CN117148590B - 光学系统及近眼显示设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光学系统及近眼显示设备，所述光学系统从人眼侧到显示屏侧依次包括：具有正光焦度的第一群组；分光棱镜；具有正光焦度的第二群组；具有正光焦度的第三群组；所述光学系统满足条件式：‑2<fQ1/f<‑0.5，‑3.5<fQ2/f<‑2，‑2<fQ3/f<‑0.5，‑15mm<f<‑10mm，85°<FOV<100°，其中，f表示所述光学系统的焦距，fQ1表示所述第一群组的焦距，fQ2表示所述第二群组的焦距，fQ3表示所述第三群组的焦距，FOV表示所述光学系统的最大视场角。所述光学系统采用十片式光学结构，使系统具有较大的视场角、较大的出瞳距离、屈光度调节范围大、高光效及高解像力的优点，能够为用户带来极佳的感官体验；所述光学系统与红外成像系统搭配，可实现眼动追踪功能，能很好满足多元化的市场需求。
Description
技术领域
本发明涉及光学系统技术领域，特别是涉及一种光学系统及近眼显示设备。
背景技术
近年来，随着5G的商用推广，VR/AR/MR产业发展也在不断提速，其在游戏、社交、教育、医疗等多个领域都得到了广泛应用。
随着科学技术的发展，各种智能穿戴设备的形态与种类也日益繁多，应用领域也愈加广泛，比如应用较广的近眼显示设备通常是将设备中的显示屏通过光学系统的传递和放大后，将输出的图像传递至人眼，因此人眼接收到的是显示屏经过放大后的虚像，从而通过设备实现大屏观看的目的。
为了给用户提供极佳的感官体验，近眼显示设备需要具备较大的视场角、较远的眼距距离、较大的眼动范围以及较高品质的成像，同时为了满足不同近视程度的用户，还需要具备屈光度可调。同时为了提高显示画面的质量及降低设备功耗，一些近眼显示设备采用眼动追踪技术，能够快速准确地检测到用户在设备内的注视方向，从而在注视点进行渲染，提高用户的感官体验。
目前搭载在近眼显示设备中的光学系统还存在视场角较小、屈光度调节不佳、光效率低等不足，且眼动追踪交互不佳等问题，不能很好的满足多元化的市场需求。
发明内容
为此，本发明的目的在于提供一种光学系统及近眼显示设备，具有视场角大、屈光度可调范围大、光效率高及成像质量高的优点，同时能够实现眼动追踪功能，能很好满足多元化的市场需求。
本发明实施例通过以下技术方案实施上述的目的。
一方面，本发明提供一种光学系统，由三个具有光焦度的群组组成，所述光学系统从人眼侧到显示屏侧依次包括：具有正光焦度的第一群组；分光棱镜；具有正光焦度的第二群组；具有正光焦度的第三群组；所述光学系统满足以下条件式：-2<fQ1/f<-0.5，-3.5<fQ2/f<-2，-2<fQ3/f<-0.5，-15mm<f<-10mm，85°<FOV<100°，其中，f表示所述光学系统的焦距，fQ1表示所述第一群组的焦距，fQ2表示所述第二群组的焦距，fQ3表示所述第三群组的焦距，FOV表示所述光学系统的最大视场角。
另一方面，本发明还提供一种近眼显示设备，所述近眼显示设备包括显示屏、如上所述的光学系统和眼动追踪系统。其中，所述显示屏用于发射光信号，所述光信号包括图像信息。所述光学系统设置于所述显示屏的出光方向上，所述光学系统用于对所述显示屏发出的光信号进行调制传输至人眼；所述光学系统从人眼侧到显示屏侧依次包括：具有正光焦度的第一群组、分光棱镜、具有正光焦度的第二群组、具有正光焦度的第三群组；所述分光棱镜包括入光面、出光面、反射面以及透光面。所述眼动追踪系统包括红外成像系统，所述红外成像系统设置在所述分光棱镜的透光面一侧；所述分光棱镜将所述第一群组内接收的人眼瞳孔信息进行转向，以使其入射进入所述红外成像系统。
本发明提供的光学系统及近眼显示设备，采用十个具有特定光焦度的镜片，各个透镜通过特定的表面形状搭配，使得光学系统具有较大的视场角和较高的解像力，提高用户的沉浸感，而且直通式的光学结构使其光效率高，从而给用户带来更好的体验感；同时所述光学系统还具有较大的出瞳距离、较小的畸变，可通过调节显示屏与整个光学系统之间的距离实现-8D至+5D的屈光度调节，能够为用户带来极佳的感官体验。通过分光棱镜的光路反射，可使第一群组与红外成像系统搭配，实现眼动追踪功能，能很好满足多元化的市场需求。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明第一实施例提供的光学系统的结构示意图；
图2是本发明第一实施例提供的光学系统的象散曲线图；
图3是本发明第一实施例提供的光学系统的f-tanθ畸变曲线图；
图4是本发明第一实施例提供的光学系统的垂轴色差曲线图；
图5是本发明第二实施例提供的光学系统的象散曲线图；
图6是本发明第二实施例提供的光学系统的f-tanθ畸变曲线图；
图7是本发明第二实施例提供的光学系统的垂轴色差曲线图；
图8是本发明第三实施例提供的光学系统的象散曲线图；
图9是本发明第三实施例提供的光学系统的f-tanθ畸变曲线图；
图10是本发明第三实施例提供的光学系统的垂轴色差曲线图；
图11是本发明第四实施例提供的近眼显示设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。
在本文中，近光轴处是指光轴附近的区域。如透镜表面为凸面且未界定该凸面位置时，则表示该透镜表面至少在近光轴区域为凸面；如透镜表面为凹面且未界定该凹面位置时，则表示该透镜表面至少在近光轴区域为凹面。
还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其它特征、元件、部件和/或它们的组合。此外，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
随着显示技术的发展，VR显示技术受到了广泛的关注，逐渐在游戏、社交、教育、医疗等多个领域都得到了广泛应用。在VR显示方面，为使得近眼显示设备更轻更薄，多数厂商选择采用Pancake式的折叠光路结构，此结构可大大减小VR光学结构的厚度，但由于折叠式的光路结构需要引入偏振光，光线经过多次折返传输损耗大，光效率低；而且带来了较为严重的杂散光，易形成鬼影等成像不良，影响用户的观看效果。因此，现在亟需提出一种光效率高、成像质量高的光学系统，以满足多元化的市场需求。
基于此，本发明提供一种直通式光学系统，将所述光学系统应用在近眼显示设备中，光线传递如下：将近眼显示设备的显示屏中的图像通过本发明所述的光学系统传递和放大后传递至人眼，此时人眼侧通过光学系统接收到的是显示屏经过放大后的虚像；也即光线从显示屏发出，经所述光学系统传输后，在人眼侧观看到是放大倒立的虚像。
具体地，根据镜片的分布位置将所述光学系统从人眼侧到显示屏侧依次分成第一群组、分光棱镜、第二群组和第三群组，第一群组具有正光焦度，第二群组具有正光焦度，第三群组具有正光焦度。其中，所述第一群组从人眼侧到显示屏侧依次包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜；所述第二群组从人眼侧到显示屏侧依次包括：第五透镜、第六透镜、第七透镜；所述第三群组从人眼侧到显示屏侧依次包括：第八透镜、第九透镜、第十透镜。所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜、所述第六透镜、所述第七透镜、所述第八透镜、所述第九透镜和所述第十透镜各自包括一目侧面及一显示侧面，其中，各个透镜中靠近人眼侧的表面是目侧面，靠近显示屏侧的表面是显示侧面。
所述分光棱镜包括入光面、出光面、反射面以及透光面；所述出光面靠近所述第一群组，所述入光面靠近所述第二群组，且所述出光面和入光面呈相对设置。所述透光面和所述出光面及入光面垂直设置。所述反射面与所述出光面和入光面呈一定角度设置，所述角度的选取范围为20°~70°，尤其是45°最佳。具体地，所述分光棱镜可以由相互连接的第一棱镜和第二棱镜组成，且第一棱镜与第二棱镜的连接面形成一斜面，在所述斜面上设置有分光膜，即形成所述反射面，所述分光膜可以透射一部分光线，同时反射一部分光线，且所述分光膜的透光率可根据需要进行调整。
所述光学系统采用直通式结构，光线无需在系统内多次折返沿同一直线传输，光效率高且解像力高，搭载在近眼显示设备上使用，有效提高用户的沉浸感，能够给用户带来更好的体验感。
在一些实施方式中，所述光学系统满足以下条件式：
-2<fQ1/f<-0.5；
-3.5<fQ2/f<-2；
-2<fQ3/f<-0.5；
其中，f表示所述光学系统的焦距，fQ1表示所述第一群组的焦距，fQ2表示所述第二群组的焦距，fQ3表示所述第三群组的焦距。满足上述条件，通过合理搭配三个群组的有效焦距占比，能够使光学系统具有较大的出瞳距离和入瞳直径，同时还能够提供较大的视场角，其搭载在近眼显示设备上使用，有效提高用户的沉浸感，从而给用户带来更好的体验感。
在一些实施方式中，所述光学系统满足以下条件式：
-15mm<f<-10mm；
85°<FOV<100°；
其中，f表示所述光学系统的有效焦距，FOV表示所述光学系统的最大视场角。所述光学系统应用在近眼显示设备中，显示屏中的图像经过所述光学系统的传递和放大后，将输出的图像传递至人眼，此时人眼侧通过光学系统接收到的是显示屏经过放大后的倒立虚像，也即所述光学系统的整体焦距是负的，由此人眼通过近眼显示设备实现大屏观看的目的。满足上述条件，可使所述光学系统具有接近人眼视场的效果，并且具有较大的负焦距，能够使系统具有更大的视场角，可搭配更大尺寸的显示屏实现高清成像，从而带给用户更好的视觉体验。
在一些实施方式中，所述光学系统满足以下条件式：
13mm<ED<16mm；
4mm<EPD<6mm；
其中，ED表示所述光学系统的出瞳距离，EPD表示所述光学系统的入瞳直径。所述光学系统在使用时，人眼的位置相当于光学系统的光阑，满足上述条件，可使光学系统的光瞳大小（即入瞳直径EPD）与人眼瞳孔相当，且人眼距离光学系统的第一透镜具有适当的距离（即出瞳距离ED），可有效提高用户的沉浸感，给用户带来更好的体验感。
在一些实施方式中，所述光学系统满足以下条件式：
0.25<CT12/TTL<0.3；
其中，TTL表示所述光学系统的光学总长，CT12表示所述第一群组与所述第二群组在光轴上的间隔距离。满足上述条件，使第一群组和第二群组之间具有较大的间隔距离，便于设置分光棱镜，以将第一群组的光线通过分光棱镜以一定角度转折后更好传递给眼动追踪系统，实现眼动追踪功能。
在一些实施方式中，所述光学系统满足以下条件式：
2<fQ2/fQ3<3；
其中，fQ2表示所述第二群组的焦距，fQ3表示所述第三群组的焦距。满足上述条件，能够合理搭配第二群组和第三群组的焦距，有利于校正所述光学系统在不同屈光度条件下的高级像差，提高成像质量，使用户佩戴均具有较佳的感官体验。
在一些实施方式中，所述光学系统满足以下条件式：
-11<TTL/f<-8；
其中，f表示所述光学系统的焦距，TTL表示所述光学系统的光学总长。满足上述条件，可以有效限制光学系统的总长，使系统具有较小的体积，更好搭载在近眼显示设备上使用。
在一些实施方式中，所述第一群组从人眼侧到显示屏侧依次包括：具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜、具有正光焦度的第三透镜、具有负光焦度的第四透镜，所述光学系统满足以下条件式：
0.3<f1/f2<1；
-0.5<f3/f4<-0.03；
其中，f1表示所述第一透镜的焦距，f2表示所述第二透镜的焦距，f3表示所述第三透镜的焦距，f4表示所述第四透镜的焦距。满足上述条件，通过合理分配第一群组内四个透镜的焦距关系，能够有效增大光线的转折程度，使系统具有较大的视场角，从而实现接近人眼视场的效果；同时有利于校正光学系统的像差，提高所述光学系统的成像质量。
在一些实施方式中，所述第二群组从人眼侧到显示屏侧依次包括：具有正光焦度的第五透镜、具有正光焦度的第六透镜、具有负光焦度的第七透镜；所述光学系统满足以下条件式：
0.1<f5/fQ2<1；
0.1<f6/fQ2<1；
-0.5<f7/fQ2<-0.05；
其中，f5表示所述第五透镜的焦距，f6表示所述第六透镜的焦距，f7表示所述第七透镜的焦距，fQ2表示所述第二群组的焦距。满足上述条件，通过合理控制第二群组中各透镜的焦距占比，能够有效缓冲光线的转折程度，使系统具有较大的视场角和较小的光学畸变；同时能够校正系统垂轴色差，提高系统的成像质量。
在一些实施方式中，所述光学系统满足以下条件式：
0.5<f5/f6<2；
-3<f6/f7<-1.5；
其中，f5表示所述第五透镜的焦距，f6表示所述第六透镜的焦距，f7表示所述第七透镜的焦距。满足上述条件，通过合理搭配第五透镜至第七透镜的焦距关系，可有效矫正镜头的高级球差的同时，也能够提升镜头的相对照度，使之处于较高水平。
在一些实施方式中，所述第三群组从人眼侧到显示屏侧依次包括：具有正光焦度的第八透镜、具有正光焦度的第九透镜、具有负光焦度的第十透镜；所述光学系统满足以下条件式：
0.2<f8/fQ3<2；
1<f9/fQ3<2.5；
-1<f10/fQ3<-0.1；
其中，f8表示所述第八透镜的焦距，f9表示所述第九透镜的焦距，f10表示所述第十透镜的焦距。满足上述条件，通过合理控制第三群组中各透镜的焦距占比，使第三群组具有较小的镜片口径，有利于所述光学系统的轻型化；同时有利于校正所述光学系统在不同屈光度条件下的像差，提高成像质量，使不同近视或远视程度的用户佩戴均具有较佳的感官体验。
作为一种实施方式，所述光学系统采用十个具有特定光焦度的镜片，各个透镜可以采用以下不同组合的表面形状搭配，均能够使光学系统具有较好的成像效果。
所述第一透镜具有正光焦度，其目侧面为凹面，其显示侧面为凸面。
所述第二透镜具有正光焦度，其目侧面为凸面，其显示侧面为凸面。
所述第三透镜具有正光焦度，其目侧面为凸面，其显示侧面为凹面。
所述第四透镜具有负光焦度，其目侧面为凹面，其显示侧面为凸面。
所述分光棱镜具有靠近第四透镜的出光面和靠近第五透镜的入光面，且所述出光面和入光面均为平面。
所述第五透镜具有正光焦度，其目侧面为凸面，其显示侧面可为凹面或凸面。
所述第六透镜具有正光焦度，其目侧面为凸面，其显示侧面为凹面。
所述第七透镜具有负光焦度，其目侧面为凹面，其显示侧面为凹面。
所述第八透镜具有正光焦度，其目侧面为凸面，其显示侧面为凸面。
所述第九透镜具有正光焦度，其目侧面为凸面，其显示侧面为凸面。
所述第十透镜具有负光焦度，其目侧面为凹面，其显示侧面为凹面。
作为一种实施方式，光学系统中的各透镜可以采用球面镜片或者非球面镜片，可选的，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜和第十透镜可以均采用球面镜片，在其他实施例方式中，光学系统中的十个透镜可以全部或者部分采用非球面镜片，在此不做限定。
下面分多个实施例对本发明进行进一步的说明。在以下各个实施例中，光学系统中的各个透镜的厚度、曲率半径、材料选择部分有所不同，具体不同可参见各实施例的参数表。下述实施例仅为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式并不仅仅受下述实施例的限制，其他的任何未背离本发明创新点所作的改变、替代、组合或简化，都应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
第一实施例
请参照图1，所示为本发明第一实施例提供的光学系统100的结构示意图，所述光学系统100由十个镜片组成，根据镜片的分布位置，从人眼侧到显示屏侧S24依次分成第一群组Q1、分光棱镜G1、第二群组Q2和第三群组Q3；其中，第一群组Q1具有正光焦度、第二群组Q2具有正光焦度，第三群组Q3具有正光焦度。人眼侧的入瞳位置是光学系统100的光阑ST。
第一群组Q1沿光轴从人眼侧到显示屏侧S24依次包括第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4。
其中，第一透镜L1具有正光焦度，其目侧面S1为凹面，其显示侧面S2为凸面。
第二透镜L2具有正光焦度，其目侧面S3为凸面，其显示侧面S4为凸面。
第三透镜L3具有正光焦度，其目侧面S5为凸面，其显示侧面S6为凹面。
第四透镜L4具有负光焦度，其目侧面S7为凹面，其显示侧面S8为凸面。
第二群组Q2沿光轴从人眼侧到显示屏侧S24依次包括：第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7。
其中，第五透镜L5具有正光焦度，其目侧面S11为凸面，其显示侧面S12为凸面。
第六透镜L6具有正光焦度，其目侧面S13为凸面，其显示侧面S14为凹面。
第七透镜L7具有负光焦度，其目侧面S15为凹面，其显示侧面S16为凹面。
第三群组Q3沿光轴从人眼侧到显示屏侧S24依次包括：第八透镜L8、第九透镜L9、第十透镜L10。
第八透镜L8具有正光焦度，其目侧面S17为凸面，其显示侧面S18为凸面。
第九透镜L9具有正光焦度，其目侧面S19为凸面，其显示侧面S20为凸面。
第十透镜L10具有负光焦度，其目侧面S21为凹面，其显示侧面S22为凹面。
显示屏G2自带一定厚度（如1mm）的保护玻璃，显示屏的目侧面S23为平面、显示屏侧S24为平面。
分光棱镜G1具有靠近第四透镜L4的出光面S9和靠近第五透镜L5的入光面S10，且所述出光面S9和入光面S10均为平面；所述出光面S9和入光面S10呈相对设置。具体地，所述分光棱镜G1还包括一反射面10和透光面11，所述透光面11和所述出光面S9及入光面S10垂直设置，所述反射面10与所述出光面S9和入光面S10呈一定角度设置，所述角度的选取范围为20°~70°，尤其是45°最佳。所述分光棱镜G1可以由相互连接的第一棱镜和第二棱镜组成，且第一棱镜与第二棱镜的连接面形成一斜面，在所述斜面上设置有分光膜（即形成所述反射面10），所述分光膜可以透射一部分光线，同时反射一部分光线，且所述分光膜的透光率可根据需要进行调整。
本发明提供的光学系统100搭载在近眼显示设备上时，通过调节显示屏G2与整个光学系统100在光轴上的位置，能够实现-8D（屈光度D，表示屈光力大小的单位）至+5D的屈光度调节，且所述光学系统在不同的屈光度下均具有较高的成像质量，能够满足不同近视或者远视程度用户的佩戴需求。
第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9和第十透镜L10可以均采用玻璃球面镜片，能够使系统具有更好的成像质量。
本发明第一实施例提供的光学系统100中各个镜片的相关参数如表1所示。
表1
请参照图2，所示为光学系统100的象散曲线图，图中横轴表示偏移量（单位：mm），纵轴表示视场角（单位：度）。从图中可以看出，不同波长的子午场曲和弧矢场曲均在±0.2mm以内，说明光学系统100的象散得到良好的校正。
请参照图3，所示为光学系统100的f-tanθ畸变曲线图，图中横轴表示畸变百分比，纵轴表示视场角（单位：度）。从图中可以看出，成像面上不同像高处的f-tanθ畸变控制在-2.2%以内且为负值，说明光学系统100的畸变得到良好的校正。
请参照图4，所示为光学系统100的垂轴色差曲线，图中横轴表示各波长相对中心波长的垂轴色差值（单位：微米），纵轴表示归一化视场角。从图中可以看出，最长波长和最短波长相对中心波长的垂轴色差控制在±40微米以内，说明该光学系统100能够有效地矫正边缘视场的像差以及整个像面的二级光谱。
第二实施例
本发明第二实施例提供的光学系统与第一实施例提供的光学系统100的结构大致相同，不同之处主要在于各透镜的曲率半径、厚度、材料选择不同。
请参照表2，所示为本发明第二实施例提供的光学系统中各个镜片的相关参数。
表 2
请参照图5，所示为光学系统的象散曲线图，从图中可以看出，不同波长的子午场曲和弧矢场曲均在±0.2mm以内，说明光学系统的象散得到良好的校正。
请参照图6，所示为光学系统的f-tanθ畸变曲线图，从图中可以看出，成像面上不同像高处的f-tanθ畸变控制在-2%以内且为负值，说明光学系统的畸变得到良好的校正。
请参照图7，所示为光学系统的垂轴色差曲线，从图中可以看出，最长波长和最短波长相对中心波长的垂轴色差控制在±45微米以内，说明该光学系统能够有效地矫正边缘视场的像差以及整个像面的二级光谱。
第三实施例
本发明第三实施例提供的光学系统与第一实施例提供的光学系统100的结构大致相同，不同之处主要在于，第五透镜的显示侧面S12为凹面，以及各透镜的曲率半径、厚度、材料选择不同。
请参照表3，所示为本发明第三实施例提供的光学系统中各个镜片的相关参数。
表3
请参照图8，所示为光学系统的象散曲线图，从图中可以看出，不同波长的子午场曲和弧矢场曲均在±0.2mm以内，说明光学系统的象散得到良好的校正。
请参照图9，所示为光学系统的f-tanθ畸变曲线图，从图中可以看出，成像面上不同像高处的f-tanθ畸变控制在-2.2%以内且为负值，说明光学系统的畸变得到良好的校正。
请参照图10，所示为光学系统的垂轴色差曲线，从图中可以看出，最长波长和最短波长相对中心波长的垂轴色差控制在±50微米以内，说明该光学系统能够有效地矫正边缘视场的像差以及整个像面的二级光谱。
请参照表4，所示是上述三个实施例提供的光学系统分别对应的光学特性，主要包括光学系统的视场角FOV、有效焦距f、出瞳距离ED、入瞳直径EPD、光学总长TTL（表示第一透镜的目侧面到显示屏在光轴上的距离）及半像高IH（表示显示屏显示区域的圆半径）等，以及与前述每个条件式对应的相关数值。
表4
综上，本发明提供的光学系统具有以下的优点：
（1）采用十个具有特定光焦度的镜片，并且各个透镜通过特定的表面形状搭配，使得光学系统具有较小的光学畸变以及较高的解像力（可匹配4K显示屏），从而提高了近眼显示设备的成像品质。
（2）本发明采用十片直通式的光学结构，不仅光效率高，而且具有较高的解像力，搭载在近眼显示设备上使用，有效提高用户的沉浸感，能够给用户带来更好的体验感。
（3）本发明通过调节显示屏与整个光学系统在光轴上的位置，能够实现较大范围的屈光度调节（-8D~+5D），且在不同屈光度下均具有较高的成像质量，能够满足不同近视或者远视程度用户的佩戴需求，同时具有较大的视场角（FOV最大可达92°）和较大的出瞳距离（ED最大可达15mm），能够给用户提供更好的体验感。
第四实施例
如图11所示，为本发明第四实施例提供的一种近眼显示设备400的结构示意图，所述近眼显示设备400包括一显示屏G2、上述任一实施例中的光学系统（例如光学系统100）、眼动追踪系统50。
所述显示屏G2用于发射光信号，所述光信号包括图像信息。优选地，所述显示屏G2可以为Micro LED、OLED、LCD、LCOS、M-OLED中的一种，在本实施例中显示屏G2可以采用4K的AM-OLED显示屏，能够为光学系统100提供高清晰的图像画面信息。
所述光学系统100位于用户眼睛20和所述显示屏G2之间，所述光学系统100设置于所述显示屏G2的出光方向上，且所述第十透镜L10相较于所述第一透镜L1更靠近所述显示屏G2设置，所述光学系统100用于对所述显示屏G2发出的光信号进行调制传输至人眼。所述光学系统100从人眼侧到显示屏侧依次包括：具有正光焦度的第一群组Q1、分光棱镜G1、具有正光焦度的第二群组Q2、具有正光焦度的第三群组Q3。所述分光棱镜G1包括入光面S10、出光面S9、反射面10以及透光面11；所述透光面11和所述出光面S9和入光面S10垂直设置，所述反射面10与所述出光面S9和入光面S10呈一定角度设置，所述角度的选取范围为20°~70°，尤其是45°最佳。例如，分光棱镜G1可以是两个等腰直角棱镜组成，即反射面10与出光面S9和入光面S10之间的夹角都为45°，此时分光棱镜G1为正方形的粘合体。在其他实施方式中，分光棱镜G1可以为长方形或者其它形状的粘合体，在此不做限制。
所述眼动追踪系统50包括红外成像系统30和红外光源40，所述红外成像系统30设置在所述分光棱镜G1的透光面11一侧；且所述红外成像系统30的光轴与所述光学系统100的光轴呈一定夹角，尤其以90°最佳。具体地，所述分光棱镜G1的反射面10将所述第一群组Q1内接收的人眼瞳孔信息进行转向，以使其入射进入所述红外成像系统30，搭配红外光源使用，可实现对用户眼睛的眼动追踪功能。
具体地，人眼的瞳孔信息经由所述第一群组Q1传递后，经由分光棱镜G1的反射面10进行转向，进入红外成像系统30，从而可以实时追踪到人眼瞳孔的位置信息，增强与所述近眼显示设备的交互性，可提高人眼注视点显示画面的质量，并有效降低设备功耗。
进一步地，所述分光棱镜G1可以由相互连接的第一棱镜和第二棱镜（如两个相同的等腰直角棱镜）组成，且第一棱镜与第二棱镜的连接面形成一斜面，在所述斜面上设置有分光膜（即形成所述反射面10），所述分光膜可以透射一部分光线，同时反射一部分光线，且所述分光膜的透光率可根据需要进行调整。当光线从显示屏侧到人眼侧传输时，也即光线从入光面S10向出光面S9传输，所述分光棱镜G1复用为平板玻璃。当光线从人眼侧向显示屏侧传输时，人眼瞳孔的光线信息从第一群组Q1经出光面S9进入分光棱镜G1内，经过反射面10的转折后形成出射光线，从透光面11射出进入红外成像系统30；也即光线进入分光棱镜G1后发生了90°的转折进入红外成像系统30，进而实现对用户的眼动追踪功能。因此光学系统100中第一群组Q1内的光路由分光棱镜G1重定向，可有效减小整个眼动追踪系统50在垂直于光轴方向的厚度，能够满足近眼显示设备的轻薄化发展需求，并提高显示画面的质量，降低设备功耗。在其他实施例中，分光棱镜G1也可以采用其它折反形式的棱镜结构，不限于此。
综上所述，在所近眼显示设备400中，所述光学系统的光线传输分为两个方向：一方面光线从显示屏侧到人眼侧方向传输（光路传输如图中实线OA所示），从显示屏G2发出的图像信息经所述光学系统100进入用户眼睛20成像，用户眼中可以观察到高清放大的虚像，具有极为逼真的感官体验。另一方面光线从人眼侧发出经由所述光学系统100的第一群组Q1传输并经分光棱镜G1转向（光路传输如图中虚线OB所示）进入红外成像系统30，所述光学系统100中的第一群组Q1搭配分光棱镜G1及红外成像系统30使用，可将人眼瞳孔的位置信息传递至眼动追踪系统50，可实时追踪到人眼瞳孔的位置信息，增强与所述近眼显示设备的交互性，可提高人眼注视点显示画面的质量，并有效降低设备功耗。
本实施例提供的近眼显示设备400包括光学系统，由于光学系统具有出瞳距离大、视场角大、光效率高、解像力高、屈光度可调的优点，具有该光学系统的近眼显示设备400也具有视场角大、光效率高、解像力高、屈光度可调的优点，使不同近视或者远视程度的用户佩戴均具有良好的感官体验；而且所述光学系统利用分光棱镜与红外成像系统搭配使用，可实现眼动追踪方案，可提高人眼注视点显示画面的质量，并有效降低设备功耗。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种光学系统，由三个具有光焦度的群组组成，其特征在于，所述光学系统从人眼侧到显示屏侧依次包括：
具有正光焦度的第一群组，所述第一群组从人眼侧到显示屏侧依次由第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜组成；
分光棱镜；
具有正光焦度的第二群组，所述第二群组从人眼侧到显示屏侧依次由第五透镜、第六透镜、第七透镜组成；
具有正光焦度的第三群组，所述第三群组从人眼侧到显示屏侧依次由第八透镜、第九透镜、第十透镜组成；
所述光学系统满足以下条件式：
-2<fQ1/f<-0.5；
-3.5<fQ2/f<-2；
-2<fQ3/f<-0.5；
-15mm<f<-10mm；
85°<FOV<100°；
其中，f表示所述光学系统的焦距，fQ1表示所述第一群组的焦距，fQ2表示所述第二群组的焦距，fQ3表示所述第三群组的焦距，FOV表示所述光学系统的最大视场角。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下条件式：
0.25<CT12/TTL<0.3；
其中，TTL表示所述光学系统的光学总长，CT12表示所述第一群组与所述第二群组在光轴上的间隔距离。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下条件式：
2<fQ2/fQ3<3；
其中，fQ2表示所述第二群组的焦距，fQ3表示所述第三群组的焦距。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下条件式：
-11<TTL/f<-8；
其中，f表示所述光学系统的焦距，TTL表示所述光学系统的光学总长。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下条件式：
13mm<ED<16mm；
4mm<EPD<6mm；
其中，ED表示所述光学系统的出瞳距离，EPD表示所述光学系统的入瞳直径。
6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一群组从人眼侧到显示屏侧依次包括：具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜、具有正光焦度的第三透镜、具有负光焦度的第四透镜，所述光学系统满足以下条件式：
0.3<f1/f2<1；
-0.5<f3/f4<-0.03；
其中，f1表示所述第一透镜的焦距，f2表示所述第二透镜的焦距，f3表示所述第三透镜的焦距，f4表示所述第四透镜的焦距。
7.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第二群组从人眼侧到显示屏侧依次包括：具有正光焦度的第五透镜、具有正光焦度的第六透镜、具有负光焦度的第七透镜；所述光学系统满足以下条件式：
0.1<f5/fQ2<1；
0.1<f6/fQ2<1；
-0.5<f7/fQ2<-0.05；
其中，f5表示所述第五透镜的焦距，f6表示所述第六透镜的焦距，f7表示所述第七透镜的焦距，fQ2表示所述第二群组的焦距。
8.根据权利要求7所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下条件式：
0.5<f5/f6<2；
-3<f6/f7<-1.5；
其中，f5表示所述第五透镜的焦距，f6表示所述第六透镜的焦距，f7表示所述第七透镜的焦距。
9.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第三群组从人眼侧到显示屏侧依次包括：具有正光焦度的第八透镜、具有正光焦度的第九透镜、具有负光焦度的第十透镜；所述光学系统满足以下条件式：
0.2<f8/fQ3<2；
1<f9/fQ3<2.5；
-1<f10/fQ3<-0.1；
其中，f8表示所述第八透镜的焦距，f9表示所述第九透镜的焦距，f10表示所述第十透镜的焦距。
10.一种近眼显示设备，其特征在于，包括：
显示屏，所述显示屏用于发射光信号，所述光信号包括图像信息；
如权利要求1-9任一项所述的光学系统，所述光学系统设置于所述显示屏的出光方向上，所述光学系统用于对所述显示屏发出的光信号进行调制传输至人眼；所述光学系统从人眼侧到显示屏侧依次包括：具有正光焦度的第一群组、分光棱镜、具有正光焦度的第二群组、具有正光焦度的第三群组；所述分光棱镜包括入光面、出光面、反射面以及透光面；以及
眼动追踪系统，所述眼动追踪系统包括红外成像系统，所述红外成像系统设置在所述分光棱镜的透光面一侧；所述分光棱镜将所述第一群组内接收的人眼瞳孔信息进行转向，以使其入射进入所述红外成像系统。
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