定，省略了传统AR光机的照明部分，极大的缩小了产品的体积。例如本申请实施例可以将增强现实设备的体积控制在了0.3cc(立方厘米)，而同级别的基于DMD芯片的AR光机体积一般在4cc(立方厘米)立方厘米，基于LCOS芯片的AR光机体积一般在2.5cc(立方厘米)。相比于现有技术，本申请实施例缩小了增强现实设备的体积。
第二方面，提供了一种增强现实设备。所述增强现实设备包括壳体与如第一方面所述的光学系统，所述光学系统收容于所述壳体内。
具体地，本实施例中的增强现实设备的成像光路由本申请中的光学系统提供。在其保证增强显示设备具有良好的成像效果的前提下，减轻了整个增强现实设备的重量和体积，提升了用户体验。
可选地，还包括光波导结构，在增强现实设备使用中，其中显示单元1发出的光线透过透镜组2后，经所述光波导结构传输后出射至人眼。
以下通过5个实施例对本发明实施例提供的光学系统进行具体说明。
实施例1
在实施例1中，光学系统中第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23和第四透镜24的光学参数如表1所示。
Figure BDA0003751625660000091
Figure BDA0003751625660000101
实施例1中，第三透镜23的折射率大于其他透镜的折射率，折射率越大，色散越厉害，即阿贝数越低，因此第三透镜23的阿贝数是小于其他透镜的阿贝数的。
其中第一透镜21的有效焦距在5.3mm～5.8mm范围内；所述第二透镜22的有效焦距在8mm～8.5mm范围内；所述第三透镜23的有效焦距在-2.5mm～-2mm范围内；所述第四透镜24的有效焦距在3.8mm～4.3mm范围内。光学系统的总有效焦距在5.8mm～6.1mm范围内，光学系统的视场角在28°～32°范围内，系统使用波长为530±20nm，光学系统的最大像圆直径在3.1mm～3.3mm范围内。光学系统的F数在1.45～1.55范围内。光学系统的光学总长度为6.98mm。
其中第一透镜21、第二透镜22和第三透镜23均为玻璃球面透镜，第四透镜24为玻璃非球面透镜，因此第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23和第四透镜24对于公差不敏感，受温度变换的影响也小。另外第四透镜24的物侧面S41和像侧面S42均为非球面。
其中第四透镜24的非球面参数如表2所示：
表面 CONIC A2 A3 A4 A5
S41 -0.89 1.79e-3 8.01e-4 -7.65e-4 2.26e-4
S42 8.96 4.98e-3 -2.223e-3 -1.08e-4 -4.28e-6
经过测量所得到的上述光学系统的各视场参数如图3至6所示。
参照图3，示出了光学系统的相对照度图，其中相对照度是指显示单元1(像面)上各视场位置的照度与中心视场的照度之比，相对照度越大，成像质量高越好。
参照图4，示出了光学系统的畸变图，全视场范围内最大光学畸变低于1.5％。
参照图5，示出了光学系统的调制传递函数图，其中，调制传递函数(ModulationTransfer Function，MTF)是指调制度与图像内每毫米线对数之间的关系，用于评价对景物细部还原能力。该实施例在各视场的MTF值均大于6。
参照图6，示出了光学系统的离焦曲线图。其中显示单元1(像面)越偏离设计值位置，MTF下降地越多。
实施例2
在实施例2中，光学系统中第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23和第四透镜24的光学参数如表3所示。
Figure BDA0003751625660000111
实施例2中，第三透镜23的折射率大于其他透镜的折射率，折射率越大，色散越厉害，即阿贝数越低，因此第三透镜23的阿贝数是小于其他透镜的阿贝数的。
其中第一透镜21的有效焦距在5.3mm～5.8mm范围内；所述第二透镜22的有效焦距在8mm～8.5mm范围内；所述第三透镜23的有效焦距在-2.5mm～-2mm范围内；所述第四透镜24的有效焦距在3.8mm～4.3mm范围内。光学系统的总有效焦距在5.8mm～6.1mm范围内，光学系统的视场角在28°～32°范围内，系统使用波长为530±20nm，光学系统的最大像圆直径在3.1mm～3.3mm范围内。光学系统的F数在1.45～1.55范围内。光学系统的光学总长度为7.01mm。
其中第一透镜21、第二透镜22和第三透镜23均为玻璃球面透镜，第四透镜24为玻璃非球面透镜。因此第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23和第四透镜24对于公差不敏感，受温度变换的影响也小。另外第四透镜24的物侧面S41和像侧面S42均为非球面。
其中第四透镜24的非球面参数如表4所示：
表面 CONIC A2 A3 A4 A5
S41 -1.688 -1.06e-3 3.43e-4 -2.06e-4 -7.15e-5
S42 100 -5.77e-4 -2.63e-3 3.71e-4 -1.78e-4
其中本实施例提供的光学系统参数满足于图3-图6示出的光学参数，光学系统的体积小，重量轻，成像效果佳。
实施例3
在实施例3中，光学系统中第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23和第四透镜24的光学参数如表5所示。
Figure BDA0003751625660000121
实施例3中，第三透镜23的折射率大于其他透镜的折射率，折射率越大，色散越厉害，即阿贝数越低，因此第三透镜23的阿贝数是小于其他透镜的阿贝数的。
其中第一透镜21的有效焦距在5.3mm～5.8mm范围内；所述第二透镜22的有效焦距在8mm～8.5mm范围内；所述第三透镜23的有效焦距在-2.5mm～-2mm范围内；所述第四透镜24的有效焦距在3.8mm～4.3mm范围内。光学系统的总有效焦距在5.8mm～6.1mm范围内，光学系统的视场角在28°～32°范围内，系统使用波长为530±20nm，光学系统的最大像圆直径在3.1mm～3.3mm范围内。光学系统的F数在1.45～1.55范围内。光学系统的光学总长为7.04mm。
其中第一透镜21、第二透镜22和第三透镜23均为玻璃球面透镜，第四透镜24为玻璃非球面透镜。因此第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23和第四透镜24对于公差不敏感，受温度变换的影响也小。另外第四透镜24的物侧面S41和像侧面S42均为非球面。
其中第四透镜24的非球面参数如表6所示：
表面 CONIC A2 A3 A4 A5
S41 -2.89 -3.39e-3 4.31e-4 8.19e-5 5.94e-6
S42 111.4 -5.51e-3 -2.66e-3 4.95e-4 -1.39e-4
其中本实施例提供的光学系统参数满足于图3-图6示出的光学参数，光学系统的体积小，重量轻，成像效果佳。
实施例4
在实施例4中，光学系统中第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23和第四透镜24的光学参数如表7所示。
Figure BDA0003751625660000131
Figure BDA0003751625660000141
实施例4中，第三透镜23的折射率大于其他透镜的折射率，折射率越大，色散越厉害，即阿贝数越低。但是由于第四透镜24的材质与第一透镜21、第二透镜22和第三透镜23的材质不同，因此第三透镜23的阿贝数是小于第一透镜21和第二透镜22的阿贝数的，是略大于第四透镜24的阿贝数的。
其中第一透镜21的有效焦距在5.3mm～5.8mm范围内；所述第二透镜22的有效焦距在8mm～8.5mm范围内；所述第三透镜23的有效焦距在-2.5mm～-2mm范围内；所述第四透镜24的有效焦距在3.8mm～4.3mm范围内。光学系统的总有效焦距在5.8mm～6.1mm范围内，光学系统的视场角在28°～32°范围内，系统使用波长为530±20nm，光学系统的最大像圆直径在3.1mm～3.3mm范围内。光学系统的F数在1.45～1.55范围内，光学系统的光学总长度为6.83mm。
其中第一透镜21、第二透镜22和第三透镜23均为玻璃球面透镜，第四透镜24为塑料非球面透镜，使得光学系统的成本降低，光学系统的光学总长更短。另外第四透镜24的物侧面S41和像侧面S42均为非球面。
其中第四透镜24的非球面参数如表8所示：
镜片 CONIC A2 A3 A4 A5
S41 -0.43 -4.33e-3 -7.93e-4 5.16e-4 -1.65e-4
S42 -100 1.93e-3 -8.12e-3 1.33e-3 -1.86e-4
其中本实施例提供的光学系统参数满足于图3-图6示出的光学参数，光学系统的体积小，重量轻，成像效果佳。
实施例5
在实施例5中，光学系统中第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23和第四透镜24的光学参数如表9所示。
Figure BDA0003751625660000151
实施例5中，第三透镜23的折射率大于其他透镜的折射率，折射率越大，色散越厉害，即阿贝数越低。但是由于第四透镜24的材质与第一透镜21、第二透镜22和第三透镜23的材质不同，因此第三透镜23的阿贝数是小于第一透镜21和第二透镜22的阿贝数的，是略大于第四透镜24的阿贝数的。
其中第一透镜21的有效焦距在5.3mm～5.8mm范围内；所述第二透镜22的有效焦距在8mm～8.5mm范围内；所述第三透镜23的有效焦距在-2.5mm～-2mm范围内；所述第四透镜24的有效焦距在3.8mm～4.3mm范围内。光学系统的总有效焦距在5.8mm～6.1mm范围内，光学系统的视场角在28°～32°范围内，系统使用波长为530±20nm，光学系统的最大像圆直径在3.1mm～3.3mm范围内。光学系统的F数在1.45～1.55范围内，光学系统的光学总长度为6.80mm。
其中第一透镜21、第二透镜22和第三透镜23均为玻璃球面透镜，第四透镜24为塑料非球面透镜，使得光学系统的成本降低，光学系统的光学总长更短。另外第四透镜24的物侧面S41和像侧面S42均为非球面。
其中第四透镜24的非球面参数如表10所示：
Figure BDA0003751625660000152
Figure BDA0003751625660000161
其中本实施例提供的光学系统参数满足于图3-图6示出的光学参数，光学系统的体积小，重量轻，成像效果佳。
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。
虽然已经通过示例对本发明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，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (11)

1.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统从物侧至像侧依次包括：
光阑(3)、透镜组(2)和显示单元(1)；
所述透镜组(2)从物侧至像侧依次包括：第一透镜(21)、第二透镜(22)、第三透镜(23)和第四透镜(24)；
其中所述第一透镜(21)、所述第二透镜(22)和所述第四透镜(24)的光焦度均为正，所述第三透镜(23)的光焦度为负；
其中所述显示单元(1)的最大成像圆直径小于所述光阑(3)的直径。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述最大成像圆直径范围为3.1mm～3.3mm，所述光阑(3)的直径范围为3.8mm～4.2mm。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述透镜组(2)包括最靠近所述光阑(3)设置的第一透镜(21)，所述第一透镜(21)的物侧面与所述光阑(3)在光轴上的距离为0.1mm～0.4mm。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统的总有效焦距范围为5.8mm-6.1mm。
5.根据权利要求1或4所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜(21)的有效焦距范围为5.3mm～5.8mm；所述第二透镜(22)的有效焦距范围为8mm～8.5mm；所述第三透镜(23)的有效焦距范围为-2.5mm～-2mm；所述第四透镜(24)的有效焦距范围为3.8mm～4.3mm。
6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统的F数为1.45-1.55。
7.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜(21)的物侧面为凸面，所述第一透镜(21)的像侧面为凹面，其中光线传输至第一透镜(21)的物侧面的高度高于光线传输至第一透镜(21)的像侧面的高度；
所述第二透镜(22)的物侧面为凸面，所述第二透镜(22)的像侧面为凹面，其中光线传输至第二透镜(22)的物侧面的高度高于光线传输至第二透镜(22)的像侧面的高度。
8.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜(21)与所述第二透镜(22)之间存在第一空气间隔，其中所述第一空气间隔小于0.1mm。
9.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第三透镜(23)与所述第四透镜(24)之间存在第二空气间隔，所述第二空气间隔为1.73mm～1.78mm，其中第二空气间隔为光学系统的光学总长的23％～25％。
10.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述显示单元(1)为Micro-LED芯片。
11.一种增强现实设备，其特征在于，所述增强现实设备包括壳体与如权利要求1-10中任一项所述的光学系统，所述光学系统收容于所述壳体内。
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