CN119644601A - 光学系统及智能头戴设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种光学系统及智能头戴设备；光学系统包括沿同一光轴依次设置的成像组件、衍射光学元件及显示屏；成像组件包括依次设置的第一透镜、反射偏振元件、相位延迟片、第二透镜及分光元件；第一透镜与第二透镜均为非球面透镜；衍射光学元件与显示屏胶合；衍射光学元件主要由基底及设置于基底上的微结构组成，微结构用于对来自显示屏的光线进行相位调制，使光线在传播中发生弯曲和分散；通过微结构对光线的相位调制作用，能够产生与成像组件所产生的垂轴色差相反的色差效应；当经过微结构调制后的光线进入所述成像组件后，微结构产生的垂轴色差与成像组件产生的垂轴色差相互抵消，从而实现对成像组件垂轴色差的补偿。

Description

光学系统及智能头戴设备

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光学系统及一种智能头戴设备。

背景技术

随着虚拟现实(VR)技术的发展，VR光学显示设备在多个领域得到广泛应用。VR光学显示设备通过提供沉浸式的体验，使用户能够隔绝外部干扰，获得更加真实的视觉感受。然而，传统VR光学系统大多采用多片非球面透镜或菲涅尔透镜，导致边缘成像质量较差且垂轴色差严重，影响了用户的体验。为了改善这一问题，常用的方法包括增加非球面数量或采用自由曲面离轴系统，但这些方法往往会增加光学系统的复杂性和重量。

发明内容

本申请的目的是提供一种光学系统及智能头戴设备的新技术方案。

第一方面，本申请提供了一种光学系统，所述光学系统包括沿同一光轴依次设置的成像组件、衍射光学元件及显示屏；

所述成像组件包括依次设置的第一透镜、反射偏振元件、相位延迟片、第二透镜及分光元件；

所述第一透镜与所述第二透镜均为非球面透镜；

所述衍射光学元件与所述显示屏相互胶合；

所述衍射光学元件主要由基底及设置于所述基底上的微结构组成，所述微结构用于对来自所述显示屏的光线进行相位调制，使光线在传播中发生弯曲和分散；其中，通过所述微结构对光线的相位调制作用，能够产生与所述成像组件所产生的垂轴色差相反的色差效应；

当经过所述微结构调制后的光线进入所述成像组件后，所述微结构产生的垂轴色差与所述成像组件产生的垂轴色差相互抵消，从而实现对所述成像组件垂轴色差的补偿，进而实现对所述光学系统的垂轴色差的矫正。

可选地，所述微结构的表面为二元面，且所述二元面的表达式为：M＝(A₁ρ²+A₂ρ⁴+A₃ρ⁶+A₄ρ⁸)；其中，M为衍射级次，A₁为二次相位系数，用于矫正色差，A₂、A₃、A₄为非球面相位系数，ρ为归一极坐标半径。

可选地，所述衍射级次为1，-1.07E+06≤ρ²≤-1.04E+06，2.39E+07≤ρ⁴≤2.41E+07，-3.16E+08≤ρ⁶≤-3.09E+08，1.04E+09≤ρ⁸≤1.09E+09。

可选地，所述第一透镜的最大厚度为T_1Max，所述第一透镜的最小厚度为T_1Mix，所述第一透镜满足：0.14＜(T_1Max-T_1Mix)/T_1Max＜1；

所述第二透镜的中心厚度T₂为：T₂＞8mm。

可选地，所述第一透镜的中心厚度T₁及所述第二透镜的中心厚度T₂分别为：2mm≤T₁≤10mm，2mm≤T₂≤10mm。

可选地，所述第一透镜远离所述显示屏的表面的曲率半径为R₁，所述第一透镜靠近所述显示屏的表面的曲率半径为R₂，R₁与R₂满足：55mm＜|R₁|+|R₂|＜80mm。

可选地，所述第一透镜远离所述显示屏的表面的曲率半径R₁为-35mm＜R₁＜-20mm，所述第一透镜靠近所述显示屏的表面的曲率半径R₂为-45mm＜R₂＜-35mm。

可选地，所述第二透镜靠近所述显示屏的表面的曲率半径R₃为-40mm＜R₃＜-30mm。

可选地，所述光学系统满足：其中，为所述第一透镜的光焦度，为所述第二透镜的光焦度，为所述光学系统的总光焦度。

可选地，所述第一透镜与所述光学系统的出瞳位置之间的直线距离为d，0＜d＜15mm；

所述光学系统的出瞳直径为D，4mm＜D＜6mm。

可选地，所述光学系统的系统总长为L，30mm＜L＜40mm，所述光学系统的视场角FOV为140°＜FOV＜160°。

可选地，所述显示屏的尺寸为60mm～75mm。

可选地，所述第一透镜与所述第二透镜相互胶合；

所述分光元件设置在所述第二透镜靠近所述显示屏的一侧表面上；所述相位延迟片及反射偏振元件形成复合膜材并设置在所述第一透镜与所述第二透镜的胶合面上。

可选地，所述第一透镜及所述第二透镜为树脂材料；

所述第一透镜及所述第二透镜为偶次非球面透镜。

第二方面，本申请提供了一种智能头戴设备，所述智能头戴设备包括：

外壳；及

如第一方面所述的光学系统。

本申请的有益效果为：

本申请实施例提供的了一种光学系统，该光学系统作为一种大视场、消色差的折射-衍射混合式VR光学系统，通过采用非球面透镜及多种光学膜材构成成像组件，有效矫正了光学系统中的多种像差，特别是边缘视场的像差，大幅提升了成像质量，确保了用户看到的图像既清晰又无畸变。整个光学系统沿同一光轴布置了第一透镜、反射偏振元件、相位延迟片、第二透镜、分光元件及衍射光学元件，实现了光路的折叠与紧凑布局。这一设计不仅减小了系统的体积和重量，还提高了光线的利用率，特别适用于对空间要求严格的VR设备，为用户提供了更为轻便、舒适的佩戴体验。

尤为重要的是，衍射光学元件的引入，衍射光学元件上的微结构能够调制入射光线，从而补偿成像组件本身产生的垂轴色差。该设计有效降低了甚至消除了光学系统的垂轴色差，显著提升了色彩还原度和图像清晰度。

衍射光学元件与显示屏的胶合设计不仅简化了系统结构，还增强了光学系统的机械稳定性和耐久性。这种设计使得光学系统能够更好地抵御外部冲击和振动，保持长期稳定的性能。

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光学系统的结构及光路示意图之一；

图2未添加衍射光学元件的光学系统的垂轴像差曲线图；

图3为图1示出的光学系统(添加衍射光学元件)的垂轴像差曲线图；

图4为图1示出的光学系统(添加衍射光学元件)的调制传递函数图；

图5为本申请实施例提供的光学系统的结构及光路示意图之二；

图6为图5示出的光学系统(添加衍射光学元件)的垂轴像差曲线图；

图7为图5示出的光学系统(添加衍射光学元件)的调制传递函数图；

图8为本申请实施例提供的光学系统的结构及光路示意图之三；

图9为图8示出的光学系统(添加衍射光学元件)的垂轴像差曲线图；

图10为图8示出的光学系统(添加衍射光学元件)的调制传递函数图；

附图标记说明：

1、第一透镜；2、第二透镜；3、衍射光学元件；4、显示屏；5、反射偏振元件；6、相位延迟片；7、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光学系统及智能头戴设备进行详细地描述。

根据本申请的一个实施例，提供了一种光学系统，参见图1、图5及图8，所述光学系统包括沿同一光轴依次设置的成像组件、衍射光学元件3及显示屏4；所述成像组件包括依次设置的第一透镜1、反射偏振元件5、相位延迟片6、第二透镜2及分光元件7；所述第一透镜1与所述第二透镜2均为非球面透镜；所述衍射光学元件3与所述显示屏4相互胶合；所述衍射光学元件3主要由基底及设置于所述基底上的微结构组成，所述微结构用于对来自所述显示屏4的光线进行相位调制，使光线在传播中发生弯曲和分散；其中，通过所述微结构对光线的相位调制作用，能够产生与所述成像组件所产生的垂轴色差相反的色差效应；当经过所述微结构调制后的光线进入所述成像组件后，所述微结构产生的垂轴色差与所述成像组件产生的垂轴色差相互抵消，从而实现对所述成像组件垂轴色差的补偿，进而实现对所述光学系统的垂轴色差的矫正。

本申请实施例提供的光学系统，参见图1、图5及图8，所述光学系统从人眼侧(人眼01)至像源侧(显示屏4)沿同一光轴依次布设了三大光学组件：成像组件、衍射光学元件及显示屏4。以下对各光学元件进行详细描述。

关于所述成像组件的设计，其为包含两个镜片的折叠光路结构。

所述成像组件包括靠近人眼01的第一透镜1，所述第一透镜1采用非球面设计，能够控制光线的折射路径，相比传统球面透镜，它能更有效地减少像差，特别是边缘视场的像差，为高质量的成像奠定基础。

所述成像组件包括第二透镜2，所述第二透镜2也采用了非球面设计，其与所述第一透镜1搭配，通过两个非球面透镜的协同作用，进一步矫正了像差，提升了成像质量。

需要说明的是，本申请的成像组件包括但不限于两个透镜，可以根据具体情况，增加透镜的数量。

可选的是，所述第一透镜1及所述第二透镜2采用偶次非球面设计。

本申请中的成像组件为采用折叠光路设计，除了包括光学镜片之外，还包括多个光学元件，如反射偏振元件5、相位延迟片6及分光元件7。

反射偏振元件(又称偏振反射元件)，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。也就是说，反射偏振元件能够根据光线的偏振状态进行反射或透射。

在本申请实施例提供的成像组件中，所述反射偏振元件5与偏振光的特定状态(如S光或P光)相互作用，以实现光线的特定路径控制。

所述相位延迟片6可用于改变光线的偏振状态，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。

本申请中的相位延迟片6例如为四分之一波片，它位于所述分光元件7与所述反射偏振元件5之间，通过调整光线的相位来确保光线在后续路径中能够反射或透射。

所述分光元件7例如为具有特定分光特性的薄膜或涂层，可用于将入射的光线按照一定比例反射和透射。

本申请中的分光元件7例如为半透半反膜，其可供一部分光线透射，另一部分光线反射。

需要说明的是，所述分光元件7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。

在本申请实施例提供的光学系统中，所述相位延迟片6要位于所述分光元件7与所述反射偏振元件5之间，这三个光学元件与所述第一透镜1及所述第二透镜2搭配，可以形成折叠光路。

所述衍射光学元件3的引入是本申请的光学系统中的一个创新点。所述衍射光学元件3主要由基底和设置于基底上的微结构组成，这些微结构具有特定的形状和排列方式，能够对入射的光线进行相位调制。具体地，当光线通过这些微结构时，会发生弯曲和分散，这种光线的相位调制作用对于矫正整个光学系统的垂轴像差(包括垂直色差)至关重要。

光的衍射现象为，光在遇到障碍物或通过小孔时会产生弯曲和分散。本申请中引入的衍射光学元件3正是利用这一原理，通过其表面上的微结构对入射的光线进行相位调制。所述衍射光学元件3表面的微结构设计能够引入特定的相位变化，使不同波长的光线在传播过程中发生不同程度的弯曲和分散。这种相位调制作用能够精确地调整光线的传播路径，从而实现对垂轴像差，尤其是垂轴色差的矫正。

垂轴像差，如垂轴色差是由于不同波长的光线在通过成像组件时因折射率不同而产生的聚焦点偏移。本申请中衍射光学元件3的微结构能够针对不同波长的光线进行入射之前的相位调控，使它们在传播过程中发生不同程度的弯曲和分散，从而确保所有波长的光线都能准确地聚焦到同一平面上。这一特性极大地提升了色彩还原度和图像清晰度，使得用户能够享受到更加真实、自然的视觉效果。

在本申请中，参见图1，所述衍射光学元件3主要由基底及设置于基底上的微结构组成，所述微结构用于对来自所述显示屏4的光线进行相位调制，使光线在传播中发生弯曲和分散；其中，通过所述微结构对光线的相位调制作用，能够产生与所述成像组件所产生的垂轴色差相反的色差效应；当经过所述微结构调制后的光线进入所述成像组件后，所述微结构产生的垂轴色差与所述成像组件产生的垂轴色差相互抵消，从而实现对所述成像组件垂轴色差的补偿，进而实现对所述光学系统的垂轴色差的矫正。

由此可见，所述衍射光学元件3能够针对所述成像组件的垂轴像差(包含垂轴色差)进行矫正，提高图像的色彩准确性和清晰度。这对于VR光学显示系统来说尤为重要，因为VR光学显示系统正式需要高色彩保真度和高分辨率来提供沉浸式的用户体验。

本申请实施例提供的光学系统，具有以下显著的有益效果：

(1)大视场、消垂轴色差设计：

本申请的光学系统作为一种大视场、消色差的折射-衍射混合式VR光学系统设计，特别注重垂轴像差的矫正。具体而言，通过采用非球面透镜组合构成成像组件，有效矫正了光学系统中的多种像差，包括但不限于色差(特别是垂轴色差)以及球差、彗差、像散等边缘视场的像差。这些矫正措施大幅提升了成像质量，确保了用户看到的图像既清晰又无畸变，色彩还原准确。

(2)高效光路折叠与紧凑布局：

整个光学系统沿同一光轴精心布置了第一透镜1、反射偏振元件5、相位延迟片6、第二透镜2、分光元件7及衍射光学元件3，实现了光路的高效折叠与紧凑布局。这一设计不仅显著减小了光学系统的体积和重量，还提高了光线的利用率，特别适用于对空间要求严格的VR设备，为用户提供了更为轻便、舒适的佩戴体验。

(3)垂轴色差矫正：

所述衍射光学元件3的引入是本申请提供的光学系统的一大亮点。所述衍射光学元件3上的微结构能够调制入射的光线，从而补偿所述成像组件本身产生的垂轴色差。这一设计有效降低了甚至消除了光学系统的垂轴色差，进一步提升了色彩还原度和图像清晰度，为用户带来了更加真实、细腻的视觉感受。

(4)增强光学系统的机械稳定性和耐久性：

所述衍射光学元件3与所述显示屏4的胶合设计不仅简化了光学系统的结构，还增强了光学系统的机械稳定性和耐久性。这是因为衍射光学元件3本身厚度比较薄、需要额外引入支撑元件才能保证强度。本申请中这种衍射光学元件3与显示屏4的胶合设计使得光学系统能够更好地抵御外部冲击和振动，保持长期稳定的性能，降低了用户的维护成本，同时还能保护显示屏。

综上所述，本申请实施例提供的光学系统，实现了大视场、全面消垂轴色差、光路折叠、紧凑布局以及增强机械稳定性等多重有益效果，为VR设备带来了整体性能的有效提升。

在本申请的一些示例中，所述微结构的表面为二元面，且二元面的表达式为：M＝(A₁ρ²+A₂ρ⁴+A₃ρ⁶+A₄ρ⁸)；其中，M为衍射级次，A₁为二次相位系数，用于矫正色差，A₂、A₃、A₄为非球面相位系数，ρ为归一极坐标半径。

根据本申请的该示例，通过引入二次相位系数A₁，该二元面设计能够有效地矫正光学系统的垂轴色差(属于垂轴像差的一种)。这对于提高成像质量，特别是在多波长彩色成像的场景下，具有显著的作用。

非球面相位系数A2、A3、A4的引入，使得所述衍射光学元件3能够在矫正垂轴色差的同时，对光学系统的非球面像差进行补偿，也即进行非球面像差矫正。这有助于提升光学系统的成像性能，尤其是在边缘视场区域。

此外，二元面设计通过调整各项系数，可以灵活地控制光线的相位和强度分布，从而满足不同的光学设计要求。这为光学系统的优化设计提供了更多的可能性。

在本申请的一些示例中，所述衍射级次为1，-1.07E+06≤ρ²≤-1.04E+06，2.39E+07≤ρ⁴≤2.41E+07，-3.16E+08≤ρ⁶≤-3.09E+08，1.04E+09≤ρ⁸≤1.09E+09。

通过严格限定归一极坐标半径ρ的取值范围，可以控制所述衍射光学元件3的微结构尺寸和形状。这有助于确保衍射光学元件3的光学性能符合设计要求，提高光学系统的整体成像质量。

在特定的衍射级次，例如本示例例中的1级下，通过优化归一极坐标半径ρ的范围，可以最大化衍射光学元件3的衍射效率。这意味着更多的光线将被引导至预定的方向，从而提高光学系统的光能利用率和成像亮度。

精确控制衍射光学元件3的微结构参数有助于增强光学系统的稳定性。这可以降低光学系统对外部环境变化的敏感性，提高光学系统的可靠性和耐用性。

综上所述，本申请上述的两个示例通过引入二元面设计和控制衍射级次与归一极坐标半径的取值范围，显著提升了衍射光学元件3在矫正垂轴色差、非球面像差以及提高光能利用率等方面的性能。这些技术效果共同作用于整个光学系统，有助于实现更佳的成像质量和用户体验。

所述衍射光学元件3表面的为结构设计基于一个综合公式，该公式融合了斯涅耳定律与衍射附加相位所引发的光线偏折效应。

具体而言，该公式为：n₂sinθ₂-n₁sinθ₁＝MλT；其中，n₁代表入射介质的折射率，n₂为出射介质的折射率，θ₁为光线的入射角度，θ₂为光线的出射角度，M代表衍射级次，λ为入射光的波长，而T则代表衍射光学元件3的光栅周期。此公式量化了光线在通过衍射光学元件的微结构时发生的偏折，确保了光路设计的准确性。

本申请实施例提供的技术方案中，所述衍射光学元件3的微结构表面采用了Binary2面型设计，这是一种在极坐标系下通过多项式精确定义光栅形状的面型。此设计能够在微结构表面的截面上引入连续的相位变化，从而实现对衍射光焦度的精细调控。Binary2面型不仅提供了高度的设计灵活性，还确保了衍射效率的优化，进一步增强了整个光学系统的性能。

通过上述设计，本申请的衍射光学元件3能够有效地矫正垂轴像差，显著提升光学系统的成像质量。同时，这种面型设计也为大视场VR光学系统的开发提供了新的技术路径，有助于实现更加紧凑、轻便且高性能的光学系统设计。

在本申请的一些示例中，所述第一透镜1的最大厚度为T_1Max，所述第一透镜1的最小厚度为T_1Mix，所述第一透镜1满足：0.14＜(T_1Max-T_1Mix)/T_1Max＜1；所述第二透镜2的中心厚度T₂为：T₂＞8mm。

在本申请的该示例中，所述第一透镜1上的最大厚度T_1Max为其物理结构上最厚部分的尺寸，而最小厚度T_1Mix则为其上最薄部分的尺寸。基于此，所述第一透镜1的厚度变化需满足：0.14＜(T_1Max-T_1Mix)/T_1Max＜1。这意味着所述第一透镜1的厚度变化与其最大厚度之间存在一定的比例关系，这样，所述第一透镜1从形状来看，既不过于平缓(避免对光学性能优化有限)，也不过于陡峭(以避免制造难度过大)。

同时，对于所述第二透镜2，其中心厚度T₂设计大于8mm。这一要求旨在确保所述第二透镜2具有足够的厚度来承载其光学设计，特别是对于那些对光路折叠和像差矫正有重要贡献的表面，同时保持结构的稳定性和光学性能的优越性。

也就是说，所述第一透镜1的厚度设计考虑到了其在不同位置上的厚度变化，而所述第二透镜2则强调了其中心部分的足够厚度，两者都是为了在满足特定光学性能要求的同时，兼顾制造的可行性和系统的整体性能。

本申请该示例中对于所述第一透镜1及所述第二透镜2的设计可以在一定程度上降低整个光学系统的场曲和畸变。

在本申请的一些示例中，所述第一透镜1的中心厚度T₁及所述第二透镜2的中心厚度T₂为：2mm≤T₁≤10mm，2mm≤T₂≤10mm。

设置透镜的中心厚度的下限为2mm，主要是出于结构强度和制造工艺的考虑。透镜需要具备一定的厚度以保证其物理稳定性和耐用性，同时过薄的透镜在制造过程中可能难以保证光学表面的精度和平整度。

设置透镜中心厚度的上限为10mm，是基于光学系统整体尺寸和重量的考虑。在VR光学系统中，透镜的厚度会直接影响系统的整体尺寸和重量。过厚的透镜会增加系统的体积和重量，降低佩戴的舒适性和便携性。

透镜的中心厚度会对其光焦度、像差特性以及透过率等光学性能产生影响。在保持透镜材料折射率不变的情况下，增加透镜的厚度通常会增强其光焦度，但同时也可能引入更多的像差。通过在2mm至10mm的范围内设计两个透镜的中心厚度，可以在保证足够光焦度的同时，通过优化各透镜的面型和材料选择来控制像差，确保光学系统的光学性能满足设计要求。

本申请该示例中，两个透镜的厚度范围设计有助于降低光学系统的整体重量和体积，从而提升用户的佩戴舒适性。较轻的重量和较小的体积可以减少对头部和脸部的压迫感，提高长时间佩戴的舒适度。

足够的透镜厚度可以保证其结构稳定性，防止在使用过程中因外力作用而发生变形或破损。这对于确保光学系统的长期稳定运行至关重要。

此外，设定合理的中心厚度范围可以降低透镜的制造难度和成本。过薄或过厚的透镜都可能增加制造过程中的技术难度和成本。在2mm至10mm的范围内选择透镜中心厚度，可以在保证性能的同时提高制造效率和良率。

由此可见，选择2mm～10mm作为所述第一透镜1和所述第二透镜2的中心厚度范围，是在综合考虑结构强度、制造工艺、光学性能以及佩戴舒适性等诸多因素后做出的决策。这一设计选择有助于实现光学系统的高性能、轻量化以及良好的制造可行性。

在本申请的一些示例中，参见图1，所述第一透镜1远离所述显示屏4的表面的曲率半径为R₁，所述第一透镜1靠近所述显示屏4的表面的曲率半径为R₂，R₁与R₂满足：55mm＜|R₁|+|R₂|＜80mm。

根据本申请该示例，这一条件旨在优化光学系统的成像质量，并降低光学系统的公差敏感度，从而降低加工难度。

参见图1，R₁和R₂分别指所述第一透镜1的两个表面的曲率半径。具体来说：R₁指的是所述第一透镜1靠近人眼侧(近人眼01)的表面的曲率半径，R₂指的是所述第一透镜1靠近像源侧(近显示屏4)的表面的曲率半径。所述第一透镜1的这两个表面的曲率半径均为负。|R₁|+|R₂|表示R₁和R₂绝对值的和，即两个表面曲率半径绝对值之和。

进一步地，55mm＜|R₁|+|R₂|＜80mm，这一条件限制了R₁和R₂绝对值之和的范围，既不能过小也不能过大。

过小的|R₁|+|R₂|值可能会导致第一透镜1的表面过于陡峭，增加制造难度，并可能引入较大的像差，影响成像质量。

过大的|R₁|+|R₂|值则可能使所述第一透镜1的表面过于平坦，无法有效地会聚或发散光线，同样会影响成像质量，并可能增加光学系统的总体积和重量。

通过设定合适的曲率半径范围，可以确保所述第一透镜1能够有效地会聚或发散光线，从而提高整个光学系统的成像质量。合适的曲率半径有助于矫正各种像差，如色差、球差等，使得最终的成像更加清晰、锐利。

需要说明的是，光学系统的公差敏感度是指光学系统对制造和装配过程中误差的敏感程度。

通过优化光学系统中包含的透镜的曲率半径，可以降低光学系统对误差的敏感程度，使得即使存在一定的制造和装配误差，光学系统仍然能够保持良好的成像性能。这有助于降低加工难度和成本，提高产品的良品率和一致性。

本申请该示例中提出的55mm＜|R₁|+|R₂|＜80mm这一条件，通过优化所述第一透镜1的曲率半径范围，在提高光学成像质量的同时，降低了光学系统的公差敏感度和加工难度。这对于开发高性能、低成本的大视场VR光学系统具有重要意义。

在本申请的一些示例中，参见图1，所述第一透镜1远离所述显示屏4的表面的曲率半径R₁为-35mm＜R₁＜-20mm，所述第一透镜1靠近所述显示屏4的表面的曲率半径R₂为-45mm＜R₂＜-35mm。

根据本申请的该示例，所述第一透镜1的两个表面的曲率半径分别为R₁和R₂，且R₁范围为-35mm＜R₁＜-20mm，R₂范围为-45mm＜R2＜-35mm。通过将R₁和R₂设定在上述范围内，可以确保所述第一透镜1对光线的会聚和发散作用适中，既不过强也不过弱，从而优化成像质量。合适的曲率半径有助于减少像差，如色差、球差等，提高图像的清晰度和对比度。

在满足成像质量的前提下，通过设定合理的曲率半径范围，可以控制所述第一透镜1的尺寸，进而控制整个光学系统的尺寸。这有助于实现光学系统的紧凑化和轻量化设计，提升用户体验。

此外，设定合理的曲率半径范围有助于提高透镜的制造可行性。过大的曲率半径可能导致透镜表面过于平坦，增加制造难度；而过小的曲率半径则可能使透镜表面过于陡峭，同样增加制造难度。

在本申请的一些示例中，参见图1，所述第二透镜2靠近所述显示屏4的表面的曲率半径R₃为-40mm＜R₃＜-30mm。

所述第二透镜2作为光学系统中的重要组成部分之一，其曲率半径R₃的设定对成像质量有重要影响，通过将R₃设定在本申请该示例的范围内，可以确保所述第二透镜2与所述第一透镜1协同工作，进一步减少像差，提高成像质量。

本申请该示例提供的曲率半径R₃的范围，有助于增强光学系统的稳定性。当所述第二透镜2的曲率半径R₃处于合理范围内时，光学系统对外部环境的敏感度降低，如温度、湿度等变化对成像质量的影响减小。

关于所述第一透镜1和所述第二透镜2的曲率半径设计，特别是所述第一透镜1两个表面曲率半径均为负，以及所述第二透镜2靠近像源侧的表面曲率半径为负的设计，具有以下几个优势：

(1)能够优化成像质量

所述第一透镜1的两个表面曲率半径均为负，意味着所述第一透镜1是一个双凹透镜。这种设计有助于会聚来自像源侧的显示屏4发出的光线，使得光线在进入人眼01之前先被适当聚焦，从而减少像差，提高成像质量。特别是对于大视场光学系统来说，双凹透镜的设计能够更好地矫正边缘视场的像差，提升整体视觉体验。

所述第二透镜2靠近像源侧的表面曲率半径为负，表明该表面是一个凹面。这有助于进一步会聚或调整从所述显示屏4发出的光线，与所述第一透镜1协同工作，共同优化成像质量。

(2)实现系统的紧凑化设计

负曲率半径的设计通常意味着透镜表面更趋向于凹形，这有助于减少透镜的厚度，从而在实现相同光学性能的前提下，使整个光学系统更加紧凑。对于VR光学显示设备来说，紧凑化设计不仅有助于提升佩戴舒适度，还能减小设备的体积和重量，便于使用和携带。

由此可见，所述第一透镜1的两个表面的曲率半径均为负，以及所述第二透镜2靠近像源侧表面曲率半径为负的设计，在优化成像质量、紧凑化设计及提升视觉体验等方面均具有明显的优势。

在本申请的一些示例中，所述光学系统满足： 其中，为所述第一透镜1的光焦度，为所述第二透镜2的光焦度，为所述光学系统的总光焦度。

当所述光学系统满足这一条件，确保了所述第一透镜1和所述第二透镜2的光焦度之和与光学系统的总光焦度之间保持在一个合理的比例范围内。这种优化的光焦度分配有助于平衡各个透镜的成像贡献，避免单一透镜承担过多的成像任务，从而减轻像差的产生。

在大视场条件下，光线以较大的角度入射到光学系统的各个表面。通过合理分配所述第一透镜1和所述第二透镜2的光焦度，可以使得光线在经过这两个透镜时发生更平滑的折射和聚焦，从而降低光线在光学系统的各个表面的入射角。较低的入射角有助于减少反射和散射，进一步提高光线的透过率。

较低的光线入射角有利于对各类像差，特别是离轴像差的矫正。离轴像差是大视场光学系统中常见的问题，它会导致图像边缘出现模糊、畸变等现象。通过优化光焦度分配和降低光线入射角，本申请中的光学系统能够更好地矫正离轴像差，提高整个视场的成像质量。

Spot size是衡量光学系统成像质量的重要指标之一。较小的spot size意味着图像点更加集中，成像更加清晰。通过优化光焦度分配和改善像差矫正，本申请中的光学系统能够有效地降低spot size，提高图像的分辨率和对比度。

当小于0.15时，意味着所述第一透镜1和所述第二透镜2的光焦度之和相对较小，这可能导致像差矫正不充分，成像质量下降，尤其是在大视场条件下。较小的光焦度分配还可能导致光学系统对制造公差和装配误差的敏感度增加。微小的制造偏差或装配不当都可能对成像质量产生显著影响，增加生产难度和成本。

当大于0.2时，所述第一透镜1和所述第二透镜的光焦度之和相对较大，可能意味着需要更多的透镜或光学元件来平衡光学系统的光焦度，这将增加光学系统的复杂性和体积，不利于实现紧凑化设计。

更多的透镜或光学元件意味着更高的材料成本和制造成本。此外，复杂的光学系统也可能需要更精密的装配和调试过程，进一步增加成本。

较大的光焦度分配可能导致光线在各个透镜表面的入射角增大，从而增加像差矫正的难度。特别是在大视场条件下，边缘视场的像差可能更加严重，影响成像质量。较大的入射角还可能导致更多的光线在透镜表面发生反射和散射，造成光线损失。这不仅会降低光线的透过率，还可能引入额外的杂散光，影响成像质量。

因此，本申请示例中提出的这一范围是基于对光学系统性能的全面考虑而得出的结果。

在本申请的一些示例中，所述第一透镜1与所述光学系统的出瞳位置之间的直线距离为d，0＜d＜15mm；所述光学系统的出瞳直径为D，4mm＜D＜6mm。

设定所述第一透镜1与光学系统的出瞳位置之间的直线距离d在0＜d＜15mm范围内，有助于实现光学系统的紧凑化设计。较小的d值意味着光路可以更加紧凑地折叠，减少光学系统的整体长度和体积，使其更适合于VR光学显示设备等空间受限的应用场景。

对于VR光学显示设备而言，较小的光学系统体积和重量能够显著提升用户的佩戴舒适性。紧凑的光学设计可以减少设备对脸部的压力和不适感，使得用户能够更长时间、更舒适地佩戴VR光学显示设备。

本申请该示例中，所述出瞳直径D设定在4mm＜D＜6mm范围内，确保了光学系统能够提供较大的出瞳直径。较大的出瞳直径可以容纳不同用户的瞳距变化，减少观看时的黑边现象，提高视觉体验的连续性和沉浸感。

在本申请的一些示例中，所述光学系统的系统总长为L，30mm＜L＜40mm，所述光学系统的视场角FOV为140°＜FOV＜160°。

本申请实施例提供的光学系统，其系统总长L在30mm至40mm之间，确保了光学系统整体的紧凑性。在VR光学显示设备中，紧凑的光学系统意味着更小的设备体积和重量，这对于提升用户的佩戴舒适度至关重要。

本申请实施例提供的光学系统，其视场角FOV设定在140°至160°之间，实现了大视场的设计目标。较大的视场角能够为用户提供更广阔的视野范围，增强虚拟现实的沉浸感。

与传统的基于折叠光路的光学系统相比，本申请的光学系统的FOV可以增大至传统光学系统FOV的1.5倍或以上。在VR应用中，大视场角尤为重要，因为它能够减少用户在观看时边缘视场的失真和模糊，提升整体的视觉体验。

在本申请实施例提供的光学系统中，参见图1，所述显示屏4位于所述像源侧，所述显示屏4用于发出成像显示的光线。

可选的是，所述显示屏4的发光面上可以设置屏幕保护玻璃。

屏幕保护玻璃能够有效隔绝外界的尘埃、指纹和其他污物，从而保持所述显示屏4表面的清洁。这对于光学系统来说至关重要，因为任何屏幕表面的脏污都可能影响光线传输和图像质量。屏幕保护玻璃不仅能够隔绝脏污，还能够有效地防止所述显示屏4受到划伤、碰撞等物理损伤。这对于延长所述显示屏4的使用寿命和提高设备的整体耐用性具有重要意义。

在本申请的一些示例中，所述显示屏4的尺寸为60mm～75mm。

所述显示屏4的尺寸设计，主要是为了与大视场效果配合。这样的尺寸不仅提供了更为广阔的视野范围，让使用者能够沉浸在更加真实、立体的视觉体验中，还确保了图像细节的充分展现，使得每一个细微之处都能清晰可见。同时，大尺寸显示屏能够更好地配合光学系统的整体设计，优化光线传播路径，减少像差，进一步提升成像质量。

在本申请的一些示例中，参见图1，所述第一透镜1与所述第二透镜2相互胶合；所述分光元件7设置在所述第二透镜2靠近所述显示屏4的一侧表面上；所述相位延迟片6及反射偏振元件5形成复合膜材并设置在所述第一透镜1与所述第二透镜2的胶合面上。

在本申请提供的成像组件中，参见图1，所述分光元件7可以通过镀附或者粘合的方式设置在所述第二透镜2靠近所述显示屏4的一侧表面上；所述相位延迟片6及反射偏振元件5形成复合膜材并通过粘合的方式设置在所述第一透镜1与所述第二透镜2的胶合面上。

其中，所述分光元件7例如为半透半反膜(BS)，所述相位延迟片6例如为四分之一波片(QWP)，所述反射偏振元件5为偏振反射膜(RP)。

在本申请的该示例中，所述成像组件为一胶合组件，所有的光学元件胶合在一起，简化了装配流程。同时，所述第一透镜1与所述第二透镜2的胶合，即两个非球面透镜的胶合还有利于降低色差，提高像质。

在本申请的一些示例中，所述第一透镜1及所述第二透镜2为树脂材料；所述第一透镜1及所述第二透镜2为偶次非球面透镜。

可选的是，所述第一透镜1及所述第二透镜2均采用光学树脂材料，二者的折射率n为1.5＜n＜1.6，二者的阿贝数v为55＜v＜57。

所述第一透镜1及所述第二透镜2采用光学树脂材料，相比传统的玻璃材料，树脂材料具有更低的密度，因此能够显著减轻整个光学系统的整体重量。在VR光学显示设备中，减轻重量对于提升用户的佩戴舒适度、减少颈部和头部的负担至关重要。

树脂材料具有良好的可加工性，易于通过注塑成型等工艺进行大规模生产。这不仅降低了透镜的加工难度，还提高了生产效率，有助于降低生产成本。此外，树脂材料的易加工性也使得透镜的表面形状可以更加灵活多样，便于实现非球面设计。

在本申请的该示例中，所述第一透镜1及所述第二透镜2均为偶次非球面透镜，偶次非球面设计能够提供更自由的光学面型，从而更好地矫正像差，提高成像质量。相比球面透镜，非球面透镜在矫正像差方面具有显著优势，特别是在大视场角下，非球面透镜能够显著减少场曲、畸变等像差，提供更加清晰、真实的视觉体验。

本申请中，基于树脂材料的低色散特性与偶次非球面设计的结合，进一步提升了光学系统的成像质量。树脂材料的低色散有助于减少色差，而偶次非球面设计则能够矫正其他类型的像差。这种设计使得光学系统能够在更宽的波长范围内保持较好的成像性能，提供更加真实的色彩还原和细节表现。

VR光学显示设备需要支持较大的视场角以提供沉浸式的视觉体验。偶次非球面透镜的设计能够更好地适应大视场角的需求，减少边缘视场的像差和畸变，提供均匀的成像质量。同时，树脂材料的轻量化和易加工性也有助于实现更复杂的光学系统结构，以满足VR设备对高成像质量和轻便性的双重需求。

参见图1、图5及图8，本申请实施例提供的光学系统的光线传输路径如下：

来自所述显示屏4的左旋圆偏振光首先经过所述衍射光学元件3的调制后入射至所述第二透镜2的右表面(靠近所述显示屏4的表面)，经所述分光元件7透射一半的光线后入射至所述第二透镜2的左表面(靠近人眼01的表面)，所述第二透镜2的左表面表面贴设有所述相位延迟片6与所述反射偏振元件5；左旋圆偏振光线首先经过所述相位延迟片6变成垂直线偏光，在入射至所述反射偏振元件5时，由于所述反射偏振元件5具有反射垂直线偏光的特性，光线被反射再次经过所述相位延迟片6成为左旋圆偏光，并经由所述第二透镜2透射后在所述分光元件7处发生反射变成右旋偏振光；右旋偏振光又一次经过所述第二透镜2并被所述相位延迟片变为水平线偏光，此时所述反射偏振元件5不再对其进行反射，从而得以继续透射至所述第一透镜1，依次经过所述第一透镜1的右表面(靠近所述显示屏4的表面)与左表面(靠近人眼01的表面)的折射最终入射至人眼01中形成图像。

在本申请中，所述衍射光学元件3设计采用了一级衍射级次并特别优化了其系数结构，其中最大项系数高达4。在未引入衍射光学元件3之前，光学系统的垂轴像差较为显著。具体地，参见图2，图2示出了没有引入衍射光学元件3的光学模组，可以清楚看到，该光学系统的垂轴像差超过了160μm。然而，通过在光学系统中引入衍射光学元件3，参见图3，将光学系统的垂轴像差大幅缩减至30μm以下，实现了显著的像差校正效果。

本申请实施例提供的光学系统，在色彩控制方面展现出了卓越的性能，其最大色差被控制在25μm以内。相较于传统的VR光学系统，本申请在提升多波长彩色成像质量方面取得了显著进步。此外，光学系统的调制传递函数(MTF)在30线对/毫米的空间频率下仍能保持高于0.3的优异水平，进一步证明了其在高分辨率成像方面的出色能力。

从成像组件优化与衍射光学元件3结合的角度来看，本申请的光学系统具有以下有益效果：

从成像组件优化带来的益处来看：

所述成像组件采用非球面透镜相互胶合的设计，这种设计能够有效矫正光学系统中的多种像差，如球差、彗差、像散等，特别是边缘视场的像差。非球面透镜相比传统球面透镜具有更高的设计自由度，能够更精确地控制光线的传播路径，从而显著提升成像质量，确保图像清晰、无畸变。

所述成像组件内部元件的紧密胶合不仅简化了系统结构，还实现了光路的高效折叠与紧凑布局，减小了系统的体积和重量。这种紧凑的布局使得整个光学系统更加适用于空间要求严格的场合，如VR设备等。

从衍射光学元件3引入后带来的益处来看：

衍射光学元件上的微结构能够调制入射的光线，产生与成像组件所产生的垂轴色差相反的色差效应，从而补偿垂轴色差。这种补偿机制有效降低甚至消除了光学系统的垂轴色差，显著提升了色彩还原度和图像清晰度，使得用户看到的图像更加真实、细腻。

衍射光学元件与显示屏的胶合设计增强了系统的机械稳定性和耐久性，使得光学系统能够更好地抵御外部冲击和振动。这种稳定性提升保证了光学系统在长期使用过程中保持稳定的性能输出。

成像组件的优化与衍射光学元件3的结合实现了对多种像差(包括色差、球差、彗差、像散等)的全面矫正，显著提升了光学系统的成像质量。用户可以享受到更清晰、无畸变、色彩还原准确的图像效果。成像组件的紧凑布局与衍射光学元件的引入使得整个光学系统更加高效、稳定。本申请的光学系统能够更好地适应各种使用环境和使用条件，保持长期稳定的性能输出。

综上所述，本申请的光学系统通过成像组件的优化与衍射光学元件的结合实现了成像质量的全面提升和系统性能与稳定性的增强，为VR设备等应用场合提供了更为优秀的光学解决方案。

以下通过实施例1至实施例3进一步说明本申请提供的光学系统。

实施例1

参见图1，本实施例1提供的光学系统包括从人眼侧至像源侧沿同一光轴依次设置的第一透镜1、反射偏振元件5、相位延迟片6、第二透镜2、分光元件7、衍射光学元件3及显示屏4；

所述第一透镜1与所述第二透镜2为偶次非球面透镜，所述第一透镜1与所述第二透镜2相互胶合且二者均为树脂材料；

所述分光元件7设置在所述第二透镜2靠近所述像源面的一侧表面上；

所述相位延迟片6及反射偏振元件5形成复合膜材并设置在所述第一透镜1与所述第二透镜2的胶合面上；

所述衍射光学元件3主要由基底及设置于所述基底上的微结构组成，所述微结构能够对入射的光线进行调制，使光线在传播中发生弯曲和分散，从而用于矫正垂轴色差；

所述显示屏4于发出成像显示的光线，所述衍射光学元件3与所述显示屏4的发光面相互胶合。

表1示出了本实施例1的光学系统各个元件表面参数。

表1

针对表1：S1为第一透镜1靠近人眼01的表面(左表面)、S2为第一透镜1靠近显示屏4的表面(右表面)；

S3为所述反射偏振元件5，S4为所述相位延迟片6；

S5为所述第二透镜2靠近人眼01的表面(左表面)、S6为所述第二透镜2靠近靠近显示屏4的表面(右表面)；

S7为所述衍射光学元件7靠近人眼01的表面(左表面)，S8为所述衍射光学元件3靠近显示屏4的表面(右表面)。

表2示出了非球面高次项系数。

表2

序号

4th

6th

8th

10th

12th

14th

16th

S1

-3.41E-05

-2.32E-06

1.62E-08

-1.15E-11

-7.83E-14

-1.10E-15

4.18E-18

S2

-9.59E-05

1.00E-07

8.97E-11

-1.77E-12

-1.05E-14

7.80E-17

-1.14E-19

S5

-1.68E-05

-6.00E-09

-3.09E-11

1.08E-13

-5.86E-16

1.48E-18

-1.57E-21

表3示出衍射光学元件的微结构表面的各项系数。

表3

衍射级次	最大项数	ρ2项	ρ4项	Ρ6项	Ρ8项
						1	4	-1.05E+06	2.41E+07	-3.16E+08	1.08E+09

图2为未添加衍射光学元件之前光学系统垂轴像差曲线图，可以清楚看到，该光学系统的垂轴像差超过了160μm。

参见图1，本实施例1的光学系统中引入衍射光学元件3，参见图3，本实施例1提供的光学系统的垂轴像差曲线图中展示了，光学系统的垂轴像差为26.7μm，也即光学系统的垂轴像差大幅缩减至30μm以下，实现了显著的像差校正效果。

图4为图1示出的光学系统的调制传递函数图，本实施例1提供的光学系统在60lp/mm处MTF平均值大于0.3。

实施例2

参见图5，本实施例2示出的光学系统包括从人眼侧至像源侧沿同一光轴依次设置的第一透镜1、反射偏振元件5、相位延迟片6、第二透镜2、分光元件7、衍射光学元件3及显示屏4；

所述第一透镜1与所述第二透镜2为偶次非球面透镜，所述第一透镜1与所述第二透镜2相互胶合且二者均为树脂材料；

所述分光元件7设置在所述第二透镜2靠近所述像源面的一侧表面上；

所述相位延迟片6及反射偏振元件5形成复合膜材并设置在所述第一透镜1与所述第二透镜2的胶合面上；

所述衍射光学元件3主要由基底及设置于所述基底上的微结构组成，所述微结构能够对入射的光线进行调制，使光线在传播中发生弯曲和分散，从而用于矫正垂轴色差；

所述显示屏4于发出成像显示的光线，所述衍射光学元件3与所述显示屏4的发光面相互胶合。

本实施例2示出的光学系统的光学架构与上述的实施例1示出的光学系统的光学架构基本相同，不同之处请参见表4至表6。

表4示出了本实施例2的光学系统各个元件表面参数。

表4

序号	表面类型	曲率半径(mm)	厚度(mm)	折射率	阿贝数
						S1	偶次非球面	-31	2.6	1.5447	56.251
S2	偶次非球面	-40	0.1	/	/
						S3	偶次非球面	-40	0.1	1.4918	57.441
S4	偶次非球面	-40	/	1.4918	57.441
						S5	偶次非球面	-40	9.1	1.5447	56.251
S6	偶次非球面	-32.1	3.759	/	/
						S7	Binary2	Inf	2	1.5168	64.167
S8	平面	Inf	/	/	/

针对表4：S1为第一透镜1靠近人眼01的表面(左表面)、S2为第一透镜1靠近显示屏4的表面(右表面)；

S3为所述反射偏振元件5，S4为所述相位延迟片6；

S5为所述第二透镜2靠近人眼01的表面(左表面)、S6为所述第二透镜2靠近靠近显示屏4的表面(右表面)；

S7为所述衍射光学元件7靠近人眼01的表面(左表面)，S8为所述衍射光学元件3靠近显示屏4的表面(右表面)。

表5示出了非球面高次项系数。

表5

序号

4th

6th

8th

10th

12th

14th

16th

S1

-4.35E-05

-2.31E-06

1.63E-08

-1.12E-11

-7.76E-14

-1.10E-15

4.15E-18

S2

-9.43E-05

1.00E-07

6.66E-11

-1.75E-12

-1.04E-14

7.81E-17

-1.14E-19

S5

-1.72E-05

-5.90E-09

-2.95E-11

1.09E-13

-5.91E-16

1.48E-18

-1.56E-21

表6示出衍射光学元件的微结构表面的各项系数。

表6

衍射级次	最大项数	ρ2项	ρ4项	Ρ6项	Ρ8项
						1	4	-1.07E+06	2.40E+07	-3.09E+08	1.04E+09

参见图6，本实施例2提供的光学系统的垂轴像差曲线图中展示了，光学系统的垂轴像差为23.9μm，实现了显著的像差校正效果。

图7为图5示出的光学系统的调制传递函数图，本实施例5提供的光学系统在57lp/mm处MTF平均值大于0.3。

实施例3

参见图8，本实施例3示出的光学系统包括从人眼侧至像源侧沿同一光轴依次设置的第一透镜1、反射偏振元件5、相位延迟片6、第二透镜2、分光元件7、衍射光学元件3及显示屏4；

所述第一透镜1与所述第二透镜2为偶次非球面透镜，所述第一透镜1与所述第二透镜2相互胶合且二者均为树脂材料；

所述分光元件7设置在所述第二透镜2靠近所述像源面的一侧表面上；

所述相位延迟片6及反射偏振元件5形成复合膜材并设置在所述第一透镜1与所述第二透镜2的胶合面上；

所述衍射光学元件3主要由基底及设置于所述基底上的微结构组成，所述微结构能够对入射的光线进行调制，使光线在传播中发生弯曲和分散，从而用于矫正垂轴色差；

所述显示屏4于发出成像显示的光线，所述衍射光学元件3与所述显示屏4的发光面相互胶合。

本实施例3示出的光学系统的光学架构与上述的实施例1示出的光学系统的光学架构基本相同，不同之处请参见表7至表9。

表7示出了本实施例3的光学系统各个元件表面参数。

表7

序号	表面类型	曲率半径(mm)	厚度(mm)	折射率	阿贝数
						S1	偶次非球面	-25.3	2.6	1.5447	56.251
S2	偶次非球面	-40.5	0.1	/	/
						S3	偶次非球面	-40	0.1	1.4918	57.441
S4	偶次非球面	-40	/	1.4918	57.441
						S5	偶次非球面	-40	9.1	1.5447	56.251
S6	偶次非球面	-31.4	3.949	/	/
						S7	Binary2	Inf	2	1.5168	64.167
S8	平面	Inf	/	/	/

针对表7：S1为第一透镜1靠近人眼01的表面(左表面)、S2为第一透镜1靠近显示屏4的表面(右表面)；

S3为所述反射偏振元件5，S4为所述相位延迟片6；

S5为所述第二透镜2靠近人眼01的表面(左表面)、S6为所述第二透镜2靠近靠近显示屏4的表面(右表面)；

S7为所述衍射光学元件7靠近人眼01的表面(左表面)，S8为所述衍射光学元件3靠近显示屏4的表面(右表面)。

表8示出了非球面高次项系数。

表8

序号

4th

6th

8th

10th

12th

14th

16th

S1

-2.51E-05

-2.31E-06

1.62E-08

-1.15E-11

-7.83E-14

-1.10E-15

4.18E-18

S2

-9.43E-05

1.00E-07

8.97E-11

-1.77E-12

-1.05E-14

7.81E-17

-1.14E-19

S5

-1.72E-05

-6.77E-09

-3.29E-11

1.08E-13

-5.83E-16

1.48E-18

-1.57E-21

表9示出衍射光学元件的微结构表面的各项系数。

表9

衍射级次	最大项数	ρ2项	ρ4项	Ρ6项	Ρ8项
						1	4	-1.04E+06	2.39E+07	-3.16E+08	1.09E+09

参见图9，本实施例3提供的光学系统的垂轴像差曲线图中展示了，光学系统的垂轴像差为29.3μm，实现了显著的像差校正效果。

图10为图8示出的光学系统的调制传递函数图，本实施例5提供的光学系统在57lp/mm处MTF平均值大于0.3。

根据本申请的另一个实施例，提供了一种智能头戴设备，所述智能头戴设备包括外壳及如上所述的光学系统。

本申请实施例提供的智能头戴设备例如为VR光学显示设备。

VR光学显示设备的的形式例如为VR智能眼镜或者VR智能头盔等。

在本申请实施例提供的智能头戴设备中，所述光学系统可以设置两个，其中的一个光学系统对应用户的左眼，另一个光学系统对应用户的右眼。

本申请实施例的智能头戴设备的具体实施方式可以参照上述光学系统的各实施例，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 (15)

1.一种光学系统，其特征在于，包括沿同一光轴依次设置的成像组件、衍射光学元件(3)及显示屏(4)；

所述成像组件包括依次设置的第一透镜(1)、反射偏振元件(5)、相位延迟片(6)、第二透镜(2)及分光元件(7)；

所述第一透镜(1)与所述第二透镜(2)均为非球面透镜；

所述衍射光学元件(3)与所述显示屏(4)相互胶合；

所述衍射光学元件(3)主要由基底及设置于所述基底上的微结构组成，所述微结构用于对来自所述显示屏(4)的光线进行相位调制，使光线在传播中发生弯曲和分散；其中，通过所述微结构对光线的相位调制作用，能够产生与所述成像组件所产生的垂轴色差相反的色差效应；

当经过所述微结构调制后的光线进入所述成像组件后，所述微结构产生的垂轴色差与所述成像组件产生的垂轴色差相互抵消，从而实现对所述成像组件垂轴色差的补偿，进而实现对所述光学系统的垂轴色差的矫正。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述微结构的表面为二元面，且所述二元面的表达式为：M＝(A₁ρ²+A₂ρ⁴+A₃ρ⁶+A₄ρ⁸)；其中，M为衍射级次，A₁为二次相位系数，用于矫正色差，A₂、A₃、A₄为非球面相位系数，ρ为归一极坐标半径。

3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述衍射级次为1，-1.07E+06≤ρ²≤-1.04E+06，2.39E+07≤ρ⁴≤2.41E+07，-3.16E+08≤ρ⁶≤-3.09E+08，1.04E+09≤ρ⁸≤1.09E+09。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜(1)的最大厚度为T_1Max，所述第一透镜(1)的最小厚度为T_1Mix，所述第一透镜(1)满足：0.14＜(T_1Max-T_1Mix)/T_1Max＜1；

所述第二透镜(2)的中心厚度T₂为：T₂＞8mm。

5.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜(1)的中心厚度T₁及所述第二透镜(2)的中心厚度T₂分别为：2mm≤T₁≤10mm，2mm≤T₂≤10mm。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜(1)远离所述显示屏(4)的表面的曲率半径为R₁，所述第一透镜(1)靠近所述显示屏(4)的表面的曲率半径为R₂，R₁与R₂满足：55mm＜|R₁|+|R₂|＜80mm。

7.根据权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜(1)远离所述显示屏(4)的表面的曲率半径R₁为-35mm＜R₁＜-20mm，所述第一透镜(1)靠近所述显示屏(4)的表面的曲率半径R₂为-45mm＜R₂＜-35mm。

8.根据权利要求6或7所述的光学系统，其特征在于，所述第二透镜(2)靠近所述显示屏(4)的表面的曲率半径R₃为-40mm＜R₃＜-30mm。

9.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：0.15＜(|φ₁|+|φ₂|)/φ＜0.2；其中，φ₁为所述第一透镜(1)的光焦度，φ₂为所述第二透镜(2)的光焦度，φ为所述光学系统的总光焦度。

10.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜(1)与所述光学系统的出瞳位置之间的直线距离为d，0＜d＜15mm；

所述光学系统的出瞳直径为D，4mm＜D＜6mm。

11.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统的系统总长为L，30mm＜L＜40mm，所述光学系统的视场角FOV为140°＜FOV＜160°。

12.根据权利要求11所述的光学系统，其特征在于，所述显示屏(4)的尺寸为60mm～75mm。

13.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜(1)与所述第二透镜(2)相互胶合；

所述分光元件(7)设置在所述第二透镜(2)靠近所述显示屏(4)的一侧表面上；所述相位延迟片(6)及反射偏振元件(5)形成复合膜材并设置在所述第一透镜(1)与所述第二透镜(2)的胶合面上。

14.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜(1)及所述第二透镜(2)为树脂材料；

所述第一透镜(1)及所述第二透镜(2)为偶次非球面透镜。

15.一种智能头戴设备，其特征在于，包括：

外壳；及

如权利要求1-14中任一项所述的光学系统。