光学系统及显示设备

技术领域

本申请实施例涉及光学技术领域，更具体地，本申请实施例涉及一种光学系统及显示设备。

背景技术

如今，虚拟现实技术（VR）已广泛应用于娱乐、教育、医疗等多个领域。在VR显示设备中，光学系统作为成像显示的关键部分，其性能直接影响到用户的视觉体验。大视场角（FOV）和高清晰度是VR显示设备发展的主要趋势。然而，随着FOV的增大，边缘视场的色差问题也随之加剧。因此，如何同时保证大FOV的同时减小色差，提升成像质量，成为当前VR设备光学系统设计的关键问题。现有的光学系统设计方案，虽然在一定程度上实现了大FOV，但在控制色差方面仍存在不足。

发明内容

本申请的目的是提供一种光学系统及显示设备的新技术方案，通过优化透镜组的设计和光路布局，实现了大FOV和低色差的同时满足，提高了成像质量。

第一方面，本申请实施例提供了一种光学系统，所述光学系统包括沿同一光轴设置的第一透镜组和第二透镜组以及分光元件、相位延迟器和偏振反射元件；

所述第一透镜组位于所述分光元件与所述偏振反射元件之间，且所述相位延迟器位于所述分光元件与所述偏振反射元件之间；

所述第二透镜组位于所述分光元件背离所述相位延迟器的一侧，所述第二透镜组中至少有一个镜片的光焦度为负，且满足以下关系：-0.6≤（负光焦度镜片的边缘厚度和-正光焦度镜片的边缘厚度和）/（正光焦度镜片材料阿贝数和-负光焦度镜片材料阿贝数和）≤0.15。

可选地，所述第一透镜组包括第一透镜，所述第一透镜的光焦度为

可选地，所述第一透镜的光焦度

可选地，所述第一透镜的光焦度

所述光学系统的光焦度

可选地，所述第一透镜组参与折叠光路，所述第一透镜组包括至少一个透镜；

所述第二透镜组参与直透光路，所述第二透镜组包括至少三个透镜。

可选地，所述光学系统包括显示屏，所述显示屏位于所述第二透镜组背离所述第一透镜组的一侧。

可选地，所述第一透镜组包括第一透镜，所述分光元件设置于所述第一透镜靠近所述显示屏的表面，所述相位延迟器及所述偏振反射元件形成叠合元件并设置于所述第一透镜远离所述显示屏的表面。

可选地，所述光学系统还包括偏振元件，所述偏振元件叠设于所述偏振反射元件背离所述相位延迟器的一侧。

可选地，所述显示屏与所述第二透镜组的光路之间设置有复合膜材，用于将所述显示屏发出的光线的偏振态进行转化以形成圆偏振光。

可选地，所述第二透镜组包括沿所述光轴依次设置的第二透镜、第三透镜及第四透镜；

所述第二透镜位于远离所述显示屏的一侧，所述第四透镜位于靠近所述显示屏的一侧；

所述复合膜材设置于所述第二透镜远离所述显示屏的表面；

所述复合膜材包括偏振膜及相位延迟膜。

可选地，所述显示屏的发光面上设置有双层保护玻璃。

第二方面，本申请实施例提供了一种显示设备。所述显示设备包括：

外壳；及

如第二方面所述的光学系统，所述光学系统设置于所述外壳。

本申请的有益效果为：

根据本申请实施例，提供了一种光学系统，该光学系统包括沿同一光轴设置的第一透镜组和第二透镜组以及分光元件、相位延迟器和偏振反射元件；其中，第一透镜组位于分光元件、相位延迟器与偏振反射元件形成的折叠光路中，第二透镜组位于与折叠光路相接的直透光路中，第二透镜组中至少有一个透镜的光焦度为负并满足特定的光焦度比例关系。通过这种设计，可以使光学系统能够在保持大FOV的前提下，改善成像的色差，尤其是可以有效校正边缘视场的色差；并且，通过优化透镜组的光焦度分配，使得整个光学系统的光焦度分布更加合理，进一步提高了成像质量。

本申请实施例的显示设备包括外壳及上述光学系统，光学系统设置于外壳，该显示设备通过采用本申请实施例提供的光学系统，实现了大FOV下兼顾低色差的光学性能，为用户提供了更加真实、清晰的视觉体验。

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为本申请一实施例提供的光学系统的结构图及光路图；

图2为本申请实施例提供的光学系统贴膜示意图之一；

图3为本申请实施例提供的光学系统贴膜示意图之二；

图4为图1提供的光学模组的点列图；

图5为图1提供的光学模组的MTF曲线图；

图6为图1提供的光学模组的场曲和畸变图；

图7在图1提供的光学模组的垂轴色差图；

图8为本申请另一实施例提供的光学系统的结构图及光路图；

图9为图8提供的光学模组的点列图；

图10为图8提供的光学模组的MTF曲线图；

图11为图8提供的光学模组的场曲和畸变图；

图12在图8提供的光学模组的垂轴色差图；

图13为本申请又一实施例提供的光学系统的结构图及光路图；

图14为图13提供的光学模组的点列图；

图15为图13提供的光学模组的MTF曲线图；

图16为图13提供的光学模组的场曲和畸变图；

图17在图13提供的光学模组的垂轴色差图。

附图标记说明：

1、显示屏；2、第一保护玻璃；3、第二保护玻璃；

4、第四透镜；41、第七表面；42、第八表面；

5、第三透镜；51、第五表面；52、第六表面；

6、第二透镜；61、第三表面；62、第四表面；621、第二抗反射膜；622、相位延迟膜；623、偏振膜；

7、第一透镜；71、第一表面；711、分光元件；72、第二表面；721、第一抗反射膜；722、偏振元件；723、偏振反射元件；724、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光学系统及显示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，所述光学系为一种近眼光学显示系统，其可适用于显示设备。所述显示设备可以为头戴显示设备（Head mounteddisplay，HMD），如VR头戴显示设备。所述VR头戴显示设备的具体形式例如包括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。

本申请实施例提供了一种光学系统，参见图1及图2所示，所述光学系统包括沿同一光轴设置的第一透镜组和第二透镜组，以及分光元件711、相位延迟器724和偏振反射元件723；所述第一透镜组位于所述分光元件711与所述偏振反射元件723之间，所述相位延迟器724位于所述分光元件711与所述偏振反射元件723之间；所述第二透镜组位于所述分光元件711背离所述相位延迟器724的一侧，所述第二透镜组中至少有一个透镜的光焦度为负，且满足以下关系：-0.6≤（负光焦度镜片的边缘厚度和-正光焦度镜片的边缘厚度和）/（正光焦度镜片材料阿贝数和-负光焦度镜片材料阿贝数和）≤0.15。

根据本申请实施例提供的光学系统，参见图1及图2，其主要由第一透镜组、第二透镜组以及分光元件711、相位延迟器724和偏振反射元件723组成，上述的这些透镜组及多个光学膜材沿同一光轴按照特定顺序排列组合，这些光学器件各自承担不同的功能，它们共同协作，以实现对光线的精确控制，最终实现整个光学系统的光学成像功能。其中，所述第一透镜组位于近人眼01的一侧，所述第一透镜组为参与折叠光路的光学组件。所述第二透镜组位于远离人眼01的一侧，所述第二透镜组为参与直透光路的光学组件。

在本申请实施例提供的光学系统中，参见图1及图2，在靠近人眼01的一侧设置了所述偏振反射元件723、所述相位延迟器724及所述分光元件711，并在上述的这些光学膜材之间引入了所述第一透镜组，这样可形成折叠光路，光线在进入折叠光路后进行折返，最终出射至人眼01成像。折叠光路的引入能实现在保证成像质量的前提下，减小整个光学系统沿光轴方向的尺寸。

其中，所述分光元件711例如为半透半反射膜，其能够供一部分光线透射，另一部分光线反射。

需要说明的是，所述分光元件711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724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。在本申请实施例提供的光学系统中，所述相位延迟器724例如为1/4波片。

当然，所述相位延迟器724可以根据需要设置为其他相位延迟片。

其中，所述偏振反射元件723，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。在本申请实施例提供的光学系统中，所述偏振反射元件723为偏振反射膜。

其中，所述第一透镜组的主要功能是对光线进行聚焦和调控。在折叠光路中，光线经过半透半反膜、1/4波片和偏振反射膜后，其传播路径和方向会发生变化。所述第一透镜组能够接收这些经过调控的光线，并对其进行进一步的聚焦和校正，以确保光线能够准确地投射到预定的位置或成像面上。其次，所述第一透镜组还可以调整光线的强度和分布。具体地，通过调整所述第一透镜组的光学参数和面型结构，可以控制光线的透过率、反射率和折射率，从而实现对光线的精确调控。这对于提高成像质量、减少光损失以及优化视觉效果都具有重要意义。

需要说明的是，对于形成的折叠光路而言，所述相位延迟器724要介于所述分光元件711与所述偏振反射元件723之间。

本申请实施例提供的光学系统中还包括第二透镜组，参见图1，所述第二透镜组位于所述第一透镜组背离人眼01的一侧，其参与直透光路，所述第二透镜组也用于对光线进行处理。入射的光线可以直接透射所述第二透镜组后射向折叠光路，对于所述第二透镜组，通过合理配置透镜的参数和结构，可以有效地减少色差和像差，提高成像的清晰度和准确性。

值得注意的是，所述第二透镜组中设计的是至少有一个透镜的光焦度为负，这样，所述第二透镜组中至少有一个透镜具有发散光线的特性。这种设计有助于平衡光学系统中的光线分布，优化成像质量。

本申请实施例中还描述了，所述第二透镜组满足：-0.6≤（负光焦度镜片的边缘厚度和-正光焦度镜片的边缘厚度和）/（正光焦度镜片材料阿贝数和-负光焦度镜片材料阿贝数和）≤0.15这一约束条件。本申请中特别设计了所述第二透镜组中不同透镜的光焦度分配及材料。通过优化正光焦度镜片和负光焦度镜片的组合，使得整个光学系统的光焦度分布更加合理。这种设计不仅有助于进一步减少色差，还能够提高成像的对比度和分辨率，使得最终形成的图像更加清晰、细腻。在上述关系限定中，还涉及了在一定范围内调整各镜片材料的阿贝数，这可以使得整个光学系统在保持良好色差校正的同时，还能够实现整体光焦度的平衡。本申请中的这种参数设计在提高成像质量的同时，也保证了光学系统的稳定性和可靠性。总的来说，这种光学系统的设计通过巧妙的光学器件布局和光焦度分配，实现了在保持大视场的前提下显著改善成像色差的效果，提高了成像质量和系统的实用性。

需要说明的是，所述负光焦度镜片的边缘厚度及所述正光焦度镜片的边缘厚度均指的是镜片的光学有效区域与无效光学区域分界之处的厚度。

可选的是，所述第二透镜组中，负光焦度之和与正光焦度之和的比值的绝对值可以控制在0.2到0.8之间，也即0.2≤|负光焦度之和/正光焦度之和|≤0.8。通过该光焦度比值的约束，可以使得整个光学系统在保证大FOV的情形下有效的降低色差，从而可以提升光学系统的成像质量，使得光学系统能够实现更优质的光学性能。并且，对于所述第二透镜组的光焦度比例范围约束，确保了正负光焦度的平衡，避免了因光焦度过强或过弱而导致的成像质量差的问题。通过精确控制正负光焦度的比例，这个光学系统能够在保证成像质量的同时，实现更广泛的应用场景。

进一步地，如图1所示，在所述光学系统中，位于直透光路中的第二透镜组包含多个透镜。在光学设计过程中，精心调配了这些透镜的阿贝数组合，旨在有效解决大视场下的成像色差问题，特别是边缘视场的成像色差问题。由于透镜的阿贝数与其折射率和材料特性紧密相连，因此，在本申请的光学设计中，优化了第二透镜组中透镜的阿贝数，根据优化后的阿贝数来搭配选择透镜材料。在确定了透镜的材料之后，就能进一步确定透镜的折射率范围，进而计算出各个透镜表面的曲率半径。这一系列设计步骤，最终实现了对光焦度的有效约束。特别值得一提的是，在所述第二透镜组中，特意将光焦度为负的透镜与阿贝数较大的透镜相匹配，而将光焦度为正的透镜与阿贝数较小的透镜相搭配。这样的组合方式对于改善光学系统的色差效果尤为显著。综上所述，本申请实施例所提供的光学方案，通过精心优化第二透镜组的设计，实现了在大视场下对成像色差的显著改善，特别是边缘视场的色差问题得到了有效解决。

根据本申请实施例提供的光学系统，通过在所述第二透镜组中引入负光焦度的透镜，并控制其与正光焦度透镜的比例关系，光学系统能够有效地校正边缘视场的色差，提高成像质量。通过正负光焦度比例的合理分配以及多个镜片的像差矫正，可以在保证大FOV的情形下有效的降低系统的色差，提升系统的成像质量。

本申请实施例提供的光学系统通过精心设计的透镜组和光学元件布局，光学系统能够实现较大的视场角例如100°的视场，提供用户更宽广的视野范围。总的来说，所述光学系统在保证大FOV的同时，还能保证小的色差来提升成像质量。

本申请实施例提供的光学系统，不仅适用于虚拟现实（VR）设备，也可以应用于其他需要高质量成像的光学设备。

综上所述，本申请实施例提供的光学系统是一种结构新颖、光学性能优良的光学系统，其设计旨在实现大视场角的同时兼顾低色差，为VR和其他相关设备提供高质量的成像显示体验。

在本申请的一些示例中，所述第一透镜组包括第一透镜7，所述第一透镜7的光焦度为

根据上述示例，描述了所述光学系统中第一透镜组和第二透镜组的构成，以及它们各自包含透镜的光焦度与整个光学系统光焦度之间的关系。

具体来说，所述第一透镜组可以仅包含一个第一透镜7，其光焦度为

通过精确控制所述第一透镜组与所述第二透镜组中各个透镜的光焦度分配，可以实现对整个光学系统光焦度的精确调控。这种调控不仅有助于优化成像质量，减少像差和色差，还能确保光学系统在不同焦距和视场下都能保持稳定的性能。

本申请实施例中，将所述第二透镜组分为多个透镜，如上述的第二透镜6、第三透镜5和第四透镜4，可以更加灵活地调整光线的传播路径和聚焦效果。每个透镜都可以针对特定的光学性能进行优化设计，从而进一步提高整个系统的成像质量和清晰度。

通过将光焦度分配到多个透镜上，可以减小单个透镜的制造难度，提高生产效率。同时，由于采用了较少的透镜组（仅第一透镜组和第二透镜组），整个光学系统的结构也更为紧凑和简单，有利于降低制造成本和提高系统的可靠性。

此外，这种光焦度分配方式还使得光学系统具有更好的适应性和灵活性。通过调整各个透镜的光焦度，可以方便地改变系统的焦距、视场等参数，以适应不同的应用场景和成像需求。

在本申请的一些示例中，所述第一透镜7的光焦度

所述第一透镜组是整个光学系统中的一部分，其可以由一个或多个透镜组成，主要起到聚光、成像或其他光学作用。本申请的一个示例中，所述第一透镜组可以仅包含一个第一透镜7。

根据本申请提供的示例，描述了所述光学系统中第一透镜7的光焦度

进一步地，大视场角度意味着光学系统能够捕捉更宽广的视野范围内的图像，这对于许多应用来说是非常有用的，如增强现实、虚拟现实或头戴式显示设备等。而小尺寸显示屏则意味着在实现大视场角度的同时，可以减小整个显示设备的体积和重量，使得设备更加便携和舒适。

由于所述第一透镜组的光焦度在整个光学系统中占据了一定的比例，它能够有效地收集和聚焦来自更大视场角度的光线。同时，通过合理的设计和优化，可以将这些光线有效地引导到小尺寸的显示屏上，形成清晰、高质量的图像。这种技术效果的实现不仅提高了用户的视觉体验，还使得显示设备在设计和制造上更加灵活和高效。例如，在头戴式显示设备中，通过采用这种光学设计，可以在保证用户视野宽广的同时，减小设备的体积和重量，提高佩戴的舒适性。

综上所述，

在本申请的一些示例中，所述第一透镜7的光焦度

所述第一透镜组包括第一透镜7，所述第一透镜7的光焦度为

整个光学系统的光焦度

需要说明的是，当所述第一透镜组包括两个或两个以上的透镜时，其组合光焦度应当也设计为正，且可以在上述的0.009到0.011之间。

此外，所述第一透镜组参与折叠光路，通过折叠光路的设计，减小了光学系统的整体体积，使得显示设备更加紧凑，便于携带和使用。由于显示设备体积的减小，用户在佩戴显示设备时会感到更加舒适，减少了长时间使用可能带来的不适感。

在本申请的一些示例中，参见图1、图8及图13，所述第一透镜组参与折叠光路，所述第一透镜组包括至少一个透镜；所述第二透镜组参与直透光路，所述第二透镜组包括至少三个透镜。

根据本申请实施例提供的光学系统，参见图1、图8及图13，包括位于靠近人眼01一侧的折叠光路，及与该折叠光路衔接的直透光路，折叠光路可以减小整个光学系统的体积，还为实现高质量的成像提供了可能；直透光路中通过正负光焦度比例的合理分配以及多个镜片的像差矫正，可以在保证大FOV的情形下有效的降低系统的色差，提升系统的成像质量。

首先，所述第一透镜组参与折叠光路意味着其设计能够改变光线的传播方向，使得原本需要较长直线传播的光路得以在有限的空间内完成。这种设计特别适用于空间受限的应用场景，如头戴式显示设备等。

其次，所述第二透镜组参与直透光路，意味着光线在所述第二透镜组中沿直线传播。直透光路的设计有助于减少光线的反射和散射，从而提高光的利用率和成像的对比度。此外，所述第二透镜组包括至少三个透镜，这为像差的矫正提供了更多的自由度。通过合理设计每个透镜的光焦度和面面型，可以有效地校正各种像差，如球差、彗差和色差等，从而进一步提升成像质量。

特别值得一提的是，所述第二透镜组中至少有一个透镜具有负光焦度。负光焦度的透镜具有发散光线的特性，这在光学设计中常用于平衡正光焦度透镜的汇聚作用，从而控制整个系统的光焦度分布。通过正负光焦度比例的合理分配，可以在保证大视场角（FOV）的同时，有效地降低系统的色差。色差是光学系统中由于不同波长光线折射率不同而产生的颜色分离现象，它会影响成像的清晰度和色彩准确性。通过引入负光焦度的透镜并优化其参数，可以显著减小色差，提高成像质量。

总的来说，通过所述第一透镜组的折叠光路设计和所述第二透镜组的直透光路设计，结合正负光焦度比例的合理分配和多个镜片的像差矫正，可以在保证大视场角的情形下有效地降低系统的色差，提升系统的成像质量。

在本申请的一些示例中，参见图1、图8及图13，所述光学系统包括显示屏1，所述显示屏1位于所述第二透镜组背离所述第一透镜组的一侧。

在整个光学系统中，所述显示屏1是呈现图像的关键组件，其性能和质量直接影响到用户最终的视觉体验。

所述显示屏1可以采用高清晰度的显示技术，以确保图像的细腻度和色彩饱和度。其尺寸和分辨率可以根据具体的应用需求进行调整。例如，在头戴式显示设备中，显示屏可能需要较小的尺寸以适应紧凑的设备结构，同时保持足够的分辨率以提供清晰的视觉体验。

此外，显示屏1的亮度、对比度和色彩准确性也是重要的性能指标。高亮度和高对比度的显示屏可以在不同的环境光线下保持图像的清晰度和可见性，而准确的色彩表现则可以还原真实世界的色彩，提升用户的沉浸感。

根据本申请实施例提供的光学系统，当所述第一透镜7的光焦度

在本申请的一些示例中，参见图1、图8及图13，所述第一透镜组包括第一透镜7，所述分光元件711设置于所述第一透镜7靠近所述显示屏1的表面，所述相位延迟器724及所述偏振反射元件723形成叠合元件并设置于所述第一透镜7远离所述显示屏1的表面。

根据上述示例，所述第一透镜组内可以仅引入一个透镜也即第一透镜7，所述第一透镜7包括靠近所述显示屏1的第一表面71及远离所述显示屏1的第二表面72。

其中，所述分光元件711被设置为半透半反射膜并设置于所述第一透镜7的第一表面71。这种光学膜材能够同时实现光线的透射和反射，允许一部分光线穿过继续传播，而另一部分光线则被反射回来。这种特性使得所述分光元件711在折叠光路、分配光线等方面发挥重要作用。

其中，所述相位延迟器724采用1/4波片。1/4波片是一种能够改变光线偏振态的光学元件，它使得光线的偏振方向旋转90度。这种特性在光学系统中尤为重要，因为它能够配合其他偏振元件（如偏振反射元件）实现对光线的精确调控。

其中，所述偏振反射元件723是偏振反射膜。这种膜材能够反射特定偏振方向的光线，而允许其他偏振方向的光线通过。通过与1/4波片的配合，所述偏振反射元件723能够实现对光线的选择性反射，进一步提高了光学系统的成像质量和性能。

需要说明的是，在上述示例中，所述相位延迟器724及所述偏振反射元件723层叠设置并贴设于所述第一透镜7的第二表面72，且所述相位延迟器724要位于所述分光元件711与所述偏振反射元件723之间。

根据上述示例，所述分光元件711、所述相位延迟器724及所述偏振反射元件723，这些光学膜材被巧妙地贴设在所述第一透镜7的两个表面上，形成了一个紧凑而高效的光学结构。

根据上述示例，所述第一透镜7搭配所述分光元件711、所述相位延迟器724及所述偏振反射元件723，光学系统能够更有效地收集、分配和调控光线，从而形成清晰、逼真的图像。此外，这种设计还减小了设备的体积和重量，提高了用户的佩戴舒适度和便携性。

总的来说，上述示例详细描述了所述第一透镜组中的关键光学膜材及其设置方式。

在本申请的一些示例中，参见图2，所述光学系统还包括偏振元件722，所述偏振元件722叠设于所述偏振反射元件723背离所述相位延迟器724的一侧。

所述偏振元件722例如为线偏振膜，其透过轴方向可以沿水平方向、竖直方向或其他任一方向。所述偏振元件722的引入可以降低杂散光，提高成像的对比度和清晰度，其对于提高最终的成像质量是有利的。

所述偏振元件722被设置于所述偏振反射元件723背离所述相位延迟器724的一侧，并且，所述偏振元件722、所述偏振反射元件723及所述相位延迟器724层叠设置形成叠合结构。这种叠合结构不仅简化了光学系统的结构，而且通过各个元件的协同作用，实现了对光线的精确调控。

当然，请继续参见图2，上述的叠合结构中还可以引入第一抗反射膜721。具体地，所述第一抗反射膜721例如可以胶合设置在所述偏振元件722背离所述偏振反射元件723的一侧。

为了进一步提高成像质量，在光学设计中还可以引入第一抗反射膜721。所述第一抗反射膜721被胶合设置在所述偏振元件722背离所述偏振反射元件723的一侧。抗反射膜的主要作用是减少光线在元件表面的反射损失，提高光线的利用率。通过引入第一抗反射膜721，可以进一步减少因反射造成的光能损失，从而提高整个光学系统的光能利用率和成像质量。

在本申请的一些示例中，参见图1及图3，所述显示屏1与所述第二透镜组的光路之间设置有复合膜材，用于将所述显示屏1发出的光线的偏振态进行转化以形成圆偏振光。

参见图1及图3，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。

进一步地，在光学系统中，当所述显示屏1发出的光线经过所述第二透镜组时，如果其偏振态不经过适当的转化，可能会影响成像的亮度和对比度。因此，在所述显示屏1与所述第二透镜组的光路之间设置复合膜材是一个有效的解决方案。所述复合膜材的主要作用是将所述显示屏1发出的光线的偏振态进行转化以形成圆偏振光。圆偏振光具有独特的性质如旋向性和旋光度，这些性质在特定的应用场景中非常有用。例如，在需要高对比度、高色彩饱和度的显示场合，圆偏振光能够提供更好的视觉效果。

通过将所述显示屏1发出的光线转化为圆偏振光，可以减少光线的散射和反射，提高光线的利用率。同时，圆偏振光还具有更好的抗干扰能力，能够减少外界因素对成像质量的影响。

在本申请的一些示例中，参见图1、图8及图13，所述第二透镜组包括沿所述光轴依次设置的第二透镜6、第三透镜5及第四透镜4；所述第二透镜6位于远离所述显示屏1的一侧，所述第四透镜4位于靠近所述显示屏1的一侧；所述复合膜材设置于所述第二透镜6远离所述显示屏1的表面；所述复合膜材包括偏振膜623及相位延迟膜622，参见图3。

根据上述示例，所述第二透镜组包括沿同一光轴设置的第二透镜6、第三透镜5及第四透镜4，所述第四透镜4靠近所述显示屏1，所述第二透镜6远离所述显示屏1，所述第三透镜5位于所述第二透镜6与所述第四透镜4之间。

其中，所述第二透镜6包括靠近所述显示屏1的第三表面61及远离所述显示屏1的第四表面62。所述第三透镜5包括靠近所述显示屏1的第五表面51及远离所述显示屏1的第六表面52。所述第四透镜4包括靠近所述显示屏1的第七表面41及远离所述显示屏1的第八表面42。

参见图3，所述复合膜材，从左到右是第二抗反射膜621，相位延迟膜622（例如为1/4波片）及偏振膜623，主要是将显示屏1侧光的偏振态转变为圆偏振光。根据上述示例，所述复合膜材贴附在所述第二透镜6的第四表面62，主要是可以降低杂散光。同时，所述复合膜材的这种装配方式，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。

值得一提的是，在所述第二透镜6的第四表面62上贴设所述复合膜材，巧妙地利用了所述复合膜材的光学特性，将所述显示屏1发出的光线偏振态转化为圆偏振光。所述复合膜材由第二抗反射膜621、相位延迟膜622（如1/4波片）和偏振膜623组成，这些膜材的层叠结构使得光线在经过时能够依次受到抗反射、相位延迟和偏振态转化的作用，最终输出高质量的圆偏振光。

在本申请的一些示例中，参见图1，所述显示屏1的发光面上设置有双层保护玻璃。

参见图1，所述双层保护包括包括叠设的第一保护玻璃2及第二保护玻璃3。也就是说，在所述显示屏1的发光面上设置了两层保护玻璃，可以有效提升光学方案对所述显示屏1表面脏污的容忍度。

进一步地，双层保护玻璃能够有效地防止所述显示屏1受到外界的刮擦、撞击等物理损害，从而延长所述显示屏1的使用寿命。这对于需要频繁使用或暴露在外界环境中的显示设备来说尤为重要。并且，双层保护玻璃的设计还能够提高光学性能。由于两层玻璃之间存在空气层，这种结构可以作为一种简易的空气间隔透镜，对光线进行一定的折射和聚焦。这有助于优化光路，提高成像质量和亮度。

更重要的是，双层保护玻璃显著提升了光学方案对所述显示屏1表面脏污的容忍度。在实际使用中，所述显示屏1表面很容易沾染灰尘、指纹等污物，这些污物会影响光线的透过和成像质量。而有了双层保护玻璃，大部分污物会被阻挡在所述第二保护玻璃3上，不会直接接触到所述显示屏1的发光面。即使所述第二保护玻璃3上有污物，由于所述第一保护玻璃2的存在，也能够减少其对成像质量的影响。

参见图1，本申请实施例提供的光学系统的光线传播过程如下：

所述显示屏1发出光线，经过所述第一保护玻璃2及所述第二保护玻璃3、所述第四透镜4、所述第三透镜5及所述第二透镜6透射，且偏振态变为圆偏振光，经过所述第一透镜7的第二表面72的1/4波片变成线偏振光（S光），经过所述偏振反射元件723反射，再次经过所述第二表面72的1/4波片变成圆偏振光，经过所述第一表面71的分光元件711反射，第三次经过所述第二表面72的1/4波片变成线偏振光（P光），最终打入人眼01成像。

以下通过实施例1到实施例3对本申请实施例提供的光学系统及光学性能进行说明。

实施例1

所述光学系统包括沿同一光轴依次设置的第一抗反射膜721、偏振元件722、偏振反射元件723、相位延迟器724、第一透镜7、分光元件711、第二抗反射膜621、相位延迟膜622、偏振膜623、第二透镜6、第三透镜5、第四透镜4及显示屏1；

其中，所述第一抗反射膜721、所述偏振元件722、所述偏振反射元件723、所述相位延迟器724依次层叠设置形成叠合结构并设置于所述第一透镜7的第二表面72，所述分光元件711设置于所述第一透镜7的第一表面71，所述第二抗反射膜621、所述相位延迟膜622及偏振膜623依次层叠设置形成复合膜材并设于所述第二透镜6的第四表面62；所述显示屏1的发光面上依次设置有第一保护玻璃2及第二保护玻璃3；

其中，所述第一透镜7的光焦度

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在所述第二透镜组中，所述第三透镜5具有负光焦度，其边缘厚度为4.77mm，所述第二透镜6及所述第四透镜4均具有正光焦度，所述第二透镜6的边缘厚度为1.41mm，所述第四透镜4的边缘厚度为1.23mm；则负光焦度镜片的边缘厚度和为4.77mm，正光焦度镜片的边缘厚度和为2.64mm；正光焦度镜片材料阿贝数和为112.6，负光焦度镜片材料阿贝数和为23.8；在此基础上，满足：（负光焦度镜片的边缘厚度和-正光焦度镜片的边缘厚度和）/（正光焦度镜片材料阿贝数和-负光焦度镜片材料阿贝数和）≈0.0239865。

表1示出了本实施例1的光学系统的具体光学参数。

表1

以下分别通过点阵列图、MTF曲线图、场曲和畸变，以及垂轴色差展示本实施例1提供的近眼光学系统的光学性能。

点列图是指由一点发出的许多光线经光学系统后，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，其主要用于评价所述投影光学系统的成像质量。

MTF曲线图是调制传递函数图，通过黑白线对的对比度表征光学系统的成像清晰度。

垂轴色差是指又称为倍率色差，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4，针对图1示出的光学系统，点列图中像点的最大值小于18μm。

参见图5，针对图1示出的光学系统，MTF在40lp/mm下>0.1。

参见图6，针对图1示出的光学系统，畸变最大发生在1视场，绝对值小于35%。

参见图7，针对图1示出的光学系统，最大色差值小于120μm。

实施例2

本实施例2示出的光学系统，参见图8，其与上述实施例1示出的光学系统不同之处在于：光学系统的具体光学参数不同，可参见下表2。

表2

参见图8示出的光学系统，所述第一透镜7的光焦度

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在所述第二透镜组中，所述第三透镜5及所述第四透镜4具有正光焦度，所述第三透镜5的边缘厚度为5.5mm，所述第四透镜4的边缘厚度为2.1mm，所述第二透镜6具有负光焦度，所述第二透镜6的边缘厚度为2.4mm；负光焦度镜片的边缘厚度和为2.4mm，正光焦度镜片的边缘厚度和为7.6mm，正光焦度镜片材料阿贝数和为66.3，负光焦度镜片材料阿贝数和为56.3；在此基础上，满足：（负光焦度镜片的边缘厚度和-正光焦度镜片的边缘厚度和）/（正光焦度镜片材料阿贝数和-负光焦度镜片材料阿贝数和）≈-0.52。

参见图9，针对图8示出的光学系统，点列图中像点的最大值小于38μm。

参见图10，针对图8示出的光学系统，MTF在40lp/mm下>0.1。

参见图11，针对图8示出的光学系统，畸变最大发生在1视场，绝对值小于35%。

参见图12，针对图8示出的光学系统，最大色差值小于120μm。

实施例3

本实施例3示出的光学系统，参见图13，其与上述实施例1示出的光学系统不同之处在于：光学系统的具体光学参数不同，可参见下表3。

表3

参见图13示出的光学系统，所述第一透镜7的光焦度

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在所述第二透镜组中，所述第三透镜5具有负光焦度，其边缘厚度为4.04mm，所述第二透镜6及所述第四透镜4均具有正光焦度，所述第二透镜6的边缘厚度为1.4mm，所述第四透镜4的边缘厚度为1.57mm；则负光焦度镜片的边缘厚度和为4.04mm，正光焦度镜片的边缘厚度和为2.97mm，正光焦度镜片材料阿贝数和为112.6，负光焦度镜片材料阿贝数和为21.5；其中，正光焦度镜片数为2片，分别为所述第二透镜6及所述第四透镜4，在此基础上，满足：（负光焦度镜片的边缘厚度和-正光焦度镜片的边缘厚度和）/（正光焦度镜片材料阿贝数和-负光焦度镜片材料阿贝数和）≈0.0117453。

参见图14，针对图13示出的光学系统，点列图中像点的最大值小于14μm。

参见图15，针对图13示出的光学系统，MTF在40lp/mm下>0.1。

参见图16，针对图13示出的光学系统，畸变最大发生在1视场，绝对值小于35%。

参见图17，针对图13示出的光学系统，最大色差值小于120μm。

根据上述的实施例1至实施例3，所述光学系统中的第一透镜7、第二透镜6、第三透镜5及第四透镜4的光焦度，以及整个光学系统的光焦度可以参照下表4。

表4

根据本申请的又一个实施例，提供了一种显示设备，所述显示设备包括：外壳及如上所述的光学系统，所述光学系统设置于所述外壳。

根据本申请实施例提供的显示设备，其例如为VR显示设备。VR显示设备是一种能够为用户提供沉浸式视觉体验的设备。通过模拟三维环境，用户可以感受到仿佛身临其境的视觉感受。目前，VR显示设备的主要形式有VR智能眼镜、VR智能头盔等。

在VR显示设备中，光学系统的作用尤为重要。它负责将图像从显示屏幕准确地投射到用户的眼中，同时调整光线的方向、偏振状态等，以优化视觉体验。外壳是VR显示设备的外部结构，它不仅起到了保护内部组件的作用，还决定了设备的外观和佩戴舒适度。合理设计的外壳可以有效地减轻设备的重量，提高佩戴的舒适性和稳定性，同时减少外部因素对设备性能的影响

本申请实施例的显示设备的具体实施方式可以参照上述光学系统各实施例，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。