CN115933203B - 光学系统及包括该光学系统的vr设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光学系统，沿光轴由第一侧至第二侧依序包括第一元件组和第二元件组，其中，第一元件组具有正光焦度，包括反射式偏光元件、第一透镜和四分之一波板；第二元件组具有正光焦度或负光焦度，包括部分反射元件和第二透镜，第二透镜的第二侧面为非球面。第一元件组的有效焦距FG1与第二元件组的有效焦距FG2满足：0.5<(FG2+FG1)/(FG2‑FG1)<2.0。

Description

光学系统及包括该光学系统的VR设备

技术领域

本申请涉及光学元件领域，更具体地，涉及一种光学系统和包括该光学系统的VR设备。

背景技术

随着线上办公需求的增加，对于线上交互的要求提出了越来越多样化的要求。为了实现交互，混合现实(MR)的发展受到了广泛关注。特别是发展较早的虚拟现实(VR)，由于其方案日趋成熟而应用较广。

目前，VR镜头主要包括非球面、菲涅尔、Pancake这三种形式。在Pancake结构中，通过镀膜和贴膜，能够实现光路的折转，从而缩短设备的总体长度。然而，当镀膜和贴膜的位置不同时，设备的总长会发生变化，光学性能也会发生变化。因此，如何优化设计，提升系统性能是需要解决的问题之一。

发明内容

本申请提供了一种光学系统，沿光轴由第一侧至第二侧依序包括第一元件组和第二元件组，其中，所述第一元件组具有正光焦度，包括反射式偏光元件、第一透镜和四分之一波板；所述第二元件组具有正光焦度或负光焦度，包括部分反射元件和第二透镜，所述第二透镜的第二侧面为非球面；以及所述第一元件组的有效焦距FG1与所述第二元件组的有效焦距FG2可满足：0.5<(FG2+FG1)/(FG2-FG1)<2.0。

在一个实施方式中，所述第一透镜的第二侧面的曲率半径R2与所述第二透镜的第二侧面的曲率半径R4可满足：0.2<|R2/R4|<2.5。

在一个实施方式中，所述第一透镜的第一侧面至所述第二透镜的第二侧面在所述光轴上的距离TD与所述第一透镜在所述光轴上的中心厚度CT1可满足：1.4<TD/CT1<3.7。

在一个实施方式中，所述光学系统的有效焦距f与所述光学系统的入瞳直径EPD可满足：5.5<f/EPD<6.0。

在一个实施方式中，所述光学系统的有效焦距f与所述第一透镜的折射率N1以及所述第二透镜的折射率N2可满足：28mm<f×(N2/N1)<29.1mm。

在一个实施方式中，所述第二透镜在所述光轴上的中心厚度CT2与所述第一透镜和所述第二透镜在所述光轴上的空气间隔T12可满足：1.0<(CT2+T12)/(CT2-T12)<4.9。

在一个实施方式中，所述光学系统还包括光阑，所述光阑至所述第二透镜的第二侧面在所述光轴上的距离SD与所述光阑至所述第一透镜的第一侧面在所述光轴上的距离ER可满足：2<SD/ER<3。

在一个实施方式中，所述光学系统还包括设置在所述第二侧的影像面，所述光学系统的有效焦距f与所述第二透镜的第二侧面至所述影像面在所述光轴上的距离BFL可满足：4.3<f/BFL<9.8。

在一个实施方式中，所述光学系统还包括设置在所述第二侧的影像面，所述第二透镜的第二侧面至所述影像面在所述光轴上的距离BFL与所述反射式偏光元件在所述光轴上的中心厚度CTR以及所述四分之一波板在所述光轴上的中心厚度CTQ可满足：5.8<BFL/(CTR+CTQ)<16.2。

在一个实施方式中，所述第一透镜的第二侧面的曲率半径R2与所述第一透镜的阿贝数V1以及所述第二透镜的阿贝数V2可满足：0.4mm<|R2|/(V1+V2)<2.7mm。

在一个实施方式中，所述第一元件组的有效焦距FG1与所述第一透镜在所述光轴上的中心厚度CT1可满足：2.0<FG1/CT1<5.2。

在一个实施方式中，所述第二透镜在所述光轴上的中心厚度CT2与所述光学系统的入瞳直径EPD可满足：0.7<CT2/EPD<2.9。

另一方面，本申请还提供了一种VR设备，该VR设备包括上述各个实施方式中的至少一个实施方式所提供的光学系统，其中，所述第一侧为人眼侧，所述第二侧为显示器侧。

本申请公开的光学系统沿光轴从第一侧至第二侧依序包括第一元件组和第二元件组，其中，第一元件组包括反射式偏光元件、第一透镜和四分之一波板；第二元件组包括第二透镜和部分反射元件。通过设置反射式偏光元件可以反射某种偏振方向的光，并且可以透射与该反射偏振光垂直正交的偏振光；四分之一波板可以改变偏振光的状态，可以将线偏振光与圆偏振光互相转换；部分反射元件可以将一部分偏振光反射，另一部分偏振光透射。通过设置包括反射式偏光元件、第一透镜和四分之一波板的第一元件组光焦度为正，可以使光线汇聚。并且，第二透镜第二侧面的非球面上设置部分反射元件，可以实现光路反射；结合控制两个元件组的有效焦距比值满足0.5<(FG2+FG1)/(FG2-FG1)<2.0，可以合理地分配光焦度，将光路折反，能够缩短VR头戴装置的长度，佩戴起来更轻更舒适；同时有利于校正系统的像差、提高系统的性能。

附图说明

结合附图，通过以下非限制性实施方式的详细描述，本申请的其他特征、目的和优点将变得更加明显。在附图中：

图1示出了根据本申请实施例1的光学系统的结构示意图；

图2A至图2C分别示出了实施例1的光学系统的轴上色差曲线、象散曲线和畸变曲线；

图3示出了根据本申请实施例2的光学系统的结构示意图；

图4A至图4C分别示出了实施例2的光学系统的轴上色差曲线、象散曲线和畸变曲线；

图5示出了根据本申请实施例3的光学系统的结构示意图；

图6A至图6C分别示出了实施例3的光学系统的轴上色差曲线、象散曲线和畸变曲线；

图7示出了根据本申请实施例4的光学系统的结构示意图；

图8A至图8C分别示出了实施例4的光学系统的轴上色差曲线、象散曲线和畸变曲线；

图9示出了根据本申请实施例5的光学系统的结构示意图；

图10A至图10C分别示出了实施例5的光学系统的轴上色差曲线、象散曲线和畸变曲线；

图11示出了根据本申请实施例6的光学系统的结构示意图；以及

图12A至图12C分别示出了实施例6的光学系统的轴上色差曲线、象散曲线和畸变曲线。

具体实施方式

为了更好地理解本申请，将参考附图对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本申请的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。

应注意，在本说明书中，第一、第二等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开来，而不表示对特征的任何限制。因此，在不背离本申请的教导的情况下，下文中讨论的第一透镜也可被称作第二透镜，第二透镜也可被称作第一透镜。

在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了透镜的厚度、尺寸和形状。具体来讲，附图中所示的球面或非球面的形状通过示例的方式示出。即，球面或非球面的形状不限于附图中示出的球面或非球面的形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。

在本文中，近轴区域是指光轴附近的区域。若透镜表面为凸面且未界定该凸面位置时，则表示该透镜表面至少于近轴区域为凸面；若透镜表面为凹面且未界定该凹面位置时，则表示该透镜表面至少于近轴区域为凹面。

还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其它特征、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修饰列表中的单独元件。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可”表示“本申请的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。

除非另外限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不被以理想化或过度形式化意义解释，除非本文中明确如此限定。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

以下对本申请的特征、原理和其他方面进行详细描述。

根据本申请示例性实施方式的光学系统可包括沿着光轴由第一侧至第二侧依序排列的第一元件组和第二元件组，其中，第一元件组可包括反射式偏光元件、第一透镜和四分之一波板，第二元件组可包括部分反射元件和第二透镜。

下面将参考图1对光学系统作示例性描述。如图1所示，根据本申请示例性实施方式的光学系统可包括由第一侧至第二侧依序排列的反射式偏光元件RP、第一透镜E1、四分之一波板QWP、部分反射元件BS和第二透镜E2，其中，反射式偏光元件RP、第一透镜E1和四分之一波板QWP构成第一元件组，部分反射元件BS和第二透镜E2构成第二元件组。在实际使用中，根据本申请示例性实施方式的光学系统可以用作VR镜头，此时，第一侧对应于人眼侧，第二侧对应于显示器侧。光学系统还可包括位于显示器侧的影像面IMG。从影像面IMG发出的光束依次穿过第二元件组的第二透镜E2和部分反射元件BS，以及第一元件组的四分之一波板QWP和第一透镜E1后，被反射并再次穿过第一透镜E1和四分之一波板QWP到达部分反射元件BS，之后，光束在反射元件BS处再次被反射并依次穿过四分之一波板QWP、第一透镜E1和反射式偏光元件RP以朝向人眼侧出射。在示例性实施方式中，部分反射元件BS可以是镀设在第二透镜E2的第一侧面上的半透半反射膜层。

在示例性实施方式中，包括反射式偏光元件RP、第一透镜E1和四分之一波板QWP的第一元件组可以具有正光焦度。包括部分反射元件BS和第二透镜E2的第二元件组可以具有正光焦度或负光焦度。

在示例性实施方式中，第二透镜E2的第二侧面即靠近显示器侧的表面可以为非球面。非球面透镜具有更佳的曲率半径特性，具有改善歪曲像差及改善像散像差的优点。采用非球面透镜后，能够尽可能地消除在成像的时候出现的像差，进而改善成像质量。

在示例性实施方式中，本申请的光学系统可满足条件式0.5<(FG2+FG1)/(FG2-FG1)<2.0，其中，FG1为第一元件组的有效焦距，FG2为第二元件组的有效焦距。

根据本申请示例性实施方式的光学系统，设置的反射式偏光元件RP可以反射某种偏振方向的光，并且可以透射与该反射偏振光垂直正交的偏振光；四分之一波板QWP可以改变偏振光的状态，可以将线偏振光与圆偏振光互相转换；部分反射元件BS可以将一部分偏振光反射，另一部分偏振光透射。通过设置包括反射式偏光元件RP、第一透镜E1和四分之一波板QWP的第一元件组光焦度为正，可以使光线汇聚。并且，第二透镜E2靠近显示器侧表面的非球面可以贴膜，可以实现光路反射；结合控制两个元件组的有效焦距比值满足0.5<(FG2+FG1)/(FG2-FG1)<2.0，可以合理地分配光焦度，将光路折反，能够缩短VR头戴装置的长度，佩戴起来更轻更舒适；同时有利于校正系统的像差、提高系统的性能。

在示例性实施方式中，本申请的光学系统可满足条件式0.2<|R2/R4|<2.5，其中，R2是第一透镜的第二侧面的曲率半径，R4是第二透镜的第二侧面的曲率半径。通过控制第一透镜的第二侧面的曲率半径与第二透镜的第二侧面的曲率半径之比的绝对值在该范围，一方面有利于降低光线高度，从而减小Display尺寸，另一方面，有利于消除Display与显示器侧表面镜头的反射鬼像，提高消费者的体验。

在示例性实施方式中，本申请的光学系统可满足条件式1.4<TD/CT1<3.7，其中，TD是第一透镜的第一侧面至第二透镜的第二侧面在光轴上的距离，CT1是第一透镜在光轴上的中心厚度。通过控制第一透镜的第一侧面至第二透镜的第二侧面在光轴上的距离与第一透镜在光轴上的中心厚度的比值在该范围，一方面有利于第一镜片的加工，另一方面有利于缩短系统的高度，使VR系统小型化。

在示例性实施方式中，本申请的光学系统可满足条件式5.5<f/EPD<6.0，其中，f是光学系统的有效焦距，EPD是光学系统的入瞳直径。通过控制光学系统的有效焦距与光学系统的入瞳直径的比值在该范围，可以在焦距一定的前提下，增大入瞳直径，有利于改善人眼转动时光瞳偏移导致的性能下降，从而提高目视时的舒适性。

在示例性实施方式中，本申请的光学系统可满足条件式28mm<f×(N2/N1)<29.1mm，其中，f是光学系统的有效焦距，N1是第一透镜的折射率，N2是第二透镜的折射率。通过控制光学系统的有效焦距与第一透镜的折射率以及第二透镜的折射率满足28mm<f×(N2/N1)<29.1mm，以便选择低折射率、低应力的材料，从而减小应力对系统偏振态的影响。

在示例性实施方式中，本申请的光学系统可满足条件式1.0<(CT2+T12)/(CT2-T12)<4.9，其中，CT2是第二透镜在光轴上的中心厚度，T12是第一透镜和第二透镜在光轴上的空气间隔。通过控制第二透镜在光轴上的中心厚度与第一透镜和第二透镜在光轴上的空气间隔满足1.0<(CT2+T12)/(CT2-T12)<4.9，可以有效地减小系统的高度，有利于VR镜头小型化，并且还有利于第二透镜的成型。

在示例性实施方式中，本申请的光学系统还包括光阑，并且本申请的光学系统可满足条件式2<SD/ER<3，其中，SD是光阑至第二透镜的第二侧面在光轴上的距离，ER是光阑至第一透镜的第一侧面在光轴上的距离。通过控制光阑至第二透镜的第二侧面在光轴上的距离与光阑至第一透镜的第一侧面在光轴上的距离的比值在该范围，能够满足头戴设备观察距离的要求。

在示例性实施方式中，本申请的光学系统还包括设置在第二侧的影像面，并且本申请的光学系统可满足条件式4.3<f/BFL<9.8，其中，f是光学系统的有效焦距，BFL是第二透镜的第二侧面至影像面在光轴上的距离。通过控制光学系统的有效焦距与第二透镜的第二侧面至影像面在光轴上的距离的比值在该范围，一方面可以平衡VR镜头的像差，尤其是垂轴像差；另一方面可以控制光线的角度，避免系统产生尾端杂光。

在示例性实施方式中，本申请的光学系统还包括设置在第二侧的影像面，并且本申请的光学系统可满足条件式5.8<BFL/(CTR+CTQ)<16.2，其中，BFL是第二透镜的第二侧面至影像面在光轴上的距离，CTR是反射式偏光元件在光轴上的中心厚度，CTQ是四分之一波板在光轴上的中心厚度。通过控制第二透镜的第二侧面至影像面在光轴上的距离与反射式偏光元件在光轴上的中心厚度和四分之一波板在光轴上的中心厚度之和的比值在该范围，一方面可以有效地控制镜头的后焦，进而约束VR镜头的高度，另一方面可以保证贴膜的工艺性。

在示例性实施方式中，本申请的光学系统可满足条件式0.4mm<|R2|/(V1+V2)<2.7mm，其中，R2是第一透镜的第二侧面的曲率半径，V1是第一透镜的阿贝数，V2是第二透镜的阿贝数。通过控制第一透镜的第二侧面的曲率半径与第一透镜的阿贝数和第二透镜的阿贝数满足0.4mm<|R2|/(V1+V2)<2.7mm，不仅可以约束镜片的形状，而且有利于校正系统的色差，提高VR系统的成像质量。

在示例性实施方式中，本申请的光学系统可满足条件式2.0<FG1/CT1<5.2，其中，FG1是第一元件组的有效焦距，CT1是第一透镜在光轴上的中心厚度。通过控制第一元件组的有效焦距与第一透镜在光轴上的中心厚度的比值在该范围，一方面能够保证镜片的中心厚度，另一方面保证镜片不能太过弯曲，从而有利于镜片的成型性。

在示例性实施方式中，本申请的光学系统可满足条件式0.7<CT2/EPD<2.9，其中，CT2是第二透镜在光轴上的中心厚度，EPD是光学系统的入瞳直径。通过控制第二透镜在光轴上的中心厚度与光学系统的入瞳直径的比值在该范围，有利于镜片的加工成型，并可以保证口径不会太小，以保证系统的性能不被影响。

在示例性实施方式中，本申请的光学系统可包括至少一个光阑。光阑可约束光路，控制光强大小。光阑可设置在光学系统的适当位置，例如，光阑可位于人眼侧与反射式偏光元件之间。

在示例性实施方式中，可选地，上述光学系统还可包括用于保护位于成像面上的感光元件的保护玻璃。

在示例性实施方式中，光学系统的有效焦距f可以例如在28.01mm到29.00mm的范围内，第一元件组的有效焦距FG1可以例如在26.97mm到28.75mm的范围内，第二元件组的有效焦距FG2可以例如在-14136.56mm到728.24mm的范围内。

根据本申请的上述实施方式的光学系统，通过设置反射式偏光元件RP可以反射某种偏振方向的光，并且可以透射与该反射偏振光垂直正交的偏振光；四分之一波板QWP可以改变偏振光的状态，可以将线偏振光与圆偏振光互相转换；部分反射元件BS可以将一部分偏振光反射，另一部分偏振光透射。通过设置包括反射式偏光元件RP、第一透镜E1和四分之一波板QWP的第一元件组光焦度为正，可以使光线汇聚。并且，第二透镜E2靠近显示器侧表面的非球面可以贴膜，可以实现光路反射；结合控制两个元件组的有效焦距比值满足0.5<(FG2+FG1)/(FG2-FG1)<2.0，可以合理地分配光焦度，将光路折反，能够缩短VR头戴装置的长度，佩戴起来更轻更舒适；同时有利于校正系统的像差、提高系统的性能。

根据本申请的一些实施方式，通过合理设置透镜的中心厚度、折射率、阿贝数、曲率半径，以及光学系统有效焦距、入瞳直径等参数，并且通过合理设置光阑、透镜、以及影像面间的距离等参数，可以合理约束屏幕大小；可以有利于透镜的加工成型性能；并可以有利于系统小型化；还可以改善人眼转动时光瞳偏移导致的性能下降，从而提高目视时的舒适性。此外，可以减小透镜应力对系统偏振态的影响；可以满足头戴设备观察距离的要求；可以平衡VR镜头的像差，尤其是垂轴像差，并可以控制光线的角度，避免系统产生尾端杂光；同时，还有利于校正系统的色差，提高VR系统的成像质量。

下面参照附图进一步描述可适用于上述实施方式的光学系统的具体实施例。

实施例1

以下参照图1至图2C描述根据本申请实施例1的光学系统。图1示出了根据本申请实施例1的光学系统的结构示意图。

如图1所示，光学系统沿光轴由人眼侧至显示器侧依序包括：光阑STO、反射式偏光元件RP、第一透镜E1、四分之一波板QWP、部分反射元件BS、第二透镜E2和影像面IMG。

在该实施例中，包括反射式偏光元件RP、第一透镜E1和四分之一波板QWP的第一元件组具有正光焦度。包括部分反射元件BS和第二透镜E2的第二元件组具有正光焦度。第一透镜E1的靠近人眼侧的表面为凸面，靠近显示器侧的表面为凸面。第二透镜E2具有正光焦度，其靠近人眼侧的表面为平面，靠近显示器侧的表面为凸面。

在该实施例中，从影像面IMG发出的光束依次穿过第二元件组的第二透镜E2和部分反射元件BS，以及第一元件组的四分之一波板QWP和第一透镜E1后，被反射并再次穿过第一透镜E1和四分之一波板QWP到达部分反射元件BS，之后，光束在反射元件BS处再次被反射并依次穿过四分之一波板QWP、第一透镜E1和反射式偏光元件RP以朝向人眼侧出射。

表1示出了实施例1的光学系统的基本参数，其中，曲率半径和厚度的单位均为毫米(mm)。

表面

元件

表面类型

曲率半径

厚度

折射率

阿贝数

折射/反射

S0

球面

无穷

无穷

折射

S1

光阑(STO)

球面

无穷

15.0000

折射

S2

反射式偏光元件(RP)

非球面

102.8726

0.2000

1.50

57.00

折射

S3

第一透镜(E1)

非球面

102.8726

10.6739

1.54

56.05

折射

S4

四分之一波板(QWP)

非球面

-291.5529

0.2000

1.50

57.00

折射

S5

非球面

-291.5529

5.0402

折射

S6

部分反射元件(BS)

球面

无穷

-5.0402

反射

S7

四分之一波板(QWP)

非球面

-291.5529

-0.2000

1.50

57.00

折射

S8

第一透镜(E1)

非球面

-291.5529

-10.6739

1.54

56.05

折射

S9

反射式偏光元件(RP)

非球面

102.8726

10.6739

1.54

56.05

反射

S10

四分之一波板(QWP)

非球面

-291.5529

0.2000

1.50

57.00

折射

S11

非球面

-291.5529

5.0402

折射

S12

第二透镜(E2)

球面

无穷

13.5891

1.54

56.05

折射

S13

非球面

-121.3236

0.1000

折射

S14

球面

无穷

0.0000

折射

S15

球面

无穷

2.9929

折射

S16

影像面(IMG)

球面

无穷

0.0000

折射

表1

在实施例1中，第一透镜E1的靠近人眼侧的表面S3靠近显示器侧的表面S4以及第二透镜E2的靠近显示器侧的表面S13均为非球面，各非球面透镜的面型x可利用但不限于以下非球面公式进行限定：

其中，x为非球面沿光轴方向在高度为h的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c为非球面的近轴曲率，c＝1/R(即，近轴曲率c为上表1中曲率半径R的倒数)；k为圆锥系数；Ai是非球面第i-th阶的修正系数。下表2给出了可用于实施例1中各非球面镜面S3、S4和S13的高次项系数A₄、A₆、A₈、A₁₀、A₁₂、A₁₄、A₁₆、A₁₈和A₂₀。

系数\表面	S3	S4	S13
				A4	-4.5615E-07	-3.7629E-07	8.4964E-01
A6	1.6609E-10	6.9490E-10	-2.2732E+00
				A8	-3.8120E-14	-3.7752E-14	1.5776E+00
A10	3.5762E-17	-3.1941E-17	-1.8215E+00
				A12	2.1853E-20	9.4280E-20	1.4237E+00
A14	0.0000E+00	0.0000E+00	-1.0013E+00
				A16	0.0000E+00	0.0000E+00	6.1038E-01
A18	0.0000E+00	0.0000E+00	-2.4360E-01
				A20	0.0000E+00	0.0000E+00	8.5505E-02

表2

图2A示出了实施例1的光学系统的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由镜头后的汇聚焦点偏离。图2B示出了实施例1的光学系统的象散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图2C示出了实施例1的光学系统的畸变曲线，其表示不同视场角对应的畸变大小值。根据图2A至图2C可知，实施例1所给出的光学系统能够实现良好的成像品质。

实施例2

以下参照图3至图4C描述根据本申请实施例2的光学系统。在本实施例及以下实施例中，为简洁起见，将省略部分与实施例1相似的描述。图3示出了根据本申请实施例2的光学系统的结构示意图。

如图3所示，光学系统沿光轴由人眼侧至显示器侧依序包括：光阑STO、反射式偏光元件RP、第一透镜E1、四分之一波板QWP、部分反射元件BS、第二透镜E2和影像面IMG。

在该实施例中，包括反射式偏光元件RP、第一透镜E1和四分之一波板QWP的第一元件组具有正光焦度。包括部分反射元件BS和第二透镜E2的第二元件组具有正光焦度。第一透镜E1的靠近人眼侧的表面为平面，靠近显示器侧的表面为凸面。第二透镜E2具有正光焦度，其靠近人眼侧的表面为凹面，靠近显示器侧的表面为凸面。

在该实施例中，从影像面IMG发出的光束依次穿过第二元件组的第二透镜E2和部分反射元件BS，以及第一元件组的四分之一波板QWP和第一透镜E1后，被反射并再次穿过第一透镜E1和四分之一波板QWP到达部分反射元件BS，之后，光束在反射元件BS处再次被反射并依次穿过四分之一波板QWP、第一透镜E1和反射式偏光元件RP以朝向人眼侧出射。

表3示出了实施例2的光学系统的基本参数，其中，曲率半径和厚度的单位均为毫米(mm)。在该实施例中，第一透镜E1的靠近显示器侧的表面S4以及第二透镜E2的靠近显示器侧的表面S13均为非球面，表4示出了可用于实施例2中各非球面镜面S4和S13的高次项系数A₄、A₆、A₈、A₁₀、A₁₂、A₁₄、A₁₆、A₁₈和A₂₀，其中，各非球面面型可由上述实施例1中给出的公式(1)限定。

表3

系数\表面	S4	S13
			A4	4.3618E-07	1.9248E+00
A6	3.9507E-11	1.5522E+00
			A8	2.8660E-13	3.9858E+00
A10	1.7307E-16	-2.8316E+00
			A12	2.3184E-21	-2.5660E+00
A14	0.0000E+00	2.0596E-01
			A16	0.0000E+00	2.4026E+00
A18	0.0000E+00	-1.5529E+00
			A20	0.0000E+00	2.3077E-01

表4

图4A示出了实施例2的光学系统的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由镜头后的汇聚焦点偏离。图4B示出了实施例2的光学系统的象散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图4C示出了实施例2的光学系统的畸变曲线，其表示不同视场角对应的畸变大小值。根据图4A至图4C可知，实施例2所给出的光学系统能够实现良好的成像品质。

实施例3

以下参照图5至图6C描述了根据本申请实施例3的光学系统。图5示出了根据本申请实施例3的光学系统的结构示意图。

如图5所示，光学系统沿光轴由人眼侧至显示器侧依序包括：光阑STO、反射式偏光元件RP、第一透镜E1、四分之一波板QWP、部分反射元件BS、第二透镜E2和影像面IMG。

在该实施例中，包括反射式偏光元件RP、第一透镜E1和四分之一波板QWP的第一元件组具有正光焦度。包括部分反射元件BS和第二透镜E2的第二元件组具有正光焦度。第一透镜E1的靠近人眼侧的表面为凸面，靠近显示器侧的表面为凸面。第二透镜E2具有正光焦度，其靠近人眼侧的表面为凸面，靠近显示器侧的表面为凸面。

在该实施例中，从影像面IMG发出的光束依次穿过第二元件组的第二透镜E2和部分反射元件BS，以及第一元件组的四分之一波板QWP和第一透镜E1后，被反射并再次穿过第一透镜E1和四分之一波板QWP到达部分反射元件BS，之后，光束在反射元件BS处再次被反射并依次穿过四分之一波板QWP、第一透镜E1和反射式偏光元件RP以朝向人眼侧出射。

表5示出了实施例3的光学系统的基本参数，其中，曲率半径和厚度的单位均为毫米(mm)。在该实施例中，第一透镜E1的靠近人眼侧的表面S3和靠近显示器侧的表面S4以及第二透镜E2的靠近人眼侧的表面S12和靠近显示器侧的表面S13均为非球面，表6示出了可用于实施例3中各非球面镜面S3、S4、S12和S13的高次项系数A₄、A₆、A₈、A₁₀、A₁₂、A₁₄、A₁₆、A₁₈和A₂₀，其中，各非球面面型可由上述实施例1中给出的公式(1)限定。

表面

元件

表面类型

曲率半径

厚度

折射率

阿贝数

折射/反射

S0

球面

无穷

无穷

折射

S1

光阑(STO)

球面

无穷

15.0000

折射

S2

反射式偏光元件(RP)

非球面

92.7583

0.2000

1.54

56.05

折射

S3

第一透镜(E1)

非球面

92.7583

11.3021

1.54

56.05

折射

S4

四分之一波板(QWP)

非球面

-279.3877

0.2000

1.54

56.05

折射

S5

非球面

-279.3877

5.4783

折射

S6

部分反射元件(BS)

非球面

500.0000

-5.4783

反射

S7

四分之一波板(QWP)

非球面

-279.3877

-0.2000

1.54

56.05

折射

S8

第一透镜(E1)

非球面

-279.3877

-11.3021

1.54

56.05

折射

S9

反射式偏光元件(RP)

非球面

92.7583

11.3021

1.54

56.05

反射

S10

四分之一波板(QWP)

非球面

-279.3877

0.2000

1.54

56.05

折射

S11

非球面

-279.3877

5.4783

折射

S12

第二透镜(E2)

非球面

500.0000

12.5795

1.54

56.05

折射

S13

非球面

-256.8689

0.1000

折射

S14

球面

无穷

2.9847

折射

S15

影像面(IMG)

球面

无穷

0.0000

折射

表5

系数\表面	S3	S4	S12	S13
					A4	-1.0907E-07	6.1004E-07	6.3791E-09	4.1212E+00
A6	2.5124E-10	6.1119E-10	3.1678E-10	-2.1041E+00
					A8	-1.1596E-14	-6.8482E-14	-1.0313E-13	1.1955E+00
A10	1.5192E-17	-1.3701E-17	-6.7100E-17	-1.1551E+00
					A12	1.4988E-20	7.3051E-20	-3.8115E-20	9.2832E-01
A14	0.0000E+00	0.0000E+00	4.4840E-23	-3.7778E-01
					A16	0.0000E+00	0.0000E+00	0.0000E+00	1.8188E-01
A18	0.0000E+00	0.0000E+00	0.0000E+00	-4.3669E-03
					A20	0.0000E+00	0.0000E+00	0.0000E+00	2.4682E-02

表6

图6A示出了实施例3的光学系统的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由镜头后的汇聚焦点偏离。图6B示出了实施例3的光学系统的象散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图6C示出了实施例3的光学系统的畸变曲线，其表示不同视场角对应的畸变大小值。根据图6A至图6C可知，实施例3所给出的光学系统能够实现良好的成像品质。

实施例4

以下参照图7至图8C描述了根据本申请实施例4的光学系统。图7示出了根据本申请实施例4的光学系统的结构示意图。

如图7所示，光学系统沿光轴由人眼侧至显示器侧依序包括：光阑STO、反射式偏光元件RP、第一透镜E1、四分之一波板QWP、部分反射元件BS、第二透镜E2和影像面IMG。

在该实施例中，包括反射式偏光元件RP、第一透镜E1和四分之一波板QWP的第一元件组具有正光焦度。包括部分反射元件BS和第二透镜E2的第二元件组具有负光焦度。第一透镜E1的靠近人眼侧的表面为凸面，靠近显示器侧的表面为凸面。第二透镜E2具有负光焦度，其靠近人眼侧的表面为凸面，靠近显示器侧的表面为凹面。

在该实施例中，从影像面IMG发出的光束依次穿过第二元件组的第二透镜E2和部分反射元件BS，以及第一元件组的四分之一波板QWP和第一透镜E1后，被反射并再次穿过第一透镜E1和四分之一波板QWP到达部分反射元件BS，之后，光束在反射元件BS处再次被反射并依次穿过四分之一波板QWP、第一透镜E1和反射式偏光元件RP以朝向人眼侧出射。

表7示出了实施例4的光学系统的基本参数，其中，曲率半径和厚度的单位均为毫米(mm)。在该实施例中，第一透镜E1的靠近人眼侧的表面S3和靠近显示器侧的表面S4以及第二透镜E2的靠近人眼侧的表面S12和靠近显示器侧的表面S13均为非球面，表8示出了可用于实施例4中各非球面镜面S3、S4、S12和S13的高次项系数A₄、A₆、A₈、A₁₀、A₁₂、A₁₄、A₁₆、A₁₈和A₂₀，其中，各非球面面型可由上述实施例1中给出的公式(1)限定。

表面

元件

表面类型

曲率半径

厚度

折射率

阿贝数

折射/反射

S0

球面

无穷

无穷

折射

S1

光阑(STO)

球面

无穷

15.0000

折射

S2

反射式偏光元件(RP)

非球面

101.3611

0.2000

1.54

56.05

折射

S3

第一透镜(E1)

非球面

101.3611

13.5579

1.54

56.05

折射

S4

四分之一波板(QWP)

非球面

-181.5605

0.2000

1.54

56.05

折射

S5

非球面

-181.5605

3.2974

折射

S6

部分反射元件(BS)

非球面

835.5231

-3.2974

反射

S7

四分之一波板(QWP)

非球面

-181.5605

-0.2000

1.54

56.05

折射

S8

第一透镜(E1)

非球面

-181.5605

-13.5579

1.54

56.05

折射

S9

反射式偏光元件(RP)

非球面

101.3611

13.5579

1.54

56.05

反射

S10

四分之一波板(QWP)

非球面

-181.5605

0.2000

1.54

56.05

折射

S11

非球面

-181.5605

3.2974

折射

S12

第二透镜(E2)

非球面

835.5231

11.9512

1.54

56.05

折射

S13

非球面

750.0000

0.6535

折射

S14

球面

无穷

2.9871

折射

S15

影像面(IMG)

球面

无穷

0.0000

折射

表7

系数\表面	S3	S4	S12	S13
					A4	-2.6532E-07	2.8085E-07	-1.8800E-07	-2.7535E-05
A6	2.5534E-10	6.0174E-10	2.8389E-10	2.8866E-07
					A8	-5.1982E-14	-5.4782E-14	-4.5956E-14	-1.4373E-09
A10	5.2005E-17	9.9831E-17	-2.3456E-17	4.4385E-12
					A12	1.2515E-20	2.4717E-20	5.4929E-20	-9.0127E-15
A14	0.0000E+00	0.0000E+00	-3.4896E-23	1.2102E-17
					A16	0.0000E+00	0.0000E+00	0.0000E+00	-1.0422E-20
A18	0.0000E+00	0.0000E+00	0.0000E+00	5.2404E-24
					A20	0.0000E+00	0.0000E+00	0.0000E+00	-1.1708E-27

表8

图8A示出了实施例4的光学系统的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由镜头后的汇聚焦点偏离。图8B示出了实施例4的光学系统的象散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图8C示出了实施例4的光学系统的畸变曲线，其表示不同视场角对应的畸变大小值。根据图8A至图8C可知，实施例4所给出的光学系统能够实现良好的成像品质。

实施例5

以下参照图9至图10C描述了根据本申请实施例5的光学系统。图9示出了根据本申请实施例5的光学系统的结构示意图。

如图9所示，光学系统沿光轴由人眼侧至显示器侧依序包括：光阑STO、反射式偏光元件RP、第一透镜E1、四分之一波板QWP、部分反射元件BS、第二透镜E2和影像面IMG。

在该实施例中，包括反射式偏光元件RP、第一透镜E1和四分之一波板QWP的第一元件组具有正光焦度。包括部分反射元件BS和第二透镜E2的第二元件组具有负光焦度。第一透镜E1的靠近人眼侧的表面为平面，靠近显示器侧的表面为凸面。第二透镜E2具有负光焦度，其靠近人眼侧的表面为凹面，靠近显示器侧的表面为凹面。

在该实施例中，从影像面IMG发出的光束依次穿过第二元件组的第二透镜E2和部分反射元件BS，以及第一元件组的四分之一波板QWP和第一透镜E1后，被反射并再次穿过第一透镜E1和四分之一波板QWP到达部分反射元件BS，之后，光束在反射元件BS处再次被反射并依次穿过四分之一波板QWP、第一透镜E1和反射式偏光元件RP以朝向人眼侧出射。

表9示出了实施例5的光学系统的基本参数，其中，曲率半径和厚度的单位均为毫米(mm)。在该实施例中，第一透镜E1的靠近显示器侧的表面S4以及第二透镜E2的靠近显示器侧的表面S13均为非球面，表10示出了可用于实施例5中各非球面镜面S4和S13的高次项系数A₄、A₆、A₈、A₁₀、A₁₂、A₁₄、A₁₆、A₁₈和A₂₀，其中，各非球面面型可由上述实施例1中给出的公式(1)限定。

表面

元件

表面类型

曲率半径

厚度

折射率

阿贝数

折射/反射

S0

球面

无穷

无穷

折射

S1

光阑(STO)

球面

无穷

15.0000

折射

S2

反射式偏光元件(RP)

球面

无穷

0.2000

1.54

56.05

折射

S3

第一透镜(E1)

球面

无穷

13.2899

1.54

56.05

折射

S4

四分之一波板(QWP)

非球面

-56.2078

0.3000

1.54

56.05

折射

S5

非球面

-56.2078

1.2525

折射

S6

部分反射元件(BS)

球面

-136.1371

-1.2525

反射

S7

四分之一波板(QWP)

非球面

-56.2078

-0.3000

1.54

56.05

折射

S8

第一透镜(E1)

非球面

-56.2078

-13.2899

1.54

56.05

折射

S9

反射式偏光元件(RP)

球面

无穷

13.2899

1.54

56.05

反射

S10

四分之一波板(QWP)

非球面

-56.2078

0.3000

1.54

56.05

折射

S11

非球面

-56.2078

1.2525

折射

S12

第二透镜(E2)

球面

-136.1371

4.0000

1.54

56.05

折射

S13

非球面

250.0000

3.4741

折射

S14

球面

无穷

0.0000

折射

S15

球面

无穷

2.9918

折射

S16

影像面(IMG)

球面

无穷

0.0000

折射

表9

表10

图10A示出了实施例5的光学系统的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由镜头后的汇聚焦点偏离。图10B示出了实施例5的光学系统的象散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图10C示出了实施例5的光学系统的畸变曲线，其表示不同视场角对应的畸变大小值。根据图10A至图10C可知，实施例5所给出的光学系统能够实现良好的成像品质。

实施例6

以下参照图11至图12C描述了根据本申请实施例6的光学系统。图11示出了根据本申请实施例6的光学系统的结构示意图。

如图11所示，光学系统沿光轴由人眼侧至显示器侧依序包括：反射式偏光元件RP、第一透镜E1、四分之一波板QWP、第二透镜E2、部分反射元件BS以及影像面IMG。

在该实施例中，从影像面IMG发出的光束依次穿过第二元件组的部分反射元件BS和第二透镜E2，以及第一元件组的四分之一波板QWP和第一透镜E1后，被反射并再次穿过第一透镜E1、四分之一波板QWP和第二透镜E2到达部分反射元件BS，之后，光束在反射元件BS处再次被反射并依次穿过第二透镜E2、四分之一波板QWP、第一透镜E1和反射式偏光元件RP以朝向人眼侧出射。

在该实施例中，包括反射式偏光元件RP、第一透镜E1和四分之一波板QWP的第一元件组具有正光焦度。包括第二透镜E2和部分反射元件BS的第二元件组具有正光焦度。第一透镜E1的靠近人眼侧的表面为平面，靠近显示器侧的表面为凸面。第二透镜E2具有正光焦度，其靠近人眼侧的表面为凹面，靠近显示器侧的表面为凸面。

表11示出了实施例6的光学系统的基本参数，其中，曲率半径和厚度的单位均为毫米(mm)。在该实施例中，第一透镜E1的靠近显示器侧的表面S4以及第二透镜E2的靠近人眼侧的表面S14和靠近显示器侧的表面S15均为非球面，表12示出了可用于实施例6中各非球面镜面S4、S14和S15的高次项系数A₄、A₆、A₈、A₁₀、A₁₂、A₁₄、A₁₆、A₁₈和A₂₀，其中，各非球面面型可由上述实施例1中给出的公式(1)限定。

表11

系数\表面	S4	S14	S15
				A4	2.8267E-06	2.5893E-06	2.9944E-07
A6	5.8216E-10	-7.0459E-10	-1.6032E-10
				A8	-6.6755E-13	-4.4694E-14	1.5901E-13
A10	-4.1136E-16	1.2003E-16	8.1619E-17
				A12	-1.6492E-19	-5.7252E-19	-8.7340E-20
A14	0.0000E+00	0.0000E+00	0.0000E+00
				A16	0.0000E+00	0.0000E+00	0.0000E+00
A18	0.0000E+00	0.0000E+00	0.0000E+00
				A20	0.0000E+00	0.0000E+00	0.0000E+00

表12

图12A示出了实施例6的光学系统的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由镜头后的汇聚焦点偏离。图12B示出了实施例6的光学系统的象散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图12C示出了实施例6的光学系统的畸变曲线，其表示不同视场角对应的畸变大小值。根据图12A至图12C可知，实施例6所给出的光学系统能够实现良好的成像品质。

此外，实施例1至实施例6中，第一元件组的有效焦距值FG1、第二元件组的有效焦距值FG2、光学系统的有效焦距f、光学系统的入瞳直径EPD、光阑至第二透镜的第二侧面在光轴上的距离SD、第一透镜的第一侧面至第二透镜的第二侧面在光轴上的距离TD、第二透镜的第二侧面至影像面在光轴上的距离BFL、光阑至第一透镜的第一侧面在光轴上的距离ER、反射式偏光元件在光轴上的中心厚度CTR以及四分之一波板在光轴上的中心厚度CTQ如表13中所示。

参数/实施例	1	2	3	4	5	6
							FG1(mm)	28.75	28.13	28.40	28.16	26.97	28.69
FG2(mm)	120.25	352.44	728.24	-14136.56	-161.08	398.47
							f(mm)	28.01	28.12	28.02	28.02	28.34	29.00
EPD(mm)	5.00	5.00	5.00	5.00	5.00	5.00
							SD(mm)	44.70	34.41	44.76	44.21	34.04	35.51
TD(mm)	29.50	19.21	29.56	29.01	18.84	20.31
							BFL(mm)	3.09	6.46	3.08	3.64	6.47	2.99
ER(mm)	15.20	15.20	15.20	15.20	15.20	15.20
							CTR(mm)	0.20	0.20	0.20	0.20	0.20	0.20
CTQ(mm)	0.20	0.20	0.20	0.20	0.30	0.30

表13

实施例1至实施例6分别满足表14中所示的条件。

表14

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的保护范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离本申请构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (13)

1.光学系统，其特征在于，沿光轴由第一侧至第二侧依序包括第一元件组、第二元件组和影像面，其中，

所述第一元件组具有正光焦度，且沿所述光轴从所述第一侧至所述第二侧依序由反射式偏光元件、具有正光焦度的第一透镜和四分之一波板组成，所述第一透镜的第二侧面为凸面；

所述第二元件组具有正光焦度或负光焦度，且由部分反射元件和具有正光焦度或负光焦度的第二透镜组成，所述第二透镜的第二侧面为非球面，所述部分反射元件位于所述第二透镜的第一侧面或第二侧面；

所述光学系统中的具有光焦度的透镜的数量为二；

所述影像面发出的光束依次穿过所述第二透镜、所述部分反射元件、所述四分之一波板、所述第一透镜后被所述反射式偏光元件反射，并再次穿过所述第一透镜和所述四分之一波板后被所述部分反射元件反射，经所述部分反射元件反射的光束依次穿过所述四分之一波板、所述第一透镜和所述反射式偏光元件以朝向所述第一侧出射；或者，所述影像面发出的光束依次穿过所述部分反射元件、所述第二透镜、所述四分之一波板、所述第一透镜后被所述反射式偏光元件反射，并再次穿过所述第一透镜、所述四分之一波板和所述第二透镜后被所述部分反射元件反射，经所述部分反射元件反射的光束依次穿过所述第二透镜、所述四分之一波板、所述第一透镜和所述反射式偏光元件以朝向所述第一侧出射；以及

所述第一元件组的有效焦距FG1与所述第二元件组的有效焦距FG2满足：0.71≤(FG2+FG1)/(FG2-FG1)≤1.63。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜的第二侧面的曲率半径R2与所述第二透镜的第二侧面的曲率半径R4满足：

0.2<|R2/R4|≤2.40。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜的第一侧面至所述第二透镜的第二侧面在所述光轴上的距离TD与所述第一透镜在所述光轴上的中心厚度CT1满足：

1.4<TD/CT1≤3.64。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统的有效焦距f与所述光学系统的入瞳直径EPD满足：

5.60≤f/EPD≤5.80。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统的有效焦距f与所述第一透镜的折射率N1以及所述第二透镜的折射率N2满足：

28mm<f×(N2/N1)≤29.00mm。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第二透镜在所述光轴上的中心厚度CT2与所述第一透镜和所述第二透镜在所述光轴上的空气间隔T12满足：

1.06≤(CT2+T12)/(CT2-T12)<4.9。

7.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括光阑，所述光阑至所述第二透镜的第二侧面在所述光轴上的距离SD与所述光阑至所述第一透镜的第一侧面在所述光轴上的距离ER满足：

2.24≤SD/ER≤2.94。

8.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括设置在所述第二侧的影像面，所述光学系统的有效焦距f与所述第二透镜的第二侧面至所述影像面在所述光轴上的距离BFL满足：

4.35≤f/BFL≤9.71。

9.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括设置在所述第二侧的影像面，所述第二透镜的第二侧面至所述影像面在所述光轴上的距离BFL与所述反射式偏光元件在所述光轴上的中心厚度CTR以及所述四分之一波板在所述光轴上的中心厚度CTQ满足：

5.97≤BFL/(CTR+CTQ)≤16.14。

10.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜的第二侧面的曲率半径R2与所述第一透镜的阿贝数V1以及所述第二透镜的阿贝数V2满足：

0.50mm≤|R2|/(V1+V2)≤2.60mm。

11.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一元件组的有效焦距FG1与所述第一透镜在所述光轴上的中心厚度CT1满足：

2.0<FG1/CT1≤5.14。

12.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第二透镜在所述光轴上的中心厚度CT2与所述光学系统的入瞳直径EPD满足：

0.80≤CT2/EPD<2.9。

13.一种VR设备，包括如权利要求1至12中任一项所述的光学系统，其中，所述第一侧为人眼侧，所述第二侧为显示器侧。