CN114460746B

CN114460746B - 一种光学系统以及头戴显示设备

Info

Publication number: CN114460746B
Application number: CN202111446784.7A
Authority: CN
Inventors: 孙琦; 赵博刚
Original assignee: Goertek Optical Technology Co Ltd
Current assignee: Goertek Optical Technology Co Ltd
Priority date: 2021-11-30
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2024-02-13
Anticipated expiration: 2041-11-30
Also published as: CN114460746A; EP4212942A1; JP2024501608A; EP4212942A4; KR20230084149A; WO2023097763A1

Abstract

本申请公开了一种光学系统以及头戴显示设备；其中，所述光学系统包括沿入射光的传播方向依次设置的第三透镜、第二透镜和第一透镜；所述第一透镜的有效焦距f₁和所述第二透镜的有效焦距f₂均大于所述光学系统的有效焦距f。本申请实施例提供了一种短焦、高光效、高解析力的直透式光学结构设计方案，具有较佳的成像质量。

Description

一种光学系统以及头戴显示设备

技术领域

本申请涉及光学成像技术领域，更具体地，本申请涉及一种光学系统以及头戴显示设备。

背景技术

近年来，增强现实(Augmented Reality，AR)技术及虚拟显现实(VirtualReality，VR)技术等在智能穿戴设备中得到了应用，并快速发展起来。增强现实技术和虚拟现实技术的核心部件均是显示光学系统。显示光学系统显示效果的好坏将直接决定着智能穿戴设备的质量。

在现有的相关技术中，以VR设备为例。现有的VR设备大多采用单片式透镜+显示屏幕(display)组合形成的显示光学系统。然而，基于光路成像要求，透镜距离显示屏幕会比较远，这就导致VR设备的尺寸较大，这不利于产品的小型化，可能会导致用户佩戴时的使用体验不佳。此外，在目前的VR设备中，还有采用折叠光路的方案，该方案虽然可以实现VR设备的小型化、轻量化，但却存在制作成本较高、光效低(＜25％)且存在鬼影的问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种光学系统以及头戴显示设备的新技术方案。

根据本申请的一个方面，提供了一种光学系统。所述光学系统包括沿入射光的传播方向依次设置的第三透镜、第二透镜和第一透镜；

其中，所述第一透镜的有效焦距f₁和所述第二透镜的有效焦距f₂均大于所述光学系统的有效焦距f。

可选地，所述第一透镜和所述第二透镜的光焦度均为正，所述第三透镜的光焦度为负。

可选地，所述第一透镜与所述第二透镜为胶合设置。

可选地，所述第一透镜和所述第二透镜胶合的两个表面均为菲涅尔面。

可选地，所述第一透镜的有效焦距f₁和所述第二透镜的有效焦距f₂之和大于所述第三透镜有效焦距f₃的绝对值。

可选地，所述第一透镜的有效焦距f₁设置为：20mm≤f₁≤40mm；

所述第二透镜的有效焦距f₂设置为：20mm≤f₂≤40mm；

所述第三透镜的有效焦距f₃设置为：-100mm≤f₃≤-50mm。

可选地，所述光学系统的有效焦距f满足：15mm≤f≤25mm。

可选地，所述第一透镜1与所述第二透镜2之间设置有间隔T₁，所述间隔T₁设置为0.1mm≤T₁≤0.5mm；

所述第二透镜与所述第三透镜之间设置有间隔Y，所述间隔Y设置为2mm≤Y≤4.5mm；

所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜位于同一光轴上。

可选地，所述第一透镜和所述第二透镜的材质相同，且均为COP材料；

所述第三透镜为OKP材料或者EP材料。

根据本申请的另一个方面，提供了一种头戴显示设备。

所述头戴显示设备包括如上任一种所述的光学系统。

本申请的有益效果在于：

本申请实施例提供的方案中，采用了多个透镜，通过合理设置透镜的有效焦距，这有利于实现整个光路结构短焦、高光效、高解析力的光学要求，从而有助于提升成像质量。本申请实施例提出了一种短焦、高分辨率的直透式光路结构设计方案，所形成的光学系统可应用于例如头戴显示设备(如，VR设备)中。

通过以下参照附图对本申请的示例性实施例的详细描述，本申请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申请的实施例，并且连同其说明一起用于解释本申请的原理。

图1是本申请实施例提供的光学系统的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的光学系统的成像原理示意图；

图3-图5是本申请实施例提供的光学系统中第三透镜的口径x与第三透镜和第二透镜之间的间隔Y的关系图；

图6是本申请实施例1提供的光学系统的点列图；

图7是本申请实施例1提供的光学系统的场曲和畸变图；

图8是本申请实施例1提供的光学系统的色散图。

附图标记说明：

1、第一透镜；2、第二透镜；3、第三透镜；4、显示屏幕；5、人眼；

11、第一表面；12、第二表面；

21、第三表面；22、第四表面；

31、第五表面；31、第六表面。

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、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法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1至图8对本申请实施例提供的光学系统以及头戴显示设备进行详细地描述。

根据本申请实施例的一个方面，提供了一种光学系统。

所述光学系统为一种短焦、高分辨率的直透式光学系统，其适合应用于电子设备中，例如头戴显示设备(head mounted display，HMD)，如VR设备(如VR眼镜或者VR头盔等)。具有良好的应用前景。

本申请实施例提供的一种光学系统，如图1和图2所示，其包括沿入射光的传播方向依次设置的第三透镜3、第二透镜2和第一透镜1；其中，所述第一透镜1的有效焦距f₁和所述第二透镜2的有效焦距f₂均大于所述光学系统的有效焦距f。

本申请实施例提供的光学系统，其为直透式光路结构，光路设计较为简单，这使得整个光学系统的制作较为容易。

需要说明的是，所述光学系统例如还包括显示屏幕(display)4。

所述显示屏幕4在光路结构中可用于发射光线，即上述的入射光。

也就是说，在本申请实施例提供的光学系统方案中设计了一组透镜组合，该透镜组合例如可以包括三个透镜，如图1和图2所示，将其中的各透镜布设在如显示屏幕4的出光侧位置，其具体位于显示屏幕4发射出的入射光的传播方向上，其能够用于将所述入射光投射到人眼5中进行成像。

如图1和图2所示，本申请实施例提供的方案中，采用了多个透镜(例如三个透镜)，并通过合理设置透镜的有效焦距，这有利于实现整个光路结构短焦、高光效、高解析力的光学要求，从而有助于提升成像质量。

本申请实施例提出了一种短焦、高分辨率的直透式光路结构设计方案，所形成的光学系统可应用于例如头戴显示设备(如，VR设备)中，其还有助于实现头戴显示设备的小型化、轻量化发展趋势。

综合比较，本申请实施例提供的方案克服了现有单片式透镜+显示屏幕(display)的组合方案带来的透镜距离显示屏幕较远，导致VR设备的尺寸较大，不利于产品的小型化及光效低的问题。同时，也能够改善采用折叠光路的缺陷，其加工难度及生产成本都比较低，直透式光学结构也比折叠光路简单。

例如，如图1和图2所示，在所述光学系统中设置有一显示屏幕4，该显示屏幕4例如为1.4inch Display，实现了100度视场角。在此基础上，常规的单片式透镜(1P)结构或者双片式透镜(2P)结构均不足以分辨该类型的显示屏幕。究其原因在于：

单片式透镜(1P)仅存在两个表面的面型自由度的优化，其汇聚能力有限，而且像差或者色差无法校正，全视场可分辨的像素大小(成像光斑尺寸spot size)约为80μm～100μm，而更重要的是无法达到短焦的目的。

双片式透镜(2P)虽然增加了透镜表面面型优化的自由度，可实现短焦，但仍存在解析力的限制，其全视场可分辨的像素大小(成像光斑尺寸spot size)约为60μm～80μm。

本申请实施例中采用的光学镜片组合，其能够进一步提升解析力，并能够在一定程度上校正色差，形成的是一种直透式的短焦光路结构。

在本申请的一些例子中，所述第一透镜1和所述第二透镜2的光焦度均为正，所述第三透镜3的光焦度为负。

可以理解的是，在本申请实施例提供的光学系统中，所述第一透镜1和所述第二透镜2均设计为正透镜，所述第三透镜3设计为负透镜。两个正透镜可以提供较大的正光焦度，而负透镜可用来消除色差。

在本申请的一些例子中，所述第一透镜1与所述第二透镜2为胶合设置。

也就是说，在本申请的实施例中设计，两个正透镜之间是胶合设置的，而负透镜与这两个胶合设置的正透镜之间为分离式设计。

如图1和图2所示，可以理解的是，在光路结构中，将远离显示屏幕4一侧的所述第一透镜1与所述第二透镜2之间采用胶合设置，该设计有助于减少杂散光；而将靠近所述显示屏幕4一侧的所述第三透镜3独立设置，使其与两个胶合设置的透镜为分离式结构，这有助于提升成像质量。

并且，将所述第一透镜1和所述第二透镜2之间进行胶合的设计，能够减少了结构件的组装难度、及减少了镜片之间因组装而产生杂质的风险，从而能够提升良品率。

在本申请的一些例子中，如图1和图2所示，所述第一透镜1和所述第二透镜2胶合的两个表面均为菲涅尔面。

也就是说，在所述光学系统中设计具有两个相邻设置的菲涅尔面，并且这两个菲涅尔面是胶合设置的。该设计能实现光路结构的低色散和短焦，可以减少杂散光，这使得形成的光学系统光效高，可以实现高清晰度成像。

在本申请的一些例子中，如图1所示，所述第一透镜1包括第一表面11和第二表面12，所述第二透镜2包括第三表面21和第四表面22，这样在整个光路结构中，所述第二表面12与所述第三表面21为相邻设置，且均设置为菲涅尔面，所述第一表面11和所述第四表面22均为非球面(进一步地，这两个表面均为凸面)。

其中，所述第一透镜1的第一表面11直接朝向人眼5，其是位于外部的；所述第一透镜1的第二表面12与所述第二透镜2的第三表面21为相邻设置；本申请中将所述第一透镜1的第一表面11设置为非球面(例如凸面)，将所述第一透镜1的第二表面12设置为菲涅尔面，这样，所述第一透镜1(为正透镜)就形成了非球面+菲涅尔面的两种面型组合形式。

可选的是，本申请的实施例中设计：在所述第一透镜1的第一表面11和第二表面12上分别镀有增透膜(Anti-Reflective coating，AR)。

在所述第一透镜1的两个表面上分别镀有增透膜之后，可通所述增透膜来减少反射光，以此来增加光线在所述第一透镜1两个表面上的透过率。

可选的是，在所述第一透镜1的第一表面11上除了镀有所述增透膜之外，在所述第一表面11上还可以镀上硬化膜。

这是因为：所述第一透镜1的第一表面11是面向外部的，其需要避免划伤、碰伤等损伤，通过镀上所述硬化膜之后就能够提高所述第一透镜2的使用寿命。在所述第一表面11上镀硬化膜，即对所述第一表面11进行硬化处理，以此就能够提高所述第一表面11的硬度、强度等。这对于提高整个光学系统的使用寿命是有利的。

当然，本申请实施例中并不限于在所述第一透镜1的第一表面11上镀硬化膜，还可以在所述第一透镜1的第二表面12上镀有硬化膜，本领域技术人员可以根据具体需要灵活调整，本申请在此不做具体限制。

此外，本申请实施例中，所述第一透镜1还具有如下参数。

例如，所述第一透镜1的第一表面11的半径R₁的绝对值满足：35mm≤R₁≤65mm；所述第一透镜1的第二表面12的半径R₂的绝对值满足：20mm≤R₂≤40mm；所述第一透镜1的第一表面11和第二表面12的圆锥系数K₁的绝对值满足：K₁≤20。

其中，所述第一表面11与所述第二表面12的面型设计不同。

具体地，朝向外的所述第一表面11被设计为非球面(例如凸面)，而所述第二表面12被设计为菲涅尔面，利用菲涅尔面和非球面组合形成的第一透镜1应用于光路结构中有助于实现短焦、高分辨的效果。

本申请的实施例中，在对所述第一透镜1的面型优化之后，考虑到加工难度及成本，更为优选的是，将所述第一透镜1的圆锥系数(Coin Constant)，即K₁值例如设计在[-10，10]，并且，所述第一透镜1的菲涅尔面的半径R>23mm。

在本申请的一些例子中，所述第二透镜2与所述第一透镜1的面型组合形式可以是相同的，如图1和图2所示，所述第二透镜2包括第三表面21和第四表面22，所述第三表面21为菲涅尔面，所述第四表面22设置为非球面(例如凸面)。

可选的是，在所述第三表面21和第四表面22上也镀有增透膜。

其中，通过所述增透膜来减少反射光，以此来增加光线在所述第二透镜2两个表面上的透过率。

此外，本申请实施例中，所述第二透镜2还具有如下参数。

在本申请的一些例子中，所述第二透镜2的第三表面21的半径R₃的绝对值满足：20mm≤R₃≤40mm；所述第二透镜2的第四表面22的半径R₄的绝对值满足：35mm≤R₄≤80mm；所述第二透镜2的第三表面21和第四表面22的圆锥系数K₂的绝对值满足：K₂≤20。

本申请的实施例中，在对所述第二透镜2的面型优化之后，考虑到加工难度及成本，更为优选的是，将所述第二透镜2的圆锥系数(Coin Constant)，即K₂值设计在[-10，10]，并且所述第二透镜2的菲涅尔面的半径>23mm。这与所述第一透镜1基本是相同的。

需要说明的是，所述第一透镜1和所述第二透镜2均具有菲涅尔面。考虑到镜片面型的加工，需要将面型参数设定到某一范围内，否则会出现加工精度低或者断刀风险(这是因为齿形加工困难大，齿形的锐角越小，加工的倾角和动作越困难)。也正因为如此，设定圆锥系数K值较为优选地范围为[-10，10]，且各透镜的菲涅尔面的R值在23mm以上。

在本申请实施例的方案中，对于所述第一透镜1和所述第二透镜2，即两个正透镜，均利用非球面(例如凸面)+菲涅尔面组合的方式，基于不同折射率&阿贝数材料选择及配合，实现了光路结构的低色散及短焦。

在本申请的一些例子中，如图1所示，所述第三透镜3包括第五表面31和第六表面32；所述第五表面31与所述第二透镜2的第四表面22为相邻设置，所述第五表面31和所述第六表面32中的至少一个设置为非球面。

例如，所述第三透镜3的光焦度为负。

也就是说，在本申请的方案中设计，所述第三透镜3为负透镜，其为中间薄而周边厚的透镜，其具有发散光的能力。所述第三透镜3在整个光路结构中可用以进行消色差。

所述第三透镜3例如可以为双凹透镜(即两个表面均为凹面)，也可以为平凹透镜(即一个表面为凹面，另一个表面为平面)。

较为优选的是，所述第五表面31设置为平面，所述第六表面32设置为凹面。即，在整个光路结构中，与所述第四表面22相邻的面为平面，与所述显示屏幕4相邻的面为凹面。

可选的是，在所述第五表面31和所述第六表面32上均镀有增透膜(Anti-Reflective coating，AR)。

在所述第三透镜3的两个表面上分别镀有增透膜之后，可通所述增透膜来减少反射光，以此来增加光线在所述第三透镜3两个表面上的透过率。

在本申请一个具体的例子中，如图1所示，所述光学系统包括：显示屏幕4，以及所述第一透镜1、所述第二透镜2和所述第三透镜3；其中，例如可将所述显示屏幕4作为显示光源，所述第一透镜1和所述第二透镜2均为非球面+菲涅尔面的正透镜，而靠近所述显示屏幕4侧的所述第三透镜3设置为负透镜。在三个透镜的各表面上均进行了镀增透膜处理，还对所述第一透镜1的第一表面11进行了硬化膜加硬+增透膜处理。在此基础上，如图2所示：

所述显示屏幕4发射出的所述入射光经过镀有增透膜的所述第三透镜3的第六表面32进入到所述第三透镜3内部，经所述第三透镜3的传递光线被发散后进入到所述第二透镜2，所述第二透镜2的两个表面也均镀有增透膜，这样，光线经所述第二透镜2后进行汇聚，然后进入至所述第一透镜1，所述第一透镜1仍为汇聚的正透镜，经所述第一透镜1的光线传输后，再进入到人眼5进行成像。整个光学系统中并无光路折叠，且各透镜的表面均镀有增透膜，光线传递效率高。

在本申请的一些例子中，所述第一透镜1与所述第二透镜2的边缘区域胶合设置。

也就是说，所述第一透镜1和所述第二透镜2仅在边框处通过框胶的方式胶合在一起。

例如，采用透光的光学胶使所述第一透镜1和所述第二透镜2的边缘区域胶合连接。其中，所述光学胶的折射率比各透镜的折射率要低，如折射率为1.1～1.3。

通过上述方式，可使得所述第一透镜1与所述第二透镜2组成一个胶合系统。胶合系统在一方面可减少因菲涅尔面齿形导致的杂散光的影响。胶合之后的两个正透镜作为一个光学元件装配在光路结构中，降低了组装难度。此外，通过点胶在所述第一透镜1与所述第二透镜2的边缘区域进行胶合，减少了两个透镜间因组装产生杂质的风险，提升了良品率。

在本申请的一些例子中，如图1和图2所示，所述第一透镜1与所述第二透镜2之间设置有间隔T₁，所述间隔T₁设置为0.1mm≤T₁≤0.5mm；

所述第一透镜1、所述第二透镜2和所述第三透镜3位于同一光轴上。

其中，所述第一透镜1与所述第二透镜2为胶合设置，因此，二者之间的间隔很小。

其中，所述第二透镜2与所述第三透镜3之间设置有间隔Y，所述间隔Y与所述第三透镜3的口径x之间满足如下关系：

Y＝ax+b；其中：-0.8≤a≤-0.39，30≤b≤35。

也就是说，在本申请实施例提供的方案中，所述第二透镜2与所述第三透镜3之间具有一定的间隔Y，而该间隔Y的值与所述第三透镜3的口径x的值之间形成了一种线性负相关的关系。

在整个光路结构中，当所述第二透镜2保持不动，可以通过调整所述第三透镜3相对于所述第二透镜2的距离来改变所述第三透镜3的通光口径的大小。例如，间隔值Y与口径值x之间需要满足的关系为：Y＝ax+b；其中：-0.8≤a≤-0.39，30≤b≤35。

可以理解的是，当所述第三透镜3越靠近所述第二透镜2，则所述第三透镜3的口径x就越大。也就是说，二者之间的间隔Y值约小，则所述第三透镜3的口径x越大。

此外，在所述光学系统中若还设置有显示屏幕4，则各透镜的间距在经过合理布置之后，还需要考虑所述第三透镜3与所述显示屏幕4之间的间隔尺寸。

例如，所述第三透镜3与所述显示屏幕4之间设置有第三间隔T₂。

可选的是，所述第三间隔T₃设置为8mm≤T₂≤15mm。

在本申请的一些例子中，所述第一透镜1和所述第二透镜2的材质相同，且均为COP材料；所述第三透镜3为OKP材料或者EP材料。

COP材料、OKP材料、EP材料均为透光的树脂材料，质量轻，通过采用这些材料制作透镜，可以降低透镜组的质量，实现轻量化。

对于各透镜，在材料选择上，基于短焦和色差的考虑，选择高折射率及高低阿贝数的材料组合进行优化设计。

本领域技术人员可以根据实际需要对所述第一透镜1、所述第二透镜2及所述第三透镜3的材质进行合理选择，并不限于上述的材料种类。

在本申请的一些例子中，所述第一透镜1的中心厚度值h₁为：2mm≤h₁≤4mm；所述第二透镜2的中心厚度h₂为：3mm≤h₂≤5mm；所述第三透镜3的中心厚度h₃为：2mm≤h₃≤4mm。

各透镜的厚度不会过厚，这也有利于降低整个光路结构的重量。

在本申请的一些例子中，所述第一透镜1的有效焦距f₁和所述第二透镜2的有效焦距f₂之和大于所述第三透镜3有效焦距f₃的绝对值。

可选的是，所述第一透镜1的有效焦距f₁设置为：20mm≤f₁≤40mm；

所述第二透镜2的有效焦距f₂设置为：20mm≤f₂≤40mm；

所述第三透镜3的有效焦距f₃设置为：-100mm≤f₃≤-50mm。

在本申请的一些例子中，所述光学系统的有效焦距f满足：15mm≤f≤25mm。

本申请提供的是一种短焦光学系统。整个光学系统中并无光路折叠，是一种直透式的光学系统，能够实现高清成像。

以下为本申请实施例提供的方案的一个应用实例：

(1)配合1.4inch显示屏幕4实现了90度视场角。

(2)畸变小于34.6％，场曲小于0.5mm。

(3)色差小于178um。虚像距离为1500mm。

(4)0～1.0F的spot size均小于2display pixels，实现可见光波段(450nm～630nm)清晰成像。

(5)光学系统的有效焦距f为19.13mm，光学总长(Total Track Length，TTL)为23.31mm，所述第三透镜3的口径x为33.2mm。

实施例1

实施例1提供了一种光学系统，采用表1示出光学系统中的结构参数。

表1中分别列出由人眼5(光阑)到显示屏幕4依序编号的光学面号码(Surface)、在光轴上各光学面的曲率(C)、从人眼5(光阑)到显示屏幕4的光轴上各光学面与后一光学面的距离(T)，及偶次非球面系数α₂、α₃、α₄。

其中，非球面系数可以满足如下的方程：

式(1)中：z是沿光轴方向的坐标，Y为以透镜长度单位为单位的径向坐标，C是曲率(1/R)，K为圆锥系数(Coin Constant)，αi是各高次项的系数，2i是非球面的高次方(theorder of Aspherical Coefficient)，本申请的方案设计中考虑到场曲的平缓，无高次项球面系数至4阶。

表1

通过如下参数反应实施例1的光学系统的性能好坏：

如图6所示，spot size最大处为最大视场1.0F，其最大值小于44μm；

如图7所示，T&S方向场曲RGB波长均小于0.5mm，最大畸变为最大视场处＜34.5％；

如图8所示，RGB最大色散为视场最大位置，整个RGB 460nm～610nm，LCA为178nm。

本申请实施例提供的光学系统中，所述第三透镜3的口径值x与所述第三透镜3和所述第二透镜2之间的间隔Y值关系如下：

当所述第三透镜3越靠近所述第二透镜2时，所述第三透镜3的口径值x越大，二者之间呈一种线性负相关的关系。

以下采用三个实施例进行说明，如图3至图5所示。

实施例2

在所述光学系中，所述第一透镜1和所述第二透镜2的光焦度均设置为正，且面型参数分别如下：

所述第一透镜1：第一表面11(凸面)的半径值R₁＝45mm，第二表面12(菲涅尔面)的半径值R₂＝25mm；

所述第二透镜2：第三表面21(菲涅尔面)的半径值R₃＝25mm，第四表面22(凸面)的半径值R₄＝45mm；

所述第三透镜3的光焦度为负，其靠近一显示屏幕4设置；

当所述第二透镜2到所述第三透镜3之间的间隔值Y设置为2mm时，则对应的所述第三透镜3的口径值x为31.14mm；

当所述第二透镜2到所述第三透镜3之间的间隔值Y设置为3mm时，则对应的所述第三透镜3的口径值x为30.1mm；

当所述第二透镜2到所述第三透镜3之间的间隔值Y设置为3.5m时，则对应的所述第三透镜3的口径值x为29.7mm；

当所述第二透镜2到所述第三透镜3之间的间隔值Y设置为4mm时，则对应的所述第三透镜3的口径值x为29.4mm；

当所述第二透镜2到所述第三透镜3之间的间隔值Y设置为4.5mm时，则对应的所述第三透镜3的口径值x为29.2mm。

根据上述列出的所述第二透镜2到所述第三透镜3之间的间隔值Y与所述第三透镜3的口径值x关系，可以确定二者呈线性负相关关系，如图3所示，Y＝-0.7854x+32.578。

实施例3

所述第一透镜1：第一表面11(凸面)的半径值R₁＝35mm，第二表面12(菲涅尔面)的半径值R₂＝25～29mm；

所述第二透镜2：第三表面21(菲涅尔面)的半径值R₃＝25～29mm，第四表面22(凸面)的半径值R₄＝35mm；

所述第一透镜1的有效焦距f₁≈所述第二透镜2的有效焦距f₂＝29mm；

所述第三透镜3的光焦度为负，其靠近一显示屏幕4设置；

当所述第二透镜2到所述第三透镜3之间的间隔值Y设置为2mm时，则对应的所述第三透镜3的口径值x为30.06mm；

当所述第二透镜2到所述第三透镜3之间的间隔值Y设置为3mm时，则对应的所述第三透镜3的口径值x为29.3mm；

当所述第二透镜2到所述第三透镜3之间的间隔值Y设置为3.5m时，则对应的所述第三透镜3的口径值x为29.2mm；

当所述第二透镜2到所述第三透镜3之间的间隔值Y设置为4mm时，则对应的所述第三透镜3的口径值x为29.07mm；

当所述第二透镜2到所述第三透镜3之间的间隔值Y设置为4.5mm时，则对应的所述第三透镜3的口径值x为28.6mm。

根据上述列出的所述第二透镜2到所述第三透镜3之间的间隔值Y与所述第三透镜3的口径值x关系，可以确定二者呈线性负相关关系，如图4所示，Y＝-0.5357x+31.078。

实施例4

所述第一透镜1：第一表面11(凸面)的半径值R₁＝50mm，第二表面12(菲涅尔面)的半径值R₂＝25mm；

所述第二透镜2：第三表面21(菲涅尔面)的半径值R₃＝25mm，第四表面22(凸面)的半径值R₄＝50mm；

所述第三透镜3的光焦度为负，其靠近一显示屏幕4设置；

当所述第二透镜2到所述第三透镜3之间的间隔值Y设置为2mm时，则对应的所述第三透镜3的口径值x为30.1mm；

当所述第二透镜2到所述第三透镜3之间的间隔值Y设置为3mm时，则对应的所述第三透镜3的口径值x为29.7mm；

当所述第二透镜2到所述第三透镜3之间的间隔值Y设置为3.5m时，则对应的所述第三透镜3的口径值x为29.5mm；

当所述第二透镜2到所述第三透镜3之间的间隔值Y设置为4mm时，则对应的所述第三透镜3的口径x为29.38mm；

当所述第二透镜2到所述第三透镜3之间的间隔值Y设置为4.5mm时，则对应的所述第三透镜3的口径值x为29.08mm。

根据上述列出的所述第二透镜2到所述第三透镜3之间的间隔值Y与所述第三透镜3的口径值x关系，可以确定二者呈线性负相关关系，如图5所示，Y＝-0.393x+30.888。

从上述的实施例2到实施例4中可以看出，所述第三透镜3和所述第二透镜2之间的间隔尺寸Y与所述第三透镜3的口径值x成线性负相关的关系。但不同的透镜面型参数得到的线性系数稍有不同，例如：

Y＝ax+b；其中：-0.8≤a≤-0.39，30≤b≤35，Y为所述第二透镜2到所述第三透镜3之间的间隔T，x为所述第三透镜3的口径值。

本申请实施例提供了一种短焦光学系统，但其中并不涉及折叠光路：

(1)通过多个光学镜片组合(如三片)，包括两片胶合在一起的正透镜及一片分离式设计的负透镜，能够很好地实现超短焦效果；

(2)将两个正透镜的菲涅尔面进行胶合处理，可以减少杂散光，同时有助于两个正透镜在光路结构中的装配，简化了装配工艺；

(3)将靠近所述显示屏幕4的负透镜的参数进行特殊设计，有助于成像质量的提升。

根据本申请的另一个方面，提供了一种头戴显示设备。

所述头戴显示设备包括如上任一种所述的光学系统。

所述头戴显示设备例如为VR设备。

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。

虽然已经通过例子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，以上例子仅是为了进行说明，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

1.一种光学系统，其特征在于，包括由沿入射光的传播方向依次设置的第三透镜(3)、第二透镜(2)和第一透镜(1)组成的透镜组合；

其中，所述第一透镜(1)的有效焦距f1和所述第二透镜(2)的有效焦距f2均大于所述光学系统的有效焦距f；

所述光学系统的有效焦距f满足：15mm≤f≤25mm；

所述第一透镜(1)的有效焦距f1设置为：20mm≤f1≤40mm；

所述第二透镜(2)的有效焦距f2设置为：20mm≤f2≤40mm；

所述第三透镜(3)的有效焦距f3设置为：-100mm≤f3≤-50mm；

所述第一透镜(1)与所述第二透镜(2)为胶合设置；

所述第一透镜(1)和所述第二透镜(2)胶合的两个表面均为菲涅尔面。

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(1)和所述第二透镜(2)的光焦度均为正，所述第三透镜(3)的光焦度为负。

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(1)与所述第二透镜(2)均为非球面+菲涅尔面的正透镜。

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(1)的中心厚度值h1为：2mm≤h1≤4mm；所述第二透镜(2)的中心厚度h2为：3mm≤h2≤5mm；所述第三透镜(3)的中心厚度h3为：2mm≤h3≤4mm。

5.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(1)的有效焦距f1和所述第二透镜(2)的有效焦距f2之和大于所述第三透镜(3)有效焦距f3的绝对值。

6.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1与所述第二透镜2之间设置有间隔T1，所述间隔T1设置为0.1mm≤T1≤0.5mm；

所述第二透镜(2)与所述第三透镜(3)之间设置有间隔Y，所述间隔Y设置为2mm≤Y≤4.5mm；

所述第一透镜(1)、所述第二透镜(2)和所述第三透镜(3)位于同一光轴上。

7.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(1)和所述第二透镜(2)的材质相同，且均为COP材料；所述第三透镜(3)为OKP材料或者EP材料。

8.一种头戴显示设备，其特征在于：包括：如权利要求1-7中任意一项所述的光学系统。