TWI797438B - 光學鏡頭 - Google Patents

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Abstract

一種光學鏡頭，包括：從一入光側往一出光側依序排列的第一透鏡至第五透鏡。入光側設置一影像產生器，且光學鏡頭用於接收影像產生器所提供的一影像光束。影像光束在出光側形成一光欄。光欄具有影像光束的光束縮束的一最小截面積。

Description

光學鏡頭
本發明是有關於一種光學鏡頭，並且特別涉及一種用於波導顯示器的光學鏡頭。
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、重量的考量以及熱穩定性是重要的議題。
“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，其具有良好的光學品質與熱穩定性。
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，其包括從入光側往出光側依序排列的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡及第五透鏡。第一透鏡至第四透鏡的屈光度依序為正、負、正及正，且第五透鏡具有屈光度。入光側設置影像產生器。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(stop)。光欄具有影像光束的光束縮束（beam shrinkage）的最小截面積。
在本發明的一實施例中，上述的光學鏡頭更滿足以下的條件式：1>(A+C)/B>2.5。A為光欄與裝設此光學鏡頭的鏡筒的距離，B為光學鏡頭的一鏡頭總長，且C為第一透鏡朝向入光側的表面與影像產生器在光軸上的距離。
在本發明的一實施例中，上述的光學鏡頭更滿足以下的條件式：1>│f5/f4│>15，其中，f4為光學鏡頭的第四透鏡的焦距，f5為光學鏡頭的第五透鏡的焦距。
在本發明的一實施例中，上述的光學鏡頭更滿足以下的條件式：V5-V4>25，其中，V4為第四透鏡的阿貝數，V5為第五透鏡的阿貝數。
在本發明的一實施例中，上述的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡及第五透鏡的材料為塑膠，且第四透鏡的材料為玻璃。
在本發明的一實施例中，上述的第四透鏡的材料為玻璃，第四透鏡的等效焦距大於0。
在本發明的一實施例中，上述的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡及第五透鏡為非球面透鏡，且第四透鏡為球面透鏡。
在本發明的一實施例中，上述的第五透鏡的屈光度為正。
在本發明的一實施例中，上述的第五透鏡的屈光度為負。
在本發明的一實施例中，上述的第一透鏡為凹凸透鏡且具有一朝向入光側的凸面。第二透鏡為一雙凹透鏡。第三透鏡為一凹凸透鏡且具有一朝向出光側的凸面。第四透鏡為一雙凸透鏡。第五透鏡為凹凸透鏡且具有一朝向入光側的凸面。
在本發明的一實施例中，上述的第一透鏡為一凹凸透鏡且具有朝向入光側的凸面。第二透鏡為一雙凹透鏡。第三透鏡為一雙凸透鏡。第四透鏡為一雙凸透鏡。第五透鏡為一凹凸透鏡且具有一朝向入光側的凸面。
在本發明的一實施例中，上述的光學鏡頭還包括一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，上述的光欄形成於一波導元件。波導元件具有彼此相對的一光耦合入口與一光耦合出口。影像光束經由光耦合入口進入波導元件，並且波導元件引導影像光束，以使影像光束由光耦合出口離開波導元件，再投射到一目標。
在本發明的一實施例中，上述的光學鏡頭投射的一虛像尺寸實質上是影像產生器尺寸的184倍，且光學鏡頭的視場角為40度。
在本發明的一實施例中，上述的光學鏡頭投射的一虛像尺寸是影像產生器尺寸的236倍，且光學鏡頭的視場角為50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，由於光學鏡頭的設計符合上述屈光度的組合、透鏡排列方式以及數量，光學鏡頭能在較短的鏡頭總長下具有良好的成像品質。
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的波導顯示器的概要示意圖。
請參照圖1，本實施例的波導顯示器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、玻璃蓋（cover glass）140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可以是能提供影像光束IM的顯示裝置，影像產生器150例如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，影像產生器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，本發明對影像產生器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，玻璃蓋140設置於影像產生器150與照明稜鏡120之間，以保護影像產生器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ST。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的形狀例如大致上為圓形，並且在X軸方向上與在Y軸方向上的直徑尺寸大致上相同。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的位置，並且在通過光欄ST之後發散。在本實施例中，影像光束IM經過光學鏡頭110之後所形成的光欄ST位置例如於波導元件之內，而圖1為等效光學路徑之示例，僅繪示出位於光欄ST之間的部分波導元件130，影像光束IM進入波導元件130並通過光欄ST，接續在波導元件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(未示出)例如是人眼。
詳言之，在本實施例中，光學鏡頭110包括從入光側IS往出光側ES依序排列的第一透鏡111、第二透鏡113、第三透鏡115、第四透鏡117及第五透鏡119，其屈光度依序為正、負、正、正、正。在本實施例中，第一透鏡111為一凹凸透鏡，且具有一朝向出光側ES的凹面與一朝向入光側IS的凸面。第二透鏡113為一雙凹透鏡，且具有分別朝向出光側ES與朝向入光側IS的凹面。第三透鏡115為一凹凸透鏡，具有一朝向出光側ES的凸面與一朝向入光側IS的凹面。第四透鏡117為一雙凸透鏡，且具有分別朝向出光側ES與朝向入光側IS的凸面，並且第四透鏡117的等效焦距大於0。第五透鏡119為一凹凸透鏡，且具有一朝向出光側ES的凹面與一朝向入光側IS的凸面。在本實施例中，第一、第二、第三及第五透鏡111、113、115、119為塑膠非球面透鏡，第四透鏡117為玻璃球面透鏡。
以下內容將舉出應用於波導顯示器100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。
元件 表面 曲率 半徑 (mm) 間距 (mm) 折射率 阿貝數 光學有效半徑 (mm)
物體   無限大        
光欄ST   無限大 0.5     2
波導 元件 130 S14 無限大 9.5 1.83 42.7 2.1
S13 無限大 1.77     2.9
第五 透鏡 119 S10 -4.00 2.25 1.53 55.7 3.0
S9 -4.46 0.10     3.8
第四 透鏡117 S8 13.23 2.19 1.79 44.2 4.3
S7 -52.39 0.1     4.3
第三 透鏡115 S6 8.52 1.22 1.53 55.7 4.2
S5 508.61 0.84     4.1
第二 透鏡113 S4 -17.96 0.95 1.63 23.3 4.1
S3 5.26 1.24     4.0
第一 透鏡111 S2 -17.84 1.83 1.53 55.7 4.0
S1 -5.36 0.5     4.1
照明 稜鏡 120 S11 無限大 9.8 1.83 42.7 4.1
S12 無限大 0.3     4.0
玻璃蓋140 S15          
表一
請參照圖1及表一，表一中列出波導顯示器100中的各元件的表面及其相關參數，表面S1為第一透鏡111面向入光側IS的表面，而表面S2為第一透鏡111面向出光側ES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S2的間距大小1.83mm，即表面S1至表面S2間於光軸OA上的直線距離為1.83毫米(即第一透鏡111的厚度)，而對應表面S3的間距1.24mm，即表面S2至表面S3間於光軸OA上的直線距離1.24毫米，以此類推。光學有效半徑係指元件被光通過的最大直徑的一半。
於本實施例中，第一、第二、第三及第五透鏡111、113、115、119皆為非球面透鏡，而非球面透鏡的公式如下所示：
Figure 02_image001
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，於此省略示出A2的數據。以下表二所列出的是上述透鏡非球面的參數值，其中E-003代表的是10的負3次方，其他以此類推。
表面 K A4 A6 A8 A10 A12
S10 2.33E-001 1.33E-003 -5.93E-005 1.84E-005 -1.01E-006 9.76E-008
S9 0 -8.28E-005 2.93E-005 3.69E-006 -2.17E-007 1.33E-008
S6 0 -1.21E-003 4.82E-005 -2.48E-006 1.19E-007 -2.60E-009
S5 0 2.55E-003 -1.35E-004 6.31E-006 -2.28E-007 3.42E-009
S4 2.90 -5.66E-006 7.37E-005 -4.22E-006 6.90E-008 3.49E-010
S3 -5.41 -5.72E-004 4.35E-005 1.65E-006 -1.15E-007 4.42E-010
S2 0 1.83E-003 -1.04E-004 1.09E-005 -3.87E-007 1.82E-009
S1 0 2.11E-003 -2.81E-005 6.16E-006 -2.51E-007 3.90E-009
表二
圖2A是圖1的光學鏡頭橫向色差（Lateral Color）圖。圖2B是圖1的光學鏡頭的像散場曲（field curvature）及畸變（Distortion）圖，其中X為弧矢（Sagittal）方向上的場曲像差，Y為子午（Tangential）方向上的場曲像差，525奈米為例。圖2C是圖1的光學鏡頭橫向光束扇形圖（transverse ray fan plot），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。圖2D是圖1的光學鏡頭調制轉換函數曲線圖，其中橫坐標為焦點偏移量（Focus shift），縱座標為光學轉移函數的模數（modulus of the OTF）。圖2E是圖1的光學鏡頭在不同像高下的波前光程差異（Optical Path Difference, OPD）模擬數據圖。圖2F至圖2J是圖1的光學鏡頭在不同溫度下的光學鏡頭調制轉換函數曲線圖。
由圖2A至圖2E可看出，其所顯示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。值得一提的是，由圖2E可知，在影像產生器150的主動表面AS上，影像光束IM具有的OPD範圍是-1.5λ>OPD>1.5λ，其中OPD為在各像高的光程差，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AS是影像光束IM出射的區域表面。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像高的光程差。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具有高解析度。此外，由圖2F至圖2J可看出，其所顯示的圖形在不同的環境溫度（圖2F至圖2J的環境溫度分別為0度、10度、20度、30度、40度）下均在標準的範圍內，由此可驗證本實施例的光學鏡頭110具有良好的熱穩定性。
在本實施例中，其中一種情況為圖1的光學鏡頭110符合1>(A+C)/B>2.5 ，A為光欄ST到裝設光學鏡頭110的鏡筒（未示出）的邊緣距離，即光欄ST到第五透鏡119最靠近光欄ST的位置之間的光路徑距離。B為光學鏡頭110的鏡頭總長，即第一透鏡111朝向入光側IS的表面S1至第五透鏡119朝向出光側ES的表面S10之間於光軸OA上的距離，C為第一透鏡111朝向入光側IS的表面S1與該影像產生器150在該光軸OA上的距離，即光學鏡頭110的第一透鏡111朝向入光側IS的表面S1與影像產生器150的主動表面AS在光軸OA上的距離。，此外，另定義D為光學鏡頭110中一最大透鏡的一通光口徑(Clear aperture)，於本實施例中，光學鏡頭110的最大透鏡的通光口徑例如為第四透鏡117的通光口徑，且FOV為光學鏡頭110的視場角，E為光欄ST的直徑，F為影像產生器150的主動表面AS的對角線長度。在本實施例中，上述參數A、B、C、D、E、F例如分別是10.2毫米（millimeters）、10.72毫米、12毫米、8.6毫米、4毫米、7.93毫米，(A+C)/B為2.07，。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。
圖3繪示本發明另一實施例的波導顯示器的概要示意圖。請參照圖3，本實施例的波導顯示器100a大致上類似於圖1的波導顯示器100，其主要差異在於：波導顯示器100a更包括轉折稜鏡160、抗反射元件170與反射元件180。轉折稜鏡160（第一稜鏡）設置光學鏡頭110與光欄ST之間。波導元件130a具有彼此相對的上表面US及下表面DS，且其具有彼此相對的光耦合入口ET與光耦合出口OT。光耦合入口ET與光耦合出口OT分別例如是影像光束IM入射至波導元件130a的表面區域與影像光束IM離開波導元件130a的表面區域，其中光欄ST形成於光耦合入口ET。光耦合入口ET位於上表面US的一端且光耦合入口ET所在處設有抗反射元件170，其中抗反射元件170例如可以為一層塗佈於光耦合入口ET的抗反射層，或是抗反射元件170可以是於光耦合入口ET進行表面處理而形成的抗反射結構。光耦合出口OT位於波導元件130a的上表面US的另一端且相對於光耦合出口OT的所在上表面US的下表面DS設有反射元件180，其中反射元件180例如可以為一層塗佈於光耦合出口OT的反射膜層，或是反射元件180可以是於光耦合出口OT進行表面處理而形成的反射結構；其中抗反射元件170係用以使影像光束IM更容易進入波導元件130a而降低被波導元件130a的表面反射的比例，反射元件180可反射在波導元件130a內傳遞的影像光束IM並使影像光束IM朝光耦合出口OT傳遞，用以使在波導元件130a內的影像光束IM更容易離開波導元件130a。
在本實施例中，影像光束IM離開光學鏡頭110後，並被轉折稜鏡160反射後改變其傳遞方向，而會聚至光欄ST。影像光束IM在通過光欄ST之後發散並藉由光耦合入口ET進入波導元件130a，影像光束IM在波導元件130a的上、下表面US、DS進行一至多次全反射後，並由光耦合出口OT離開波導元件130a，再投射至目標OB。此處的投射目標OB例如是人眼。
此外，以下內容將舉出應用於波導顯示器100a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。
元件 表面 曲率 半徑 (mm) 間距 (mm) 折射率 阿貝數 光學有效半徑 (mm)
物體   無限大        
光欄ST   無限大 2.32     2
轉折 稜鏡 160 S17 無限大 6 1.83 42.7 2.3
S16 無限大 1.77     2.9
第五 透鏡 119 S10 -4.00 2.25 1.53 55.7 3.0
S9 -4.46 0.1     3.8
第四 透鏡117 S8 13.23 2.19 1.79 44.2 4.3
S7 -52.39 0.1     4.3
第三 透鏡115 S6 8.52 1.22 1.53 55.7 4.2
S5 508.61 0.84     4.1
第二 透鏡113 S4 -17.96 0.95 1.63 23.3 4.1
S3 5.26 1.24     4.0
第一 透鏡111 S2 -17.84 1.83 1.53 55.7 4.0
S1 -5.36 0.5     4.1
照明 稜鏡 120 S11 無限大 9.8 1.83 42.7 4.1
S12 無限大 0.3     4.0
玻璃蓋 140 S15          
表三
此外，由於圖3的光學鏡頭110的各透鏡111、113、115、117、119的面形設計、參數皆與圖1的光學鏡頭相同，因此於此不再贅述。
在本實施例中，其中一種情況為圖3的光學鏡頭110符合1>(A+C)/B>2.5。其他參數A、B、C、D、E、F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8.52毫米、10.72毫米、12毫米、8.6毫米、4毫米、7.93毫米，(A+C)/B為1.91。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。
圖4繪示本發明又一實施例的波導顯示器的概要示意圖。請參照圖4，本實施例的波導顯示器100b類似於圖3的波導顯示器100a，惟兩者之間主要的差異例如在於：光學鏡頭110、照明稜鏡120、玻璃蓋140與影像產生器150共同設置於光耦合入口ET的正上方，而光學鏡頭110與波導元件130a之間並未設有如同圖3的轉折稜鏡160。
以下內容將舉出應用於波導顯示器100b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。
元件 表面 曲率 半徑 (mm) 間距 (mm) 折射率 阿貝數 光學有效半徑 (mm)
物體   無限大        
光欄ST   無限大 7.31     2
第五 透鏡 119 S10 -4.00 2.25 1.53 55.7 3.0
S9 -4.46 0.10     3.8
第四 透鏡117 S8 13.23 2.19 1.79 44.2 4.3
S7 -52.39 0.1     4.3
第三 透鏡115 S6 8.52 1.22 1.53 55.7 4.2
S5 508.61 0.84     4.1
第二 透鏡113 S4 -17.96 0.95 1.63 23.3 4.1
S3 5.26 1.24     4.0
第一 透鏡111 S2 -17.84 1.83 1.53 55.7 4.0
S1 -5.36 0.5     4.1
照明 稜鏡 120 S11 無限大 9.8 1.83 42.7 4.1
S12 無限大 0.3     4.0
玻璃蓋 140 S15          
表四
在本實施例中，影像光束IM離開光學鏡頭110後，是直接經由光耦合入口ET進入波導元件130a，影像光束IM在波導元件130a的上、下表面US、DS進行一至多次全反射後，並由光耦合出口OT離開波導元件130a，再投射至目標OB。
在本實施例中，其中一種情況為圖4的光學鏡頭110符合1>(A+C)/B>2.5。其他參數A、B、C、D、E、F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5.74毫米、10.72毫米、12毫米、8.6毫米、4毫米、7.93毫米，(A+C)/B為1.655。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。 值得一提的是，上述圖1至圖4的光學鏡頭110共五片透鏡，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)。影像產生器150例如是使用0.3英吋的720P DMD裝置，其對角線例如為7.93mm，且影像產生器150的對角線代表光學鏡頭110的成像圈(image circle)。在此光學鏡頭110的設計下，人眼可以看到相當於2公尺(M)外的57.3英吋(inch)大小的虛像，此時的放大倍率實質上約為184倍。
此外，上述圖1至圖4的本實施例中的光學鏡頭110具有焦距與像高的關係式如下：像高=焦距x tan(半視場角)，其中像高例如為3.965mm，設計視場角為40度，則視場半角為20度，使得光學鏡頭110的有效焦距大致為10.89mm。另外，圖1至圖4的本實施例中的光學鏡頭110符合1>│f5/f4│>15，以及V5-V4>25，其中f4為光學鏡頭110的第四透鏡117的焦距，f5為光學鏡頭110的第五透鏡119的焦距，V4為第四透鏡117的阿貝數，V5為第五透鏡119的阿貝數。在本實施例中，上述參數f4、f5、V4、V5例如分別是13.52毫米（millimeters）、100.01毫米、44、56，f5/f4為7.4，V5-V4為12。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的波導顯示器的概要示意圖。請參考圖5，本實施例的波導顯示器100c大致上類似於圖1的波導顯示器100，其主要差異在於：光學鏡頭110c的屈光率組合及對應具有的各光學參數與光學鏡頭110的屈光率組合及對應具有的各光學參數略有不同。詳細來說，光學鏡頭110c亦包括由從入光側IS往出光側ES依序排列的第一透鏡111c、第二透鏡113c、第三透鏡115c、第四透鏡117c及第五透鏡119c，且其屈光度依序為正、負、正、正及負。在本實施例中，第一、第二、第三及第五透鏡111c、113c、115c、119c為塑膠非球面透鏡，第四透鏡117c為玻璃球面透鏡。
此外，透鏡面形的設計亦略有不同，圖5中的第一、第二、第四、第五透鏡111c、113c、117c、119c的面形設計與圖1中的第一、第二、第四、第五透鏡111、113、115、119的面形設計相似，其主要差異在於：圖5中的第三透鏡115c為一雙凸透鏡。
以下內容將舉出應用於波導顯示器100c的光學鏡頭110c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。
元件 表面 曲率 半徑 (mm) 間距 (mm) 折射率 阿貝數 光學有效半徑 (mm)
物體   無限大        
光欄ST   無限大 0.5     1.6
波導 元件 130 S12 無限大 5.5 2.00 28.3 1.7
S13 無限大 1.49     2.3
第五 透鏡 119c S10 -3.17 1.74 1.53 55.7 2.4
S9 -4.54 0.15     3.1
第四 透鏡117c S8 -14.03 2.19 1.83 42.7 3.5
S7 -6.86 0.1     3.9
第三 透鏡115c S6 7.64 2.29 1.53 55.7 4.1
S5 -20.74 1.17     4.0
第二 透鏡113c S4 -5.30 1.07 1.64 22.4 4.0
S3 20.13 0.39     4.2
第一 透鏡111c S2 -23.20 1.91 1.53 55.7 4.3
S1 -5.20 0.5     4.3
照明 稜鏡 120 S11 無限大 9.8 1.83 42.7 4.2
S12 無限大 0.3     4.0
玻璃蓋 140 S15          
表五
在本實施例中，第一、第二、第三及第五透鏡111c、113c、115c、119c皆為非球面透鏡，以下表六所列出的是上述透鏡非球面的參數值。
表面 K A4 A6 A8 A10 A12
S10 -3.26E-001 9.34E-004 -1.34E-004 2.34E-005 3.46E-007 -2.00E-007
S9 0 -9.83E-005 7.52E-005 1.71E-006 1.58E-007 -1.07E-008
S6 1.61E-001 -9.41E-004 2.36E-005 -9.86E-007 3.83E-008 -9.37E-010
S5 0 1.14E-003 -8.79E-005 6.11E-006 -3.04E-007 6.12E-009
S4 2.49 E-001 1.98E-003 -3.35E-005 1.02E-005 -6.88E-007 1.97E-008
S3 4.02 -1.70E-003 3.00E-005 2.59E-006 -1.83E-007 3.43E-009
S2 0 2.08E-003 -1.52E-004 9.12E-006 -3.26E-007 4.89E-009
S1 0 2.45E-003 -6.76E-007 2.59E-006 -1.81E-007 5.44E-009
表六
圖6A是圖5的光學鏡頭橫向色差（Lateral Color）圖。圖6B是圖5的光學鏡頭的像散場曲（field curvature）及畸變（Distortion）圖。圖6C是圖5的光學鏡頭橫向光束扇形圖（transverse ray fan plot），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。圖6D是圖5的光學鏡頭調制轉換函數曲線圖，其中橫坐標為焦點偏移量（Focus shift），縱座標為光學轉移函數的模數（modulus of the OTF）。圖6E是圖5的光學鏡頭在不同像高下的波前光程差異（Optical Path Difference, OPD）模擬數據圖。圖6F至圖6J是圖5的光學鏡頭在不同溫度下的光學鏡頭調制轉換函數曲線圖。
由圖6A至圖6E可看出，其所顯示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110c能夠達到良好的成像效果。值得一提的是，由圖6E可知，在影像產生器150的主動表面上，影像光束IM具有的OPD範圍是-1.5λ>OPD>1.5λ，其中OPD為在各像高的光程差，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AS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像高的光程差。在本實施例中，光學鏡頭110c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具有高解析度。此外，由圖6F至圖6J可看出，其所顯示的圖形在不同的環境溫度（圖6F至圖6J的環境溫度分別為0度、10度、20度、30度、40度）下均在標準的範圍內，由此可驗證本實施例的光學鏡頭110c具有良好的熱穩定性。
在本實施例中，其中一種情況為圖5的光學鏡頭110c符合1>(A+C)/B>2.5，其他參數A、B、C、D、E、F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6.2毫米、11.01毫米、12毫米、8.6毫米、3.2毫米、7.93毫米，(A+C)/B為1.653。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110c的視場角為50度。
圖7繪示本發明另一實施例的波導顯示器的概要示意圖。請參照圖7，本實施例的波導顯示器100d大致上類似於圖3的波導顯示器100a，其主要差異在於：波導顯示器100d所採用的是如同圖5的光學鏡頭110c的設計。
以下內容將舉出應用於波導顯示器100d的光學鏡頭110c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。
元件 表面 曲率 半徑 (mm) 間距 (mm) 折射率 阿貝數 光學有效半徑 (mm)
物體   無限大        
光欄ST   無限大 0.82     1.6
轉折 稜鏡 160 S12 無限大 4.8 2.00 28.3 1.7
S13 無限大 1.49     2.3
第五 透鏡 119c S10 -3.17 1.74 1.53 55.7 2.4
S9 -4.54 0.15     3.1
第四 透鏡117c S8 -14.03 2.19 1.83 42.7 3.5
S7 -6.86 0.1     3.9
第三 透鏡115c S6 7.64 2.29 1.53 55.7 4.1
S5 -20.74 1.17     4.0
第二 透鏡113c S4 -5.30 1.07 1.64 22.4 4.0
S3 20.13 0.39     4.2
第一 透鏡111c S2 -23.20 1.91 1.53 55.7 4.3
S1 -5.20 0.5     4.3
照明 稜鏡 120 S11 無限大 9.8 1.83 42.7 4.2
S12 無限大 0.3     4.0
玻璃蓋 140 S15          
表七
此外，由於圖7的光學鏡頭110c的各透鏡111c、113c、115c、117c、119c的面形設計、參數皆與圖5的光學鏡頭110c相同，因此於此不再贅述。
在本實施例中，其中一種情況為圖7的光學鏡頭110c符合1>(A+C)/B>2.5，其他參數A、B、C、D、E、F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5.82毫米、11.01毫米、12毫米、8.6毫米、3.2毫米、7.93毫米，(A+C)/B為1.62。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110c的視場角為50度。
圖8繪示本發明另一實施例的波導顯示器的概要示意圖。請參照圖8，本實施例的波導顯示器100e大致上類似於圖4的波導顯示器100b，其主要差異在於：波導顯示器100e所採用的是如同圖5的光學鏡頭110c的設計。
以下內容將舉出應用於波導顯示器100e的光學鏡頭110c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。
元件 表面 曲率 半徑 (mm) 間距 (mm) 折射率 阿貝數 光學有效半徑 (mm)
物體   無限大        
光欄ST   無限大 4.59     1.6
第五 透鏡 119c S10 -3.17 1.74 1.53 55.7 2.4
S9 -4.54 0.15     3.1
第四 透鏡117c S8 -14.03 2.19 1.83 42.7 3.5
S7 -6.86 0.1     3.9
第三 透鏡115c S6 7.64 2.29 1.53 55.7 4.1
S5 -20.74 1.17     4.0
第二 透鏡113c S4 -5.30 1.07 1.64 22.4 4.0
S3 20.13 0.39     4.2
第一 透鏡111c S2 -23.20 1.91 1.53 55.7 4.3
S1 -5.20 0.5     4.3
照明 稜鏡 120 S11 無限大 9.8 1.83 42.7 4.2
S12 無限大 0.3     4.0
玻璃蓋 140 S15          
表七
此外，由於圖8的光學鏡頭110c的各透鏡111c、113c、115c、117c、119c的面形設計、參數皆與圖5的光學鏡頭110c相同，因此於此不再贅述。
在本實施例中，其中一種情況為圖8的光學鏡頭110c符合1>(A+C)/B>2.5 ，其他參數A、B、C、D、E、F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3.3毫米、11.01毫米、12毫米、8.6毫米、3.2毫米、7.93度，(A+C)/B為1.39。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110c的視場角為50度。 值得一提的是，上述圖5、7、8的光學鏡頭110c共五片透鏡，但不以此為限。光欄ST的直徑約為3.2mm，接近一般人眼瞳孔的大小(約為3~6mm)。影像產生器150例如是使用0.3英吋的720P DMD裝置，其對角線例如為7.93mm，且影像產生器150的對角線代表光學鏡頭110c的成像圈(image circle)。在此光學鏡頭110c的設計下，人眼可以看到相當於2公尺(M)外的73.7英吋(inch)大小的虛像，此時的放大倍率實質上約為236倍。
此外，本實施例中的光學鏡頭110c具有焦距與像高的關係式如下：像高=焦距x tan(半視場角)，其中像高例如為3.965mm，設計視場角為50度，則視場半角為25度，使得光學鏡頭110c的有效焦距大致為8.5 mm。另外，圖5至圖8的本實施例中的光學鏡頭110c符合1>│f5/f4│>15，以及V5-V4>25，其中f4為光學鏡頭110c的第四透鏡117c的焦距，f5為光學鏡頭110c的第五透鏡119c的焦距，V4為第四透鏡117c的阿貝數，V5為第五透鏡119c的阿貝數。在本實施例中，上述參數f4、f5、V4、V5例如分別是13.99毫米（millimeters）、-35.2毫米、43、56，f5/f4為-2.52，V5-V4為13。這些參數的數值不用以限定本發明。
承上述，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，因此光學鏡頭的尺寸小、重量輕、視角大且解析度高。並且，光學鏡頭內的第四透鏡的材質為玻璃，而可使光學鏡頭幾乎無熱飄移現象，而具有良好的熱穩定性。
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、100a~100e:波導顯示器 110:光學鏡頭 111、111c:第一透鏡 113、113c:第二透鏡 115、115c:第三透鏡 117、117c:第四透鏡 119、119c:第五透鏡 120:照明稜鏡 130、130a:波導元件 140:玻璃蓋 150:影像產生器 160:轉折稜鏡 170:抗反射元件 180:反射元件 A~F:參數 AS:主動表面 DS:下表面 ES:出光側 ET:光耦合入口IM:影像光束 OA:光軸 OB:目標 OT:光耦合出口 S’、S1~S17:表面 ST:光欄 US:上表面X:X軸 Y:Y軸 Z:Z軸
圖1繪示本發明一實施例的波導顯示器的概要示意圖。 圖2A是圖1的光學鏡頭橫向色差圖。 圖2B是圖1的光學鏡頭的像散場曲及畸變圖。 圖2C是圖1的光學鏡頭橫向光束扇形圖。 圖2D是圖1的光學鏡頭調制轉換函數曲線圖。 圖2E是圖1的光學鏡頭在不同像高下的波前光程差異模擬數據圖。 圖2F至圖2J是圖1的光學鏡頭在不同溫度下的光學鏡頭調制轉換函數曲線圖。 圖3繪示本發明另一實施例的波導顯示器的概要示意圖。 圖4繪示本發明又一實施例的波導顯示器的概要示意圖。 圖5繪示本發明另一實施例的波導顯示器的概要示意圖。 圖6A是圖5的光學鏡頭橫向色差圖。 圖6B是圖5的光學鏡頭的像散場曲及畸變圖。 圖6C是圖5的光學鏡頭橫向光束扇形圖。 圖6D是圖5的光學鏡頭調制轉換函數曲線圖。 圖6E是圖5的光學鏡頭在不同像高下的波前光程差異模擬數據圖。 圖6F至圖6J是圖5的光學鏡頭在不同溫度下的光學鏡頭調制轉換函數曲線圖。 圖7繪示本發明另一實施例的波導顯示器的概要示意圖。 圖8繪示本發明另一實施例的波導顯示器的概要示意圖。
100:波導顯示器
110:光學鏡頭
111:第一透鏡
113:第二透鏡
115:第三透鏡
117:第四透鏡
119:第五透鏡
120:照明稜鏡
130:波導元件
140:玻璃蓋
150:影像產生器
A~F:參數
ES:出光側
IM:影像光束
IS:入光側
ST:光欄
AS:主動表面
OA:光軸
S1~S15:表面
X:X軸
Y:Y軸
Z:Z軸

Claims (15)

  1. 一種光學鏡頭，由五個透鏡所組成，該光學鏡頭包括：從一入光側往一出光側依序排列的一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡、一第四透鏡及一第五透鏡，其中該第一透鏡至該第四透鏡的屈光度依序為正、負、正及正，該第五透鏡具有屈光度，該第一透鏡為一凹凸透鏡，且具有一朝向該入光側的凸面，其中該入光側設置一影像產生器，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，其中該光學鏡頭更滿足以下的條件式：1<｜f5/f4｜<15，其中，f4為該光學鏡頭的該第四透鏡的焦距，f5為該光學鏡頭的該第五透鏡的焦距。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的光學鏡頭，其中該光學鏡頭更滿足以下的條件式：1<(A+C)/B<2.5，其中，A為該光欄與裝設該光學鏡頭的一鏡筒的距離，B為該光學鏡頭的一鏡頭總長，且C為該光學鏡頭的該第一透鏡朝向該入光側的表面與該影像產生器在該光軸上的距離。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的光學鏡頭，其中該光學鏡頭更滿足以下的條件式： V5-V4<25，其中，V4為該第四透鏡的阿貝數，V5為該第五透鏡的阿貝數。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的光學鏡頭，其中該第一透鏡、該第二透鏡、該第三透鏡及該第五透鏡的材料為塑膠，且該第四透鏡的材料為玻璃。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的光學鏡頭，其中，該第四透鏡的材料為玻璃，該第四透鏡的等效焦距大於0。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的光學鏡頭，其中該第一透鏡、該第二透鏡、該第三透鏡及該第五透鏡為非球面透鏡，且該第四透鏡為球面透鏡。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的光學鏡頭，其中，該第五透鏡的屈光度為正。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的光學鏡頭，其中，該第五透鏡的屈光度為負。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的光學鏡頭，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。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的光學鏡頭，其中該光欄形成於一波導元件，該波導元件具有彼此相對的一光耦合入口與一光耦合出口，該影像光束經由該光耦合入口進入該波導元 件，並且該波導元件引導該影像光束，以使該影像光束由該光耦合出口離開該波導元件，再投射到一目標。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的光學鏡頭，其中該光欄形成於該波導元件的該光耦合入口、該光耦合出口或該光耦合入口與該光耦合出口之間的一位置。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的光學鏡頭，其中藉由該光學鏡頭投射的一虛像尺寸是該影像產生器尺寸的184倍，且該光學鏡頭的一視場角為40度。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的光學鏡頭，其中藉由該光學鏡頭投射的一虛像尺寸是該影像產生器尺寸的236倍，且該光學鏡頭的一視場角為50度。
  14. 一種光學鏡頭，由五個透鏡所組成，該光學鏡頭包括：從一入光側往一出光側依序排列的一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡、一第四透鏡及一第五透鏡，其中該第一透鏡至該第四透鏡的屈光度依序為正、負、正及正，且該第五透鏡具有屈光度，其中該入光側設置一影像產生器，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，該第一透鏡為一凹凸透鏡且具有一朝向該入光側的凸面；該第二透鏡為一雙凹透鏡； 該第三透鏡為一凹凸透鏡且具有一朝向該出光側的凸面；該第四透鏡為一雙凸透鏡；以及該第五透鏡為一凹凸透鏡且具有一朝向該入光側的凸面。
  15. 一種光學鏡頭，由五個透鏡所組成，該光學鏡頭包括：從一入光側往一出光側依序排列的一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡、一第四透鏡及一第五透鏡，其中該第一透鏡至該第四透鏡的屈光度依序為正、負、正及正，且該第五透鏡具有屈光度，其中該入光側設置一影像產生器，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，該第一透鏡為一凹凸透鏡且具有一朝向該入光側的凸面；該第二透鏡為一雙凹透鏡；該第三透鏡為一雙凸透鏡；該第四透鏡為一雙凸透鏡；以及該第五透鏡為一凹凸透鏡且具有一朝向該入光側的凸面。
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