CN117872586A - 光学系统 - Google Patents

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张晓彬
游金兴
金银芳
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Abstract

本申请公开了一种光学系统。该光学系统沿着光轴由第一侧至第二侧依序包括：不具有光焦度的第一透镜，其第一侧面为平面，第二侧面为平面；反射式偏光元件；四分之一波板；以及具有正光焦度的第二透镜，其第一侧面为凸面。光学系统满足：5.3＜f/EPD＜6.5和0.4＜f2/(T2a1+T2b1+T2c1+T2d1)＜1.2，其中EPD是光学系统的入瞳直径，f是光学系统的总有效焦距，f2是第二透镜的有效焦距，T2a1是第二透镜的第一侧面在第一方向上的第一有效半口径，T2c1是第二透镜的第一侧面在第一方向上的第二有效半口径，T2b1是第二透镜的第一侧面在垂直于第一方向的第二方向上的第三有效半口径，T2d1是第二透镜的第一侧面在第二方向上的第四有效半口径。

Description

光学系统
技术领域
本申请涉及光学元件领域，具体地，涉及一种光学系统。
背景技术
随着科学技术的不断进步以及社会的不断发展，近年来，虚拟现实(VR)技术以可以实现虚实结合等优势发展迅猛，被广泛应用于多个领域。例如，在航空、卫星和教育等领域已经实现了利用虚拟技术建立训练系统等。随着经济的发展，用户对生活娱乐的需求越来越大。搭载有光学系统的电子产品以其虚拟现实技术等优势受到了越来越多的用户的青睐，其产业生态日益繁荣。
目前，主流的光学系统大多为折返式光学架构，其包括多个透镜和贴附于透镜上的反射式偏光元件和四分之一波板，其中反射式偏光元件和四分之一波板发挥着重要作用。然而，若透镜为曲面透镜，则会增大贴膜工艺难度，导致贴膜品质变差；若透镜为平面透镜，又会减小系统变量，系统性能优化空间受限，外视场性能降低。
发明内容
本申请一方面提供了这样一种光学系统，该光学系统沿着光轴由第一侧至第二侧依序包括：不具有光焦度的第一透镜，其第一侧面为平面，第二侧面为平面；反射式偏光元件；四分之一波板；以及具有正光焦度的第二透镜，其第一侧面为凸面。光学系统可满足：5.3＜f/EPD＜6.5和0.4＜f2/(T2a1+T2b1+T2c1+T2d1)＜1.2，其中EPD是光学系统的入瞳直径，f是光学系统的总有效焦距，f2是第二透镜的有效焦距，T2a1是第二透镜的第一侧面在第一方向上的第一有效半口径，T2c1是第二透镜的第一侧面在第一方向上的第二有效半口径，T2b1是第二透镜的第一侧面在垂直于第一方向的第二方向上的第三有效半口径，T2d1是第二透镜的第一侧面在第二方向上的第四有效半口径。
在一个实施方式中，第二透镜的第一侧面和第二侧面中的至少一个镜面是非球面镜面。
在一个实施方式中，光学系统可满足：0.9＜R3/(T2a1+T2c1)＜3，其中，R3是第二透镜的第一侧面的曲率半径，T2a1是第二透镜的第一侧面在第一方向上的第一有效半口径，T2c1是第二透镜的第一侧面在第一方向上的第二有效半口径。
在一个实施方式中，光学系统可满足：0.8＜(T2b1+T2d1)/(T2b2+T2d2)＜1.2，其中，T2b2是第二透镜的第二侧面在第二方向上的第三有效半口径，T2d2是第二透镜的第二侧面在第二方向上的第四有效半口径。
在一个实施方式中，光学系统可满足：0.6＜(CT1+CTR+CTQ+T12)/CT2＜1.8，其中，CT1是第一透镜在光轴上的中心厚度，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，T12是四分之一波板至第二透镜的第一侧面在光轴上的距离，CT2是第二透镜在光轴上的中心厚度。
在一个实施方式中，光学系统可满足：0.9＜|R4|/(T2a2+T2b2+T2c2+T2d2)＜2.9，其中，R4是第二透镜的第二侧面的曲率半径，T2a2是第二透镜的第二侧面在第一方向上的第一有效半口径，T2c2是第二透镜的第二侧面在第一方向上的第二有效半口径，T2b2是第二透镜的第二侧面在第二方向上的第三有效半口径，T2d2是第二透镜的第二侧面在第二方向上的第四有效半口径。
在一个实施方式中，光学系统可满足：0.1＜|R3/R4|×(T2a1/T2a2)＜1.3，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，T2a1是第二透镜的第一侧面在第一方向上的第一有效半口径，T2a2是第二透镜的第二侧面在第一方向上的第一有效半口径。
在一个实施方式中，光学系统可满足：1.0＜f/T2a1＜1.6，其中，f是光学系统的总有效焦距，T2a1是第二透镜的第一侧面在第一方向上的第一有效半口径。
在一个实施方式中，光学系统可满足：1.9＜(T2b2+T2d2)/f＜2.4，其中，f是光学系统的总有效焦距，T2b2是第二透镜的第二侧面在第二方向上的第三有效半口径，T2d2是第二透镜的第二侧面在第二方向上的第四有效半口径。
在一个实施方式中，光学系统可满足：0.4＜CT2/(T2c2-T2a2)＜2.6，其中，CT2是第二透镜在光轴上的中心厚度，T2a2是第二透镜的第二侧面在第一方向上的第一有效半口径，T2c2是第二透镜的第二侧面在第一方向上的第二有效半口径。
在一个实施方式中，光学系统可满足：2.9＜(T2b2+T2d2)/TD＜4.4，其中，T2b2是第二透镜的第二侧面在第二方向上的第三有效半口径，T2d2是第二透镜的第二侧面在第二方向上的第四有效半口径，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。
在一个实施方式中，光学系统可满足：1.0＜N2×(T2a1/T2b1)＜1.7，其中，T2a1是第二透镜的第一侧面在第一方向上的第一有效半口径，T2b1是第二透镜的第一侧面在第二方向上的第三有效半口径，N2是第二透镜的折射率。
在一个实施方式中，光学系统可满足：0.7＜f2/(T2c2+T2d2)＜2.1，其中，T2c2是第二透镜的第二侧面在第一方向上的第二有效半口径，T2d2是第二透镜的第二侧面在第二方向上的第四有效半口径。
本申请一方面提供了这样一种光学系统，该光学系统沿着光轴由第一侧至第二侧依序包括：不具有光焦度的第一透镜，其第一侧面为平面，第二侧面为平面；反射式偏光元件；四分之一波板；以及具有正光焦度的第二透镜，其第一侧面为凸面。光学系统可满足：5.3＜f/EPD＜6.5和0.9＜|R4|/(T2a2+T2b2+T2c2+T2d2)＜2.9，其中EPD是光学系统的入瞳直径，f是光学系统的总有效焦距，R4是第二透镜的第二侧面的曲率半径，T2a2是第二透镜的第二侧面在第一方向上的第一有效半口径，T2c2是第二透镜的第二侧面在第一方向上的第二有效半口径，T2b2是第二透镜的第二侧面在垂直于第一方向的第二方向上的第三有效半口径，T2d2是第二透镜的第二侧面在第二方向上的第四有效半口径。
在一个实施方式中，光学系统可满足：0.9＜R3/(T2a1+T2c1)＜3，其中，R3是第二透镜的第一侧面的曲率半径，T2a1是第二透镜的第一侧面在第一方向上的第一有效半口径，T2c1是第二透镜的第一侧面在第一方向上的第二有效半口径。
在一个实施方式中，光学系统可满足：0.8＜(T2b1+T2d1)/(T2b2+T2d2)＜1.2，其中，T2b2是第二透镜的第二侧面在第二方向上的第三有效半口径，T2d2是第二透镜的第二侧面在第二方向上的第四有效半口径。
在一个实施方式中，光学系统可满足：0.6＜(CT1+CTR+CTQ+T12)/CT2＜1.8，其中，CT1是第一透镜在光轴上的中心厚度，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，T12是四分之一波板至第二透镜的第一侧面在光轴上的距离，CT2是第二透镜在光轴上的中心厚度。
在一个实施方式中，光学系统可满足：0.1＜|R3/R4|×(T2a1/T2a2)＜1.3，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，T2a1是第二透镜的第一侧面在第一方向上的第一有效半口径，T2a2是第二透镜的第二侧面在第一方向上的第一有效半口径。
在一个实施方式中，光学系统可满足：1.0＜f/T2a1＜1.6，其中，f是光学系统的总有效焦距，T2a1是第二透镜的第一侧面在第一方向上的第一有效半口径。
在一个实施方式中，光学系统可满足：1.9＜(T2b2+T2d2)/f＜2.4，其中，f是光学系统的总有效焦距，T2b2是第二透镜的第二侧面在第二方向上的第三有效半口径，T2d2是第二透镜的第二侧面在第二方向上的第四有效半口径。
在一个实施方式中，光学系统可满足：0.4＜CT2/(T2c2-T2a2)＜2.6，其中，CT2是第二透镜在光轴上的中心厚度，T2a2是第二透镜的第二侧面在第一方向上的第一有效半口径，T2c2是第二透镜的第二侧面在第一方向上的第二有效半口径。
在一个实施方式中，光学系统可满足：2.9＜(T2b2+T2d2)/TD＜4.4，其中，T2b2是第二透镜的第二侧面在第二方向上的第三有效半口径，T2d2是第二透镜的第二侧面在第二方向上的第四有效半口径，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。
在一个实施方式中，光学系统可满足：1.0＜N2×(T2a1/T2b1)＜1.7，其中，T2a1是第二透镜的第一侧面在第一方向上的第一有效半口径，T2b1是第二透镜的第一侧面在第二方向上的第三有效半口径，N2是第二透镜的折射率。
在一个实施方式中，光学系统可满足：0.7＜f2/(T2c2+T2d2)＜2.1，其中，T2c2是第二透镜的第二侧面在第一方向上的第二有效半口径，T2d2是第二透镜的第二侧面在第二方向上的第四有效半口径。
在一个实施方式中，光学系统可满足：0.4＜f2/(T2a1+T2b1+T2c1+T2d1)＜1.2，其中，f2是第二透镜的有效焦距，T2a1是第二透镜的第一侧面在第一方向上的第一有效半口径，T2c1是第二透镜的第一侧面在第一方向上的第二有效半口径，T2b1是第二透镜的第一侧面在第二方向上的第三有效半口径，T2d1是第二透镜的第一侧面在第二方向上的第四有效半口径。
在本申请的一示例性实施方式中，光学系统可包含第一透镜、反射式偏光元件、四分之一波板和第二透镜。反射式偏光元件和四分之一波板可复合在一起贴附到不具有光焦度的第一透镜的第二侧面，这样可以使反射式偏光元件和四分之一波板贴附在平面上，进而有利于降低贴膜工艺难度，提高贴膜质量。本申请通过合理搭配平面透镜(如第一透镜，其第一侧面和第二侧面为平面)和曲面透镜(如第二透镜，其第一侧面为曲面)，既有利于降低贴膜工艺，又有利于提高外视场性能。在此基础上，设置光学系统满足5.3＜f/EPD＜6.5和0.4＜f2/(T2a1+T2b1+T2c1+T2d1)＜1.2，可以实现通过控制光学系统的光圈值Fno(即f/EPD)在一定范围的情况下，通过控制第二透镜的有效焦距和其第一侧面两个方向上的四个有效半口径之和的比值，既有利于使第二透镜具有正光焦度，进而使第二透镜可以起到汇聚光线的作用，实现大视场角光线汇聚，同时又有利于将第二透镜厚度控制在合理范围，有利于第二透镜的成型，还有利于使第二透镜第一侧面形成非整圆结构，第二透镜第一侧面的光学区域中心至有效口径轮廓边缘小的位置与如体验该光学系统的用户的如鼻侧对应，进而有利于使该光学系统的设计更符合人体工程学，提高用户的体验舒适性。
在本申请的另一示例性实施方式中，光学系统可包含第一透镜、反射式偏光元件、四分之一波板和第二透镜。反射式偏光元件和四分之一波板可复合在一起贴附到不具有光焦度的第一透镜的第二侧面，这样可以使反射式偏光元件和四分之一波板贴附在平面上，进而有利于降低贴膜工艺难度，提高贴膜质量。本申请通过合理搭配平面透镜(如第一透镜，其第一侧面和第二侧面为平面)和曲面透镜(如第二透镜，其第一侧面为曲面)，既有利于降低贴膜工艺，又有利于提高外视场性能。在此基础上，设置光学系统满足5.3＜f/EPD＜6.5和0.9＜|R4|/(T2a2+T2b2+T2c2+T2d2)＜2.9，可以实现通过控制光学系统的光圈值Fno(即f/EPD)在一定范围的情况下，通过控制第二透镜第二侧面的曲率半径和其第二侧面两个方向上的四个有效半口径之和的比值，一方面有利于合理设置第二透镜第二侧面的形状，有利于第二透镜的成型，另一方面有利于使第二透镜第二侧面形成非整圆结构，第二透镜第二侧面的光学区域中心至有效口径轮廓边缘小的位置与如体验该光学系统的用户的如鼻侧对应，进而有利于使该光学系统的设计更符合人体工程学，提高用户的体验舒适性。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是实施例1至实施例3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至实施例3的光学系统的轴上色差曲线、象散曲线以及畸变曲线；
图3是实施例4至实施例6的光学系统的结构示意图；
图4A至图4C分别示出了实施例4至实施例6的光学系统的轴上色差曲线、象散曲线以及畸变曲线；
图5是实施例7至实施例9的光学系统的结构示意图；
图6A至图6C分别示出了实施例7至实施例9的光学系统的轴上色差曲线、象散曲线以及畸变曲线；
图7是根据本申请实施例的第二透镜的第一侧面的参数T2a1、T2b1、T2c1和T2d1的示意图；以及
图8是根据本申请实施例的第二透镜的第二侧面的参数T2a2、T2b2、T2c2和T2d2的示意图。
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、第三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。
此外，在本说明书中，上、下、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
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。第一侧是指例如靠近使用者眼睛的一侧，第二侧是指例如靠近显示屏幕的一侧，其中显示屏幕上可具有像源面(即影像面)。每个透镜最靠近第一侧的表面称为该透镜的第一侧面，每个透镜最靠近第二侧的表面称为该透镜的第二侧面。
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于形式化意义解释，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。以下实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。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一片不具有光焦度的透镜如第一透镜和一片具有光焦度的透镜如第二透镜。第一透镜的第一侧面可为平面，第二侧面可为平面；第二透镜的第一侧面可为凸面。
根据本申请示例性实施方式，第一透镜和第二透镜均可具有用于光学成像的光学区域和从光学区域的外周向外延伸的非光学区域。通常来说，光学区域是指透镜的用于光学投影的区域，非光学区域是透镜的结构区。在光学系统的投影过程中，各个透镜的光学区域可透射来自影像面的光而形成光学通路，并最终投射出去；而组装后的各个透镜的非光学区域被容纳在无法透射光线的镜筒中，因而使得非光学区域并不直接参与光学系统的投影过程。应注意，为便于描述，本申请将各个透镜划分成光学区域和非光学区域两部分进行描述，但应理解，透镜的光学区域和非光学区域二者在制造过程中可成形为一个整体，而非成形为单独的两部分。
在示例性实施方式中，如图1所示，根据本申请的光学系统还包括位于第一透镜E1的第二侧面的反射式偏光元件RP和四分之一波板QWP。反射式偏光元件RP可贴附于第一透镜E1的第二侧面。四分之一波板QWP可贴附于反射式偏光元件RP的表面。换言之，反射式偏光元件RP的第一侧面可贴附于第一透镜E1的第二侧面。四分之一波板QWP的第一侧面可贴附于反射式偏光元件RP的第二侧面。
在示例性实施方式中，如图1所示，根据本申请的光学系统还包括设置在第一侧的光阑STO以及设置在第二侧的影像面IMG。使用者的眼睛可在光圈STO的位置处观看由影像面IMG投射出的影像，即影像面IMG上的影像光经过第二透镜E2、四分之一波板QWP、反射偏光元件RP以及第一透镜E1等多次折射和反射后最终投射至使用者的眼睛。
在示例性实施方式中，如图1所示，根据本申请的光学系统还包括贴附于第二透镜E2的第二侧面的部分反射元件BS。部分反射元件BS可以被配置为在光线经过时让一部分光线透射并且另一部分光线被反射。
本申请通过合理设置反射式偏光元件RP、四分之一波板QWP、部分反射元件BS以及多个透镜如第一透镜E1和第二透镜E2，可利用光反射和/或折射的方式，在不影响投影品质的前提下压缩系统投影所需的透镜组长度。
根据本申请示例性实施方式，如图1所示，光源发射的图像光可从第二侧的影像面IMG射出，并穿过第二透镜E2并到达反射式偏光元件RP后，在反射式偏光元件RP处发生第一次反射。经第一次反射的光穿过四分之一波板QWP并到达第二透镜E2的第二侧面上的部分反射元件BS后，在部分反射元件BS处发生第二次反射。经第二次反射的光依次穿过第二透镜E2、四分之一波板QWP、反射式偏光元件RP和第一透镜E1并最终投射至光阑STO(即使用者眼睛观看影像的位置)。
在示例性实施方式中，如图7所示，T2a1是第二透镜的第一侧面在第一方向X上的第一有效半口径。换言之，T2a1是第二透镜的第一侧面的光学区域的中心至第二透镜的第一侧面的有效口径轮廓的上边缘的距离。
T2c1是第二透镜的第一侧面在第一方向X上的第二有效半口径。换言之，T2c1是第二透镜的第一侧面的光学区域的中心至第二透镜的第一侧面的有效口径轮廓的下边缘的距离。
T2b1是第二透镜的第一侧面在垂直于第一方向X的第二方向Y上的第三有效半口径。换言之，T2b1是第二透镜的第一侧面的光学区域的中心至第二透镜的第一侧面的有效口径轮廓的左边缘的距离。
T2d1是第二透镜的第一侧面在第二方向Y上的第四有效半口径。换言之，T2d1是第二透镜的第一侧面的光学区域的中心至第二透镜的第一侧面的有效口径轮廓的右边缘的距离。
在示例性实施方式中，如图8所示，T2a2是第二透镜的第二侧面在第一方向X上的第一有效半口径。换言之，T2a2是第二透镜的第二侧面的光学区域的中心至第二透镜的第二侧面的有效口径轮廓的上边缘的距离。
T2c2是第二透镜的第二侧面在第一方向X上的第二有效半口径。换言之，T2c2是第二透镜的第二侧面的光学区域的中心至第二透镜的第二侧面的有效口径轮廓的下边缘的距离。
T2b2是第二透镜的第二侧面在第二方向Y上的第三有效半口径。换言之，T2b2是第二透镜的第二侧面的光学区域的中心至第二透镜的第二侧面的有效口径轮廓的左边缘的距离。
T2d2是第二透镜的第二侧面在第二方向Y上的第四有效半口径。换言之，T2d2是第二透镜的第二侧面的光学区域的中心至第二透镜的第二侧面的有效口径轮廓的右边缘的距离。
在一示例性实施方式中，根据本申请的光学系统可满足：5.3＜f/EPD＜6.5和0.4＜f2/(T2a1+T2b1+T2c1+T2d1)＜1.2，其中EPD是光学系统的入瞳直径，f是光学系统的总有效焦距，f2是第二透镜的有效焦距，T2a1是第二透镜的第一侧面在第一方向X上的第一有效半口径，T2c1是第二透镜的第一侧面在第一方向X上的第二有效半口径，T2b1是第二透镜的第一侧面在垂直于第一方向X的第二方向Y上的第三有效半口径，T2d1是第二透镜的第一侧面在第二方向Y上的第四有效半口径。
本申请提供的光学系统可包含第一透镜、反射式偏光元件、四分之一波板和第二透镜。反射式偏光元件和四分之一波板可复合在一起贴附到不具有光焦度的第一透镜的第二侧面，这样可以使反射式偏光元件和四分之一波板贴附在平面上，进而有利于降低贴膜工艺难度，提高贴膜质量。本申请通过合理搭配平面透镜(如第一透镜，其第一侧面和第二侧面为平面)和曲面透镜(如第二透镜，其第一侧面为曲面)，既有利于降低贴膜工艺，又有利于提高外视场性能。在此基础上，设置光学系统满足5.3＜f/EPD＜6.5和0.4＜f2/(T2a1+T2b1+T2c1+T2d1)＜1.2，可以实现通过控制光学系统的光圈值Fno(即f/EPD)在一定范围的情况下，通过控制第二透镜的有效焦距和其第一侧面两个方向上的四个有效半口径之和的比值，既有利于使第二透镜具有正光焦度，进而使第二透镜可以起到汇聚光线的作用，实现大视场角光线汇聚，同时又有利于将第二透镜厚度控制在合理范围，有利于第二透镜的成型，还有利于使第二透镜第一侧面形成非整圆结构，第二透镜第一侧面的光学区域中心至有效口径轮廓边缘小的位置与如体验该光学系统的用户的如鼻侧对应，进而有利于使该光学系统的设计更符合人体工程学，提高用户的体验舒适性。
在另一示例性实施方式中，根据本申请的光学系统可满足：5.3＜f/EPD＜6.5和0.9＜|R4|/(T2a2+T2b2+T2c2+T2d2)＜2.9，其中EPD是光学系统的入瞳直径，f是光学系统的总有效焦距，R4是第二透镜的第二侧面的曲率半径，T2a2是第二透镜的第二侧面在第一方向X上的第一有效半口径，T2c2是第二透镜的第二侧面在第一方向X上的第二有效半口径，T2b2是第二透镜的第二侧面在垂直于第一方向X的第二方向Y上的第三有效半口径，T2d2是第二透镜的第二侧面在第二方向Y上的第四有效半口径。
本申请提供的光学系统可包含第一透镜、反射式偏光元件、四分之一波板和第二透镜。反射式偏光元件和四分之一波板可复合在一起贴附到不具有光焦度的第一透镜的第二侧面，这样可以使反射式偏光元件和四分之一波板贴附在平面上，进而有利于降低贴膜工艺难度，提高贴膜质量。本申请通过合理搭配平面透镜(如第一透镜，其第一侧面和第二侧面为平面)和曲面透镜(如第二透镜，其第一侧面为曲面)，既有利于降低贴膜工艺，又有利于提高外视场性能。在此基础上，设置光学系统满足5.3＜f/EPD＜6.5和0.9＜|R4|/(T2a2+T2b2+T2c2+T2d2)＜2.9，可以实现通过控制光学系统的光圈值Fno(即f/EPD)在一定范围的情况下，通过控制第二透镜第二侧面的曲率半径和其第二侧面两个方向上的四个有效半口径之和的比值，一方面有利于合理设置第二透镜第二侧面的形状，有利于第二透镜的成型，另一方面有利于使第二透镜第二侧面形成非整圆结构，第二透镜第二侧面的光学区域中心至有效口径轮廓边缘小的位置与如体验该光学系统的用户的如鼻侧对应，进而有利于使该光学系统的设计更符合人体工程学，提高用户的体验舒适性。
在示例性实施方式中，根据本申请的光学系统可满足：0.9＜R3/(T2a1+T2c1)＜3，其中，R3是第二透镜的第一侧面的曲率半径，T2a1是第二透镜的第一侧面在第一方向X上的第一有效半口径，T2c1是第二透镜的第一侧面在第一方向X上的第二有效半口径。满足0.9＜R3/(T2a1+T2c1)＜3，有利于控制第二透镜的形状，有利于第二透镜成型，同时有利于提高用户的沉浸式体验感受。
在示例性实施方式中，根据本申请的光学系统可满足：0.8＜(T2b1+T2d1)/(T2b2+T2d2)＜1.2，其中，T2b2是第二透镜的第二侧面在第二方向Y上的第三有效半口径，T2d2是第二透镜的第二侧面在第二方向Y上的第四有效半口径。满足0.8＜(T2b1+T2d1)/(T2b2+T2d2)＜1.2，可通过控制第二透镜第一侧面和第二侧面光学区域中心到有效口径边缘左右轮廓的距离的比值，使第二透镜形成切边效果，进而有利于控制发光屏幕通光路径形状，有利于实现光学系统的小型化和提高用户的舒适性。
在示例性实施方式中，根据本申请的光学系统可满足：0.6＜(CT1+CTR+CTQ+T12)/CT2＜1.8，其中，CT1是第一透镜在光轴上的中心厚度，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，T12是四分之一波板至第二透镜的第一侧面在光轴上的距离，CT2是第二透镜在光轴上的中心厚度。满足0.6＜(CT1+CTR+CTQ+T12)/CT2＜1.8，可通过控制CT1、CTR、CTQ、T12和CT2之间的关系，使四分之一波板至第二透镜在光轴上的空气间隔较大，有利于减小光线在四分之一波板上的入射角，从而减小四分之一波板的角度效应。
在示例性实施方式中，根据本申请的光学系统可满足：0.1＜|R3/R4|×(T2a1/T2a2)＜1.3，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，T2a1是第二透镜的第一侧面在第一方向X上的第一有效半口径，T2a2是第二透镜的第二侧面在第一方向X上的第一有效半口径。满足0.1＜|R3/R4|×(T2a1/T2a2)＜1.3，有利于设置第二透镜具有正光焦度，有利于增大系统的视场角，同时有利于控制第二透镜第一侧面对光线具有汇聚作用，有利于提高用户沉浸式使用感受。
在示例性实施方式中，根据本申请的光学系统可满足：1.0＜f/T2a1＜1.6，其中，f是光学系统的总有效焦距，T2a1是第二透镜的第一侧面在第一方向X上的第一有效半口径。满足1.0＜f/T2a1＜1.6，可通过控制光学系统的总有效焦距和第二透镜第一侧表面光学区域中心至有效径上边缘的有效半口径的比值，来增加光学系统的沉浸感和视场角，进而有利于增加搭载有该光学系统的设备的虚实交互感。
在示例性实施方式中，根据本申请的光学系统可满足：1.9＜(T2b2+T2d2)/f＜2.4，其中，f是光学系统的总有效焦距，T2b2是第二透镜的第二侧面在第二方向Y上的第三有效半口径，T2d2是第二透镜的第二侧面在第二方向Y上的第四有效半口径。满足1.9＜(T2b2+T2d2)/f＜2.4，可通过控制第二透镜第二侧表面光学区域中心至有效口径左和右边缘的有效半口径之和与光学系统的总有效焦距的比值，来使系统具有合适的光焦度，同时有利于控制第二透镜左右方向的镜片尺寸，有利于第二透镜的成型，还有利于控制左右方向的光线口径，提升系统的视场角，增加用户的沉浸式感受。
在示例性实施方式中，根据本申请的光学系统可满足：0.4＜CT2/(T2c2-T2a2)＜2.6，其中，CT2是第二透镜在光轴上的中心厚度，T2a2是第二透镜的第二侧面在第一方向X上的第一有效半口径，T2c2是第二透镜的第二侧面在第一方向X上的第二有效半口径。满足0.4＜CT2/(T2c2-T2a2)＜2.6，可通过控制第二透镜在光轴上的中心厚度与第二透镜第二侧面光学区域中心至有效口径下与上边缘有效半口径之差的比值，来使第二透镜的厚度较大，有利于增大透镜的径厚壁，便于成型，同时还有利于使第二透镜第二侧面在上下方向(即第一方向)上形成类椭圆形切边的形状，使得搭载有该光学系统的设备适合用户的如脸部形状。
在示例性实施方式中，根据本申请的光学系统可满足：2.9＜(T2b2+T2d2)/TD＜4.4，其中，T2b2是第二透镜的第二侧面在第二方向Y上的第三有效半口径，T2d2是第二透镜的第二侧面在第二方向Y上的第四有效半口径，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。满足2.9＜(T2b2+T2d2)/TD＜4.4，可通过控制第二透镜第二侧面光学区域中心至有效口径左和右边缘的有效半口径之和与第一透镜第一侧面至第二透镜第二侧面在光轴上的距离的比值，一方面有利于使第二透镜的有效焦距在合理水平，有利于第二透镜的成型，另一方面有利于使光学系统的光焦度在合理水平，可以使搭载有该光学系统的设备更薄，有利于其小型化。
在示例性实施方式中，根据本申请的光学系统可满足：1.0＜N2×(T2a1/T2b1)＜1.7，其中，T2a1是第二透镜的第一侧面在第一方向X上的第一有效半口径，T2b1是第二透镜的第一侧面在第二方向Y上的第三有效半口径，N2是第二透镜的折射率。满足1.0＜N2×(T2a1/T2b1)＜1.7，一方面有利于控制第二透镜的光焦度，有利于控制光学系统的主光线角度，满足芯片CRA要求，另一方面有利于控制第二透镜边缘厚度，有利于第二透镜成型。
在示例性实施方式中，根据本申请的光学系统可满足：0.7＜f2/(T2c2+T2d2)＜2.1，其中，T2c2是第二透镜的第二侧面在第一方向X上的第二有效半口径，T2d2是第二透镜的第二侧面在第二方向Y上的第四有效半口径。满足0.7＜f2/(T2c2+T2d2)＜2.1，一方面有利于控制第二透镜的光焦度，有利于减小光线在四分之一波板上的入射角，从而有利于减小四分之一波板的角度效应，另一方面有利于控制第二透镜边缘厚度，有利于第二透镜成型。
在示例性实施方式中，根据本申请的光学系统还包括设置在第一侧与第一透镜之间的光阑。可选地，上述光学系统还可包括用于校正色彩偏差的滤光片和/或用于保护位于成像面上的感光元件的保护玻璃。本申请提出了一种具有低贴膜工艺、小型化、外视场效果佳、体验感好、舒适性好以及高成像质量等特性的光学系统。根据本申请的上述实施方式的光学系统可采用第一透镜、反射式偏光元件、四分之一波板和第二透镜。通过合理搭配各部件，可有效地汇聚入射光线、降低光学系统的光学总长并提高光学系统的可加工性，使得光学系统更有利于生产加工。
在本申请的实施方式中，第二透镜的镜面中的至少一个为非球面镜面，即，第二透镜的第一侧面和第二侧面中的至少一个镜面为非球面镜面。非球面透镜的特点是：从透镜中心到透镜周边，曲率是连续变化的。与从透镜中心到透镜周边具有恒定曲率的球面透镜不同，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，从而改善成像质量。可选地，第二透镜的第一侧面和第二侧面均为非球面镜面。
然而，本领域的技术人员应当理解，在未背离本申请要求保护的技术方案的情况下，可改变构成光学系统的透镜数量，来获得本说明书中描述的各个结果和优点。例如，虽然在实施方式中以两个透镜为例进行了描述，但是该光学系统不限于包括两个透镜。如果需要，该光学系统还可包括其它数量的透镜。
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描述根据本申请实施例1的光学系统。图1示出了实施例1的光学系统。
如图1所示，光学系统由第一侧至第二侧依序包括：光阑STO、第一透镜E1、反射式偏光元件RP、四分之一波板QWP、第二透镜E2、部分反射元件BS和影像面IMG。
第一透镜E1不具有光焦度，其第一侧面为平面，第二侧面为平面。第二透镜E2具有正光焦度，其第一侧面为凸面，第二侧面为凸面。反射式偏光元件RP贴附于第一透镜E1的第二侧面。四分之一波板QWP贴附于反射式偏光元件RP的第二侧面。部分反射元件BS贴附于第二透镜E2的第二侧面。
在本示例中，在影像面IMG上可设置有光源。来自影像面IMG的图像光穿过第二透镜E2并到达反射式偏光元件RP后，在反射式偏光元件RP处发生第一次反射。经第一次反射的光穿过四分之一波板QWP并到达第二透镜E2的第二侧面上的部分反射元件BS后，在部分反射元件BS处发生第二次反射。经第二次反射的光依次穿过第二透镜E2、四分之一波板QWP、反射式偏光元件RP和第一透镜E1并最终投射至空间中的目标物体(未示出)上。例如，当该光学系统搭载于如VR等电子设备时，经两次反射后的光线最终投射至体验者眼中。
表1示出了实施例1的光学系统的基本参数表，其中，曲率半径和厚度/距离的单位均为毫米(mm)。来自影像面IMG的图像光按照序号14至序号1的顺序经过各部件并最终投射至空间的目标物体如人眼中。
表1
在本示例中，第二透镜的有效焦距f2为120.58mm，光学系统的总有效焦距f为29.19mm，光学系统的入瞳直径EPD为4.50mm，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为18.81mm，反射式偏光元件在光轴上的中心厚度CTR为0.09mm，四分之一波板在光轴上的中心厚度CTQ为0.09mm。
表2示出了实施例1的光学系统中的第二透镜的基本参数表，其中，各参数的单位均为毫米(mm)。
参数 T2a1 T2b1 T2c1 T2d1 T2a2 T2b2 T2c2 T2d2
数值 19.14 27.93 31.38 27.93 19.35 28.23 31.72 28.23
表2
在实施例1中，第二透镜E2的第一侧面和第二侧面均为非球面，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3给出了可用于实施例1中各非球面镜面的高次项系数A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16、A18和A20。
第二透镜的第一侧面 第二透镜的第二侧面
A4 -5.0225E-01 7.1837E-07
A6 -5.5835E-02 -1.1483E-09
A8 9.8596E-02 2.8740E-13
A10 -2.1046E-02 4.2053E-16
A12 1.3974E-03 -1.5054E-19
A14 8.0498E-04 0.0000E+00
A16 0.0000E+00 0.0000E+00
A18 0.0000E+00 0.0000E+00
A20 0.0000E+00 0.0000E+00
表3
实施例2
以下参照图1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1示出了实施例2的光学系统。
如图1所示，光学系统由第一侧至第二侧依序包括：光阑STO、第一透镜E1、反射式偏光元件RP、四分之一波板QWP、第二透镜E2、部分反射元件BS和影像面IMG。
第一透镜E1不具有光焦度，其第一侧面为平面，第二侧面为平面。第二透镜E2具有正光焦度，其第一侧面为凸面，第二侧面为凸面。反射式偏光元件RP贴附于第一透镜E1的第二侧面。四分之一波板QWP贴附于反射式偏光元件RP的第二侧面。部分反射元件BS贴附于第二透镜E2的第二侧面。
在本示例中，在影像面IMG上可设置有光源。来自影像面IMG的图像光穿过第二透镜E2并到达反射式偏光元件RP后，在反射式偏光元件RP处发生第一次反射。经第一次反射的光穿过四分之一波板QWP并到达第二透镜E2的第二侧面上的部分反射元件BS后，在部分反射元件BS处发生第二次反射。经第二次反射的光依次穿过第二透镜E2、四分之一波板QWP、反射式偏光元件RP和第一透镜E1并最终投射至空间中的目标物体(未示出)上。例如，当该光学系统搭载于如VR等电子设备时，经两次反射后的光线最终投射至体验者眼中。
在本示例中，光阑STO、第一透镜E1、反射式偏光元件RP、四分之一波板QWP、第二透镜E2、部分反射元件BS和影像面IMG的结构和参数与实施例1中的光阑STO、第一透镜E1、反射式偏光元件RP、四分之一波板QWP、第二透镜E2、部分反射元件BS和影像面IMG的结构和参数可相同。因此，本示例的光学系统的基本参数表与实施例1中表1示出的基本参数完全相同，为避免赘述，本示例不在详细介绍，具体可参见实施例1所公开的相关内容。
在本示例中，第二透镜E2的第一侧面和第二侧面均为非球面。各非球面镜面的高次项系数与实施例1中表3示出的各非球面镜面的高次项系数可相同。因此，为避免赘述，本示例不在详细介绍各非球面镜面的高次项系数，具体可参见实施例1所公开的相关内容。
在本示例中，光学技术参数f2、f、EPD、TD、CTR和CTQ的数值与实施例1中f2、f、EPD、TD、CTR和CTQ的数值可相同。因此，为避免赘述，本示例不在详细介绍这些参数的数值，具体可参见实施例1所公开的相关内容。
表4示出了实施例2的光学系统中的第二透镜的基本参数表，其中，各参数的单位均为毫米(mm)。
参数 T2a1 T2b1 T2c1 T2d1 T2a2 T2b2 T2c2 T2d2
数值 22.28 30.75 31.38 30.75 22.52 31.09 31.72 31.09
表4
实施例3
以下参照图1描述根据本申请实施例3的光学系统。图1示出了实施例3的光学系统。
如图1所示，光学系统由第一侧至第二侧依序包括：光阑STO、第一透镜E1、反射式偏光元件RP、四分之一波板QWP、第二透镜E2、部分反射元件BS和影像面IMG。
第一透镜E1不具有光焦度，其第一侧面为平面，第二侧面为平面。第二透镜E2具有正光焦度，其第一侧面为凸面，第二侧面为凸面。反射式偏光元件RP贴附于第一透镜E1的第二侧面。四分之一波板QWP贴附于反射式偏光元件RP的第二侧面。部分反射元件BS贴附于第二透镜E2的第二侧面。
在本示例中，在影像面IMG上可设置有光源。来自影像面IMG的图像光穿过第二透镜E2并到达反射式偏光元件RP后，在反射式偏光元件RP处发生第一次反射。经第一次反射的光穿过四分之一波板QWP并到达第二透镜E2的第二侧面上的部分反射元件BS后，在部分反射元件BS处发生第二次反射。经第二次反射的光依次穿过第二透镜E2、四分之一波板QWP、反射式偏光元件RP和第一透镜E1并最终投射至空间中的目标物体(未示出)上。例如，当该光学系统搭载于如VR等电子设备时，经两次反射后的光线最终投射至体验者眼中。
在本示例中，光阑STO、第一透镜E1、反射式偏光元件RP、四分之一波板QWP、第二透镜E2、部分反射元件BS和影像面IMG的结构和参数与实施例1中的光阑STO、第一透镜E1、反射式偏光元件RP、四分之一波板QWP、第二透镜E2、部分反射元件BS和影像面IMG的结构和参数可相同。因此，本示例的光学系统的基本参数表与实施例1中表1示出的基本参数完全相同，为避免赘述，本示例不在详细介绍，具体可参见实施例1所公开的相关内容。
在本示例中，第二透镜E2的第一侧面和第二侧面均为非球面。各非球面镜面的高次项系数与实施例1中表3示出的各非球面镜面的高次项系数可相同。因此，为避免赘述，本示例不在详细介绍各非球面镜面的高次项系数，具体可参见实施例1所公开的相关内容。
在本示例中，光学技术参数f2、f、EPD、TD、CTR和CTQ的数值与实施例1中f2、f、EPD、TD、CTR和CTQ的数值可相同。因此，为避免赘述，本示例不在详细介绍这些参数的数值，具体可参见实施例1所公开的相关内容。
表5示出了实施例3的光学系统中的第二透镜的基本参数表，其中，各参数的单位均为毫米(mm)。
参数 T2a1 T2b1 T2c1 T2d1 T2a2 T2b2 T2c2 T2d2
数值 26.99 29.19 31.38 29.19 27.28 29.5 31.72 29.5
表5
图2A示出了实施例1至实施例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系统后的会聚焦点偏离。图2B示出了实施例1至实施例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2C示出了实施例1至实施例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2A至图2C可知，实施例1至实施例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3描述根据本申请实施例4的光学系统。图3示出了实施例4的光学系统。
如图3所示，光学系统由第一侧至第二侧依序包括：光阑STO、第一透镜E1、反射式偏光元件RP、四分之一波板QWP、第二透镜E2、部分反射元件BS和影像面IMG。
第一透镜E1不具有光焦度，其第一侧面为平面，第二侧面为平面。第二透镜E2具有正光焦度，其第一侧面为凸面，第二侧面为凹面。反射式偏光元件RP贴附于第一透镜E1的第二侧面。四分之一波板QWP贴附于反射式偏光元件RP的第二侧面。部分反射元件BS贴附于第二透镜E2的第二侧面。
在本示例中，在影像面IMG上可设置有光源。来自影像面IMG的图像光穿过第二透镜E2并到达反射式偏光元件RP后，在反射式偏光元件RP处发生第一次反射。经第一次反射的光穿过四分之一波板QWP并到达第二透镜E2的第二侧面上的部分反射元件BS后，在部分反射元件BS处发生第二次反射。经第二次反射的光依次穿过第二透镜E2、四分之一波板QWP、反射式偏光元件RP和第一透镜E1并最终投射至空间中的目标物体(未示出)上。例如，当该光学系统搭载于如VR等电子设备时，经两次反射后的光线最终投射至体验者眼中。
表6示出了实施例4的光学系统的基本参数表，其中，曲率半径、厚度/距离和焦距的单位均为毫米(mm)。
表6
在本示例中，第二透镜的有效焦距f2为49.03mm，光学系统的总有效焦距f为24.21mm，光学系统的入瞳直径EPD为4.50mm，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为12.82mm，反射式偏光元件在光轴上的中心厚度CTR为0.09mm，四分之一波板在光轴上的中心厚度CTQ为0.09mm。
表7示出了实施例4的光学系统中的第二透镜的基本参数表，其中，各参数的单位均为毫米(mm)。在本示例中，第二透镜E2的第一侧面和第二侧面均为非球面，其中表8给出了可用于实施例4中各非球面镜面的高次项系数。
参数 T2a1 T2b1 T2c1 T2d1 T2a2 T2b2 T2c2 T2d2
数值 16.77 24.47 27.49 24.47 17.15 25.03 28.12 25.03
表7
表8
实施例5
以下参照图3描述根据本申请实施例5的光学系统。图3示出了实施例5的光学系统。
如图3所示，光学系统由第一侧至第二侧依序包括：光阑STO、第一透镜E1、反射式偏光元件RP、四分之一波板QWP、第二透镜E2、部分反射元件BS和影像面IMG。
第一透镜E1不具有光焦度，其第一侧面为平面，第二侧面为平面。第二透镜E2具有正光焦度，其第一侧面为凸面，第二侧面为凸面。反射式偏光元件RP贴附于第一透镜E1的第二侧面。四分之一波板QWP贴附于反射式偏光元件RP的第二侧面。部分反射元件BS贴附于第二透镜E2的第二侧面。
在本示例中，在影像面IMG上可设置有光源。来自影像面IMG的图像光穿过第二透镜E2并到达反射式偏光元件RP后，在反射式偏光元件RP处发生第一次反射。经第一次反射的光穿过四分之一波板QWP并到达第二透镜E2的第二侧面上的部分反射元件BS后，在部分反射元件BS处发生第二次反射。经第二次反射的光依次穿过第二透镜E2、四分之一波板QWP、反射式偏光元件RP和第一透镜E1并最终投射至空间中的目标物体(未示出)上。例如，当该光学系统搭载于如VR等电子设备时，经两次反射后的光线最终投射至体验者眼中。
在本示例中，光阑STO、第一透镜E1、反射式偏光元件RP、四分之一波板QWP、第二透镜E2、部分反射元件BS和影像面IMG的结构和参数与实施例4中的光阑STO、第一透镜E1、反射式偏光元件RP、四分之一波板QWP、第二透镜E2、部分反射元件BS和影像面IMG的结构和参数可相同。因此，本示例的光学系统的基本参数表与实施例4中表6示出的基本参数完全相同，为避免赘述，本示例不在详细介绍，具体可参见实施例4所公开的相关内容。
在本示例中，第二透镜E2的第一侧面和第二侧面均为非球面。各非球面镜面的高次项系数与实施例4中表8示出的各非球面镜面的高次项系数可相同。因此，为避免赘述，本示例不在详细介绍各非球面镜面的高次项系数，具体可参见实施例4所公开的相关内容。
在本示例中，光学技术参数f2、f、EPD、TD、CTR和CTQ的数值与实施例4中f2、f、EPD、TD、CTR和CTQ的数值可相同。因此，为避免赘述，本示例不在详细介绍这些参数的数值，具体可参见实施例4所公开的相关内容。
表9示出了实施例5的光学系统中的第二透镜的基本参数表，其中，各参数的单位均为毫米(mm)。
参数 T2a1 T2b1 T2c1 T2d1 T2a2 T2b2 T2c2 T2d2
数值 19.52 26.94 27.49 26.94 19.97 27.56 28.12 27.56
表9
实施例6
以下参照图3描述根据本申请实施例6的光学系统。图3示出了实施例6的光学系统。
如图3所示，光阑STO、第一透镜E1、反射式偏光元件RP、四分之一波板QWP、第二透镜E2、部分反射元件BS和影像面IMG。
第一透镜E1不具有光焦度，其第一侧面为平面，第二侧面为平面。第二透镜E2具有正光焦度，其第一侧面为凸面，第二侧面为凸面。反射式偏光元件RP贴附于第一透镜E1的第二侧面。四分之一波板QWP贴附于反射式偏光元件RP的第二侧面。部分反射元件BS贴附于第二透镜E2的第二侧面。
在本示例中，在影像面IMG上可设置有光源。来自影像面IMG的图像光穿过第二透镜E2并到达反射式偏光元件RP后，在反射式偏光元件RP处发生第一次反射。经第一次反射的光穿过四分之一波板QWP并到达第二透镜E2的第二侧面上的部分反射元件BS后，在部分反射元件BS处发生第二次反射。经第二次反射的光依次穿过第二透镜E2、四分之一波板QWP、反射式偏光元件RP和第一透镜E1并最终投射至空间中的目标物体(未示出)上。例如，当该光学系统搭载于如VR等电子设备时，经两次反射后的光线最终投射至体验者眼中。
在本示例中，光阑STO、第一透镜E1、反射式偏光元件RP、四分之一波板QWP、第二透镜E2、部分反射元件BS和影像面IMG的结构和参数与实施例4中的光阑STO、第一透镜E1、反射式偏光元件RP、四分之一波板QWP、第二透镜E2、部分反射元件BS和影像面IMG的结构和参数可相同。因此，本示例的光学系统的基本参数表与实施例4中表6示出的基本参数完全相同，为避免赘述，本示例不在详细介绍，具体可参见实施例4所公开的相关内容。
在本示例中，第二透镜E2的第一侧面和第二侧面均为非球面。各非球面镜面的高次项系数与实施例4中表8示出的各非球面镜面的高次项系数可相同。因此，为避免赘述，本示例不在详细介绍各非球面镜面的高次项系数，具体可参见实施例4所公开的相关内容。
在本示例中，光学技术参数f2、f、EPD、TD、CTR和CTQ的数值与实施例4中f2、f、EPD、TD、CTR和CTQ的数值可相同。因此，为避免赘述，本示例不在详细介绍这些参数的数值，具体可参见实施例4所公开的相关内容。
表10示出了实施例6的光学系统中的第二透镜的基本参数表，其中，各参数的单位均为毫米(mm)。
参数 T2a1 T2b1 T2c1 T2d1 T2a2 T2b2 T2c2 T2d2
数值 23.64 25.57 27.49 25.57 24.19 26.15 28.12 26.15
表10
图4A示出了实施例4至实施例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系统后的会聚焦点偏离。图4B示出了实施例4至实施例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4C示出了实施例4至实施例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4A至图4C可知，实施例4至实施例6所给出的光学系统能够实现良好的成像品质。
实施例7
以下参照图5描述根据本申请实施例7的光学系统。图5示出了实施例7的光学系统。
如图5所示，光学系统由第一侧至第二侧依序包括：光阑STO、第一透镜E1、反射式偏光元件RP、四分之一波板QWP、第二透镜E2、部分反射元件BS和影像面IMG。
第一透镜E1不具有光焦度，其第一侧面为平面，第二侧面为平面。第二透镜E2具有正光焦度，其第一侧面为凸面，第二侧面为凹面。反射式偏光元件RP贴附于第一透镜E1的第二侧面。四分之一波板QWP贴附于反射式偏光元件RP的第二侧面。部分反射元件BS贴附于第二透镜E2的第二侧面。
在本示例中，在影像面IMG上可设置有光源。来自影像面IMG的图像光穿过第二透镜E2并到达反射式偏光元件RP后，在反射式偏光元件RP处发生第一次反射。经第一次反射的光穿过四分之一波板QWP并到达第二透镜E2的第二侧面上的部分反射元件BS后，在部分反射元件BS处发生第二次反射。经第二次反射的光依次穿过第二透镜E2、四分之一波板QWP、反射式偏光元件RP和第一透镜E1并最终投射至空间中的目标物体(未示出)上。例如，当该光学系统搭载于如VR等电子设备时，经两次反射后的光线最终投射至体验者眼中。
表11示出了实施例7的光学系统的基本参数表，其中，曲率半径、厚度/距离和焦距的单位均为毫米(mm)。
表11
在本示例中，第二透镜的有效焦距f2为46.53mm，光学系统的总有效焦距f为25.49mm，光学系统的入瞳直径EPD为4.50mm，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为18.41mm，反射式偏光元件在光轴上的中心厚度CTR为0.09mm，四分之一波板在光轴上的中心厚度CTQ为0.09mm。
表12示出了实施例7的光学系统中的第二透镜的基本参数表，其中，各参数的单位均为毫米(mm)。在本示例中，第二透镜E2的第一侧面和第二侧面均为非球面，其中表13给出了可用于实施例7中各非球面镜面的高次项系数。
参数 T2a1 T2b1 T2c1 T2d1 T2a2 T2b2 T2c2 T2d2
数值 17.57 25.63 28.8 25.63 18.72 27.31 30.68 27.31
表12
第二透镜的第一侧面 第二透镜的第二侧面
A4 6.7037E+00 -6.6042E+00
A6 9.3526E+00 9.5036E-01
A8 6.7468E+00 -2.3293E-01
A10 3.5692E+00 1.0545E-01
A12 1.4336E+00 -2.6726E-02
A14 5.1486E-01 2.0109E-02
A16 2.7027E-01 -2.1326E-02
A18 1.1185E-01 8.2970E-03
A20 -1.1578E-02 -5.7957E-03
A22 -8.1392E-03 4.0954E-03
A24 -3.3808E-02 -1.4523E-03
A26 -5.7086E-02 8.8527E-04
A28 -5.8799E-02 -6.8329E-04
A30 -2.5280E-02 1.8440E-04
表13
实施例8
以下参照图5描述根据本申请实施例8的光学系统。图5示出了实施例8的光学系统。
如图5所示，光学系统由第一侧至第二侧依序包括：光阑STO、第一透镜E1、反射式偏光元件RP、四分之一波板QWP、第二透镜E2、部分反射元件BS和影像面IMG。
第一透镜E1不具有光焦度，其第一侧面为平面，第二侧面为平面。第二透镜E2具有正光焦度，其第一侧面为凸面，第二侧面为凸面。反射式偏光元件RP贴附于第一透镜E1的第二侧面。四分之一波板QWP贴附于反射式偏光元件RP的第二侧面。部分反射元件BS贴附于第二透镜E2的第二侧面。
在本示例中，在影像面IMG上可设置有光源。来自影像面IMG的图像光穿过第二透镜E2并到达反射式偏光元件RP后，在反射式偏光元件RP处发生第一次反射。经第一次反射的光穿过四分之一波板QWP并到达第二透镜E2的第二侧面上的部分反射元件BS后，在部分反射元件BS处发生第二次反射。经第二次反射的光依次穿过第二透镜E2、四分之一波板QWP、反射式偏光元件RP和第一透镜E1并最终投射至空间中的目标物体(未示出)上。例如，当该光学系统搭载于如VR等电子设备时，经两次反射后的光线最终投射至体验者眼中。
在本示例中，光阑STO、第一透镜E1、反射式偏光元件RP、四分之一波板QWP、第二透镜E2、部分反射元件BS和影像面IMG的结构和参数与实施例4中的光阑STO、第一透镜E1、反射式偏光元件RP、四分之一波板QWP、第二透镜E2、部分反射元件BS和影像面IMG的结构和参数可相同。因此，本示例的光学系统的基本参数表与实施例7中表11示出的基本参数完全相同，为避免赘述，本示例不在详细介绍，具体可参见实施例7所公开的相关内容。
在本示例中，第二透镜E2的第一侧面和第二侧面均为非球面。各非球面镜面的高次项系数与实施例7中表13示出的各非球面镜面的高次项系数可相同。因此，为避免赘述，本示例不在详细介绍各非球面镜面的高次项系数，具体可参见实施例7所公开的相关内容。
在本示例中，光学技术参数f2、f、EPD、TD、CTR和CTQ的数值与实施例7中f2、f、EPD、TD、CTR和CTQ的数值可相同。因此，为避免赘述，本示例不在详细介绍这些参数的数值，具体可参见实施例7所公开的相关内容。
表14示出了实施例8的光学系统中的第二透镜的基本参数表，其中，各参数的单位均为毫米(mm)。
参数 T2a1 T2b1 T2c1 T2d1 T2a2 T2b2 T2c2 T2d2
数值 20.45 28.22 28.8 28.22 21.78 30.07 30.68 30.07
表14
实施例9
以下参照图5描述根据本申请实施例9的光学系统。图5示出了实施例9的光学系统。
如图5所示，光学系统由第一侧至第二侧依序包括：光阑STO、第一透镜E1、反射式偏光元件RP、四分之一波板QWP、第二透镜E2、部分反射元件BS和影像面IMG。
第一透镜E1不具有光焦度，其第一侧面为平面，第二侧面为平面。第二透镜E2具有正光焦度，其第一侧面为凸面，第二侧面为凸面。反射式偏光元件RP贴附于第一透镜E1的第二侧面。四分之一波板QWP贴附于反射式偏光元件RP的第二侧面。部分反射元件BS贴附于第二透镜E2的第二侧面。
在本示例中，在影像面IMG上可设置有光源。来自影像面IMG的图像光穿过第二透镜E2并到达反射式偏光元件RP后，在反射式偏光元件RP处发生第一次反射。经第一次反射的光穿过四分之一波板QWP并到达第二透镜E2的第二侧面上的部分反射元件BS后，在部分反射元件BS处发生第二次反射。经第二次反射的光依次穿过第二透镜E2、四分之一波板QWP、反射式偏光元件RP和第一透镜E1并最终投射至空间中的目标物体(未示出)上。例如，当该光学系统搭载于如VR等电子设备时，经两次反射后的光线最终投射至体验者眼中。
在本示例中，光阑STO、第一透镜E1、反射式偏光元件RP、四分之一波板QWP、第二透镜E2、部分反射元件BS和影像面IMG的结构和参数与实施例4中的光阑STO、第一透镜E1、反射式偏光元件RP、四分之一波板QWP、第二透镜E2、部分反射元件BS和影像面IMG的结构和参数可相同。因此，本示例的光学系统的基本参数表与实施例7中表11示出的基本参数完全相同，为避免赘述，本示例不在详细介绍，具体可参见实施例7所公开的相关内容。
在本示例中，第二透镜E2的第一侧面和第二侧面均为非球面。各非球面镜面的高次项系数与实施例7中表13示出的各非球面镜面的高次项系数可相同。因此，为避免赘述，本示例不在详细介绍各非球面镜面的高次项系数，具体可参见实施例7所公开的相关内容。
在本示例中，光学技术参数f2、f、EPD、TD、CTR和CTQ的数值与实施例7中f2、f、EPD、TD、CTR和CTQ的数值可相同。因此，为避免赘述，本示例不在详细介绍这些参数的数值，具体可参见实施例7所公开的相关内容。
表15示出了实施例9的光学系统中的第二透镜的基本参数表，其中，各参数的单位均为毫米(mm)。
参数 T2a1 T2b1 T2c1 T2d1 T2a2 T2b2 T2c2 T2d2
数值 24.77 26.78 28.8 26.78 26.39 28.53 30.68 28.53
表15
图6A示出了实施例7至实施例9的光学系统的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由系统后的会聚焦点偏离。图6B示出了实施例7至实施例9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7至实施例9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7至实施例9所给出的光学系统能够实现良好的成像品质。
综上，实施例1至实施例9分别满足表16-1、16-2和16-3中所示的关系。
条件式/实施例 实施例1 实施例2 实施例3
f/EPD 6.49 6.49 6.49
f2/(T2a1+T2b1+T2c1+T2d1) 1.13 1.05 1.03
R3/(T2a1+T2c1) 2.92 2.75 2.53
(T2b1+T2d1)/(T2b2+T2d2) 0.99 0.99 0.99
(CT1+CTR+CTQ+T12)/CT2 0.68 0.68 0.68
|R4|/(T2a2+T2b2+T2c2+T2d2) 1.07 0.99 0.98
|R3/R4|×(T2a1/T2a2) 1.27 1.27 1.27
f/T2a1 1.52 1.31 1.08
(T2b2+T2d2)/f 1.93 2.13 2.02
CT2/(T2c2-T2a2) 0.91 1.22 2.52
(T2b2+T2d2)/TD 3.00 3.31 3.14
N2×(T2a1/T2b1) 1.06 1.12 1.42
f2/(T2c2+T2d2) 2.01 1.92 1.97
表16-1
表16-2
条件式/实施例 实施例7 实施例8 实施例9
f/EPD 5.66 5.66 5.66
f2/(T2a1+T2b1+T2c1+T2d1) 0.48 0.44 0.43
R3/(T2a1+T2c1) 1.16 1.09 1.00
(T2b1+T2d1)/(T2b2+T2d2) 0.94 0.94 0.94
(CT1+CTR+CTQ+T12)/CT2 0.77 0.77 0.77
|R4|/(T2a2+T2b2+T2c2+T2d2) 2.60 2.40 2.37
|R3/R4|×(T2a1/T2a2) 0.19 0.19 0.19
f/T2a1 1.45 1.25 1.03
(T2b2+T2d2)/f 2.14 2.36 2.24
CT2/(T2c2-T2a2) 0.87 1.17 2.42
(T2b2+T2d2)/TD 2.97 3.27 3.10
N2×(T2a1/T2b1) 1.20 1.27 1.62
f2/(T2c2+T2d2) 0.80 0.77 0.79
表16-3
本申请还提供一种光学装置，该光学装置可以是诸如投影仪的独立投影设备，也可以是集成在诸如VR等移动电子设备上的投影模块。该光学装置装配有以上描述的光学系统。
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，本申请中所涉及的发明范围，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发明构思的情况下，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 (10)

1.光学系统，其特征在于，沿着光轴由第一侧至第二侧依序包括：
不具有光焦度的第一透镜，其第一侧面为平面，第二侧面为平面；
反射式偏光元件；
四分之一波板；以及
具有正光焦度的第二透镜，其第一侧面为凸面；
其中，所述光学系统满足：5.3＜f/EPD＜6.5和0.4＜f2/(T2a1+T2b1+T2c1+T2d1)＜1.2，其中EPD是所述光学系统的入瞳直径，f是所述光学系统的总有效焦距，f2是所述第二透镜的有效焦距，T2a1是所述第二透镜的第一侧面在第一方向上的第一有效半口径，T2c1是所述第二透镜的第一侧面在所述第一方向上的第二有效半口径，T2b1是所述第二透镜的第一侧面在垂直于所述第一方向的第二方向上的第三有效半口径，T2d1是所述第二透镜的第一侧面在所述第二方向上的第四有效半口径。
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：0.9＜R3/(T2a1+T2c1)＜3，其中，R3是所述第二透镜的第一侧面的曲率半径，T2a1是所述第二透镜的第一侧面在第一方向上的第一有效半口径，T2c1是所述第二透镜的第一侧面在所述第一方向上的第二有效半口径。
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：0.8＜(T2b1+T2d1)/(T2b2+T2d2)＜1.2，其中，T2b2是所述第二透镜的第二侧面在所述第二方向上的第三有效半口径，T2d2是所述第二透镜的第二侧面在所述第二方向上的第四有效半口径。
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：0.6＜(CT1+CTR+CTQ+T12)/CT2＜1.8，其中，CT1是所述第一透镜在所述光轴上的中心厚度，CTR是所述反射式偏光元件在所述光轴上的中心厚度，CTQ是所述四分之一波板在所述光轴上的中心厚度，T12是所述四分之一波板至所述第二透镜的第一侧面在所述光轴上的距离，CT2是所述第二透镜在所述光轴上的中心厚度。
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：0.9＜|R4|/(T2a2+T2b2+T2c2+T2d2)＜2.9，其中，R4是所述第二透镜的第二侧面的曲率半径，T2a2是所述第二透镜的第二侧面在所述第一方向上的第一有效半口径，T2c2是所述第二透镜的第二侧面在所述第一方向上的第二有效半口径，T2b2是所述第二透镜的第二侧面在所述第二方向上的第三有效半口径，T2d2是所述第二透镜的第二侧面在所述第二方向上的第四有效半口径。
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：0.1＜|R3/R4|×(T2a1/T2a2)＜1.3，其中，R3是所述第二透镜的第一侧面的曲率半径，R4是所述第二透镜的第二侧面的曲率半径，T2a1是所述第二透镜的第一侧面在第一方向上的第一有效半口径，T2a2是所述第二透镜的第二侧面在所述第一方向上的第一有效半口径。
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：1.0＜f/T2a1＜1.6，其中，f是所述光学系统的总有效焦距，T2a1是所述第二透镜的第一侧面在第一方向上的第一有效半口径。
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：1.9＜(T2b2+T2d2)/f＜2.4，其中，f是所述光学系统的总有效焦距，T2b2是所述第二透镜的第二侧面在所述第二方向上的第三有效半口径，T2d2是所述第二透镜的第二侧面在所述第二方向上的第四有效半口径。
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：0.4＜CT2/(T2c2-T2a2)＜2.6，其中，CT2是所述第二透镜在所述光轴上的中心厚度，T2a2是所述第二透镜的第二侧面在所述第一方向上的第一有效半口径，T2c2是所述第二透镜的第二侧面在所述第一方向上的第二有效半口径。
10.光学系统，其特征在于，沿光轴由第一侧至第二侧依序包括：
不具有光焦度的第一透镜，其第一侧面为平面，第二侧面为平面；
反射式偏光元件；
四分之一波板；以及
具有正光焦度的第二透镜，其第一侧面为凸面；
其中，所述光学系统满足：5.3＜f/EPD＜6.5和0.9＜|R4|/(T2a2+T2b2+T2c2+T2d2)＜2.9，其中EPD是所述光学系统的入瞳直径，f是所述光学系统的总有效焦距，R4是所述第二透镜的第二侧面的曲率半径，T2a2是所述第二透镜的第二侧面在第一方向上的第一有效半口径，T2c2是所述第二透镜的第二侧面在所述第一方向上的第二有效半口径，T2b2是所述第二透镜的第二侧面在垂直于所述第一方向的第二方向上的第三有效半口径，T2d2是所述第二透镜的第二侧面在所述第二方向上的第四有效半口径。
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