CN117539062A

CN117539062A - 近眼光学系统以及头戴显示设备

Info

Publication number: CN117539062A
Application number: CN202311540888.3A
Authority: CN
Inventors: 史柴源; 饶轶
Original assignee: Goertek Optical Technology Co Ltd
Current assignee: Goertek Optical Technology Co Ltd
Priority date: 2023-11-17
Filing date: 2023-11-17
Publication date: 2024-02-09

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；其中，所述近眼光学系统包括沿同一光轴设置的偏振反射元件、相位延迟器及分光元件；所述近眼光学系统还包括沿所述光轴设置的第一镜片及第二镜片，所述偏振反射元件及所述相位延迟器依次设于所述第一镜片与所述第二镜片之间，所述分光元件位于所述第二镜片远离所述第一镜片的一侧；所述第一镜片靠近所述偏振反射元件的表面为第一表面，且所述第一表面满足：0＜sqrt[S1²+(D1/2)²]*φ1≤1；其中，φ1为所述第一镜片的光焦度，S1及D1分别所述第一表面的最大矢高及径向口径。

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成像技术领域，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

随着VR设备轻薄化的发展要求，VR设备中用到的显示器的尺寸越来越小，且伴随着对视场角度的要求越来越大，导致VR设备的成像清晰度下降。目前，大FOV及高清晰度是VR发展的趋势，但是，一般来说，FOV越大，边缘视场的像质会越差，如何在保证大FOV的同时保证成像质量是亟待解决的问题。

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。

第一方面，本申请实施例提供了一种近眼光学系统，所述近眼光学系统所述近眼光学系统包括沿同一光轴设置的偏振反射元件、相位延迟器及分光元件；

所述近眼光学系统还包括沿所述光轴设置的第一镜片及第二镜片，所述偏振反射元件及所述相位延迟器依次设于所述第一镜片与所述第二镜片之间，所述分光元件位于所述第二镜片远离所述第一镜片的一侧；

所述第一镜片靠近所述偏振反射元件的表面为第一表面，且所述第一表面满足：0＜sqrt[S1²+(D1/2)²]*φ1≤1；其中，φ1为所述第一镜片的光焦度，S1及D1分别所述第一表面的最大矢高及径向口径。

可选地，所述第一镜片的第一表面满足：0.3＜sqrt[S1²+(D1/2)²]*φ1＜0.7。

可选地，所述第一镜片的第一表面满足：0.4＜sqrt[S1²+(D1/2)²]*φ1＜0.6。

可选地，在所述第一表面上从中心起的径向方向，相邻两点a、b的矢高斜率为k，且k满足：-1≤k≤1；其中，所述矢高斜率k为相邻的点a和点b之间的矢高差h1与点a和点b之间的口径差d1之比，且点a与点b之间的间隔≤0.01mm。

可选地，在所述第一表面上从中心起的径向方向，所述矢高斜率的拐点A位于所述第一表面上从中心起的径向方向上≥10mm处。

可选地，所述相位延迟器及所述偏振反射元件层叠设置形成叠合元件；

所述叠合元件设于所述第一镜片的第一表面，或设于所述第二镜片靠近所述第一镜片的表面。

可选地，所述第一镜片的光焦度φ1为，0.019≤φ1≤0.021；

所述第一镜片的第一表面的径向口径D1为40mm≤D1≤42mm；

所述第一镜片的第一表面的最大矢高S1为1.5mm≤S1≤3mm。

可选地，所述所述分光元件设置于所述第二镜片远离所述第一镜片的表面。

可选地，所述近眼光学系统还包括显示屏，所述显示屏设于所述第二镜片背离所述第一镜片的一侧，所述显示屏与所述分光元件之间设置有至少一个镜片，且所述至少一个镜片的光焦度为正或所有镜片的组合光焦度为正。

可选地，所述显示屏与所述分光元件之间设置有第三镜片，且所述第三镜片的光焦度＞0。

可选地，所述显示屏的发光面上设置有双层保护玻璃；

所述双层保护玻璃的厚度≤5mm。

可选地，所述显示屏被配置为能够发射圆偏振光或自然光；

在所述显示屏发出的光线为自然光的情况下，所述显示屏的发光面还设置有复合膜材，用以将自然光转变为圆偏振光，且所述复合膜材至少包括相位延迟片及线偏振片。

可选地，所述偏振反射元件背离所述相位延迟器的一侧设置有偏振器，且所述相位延迟器、所述偏振反射元件及所述偏振器为层叠设置。

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：

外壳；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，通过优化光路中光学镜片的面型，可以在保证大视场的前提下，改善边缘视场的像质；而且整个光路基于折叠光路设计，还能够减小整个近眼光学系统的体积，实现近眼光学系统的轻薄化设计。

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为本申请实施例提供的第一镜片的第一表面的贴膜示意图；

图3为本申请实施例提供的近眼光学系统的各镜片的面型示意图；

图4为图3中第一镜片的第一表面的口径与矢高的曲线图；

图5为图3中第一镜片的第一表面的口径与矢高斜率的曲线图；

图6为图1示出的近眼光学系统的点阵列图；

图7为图1示出的近眼光学系统的调制传递函数MTF曲线图；

图8为图1示出的近眼光学系统的场曲和畸变图；

图9为图1示出的近眼光学系统的垂轴色差图；

图10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11为图10示出的近眼光学系统的点阵列图；

图12为图10示出的近眼光学系统的调制传递函数MTF曲线图；

图13为图10示出的近眼光学系统的场曲和畸变图；

图14为图10示出的近眼光学系统的垂轴色差图；

图15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16为图15示出的近眼光学系统的点阵列图；

图17为图15示出的近眼光学系统的调制传递函数MTF曲线图；

图18为图15示出的近眼光学系统的场曲和畸变图；

图19为图15示出的近眼光学系统的垂轴色差图。

附图标记说明：

1、显示屏；2、双层保护玻璃；21、第一玻璃层；22、第二玻璃层；3、偏振器；4、第三镜片；41、第五表面；42、第六表面；5、第二镜片；51、第三表面；52、第四表面；6、第一镜片；61、第一表面；611、抗反射膜；62、第二表面；7、偏振反射元件；8、相位延迟器；9、分光元件；01、人眼。

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，所述近眼光学系统适用于可穿戴设备。所述可穿戴设备可以为头戴显示设备(Head mounted display，HMD)，例如VR头戴显示设备。所述VR头戴显示设备例如包括VR智能眼镜或者VR智能头盔等，本申请实施例中对头戴显示设备的形式不做具体限制。

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设置的偏振反射元件7、相位延迟器8及分光元件9，且所述近眼光学系统还包括沿所述光轴设置的第一镜片6及第二镜片5，所述偏振反射元件7及所述相位延迟器8依次设于所述第一镜片6与所述第二镜片5之间，所述分光元件9位于所述第二镜片5远离所述第一镜片6的一侧。其中，所述第一镜片6靠近所述偏振反射元件7的表面为第一表面61，且所述第一表面61满足该参数设计：0＜sqrt[S1²+(D1/2)²]*φ1≤1，其中，φ1为所述第一镜片6的光焦度，S1及D1分别所述第一表面61的最大矢高及径向口径，参见图3。

根据本申请上述实施例提供的近眼光学系统，参见图1示出的光学结构，通过对折叠光路中设置的第一镜片6的第一表面61进行上述的三个光学参数之间的合理约束，优化了所述第一镜片6的面型。其中，所述第一镜片6的第一表面61例如设计为与所述偏振反射元件7为相邻设置。

在本申请的实施例中，关于所述第一镜片6的面型如第一表面61的面型设计，可以确保在大视场的情况下改善边缘视场的成像质量。此处的大视场例如FOV为105°。

从现有技术来看，近眼光学系统的FOV设计的越大，其边缘视场的像质就会越差。本申请实施例提供的近眼光学系统，通过优化光路中至少一个镜片的面型，可以在保证大FOV的同时保证成像质量，解决了现有技术中大FOV与高清成像无法兼顾的问题。

在本申请实施例提供的近眼光学系统中，所述第一镜片6的第一表面61应当满足上述的这一约束条件：0＜sqrt[S1²+(D1/2)²]*φ1≤1，其中，φ1为所述第一镜片6的光焦度且该该光焦度φ1应当为正，S1及D1分别所述第一表面61的最大矢高及径向口径，sqrt为平方根计算。

对于上述的第一表面61的约束公式，需要说明的是，将S1²与(D1/2)²求和后进行平方根计算，然后将计算结果与第一镜片6的光焦度φ1相乘，获得的值应当在0～1这一范围(包括端点值1)。

根据本申请实施例提供的近眼光学系统，参见图1示出的光学结构，图6示出了图1中的近眼光学系统的点阵列图，例如，从图6中可以看出，在全视场范围内，该点列图中像点的最大值小于66μm，也就是说，在边缘视场内依然可以清晰成像。

本申请上述实施例提供的近眼光学系统，其为一种折叠光路，具体而言，在光路中设计有所述分光元件9，所述相位延迟器8及所述偏振反射元件7，且所述相位延迟器8要位于所述分光元件9与所述偏振反射元件7之间。

其中，所述分光元件9可供一部分光线透射，另一部分光线反射。

所述分光元件9例如为半透半反射膜。

需要说明的是，所述分光元件9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，所述相位延迟器8例如为四分之一波片。

当然，这里的所述相位延迟器8也可根据需要设置为其他相位延迟片如半波片等。

本申请实施例提出的近眼光学系统中，在位于靠近人眼01一侧的折叠光路中，设置所述相位延迟器8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7，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。

在本申请的实施例中，所述相位延迟器8与所述偏振反射元件7二者相配合，能够用于解析光线并对光线进行传递。

需要强调的是，所述分光元件9、所述相位延迟器8及所述偏振反射元件7这些光学元件在近人眼01的一侧可形成折叠光路，上述的各个光学元件的布设位置较为灵活，但需要保证的是，所述相位延迟器8要介于所述分光元件9与所述偏振反射元件7之间。

根据本申请实施例提供的近眼光学系统，通过优化光路中光学镜片的面型，可以在保证大视场的前提下，改善边缘视场的像质，而且基于整个光路为折叠光路设计，还可以减小整个近眼光学系统的体积，实现近眼光学系统的轻薄化设计。

其中，所述第一镜片6的第一表面61可以满足：0.3＜sqrt[S1²+(D1/2)²]*φ1＜0.7。

进一步地，所述第一镜片6的第一表面61可以满足：0.4＜sqrt[S1²+(D1/2)²]*φ1＜0.6。

通过对第一镜片6的第一表面61进行不断的优化，可以进一步提升边缘视场的像质，从而使用户获得更好的视觉体验感。

在本申请的一些示例中，参见图3及图4，在所述第一表面61上从中心起的径向方向，相邻两点a、b的矢高斜率为k，且k满足：-1≤k≤1；其中，所述矢高斜率k为相邻的点a和点b之间的矢高差h1与点a和点b之间的口径差d1之比，且点a与点b之间的间隔≤0.01mm。

本申请实施例提供的第一镜片6，参见图4，图4展示了其第一表面61上自中心点起的径向方向上矢高的变化情况。

在图4中，点a和点b二者是间隔很近的相邻点，例如间隔为0.01mm。此时，相邻两点即点a、点b的矢高斜率为k可以参考图4，按照如下算法进行计算：(点a的纵坐标-点b的纵坐标)/(点a的横坐标-点b的横坐标)，也即为上述示例中的h1/d1，且k值应当控制在-1～1(包括-1和1两个端点值)。如此，在优化第一镜片6的面型的同时，可以避免所述第一镜片6的第一表面61不同区域的斜率过大而导致的同一表面面型变化差异过大，这样利于降低第一表面61的贴膜难度。

在本申请的一些示例中，参见图5，在所述第一表面61上从中心起的径向方向，所述矢高斜率k的拐点A位于所述第一表面61上从中心起的径向方向上≥10mm处。

当将所述第一表面61的矢高斜率k的绝对值控制为≤1，且斜率拐点A发生在上述示例中提及的从中心起的径向方向上≥10mm处，能进一步降低所述第一表面61的面型复杂程度(第一表面61为曲面，生产工艺复杂)，可以降低镜片的生产难度，同时能够保证曲面贴膜的工艺实现性。

在本申请的一些示例中，参见图2，所述相位延迟器8及所述偏振反射元件7层叠设置形成叠合元件。所述叠合元件可以设于所述第一镜片6的第一表面61，或设于所述第二镜片5靠近所述第一镜片6的表面。

参见图1，所述第一镜片6例如为靠近人眼01的镜片，所述第二镜片5与所述第一镜片6沿同一光轴设置，所述第二镜片2相对于所述第一镜片6远离人眼01。

其中，所述第一镜片6可以包括远离人眼01的第一表面61及靠近人眼01的第二表面62。

其中，所述第二镜片5可以包括远离人眼01的第三表面51及靠近人眼01的第四表面52，所述第二镜片5的第四表面52与所述第一镜片6的第一表面61靠近。

在一个例子中，参见图2，将所述相位延迟器9及所述偏振反射元件8按顺序叠设并设置于所述第一镜片6的第一表面61上。此时，所述第一表面61可以形成偏振反射面。

利用所述第一镜片6直接支撑所述相位延迟器8及所述偏振反射元件7，可以省去在所述光路中引入支撑件，可以简化光路装配。

当然，也可以将所述相位延迟器8及所述偏振反射元件7层叠设置后设置在所述第二镜片5的第四表面52上。

需要说明的是，无论采用上述示例中的任一种方式在光路中装配所述相位延迟器8及所述偏振反射元件7，都要保证所述相位延迟器8处于所述分光元件9与所述偏振反射元件7之间。

此外，所述相位延迟器8及所述偏振反射元件7也可以通过支撑件独立的设置于所述第二镜片5与所述第一镜片6之间的间隔内。

对于上述提及的所述相位延迟器8及所述偏振反射元件7二者可以通过光学胶粘合形成叠合元件。其中，所述相位延迟器8例如为四分之一波片，所述偏振反射元件7例如为偏振反射膜。

在本申请的一些示例中，所述第一镜片6的光焦度φ1为，0.019≤φ1≤0.021，所述第一镜片6的第一表面61的径向口径D1为40mm≤D1≤42mm，所述第一镜片6的第一表面61的最大矢高S1为1.5mm≤S1≤3mm。

根据本申请实施例提供的近眼光学系统，所述第一镜片6的第一表面61应当满足该参数设计：0＜sqrt[S1²+(D1/2)²]*φ1≤1。

例如，所述第一镜片6的光焦度φ1为0.02807，所述第一镜片6的第一表面61的径向口径D1为41.4mm，所述第一镜片6的第一表面61的最大矢高S1为2.6mm。

例如，所述第一镜片6的光焦度φ1为0.01996，所述第一镜片6的第一表面61的径向口径D1为41.3mm，所述第一镜片6的第一表面61的最大矢高S1为1.95mm。

例如，所述第一镜片6的光焦度φ1为0.01981，所述第一镜片6的第一表面61的径向口径D1为41.6mm，所述第一镜片6的第一表面61的最大矢高S1为1.8mm。

根据上述示例，也可以很好的控制所述第一镜片6的尺寸，利于控制整个近眼光学系统的体积及重量。

在本申请的一些示例中，参见图1，所述所述分光元件9设置于所述第二镜片5远离所述第一镜片6的表面。

参见图1，所述第二镜片5远离所述第一镜片6的表面为其第三表面51，也即在所述第三表面51上可以设置分光元件9。其中，所述分光元件9例如为半透半反膜。

当将所述分光元件9设置于所述第三表面51上，且所述分光元件9例如为半透半反膜时，所述半透半反膜可以通过镀膜或者贴膜的方式设置在所述第三表面51上。

当然，所述分光元件9也可以通过支撑件支撑在所述第三表面51侧。

所述分光元件9、所述相位延迟器8及所述偏振反射元件7，与多个镜片搭配组合后，可以形成折叠光路。

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屏1，所述显示屏1设于所述第二镜片5背离所述第一镜片6的一侧，所述显示屏1与所述分光元件9之间设置有至少一个镜片，且所述至少一个镜片的光焦度为正或所有镜片的组合光焦度为正。

也就是说，所述分光元件9(也即半透半反面)与所述显示屏1之间镜片的数量≥1，且当二者之间仅设置一个镜片时，该镜片的光焦度应当为正，当二者之间设置两片或两片以上的镜片时，应当控制这些镜片的组合光焦度为正，如此可以有效的降低半透半反面的光线入射角度，降低所述第二镜片5的第三表面51的镀膜难度，还可以提高像质。

在本申请的一些示例中，参见图1、图10及图15，所述显示屏1与所述分光元件9之间设置有第三镜片4，且所述第三镜片4的光焦度＞0。

根据本申请实施例提供的近眼光学系统，在整个光路设计中，最少可以使用三片镜片，也即靠近人眼01的第一镜片6、靠近显示屏1的第三镜片4，及位于第一镜片6与第三镜片4之间的第二镜片5。也就是说，本申请的光学方案，在折叠光路的基础上，通过搭配三片镜片及优化其中一个镜片的面型，可以实现大视场下兼顾边缘视场的像质。

需要说明的是，本申请实施例提供的近眼光学系统中，还可以根据需要调整镜片的使用数量，例如可以增加近显示屏1一侧的镜片数量。

也就是说，本申请实施例提供的近眼光学系统还可以包括四片或以上的镜片。随着镜片数量的增加可以减小系统总长及进一步提升像质，但是可能会影响产品重量。

在本申请的一些示例中，所述显示屏1的发光面上设置有双层保护玻璃2。所述双层保护玻璃2的厚度≤5mm。

本申请实施例提供的近眼光学系统中，在所述显示屏1前设计有双层保护玻璃2，分别为图1中示出的第一玻璃层21及第二玻璃层22，该两个玻璃层之间可以通过例如光学胶进行粘合。

在所述显示屏1的发光面上设计双层保护玻璃2，可以有效提升光学方案对屏幕表面脏污的容忍度。

但是，考虑到成像质量和产品的重量问题，对于所述双层保护玻璃2的厚度设计不易过厚，最好不要超过5mm。

也就是说，参见图1，所述显示屏1发出的光线经过表面的双层保护玻璃2透射，之后可以经过第三镜片4及第二镜片5透射，再经过所述第一镜片6的第一表面61反射，经过第二镜片5的第三表面51反射，最终经过所述第二镜片5及所述第一镜片6透射，打入人眼01。

在本申请的一些示例中，所述显示屏1被配置为能够发射圆偏振光或自然光。在所述显示屏1发出的光线为自然光的情况下，所述显示屏1的发光面还设置有复合膜材(图1中未示出)，用以将自然光转变为圆偏振光，且所述复合膜材至少包括相位延迟片及线偏振片。

所述近眼光学系统还包括显示屏1，发出用于成像显示的光线。

例如，所述显示屏1可以发出RGB光线，以形成彩色图像。

所述显示屏1可以是LCD、LED、OLED、Micro-OLED、ULED等自发光式屏幕，或者DMD等反射式屏幕。

当所述显示屏1发出的是自然光时，需要对自然光先进行偏振态的转化，使自然光先转变为圆偏振光之后再射入左侧的各光学元件中，最终经所述第一镜片6出射的光线打入人眼01进行成像。

根据上述示例，将相位延迟片与线偏振片组成叠合元件并贴装在所述显示屏1的发光面上，这样可以降低装配难度，且实现一次装配可以同时放入两个光学元件。

其中，所述线偏振片的透过轴方向可以沿水平方向、竖直方向或其他任一方向。

其中，所述相位延迟片例如为四分之一波片，可实现线偏振光转化为圆偏振光及圆偏振光转化为线偏振光。

具体地，所述显示屏1的发光面上设置的相位延迟片的快轴或慢轴方向与所述线偏振片的透过轴方向夹角为45°。

在本申请的一些示例中，所述偏振反射元件7背离所述相位延迟器8的一侧设置有偏振器3，且所述相位延迟器8、所述偏振反射元件7及所述偏振器3为层叠设置。

参见图2，所述近眼光学系统还可以包括偏振器3，所述偏振器3的引入可以降低杂散光，其对于提高最终的成像质量是有利的。

其中，所述偏振器3例如为线偏振器，其透过轴方向可以沿水平方向、竖直方向或其他任一方向。

其中，所述偏振器3可以于所述偏振反射元件7背离所述相位延迟器8的一侧，并且，所述偏振器3、所述偏振反射元件7及所述相位延迟器8层叠设置形成叠合元件。

当然，请继续参见图2，上述的叠合元件中还可以引入抗反射膜611。

所述抗反射膜611例如可以胶合设置在所述偏振反射元件7背离所述相位延迟器8的一侧。

根据本申请实施例提供的近眼光学系统，其中至少采用三个镜片，也即图中示出的第一镜片6、第二镜片5、第三镜片4。当然，所述近眼光学系统包括但不限于三个镜片，镜片的使用示例可以根据需要进行调整。

本申请实施例提供的近眼光学系统，其中使用了三个镜片，也即上述提及的第一镜片6、第二镜片5及第三镜片4，该三个镜片采用的材料折射率和色散系数范围为：1.4<n<2.0，20<v<75。

在一个例子中，所述第一镜片6、所述第二镜片5及所述第三镜片4的折射率n和色散系数v相同，均设计为n₃＝1.54，v₃＝56.3。

所述第一镜片6的中心厚度T₁范围为：1mm≤T₁≤8mm，其包含两个光学面，也即第一表面61及第二表面62，该两个表面可以是非球面。所述第一表面61靠近所述显示屏1，所述第二表面62远离所述显示屏1。

其中，在所述第一镜片6的第一表面61上设置有如图2示出的相位延迟器8、偏振反射元件7(透P光反S光)及偏振器3(透P光)，当然还可以引入抗反射膜611。

在所述第一镜片6的第二表面62上可以选择性设置抗反射膜材。

所述第二镜片5的中心厚度T₂范围为：1mm≤T₂≤10mm，其包含两个光学面，也即第三表面51及第四表面52，该两个表面可以是非球面或平面。所述第三表面51靠近所述显示屏1，所述第四表面52远离所述显示屏1。

其中，在所述第二镜片5的第三表面51上可以设置所述分光元件9。

在所述第二镜片5的第四表面52上可以选择性设置抗反射膜材。

所述第三镜片4的中心厚度T₃范围为：1mm≤T₃≤8mm，其包含两个光学面，也即第五表面41及第六表面42，该两个表面可以是非球面或平面。所述第五表面41靠近所述显示屏1，所述第六表面42远离所述显示屏1。

在所述第三镜片4的两个表面上分别可以贴设抗反射膜材。

参见图1，所述近眼光学系统的光线传播过程如下：

所述显示屏1发出圆偏振光，经过所述双层保护玻璃2、所述第三镜片4及所述第二镜片5透射，经过所述第一镜片6的第一表面61上的相位延迟器8将圆偏振光变成线偏振光(S光)，经过所述偏振反射元件7反射后，再次经过所述相位延迟器8变成圆偏振光，经过所述第二镜片5的第三表面51的分光元件9反射，再次经过所述相位延迟器8变成线偏振光(P光)，经过所述所述第一镜片6的第二表面62透射，打入人眼01。

以下通过实施例1到实施例3对本申请实施例提供的近眼光学系统的光学性能进行说明。

实施例1

参见图1至图5，所述近眼光学系统包括：沿同一光轴设置的第一镜片6、偏振反射元件7、相位延迟器8、第二镜片5、分光元件9、第三镜片4、双层保护玻璃2及显示屏1；

其中，所述双层保护玻璃2设于所述显示屏1的发光面，所述分光元件9设置于所述第二镜片5的第三表面51上，所述相位延迟器8、所述偏振反射元件7及所述偏振器3形成叠合元件设置于所述第一镜片6的第一表面61上，且所述相位延迟器8位于所述分光元件9与所述偏振反射元件7之间；所述第三镜片4位于所述显示屏1与所述分光元件9之间；

所述第一表面61满足该参数设计：0＜sqrt[S1²+(D1/2)²]*φ1≤1，其中，所述第一镜片6的光焦度φ1为0.02807，所述第一镜片6的第一表面61的径向口径D1为41.4mm，所述第一镜片6的第一表面61的最大矢高S1为2.6mm。

表1示出了本实施例1的近眼光学系统的具体光学参数。

表1

针对本实施例1提供的近眼光学系统，其光学性能可如图6至图9所示：图6是点列图示意图，图7是MTF曲线图，图8是场曲畸变图，图9是垂轴色差图。

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6所示，本实施例1提供的近眼光学系统，点列图中像点的最大值小于66μm，整个视场的成像都很清晰。

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7所示，本实施例1提供的近眼光学系统，MTF在40lp/mm下>0.2，成像清晰。

参见图8所示，本实施例1提供的近眼光学系统，畸变最大发生在1视场，绝对值小于40％。

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9所示，本实施例1提供的近眼光学系统，最大色差值小于190μm。

实施例2

参见图10，本实施例2提出的光学结构与上述实施例1的光学结构是基本相同的，二者的不同之处主要在于：所述第一镜片6的光焦度φ1为0.01996，所述第一镜片6的第一表面61的径向口径D1为41.3mm，所述第一镜片6的第一表面61的最大矢高S1为1.95mm。此外，本实施例2提供的近眼光学的光学参数可参见下表2。

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11至图14所示：图11是点列图示意图，图12是MTF曲线图，图13是场曲畸变图，图14是垂轴色差图。

参见图11所示，本实施例2提供的近眼光学系统，点列图中像点的最大值小于87μm，整个视场的成像都很清晰。

参见图12所示，本实施例2提供的近眼光学系统，MTF在40lp/mm下>0.2，成像清晰。

参见图13所示，本实施例2提供的近眼光学系统，畸变最大发生在1视场，绝对值小于40％。

参见图14所示，本实施例2提供的近眼光学系统，最大色差值小于190μm。

实施例3

参见图15，本实施例3提出的光学结构与上述实施例1的光学结构是基本相同的，二者的不同之处主要在于：所述第一镜片6的光焦度φ1为0.01981，所述第一镜片6的第一表面61的径向口径D1为41.6mm，所述第一镜片6的第一表面61的最大矢高S1为1.8mm。此外，本实施例3提供的近眼光学的光学参数可参见下表3。

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16至图19所示：图16是点列图示意图，图17是MTF曲线图，图18是场曲畸变图，图19是垂轴色差图。

参见图16所示，本实施例3提供的近眼光学系统，点列图中像点的最大值小于106μm，整个视场的成像都很清晰。

参见图17所示，本实施例3提供的近眼光学系统，MTF在40lp/mm下>0.2，成像清晰。

参见图18所示，本实施例3提供的近眼光学系统，畸变最大发生在1视场，绝对值小于40％。

参见图19所示，本实施例3提供的近眼光学系统，最大色差值小于190μm。

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外壳以及如上述所述的近眼光学系统。

所述头戴显示设备包括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

1.一种近眼光学系统，其特征在于，所述近眼光学系统包括沿同一光轴设置的偏振反射元件(7)、相位延迟器(8)及分光元件(9)；

所述近眼光学系统还包括沿所述光轴设置的第一镜片(6)及第二镜片(5)，所述偏振反射元件(7)及所述相位延迟器(8)依次设于所述第一镜片(6)与所述第二镜片(5)之间，所述分光元件(9)位于所述第二镜片(5)远离所述第一镜片(6)的一侧；

所述第一镜片(6)靠近所述偏振反射元件(7)的表面为第一表面(61)，且所述第一表面(61)满足：0＜sqrt[S1²+(D1/2)²]*φ1≤1；其中，φ1为所述第一镜片(6)的光焦度，S1及D1分别所述第一表面(61)的最大矢高及径向口径。

2.根据权利要求1所述的近眼光学系统，其特征在于，所述第一镜片(6)的第一表面(61)满足：0.3＜sqrt[S1²+(D1/2)²]*φ1＜0.7。

3.根据权利要求1所述的近眼光学系统，其特征在于，所述第一镜片(6)的第一表面(61)满足：0.4＜sqrt[S1²+(D1/2)²]*φ1＜0.6。

4.根据权利要求1所述的近眼光学系统，其特征在于，在所述第一表面(61)上从中心起的径向方向，相邻两点a、b的矢高斜率为k，且k满足：-1≤k≤1；其中，所述矢高斜率k为相邻的点a和点b之间的矢高差h1与点a和点b之间的口径差d1之比，且点a与点b之间的间隔≤0.01mm。

5.根据权利要求4所述的近眼光学系统，其特征在于，在所述第一表面(61)上从中心起的径向方向，所述矢高斜率的拐点A位于所述第一表面(61)上从中心起的径向方向上≥10mm处。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的近眼光学系统，其特征在于，所述相位延迟器(8)及所述偏振反射元件(7)层叠设置形成叠合元件；

所述叠合元件设于所述第一镜片(6)的第一表面(61)，或设于所述第二镜片(5)靠近所述第一镜片(6)的表面。

7.根据权利要求6所述的近眼光学系统，其特征在于，所述第一镜片(6)的光焦度φ1为，0.019≤φ1≤0.021；

所述第一镜片(6)的第一表面(61)的径向口径D1为40mm≤D1≤42mm；

所述第一镜片(6)的第一表面(61)的最大矢高S1为1.5mm≤S1≤3mm。

8.根据权利要求6所述的近眼光学系统，其特征在于，所述所述分光元件(9)设置于所述第二镜片(5)远离所述第一镜片(6)的表面。

9.根据权利要求8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屏(1)，所述显示屏(1)设于所述第二镜片(5)背离所述第一镜片(6)的一侧，所述显示屏(1)与所述分光元件(9)之间设置有至少一个镜片，且所述至少一个镜片的光焦度为正或所有镜片的组合光焦度为正。

10.根据权利要求9所述的近眼光学系统，其特征在于，所述显示屏(1)与所述分光元件(9)之间设置有第三镜片(4)，且所述第三镜片(4)的光焦度＞0。

11.根据权利要求9所述的近眼光学系统，其特征在于，所述显示屏(1)的发光面上设置有双层保护玻璃(2)；

所述双层保护玻璃(2)的厚度≤5mm。

12.根据权利要求9所述的近眼光学系统，其特征在于，所述显示屏(1)被配置为能够发射圆偏振光或自然光；

在所述显示屏(1)发出的光线为自然光的情况下，所述显示屏(1)的发光面还设置有复合膜材，用以将自然光转变为圆偏振光，且所述复合膜材至少包括相位延迟片及线偏振片。

13.根据权利要求6所述的近眼光学系统，其特征在于，所述偏振反射元件(7)背离所述相位延迟器(8)的一侧设置有偏振器(3)，且所述相位延迟器(8)、所述偏振反射元件(7)及所述偏振器(3)为层叠设置。

14.一种头戴显示设备，其特征在于，包括：

外壳；以及，

如权利要求1-13中任一项所述的近眼光学系统。