CN120559845A - 目镜系统及光学设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种目镜系统及光学设备；目镜系统包括第一元件组及第二元件组；第一元件组靠近人眼侧设置，包括第一镜片，第一镜片具有靠近显示侧的第一表面和靠近人眼侧的第二表面，第一表面上设有分光元件及圆偏振光生成组件，圆偏振光生成组件位于分光元件背离第一镜片的一侧；第二表面上依次设有第一相位延迟器及偏振反射元件；第二元件组靠近显示侧设置，包括至少两个镜片，且至少一个镜片的阿贝数≤40；目镜系统满足：0.01≤(D1_max×φ1)/(D2_max×φ2)≤0.3；其中，φ1为第一元件组的光焦度，φ2为第二元件组的光焦度，D1为第一元件组的最大有效光学口径，D2为第二元件组的最大有效光学口径。

Description

目镜系统及光学设备

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目镜系统及光学设备。

背景技术

传统目镜系统多采用直透式光学方案。这种方案为了达到一定的光学性能，通常需要包含很多的镜片(通常镜片数量≥6片)，导致整个目镜系统的体积较为庞大，且视场角相对较小、色差矫正不充分、影响成像质量。现有折叠光路方案虽能减小体积，但仍存在以下问题：偏振光路设计复杂，鬼影抑制不足；光学参数匹配不佳，影响像质与体积的平衡。

发明内容

本申请的目的是提供一种目镜系统及光学设备的新技术方案。

第一方面，本申请实施例提供了一种目镜系统，所述目镜系统包括沿同一光轴设置的第一元件组及第二元件组，其中：

所述第一元件组靠近人眼侧设置，包括第一镜片，所述第一镜片具有靠近显示侧的第一表面和靠近人眼侧的第二表面，且所述第一表面上设有分光元件及圆偏振光生成组件，所述圆偏振光生成组件位于所述分光元件背离所述第一镜片的一侧，且两者之间无空气间隙；所述第二表面上设有第一相位延迟器及偏振反射元件，且所述第一相位延迟器位于所述分光元件与所述偏振反射元件之间的光路上；

所述第二元件组靠近显示侧设置，包括至少两个镜片，且至少一个镜片的阿贝数≤40；

所述目镜系统满足关系：其中，为所述第一元件组的光焦度，为所述第二元件组的光焦度，D1为所述第一元件组的最大有效光学口径，D2为所述第二元件组的最大有效光学口径。

可选地，所述第一元件组的光焦度满足：

所述第二元件组的光焦度满足：

可选地，所述第二元件组中最靠近所述第一镜片的镜片的阿贝数≤40。

可选地，所述第二元件组包括沿光轴从人眼侧至显示侧依次排列的第二镜片、第三镜片、第四镜片及第五镜片，其中，所述第二镜片的阿贝数≤40。

可选地，所述第二镜片具有靠近显示侧的第三表面，所述第三表面凹向所述显示侧，且满足关系：0.03≤|SAG1|/D61≤0.1，其中：SAG1为所述第三表面的矢高，D61表示所述第三表面的有效光学口径。

可选地，所述第四镜片的阿贝数≤40。

可选地，所述第四镜片具有靠近显示侧的第七表面，所述第七表面凹向所述显示侧，且满足关系：0.05≤|SAG2|/D41≤0.1，其中：SAG2为所述第七表面的矢高，D41表示所述第七表面的有效光学口径。

可选地，所述目镜系统中各镜片的有效光学口径满足以下递减关系：D1＞D2＞D3＞D4＞D5，其中，D1为所述第一镜片的有效光学口径，D2至D5依次为所述第二镜片至所述第五镜片的有效光学口径。

可选地，所述第三镜片的中心厚度T3与所述目镜系统的光学总长TTL之间满足：0.2≤T3/TTL≤0.3。

可选地，所述第一镜片的中心厚度T1为4mm≤T1≤16mm；

所述第二元件组中各镜片的中心厚度T2为1mm≤T2≤8mm。

可选地，所述圆偏振光生成组件胶合于所述分光元件远离所述第一镜片的一侧；或者，

所述圆偏振光生成组件与所述分光元件之间设置有透镜；

所述圆偏振光生成组件包括依次层叠设置的第二相位延迟器、第二偏光元件及第三相位延迟器。

可选地，所述目镜系统中各镜片的光焦度如下：

所述第一镜片的光焦度为

所述第二镜片的光焦度为

所述第三镜片的光焦度为

所述第四镜片的光焦度为

所述第五镜片的光焦度为

所述目镜系统还包括显示器，设置于所述第二元件组背离所述第一元件组的一侧，所述显示器的发光面上设置有保护玻璃，所述显示器的尺寸＜0.5英寸。

可选地，所述目镜系统满足：0.9≤TTL/f≤1.1；其中，TTL为所述目镜系统的光学总长，f为所述目镜系统的总焦距。

可选地，所述第一元件组还包括第一偏光元件，层叠设于所述偏振反射元件背离所述第一相位延迟器的一侧表面，且所述第一偏光元件、所述偏振反射元件及所述第一相位延迟器组成复合膜层结构。

第二方面，本申请实施例提供了一种光学设备，所述光学设备包括：

如第一方面所述的目镜系统；及

物镜，所述物镜位于所述目镜系统的显示侧。

本申请的有益效果为：

本申请实施例提供的目镜系统，旨在针对现有技术中目镜系统存在的体积大、视场角受限、色差矫正不充分以及鬼影现象明显等问题，提出一种新的解决方案。

具体而言，该目镜系统通过引入折叠光路设计，将整个目镜系统划分为靠近人眼的第一元件组和靠近显示侧的第二元件组，实现了光学结构的紧凑化与性能的优化。在此设计中，分光元件与圆偏振光生成组件的布局经过精心优化，二者之间采用无空气间隙的结合方式。这一设计有效减少了光路中的反射和散射现象，从而大幅降低了鬼影和杂散光的产生。

进一步地，本申请实施例的目镜系统通过调控第一元件组和第二元件组的光焦度以及最大有效光学口径之间的比例关系，确保了目镜系统在高分辨率、低畸变以及良好像质方面展现出卓越的光学性能。这一比例关系的控制，不仅实现了大视场及大孔径角度的光学效果，还使得目镜系统在保持紧凑结构的同时，具备了出色的成像质量和视觉体验。

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目镜系统的光学架构图之一；

图2为本申请实施例提供的第一表面上设置的各膜层的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的第二表面上设置的各膜层的结构示意图；

图4为图1提供的目镜系统的点阵列图；

图5为图1提供的目镜系统的MTF图；

图6为图1提供的目镜系统的场曲及畸变图；

图7为图1提供的目镜系统的垂轴色差图；

图8为本申请实施例提供的目镜系统的光学架构图之二；

图9为图8提供的目镜系统的点阵列图；

图10为图8提供的目镜系统的MTF图；

图11为图8提供的目镜系统的场曲及畸变图；

图12为图8提供的目镜系统的垂轴色差图。

附图标记说明：

1、显示器；2、保护玻璃；

3、第五镜片；31、第九表面；32、第十表面；

4、第四镜片；41、第七表面；42、第八表面；

5、第三镜片；51、第五表面；52、第六表面；

6、第二镜片；61、第三表面；62、第四表面；

7、第一镜片；71、第一表面；710、分光元件；711、第一抗反射膜；712、第二相位延迟器；713、第二偏光元件；714、第三相位延迟器；72、第二表面；721、第二抗反射膜；722、第一偏光元件；723、偏振反射元件；724、第一相位延迟器；

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目镜系统及光学设备进行详细地描述。

根据本申请的一个实施例，提供了一种目镜系统，参见图1及图8，所述目镜系统包括沿同一光轴设置的第一元件组及第二元件组，其中：所述第一元件组靠近人眼侧设置，包括第一镜片7，所述第一镜片7具有靠近显示侧的第一表面71和靠近人眼侧的第二表面72，且所述第一表面71上设有分光元件710及圆偏振光生成组件，所述圆偏振光生成组件位于所述分光元件710背离所述第一镜片7的一侧，且两者之间无空气间隙；所述第二表面72上设有第一相位延迟器724及偏振反射元件723，且所述第一相位延迟器724位于所述分光元件710与所述偏振反射元件723之间的光路上；所述第二元件组靠近显示侧设置，包括至少两个镜片，且至少一个镜片的阿贝数≤40；所述目镜系统满足关系： 其中，为所述第一元件组的光焦度，为所述第二元件组的光焦度，D1为所述第一元件组的最大有效光学口径，D2为所述第二元件组的最大有效光学口径。

本申请实施例所提供的目镜系统，作为一种新的近眼光学系统设计，具有广泛的应用潜力，尤其适用于如瞄准镜等对光学性能有较高要求的光学设备中。

本申请实施例所提供的目镜系统，其主要部件的功能详细描述如下。

本申请实施例提供的目镜系统，参见图1及图8，该目镜系统沿同一光轴依次配置了第一元件组、第二元件组以及显示器1。

所述第一元件组位于靠近人眼01的一侧，作为目镜系统的组成部分之一，其至少包含一个镜片即第一镜片7。该第一镜片7具有两个关键表面：

第一表面71(它靠近显示侧，即显示器1所在的一侧)：在此表面上依次设置了分光元件710和圆偏振光生成组件，参见图2。其中，所述分光元件710例如采用半透半反膜设计，可用于对光线进行部分透射和部分反射处理，以实现光路的折叠和光线的分配。其中，所述圆偏振光生成组件用于将显示侧发出的光线转换为圆偏振光，本申请中引入圆偏振光生成组件这一设计有助于减少光线在传播过程中的反射和散射，从而显著降低鬼影和杂散光的产生，提升成像的清晰度。

第二表面72(它靠近人眼侧，即人眼01所在的一侧)：在此表面上依次设置了第一相位延迟器724及偏振反射元件723，参见图3。其中，所述第一相位延迟器724用于进一步调整光线的偏振状态，确保光线以特定的偏振方向传播。所述偏振反射元件723用于反射具有特定偏振状态的光线，使其返回光路并参与成像，该设计是实现光路折叠和高效成像的关键。

在一个具体的例子中，参见图1，所述分光元件710采用半透半反膜，这种膜层能够实现对光线的部分透射和部分反射，是光路折叠和光线分配的关键组件。参见图2，所述圆偏振光生成组件主要由依次层叠设置的第二相位延迟器712、第二偏光元件713及第三相位延迟器714组成。这一组件结构的设计，旨在将从显示器1发出的光线转换为圆偏振光，有效减少光线在传播过程中的反射和散射，从而降低鬼影和杂散光的产生，提升成像质量。所述第一相位延迟器724采用四分之一波片，所述偏振反射元件723为偏振反射膜，参见图3，所述第一相位延迟器724与所述偏振反射元件723形成了复合膜层结构，所述第一相位延迟器724用于调整光线的偏振状态以确保光线以特定的偏振方向传播，所述偏振反射元件723与所述第一相位延迟器724层叠设置在一起，负责反射具有特定偏振状态的光线，使其返回光路并参与成像。该具体例子中的光学膜材设计是实现光路折叠和高效成像的关键环节。

在本申请实施例中，所述圆偏振光生成组件的引入实现了将显示侧发出的光线转换为圆偏振光，而所述圆偏振光生成组件与所述分光元件710之间无空气间隙，则有效消除了从所述圆偏振光生成组件至所述显示器1之间镜片产生的反射鬼影。

所述第二元件组位于整个目镜系统中靠近显示器1的一侧，其是构成该目镜系统的另一关键组成部分。所述第二元件组设计包含至少两个镜片，这些镜片共同形成直透式光路结构。

特别地，在所述第二元件组中，至少有一个镜片的阿贝数不超过40。在此设计中，选择至少一个阿贝数≤40的镜片是为了利用其特性进行色差矫正，从而有效提升成像的色彩还原度，确保用户获得更加真实、自然的视觉体验。

本申请实施例中描述的关系式是一个关键的光学设计参数，它确保了目镜系统在高分辨率、低畸变和良好像质方面的高性能光学表现。这一比例关系的控制，不仅实现了大视场(≥35°)及大孔径角度(≥13°)的光学效果，还使得目镜系统在保持紧凑结构的同时，具备了出色的成像质量和视觉体验。

其中，D1_max和D2_max分别代表所述第一元件组和所述第二元件组的最大有效光学口径。这些参数决定了目镜系统能够接收和传递光线的最大范围，直接影响系统的视场角和进光量。和分别代表所述第一元件组和所述第二元件组的光焦度。光焦度是衡量光

需要说明的是，大孔径角度与光学系统的光圈或入瞳直径相关，它决定了系统能够接收或发射的光线的最大角度。在本申请实施例提供的目镜系统中，大孔径角度意味着目镜系统能够在不增加显示器1尺寸的情况下，捕捉或显示更宽视野范围内的图像信息，从而提升用户的观察体验。

此外，大孔径角度与大视场角相结合，共同构成了该目镜系统的高性能特点。大视场角指的是系统能够观察到的最大角度范围，而大孔径角度则保证了在这个大视场角范围内，系统都能够有效地接收或发射光线，从而保持成像的清晰度和亮度。

本申请实施例中的关系式通过将所述第一元件组的最大有效光学口径与其光焦度的乘积与所述第二元件组的相应参数进行比较，来优化目镜系统的整体性能。具体来说，这个关系式确保了如下光学性能：(1)高分辨率：通过控制光学口径和光焦度的比例，可以减少像差，提高成像的清晰度。(2)低畸变：合理的光学口径和光焦度分配有助于减少成像畸变，保持图像的准确性。(3)良好像质：整体设计确保了光线在系统中的高效传递和成像，提高了像质。

当不在0.01～0.3这一范围内，可能会导致以下问题：(1)成像清晰度下降：当比例过高或过低时，像差可能增加，分辨率降低。(2)畸变增大：不合理的光学口径和光焦度分配可能导致成像畸变增大，影响图像的准确性。(3)像质变差：整体设计可能无法有效传递和成像光线，导致像质下降，用户可能无法获得清晰的视觉体验。(4)系统效率降低：不合理的参数分配可能导致光线在系统中的损失增加，降低系统的整体效率。

因此，在设计本申请实施例目镜系统时，须控制的值在0.01至0.3，以确保目镜系统具有高性能的光学表现。

本申请实施例提供的目镜系统，通过将折叠光路与直透式光路相结合，实现了系统结构的优化与性能的提升。具体而言，该目镜系统被划分为靠近人眼01的第一元件组和靠近显示侧的第二元件组，这种光路搭配设计可以有效减少系统中的镜片数量，从而推动了目镜系统体积的小型化，满足了现代设备对紧凑性的需求。

本申请实施例的目镜系统通过调控第一元件组和第二元件组的光焦度以及最大有效光学口径之间的比例关系，确保了目镜系统在高分辨率、低畸变以及良好像质方面展现出卓越的光学性能。这一比例关系的控制，不仅实现了大视场及大孔径角度的光学效果，还使得目镜系统在保持紧凑结构的同时，具备了出色的成像质量和视觉体验。

此外，所述分光元件710与所述圆偏振光生成组件之间的无空气间隙设计，是本申请的一大亮点。这一设计有效减少了光路中的反射和散射现象，从而降低了鬼影和杂散光的产生，显著提升了成像的清晰度和对比度，为用户带来了更加清晰、真实的视觉享受。

在所述第二元件组中，本申请特别选用了至少一个阿贝数≤40的镜片。这一选择基于阿贝数与镜片色散能力的紧密关系，有助于进行色差矫正，从而提升成像的色彩还原度，使画面更加鲜艳、逼真。

在本申请的一些示例中，所述第一元件组的光焦度满足： 所述第二元件组的光焦度满足：

这些光焦度范围是本申请提供的目镜系统设计中的关键参数，它们对系统的整体性能有着非常重要影响。

所述第一元件组光焦度的技术效果分析如下：

所述第一元件组靠近人眼01，其光焦度在0到0.005之间，主要负责将大视场的光线进行收光，确保光线能够高效地进入人眼01，提高成像的亮度和清晰度。通过控制的范围，可以优化整个目镜系统的视场角，使用户获得更宽广的视野范围，如视场角≥35°。

所述第二元件组光焦度的技术效果分析如下：

所述第二元件组靠近显示器1，其光焦度在0到0.03之间，主要负责进行像差矫正，有助于提升目镜系统的像质。通过优化的范围，可以减少或消除成像过程中的各种像差，从而提高成像的清晰度和准确性。

另外，结合所述第二元件组中至少一个镜片的阿贝数≤40的设计，可以进一步进行色差矫正，提升成像的色彩还原度。阿贝数较小的镜片对色散有更好的控制能力，有助于减少不同波长光线在成像过程中的偏移，从而提高色彩的准确性。

通过精确控制和的范围，可以优化目镜系统的整体性能。例如，通过可以控制目镜系统的视场角和进光量，则可以优化成像的清晰度和准确性。这种配合使得目镜系统能够在保持小型化的同时，实现高性能的光学效果。

通过折叠光路与直透式光路的结合设计，以及控制各元件组的光焦度范围，本申请可以实现目镜系统的小型化、视场角的扩大以及高性能光学效果的展现。和的合理配合还为用户提供了更加清晰、真实、宽广的视觉体验。通过减少像差和色差，提高成像的清晰度和色彩还原度，本申请的目镜系统能够满足用户对高质量成像的需求。

在本申请的一些示例中，参见图1及图8，所述第二元件组中最靠近所述第一镜片7的镜片的阿贝数≤40。

色差作为光学系统中一种常见的像差，其产生源于不同波长的光线在通过光学元件时因折射能力差异而无法聚焦于同一点，进而对成像的色彩还原度和清晰度造成不利影响。

为有效应对色差问题，本申请在所述第二元件组中引入了阿贝数≤40的镜片。此类镜片因对不同波长光线具有各异的折射能力，成为色差矫正的关键。通过精心调整该镜片的形状与位置，可促使不同颜色的光线在成像时精准聚焦于同一点，从而显著提升成像的色彩还原度和清晰度。

色差的减少或消除，直接优化了成像质量，使用户能够观察到更为真实、鲜艳的色彩以及更为清晰的图像，满足了用户对高质量成像的期待。

此外，在第二元件组中使用阿贝数≤40的镜片，这也是系统设计优化的重要举措。通过精确控制镜片的色散能力，该镜片能够与系统中的其他镜片如第一镜片7协同工作，共同提升目镜系统整体性能。这种设计不仅优化了光学效果，还使得目镜系统能够在保持紧凑性的同时，实现高性能的光学表现，从而完美契合现代光学设备对紧凑性和高性能的双重需求。

在本申请的一些示例中，参见图1及图8，所述第二元件组包括沿光轴从人眼侧至显示侧依次排列的第二镜片6、第三镜片5、第四镜片4及第五镜片3，其中，所述第二镜片6的阿贝数≤40。

在申请提供的示例中，所述第二元件组设计了四个镜片：第二镜片6、第三镜片5、第四镜片4及第五镜片3。这一设计显著增强了目镜系统的像差矫正能力，每个镜片均能对光线进行精准折射与矫正，有效提升了成像的清晰度和准确性。

引入四个镜片的设计，可以为目镜系统带来更大的设计灵活性。在实际应用中，可根据具体需求灵活调整每个镜片的形状、曲率、厚度及材料等参数，以优化光学性能，确保系统能够适应多样化的应用场景与需求。

本示例中的这四个镜片协同工作，进一步提升了目镜系统的整体性能。具体而言，通过优化设计，可有效增大视场角、提高出瞳直径，并优化光路布局，从而为用户提供更宽广、更清晰的视野范围，提升视觉体验。

尽管四个镜片的设计带来了诸多优势，但在特定应用场景下，也可考虑简化设计，将镜片数量减少至两个。然而，需明确的是，减少镜片数量可能会在一定程度上牺牲光学性能。因此，在实际设计中，需全面权衡利弊，根据具体需求与应用场景，谨慎选择镜片数量与配置，以确保目镜系统性能与成本效益的最佳平衡。

阿贝数≤40的第二镜片6对不同波长的光线具有更显著的折射能力差异，这使得它能够更有效地对光线进行折射调整，以减少或消除色差。由于所述第二镜片6靠近所述第一镜片7(其靠近人眼01)，两者可以协同工作，进一步优化光线的折射路径，使得不同颜色的光线在通过这两个镜片后，能够更准确地聚焦于同一点，从而显著提升色差矫正的效率。

所述第二镜片6与所述第一镜片7的配合产生了协同工作效应。两者在光路中的位置和功能相互补充，共同优化了光线的折射和聚焦过程。这种协同工作不仅提高了色差矫正的效率，还增强了目镜系统的整体性能，如视场角、出瞳直径等参数的优化。

综上所述，通过在所述第二元件组中设置阿贝数≤40且靠近第一镜片7的第二镜片6，这种设计布局显著提升了色差矫正效率、优化了成像质量、保持了系统设计的紧凑性、产生了协同工作效应，并适应了多样化的需求。

在本申请的一些示例中，参见图1及图8，所述第二镜片6具有靠近显示侧的第三表面61，所述第三表面61凹向所述显示侧，且满足关系：0.03≤|SAG1|/D61≤0.1，其中：SAG1为所述第三表面61的矢高，D61表示所述第三表面61的有效光学口径。

在本申请提供的示例中，对所述第二镜片6的靠近显示侧的第三表面61进行了具体化的面型设计，通过引入矢高(SAG1)与有效光学口径(D61)的比例关系0.03≤|SAG1|/D61≤0.1，来详细描述和限制该表面的形状特征。

通过定义所述第二镜片6的第三表面61的矢高SAG1与有效光学口径D61的比例，可以精确地描述该表面的凹凸程度。

矢高是指从表面顶点到底部任意一点的垂直距离，有效光学口径则是指表面能够参与成像的光线所覆盖的区域直径。本申请该示例中的这种比例关系为第二镜片6的面型设计提供了明确的量化标准。

在本申请提供的该示例中，通过调整矢高与有效光学口径的比例，可以控制光线在通过第二镜片6时的折射路径，从而减少或消除像差。这种面型设计有助于优化成像质量，提高图像的清晰度和准确性。

通过调整矢高与有效光学口径的比例，可以使第二镜片6的面型适应特定的需求，如提高视场角、增大出瞳直径等。这种灵活性使得目镜系统能够满足多样化的市场需求。

在本申请提供的示例中，通过优化所述第二镜片6的面型设计，可以提高整个目镜系统的性能。例如，可以减少光线的散射和反射损失，提高光线的利用率；可以优化光线的折射路径，减少像差和畸变；还可以提高成像的清晰度等。

在本申请的一些示例中，所述第四镜片4的阿贝数≤40。

在本申请提供的示例中，除了指出所述第二镜片6的阿贝数≤40之外，与所述第二镜片6间隔的第四镜片4的阿贝数也可以设计为≤40。

通过在所述第二元件组中设置两个阿贝数≤40的镜片(即第二镜片6和第四镜片4)，可以进一步增强目镜系统对色差的矫正能力。不同波长的光线在经过这两个镜片时，会受到更显著的折射差异，从而有助于减少或消除色差，提高成像的色彩还原度和清晰度。

色差是影响成像质量的重要因素之一。通过减少色差，可以使得不同颜色的光线在成像时更准确地聚焦于同一点，从而提高成像的清晰度和准确性。在所述第二元件组中，所述第四镜片4与所述第二镜片6的协同作用，有助于优化整个目镜系统的成像质量。

在光学系统设计中，性能与成本之间往往存在一定的权衡关系。通过选择合适的镜片材质和参数，可以在保证一定成像质量的同时，控制系统的制造成本。在本申请中，通过设置两个阿贝数≤40的镜片来增强色差矫正能力，同时保持系统的紧凑性和轻便性，有助于在性能与成本之间找到一个合理的平衡点。

在本申请的一些示例中，参见图1及图8，所述第四镜片4具有靠近显示侧的第七表面41，所述第七表面41凹向所述显示侧，且满足关系：0.05≤|SAG2|/D41≤0.1，其中：SAG2为所述第七表面41的矢高，D41表示所述第七表面41的有效光学口径。

参见图1及图8，所述第七表面41凹向显示器1的设计，通过控制矢高SAG2与有效光学口径D41的比例关系为0.05≤|SAG2|/D41≤0.1，可以精确调整光线在通过第四镜片4时的折射路径。这种优化有助于确保光线以更准确的角度进入后续的光学元件，从而提高整个目镜系统的成像质量。

所述第四镜片4特定的面型设计(如凹向显示侧的表面)有助于减少目镜系统中的像差，如球差、彗差等。通过精确控制SAG2与D41的比例，可以进一步优化第四镜片4的像差矫正能力，使得成像更加清晰、准确。

在保证光学性能的前提下，通过优化第四镜片4的面型设计，可以减小镜片的体积和重量，从而提高整个目镜系统的紧凑性。这对于需要集成到小型设备中的目镜系统尤为重要。

在本申请的一些示例中，参见图1及图8，所述目镜系统中各镜片的有效光学口径满足以下递减关系：D1＞D2＞D3＞D4＞D5，其中，D1为所述第一镜片7的有效光学口径，D2至D5依次为所述第二镜片6至所述第五镜片3的有效光学口径。

在本申请提供的示例中，通过设计各镜片的有效光学口径满足递减关系，可以确保光线在通过目镜系统时能够更有效地被收集和聚焦，从而实现大视场的光学效果。这种设计有助于提升目镜系统的成像范围。

递减的光学口径设计有助于减少光线在通过镜片时的损失和散射，提高光线的传输效率。这有助于确保更多的光线能够到达人眼，从而提升成像的亮度和清晰度。

递减的光学口径设计有助于减少像差和畸变，提升成像质量。通过精确控制各镜片的光学参数和位置关系，可以确保光线在通过目镜系统时能够形成清晰、准确的图像。

另外，合理的光学口径设计有助于提升目镜系统的稳定性和可靠性。通过减少光线在通过镜片时的反射和散射损失，可以降低系统对外部环境的敏感度，从而在各种使用条件下都能保持稳定的性能表现。

综上所述，本申请该示例中描述的目镜系统各镜片有效光学口径的递减关系设计具有显著的技术效果，包括实现高性能大视场光学效果、优化光线传输效率、减小系统体积和重量、提升成像质量以及增强系统稳定性和可靠性等。

在本申请的一些示例中，参见图1及图8，所述第三镜片5的中心厚度T3与所述目镜系统的光学总长TTL之间满足：0.2≤T3/TTL≤0.3。

通过设定所述第三镜片5的中心厚度T3与整个目镜系统的光学总长TTL的比例关系，可以在设计上优化目镜系统的整体结构。这一比例有助于确保镜片在目镜系统中的合理布局，避免因镜片厚度不当而导致的空间浪费或结构紧凑性不足。

所述第三镜片5作为较厚的透镜，在本申请的目镜系统中起着重要的像差矫正作用。通过控制其中心厚度与光学总长TTL的比例，可以更有效地矫正像差，如球差、彗差等，从而提高成像的清晰度和准确性。

通过设定T3/TTL的比例范围，可以在保证一定成像质量的同时，控制目镜系统的制造成本。例如，过厚的镜片可能会增加材料成本和加工难度，而过薄的镜片则可能无法满足成像质量的要求。

另外，较厚的第三镜片5有助于提高系统的稳定性。在目镜系统中，镜片的厚度和形状对系统的稳定性有着重要影响。通过设定合理的镜片厚度比例，可以减少因温度变化、机械振动等因素而导致的光学性能波动。

在本申请的一些示例中，所述第一镜片7的中心厚度T1为4mm≤T1≤16mm；所述第二元件组中各镜片的中心厚度T2为1mm≤T2≤8mm。

所述第一镜片7作为靠近人眼侧的关键光学元件，其中心厚度T1的设计对成像质量具有重要影响。适当的镜片厚度可以减少像差，如球差和彗差，从而提高成像的清晰度和准确性。具体地，所述第一镜片7的中心厚度T1在4mm至16mm的范围设计，可以在保证成像质量的同时，兼顾镜片的制造工艺性和成本。

所述第一镜片7的中心厚度T1的范围设计与其他光学元件(如后续镜片、反射面等)的配合，有助于实现大视场和大孔径角度的光学效果，满足用户对观察范围和亮度的需求。

所述第二元件组中各镜片的中心厚度T2(1mm≤T2≤8mm)。所述第二元件组中的镜片位于目镜系统的中间或靠近显示器侧，其中心厚度T2的设计对系统的整体体积和重量有直接影响。本申请该示例中1mm至8mm的范围设计，可以在保证光学性能的前提下，减小目镜系统的体积和重量，使其更加便携和易于集成。

另外，所述第二元件组中适当的镜片厚度可以确保光线在通过镜片时的高效传输，减少反射和散射损失，从而提高成像的亮度和对比度。

通过合理设计所述第一镜片7和所述第二元件组中各镜片的中心厚度，可以在保证成像质量的同时，优化系统的体积、重量、稳定性和灵活性等性能指标。

在本申请的一些示例中，所述圆偏振光生成组件胶合于所述分光元件710远离所述第一镜片7的一侧；或者，所述圆偏振光生成组件与所述分光元件710之间设置有透镜；所述圆偏振光生成组件包括依次层叠设置的第二相位延迟器712、第二偏光元件713及第三相位延迟器714。

在本申请提供的示例中，所述分光元件710与所述圆偏振光生成组件之间存在介质，但该介质并不是空气，该介质例如为光学胶。

当然，也可以在所述分光元件710与所述圆偏振光生成组件之间设置特定折射率的一个或多个透镜。

光学胶和透镜作为介质，本身具有一定的光学特性，如折射率、透光率等。通过选择合适的介质材料和参数，可以进一步优化光学显示系统的成像质量。

当选择光学胶作为介质时，可以将所述圆偏振光生成组件与所述分光元件710粘合在一起，形成一个稳定的光学整体。所述光学胶例如为OCA胶或者UV胶。

在某些情况下，也可以采用透镜作为介质，这一选择可以实现特定的光学功能，如聚焦等。通过合理设计透镜的形状和参数，可以进一步优化光学系统的性能，满足特定的应用需求。

所述圆偏振光生成组件主要由第二相位延迟器712、第二偏光元件713及第三相位延迟器714依次层叠构成，并与所述分光元件710一起集成于所述第一镜片7靠近第二镜片6的一侧表面(参见图1中的第一表面71)。

本申请中提供的圆偏振光生成组件通过双相位延迟器与一个偏振元件的组合，实现了对光线的精确相位延迟和偏振态选择。这一设计不仅提高了圆偏振光的生成效率和质量，还可以减少鬼影现象的产生，为近眼光学显示系统带来了更加清晰、纯净的视觉体验。

可选的是，所述圆偏振光生成组件还包含第一抗反射膜711，参见图2。

抗反射膜是一种涂覆在光学元件表面，用于减少光线反射、增加光线透射率的光学薄膜。它通过降低光线从一种介质传播到另一种介质时因折射率差异而产生的反射，从而提高光线的透射效率。

在本申请提供的圆偏振光生成组件中，参见图2，所述第一抗反射膜711可以有效减少光线在光学元件(如第一镜片7)表面的反射损失。所述第一抗反射膜711的应用可以显著提高光线的透射率，使得更多的光线能够按照设计路径传播，最终进入人眼01，提高成像亮度和对比度。

反射光线的减少不仅提高了光线的透射率，还有助于减少眩光和杂散光的产生。眩光和杂散光会降低图像的清晰度和对比度，影响用户的视觉体验。所述第一抗反射膜711的应用可以有效抑制这些不良光线的产生，提高图像的纯净度和质量。

参见图2，所述圆偏振光生成组件例如为复合膜结构，其包括依次层叠设置的第一抗反射膜711、第二相位延迟器712、第二偏光元件713及第三相位延迟器714。所述圆偏振光生成组件位于所述分光元件710背离所述第一镜片7的一侧表面。

在本申请的一些示例中，所述目镜系统中各镜片的光焦度如下：

所述第一镜片7的光焦度为

所述第二镜片6的光焦度为

所述第三镜片5的光焦度为

所述第四镜片4的光焦度为

所述第五镜片3的光焦度为

所述目镜系统还包括显示器1，设置于所述第二元件组背离所述第一元件组的一侧，所述显示器1的发光面上设置有保护玻璃2，所述显示器1的尺寸＜0.5英寸。

在本申请提供的示例中，所述第一镜片7的光焦度的范围为 这表明所述第一镜片7具有较小的正光焦度，有助于将大视场的光线进行收光，提供更好的成像条件。所述第二镜片6的光焦度的范围为其具有负光焦度，用于矫正部分像差，如球差等。所述第三镜片5的光焦度的范围为光焦度较小且可为正可负，根据具体设计需求进行微调，以进一步优化成像质量。所述第四镜片4的光焦度的范围为同样具有较小的光焦度范围，用于进一步矫正像差并调整成像特性。所述第五镜片3的光焦度的范围为具有正光焦度，它是元件组2中光焦度较大的镜片之一，主要用于像差矫正和成像质量的提升。

所述显示器1设置于所述第二元件组背离第一元件组的一侧，是成像的源头。所述显示器1的尺寸小于0.5英寸，这表明该目镜系统设计适用于小型或紧凑型设备中。

所述保护玻璃2设置在所述显示器1的发光面上，用于保护显示器免受外界环境的影响，如划伤、灰尘等，同时不影响光线的正常传输。

根据本申请提供的该示例，通过合理设计各镜片的光焦度范围，可以有效地矫正像差，提高成像的清晰度和准确性。各镜片之间的光焦度配合，有助于实现大视场和大孔径角度的光学效果，满足用户对观察范围和亮度的需求。显示器1的尺寸小于0.5英寸，表明该目镜系统适用于小型或便携式设备中。通过优化镜片设计和布局，可以在保证成像质量的同时减小系统的体积和重量。另外，保护玻璃2的设置可以保护显示器免受外界环境的影响，提高系统的稳定性和可靠性。

在本申请的一些示例中，所述目镜系统满足：0.9≤TTL/f≤1.1；其中，TTL为所述目镜系统的光学总长，f为所述目镜系统的总焦距。

TTL/f的比例关系定义了目镜系统的紧凑程度与成像性能之间的平衡。

通过设定TTL/f的比例范围，可以在保证成像性能的前提下，尽可能减小目镜系统的体积和重量。这种紧凑性设计对于需要小型化或便携式设备的应用尤为重要。也就是说，0.9≤TTL/f≤1.1的比例范围提供了一个平衡点，使得目镜系统在保持紧凑的同时，仍然能够提供良好的成像性能。这种平衡有助于满足用户对成像质量和设备便携性的双重需求。

在本申请的一些示例中，参见图3，所述第一元件组还包括第一偏光元件722，层叠设于所述偏振反射元件723背离所述第一相位延迟器724的一侧表面，且所述第一偏光元件722、所述偏振反射元件723及所述第一相位延迟器724组成复合膜层结构。

偏振元件(即偏振膜)是一种能够过滤掉特定偏振方向光线的光学元件。在本申请中，所述第一偏光元件722可用于进一步纯化经所述偏振反射元件723反射后的光线，确保只有特定偏振方向的光线能够继续传播。

本申请中设计，将所述第一相位延迟器724、所述偏振反射元件723和所述第一偏光元件722集成在一起形成层叠结构，其中，所述第一相位延迟器724将入射光线转换为特定偏振方向，所述偏振反射元件723选择性地反射该偏振方向的光线，而所述第一偏光元件722则进一步纯化反射光线，减少光线损耗，提高整体光线利用效率。

杂散光和鬼影是近眼光学系统中常见的问题，它们会降低图像的清晰度和对比度。本申请该示例中形成的圆偏振光生成组件通过选择性地反射和透射特定偏振方向的光线，有效减少了杂散光和鬼影的产生，从而提高了图像的纯净度和清晰度。

此外，将所述第一相位延迟器724、所述偏振反射元件723和所述第一偏光元件722集成在一起形成层叠结构，还可以简化光学设计。

可选的是，所述复合膜层结构，参见图3，还可以包括第二抗反射膜721，所述第二抗反射膜721、所述第一偏光元件722、所述偏振反射元件723及所述第一相位延迟器724依次层叠设置。

参见图1，图1图1展示了本申请的实施光路图。在此光路图中，所述显示器1所发出的光线依次经过保护玻璃2、第五镜片3、第四镜片4、第三镜片5、第二镜片6透射，经过第一镜片7的第一表面71上的圆偏振光生成组件形成圆偏振光，经过第一镜片7的第二表面72上的第一相位延迟器724变成线偏振光(S光)，经过偏振反射元件723反射，再次过第一相位延迟器724变成圆偏振光，经过第一表面71上的分光元件710反射，第三次经过第一相位延迟器724变成线偏振光(P光)透射，打入人眼01。

本申请实施例中所采用的各镜片，其材料折射率和色散系数均处于特定范围内。具体而言，这些镜片材料的折射率n满足1.4<n<2.0，而色散系数v则满足20<v<90。

以下通过实施例1和实施例2分别对本申请的目镜系统进行说明。

实施例1

参见图1，本实施例1提供的目镜系统包括沿同一光轴设置的第一元件组、第二元件组及显示器1，其中：

所述第一元件组靠近人眼01设置，包括第一镜片7，所述第一镜片7具有靠近显示侧的第一表面71和靠近人眼侧的第二表面72，且所述第一表面71上设有分光元件710及圆偏振光生成组件，所述圆偏振光生成组件胶合设于所述分光元件710背离所述第一镜片7的一侧，且两者之间无空气间隙；所述第二表面72上依次设有第一相位延迟器724、偏振反射元件723及第一偏光元件722，参见图3，且所述第一相位延迟器724位于所述分光元件710与所述偏振反射元件723之间的光路上；

参见图2，所述圆偏振光生成组件包括依次层叠设置的第二相位延迟器712、第二偏光元件713及第三相位延迟器714；

所述第二元件组包括沿光轴从人眼侧至显示侧依次排列的第二镜片6、第三镜片5、第四镜片4及第五镜片3，其中，所述第二镜片6及第四镜片4的阿贝数均≤40；所述第二镜片6具有靠近显示侧的第三表面61，所述第三表面61凹向所述显示侧，且满足关系：SAG1/D61为0.035；所述第四镜片4具有靠近显示侧的第七表面41，所述第七表面41凹向所述显示侧，且满足关系：SAG2/D41为0.09；

所述显示器1的发光面上设置有保护玻璃2，所述显示器1的尺寸＜0.5英寸；

所述目镜系统满足：TTL/f为0.98。

本实施例1中各透镜的光学参数请参见下表1。

表1

本实施例1中各透镜的光焦度请参见下表2。

表2

各镜片	光焦度
		第一镜片7	0.004722803
第二镜片6	-0.013761887
		第三镜片5	-0.001728505
第四镜片4	0.018661291
		第五镜片3	0.018041767

本实施例1中第一元件组及第二元件组的光焦度、最大有效光学口径请参见下表3。

表3

根据表3可知：约为0.25。

本实施例1提供的目镜系统，其光学性能如图4至图7所示：图4是点列图示意图，图5是MTF曲线图，图6是场曲及畸变图，图7是垂轴色差图。以下对图4至图7进行分析：

参见图4，本实施例1提供的目镜系统，点列图中像点的最大值小于6μm。

参见图5，本实施例1提供的目镜系统，MTF在40lp/mm下>0.3。

参见图6，本实施例1提供的目镜系统，畸变最大发生在1视场，绝对值小于2％。

参见图7，本实施例1提供的目镜系统，最大色差值小于65μm。

实施例2

参见图8，本实施例1提供的目镜系统包括沿同一光轴设置的第一元件组、第二元件组及显示器1，其中：

所述第一元件组靠近人眼01设置，包括第一镜片7，所述第一镜片7具有靠近显示侧的第一表面71和靠近人眼侧的第二表面72，且所述第一表面71上设有分光元件710及圆偏振光生成组件，所述圆偏振光生成组件胶合设于所述分光元件710背离所述第一镜片7的一侧，且两者之间无空气间隙；所述第二表面72上依次设有第一相位延迟器724、偏振反射元件723及第一偏光元件722，参见图3，且所述第一相位延迟器724位于所述分光元件710与所述偏振反射元件723之间的光路上；

参见图2，所述圆偏振光生成组件包括依次层叠设置的第二相位延迟器712、第二偏光元件713及第三相位延迟器714；

所述第二元件组包括沿光轴从人眼侧至显示侧依次排列的第二镜片6、第三镜片5、第四镜片4及第五镜片3，其中，所述第二镜片6及第四镜片4的阿贝数均≤40；所述第三表面61凹向所述显示侧，且满足关系：SAG1/D61为0.052所述第四镜片4具有靠近显示侧的第七表面41，所述第七表面41凹向所述显示侧，且满足关系：SAG2/D41为0.083；

所述显示器1的发光面上设置有保护玻璃2，所述显示器1的尺寸＜0.5英寸；

所述目镜系统满足：TTL/f为1.02。

本实施例2中各透镜的光学参数请参见下表4。

表4

本实施例2中各透镜的光焦度请参见下表5。

表5

本实施例2中第一元件组及第二元件组的最大有效光学口径请参见下表6。

表6

根据表6可知：约为0.03。

本实施例2提供的目镜系统，其光学性能如图9至图12所示：图9是点列图示意图，图10是MTF曲线图，图11是场曲及畸变图，图12是垂轴色差图。

参见图9，本实施例2提供的目镜系统，点列图中像点的最大值小于5μm。

参见图10，本实施例2提供的目镜系统，MTF在40lp/mm下>0.25。

参见图11，本实施例2提供的目镜系统，畸变最大发生在1视场，绝对值小于2％。

参见图12，本实施例2提供的目镜系统，最大色差值小于65μm。

根据本申请的另一个实施例，提供了一种光学设备，所述光学设备包括如上所述的目镜系统及物镜，所述物镜位于所述目镜系统的显示侧。

其中，所述目镜系统负责将所述显示器1发出的光线引导至人眼01，并优化成像质量。所述物镜位于所述显示器1和所述目镜之间，用于对所述显示器1发出的光线进行进一步的聚焦和校正，以提高成像的清晰度和质量。

本申请实施例的光学设备的具体实施方式可以参照上述目镜系统的各实施例，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)

1.一种目镜系统，其特征在于，包括沿同一光轴设置的第一元件组及第二元件组，其中：

所述第一元件组靠近人眼侧设置，包括第一镜片(7)，所述第一镜片(7)具有靠近显示侧的第一表面(71)和靠近人眼侧的第二表面(72)，且所述第一表面(71)上设有分光元件(710)及圆偏振光生成组件，所述圆偏振光生成组件位于所述分光元件(710)背离所述第一镜片(7)的一侧，且两者之间无空气间隙；所述第二表面(72)上设有第一相位延迟器(724)及偏振反射元件(723)，且所述第一相位延迟器(724)位于所述分光元件(710)与所述偏振反射元件(723)之间的光路上；

所述第二元件组靠近显示侧设置，包括至少两个镜片，且至少一个镜片的阿贝数≤40；

所述目镜系统满足关系：0.01≤(D1_max×φ1)/(D2_max×φ2)≤0.3；其中，φ1为所述第一元件组的光焦度，φ2为所述第二元件组的光焦度，D1为所述第一元件组的最大有效光学口径，D2为所述第二元件组的最大有效光学口径。

2.根据权利要求1所述的目镜系统，其特征在于，所述第一元件组的光焦度φ1满足：0＜φ1≤0.005；

所述第二元件组的光焦度φ2满足：0＜φ2≤0.03。

3.根据权利要求1所述的目镜系统，其特征在于，所述第二元件组中最靠近所述第一镜片(7)的镜片的阿贝数≤40。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的目镜系统，其特征在于，所述第二元件组包括沿光轴从人眼侧至显示侧依次排列的第二镜片(6)、第三镜片(5)、第四镜片(4)及第五镜片(3)，其中，所述第二镜片(6)的阿贝数≤40。

5.根据权利要求4所述的目镜系统，其特征在于，所述第二镜片(6)具有靠近显示侧的第三表面(61)，所述第三表面(61)凹向所述显示侧，且满足关系：0.03≤|SAG1|/D61≤0.1，其中：SAG1为所述第三表面(61)的矢高，D61表示所述第三表面(61)的有效光学口径。

6.根据权利要求4所述的目镜系统，其特征在于，所述第四镜片(4)的阿贝数≤40。

7.根据权利要求6所述的目镜系统，其特征在于，所述第四镜片(4)具有靠近显示侧的第七表面(41)，所述第七表面(41)凹向所述显示侧，且满足关系：0.05≤|SAG2|/D41≤0.1，其中：SAG2为所述第七表面(41)的矢高，D41表示所述第七表面(41)的有效光学口径。

8.根据权利要求4所述的目镜系统，其特征在于，所述目镜系统中各镜片的有效光学口径满足以下递减关系：D1＞D2＞D3＞D4＞D5，其中，D1为所述第一镜片(7)的有效光学口径，D2至D5依次为所述第二镜片(6)至所述第五镜片(3)的有效光学口径。

9.根据权利要求4所述的目镜系统，其特征在于，所述第三镜片(5)的中心厚度T3与所述目镜系统的光学总长TTL之间满足：0.2≤T3/TTL≤0.3。

10.根据权利要求1所述的目镜系统，其特征在于，所述第一镜片(7)的中心厚度T1为4mm≤T1≤16mm；

所述第二元件组中各镜片的中心厚度T2为1mm≤T2≤8mm。

11.根据权利要求1所述的目镜系统，其特征在于，所述圆偏振光生成组件胶合于所述分光元件(710)远离所述第一镜片(7)的一侧；或者，

所述圆偏振光生成组件与所述分光元件(710)之间设置有透镜；

所述圆偏振光生成组件包括依次层叠设置的第二相位延迟器(712)、第二偏光元件(713)及第三相位延迟器(714)。

12.根据权利要求4所述的目镜系统，其特征在于，所述目镜系统中各镜片的光焦度如下：

所述第一镜片(7)的光焦度φ11为0.001≤φ11≤0.007；

所述第二镜片(6)的光焦度φ21为-0.02≤φ21≤-0.01；

所述第三镜片(5)的光焦度φ22为-0.002≤φ22≤0.01；

所述第四镜片(4)的光焦度φ23为-0.001≤φ23≤0.02；

所述第五镜片(3)的光焦度φ24为0.01≤φ24≤0.04；

所述目镜系统还包括显示器(1)，设置于所述第二元件组背离所述第一元件组的一侧，所述显示器(1)的发光面上设置有保护玻璃(2)，所述显示器(1)的尺寸＜0.5英寸。

13.根据权利要求12所述的目镜系统，其特征在于，所述目镜系统满足：0.9≤TTL/f≤1.1；其中，TTL为所述目镜系统的光学总长，f为所述目镜系统的总焦距。

14.根据权利要求13所述的目镜系统，其特征在于，所述第一元件组还包括第一偏光元件(722)，层叠设于所述偏振反射元件(723)背离所述第一相位延迟器(724)的一侧表面，且所述第一偏光元件(722)、所述偏振反射元件(723)及所述第一相位延迟器(724)组成复合膜层结构。

15.一种光学设备，其特征在于，包括：

如权利要求1-14中任一项所述的目镜系统；及

物镜，所述物镜位于所述目镜系统的显示侧。