虚拟实境用的放大透镜组的制作方法

本发明涉及一种透镜组合，特别是涉及一种虚拟实境用的放大透镜组。

背景技术：

虚拟实境(virtualreality，vr)是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉等感官的模拟，让使用者感觉仿佛身历其境。

头戴式显示器(headmountdisplay，hmd)为一种穿戴于使用者头上的影像显示器，以用来提供虚拟实境的视觉感官模拟呈现平台装置。头戴式显示器主要是将一个微小尺寸的显示元件，以眼镜或头盔等形式放置于使用者眼前，且通过一个光学透镜组近距离对使用者眼睛投射该显示元件所显示的影像。

然而，上述光学透镜组必须能将上述显示元件的影像放大后，并以一较大视场角对于使用者的眼睛产生较广视角影像投射，尽可能涵盖使用者眼睛的视场角范围，且上述光学透镜组同时须具有良好的成像质量，从而能让投射进使用者眼睛的影像模拟更接近眼睛实际上所接受到的环境影像，以让使用者身历其境的视觉感受能有所提升。

经由上述说明可知，如何制作出符合虚拟实境用的头带式显示器所需求的光学透镜组，并持续提升其成像质量，长久以来一直是本领域产、官、学界所热切追求的目标。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有广视场角、能有效校正系统像差及校正系统色差的虚拟实境用的放大透镜组。

本发明的虚拟实境用的放大透镜组，从物侧至像侧沿一个光轴依序包含一个孔径光栏、一个第一透镜、一个第二透镜，及一个第三透镜。

该第一透镜具正屈折力且包括一个朝向物侧且使成像光线通过的物侧面及一个朝向像侧且使成像光线通过的像侧面。该第一透镜的该像侧面为凸向像侧的凸面。

该第二透镜具负屈折力且包括一个朝向物侧且使成像光线通过的物侧面及一个朝向像侧且使成像光线通过的像侧面。

该第三透镜具负屈折力且包括一个朝向物侧且使成像光线通过的物侧面及一个朝向像侧且使成像光线通过的像侧面。该第三透镜的该像侧面为凸向像侧的非球面凸面且从该光轴至非球面终止点具有至少一个反曲点。

其中，该放大透镜组满足0.26<f1/f<0.65、0.57<|f2|/f<2.29、0.36<|f3|/f<0.77及fov>100°，f1为该第一透镜的焦距，f2为该第二透镜的焦距，f3为该第三透镜的焦距，f为该放大透镜组的系统总焦距，fov为该放大透镜组的系统总视场角。

本发明的虚拟实境用的放大透镜组，还满足20<v1-v3<40，v1为该第一个透镜的阿贝数，v3为该第三透镜的阿贝数。

本发明的虚拟实境用的放大透镜组，还满足20<v2-v3<40，v2为该第二透镜的阿贝数，v3为该第三透镜的阿贝数。

本发明的有益效果在于：通过该第一透镜具正屈折力及其像侧面为凸面、该第二透镜具负屈折力，且该第三透镜具有负屈折力及其像侧面为凸面的透镜屈折力及面结构配置，且该放大透镜组的各项光学参数间的关系式满足上述条件式时，本发明虚拟实境用的放大透镜组能有效校正系统像差，同时达到具有较广系统总视场角的目的。

附图说明

本发明的其他的特征及功效，将于参照图式的实施方式中清楚地呈现，其中：

图1是本发明虚拟实境用的放大透镜组的一个第一实施例的透镜配置示意图；

图2是该第一实施例的纵向球差、像散场曲曲线及畸变像差图；

图3是一个表格图，说明该第一实施例的各透镜的光学数据；

图4是一个表格图，说明该第一实施例的各透镜的锥面系数及非球面系数；

图5是本发明虚拟实境用的放大透镜组的一个第二实施例的透镜配置示意图；

图6是该第二实施例的纵向球差、像散场曲曲线及畸变像差图；

图7是一个表格图，说明该第二实施例的各透镜的光学数据；

图8是一个表格图，说明该第二实施例的各透镜的锥面系数及非球面系数；

图9是本发明虚拟实境用的放大透镜组的一个第三实施例的透镜配置示意图；

图10是该第三实施例的纵向球差、像散场曲曲线及畸变像差图；

图11是一个表格图，说明该第三实施例的各透镜的光学数据；

图12是一个表格图，说明该第三实施例的各透镜的锥面系数及非球面系数；

图13是本发明虚拟实境用的放大透镜组的一个第四实施例的透镜配置示意图；

图14是该第四实施例的纵向球差、像散场曲曲线及畸变像差图；

图15是一个表格图，说明该第四实施例的各透镜的光学数据；

图16是一个表格图，说明该第四实施例的各透镜的锥面系数及非球面系数；

图17是一个表格图，说明本发明虚拟实境用的放大透镜组的该第一实施例至该第四实施例的光学参数。

具体实施方式

在本发明被详细描述前，应当注意在以下的说明内容中，类似的元件是以相同的编号来表示。

参阅图1，本发明虚拟实境用的放大透镜组的一个第一实施例，从物侧至像侧沿一个光轴i依序包含一个孔径光栏10、一个第一透镜1、一个第二透镜2、一个第三透镜3，及一个保护玻璃片4。此外，为了满足产品轻量化的需求，该第一透镜1、该第二透镜2及该第三透镜3皆为塑胶材质所制成，但该第一透镜1、该第二透镜2及该第三透镜3的材质仍不以此为限制。

该第一透镜1具有正屈折力且包括一个朝向物侧且使成像光线通过的物侧面11及一个朝向像侧且使成像光线通过的像侧面12。该第一透镜1的该物侧面11为凸向物侧的凸面，该第一透镜1的该像侧面12为凸向像侧的凸面。该第一透镜1的焦距为17.7200mm，该第一透镜1的阿贝数(abbenumber)为56。

该第二透镜2具有负屈折力且包括一个朝向物侧且使成像光线通过的物侧面21及一个朝向像侧且使成像光线通过的像侧面22。该第二透镜2的该物侧面21为凹向物侧的凹面，该第二透镜2的该像侧面22为凸向像侧的凸面。该第二透镜2的焦距为-62.2120mm，该第二透镜2的阿贝数为56。

该第三透镜3具有负屈折力且包括一个朝向物侧且使成像光线通过的物侧面31及一个朝向像侧且使成像光线通过的像侧面32。该第三透镜3的该物侧面31为凹向物侧的凹面，该第三透镜3的该像侧面32为凸向像侧的非球面凸面且从该光轴i至非球面终止点具有一个反曲点，但不以此为限，也可视不同凹凸变化而具有两个以上的反曲点。该第三透镜3的焦距为-20.9150mm，该第三透镜3的阿贝数为22.4。

该保护玻璃片4不具有屈折力且包括一个朝向物侧且使成像光线通过的物侧面41及一个朝向像侧且使成像光线通过的像侧面42。

在本实施例中，一个用于虚拟实境的头戴式显示器的显示萤幕100是设置于该保护玻璃片4的像侧，而使用者的眼睛(图未示)是位于该放大透镜组的物侧，也就是邻近该孔径光栏10。

在本实施例中，只有上述透镜具有屈折力。该第一实施例的其他详细光学数据如图3所示，且该第一实施例的该放大透镜组的系统总焦距(effectivefocallength，简称efl)为35.3578mm，系统总视场角(fieldofview，简称fov)为125°，系统长度为58.604mm，该孔径光栏10的光圈值(fno)为4.4。其中，该放大透镜组的系统长度是指由该孔径光栏10到该显示萤幕100在光轴i上间的距离。

该第一透镜1、该第二透镜2，及该第三透镜3的物侧面11、21、31及像侧面12、22、32，共计六个面均是非球面，而非球面是依下列公式定义：

其中：

y：非球面曲线上的点与光轴i的距离；

z：非球面的深度(非球面上距离光轴i为y的点，与相切于非球面光轴i上顶点的切面，两者间的垂直距离)；

r:透镜表面的曲率半径；

k：锥面系数(conicconstant)；

a2i：第2i阶非球面系数。

该第一透镜1、该第二透镜2，及该第三透镜3的物侧面11、21、31及像侧面12、22、32在公式(1)中的锥面系数及各项非球面系数如图4所示。

参阅图2，(a)的图式说明该第一实施例的纵向球差(longitudinalsphericalaberration)，(b)与(c)的图式则分别说明该第一实施例有关弧矢(sagittal)方向的像散像差(astigmatismaberration)，及子午(tangential)方向的像散像差，(d)的图式则说明该第一实施例的畸变像差(distortionaberration)。本第一实施例的纵向球差图式图2(a)中，每一种波长所成的曲线皆很靠近并向中间靠近，说明每一种波长不同高度的离轴光线皆集中在成像点附近，由每一波长的曲线的偏斜幅度可看出，不同高度的离轴光线的成像点偏差控制在-0.4mm至+0.6mm范围内，所以本实施例确实明显改善相同波长的球差，此外，三种代表波长彼此间的距离也相当接近，代表不同波长光线的成像位置已相当集中，因而使色像差也获得明显改善。

在图2(b)与2(c)的两个像散像差图式中，显示弧矢方向的像散像差在整个视场范围内的焦距变化量落在±2.0mm内，及子午方向的像散像差在一个大角度以下的视场范围内的焦距变化量落在±2.0mm内，说明本第一实施例的光学系统能有效校正像差。而图2(d)的畸变像差图式则显示本第一实施例的畸变像差维持在-50％至0％的范围内，说明本第一实施例的畸变像差已符合光学系统的成像质量要求，所以本第一实施例能在扩大系统总视场角的条件下，维持良好光学性能，以符合虚拟实境用的头带式显示器的光学条件需求。

参阅图5，为本发明虚拟实境用的放大透镜组的一个第二实施例，其与该第一实施例大致相似，仅各光学数据、锥面系数、各项非球面系数及元件间的间距参数或多或少有些不同。

该第一透镜1的焦距为13.8850mm，该第一透镜1的阿贝数为56，该第二透镜2的焦距为-30.4890mm，该第二透镜2的阿贝数为56，该第三透镜3的焦距为-18.5750mm，该第三透镜3的阿贝数为22.4。

该第二实施例的其他详细光学及元件间的间距参数数据如图7所示，且该第二实施例的该放大透镜组的系统总焦距为35.9746mm，系统总视场角为120°，系统长度为67.838mm，该孔径光栏10的光圈值(fno)为4.49。

该第二实施例的该第一透镜1、该第二透镜2，及该第三透镜3的物侧面11、21、31及像侧面12、22、32在公式(1)中的锥面系数及各项非球面系数如图8所示。

参阅图6，由(a)的纵向球差、(b)、(c)的像散像差，以及(d)的畸变像差图式可看出本第二实施例也能维持良好光学性能。

参阅图9，为本发明虚拟实境用的放大透镜组的一个第三实施例，其与该第一实施例大致相似，仅各光学数据、锥面系数、各项非球面系数及元件间的间距参数或多或少有些不同。

该第一透镜1的焦距为13.9320mm，该第一透镜1的阿贝数为56，该第二透镜2的焦距为-31.8170mm，该第二透镜2的阿贝数为56，该第三透镜3的焦距为-19.3110mm，该第三透镜3的阿贝数为30.5。

该第三实施例的其他详细光学及元件间的间距参数数据如图11所示，且该第三实施例的该放大透镜组的系统总焦距为36.1157mm，系统总视场角为120°，系统长度为68.262mm，该孔径光栏10的光圈值(fno)为4.51。

该第三实施例的该第一透镜1、该第二透镜2，及该第三透镜3的物侧面11、21、31及像侧面12、22、32在公式(1)中的锥面系数及各项非球面系数如图12所示。

参阅图10，由(a)的纵向球差、(b)、(c)的像散像差，以及(d)的畸变像差图式可看出本第三实施例也能维持良好光学性能。

参阅图13，为本发明虚拟实境用的放大透镜组的一个第四实施例，其与该第一实施例大致相似，仅各光学数据、锥面系数、各项非球面系数及元件间的间距参数或多或少有些不同。

该第一透镜1的焦距为13.3880mm，该第一透镜1的阿贝数为56，该第二透镜2的焦距为-29.4270mm，该第二透镜2的阿贝数为56，该第三透镜3的焦距为-18.8640mm，该第三透镜3的阿贝数为30.5。

该第四实施例的其他详细光学及元件间的间距参数数据如图15所示，且该第四实施例的该放大透镜组的系统总焦距为36.0273mm，系统总视场角为120°，系统长度为67.932mm，该孔径光栏10的光圈值(fno)为4.5。

该第四实施例的该第一透镜1、该第二透镜2，及该第三透镜3的物侧面11、21、31及像侧面12、22、32在公式(1)中的锥面系数及各项非球面系数如图16所示。

参阅图14，由(a)的纵向球差、(b)、(c)的像散像差，以及(d)的畸变像差图式可看出本第四实施例也能维持良好光学性能。

参阅图17，为上述四个实施例的各项光学参数的表格图，本发明虚拟实境用的放大透镜组通过该第一透镜1具正屈折力及其像侧面12为凸面、该第二透镜2具负屈折力，且该第三透镜3具有负屈折力及其像侧面32为凸面的透镜屈折力及面结构配置，且该放大透镜组的各项光学参数间的关系式满足下列条件式时，本发明虚拟实境用的放大透镜组能有效校正系统像差，同时达到具有较广系统总视场角的目的：0.26<f1/f<0.65、0.57<|f2|/f<2.29、及0.36<|f3|/f<0.77，其中，f1为该第一透镜1的焦距，f2为该第二透镜2的焦距，f3为该第三透镜3的焦距，f为该放大透镜组的系统总焦距。

当f1/f小于上述端点值时，像差越大，特别是场曲与像散越严重。当f1/f大于上述端点值时，该孔径光栏10与该第一透镜1的距离越短，使用上眼睛容易与该第一透镜1接触，造成不适。当|f2|/f小于上述端点值时，像差越大，包括球差、慧差、场曲和像散都越严重。|f2|/f大于上述端点值时，因系统总焦距f的匹配关系，则f1/f也随之越大，则会发生上述f1/f问题。当|f3|/f小于上述端点值时，像差越大，特别是光轴上与光轴外色差的越难补偿。|f3|/f大于上述端点值时，因系统总焦距f的匹配关系，则f1/f也随之越大，则会发生上述f1/f问题。

此外，通过该第三透镜3具有高色散(低阿贝数)，也就是该第三透镜3、该第一透镜1及该第二透镜2三者的阿贝数满足下列条件式时，本发明虚拟实境用的放大透镜组能有效校正系统色差：20<v1-v3<40及20<v2-v3<40，其中，v1为该第一透镜1的阿贝数，v2为该第二透镜2的阿贝数，v3为该第三透镜3的阿贝数。当v1-v3或v2-v3小于上述端点值时，该放大透镜组的系统色差会校正不足。当v1-v3或v2-v3大于上述端点值时，该放大透镜组的系统色差会校正过度。

经由上述说明可知，本发明虚拟实境用的放大透镜组确实能达成本发明的目的。

以上所述者，仅为本发明的实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明的范围。