TWI732503B - 光學鏡頭及頭戴式顯示裝置 - Google Patents

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Abstract

一種光學鏡頭，包括從出光側往入光側依序排列的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡及第四透鏡。第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡及第四透鏡的屈光度依序為正、負、正及正。影像產生器設置於入光側。且光學鏡頭用於接收影像產生器所提供的影像光束。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。另外，一種頭戴式顯示裝置亦被提出。

Description

光學鏡頭及頭戴式顯示裝置
本發明是有關於一種光學鏡頭，並且特別涉及一種頭戴式顯示裝置所具有的光學鏡頭。
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具有是自發光面板架構、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。
本發明提供一種光學鏡頭，其尺寸小、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、第三透鏡及第四透鏡。第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡及第四透鏡的屈光度依序為正、負、正及正。影像產生器設置於入光側。光學鏡頭用於接收影像產生器所提供的影像光束。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。
為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明的另一實施例提出一種頭戴式顯示裝置，包括光學鏡頭及波導元 件。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、第三透鏡及第四透鏡。第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡及第四透鏡的屈光度依序為正、負、正及正。影像產生器設置於入光側。光學鏡頭用於接收影像產生器所提供的影像光束。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。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。
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，光學鏡頭的設計符合預先設定的規範，使得光學鏡頭縮短光學鏡頭整體的長度，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，進而讓頭戴式顯示器的重量變輕。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。因此本發明光學鏡頭具有尺寸小、重量輕、視角大且解析度高的優點。更值得一提的是，當使用頭戴式顯示器時，會產生熱量而造成光學鏡頭的變形進而影響影像品質，但借由本發明的光學鏡頭設計，可以有效解決熱漂移(thermal drift)的問題，以提升影像品質。
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。
100、200、300:頭戴式顯示裝置
110、410:光學鏡頭
112、114、116、118:透鏡
120:傳遞稜鏡、第二稜鏡
130、230:波導元件
150:影像產生器
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
ES:出光側
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繪示本發明第一實施例之頭戴式顯示裝置的概要示意圖。
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3繪示本發明第二實施例之頭戴式顯示裝置的概要示意圖。
圖4繪示本發明第三實施例之頭戴式顯示裝置的概要示意圖。
圖5A是第四至第六實施例的光學鏡頭的像散場曲圖及畸變圖。
圖5B是第四至第六實施例的光學鏡頭的橫向色差圖。
圖5C是第四至第六實施例的的光學鏡頭的調制轉換函數曲線圖。
圖5D是第四至第六實施例的光學鏡頭的光程差圖。
圖6繪示第四至第六實施例的顯示影像的概要示意圖。
圖7A、圖7B、圖7C分別繪示第四至第六實施例的光學鏡頭在環境溫度0℃、25℃、40℃的熱平衡的調制轉換函數的概要示意 圖。
圖8繪示本發明第七實施例之頭戴式顯示裝置的概要示意圖。
圖9A是圖8的光學鏡頭的像散場曲圖及畸變圖。
圖9B是圖8的光學鏡頭的橫向色差圖。
圖9C是圖8的光學鏡頭的光程差圖。
圖10A、圖10B、圖10C、圖10D分別繪示第七實施例的光學鏡頭在環境溫度20℃、0℃、25℃、40℃的熱平衡的調制轉換函數的概要示意圖。
圖11繪示本發明第八實施例之頭戴式顯示裝置的概要示意圖。
圖12A是圖11的光學鏡頭的像散場曲圖及畸變圖。
圖12B是圖11的光學鏡頭的橫向色差圖。
圖12C是圖11的光學鏡頭的光程差圖
圖13A、圖13B、圖13C、圖13D分別繪示第八實施例的光學鏡頭在環境溫度20℃、0℃、25℃、40℃的熱平衡的調制轉換函數的概要示意圖。
圖14繪示本發明第九實施例之頭戴式顯示裝置的概要示意圖。
圖15A是圖14的光學鏡頭的像散場曲圖及畸變圖。
圖15B是圖14的光學鏡頭的橫向色差圖。
圖15C是圖14的光學鏡頭的光程差圖。
圖16A、圖16B、圖16C、圖16D分別繪示第九實施例的光學鏡頭在環境溫度20℃、0℃、25℃、40℃的熱平衡的調制轉換函數的概要示意圖。
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繪示本發明第一實施例之頭戴式顯示裝置的概要示意圖。請參考圖1，本實施例之頭戴式顯示裝置100是具有波導元件130，但本發明不限於此。在本實施例中，頭戴式顯示裝置100包括光學鏡頭110、傳遞稜鏡(第二稜鏡)120、波導元件130及影像產生器150。在相對於光學鏡頭110的入光側IS設置影像產生器150。影像產生器150可以是數字微型反射鏡元件(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，影像產生器150可以是穿透式的空間光調製器，例如透光液晶面板(Transparent Liquid Crystal Panel)。影像產生器150又或者是有機發光二極管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)，微有機發光二極管(Micro Organic Light-Emitting Diode，Micro OLED)， 微發光二極管(Micro Light Emitting Diode，Micro LED)。本發明對影像產生器150的型態及其種類並不加以限制。傳遞稜鏡120設置在光學鏡頭110與影像產生器150之間。影像產生器150所提供的影像光束IM，通過傳遞稜鏡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，在影像產生器150與傳遞稜鏡120之間設置玻璃蓋(cover glass)140，以避免灰塵累積於影像產生器150的表面上影響影像光束IM的傳遞，造成影像的不清晰。
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，光欄ST形成於影像光束IM的出光側ES。光欄ST具有影像光束IM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傳遞至波導元件130的耦合出口，光欄ST位於波導元件130的耦合出口，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。在其他實施例中，光欄ST可位於波導元件130的入光口或波導元件130內的任一位置，經由波導元件130傳遞至耦合出口後，再投射到預設的目標。入光側IS為影像光束 IM進入光學鏡頭110的側邊，出光側ES為影像光束IM離開光學鏡頭110的側邊。
在本實施例中，其中一種情況為光學鏡頭110符合B×D<130，其中B為光學鏡頭110的鏡頭總長，在本實施例中，例如B為在光軸OA上表面S1至表面S8的距離，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，例如為第四透鏡118的通光口徑。在本實施例中，另一種情況為光學鏡頭110符合A+C<20，其中A為光欄ST與光學鏡頭110的表面S1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，且C為光學鏡頭110的表面S8與影像產生器150的表面在光軸OA上的距離。在本實施例中，又另一種情況為光學鏡頭110符合FOV/(B×D)>0.4，其中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FOV>50。在本實施例中，又另一種情況為光學鏡頭110同時符合B×D<130，A+C<20，FOV/(B×D)>0.4，FOV>50。上述參數A、B、C、D、FOV的定義同上所述。在本實施例中，上述參數A、B、C、D例如分別是5.8毫米(millimeters)、10.85毫米、11.45毫米、11.7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的視場角例如為60度。
值得一提的是，A+C代表前焦距加上後焦距的距離數值，前焦距為在出光側ES的光學鏡頭110的焦距距離，後焦距為在入光側IS的光學鏡頭110的焦距距離。本案為遠心光學鏡頭設 計，因此當A+C的數值和大於20mm時，對遠心光學鏡頭設計上要兼顧光學鏡頭的廣角角度(視場角度)設計是相當困難的，因此本發明將A+C的數值維持小於20mm，可克服上述的缺點。B×D代表光學鏡頭的截面積。在此技術領域的人員可知設計越小體積的光學鏡頭越是困難。當B的數值過大時，在設計光學鏡頭就無法顧及光學鏡頭的廣角角度，因此需控制B的數值，使得B×D<130，讓本實施例的光學鏡頭具有體積小且廣角角度大的優點。同理，FOV/(B×D)>0.4代表單位截面積的視場角度，FOV>50代表視場角度維持於50度以上。
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、第三透鏡116及第四透鏡118。第一透鏡112、第二透鏡114、第三透鏡116及第四透鏡118的屈光度依序為正、負、正及正。在本實施例中，第一透鏡112例如為雙凸透鏡，第二透鏡114例如為凸凹透鏡且具有朝向入光側IS的凸面，第三透鏡116為雙凸透鏡、第四透鏡118為凹凸透鏡且具有朝向入光側IS的凹面。在本實施例中，第一透鏡112、第二透鏡114、第三透鏡116及第四透鏡118為玻璃非球面透鏡。其中凸凹透鏡或凹凸透鏡例如為新月透鏡(Meniscus lens)，差異在於凸面朝向的方向不同。
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。
Figure 109110420-A0305-02-0012-1
請參照圖1及表一，表一中列出各個透鏡(包括第一透鏡112至第四透鏡118)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、第三透鏡116及第四透鏡118可為非球面透鏡。非球面透鏡的公式如下所示：
Figure 109110420-A0305-02-0012-2
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 表一所列的曲率的倒數)。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。
Figure 109110420-A0305-02-0013-3
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、620奈米的光所作出的模擬數據圖，縱座標為像高。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2A至圖2D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，在影像產生器150的主動表面上，影像光束IM具有OPD的範圍是-2.0 λ<OPD<2.0 λ，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。影像產生器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物平面(預設的目標地平面)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，設計優化視場角FOV可達60度，可擁有較佳的視野涵蓋。單位截面積所達視場角比值高，比值可達0.47(度/平方毫米)，使得光學鏡頭110在體積上較為輕薄短小，空間有效利用率高。參考圖2B至圖2D，在本實施例中，影像產生器150的主動表面上形成最大影像高度為4.09mm，且光學鏡頭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繪示本發明第二實施例之頭戴式顯示裝置的概要示意圖。請參考圖3，本實施例之頭戴式顯示裝置200類似於圖1的頭戴式顯示裝置100，惟兩者之間主要的差異例如在於頭戴式顯示裝置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，波導元件230包括光學微結構(未繪示)。光學微結構設置在耦合出口234處，且光學微結構反射影像光束IM並傳遞至耦合出口234而將影像光束IM投射到目標900。在其他實施中，光學微結構也可以設置在波導元件230的耦合入口232，影像光束借由光學微結構穿透耦合入口232並在波導元件230中傳遞，在借由耦合出口234的光學微結構反射而離開波導元件230。
在本實施例中，其中一種情況為光學鏡頭110符合B×D<130；另一種情況為光學鏡頭110符合A+C<20；光學鏡頭110符合FOV/(B×D)>0.4；又另一種情況為光學鏡頭110符合FOV>50；另一種情況為光學鏡頭110同時符合B×D<130，A+C<20，FOV/(B×D)>0.4，FOV>50。其中A為光欄ST與光學鏡頭110的表面S1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S9在光軸OA上的距離以及轉折稜鏡260的表面S9與光欄ST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例如分別是5.8毫米(millimeters)、10.84毫米、11.45毫米、11.7毫米。這些參數的數值不用以限定本發明。
參考圖3，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。
Figure 109110420-A0305-02-0016-4
圖4繪示本發明第三實施例之頭戴式顯示裝置的概要示意圖。請參考圖4，本實施例之頭戴式顯示裝置300類似於圖1的頭戴式顯示裝置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B×D<130；另一種情況為光學鏡頭110符合A+C<20；光學鏡頭110符合FOV/(B×D)>0.4；又另一種情況為光學鏡頭110符合 FOV>50；另一種情況為光學鏡頭110同時符合B×D<130，A+C<20，FOV/(B×D)>0.4，FOV>50。在本實施例中，上述參數A、B、C、D例如分別是3.8毫米(millimeters)、10.85毫米、11.45毫米、11.7毫米。這些參數的數值不用以限定本發明。
綜上所述，本發明的第一至第三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。
底下說明本發明第四至第六實施例。
本發明第四至第六實施例的頭戴式顯示裝置的架構與圖1、圖3以及圖4所繪示的第一至第三實施例的頭戴式顯示裝置的架構相同，惟第四至第六實施例的第一透鏡112、第二透鏡114為塑膠非球面透鏡，且第三透鏡116及第四透鏡118為玻璃非球面透鏡。此外，第四至第六實施例的頭戴式顯示裝置的光學參數與第一實施例的頭戴式顯示裝置的光學參數不相同，具體說明如下。
在第四至第六實施例中，其中一種情況為光學鏡頭110符合B×D<170；另一種情況為光學鏡頭110符合A+C<25；光學鏡頭110符合FOV/(B×D)>0.2；又另一種情況為光學鏡頭110符合FOV>40；另一種情況為光學鏡頭110同時符合B×D<170，A+C<25，FOV/(B×D)>0.2，FOV>40。其中A為光欄ST與光學鏡頭110的表面S1在光軸OA上的距離。在第四至第六實施例中，A例如為第一透鏡112的表面S1與轉折稜鏡260的表面S9在光 軸OA上的距離以及轉折稜鏡260的表面S9與光欄ST在光軸OA上的距離的總和。第四至第六實施例的參數如表四及表五所示。這些參數的數值不用以限定本發明。
Figure 109110420-A0305-02-0018-5
Figure 109110420-A0305-02-0018-6
圖5A是第四至第六實施例的光學鏡頭的像散場曲(field curvature)圖及畸變圖。圖5B是第四至第六實施例的光學鏡頭的橫向色差圖，其是以波長465奈米(nm)、525奈米、620奈米的光所作出的模擬數據圖，縱座標為像高。圖5C是第四至第六實施例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)，縱座標為光學轉換函數的模數(modulus of the OTF，MTF)。圖5D是第四至第六實施例的光學鏡頭的光程差圖。圖5A至圖5D所顯示出的圖形均在標準的範圍內，由此可驗證第四至第六實施例的光學鏡頭110能夠達到良好的成像效果。此外，由圖5D可知，在影像產生器150的主動表面上，影像光束IM具有OPD的範圍是-2.0 λ<OPD<2.0 λ，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。影像產生器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物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。在第四至第六實施例中，設計優化視場角FOV可達47.8度，可擁有較佳的視野涵蓋。單位截面積所達視場角比值高，比值可達0.75(度/平方毫米)，使得光學鏡頭110在體積上較為輕薄短小，空間有效利用率高。參考圖5B至圖5D，在本實施例中，影像產生器150的主動表面上形成最大影像高度為3.34mm，且光學鏡頭110的設計符合預先設定的規範，可以解析至少111 lp/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。
以下內容將舉出第四實施例的光學鏡頭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。
表六
Figure 109110420-A0305-02-0020-7
請參照圖1及表六，表六中列出各個透鏡(包括第一透鏡112至第四透鏡118)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。
在第四實施例中，第一透鏡112、第二透鏡114、第三透鏡116及第四透鏡118可為非球面透鏡。第一透鏡112、第二透鏡114的材質為塑膠，第三透鏡116及第四透鏡118的材質為玻璃。非球面透鏡的公式如下所示：
Figure 109110420-A0305-02-0020-8
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 表一所列的曲率的倒數)。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、A14、A16為非球面係數(aspheric coefficient)。在第四實施例中，係數A2為0。以下表七所列出的是各透鏡的表面的參數值。
Figure 109110420-A0305-02-0021-9
第四至第六實施例的光學鏡頭的架構可降低熱漂移的問題，說明如下。圖6繪示第四至第六實施例的顯示影像的概要示意圖。圖7A、圖7B、圖7C分別繪示第四至第六實施例的光學鏡頭在環境溫度0℃、25℃、40℃的熱平衡的調制轉換函數(MTF)的概要示意圖。表八中列出各個透鏡(包括第一透鏡112至第四透鏡118)的在不同環境溫度的透鏡溫度。
Figure 109110420-A0305-02-0021-10
Figure 109110420-A0305-02-0022-11
在圖6中，縱坐標為MTF，橫坐標為離焦的位置(Defocusing Position)。F1為影像中心，F2為距離影像中心的位置，F3為影像邊界位置。舉例而言，F1至F3的距離代表為1，則F1至F2的距離代表為0.7。在圖7A、圖7B、圖7C中，F2：T代表正切(tangential)方向，F2：R代表徑向(Radial)方向。由圖7A、圖7B、圖7C可知，第四至第六實施例的光學鏡頭的架構的背焦距(BFL)的熱漂移(thermal drift)小於0.015毫米，可降低熱漂移的問題。
底下說明本發明第七至第九實施例。
圖8繪示本發明第七實施例之頭戴式顯示裝置的概要示意圖。請參考圖8，在本實施例中，第一透鏡112、第二透鏡114、第三透鏡116為塑膠非球面透鏡。第四透鏡118為玻璃非球面透鏡。
在本實施例中，其中一種情況為光學鏡頭110符合B×D<170，其中B為光學鏡頭110的鏡頭總長，在本實施例中，例如B為在光軸OA上表面S1至表面S8的距離，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，例如為第四透鏡118的通光口徑。在本實施例中，另一種情況為光學鏡頭110符合A+C<25，其中A為光欄ST與光學鏡頭110的表面 S1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，且C為光學鏡頭110的表面S8與影像產生器150的表面在光軸OA上的距離。在本實施例中，又另一種情況為光學鏡頭110符合FOV/(B×D)>0.2，其中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FOV>40。在本實施例中，又另一種情況為光學鏡頭110同時符合B×D<170，A+C<25，FOV/(B×D)>0.2，FOV>40。上述參數A、B、C、D、FOV的定義同上所述。在本實施例中，上述參數A、B、C、D例如分別是5.45毫米(millimeters)、7.7毫米、6.35毫米、8.2毫米。上述參數A+C、B×D、FOV/(B×D)、FOV例如分別是11.8毫米(millimeters)、63.14毫米、0.77毫米、48.73毫米。這些參數的數值不用以限定本發明。
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。
Figure 109110420-A0305-02-0023-12
Figure 109110420-A0305-02-0024-13
請參照圖8及表九，表九中列出各個透鏡(包括第一透鏡112至第四透鏡118)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、第三透鏡116及第四透鏡118可為非球面透鏡。非球面透鏡的公式如下所示：
Figure 109110420-A0305-02-0024-14
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(如表一所列的曲率的倒數)。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、A14、A16為非球面係數(aspheric coefficient)。在本實施例中，係數A2為0。以下表十所列出的是各透鏡的表面的參數值。
Figure 109110420-A0305-02-0024-15
Figure 109110420-A0305-02-0025-16
圖9A是圖8的光學鏡頭的像散場曲(field curvature)圖及畸變圖。圖9B是圖8的光學鏡頭的橫向色差圖，其是以波長465奈米(nm)、525奈米、620奈米的光所作出的模擬數據圖，縱座標為像高。圖9C是圖8的光學鏡頭的光程差圖。圖9A至圖9C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9C可知，在影像產生器150的主動表面上，影像光束IM具有OPD的範圍是-2.0 λ<OPD<2.0 λ，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。影像產生器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物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，設計優化視場角FOV可達48.73度，可擁有較佳的視野涵蓋。單位截面積所達視場角比值高，比值可達0.77(度/平方毫米)，使得光學鏡頭110在體積上較為輕薄短小，空間有效利用率高。參考圖9B至圖9C，在本實施例中，影像產生器150的主動表面上形成最大影像高度為 3.34mm，且光學鏡頭110的設計符合預先設定的規範，可以解析至少111 lp/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。
第七實施例的光學鏡頭的架構可降低熱漂移的問題，說明如下。圖10A、圖10B、圖10C、圖10D分別繪示第七實施例的光學鏡頭在環境溫度20℃、0℃、25℃、40℃的熱平衡的調制轉換函數(MTF)的概要示意圖。光學鏡頭110的各項光學參數例如是以環境溫度20℃為參考所設計的，因此，圖10A所繪示的熱平衡的調制轉換函數(MTF)可作為光學鏡頭110是產生否熱漂移的參考值。由圖10B、圖10C、圖10D可知，當環境溫度從0℃變化至40℃，光學鏡頭110經過此熱效應(Thermal effect)之後，其MTF仍大於40%。
圖11繪示本發明第八實施例之頭戴式顯示裝置的概要示意圖。請參考圖11，在本實施例中，第一透鏡112為玻璃非球面透鏡、第二透鏡114為塑膠非球面透鏡、第三透鏡116為塑膠非球面透鏡以及第四透鏡118為玻璃非球面透鏡。
在本實施例中，其中一種情況為光學鏡頭110符合B×D<170，其中B為光學鏡頭110的鏡頭總長，在本實施例中，例如B為在光軸OA上表面S1至表面S8的距離，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，例如為第四透鏡118的通光口徑。在本實施例中，另一種情況為光學鏡頭110符合A+C<25，其中A為光欄ST與光學鏡頭110的表面 S1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，且C為光學鏡頭110的表面S8與影像產生器150的表面在光軸OA上的距離。在本實施例中，又另一種情況為光學鏡頭110符合FOV/(B×D)>0.2，其中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FOV>40。在本實施例中，又另一種情況為光學鏡頭110同時符合B×D<170，A+C<25，FOV/(B×D)>0.2，FOV>40。上述參數A、B、C、D、FOV的定義同上所述。在本實施例中，上述參數A、B、C、D例如分別是5.45毫米(millimeters)、8.34毫米、5.48毫米、8.1毫米。上述參數A+C、B×D、FOV/(B×D)、FOV例如分別是10.93毫米(millimeters)、67.55毫米、0.77毫米、48.29毫米。這些參數的數值不用以限定本發明。
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。
Figure 109110420-A0305-02-0027-17
Figure 109110420-A0305-02-0028-18
請參照圖11及表十一，表十一中列出各個透鏡(包括第一透鏡112至第四透鏡118)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、第三透鏡116及第四透鏡118可為非球面透鏡。非球面透鏡的公式如下所示：
Figure 109110420-A0305-02-0028-19
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(如表一所列的曲率的倒數)。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、A14、A16為非球面係數(aspheric coefficient)。在本實施例中，係數A2為0。以下表十二所列出的是各透鏡的表面的參數值。
Figure 109110420-A0305-02-0028-20
Figure 109110420-A0305-02-0029-21
圖12A是圖11的光學鏡頭的像散場曲(field curvature)圖及畸變圖。圖12B是圖11的光學鏡頭的橫向色差圖，其是以波長465奈米(nm)、525奈米、620奈米的光所作出的模擬數據圖，縱座標為像高。圖12C是圖11的光學鏡頭的光程差圖。圖12A至圖12C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12C可知，在影像產生器150的主動表面上，影像光束IM具有OPD的範圍是-2.0 λ<OPD<2.0 λ，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。影像產生器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物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，設計優化視場角FOV可達48.29度，可擁有較佳的視野涵蓋。單位截面積所達視場角比值高，比值可達0.71(度/平方毫米)，使得光學鏡頭110在體積上較為輕薄短小，空間有效利用率高。參考圖12B至圖12C，在本實施例中，影像產生器150的主動表面上形成最大影像高度 為3.34mm，且光學鏡頭110的設計符合預先設定的規範，可以解析至少111 lp/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。
第八實施例的光學鏡頭的架構可降低熱漂移的問題，說明如下。圖13A、圖13B、圖13C、圖13D分別繪示第八實施例的光學鏡頭在環境溫度20℃、0℃、25℃、40℃的熱平衡的調制轉換函數(MTF)的概要示意圖。光學鏡頭110的各項光學參數例如是以環境溫度20℃為參考所設計的，因此，圖13A所繪示的熱平衡的調制轉換函數(MTF)可作為光學鏡頭110是產生否熱漂移的參考值。由圖13B、圖13C、圖13D可知，當環境溫度從0℃變化至40℃，光學鏡頭110經過此熱效應(Thermal effect)之後，其MTF仍大於45%。
表十三中列出各個透鏡(包括第一透鏡112至第四透鏡118)的在不同環境溫度的透鏡溫度。
Figure 109110420-A0305-02-0030-22
圖14繪示本發明第九實施例之頭戴式顯示裝置的概要示 意圖。請參考圖14，在本實施例中，第一透鏡112為玻璃非球面透鏡、第二透鏡114為塑膠非球面透鏡、第三透鏡116為玻璃非球面透鏡。第四透鏡118為塑膠非球面透鏡。
在本實施例中，其中一種情況為光學鏡頭110符合B×D<170，其中B為光學鏡頭110的鏡頭總長，在本實施例中，例如B為在光軸OA上表面S1至表面S8的距離，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，例如為第四透鏡118的通光口徑。在本實施例中，另一種情況為光學鏡頭110符合A+C<25，其中A為光欄ST與光學鏡頭110的表面S1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，且C為光學鏡頭110的表面S8與影像產生器150的表面在光軸OA上的距離。在本實施例中，又另一種情況為光學鏡頭110符合FOV/(B×D)>0.2，其中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FOV>40。在本實施例中，又另一種情況為光學鏡頭110同時符合B×D<170，A+C<25，FOV/(B×D)>0.2，FOV>40。上述參數A、B、C、D、FOV的定義同上所述。在本實施例中，上述參數A、B、C、D例如分別是5.5毫米(millimeters)、7.95毫米、5.1毫米、8.1毫米。上述參數A+C、B×D、FOV/(B×D)、FOV例如分別是10.6毫米(millimeters)、64.495毫米、0.74毫米、47.7毫米。這些參數的數值不用以限定本發明。
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。
Figure 109110420-A0305-02-0032-23
請參照圖14及表十四，表十四中列出各個透鏡(包括第一透鏡112至第四透鏡118)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、第三透鏡116及第四透鏡118可為非球面透鏡。非球面透鏡的公式如下所示：
Figure 109110420-A0305-02-0032-24
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(如表一所列的曲率的倒數)。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、A14、A16為非球面係數(aspheric coefficient)。在本實施例中，係數A2為0。以下表十五所列出的是各透鏡的表面的參數值。
Figure 109110420-A0305-02-0033-25
圖15A是圖14的光學鏡頭的像散場曲(field curvature)圖及畸變圖。圖15B是圖14的光學鏡頭的橫向色差圖，其是以波長465奈米(nm)、525奈米、620奈米的光所作出的模擬數據圖，縱座標為像高。圖15C是圖14的光學鏡頭的光程差圖。圖15A至圖15C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15C可知，在影像產生器150的主動表面上，影像光束IM具有OPD的範圍是-2.0 λ<OPD<2.0 λ，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。影像產生器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物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，設計優化視場角可達47.7度FOV，可擁有較佳的視野涵蓋。單位截面積所達視場角比值高，比值可達0.74(度/平方毫米)，使得光學鏡頭110在體積上較為輕薄短小，空間有效利用率高。參考圖15B至圖15C，在本實施例中，影像產生器150的主動表面上形成最大影像高度為3.34mm，且光學鏡頭110的設計符合預先設定的規範，可以解析至少111 lp/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。
第九實施例的光學鏡頭的架構可降低熱漂移的問題，說明如下。圖16A、圖16B、圖16C、圖16D分別繪示第九實施例的光學鏡頭在環境溫度20℃、0℃、25℃、40℃的熱平衡的調制轉換函數(MTF)的概要示意圖。光學鏡頭110的各項光學參數例如是以環境溫度20℃為參考所設計的，因此，圖16A所繪示的熱平衡的調制轉換函數(MTF)可作為光學鏡頭110是產生否熱漂移的參考值。由圖16B、圖16C、圖16D可知，當環境溫度從0℃變化至40℃，光學鏡頭110經過此熱效應(Thermal effect)之後，其MTF仍大於40%。
表十六中列出各個透鏡(包括第一透鏡112至第四透鏡 118)的在不同環境溫度的透鏡溫度。
Figure 109110420-A0305-02-0035-26
由上述可知，第七至第九實施例的光學鏡頭的架構的背焦距(BFL)的熱漂移(thermal drift)小於0.015毫米，可降低熱漂移的問題。
綜上所述，本發明的第四至第九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、解析度高且可降低熱漂移的問題。
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案搜尋之用，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。
110:光學鏡頭
112、114、116、118:透鏡
120:傳遞稜鏡、第二稜鏡
140:玻璃蓋
150:影像產生器
230:波導元件
232:耦合入口
234:耦合出口
300:頭戴式顯示裝置
900:目標
IM:影像光束
ST:光欄
OA:光軸

Claims (22)

  1. 一種光學鏡頭，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、一第三透鏡及一第四透鏡，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正、負、正及正，其中該光學鏡頭用於接收一影像產生器所提供的一影像光束，該影像產生器設置於該入光側，以及該影像光束在該出光側形成一光欄，該光欄具有該影像光束的光束縮束的一最小截面積。
  2. 如請求項1所述的光學鏡頭，其中該光學鏡頭符合B×D<130mm2，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. 如請求項1所述的光學鏡頭，其中該光學鏡頭符合A+C<20mm，其中A為該光欄與該光學鏡頭在一光軸上的距離，且C為該光學鏡頭與該影像產生器在該光軸上的距離。
  4. 如請求項1所述的光學鏡頭，其中該光學鏡頭符合FOV/(B×D)>0.4°/mm2，其中B為該光學鏡頭的鏡頭總長，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. 如請求項1所述的光學鏡頭，其中該光學鏡頭符合FOV>50°，其中FOV為該光學鏡頭的一視場角。
  6. 如請求項1所述的光學鏡頭，其中該第一透鏡為雙凸透鏡，該第二透鏡為凸凹透鏡且具有一朝向該入光側的凸面，該 第三透鏡為雙凸透鏡，且該第四透鏡為凹凸透鏡且具有一朝向該入光側的凹面。
  7. 如請求項1所述的光學鏡頭，其中該第一透鏡、該第二透鏡、該第三透鏡及該第四透鏡為玻璃非球面透鏡。
  8. 如請求項1所述的光學鏡頭，其中該光學鏡頭符合B×D<170mm2，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。
  9. 如請求項1所述的光學鏡頭，其中該光學鏡頭符合A+C<25mm，其中A為該光欄與該光學鏡頭在一光軸上的距離，且C為該光學鏡頭與該影像產生器在該光軸上的距離。
  10. 如請求項1所述的光學鏡頭，其中該光學鏡頭符合FOV/(B×D)>0.2°/mm2，其中B為該光學鏡頭的鏡頭總長，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。
  11. 如請求項1所述的光學鏡頭，其中該光學鏡頭符合FOV>40°，其中FOV為該光學鏡頭的一視場角。
  12. 如請求項1所述的光學鏡頭，其中該第一透鏡與該第二透鏡為塑膠非球面透鏡，該第三透鏡及該第四透鏡為玻璃非球面透鏡。
  13. 如請求項1所述的光學鏡頭，其中該第二透鏡與該第三透鏡為塑膠非球面透鏡，該第一透鏡與該第四透鏡為玻璃非球面透鏡。
  14. 如請求項1所述的光學鏡頭，其中該第二透鏡與該第四透鏡為塑膠非球面透鏡，該第一透鏡及該第三透鏡為玻璃非球面透鏡。
  15. 如請求項1所述的光學鏡頭，其中該第一透鏡與該第二透鏡與該第三透鏡為塑膠非球面透鏡，該第四透鏡為玻璃非球面透鏡。
  16. 如請求項1所述的光學鏡頭，還包括一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. 如請求項1所述的光學鏡頭，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. 如請求項1所述的光學鏡頭，其中該光學鏡頭符合以下條件：B×D<130mm2，A+C<20mm，FOV/(B×D)>0.4°/mm2，FOV>50°，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為該光學鏡頭與該影像產生器在該光軸上的距 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。
  19. 如請求項1所述的光學鏡頭，其中該光學鏡頭符合以下條件：B×D<170mm2，A+C<25mm，FOV/(B×D)>0.2°/mm2，FOV>40°，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為該光學鏡頭與該影像產生器在該光軸上的距離，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。
  20. 一種頭戴式顯示裝置，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、一第三透鏡及一第四透鏡，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正、負、正及正，其中一影像產生器設置於該入光側，且該光學鏡頭用於接收該影像產生器所提供的一影像光束，以及該影像光束在該出光側形成一光欄，該光欄具有該影像光束的光束縮束的一最小截面積；以及一波導元件，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。
  21. 如請求項20所述的頭戴式顯示裝置，還包括一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。
  22. 如請求項20所述的頭戴式顯示裝置，其中該波導元件包括一光學微結構，設置在該耦合出口處，且該光學微結構將傳遞至該耦合出口的該影像光束投射到該目標。
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