TW201802534A - 虛擬實境用的放大透鏡組 - Google Patents

Abstract

一種虛擬實境用的放大透鏡組，從物側至像側沿一光軸依序包含一孔徑光欄、一第一透鏡、一第二透鏡及一第三透鏡。該第一透鏡具正屈折力，該第一透鏡的該像側面為凸向像側的凸面。該第二透鏡具負屈折力。該第三透鏡具負屈折力，該第三透鏡的該像側面為凸向像側的非球面凸面且從該光軸至非球面終止點具有至少一反曲點。其中，該放大透鏡組滿足0.26＜f1/f＜0.65、0.57＜|f2|/f＜2.29、0.36＜|f3|/f＜0.77及FOV＞100˚，f1為該第一透鏡的焦距，f2為該第二透鏡的焦距，f3為該第三透鏡的焦距，f為該放大透鏡組的系統總焦距，FOV為該放大透鏡組的系統總視場角。

Description

虛擬實境用的放大透鏡組

本發明是有關於一種透鏡組合，特別是指一種虛擬實境用的放大透鏡組。

虛擬實境(Virtual Reality，VR)是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關於視覺等感官的模擬，讓使用者感覺仿佛身歷其境。

頭戴式顯示器(Head Mount Display，HMD)為一種穿戴於使用者頭上的影像顯示器，以用來提供虛擬實境的視覺感官模擬呈現平台裝置。頭戴式顯示器主要是將一微小尺寸的顯示元件，以眼鏡或頭盔等形式放置於使用者眼前，且透過一光學透鏡組近距離對使用者眼睛投射該顯示元件所顯示的影像。

然而，上述光學透鏡組必須能將上述顯示元件的影像放大後，並以一較大視場角對於使用者的眼睛產生較廣視角影像投射，盡可能涵蓋使用者眼睛的視場角範圍，且上述光學透鏡組同時須具有良好的成像品質，從而能讓投射進使用者眼睛的影像模擬更接近眼睛實際上所接受到的環境影像，以讓使用者身歷其境的視覺感受能有所提升。

經由上述說明可知，如何製作出符合虛擬實境用的頭帶式顯示器所需求的光學透鏡組，並持續提升其成像品質，長久以來一直是本領域產、官、學界所熱切追求的目標。

因此，本發明之目的，即在提供一種具有廣視場角、能有效校正系統像差及校正系統色差的虛擬實境用的放大透鏡組。

於是，本發明虛擬實境用的放大透鏡組，從物側至像側沿一光軸依序包含一孔徑光欄、一第一透鏡、一第二透鏡，及一第三透鏡。

該第一透鏡具正屈折力且包括一朝向物側且使成像光線通過的物側面及一朝向像側且使成像光線通過的像側面。該第一透鏡的該像側面為凸向像側的凸面。

該第二透鏡具負屈折力且包括一朝向物側且使成像光線通過的物側面及一朝向像側且使成像光線通過的像側面。

該第三透鏡具負屈折力且包括一朝向物側且使成像光線通過的物側面及一朝向像側且使成像光線通過的像側面。該第三透鏡的該像側面為凸向像側的非球面凸面且從該光軸至非球面終止點具有至少一反曲點。

其中，該放大透鏡組滿足0.26＜f1/f＜0.65、0.57＜|f2|/f＜2.29、0.36＜|f3|/f＜0.77及FOV＞100˚，f1為該第一透鏡的焦距，f2為該第二透鏡的焦距，f3為該第三透鏡的焦距，f為該放大透鏡組的系統總焦距，FOV為該放大透鏡組的系統總視場角。

本發明之功效在於：透過該第一透鏡具正屈折力及其像側面為凸面、該第二透鏡具負屈折力，且該第三透鏡具有負屈折力及其像側面為凸面的透鏡屈折力及面結構配置，且該放大透鏡組的各項光學參數間的關係式滿足上述條件式時，本發明虛擬實境用的放大透鏡組能有效校正系統像差，同時達到具有較廣系統總視場角的目的。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1，本發明虛擬實境用的放大透鏡組之一第一實施例，從物側至像側沿一光軸I依序包含一孔徑光欄10、一第一透鏡1、一第二透鏡2、一第三透鏡3，及一保護玻璃片4。此外，為了滿足產品輕量化的需求，該第一透鏡1、該第二透鏡2及該第三透鏡3皆為塑膠材質所製成，但該第一透鏡1、該第二透鏡2及該第三透鏡3的材質仍不以此為限制。

該第一透鏡1具有正屈折力且包括一朝向物側且使成像光線通過的物側面11及一朝向像側且使成像光線通過的像側面12。該第一透鏡1的該物側面11為凸向物側的凸面，該第一透鏡1的該像側面12為凸向像側的凸面。該第一透鏡1的焦距為17.7200mm，該第一透鏡1的阿貝數(Abbe number)為56。

該第二透鏡2具有負屈折力且包括一朝向物側且使成像光線通過的物側面21及一朝向像側且使成像光線通過的像側面22。該第二透鏡2的該物側面21為凹向物側的凹面，該第二透鏡2的該像側面22為凸向像側的凸面。該第二透鏡2的焦距為-62.2120mm，該第二透鏡2的阿貝數為56。

該第三透鏡3具有負屈折力且包括一朝向物側且使成像光線通過的物側面31及一朝向像側且使成像光線通過的像側面32。該第三透鏡3的該物側面31為凹向物側的凹面，該第三透鏡3的該像側面32為凸向像側的非球面凸面且從該光軸I至非球面終止點具有一反曲點，但不以此為限，也可視不同凹凸變化而具有兩個以上的反曲點。該第三透鏡3的焦距為-20.9150mm，該第三透鏡3的阿貝數為22.4。

該保護玻璃片4不具有屈折力且包括一朝向物側且使成像光線通過的物側面41及一朝向像側且使成像光線通過的像側面42。

在本實施例中，一用於虛擬實境的頭戴式顯示器的顯示螢幕100是設置於該保護玻璃片4的像側，而使用者的眼睛(圖未示)是位於該放大透鏡組的物側，也就是鄰近該孔徑光欄10。

在本實施例中，只有上述透鏡具有屈折力。該第一實施例的其他詳細光學數據如圖3所示，且該第一實施例的該放大透鏡組的系統總焦距(effective focal length，簡稱EFL)為35.3578mm，系統總視場角(field of view，簡稱FOV)為125∘，系統長度為58.604mm，該孔徑光欄10的光圈值(Fno)為4.4。其中，該放大透鏡組的系統長度是指由該孔徑光欄10到該顯示螢幕100在光軸I上之間的距離。

該第一透鏡1、該第二透鏡2，及該第三透鏡3的物側面11、21、31及像側面12、22、32，共計六個面均是非球面，而非球面是依下列公式定義：

-----------(1)

其中：

Y：非球面曲線上的點與光軸I的距離；

Z：非球面之深度(非球面上距離光軸I為Y的點，與相切於非球面光軸I上頂點之切面，兩者間的垂直距離)；

Ｒ:透鏡表面的曲率半徑；

K：錐面係數(conic constant)；

：第2i階非球面係數。

該第一透鏡1、該第二透鏡2，及該第三透鏡3的物側面11、21、31及像側面12、22、32在公式(1)中的錐面係數及各項非球面係數如圖4所示。

參閱圖2，(a)的圖式說明該第一實施例的縱向球差(longitudinal spherical aberration)，(b)與(c)的圖式則分別說明該第一實施例有關弧矢(sagittal)方向的像散像差(astigmatism aberration)，及子午(tangential)方向的像散像差，(d)的圖式則說明該第一實施例的畸變像差(distortion aberration)。本第一實施例的縱向球差圖式圖2(a)中，每一種波長所成的曲線皆很靠近並向中間靠近，說明每一種波長不同高度的離軸光線皆集中在成像點附近，由每一波長的曲線的偏斜幅度可看出，不同高度的離軸光線的成像點偏差控制在-0.4mm至+0.6mm範圍內，故本實施例確實明顯改善相同波長的球差，此外，三種代表波長彼此間的距離也相當接近，代表不同波長光線的成像位置已相當集中，因而使色像差也獲得明顯改善。

在圖2(b)與2(c)的二個像散像差圖式中，顯示弧矢方向的像散像差在整個視場範圍內的焦距變化量落在±2.0mm內，及子午方向的像散像差在一大角度以下的視場範圍內的焦距變化量落在±2.0mm內，說明本第一實施例的光學系統能有效校正像差。而圖2(d)的畸變像差圖式則顯示本第一實施例的畸變像差維持在-50%至0%的範圍內，說明本第一實施例的畸變像差已符合光學系統的成像品質要求，故本第一實施例能在擴大系統總視場角之條件下，維持良好光學性能，以符合虛擬實境用的頭帶式顯示器的光學條件需求。

參閱圖5，為本發明虛擬實境用的放大透鏡組的一第二實施例，其與該第一實施例大致相似，僅各光學數據、錐面係數、各項非球面係數及元件間的間距參數或多或少有些不同。

該第一透鏡1的焦距為13.8850mm，該第一透鏡1的阿貝數為56，該第二透鏡2的焦距為-30.4890mm，該第二透鏡2的阿貝數為56，該第三透鏡3的焦距為-18.5750mm，該第三透鏡3的阿貝數為22.4。

該第二實施例的其他詳細光學及元件間的間距參數數據如圖7所示，且該第二實施例的該放大透鏡組的系統總焦距為35.9746mm，系統總視場角為120∘，系統長度為67.838mm，該孔徑光欄10的光圈值(Fno)為4.49。

該第二實施例的該第一透鏡1、該第二透鏡2，及該第三透鏡3的物側面11、21、31及像側面12、22、32在公式(1)中的錐面係數及各項非球面係數如圖8所示。

參閱圖6，由(a)的縱向球差、(b)、(c)的像散像差，以及(d)的畸變像差圖式可看出本第二實施例也能維持良好光學性能。

參閱圖9，為本發明虛擬實境用的放大透鏡組的一第三實施例，其與該第一實施例大致相似，僅各光學數據、錐面係數、各項非球面係數及元件間的間距參數或多或少有些不同。

該第一透鏡1的焦距為13.9320mm，該第一透鏡1的阿貝數為56，該第二透鏡2的焦距為-31.8170mm，該第二透鏡2的阿貝數為56，該第三透鏡3的焦距為-19.3110mm，該第三透鏡3的阿貝數為30.5。

該第三實施例的其他詳細光學及元件間的間距參數數據如圖11所示，且該第三實施例的該放大透鏡組的系統總焦距為36.1157mm，系統總視場角為120∘，系統長度為68.262mm，該孔徑光欄10的光圈值(Fno)為4.51。

該第三實施例的該第一透鏡1、該第二透鏡2，及該第三透鏡3的物側面11、21、31及像側面12、22、32在公式(1)中的錐面係數及各項非球面係數如圖12所示。

參閱圖10，由(a)的縱向球差、(b)、(c)的像散像差，以及(d)的畸變像差圖式可看出本第三實施例也能維持良好光學性能。

參閱圖13，為本發明虛擬實境用的放大透鏡組的一第四實施例，其與該第一實施例大致相似，僅各光學數據、錐面係數、各項非球面係數及元件間的間距參數或多或少有些不同。

該第一透鏡1的焦距為13.3880mm，該第一透鏡1的阿貝數為56，該第二透鏡2的焦距為-29.4270mm，該第二透鏡2的阿貝數為56，該第三透鏡3的焦距為-18.8640mm，該第三透鏡3的阿貝數為30.5。

該第四實施例的其他詳細光學及元件間的間距參數數據如圖15所示，且該第四實施例的該放大透鏡組的系統總焦距為36.0273mm，系統總視場角為120∘，系統長度為67.932mm，該孔徑光欄10的光圈值(Fno)為4.5。

該第四實施例的該第一透鏡1、該第二透鏡2，及該第三透鏡3的物側面11、21、31及像側面12、22、32在公式(1)中的錐面係數及各項非球面係數如圖16所示。

參閱圖14，由(a)的縱向球差、(b)、(c)的像散像差，以及(d)的畸變像差圖式可看出本第四實施例也能維持良好光學性能。

參閱圖17，為上述四個實施例的各項光學參數的表格圖，本發明虛擬實境用的放大透鏡組透過該第一透鏡1具正屈折力及其像側面12為凸面、該第二透鏡2具負屈折力，且該第三透鏡3具有負屈折力及其像側面32為凸面的透鏡屈折力及面結構配置，且該放大透鏡組的各項光學參數間的關係式滿足下列條件式時，本發明虛擬實境用的放大透鏡組能有效校正系統像差，同時達到具有較廣系統總視場角的目的：0.26＜f1/f＜0.65、0.57＜|f2|/f＜2.29、及0.36＜|f3|/f＜0.77，其中，f1為該第一透鏡1的焦距，f2為該第二透鏡2的焦距，f3為該第三透鏡3的焦距，f為該放大透鏡組的系統總焦距。

當f1/f 小於上述端點值時，像差越大，特別是場曲與像散越嚴重。當f1/f大於上述端點值時，該孔徑光欄10與該第一透鏡1的距離越短，使用上眼睛容易與該第一透鏡1接觸，造成不適。當|f2|/f小於上述端點值時，像差越大，包括球差、慧差、場曲和像散都越嚴重。|f2|/f大於上述端點值時，因系統總焦距f的匹配關係，則f1/f也隨之越大，則會發生上述f1/f問題。當|f3|/f小於上述端點值時，像差越大，特別是光軸上與光軸外色差的越難補償。|f3|/f大於上述端點值時，因系統總焦距f的匹配關係，則f1/f也隨之越大，則會發生上述f1/f問題。

此外，透過該第三透鏡3具有高色散(低阿貝數)，也就是該第三透鏡3、該第一透鏡1及該第二透鏡2三者的阿貝數滿足下列條件式時，本發明虛擬實境用的放大透鏡組能有效校正系統色差：20＜V1-V3＜40及20＜V2-V3＜40，其中，V1為該第一透鏡1的阿貝數，V2為該第二透鏡2的阿貝數，V3為該第三透鏡3的阿貝數。當V1-V3或V2-V3小於上述端點值時，該放大透鏡組的系統色差會校正不足。當V1-V3或V2-V3大於上述端點值時，該放大透鏡組的系統色差會校正過度。

經由上述說明可知，本發明虛擬實境用的放大透鏡組確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

10‧‧‧孔徑光欄
100‧‧‧顯示螢幕
1‧‧‧第一透鏡
11‧‧‧物側面
12‧‧‧像側面
2‧‧‧第二透鏡
21‧‧‧物側面
22‧‧‧像側面
3‧‧‧第三透鏡
31‧‧‧物側面
32‧‧‧像側面
4‧‧‧保護玻璃片
I‧‧‧光軸

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是本發明虛擬實境用的放大透鏡組的一第一實施例的透鏡配置示意圖； 圖2是該第一實施例的縱向球差、像散場曲曲線及畸變像差圖； 圖3是一表格圖，說明該第一實施例的各透鏡的光學數據； 圖4是一表格圖，說明該第一實施例的各透鏡的錐面係數及非球面係數； 圖5是本發明虛擬實境用的放大透鏡組的一第二實施例的透鏡配置示意圖； 圖6是該第二實施例的縱向球差、像散場曲曲線及畸變像差圖； 圖7是一表格圖，說明該第二實施例的各透鏡的光學數據； 圖8是一表格圖，說明該第二實施例的各透鏡的錐面係數及非球面係數； 圖9是本發明虛擬實境用的放大透鏡組的一第三實施例的透鏡配置示意圖； 圖10是該第三實施例的縱向球差、像散場曲曲線及畸變像差圖； 圖11是一表格圖，說明該第三實施例的各透鏡的光學數據； 圖12是一表格圖，說明該第三實施例的各透鏡的錐面係數及非球面係數； 圖13是本發明虛擬實境用的放大透鏡組的一第四實施例的透鏡配置示意圖； 圖14是該第四實施例的縱向球差、像散場曲曲線及畸變像差圖； 圖15是一表格圖，說明該第四實施例的各透鏡的光學數據； 圖16是一表格圖，說明該第四實施例的各透鏡的錐面係數及非球面係數；及 圖17是一表格圖，說明本發明虛擬實境用的放大透鏡組的該第一實施例至該第四實施例的光學參數。

10‧‧‧孔徑光欄

22‧‧‧像側面

100‧‧‧顯示螢幕

3‧‧‧第三透鏡

1‧‧‧第一透鏡

31‧‧‧物側面

11‧‧‧物側面

32‧‧‧像側面

12‧‧‧像側面

4‧‧‧保護玻璃片

2‧‧‧第二透鏡

I‧‧‧光軸

21‧‧‧物側面

Claims (3)

1. 一種虛擬實境用的放大透鏡組，從物側至像側沿一光軸依序包含一孔徑光欄、一第一透鏡、一第二透鏡，及一第三透鏡； 該第一透鏡，具正屈折力且包括一朝向物側且使成像光線通過的物側面及一朝向像側且使成像光線通過的像側面，該第一透鏡的該像側面為凸向像側的凸面； 該第二透鏡，具負屈折力且包括一朝向物側且使成像光線通過的物側面及一朝向像側且使成像光線通過的像側面； 該第三透鏡，具負屈折力且包括一朝向物側且使成像光線通過的物側面及一朝向像側且使成像光線通過的像側面，該第三透鏡的該像側面為凸向像側的非球面凸面且從該光軸至非球面終止點具有至少一反曲點； 其中，該放大透鏡組滿足0.26＜f1/f＜0.65、0.57＜|f2|/f＜2.29、0.36＜|f3|/f＜0.77及FOV＞100˚，f1為該第一透鏡的焦距，f2為該第二透鏡的焦距，f3為該第三透鏡的焦距，f為該放大透鏡組的系統總焦距，FOV為該放大透鏡組的系統總視場角。
2. 如請求項1所述的虛擬實境用的放大透鏡組，還滿足20＜V1-V3＜40，其中，V1為該第一透鏡的阿貝數，V3為該第三透鏡的阿貝數。
3. 如請求項1所述的虛擬實境用的放大透鏡組，還滿足20＜V2-V3＜40，其中，V2為該第二透鏡的阿貝數，V3為該第三透鏡的阿貝數。