TWI671559B - 顯示器 - Google Patents

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Abstract

一種顯示器，包括光學鏡頭以及光閥。光學鏡頭包括從出光側往入光側依序排列的第一透鏡、第二透鏡及第三透鏡。光閥設置於入光側。光閥提供影像光束。光學鏡頭用於接收影像光束。影像光束在出光側形成光欄。光欄具有影像光束的光束縮束的最小截面積。在光閥的主動表面上影像光束具有OPD的範圍是-2.0λ＜OPD＜2.0λ，其中OPD為在各視場角的光程差，λ為各色光的波長。

Description

顯示器
本發明是有關於一種顯示器，並且特別涉及一種具有光學鏡頭的顯示器。
具有波導(waveguide)的顯示器(波導顯示器)依其影像源的種類可區分為自發光面板架構、穿透式面板架構以及反射式面板架構。具有自發光或穿透式面板架構的波導顯示器，上述各種形式的面板所提供的影像光束經過光學鏡頭，由耦合入口進入波導。接著，影像光束在波導中傳遞至耦合出口，再將影像光束投射至人眼的位置，形成影像。其中，反射式面板架構的波導顯示器，其光源提供的照明光束經照明光學裝置的傳遞後，藉由照明稜鏡將照明光束照射在反射式面板上，反射式面板將照明光束轉換成影像光束，因此反射式面板將影像光束傳遞至光學鏡頭，影像光束經過光學鏡頭導入波導中。接著，影像光束在波導中傳遞至耦合出口，再將影像光束投射至人眼位置。光學鏡頭會將影像源(面板)產生的影像在一定距離外形成一個虛像，此虛像透過人眼再成像在視網膜上。光學鏡頭應用在波導顯示器中，光學鏡頭在設計上尺寸大小與重量的考量是重要的議題。
“先前技術”段落只是用來幫助瞭解本發明內容，因此在“先前技術”段落所揭露的內容可能包含一些沒有構成所屬技術領域中具有通常知識者所知道的習知技術。在“先前技術”段落所揭露的內容，不代表該內容或者本發明一個或多個實施例所要解決的問題，在本發明申請前已被所屬技術領域中具有通常知識者所知曉或認知。
本發明提供一種顯示器，其中的光學鏡頭的尺寸小、重量輕、視角大且解析度高。
本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的瞭解。
為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明的一實施例提出一種顯示器，包括光學鏡頭以及光閥。光學鏡頭包括從出光側往入光側依序排列的第一透鏡、第二透鏡及第三透鏡。光閥設置於入光側。光閥提供影像光束。光學鏡頭用於接收影像光束。影像光束包括至少一色光。影像光束在出光側形成光欄。光欄具有影像光束的光束縮束（beam shrinkage）的最小截面積。在光閥的主動表面上影像光束具有OPD的範圍是-2.0λ＜OPD＜2.0λ，其中OPD為在各視場角的光程差（Optical Path Difference，OPD），λ為各色光的波長。
在本發明一實施例中，所述光學鏡頭符合0.3＜B/D＜2.5，其中B為光學鏡頭的鏡頭總長，且D為光學鏡頭中最大透鏡的通光口徑。
在本發明的一實施例中，所述光學鏡頭符合0.1＜A/B＜3.5，其中A為光欄與光學鏡頭在光軸上的距離，且B為光學鏡頭的鏡頭總長。
在本發明的一實施例中，所述光學鏡頭符合2＜(A+C)×FOV/(B×D)＜30，其中A為光欄與光學鏡頭在光軸上的距離，B為光學鏡頭的鏡頭總長，C為光學鏡頭與光閥在光軸上的距離，D為光學鏡頭中最大透鏡的通光口徑，且FOV為光學鏡頭的視場角。
在本發明的一實施例中，所述光學鏡頭符合E/F＜1，其中光欄的形狀為圓形，E是光欄的直徑，且光閥是矩形或方形，F是光閥的對角線的長度。
在本發明的一實施例中，所述光學鏡頭的視場角為40度。
在本發明的一實施例中，所述光學鏡頭的第一透鏡、第二透鏡及第三透鏡的屈光度依序為正、負及正。
在本發明的一實施例中，所述光學鏡頭的第一透鏡為雙凸透鏡，第二透鏡為雙凹透鏡，且第三透鏡為雙凸透鏡。
在本發明的一實施例中，所述光學鏡頭的第一透鏡、第二透鏡及第三透鏡為塑膠非球面透鏡。
在本發明的一實施例中，所述第一透鏡及所述第三透鏡為玻璃非球面透鏡，所述第二透鏡為塑膠非球面透鏡。
在本發明的一實施例中，所述光學鏡頭還包括第四透鏡，位在第三透鏡與光閥之間。
在本發明的一實施例中，所述光學鏡頭的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡及第四透鏡的屈光度依序為負、正、負及正。
在本發明的一實施例中，所述光學鏡頭的第一透鏡為凸凹透鏡且具有朝向入光側的凸面，第二透鏡為雙凸透鏡，第三透鏡為凸凹透鏡且具有朝向出光側的凸面，且第四透鏡為雙凸透鏡。
在本發明的一實施例中，所述光學鏡頭的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡及第四透鏡為塑膠非球面透鏡。
在本發明的一實施例中，在光閥的主動表面上，影像光束具有OPD的範圍是-1.5λ＜OPD＜1.5λ，其中OPD為在各視場角的光程差，λ為各色光的波長。
在本發明的一實施例中，第一稜鏡設置在光學鏡頭與光欄之間，影像光束離開光學鏡頭，通過第一稜鏡，並且會聚至光欄，以及影像光束在通過光欄之後發散。
在本發明的一實施例中，光欄形成在波導元件的耦合入口，影像光束通過光欄經由耦合入口進入波導元件，並且傳遞至波導元件的耦合出口，再投射到目標。
在本發明的一實施例中，藉由光學鏡頭投射的虛像尺寸實質上是光閥尺寸的190倍。
在本發明的一實施例中，上述光學鏡頭符合以下條件： 0.3＜B/D＜2.5， 0.1＜A/B＜3.5， 2＜(A+C)×FOV/(B×D)＜30， E/F＜1， 其中A為光欄與光學鏡頭在光軸上的距離，B為光學鏡頭的鏡頭總長，C為光學鏡頭與光閥在光軸上的距離，D為光學鏡頭中最大透鏡的通光口徑，且FOV為光學鏡頭的視場角，其中光欄的形狀為圓形，E是光欄的直徑，且光閥是矩形或方形，F是光閥的對角線的長度。
基於上述，本發明的實施例至少具有以下其中一個優點或功效。在本發明的示範實施例中，顯示器的設計符合預先設定的規範，使得顯示器與光學鏡頭可縮短整體的長度，使得顯示器的外觀體積變小，以及考量光學鏡頭中所有鏡片的材料，使得光學鏡頭的重量變輕，進而讓顯示器的重量變輕。此外，避免波導的視場角(FOV)變大時，則光學鏡頭的設計也會隨著變為複雜，進而導致顯示器的體積與重量也跟著變大與變重的問題。因此本發明顯示器具有尺寸小、重量輕、視角大且解析度高的優點。在本發明的示範實施例中，顯示器的光學鏡頭的設計符合預先設定的規範，因此光學鏡頭的尺寸小、重量輕、視角大且解析度高。
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。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。
圖1繪示本發明一實施例之波導顯示器的概要示意圖。請參考圖1，本實施例之波導顯示器100是應用於具有波導元件130的頭戴式顯示裝置，但本發明不限於此。在本實施例中，波導顯示器100包括光學鏡頭110、照明稜鏡（第二稜鏡）120、波導元件130及光閥150。在相對於光學鏡頭110的入光側IS設置光閥150。光閥150可以是數位微型反射鏡元件（Digital Micromirror Device，DMD）或反射式液晶顯示器（Liquid crystal on silicon，LCoS）等影像顯示元件，在其他實施例中，光閥150可以是透光式的空間光調製器，例如透光液晶面板（Transparent Liquid Crystal Panel）等，在使用可移除照明稜鏡120，本發明對光閥150的型態及其種類並不加以限制。照明稜鏡120設置在光學鏡頭110與光閥150之間。光閥150所提供的影像光束IM，通過照明稜鏡120，並且進入光學鏡頭110。光學鏡頭110適於接收影像光束IM。在本實施例中，在光閥150與照明稜鏡120之間設置玻璃蓋（cover glass）140，以保護光閥150避免灰塵的影響。
在本實施例中，影像光束IM在經過光學鏡頭110之後，在相對於光學鏡頭110的出光側ES形成光欄(stop)ST。在本實施例中，影像光束IM所形成的光欄ST位於波導元件130中。光欄ST具有影像光束IM的光束縮束的最小截面積。舉例而言，在本實施例中，位於X軸與Y軸形成的參考平面上，光欄ST例如是圓形，並且在X軸方向上與在Y軸方向上的直徑尺寸一致。在本實施例中，影像光束IM經過光學鏡頭110之後形成光欄ST，光欄ST具有影像光束IM的光束縮束的最小截面積。因此，影像光束IM在經過光學鏡頭110之後縮束至光欄ST，並且在通過光欄ST之後發散。在本實施例中，影像光束IM由光欄ST之後在波導元件130中傳遞，再投射到預設的目標。在一實施例中，所述預設的目標例如是人眼。
在本實施例中，其中一種情況為光學鏡頭110符合0.3＜B/D＜2.5，其中B為光學鏡頭110的鏡頭總長，且D為光學鏡頭110中最大透鏡的通光口徑(Clear aperture)，在本實施例中，例如為第一透鏡112的通光口徑。在本實施例中，另一種情況為光學鏡頭110符合0.1＜A/B＜3.5，其中A為光欄ST與光學鏡頭110在光軸OA上的距離，也就是光欄ST與第一透鏡112的出光面的距離。在本實施例中，又另一種情況為光學鏡頭110符合2＜(A+C)×FOV/(B×D)＜30，其中C為光學鏡頭110與光閥150在光軸OA上的距離，也可為照明稜鏡120靠近出光側ES的表面與光閥150在光軸OA上的距離，且FOV為光學鏡頭110的視場角。在本實施例中，又另一種情況為光學鏡頭110符合E/F＜1，其中光欄ST的形狀為圓形，E是光欄ST的直徑，且光閥150是矩形或方形，F是光閥150的對角線的長度。在本實施例中，又另一種情況為光學鏡頭110同時符合0.3＜B/D＜2.5，0.1＜A/B＜3.5，2＜(A+C)×FOV/(B×D)＜30，E/F＜1。上述參數A、B、C、D、E、F、FOV的定義同上所述。在本實施例中，上述參數A、B、C、D、E、F例如分別是15.5毫米（millimeters）、7.51毫米、10.4毫米、8.6毫米、3.76毫米、7.93毫米。這些參數的數值不用以限定本發明。在本實施例中，光學鏡頭110的視場角為40度。
在本實施例中，光學鏡頭110包括從出光側ES往入光側IS依序排列的第一透鏡112、第二透鏡114及第三透鏡116。第一透鏡112、第二透鏡114及第三透鏡116的屈光度依序為正、負及正。在本實施例中，第一透鏡112為雙凸透鏡，第二透鏡114為雙凹透鏡，且第三透鏡116為雙凸透鏡。在本實施例中，第一透鏡112及第三透鏡116為玻璃非球面透鏡，第二透鏡114為塑膠非球面透鏡。在另一實施例中，第一透鏡112、第二透鏡114及第三透鏡116為塑膠非球面透鏡。
以下內容將舉出光學鏡頭110之一實施例。需注意的是，以下內容所列的數據資料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參照本發明之後，當可對其參數或設定作適當的更動，惟其仍應屬於本發明之範疇內。 表一
元件 表面 曲率半徑(mm) 間距(mm) 折射率 阿貝數
第一透鏡112 S1 8.44 2.02 1.8 40.88
S2 -20.71 1.26
第二透鏡114 S3 -16.64 1.00 1.63 23.33
S4 3.85 0.99
第三透鏡116 S5 9.87 1.89 1.85 40.39
S6 -12.95 0.25
請參照圖1及表一，表一中列出各個透鏡(包括第一透鏡112至第三透鏡116)的表面。舉例而言，表面S1為第一透鏡112面向出光側ES的表面，而表面S2為第一透鏡112面向入光側IS的表面，以此類推。另外，間距是指兩相鄰表面之間於光軸OA上的直線距離。舉例來說，對應表面S1的間距，即表面S1至表面S2間於光軸OA上的直線距離，而對應表面S2的間距，即表面S2至表面S3間於光軸OA上的直線距離，以此類推。
在本實施例中，第一透鏡112、第二透鏡114及第三透鏡116可為非球面透鏡。非球面透鏡的公式如下所示：
上式中，X為光軸OA方向的偏移量(sag)，R是密切球面(osculating sphere)的半徑，也就是接近光軸OA處的曲率半徑（如表一所列的曲率半徑）。k是二次曲面係數(conic)，Y是非球面高度，即為從透鏡中心往透鏡邊緣的高度，而係數A2、A4、A6、A8、A10、A12為非球面係數(aspheric coefficient)。在本實施例中，係數A2為0。以下表二所列出的是各透鏡的表面的參數值。 表二
S1 S2 S3 S4 S5 S6
k 0 0 -3.38E-001 -3.20E+000 -4.99E+000 0
A4 -1.10E-004 9.48E-004 -2.19E-003 -1.18E-003 2.45E-004 7.06E-004
A6 1.23E-005 -5.98E-005 2.08E-004 1.54E-004 -4.95E-005 -3.66E-005
A8 -1.06E-006 3.44E-006 -5.46E-006 -1.17E-006 6.20E-006 4.64E-006
A10 3.74E-008 -1.02E-007 -5.52E-008 -2.32E-007 -2.96E-007 -2.54E-007
A12 1.30E-012 1.61E-009 3.14E-009 6.60E-009 5.40E-009 4.93E-009
圖2A是圖1的光學鏡頭的像散場曲（field curvature）圖及畸變圖。圖2B是圖1的光學鏡頭的橫向色差圖，其是以波長465奈米（nm）、525奈米、630奈米的光所作出的模擬數據圖，縱座標為艾瑞盤（airy disc）。圖2C是圖1的光學鏡頭的調制轉換函數曲線圖，其中橫座標為焦點偏移量（focus shift），縱座標為光學轉移函數的模數（modulus of the OTF）。圖2D是圖1的光學鏡頭的光程差圖。圖2E是圖1的光學鏡頭的橫向光束扇形圖（transverse ray fan plot），525奈米為例。圖2A至圖2E所顯示出的圖形均在標準的範圍內，由此可驗證本實施例的光學鏡頭110能夠達到良好的成像效果。此外，由圖2D可知，在光閥150的主動表面上，影像光束IM具有OPD的範圍是-2.0λ＜OPD＜2.0λ，其中OPD為在各視場角的光程差，λ為各色光的波長，且影像光束IM包括紅色光、綠色光、藍色光。光閥150的主動表面是影像光束IM出射的表面。進一步說明，此光程差的設計，熟知此技術領域的人員容易可知道在設計光學鏡頭時，透過光學模擬的方式從光平面反推回在影像源需提供的影像光束在各視場角的光程差。在本實施例中，光學鏡頭110的設計符合預先設定的規範，可以解析至少93lp/mm解析度的影像，因此光學鏡頭110的尺寸小、重量輕、視角大且具有高解析度。
圖3繪示本發明另一實施例之波導顯示器的概要示意圖。請參考圖3，本實施例之波導顯示器200類似於圖1的波導顯示器100，惟兩者之間主要的差異例如在於波導顯示器200還包括轉折稜鏡260（第一稜鏡）以及波導元件230的設計。在本實施例中，轉折稜鏡260設置在光學鏡頭110與光欄ST之間。影像光束IM離開光學鏡頭110，通過轉折稜鏡260後改變其傳遞方向，而會聚至光欄ST。影像光束IM在通過光欄ST之後發散。在本實施例中，波導元件230包括耦合入口232及耦合出口234。耦合入口232及耦合出口234例如是影像光束入射至波導元件230的表面區域與影像光束離開波導元件230的表面區域。光欄ST形成在波導元件230的耦合入口232。影像光束IM通過光欄ST經由耦合入口232進入波導元件230，並且傳遞至波導元件230的耦合出口234，再投射到目標900。此處的投射目標900例如是人眼。
在本實施例中，其中一種情況為光學鏡頭110符合0.3＜B/D＜2.5；另一種情況為光學鏡頭110符合0.1＜A/B＜3.5；光學鏡頭110符合2＜(A+C)×FOV/(B×D)＜30；又另一種情況為光學鏡頭110符合E/F＜1；另一種情況為光學鏡頭110同時符合0.3＜B/D＜2.5，0.1＜A/B＜3.5，2＜(A+C)×FOV/(B×D)＜30，E/F＜1。其中A為光欄ST與光學鏡頭110在光軸OA上的距離。在本實施例中，A為第一透鏡112的表面S1與轉折稜鏡260的表面S7在光軸OA上的距離以及轉折稜鏡260的表面S7與光欄ST的表面在光軸OA上的距離的總和。在本實施例中，上述參數A、B、C、D、E、F例如分別是11.8毫米、7.51毫米、10.4毫米、8.6毫米、3.76毫米、7.93毫米。這些參數的數值不用以限定本發明。
圖4繪示本發明另一實施例之波導顯示器的概要示意圖。請參考圖4，本實施例之波導顯示器300類似於圖1的波導顯示器100，惟兩者之間主要的差異例如在於波導元件230的設計。此外，在本實施例中，在光欄ST與第一透鏡112之間無玻璃塊或稜鏡。影像光束IM離開光學鏡頭110後在空氣中傳遞而會聚至光欄ST。
在本實施例中，其中一種情況為光學鏡頭110符合0.3＜B/D＜2.5；其中一種情況為光學鏡頭110符合0.1＜A/B＜3.5；又另一種情況為光學鏡頭110符合2＜(A+C)×FOV/(B×D)＜30；又另一種情況為光學鏡頭110符合E/F＜1。在另一種情況為光學鏡頭110同時符合0.3＜B/D＜2.5，0.1＜A/B＜3.5，2＜(A+C)×FOV/(B×D)＜30，E/F＜1。在本實施例中，上述參數A、B、C、D、E、F例如分別是8毫米、7.51毫米、10.4毫米、8.6毫米、3.76毫米、7.93毫米。這些參數的數值不用以限定本發明。
圖5繪示本發明另一實施例之波導顯示器的概要示意圖。請參考圖5，本實施例之波導顯示器400例如是具有波導元件130的頭戴式顯示裝置，但本發明不限於此。在本實施例中，波導顯示器400包括光學鏡頭410、照明稜鏡（第二稜鏡）120、波導元件130及光閥150。入光側IS設置光閥150。照明稜鏡120設置在光學鏡頭410與光閥150之間。光閥150所提供的影像光束IM，通過照明稜鏡120，並且進入光學鏡頭410。光學鏡頭410適於接收影像光束IM。在本實施例中，在光閥150與照明稜鏡120之間設置玻璃蓋（cover glass）140，以保護光閥150。
在本實施例中，影像光束IM在經過光學鏡頭410之後，在出光側ES形成光欄ST。光欄ST具有影像光束IM的光束縮束的最小截面積。在本實施例中，影像光束IM通過光欄ST之後進入波導元件130，再投射到預設的目標。在一實施例中，所述預設的目標例如是人眼。
在本實施例中，其中一種情況為光學鏡頭410符合0.3＜B/D＜2.5，其中B為光學鏡頭410的鏡頭總長，且D為光學鏡頭410中最大透鏡的通光口徑，在本實施例中，例如為第二透鏡414的通光口徑。在本實施例中，另一種情況為光學鏡頭410符合0.1＜A/B＜3.5，其中A為光欄ST與光學鏡頭410在光軸OA上的距離。在本實施例中，又另一種情況為光學鏡頭410符合2＜(A+C)×FOV/(B×D)＜30，其中C為光學鏡頭410與光閥150在光軸OA上的距離，且FOV為光學鏡頭410的視場角。在本實施例中，又另一種情況為光學鏡頭410符合E/F＜1，其中光欄ST的形狀為圓形，E是光欄ST的直徑，且光閥150是矩形或方形，F是光閥150的對角線的長度。在本實施例中，又另一種情況為光學鏡頭410同時符合0.3＜B/D＜2.5，0.1＜A/B＜3.5，2＜(A+C)×FOV/(B×D)＜30，E/F＜1。上述參數A、B、C、D、E、F、FOV的定義同上所述。在本實施例中，上述參數A、B、C、D、E、F例如分別是12.49毫米、11.55毫米、10.4毫米、8.4毫米、3.84毫米、7.93毫米。這些參數的數值不用以限定本發明。在本實施例中，光學鏡頭410的視場角為40度。
在本實施例中，光學鏡頭410包括從出光側ES往入光側IS依序排列的第一透鏡412、第二透鏡414、第三透鏡416及第四透鏡418。第一透鏡412、第二透鏡414、第三透鏡416及第四透鏡418的屈光度依序為負、正、負及正。在本實施例中，第一透鏡412為凸凹透鏡且具有一朝向入光側IS的凸面，第二透鏡414為雙凸透鏡，第三透鏡416為凸凹透鏡且具有一朝向出光側ES的凸面，且第四透鏡418為雙凸透鏡。在本實施例中，第一透鏡412、第二透鏡414、第三透鏡416及第四透鏡418為塑膠非球面透鏡，但不以此為限制。
舉例而言，光學鏡頭410共四片透鏡，但不以此為限。光欄ST的直徑約為4mm，接近一般人眼瞳孔的大小(約為3~6mm)。光欄ST的大小也接近光閥150的短邊寬度(例如為3.888mm)，但是小於光閥150的對角線(例如為7.93mm)，其中光閥150的對角線代表光學鏡頭410的成像圈IMA (image circle)。例如光閥是使用0.3英吋的720P DMD裝置。在此光學鏡頭410的設計下，人眼可以看到相當於2公尺(M)外的57英吋(inch)大小的虛像，此時的放大倍率實質上約為190倍。
此外，本實施例中的光學鏡頭410具有焦距與像高的關係式如下：像高=焦距x tan(視場半形)，其中像高例如為3.965mm，設計視場角為40度，則視場半形為20度，使得光學鏡頭410的有效焦距大致為10.89mm。
以下內容將舉出光學鏡頭410之一實施例。需注意的是，以下內容所列的數據資料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參照本發明之後，當可對其參數或設定作適當的更動，惟其仍應屬於本發明之範疇內。 表三
元件 表面 曲率半徑(mm) 間距(mm) 折射率 阿貝數
第一透鏡412 S1 -3.71 1.15 1.63 23.33
S2 -4.74 0.10
第二透鏡414 S3 6.51 2.23 1.53 55.74
S4 -40.49 0.10
第三透鏡416 S5 6.30 2.50 1.63 23.33
S6 2.57 0.92
第四透鏡418 S7 6.44 2.74 1.53 55.74
S8 -13.30 0.25
請參照圖5及表三，表三中列出各個透鏡(包括第一透鏡412至第四透鏡418)的表面。舉例而言，表面S1為第一透鏡412面向出光側ES的表面，而表面S2為第一透鏡412面向入光側IS的表面，以此類推。另外，間距是指兩相鄰表面之間於光軸OA上的直線距離。舉例來說，對應表面S1的間距，即表面S1至表面S2間於光軸OA上的直線距離，而對應表面S2的間距，即表面S2至表面S3間於光軸OA上的直線距離，以此類推。
在本實施例中，第一透鏡412、第二透鏡414、第三透鏡416及第四透鏡418可為非球面透鏡。非球面透鏡的公式如下所示：
上式中，X為光軸OA方向的偏移量(sag)，R是密切球面(osculating sphere)的半徑，也就是接近光軸OA處的曲率半徑（如表一所列的曲率半徑）。k是二次曲面係數(conic)，Y是非球面高度，即為從透鏡中心往透鏡邊緣的高度，而係數A2、A4、A6、A8、A10、A12為非球面係數(aspheric coefficient)。在本實施例中，係數A2為0。以下表四所列出的是各透鏡的表面的參數值。 表四
S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8
k -7.13E-001 0.00E+000 0.00E+000 0.00E+000 -3.38E-001 -2.45E+000 -3.58E+000 0.00E+000
A4 2.95E-003 6.13E-004 -1.66E-004 2.43E-003 -5.24E-003 -1.61E-004 1.64E-003 1.42E-003
A6 -4.78E-004 -9.29E-005 -2.08E-005 -1.77E-004 1.87E-004 3.33E-005 -5.77E-005 -4.97E-005
A8 3.99E-005 6.10E-006 -5.94E-007 6.03E-006 -1.00E-006 6.44E-006 6.44E-006 6.60E-006
A10 -2.13E-006 -2.58E-008 3.37E-008 -1.08E-007 -1.42E-007 -4.02E-007 -3.34E-007 -3.52E-007
A12 5.33E-008 -5.21E-033 -5.21E-033 1.61E-009 3.14E-009 6.60E-009 5.40E-009 4.93E-009
圖6A是圖5的光學鏡頭的像散場曲（field curvature）圖及畸變圖。圖6B是圖5的光學鏡頭的橫向色差圖，其是以波長465奈米（nm）、525奈米、630奈米的光所作出的模擬數據圖，縱座標為艾瑞盤（airy disc）。圖6C是圖5的光學鏡頭的調制轉換函數曲線圖，其中橫座標為焦點偏移量（focus shift），縱座標為光學轉移函數的模數（modulus of the OTF）。圖6D是圖5的光學鏡頭的光程差圖。圖6E是圖5的光學鏡頭的橫向光束扇形圖（transverse ray fan plot），以525奈米為例。圖6A至圖6E所顯示出的圖形均在標準的範圍內，由此可驗證本實施例的光學鏡頭410能夠達到良好的成像效果。此外，由圖6D可知，在光閥150的主動表面上，影像光束IM具有OPD的範圍是-1.5λ＜OPD＜1.5λ，其中OPD為在各視場角的光程差，λ為各色光的波長，且影像光束IM包括紅色光、綠色光、藍色光。在本實施例中，光學鏡頭410的設計符合預先設定的規範，因此光學鏡頭410的尺寸小、重量輕、視角大且解析度高。
圖7繪示本發明另一實施例之波導顯示器的概要示意圖。請參考圖7，本實施例之波導顯示器500類似於圖5的波導顯示器400，惟兩者之間主要的差異例如在於波導顯示器500更包括轉折稜鏡260（第一稜鏡）以及波導元件230的設計。在本實施例中，轉折稜鏡260設置在光學鏡頭410與光欄ST之間。影像光束IM離開光學鏡頭410，通過轉折稜鏡260後改變其傳遞方向，而會聚至光欄ST。影像光束IM在通過光欄ST之後發散。在本實施例中，波導元件230包括耦合入口232及耦合出口234。光欄ST形成在波導元件230的耦合入口232。影像光束IM通過光欄ST經由耦合入口232進入波導元件230，並且傳遞至波導元件230的耦合出口234，再投射到目標900。此處的投射目標900例如是人眼。
在本實施例中，其中一種情況為光學鏡頭410符合0.3＜B/D＜2.5；另一種情況為光學鏡頭410符合0.1＜A/B＜3.5；又另一種情況為光學鏡頭410符合2＜(A+C)×FOV/(B×D)＜30；又另一種情況為光學鏡頭410符合E/F＜1；又另一種情況為光學鏡頭410同時符合0.3＜B/D＜2.5，0.1＜A/B＜3.5，2＜(A+C)×FOV/(B×D)＜30，E/F＜1。其中A為光欄ST與光學鏡頭410在光軸OA上的距離。在本實施例中，A為第一透鏡412的表面S1與轉折稜鏡260的表面S7在光軸OA上的距離以及轉折稜鏡260的表面S7與光欄ST的表面在光軸OA上的距離的總和。在本實施例中，上述參數A、B、C、D、E、F例如分別是9.6毫米、11.55毫米、10.4毫米、8.4毫米、3.84毫米、7.93毫米。這些參數的數值不用以限定本發明。
圖8繪示本發明另一實施例之波導顯示器的概要示意圖。請參考圖8，本實施例之波導顯示器600類似於圖5的波導顯示器400，惟兩者之間主要的差異例如在於波導元件230的設計。此外，在本實施例中，在光欄ST與第一透鏡412之間無玻璃塊或稜鏡。影像光束IM離開光學鏡頭410後在空氣中傳遞而會聚至光欄ST。
在本實施例中，其中一種情況為光學鏡頭410符合0.3＜B/D＜2.5；又另一種情況為光學鏡頭410符合0.1＜A/B＜3.5；又另一種情況為光學鏡頭410符合2＜(A+C)×FOV/(B×D)＜30；又另一種情況為光學鏡頭410符合E/F＜1；另一種情況為光學鏡頭410同時符合0.3＜B/D＜2.5，0.1＜A/B＜3.5，2＜(A+C)×FOV/(B×D)＜30，E/F＜1。在本實施例中，上述參數A、B、C、D、E、F例如分別是6.45毫米、11.55毫米、10.4毫米、8.4毫米、3.84毫米、7.93毫米。這些參數的數值不用以限定本發明。
綜上所述，本發明的實施例至少具有以下其中一個優點或功效。在本發明的示範實施例中，光學鏡頭的設計符合預先設定的規範，因此光學鏡頭的尺寸小、重量輕、視角大且解析度高。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明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。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利檔搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。此外，本說明書或申請專利範圍中提及的“第一”、“第二”等用語僅用以命名元件(element)的名稱或區別不同實施例或範圍，而並非用來限制元件數量上的上限或下限。
100、200、300、400、500、600：波導顯示器 110、410：光學鏡頭 112、114、116、412、414、416、418：透鏡 120：照明稜鏡、第二稜鏡 130、230：波導元件 150：光閥 140：玻璃蓋 232：耦合入口 234：耦合出口 260：轉折稜鏡、第一稜鏡 900：目標 A、C：距離 B：鏡頭總長 D：通光口徑 E：直徑 ES：出光側 F：長度 IM：影像光束 IS：入光側 S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8：表面 ST：光欄 OA：光軸 X、Y、Z：座標軸
圖1繪示本發明一實施例之波導顯示器的概要示意圖。 圖2A是圖1的光學鏡頭的像散場曲圖及畸變圖。 圖2B是圖1的光學鏡頭的橫向色差圖。 圖2C是圖1的光學鏡頭的調制轉換函數曲線圖。 圖2D是圖1的光學鏡頭的光程差圖。 圖2E是圖1的光學鏡頭的橫向光束扇形圖。 圖3繪示本發明另一實施例之波導顯示器的概要示意圖。 圖4繪示本發明另一實施例之波導顯示器的概要示意圖。 圖5繪示本發明另一實施例之波導顯示器的概要示意圖。 圖6A是圖5的光學鏡頭的像散場曲圖及畸變圖。 圖6B是圖5的光學鏡頭的橫向色差圖。 圖6C是圖5的光學鏡頭的調制轉換函數曲線圖。 圖6D是圖5的光學鏡頭的光程差圖。 圖6E是圖5的光學鏡頭的橫向光束扇形圖。 圖7繪示本發明另一實施例之波導顯示器的概要示意圖。 圖8繪示本發明另一實施例之波導顯示器的概要示意圖。

Claims (19)

  1. 一種顯示器，包括： 一光學鏡頭包括： 從一出光側往一入光側依序排列的一第一透鏡、一第二透鏡及一第三透鏡；以及 一光閥設置於該入光側，該光閥提供一影像光束，其中該影像光束包括至少一色光，該光學鏡頭用於接收該影像光束，且該影像光束在該出光側形成光欄，該光欄具有該影像光束的光束縮束的一最小截面積，以及在該光閥的一主動表面上該影像光束具有OPD的範圍是-2.0λ＜OPD＜2.0λ，其中OPD為在各視場角的光程差，λ為各色光的波長。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的顯示器，其中該光學鏡頭符合0.3＜B/D＜2.5，其中B為該光學鏡頭的鏡頭總長，且D為該光學鏡頭中一最大透鏡的一通光口徑。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的顯示器，其中該光學鏡頭符合0.1＜A/B＜3.5，其中A為該光欄與該光學鏡頭在一光軸上的距離，且B為該光學鏡頭的鏡頭總長。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的顯示器，其中該光學鏡頭符合2＜(A+C)×FOV/(B×D)＜30，其中A為該光欄與該光學鏡頭在一光軸上的距離，B為該光學鏡頭的鏡頭總長，C為該光學鏡頭與該光閥在該光軸上的距離，D為該光學鏡頭中一最大透鏡的一通光口徑，且FOV為該光學鏡頭的一視場角。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的顯示器，其中該光學鏡頭符合E/F＜1，其中該光欄的形狀為圓形，E是該光欄的直徑，且該光閥是矩形或方形，F是該光閥的對角線的長度。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的顯示器，其中該光學鏡頭的一視場角為40度。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的顯示器，其中該光學鏡頭的該第一透鏡、該第二透鏡及該第三透鏡的屈光度依序為正、負及正。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的顯示器，其中該光學鏡頭的該第一透鏡為雙凸透鏡，該第二透鏡為雙凹透鏡，且該第三透鏡為雙凸透鏡。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的顯示器，其中該光學鏡頭的該第一透鏡、該第二透鏡及該第三透鏡為塑膠非球面透鏡。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的顯示器，其中該第一透鏡及該第三透鏡為玻璃非球面透鏡，該第二透鏡為塑膠非球面透鏡。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的顯示器，其中該光學鏡頭還包括一第四透鏡，位在該第三透鏡與該光閥之間。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的顯示器，其中該光學鏡頭的該第一透鏡、該第二透鏡、該第三透鏡及該第四透鏡的屈光度依序為負、正、負及正。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的顯示器，其中該光學鏡頭的該第一透鏡為凸凹透鏡且具有一朝向該入光側的凸面，該第二透鏡為雙凸透鏡，該第三透鏡為凸凹透鏡且具有朝向該出光側的凸面，且該第四透鏡為雙凸透鏡。
  14. 如申請專利範圍第11項所述的顯示器，其中該光學鏡頭的該第一透鏡、該第二透鏡、該第三透鏡及該第四透鏡為塑膠非球面透鏡。
  15. 如申請專利範圍第11項所述的顯示器，其中在該光閥的主動表面上，該影像光束具有OPD的範圍是-1.5λ＜OPD＜1.5λ，其中OPD為在各視場角的光程差，λ為各色光的波長。
  16. 如申請專利範圍第1項所述的顯示器，還包括第一稜鏡設置在該光學鏡頭與該光欄之間，該影像光束離開該光學鏡頭，通過該第一稜鏡，並且會聚至該光欄，以及該影像光束在通過該光欄之後發散。
  17. 如申請專利範圍第1項所述的顯示器，其中該光欄形成在一波導元件的一耦合入口，該影像光束通過該光欄經由該耦合入口進入該波導元件，並且傳遞至該波導元件的一耦合出口，再投射到一目標。
  18. 如申請專利範圍第1項所述的顯示器，其中藉由該光學鏡頭投射的一虛像尺寸實質上是該光閥尺寸的190倍。
  19. 如申請專利範圍第1項所述的顯示器，其中該光學鏡頭符合以下條件： 0.3＜B/D＜2.5， 0.1＜A/B＜3.5， 2＜(A+C)×FOV/(B×D)＜30， E/F＜1， 其中A為該光欄與該光學鏡頭在一光軸上的距離，B為該光學鏡頭的鏡頭總長，C為該光學鏡頭與該光閥在該光軸上的距離，D為該光學鏡頭中一最大透鏡的一通光口徑，且FOV為該光學鏡頭的一視場角，其中該光欄的形狀為圓形，E是該光欄的一直徑，且該光閥是矩形或方形，F是該光閥的一對角線的一長度。
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