CN115268009A - 光学系统及头戴式设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光学系统及头戴式设备，所述光学系统沿着光轴由人眼侧至像源侧依序包括第一透镜、第二透镜及第三透镜，第三透镜具有正屈折力且沿所述光轴方向上可移动，第三透镜的像侧面于近光轴处为凸面；光学系统满足关系式：2＜OTmax/(CT3‑BFmin)＜4.5，其中，OTmax为第一透镜的物侧面至第三透镜的物侧面于光轴上的最大距离，CT3为第三透镜在所述光轴上的厚度，BFmin为第三透镜的像侧面至光学系统的像源面于所述光轴上的最小距离。本申请的光学系统及头戴式设备，能够适配不同用户的近视程度，从而有利于提高用户的使用体验。

Description

光学系统及头戴式设备

技术领域

本申请涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种光学系统及头戴式设备。

背景技术

随着技术的进步和社会经济发展的需要，虚拟现实技术发展迅速，运用虚拟现实技术的头戴式设备（例如VR眼镜）应运而生。常规的头戴式设备中的光学系统由于受到放大倍率的限制，通常具有较长的尺寸，不利于光学系统自身的小型化设计，从而不适于小型化的头戴式设备。另一方面，由于不同用户的近视程度不同，大部分的头戴式设备中的光学系统并不具备根据用户的近视程度的调整功能，影响用户的使用体验性。

发明内容

本申请实施例公开了一种光学系统及头戴式设备，能够在实现小型化设计的基础上，适配不同用户的近视程度，有效提高用户使用体验。

为了实现上述目的，第一方面，本申请公开了一种光学系统，所述光学系统沿着光轴沿人眼侧至像源侧依序包括：

第一透镜，具有屈折力；

第二透镜，具有屈折力；

第三透镜，具有正屈折力，所述第三透镜沿所述光轴方向上可移动，所述第三透镜的像侧面于近光轴处为凸面；

所述光学系统满足关系式：

2＜OTmax/(CT3-BFmin)＜4.5，其中，OTmax为所述第一透镜的物侧面至所述第三透镜的物侧面于光轴上的最大距离，CT3为所述第三透镜在所述光轴上的厚度，BFmin为所述第三透镜的像侧面至所述光学系统的像源面于所述光轴上的最小距离；

其中，所述第一透镜的物侧面为朝向所述人眼侧的一面，所述第三透镜的物侧面为朝向该所述人眼侧的一面，所述第三透镜的像侧面为朝向所述像源侧的一面。

通过设置三枚具有屈折力的透镜，可以在有限的透镜数量下，实现光路的压缩和折叠，从而实现光学系统的薄型化设计；而具有正屈折力的第三透镜，且第三透镜的像侧面于近光轴处为凸面，能够更好地聚焦大视角范围内的光线，有利于匹配大尺寸的像源面，进而扩大视野范围。

进一步地，本申请的光学系统还通过设置第三透镜沿光轴方向上可移动，使得该光学系统能够根据不同用户的近视程度，调整第三透镜沿光轴方向上的移动，进而实现调焦，从而适配不同用户的近视程度，提高用户使用体验。同时，配合光学系统满足关系式为2＜OTmax/(CT3-BFmin)＜4.5的设计，可控制第三透镜在光轴方向上的移动量，不仅可以有效利用透镜间的排布空间，从而保证光学系统的轻薄小型化，同时，还可实现光学系统焦距的合理调节，使得该光学系统能够适配在0-500度的近视焦距范围，适配0-500度近视人群，而且在第三透镜移动调焦过程中，使得该光学系统能够维持中心以及边缘视角90°以内的影像的品质，确保该光学系统的成像清晰度。超过关系式范围，将导致第三透镜在光轴方向上的移动量过大或过小，一方面，造成光学元件之间干涉或不能有效利用透镜间的排布空间，不利于光学系统的轻薄小型化；另一方面，不能有效控制光学系统的焦距调节，影响光学系统的成像清晰度，降低影像品质。

作为一种可选地实施方式，所述光学系统还包括偏光结构，所述偏光结构位于所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜中的任意两个相邻的透镜之间；和/或，

所述光学系统还包括半透半反膜，所述半透半反膜位于所述第三透镜的物侧或像侧。

通过设置光学系统还包括偏光结构，并使得偏光结构位于第一透镜、第二透镜、第三透镜中的任意两个透镜之间，从而实现对光学系统中的光路的偏振折反、透射、反射，从而在有限的透镜数量下，实现光路的偏转和折叠，无需通过增加透镜数量，有效减小光学系统的整体体积，进而有利于光学系统的轻薄小型化设计。

相应地，通过设置光学系统还包括半透半反膜，且半透半反膜位于第三透镜的物侧或像侧，从而能够更好地聚焦大视角范围内的光线至半透半反膜上进行透射或反射，有利于匹配大尺寸的像源面，进而扩大视野范围。

作为一种可选地实施方式，所述光学系统满足以下关系式：1.6<f/EPDmax<2.2，和/或，4<f/EPDmin<6；

其中，f是所述光学系统的焦距，EPDmax是所述光学系统的最大入瞳直径，EPDmin是所述光学系统的最小入瞳直径。

通过适当地调整光学系统的焦距分别和最大入瞳直径、最小入瞳直径的比值，一方面，入瞳直径具有较大的变化范围，可适配不同的人眼瞳孔，从而满足不同的用户需要，提高用户使用体验；另一方面，光学系统具有较大的入瞳直径，能够合理控制光学系统的进光量，即，可增大光学系统的进光量，使其具有大光圈特性，从而提高成像的相对照度，不仅可减少暗角现象，还可提高暗光环境下的成像效果。

作为一种可选地实施方式，所述光学系统满足以下关系式：|V2-V3|>35；

其中，V2是所述第二透镜的色散系数，V3是所述第三透镜的色散系数。

由于光线在第二透镜和第三透镜之间多次传递，实现光路折叠的同时，还可实现像差的多次校正，通过对位于光学系统的像源面附近的第二透镜和第三透镜选择色散系数相差较大的材料，尤其是对第二透镜采用高色散系数的材料，使得第二透镜与第三透镜的色散系数差距较大，从而能够快速并有效校正各视场的高阶像差，即可以更好地矫正系统的垂轴色差、轴向色差以及色球差，从而对光学系统的像质有较好的保证。

作为一种可选地实施方式，所述光学系统满足以下关系式：TL/ImgH<1.1；其中，TL是所述第一透镜的物侧面至所述光学系统的像源面在光轴上的距离，ImgH为所述光学系统的像源面上像源区域对角线长的一半。

通过约束第一透镜的物侧面至光学系统的像源面在光轴上的距离和光学系统的像源面上像源区域对角线长一半的比例，可以使得该光学系统能够匹配大像面的感光芯片，从而有利于提高成像分辨率，使光学系统具备高像素效果；同时还有利于缩短光学系统的总长，使得光学系统的结构更加紧凑，从而实现光学系统的超薄化、小型化设计，此外，由于各透镜面型较平滑，在光学系统紧凑的空间结构下，透镜仍具有充足的排布空间，使得透镜成型组装时具有低敏感性和容易加工的特点。

作为一种可选地实施方式，所述光学系统满足以下关系式：1.5<TL/(CT1+CT2+CT3)<1.75；

其中，TL是所述第一透镜的物侧面至所述光学系统的像源面沿光轴上的距离，即，光学系统的总长，CT1是所述第一透镜在所述光轴上的厚度，CT2是所述第二透镜在所述光轴上的厚度，CT3是所述第三透镜在所述光轴上的厚度。

通过控制第一透镜至第三透镜中，各透镜在光轴上的厚度之和与光学系统的总长的比值范围，一方面各透镜的厚度与各透镜间的间隙分布较为均匀，能够有效控制光学系统的整体体积，透镜间具有充足且紧凑的排布空间，从而使得光学系统实现小型化设计，另一方面，各透镜的厚度与空气间隙均匀排布，光线在透镜和空隙间交替传递时，光线具有足够的偏折空间，从而能够合理的控制光学系统的光线偏折，有利于减小光线的偏折角度，进而便于平衡各透镜产生的畸变等像差范围，避免产生较严重的畸变、场曲、像散等，使得光学系统具有良好的畸变、场曲、像散表现，提高成像品质。

作为一种可选地实施方式，所述光学系统满足以下关系式：4.5<DT32/∑ATmin<8，和/或，3.5<DT32/∑ATmax<5.8；

其中，DT32是所述第三透镜的像侧面的最大有效半口径，∑ATmin是所述第一透镜至所述第三透镜中，各相邻的两个透镜在所述光轴上的空气间隔的总和的最小值，∑ATmax是第一透镜至所述第三透镜中，各相邻的两个透镜在所述光轴上的空气间隔的总和的最大值。

因第三透镜为最靠近像源侧的透镜，且第三透镜沿光轴方向上可移动，因此，通过合理的控制第三透镜的像侧面的最大的有效半口径及第一透镜至第三透镜任意相邻两透镜之间在光轴上的空气间隔的总和，可控制第一透镜至第三透镜间的间隙分布，使透镜间分布较为紧凑均匀，能够有效减小光学系统的整体尺寸，从而实现光学系统的轻薄小型化设计，同时也可有效控制第三透镜在光轴方向上的移动量，避免第三透镜与像源侧的间隔过大或过小，使得光线具有足够的传递空间，从而像源侧光线与第三透镜的最大口径匹配，可实现像源侧大角度光线的扩束与有效汇聚，提升解像力。

作为一种可选地实施方式，所述光学系统满足以下关系式：0.7<|f1-f2|/|f2|<2.4；

其中，f1是所述第一透镜的焦距，f2是所述第二透镜的焦距。

通过控制第一透镜和第二透镜的焦距的范围，能够合理地控制第一透镜和第二透镜的光焦度的贡献范围，避免第一透镜或第二透镜的屈折力过强或过弱，降低单个透镜的屈折力负担，同时还可合理地控制第一透镜、第二透镜对光学系统像差的贡献量，例如当第一透镜具有正屈折力、第二透镜具有负屈折力时，一方面第一透镜能合理地平衡第二透镜产生的负光焦度，可避免第二透镜产生过大的色散，另一方面第二透镜能合理地平衡第一透镜产生的正光焦度，可避免第一透镜提供过大的负球差贡献率，从而可以快速并有效校正各视场最终在人眼侧成像时的像差，提高成像解像力。

作为一种可选地实施方式，所述光学系统满足以下关系式：0.2<|f2+f3|/(5*f3)<1.9，其中，f2是所述第二透镜的焦距，f3是所述第三透镜的焦距。

通过限定光学系统的第二透镜和第三透镜的有效焦距在合理的范围内，一方面，可合理地控制第二透镜和第三透镜的光焦度贡献量，避免第二透镜或第三透镜的屈折力过强或过弱，降低单个透镜的屈折力负担，另一方面，能够有效地约束第二透镜和第三透镜球差和彗差的贡献量，使得第二透镜和第三透镜提供的球差和彗差得以平衡，由于第二透镜具有较大的色散系数，对光线的偏折较敏感，而第三透镜的屈折力强度足够，能合理地平衡第二透镜产生的光焦度，可提供较大的球差等校正贡献率，不仅可降低第二透镜的敏感性，还可保证加工精度，使得该光学系统的整体敏感性处于合理的水平，从而提高生产良率。

作为一种可选地实施方式，所述光学系统满足以下关系式：0.2<10*f/|f2+f3|<2.6；

其中，f是所述光学系统的焦距，f2是所述第二透镜的焦距，f3是所述第三透镜的焦距。

由于第三透镜具有正屈折力，因此，通过合理控制上述关系式的范围，一方面，可合理地控制第二透镜和第三透镜对光学系统的光焦度贡献量，平衡像源侧与人眼侧的屈折力负担，另一方面，使得第二透镜和第三透镜提供的高阶球差得以平衡，例如当第二透镜具有负屈折力时，第二透镜可产生正三阶球差、正五阶球差，而第三透镜可产生负三阶球差、负五阶球差，即第二透镜能贡献合理地正球差，而第三透镜能贡献合理的负球差，从而可平衡第二透镜和第三透镜所产生的高阶球差，使得光学系统具有较小的球差，保证轴上视场良好的成像质量，提高成像解像力。

作为一种可选地实施方式，所述光学系统满足以下关系式：0.2<|R1+R2|/|R1-R2|<1.6；

其中，R1是所述第一透镜的物侧面于所述光轴处的曲率半径，R2是所述第一透镜的像侧面于所述光轴处的曲率半径。

通过控制第一透镜的物侧面和像侧面的曲率半径，避免第一透镜的面型过于平缓或者过于弯曲，能够有效汇聚来自大角度的光线束，以便广视角的像源信息在人眼侧汇聚成像，并有效控制边缘视场处光线的偏转角，使光线经过第一透镜的物侧面及像侧面的总偏转角度在合理的范围内，从而能够有效的降低光学系统的敏感性。

作为一种可选地实施方式，所述光学系统满足以下关系式：0.4<|R3+R4|/|R1+R2|<1.8；

其中，R1是所述第一透镜的物侧面于所述光轴处的曲率半径，R2是所述第一透镜的像侧面于所述光轴处的曲率半径，R3是所述第二透镜的物侧面于所述光轴处的曲率半径，R4是所述第二透镜的像侧面于所述光轴处的曲率半径。

通过控制第一透镜的物侧面、第一透镜的像侧面、第二透镜的物侧面及第二透镜的像侧面的曲率半径在合理的范围内，能够使得光学系统具有光线偏折角度小，且容易加工的特点。超过关系式范围，第一透镜的面型与第二透镜的面型差异过大，一方面不利于透镜塑性成型，导致光学系统的组装加工难度增大，另一方面，使得光线在第一透镜和第二透镜之间的折射角度过大，易造成轴外视场像差较大，进而影响轴外视场的成像质量。

作为一种可选地实施方式，所述光学系统满足以下关系式：0.9<(R5-R6)/(R5+R6)<2.7；

其中，R5是所述第三透镜的物侧面于所述光轴处的曲率半径，R6是所述第三透镜的像侧面于所述光轴处的曲率半径。

通过控制第三透镜的物侧面及像侧面的曲率半径，能够对光学系统的各个视场的主光线在像源面的入射角有相对合理的控制，使得大角度光线以较小的入射角入射至像源面，以匹配像源面近似平行的主光线，满足光学系统设计主光线入射角度的要求，从而提高成像品质。

第二方面，本申请还公开了一种头戴式设备，该头戴式设备包括壳体、显示器以及如上述第一方面所述的光学系统，所述显示器、所述光学系统设于所述壳体，且所述显示器位于所述光学系统的像源侧。

与现有技术相比，本申请的有益效果在于：

通过设置三枚具有屈折力的透镜，可以在有限的透镜数量下，实现光路的压缩和折叠，从而实现光学系统的薄型化设计；而具有正屈折力的第三透镜，且第三透镜的像侧面于近光轴处为凸面，能够更好地聚焦大视角范围内的光线，有利于匹配大尺寸的像源面，进而扩大视野范围。

进一步地，本申请的光学系统还通过设置具有正屈折力的第三透镜沿光轴方向上可移动，使得该光学系统能够根据不同用户的近视程度，调整第三透镜沿光轴方向上的移动，进而实现调焦，从而适配不同用户的近视程度，提高用户使用体验。同时，配合光学系统满足关系式为2＜OTmax/(CT3-BFmin)＜4.5的设计，可控制第三透镜在光轴方向上的移动量，不仅可以有效利用透镜间的排布空间，从而保证光学系统的轻薄小型化，同时，还可实现光学系统焦距的合理调节，使得该光学系统能够适配在0-500度的近视焦距范围，适配0-500度近视人群，而且在第三透镜移动调焦过程中，使得该光学系统能够维持中心以及边缘视角90°以内的影像的品质，确保该光学系统的成像清晰度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例一公开的光学系统的结构示意图；

图2是本申请实施例一公开的光学系统的第三透镜在不同入瞳直径下处于不同状态的光路示意图；

图3是本申请实施例一公开的光学系统的纵向球差图（mm）、像散曲线图（mm）及畸变曲线图（%）；

图4是本申请实施例一公开的光学系统的色差示意图；

图5是本申请实施例二公开的光学系统的结构示意图；

图6是本申请实施例二公开的光学系统的纵向球差图（mm）、像散曲线图（mm）及畸变曲线图（%）；

图7是本申请实施例二公开的光学系统的色差示意图；

图8是本申请实施例三公开的光学系统的结构示意图；

图9是本申请实施例三公开的光学系统的纵向球差图（mm）、像散曲线图（mm）及畸变曲线图（%）；

图10是本申请实施例三公开的光学系统的色差示意图；

图11是本申请实施例四公开的光学系统的结构示意图；

图12是本申请实施例四公开的光学系统的纵向球差图（mm）、像散曲线图（mm）及畸变曲线图（%）；

图13是本申请实施例四公开的光学系统的色差示意图；

图14是本申请实施例五公开的光学系统的结构示意图；

图15是本申请实施例五公开的光学系统的纵向球差图（mm）、像散曲线图（mm）及畸变曲线图（%）；

图16是本申请实施例五公开的光学系统的色差示意图；

图17是本申请公开的头戴式设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下面将结合实施例和附图对本申请的技术方案作进一步的说明。

请参阅图1，根据本申请的第一方面，本申请公开了一种光学系统100，该光学系统100沿着光轴O沿人眼侧至像源侧依序包括：

第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3，该第一透镜L1、第二透镜L2均具有正屈折力或负屈折力。第三透镜L3具有正屈折力，该第三透镜L3沿光轴O方向上可移动，从而能够实现光学系统100的调焦功能，使其能够适配于不同近视程度的用户。

可以理解的是，该光学系统100可应用于头戴式设备中，因此，该光学系统100的人眼侧是指的朝向用户人眼的一侧，而该光学系统100的像源侧则是朝向头戴式设备的显示器的一侧。

进一步地，该光学系统100还可包括偏光结构30，该偏光结构30可设置在第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3中的任意两个相邻的透镜之间，用于对入射至任意两个相邻的透镜上的光线进行偏振分光或角度偏转。示例性的，该偏光结构30可设置在第一透镜L1和第二透镜L2之间，从而使某一方向的光线透过第一透镜L1，不同于该方向的光线反射回第二透镜L2，即对再次入射至第二透镜L2的光线进行角度偏转，或者，该偏光结构30也可设置在第二透镜L2和第三透镜L3之间，从而使某一方向的光线透过第一透镜L1，不同于该方向的光线反射回第二透镜L2，实现对再次入射至第三透镜L3的光线进行角度偏转。

以该偏光结构30位于第一透镜L1和第二透镜L2之间为例，在实际设置中，该偏光结构30可为偏光膜或偏光片，其可贴合在第二透镜L2的物侧面。当然，在其他实施例中，该偏光结构30也可不贴合在第二透镜L2的物侧面，而是贴合在第一透镜L1的像侧面，或者，与第二透镜L2沿光轴O方向上间隔设置，此时，该光学系统100还可包括平板玻璃，该偏光结构30可贴设在平板玻璃上，从而实现与第二透镜L2沿光轴O方向上间隔设置。

一些实施例中，该光学系统100还可包括半透半反膜40，该半透半反膜40可设置在第三透镜L3的物侧或像侧。示例性的，该半透半反膜40位于第三透镜L3的物侧时，其可贴合在第三透镜L3的物侧面31，或者，该半透半反膜40也可在光轴方向上与该第三透镜L3的物侧面31之间具有间距。相应地，若半透半反膜40位于第三透镜L3的像侧时，其可贴合在第三透镜L3的像侧面32，或者，该半透半反膜40也可在光轴方向上与该第三透镜L3的像侧面32之间具有间距，此时，该光学系统100还可包括平板玻璃，该半透半反膜40可贴设在平板玻璃上，从而实现与第三透镜L3的像侧面32沿光轴O方向上间隔设置。

以该半透半反膜40贴合在第三透镜L3的像侧面32为例，则由前述可知，该第三透镜L3的像侧面32于近光轴处为凸面，因此，将半透半反膜40贴合在该第三透镜L3的像侧面32上，能够更好地使得大视角范围内的光线聚焦至半透半反膜40上进行透射或反射，从而有利于匹配大尺寸的像源面，进而扩大光学系统100的视野范围。

例如，当第一透镜L1和第二透镜L2之间设有该偏光结构30，且半透半反膜40贴合在第三透镜L3的像侧面32上，则该光学系统100的光路可为：从像源（即头戴式设备的显示器）发出的光依序经过第三透镜L3，再经第二透镜L2到达偏光结构30后，经偏光结构30进行偏振分光并改变其中部分偏振光方向后，部分偏振光进行折返并依序穿过第二透镜L2、第三透镜L3，随后，偏振光在半透半反膜40进行反射，使得偏振光在第三透镜L3的像侧面上折返而依序穿过第三透镜L3、第二透镜L2、偏光结构30以及第一透镜L1，并最终射至人眼侧。

可以理解的是，在偏光结构30和半透半反膜40之间还可以设有波片膜，例如四分之一波片膜或二分之一波片膜，以将偏振光进行旋转获得需要的偏振方向，从而实现光路的有效控制以满足设计需要。同样的，波片膜可以贴合在透镜表面，例如偏光结构30、四分之一波片膜依次贴合在第二透镜L2的物侧面，四分之一波片膜也可以贴合在第二透镜L2的像侧面或第三透镜L3的物侧面，当然波片膜也可以与透镜间隔设置，此处不做限制。

一些实施例中，第一透镜L1的物侧面11和像侧面12于近光轴O处可为凸面或凹面，第一透镜L1的物侧面11于圆周处为凹面，第一透镜L1的像侧面12于圆周处为凸面；第二透镜L2的物侧面21于近光轴O处为凹面或凸面，第二透镜L2的像侧面22于近光轴O处为凹面或凸面，第二透镜L2的物侧面21于圆周处为凹面，第二透镜L2的像侧面22于圆周处为凸面；第三透镜L3的物侧面31于近光轴O处为凹面或凸面，第三透镜L3的像侧面32于近光轴O处为凸面，第三透镜L3的物侧面31于圆周处为凹面，第三透镜L3的像侧面32于圆周处为凸面。

其中，上述各透镜的物侧面均为朝向人眼侧的一面，而上述各透镜的像侧面则均为朝向像源侧的一面。

可选地，第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3均可为塑料透镜，进而可以实现光学系统100轻薄性的同时易于对透镜的复杂面型进行加工。或者，该第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3也可为玻璃透镜，从而使得光学系统100具有良好的光学效果的同时，还可降低光学系统100的温度敏感性。当然，也可设置部分透镜为玻璃透镜，部分透镜为塑胶透镜，具体可根据实际情况调整设置，本实施例对此不作具体限定。

可选地，第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3可为非球面透镜。可以理解的是，一片非球面透镜能够实现多个球面透镜矫正像差的效果。也即是说，采用非球面透镜可以矫正像差并减少透镜使用的数量，有利于满足光学系统100小型化的要求和提高成像质量。

一些实施例中，光学系统100满足以下关系式：2＜OTmax/(CT3-BFmin)＜4.5；其中，OTmax为第一透镜L1的物侧面11至第三透镜L3的物侧面31于光轴O方向上的最大距离，CT3为第三透镜L3在光轴O方向上的厚度，BFmin为第三透镜L3的像侧面32至光学系统100的像源面于光轴O方向上的最小距离。

由前述可知，第三透镜L3沿光轴O方向上可移动，由此实现光学系统100的调焦功能，因此，该第三透镜L3可在靠近光学系统100的像源面和远离光学系统100的像源面的状态之间切换，从而实现调焦。

因此，本申请通过设置第三透镜L3沿光轴O方向上可移动，使得该光学系统100能够根据不同用户的近视程度，调整第三透镜L3沿光轴O方向上的移动，进而实现调焦，从而适配不同用户的近视程度，提高用户使用体验。同时，配合光学系统100满足关系式为2＜OTmax/(CT3-BFmin)＜4.5的设计，可控制第三透镜L3在光轴方向上的移动量，不仅可以有效利用透镜间的排布空间，从而保证光学系统100的轻薄小型化，同时，还可实现光学系统100焦距的合理调节，使得该光学系统100能够适配在0-500度的近视焦距范围，适配0-500度近视人群，而且在第三透镜L3移动调焦过程中，使得该光学系统100能够维持中心以及边缘视角90°以内的影像的品质，确保该光学系统100的成像清晰度。当超过关系式范围时，将导致第三透镜L3在光轴方向上的移动量过大或过小，一方面，造成光学元件之间干涉或不能有效利用透镜间的排布空间，不利于光学系统100的轻薄小型化；另一方面，不能有效控制光学系统100的焦距调节，影响光学系统100的成像清晰度，降低影像品质。

进一步地，光学系统100满足以下关系式：3＜OTmin/(CT3-BFmax)＜6.8，其中，OTmin为第一透镜L1的物侧面11至第三透镜L3的物侧面31于光轴O方向上的最小距离，BFmax为第三透镜L3的像侧面32至光学系统100的像源面于光轴O方向上的最大距离。可进一步有效控制第三透镜L3在光轴方向上的移动量，从而保证光学系统的轻薄小型化。

一些实施例中，光学系统100满足以下关系式：1.6<f/EPDmax<2.2，和/或，4<f/EPDmin<6；其中，f是光学系统100的焦距，EPDmax是光学系统100的最大入瞳直径，EPDmin是光学系统100的最小入瞳直径。该光学系统100具有最大入瞳直径和最小入瞳直径，其中，该最大入瞳直径可为11mm，该最小入瞳直径可为4mm，从而光学系统100能够具有不同的入瞳直径，当入瞳直径增大时，能够有效增大光学系统100的进光量，从而使得光学系统100具有大光圈特性。

可见，本申请通过上述关系式的限定，即，通过适当地调整光学系统100的焦距分别和最大入瞳直径、最小入瞳直径的比值，一方面，入瞳直径具有较大的变化范围，可适配不同的人眼瞳孔，从而满足不同的用户需要，提高用户使用体验；另一方面，光学系统100具有较大的入瞳直径，能够合理控制光学系统100的进光量，即，可增大光学系统100的进光量，使其具有大光圈特性，从而提高成像的相对照度，不仅可减少暗角现象，还可提高暗光环境下的成像效果。

一些实施例中，光学系统100满足以下关系式：|V2-V3|>35；其中，V2是第二透镜L2的色散系数，V3是所述第三透镜L3的色散系数。由于光线在第二透镜L2和第三透镜L3之间多次传递，实现光路折叠的同时，还可实现像差的多次校正，通过对位于光学系统100的像源面附近的第二透镜L2和第三透镜L3选择色散系数相差较大的材料，尤其是对第二透镜L2采用高色散系数的材料，使得第二透镜L2与第三透镜L3的色散系数差距较大，从而能够快速并有效校正各视场的高阶像差，即可以更好地矫正系统的垂轴色差、轴向色差以及色球差，从而对光学系统100的像质有较好的保证。

一些实施例中，光学系统100满足以下关系式：TL/ImgH<1.1；其中，TL是第一透镜L1的物侧面11至光学系统100的像源面在光轴O上的距离，ImgH为光学系统100的像源面上像源区域对角线长的一半。

通过约束第一透镜L1的物侧面11至光学系统100的像源面在光轴O上的距离和光学系统100的像源面上像源区域对角线长一半的比例，可以使得该光学系统100能够匹配大像面的感光芯片，从而有利于提高成像分辨率，使光学系统具备高像素效果；同时还有利于缩短光学系统100的总长，使得光学系统100的结构更加紧凑，从而实现光学系统100的超薄化、小型化设计，此外，由于各透镜面型较平滑，在光学系统100紧凑的空间结构下，各透镜仍具有充足的排布空间，使得透镜成型组装时具有低敏感性和容易加工的特点。

一些实施例中，光学系统100满足以下关系式：1.5<TL/(CT1+CT2+CT3)<1.75；其中，TL是第一透镜L1的物侧面11至光学系统100的像源面沿光轴O上的距离，即，光学系统100的总长，CT1是第一透镜L1在光轴O上的厚度，CT2是第二透镜L2在光轴O上的厚度，CT3是第三透镜L3在光轴O上的厚度。通过控制第一透镜L1至第三透镜L3中，各透镜在光轴O上的厚度之和与光学系统100的总长的比值范围，一方面各透镜的厚度与各透镜间的间隙分布较为均匀，能够有效控制光学系统100的整体体积，透镜间具有充足且紧凑的排布空间，从而使得光学系统100实现小型化设计，另一方面，各透镜的厚度与空气间隙均匀排布，光线在透镜和空隙间交替传递时，光线具有足够的偏折空间，从而能够合理的控制光学系统100的光线偏折，有利于减小光线的偏折角度，进而便于平衡各透镜产生的畸变等像差范围，避免产生较严重的畸变、场曲、像散等，使得光学系统100具有良好的畸变、场曲、像散表现，提高成像品质。

一些实施例中，光学系统100满足以下关系式：4.5<DT32/∑ATmin<8，和/或，3.5<DT32/∑ATmax<5.8；其中，DT32是第三透镜L3的像侧面的最大有效半口径，∑ATmin是第一透镜L1至所述第三透镜L3中，各相邻的两个透镜在光轴上的空气间隔的总和的最小值，∑ATmax是第一透镜L1至所述第三透镜L3中，各相邻的两个透镜在光轴上的空气间隔的总和的最大值。

因第三透镜L3为最靠近像源侧的透镜，因此，通过合理的控制第三透镜L3的像侧面32的最大有效半口径及第一透镜L1至第三透镜L3任意相邻两透镜之间在光轴O上的空气间隔的总和，可控制第一透镜L1至第三透镜L3间的间隙分布，使透镜间分布较为紧凑均匀，能够有效减小光学系统100的整体尺寸，从而实现光学系统100的轻薄小型化设计，同时也可有效控制第三透镜L3在光轴方向上的移动量，避免第三透镜L3与像源侧的间隔过大或过小，使得光线具有足够的传递空间，从而像源侧光线与第三透镜L3的最大口径匹配，可实现像源侧大角度光线的扩束与有效汇聚，提升解像力。

一些实施例中，光学系统100满足以下关系式：0.7<|f1-f2|/|f2|<2.4；其中，f1是第一透镜L1的焦距，f2是第二透镜L2的焦距。

因第一透镜L1、第二透镜L2为靠近人眼侧的透镜，且第二透镜具有高色散系数，因此，通过控制第一透镜L1和第二透镜L2的焦距的范围，能够合理地控制第一透镜L1和第二透镜L2的光焦度的贡献范围，避免第一透镜L1或第二透镜L2的屈折力过强或过弱，降低单个透镜的屈折力负担，同时还可合理地控制第一透镜L1、第二透镜L2对光学系统100像差的贡献量，例如当第一透镜L1具有正屈折力、第二透镜L2具有负屈折力时，一方面第一透镜L1能合理地平衡第二透镜L2产生的负光焦度，可避免第二透镜L2产生过大的色散，另一方面第二透镜L2能合理地平衡第一透镜L1产生的正光焦度，可避免第一透镜L1提供过大的负球差贡献率，从而可以快速并有效校正各视场最终在人眼侧成像时的像差，提高成像解像力。

一些实施例中，光学系统100满足以下关系式：0.2<|f2+f3|/(5*f3)<1.9，其中，f2是第二透镜L2的焦距，f3是第三透镜L3的焦距。

通过限定光学系统100的第二透镜L2和第三透镜L3的有效焦距在合理的范围内，一方面，可合理地控制第二透镜L2和第三透镜L3的光焦度贡献量，避免第二透镜L2或第三透镜L3的屈折力过强或过弱，降低单个透镜的屈折力负担，另一方面，能够有效地约束第二透镜L2和第三透镜L3球差和彗差的贡献量，使得第二透镜L2和第三透镜L3提供的球差和慧差得以平衡，由于第二透镜L2具有较大的色散系数，对光线的偏折较敏感，而第三透镜L3的屈折力强度足够，能合理地平衡第二透镜L2产生的光焦度，可提供较大的球差等校正贡献率，不仅可降低第二透镜L2的敏感性，还可保证加工精度，使得该光学系统100的整体敏感性处于合理的水平，从而提高生产良率。

一些实施例中，光学系统100满足以下关系式：0.2<10*f/|f2+f3|<2.6；其中，f是光学系统100的焦距，f2是第二透镜L2的焦距，f3是第三透镜L3的焦距。

由于第三透镜L3具有正屈折力，因此，通过合理控制上述关系式的范围，一方面，可合理地控制第二透镜L2和第三透镜L3对光学系统100的光焦度贡献量，平衡像源侧与人眼侧的屈折力负担，另一方面，使得第二透镜L2和第三透镜L3提供的高阶球差得以平衡，例如当第二透镜L2具有负屈折力时，第二透镜L2可产生正三阶球差、正五阶球差，而第三透镜L3可产生负三阶球差、负五阶球差，即第二透镜L2能贡献合理地正球差，而第三透镜L3能贡献合理的负球差，从而可平衡第二透镜L2和第三透镜L3所产生的高阶球差，使得光学系统100具有较小的球差，保证轴上视场良好的成像质量，提高成像解像力。

一些实施例中，光学系统100满足以下关系式：0.2<|R1+R2|/|R1-R2|<1.6；其中，R1是第一透镜L1的物侧面11于光轴O处的曲率半径，R2是第一透镜L1的像侧面12于光轴O处的曲率半径。

通过控制第一透镜L1的物侧面11和像侧面的曲率半径，避免第一透镜L1的面型过于平缓或者过于弯曲，能够有效汇聚来自大角度的光线束，以便广视角的像源信息在人眼侧汇聚成像，并有效控制边缘视场处光线的偏转角，使光线经过第一透镜L1的物侧面11及像侧面的总偏转角度在合理的范围内，从而能够有效的降低光学系统100的敏感性。

一些实施例中，光学系统100满足以下关系式：0.4<|R3+R4|/|R1+R2|<1.8；

其中，R1是所述第一透镜L1的物侧面11于光轴O处的曲率半径，R2是第一透镜L1的像侧面12于光轴O处的曲率半径，R3是第二透镜L2的物侧面21于光轴O处的曲率半径，R4是第二透镜L2的像侧面22于光轴O处的曲率半径。

通过控制第一透镜L1的物侧面11、第一透镜L1的像侧面12、第二透镜L2的物侧面21及第二透镜L2的像侧面22的曲率半径在合理的范围内，能够使得光学系统100具有光线偏折角度小，且容易加工的特点。超过关系式范围，第一透镜L1的面型与第二透镜L2的面型差异过大，一方面不利于透镜塑性成型，导致光学系统100的组装加工难度增大，另一方面，使得光线在第一透镜L1和第二透镜L2之间的折射角度过大，易造成轴外视场像差较大，进而影响轴外视场的成像质量。

一些实施例中，光学系统100满足以下关系式：0.9<(R5-R6)/(R5+R6)<2.7；其中，R5是第三透镜L3的物侧面31于光轴O处的曲率半径，R6是第三透镜L3的像侧面32于光轴O处的曲率半径。

通过控制第三透镜L3的物侧面31及像侧面32的曲率半径，能够对光学系统100的各个视场的主光线在像源面的入射角有相对合理的控制，使得大角度光线以较小的入射角入射至像源面，以匹配像源面近似平行的主光线，满足光学系统100设计主光线入射角度的要求，从而提高成像品质。

以下将结合具体参数对实施例的光学系统100进行详细说明。

实施例一

本申请实施例一公开的光学系统100的结构示意图如图1所示，光学系统100包括沿光轴O从人眼侧到像源侧依次设置的光阑101（即人眼）、第一透镜L1、偏光结构30、第二透镜L2、第三透镜L3、半透半反膜40、滤光片50和像源面102。

进一步地，第一透镜L1具有正屈折力，第二透镜L2具有负屈折力，第三透镜L3具有正屈折力。

进一步地，第一透镜L1的物侧面11、像侧面12于近光轴O处分别为凸面、凹面；第二透镜L2的物侧面21、像侧面22于近光轴O处均为凹面；第三透镜L3的物侧面31、像侧面32于近光轴O处均为凸面。

来自像源面102的光在依序穿过滤光片50、半透半反膜40、第三透镜L3、第二透镜L2和偏光结构30后，在偏光结构30上光线发生筛选和偏转，即，经偏光结构30进行偏振分光并改变其中部分偏振光方向后，部分偏振光进行折返并依序穿过第二透镜L2、第三透镜L3，随后，偏振光在半透半反膜40上发生反射，使得偏振光在第三透镜L3的像侧面上折返而依序穿过第三透镜L3、第二透镜L2、偏光结构30和第一透镜L1后，最终射入人眼侧。

请参阅图2，以光学系统100在不同入瞳直径下处于不同状态来进行说明。当第三透镜L3在最小入瞳直径，即，EPDmin=4mm时，第三透镜L3处于第一状态时，该第一状态为第三透镜L3相对像源面102沿朝向第二透镜L2的方向移动一定距离，此时，第三透镜L3的像侧面32至像源面102在光轴O上的距离BF=1.8000mm，该光学系统100的焦距f=23.3526mm，光学系统100的光圈数为5.8382，该光学系统100的总长TL=32.0000mm。当第三透镜L3在EPDmin=4mm，且处于第二状态时，该第二状态为第三透镜L3相对像源面102沿朝向第二透镜L2的方向移动最远距离，此时，第三透镜L3最远离像源面102，其像侧面至像源面102在光轴O上的距离BF=2.9550mm，光学系统100的焦距f=23.3183mm。当第三透镜L3在EPDmin=4mm，且处于第三状态时，该第三状态为第三透镜L3相对像源面102沿远离第二透镜L2的方向移动最远距离，此时，第三透镜L3最靠近像源面102，其像侧面至像源面102在光轴O上的距离BF=1.2290mm，光学系统100的焦距f=23.3694mm。当第三透镜L3在EPDmax=11mm，且处于第四状态时，此时，在该第四状态下，第三透镜L3相对像源面102沿朝向第二透镜L2的方向移动一定距离，即，其像侧面至像源面102在光轴O上的距离BF=1.7960mm，光学系统100的焦距f=23.3526mm。

可见，在不同入瞳直径下，第三透镜L3位于不同状态下，其能够相对像源面102沿光轴O上移动，以实现光学系统100的调焦。

光学系统100处于第一状态（即EPDmin=4mm，且VID=500mm）、第二状态（即，EPDmin=4mm，且VID=200mm）、第三状态（即，EPDmin=4mm，且VID=4000mm），以及第四状态（即EPDmax=11mm，且VID=500mm）的其他参数由下表1给出。其中，VID为虚拟图像距离，沿光学系统100的光轴O由人眼侧（即下表1中的物面）至像源侧（即下表面1中的像源面）的各元件依次按照表1从上至下的各元件的顺序排列。在同一透镜中，面序号较小的表面为该透镜的物侧面，面序号较大的表面为该透镜的像侧面，如面序号1和2分别对应第一透镜L1的物侧面11和像侧面12。表1中的Y半径为相应面序号的物侧面或像侧面于光轴O处的曲率半径。透镜的“厚度”参数列中的第一个数值为该透镜于光轴O上的厚度，第二个数值为该透镜的像侧面至后一表面于光轴O上的距离。光阑101于“厚度”参数列中的数值为光阑101至第一透镜L1的物侧面11于光轴O上的距离。表1中的各参数的单位均为mm。

值得说明的是，表1中的物面的厚度表示被拍摄物与光学系统100的距离，即为VID表示的虚拟图像距离。表1中的T23表示的是第二透镜L2和第三透镜L3在光轴O上的空气间隔，T34表示的是第三透镜L3和滤光片50在光轴O上的空气间隔。

请一并参阅表2，表2中示出了在第一状态、第二状态、第三状态和第四状态下，光学系统100各参数的取值，其中，OT是指第一透镜L1的物侧面11至第三透镜L3的物侧面31于光轴O方向上的距离。表2中的各参数的单位均为mm。

进一步地，实施例一中，第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3的物侧面和像侧面均为非球面，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O方向在高度为h的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c为非球面的于光轴O处的曲率，c＝1/Y(即，近轴曲率c为上表1中曲率半径Y的倒数)；K为圆锥系数；Ai是非球面第i阶的修正系数。下表3给出了可用于实施例一中各非球面的高次项系数K、A4、A6、A8。

表1

表2

表3

请一并参阅图2和图3，其中，图2中的（A）示出了光学系统100在EPDmin=4mm处于第一状态的光路图，从图中可以看出，此时，第三透镜L3相对像源面102在光轴O上沿朝向第二透镜L2的方向移动了一定距离。图2中的（B）示出了光学系统100在EPDmin=4mm处于第二状态的光路图，从图中可以看出，此时，第三透镜L3相对像源面102在光轴O上沿朝向第二透镜L2的方向移动了一定距离，此时，第三透镜L3最远离像源面102。图2中的（C）示出了光学系统100在EPDmin=4mm处于第三状态的光路图，从图中可以看出，此时，第三透镜L3相对像源面102在光轴O上沿远离第二透镜L2的方向移动了一定距离，此时，第三透镜L3最靠近像源面102。图2中的（D）示出了光学系统100在EPDmax=11mm时处于第四状态的光路图，从图中可以看出，此时，第三透镜L3相对像源面102在光轴O上沿朝向第二透镜L2的方向移动了一定距离。

请参阅图3，以第一状态为例，图3示出了本实施例的光学系统100处于第一状态的纵向球差曲线、像散曲线和畸变曲线，具体地，请参阅图3中的（A），图3中的（A）示出了本实施例中的光学系统100在波长为623nm、531nm以及454nm下的纵向球差曲线图，图3中的（A）中，沿X轴方向的横坐标表示焦点偏移，沿Y轴方向的纵坐标表示归一化视场。由图3中的（A）可以看出，本实施例中的光学系统100的球差数值较佳，说明本实施例中的光学系统100的成像质量较好。请参阅图3中的（B），图3中的（B）为本实施例的光学系统100在波长为623nm、531nm以及454nm下的光线像散图。其中，沿X轴方向的横坐标表示焦点偏移，沿Y轴方向的纵坐标表示视场角，单位为deg。像散曲线表示子午方向的成像面弯曲T和弧矢方向的成像面弯曲S，由图3中的（B）可以看出，在各波长下，光学系统100的像散均得到了较好的补偿。请参阅图3中的（C），图3中的（C）为本实施例的光学系统100在波长为623nm、531nm以及454nm下的畸变曲线图。其中，沿X轴方向的横坐标表示畸变，沿Y轴方向的纵坐标表示视场角，单位为deg。由图3中的（C）可以看出，在波长623nm、531nm以及454nm下，该光学系统100的畸变得到了很好的校正。

请参阅图4，图4是本申请实施例公开的光学系统100的色差图，其中，图中的横坐标表示横向色散，其单位为mm，纵坐标表示视场角，其单位为deg。从图中可以看出，该光学系统100的最大色散位于视场最大位置，即各波段最大色散发生于最大视场为90deg（边缘视场）处，最大色差值小于0.025mm，各视场色散得到有效控制。

实施例二

本申请实施例二公开的光学系统100的结构示意图如图5所示，光学系统100包括沿光轴O从人眼侧到像源侧依次设置的光阑101（即人眼）、第一透镜L1、偏光结构30、第二透镜L2、第三透镜L3、半透半反膜40、滤光片50和像源面102。

进一步地，第一透镜L1具有正屈折力，第二透镜L2具有负屈折力，第三透镜L3具有正屈折力。

进一步地，第一透镜L1的物侧面11、像侧面12于近光轴O处均为凸面；第二透镜L2的物侧面21、像侧面22于近光轴O处分别为凹面、凸面；第三透镜L3的物侧面31、像侧面32于近光轴O处分别为凹面、凸面。

具体地，同样以该光学系统100在不同入瞳直径下，第三透镜L3处于不同状态为例。如下表4所示，表4中各参数的定义可参考实施例一中的表1的说明中得出，此处不加以赘述。可以理解的是，表4中的Y半径、厚度、焦距的单位均为mm。

值得说明的是，表4中各参数的释义可参考上述表1中的各参数的释义，同理，对于表5的说明可参考上述实施例一中的表2的说明，此处不再赘述，且表4中的单位均为mm。

在实施例二中，第一透镜L1至第三透镜L3中的任意一个透镜的物侧面和像侧面均为非球面，各非球面透镜的面型x的计算方法可利用前述实施例的说明中得出，此处不加以赘述。下表6给出了可用于实施例二中各非球面的高次项系数K、A4、A6、A8。

表4

表5

表6

请参阅图6，由图6中的（A）纵向球差曲线图、（B）光线像散图、（C）畸变曲线图可知，在各波长下，光学系统100的像散均得到了较好的补偿。此外，关于图6中的（A）、（B）、（C）中各曲线对应的波长可参考实施例一中关于图3中的（A）、（B）、（C）所描述的内容，此处不再赘述。

请参阅图7，图7是本申请实施例公开的光学系统100的色差图，其中，图中的横坐标表示横向色散，其单位为mm，纵坐标表示视场角，其单位为deg。从图中可以看出，该光学系统100的最大色散位于视场最大位置，即各波段最大色散发生于最大视场为90deg（边缘视场）处，最大色差值小于0.015mm，各视场色散得到有效控制。

实施例三

本申请实施例三公开的光学系统100的结构示意图如图8所示，光学系统100包括沿光轴O从人眼侧到像源侧依次设置的光阑101（即人眼）、第一透镜L1、偏光结构30、第二透镜L2、第三透镜L3、半透半反膜40、滤光片50和像源面102。

进一步地，第一透镜L1具有正屈折力，第二透镜L2具有负屈折力，第三透镜L3具有正屈折力。

进一步地，第一透镜L1的物侧面11、像侧面12于近光轴O处分别为凹面、凸面；第二透镜L2的物侧面21、像侧面22于近光轴O处分别为凹面、凸面；第三透镜L3的物侧面31、像侧面32于近光轴O处均为凸面。

具体地，同样以该光学系统100在不同入瞳直径下，第三透镜L3处于不同状态为例。如下表7所示，表7中各参数的定义可参考实施例一中的表1的说明中得出，此处不加以赘述。可以理解的是，表7中的Y半径、厚度、焦距的单位均为mm。

值得说明的是，表7中各参数的释义可参考上述表1中的各参数的释义，同理，对于表8的说明可参考上述实施例一中的表2的说明，此处不再赘述，且表8中的单位均为mm。

在实施例三中，第一透镜L1至第三透镜L3中的任意一个透镜的物侧面和像侧面均为非球面，各非球面透镜的面型x的计算方法可利用前述实施例的说明中得出，此处不加以赘述。下表9给出了可用于实施例三中各非球面的高次项系数K、A4、A6、A8。

表7

表8

表9

请参阅图9，由图9中的（A）纵向球差曲线图、（B）光线像散图、（C）畸变曲线图可知，在各波长下，光学系统100的像散均得到了较好的补偿。此外，关于图9中的（A）、（B）、（C）中各曲线对应的波长可参考实施例一中关于图3中的（A）、（B）、（C）所描述的内容，此处不再赘述。

请参阅图10，图10是本申请实施例公开的光学系统100的色差图，其中，图中的横坐标表示横向色散，其单位为mm，纵坐标表示视场角，其单位为deg。从图中可以看出，该光学系统100的最大色散位于视场最大位置，即各波段最大色散发生于最大视场为90deg（边缘视场）处，最大色差值小于0.015mm，各视场色散得到有效控制。

实施例四

本申请实施例四公开的光学系统100的结构示意图如图11所示，光学系统100包括沿光轴O从人眼侧到像源侧依次设置的光阑101（即人眼）、第一透镜L1、偏光结构30、第二透镜L2、第三透镜L3、半透半反膜40、滤光片50和像源面102。

进一步地，第一透镜L1具有正屈折力，第二透镜L2具有正屈折力，第三透镜L3具有正屈折力。

进一步地，第一透镜L1的物侧面11、像侧面12于近光轴O处分别为凸面、凹面；第二透镜L2的物侧面21、像侧面22于近光轴O处分别为凸面、凹面；第三透镜L3的物侧面31、像侧面32于近光轴O处均为凸面。

具体地，同样以该光学系统100在不同入瞳直径下，第三透镜L3处于不同状态为例。如下表10所示，表10中各参数的定义可参考实施例一中的表1的说明中得出，此处不加以赘述。可以理解的是，表10中的Y半径、厚度、焦距的单位均为mm。

值得说明的是，表10中各参数的释义可参考上述表1中的各参数的释义，同理，对于表11的说明可参考上述实施例一中的表2的说明，此处不再赘述，且表11中的单位均为mm。

在实施例四中，第一透镜L1至第三透镜L3中的任意一个透镜的物侧面和像侧面均为非球面，各非球面透镜的面型x的计算方法可利用前述实施例的说明中得出，此处不加以赘述。下表12给出了可用于实施例四中各非球面的高次项系数K、A4、A6、A8。

表10

表11

表12

请参阅图12，由图12中的（A）纵向球差曲线图、（B）光线像散图、（C）畸变曲线图可知，在各波长下，光学系统100的像散均得到了较好的补偿。此外，关于图12中的（A）、（B）、（C）中各曲线对应的波长可参考实施例一中关于图3中的（A）、（B）、（C）所描述的内容，此处不再赘述。

请参阅图13，图13是本申请实施例公开的光学系统100的色差图，其中，图中的横坐标表示横向色散，其单位为mm，纵坐标表示视场角，其单位为deg。从图中可以看出，该光学系统100的最大色散位于视场最大位置，即各波段最大色散发生于最大视场为90deg（边缘视场）处，最大色差值小于0.015mm，各视场色散得到有效控制。

实施例五

本申请实施例五公开的光学系统100的结构示意图如图14所示，光学系统100包括沿光轴O从人眼侧到像源侧依次设置的光阑101（即人眼）、第一透镜L1、偏光结构30、第二透镜L2、第三透镜L3、半透半反膜40、滤光片50和像源面102。

进一步地，第一透镜L1具有负屈折力，第二透镜L2具有负屈折力，第三透镜L3具有正屈折力。

进一步地，第一透镜L1的物侧面11、像侧面12于近光轴O处均为凹面；第二透镜L2的物侧面21、像侧面22于近光轴O处均为凹面；第三透镜L3的物侧面31、像侧面32于近光轴O处均为凸面。

具体地，同样以该光学系统100在不同入瞳直径下，第三透镜L3处于不同状态为例。如下表13所示，表13中各参数的定义可参考实施例一中的表1的说明中得出，此处不加以赘述。可以理解的是，表13中的Y半径、厚度、焦距的单位均为mm。

值得说明的是，表13中各参数的释义可参考上述表1中的各参数的释义，同理，对于表14的说明可参考上述实施例一中的表2的说明，此处不再赘述，且表14中的单位均为mm。

在实施例五中，第一透镜L1至第三透镜L3中的任意一个透镜的物侧面和像侧面均为非球面，各非球面透镜的面型x的计算方法可利用前述实施例的说明中得出，此处不加以赘述。下表15给出了可用于实施例五中各非球面的高次项系数K、A4、A6、A8。

表13

表14

表15

请参阅图15，由图15中的（A）纵向球差曲线图、（B）光线像散图、（C）畸变曲线图可知，在各波长下，光学系统100的像散均得到了较好的补偿。此外，关于图15中的（A）、（B）、（C）中各曲线对应的波长可参考实施例一中关于图3中的（A）、（B）、（C）所描述的内容，此处不再赘述。

请参阅图16，图16是本申请实施例公开的光学系统100的色差图，其中，图中的横坐标表示横向色散，其单位为mm，纵坐标表示视场角，其单位为deg。从图中可以看出，该光学系统100的最大色散位于视场最大位置，即各波段最大色散发生于最大视场为90deg（边缘视场）处，最大色差值小于0.015mm，各视场色散得到有效控制。

请参阅表16，表16为本申请实施例一至实施例五中各关系式的比值汇总。

表16

第二方面，请参阅图17，本申请还公开了一种头戴式设备，该头戴式设备200包括壳体201、显示器（未图示）以及如上述第一方面所述的光学系统100，所述显示器、所述光学系统100设于所述壳体201，且所述显示器位于所述光学系统100的像源侧。具体地，该光学系统100设置于壳体201时，可设置在壳体201中。可选地，该头戴式设备200可包括但不局限于VR眼镜、VR头盔和AR眼镜、AR头盔等。

以上对本申请实施例公开的一种光学系统及头戴式设备进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的光学系统及头戴式设备及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (12)

1.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统沿着光轴由人眼侧至像源侧依序包括：

第一透镜，具有屈折力；

第二透镜，具有屈折力；

第三透镜，具有正屈折力，所述第三透镜沿所述光轴方向上可移动，所述第三透镜的像侧面于近光轴处为凸面；

所述光学系统满足关系式：

2＜OTmax/(CT3-BFmin)＜4.5，其中，OTmax为所述第一透镜的物侧面至所述第三透镜的物侧面于光轴上的最大距离，CT3为所述第三透镜在所述光轴上的厚度，BFmin为所述第三透镜的像侧面至所述光学系统的像源面于所述光轴上的最小距离；

其中，所述第一透镜的物侧面为朝向所述人眼侧的一面，所述第三透镜的物侧面为朝向该所述人眼侧的一面，所述第三透镜的像侧面为朝向所述像源侧的一面。

2.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偏光结构，所述偏光结构位于所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜中的任意两个相邻的透镜之间；和/或，

所述光学系统还包括半透半反膜，所述半透半反膜位于所述第三透镜的物侧或像侧。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系式：1.6<f/EPDmax<2.2，和/或，4<f/EPDmin<6；

其中，f是所述光学系统的焦距，EPDmax是所述光学系统的最大入瞳直径，EPDmin是所述光学系统的最小入瞳直径。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系式：|V2-V3|>35；

其中，V2是所述第二透镜的色散系数，V3是所述第三透镜的色散系数。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系式：TL/ImgH<1.1；其中，TL是所述第一透镜的物侧面至所述光学系统的像源面沿光轴上的距离，ImgH为所述光学系统的像源面上像源区域对角线长的一半。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系式：1.5<TL/(CT1+CT2+CT3)<1.75；

其中，TL是所述第一透镜的物侧面至所述光学系统的像源面沿光轴上的距离，CT1是所述第一透镜在所述光轴上的厚度，CT2是所述第二透镜在所述光轴上的厚度，CT3是所述第三透镜在所述光轴上的厚度。

7.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系式：4.5<DT32/∑ATmin<8，和/或，3.5<DT32/∑ATmax<5.8；

其中，DT32是所述第三透镜的像侧面的最大有效半口径，∑ATmin是所述第一透镜至所述第三透镜中，各相邻的两个透镜在所述光轴上的空气间隔之和的最小值，∑ATmax是第一透镜至所述第三透镜中，各相邻的两个透镜在所述光轴上的空气间隔之和的最大值。

8.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系式：0.7<|f1-f2|/|f2|<2.4；

其中，f1是所述第一透镜的焦距，f2是所述第二透镜的焦距。

9.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系式：0.2<|f2+f3|/(5*f3)<1.9；和/或，0.2<10*f/|f2+f3|<2.6；

其中，f2是所述第二透镜的焦距，f3是所述第三透镜的焦距，f是所述光学系统的焦距。

10.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系式：0.2<|R1+R2|/|R1-R2|<1.6；和/或，0.4<|R3+R4|/|R1+R2|<1.8；

其中，R1是所述第一透镜的物侧面于所述光轴处的曲率半径，R2是所述第一透镜的像侧面于所述光轴处的曲率半径，R3是所述第二透镜的物侧面于所述光轴处的曲率半径，R4是所述第二透镜的像侧面于所述光轴处的曲率半径。

11.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系式：0.9<(R5-R6)/(R5+R6)<2.7；

其中，R5是所述第三透镜的物侧面于所述光轴处的曲率半径，R6是所述第三透镜的像侧面于所述光轴处的曲率半径。

12.一种头戴式设备，其特征在于，所述头戴式设备包括壳体、显示器以及如权利要求1-11任一项所述的光学系统，所述显示器、所述光学系统设于所述壳体，且所述显示器位于所述光学系统的像源侧。

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