TW201915520A - 目鏡光學系統 - Google Patents

Abstract

一種目鏡光學系統，用於使成像光線從顯示畫面經目鏡光學系統進入觀察者的眼睛而成像。朝向眼睛的方向為目側，朝向顯示畫面的方向為顯示側。目鏡光學系統包括一透鏡，透鏡具有一目側面及一顯示側面。透鏡具有一光軸，從顯示側往目側延伸。透鏡的顯示側面採用菲涅耳透鏡設計，顯示側面具有多個有效子面與多個無效子面，這些有效子面用以使成像光線成像，且每一無效子面連接相鄰的二有效子面。目鏡光學系統符合：1.500≦R1/SagI≦4.000，其中SagI為這些有效子面分別在光軸上的多個垂直投影的長度的加總，而R1為顯示側面的光學有效半徑。

Description

目鏡光學系統

本發明是有關於一種光學系統，且特別是有關於一種目鏡光學系統。

虛擬實境（virtual reality, VR）是利用電腦技術模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關於視覺、聽覺等感官模擬，讓使用者感覺身歷其境。目前現有的VR裝置都是以視覺體驗為主。藉由對應左右眼的兩個視角略有差異的分割畫面來模擬人眼的視差，以達到立體視覺。為了縮小虛擬實境裝置的體積，讓使用者藉由較小的顯示畫面得到放大的視覺感受，具有放大功能的目鏡光學系統成了VR研究發展的其中一個主題。

就目鏡光學系統而言，為了追求輕薄，可利用菲涅耳透鏡（Fresnel lens）的設計作為手段來改善光學透鏡系統過長而厚重的問題。然而，菲涅耳透鏡的表面具有多個同心環形齒，每一環形齒具有能夠將入射光折射至預定方向的有效子面以及連接相鄰兩有效子面的無效子面，而無效子面與有效子面的相接處及無效子面處容易產生雜散光，而影響成像品質。因此，除了設計出輕薄的目鏡光學透鏡之外，同時要有良好的成像品質也是極需努力的課題。

本發明提供一種目鏡光學系統，其兼具輕薄與低雜散光的特性。

本發明的一實施例提出一種目鏡光學系統，用於使成像光線從顯示畫面經目鏡光學系統進入觀察者的眼睛而成像。朝向眼睛的方向為目側，朝向顯示畫面的方向為顯示側。目鏡光學系統包括一透鏡，透鏡具有朝向目側且使成像光線通過的一目側面及朝向顯示側且使成像光線通過的一顯示側面。透鏡具有一光軸，從顯示側往目側延伸。透鏡的顯示側面採用菲涅耳透鏡設計，顯示側面具有多個有效子面與多個無效子面，這些有效子面用以使成像光線成像，且每一無效子面連接相鄰的二有效子面。目鏡光學系統符合：1.500≦R1/SagI≦4.000，其中SagI為這些有效子面分別在光軸上的多個垂直投影的長度的加總，而R1為顯示側面的光學有效半徑（half of clear aperture）。

基於上述，由於本發明的實施例的目鏡光學系統符合1.500≦R1/SagI≦4.000，因此無效子面的面積可以受到良好的控制，以降低目鏡光學系統的雜散光，進而使目鏡光學系統具有良好的成像品質。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

一般而言，目鏡光學系統V100的光線方向為一成像光線VI由顯示畫面V50射出，經由目鏡光學系統V100進入眼睛V60，於眼睛V60的視網膜聚焦成像並且於虛像距離VD產生一放大虛像VV，如圖1所示。在以下說明本案之光學規格的判斷準則是假設光線方向逆追跡（reversely tracking）為一平行成像光線由目側經過目鏡光學系統到顯示畫面聚焦成像。

本篇說明書所言之「一透鏡具有正屈光率（或負屈光率）」，是指所述透鏡以高斯光學理論計算出來之光軸上的屈光率為正（或為負）。該目側面、顯示側面定義為成像光線通過的範圍，其中成像光線包括了主光線（chief ray）Lc及邊緣光線（marginal ray）Lm，如圖2所示，I為光軸且此一透鏡是以該光軸I為對稱軸徑向地相互對稱，光線通過光軸上的區域為光軸附近區域A，邊緣光線通過的區域為圓周附近區域C，此外，該透鏡還包含一延伸部E(即圓周附近區域C徑向上向外的區域)，用以供該透鏡組裝於一光學成像鏡頭內，理想的成像光線並不會通過該延伸部E，但該延伸部E之結構與形狀並不限於此，以下之實施例為求圖式簡潔均省略了部分的延伸部。更詳細的說，判定面形或光軸附近區域、圓周附近區域、或多個區域的範圍的方法如下：

1. 請參照圖2，其係一透鏡徑向上的剖視圖。以該剖視圖觀之，在判斷前述區域的範圍時，定義一中心點為該透鏡表面上與光軸的一交點，而一轉換點是位於該透鏡表面上的一點，且通過該點的一切線與光軸垂直。如果徑向上向外有複數個轉換點，則依序為第一轉換點，第二轉換點，而有效半效徑上距光軸徑向上最遠的轉換點為第N轉換點。中心點和第一轉換點之間的範圍為光軸附近區域，第N轉換點徑向上向外的區域為圓周附近區域，中間可依各轉換點區分不同的區域。此外，有效半徑為邊緣光線Lm與透鏡表面交點到光軸I上的垂直距離。

2. 如圖3所示，該區域的形狀凹凸係以平行通過該區域的光線(或光線延伸線)與光軸的交點在目側或顯示側來決定(光線焦點判定方式)。舉例言之，當光線通過該區域後，光線會朝顯示側聚焦，與光軸的焦點會位在顯示側，例如圖3中R點，則該區域為凸面部。反之，若光線通過該某區域後，光線會發散，其延伸線與光軸的焦點在目側，例如圖3中M點，則該區域為凹面部，所以中心點到第一轉換點間為凸面部，第一轉換點徑向上向外的區域為凹面部；由圖3可知，該轉換點即是凸面部轉凹面部的分界點，因此可定義該區域與徑向上相鄰該區域的內側的區域，係以該轉換點為分界具有不同的面形。另外，若是光軸附近區域的面形判斷可依該領域中通常知識者的判斷方式，以R值(指近軸的曲率半徑，通常指光學軟體中的透鏡資料庫(lens data)上的R值)正負判斷凹凸。以目側面來說，當R值為正時，判定為凸面部，當R值為負時，判定為凹面部；以顯示側面來說，當R值為正時，判定為凹面部，當R值為負時，判定為凸面部，此方法判定出的凹凸和光線焦點判定方式相同。

3. 若該透鏡表面上無轉換點，該光軸附近區域定義為有效半徑的0~50%，圓周附近區域定義為有效半徑的50~100%。

圖4範例一的透鏡顯示側表面在有效半徑上僅具有第一轉換點，則第一區為光軸附近區域，第二區為圓周附近區域。此透鏡顯示側面的R值為正，故判斷光軸附近區域具有一凹面部；圓周附近區域的面形和徑向上緊鄰該區域的內側區域不同。即，圓周附近區域和光軸附近區域的面形不同；該圓周附近區域係具有一凸面部。

圖5範例二的透鏡目側表面在有效半徑上具有第一及第二轉換點，則第一區為光軸附近區域，第三區為圓周附近區域。此透鏡目側面的R值為正，故判斷光軸附近區域為凸面部；第一轉換點與第二轉換點間的區域(第二區)具有一凹面部，圓周附近區域(第三區)具有一凸面部。

圖6範例三的透鏡目側表面在有效半徑上無轉換點，此時以有效半徑0%~50%為光軸附近區域，50%~100%為圓周附近區域。由於光軸附近區域的R值為正，故此目側面在光軸附近區域具有一凸面部；而圓周附近區域與光軸附近區域間無轉換點，故圓周附近區域具有一凸面部。

圖7為本發明之第一實施例之目鏡光學系統的示意圖，而圖8A至圖8D為第一實施例之目鏡光學系統的縱向球差與各項像差圖。請先參照圖7，本發明的第一實施例之目鏡光學系統10用於使顯示畫面100的成像光線經由目鏡光學系統10及觀察者的眼睛的瞳孔2進入觀察者的眼睛而成像，顯示畫面可為垂直光軸，也可為與光軸夾一不等於90度的角度。目側是朝向觀察者的眼睛的方向的一側，而顯示側是朝向顯示畫面100的方向的一側。在本實施例中，目鏡光學系統10包括一透鏡3，透鏡3具有一光軸I，光軸I從顯示側往目側延伸。當顯示畫面100的成像光線發出後，會通過透鏡3，然後經由觀察者的瞳孔2進入觀察者的眼睛。接著，成像光線會在觀察者的眼睛的視網膜形成一影像。具體而言，目鏡光學系統10的透鏡3包括朝向目側且使成像光線通過的目側面31及朝向顯示側且使成像光線通過的顯示側面32。

此外，為了滿足產品輕量化的需求，透鏡3具備屈光率且由塑膠材質所製成，但透鏡3的材質不以此為限。

透鏡3具有正屈光率。透鏡3的目側面31為一凸面，且具有一位於光軸I附近區域的凸面部311及一位於圓周附近區域的凸面部312。透鏡3的顯示側面32採用菲涅耳透鏡設計，在本實施例中顯示側面32為菲涅耳表面（Fresnel surface），即菲涅耳透鏡的表面。圖27繪示了圖7的透鏡的示意圖，為了清楚地表示透鏡的顯示側面的有效子面與無效子面，有效子面與無效子面的尺寸被誇飾地放大，且有效子面與無效子面的數量被減少。請參照圖7與圖27，顯示側面32具有多個有效子面P1與多個無效子面P2，這些有效子面P1用以使成像光線成像，每一無效子面P2連接相鄰的二有效子面P1。除了位於光軸I上的有效子面P1是呈圓形之外，其餘的有效子面P1與無效子面P2呈多個沿著徑向交替排列的同心圓環。這些有效子面P1與這些無效子面P2形成菲涅耳表面。透鏡3的顯示側面32具有一位於光軸I附近區域的凸面部321及一位於圓周附近區域的凸面部322。在本實施例中，顯示側面32為平面式菲涅耳表面，其每一有效子面P1是從一基底面B1為起點而往顯示側延伸，其中基底面B1為一垂直於光軸I的平面。

第一實施例的其他詳細光學數據如圖9所示。第一實施例的目鏡光學系統10的整體系統焦距（effective focal length, EFL)為34.896 毫米（millimeter, mm），半眼視視角（half apparent field of view, ω）為47.533∘，而光圈值（f-number, Fno）為8.724。具體而言，本說明書中的「光圈值」是根據光的可逆性原理，將觀察者的瞳孔視為入射光瞳所計算而得的光圈值。此外，第一實施例的目鏡光學系統10的觀察者的單眼之最大視角所對應之顯示畫面100的顯示像圓之直徑（image circle diameter, ICD）為54.500 mm，其中顯示像圓即為觀察者單眼透過目鏡光學系統可視之最大顯示畫面範圍，且第一實施例的目鏡光學系統10的系統長度（system length, SL）為47.944 mm，其中系統長度為觀察者的瞳孔2到顯示畫面100在光軸I上的距離。另外，圖9中的有效半徑是指光學有效直徑（clear aperture）的一半。

在本實施例中，透鏡3的目側面31是非球面，透鏡3的顯示側面32為菲涅耳表面，其中此菲涅耳表面的每個齒的有效子面P1為非球面，而以下顯示側面32的非球面係數是用來表示這些齒的有效子面P1，且這些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的垂直距離； 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:透鏡表面近光軸I處的曲率半徑； K：錐面係數(conic constant)；：第2i階非球面係數。

透鏡3的目側面31與顯示側面32在公式(1)中的各項非球面係數如圖10所示。其中，圖10中欄位編號31表示其為透鏡3的目側面31的非球面係數，其它欄位依此類推。

另外，第一實施例之目鏡光學系統10中各重要參數間的關係如圖29所示。 其中， EFL為目鏡光學系統10的系統焦距，即目鏡光學系統10的有效焦距（effective focal length）； ω為目鏡光學系統10的半眼視視角，即觀察者的一半視野角度，如圖1所繪示； T1為透鏡3在光軸I上的厚度； GD為透鏡3的顯示側面32到顯示畫面100在光軸I上的距離，即透鏡3到顯示畫面100在光軸I上的空氣間隙； TTL為透鏡3的目側面31到顯示畫面100在光軸I上的距離； ER為出瞳距離（Eye relief），為觀察者的瞳孔2到透鏡3的目側面31在光軸I上的距離； SL為系統長度，為觀察者的瞳孔2到顯示畫面100在光軸I上的距離； EPD為目鏡光學系統10的出瞳直徑D1（Eye pupil diameter，如圖1所繪示），為對應於觀察者的瞳孔2的直徑，如圖1所繪示； ICD為觀察者的單眼之最大視角所對應之顯示畫面100的顯示像圓之直徑D2（如圖1所繪示）； VD為虛像距離，即為放大虛像VV與觀察者的瞳孔2（即出瞳）的距離，如圖1所繪示之虛像距離VD； α為透鏡3的這些有效子面P1相對於一垂直於光軸I的參考平面B2的最大傾斜角，如圖27與圖28所繪示。在本發明的實施例中，此最大傾斜角是出現於離光軸I最遠的有效子面P1的最外圍處的傾斜角； R1為透鏡3的顯示側面32的光學有效半徑（half of clear aperture）； SagI為透鏡3的這些有效子面P1分別在光軸I上的多個垂直投影的長度D3的加總，如圖27與圖28所繪示。其中，每一有效子面P1具有一最接近目側的起始點Q1與一最接近顯示側的頂點Q2，而每一個垂直投影的長度D3為對應的有效子面P1的起始點Q1至頂點Q2垂直投影在光軸I上的距離。 另外，再定義： n1為透鏡3的折射率； V1為透鏡3的阿貝數（Abbe number）。

在第一實施例中，R1/SagI=2.196。

再配合參閱圖8A至圖8D，圖8A至圖8D為第一實施例之目鏡光學系統的各項像差圖，且為假設光線方向逆追跡為一平行成像光線由目側依序經過瞳孔2以及目鏡光學系統10到顯示畫面100聚焦成像所得的各項像差圖。在本實施例中，上述各項像差圖中呈現的各項像差表現會決定來自顯示畫面100的成像光線於觀察者的眼睛的視網膜成像的各項像差表現。也就是說，當上述各項像差圖中呈現的各項像差較小時，觀察者的眼睛的視網膜的成像的各項像差表現也會較小，使得觀察者可以觀看到成像品質較佳的影像。

具體而言，圖8A的圖式說明第一實施例的縱向球差（longitudinal spherical aberration），圖8B與圖8C的圖式則分別說明第一實施例有關弧矢（sagittal）方向的場曲（field curvature）像差及子午（tangential）方向的場曲像差，圖8D的圖式則說明第一實施例的畸變像差（distortion aberration）。本第一實施例的縱向球差圖示圖8A是在光瞳半徑（pupil radius）為2.000 mm時（即目鏡光學系統10的出瞳直徑EPD為4.000 mm時）所模擬的。另外，本第一實施例的縱向球差圖示圖8A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±0.55 mm的範圍內，故本實施例確實明顯改善相同波長的球差，此外，466奈米、542奈米以及643奈米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8B與圖8C的二個場曲像差圖示中，三種代表波長在整個視場範圍內的焦距變化量落在±1.45 mm的範圍內，說明本第一實施例的目鏡光學系統10能有效消除像差。而圖8D的畸變像差圖式則顯示本第一實施例的畸變像差維持在±28%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，據此說明本第一實施例相較於現有目鏡光學系統，在系統長度已縮短至47.944 mm左右的條件下，仍能提供較佳的成像品質，故本第一實施例能在維持良好光學性能之條件下縮短目鏡光學系統，以實現薄型化的產品設計。此外，本第一實施例的目鏡光學系統10具有較大的眼視視角，且能夠修正像差而維持良好的成像品質。此外，在第一實施例中，由於符合1.500≦R1/SagI≦4.000，因此無效子面P2的面積可以受到良好的控制，進而減少雜散光的產生。

圖11為本發明的第二實施例的目鏡光學系統的示意圖，而圖12A至圖12D為第二實施例之目鏡光學系統的縱向球差與各項像差圖。請先參照圖11，本發明目鏡光學系統10的一第二實施例，其與第一實施例大致相似，僅各光學數據、非球面係數及透鏡3的參數或多或少有些不同，且第二實施例的目鏡光學系統10的透鏡3的顯示側面32為曲面式菲涅耳表面（extended Fresnel surface）。圖28繪示了圖11的透鏡的示意圖，為了清楚地表示透鏡的顯示側面的有效子面與無效子面，有效子面與無效子面的尺寸被誇飾地放大，且有效子面與無效子面的數量被減少。請參照圖11與圖28，在本實施例中，顯示側面32為曲面式菲涅耳表面，其每一有效子面P1是從一基底面B1’為起點而往顯示側延伸，其中基底面B1’為一曲面。換言之，這些有效子面P1的起始點Q1均落在呈曲面形態的基底面B1’上。擴展菲涅耳表面的基底面可以是類似一般透鏡的球面或非球面，其可以光軸I為對稱軸而旋轉對稱。在本實施例中，基底面B1’為非球面。

在本實施例中，顯示側面32的這些有效子面P1可符合上述非球面公式(1)。此外，顯示側面32的基底面B1’也可符合上述非球面公式(1)，但是公式(1)中的參數R的定義改為基底面B1’近光軸I處的曲率半徑。此外，如圖14所示，則為第二實施例的透鏡3的目側面31與顯示側面32在公式(1)中的各項非球面係數，其中「32的有效子面」那兩列的參數屬於顯示側面32的這些有效子面P1的參數，而「32的基底面」那兩列的參數屬於顯示側面32的基底面B1’的參數，其中圖14最右下方的曲率半徑的欄位「-245.748」是指基底面B1’於公式(1)中的R值為-245.748 mm。

第二實施例的目鏡光學系統10詳細的光學數據如圖13所示，且第二實施例的目鏡光學系統10的整體系統焦距為46.740 mm，半眼視視角（ω）為47.371∘，光圈值（Fno）為11.685，ICD為71.000 mm，且系統長度（SL）為66.898 mm。

另外，第二實施例之目鏡光學系統10中各重要參數間的關係如圖29所示，本實施例之R1/SagI=2.472，優於第一實施例。

本第二實施例的縱向球差圖示圖12A是在光瞳半徑為2.000 mm時（即目鏡光學系統10的出瞳直徑EPD為4.000mm時）所模擬的。本第二實施例的縱向球差圖示圖12A中，不同高度的離軸光線的成像點偏差控制在±0.83 mm的範圍內。在圖12B與圖12C的二個場曲像差圖示中，三種代表波長在整個視場範圍內的焦距變化量落在±0.9 mm的範圍內。而圖12D的畸變像差圖式則顯示本第二實施例的畸變像差維持在±30%的範圍內。據此說明本第二實施例相較於現有目鏡光學系統，在系統長度已縮短至46.740 mm左右的條件下，仍能提供較佳的成像品質。

經由上述說明可得知，第二實施例相較於第一實施例的優點在於：第二實施例的場曲小於第一實施例的場曲，且第二實施例可更有效地降低雜散光影響。

圖15為本發明的第三實施例的目鏡光學系統的示意圖，而圖16A至圖16D為第三實施例之目鏡光學系統的縱向球差與各項像差圖。請先參照圖15，本發明目鏡光學系統10的一第三實施例，其與第一實施例大致相似，僅各光學數據、非球面係數及透鏡3的參數或多或少有些不同。與第一實施例差異在於，第三實施例的透鏡3的目側面31為球面。與第一實施例相同的是，第三實施例的透鏡3的顯示側面32為平面式菲涅耳表面，其基底面B1為一垂直於光軸I的平面。

第三實施例的目鏡光學系統10詳細的光學數據如圖17所示，且第三實施例的目鏡光學系統10的整體系統焦距為32.681 mm，半眼視視角（ω）為44.833∘，光圈值（Fno）為9.078，ICD為48.000 mm，且系統長度（SL）為45.240 mm。

如圖18所示，則為第三實施例的透鏡3的顯示側面32在公式(1)中的各項非球面係數。

另外，第三實施例之目鏡光學系統10中各重要參數間的關係如圖29所示，本實施例之R1/SagI=2.985，優於第一實施例。

本第三實施例的縱向球差圖示圖16A是在光瞳半徑為1.800 mm時（即在目鏡光學系統10的出瞳直徑EPD為3.600 mm時）所模擬的。本第三實施例的縱向球差圖示圖16A中，不同高度的離軸光線的成像點偏差控制在±0.43 mm的範圍內。在圖16B與圖16C的二個場曲像差圖示中，三種代表波長在整個視場範圍內的焦距變化量落在±1.1 mm的範圍內。而圖16D的畸變像差圖式則顯示本第三實施例的畸變像差維持在±25%的範圍內。據此說明本第三實施例相較於現有目鏡光學系統，在系統長度已縮短至45.240 mm左右的條件下，仍能提供較佳的成像品質。

經由上述說明可得知，第三實施例相較於第一實施例的優點在於：第三實施例的系統長度小於第一實施例的系統長度，第三實施例的縱向球差小於第一實施例的縱向球差，第三實施例的場曲小於第一實施例的場曲，且第三實施例的畸變小於第一實施例的畸變，且第三實施例可更有效地降低雜散光影響。

圖19為本發明的第四實施例的目鏡光學系統的示意圖，而圖20A至圖20D為第四實施例之目鏡光學系統的縱向球差與各項像差圖。請先參照圖19，本發明目鏡光學系統10的一第四實施例，其與第一實施例大致相似，僅各光學數據、非球面係數及透鏡3的參數或多或少有些不同。與第一實施例相同的是，第四實施例的透鏡3的顯示側面32為平面式菲涅耳表面，其基底面B1為一垂直於光軸I的平面。

目鏡光學系統10詳細的光學數據如圖21所示，且第四實施例的目鏡光學系統10的整體系統焦距為36.986 mm，半眼視視角（ω）為49.934∘，光圈值（Fno）為9.246，ICD為56.400 mm，且系統長度（SL）為52.542 mm。

如圖22所示，則為第四實施例的透鏡3的目側面31與顯示側面32在公式(1)中的各項非球面係數。

另外，第四實施例之目鏡光學系統10中各重要參數間的關係如圖29所示，本實施例之R1/SagI=2.322，優於第一實施例。

本第四實施例的縱向球差圖示圖20A是在光瞳半徑為2.000 mm時（即在目鏡光學系統10的出瞳直徑EPD為4.000 mm時）所模擬的。本第四實施例的縱向球差圖示圖20A中，不同高度的離軸光線的成像點偏差控制在±0.59 mm的範圍內。在圖20B與圖20C的二個場曲像差圖示中，三種代表波長在整個視場範圍內的焦距變化量落在±1 mm的範圍內。而圖20D的畸變像差圖式則顯示本第四實施例的畸變像差維持在±35%的範圍內。據此說明本第四實施例相較於現有目鏡光學系統，在系統長度已縮短至52.542 mm左右的條件下，仍能提供較佳的成像品質。

經由上述說明可得知，第四實施例相較於第一實施例的優點在於：第四實施例的半眼視視角大於第一實施例的半眼視視角，且第四實施例的場曲小於第一實施例的場曲，且第四實施例可更有效地降低雜散光影響。

圖23為本發明的第五實施例的目鏡光學系統的示意圖，而圖24A至圖24D為第五實施例之目鏡光學系統的縱向球差與各項像差圖。請先參照圖23，本發明目鏡光學系統10的一第五實施例，其與第一實施例大致相似，僅各光學數據、非球面係數及透鏡3的參數或多或少有些不同。在本實施例中，透鏡3的顯示側面32為曲面式菲涅耳表面，其基底面B1'為曲面，例如是非球面。

第五實施例的目鏡光學系統10詳細的光學數據如圖25所示，且第五實施例的目鏡光學系統10的整體系統焦距為35.271 mm，半眼視視角（ω）為47.566∘，光圈值（Fno）為8.818，ICD為56.000 mm，且系統長度（SL）為54.934 mm。

如圖26所示，則為第五實施例的第一透鏡3的目側面31與顯示側面32的基底面B1'與有效子面P1在公式(1)中的各項非球面係數。

另外，第五實施例之目鏡光學系統10中各重要參數間的關係如圖29所示，本實施例之R1/SagI=1.771。

本第五實施例的縱向球差圖示圖24A是在光瞳半徑為2.000 mm時（即在目鏡光學系統10的出瞳直徑EPD為4.000mm時）所模擬的。本第五實施例的縱向球差圖示圖24A中，不同高度的離軸光線的成像點偏差控制在±0.54 mm的範圍內。在圖24B與圖24C的二個場曲像差圖示中，三種代表波長在整個視場範圍內的焦距變化量落在±1.6 mm的範圍內。而圖24D的畸變像差圖式則顯示本第五實施例的畸變像差維持在±28%的範圍內。據此說明本第五實施例相較於現有目鏡光學系統，在系統長度已縮短至54.934 mm左右的條件下，仍能提供較佳的成像品質。

經由上述說明可得知，第五實施例相較於第一實施例的優點在於：第五實施例的半眼視視角大於第一實施例的半眼視視角。

再配合參閱圖29。圖29為上述第一實施例至第五實施例的各項光學參數的表格圖，其中「T1」至「SL」那些列的參數的單位為毫米（mm），而「α」的單位為度（degree）。

當本發明的實施例的目鏡光學系統10中的各項光學參數間的關係式符合下列條件式或符合下列設計的至少其中之一時，可協助設計者設計出具備良好光學性能、整體長度有效縮短、且技術上可行之目鏡光學系統：

一、透過將透鏡3其中一面設計為菲涅耳表面（包括平面式菲涅耳表面或曲面式菲涅耳表面），有助於薄化透鏡，進而縮短整體系統長度，達到輕量化的功效。

二、上述菲涅耳表面（例如透鏡3的顯示側面32）符合1.500≦R1/SagI≦4.000時能有效減少雜散光的產生，而符合1.700≦R1/SagI≦3.200時效果更佳。

三、目鏡光學系統符合1.360≦ICD/EFL≦1.630時能有效在大的半眼視視角之下維持成像品質。

四、上述菲涅耳表面（例如透鏡3的顯示側面32）符合25.000∘≦α≦52.000∘時，能使菲涅耳表面的有效子面P1較平緩，也有助於減少雜散光的產生。而當上述菲涅耳表面符合29.000∘≦α≦48.500∘時效果更佳。

五、當上述菲涅耳表面採用平面式菲涅耳表面(即其之基底面B1為平面)時，能使整體的目鏡光學系統10更為輕薄。

有鑑於光學系統設計的不可預測性，在本發明的架構之下，符合上述條件式能較佳地使本發明目鏡光學系統10具有較短的系統長度、較大的眼視視角、較佳的成像品質，或是較良好的組裝良率而改善先前技術的缺點。

此外，關於前述所列之示例性限定關係式，亦可任意選擇性地合併不等數量施用於本發明之實施態樣中，並不限於此。實施本發明時，除了前述關係式之外，亦可針對透鏡額外設計出其他更多的透鏡的凹凸曲面排列等細部結構，以加強對系統性能及／或解析度的控制。須注意的是，此些細節需在無衝突之情況之下，選擇性地合併施用於本發明之其他實施例當中。

綜上所述，本發明各實施例的縱向球差、場曲像差、畸變皆符合使用規範。另外，643奈米（紅光）、542奈米（綠光）、466奈米（藍光）三種代表波長在不同高度的離軸光線皆集中在成像點附近，由每一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皆獲得控制而具有良好的球差、像差、畸變抑制能力。進一步參閱成像品質數據，643奈米、542奈米、466奈米三種代表波長彼此間的距離亦相當接近，顯示本發明的實施例在各種狀態下對不同波長光線的集中性佳而具有優良的色散抑制能力，故透過上述可知本發明的實施例具備良好光學性能。因此，本發明的實施例的目鏡光學系統兼具輕薄及低雜散光的特性，且具有良好的光學成像品質。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10、V100‧‧‧目鏡光學系統

100、V50‧‧‧顯示畫面

2‧‧‧瞳孔

3‧‧‧透鏡

31‧‧‧目側面

311、313、321、323‧‧‧凸面部

32‧‧‧顯示側面

A‧‧‧光軸附近區域

B1、B1'‧‧‧基底面

B2‧‧‧參考平面

C‧‧‧圓周附近區域

D1‧‧‧出瞳直徑

D2‧‧‧顯示像圓之直徑

D3‧‧‧垂直投影的長度

E‧‧‧延伸部

I‧‧‧光軸

Lc‧‧‧主光線

Lm‧‧‧邊緣光線

M、R‧‧‧點

P1‧‧‧有效子面

P2‧‧‧無效子面

Q1‧‧‧起始點

Q2‧‧‧頂點

V60‧‧‧眼睛

VD‧‧‧虛像距離

VI‧‧‧成像光線

VV‧‧‧放大虛像

α‧‧‧最大傾斜角

ω‧‧‧半眼視視角

圖1是一示意圖，說明一目鏡光學系統。 圖2是一示意圖，說明一透鏡的面型結構。 圖3是一示意圖，說明一透鏡的面型凹凸結構及光線焦點。 圖4是一示意圖，說明一範例一的透鏡的面型結構。 圖5是一示意圖，說明一範例二的透鏡的面型結構。 圖6是一示意圖，說明一範例三的透鏡的面型結構。 圖7為本發明之第一實施例之目鏡光學系統的示意圖。 圖8A至圖8D為第一實施例之目鏡光學系統的縱向球差與各項像差圖。 圖9示出本發明之第一實施例之目鏡光學系統的詳細光學數據。 圖10示出本發明之第一實施例之目鏡光學系統的非球面參數。 圖11為本發明的第二實施例的目鏡光學系統的示意圖。 圖12A至圖12D為第二實施例之目鏡光學系統的縱向球差與各項像差圖。 圖13示出本發明之第二實施例之目鏡光學系統的詳細光學數據。 圖14示出本發明之第二實施例之目鏡光學系統的非球面參數。 圖15為本發明的第三實施例的目鏡光學系統的示意圖。 圖16A至圖16D為第三實施例之目鏡光學系統的縱向球差與各項像差圖。 圖17示出本發明之第三實施例之目鏡光學系統的詳細光學數據。 圖18示出本發明之第三實施例之目鏡光學系統的非球面參數。 圖19為本發明的第四實施例的目鏡光學系統的示意圖。 圖20A至圖20D為第四實施例之目鏡光學系統的縱向球差與各項像差圖。 圖21示出本發明之第四實施例之目鏡光學系統的詳細光學數據。 圖22示出本發明之第四實施例之目鏡光學系統的非球面參數。 圖23為本發明的第五實施例的目鏡光學系統的示意圖。 圖24A至圖24D為第五實施例之目鏡光學系統的縱向球差與各項像差圖。 圖25示出本發明之第五實施例之目鏡光學系統的詳細光學數據。 圖26示出本發明之第五實施例之目鏡光學系統的非球面參數。 圖27繪示了圖7的透鏡的示意圖。 圖28繪示了圖11的透鏡的示意圖。 圖29示出本發明之第一至第五實施例之目鏡光學系統的各重要參數及其關係式的數值。

Claims (6)

1. 一種目鏡光學系統，用於使成像光線從顯示畫面經該目鏡光學系統進入觀察者的眼睛而成像，朝向該眼睛的方向為目側，朝向該顯示畫面的方向為顯示側，該目鏡光學系統包括一透鏡，該透鏡具有朝向該目側且使該成像光線通過的一目側面及朝向該顯示側且使該成像光線通過的一顯示側面； 該透鏡具有一光軸，從該顯示側往該目側延伸，該透鏡的該顯示側面採用菲涅耳透鏡設計，該顯示側面具有多個有效子面與多個無效子面，該些有效子面用以使該成像光線成像，每一無效子面連接相鄰的二有效子面，且該目鏡光學系統符合： 1.500≦R1/SagI≦4.000， 其中SagI為該些有效子面分別在該光軸上的多個垂直投影的長度的加總，而R1為該顯示側面的光學有效半徑。
2. 如申請專利範圍第1項所述的目鏡光學系統，其中該目鏡光學系統更符合1.700≦R1/SagI≦3.200。
3. 如申請專利範圍第2項所述的目鏡光學系統，其中該目鏡光學系統更符合1.360≦ICD/EFL≦1.630，其中ICD為該觀察者的單眼之最大視角所對應之該顯示畫面的顯示像圓之直徑，且EFL為該目鏡光學系統的系統焦距。
4. 如申請專利範圍第2項所述的目鏡光學系統，其中該目鏡光學系統更符合29.000∘≦α≦48.500∘，其中α為該些有效子面相對於一垂直於該光軸的參考平面的最大傾斜角。
5. 如申請專利範圍第1項所述的目鏡光學系統，其中該目鏡光學系統更符合25.000∘≦α≦52.000∘，其中α為該些有效子面相對於一垂直於該光軸的參考平面的最大傾斜角。
6. 如申請專利範圍第1項所述的目鏡光學系統，其中該透鏡的該顯示側面為平面式菲涅耳表面。