CN117310998A - 光学系统及近眼显示设备 - Google Patents

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CN117310998A CN202311606157.4A CN202311606157A CN117310998A CN 117310998 A CN117310998 A CN 117310998A CN 202311606157 A CN202311606157 A CN 202311606157A CN 117310998 A CN117310998 A CN 117310998A
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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，具有正光焦度的第二群组，分光棱镜，具有正光焦度的第三群组，具有负光焦度的第四群组；所述光学系统中各相邻群组在光轴上的空气间隔可变；所述光学系统采用十一片式光学结构，使系统具有较大的视场角、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；所述近眼显示设备包括显示屏、所述光学系统及眼动追踪系统。本发明通过分光棱镜的分光作用，可实现红外成像系统成像，在实现近眼高清成像的同时可对用户的瞳孔信息实现动态追踪，且大大减小了系统的体积，能很好满足多元化的市场需求。

Description

光学系统及近眼显示设备
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。
随着虚拟现实技术的发展，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，如近眼动跟踪设备、VR医疗设备等近眼显示设备。其中，VR医疗近眼显示设备通过光学技术，将显示器发出的图像光传送到用户的瞳孔，在用户的近目范围实现虚拟、放大图像，为用户提供直观可视的图像、视频信息，可帮助诊断眼底、眼表面疾病。
为了给用户提供极佳的感官体验，该类近眼显示设备通常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、屈光度可调范围大及成像质量高的优点，在实现近眼高清成像的同时可对用户的瞳孔信息实现动态追踪，且大大减小了系统的体积，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，由四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；具有正光焦度的第二群组；分光棱镜；具有正光焦度的第三群组；具有负光焦度的第四群组；所述光学系统中各相邻群组在光轴上的空气间隔可变；所述光学系统满足以下条件式：-2<fQ1/fa<-1，-3<fQ2/fa<-1，-2<fQ3/fa<-0.5，0.2<fQ4/fa<1，-16mm<fa<-10mm，85°<FOV<100°，其中，fa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，fQ4表示所述第四群组的焦距，FOV表示所述光学系统的最大视场角。
在一些实施方式中，所述光学系统满足以下条件式：
1<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。
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：
1<f1/fQ1<4；
1<f2/fQ1<3；
1<f3/fQ1<2；
-3<f4/fQ1<-1；
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。
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、具有光焦度的第七透镜；所述光学系统满足以下条件式：
2<f5/fQ2<3；
2<f6/fQ2<3；
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。
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：具有负光焦度的第八透镜、具有正光焦度的第九透镜、具有正光焦度的第十透镜；所述光学系统满足以下条件式：
-0.8<f8/fQ3<-0.1；
0.2<f9/fQ3<1；
0.5<f10/fQ3<1.5；
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。
在一些实施方式中，所述第四群组包括一具有负光焦度的第十一透镜。
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、具有正光焦度的第二群组、分光棱镜、具有正光焦度的第三群组、具有负光焦度的第四群组；所述分光棱镜包括入光面、出光面、反射面以及透光面；所述第二群组设置在所述分光棱镜的出光面一侧，所述第三群组设置在所述分光棱镜的入光面一侧。所述眼动追踪系统包括一红外成像系统，所述红外成像系统用于传输人眼瞳孔信息；所述红外成像系统包括所述第一群组、所述第二群组、所述分光棱镜以及一具有正光焦度的第五群组；所述第五群组设置在所述分光棱镜的透光面一侧；所述分光棱镜的反射面将所述第一群组和所述第二群组内接收的人眼瞳孔信息进行转向。
在一些实施方式中，所述近眼显示设备满足以下条件式：
-5mm<fb<-0.5mm；
其中，fb表示所述红外成像系统的焦距。
在一些实施方式中，所述近眼显示设备满足以下条件式：
4.5<fa/fb<7.5；
其中，fa表示所述光学系统的焦距，fb表示所述红外成像系统的焦距。
在一些实施方式中，所述第五群组包括一具有正光焦度的第十二透镜，且所述红外成像系统满足以下条件式：
-2<fQ5/fb<-0.5；
其中，fQ5表示所述第五群组的焦距，fb表示所述红外成像系统的焦距。
本发明提供的光学系统及近眼显示设备，采用十一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，可通过调节各群组之间的距离实现-2D至+8D的屈光度调节，能够为用户带来极佳的感官体验。通过分光棱镜的分光作用，可使第一群组、第二群组参与两次光路成像，实现双重成像系统（光学系统及红外成像系统），在实现近眼高清成像的同时可对用户的瞳孔信息实现动态追踪，且大大减小了系统的体积，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和红外成像系统的结构示意图；
图2是本发明第一实施例提供的光学系统在屈光度为0D时的场曲曲线图；
图3是本发明第一实施例提供的光学系统在屈光度为0D时的畸变曲线图；
图4是本发明第一实施例提供的光学系统在屈光度为+5D时的场曲曲线图；
图5是本发明第一实施例提供的光学系统在屈光度为+5D时的畸变曲线图；
图6是本发明第一实施例提供的光学系统在屈光度为+8D时的场曲曲线图；
图7是本发明第一实施例提供的光学系统在屈光度为+8D时的畸变曲线图；
图8是本发明第一实施例提供的光学系统在屈光度为-2D时的场曲曲线图；
图9是本发明第一实施例提供的光学系统在屈光度为-2D时的畸变曲线图；
图10是本发明第一实施例提供的红外成像系统的场曲曲线图；
图11是本发明第一实施例提供的红外成像系统的畸变曲线图；
图12是本发明第二实施例提供的光学系统和红外成像系统的结构示意图；
图13是本发明第二实施例提供的光学系统在屈光度为0D时的场曲曲线图；
图14是本发明第二实施例提供的光学系统在屈光度为0D时的畸变曲线图；
图15是本发明第二实施例提供的光学系统在屈光度为+5D时的场曲曲线图；
图16是本发明第二实施例提供的光学系统在屈光度为+5D时的畸变曲线图；
图17是本发明第二实施例提供的光学系统在屈光度为+8D时的场曲曲线图；
图18是本发明第二实施例提供的光学系统在屈光度为+8D时的畸变曲线图；
图19是本发明第二实施例提供的光学系统在屈光度为-2D时的场曲曲线图；
图20是本发明第二实施例提供的光学系统在屈光度为-2D时的畸变曲线图；
图21是本发明第二实施例提供的红外成像系统的场曲曲线图；
图22是本发明第二实施例提供的红外成像系统的畸变曲线图；
图23是本发明第三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。
本发明提供一种直通式的光学系统，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、第二群组、分光棱镜、第三群组和第四群组，第一群组、第二群组和第三群组均具有正光焦度，第四群组具有负光焦度。
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；所述第四群组包括一第十一透镜。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、所述第十透镜和所述第十一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二群组，所述入光面靠近所述第三群组，且所述出光面和所述入光面呈相对设置。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/fa<-1；
-3<fQ2/fa<-1；
-2<fQ3/fa<-0.5；
0.2<fQ4/fa<1；
其中，fa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，fQ4表示所述第四群组的焦距。满足上述条件，通过合理搭配四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：
-16mm<fa<-10mm；
85°<FOV<100°；
其中，fa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：
1<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。通过调整第二群组或第三群组在光轴上的位置，可实现所述光学系统在不同屈光度之间的调节。满足上述条件，通过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，实现光学系统在不同屈光度下均具有较高的成像质量，从而提升用户佩戴的感官体验。
在一些实施方式中，所述光学系统满足以下条件式：
-11<TTL/fa<-8；
其中，fa表示所述光学系统的焦距，TTL表示所述第一透镜的目侧面到所述显示屏的轴上距离。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：
1<f1/fQ1<4；
1<f2/fQ1<3；
1<f3/fQ1<2；
-3<f4/fQ1<-1；
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占比，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；同时有利于校正所述光学系统的像差，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、具有光焦度的第七透镜；所述光学系统满足以下条件式：
2<f5/fQ2<3；
2<f6/fQ2<3；
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。满足上述条件，通过合理控制第二群组中第五透镜和第六透镜的焦距占比，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，所述第三群组从人眼侧到显示屏侧依次包括：具有负光焦度的第八透镜、具有正光焦度的第九透镜、具有正光焦度的第十透镜；所述光学系统满足以下条件式：
-0.8<f8/fQ3<-0.1；
0.2<f9/fQ3<1；
0.5<f10/fQ3<1.5；
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。
在一些实施方式中，所述第四群组包括一具有负光焦度的第十一透镜。光学系统中最后一个透镜采用负光焦度透镜，可有效增大光线的转折程度，使光学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，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、具有正光焦度的第二群组、分光棱镜、具有正光焦度的第三群组、具有负光焦度的第四群组；所述分光棱镜包括入光面、出光面、反射面以及透光面；所述第二群组设置在所述分光棱镜的出光面一侧，所述第三群组设置在所述分光棱镜的入光面一侧。所述眼动追踪系统包括一红外成像系统，所述红外成像系统用于传输人眼瞳孔信息；所述红外成像系统包括所述第一群组、所述第二群组、所述分光棱镜以及一具有正光焦度的第五群组；所述第五群组设置在所述分光棱镜的透光面一侧；所述分光棱镜的反射面将所述第一群组和所述第二群组内接收的人眼瞳孔信息进行转向。
在一些实施方式中，所述近眼显示设备满足以下条件式：
-5mm<fb<-0.5mm；
其中，fb表示所述红外成像系统的焦距。满足上述条件，可使红外成像系统具有适当的负光焦度，更好实现人眼瞳孔信息的传输，从而实现眼动追踪功能。
在一些实施方式中，所述近眼显示设备满足以下条件式：
4.5<fa/fb<7.5；
其中，fa表示所述光学系统的焦距，fb表示所述红外成像系统的焦距。通过分光棱镜的分光作用，可使第一群组、第二群组分别与不同群组搭配实现两个不同的成像系统，满足上述条件，可使两个成像系统具有适当的焦距，在实现近眼高清成像的同时可对用户的瞳孔信息实现动态追踪，大大减小了系统的体积，能很好满足多元化的市场需求。
在一些实施方式中，所述第五群组包括一具有正光焦度的第十二透镜，且所述红外成像系统满足以下条件式：
-2<fQ5/fb<-0.5；
其中，fQ5表示所述第五群组的焦距，fb表示所述红外成像系统的焦距。满足上述条件，可使第五群组更好的矫正前面第一群组及第二群组内的像差，实现红外成像系统的高清成像，从而更好实现人眼瞳孔信息的追踪。
在一些实施方式中，所述光学系统满足以下条件式：
9mm<ED<14mm；
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），可使佩戴眼镜的用户直接使用，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：
-2D≤P≤+8D；
其中，P表示所述光学系统的屈光度。通过动态调节各群组在光轴上的位置来实现光学系统在不同屈光度之间的调节，满足上述条件，可实现-2D（屈光度D，表示屈光力大小的单位）至+8D的屈光度可调，从而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。
作为一种实施方式，所述光学系统采用十一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。具体地，所述光学系统从人眼侧到显示屏侧可以依次包括：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、分光棱镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜和第十一透镜。
具体地，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，其目侧面可为凹面或凸面，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，其显示侧面为凸面。
所述第四透镜具有负光焦度，其目侧面为凹面，其显示侧面为平面。
所述第五透镜具有正光焦度，其目侧面为平面，其显示侧面为凸面。
所述第六透镜具有正光焦度，其目侧面为凸面，其显示侧面可为凹面或凸面。
所述第七透镜具有负光焦度或正光焦度，其目侧面为凸面，其显示侧面为凹面。
所述分光棱镜具有靠近第七透镜的出光面和靠近第八透镜的入光面，且所述出光面和入光面均为平面且相对设置。
所述第八透镜具有负光焦度，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。
所述第十透镜具有正光焦度，其目侧面为凸面，其显示侧面为凸面。
所述第十一透镜具有负光焦度，其目侧面和显示侧面为凹面或凸面中的一种。
作为一种实施方式，所述红外成像系统采用八个透镜；具体地，通过分光棱镜的分光转向作用，第一群组（第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜）和第二群组（第五透镜、第六透镜、第七透镜）的光线被转向进入第五群组（第十二透镜）；其中，第十二透镜具有正光焦度，第十二透镜的目侧面和显示侧面为凹面或凸面中的一种。
作为一种实施方式，光学系统及红外成像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、第十透镜、第十一透镜以及第十二透镜可以均采用球面镜片，在其他实施例方式中，所述十二个透镜可以全部或者部分采用非球面镜片，在此不做限定。
在本发明各个实施例中，当光学系统或红外成像系统中的透镜为非球面透镜时，透镜的非球面面型均满足如下方程式：
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为h的位置时距离非球面顶点的距离矢高，c为表面的近轴曲率半径，k为二次曲面系数，A2i为第2i阶的非球面面型系数。
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及红外成像系统200的结构示意图，所述光学系统100由十一个镜片组成，根据镜片的分布位置，从人眼侧到显示屏侧S23依次分成第一群组Q1、第二群组Q2、分光棱镜G1、第三群组Q3和第四群组Q4；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，第四群组Q4具有负光焦度。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S23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为凹面，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，其显示侧面为凸面。
第四透镜L4具有负光焦度，其目侧面为凹面，其显示侧面S7为平面；其中，第三透镜L3和第四透镜L4组成胶合透镜，第三透镜的显示侧面和第四透镜的目侧面组成胶合面S6。
第二群组Q2沿光轴从人眼侧到显示屏侧S23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S8为平面，其显示侧面S9为凸面。
第六透镜L6具有正光焦度，其目侧面S10为凸面，其显示侧面S11为凸面。
第七透镜L7具有正光焦度，其目侧面S12为凸面，其显示侧面S13为凹面。
第三群组Q3沿光轴从人眼侧到显示屏侧S23依次包括：第八透镜L8、第九透镜L9、第十透镜L10。
第八透镜L8具有负光焦度，其目侧面S16为凹面，其显示侧面为凹面。
第九透镜L9具有正光焦度，其目侧面为凸面，其显示侧面S18为凸面；其中，第八透镜L8和第九透镜L9组成胶合透镜，第八透镜的显示侧面和第九透镜的目侧面组成胶合面S17。
第十透镜L10具有正光焦度，其目侧面S19为凸面，其显示侧面S20为凸面。
第四群组Q4包括一具有负光焦度的第十一透镜L11，其目侧面S21为凹面，其显示侧面S22为平面。
显示屏G2的表面为平面，即显示屏侧S23。
分光棱镜G1具有靠近第七透镜L7的出光面S14和靠近第八透镜L8的入光面S15，且所述出光面S14和入光面S15均为平面；所述出光面S14和入光面S15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20，所述透光面20和所述出光面S14及入光面S15垂直设置，所述反射面10与所述出光面S14和入光面S15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。
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可以均采用玻璃球面镜片，第一透镜L1、第十透镜L10和第十一透镜L11均采用玻璃非球面镜片，所述光学系统100采用球面与非球面面型搭配，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
本发明提供的光学系统100搭载在近眼显示设备上时，为满足不同屈光程度用户的佩戴需求，可通过动态调节第一群组Q1在光轴上的位置来实现光学系统在不同屈光度之间的调节，具体如下表2所示，当调整第一群组Q1与后面其它群组在光轴上的空气间隔CT1在一定范围内时，可实现-2D（屈光度D，表示屈光力大小的单位）至+8D的屈光度可调，从而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。
表2
请参照图1中提供的红外成像系统200的结构示意图，所述红外成像系统200从人眼侧到红外成像面S27由八个镜片组成，其中，第一群组Q1、第二群组Q2和分光棱镜G1与所述光学系统100共用；具体地，通过分光棱镜G1的分光转向作用，第一群组Q1（第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4）和第二群组Q2（第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7）的光线被以一定角度转向进入第五群组Q5；其中，第五群组Q5包括一具有正光焦度的第十二透镜L12，第十二透镜的目侧面S25为凹面、显示侧面S26为凸面。第十二透镜L12为玻璃非球面镜片。
本发明第一实施例提供的红外成像系统200中各个镜片的相关参数如表3所示。
表3
在本实施例中，第一透镜L1、第十透镜L10、第十一透镜L11和第十二透镜L12均采用非球面镜片，各个非球面的面型系数如下表4所示。
表4
请参照图2、4、6、8，所示为光学系统100分别在屈光度为0D、+5D、+8D、-2D时的场曲曲线图，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，子午场曲和弧矢场曲均在±0.20mm以内，说明光学系统100在不同屈光度下场曲均得到良好的校正，在不同的屈光度之间切换均能保证光学系统具有较好的成像品质。
请参照图3、5、7、9，所示为光学系统100分别在屈光度为0D、+5D、+8D和-2D时的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±6%以内且为负值，说明光学系统100在不同屈光度下的畸变均得到良好的校正。
请参照图10，所示为红外成像系统200的场曲曲线图，图中横轴表示偏移量（单位：mm），纵轴表示物高（单位：mm）。从图中可以看出，子午场曲和弧矢场曲均在±2mm以内，说明红外成像系统200的场曲得到良好的校正。
请参照图11，所示为红外成像系统200的畸变曲线图，图中横轴表示畸变百分比，纵轴表示物高（单位：mm）。从图中可以看出，不同物高处的畸变控制在20%以内，说明红外成像系统200的畸变得到良好的校正。
第二实施例
请参照图12，所示为本发明第二实施例提供的光学系统300和红外成像系统400的结构示意图，本发明第二实施例提供的光学系统300与第一实施例提供的光学系统100的结构大致相同，不同之处主要在于部分透镜的焦距、曲率半径、厚度、材料选择不同。具体地，所述光学系统300中各透镜的光焦度及面型特征如下：
第一群组Q1沿光轴从人眼侧到显示屏侧S23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，其显示侧面为凸面。
第四透镜L4具有负光焦度，其目侧面为凹面，其显示侧面S7为平面；其中，第三透镜L3和第四透镜L4组成胶合透镜，第三透镜的显示侧面和第四透镜的目侧面组成胶合面S6。
第二群组Q2沿光轴从人眼侧到显示屏侧S23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S8为平面，其显示侧面S9为凸面。
第六透镜L6具有正光焦度，其目侧面S10为凸面，其显示侧面S11为凹面。
第七透镜L7具有负光焦度，其目侧面S12为凸面，其显示侧面S13为凹面。
第三群组Q3沿光轴从人眼侧到显示屏侧S23依次包括：第八透镜L8、第九透镜L9、第十透镜L10。
第八透镜L8具有负光焦度，其目侧面S16为凹面，其显示侧面为凹面。
第九透镜L9具有正光焦度，其目侧面为凸面，其显示侧面S18为凸面；其中，第八透镜L8和第九透镜L9组成胶合透镜，第八透镜的显示侧面和第九透镜的目侧面组成胶合面S17。
第十透镜L10具有正光焦度，其目侧面S19为凸面，其显示侧面S20为凸面。
第四群组Q4包括一具有负光焦度的第十一透镜L11，其目侧面S21为凸面，其显示侧面S22为凹面。
显示屏G2的表面为平面，即显示屏侧S23。
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可以均采用玻璃球面镜片，第一透镜L1、第二透镜L2、第十透镜L10和第十一透镜L11均采用玻璃非球面镜片，所述光学系统300采用球面与非球面面型搭配，能够使系统具有更好的成像质量。
本发明第二实施例提供的光学系统300中各个镜片的相关参数如表5所示。
表5
本发明提供的光学系统300搭载在近眼显示设备上时，为满足不同屈光程度用户的佩戴需求，可通过动态调节分光棱镜后群组及显示屏在光轴上的位置来实现光学系统在不同屈光度之间的调节，具体如下表6所示，表中分光棱镜G1与第三群组Q3在光轴上的空气间隔CT3，第三群组Q3与第四群组Q4在光轴上的空气间隔CT4，当调整分光棱镜后群组及显示屏间的空气间隔在一定范围内时，可实现-2D至+8D的屈光度可调，从而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。
表6
请参照图12提供的红外成像系统400的结构示意图，所述红外成像系统400从人眼侧到红外成像面S27由八个镜片组成，其中，第一群组Q1、第二群组Q2和分光棱镜G1与所述光学系统300共用；具体地，通过分光棱镜G1的分光转向作用，第一群组Q1（第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4）和第二群组Q2（第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7）的光线被以一定角度转向进入第五群组Q5；其中，第五群组Q5包括一具有正光焦度的第十二透镜L12，第十二透镜的目侧面S25在近光轴处为凸面、显示侧面S26在近光轴处为凹面。
本发明第二实施例提供的红外成像系统400中各个镜片的相关参数如表7所示。
表7
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在本实施例中，第一透镜L1、第二透镜L2、第十透镜L10、第十一透镜L11均采用非球面镜片，各个非球面的面型系数如下表8所示。
表8
请参照图13、15、17、19，所示为光学系统300分别在屈光度为0D、+5D、+8D和-2D时的场曲曲线图，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，子午场曲和弧矢场曲均在±0.8mm以内，说明光学系统300在不同屈光度下场曲均得到良好的校正，在不同的屈光度之间切换均能保证光学系统具有较好的成像品质。
请参照图14、16、18、20，所示为光学系统300分别在屈光度为0D、+5D、+8D和-2D时的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±15%以内且为负值，说明光学系统300在不同屈光度下的畸变均得到良好的校正。
请参照图21，所示为红外成像系统400的场曲曲线图，图中横轴表示偏移量（单位：mm），纵轴表示物高（单位：mm）。从图中可以看出，子午场曲和弧矢场曲均在±0.2mm以内，说明红外成像系统400的场曲得到良好的校正。
请参照图22，所示为红外成像系统400的畸变曲线图，图中横轴表示畸变百分比，纵轴表示物高（单位：mm）。从图中可以看出，不同物高处的畸变控制在6%以内，说明红外成像系统400的畸变得到良好的校正。
请参照表9，所示是上述两个实施例提供的光学系统及红外成像系统分别对应的光学特性，主要包括光学系统的视场角FOVa、焦距fa、出瞳距离ED、光学总长TTLa（表示第一透镜的目侧面到显示屏在光轴上的距离）和红外成像系统的视场角FOVb、焦距fb、光学总长TTLb（表示第一透镜的目侧面到红外成像面在光轴上的距离），以及与前述每个条件式对应的相关数值。
表9
综上，本发明提供的光学系统及红外成像系统具有以下的优点：
（1）采用十一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，使得所述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）本发明采用十一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）本发明通过调节不同群组在光轴上的位置，能够实现较大范围的屈光度调节（-2D~+8D），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90°）和较大的出瞳距离（ED最大可达12mm），能够给用户提供更好的体验感。
（4）本发明通过分光棱镜的分光作用，可使第一群组、第二群组参与两次光路成像，实现双重成像系统（光学系统及红外成像系统），在实现近眼高清成像的同时可对用户的瞳孔信息实现动态追踪，且大大减小了系统的体积，能很好满足多元化的市场需求。
第三实施例
如图23所示，为本发明第三实施例提供的一种近眼显示设备1000的结构示意图，所述近眼显示设备1000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500。
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30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，且所述第十一透镜L11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、具有正光焦度的第二群组Q2、分光棱镜G1、具有正光焦度的第三群组Q3和具有负光焦度的第四群组Q4。所述分光棱镜G1包括入光面S15、出光面S14、反射面10以及透光面20；所述透光面20和所述出光面S14和入光面S15垂直设置，所述反射面10与所述出光面S14和入光面S15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S14和入光面S15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500包括红外成像系统（如红外成像系统200）和红外光源40，所述红外成像系统200中的部分镜片（如第五群组Q5）设置在所述分光棱镜G1的透光面20一侧，具体地，所述分光棱镜G1的反射面10将所述第一群组Q1、第二群组Q2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面，搭配红外光源使用，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S15向出光面S14传输，所述分光棱镜G1作为平板玻璃使用。当在红外成像系统200内，光线从人眼侧向红外成像面传输，所述分光棱镜G1复用为分光部件使用，此时人眼瞳孔的光线信息从第一群组Q1、第二群组Q2经出光面S14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20射出进入第五群组Q5及红外成像面；也即光线进入分光棱镜G1后发生了一定角度（如90°）的转折进入红外成像面，进而实现对用户的眼动追踪功能。因此第一群组Q1、第二群组Q2内的光路由分光棱镜G1重定向，此种结构可有效减小整个眼动追踪系统500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，在所述近眼显示设备1000中，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30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第一群组Q1、第二群组Q2传输并经分光棱镜G1转向（光路传输如图中虚线OB所示）进入第五群组Q5及红外成像面，也即光线经过红外成像系统的传输可实现对人眼瞳孔的位置信息的实时追踪，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1000包括光学系统及眼动追踪系统，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、屈光度可调范围大的优点，具有该光学系统的近眼显示设备1000也具有视场角大、光效率高、解像力高、屈光度可调范围大的优点，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；而且利用分光棱镜的分光作用，在实现眼动追踪功能的同时，还可有效减小系统的厚度，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，由四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；
具有正光焦度的第二群组；
分光棱镜；
具有正光焦度的第三群组；
具有负光焦度的第四群组；
所述光学系统中各相邻群组在光轴上的空气间隔可变；
所述光学系统满足以下条件式：
-2<fQ1/fa<-1；
-3<fQ2/fa<-1；
-2<fQ3/fa<-0.5；
0.2<fQ4/fa<1；
-16mm<fa<-10mm；
85°<FOV<100°；
其中，fa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，fQ4表示所述第四群组的焦距，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：
1<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。
3.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：
1<f1/fQ1<4；
1<f2/fQ1<3；
1<f3/fQ1<2；
-3<f4/fQ1<-1；
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。
4.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、具有光焦度的第七透镜；所述光学系统满足以下条件式：
2<f5/fQ2<3；
2<f6/fQ2<3；
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。
5.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：具有负光焦度的第八透镜、具有正光焦度的第九透镜、具有正光焦度的第十透镜；所述光学系统满足以下条件式：
-0.8<f8/fQ3<-0.1；
0.2<f9/fQ3<1；
0.5<f10/fQ3<1.5；
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。
6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第四群组包括一具有负光焦度的第十一透镜。
7.一种近眼显示设备，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1-6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、具有正光焦度的第二群组、分光棱镜、具有正光焦度的第三群组、具有负光焦度的第四群组；所述分光棱镜包括入光面、出光面、反射面以及透光面；所述第二群组设置在所述分光棱镜的出光面一侧，所述第三群组设置在所述分光棱镜的入光面一侧；以及
眼动追踪系统，所述眼动追踪系统包括一红外成像系统；所述红外成像系统包括所述第一群组、所述第二群组、所述分光棱镜以及一具有正光焦度的第五群组；所述第五群组设置在所述分光棱镜的透光面一侧；所述分光棱镜的反射面将所述第一群组和所述第二群组内接收的人眼瞳孔信息进行转向。
8.根据权利要求7所述的近眼显示设备，其特征在于，所述近眼显示设备满足以下条件式：
-5mm<fb<-0.5mm；
其中，fb表示所述红外成像系统的焦距。
9.根据权利要求7所述的近眼显示设备，其特征在于，所述近眼显示设备满足以下条件式：
4.5<fa/fb<7.5；
其中，fa表示所述光学系统的焦距，fb表示所述红外成像系统的焦距。
10.根据权利要求7所述的近眼显示设备，其特征在于，所述第五群组包括一具有正光焦度的第十二透镜，且所述红外成像系统满足以下条件式：
-2<fQ5/fb<-0.5；
其中，fQ5表示所述第五群组的焦距，fb表示所述红外成像系统的焦距。
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