TWI838617B - 鏡片組件及顯示裝置 - Google Patents

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柯泰年
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Abstract

本發明實施例提供一種鏡片組件及應用其的顯示裝置。自入光側至出光側所述鏡片組件依次包括第一透鏡、第二透鏡、…、第2n-1透鏡、第2n透鏡及第2n+1透鏡，所述第2n透鏡的材質為透明的光學膠，所述第2n-1透鏡和所述第2n透鏡藉由所述第2n透鏡膠合，所述鏡片組件的膠合次數為n，n為大於等於1的整數。

Description

鏡片組件及顯示裝置
本發明涉及光學成像領域，尤其涉及一種鏡片組件及應用其的顯示裝置。
習知的消色差的鏡片組件為將兩個以上不同折射率的鏡片膠合在一起，以起到消除色差的目的。其中，膠合鏡片時，貼合次數為鏡片的片數減一。而色差消除的效果越好，所要膠合的鏡片的數量越多及膠合次數越多。
然，由於製程限制，習知的消色差的鏡片組件以三片鏡片，兩種材質(玻璃和塑膠)最為常見、且其色差消除能力仍有待提高。
本發明第一方面提供一種鏡片組件，其自入光側至出光側依次包括第一透鏡、第二透鏡、…、第2n-1透鏡、第2n透鏡及第2n+1透鏡，所述第2n透鏡的材質為透明的光學膠，所述第2n-1透鏡和所述第2n透鏡藉由所述第2n透鏡膠合，所述鏡片組件的膠合次數為n，n為大於等於1的整數。
該鏡片組件中，第2n透鏡的材質為透明的光學膠，相較於習知的透鏡必須為玻璃或塑膠的透鏡組件，在相同透鏡數量的情況下，減少了透鏡組 件的膠合次數；在相同膠合次數的情況下，本發明實施例的鏡片組件可以具有更多數量的透鏡，而透鏡數量越多，色差消除的效果越好。例如，若習知的鏡片組件同樣具有2n+1個透鏡，每相鄰兩個透鏡之間膠合一次，其需要的膠合次數為2n，而本發明實施例中，藉由將第2n透鏡的材質設置為透明的光學膠，膠合次數由2n減少至n，簡化製程。另，本發明實施例藉由選用透明的光學膠作為透鏡，使得鏡片組件的設計更加彈性。例如，習知的鏡片組件中，透鏡僅在玻璃和塑膠兩種材料中選擇，在設計鏡片組件時，其只能在不同折射率的玻璃和塑膠中進行選擇；而本發明實施例中，除不同折射率的玻璃和塑膠可供選擇之外，還可以選擇不同折射率的光學膠進行設計。
本發明第二方面提供一種顯示裝置，其包括顯示器以及上述的鏡片組件，所述顯示器位於所述鏡片組件的入光側。
所述顯示裝置包括上述的鏡片組件，是故其同樣具有簡化製程，色差小的特點。
10、20、30、40:鏡片組件
12、22、32、42:第一透鏡
14、24、34、44:第二透鏡
142、242、342、442:第一表面
144、244、344、444:第二表面
16、26、36、46:第三透鏡
100:顯示裝置
50:顯示器
圖1為本發明實施例一的鏡片組件的光路圖。
圖2為圖1中鏡片組件的縱向像差圖。
圖3為圖1中鏡片組件的調製傳遞函數曲線圖。
圖4為本發明實施例二的鏡片組件的光路圖。
圖5為圖4中鏡片組件的縱向像差圖。
圖6為圖4中鏡片組件的調製傳遞函數曲線圖。
圖7為本發明實施例三的鏡片組件的光路圖。
圖8為圖7中鏡片組件的縱向像差圖。
圖9為圖7中鏡片組件的調製傳遞函數曲線圖。
圖10為本發明實施例四的鏡片組件的光路圖。
圖11為圖10中鏡片組件的縱向像差圖。
圖12為圖10中鏡片組件的調製傳遞函數曲線圖。
圖13為本發明一實施例的顯示裝置的結構示意圖。
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。
除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬於本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在於限制本發明。
為能進一步闡述本發明達成預定目的所採取的技術手段及功效，以下結合附圖及較佳實施方式，對本發明作出如下詳細說明。
本發明實施例提供一種鏡片組件，自入光側至出光側依次包括第一透鏡、第二透鏡、…、第2n-1透鏡、第2n透鏡及第2n+1透鏡，所述第2n透鏡的材質為透明的光學膠，所述第2n-1透鏡和所述第2n透鏡藉由所述第2n透鏡膠合，所述鏡片組件的膠合次數為n，n為大於等於1的整數。
該鏡片組件中，第2n透鏡的材質為透明的光學膠，相較於習知的透鏡必須為玻璃或塑膠的透鏡組件，在相同透鏡數量的情況下，減少了透鏡組 件的膠合次數；或者說，在相同膠合次數的情況下，本發明實施例的鏡片組件可以具有更多數量的透鏡，而透鏡數量越多，色差消除的效果越好。例如，若習知的鏡片組件同樣具有2n+1個透鏡，每相鄰兩個透鏡之間膠合一次，其需要的膠合次數為2n，而本發明實施例中，藉由將第2n透鏡的材質設置為透明的光學膠，膠合次數由2n減少至n，簡化製程。
另，本發明實施例藉由選用透明的光學膠作為透鏡，使得鏡片組件的設計更加彈性。例如，習知的鏡片組件中，透鏡僅在玻璃和塑膠兩種材料中選擇，在設計鏡片組件時，其只能在不同折射率的玻璃和塑膠中進行選擇；而本發明實施例，除不同折射率的玻璃和塑膠可供選擇之外，還可以選擇不同折射率的光學膠進行設計。
另，需要說明的是，本發明實施例的第2n透鏡不同於傳統的膠合透鏡中的光學膠。傳統的膠合透鏡中膠合用的光學膠非常薄，通常厚度只有200μm左右，不會影響原本鏡片組件的光學品質。而本發明實施例的第2n透鏡選用透明的光學膠作為鏡片，其具有一定的厚度(如，毫米級)，對光學品質具有絕對性的影響。
於一實施例中，第2n透鏡為固化後的液態透明光學膠，其透光度高，可在常溫或中溫條件下固化，且折射率選擇多樣。於其他實施例中，第2n透鏡亦可以選用其他透明的光學膠，不限於此。光學膠的折射率、厚度及阿貝數可根據實際需要進行設置，以最佳地消除鏡片組件的色差。
於一實施例中，所述第2n透鏡具有朝向所述入光側的第一表面以及與所述第一表面相對的第二表面，所述第一表面為凹面、凸面或平面，所述第二表面為凹面、凸面或平面。第2n透鏡的第一表面與緊鄰其的第2n-1透鏡的 表面膠合，第2n透鏡的第二表面與緊鄰其的第2n+1透鏡的表面膠合。第2n透鏡可以形成為凸透鏡、凹透鏡等。
於一實施例中，所述第一表面的曲率半徑為R1，所述第二表面的曲率半徑為R2，其中，-2<R1/R2<2。亦就是說，第2n透鏡可以為雙凸透鏡、平凸透鏡以及凸凹透鏡。需要說明的是，本文中定義自入光側至出光側的方向為光軸的正方向，若曲面相較於其曲率中心處於光軸的正方向(凸表面)，則曲率半徑大於0，反之，曲率半徑小於0。
於一實施例中，-2<R1/R2<2，且|R1|<|R2|。即，第2n透鏡的第一表面的曲率半徑與第二表面的曲率半徑相近但不完全相同。而且，第2n透鏡是第一表面的曲率半徑R1的絕對值都比第二表面的曲率半徑R2的絕對值小。
於一實施例中，所述第2n+1透鏡在587.6nm波長時的折射率為Nd，所述第2n透鏡在587.6nm波長時的等效焦距為EFL，0.1<Nd/EFL<0.5。第2n+1透鏡的折射率亦可以用其他特定的波長的折射率來表徵。選擇587.6nm(黃色氦光；譜線標號以字母d表示)作為標準波長是它非常接近人眼最敏感的波長。另，等效焦距是指鏡片組件的中心到焦點的距離。
於一實施例中，所述鏡片組件的縱向像差為4.5μm~7μm。而習知習知的鏡片組件的縱向像差高達29μm。可見，藉由選用折射率匹配的光學膠作為透鏡的材料，並相應的調整透鏡的折射率、焦距等，能夠有效地降低鏡片組件的縱向像差，提高了成像品質。
於一實施例中，所述第一透鏡朝向所述入光側的一面為凸面，所述第2n+1透鏡朝向所述出光側的一面為凸面。例如，當n=1時，即鏡片組件由三片透鏡構成，鏡片組件的入光面和出光面均為凸面。
於一實施例中，所述第2n-1透鏡的材質為透明的玻璃或透明的塑膠；所述第2n+1透鏡的材質為透明的玻璃或透明的塑膠。當第2n-1透鏡、第2n+1透鏡的材料為塑膠時，可以降低鏡片組件的重量，當鏡片組件應用於頭戴式顯示裝置時，降低整個裝置的重量，便於提升用戶佩戴體驗。透明塑膠例如是聚甲基丙烯酸甲酯(或稱壓克力)、聚對苯二甲酸乙二酯或聚碳酸酯等。以下結合圖1至圖12說明本發明實施例一至實施例四的鏡片組件。其中，實施例一至實施例四均以三片透鏡為例，以類比的方式確認，其消色差效果較佳(縱向色差4.5μm~7μm)，明顯優於習知的鏡片組件(縱向像差29微米)。
實施例一
實施例一的詳細光學資料如表一所示。其中，焦距f=12.5mm，光圈數Fno=2.0，半視角(half field of view，HFOV)=10°，第一透鏡12、第二透鏡14及第三透鏡16在587.6nm波長時的等效焦距分別為-16.215、6.7、21.326。第二透鏡14的第一表面142的曲率半徑R1=3.6987，第二透鏡14的第二表面144的曲率半徑為R2=-17.5859，R1/R2=-0.2103，第三透鏡16的折射率與第二透鏡14的等效焦距的比值Nd/EFL為0.2699。
Figure 110111690-A0305-02-0008-1
由圖1可知，紅光、綠光及藍光(分別標注為LR、LG及LB)由於其在鏡片組件10中各個透鏡中的折射率不同，使得其對焦在同一平面上後具有縱向色差。其中，實施例一的鏡片組件10中，第二透鏡14為雙凸透鏡。
圖2中，橫坐標為長度，單位毫米；縱坐標為歸一化光瞳坐標，光瞳半徑為3.1250mm。由圖2可知，縱向像差約為6.2μm。圖3為圖1中鏡片組件10的調製傳遞函數(Modulation Transfer Function，MTF)曲線圖，其顯示的是鏡片組件10關於對比度的還原情況。縱軸表示對比度的優劣。縱軸為光學傳遞函數的模(MODULUS OF THE OTF)，其光學傳遞函數的模為歸一化值，無量綱。橫軸表示每毫米週期的空間頻率(SPATIAL FREQUENCY IN CYCLES PER MILLIMETER)，單位是lp/mm(線對/毫米)。實線表示拍攝從中心呈放射狀紋樣的成像性能，用字母“T”表示；虛線表示拍攝線條呈同心圓向外擴展狀紋樣的成像性能，用字母“S”表示。虛、實兩條曲線越接近，說明鏡片組件10越能夠在如實表現被攝物的同時，更易拍出美麗虛化。圖中10線對/毫米的曲線越接近1(最大值)，鏡頭的成像對比度就越好。30線對/毫米的曲線越接近1，鏡頭分辨力就越高。“線對/毫米”這一單位的意思是，以1毫米寬度為單位，其中有多少對白黑相間的條紋。比方說，10線對/毫米的意思可以理解為在1毫米寬度的範圍內排列有10對白黑相間的條紋。MTF值的測試需要拍攝印有達到上述密度條紋的圖表。然後測量拍攝結果進行分析得出數值。由圖3可以看出，鏡片組件10可得到良好的成像效果。
實施例二
實施例二的詳細光學資料如表二所示。其中，焦距f=12.5mm，光圈數Fno=2.0，半視角(half field of view，HFOV)=10°。即，焦距f、光圈數Fno、半視角HFOV這三個參數與實施例一相同。
第一透鏡22、第二透鏡24及第三透鏡26在587.6nm波長時的等效焦距分別為-19.058、4.693、-22.613。第二透鏡24的第一表面242的曲率半徑R1=3.6651，第二透鏡24的第二表面244的曲率半徑為R2=-3.6651，R1/R2=-1，第三透鏡26的折射率與第二透鏡24的等效焦距的比值Nd/EFL為0.3725。
Figure 110111690-A0305-02-0010-2
由圖4可知，紅光、綠光及藍光(分別標注為LR、LG及LB)由於其在鏡片組件20中各個透鏡中的折射率不同，使得其對焦在同一平面上後具有縱向色差。其中，實施例二的鏡片組件20中，第二透鏡24為雙凸透鏡，且第一表面242和第二表面244的彎曲程度相當，R1/R2=-1。圖5中，縱向像差圖的橫軸及縱軸代表的含義同圖2，橫坐標為長度，單位毫米；縱坐標為歸一化光瞳坐標，光瞳半徑為3.1250mm(與實施例一相同)。由圖5可知，縱向像差約為6.6μm。圖6為圖4中鏡片組件20的調製傳遞函數曲線圖，其橫軸及縱軸代表的含義同圖3。由圖6可以看出，紅光的虛線及實線、綠光的虛線及實線以及藍 光的虛線及實線均很接近，是故，第二實施例的鏡片組件20能夠在如實表現被攝物的同時，更易拍出美麗虛化，得到良好的成像效果。
實施例三
實施例三的詳細光學資料如表三所示。其中，焦距f=12.5mm，光圈數Fno=1.98，半視角(half field of view，HFOV)=10°。第一透鏡32、第二透鏡34及第三透鏡36在587.6nm波長時的等效焦距分別為-17.485、7.260、15.727。第二透鏡34的第一表面342的曲率半徑R1=3.4414，第二透鏡34的第二表面344的曲率半徑為R2=1.00E+18，R1/R2=3.44E-18，第三透鏡36的折射率與第二透鏡34的等效焦距的比值Nd/EFL為0.3133。
Figure 110111690-A0305-02-0011-3
由圖7可知，紅光、綠光及藍光(分別標注為LR、LG及LB)由於其在鏡片組件30中各個透鏡中的折射率不同，使得其對焦在同一平面上後具有縱向色差。其中，實施例三的鏡片組件30中，第二透鏡34的第一表面342為凸面，第二表面344為平面。
圖8中，縱向像差圖的橫軸及縱軸代表的含義同圖2，橫坐標為長度，單位毫米；縱坐標為歸一化光瞳坐標，光瞳半徑為3.1250mm(與實施例一相同)。由圖8可知，縱向像差約為4.7μm。圖9中為圖7中鏡片組件30的調 製傳遞函數曲線圖，其橫軸及縱軸代表的含義同圖3。由圖9可以看出，30線對/毫米時，紅光的虛線及實線、綠光的虛線及實線以及藍光的虛線及實線均很接近，且其光學傳遞函數的模仍能保持在0.2左右。實施例三的鏡片組件30亦可得到良好的成像效果。
實施例四
實施例四的詳細光學資料如表四所示。其中，焦距f=12.5mm，光圈數Fno=1.985，半視角HFOV=10°。第一透鏡42、第二透鏡44及第三透鏡46在587.6nm波長時的等效焦距分別為-18.2000、7.845、15.715。第二透鏡44的第一表面442的曲率半徑R1=3.4597，第二透鏡44的第二表面444的曲率半徑為R2=3.81E+01，R1/R2=9.07E-02，第三透鏡46的折射率與第二透鏡44的等效焦距的比值Nd/EFL為0.2900。
由圖10可知，紅光、綠光及藍光(分別標注為LR、LG及LB)由於其在鏡片組件40中各個透鏡中的折射率不同，使得其對焦在同一平面上後具有縱向色差。其中，實施例四的鏡片組件40中，第二透鏡44的第二表面444為凹面。
Figure 110111690-A0305-02-0012-4
圖11中，縱向像差圖的橫軸及縱軸代表的含義同圖2，橫坐標為長度，單位毫米；縱坐標為歸一化光瞳坐標，光瞳半徑為3.1250mm(與實施例一相同)。由圖11可知，縱向像差約為4.6μm。
圖12中為圖10中鏡片組件40的調製傳遞函數曲線圖，其橫軸及縱軸代表的含義同圖3。由圖12可以看出，30線對/毫米時，紅光的虛線及實線、綠光的虛線及實線以及藍光的虛線及實線均很接近，且其光學傳遞函數的模仍能保持在0.2以上。實施例四的鏡片組件40亦可得到良好的成像效果。
如圖13所示，本發明實施例還提供一種顯示裝置100。該顯示裝置100包括顯示器50以及上述鏡片組件，所述顯示器50位於所述鏡片組件的入光側。所述顯示器50為液晶顯示器、矽基液晶顯示器、有機發光二極體顯示器或無機發光二極體顯示器等。
由於鏡片組件中的部分透鏡採用透明的光學膠，相較於習知的透鏡必須為玻璃或塑膠的透鏡組件，在相同透鏡數量的情況下，減少了透鏡組件的膠合次數，簡化製程；在相同膠合次數的情況下，可以具有更多數量的透鏡，而透鏡數量越多，色差消除的效果越好。是故，具有該鏡片組件的顯示裝置100，同樣具有簡化製程，色差小，圖像成像品質佳的特點。
於一實施例中，所述顯示裝置100為頭戴式顯示裝置，並具有增強現實(Augmented Reality，AR)模式或虛擬實境(Virtual Reality，VR)模式。頭戴式顯示裝置包括頭戴主體(圖未示)，所述顯示器50及鏡片組件設置於頭戴主體內。頭戴主體例如包括適於佩戴在用戶頭部的框架、用於調節框架束縛程度的鬆緊調節裝置，以及用於對顯示器50進行控制的控制系統等。
當使用者佩戴所述頭戴式顯示裝置100時，所述鏡片組件相較於所述顯示器50更靠近使用者的眼睛。例如，當頭戴式顯示裝置處於VR模式時，顯示器50產生的圖像光束經過鏡片組件後傳播至使用者的眼睛，從而使使用者看到顯示器50產生的虛擬影像，實現VR模式。而當頭戴式顯示裝置100處於AR模式時，顯示器50產生的圖像光束可以與環境光合光後進入人眼，使用者佩戴時，能夠觀看到疊加顯示器50生成的虛擬影像後的環境圖像。
以上實施方式僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施方式對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神及範圍。
10:鏡片組件
12:第一透鏡
14:第二透鏡
142:第一表面
144:第二表面
16:第三透鏡

Claims (8)

  1. 一種鏡片組件，其改良在於，自入光側至出光側依次包括一第一透鏡、一第二透鏡及一第三透鏡，該第二透鏡的材質為透明的光學膠，該第一透鏡和該第二透鏡藉由該第二透鏡膠合，該鏡片組件的膠合次數為1，該第二透鏡具有朝向該入光側的一第一表面以及與該第一表面相對的一第二表面，該第一表面為凹面、凸面或平面，該第二表面為凹面、凸面或平面，該第一表面的曲率半徑為R1，該第二表面的曲率半徑為R2，其中，-2<R1/R2<2。
  2. 如請求項1所述的鏡片組件，其中，|R1|<|R2|。
  3. 如請求項1所述的鏡片組件，其中，該第三透鏡在587.6nm波長時的折射率為Nd，該第二透鏡在587.6nm波長時的等效焦距為EFL，0.1<Nd/EFL<0.5。
  4. 如請求項1所述的鏡片組件，其中，該鏡片組件的縱向像差為4.5μm~7μm。
  5. 如請求項1所述的鏡片組件，其中，該第一透鏡朝向該入光側的一面為凸面，該第三透鏡朝向該出光側的一面為凸面。
  6. 如請求項1所述的鏡片組件，其中，該第一透鏡的材質為透明的玻璃或透明的塑膠；該第三透鏡的材質為透明的玻璃或透明的塑膠。
  7. 一種顯示裝置，包括一顯示器以及如請求項1至6中任意一項所述的一鏡片組件，該顯示器位於該鏡片組件的入光側。
  8. 如請求項7所述的顯示裝置，其中，該顯示裝置為一頭戴式顯示裝置，當使用者佩戴該頭戴式顯示裝置時，該鏡片組件相較於該顯示器更靠近使用者的眼睛。
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