目镜光学系统的制作方法

目镜光学系统
1.本发明专利申请是分案申请。原案的申请号是201811101697.6，申请日是2018年09月20日，发明名称是：目镜光学系统。
技术领域
2.本发明涉及光学系统领域，尤其涉及一种目镜光学系统。


背景技术：

3.虚拟实境(virtual reality,vr)是利用计算机技术模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉等感官模拟，让使用者感觉身历其境。目前现有的vr装置都是以视觉体验为主。藉由对应左右眼的两个视角略有差异的分割画面来模拟人眼的视差，以达到立体视觉。为了缩小虚拟实境装置的体积，让使用者藉由较小的显示画面得到放大的视觉感受，具有放大功能的目镜光学系统成了vr研究发展的其中一个主题。
4.就现有的目镜光学系统而言面临以下的问题：半眼视视角较小，让观察者感到画面周围有黑幕，因此使用者对虚拟世界的沉浸感有待提升。此外，若加大半眼视视角将造成镜片与显示画面的体积与重量倍增。因此，如何增加半眼视视角并降低系统的体积与重量是目镜光学系统是一个需要改善的问题。


技术实现要素：

5.本发明提供一种目镜光学系统，其具有轻薄、较大半眼视视角及良好的成像质量。
6.本发明的一实施例提供一种目镜光学系统，用于使成像光线从显示画面经目镜光学系统进入观察者眼睛成像。朝向眼睛的方向为目侧。朝向显示画面的方向为显示侧，由目侧至显示侧沿光轴依序包括第一透镜及第二透镜。第一透镜与第二透镜各自包括一朝向目侧且使成像光线通过的一目侧面及一朝向显示侧且使成像光线通过的显示侧面。第一透镜具有正屈光率。第二透镜具有正屈光率且第二透镜的目侧面的圆周区域为平面。目镜光学系统的透镜只有上述两片透镜。目镜光学系统具符合下列条件：0.400≦t1/t2≦2.000。
7.本发明的一实施例提供一种目镜光学系统，用于使成像光线从显示画面经目镜光学系统进入观察者眼睛成像。朝向眼睛的方向为目侧。朝向显示画面的方向为显示侧，由目侧至显示侧沿光轴依序包括第一透镜及第二透镜。第一透镜与第二透镜各自包括一朝向目侧且使成像光线通过的一目侧面及一朝向显示侧且使成像光线通过的显示侧面。第一透镜具有正屈光率且第一透镜的目侧面的光轴区域为平面。第二透镜具有正屈光率且第二透镜的目侧面的光轴区域为平面。目镜光学系统的透镜只有上述两片透镜。目镜光学系统符合下列条件式：0.400≦t1/t2≦2.000。
8.本发明的一实施例提供一种目镜光学系统，用于使成像光线从显示画面经目镜光学系统进入观察者眼睛成像。朝向眼睛的方向为目侧。朝向显示画面的方向为显示侧，由目侧至显示侧沿光轴依序包括第一透镜及第二透镜。第一透镜与第二透镜各自包括一朝向目侧且使成像光线通过的一目侧面及一朝向显示侧且使成像光线通过的显示侧面。第一透镜
具有正屈光率且第一透镜的目侧面的圆周区域为平面。第二透镜具有正屈光率且第二透镜的目侧面的光轴区域为平面。目镜光学系统的透镜只有上述两片透镜。目镜光学系统符合下列条件式：0.400≦t1/t2≦2.000。
9.本发明的一实施例提供一种目镜光学系统，用于使成像光线从显示画面经目镜光学系统进入观察者眼睛成像。朝向眼睛的方向为目侧。朝向显示画面的方向为显示侧，由目侧至显示侧沿光轴依序包括第一透镜及第二透镜。第一透镜与第二透镜各自包括一朝向目侧且使成像光线通过的一目侧面及一朝向显示侧且使成像光线通过的显示侧面。第一透镜具有正屈光率。第一透镜的目侧面的光轴区域和第一透镜的显示侧面的光轴区域的其中一者为平面。第二透镜具有正屈光率且第二透镜的目侧面的光轴区域为平面。目镜光学系统的透镜只有上述两片透镜目镜光学系统符合下列条件式：0.400≦t1/t2≦2.000。
10.本发明的一实施例提供一种目镜光学系统，用于使成像光线从显示画面经目镜光学系统进入观察者眼睛成像。朝向眼睛的方向为目侧。朝向显示画面的方向为显示侧，由目侧至显示侧沿光轴依序包括第一透镜及第二透镜。第一透镜与第二透镜各自包括一朝向目侧且使成像光线通过的一目侧面及一朝向显示侧且使成像光线通过的显示侧面。第一透镜具有正屈光率。第二透镜具有正屈光率且第二透镜的目侧面的光轴区域为平面。目镜光学系统的透镜只有上述两片透镜。目镜光学系统符合下列条件式：0.400≦t1/t2≦2.000，及6.000≦efl/t1。
11.进一步，其中目镜光学系统更符合以下的条件式：6.000≦efl/t 1。
12.进一步，其中目镜光学系统更符合以下的条件式：6.000≦efl/t2。
13.进一步，其中目镜光学系统更符合以下的条件式：4.300≦efl/tl。
14.进一步，其中目镜光学系统更符合以下的条件式：4.490≦efl/alt。
15.进一步，其中目镜光学系统更符合以下的条件式：6.500
°
/mm≦ω/tl≦30.000
°
/mm。
16.进一步，其中目镜光学系统更符合以下的条件式：1.500≦t1/g12≦19.000。
17.进一步，其中目镜光学系统更符合以下的条件式：4.630≦ttl/alt。
18.进一步，其中目镜光学系统更符合以下的条件式：1.800≦t2/g12≦19.000。
19.进一步，其中目镜光学系统更符合以下的条件式：4.340≦ttl/tl。
20.进一步，其中目镜光学系统更符合以下的条件式：5.500≦g2d/t 1。
21.进一步，其中目镜光学系统更符合以下的条件式：5.500≦g2d/t2。
22.进一步，其中第一透镜的显示侧面为一菲涅耳表面。
23.进一步，其中目镜光学系统更符合以下的条件式：0.970≦d1/d2≦1.500。
24.进一步，其中目镜光学系统更符合以下的条件式：3.750≦d4/tl。
25.进一步，其中目镜光学系统更符合以下的条件式：4.000≦d4/altl。
26.其中，d1为第一透镜的目侧面经过菲涅耳表面的中心的最长距离，d2为显示画面的最长边，d4为该第一透镜的显示侧面从菲涅耳表面的中心到第一透镜的圆周的一最长距离；alt为第一透镜与第二透镜在光轴上的厚度总和；t1为第一透镜在光轴上的厚度，t2为第二透镜在光轴上的厚度。g12为第一透镜到第二透镜在光轴上的空气间隙，ttl为第一透镜的目侧面到显示画面在光轴上的距离。efl为目镜光学系统的系统焦距。g2d为第二透镜到显示画面在光轴上的距离。tl为第一透镜的目侧面到第二透镜的显示侧面在光轴上的距
离。ω为目镜光学系统的半眼视视角。
27.基于上述，在本发明的实施例的目镜光学系统中，藉由第一透镜及第二透镜的面形设计，并且搭配以下两个条件式的至少一条件式：(1).0.400≦t1/t2≦2.000或(2).6.000≦efl/t1，可在不增加系统体积与重量的前提下增加系统的半眼视视角并同时维持显示画面的大小，且具有良好的成像质量。
附图说明
28.图1是一示意图，说明一目镜光学系统。
29.图2是一示意图，说明一透镜的面型结构。
30.图3是一示意图，说明一透镜的面型凹凸结构及光线焦点。
31.图4是一示意图，说明一范例一的透镜的面型结构。
32.图5是一示意图，说明一范例二的透镜的面型结构。
33.图6是一示意图，说明一范例三的透镜的面型结构。
34.图7的a是一示意图，说明本发明实施例的透镜裁切形状与透镜参数图。
35.图7的b是一示意图，说明本发明实施例的显示画面裁切形状与显示画面参数图。
36.图8是一示意图，说明本发明实施例的菲涅耳表面的示意图。
37.图9为本发明之第一实施例之目镜光学系统的示意图。
38.图10为第一实施例之目镜光学系统的纵向球差与各项像差图。
39.图11示出本发明之第一实施例之目镜光学系统的详细光学数据表格图。
40.图12示出本发明之第一实施例之目镜光学系统的非球面参数表格图。
41.图13为本发明的第二实施例的目镜光学系统的示意图。
42.图14为第二实施例之目镜光学系统的纵向球差与各项像差图。
43.图15示出本发明之第二实施例之目镜光学系统的详细光学数据表格图。
44.图16示出本发明之第二实施例之目镜光学系统的非球面参数表格图。
45.图17为本发明的第三实施例的目镜光学系统的示意图。
46.图18为第三实施例之目镜光学系统的纵向球差与各项像差图。
47.图19示出本发明之第三实施例之目镜光学系统的详细光学数据表格图。
48.图20示出本发明之第三实施例之目镜光学系统的非球面参数表格图。
49.图21为本发明的第四实施例的目镜光学系统的示意图。
50.图22为第四实施例之目镜光学系统的纵向球差与各项像差图。
51.图23示出本发明之第四实施例之目镜光学系统的详细光学数据表格图。
52.图24示出本发明之第四实施例之目镜光学系统的非球面参数表格图。
53.图25为本发明的第五实施例的目镜光学系统的示意图。
54.图26为第五实施例之目镜光学系统的纵向球差与各项像差图。
55.图27示出本发明之第五实施例之目镜光学系统的详细光学数据表格图。
56.图28示出本发明之第五实施例之目镜光学系统的非球面参数表格图。
57.图29为本发明的第六实施例的目镜光学系统的示意图。
58.图30为第六实施例之目镜光学系统的纵向球差与各项像差图。
59.图31示出本发明之第六实施例之目镜光学系统的详细光学数据表格图。
60.图32示出本发明之第六实施例之目镜光学系统的非球面参数表格图。
61.图33为本发明的第七实施例的目镜光学系统的示意图。
62.图34为第七实施例之目镜光学系统的纵向球差与各项像差图。
63.图35示出本发明之第七实施例之目镜光学系统的详细光学数据表格图。
64.图36示出本发明之第七实施例之目镜光学系统的非球面参数表格图。
65.图37为本发明的第八实施例的目镜光学系统的示意图。
66.图38为第八实施例之目镜光学系统的纵向球差与各项像差图。
67.图39示出本发明之第八实施例之目镜光学系统的详细光学数据表格图。
68.图40示出本发明之第八实施例之目镜光学系统的非球面参数表格图。
69.图41示出本发明之第一至第八实施例之目镜光学系统的各重要参数及其关系式的数值表格图。
具体实施方式
70.在开始详细描述本发明之前，首先清楚表示附图中的符号说明：
71.0：瞳孔；1：第一透镜；10、v100：目镜光学系统；100、200、300、400、500：透镜；130：组装部；15、25、110、410、510：目侧面；16、26、120、320：显示侧面；2：第二透镜；211、212：平行光线；aa：显示区；f：菲涅耳表面；fc：菲涅耳表面的中心；99、v50：显示画面；a1：目侧；a2：显示侧；cp：中心点；cf：圆周；cp1：第一中心点；cp2：第二中心点；d：显示器；d1、d3、d4：透镜参数；d2：显示画面参数；el：延伸线；i：光轴；icd：显示像圆；lm：边缘光线；lc：主光线；ob：光学边界；m、r：相交点；pc：中央凸面；pd：瞳距；p1：有效子面；p2：无效子面；tp1：第一转换点；tp2：第二转换点；v60：眼睛；vd：虚像距离；vi：成像光线；vv：放大虚像；z1、15p1、151、152、161、25p1、251、252、261、26p1：光轴区域；z2、15p3、153、154、163、25p3、253、254、263：圆周区域；ω：半眼视视角；z3：中继区域。
72.一般而言，目镜光学系统v100的光线方向为一成像光线vi由显示画面v50射出，经由目镜光学系统v100进入眼睛v60，于眼睛v60的视网膜聚焦成像并且于虚像距离vd产生一放大虚像vv，如图1所示。在以下说明本案之光学规格的判断准则是假设光线方向逆追迹(reversely tracking)为一平行成像光线由目侧经过目镜光学系统到显示画面聚焦成像。
73.本说明书之光学系统包含至少一透镜，接收入射光学系统之平行于光轴至相对光轴呈半眼视视角(ω)角度内的成像光线。成像光线通过光学系统于显示画面上成像。所言之「一透镜具有正屈光率(或负屈光率)」，是指所述透镜以高斯光学理论计算出来之近轴屈光率为正(或为负)。所言之「透镜之目侧面(或显示侧面)」定义为成像光线通过透镜表面的特定范围。成像光线包括至少两类光线：主光线(chief ray)lc及边缘光线(marginal ray)lm(如图2所示)。透镜之目侧面(或显示侧面)可依不同位置区分为不同区域，包含光轴区域、圆周区域、或在部分实施例中的一个或多个中继区域，该些区域的说明将于下方详细阐述。
74.图2为透镜100的径向剖视图。定义透镜100表面上的二参考点：中心点及转换点。透镜表面的中心点为该表面与光轴i的一交点。如图2所例示，第一中心点cp1位于透镜100的目侧面110，第二中心点cp2位于透镜100的显示侧面120。转换点是位于透镜表面上的一点，且该点的切线与光轴i垂直。定义透镜表面之光学边界ob为通过该透镜表面径向最外侧
的边缘光线lm与该透镜表面相交的一点。所有的转换点皆位于光轴i与透镜表面之光学边界ob之间。除此之外，若单一透镜表面有复数个转换点，则该些转换点由径向向外的方向依序自第一转换点开始命名。例如，第一转换点tp1(最靠近光轴i)、第二转换点tp2(如图5所示)及第n转换点(距离光轴i最远)。
75.定义从中心点至第一转换点tp1的范围为光轴区域，其中，该光轴区域包含中心点。定义距离光轴i最远的第n转换点径向向外至光学边界ob的区域为圆周区域。在部分实施例中，可另包含介于光轴区域与圆周区域之间的中继区域，中继区域的数量取决于转换点的数量。
76.当平行光轴i之光线通过一区域后，若光线朝光轴i偏折且与光轴i的交点位在透镜显示侧a2，则该区域为凸面。当平行光轴i之光线通过一区域后，若光线的延伸线与光轴i的交点位在透镜目侧a1，则该区域为凹面。
77.除此之外，参见图2，透镜100还可包含一由光学边界ob径向向外延伸的组装部130。组装部130一般来说用以供该透镜100组装于光学系统之一相对应元件(图未示)。成像光线并不会到达该组装部130。组装部130之结构与形状仅为说明本发明之示例，不以此限制本发明的范围。下列讨论之透镜的组装部130可能会在图式中被部分或全部省略。
78.参见图3，定义中心点cp与第一转换点tp1之间为光轴区域z1。定义第一转换点tp1与透镜表面的光学边界ob之间为圆周区域z2。如图3所示，平行光线211在通过光轴区域z1后与光轴i在透镜200的显示侧a2相交，即平行光线211通过光轴区域z1的焦点位于透镜200显示侧a2的r点。由于光线与光轴i相交于透镜200显示侧a2，故光轴区域z1为凸面。反之，平行光线212在通过圆周区域z2后发散。如图3所示，平行光线212通过圆周区域z2后的延伸线el与光轴i在透镜200的目侧a1相交，即平行光线212通过圆周区域z2的焦点位于透镜200目侧a1的m点。由于光线的延伸线el与光轴i相交于透镜200目侧a1，故圆周区域z2为凹面。于图3所示的透镜200中，第一转换点tp1是光轴区域与圆周区域的分界，即第一转换点tp1为凸面转凹面的分界点。
79.另一方面，光轴区域的面形凹凸判断还可依该领域中通常知识者的判断方式，即藉由近轴的曲率半径(简写为r值)的正负号来判断透镜之光轴区域面形的凹凸。r值可常见被使用于光学设计软件中，例如zemax或codev。r值亦常见于光学设计软件的透镜资料表(lens data sheet)中。以目侧面来说，当r值为正时，判定为目侧面的光轴区域为凸面；当r值为负时，判定目侧面的光轴区域为凹面。反之，以显示侧面来说，当r值为正时，判定显示侧面的光轴区域为凹面；当r值为负时，判定显示侧面的光轴区域为凸面。此方法判定的结果与前述藉由光线/光线延伸线与光轴的交点判定方式的结果一致，光线/光线延伸线与光轴交点的判定方式即为以一平行光轴之光线的焦点位于透镜之目侧或显示侧来判断面形凹凸。本说明书所描述之「一区域为凸面(或凹面)」、「一区域为凸(或凹)」或「一凸面(或凹面)区域」可被替换使用。
80.图4至图6提供了在各个情况下判断透镜区域的面形及区域分界的范例，包含前述之光轴区域、圆周区域及中继区域。
81.图4为透镜300的径向剖视图。参见图4，透镜300的显示侧面320在光学边界ob内仅存在一个转换点tp1。透镜300的显示侧面320的光轴区域z1及圆周区域z2如图4所示。此显示侧面320的r值为正(即r》0)，因此，光轴区域z1为凹面。
82.一般来说，以转换点为界的各个区域面形会与相邻的区域面形相反，因此，可用转换点来界定面形的转变，即自转换点由凹面转凸面或由凸面转凹面。于图4中，由于光轴区域z1为凹面，面形于转换点tp1转变，故圆周区域z2为凸面。
83.图5为透镜400的径向剖视图。参见图5，透镜400的目侧面410存在一第一转换点tp1及一第二转换点tp2。定义光轴i与第一转换点tp1之间为目侧面410的光轴区域z1。此目侧面410的r值为正(即r》0)，因此，光轴区域z1为凸面。
84.定义第二转换点tp2与透镜400的目侧面410的光学边界ob之间为圆周区域z2，该目侧面410的该圆周区域z2亦为凸面。除此之外，定义第一转换点tp1与第二转换点tp2之间为中继区域z3，该目侧面410的该中继区域z3为凹面。再次参见图5，目侧面410由光轴i径向向外依序包含光轴i与第一转换点tp1之间的光轴区域z1、位于第一转换点tp1与第二转换点tp2之间的中继区域z3，及第二转换点tp2与透镜400的目侧面410的光学边界ob之间的圆周区域z2。由于光轴区域z1为凸面，面形自第一转换点tp1转变为凹，故中继区域z3为凹面，又面形自第二转换点tp2再转变为凸，故圆周区域z2为凸面。
85.图6为透镜500的径向剖视图。透镜500的目侧面510无转换点。对于无转换点的透镜表面，例如透镜500的目侧面510，定义自光轴i起算至透镜表面光学边界ob之间距离的0～50％为光轴区域，自光轴i起算至透镜表面光学边界ob之间距离的50～100％为圆周区域。参见图6所示之透镜500，定义光轴i至自光轴i起算到透镜500表面光学边界ob之间距离的50％为目侧面510的光轴区域z1。此目侧面510的r值为正(即r》0)，因此，光轴区域z1为凸面。由于透镜500的目侧面510无转换点，因此目侧面510的圆周区域z2亦为凸面。透镜500更可具有组装部(图未示)自圆周区域z2径向向外延伸。
86.图7为本发明实施例的透镜裁切形状与透镜参数示意图。图8为本发明实施例的显示画面裁切形状与显示画面参数示意图。请参照图7与图8，由于本发明的实施例的目镜光学系统具有大半眼视视角设计，透镜与显示画面因为两眼瞳距pd(pupil distance,pd)的因素而无法涵盖到单眼最大视角所对应的显示像圆icd(image circle diameter,icd)，所以本发明实施例的透镜的形状需裁切且显示画面的形状亦有所改变，分别如图7与图8所示，而有效的显示画面为两眼的显示像圆icd与显示器d的显示区aa重叠的部分(即斜线区域标示处)。透镜参数与显示画面参数于下方段落处会详细地定义。
87.巨观来看，本发明实施例的透镜所具有的菲涅耳表面形状的细节较为微小而较不易看出具体的形貌，为了详细说明本发明实施例的菲涅耳表面，请参照图8，图8是菲涅耳表面经放大后的示意图，例如是凸面型的菲涅耳表面的示意图。于本发明的实施例中，菲涅耳表面f(fresnel surface)代表的是菲涅耳透镜(fresnel lens)的表面。菲涅耳表面f具有以菲涅耳面中心fc环绕的多个同心环形齿，其围绕一中央凸面pc。每一环形齿具有能够将入射光折射至预定方向的有效子面p1以及连接相邻两有效子面p1的无效子面p2。这些有效子面p1与中央凸面pc将入射光线折射至预定方向。
88.图9为本发明之第一实施例之目镜光学系统的示意图，而图10的a至图10的d为第一实施例之目镜光学系统的纵向球差与各项像差图。请先参照图9，本发明的第一实施例之目镜光学系统10用于使显示画面99的成像光线经由目镜光学系统10及观察者的眼睛的瞳孔0进入观察者的眼睛而成像，显示画面99为垂直光轴，以利成像光线各种像差的修正，避免与光轴i夹一不等于90度的角度时造成与光轴有倾斜角度的某一边像差较差。目侧a1是
朝向观察者的眼睛的方向的一侧，而显示侧a2是朝向显示画面99的方向的一侧。在本实施例中，目镜光学系统10从目侧a1至显示侧a2沿一光轴i依序包括一第一透镜1及一第二透镜2。当显示画面99的成像光线发出后，会依序通过第二透镜2及第一透镜1，然后经由观察者的瞳孔0进入观察者的眼睛。接着，成像光线会在观察者的眼睛的视网膜形成一影像。
89.具体而言，目镜光学系统10的第一透镜1至第二透镜2各自具有朝向目侧a1且使成像光线通过的目侧面15及25朝向显示侧a2且使成像光线通过的显示侧面16及26。
90.此外，为了满足产品轻量化的需求，第一透镜1及第二透镜2皆具备屈光率且由塑胶材质所制成，但第一透镜1及第二透镜2的材质不以此为限。在本实施例中，目镜光学系统10中具有屈光率的透镜只有第一透镜1及第二透镜2。
91.第一透镜1具有正屈光率。第一透镜1的目侧面15的光轴区域15p1为平面，且其圆周区域15p3为平面。第一透镜1的显示侧面16的光轴区域161为凸面，且其圆周区域163为凸面。第一透镜1的显示侧面16为菲涅耳表面f
92.第二透镜2具有正屈光率。第二透镜2的目侧面25的光轴区域25p1为平面，且其圆周区域25p3为平面。第二透镜2的显示侧面26的光轴区域261为凸面，且其圆周区域263为凸面。第二透镜2的显示侧面26为菲涅耳表面f。
93.第一实施例的其他详细光学数据如图11所示。第一实施例的目镜光学系统10的整体系统焦距(effective focal length,efl)为毫米29.969(millimeter,mm)，半眼视视角(half apparent field of view,ω)为65.000
°
，而光圈值(f-number,fno)为7.492。具体而言，本说明书中的「光圈值」是根据光的可逆性原理，将观察者的瞳孔0视为入射光瞳所计算而得的光圈值。此外，第一实施例的目镜光学系统10的像高29.157mm，且第一实施例的目镜光学系统10的系统长度(system length,sl)为44.890mm，其中sl为观察者的瞳孔0到显示画面99在光轴i上的距离。另外，图11中的有效半径是指光学有效直径(clear aperture)的一半。
94.在本第一实施例中，第一透镜1及第二透镜2的显示侧面16、26均是非球面，并且第一透镜1与第二透镜2的显示侧面16、26为菲涅耳表面f，其中此菲涅耳表面f的每个齿的有效子面为非球面，而以下显示侧面的非球面系数是用来表示这些齿的有效子面，且这些非球面是依下列公式定义均以下列曲线方程式(1)表示：
[0095][0096]
y：非球面曲线上的点与光轴的距离；
[0097]
z：非球面深度(非球面上距离光轴为y的点，与相切于非球面光轴上顶点之切面，两者间的垂直距离)；
[0098]
r：透镜表面之曲率半径；
[0099]
k：圆锥系数；
[0100]ai
：第i阶非球面系数。
[0101]
显示侧面16、26在公式(1)中的各项非球面系数如图12所示。其中，图12中栏位编号16表示其为第一透镜1的显示侧面16的非球面系数，其它栏位依此类推。
[0102]
另外，第一实施例之目镜光学系统10中各重要参数与条件式间的关系如图41所
示。
[0103]
epd(exit pupil diameter)为目镜光学系统10之出瞳直径，对应于观察者的瞳孔0的直径；
[0104]
er(eye relief)为出瞳距离，观察者瞳孔0到第一透镜1在光轴i上的距离；
[0105]
ω为半眼视视角(half apparent field of view)，观察者的一半视野角度，如图1所绘示；
[0106]
t1为第一透镜1在光轴i上的厚度；
[0107]
t2为第二透镜1在光轴i上的厚度；
[0108]
g12为第一透镜1到第二透镜2在光轴i上的空气间隙；
[0109]
g2d为第二透镜2到显示画面99在光轴i上的距离；
[0110]
d1为第一透镜1的显示侧面16经过菲涅耳表面f的中心fc的最长距离，如图7所绘示，其中中心fc是指菲涅耳表面f的光学中心，也就是菲涅耳表面f的环形齿所环绕的中心；
[0111]
d2为显示画面99最长边，即显示器d的显示区aa的长边，如图8所绘示；
[0112]
d3为第一透镜1的显示侧面16经过菲涅耳表面f的中心fc且平行显示画面99最长边方向的宽度，如图7所绘示；
[0113]
d4为第一透镜1的显示侧面16从菲涅耳表面f的中心fc到第一透镜1的圆周cf之最长距离，如图7所绘示；
[0114]
imgh为目镜光学系统10的像高；
[0115]
alt为第一透镜1与第二透镜2在光轴i上的厚度总和，即t1、t2之和；
[0116]
tl为第一透镜1的目侧面15到第二透镜2的显示侧面26在光轴i上的距离；
[0117]
ttl为第一透镜1的目侧面15到显示画面99在光轴i上的距离；
[0118]
sl为系统长度，观察者瞳孔0到显示画面99在光轴i上的距离；
[0119]
efl为目镜光学系统10的系统焦距。
[0120]
另外，再定义：
[0121]
f1为第一透镜1的焦距；
[0122]
f2为第二透镜2的焦距；
[0123]
n1为第一透镜1的折射率；
[0124]
n2为第二透镜2的折射率；
[0125]
v1为第一透镜1的阿贝数；
[0126]
v2为第二透镜2的阿贝数。
[0127]
再配合参阅图10的a至图10的d，图10的a至图10的d为第一实施例之目镜光学系统的各项像差图，且为假设光线方向逆追迹为一平行成像光线由目侧a1依序经过瞳孔0以及目镜光学系统10到显示画面99聚焦成像所得的各项像差图。在本实施例中，上述各项像差图中呈现的各项像差表现会决定来自显示画面99的成像光线于观察者的眼睛的视网膜成像的各项像差表现。也就是说，当上述各项像差图中呈现的各项像差较小时，观察者的眼睛的视网膜的成像的各项像差表现也会较小，使得观察者可以观看到成像质量较佳的影像。
[0128]
具体而言，图10的a的图式说明第一实施例的纵向球差(longitudinal spherical aberration)，图10的b与图10的c的图式则分别说明第一实施例有关弧矢(sagittal)方向的场曲(field curvature)像差及子午(tangential)方向的场曲像差，图10的d的图式则说
明第一实施例的畸变像差(distortion aberration)。本第一实施例的纵向球差图示图10的a是在光瞳半径(pupil radius)为2.000mm时(即目镜光学系统10的出瞳直径epd为4.000mm时)所模拟的。另外，本第一实施例的纵向球差图示图10的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
±
0.49mm的范围内，故本实施例确实明显改善相同波长的球差，此外，486奈米、588奈米以及656奈米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。
[0129]
在图10的b与图10的c的二个场曲像差图示中，三种代表波长在整个视场范围内的场曲像差落在
±
3.00mm的范围内，说明本第一实施例的目镜光学系统10能有效消除像差。而图10的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
±
60％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，据此说明本第一实施例相较于现有目镜光学系统，在sl已缩短至44.890mm左右的条件下，仍能提供较佳的成像质量，故本第一实施例能在维持良好光学性能之条件下缩短目镜光学系统，以实现薄型化的产品设计。此外，本第一实施例的目镜光学系统10具有较大的眼视视角，且能够修正像差而维持良好的成像质量。
[0130]
图13为本发明的第二实施例的目镜光学系统的示意图，而图14的a至图14的d为第二实施例之目镜光学系统的纵向球差与各项像差图。请先参照图13，本发明目镜光学系统10的一第二实施例，其与第一实施例大致相似，而两者的差异如下所述。第二实施例与第一实施例在各光学数据、非球面系数及第一透镜1至第二透镜2的参数或多或少有些不同。在此需注意的是，为了清楚地显示图面，图13中省略与第一实施例相似的光轴区域与圆周区域的标号。
[0131]
第二实施例的目镜光学系统10详细的光学数据如图13所示，且第二实施例的目镜光学系统10的整体系统焦距为19.795mm，半眼视视角(ω)为68.000
°
，光圈值(fno)为4.949，像高为29.828mm，且sl为35.565mm。
[0132]
如图16所示，则为第二实施例的第一透镜1至第二透镜2的显示侧面16及26在公式(1)中的各项非球面系数。
[0133]
另外，第二实施例之目镜光学系统10中各重要参数间的关系如图41所示。
[0134]
本第二实施例的纵向球差图示图14的a是在光瞳半径为2.000mm时(即目镜光学系统10的出瞳直径epd为4.000mm时)所模拟的。本第二实施例的纵向球差图示图14的a中，不同高度的离轴光线的成像点偏差控制在
±
0.36mm的范围内。在图14的b与图14的c的二个场曲像差图示中，三种代表波长在整个视场范围内的场曲像差落在
±
13.00mm的范围内。而图14的d的畸变像差图式则显示本第二实施例的畸变像差维持在
±
40％的范围内。据此说明本第二实施例相较于现有目镜光学系统，在sl已缩短至35.565mm左右的条件下，仍能提供较佳的成像质量。
[0135]
经由上述说明可得知，第二实施例相较于第一实施例的优点在于：第二实施例的系统长度小于第一实施例的系统长度。第二实施例的光圈比第一实施例的光圈大。第二实施例的半眼视视角大于第一实施例的半眼视视角。第二实施例的纵向球差小于第一实施例的纵向球差。第二实施例的场曲小于第一实施例的场曲。
[0136]
图17为本发明的第三实施例的目镜光学系统的示意图，而图18的a至图18的d为第三实施例之目镜光学系统的纵向球差与各项像差图。请先参照图17，本发明目镜光学系统10的一第三实施例，其与第一实施例大致相似，而两者的主要差异如下所述。第三实施例与第一实施例的各光学数据、非球面系数及第一透镜1至第二透镜2的参数或多或少有些不同。在此需注意的是，为了清楚地显示图面，图17中省略与第一实施例相似的光轴区域与圆周区域的标号。
[0137]
第三实施例的目镜光学系统10详细的光学数据如图19所示，且第三实施例的目镜光学系统10的整体系统焦距为29.530mm，半眼视视角(ω)为65.000
°
，光圈值(fno)为7.382，像高为29.009mm，且sl为46.287mm。
[0138]
如图20所示，则为第三实施例的第一透镜1至第二透镜2的显示侧面16及26在公式(1)中的各项非球面系数。
[0139]
另外，第三实施例之目镜光学系统10中各重要参数间的关系如图41所示。
[0140]
本第三实施例的纵向球差图示图18的a是在光瞳半径为2.000mm时(即在目镜光学系统10的出瞳直径epd为4.000mm时)所模拟的。本第三实施例的纵向球差图示图18的a中，不同高度的离轴光线的成像点偏差控制在
±
0.53mm的范围内。在图18的b与图18的c的二个场曲像差图示中，三种代表波长在整个视场范围内的场曲像差落在
±
2.80mm的范围内。而图18的d的畸变像差图式则显示本第三实施例的畸变像差维持在
±
55％的范围内。据此说明本第三实施例相较于现有目镜光学系统，在sl已缩短至35.565mm左右的条件下，仍能提供较佳的成像质量。
[0141]
经由上述说明可得知，第三实施例相较于第一实施例的优点在于：第三实施例的光圈比第一实施例的光圈大。第三实施例的场曲小于第一实施例的场曲。
[0142]
图21为本发明的第四实施例的目镜光学系统的示意图，而图22的a至图22的d为第四实施例之目镜光学系统的纵向球差与各项像差图。请先参照图21，本发明目镜光学系统10的一第四实施例，其与第一实施例大致相似，而两者的主要差异如下所述。第四实施例与第一实施例的各光学数据、非球面系数及第一透镜1至第二透镜2的参数或多或少有些不同。此外，在第四实施例中，第二透镜2的显示侧面26不是菲涅耳表面，而是一般的非球面。第二透镜2的显示侧面26的光轴区域26p1为平面，且其圆周区域263为凸面。在此需注意的是，为了清楚地显示图面，图21中省略部分与第一实施例相似的光轴区域与圆周区域的标号。
[0143]
第四实施例的目镜光学系统10详细的光学数据如图23所示，且第四实施例的目镜光学系统10的整体系统焦距为34.077mm，半眼视视角(ω)为69.000
°
，光圈值(fno)为8.519，像高为33.665mm，且sl为46.229mm。
[0144]
如图24所示，则为第四实施例的第一透镜1至第二透镜2的显示侧面16及26在公式(1)中的各项非球面系数。应注意的是，虽然显示侧面26并非为菲涅耳面，依然可以适用公式(1)。
[0145]
另外，第四实施例之目镜光学系统10中各重要参数间的关系如图41所示。
[0146]
本第四实施例的纵向球差图示图22的a是在光瞳半径为2.000mm时(即在目镜光学系统10的出瞳直径epd为4.000mm时)所模拟的。本第四实施例的纵向球差图示图22的a中，不同高度的离轴光线的成像点偏差控制在
±
0.59mm的范围内。在图22的b与图22的c的二个
场曲像差图示中，三种代表波长在整个视场范围内的场曲像差落在
±
4.50mm的范围内。而图22的d的畸变像差图式则显示本第四实施例的畸变像差维持在
±
60％的范围内。据此说明本第四实施例相较于现有目镜光学系统，在sl已缩短至46.229mm左右的条件下，仍能提供较佳的成像质量。
[0147]
经由上述说明可得知，第四实施例相较于第一实施例的优点在于：第四实施例的半眼视视角大于第一实施例的半眼视视角。
[0148]
图25为本发明的第五实施例的目镜光学系统的示意图，而图26的a至图26的d为第五实施例之目镜光学系统的纵向球差与各项像差图。请先参照图25，本发明目镜光学系统10的一第五实施例，其与第一实施例大致相似，而两者的主要差异如下所述。第五实施例与第一实施例的各光学数据、非球面系数及第一透镜1至第二透镜2的参数或多或少有些不同。在此需注意的是，为了清楚地显示图面，图25中省略与第一实施例相似的光轴区域与圆周区域的标号。
[0149]
第五实施例的目镜光学系统10详细的光学数据如图27所示，且第五实施例的目镜光学系统10的整体系统焦距为41.848mm，半眼视视角(ω)为65.000
°
，光圈值(fno)为10.462，像高为33.636mm，且sl为61.657mm。
[0150]
如图28所示，则为第五实施例的第一透镜1至第二透镜2的显示侧面16及26在公式(1)中的各项非球面系数。
[0151]
另外，第五实施例之目镜光学系统10中各重要参数间的关系如图41所示。
[0152]
本第五实施例的纵向球差图示图26的a是在光瞳半径为2.000mm时(即在目镜光学系统10的出瞳直径epd为4.000mm时)所模拟的。本第五实施例的纵向球差图示图26的a中，不同高度的离轴光线的成像点偏差控制在
±
0.53mm的范围内。在图26的b与图26的c的二个场曲像差图示中，三种代表波长在整个视场范围内的场曲像差落在
±
13.00mm的范围内。而图26的d的畸变像差图式则显示本第五实施例的畸变像差维持在
±
62％的范围内。据此说明本第五实施例相较于现有目镜光学系统，在sl已缩短至61.657mm左右的条件下，仍能提供较佳的成像质量。
[0153]
经由上述说明可得知，第五实施例相较于第一实施例的优点在于：第五实施例的制造之难度较低使得良率较高。
[0154]
图29为本发明的第六实施例的目镜光学系统的示意图，而图30的a至图30的d为第六实施例之目镜光学系统的纵向球差与各项像差图。请先参照图29，本发明目镜光学系统10的一第六实施例，其与第一实施例大致相似，而两者的主要差异如下所述。第六实施例与第一实施例的各光学数据、非球面系数及第一透镜1至第二透镜2的参数或多或少有些不同。此外，在第六实施例中，第一透镜1的目侧面15为凸面，其光轴区域151为凸面，且其圆周区域153为凸面。在此需注意的是，为了清楚地显示图面，图29中省略与第一实施例相似的光轴区域与圆周区域的标号。
[0155]
第六实施例的目镜光学系统10详细的光学数据如图31所示，且第六实施例的目镜光学系统10的整体系统焦距为24.391mm，半眼视视角(ω)为65.000
°
，光圈值(fno)为6.098，像高为23.814mm，且sl为37.789mm。
[0156]
如图32所示，则为第六实施例的第一透镜1至第二透镜2的显示侧面16及26在公式(1)中的各项非球面系数。
[0157]
另外，第六实施例之目镜光学系统10中各重要参数间的关系如图41所示。
[0158]
本第六实施例的纵向球差图示图30的a是在光瞳半径为2.000mm时(即在目镜光学系统10的出瞳直径epd为4.000mm时)所模拟的。本第六实施例的纵向球差图示图30的a中，不同高度的离轴光线的成像点偏差控制在
±
0.48mm的范围内。在图30的b与图30的c的二个场曲像差图示中，三种代表波长在整个视场范围内的场曲像差落在
±
1.60mm的范围内。而图30的d的畸变像差图式则显示本第六实施例的畸变像差维持在
±
55％的范围内。据此说明本第六实施例相较于现有目镜光学系统，在sl已缩短至37.389mm左右的条件下，仍能提供较佳的成像质量。
[0159]
经由上述说明可得知，第六实施例相较于第一实施例的优点在于：第六实施例的光圈比第一实施例的光圈大。第六实施例的系统长度小于第一实施例的系统长度。第六实施例的场曲小于第一实施例的场曲。
[0160]
图33为本发明的第七实施例的目镜光学系统的示意图，而图34的a至图34的d为第七实施例之目镜光学系统的纵向球差与各项像差图。请先参照图33，本发明目镜光学系统10的一第七实施例，其与第一实施例大致相似，而两者的主要差异如下所述。第七实施例与第一实施例的各光学数据、非球面系数及第一透镜1至第二透镜2的参数或多或少有些不同。此外，在第七实施例中，第一透镜1的目侧面15为凸面，其光轴区域151为凸面，且其圆周区域153为凸面。第二透镜2的目侧面25的光轴区域251为凸面，且其圆周区域253为凸面。在此需注意的是，为了清楚地显示图面，图33中省略与第一实施例相似的光轴区域与圆周区域的标号。
[0161]
第七实施例的目镜光学系统10详细的光学数据如图35所示，且第七实施例的目镜光学系统10的整体系统焦距为33.108mm，半眼视视角(ω)为67.500
°
，光圈值(fno)为8.277，像高为36.000mm，且sl为50.215mm。
[0162]
如图36所示，则为第七实施例的第一透镜1至第二透镜2的显示侧面16及26在公式(1)中的各项非球面系数。
[0163]
另外，第七实施例之目镜光学系统10中各重要参数间的关系如图41所示。
[0164]
本第七实施例的纵向球差图示图34的a是在光瞳半径为2.000mm时(即在目镜光学系统10的出瞳直径epd为4.000mm时)所模拟的。本第七实施例的纵向球差图示图34的a中，不同高度的离轴光线的成像点偏差控制在
±
0.49mm的范围内。在图34的b与图34的c的二个场曲像差图示中，三种代表波长在整个视场范围内的场曲像差落在
±
23.00mm的范围内。而图34的d的畸变像差图式则显示本第七实施例的畸变像差维持在
±
55％的范围内。据此说明本第七实施例相较于现有目镜光学系统，在sl已缩短至50.215mm左右的条件下，仍能提供较佳的成像质量。
[0165]
经由上述说明可得知，第七实施例相较于第一实施例的优点在于：第七实施例的半眼视视角大于第一实施例的半眼视视角。
[0166]
图37为本发明的第八实施例的目镜光学系统的示意图，而图38的a至图38的d为第八实施例之目镜光学系统的纵向球差与各项像差图。请先参照图37，本发明目镜光学系统10的一第八实施例，其与第一实施例大致相似，而两者的主要差异如下所述。第八实施例与第一实施例的各光学数据、非球面系数及第一透镜1至第二透镜2的参数或多或少有些不同。此外，在第八实施例中，第一透镜1的目侧面15为凹面，其光轴区域152为凹面，且其圆周
区域154为凹面。第二透镜2的目侧面25的光轴区域252为凹面，且其圆周区域254为凹面。在此需注意的是，为了清楚地显示图面，图37中省略与第一实施例相似的光轴区域与圆周区域的标号。
[0167]
第八实施例的目镜光学系统10详细的光学数据如图39所示，且第八实施例的目镜光学系统10的整体系统焦距为32.784mm，半眼视视角(ω)为67.500
°
，光圈值(fno)为37.517，像高为35.995mm，且sl为50.517mm。
[0168]
如图40所示，则为第八实施例的第一透镜1至第二透镜2的显示侧面16及26在公式(1)中的各项非球面系数。
[0169]
另外，第八实施例之目镜光学系统10中各重要参数间的关系如图41所示。
[0170]
本第八实施例的纵向球差图示图38的a是在光瞳半径为2.000mm时(即在目镜光学系统10的出瞳直径epd为4.000mm时)所模拟的。本第八实施例的纵向球差图示图38的a中，不同高度的离轴光线的成像点偏差控制在
±
0.49mm的范围内。在图38的b与图38的c的二个场曲像差图示中，三种代表波长在整个视场范围内的场曲像差落在
±
23.00mm的范围内。而图38的d的畸变像差图式则显示本第八实施例的畸变像差维持在
±
55％的范围内。据此说明本第八实施例相较于现有目镜光学系统，在sl已缩短至50.517mm左右的条件下，仍能提供较佳的成像质量。
[0171]
经由上述说明可得知，第八实施例相较于第一实施例的优点在于：第八实施例的半眼视视角大于第一实施例的半眼视视角。
[0172]
再配合参阅图41。图41为上述第一实施例至第八实施例的各项光学参数的表格图。其中在「efl」至「tl」那些列的参数中，除了「ω」的单位是度(
°
)，且「v1」、「v2」的单位为无因次外，其他列的参数的单位为毫米(mm)。而在「ω/tl」至「efl/tl」那些列的参数中，除了「ω/tl」的单位为
°
/mm外，其他列的参数的单位为无因次。
[0173]
对于以下条件式，至少其中之一的目的为使系统焦距与光学各参数维持一适当值，避免任一参数过大而不利于该目镜光学系统10整体之像差的修正，或是避免任一参数过小而影响组装或是提高制造上之困难度。
[0174]
其中，
[0175]
目镜光学系统10可符合条件式：6.000≦efl/t1，较佳的范围为6.000≦efl/t1≦24.000。
[0176]
目镜光学系统10可符合条件式：6.000≦efl/t2，较佳地范围为6.000≦efl/t2≦24.000。
[0177]
目镜光学系统10可符合条件式：4.490≦efl/alt，较佳的范围为4.490≦efl/alt≦12.000。
[0178]
目镜光学系统10可符合条件式：4.300≦efl/tl，较佳的范围为4.300≦efl/tl≦12.000。
[0179]
对于以下条件式，至少其中之一的目的为使各透镜的厚度与间隔维持一适当值，避免任一参数过大而不利于目镜光学系统10整体之薄型化，或是避免任一参数过小而影响组装或是提高制造上之困难度。
[0180]
其中，
[0181]
目镜光学系统10可符合条件式：0.400≦t1/t2，较佳的范围为0.400≦t1/t2≦
2.000。
[0182]
目镜光学系统10可符合条件式：1.500≦t1/g12，较佳的范围为1.500≦t1/g12≦19.000。
[0183]
目镜光学系统10可符合条件式：1.800≦t2/g12，较佳的范围为1.800≦t2/g12≦19.000。
[0184]
目镜光学系统10可符合条件式：4.630≦ttl/alt，较佳的范围为4.630≦ttl/alt≦13.500。
[0185]
目镜光学系统10可符合条件式：4.340≦ttl/tl，较佳的范围为4.340≦ttl/tl≦12.000。
[0186]
目镜光学系统10可符合条件式：5.500≦g2d/t1，较佳的范围为5.500≦g2d/t1≦22.000。
[0187]
目镜光学系统10可符合条件式：5.500≦g2d/t2，较佳的范围为5.500≦g2d/t2≦22.000。
[0188]
此外，另可选择实施例参数之任意组合关系增加系统限制，以利于本发明相同架构的系统设计。有鉴于光学系统设计的不可预测性，在本发明的架构之下，符合上述条件式能较佳地使本发明长度缩短、光圈增大、成像质量提升，或组装良率提升而改善先前技术的缺点。
[0189]
此外，关于前述所列之示例性限定关系式，亦可任意选择性地合并不等数量施用于本发明之实施态样中，并不限于此。实施本发明时，除了前述关系式之外，亦可针对透镜额外设计出其他更多的透镜的凹凸曲面排列等细部结构，以加强对系统性能及/或分辨率的控制。须注意的是，此些细节需在无冲突之情况之下，选择性地合并施用于本发明之其他实施例当中。
[0190]
本发明之各个实施例所揭露之光学参数的组合比例关系所得的包含最大最小值以内的数值范围皆可据以实施。
[0191]
综上所述，本发明的实施例的目镜光学系统10可获致下述的功效及优点：
[0192]
一、本发明各实施例的纵向球差、像散像差、畸变皆符合使用规范。另外，红、绿、蓝三种代表波长在不同高度的离轴光线皆集中在成像点附近，由每一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皆获得控制而具有良好的球差、像差、畸变抑制能力。进一步参阅成像质量数据，红、绿、蓝三种代表波长彼此间的距离亦相当接近，显示本发明在各种状态下对不同波长光线的集中性佳而具有优良的色散抑制能力，而能产生优异的成像质量。
[0193]
二、本发明的实施例的目镜光学系统10藉由以下透镜设计组合：(1)第一透镜1的显示侧面16的光轴区域161为凸面并且显示侧面16为菲涅耳表面f。(2)第二透镜2的显示侧面26的光轴区域261或圆周区域263为凸面。并且，搭配条件式6.500
°
/mm≦ω/tl≦30.000
°
/mm、0.970≦d1/d2≦1.500或0.850≦d3/d2≦1.400将使得目镜光学系统10的聚焦成像分担在两片倾向具有正屈光率的透镜上，有利于在不增加系统体积与重量的前提下增加系统的半眼视视角并同时维持显示画面99的大小。
[0194]
三、当第二透镜2的显示侧面26为菲涅耳表面f时，可解决增加镜片圆周区域的屈光率以达到大半眼视视角的前提下造成圆周区域变薄不易组装的问题，并且可降低第二透
镜2的体积与重量。
[0195]
四、当第一透镜1的目侧面15为凸面时显示画面99中间的成像质量较好，可降低显示侧面16之菲涅耳表面f的屈光率以提高良率。当第一透镜1的目侧面15为凹面时，因凹面符合人眼凸面的构造，可提高观察者的舒适度，此外显示画面99周边的成像质量较好，半眼视视角较容易提高。当第一透镜1的目侧面15为平面时，较容易平衡显示画面99中间与周边的成像质量，此外制造上较容易，易于提高良率。
[0196]
五、当满足条件式4.000≦d4/alt或条件式3.750≦d4/tl并配合以上面形组合时，有利于增加透镜的光学有效径，且不提高透镜的厚度。上述的条件式较佳地限制分别为4.000≦d4/alt≦19.500与3.750≦d4/tl≦17.400。
[0197]
六、当满足条件式1.100≦ω/arctan(d4/efl)并配合以上面形组合时，有利于增加系统的半眼视视角并同时降低显示画面99的大小，条件式较佳地限制为1.100≦ω/arctan(d4/efl)≦2.250。其中，arctan代表的是反正切函数。
[0198]
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。