CN111443479B - 目镜光学系统 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

目镜光学系统
本发明专利申请是分案申请。原案的申请号是201710954299.8，申请日是2017年10月13日，发明名称是：目镜光学系统。
技术领域
本发明涉及光学系统，且特别是有关于一种目镜光学系统。
背景技术
虚拟实境(virtual reality,VR)是利用计算机技术模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉等感官模拟，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。为了缩小虚拟实境装置的体积，让使用者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，为了追求轻薄，可利用菲涅耳透镜(Fresnel lens)的设计作为手段来改善光学透镜系统过长而厚重的问题。然而，菲涅耳透镜的表面具有多个同心环形齿，每一环形齿具有能够将入射光折射至预定方向的有效子面以及连接相邻两有效子面的无效子面，而无效子面与有效子面的相接处及无效子面处容易产生杂散光，而影响成像质量。因此，除了设计出轻薄的目镜光学透镜之外，同时要有良好的成像质量也是极需努力的课题。
发明内容
本发明提供一种目镜光学系统，其兼具轻薄与低杂散光的特性。
本发明的一实施例提出一种目镜光学系统，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，透镜具有朝向目侧且使成像光线通过的一目侧面及朝向显示侧且使成像光线通过的一显示侧面。透镜具有一光轴，从显示侧往目侧延伸。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(half of clear aperture)。
进一步，所述目镜光学系统还可满足以下条件之一：
1.700≦R1/SagI≦3.200；
1.360≦ICD/EFL≦1.630；
29.000°≦α≦48.500°；
25.000°≦α≦52.000°；
其中ICD为该观察者的单眼之最大视角所对应之该显示画面的显示像圆之直径，且EFL为该目镜光学系统的系统焦距，α为该些有效子面相对于一垂直于该光轴的参考平面的最大倾斜角。
进一步，所述该透镜的该显示侧面为平面式菲涅耳表面。
基于上述，由于本发明的实施例的目镜光学系统符合上述要求，因此无效子面的面积可以受到良好的控制，以降低目镜光学系统的杂散光，进而使目镜光学系统具有良好的成像质量。
附图说明
图1是一示意图，说明一目镜光学系统。
图2是一示意图，说明一透镜的面型结构。
图3是一示意图，说明一透镜的面型凹凸结构及光线焦点。
图4是一示意图，说明一范例一的透镜的面型结构。
图5是一示意图，说明一范例二的透镜的面型结构。
图6是一示意图，说明一范例三的透镜的面型结构。
图7是本发明之第一实施例之目镜光学系统的示意图。
图8A是第一实施例的纵向球差示意图。
图8B是第一实施例有关弧矢方向的场曲像差示意图。
图8C是第一实施例有关子午方向的场曲像差示意图。
图8D是第一实施例的畸变像差示意图。
图9是本发明之第一实施例之目镜光学系统的详细光学数据表格图。
图10是本发明之第一实施例之目镜光学系统的非球面参数表格图。
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是第二实施例的纵向球差示意图。
图12B是第二实施例有关弧矢方向的场曲像差示意图。
图12C是第二实施例有关子午方向的场曲像差示意图。
图12D是第二实施例的畸变像差示意图。
图13是本发明之第二实施例之目镜光学系统的详细光学数据表格图。
图14是本发明之第二实施例之目镜光学系统的非球面参数表格图。
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是第三实施例的纵向球差示意图。
图16B是第三实施例有关弧矢方向的场曲像差示意图。
图16C是第三实施例有关子午方向的场曲像差示意图。
图16D是第三实施例的畸变像差示意图。
图17是本发明之第三实施例之目镜光学系统的详细光学数据。
图18是本发明之第三实施例之目镜光学系统的非球面参数表格图。
图19是本发明的第四实施例的目镜光学系统的示意图。
图20A是第四实施例的纵向球差示意图。
图20B是第四实施例有关弧矢方向的场曲像差示意图。
图20C是第四实施例有关子午方向的场曲像差示意图。
图20D是第四实施例的畸变像差示意图。
图21是本发明之第四实施例之目镜光学系统的详细光学数据表格图。
图22是本发明之第四实施例之目镜光学系统的非球面参数表格图。
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是第四实施例的纵向球差示意图。
图24B是第四实施例有关弧矢方向的场曲像差示意图。
图24C是第四实施例有关子午方向的场曲像差示意图。
图24D是第四实施例的畸变像差示意图。
图25是本发明之第五实施例之目镜光学系统的详细光学数据表格图。
图26是本发明之第五实施例之目镜光学系统的非球面参数表格图。
图27是图7的透镜的示意图。
图28是图11的透镜的示意图。
图29是本发明之第一至第五实施例之目镜光学系统的各重要参数及其关系式的数值表格图。
具体实施方式
附图里的符号说明10、V100：目镜光学系统；100、V50：显示画面；2：瞳孔；3：透镜；31：目侧面；311、313、321、323：凸面部；32：显示侧面；A：光轴附近区域；B1、B1'：基底面；B2：参考平面；C：圆周附近区域；D1：出瞳直径；D2：显示像圆之直径；D3：垂直投影的长度；E：延伸部；I：光轴；Lc：主光线；Lm：边缘光线；M、R：点；P1：有效子面；P2：无效子面；Q1：起始点；Q2：顶点；V60：眼睛；VD：虚像距离；VI：成像光线；VV：放大虚像；α：最大倾斜角；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虚像距离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用于使显示画面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，显示画面可为垂直光轴，也可为与光轴夹一不等于90度的角度。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包括一透镜3，透镜3具有一光轴I，光轴I从显示侧往目侧延伸。当显示画面100的成像光线发出后，会通过透镜3，然后经由观察者的瞳孔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的透镜3包括朝向目侧且使成像光线通过的目侧面31及朝向显示侧且使成像光线通过的显示侧面32。
此外，为了满足产品轻量化的需求，透镜3具备屈光率且由塑料材质所制成，但透镜3的材质不以此为限。
透镜3具有正屈光率。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。透镜3的显示侧面32采用菲涅耳透镜设计，在本实施例中显示侧面32为菲涅耳表面(Fresnel surface)，即菲涅耳透镜的表面。图27绘示了图7的透镜的示意图，为了清楚地表示透镜的显示侧面的有效子面与无效子面，有效子面与无效子面的尺寸被夸饰地放大，且有效子面与无效子面的数量被减少。请参照图7与图27，显示侧面32具有多个有效子面P1与多个无效子面P2，这些有效子面P1用以使成像光线成像，每一无效子面P2连接相邻的二有效子面P1。除了位于光轴I上的有效子面P1是呈圆形之外，其余的有效子面P1与无效子面P2呈多个沿着径向交替排列的同心圆环。这些有效子面P1与这些无效子面P2形成菲涅耳表面。透镜3的显示侧面32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。在本实施例中，显示侧面32为平面式菲涅耳表面，其每一有效子面P1是从一基底面B1为起点而往显示侧延伸，其中基底面B1为一垂直于光轴I的平面。
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34.896毫米(millimeter,mm)，半眼视视角(half apparentfield of view,ω)为47.533°，而光圈值(f-number,Fno)为8.724。具体而言，本说明书中的「光圈值」是根据光的可逆性原理，将观察者的瞳孔视为入射光瞳所计算而得的光圈值。此外，第一实施例的目镜光学系统10的观察者的单眼之最大视角所对应之显示画面100的显示像圆之直径(image circle diameter,ICD)为54.500mm，其中显示像圆即为观察者单眼透过目镜光学系统可视之最大显示画面范围，且第一实施例的目镜光学系统10的系统长度(system length,SL)为47.944mm，其中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。另外，图9中的有效半径是指光学有效直径(clear aperture)的一半。
在本实施例中，透镜3的目侧面31是非球面，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有效子面P1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有效子面P1，且这些非球面是依下列公式定义：
Figure BDA0002453291860000071
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。
透镜3的目侧面31与显示侧面32在公式(1)中的各项非球面系数如图10所示。其中，图10中栏位编号31表示其为透镜3的目侧面31的非球面系数，其它栏位依此类推。
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29所示。
其中，
EFL为目镜光学系统10的系统焦距，即目镜光学系统10的有效焦距(effectivefocal length)；
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为透镜3在光轴I上的厚度；
GD为透镜3的显示侧面32到显示画面100在光轴I上的距离，即透镜3到显示画面100在光轴I上的空气间隙；
TTL为透镜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(Eyerelief)，为观察者的瞳孔2到透镜3的目侧面31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D1(Eye pupil diameter，如图1所绘示)，为对应于观察者的瞳孔2的直径，如图1所绘示；
ICD为观察者的单眼之最大视角所对应之显示画面100的显示像圆之直径D2(如图1所绘示)；
VD为虚像距离，即为放大虚像VV与观察者的瞳孔2(即出瞳)的距离，如图1所绘示之虚像距离VD；
α为透镜3的这些有效子面P1相对于一垂直于光轴I的参考平面B2的最大倾斜角，如图27与图28所绘示。在本发明的实施例中，此最大倾斜角是出现于离光轴I最远的有效子面P1的最外围处的倾斜角；
R1为透镜3的显示侧面32的光学有效半径(halfofclear aperture)；
SagI为透镜3的这些有效子面P1分别在光轴I上的多个垂直投影的长度D3的加总，如图27与图28所绘示。其中，每一有效子面P1具有一最接近目侧的起始点Q1与一最接近显示侧的顶点Q2，而每一个垂直投影的长度D3为对应的有效子面P1的起始点Q1至顶点Q2垂直投影在光轴I上的距离。
另外，再定义：
n1为透镜3的折射率；
V1为透镜3的阿贝数(Abbe number)。
在第一实施例中，R1/SagI＝2.196。
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2.000mm时(即目镜光学系统10的出瞳直径EPD为4.000mm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±0.55mm的范围内，故本实施例确实明显改善相同波长的球差，此外，466纳米、542纳米以及643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±1.45mm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±28％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47.944mm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。此外，在第一实施例中，由于符合1.500≦R1/SagI≦4.000，因此无效子面P2的面积可以受到良好的控制，进而减少杂散光的产生。
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、非球面系数及透镜3的参数或多或少有些不同，且第二实施例的目镜光学系统10的透镜3的显示侧面32为曲面式菲涅耳表面(extended Fresnel surface)。图28绘示了图11的透镜的示意图，为了清楚地表示透镜的显示侧面的有效子面与无效子面，有效子面与无效子面的尺寸被夸饰地放大，且有效子面与无效子面的数量被减少。请参照图11与图28，在本实施例中，显示侧面32为曲面式菲涅耳表面，其每一有效子面P1是从一基底面B1’为起点而往显示侧延伸，其中基底面B1’为一曲面。换言之，这些有效子面P1的起始点Q1均落在呈曲面形态的基底面B1’上。扩展菲涅耳表面的基底面可以是类似一般透镜的球面或非球面，其可以光轴I为对称轴而旋转对称。在本实施例中，基底面B1’为非球面。
在本实施例中，显示侧面32的这些有效子面P1可符合上述非球面公式(1)。此外，显示侧面32的基底面B1’也可符合上述非球面公式(1)，但是公式(1)中的参数R的定义改为基底面B1’近光轴I处的曲率半径。此外，如图14所示，则为第二实施例的透镜3的目侧面31与显示侧面32在公式(1)中的各项非球面系数，其中「32的有效子面」那两列的参数属于显示侧面32的这些有效子面P1的参数，而「32的基底面」那两列的参数属于显示侧面32的基底面B1’的参数，其中图14最右下方的曲率半径的栏位「-245.748」是指基底面B1’于公式(1)中的R值为-245.748mm。
第二实施例的目镜光学系统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46.740mm，半眼视视角(ω)为47.371°，光圈值(Fno)为11.685，ICD为71.000mm，且系统长度(SL)为66.898mm。
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29所示，本实施例之R1/SagI＝2.472，优于第一实施例。
本第二实施例的纵向球差图示图12A是在光瞳半径为2.000mm时(即目镜光学系统10的出瞳直径EPD为4.000mm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±0.83mm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±0.9mm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±30％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46.740mm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：第二实施例的场曲小于第一实施例的场曲，且第二实施例可更有效地降低杂散光影响。
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、非球面系数及透镜3的参数或多或少有些不同。与第一实施例差异在于，第三实施例的透镜3的目侧面31为球面。与第一实施例相同的是，第三实施例的透镜3的显示侧面32为平面式菲涅耳表面，其基底面B1为一垂直于光轴I的平面。
第三实施例的目镜光学系统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32.681mm，半眼视视角(ω)为44.833°，光圈值(Fno)为9.078，ICD为48.000mm，且系统长度(SL)为45.240mm。
如图18所示，则为第三实施例的透镜3的显示侧面32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29所示，本实施例之R1/SagI＝2.985，优于第一实施例。
本第三实施例的纵向球差图示图16A是在光瞳半径为1.800mm时(即在目镜光学系统10的出瞳直径EPD为3.600mm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±0.43mm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±1.1mm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±25％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45.240mm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，第三实施例的纵向球差小于第一实施例的纵向球差，第三实施例的场曲小于第一实施例的场曲，且第三实施例的畸变小于第一实施例的畸变，且第三实施例可更有效地降低杂散光影响。
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、非球面系数及透镜3的参数或多或少有些不同。与第一实施例相同的是，第四实施例的透镜3的显示侧面32为平面式菲涅耳表面，其基底面B1为一垂直于光轴I的平面。
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36.986mm，半眼视视角(ω)为49.934°，光圈值(Fno)为9.246，ICD为56.400mm，且系统长度(SL)为52.542mm。
如图22所示，则为第四实施例的透镜3的目侧面31与显示侧面32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29所示，本实施例之R1/SagI＝2.322，优于第一实施例。
本第四实施例的纵向球差图示图20A是在光瞳半径为2.000mm时(即在目镜光学系统10的出瞳直径EPD为4.000mm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±0.59mm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±1mm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±35％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52.542mm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：第四实施例的半眼视视角大于第一实施例的半眼视视角，且第四实施例的场曲小于第一实施例的场曲，且第四实施例可更有效地降低杂散光影响。
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、非球面系数及透镜3的参数或多或少有些不同。在本实施例中，透镜3的显示侧面32为曲面式菲涅耳表面，其基底面B1'为曲面，例如是非球面。
第五实施例的目镜光学系统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35.271mm，半眼视视角(ω)为47.566°，光圈值(Fno)为8.818，ICD为56.000mm，且系统长度(SL)为54.934mm。
如图26所示，则为第五实施例的第一透镜3的目侧面31与显示侧面32的基底面B1'与有效子面P1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29所示，本实施例之R1/SagI＝1.771。
本第五实施例的纵向球差图示图24A是在光瞳半径为2.000mm时(即在目镜光学系统10的出瞳直径EPD为4.000mm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±0.54mm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±1.6mm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±28％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54.934mm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：第五实施例的半眼视视角大于第一实施例的半眼视视角。
再配合参阅图29。图29为上述第一实施例至第五实施例的各项光学参数的表格图，其中「T1」至「SL」那些列的参数的单位为毫米(mm)，而「α」的单位为度(degree)。
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或符合下列设计的至少其中之一时，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、透过将透镜3其中一面设计为菲涅耳表面(包括平面式菲涅耳表面或曲面式菲涅耳表面)，有助于薄化透镜，进而缩短整体系统长度，达到轻量化的功效。
二、上述菲涅耳表面(例如透镜3的显示侧面32)符合1.500≦R1/SagI≦4.000时能有效减少杂散光的产生，而符合1.700≦R1/SagI≦3.200时效果更佳。
三、目镜光学系统符合1.360≦ICD/EFL≦1.630时能有效在大的半眼视视角之下维持成像质量。
四、上述菲涅耳表面(例如透镜3的显示侧面32)符合25.000°≦α≦52.000°时，能使菲涅耳表面的有效子面P1较平缓，也有助于减少杂散光的产生。而当上述菲涅耳表面符合29.000°≦α≦48.500°时效果更佳。
五、当上述菲涅耳表面采用平面式菲涅耳表面(即其之基底面B1为平面)时，能使整体的目镜光学系统10更为轻薄。
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。实施本发明时，除了前述关系式之外，亦可针对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。
综上所述，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，643纳米(红光)、542纳米(绿光)、466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，643纳米、542纳米、466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。因此，本发明的实施例的目镜光学系统兼具轻薄及低杂散光的特性，且具有良好的光学成像质量。
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 (4)

1.一种目镜光学系统，用于使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而成像，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，该目镜光学系统包括一透镜，该透镜具有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；
该透镜具有一光轴，从该显示侧往该目侧延伸，该透镜的该显示侧面采用菲涅耳透镜设计，该显示侧面具有多个有效子面与多个无效子面，该些有效子面用以使该成像光线成像，每一无效子面连接相邻的二有效子面，且该目镜光学系统具有屈光率的透镜只有一片且符合：
25.000°≦α≦52.000°及1.360≦ICD/EFL≦1.630，
其中α为该些有效子面相对于一垂直于该光轴的参考平面的最大倾斜角，ICD为该观察者的单眼之最大视角所对应之该显示画面的显示像圆之直径，且EFL为该目镜光学系统的系统焦距。
2.根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于，该目镜光学系统更符合29.000°≦α≦48.500°。
3.根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于，该目镜光学系统更符合1.500≦R1/SagI≦4.000，其中，SagI为该些有效子面分别在该光轴上的多个垂直投影的长度的加总，而R1为该显示侧面的光学有效半径。
4.根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于：该透镜的该显示侧为平面式菲涅耳表面。
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