本發(fā)明涉及一種光學(xué)鏡片系統(tǒng)(opticallenssystem)。具體而言，本發(fā)明特別是指一種主要用于建構(gòu)虛擬現(xiàn)實(shí)(virtualreality,vr)等仿真立體視覺(jué)的顯示設(shè)備(displaydevice)之目鏡光學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

虛擬現(xiàn)實(shí)是一種利用計(jì)算機(jī)技術(shù)仿真來(lái)產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界的模擬技術(shù)，以提供用戶(hù)關(guān)于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等感官方面的模擬，讓使用者感覺(jué)身歷其境。目前現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)裝置都是以視覺(jué)體驗(yàn)為主。藉由對(duì)應(yīng)左右眼的兩個(gè)視角略有差異的分割畫(huà)面，來(lái)模擬人眼的視差來(lái)達(dá)到立體視覺(jué)。為了縮小虛擬現(xiàn)實(shí)裝置的體積，同時(shí)讓使用者能藉由較小的顯示畫(huà)面得到放大的視覺(jué)感受，具有放大功能的目鏡光學(xué)系統(tǒng)成了虛擬現(xiàn)實(shí)研究發(fā)展的其中一個(gè)主題。

現(xiàn)有的目鏡光學(xué)系統(tǒng)之半視角較小，而讓觀(guān)察者感到視覺(jué)狹窄、分辨率低，而且像差嚴(yán)重到顯示畫(huà)面需要先進(jìn)行像差補(bǔ)償。因此，如何增加虛擬現(xiàn)實(shí)裝置的目鏡光學(xué)系統(tǒng)之半視角，并加強(qiáng)其成像質(zhì)量，是現(xiàn)今虛擬現(xiàn)實(shí)裝置的目鏡光學(xué)系統(tǒng)一個(gè)需要改善的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

于是，本發(fā)明提出一種增加半視角、加強(qiáng)成像質(zhì)量、具備良好光學(xué)性能以及技術(shù)上可行的四片式目鏡光學(xué)系統(tǒng)。本發(fā)明的四片式目鏡光學(xué)系統(tǒng)，用于將顯示畫(huà)面的成像光線(xiàn)，經(jīng)過(guò)目鏡光學(xué)系統(tǒng)后再進(jìn)入觀(guān)察者的瞳孔而成像。朝向瞳孔的方向定義為目側(cè)，且朝向顯示畫(huà)面的方向定義為顯示側(cè)。目鏡光學(xué)系統(tǒng)從目側(cè)至顯示側(cè)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(cè)且使成像光線(xiàn)通過(guò)的目側(cè)面，以及朝向顯示側(cè)且使成像光線(xiàn)通過(guò)的顯示側(cè)面。

在本發(fā)明的第一方面，第二透鏡的目側(cè)面，具有位于圓周附近區(qū)域的凹面部、第三透鏡具有負(fù)屈光率、以及第四透鏡的顯示側(cè)面，具有位于光軸附近區(qū)域的凹面部。

在本發(fā)明的第二方面，第一透鏡的顯示側(cè)面，具有位于圓周附近區(qū)域的凸面部、第二透鏡則具有正屈光率、且第二透鏡的目側(cè)面具有位于圓周附近區(qū)域的凹面部、以及第四透鏡的顯示側(cè)面，還具有位于光軸附近區(qū)域的凹面部。

在本發(fā)明的第三方面，第二透鏡的目側(cè)面，具有位于圓周附近區(qū)域的凹面部、第三透鏡的顯示側(cè)面，具有位于光軸附近區(qū)域的凹面部、以及第四透鏡的顯示側(cè)面，具有位于光軸附近區(qū)域的凹面部。

在本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)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(guān)察者的瞳孔至第一透鏡的目側(cè)面沿著光軸的距離定義為er，并且滿(mǎn)足alt/er≦3.4。

在本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)中，第一透鏡與第二透鏡之間沿著光軸的空氣間隙長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度定義為g34，并且滿(mǎn)足g34/(g12+g23)≦10.9。

在本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)中，aag為第一透鏡到第四透鏡在光軸上的三個(gè)空氣間隙總和，并且滿(mǎn)足aag/(g12+g23)≦11.9。

在本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)中，第一透鏡的目側(cè)面至顯示畫(huà)面沿著光軸的距離定義為ttl，并且滿(mǎn)足ttl/er≦4.4。

在本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)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，并且滿(mǎn)足t4/t1≦1.6。

在本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)中，觀(guān)察者的瞳孔至顯示畫(huà)面沿著光軸的距離定義為sl，并且滿(mǎn)足sl/er≦5.4。

在本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)中，目鏡光學(xué)系統(tǒng)的有效焦距定義為efl，并且滿(mǎn)足3≦250mm/efl≦15。

本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)，滿(mǎn)足t4/(g12+g23)≦6.4。

本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)，滿(mǎn)足alt/t1≦5。

本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)，滿(mǎn)足aag/t1≦3.7。

本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)，滿(mǎn)足efl/er≦4.1。

在本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)中，第三透鏡沿著光軸的中心厚度定義為t3，并且滿(mǎn)足t3/(g12+g23)≦16.5。

本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)，滿(mǎn)足sl/(g12+g23)≦30.7。

在本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)中，第四透鏡與顯示畫(huà)面之間沿著光軸的距離定義為g4d，并且滿(mǎn)足(t1+g4d)/(g23+t3)≦3.6。

在本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)中，第二透鏡沿著光軸的中心厚度定義為t2，并且滿(mǎn)足t1/t2≦1.3。

本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)，滿(mǎn)足t1/t3≦1.6。

本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)，滿(mǎn)足ttl/t1≦10.7。

附圖說(shuō)明

圖1是一顯示畫(huà)面經(jīng)由一目鏡光學(xué)系統(tǒng)，于一瞳孔上成像的示意圖。

圖2是本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)判斷曲率形狀方法之示意圖。

圖3是本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)判斷曲率形狀方法之示意圖。

圖4是本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)判斷曲率形狀方法之示意圖。

圖5是本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)判斷曲率形狀方法之示意圖。

圖6是本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)判斷曲率形狀方法之示意圖。

圖7是本發(fā)明四片式目鏡光學(xué)系統(tǒng)的第一實(shí)施例之示意圖。

圖8a是第一實(shí)施例的縱向球差圖。

圖8b是第一實(shí)施例在弧矢方向的像散像差圖。

圖8c是第一實(shí)施例在子午方向的像散像差圖。

圖8d是第一實(shí)施例的畸變像差圖。

圖9是本發(fā)明四片式目鏡光學(xué)系統(tǒng)的第二實(shí)施例之示意圖。

圖10a是第二實(shí)施例的縱向球差圖。

圖10b是第二實(shí)施例在弧矢方向的像散像差圖。

圖10c是第二實(shí)施例在子午方向的像散像差圖。

圖10d是第二實(shí)施例的畸變像差圖。

圖11是本發(fā)明四片式目鏡光學(xué)系統(tǒng)的第三實(shí)施例之示意圖。

圖12a是第三實(shí)施例的縱向球差圖。

圖12b是第三實(shí)施例在弧矢方向的像散像差圖。

圖12c是第三實(shí)施例在子午方向的像散像差圖。

圖12d是第三實(shí)施例的畸變像差圖。

圖13是本發(fā)明四片式目鏡光學(xué)系統(tǒng)的第四實(shí)施例之示意圖。

圖14a是第四實(shí)施例的縱向球差圖。

圖14b是第四實(shí)施例在弧矢方向的像散像差圖。

圖14c是第四實(shí)施例在子午方向的像散像差圖。

圖14d是第四實(shí)施例的畸變像差圖。

圖15是本發(fā)明四片式目鏡光學(xué)系統(tǒng)的第五實(shí)施例之示意圖。

圖16a是第五實(shí)施例的縱向球差圖。

圖16b是第五實(shí)施例在弧矢方向的像散像差圖。

圖16c是第五實(shí)施例在子午方向的像散像差圖。

圖16d是第五實(shí)施例的畸變像差圖。

圖17是本發(fā)明四片式目鏡光學(xué)系統(tǒng)的第六實(shí)施例之示意圖。

圖18a是第六實(shí)施例的縱向球差圖。

圖18b是第六實(shí)施例在弧矢方向的像散像差圖。

圖18c是第六實(shí)施例在子午方向的像散像差圖。

圖18d是第六實(shí)施例的畸變像差圖。

圖19是本發(fā)明四片式目鏡光學(xué)系統(tǒng)的第七實(shí)施例之示意圖。

圖20a是第七實(shí)施例的縱向球差圖。

圖20b是第七實(shí)施例在弧矢方向的像散像差圖。

圖20c是第七實(shí)施例在子午方向的像散像差圖。

圖20d是第七實(shí)施例的畸變像差圖。

圖21是本發(fā)明四片式目鏡光學(xué)系統(tǒng)的第八實(shí)施例之示意圖。

圖22a是第八實(shí)施例的縱向球差圖。

圖22b是第八實(shí)施例在弧矢方向的像散像差圖。

圖22c是第八實(shí)施例在子午方向的像散像差圖。

圖22d是第八實(shí)施例的畸變像差圖。

圖23是第一實(shí)施例詳細(xì)的光學(xué)數(shù)據(jù)表格圖。

圖24是第一實(shí)施例詳細(xì)的非球面數(shù)據(jù)表格圖。

圖25是第二實(shí)施例詳細(xì)的光學(xué)數(shù)據(jù)表格圖。

圖26是第二實(shí)施例詳細(xì)的非球面數(shù)據(jù)表格圖。

圖27是第三實(shí)施例詳細(xì)的光學(xué)數(shù)據(jù)表格圖。

圖28是第三實(shí)施例詳細(xì)的非球面數(shù)據(jù)表格圖。

圖29是第四實(shí)施例詳細(xì)的光學(xué)數(shù)據(jù)表格圖。

圖30是第四實(shí)施例詳細(xì)的非球面數(shù)據(jù)表格圖。

圖31是第五實(shí)施例詳細(xì)的光學(xué)數(shù)據(jù)表格圖。

圖32是第五實(shí)施例詳細(xì)的非球面數(shù)據(jù)表格圖。

圖33是第六實(shí)施例詳細(xì)的光學(xué)數(shù)據(jù)表格圖。

圖34是第六實(shí)施例詳細(xì)的非球面數(shù)據(jù)表格圖。

圖35是第七實(shí)施例詳細(xì)的光學(xué)數(shù)據(jù)表格圖。

圖36是第七實(shí)施例詳細(xì)的非球面數(shù)據(jù)表格圖。

圖37是第八實(shí)施例詳細(xì)的光學(xué)數(shù)據(jù)表格圖。

圖38是第八實(shí)施例詳細(xì)的非球面數(shù)據(jù)表格圖。

圖39是各實(shí)施例之重要參數(shù)表格圖。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類(lèi)似的標(biāo)號(hào)表示相同或類(lèi)似的元件或具有相同或類(lèi)似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。實(shí)施例中未注明具體技術(shù)或條件者，按照本領(lǐng)域內(nèi)的文獻(xiàn)所描述的技術(shù)或條件或者按照產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)進(jìn)行。所用試劑或儀器未注明生產(chǎn)廠(chǎng)商者，均為可以通過(guò)市購(gòu)獲得的常規(guī)產(chǎn)品。

附圖中的符號(hào)說(shuō)明：1目鏡光學(xué)系統(tǒng)；2目側(cè)；3顯示側(cè)；4光軸；10第一透鏡；11目側(cè)面；12顯示側(cè)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(cè)面；22顯示側(cè)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(cè)面；32顯示側(cè)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(cè)面；42顯示側(cè)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(qū)域；e延伸部；lc主光線(xiàn)；lm邊緣光線(xiàn)。

一般而言，目鏡光學(xué)系統(tǒng)的光線(xiàn)方向?yàn)橐还庠从娠@示屏面射出，經(jīng)由目鏡光學(xué)系統(tǒng)成為一平行成像光線(xiàn)進(jìn)入眼睛，于眼睛的視網(wǎng)膜聚焦成像并且于明視距離產(chǎn)生一放大虛像，如圖1(所示。在以下說(shuō)明本案之光學(xué)規(guī)格的判斷準(zhǔn)則是假設(shè)光線(xiàn)方向逆追跡(reverselytracking)為一平行成像光線(xiàn)由目側(cè)經(jīng)過(guò)目鏡光學(xué)系統(tǒng)到顯示屏面聚焦成像。

本篇說(shuō)明書(shū)所言之「一透鏡具有正屈光率(或負(fù)屈光率)」，是指所述透鏡以高斯光學(xué)理論計(jì)算出來(lái)之光軸上的屈光率為正(或?yàn)樨?fù))。該顯示側(cè)面、目側(cè)面定義為成像光線(xiàn)通過(guò)的范圍，其中成像光線(xiàn)包括了主光線(xiàn)(chiefray)lc及邊緣光線(xiàn)(marginalray)lm，如圖2所示，i為光軸且此一透鏡是以該光軸i為對(duì)稱(chēng)軸徑向地相互對(duì)稱(chēng)，光線(xiàn)通過(guò)光軸上的區(qū)域?yàn)楣廨S附近區(qū)域a，邊緣光線(xiàn)通過(guò)的區(qū)域?yàn)閳A周附近區(qū)域c，此外，該透鏡還包含一延伸部e(即圓周附近區(qū)域c徑向上向外的區(qū)域)，用以供該透鏡組裝于一光學(xué)成像鏡頭內(nèi)，理想的成像光線(xiàn)并不會(huì)通過(guò)該延伸部e，但該延伸部e之結(jié)構(gòu)與形狀并不限于此，以下之實(shí)施例為求圖式簡(jiǎn)潔均省略了部分的延伸部。更詳細(xì)的說(shuō)，判定面形或光軸附近區(qū)域、圓周附近區(qū)域、或多個(gè)區(qū)域的范圍的方法如下：

1.請(qǐng)參照?qǐng)D2，其系一透鏡徑向上的剖視圖。以該剖視圖觀(guān)之，在判斷前述區(qū)域的范圍時(shí)，定義一中心點(diǎn)為該透鏡表面上與光軸的一交點(diǎn)，而一轉(zhuǎn)換點(diǎn)是位于該透鏡表面上的一點(diǎn)，且通過(guò)該點(diǎn)的一切線(xiàn)與光軸垂直。如果徑向上向外有復(fù)數(shù)個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)，則依序?yàn)榈谝晦D(zhuǎn)換點(diǎn)，第二轉(zhuǎn)換點(diǎn)，而有效半徑上距光軸徑向上最遠(yuǎn)的轉(zhuǎn)換點(diǎn)為第n轉(zhuǎn)換點(diǎn)。中心點(diǎn)和第一轉(zhuǎn)換點(diǎn)之間的范圍為光軸附近區(qū)域，第n轉(zhuǎn)換點(diǎn)徑向上向外的區(qū)域?yàn)閳A周附近區(qū)域，中間可依各轉(zhuǎn)換點(diǎn)區(qū)分不同的區(qū)域。此外，有效半徑為邊緣光線(xiàn)lm與透鏡表面交點(diǎn)到光軸i上的垂直距離。

2.如圖3所示，該區(qū)域的形狀凹凸系以平行通過(guò)該區(qū)域的光線(xiàn)(或光線(xiàn)延伸線(xiàn))與光軸的交點(diǎn)在顯示側(cè)或目側(cè)來(lái)決定(光線(xiàn)焦點(diǎn)判定方式)。舉例言之，當(dāng)光線(xiàn)通過(guò)該區(qū)域后，光線(xiàn)會(huì)朝顯示側(cè)聚焦，與光軸的焦點(diǎn)會(huì)位在顯示側(cè)，例如圖3中r點(diǎn)，則該區(qū)域?yàn)橥姑娌?。反之，若光線(xiàn)通過(guò)該某區(qū)域后，光線(xiàn)會(huì)發(fā)散，其延伸線(xiàn)與光軸的焦點(diǎn)在目側(cè)，例如圖3中m點(diǎn)，則該區(qū)域?yàn)榘济娌?，所以中心點(diǎn)到第一轉(zhuǎn)換點(diǎn)間為凸面部，第一轉(zhuǎn)換點(diǎn)徑向上向外的區(qū)域?yàn)榘济娌?；由圖3可知，該轉(zhuǎn)換點(diǎn)即是凸面部轉(zhuǎn)凹面部的分界點(diǎn)，因此可定義該區(qū)域與徑向上相鄰該區(qū)域的內(nèi)側(cè)的區(qū)域，系以該轉(zhuǎn)換點(diǎn)為分界具有不同的面形。另外，若是光軸附近區(qū)域的面形判斷可依該領(lǐng)域中通常知識(shí)者的判斷方式，以r值(指近軸的曲率半徑，通常指光學(xué)軟件中的透鏡數(shù)據(jù)庫(kù)(lensdata)上的r值)正負(fù)判斷凹凸。以目側(cè)面來(lái)說(shuō)，當(dāng)r值為正時(shí)，判定為凸面部，當(dāng)r值為負(fù)時(shí)，判定為凹面部；以顯示側(cè)面來(lái)說(shuō)，當(dāng)r值為正時(shí)，判定為凹面部，當(dāng)r值為負(fù)時(shí)，判定為凸面部，此方法判定出的凹凸和光線(xiàn)焦點(diǎn)判定方式相同。

3.若該透鏡表面上無(wú)轉(zhuǎn)換點(diǎn)，該光軸附近區(qū)域定義為有效半徑的0～50％，圓周附近區(qū)域定義為有效半徑的50～100％。

圖4范例一的透鏡顯示側(cè)表面在有效半徑上僅具有第一轉(zhuǎn)換點(diǎn)，則第一區(qū)為光軸附近區(qū)域，第二區(qū)為圓周附近區(qū)域。此透鏡顯示側(cè)面的r值為正，故判斷光軸附近區(qū)域具有一凹面部；圓周附近區(qū)域的面形和徑向上緊鄰該區(qū)域的內(nèi)側(cè)區(qū)域不同。即，圓周附近區(qū)域和光軸附近區(qū)域的面形不同；該圓周附近區(qū)域系具有一凸面部。

圖5范例二的透鏡目側(cè)表面在有效半徑上具有第一及第二轉(zhuǎn)換點(diǎn)，則第一區(qū)為光軸附近區(qū)域，第三區(qū)為圓周附近區(qū)域。此透鏡目側(cè)面的r值為正，故判斷光軸附近區(qū)域?yàn)橥姑娌浚坏谝晦D(zhuǎn)換點(diǎn)與第二轉(zhuǎn)換點(diǎn)間的區(qū)域(第二區(qū))具有一凹面部，圓周附近區(qū)域(第三區(qū))具有一凸面部。

圖6范例三的透鏡目側(cè)表面在有效半徑上無(wú)轉(zhuǎn)換點(diǎn)，此時(shí)以有效半徑0％～50％為光軸附近區(qū)域，50％～100％為圓周附近區(qū)域。由于光軸附近區(qū)域的r值為正，故此目側(cè)面在光軸附近區(qū)域具有一凸面部；而圓周附近區(qū)域與光軸附近區(qū)域間無(wú)轉(zhuǎn)換點(diǎn)，故圓周附近區(qū)域具有一凸面部。

如圖7所示，本發(fā)明四片式目鏡光學(xué)系統(tǒng)1，從目側(cè)2(即觀(guān)察者的眼睛所在之位置)的至成像的顯示側(cè)3，沿著光軸(opticalaxis)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(displayscreen)71。一般說(shuō)來(lái)，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料材質(zhì)所制成，但本發(fā)明不以此為限。各鏡片都有適當(dāng)?shù)那饴?。在本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)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(gè)目鏡光學(xué)系統(tǒng)1的光軸，所以每個(gè)透鏡的光軸和目鏡光學(xué)系統(tǒng)1的光軸都是相同的。

此外，觀(guān)察者的瞳孔80相對(duì)于光學(xué)鏡片組1，系設(shè)置于適當(dāng)之位置。在圖7中，觀(guān)察者的瞳孔80是設(shè)置在目側(cè)2。當(dāng)由位于顯示側(cè)3之顯示面71所發(fā)出的光線(xiàn)進(jìn)入本發(fā)明光學(xué)鏡片組1時(shí)，即會(huì)經(jīng)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之后，會(huì)在觀(guān)察者的眼睛中聚焦而形成清晰的影像。

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

本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)1中之各個(gè)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(xué)系統(tǒng)1中所有透鏡的中心厚度總和稱(chēng)為alt。亦即，alt＝t1+t2+t3+t4。

另外，本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)1中在各個(gè)透鏡之間又具有位在光軸4上的空氣間隙(airgap)。例如，第一透鏡10到第二透鏡20之間空氣間隙寬度稱(chēng)為g12、第二透鏡20到第三透鏡30之間空氣間隙寬度稱(chēng)為g23、第三透鏡30到第四透鏡40之間空氣間隙寬度稱(chēng)為g34。所以，第一透鏡10到第四透鏡40之間，位于光軸4上各透鏡間之三個(gè)空氣間隙寬度之總和即稱(chēng)為aag。亦即，aag＝g12+g23+g34。

另外，定義第一透鏡10的目側(cè)面11至顯示面71在光軸上的長(zhǎng)度為ttl；觀(guān)察者的瞳孔80至顯示面71在光軸4上的長(zhǎng)度為sl；tl為第一透鏡10的目側(cè)面11至第四透鏡40的顯示側(cè)面42在光軸4上的長(zhǎng)度；目鏡光學(xué)系統(tǒng)1的有效焦距為efl；第六透鏡60的像側(cè)面62至顯示面71在光軸4上的長(zhǎng)度為g4d；er(eyerelief)稱(chēng)為出瞳距離，也就是觀(guān)察者瞳孔80到第一透鏡10的目側(cè)面11在光軸4上的距離；epd(exitpupildiameter)稱(chēng)為目鏡光學(xué)系統(tǒng)1之出瞳直徑，也就是觀(guān)察者瞳孔80的尋常直徑，一般人白天為3毫米(mm)，晚上可到7毫米；dld為觀(guān)察者的單一瞳孔80對(duì)應(yīng)之顯示面71之對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)；ω稱(chēng)為目鏡光學(xué)系統(tǒng)1的半眼視視角(halfapparentfieldofview)，即觀(guān)察者的一半視野角度；fno為目鏡光學(xué)系統(tǒng)1的光圈值(f-number)。值得注意的是，fno在本實(shí)施例中是基于光可逆性的原理計(jì)算的，其中目側(cè)作為一物體側(cè)，顯示側(cè)作為一像側(cè)，且觀(guān)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的阿貝系數(shù)(abbenumber)，或稱(chēng)為色散系數(shù)；υ2為第二透鏡20的阿貝系數(shù)；υ3為第三透鏡30的阿貝系數(shù)；及υ4為第四透鏡40的阿貝系數(shù)。d1為第一透鏡的目側(cè)面的光學(xué)有效徑；d2為第二透鏡的目側(cè)面的光學(xué)有效徑；d3為第三透鏡的目側(cè)面的光學(xué)有效徑；d4為第四透鏡的目側(cè)面的光學(xué)有效徑。

第一實(shí)施例

請(qǐng)參閱圖7，例示本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)1的第一實(shí)施例。第一實(shí)施例在顯示面71上的縱向球差(longitudinalsphericalaberration)請(qǐng)參考圖8a、弧矢(sagittal)方向的像散像差(astigmaticfieldaberration)請(qǐng)參考圖8b、子午(tangential)方向的像散像差請(qǐng)參考圖8c、以及畸變像差(distortionaberration)請(qǐng)參考圖8d。所有實(shí)施例中各球差圖之y軸代表視場(chǎng)，其最高點(diǎn)均為1.0，實(shí)施例中各像散圖及畸變圖之y軸代表像高，系統(tǒng)像高為27.328毫米。

第一實(shí)施例之目鏡光學(xué)系統(tǒng)1，主要由四枚具有屈光率之透鏡10至40與顯示面71所構(gòu)成。第一透鏡10具有正屈光率。朝向目側(cè)2的目側(cè)面11具有位于光軸附近區(qū)域的凹面部13以及位于圓周附近區(qū)域的凸面部14，朝向顯示側(cè)3的顯示側(cè)面12具有位于光軸附近區(qū)域的凸面部16以及位于圓周附近區(qū)域的凸面部17。第一透鏡之目側(cè)面11及顯示側(cè)面12均為非球面。

第二透鏡20具有正屈光率，朝向目側(cè)2的目側(cè)面21具有位于光軸附近區(qū)域的凸面部23以及位于圓周附近區(qū)域的凹面部24，朝向顯示側(cè)3的顯示側(cè)面22具有位于光軸附近區(qū)域的凹面部26以及位于圓周附近區(qū)域的凸面部27。第二透鏡20之目側(cè)面21及顯示側(cè)面22均為非球面。

第三透鏡30具有負(fù)屈光率，朝向目側(cè)2的目側(cè)面31具有位于光軸附近區(qū)域的凹面部33以及位于圓周附近區(qū)域的凹面部34，而朝向顯示側(cè)3的顯示側(cè)面32具有位于光軸附近區(qū)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(cè)面31及顯示側(cè)面32均為非球面。

第四透鏡40具有負(fù)屈光率，朝向目側(cè)2的目側(cè)面41具有位于光軸附近區(qū)域的凹面部43以及位于圓周附近區(qū)域的凸面部44，而朝向顯示側(cè)3的顯示側(cè)面42具有位于光軸附近區(qū)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(cè)面41及顯示側(cè)面42均為非球面。

在本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)1中，從第一透鏡10到第四透鏡40中，所有目側(cè)面11/21/31/41與顯示側(cè)面12/22/32/42共計(jì)八個(gè)曲面均為非球面，此等非球面系經(jīng)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(diǎn)，其與相切于非球面光軸上頂點(diǎn)之切面，兩者間的垂直距離)；

y表示非球面曲面上的點(diǎn)與光軸的垂直距離；

k為圓錐系數(shù)(conicconstant)；

ai為第i階非球面系數(shù)。

第一實(shí)施例目鏡光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)數(shù)據(jù)如圖23所示，非球面數(shù)據(jù)如圖24所示。在以下實(shí)施例之目鏡光學(xué)系統(tǒng)中，整體目鏡光學(xué)系統(tǒng)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(guān)察者視野角度的一半，又曲率半徑、厚度及焦距的單位均為毫米(mm)。而efl為36.4134毫米，ω為45.0008度，ttl為44.8263毫米，fno為9.1025，系統(tǒng)像高為27.328毫米。

第二實(shí)施例

請(qǐng)參閱圖9，例示本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)1的第二實(shí)施例。請(qǐng)注意，從第二實(shí)施例開(kāi)始，為簡(jiǎn)化并清楚表達(dá)圖式，僅在圖上特別標(biāo)示各透鏡與第一實(shí)施例不同之面型，而其余與第一實(shí)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(biāo)示。第二實(shí)施例在顯示面71上的縱向球差請(qǐng)參考圖10a、弧矢方向的像散像差請(qǐng)參考圖10b、子午方向的像散像差請(qǐng)參考圖10c、畸變像差請(qǐng)參考圖10d。第二實(shí)施例之設(shè)計(jì)與第一實(shí)施例類(lèi)似，僅曲率半徑、透鏡屈光率、透鏡曲率半徑、透鏡厚度、透鏡非球面系數(shù)或是后焦距等相關(guān)參數(shù)有別。

第二實(shí)施例詳細(xì)的光學(xué)數(shù)據(jù)如圖25所示，非球面數(shù)據(jù)如圖26所示。efl為38.8114毫米，ω為45.0009度，ttl為52.6607毫米，fno為9.6962，系統(tǒng)像高為27.325毫米。特別是：1.第二實(shí)施例的ω比第一實(shí)施例的大；2.第二實(shí)施例子午方向的像散像差比第一實(shí)施例的較佳。

第三實(shí)施例

請(qǐng)參閱圖11，例示本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)1的第三實(shí)施例。第三實(shí)施例在顯示面71上的縱向球差請(qǐng)參考圖12a、弧矢方向的像散像差請(qǐng)參考圖12b、子午方向的像散像差請(qǐng)參考圖12c、畸變像差請(qǐng)參考圖12d。第三實(shí)施例之設(shè)計(jì)與第一實(shí)施例類(lèi)似，僅曲率半徑、透鏡屈光率、透鏡曲率半徑、透鏡厚度、透鏡非球面系數(shù)或是后焦距等相關(guān)參數(shù)有別，以及第一透鏡10朝向目側(cè)2的目側(cè)面11具有位于圓周附近區(qū)域的凹面部14'。

第三實(shí)施例詳細(xì)的光學(xué)數(shù)據(jù)如圖27所示，非球面數(shù)據(jù)如圖28所示，efl為28.0126毫米，ω為45.0020度，ttl為40.0337毫米，fno為6.9568，系統(tǒng)像高為18.869毫米。特別是：1.第三實(shí)施例的sl比第一實(shí)施例的短；2.第三實(shí)施例子午方向的像散像差比第一實(shí)施例的較佳。

第四實(shí)施例

請(qǐng)參閱圖13，例示本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)1的第四實(shí)施例。第四實(shí)施例在顯示面71上的縱向球差請(qǐng)參考圖14a、弧矢方向的像散像差請(qǐng)參考圖14b、子午方向的像散像差請(qǐng)參考圖14c、畸變像差請(qǐng)參考圖14d。第四實(shí)施例之設(shè)計(jì)與第一實(shí)施例類(lèi)似，僅曲率半徑、透鏡屈光率、透鏡曲率半徑、透鏡厚度、透鏡非球面系數(shù)或是后焦距等相關(guān)參數(shù)有別，以及第一透鏡10朝向目側(cè)2的目側(cè)面11具有位于圓周附近區(qū)域的凹面部14'、第三透鏡30朝向顯示側(cè)3的顯示側(cè)面32具有位于圓周附近的凸面部37'、第四透鏡朝向目側(cè)2的目側(cè)面41具有位于光軸附近區(qū)域的凸面部43'以及朝向顯示側(cè)3的顯示側(cè)面42具有位于在圓周附近的凹面部47'。

第四實(shí)施例詳細(xì)的光學(xué)數(shù)據(jù)如圖29所示，非球面數(shù)據(jù)如圖30所示，efl為36.7209毫米，ω為45.0004度，ttl為47.9270毫米，fno為9.2018，系統(tǒng)像高為27.31毫米。

第五實(shí)施例

請(qǐng)參閱圖15，例示本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)1的第五實(shí)施例。第五實(shí)施例在顯示面71上的縱向球差請(qǐng)參考圖16a、弧矢方向的像散像差請(qǐng)參考圖16b、子午方向的像散像差請(qǐng)參考圖16c、畸變像差請(qǐng)參考圖16d。第五實(shí)施例之設(shè)計(jì)與第一實(shí)施例類(lèi)似，僅曲率半徑、透鏡屈光率、透鏡曲率半徑、透鏡厚度、透鏡非球面系數(shù)或是后焦距等相關(guān)參數(shù)有別，以及第二透鏡20朝向顯示側(cè)3的顯示側(cè)面22具有位于圓周附近區(qū)域的凹面部27'、第三透鏡30朝向目側(cè)2的目側(cè)面31具有位于光軸附近區(qū)域的凸面部33'以及位于圓周附近區(qū)域的凸面部34'、第四透鏡40朝向目側(cè)2的目側(cè)面41具有位于圓周附近區(qū)域的凹面部44'。

第五實(shí)施例詳細(xì)的光學(xué)數(shù)據(jù)如圖31所示，非球面數(shù)據(jù)如圖32所示，efl為42.4611毫米，ω為45.0003度，ttl為44.7710毫米，fno為10.5796，系統(tǒng)像高為26.825毫米。特別是：1.第五實(shí)施例的sl比第一實(shí)施例的短；2.第五實(shí)施例子午方向的像散像差比第一實(shí)施例的較佳。

第六實(shí)施例

請(qǐng)參閱圖17，例示本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)1的第六實(shí)施例。第六實(shí)施例在顯示面71上的縱向球差請(qǐng)參考圖18a、弧矢方向的像散像差請(qǐng)參考圖18b、子午方向的像散像差請(qǐng)參考圖18c、畸變像差請(qǐng)參考圖18d。第六實(shí)施例之設(shè)計(jì)與第一實(shí)施例類(lèi)似，不同之處在于，僅曲率半徑、透鏡屈光率、透鏡曲率半徑、透鏡厚度、透鏡非球面系數(shù)或是后焦距等相關(guān)參數(shù)有別，以及第一透鏡10朝向目側(cè)2的目側(cè)面11具有位于圓周附近區(qū)域的凹面部14'、第四透鏡朝向目側(cè)2的目側(cè)面41具有位于光軸附近區(qū)域的凸面部43'以及位于圓周附近區(qū)域的凹面部44'。

第六實(shí)施例詳細(xì)的光學(xué)數(shù)據(jù)如圖33所示，非球面數(shù)據(jù)如圖34所示，efl為30.1295毫米，ω為44.9997度，ttl為36.4973毫米，fno為7.5894，系統(tǒng)像高為25.8毫米。特別是：1.第六實(shí)施例的sl比第一實(shí)施例的短。

第七實(shí)施例

請(qǐng)參閱圖19，例示本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)1的第七實(shí)施例。第七實(shí)施例在顯示面71上的縱向球差請(qǐng)參考圖20a、弧矢方向的像散像差請(qǐng)參考圖20b、子午方向的像散像差請(qǐng)參考圖20c、畸變像差請(qǐng)參考圖20d。第七實(shí)施例之設(shè)計(jì)與第一實(shí)施例類(lèi)似，僅曲率半徑、透鏡屈光率、透鏡曲率半徑、透鏡厚度、透鏡非球面系數(shù)或是后焦距等相關(guān)參數(shù)有別，以及第三透鏡30朝向顯示側(cè)3的顯示側(cè)面32具有位于圓周附近的凸面部37'。

第七實(shí)施例詳細(xì)的光學(xué)數(shù)據(jù)如圖35所示，非球面數(shù)據(jù)如圖36所示，efl為31.6870毫米，ω為45.0031度，ttl為44.1791毫米，fno為7.8787，系統(tǒng)像高為20.723毫米。特別是：1.第七實(shí)施例的sl比第一實(shí)施例的短，2.第七實(shí)施例的的ω比第一實(shí)施例的大。

第八實(shí)施例

請(qǐng)參閱圖21，例示本發(fā)明目鏡光學(xué)系統(tǒng)1的第八實(shí)施例。第八實(shí)施例在顯示面71上的縱向球差請(qǐng)參考圖22a、弧矢方向的像散像差請(qǐng)參考圖22b、子午方向的像散像差請(qǐng)參考圖22c、畸變像差請(qǐng)參考圖22d。第八實(shí)施例之設(shè)計(jì)與第一實(shí)施例類(lèi)似，僅曲率半徑、透鏡屈光率、透鏡曲率半徑、透鏡厚度、透鏡非球面系數(shù)或是后焦距等相關(guān)參數(shù)有別，以及第四透鏡朝向目側(cè)2的目側(cè)面41具有位于圓周附近區(qū)域的凹面部44'。

第八實(shí)施例詳細(xì)的光學(xué)數(shù)據(jù)如圖37所示，非球面數(shù)據(jù)如圖38所示，efl為37.0412毫米，ω為45.0013度，ttl為43.4587毫米，fno為9.2224，系統(tǒng)像高為27.32毫米。特別是：1.第八實(shí)施例的sl比第一實(shí)施例的短，2.第八實(shí)施例的的ω比第一實(shí)施例的大。

另外，各實(shí)施例之重要參數(shù)則整理于圖39中。

申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)，本案的透鏡配置，具有以下的特征，以及可以達(dá)成的對(duì)應(yīng)功效：

1.第二透鏡20朝向目側(cè)2的目側(cè)面21具有位于圓周附近區(qū)域的凹面部24，搭配第四透鏡40朝向顯示側(cè)3的顯示側(cè)面42具有位于光軸附近區(qū)域的凹面部46，有利于放大影像。若選擇性地搭配第三透鏡30具有負(fù)屈光率、第一透鏡10朝向顯示側(cè)3的顯示側(cè)面12具有位于圓周附近區(qū)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(cè)3的顯示側(cè)面32具有位于光軸附近區(qū)域的凹面部36，能夠有效改善整體像差、提升成像質(zhì)量。

2.250毫米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(tǒng)之放大率可近似于250毫米與efl的比值。因此，當(dāng)滿(mǎn)足3≦250mm/efl≦15，使得系統(tǒng)放大率不致過(guò)大而增加透鏡厚度與制造困難度，且efl不致過(guò)長(zhǎng)而影響系統(tǒng)長(zhǎng)度。

3.40°≦ω不致讓觀(guān)察者感到視覺(jué)狹窄，較佳的限制為40°≦ω≦60°，不致增加設(shè)計(jì)的難度。

4.滿(mǎn)足下列條件式，目的為使各透鏡的厚度與間隔維持一適當(dāng)值，避免任一參數(shù)過(guò)大而不利于該目鏡光學(xué)系統(tǒng)整體之薄型化，或是避免任一參數(shù)過(guò)小而影響組裝或是提高制造上之困難度。

g34/(g12+g23)≦10.9，較佳的范圍為0≦g34/(g12+g23)≦10.9；

aag/(g12+g23)≦11.9，較佳的范圍為1.0≦aag/(g12+g23)≦11.9；

alt/t1≦5，較佳的范圍為1.8≦alt/t1≦5；

aag/t1≦3.7，較佳的范圍為0.03≦aag/t1≦3.7；

t1/t2≦1.3，較佳的范圍為0.2≦t1/t2≦1.3；

ttl/t1≦10.7，較佳的范圍為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(mǎn)足下列條件式，目的是為使系統(tǒng)焦距與光學(xué)各參數(shù)維持一適當(dāng)值，避免任一參數(shù)過(guò)大而不利于該目鏡光學(xué)系統(tǒng)整體之像差的修正，或是避免任一參數(shù)過(guò)小而影響組裝或是提高制造上之困難度。

efl/er≦4.1，較佳的范圍為0.8≦efl/er≦4.1。

6.滿(mǎn)足下列條件式，目的是位使出瞳距離與光學(xué)各參數(shù)維持一適當(dāng)值，避免任一參數(shù)過(guò)大而不利于該目鏡光學(xué)系統(tǒng)離眼睛距離太遠(yuǎn)或太近造成眼睛不適，或是避免任一參數(shù)過(guò)小而影響組裝或是提高制造上之困難度。

alt/er≦3.4，較佳的范圍為0.4≦alt/er≦3.4；

ttl/er≦4.4，較佳的范圍為1.3≦ttl/er≦4.4；

sl/er≦5.4，較佳的范圍為2.3≦sl/er≦5.4。

7.滿(mǎn)足下列條件式，使光學(xué)組件參數(shù)與目鏡光學(xué)系統(tǒng)長(zhǎng)度比值維持一適當(dāng)值，避免參數(shù)過(guò)小不利于生產(chǎn)制造，或是避免參數(shù)過(guò)大而使得目鏡光學(xué)系統(tǒng)長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)。

sl/er≦5.4，較佳的范圍為2.3≦sl/er≦5.4；

sl/(g12+g23)≦30.7，較佳的范圍為2.5≦sl/(g12+g23)≦30.7。

8.借著限制第三透鏡的厚度與目鏡光學(xué)系統(tǒng)中其他透鏡或空氣間隙厚度的關(guān)系，使得t3不至過(guò)小或過(guò)大，有利于降低第一透鏡至第二透鏡產(chǎn)生的像差。

t3/(g12+g23)≦16.5，較佳的范圍為0.02≦t3/(g12+g23)≦16.5；

(t1+g4d)/(g23+t3)≦3.6，較佳的范圍為0.3≦(t1+g4d)/(g23+t3)≦3.6；

t1/t3≦1.6，較佳的范圍為0.3≦t1/t3≦1.6。

9.借著限制第四透鏡的厚度與目鏡光學(xué)系統(tǒng)中其他透鏡或空氣間隙厚度的關(guān)系，使得t4不至過(guò)小或過(guò)大，有利于降低第一透鏡至第三透鏡產(chǎn)生的像差。

t4/t1≦1.6，較佳的范圍為0.07≦t4/t1≦1.6；

t4/(g12+g23)≦6.4，較佳的范圍為0.01≦t4/(g12+g23)≦6.4。

此外，另可選擇實(shí)施例參數(shù)之任意組合關(guān)系增加系統(tǒng)限制，以利于本發(fā)明相同架構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

有鑒于光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不可預(yù)測(cè)性，在本發(fā)明的架構(gòu)之下，符合上述條件式能較佳地使本發(fā)明系統(tǒng)長(zhǎng)度縮短、半視角增加、成像質(zhì)量提升，或組裝良率提升而改善先前技術(shù)的缺點(diǎn)。

前述所列之示例性限定關(guān)系式，亦可任意選擇性地合并不等數(shù)量施用于本發(fā)明之實(shí)施態(tài)樣中，并不限于此。在實(shí)施本發(fā)明時(shí)，除了前述關(guān)系式之外，亦可針對(duì)單一透鏡或廣泛性地針對(duì)多個(gè)透鏡額外設(shè)計(jì)出其他更多的透鏡的凹凸曲面排列等細(xì)部結(jié)構(gòu)，以加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)性能及/或分辨率的控制，舉例來(lái)說(shuō)，第一透鏡的物側(cè)面上可選擇性地額外形成有一位于光軸附近區(qū)域的凸面部。須注意的是，此些細(xì)節(jié)需在無(wú)沖突之情況之下，選擇性地合并施用于本發(fā)明之其他實(shí)施例當(dāng)中。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可以理解的是，上述實(shí)施例是示例性的，不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。