TWI627464B

TWI627464B - 目鏡光學系統

Info

Publication number: TWI627464B
Application number: TW106102528A
Authority: TW
Inventors: 馬修博恩; 陳白娜; 陳雁斌
Original assignee: 玉晶光電股份有限公司
Priority date: 2017-01-11
Filing date: 2017-01-24
Publication date: 2018-06-21
Also published as: US10527819B2; CN106970464A; CN106970464B; TW201734538A; US20180196229A1

Abstract

一種目鏡光學系統，包含第一透鏡的顯示側面具有位於圓周附近區域的凸面部、第二透鏡具有正屈光率，其目側面具有位於圓周附近區域的凹面部、第三透鏡具有負屈光率，其顯示側面，具有位於光軸附近區域的凹面部、或第四透鏡的顯示側面，具有位於光軸附近區域的凹面部。

Description

目鏡光學系統

本發明大致上關於一種光學鏡片系統（optical lens system）。具體而言，本發明特別是指一種主要用於建構虛擬實境（virtual reality, VR）等模擬立體視覺的顯示裝置（display device）之目鏡光學系統。

虛擬實境是一種利用電腦技術模擬來產生一個三維空間的虛擬世界的模擬技術，以提供使用者關於視覺、聽覺等感官方面的模擬，讓使用者感覺身歷其境。目前現有的虛擬實境裝置都是以視覺體驗為主。藉由對應左右眼的兩個視角略有差異的分割畫面，來模擬人眼的視差來達到立體視覺。為了縮小虛擬實境裝置的體積，同時讓使用者能藉由較小的顯示畫面得到放大的視覺感受，具有放大功能的目鏡光學系統成了虛擬實境研究發展的其中一個主題。

現有的目鏡光學系統之半視角較小，而讓觀察者感到視覺狹窄、解析度低，而且像差嚴重到顯示畫面需要先進行像差補償。因此，如何增加虛擬實境裝置的目鏡光學系統之半視角，並加強其成像品質，是現今虛擬實境裝置的目鏡光學系統一個需要改善的問題。

於是，本發明提出一種增加半視角、加強成像品質、具備良好光學性能以及技術上可行的四片式目鏡光學系統。本發明的四片式目鏡光學系統，用於將顯示畫面的成像光線，經過目鏡光學系統後再進入觀察者的瞳孔而成像。朝向瞳孔的方向定義為目側，且朝向顯示畫面的方向定義為顯示側。目鏡光學系統從目側至顯示側沿光軸，依序包括第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡以及第四透鏡。第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡以及第四透鏡各自包括朝向目側且使成像光線通過的目側面，以及朝向顯示側且使成像光線通過的顯示側面。

在本發明的第一方面，第二透鏡的目側面，具有位於圓周附近區域的凹面部、第三透鏡具有負屈光率、以及第四透鏡的顯示側面，具有位於光軸附近區域的凹面部。

在本發明的第二方面，第一透鏡的顯示側面，具有位於圓周附近區域的凸面部、第二透鏡則具有正屈光率、且第二透鏡的目側面具有位於圓周附近區域的凹面部、以及第四透鏡的顯示側面，還具有位於光軸附近區域的凹面部。

在本發明的第三方面，第二透鏡的目側面，具有位於圓周附近區域的凹面部、第三透鏡的顯示側面，具有位於光軸附近區域的凹面部、以及第四透鏡的顯示側面，具有位於光軸附近區域的凹面部。

在本發明目鏡光學系統中，上述第一透鏡至第四透鏡之所有中心厚度總和定義為ALT、觀察者的瞳孔至第一透鏡的目側面沿著光軸的距離定義為ER，並且滿足ALT/ER≦3.4。

在本發明目鏡光學系統中，第一透鏡與第二透鏡之間沿著光軸的空氣間隙長度定義為G12、第二透鏡與第三透鏡之間沿著光軸的空氣間隙長度定義為G23、第三透鏡與第四透鏡之間沿著光軸的空氣間隙長度定義為G34，並且滿足G34/（G12+G23）≦10.9。

在本發明目鏡光學系統中，AAG為第一透鏡到第四透鏡在光軸上的三個空氣間隙總和，並且滿足AAG/（G12+G23）≦11.9。

在本發明目鏡光學系統中，第一透鏡的目側面至顯示畫面沿著光軸的距離定義為TTL，並且滿足TTL/ER≦4.4。

在本發明目鏡光學系統中，第一透鏡沿著光軸的中心厚度定義為T1、第四透鏡沿著光軸的中心厚度定義為T4，並且滿足T4/T1≦1.6。

在本發明目鏡光學系統中，觀察者的瞳孔至顯示畫面沿著光軸的距離定義為SL，並且滿足SL/ER≦5.4。

在本發明目鏡光學系統中，目鏡光學系統的有效焦距定義為EFL，並且滿足3≦250mm/EFL≦15。

本發明目鏡光學系統，滿足T4/（G12+G23）≦6.4。

本發明目鏡光學系統，滿足ALT/T1≦5。

本發明目鏡光學系統，滿足AAG/T1≦3.7。

本發明目鏡光學系統，滿足EFL/ER≦4.1。

在本發明目鏡光學系統中，第三透鏡沿著光軸的中心厚度定義為T3，並且滿足T3/（G12+G23）≦16.5。

本發明目鏡光學系統，滿足SL/（G12+G23）≦30.7。

在本發明目鏡光學系統中，第四透鏡與顯示畫面之間沿著光軸的距離定義為G4D，並且滿足（T1+G4D）/（G23+T3）≦3.6。

在本發明目鏡光學系統中，第二透鏡沿著光軸的中心厚度定義為T2，並且滿足T1/T2≦1.3。

本發明目鏡光學系統，滿足T1/T3≦1.6。

本發明目鏡光學系統，滿足TTL/T1≦10.7。

在開始詳細描述本發明之前，首先要說明的是，在本發明圖式中，類似的元件是以相同的編號來表示。

一般而言，目鏡光學系統的光線方向為一光源由顯示屏面射出，經由目鏡光學系統成為一平行成像光線進入眼睛，於眼睛的視網膜聚焦成像並且於明視距離產生一放大虛像，如圖1（所示。在以下說明本案之光學規格的判斷準則是假設光線方向逆追跡（reversely tracking）為一平行成像光線由目側經過目鏡光學系統到顯示屏面聚焦成像。

本篇說明書所言之「一透鏡具有正屈光率（或負屈光率）」，是指所述透鏡以高斯光學理論計算出來之光軸上的屈光率為正（或為負）。該顯示側面、目側面定義為成像光線通過的範圍，其中成像光線包括了主光線（chief ray）Lc及邊緣光線（marginal ray）Lm，如圖2所示，I為光軸且此一透鏡是以該光軸I為對稱軸徑向地相互對稱，光線通過光軸上的區域為光軸附近區域A，邊緣光線通過的區域為圓周附近區域C，此外，該透鏡還包含一延伸部E（即圓周附近區域C徑向上向外的區域），用以供該透鏡組裝於一光學成像鏡頭內，理想的成像光線並不會通過該延伸部E，但該延伸部E之結構與形狀並不限於此，以下之實施例為求圖式簡潔均省略了部分的延伸部。更詳細的說，判定面形或光軸附近區域、圓周附近區域、或多個區域的範圍的方法如下：

1.請參照圖2，其係一透鏡徑向上的剖視圖。以該剖視圖觀之，在判斷前述區域的範圍時，定義一中心點為該透鏡表面上與光軸的一交點，而一轉換點是位於該透鏡表面上的一點，且通過該點的一切線與光軸垂直。如果徑向上向外有複數個轉換點，則依序為第一轉換點，第二轉換點，而有效半徑上距光軸徑向上最遠的轉換點為第N轉換點。中心點和第一轉換點之間的範圍為光軸附近區域，第N轉換點徑向上向外的區域為圓周附近區域，中間可依各轉換點區分不同的區域。此外，有效半徑為邊緣光線Lm與透鏡表面交點到光軸I上的垂直距離。

2. 如圖3所示，該區域的形狀凹凸係以平行通過該區域的光線（或光線延伸線）與光軸的交點在顯示側或目側來決定（光線焦點判定方式）。舉例言之，當光線通過該區域後，光線會朝顯示側聚焦，與光軸的焦點會位在顯示側，例如圖3中R點，則該區域為凸面部。反之，若光線通過該某區域後，光線會發散，其延伸線與光軸的焦點在目側，例如圖3中M點，則該區域為凹面部，所以中心點到第一轉換點間為凸面部，第一轉換點徑向上向外的區域為凹面部；由圖3可知，該轉換點即是凸面部轉凹面部的分界點，因此可定義該區域與徑向上相鄰該區域的內側的區域，係以該轉換點為分界具有不同的面形。另外，若是光軸附近區域的面形判斷可依該領域中通常知識者的判斷方式，以R值（指近軸的曲率半徑，通常指光學軟體中的透鏡資料庫（lens data）上的R值）正負判斷凹凸。以目側面來說，當R值為正時，判定為凸面部，當R值為負時，判定為凹面部；以顯示側面來說，當R值為正時，判定為凹面部，當R值為負時，判定為凸面部，此方法判定出的凹凸和光線焦點判定方式相同。

3.若該透鏡表面上無轉換點，該光軸附近區域定義為有效半徑的0~50%，圓周附近區域定義為有效半徑的50~100%。

圖4範例一的透鏡顯示側表面在有效半徑上僅具有第一轉換點，則第一區為光軸附近區域，第二區為圓周附近區域。此透鏡顯示側面的R值為正，故判斷光軸附近區域具有一凹面部；圓周附近區域的面形和徑向上緊鄰該區域的內側區域不同。即，圓周附近區域和光軸附近區域的面形不同；該圓周附近區域係具有一凸面部。

圖5範例二的透鏡目側表面在有效半徑上具有第一及第二轉換點，則第一區為光軸附近區域，第三區為圓周附近區域。此透鏡目側面的R值為正，故判斷光軸附近區域為凸面部；第一轉換點與第二轉換點間的區域（第二區）具有一凹面部，圓周附近區域（第三區）具有一凸面部。

圖6範例三的透鏡目側表面在有效半徑上無轉換點，此時以有效半徑0%~50%為光軸附近區域，50%~100%為圓周附近區域。由於光軸附近區域的R值為正，故此目側面在光軸附近區域具有一凸面部；而圓周附近區域與光軸附近區域間無轉換點，故圓周附近區域具有一凸面部。

如圖7所示，本發明四片式目鏡光學系統1，從目側2（即觀察者的眼睛所在之位置）的至成像的顯示側3，沿著光軸（optical axis）4，依序包含第一透鏡10、第二透鏡20、第三透鏡30、第四透鏡40及顯示面（display screen）71。一般說來，第一透鏡10、第二透鏡20、第三透鏡30、第四透鏡40都可以是由透明的塑膠材質所製成，但本發明不以此為限。各鏡片都有適當的屈光率。在本發明目鏡光學系統1中，具有屈光率的鏡片總共只有第一透鏡10、第二透鏡20、第三透鏡30、第四透鏡40等這四片透鏡而已。光軸4為整個目鏡光學系統1的光軸，所以每個透鏡的光軸和目鏡光學系統1的光軸都是相同的。

此外，觀察者的瞳孔80相對於光學鏡片組1，係設置於適當之位置。在圖7中，觀察者的瞳孔80是設置在目側2。當由位於顯示側3之顯示面71所發出的光線進入本發明光學鏡片組1時，即會經由第四透鏡40、第三透鏡30、第二透鏡20、第一透鏡10與瞳孔80之後，會在觀察者的眼睛中聚焦而形成清晰的影像。

本發明目鏡光學系統1中之各個透鏡，都分別具有朝向目側2的目側面，與朝向顯示側3的顯示側面。例如，第一透鏡10具有目側面11與顯示側面12；第二透鏡20具有目側面21與顯示側面22；第三透鏡30具有目側面31與顯示側面32；第四透鏡40具有目側面41與顯示側面42。另外，本發明目鏡光學系統1中之各個透鏡的目側面與顯示側面，亦都分別具有接近光軸4的光軸附近區域、與遠離光軸4的圓周附近區域。

本發明目鏡光學系統1中之各個透鏡，還都分別具有位在光軸4上的中心厚度T。例如，第一透鏡10具有第一透鏡厚度T1、第二透鏡20具有第二透鏡厚度T2、第三透鏡30具有第三透鏡厚度T3、第四透鏡40具有第四透鏡厚度T4。所以，位在光軸4上、目鏡光學系統1中所有透鏡的中心厚度總和稱為ALT。亦即，ALT =T1+ T2+ T3+ T4。

另外，本發明目鏡光學系統1中在各個透鏡之間又具有位在光軸4上的空氣間隙（air gap）。例如，第一透鏡10到第二透鏡20之間空氣間隙寬度稱為G12、第二透鏡20到第三透鏡30之間空氣間隙寬度稱為G23、第三透鏡30到第四透鏡40之間空氣間隙寬度稱為G34。所以，第一透鏡10到第四透鏡40之間，位於光軸4上各透鏡間之三個空氣間隙寬度之總和即稱為AAG。亦即，AAG = G12+G23+G34。

另外，定義第一透鏡10的目側面11至顯示面71在光軸上的長度為TTL；觀察者的瞳孔80至顯示面71在光軸4上的長度為SL；TL為第一透鏡10的目側面11至第四透鏡40的顯示側面42在光軸4上的長度；目鏡光學系統1的有效焦距為EFL；第六透鏡60的像側面62至顯示面71在光軸4上的長度為G4D；ER（Eye relief）稱為出瞳距離，也就是觀察者瞳孔80到第一透鏡10的目側面11在光軸4上的距離；EPD（Exit pupil diameter）稱為目鏡光學系統1之出瞳直徑，也就是觀察者瞳孔80的尋常直徑，一般人白天為3公厘（mm），晚上可到7公厘；DLD為觀察者的單一瞳孔80對應之顯示面71之對角線長；ω稱為目鏡光學系統1的半眼視視角（half apparent field of view），即觀察者的一半視野角度；Fno為目鏡光學系統1的光圈值（f-number）。值得注意的是，Fno在本實施例中是基於光可逆性的原理計算的，其中目側作為一物體側，顯示側作為一像側，且觀察者的眼睛的瞳孔作為一入射光的光瞳（pupil）。

另外，再定義： f1為第一透鏡10的焦距；f2為第二透鏡20的焦距；f3為第三透鏡30的焦距；f4為第四透鏡40的焦距；n1為第一透鏡10的折射率；n2為第二透鏡20的折射率；n3為第三透鏡30的折射率；n4為第四透鏡40的折射率；υ1為第一透鏡10的阿貝係數（Abbe number），或稱為色散係數；υ2為第二透鏡20的阿貝係數；υ3為第三透鏡30的阿貝係數；及υ4為第四透鏡40的阿貝係數。D1為第一透鏡的目側面的光學有效徑；D2為第二透鏡的目側面的光學有效徑；D3為第三透鏡的目側面的光學有效徑；D4為第四透鏡的目側面的光學有效徑。

第一實施例

請參閱圖7，例示本發明目鏡光學系統1的第一實施例。第一實施例在顯示面71上的縱向球差（longitudinal spherical aberration）請參考圖8A、弧矢（sagittal）方向的像散像差（astigmatic field aberration）請參考圖8B、子午（tangential）方向的像散像差請參考圖8C、以及畸變像差（distortion aberration）請參考圖8D。所有實施例中各球差圖之Y軸代表視場，其最高點均為1.0，實施例中各像散圖及畸變圖之Y軸代表像高，系統像高為27.328公厘。

第一實施例之目鏡光學系統1，主要由四枚具有屈光率之透鏡10至40與顯示面71所構成。第一透鏡10具有正屈光率。朝向目側2的目側面11具有位於光軸附近區域的凹面部13以及位於圓周附近區域的凸面部14，朝向顯示側3的顯示側面12具有位於光軸附近區域的凸面部16以及位於圓周附近區域的凸面部17。第一透鏡之目側面11及顯示側面12均為非球面。

第二透鏡20具有正屈光率，朝向目側2的目側面21具有位於光軸附近區域的凸面部23以及位於圓周附近區域的凹面部24，朝向顯示側3的顯示側面22具有位於光軸附近區域的凹面部26以及位於圓周附近區域的凸面部27。第二透鏡20之目側面21及顯示側面22均為非球面。

第三透鏡30具有負屈光率，朝向目側2的目側面31具有位於光軸附近區域的凹面部33以及位於圓周附近區域的凹面部34，而朝向顯示側3的顯示側面32具有位於光軸附近區域的凹面部36以及在圓周附近的凹面部37。第三透鏡30之目側面31及顯示側面32均為非球面。

第四透鏡40具有負屈光率，朝向目側2的目側面41具有位於光軸附近區域的凹面部43以及位於圓周附近區域的凸面部44，而朝向顯示側3的顯示側面42具有位於光軸附近區域的凹面部46以及在圓周附近的凸面部47。第四透鏡40之目側面41及顯示側面42均為非球面。

在本發明目鏡光學系統1中，從第一透鏡10到第四透鏡40中，所有目側面11/21/31/41與顯示側面12/22/32/42共計八個曲面均為非球面，此等非球面係經由下列公式所定義：

其中：

R表示透鏡表面之曲率半徑；

Z表示非球面之深度（非球面上距離光軸為Y的點，其與相切於非球面光軸上頂點之切面，兩者間的垂直距離）；

Y表示非球面曲面上的點與光軸的垂直距離；

K為圓錐係數（conic constant）；

ai為第i階非球面係數。

第一實施例目鏡光學系統的光學數據如圖23所示，非球面數據如圖24所示。在以下實施例之目鏡光學系統中，整體目鏡光學系統的光圈值（f-number）為Fno、有效焦距為（EFL）、半視角（ω）為半眼視視角，即觀察者視野角度的一半，又曲率半徑、厚度及焦距的單位均為公厘（mm）。而EFL為36.4134公厘，ω為45.0008度，TTL為44.8263公厘，Fno為9.1025，系統像高為27.328公厘。

第二實施例

請參閱圖9，例示本發明目鏡光學系統1的第二實施例。請注意，從第二實施例開始，為簡化並清楚表達圖式，僅在圖上特別標示各透鏡與第一實施例不同之面型，而其餘與第一實施例的透鏡相同的面型，例如凹面部或是凸面部則不另外標示。第二實施例在顯示面71上的縱向球差請參考圖10A、弧矢方向的像散像差請參考圖10B、子午方向的像散像差請參考圖10C、畸變像差請參考圖10D。第二實施例之設計與第一實施例類似，僅曲率半徑、透鏡屈光率、透鏡曲率半徑、透鏡厚度、透鏡非球面係數或是後焦距等相關參數有別。

第二實施例詳細的光學數據如圖25所示，非球面數據如圖26所示。EFL為38.8114公厘，ω為45.0009度，TTL為52.6607公厘，Fno為9.6962，系統像高為27.325公厘。特別是：1.第二實施例的ω比第一實施例的大；2.第二實施例子午方向的像散像差比第一實施例的較佳。

第三實施例

請參閱圖11，例示本發明目鏡光學系統1的第三實施例。第三實施例在顯示面71上的縱向球差請參考圖12A、弧矢方向的像散像差請參考圖12B、子午方向的像散像差請參考圖12C、畸變像差請參考圖12D。第三實施例之設計與第一實施例類似，僅曲率半徑、透鏡屈光率、透鏡曲率半徑、透鏡厚度、透鏡非球面係數或是後焦距等相關參數有別，以及第一透鏡10朝向目側2的目側面11具有位於圓周附近區域的凹面部14'。

第三實施例詳細的光學數據如圖27所示，非球面數據如圖28所示，EFL為28.0126公厘，ω為45.0020度，TTL為40.0337公厘，Fno為6.9568，系統像高為18.869公厘。特別是：1.第三實施例的SL比第一實施例的短；2.第三實施例子午方向的像散像差比第一實施例的較佳。

第四實施例

請參閱圖13，例示本發明目鏡光學系統1的第四實施例。第四實施例在顯示面71上的縱向球差請參考圖14A、弧矢方向的像散像差請參考圖14B、子午方向的像散像差請參考圖14C、畸變像差請參考圖14D。第四實施例之設計與第一實施例類似，僅曲率半徑、透鏡屈光率、透鏡曲率半徑、透鏡厚度、透鏡非球面係數或是後焦距等相關參數有別，以及第一透鏡10朝向目側2的目側面11具有位於圓周附近區域的凹面部14'、第三透鏡30朝向顯示側3的顯示側面32具有位於圓周附近的凸面部37'、第四透鏡朝向目側2的目側面41具有位於光軸附近區域的凸面部43'以及朝向顯示側3的顯示側面42具有位於在圓周附近的凹面部47'。

第四實施例詳細的光學數據如圖29所示，非球面數據如圖30所示，EFL為36.7209公厘，ω為45.0004度，TTL為47.9270公厘，Fno為9.2018，系統像高為27.31公厘。

第五實施例

請參閱圖15，例示本發明目鏡光學系統1的第五實施例。第五實施例在顯示面71上的縱向球差請參考圖16A、弧矢方向的像散像差請參考圖16B、子午方向的像散像差請參考圖16C、畸變像差請參考圖16D。第五實施例之設計與第一實施例類似，僅曲率半徑、透鏡屈光率、透鏡曲率半徑、透鏡厚度、透鏡非球面係數或是後焦距等相關參數有別，以及第二透鏡20朝向顯示側3的顯示側面22具有位於圓周附近區域的凹面部27'、第三透鏡30朝向目側2的目側面31具有位於光軸附近區域的凸面部33'以及位於圓周附近區域的凸面部34'、第四透鏡40朝向目側2的目側面41具有位於圓周附近區域的凹面部44'。

第五實施例詳細的光學數據如圖31所示，非球面數據如圖32所示，EFL為42.4611公厘，ω為45.0003度，TTL為44.7710公厘，Fno為10.5796，系統像高為26.825公厘。特別是：1.第五實施例的SL比第一實施例的短；2.第五實施例子午方向的像散像差比第一實施例的較佳。

第六實施例

請參閱圖17，例示本發明目鏡光學系統1的第六實施例。第六實施例在顯示面71上的縱向球差請參考圖18A、弧矢方向的像散像差請參考圖18B、子午方向的像散像差請參考圖18C、畸變像差請參考圖18D。第六實施例之設計與第一實施例類似，不同之處在於，僅曲率半徑、透鏡屈光率、透鏡曲率半徑、透鏡厚度、透鏡非球面係數或是後焦距等相關參數有別，以及第一透鏡10朝向目側2的目側面11具有位於圓周附近區域的凹面部14'、第四透鏡朝向目側2的目側面41具有位於光軸附近區域的凸面部43'以及位於圓周附近區域的凹面部44'。

第六實施例詳細的光學數據如圖33所示，非球面數據如圖34所示，EFL為30.1295 公厘，ω為44.9997度，TTL為36.4973公厘，Fno為7.5894，系統像高為25.8公厘。特別是：1. 第六實施例的SL比第一實施例的短。

第七實施例

請參閱圖19，例示本發明目鏡光學系統1的第七實施例。第七實施例在顯示面71上的縱向球差請參考圖20A、弧矢方向的像散像差請參考圖20B、子午方向的像散像差請參考圖20C、畸變像差請參考圖20D。第七實施例之設計與第一實施例類似，僅曲率半徑、透鏡屈光率、透鏡曲率半徑、透鏡厚度、透鏡非球面係數或是後焦距等相關參數有別，以及第三透鏡30朝向顯示側3的顯示側面32具有位於圓周附近的凸面部37'。

第七實施例詳細的光學數據如圖35所示，非球面數據如圖36所示，EFL為31.6870公厘，ω為45.0031度，TTL為44.1791公厘，Fno為7.8787，系統像高為20.723公厘。特別是：1.第七實施例的SL比第一實施例的短，2. 第七實施例的的ω比第一實施例的大。

第八實施例

請參閱圖21，例示本發明目鏡光學系統1的第八實施例。第八實施例在顯示面71上的縱向球差請參考圖22A、弧矢方向的像散像差請參考圖22B、子午方向的像散像差請參考圖22C、畸變像差請參考圖22D。第八實施例之設計與第一實施例類似，僅曲率半徑、透鏡屈光率、透鏡曲率半徑、透鏡厚度、透鏡非球面係數或是後焦距等相關參數有別，以及第四透鏡朝向目側2的目側面41具有位於圓周附近區域的凹面部44'。

第八實施例詳細的光學數據如圖37所示，非球面數據如圖38所示，EFL為37.0412公厘，ω為45.0013度，TTL為43.4587公厘，Fno為9.2224，系統像高為27.32公厘。特別是：1.第八實施例的SL比第一實施例的短，2. 第八實施例的的ω比第一實施例的大。

另外，各實施例之重要參數則整理於圖39中。

申請人發現，本案的透鏡配置，具有以下的特徵，以及可以達成的對應功效：

1. 第二透鏡20朝向目側2的目側面21具有位於圓周附近區域的凹面部24，搭配第四透鏡40朝向顯示側3的顯示側面42具有位於光軸附近區域的凹面部46，有利於放大影像。若選擇性地搭配第三透鏡30具有負屈光率、第一透鏡10朝向顯示側3的顯示側面12具有位於圓周附近區域的凸面部17、第二透鏡20具有正屈光率、或第三透鏡30朝向顯示側3的顯示側面32具有位於光軸附近區域的凹面部36，能夠有效改善整體像差、提升成像品質。

2. 250公厘為一般人的明視距離，青年人眼睛可以清楚聚焦的最近之距離。則系統之放大率可近似於250公厘與EFL的比值。因此，當滿足3≦250mm/EFL≦15，使得系統放大率不致過大而增加透鏡厚度與製造困難度，且EFL不致過長而影響系統長度。

3. 40°≦ω不致讓觀察者感到視覺狹窄，較佳的限制為40°≦ω≦60°，不致增加設計的難度。

4. 滿足下列條件式，目的為使各透鏡的厚度與間隔維持一適當值，避免任一參數過大而不利於該目鏡光學系統整體之薄型化，或是避免任一參數過小而影響組裝或是提高製造上之困難度。

G34/（G12+G23）≦10.9，較佳的範圍為0≦G34/（G12+G23）≦10.9；

AAG/（G12+G23）≦11.9，較佳的範圍為1.0≦AAG/（G12+G23）≦11.9；

ALT/T1≦5，較佳的範圍為1.8≦ALT/T1≦5；

AAG/T1≦3.7，較佳的範圍為0.03≦AAG/T1≦3.7；

T1/T2≦1.3，較佳的範圍為0.2≦T1/T2≦1.3；

TTL/T1≦10.7，較佳的範圍為2.2≦TTL/T1≦10.7；

0≦TL/ER≦5.2；

0.8≦ER/T4≦20；

0≦TTL/（ER+G13）≦6；

0≦（TTL+G4D）/ER≦10。

5. 滿足下列條件式，目的是為使系統焦距與光學各參數維持一適當值，避免任一參數過大而不利於該目鏡光學系統整體之像差的修正，或是避免任一參數過小而影響組裝或是提高製造上之困難度。

EFL/ER≦4.1，較佳的範圍為0.8≦EFL/ER≦4.1。

6. 滿足下列條件式，目的是位使出瞳距離與光學各參數維持一適當值，避免任一參數過大而不利於該目鏡光學系統離眼睛距離太遠或太近造成眼睛不適，或是避免任一參數過小而影響組裝或是提高製造上之困難度。

ALT/ER≦3.4，較佳的範圍為0.4≦ALT/ER≦3.4；

TTL/ER≦4.4，較佳的範圍為1.3≦TTL/ER≦4.4；

SL/ER≦5.4，較佳的範圍為2.3≦SL/ER≦5.4。

7. 滿足下列條件式，使光學元件參數與目鏡光學系統長度比值維持一適當值，避免參數過小不利於生產製造，或是避免參數過大而使得目鏡光學系統長度過長。

SL/ER≦5.4，較佳的範圍為2.3≦SL/ER≦5.4；

SL/（G12+G23）≦30.7，較佳的範圍為2.5≦SL/（G12+G23）≦30.7。

8. 藉著限制第三透鏡的厚度與目鏡光學系統中其他透鏡或空氣間隙厚度的關係，使得T3不至過小或過大，有利於降低第一透鏡至第二透鏡產生的像差。

T3/（G12+G23）≦16.5，較佳的範圍為0.02≦T3/（G12+G23）≦16.5；

（T1+G4D）/（G23+T3）≦3.6，較佳的範圍為0.3≦ （T1+G4D）/（G23+T3）≦3.6；

T1/T3≦1.6，較佳的範圍為0.3≦T1/T3≦1.6。

9. 藉著限制第四透鏡的厚度與目鏡光學系統中其他透鏡或空氣間隙厚度的關係，使得T4不至過小或過大，有利於降低第一透鏡至第三透鏡產生的像差。

T4/T1≦1.6，較佳的範圍為0.07≦T4/T1≦1.6；

T4/（G12+G23）≦6.4，較佳的範圍為0.01≦T4/（G12+G23）≦6.4。

此外，另可選擇實施例參數之任意組合關係增加系統限制，以利於本發明相同架構的系統設計。

有鑑於光學系統設計的不可預測性，在本發明的架構之下，符合上述條件式能較佳地使本發明系統長度縮短、半視角增加、成像品質提升，或組裝良率提升而改善先前技術的缺點。

前述所列之示例性限定關係式，亦可任意選擇性地合併不等數量施用於本發明之實施態樣中，並不限於此。在實施本發明時，除了前述關係式之外，亦可針對單一透鏡或廣泛性地針對多個透鏡額外設計出其他更多的透鏡的凹凸曲面排列等細部結構，以加強對系統性能及／或解析度的控制，舉例來說，第一透鏡的物側面上可選擇性地額外形成有一位於光軸附近區域的凸面部。須注意的是，此些細節需在無衝突之情況之下，選擇性地合併施用於本發明之其他實施例當中。以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

1‧‧‧目鏡光學系統

2‧‧‧目側

3‧‧‧顯示側

4‧‧‧光軸

10‧‧‧第一透鏡

11‧‧‧目側面

12‧‧‧顯示側面

13‧‧‧凹面部

14‧‧‧凸面部

14'‧‧‧凹面部

16‧‧‧凸面部

17‧‧‧凸面部

20‧‧‧第二透鏡

21‧‧‧目側面

22‧‧‧顯示側面

23‧‧‧凸面部

24‧‧‧凹面部

26‧‧‧凹面部

27‧‧‧凸面部

27'‧‧‧凹面部

30‧‧‧第三透鏡

31‧‧‧目側面

32‧‧‧顯示側面

33‧‧‧凹面部

33'‧‧‧凸面部

34‧‧‧凹面部

34'‧‧‧凸面部

36‧‧‧凹面部

37‧‧‧凹面部

37'‧‧‧凸面部

40‧‧‧第四透鏡

41‧‧‧目側面

42‧‧‧顯示側面

43‧‧‧凹面部

43'‧‧‧凸面部

44‧‧‧凸面部

44'‧‧‧凹面部

46‧‧‧凹面部

47‧‧‧凸面部

47'‧‧‧凹面部

71‧‧‧顯示面

80‧‧‧瞳孔

T1~T4‧‧‧各透鏡中心厚度

I‧‧‧光軸

A~C‧‧‧區域

E‧‧‧延伸部

Lc‧‧‧主光線

Lm‧‧‧邊緣光線

圖1繪示一顯示畫面經由一目鏡光學系統，於一瞳孔上成像的示意圖。圖2至圖6繪示本發明目鏡光學系統判斷曲率形狀方法之示意圖。圖7繪示本發明四片式目鏡光學系統的第一實施例之示意圖。圖8A繪示第一實施例的縱向球差。圖8B繪示第一實施例在弧矢方向的像散像差。圖8C繪示第一實施例在子午方向的像散像差。圖8D繪示第一實施例的畸變像差。圖9繪示本發明四片式目鏡光學系統的第二實施例之示意圖。圖10A繪示第二實施例的縱向球差。圖10B繪示第二實施例在弧矢方向的像散像差。圖10C繪示第二實施例在子午方向的像散像差。圖10D繪示第二實施例的畸變像差。圖11繪示本發明四片式目鏡光學系統的第三實施例之示意圖。圖12A繪示第三實施例的縱向球差。圖12B繪示第三實施例在弧矢方向的像散像差。圖12C繪示第三實施例在子午方向的像散像差。圖12D繪示第三實施例的畸變像差。圖13繪示本發明四片式目鏡光學系統的第四實施例之示意圖。圖14A繪示第四實施例的縱向球差。圖14B繪示第四實施例在弧矢方向的像散像差。圖14C繪示第四實施例在子午方向的像散像差。圖14D繪示第四實施例的畸變像差。圖15繪示本發明四片式目鏡光學系統的第五實施例之示意圖。圖16A繪示第五實施例的縱向球差。圖16B繪示第五實施例在弧矢方向的像散像差。圖16C繪示第五實施例在子午方向的像散像差。圖16D繪示第五實施例的畸變像差。圖17繪示本發明四片式目鏡光學系統的第六實施例之示意圖。圖18A繪示第六實施例的縱向球差。圖18B繪示第六實施例在弧矢方向的像散像差。圖18C繪示第六實施例在子午方向的像散像差。圖18D繪示第六實施例的畸變像差。圖19繪示本發明四片式目鏡光學系統的第七實施例之示意圖。圖20A繪示第七實施例的縱向球差。圖20B繪示第七實施例在弧矢方向的像散像差。圖20C繪示第七實施例在子午方向的像散像差。圖20D繪示第七實施例的畸變像差。圖21繪示本發明四片式目鏡光學系統的第八實施例之示意圖。圖22A繪示第八實施例的縱向球差。圖22B繪示第八實施例在弧矢方向的像散像差。圖22C繪示第八實施例在子午方向的像散像差。圖22D繪示第八實施例的畸變像差。圖23表示第一實施例詳細的光學數據。圖24表示第一實施例詳細的非球面數據。圖25表示第二實施例詳細的光學數據。圖26表示第二實施例詳細的非球面數據。圖27表示第三實施例詳細的光學數據。圖28表示第三實施例詳細的非球面數據。圖29表示第四實施例詳細的光學數據。圖30表示第四實施例詳細的非球面數據。圖31表示第五實施例詳細的光學數據。圖32表示第五實施例詳細的非球面數據。圖33表示第六實施例詳細的光學數據。圖34表示第六實施例詳細的非球面數據。圖35表示第七實施例詳細的光學數據。圖36表示第七實施例詳細的非球面數據。圖37表示第八實施例詳細的光學數據。圖38表示第八實施例詳細的非球面數據。圖39表示各實施例之重要參數。

Claims

一種目鏡光學系統，用於一顯示畫面的一成像光線經由該目鏡光學系統進入一觀察者的一瞳孔而成像，朝向該瞳孔的方向定義為一目側，且朝向該顯示畫面的方向定義為一顯示側，該目鏡光學系統從該目側至該顯示側沿一光軸依序包括一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡以及一第四透鏡，且該第一透鏡、該第二透鏡、該第三透鏡及該第四透鏡各自包括朝向該目側且使該成像光線通過的一目側面以及朝向該顯示側且使該成像光線通過的一顯示側面，其中：該第二透鏡的該目側面，具有位於圓周附近區域的一凹面部；該第三透鏡具有負屈光率；該第四透鏡的該顯示側面，具有位於光軸附近區域的一凹面部；以及該目鏡光學系統只有上述四片透鏡具有屈光率。
一種目鏡光學系統，用於一顯示畫面的一成像光線經由該目鏡光學系統進入一觀察者的一瞳孔而成像，朝向該瞳孔的方向定義為一目側，且朝向該顯示畫面的方向定義為一顯示側，該目鏡光學系統從該目側至該顯示側沿一光軸依序包括一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡以及一第四透鏡，且該第一透鏡、該第二透鏡、該第三透鏡及該第四透鏡各自包括朝向該目側且使該成像光線通過的一目側面以及朝向該顯示側且使該成像光線通過的一顯示側面，其中：該第一透鏡的該顯示側面，具有位於圓周附近區域的一凸面部；該第二透鏡具有正屈光率，且該第二透鏡的該目側面具有位於圓周附近區域的一凹面部；該第四透鏡的該顯示側面，具有位於光軸附近區域的一凹面部；以及該目鏡光學系統只有上述四片透鏡具有屈光率。
一種目鏡光學系統，用於一顯示畫面的一成像光線經由該目鏡光學系統進入一觀察者的一瞳孔而成像，朝向該瞳孔的方向定義為一目側，且朝向該顯示畫面的方向定義為一顯示側，該目鏡光學系統從該目側至該顯示側沿一光軸依序包括一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡以及一第四透鏡，且該第一透鏡、該第二透鏡、該第三透鏡及該第四透鏡各自包括朝向該目側且使該成像光線通過的一目側面以及朝向該顯示側且使該成像光線通過的一顯示側面，其中：該第二透鏡的該目側面，具有位於圓周附近區域的一凹面部；該第三透鏡的該顯示側面，具有位於光軸附近區域的一凹面部；該第四透鏡的該顯示側面，具有位於光軸附近區域的一凹面部；以及該目鏡光學系統只有上述四片透鏡具有屈光率。
如請求項1、請求項2、請求項3中任一項的目鏡光學系統，其中上述該第一透鏡至該第四透鏡之所有中心厚度總和定義為ALT、該觀察者的該瞳孔至該第一透鏡的該目側面沿著該光軸的距離定義為ER，並且滿足ALT/ER≦3.4。
如請求項1、請求項2、請求項3中任一項的目鏡光學系統，其中該第一透鏡與該第二透鏡之間沿著該光軸的一空氣間隙長度定義為G12、該第二透鏡與該第三透鏡之間沿著該光軸的一空氣間隙長度定義為G23、該第三透鏡與該第四透鏡之間沿著該光軸的一空氣間隙長度定義為G34，並且滿足G34/(G12+G23)≦10.9。
如請求項1、請求項2、請求項3中任一項的目鏡光學系統，其中AAG為該第一透鏡到該第四透鏡在該光軸上的三個空氣間隙總和、該第一透鏡與該第二透鏡之間沿著該光軸的一空氣間隙長度定義為G12、該第二透鏡與該第三透鏡之間沿著該光軸的一空氣間隙長度定義為G23，並且滿足AAG/(G12+G23)≦11.9。
如請求項1、請求項2、請求項3中任一項的目鏡光學系統，其中該第一透鏡的該目側面至該顯示畫面沿著該光軸的距離定義為TTL、該觀察者的該瞳孔至該第一透鏡的該目側面沿著該光軸的距離定義為ER，並且滿足TTL/ER≦4.4。
如請求項1、請求項2、請求項3中任一項的目鏡光學系統，其中該第一透鏡沿著該光軸的中心厚度定義為T1、該第四透鏡沿著該光軸的中心厚度定義為T4，並且滿足T4/T1≦1.6。
如請求項1、請求項2、請求項3中任一項的目鏡光學系統，其中該觀察者的該瞳孔至該顯示畫面沿著該光軸的距離定義為SL、該觀察者的該瞳孔至該第一透鏡的該目側面沿著該光軸的距離定義為ER，並且滿足SL/ER≦5.4。
如請求項1、請求項2、請求項3中任一項的目鏡光學系統，其中該目鏡光學系統的有效焦距定義為EFL，並且滿足3≦250mm/EFL≦15。
如請求項1、請求項2、請求項3中任一項的目鏡光學系統，其中該第四透鏡沿著該光軸的中心厚度定義為T4、該第一透鏡與該第二透鏡之間沿著該光軸的一空氣間隙長度定義為G12、該第二透鏡與該第三透鏡之間沿著該光軸的一空氣間隙長度定義為G23，並且滿足T4/(G12+G23)≦6.4。
如請求項1、請求項2、請求項3中任一項的目鏡光學系統，其中上述該第一透鏡至該第四透鏡之所有中心厚度總和定義為ALT、該第一透鏡沿著該光軸的中心厚度定義為T1，並且滿足ALT/T1≦5。
如請求項1、請求項2、請求項3中任一項的目鏡光學系統，其中AAG為該第一透鏡到該第四透鏡在該光軸上的三個空氣間隙總和、該第一透鏡沿著該光軸的中心厚度定義為T1，並且滿足AAG/T1≦3.7。
如請求項1、請求項2、請求項3中任一項的目鏡光學系統，其中該目鏡光學系統的有效焦距定義為EFL、該觀察者的該瞳孔至該第一透鏡的該目側面沿著該光軸的距離定義為ER，並且滿足EFL/ER≦4.1。
如請求項1、請求項2、請求項3中任一項的目鏡光學系統，其中該第三透鏡沿著該光軸的中心厚度定義為T3、該第一透鏡與該第二透鏡之間沿著該光軸的一空氣間隙長度定義為G12、該第二透鏡與該第三透鏡之間沿著該光軸的一空氣間隙長度定義為G23，並且滿足T3/(G12+G23)≦16.5。
如請求項1、請求項2、請求項3中任一項的目鏡光學系統，其中該觀察者的該瞳孔至該顯示畫面沿著該光軸的距離定義為SL、該第一透鏡與該第二透鏡之間沿著該光軸的一空氣間隙長度定義為G12、該第二透鏡與該第三透鏡之間沿著該光軸的一空氣間隙長度定義為G23，並且滿足SL/(G12+G23)≦30.7。
如請求項1、請求項2、請求項3中任一項的目鏡光學系統，其中該第一透鏡沿著該光軸的中心厚度定義為T1、該第三透鏡沿著該光軸的中心厚度定義為T3、該第二透鏡與該第三透鏡之間沿著該光軸的一空氣間隙長度定義為G23、該第四透鏡與該顯示畫面之間沿著該光軸的一距離定義為G4D，並且滿足(T1+G4D)/(G23+T3)≦3.6。
如請求項1、請求項2、請求項3中任一項的目鏡光學系統，其中該第一透鏡沿著該光軸的中心厚度定義為T1、該第二透鏡沿著該光軸的中心厚度定義為T2，並且滿足T1/T2≦1.3。
如請求項1、請求項2、請求項3中任一項的目鏡光學系統，其中該第一透鏡沿著該光軸的中心厚度定義為T1、該第三透鏡沿著該光軸的中心厚度定義為T3，並且滿足T1/T3≦1.6。
如請求項1、請求項2、請求項3中任一項的目鏡光學系統，其中該第一透鏡的該目側面至該顯示畫面沿著該光軸的距離定義為TTL、該第一透鏡沿著該光軸的中心厚度定義為T1，並且滿足TTL/T1≦10.7。