CN106526851A - 目镜光学系统 - Google Patents

目镜光学系统 Download PDF

Info

Publication number
CN106526851A
CN106526851A CN201610862324.5A CN201610862324A CN106526851A CN 106526851 A CN106526851 A CN 106526851A CN 201610862324 A CN201610862324 A CN 201610862324A CN 106526851 A CN106526851 A CN 106526851A
Authority
CN
China
Prior art keywords
lens
optical system
eyepiece optical
optical axis
eyepiece
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201610862324.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106526851B (zh
Inventor
张加欣
林茂宗
殷炎煊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Genius Electronic Optical Xiamen Co Ltd
Original Assignee
Genius Electronic Optical Xiamen Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Genius Electronic Optical Xiamen Co Ltd filed Critical Genius Electronic Optical Xiamen Co Ltd
Priority to CN201610862324.5A priority Critical patent/CN106526851B/zh
Priority to TW105134475A priority patent/TWI624685B/zh
Priority to US15/348,933 priority patent/US10095022B2/en
Publication of CN106526851A publication Critical patent/CN106526851A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106526851B publication Critical patent/CN106526851B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B25/00—Eyepieces; Magnifying glasses
    • G02B25/001—Eyepieces
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B25/00—Eyepieces; Magnifying glasses
    • G02B25/04—Eyepieces; Magnifying glasses affording a wide-angle view, e.g. through a spy-hole
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0025—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for optical correction, e.g. distorsion, aberration
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • G02B3/08—Simple or compound lenses with non-spherical faces with discontinuous faces, e.g. Fresnel lens
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B9/00—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or -
    • G02B9/04—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or - having two components only
    • G02B9/10—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or - having two components only one + and one - component
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/011—Head-up displays characterised by optical features comprising device for correcting geometrical aberrations, distortion
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0112—Head-up displays characterised by optical features comprising device for genereting colour display
    • G02B2027/0116—Head-up displays characterised by optical features comprising device for genereting colour display comprising devices for correcting chromatic aberration
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0123—Head-up displays characterised by optical features comprising devices increasing the field of view
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0132—Head-up displays characterised by optical features comprising binocular systems

Abstract

本发明公开了目镜光学系统，其适于显示画面的成像光线经由目镜光学系统进入观察者的眼睛而成像。目镜光学系统从目侧至显示侧沿光轴依序包括第一透镜以及第二透镜，且第一透镜以及第二透镜各自具有一目侧面以及一显示侧面。第一透镜的显示侧面至第二透镜的目侧面平行于光轴的方向上的最大距离小于5毫米，且目镜光学系统符合：6≦DLD/EPD≦20。DLD为观察者的单一瞳孔所对应的显示画面的对角线长度，且EPD为目镜光学系统的出瞳直径。所述目镜光学系统在缩短系统长度的条件下，仍具备能够有效克服像差的光学性能，提供良好的成像质量，且具有较大的眼视视角。

Description

目镜光学系统
技术领域
本发明涉及光学系统，尤其涉及目镜光学系统。
背景技术
虚拟现实(Virtual Reality,VR)是利用计算机技术仿真产生一个三维空间的虚拟世界，提供用户关于视觉、听觉等感官仿真，让使用者感觉身历其境。目前现有的VR装置都是以视觉体验为主。藉由对应左右眼的两个视角略有差异的分割画面来模拟人眼的视差，以达到立体视觉。为了缩小虚拟现实装置的体积，让用户藉由较小的显示画面得到放大的视觉感受，具有放大功能的目镜光学系统成了VR研究发展的其中一个主题。
现有的目镜光学系统的半眼视视角较小，使得观察者使用时会感到视觉狭窄且分辨率较低。另外，现有的目镜光学系统的色差和畸变较大，其像差严重到显示画面必须先进行像差补偿，因此如何增加半眼视视角并加强成像质量是目镜光学系统是一个需要改善的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种目镜光学系统，其在缩短系统长度的条件下，仍能保有良好的光学成像质量与具有较大的眼视视角。
为实现上述目的，本发明提供一种目镜光学系统，其特征在于，适于一显示画面的一成像光线经由该目镜光学系统进入观察者的眼睛而成像，朝向该眼睛的方向为目侧，且朝向该显示画面的方向为显示侧，其中该目镜光学系统从该目侧至该显示侧沿一光轴依序包括一第一透镜以及一第二透镜，且该第一透镜以及该第二透镜各自包括朝向该目侧且使该成像光线通过的一目侧面及朝向该显示侧且使该成像光线通过的一显示侧面，
其中该第一透镜的该显示侧面至该第二透镜的该目侧面平行于该光轴的方向上的最大距离小于5毫米，且该目镜光学系统符合：
6≦DLD/EPD≦20，
其中，DLD为该观察者的单一瞳孔所对应的该显示画面的对角线长度，且EPD为该目镜光学系统的一出瞳直径。
进一步，所述该目镜光学系统符合：2≦EFL/(T1+G12+T2)，其中EFL为该目镜光学系统的系统焦距，T1为该第一透镜在该光轴上的厚度，T2为该第二透镜在该光轴上的厚度，且G12为该第一透镜到该第二透镜在该光轴上的空气间隙。
进一步，所述第二透镜的该显示侧面具有一位于圆周附近区域的凹面部。
进一步，所述该目镜光学系统符合：1.2≦TTL/G2D，其中TTL为该第一透镜的该目侧面到该显示画面在该光轴上的距离，且G2D为该第二透镜的该显示侧面到该显示画面在该光轴上的距离。
进一步，所述该目镜光学系统符合：2.5≦T1/T2，其中T1为该第一透镜在该光轴上的厚度，且T2为该第二透镜在该光轴上的厚度。
进一步，所述该目镜光学系统符合：3.5≦(T1+G12)/T2，其中T1为该第一透镜在该光轴上的厚度，T2为该第二透镜在该光轴上的厚度，且G12为该第一透镜到该第二透镜在该光轴上的空气间隙。
进一步，所述该目镜光学系统符合：3.0≦EFL/T1，其中EFL为该目镜光学系统的系统焦距，且该T1为该第一透镜在该光轴上的厚度。
进一步，所述该目镜光学系统符合：10.0≦EFL/T2，其中EFL为该目镜光学系统的系统焦距，且该T2为该第二透镜在该光轴上的厚度。
进一步，所述该目镜光学系统符合：0.5≦ER/(T1+T2)，其中ER为该观察者的该眼睛的该瞳孔到该第一透镜在该光轴上的距离。
进一步，所述该目镜光学系统符合：3.0≦TTL/(T1+T2)，其中TTL为该第一透镜的该目侧面到该显示画面在该光轴上的距离，T1为该第一透镜在该光轴上的厚度，且T2为该第二透镜在该光轴上的厚度。
进一步，所述该第一透镜的该目侧面与该显示侧面的其中之一为菲涅耳表面。
进一步，所述该第一透镜的该显示侧面为菲涅耳表面。
进一步，所述该目镜光学系统符合：G2D/T2≦15.0，其中G2D为该第二透镜的该显示侧面到该显示画面在该光轴上的距离，且T2为该第二透镜在该光轴上的厚度。
进一步，所述该目镜光学系统符合：3.5≦D1/T1，其中D1为该第一透镜的该目侧面的光学有效直径，且T1为该第一透镜在该光轴上的厚度。
进一步，所述该目镜光学系统符合：15.0≦D2/T2，其中D2为该第二透镜的该目侧面的光学有效直径，且T2为该第二透镜在该光轴上的厚度。
本发明的一实施例提出一种目镜光学系统，适于显示画面的成像光线经由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，且朝向显示画面的方向为显示侧。目镜光学系统从目侧至显示侧沿光轴依序包括第一透镜以及第二透镜，且第一透镜以及第二透镜各自包括朝向目侧且使成像光线通过的目侧面及朝向显示侧且使成像光线通过的显示侧面。第一透镜的显示侧面至第二透镜的目侧面平行于光轴的方向上的最大距离小于5毫米，且目镜光学系统符合：6≦DLD/EPD≦20，其中，DLD为观察者的单一瞳孔所对应的显示画面的对角线长度，且EPD为目镜光学系统的出瞳直径。
基于上述，本发明的实施例的目镜光学系统的有益效果在于：藉由上述透镜间的距离设计，目镜光学系统的出瞳直径与显示画面的对角线长度的关系设计，以及光学参数的设计，使目镜光学系统在缩短系统长度的条件下，仍具备能够有效克服像差的光学性能，提供良好的成像质量，且具有较大的眼视视角(apparent field of view)。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1为一示意图，说明一目镜光学系统。
图2为一示意图，说明一透镜径向上的剖视图。
图3为一示意图，说明一透镜的面型凹凸结构及光线焦点图。
图4为一示意图，说明一范例一的透镜的面型结构。
图5为一示意图，说明一范例二的透镜的面型结构。
图6为一示意图，说明一范例三的透镜的面型结构。
图7为本发明第一实施例之目镜光学系统的示意图。
图8A为本发明第一实施例的纵向球差图。
图8B为本发明第一实施例的有关弧矢方向的场曲像差图。
图8C为本发明第一实施例的有关子午方向的场曲像差图。
图8D为本发明第一实施例的畸变像差图。
图9为本发明第一实施例之目镜光学系统的详细光学数据图。
图10为本发明第一实施例之目镜光学系统的非球面参数。
图11为本发明第二实施例的目镜光学系统的示意图。
图12A为本发明第二实施例的纵向球差图。
图12B为本发明第二实施例的有关弧矢方向的场曲像差图。
图12C为本发明第二实施例的有关子午方向的场曲像差图。
图12D为本发明第二实施例的畸变像差图。
图13为本发明第二实施例之目镜光学系统的详细光学数据。
图14为本发明第二实施例之目镜光学系统的非球面参数。
图15为本发明第三实施例的目镜光学系统的示意图。
图16A为本发明第三实施例的纵向球差图。
图16B为本发明第三实施例的有关弧矢方向的场曲像差图。
图16C为本发明第三实施例的有关子午方向的场曲像差图。
图16D为本发明第三实施例的畸变像差图。
图17为本发明第三实施例之目镜光学系统的详细光学数据。
图18为本发明第三实施例之目镜光学系统的非球面参数。
图19为本发明第四实施例的目镜光学系统的示意图。
图20A为本发明第四实施例的纵向球差图。
图20B为本发明第四实施例的有关弧矢方向的场曲像差图。
图20C为本发明第四实施例的有关子午方向的场曲像差图。
图20D为本发明第四实施例的畸变像差图。
图21为本发明第四实施例之目镜光学系统的详细光学数据。
图22为本发明第四实施例之目镜光学系统的非球面参数。
图23为本发明第五实施例的目镜光学系统的示意图。
图24A为本发明第五实施例的纵向球差图。
图24B为本发明第五实施例的有关弧矢方向的场曲像差图。
图24C为本发明第五实施例的有关子午方向的场曲像差图。
图24D为本发明第五实施例的畸变像差图式。
图25为本发明第五实施例之目镜光学系统的详细光学数据。
图26为本发明第五实施例之目镜光学系统的非球面参数。
图27为本发明第六实施例的目镜光学系统的示意图。
图28A为本发明第六实施例的纵向球差图。
图28B为本发明第六实施例的有关弧矢方向的场曲像差图。
图28C为本发明第六实施例的有关子午方向的场曲像差图。
图28D为本发明第六实施例的畸变像差图式。
图29为本发明第六实施例之目镜光学系统的详细光学数据。
图30为本发明第六实施例之目镜光学系统的非球面参数。
图31为本发明第七实施例的目镜光学系统的示意图。
图32A为本发明第七实施例的纵向球差图。
图32B为本发明第七实施例的有关弧矢方向的场曲像差图。
图32C为本发明第七实施例的有关子午方向的场曲像差图。
图32D为本发明第七实施例的畸变像差图。
图33为本发明第七实施例之目镜光学系统的详细光学数据。
图34为本发明第七实施例之目镜光学系统的非球面参数。
图35为本发明第八实施例的目镜光学系统的示意图。
图36A为本发明第八实施例的纵向球差图。
图36B为本发明第八实施例的有关弧矢方向的场曲像差图。
图36C为本发明第八实施例的有关子午方向的场曲像差图。
图36D为本发明第八实施例的畸变像差图。
图37为本发明第八实施例之目镜光学系统的详细光学数据。
图38为本发明第八实施例之目镜光学系统的非球面参数。
图39为本发明第九实施例的目镜光学系统的示意图。
图40A为本发明第九实施例的纵向球差图。
图40B为本发明第九实施例的有关弧矢方向的场曲像差图。
图40C为本发明第九实施例的有关子午方向的场曲像差图。
图40D为本发明第九实施例的畸变像差图。
图41为本发明第九实施例之目镜光学系统的详细光学数据。
图42为本发明第九实施例之目镜光学系统的非球面参数。
图43为本发明第十实施例的目镜光学系统的示意图。
图44A为本发明第十实施例的纵向球差图。
图44B为本发明第十实施例的有关弧矢方向的场曲像差图。
图44C为本发明第十实施例的有关子午方向的场曲像差图。
图44D为本发明第十实施例的畸变像差图。
图45为本发明第十实施例之目镜光学系统的详细光学数据。
图46为本发明第十实施例之目镜光学系统的非球面参数。
图47为本发明第十一实施例的目镜光学系统的示意图。
图48A为本发明第十一实施例的纵向球差图。
图48B为本发明第十一实施例的有关弧矢方向的场曲像差图。
图48C为本发明第十一实施例的有关子午方向的场曲像差图。
图48D为本发明第十一实施例的畸变像差图式。
图49为本发明第十一实施例之目镜光学系统的详细光学数据。
图50为本发明第十一实施例之目镜光学系统的非球面参数。
图51为本发明第一实施例至第六实施例的各项光学参数的表格图。
图52为本发明第七实施例至第十一实施例的各项光学参数的表格图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明所示附图中：
10、V100：目镜光学系统；100、V50：显示画面；2：瞳孔；3：第一透镜；31、41：目侧面；311、312、321、322、412、413、421：凸面部；411、414、422、423：凹面部；32、42：显示侧面；4：第二透镜；A：光轴附近区域；C：圆周附近区域；E：延伸部；I：光轴；Lc：主光线；Lm：边缘光线；M、R：点；V60：眼睛；VD：明视距离；VI：成像光线；VV：放大虚像ω：半眼视视角。
一般而言，目镜光学系统V100的光线方向为一成像光线VI由显示画面V50射出，经由目镜光学系统V100进入眼睛V60，于眼睛V60的视网膜聚焦成像并且于明视距离VD产生一放大虚像VV，如图1所示。在以下说明本案之光学规格的判断准则是假设光线方向逆追迹(reversely tracking)为一平行成像光线由目侧经过目镜光学系统到显示画面聚焦成像。
本篇说明书所言之「一透镜具有正屈光率(或负屈光率)」，是指所述透镜以高斯光学理论计算出来之光轴上的屈光率为正(或为负)。该目侧面、显示侧面定义为成像光线通过的范围，其中成像光线包括了主光线(chief ray)Lc及边缘光线(marginal ray)Lm，如图2所示，I为光轴且此一透镜是以该光轴I为对称轴径向地相互对称，光线通过光轴上的区域为光轴附近区域A，边缘光线通过的区域为圆周附近区域C，此外，该透镜还包含一延伸部E(即圆周附近区域C径向上向外的区域)，用以供该透镜组装于一光学成像镜头内，理想的成像光线并不会通过该延伸部E，但该延伸部E之结构与形状并不限于此，以下之实施例为求图式简洁均省略了部分的延伸部。更详细的说，判定面形或光轴附近区域、圆周附近区域、或多个区域的范围的方法如下：
1.请参照图2，其系一透镜径向上的剖视图。以该剖视图观之，在判断前述区域的范围时，定义一中心点为该透镜表面上与光轴的一交点，而一转换点是位于该透镜表面上的一点，且通过该点的一切线与光轴垂直。如果径向上向外有复数个转换点，则依序为第一转换点，第二转换点，而有效半效径上距光轴径向上最远的转换点为第N转换点。中心点和第一转换点之间的范围为光轴附近区域，第N转换点径向上向外的区域为圆周附近区域，中间可依各转换点区分不同的区域。此外，有效半径为边缘光线Lm与透镜表面交点到光轴I上的垂直距离。
2.如图3所示，该区域的形状凹凸系以平行通过该区域的光线(或光线延伸线)与光轴的交点在目侧或显示侧来决定(光线焦点判定方式)。举例言之，当光线通过该区域后，光线会朝目侧聚焦，与光轴的焦点会位在目侧，例如图2中R点，则该区域为凸面部。反之，若光线通过该某区域后，光线会发散，其延伸线与光轴的焦点在显示侧，例如图2中M点，则该区域为凹面部，所以中心点到第一转换点间为凸面部，第一转换点径向上向外的区域为凹面部；由图2可知，该转换点即是凸面部转凹面部的分界点，因此可定义该区域与径向上相邻该区域的内侧的区域，系以该转换点为分界具有不同的面形。另外，若是光轴附近区域的面形判断可依该领域中通常知识者的判断方式，以R值(指近轴的曲率半径，通常指光学软件中的透镜数据库(lens data)上的R值)正负判断凹凸。以显示侧面来说，当R值为正时，判定为凸面部，当R值为负时，判定为凹面部；以目侧面来说，当R值为正时，判定为凹面部，当R值为负时，判定为凸面部，此方法判定出的凹凸和光线焦点判定方式相同。
3.若该透镜表面上无转换点，该光轴附近区域定义为有效半径的0～50％，圆周附近区域定义为有效半径的50～100％。
图4范例一的透镜目侧表面在有效半径上仅具有第一转换点，则第一区为光轴附近区域，第二区为圆周附近区域。此透镜目侧面的R值为正，故判断光轴附近区域具有一凹面部；圆周附近区域的面形和径向上紧邻该区域的内侧区域不同。即，圆周附近区域和光轴附近区域的面形不同；该圆周附近区域系具有一凸面部。
图5范例二的透镜显示侧表面在有效半径上具有第一及第二转换点，则第一区为光轴附近区域，第三区为圆周附近区域。此透镜显示侧面的R值为正，故判断光轴附近区域为凸面部；第一转换点与第二转换点间的区域(第二区)具有一凹面部，圆周附近区域(第三区)具有一凸面部。
图6范例三的透镜显示侧表面在有效半径上无转换点，此时以有效半径0％～50％为光轴附近区域，50％～100％为圆周附近区域。由于光轴附近区域的R值为正，故此显示侧面在光轴附近区域具有一凸面部；而圆周附近区域与光轴附近区域间无转换点，故圆周附近区域具有一凸面部。
图7为本发明之第一实施例之目镜光学系统的示意图，而图8A至图8D为第一实施例之目镜光学系统的纵向球差与各项像差图。请先参照图7，本发明的第一实施例之目镜光学系统10适于显示画面100的成像光线经由目镜光学系统10及观察者的眼睛的瞳孔2进入观察者的眼睛而成像。目侧是朝向观察者的眼睛的方向的一侧，而显示侧是朝向显示画面100的方向的一侧。在本实施例中，目镜光学系统10从目侧至显示侧沿光轴I依序包括一第一透镜3以及一第二透镜4。当显示画面100的成像光线发出后，会依序通过第二透镜4以及第一透镜3，并经由观察者的瞳孔2进入观察者的眼睛。接着，成像光线会在观察者的眼睛的视网膜形成一影像。具体而言，目镜光学系统10的第一透镜3以及第二透镜4各自包括朝向目侧且使成像光线通过的目侧面31、41及朝向显示侧且使成像光线通过的显示侧面32、42。另外，在本实施例中，第一透镜3的显示侧面32至第二透镜4的目侧面41平行于光轴I的方向上的最大距离小于5毫米(mm)。
此外，为了满足产品轻量化的需求，第一透镜3与第二透镜4皆为具备屈光率且都是塑料材质所制成，但第一透镜3与第二透镜4的材质仍不以此为限制。
第一透镜3具有正屈光率。第一透镜3的目侧面31为一凸面，且具有一位于光轴I附近区域的凸面部311及一位于圆周附近区域的凸面部312。第一透镜3的显示侧面32为一凸面，且具有一位于光轴I附近区域的凸面部321及一位于圆周附近区域的凸面部322。第一透镜3的目侧面31与显示侧面32的其中之一可为菲涅耳表面，即菲涅耳透镜(Fresnel lens)的表面。在本实施例中，第一透镜3的目侧面31为非球面而显示侧面32为菲涅耳表面。
第二透镜4具有负屈光率。第二透镜4的目侧面41具有一位于光轴I附近区域的凹面部411及一位于圆周附近区域的凸面部412。第二透镜4的显示侧面42具有一在光轴I附近区域的凸面部421及一位于圆周附近区域的凹面部422。在本实施例中，第二透镜4的目侧面41与显示侧面42皆为非球面。第一实施例的其他详细光学数据如图9所示。第一实施例的目镜光学系统10的整体系统焦距(effective focal length,EFL)为33.485mm，半眼视视角(helf apparent field of view,ω)为45.000°，而光圈值(f-number,Fno)为8.371。具体而言，本说明书中的「光圈值」是根据光的可逆性原理，将目侧视为物侧，显示侧视为像侧，且观察者的瞳孔视为入射光瞳所计算而得的光圈值。另外，图9中的有效半径是指光学有效直径的一半。
另外，在第一实施例中，目镜光学系统10的出瞳直径(Exit pupil diameter,EPD)为对应于观察者的瞳孔2的直径，如图1所绘示。在本实施例中，目镜光学系统10的出瞳直径为4mm。此外，目镜光学系统10的TTL为38.672mm，且其系统长度(system length,SL)为47.463mm。其中TTL为第一透镜3的目侧面31到显示画面100在光轴I上的距离，而系统长度为观察者的瞳孔2到显示画面100在光轴I上的距离。
在本实施例中，第一透镜3以及的目侧面31及第二透镜4的目侧面41与显示侧面42共计三个面均是非球面，第一透镜3的显示侧面32为菲涅耳表面，其中此菲涅耳表面的每个齿的弧面(即每个齿上用以有效折射成像光线的曲面)为非球面，而以下显示侧面32的非球面系数是用来表示这些齿的弧面，且这些非球面是依下列公式定义：
其中：
Y：非球面曲线上的点与光轴I的垂直距离；
Z：非球面之深度(非球面上距离光轴I为Y的点，与相切于非球面光
轴I上顶点之切面，两者间的垂直距离)；
R:透镜表面近光轴I处的曲率半径；
K：锥面系数(conic constant)；
a2i：第2i阶非球面系数。
第一透镜3的目侧面31到第二透镜4的显示侧面42在公式(1)中的各项非球面系数如图10所示。其中，图10中字段编号31表示其为第一透镜3的目侧面31的非球面系数，其它字段依此类推。
另外，第一实施例之目镜光学系统10中各重要参数间的关系如图51所示。
其中，
EFL为目镜光学系统10的系统焦距；
ω为目镜光学系统10的半眼视视角，即观察者的一半视野角度，如图1所绘示；
T1为第一透镜3在光轴I上的厚度；
T2为第二透镜4在光轴I上的厚度；
G12为第一透镜3的显示侧面32至第二透镜4的目侧面41在光轴I上的距离，即第一透镜3到第二透镜4在光轴I上的空气间隙；
G2D为第二透镜4的显示侧面42到显示画面100在光轴I上的距离，即第二透镜4到显示画面100在光轴I上的空气间隙；
TTL为第一透镜3的目侧面31到显示画面100在光轴I上的距离；
ER为出瞳距离(Eye relief)，为观察者的瞳孔2到第一透镜3在光轴I上的距离；
SL为系统长度，为观察者的瞳孔2到显示画面100在光轴I上的距离；
EPD为目镜光学系统10的出瞳直径，为对应于观察者的瞳孔2的直径。一般以人眼而言，观察者的瞳孔2于白天时约为3mm，于晚上时约为7mm，如图1所绘示；
DLD为观察者单一瞳孔2所对应的显示画面100的对角线长度，如图1所绘示；
明视距离(Least distance of distinct vision)为眼睛可以清楚聚焦的最近之距离，青年人通常为250毫米(millimeter,mm)，如图1所绘示之明视距离VD；
D1为第一透镜3的目侧面31的光学有效直径；
D2为第二透镜4的目侧面41的光学有效直径；
另外，再定义：
n1为第一透镜3的折射率；
n2为第二透镜4的折射率；
V1为第一透镜3的阿贝系数；及
V2为第二透镜4的阿贝系数。
再配合参阅图8A至图8D，图8A至图8D为第一实施例之目镜光学系统的各项像差图，且为假设光线方向逆追迹为一平行成像光线由目侧依序经过瞳孔2以及目镜光学系统10到显示画面100聚焦成像所得的各项像差图。在本实施例中，上述各项像差图中呈现的各项像差表现会决定来自显示画面100的成像光线于观察者的眼睛的视网膜成像的各项像差表现。也就是说，当上述各项像差图中呈现的各项像差较小时，观察者的眼睛的视网膜的成像的各项像差表现也会较小，使得观察者可以观看到成像质量较佳的影像。
具体而言，图8A的图式说明第一实施例的纵向球差(longitudinal sphericalaberration)，图8B与图8C的图式则分别说明第一实施例有关弧矢(sagittal)方向的场曲(field curvature)像差及子午(tangential)方向的场曲像差，图8D的图式则说明第一实施例的畸变像差(distortion aberration)。本第一实施例的纵向球差图示图8A是在光瞳半径(pupil radius)为2.0000mm时所模拟的。另外，本第一实施例的纵向球差图示图8A中，每一种波长所成的曲线皆很靠近并向中间靠近，说明每一种波长不同高度的离轴光线皆集中在成像点附近，由每一波长的曲线的偏斜幅度可看出，不同高度的离轴光线的成像点偏差控制在±0.25mm的范围内，故本实施例确实明显改善相同波长的球差，此外，650纳米、555纳米以及470纳米三种代表波长彼此间的距离也相当接近，代表不同波长光线的成像位置已相当集中，因而使色像差也获得明显改善。
在图8B与图8C的二个场曲像差图示中，三种代表波长在整个视场范围内的焦距变化量落在±0.8mm的范围内，说明本第一实施例的目镜光学系统10能有效消除像差。而图8D的畸变像差图式则显示本第一实施例的畸变像差维持在±12％的范围内，说明本第一实施例的畸变像差已符合光学系统的成像质量要求，据此说明本第一实施例相较于现有目镜光学系统，在系统长度已缩短至47.463mm左右的条件下，仍能提供较佳的成像质量，故本第一实施例能在维持良好光学性能之条件下缩短目镜光学系统，以实现薄型化的产品设计。此外，本第一实施例的目镜光学系统10具有较大的眼视视角，且能够修正像差而维持良好的成像质量。
图11为本发明的第二实施例的目镜光学系统的示意图，而图12A至图12D为第二实施例之目镜光学系统的纵向球差与各项像差图。请先参照图11，本发明目镜光学系统10的一第二实施例，其与第一实施例大致相似，仅各光学数据、非球面系数及这些透镜3、4间的参数或多或少有些不同。在此需注意的是，为了清楚地显示图面，图11中省略部分与第一实施例相同的凹面部与凸面部的标号。
目镜光学系统10详细的光学数据如图13所示，且第二实施例的目镜光学系统10的整体系统焦距为33.346mm，半眼视视角(ω)为45.000°，光圈值(Fno)为8.336，出瞳直径(EPD)为4mm，TTL为38.786mm，且系统长度(SL)为47.492mm。
如图14所示，则为第二实施例的第一透镜3的目侧面31到第二透镜4的显示侧面42在公式(1)中的各项非球面系数。
另外，第二实施例之目镜光学系统10中各重要参数间的关系如图51所示。
本第二实施例的纵向球差图示图12A是在光瞳半径为2.0000mm时所模拟的。本第二实施例的纵向球差图示图12A中，不同高度的离轴光线的成像点偏差控制在±0.25mm的范围内。在图12B与图12C的二个场曲像差图示中，三种代表波长在整个视场范围内的焦距变化量落在±0.8mm的范围内。而图12D的畸变像差图式则显示本第二实施例的畸变像差维持在±12％的范围内。据此说明本第二实施例相较于现有目镜光学系统，在系统长度已缩短至47.492mm左右的条件下，仍能提供较佳的成像质量。
经由上述说明可得知，第二实施例相较于第一实施例的优点在于：第二实施例的光圈值比第一实施例的光圈值小，也就是第二实施例的光圈比第一实施例的光圈大。此外，第二实施例比第一实施例易于制造，因此良率较高。
图15为本发明的第三实施例的目镜光学系统的示意图，而图16A至图16D为第三实施例之目镜光学系统的纵向球差与各项像差图。请先参照图15，本发明目镜光学系统10的一第三实施例，其与第一实施例大致相似，仅各光学数据、非球面系数及这些透镜3、4间的参数或多或少有些不同。在本实施例中，第二透镜4的显示侧面42为一凹面，且具有一在光轴I附近区域的凹面部423及一位于圆周附近区域的凹面部422。在此需注意的是，为了清楚地显示图面，图15中省略部分与第一实施例相同的凹面部与凸面部的标号。
目镜光学系统10详细的光学数据如图17所示，且第三实施例的目镜光学系统10的整体系统焦距为33.559mm，半眼视视角(ω)为45.000°，光圈值(Fno)为8.390，出瞳直径(EPD)为4mm，TTL为38.570mm，且系统长度(SL)为47.423mm。
如图18所示，则为第三实施例的第一透镜3的目侧面31到第二透镜4的显示侧面42在公式(1)中的各项非球面系数。
另外，第三实施例之目镜光学系统10中各重要参数间的关系如图51所示。
本第三实施例的纵向球差图示图16A是在光瞳半径为2.0000mm时所模拟的。本第三实施例的纵向球差图示图16A中，不同高度的离轴光线的成像点偏差控制在±0.25mm的范围内。在图16B与图16C的二个场曲像差图示中，三种代表波长在整个视场范围内的焦距变化量落在±0.8mm的范围内。而图16D的畸变像差图式则显示本第三实施例的畸变像差维持在±12％的范围内。据此说明本第三实施例相较于现有目镜光学系统，在系统长度已缩短至47.423mm左右的条件下，仍能提供较佳的成像质量。
经由上述说明可得知，第三实施例相较于第一实施例的优点在于：第三实施例的系统长度小于第一实施例的系统长度。
图19为本发明的第四实施例的目镜光学系统的示意图，而图20A至图20D为第四实施例之目镜光学系统的纵向球差与各项像差图。请先参照图19，本发明目镜光学系统10的一第四实施例，其与第一实施例大致相似，仅各光学数据、非球面系数及这些透镜3、4间的参数或多或少有些不同。在本实施例中，第二透镜4的目侧面41具有一在光轴I附近区域的凸面部413及一位于圆周附近区域的凹面部414。第二透镜4的显示侧面42为一凹面，且具有一在光轴I附近区域的凹面部423及一位于圆周附近区域的凹面部422。在此需注意的是，为了清楚地显示图面，图19中省略部分与第一实施例相同的凹面部与凸面部的标号。
目镜光学系统10详细的光学数据如图21所示，且第四实施例的目镜光学系统10的整体系统焦距为32.777mm，半眼视视角(ω)为45.000°，光圈值(Fno)为8.194，出瞳直径(EPD)为4mm，TTL为39.059mm，且系统长度(SL)为49.938mm。
如图22所示，则为第四实施例的第一透镜3的目侧面31到第二透镜4的显示侧面42在公式(1)中的各项非球面系数。
另外，第四实施例之目镜光学系统10中各重要参数间的关系如图51所示。
本第四实施例的纵向球差图示图20A是在光瞳半径为2.0000mm时所模拟的。本第四实施例的纵向球差图示图20A中，不同高度的离轴光线的成像点偏差控制在±0.3mm的范围内。在图20B与图20C的二个场曲像差图示中，三种代表波长在整个视场范围内的焦距变化量落在±3.5mm的范围内。而图20D的畸变像差图式则显示本第四实施例的畸变像差维持在±7％的范围内。据此说明本第四实施例相较于现有目镜光学系统，在系统长度已缩短至49.938mm左右的条件下，仍能提供较佳的成像质量。
经由上述说明可得知，第四实施例相较于第一实施例的优点在于：第四实施例的光圈值比第一实施例的光圈值小，也就是第四实施例的光圈比第一实施例的光圈大。此外，第四实施例的畸变像差的范围小于第一实施例的畸变像差的范围。
图23为本发明的第五实施例的目镜光学系统的示意图，而图24A至图24D为第五实施例之目镜光学系统的纵向球差与各项像差图。请先参照图23，本发明目镜光学系统10的一第五实施例，其与第一实施例大致相似，仅各光学数据、非球面系数及这些透镜3、4间的参数或多或少有些不同。在本实施例中，第二透镜4的显示侧面42为一凹面，且具有一在光轴I附近区域的凹面部423及一位于圆周附近区域的凹面部422。在此需注意的是，为了清楚地显示图面，图23中省略部分与第一实施例相同的凹面部与凸面部的标号。
目镜光学系统10详细的光学数据如图25所示，且第五实施例的目镜光学系统10的整体系统焦距为30.681mm，半眼视视角(ω)为45.000°，光圈值(Fno)为7.670，出瞳直径(EPD)为4mm，TTL为36.830mm，且系统长度(SL)为46.908mm。
如图26所示，则为第五实施例的第一透镜3的目侧面31到第二透镜4的显示侧面42在公式(1)中的各项非球面系数。
另外，第五实施例之目镜光学系统10中各重要参数间的关系如图51所示。
本第五实施例的纵向球差图示图24A是在光瞳半径为2.0000mm时所模拟的。本第五实施例的纵向球差图示图24A中，不同高度的离轴光线的成像点偏差控制在±0.3mm的范围内。在图24B与图24C的二个场曲像差图示中，三种代表波长在整个视场范围内的焦距变化量落在±5.0mm的范围内。而图24D的畸变像差图式则显示本第五实施例的畸变像差维持在±6％的范围内。据此说明本第五实施例相较于现有目镜光学系统，在系统长度已缩短至46.908mm左右的条件下，仍能提供较佳的成像质量。
经由上述说明可得知，第五实施例相较于第一实施例的优点在于：第五实施例的系统长度小于第一实施例的系统长度。第五实施例的光圈值比第一实施例的光圈值小，也就是第五实施例的光圈比第一实施例的光圈大。第五实施例的畸变像差的范围小于第一实施例的畸变像差的范围。此外，第五实施例比第一实施例易于制造，因此良率较高。
图27为本发明的第六实施例的目镜光学系统的示意图，而图28A至图28D为第六实施例之目镜光学系统的纵向球差与各项像差图。请先参照图27，本发明目镜光学系统10的一第六实施例，其与第一实施例大致相似，仅各光学数据、非球面系数及这些透镜3、4间的参数或多或少有些不同。在本实施例中，第二透镜4的显示侧面42为一凹面，且具有一在光轴I附近区域的凹面部423及一位于圆周附近区域的凹面部422。在此需注意的是，为了清楚地显示图面，图27中省略部分与第一实施例相同的凹面部与凸面部的标号。
目镜光学系统10详细的光学数据如图29所示，且第六实施例的目镜光学系统10的整体系统焦距为30.186mm，半眼视视角(ω)为45.000°，光圈值(Fno)为7.546，出瞳直径(EPD)为4mm，TTL为36.407mm，且系统长度(SL)为47.145mm。
如图30所示，则为第六实施例的第一透镜3的目侧面31到第二透镜4的显示侧面42在公式(1)中的各项非球面系数。
另外，第六实施例之目镜光学系统10中各重要参数间的关系如图51所示。
本第六实施例的纵向球差图示图28A是在光瞳半径为2.0000mm时所模拟的。本第六实施例的纵向球差图示图28A中，不同高度的离轴光线的成像点偏差控制在±0.3mm的范围内。在图28B与图28C的二个场曲像差图示中，三种代表波长在整个视场范围内的焦距变化量落在±12mm的范围内。而图28D的畸变像差图式则显示本第六实施例的畸变像差维持在±6％的范围内。据此说明本第六实施例相较于现有目镜光学系统，在系统长度已缩短至47.145mm左右的条件下，仍能提供较佳的成像质量。
经由上述说明可得知，第六实施例相较于第一实施例的优点在于：第六实施例的系统长度小于第一实施例的系统长度。第六实施例的光圈值比第一实施例的光圈值小，也就是第六实施例的光圈比第一实施例的光圈大。第六实施例的畸变像差的范围小于第一实施例的畸变像差的范围。此外，第六实施例比第一实施例易于制造，因此良率较高。
图31为本发明的第七实施例的目镜光学系统的示意图，而图32A至图32D为第七实施例之目镜光学系统的纵向球差与各项像差图。请先参照图31，本发明目镜光学系统10的一第七实施例，其与第一实施例大致相似，仅各光学数据、非球面系数及这些透镜3、4间的参数或多或少有些不同。在本实施例中，第二透镜4的显示侧面42为一凹面，且具有一在光轴I附近区域的凹面部423及一位于圆周附近区域的凹面部422。在此需注意的是，为了清楚地显示图面，图31中省略部分与第一实施例相同的凹面部与凸面部的标号。
目镜光学系统10详细的光学数据如图33所示，且第七实施例的目镜光学系统10的整体系统焦距为36.213mm，半眼视视角(ω)为45.000°，光圈值(Fno)为9.053，出瞳直径(EPD)为4mm，TTL为40.768mm，且系统长度(SL)为49.321mm。
如图34所示，则为第七实施例的第一透镜3的目侧面31到第二透镜4的显示侧面42在公式(1)中的各项非球面系数。
另外，第七实施例之目镜光学系统10中各重要参数间的关系如图52所示。
本第七实施例的纵向球差图示图32A是在光瞳半径为2.0000mm时所模拟的。本第七实施例的纵向球差图示图32A中，不同高度的离轴光线的成像点偏差控制在±0.3mm的范围内。在图32B与图32C的二个场曲像差图示中，三种代表波长在整个视场范围内的焦距变化量落在±300mm的范围内。而图32D的畸变像差图式则显示本第七实施例的畸变像差维持在±12％的范围内。据此说明本第七实施例相较于现有目镜光学系统，在系统长度已缩短至49.321mm左右的条件下，仍能提供较佳的成像质量。
经由上述说明可得知，第七实施例相较于第一实施例的优点在于：第七实施例比第一实施例易于制造，因此良率较高。
图35为本发明的第八实施例的目镜光学系统的示意图，而图36A至图36D为第八实施例之目镜光学系统的纵向球差与各项像差图。请先参照图35，本发明目镜光学系统10的一第八实施例，其与第一实施例大致相似，仅各光学数据、非球面系数及这些透镜3、4间的参数或多或少有些不同。在本实施例中，第二透镜4的目侧面41为一凹面，且具有一在光轴I附近区域的凹面部411及一位于圆周附近区域的凹面部414。第二透镜4的显示侧面42为一凹面，且具有一在光轴I附近区域的凹面部423及一位于圆周附近区域的凹面部422。在此需注意的是，为了清楚地显示图面，图35中省略部分与第一实施例相同的凹面部与凸面部的标号。
目镜光学系统10详细的光学数据如图37所示，且第八实施例的目镜光学系统10的整体系统焦距为14.902mm，半眼视视角(ω)为45.000°，光圈值(Fno)为3.725，出瞳直径(EPD)为4mm，TTL为18.620mm，且系统长度(SL)为23.272mm。
如图38所示，则为第八实施例的第一透镜3的目侧面31到第二透镜4的显示侧面42在公式(1)中的各项非球面系数。
另外，第八实施例之目镜光学系统10中各重要参数间的关系如图52所示。
本第八实施例的纵向球差图示图36A是在光瞳半径为2.0000mm时所模拟的。本第八实施例的纵向球差图示图36A中，不同高度的离轴光线的成像点偏差控制在±0.3mm的范围内。在图36B与图36C的二个场曲像差图示中，三种代表波长在整个视场范围内的焦距变化量落在±0.7mm的范围内。而图36D的畸变像差图式则显示本第八实施例的畸变像差维持在±20％的范围内。据此说明本第八实施例相较于现有目镜光学系统，在系统长度已缩短至23.272mm左右的条件下，仍能提供较佳的成像质量。
经由上述说明可得知，第八实施例相较于第一实施例的优点在于：第八实施例的系统长度小于第一实施例的系统长度。第八实施例的光圈值比第一实施例的光圈值小，也就是第八实施例的光圈比第一实施例的光圈大。此外，第八实施例在子午方向上的场曲像差的范围小于第一实施例在子午方向上的场曲像差的范围。
图39为本发明的第九实施例的目镜光学系统的示意图，而图40A至图40D为第九实施例之目镜光学系统的纵向球差与各项像差图。请先参照图39，本发明目镜光学系统10的一第九实施例，其与第一实施例大致相似，仅各光学数据、非球面系数及这些透镜3、4间的参数或多或少有些不同。在此需注意的是，为了清楚地显示图面，图39中省略部分与第一实施例相同的凹面部与凸面部的标号。
目镜光学系统10详细的光学数据如图41所示，且第九实施例的目镜光学系统10的整体系统焦距为30.417mm，半眼视视角(ω)为45.000°，光圈值(Fno)为7.604，出瞳直径(EPD)为4mm，TTL为37.323mm，且系统长度(SL)为47.675mm。
如图42所示，则为第九实施例的第一透镜3的目侧面31到第二透镜4的显示侧面42在公式(1)中的各项非球面系数。
另外，第九实施例之目镜光学系统10中各重要参数间的关系如图52所示。
本第九实施例的纵向球差图示图40A是在光瞳半径为2.0000mm时所模拟的。本第九实施例的纵向球差图示图40A中，不同高度的离轴光线的成像点偏差控制在±0.25mm的范围内。在图40B与图40C的二个场曲像差图示中，三种代表波长在整个视场范围内的焦距变化量落在±80mm的范围内。而图40D的畸变像差图式则显示本第九实施例的畸变像差维持在±9％的范围内。据此说明本第九实施例相较于现有目镜光学系统，在系统长度已缩短至47.675mm左右的条件下，仍能提供较佳的成像质量。
经由上述说明可得知，第九实施例相较于第一实施例的优点在于：第九实施例的光圈值比第一实施例的光圈值小，也就是第九实施例的光圈比第一实施例的光圈大。此外，第九实施例的畸变像差的范围小于第一实施例的畸变像差的范围。
图43为本发明的第十实施例的目镜光学系统的示意图，而图44A至图44D为第十实施例之目镜光学系统的纵向球差与各项像差图。请先参照图43，本发明目镜光学系统10的一第十实施例，其与第一实施例大致相似，仅各光学数据、非球面系数及这些透镜3、4间的参数或多或少有些不同。在此需注意的是，为了清楚地显示图面，图43中省略部分与第一实施例相同的凹面部与凸面部的标号。
目镜光学系统10详细的光学数据如图45所示，且第十实施例的目镜光学系统10的整体系统焦距为33.839mm，半眼视视角(ω)为45.000°，光圈值(Fno)为8.460，出瞳直径(EPD)为4mm，TTL为38.634mm，且系统长度(SL)为47.613mm。
如图46所示，则为第十实施例的第一透镜3的目侧面31到第二透镜4的显示侧面42在公式(1)中的各项非球面系数。
另外，第十实施例之目镜光学系统10中各重要参数间的关系如图52所示。
本第十实施例的纵向球差图示图44A是在光瞳半径为2.0000mm时所模拟的。本第十实施例的纵向球差图示图44A中，不同高度的离轴光线的成像点偏差控制在±0.25mm的范围内。在图44B与图44C的二个场曲像差图示中，三种代表波长在整个视场范围内的焦距变化量落在±0.9mm的范围内。而图44D的畸变像差图式则显示本第十实施例的畸变像差维持在±12％的范围内。据此说明本第十实施例相较于现有目镜光学系统，在系统长度已缩短至47.613mm左右的条件下，仍能提供较佳的成像质量。
图47为本发明的第十一实施例的目镜光学系统的示意图，而图48A至图48D为第十一实施例之目镜光学系统的纵向球差与各项像差图。请先参照图47，本发明目镜光学系统10的一第十一实施例，其与第一实施例大致相似，仅各光学数据、非球面系数及这些透镜3、4间的参数或多或少有些不同。在本实施例中，第二透镜4的目侧面41具有一在光轴I附近区域的凸面部413及一位于圆周附近区域的凹面部414。第二透镜4的显示侧面42为一凹面，且具有一在光轴I附近区域的凹面部423及一位于圆周附近区域的凹面部422。在此需注意的是，为了清楚地显示图面，图47中省略部分与第一实施例相同的凹面部与凸面部的标号。
目镜光学系统10详细的光学数据如图49所示，且第十一实施例的目镜光学系统10的整体系统焦距为40.006mm，半眼视视角(ω)为45.000°，光圈值(Fno)为10.001，出瞳直径(EPD)为4mm，TTL为47.125mm，且系统长度(SL)为62.061mm。
如图50所示，则为第十一实施例的第一透镜3的目侧面31到第二透镜4的显示侧面42在公式(1)中的各项非球面系数。
另外，第十一实施例之目镜光学系统10中各重要参数间的关系如图52所示。
本第十一实施例的纵向球差图示图48A是在光瞳半径为2.0000mm时所模拟的。本第十一实施例的纵向球差图示图48A中，不同高度的离轴光线的成像点偏差控制在±0.3mm的范围内。在图48B与图48C的二个场曲像差图示中，三种代表波长在整个视场范围内的焦距变化量落在±4.0mm的范围内。而图48D的畸变像差图式则显示本第十一实施例的畸变像差维持在±30％的范围内。据此说明本第十一实施例相较于现有目镜光学系统，在系统长度已缩短至62.061mm左右的条件下，仍能提供较佳的成像质量。
经由上述说明可得知，第十一实施例相较于第一实施例的优点在于：第十一实施例比第一实施例易于制造，因此良率较高。
再配合参阅图51至图52。图51为上述第一实施例至第六实施例的各项光学参数的表格图，且图52为上述第七实施例至第十一实施例的各项光学参数的表格图。
本发明的实施例的目镜光学系统10的第一透镜3的显示侧面32至第二透镜4的目侧面41平行于光轴I的方向上的最大距离小于5毫米。由于第一透镜3与第二透镜4之间的距离设计得较小，因此目镜光学系统10的透镜(如第一透镜3及第二透镜4)的光学有效直径较大，且其有利于目镜光学系统10的机构设计，而可以减少杂散光的产生。使得目镜光学系统10具有良好的成像质量。
当本发明的实施例的目镜光学系统10中的各项光学参数间的关系式符合下列条件式的至少其中之一时，可协助设计者设计出具备良好光学性能、整体长度有效缩短、且技术上可行之目镜光学系统：
一、为了达成缩短整体系统长度，本发明适当的缩短透镜厚度和透镜间的空气间隙，但考虑到透镜组装过程的难易度以及必须兼顾成像质量的前提下，透镜厚度及透镜间的空气间隙彼此需互相调配，故在满足以下条件式的数值限定之下，目镜光学系统能达到较佳的配置。
6≦DLD/EPD≦20；
2≦EFL/(T1+G12+T2)；较佳为2.0≦EFL/(T1+G12+T2)≦4.0；
1.2≦TTL/G2D；较佳为1.2≦TTL/G2D≦2.0；
2.5≦T1/T2；较佳为2.5≦T1/T2≦5.5；
3.5≦(T1+G12)/T2；较佳为3.5≦(T1+G12)/T2≦6.5；
3.0≦EFL/T1；较佳为3.0≦EFL/T1≦5.5；
10.0≦EFL/T2；较佳为10.0≦EFL/T2≦18.0；
0.5≦ER/(T1+T2)；较佳为0.5≦ER/(T1+T2)≦1.5；
3.0≦TTL/(T1+T2)；较佳为3.0≦TTL/(T1+T2)≦5.0；
G2D/T2≦15.0；较佳为8.0≦G2D/T2≦15.0；
3.5≦D1/T1；较佳为3.5≦D1/T1≦4.5；及
15.0≦D2/T2；较佳为15.0≦D2/T2≦21.0。
二、透过将第二透镜的显示侧面圆周附近区域设计为凹面部，可以使得第二透镜的圆周附近区域的透镜厚度较厚，以修饰目镜光学系统10的像差，而使得目镜光学系统10具有良好的成像质量。
三、透过将第一透镜的目侧面与显示侧面的其中之一设计为菲涅耳表面，即菲涅耳透镜的表面，例如，将第一透镜的显示侧面设计为菲涅耳表面，可以减少第一透镜厚度，而有利于缩短目镜光学系统10的整体系统长度。
有鉴于光学系统设计的不可预测性，在本发明的架构之下，符合上述条件式能较佳地使本发明目镜光学系统10具有较短的系统长度、较大的眼视视角、较佳的成像质量，或是较良好的组装良率而改善先前技术的缺点。
此外，关于前述所列之示例性限定关系式，亦可任意选择性地合并不等数量施用于本发明之实施态样中，并不限于此。在实施本发明时，除了前述关系式之外，亦可针对单一透镜或广泛性地针对多个透镜额外设计出其他更多的透镜的凹凸曲面排列等细部结构，以加强对系统性能及/或分辨率的控制，举例来说，第一透镜的目侧面上可选择性地额外形成有一位于光轴附近区域的凹面部或一位于圆周附近区域的凹面部。须注意的是，此些细节需在无冲突之情况之下，选择性地合并施用于本发明之其他实施例当中。
综上所述，本发明的实施例的目镜光学系统10可获致下述的功效及优点：
一、本发明各实施例的纵向球差、场曲像差、畸变皆符合使用规范。另外，650纳米(红光)、555纳米(绿光)、470纳米(蓝光)三种代表波长在不同高度的离轴光线皆集中在成像点附近，由每一曲线的偏斜幅度可看出不同高度的离轴光线的成像点偏差皆获得控制而具有良好的球差、像差、畸变抑制能力。进一步参阅成像质量数据，650纳米、555纳米、470纳米三种代表波长彼此间的距离亦相当接近，显示本发明的实施例在各种状态下对不同波长光线的集中性佳而具有优良的色散抑制能力，故透过上述可知本发明的实施例具备良好光学性能。
二、本发明的实施例的目镜光学系统10的第一透镜的显示侧面至第二透镜的目侧面平行于光轴的方向上的最大距离小于5毫米，有利于目镜光学系统10的机构设计，而可以减少杂散光的产生。此外，目镜光学系统10符合：6≦DLD/EPD≦20。藉由上述透镜间的距离设计，目镜光学系统的出瞳直径与显示画面的对角线长度的关系设计，以及光学参数的设计之相互搭配可有效缩短系统长度并确保成像质量，且使得目镜光学系统10具有较大的眼视视角。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (15)

1.一种目镜光学系统，其特征在于，适于一显示画面的一成像光线经由该目镜光学系统进入观察者的眼睛而成像，朝向该眼睛的方向为目侧，且朝向该显示画面的方向为显示侧，其中该目镜光学系统从该目侧至该显示侧沿一光轴依序包括一第一透镜以及一第二透镜，且该第一透镜以及该第二透镜各自包括朝向该目侧且使该成像光线通过的一目侧面及朝向该显示侧且使该成像光线通过的一显示侧面，
其中该第一透镜的该显示侧面至该第二透镜的该目侧面平行于该光轴的方向上的最大距离小于5毫米，且该目镜光学系统符合：
6≦DLD/EPD≦20，
其中，DLD为该观察者的单一瞳孔所对应的该显示画面的对角线长度，且EPD为该目镜光学系统的一出瞳直径。
2.根据权利要求1所述目镜光学系统，其特征在于，所述该目镜光学系统符合：2≦EFL/(T1+G12+T2)，其中EFL为该目镜光学系统的系统焦距，T1为该第一透镜在该光轴上的厚度，T2为该第二透镜在该光轴上的厚度，且G12为该第一透镜到该第二透镜在该光轴上的空气间隙。
3.根据权利要求1所述目镜光学系统，其特征在于，所述第二透镜的该显示侧面具有一位于圆周附近区域的凹面部。
4.根据权利要求1所述目镜光学系统，其特征在于，所述该目镜光学系统符合：1.2≦TTL/G2D，其中TTL为该第一透镜的该目侧面到该显示画面在该光轴上的距离，且G2D为该第二透镜的该显示侧面到该显示画面在该光轴上的距离。
5.根据权利要求1所述目镜光学系统，其特征在于，所述该目镜光学系统符合：2.5≦T1/T2，其中T1为该第一透镜在该光轴上的厚度，且T2为该第二透镜在该光轴上的厚度。
6.根据权利要求1所述目镜光学系统，其特征在于，所述该目镜光学系统符合：3.5≦(T1+G12)/T2，其中T1为该第一透镜在该光轴上的厚度，T2为该第二透镜在该光轴上的厚度，且G12为该第一透镜到该第二透镜在该光轴上的空气间隙。
7.根据权利要求1所述目镜光学系统，其特征在于，所述该目镜光学系统符合：3.0≦EFL/T1，其中EFL为该目镜光学系统的系统焦距，且该T1为该第一透镜在该光轴上的厚度。
8.根据权利要求1所述目镜光学系统，其特征在于，所述该目镜光学系统符合：10.0≦EFL/T2，其中EFL为该目镜光学系统的系统焦距，且该T2为该第二透镜在该光轴上的厚度。
9.根据权利要求1所述目镜光学系统，其特征在于，所述该目镜光学系统符合：0.5≦ER/(T1+T2)，其中ER为该观察者的该眼睛的该瞳孔到该第一透镜在该光轴上的距离。
10.根据权利要求1所述目镜光学系统，其特征在于，所述该目镜光学系统符合：3.0≦TTL/(T1+T2)，其中TTL为该第一透镜的该目侧面到该显示画面在该光轴上的距离，T1为该第一透镜在该光轴上的厚度，且T2为该第二透镜在该光轴上的厚度。
11.根据权利要求1所述目镜光学系统，其特征在于，所述该第一透镜的该目侧面与该显示侧面的其中之一为菲涅耳表面。
12.根据权利要求11所述目镜光学系统，其特征在于，所述该第一透镜的该显示侧面为菲涅耳表面。
13.根据权利要求1所述目镜光学系统，其特征在于，所述该目镜光学系统符合：G2D/T2≦15.0，其中G2D为该第二透镜的该显示侧面到该显示画面在该光轴上的距离，且T2为该第二透镜在该光轴上的厚度。
14.根据权利要求1所述目镜光学系统，其特征在于，所述该目镜光学系统符合：3.5≦D1/T1，其中D1为该第一透镜的该目侧面的光学有效直径，且T1为该第一透镜在该光轴上的厚度。
15.根据权利要求1所述目镜光学系统，其特征在于，所述该目镜光学系统符合：15.0≦D2/T2，其中D2为该第二透镜的该目侧面的光学有效直径，且T2为该第二透镜在该光轴上的厚度。
CN201610862324.5A 2016-09-29 2016-09-29 目镜光学系统 Active CN106526851B (zh)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610862324.5A CN106526851B (zh) 2016-09-29 2016-09-29 目镜光学系统
TW105134475A TWI624685B (zh) 2016-09-29 2016-10-26 目鏡光學系統
US15/348,933 US10095022B2 (en) 2016-09-29 2016-11-10 Ocular optical system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610862324.5A CN106526851B (zh) 2016-09-29 2016-09-29 目镜光学系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106526851A true CN106526851A (zh) 2017-03-22
CN106526851B CN106526851B (zh) 2019-02-01

Family

ID=58344529

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610862324.5A Active CN106526851B (zh) 2016-09-29 2016-09-29 目镜光学系统

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10095022B2 (zh)
CN (1) CN106526851B (zh)
TW (1) TWI624685B (zh)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107748436A (zh) * 2017-11-14 2018-03-02 歌尔科技有限公司 目镜及头戴显示设备
CN108957732A (zh) * 2018-08-02 2018-12-07 浙江舜宇光学有限公司 目镜与显示装置
WO2019010938A1 (zh) * 2017-07-14 2019-01-17 浙江舜宇光学有限公司 目镜以及包括该目镜的显示装置
CN110244459A (zh) * 2018-03-09 2019-09-17 财团法人工业技术研究院 增强现实装置
JP2020500318A (ja) * 2017-10-24 2020-01-09 歌爾科技有限公司ＧｏｅｒＴｅｋ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．， Ｌｔｄ． 接眼レンズ及び頭部装着型表示装置
CN110927958A (zh) * 2018-09-20 2020-03-27 玉晶光电股份有限公司 目镜光学系统
US11635628B2 (en) 2018-03-09 2023-04-25 Industrial Technology Research Institute Augmented reality display system and display method thereof

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI692654B (zh) * 2018-09-20 2020-05-01 玉晶光電股份有限公司 目鏡光學系統
TWI673529B (zh) * 2018-09-20 2019-10-01 玉晶光電股份有限公司 目鏡光學系統
TWI708973B (zh) * 2018-09-20 2020-11-01 玉晶光電股份有限公司 目鏡光學系統
JP7358258B2 (ja) * 2020-01-28 2023-10-10 キヤノン株式会社 画像観察装置
TWI766658B (zh) * 2021-04-23 2022-06-01 大立光電股份有限公司 光學鏡片系統及飛時測距感測模組

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101470262A (zh) * 2007-12-27 2009-07-01 比亚迪股份有限公司 一种微型显示目镜光学成像装置
US20120257289A1 (en) * 2011-04-05 2012-10-11 Norimichi Shigemitsu Image pickup lens and image pickup module
CN104181689A (zh) * 2013-05-23 2014-12-03 索尼公司 目镜透镜和显示单元
CN104614851A (zh) * 2015-01-26 2015-05-13 青岛歌尔声学科技有限公司 一种头戴目镜系统和头戴显示设备

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB9403925D0 (en) * 1994-03-01 1994-04-20 Virtuality Entertainment Ltd Optical system
CN105676477B (zh) * 2016-03-21 2018-08-14 深圳多哚新技术有限责任公司 短距离光学放大模组、眼镜、头盔及vr系统
CN205562979U (zh) * 2016-03-21 2016-09-07 深圳多哚新技术有限责任公司 短距离光学放大模组、眼镜、头盔及vr系统

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101470262A (zh) * 2007-12-27 2009-07-01 比亚迪股份有限公司 一种微型显示目镜光学成像装置
US20120257289A1 (en) * 2011-04-05 2012-10-11 Norimichi Shigemitsu Image pickup lens and image pickup module
CN104181689A (zh) * 2013-05-23 2014-12-03 索尼公司 目镜透镜和显示单元
CN104614851A (zh) * 2015-01-26 2015-05-13 青岛歌尔声学科技有限公司 一种头戴目镜系统和头戴显示设备

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019010938A1 (zh) * 2017-07-14 2019-01-17 浙江舜宇光学有限公司 目镜以及包括该目镜的显示装置
JP2020500318A (ja) * 2017-10-24 2020-01-09 歌爾科技有限公司ＧｏｅｒＴｅｋ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．， Ｌｔｄ． 接眼レンズ及び頭部装着型表示装置
US10928634B2 (en) 2017-10-24 2021-02-23 Goertek Technology Co., Ltd. Eyepiece and head-mounted display device
CN107748436A (zh) * 2017-11-14 2018-03-02 歌尔科技有限公司 目镜及头戴显示设备
CN110244459B (zh) * 2018-03-09 2021-10-08 财团法人工业技术研究院 增强现实装置
CN110244459A (zh) * 2018-03-09 2019-09-17 财团法人工业技术研究院 增强现实装置
US11415798B2 (en) 2018-03-09 2022-08-16 Industrial Technology Research Institute Augmented reality device
US11635628B2 (en) 2018-03-09 2023-04-25 Industrial Technology Research Institute Augmented reality display system and display method thereof
WO2020024630A1 (zh) * 2018-08-02 2020-02-06 浙江舜宇光学有限公司 目镜与显示装置
JP2021512356A (ja) * 2018-08-02 2021-05-13 浙江舜宇光学有限公司 接眼レンズおよび表示装置
CN108957732A (zh) * 2018-08-02 2018-12-07 浙江舜宇光学有限公司 目镜与显示装置
CN110927958A (zh) * 2018-09-20 2020-03-27 玉晶光电股份有限公司 目镜光学系统
CN110927958B (zh) * 2018-09-20 2022-07-01 玉晶光电股份有限公司 目镜光学系统

Also Published As

Publication number Publication date
TWI624685B (zh) 2018-05-21
US20180088314A1 (en) 2018-03-29
CN106526851B (zh) 2019-02-01
TW201732367A (zh) 2017-09-16
US10095022B2 (en) 2018-10-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106526851B (zh) 目镜光学系统
CN106773008A (zh) 目镜光学系统
CN106526852B (zh) 目镜光学系统
CN106970464B (zh) 目镜光学系统
CN108132528A (zh) 目镜光学系统
CN106970466B (zh) 目镜光学系统
TWI715469B (zh) 目鏡光學系統
TWI664460B (zh) 目鏡光學系統
CN106773009A (zh) 目镜光学系统
TWI630435B (zh) 目鏡光學系統

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB03 Change of inventor or designer information
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Zhang Jiaxin

Inventor after: Lin Maozong

Inventor after: Yin Yanxuan

Inventor before: Zhang Jiaxin

Inventor before: Lin Maozong

Inventor before: Yin Yanxuan

GR01 Patent grant
GR01 Patent grant