TWI627463B

TWI627463B - 目鏡光學系統

Info

Publication number: TWI627463B
Application number: TW105141326A
Authority: TW
Inventors: 馬修博恩; 謝振鋒; 殷焱煊
Original assignee: 玉晶光電股份有限公司
Priority date: 2016-11-18
Filing date: 2016-12-14
Publication date: 2018-06-21
Also published as: US10429613B2; TW201732346A; US20180143400A1; CN106773008B; CN106773008A

Abstract

一種目鏡光學系統，從目側至顯示側沿光軸依序包括第一透鏡、第二透鏡以及第三透鏡。第一透鏡、第二透鏡以及第三透鏡各自包括目側面及顯示側面。第一透鏡的目側面具有位於光軸附近區域的凹面部。第三透鏡的顯示側面具有位於圓周附近區域的凹面部。目鏡光學系統符合：1≦TTL/ER≦10，其中TTL為第一透鏡的目側面到顯示畫面在光軸上的距離，且ER為觀察者的眼睛的瞳孔到第一透鏡的目側面在光軸上的距離。

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，現有的光學透鏡設計容易有半眼視視角小和色差及畸變大的問題，因此如何增加半眼視視角並加強成像品質成為需要改善的問題之一。

本發明提供一種目鏡光學系統，其具有良好的成像品質與大的半眼視視角。

本發明的一實施例提出一種目鏡光學系統，適於讓成像光線從顯示畫面經目鏡光學系統進入觀察者的眼睛成像。朝向眼睛的方向為目側。朝向顯示畫面的方向為顯示側。目鏡光學系統從目側至顯示側沿光軸依序包括第一透鏡、第二透鏡以及第三透鏡。第一透鏡、第二透鏡以及第三透鏡各自包括目側面及顯示側面。第一透鏡具有正屈光率，且第一透鏡的目側面具有位於光軸附近區域的凹面部。第三透鏡的顯示側面具有位於圓周附近區域的凹面部。目鏡光學系統符合：1≦TTL/ER≦10，其中TTL為第一透鏡的目側面到顯示畫面在光軸上的距離，且ER為觀察者的眼睛的瞳孔到第一透鏡的目側面在光軸上的距離。

本發明的另一實施例提出一種目鏡光學系統，適於讓成像光線從顯示畫面經目鏡光學系統進入觀察者的眼睛成像。朝向眼睛的方向為目側。朝向顯示畫面的方向為顯示側。目鏡光學系統從目側至顯示側沿光軸依序包括第一透鏡、第二透鏡以及第三透鏡。第一透鏡、第二透鏡以及第三透鏡各自包括目側面及顯示側面。第一透鏡的目側面具有位於光軸附近區域的凹面部。第二透鏡採用菲涅耳透鏡設計。第三透鏡的顯示側面具有位於圓周附近區域的凹面部。目鏡光學系統符合：1≦TTL/ER≦10，其中TTL為第一透鏡的目側面到顯示畫面在光軸上的距離，且ER為觀察者的眼睛的瞳孔到第一透鏡的目側面在光軸上的距離。

基於上述，本發明的實施例的目鏡光學系統的有益效果在於：藉由上述透鏡的表面形狀與屈光率設計與排列，以及光學參數的設計，使目鏡光學系統具備能夠有效克服像差的光學性能，提供良好的成像品質，且具有大的眼視視角（apparent field of view）。

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）。該顯示側面、目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用於讓成像光線從顯示畫面100經目鏡光學系統10及觀察者的眼睛的瞳孔2進入觀察者的眼睛成像。朝向眼睛的方向為目側，且朝向顯示畫面100的方向為顯示側。目鏡光學系統10從目側至顯示側沿目鏡光學系統10的一光軸I依序包括一第一透鏡3、一第二透鏡4以及一第三透鏡5。當顯示畫面100所發出的光線進入目鏡光學系統10，並依序通過第三透鏡5、第二透鏡4及第一透鏡3後，會經由瞳孔2進入觀察者的眼睛，而在眼睛的視網膜上形成一影像。

第一透鏡3、第二透鏡4以及第三透鏡5各自具有一朝向目側且使成像光線通過之目側面31、41、51及一朝向顯示側且使成像光線通過之顯示側面32、42、52。為了滿足產品輕量化的需求，第一透鏡3、第二透鏡4以及第三透鏡5皆具備屈光率。此外，第一透鏡3、第二透鏡4以及第三透鏡5都是塑膠材質所製成，但第一透鏡3、第二透鏡4以及第三透鏡5的材質不以此為限制。

第一透鏡3具有正屈光率。第一透鏡3的目側面31為一凹面，且具有一位於光軸I附近區域的凹面部311及一位於圓周附近區域的凹面部313。第一透鏡3的顯示側面32為一凸面，且具有一位於光軸I附近區域的凸面部321及一位於圓周附近區域的凸面部323。

第二透鏡4具有正屈光率。第二透鏡4的目側面41為一凸面，且具有一位於光軸I附近區域的凸面部411及一位於圓周附近區域的凸面部414。第二透鏡4的顯示側面42為一凸面，且具有一在光軸I附近區域的凸面部421及一位於圓周附近區域的凸面部424。

第三透鏡5具有負屈光率。第三透鏡5的目側面51為一凹面，且具有一位於光軸I附近區域的凹面部511及一位於圓周附近區域的凹面部515。第三透鏡5的顯示側面52為一凹面，且具有一在光軸I附近區域的凹面部521及一位於圓周附近區域的凹面部525。

此外，在本實施例中，只有上述透鏡具有屈光率，且目鏡光學系統10具有屈光率的透鏡只有三片。另外，第二透鏡4採用菲涅耳透鏡設計以縮短系統長度。具體地，第二透鏡4的目側面41與顯示側面42的其中之一為菲涅耳表面，即菲涅耳透鏡（Fresnel lens）的表面。在本實施例中，第二透鏡4的顯示側面42為菲涅耳表面。

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1與圖43所示。其中， T1為第一透鏡3在光軸I上的厚度； T2為第二透鏡4在光軸I上的厚度； T3為第三透鏡5在光軸I上的厚度； G12為第一透鏡3的顯示側面32到第二透鏡4的目側面41在光軸I上的距離，即第一透鏡3至第二透鏡4在光軸I上的空氣間隙長度； G23為第二透鏡4的顯示側面42到第三透鏡5的目側面51在光軸I上的距離，即第二透鏡4至第三透鏡5在光軸I上的空氣間隙長度； G3D為第三透鏡5的顯示側面52到顯示畫面100在光軸I上的距離，即第三透鏡5至顯示畫面100在光軸I上的空氣間隙長度； ω為半眼視視角（half apparent field of view），即觀察者的一半視野角度，如圖1所繪示； EFL為目鏡光學系統10的有效焦距（effective focal length）； TTL為第一透鏡3的目側面31到顯示畫面100在光軸I上的距離； TL為第一透鏡3的目側面31到第三透鏡5的顯示側面52在光軸I上的距離； SL為系統長度，即觀察者的瞳孔2到顯示畫面100在光軸I上的距離； ER（eye relief）為出瞳距離，即觀察者的瞳孔2到第一透鏡3的目側面31在光軸I上的距離； AAG為第一透鏡3至第二透鏡4在光軸I上的空氣間隙長度與第二透鏡4至第三透鏡5在光軸I上的空氣間隙長度的總和，即G12與G23之和； ALT為第一透鏡3、第二透鏡4以及第三透鏡5在光軸I上的厚度的總和，即T1、T2與T3之和； EPD為目鏡光學系統10之出瞳直徑（exit pupil diameter），對應於觀察者的瞳孔2的直徑，白天約為3 mm，晚上約為7 mm，如圖1所繪示； DLD為觀察者的單一瞳孔2對應之顯示畫面100之對角線長，如圖1所繪示；以及明視距離（least distance of distinct vision）為眼睛可以清楚聚焦的最近之距離，青年人通常為250毫米（millimeter, mm），如圖1所繪示之明視距離VD。另外，再定義： n1為第一透鏡3的折射率； n2為第二透鏡4的折射率； n3為第三透鏡5的折射率； ν1為第一透鏡3的阿貝數（Abbe number），阿貝數也可稱為色散係數； ν2為第二透鏡4的阿貝數；以及 ν3為第三透鏡5的阿貝數。

第一實施例的其他詳細光學數據如圖9所示。在第一實施例中，目鏡光學系統10的有效焦距（EFL）（即系統焦距）為42.686 mm，半眼視視角（ω）為45.000°，TTL為53.859 mm，光圈值（F number, Fno）為10.671，且EPD為4 mm。具體地，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）。在此，圖9中的有效半徑是指光學有效徑（clear aperture）的一半。

此外，在本實施例中，第一透鏡3的目側面31及顯示側面32、第二透鏡4的目側面41以及第三透鏡5的目側面51及顯示側面52（共計五個面）為非球面，而第二透鏡4的顯示側面42為菲涅耳表面，其中此菲涅耳表面的每個齒的弧面（即每個齒上用以有效折射成像光線的曲面）為非球面，而下述顯示側面42的非球面係數是用來表示這些齒的弧面，且這些非球面是依下列公式定義： -----------（1）其中： Y：非球面曲線上的點到光軸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：透鏡的面近光軸I處的曲率半徑； K：錐面係數（conic constant）；：第2i階非球面係數。

目側面31、41及51與顯示側面32、42及52在公式（1）中的各項非球面係數如圖10所示。在圖10中，欄位編號31表示第一透鏡3的目側面31的非球面係數，在其他欄位的欄位編號依此類推。

請參閱圖8A至圖8D，圖8A至圖8D為第一實施例之目鏡光學系統10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。換句話說，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。圖8A的圖式說明第一實施例當其光瞳半徑（pupil radius）為2 mm時的縱向球差（longitudinal spherical aberration）。圖8B與圖8C的圖式則分別說明第一實施例當波長為486 nm、587 nm及656 nm時在顯示畫面100上有關弧矢（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當波長為486 nm、587 nm及656 nm時在顯示畫面100上的畸變像差（distortion aberration）。

本第一實施例的縱向球差圖示圖8A中，每一種波長的曲線皆很靠近彼此並靠近中間位置，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±0.37毫米的範圍內。因此，事實證明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（紅、綠及藍）的曲線彼此相當接近，代表不同波長光線的成像位置相當集中，因而使色像差也獲得明顯改善。在圖8B與圖8C的兩個場曲像差圖示中，三種代表波長在整個視場範圍內的焦距變化量落在±0.5毫米的範圍內，說明第一實施例的目鏡光學系統10能有效消除像差。在圖8D中，畸變像差圖式顯示第一實施例的畸變像差維持在±18%的範圍內，說明第一實施例的畸變像差可符合目鏡光學系統10的成像品質要求。據此，相較於現有的目鏡光學系統，第一實施例的目鏡光學系統10在SL縮短至65.859毫米左右的條件下，可具有良好的成像品質。因此，根據第一實施例，可在不犧牲光學性能之條件下，縮短光學系統的長度以及擴大眼視視角。如此，得以實現小型化、低像差且大眼視視角的產品設計。

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，本發明之目鏡光學系統10的一第二實施例，其與第一實施例大致相似，而兩者的差異如下所述：各光學數據、非球面係數及這些透鏡（包括第一透鏡3、第二透鏡4及第三透鏡5）的參數在這兩個實施例中或多或少有些不同。在此需注意的是，為了清楚地顯示圖面，圖11中省略部分與第一實施例相同的凹面部與凸面部的標號。

第二實施例中目鏡光學系統10詳細的光學數據如圖13所示。在第二實施例中，目鏡光學系統10的有效焦距（EFL）為48.643 mm，半眼視視角（ω）為45.000°，TTL為62.412 mm，光圈值（Fno）為12.161，且EPD為4 mm。

根據第二實施例，目側面31、41及51與顯示側面32、42及52在公式（1）中的非球面係數如圖14所示。

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43所示。

本第二實施例在其光瞳半徑為2 mm時的縱向球差圖示圖12A中，不同高度的離軸光線的成像點偏差控制在±0.5毫米的範圍內。在圖12B與圖12C的兩個場曲像差圖示中，三種代表波長在整個視場範圍內的焦距變化量落在±0.65毫米的範圍內。在圖12D中，畸變像差圖式顯示第二實施例的畸變像差維持在±16%的範圍內。

相較於第一實施例，第二實施例的優點在於：第二實施例的畸變像差小於第一實施例的畸變像差。此外，相較於第一實施例，第二實施例的目鏡光學系統10較易於製作，從而具有較高的產量。

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，而兩者的差異如下所述：各光學數據、非球面係數及這些透鏡（包括第一透鏡3、第二透鏡4及第三透鏡5）的參數在這兩個實施例中或多或少有些不同。在此需注意的是，為了清楚地顯示圖面，圖15中省略部分與第一實施例相同的凹面部與凸面部的標號。

第三實施例中目鏡光學系統10詳細的光學數據如圖17所示。在第三實施例中，目鏡光學系統10的有效焦距（EFL）為48.003 mm，半眼視視角（ω）為45.000°，TTL為61.454 mm，光圈值（Fno）為12.001，且EPD為4 mm。

根據第三實施例，目側面31、41及51與顯示側面32、42及52在公式（1）中的非球面係數如圖18所示。

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43所示。

本第三實施例在其光瞳半徑為2 mm時的縱向球差圖示圖16A中，不同高度的離軸光線的成像點偏差控制在±0.52毫米的範圍內。在圖16B與圖16C的兩個場曲像差圖示中，三種代表波長在整個視場範圍內的焦距變化量落在±0.65毫米的範圍內。在圖16D中，畸變像差圖式顯示第三實施例的畸變像差維持在±15%的範圍內。

相較於第一實施例，第三實施例的優點在於：第三實施例的畸變像差小於第一實施例的畸變像差。此外，相較於第一實施例，第三實施例的目鏡光學系統10較易於製作，從而具有較高的產量。

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，而兩者的差異如下所述：各光學數據、非球面係數及這些透鏡（包括第一透鏡3、第二透鏡4及第三透鏡5）的參數在這兩個實施例中或多或少有些不同。此外，在本實施例中，第三透鏡5的目側面51具有一位於圓周附近區域的凸面部515’。在此需注意的是，為了清楚地顯示圖面，圖19中省略部分與第一實施例相同的凹面部與凸面部的標號。

第四實施例中目鏡光學系統10詳細的光學數據如圖21所示。在第四實施例中，目鏡光學系統10的有效焦距（EFL）為86.101 mm，半眼視視角（ω）為45.000°，TTL為117.774 mm，光圈值（Fno）為21.525，且EPD為4 mm。

根據第四實施例，目側面31、41及51與顯示側面32、42及52在公式（1）中的非球面係數如圖22所示。

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43所示。

本第四實施例在其光瞳半徑為2 mm時的縱向球差圖示圖20A中，不同高度的離軸光線的成像點偏差控制在±0.3毫米的範圍內。在圖20B與圖20C的兩個場曲像差圖示中，三種代表波長在整個視場範圍內的焦距變化量落在±18毫米的範圍內。在圖20D中，畸變像差圖式顯示第四實施例的畸變像差維持在±13%的範圍內。

相較於第一實施例，第四實施例的優點在於：第四實施例的縱向球差以及畸變像差小於第一實施例的縱向球差以及畸變像差。此外，相較於第一實施例，第四實施例的目鏡光學系統10較易於製作，從而具有較高的產量。

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，而兩者的差異如下所述：各光學數據、非球面係數及這些透鏡（包括第一透鏡3、第二透鏡4及第三透鏡5）的參數在這兩個實施例中或多或少有些不同。此外，在本實施例中，第三透鏡5的目側面51具有一位於圓周附近區域的凸面部515’。在此需注意的是，為了清楚地顯示圖面，圖23中省略部分與第一實施例相同的凹面部與凸面部的標號。

第五實施例中目鏡光學系統10詳細的光學數據如圖25所示。在第五實施例中，目鏡光學系統10的有效焦距（EFL）為90.017 mm，半眼視視角（ω）為43.000°，TTL為117.665 mm，光圈值（Fno）為22.504，且EPD為4 mm。

根據第五實施例，目側面31、41及51與顯示側面32、42及52在公式（1）中的非球面係數如圖26所示。

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44所示。

本第五實施例在其光瞳半徑為2 mm時的縱向球差圖示圖24A中，不同高度的離軸光線的成像點偏差控制在±0.35毫米的範圍內。在圖24B與圖24C的兩個場曲像差圖示中，三種代表波長在整個視場範圍內的焦距變化量落在±2.5毫米的範圍內。在圖24D中，畸變像差圖式顯示第五實施例的畸變像差維持在±13%的範圍內。

相較於第一實施例，第五實施例的優點在於：第五實施例的縱向球差以及畸變像差小於第一實施例的縱向球差以及畸變像差。此外，相較於第一實施例，第五實施例的目鏡光學系統10較易於製作，從而具有較高的產量。

圖27為本發明的第六實施例的目鏡光學系統的示意圖，而圖28A至圖28D為第六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27，本發明目鏡光學系統10的一第六實施例，其與第一實施例大致相似，而兩者的差異如下所述：各光學數據、非球面係數及這些透鏡（包括第一透鏡3、第二透鏡4及第三透鏡5）的參數在這兩個實施例中或多或少有些不同。在此需注意的是，為了清楚地顯示圖面，圖27中省略部分與第一實施例相同的凹面部與凸面部的標號。

第六實施例中目鏡光學系統10詳細的光學數據如圖29所示。在第六實施例中，目鏡光學系統10的有效焦距（EFL）為49.358 mm，半眼視視角（ω）為43.000°，TTL為64.550 mm，光圈值（Fno）為12.340，且EPD為4 mm。

根據第六實施例，目側面31、41及51與顯示側面32、42及52在公式（1）中的非球面係數如圖30所示。

另外，第六實施例之目鏡光學系統10中各重要參數間的關係如圖44所示。

本第六實施例在其光瞳半徑為2 mm時的縱向球差圖示圖28A中，不同高度的離軸光線的成像點偏差控制在±0.51毫米的範圍內。在圖28B與圖28C的兩個場曲像差圖示中，三種代表波長在整個視場範圍內的焦距變化量落在±0.7毫米的範圍內。在圖28D中，畸變像差圖式顯示第六實施例的畸變像差維持在±19%的範圍內。

相較於第一實施例，第六實施例的優點在於：第六實施例的目鏡光學系統10比第一實施例更易於製作，從而具有較高的產量。

圖31為本發明的第七實施例的目鏡光學系統的示意圖，而圖32A至圖32D為第七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31，本發明目鏡光學系統10的一第七實施例，其與第一實施例大致相似，而兩者的差異如下所述：各光學數據、非球面係數及這些透鏡（包括第一透鏡3、第二透鏡4及第三透鏡5）的參數在這兩個實施例中或多或少有些不同。在此需注意的是，為了清楚地顯示圖面，圖31中省略部分與第一實施例相同的凹面部與凸面部的標號。

第七實施例中目鏡光學系統10詳細的光學數據如圖33所示。在第七實施例中，目鏡光學系統10的有效焦距（EFL）為51.410 mm，半眼視視角（ω）為43.000°，TTL為67.544 mm，光圈值（Fno）為12.853，且EPD為4 mm。

根據第七實施例，目側面31、41及51與顯示側面32、42及52在公式（1）中的非球面係數如圖34所示。

另外，第七實施例之目鏡光學系統10中各重要參數間的關係如圖44所示。

本第七實施例在其光瞳半徑為2 mm時的縱向球差圖示圖32A中，不同高度的離軸光線的成像點偏差控制在±0.23毫米的範圍內。在圖32B與圖32C的兩個場曲像差圖示中，三種代表波長在整個視場範圍內的焦距變化量落在±2.3毫米的範圍內。在圖32D中，畸變像差圖式顯示第七實施例的畸變像差維持在±16%的範圍內。

相較於第一實施例，第七實施例的優點在於：第七實施例的縱向球差以及畸變像差小於第一實施例的縱向球差以及畸變像差。此外，相較於第一實施例，第七實施例的目鏡光學系統10較易於製作，從而具有較高的產量。

圖35為本發明的第八實施例的目鏡光學系統的示意圖，而圖36A至圖36D為第八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35，本發明目鏡光學系統10的一第八實施例，其與第一實施例大致相似，而兩者的差異如下所述：各光學數據、非球面係數及這些透鏡（包括第一透鏡3、第二透鏡4及第三透鏡5）的參數在這兩個實施例中或多或少有些不同。此外，在本實施例中，第三透鏡5的目側面51具有一位於圓周附近區域的凸面部515’。在此需注意的是，為了清楚地顯示圖面，圖35中省略部分與第一實施例相同的凹面部與凸面部的標號。

第八實施例中目鏡光學系統10詳細的光學數據如圖37所示。在第八實施例中，目鏡光學系統10的有效焦距（EFL）為37.499 mm，半眼視視角（ω）為43.000°，TTL為51.170 mm，光圈值（Fno）為9.375，且EPD為4 mm。

根據第八實施例，目側面31、41及51與顯示側面32、42及52在公式（1）中的非球面係數如圖38所示。

另外，第八實施例之目鏡光學系統10中各重要參數間的關係如圖44所示。

本第八實施例在其光瞳半徑為2 mm時的縱向球差圖示圖36A中，不同高度的離軸光線的成像點偏差控制在±0.43毫米的範圍內。在圖36B與圖36C的兩個場曲像差圖示中，三種代表波長在整個視場範圍內的焦距變化量落在±3毫米的範圍內。在圖36D中，畸變像差圖式顯示第八實施例的畸變像差維持在±9.5%的範圍內。

相較於第一實施例，第八實施例的優點在於：第八實施例的畸變像差以及光圈值（Fno）小於第一實施例的畸變像差以及光圈值（Fno）。

圖39為本發明的第九實施例的目鏡光學系統的示意圖，而圖40A至圖40D為第九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39，本發明目鏡光學系統10的一第九實施例，其與第一實施例大致相似，而兩者的差異如下所述：各光學數據、非球面係數及這些透鏡（包括第一透鏡3、第二透鏡4及第三透鏡5）的參數在這兩個實施例中或多或少有些不同。此外，在本實施例中，第三透鏡5的目側面51具有一位於圓周附近區域的凸面部515’。在此需注意的是，為了清楚地顯示圖面，圖39中省略部分與第一實施例相同的凹面部與凸面部的標號。

第九實施例中目鏡光學系統10詳細的光學數據如圖41所示。在第九實施例中，目鏡光學系統10的有效焦距（EFL）為88.065 mm，半眼視視角（ω）為43.000°，TTL為119.907 mm，光圈值（Fno）為22.016，且EPD為4 mm。

根據第九實施例，目側面31、41及51與顯示側面32、42及52在公式（1）中的非球面係數如圖42所示。

另外，第九實施例之目鏡光學系統10中各重要參數間的關係如圖44所示。

本第九實施例在其光瞳半徑為2 mm時的縱向球差圖示圖40A中，不同高度的離軸光線的成像點偏差控制在±0.2毫米的範圍內。在圖40B與圖40C的兩個場曲像差圖示中，三種代表波長在整個視場範圍內的焦距變化量落在±11毫米的範圍內。在圖40D中，畸變像差圖式顯示第九實施例的畸變像差維持在±9%的範圍內。

相較於第一實施例，第九實施例的優點在於：第九實施例的縱向球差以及畸變像差小於第一實施例的縱向球差以及畸變像差。此外，相較於第一實施例，第九實施例的目鏡光學系統10較易於製作，從而具有較高的產量。

圖43與圖44為上述九個實施例的各項光學參數的表格圖。在本發明的實施例中，為縮短系統長度以及具有良好的成像品質，適當縮短透鏡的厚度以及透鏡間的空氣間隙長度為本發明之實施例的一種手段之一。然而，同時考量製作的難易程度，若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的至少其中之一時，目鏡光學系統的設計能有較佳的配置：1≦TTL/ER≦10、T2/T3≦3.8、G3D/T1≦12、EFL/(T1+T3)≦7、TL/AAG≧5、(T1+G12)/T3≦3.5、(T2+T3)/G23≧5.2、ALT/T3≦7、EFL/T1≦10、T2/AAG≧2.5、T2/T1≦4以及EFL/(T2+T3)≧2.5。較佳地，1.5≦T2/T3≦3.8、2≦G3D/T1≦12、2≦EFL/(T1+T3)≦7、5≦TL/AAG≦30、1.0≦(T1+G12)/T3≦3.5、5.2≦(T2+T3)/G23≦17.0、4.5≦ALT/T3≦7、3≦EFL/T1≦10、2.5≦T2/AAG≦12.0、0.5≦T2/T1≦4以及2.5≦EFL/(T2+T3)≦9.0。

有鑑於光學系統設計的不可預測性，在本發明的實施例的架構之下，符合上述條件式能較佳地使本發明的實施例的系統長度縮短、可用光圈增大、眼視視角增加、成像品質提升，或組裝良率提升而改善先前技術的缺點。

綜上所述，本發明的實施例的目鏡光學系統10可具有下述優點的其中之一或獲致下述功效的其中之一：

一、本發明實施例的縱向球差、場曲、畸變皆符合使用規範。此外，三種代表波長（486奈米、587奈米、656奈米）或三種代表波長（486奈米、587奈米、656奈米）在不同高度的離軸光線皆集中在成像點附近，且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能夠抑制球差、像差以及畸變。進一步參閱成像品質數據，三種代表波長（486奈米、587奈米、656奈米）或三種代表波長470奈米、555奈米、650奈米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能夠抑制色散。因此，透過上述可知本發明的實施例具備良好光學性能。

二、第一透鏡具有正屈光率且第一透鏡的目側面具有一位於光軸附近區域的凹面部有利於光線收聚。配合第三透鏡的顯示側面具有一位於圓周附近區域的凹面部，可修正像差。

三、第二透鏡採用菲涅耳透鏡設計有利於縮短系統長度。

四、此外，另可選擇實施例參數之任意組合關係增加系統限制，以利於本發明實施例相同架構的系統設計。有鑑於光學系統設計的不可預測性，在本發明的實施例的架構之下，符合上述條件式能較佳地使本發明的實施例的系統長度縮短、出瞳直徑增大、成像品質提升，或組裝良率提升而改善先前技術的缺點。

五、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。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。

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‧‧‧第一透鏡

4‧‧‧第二透鏡

5‧‧‧第三透鏡

31、41、51‧‧‧目側面

32、42、52‧‧‧顯示側面

311、313、511、515、521、525‧‧‧凹面部

321、323、411、414、421、424、515’‧‧‧凸面部

A‧‧‧光軸附近區域

C‧‧‧圓周附近區域

DLD‧‧‧觀察者單一瞳孔對應之顯示畫面之對角線長

E‧‧‧延伸部

EPD‧‧‧出瞳直徑

I‧‧‧光軸

Lc‧‧‧主光線

Lm‧‧‧邊緣光線

M、R‧‧‧點

V60‧‧‧眼睛

VD‧‧‧明視距離

VI‧‧‧成像光線

VV‧‧‧放大虛像

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為本發明的第六實施例的目鏡光學系統的示意圖。圖28A至圖28D為第六實施例之目鏡光學系統的縱向球差與各項像差圖。圖29示出本發明之第六實施例之目鏡光學系統的詳細光學數據。圖30示出本發明之第六實施例之目鏡光學系統的非球面參數。圖31為本發明的第七實施例的目鏡光學系統的示意圖。圖32A至圖32D為第七實施例之目鏡光學系統的縱向球差與各項像差圖。圖33示出本發明之第七實施例之目鏡光學系統的詳細光學數據。圖34示出本發明之第七實施例之目鏡光學系統的非球面參數。圖35為本發明的第八實施例的目鏡光學系統的示意圖。圖36A至圖36D為第八實施例之目鏡光學系統的縱向球差與各項像差圖。圖37示出本發明之第八實施例之目鏡光學系統的詳細光學數據。圖38示出本發明之第八實施例之目鏡光學系統的非球面參數。圖39為本發明的第九實施例的目鏡光學系統的示意圖。圖40A至圖40D為第九實施例之目鏡光學系統的縱向球差與各項像差圖。圖41示出本發明之第九實施例之目鏡光學系統的詳細光學數據。圖42示出本發明之第九實施例之目鏡光學系統的非球面參數。圖43與圖44示出本發明之第一至第九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

一種目鏡光學系統，適於讓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、一第二透鏡以及一第三透鏡，該第一透鏡、該第二透鏡以及該第三透鏡各自包括一目側面及一顯示側面，且僅該第一透鏡、該第二透鏡及該第三透鏡具有屈光率；該第一透鏡具有正屈光率，且該第一透鏡的該目側面具有一位於光軸附近區域的凹面部；該第三透鏡的該顯示側面具有一位於圓周附近區域的凹面部；其中，該目鏡光學系統符合：1≦TTL/ER≦10，其中TTL為該第一透鏡的該目側面到該顯示畫面在該光軸上的距離，且ER為該觀察者的該眼睛的瞳孔到該第一透鏡的該目側面在該光軸上的距離；以及EFL/T1≦10，其中EFL為該目鏡光學系統的系統焦距，且T1為該第一透鏡在該光軸上的厚度。
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：T2/T3≦3.8，其中T2為該第二透鏡在該光軸上的厚度，且T3為該第三透鏡在該光軸上的厚度。
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：G3D/T1≦12，其中G3D為該第三透鏡的該顯示側面到該顯示畫面在該光軸上的距離。
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：EFL/(T1+T3)≦7，其中T3為該第三透鏡在該光軸上的厚度。
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：TL/AAG≧5，其中TL為該第一透鏡的該目側面到該第三透鏡的該顯示側面在該光軸上的距離，且AAG為該第一透鏡至該第二透鏡在該光軸上的空氣間隙長度與該第二透鏡至該第三透鏡在該光軸上的空氣間隙長度的總和。
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：(T1+G12)/T3≦3.5，其中G12為該第一透鏡至該第二透鏡在該光軸上的空氣間隙長度，且T3為該第三透鏡在該光軸上的厚度。
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：(T2+T3)/G23≧5.2，其中T2為該第二透鏡在該光軸上的厚度，T3為該第三透鏡在該光軸上的厚度，且G23為該第二透鏡至該第三透鏡在該光軸上的空氣間隙長度。
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：ALT/T3≦7，其中ALT為該第一透鏡、該第二透鏡以及該第三透鏡在該光軸上的厚度的總和，且T3為該第三透鏡在該光軸上的厚度。
一種目鏡光學系統，適於讓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、一第二透鏡以及一第三透鏡，該第一透鏡、該第二透鏡以及該第三透鏡各自包括一目側面及一顯示側面，且僅該第一透鏡、該第二透鏡及該第三透鏡具有屈光率；該第一透鏡的該目側面具有一位於光軸附近區域的凹面部；該第二透鏡採用菲涅耳透鏡設計；該第三透鏡的該顯示側面具有一位於圓周附近區域的凹面部；其中，該目鏡光學系統符合：1≦TTL/ER≦10，其中TTL為該第一透鏡的該目側面到該顯示畫面在該光軸上的距離，且ER為該觀察者的該眼睛的瞳孔到該第一透鏡的該目側面在該光軸上的距離；以及EFL/T1≦10，其中EFL為該目鏡光學系統的系統焦距，且T1為該第一透鏡在該光軸上的厚度。
如申請專利範圍第9項所述的目鏡光學系統，其中該目鏡光學系統更符合：TL/AAG≧5，其中TL為該第一透鏡的該目側面到該第三透鏡的該顯示側面在該光軸上的距離，且AAG為該第一透鏡至該第二透鏡在該光軸上的空氣間隙長度與該第二透鏡至該第三透鏡在該光軸上的空氣間隙長度的總和。
如申請專利範圍第9項所述的目鏡光學系統，其中該目鏡光學系統更符合：T2/AAG≧2.5，其中T2為該第二透鏡在該光軸上的厚度，且AAG為該第一透鏡至該第二透鏡在該光軸上的空氣間隙長度與該第二透鏡至該第三透鏡在該光軸上的空氣間隙長度的總和。
如申請專利範圍第9項所述的目鏡光學系統，其中該目鏡光學系統更符合：G3D/T1≦12，其中G3D為該第三透鏡的該顯示側面到該顯示畫面在該光軸上的距離。
如申請專利範圍第12項所述的目鏡光學系統，其中該目鏡光學系統更符合：T2/T1≦4，其中T2為該第二透鏡在該光軸上的厚度。
如申請專利範圍第9項所述的目鏡光學系統，其中該目鏡光學系統更符合：ALT/T3≦7，其中ALT為該第一透鏡、該第二透鏡以及該第三透鏡在該光軸上的厚度的總和，且T3為該第三透鏡在該光軸上的厚度。
如申請專利範圍第14項所述的目鏡光學系統，其中該目鏡光學系統更符合：EFL/(T2+T3)≧2.5，其中T2為該第二透鏡在該光軸上的厚度。
如申請專利範圍第9項所述的目鏡光學系統，其中該第二透鏡的該顯示側面為一菲涅耳表面。