TWM520149U - 光學透鏡 - Google Patents

Description

光學透鏡

本新型揭露一種光學透鏡，特別是一種用於繞射成像的光學透鏡。

近年來隨著具備不同應用面的電子產品快速增加，其中包含虛擬實境(Virtual Reality，VR)的應用，使得成像用繞射光學元件產生了更高解析度的市場需求。

習知技術中的成像繞射透鏡一般採用單片菲涅爾透鏡(Fresnel Lens)，以便降低整體光學裝置的大小，進而提高攜帶便利性。但因只使用單面習知的菲涅爾透鏡結構來成像，而無法提供使用者良好的成像品質，特別在VR眼鏡的應用上，低畫質的影像也讓使用者產生不舒適的穿戴感受。此外，習知的菲涅爾透鏡結構容易產生雜散光，造成最後的成像具備明顯的環形光環，使得低畫質的問題顯得更為嚴重。

鑒於以上的問題，本新型揭露一種光學透鏡，有助於改善只使用單面習知的菲涅爾透鏡結構而使得成像品質不良的問題。本新型的光學透鏡除了在其中一透鏡表面使用類菲涅耳透鏡結構來成像之外，並在另一透鏡表面增設繞射光學結構，使得成像品質得到顯著的提升。此外，在類菲涅耳透鏡結構面向光軸的一鏡面針對入射光進行了調整，使鏡面斜率與入射光平行，而能明顯減少因通過不同介質介面而產生的雜散光，進一步有效提供良好成像品質。

本新型揭露的光學透鏡包含一本體、一繞射光學結構以及一類菲涅耳透鏡結構。本體具有相對的一第一表面和一第二表面。繞射光學結構包含多個第一表面稜鏡體，其依序排列地設置於第一表面。每一第一表面稜鏡體具有相對的一第一表面第一鏡面和一第一表面第二鏡面。第一表面第一鏡面與第一表面第二鏡面皆背對光學透鏡的光軸。類菲涅耳透鏡結構包含多個第二表面稜鏡體，其依序排列地設置於第二表面。每一第二表面稜鏡體具有相對的一第二表面第一鏡面和一第二表面第二鏡面。第二表面第一鏡面面向光學透鏡的光軸，且第二表面第二鏡面背對光學透鏡的光軸。

本新型另揭露的光學透鏡包含一本體以及一類菲涅耳透鏡結構。本體具有相對的一第一表面和一第二表面。類菲涅耳透鏡結構包含多個第二表面稜鏡體，其依序排列地設置於第二表面。每一第二表面稜鏡體具有相對的一第二表面第一鏡面和一第二表面第二鏡面。第二表面第一鏡面面向光學透鏡的光軸，且第二表面第二鏡面背對光學透鏡的光軸。第二表面第一鏡面與光軸夾一第一角度，且這些第一角度彼此相異。定義自近光軸處朝向離軸處計數第i個第二表面稜鏡體的第一角度為α(i)，第i+1個第二表面稜鏡體的第一角度為α(i+1)，且i為正整數，其滿足下列條件：0<α(i+1)-α(i)≦5.0度。

以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本新型之精神與原理，並且提供本新型之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本新型之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本新型之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本新型相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本新型之觀點，但非以任何觀點限制本新型之範疇。

光學透鏡包含一本體以及一類菲涅耳透鏡結構，並且光學透鏡可具有正屈折力或負屈折力。

本體具有相對的一第一表面和一第二表面。第一表面可以是面對成像面或使用者的透鏡表面，且第二表面可以是面對觀測物的透鏡表面。此外，第一表面可以為凸面，而有助於匯聚光線以縮短光學透鏡的焦距。

類菲涅耳透鏡結構包含多個第二表面稜鏡體，其依序排列地設置於第二表面。舉例來說，這些第二表面稜鏡體可以是外徑大小相異的多個環狀稜鏡，其自第二表面的鏡面中心朝向第二表面邊緣排列並且相互環繞。又或者，這些第二表面稜鏡體可以是相同的多個柱狀稜鏡，其排列於第二表面並且相互平行。每一第二表面稜鏡體具有相對的一第二表面第一鏡面和一第二表面第二鏡面。第二表面第一鏡面面向光學透鏡的一光軸，且第二表面第二鏡面背對光學透鏡的光軸。光軸即為光學透鏡第一表面和第二表面的二表面中心的連線。

光學透鏡可進一步包含一繞射光學結構，其例如但不限於是呈固定週期性排列的微結構陣列。繞射光學結構包含多個第一表面稜鏡體，依序排列地設置於第一表面。每一第一表面稜鏡體具有相對的一第一表面第一鏡面和一第一表面第二鏡面。第一表面第一鏡面與第一表面第二鏡面皆背對光學透鏡的光軸。藉此，繞射光學結構搭配類菲涅耳透鏡結構有助於修正色差、像散和歪曲等各種像差以提升成像品質。

每一第二表面稜鏡體的第二表面第一鏡面與第二表面第二鏡面交接處適於供一入射光入射，且入射光可與第二表面第一鏡面平行。藉此，有助於避免入射光於第二表面第一鏡面反射而產生雜散光，能提升光學透鏡的解析度。請參照圖3，為圖1中光學透鏡之類菲涅耳透鏡結構的放大示意圖。圖3中的光線L即表示來自於觀測物的入射光。

第二表面第一鏡面與光軸夾一第一角度，且這些第一角度可彼此相異。更進一步來說，如圖3所示，定義自近光軸處朝向離軸處計數第i個第二表面稜鏡體的第一角度為α(i)，第i+1個第二表面稜鏡體的第一角度為α(i+1)，其可滿足下列條件：α(i)＜α(i+1)。藉此，有助於避免入射光於第二表面第一鏡面反射，進而有效減少離軸處雜散光，以進一步提供良好成像品質。較佳地，其可進一步滿足下列條件：0＜α(i+1)-α(i)≦5.0度。更佳地，其可進一步滿足下列條件：0＜α(i+1)-α(i)≦2.0度。

如圖3所示，每一第二表面稜鏡體的第二表面第二鏡面與光學透鏡的一徑向線夾一第二角度，且定義自近光軸處朝向離軸處計數第i個第二表面稜鏡體的第二角度為β(i)，第i+1個第二表面稜鏡體的第二角度為β(i+1)，其可滿足下列條件：β(i)＜β(i+1)。藉此，有助於提供光學透鏡足夠的屈折力，並有效控制整體光學系統的大小。較佳地，其可進一步滿足下列條件：β(i+1)-β(i)＜5.0度。徑向線即為光學透鏡垂直於光軸的一參考線。

如圖3所示，第i個第二表面稜鏡體的第二表面第一鏡面與第二表面第二鏡面交接處至第i+1個第二表面稜鏡體的第二表面第一鏡面與第二表面第二鏡面交接處具有徑向線方向的一垂直高度為h2，本體的第二表面具有一光學有效半徑為Y2，其可滿足下列條件：0＜h2/Y2＜0.06。藉此，第二表面稜鏡體的數量及大小配置較為適當，有助於令足夠入射光以平行第二表面第一鏡面的方式入射至光學透鏡內。

請參照圖4，為圖1中光學透鏡之繞射光學結構的放大示意圖。定義自近光軸處朝向離軸處計數第i個第一表面稜鏡體的第一表面第一鏡面與第一表面第二鏡面交接處至第i+1個第一表面稜鏡體的第一表面第一鏡面與第一表面第二鏡面交接處具有徑向線方向的一垂直高度為h1，本體的第一表面具有一光學有效半徑為Y1，其可滿足下列條件：0＜h1/Y1＜0.02。藉此，第一表面稜鏡體的配置較為適當，有助於提升繞射光學結構的像差修正效果，進一步提升成像品質。

如圖4所示，第i個第一表面稜鏡體的第一表面第一鏡面與光軸平行方向的長度與第i+1個第一表面稜鏡體的第一表面第一鏡面與光軸平行方向的長度可以等長。藉此，有助於降低光學透鏡的製作成本以及製作難度。

第一表面稜鏡體的第一表面第一鏡面與光軸平行方向的長度為t，光學透鏡的中心厚度為CT，其可滿足下列條件：0<t/CT<0.003。藉此，有助於避免光學透鏡整體外觀過度粗糙，而能提升使用時的舒適感。

本新型所揭露的光學透鏡中，自近光軸處朝向離軸處計數稜鏡體係指將最靠近光軸的稜鏡體定義為第一個稜鏡體，最靠近透鏡邊緣的稜鏡體定義為最後一個稜鏡體，並且以升冪方式將所有的稜鏡體由第一個稜鏡體計數至最後一個稜鏡體。以外徑大小相異的多個環狀第二表面稜鏡體為舉例，若這些第二表面稜鏡體的總數為30個，則最靠近光軸且外徑最小的第二表面稜鏡體定義為第1個(i=1)第二表面稜鏡體，相鄰第1個第二表面稜鏡體且外徑較大的第二表面稜鏡體定義為第2個(i=2)第二表面稜鏡體。以此類推，最靠近透鏡邊緣且外徑最大的第二表面稜鏡體即定義為第30個(i=30)第二表面稜鏡體。綜上所述，i係為正整數。

本新型所揭露的光學透鏡的材質可為塑膠或玻璃。當光學透鏡的材質為玻璃時，可以增加屈折力配置的自由度。另當光學透鏡材質為塑膠時，則可以有效降低生產成本。此外，可將光學透鏡之本體的第一表面和第二表面設計為非球面(ASP)，非球面可以容易製作成球面以外的形狀，而能獲得較多的控制變數。

本新型所揭露的光學透鏡中，若本體的表面係為凸面且未界定該凸面位置時，則表示本體的表面於近光軸處可為凸面；若本體的表面係為凹面且未界定該凹面位置時，則表示本體的表面於近光軸處可為凹面。若光學透鏡之屈折力或焦距未界定其區域位置時，則表示光學透鏡之屈折力或焦距可為透鏡於近光軸處之屈折力或焦距。

根據上述實施方式，以下提出具體實施例並配合圖式予以詳細 說明。

<第一實施例>

請參照圖1、圖3和圖4，其中圖1為根據本新型第一實施例之光學透鏡示意圖，圖3為圖1中光學透鏡之類菲涅耳透鏡結構的放大示意圖，圖4為圖1中光學透鏡之繞射光學結構的放大示意圖。如圖1所示，光學透鏡1包含一本體10、一類菲涅耳透鏡結構12以及一繞射光學結構11。

本體10具有相對的一第一表面110和一第二表面120，且第一表面110和第二表面120皆為凸面。

類菲涅耳透鏡結構12包含多個第二表面稜鏡體102，其依序排列地設置於第二表面120。第二表面稜鏡體102可以是環狀稜鏡。每一第二表面稜鏡體102具有相對的一第二表面第一鏡面121和一第二表面第二鏡面122。第二表面第一鏡面121面向光學透鏡1的一光軸，且第二表面第二鏡面122背對光學透鏡1的光軸。在本實施例中，第二表面第一鏡面121和第二表面第二鏡面122直接相連。每一第二表面第一鏡面121與光軸分別夾一第一角度，且每一第二表面第二鏡面122與光學透鏡1的一徑向線分別夾一第二角度。

繞射光學結構11包含多個第一表面稜鏡體101，其依序排列地設置於第一表面110。每一第一表面稜鏡體101具有相對的一第一表面第一鏡面111和一第一表面第二鏡面112。第一表面第一鏡面111以及第一表面第二鏡面112皆背對光學透鏡1的光軸。在本實施例中，第一表面第一鏡面111和第一表面第二鏡面112直接相連。

本實施例中第二表面稜鏡體102的數量為21個。自近光軸處朝離軸處計數第i個第二表面稜鏡體102的第一角度為α(i)，第i+1個第二表面稜鏡體102的第一角度為α(i+1)。當i=1時，其滿足下列條件：α(i+1)-α(i)=1.0度。當i=2時，其滿足下列條件：α(i+1)-α(i)=0.0度。當i=3時，其滿足下列條件：α(i+1)-α(i)=2.0度。當i=4~21時，第一角度α(i+1)以及α(i)之間的差值皆是0.0、1.0或2.0度，故以下不再贅述。

第i個第二表面稜鏡體102的第二角度為β(i)，第i+1個第二表面稜鏡體102的第二角度為β(i+1)。當i=1時，其滿足下列條件：β(i+1)-β(i)=1.0度。當i=2時，其滿足下列條件：β(i+1)-β(i)=2.0度。當i=3~21時，第二角度β(i+1)以及β(i)之間的差值皆是1.0或2.0度，故以下不再贅述。

第i個第二表面稜鏡體102的第二表面第一鏡面121與第二表面第二鏡面122交接處至第i+1個第二表面稜鏡體102的第二表面第一鏡面121與第二表面第二鏡面122交接處具有徑向線方向的一垂直高度h2，第二表面120具有一光學有效半徑Y2，其滿足下列條件：h2/Y2=0.02。

自近光軸處朝向離軸處計數第i個第一表面稜鏡體101的第一表面第一鏡面111與第一表面第二鏡面112交接處至第i+1個第一表面稜鏡體101的第一表面第一鏡面111與第一表面第二鏡面112交接處具有徑向線方向的一垂直高度h1，第一表面110具有一光學有效半徑Y1，其滿足下列條件：h1/Y1=0.0023。

第i個第一表面稜鏡體101的第一表面第一鏡面111與光軸平行方向的長度與第i+1個第一表面稜鏡體101的第一表面第一鏡面111與光軸平行方向的長度皆為0.001公釐(mm)。

第一表面稜鏡體101的第一表面第一鏡面111與光軸平行方向的長度為t，光學透鏡1的中心厚度為CT，其可滿足下列條件：t/CT=0.00012。

<第二實施例>

請參照圖2，其中圖2為根據本新型第二實施例之光學透鏡示意圖。如圖2所示，光學透鏡2包含一本體20以及一類菲涅耳透鏡結構22。

本體20具有相對的一第一表面210和一第二表面220，且第一表面210和第二表面220皆為凸面。

類菲涅耳透鏡結構22包含多個第二表面稜鏡體202，其依序排列地設置於第二表面220。第二表面稜鏡體202可以是環狀稜鏡。每一第二表面稜鏡體202具有相對的一第二表面第一鏡面221和一第二表面第二鏡面222。第 二表面第一鏡面221面向光學透鏡2的一光軸，且第二表面第二鏡面222背對光學透鏡2的光軸。在本實施例中，第二表面第一鏡面221和第二表面第二鏡面222直接相連。每一第二表面第一鏡面221與光軸分別夾一第一角度，且每一第二表面第二鏡面222與光學透鏡2的一徑向線分別夾一第二角度。

在本實施中，光學透鏡2並未在第一表面210設置繞射光學結構，故第一表面210係為平滑的弧面，且此弧面可以是球面或非球面。

第二實施例中各條件參數如下表所示，其定義皆與第一實施例相同，在此不加以贅述。

綜上所述，本新型揭露的光學透鏡中，光學透鏡之本體的相對二側分別設置有類菲涅耳透鏡結構以及繞射光學結構，而有助於修正色差、像散和歪曲等各種像差以提升成像品質。此外，對類菲涅耳透鏡結構之第二表面稜鏡體的第一角度設計不同大小而能使每一第二表面第一鏡面的斜率與入射光平行，明顯減少因通過不同介質介面而產生的雜散光，進一步有效提供良好成像品質。

雖然本新型以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本新型。在不脫離本新型之精神和範圍內所為之更動與潤飾，均屬本新型之專利保護範圍。因此，關於本新型所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

1、2‧‧‧光學透鏡

10、20‧‧‧本體

110、210‧‧‧第一表面

120、220‧‧‧第二表面

12、22‧‧‧類菲涅耳透鏡結構

102、202‧‧‧第二表面稜鏡體

121、221‧‧‧第二表面第一鏡面

122、222‧‧‧第二表面第二鏡面

11‧‧‧繞射光學結構

101‧‧‧第一表面稜鏡體

111‧‧‧第一表面第一鏡面

112‧‧‧第一表面第二鏡面

L‧‧‧光線

α(i)‧‧‧第i個第二表面稜鏡體的第一角度

α(i+1)‧‧‧第i+1個第二表面稜鏡體的第一角度

β(i)‧‧‧第i個第二表面稜鏡體的第二角度

β(i+1)‧‧‧第i+1個第二表面稜鏡體的第二角度

CT‧‧‧光學透鏡的中心厚度

h1‧‧‧第i個第一表面稜鏡體的第一表面第一鏡面與第一表面第二鏡面交接處至第i+1個第一表面稜鏡體的第一表面第一鏡面與第一表面第二鏡面交接處之徑向線方向的垂直高度

h2‧‧‧第i個第二表面稜鏡體的第二表面第一鏡面與第二表面第二鏡面交接處至第i+1個第二表面稜鏡體的第二表面第一鏡面與第二表面第二鏡面處之徑向線方向的垂直高度

t‧‧‧第一表面稜鏡體的第一表面第一鏡面與光軸平行方向的長度

Y1‧‧‧第一表面的光學有效半徑

Y2‧‧‧第二表面的光學有效半徑

圖1為根據本新型第一實施例之光學透鏡示意圖。

圖2為根據本新型第二實施例之光學透鏡示意圖。

圖3為圖1中光學透鏡之類菲涅耳透鏡結構的放大示意圖。

圖4為圖1中光學透鏡之繞射光學結構的放大示意圖。

1‧‧‧光學透鏡

10‧‧‧本體

110‧‧‧第一表面

120‧‧‧第二表面

12‧‧‧類菲涅耳透鏡結構

102‧‧‧第二表面稜鏡體

11‧‧‧繞射光學結構

CT‧‧‧光學透鏡的中心厚度

Y1‧‧‧第一表面的光學有效半徑

Y2‧‧‧第二表面的光學有效半徑

Claims (12)

1. 一種光學透鏡，包含：一本體，具有相對的一第一表面和一第二表面；一繞射光學結構，包含多個第一表面稜鏡體，依序排列地設置於該第一表面，每一該些第一表面稜鏡體具有相對的一第一表面第一鏡面和一第一表面第二鏡面，該第一表面第一鏡面與該第一表面第二鏡面皆背對該光學透鏡的一光軸；以及一類菲涅耳透鏡結構，包含多個第二表面稜鏡體，依序排列地設置於該第二表面，每一該些第二表面稜鏡體具有相對的一第二表面第一鏡面和一第二表面第二鏡面，該第二表面第一鏡面面向該光學透鏡的該光軸，該第二表面第二鏡面背對該光學透鏡的該光軸。
2. 如請求項1所述之光學透鏡，每一該些第二表面稜鏡體的該第二表面第一鏡面與該第二表面第二鏡面交接處適於供一入射光入射，且該入射光與該第二表面第一鏡面平行。
3. 如請求項2所述之光學透鏡，其中每一該些第二表面稜鏡體的該第二表面第一鏡面與該光軸夾一第一角度，且定義自近光軸處朝向離軸處計數第i個該第二表面稜鏡體的該第一角度為α(i)，第i+1個該第二表面稜鏡體的該第一角度為α(i+1)，且i為正整數，其滿足下列條件：α(i)<α(i+1)。
4. 如請求項3所述之光學透鏡，其中第i個該第二表面稜鏡體的該第一角度為α(i)，第i+1個該第二表面稜鏡體的該第一角度為α(i+1)，其滿足下列條件： 0<α(i+1)-α(i)≦5.0度。
5. 如請求項2所述之光學透鏡，其中每一該些第二表面稜鏡體的該第二表面第二鏡面與該光學透鏡的一徑向線夾一第二角度，且定義自近光軸處朝向離軸處計數第i個該第二表面稜鏡體的該第二角度為β(i)，第i+1個該第二表面稜鏡體的該第二角度為β(i+1)，且i為正整數，其滿足下列條件：β(i)<β(i+1)。
6. 如請求項5所述之光學透鏡，其中第i個該第二表面稜鏡體的該第二角度為β(i)，第i+1個該第二表面稜鏡體的該第二角度為β(i+1)，其滿足下列條件：β(i+1)-β(i)<5.0度。
7. 如請求項2所述之光學透鏡，其中定義自近光軸處朝向離軸處計數第i個該第二表面稜鏡體的該第二表面第一鏡面與該第二表面第二鏡面交接處至第i+1個該第二表面稜鏡體的該第二表面第一鏡面與該第二表面第二鏡面交接處具有一徑向線方向的垂直高度為h2，該第二表面具有一光學有效半徑為Y2，且i為正整數，其滿足下列條件：0<h2/Y2<0.06。
8. 如請求項1所述之光學透鏡，其中定義自近光軸處朝向離軸處計數第i個該第一表面稜鏡體的該第一表面第一鏡面與該第一表面第二鏡面交接處至第i+1個該第一表面稜鏡體的該第一表面第一鏡面與該第一表面第二鏡面交接處具有一徑向線方向的垂直高度為h1，該第一表面具有一光學有效半徑為Y1，且i為正整數，其滿足下列條件：0<h1/Y1<0.02。
9. 如請求項1所述之光學透鏡，其中定義自近光軸處朝向離軸處計數第i個該第一表面稜鏡體的該第一表面第一鏡面與光軸平行方向的長度與第i+1個該第一表面稜鏡體的該第一表面第一鏡面與光軸平行方向的長度相同，且i為正整數。
10. 如請求項9所述之光學透鏡，其中該第一表面稜鏡體的該第一表面第一鏡面與該光軸平行方向的長度為t，該光學透鏡的中心厚度為CT，其滿足下列條件：0<t/CT<0.003。
11. 如請求項1所述之光學透鏡，其中該本體的該第一表面為凸面。
12. 一種光學透鏡，包含：一本體，具有相對的一第一表面和一第二表面；以及一類菲涅耳透鏡結構，包含多個第二表面稜鏡體，依序排列地設置於該第二表面，每一該些第二表面稜鏡體具有相對的一第二表面第一鏡面和一第二表面第二鏡面，該第二表面第一鏡面面向該光學透鏡的一光軸，該第二表面第二鏡面背對該光學透鏡的該光軸，該第二表面第一鏡面與該光軸夾一第一角度，且各該第一角度彼此相異；其中，定義自近光軸處朝向離軸處計數第i個該第二表面稜鏡體的該第一角度為α(i)，第i+1個該第二表面稜鏡體的該第一角度為α(i+1)，且i為正整數，其滿足下列條件：0<α(i+1)-α(i)≦5.0度。