CN117706792A - 光学系统及头戴显示设备 - Google Patents

Abstract

本公开的实施例公开了一种光学系统及头戴显示设备。具体实现方案为：光学系统包括：像源；第一透镜，靠近像源设置；第一棱镜，具有第一表面、第二表面和第三表面，第一表面靠近第一透镜设置，第二表面靠近光学系统的眼盒设置；第二透镜，靠近第三表面设置；反射膜，设置在第二透镜远离第三表面的一侧；像源发出的光线在经过第一透镜后，自第一棱镜的第一表面入射，在第一棱镜内发生至少一次全反射后，由第三表面出射至第二透镜，像源发出的光线中沿光学系统的光轴传播的光线在第一次经过第一棱镜时在第一棱镜内经过预设光程长度d；经反射膜反射后的光线再次经过第一棱镜后出射至眼盒；光学系统的系统焦距f与d的比值f/d大于等于0.475、小于等于0.6。

Description

光学系统及头戴显示设备

技术领域

本公开涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种光学系统及头戴显示设备。

背景技术

目前，头戴显示设备的应用越来越广泛。头戴显示设备可以用于内容显示。例如，头戴显示设备可以用于显示电影画面、游戏画面、网页等。光学系统是头戴显示设备的重要组成部分。

发明内容

根据本公开实施例的一个方面，提供了一种光学系统，包括：像源；第一透镜，第一透镜靠近像源设置；第一棱镜，第一棱镜具有第一表面、第二表面和第三表面，第一棱镜的第一表面靠近第一透镜设置，第一棱镜的第二表面靠近光学系统的眼盒设置；第二透镜，第二透镜靠近第一棱镜的第三表面设置；反射膜，反射膜设置在第二透镜远离第一棱镜的第三表面的一侧；其中，像源发出的光线在经过第一透镜后，自第一棱镜的第一表面入射，在第一棱镜内发生至少一次全反射后，由第一棱镜的第三表面出射至第二透镜，像源发出的光线中沿着光学系统的光轴传播的光线在第一次经过第一棱镜时在第一棱镜内经过预设光程长度d；经反射膜反射后的光线再次经过第一棱镜后出射至光学系统的眼盒；光学系统满足：光学系统的系统焦距f与预设光程长度d的比值f/d大于等于0.475、小于等于0.6。

根据本公开实施例的另一个方面，提供了一种头戴显示设备，包括：框架结构；上述光学系统，光学系统安装于框架结构。

附图说明

通过结合附图对本公开实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本公开实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本公开实施例一起用于解释本公开，并不构成对本公开的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤；

图1是本公开一些示例性实施例提供的光学系统的结构示意图；

图2是本公开另一些示例性实施例提供的光学系统的结构示意图；

图3是本公开再一些示例性实施例提供的光学系统的结构示意图；

图4是本公开又一些示例性实施例提供的光学系统的结构示意图；

图5是本公开又一些示例性实施例提供的光学系统的结构示意图；

图6是本公开一些示例性实施例中光学系统的调制传递函数曲线的示意图；

图7是本公开一些示例性实施例中框架结构的示意图。

图中，10、像源；15、第一透镜；20、第一棱镜；30、第二透镜；40、反射膜；201、第一棱镜的第一表面；203、第一棱镜的第二表面；205、第一棱镜的第三表面；50、第二棱镜；501、第二棱镜的第一表面；503、第二棱镜的第二表面；52、偏振分光膜；55、1/4波片；60、第三透镜；70、框架结构；b1、像源发出的光线；b2、像源发出的另一光线；b3、像源发出的再一光线；b4、像源发出的又一光线；e1、外界环境中的光线。

具体实施方式

下面，将参考附图详细地描述根据本公开的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本公开的一部分实施例，而不是本公开的全部实施例，应理解，本公开不受这里描述的示例实施例的限制。

在本公开的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

在本公开的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

示例性概述

头戴显示设备也可以称为头戴显示器（Head-Mounted Display，HMD）或者头显。头戴显示设备可以用于实现增强现实（AugmentedReality，AR）效果、虚拟现实（VirtualReality，VR）效果、混合现实（MixedReality，MR）效果等。头戴显示设备可以以眼镜、头盔等形式呈现。

光学系统是头戴显示设备的重要组成部分。光学系统也可以称为光机。光学系统可以用于发出头戴显示设备的显示画面的光线，并对光线进行处理，以使光线投射至佩戴头戴显示设备的用户的眼睛，从而使用户能够看到显示画面。因此，为了保证用户的使用体验，有必要合理设计光学系统。

示例性结构

本公开一些示例性实施例提供了一种光学系统。例如，如图1、图2、图3、图4所示，本公开的实施例提供的光学系统可以包括像源10、第一透镜15、第一棱镜20、第二透镜30和反射膜40。第一透镜15可以靠近像源10设置。第一棱镜20可以具有第一表面201、第二表面203和第三表面205。第一棱镜20的第一表面201可以靠近第一透镜15设置。第一棱镜20的第二表面203可以靠近光学系统的眼盒设置。第二透镜30可以靠近第一棱镜20的第三表面205设置。反射膜40可以设置在第二透镜30远离第一棱镜20的第三表面205的一侧。

在本公开的一些可选实施方式中，像源10可以用于发出显示画面的光线。像源10可以包括但不限于有机发光二极管（Organic Light Emitting Diode，OLED）像源、液晶（Liquid Crystal）像源、硅基液晶（Liquid Crystal on Silicon，LCOS）像源、微机电系统（Micro Electro Mechanical System，MEMS）像源、数字微镜器件（Digital MicromirrorDevice，DMD）等。例如，像源10可以为OLED显示屏。

在本公开的一些可选实施方式中，第一棱镜20可以用于延长光学系统的光程。第一棱镜20的第一表面201和第二表面203可以均位于第一棱镜20的第三表面205靠近光学系统的眼盒的一侧。第一棱镜20的第一表面201和第二表面203可以相交。第一棱镜20的第一表面201和第三表面205可以相交。第一棱镜20的第二表面203和第三表面205可以相交。如果第一棱镜20的第一表面201、第二表面203、第三表面205均为平面，第一棱镜20可以为三棱镜。

可以理解的是，光学系统的眼盒可以是人眼（例如图1、图2中的人眼100）可移动的区域，在该区域内，人眼100能够看到清晰完整的显示画面。光学系统的眼盒也可以称为EyeBox或者EB。光学系统的眼盒的尺寸是光学系统中重要的设计指标。

在本公开的一些可选实施方式中，第一透镜15可以设置于像源10与第一棱镜20的第一表面201之间。可选地，第一透镜15可以为非球面的透镜。这样，利用第一透镜15，可以矫正场曲、移瞳畸变（pupil swim）和色差，以保证光学系统的成像质量。

在本公开的一些可选实施方式中，第一透镜15可以属于正透镜。例如，如图1、图2所示，第一透镜15可以为双凸透镜。再例如，如图3、图4所示，第一透镜15可以为平凸透镜。这样，第一透镜15的表面的面型较为规整，加工难度较低。

在本公开的一些可选实施方式中，第二透镜30可以用于校正场曲和提供光焦度，以达到较大的视场角。第二透镜30可以与第一棱镜20的第三表面205相对。第二透镜30远离第一棱镜20的第三表面205的一侧可以通过粘接等方式设置反射膜40。反射膜40可以用于对光线进行全反射或者部分反射。如果反射膜40用于对光线进行部分反射，反射膜40可以为半透半反膜。

需要说明的是，像源10发出的光线可以在经过第一透镜15后，自第一棱镜20的第一表面201入射，在第一棱镜20内发生至少一次全反射后，由第一棱镜20的第三表面205出射至第二透镜30，经反射膜40反射后的光线再次经过第一棱镜20后出射至光学系统的眼盒。

在本公开的一些可选实施方式中，像源10发出的光线可以先经过第一透镜15，然后自第一棱镜20的第一表面201入射到第一棱镜20内，并在第一棱镜20内发生至少一次全反射后，自第一棱镜20的第三表面205出射至第二透镜30。出射至第二透镜30的光线可以传播至反射膜40。反射膜40可以对传播至其的光线进行反射，以调整光线传播方向。例如，如图1、图2、图3所示，反射膜40可以将光线由水平向右的传播方向调整为水平向左的传播方向。这样，传播方向经调整后的光线可以在再次经过第一棱镜20后出射至光学系统的眼盒。

可见，本公开的实施例提供的光学系统中，通过像源10、第一透镜15、第一棱镜20、第二透镜30和反射膜40的配合使用，使像源10发出的光线能够进入光学系统的眼盒。如此，人眼100能够看到像源10提供的显示画面。因此，头戴显示设备能够正常进行内容显示，以满足用户的使用需求，例如满足用户的观影需求。

在本公开的一些实施例中，第一棱镜20的第一表面201可以为平面或者曲面。第一棱镜20的第二表面203和第三表面205均可以为平面。通过使第一棱镜20的第一表面201形成为曲面，有利于矫正光学系统的场曲和移瞳畸变。

在本公开的一些可选实施方式中，像源10发出的光线可以由第一棱镜20的第一表面201入射后，在第一棱镜20内依次经第一棱镜20的第三表面205全反射、第一棱镜20的第二表面203反射后，由第一棱镜20的第三表面205出射。

在一个可选的例子中，如图1、图2、图3所示，像源10发出的光线可以包括光线b1。光线b1可以由第一棱镜20的第一表面201入射，以进入第一棱镜20内。接下来，光线b1可以传播至第一棱镜20的第三表面205处，并在第一棱镜20的第三表面205处发生全反射，以朝着第一棱镜20的第二表面203传播。传播至第一棱镜20的第二表面203处的光线b1可以发生反射，并由第一棱镜20的第三表面205出射至透镜30。

在另一个可选的例子中，如图4所示，像源10发出的光线可以包括光线b2、光线b3和光线b4。与光线b1类似，光线b2、光线b3和光线b4中的任一者也可以先在第一棱镜20的第三表面205处发生全反射，然后在第一棱镜20的第二表面203处发生反射，之后自第一棱镜20的第三表面205出射至透镜30。

可以理解的是，全反射是指当光线由光密介质射向光疏介质时，只发生反射而不产生折射的现象。光线发生全反射的临界角与光密介质的折射率和光疏介质的折射率关联。

这样，像源10发出的光线从第一棱镜2的第一表面201进入第一棱镜20内之后，可以在第一棱镜20内经历一次全反射和一次反射，不仅能够延长光学系统的光程，还能够避免在第一棱镜20内全反射和反射的次数过多而导致第一棱镜20的体积过大以及光线发散程度过大的问题。

在一些实施例中，像源10发出的光线从第一棱镜2的第一表面201进入第一棱镜20内之后，在由第一棱镜20的第三表面205出射至透镜30之前，在第一棱镜20内经历的全反射的次数可以不局限于一次，在第一棱镜20内经历的反射的次数也可以不局限于一次。例如，在第一棱镜20的第三表面205处发生一次全反射，且在第一棱镜20的第二表面203处发生一次反射之后，可以再在第一棱镜20的第三表面205处发生一次全反射，并再在第一棱镜20的第二表面203处发生一次反射，之后由第一棱镜20的第三表面205出射至透镜30。

在本公开的一些可选实施方式中，如图1、图2、图3所示，光学系统还可以包括第二棱镜50。第二棱镜50可以具有第一表面501和第二表面503。第二棱镜50的第一表面501靠近光学系统的眼盒设置。第二棱镜50的第二表面503靠近第一棱镜20的第二表面203设置。经反射膜40反射后的光线再次经过第一棱镜20后、经第二棱镜50的第二表面503、第二棱镜50的第一表面501后出射至光学系统的眼盒。

如图1、图2、图3所示，第二棱镜50的第一表面501和第二表面503均可以为平面。第二棱镜50的第一表面501和第二表面503可以相交。第二棱镜50的第二表面503与第一棱镜20的第二表面203可以相贴合。可选地，第二棱镜50可以为一三棱镜。

在像源10发出的光线经反射膜40反射之后，经反射的光线可以经过第一棱镜20到达第二棱镜50的第二表面503，并进入第二棱镜50内。之后，光线可以从第二棱镜50的第一表面501出射至光学系统的眼盒。

这样，在引入第二棱镜50的情况下，像源10发出的光线能够进入光学系统的眼盒。如此，人眼100能够看到像源10提供的显示画面。另外，第二棱镜50可以弥补像源10上不同发光位置发出的光线在第一棱镜20内传播后产生的光程差，使得不同发光位置发出的光线的光程基本相同，从而减小图像畸变，提升光学系统的成像质量。

在本公开的一些可选实施方式中，如图5所示，第一棱镜20的第二表面203与第二棱镜50的第二表面503之间可以设置有偏振分光膜52。第二透镜30与第一棱镜20的第三表面205之间可以设置有1/4波片55。

如图5所示，偏振分光膜52可以分别与第一棱镜20的第二表面203与第二棱镜50的第二表面503相贴合。可选地，偏振分光膜52可以与第一棱镜20的第二表面203和第二棱镜50的第二表面503两者中的至少一者粘接。1/4波片55与透镜30可以相隔一定距离。1/4波片55与第一棱镜20的第三表面205也可以相隔一定距离。

由于偏振分光膜52的设置，当像源10发出的光线经第一棱镜20的第三表面205处的全反射传播至偏振分光膜52处时，偏振分光膜52可以对光线进行部分反射，并且，经偏振分光膜52反射的光线可以为偏振光线。偏振光线可以由第一棱镜20的第三表面205出射，并在经过1/4波片55和透镜30后到达反射膜40，以被反射膜40反射。之后，偏振光线会再次经过透镜30和1/4波片55。由于偏振光线两次经过1/4波片55，偏振光线的偏振方向可以发生变化。当偏振光线经过1/4波片55到达偏振分光膜52时，偏振光线可以直接从偏振分光膜52透射，以在经过第二棱镜50后进入人眼100。

这样，像源10发出的光线在第一棱镜20内传播的过程中入射至偏振分光膜52，第一类型的线偏振光被偏振分光膜52反射，由第一棱镜20的第三表面205透射后，经过1/4波片55，使得第一类型的线偏振光转换为第一类型的圆偏振光，在经过透镜30透射、反射膜40反射后，第一类型的圆偏振光转换为第二类型的圆偏振光，再次经过1/4波片55时转换为第二类型的线偏振光，进入第一棱镜20内并由偏振分光膜52透射。通过偏振分光膜52和1/4波片55的配合使用，像源10发出的光线能够按照需要的路径传播并最终进入光学系统的眼盒，从而保证人眼100能够看到像源10提供的显示画面。

在本公开的一些可选实施方式中，如图2、图3所示，光学系统还可以包括第三透镜60。第三透镜60可以位于第二透镜30远离第一棱镜20的一侧。

这里，第三透镜60可以与设置于第二透镜30的反射膜40相贴合。可选地，第三透镜60与反射膜40两者可以粘接。当然，第三透镜60与反射膜40也可以相隔一定距离。

在一个可选的例子中，附加透镜60可用于透镜30的补偿镜，以补偿透镜30的面型。如图2、图3所示，外界环境中可以存在光线e1。光线e1可以依次经过第三透镜60、反射膜40、第二透镜30、第一棱镜20和第二棱镜50，并最终进入光学系统的眼盒。这样，外界环境中的光线能够无偏折地进入人眼100，用户在佩戴头戴显示设备对外界环境进行观察时，能够看到无变形的环境图像。

在本公开的一些可选实施方式中，像源10发出的光线中沿着光学系统的光轴传播的光线在第一次经过第一棱镜20时在第一棱镜20内经过预设光程长度d。光学系统可以满足：光学系统的系统焦距f与预设光程长度d的比值f/d大于等于0.475、小于等于0.6。

需要说明的是，光学系统为由多种光学元件按一定次序组合的系统，对于光学系统而言，光轴为光学系统中依次连接各个光学元件的光学中心的连线，各个光学元件沿着光轴排列。

像源10发出的光线中沿着光学系统的光轴的光线从第一棱镜20的第一表面201入射，沿着光学系统的光轴传播的光线从第一棱镜20的第三表面205出射，像源10发出的沿着光学系统的光轴传播的光线在第一棱镜20内的实际传播路程表示为目标路程，则可以将目标路程折合为光线在真空中传播的相应路程，折合得到的相应路程即可作为预设光程长度d。光学系统的系统焦距f与预设光程长度d的比值f/d可以限制在[0.475，0.60]这一范围内。例如，f/d可以为0.475、0.480、0.50、0.52、0.54、0.57、0.60等，在此不再一一列举。

通过研究发现，将f/d限制在[0.475，0.60]这一范围内，有利于通过较小体积的光学系统实现较大的适眼距（EyeRelief，ER）和较大的眼盒（Eye Box，EB）。较小的体积有利于保证光学系统的小型化和轻量化。较大的眼盒有利于兼顾具有不同瞳距的用户。较大的适眼距能够允许本身佩戴有眼镜（例如近视眼镜）的用户在不取下该眼镜的前提下使用头戴显示设备。将f/d限制在[0.45，0.60]这一范围内，还有利于场曲及移瞳畸变的校正。

需要说明的是，适眼距（Eye Relief，ER）是光学系统中重要的设计指标。适眼距可以是指：从人眼到放置光学系统中的第一个光学元件（可以认为是距离人眼最近的光学元件）的平面的距离。可选地，图1、图2、图3中的人眼100与第二棱镜50的第一表面501之间的距离可以作为适眼距。

在本公开的一些可选实施方式中，第一透镜15可以满足：T×N₂/d大于等于0.1、小于等于0.2，其中，T表示第一透镜15的厚度，N₂表示第一透镜15的折射率。

也即，第一透镜15的厚度和第一透镜15的折射率两者的乘积与预设光程长度d的比值T×N₂/d可以限制在[0.1，0.2]这一范围内。例如，T×N₂/d可以为0.1、0.12、0.15、0.16、0.17、0.18、0.2等，在此不再一一列举。

通过研究发现，将T×N₂/d限制在[0.1，0.2]这一范围内，有利于控制光学系统的移瞳畸变，并使整个光学系统在较小的体积内实现较大的视场角。如此，能够兼顾光学系统的小型化、轻量化和视场范围。

在本公开的一些可选实施方式中，第一透镜15的焦距f2可以大于等于15毫米、小于等于35毫米。

也即，第一透镜15的焦距f2可以限制在[15mm，30mm]这一范围内。例如，f2可以为15 mm、18 mm、20 mm、21mm、24mm、26mm、28mm、30mm等，在此不再一一列举。

通过研究发现，将f2限制在[15mm，30mm]这一范围内，不仅可以控制光学系统的主光线角度（ChiefRay Angle，CRA）和场曲，还可以矫正场曲和色差，从而有利于保证光学系统的成像质量。

在本公开的一些可选实施方式中，第二透镜30的焦距f1可以大于等于10毫米、小于等于20毫米。

也即，第二透镜30的焦距f1可以限制在[10mm，20mm]这一范围内。例如，f1可以为10mm、12mm、14mm、15mm、18mm、20mm等，在此不再一一列举。

通过将f1限制在[10mm，20mm]这一范围内，能够为光学系统提供足够的光焦度，以达到较大的视场角，同时能够有效地矫正场曲，从而有利于保证光学系统的成像质量。

在本公开的一些可选实施方式中，第一棱镜20的第一表面201的焦距fL与光学系统的系统焦距f的比值fL/f可以大于等于2。

也即，第一棱镜20的第一表面201的焦距fL与光学系统的系统焦距f的比值fL/f可以限制在[2，+∞）这一范围内。那么，fL/f可以为有限的数值，例如为2、3、4、5、10、20等，在此不再一一列举。这种情况下，第一棱镜20的第一表面201可以为曲面。或者，fL/f也可以趋近于无穷大。这种情况下，第一棱镜20的第一表面201可以为平面。

通过将fL/f限制在[2，+∞）这一范围内，有利于保证第一棱镜20的第一表面201的参数的合理性，以保证光学系统的成像质量。另外，在第一棱镜20的第一表面201为曲面的情况下，第一棱镜20的第一表面201可以为非球面。通过非球面可以矫正场曲和移瞳畸变，以进一步保证光学系统的成像质量，同时，不显著增加镜片加工难度。

在本公开的一些可选实施方式中，第一棱镜20的第一表面201的焦距fL大于等于40毫米。

也即，第一棱镜20的第一表面201的焦距fL可以限制在[40mm，+∞）这一范围内。那么，fL可以为有限的数值，例如40、45、55、60、80、100等，在此不再一一列举。这种情况下，第一棱镜20的第一表面201可以为曲面。或者，fL可以趋近于无穷大。这种情况下，第一棱镜20的第一表面201可以为平面。

通过令fL限制在[40mm，+∞）这一范围内，可以在不明显增加镜片加工难度的基础上，矫正场曲和移瞳畸变，以保证光学系统的成像质量。另外，在第一棱镜20的第一表面201为曲面的情况下，第一棱镜20的第一表面201可以为非球面。通过非球面可以矫正场曲和移瞳畸变，以进一步保证光学系统的成像质量。

在本公开的一些可选实施方式中，第一透镜15可以为平凸透镜，并且，第一棱镜20的第一表面201的焦距fL可以限制在[40mm，+∞）这一范围内。这样，第一透镜15的加工难度较低，且有利于保证光学系统的成像质量。参见图3，第一透镜15为平凸透镜，平凸透镜的凸面可以朝向第一棱镜20的第一表面201。

在本公开的一些可选实施方式中，第一透镜15的表面和第一棱镜20的第一表面201中的至少之一可以满足：[SAG(φ1)-SAG(φ2)]/[SAG(φ2)-SAG(φ3)]>1，φ1>φ2>φ3，φ1-φ2=φ2-φ3，φ1、φ2、φ3均表示有效径中的取值，SAG(φ1)表示φ1对应的矢高，SAG(φ2) 表示φ2对应的矢高，SAG(φ3)表示φ3对应的矢高。

一般而言，透镜等光学元件可以包括有效径部分和位于边缘的用于安装固定的部分，有效径部分可以参与成像。

对于第一棱镜20的第一表面201，在有效径的取值为φ1处，第一棱镜20的第一表面201的矢高可以表示为SAG(φ1)，在有效径的取值为φ2处，第一棱镜20的第一表面201的矢高可以表示为SAG(φ2)，在有效径的取值为φ3处，第一棱镜20的第一表面201的矢高可以表示为SAG(φ3)。由于[SAG(φ1)-SAG(φ2)]/[SAG(φ2)-SAG(φ3)]>1，φ1>φ2>φ3，φ1-φ2=φ2-φ3。如此，能够降低移瞳畸变的变化，保证成像质量，同时使镜片的加工难度降低。

可选地，第一透镜15的表面也可满足上述有效径和矢高的关系式，例如图3中第一透镜15的凸面满足上述有效径和矢高的关系式，能够降低移瞳畸变的变化、保证成像质量，同时降低镜片的加工难度。

在本公开的一些可选实施方式中，第一透镜15的折射率N₂可以大于等于1.4、小于等于2.0。

也即，第一透镜15的折射率N₂可以限制在[1.4，2.0]这一范围内。例如，N₂可以为1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、2.0等，在此不再一一列举。通过限制第一透镜15的折射率N₂在[1.4，2.0]这一范围内，使第一透镜15能够有效地矫正场曲和移瞳畸变，有利于光学系统整体的光学设计，从而有利于保证光学系统的成像质量。

在本公开的一些可选实施方式中，第一透镜15的阿贝数AB₂可以大于等于15、小于等于90。

也即，第一透镜15的阿贝数AB₂可以限制在[15，90]这一范围内。例如，AB₂可以为15、20、25、30、45、60、70、80、90等，在此不再一一列举。

通过将第一透镜15的阿贝数AB₂限制在[15，90]这一范围内，有利于使第一透镜15能够有效地矫正场曲和移瞳畸变，有利于光学系统整体的光学设计，从而有利于光学系统的成像质量。

在本公开的一些可选实施方式中，第二透镜30的折射率N₁可以大于等于1.45、小于等于1.75。

也即，第二透镜30的折射率N₁可以限制在[1.45，1.75]这一范围内。例如，N₁可以为1.45、1.55、1.6、1.7、1.75等，在此不再一一列举。

通过将透镜30的折射率N₁限制在[1.45，1.75]这一范围内，有利于光学系统整体的光学设计，从而有利于保证光学系统的成像质量。

在本公开的一些可选实施方式中，第二透镜30的阿贝数AB₁可以大于等于40、小于等于80。

也即，第二透镜30的阿贝数AB₁可以限制在[40，80]这一范围内。例如，AB₁可以为40、45、50、55、60、70、80等，在此不再一一列举。

可选地，第二透镜30可以具有非球面的表面，通过非球面可以矫正场曲和移瞳畸变，以保证光学系统的成像质量。

通过将AB₁限制在[40，80]这一范围内，有利于光学系统整体的光学设计，从而有利于保证光学系统的成像质量。

在本公开的一些可选实施方式中，第一棱镜50的第二表面503和第一棱镜20的第三表面205之间的夹角a可以大于等于光线在第一棱镜20内发生全反射的临界角的余角的1/2。

这里，可以依据第一棱镜20的折射率和空气的折射率，确定光线在第一棱镜20内发生全反射的临界角。假设光线在第一棱镜20内发生全反射的临界角表示为C，则夹角a可以满足如下式子：a≥（90°－C）/2。

通过令夹角a大于等于（90°－C）/2，可以使像源10发出的光线按照设定的路线传播并最终进入光学系统的眼盒，避免夹角a的取值过小带来的不利影响。例如，像源10发出的光线在第一次经过第一棱镜20时，在第一棱镜20内可以进行一次全反射和一次反射。

在本公开的一些可选实施方式中，第一棱镜50的第二表面503和第一棱镜20的第三表面205之间的夹角a可以大于等于20度、小于等于30度。

也即，第一棱镜20的第二表面203和第一棱镜20的第三表面205之间的夹角a可以限制在[20°，30°]这一范围内。例如，a可以为20°、23°、25°、26°、28°、30°等，在此不再一一列举。

在一些实施例中，可以将a进一步限制在[25°，30°]这一范围内。

通过研究发现，夹角a关系到眼盒（Eye Box）、适眼距（Eye Relief）以及光学系统体积，将夹角a限制在[20°，30°]这一范围内，可以使像源10发出的光线按照设定的路线传播并最终进入光学系统的眼盒，避免夹角a的取值过大或者过小带来的不利影响。例如，像源10发出的光线在第一次经过第一棱镜20时，可以在第一棱镜20内进行一次全反射和一次反射。

在本公开的一些可选实施方式中，第一棱镜20的折射率NL₁可以大于等于1.5、小于等于1.8。

也即，第一棱镜20的折射率NL₁可以限制在[1.5，1.8]这一范围内。例如，NL₁可以为1.5、1.6、1.7、1.8等，在此不再一一列举。

本公开的实施例中，通过将第一棱镜20的折射率NL1限制在[1.5，1.8]这一范围，有利于减小光学系统的体积，同时满足眼盒、适眼距的设计指标并保证光学系统的成像质量。

在本公开的一些可选实施方式中，第一棱镜20的阿贝数ABL₁大于等于15、小于等于60。

也即，第一棱镜20的阿贝数ABL₁可以限制在[15，60]这一范围内。例如， ABL₁可以为15、20、30、40、50、60等，在此不再一一列举。

通过将第一棱镜20的阿贝数ABL₁限制在[15，60]这一范围内，有利于保证第一棱镜20的参数的合理性，从而有利于保证光学系统的成像质量。

在本公开的一些可选实施方式中，第二棱镜50的折射率NL₂大于等于1.5、小于等于1.8。

也即，第二棱镜50的折射率NL₂可以限制在[1.5，1.8]这一范围内。例如，NL₂可以为1.5、1.6、1.7、1.8等，在此不再一一列举。可选地，NL₂与上文中的NL₁的具体取值可以相同，也可以不同。

本公开的实施例中，通过将第二棱镜50的折射率NL2限制在[1.5，1.8]这一范围内，有利于能有效补偿像源10上不同发光位置发出的光线在第一棱镜20内传播后产生的光程差，从而有利于保证光学系统的成像质量，同时，能够满足适眼距的设计指标。

在本公开的一些可选实施方式中，第二棱镜50的阿贝数ABL₂大于等于15、小于等于60。

也即，第二棱镜50的阿贝数ABL₂可以限制在[15，60]这一范围内。例如，ABL₂可以为15、20、30、40、50、60等，在此不再一一列举。可选地，ABL₂与上文中的ABL₁的具体取值可以相同，也可以不同。

通过将第二棱镜50的阿贝数ABL₂限制在[15，60]这一范围内，有利于能有效补偿像源10上不同发光位置发出的光线在第一棱镜20内传播后产生的光程差，从而有利于保证光学系统的成像质量，同时，能够满足适眼距的设计指标。

在本公开的一些可选实施方式中，光学系统的视场角FOV可以大于等于40度、小于等于80度。

也即，光学系统的视场角FOV可以限制在[40°，80°]这一范围内。例如，FOV可以为40°、50°、60°、70°、80°等，在此不再一一列举。这样，本公开的实施例中，用户能够看到大于等于40度、小于等于80度的视场范围内的清晰画面，视场范围较大。

在本公开的一些可选实施方式中，光学系统的体积V可以小于等于10立方厘米。

也即，光学系统的体积V可以满足如下式子：V≤10cc。例如，V可以为5 cc、6cc、7cc、8cc、9cc、10cc等，在此不再一一列举。这样，本公开的实施例中，光学系统的体积较小，结构紧凑，有利于保证光学系统的小型化和轻量化。

在本公开的一些可选实施方式中，眼盒在预设的适眼距处的尺寸满足如下任一尺寸：

眼盒的长度LEN大于等于8mm且小于等于25mm，眼盒的高度HEI大于等于3mm且小于等于10mm；

眼盒的直径DIA大于6mm。

也即，眼盒的长度LEN可以限制在[8mm，25mm]这一范围内。眼盒的高度HEI可以限制在[3mm，10mm]这一范围内。例如，LEN可以为8mm、10mm、15mm、20mm、25mm等，HEI可以为3mm、5mm、6mm、9mm、10mm等，在此不再一一列举。另外，眼盒的直径DIA可以为6mm、6.5mm、7mm、8mm等，在此不再一一列举。这样，光学系统可以具有较大的眼盒，有利于兼顾具有不同瞳距的用户。

在本公开的一些可选实施方式中，光学系统可以满足如下条件：（1）光学系统的系统焦距为10.84mm；（2）光学系统的视场角FOV为57°；（3）第二透镜30的焦距f1为12.25mm；（4）第二透镜30的折射率N₁为1.509；（5）第二透镜30的阿贝数AB₁为56.32；（6）第一透镜15的焦距f2为15.3mm；（7）第一透镜15的折射率N₂为1.77；（8）第一透镜15的阿贝数AB₂为50；（9）光学系统的系统焦距f与预设光程长度d的比值f/d为0.460；（10）第一透镜15的焦距f2与光学系统的系统焦距f的比值f2/f为1.411；（11）第一透镜15的厚度和第一透镜15的折射率两者的乘积与预设光程长度d的比值T×N₂/d为0.18。

需要说明的是，排除掉第二棱镜50的表面，像源10发出的光线可以在依次经过14个表面后到达人眼100。那么，可以按照与光线经过的路径逆向的方向，为这14个表面编号。这14个表面可以满足如下的表1和表2：

表1

表2

其中，表2中的“S6”可以是指表面编号为6的表面，表2中的“S12”可以是指表面编号为12的表面。

在此基础上，可以获得光学系统的调制传递函数（Modulation TransferFunction，MTF）曲线。可以理解的是，MTF曲线是描述光学系统性能的一种曲线，可以用于评判光学系统还原对比度的能力。可选地，光学系统的MTF曲线可以如图6所示。图6中的横轴可以代表空间频率，纵轴可以代表对比度，实线可以表示子午方向，虚线可以表示弧矢方向。由图6可知，光学系统在不同视场方向均具有较好的解析力，整体成像质量较高。

综上，采用本公开的实施例提供的光学系统，能够在较小的体积下，实现较大的视场，且能有效控制主光线角度，有效矫正场曲、移瞳畸变和色差，从而能够保证成像质量。

本公开一些示例性实施例还提供了一种头戴显示设备。头戴显示设备可以包括图7所示的框架结构70和上述任一实施例中的光学系统。光学系统可以安装于框架结构。

在本公开的一些可选实施方式中，框架结构70可以是能够支撑并容纳光学系统的结构。例如，框架结构70可以包括眼镜框架、头箍等。

本公开的实施例中，通过框架结构70的设置，能够可靠地实现光学系统的安装。通过光学系统中的各个光学元件的配合，能够使图1、图2、图3中的人眼100看到像源10提供的显示画面，以满足用户的使用需求。在一些实施例中，人眼100还可以看到外界环境。

需要说明的是，上述公开的各种可选实施例和可选实施方式，都可以根据需要进行灵活的选择和组合，从而实现相应的功能和效果，本公开不进行一一列举。

以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，在本公开中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本公开的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本公开为必须采用上述具体的细节来实现。

本说明书中各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。

本领域的技术人员可以对本公开进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本公开权利要求及其等同技术的范围之内，则本公开也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (26)

1.一种光学系统，包括：

像源；

第一透镜，所述第一透镜靠近所述像源设置；

第一棱镜，所述第一棱镜具有第一表面、第二表面和第三表面，所述第一棱镜的第一表面靠近所述第一透镜设置，所述第一棱镜的第二表面靠近所述光学系统的眼盒设置；

第二透镜，所述第二透镜靠近所述第一棱镜的第三表面设置；

反射膜，所述反射膜设置在所述第二透镜远离所述第一棱镜的第三表面的一侧；

其中，所述像源发出的光线在经过所述第一透镜后，自所述第一棱镜的第一表面入射，在所述第一棱镜内发生至少一次全反射后，由所述第一棱镜的第三表面出射至所述第二透镜，所述像源发出的光线中沿着所述光学系统的光轴传播的光线在第一次经过所述第一棱镜时在所述第一棱镜内经过预设光程长度d；经所述反射膜反射后的光线再次经过所述第一棱镜后出射至所述光学系统的眼盒；

所述光学系统满足：所述光学系统的系统焦距f与所述预设光程长度d的比值f/d大于等于0.475、小于等于0.6。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述像源发出的光线由所述第一棱镜的第一表面入射后，在所述第一棱镜内依次经所述第一棱镜的第三表面全反射、所述第一棱镜的第二表面反射后，由所述第一棱镜的第三表面出射。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一透镜满足：T×N₂/d大于等于0.1、小于等于0.2，其中，T表示所述第一透镜的厚度，N₂表示所述第一透镜的折射率。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一透镜的焦距f2大于等于15毫米、小于等于35毫米。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一透镜的表面和所述第一棱镜的第一表面中的至少之一满足：[SAG(φ1)-SAG(φ2)]/[SAG(φ2)-SAG(φ3)]>1，φ1>φ2>φ3，φ1-φ2=φ2-φ3，φ1、φ2、φ3均表示有效径，SAG(φ1)表示φ1对应的矢高，SAG(φ2) 表示φ2对应的矢高，SAG(φ3)表示φ3对应的矢高。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一透镜为平凸透镜。

7.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第二透镜的焦距f1大于等于10毫米、小于等于20毫米。

8.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一棱镜的第一表面的焦距fL与所述光学系统的系统焦距f的比值fL/f大于等于2。

9.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一棱镜的第一表面的焦距fL大于等于40毫米。

10.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一透镜的折射率N₂大于等于1.4、小于等于2.0。

11.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一透镜的阿贝数AB₂大于等于15、小于等于90。

12.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第二透镜的折射率N₁大于等于1.45、小于等于1.75。

13.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第二透镜的阿贝数AB₁大于等于40、小于等于80。

14.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一棱镜的第二表面和所述第一棱镜的第三表面之间的夹角a大于等于光线在所述第一棱镜内发生全反射的临界角的余角的1/2。

15.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一棱镜的第二表面和所述第一棱镜的第三表面之间的夹角a大于等于20度、小于等于30度。

16.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一棱镜的折射率NL₁大于等于1.5、小于等于1.8。

17.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一棱镜的阿贝数ABL₁大于等于15、小于等于60。

18.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述光学系统还包括：

第二棱镜，所述第二棱镜具有第一表面、第二表面，所述第二棱镜的第一表面靠近所述光学系统的眼盒设置，所述第二棱镜的第二表面靠近所述第一棱镜的第二表面设置，经所述反射膜反射后的光线再次经过所述第一棱镜后、经所述第二棱镜的第二表面、所述第二棱镜的第一表面后出射至所述光学系统的眼盒。

19.根据权利要求18所述的光学系统，其中，所述第一棱镜的第二表面与所述第二棱镜的第二表面之间设置有偏振分光膜，所述第二透镜与所述第一棱镜的第三表面之间设置有1/4波片。

20.根据权利要求18所述的光学系统，其中，所述第二棱镜的折射率NL₂大于等于1.5、小于等于1.8。

21.根据权利要求18所述的光学系统，其中，所述第二棱镜的阿贝数ABL₂大于等于15、小于等于60。

22.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述光学系统还包括：

第三透镜，所述第三透镜位于所述第二透镜远离所述第一棱镜的一侧。

23.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述光学系统的视场角FOV大于等于40度、小于等于80度。

24.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述光学系统的体积V小于等于10立方厘米。

25.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述眼盒在预设的适眼距处的尺寸满足如下任一尺寸：

眼盒的长度LEN大于等于8mm且小于等于25mm，眼盒的高度HEI大于等于3mm且小于等于10mm；

眼盒的直径DIA大于6mm。

26.一种头戴显示设备，包括：

框架结构；

如权利要求1-25中任一所述的光学系统，所述光学系统安装于所述框架结构。