CN116107071B

CN116107071B - 光学系统及包括该光学系统的vr设备

Info

Publication number: CN116107071B
Application number: CN202310167648.7A
Authority: CN
Inventors: 戴付建; 梁宁; 张晓彬; 金银芳; 赵烈烽
Original assignee: Zhejiang Sunny Optics Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Sunny Optics Co Ltd
Priority date: 2023-02-17
Filing date: 2023-02-17
Publication date: 2025-10-31
Anticipated expiration: 2043-02-17
Also published as: CN116107071A

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、四分之一波板和第二透镜；第二元件组具有正光焦度或负光焦度，包括第三透镜和部分反射元件。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)<1.6。

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

近年来，随着VR设备相关领域用户数量的迅速增加，人们对于VR设备的硬件升级也提出了更高的要求，尤其是对于设备轻便性和视效性方面提高的需求已经迫在眉睫，而由此发展出的“折反式光学系统超短焦光学方案”成为了当下的热门选择。

折反式光学系统方案以偏振光原理为基础，利用反射偏光片对于不同偏振光选择性反射和投射的特性，配合1/4相位延时片调整偏振光形态，实现光路的折叠效果，能够极大地缩减光学模组的厚度，从而显著压缩VR设备的体积。然而，目前市场上的折反式光学系统方案普遍采用2片式方案，该方案存在较严重的鬼像问题，并且视场角也受到限制，导致其光学性能及应用范围均受到了一定的影响。因此，如何改进目前的折反式光学系统设计方案，通过例如调整折叠光路结构，以尝试解决鬼像问题并且进一步增大视场角是目前本领域技术人员需要解决的技术问题之一。

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可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、四分之一波板和第二透镜；所述第二元件组具有正光焦度或负光焦度，包括第三透镜和部分反射元件；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)<1.6。

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与所述第一透镜的第一侧面的曲率半径R1可满足：0.4<R2/R1<1.7。

在一个实施方式中，所述第二透镜的第一侧面的曲率半径R3与所述第二透镜的第二侧面的曲率半径R4可满足：-0.9<(R3-R4)/(R3+R4)<0.7。

在一个实施方式中，所述第一透镜的折射率N1、所述第二透镜的折射率N2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：1.2mm<(N1+N2)×(CTR+CTQ)<1.6mm。

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：5.3<f/EPD<6.0。

在一个实施方式中，所述第一元件组的有效焦距FG1、所述第一透镜在所述光轴上的中心厚度CT1与所述第二透镜在所述光轴上的中心厚度CT2可满足：2<FG1/(CT1+CT2)<8。

在一个实施方式中，所述光学系统还包括光阑和设置在所述第二侧的影像面，所述光阑至所述影像面在所述光轴上的距离SL与所述第一透镜的第一侧面至所述第三透镜的第二侧面在所述光轴上的距离TD可满足：2.5<SL/TD<3.3。

在一个实施方式中，所述光学系统还包括光阑，所述光阑至所述第三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：1.6<SD/ER<2.0。

在一个实施方式中，所述第一透镜的第一侧面的曲率半径R1、所述第二透镜的第一侧面的曲率半径R3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：2.0mm<|R1+R3|/(V1+V2)<6.9mm。

在一个实施方式中，所述四分之一波板在所述光轴上的中心厚度CTQ、所述第二透镜和所述第三透镜在所述光轴上的空气间隔T23与所述第三透镜在所述光轴上的中心厚度CT3以及所述第三透镜的阿贝数V3可满足：0.05mm<(CTQ+T23+CT3)/V3<0.35mm。

在一个实施方式中，所述第一透镜的第一侧面为凹面，第二侧面为凸面。

在一个实施方式中，所述第二透镜的第一侧面为凹面，第二侧面为凸面；以及所述第三透镜的第一侧面为凹面。

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由第一侧至第二侧依序包括第一元件组和第二元件组，通过设置第一元件组包括反射式偏光元件、第一透镜、四分之一波板和第二透镜，且第一元件组具有正光焦度；设置第二元件组包括第三透镜和部分反射元件；同时控制第一元件组和第二元件组的有效焦距满足条件式0.5<(FG2+FG1)/(FG2-FG1)<1.6，能够有利于减小球差并且降低色差；能够有利于视场角的增大以及鬼像的改善；并且可以在满足系统光焦度分配的同时，有利于系统的轻型化设计。

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，下文中讨论的第一光学透镜也可被称作第二光学透镜，第二光学透镜也可被称作第一光学透镜。

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、四分之一波板和第二透镜，第二元件组可包括第三透镜和部分反射元件。

在示例性实施方式中，第一元件组可以具有正光焦度。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，第一侧例如可以为人眼侧，第二侧例如可以为显示器侧。光学系统例如可以用于多种VR显示装置。

在示例性实施方式中，第一透镜的第一侧面即可以是第一透镜的靠近人眼侧的表面，第一透镜的第二侧面即可以是第一透镜的靠近显示器侧的表面。第二透镜的第一侧面即可以是第二透镜的靠近人眼侧的表面，第二透镜的第二侧面即可以是第二透镜的靠近显示器侧的表面。第三透镜的第一侧面即可以是第三透镜的靠近人眼侧的表面，第三透镜的第二侧面即可以是第三透镜的靠近显示器侧的表面。

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、第二透镜E2、四分之一波板QWP、部分反射元件BS和第三透镜E3，其中，反射式偏光元件RP、第一透镜E1、第二透镜E2和四分之一波板QWP构成第一元件组，部分反射元件BS和第三透镜E3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发出的光束可依次穿过第二元件组的第三透镜E3和部分反射元件BS、以及第一元件组的四分之一波板QWP、第二透镜E2和第一透镜E1，到达反射式偏光元件RP，在反射式偏光元件RP处被反射并再次穿过第一透镜E1、第二透镜E2和四分之一波板QWP到达部分反射元件BS，之后，光束在部分反射元件BS处再次被反射并依次穿过四分之一波板QWP、第二透镜E2、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可以是镀设在第三透镜E3的第一侧面上的半透半反射膜层。在示例性实施方式中，反射式偏光元件RP可以贴附于第一透镜E1的第一侧面上。在示例性实施方式中，四分之一波板QWP可以贴附于第二透镜E2的第二侧面上。

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)<1.6，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，沿光轴由第一侧至第二侧依序设置第一元件组和第二元件组，共包括三片透镜，具体地，设置第一元件组包含反射式偏光元件、第一透镜、四分之一波板和第二透镜，第二元件组包含第三透镜和部分反射元件；合理控制第一透镜和第三透镜的面型，能够有利于减小球差并且降低色差；将反射式偏光元件贴附于例如第一透镜的人眼侧表面，将四分之一波板合理贴附于第二透镜的人眼侧表面或显示器侧表面，部分反射层合理镀设于第三透镜的人眼侧表面或显示器侧表面，从而有利于视场角的增大以及鬼像的改善；同时控制第一元件组的有效焦距和第二元件组的有效焦距满足条件式0.5<(FG2+FG1)/(FG2-FG1)<1.6，能够在满足系统光焦度分配的同时，有利于系统的轻型化设计。

在示例性实施方式中，本申请的光学系统可满足条件式0.4<R2/R1<1.7，其中，R2是第一透镜的第二侧面的曲率半径，R1是第一透镜的第一侧面的曲率半径。通过控制第一透镜的第二侧面的曲率半径与第一透镜的第一侧面的曲率半径的比值在该范围，可以控制第一透镜的光焦度，并且可以使第一透镜具有良好的加工工艺性。

在示例性实施方式中，本申请的光学系统可满足条件式-0.9<(R3-R4)/(R3+R4)<0.7，其中，R3是第二透镜的第一侧面的曲率半径，R4是第二透镜的第二侧面的曲率半径。通过控制第二透镜的第一侧面的曲率半径和第二透镜的第二侧面的曲率半径满足-0.9<(R3-R4)/(R3+R4)<0.7，可以控制第二透镜的光焦度，并且可以控制光线走向更优，有助于系统像质和相对照度的提升。

在示例性实施方式中，本申请的光学系统可满足条件式1.2mm<(N1+N2)×(CTR+CTQ)<1.6mm，其中，N1是第一透镜的折射率，N2是第二透镜的折射率，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。通过控制第一透镜的折射率、第二透镜的折射率、反射式偏光元件在光轴上的中心厚度以及四分之一波板在光轴上的中心厚度满足1.2mm<(N1+N2)×(CTR+CTQ)<1.6mm，可以控制光线经过反射式偏光元件和四分之一波板的光程，减小二者引入额外的系统像差。

在示例性实施方式中，本申请的光学系统可满足条件式5.3<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，能够控制系统光圈，使系统光圈较大，有利于增加系统的进光量。

在示例性实施方式中，本申请的光学系统可满足条件式2<FG1/(CT1+CT2)<8，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，CT2是第二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以及第二透镜在光轴上的中心厚度满足2<FG1/(CT1+CT2)<8，不仅有利于系统的小型化，还有利于避免透镜自身反射引起的鬼像风险。

在示例性实施方式中，本申请的光学系统还可包括光阑和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2.5<SL/TD<3.3，其中，SL是光阑至影像面在光轴上的距离，TD是第一透镜的第一侧面至第三透镜的第二侧面在光轴上的距离。通过控制光阑至影像面在光轴上的距离与第一透镜的第一侧面至第三透镜的第二侧面在光轴上的距离的比值在该范围，可以调整系统光阑位置，有利于改善系统的离轴像差，并且能够控制系统总长，有利于实现系统的轻小型设计。

在示例性实施方式中，本申请的光学系统还可包括光阑，并且本申请的光学系统可满足条件式1.6<SD/ER<2.0，其中，SD是光阑至第三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。通过控制光阑至第三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之比在该范围，可以控制系统的光圈位置，有利于调整光学系统出瞳位置，并且控制系统通光量。

在示例性实施方式中，本申请的光学系统可满足条件式2.0mm<|R1+R3|/(V1+V2)<6.9mm，其中，R1是第一透镜的第一侧面的曲率半径，R3是第二透镜的第一侧面的曲率半径，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一侧面的曲率半径、第二透镜的第一侧面的曲率半径、第一透镜的阿贝数以及第二透镜的阿贝数满足2.0mm<|R1+R3|/(V1+V2)<6.9mm，有利于优化光线走向，并且可以进一步控制第一和第二透镜引入的系统色散量。

在示例性实施方式中，本申请的光学系统可满足条件式0.05mm<(CTQ+T23+CT3)/V3<0.35mm，其中，CTQ是四分之一波板在光轴上的中心厚度，T23是第二透镜和第三透镜在光轴上的空气间隔，CT3是第三透镜在光轴上的中心厚度，V3是第三透镜的阿贝数。通过控制四分之一波板在光轴上的中心厚度、第二透镜和第三透镜在光轴上的空气间隔、第三透镜在光轴上的中心厚度以及第三透镜的阿贝数满足0.05mm<(CTQ+T23+CT3)/V3<0.35mm，可以控制由第三透镜和四分之一波板引入的色散量，有利于系统色差优化。

在示例性实施方式中，第一透镜的第一侧面可以为凹面，第二侧面可以为凸面。通过控制第一透镜的表面形状，有利于控制光线的出射角度，并且有助于视场角的提升。

在示例性实施方式中，第二透镜的第一侧面可以为凹面，第二侧面可以为凸面。第三透镜的第一侧面可以为凹面。通过合理控制第二透镜以及第三透镜的表面形状，可以进一步优化光线走向，有利于提升系统像质，并且约束边缘光线的入射角度，有利于芯片匹配。

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，光阑可位于第一侧(人眼侧)与第一元件组之间。

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27.33mm到29.05mm的范围内，第一元件组的有效焦距FG1可以例如在25.58mm到29.93mm的范围内，第二元件组的有效焦距FG2可以例如在-258.94mm到1718.66mm的范围内。

根据本申请的上述实施方式的光学系统，通过沿光轴由第一侧至第二侧依序设置第一元件组和第二元件组，共包括三片透镜，其中第一元件组包含反射式偏光元件、第一透镜、四分之一波板和第二透镜，第二元件组包含第三透镜和部分反射元件；同时控制第一元件组的有效焦距和第二元件组的有效焦距满足条件式0.5<(FG2+FG1)/(FG2-FG1)<1.6，能够有利于减小球差并且降低色差；能够有利于视场角的增大以及鬼像的改善；并且能够在满足系统光焦度分配的同时，有利于系统的轻型化设计。

根据本申请的一些实施方式，通过合理设置透镜的曲率半径、表面形状、折射率、中心厚度和阿贝数，以及光学系统的有效焦距、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，可使透镜具有良好的加工工艺性；可以控制光线走向更优，有助于系统像质和相对照度的提升；可以减小元件引入额外的系统像差；可以控制元件引入的系统色散量，有利于系统色差优化。能够增加系统的进光量；有利于系统的轻型化、小型化，同时有利于避免透镜自身反射引起的鬼像风险；还有利于改善系统的离轴像差。并且，有助于系统视场角的提升；有利于芯片匹配等。

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、第二透镜E2、四分之一波板QWP、部分反射元件BS、第三透镜E3和影像面IMG。其中，反射式偏光元件RP、第一透镜E1、第二透镜E2和四分之一波板QWP构成第一元件组，部分反射元件BS和第三透镜E3构成第二元件组。

在该实施例中，第一元件组具有正光焦度，其中，第一透镜E1靠近人眼侧的表面为凹面，靠近显示器侧的表面为凸面；第二透镜E2靠近人眼侧的表面为凹面，靠近显示器侧的表面为凸面。第二元件组具有正光焦度，其中，第三透镜E3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发出的光束可依次穿过第二元件组的第三透镜E3和部分反射元件BS、以及第一元件组的四分之一波板QWP、第二透镜E2和第一透镜E1，到达反射式偏光元件RP，在反射式偏光元件RP处被反射并再次穿过第一透镜E1、第二透镜E2和四分之一波板QWP到达部分反射元件BS，之后，光束在部分反射元件BS处再次被反射并依次穿过四分之一波板QWP、第二透镜E2、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，部分反射元件BS可以是镀设在第三透镜E3的第一侧面(靠近人眼侧的表面)上的半透半反射膜层。反射式偏光元件RP可以贴附于第一透镜E1的第一侧面(靠近人眼侧的表面)上。四分之一波板QWP可以贴附于第二透镜E2的第二侧面(靠近显示器侧的表面)上。

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，第二透镜E2的靠近人眼侧的表面S5、靠近显示器侧的表面S6，以及第三透镜E3的靠近人眼侧的表面S18、靠近显示器侧的表面S19均为非球面，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中非球面镜面S3-S6、S18和S19的高次项系数A₄、A₆、A₈、A₁₀、A₁₂、A₁₄、A₁₆、A₁₈和A₂₀。

系数\表面

S3

S4

S5

S6

S18

S19

A4

-2.8936E-01

-1.5113E-01

1.3327E-01

-4.8905E-03

-2.8988E-01

2.6714E-01

A6

1.9843E-01

-2.6197E-01

-2.7377E-01

3.2017E-01

8.8077E-02

-2.4404E-02

A8

-7.2904E-03

3.0361E-02

-4.9264E-03

-1.2643E-01

5.3540E-03

-1.8751E-01

A10

-1.6157E-03

5.3787E-03

-1.1425E-02

2.2082E-02

-7.6645E-03

9.1382E-03

A12

0.0000E+00

A14

0.0000E+00

A16

0.0000E+00

A18

0.0000E+00

A20

0.0000E+00

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、第二透镜E2、部分反射元件BS、第三透镜E3和影像面IMG。其中，反射式偏光元件RP、第一透镜E1、四分之一波板QWP和第二透镜E2构成第一元件组，部分反射元件BS和第三透镜E3构成第二元件组。

在该实施例中，第一元件组具有正光焦度，其中，第一透镜E1靠近人眼侧的表面为凹面，靠近显示器侧的表面为凸面；第二透镜E2靠近人眼侧的表面为凹面，靠近显示器侧的表面为凸面。第二元件组具有负光焦度，其中，第三透镜E3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发出的光束可依次穿过第二元件组的第三透镜E3和部分反射元件BS、以及第一元件组的第二透镜E2、四分之一波板QWP和第一透镜E1，到达反射式偏光元件RP，在反射式偏光元件RP处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，光束在部分反射元件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，部分反射元件BS可以是镀设在第三透镜E3的第一侧面(靠近人眼侧的表面)上的半透半反射膜层。反射式偏光元件RP可以贴附于第一透镜E1的第一侧面(靠近人眼侧的表面)上。四分之一波板QWP可以贴附于第二透镜E2的第一侧面(靠近人眼侧的表面)上。

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的靠近人眼侧的表面S3、靠近显示器侧的表面S4，第二透镜E2的靠近人眼侧的表面S6、靠近显示器侧的表面S7，以及第三透镜E3的靠近人眼侧的表面S18、靠近显示器侧的表面S19均为非球面，表4示出了可用于实施例2中各非球面镜面S3、S4、S6、S7、S18和S19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

S3

S4

S6

S7

S18

S19

A4

1.9887E-01

-1.9268E-01

2.3843E-01

-5.2062E-02

2.7880E-01

-2.3371E-01

A6

1.4662E-01

-4.2712E-02

-1.4118E-01

2.9558E-01

7.2087E-02

-1.6573E-01

A8

-3.8664E-02

-1.4715E-01

2.1236E-02

9.3743E-02

-2.4548E-02

-7.1272E-02

A10

-6.5591E-03

-3.1046E-03

1.4213E-04

3.0666E-04

-2.9853E-03

7.2500E-03

A12

0.0000E+00

A14

0.0000E+00

A16

0.0000E+00

A18

0.0000E+00

A20

0.0000E+00

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、第二透镜E2、第三透镜E3、部分反射元件BS和影像面IMG。其中，反射式偏光元件RP、第一透镜E1、四分之一波板QWP和第二透镜E2构成第一元件组，第三透镜E3和部分反射元件BS构成第二元件组。

在该实施例中，第一元件组具有正光焦度，其中，第一透镜E1靠近人眼侧的表面为凹面，靠近显示器侧的表面为凸面；第二透镜E2靠近人眼侧的表面为凹面，靠近显示器侧的表面为凸面。第二元件组具有负光焦度，其中，第三透镜E3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发出的光束可依次穿过第二元件组的部分反射元件BS和第三透镜E3、以及第一元件组的第二透镜E2、四分之一波板QWP和第一透镜E1，到达反射式偏光元件RP，在反射式偏光元件RP处被反射并再次穿过第一透镜E1、四分之一波板QWP、第二透镜E2和第三透镜E3到达部分反射元件BS，之后，光束在部分反射元件BS处再次被反射并依次穿过第三透镜E3、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，部分反射元件BS可以是镀设在第三透镜E3的第二侧面(靠近显示器侧的表面)上的半透半反射膜层。反射式偏光元件RP可以贴附于第一透镜E1的第一侧面(靠近人眼侧的表面)上。四分之一波板QWP可以贴附于第二透镜E2的第一侧面(靠近人眼侧的表面)上。

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、靠近显示器侧的表面S4，第二透镜E2的靠近人眼侧的表面S6、靠近显示器侧的表面S7，以及第三透镜E3的靠近人眼侧的表面S8、靠近显示器侧的表面S9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、S6、S7、S8和S9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	18.5927			折射
								S2	反射式偏光元件(RP)	非球面	-71.7746	0.2000	1.50	57.00	折射
S3	第一透镜(E1)	非球面	-71.7746	1.9700	1.60	26.13	折射
								S4		非球面	-95.9737	0.1000			折射
S5	四分之一波板(QWP)	非球面	-140.7247	0.3000	1.50	57.00	折射
								S6	第二透镜(E2)	非球面	-140.7247	11.2197	1.56	46.39	折射
S7		非球面	-40.0554	0.1000			折射
								S8	第三透镜(E3)	非球面	-42.1444	2.0000	1.64	21.46	折射
S9	部分反射元件(BS)	非球面	-56.3156	-2.0000	1.64	21.46	反射
								S10		非球面	-42.1444	-0.1000			折射
S11	第二透镜(E2)	非球面	-40.0554	-11.2197	1.56	46.39	折射
								S12	四分之一波板(QWP)	非球面	-140.7247	-0.3000	1.50	57.00	折射
S13		非球面	-140.7247	-0.1000			折射
								S14	第一透镜(E1)	非球面	-95.9737	-1.9700	1.60	26.13	折射
S15	反射式偏光元件(RP)	非球面	-71.7746	1.9700	1.60	26.13	反射
								S16		非球面	-95.9737	0.1000			折射
S17	四分之一波板(QWP)	非球面	-140.7247	0.3000	1.50	57.00	折射
								S18	第二透镜(E2)	非球面	-140.7247	11.2197	1.56	46.39	折射
S19		非球面	-40.0554	0.1000			折射
								S20	第三透镜(E3)	非球面	-42.1444	2.0000	1.64	21.46	折射
S21		非球面	-56.3156	5.3777			折射
								S22	影像面(IMG)	球面	无穷	0.0000			折射

表5

系数\表面

S3

S4

S6

S7

S8

S9

A4

-3.9844E-02

-1.5037E-01

2.5695E-01

5.9157E-02

-1.4120E-01

-2.9627E-02

A6

1.1446E-01

-2.1338E-01

1.3168E-02

2.5578E-01

-2.0257E-01

-1.6513E-03

A8

-2.8323E-02

1.3476E-01

7.5666E-02

-9.2370E-02

1.2953E-01

-1.2735E-02

A10

-4.4345E-03

-2.4579E-03

-3.4733E-02

-5.1424E-03

8.8666E-03

1.4788E-02

A12

0.0000E+00

A14

0.0000E+00

A16

0.0000E+00

A18

0.0000E+00

A20

0.0000E+00

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、第二透镜E2、第三透镜E3、部分反射元件BS和影像面IMG。其中，反射式偏光元件RP、第一透镜E1、四分之一波板QWP和第二透镜E2构成第一元件组，第三透镜E3和部分反射元件BS构成第二元件组。

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、靠近显示器侧的表面S4，第二透镜E2的靠近人眼侧的表面S6、靠近显示器侧的表面S7，以及第三透镜E3的靠近人眼侧的表面S8、靠近显示器侧的表面S9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、S6、S7、S8和S9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7

系数\表面

S3

S4

S6

S7

S8

S9

A4

-8.4010E-02

-7.8546E-02

1.9036E-01

-2.1572E-02

5.2745E-02

-1.3152E-01

A6

2.2228E-01

1.1684E-02

1.6292E-01

2.4958E-01

-2.4073E-01

1.4465E-01

A8

-2.7025E-02

-4.2279E-02

1.1215E-01

3.7177E-02

5.8821E-02

-2.5503E-02

A10

-2.2199E-03

8.6666E-02

6.9469E-02

5.8298E-02

8.0173E-02

-2.5179E-03

A12

0.0000E+00

A14

0.0000E+00

A16

0.0000E+00

A18

0.0000E+00

A20

0.0000E+00

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、第二透镜E2、第三透镜E3、部分反射元件BS和影像面IMG。其中，反射式偏光元件RP、第一透镜E1、四分之一波板QWP和第二透镜E2构成第一元件组，第三透镜E3和部分反射元件BS构成第二元件组。

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的靠近人眼侧的表面S3、靠近显示器侧的表面S4，第二透镜E2的靠近人眼侧的表面S6、靠近显示器侧的表面S7，以及第三透镜E3的靠近人眼侧的表面S8、靠近显示器侧的表面S9均为非球面，表10示出了可用于实施例5中各非球面镜面S3、S4、S6、S7、S8和S9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	18.5927			折射
								S2	反射式偏光元件(RP)	非球面	-71.7746	0.2000	1.60	26.13	折射
S3	第一透镜(E1)	非球面	-71.7746	1.9700	1.60	26.13	折射
								S4		非球面	-95.9737	0.1000			折射
S5	四分之一波板(QWP)	非球面	-140.7247	0.2000	1.50	57.00	折射
								S6	第二透镜(E2)	非球面	-140.7247	11.3197	1.56	46.39	折射
S7		非球面	-40.0554	0.1000			折射
								S8	第三透镜(E3)	非球面	-42.1444	2.0000	1.64	21.46	折射
S9	部分反射元件(BS)	非球面	-56.3156	-2.0000	1.64	21.46	反射
								S10		非球面	-42.1444	-0.1000			折射
S11	第二透镜(E2)	非球面	-40.0554	-11.3197	1.56	46.39	折射
								S12	四分之一波板(QWP)	非球面	-140.7247	-0.2000	1.50	57.00	折射
S13		非球面	-140.7247	-0.1000			折射
								S14	第一透镜(E1)	非球面	-95.9737	-1.9700	1.60	26.13	折射
S15	反射式偏光元件(RP)	非球面	-71.7746	1.9700	1.60	26.13	反射
								S16		非球面	-95.9737	0.1000			折射
S17	四分之一波板(QWP)	非球面	-140.7247	0.2000	1.50	57.00	折射
								S18	第二透镜(E2)	非球面	-140.7247	11.3197	1.56	46.39	折射
S19		非球面	-40.0554	0.1000			折射
								S20	第三透镜(E3)	非球面	-42.1444	2.0000	1.64	21.46	折射
S21		非球面	-56.3156	5.3828			折射
								S22	影像面(IMG)	球面	无穷	0.0000			折射

表9

系数\表面

S3

S4

S6

S7

S8

S9

A4

-3.9844E-02

-1.5037E-01

2.5695E-01

5.9157E-02

-1.4120E-01

-2.9627E-02

A6

1.1446E-01

-2.1338E-01

1.3168E-02

2.5578E-01

-2.0257E-01

-1.6513E-03

A8

-2.8323E-02

1.3476E-01

7.5666E-02

-9.2370E-02

1.2953E-01

-1.2735E-02

A10

-4.4345E-03

-2.4579E-03

-3.4733E-02

-5.1424E-03

8.8666E-03

1.4788E-02

A12

0.0000E+00

A14

0.0000E+00

A16

0.0000E+00

A18

0.0000E+00

A20

0.0000E+00

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：光阑STO、反射式偏光元件RP、第一透镜E1、第二透镜E2、四分之一波板QWP、第三透镜E3、部分反射元件BS和影像面IMG。其中，反射式偏光元件RP、第一透镜E1、第二透镜E2和四分之一波板QWP构成第一元件组，第三透镜E3和部分反射元件BS构成第二元件组。

在该实施例中，从影像面IMG发出的光束可依次穿过第二元件组的部分反射元件BS和第三透镜E3、以及第一元件组的四分之一波板QWP、第二透镜E2和第一透镜E1，到达反射式偏光元件RP，在反射式偏光元件RP处被反射并再次穿过第一透镜E1、第二透镜E2、四分之一波板QWP和第三透镜E3到达部分反射元件BS，之后，光束在部分反射元件BS处再次被反射并依次穿过第三透镜E3、四分之一波板QWP、第二透镜E2、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，部分反射元件BS可以是镀设在第三透镜E3的第二侧面(靠近显示器侧的表面)上的半透半反射膜层。反射式偏光元件RP可以贴附于第一透镜E1的第一侧面(靠近人眼侧的表面)上。四分之一波板QWP可以贴附于第二透镜E2的第二侧面(靠近显示器侧的表面)上。

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的靠近人眼侧的表面S3、靠近显示器侧的表面S4，第二透镜E2的靠近人眼侧的表面S5、靠近显示器侧的表面S6，以及第三透镜E3的靠近人眼侧的表面S8、靠近显示器侧的表面S9均为非球面，表12示出了可用于实施例6中各非球面镜面S3-S6、S8和S9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

S3

S4

S5

S6

S8

S9

A4

1.0585E-01

-2.5138E-02

-1.5441E-01

-8.0549E-03

2.4021E-01

6.2176E-02

A6

1.6102E-01

-2.9134E-01

6.4997E-03

2.1074E-01

-1.0945E-01

9.0487E-02

A8

-1.1245E-02

-3.0654E-02

1.0340E-01

1.0632E-01

-4.7500E-02

-1.5944E-03

A10

-8.2352E-03

-6.0035E-03

6.4735E-02

4.0456E-02

-1.5822E-02

4.0798E-03

A12

0.0000E+00

A14

0.0000E+00

A16

0.0000E+00

A18

0.0000E+00

A20

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FG1、第二元件组的有效焦距FG2、光学系统的有效焦距f、光学系统的入瞳直径EPD、光阑至光学系统的影像面在光轴上的距离SL、光阑至第三透镜的靠近显示器侧的表面在光轴上的距离SD、第一透镜的靠近人眼侧的表面至第三透镜的靠近显示器侧的表面在光轴上的距离TD、光阑至第一透镜的靠近人眼侧的表面在光轴上的距离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)	26.83	25.58	27.34	27.92	27.34	29.93
FG2(mm)	1186.53	-98.95	-258.94	1718.66	-258.94	131.04
							f(mm)	27.33	29.05	28.43	28.44	28.43	28.40
EPD(mm)	5.00	5.00	5.00	5.00	5.00	5.00
							SL(mm)	38.91	41.81	39.86	40.62	39.87	40.34
SD(mm)	35.71	29.26	34.48	32.70	34.48	32.88
							TD(mm)	15.31	12.71	15.69	14.27	15.69	14.81
ER(mm)	20.40	16.55	18.79	18.43	18.79	18.07
							CTR(mm)	0.20	0.20	0.20	0.20	0.20	0.20
CTQ(mm)	0.20	0.20	0.30	0.20	0.20	0.20

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

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、四分之一波板和第二透镜；所述第一透镜的第一侧面为凹面，第二侧面为凸面；所述第二透镜的第一侧面为凹面，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，包括第三透镜和部分反射元件；所述第三透镜的第一侧面为凹面；

所述四分之一波板贴附于所述第二透镜的第一侧面或第二侧面；

所述部分反射元件贴附于所述第三透镜的第一侧面或第二侧面；

所述第一侧为人眼侧，所述第二侧为显示器侧；

所述光学系统中反射式偏光元件、四分之一波板和部分反射元件的数量均是一；

所述光学系统中具有光焦度的透镜的数量是三；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：

0.59≤(FG2+FG1)/(FG2-FG1)<1.6。

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与所述第一透镜的第一侧面的曲率半径R1满足：

0.45≤R2/R1<1.7。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第二透镜的第一侧面的曲率半径R3与所述第二透镜的第二侧面的曲率半径R4满足：

-0.85≤(R3-R4)/(R3+R4)≤0.65。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜的折射率N1、所述第二透镜的折射率N2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：

1.2mm<(N1+N2)×(CTR+CTQ)<1.6mm。

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与所述光学系统的入瞳直径EPD满足：

5.47≤f/EPD≤5.81。

6.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、所述第一透镜在所述光轴上的中心厚度CT1与所述第二透镜在所述光轴上的中心厚度CT2满足：

2.06≤FG1/(CT1+CT2)≤7.94。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括光阑和设置在所述第二侧的影像面，所述光阑至所述影像面在所述光轴上的距离SL与所述第一透镜的第一侧面至所述第三透镜的第二侧面在所述光轴上的距离TD满足：

2.5<SL/TD<3.3。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括光阑，所述光阑至所述第三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：

1.75≤SD/ER≤1.83。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜的第一侧面的曲率半径R1、所述第二透镜的第一侧面的曲率半径R3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：

2.0mm<|R1+R3|/(V1+V2)≤6.82mm。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的光学系统，其特征在于，所述四分之一波板在所述光轴上的中心厚度CTQ、所述第二透镜和所述第三透镜在所述光轴上的空气间隔T23与所述第三透镜在所述光轴上的中心厚度CT3以及所述第三透镜的阿贝数V3满足：

0.05mm<(CTQ+T23+CT3)/V3<0.35mm。

11.一种VR设备，包括如权利要求1至10中的任一项所述的光学系统。