光学系统及包括该光学系统的VR设备的制作方法

本技术涉及光学元件领域，更具体地，涉及一种光学系统和包括该光学系统的vr设备。

背景技术：

1、随着“元宇宙”概念的提出，虚拟现实技术(vr)也逐渐走进了人们的生活。基于计算机算法、图形处理、光学显示等多方面的技术融合，逐渐建立起三维动态视景并具备交互功能。目前来讲，一方面，vr装置既较好地满足了人们生活的实用要求，也已较大程度地增加了使用的舒适感；另一方面，早期的非球面或菲涅尔镜头本体较长，导致vr装置重心靠前，使用者体验感不佳，因而折返式光学系统被提出。

2、折返式光学系统通过光路折转，使得整个镜头的长度可以被很大程度地压缩，从而使vr装置的重心后移，进一步增加了消费者的使用舒适感。然而，当前的折返式光学系统仍需进一步减小尺寸、减轻重量，进一步提升使用者的体验感，以满足市场和消费者的高要求。对于三片式的折反式光学系统而言，本领域技术人员期望通过优化设计最靠近使用者一侧或最靠近人眼一侧的第一透镜的光学参数，以进一步提升其对光线出射角的控制，同时保证其外径尺寸和可加工性，减小系统体积、进一步提升使用者的沉浸式体验。

技术实现思路

1、本技术提供了一种光学系统，沿光轴由第一侧至第二侧依序可包括：具有正光焦度的第一透镜；具有正光焦度的第二透镜，其第二侧面为凸面；以及具有正光焦度的第三透镜，其第一侧面为凹面，第二侧面为凸面；所述光学系统还包括：反射式偏光元件和四分之一波板，所述反射式偏光元件和所述四分之一波板贴附于所述第一透镜的第一侧或第二侧。所述光学系统可满足：0.04<f/fz<0.16和1.5<(t1a1+t1c1)/f<2.2，其中，f为所述光学系统的有效焦距，fz为所述第一透镜、所述反射式偏光元件和所述四分之一波板的组合焦距，t1a1为所述第一透镜的第一侧面的光学中心至所述第一透镜的第一侧面的有效径轮廓上边缘的有效半口径，t1c1为所述第一透镜的第一侧面的光学中心至所述第一透镜的第一侧面的有效径轮廓下边缘的有效半口径。

2、在一个实施方式中，所述第一透镜的第一侧面的光学中心至所述第一透镜的第一侧面的有效径轮廓左边缘的有效半口径t1b1与所述第一透镜在所述光轴上的中心厚度ct1可满足：2.7<t1b1/ct1<4.7。

3、在一个实施方式中，所述第一透镜的有效焦距f1、所述第一透镜的第二侧面的光学中心至所述第一透镜的第二侧面的有效径轮廓上边缘的有效半口径t1a2、所述第一透镜的第二侧面的光学中心至所述第一透镜的第二侧面的有效径轮廓左边缘的有效半口径t1b2、所述第一透镜的第二侧面的光学中心至所述第一透镜的第二侧面的有效径轮廓下边缘的有效半口径t1c2与所述第一透镜的第二侧面的光学中心至所述第一透镜的第二侧面的有效径轮廓右边缘的有效半口径t1d2可满足：1.6<f1/(t1a2+t1b2+t1c2+t1d2)<6.1。

4、在一个实施方式中，所述第二透镜在所述光轴上的中心厚度ct2、所述第三透镜在所述光轴上的中心厚度ct3、所述第一透镜在所述光轴上的中心厚度ct1与所述反射式偏光元件在所述光轴上的中心厚度ctr以及所述四分之一波板在所述光轴上的中心厚度ctq可满足：1.1<(ct2+ct3)/(ct1+ctr+ctq)<2.0。

5、在一个实施方式中，所述光学系统的入瞳直径epd可满足：3.1<t1a1/epd<4.3。

6、在一个实施方式中，所述第一透镜的第一侧面的光学中心至所述第一透镜的第一侧面的有效径轮廓左边缘的有效半口径t1b1、所述第一透镜的第一侧面的光学中心至所述第一透镜的第一侧面的有效径轮廓右边缘的有效半口径t1d1与所述第一透镜的第一侧面至所述第三透镜的第二侧面在所述光轴上的距离td可满足：2.0<(t1b1+t1d1)/td<3.2。

7、在一个实施方式中，所述第一透镜的折射率n1与所述第一透镜的第一侧面的光学中心至所述第一透镜的第一侧面的有效径轮廓右边缘的有效半口径t1d1可满足：1.1<n1×(t1a1/t1d1)<1.4。

8、在一个实施方式中，所述第一透镜的第二侧面的光学中心至所述第一透镜的第二侧面的有效径轮廓上边缘的有效半口径t1a2、所述第一透镜的第二侧面的光学中心至所述第一透镜的第二侧面的有效径轮廓下边缘的有效半口径t1c2与所述光学系统的最大半视场角semi-fov可满足：1.5<(t1a2+t1c2)/(f×tan(semi-fov))<2.0。

9、在一个实施方式中，所述第三透镜的有效焦距f3、所述第三透镜的第一侧面的曲率半径r5与所述第三透镜的第二侧面的曲率半径r6可满足：-4.8<f3/(r5+r6)<-0.1。

10、在一个实施方式中，所述第二透镜的第二侧面的曲率半径r4与所述第二透镜的有效焦距f2可满足：-1.1<r4/f2<-0.1。

11、在一个实施方式中，所述反射式偏光元件的折射率nr、所述四分之一波板的折射率nq与所述第一透镜的第二侧面的光学中心至所述第一透镜的第二侧面的有效径轮廓左边缘的有效半口径t1b2可满足：18.2mm<(nr/nq)×t1b2<23.3mm。

12、另一方面，本技术还提供了一种光学系统，该光学系统沿光轴由第一侧至第二侧依序可包括：具有正光焦度的第一透镜；具有正光焦度的第二透镜，其第二侧面为凸面；以及具有正光焦度的第三透镜，其第一侧面为凹面，第二侧面为凸面；所述光学系统还可包括：反射式偏光元件和四分之一波板，所述反射式偏光元件和所述四分之一波板贴附于所述第一透镜的第一侧或第二侧。所述光学系统可满足0.04<f/fz<0.16和3.1<t1a1/epd<4.3，其中，f为所述光学系统的有效焦距，fz为所述第一透镜、所述反射式偏光元件和所述四分之一波板的组合焦距，t1a1为所述第一透镜的第一侧面的光学中心至所述第一透镜的第一侧面的有效径轮廓上边缘的有效半口径，epd为所述光学系统的入瞳直径。

13、在一个实施方式中，所述第一透镜的第一侧面的光学中心至所述第一透镜的第一侧面的有效径轮廓左边缘的有效半口径t1b1与所述第一透镜在所述光轴上的中心厚度ct1可满足：2.7<t1b1/ct1<4.7。

14、在一个实施方式中，所述第一透镜的有效焦距f1、所述第一透镜的第二侧面的光学中心至所述第一透镜的第二侧面的有效径轮廓上边缘的有效半口径t1a2、所述第一透镜的第二侧面的光学中心至所述第一透镜的第二侧面的有效径轮廓左边缘的有效半口径t1b2、所述第一透镜的第二侧面的光学中心至所述第一透镜的第二侧面的有效径轮廓下边缘的有效半口径t1c2与所述第一透镜的第二侧面的光学中心至所述第一透镜的第二侧面的有效径轮廓右边缘的有效半口径t1d2可满足：1.6<f1/(t1a2+t1b2+t1c2+t1d2)<6.1。

15、在一个实施方式中，所述第二透镜在所述光轴上的中心厚度ct2、所述第三透镜在所述光轴上的中心厚度ct3、所述第一透镜在所述光轴上的中心厚度ct1与所述反射式偏光元件在所述光轴上的中心厚度ctr以及所述四分之一波板在所述光轴上的中心厚度ctq可满足：1.1<(ct2+ct3)/(ct1+ctr+ctq)<2.0。

16、在一个实施方式中，所述第一透镜的第一侧面的光学中心至所述第一透镜的第一侧面的有效径轮廓下边缘的有效半口径t1c1可满足：1.5<(t1a1+t1c1)/f<2.2。

17、在一个实施方式中，所述第一透镜的第一侧面的光学中心至所述第一透镜的第一侧面的有效径轮廓左边缘的有效半口径t1b1、所述第一透镜的第一侧面的光学中心至所述第一透镜的第一侧面的有效径轮廓右边缘的有效半口径t1d1与所述第一透镜的第一侧面至所述第三透镜的第二侧面在所述光轴上的距离td可满足：2.0<(t1b1+t1d1)/td<3.2。

18、在一个实施方式中，所述第一透镜的折射率n1与所述第一透镜的第一侧面的光学中心至所述第一透镜的第一侧面的有效径轮廓右边缘的有效半口径t1d1可满足：1.1<n1×(t1a1/t1d1)<1.4。

19、在一个实施方式中，所述第一透镜的第二侧面的光学中心至所述第一透镜的第二侧面的有效径轮廓上边缘的有效半口径t1a2、所述第一透镜的第二侧面的光学中心至所述第一透镜的第二侧面的有效径轮廓下边缘的有效半口径t1c2与所述光学系统的最大半视场角semi-fov可满足：1.5<(t1a2+t1c2)/(f×tan(semi-fov))<2.0。

20、在一个实施方式中，所述第三透镜的有效焦距f3、所述第三透镜的第一侧面的曲率半径r5与所述第三透镜的第二侧面的曲率半径r6可满足：-4.8<f3/(r5+r6)<-0.1。

21、在一个实施方式中，所述第二透镜的第二侧面的曲率半径r4与所述第二透镜的有效焦距f2可满足：-1.1<r4/f2<-0.1。

22、在一个实施方式中，所述反射式偏光元件的折射率nr、所述四分之一波板的折射率nq与所述第一透镜的第二侧面的光学中心至所述第一透镜的第二侧面的有效径轮廓左边缘的有效半口径t1b2可满足：18.2mm<(nr/nq)×t1b2<23.3mm。

23、又一方面，本技术还提供了一种vr设备，该vr设备包括上述各个实施方式中的任一个实施方式所提供的光学系统，其中，所述第一侧为人眼侧，所述第二侧为显示器侧。

24、本技术公开的光学系统沿光轴由第一侧至第二侧依序包括具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜和具有正光焦度的第三透镜，其中，第二透镜的第二侧面为凸面，第三透镜的第一侧面为凹面、第二侧面为凸面，第一透镜的第一侧或第二侧贴附有反射式偏光元件和四分之一波板。光学系统具有正正正的光学架构，同时控制光学系统的有效焦距f与第一透镜和反射式偏光元件以及四分之一波板的组合焦距fz满足0.04<f/fz<0.16，在该前提条件下，通过控制第一透镜的第一侧面的光学中心至有效径轮廓上边缘的有效半口径t1a1、第一透镜的第一侧面的光学中心至有效径轮廓下边缘的有效半口径t1c1与光学系统的有效焦距f满足1.5<(t1a1+t1c1)/f<2.2，可以有利于第一透镜对光线出射角的控制，保证整个镜片的外径尺寸和可加工性。