TWI624708B - 目鏡光學系統 - Google Patents

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Abstract

一種目鏡光學系統，第一透鏡顯示側面於圓周附近區域具有凸面部，第三透鏡目側面於圓周附近區域具有一凸面部，另外，第一透鏡的阿貝數(Abbe number)定義為υ1，第四透鏡的阿貝數定義為υ4，且此目鏡光學系統符合條件式：20.00

Description

目鏡光學系統
本發明大致上關於一種目鏡光學系統。具體而言，本發明特別是指一種用於虛擬實境電子裝置之目鏡光學系統。
虛擬現實（Virtual Reality, VR）是利用計算機技術仿真產生一個三維空間的虛擬世界，提供用戶關於視覺、聽覺等感官仿真，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。為了縮小虛擬現實裝置的體積，讓用戶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。
現有的目鏡光學系統的半眼視視角較小，使得觀察者使用時會感到視覺狹窄且分辨率較低。另外，現有的目鏡光學系統的色差和畸變較大，其像差嚴重到顯示畫面必須先進行像差補償，因此如何增加半眼視視角並加強成像質量是目鏡光學系統是一個需要改善的問題。
本發明的目的是提供一種目鏡光學系統，其在縮短系統長度的條件下，仍能保有良好的光學成像質量與具有較大的眼視視角。
於是，本發明提出一種增加視場角度及維持足夠之光學性能的四片式目鏡光學系統。在本發明的一實施例中，本發明四片式目鏡光學系統從一目側至一顯示側，在一光軸上依序安排有第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡以及第四透鏡。第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡以及第四透鏡都分別具有朝向一目側的目側面以及朝向一顯示側的一顯示側面。且本發明四片式目鏡光學系統僅有上述第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡以及第四透鏡共四片透鏡具有屈光率。
在本發明目鏡光學系統中，第一透鏡顯示側面於圓周附近區域具有凸面部，第三透鏡目側面於圓周附近區域具有一凸面部。此外，在本發明的其他實施例中，第三透鏡具有正屈光率。
在本發明目鏡光學系統中，第一透鏡的阿貝數(Abbe number)定義為υ1，第四透鏡的阿貝數定義為υ4，且該目鏡光學系統符合條件式：20.00｜υ1-υ4｜。
在本發明目鏡光學系統中，該觀察者的該瞳孔至該顯示畫面沿著該光軸的距離定義為SL，該觀察者的該瞳孔至該第一透鏡的一目側面沿著該光軸的距離定義為ER，且該目鏡光學系統滿足以下關係式：SL/ER5.20
在本發明目鏡光學系統中，該第一透鏡的一目側面至該顯示畫面沿著該光軸的距離定義為TTL，該觀察者的該瞳孔至該第一透鏡的一目側面沿著該光軸的距離定義為ER，且該目鏡光學系統滿足以下關係式：TTL/ER4.60。
在本發明目鏡光學系統中，該觀察者的該瞳孔至該第一透鏡的一目側面沿著該光軸的距離定義為ER，該第四透鏡沿著該光軸的中心厚度定義為T4，且該目鏡光學系統滿足以下關係式：ER/T46.50。
在本發明目鏡光學系統中，該第四透鏡與該顯示畫面之間沿著該光軸的一距離定義為G4D，該第二透鏡沿著該光軸的中心厚度定義為 T2，且該目鏡光學系統滿足以下關係式： G4D/T2 ≤5.60.
在本發明目鏡光學系統中，上述該第一透鏡至該第四透鏡之所有中心厚度總和定義為ALT，該第一透鏡與該第二透鏡之間沿著該光軸的一空氣間隙長度定義為G12，該第三透鏡與該第四透鏡之間沿著該光軸的一空氣間隙長度定義為G34，且該目鏡光學系統滿足以下關係式：ALT/(G12+G34)≤2.60。
在本發明目鏡光學系統中，該目鏡光學系統的有效焦距定義為EFL，該第一透鏡沿著該光軸的中心厚度定義為 T1， 且該目鏡光學系統滿足以下關係式：EFL/T1 ≤5.70。
在本發明目鏡光學系統中，該第一透鏡的一目側面至該顯示畫面沿著該光軸的距離定義為TTL，該第一透鏡沿著該光軸的中心厚度定義為 T1， 且該目鏡光學系統滿足以下關係式：TTL/T1 ≤6.90。
在本發明目鏡光學系統中，該第一透鏡的一目側面至該顯示畫面沿著該光軸的距離定義為TTL，該第二透鏡沿著該光軸的中心厚度定義為 T2，且該目鏡光學系統滿足以下關係式：TTL /T2 ≤13.80。
在本發明目鏡光學系統中，該第四透鏡與該顯示畫面之間沿著該光軸的一距離定義為G4D，該第四透鏡沿著該光軸的中心厚度定義為 T4，且該目鏡光學系統滿足以下關係式： G4D/T4 ≤7.50。
在本發明目鏡光學系統中，該觀察者的該瞳孔至該顯示畫面沿著該光軸的距離定義為SL，該第二透鏡沿著該光軸的中心厚度定義為 T2，且該目鏡光學系統滿足以下關係式：SL/T2 ≤21.60。
在本發明目鏡光學系統中，該觀察者的該瞳孔至該第一透鏡的一目側面沿著該光軸的距離定義為ER，該第一透鏡與該第二透鏡之間沿著該光軸的一空氣間隙長度定義為G12，該第三透鏡與該第四透鏡之間沿著該光軸的一空氣間隙長度定義為G34，且該目鏡光學系統滿足以下關係式：ER/ (G12+G34) ≤2.80。
在本發明目鏡光學系統中，該觀察者的該瞳孔至該顯示畫面沿著該光軸的距離定義為SL，該第一透鏡沿著該光軸的中心厚度定義為 T1，且該目鏡光學系統滿足以下關係式：SL/T1 ≤7.90。
在本發明目鏡光學系統中，該第一透鏡的一目側面至該顯示畫面沿著該光軸的距離定義為TTL，該第三透鏡沿著該光軸的中心厚度定義為 T3，且該目鏡光學系統滿足以下關係式：TTL/T3 ≤7.90。
在本發明目鏡光學系統中，上述該第一透鏡至該第四透鏡之所有中心厚度總和定義為ALT，該第三透鏡與該第四透鏡之間沿著該光軸的一空氣間隙長度定義為G34，且該目鏡光學系統滿足以下關係式：ALT/G34 ≤8.10。
在開始詳細描述本發明之前，首先要說明的是，在本發明圖式中，類似的元件是以相同的編號來表示。
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明視距離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。此透鏡目側面的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。
如圖7所示，本發明目鏡光學系統1，從觀察者眼睛（圖未示）的目側2至成像的顯示側3，沿著光軸（optical axis）4，依序包含第一透鏡10、第二透鏡20、第三透鏡30、第四透鏡40及顯示面（display screen）71。一般說來，第一透鏡10、第二透鏡20、第三透鏡30、第四透鏡40都可以是由透明的塑膠材質所製成，但本發明不以此為限。各鏡片都有適當的屈光率。在本發明目鏡光學系統1中，具有屈光率的鏡片總共只有第一透鏡10、第二透鏡20、第三透鏡30、第四透鏡40、等這四片透鏡而已。光軸4為整個目鏡光學系統1的光軸，所以每個透鏡的光軸和目鏡光學系統1的光軸都是相同的。
此外，一觀察者瞳孔80位於適當位置。在圖7中，觀察者瞳孔80位於目側2，當光線從位於顯示側3的顯示面71發出，將會依序經過第四透鏡40、第三透鏡30、第二透鏡20、第一透鏡10後，在觀察者瞳孔80聚焦而形成清晰的影像。
本發明目鏡光學系統1中之各個透鏡，都分別具有朝向目側2的目側面，與朝向顯示側3的顯示側面。另外，本發明目鏡光學系統1中之各個透鏡，亦都具有接近光軸4的光軸附近區域、與遠離光軸4的圓周附近區域。例如，第一透鏡10具有第一目側面11與第一顯示側面12；第二透鏡20具有第二目側面21與第二顯示側面22；第三透鏡30具有第三目側面31與第三顯示側面32；第四透鏡40具有第四目側面41與第四顯示側面42。各目側面與顯示側面又有接近光軸4的光軸附近區域以及遠離光軸4的圓周附近區域。
本發明目鏡光學系統1中之各個透鏡，還都分別具有位在光軸4上的中心厚度T。例如，第一透鏡10具有第一透鏡厚度T1、第二透鏡20具有第二透鏡厚度T2、第三透鏡30具有第三透鏡厚度T3、第四透鏡40具有第四透鏡厚度T4。所以，在光軸4上目鏡光學系統1中透鏡的中心厚度總和稱為ALT。亦即，ALT =T1+ T2+ T3+ T4。
另外，本發明目鏡光學系統1中在各個透鏡之間又具有位在光軸4上的空氣間隙（air gap）。例如，第一透鏡10到第二透鏡20之間空氣間隙寬度稱為G12、第二透鏡20到第三透鏡30之間空氣間隙寬度稱為G23、第三透鏡30到第四透鏡40之間空氣間隙寬度稱為G34。所以，第一透鏡10到第四透鏡40之間位於光軸4上各透鏡間之三個空氣間隙寬度之總和即稱為AAG。亦即，AAG = G12+G23+G34。
另外，定義第一透鏡10的目側面11至顯示面71在光軸上的長度為TTL；觀察者的瞳孔至顯示面71在光軸4上的長度為SL；TL為第一透鏡10的目側面11至第四透鏡40的顯示側面42在光軸4上的長度；目鏡光學系統的有效焦距為EFL，第四透鏡40的顯示側面42至顯示面71在光軸4上的長度為G4D；ER為出瞳距離，也就是觀察者瞳孔到第一透鏡10目側面11在光軸4上的距離；EPD為目鏡光學系統之出瞳直徑，也就是觀察者瞳孔的直徑，一般人可介於3~7公厘(mm)；DLD為觀察者單一瞳孔對應之顯示畫面之對角線長；VD為眼睛可以清楚聚焦的最近之距離(一般年輕人約為250公厘)；ω目鏡光學系統的半眼視視角，即觀察者的一半視野角度；Fno為目鏡光學系統的光圈值（f-number）。值得注意的是，Fno在本實施例中是基於光可逆性的原理計算的，其中目側作為一物體側，顯示側作為一像側，且觀察者的眼睛的瞳孔作為一入射光的光瞳（pupil）。
另外，再定義： f1為第一透鏡10的焦距；f2為第二透鏡20的焦距；f3為第三透鏡30的焦距；f4為第四透鏡40的焦距；n1為第一透鏡10的折射率；n2為第二透鏡20的折射率；n3為第三透鏡30的折射率；n4為第四透鏡40的折射率；υ1為第一透鏡10的阿貝係數（Abbe number）；υ2為第二透鏡20的阿貝係數；υ3為第三透鏡30的阿貝係數；及υ4為第四透鏡10的阿貝係數。
第一實施例
請參閱圖7，例示本發明目鏡光學系統1的第一實施例。第一實施例在顯示面71上的縱向球差（longitudinal spherical aberration）請參考圖8A、弧矢（sagittal）方向的像散像差（astigmatic field aberration）請參考圖8B、子午（tangential）方向的像散像差請參考圖8C、以及畸變像差（distortion aberration）請參考圖8D。所有實施例中各球差圖之Y軸代表視場，其最高點均為1.0，實施例中各像散圖及畸變圖之Y軸代表像高，系統像高為23.624公厘。
第一實施例之目鏡光學系統1主要由四枚具有屈光率之透鏡與顯示面71所構成。第一透鏡10具有正屈光率。朝向目側2的第一目側面11具有位於光軸附近區域的凹面部13以及位於圓周附近區域的凹面部14，朝向顯示側3的第一顯示側面12具有位於光軸附近區域的凸面部16以及位於圓周附近區域的凸面部17。第一透鏡之目側面11及顯示側面12均為非球面。
第二透鏡20具有正屈光率，朝向目側2的第二目側面21具有位於光軸附近區域的凸面部23以及位於圓周附近區域的凹面部24，朝向顯示側3的第二顯示側面22具有位於光軸附近區域的凹面部26以及位於圓周附近區域的凸面部27。第二透鏡20之目側面21及顯示側面22均為非球面。
第三透鏡30具有正屈光率，朝向目側2的第三目側面31具有位於光軸附近區域的凸面部33以及位於圓周附近區域的凸面部34，而朝向顯示側3的第三顯示側面32具有位於光軸附近區域的凸面部36以及在圓周附近的凸面部37。第三透鏡30之目側面31及顯示側面32均為非球面。
第四透鏡40具有負屈光率，朝向目側2的第四目側面41具有位於光軸附近區域的凹面部43以及位於圓周附近區域的凹面部44，而朝向顯示側3的第四顯示側面42具有位於光軸附近區域的凹面部46以及在圓周附近的凹面部47。第四透鏡40之目側面41及顯示側面42均為非球面。
在本發明目鏡光學系統1中，從第一透鏡10到第四透鏡40中，所有目側面11/21/31/41與顯示側面12/22/32/42共計八個曲面均為非球面，此等非球面係經由下列公式所定義：
其中：
R表示透鏡表面之曲率半徑；
Z表示非球面之深度（非球面上距離光軸為Y的點，其與相切於非球面光軸上頂點之切面，兩者間的垂直距離）；
Y表示非球面曲面上的點與光軸的垂直距離；
K為圓錐係數（conic constant）；
ai為第i階非球面係數。
第一實施例目鏡光學系統的光學數據如圖25所示，非球面數據如圖26所示。在以下實施例之目鏡光學系統中，整體目鏡光學系統的光圈值（f-number）為Fno、有效焦距為（EFL）、半視角（ω）為整體目鏡光學系統中最大視角（Field of View）的一半，又曲率半徑、厚度及焦距的單位均為公厘（mm）。而EFL為33.992公厘，ω為45.00度，TTL為42.653公厘，Fno為8.50，系統像高為23.624公厘。
第二實施例
請參閱圖9，例示本發明目鏡光學系統1的第二實施例。請注意，從第二實施例開始，為簡化並清楚表達圖式，僅在圖上特別標示各透鏡與第一實施例不同之面型，而其餘與第一實施例的透鏡相同的面型，例如凹面部或是凸面部則不另外標示。第二實施例在顯示面71上的縱向球差請參考圖10A、弧矢方向的像散像差請參考圖10B、子午方向的像散像差請參考圖10C、畸變像差請參考圖10D。第二實施例之設計與第一實施例類似，僅曲率半徑、透鏡屈光率、透鏡曲率半徑、透鏡厚度、透鏡非球面係數或是後焦距等相關參數有別，以及第一透鏡10的第一目側面11具有位於圓周附近區域的凸面部14B，第三透鏡30的第三顯示側面32具有位於光軸附近區域的凹面部36B。
第二實施例詳細的光學數據如圖27所示，非球面數據如圖28所示。EFL為34.518公厘，ω為45.00度，TTL為41.131公厘，Fno為8.642，系統像高為23.624公厘。特別是：第二實施例的鏡頭長度TTL比第一實施例短。
第三實施例
請參閱圖11，例示本發明目鏡光學系統1的第三實施例。第三實施例在顯示面71上的縱向球差請參考圖12A、弧矢方向的像散像差請參考圖12B、子午方向的像散像差請參考圖12C、畸變像差請參考圖12D。第三實施例之設計與第一實施例類似，僅曲率半徑、透鏡屈光率、透鏡曲率半徑、透鏡厚度、透鏡非球面係數或是後焦距等相關參數有別，以及第三透鏡30的第三顯示側面32具有位於光軸附近區域的凹面部36C，第三透鏡30的第三顯示側面32具有位於圓周附近區域的凹面部37C。
第三實施例詳細的光學數據如圖29所示，非球面數據如圖30所示，EFL為29.945公厘，ω為45.00度，TTL為36.326公厘，Fno為7.531，系統像高為23.624公厘。特別是：1. 第二實施例的鏡頭長度TTL比第一實施例短，2. 第三實施例的Fno比第一實施例小。
第四實施例
請參閱圖13，例示本發明目鏡光學系統1的第四實施例。第四實施例在顯示面71上的縱向球差請參考圖14A、弧矢方向的像散像差請參考圖14B、子午方向的像散像差請參考圖14C、畸變像差請參考圖14D。第四實施例之設計與第一實施例類似，僅曲率半徑、透鏡屈光率、透鏡曲率半徑、透鏡厚度、透鏡非球面係數或是後焦距等相關參數有別，以及第四透鏡40的第四目側面42具有位於圓周附近區域的凸面部47D。
第四實施例詳細的光學數據如圖31所示，非球面數據如圖32所示，EFL為36.006公厘，ω為45.00度，TTL為50.400公厘，Fno為8.936，系統像高為23.624公厘。特別是：第四實施例相較第一實施例在製程上更易於製造，因此良率較高。
第五實施例
請參閱圖15，例示本發明目鏡光學系統1的第五實施例。第五實施例在顯示面71上的縱向球差請參考圖16A、弧矢方向的像散像差請參考圖16B、子午方向的像散像差請參考圖16C、畸變像差請參考圖16D。第五實施例之設計與第一實施例類似，僅曲率半徑、透鏡屈光率、透鏡曲率半徑、透鏡厚度、透鏡非球面係數或是後焦距等相關參數有別，以及第一透鏡10的第一目側面11具有位於光軸附近區域的凸面部13E，第四透鏡40的第四顯示側面42具有位於圓周附近區域的凸面部47E。
第五實施例詳細的光學數據如圖33所示，非球面數據如圖34所示，EFL為36.006公厘，ω為45.00度，TTL為50.399公厘，Fno為8.936，系統像高為23.624公厘。特別是：1.第五實施例的成像品質比第一實施例好。
第六實施例
請參閱圖17，例示本發明目鏡光學系統1的第六實施例。第六實施例在顯示面71上的縱向球差請參考圖18A、弧矢方向的像散像差請參考圖18B、子午方向的像散像差請參考圖18C、畸變像差請參考圖18D。第六實施例之設計與第一實施例類似，不同之處在於，僅曲率半徑、透鏡屈光率、透鏡曲率半徑、透鏡厚度、透鏡非球面係數或是後焦距等相關參數有別，以及第三透鏡30的第三顯示側面32具有位於光軸附近區域的凹面部36F，第四透鏡40的第四顯示側面42具有位於光軸附近區域的凸面部46F，第四透鏡40的第四顯示側面42具有位於圓周附近區域的凸面部47F。
第六實施例詳細的光學數據如圖34所示，非球面數據如圖35所示，EFL為35.032公厘，ω為45.00度，TTL為41.223公厘，Fno為8.761，系統像高為23.624公厘。特別是：1. 第六實施例的鏡頭長度TTL比第一實施例短。
第七實施例
請參閱圖19，例示本發明目鏡光學系統1的第七實施例。第七實施例在顯示面71上的縱向球差請參考圖20A、弧矢方向的像散像差請參考圖20B、子午方向的像散像差請參考圖20C、畸變像差請參考圖20D。第七實施例之設計與第一實施例類似，僅曲率半徑、透鏡屈光率、透鏡曲率半徑、透鏡厚度、透鏡非球面係數或是後焦距等相關參數有別，以及第一透鏡10的第一目側面11具有位於圓周附近區域的凸面部14G，第三透鏡30的第三顯示側面32具有位於圓周附近區域的凹面部37G，第四透鏡40的第四顯示側面42具有位於圓周附近區域的凸面部47G。
第七實施例詳細的光學數據如圖37所示，非球面數據如圖38所示，EFL為33.880公厘，ω為45.00度，TTL為41.988公厘，Fno為8.436，系統像高為23.624公厘。特別是：1.第七實施例的鏡頭長度TTL比第一實施例短，2. 第七實施例的Fno比第一實施例小。
第八實施例
請參閱圖21，例示本發明目鏡光學系統1的第八實施例。第八實施例在顯示面71上的縱向球差請參考圖22A、弧矢方向的像散像差請參考圖22B、子午方向的像散像差請參考圖22C、畸變像差請參考圖22D。第八實施例之設計與第一實施例類似，僅曲率半徑、透鏡屈光率、透鏡曲率半徑、透鏡厚度、透鏡非球面係數或是後焦距等相關參數有別，以及第一透鏡10的第一目側面11具有位於圓周附近區域的凸面部14H，第三透鏡30的第三顯示側面32具有位於光軸附近區域的凹面部36H，第三透鏡30的第三顯示側面32具有位於圓周附近區域的凹面部37H，第四透鏡40的第四顯示側面42具有位於圓周附近區域的凸面部47H。
第八實施例詳細的光學數據如圖38所示，非球面數據如圖39所示，EFL為36.035公厘，ω為45.00度，TTL為37.672公厘，Fno為9.179，系統像高為23.624公厘。1.第八實施例的鏡頭長度TTL比第一實施例短。
第九實施例
請參閱圖23，例示本發明目鏡光學系統1的第九實施例。第九實施例在顯示面71上的縱向球差請參考圖24A、弧矢方向的像散像差請參考圖24B、子午方向的像散像差請參考圖24C、畸變像差請參考圖24D。第九實施例之設計與第一實施例類似，僅曲率半徑、透鏡屈光率、透鏡曲率半徑、透鏡厚度、透鏡非球面係數或是後焦距等相關參數有別，以及第一透鏡10的第一目側面11具有位於光軸附近區域的凸面部13I，第一透鏡10的第一目側面11具有位於圓周附近區域的凸面部14I。
第九實施例詳細的光學數據如圖41所示，非球面數據如圖42所示，EFL為33.882公厘，ω為45.00度，TTL為42.668公厘，Fno為8.486，系統像高為23.624公厘。1.第九實施例的Fno比第一實施例小。
另外，各實施例之重要參數則整理於圖43中。
申請人發現，本案的透鏡配置，具有以下的特徵，以及可以達成的對應功效：
1.本發明細緻地設計透鏡的光軸附近區域及圓周附近區域，其中該第一透鏡顯示側面具有一圓周附近區域的凸面部可有利於光線收聚
2.搭配該第三透鏡目側面具有一在圓周附近區域的凸面部可修正像差，以上設計彼此互相搭配可縮短目鏡光學系統長度並同時確保成像品質。
此外，透過以下各參數之數值控制，可協助設計者設計出具備良好光學性能且技術上可行之目鏡光學系統。不同參數之比例有較佳之範圍，例如：
1. 本發明光學成像鏡頭滿足下列任一條件式時，表示當分母不變時，分子的長度能相對縮短，而能達到縮減鏡頭體積的功效：
若能進一步符合下列任一條件式時，還能夠產生較為優良的成像品質：
0≤SL/ER≤5.20；
3.00≤TTL/ER≤4.60；
0.80≤ER/T4≤6.50；
1.00≤G4D/T2≤5.60；
1.50≤ALT/(G12+G34)≤2.60；
3.10≤EFL/T1≤5.70；
4.40≤TTL/T1≤6.9；
4.50≤TTL/T2≤13.80；
0.30≤G4D/T4≤7.50；
5.80≤SL/T2≤21.60；
0.90≤ER/(G12+G34)≤2.80；
5.40≤SL/T1≤7.90；
4.40≤TTL/T3≤7.90；
2.40≤ALT/G34≤8.10。
2. 藉由各鏡片間材質差異的關係，易於控制成像變形量，有助於提高成像品質，使目鏡光學系統能達到較佳的配置：
20.00≤|υ1-υ4|，較佳的範圍為20.00≤|υ1-υ4|≤64.10。
3.為了達成縮短目鏡光學系統長度，本發明適當的縮短透鏡厚度和透鏡間的空氣間隙，但考量到透鏡組裝過程的難易度以及必須兼顧成像品質的前提下，透鏡厚度及透鏡間的空氣間隙彼此需互相調配，故在滿足以下條件式的數值限定之下，目鏡光學系統能達到較佳的配置。
ER/T4≤6.50，較佳的範圍為0.80≤ER/T4≤6.50；
G4D/T2≤5.60，較佳的範圍為1.00≤G4D/T2≤5.60；
ALT/(G1+G3)≤2.60，較佳的範圍為1.50≤ALT/(G1+G3)≤2.60；
G4D/T4≤7.50，較佳的範圍為0.30≤G4D/T4≤7.50；
ER/(G1+G3)≤2.80，較佳的範圍為0.90≤ER/(G1+G3)≤2.80；
ALT/G3≤8.10，較佳的範圍為2.40≤ALT/G3≤8.10。
4.縮短EFL有助於視埸角的擴大，所以將EFL趨小設計，若滿足以下條件式，在目鏡光學系統厚度薄化的過程中，也有可幫助擴大視場角度。
EFL/T1≤5.70，較佳的範圍為3.10≤EFL/T1≤5.70；
5.當滿足下列條件式時，光學元件參數與鏡頭長度比值維持一適當值，避免參數過小不利於生產製造，或是避免參數過大而使得鏡頭長度過長。
SL/ER≤5.20，較佳的範圍為0.00≤SL/ER≤5.20；
TTL/ER≤4.60，較佳的範圍為3.00≤TTL/ER≤4.60；
TTL/T1≤6.90，較佳的範圍為4.40≤TTL/T1≤6.90；
TTL/T2≤13.80，較佳的範圍為4.50≤TTL/T2≤13.80；
SL/T2≤21.60，較佳的範圍為5.80≤SL/T2≤21.60；
SL/T1≤7.90，較佳的範圍為5.40≤SL/T1≤7.90；
TTL/T3≤7.90，較佳的範圍為4.40≤TTL/T3≤7.90。
此外另可選擇實施例參數之任意組合關係增加鏡頭限制，以利於本發明相同架構的鏡頭設計。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望遠鏡頭深度縮短、可用光圈增大、成像品質提升，或組裝良率提升而改善先前技術的缺點。
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。在實施本發明時，除了前述關係式之外，亦可針對單一透鏡或廣泛性地針對多個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，舉例來說，第一透鏡的目側面上可選擇性地額外形成有一位於光軸附近區域的凸面部。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。
本發明各實施例的縱向球差、像散像差、畸變皆符合使用規範。另外，紅、綠、藍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，紅、綠、藍三種代表波長彼此間的距離亦相當接近，顯示本發明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。綜上所述，本發明藉由所述透鏡的設計與相互搭配，而能產生優異的成像品質。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
1‧‧‧目鏡光學系統
2‧‧‧目側
3‧‧‧顯示側
4‧‧‧光軸
10‧‧‧第一透鏡
11‧‧‧第一目側面
12‧‧‧第一顯示側面
13‧‧‧凹面部
13E‧‧‧凸面部
13I‧‧‧凸面部
14‧‧‧凹面部
14B‧‧‧凸面部
14G‧‧‧凸面部
14H‧‧‧凸面部
14I‧‧‧凸面部
16‧‧‧凸面部
17‧‧‧凸面部
20‧‧‧第二透鏡
21‧‧‧第二目側面
22‧‧‧第二顯示側面
23‧‧‧凸面部
24‧‧‧凹面部
26‧‧‧凹面部
27‧‧‧凸面部
30‧‧‧第三透鏡
31‧‧‧第三目側面
32‧‧‧第三顯示側面
33‧‧‧凸面部
34‧‧‧凸面部
36‧‧‧凸面部
36B‧‧‧凹面部
36C‧‧‧凹面部
36F‧‧‧凹面部
36H‧‧‧凹面部
37‧‧‧凸面部
37C‧‧‧凹面部
37G‧‧‧凹面部
37H‧‧‧凹面部
40‧‧‧第四透鏡
41‧‧‧第四目側面
42‧‧‧第四顯示側面
43‧‧‧凹面部
44‧‧‧凹面部
46‧‧‧凹面部
46F‧‧‧凸面部
47‧‧‧凹面部
47D‧‧‧凸面部
47E‧‧‧凸面部
47F‧‧‧凸面部
47G‧‧‧凸面部
47H‧‧‧凸面部
71‧‧‧顯示畫面
80‧‧‧觀察者瞳孔
T1~T4‧‧‧各透鏡中心厚度
I‧‧‧光軸
A‧‧‧光軸附近區域
C‧‧‧圓周附近區域
E‧‧‧延伸部
Lc‧‧‧主光線
Lm‧‧‧邊緣光線
V100‧‧‧目鏡光學系統
VI‧‧‧成像光線
V50‧‧‧顯示畫面
V60‧‧‧眼睛
VD‧‧‧明視距離
VV‧‧‧放大虛像
圖1繪示一顯示畫面經由一目鏡光學系統，於一瞳孔上成像的示意圖。 圖2至圖6繪示本發明目鏡光學系統判斷曲率形狀方法之示意圖。 圖7繪示本發明四片式目鏡光學系統的第一實施例之示意圖。 圖8A繪示第一實施例的縱向球差。 圖8B繪示第一實施例在弧矢方向的像散像差。 圖8C繪示第一實施例在子午方向的像散像差。 圖8D繪示第一實施例的畸變像差。 圖9繪示本發明四片式目鏡光學系統的第二實施例之示意圖。 圖10A繪示第二實施例的縱向球差。 圖10B繪示第二實施例在弧矢方向的像散像差。 圖10C繪示第二實施例在子午方向的像散像差。 圖10D繪示第二實施例的畸變像差。 圖11繪示本發明四片式目鏡光學系統的第三實施例之示意圖。 圖12A繪示第三實施例的縱向球差。 圖12B繪示第三實施例在弧矢方向的像散像差。 圖12C繪示第三實施例在子午方向的像散像差。 圖12D繪示第三實施例的畸變像差。 圖13繪示本發明四片式目鏡光學系統的第四實施例之示意圖。 圖14A繪示第四實施例的縱向球差。 圖14B繪示第四實施例在弧矢方向的像散像差。 圖14C繪示第四實施例在子午方向的像散像差。 圖14D繪示第四實施例的畸變像差。 圖15繪示本發明四片式目鏡光學系統的第五實施例之示意圖。 圖16A繪示第五實施例的縱向球差。 圖16B繪示第五實施例在弧矢方向的像散像差。 圖16C繪示第五實施例在子午方向的像散像差。 圖16D繪示第五實施例的畸變像差。 圖17繪示本發明四片式目鏡光學系統的第六實施例之示意圖。 圖18A繪示第六實施例的縱向球差。 圖18B繪示第六實施例在弧矢方向的像散像差。 圖18C繪示第六實施例在子午方向的像散像差。 圖18D繪示第六實施例的畸變像差。 圖19繪示本發明四片式目鏡光學系統的第七實施例之示意圖。 圖20A繪示第七實施例的縱向球差。 圖20B繪示第七實施例在弧矢方向的像散像差。 圖20C繪示第七實施例在子午方向的像散像差。 圖20D繪示第七實施例的畸變像差。 圖21繪示本發明四片式目鏡光學系統的第八實施例之示意圖。 圖22A繪示第八實施例的縱向球差。 圖22B繪示第八實施例在弧矢方向的像散像差。 圖22C繪示第八實施例在子午方向的像散像差。 圖22D繪示第八實施例的畸變像差。 圖23繪示本發明四片式目鏡光學系統的第九實施例之示意圖。 圖24A繪示第九實施例的縱向球差。 圖24B繪示第九實施例在弧矢方向的像散像差。 圖24C繪示第九實施例在子午方向的像散像差。 圖24D繪示第九實施例的畸變像差。 圖25表示第一實施例詳細的光學數據。 圖26表示第一實施例詳細的非球面數據。 圖27表示第二實施例詳細的光學數據。 圖28表示第二實施例詳細的非球面數據。 圖29表示第三實施例詳細的光學數據。 圖30表示第三實施例詳細的非球面數據。 圖31表示第四實施例詳細的光學數據。 圖32表示第四實施例詳細的非球面數據。 圖33表示第五實施例詳細的光學數據。 圖34表示第五實施例詳細的非球面數據。 圖35表示第六實施例詳細的光學數據。 圖36表示第六實施例詳細的非球面數據。 圖37表示第七實施例詳細的光學數據。 圖38表示第七實施例詳細的非球面數據。 圖39表示第八實施例詳細的光學數據。 圖40表示第八實施例詳細的非球面數據。 圖41表示第九實施例詳細的光學數據。 圖42表示第九實施例詳細的非球面數據。 圖43表示各實施例之重要參數。

Claims (16)

  1. 一種目鏡光學系統，適於一顯示畫面的一成像光線經由該目鏡光學系統進入一觀察者的一瞳孔而成像，朝向該瞳孔的方向定義為一目側，且朝向該顯示畫面的方向定義為一顯示側，其中該目鏡光學系統從該目側至該顯示側沿一光軸依序包括一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡及一第四透鏡，且該第一透鏡、該第二透鏡、該第三透鏡及該第四透鏡各自包括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，其中：該第一透鏡的一顯示側面於圓周附近區域具有一凸面部；該第三透鏡的一目側面於圓周附近區域具有一凸面部；該目鏡光學系統中具有屈光率的透鏡只有上述該第一透鏡、該第二透鏡、該第三透鏡與該第四透鏡共四片，該第一透鏡的阿貝數(Abbe number)定義為υ1，該第四透鏡的阿貝數定義為υ4，該第一透鏡的一目側面至該顯示畫面沿著該光軸的距離定義為TTL，該觀察者的該瞳孔至該第一透鏡的一目側面沿著該光軸的距離定義為ER，且該目鏡光學系統符合條件式：20.00｜υ1-υ4｜與TTL/ER4.60。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的目鏡光學系統，其中該觀察者的該瞳孔至該顯示畫面沿著該光軸的距離定義為SL，且該目鏡光學系統滿足以下關係式：SL/ER5.20。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的目鏡光學系統，其中該第四透鏡沿著該光軸的中心厚度定義為T4，且該目鏡光學系統滿足以下關係式：ER/T46.50。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的目鏡光學系統，該第四透鏡與該顯示畫面之間沿著該光軸的一距離定義為G4D，該第二透鏡沿著該光軸的中心厚度定義為T2，且該目鏡光學系統滿足以下關係式：G4D/T25.60。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的目鏡光學系統，其中上述該第一透鏡至該第四透鏡之所有中心厚度總和定義為ALT，該第一透鏡與該第二透鏡之間沿著該光軸的一空氣間隙長度定義為G12，該第三透鏡與該第四透鏡之間沿著該光軸的一空氣間隙長度定義為G34，且該目鏡光學系統滿足以下關係式：ALT/(G12+G34)2.60。
  6. 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的有效焦距定義為EFL，該第一透鏡沿著該光軸的中心厚度定義為T1，且該目鏡光學系統滿足以下關係式：EFL/T15.70。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的目鏡光學系統，其中該第一透鏡沿著該光軸的中心厚度定義為T1，且該目鏡光學系統滿足以下關係式：TTL/T16.90。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的目鏡光學系統，其中該第二透鏡沿著該光軸的中心厚度定義為T2，且該目鏡光學系統滿足以下關係式：TTL/T213.80。
  9. 一種目鏡光學系統，適於一顯示畫面的一成像光線經由該目鏡光學系統進入一觀察者的一瞳孔而成像，朝向該瞳孔的方向定義為一目側，且朝向該顯示畫面的方向定義為一顯示側，其中該目鏡光學系統從該目側至該顯示側 沿一光軸依序包括一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡及一第四透鏡，且該第一透鏡、該第二透鏡、該第三透鏡及該第四透鏡各自包括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，其中：該第一透鏡的一顯示側面於圓周附近區域具有一凸面部；該第三透鏡具有正屈光率，且該第三透鏡的一目側面於圓周附近區域具有一凸面部；該目鏡光學系統中具有屈光率的透鏡只有上述該第一透鏡、該第二透鏡、該第三透鏡與該第四透鏡共四片，該第一透鏡的阿貝數(Abbe number)定義為υ1，該第四透鏡的阿貝數定義為υ4，該第一透鏡的一目側面至該顯示畫面沿著該光軸的距離定義為TTL，該觀察者的該瞳孔至該第一透鏡的一目側面沿著該光軸的距離定義為ER，且該目鏡光學系統符合條件式：20.00｜υ1-υ4｜與TTL/ER4.60。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的目鏡光學系統，其中該觀察者的該瞳孔距離該顯示畫面沿著該光軸的距離定義為SL，且該目鏡光學系統滿足以下關係式：SL/ER5.20。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的目鏡光學系統，其中該第四透鏡與該顯示畫面之間沿著該光軸的一距離定義為G4D，該第四透鏡沿著該光軸的中心厚度定義為T4，且該目鏡光學系統滿足以下關係式：G4D/T47.50。
  12. 如申請專利範圍第9項所述的目鏡光學系統，其中該觀察者的該瞳孔至該顯示畫面沿著該光軸的距離定義為SL，該第二透鏡沿著該光軸的中心厚 度定義為T2，且該目鏡光學系統滿足以下關係式：SL/T221.60。
  13. 如申請專利範圍第9項所述的目鏡光學系統，其中該第一透鏡與該第二透鏡之間沿著該光軸的一空氣間隙長度定義為G12，該第三透鏡與該第四透鏡之間沿著該光軸的一空氣間隙長度定義為G34，且該目鏡光學系統滿足以下關係式：ER/(G12+G34)2.80。
  14. 如申請專利範圍第9項所述的目鏡光學系統，其中該觀察者的該瞳孔至該顯示畫面沿著該光軸的距離定義為SL，該第一透鏡沿著該光軸的中心厚度定義為T1，且該目鏡光學系統滿足以下關係式：SL/T17.90。
  15. 如申請專利範圍第9項所述的目鏡光學系統，其中該第三透鏡沿著該光軸的中心厚度定義為T3，且該目鏡光學系統滿足以下關係式：TTL/T37.90。
  16. 如申請專利範圍第9項所述的目鏡光學系統，其中上述該第一透鏡至該第四通鏡之所有中心厚度總和定義為ALT，該第三透鏡與該第四透鏡之間沿著該光軸的一空氣間隙長度定義為G34，且該目鏡光學系統滿足以下關係式：ALT/G348.10。
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