CN116507958A - 光学系统及vr显示设备 - Google Patents

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CN116507958A CN202180003588.4A CN202180003588A CN116507958A CN 116507958 A CN116507958 A CN 116507958A CN 202180003588 A CN202180003588 A CN 202180003588A CN 116507958 A CN116507958 A CN 116507958A
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CN
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power lens
refractive index
convex surface
optical system
lens
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白家荣
董瑞君
武玉龙
王晨如
栗可
韩娜
马占山
陈丽莉
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B25/00—Eyepieces; Magnifying glasses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
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Abstract

一种光学系统(100)，具有光轴(A)，光学系统(100)包括沿光轴(A)依次设置的正光焦度透镜(1)、负光焦度透镜(2)和显示器(3)。正光焦度透镜(1)包括远离显示器(3)的第一凸面(11)，及靠近显示器(3)的第二凸面(12)，第一凸面(11)和第二凸面(12)均相对于正光焦度透镜(1)的光心(C1)外凸。负光焦度透镜(2)包括远离显示器(3)的第三凸面(21)，及靠近显示器(3)的第四凹面(22)，第三凸面(21)相对于负光焦度透镜(2)的光心(C2)外凸，第四凹面(22)相对于负光焦度透镜(2)的光心(C2)内凹。其中，正光焦度透镜(1)的折射率和负光焦度透镜(2)的折射率中，其中一者的折射率大于另一者的折射率，较大的折射率为第一折射率，较小的折射率为第二折射率，第一折射率大于1.7，第二折射率大于1.5，且第一折射率与第二折射率的比值小于或等于2。

Description

光学系统及VR显示设备 技术领域
本公开涉及显示技术领域，尤其涉及一种光学系统及VR显示设备。
背景技术
虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术是一项涉及众多学科领域的高新技术，它集计算机仿真、三维立体设计、图像处理、模式识别、微电子及并行处理技术为一体，利用虚拟现实硬件设备和计算机系统创建一个逼真虚拟环境。用户在虚拟空间体验与现实世界相同的感受，例如视觉、听觉、触觉、嗅觉、碰撞、移动和搬运动态交互感等。
目前，VR显示设备正朝着大视场角、轻薄化的方向发展，以给观看者带来更好的沉浸感，提升用户体验。
发明内容
一方面，提供一种光学系统，具有光轴。所述光学系统包括沿所述光轴依次设置的正光焦度透镜、负光焦度透镜和显示器。所述正光焦度透镜包括远离所述显示器的第一凸面，及靠近所述显示器的第二凸面，所述第一凸面和所述第二凸面均相对于所述正光焦度透镜的光心外凸。所述负光焦度透镜包括远离所述显示器的第三凸面，及靠近所述显示器的第四凹面，所述第三凸面相对于所述负光焦度透镜的光心外凸，所述第四凹面相对于所述负光焦度透镜的光心内凹。其中，所述正光焦度透镜的折射率和所述负光焦度透镜的折射率中，其中一者的折射率大于另一者的折射率，较大的折射率为第一折射率，较小的折射率为第二折射率，所述第一折射率大于1.7，所述第二折射率大于1.5，且所述第一折射率与所述第二折射率的比值小于或等于2。
在一些实施例中，所述负光焦度透镜的第四凹面的曲率半径，小于所述第三凸面的曲率半径。
在一些实施例中，所述第四凹面的曲率半径大于0，且小于或等于50mm；所述第三凸面的曲率半径大于0，且小于或等于100mm。
在一些实施例中，所述负光焦度透镜包括靠近所述光轴的中间部分，以及围绕所述中间部分的边缘部分。沿所述光轴，所述中间部分的厚度小于所述边缘部分的厚度。
在一些实施例中，所述第一折射率与所述第二折射率的比值小于或等于1.1。
在一些实施例中，所述正光焦度透镜的光焦度范围为0.05mm -1～0.15mm -1。 所述正光焦度透镜的折射率大于所述负光焦度透镜的折射率。
在一些实施例中，所述负光焦度透镜的光焦度范围为-0.1mm -1～-0.02mm -1。
在一些实施例中，所述第一折射率为N 1，所述第二折射率为N 2。沿所述光轴，所述正光焦度透镜的第二凸面，与所述负光焦度透镜的第三凸面之间的距离为D。其中，
在一些实施例中，沿所述光轴，所述正光焦度透镜的第二凸面，与所述负光焦度透镜的第三凸面之间的距离范围为0.5mm～0.55mm。
在一些实施例中，沿所述光轴，所述正光焦度透镜的第一凸面的顶点，与所述显示器远离所述负光焦度透镜的表面的距离小于或等于35mm。
在一些实施例中，所述正光焦度透镜的折射率为N a，色散系数为V a。所述负光焦度透镜的折射率为N b，色散系数为V b。其中， 和 中一者大于另一者，较大一者与较小一者的比值小于或等于2.5。
在一些实施例中，所述第一凸面、所述第二凸面、所述第三凸面和所述第四凹面均为非球面。
在一些实施例中，所述第一凸面、所述第二凸面、所述第三凸面和所述第四凹面均为偶次非球面。所述第一凸面、所述第二凸面、所述第三凸面和所述第四凹面的面型方程均为 其中，Z为透镜表面的点与第一参考面的垂直距离，所述第一参考面与透镜表面的顶点相切；c为透镜表面的顶点处的曲率；k为透镜表面的二次曲面系数；r为透镜表面的点与所述光轴的垂直距离；A 2i为多次项系数；i≥1，且为整数。
在一些实施例中，所述正光焦度透镜的材料包括玻璃，所述负光焦度透镜的材料包括塑料。
在一些实施例中，所述正光焦度透镜的质量大于所述负光焦度透镜的质量。
在一些实施例中，所述光学系统还包括固定件和移动件，所述正光焦度透镜和所述负光焦度透镜设置于所述固定件上。移动件与所述固定件滑动连接，所述显示器设置于所述移动件上，所述移动件被配置为带动所述显示器沿所述光轴移动。
另一方面，提供一种VR显示设备。所述VR显示设备包括：如上述任一实施例所述的光学系统。
附图说明
为了更清楚地说明本公开中的技术方案，下面将对本公开一些实施例中 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公开的一些实施例的附图，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。此外，以下描述中的附图可以视作示意图，并非对本公开实施例所涉及的产品的实际尺寸、方法的实际流程、信号的实际时序等的限制。
图1为根据一些实施例的光学系统的一种结构图；
图2为图1中的光学系统在M处的局部放大图；
图3为根据一些实施例的光学系统的光路图；
图4为根据一些实施例的光学系统的正光焦度透镜的结构图；
图5为图4中的正光焦度透镜沿剖面线A-A＇的剖面图；
图6为根据一些实施例的光学系统的负光焦度透镜的结构图；
图7为图6中的负光焦度透镜沿剖面线B-B＇的剖面图；
图8为根据一些实施例的光学系统的点列图；
图9为根据一些实施例的光学系统的场曲图；
图10为根据一些实施例的光学系统的畸变图；
图11为根据一些实施例的光学系统的另一种结构图；
图12为根据一些实施例的光学系统的又一种结构图；
图13为根据一些实施例的VR显示设备的结构图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本公开一些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公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开所提供的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
除非上下文另有要求，否则，在整个说明书和权利要求书中，术语“包括(comprise)”及其其他形式例如第三人称单数形式“包括(comprises)”和现在分词形式“包括(comprising)”被解释为开放、包含的意思，即为“包含，但不限于”。在说明书的描述中，术语“一个实施例(one embodiment)”、“一些实施例(some embodiments)”、“示例性实施例(exemplary embodiments)”、“示例(example)”、“特定示例(specific example)”或“一些示例(some examples)”等旨在表明与该实施例或示例相关的特定特征、结构、材料或特性包括在本公开的至少一个实施例或示例中。上述术语的示意性表示不一定是指同一实施例或示例。此外，所述的特定特征、结构、材料或特点可以以任何适当方式包括在任何一个或多个实施例或示例中。
以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多个该特征。在本公开实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在描述一些实施例时，可能使用了“连接”及其衍伸的表达。例如，描述一些实施例时可能使用了术语“连接”以表明两个或两个以上部件彼此间有直接物理接触或电接触。
本文中“被配置为”的使用意味着开放和包容性的语言，其不排除适用于或被配置为执行额外任务或步骤的设备。
另外，“基于”的使用意味着开放和包容性，因为“基于”一个或多个所述条件或值的过程、步骤、计算或其他动作在实践中可以基于额外条件或超出所述的值。
如本文所使用的那样，“垂直”包括所阐述的情况以及与所阐述的情况相近似的情况，该相近似的情况的范围处于可接受偏差范围内，其中所述可接受偏差范围如由本领域普通技术人员考虑到正在讨论的测量以及与特定量的测量相关的误差(即，测量系统的局限性)所确定。例如，“垂直”包括绝对垂直和近似垂直，其中近似垂直的可接受偏差范围例如也可以是5°以内偏差。
本文参照作为理想化示例性附图的剖视图和/或平面图描述了示例性实施方式。在附图中，为了清楚，放大了层和区域的厚度。因此，可设想到由于例如制造技术和/或公差引起的相对于附图的形状的变动。因此，示例性实施方式不应解释为局限于本文示出的区域的形状，而是包括因例如制造而引起的形状偏差。例如，示为矩形的蚀刻区域通常将具有弯曲的特征。因此，附图中所示的区域本质上是示意性的，且它们的形状并非旨在示出设备的区域的实际形状，并且并非旨在限制示例性实施方式的范围。
在相关技术中，VR显示设备包括折反式的薄饼(pancake)结构，采用这种结构设计可减小显示设备的厚度，但是，会导致显示设备的出光效率较低(出光效率不足25％)，且观看画面存在“鬼影”、视场角较小的问题，进而导致观看者的视觉体验较差。
为解决上述问题，如图1所示，本公开的一些实施例提供了一种光学系统100，光学系统100具有光轴A，光轴A即为光学系统100的对称轴，
如图1所示，光学系统100包括沿光轴A依次设置的正光焦度透镜1、负光焦度透镜2和显示器3，并且，正光焦度透镜1的光心C1、负光焦度透 镜2的光心C2以及显示器3的中心C3均位于光轴A上。
需要说明的是，“正光焦度透镜1”的光焦度大于0，光线经正光焦度透镜1的折射后汇聚。“负光焦度透镜2”的光焦度小于0，光线经负光焦度透镜2的折射后发散。
如图1所示，正光焦度透镜1包括远离显示器3的第一凸面11，及靠近显示器3的第二凸面12，第一凸面11和第二凸面12均相对于正光焦度透镜1的光心C1外凸。
如图1所示，负光焦度透镜2包括远离显示器3的第三凸面21，及靠近显示器3的第四凹面22，第三凸面21相对于负光焦度透镜2的光心C2外凸，第四凹面22相对于负光焦度透镜2的光心C2内凹。
其中，正光焦度透镜1的折射率和负光焦度透镜2的折射率中，其中一者的折射率大于另一者的折射率，为方便描述，将较大的折射率称为“第一折射率”，将较小的折射率称为“第二折射率”，第一折射率大于1.7，第二折射率大于1.5，且第一折射率与第二折射率的比值小于或等于2。
示例性地，光学系统100的焦距范围为20mm～35mm，例如，光学系统100的焦距为20mm、25mm、28mm、30mm或35mm。
本公开的上述实施例中，结合图1和图3，光学系统100采用正光焦度透镜1与负光焦度透镜2结合的结构设计，可减小该光学系统100的观看画面(光学系统100在人眼4处的成像)的球差、场曲等像差，减少光学系统100出光中的杂散光线，以改善画面的“鬼影”和眩光问题，提高画面质量，从而增强观看者的沉浸感，并且，光学系统100的出光效率较高。
其中，负光焦度透镜2的第四凹面22相对于负光焦度透镜2的光心C2内凹，以便于收集显示器3所发出的角度较大的光线。并且，正光焦度透镜1的折射率和负光焦度透镜2的折射率设置为，其中一者的折射率大于另一者的折射率，较大的折射率为第一折射率，较小的折射率为第二折射率，第一折射率大于1.7，第二折射率大于1.5，且第一折射率与第二折射率的比值小于或等于2，采用这种设计，正光焦度透镜1和负光焦度透镜2可在较短的距离(光学系统100的焦距)内将角度较大的光线折射入人眼4，从而可增大该光学系统100的观看画面的视场角(例如，视场角大于或等于90°)，且可以使光学系统100轻薄化。
下面结合附图，分别对光学系统100中的正光焦度透镜1、负光焦度透镜2和显示器3，以及三者之间的关联进行解释说明。
在一些实施例中，如图4和图5所示，正光焦度透镜1的光焦度大于0， 正光焦度透镜1的光焦度范围为0.05mm -1～0.15mm -1，例如，正光焦度透镜1的光焦度为0.05mm -1、0.07mm -1、0.1mm -1、0.12mm -1或0.15mm -1。
在一些实施例中，如图4和图5所示，正光焦度透镜1的第一凸面11可以为球面或非球面，第二凸面12可以为球面或非球面。
需要说明的是，“球面”是指该透镜表面上各处的曲率半径不变。以第一凸面11为例，“非球面”是指该透镜表面从顶点P1到边缘，透镜表面的曲率半径逐渐增加(透镜表面逐渐平坦)。
示例性地，正光焦度透镜1的第一凸面11和第二凸面12均为非球面，可减小该光学系统100的观看画面的球差、彗差、场曲等多种像差。
在一些实施例中，如图4和图5所示，正光焦度透镜1的第一凸面11的曲率半径大于0，且小于或等于100mm，例如，第一凸面11的曲率半径为20mm、40mm、60mm、80mm或100mm。第二凸面12的曲率半径大于0，且小于或等于50mm，例如，第二凸面12的曲率半径为10mm、20mm、30mm、40mm或50mm。
在一些实施例中，如图4和图5所示，正光焦度透镜1包括靠近光轴A的中间部分a1，以及围绕中间部分a1的边缘部分b1。沿光轴A，中间部分a1的厚度大于边缘部分b1的厚度，即正光焦度透镜1的中间部分a1较厚，边缘部分b1较薄。
在一些实施例中，如图4和图5所示，正光焦度透镜1的材料可包括玻璃或塑料。
在一些实施例中，如图6和图7所示，负光焦度透镜2的光焦度小于0，负光焦度透镜2的光焦度范围为-0.1mm -1～-0.02mm -1，例如，负光焦度透镜2的光焦度为-0.1mm -1、-0.08mm -1、-0.06mm -1、-0.04mm -1或-0.02mm -1。
在一些实施例中，如图6和图7所示，负光焦度透镜2的第三凸面21可以为球面或非球面，第四凹面22可以为球面或非球面。
示例性地，负光焦度透镜2的第三凸面21和第四凹面22均为非球面，可减小该光学系统100的观看画面的球差、彗差、场曲等多种像差。
在一些实施例中，如图6和图7所示，负光焦度透镜2的第四凹面22的曲率半径，小于第三凸面21的曲率半径。
可以理解的是，负光焦度透镜2的第四凹面22相对于负光焦度透镜2的光心C2内凹，并且相较于第三凸面21的曲率半径，第四凹面22的曲率半径设置的较小，即第四凹面22比第三凸面21更加弯曲，更有利于第四凹面22收集显示器3所发出的角度较大的光线，从而有利于增大该光学系统100的 观看画面的视场角。
示例性地，如图6和图7所示，负光焦度透镜2的第三凸面21的曲率半径大于0，且小于或等于100mm，例如，第三凸面21的曲率半径为20mm、40mm、60mm、80mm或100mm。第四凹面22的曲率半径大于0，且小于或等于50mm，例如，第四凹面22的曲率半径为10mm、20mm、30mm、40mm或50mm。
在一些实施例中，如图6和图7所示，负光焦度透镜2包括靠近光轴A的中间部分a2，以及围绕中间部分a2的边缘部分b2。沿光轴A，中间部分a2的厚度小于边缘部分b2的厚度，使负光焦度透镜2的中间部分a2较薄，边缘部分b2较厚。
在相关技术中，负光焦度透镜的两侧表面均相对于光心内凹，即负光焦度透镜的两侧表面均为凹面，使得负光焦度透镜的中间部分非常薄，边缘部分与中间部分的厚度差较大，导致负光焦度透镜的结构强度较低，负光焦度透镜容易破碎。
而本公开的一些实施例，如图6和图7所示，负光焦度透镜2的第三凸面21相对于负光焦度透镜2的光心C2外凸，可增大负光焦度透镜2的中间部分a2的厚度，提高负光焦度透镜2的中间部分a2的结构强度，避免了负光焦度透镜2的中间部分a2过薄而易破碎的问题。
在一些实施例中，如图6和图7所示，负光焦度透镜2的材料可包括玻璃或塑料。
在一些实施例中，如图1和图3所示，正光焦度透镜1的折射率大于负光焦度透镜2的折射率，即正光焦度透镜1的折射率大于1.7，负光焦度透镜2的折射率大于1.5。并且，正光焦度透镜1的光焦度范围为0.05mm -1～0.15mm -1，正光焦度透镜1的光焦度较小，使得正光焦度透镜1可将角度较大的光线折射入人眼4。在此基础上，正光焦度透镜1与负光焦度透镜2配合使用，可增大该光学系统100的观看画面的视场角。
在一些实施例中，如图1和图2所示，正光焦度透镜1的折射率和负光焦度透镜2的折射率中，较大的第一折射率设为N 1，较小的第二折射率设为N 2。沿光轴A，正光焦度透镜1的第二凸面12，与负光焦度透镜2的第三凸面21之间的距离设为D。
其中，第一折射率N 1、第二折射率N 2和距离D之间的关系满足下列公式(1)：
可见，根据正光焦度透镜1的折射率和负光焦度透镜2的折射率的设计值，可确定上述距离D的合理取值范围，在距离D处于合理取值范围内的情况下，保证光学系统100的长度不会过长，并且，保证正光焦度透镜1与负光焦度透镜2之间装配的可靠性。
需要说明的是，参考图1，“光学系统100的长度”是指沿光轴A，正光焦度透镜1的第一凸面11的顶点P1，与显示器3远离负光焦度透镜2的表面31的距离。
示例性地，沿光轴A，正光焦度透镜1的第二凸面12，与负光焦度透镜2的第三凸面21之间的距离D范围为0.5mm～0.55mm，例如，距离D可为0.51mm、0.52mm、0.53mm、0.54mm或0.55mm。
可以理解的是，若距离D小于0.5mm，说明第二凸面12与第三凸面21之间的距离过小，即正光焦度透镜1与负光焦度透镜2之间的间距过小，这可能导致正光焦度透镜1与负光焦度透镜2之间的装配困难。若距离D大于0.55mm，说明第二凸面12与第三凸面21之间的距离过大，即正光焦度透镜1与负光焦度透镜2之间的间距过大，这可能导致光学系统100的长度过长，不利于光学系统100的轻薄化。
在一些实施例中，如图1所示，沿光轴A，正光焦度透镜1的第一凸面11的顶点P1，与显示器3远离负光焦度透镜2的表面31的距离小于或等于35mm，即光学系统100的长度小于或等于35mm。例如，光学系统100的长度为31mm、32mm、33mm、34mm或35mm。
在一些实施例中，如图1所示，正光焦度透镜1的折射率设为N a，色散系数设为V a。负光焦度透镜2的折射率设为N b，色散系数设为V b。其中， 和 中一者大于另一者，较大一者与较小一者的比值小于或等于2.5，例如， 和 中较大一者与较小一者的比值为2.1、2.2、2.3、2.4或2.5，可减小该光学系统100的观看画面的场曲和色差。
在一些实施例中，如图1和图3所示，正光焦度透镜1的质量大于负光焦度透镜2的质量。需要说明的是，透镜的“质量”是指透镜的材料密度与透镜的体积的乘积。可以理解的是，本公开的光学系统100可应用于VR显示设备，观看者可佩戴该VR显示设备进行观看，由于正光焦度透镜1的质量大于负光焦度透镜2的质量，且正光焦度透镜1相较于负光焦度透镜2更靠近 观看者的人眼4，使得VR显示设备的重心更靠近观看者，可提高观看者的佩戴舒适性。
示例性地，正光焦度透镜1的材料可包括玻璃，负光焦度透镜2的材料可包括塑料，玻璃的材料密度大于塑料的材料密度，且正光焦度透镜1的体积与负光焦度透镜2的体积差异较小，使得正光焦度透镜1的质量大于负光焦度透镜2的质量。
在一些实施例中，正光焦度透镜1和负光焦度透镜2还可采用菲涅尔透镜，菲涅尔透镜的出光均匀且出光效率较高，采用此设计的光学系统100的画面亮度更均匀，并且，菲涅尔透镜的厚度小，有利于光学系统100的轻薄化。
在一些实施例中，如图1所示，显示器3可以是液晶显示器(Liquid Crystal Display，简称LCD)、有机电致发光显示器(Organic Light-Emitting Diode，简称OLED)或硅基液晶显示器(Liquid Crystal on Silicon，简称LCOS)等显示器，显示器3为微型显示器，其对角线长度范围为1.5inch～2.5inch，例如，显示器3的对角线长度为1.5inch、1.8inch、2inch、2.3inch或2.5inch。
经本公开的发明人研究发现，正光焦度透镜1的折射率和负光焦度透镜2的折射率设置为，其中一者的折射率大于另一者的折射率，较大的折射率为第一折射率，较小的折射率为第二折射率，第一折射率大于1.7，第二折射率大于1.5，且第一折射率与第二折射率的比值小于或等于1.1，例如，第一折射率与第二折射率的比值为1.01、1.03、1.05、1.07或1.09，在此情况下，可进一步增大该光学系统100的观看画面的视场角，使光学系统100更轻薄化。
前文提到，如图1所示，正光焦度透镜1的第一凸面11和第二凸面12可均为非球面，负光焦度透镜2的第三凸面21和第四凹面22可均为非球面。示例性地，第一凸面11、第二凸面12、第三凸面21和第四凹面22可均为偶次非球面，第一凸面11、第二凸面12、第三凸面21和第四凹面22的面型方程均为如下公式(2)：
参考图5，以第二凸面12为例，公式(2)中，Z为透镜表面(第二凸面12)的点E与第一参考面N的垂直距离，第一参考面N与透镜表面的顶点P2相切；c为透镜表面的顶点P2处的曲率；k为透镜表面的二次曲面系数；r为透镜表面的点E与光轴A的垂直距离；A 2i为多次项系数；i≥1，且为整数。
基于此，发明人设计实验进行验证，光学系统100的各参数的具体数值可参见如下表1和表2：
表1
表1中，“f”是指光学系统100的焦距；“TL”是指光学系统100的长度；“FOV(Field of View)”是指光学系统100的视场角；“R”是指透镜表面的曲率半径，其中，曲率半径为正数是指透镜表面的圆心位于该表面靠近显示器3的一侧，曲率半径为负数是指透镜表面的圆心位于该表面远离显示器3的一侧；“T”是指相邻的两个透镜表面的距离，例如，参考图5，沿光轴A，第一凸面11与第二凸面12之间的距离为13mm，参考图2，沿光轴A，第二凸面12与第三凸面21之间的距离为0.5mm，参考图7，沿光轴A，第三凸面21与第四凹面22之间的距离为4mm，参考图1，沿光轴A，第四凹面22与显示器3的表面31之间的距离为16.5mm；“N”是指透镜的折射率；“V”是指透镜的色散系数。
其中，正光焦度透镜1的折射率为1.76，色散系数为52.3，负光焦度透镜2的折射率为1.64，色散系数为22.4。正光焦度透镜1的折射率与负光焦度透镜2的折射率的比值为1.07。正光焦度透镜1的色散系数与折射率的第一比值为29.72，负光焦度透镜2的色散系数与折射率的第二比值为13.66，第一比值与第二比值的比值为2.2。
表2
此外，如图1所示，显示器3的对角线长度为2.1inch，显示器3的像素密度为1500，即显示器3的每英寸的像素数(Pixels per inch，简称PPI)为1500。
实验结果可参考图8～图10，图8示出了该光学系统100在不同视角下成像光斑的点列图(OBJ)，其中，在视角为0°的情况下，几何光斑半径为32μm。在视角为7.5°的情况下，几何光斑半径为79μm。在视角为15°的情况下，几何光斑半径为132μm。在视角为22.5°的情况下，几何光斑半径为79μm。在视角为30°的情况下，几何光斑半径为125μm。在视角为37.5°的情况下，几何光斑半径为141μm。在视角为45°的情况下，几何光斑半径为157μm。可见，在视角为45°的情况下，几何光斑半径最大，因此，其均方根半径最大，为64μm。
图9示出了该光学系统100的场曲图(Field Curvature)，场曲图中的多条实线表示不同波长的光在子午方向上的场曲，多条虚线表示不同波长的光在弧矢方向上的场曲，可见，在视角处于0～45°范围内的情况下，光学系统100的场曲小于2.0mm。
图10示出了该光学系统100所发出的不同波长的光的畸变图{F-Tan(Theta)Distortion}，可见，在视角处于0～45°范围内的情况下，光学系统100的畸变量小于10％，例如，在视角为45°的情况下，光学系统100的畸变量最大，畸变量为7％，该光学系统100的最大畸变量较小，证明该光学系统100的像差较小、画面质量较高。
在一些实施例中，如图11所示，光学系统100还包括滑动连接的固定件101和移动件102，正光焦度透镜1和负光焦度透镜2设置于固定件101上，显示器3设置于移动件102上，移动件102被配置为带动显示器3沿光轴A移动，可调节该光学系统100的屈光度。
示例性地，如图11所示，沿光轴A，负光焦度透镜2的光心C2与显示器3的中心C3之间的距离S1为16.5mm，在此情况下，光学系统100的屈光度为-1D。
示例性地，如图12所示，移动件102带动显示器3朝靠近负光焦度透镜2的方向移动，沿光轴A，负光焦度透镜2的光心C2与显示器3的中心C3之间的距离S2为13.6mm，在此情况下，光学系统100的屈光度为-6D。
通过上述设计，通过移动件102带动显示器3沿光轴A移动，可调节该光学系统100的屈光度，例如，可实现该光学系统100的屈光度从-1D至-6D的连续调节。
如图13所示，本公开的一些实施例还提供了一种VR显示设备200，该VR显示设备200可包括如上述实施例中的光学系统100。
本公开的上述VR显示设备200，其观看画面的像差较小、畸变量较小、画面质量较高，可以带给观看者较强的沉浸感，并且，VR显示设备200的出光效率较高，视场角较大，设备轻薄且佩戴舒适。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (17)

  1. 一种光学系统，具有光轴，所述光学系统包括沿所述光轴依次设置的正光焦度透镜、负光焦度透镜和显示器；
    所述正光焦度透镜包括远离所述显示器的第一凸面，及靠近所述显示器的第二凸面，所述第一凸面和所述第二凸面均相对于所述正光焦度透镜的光心外凸；所述负光焦度透镜包括远离所述显示器的第三凸面，及靠近所述显示器的第四凹面，所述第三凸面相对于所述负光焦度透镜的光心外凸，所述第四凹面相对于所述负光焦度透镜的光心内凹；
    其中，所述正光焦度透镜的折射率和所述负光焦度透镜的折射率中，其中一者的折射率大于另一者的折射率，较大的折射率为第一折射率，较小的折射率为第二折射率，所述第一折射率大于1.7，所述第二折射率大于1.5，且所述第一折射率与所述第二折射率的比值小于或等于2。
  2. 根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述负光焦度透镜的第四凹面的曲率半径，小于所述第三凸面的曲率半径。
  3. 根据权利要求1或2所述的光学系统，其中，所述第四凹面的曲率半径大于0，且小于或等于50mm；所述第三凸面的曲率半径大于0，且小于或等于100mm。
  4. 根据权利要求1～3中任一项所述的光学系统，其中，所述负光焦度透镜包括靠近所述光轴的中间部分，以及围绕所述中间部分的边缘部分；
    沿所述光轴，所述中间部分的厚度小于所述边缘部分的厚度。
  5. 根据权利要求1～4中任一项所述的光学系统，其中，所述第一折射率与所述第二折射率的比值小于或等于1.1。
  6. 根据权利要求1～5中任一项所述的光学系统，其中，所述正光焦度透镜的光焦度范围为0.05mm -1～0.15mm -1；
    所述正光焦度透镜的折射率大于所述负光焦度透镜的折射率。
  7. 根据权利要求6所述的光学系统，其中，所述负光焦度透镜的光焦度范围为-0.1mm -1～-0.02mm -1。
  8. 根据权利要求1～7中任一项所述的光学系统，其中，所述第一折射率为N 1，所述第二折射率为N 2；
    沿所述光轴，所述正光焦度透镜的第二凸面，与所述负光焦度透镜的第三凸面之间的距离为D；
    其中，
  9. 根据权利要求8所述的光学系统，其中，沿所述光轴，所述正光焦度 透镜的第二凸面，与所述负光焦度透镜的第三凸面之间的距离范围为0.5mm～0.55mm。
  10. 根据权利要求8或9所述的光学系统，其中，沿所述光轴，所述正光焦度透镜的第一凸面的顶点，与所述显示器远离所述负光焦度透镜的表面的距离小于或等于35mm。
  11. 根据权利要求1～10中任一项所述的光学系统，其中，所述正光焦度透镜的折射率为N a，色散系数为V a；
    所述负光焦度透镜的折射率为N b，色散系数为V b；
    其中， 和 中一者大于另一者，较大一者与较小一者的比值小于或等于2.5。
  12. 根据权利要求1～11中任一项所述的光学系统，其中，所述第一凸面、所述第二凸面、所述第三凸面和所述第四凹面均为非球面。
  13. 根据权利要求12所述的光学系统，其中，所述第一凸面、所述第二凸面、所述第三凸面和所述第四凹面均为偶次非球面；
    所述第一凸面、所述第二凸面、所述第三凸面和所述第四凹面的面型方程均为
    其中，Z为透镜表面的点与第一参考面的垂直距离，所述第一参考面与透镜表面的顶点相切；c为透镜表面的顶点处的曲率；k为透镜表面的二次曲面系数；r为透镜表面的点与所述光轴的垂直距离；A 2i为多次项系数；i≥1，且为整数。
  14. 根据权利要求1～13中任一项所述的光学系统，其中，所述正光焦度透镜的材料包括玻璃，所述负光焦度透镜的材料包括塑料。
  15. 根据权利要求1～14中任一项所述的光学系统，其中，所述正光焦度透镜的质量大于所述负光焦度透镜的质量。
  16. 根据权利要求1～15中任一项所述的光学系统，还包括：
    固定件；所述正光焦度透镜和所述负光焦度透镜设置于所述固定件上；
    移动件，与所述固定件滑动连接；所述显示器设置于所述移动件上，所述移动件被配置为带动所述显示器沿所述光轴移动。
  17. 一种VR显示设备，包括：如权利要求1～16中任一项所述的光学系统。
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