本发明公开一种目镜光学系统，用于使成像光线从显示画面经目镜光学系统进入观察者的眼睛而成像。朝向眼睛的方向为目侧，朝向显示画面的方向为显示侧。目镜光学系统包括一透镜，透镜具有一目侧面及一显示侧面。透镜具有一光轴，从目侧往显示侧延伸。透镜的显示侧面采用菲涅耳透镜设计，显示侧面具有多个有效子面与多个无效子面，这些有效子面用以使成像光线成像，且每一无效子面连接相邻的二有效子面。目镜光学系统符合：1.500≦R1/SagI≦4.000，其中SagI为这些有效子面分别在光轴上的多个垂直投影的长度的加总，而R1为显示侧面的光学有效半径。所述目镜光学系统兼具轻薄与低杂散光的特性，同时具有良好的成像质量。