CN116774421A

CN116774421A - 光学镜头以及显示装置

Info

Publication number: CN116774421A
Application number: CN202210591776.XA
Authority: CN
Inventors: 郭道宏
Original assignee: Coretronic Corp
Current assignee: Coretronic Corp
Priority date: 2022-03-11
Filing date: 2022-05-27
Publication date: 2023-09-19
Also published as: TW202336481A; TWI810955B

Abstract

本发明提供了一种光学镜头，其用于接收来自成像元件的影像光束。光学镜头从入光侧至出光侧沿光轴依序包括具有屈光率的第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜，且第一透镜至第四透镜各自包括朝向入光侧且使影像光束通过的入光面及朝向出光侧且使影像光束通过的出光面。第一透镜具有正屈光率。第二透镜具有负屈光率。第三透镜具有正屈光率。第一透镜或第三透镜为玻璃材质。光学镜头接收来自入光侧的影像光束。影像光束在该出光侧形成光栏且影像光束于光栏的位置具有最小的光束截面积。本发明的光学镜头具有良好的光学品质与热稳定性。

Description

光学镜头以及显示装置

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

随着立体显示(stereoscopic display)及虚拟实境(virtual reality)等多媒体影像应用的出现，为了提供令人惊艳的视觉效果，显示装置对于高解析度的需求逐渐增加。

具有波导(waveguide)的波导显示器依其影像源的种类可区分为自发光式面板架构、穿透式面板架构以及反射式面板架构。影像源(面板)产生的影像光束透过光学镜头形成一个虚像，此虚像进一步显示在使用者的眼睛前方的预设位置。当光学镜头应用在波导显示器中时，其在设计上的尺寸、重量、解析度以及热飘移的考量是重要的议题。

“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”段落所公开的内容可能包含一些没有构成所属领域技术人员所知道的现有技术。在“背景技术”段落所公开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领域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，其具有良好的光学品质与热稳定性。

本发明的其他目的和优点可以从本发明所公开的技术特征中得到进一步的了解。

为实现上述目的之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明提供一种光学镜头，其用于接收来自成像元件的影像光束。光学镜头从入光侧至出光侧沿光轴依序包括具有屈光率的第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜，且第一透镜至第四透镜各自包括朝向入光侧且使影像光束通过的入光面及朝向出光侧且使影像光束通过的出光面。第一透镜具有正屈光率。第二透镜具有负屈光率。第三透镜具有正屈光率。第一透镜或第三透镜为玻璃材质。光学镜头接收来自入光侧的影像光束。影像光束在该出光侧形成光栏且影像光束于光栏的位置具有最小的光束截面积。

为实现上述目的之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明另提供一种光学镜头，其包括如上述的光学镜头、成像元件以及波导元件。成像元件设置于光学镜头的入光侧，以提供影像光束。波导元件设置于光学镜头的出光侧，且具有光耦合入口以及光耦合出口。来自成像元件的影像光束通过光学镜头后经由光耦合入口进入波导元件，并且波导元件引导影像光束，以使影像光束由光耦合出口离开波导元件。

基于上述内容，本发明的实施例至少具有以下优点或功效中的一个。在本发明的光学镜头以及显示装置中，光学镜头包括第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜。其中，第一透镜具有正屈光率，第二透镜具有负屈光率，第三透镜具有正屈光率，且第一透镜或第三透镜为玻璃材质。相较于现有镜头，本发明的光学镜头设计配合使用了较小的0.13吋的成像元件使得整体光机体积可以缩小。光学镜头能解析125每毫米线对(lp/mm)空间解析度的影像，且热飘移量小，具有良好的光学表现。另外，光学镜头的镜片数由现有的5片减少至4片可使得成像模块整体体积缩小。

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，并配合所附视图作详细说明如下。

附图说明

图1A为本发明一实施例的显示装置的示意图。

图1B为本发明另一实施例的显示装置的示意图。

图2为本发明第一实施例的成像模块的示意图。

图3为图2中的光学镜头的横向色差图。

图4为图2中的光学镜头的像散场曲及畸变图。

图5为图2中的光学镜头的横向光束扇形图。

图6A至图6F为图2中的光学镜头在不同温度下的调制转换函数曲线图。

图7为本发明第二实施例的成像模块的示意图。

图8为图7中的光学镜头的横向色差图。

图9为图7中的光学镜头的像散场曲及畸变图。

图10为图7中的光学镜头的横向光束扇形图。

图11A至图11F为图7中的光学镜头在不同温度下的调制转换函数曲线图。

图12为本发明第三实施例的成像模块的示意图。

图13为图12中的光学镜头的横向色差图。

图14为图12中的光学镜头的像散场曲及畸变图。

图15为图12中的光学镜头的横向光束扇形图。

图16A至图16F为图12中的光学镜头在不同温度下的调制转换函数曲线图。

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考视图的优选实施例作出的详细说明中，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)仅是参考附加视图的方向。因此，使用的方向用语用来说明并非用来限制本发明。

图1A为本发明一实施例的显示装置的示意图。请参考图1A。本实施例提供一种显示装置100，其包括光学镜头110、波导元件130以及成像元件150。在本实施例中，显示装置100例如是头戴式显示装置，但本发明并不限于此。其中光学镜头110用于接收来自成像元件150的影像光束IM。光学镜头110由不同光学条件的多个光学透镜所组合，其将由后续段落详细说明。成像元件150设置于光学镜头110的入光侧IS，提供影像光束IM。波导元件130设置于光学镜头110的出光侧ES，且波导元件130具有彼此相对的上表面及下表面(未标号)且具有光耦合入口ET以及光耦合出口OT。光耦合入口ET与光耦合出口OT分别例如是来自光学镜头110的影像光束IM入射至波导元件130的表面区域与影像光束IM离开波导元件130的表面区域。在本实施例中，光耦合入口ET与光耦合出口OT皆位于波导元件130的上表面。来自成像元件150的影像光束IM通过光学镜头110后经由光耦合入口ET进入波导元件130，并且影像光束IM在波导元件130内传递，最后影像光束IM由光耦合出口OT离开波导元件130，进而投射到目标F(例如是头戴式显示装置的使用者的眼睛)。其中，影像光束IM在光学镜头110的出光侧ES形成光栏ST，且影像光束IM于光栏ST的位置具有最小的光束截面积。举例而言，在本实施例中，此最小光束截面积的直径为3.7毫米。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。具体而言，在本实施例中，光栏ST形成于波导元件130的光耦合入口ET的一位置或接近光耦合入口ET的一位置。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。

具体而言，在本实施例中，显示装置100还包括棱镜120、玻璃盖140、抗反射元件160与反射元件170，其中光学镜头110、棱镜120、玻璃盖140及成像元件150可合称为成像模块105。棱镜120设置于影像光束IM的路径上，且设置于成像元件150与光学镜头110之间。成像元件150所提供的影像光束IM通过棱镜120进入光学镜头110。成像元件150设置于光学镜头110的入光侧IS。在本实施例中，成像元件150可以是能提供影像光束IM的显示装置，例如是有机发光二极管面板(OLED Panel)或微发光二极管面板(Micro LED Panel)。在另一实施例中，成像元件150可以由红色微发光二极管面板、绿色微发光二极管面板以及蓝色微发光二极管面板所组成，而棱镜120例如为X棱镜(X prism)，用以将三个不同颜色的微发光二极管面板所发出的色光进行合光而形成影像光束。在本实施例中，成像元件150使用0.13吋的微发光二极管面板，其对角线长度为3.2毫米。图1B为本发明另一实施例的显示装置的示意图。在图1B中，显示装置100还可包括照明光源101，且成像元件150为反射式影像源。照明光源101产生照明光束，经由光学元件导引至成像元件150后，经过成像元件150的反射并形成为影像光束IM。举例而言，成像元件150例如为硅基液晶面板(Liquid Crystal OnSilicon panel，LCoS panel)或数字微镜元件(Digital Micro-mirror Device，DMD)等反射式光调变器，本发明并不限于此。本发明对成像元件150的型态及其种类并不加以限制。玻璃盖140设置于成像元件150与棱镜120之间，用以保护成像元件150使其免受灰尘的影响。

另一方面，波导元件130的光耦合入口ET所在处设有抗反射元件160，其中抗反射元件160例如可以为一层涂布于波导元件130的上表面且对应光耦合入口ET的抗反射层，或是抗反射元件160可以是于波导元件130的上表面且对应光耦合入口ET的位置进行表面处理而形成的抗反射结构。抗反射元件160用以使影像光束IM更容易进入波导元件130而降低被波导元件130的表面反射的比例。而波导元件130的下表面且相对于光耦合出口OT的所在处设有反射元件170，其中反射元件170例如可以为一层涂布于波导元件130的下表面且相对于光耦合出口OT的反射膜层，或者反射元件170可以是于波导元件130的下表面进行表面处理而形成的反射结构。反射元件170可反射在波导元件130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130内的影像光束IM更容易离开波导元件130。

图2为本发明第一实施例的成像模块的示意图。请参考图1A、图1B及图2。图2、图7及图12所显示的成像模块105至少可应用于图1A或图1B所显示的显示装置100，故以下先以图2所显示的成像模块105为例说明。在第一实施例的成像模块105中，光学镜头110从入光侧IS至出光侧ES沿光轴OA依序包括具有屈光率的第一透镜111、第二透镜113、第三透镜115以及第四透镜117，且第一透镜111至第四透镜117各自包括朝向入光侧IS且使影像光束IM通过的入光面9、7、5、3及朝向出光侧ES且使影像光束IM通过的出光面8、6、4、2。另外，成像模块105中的玻璃盖140和棱镜120分别具有入光面13、11以及出光面12、10，成像元件150则具有成像面14。

第一透镜111具有正屈光率。第一透镜111的材质为塑胶材质。第一透镜111的入光面9为朝向成像元件150凸出的凸面。第一透镜111的出光面8为朝向光栏ST的凹面。在本实施例中，第一透镜111的入光面9与出光面8皆为非球面表面(aspheric surface)，但本发明并不限于此。

第二透镜113具有负屈光率。第二透镜113的材质为塑胶材质。第二透镜113的入光面7为朝向成像元件150的凹面。第二透镜113的出光面6为朝向光栏ST的凹面。在本实施例中，第二透镜113的入光面7与出光面6皆为非球面表面，但本发明并不限于此。

第三透镜115具有正屈光率。第三透镜115的材质为玻璃材质。第三透镜115的入光面5为朝向成像元件150的凹面。第三透镜115的出光面4为朝向光栏ST凸出的凸面。在本实施例中，第三透镜115的入光面5与出光面4皆为非球面表面，但本发明并不限于此。

第四透镜117具有正屈光率。第四透镜117的材质为塑胶材质。第四透镜117的入光面3为朝向成像元件150凸出的凸面。第四透镜117的出光面2为朝向光栏ST的凹面。在本实施例中，第四透镜117的入光面3与出光面2皆为非球面表面，但本发明并不限于此。

第一实施例的其他详细光学数据如下表一所示，其中第一实施例的光学镜头110的有效焦距为6.01毫米、半视角为15度、像高为1.6毫米。应当说明的是，表一所示的入光面9的曲率半径所指为第一透镜111的入光面9在光轴区域的曲率半径，出光面8的曲率半径所指为第一透镜111的出光面8在光轴区域的曲率半径，依此类推。入光面9的间距(如表一所示为0.93mm)所指为入光面9与下一个表面(此例中为棱镜120的出光面10)在光轴OA上的间距，即第一透镜111与棱镜120在光轴OA上的间隙为0.93mm。出光面8的间距(如表一所示为1.74mm)所指为第一透镜111的出光面8与入光面9在光轴OA上的间距，即第一透镜111在光轴OA上的厚度为1.74mm，依此类推。

表一：

另值得说明的是，在第一实施例的光学镜头110中，其焦距为6.01毫米，玻璃镜片(即第三透镜115)的焦距为7.54毫米，玻璃镜片(即第三透镜115)的阿贝数为37.09，最靠近光栏ST的第四透镜117的焦距为22.41毫米。换句话说，第一实施例的光学镜头110满足以下3个条列式：

光学镜头110满足0.5<fg/f<3；

光学镜头110满足Vg>30；以及

光学镜头110满足|fs/f|>1。

其中，

fg为光学镜头110中玻璃镜片的有效焦距；

f为光学镜头110的有效焦距；

Vg为光学镜头110中玻璃镜片的阿贝数；以及

fs为光学镜头110中最靠近光栏ST的第四透镜117的有效焦距。

在本实施例中，入光面9、7、5、3及出光面8、6、4、2共计八个面均是非球面，而这些非球面依下列公式定义：

Y为非球面曲线上的点与光轴的距离；

Z为非球面深度，即非球面上距离光轴为Y的点与相切于非球面光轴上的顶点的切面之间的垂直距离；

R为透镜表面的曲率半径；

K为圆锥系数；

a_2i为第2i阶非球面系数。

本实施例在上述非球面在公式(1)中的各项非球面系数如下表二所示。其中，表二中栏位编号9表示其为第一透镜111的入光面9的非球面系数，其它栏位依此类推。在本实施例中，各非球面的第2阶非球面系数a₂皆为零，故未列于表格中。

表二：

表面

K

a₄

a₆

a₈

a₁₀

a₁₂

a₁₄

2

-7.78E-001

6.18E-003

5.41E-004

-3.47E-005

-8.13E-005

1.79E-005

2.27E-007

3

-1.43E-000

-1.57E-003

7.24E-006

-3.53E-005

5.68E-008

4.49E-008

1.81E-007

4

0

-7.39E-005

-5.97E-005

-1.13E-005

7.63E-007

3.89E-007

1.09E-008

5

0

-5.24E-004

9.08E-006

2.49E-005

-1.27E-006

-2.75E-007

1.00E-007

6

-4.84E-001

-1.26E-002

2.20E-003

-3.78E-004

3.41E-005

1.01E-006

-3.30E-007

7

-9.63E-000

-4.62E-003

1.94E-004

2.46E-005

-7.64E-006

-2.25E-007

1.28E-007

8

0

2.31E-003

-2.36E-003

4.72E-004

-4.67E-005

-5.73E-007

2.54E-007

9

0

4.39E-003

-8.88E-004

2.20E-004

-2.99E-005

2.40E-006

-1.15E-007

当本第一实施例的环境温度分别为0℃、10℃、20℃、30℃及40℃时，光学镜头110的第一透镜111、第二透镜113、第三透镜115、第四透镜117的温度值(℃)如下表三所示。并且，当本第一实施例的光学镜头110在0℃～40℃的环温范围内，且应用在热平衡时，在不重新调整焦距的情况下，对应投影画面的中心点，光学镜头的背焦的热飘移量小于0.01mm。

表三：

环境温度	第四透镜117	第三透镜115	第二透镜113	第一透镜111
					0	8	11	16	19
10	18	21	26	29
					20	28	31	36	39
30	38	41	46	49
					40	48	51	56	59

图3为图2中的光学镜头的横向色差图。图4为图2中的光学镜头的像散场曲及畸变图。图5为图2中的光学镜头的横向光束扇形图。图6A至图6F为图2的光学镜头在不同温度下的调制转换函数曲线图。再配合参阅图3至图6F，图3说明第一实施例光学镜头110的横向色差(Lateral Chromatic Aberration)，图4说明第一实施例的光学镜头110当参考波长为530纳米时的弧矢(Sagittal)方向(标示X)的场曲(Field Curvature)像差、子午(Tangential)方向(标示Y)的场曲像差及畸变像差(Distortion Aberration)。图5说明第一实施例光学镜头110的横向光束扇形图(transverse ray fan plot)，其是以波长为453纳米、530纳米、620纳米的光所作出的模拟数据图。图6A至图6F则分别说明第一实施例的光学镜头110在不同温度下的调制转换函数曲线图。由图3可以看出，本实施例的光学镜头110在不同波长间色差小，故说明色差表现良好。由图4可以看出，本实施例的光学镜头110的场曲像差落在±0.025毫米内，说明第一实施例的光学镜头110能有效消除像差。而由畸变像差视图则显示出畸变像差维持在±2％的范围内，说明第一实施例的畸变像差具备光学镜头110的成像品质要求，能提供良好的成像品质。

此外，相较于现有镜头，本实施例的光学镜头110设计配合使用了较小的0.13吋的成像元件150使得成像模块105整体体积缩小。此外，光学镜头110输出视角可达30度并提高解析度至125每毫米线对(lp/mm)。另外，光学镜头110的镜片数由现有的5片减少至4片可使得成像模块105整体体积缩小。

为了充分说明本发明的各种实施态样，将在下文描述本发明的其他实施例。在此必须说明的是，下述实施例沿用前述实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件，并且省略了对于相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参考前述实施例，下述实施例不再重复赘述。

图7为本发明第二实施例的成像模块的示意图。请参考图7。本第二实施例的成像模块105A与第一实施例的成像模块105大致相似，而两者的差异如下所述：光学镜头110的各光学数据、非球面系数及这些透镜111、113、115及117之间的参数或多或少有些不同。此外，在本实施例中，第四透镜117具有负屈光率。第二实施例的其他详细光学数据如下表四所示。

表四：

另值得说明的是，在第二实施例的光学镜头110中，其焦距为6.12毫米，玻璃镜片(即第三透镜115)的焦距为6毫米，玻璃镜片(即第三透镜115)的阿贝数为40.9，最靠近光栏ST的第四透镜117的焦距为-300毫米。换句话说，第二实施例的光学镜头110同样符合前述图1A的光学镜头110的3个条列式。

本实施例在上述非球面在公式(1)中的各项非球面系数如下表五所示。在本实施例中，各非球面的第2阶非球面系数a₂皆为零，故未列于表格中。

表五：

表面

K

a₄

a₆

a₈

a₁₀

a₁₂

a₁₄

2

-9.05E-001

8.50E-003

7.54E-004

3.16E-005

-1.80E-005

2.11E-005

-4.35E-006

3

-1.45E-000

-1.06E-003

9.98E-005

-4.48E-005

7.56E-006

1.21E-008

-2.80E-007

4

0

-1.06E-004

1.59E-004

2.28E-005

2.41E-006

1.87E-008

4.68E-008

5

0

8.77E-004

1.98E-004

3.00E-005

-2.34E-007

7.25E-007

4.16E-007

6

-1.91E-001

-1.69E-002

1.69E-003

-4.22E-004

2.99E-005

1.49E-006

1.72E-007

7

-9.90E-000

-6.09E-003

-1.77E-004

-6.03E-006

-6.77E-006

2.91E-007

2.30E-007

8

0

2.31E-003

-2.36E-003

4.72E-004

-4.67E-005

-5.73E-007

2.54E-007

9

0

3.34E-003

-6.78E-004

2.14E-004

-2.61E-005

3.31E-006

-2.60E-007

当本第二实施例的环境温度分别为0℃、10℃、20℃、30℃及40℃时，光学镜头110的第一透镜111、第二透镜113、第三透镜115、第四透镜117的温度(℃)如下表六所示。并且，当本第二实施例的光学镜头110在0℃～40℃的环温范围内，且应用在热平衡时，在不重新调整焦距的情况下，对应投影画面的中心点，光学镜头的背焦的热飘移量小于0.01毫米。

表六：

图8为图7中的光学镜头的横向色差图。图9为图7中的光学镜头的像散场曲及畸变图。图10为图7中的光学镜头的横向光束扇形图。图11A至图11F为图7中的光学镜头在不同温度下的调制转换函数曲线图。再配合参阅图8至图11F，图8说明第二实施例光学镜头110的横向色差(Lateral Chromatic Aberration)，图9说明第二实施例的光学镜头110当参考波长为530纳米时的弧矢(Sagittal)方向(标示X)的场曲(Field Curvature)像差、子午(Tangential)方向(标示Y)的场曲像差及畸变像差(Distortion Aberration)。图10说明第二实施例光学镜头110的横向光束扇形图(transverse ray fan plot)，其是以波长为453纳米、530纳米、620纳米的光所作出的模拟数据图。图11A至图11F则分别说明第二实施例的光学镜头110在不同温度下的调制转换函数曲线图。由图8可以看出，本实施例的光学镜头110在不同波长间色差小，故说明色差表现良好。由图9可以看出，本实施例的光学镜头110的场曲像差落在±0.02毫米内，说明第二实施例的光学镜头110能有效消除像差。而由畸变像差视图则显示出畸变像差维持在±2.5％的范围内，说明第二实施例的畸变像差具备光学镜头110的成像品质要求，能提供良好的成像品质。

图12为本发明第三实施例的成像模块的示意图。请参考图12。本第三实施例的成像模块105B与第一实施例的成像模块105大致相似，而两者的差异如下所述：光学镜头110的各光学数据、非球面系数及这些透镜111、113、115及117之间的参数或多或少有些不同。此外，在本实施例中，第一透镜111的材质为玻璃材质，第二透镜113、第三透镜115及第四透镜117的材质为塑胶材质，第一透镜111具有正屈光度，第二透镜113具有负屈光度，第三透镜115具有正屈光度，第四透镜117具有正屈光率，且第一透镜111的表面可以是非球面或球面。第三实施例的其他详细光学数据如下表七所示。

表七：

另值得说明的是，在第三实施例的光学镜头110中，其焦距为5.98毫米，玻璃镜片(即第一透镜111)的焦距为5毫米，玻璃镜片(即第一透镜111)的阿贝数为64.06，最靠近光栏ST的第四透镜117的焦距为61.41毫米。换句话说，第三实施例的光学镜头110同样符合前述图1A的光学镜头110的3个条列式。

本实施例在上述非球面在公式(1)中的各项非球面系数如下表八所示。在本实施例中，各非球面的第2阶非球面系数a₂皆为零，故未列于表格中。

表八：

表面

K

a₄

a₆

a₈

a₁₀

a₁₂

a₁₄

2

-9.10E-001

8.90E-003

-6.88E-004

-5.48E-004

7.64E-006

7.43E-005

-1.36E-005

3

-1.27E-000

-2.19E-003

-5.78E-005

-6.55E-005

8.14E-006

1.22E-006

-2.08E-007

4

0

-2.24E-003

-1.92E-004

3.32E-006

4.87E-006

5.01E-007

-8.26E-008

5

0

3.38E-003

6.63E-004

3.22E-005

-1.11E-005

1.22E-006

1.84E-006

6

-6.81E-001

-1.51E-002

2.05E-003

-5.17E-004

7.56E-006

-2.42E-006

7.27E-007

7

-6.08E-000

-7.03E-003

-3.16E-004

-2.75E-006

-5.98E-007

1.61E-006

5.97E-008

8

0

-1.46E-003

-2.36E-003

5.08E-004

-3.73E-005

1.09E-006

6.19E-008

9

0

1.80E-003

-7.69E-004

1.96E-004

-3.05E-005

3.39E-006

-1.70E-007

当本第三实施例的环境温度分别为0℃、10℃、20℃、30℃及40℃时，光学镜头110的第一透镜111、第二透镜113、第三透镜115、第四透镜117的温度(℃)如下表九所示。并且，当本第三实施例的光学镜头110在0℃～40℃的环温范围内，且应用在热平衡时，在不重新调整焦距的情况下，对应投影画面的中心点，光学镜头的背焦的热飘移量小于0.01毫米。

表九：

图13为图12中的光学镜头的横向色差图。图14为图12中的光学镜头的像散场曲及畸变图。图15为图12中的光学镜头的横向光束扇形图。图16A至图16F为图12中的光学镜头在不同温度下的调制转换函数曲线图。再配合参阅图13至图16F，图13说明第三实施例光学镜头110的横向色差(Lateral Chromatic Aberration)，图14说明第三实施例的光学镜头110当参考波长为530纳米时的弧矢(Sagittal)方向(标示X)的场曲(Field Curvature)像差、子午(Tangential)方向(标示Y)的场曲像差及畸变像差(Distortion Aberration)。图15说明第三实施例光学镜头110的横向光束扇形图(transverse ray fan plot)，其是以波长为453纳米、530纳米、620纳米的光所作出的模拟数据图。图16A至图16F则分别说明第二实施例的光学镜头110在不同温度下的调制转换函数曲线图。由图13可以看出，本实施例的光学镜头110在不同波长间色差小，故说明色差表现良好。由图14可以看出，本实施例的光学镜头110的场曲像差落在±0.02毫米内，说明第三实施例的光学镜头110能有效消除像差。而由畸变像差视图则显示出畸变像差维持在±5.0％的范围内，说明第三实施例的畸变像差具备光学镜头110的成像品质要求，能提供良好的成像品质。

综上所述，在本发明的光学镜头以及显示装置中，光学镜头包括第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜。其中，第一透镜具有正屈光率，第二透镜具有负屈光率，第三透镜具有正屈光率，且第一透镜或第三透镜为玻璃材质。相较于现有镜头，本发明的光学镜头设计配合使用了较小的0.13吋的成像元件使得整体光机体积可以缩小。光学镜头能解析125每毫米线对(lp/mm)空间解析度的影像，且热飘移量小，具有良好的光学表现。另外，光学镜头的镜片数由现有的5片减少至4片可使得成像模块整体体积缩小。

以上所述仅为本发明的优选实施例，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡是依照本发明权利要求书及发明说明书所作的简单的等效变化与修饰皆仍处于本发明专利涵盖的范围内。另外，本发明的任一实施例或权利要求书不须实现本发明所公开的全部目的或优点或特点。此外，说明书摘要和发明名称仅用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明的权利范围。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。

附图标记列表

100,100A:显示装置

101:照明光源

105,105A,105B:成像模块

110:光学镜头

111:第一透镜

113:第二透镜

115:第三透镜

117:第四透镜

120:棱镜

130:波导元件

140:玻璃盖

150:成像元件

160:抗反射元件

170:反射元件

1:平面

2,4,6,8,10,12:出光面

3,5,7,9,11,13:入光面

14:成像面

ES:出光侧

ET:光耦合入口

F:目标

IM:影像光束

IS:入光侧

OA:光轴

OT:光耦合出口

ST:光栏。

Claims

1.一种光学镜头，其特征在于，所述光学镜头用于接收来自成像元件的影像光束，所述光学镜头从入光侧至出光侧沿光轴依序包括具有屈光率的第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜，且所述第一透镜至所述第四透镜各自包括朝向所述入光侧且使所述影像光束通过的入光面及朝向所述出光侧且使所述影像光束通过的出光面；

所述第一透镜具有正屈光率；

所述第二透镜具有负屈光率；

所述第三透镜具有正屈光率；以及

所述第一透镜或所述第三透镜为玻璃材质，

所述光学镜头接收来自所述入光侧的所述影像光束，所述影像光束在所述出光侧形成光栏且所述影像光束于所述光栏的位置具有最小的光束截面积。

2.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、所述第三透镜以及所述第四透镜中的三者为塑胶非球面透镜，另一者为玻璃非球面透镜。

3.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、所述第三透镜以及所述第四透镜的材质依序为塑胶、塑胶、玻璃、塑胶。

4.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、所述第三透镜以及所述第四透镜的材质依序为玻璃、塑胶、塑胶、塑胶。

5.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第四透镜具有正屈光率。

6.根据权利要求3所述的光学镜头，其特征在于，所述第四透镜具有负屈光率。

7.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头的全视场角介于25度至35度之间。

8.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第一透镜的入光面为朝向所述成像元件的凸面。

9.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第三透镜的出光面为朝向所述光栏的凸面。

10.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第四透镜的入光面为朝向所述成像元件凸出的凸面，且所述第四透镜的出光面为朝向所述光栏的凹面。

11.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第一透镜的入光面、所述第二透镜的入光面、所述第二透镜的出光面、所述第四透镜的入光面以及所述第四透镜的出光面为非球面表面。

12.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足条件式0.5<fg/f<3，其中，fg为所述光学镜头的玻璃镜片的有效焦距，且f为所述光学镜头的有效焦距。

13.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足条件式Vg>30，其中，Vg为所述光学镜头的玻璃镜片的阿贝数。

14.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足条件式|fs/f|>1，其中fs为所述第四透镜的有效焦距，且f为所述光学镜头的有效焦距。

15.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头的有效焦距介于5.5毫米至6.5毫米之间。

16.一种显示装置，其特征在于，包括根据权利要求1所述的光学镜头、所述成像元件以及波导元件，其中：

所述成像元件设置于所述光学镜头的入光侧，以提供所述影像光束，

所述波导元件设置于所述光学镜头的出光侧，且具有光耦合入口以及光耦合出口，来自所述成像元件的所述影像光束通过所述光学镜头后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。

17.根据权利要求16所述的显示装置，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的一位置或接近所述光耦合入口的一位置。

18.根据权利要求16所述的显示装置，其特征在于，所述显示装置还包括棱镜，所述棱镜设置于所述影像光束的路径上，且设置于所述成像元件与所述光学镜头之间。

19.根据权利要求18所述的显示装置，其特征在于，所述显示装置还包括照明光源，其中所述成像元件为反射式影像源，所述照明光源产生照明光束，所述照明光束经由所述棱镜导引至所述成像元件后，经过所述成像元件的反射并形成为所述影像光束。

20.根据权利要求18所述的显示装置，其特征在于，所述成像元件为硅基液晶面板、数字微镜元件、有机发光二极管面板或微发光二极管面板。