CN113311563B - 光学镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学镜头。光学镜头包括：从入光侧往出光侧依序排列的第一透镜至第五透镜。入光侧设置影像产生器，且光学镜头用于接收影像产生器所提供的影像光束。影像光束在出光侧形成光栏。光栏具有影像光束的光束缩束的最小截面积。本发明的光学镜头具有良好的光学质量与热稳定性。

Description

光学镜头
技术领域
本发明涉及一种光学镜头，并且特别涉及一种用于波导显示器的光学镜头。
背景技术
具有波导(waveguide)的显示器(波导显示器)依其影像源的种类可区分为具有是自发光面板架构、穿透式面板架构以及反射式面板架构。在具有自发光或穿透式面板架构的波导显示器中，上述各种形式的面板所提供的影像光束经过光学镜头，由耦合入口进入波导。接着，影像光束在波导中传递至耦合出口，再将影像光束投射至人眼的位置，形成影像。其中，反射式面板架构的波导显示器，其光源提供的照明光束经照明光学装置的传递后，通过照明棱镜将照明光束照射在反射式面板上，反射式面板将照明光束转换成影像光束，因此反射式面板将影像光束传递至光学镜头，影像光束经过光学镜头导入波导中。接着，影像光束在波导中传递至耦合出口，再将影像光束投射至人眼位置。光学镜头会将影像源(面板)产生的影像在一定距离外形成一个虚像，此虚像透过人眼再成像在视网膜上。光学镜头应用在波导显示器中，光学镜头在设计上尺寸大小、重量的考虑以及热稳定性是重要的议题。
“背景技术”段落只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”段落所揭露的内容可能包含一些没有构成所属技术领域中普通技术人员所知道的现有技术。在“背景技术”段落所揭露的内容，不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，在本发明申请前已被所属技术领域中普通技术人员所知晓或认知。
发明内容
本发明提供一种光学镜头，其具有良好的光学质量与热稳定性。
本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。
为实现上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提出一种光学镜头，其包括从入光侧往出光侧依序排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜及第五透镜。第一透镜至第四透镜的屈光度依序为正、负、正及正，且第五透镜具有屈光度。入光侧设置影像产生器。光学镜头用于接收影像产生器所提供的影像光束。影像光束在出光侧形成光栏(stop)。光栏具有影像光束的光束缩束(beam shrinkage)的最小截面积，其中，第一透镜为凹凸透镜且具有朝向入光侧的凸面与朝向出光侧的凹面，第二透镜为双凹透镜，第三透镜为凹凸透镜且具有朝向出光侧的凸面或第三透镜为双凸透镜，第四透镜为双凸透镜，第五透镜为凹凸透镜且具有朝向入光侧的凸面。
基于上述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本发明的示范实施例中，由于光学镜头的设计符合上述屈光度的组合、透镜排列方式以及数量，光学镜头能在较短的镜头总长下具有良好的成像质量。
附图说明
图1绘示本发明一实施例的波导显示器的概要示意图。
图2A是图1的光学镜头横向色差图。
图2B是图1的光学镜头的像散场曲及畸变图。
图2C是图1的光学镜头横向光束扇形图。
图2D是图1的光学镜头调制转换函数曲线图。
图2E是图1的光学镜头在不同像高下的波前光程差异仿真数据图。
图2F至图2J是图1的光学镜头在不同温度下的光学镜头调制转换函数曲线图。
图3绘示本发明另一实施例的波导显示器的概要示意图。
图4绘示本发明又一实施例的波导显示器的概要示意图。
图5绘示本发明另一实施例的波导显示器的概要示意图。
图6A是图5的光学镜头横向色差图。
图6B是图5的光学镜头的像散场曲及畸变图。
图6C是图5的光学镜头横向光束扇形图。
图6D是图5的光学镜头调制转换函数曲线图。
图6E是图5的光学镜头在不同像高下的波前光程差异仿真数据图。
图6F至图6J是图5的光学镜头在不同温度下的光学镜头调制转换函数曲线图。
图7绘示本发明另一实施例的波导显示器的概要示意图。
图8绘示本发明另一实施例的波导显示器的概要示意图。
附图标记说明
100、100a～100e：波导显示器
110：光学镜头
111、111c：第一透镜
113、113c：第二透镜
115、115c：第三透镜
117、117c：第四透镜
119、119c：第五透镜
120：照明棱镜
130、130a：波导元件
140：玻璃盖
150：影像产生器
160：转折棱镜
170：抗反射元件
180：反射元件
A～F：参数
AS：主动表面
DS：下表面
ES：出光侧
ET：光耦合入口
IM：影像光束
OA：光轴
OB：目标
OT：光耦合出口
S’、S1～S17：表面
ST：光栏
US：上表面
X：X轴
Y：Y轴
Z：Z轴
具体实施方式
有关本发明之前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式之一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
图1绘示本发明一实施例的波导显示器的概要示意图。
请参照图1，本实施例的波导显示器100是应用于具有波导元件130的头戴式显示设备，但本发明不限于此。在本实施例中，波导显示器100包括光学镜头110、照明棱镜(第二棱镜)120、波导元件130、玻璃盖(cover glass)140及影像产生器150。在相对于光学镜头110的入光侧IS设置影像产生器150。影像产生器150可以是能提供影像光束IM的显示设备，影像产生器150例如是数字微型反射镜元件(Digital Micromirror Device，DMD)或反射式液晶显示器(Liquid crystal on silicon，LCoS)等可产生影像的显示元件，在其他实施例中，影像产生器150可以是透光式的空间光调制器，例如透光液晶面板(TransparentLiquid Crystal Panel)等，本发明对影像产生器150的型态及其种类并不加以限制。照明棱镜120设置在光学镜头110与影像产生器150之间。影像产生器150所提供的影像光束IM，通过照明棱镜120，并且进入光学镜头110。光学镜头110适于接收影像光束IM。在本实施例中，玻璃盖140设置于影像产生器150与照明棱镜120之间，以保护影像产生器150避免灰尘的影响。
在本实施例中，影像光束IM在经过光学镜头110之后，在相对于光学镜头110的出光侧ES形成光栏ST。光栏ST具有影像光束IM的光束缩束的最小截面积。举例而言，在本实施例中，位于X轴与Y轴形成的参考平面上，光栏ST的形状例如大致上为圆形，并且在X轴方向上与在Y轴方向上的直径尺寸大致上相同。在本实施例中，影像光束IM经过光学镜头110之后形成光栏ST，光栏ST具有影像光束IM的光束缩束的最小截面积。因此，影像光束IM在经过光学镜头110之后缩束至光栏ST的位置，并且在通过光栏ST之后发散。在本实施例中，影像光束IM经过光学镜头110之后所形成的光栏ST位置例如于波导元件之内，而图1为等效光学路径之示例，仅绘示出位于光栏ST之间的部分波导元件130，影像光束IM进入波导元件130并通过光栏ST，接续在波导元件130中传递，再投射到预设的目标。在一实施例中，所述预设的目标(未示出)例如是人眼。
详言之，在本实施例中，光学镜头110包括从入光侧IS往出光侧ES依序排列的第一透镜111、第二透镜113、第三透镜115、第四透镜117及第五透镜119，其屈光度依序为正、负、正、正、正。在本实施例中，第一透镜111为凹凸透镜，且具有朝向出光侧ES的凹面与朝向入光侧IS的凸面。第二透镜113为双凹透镜，且具有分别朝向出光侧ES与朝向入光侧IS的凹面。第三透镜115为凹凸透镜，具有朝向出光侧ES的凸面与朝向入光侧IS的凹面。第四透镜117为双凸透镜，且具有分别朝向出光侧ES与朝向入光侧IS的凸面，并且第四透镜117的等效焦距大于0。第五透镜119为凹凸透镜，且具有朝向出光侧ES的凹面与朝向入光侧IS的凸面。在本实施例中，第一、第二、第三及第五透镜111、113、115、119为塑料非球面透镜，第四透镜117为玻璃球面透镜。
以下内容将举出应用于波导显示器100的光学镜头110之一实施例。需注意的是，以下内容所列的数据资料并非用以限定本发明，任何所属技术领域普通技术人员在参照本发明之后，当可对其参数或设定作适当的更动，惟其仍应属于本发明之范畴内。
表一
请参照图1及表一，表一中列出波导显示器100中的各元件的表面及其相关参数，表面S1为第一透镜111面向入光侧IS的表面，而表面S2为第一透镜111面向出光侧ES的表面，以此类推。另外，间距是指两相邻表面之间于光轴OA上的直线距离。举例来说，对应表面S2的间距大小1.83mm，即表面S1至表面S2间于光轴OA上的直线距离为1.83毫米(即第一透镜111的厚度)，而对应表面S3的间距1.24mm，即表面S2至表面S3间于光轴OA上的直线距离1.24毫米，以此类推。光学有效半径是指元件被光通过的最大直径的一半。
在本实施例中，第一、第二、第三及第五透镜111、113、115、119皆为非球面透镜，而非球面透镜的公式如下所示：
上式中，X为光轴OA方向的偏移量(sag)，R是密切球面(osculating sphere)的半径，也就是接近光轴OA处的曲率半径(如表一所列的曲率半径)。k是二次曲面系数(conic)，Y是非球面高度，即为从透镜中心往透镜边缘的高度，而系数A2、A4、A6、A8、A10、A12为非球面系数(aspheric coefficient)。在本实施例中，系数A2为0，于此省略示出A2的数据。以下表二所列出的是上述透镜非球面的参数值，其中E-003代表的是10的负3次方，其他以此类推。
表二
图2A是图1的光学镜头横向色差(Lateral Color)图。图2B是图1的光学镜头的像散场曲(field curvature)及畸变(Distortion)图，其中X为弧矢(Sagittal)方向上的场曲像差，Y为子午(Tangential)方向上的场曲像差，525纳米为例。图2C是图1的光学镜头横向光束扇形图(transverse ray fan plot)，其是以波长465纳米(nm)、525纳米、620纳米的光所作出的仿真数据图。图2D是图1的光学镜头调制转换函数曲线图，其中横坐标为焦点偏移量(Focus shift)，纵坐标为光学转移函数的模数(modulus of the OTF)。图2E是图1的光学镜头在不同像高下的波前光程差异(Optical Path Difference,OPD)仿真数据图。图2F至图2J是图1的光学镜头在不同温度下的光学镜头调制转换函数曲线图。
由图2A至图2E可看出，其所显示的图形均在标准的范围内，由此可验证本实施例的光学镜头110能够达到良好的成像效果。值得一提的是，由图2E可知，在影像产生器150的主动表面AS上，影像光束IM具有的OPD范围是：-1.5λ<OPD<1.5λ，其中OPD为在各像高的光程差，λ为各色光的波长，且影像光束IM包括红色光、绿色光、蓝色光。影像产生器150的主动表面AS是影像光束IM出射的区域表面。进一步说明，此光程差的设计，熟知此技术领域的人员容易可知道在设计光学镜头时，通过光学仿真的方式从物平面反推回在影像源需提供的影像光束在各像高的光程差。在本实施例中，光学镜头110的设计符合预先设定的规范，可以解析至少93lp/mm分辨率的影像，因此光学镜头110具有高分辨率。此外，由图2F至图2J可看出，其所显示的图形在不同的环境温度(图2F至图2J的环境温度分别为0度、10度、20度、30度、40度)下均在标准的范围内，由此可验证本实施例的光学镜头110具有良好的热稳定性。
在本实施例中，其中一种情况为图1的光学镜头110符合
1<(A+C)/B<2.5，A为光栏ST到装设光学镜头110的镜筒(未示出)的边缘距离，即光栏ST到第五透镜119最靠近光栏ST的位置之间的光路径距离。B为光学镜头110的镜头总长，即第一透镜111朝向入光侧IS的表面S1至第五透镜119朝向出光侧ES的表面S10之间于光轴OA上的距离，C为第一透镜111朝向入光侧IS的表面S1与该影像产生器150在该光轴OA上的距离，即光学镜头110的第一透镜111朝向入光侧IS的表面S1与影像产生器150的主动表面AS在光轴OA上的距离。此外，另定义D为光学镜头110中的最大透镜的通光口径(Clearaperture)，于本实施例中，光学镜头110的最大透镜的通光口径例如为第四透镜117的通光口径，且FOV为光学镜头110的视场角，E为光栏ST的直径，F为影像产生器150的主动表面AS的对角线长度。在本实施例中，上述参数A、B、C、D、E、F例如分别是10.2毫米(millimeters)、10.72毫米、12毫米、8.6毫米、4毫米、7.93毫米，(A+C)/B为2.07，。这些参数的数值不用以限定本发明。在本实施例中，光学镜头110的视场角为40度。
图3绘示本发明另一实施例的波导显示器的概要示意图。请参照图3，本实施例的波导显示器100a大致上类似于图1的波导显示器100，其主要差异在于：波导显示器100a还包括转折棱镜160、抗反射元件170与反射元件180。转折棱镜160(第一棱镜)设置光学镜头110与光栏ST之间。波导元件130a具有彼此相对的上表面US及下表面DS，且其具有彼此相对的光耦合入口ET与光耦合出口OT。光耦合入口ET与光耦合出口OT分别例如是影像光束IM入射至波导元件130a的表面区域与影像光束IM离开波导元件130a的表面区域，其中光栏ST形成于光耦合入口ET。光耦合入口ET位于上表面US的一端且光耦合入口ET所在处设有抗反射元件170，其中抗反射元件170例如可以为一层涂布于光耦合入口ET的抗反射层，或是抗反射元件170可以是于光耦合入口ET进行表面处理而形成的抗反射结构。光耦合出口OT位于波导元件130a的上表面US的另一端且相对于光耦合出口OT的所在上表面US的下表面DS设有反射元件180，其中反射元件180例如可以为一层涂布于光耦合出口OT的反射膜层，或是反射元件180可以是于光耦合出口OT进行表面处理而形成的反射结构；其中抗反射元件170用以使影像光束IM更容易进入波导元件130a而降低被波导元件130a的表面反射的比例，反射元件180可反射在波导元件130a内传递的影像光束IM并使影像光束IM朝光耦合出口OT传递，用以使在波导元件130a内的影像光束IM更容易离开波导元件130a。
在本实施例中，影像光束IM离开光学镜头110后，并被转折棱镜160反射后改变其传递方向，而会聚至光栏ST。影像光束IM在通过光栏ST之后发散并通过光耦合入口ET进入波导元件130a，影像光束IM在波导元件130a的上、下表面US、DS进行一至多次全反射后，并由光耦合出口OT离开波导元件130a，再投射至目标OB。此处的投射目标OB例如是人眼。
此外，以下内容将举出应用于波导显示器100a的光学镜头110之一实施例，需注意的是，以下内容所列的数据资料并非用以限定本发明，任何所属技术领域普通技术人员在参照本发明之后，当可对其参数或设定作适当的更动，惟其仍应属于本发明之范畴内。
表三
此外，由于图3的光学镜头110的各透镜111、113、115、117、119的面形设计、参数皆与图1的光学镜头相同，因此于此不再赘述。
在本实施例中，其中一种情况为图3的光学镜头110符合1<(A+C)/B<2.5。其他参数A、B、C、D、E、F的定义同上所述。在本实施例中，上述参数A、B、C、D、E、F例如分别是8.52毫米、10.72毫米、12毫米、8.6毫米、4毫米、7.93毫米，(A+C)/B为1.91。这些参数的数值不用以限定本发明。在本实施例中，光学镜头110的视场角为40度。
图4绘示本发明又一实施例的波导显示器的概要示意图。请参照图4，本实施例的波导显示器100b类似于图3的波导显示器100a，惟两者之间主要的差异例如在于：光学镜头110、照明棱镜120、玻璃盖140与影像产生器150共同设置于光耦合入口ET的正上方，而光学镜头110与波导元件130a之间并未设有如同图3的转折棱镜160。
以下内容将举出应用于波导显示器100b的光学镜头110之一实施例。需注意的是，以下内容所列的数据资料并非用以限定本发明，任何所属技术领域普通技术人员在参照本发明之后，当可对其参数或设定作适当的更动，惟其仍应属于本发明之范畴内。
表四
在本实施例中，影像光束IM离开光学镜头110后，是直接经由光耦合入口ET进入波导元件130a，影像光束IM在波导元件130a的上、下表面US、DS进行一至多次全反射后，并由光耦合出口OT离开波导元件130a，再投射至目标OB。
在本实施例中，其中一种情况为图4的光学镜头110符合1<(A+C)/B<2.5。其他参数A、B、C、D、E、F的定义同上所述。在本实施例中，上述参数A、B、C、D、E、F例如分别是5.74毫米、10.72毫米、12毫米、8.6毫米、4毫米、7.93毫米，(A+C)/B为1.655。这些参数的数值不用以限定本发明。在本实施例中，光学镜头110的视场角为40度。
值得一提的是，上述图1至图4的光学镜头110共五片透镜，但不以此为限。光栏ST的直径约为4mm，接近一般人眼瞳孔的大小(约为3mm～6mm)。影像产生器150例如是使用0.3英吋的720P DMD装置，其对角线例如为7.93mm，且影像产生器150的对角线代表光学镜头110的成像圈(image circle)。在此光学镜头110的设计下，人眼可以看到相当于2公尺(M)外的57.3英吋(inch)大小的虚像，此时的放大倍率实质上约为184倍。
此外，上述图1至图4的本实施例中的光学镜头110具有焦距与像高的关系式如下：像高＝焦距x tan(半视场角)，其中像高例如为3.965mm，设计视场角为40度，则视场半角为20度，使得光学镜头110的有效焦距大致为10.89mm。另外，图1至图4的本实施例中的光学镜头110符合1<│f5/f4│<15，以及V5-V4<25，其中f4为光学镜头110的第四透镜117的焦距，f5为光学镜头110的第五透镜119的焦距，V4为第四透镜117的阿贝数，V5为第五透镜119的阿贝数。在本实施例中，上述参数f4、f5、V4、V5例如分别是13.52毫米(millimeters)、100.01毫米、44、56，f5/f4为7.4，V5-V4为12。这些参数的数值不用以限定本发明。
图5绘示本发明另一实施例的波导显示器的概要示意图。请参考图5，本实施例的波导显示器100c大致上类似于图1的波导显示器100，其主要差异在于：光学镜头110c的屈光率组合及对应具有的各光学参数与光学镜头110的屈光率组合及对应具有的各光学参数略有不同。详细来说，光学镜头110c亦包括由从入光侧IS往出光侧ES依序排列的第一透镜111c、第二透镜113c、第三透镜115c、第四透镜117c及第五透镜119c，且其屈光度依序为正、负、正、正及负。在本实施例中，第一、第二、第三及第五透镜111c、113c、115c、119c为塑料非球面透镜，第四透镜117c为玻璃球面透镜。
此外，透镜面形的设计亦略有不同，图5中的第一、第二、第四、第五透镜111c、113c、117c、119c的面形设计与图1中的第一、第二、第四、第五透镜111、113、115、119的面形设计相似，其主要差异在于：图5中的第三透镜115c为双凸透镜。
以下内容将举出应用于波导显示器100c的光学镜头110c之一实施例。需注意的是，以下内容所列的数据资料并非用以限定本发明，任何所属技术领域普通技术人员在参照本发明之后，当可对其参数或设定作适当的更动，惟其仍应属于本发明之范畴内。
表五
在本实施例中，第一、第二、第三及第五透镜111c、113c、115c、119c皆为非球面透镜，以下表六所列出的是上述透镜非球面的参数值。
表六
图6A是图5的光学镜头横向色差(Lateral Color)图。图6B是图5的光学镜头的像散场曲(field curvature)及畸变(Distortion)图。图6C是图5的光学镜头横向光束扇形图(transverse ray fan plot)，其是以波长465纳米(nm)、525纳米、620纳米的光所作出的仿真数据图。图6D是图5的光学镜头调制转换函数曲线图，其中横坐标为焦点偏移量(Focusshift)，纵坐标为光学转移函数的模数(modulus of the OTF)。图6E是图5的光学镜头在不同像高下的波前光程差异(Optical Path Difference,OPD)仿真数据图。图6F至图6J是图5的光学镜头在不同温度下的光学镜头调制转换函数曲线图。
由图6A至图6E可看出，其所显示的图形均在标准的范围内，由此可验证本实施例的光学镜头110c能够达到良好的成像效果。值得一提的是，由图6E可知，在影像产生器150的主动表面上，影像光束IM具有的OPD范围是：-1.5λ<OPD<1.5λ，其中OPD为在各像高的光程差，λ为各色光的波长，且影像光束IM包括红色光、绿色光、蓝色光。影像产生器150的主动表面AS是影像光束IM出射的表面。进一步说明，此光程差的设计，熟知此技术领域的人员容易可知道在设计光学镜头时，通过光学仿真的方式从物平面反推回在影像源需提供的影像光束在各像高的光程差。在本实施例中，光学镜头110c的设计符合预先设定的规范，可以解析至少93lp/mm分辨率的影像，因此光学镜头110具有高分辨率。此外，由图6F至图6J可看出，其所显示的图形在不同的环境温度(图6F至图6J的环境温度分别为0度、10度、20度、30度、40度)下均在标准的范围内，由此可验证本实施例的光学镜头110c具有良好的热稳定性。
在本实施例中，其中一种情况为图5的光学镜头110c符合1<(A+C)/B<2.5，其他参数A、B、C、D、E、F的定义同上所述。在本实施例中，上述参数A、B、C、D、E、F例如分别是6.2毫米、11.01毫米、12毫米、8.6毫米、3.2毫米、7.93毫米，(A+C)/B为1.653。这些参数的数值不用以限定本发明。在本实施例中，光学镜头110c的视场角为50度。
图7绘示本发明另一实施例的波导显示器的概要示意图。请参照图7，本实施例的波导显示器100d大致上类似于图3的波导显示器100a，其主要差异在于：波导显示器100d所采用的是如同图5的光学镜头110c的设计。
以下内容将举出应用于波导显示器100d的光学镜头110c之一实施例。需注意的是，以下内容所列的数据资料并非用以限定本发明，任何所属技术领域普通技术人员在参照本发明之后，当可对其参数或设定作适当的更动，惟其仍应属于本发明之范畴内。
表七
此外，由于图7的光学镜头110c的各透镜111c、113c、115c、117c、119c的面形设计、参数皆与图5的光学镜头110c相同，因此于此不再赘述。
在本实施例中，其中一种情况为图7的光学镜头110c符合1<(A+C)/B<2.5，其他参数A、B、C、D、E、F的定义同上所述。在本实施例中，上述参数A、B、C、D、E、F例如分别是5.82毫米、11.01毫米、12毫米、8.6毫米、3.2毫米、7.93毫米，(A+C)/B为1.62。这些参数的数值不用以限定本发明。在本实施例中，光学镜头110c的视场角为50度。
图8绘示本发明另一实施例的波导显示器的概要示意图。请参照图8，本实施例的波导显示器100e大致上类似于图4的波导显示器100b，其主要差异在于：波导显示器100e所采用的是如同图5的光学镜头110c的设计。
以下内容将举出应用于波导显示器100e的光学镜头110c的一实施例。需注意的是，以下内容所列的数据资料并非用以限定本发明，任何所属技术领域普通技术人员在参照本发明之后，当可对其参数或设定作适当的更动，惟其仍应属于本发明之范畴内。
表八
此外，由于图8的光学镜头110c的各透镜111c、113c、115c、117c、119c的面形设计、参数皆与图5的光学镜头110c相同，因此于此不再赘述。
在本实施例中，其中一种情况为图8的光学镜头110c符合1<(A+C)/B<2.5，其他参数A、B、C、D、E、F的定义同上所述。在本实施例中，上述参数A、B、C、D、E、F例如分别是3.3毫米、11.01毫米、12毫米、8.6毫米、3.2毫米、7.93度，(A+C)/B为1.39。这些参数的数值不用以限定本发明。在本实施例中，光学镜头110c的视场角为50度。
值得一提的是，上述图5、7、8的光学镜头110c共五片透镜，但不以此为限。光栏ST的直径约为3.2mm，接近一般人眼瞳孔的大小(约为3mm～6mm)。影像产生器150例如是使用0.3英吋的720P DMD装置，其对角线例如为7.93mm，且影像产生器150的对角线代表光学镜头110c的成像圈(image circle)。在此光学镜头110c的设计下，人眼可以看到相当于2公尺(M)外的73.7英吋(inch)大小的虚像，此时的放大倍率实质上约为236倍。
此外，本实施例中的光学镜头110c具有焦距与像高的关系式如下：像高＝焦距xtan(半视场角)，其中像高例如为3.965mm，设计视场角为50度，则视场半角为25度，使得光学镜头110c的有效焦距大致为8.5mm。另外，图5至图8的本实施例中的光学镜头110c符合1<│f5/f4│<15，以及V5-V4<25，其中f4为光学镜头110c的第四透镜117c的焦距，f5为光学镜头110c的第五透镜119c的焦距，V4为第四透镜117c的阿贝数，V5为第五透镜119c的阿贝数。在本实施例中，上述参数f4、f5、V4、V5例如分别是13.99毫米(millimeters)、-35.2毫米、43、56，f5/f4为-2.52，V5-V4为13。这些参数的数值不用以限定本发明。
继如上所述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本发明的示范实施例中，光学镜头的设计符合预先设定的规范，因此光学镜头的尺寸小、重量轻、视角大且分辨率高。并且，光学镜头内的第四透镜的材质为玻璃，而可使光学镜头几乎无热飘移现象，而具有良好的热稳定性。
惟以上所述者，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施之范围，即所有依本发明的权利要求书及说明书内容所作之简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖之范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求的方案不须达成本发明所揭露之全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和发明名称仅是用来辅助专利检索之用，并非用来限制本发明之权利范围。此外，本说明书或权利要求书中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。

Claims (14)

1.一种光学镜头，其特征在于，所述光学镜头包括：从入光侧往出光侧依序排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜及第五透镜，
其中所述第一透镜至所述第四透镜的屈光度依序为正、负、正及正，且所述第五透镜具有屈光度，
其中所述入光侧设置影像产生器，且所述光学镜头用于接收所述影像产生器所提供的影像光束，以及所述影像光束在所述出光侧形成光栏，所述光栏具有所述影像光束的光束缩束的最小截面积，
其中，所述第一透镜为凹凸透镜且具有朝向所述入光侧的凸面与朝向所述出光侧的凹面，所述第二透镜为双凹透镜，所述第三透镜为凹凸透镜且具有朝向所述出光侧的凸面或所述第三透镜为双凸透镜，所述第四透镜为双凸透镜，所述第五透镜为凹凸透镜且具有朝向所述入光侧的凸面。
2.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头还满足以下的条件式：
1<(A+C)/B<2.5，
其中，A为所述光栏与装设所述光学镜头的镜筒的距离，B为所述光学镜头的镜头总长，且C为所述光学镜头的所述第一透镜朝向所述入光侧的表面与所述影像产生器在光轴上的距离。
3.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头还满足以下的条件式：
1<│f5/f4│<15，
其中，f4为所述光学镜头的所述第四透镜的焦距，f5为所述光学镜头的所述第五透镜的焦距。
4.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头还满足以下的条件式：
V5-V4<25，
其中，V4为所述第四透镜的阿贝数，V5为所述第五透镜的阿贝数。
5.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜及所述第五透镜的材料为塑料，且所述第四透镜的材料为玻璃。
6.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第四透镜的材料为玻璃，所述第四透镜的等效焦距大于0。
7.根据权利要求5所述的光学镜头，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜及所述第五透镜为非球面透镜，且所述第四透镜为球面透镜。
8.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第五透镜的屈光度为正。
9.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第五透镜的屈光度为负。
10.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，在所述光学镜头与所述光栏之间设置第一棱镜，所述影像光束离开所述光学镜头，通过所述第一棱镜，并且会聚至所述光栏，以及所述影像光束在通过所述光栏之后发散。
11.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光栏形成于波导元件，所述波导元件具有彼此相对的光耦合入口与光耦合出口，所述影像光束经由所述光耦合入口进入所述波导元件，并且所述波导元件引导所述影像光束，以使所述影像光束由所述光耦合出口离开所述波导元件，再投射到目标。
12.根据权利要求11所述的光学镜头，其特征在于，所述光栏形成于所述波导元件的所述光耦合入口、所述光耦合出口或所述光耦合入口与所述光耦合出口之间的位置。
13.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，通过所述光学镜头投射的虚像尺寸是所述影像产生器尺寸的184倍，且所述光学镜头的视场角为40度。
14.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，通过所述光学镜头投射的虚像尺寸是所述影像产生器尺寸的236倍，且所述光学镜头的视场角为50度。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107861247B (zh) * 2017-12-22 2020-08-25 联想(北京)有限公司 光学部件及增强现实设备
CN114236835A (zh) * 2021-11-30 2022-03-25 歌尔光学科技有限公司 光学模组和电子设备
CN114236831A (zh) * 2021-11-30 2022-03-25 歌尔光学科技有限公司 光学模组和电子设备
CN114236832A (zh) * 2021-11-30 2022-03-25 歌尔光学科技有限公司 光学模组和电子设备

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10197790A (ja) * 1996-11-12 1998-07-31 Sharp Corp 投写レンズ及び照明レンズ及びこれらのいずれかを用いた液晶プロジェクタ
TW201321793A (zh) * 2011-11-28 2013-06-01 Young Optics Inc 投影鏡頭和投影裝置
CN103765292A (zh) * 2011-08-25 2014-04-30 理光光学有限公司 目镜系统及图像观察装置
CN104793319A (zh) * 2014-01-17 2015-07-22 先进光电科技股份有限公司 五片式成像镜头组
JP2017122771A (ja) * 2016-01-05 2017-07-13 株式会社リコー 虚像光学系及び虚像表示装置
JP2017219785A (ja) * 2016-06-10 2017-12-14 セイコーエプソン株式会社 投射用レンズおよびプロジェクター
CN109283668A (zh) * 2017-07-19 2019-01-29 扬明光学股份有限公司 光学镜头
CN109932820A (zh) * 2017-12-18 2019-06-25 中强光电股份有限公司 显示器
WO2019210740A1 (zh) * 2018-05-03 2019-11-07 浙江舜宇光学有限公司 光学成像镜头

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3920315A (en) * 1974-10-15 1975-11-18 Bell & Howell Co Zoom projection lens
US4105308A (en) * 1977-01-03 1978-08-08 Polaroid Corporation Aspheric plastic triplet
JP4060075B2 (ja) * 2001-12-26 2008-03-12 フジノン株式会社 ズームレンズおよび投写光学装置
JP3566698B2 (ja) * 2002-01-17 2004-09-15 キヤノン株式会社 ファインダー及びそれを用いた光学機器
TWI408435B (zh) * 2010-07-29 2013-09-11 Young Optics Inc 投影鏡頭
US8950874B2 (en) * 2011-09-16 2015-02-10 Ricoh Company, Ltd. Projection optical system and image display apparatus
JP6172431B2 (ja) * 2012-11-26 2017-08-02 株式会社リコー 投射光学系
GB2550958B (en) * 2016-06-03 2022-02-23 Bae Systems Plc Waveguide structure
WO2018231595A1 (en) * 2017-06-14 2018-12-20 Apple Inc. Display illumination systems
CN115793192A (zh) * 2017-11-03 2023-03-14 玉晶光电(厦门)有限公司 光学透镜组
CN109932806B (zh) * 2017-12-18 2021-06-08 中强光电股份有限公司 光学镜头
TWI664469B (zh) * 2018-07-25 2019-07-01 揚明光學股份有限公司 定焦鏡頭
JP7218202B2 (ja) * 2019-02-14 2023-02-06 キヤノン株式会社 観察光学系およびそれを備えた画像表示装置

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10197790A (ja) * 1996-11-12 1998-07-31 Sharp Corp 投写レンズ及び照明レンズ及びこれらのいずれかを用いた液晶プロジェクタ
CN103765292A (zh) * 2011-08-25 2014-04-30 理光光学有限公司 目镜系统及图像观察装置
TW201321793A (zh) * 2011-11-28 2013-06-01 Young Optics Inc 投影鏡頭和投影裝置
CN104793319A (zh) * 2014-01-17 2015-07-22 先进光电科技股份有限公司 五片式成像镜头组
JP2017122771A (ja) * 2016-01-05 2017-07-13 株式会社リコー 虚像光学系及び虚像表示装置
JP2017219785A (ja) * 2016-06-10 2017-12-14 セイコーエプソン株式会社 投射用レンズおよびプロジェクター
CN109283668A (zh) * 2017-07-19 2019-01-29 扬明光学股份有限公司 光学镜头
CN109932820A (zh) * 2017-12-18 2019-06-25 中强光电股份有限公司 显示器
WO2019210740A1 (zh) * 2018-05-03 2019-11-07 浙江舜宇光学有限公司 光学成像镜头

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