CN205539717U - 一种轻小型大视场近眼显示光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种轻小型大视场近眼显示光学系统，为单目目视光学系统，包含球面显示屏、球面反射镜和出瞳面；由物侧至人眼侧，球面显示屏、球面反射镜、出瞳面沿光轴方向共轴依次排列；球面显示屏为凸球面，其曲率半径为r；球面反射镜为凹球面，其曲率半径为2r；球面显示屏与球面反射镜的球心重合；其中，r满足条件：15mm≤r≤75mm。该系统能实现视场大、像质好、体积小、重量轻、成本低这几项需求的理想结合，并易于实现有环境透视需求的系统。

Description

一种轻小型大视场近眼显示光学系统

技术领域

本实用新型涉及一种轻小型大视场近眼显示光学系统，属于光学系统设计技术领域，具体应用于头戴显示设备范畴。

背景技术

在头戴显示设备(HMD)中，近眼显示光学系统是核心组成部分。由于各种因素的相互制约，目前的系统仍无法满足对于视场大(30度左右或以上)、像质好、体积小、重量轻、成本低这几项因素的理想结合，某些需要环境透视(see-through)的系统(如增强现实AR)更是进一步提高了系统设计的难度。现有的系统要么视场小，要么视场大但过于臃肿沉重、头部负担大，要么涉及光波导、衍射光栅等复杂光学元件，加工制造成本高。

发明内容

本实用新型提供一种轻小型大视场近眼显示光学系统，能实现视场大、像质好、体积小、重量轻、成本低这几项需求的理想结合，并易于实现有环境透视需求的系统。

技术方案如下：该轻小型大视场近眼显示光学系统为单目目视光学系统，包含球面显示屏、球面反射镜和出瞳面；由物侧至人眼侧，所述球面显示屏、球面反射镜、出瞳面沿光轴方向共轴依次排列；所述球面显示屏为凸球面，其曲率半径为r；所述球面反射镜为凹球面，其曲率半径为2r；在该光学系统的等价基础光学系统中，所述球面显示屏的球心与所述球面反射镜的球心重合；其中，r满足条件：15mm≤r≤75mm。由于近眼显示系统中使用的微显示器尺寸小、像素密度高，人眼难以直接观察，该技术方案通过将微显示器的球面显示屏置于一球面反射镜的光焦面处(1/2半径处)，使所述球面显示屏上像素点发出的光经所述球面反射镜反射后成为准直光后到达出瞳面，从而使人眼在出瞳处看到位于远方的放大的图像。通过参数r的进一步约束，可满足大视场、轻小及良好像质的理想结合。(需要说明的是：文中“沿光轴方向共轴依次排列”是指沿光轴上的光路顺序排列，并非物理位置上的顺序排列；另外，由于在本实用新型最基础的光学系统中可插入若干个光路转折镜，除光学系统及其光路被转折外，其视场、像质等基本特性和原基础光学系统是等价的，但光路转折镜对光学系统的转折可能使一些原基础光学系统中重合的点在物理位置上不再重合，因而引入“等价基础光学系统”的概念来表达某光学系统省略所有光路转折镜后等价变换后的光学系统。)

由于头戴显示设备的特殊性，当设备佩戴于头部后，除人眼的转动外，人眼与光学系统的相对位置保持固定，因而通过出瞳位置的设计，可令人眼在设计视场内获得最佳的成像效果。

优选地，所述光学系统装置于头戴设备，当佩戴使用时，人眼瞳孔在该光学系统的等价基础光学系统中位于所述重合球心处。此时所述出瞳面正位于所述重合球心处，整个光学系统具有以所述重合球心为中心的旋转对称性，除所述出瞳面有一个相对倾斜角外，所述球面显示屏上的轴外像素点和轴上像素点的成像光路基本相同，因而具有同等良好的像质水平。

又或者，所述光学系统装置于头戴设备，当佩戴使用时，人眼球球心在该光学系统的等价基础光学系统中与所述重合球心重合。此时由于所述球面显示屏、球面反射镜和人眼眼球三者同心，当眼球转动朝其他方向查看时，其视觉中心的成像质量保持不变，始终为沿光轴方向查看时轴上像素点的成像质量。

一般而言，所述出瞳面越接近所述重合球心处，其以所述重合球心为中心的旋转对称性作用越大，轴外像差越小，越能满足大视场设计的需要。因此，该系统易于设计全视场角在30度左右或以上的系统。

优选地，所述球面显示屏上的图像像素点在该球面上均匀排列。该方案可实现各向均匀的球面视觉图像。

又或者，所述球面显示屏的图像源为均匀采样的平面图像，所述球面显示屏上的图像像素点质心在参考平面的辐射投影在该平面上以所述图像源的采样方式均匀排列，其中：参考平面为垂直于光轴、在光轴正向并距所述球面显示屏球心距离为d的平面，某点在参考平面的辐射投影为该点与所述球面显示屏球心连线延长线与参考平面的交点。该方案通过精确定位所述球面显示屏上的图像像素点的位置，使其相对于图像源产生与该光学系统畸变相反的负畸变，以抵消原有畸变，最终对人眼呈现出相对于图像源零畸变的平面视觉图像。

在此基础上，优选地，所述图像源为全等矩形网格采样的平面矩形图像，采样点位于全等矩形顶点处，所述图像像素点质心在所述参考平面的辐射投影的横向间距为2d*tanα/(w-1)，纵向间距为2d*tanβ/(h-1)，其中：α、β分别为所述光学系统设计视场的横向半视场角和纵向半视场角，w、h分别为所述图像源分辨率的宽和高。此方案的效果是：对人眼视觉上呈现出零畸变的平面矩形图像，像在观看远方的一个超大平面矩形屏幕。

优选地，所述图像像素点的大小与该像素点质心在所述参考平面的辐射投影距所述球面显示屏球心的距离成反比。该方案使得每个像素点在视觉上的视角大小有所区别，模拟真实的平面视觉图像效果。

优选地，为实现精确的像素点位置分布，所述球面显示屏上的像素点通过精确加工工艺进行制备，实现技术可采用OLED、LCD、LCos或DMD中的一种。

优选地，所述球面显示屏为透明屏，其凸面一侧发出的光强于凹面一侧发出的光。通过将球面显示屏实施为透明屏，从球面反射镜反射回来的光可透过球面显示屏，从而进入人眼。另外，凹面一侧发出的光由于近眼无法在视网膜上成像，但仍会产生一定干扰，通过抑制该侧发出的光可有效降低成像干扰。

优选地，所述球面显示屏和所述球面反射镜之间、所述球面反射镜和所述出瞳面之间还插入若干个光路转折镜对所述光学系统进行光路转折，其中：光路转折镜为平面反射镜或平面半反半透镜(半反半透指部分反射、部分投射，并非一定各占50％)。这些光路转折镜的主要作用是转折(折叠)光路，使系统体积更小，及适应特定产品的结构；此外，如果没有光路转折镜，球面显示屏必须实施为透明的显示屏，在球面显示屏和球面反射镜之间加入一个平面半反半透镜，则可避免上述这种必要性，降低制造难度和成本。而在球面反射镜和出瞳面之间加入平面半反半透镜，则能轻易实现可环境透视的系统。(得益于该系统较大的出瞳距离。)

另外，组合两组本光学系统，采用同一图像源、不同图像源、或者是同一图像源中不同的部分，可实现双目显示系统。

以上所有优选方案，除非有明确依赖的前提优选方案，否则皆可作为单独的优选方案与其他优选方案进行组合。

综上所述，本实用新型的技术方案可实现视场大(30度左右或以上)、像质好(无色差、成像清晰、零畸变)、体积小(无需大而厚的透镜，所有光学元件都可实施为薄片式的元件)、重量轻(元件薄，并且可实施为光学树脂、塑料等轻质材料)、成本低(所有光学元件都易于加工，结合注塑等工艺可进一步降低成本)这几项需求的理想结合，并易于实现有透视需求的系统。

附图说明

图1为本实用新型第一实施例的示意图，同时也是本实用新型的基础光学系统构成图；

图2为本实用新型第一实施例在zemax中建模的点列图；

图3为本实用新型第一实施例在zemax中建模的调制传递函数图；

图4为本实用新型第二实施例在zemax中建模的点列图；

图5为本实用新型第二实施例在zemax中建模的调制传递函数图；

图6为本实用新型第三实施例在zemax中建模的点列图；

图7为本实用新型第三实施例在zemax中建模的调制传递函数图；

图8为本实用新型第四实施例在zemax中建模的点列图；

图9为本实用新型第四实施例在zemax中建模的调制传递函数图；

图10为本实用新型第一实施例在zemax中建模的场曲/畸变曲线图；

图11为本实用新型第五实施例中球面显示屏上图像像素点的排列特征方案一的立体示意图(投影点为全等矩形顶点)；

图12为本实用新型第五实施例中球面显示屏上图像像素点的排列特征方案二的立体示意图(投影点为等边三角形顶点)；

图13为本实用新型第五实施例中球面显示屏上图像像素点的排列特征方案三的立体示意图(投影点为正六边形顶点)；

图14为本实用新型第五实施例在图11方案基础上指定分辨率矩形图像源的具体实施方案立体示意图；

图15为本实用新型第六实施例的示意图；

图16为本实用新型第七实施例的示意图；

图17为本实用新型第八实施例的示意图。

附图标记说明

1：球面显示屏

2：球面反射镜

3：出瞳面

4：等价基础光学系统中球面显示屏和球面反射镜的重合球心

5：人眼

6：光轴

7：平面半反半透镜(一)

8：平面半反半透镜(二)

101：球面显示屏的球心

102：参考平面

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步说明。

第一实施例：

如附图1所示，第一实施例的轻小型大视场近眼显示光学系统为单目目视光学系统，包含球面显示屏1、球面反射镜2及出瞳面3；由物侧至人眼侧，球面显示屏1、球面反射镜2、出瞳面3沿光轴6方向共轴依次排列；球面显示屏1为凸球面，其曲率半径为r；球面反射镜2为凹球面，其曲率半径为2r；球面显示屏1与球面反射镜2的球心4重合；出瞳面3位于重合球心4处(对应人眼瞳孔位于重合球心处)。

具体实施为：r＝50mm，出瞳直径为较宽松的10mm。球面显示屏1实施为透明屏(如OLED透明显示屏)，球面反射镜2为一侧镀有反射膜的球面基片。

具体光学系统参数如下：(单位：毫米)

表面序号	表面类型	曲率半径	厚度	材料	半口径
						1(物面)	球面	-50.000	50.000		15.240
2	球面	-100.000	-100.000	镜面	34.991
						3(光阑)	平面	无穷大	0.000		5.000
4(像面)	平面	无穷大			5.000

其中，序号1表面为球面显示屏1，序号2表面为球面反射镜2，序号3表面为出瞳面3。

在zemax软件中建模，系统设置为无焦像空间模式，孔径类型为随光阑浮动，视场类型为物高(毫米)，视场参数为：(0，0)、(0，10.78)、(0，15.24)，波长设置为0.4861微米、0.5876微米、0.6563微米。以此参数定义的设计视场角为35.5度，系统总长为100毫米。

其点列图如附图2所示，分别为视场(0，0)、(0，10.78)、(0，15.24)对应的点列图，单位为毫弧度。下方统计数据可见：视场1的RMS半径为0.078毫弧度，GEO半径为0.126毫弧度；视场2的RMS半径为0.076毫弧度，GEO半径为0.129毫弧度；视场3的RMS半径为0.074毫弧度，GEO半径为0.132毫弧度，可见三个视场的成像质量相当。由于人眼的视角分辨率约为1分(相当于0.291毫弧度)，可见成像具有良好的清晰度。

其调制传递函数如附图3所示，其横轴为角空间频率，单位为线对/毫弧度，纵轴为传递函数值，图中可见三个视场的函数曲线非常接近，说明轴外像素点和轴上像素点的成像质量水平相当；当纵坐标为0.03(人眼分辨极限)时，横坐标为15.81线对/毫弧度(相当于约276线对/度)；当纵坐标为0.5时，横坐标为5.04线对/毫弧度(相当于约88线对/度)。以人眼视角分辨率为1分计算，即当横坐标为30线对/度(相当于1.72线对/毫弧度)时，调制传递函数值约为0.82，由此可见，系统具有良好的像质水平。

另外，在zemax软件中可对其进行优化，优化后序号2表面曲率半径基本上仍为序号1表面的2倍，其球心仍与序号1表面的球心基本重合，序号3表面基本位于上述球心处，除了部分指标有所优化外，总体上与原模型相当。因此也属本实用新型保护范围。

第二实施例：

第二实施例在第一实施例的基础上，使出瞳面3位于重合球心4前，使得球面显示屏1、球面反射镜2和人眼5眼球三者同心。人眼眼球半径约为10毫米，具体实施为出瞳面3置于重合球心4前10毫米处。

具体光学系统参数如下：(单位：毫米)

表面序号	表面类型	曲率半径	厚度	材料	半口径
						1(物面)	球面	-50.000	50.000		15.240
2	球面	-100.000	-90.000	镜面	32.108
						3(光阑)	平面	无穷大	0.000		5.000
4(像面)	平面	无穷大			5.000

zemax软件中系统、视场和波长设置同第一实施例，以此参数定义的设计视场角为35.5度，系统总长为90毫米。

其点列图如附图4所示，三个视场的RMS半径分别为0.078毫弧度、0.136毫弧度和0.180毫弧度，远低于人眼视角分辨率(0.291毫弧度)，成像质量良好。

其调制传递函数如附图5所示，中心视场的像质水平和第一实施例相当，随视场的增大像质水平有所下降。当横坐标为30线对/度(相当于1.72线对/毫弧度)时，最大视场的最低MTF为0.54。由此可见，系统具有良好的像质水平。

第三实施例：

第三实施例在第一实施例的基础上，使r值减小至15mm，以最大限度缩减系统长度(体积)。由于相对孔径的增大，为了获得理想的像质，约束出瞳直径为4mm(适合白天等亮度较高的环境)。

具体光学系统参数如下：(单位：毫米)

表面序号	表面类型	曲率半径	厚度	材料	半口径
						1(物面)	球面	-15.000	15.000		7.500
2	球面	-30.000	-30.000	镜面	16.480
						3(光阑)	平面	无穷大	0.000		2.000
4(像面)	平面	无穷大			2.000

zemax软件中系统和波长设置同第一实施例，视场参数为：(0，0)、(0，5.30)、(0，7.50)。以此参数定义的设计视场角为60度，系统总长为30毫米。

其点列图如附图6所示，三个视场的RMS半径分别为0.185毫弧度、0.175毫弧度和0.169毫弧度，远低于人眼视角分辨率(0.291毫弧度)，成像质量良好。

其调制传递函数如附图7所示，三个视场的函数曲线仍较接近，轴外像素点和轴上像素点的像质水平相当。当横坐标为30线对/度(相当于1.72线对/毫弧度)时，所有视场的最低MTF为0.57。由此可见，系统具有良好的像质水平。

第四实施例：

第四实施例在第三实施例的基础上，使r值增大至75mm，增大出瞳距离，及球面显示屏与球面反射镜的距离，以满足产品需要，同时保持系统总长在100毫米以内的尺寸大小。

具体光学系统参数如下：(单位：毫米)

zemax软件中系统和波长设置同第三实施例，视场参数为：(0，0)、(0，13.75)、(0，19.44)。以此参数定义的设计视场角为30度，系统总长为100毫米。

其点列图如附图8所示，三个视场的RMS半径分别为0.001毫弧度、0.087毫弧度和0.170毫弧度，远低于人眼视角分辨率(0.291毫弧度)，成像质量良好。

其调制传递函数如附图9所示，随视场的增大像质水平有所下降，当横坐标为30线对/度(相当于1.72线对/毫弧度)时，最大视场的子午MTF为0.32，弧矢MTF为0.63，中心视场和第二视场的MTF值都在0.5以上。由此可见，系统仍具有较佳的像质水平。

以上四个实施例，系统总长都在100毫米以内，并且球面显示屏1和球面反射镜2都可实施为薄片式元件，其间可插入若干光路转折镜对光路进行折叠，进一步缩小系统体积。

第五实施例：

以下在第一实施例的基础上，对技术方案作进一步优化。

附图10为第一实施例在zemax中的场曲/畸变曲线图，可见系统场曲为零，畸变为5％。通过对球面显示屏1上像素点的精确布局，可实现相对于图像源零畸变的系统。

优选地，球面显示屏1上的图像像素点通过精确加工工艺制备，技术采用OLED、LCD、LCos或DMD中的一种。

优选地，通过对球面显示屏1上的图像像素点在该球面上均匀排列，可实现各向均匀的球面视觉图像。

又或者，如附图11、12、13所示，球面显示屏1的图像源为均匀采样的平面图像，球面显示屏1上的图像像素点质心在参考平面102的辐射投影在该平面上以图像源的采样方式均匀排列(参考平面102为垂直于光轴、在光轴正向并距球面显示屏球心101距离为d的平面，某点在参考平面102的辐射投影为该点与球面显示屏球心101连线延长线与参考平面102的交点)。以此方案布局的图像像素点，使人眼在视觉上产生与原有畸变相反的负畸变，抵消光学系统原有畸变，最终对人眼呈现的是相对于图像源零畸变的平面视觉图像。

在此基础上，优选地，图像像素点质心在参考平面102的辐射投影在该平面上均匀排列，可实施为多种排列方式，以满足不同图像源的需要。如附图6所示的全等矩形网格，可用于全等矩形网格采样的平面图像源；附图7所示的等边三角形网格，可用于等边三角形网格采样的平面图像源；附图8所示的正六边形网格，可用于正六边形网格采样的平面图像源。(上述采样点和投影点均位于网格多边形的顶点处。)根据几何关系，球面显示屏上各像素点的球坐标可以容易算得。

在此基础上，优选地，实施球面显示屏1的图像源为全等矩形网格采样的平面矩形图像，采样点位于全等矩形顶点处，球面显示屏1上图像像素点质心在参考平面102的辐射投影的横向间距为2d*tanα/(w-1)，纵向间距为2d*tanβ/(h-1)(其中：α、β分别为所述光学系统设计视场的横向半视场角和纵向半视场角，w、h分别为所述图像源分辨率的宽和高)。如附图14所示，参考平面102上的全等矩形横向边长为2d*tanα/(w-1)，纵向边长为2d*tanβ/(h-1)，图像源分辨率为w*h，具体实施取d＝150毫米、α＝12.7534度、β＝12.7534度、w＝4、h＝4(以上取值仅为便于实施例说明，实际实施时可宽泛选择)，则参考平面102上的全等矩形大小为22.634毫米*22.634毫米，个数为3*3，其顶点坐标分别为(-33.951,-33.951)、(-11.317,-33.951)、(11.317,-33.951)、(33.951,-33.951)、(-33.951,-11.317)、(-11.317,-11.317)、(11.317,-11.317)、(33.951,-11.317)、(-33.951,11.317)、(-11.317,11.317)、(11.317,11.317)、(33.951,11.317)、(-33.951,33.951)、(-11.317,33.951)、(11.317,33.951)、(33.951,33.951)，球面显示屏1半径r为50毫米，根据几何关系，可计算得球面显示屏1上图像像素点P的球坐标(以球面显示屏球心为原点O)分别为：(50.000,0.3098,3.9270)、(50.000,0.2342,4.3906)、(50.000,0.2342,5.0341)、(50.000,0.3098,5.4978)、(50.000,0.2342,3.4633)、(50.000,0.1063,3.9270)、(50.000,0.1063,5.4978)、(50.000,0.2342,5.9614)、(50.000,0.2342,2.8198)、(50.000,0.1063,2.3562)、(50.000,0.1063,0.7854)、(50.000,0.2342,0.3218)、(50.000,0.3098,2.3562)、(50.000,0.2342,1.8925)、(50.000,0.2342,1.2490)、(50.000,0.3098,0.7854)。其中，点P的球坐标(ρ,θ,φ)中ρ为点P到原点O的距离，θ为有向线段OP与Z轴正向的夹角，φ为从正Z轴来看自X轴按逆时针方向转到OM所转过的角(M为点P在XOY面上的投影)。以上述球坐标制备球面显示屏，该系统可实现横向和纵向半视场角都为12.7534度(对角视场角35.5度)、图像分辨率为4*4，并且相对于矩形图像源零畸变的平面视觉图像。

优选地，由于平面视觉图像中，平面上等大的像素点在视觉上的视角大小与距观察点的距离成反比，因此，通过精确设定球面显示屏1上的图像像素点的大小，使其与该像素点质心在参考平面102的辐射投影距球面显示屏1球心的距离成反比，可实现更真实的平面视觉图像效果。

第六实施例：

第六实施例在第一实施例的基础上，在球面显示屏1和球面反射镜2之间插入一个光路转折镜并对光学系统进行转折而实施。

如附图15所示，系统在第一实施例系统的基础上，在球面显示屏1和球面反射镜2之间插入了平面半反半透镜7，并对原光学系统进行了转折，球面显示屏1和球面反射镜2的球心物理上不再重合(在等价基础光学系统中始终重合)。平面半反半透镜7为其中一侧镀有部分反射、部分透射的膜材的平面基片，与光轴成45度角放置。平面半反半透镜7的加入使得球面显示屏1不需要实施为透明屏，同时，由于平面半反半透镜7对光的部分反射和部分透射降低了光的强度，光能的利用率有所降低。

除上述区别特性，该实施例的基本光学特性(视场、像质等)和第一实施例大体上一致。

第七实施例：

第七实施例在第一实施例的基础上，在球面反射镜2和出瞳面3之间插入一个光路转折镜并对光学系统进行转折而实施。

如附图16所示，系统在第一实施例系统的基础上，在球面反射镜2和出瞳面3之间插入了平面半反半透镜7，并对原光学系统进行了转折，球面显示屏1和球面反射镜2的球心物理上仍然重合。平面半反半透镜7为其中一侧镀有部分反射、部分透射的膜材的平面基片，与光轴成45度角放置。平面半反半透镜7的加入使得球面显示屏1不需要实施为透明屏，同时，由于平面半反半透镜7对光的部分反射和部分透射降低了光的强度，光能的利用率有所降低。

除上述区别特性，该实施例的基本光学特性(视场、像质等)和第一实施例大体上一致。

第八实施例：

第八实施例在第一实施例的基础上，在球面显示屏1和球面反射镜2之间、球面反射镜2和出瞳面3之间各插入一个光路转折镜对光学系统进行转折而实施。

如附图17所示，系统在第一实施例系统的基础上，在球面显示屏1和球面反射镜2之间插入了平面半反半透镜7，在球面反射镜2和出瞳面3之间插入了平面半反半透镜8，并对原光学系统进行了转折，球面显示屏1和球面反射镜2的球心物理上不再重合(在等价基础光学系统中始终重合)。平面半反半透镜7和平面半反半透镜8为其中一侧镀有部分反射、部分透射的膜材的平面基片，均与光轴成45度角放置。平面半反半透镜7的加入使得球面显示屏1不需要实施为透明屏，平面半反半透镜8的加入则实现了可透视前方环境且光学元件布局不阻碍视野的系统(第六和第七实施例也可以透视前方环境，但光学元件的布局对视野有一定阻碍)。由于平面半反半透镜对光的多次部分反射和部分透射降低了光的强度，光能的利用率有所降低。

除上述区别特性，该实施例的基本光学特性(视场、像质等)和第一实施例大体上一致。

该实施例非常适合作为透视式头戴显示设备的光学系统，其具有较大的出瞳距离，甚至可在佩戴眼镜的基础上使用；此外，通过将r值减小至40毫米、35毫米甚至30毫米，和/或将对角视场角减小到30度，可进一步缩小系统的尺寸。

通过以上实施例对技术方案的具体说明，表明其可实现视场大(对角30度左右或以上)、像质好(无色差、成像清晰、零畸变)、体积小(无需大而厚的透镜，所有光学元件都可实施为薄片式的元件)、重量轻(元件薄，并且可实施为光学树脂、塑料等轻质材料)、成本低(所有光学元件都易于加工，结合注塑等工艺可进一步降低成本)这几项需求的理想结合，并易于实现有环境透视需求的系统。

以上实施例中的细节、参数等仅为示例性设定，在本实用新型指导思想的基础上，本领域技术人员对其实施方案可宽泛选择，本实用新型保护范围应以权利要求为准。

Claims (10)

1.一种轻小型大视场近眼显示光学系统，其特征在于：所述光学系统为单目目视光学系统，包含球面显示屏、球面反射镜和出瞳面；由物侧至人眼侧，所述球面显示屏、球面反射镜、出瞳面沿光轴方向共轴依次排列；所述球面显示屏为凸球面，其曲率半径为r；所述球面反射镜为凹球面，其曲率半径为2r；在该光学系统的等价基础光学系统中，所述球面显示屏的球心与所述球面反射镜的球心重合；其中，r满足条件：15mm≤r≤75mm。

2.根据权利要求1所述的轻小型大视场近眼显示光学系统，其特征在于：所述光学系统装置于头戴设备，当佩戴使用时，人眼瞳孔在该光学系统的等价基础光学系统中位于所述重合球心处。

3.根据权利要求1所述的轻小型大视场近眼显示光学系统，其特征在于：所述光学系统装置于头戴设备，当佩戴使用时，人眼球球心在该光学系统的等价基础光学系统中与所述重合球心重合。

4.根据权利要求1所述的轻小型大视场近眼显示光学系统，其特征在于：所述球面显示屏上的像素点通过精确加工工艺制备，为OLED、LCD、LCos或DMD。

5.根据权利要求1所述的轻小型大视场近眼显示光学系统，其特征在于：所述球面显示屏上的图像像素点在该球面上均匀排列。

6.根据权利要求1所述的轻小型大视场近眼显示光学系统，其特征在于：所述球面显示屏的图像源为均匀采样的平面图像，所述球面显示屏上的图像像素点质心在参考平面的辐射投影在该平面上以所述图像源的采样方式均匀排列，其中：参考平面为垂直于光轴、在光轴正向并距所述球面显示屏球心距离为d的平面，某点在参考平面的辐射投影为该点与所述球面显示屏球心连线延长线与参考平面的交点。

7.根据权利要求6所述的轻小型大视场近眼显示光学系统，其特征在于：所述图像源为全等矩形网格采样的平面矩形图像，采样点位于全等矩形顶点处，所述图像像素点质心在所述参考平面的辐射投影的横向间距为2d*tanα/(w-1)，纵向间距为2d*tanβ/(h-1)，其中：α、β分别为所述光学系统设计视场的横向半视场角和纵向半视场角，w、h分别为所述图像源分辨率的宽和高。

8.根据权利要求6或7所述的轻小型大视场近眼显示光学系统，其特征在于：所述图像像素点的大小与该像素点质心在所述参考平面的辐射投影距所述球面 显示屏球心的距离成反比。

9.根据权利要求1所述的轻小型大视场近眼显示光学系统，其特征在于：所述球面显示屏为透明屏，其凸面一侧发出的光强于凹面一侧发出的光。

10.根据权利要求1所述的轻小型大视场近眼显示光学系统，其特征在于：所述球面显示屏和所述球面反射镜之间、或所述球面反射镜和所述出瞳面之间还插入至少一个平面半反半透镜对所述光学系统进行光路转折。