CN116802545A - 用于近眼显示器的带有中央凹的光学透镜 - Google Patents

Abstract

一种光学系统包括光学系统轴线、显示器和至少一个透镜，该光学系统形成由该显示器发射的图像的虚像以供眼睛观看，该眼睛具有光学眼睛轴线，使得该虚像的在第一虚像位置和相关联的第一视场角处的第一视网膜图像在该眼睛轴线与该系统轴线大致重合时具有第一图像分辨率，该第一视场角在约5度和约30度之间，并且该第一视网膜图像在该眼睛旋转以致于该眼睛轴线与以该第一视场角延伸在该眼睛和该虚像之间延伸的第一视场轴线大致重合时具有第二图像分辨率，其中该第二图像分辨率大于该第一图像分辨率。

Description

用于近眼显示器的带有中央凹的光学透镜

发明内容

在本说明书的一些方面，提供了一种光学系统，该光学系统包括光学系统轴线、显示器和至少一个透镜。该光学系统形成由显示器发射的图像的虚像以供眼睛观看。该眼睛具有光学眼睛轴线，使得该虚像的在第一虚像位置和相关联的第一视场角处的第一视网膜图像在该眼睛轴线与该系统轴线大致重合时具有第一图像分辨率，该第一视场角在约5度和约30度之间，并且该第一视网膜图像在该眼睛旋转以致于该眼睛轴线与以该第一视场角在该眼睛和该虚像之间延伸的第一视场轴线大致重合时具有第二图像分辨率。该第二图像分辨率大于该第一图像分辨率。

在本说明书的一些方面，提供了一种光学系统，该光学系统包括光学系统轴线、具有至少一个透镜的透镜组件、被构造为邻近观察者的眼睛而设置的眼睛侧、以及被构造为邻近显示器而设置的显示器侧。该光学系统被构造为向该观察者的该眼睛显示由该显示器发射的图像的虚像。当沿着与该系统轴线成约5度和约30度之间的第一角度的第一方向传播的大致准直的光从该光学系统的该眼睛侧照射该光学系统、并且通过邻近该光学系统的该眼睛侧而定位的视场光阑进入该光学系统并大致充满该视场光阑、并且在穿过该透镜组件并从该光学系统的该显示器侧离开该光学系统之后聚焦于焦点时，使得该焦点在该视场光阑大致对中于该系统轴线上时具有第一最小尺寸，并且使得该焦点在该视场光阑绕着邻近该观察者的该眼睛的中心的第一中心旋转以致于该视场光阑大致垂直于该第一方向时具有第二最小尺寸，该第二最小尺寸小于该第一最小尺寸。

在本说明书的一些方面，提供了一种光学系统，该光学系统包括光学系统轴线、显示器和至少一个透镜。当眼睛邻近光学系统的眼睛侧上的眼睛位置而定位时，该光学系统形成由该显示器发射的图像的虚像以供该眼睛观看。就相对于该系统轴线在约5度和约30度之间的第一视场角处的每个第一虚像位置而言，当对中于成像系统轴线上的成像系统(例如，具有物镜的摄像头)邻近该眼睛位置而定位并形成与该第一虚像位置对应的该虚像形成图像时，使得该形成图像的分辨率随着该成像系统至少旋转以致于该成像系统轴线接近该第一视场角而增加。

在本说明书的一些方面，提供了一种光学系统，该光学系统包括光学系统轴线、显示器、至少一个透镜、部分反射器和反射型偏振器。该光学系统形成由显示器发射的图像的虚像以供眼睛观看。该眼睛具有从该眼睛的中央凹的中心延伸到该眼睛的瞳孔的中心的光学眼睛轴线。该虚像的在第一虚像位置和在约5度和约30度之间的相关联的第一视场角处的第一视网膜图像在该眼睛轴线与该系统轴线大致重合时具有第一图像分辨率，并且该第一视网膜图像在该眼睛旋转以致于该眼睛轴线与第一视场轴线大致重合时具有第二图像分辨率。该第一视场轴线以第一视场角在该眼睛和该虚像之间延伸。该第二图像分辨率大于该第一图像分辨率。

附图说明

图1是根据本说明书的一个实施方案的包括带有中央凹的光学透镜的光学系统的侧视图；

图2A和图2B提供了根据本说明书的一个实施方案的光学系统的光学轴线的视觉描绘；

图3提供了根据本说明书的一个实施方案的带有中央凹的光学透镜的侧视图；

图4提供了根据本说明书的一个实施方案的图3的带有中央凹的光学透镜的另选视图；

图5A和图5B提供了根据本说明书的一个实施方案的包括成像系统的光学系统的侧视图；

图6A和图6B提供了根据本说明书的一个实施方案的包括具有限定表面曲线的透镜的光学系统的细节；

图7A和图7B根据本说明书的一个实施方案提供了图6A和图6B的透镜表面的附加定义；并且

图8A和图8B根据本说明书的一个实施方案提供了图6A和图6B的透镜表面的附加细节。

具体实施方式

在以下说明中参考附图，该附图形成本发明的一部分并且其中以举例说明的方式示出各种实施方案。附图未必按比例绘制。应当理解，在不脱离本说明书的范围或实质的情况下，可设想并进行其他实施方案。因此，以下具体实施方式不应被视为具有限制意义。

近眼显示器(例如，头戴式显示器、可佩戴显示器、虚拟现实头戴式耳机)用于在一只或两只眼睛的视场中创建虚像。近眼显示器以使得图像出现在远处(例如，显示在用户面前)的方式创建虚像，并且看起来比由创建虚像的对应小显示器生成的实际图像大。近眼显示器中使用的光学透镜的关键性能度量包括盯视分辨率、瞳孔游动(眼睛在透镜周围移动时的图像失真)、图像对比度和重影(由透镜表面反射而造成的无益图像)。虽然一副眼镜中的透镜可被设计成针对所选的视角和距离提供最佳的光学特性(例如，在一臂的长度上聚焦在计算机显示器上)，但是相同的方法可能不适用于头戴式虚拟现实(VR)头戴式耳机。这是因为VR系统需要宽视场(例如，大于85度的视场)，并且眼睛在该宽视场上旋转可导致图像问题。例如，随着眼睛的瞳孔在更大的视场上移动，当盯视离开主光学轴线移动时(例如，向左上方盯视)，图像可能会失去锐度或分辨率。

根据本说明书的一些方面，光学系统被构造为在大视场上提供最佳观察特性。例如，这可通过在光学系统内设计透镜或透镜组件来完成，其中透镜部件和表面被构造为当用户的眼睛与光学系统轴线成一定角度(例如，与光学系统轴线成约5度和约30度之间的向上角度)旋转时，如与当眼睛与光学系统轴线大致对准时的视网膜图像分辨率相比，提供相等或增加的视网膜图像分辨率。在一些实施方案中，光学系统包括光学系统轴线、显示器和至少一个透镜。在一些实施方案中，光学系统可形成由显示器发射的图像的虚像以供眼睛观看。在一些实施方案中，眼睛可具有光学眼睛轴线，使得虚像的在第一虚像位置和在约5度和约30度之间的相关联的第一视场角处的第一视网膜图像在眼睛轴线与系统轴线大致重合时可具有第一图像分辨率，并且该第一视网膜图像在该眼睛旋转以致于眼睛轴线与以第一视场角在眼睛和虚像之间延伸的第一视场轴线大致重合时可具有第二图像分辨率。在一些实施方案中，第二图像分辨率大于第一图像分辨率。在一些实施方案中，对于在约5度和约30度之间的所有第一视场角而言，第二图像分辨率可大于第一图像分辨率。

在一些实施方案中，光学系统还可包括部分反射器(例如，50/50分束器层或涂层)、反射型偏振器和光学延迟器(例如，四分之一波片)中的一者或多者。在一些实施方案中，光学系统轴线可以是折叠的光学轴线。在一些实施方案中，光学系统轴线可被折叠，使得光学系统轴线的第一分段与光学系统轴线的不同的第二分段大致重合。例如，在一些实施方案中，至少一个透镜可以是具有至少第一显示器侧透镜部件和第二眼睛侧透镜部件的透镜组件。部分反射器可设置在显示器侧透镜组件最靠近显示器的一侧上。光学延迟器可设置在显示器侧透镜部件和眼睛侧透镜部件之间。反射型偏振器可设置在眼睛侧透镜部件靠近观察者眼睛的一侧上。在此类实施方案中，光学轴线可从显示器穿过部分反射器和光学延迟器，被反射离开反射型偏振器，返回通过光学延迟器，并且然后被反射离开部分反射器，返回通过光学延迟器和反射型偏振器(因为在穿过光学延迟器三次之后偏振状态已经改变)，并且最终通过反射型偏振器离开眼睛侧透镜部件朝观察者的眼睛。

出于本说明书的目的，术语“光学系统轴线”、“系统轴线”和“光学轴线”是同义的，并且这些术语将被定义为表示假想线，该假想线定义了光传播通过光学系统所沿的路径，并且光路围绕该假想线表现出某种程度的旋转对称。在一些实施方案中，光学系统轴线可被折叠(即，光可穿过一个或多个光学部件(例如，透镜、光学膜、光学延迟器等)、被该一个或多个光学部件反射、折射或以其他方式受其影响，使得光的路径是折叠的而不是严格线性的)。然而，即使在具有折叠光学轴线的系统中，如本文所用，这些术语也应被定义为在光学系统中沿其存在旋转对称的假想线。

在一些实施方案中，至少一个透镜可包括具有相反的第一主表面和第二主表面的第一光学透镜，以及具有相反的第三主表面和第四主表面的第二光学透镜。在一些实施方案中，第二主表面和第三主表面可彼此面对。在一些实施方案中，第一主表面至第四主表面可具有各自的垂度S1至S4，其中每个垂度由以下等式定义：

其中c是主表面的1/曲率半径，k是表面的圆锥常数，r是距光学轴线的距离，并且α是非球面变形常数。在一些实施方案中，第一主表面可具有被环状凹形外部部分包围的凸形中央部分，并且第二主表面可以是凸形的。在一些实施方案中，第三主表面可以是大致平面的，并且第四主表面可以是凸形的。在一些实施方案中，对于从约1mm延伸到至少约25mm的r值而言，以下条件可能是真实的：

-0.7小于或等于S1/S2，并且S1/S2小于或等于1，

-0.2小于或等于S1/S4，并且S1/S4小于或等于0.4，以及

S1/S2和S1/S4中的每一者的最佳四阶多项式拟合具有大于约0.95的r平方值。

根据本说明书的一些方面，光学系统可包括光学系统轴线、具有至少一个透镜的透镜组件、被构造为邻近观察者的眼睛而设置的眼睛侧、以及被构造为邻近显示器(例如，发光二极管显示器、液晶显示器、有机LED显示器等)而设置的显示器侧。在一些实施方案中，光学系统可被构造为形成由显示器发射的图像的虚像以供观察者观看(例如，当用户佩戴VR头戴式耳机时观看虚像)。在一些实施方案中，当沿着与系统轴线成约5度和约30度之间的第一角度的第一方向传播的大致准直的光从光学系统的眼睛侧照射系统轴线、并且通过邻近光学系统的眼睛侧而定位的视场光阑进入光学系统并大致充满视场光阑时、并且在穿过透镜组件并从光学系统的该显示器侧离开该光学系统之后聚焦于焦点时，使得该焦点在视场光阑大致对中于系统轴线上时可具有第一最小尺寸。使得该焦点在视场光阑绕着邻近观察者的眼睛的中心的第一中心旋转以致于视场光阑大致垂直于第一方向时可具有第二最小尺寸。在一些实施方案中，第二最小尺寸小于第一最小尺寸。在一些实施方案中，视场光阑可具有在约1毫米(mm)和约10mm之间，或在约2mm和约9mm之间，或在约2mm和约8mm之间，或在约2mm和约7mm之间，或在约3mm和约7mm之间的尺寸。在一些实施方案中，光学系统还可包括部分反射器、反射型偏振器和光学延迟器中的一者或多者。

根据本说明书的一些方面，光学系统可包括光学系统轴线、显示器和至少一个透镜。在一些实施方案中，至少一个透镜可包括第一透镜，该第一透镜是具有结构化主表面的菲涅耳透镜。在一些实施方案中，光学系统还可包括部分反射器、反射型偏振器和光学延迟器。在一些实施方案中，当眼睛邻近光学系统的眼侧上的眼睛位置而定位时(例如，定位在VR头戴式耳机中的近眼显示器附近时)，光学系统可形成由显示器发射的图像的虚像以供眼睛观看。在一些实施方案中，就相对于系统轴线在约5度和约30度之间的第一视场角处的每个第一虚像位置而言，当对中于成像系统轴线上的成像系统邻近眼睛位置而定位并形成与第一虚像位置对应的虚像的图像时，使得该形成图像的分辨率随着成像系统至少旋转以致于成像系统轴线接近第一视场角而增加。

根据本说明书的一些方面，光学系统可包括光学系统轴线、显示器、至少一个透镜、部分反射器和反射型偏振器。在一些实施方案中，光学系统可被构造为形成由显示器发射的图像的虚像以供观察者观看(例如，当用户佩戴虚拟现实头戴式耳机时观看虚像)。在一些实施方案中，眼睛可具有从眼睛的中央凹的中心延伸到眼睛的瞳孔的中心的光学眼睛轴线。中心凹，或中央凹，是眼睛后表面的小坑，由密集堆积的锥体构成，并且负责清晰的中央视觉(即中央凹视觉)。中央凹视觉在眼睛中提供最高的分辨率(例如，对于感知高视觉细节很重要)。在一些实施方案中，该虚像的在第一虚像位置和在约5度和约30度之间的相关联的第一视场角处的第一视网膜图像在该眼睛轴线与该系统轴线大致重合时可具有第一图像分辨率，并且第一视网膜图像在该眼睛旋转以致于该眼睛轴线与第一视场轴线大致重合时可具有第二图像分辨率。在一些实施方案中，第一视场轴线可以第一视场角在眼睛和虚像之间延伸。在一些实施方案中，第二图像分辨率可大于第一图像分辨率。

在一些实施方案中，光学系统还可包括部分反射器、反射型偏振器和光学延迟器中的一者或多者。在一些实施方案中，光学系统轴线可被折叠。例如，在一些实施方案中，光学系统轴线可被折叠，使得光学系统轴线的第一分段与系统轴线的不同的第二分段大致重合。在一些实施方案中，存在一个或多个光学层(例如，部分反射器、反射型偏振器、光学延迟器等)可有助于产生折叠的光学系统轴线。

转到附图，图1是根据本说明书的包括带有中央凹的光学透镜的光学系统的侧视图。在一些实施方案中，光学系统300包括显示器20、光学系统轴线10和至少一个透镜(例如，诸如透镜30/40)。在一些实施方案中，透镜30和透镜40可以是透镜组件中的单独透镜部件。在一些实施方案中，光学系统还可包括部分反射器50(例如，50/50分束器涂层或膜)、反射型偏振器60和光学延迟器90(例如，四分之一波片)中的一者或多者。

在一些实施方案中，光学系统300形成由显示器20发射的图像41的虚像70。观察者的眼睛80可将虚像70视为眼睛80的视网膜上的第一视网膜图像82。眼睛80可具有光学轴线81。眼睛80可不时地旋转，使得眼睛80的光学轴线81大致与光学系统轴线10一致，并且眼睛80可不时地旋转，使得光学轴线81不与光学系统轴线10对准(例如，眼睛80可向上旋转角度α1，如图1所示，使得观察者看到虚像70上的更高的点)。

光学系统300可具有大致面向眼睛80的眼睛侧301，以及远离眼睛80并面向显示器20的显示器侧302。光学系统300可被构造为当眼睛80邻近眼睛位置84而定位时，最佳地向眼睛80提供虚像70。在一些实施方案中，当光学轴线81旋转角度α1时，在眼睛80的视网膜上形成的视网膜图像82的分辨率可大于当光学轴线81与光学系统轴线10大致对准时的视网膜图像82的分辨率。在一些实施方案中，角度α1可在约5度和约30度之间。

图2A和图2B提供了图1的光学系统的光学轴线的视觉描绘，提供了附加的细节。为简单起见，图1中所示的至少一个透镜和显示器已经在图2A和图2B中被省略，并且因此，所示的部分光学系统被重新标记为300a。除非另外指明，否则图2A和图2B中所示的部件与本文其他附图中类似编号的部件具有共同的功能和/或目的。图2A示出了观察者的眼睛80，其位于眼睛位置84(即，光学系统被构造为提供整个视场的光学分辨率的位置)附近，并且光学眼睛轴线81从眼睛80的中央凹87的中心穿过眼睛80的中心83延伸到瞳孔88。在操作中，虚像70的视网膜图像82形成在视网膜86上。在图2A中，光学眼睛轴线81被定位成使得其与光学系统轴线10大致对准(即，眼睛80被旋转成直接沿或大致平行于光学系统轴线10观察)。

在图2B中，眼睛80向上旋转，使得光学眼睛轴线81现在与在眼睛80和第一虚像位置71之间延伸的第一视场轴线72大致对准。在一些实施方案中，第一视场轴线72与光学系统轴线10产生第一视场角α1。在一些实施方案中，第一视场角α1可在约5度和约30度之间。

在一些实施方案中，当光学眼睛轴线81与光学系统轴线10大致重合时，第一视网膜图像82具有第一虚像位置71的第一图像分辨率，并且当光学眼睛轴线与第一视场轴线72大致重合时，第一视网膜图像82具有第一虚像位置71的第二图像分辨率。在一些实施方案中，第二图像分辨率可大于第一图像分辨率。换句话说，当眼睛80被旋转以与第一视场轴线72对准时，第一视网膜图像82可具有比在眼睛80与光学系统轴线10对准时更大的图像分辨率。

图3和图4提供了根据本说明书的作为光学系统一部分的带有中央凹的光学透镜的侧视图。图3和图4示出了基本上相同的光学系统，但是眼睛80处于两个不同的旋转角度。应同时查看图3和图4以进行以下讨论。除非本文中另外指明，图3和图4中类似编号的部件应该被认为具有相同的功能和描述。

光学系统300包括光学系统轴线10、透镜组件130和显示器20。在一些实施方案中，透镜组件130具有被构造为邻近观察者的眼睛80而设置的眼睛侧301，以及被构造为邻近显示器20而设置的显示器侧302。在一些实施方案中，透镜组件130包括更靠近显示器20设置的第一透镜部件30和在相反侧上(即，远离显示器20的一侧)邻近第一透镜部件30设置的第二透镜部件40。在一些实施方案中，透镜组件130还可包括设置在第一透镜部件30最靠近显示器20的一侧上(例如，在显示器侧302上)的部分反射器50、设置在第一透镜部件30和第二透镜部件40之间的光学延迟器、以及设置在第二透镜部件40最靠近眼睛80的一侧上(例如，在眼睛侧301上)的反射型偏振器60。在一些实施方案中，光学系统300被构造为向观察者的眼睛80显示由显示器20发射的图像41的虚像70。

在一些实施方案中，大致准直的光110沿第一方向111传播。第一方向111与光学系统轴线10成第一角度θ1。在一些实施方案中，第一角度θ1可在约5度和约30度之间。当大致准直的光110从眼睛侧301照射光学系统300并进入光学系统300，并且大致充满邻近眼侧301而定位的视场光阑120/121时，光110在穿过透镜组件130并从显示器侧302离开光学系统300之后聚焦于焦点112。

在一些实施方案中，当眼睛80邻近眼睛位置84而定位时，使得焦点112在视场光阑120/121大致对中于光学系统轴线10上时(在位置120中，眼睛80如图3所示旋转)可具有第一最小尺寸，并且使得焦点112在视场光阑120/121绕着邻近观察者眼睛80的中心的第一中心83旋转(在位置121中，眼睛80如图4所示旋转)以致于视场光阑120/121大致垂直于第一方向111时可具有第二最小尺寸。在一些实施方案中，第二最小尺寸可小于第一最小尺寸。在一些实施方案中，视场光阑120/121的最大尺寸可基于成人瞳孔的标称尺寸。在一些实施方案中，视场光阑120/121的最大尺寸可在约2毫米(mm)和约8mm之间。

图5A和图5B提供了光学系统，诸如图1的光学系统300的光学轴线的视觉描绘，其中观察者的眼睛80已经被对中于成像系统轴线141上的成像系统40(例如，具有能够聚焦在虚像上的物镜的摄像头)替代。为简单起见，如本文其他地方所述的图2A和图2B，图1中所示的透镜(至少一个透镜)和显示器已被省略，并且因此，所示的部分光学系统被重新标记为300b。除非另外指明，否则图5A和图5B中所示的部件与本文其他附图中类似编号的部件具有共同的功能和/或目的。

光学系统300b包括光学系统轴线10、显示器(诸如显示器20，如图1所示)和至少一个透镜(诸如透镜部件30和40，如图1所示)。在一些实施方案中，当眼睛邻近眼睛位置84而定位时，光学系统300b可形成由眼睛(诸如图1所示的眼睛80)观看的虚像70。在一些实施方案中，对于第一视场角α1处的每个第一虚像位置71，当对中于成像系统轴线141上的成像系统140邻近眼睛位置84而定位并形成与第一虚像位置71对应的虚像70的图像时，使得形成的虚像70的分辨率可随着成像系统140的旋转而增加，使得成像系统轴线141移动远离与光学系统轴线10重合，并接近第一视场角α1(即，随着其向上旋转并接近变得与以第一视场轴线α1在成像系统140和第一虚像位置71之间延伸的第一视场轴线72大致重合)。

图6A和图6B提供了光学系统的一个实施方案的细节，该光学系统包括具有特别限定的表面曲线的透镜。光学系统400可以是本文所讨论的任何光学系统，包括图1和图4的光学系统300，图2A和图2B的光学系统300a，以及图5A和图5B的光学系统300b。

在一些实施方案中，光学系统400可包括第一光学透镜40和第二光学透镜30。在一些实施方案中，第一光学透镜40包括第一主表面41和相反的第二主表面42。在一些实施方案中，第二光学透镜30包括第三主表面31和相反的第四主表面32。在一些实施方案中，第一光学透镜40的第二主表面42和第三主表面31彼此面对。在一些实施方案中，第一主表面41可包括被环状凹形外部部分44包围的凸形中央部分43。对于一个实施方案而言，图6B提供了第一主表面41的前视图，识别了凸形中央部分43和环状凹形外部部分44。在一些实施方案中，第二主表面42可以是凸形的，第三主表面可以是大致平面的，并且第四主表面可以是凸形的。

在一些实施方案中，光学系统400还可包括部分反射器50(例如，50/50分束器涂层或膜)、反射型偏振器60和光学延迟器90(例如，四分之一波片)中的一者或多者。在此类实施方案中，部分反射器50可设置在第二光学透镜30的第四主表面32上，反射型偏振器可设置在第一光学透镜40的第二主表面42上，并且光学延迟器90可设置在第一光学透镜40的第二主表面42和第二光学透镜30的第三主表面31之间。在此类实施方案中，其中存在部分反射器50、反射型偏振器60和光学延迟器90中的一者或多者，光学系统轴线10可被折叠(例如，从透镜和反射膜的一个或多个表面反射一次或多次)，诸如图6A中的光路85所示。也就是说，由显示器20的图像41发射的光85在到达光学感知系统145(例如，成像系统，诸如图5中的140，或如图1所示的观察者80的眼睛)之前，可被多次重定向，穿过光学系统400。

在一些实施方案中，第一主表面至第四主表面(41,42,31,32)可具有各自的垂度S1至S4，其中每个垂度由下式定义：

其中c是主表面的1/曲率半径，k是表面的圆锥常数，r是距光学轴线的距离，并且α是非球面变形常数。图7A示出了光学系统400的一个实施方案的示例性垂度定义。S1对应于第一主表面41的限定的垂度，S2对应于第二主表面42的限定的垂度，S3对应于第三主表面31的限定的垂度，并且S4对应于第四主表面32的限定的垂度。

图7B提供了如在图7A中使用的垂度s的定义。如本文所用，垂度s适用于透镜的凸曲率或凹曲率，并表示沿曲线的顶点(曲线的最高点或最低点)和垂直于曲线绘制的线99的中心点之间的物理距离r。垂度s也可称为曲线上给定点的弧矢深度。

最后，图8A和图8B定义了图6A的第一光学透镜40和第二光学透镜30的主曲线的一些垂度值之间的关系。图8A示出了光学系统的一个实施方案的S1/S2(即，第一主表面41的S1垂度除以第二主表面42的S2垂度)的图。图8A示出了S1/S4(即，第一主表面41的S1垂度除以第四主表面32的S4垂度)的图。在一些实施方案中，对于从约1mm延伸到至少约25mm的r值而言：

-0.7≤S1/S2≤1，并且-0.2≤S1/S4≤0.4。

在一些实施方案中，S1/S2和S1/S4中的每一者的最佳四阶多项式拟合具有大于约0.95的r平方值。例如，参见图8B所示的最佳四阶多项式拟合的图(与S1/S4的图大致相同)。

诸如“约”的术语将在本领域普通技术人员在本说明书中使用和描述的上下文中理解。如果本领域普通技术人员在本说明书中使用和描述的上下文中对“约”应用于表达特征大小、数量和物理特性的量的使用不清楚，则“约”将被理解为是指在指定值的10％以内。给定为约指定值的量可精确地为指定值。例如，如果本领域普通技术人员在本说明书中使用和描述的上下文中对其不清楚，则具有约1的值的量是指该量具有介于0.9和1.1之间的值，并且该值可为1。

本领域普通技术人员将在本说明书中使用和描述的上下文中理解术语诸如“大致”。如果本领域普通技术人员在本说明书中使用和描述的上下文中对“大致相等”的使用不清楚，则“大致相等”将指约大致为如上所述的约的情况。如果本领域普通技术人员在本说明书中使用和描述的上下文中对“大致平行”的使用不清楚，则“大致平行”将指在平行的30度以内。在一些实施方案中，描述为彼此大致平行的方向或表面可以在平行的20度以内或10度以内，或者可以是平行的或标称平行的。如果本领域普通技术人员在本说明书中使用和描述的上下文中对“大致对准”的使用不清楚，则“大致对准”将指在对准对象的宽度的20％以内对准。在一些实施方案中，描述为大致对准的对象可在对准对象的宽度的10％以内或5％以内对准。

上述所有引用的参考文献、专利和专利申请以一致的方式全文据此以引用方式并入本文。在并入的参考文献部分与本申请之间存在不一致或矛盾的情况下，应以前述说明中的信息为准。

除非另外指出，否则针对附图中元件的描述应被理解为同样适用于其它附图中的对应元件。虽然本文已经例示并描述了具体实施方案，但本领域的普通技术人员将会知道，在不脱离本公开范围的情况下，可用多种另选的和/或等同形式的具体实施来代替所示出和所描述的具体实施方案。本申请旨在涵盖本文所讨论的具体实施方案的任何改型或变型。因此，本公开旨在仅受权利要求及其等同形式的限制。

Claims (20)

1.一种光学系统，所述光学系统包括光学系统轴线、显示器和至少一个透镜，所述光学系统形成由所述显示器发射的图像的虚像以供眼睛观看，所述眼睛具有光学眼睛轴线，使得所述虚像的在第一虚像位置和相关联的第一视场角处的第一视网膜图像在所述眼睛轴线与所述系统轴线大致重合时具有第一图像分辨率，所述第一视场角在约5度和约30度之间，并且使得所述第一视网膜图像在所述眼睛旋转以致于所述眼睛轴线与以所述第一视场角在所述眼睛和所述虚像之间延伸的第一视场轴线大致重合时具有第二图像分辨率，其中所述第二图像分辨率大于所述第一图像分辨率。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述至少一个透镜包括具有相反的第一主表面和第二主表面的第一光学透镜，所述第一光学透镜面向具有相反的第三主表面和第四主表面的第二光学透镜，所述第二主表面和所述第三主表面彼此面对，所述第一主表面至所述第四主表面具有各自的垂度S1至S4，其中每个垂度由下式定义：

其中c是所述主表面的1/曲率半径，k是所述表面的圆锥常数，r是距所述光学系统轴线的距离，并且α是非球面变形常数，

其中所述第一主表面包括被环状凹形外部部分包围的凸形中央部分，所述第二主表面是凸形的，所述第三主表面是大致平面的，并且所述第四主表面是凸形的，

其中对于从约1mm延伸到至少约25mm的r而言：

-0.7≤S1/S2≤1；

-0.2≤S1/S4≤0.4；并且

所述S1/S2和所述S1/S4中的每一者的最佳四阶多项式拟合具有大于约0.95的r平方值。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其中对于约5度和约30度之间的所有第一视场角而言，所述第二图像分辨率大于所述第一图像分辨率。

4.根据权利要求1所述的光学系统，还包括部分反射器、反射型偏振器和光学延迟器中的一者或多者。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述光学系统轴线被折叠。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述光学系统轴线被折叠，使得所述系统轴线的第一分段与所述系统轴线的不同的第二分段大致重合。

7.一种光学系统，所述光学系统包括光学系统轴线、具有至少一个透镜的透镜组件、被构造为邻近观察者的眼睛而设置的眼睛侧、以及被构造为邻近显示器而设置的显示器侧，所述光学系统被构造为向所述观察者的所述眼睛显示由所述显示器发射的图像的虚像，

当沿着与所述光学系统轴线成约5度和约30度之间的第一角度的第一方向传播的大致准直的光从所述光学系统的所述眼睛侧照射所述光学系统、并且通过邻近所述光学系统的所述眼睛侧而定位的视场光阑进入所述光学系统并大致充满所述视场光阑、并且在穿过所述透镜组件并从所述光学系统的所述显示器侧离开所述光学系统之后聚焦于焦点时，使得所述焦点在所述视场光阑大致对中于所述光学系统轴线上时具有第一最小尺寸，并且使得所述焦点在所述视场光阑绕着邻近所述观察者的所述眼睛的中心的第一中心旋转以致于所述视场光阑大致垂直于所述第一方向时具有第二最小尺寸，所述第二最小尺寸小于所述第一最小尺寸。

8.根据权利要求7所述的光学系统，还包括部分反射器、反射型偏振器和光学延迟器中的一者或多者。

9.根据权利要求7所述的光学系统，其中所述光学系统轴线被折叠。

10.根据权利要求7所述的光学系统，其中所述光学系统轴线被折叠，使得所述光学系统轴线的第一分段与所述光学系统轴线的不同的第二分段大致重合。

11.根据权利要求7所述的光学系统，其中所述视场光阑具有在约2mm和约8mm之间的尺寸。

12.根据权利要求7所述的光学系统，其中所述视场光阑具有在约3mm和约7mm之间的尺寸。

13.一种光学系统，所述光学系统包括光学系统轴线、显示器和至少一个透镜，当所述眼睛邻近所述光学系统的眼睛侧上的眼睛位置而定位时，所述光学系统形成由所述显示器发射的图像的虚像以供所述眼睛观看，

就相对于所述系统轴线在约5度和约30度之间的第一视场角处的每个第一虚像位置而言，当对中于成像系统轴线上的成像系统邻近所述眼睛位置而定位并形成与所述第一虚像位置对应的所述虚像的被形成图像时，使得所述被形成图像的分辨率随着所述成像系统至少旋转以致于所述成像系统轴线接近所述第一视场角而增加。

14.根据权利要求13所述的光学系统，其中所述成像系统是具有能够聚焦在所述虚像上的物镜的摄像头。

15.根据权利要求13所述的光学系统，还包括部分反射器、反射型偏振器和光学延迟器中的一者或多者。

16.根据权利要求13所述的光学系统，其中所述至少一个透镜中的至少第一透镜是包括结构化主表面的菲涅耳透镜。

17.一种光学系统，所述光学系统包括光学系统轴线、显示器、至少一个透镜、部分反射器和反射型偏振器，所述光学系统形成由所述显示器发射的图像的虚像以供眼睛观看，所述眼睛具有从所述眼睛的中央凹的中心延伸到所述眼睛的瞳孔的中心的光学眼睛轴线，使得：

所述虚像的在第一虚像位置和相关联的第一视场角处的第一视网膜图像在所述眼睛轴线与所述系统轴线大致重合时具有第一图像分辨率，所述第一视场角在约5度和约30度之间，并且

所述第一视网膜图像在所述眼睛旋转以致于所述眼睛轴线与以所述第一视场角在所述眼睛和所述虚像之间延伸的第一视场轴线大致重合时具有第二图像分辨率，其中所述第二图像分辨率大于所述第一图像分辨率。

18.根据权利要求17所述的光学系统，还包括光学延迟器。

19.根据权利要求17所述的光学系统，其中所述光学系统轴线被折叠。

20.根据权利要求17所述的光学系统，其中所述光学系统轴线被折叠，使得所述系统轴线的第一分段与所述系统轴线的不同的第二分段大致重合。