CN106773008A - 目镜光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了目镜光学系统，从目侧至显示侧沿光轴依序包括第一透镜、第二透镜以及第三透镜。第一透镜、第二透镜以及第三透镜各自包括目侧面及显示侧面。第一透镜的目侧面具有位于光轴附近区域的凹面部。第三透镜的显示侧面具有位于圆周附近区域的凹面部。目镜光学系统符合：1≦TTL/ER≦10，其中TTL为第一透镜的目侧面到显示画面在光轴上的距离，且ER为观察者的眼睛的瞳孔到第一透镜的目侧面在光轴上的距离。

Description

目镜光学系统
技术领域
本发明涉及一种光学系统，且特别是有关于一种目镜光学系统。
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。
就目镜光学系统而言，现有的光学透镜设计容易有半眼视视角小和色差及畸变大的问题，因此如何增加半眼视视角并加强成像质量成为需要改善的问题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种其具有良好的成像质量与大的半眼视视角。
本发明的一实施例提出一种目镜光学系统，适于让成像光线从显示画面经目镜光学系统进入观察者的眼睛成像。朝向眼睛的方向为目侧。朝向显示画面的方向为显示侧。目镜光学系统从目侧至显示侧沿光轴依序包括第一透镜、第二透镜以及第三透镜。第一透镜、第二透镜以及第三透镜各自包括目侧面及显示侧面。第一透镜具有正屈光率，且第一透镜的目侧面具有位于光轴附近区域的凹面部。第三透镜的显示侧面具有位于圆周附近区域的凹面部。目镜光学系统符合：1≦TTL/ER≦10，其中TTL为第一透镜的目侧面到显示画面在光轴上的距离，且ER为观察者的眼睛的瞳孔到第一透镜的目侧面在光轴上的距离。
本发明的另一实施例提出一种目镜光学系统，适于让成像光线从显示画面经目镜光学系统进入观察者的眼睛成像。朝向眼睛的方向为目侧。朝向显示画面的方向为显示侧。目镜光学系统从目侧至显示侧沿光轴依序包括第一透镜、第二透镜以及第三透镜。第一透镜、第二透镜以及第三透镜各自包括目侧面及显示侧面。第一透镜的目侧面具有位于光轴附近区域的凹面部。第二透镜采用菲涅耳透镜设计。第三透镜的显示侧面具有位于圆周附近区域的凹面部。目镜光学系统符合：1≦TTL/ER≦10，其中TTL为第一透镜的目侧面到显示画面在光轴上的距离，且ER为观察者的眼睛的瞳孔到第一透镜的目侧面在光轴上的距离。
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：藉由上述透镜的表面形状与屈光率设计与排列，以及光学参数的设计，使目镜光学系统具备能够有效克服像差的光学性能，提供良好的成像质量，且具有大的眼视视角(apparent field of view)。
附图说明
图1为一示意图，说明一目镜光学系统图。
图2为一示意图，说明一透镜的面型结构图。
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。
图5为一示意图，说明一范例二的透镜的面型结构图。
图6为一示意图，说明一范例三的透镜的面型结构图。
图7为本发明之第一实施例之目镜光学系统的示意图。
图8A为第一实施例之目镜光学系统的纵向球差视场图。
图8B为第一实施例之目镜光学系统的场曲(弧矢方向)半眼视视角图。
图8C为第一实施例之目镜光学系统的场曲(子午方向)半眼视视角图。
图8D为第一实施例之目镜光学系统的畸变半眼视视角图。
图9为本发明之第一实施例之目镜光学系统的详细光学数据图。
图10为本发明之第一实施例之目镜光学系统的非球面参数图。
图11为本发明的第二实施例的目镜光学系统的示意图。
图12A为第二实施例之目镜光学系统的纵向球差视场图。
图12B为第二实施例之目镜光学系统的场曲(弧矢方向)半眼视视角图。
图12C为第二实施例之目镜光学系统的场曲(子午方向)半眼视视角图。
图12D为第二实施例之目镜光学系统的畸变半眼视视角图。
图13为本发明之第二实施例之目镜光学系统的详细光学数据图。
图14为本发明之第二实施例之目镜光学系统的非球面参数图。
图15为本发明的第三实施例的目镜光学系统的示意图。
图16A为第三实施例之目镜光学系统的纵向球差视场图。
图16B为第三实施例之目镜光学系统的场曲(弧矢方向)半眼视视角图。
图16C为第三实施例之目镜光学系统的场曲(子午方向)半眼视视角图。
图16D为第三实施例之目镜光学系统的畸变半眼视视角图。
图17为本发明之第三实施例之目镜光学系统的详细光学数据图。
图18为本发明之第三实施例之目镜光学系统的非球面参数图。
图19为本发明的第四实施例的目镜光学系统的示意图。
图20A为第四实施例之目镜光学系统的纵向球差视场图。
图20B为第四实施例之目镜光学系统的场曲(弧矢方向)半眼视视角图。
图20C为第四实施例之目镜光学系统的场曲(子午方向)半眼视视角图。
图20D为第四实施例之目镜光学系统的畸变半眼视视角图。
图21为本发明之第四实施例之目镜光学系统的详细光学数据图。
图22为本发明之第四实施例之目镜光学系统的非球面参数图。
图23为本发明的第五实施例的目镜光学系统的示意图。
图24A为第五实施例之目镜光学系统的纵向球差视场图。
图24B为第五实施例之目镜光学系统的场曲(弧矢方向)半眼视视角图。
图24C为第五实施例之目镜光学系统的场曲(子午方向)半眼视视角图。
图24D为第五实施例之目镜光学系统的畸变半眼视视角图。
图25为本发明之第五实施例之目镜光学系统的详细光学数据图。
图26为本发明之第五实施例之目镜光学系统的非球面参数图。
图27为本发明的第六实施例的目镜光学系统的示意图。
图28A为第六实施例之目镜光学系统的纵向球差视场图。
图28B为第六实施例之目镜光学系统的场曲(弧矢方向)半眼视视角图。
图28C为第六实施例之目镜光学系统的场曲(子午方向)半眼视视角图。
图28D为第六实施例之目镜光学系统的畸变半眼视视角图。
图29为本发明之第六实施例之目镜光学系统的详细光学数据图。
图30为本发明之第六实施例之目镜光学系统的非球面参数图。
图31为本发明的第七实施例的目镜光学系统的示意图。
图32A为第七实施例之目镜光学系统的纵向球差视场图。
图32B为第七实施例之目镜光学系统的场曲(弧矢方向)半眼视视角图。
图32C为第七实施例之目镜光学系统的场曲(子午方向)半眼视视角图。
图32D为第七实施例之目镜光学系统的畸变半眼视视角图。
图33为本发明之第七实施例之目镜光学系统的详细光学数据图。
图34为本发明之第七实施例之目镜光学系统的非球面参数图。
图35为本发明的第八实施例的目镜光学系统的示意图。
图36A为第八实施例之目镜光学系统的纵向球差视场图。
图36B为第八实施例之目镜光学系统的场曲(弧矢方向)半眼视视角图。
图36C为第八实施例之目镜光学系统的场曲(子午方向)半眼视视角图。
图36D为第八实施例之目镜光学系统的畸变半眼视视角图。
图37为本发明之第八实施例之目镜光学系统的详细光学数据图。
图38为本发明之第八实施例之目镜光学系统的非球面参数图。
图39为本发明的第九实施例的目镜光学系统的示意图。
图40A为第九实施例之目镜光学系统的纵向球差视场图。
图40B为第九实施例之目镜光学系统的场曲(弧矢方向)半眼视视角图。
图40C为第九实施例之目镜光学系统的场曲(子午方向)半眼视视角图。
图40D为第九实施例之目镜光学系统的畸变半眼视视角图。
图41为本发明之第九实施例之目镜光学系统的详细光学数据图。
图42为本发明之第九实施例之目镜光学系统的非球面参数图。
图43为本发明之第一至第四实施例之目镜光学系统的各重要参数及其关系式的数值图。
图44为本发明之第五至第九实施例之目镜光学系统的各重要参数及其关系式的数值图。
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。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
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。
10、V100：目镜光学系统；
100、V50：显示画面；
2：瞳孔；
3：第一透镜；
4：第二透镜；
5：第三透镜；
31、41、51：目侧面；
32、42、52：显示侧面；
311、313、511、515、521、525：凹面部；
321、323、411、414、421、424、515’：凸面部；
A：光轴附近区域；
C：圆周附近区域；
DLD：观察者单一瞳孔对应之显示画面之对角线长；
E：延伸部；
EPD：出瞳直径；
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)。该显示侧面、目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，光线会朝显示侧聚焦，与光轴的焦点会位在显示侧，例如图3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目侧，例如图3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3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。以目侧面来说，当R值为正时，判定为凸面部，当R值为负时，判定为凹面部；以显示侧面来说，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范例一的透镜显示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。此透镜显示侧面的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范例二的透镜目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。此透镜目侧面的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范例三的透镜目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，故此目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用于让成像光线从显示画面100经目镜光学系统10及观察者的眼睛的瞳孔2进入观察者的眼睛成像。朝向眼睛的方向为目侧，且朝向显示画面100的方向为显示侧。目镜光学系统10从目侧至显示侧沿目镜光学系统10的一光轴I依序包括一第一透镜3、一第二透镜4以及一第三透镜5。当显示画面100所发出的光线进入目镜光学系统10，并依序通过第三透镜5、第二透镜4及第一透镜3后，会经由瞳孔2进入观察者的眼睛，而在眼睛的视网膜上形成一影像。
第一透镜3、第二透镜4以及第三透镜5各自具有一朝向目侧且使成像光线通过之目侧面31、41、51及一朝向显示侧且使成像光线通过之显示侧面32、42、52。为了满足产品轻量化的需求，第一透镜3、第二透镜4以及第三透镜5皆具备屈光率。此外，第一透镜3、第二透镜4以及第三透镜5都是塑料材质所制成，但第一透镜3、第二透镜4以及第三透镜5的材质不以此为限制。
第一透镜3具有正屈光率。第一透镜3的目侧面31为一凹面，且具有一位于光轴I附近区域的凹面部311及一位于圆周附近区域的凹面部313。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323。
第二透镜4具有正屈光率。第二透镜4的目侧面41为一凸面，且具有一位于光轴I附近区域的凸面部411及一位于圆周附近区域的凸面部414。第二透镜4的显示侧面42为一凸面，且具有一在光轴I附近区域的凸面部421及一位于圆周附近区域的凸面部424。
第三透镜5具有负屈光率。第三透镜5的目侧面51为一凹面，且具有一位于光轴I附近区域的凹面部511及一位于圆周附近区域的凹面部515。第三透镜5的显示侧面52为一凹面，且具有一在光轴I附近区域的凹面部521及一位于圆周附近区域的凹面部525。
此外，在本实施例中，只有上述透镜具有屈光率，且目镜光学系统10具有屈光率的透镜只有三片。另外，第二透镜4采用菲涅耳透镜设计以缩短系统长度。具体地，第二透镜4的目侧面41与显示侧面42的其中之一为菲涅耳表面，即菲涅耳透镜(Fresnel lens)的表面。在本实施例中，第二透镜4的显示侧面42为菲涅耳表面。
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1与图43所示。
其中，
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；
T3为第三透镜5在光轴I上的厚度；
G12为第一透镜3的显示侧面32到第二透镜4的目侧面41在光轴I上的距离，即第一透镜3至第二透镜4在光轴I上的空气间隙长度；
G23为第二透镜4的显示侧面42到第三透镜5的目侧面51在光轴I上的距离，即第二透镜4至第三透镜5在光轴I上的空气间隙长度；
G3D为第三透镜5的显示侧面52到显示画面100在光轴I上的距离，即第三透镜5至显示画面100在光轴I上的空气间隙长度；
ω为半眼视视角(half apparent field of view)，即观察者的一半视野角度，如图1所绘示；
EFL为目镜光学系统10的有效焦距(effective focal length)；
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；
TL为第一透镜3的目侧面31到第三透镜5的显示侧面52在光轴I上的距离；
SL为系统长度，即观察者的瞳孔2到显示画面100在光轴I上的距离；
ER(eye relief)为出瞳距离，即观察者的瞳孔2到第一透镜3的目侧面31在光轴I上的距离；
AAG为第一透镜3至第二透镜4在光轴I上的空气间隙长度与第二透镜4至第三透镜5在光轴I上的空气间隙长度的总和，即G12与G23之和；
ALT为第一透镜3、第二透镜4以及第三透镜5在光轴I上的厚度的总和，即T1、T2与T3之和；
EPD为目镜光学系统10之出瞳直径(exit pupil diameter)，对应于观察者的瞳孔2的直径，白天约为3mm，晚上约为7mm，如图1所绘示；
DLD为观察者的单一瞳孔2对应之显示画面100之对角线长，如图1所绘示；以及
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。
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；
n3为第三透镜5的折射率；
ν1为第一透镜3的阿贝数(Abbe number)，阿贝数也可称为色散系数；
ν2为第二透镜4的阿贝数；以及
ν3为第三透镜5的阿贝数。
第一实施例的其他详细光学数据如图9所示。在第一实施例中，目镜光学系统10的有效焦距(EFL)(即系统焦距)为42.686mm，半眼视视角(ω)为45.000°，TTL为53.859mm，光圈值(F number,Fno)为10.671，且EPD为4mm。具体地，Fno在本实施例中是基于光可逆性的原理计算的，其中目侧作为一物体侧，显示侧作为一像侧，且观察者的眼睛的瞳孔作为一入射光的光瞳(pupil)。在此，图9中的有效半径是指光学有效径(clear aperture)的一半。
此外，在本实施例中，第一透镜3的目侧面31及显示侧面32、第二透镜4的目侧面41以及第三透镜5的目侧面51及显示侧面52(共计五个面)为非球面，而第二透镜4的显示侧面42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，而下述显示侧面42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：非球面曲线上的点到光轴I的距离；
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：透镜的面近光轴I处的曲率半径；
K：锥面系数(conic constant)；
a2i：第2i阶非球面系数。
目侧面31、41及51与显示侧面32、42及52在公式(1)中的各项非球面系数如图10所示。在图10中，字段编号31表示第一透镜3的目侧面31的非球面系数，在其他字段的字段编号依此类推。
请参阅图8A至图8D，图8A至图8D为第一实施例之目镜光学系统10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。换句话说，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。图8A的图式说明第一实施例当其光瞳半径(pupil radius)为2mm时的纵向球差(longitudinal sphericalaberration)。图8B与图8C的图式则分别说明第一实施例当波长为486nm、587nm及656nm时在显示画面100上有关弧矢(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当波长为486nm、587nm及656nm时在显示画面100上的畸变像差(distortion aberration)。
本第一实施例的纵向球差图示图8A中，每一种波长的曲线皆很靠近彼此并靠近中间位置，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±0.37毫米的范围内。因此，事实证明本实施例确实明显改善相同波长的球差。此外，三种代表波长(红、绿及蓝)的曲线彼此相当接近，代表不同波长光线的成像位置相当集中，因而使色像差也获得明显改善。在图8B与图8C的两个场曲像差图示中，三种代表波长在整个视场范围内的焦距变化量落在±0.5毫米的范围内，说明第一实施例的目镜光学系统10能有效消除像差。在图8D中，畸变像差图式显示第一实施例的畸变像差维持在±18％的范围内，说明第一实施例的畸变像差可符合目镜光学系统10的成像质量要求。据此，相较于现有的目镜光学系统，第一实施例的目镜光学系统10在SL缩短至65.859毫米左右的条件下，可具有良好的成像质量。因此，根据第一实施例，可在不牺牲光学性能之条件下，缩短光学系统的长度以及扩大眼视视角。如此，得以实现小型化、低像差且大眼视视角的产品设计。
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，本发明之目镜光学系统10的一第二实施例，其与第一实施例大致相似，而两者的差异如下所述：各光学数据、非球面系数及这些透镜(包括第一透镜3、第二透镜4及第三透镜5)的参数在这两个实施例中或多或少有些不同。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。
第二实施例中目镜光学系统10详细的光学数据如图13所示。在第二实施例中，目镜光学系统10的有效焦距(EFL)为48.643mm，半眼视视角(ω)为45.000°，TTL为62.412mm，光圈值(Fno)为12.161，且EPD为4mm。
根据第二实施例，目侧面31、41及51与显示侧面32、42及52在公式(1)中的非球面系数如图14所示。
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43所示。
本第二实施例在其光瞳半径为2mm时的纵向球差图示图12A中，不同高度的离轴光线的成像点偏差控制在±0.5毫米的范围内。在图12B与图12C的两个场曲像差图示中，三种代表波长在整个视场范围内的焦距变化量落在±0.65毫米的范围内。在图12D中，畸变像差图式显示第二实施例的畸变像差维持在±16％的范围内。
相较于第一实施例，第二实施例的优点在于：第二实施例的畸变像差小于第一实施例的畸变像差。此外，相较于第一实施例，第二实施例的目镜光学系统10较易于制作，从而具有较高的产量。
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，而两者的差异如下所述：各光学数据、非球面系数及这些透镜(包括第一透镜3、第二透镜4及第三透镜5)的参数在这两个实施例中或多或少有些不同。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。
第三实施例中目镜光学系统10详细的光学数据如图17所示。在第三实施例中，目镜光学系统10的有效焦距(EFL)为48.003mm，半眼视视角(ω)为45.000°，TTL为61.454mm，光圈值(Fno)为12.001，且EPD为4mm。
根据第三实施例，目侧面31、41及51与显示侧面32、42及52在公式(1)中的非球面系数如图18所示。
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43所示。
本第三实施例在其光瞳半径为2mm时的纵向球差图示图16A中，不同高度的离轴光线的成像点偏差控制在±0.52毫米的范围内。在图16B与图16C的两个场曲像差图示中，三种代表波长在整个视场范围内的焦距变化量落在±0.65毫米的范围内。在图16D中，畸变像差图式显示第三实施例的畸变像差维持在±15％的范围内。
相较于第一实施例，第三实施例的优点在于：第三实施例的畸变像差小于第一实施例的畸变像差。此外，相较于第一实施例，第三实施例的目镜光学系统10较易于制作，从而具有较高的产量。
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，而两者的差异如下所述：各光学数据、非球面系数及这些透镜(包括第一透镜3、第二透镜4及第三透镜5)的参数在这两个实施例中或多或少有些不同。此外，在本实施例中，第三透镜5的目侧面51具有一位于圆周附近区域的凸面部515’。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。
第四实施例中目镜光学系统10详细的光学数据如图21所示。在第四实施例中，目镜光学系统10的有效焦距(EFL)为86.101mm，半眼视视角(ω)为45.000°，TTL为117.774mm，光圈值(Fno)为21.525，且EPD为4mm。
根据第四实施例，目侧面31、41及51与显示侧面32、42及52在公式(1)中的非球面系数如图22所示。
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43所示。
本第四实施例在其光瞳半径为2mm时的纵向球差图示图20A中，不同高度的离轴光线的成像点偏差控制在±0.3毫米的范围内。在图20B与图20C的两个场曲像差图示中，三种代表波长在整个视场范围内的焦距变化量落在±18毫米的范围内。在图20D中，畸变像差图式显示第四实施例的畸变像差维持在±13％的范围内。
相较于第一实施例，第四实施例的优点在于：第四实施例的纵向球差以及畸变像差小于第一实施例的纵向球差以及畸变像差。此外，相较于第一实施例，第四实施例的目镜光学系统10较易于制作，从而具有较高的产量。
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，而两者的差异如下所述：各光学数据、非球面系数及这些透镜(包括第一透镜3、第二透镜4及第三透镜5)的参数在这两个实施例中或多或少有些不同。此外，在本实施例中，第三透镜5的目侧面51具有一位于圆周附近区域的凸面部515’。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。
第五实施例中目镜光学系统10详细的光学数据如图25所示。在第五实施例中，目镜光学系统10的有效焦距(EFL)为90.017mm，半眼视视角(ω)为43.000°，TTL为117.665mm，光圈值(Fno)为22.504，且EPD为4mm。
根据第五实施例，目侧面31、41及51与显示侧面32、42及52在公式(1)中的非球面系数如图26所示。
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44所示。
本第五实施例在其光瞳半径为2mm时的纵向球差图示图24A中，不同高度的离轴光线的成像点偏差控制在±0.35毫米的范围内。在图24B与图24C的两个场曲像差图示中，三种代表波长在整个视场范围内的焦距变化量落在±2.5毫米的范围内。在图24D中，畸变像差图式显示第五实施例的畸变像差维持在±13％的范围内。
相较于第一实施例，第五实施例的优点在于：第五实施例的纵向球差以及畸变像差小于第一实施例的纵向球差以及畸变像差。此外，相较于第一实施例，第五实施例的目镜光学系统10较易于制作，从而具有较高的产量。
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，而两者的差异如下所述：各光学数据、非球面系数及这些透镜(包括第一透镜3、第二透镜4及第三透镜5)的参数在这两个实施例中或多或少有些不同。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。
第六实施例中目镜光学系统10详细的光学数据如图29所示。在第六实施例中，目镜光学系统10的有效焦距(EFL)为49.358mm，半眼视视角(ω)为43.000°，TTL为64.550mm，光圈值(Fno)为12.340，且EPD为4mm。
根据第六实施例，目侧面31、41及51与显示侧面32、42及52在公式(1)中的非球面系数如图30所示。
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44所示。
本第六实施例在其光瞳半径为2mm时的纵向球差图示图28A中，不同高度的离轴光线的成像点偏差控制在±0.51毫米的范围内。在图28B与图28C的两个场曲像差图示中，三种代表波长在整个视场范围内的焦距变化量落在±0.7毫米的范围内。在图28D中，畸变像差图式显示第六实施例的畸变像差维持在±19％的范围内。
相较于第一实施例，第六实施例的优点在于：第六实施例的目镜光学系统10比第一实施例更易于制作，从而具有较高的产量。
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，而两者的差异如下所述：各光学数据、非球面系数及这些透镜(包括第一透镜3、第二透镜4及第三透镜5)的参数在这两个实施例中或多或少有些不同。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。
第七实施例中目镜光学系统10详细的光学数据如图33所示。在第七实施例中，目镜光学系统10的有效焦距(EFL)为51.410mm，半眼视视角(ω)为43.000°，TTL为67.544mm，光圈值(Fno)为12.853，且EPD为4mm。
根据第七实施例，目侧面31、41及51与显示侧面32、42及52在公式(1)中的非球面系数如图34所示。
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44所示。
本第七实施例在其光瞳半径为2mm时的纵向球差图示图32A中，不同高度的离轴光线的成像点偏差控制在±0.23毫米的范围内。在图32B与图32C的两个场曲像差图示中，三种代表波长在整个视场范围内的焦距变化量落在±2.3毫米的范围内。在图32D中，畸变像差图式显示第七实施例的畸变像差维持在±16％的范围内。
相较于第一实施例，第七实施例的优点在于：第七实施例的纵向球差以及畸变像差小于第一实施例的纵向球差以及畸变像差。此外，相较于第一实施例，第七实施例的目镜光学系统10较易于制作，从而具有较高的产量。
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，而两者的差异如下所述：各光学数据、非球面系数及这些透镜(包括第一透镜3、第二透镜4及第三透镜5)的参数在这两个实施例中或多或少有些不同。此外，在本实施例中，第三透镜5的目侧面51具有一位于圆周附近区域的凸面部515’。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。
第八实施例中目镜光学系统10详细的光学数据如图37所示。在第八实施例中，目镜光学系统10的有效焦距(EFL)为37.499mm，半眼视视角(ω)为43.000°，TTL为51.170mm，光圈值(Fno)为9.375，且EPD为4mm。
根据第八实施例，目侧面31、41及51与显示侧面32、42及52在公式(1)中的非球面系数如图38所示。
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44所示。
本第八实施例在其光瞳半径为2mm时的纵向球差图示图36A中，不同高度的离轴光线的成像点偏差控制在±0.43毫米的范围内。在图36B与图36C的两个场曲像差图示中，三种代表波长在整个视场范围内的焦距变化量落在±3毫米的范围内。在图36D中，畸变像差图式显示第八实施例的畸变像差维持在±9.5％的范围内。
相较于第一实施例，第八实施例的优点在于：第八实施例的畸变像差以及光圈值(Fno)小于第一实施例的畸变像差以及光圈值(Fno)。
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，而两者的差异如下所述：各光学数据、非球面系数及这些透镜(包括第一透镜3、第二透镜4及第三透镜5)的参数在这两个实施例中或多或少有些不同。此外，在本实施例中，第三透镜5的目侧面51具有一位于圆周附近区域的凸面部515’。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。
第九实施例中目镜光学系统10详细的光学数据如图41所示。在第九实施例中，目镜光学系统10的有效焦距(EFL)为88.065mm，半眼视视角(ω)为43.000°，TTL为119.907mm，光圈值(Fno)为22.016，且EPD为4mm。
根据第九实施例，目侧面31、41及51与显示侧面32、42及52在公式(1)中的非球面系数如图42所示。
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44所示。
本第九实施例在其光瞳半径为2mm时的纵向球差图示图40A中，不同高度的离轴光线的成像点偏差控制在±0.2毫米的范围内。在图40B与图40C的两个场曲像差图示中，三种代表波长在整个视场范围内的焦距变化量落在±11毫米的范围内。在图40D中，畸变像差图式显示第九实施例的畸变像差维持在±9％的范围内。
相较于第一实施例，第九实施例的优点在于：第九实施例的纵向球差以及畸变像差小于第一实施例的纵向球差以及畸变像差。此外，相较于第一实施例，第九实施例的目镜光学系统10较易于制作，从而具有较高的产量。
图43与图44为上述九个实施例的各项光学参数的表格图。在本发明的实施例中，为缩短系统长度以及具有良好的成像质量，适当缩短透镜的厚度以及透镜间的空气间隙长度为本发明之实施例的一种手段之一。然而，同时考虑制作的难易程度，若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，目镜光学系统的设计能有较佳的配置：1≦TTL/ER≦10、T2/T3≦3.8、G3D/T1≦12、EFL/(T1+T3)≦7、TL/AAG≧5、(T1+G12)/T3≦3.5、(T2+T3)/G23≧5.2、ALT/T3≦7、EFL/T1≦10、T2/AAG≧2.5、T2/T1≦4以及EFL/(T2+T3)≧2.5。较佳地，1.5≦T2/T3≦3.8、2≦G3D/T1≦12、2≦EFL/(T1+T3)≦7、5≦TL/AAG≦30、1.0≦(T1+G12)/T3≦3.5、5.2≦(T2+T3)/G23≦17.0、4.5≦ALT/T3≦7、3≦EFL/T1≦10、2.5≦T2/AAG≦12.0、0.5≦T2/T1≦4以及2.5≦EFL/(T2+T3)≦9.0。
有鉴于光学系统设计的不可预测性，在本发明的实施例的架构之下，符合上述条件式能较佳地使本发明的实施例的系统长度缩短、可用光圈增大、眼视视角增加、成像质量提升，或组装良率提升而改善先前技术的缺点。
综上所述，本发明的实施例的目镜光学系统10可具有下述优点的其中之一或获致下述功效的其中之一：
一、本发明实施例的纵向球差、场曲、畸变皆符合使用规范。此外，三种代表波长(486纳米、587纳米、656纳米)或三种代表波长(486纳米、587纳米、656纳米)在不同高度的离轴光线皆集中在成像点附近，且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能够抑制球差、像差以及畸变。进一步参阅成像质量数据，三种代表波长(486纳米、587纳米、656纳米)或三种代表波长470纳米、555纳米、650纳米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能够抑制色散。因此，透过上述可知本发明的实施例具备良好光学性能。
二、第一透镜具有正屈光率且第一透镜的目侧面具有一位于光轴附近区域的凹面部有利于光线收聚。配合第三透镜的显示侧面具有一位于圆周附近区域的凹面部，可修正像差。
三、第二透镜采用菲涅耳透镜设计有利于缩短系统长度。
四、此外，另可选择实施例参数之任意组合关系增加系统限制，以利于本发明实施例相同架构的系统设计。有鉴于光学系统设计的不可预测性，在本发明的实施例的架构之下，符合上述条件式能较佳地使本发明的实施例的系统长度缩短、出瞳直径增大、成像质量提升，或组装良率提升而改善先前技术的缺点。
五、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。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。
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 (17)

1.一种目镜光学系统，适于让成像光线从显示画面经该目镜光学系统进入观察者的眼睛成像，朝向该眼睛的方向为目侧，朝向该显示画面的方向为显示侧，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、一第二透镜以及一第三透镜，该第一透镜、该第二透镜以及该第三透镜各自包括一目侧面及一显示侧面；
该第一透镜具有正屈光率，且该第一透镜的该目侧面具有一位于光轴附近区域的凹面部；
该第三透镜的该显示侧面具有一位于圆周附近区域的凹面部；
其中，该目镜光学系统符合：
1≦TTL/ER≦10，
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ER为该观察者的该眼睛的瞳孔到该第一透镜的该目侧面在该光轴上的距离。
2.如权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于，所述该目镜光学系统符合：T2/T3≦3.8，其中T2为该第二透镜在该光轴上的厚度，且T3为该第三透镜在该光轴上的厚度。
3.如权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于，所述该目镜光学系统符合：G3D/T1≦12，其中G3D为该第三透镜的该显示侧面到该显示画面在该光轴上的距离，且T1为该第一透镜在该光轴上的厚度。
4.如权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于，所述该目镜光学系统更符合：EFL/(T1+T3)≦7，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，且T3为该第三透镜在该光轴上的厚度。
5.如权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于，所述目镜光学系统更符合：TL/AAG≧5，其中TL为该第一透镜的该目侧面到该第三透镜的该显示侧面在该光轴上的距离，且AAG为该第一透镜至该第二透镜在该光轴上的空气间隙长度与该第二透镜至该第三透镜在该光轴上的空气间隙长度的总和。
6.如权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于，所述该目镜光学系统更符合：(T1+G12)/T3≦3.5，其中T1为该第一透镜在该光轴上的厚度，G12为该第一透镜至该第二透镜在该光轴上的空气间隙长度，且T3为该第三透镜在该光轴上的厚度。
7.如权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于，所述该目镜光学系统更符合：(T2+T3)/G23≧5.2，其中T2为该第二透镜在该光轴上的厚度，T3为该第三透镜在该光轴上的厚度，且G23为该第二透镜至该第三透镜在该光轴上的空气间隙长度。
8.如权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于，所述该目镜光学系统更符合：ALT/T3≦7，其中ALT为该第一透镜、该第二透镜以及该第三透镜在该光轴上的厚度的总和，且T3为该第三透镜在该光轴上的厚度。
9.一种目镜光学系统，适于让成像光线从显示画面经该目镜光学系统进入观察者的眼睛成像，朝向该眼睛的方向为目侧，朝向该显示画面的方向为显示侧，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、一第二透镜以及一第三透镜，该第一透镜、该第二透镜以及该第三透镜各自包括一目侧面及一显示侧面；
该第一透镜的该目侧面具有一位于光轴附近区域的凹面部；
该第二透镜采用菲涅耳透镜设计；
该第三透镜的该显示侧面具有一位于圆周附近区域的凹面部；
其中，该目镜光学系统符合：
1≦TTL/ER≦10，
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ER为该观察者的该眼睛的瞳孔到该第一透镜的该目侧面在该光轴上的距离。
10.如权利要求9所述的目镜光学系统，其特征在于，所述该目镜光学系统更符合：TL/AAG≧5，其中TL为该第一透镜的该目侧面到该第三透镜的该显示侧面在该光轴上的距离，且AAG为该第一透镜至该第二透镜在该光轴上的空气间隙长度与该第二透镜至该第三透镜在该光轴上的空气间隙长度的总和。
11.如权利要求9所述的目镜光学系统，其特征在于，所述该目镜光学系统更符合：EFL/T1≦10，其中EFL为该目镜光学系统的系统焦距，且T1为该第一透镜在该光轴上的厚度。
12.如权利要求9所述的目镜光学系统，其特征在于，所述该目镜光学系统更符合：T2/AAG≧2.5，其中T2为该第二透镜在该光轴上的厚度，且AAG为该第一透镜至该第二透镜在该光轴上的空气间隙长度与该第二透镜至该第三透镜在该光轴上的空气间隙长度的总和。
13.如权利要求9所述的目镜光学系统，其特征在于，所述该目镜光学系统更符合：G3D/T1≦12，其中G3D为该第三透镜的该显示侧面到该显示画面在该光轴上的距离，且T1为该第一透镜在该光轴上的厚度。
14.如权利要求13所述的目镜光学系统，其特征在于，所述该目镜光学系统更符合：T2/T1≦4，其中T2为该第二透镜在该光轴上的厚度。
15.如权利要求9所述的目镜光学系统，其特征在于，所述该目镜光学系统更符合：ALT/T3≦7，其中ALT为该第一透镜、该第二透镜以及该第三透镜在该光轴上的厚度的总和，且T3为该第三透镜在该光轴上的厚度。
16.如权利要求15所述的目镜光学系统，其特征在于，所述该目镜光学系统更符合：EFL/(T2+T3)≧2.5，其中EFL为该目镜光学系统的系统焦距，且T2为该第二透镜在该光轴上的厚度。
17.如权利要求9所述的目镜光学系统，其特征在于，所述该第二透镜的该显示侧面为一菲涅耳表面。
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