CN114236829A - 一种光学***以及头戴显示设备 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例公开了一种光学***以及头戴显示设备；其中，所述光学***包括沿入射光的传播方向依次设置的第三透镜、第二透镜和第一透镜；所述光学***中有三个菲涅尔面，其中有两个菲涅尔面为相邻设置；所述第三透镜的光焦度为正；所述光学***的视场角≥100度。本申请实施例提供了一种短焦、高光效、大FOV的光学结构设计方案，本申请实施例提供的光学***可应用于例如头戴显示设备中。

Description

一种光学***以及头戴显示设备
技术领域
本申请涉及光学成像技术领域，更具体地，本申请涉及一种光学***以及头戴显示设备。
背景技术
近年来，增强现实(Augmented Reality，AR)技术及虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术等在智能穿戴设备中得到了应用，并快速发展起来。增强现实技术和虚拟现实技术的核心部件均是显示光学***。因此，显示光学***显示效果的好坏将直接决定着智能穿戴设备的质量。
在现有的相关技术中，以VR设备为例。在目前的VR设备中，若基于1.4inch的显示屏幕实现大视场角(FOV)和短光学总长(TTL)，常规的光学方案为折叠光路结构，但却存在制作成本较高、光效低(＜25％)且存在鬼影的问题。
发明内容
本申请的目的在于提供的一种光学***以及头戴显示设备的新技术方案。
根据本申请的一个方面，提供了一种光学***。所述光学***包括沿入射光的传播方向依次设置的第三透镜、第二透镜和第一透镜；
所述光学***中有三个菲涅尔面，其中有两个菲涅尔面为相邻设置；
所述第三透镜的光焦度为正；
所述光学***的视场角≥100度。
可选地，所述第一透镜和所述第二透镜的光焦度均为正；
所述第一透镜、所述第二透镜及所述第三透镜位于同一光轴上。
可选地，所述第一透镜和所述第二透镜相邻的两个面为菲涅尔面。
可选地，所述第一透镜包括第一表面和第二表面，所述第二透镜包括第三表面和第四表面；
所述第二表面与所述第三表面为相邻设置，均为菲涅尔面；
所述第一表面和所述第四表面均为非球面。
可选地，所述第三透镜包括第五表面和第六表面；
所述第五表面和所述第六表面中的一个为菲涅尔面，所述第五表面和所述第六表面中的另一个为非球面；
所述第三透镜的菲涅尔面与所述第二透镜的第四表面为相邻设置。
可选地，所述第一透镜与所述第二透镜之间设置有第一间隔T1，所述第一间隔T1设置为0.2mm≤T1≤1mm。
可选地，所述第二透镜与所述第三透镜之间设置有第二间隔T2，所述第二间隔T2设置为1mm≤T1≤3mm。
可选地，所述第一透镜的有效焦距f1为：30mm≤f1≤40mm；
所述第二透镜的有效焦距f2为：40mm≤f2≤460mm；
所述第三透镜的有效焦距f3为：65mm≤f3≤115mm。
可选地，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的材质为COP材料、OKP材料、EP材料或者PMMA材料。
根据本申请的另一个方面，提供了一种头戴显示设备。所述头戴显示设备包括如上任一种所述的光学***。
本申请的有益效果在于：
本申请实施例提供了一种直透式光学结构设计方案，其中采用了三片光学镜片，并在光路结构中设计了三个菲涅尔面，既可以提供较强的汇聚能力，从而减少光学***的光学总长TTL和增大视场角FOV，又可以使得光学***的光效在较高的水平；其中有两个菲涅尔面为相邻设置，有助于降低杂散光。本申请实施例提供的方案实现了短焦、高光效、大FOV的光学设计要求，所形成的光学***可应用于例如头戴显示设备(如，VR设备)中，还有助于实现头戴显示设备的小型化、轻量化发展趋势。
通过以下参照附图对本申请的示例性实施例的详细描述，本申请的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本申请的实施例，并且连同其说明一起用于解释本申请的原理。
图1是本申请实施例提供的光学***的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的光学***的成像原理示意图；
图3是本申请实施例1提供的光学***的点列图；
图4是本申请实施例1提供的光学***的场曲和畸变图；
图5是本申请实施例1提供的光学***的色散图；
图6是本申请实施例2提供的光学***的成像原理示意图；
图7是本申请实施例2提供的光学***的点列图；
图8是本申请实施例2提供的光学***的场曲和畸变图；
图9是本申请实施例2提供的光学***的色散图。
附图标记说明：
1、第一透镜；2、第二透镜；3、第三透镜；4、显示屏幕；5、人眼；
11、第一表面；12、第二表面；
21、第三表面；22、第四表面；
31、第五表面；32、第六表面。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本申请的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
下面结合附图1至图9对本申请实施例提供的光学***以及头戴显示设备进行详细地描述。
根据本申请实施例的一个方面，提供了一种光学***。所述光学***为一种短焦、高光效、大FOV的直透式光学结构方案，其适合应用于电子设备中，例如头戴显示设备(headmounted display，HMD)，如VR设备(如VR眼镜或者VR头盔等)。其具有良好的应用前景。
本申请实施例提供的一种光学***，如图1和图2所示，其包括沿入射光的传播方向依次设置的第三透镜3、第二透镜2和第一透镜1；
所述光学***中有三个菲涅尔面，其中有两个菲涅尔面为相邻设置；
所述第三透镜3的光焦度为正；
所述光学***的视场角≥100度。
本申请实施例提供的光学***，其为直透式光路结构设计，光路结构较为简单，使得其制作较为容易。
需要说明的是，所述光学***还可以包括显示屏幕(display)4。
所述显示屏幕4在光路结构中可用于发射光线，即为光学***提供入射光。
也就是说，在本申请实施例提供的光学***方案中，设计应用一个透镜组合，该透镜组合例如包括有三片光学镜片，如图1和图2所示，将这一透镜组合布设在如显示屏幕4的出光侧位置，其具***于显示屏幕4发射出的入射光的传播方向上，其能够用于将所述入射光投射到人眼5中进行成像，从而实现光学***的成像功能。
如图1和图2所示，本申请实施例提供的光学***，基于三个光学透镜的搭配组合，即所述第一透镜1、所述第二透镜2及所述第三透镜3的搭配组合，且这三个透镜的面型组合均设计为菲涅尔面+非球面，光路结构中的三个菲涅尔面能够提供较大的光焦度(focalpower)和实现超短焦，且两个菲涅尔面相邻设置的搭配有助于降低杂散光。并且，通过合理设置所述第三透镜3的面型，有助于实现高解析及低色散。
需要说明的是，在本申请实施例提供的方案中，所述第一透镜1、所述第二透镜2及所述第三透镜3的菲涅尔面包括但不限于平面基底。
也就是说，所述第一透镜1、所述第二透镜2及所述第三透镜3的菲涅尔面还可以是曲面基底，本领域技术人员可以根据具体情况调整菲涅尔面的基底形式，本申请在此不作具体限定。当采用曲面基底时，可以使透镜更加轻薄。
本申请实施例提供了一种直透式光学结构设计方案，其中采用了三片光学镜片，并在光路结构中设计了三个菲涅尔面，既可以提供较强的汇聚能力，从而减少光学***的光学总长TTL和增大视场角FOV，又可以使得光学***的光效在较高的水平；其中，两个菲涅尔面为相邻设置，这一设计有助于降低杂散光。
本申请实施例提供的方案实现了短焦、高光效、大FOV的光学设计要求，形成的光学***可应用于例如头戴显示设备(如，VR设备)中，还有助于实现头戴显示设备的小型化、轻量化发展趋势。
综合比较，本申请实施例提供的光路设计方案克服了现有单片式透镜+显示屏幕(display)的方案带来的透镜距离显示屏较远，导致VR设备的尺寸较大，不利于产品的小型化的问题。
与此同时，还能够改善采用折叠光路带来的缺陷问题。折叠光路方案存在成本高、光效低及鬼影等缺点。本申请实施例提供的方案采用的是直透式光学方案，既可以提供较强的汇聚能力(focal power，光焦度)，从而减少光学***的光学总长TTL和加大光学***的视场角FOV，又可以提高光效，使得光效处在较高的水平。
例如，如图1和图2所示，在所述光学***中设置有一显示屏幕4，该显示屏幕4例如为1.4inch Display，实现了100度视场角。在此基础上，常规的单片式透镜(1P)结构或者双片式透镜(2P)结构均不足以分辨该类型的显示屏幕。究其原因在于：
单片式透镜(1P)仅存在两个表面的面型自由度的优化，其汇聚能力有限，而且像差或者色差无法校正，全视场可分辨的像素大小(光斑尺寸spot size)约为80μm～100μm，而更重要的是无法达到短焦的目的。
双片式透镜(2P)虽然增加了透镜表面面型优化的自由度，可实现短焦，但仍存在解析力的限制，其全视场可分辨的像素大小(光斑尺寸spot size)约为60μm～80μm。
本申请实施例中采用的光学镜片组合结构，能够进一步提升解析力，并能够在一定程度上校正色差，所形成的是一种直透式的短焦光路结构。其中，配合采用三个菲涅尔面能够提供较大的光焦度，而近显示屏幕4侧的所述第三透镜3可用来进行消色差处理，有助于提高成像质量。
此外，需要说明的是，在本申请实施例提供的光学***中并不限于仅设置三个菲涅尔面。所述光学***还可以包括更多个透镜，在光路结构中设置更多个菲涅尔面，本领域技术人员可以根据具体情况灵活进行调整。
在本申请的一些例子中，所述第一透镜1和所述第二透镜2的光焦度均为正；所述第一透镜1、所述第二透镜2及所述第三透镜3位于同一光轴上。
本申请实施例中提供的三个透镜均设计为正透镜。
如图2所示，所述显示屏幕4发射出的光线作为入射光在经所述第三透镜3(正透镜)之后进入至所述第二透镜2(正透镜)内，入射光经所述第二透镜2之后进行汇聚，再进入所述第一透镜1，所述第一透镜1仍为汇聚的正透镜，经所述第一透镜1的入射光传输后进入人眼5进行成像。整个光路结构中并不涉及光路折叠方案，为直透式光路结构。
在本申请的一些例子中，如图1和图2所示，所述第一透镜1和所述第二透镜2相邻的两个面为菲涅尔面。在所述光学***中采用该设计有助于减少杂散光。
在本申请的一些例子中，如图1和图2所示，所述第一透镜1包括第一表面11和第二表面12，所述第二透镜2包括第三表面21和第四表面22；
所述第二表面12与所述第三表面21为相邻设置，均为菲涅尔面；
所述第一表面11和所述第四表面22均为非球面。
在本申请实施例提供的光学***中，如图1和图2所示，所述第一透镜1的第一表面11直接面向人眼5，其是位于外部的，所述第一表面11例如设置为非球面(进一步地，所述第一表面11为凸面)；所述第一透镜1的第二表面12设置为菲涅尔面，这样，所述第一透镜1(正透镜)就形成了非球面+菲涅尔面的两种面型组合形式。
可选的是，在所述第一透镜1的第一表面11和第二表面12上分别镀有增透膜(Anti-Reflective coating，AR)。
在所述第一透镜1的两个表面上分别镀有增透膜之后，可通所述增透膜来减少反射光，以此来增加光线在所述第一透镜1两个表面上的透过率。
可选的是，在所述第一透镜1的第一表面11上除了镀有所述增透膜之外，在所述第一表面11上还可以镀上硬化膜。
这是因为：所述第一透镜1的第一表面11是面向外部的，其需要避免划伤、碰伤等损伤，通过镀上所述硬化膜之后就能够提高所述第一透镜1的使用寿命。在所述第一表面11上镀硬化膜，即对所述第一表面11进行硬化处理，以此就能够提高所述第一表面11的硬度、强度等。这对于提高整个光学***的使用寿命是有利的。
当然，本申请实施例中并不限于在所述第一透镜1的第一表面11上镀硬化膜，还可以在所述第一透镜1的第二表面12上镀有硬化膜，本领域技术人员可以根据具体需要灵活调整，本申请在此不做具体限制。
此外，本申请实施例中，所述第一透镜1还具有如下参数。
在本申请的一些例子中，所述第一透镜1的第一表面11的半径R1的绝对值满足：50mm≤Abs(R1)≤80mm；所述第一透镜1的第二表面12的半径R2的绝对值满足：25mm≤Abs(R2)≤30mm；所述第一表面11和所述第二表面12的圆锥系数K1的绝对值满足：Abs(K1)≤10。
其中，所述第一表面11与所述第二表面12的面型设计不同。
具体地，朝向外的所述第一表面11被设计为非球面(例如凸面)，而所述第二表面12被设计为菲涅尔面，利用菲涅尔面和非球面组合形成的第一透镜1应用于光路结构中有助于实现短焦、高分辨的效果。
本申请的实施例中，在对所述第一透镜1的面型优化之后，考虑到加工难度及成本，更为优选的是，将所述第一透镜1的圆锥系数(Coin Constant)，即K1值例如设计在[-10，10]，并且，所述第一透镜2的菲涅尔面的半径R>23mm。
在本申请的一些例子中，所述第二透镜2与所述第一透镜1的面型组合形式可以是相同的，二者之间保持较窄的空气间隔。
例如，所述第二透镜2的第三表面21为菲涅尔面，所述第二透镜2的第四表面22设置为非球面(进一步地，所述第四表面11也为凸面)。
所述第二透镜2也为正透镜，其位于所述第一透镜1与所述第三透镜3之间，所述第二透镜2更加靠近所述第一透镜1设置。
可选的是，所述第二透镜2的第三表面21和第四表面22上镀有增透膜(Anti-Reflective coating，AR)。通过所述增透膜来减少反射光，以此来增加光线在所述第二透镜2两个表面上的透过率。
此外，本申请实施例中，所述第二透镜2还具有如下参数。
在本申请的一些例子中，所述第二透镜2的第二表面21的半径R3的绝对值满足：25mm≤Abs(R3)≤30mm；所述第二透镜2的第三表面22的半径R4的绝对值满足：Abs(R4)≥120mm；所述第三表面21和所述第四表面22的圆锥系数K2的绝对值满足：Abs(K2)≤10。
本申请的实施例中，在对所述第二透镜2的面型优化之后，考虑到加工难度及成本，更为优选的是，将所述第二透镜2的圆锥系数(Coin Constant)，即K2值设计在[-10，10]，并且所述第二透镜2的菲涅尔面的半径>23mm。
在本申请的一些例子中，如图1和图2所示，所述第三透镜3包括第五表面31和第六表面32；所述第五表面31和所述第六表面32中的一个为菲涅尔面，所述第五表面31和所述第六表面32中的另一个为非球面；所述第三透镜3的菲涅尔面与所述第二透镜2的第四表面22为相邻设置。
进一步地，所述第五表面31设置为菲涅尔面，所述第六表面32设置为凹面。这样，在整个光路结构中，与所述第二透镜2的第四表面22相邻的面为菲涅尔面，而与所述显示屏幕4相邻的面为凹面。所述第三透镜3在整个光路结构中可用以进行消色差。
可选的是，在所述第五表面31和所述第六表面32上均镀有增透膜(Anti-Reflective coating，AR)。
在所述第三透镜3的两个表面上分别镀有增透膜之后，可通所述增透膜来减少反射光，以此来增加光线在所述第三透镜3两个表面上的透过率。
本申请的方案中，对光学***进行了优化设计，其中利用所述第一透镜1和所述第二透镜2的两个菲涅尔面+非球面(凸面)，结合所述第三透镜3的菲涅尔面+非球面(凹面)的组合，很好地实现了短焦、高光效、低色散和大FOV的特点。
此外，本申请实施例中，所述第三透镜3还具有如下参数。
在本申请的一些例子中，所述第三透镜3的第五表面31的半径R5的绝对值满足：30mm≤Abs(R5)≤50mm；所述第三透镜3的第六表面32的半径R6的绝对值满足：110mm≤Abs(R6)≤170mm；所述第五表面31和所述第六表面32的圆锥系数K3的绝对值满足：Abs(K3)≤10。
本申请的实施例中，在对所述第三透镜3的面型优化之后，考虑到加工难度及成本，更为优选的是，将所述第三透镜3的圆锥系数(Coin Constant)，即K2值设计在[-10，10]，并且所述第三透镜3的菲涅尔面的半径>23mm。
需要说明的是，在本申请的实施例中，所述第一透镜1、所述第二透镜2和所述第三透镜3均具有菲涅尔面。考虑到镜片面型的加工，因而需要将面型参数设定到某一范围内，否则会出现加工精度低或者断刀风险(这是因为齿形加工困难大，齿形的锐角越小，加工的倾角和动作越困难)。也正因为如此，设定圆锥系数K值较为优选地范围为[-10，10]，且各透镜的菲涅尔面的R值在23mm以上。
在本申请实施例提供的光学***方案中，所述第一透镜1和所述第二透镜2均为利用非球面(凸面)+菲涅尔面组合的方式，所述第三透镜3为非球面(凹面)+菲涅尔面组合的方式，再基于不同折射率&阿贝数材料选择及配合，就能够实现光路结构的低色散及高解析。
在本申请实施例提供的光学***方案中，所述光学***包括有显示屏幕4，以及所述第一透镜1、所述第二透镜2和所述第三透镜3；其中，所述显示屏幕4作为显示光源，其可以发出光线，该光线可作为入射光进入各透镜中；所述第一透镜1和所述第二透镜2均为正透镜，且二者为凸面+菲涅尔面的面型组合形式，所述第三透镜3也为正透镜，其为菲涅尔面+凹面。在这三个透镜的各表面均进行了镀增透膜处理，还对所述第一透镜1的第一表面11进行了硬化膜加硬+增透膜处理。在此基础上，如图2所示：
所述显示屏幕4发射出的入射光经过镀有增透膜的所述第三透镜3的第六表面31(凹面)进入到所述第三透镜3内部，经所述第三透镜3的传递光线再进入到所述第二透镜2，所述第二透镜2的两个表面也均镀有增透膜，这样，入射光经所述第二透镜2后进行汇聚，然后进入至所述第一透镜1，所述第一透镜1仍为汇聚的正透镜，经所述第一透镜1的光线传输后，再进入到人眼5进行成像。整个光学***中并无光路折叠，且各透镜的表面均镀有增透膜，光线传递效率高。
在本申请的一些例子中，所述第一透镜1与所述第二透镜2之间设置有第一间隔T1，所述第一间隔T1设置为0.2mm≤T1≤1mm。
在本申请的一些例子中，所述第二透镜2与所述第三透镜3之间设置有第二间隔T2，所述第二间隔T2设置为1mm≤T1≤3mm。
本申请实施例提供的方案中，所述第一透镜1与所述第二透镜2之间设置为较窄尺寸的空气间隔；同时，所述第二透镜2与所述第三透镜3之间也设置了较窄的空气间隔。本申请的方案中通过对各透镜之间空气间隔的优化设计，这有助于实现整个光学***的小型化。
此外，在所述光学***中若还设置有显示屏幕4，则各透镜的间距在经过合理布置之后，还需要考虑所述第三透镜3与所述显示屏幕4之间的间隔尺寸。
其中，所述第三透镜3是靠近所述显示屏幕4一侧设置的。
例如，所述第三透镜3与所述显示屏幕4之间设置有第三间隔T3。
可选的是，所述第三间隔T3设置为5mm≤T2≤15mm。
在本申请的一些例子中，所述第一透镜1的有效焦距f1为：30mm≤f1≤40mm；
所述第二透镜2的有效焦距f2为：40mm≤f2≤460mm；
所述第三透镜3的有效焦距f3为：65mm≤f3≤115mm。
在本申请的方案中设计，所述第一透镜1、所述第二透镜2和所述第三透镜3均具有菲涅尔面、，可以提供较大的光焦度，使光学***具有短焦的特点。
本申请提供的是一种短焦光学***。整个光学***中并无光路折叠，是一种直透式的光学***，能够实现高清成像。
在本申请的一些例子中，所述第一透镜1的中心厚度值h1为：2mm≤h1≤4mm；所述第二透镜2的中心厚度h2为：3mm≤h2≤5mm；所述第三透镜3的中心厚度h3为：2mm≤h3≤4mm。
各透镜的厚度不会过厚，这也有利于降低整个光路结构的重量。
在本申请的一些例子中，所述第一透镜1、所述第二透镜2和所述第三透镜3的材质为COP材料、OKP材料、EP材料或者PMMA材料。
本申请的方案中，对于各透镜(即所述第一透镜1、所述第二透镜2及所述第三透镜3)，在材料选择上，基于短焦和色差的考虑，选择高折射率及高低阿贝数的材料组合进行优化设计。
本申请提供的是一种短焦光学***。整个光学***中并无光路折叠，是一种直透式的光学***，能够实现高清成像。
以下为本申请实施例提供的方案的一个应用实例：
(1)配合1.4inch显示屏幕4实现了100度视场角。
(2)畸变小于38.3％，场曲小于1.1mm。
(3)色差小于236um。虚像距离为1500mm.。
(4)光学***的spot size＜73um，实现可见光波段(450nm～630nm)清晰成像。整个光学***的有效焦距为17mm。
实施例1
实施例1提供了一种光学***，采用表1示出光学***中的结构参数。
表1中分别列出由人眼5(光阑)到显示屏幕4依序编号的光学面号码(Surface)、在光轴上各光学面的曲率(C)、从人眼5(光阑)到显示屏幕4的光轴上各光学面与后一光学面的距离(T)，及偶次非球面系数α2、α3、α4。
其中，非球面系数可以满足如下的方程：
Figure BDA0003383840490000111
式(1)中：z是沿光轴方向的坐标，Y为以透镜长度单位为单位的径向坐标，C是曲率(1/R)，K为圆锥系数(Coin Constant)，αi是各高次项的系数，2i是非球面的高次方(theorder of Aspherical Coefficient)，本申请的方案设计中考虑到场曲的平缓，无高次项球面系数至4阶。
表1
Surf Type Radius Thickness GLASS Clear Diam Mech Diam Conic 4th
OBJ STANDARD Infinity -1500 3575.261 3575.261 0
STO STANDARD Infinity 12 4 4 0
2 EVENASPH 78.1965 3.000 K26R 34.685 37.308 -10.000 -1.0463E-05
3 FRESNELS -25.99979 0.540 37.308 37.308 -0.052 -8.3559E-06
4 FRESNELS 25.99979 3.186 K26R 37.692 37.692 0.040 1.4948E-05
5 EVENASPH -139.9991 0.500 36.233 36.233 -9.992 3.8032E-06
6 FRESNELS 45.1666 2.998 OKP-1 34.997 34.997 -10.000 -7.6959E-06
7 EVENASPH 112.1967 11.921 31.724 31.724 9.712 1.2888E-05
8 STANDARD Infinity 0.450 BK7 25.547 25.547 0.000
9 STANDARD Infinity 0.095 25.367 25.547 0.000
IMA STANDARD Infinity 25.139 25.139 0.000
通过如下参数反应实施例1提供的光学***的性能好坏：
如图3所示，spot size最大处为最大视场1.0F，其最大值＜72μm；
如图4所示，T&S方向场曲RGB波长均小于0.5mm，最大畸变为最大视场处＜38.3％；
如图5所示，RGB最大色散为视场最大位置，整个RGB 450nm～610nm，LCA为246.8μm。
在实施例1提供的光学***中，所述第一透镜1的重量为：2.62g，所述第二透镜2的重量为2.96g；所述第三透镜3的重量为4.1g，三个透镜的总重量为9.68g。
实施例2
实施例2提供了一种光学***，采用表2示出光学***中的结构参数。
该光学***可如图6所示。
表2中分别列出由人眼5(光阑)到显示屏幕1依序编号的光学面号码(Surface)、在光轴上各光学面的曲率(C)、从人眼5(光阑)到显示屏幕1的光轴上各光学面与后一光学面的距离(T)，及偶次非球面系数α2、α3、α4。
表2
Figure BDA0003383840490000131
通过如下参数反应实施例2的光学***的性能好坏：
如图7所示，spot size最大处为最大视场1.0F，其最大值小于80μm。
如图8所示，T&S方向场曲RGB波长均小于1.5mm，最大畸变为最大视场处＜40％；
如图9所示，RGB最大色散为视场最大位置，整个RGB 450nm～630nm，LCA为265nm。
在实施例2提供的光学***中，所述第一透镜1的重量为：2.39g，所述第二透镜2的重量为3.9g；所述第三透镜3的重量为4.26g，三个透镜的总重量为10.89g。
本申请实施例提供了一种短焦、高清晰的直透式光学***，其中并不涉及折叠光路：
(1)在整个光路结构中通过三个菲涅尔镜面的搭配实现了超短焦；
(2)在整个光路结构中设置三个菲涅尔面，并使两个菲涅尔面相邻设置，这一方面有助于减低杂散光，另一方面可减少镜片的口径进而减轻重量；
(3)对光学***进行了优化，利用所述第三透镜，它是凹面+菲涅尔面两种面型组合作为靠近所述显示屏幕4的光学元件，有助于实现高解析和低色散的特点；
(4)通过不同透镜材料的选择即通过不同折射率和阿贝数的选择及配合，实现了光路结构的低色散。
根据本申请的另一个方面，提供了一种头戴显示设备。
所述头戴显示设备包括如上任一种所述的光学***。
所述头戴显示设备例如为VR设备。
上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。
虽然已经通过例子对本申请的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本申请的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本申请的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本申请的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种光学***，其特征在于，包括沿入射光的传播方向依次设置的第三透镜(3)、第二透镜(2)和第一透镜(1)；
所述光学***中有三个菲涅尔面，其中有两个菲涅尔面为相邻设置；
所述第三透镜(3)的光焦度为正；
所述光学***的视场角≥100度。
2.根据权利要求1所述的光学***，其特征在于，所述第一透镜(1)和所述第二透镜(2)的光焦度均为正；
所述第一透镜(1)、所述第二透镜(2)及所述第三透镜(3)位于同一光轴上。
3.根据权利要求1所述的光学***，其特征在于，所述第一透镜(1)和所述第二透镜(2)相邻的两个面为菲涅尔面。
4.根据权利要求3所述的光学***，其特征在于，所述第一透镜(1)包括第一表面(11)和第二表面(12)，所述第二透镜(2)包括第三表面(21)和第四表面(22)；
所述第二表面(12)与所述第三表面(21)为相邻设置，均为菲涅尔面；
所述第一表面(11)和所述第四表面(22)均为非球面。
5.根据权利要求4所述的光学***，其特征在于，所述第三透镜(3)包括第五表面(31)和第六表面(32)；
所述第五表面(31)和所述第六表面(32)中的一个为菲涅尔面，所述第五表面(31)和所述第六表面(32)中的另一个为非球面；
所述第三透镜(3)的菲涅尔面与所述第二透镜(2)的第四表面(22)为相邻设置。
6.根据权利要求1所述的光学***，其特征在于，所述第一透镜(1)与所述第二透镜(2)之间设置有第一间隔T1，所述第一间隔T1设置为0.2mm≤T1≤1mm。
7.根据权利要求1所述的光学***，其特征在于，所述第二透镜(2)与所述第三透镜(3)之间设置有第二间隔T2，所述第二间隔T2设置为1mm≤T1≤3mm。
8.根据权利要求1所述的光学***，其特征在于，所述第一透镜(1)的有效焦距f1为：30mm≤f1≤40mm；
所述第二透镜(2)的有效焦距f2为：40mm≤f 2≤460mm；
所述第三透镜(3)的有效焦距f3为：65mm≤f 3≤115mm。
9.根据权利要求1所述的光学***，其特征在于，所述第一透镜(1)、所述第二透镜(2)和所述第三透镜(3)的材质为COP材料、OKP材料、EP材料或者PMMA材料。
10.一种头戴显示设备，其特征在于：包括：
如权利要求1-9中任意一项所述的光学***。
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