CN116880048A - 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，光学系统沿着光轴沿成像侧至像源侧依序包括第一透镜、第二透镜、第三透镜，第一透镜具有正屈折力，其成像面、像源面于近光轴处均为凸面，第二透镜具有负屈折力，其成像面于近光轴处为凹面，第三透镜具有正屈折力且沿所述光轴方向上可移动，第三透镜的成像面、像源面于近光轴处为凸面；第一透镜的成像面和所述光学系统的像源面之间沿光轴从成像侧至像源侧还依次设有偏光结构、相位延迟片和半透半反膜，光学系统满足关系式：103deg<FOV<122deg，其中，FOV为所述光学镜头的最大视场角。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。一方面，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，通常具有较长的工作距离，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，共有三片具有屈折力的透镜，所述光学系统沿着光轴沿成像侧至像源侧依序包括：

第一透镜，具有正屈折力，所述第一透镜的成像面、像源面于近光轴处均为凸面；

第二透镜，具有负屈折力，所述第二透镜的成像面于近光轴处为凹面；

第三透镜，具有正屈折力，所述第三透镜的成像面、像源面于近光轴处均为凸面，所述第一透镜和所述第二透镜相对所述光学系统的像源面固定，所述第三透镜在所述第二透镜和所述光学系统的像源面之间沿光轴方向移动；

所述第一透镜的成像面和所述光学系统的像源面之间沿光轴从成像侧至像源侧还依次设有偏光结构、相位延迟片和半透半反膜；

所述光学系统满足关系式：

103deg<FOV<122deg；1.2<SD32/Imgh<1.5；

其中，FOV为所述光学系统的最大视场角，SD32是所述第三透镜的像源面的最大有效半口径，Imgh为所述光学系统的像源面上有效像源区域对角线长的一半。

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，结合偏光结构、相位延迟片和半透半反膜的设置，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。

同时通过设置具有正屈折力的第一透镜、具有负屈折力的第二透镜，且第一透镜的成像面、像源面于近光轴处为凸面，第二透镜的成像面于近光轴处为凹面的设计，能够便于光线进入光学系统中，而具有正屈折力的第三透镜，且第三透镜的成像面、像源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一透镜和第二透镜相对光学系统的像源面固定，而第三透镜则可在第二透镜和光学系统的像源面之间沿光轴方向可移动，从而能够根据不同用户的近视程度，调整第三透镜在光轴方向上的移动，实现调焦，进而适配不同用户的近视程度，有利于提高用户的使用体验。同时，配合光学系统满足关系式103deg＜FOV＜122deg的设计，从而具有较大视场角，使得用户可以获得沉浸感良好的目视体验效果。

进一步地，光学系统还满足关系式1.2<SD32/Imgh<1.5的设计，因第三透镜为最靠近像源侧的透镜，因此，通过合理的控制第三透镜的像源面的最大的有效半口径与光学系统的像高的一半的比值，能够有效减小光学系统的整体尺寸，从而实现光学系统的小型化设计，同时提升解像力。此外，还能够降低光学系统的折叠光路的设计难度，使得光学系统的整体光路设计更加简单。

作为一种可选地实施方式，所述光学系统满足以下关系式：0.8<TTL/Imgh<1.1；

其中，TTL为所述第一透镜的成像面至所述光学系统的像源面于光轴上的距离（即光学系统的总长），Imgh为所述光学系统的像源面上有效像源区域对角线长的一半（即光学系统的像高的一半）。

通过限定光学系统的总长与光学系统的像高的一半的比值，有利于在光学系统具有较大像源面的前提下，使得光学系统的结构更加紧凑，从而具有超薄的特性，满足小型化的设计要求。当超过关系式的上限时，光学系统的总长过大，导致光学系统的整体体积增大，不利于光学系统的小型化设计要求。而低于关系式的下限时，光学系统的结构过于紧凑，使得像差修正难度加大，从而容易导致光学系统的成像性能降低。

作为一种可选地实施方式，所述光学系统满足以下关系式：0.8＜Imgh/fS＜1；

其中，Imgh为所述光学系统的像源面上有效像源区域对角线长的一半，fS为所述光学系统在短焦状态下的焦距。

通过合理控制光学系统的半像高与光学系统在短焦状态下的焦距的比值，能够在使得光学系统的整体结构紧凑，符合小型化设计要求的基础上，还能够具有较好的像差收敛效果，有利于提高光学系统的成像质量。

作为一种可选地实施方式，所述光学系统满足以下关系式：0.7＜Imgh/fL＜0.95；

其中，Imgh为所述光学系统的像源面上有效像源区域对角线长的一半，fL为所述光学系统在长焦状态下的焦距。

通过约束光学系统的半像高与光学系统在长焦状态下的焦距的比值，能够在使得光学系统的整体结构紧凑，符合小型化设计要求的基础上，还能够具有较好的像差收敛效果，有利于提高光学系统的成像质量。

作为一种可选地实施方式，所述光学系统满足以下关系式：1.4<(T23S-T23L)/(fL-fS)<2.8；

其中，T23S是所述光学系统在短焦状态时，所述第二透镜的像源面至所述第三透镜的成像面于光轴上的距离，T23L是所述光学系统在长焦状态时，所述第二透镜的像源面至所述第三透镜的成像面于光轴上的距离，fL为所述光学系统在长焦状态下的焦距，fS为所述光学系统在短焦状态下的焦距。

当光学系统满足该关系式1.4<(T23S-T23L)/(fL-fS)<2.8，能够合理配置第三透镜在光轴方向上的移动距离，从而无需增加光学系统的总长，有利于光学系统的小型化设计。此外，还能够有效控制该光学系统在短焦状态至长焦状态的变焦范围内的像差收敛程度，从而减少光学系统的像差，进而有利于提高光学系统的成像质量。

作为一种可选地实施方式，所述光学系统满足以下关系式：5＜f1/fL＜6.5；5＜f1/fS＜7；

其中，fL为所述光学系统在长焦状态下的焦距，fS为所述光学系统在短焦状态下的焦距，f1为所述第一透镜的焦距。

通过控制第一透镜的焦距与光学系统在长焦状态和短焦状态下的焦距的比值关系，有利于校正光学系统的场曲，提升光学系统的成像解析度，同时还有利于控制第一透镜的成像面到光学系统的成像面的距离，从而能够让尽可能多的光线进入成像面，进而可增大光学系统的相对照度。

作为一种可选地实施方式，所述光学系统满足以下关系式：0.5<|R1/R2|<7；

其中，R1为所述第一透镜的成像面于光轴处的曲率半径，R2为所述第一透镜的像源面于光轴处的曲率半径。

因第一透镜为靠近成像侧的透镜，因此，通过控制第一透镜的成像面与像源面于近光轴处的曲率半径的比值，能够有效控制第一透镜的屈光度贡献，从而在有效控制像差的同时，还能够提高对系统放大率的影响。此外，还能够控制边缘视场处第一透镜的成像面及像源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：100<|R3+R4|/CT2<220；

其中，R3是所述第二透镜的成像面于光轴处的曲率半径，R4是所述第二透镜的像源面于光轴处的曲率半径，CT2是所述第二透镜于光轴上的厚度（即第二透镜的中心厚度）。

通过控制第二透镜的成像面、像源面于近光轴处的曲率半径的总和与第二透镜的中心厚度的比值，一方面有利于控制第二透镜的整体尺寸，从而有利于光学系统的折叠光路的设计；另一方面还能够有效控制光学系统的光线偏折角度。

作为一种可选地实施方式，所述光学系统满足以下关系式：5<|R5/R6|<200；

其中，R5是所述第三透镜的成像面于光轴处的曲率半径，R6是所述第三透镜的像源面于光轴处的曲率半径。

通过控制第三透镜的成像面及像源面的曲率半径的比值，不仅能够控制第三透镜的屈光度贡献，提高第三透镜对光学系统的放大倍率以及折叠光路的设计的影响，而且还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，满足光学系统设计主光线入射角度的要求。

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：

本申请实施例提供的光学系统及头戴式设备，该光学系统通过在第一透镜的成像面和所述光学系统的像源面之间沿光轴从成像侧至像源侧还依次设置偏光结构、相位延迟片和半透半反膜的方式，从而能够利用该偏光结构以及半透半反膜，实现对光学系统中的光路的偏转、透射、反射，从而在有限的透镜数量下，实现光路的偏折，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小型化设计。同时，第三透镜的成像面、像源面于近光轴处为凸面，从而在第三透镜的像源面上设置半透半反膜时，能够更好地聚焦光线至半透半反膜上进行透射或反射。

进一步地，本申请的光学系统还通过设置第一透镜和第二透镜相对光学系统的像源面固定，而第三透镜则可在第二透镜和光学系统的像源面之间沿光轴方向移动，从而能够根据不同用户的近视程度，调整第三透镜在光轴方向上的移动，实现调焦，进而适配不同用户的近视程度，有利于提高用户的使用体验。同时，配合光学系统满足关系式103deg＜FOV＜122deg的设计，从而具有较大视场角，使得用户可以获得沉浸感良好的目视体验效果。

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第三透镜在短焦状态下的光路示意图；

图2是本申请实施例一公开的光学系统的第三透镜在中焦状态下的光路示意图；

图3是本申请实施例一公开的光学系统的第三透镜在长焦状态下的光路示意图；

图4是本申请实施例一公开的光学系统在短焦状态下的像散、畸变曲线图；

图5是本申请实施例一公开的光学系统在中焦状态下的像散、畸变曲线图；

图6是本申请实施例一公开的光学系统在长焦状态下的像散、畸变曲线图；

图7是本申请实施例二公开的光学系统的第三透镜在短焦状态下的光路示意图；

图8是本申请实施例二公开的光学系统在短焦状态下的像散、畸变曲线图；

图9是本申请实施例二公开的光学系统在中焦状态下的像散、畸变曲线图；

图10是本申请实施例二公开的光学系统在长焦状态下的像散、畸变曲线图；

图11是本申请实施例三公开的光学系统的第三透镜在短焦状态下的光路示意图；

图12是本申请实施例三公开的光学系统在短焦状态下的像散、畸变曲线图；

图13是本申请实施例三公开的光学系统在中焦状态下的像散、畸变曲线图；

图14是本申请实施例三公开的光学系统在长焦状态下的像散、畸变曲线图；

图15是本申请实施例四公开的光学系统的第三透镜在短焦状态下的光路示意图；

图16是本申请实施例四公开的光学系统在短焦状态下的像散、畸变曲线图；

图17是本申请实施例四公开的光学系统在中焦状态下的像散、畸变曲线图；

图18是本申请实施例四公开的光学系统在长焦状态下的像散、畸变曲线图；

图19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。

请一并参阅图1至图3，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沿着光轴沿成像侧至像源侧依序包括：

第一透镜L1、第二透镜L2、偏光结构30、第三透镜L3以及半透半反膜50，该第一透镜L1具有正屈折力，第二透镜L2具有负屈折力，第一透镜L1、第二透镜L2相对光学系统100的像源面102固定，偏光结构30位于第二透镜L2的成像侧，用于对入射至第二透镜L2的光线进行角度偏转。第三透镜L3具有正屈折力，该第三透镜L3在第二透镜L2和光学系统100的像源面102沿光轴方向移动，且该第三透镜L3由短焦状态切换至长焦状态时，第三透镜L3的成像面至第二透镜L2的像源面在光轴方向上的距离减小，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。该半透半反膜50设于第三透镜L3的像源面。

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的成像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。

示例性的，该偏光结构30可为偏光膜或偏光片，其可设置在第二透镜L2的成像侧，具体为可贴合在第二透镜L2的成像面。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的成像面，而是贴合在第一透镜L1的像源面，或者，与第二透镜L2沿光轴方向上间隔设置，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沿光轴方向上间隔设置。

可以理解的是，在偏光结构30和半透半反膜50之间还可以设有相位延迟片40，该相位延迟片40可例如为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。以该相位延迟片40为四分之一波片膜为例，同样的，相位延迟片40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的成像面，四分之一波片膜也可以贴合在第二透镜L2的像源面或第三透镜L3的成像面，当然四分之一波片膜也可以与透镜间隔设置，此处不做限制。

该半透半反膜50可设置在第三透镜L3的像源侧，具体可贴合在第三透镜L3的像源面32，或者，该半透半反膜50也可在光轴方向上与该第三透镜L3的像源面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50可贴设在平板玻璃上，从而实现与第三透镜L3的像源面32沿光轴方向上间隔设置。

以该半透半反膜50贴合在第三透镜L3的像源面32为例，则由前述可知，该第三透镜L3的像源面32于近光轴处为凸面，因此，将半透半反膜50贴合在该第三透镜L3的像源面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50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。

具体的，当偏光结构30和相位延迟片40设于第二透镜L2的成像侧时，且半透半反膜50贴合在第三透镜L3的像源面32，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）发出的第一圆偏振光光依序经过半透半反膜50、第三透镜L3，再经第二透镜L2后偏振态保持不变，经相位延迟片40后由第一圆偏振光变为第一线偏振光，而第一线偏振光无法通过偏光结构30，被反射后再次经过相位延迟片40，在相位延迟片40的作用下重新变成第一圆偏振光，然后经过第二透镜L2和第三透镜L3，在半透半反膜50发生反射后，第一圆偏振光变成第二圆偏振光，第二圆偏振光的偏转方向与第一圆偏振光的旋性相反，再次经过第三透镜L3、第二透镜L2，经相位延迟片40后变成第二线偏振光，第二线偏振光可通过偏光结构30，最后经过第一透镜L1后传输至成像面。

一些实施例中，第一透镜L1的成像面11和像源面12于近光轴处可均为凸面，第二透镜L2的成像面21于近光轴处为凹面，第二透镜L2的像源面22于近光轴处为凹面或凸面；第三透镜L3的成像面31、像源面32于近光轴处均为凸面。上述各透镜的成像面均为朝向成像侧的一面，而上述各透镜的像源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：103deg<FOV<122deg；其中，FOV为所述光学镜头的最大视场角。这样，光学系统100具有较大视场角，使得用户可以获得沉浸感良好的目视体验效果。

一些实施例中，光学系统100满足以下关系式：0.8<TTL/Imgh<1.1；其中，TTL为所述第一透镜L1的成像面11至所述光学系统100的像源面102于光轴上的距离（即光学系统100的总长），Imgh为所述光学系统100的像源面102上有效像源区域对角线长的一半（即光学系统100的像高的一半）。

通过限定光学系统100的总长与光学系统100的像高的一半的比值，有利于在光学系统100具有较大像源面102的前提下，使得光学系统100的结构更加紧凑，从而具有超薄的特性，满足小型化的设计要求。当超过关系式的上限时，光学系统100的总长过大，导致光学系统100的整体体积增大，不利于光学系统100的小型化设计要求。而低于关系式的下限时，光学系统100的结构过于紧凑，使得像差修正难度加大，从而容易导致光学系统100的成像性能降低。

一些实施例中，光学系统100满足以下关系式0.8＜Imgh/fS＜1；其中，Imgh为所述光学系统100的像源面102上有效像源区域对角线长的一半，fS为所述光学系统100在短焦状态下的焦距。

通过合理控制光学系统100的半像高与光学系统100在短焦状态下的焦距的比值，能够在使得光学系统100的整体结构紧凑，符合小型化设计要求的基础上，还能够具有较好的像差收敛效果，有利于提高光学系统100的成像质量。

一些实施例中，光学系统100满足以下关系式：0.7＜Imgh/fL＜0.95；其中，Imgh为所述光学系统100的像源面102上有效像源区域对角线长的一半，fL为所述光学系统100在长焦状态下的焦距。

通过约束光学系统100的半像高与光学系统100在长焦状态下的焦距的比值，能够在使得光学系统100的整体结构紧凑，符合小型化设计要求的基础上，还能够具有较好的像差收敛效果，有利于提高光学系统100的成像质量。

一些实施例中，光学系统100满足以下关系式：1.4<(T23S-T23L)/(fL-fS)<2.8；其中，T23S是所述光学系统100在短焦状态时，所述第二透镜L2的像源面22至所述第三透镜L3的成像面31于光轴上的距离，T23L是所述光学系统100在长焦状态时，所述第二透镜L2的像源面22至所述第三透镜L3的成像面31于光轴上的距离，fL为所述光学系统100在长焦状态下的焦距，fS为所述光学系统100在短焦状态下的焦距。

当光学系统100满足该关系式1.4<(T23S-T23L)/(fL-fS)<2.8，能够合理配置第三透镜L3在光轴方向上的移动距离，从而无需增加光学系统100的总长，有利于光学系统100的小型化设计。此外，还能够有效控制该光学系统100在短焦状态至长焦状态的变焦范围内的像差收敛程度，从而减少光学系统100的像差，进而有利于提高光学系统100的成像质量。

一些实施例中，光学系统100满足以下关系式：1.2<SD32/Imgh<1.5；其中，SD32是所述第三透镜L3的像源面32的最大有效半口径，Imgh为所述光学系统100的像源面102上有效像源区域对角线长的一半。

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的像源面32的最大的有效半口径与光学系统100的像高的一半的比值，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的小型化设计，同时提升解像力。此外，还能够降低光学系统100的折叠光路的设计难度，使得光学系统100的整体光路设计更加简单。

一些实施例中，光学系统100满足以下关系式：0.5<|R1/R2|<7；其中，R1为所述第一透镜L1的成像面11于光轴处的曲率半径，R2为所述第一透镜L1的像源面12于光轴处的曲率半径。

因第一透镜L1为靠近成像侧的透镜，因此，通过控制第一透镜L1的成像面11与像源面于近光轴处的曲率半径的比值，能够有效控制第一透镜L1的屈光度贡献，从而在有效控制像差的同时，还能够提高对系统放大率的影响。此外，还能够控制边缘视场处第一透镜L1的成像面11及像源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：100<|R3+R4|/CT2<220；其中，R3是所述第二透镜L2的成像面21于光轴处的曲率半径，R4是所述第二透镜L2的像源面22于光轴处的曲率半径，CT2是所述第二透镜L2于光轴上的厚度（即第二透镜L2的中心厚度）。

通过控制第二透镜L2的成像面21、像源面于近光轴处的曲率半径的总和与第二透镜L2的中心厚度的比值，一方面有利于控制第二透镜L2的整体尺寸，从而有利于光学系统100的折叠光路的设计；另一方面还能够有效控制光学系统100的光线偏折角度。

一些实施例中，光学系统100满足以下关系式：5<|R5/R6|<200；其中，R5是所述第三透镜L3的成像面31于光轴处的曲率半径，R6是所述第三透镜L3的像源面32于光轴处的曲率半径。

通过控制第三透镜L3的成像面31及像源面的曲率半径的比值，不仅能够控制第三透镜L3的屈光度贡献，提高第三透镜L3对光学系统100的放大倍率以及折叠光路的设计的影响，而且还能够对光学系统100的各个视场的主光线在像源面102的入射角有相对合理的控制，满足光学系统100设计主光线入射角度的要求。

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至图3所示，光学系统100包括沿光轴从成像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、相位延迟片40、第二透镜L2、第三透镜L3、半透半反膜50、盖板60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的成像面11、像源面于近光轴处均为凸面；第二透镜L2的成像面21、像源面于近光轴处分别为凹面、凸面；第三透镜L3的成像面31、像源面于近光轴处均为凸面。

来自像源面102的光线为第一圆偏振光，第一圆偏振光经过半透半反膜50后，依次经过第三透镜L3、第二透镜L2，并经过相位延迟片40，以将第一圆偏振光变为第一线偏振光。第一线偏振光被偏光结构30反射，再次经过相位延迟片40，以在相位延迟片40的作用下重新变为第一圆偏振光。第一圆偏振光经过第二透镜L2、第三透镜L3后，在半透半反膜50处再次发生反射，同时由第一圆偏振光转变为第二圆偏振光，该第二圆偏振光的旋转方向与第一圆偏振光的旋转方向相反。第二圆偏振光依次经过第三透镜L3、第二透镜L2后，再次经过相位延迟片40，并从第二圆偏振光转变为第二线偏振光，第二线偏振光经过偏光结构30后，再经过第一透镜L1传输至人眼（即光阑101）处。

以光学系统100在不同像距下处于不同状态来进行说明，第三透镜L3位于不同状态下，其能够相对像源面102沿光轴上移动，以实现光学系统100的调焦。光学系统100的其他参数由下表1给出。其中，沿光学系统100的光轴由成像侧至像源侧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成像面，面序号较大的表面为该透镜的像源面，如面序号1和2分别对应第一透镜L1的成像面11和像源面12。表1中的Y半径为相应面序号的成像面或像源面于光轴处的曲率半径。透镜的“厚度”参数列中的第一个数值为该透镜于光轴上的厚度，第二个数值为该透镜的像源面至后一表面于光轴上的距离。光阑101于“厚度”参数列中的数值为光阑101至第一透镜L1的成像面11于光轴上的距离。表1中的各参数的单位均为mm。

值得说明的是，表1中的成像面的厚度a表示成像面与光学系统100的距离。表1中的b表示的是第二透镜L2和第三透镜L3在光轴上的空气间隔，d表示的是第三透镜L3和盖板60在光轴上的空气间隔。

请一并参阅表2，表2中示出了在短焦状态、中焦状态、长焦状态下，光学系统100各参数的取值，其中，f是指光学系统的焦距，FOV是光学系统100的最大视场角，TTL是第一透镜L1的成像面至光学系统的像源面102在光轴上的距离。表2中除FOV的单位为deg外，其他各参数的单位均为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的成像面和像源面均为非球面，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A4、A6、A8、A10、A12。

表1

表2

表3

请一并参阅4至图6，图4至图6分别示出了光学系统100在短焦状态、中焦状态、长焦状态的像散和畸变曲线，具体地，以图4为例，图4中的（A）示出了本实施例中的光学系统100在短焦状态时，在波长为531nm下的像散曲线，图4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视场角，单位为deg。像散曲线表示子午成像面弯曲T和弧矢成像面弯曲S，由图4中的（A）可以看出，在该波长下，光学系统100的像散得到了较好的补偿。请参阅图4中的（B），图4中的（B）为本实施例的光学系统100在波长为531nm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4中的（B）可以看出，在波长531nm下，该光学系统100的畸变得到了很好的校正。

同理，图5中的（A）示出了本实施例中的光学系统100中焦状态时，在波长为531nm下的像散曲线，图5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。像散曲线表示子午成像面弯曲T和弧矢成像面弯曲S，由图5中的（A）可以看出，在该波长下，光学系统100的像散得到了较好的补偿。请参阅图5中的（B），图5中的（B）为本实施例的光学系统100在波长为531nm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5中的（B）可以看出，在波长531nm下，该光学系统100的畸变得到了很好的校正。

图6中的（A）示出了本实施例中的光学系统100长焦状态时，在波长为531nm下的像散曲线，图6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视场角，单位为deg。像散曲线表示子午成像面弯曲T和弧矢成像面弯曲S，由图6中的（A）可以看出，在该波长下，光学系统100的像散得到了较好的补偿。请参阅图6中的（B），图6中的（B）为本实施例的光学系统100在长焦状态时，在波长为531nm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6中的（B）可以看出，在波长531nm下，该光学系统100的畸变得到了很好的校正。

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7所示，光学系统100包括沿光轴从成像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、相位延迟片40、第二透镜L2、第三透镜L3、半透半反膜50、盖板60和像源面102。

第一透镜L1至第三透镜L3的屈折力设计请参考实施例一，此处不再赘述。对于第一透镜L1至第三透镜L3的面型，除第二透镜L2的像源面22于近光轴处为凹面外，其他透镜的面型均与实施例一一致，此处不再赘述。

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。

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成像面和像源面均为非球面，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A4、A6、A8、A10、A12。

表4

表5

表6

请一并参阅图8至图10，图8至图10分别示出了光学系统100在短焦状态、中焦状态、长焦状态的像散和畸变曲线，由图8、图9、图10中的（A）像散曲线图以及（B）畸变曲线图可知，光学系统的像散、畸变都得到很好的控制，从而该光学系统100拥有良好的成像品质。

图8、图9、图10中的（A）、（B）中各曲线对应的波长可参考关于实施例一种关于图4、图5、图6中的（A）、（B）所描述的内容，此处不再赘述。

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11所示，光学系统100包括沿光轴从成像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、相位延迟片40、第二透镜L2、第三透镜L3、半透半反膜50、盖板60和像源面102。

第一透镜L1至第三透镜L3的屈折力设计请参考实施例一，此处不再赘述。对于第一透镜L1至第三透镜L3的面型，除第二透镜L2的像源面22于近光轴处为凹面外，其他透镜的面型均与实施例一一致，此处不再赘述。

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。

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成像面和像源面均为非球面，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A4、A6、A8、A10、A12。

表7

表8

表9

请一并参阅图12至图14，图12至图14分别示出了光学系统100在短焦状态、中焦状态、长焦状态的像散和畸变曲线，由图12、图13、图14中的（A）像散曲线图以及（B）畸变曲线图可知，光学系统的像散、畸变都得到很好的控制，从而该光学系统100拥有良好的成像品质。

图12、图13、图14中的（A）、（B）中各曲线对应的波长可参考关于实施例一种关于图4、图5、图6中的（A）、（B）所描述的内容，此处不再赘述。

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15所示，光学系统100包括沿光轴从成像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、相位延迟片40、第二透镜L2、第三透镜L3、半透半反膜50、盖板60和像源面102。

第一透镜L1至第三透镜L3的屈折力、面型设计请参考实施例一，此处不再赘述。

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。

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成像面和像源面均为非球面，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。下表12给出了可用于实施例四中各非球面的高次项系数A4、A6、A8、A10、A12。

表10

表11

表12

请一并参阅图16至图18，图16至18分别示出了光学系统100在短焦状态、中焦状态、长焦状态的像散和畸变曲线，由图16、图17、图18中的（A）像散曲线图以及（B）畸变曲线图可知，光学系统的像散、畸变都得到很好的控制，从而该光学系统100拥有良好的成像品质。

图16、图17、图18中的（A）、（B）中各曲线对应的波长可参考关于实施例一种关于图4、图5、图6中的（A）、（B）所描述的内容，此处不再赘述。

请参阅表13，表13为本申请实施例一至实施例四中各关系式的比值汇总。

表13

请参阅表14，表14为本申请实施例一至实施例四的光学系统100的其他参数的汇总。其中，f1、f2、f3分别为第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3的焦距。

光学系统100满足：5＜f1/fL＜6.5；5＜f1/fS＜7；-35＜f2/fL＜50；-35＜f2/fS＜50，0.5＜f3/fL＜1；0.5＜f3/fS＜1。

表14

第二方面，请参阅图19，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 (10)

1.一种光学系统，其特征在于，共有三片具有屈折力的透镜，所述光学系统沿着光轴沿成像侧至像源侧依序包括：

第一透镜，具有正屈折力，所述第一透镜的成像面、像源面于近光轴处均为凸面；

第二透镜，具有负屈折力，所述第二透镜的成像面于近光轴处为凹面；

第三透镜，具有正屈折力，所述第三透镜的成像面、像源面于近光轴处均为凸面，所述第一透镜和所述第二透镜相对所述光学系统的像源面固定，所述第三透镜在所述第二透镜和所述光学系统的像源面之间沿光轴方向移动；

所述第一透镜的成像面和所述光学系统的像源面之间沿光轴从成像侧至像源侧还依次设有偏光结构、相位延迟片和半透半反膜；

所述光学系统满足关系式：

103deg<FOV<122deg；1.2<SD32/Imgh<1.5；

其中，FOV为所述光学系统的最大视场角，SD32是所述第三透镜的像源面的最大有效半口径，Imgh为所述光学系统的像源面上有效像源区域对角线长的一半。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系式：0.8<TTL/Imgh<1.1；

其中，TTL为所述第一透镜的成像面至所述光学系统的像源面于光轴上的距离。

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：0.8＜Imgh/fS＜1；

其中，fS为所述光学系统在短焦状态下的焦距。

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：0.7＜Imgh/fL＜0.95；

其中，fL为所述光学系统在长焦状态下的焦距。

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：1.4<(T23S-T23L)/(fL-fS)<2.8；

其中，T23S是所述光学系统在短焦状态时，所述第二透镜的像源面至所述第三透镜的成像面于光轴上的距离，T23L是所述光学系统在长焦状态时，所述第二透镜的像源面至所述第三透镜的成像面于光轴上的距离，fL为所述光学系统在长焦状态下的焦距，fS为所述光学系统在短焦状态下的焦距。

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：5＜f1/fL＜6.5；5＜f1/fS＜7；

其中，fL为所述光学系统在长焦状态下的焦距，fS为所述光学系统在短焦状态下的焦距，f1为所述第一透镜的焦距。

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：0.5<|R1/R2|<7；

其中，R1为所述第一透镜的成像面于光轴处的曲率半径，R2为所述第一透镜的像源面于光轴处的曲率半径。

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：100<|R3+R4|/CT2<220；

其中，R3是所述第二透镜的成像面于光轴处的曲率半径，R4是所述第二透镜的像源面于光轴处的曲率半径，CT2是所述第二透镜于光轴上的厚度。

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：5<|R5/R6|<200；

其中，R5是所述第三透镜的成像面于光轴处的曲率半径，R6是所述第三透镜的像源面于光轴处的曲率半径。

10.一种头戴式设备，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1-9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。