光学镜头的制作方法

本发明是有关于一种光学镜头，并且特别涉及一种波导显示器具有光学镜头。
背景技术：
：具有波导(waveguide)的显示器(波导显示器)依其影像源的种类可区分为具有自发光面板架构、穿透式面板架构以及反射式面板架构。具有自发光或穿透式面板架构的波导显示器，上述各种形式的面板所提供的影像光束经过光学镜头，由耦合入口进入波导。接着，影像光束在波导中传递至耦合出口，再将影像光束投射至人眼的位置，形成影像。其中，反射式面板架构的波导显示器，其光源提供的照明光束经照明光学装置的传递后，藉由照明棱镜将照明光束照射在反射式面板上，反射式面板将照明光束转换成影像光束，因此反射式面板将影像光束传递至光学镜头，影像光束经过光学镜头导入波导中。接着，影像光束在波导中传递至耦合出口，再将影像光束投射至人眼位置。光学镜头会将影像源(面板)产生的影像在一定距离外形成一个虚像，此虚像透过人眼再成像在视网膜上。光学镜头应用在波导显示器中，光学镜头在设计上尺寸大小与重量的考量是重要的议题。“
背景技术：
”段落只是用来帮助了解本技术实现要素：，因此在“
背景技术：
”段落所揭露的内容可能包含一些没有构成本领域技术人员所知道的已知技术。在“
背景技术：
”段落所揭露的内容，不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，在本发明申请前已被本领域技术人员所知晓或认知。
发明内容本发明提供一种光学镜头，其尺寸小、重量轻、视角大且解析度高。本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。为达上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提出一种光学镜头包括从出光侧往入光侧依序排列的第一透镜、第二透镜及第三透镜。入光侧设置光阀。光学镜头用于接收光阀所提供的影像光束。影像光束在出光侧形成光栏。光栏具有影像光束的光束缩束(beamshrinkage)的最小截面积。基于上述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本发明的示范实施例中，光学镜头的设计符合预先设定的规范，使得光学镜头缩短光学镜头整体的长度，使得显示器的外观体积变小，以及考量光学镜头中所有镜片的材料，使得光学镜头的重量变轻，进而让显示器的重量变轻。此外，避免波导的视场角(fov)变大时，则光学镜头的设计也会随着变为复杂，进而导致显示器的体积与重量也跟着变大与变重的问题。因此本发明光学镜头具有尺寸小、重量轻、视角大且解析度高的优点。为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。附图说明图1绘示本发明一实施例的波导显示器的概要示意图。图2a是图1的光学镜头的像散场曲图及畸变图。图2b是图1的光学镜头的横向色差图。图2c是图1的光学镜头的调制转换函数曲线图。图2d是图1的光学镜头的光程差图。图2e是图1的光学镜头的横向光束扇形图。图3绘示本发明另一实施例的波导显示器的概要示意图。图4绘示本发明另一实施例的波导显示器的概要示意图。图5绘示本发明另一实施例的波导显示器的概要示意图。图6a是图5的光学镜头的像散场曲图及畸变图。图6b是图5的光学镜头的横向色差图。图6c是图5的光学镜头的调制转换函数曲线图。图6d是图5的光学镜头的光程差图。图6e是图5的光学镜头的横向光束扇形图。图7绘示本发明另一实施例的波导显示器的概要示意图。图8绘示本发明另一实施例的波导显示器的概要示意图。具体实施方式有关本发明之前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的一优选实施例的详细说明中，将可清楚地呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。图1绘示本发明一实施例的波导显示器的概要示意图。请参考图1，本实施例的波导显示器100是应用于具有波导元件130的头戴式显示装置，但本发明不限于此。在本实施例中，波导显示器100包括光学镜头110、照明棱镜(第二棱镜)120、波导元件130及光阀150。在相对于光学镜头110的入光侧is设置光阀150。光阀150可以是数字微型反射镜元件(digitalmicromirrordevice，dmd)或反射式液晶显示器(liquidcrystalonsilicon，lcos)等影像显示元件，在其他实施例中，光阀150可以是透光式的空间光调制器，例如透光液晶面板(transparentliquidcrystalpanel)等，在使用可移除照明棱镜120，本发明对光阀150的型态及其种类并不加以限制。照明棱镜120设置在光学镜头110与光阀150之间。光阀150所提供的影像光束im，通过照明棱镜120，并且进入光学镜头110。光学镜头110适于接收影像光束im。在本实施例中，在光阀150与照明棱镜120之间设置玻璃盖(coverglass)140，以保护光阀150避免灰尘的影响。在本实施例中，影像光束im在经过光学镜头110之后，在相对于光学镜头110的出光侧es形成光栏(stop)st。在本实施例中，影像光束im所形成的光栏st位于波导元件130中。光栏st具有影像光束im的光束缩束的最小截面积。举例而言，在本实施例中，位于x轴与y轴形成的参考平面上，光栏st例如是圆形，并且在x轴方向上与在y轴方向上的直径尺寸一致。在本实施例中，影像光束im经过光学镜头110之后形成光栏st，光栏st具有影像光束im的光束缩束的最小截面积。因此，影像光束im在经过光学镜头110之后缩束至光栏st，并且在通过光栏st之后发散。在本实施例中，影像光束im由光栏st之后在波导元件130中传递，再投射到预设的目标。在一实施例中，所述预设的目标例如是人眼。在本实施例中，其中一种情况为光学镜头110符合0.3<b/d<2.5，其中b为光学镜头110的镜头总长，且d为光学镜头110中最大透镜的通光口径(clearaperture)，在本实施例中，例如为第一透镜112的通光口径。在本实施例中，另一种情况为光学镜头110符合0.1<a/b<3.5，其中a为光栏st与光学镜头110在光轴oa上的距离，也就是光栏st与第一透镜112的出光面的距离。在本实施例中，又另一种情况为光学镜头110符合2<(a+c)×fov/(b×d)<30，其中c为光学镜头110与光阀150在光轴oa上的距离，也可为照明棱镜120靠近出光侧es的表面与光阀150在光轴oa上的距离，且fov为光学镜头110的视场角。在本实施例中，又另一种情况为光学镜头110符合e/f<1，其中光栏st的形状为圆形，e是光栏st的直径，且光阀150是矩形或方形，f是光阀150的对角线的长度。在本实施例中，又另一种情况为光学镜头110同时符合0.3<b/d<2.5，0.1<a/b<3.5，2<(a+c)×fov/(b×d)<30，e/f<1。上述参数a、b、c、d、e、f、fov的定义同上所述。在本实施例中，上述参数a、b、c、d、e、f例如分别是15.5毫米(millimeters)、7.51毫米、10.4毫米、8.6毫米、3.76毫米、7.93毫米。这些参数的数值不用以限定本发明。在本实施例中，光学镜头110的视场角为40度。在本实施例中，光学镜头110包括从出光侧es往入光侧is依序排列的第一透镜112、第二透镜114及第三透镜116。第一透镜112、第二透镜114及第三透镜116的屈光度依序为正、负及正。在本实施例中，第一透镜112为双凸透镜，第二透镜114为双凹透镜，且第三透镜116为双凸透镜。在本实施例中，第一透镜112及第三透镜116为玻璃非球面透镜，第二透镜114为塑胶非球面透镜。在另一实施例中，第一透镜112、第二透镜114及第三透镜116为塑胶非球面透镜。以下内容将举出光学镜头110的一实施例。需注意的是，以下内容所列的数据资料并非用以限定本发明，任何本领域技术人员在参照本发明之后，当可对其参数或设定作适当的更改，但其仍应属于本发明的范畴内。表一请参照图1及表一，表一中列出各个透镜(包括第一透镜112至第三透镜116)的表面。举例而言，表面s1为第一透镜112面向出光侧es的表面，而表面s2为第一透镜112面向入光侧is的表面，以此类推。另外，间距是指两相邻表面之间于光轴oa上的直线距离。举例来说，对应表面s1的间距，即表面s1至表面s2间于光轴oa上的直线距离，而对应表面s2的间距，即表面s2至表面s3间于光轴oa上的直线距离，以此类推。在本实施例中，第一透镜112、第二透镜114及第三透镜116可为非球面透镜。非球面透镜的公式如下所示：上式中，x为光轴oa方向的偏移量(sag)，r是密切球面(osculatingsphere)的半径，也就是接近光轴oa处的曲率半径(如表一所列的曲率半径)。k是二次曲面系数(conic)，y是非球面高度，即为从透镜中心往透镜边缘的高度，而系数a2、a4、a6、a8、a10、a12为非球面系数(asphericcoefficient)。在本实施例中，系数a2为0。以下表二所列出的是各透镜的表面的参数值。表二s1s2s3s4s5s6k00-3.38e-001-3.20e+000-4.99e+0000a4-1.10e-0049.48e-004-2.19e-003-1.18e-0032.45e-0047.06e-004a61.23e-005-5.98e-0052.08e-0041.54e-004-4.95e-005-3.66e-005a8-1.06e-0063.44e-006-5.46e-006-1.17e-0066.20e-0064.64e-006a103.74e-008-1.02e-007-5.52e-008-2.32e-007-2.96e-007-2.54e-007a121.30e-0121.61e-0093.14e-0096.60e-0095.40e-0094.93e-009图2a是图1的光学镜头的像散场曲(fieldcurvature)图及畸变图。图2b是图1的光学镜头的横向色差图，其是以波长465纳米(nm)、525纳米、630纳米的光所作出的模拟数据图，纵座标为艾瑞盘(airydisc)。图2c是图1的光学镜头的调制转换函数曲线图，其中横座标为焦点偏移量(focusshift)，纵座标为光学转移函数的模数(modulusoftheotf)。图2d是图1的光学镜头的光程差图。图2e是图1的光学镜头的横向光束扇形图(transverserayfanplot)，525纳米为例。图2a至图2e所显示出的图形均在标准的范围内，由此可验证本实施例的光学镜头110能够达到良好的成像效果。此外，由图2d可知，在光阀150的主动表面上，影像光束im具有opd的范围是-2.0λ<opd<2.0λ，其中opd为在各视场角的光程差，λ为各色光的波长，且影像光束im包括红色光、绿色光、蓝色光。光阀150的主动表面是影像光束im出射的表面。进一步说明，此光程差的设计，熟知此
技术领域：
的人员容易可知道在设计光学镜头时，透过光学模拟的方式从光平面反推回在影像源需提供的影像光束在各视场角的光程差。在本实施例中，光学镜头110的设计符合预先设定的规范，可以解析至少93lp/mm解析度的影像，因此光学镜头110的尺寸小、重量轻、视角大且具有高解析度。图3绘示本发明另一实施例的波导显示器的概要示意图。请参考图3，本实施例的波导显示器200类似于图1的波导显示器100，但两者之间主要的差异例如在于波导显示器200还包括转折棱镜260(第一棱镜)以及波导元件230的设计。在本实施例中，转折棱镜260设置在光学镜头110与光栏st之间。影像光束im离开光学镜头110，通过转折棱镜260后改变其传递方向，而会聚至光栏st。影像光束im在通过光栏st之后发散。在本实施例中，波导元件230包括耦合入口232及耦合出口234。耦合入口232及耦合出口234例如是影像光束入射至波导元件230的表面区域与影像光束离开波导元件230的表面区域。光栏st形成在波导元件230的耦合入口232。影像光束im通过光栏st经由耦合入口232进入波导元件230，并且传递至波导元件230的耦合出口234，再投射到目标900。此处的投射目标900例如是人眼。在本实施例中，其中一种情况为光学镜头110符合0.3<b/d<2.5；另一种情况为光学镜头110符合0.1<a/b<3.5；又另一种情况为光学镜头110符合2<(a+c)×fov/(b×d)<30；又另一种情况为光学镜头110符合e/f<1；另一种情况为光学镜头110同时符合0.3<b/d<2.5，0.1<a/b<3.5，2<(a+c)×fov/(b×d)<30，e/f<1。其中a为光栏st与光学镜头110在光轴oa上的距离。在本实施例中，a为第一透镜112的表面s1与转折棱镜260的表面s7在光轴oa上的距离以及转折棱镜260的表面s7与光栏st的表面在光轴oa上的距离的总和。在本实施例中，上述参数a、b、c、d、e、f例如分别是11.8毫米、7.51毫米、10.4毫米、8.6毫米、3.76毫米、7.93毫米。这些参数的数值不用以限定本发明。图4绘示本发明另一实施例的波导显示器的概要示意图。请参考图4，本实施例的波导显示器300类似于图1的波导显示器100，但两者之间主要的差异例如在于波导元件230的设计。此外，在本实施例中，在光栏st与第一透镜112之间无玻璃块或棱镜。影像光束im离开光学镜头110后在空气中传递而会聚至光栏st。在本实施例中，其中一种情况为光学镜头110符合0.3<b/d<2.5；另一种情况为光学镜头110符合0.1<a/b<3.5；又另一种情况为光学镜头110符合2<(a+c)×fov/(b×d)<30；又另一种情况为光学镜头110符合e/f<1；在另一种情况为光学镜头110同时符合0.3<b/d<2.5，0.1<a/b<3.5，2<(a+c)×fov/(b×d)<30，e/f<1。在本实施例中，上述参数a、b、c、d、e、f例如分别是8毫米、7.51毫米、10.4毫米、8.6毫米、3.76毫米、7.93毫米。这些参数的数值不用以限定本发明。图5绘示本发明另一实施例的波导显示器的概要示意图。请参考图5，本实施例的波导显示器400例如是具有波导元件130的头戴式显示装置，但本发明不限于此。在本实施例中，波导显示器400包括光学镜头410、照明棱镜(第二棱镜)120、波导元件130及光阀150。入光侧is设置光阀150。照明棱镜120设置在光学镜头410与光阀150之间。光阀150所提供的影像光束im，通过照明棱镜120，并且进入光学镜头410。光学镜头410适于接收影像光束im。在本实施例中，在光阀150与照明棱镜120之间设置玻璃盖(coverglass)140，以保护光阀150。在本实施例中，影像光束im在经过光学镜头410之后，在出光侧es形成光栏st。光栏st具有影像光束im的光束缩束的最小截面积。在本实施例中，影像光束im通过光栏st之后进入波导元件130，再投射到预设的目标。在一实施例中，所述预设的目标例如是人眼。在本实施例中，其中一种情况为光学镜头410符合0.3<b/d<2.5，其中b为光学镜头410的镜头总长，且d为光学镜头410中最大透镜的通光口径，在本实施例中，例如为第二透镜414的通光口径。在本实施例中，另一种情况为光学镜头410符合0.1<a/b<3.5，其中a为光栏st与光学镜头410在光轴oa上的距离。在本实施例中，又另一种情况为光学镜头410符合2<(a+c)×fov/(b×d)<30，其中c为光学镜头410与光阀150在光轴oa上的距离，且fov为光学镜头410的视场角。在本实施例中，又另一种情况为光学镜头410符合e/f<1，其中光栏st的形状为圆形，e是光栏st的直径，且光阀150是矩形或方形，f是光阀150的对角线的长度。在本实施例中，又另一种情况为光学镜头410同时符合0.3<b/d<2.5，0.1<a/b<3.5，2<(a+c)×fov/(b×d)<30，e/f<1。上述参数a、b、c、d、e、f、fov的定义同上所述。在本实施例中，上述参数a、b、c、d、e、f例如分别是12.49毫米、11.55毫米、10.4毫米、8.4毫米、3.84毫米、7.93毫米。这些参数的数值不用以限定本发明。在本实施例中，光学镜头410的视场角为40度。在本实施例中，光学镜头410包括从出光侧es往入光侧is依序排列的第一透镜412、第二透镜414、第三透镜416及第四透镜418。第一透镜412、第二透镜414、第三透镜416及第四透镜418的屈光度依序为负、正、负及正。在本实施例中，第一透镜412为凸凹透镜且具有一朝向入光侧is的凸面，第二透镜414为双凸透镜，第三透镜416为凸凹透镜且具有一朝向出光侧es的凸面，且第四透镜418为双凸透镜。在本实施例中，第一透镜412、第二透镜414、第三透镜416及第四透镜418为塑胶非球面透镜，但不以此为限制。举例而言，光学镜头410共四片透镜，但不以此为限。光栏st的直径约为4mm，接近一般人眼瞳孔的大小(约为3～6mm)。光栏st的大小也接近光阀150的短边宽度(例如为3.888mm)，但是小于光阀150的对角线(例如为7.93mm)，其中光阀150的对角线代表光学镜头410的成像圈ima(imagecircle)。例如光阀是使用0.3英寸的720pdmd装置。在此光学镜头410的设计下，人眼可以看到相当于2公尺(m)外的57英寸(inch)大小的虚像，此时的放大倍率约为190倍。此外，本实施例中的光学镜头410具有焦距与像高的关系式如下：像高＝焦距xtan(视场半角)，其中像高例如为3.965mm，设计视场角为40度，则视场半角为20度，使得光学镜头410的有效焦距大致为10.89mm。以下内容将举出光学镜头410的一实施例。需注意的是，以下内容所列的数据资料并非用以限定本发明，任何本领域技术人员在参照本发明之后，当可对其参数或设定作适当的更改，但其仍应属于本发明的范畴内。表三请参照图5及表三，表三中列出各个透镜(包括第一透镜412至第四透镜418)的表面。举例而言，表面s1为第一透镜412面向出光侧es的表面，而表面s2为第一透镜412面向入光侧is的表面，以此类推。另外，间距是指两相邻表面之间于光轴oa上的直线距离。举例来说，对应表面s1的间距，即表面s1至表面s2间于光轴oa上的直线距离，而对应表面s2的间距，即表面s2至表面s3间于光轴oa上的直线距离，以此类推。在本实施例中，第一透镜412、第二透镜414、第三透镜416及第四透镜418可为非球面透镜。非球面透镜的公式如下所示：上式中，x为光轴oa方向的偏移量(sag)，r是密切球面(osculatingsphere)的半径，也就是接近光轴oa处的曲率半径(如表一所列的曲率半径)。k是二次曲面系数(conic)，y是非球面高度，即为从透镜中心往透镜边缘的高度，而系数a2、a4、a6、a8、a10、a12为非球面系数(asphericcoefficient)。在本实施例中，系数a2为0。以下表四所列出的是各透镜的表面的参数值。表四s1s2s3s4s5s6s7s8k-7.13e-0010.00e+0000.00e+0000.00e+000-3.38e-001-2.45e+000-3.58e+0000.00e+000a42.95e-0036.13e-004-1.66e-0042.43e-003-5.24e-003-1.61e-0041.64e-0031.42e-003a6-4.78e-004-9.29e-005-2.08e-005-1.77e-0041.87e-0043.33e-005-5.77e-005-4.97e-005a83.99e-0056.10e-006-5.94e-0076.03e-006-1.00e-0066.44e-0066.44e-0066.60e-006a10-2.13e-006-2.58e-0083.37e-008-1.08e-007-1.42e-007-4.02e-007-3.34e-007-3.52e-007a125.33e-008-5.21e-033-5.21e-0331.61e-0093.14e-0096.60e-0095.40e-0094.93e-009图6a是图5的光学镜头的像散场曲(fieldcurvature)图及畸变图。图6b是图5的光学镜头的横向色差图，其是以波长465纳米(nm)、525纳米、630纳米的光所作出的模拟数据图，纵座标为艾瑞盘(airydisc)。图6c是图5的光学镜头的调制转换函数曲线图，其中横座标为焦点偏移量(focusshift)，纵座标为光学转移函数的模数(modulusoftheotf)。图6d是图5的光学镜头的光程差图。图6e是图5的光学镜头的横向光束扇形图(transverserayfanplot)，以525纳米为例。图6a至图6e所显示出的图形均在标准的范围内，由此可验证本实施例的光学镜头410能够达到良好的成像效果。此外，由图6d可知，在光阀150的主动表面上，影像光束im具有opd的范围是-1.5λ<opd<1.5λ，其中opd为在各视场角的光程差，λ为各色光的波长，且影像光束im包括红色光、绿色光、蓝色光。在本实施例中，光学镜头410的设计符合预先设定的规范，因此光学镜头410的尺寸小、重量轻、视角大且解析度高。图7绘示本发明另一实施例之波导显示器的概要示意图。请参考图7，本实施例之波导显示器500类似于图5的波导显示器400，但两者之间主要的差异例如在于波导显示器500还包括转折棱镜260(第一棱镜)以及波导元件230的设计。在本实施例中，转折棱镜260设置在光学镜头410与光栏st之间。影像光束im离开光学镜头410，通过转折棱镜260后改变其传递方向，而会聚至光栏st。影像光束im在通过光栏st之后发散。在本实施例中，波导元件230包括耦合入口232及耦合出口234。光栏st形成在波导元件230的耦合入口232。影像光束im通过光栏st经由耦合入口232进入波导元件230，并且传递至波导元件230的耦合出口234，再投射到目标900。此处的投射目标900例如是人眼。在本实施例中，其中一种情况为光学镜头410符合0.3<b/d<2.5；另一种情况为光学镜头410符合0.1<a/b<3.5；又另一种情况为光学镜头410符合2<(a+c)×fov/(b×d)<30；又另一种情况为光学镜头410符合e/f<1；又另一种情况为光学镜头410同时符合0.3<b/d<2.5，0.1<a/b<3.5，2<(a+c)×fov/(b×d)<30，e/f<1。其中a为光栏st与光学镜头410在光轴oa上的距离。在本实施例中，a为第一透镜412的表面s1与转折棱镜260的表面s7在光轴oa上的距离以及转折棱镜260的表面s7与光栏st的表面在光轴oa上的距离的总和。在本实施例中，上述参数a、b、c、d、e、f例如分别是9.6毫米、11.55毫米、10.4毫米、8.4毫米、3.84毫米、7.93毫米。这些参数的数值不用以限定本发明。图8绘示本发明另一实施例之波导显示器的概要示意图。请参考图8，本实施例的波导显示器600类似于图5的波导显示器400，但两者之间主要的差异例如在于波导元件230的设计。此外，在本实施例中，在光栏st与第一透镜412之间无玻璃块或棱镜。影像光束im离开光学镜头410后在空气中传递而会聚至光栏st。在本实施例中，其中一种情况为光学镜头410符合0.3<b/d<2.5；另一种情况为光学镜头410符合0.1<a/b<3.5；又另一种情况为光学镜头410符合2<(a+c)×fov/(b×d)<30；又另一种情况为光学镜头410符合e/f<1；又另一种情况为光学镜头410同时符合0.3<b/d<2.5，0.1<a/b<3.5，2<(a+c)×fov/(b×d)<30，e/f<1。在本实施例中，上述参数a、b、c、d、e、f例如分别是6.45毫米、11.55毫米、10.4毫米、8.4毫米、3.84毫米、7.93毫米。这些参数的数值不用以限定本发明。综上所述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本发明的示范实施例中，光学镜头的设计符合预先设定的规范，因此光学镜头的尺寸小、重量轻、视角大且解析度高。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即所有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改，皆仍属于本发明专利覆盖的范围。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要和发明名称仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书或权利要求书中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。当前第1页12