CN117170102A - 近眼光学系统以及头戴显示设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种近眼光学系统以及头戴显示设备；所述近眼光学系统包括沿同一光轴依次设置的第一成像元件及第二成像元件；所述第一成像元件包括至少一个镜片；所述第二成像元件包括第二镜片和第三镜片，以及依次设置在所述第二镜片与所述第三镜片之间的分光元件、第一相位延迟器及偏振反射元件；其中，所述第三镜片远离所述第二镜片的表面的光焦度为φ₁，其靠近所述第二镜片的表面的光焦度为φ₂，所述第二镜片靠近所述第一成像元件的表面的光焦度为φ₃，则φ₁、φ₂及φ₃之间满足：‑1＜φ₁/(φ₂+φ₃)＜0。本申请实施例提供的近眼光学系统，在一定的视场角下，实现了低色差及低畸变的光学成像效果。

Description

近眼光学系统以及头戴显示设备

技术领域

本申请实施例涉及光学显示技术领域，更具体地，本申请实施例涉及一种近眼光学系统以及头戴显示设备。

背景技术

VR技术对内部的光学系统的色差及畸变的要求比较高。在现有的技术中提供了软件预矫正，以此来实现对光学系统的色差及畸变的改善。但是，在实际应用中却发现，提供软件预矫正会增加整个光学系统的功耗，尤其是当视场角度比较大的情况下，在不进行软件预矫正的前提下，对光学系统的光学性能的要求就会更加严格，从而增加的生产难度及成本。

发明内容

本申请的目的是提供一种近眼光学系统以及头戴显示设备的新技术方案，能够在较大的视场下，实现低色差及低畸变的光学成像效果。

第一方面，本申请提供了一种近眼光学系统。所述近眼光学系统包括沿同一光轴依次设置的第一成像元件及第二成像元件；

所述第一成像元件包括至少一个镜片；

所述第二成像元件包括第二镜片和第三镜片，以及依次设置在所述第二镜片与所述第三镜片之间的分光元件、第一相位延迟器及偏振反射元件；

其中，所述第三镜片远离所述第二镜片的表面的光焦度为φ₁、靠近所述第二镜片的表面的光焦度为φ₂，所述第二镜片靠近所述第一成像元件的表面的光焦度为φ₃，则φ₁、φ₂及φ₃之间满足：-1＜φ₁/(φ₂+φ₃)＜0。

可选地，所述第三镜片远离所述第二镜片的表面的半径为R₁、靠近所述第二镜片的表面的半径为R₂；

所述第二镜片靠近所述第三镜片的表面的半径为R₃、靠近所述第一成像元件的表面的半径为R₄；

所述R₁、所述R₂、所述R₃及所述R₄之间满足{(R₁-R₂)/(R₃-R₄)}²≤10。

可选地，所述第一成像元件包括第一镜片；

所述第一镜片上最薄位置具有第一厚度值T_min，所述第一镜片上最厚位置具有第二厚度值T_max，所述第一厚度值T_min与所述第二厚度值T_max之间满足：0.03≤|T_min-T_max|/T_max＜1。

可选地，所述第一镜片的任一表面的半径为R，所述第二镜片靠近所述第一成像元件的表面的半径为R₄，则R与R₄满足：20<│R₄│+│R│<100。

可选地，所述近眼光学系统还包括显示器，所述显示器位于所述第一成像元件远离所述第二成像元件的一侧。

可选地，所述偏振反射元件设置在所述第三镜片靠近所述显示器的表面，且所述第三镜片远离所述显示器的表面为凹面。

可选地，所述分光元件设于所述第二镜片靠近所述显示器的表面，所述第一相位延迟器与所述偏振反射元件叠设并设置于所述第三镜片靠近所述显示器的表面。

可选地，所述近眼光学系统还包括第一偏振元件，所述第一偏振元件位于所述第二成像元件中，且所述第一偏振元件与所述偏振反射元件和所述分光元件叠设形成复合膜材，所述偏振反射元件位于所述第一偏振元件与所述第一相位延迟器之间。

可选地，所述分光元件设于所述第二镜片靠近所述显示器的表面，所述第一相位延迟器设于所述第二镜片远离所述显示器的表面，所述偏振反射元件设于所述第三镜片靠近所述显示器的表面。

可选地，所述近眼光学系统还包括第一偏振元件，所述第一偏振元件位于所述第二成像元件中，且所述第一偏振元件与所述偏振反射元件为叠设。

可选地，所述显示器被配置为能够发射圆偏振光或者自然光；

当所述显示器发射的光线为自然光时，所述显示器与所述第一成像元件之间设置有叠合元件，能够用以将自然光转变为圆偏振光，所述叠合元件包括第二偏振元件及第二相位延迟器。

可选地，所述近眼光学系统的畸变绝对值小于3％、最大色差值小于70μm。

可选地，所述第一成像元件包括至少一个镜片，且所述第一成像元件至少包括一个反曲面。

可选地，所述第一镜片的至少一个表面为反曲面。

可选地，所述反曲面满足：D₂/D₁＜1且H₁/H₂＜1；其中，D₁为反曲面的最大半口径，D₂为反曲面产生反曲点的位置到镜片中心的距离，H₁为反曲面的最小矢高，H₂为反曲面的最大矢高。

可选地，所述近眼光学系统的总光焦度为φ，且0≤φ≤0.6；

所述近眼光学系统中非折叠光路的镜片包括第一镜片及第三镜片；

所述第一镜片与所述第三镜片形成的组合光焦度为φ₁₃，则φ₁₃与φ之间满足：0.01≤φ₁₃/φ≤0.2。

第二方面，本申请提供了一种头戴显示设备。所述头戴显示设备包括：

壳体；以及

如第一方面所述的近眼光学系统。

本申请的有益效果为：

根据本申请实施例提供的近眼光学系统，通过新的光学架构，尤其是对位于近光阑一侧的第二成像元件进行全新的光学参数设计，可以保证在较大视场的前提下，实现近眼光学系统低色差及低畸变的光学成像效果，从而能够提升近眼光学系统的光学性能。

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为本申请实施例提供的近眼光学系统的结构示意图之一；

图2为在近眼光学系统中引入形成折叠光路的光学元件的一种实施例示意图；

图3为图1提供的近眼光学系统的点阵列图；

图4为图1提供的近眼光学系统的调制传递函数MTF图；

图5为图1提供的近眼光学系统的场曲和畸变图；

图6为图1提供的近眼光学系统的垂轴色差图；

图7为在近眼光学系统中引入形成折叠光路的光学元件的另一种实施例示意图；

图8为本申请实施例提供的近眼光学系统的结构示意图之二；

图9为图8提供的近眼光学系统的点阵列图；

图10为图8提供的近眼光学系统的调制传递函数MTF图；

图11为图8提供的近眼光学系统的场曲和畸变图；

图12为图8提供的近眼光学系统的垂轴色差图；

图13为本申请实施例提供的近眼光学系统的结构示意图之三；

图14为图13提供的近眼光学系统的点阵列图；

图15为图13提供的近眼光学系统的调制传递函数MTF图；

图16为图13提供的近眼光学系统的场曲和畸变图；

图17为图13提供的近眼光学系统的垂轴色差图；

图18为本申请实施例提供的近眼光学系统的结构示意图之四；

图19为图18提供的近眼光学系统的点阵列图；

图20为图18提供的近眼光学系统的调制传递函数MTF图；

图21为图18提供的近眼光学系统的场曲和畸变图；

图22为图18提供的近眼光学系统的垂轴色差图；

图23为本申请实施例提供的近眼光学系统中的反曲面的示意图。

附图标记说明：

01、光阑；1、显示器；2、屏幕保护元件；3、第一镜片；31、第一表面；32、第二表面；4、第二镜片；41、第三表面；42、第四表面；5、第三镜片；51、第五表面；52、第六表面；6、分光元件；7、第一相位延迟器；8、偏振反射元件；9、第一偏振元件；10、抗反射元件；11、第四镜片；111、第七表面；112、第八表面。

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。

下面结合附图，对本申请实施例提供的近眼光学系统以及头戴显示设备进行详细地描述。

根据本申请实施例的一个方面，提供了一种近眼光学系统，所述近眼光学系统可用于虚拟现实显示设备，例如VR头戴显示设备。具体地，所述VR头戴显示设备包括VR智能眼镜或者VR智能头盔等，本申请实施例对头戴显示设备的具体形式对此不做限制。

本申请实施例提出的近眼光学系统，参见图1，所述近眼光学系统包括沿同一光轴依次设置的第一成像元件及第二成像元件。所述第一成像元件包括至少一个镜片。所述第二成像元件包括第二镜片4和第三镜片5，以及依次设置在所述第二镜片4与所述第三镜片5之间的分光元件6、第一相位延迟器7及偏振反射元件8；其中，所述第三镜片5远离所述第二镜片4的表面的光焦度为φ₁、靠近所述第二镜片4的表面的光焦度为φ₂，所述第二镜片4靠近所述第一成像元件的表面的光焦度为φ₃，则φ₁、φ₂及φ₃之间满足：-1＜φ₁/(φ₂+φ₃)＜0。

根据上述实施例提供的近眼光学系统，从整体的光学架构来看，其包括沿同一光轴间隔设置的第一成像元件及第二成像元件，其中，所述第一成像元件例如位于靠近屏的一侧，所述第一成像元件中需要包含至少一个镜片；同时，所述第二成像元件位于靠近光阑01的一侧，所述第二成像元件中需要包含两个镜片。也就是说，整个近眼光学系统中需要使用至少三个镜片。

例如，在所述近眼光学系统中也可以使用四片镜片，此时，多增加的一片镜片可以设置在所述第一成像元件中，参见图18，具体可以位于所述第一镜片3背离所述第二镜片4的一侧。也即，所述第一成像元件中也可以采用两片镜片。

需要说明的是，本申请实施例提供的近眼光学系统中至少要使用三片镜片。但在实际应用中，可以根据具体需要增加镜片的数量。

随着镜片数量的增加可以提升成像效果，同时可以适当的减小系统的光学总长，但可能会使整个近眼光学系统的重量及生产成本有所增加。

作为本申请一种优选方案，所述近眼光学系统中可以使用三片镜片。此时，近眼光学系统的光学性能较佳。

根据本申请实施例提供的近眼光学系统，其为一种折叠光路结构，在近光阑01的一侧设有第二成像元件，并在所述第二成像元件中引入了用于形成折叠光路的多个光学元件例如上述的分光元件6、第一相位延迟器7及偏振反射元件8。

具体而言，参见图1，在所述第二成像元件中，所述第三镜片5为靠近光阑01的镜片，所述第二镜片4为远离光阑01的镜片，所述分光元件6、所述第一相位延迟器7及所述偏振反射元件8布设在所述第二镜片4与所述第三镜片5形成的光路之间，且所述第一相位延迟器7要处于所述分光元件6与所述偏振反射元件8之间。在该光学结构中，所述第三镜片5远离所述第二镜片4的表面(可参见图1中示出的第六表面52)的光焦度为φ₁，所述第三镜片5靠近所述第二镜片4的表面(可参见图1中示出的第五表面51)的光焦度为φ₂，所述第二镜片4靠近所述第一成像元件的表面(可参见图1中示出的第三表面41)的光焦度为φ₃，本申请实施例提供的方案中设计了上述的三个光焦度φ₁、φ₂及φ₃之间满足：-1＜φ₁/(φ₂+φ₃)＜0。在此基础上，可以在保证一定的视场角的情况下，使得近眼光学系统具有低色差及低畸变的光学性能。

本申请上述实施例提供的近眼光学系统，基于折叠光路的光学架构，使得近眼光学系统具有小体积的优势，能够实现使用该近眼光学系统的虚拟现实显示设备(VR设备)的轻薄化设计，这更加适合用户佩戴使用，可提升佩戴的舒适性，长时间佩戴也不会有疲劳感。更值得一提的是，本申请中基于对折叠光路中两个镜片参数的新设计，可以提升成像的光学性能。

本申请实施例提供的近眼光学系统，其为一种折叠光路，除包含有用于成像的至少三个镜片之外，所述近眼光学系统中还包含有分光元件6、第一相位延迟器7及偏振反射元件8等用于形成折叠光路的光学器件。

上述的这些光学器件的通常形式为膜材，可用以在所述第二成像元件内形成折叠光路，使光线在其中进行折返，用以延长光线的传播路径，这利于最终的清晰成像。

其中，所述分光元件6例如为半透半反射膜。

需要说明的是，所述分光元件6的反射率及透射率可以根据具体需要灵活调整，本申请实施例中对此不作限制。

其中，所述第一相位延迟器7例如为四分之一波片。

当然，这里的所述第一相位延迟器7也可根据需要设置为其他相位延迟片如半波片等。

本申请实施例提供的近眼光学系统中，参见图1，所述第一相位延迟器7位于靠近光阑01一侧的第二成像元件中，其可用于改变光线的偏振状态。例如，用于将线偏振光转化为圆偏振光，或将圆偏振光转化为线偏振光。

其中，所述偏振反射元件8例如为线偏振器，其为一种水平线偏振光反射，竖直线偏振光透过的偏振反射器，或者其他任一特定角度线偏振光反射，与该角度垂直方向线偏振光透过的偏振反射器。

根据本申请实施例提供的近眼光学系统，该近眼光学系统通过新的光学架构，尤其是对近光阑01一侧的第二成像元件进行全新的光学参数设计，可以保证在一定视场的前提下，实现低色差及低畸变的光学成像效果，从而能够提升整个近眼光学系统的光学性能。

本申请中较大的视场范围例如为50°～80°。

在本申请的一些示例中，参见图1，所述第三镜片5远离所述第二镜片4的表面的半径为R₁，且靠近所述第二镜片4的表面的半径为R₂。所述第二镜片4靠近所述第三镜片5的表面的半径为R₃，且其靠近所述第一成像元件的表面的半径为R₄。在此基础上，上述的R₁、R₂、R₃及R₄之间满足该关系：{(R₁-R₂)/(R₃-R₄)}²≤10。

参见图1，所述第三镜片5远离所述第二镜片4的表面定义为第六表面52，所述第三镜片5靠近所述第二镜片4的表面定义为第五表面51；所述第二镜片4靠近所述第三镜片5的表面定义为第四表面42，所述第二镜片4靠近所述第一成像元件的表面定义为第三表面41。

根据上述示例，通过对所述第二成像元件中两个镜片的径向尺寸的合理约束，可以保证在较大视场例如50°～80°的前提下，有效地减小近眼光学系统的色差。这就实现了近眼光学系统非常重要的功能，那就是在近眼成像中尽量的减小色差、甚至消除色差，从而使得用户在使用近眼光学系统观看图像时，能够使形成的图像在任何位置观察时都非常的清晰。

在本申请的一些示例中，参见图1，所述第一成像元件包括第一镜片3；所述第一镜片3上最薄位置具有第一厚度值T_min，所述第一镜片3上最厚位置具有第二厚度值T_max，所述第一厚度值T_min与所述第二厚度值T_max之间满足：0.03≤|T_min-T_max|/T_max＜1。

根据上述示例，参见图1，所述第一成像元件位于近屏侧，当其中仅使用一个镜片的情况下，也即在近屏侧仅设置单个第一镜片3，此时，所述第一镜片3整个口径最薄处与最厚处的差异与最厚处的比值a满足的关系：0.03≤a＜1，其中，a＝|T_min-T_max|/T_max，该光学参数设计可以在一定程度上减少近眼光学系统的场曲及畸变，可以更好的实现近眼光学系统的功能。该光学参数同时可以约束所述第一镜片3的厚度。也就是说，在保证所述第一镜片3具有适宜厚度的情况下，实现了提升近眼光学系统的光学性能。

在本申请的一些示例中，参见图1，所述第一镜片3的任一表面的半径为R，所述第二镜片4靠近所述第一成像元件的表面的半径为R₄，则R与R₄满足：20<│R₄│+│R│<100。

根据上述示例，所述第一镜片3包括两个表面，通过约束所述第一镜片3的任一个表面的半径R，及所述第二镜片4靠近所述第一镜片3的一个表面的半径R₄，使得R与R₄之间满足上述示例中的关系，可以实现在提升成像质量的同时，降低近眼光学系统的公差敏感度，从而可以降低整个近眼光学系统的加工难度。

在本申请的一些示例中，参见图1，所述近眼光学系统还包括显示器1，所述显示器1位于所述第一成像元件远离所述第二成像元件的一侧。

在所述近眼显示系统中，所述显示器1能发出用于成像显示的光线。

其中，所述显示器1例如可以发出多种不同波段的光线，可以在所述光阑01的位置形成彩色图像。

可选的是，所述显示器1的发光面上设置有屏幕保护元件2。所述屏幕保护元件2可以对所述显示器1进行有效的保护。

在本申请的一些示例中，参见图1、图2及图7，所述偏振反射元件8设置在所述第三镜片5靠近所述显示器1的表面，且所述第三镜片5远离所述显示器1的表面为凹面。

根据上述示例，用于形成折叠光路的偏振反射元件8设置在近光阑01一侧的第三镜片5上，具体为，设置在所述第三镜片5靠近所述显示器1的表面即第五表面51上，参见图1，所述第五表面51形成了所述第三镜片5的反射面，同时可以将所述第三镜片5的第六表面52设计为凹面，这样提供负的光焦度，能够在保证光学性能的前提下更加提升镜片的工艺实现性。

需要说明的是，在所述近眼光学系统中，镜片的使用数量包括但不限于三片。增加的镜片可以放在所述第一成像元件中。例如位于所述第一镜片3与所述显示器1之间，可参见图18中示出的第四镜片11。适当的增加镜片的数量，利于提升光学性能。

在本申请的一些示例中，参见图1及图2，所述分光元件6设于所述第二镜片4靠近所述显示器1的表面，所述第一相位延迟器7与所述偏振反射元件8叠设并设置于所述第三镜片5靠近所述显示器1的表面。

其中，所述分光元件6例如为四分之一波片，其可以直接贴装或镀附在所述第二镜片4靠近所述显示器1的表面(图1中示出的第三表面41)上。所述第一相位延迟器7及所述偏振反射元件8二者叠设在一起，并设于所述第三镜片5靠近靠近所述显示器1的表面(图1中示出的第五表面51)上。无需在光学架构中引入单独的平板支撑件去支撑上述的光学元件。

其中，所述偏振反射元件8的反射方向与所述第一相位延迟器7的快轴或慢轴夹角为45°，能够将左旋圆偏振光转换为所述偏振反射元件8反射方向的线偏振光。

根据上述示例，将所述偏振反射元件8与所述第一相位延迟器7设于所述第一镜片3的同一侧，利于降低装配工艺难度。

可选的是，参见图2，所述近眼光学系统还包括第一偏振元件9，所述第一偏振元件9位于所述第二成像元件中，且所述第一偏振元件9与所述偏振反射元件8和所述分光元件6叠设形成复合膜材，所述偏振反射元件8位于所述第一偏振元件9与所述第一相位延迟器7之间。

也就是说，所述第一偏振元件9与所述偏振反射元件8透射方向一致，所述第一偏振元件9的使用可用于减少鬼像、杂散光。

可选的是，在所述复合膜材中还可以引入抗反射元件10，参见图2，所述抗反射元件10位于所述第一相位延迟器7背离所述偏振反射元件8的表面上。

在本申请的一些示例中，参见图1及图7，所述分光元件6设于所述第二镜片4靠近所述显示器1的表面，所述第一相位延迟器7设于所述第二镜片4远离所述显示器1的表面，所述偏振反射元件8设于所述第三镜片5靠近所述显示器1的表面。

根据上述示例，与图2中示出的装配方式不同，参见图7，图7中展示是将所述第一相位延迟器7与所述偏振反射元件8分开，这样，所述第一相位延迟器7及所述偏振反射元件8分别贴装在所述第二镜片4和所述第三镜片5上。该设计可以减小光线入射至所述偏振反射元件8的入射角度，这利于提升近眼光学系统在整个视场内的成像清晰度。

可选的是，参见图7，所述近眼光学系统还包括第一偏振元件9，所述第一偏振元件9位于所述第二成像元件中，且所述第一偏振元件9与所述偏振反射元件8为叠设。

可选的是，参见图7，当所述第一相位延迟器7与所述偏振反射元件8分开设置时，可以在所述第一相位延迟器7的一侧引入抗反射元件10，此时，所述第一相位延迟器7与所述抗反射元件10共同设置在所述第二镜片4远离所述显示器1的表面上。

在本申请的一些示例中，所述显示器1被配置为能够发射圆偏振光或者自然光；当所述显示器1发射的光线为自然光时，所述显示器1与所述第一成像元件之间设置有叠合元件，能够用以将自然光转变为圆偏振光，所述叠合元件包括第二偏振元件及第二相位延迟器。

其中，所述叠合元件主要用于将入射至所述第一成像元件中光线形成圆偏振光。本申请中将叠合元件直接设置在所述显示器1的发光面上，使得所述显示器1可以直接发出圆偏振光。

在本申请的一些示例中，所述近眼光学系统的畸变绝对值小于3％、最大色差值小于70μm。

也就是说，本申请实施例提供的近眼光学系统具有低色差、低畸变的光学性能。

在本申请的一些示例中，参见图1，所述第一成像元件包括至少一个镜片，且所述第一成像元件至少包括一个反曲面。

所述第一成像元件位于靠近所述显示器1的一侧，所述第一成像元件中包括一个或多个镜片，其中至少有一个镜片具有一个反曲面。也即整个第一成像元件中包括至少一个反曲面。根据本申请实施例提供的光学架构，在所述第一成像元件中引入至少一个反曲面的设计，可以改善高阶像差，从而可以提升光学性能。

在本申请的一些示例中，参见图1，所述第一成像元件包括第一镜片3，所述第一镜片3的至少一个表面为反曲面。

在本申请的一些示例中，参见图23，所述反曲面满足：D₂/D₁＜1且H₁/H₂＜1；其中，D₁为反曲面的最大半口径，D₂为反曲面产生反曲点的位置到镜片中心的距离，H₁为反曲面的最小矢高，H₂为反曲面的最大矢高。

根据上述示例，当在所述第一成像元件中引入具有反曲面的镜片时，通过进一步约束反曲面的形状，可以进一步改善近眼光学系统的像差，提升近眼光学系统的光学成像性能。

在本申请的一些示例中，参见图1，所述近眼光学系统的总光焦度为φ，0≤φ≤0.6；所述近眼光学系统中非折叠光路的镜片包括第一镜片3及第三镜片5；所述第一镜片3与所述第三镜片5形成的组合光焦度为φ₁₃，则φ₁₃与φ之间满足：0.01≤φ₁₃/φ≤0.2。

根据本申请实施例提供的近眼光学系统，当如图1及图2示出的光学结构，其在使用三片镜片的情况下，位于两侧的第一镜片3及第三镜片5例如位于折叠光路外，此时通过约束二者的组合光焦度与整个系统的光焦度之间的关系，可以减少镜片表面光线的入射角度，提升透过率，从而提升成像清晰度。

参见图1，所述近眼光学系统的光线传播过程如下：

经所述显示器1发出的光线为圆偏振光，经过所述第一镜片3、所述第二镜片4透射，经过所述第三镜片5的第五表面51上的第一相位延迟器7变成线偏振光(S光)，经过所述偏振反射元件8反射，再次经过所述第一相位延迟器7变成圆偏振光，经过所述第二镜片4的第三表面41反射，之后经过所述第一相位延迟器7变成线偏振光(P光)，之后经过所述第三镜片5透射，打入光阑01形成画面。

根据本申请实施例提供的近眼光学系统，参见图1、图8及图13，其中至少包括三个镜片，例如：第一镜片3、第二镜片4及第五镜片5。

可选的是，所述近眼光学系统中包含的各光学镜片采用的材料折射率n范围为：1.4<n<2.0，色散系数v范围为20<v<75。

例如，所述第一镜片3的折射率n₁为1.54，色散系数v₁为56.3。所述第二镜片4的折射率n₂为1.54，色散系数v₂为56.3。所述第三镜片5的折射率n₃为1.54，色散系数v₃为55.7。

例如，所述第一镜片3的中心厚度T₁为：1mm≤T₁≤8mm。

所述第一镜片3包含两个光学面，即靠近所述显示器1的第一表面31及远离所述显示器1的第二表面32，所述第一表面31及所述第二表面32均非球面。其中，可以在所述第一表面31及所述第二表面32上可以均设置抗反射膜层。

例如，所述第二镜片4的中心厚度T₂为：1mm≤T₂≤10mm。

所述第二镜片4包含两个光学面，即靠近所述显示器1的第三表面41及远离所述显示器1的第四表面42。所述第三表面41及所述第四表面42为非球面。其中，可以在所述第三表面41上设置分光元件6即半透射半反射膜。所述第四表面42为平面或非球面，可以在在所述第四表面42上设置抗反射膜层。

例如，所述第三镜片5的中心厚度T₃为：1mm≤T₃≤6mm。

所述第三镜片5包含两个光学面，即靠近所述显示器1的第五表面51及远离所述显示器1的第六表面52。所述第五表面51及所述第六表面52可以为非球面。其中，可以在第五表面51上设置如图2所示的复合膜材，包括抗反射元件10，第一相位延迟器7(四分之一波片)，偏振反射元件8(透P光反S光)及第一偏振元件9(透P光)，可以减少杂散光。还可以在所述第六表面52设置有抗反射膜层。

以下通过四个实施例对本申请实施例提供的近眼光学系统进行更具体的说明。其中，实施例1至实施例3示出的近眼光学系统均使用了三片镜片，而实施例4示出的近眼光学系统中使用了四片镜片。

实施例1

参见图1及图2，所述近眼光学系统包括沿同一光轴依次设置的显示器1、第一成像元件及第二成像元件；其中，所述第一成像元件具有第一镜片3，所述第二成像元件包括第二镜片4和第三镜片5，以及分光元件6、第一相位延迟器7及偏振反射元件8；

所述分光元件6设于所述第二镜片4的第三表面41上，所述所述第一相位延迟器7、所述偏振反射元件8与第一偏振元件9叠设并设置于所述第三镜片5的第五表面51上，所述第六表面52为凹面。

表1示出了近眼光学系统的光学参数，具体如下。

表1

针对上述实施例1提供的近眼光学系统，其光学性能可如图3至图6所示：图3是近眼光学系统的点列图示意图，图4是近眼光学系统的MTF曲线图，图5是近眼光学系统的场曲畸变图，图6是近眼光学系统的垂轴色差图。

点列图是指由一点发射出的许多光线经近眼光学系统之后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，可用于评价近眼光学系统的成像质量。参见图3所示，所述点列图中像点的最大值小于11μm。

MTF曲线图是调制传递函数图，通过黑白线对的对比度表征近眼光学系统的成像清晰度。参见图4所示，中心MTF在40lp/mm下>0.3，成像清晰。

参见图5，畸变最大发生在1视场，绝对值小于3％。

垂轴色差又称为倍率色差，主要是指物方的一根复色主光线，因折射系统存在色散，在像方出射时变成多根光线，蓝光与红光在像面上的焦点位置的差值。参见图6所示，近眼光学系统的最大色差值小于16μm。

实施例2

参见图7及图8，本实施例2与上述实施例1的不同之处在于：

所述分光元件6设于所述第二镜片4的第三表面41上，所述所述第一相位延迟器7设于所述第二镜片4的第四表面42上，所述偏振反射元件8与第一偏振元件9叠设并设置于所述第三镜片5的第五表面51上。

表2示出了近眼光学系统的光学参数，具体如下。

表2

针对本实施例2提供的近眼光学系统，其光学性能可如图9至图12所示：图9是近眼光学系统的点列图示意图，图10是近眼光学系统的MTF曲线图，图11是近眼光学系统的场曲畸变图，图12是近眼光学系统的垂轴色差图。

点列图是指由一点发射出的许多光线经近眼光学系统之后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，可用于评价近眼光学系统的成像质量。参见图9所示，所述点列图中像点的最大值小于16μm。

MTF曲线图是调制传递函数图，通过黑白线对的对比度表征近眼光学系统的成像清晰度。参见图10所示，中心MTF在40lp/mm下>0.2，成像清晰。

参见图11，畸变最大发生在1视场，绝对值小于3％。

垂轴色差又称为倍率色差，主要是指物方的一根复色主光线，因折射系统存在色散，在像方出射时变成多根光线，蓝光与红光在像面上的焦点位置的差值。参见图12所示，近眼光学系统的最大色差值小于16μm。

实施例3

参见图13，展示了本实施例3提供的近眼光学系统，其与实施例1示出的近眼光学系统不同之处在于光学元件的参数。

表3示出了近眼光学系统的光学参数，具体如下。

表3

针对本实施例3提供的近眼光学系统，其光学性能可如图14至图17所示：图13是近眼光学系统的点列图示意图，图14是近眼光学系统的MTF曲线图，图15是近眼光学系统的场曲畸变图，图16是近眼光学系统的垂轴色差图。

点列图是指由一点发射出的许多光线经近眼光学系统之后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，可用于评价近眼光学系统的成像质量。参见图14所示，所述点列图中像点的最大值小于14μm。

MTF曲线图是调制传递函数图，通过黑白线对的对比度表征近眼光学系统的成像清晰度。参见图15所示，中心MTF在40lp/mm下>0.4，成像清晰。

参见图16，畸变最大发生在1视场，绝对值小于3％。

垂轴色差又称为倍率色差，主要是指物方的一根复色主光线，因折射系统存在色散，在像方出射时变成多根光线，蓝光与红光在像面上的焦点位置的差值。参见图17所示，近眼光学系统的最大色差值小于16μm。

实施例4

参见图18，展示了本实施例4提供的近眼光学系统，与实施例1示出的近眼光学系统不同之处在于，在所述显示器1与所述第一镜片3之间增加了一个镜片，也即图18中展示的第四镜片11。也就是说，本实施例4提供的近眼光学系统中使用了四片镜片。

根据前述的实施例1～实施例3，以及本实施例4，需要说明的是，本申请实施例提供的近眼光学系统中至少使用三片镜片。当然，可以根据具体需求增加镜片的数量，整个近眼光学系统中只要保证最少使用三片镜片即可，增加的镜片数量可以不受限制，在此不在一一举例说明。

表4示出了近眼光学系统的光学参数，具体如下。

表4

针对本实施例4提供的近眼光学系统，其光学性能可如图19至图22所示：图19是近眼光学系统的点列图示意图，图20是近眼光学系统的MTF曲线图，图21是近眼光学系统的场曲畸变图，图22是近眼光学系统的垂轴色差图。

点列图是指由一点发射出的许多光线经近眼光学系统之后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，可用于评价近眼光学系统的成像质量。参见图19所示，所述点列图中像点的最大值小于11μm。

MTF曲线图是调制传递函数图，通过黑白线对的对比度表征近眼光学系统的成像清晰度。参见图20所示，中心MTF在40lp/mm下>0.6，成像清晰。

参见图21，畸变最大发生在1视场，绝对值小于3％。

垂轴色差又称为倍率色差，主要是指物方的一根复色主光线，因折射系统存在色散，在像方出射时变成多根光线，蓝光与红光在像面上的焦点位置的差值。参见图22所示，近眼光学系统的最大色差值小于16μm。

根据本申请的另一个实施例，提供了一种头戴显示设备。

所述头戴显示设备包括壳体以及如上所述的近眼光学系统。

其中，所述头戴显示设备的形式可以为VR眼镜或者VR头盔，本申请实施例中对此不做限制。

本申请实施例的头戴显示设备的具体实施方式可以参照上述近眼光学系统各实施例，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

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申请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，而不是为了限制本申请的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本申请的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本申请的范围由所附权利要求来限定。

Claims (17)

1.一种近眼光学系统，其特征在于，包括沿同一光轴依次设置的第一成像元件及第二成像元件；

所述第一成像元件包括至少一个镜片；

所述第二成像元件包括第二镜片(4)和第三镜片(5)，以及依次设置在所述第二镜片(4)与所述第三镜片(5)之间的分光元件(6)、第一相位延迟器(7)及偏振反射元件(8)；

其中，所述第三镜片(5)远离所述第二镜片(4)的表面的光焦度为φ₁、靠近所述第二镜片(4)的表面的光焦度为φ₂，所述第二镜片(4)靠近所述第一成像元件的表面的光焦度为φ₃，则φ₁、φ₂及φ₃之间满足：-1＜φ₁/(φ₂+φ₃)＜0。

2.根据权利要求1所述的近眼光学系统，其特征在于，所述第三镜片(5)远离所述第二镜片(4)的表面的半径为R₁、靠近所述第二镜片(4)的表面的半径为R₂；

所述第二镜片(4)靠近所述第三镜片(5)的表面的半径为R₃、靠近所述第一成像元件的表面的半径为R₄；

所述R₁、所述R₂、所述R₃及所述R₄之间满足{(R₁-R₂)/(R₃-R₄)}²≤10。

3.根据权利要求1或2所述的近眼光学系统，其特征在于，所述第一成像元件包括第一镜片(3)；

所述第一镜片(3)上最薄位置具有第一厚度值T_min，所述第一镜片(3)上最厚位置具有第二厚度值T_max，所述第一厚度值T_min与所述第二厚度值T_max之间满足：0.03≤|T_min-T_max|/T_max＜1。

4.根据权利要求3所述的近眼光学系统，其特征在于，所述第一镜片(3)的任一表面的半径为R，所述第二镜片(4)靠近所述第一成像元件的表面的半径为R₄，则R与R₄满足：20<│R₄│+│R│<100。

5.根据权利要求4所述的近眼光学系统，其特征在于，所述近眼光学系统还包括显示器(1)，所述显示器(1)位于所述第一成像元件远离所述第二成像元件的一侧。

6.根据权利要求5所述的近眼光学系统，其特征在于，所述偏振反射元件(8)设置在所述第三镜片(5)靠近所述显示器(1)的表面，且所述第三镜片(5)远离所述显示器(1)的表面为凹面。

7.根据权利要求6所述的近眼光学系统，其特征在于，所述分光元件(6)设于所述第二镜片(4)靠近所述显示器(1)的表面，所述第一相位延迟器(7)与所述偏振反射元件(8)叠设并设置于所述第三镜片(5)靠近所述显示器(1)的表面。

8.根据权利要求7所述的近眼光学系统，其特征在于，所述近眼光学系统还包括第一偏振元件(9)，所述第一偏振元件(9)位于所述第二成像元件中，且所述第一偏振元件(9)与所述偏振反射元件(8)和所述分光元件(6)叠设形成复合膜材，所述偏振反射元件(8)位于所述第一偏振元件(9)与所述第一相位延迟器(7)之间。

9.根据权利要求6所述的近眼光学系统，其特征在于，所述分光元件(6)设于所述第二镜片(4)靠近所述显示器(1)的表面，所述第一相位延迟器(7)设于所述第二镜片(4)远离所述显示器(1)的表面，所述偏振反射元件(8)设于所述第三镜片(5)靠近所述显示器(1)的表面。

10.根据权利要求9所述的近眼光学系统，其特征在于，所述近眼光学系统还包括第一偏振元件(9)，所述第一偏振元件(9)位于所述第二成像元件中，且所述第一偏振元件(9)与所述偏振反射元件(8)为叠设。

11.根据权利要求5所述的近眼光学系统，其特征在于，所述显示器(1)被配置为能够发射圆偏振光或者自然光；

当所述显示器(1)发射的光线为自然光时，所述显示器(1)与所述第一成像元件之间设置有叠合元件，能够用以将自然光转变为圆偏振光，所述叠合元件包括第二偏振元件及第二相位延迟器。

12.根据权利要求1所述的近眼光学系统，其特征在于，所述近眼光学系统的畸变绝对值小于3％、最大色差值小于70μm。

13.根据权利要求1所述的近眼光学系统，其特征在于，所述第一成像元件包括至少一个镜片，且所述第一成像元件至少包括一个反曲面。

14.根据权利要求3所述的近眼光学系统，其特征在于，所述第一镜片(3)的至少一个表面为反曲面。

15.根据权利要求13或14所述的近眼光学系统，其特征在于，所述反曲面满足：D₂/D₁＜1且H₁/H₂＜1；其中，D₁为反曲面的最大半口径，D₂为反曲面产生反曲点的位置到镜片中心的距离，H₁为反曲面的最小矢高，H₂为反曲面的最大矢高。

16.根据权利要求3所述的近眼光学系统，其特征在于，所述近眼光学系统的总光焦度为φ，且0≤φ≤0.6；

所述近眼光学系统中非折叠光路的镜片包括第一镜片(3)及第三镜片(5)；

所述第一镜片(3)与所述第三镜片(5)形成的组合光焦度为φ₁₃，则φ₁₃与φ之间满足：0.01≤φ₁₃/φ≤0.2。

17.一种头戴显示设备，其特征在于，包括：

壳体；以及

如权利要求1-16中任一项所述的近眼光学系统。