CN220626763U

CN220626763U - 光学系统

Info

Publication number: CN220626763U
Application number: CN202322086530.XU
Authority: CN
Inventors: 张步康; 姚嘉诚; 游金兴; 张晓彬; 金银芳; 戴付建; 赵烈烽
Original assignee: Zhejiang Sunny Optics Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Sunny Optics Co Ltd
Priority date: 2023-08-04
Filing date: 2023-08-04
Publication date: 2024-03-19
Anticipated expiration: 2033-08-04

Abstract

本申请公开了一种光学系统，其包括镜筒以及置于镜筒内的光学元件组和间隔件组，光学元件组沿着光轴从第一侧至第二侧依序包括第一元件组、第二元件组、第三元件组和第四元件组，第一元件组包括反射式偏光元件、第一四分之一波片和第一透镜，第二元件组包括第二四分之一波片和第二透镜，第三元件组包括第三透镜，第四元件组包括第四透镜；间隔件组包括置于第三透镜的第二侧面且与第三透镜的第二侧面接触的第三间隔件；其中，镜筒在光轴所在方向的长度L与光学系统的总有效焦距f满足：L/f<1.5，以及第三元件组的有效焦距F3、第四元件组的有效焦距F4、第三间隔件的第一侧面的内径d3s与第三间隔件的第二侧面的内径d3m满足：0<F3/d3s+F4/d3m<5.0。

Description

光学系统

技术领域

本申请涉及光学器件领域，具体涉及一种折反式光学系统。

背景技术

虚拟现实技术是一项全新的实用技术，其从理论走向了现实，并且在教育、军事、艺术与娱乐、医疗和汽车等领域得到广泛的应用。

现有的虚拟现实设备通常被配置为具有两片透镜的折反式结构，为了满足更大的视场角，虚拟现实设备中的透镜和屏幕的尺寸均较大，并且容易忽略其杂光的性能。因此如何平衡虚拟现实设备的视场角以及杂光性能，以提高用户的使用体验感是本领域需要解决的问题之一。

实用新型内容

本申请提供了可至少解决或部分解决现有技术中存在的至少一个问题或者其它问题的光学系统。

本申请的一方面提供了这样一种光学系统，其包括镜筒以及置于镜筒内的光学元件组和间隔件组，光学元件组沿着光轴从第一侧至第二侧依序包括第一元件组、第二元件组、第三元件组和第四元件组，第一元件组包括反射式偏光元件、第一四分之一波片和第一透镜，第二元件组包括第二四分之一波片和第二透镜，第三元件组包括第三透镜，第四元件组包括第四透镜；间隔件组包括第三间隔件，第三间隔件置于第三透镜的第二侧面且与第三透镜的第二侧面接触；其中，镜筒在光轴所在方向的长度L与光学系统的总有效焦距f满足：L/f<1.5，以及第三元件组的有效焦距F3、第四元件组的有效焦距F4、第三间隔件的第一侧面的内径d3s与第三间隔件的第二侧面的内径d3m满足：0<F3/d3s+F4/d3m<5.0。

根据本申请的一个示例性实施方式，间隔件组还包括置于第一透镜的第二侧面且与第一透镜的第二侧面接触的第一间隔件，其中，第一透镜的第二侧面的曲率半径R2、第一间隔件的第一侧面的内径d1s与第一间隔件的第一侧面的外径D1s满足：-30.0<R2/(D1s-d1s)<-10.0。

根据本申请的一个示例性实施方式，间隔件组还包括置于第一透镜的第二侧面且与第一透镜的第二侧面接触的第一间隔件，其中，第一元件组的有效焦距F1、第一透镜的折射率N1、反射式偏光元件的折射率NR、第一四分之一波片的折射率NQ1、第一元件组和第二元件组在光轴上的空气间隔T12与第一间隔件的最大厚度CP1满足：10.0<F1×(N1+NR+NQ1)/(CP1+T12)<30.0。

根据本申请的一个示例性实施方式，间隔件组还包括置于第一透镜的第二侧面且与第一透镜的第二侧面接触的第一间隔件，其中，镜筒的第一侧端面和第一间隔件沿光轴的间隔EP01、第一透镜在光轴上的中心厚度CT1、第一透镜的色散系数V1、反射式偏光元件的色散系数VR、第一四分之一波片的色散系数VQ1与第一透镜的第二侧面的曲率半径R2满足：-32.0<(EP01+CT1)×(V1+VR+VQ1)/R2<-22.0。

根据本申请的一个示例性实施方式，间隔件组还包括置于第一透镜的第二侧面且与第一透镜的第二侧面接触的第一间隔件以及置于第二透镜的第二侧面且与第二透镜的第二侧面接触的第二间隔件，其中，第二元件组的有效焦距F2、第二透镜在光轴上的中心厚度CT2、第二四分之一波片在光轴上的中心厚度CTQ2、第二透镜的色散系数V2与第一间隔件和第二间隔件沿光轴的间隔EP12满足：-5.0<F2/((EP12+CT2+CTQ2)×V2)<100.0。

根据本申请的一个示例性实施方式，间隔件组还包括置于第二透镜的第二侧面且与第二透镜的第二侧面接触的第二间隔件，其中，第三元件组的有效焦距F3、第二透镜的色散系数V2、第三透镜的色散系数V3、第二元件组和第三元件组在光轴上的空气间隔T23与第二间隔件的最大厚度CP2满足：0<(V3-V2)×(CP2+T23)/F3<5.0。

根据本申请的一个示例性实施方式，间隔件组还包括置于第二透镜的第二侧面且与第二透镜的第二侧面接触的第二间隔件，其中，第三元件组的有效焦距F3、第二透镜的折射率N2、第三透镜的折射率N3、第二间隔件的第二侧面的内径d2m与第三间隔件的第二侧面的内径d3m满足：1.0<(N2+N3)×(d2m+d3m)/F3<5.0。

根据本申请的一个示例性实施方式，间隔件组还包括置于第二透镜的第二侧面且与第二透镜的第二侧面接触的第二间隔件，其中，第三透镜的第二侧面的曲率半径R6、第四透镜的第二侧面的曲率半径R8、第三元件组和第四元件组在光轴上的空气间隔T34、第二间隔件和第三间隔件沿光轴的间隔EP23与第三间隔件的最大厚度CP3满足：-25.0<(R6+R8)/(T34+EP23+CP3)<-5.0。

根据本申请的一个示例性实施方式，间隔件组还包括置于第二透镜的第二侧面且与第二透镜的第二侧面接触的第二间隔件，其中，第二元件组的有效焦距F2、第二透镜的第二侧面的曲率半径R4、第三透镜的第一侧面的曲率半径R5、第二间隔件的第二侧面的外径D2m与第三间隔件的第二侧面的外径D3m满足：F2/(R4+R5)-F2/(D2m+D3m)<5.0。

根据本申请的一个示例性实施方式，第三元件组的有效焦距F3、第三透镜的第二侧面的曲率半径R6、第三间隔件的第一侧面的内径d3s与第三间隔件的第一侧面的外径D3s满足：-3.0<(F3/R6)×(D3s/d3s)<0。

根据本申请的一个示例性实施方式，第四元件组的有效焦距F4、第四透镜的第二侧面的曲率半径R8、镜筒的第二侧端面的内径d0m与镜筒的第二侧端面的外径D0m满足：-7.0mm<(D0m-d0m)/(F4/R8)<-2.0mm。

根据本申请的一个示例性实施方式，镜筒的第一侧端面的内径d0s、镜筒的最小内径d0_min与光学系统的总有效焦距f满足：3.0<(d0s+d0_min)/f<6.0。

根据本申请的一个示例性实施方式，第四透镜的第二侧面的曲率半径R8、第四透镜在光轴上的中心厚度CT4与第三间隔件和镜筒的第二侧端面沿光轴的间隔EP30满足：-5.0<R8/(EP30+CT4)<-2.0。

根据本申请的一个示例性实施方式，第一透镜、第二透镜的第一侧面和第二侧面中的至少两个侧面被配置为平面。

本申请所提供的光学系统被配置成折反式光学系统，其通过对镜筒在光轴所在方向的长度与光学系统的总有效焦距的比值进行约束，在光学系统满足成像焦距的情况下，能够使得光学系统的本体长度处在合理水平内，有利于实现光学系统的小型化；同时通过控制第三元件组的有效焦距与第三间隔件的第一侧面的内径的比值以及第四元件组的有效焦距与第三间隔件的第二侧面的内径的比值，来间接控制第一元件组、第二元件组的有效焦距与光学系统的总有效焦距的比值，便于合理分配光学系统中各透镜的光焦度，以及合理选择光学系统的架构，此外，本申请还可通过控制第三间隔件的第一侧面、第二侧面的内径来约束光束，进而在光学系统获得满足设计需求视场角的情况下，降低杂光的影响。

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示出了根据本申请的光学系统的结构示意图；

图2示出了根据本申请实施例1的光学系统的结构示意图；

图3示出了根据本申请实施例2的光学系统的结构示意图；

图4A至图4C分别示出了根据本申请实施例1、2的光学系统的轴上色差曲线、象散曲线以及畸变曲线；

图5示出了根据本申请实施例3的光学系统的结构示意图；

图6示出了根据本申请实施例4的光学系统的结构示意图；

图7A至图7C分别示出了根据本申请实施例3、4的光学系统的轴上色差曲线、象散曲线以及畸变曲线；

图8示出了根据本申请实施例5的光学系统的结构示意图；

图9示出了根据本申请实施例6的光学系统的结构示意图；

图10A至图10C分别示出了根据本申请实施例5、6的光学系统的轴上色差曲线、象散曲线以及畸变曲线；

图11示出了根据本申请实施例7的光学系统的结构示意图；

图12示出了根据本申请实施例8的光学系统的结构示意图；以及

图13A至图13C分别示出了根据本申请实施例7、8的光学系统的轴上色差曲线、象散曲线以及畸变曲线。

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。

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或第三透镜。

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，附图中所示出的球面或非球面的形状通过实例的方式示出。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。每个透镜最靠近第一侧(例如人眼侧)的表面称为该透镜的第一侧面，每个透镜最靠近第二侧(例如显示器侧)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。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。

参考图1，本申请的第一方面提供了这样一种光学系统，其可以包括镜筒以及置于镜筒内的光学元件组，光学元件组可包括沿着光轴从第一侧至第二侧依序排列的第一元件组、第二元件组、第三元件组和第四元件组。第一元件组可包括反射式偏光元件、第一四分之一波片和第一透镜。第二元件组可包括第二四分之一波片和第二透镜。第三元件组可包括第三透镜。第四元件组可包括第四透镜。第一元件组至第四元件组中的相邻元件组之间可具有空气间隔。

在示例性实施方式中，光学系统还可以包括置于镜筒内的间隔件组，间隔件组可包括第一间隔件、第二间隔件和第三间隔件中的一个或多个。其中，第一间隔件可置于第一透镜的第二侧面且与第一透镜的第二侧面至少部分接触；第二间隔件可置于第二透镜的第二侧面且与第二透镜的第二侧面至少部分接触；第三间隔件可置于第三透镜的第二侧面且与第三透镜的第二侧面至少部分接触。合理使用间隔件能够有效规避杂光风险，减少对像质的干扰，进而提升光学系统的成像质量。

在示例性实施方式中，第一侧可为人眼侧，第二侧可为显示器侧。相应地，各元件(第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、反射式偏光元件、第一四分之一波片、第二四分之一波片)的第一侧面可被称作近人眼侧面，第二侧面可被称作近显示器侧面。

在示例性实施方式中，光学系统还可以包括光阑，光阑设置于第一侧与第一透镜之间。显示器上的图像光经过第四透镜、第三透镜、第二透镜、第二四分之一波片、第一透镜、第一四分之一波片、反射式偏光元件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，光学系统的第二侧可设置有影像面，影像面可例如设置有显示器。来自显示器的图像光可依序穿过第四透镜、第三透镜、第二透镜、第二四分之一波片、第一透镜、第一四分之一波片，到达反射式偏光元件，然后在反射式偏光元件处反射形成第一次反射图像光。第一次反射图像光穿过第一四分之一波片、第一透镜并到达部分反射层，然后在部分反射层处反射形成第二次反射图像光。第二次反射图像光依次穿过第一透镜、第一四分之一波片、反射式偏光元件至光阑并最终投射至使用者的眼中。在其他的示例中，在形成第一次反射图像光的过程中，图像光穿过第二透镜和第二四分之一波片的顺序可以互换。本申请所提供的光学系统通过光反射和折射组合的方式在不影响投影品质的前提下将所需光程折叠，有效缩短了光学系统的本体长度。

在示例性实施方式中，第一透镜、第二透镜的第一侧面和第二侧面中的至少两个侧面被配置为平面。其中，第一透镜的第一侧面被配置为平面，第二透镜的第一侧面或第二侧面被配置为平面，并且第二透镜的被配置为平面的侧面设置有第二四分之一波片。本申请所提供的光学系统通过使得第一透镜至第四透镜具有两个平面，并搭配第三透镜和第四透镜的非球面设计，能够提升光学系统的外视场性能。

反射式偏光元件与第一四分之一波片贴合并形成一张膜层，贴合后的膜层贴附在第一透镜的第一侧面，其中，反射式偏光元件位于第一四分之一波片的第一侧面。通过将反射式偏光元件和第一四分之一波片复合在一起以形成一张膜层，能够减少膜层的贴附面数，提高膜层的贴附良率，并且复合后的膜层贴附在平面上，有利于提升膜层贴附后的稳定性，进而提升光学系统的外视场性能。

在示例性实施方式中，光学系统还可以包括部分反射层，部分反射层可例如贴附于第一透镜的第二侧面上。部分反射层对光线具有半透射半反射作用。通过在第一透镜的第二侧面设置部分反射层，并结合第一透镜的第一侧面的反射式偏光元件和第一四分之一波片，能够使得光线多次折反，有效降低光学系统的本体长度。

在示例性实施方式中，镜筒在光轴所在方向的长度L与光学系统的总有效焦距f可以满足：L/f<1.5，以及第三元件组的有效焦距F3、第四元件组的有效焦距F4、第三间隔件的第一侧面的内径d3s与第三间隔件的第二侧面的内径d3m可以满足：0<F3/d3s+F4/d3m<5.0。在示例中，1.0<L/f<1.4，2.0<F3/d3s+F4/d3m<4.0。通过对镜筒在光轴所在方向的长度与光学系统的总有效焦距的比值进行约束，在光学系统满足成像焦距的情况下，能够使得光学系统的本体长度处在合理水平内，有利于实现光学系统的小型化；同时通过控制第三元件组的有效焦距与第三间隔件的第一侧面的内径的比值以及第四元件组的有效焦距与第三间隔件的第二侧面的内径的比值，来间接控制第一元件组、第二元件组的有效焦距与光学系统的总有效焦距的比值，便于合理分配光学系统中各透镜的光焦度，以及合理选择光学系统的架构，此外，本申请还可通过控制第三间隔件的第一侧面、第二侧面的内径来约束光束，在光学系统获得满足设计需求视场角的情况下，降低杂光的影响。

在示例性实施方式中，第一透镜的第二侧面的曲率半径R2、第一间隔件的第一侧面的内径d1s与第一间隔件的第一侧面的外径D1s可以满足：-30.0<R2/(D1s-d1s)<-10.0。通过将第一透镜的第二侧面的曲率半径与第一间隔件的第一侧面的内外径的差值的比值限制在合理范围内，有利于约束第一透镜的中心厚度以及第一间隔件的尺寸，进而便于第一透镜、第一间隔件成型。

在示例性实施方式中，第一元件组的有效焦距F1、第一透镜的折射率N1、反射式偏光元件的折射率NR、第一四分之一波片的折射率NQ1、第一元件组和第二元件组在光轴上的空气间隔T12与第一间隔件的最大厚度CP1可以满足：10.0<F1×(N1+NR+NQ1)/(CP1+T12)<30.0。通过控制上述条件式，能够对光学系统的中心距离以及第一四分之一波片引入的色散量进行约束，有利于校正光学系统的色差；同时还通过限制第一间隔件的最大厚度来使得第一元件组和第二元件组在光轴上的空气间隔处于合理范围内，有利于提升光学系统的多波段的光线传递能力。

在示例性实施方式中，镜筒的第一侧端面和第一间隔件沿光轴的间隔EP01、第一透镜在光轴上的中心厚度CT1、第一透镜的色散系数V1、反射式偏光元件的色散系数VR、第一四分之一波片的色散系数VQ1与第一透镜的第二侧面的曲率半径R2可以满足：-32.0<(EP01+CT1)×(V1+VR+VQ1)/R2<-22.0。通过控制上述条件式，能够对第一透镜的外形尺寸进行约束，使得第一透镜的有效焦距处于合理范围内，同时配合合理的镜筒的第一侧端面和第一间隔件沿光轴的间隔，使得镜筒的第一侧端面的位置与人眼位置处于合理情况，从而提高用户的佩戴舒适性；此外还能够对第一透镜、反射式偏光元件、第一四分之一波片的色散系数进行限制，使得第二侧光线曲折，以便于光学系统获得良好的视场角。

在示例性实施方式中，第二元件组的有效焦距F2、第二透镜在光轴上的中心厚度CT2、第二四分之一波片在光轴上的中心厚度CTQ2、第二透镜的色散系数V2与第一间隔件和第二间隔件沿光轴的间隔EP12可以满足：-5.0<F2/((EP12+CT2+CTQ2)×V2)<100.0。在示例中，-5.0<F2/((EP12+CT2+CTQ2)×V2)<0，或者，90.0<F2/((EP12+CT2+CTQ2)×V2)<100.0。通过控制上述条件式，能够对第二透镜和第一间隔件的厚度进行约束，有利于提高第二透镜和第一间隔件的成型良率；同时还能够对第二透镜的色散系数进行限制，有助于合理分配光学系统的其他透镜的色散系数，便于控制光学系统的色差，提升光学系统的性能良率。

在示例性实施方式中，第三元件组的有效焦距F3、第二透镜的色散系数V2、第三透镜的色散系数V3、第二元件组和第三元件组在光轴上的空气间隔T23与第二间隔件的最大厚度CP2可以满足：0<(V3-V2)×(CP2+T23)/F3<5.0。通过控制上述条件式，能够使得第三透镜的光焦度与第二元件组和第三元件组在光轴上的空气间隔成比例，以便于通过空气间隔来约束光学系统的焦距。

在示例性实施方式中，第三元件组的有效焦距F3、第二透镜的折射率N2、第三透镜的折射率N3、第二间隔件的第二侧面的内径d2m与第三间隔件的第二侧面的内径d3m可以满足：1.0<(N2+N3)×(d2m+d3m)/F3<5.0。通过约束第二透镜的折射率、第三透镜的折射率以及第三元件组的有效焦距，能够使得第二透镜、第三透镜的光焦度处于合理水平，同时配合合理的第二间隔件、第三间隔件的第二侧面的内径，在光学系统获得大视场角的情况下，能够使得光学系统的焦距处于一定范围内，避免光学系统的本体长度过长，有利于实现光学系统的小型化。

在示例性实施方式中，第三透镜的第二侧面的曲率半径R6、第四透镜的第二侧面的曲率半径R8、第三元件组和第四元件组在光轴上的空气间隔T34、第二间隔件和第三间隔件沿光轴的间隔EP23与第三间隔件的最大厚度CP3可以满足：-25.0<(R6+R8)/(T34+EP23+CP3)<-5.0。通过控制上述条件式，能够使得第三透镜、第四透镜的中厚处于合理范围内，有利于第三透镜、第四透镜成型；同时还能够对第三元件组和第四元件组在光轴上的空气间隔、第三透镜的边厚以及第三间隔件的最大厚度进行约束，使得第三透镜、第四透镜的光焦度处于合理范围内，有利于实现光学系统良好的收束性。

在示例性实施方式中，第二元件组的有效焦距F2、第二透镜的第二侧面的曲率半径R4、第三透镜的第一侧面的曲率半径R5、第二间隔件的第二侧面的外径D2m与第三间隔件的第二侧面的外径D3m可以满足：F2/(R4+R5)-F2/(D2m+D3m)<5.0。在示例中，-140.0<F2/(R4+R5)-F2/(D2m+D3m)<5.0，或者，3.0<F2/(R4+R5)-F2/(D2m+D3m)<5.0。通过控制上述条件式，能够合理分配第二透镜和第三透镜的光焦度，在使得光学系统获得充分的视场角的情况下，避免光学系统的本体长度过长；同时还能够对第二间隔件、第三间隔件的第二侧面的外径进行约束，避免第二透镜、第三透镜的外形尺寸过大，有利于提高光学系统的装配稳定性。

在示例性实施方式中，第三元件组的有效焦距F3、第三透镜的第二侧面的曲率半径R6、第三间隔件的第一侧面的内径d3s与第三间隔件的第一侧面的外径D3s可以满足：-3.0<(F3/R6)×(D3s/d3s)<0。通过约束第三元件组的有效焦距以及第三透镜的第二侧面的曲率半径，能够使得第三透镜对光线的收束能力处于合理水平，确保光学系统实现大视场，同时配合合理的第三间隔件的第一侧面的内外径，有利于提高光线收束能力，增加大视场角的收敛性，避免光学系统的本体长度过长。

在示例性实施方式中，第四元件组的有效焦距F4、第四透镜的第二侧面的曲率半径R8、镜筒的第二侧端面的内径d0m与镜筒的第二侧端面的外径D0m可以满足：-7.0mm<(D0m-d0m)/(F4/R8)<-2.0mm。通过约束第四元件组的有效焦距以及第四透镜的第二侧面的曲率半径，有利于提高光线收束能力，同时配合合理的镜筒的第二侧端面的内外径，能够在保证镜筒和第四透镜的可加工性的前提下，使得镜筒的第二侧端面的尺寸尽可能地小，进而减小该位置处的整机尺寸，确保整机外形美观。

在示例性实施方式中，镜筒的第一侧端面的内径d0s、镜筒的最小内径d0_min与光学系统的总有效焦距f可以满足：3.0<(d0s+d0_min)/f<6.0。通过约束光学系统的总有效焦距，有利于提高光学系统的成像质量，同时配合合理的镜筒的第一侧端面的内径以及镜筒的最小内径，有利于约束光束，降低镜筒内部和透镜结构部分杂光的影响。

在示例性实施方式中，第四透镜的第二侧面的曲率半径R8、第四透镜在光轴上的中心厚度CT4与第三间隔件和镜筒的第二侧端面沿光轴的间隔EP30可以满足：-5.0<R8/(EP30+CT4)<-2.0。通过约束第四透镜的第二侧面的形状尺寸，有利于第四透镜成型，同时配合合理的第三间隔件和镜筒的第二侧端面沿光轴的间隔，能够使得光学系统的相对靠近第二侧部分的轴向距离占光学系统的整体长度的比例处于合理范围内，有利于实现光学系统的小型化。

根据本申请的上述实施方式的光学系统可采用多片透镜，例如上文所述的四片透镜。通过合理分配反射式偏光元件、第一四分之一波片、各透镜、镜筒以及各间隔件的参数，能够缩小光学系统的本体长度，提升光学系统的可加工性以及成像质量。通过上述配置的光学系统具有小型化、大视场角以及良好的成像质量等特点，能够很好地满足各类便携式电子产品在投影场景下的使用需求。

在本申请的实施方式中，第一透镜至第四透镜中各透镜的表面中的至少一个为非球面表面。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，进而改善成像质量。

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的数量，来获得本说明书中描述的各个结果和优点。

本申请的第二方面提供了这样一种光学系统，其可以包括镜筒以及置于镜筒内的光学元件组和间隔件组。光学元件组可包括沿着光轴从第一侧至第二侧依序排列的第一元件组、第二元件组、第三元件组和第四元件组。第一元件组可包括反射式偏光元件、第一四分之一波片和第一透镜。第二元件组可包括第二四分之一波片和第二透镜。第三元件组可包括第三透镜。第四元件组可包括第四透镜。间隔件组可包括置于第三透镜的第二侧面且与第三透镜的第二侧面至少部分接触的第三间隔件。

其中，第三元件组的有效焦距F3、第三透镜的第二侧面的曲率半径R6、第三间隔件的第一侧面的内径d3s与第三间隔件的第一侧面的外径D3s可以满足：-3.0<(F3/R6)×(D3s/d3s)<0。通过约束第三元件组的有效焦距以及第三透镜的第二侧面的曲率半径，能够使得第三透镜对光线的收束能力处于合理水平，确保光学系统实现大视场，同时配合合理的第三间隔件的第一侧面的内外径，有利于提高光线收束能力，增加大视场角的收敛性，避免光学系统的本体长度过长。

本申请的第三方面提供了这样一种光学系统，其可以包括镜筒以及置于镜筒内的光学元件组和间隔件组。光学元件组可包括沿着光轴从第一侧至第二侧依序排列的第一元件组、第二元件组、第三元件组和第四元件组。第一元件组可包括反射式偏光元件、第一四分之一波片和第一透镜。第二元件组可包括第二四分之一波片和第二透镜。第三元件组可包括第三透镜。第四元件组可包括第四透镜。间隔件组可包括置于第三透镜的第二侧面且与第三透镜的第二侧面至少部分接触的第三间隔件。

其中，第四透镜的第二侧面的曲率半径R8、第四透镜在光轴上的中心厚度CT4与第三间隔件和镜筒的第二侧端面沿光轴的间隔EP30可以满足：-5.0<R8/(EP30+CT4)<-2.0。通过约束第四透镜的第二侧面的形状尺寸，有利于第四透镜成型，同时配合合理的第三间隔件和镜筒的第二侧端面沿光轴的间隔，能够使得光学系统的相对靠近第二侧部分的轴向距离占光学系统的整体长度的比例处于合理范围内，有利于实现光学系统的小型化。

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2描述根据本申请实施例1的光学系统。

如图2所示，光学系统100包括镜筒以及置于镜筒内的光学元件组和间隔件组。光学元件组包括沿着光轴从第一侧至第二侧依序排列的第一元件组、第二元件组、第三元件组和第四元件组。第一元件组包括反射式偏光元件RP、第一四分之一波片QWP1和第一透镜E1，在其他示例中，第一元件组还包括部分反射层BS(未示出)。第二元件组包括第二四分之一波片QWP2和第二透镜E2。第三元件组包括第三透镜E3。第四元件组包括第四透镜E4。间隔件组包括第一间隔件P1、第二间隔件P2和第三间隔件P3。在本实施例中，第一侧指的是人眼侧，第二侧指的是显示器侧。各元件(第一透镜E1、第二透镜E2、第三透镜E3、第四透镜E4、反射式偏光元件RP、第一四分之一波片QWP1和第二四分之一波片QWP2)的第一侧面均被称作近人眼侧面，第二侧面均被称作近显示器侧面。

第一透镜E1具有正光焦度，其近人眼侧面S3为平面，近显示器侧面S4为凸面并且贴附有部分反射层BS。反射式偏光元件RP具有近人眼侧面S1和近显示器侧面，第一四分之一波片QWP1具有近人眼侧面S2和近显示器侧面，反射式偏光元件RP的近显示器侧面贴附于第一四分之一波片QWP1的近人眼侧面S2，第一四分之一波片QWP1的近显示器侧面贴附于第一透镜E1的近人眼侧面S3。第二透镜E2具有正光焦度，其近人眼侧面S6为平面，近显示器侧面S7为凸面。第二四分之一波片QWP2具有近人眼侧面S5和近显示器侧面，其近显示器侧面贴附于第二透镜E2的近人眼侧面S6。第三透镜E3具有正光焦度，其近人眼侧面S8为凹面，近显示器侧面S9为凸面。第四透镜E4具有正光焦度，其近人眼侧面S10为凸面，近显示器侧面S11为凸面。

在本示例中，光学系统的第二侧可设置有影像面S14，影像面S14可例如设置有显示器。光学系统还包括第三四分之一波片QWP3，第三四分之一波片QWP3具有近人眼侧面S12和近显示器侧面，其近显示器侧面贴附于显示器的近人眼侧面S13。来自显示器的图像光依序穿过第四透镜E4、第三透镜E3、第二透镜E2、第二四分之一波片QWP2、第一透镜E1、第一四分之一波片QWP1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第一四分之一波片QWP1、第一透镜E1并到达部分反射层BS后，在部分反射层BS处发生第二次反射。经第二次反射的光依次穿过第一透镜E1、第一四分之一波片QWP1、反射式偏光元件RP并最终投射空间中的目标物体(未示出)上。例如，该光学系统经两次反射后的光线最终投射至使用者的眼中。

表1出了实施例1的光学系统的基本参数表，其中，曲率半径、厚度/距离的单位均为毫米(mm)。来自显示器的图像光按照序号20至序号2的顺序经过各元件并最终投射至人眼中。

表1

在本实施例中，第一透镜E1的近显示器侧面S4、第二透镜E2的近显示器侧面S7、第三透镜E3的近人眼侧面S8和近显示器侧面S9、第四透镜E4的近人眼侧面S10和近显示器侧面S11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。表2出了可用于实施例1中各非球面表面S4、S7-S11的高次项系数A₄、A₆、A₈、A₁₀、A₁₂、A₁₄、A₁₆、A₁₈、A₂₀、A₂₂、A₂₄、A₂₆、A₂₈和A₃₀。

表2

实施例2

以下参照图3描述根据本申请实施例2的光学系统。

如图3所示，光学系统200包括镜筒以及置于镜筒内的光学元件组和间隔件组。光学元件组包括沿着光轴从第一侧至第二侧依序排列的第一元件组、第二元件组、第三元件组和第四元件组。第一元件组包括反射式偏光元件RP、第一四分之一波片QWP1和第一透镜E1，在其他示例中，第一元件组还包括部分反射层BS(未示出)。第二元件组包括第二四分之一波片QWP2和第二透镜E2。第三元件组包括第三透镜E3。第四元件组包括第四透镜E4。间隔件组包括第一间隔件P1、第二间隔件P2和第三间隔件P3。

本实施例的光学元件组的结构与实施例1的光学元件组的结构相同，即，本实施例的光学系统的基本参数表与表1相同，非球面系数表与表2相同。本实施例与实施例1的区别在于：镜筒、第一间隔件P1、第二间隔件P2、第三间隔件P3的结构尺寸不同。例如，镜筒在光轴所在方向的长度L、第一间隔件的第一侧面的内径d1s、第一间隔件的第一侧面的外径D1s、第二间隔件的第二侧面的内径d2m、第二间隔件的第二侧面的外径D2m、第三间隔件的第一侧面的内径d3s、第三间隔件的第一侧面的外径D3s、第三间隔件的第二侧面的内径d3m、第三间隔件的第二侧面的外径D3m、镜筒的第一侧端面的内径d0s、镜筒的第二侧端面的内径d0m、镜筒的第二侧端面的外径D0m、镜筒的最小内径d0_min、镜筒的第一侧端面和第一间隔件沿光轴的间隔EP01、第一间隔件的最大厚度CP1、第一间隔件和第二间隔件沿光轴的间隔EP12、第二间隔件的最大厚度CP2、第二间隔件和第三间隔件沿光轴的间隔EP23、第三间隔件的最大厚度CP3、第三间隔件和镜筒的第二侧端面沿光轴的间隔EP30等参数不同。

表3给出了实施例1和2的镜筒、第一间隔件P1、第二间隔件P2、第三间隔件P3的一些基本参数，如L、d1s、D1s、d2m、D2m、d3s、D3s、d3m、D3m、d0s、d0m、D0m、d0_min、EP01、CP1、EP12、CP2、EP23、CP3、EP30等，表3所列出的部分基本参数按照图1所示的标注方法来测量得到，并且表3所列出的基本参数的单位均为毫米(mm)。

表3

图4A示出了实施例1、2的光学系统的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由光学系统后的会聚焦点偏离。图4B示出了实施例1、2的光学系统的象散曲线，其表示不同视场角对应的子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图4C示出了实施例1、2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1、2所给出的光学系统能够实现良好的成像质量。

实施例3

以下参照图5描述根据本申请实施例3的光学系统。

如图5所示，光学系统300包括镜筒以及置于镜筒内的光学元件组和间隔件组。光学元件组包括沿着光轴从第一侧至第二侧依序排列的第一元件组、第二元件组、第三元件组和第四元件组。第一元件组包括反射式偏光元件RP、第一四分之一波片QWP1和第一透镜E1，在其他示例中，第一元件组还包括部分反射层BS(未示出)。第二元件组包括第二四分之一波片QWP2和第二透镜E2。第三元件组包括第三透镜E3。第四元件组包括第四透镜E4。间隔件组包括第一间隔件P1、第二间隔件P2和第三间隔件P3。在本实施例中，第一侧指的是人眼侧，第二侧指的是显示器侧。各元件(第一透镜E1、第二透镜E2、第三透镜E3、第四透镜E4、反射式偏光元件RP、第一四分之一波片QWP1和第二四分之一波片QWP2)的第一侧面均被称作近人眼侧面，第二侧面均被称作近显示器侧面。

第一透镜E1具有正光焦度，其近人眼侧面S3为平面，近显示器侧面S4为凸面并且贴附有部分反射层BS。反射式偏光元件RP具有近人眼侧面S1和近显示器侧面，第一四分之一波片QWP1具有近人眼侧面S2和近显示器侧面，反射式偏光元件RP的近显示器侧面贴附于第一四分之一波片QWP1的近人眼侧面S2，第一四分之一波片QWP1的近显示器侧面贴附于第一透镜E1的近人眼侧面S3。第二透镜E2具有负光焦度，其近人眼侧面S6为平面，近显示器侧面S7为凹面。第二四分之一波片QWP2具有近人眼侧面S5和近显示器侧面，其近显示器侧面贴附于第二透镜E2的近人眼侧面S6。第三透镜E3具有正光焦度，其近人眼侧面S8为凸面，近显示器侧面S9为凸面。第四透镜E4具有正光焦度，其近人眼侧面S10为凸面，近显示器侧面S11为凸面。

表4出了实施例3的光学系统的基本参数表，其中，曲率半径、厚度/距离的单位均为毫米(mm)。来自显示器的图像光按照序号20至序号2的顺序经过各元件并最终投射至人眼中。

表4

在本实施例中，第一透镜E1的近显示器侧面S4、第二透镜E2的近显示器侧面S7、第三透镜E3的近人眼侧面S8和近显示器侧面S9、第四透镜E4的近人眼侧面S10和近显示器侧面S11均为非球面。表5出了可用于实施例3中各非球面表面S4、S7-S11的高次项系数A₄、A₆、A₈、A₁₀、A₁₂、A₁₄、A₁₆、A₁₈、A₂₀、A₂₂、A₂₄、A₂₆、A₂₈和A₃₀。

表5

实施例4

以下参照图6描述根据本申请实施例4的光学系统。

如图6所示，光学系统400包括镜筒以及置于镜筒内的光学元件组和间隔件组。光学元件组包括沿着光轴从第一侧至第二侧依序排列的第一元件组、第二元件组、第三元件组和第四元件组。第一元件组包括反射式偏光元件RP、第一四分之一波片QWP1和第一透镜E1，在其他示例中，第一元件组还包括部分反射层BS(未示出)。第二元件组包括第二四分之一波片QWP2和第二透镜E2。第三元件组包括第三透镜E3。第四元件组包括第四透镜E4。间隔件组包括第一间隔件P1、第二间隔件P2和第三间隔件P3。

本实施例的光学元件组的结构与实施例3的光学元件组的结构相同，即，本实施例的光学系统的基本参数表与表4相同，非球面系数表与表5相同。本实施例与实施例3的区别在于：镜筒、第一间隔件P1、第二间隔件P2、第三间隔件P3的结构尺寸不同。例如，镜筒在光轴所在方向的长度L、第一间隔件的第一侧面的内径d1s、第一间隔件的第一侧面的外径D1s、第二间隔件的第二侧面的内径d2m、第二间隔件的第二侧面的外径D2m、第三间隔件的第一侧面的内径d3s、第三间隔件的第一侧面的外径D3s、第三间隔件的第二侧面的内径d3m、第三间隔件的第二侧面的外径D3m、镜筒的第一侧端面的内径d0s、镜筒的第二侧端面的内径d0m、镜筒的第二侧端面的外径D0m、镜筒的最小内径d0_min、镜筒的第一侧端面和第一间隔件沿光轴的间隔EP01、第一间隔件的最大厚度CP1、第一间隔件和第二间隔件沿光轴的间隔EP12、第二间隔件的最大厚度CP2、第二间隔件和第三间隔件沿光轴的间隔EP23、第三间隔件的最大厚度CP3、第三间隔件和镜筒的第二侧端面沿光轴的间隔EP30等参数不同。

表6给出了实施例3和4的镜筒、第一间隔件P1、第二间隔件P2、第三间隔件P3的一些基本参数，如L、d1s、D1s、d2m、D2m、d3s、D3s、d3m、D3m、d0s、d0m、D0m、d0_min、EP01、CP1、EP12、CP2、EP23、CP3、EP30等，表6所列出的部分基本参数按照图1所示的标注方法来测量得到，并且表6所列出的基本参数的单位均为毫米(mm)。

表6

图7A示出了实施例3、4的光学系统的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由光学系统后的会聚焦点偏离。图7B示出了实施例3、4的光学系统的象散曲线，其表示不同视场角对应的子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图7C示出了实施例3、4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7A至图7C可知，实施例3、4所给出的光学系统能够实现良好的成像质量。

实施例5

以下参照图8描述根据本申请实施例5的光学系统。

如图8所示，光学系统500包括镜筒以及置于镜筒内的光学元件组和间隔件组。光学元件组包括沿着光轴从第一侧至第二侧依序排列的第一元件组、第二元件组、第三元件组和第四元件组。第一元件组包括反射式偏光元件RP、第一四分之一波片QWP1和第一透镜E1，在其他示例中，第一元件组还包括部分反射层BS(未示出)。第二元件组包括第二四分之一波片QWP2和第二透镜E2。第三元件组包括第三透镜E3。第四元件组包括第四透镜E4。间隔件组包括第一间隔件P1、第二间隔件P2和第三间隔件P3。在本实施例中，第一侧指的是人眼侧，第二侧指的是显示器侧。各元件(第一透镜E1、第二透镜E2、第三透镜E3、第四透镜E4、反射式偏光元件RP、第一四分之一波片QWP1和第二四分之一波片QWP2)的第一侧面均被称作近人眼侧面，第二侧面均被称作近显示器侧面。

表7出了实施例5的光学系统的基本参数表，其中，曲率半径、厚度/距离的单位均为毫米(mm)。来自显示器的图像光按照序号20至序号2的顺序经过各元件并最终投射至人眼中。

表7

在本实施例中，第一透镜E1的近显示器侧面S4、第二透镜E2的近显示器侧面S7、第三透镜E3的近人眼侧面S8和近显示器侧面S9、第四透镜E4的近人眼侧面S10和近显示器侧面S11均为非球面。表8出了可用于实施例5中各非球面表面S4、S7-S11的高次项系数A₄、A₆、A₈、A₁₀、A₁₂、A₁₄、A₁₆、A₁₈、A₂₀、A₂₂、A₂₄、A₂₆、A₂₈和A₃₀。

面号

A4

A6

A8

A10

A12

A14

A16

S4

3.9853E-01

3.6868E-02

-2.3897E-02

-1.4437E-02

5.2343E-03

4.8731E-03

-4.1553E-04

S7

1.7625E+00

-2.4982E+00

8.3879E-01

9.2019E-02

3.8925E-03

-1.2092E-01

1.9140E-02

S8

5.5421E+00

-2.2720E+00

7.2018E-01

-5.5594E-02

9.8185E-02

-9.2562E-02

-1.4617E-02

S9

1.2405E+00

6.0795E-01

-1.8747E-01

-2.3203E-02

-2.5749E-01

1.8481E-01

-2.2571E-02

S10

-2.1849E+00

1.5124E+00

-2.5105E-01

1.2802E-01

-1.0776E-01

1.5629E-01

-1.6604E-01

S11

6.7664E+00

-5.6466E-01

5.3134E-01

-7.6836E-01

2.5238E-01

-6.0800E-02

1.3065E-01

面号

A18

A20

A22

A24

A26

A28

A30

S4

-2.0884E-03

6.0780E-06

0.0000E+00

S7

2.5528E-02

-3.7337E-02

0.0000E+00

S8

1.2071E-03

-1.0614E-02

4.1488E-02

1.7877E-02

-9.5941E-03

-4.8533E-03

-2.2292E-03

S9

7.3176E-02

-4.1220E-02

9.7475E-02

-1.1009E-01

-6.8528E-03

3.2752E-02

-6.1950E-03

S10

6.2257E-02

3.7105E-02

9.0051E-02

-1.4378E-01

-4.9431E-02

6.4252E-02

7.7923E-03

S11

-1.6456E-01

5.5236E-02

4.7793E-02

2.1940E-02

-7.5710E-02

2.8269E-02

1.1505E-03

表8

实施例6

以下参照图9描述根据本申请实施例6的光学系统。

如图9所示，光学系统600包括镜筒以及置于镜筒内的光学元件组和间隔件组。光学元件组包括沿着光轴从第一侧至第二侧依序排列的第一元件组、第二元件组、第三元件组和第四元件组。第一元件组包括反射式偏光元件RP、第一四分之一波片QWP1和第一透镜E1，在其他示例中，第一元件组还包括部分反射层BS(未示出)。第二元件组包括第二四分之一波片QWP2和第二透镜E2。第三元件组包括第三透镜E3。第四元件组包括第四透镜E4。间隔件组包括第一间隔件P1、第二间隔件P2和第三间隔件P3。

本实施例的光学元件组的结构与实施例5的光学元件组的结构相同，即，本实施例的光学系统的基本参数表与表7相同，非球面系数表与表8相同。本实施例与实施例5的区别在于：镜筒、第一间隔件P1、第二间隔件P2、第三间隔件P3的结构尺寸不同。例如，镜筒在光轴所在方向的长度L、第一间隔件的第一侧面的内径d1s、第一间隔件的第一侧面的外径D1s、第二间隔件的第二侧面的内径d2m、第二间隔件的第二侧面的外径D2m、第三间隔件的第一侧面的内径d3s、第三间隔件的第一侧面的外径D3s、第三间隔件的第二侧面的内径d3m、第三间隔件的第二侧面的外径D3m、镜筒的第一侧端面的内径d0s、镜筒的第二侧端面的内径d0m、镜筒的第二侧端面的外径D0m、镜筒的最小内径d0_min、镜筒的第一侧端面和第一间隔件沿光轴的间隔EP01、第一间隔件的最大厚度CP1、第一间隔件和第二间隔件沿光轴的间隔EP12、第二间隔件的最大厚度CP2、第二间隔件和第三间隔件沿光轴的间隔EP23、第三间隔件的最大厚度CP3、第三间隔件和镜筒的第二侧端面沿光轴的间隔EP30等参数不同。

表9给出了实施例5和6的镜筒、第一间隔件P1、第二间隔件P2、第三间隔件P3的一些基本参数，如L、d1s、D1s、d2m、D2m、d3s、D3s、d3m、D3m、d0s、d0m、D0m、d0_min、EP01、CP1、EP12、CP2、EP23、CP3、EP30等，表9所列出的部分基本参数按照图1所示的标注方法来测量得到，并且表9所列出的基本参数的单位均为毫米(mm)。

表9

图10A示出了实施例5、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光学系统后的会聚焦点偏离。图10B示出了实施例5、6的光学系统的象散曲线，其表示不同视场角对应的子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图10C示出了实施例5、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10A至图10C可知，实施例5、6所给出的光学系统能够实现良好的成像质量。

实施例7

以下参照图11描述根据本申请实施例7的光学系统。

如图11所示，光学系统700包括镜筒以及置于镜筒内的光学元件组和间隔件组。光学元件组包括沿着光轴从第一侧至第二侧依序排列的第一元件组、第二元件组、第三元件组和第四元件组。第一元件组包括反射式偏光元件RP、第一四分之一波片QWP1和第一透镜E1，在其他示例中，第一元件组还包括部分反射层BS(未示出)。第二元件组包括第二四分之一波片QWP2和第二透镜E2。第三元件组包括第三透镜E3。第四元件组包括第四透镜E4。间隔件组包括第一间隔件P1、第二间隔件P2和第三间隔件P3。在本实施例中，第一侧指的是人眼侧，第二侧指的是显示器侧。各元件(第一透镜E1、第二透镜E2、第三透镜E3、第四透镜E4、反射式偏光元件RP、第一四分之一波片QWP1和第二四分之一波片QWP2)的第一侧面均被称作近人眼侧面，第二侧面均被称作近显示器侧面。

第一透镜E1具有正光焦度，其近人眼侧面S3为平面，近显示器侧面S4为凸面并且贴附有部分反射层BS。反射式偏光元件RP具有近人眼侧面S1和近显示器侧面，第一四分之一波片QWP1具有近人眼侧面S2和近显示器侧面，反射式偏光元件RP的近显示器侧面贴附于第一四分之一波片QWP1的近人眼侧面S2，第一四分之一波片QWP1的近显示器侧面贴附于第一透镜E1的近人眼侧面S3。第二透镜E2具有负光焦度，其近人眼侧面S6为平面，近显示器侧面S7为凹面。第二四分之一波片QWP2具有近人眼侧面S5和近显示器侧面，其近显示器侧面贴附于第二透镜E2的近人眼侧面S6。第三透镜E3具有正光焦度，其近人眼侧面S8为凹面，近显示器侧面S9为凸面。第四透镜E4具有正光焦度，其近人眼侧面S10为凹面，近显示器侧面S11为凸面。

表10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/距离的单位均为毫米(mm)。来自显示器的图像光按照序号20至序号2的顺序经过各元件并最终投射至人眼中。

表10

在本实施例中，第一透镜E1的近显示器侧面S4、第二透镜E2的近显示器侧面S7、第三透镜E3的近人眼侧面S8和近显示器侧面S9、第四透镜E4的近人眼侧面S10和近显示器侧面S11均为非球面。表11出了可用于实施例7中各非球面表面S4、S7-S11的高次项系数A₄、A₆、A₈、A₁₀、A₁₂、A₁₄、A₁₆、A₁₈、A₂₀、A₂₂、A₂₄、A₂₆、A₂₈和A₃₀。

面号

A4

A6

A8

A10

A12

A14

A16

S4

4.0017E-01

2.9386E-02

-2.1659E-02

-1.3859E-02

5.4608E-03

4.2744E-03

-5.5103E-04

S7

1.7575E+00

-2.4378E+00

8.2224E-01

9.0045E-02

-1.2067E-02

-1.2852E-01

1.7684E-02

S8

5.7081E+00

-2.2307E+00

7.0447E-01

-8.7826E-02

8.5295E-02

-9.7380E-02

-7.1900E-03

S9

1.2912E+00

6.4868E-01

-2.0322E-01

-4.0536E-02

-2.5076E-01

1.8791E-01

-2.0268E-02

S10

-1.1249E+00

1.4141E+00

-2.1631E-01

1.3206E-01

-9.7595E-02

1.6532E-01

-1.6258E-01

S11

6.8546E+00

-5.4365E-01

5.3568E-01

-7.6830E-01

2.5110E-01

-6.2553E-02

1.3107E-01

面号

A18

A20

A22

A24

A26

A28

A30

S4

-2.0190E-03

1.7068E-04

0.0000E+00

S7

2.4864E-02

-3.3764E-02

0.0000E+00

S8

2.7921E-03

1.7930E-03

4.9466E-02

1.6235E-02

-1.5635E-02

-7.7696E-03

-2.1536E-03

S9

6.7769E-02

-4.1022E-02

1.0253E-01

-1.1052E-01

-9.7613E-03

3.0456E-02

-4.1535E-03

S10

5.8768E-02

3.5340E-02

9.5911E-02

-1.4360E-01

-5.1471E-02

6.3893E-02

5.5005E-03

S11

-1.6520E-01

5.5943E-02

4.8244E-02

2.2513E-02

-7.6176E-02

2.8475E-02

1.0187E-03

表11

实施例8

以下参照图12描述根据本申请实施例8的光学系统。

如图12所示，光学系统800包括镜筒以及置于镜筒内的光学元件组和间隔件组。光学元件组包括沿着光轴从第一侧至第二侧依序排列的第一元件组、第二元件组、第三元件组和第四元件组。第一元件组包括反射式偏光元件RP、第一四分之一波片QWP1和第一透镜E1，在其他示例中，第一元件组还包括部分反射层BS(未示出)。第二元件组包括第二四分之一波片QWP2和第二透镜E2。第三元件组包括第三透镜E3。第四元件组包括第四透镜E4。间隔件组包括第一间隔件P1、第二间隔件P2和第三间隔件P3。

本实施例的光学元件组的结构与实施例7的光学元件组的结构相同，即，本实施例的光学系统的基本参数表与表10相同，非球面系数表与表11相同。本实施例与实施例7的区别在于：镜筒、第一间隔件P1、第二间隔件P2、第三间隔件P3的结构尺寸不同。例如，镜筒在光轴所在方向的长度L、第一间隔件的第一侧面的内径d1s、第一间隔件的第一侧面的外径D1s、第二间隔件的第二侧面的内径d2m、第二间隔件的第二侧面的外径D2m、第三间隔件的第一侧面的内径d3s、第三间隔件的第一侧面的外径D3s、第三间隔件的第二侧面的内径d3m、第三间隔件的第二侧面的外径D3m、镜筒的第一侧端面的内径d0s、镜筒的第二侧端面的内径d0m、镜筒的第二侧端面的外径D0m、镜筒的最小内径d0_min、镜筒的第一侧端面和第一间隔件沿光轴的间隔EP01、第一间隔件的最大厚度CP1、第一间隔件和第二间隔件沿光轴的间隔EP12、第二间隔件的最大厚度CP2、第二间隔件和第三间隔件沿光轴的间隔EP23、第三间隔件的最大厚度CP3、第三间隔件和镜筒的第二侧端面沿光轴的间隔EP30等参数不同。

表12给出了实施例7和8的镜筒、第一间隔件P1、第二间隔件P2、第三间隔件P3的一些基本参数，如L、d1s、D1s、d2m、D2m、d3s、D3s、d3m、D3m、d0s、d0m、D0m、d0_min、EP01、CP1、EP12、CP2、EP23、CP3、EP30等，表12所列出的部分基本参数按照图1所示的标注方法来测量得到，并且表12所列出的基本参数的单位均为毫米(mm)。

表12

图13A示出了实施例7、8的光学系统的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由光学系统后的会聚焦点偏离。图13B示出了实施例7、8的光学系统的象散曲线，其表示不同视场角对应的子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图13C示出了实施例7、8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13A至图13C可知，实施例7、8所给出的光学系统能够实现良好的成像质量。

表13给出了实施例1至8中的各实施例的基本参数的值。

条件式/实施例	1	2	3	4	5	6	7	8
									f(mm)	13.94	13.94	14.27	14.27	13.96	13.96	14.06	14.06
F1(mm)	15.26	15.26	16.06	16.06	15.25	15.25	15.18	15.18
									F2(mm)	10000.00	10000.00	-236.97	-236.97	-240.29	-240.29	-240.16	-240.16
F3(mm)	57.17	57.17	86.27	86.27	54.18	54.18	44.30	44.30
									F4(mm)	22.61	22.61	17.15	17.15	21.38	21.38	24.52	24.52
FOV(°)	110.0	110.0	86.0	86.0	110.0	110.0	110.0	110.0

表13

综上，表14示出了实施例1至8中的各实施例的条件式的值。

表14

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虚拟现实设备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，本申请中所涉及的实用新型范围，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

1.光学系统，其特征在于，包括：

光学元件组，沿着光轴从第一侧至第二侧依序包括第一元件组、第二元件组、第三元件组和第四元件组，所述第一元件组包括反射式偏光元件、第一四分之一波片和第一透镜，所述第二元件组包括第二四分之一波片和第二透镜，所述第三元件组包括第三透镜，所述第四元件组包括第四透镜；

间隔件组，包括第三间隔件，所述第三间隔件置于所述第三透镜的第二侧面且与所述第三透镜的第二侧面接触；

镜筒，所述光学元件组和所述间隔件组置于所述镜筒内，

其中，所述镜筒在所述光轴所在方向的长度L与所述光学系统的总有效焦距f满足：L/f<1.5，以及

所述第三元件组的有效焦距F3、所述第四元件组的有效焦距F4、所述第三间隔件的第一侧面的内径d3s与所述第三间隔件的第二侧面的内径d3m满足：0<F3/d3s+F4/d3m<5.0。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述间隔件组还包括置于所述第一透镜的第二侧面且与所述第一透镜的第二侧面接触的第一间隔件，

其中，所述第一透镜的第二侧面的曲率半径R2、所述第一间隔件的第一侧面的内径d1s与所述第一间隔件的第一侧面的外径D1s满足：-30.0<R2/(D1s-d1s)<-10.0。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述间隔件组还包括置于所述第一透镜的第二侧面且与所述第一透镜的第二侧面接触的第一间隔件，

其中，所述第一元件组的有效焦距F1、所述第一透镜的折射率N1、所述反射式偏光元件的折射率NR、所述第一四分之一波片的折射率NQ1、所述第一元件组和所述第二元件组在所述光轴上的空气间隔T12与所述第一间隔件的最大厚度CP1满足：10.0<F1×(N1+NR+NQ1)/(CP1+T12)<30.0。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述间隔件组还包括置于所述第一透镜的第二侧面且与所述第一透镜的第二侧面接触的第一间隔件，

其中，所述镜筒的第一侧端面和所述第一间隔件沿所述光轴的间隔EP01、所述第一透镜在所述光轴上的中心厚度CT1、所述第一透镜的色散系数V1、所述反射式偏光元件的色散系数VR、所述第一四分之一波片的色散系数VQ1与所述第一透镜的第二侧面的曲率半径R2满足：-32.0<(EP01+CT1)×(V1+VR+VQ1)/R2<-22.0。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述间隔件组还包括置于所述第一透镜的第二侧面且与所述第一透镜的第二侧面接触的第一间隔件以及置于所述第二透镜的第二侧面且与所述第二透镜的第二侧面接触的第二间隔件，

其中，所述第二元件组的有效焦距F2、所述第二透镜在所述光轴上的中心厚度CT2、所述第二四分之一波片在所述光轴上的中心厚度CTQ2、所述第二透镜的色散系数V2与所述第一间隔件和所述第二间隔件沿所述光轴的间隔EP12满足：-5.0<F2/((EP12+CT2+CTQ2)×V2)<100.0。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述间隔件组还包括置于所述第二透镜的第二侧面且与所述第二透镜的第二侧面接触的第二间隔件，

其中，所述第三元件组的有效焦距F3、所述第二透镜的色散系数V2、所述第三透镜的色散系数V3、所述第二元件组和所述第三元件组在所述光轴上的空气间隔T23与所述第二间隔件的最大厚度CP2满足：0<(V3-V2)×(CP2+T23)/F3<5.0。

7.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述间隔件组还包括置于所述第二透镜的第二侧面且与所述第二透镜的第二侧面接触的第二间隔件，

其中，所述第三元件组的有效焦距F3、所述第二透镜的折射率N2、所述第三透镜的折射率N3、所述第二间隔件的第二侧面的内径d2m与所述第三间隔件的第二侧面的内径d3m满足：1.0<(N2+N3)×(d2m+d3m)/F3<5.0。

8.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述间隔件组还包括置于所述第二透镜的第二侧面且与所述第二透镜的第二侧面接触的第二间隔件，

其中，所述第三透镜的第二侧面的曲率半径R6、所述第四透镜的第二侧面的曲率半径R8、所述第三元件组和所述第四元件组在所述光轴上的空气间隔T34、所述第二间隔件和所述第三间隔件沿所述光轴的间隔EP23与所述第三间隔件的最大厚度CP3满足：-25.0<(R6+R8)/(T34+EP23+CP3)<-5.0。

9.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述间隔件组还包括置于所述第二透镜的第二侧面且与所述第二透镜的第二侧面接触的第二间隔件，

其中，所述第二元件组的有效焦距F2、所述第二透镜的第二侧面的曲率半径R4、所述第三透镜的第一侧面的曲率半径R5、所述第二间隔件的第二侧面的外径D2m与所述第三间隔件的第二侧面的外径D3m满足：F2/(R4+R5)-F2/(D2m+D3m)<5.0。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的光学系统，其特征在于，所述第三元件组的有效焦距F3、所述第三透镜的第二侧面的曲率半径R6、所述第三间隔件的第一侧面的内径d3s与所述第三间隔件的第一侧面的外径D3s满足：-3.0<(F3/R6)×(D3s/d3s)<0。

11.根据权利要求1-9中任一项所述的光学系统，其特征在于，所述第四元件组的有效焦距F4、所述第四透镜的第二侧面的曲率半径R8、所述镜筒的第二侧端面的内径d0m与所述镜筒的第二侧端面的外径D0m满足：-7.0mm<(D0m-d0m)/(F4/R8)<-2.0mm。

12.根据权利要求1-9中任一项所述的光学系统，其特征在于，所述镜筒的第一侧端面的内径d0s、所述镜筒的最小内径d0_min与所述光学系统的总有效焦距f满足：3.0<(d0s+d0_min)/f<6.0。

13.根据权利要求1-9中任一项所述的光学系统，其特征在于，所述第四透镜的第二侧面的曲率半径R8、所述第四透镜在所述光轴上的中心厚度CT4与所述第三间隔件和所述镜筒的第二侧端面沿所述光轴的间隔EP30满足：-5.0<R8/(EP30+CT4)<-2.0。

14.根据权利要求1-9中任一项所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜的第一侧面和第二侧面中的至少两个侧面被配置为平面。