本技术涉及光学成像，尤其涉及一种光学系统及头戴式设备。
背景技术：
1、随着技术的进步和社会经济发展的需要，虚拟现实技术发展迅速，运用虚拟现实技术的头戴式设备(例如vr眼镜)应运而生。市面上大部分的头戴式设备中的光学系统大多采用三片式透镜，利用pancake光路设计，能够有效缩短光学系统的总长，从而实现头戴式设备的小型化设计。然而，为了增大视场角，光学系统的镜片的面型复杂，贴膜难度较大，易导致气泡或者是膜片翘起情况，影响光学系统的光学效果。
技术实现思路
1、本技术实施例公开了一种光学系统及头戴式设备，能够在实现小型化设计的基础上，降低贴膜难度，同时有效平衡光学系统的成像效果。
2、为了实现上述目的，第一方面，本技术公开了一种光学系统，共有三片具有屈折力的透镜，所述光学系统沿着光轴沿投影侧至像源侧依序包括：
3、第一透镜，具有负屈折力，所述第一透镜投影侧表面于近光轴处为凹面；
4、第二透镜，具有正屈折力，所述第二透镜像源侧表面于近光轴处为凸面；
5、第三透镜，具有正屈折力；
6、在所述第一透镜的投影侧表面至所述光学系统的像源侧表面之间，沿光轴从投影侧至像源侧的方向上，依次设有反射偏光结构、第一相位延迟片和半透半反结构，所述反射偏光结构和所述半透半反结构之间至少设有一片透镜；
7、所述第一透镜至所述第三透镜的至少一个表面为柱面，所述第一相位延迟片贴附于所述柱面；
8、所述第一透镜至所述第三透镜的至少一个表面为自由曲面。
9、通过设置三枚具有屈折力的透镜，可以在有限的透镜数量下，结合反射偏光结构、第一相位延迟片和半透半反结构的设置，实现对光学系统中的光路的偏振折反、透射、反射，从而在有限的透镜数量下，实现光路的偏转和折叠，无需通过增加透镜数量，有效减小光学系统的整体体积，进而有利于光学系统的轻薄小型化设计。通过设置具有负屈折力的第一透镜、具有正屈折力的第二透镜，且第一透镜的投影侧表面于近光轴处为凹面，第二透镜的像源侧表面于近光轴处为凸面的设计，能够便于光线进入光学系统中，从而更好地聚焦大视角范围内的光线，有利于匹配大尺寸的像源面，进而扩大视野范围。
10、进一步地，本技术的光学系统还通过设置第一透镜至所述第三透镜的至少一个表面为柱面，且第一相位延迟片贴附于柱面，柱面的设计能够便于第一相位延迟片的贴设，降低第一相位延迟片的贴设难度，避免在贴合第一相位延迟片时出现的翘起、气泡等问题，有利于提高光学系统的成像质量。
11、此外，考虑到第一透镜至所述第三透镜的至少一个表面为柱面，因柱面为非对称表面，即柱面的设计会导致光学系统的局部像差难以得到平衡，从而导致光学系统在不同方向上的成像质量不同，影响光学系统的成像效果。基于此，本技术还通过设置第一透镜、第二透镜、第三透镜中的至少一个透镜具有自由曲面，从而，能够利用自由曲面弥补因柱面导致的像差不平衡，由此来弥补采用非对称表面的柱面设计对光学系统的成像效果的影响，有效平衡了光学系统的成像效果。
12、可见，本技术的光学系统，在解决相关技术中贴膜难的基础上，还进一步兼顾平衡了光学系统的成像质量。
13、作为一种可选地实施方式，所述第一透镜的像源侧表面和/或所述第二透镜的投影侧表面为柱面，所述第一相位延迟片贴附于所述第一透镜的像源侧表面和/或所述第二透镜的投影侧表面，这样，能有效实现光路的偏转和折叠，无需通过增加透镜数量，有效减小光学系统的整体体积，进而有利于光学系统的轻薄小型化设计。
14、作为一种可选地实施方式，所述第一透镜和所述第二透镜胶合，所述第一相位延迟片夹设于所述第一透镜和所述第二透镜之间。胶合透镜的设置，便于平衡第一透镜和第二透镜之间的色差，同时，将第一相位延迟片夹设于第一透镜和第二透镜之间，能够进一步提高第一相位延迟片的贴设平整度，降低贴合难度，提高贴合质量。
15、作为一种可选地实施方式，所述光学系统满足以下关系式：0.007＜at23/ttl＜0.338；和/或，1.1＜ttl/imgh＜1.3；
16、其中，ttl为所述第一透镜的投影侧表面至所述光学系统的像源面于光轴上的距离，at23为所述第二透镜的像源侧表面至所述第三透镜的投影侧表面于光轴上的距离，imgh是所述光学系统的像源面上有效像源区域对角线长的一半，td是所述第一透镜的投影侧表面至所述第三透镜的像源侧表面于光轴上的距离。
17、光学系统满足0.007＜at23/ttl＜0.338时，能够有效控制第二透镜与第三透镜之间的空气间隙，一方面可以使得第二透镜、第三透镜之间的空气间隙的大小合适，避免因二者之间的空气间隙太大而导致光学系统的总长较大，不利于小型化设计的情况。另一方面还能够改变离轴光入射至光学系统的像源面的角度，从而能够适配不同的像源芯片。
18、光学系统满足1.1＜ttl/imgh＜1.3时，可有助于提供大视角，并加强该光学系统与其所应用的头戴式设备的微型化设计。
19、作为一种可选地实施方式，所述光学系统满足以下关系式：1.3＜ct2/sag21＜25.5；
20、其中，sag21是所述第二透镜的投影侧表面在所述光轴上的交点至所述第二透镜的投影侧表面的有效径顶点在所述光轴上的距离(即第二透镜的投影侧表面的矢高)，ct2是所述第二透镜于光轴上的厚度。满足该关系式时，能够有效控制第二透镜的中心厚度与其矢高的比值，从而当调整第二透镜的中心厚度时，能够改变光学系统的焦距和其沿水平方向上的视场角，有利于获得更大视场角。
21、作为一种可选地实施方式，所述光学系统满足以下关系式：2.7＜f/epdmax＜3.8；和/或，4＜f/epdmin＜5.6；
22、其中，f是所述光学系统的焦距，epdmax是所述光学系统的最大入瞳直径，epdmin是所述光学系统的最小入瞳直径。
23、光学系统满足关系式2.7＜f/epdmax＜3.8时，能够适当地调整光学系统的焦距和入瞳直径，从而使光学系统的进光量增大，具有大光圈的特性。
24、相应地，光学系统满足关系式4＜f/epdmin＜5.6时，也是能够合理调整光学系统的焦距和入瞳直径，从而有利于光学系统满足大光圈的特性。
25、作为一种可选地实施方式，所述光学系统满足以下关系式：3.2＜ct2/ct1＜33.5；和/或，0.8＜
26、ct2/ct3＜1.6；和/或，0.6＜ct3/(ct1+ct2)＜1.0；
27、其中，ct2所述第二透镜于光轴上的厚度，ct1是所述第一透镜于光轴上的厚度，ct3是所述第三透镜于光轴上的厚度。
28、当光学系统满足上述关系式时，能够合理控制各个透镜的中心厚度，从而便于对各个透镜的光焦度进行控制，使得各透镜的像差能够进行互相补偿，减小光学系统的像差，有利于提高光学系统的成像质量。
29、作为一种可选地实施方式，所述光学系统满足以下关系式：0.9＜sd11/sd32＜1.2；和/或，0.85＜sd11/sd22＜0.95；
30、其中，sd11是所述第一透镜的投影侧表面的最大有效半口径，sd22是所述第二透镜的像源侧表面的最大有效半口径，sd32是所述第三透镜的像源侧表面的最大有效半口径。
31、光学系统满足上述关系式时，能够有效控制第一透镜与第二透镜、第一透镜与第三透镜的有效半口径，从而有利于约束光学系统的光线走向，以及有利于避免第一透镜与第二透镜、第一透镜与第三透镜之间存在大段差结构，有利于提高光学系统组装的稳定性。
32、作为一种可选地实施方式，所述光学系统满足以下关系式：0.20＜r1/r4＜0.30；和/或，-134.5＜r3/(ct1+ct2)＜-9.1；
33、其中，r1是所述第一透镜的投影侧表面于光轴处的曲率半径，r4是所述第二透镜的像源侧表面于光轴处的曲率半径，r3是所述第二透镜的投影侧表面于光轴处的曲率半径，ct2所述第二透镜于光轴上的厚度，ct1是所述第一透镜于光轴上的厚度。
34、光学系统满足关系式0.20＜r1/r4＜0.30时，能够有效控制第一透镜的投影侧表面与第二透镜的像源侧表面于光轴处的曲率半径的比值，从而控制二者的面型形状，进而有利于减少两透镜间光线的反射，进而降低光学系统的鬼像强度。
35、光学系统满足关系式-134.5＜r3/(ct1+ct2)＜-9.1时，能够有效控制第二透镜的投影侧表面的面型，使得第二透镜与第一透镜能够具有相对合适的厚薄比。
36、作为一种可选地实施方式，所述光学系统满足以下关系式：
37、-8.8＜f1/f＜-6.1；和/或，3.1＜f2/f＜4.5；和/或，3.2＜f3/f＜4.6；
38、其中，f1是所述第一透镜的焦距，f2是所述第二透镜的焦距，f3是所述第三透镜的焦距，f是所述光学系统的焦距。
39、光学系统满足上述关系式时，能够合理控制各个透镜与光学系统的焦距的比值，使得各个透镜在光学系统中的屈折力分配合适，有利于减缓像差的产生，避免有出现某个透镜的屈折力变化过大而造成该光学系统存在影像修正上的问题。
40、第二方面，本技术还公开了一种头戴式设备，该头戴式设备包括壳体、显示器以及如上述第一方面所述的光学系统，所述显示器、所述光学系统设于所述壳体，且所述显示器位于所述光学系统的像源侧。
41、与现有技术相比，本技术的有益效果在于：
42、通过设置三枚具有屈折力的透镜，可以在有限的透镜数量下，结合反射偏光结构、第一相位延迟片和半透半反结构的设置，实现对光学系统中的光路的偏振折反、透射、反射，从而在有限的透镜数量下，实现光路的偏转和折叠，无需通过增加透镜数量，有效减小光学系统的整体体积，进而有利于光学系统的轻薄小型化设计。通过设置具有负屈折力的第一透镜、具有正屈折力的第二透镜，且第一透镜的投影侧表面于近光轴处为凹面，第二透镜的像源侧表面于近光轴处为凸面的设计，能够便于光线进入光学系统中，从而更好地聚焦大视角范围内的光线，有利于匹配大尺寸的像源面，进而扩大视野范围。
43、进一步地，本技术的光学系统还通过设置第一透镜至所述第三透镜的至少一个表面为柱面，且第一相位延迟片贴附于柱面，柱面的设计能够便于第一相位延迟片的贴设，降低第一相位延迟片的贴设难度，避免在贴合第一相位延迟片时出现的翘起、气泡等问题，有利于提高光学系统的成像质量。
44、此外，考虑到第一透镜至所述第三透镜的至少一个表面为柱面，因柱面为非对称表面，即柱面的设计会导致光学系统的局部像差难以得到平衡，从而导致光学系统在不同方向上的成像质量不同，影响光学系统的成像效果。基于此，本技术还通过设置第一透镜、第二透镜、第三透镜中的至少一个透镜具有自由曲面，从而，能够利用自由曲面弥补因柱面导致的像差不平衡，由此来弥补采用非对称表面的柱面设计对光学系统的成像效果的影响，有效平衡了光学系统的成像效果。
45、可见，本技术的光学系统，在解决相关技术中贴膜难的基础上，还进一步兼顾平衡了光学系统的成像质量。
1.一种光学系统，其特征在于，共有三片具有屈折力的透镜，所述光学系统沿着光轴沿投影侧至像源侧依序包括：
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，
3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜胶合，所述第一相位延迟片夹设于所述第一透镜和所述第二透镜之间。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系式：0＜at23/ttl＜0.4；和/或，1.1＜ttl/imgh＜1.3；
5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系式：1.3＜ct2/sag21＜25.5；
6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系式：2.7＜f/epdmax＜3.8；和/或，4＜f/epdmin＜5.6；
7.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系式：3.2＜ct2/ct1＜33.5；和/或，0.8＜ct2/ct3＜1.6；和/或，0.6＜ct3/(ct1+ct2)＜1.0；
8.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系式：0.9＜sd11/sd32＜1.2；和/或，0.85＜sd11/sd22＜0.95；
9.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系式：0.20＜r1/r4＜0.30；和/或，-134.5＜r3/(ct1+ct2)＜-9.1；
10.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系式：
11.一种头戴式设备，其特征在于，所述头戴式设备包括壳体、显示器以及如权利要求1-10任一项所述的光学系统，所述显示器、所述光学系统设于所述壳体，且所述显示器位于所述光学系统的像源侧。
