CN217879825U - 光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种光学系统，包含影像面、光圈、第一四分之一波板、部分反射元件、第二四分之一波板、反射式偏光元件、第一光学透镜及第二光学透镜。影像面位于光学系统的前侧，且光圈位于光学系统的后侧。第一四分之一波板位于影像面与光圈之间。部分反射元件具有至少35％平均光反射率且位于第一四分之一波板及光圈之间。第二四分之一波板位于部分反射元件与光圈之间。反射式偏光元件位于第二四分之一波板与光圈之间。第一光学透镜位于影像面与光圈之间，其后侧表面具有临界点，且第一光学透镜于光轴上的中心厚度大于其后侧表面的临界点至第一光学透镜后侧表面于光轴上的交点在光轴上的距离的四倍。第二光学透镜位于第一光学透镜与光圈之间。

Description

光学系统

本申请是为分案申请，原申请的申请日为：2021年11月23日；申请号为：202122884989.5；实用新型名称为：光学系统与头戴装置。

技术领域

本实用新型涉及一种光学系统，特别是一种适用于头戴装置的光学系统。

背景技术

随着半导体工艺技术更加精进，各种电子元件皆已微小化，使得微型电子元件效能相较于以往大幅提升，感光元件像素可达到更微小的尺寸，可携式装置的发展也更加蓬勃，并带动镜头元件的快速进步，使过去只存在于科幻电影的头戴式装置也开始兴起。同时，高效能微型处理器与微型显示器的普及，使得智能头戴装置的相关科技于近年来快速提升。而随着人工智能的崛起，配备光学镜头的电子装置的应用范围更加广泛，其中对于电脑视觉的需求大幅成长，对于光学镜头的要求也是更加多样化。

现今的头戴装置除了较过去大幅轻量化之外，也开始具备多种智能功能，如虚拟现实(Virtual Reality，VR)、增强现实(Augmented Reality，AR)与混合现实(MixedReality，MR)等领域的应用快速成长。其中，虚拟现实被广泛利用于医疗照护、工程、房地产、教育、电玩游戏及影音娱乐等。然而，目前的头戴式装置仍在发展中阶段，仍有许多须大幅改进的地方，例如头戴式装置的重量及体积、影像的成像品质。早期的虚拟现实头戴装置使用菲涅尔透镜，然菲涅尔透镜虽可拥有相对较短的焦距，但菲涅尔透镜无法产生优良的成像品质，故而现今的研究或开发者皆在寻找兼具小体积与优良成像方式的镜片组合。

实用新型内容

鉴于以上提到的问题，本实用新型揭露一种光学系统，可兼具较小的重量及体积以及较佳的成像品质。

本实用新型提供一种光学系统，其包含一影像面、一光圈、一第一四分之一波板、一部分反射元件、一第二四分之一波板、一反射式偏光元件、一第一光学透镜以及一第二光学透镜。影像面位于光学系统的前侧，且光圈位于光学系统的后侧。第一四分之一波板位于影像面与光圈之间。部分反射元件具有至少35％平均光反射率，且部分反射元件位于第一四分之一波板及光圈之间。第二四分之一波板位于部分反射元件与光圈之间。反射式偏光元件位于第二四分之一波板与光圈之间。第一光学透镜位于影像面与光圈之间，第一光学透镜后侧表面具有至少一临界点，且第一光学透镜于光轴上的中心厚度大于第一光学透镜后侧表面的临界点至第一光学透镜后侧表面于光轴上的交点在光轴上的距离的四倍。第二光学透镜位于第一光学透镜与光圈之间。

本实用新型另提供一种光学系统，其包含一影像面、一光圈、一第一四分之一波板、一部分反射元件、一第二四分之一波板、一反射式偏光元件、一第一光学透镜以及一第二光学透镜。影像面位于光学系统的前侧，且光圈位于光学系统的后侧。第一四分之一波板位于影像面与光圈之间。部分反射元件具有至少35％平均光反射率，且部分反射元件位于第一四分之一波板及光圈之间。第二四分之一波板位于部分反射元件与光圈之间。反射式偏光元件位于第二四分之一波板与光圈之间。第一光学透镜位于影像面与光圈之间，且第一光学透镜具有至少一反曲点。第二光学透镜位于第一光学透镜与光圈之间，且第二光学透镜前侧表面为平面。

根据本实用新型所揭露的光学系统，通过波板、反射式偏光元件、部分反射元件以及透镜的组合配置，利用光反射的方式，在不影响成像品质的前提下压缩透镜成像所需的镜组长度。

以上的关于本揭露内容的说明及以下的实施方式的说明用以示范与解释本实用新型的精神与原理，并且提供本实用新型的专利申请范围更进一步的解释。

附图说明

图1绘示依照本实用新型第一实施例的光学系统和显示器的示意图。

图2绘示依照本实用新型第二实施例的光学系统和显示器的示意图。

图3绘示依照本实用新型第三实施例的光学系统的示意图。

图4绘示依照本实用新型第四实施例的光学系统的示意图。

图5绘示依照本实用新型第五实施例的光学系统和显示器的示意图。

图6绘示依照本实用新型第六实施例的头戴装置的示意图。

图7绘示图6的头戴装置的上视示意图。

图8绘示依照本实用新型第二实施例中参数ImgH、CT1、CT2、T12、ER、EPD、BL、TD、SL以及第一光学透镜的反曲点和临界点的示意图。

【符号说明】

1,2,3,4,5:光学系统

9:头戴装置

91:显示器

92:数字信号处理器

93:惯性测量单元

94:支撑结构

95:眼球追踪装置

96:光学系统

97:自动对焦装置

98:相机

99:收纳机构

ARL:抗反射层

BS:部分反射元件

BL:第一光学透镜前侧表面至影像面在光轴上的距离

C:临界点

CF:色彩滤片

CT1:第一光学透镜于光轴上的中心厚度

CT2:第二光学透镜于光轴上的中心厚度

E1:第一光学透镜

E2:第二光学透镜

E3:第三光学透镜

ER:光圈至第二光学透镜后侧表面在光轴上的距离

EPD:光圈的大小

ImgH:影像面所呈现的像高

IMG:影像面

P:反曲点

PM:偏光元件

QWP1:第一四分之一波板

QWP2:第二四分之一波板

RP:反射式偏光元件

ST:光圈

SC:显示器

SL:光圈至影像面在光轴上距离

T12:第一光学透镜后侧表面至第二光学透镜前侧表面在光轴上的距离

TD:第一光学透镜前侧表面至第二光学透镜后侧表面在光轴上的距离

具体实施方式

以下在实施方式中详细叙述本实用新型的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本实用新型的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的内容、权利要求及附图，任何本领域技术人员可轻易地理解本实用新型相关的目的及优点。以下的实施例进一步详细说明本实用新型的观点，但非以任何观点限制本实用新型的范畴。

本实用新型提供一种光学系统，其包含一影像面、一光圈、一第一四分之一波板、一部分反射元件、一第二四分之一波板、一反射式偏光元件、一第一光学透镜以及一第二光学透镜。其中，影像面位于光学系统的前侧，且光圈位于光学系统的后侧。所述光学系统的前侧是指光学系统靠近一显示器呈现影像的一侧，而所述光学系统的后侧是指光学系统例如靠近使用者眼睛的一侧，其中影像面可位于显示器上，且光圈的位置可为使用者眼睛观看影像的位置。

第一四分之一波板位于影像面与光圈之间。部分反射元件具有至少35％平均光反射率，且部分反射元件位于第一四分之一波板及光圈之间。第二四分之一波板位于部分反射元件与光圈之间。反射式偏光元件位于第二四分之一波板与光圈之间。第一光学透镜位于影像面与光圈之间，且第一光学透镜前侧表面为凸面。第二光学透镜位于第一光学透镜与光圈之间。所述平均光反射率可指部分反射元件对于不同波长光线的反射率的平均值。

本实用新型所揭露的光学系统，通过波板、反射式偏光元件、部分反射元件以及透镜的组合配置，利用光反射的方式，在不影响成像品质的前提下压缩透镜成像所需的镜组长度。请参照图8，入射光会从显示器SC以纵向偏振态入射，经第一四分之一波板QWP1形成旋转偏振态，然后穿透第二四分之一波板QWP2形成横向偏振态，而反射式偏光元件RP仅供纵向偏振态的光穿透，故会使横向偏振态的光反射而再次穿透第二四分之一波板QWP2形成旋转偏振态，而后旋转偏振态的光经部分反射元件BS反射，接着第三次穿透第二四分之一波板QWP2形成纵向偏振态而可穿透反射式偏光元件RP。借此，通过这样的反射方式可以将所需光程折叠，有效缩短镜组长度。其中，光学系统中的透镜总数可为两片、三片或四片，本实用新型不以此为限。其中，第一、第二四分之一波板及部分反射元件分别可镀于(附接于)透镜表面上或分别可为与透镜分隔的单独元件，本实用新型不以此为限。其中，部分反射元件例如但不限于是反射镜，其能够反射一部分光。例如在一些情况中部分反射元件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。

第二光学透镜后侧表面为凹面。借此，有助调整成像品质。

第二光学透镜前侧表面的曲率半径为R3，第二光学透镜后侧表面的曲率半径为R4，其满足下列条件：|R3|/|R4|>1.2。借此，有助于调整成像品质。其中，也可满足下列条件：|R3|/|R4|>1.5。其中，也可满足下列条件：|R3|/|R4|>1.6。

第一光学透镜后侧表面可具有至少一反曲点。借此，有助于周边成像及修正像差。请参照图8，绘示有依照本实用新型第二实施例中第一光学透镜E1后侧表面的反曲点P的示意图。图8绘示本实用新型第二实施例中第一光学透镜E1后侧表面的反曲点P作为示例性说明，然于本实施例和本实用新型其他实施例中，各透镜也可具有一个或多个反曲点。

第一光学透镜后侧表面可具有至少一临界点。借此，有助于周边成像及修正像差。请参照图8，绘示有依照本实用新型第二实施例中第一光学透镜E1后侧表面的临界点C的示意图。图8绘示本实用新型第二实施例中第一光学透镜E1后侧表面的临界点C作为示例性说明，然于本实施例和本实用新型其他实施例中，各透镜也可具有一个或多个临界点。

第一光学透镜可具有正屈折力。借此，可压缩整体光学系统的总长。

第二光学透镜可具有负屈折力。借此，可修正歪曲以及其他像差。

第一光学透镜与第二光学透镜至少其中一者的至少一表面可为非球面。借此，有助于周边成像及修正像差。

第一光学透镜的阿贝数为V1，第一光学透镜的折射率为N1，其可满足下列条件：33<V1/N1<38。借此，可避免光线在反射情况下因角度不同致使折射率相差过大而影响成像品质。

第一光学透镜的阿贝数为V1，第二光学透镜的阿贝数为V2，其可满足下列条件：110<V1+V2<115。借此，清晰度适当有助于提升光学系统的成像品质。

第一光学透镜的折射率为N1，第二光学透镜的折射率为N2，其可满足下列条件：2.8<N1+N2<3.2。借此，可具有较佳的成像品质。

光学系统的焦距为f，第一光学透镜前侧表面至影像面在光轴上的距离为BL，其可满足下列条件：11<f/BL<22。借此，可压缩光学系统的长度，同时给予一定空间用于配置例如为偏光板等的功能元件。请参照图8，绘示有依照本实用新型第二实施例中参数BL的示意图。

光圈至影像面在光轴上距离为SL，光学系统的焦距为f，其可满足下列条件：0<SL/f<2。借此，可平衡成像品质与光学系统长度。请参照图8，绘示有依照本实用新型第二实施例中参数SL的示意图。

光圈至第二光学透镜后侧表面在光轴上的距离为ER，光圈至影像面在光轴上的距离为SL，其可满足下列条件：0<ER/SL<0.5。借此，可减少使用者晕眩程度。请参照图8，绘示有依照本实用新型第二实施例中参数ER和SL的示意图。

光学系统的焦距为f，影像面所呈现的像高为ImgH(其可为显示器对角线总长的一半)，其可满足下列条件：0.8<f/ImgH<1.2。借此，可提供较大的影像。请参照图8，绘示有依照本实用新型第二实施例中参数ImgH的示意图。

第一光学透镜于光轴上的中心厚度为CT1，第二光学透镜于光轴上的中心厚度为CT2，第一光学透镜后侧表面至第二光学透镜前侧表面在光轴上的距离为T12，其可满足下列条件：0.5<(CT1+CT2)/T12<1.5。借此，有助于缩短光学系统的长度。请参照图8，绘示有依照本实用新型第二实施例中参数CT1、CT2和T12的示意图。

第一光学透镜前侧表面至第二光学透镜后侧表面在光轴上的距离为TD，光圈至影像面在光轴上的距离为SL，其可满足以下条件：0.2<TD/SL<0.8。借此，有助于缩短镜组的长度。请参照图8，绘示有依照本实用新型第二实施例中参数TD和SL的示意图。

光圈的大小为EPD，影像面所呈现的像高为ImgH，其可满足下列条件：0.45<EPD/ImgH<0.65。借此，提供使用者较佳的沉浸式体验。请参照图8，绘示有依照本实用新型第二实施例中参数EPD和ImgH的示意图。

第一光学透镜后侧表面至第二光学透镜前侧表面在光轴上的距离为T12，第一光学透镜前侧表面至影像面在光轴上的距离为BL，其可满足下列条件：4<T12/BL<6。借此，有助于缩短镜组与影像之间的距离。

第一光学透镜及第二光学透镜至少其中一者的至少一表面可具有一抗反射层，且抗反射层为次波长结构。借此，可防止杂散光影响成像品质。

光学系统可进一步包含一第三光学透镜，其中第三光学透镜可位于光圈与影像面之间，且第三光学透镜的至少一表面可为平面。借此，可提升成像品质并修正像差。其中，光学系统可进一步包含一第四光学透镜，借以进一步提高成像品质。

本实用新型提供一种头戴装置，其包含一显示器、一数字信号处理器、一惯性测量单元、一支撑结构以及两个前述的光学系统。其中，显示器用以面向使用者的眼睛以显示影像，数字信号处理器通讯连接显示器以及惯性测量单元，且支撑结构用以佩戴于使用者的头部。两组光学系统分别可供使用者以双眼使用。

头戴装置可进一步包含至少一相机，其中相机通讯连接数字信号处理器，且相机具有拍摄外部环境影像并呈现于显示器的功能。相机所拍摄的外部环境影像可即时呈现于显示器，以便于使用者在配戴头戴装置的情况下对环境做辨认。

每组光学系统可进一步包含一偏光元件，其中所述偏光元件位于显示器与部分反射元件之间，且显示器为有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)面板并具有一色彩滤片。其中，OLED面板以色彩滤片进行滤光，且OLED面板内部可不含偏光元件，而通过所述位于显示器与部分反射元件之间的偏光元件对显示器发出的光线进行偏振。

头戴装置可进一步包含至少一收纳机构，其中收纳机构用以使头戴装置的体积被压缩。举例来说，收纳机构提供使用者在不需使用头戴装置的情况下，可将头戴装置体积进行压缩(例如可使头戴装置折叠)。

头戴装置可进一步包含至少一自动对焦装置，其中自动对焦装置对应光学系统设置，且自动对焦装置用以移动光学系统的光学透镜。借此，自动对焦装置可提供光学系统对焦功能，可针对不同使用者视力做焦距调整。在部分实施态样中，自动对焦装置的数量为一个，其可同时调整两个光学系统的焦距。另外，在部分实施态样中，自动对焦装置的数量为两个，以分别调整两个光学系统的焦距。

值得注意的是，本文中所提及的通讯连接，是指两个元件例如以有线或无线传输来达到彼此间信号交换的连接方式。

上述本实用新型光学系统和头戴装置中的各技术特征皆可组合配置，而达到对应的功效。

本实用新型所揭露的光学系统中，透镜的材质可为玻璃或塑胶。若透镜的材质为玻璃，则可增加光学系统屈折力配置的自由度，并降低外在环境温度变化对成像的影响，而玻璃透镜可使用研磨或模造等技术制作而成。若透镜材质为塑胶，则可以有效降低生产成本。此外，可于镜面上设置球面或非球面(ASP)，其中球面透镜可减低制造难度，而若于镜面上设置非球面，则可借此获得较多的控制变数，用以消减像差、缩减透镜数目，并可有效降低本实用新型光学系统的总长。进一步地，非球面可以塑胶射出成型或模造玻璃透镜等方式制作而成。

本实用新型所揭露的光学系统中，若透镜表面为非球面，则表示所述透镜表面光学有效区全部或其中一部分为非球面。

本实用新型所揭露的光学系统中，若透镜表面为凸面且未界定所述凸面位置时，则表示所述凸面可位于透镜表面近光轴处；若透镜表面为凹面且未界定所述凹面位置时，则表示所述凹面可位于透镜表面近光轴处。若透镜的屈折力或焦距未界定其区域位置时，则表示所述透镜的屈折力或焦距可为透镜于近光轴处的屈折力或焦距。

本实用新型所揭露的光学系统中，所述透镜表面的反曲点(Inflection Point)，是指透镜表面曲率正负变化的交界点。所述透镜表面的临界点(Critical Point)，是指垂直于光轴的平面与透镜表面相切的切线上的切点，且临界点并非位于光轴上。

本实用新型所揭露的光学系统中，光学系统的影像面依其对应的显示器的不同，可为一平面或有任一曲率的曲面，特别是指凹面朝往后侧方向的曲面。

本实用新型所揭露的光学系统中，可设置有至少一光阑，其可位于第一光学透镜之前、各光学透镜之间或最后一光学透镜之后，所述光阑的种类如耀光光阑(Glare Stop)或视场光阑(Field Stop)等，可用以减少杂散光，有助于提升影像品质。

本实用新型可适当设置一可变孔径元件，所述可变孔径元件可为机械构件或光线调控元件，其可以电或电信号控制孔径的尺寸与形状。所述机械构件可包含叶片组、屏蔽板等可动件；所述光线调控元件可包含滤光元件、电致变色材料、液晶层等遮蔽材料。所述可变孔径元件可通过控制影像的进光量或曝光时间，强化影像调节的能力。此外，所述可变孔径元件也可为本实用新型的光圈，可通过改变光圈值以调节影像品质，如景深或曝光速度等。

根据上述实施方式，以下提出具体实施例并配合附图予以详细说明。

<第一实施例>

请参照图1，为绘示依照本实用新型第一实施例的光学系统和显示器的示意图。光学系统1由前侧至后侧依序包含影像面IMG、第一四分之一波板QWP1、部分反射元件BS、第一光学透镜E1、第二四分之一波板QWP2、反射式偏光元件RP、第二光学透镜E2以及光圈ST。其中，显示器SC设置于影像面IMG上。光学系统1包含两片光学透镜(E1、E2)，并且两光学透镜之间无其他内插的光学透镜。

第一光学透镜E1具有正屈折力，且为塑胶材质，其前侧表面为凸面，其后侧表面为凹面，且其两表面皆为非球面。

第二光学透镜E2具有负屈折力，且为塑胶材质，其前侧表面为凸面，其后侧表面为凹面，且其两表面皆为非球面。

第一四分之一波板QWP1设置于影像面IMG上。

部分反射元件BS为镀于第一光学透镜E1前侧表面的部分反射层，且部分反射元件BS具有50％平均光反射率。

反射式偏光元件RP为镀于第二光学透镜E2前侧表面的反射式偏光层，且第二四分之一波板QWP2附接于反射式偏光元件RP。

上述各光学透镜的非球面的曲线方程式表示如下：

X：非球面与光轴的交点至非球面上距离光轴为Y的点平行于光轴的位移；

Y：非球面曲线上的点与光轴的垂直距离；

R：曲率半径；

k：锥面系数；以及

Ai：第i阶非球面系数。

第一实施例的光学系统1中，光学系统1的焦距为f，光学系统1的光圈值(F-number)为Fno，光学系统1中最大视角的一半为HFOV，其数值如下：f＝20.99毫米(mm)，Fno＝2.33，HFOV＝46度(deg.)。

第二光学透镜E2前侧表面的曲率半径为R3，第二光学透镜E2后侧表面的曲率半径为R4，其满足下列条件：|R3|/|R4|＝1.682。

第一光学透镜E1的阿贝数为V1，第一光学透镜E1的折射率为N1，其满足下列条件：V1/N1＝36.27。

第一光学透镜E1的阿贝数为V1，第二光学透镜E2的阿贝数为V2，其满足下列条件：V1+V2＝112。

第一光学透镜E1的折射率为N1，第二光学透镜E2的折射率为N2，其满足下列条件：N1+N2＝3.0881。

光学系统1的焦距为f，第一光学透镜E1前侧表面至影像面IMG在光轴上的距离为BL，其满足下列条件：f/BL＝21.553。

光圈ST至影像面IMG在光轴上距离为SL，光学系统1的焦距为f，其满足下列条件：SL/f＝1.1433。

光圈ST至第二光学透镜E2后侧表面在光轴上的距离为ER，光圈ST至影像面IMG在光轴上的距离为SL，其满足下列条件：ER/SL＝0.4167。

光学系统1的焦距为f，影像面IMG所呈现的像高为ImgH，其满足下列条件：f/ImgH＝1.1049。

第一光学透镜E1于光轴上的中心厚度为CT1，第二光学透镜E2于光轴上的中心厚度为CT2，第一光学透镜E1后侧表面至第二光学透镜E2前侧表面在光轴上的距离为T12，其满足下列条件：(CT1+CT2)/T12＝0.876。

第一光学透镜E1前侧表面至第二光学透镜E2后侧表面在光轴上的距离为TD，光圈ST至影像面IMG在光轴上的距离为SL，其满足下列条件：TD/SL＝0.4386。

光圈ST的大小为EPD，影像面IMG所呈现的像高为ImgH，其满足下列条件：EPD/ImgH＝0.4737。

第一光学透镜E1后侧表面至第二光学透镜E2前侧表面在光轴上的距离为T12，第一光学透镜E1前侧表面至影像面IMG在光轴上的距离为BL，其满足下列条件：T12/BL＝5.7598。

请配合参照下列表一以及表二。

表一为图1第一实施例详细的结构数据，其中曲率半径及厚度的单位为毫米(mm)，且表面17到0分别表示光线从影像面IMG至光圈ST所依序经过的表面。表二为第一实施例中的非球面数据，其中，k为非球面曲线方程式中的锥面系数，A4到A12则表示各表面第4到12阶非球面系数。此外，以下各实施例表格乃对应各实施例的示意图，表格中数据的定义皆与第一实施例的表一及表二的定义相同，在此不加以赘述。

<第二实施例>

请参照图2，为绘示依照本实用新型第二实施例的光学系统和显示器的示意图。光学系统2由前侧至后侧依序包含影像面IMG、第一四分之一波板QWP1、部分反射元件BS、第一光学透镜E1、第二四分之一波板QWP2、反射式偏光元件RP、第二光学透镜E2以及光圈ST。其中，显示器SC设置于影像面IMG上，且显示器SC包含偏光板。光学系统2包含两片光学透镜(E1、E2)，并且两光学透镜之间无其他内插的光学透镜。

第一光学透镜E1具有正屈折力，且为塑胶材质，其前侧表面为凸面，其后侧表面为凸面，其两表面皆为非球面，其后侧表面具有至少一反曲点，且其后侧表面具有至少一临界点。

第二光学透镜E2具有负屈折力，且为塑胶材质，其前侧表面为平面，其后侧表面为凹面，且其后侧表面为非球面。

第一四分之一波板QWP1设置于影像面IMG上。

部分反射元件BS附接于第一光学透镜E1前侧表面，且部分反射元件BS具有50％平均光反射率。

反射式偏光元件RP附接于第二光学透镜E2前侧表面，且第二四分之一波板QWP2附接于反射式偏光元件RP。

请配合参照下列表三以及表四。

第二实施例中，非球面的曲线方程式表示如第一实施例的形式。此外，下表所述的定义皆与第一实施例相同，在此不加以赘述。

<第三实施例>

请参照图3，为绘示依照本实用新型第三实施例的光学系统的示意图。本实施例的光学系统3和第一实施例的光学系统1具有类似的结构特征，其主要差异在于本实施例的第一光学透镜E1后侧表面具有一抗反射层ARL，且抗反射层ARL为次波长结构。所述两实施例的光学系统间具有类似的结构特征，可指两实施例的光学系统中除了第一光学透镜外，其他的元件例如具有相同的结构特征，故不再赘述。

本实施例所揭露的光学系统3中，第一光学透镜E1后侧表面配置有抗反射层ARL，但本实用新型不以此为限。在其他实施例中，光学系统中任一光学透镜的表面皆可依实际设计需求而配置有抗反射层。

<第四实施例>

请参照图4，为绘示依照本实用新型第四实施例的光学系统的示意图。本实施例的光学系统4和第一实施例的光学系统1具有类似的结构特征，其主要差异在于本实施例的光学系统4还包含一第三光学透镜E3，其中第三光学透镜E3位于光圈ST与第二光学透镜E2之间，且第三光学透镜E3后侧表面为平面。所述两实施例的光学系统间具有类似的结构特征，可指两实施例的光学系统中除了光学透镜配置的数量及光学透镜面形不同外，其他的元件例如具有相同的结构特征，故不再赘述。

本实施例的第三光学透镜E3后侧表面为平面，而第三光学透镜E3前侧表面为非平面，但本实用新型不以此为限。在其他实施例中，第三光学透镜前侧表面可为平面，且第三光学透镜后侧表面可为非平面。

<第五实施例>

请参照图5，为绘示依照本实用新型第五实施例的光学系统和显示器的示意图。本实施例的光学系统5和第一实施例的光学系统1具有类似的结构特征，其主要差异在于本实施例的光学系统5还包含一偏光元件PM，其中偏光元件PM位于显示器SC与部分反射元件BS之间。此外，本实施例的显示器SC为有机发光二极管面板并具有一色彩滤片CF。所述两实施例的光学系统间具有类似的结构特征，可指两实施例的光学系统中除了偏光元件和显示器的差异外，其他的元件例如具有相同的结构特征，故不再赘述。

<第六实施例>

请参照图6和图7，其中图6绘示依照本实用新型第六实施例的头戴装置的示意图，且图7绘示图6的头戴装置的上视示意图。

本实施例的头戴装置9包含显示器91、数字信号处理器92、惯性测量单元93、支撑结构94、眼球追踪装置95、两个光学系统96、两个自动对焦装置97、两个相机98以及收纳机构99。其中，光学系统96可为前述任一实施例的光学系统，本实用新型不以此为限。

显示器91用以面向使用者的眼睛以显示影像。惯性测量单元93用以测量头戴装置9在三维空间中的角速度和加速度，以得出头戴装置9的姿态。支撑结构94可为至少一系带或至少一类似眼镜镜腿结构，用以佩戴于使用者的头部。眼球追踪装置95可根据眼球注视范围调整画面各位置的清晰度。两组光学系统96分别可供使用者以双眼使用。两组自动对焦装置97分别对应两组光学系统96设置，且自动对焦装置97用以移动光学系统96的光学透镜，借以可提供光学系统96对焦功能，可针对不同使用者视力做焦距调整。相机98和显示器91各自通讯连接数字信号处理器92，且相机98可拍摄外部环境影像并通过数字信号处理器92呈现于显示器91。相机98所拍摄的外部环境影像可即时呈现于显示器91，以便于使用者在配戴头戴装置9的情况下对环境做辨认。借此，通过相机配置，可利用外部环境影像的撷取并即时呈现于显示器上，提供头戴装置AR模式的功能。此外，通过至少两个相机的配置，可提供多镜头配置的光学变倍，或运用电脑视觉提供辨识功能。其中，多相机配置可包含一类光达模块配置，例如结构光或飞时测距(Time of Flight)，以提供更多样化的功能。收纳机构99提供使用者在不需使用头戴装置9的情况下，可将头戴装置9体积进行压缩，例如可使头戴装置9折叠。

在部分实施态样中，头戴装置也可具有蓝芽或无线网络的功能，借以可通讯连接至少一外部装置。

在部分实施态样中，头戴装置也可具有至少一喇叭、至少一耳机或至少一降噪耳机，以提供使用者声音。并且，在部分实施态样中，头戴装置也可具有至少一麦克风，以接收使用者的声音。

在部分实施态样中，头戴装置也可搭配至少一控制器，其中控制器可为一摇杆、一手把或一手持装置，借以可提供使用者与头戴装置AR模式的互动功能。

虽然本实用新型以前述的实施例揭露如上，然而这些实施例并非用以限定本实用新型。在不脱离本实用新型的精神和范围内，所为的更动与润饰，均属本实用新型的专利保护范围。关于本实用新型所界定的保护范围请参考所附的权利要求。

Claims (22)

1.一种光学系统，其特征在于，包含：

一影像面，位于所述光学系统的前侧；

一光圈，位于所述光学系统的后侧；

一第一四分之一波板，位于所述影像面与所述光圈之间；

一部分反射元件，具有至少35％平均光反射率，且所述部分反射元件位于所述第一四分之一波板及所述光圈之间；

一第二四分之一波板，位于所述部分反射元件与所述光圈之间；

一反射式偏光元件，位于所述第二四分之一波板与所述光圈之间；

一第一光学透镜，位于所述影像面与所述光圈之间，所述第一光学透镜后侧表面具有至少一临界点，且所述第一光学透镜于光轴上的中心厚度大于所述第一光学透镜后侧表面的所述至少一临界点至所述第一光学透镜后侧表面于光轴上的交点在光轴上的距离；以及

一第二光学透镜，位于所述第一光学透镜与所述光圈之间。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第二光学透镜的焦距绝对值大于所述第一光学透镜的焦距绝对值。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一光学透镜前侧表面具有至少一反曲点。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统的焦距为f，所述第一光学透镜前侧表面至所述影像面在光轴上的距离为BL，其满足下列条件：

11<f/BL<22。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光圈至所述影像面在光轴上距离为SL，所述光学系统的焦距为f，其满足下列条件：

0<SL/f<2。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光圈至所述第二光学透镜后侧表面在光轴上的距离为ER，所述光圈至所述影像面在光轴上的距离为SL，其满足下列条件：

0<ER/SL≤0.5263。

7.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统的焦距为f，所述影像面所呈现的像高为ImgH，其满足下列条件：

0.8<f/ImgH<1.2。

8.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一光学透镜于光轴上的中心厚度为CT1，所述第二光学透镜于光轴上的中心厚度为CT2，所述第一光学透镜后侧表面至所述第二光学透镜前侧表面在光轴上的距离为T12，其满足下列条件：

0.5<(CT1+CT2)/T12<1.5。

9.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一光学透镜前侧表面至所述第二光学透镜后侧表面在光轴上的距离为TD，所述光圈至所述影像面在光轴上的距离为SL，其满足下列条件：

0.2<TD/SL<0.8。

10.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光圈的大小为EPD，所述影像面所呈现的像高为ImgH，其满足下列条件：

0.45<EPD/ImgH<0.65。

11.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一光学透镜后侧表面至所述第二光学透镜前侧表面在光轴上的距离为T12，所述第一光学透镜前侧表面至所述影像面在光轴上的距离为BL，其满足下列条件：

4<T12/BL<6。

12.一种光学系统，其特征在于，包含：

一影像面，位于所述光学系统的前侧；

一光圈，位于所述光学系统的后侧；

一第一四分之一波板，位于所述影像面与所述光圈之间；

一部分反射元件，具有至少35％平均光反射率，且所述部分反射元件位于所述第一四分之一波板及所述光圈之间；

一第二四分之一波板，位于所述部分反射元件与所述光圈之间；

一反射式偏光元件，位于所述第二四分之一波板与所述光圈之间；

一第一光学透镜，位于所述影像面与所述光圈之间，且所述第一光学透镜具有至少一反曲点；以及

一第二光学透镜，位于所述第一光学透镜与所述光圈之间，且所述第二光学透镜前侧表面为平面。

13.根据权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述第二光学透镜的焦距绝对值大于所述第一光学透镜的焦距绝对值。

14.根据权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述第一光学透镜前侧表面具有至少一反曲点。

15.根据权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统的焦距为f，所述第一光学透镜前侧表面至所述影像面在光轴上的距离为BL，其满足下列条件：

11<f/BL<22。

16.根据权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述光圈至所述影像面在光轴上距离为SL，所述光学系统的焦距为f，其满足下列条件：

0<SL/f<2。

17.根据权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述光圈至所述第二光学透镜后侧表面在光轴上的距离为ER，所述光圈至所述影像面在光轴上的距离为SL，其满足下列条件：

0<ER/SL≤0.5263。

18.根据权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统的焦距为f，所述影像面所呈现的像高为ImgH，其满足下列条件：

0.8<f/ImgH<1.2。

19.根据权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述第一光学透镜于光轴上的中心厚度为CT1，所述第二光学透镜于光轴上的中心厚度为CT2，所述第一光学透镜后侧表面至所述第二光学透镜前侧表面在光轴上的距离为T12，其满足下列条件：

0.5<(CT1+CT2)/T12<1.5。

20.根据权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述第一光学透镜前侧表面至所述第二光学透镜后侧表面在光轴上的距离为TD，所述光圈至所述影像面在光轴上的距离为SL，其满足下列条件：

0.2<TD/SL<0.8。

21.根据权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述光圈的大小为EPD，所述影像面所呈现的像高为ImgH，其满足下列条件：

0.45<EPD/ImgH<0.65。

22.根据权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述第一光学透镜后侧表面至所述第二光学透镜前侧表面在光轴上的距离为T12，所述第一光学透镜前侧表面至所述影像面在光轴上的距离为BL，其满足下列条件：

4<T12/BL<6。

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