本技術(shù)涉及光學(xué)成像，尤其涉及一種光學(xué)系統(tǒng)及頭戴式設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、隨著技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展迅速，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的頭戴式設(shè)備(例如vr眼鏡)應(yīng)運(yùn)而生。常規(guī)的頭戴式設(shè)備中的光學(xué)系統(tǒng)由于受到放大倍率的限制，通常具有較長(zhǎng)的尺寸，不利于光學(xué)系統(tǒng)自身的小型化設(shè)計(jì)，從而不適于小型化的頭戴式設(shè)備。另一方面，由于不同用戶的近視程度不同，大部分的頭戴式設(shè)備中的光學(xué)系統(tǒng)并不具備根據(jù)用戶的近視程度的調(diào)整功能，影響用戶的使用體驗(yàn)性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本技術(shù)實(shí)施例公開了一種光學(xué)系統(tǒng)及頭戴式設(shè)備，能夠在實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，適配不同用戶的近視程度，有效提高用戶使用體驗(yàn)。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，第一方面，本技術(shù)公開了一種光學(xué)系統(tǒng)，共有三片具有屈折力的透鏡，所述光學(xué)系統(tǒng)沿著光軸沿投影側(cè)至像源側(cè)依序包括：

3、第一透鏡，具有正屈折力，所述第一透鏡的像源側(cè)表面于近光軸處為凸面，所述第一透鏡沿光軸方向上可移動(dòng)；

4、第二透鏡，具有屈折力，所述第二透鏡的投影側(cè)表面于近光軸處為凹面；

5、第三透鏡，具有正屈折力，所述第三透鏡的投影側(cè)表面以及像源側(cè)表面于近光軸處均為凸面；

6、在所述第一透鏡的投影側(cè)表面至所述光學(xué)系統(tǒng)的像源側(cè)表面之間，沿所述光軸從投影側(cè)至像源側(cè)的表面上，依次設(shè)有偏振反射結(jié)構(gòu)、第一相位延遲片和分光元件，所述第一相位延遲片、所述分光元件分別位于所述第一透鏡的投影側(cè)和像源側(cè)。

7、通過(guò)設(shè)置三枚具有屈折力的透鏡，可以在有限的透鏡數(shù)量下，結(jié)合偏振反射結(jié)構(gòu)、第一相位延遲片和分光元件的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)中的光路的偏振折反、透射、反射，從而在有限的透鏡數(shù)量下，實(shí)現(xiàn)光路的偏轉(zhuǎn)和折疊，無(wú)需通過(guò)增加透鏡數(shù)量，有效減小光學(xué)系統(tǒng)的整體體積，進(jìn)而有利于光學(xué)系統(tǒng)的輕薄小型化設(shè)計(jì)。同時(shí)，通過(guò)設(shè)置光學(xué)系統(tǒng)還包括分光元件，且分光元件位于第一透鏡的像源側(cè)，從而能夠更好地聚焦大視角范圍內(nèi)的光線至分光元件上進(jìn)行透射或反射，有利于匹配大尺寸的像源面，進(jìn)而擴(kuò)大視野范圍。

8、另外，通過(guò)設(shè)置具有正屈折力的第一透鏡，且第一透鏡的投影側(cè)表面于近光軸處為凸面，第二透鏡具有屈折力，且第二透鏡的投影側(cè)表面于近光軸處為凹面，第三透鏡具有正屈折力，且第三透鏡的投影側(cè)表面、像源側(cè)表面于近光軸處均為凸面的設(shè)計(jì)，能夠便于光線進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)中，從而更好地聚焦大視角范圍內(nèi)的光線，有利于匹配大尺寸的像源面，進(jìn)而擴(kuò)大視野范圍。

9、進(jìn)一步地，本技術(shù)的光學(xué)系統(tǒng)還通過(guò)第一透鏡沿光學(xué)系統(tǒng)的光軸方向上可移動(dòng)，使得該光學(xué)系統(tǒng)能夠根據(jù)不同用戶的近視程度，調(diào)整第三透鏡沿光軸方向上的移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)焦，從而適配不同用戶的近視程度，提高用戶使用體驗(yàn)。

10、作為一種可選地實(shí)施方式，所述光學(xué)系統(tǒng)的屈光度調(diào)節(jié)范圍為0d-8d，這樣，使得該光學(xué)系統(tǒng)能夠適配在0-500度的近視焦距范圍，適配0-500度近視人群，而且在第一透鏡移動(dòng)調(diào)焦過(guò)程中，使得該光學(xué)系統(tǒng)能夠維持中心以及邊緣視角120°以內(nèi)的影像的品質(zhì)，確保該光學(xué)系統(tǒng)的成像清晰度。超過(guò)關(guān)系式范圍，將導(dǎo)致第一透鏡在光軸方向上的移動(dòng)量過(guò)大或過(guò)小，一方面，造成光學(xué)元件之間干涉或不能有效利用透鏡間的排布空間，不利于光學(xué)系統(tǒng)的輕薄小型化；另一方面，不能有效控制光學(xué)系統(tǒng)的焦距調(diào)節(jié)，影響光學(xué)系統(tǒng)的成像清晰度，降低影像品質(zhì)。

11、作為一種可選地實(shí)施方式，所述光學(xué)系統(tǒng)還包括第一保護(hù)玻璃，所述第一保護(hù)玻璃位于所述光學(xué)系統(tǒng)的投影側(cè)至所述第一透鏡的投影側(cè)表面之間，所述光學(xué)系統(tǒng)滿足以下關(guān)系式：

12、1.2＜ttl/ft2＜1.7；其中，ttl是所述第一保護(hù)玻璃的投影側(cè)表面至所述光學(xué)系統(tǒng)的像源面于光軸上的距離，ft2是所述光學(xué)系統(tǒng)處于長(zhǎng)焦?fàn)顟B(tài)下的焦距。這樣，能夠在實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的小型化設(shè)計(jì)的同時(shí)，還合理配置光學(xué)系統(tǒng)的焦距。

13、作為一種可選地實(shí)施方式，所述光學(xué)系統(tǒng)滿足以下關(guān)系式：0.65＜ih/ft2＜1.1，和/或，1.1＜d11/ih＜1.8；

14、其中，ih是所述光學(xué)系統(tǒng)的最大視場(chǎng)角的一半所對(duì)應(yīng)的像高，ft2是所述光學(xué)系統(tǒng)處于長(zhǎng)焦?fàn)顟B(tài)下的焦距，d11是所述第一透鏡的投影側(cè)表面的最大有效半口徑。

15、光學(xué)系統(tǒng)滿足0.65＜ih/ft＜1.1時(shí)，可有助于提供大視角，并加強(qiáng)該光學(xué)系統(tǒng)與其所應(yīng)用的頭戴式設(shè)備的微型化設(shè)計(jì)。

16、光學(xué)系統(tǒng)滿足1.1＜d11/ih＜1.8時(shí)，可以使得光學(xué)系統(tǒng)的頭部口徑能夠適配于匹配大像面的感光芯片，從而有利于提高成像分辨率，使光學(xué)系統(tǒng)具備高像素效果。

17、作為一種可選地實(shí)施方式，所述光學(xué)系統(tǒng)滿足以下關(guān)系式：＜f1/ft2＜11，和/或，5＜|f2|/ft2，和/或，1.6＜f3/ft2＜3.2，和/或，0.9＜ft2/ft1＜1.2；

18、其中，f1是所述第一透鏡的焦距，f2是所述第二透鏡的焦距，f3是所述第三透鏡的焦距，ft2是所述光學(xué)系統(tǒng)處于長(zhǎng)焦?fàn)顟B(tài)下的焦距，ft1是所述光學(xué)系統(tǒng)處于短焦?fàn)顟B(tài)下的焦距。

19、光學(xué)系統(tǒng)滿足上述關(guān)系式時(shí)，能夠合理控制各個(gè)透鏡與光學(xué)系統(tǒng)的焦距的比值，使得各個(gè)透鏡在光學(xué)系統(tǒng)中的屈折力分配合適，有利于減緩像差的產(chǎn)生，避免出現(xiàn)因某個(gè)透鏡的屈折力變化過(guò)大而造成該光學(xué)系統(tǒng)存在影像修正上的問(wèn)題。

20、作為一種可選地實(shí)施方式，所述第一透鏡的投影側(cè)表面為平坦曲面，所述第一透鏡的投影側(cè)表面于光軸處的曲率半徑r1滿足：∣r1∣>80mm。也即是，該第一透鏡的投影側(cè)表面較為平坦，從而有利于該第一相位延遲片的貼設(shè)，降低貼合難度。

21、作為一種可選地實(shí)施方式，所述光學(xué)系統(tǒng)滿足以下關(guān)系式：|r1|/r2＜-2，和/或，|r4|/r3＜-1，和/或，4＜r5/r6；

22、其中，r1是所述第一透鏡的投影側(cè)表面于光軸處的曲率半徑，r2是所述第一透鏡的像源側(cè)表面于光軸處的曲率半徑；r4是所述第二透鏡的像源側(cè)表面于光軸處的曲率半徑，r3是所述第二透鏡的投影側(cè)表面于光軸處的曲率半徑，r5是所述第三透鏡的投影側(cè)表面于光軸處的曲率半徑，r6是所述第三透鏡的像源側(cè)表面于光軸處的曲率半徑。

23、光學(xué)系統(tǒng)滿足上述關(guān)系式時(shí)，能夠有效控制各透鏡的投影側(cè)表面與各透鏡的像源側(cè)表面于光軸處的曲率半徑的比值，從而有效控制各透鏡的投影側(cè)表面、像源側(cè)表面的面型形狀，進(jìn)而有利于減少相鄰兩透鏡間光線的反射，進(jìn)而降低光學(xué)系統(tǒng)的鬼像強(qiáng)度。

24、作為一種可選地實(shí)施方式，所述光學(xué)系統(tǒng)滿足以下關(guān)系式：1.3＜ct3/ct1＜2.5，和/或，1.5＜ct3/ct2＜3，和/或，0.8＜ct1/ct2＜2，和/或，15＜ct2/at23，和/或，6＜(ct1+ct2+ct3)/(at12-at23)＜10；

25、其中，ct2所述第二透鏡于光軸上的厚度，ct1是所述第一透鏡于光軸上的厚度，ct3是所述第三透鏡于光軸上的厚度，at23是所述第二透鏡的像源側(cè)表面至所述第三透鏡的投影側(cè)表面于光軸上的距離，at12是所述第一透鏡的像源側(cè)表面至所述第二透鏡的投影側(cè)表面于光軸上的距離。

26、當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)滿足上述關(guān)系式1.3＜ct3/ct1＜2.5，和/或，1.5＜ct3/ct2＜3，和/或，0.8＜ct1/ct2＜2時(shí)，能夠合理控制各個(gè)透鏡的中心厚度，從而便于對(duì)各個(gè)透鏡的光焦度進(jìn)行控制，使得各透鏡的像差能夠進(jìn)行互相補(bǔ)償，減小光學(xué)系統(tǒng)的像差，有利于提高光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。

27、而光學(xué)系統(tǒng)滿足關(guān)系式15＜ct2/at23時(shí)，能夠合理控制第二透鏡的厚度，使得第二透鏡的厚度與第二透鏡、第三透鏡之間的間距合理，便于第二透鏡、第三透鏡的組裝，避免出現(xiàn)組裝干涉。

28、由于第一透鏡在光軸方向上可移動(dòng)，光學(xué)系統(tǒng)滿足關(guān)系式6＜(ct1+ct2+ct3)/(at12-at23)＜10時(shí)，能夠有效控制第一透鏡在光軸方向上的移動(dòng)量，避免第一透鏡與第二透鏡之間的間距過(guò)大或過(guò)小，使得光線具有足夠的傳遞空間，進(jìn)而便于光線匯聚。此外，還可以合理控制各透鏡厚度和透鏡之間的間隔，避免出現(xiàn)組裝干涉，降低組裝難度。

29、作為一種可選地實(shí)施方式，所述光學(xué)系統(tǒng)滿足以下關(guān)系式：90°＜fov＜115°；其中，fov是所述光學(xué)系統(tǒng)的最大視場(chǎng)角。

30、光學(xué)系統(tǒng)滿足上述關(guān)系式時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的大視角成像。

31、第二方面，本技術(shù)還公開了一種頭戴式設(shè)備，該頭戴式設(shè)備包括殼體、顯示器以及如上述第一方面所述的光學(xué)系統(tǒng)，所述顯示器、所述光學(xué)系統(tǒng)設(shè)于所述殼體，且所述顯示器位于所述光學(xué)系統(tǒng)的像源側(cè)。

32、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)的有益效果在于：

33、通過(guò)設(shè)置三枚具有屈折力的透鏡，可以在有限的透鏡數(shù)量下，結(jié)合偏振反射結(jié)構(gòu)、第一相位延遲片和分光元件的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)中的光路的偏振折反、透射、反射，從而在有限的透鏡數(shù)量下，實(shí)現(xiàn)光路的偏轉(zhuǎn)和折疊，無(wú)需通過(guò)增加透鏡數(shù)量，有效減小光學(xué)系統(tǒng)的整體體積，進(jìn)而有利于光學(xué)系統(tǒng)的輕薄小型化設(shè)計(jì)。同時(shí)，通過(guò)設(shè)置光學(xué)系統(tǒng)還包括分光元件，且分光元件位于第一透鏡的像源側(cè)，從而能夠更好地聚焦大視角范圍內(nèi)的光線至分光元件上進(jìn)行透射或反射，有利于匹配大尺寸的像源面，進(jìn)而擴(kuò)大視野范圍。

34、另外，通過(guò)設(shè)置具有正屈折力的第一透鏡，且第一透鏡的投影側(cè)表面于近光軸處為凸面，第二透鏡具有屈折力，且第二透鏡的投影側(cè)表面于近光軸處為凹面，第三透鏡具有正屈折力，且第三透鏡的投影側(cè)表面、像源側(cè)表面于近光軸處均為凸面的設(shè)計(jì)，能夠便于光線進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)中，從而更好地聚焦大視角范圍內(nèi)的光線，有利于匹配大尺寸的像源面，進(jìn)而擴(kuò)大視野范圍。

35、進(jìn)一步地，本技術(shù)的光學(xué)系統(tǒng)還通過(guò)第一透鏡沿光學(xué)系統(tǒng)的光軸方向上可移動(dòng)，使得該光學(xué)系統(tǒng)能夠根據(jù)不同用戶的近視程度，調(diào)整第三透鏡沿光軸方向上的移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)焦，從而適配不同用戶的近視程度，提高用戶使用體驗(yàn)。