CN112147758B - 光学镜头及头戴式显示装置 - Google Patents

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CN112147758B CN202010155853.8A CN202010155853A CN112147758B CN 112147758 B CN112147758 B CN 112147758B CN 202010155853 A CN202010155853 A CN 202010155853A CN 112147758 B CN112147758 B CN 112147758B
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Abstract

本发明涉及一种光学镜头及头戴式显示装置。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、第三透镜及第四透镜。第一透镜、第二透镜、第三透镜及第四透镜的屈光度依序为正、负、正及正。影像产生器设置于入光侧。且光学镜头用于接收影像产生器所提供的影像光束。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的最小截面积。因此本发明的光学镜头以及头戴式显示装置具有尺寸小、重量轻、视角大且分辨率高的优点。

Description

光学镜头及头戴式显示装置
技术领域
本发明涉及一种光学镜头，并且特别涉及一种头戴式显示装置所具有的光学镜头。
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是自发光面板架构、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。在反射式面板架构的波导显示器中，其光源提供的照明光束经照明光学装置的传递后，通过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虑是重要的议题。
“背景技术”段落只是用来帮助了解本发明内容，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所属技术领域中普通技术人员所知道的现有技术。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所属技术领域中普通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、视角大且分辨率高。
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。为实现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，其包括从出光侧往入光侧依序排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜及第四透镜。第一透镜、第二透镜、第三透镜及第四透镜的屈光度依序分别为正、负、正及正。影像产生器设置于入光侧。光学镜头用于接收影像产生器所提供的影像光束。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的最小截面积。
为实现上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本发明的另一实施例提出一种头戴式显示装置，其包括光学镜头及波导元件。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、第三透镜及第四透镜。第一透镜、第二透镜、第三透镜及第四透镜的屈光度依序分别为正、负、正及正。影像产生器设置于入光侧。光学镜头用于接收影像产生器所提供的影像光束。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的最小截面积。光栏形成在波导元件的耦合入口。影像光束通过光栏经由耦合入口进入波导元件，并且传递至波导元件的耦合出口，再投射到目标。
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，以及考虑光学镜头中所有镜片的材料，使得光学镜头的重量变轻，进而让头戴式显示器的重量变轻。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、视角大且分辨率高的优点。更值得一提的是，当使用头戴式显示器时，会产生热量而造成光学镜头的变形，进而影响影像质量，但利用本发明的光学镜头设计，可以有效解决热漂移(thermal drift)的问题，以提升影像质量。
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，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1绘示本发明第一实施例的头戴式显示装置的概要示意图。
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3绘示本发明第二实施例的头戴式显示装置的概要示意图。
图4绘示本发明第三实施例的头戴式显示装置的概要示意图。
图5A是第四至第六实施例的光学镜头的像散场曲图及畸变图。
图5B是第四至第六实施例的光学镜头的横向色差图。
图5C是第四至第六实施例的光学镜头的调制转换函数曲线图。
图5D是第四至第六实施例的光学镜头的光程差图。
图6绘示第四至第六实施例的显示影像的概要示意图。
图7A、图7B、图7C分别绘示第四至第六实施例的光学镜头在环境温度0℃、25℃、40℃的热平衡的调制转换函数的概要示意图。
图8绘示本发明第七实施例的头戴式显示装置的概要示意图。
图9A是图8的光学镜头的像散场曲图及畸变图。
图9B是图8的光学镜头的横向色差图。
图9C是图8的光学镜头的光程差图。
图10A、图10B、图10C、图10D分别绘示第七实施例的光学镜头在环境温度20℃、0℃、25℃、40℃的热平衡的调制转换函数的概要示意图。
图11绘示本发明第八实施例的头戴式显示装置的概要示意图。
图12A是图11的光学镜头的像散场曲图及畸变图。
图12B是图11的光学镜头的横向色差图。
图12C是图11的光学镜头的光程差图
图13A、图13B、图13C、图13D分别绘示第八实施例的光学镜头在环境温度20℃、0℃、25℃、40℃的热平衡的调制转换函数的概要示意图。
图14绘示本发明第九实施例的头戴式显示装置的概要示意图。
图15A是图14的光学镜头的像散场曲图及畸变图。
图15B是图14的光学镜头的横向色差图。
图15C是图14的光学镜头的光程差图。
图16A、图16B、图16C、图16D分别绘示第九实施例的光学镜头在环境温度20℃、0℃、25℃、40℃的热平衡的调制转换函数的概要示意图。
附图标记说明
100、200、300：头戴式显示装置
110、410：光学镜头
112、114、116、118：透镜
120：传递棱镜、第二棱镜
130、230：波导元件
150：影像产生器
140：玻璃盖
232：耦合入口
234：耦合出口
260：转折棱镜、第一棱镜
900：目标
A、C：距离
B：镜头总长
D：通光口径
ES：出光侧
IM：影像光束
IS：入光侧
S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8：表面
ST：光栏
OA：光轴
X、Y、Z：坐标轴。
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，在以下配合附图的较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。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绘示本发明第一实施例的头戴式显示装置的概要示意图。请参考图1，本实施例之头戴式显示装置100是具有波导元件130，但本发明不限于此。在本实施例中，头戴式显示装置100包括光学镜头110、传递棱镜(第二棱镜)120、波导元件130及影像产生器150。在相对于光学镜头110的入光侧IS设置影像产生器150。影像产生器150可以是数字微型反射镜元件(Digital Micromirror Device，DMD)或硅基液晶(Liquid crystal on silicon，LCoS)等影像显示元件，在其他实施例中，影像产生器150可以是穿透式的空间光调制器，例如透光液晶面板(Transparent Liquid Crystal Panel)。影像产生器150又或者是有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)、微有机发光二极管(Micro OrganicLight-Emitting Diode，Micro OLED)、微发光二极管(Micro Light Emitting Diode，Micro LED)。本发明对影像产生器150的型态及其种类并不加以限制。传递棱镜120设置在光学镜头110与影像产生器150之间。影像产生器150所提供的影像光束IM，通过传递棱镜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，在影像产生器150与传递棱镜120之间设置玻璃盖(cover glass)140，以避免灰尘累积于影像产生器150的表面上影响影像光束IM的传递，造成影像的不清晰。
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，光栏ST形成于影像光束IM的出光侧ES。光栏ST具有影像光束IM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传递至波导元件130的耦合出口，光栏ST位于波导元件130的耦合出口，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。在其他实施例中，光栏ST可位于波导元件130的入光口或波导元件130内的任一位置，经由波导元件130传递至耦合出口后，再投射到预设的目标。入光侧IS为影像光束IM进入光学镜头110的侧边，出光侧ES为影像光束IM离开光学镜头110的侧边。
在本实施例中，其中一种情况为光学镜头110符合B×D<130，其中B为光学镜头110的镜头总长，在本实施例中，例如B为在光轴OA上表面S1至表面S8的距离，且D为光学镜头110中最大透镜的通光口径(Clear aperture)，在本实施例中，例如为第四透镜118的通光口径。在本实施例中，另一种情况为光学镜头110符合A+C<20，其中A为光栏ST与光学镜头110的表面S1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，且C为光学镜头110的表面S8与影像产生器150的表面在光轴OA上的距离。在本实施例中，又另一种情况为光学镜头110符合FOV/(B×D)>0.4，其中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FOV>50。在本实施例中，又另一种情况为光学镜头110同时符合B×D<130，A+C<20，FOV/(B×D)>0.4，FOV>50。上述参数A、B、C、D、FOV的定义同上所述。在本实施例中，上述参数A、B、C、D例如分别是5.8毫米(millimeters)、10.85毫米、11.45毫米、11.7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的视场角例如为60度。
值得一提的是，A+C代表前焦距加上后焦距的距离数值，前焦距为在出光侧ES的光学镜头110的焦距距离，后焦距为在入光侧IS的光学镜头110的焦距距离。本案为远心光学镜头设计，因此当A+C的数值和大于20mm时，对远心光学镜头设计上要兼顾光学镜头的广角角度(视场角度)设计是相当困难的，因此本发明将A+C的数值维持小于20mm，可克服上述的缺点。B×D代表光学镜头的截面积。在此技术领域的人员可知设计越小体积的光学镜头越是困难。当B的数值过大时，在设计光学镜头就无法顾及光学镜头的广角角度，因此需控制B的数值，使得B×D<130，让本实施例的光学镜头具有体积小且广角角度大的优点。同理，FOV/(B×D)>0.4代表单位截面积的视场角度，FOV>50代表视场角度维持于50度以上。
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、第三透镜116及第四透镜118。第一透镜112、第二透镜114、第三透镜116及第四透镜118的屈光度依序为正、负、正及正。在本实施例中，第一透镜112例如为双凸透镜，第二透镜114例如为凸凹透镜且具有朝向入光侧IS的凸面，第三透镜116为双凸透镜、第四透镜118为凹凸透镜且具有朝向入光侧IS的凹面。在本实施例中，第一透镜112、第二透镜114、第三透镜116及第四透镜118为玻璃非球面透镜。其中凸凹透镜或凹凸透镜例如为弯月形透镜(Meniscus lens)，差异在于凸面朝向的方向不同。
以下内容将举出光学镜头110之一实施例。需注意的是，以下内容所列的数据信息并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通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动，惟其仍应属于本发明之范畴内。
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至第四透镜118)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、第三透镜116及第四透镜118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(osculating sphere)的半径，也就是接近光轴OA处的曲率半径(如表一所列的曲率的倒数)。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(aspheric coefficient)。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
S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8
k 0 0 -6.94E-01 0 0 0 0 0
A4 -4.17E-04 9.42E-04 1.91E-02 3.63E-03 -6.94E-04 9.74E-04 -8.97E-04 2.89E-04
A6 -4.42E-04 -4.72E-04 -1.15E-03 -2.65E-04 1.74E-05 8.79E-07 -5.07E-06 -4.55E-05
A8 9.09E-05 6.60E-05 6.07E-05 6.43E-06 -1.73E-06 -1.08E-06 -8.38E-08 2.02E-06
A10 -8.16E-06 -4.58E-06 -2.32E-06 5.19E-08 1.09E-07 4.82E-08 8.57E-09 -4.47E-08
A12 2.81E-07 1.30E-07 1.88E-07 -3.29E-09 -2.04E-09 -1.66E-10 -2.83E-10 3.39E-10
图2A是图1的光学镜头的像散场曲(field curvature)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、620纳米的光所作出的仿真数据图，纵坐标为像高。图2C是图1的光学镜头的调制转换函数曲线图，其中横坐标为焦点偏移量(focus shift)，纵坐标为光学转移函数的模数(modulus of the OTF)。图2D是图1的光学镜头的光程差图。图2A至图2D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，在影像产生器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。影像产生器150的主动表面是影像光束IM出射的表面。进一步说明，关于此光程差的设计，熟知此技术领域的人员可容易知道在设计光学镜头时，通过光学仿真的方式从物平面(预设的目标地平面)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，设计优化视场角FOV可达60度，可拥有较佳的视野涵盖。单位截面积所达视场角比值高，比值可达0.47(度/平方毫米)，使得光学镜头110在体积上较为轻薄短小，空间有效利用率高。参考图2B至图2D，在本实施例中，影像产生器150的主动表面上形成最大影像高度为4.09mm，且光学镜头110的设计符合预先设定的规范，可以解析至少93lp/mm分辨率的影像，因此光学镜头110的尺寸小、重量轻、视角大且具有高分辨率。
图3绘示本发明第二实施例的头戴式显示装置的概要示意图。请参考图3，本实施例的头戴式显示装置200类似于图1的头戴式显示装置100，惟两者之间主要的差异例如在于头戴式显示装置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，波导元件230包括光学微结构(未绘示)。光学微结构设置在耦合出口234处，且光学微结构反射影像光束IM并传递至耦合出口234而将影像光束IM投射到目标900。在其他实施中，光学微结构也可以设置在波导元件230的耦合入口232，影像光束通过光学微结构穿透耦合入口232并在波导元件230中传递，再通过耦合出口234的光学微结构反射而离开波导元件230。
在本实施例中，其中一种情况为光学镜头110符合B×D<130；另一种情况为光学镜头110符合A+C<20；光学镜头110符合FOV/(B×D)>0.4；又另一种情况为光学镜头110符合FOV>50；另一种情况为光学镜头110同时符合B×D<130，A+C<20，FOV/(B×D)>0.4，FOV>50。其中A为光栏ST与光学镜头110的表面S1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S9在光轴OA上的距离以及转折棱镜260的表面S9与光栏ST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例如分别是5.8毫米(millimeters)、10.84毫米、11.45毫米、11.7毫米。这些参数的数值不用以限定本发明。
参考图3，以下内容将举出光学镜头110之一实施例。需注意的是，以下内容所列的数据信息并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通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动，惟其仍应属于本发明之范畴内。
表三
图4绘示本发明第三实施例的头戴式显示装置的概要示意图。请参考图4，本实施例的头戴式显示装置300类似于图1的头戴式显示装置100，惟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B×D<130；另一种情况为光学镜头110符合A+C<20；光学镜头110符合FOV/(B×D)>0.4；又另一种情况为光学镜头110符合FOV>50；另一种情况为光学镜头110同时符合B×D<130，A+C<20，FOV/(B×D)>0.4，FOV>50。在本实施例中，上述参数A、B、C、D例如分别是3.8毫米(millimeters)、10.85毫米、11.45毫米、11.7毫米。这些参数的数值不用以限定本发明。
综上所述，本发明的第一至第三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、视角大且分辨率高。
以下说明本发明第四至第六实施例。
本发明第四至第六实施例的头戴式显示装置的架构与图1、图3以及图4所绘示的第一至第三实施例的头戴式显示装置的架构相同，惟第四至第六实施例的第一透镜112、第二透镜114为塑料非球面透镜，且第三透镜116及第四透镜118为玻璃非球面透镜。此外，第四至第六实施例的头戴式显示装置的光学参数与第一实施例的头戴式显示装置的光学参数不相同，具体说明如下。
在第四至第六实施例中，其中一种情况为光学镜头110符合B×D<170；另一种情况为光学镜头110符合A+C<25；光学镜头110符合FOV/(B×D)>0.2；又另一种情况为光学镜头110符合FOV>40；另一种情况为光学镜头110同时符合B×D<170，A+C<25，FOV/(B×D)>0.2，FOV>40。其中A为光栏ST与光学镜头110的表面S1在光轴OA上的距离。在第四至第六实施例中，A例如为第一透镜112的表面S1与转折棱镜260的表面S9在光轴OA上的距离以及转折棱镜260的表面S9与光栏ST在光轴OA上的距离的总和。第四至第六实施例的参数如表四及表五所示。这些参数的数值不用以限定本发明。
表四
单位：mm A B C D
第四实施例 5.45 7.9 6.35 8.1
第五实施例 5.45 7.9 6.35 8.1
第六实施例 3.55 7.9 6.35 8.1
表五
单位：mm A+C B×D FOV/(B×D) FOV
第四实施例 11.8 63.99 0.75 47.8
第五实施例 11.8 63.99 0.75 47.8
第六实施例 9.9 63.99 0.75 47.8
图5A是第四至第六实施例的光学镜头的像散场曲(field curvature)图及畸变图。图5B是第四至第六实施例的光学镜头的横向色差图，其是以波长465纳米(nm)、525纳米、620纳米的光所作出的仿真数据图，纵坐标为像高。图5C是第四至第六实施例的光学镜头的调制转换函数曲线图，其中横坐标为焦点偏移量(focus shift)，纵坐标为光学转换函数的模数(modulus of the OTF，MTF)。图5D是第四至第六实施例的光学镜头的光程差图。图5A至图5D所显示出的图形均在标准的范围内，由此可验证第四至第六实施例的光学镜头110能够达到良好的成像效果。此外，由图5D可知，在影像产生器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。影像产生器150的主动表面是影像光束IM出射的表面。进一步说明，关于此光程差的设计，熟知此技术领域的人员可容易知道在设计光学镜头时，通过光学仿真的方式从物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。在第四至第六实施例中，设计优化视场角FOV可达47.8度，可拥有较佳的视野涵盖。单位截面积所达视场角比值高，比值可达0.75(度/平方毫米)，使得光学镜头110在体积上较为轻薄短小，空间有效利用率高。参考图5B至图5D，在本实施例中，影像产生器150的主动表面上形成最大影像高度为3.34mm，且光学镜头110的设计符合预先设定的规范，可以解析至少111lp/mm分辨率的影像，因此光学镜头110的尺寸小、重量轻、视角大且具有高分辨率。
以下内容将举出第四实施例的光学镜头110之一实施例。需注意的是，以下内容所列的数据信息并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通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动，惟其仍应属于本发明之范畴内。
表六
请参照图1及表六，表六中列出各个透镜(包括第一透镜112至第四透镜118)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。
在第四实施例中，第一透镜112、第二透镜114、第三透镜116及第四透镜118可为非球面透镜。第一透镜112、第二透镜114的材质为塑料，第三透镜116及第四透镜118的材质为玻璃。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(osculating sphere)的半径，也就是接近光轴OA处的曲率半径(如表一所列的曲率的倒数)。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、A14、A16为非球面系数(aspheric coefficient)。在第四实施例中，系数A2为0。以下表七所列出的是各透镜的表面的参数值。
表七
S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8
k 0 0 -2.71E+00 9.90E+01 0 -7.78E-01 -2.25E-01 0
A4 -1.90E-03 1.04E-02 -8.80E-03 -4.22E-03 2.60E-03 3.66E-03 -3.28E-03 -3.69E-03
A6 2.36E-04 -4.51E-04 1.68E-03 4.30E-04 -1.34E-04 6.50E-07 3.91E-04 7.80E-04
A8 -4.40E-05 4.51E-05 -1.70E-04 -1.61E-05 2.80E-06 -4.52E-05 -4.32E-05 -8.57E-05
A10 2.37E-06 5.01E-08 -3.97E-06 -1.16E-06 1.44E-07 3.90E-06 2.10E-06 5.40E-06
A12 0 0 3.00E-06 9.61E-08 1.25E-09 -1.20E-07 -3.58E-08 -2.10E-07
A14 0 0 -3.23E-07 -1.53E-09 -1.32E-10 1.32E-09 -1.19E-10 5.36E-09
A16 0 0 1.15E-08 -2.26E-12 0 0 1.07E-12 -7.47E-11
第四至第六实施例的光学镜头的架构可降低热漂移的问题，说明如下。图6绘示第四至第六实施例的显示影像的概要示意图。图7A、图7B、图7C分别绘示第四至第六实施例的光学镜头在环境温度0℃、25℃、40℃的热平衡的调制转换函数(MTF)的概要示意图。表八中列出各个透镜(包括第一透镜112至第四透镜118)的在不同环境温度的透镜温度。
表八
在图6中，纵坐标为MTF，横坐标为离焦的位置(Defocusing Position)。F1为影像中心，F2为距离影像中心的位置，F3为影像边界位置。举例而言，F1至F3的距离代表为1，则F1至F2的距离代表为0.7。在图7A、图7B、图7C中，F2:T代表正切(tangential)方向，F2:R代表径向(Radial)方向。由图7A、图7B、图7C可知，第四至第六实施例的光学镜头的架构的背焦距(BFL)的热漂移(thermal drift)小于0.015毫米，可降低热漂移的问题。
以下说明本发明第七至第九实施例。
图8绘示本发明第七实施例的头戴式显示装置的概要示意图。请参考图8，在本实施例中，第一透镜112、第二透镜114、第三透镜116为塑料非球面透镜。第四透镜118为玻璃非球面透镜。
在本实施例中，其中一种情况为光学镜头110符合B×D<170，其中B为光学镜头110的镜头总长，在本实施例中，例如B为在光轴OA上表面S1至表面S8的距离，且D为光学镜头110中最大透镜的通光口径(Clear aperture)，在本实施例中，例如为第四透镜118的通光口径。在本实施例中，另一种情况为光学镜头110符合A+C<25，其中A为光栏ST与光学镜头110的表面S1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，且C为光学镜头110的表面S8与影像产生器150的表面在光轴OA上的距离。在本实施例中，又另一种情况为光学镜头110符合FOV/(B×D)>0.2，其中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FOV>40。在本实施例中，又另一种情况为光学镜头110同时符合B×D<170，A+C<25，FOV/(B×D)>0.2，FOV>40。上述参数A、B、C、D、FOV的定义同上所述。在本实施例中，上述参数A、B、C、D例如分别是5.45毫米(millimeters)、7.7毫米、6.35毫米、8.2毫米。上述参数A+C、B×D、FOV/(B×D)、FOV例如分别是11.8毫米(millimeters)、63.14毫米、0.77毫米、48.73毫米。这些参数的数值不用以限定本发明。
以下内容将举出光学镜头110之一实施例。需注意的是，以下内容所列的数据信息并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通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动，惟其仍应属于本发明之范畴内。
表九
请参照图8及表九，表九中列出各个透镜(包括第一透镜112至第四透镜118)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、第三透镜116及第四透镜118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(osculating sphere)的半径，也就是接近光轴OA处的曲率半径(如表一所列的曲率的倒数)。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、A14、A16为非球面系数(aspheric coefficient)。在本实施例中，系数A2为0。以下表十所列出的是各透镜的表面的参数值。
表十
S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8
k 0 0 -2.50E+00 9.90E+01 0 -8.11E-01 -4.99E-01 0
A4 4.04E-04 1.44E-02 1.40E-03 3.90E-04 3.04E-03 2.35E-03 -3.81E-03 -3.52E-03
A6 2.91E-04 -1.46E-04 1.16E-03 2.13E-04 -1.67E-04 8.78E-05 4.31E-04 7.03E-04
A8 -3.97E-05 1.38E-04 3.65E-05 -1.95E-05 5.84E-06 -4.37E-05 -4.02E-05 -7.77E-05
A10 -4.11E-06 -5.23E-06 -4.74E-05 -8.59E-07 1.16E-07 3.70E-06 1.95E-06 5.06E-06
A12 -4.68E-07 -1.22E-06 1.04E-05 1.21E-07 1.68E-08 -1.40E-07 -5.15E-08 -2.23E-07
A14 1.04E-07 -7.94E-08 -1.06E-06 -3.63E-09 1.03E-09 3.52E-09 5.32E-10 6.12E-09
A16 -6.70E-09 8.17E-09 3.45E-08 -3.66E-11 -7.50E-11 1.08E-10 0 -7.78E-11
图9A是图8的光学镜头的像散场曲(field curvature)图及畸变图。图9B是图8的光学镜头的横向色差图，其是以波长465纳米(nm)、525纳米、620纳米的光所作出的仿真数据图，纵坐标为像高。图9C是图8的光学镜头的光程差图。图9A至图9C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9C可知，在影像产生器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。影像产生器150的主动表面是影像光束IM出射的表面。进一步说明，关于此光程差的设计，熟知此技术领域的人员可容易知道在设计光学镜头时，通过光学仿真的方式从物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，设计优化视场角FOV可达48.73度，可拥有较佳的视野涵盖。单位截面积所达视场角比值高，比值可达0.77(度/平方毫米)，使得光学镜头110在体积上较为轻薄短小，空间有效利用率高。参考图9B至图9C，在本实施例中，影像产生器150的主动表面上形成最大影像高度为3.34mm，且光学镜头110的设计符合预先设定的规范，可以解析至少111lp/mm分辨率的影像，因此光学镜头110的尺寸小、重量轻、视角大且具有高分辨率。
第七实施例的光学镜头的架构可降低热漂移的问题，说明如下。图10A、图10B、图10C、图10D分别绘示第七实施例的光学镜头在环境温度20℃、0℃、25℃、40℃的热平衡的调制转换函数(MTF)的概要示意图。光学镜头110的各项光学参数例如是以环境温度20℃为参考所设计的，因此，图10A所绘示的热平衡的调制转换函数(MTF)可作为光学镜头110是产生否热漂移的参考值。由图10B、图10C、图10D可知，当环境温度从0℃变化至40℃，光学镜头110经过此热效应(Thermal effect)之后，其MTF仍大于40％。
图11绘示本发明第八实施例的头戴式显示装置的概要示意图。请参考图11，在本实施例中，第一透镜112为玻璃非球面透镜、第二透镜114为塑料非球面透镜、第三透镜116为塑料非球面透镜以及第四透镜118为玻璃非球面透镜。
在本实施例中，其中一种情况为光学镜头110符合B×D<170，其中B为光学镜头110的镜头总长，在本实施例中，例如B为在光轴OA上表面S1至表面S8的距离，且D为光学镜头110中最大透镜的通光口径(Clear aperture)，在本实施例中，例如为第四透镜118的通光口径。在本实施例中，另一种情况为光学镜头110符合A+C<25，其中A为光栏ST与光学镜头110的表面S1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，且C为光学镜头110的表面S8与影像产生器150的表面在光轴OA上的距离。在本实施例中，又另一种情况为光学镜头110符合FOV/(B×D)>0.2，其中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FOV>40。在本实施例中，又另一种情况为光学镜头110同时符合B×D<170，A+C<25，FOV/(B×D)>0.2，FOV>40。上述参数A、B、C、D、FOV的定义同上所述。在本实施例中，上述参数A、B、C、D例如分别是5.45毫米(millimeters)、8.34毫米、5.48毫米、8.1毫米。上述参数A+C、B×D、FOV/(B×D)、FOV例如分别是10.93毫米(millimeters)、67.55毫米、0.77毫米、48.29毫米。这些参数的数值不用以限定本发明。
以下内容将举出光学镜头110之一实施例。需注意的是，以下内容所列的数据信息并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通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动，惟其仍应属于本发明之范畴内。
表十一
请参照图11及表十一，表十一中列出各个透镜(包括第一透镜112至第四透镜118)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、第三透镜116及第四透镜118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(osculating sphere)的半径，也就是接近光轴OA处的曲率半径(如表一所列的曲率的倒数)。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、A14、A16为非球面系数(aspheric coefficient)。在本实施例中，系数A2为0。以下表十二所列出的是各透镜的表面的参数值。
表十二
S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8
k 0.00E+00 0.00E+00 -3.03E+00 9.90E+01 0 -8.14E-01 -1.09E+00 0
A4 1.87E-03 7.47E-03 -1.79E-03 -5.94E-04 1.41E-03 1.79E-03 -3.74E-03 -8.76E-03
A6 -4.79E-04 -5.32E-04 8.67E-04 1.95E-04 -1.52E-04 2.51E-04 3.40E-04 7.81E-04
A8 4.97E-05 7.84E-05 5.89E-06 -1.90E-05 7.55E-06 -4.56E-05 -3.73E-05 -7.69E-05
A10 2.66E-07 -6.19E-06 -5.03E-05 -7.83E-07 1.44E-07 3.48E-06 2.10E-06 5.13E-06
A12 -1.33E-06 -6.86E-07 1.03E-05 1.23E-07 1.61E-08 -1.48E-07 -4.88E-08 -2.20E-07
A14 1.38E-09 -1.57E-08 -1.03E-06 -3.67E-09 1.07E-09 3.16E-09 3.09E-10 6.15E-09
A16 9.23E-09 7.82E-09 4.20E-08 4.68E-11 -9.34E-11 7.62E-11 0 -8.94E-11
图12A是图11的光学镜头的像散场曲(field curvature)图及畸变图。图12B是图11的光学镜头的横向色差图，其是以波长465纳米(nm)、525纳米、620纳米的光所作出的仿真数据图，纵坐标为像高。图12C是图11的光学镜头的光程差图，图12A至图12C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12C可知，在影像产生器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。影像产生器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可容易知道在设计光学镜头时，通过光学仿真的方式从物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，设计优化视场角FOV可达48.29度，可拥有较佳的视野涵盖。单位截面积所达视场角比值高，比值可达0.71(度/平方毫米)，使得光学镜头110在体积上较为轻薄短小，空间有效利用率高。参考图12B至图12C，在本实施例中，影像产生器150的主动表面上形成最大影像高度为3.34mm，且光学镜头110的设计符合预先设定的规范，可以解析至少111lp/mm分辨率的影像，因此光学镜头110的尺寸小、重量轻、视角大且具有高分辨率。
第八实施例的光学镜头的架构可降低热漂移的问题，说明如下。图13A、图13B、图13C、图13D分别绘示第八实施例的光学镜头在环境温度20℃、0℃、25℃、40℃的热平衡的调制转换函数(MTF)的概要示意图。光学镜头110的各项光学参数例如是以环境温度20℃为参考所设计的，因此，图13A所绘示的热平衡的调制转换函数(MTF)可作为光学镜头110是产生否热漂移的参考值。由图13B、图13C、图13D可知，当环境温度从0℃变化至40℃，光学镜头110经过此热效应(Thermal effect)之后，其MTF仍大于45％。
表十三中列出各个透镜(包括第一透镜112至第四透镜118)的在不同环境温度的透镜温度。
表十三
图14绘示本发明第九实施例的头戴式显示装置的概要示意图。请参考图14，在本实施例中，第一透镜112为玻璃非球面透镜、第二透镜114为塑料非球面透镜、第三透镜116为玻璃非球面透镜。第四透镜118为塑料非球面透镜。
在本实施例中，其中一种情况为光学镜头110符合B×D<170，其中B为光学镜头110的镜头总长，在本实施例中，例如B为在光轴OA上表面S1至表面S8的距离，且D为光学镜头110中最大透镜的通光口径(Clear aperture)，在本实施例中，例如为第四透镜118的通光口径。在本实施例中，另一种情况为光学镜头110符合A+C<25，其中A为光栏ST与光学镜头110的表面S1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，且C为光学镜头110的表面S8与影像产生器150的表面在光轴OA上的距离。在本实施例中，又另一种情况为光学镜头110符合FOV/(B×D)>0.2，其中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FOV>40。在本实施例中，又另一种情况为光学镜头110同时符合B×D<170，A+C<25，FOV/(B×D)>0.2，FOV>40。上述参数A、B、C、D、FOV的定义同上所述。在本实施例中，上述参数A、B、C、D例如分别是5.5毫米(millimeters)、7.95毫米、5.1毫米、8.1毫米。上述参数A+C、B×D、FOV/(B×D)、FOV例如分别是10.6毫米(millimeters)、64.495毫米、0.74毫米、47.7毫米。这些参数的数值不用以限定本发明。
以下内容将举出光学镜头110之一实施例。需注意的是，以下内容所列的数据信息并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通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动，惟其仍应属于本发明之范畴内。
表十四
请参照图14及表十四，表十四中列出各个透镜(包括第一透镜112至第四透镜118)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、第三透镜116及第四透镜118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(osculating sphere)的半径，也就是接近光轴OA处的曲率半径(如表一所列的曲率的倒数)。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、A14、A16为非球面系数(aspheric coefficient)。在本实施例中，系数A2为0。以下表十五所列出的是各透镜的表面的参数值。
表十五
S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8
k 0 0 -2.19E+00 -5.61E+00 0 -1.29E+00 -5.22E+00 0
A4 2.03E-04 1.42E-03 -6.57E-03 -3.21E-03 8.74E-03 8.31E-04 -8.28E-04 -1.54E-03
A6 -6.28E-05 -2.34E-04 9.98E-04 4.24E-04 -1.50E-04 4.19E-04 2.66E-04 5.48E-04
A8 -9.31E-06 2.31E-05 1.22E-04 -1.36E-05 5.20E-06 -5.01E-05 -3.95E-05 -8.08E-05
A10 -4.90E-07 -1.26E-06 -3.72E-05 -9.18E-07 3.49E-07 4.18E-06 2.26E-06 5.90E-06
A12 0 0 4.19E-06 8.44E-08 7.59E-08 -8.29E-08 -3.04E-08 -2.23E-07
A14 0 0 -2.64E-07 -1.09E-09 -9.73E-09 -3.21E-09 -2.15E-09 3.39E-09
A16 0 0 7.88E-09 1.22E-10 0 0 7.25E-11 7.53E-12
图15A是图14的光学镜头的像散场曲(field curvature)图及畸变图。图15B是图14的光学镜头的横向色差图，其是以波长465纳米(nm)、525纳米、620纳米的光所作出的仿真数据图，纵坐标为像高。图15C是图14的光学镜头的光程差图。图15A至图15C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15C可知，在影像产生器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。影像产生器150的主动表面是影像光束IM出射的表面。进一步说明，关于此光程差的设计，熟知此技术领域的人员可容易知道在设计光学镜头时，通过光学仿真的方式从物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，设计优化视场角可达47.7度FOV，可拥有较佳的视野涵盖。单位截面积所达视场角比值高，比值可达0.74(度/平方毫米)，使得光学镜头110在体积上较为轻薄短小，空间有效利用率高。参考图15B至图15C，在本实施例中，影像产生器150的主动表面上形成最大影像高度为3.34mm，且光学镜头110的设计符合预先设定的规范，可以解析至少111lp/mm分辨率的影像，因此光学镜头110的尺寸小、重量轻、视角大且具有高分辨率。
第九实施例的光学镜头的架构可降低热漂移的问题，说明如下。图16A、图16B、图16C、图16D分别绘示第九实施例的光学镜头在环境温度20℃、0℃、25℃、40℃的热平衡的调制转换函数(MTF)的概要示意图。光学镜头110的各项光学参数例如是以环境温度20℃为参考所设计的，因此，图16A所绘示的热平衡的调制转换函数(MTF)可作为光学镜头110是产生否热漂移的参考值。由图16B、图16C、图16D可知，当环境温度从0℃变化至40℃，光学镜头110经过此热效应(Thermal effect)之后，其MTF仍大于40％。
表十六中列出各个透镜(包括第一透镜112至第四透镜118)的在不同环境温度的透镜温度。
表十六
由上述可知，第七至第九实施例的光学镜头的架构的背焦距(BFL)的热漂移(thermal drift)小于0.015毫米，可降低热漂移的问题。
综上所述，本发明的第四至第九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、分辨率高且可降低热漂移的问题。
以上所述仅为本发明之较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施之范围，即所有依本发明专利的权利要求书及说明书内容所作之简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖之范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求的方案不须达成本发明所揭露之全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和发明名称仅是用来辅助专利档案检索之用，并非用来限制本发明之权利范围。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。

Claims (16)

1.一种光学镜头，其特征在于，所述光学镜头由从出光侧往入光侧依序排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜及第四透镜所组成，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜及所述第四透镜的屈光度依序分别为正、负、正及正，其中所述光学镜头用于接收影像产生器所提供的影像光束，所述影像产生器设置于所述入光侧，所述影像光束经过所述光学镜头后，在所述出光侧形成具有所述影像光束的光束缩束的最小截面积的光栏；其中，所述光学镜头符合以下条件：
B×D<130平方毫米，
A+C<20毫米，
FOV/(B×D)>0.4度/平方毫米，
FOV>50度，
其中，A为所述光栏与所述光学镜头在光轴上的距离，B为所述光学镜头的镜头总长，C为所述光学镜头与所述影像产生器在所述光轴上的距离，D为所述光学镜头中最大透镜的通光口径，且FOV为所述光学镜头的视场角。
2.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第一透镜为双凸透镜，所述第二透镜为凸凹透镜且具有朝向所述入光侧的凸面，所述第三透镜为双凸透镜，且所述第四透镜为凹凸透镜且具有朝向所述入光侧的凹面。
3.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜及所述第四透镜为玻璃非球面透镜。
4.一种光学镜头，其特征在于，所述光学镜头由从出光侧往入光侧依序排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜及第四透镜所组成，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜及所述第四透镜的屈光度依序分别为正、负、正及正，其中所述光学镜头用于接收影像产生器所提供的影像光束，所述影像产生器设置于所述入光侧，所述影像光束经过所述光学镜头后，在所述出光侧形成具有所述影像光束的光束缩束的最小截面积的光栏；其中，所述光学镜头符合以下条件：
B×D<170平方毫米，
A+C<25毫米，
FOV/(B×D)>0.2度/平方毫米，
FOV>40度，
其中，A为所述光栏与所述光学镜头在光轴上的距离，B为所述光学镜头的镜头总长，C为所述光学镜头与所述影像产生器在所述光轴上的距离，D为所述光学镜头中最大透镜的通光口径，且FOV为所述光学镜头的视场角。
5.根据权利要求4所述的光学镜头，其特征在于，所述第一透镜与所述第二透镜为塑料非球面透镜，所述第三透镜及所述第四透镜为玻璃非球面透镜。
6.根据权利要求4所述的光学镜头，其特征在于，所述第二透镜与所述第三透镜为塑料非球面透镜，所述第一透镜与所述第四透镜为玻璃非球面透镜。
7.根据权利要求4所述的光学镜头，其特征在于，所述第二透镜与所述第四透镜为塑料非球面透镜，所述第一透镜及所述第三透镜为玻璃非球面透镜。
8.根据权利要求4所述的光学镜头，其特征在于，所述第一透镜与所述第二透镜与所述第三透镜为塑料非球面透镜，所述第四透镜为玻璃非球面透镜。
9.根据权利要求1或4所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头还包括第一棱镜，所述第一棱镜设置在所述光学镜头与所述光栏之间，所述影像光束离开所述光学镜头，通过所述第一棱镜，并且会聚至所述光栏，以及所述影像光束在通过所述光栏之后发散。
10.根据权利要求1或4所述的光学镜头，其特征在于，所述光栏形成在波导元件的耦合入口，所述影像光束通过所述光栏经由所述耦合入口进入所述波导元件，并且传递至所述波导元件的耦合出口，再投射到目标。
11.根据权利要求1或4所述的光学镜头，其特征在于，所述光栏的形状为圆形。
12.一种头戴式显示装置，其特征在于，所述头戴式显示装置包括：
光学镜头，由从出光侧往入光侧依序排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜及第四透镜所组成，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜及所述第四透镜的屈光度依序分别为正、负、正及正，其中影像产生器设置于所述入光侧，且所述光学镜头用于接收所述影像产生器所提供的影像光束，所述影像光束经过所述光学镜头后，在所述出光侧形成具有所述影像光束的光束缩束的最小截面积的光栏；其中，所述光学镜头符合以下条件：
B×D<130平方毫米，
A+C<20毫米，
FOV/(B×D)>0.4度/平方毫米，
FOV>50度，
其中A为所述光栏与所述光学镜头在光轴上的距离，B为所述光学镜头的镜头总长，C为所述光学镜头与所述影像产生器在所述光轴上的距离，D为所述光学镜头中最大透镜的通光口径，且FOV为所述光学镜头的视场角；以及
波导元件，其中所述光栏形成在波导元件的耦合入口，所述影像光束通过所述光栏经由所述耦合入口进入所述波导元件，并且传递至所述波导元件的耦合出口，再投射到目标。
13.一种头戴式显示装置，其特征在于，所述头戴式显示装置包括：
光学镜头，由从出光侧往入光侧依序排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜及第四透镜所组成，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜及所述第四透镜的屈光度依序分别为正、负、正及正，其中影像产生器设置于所述入光侧，且所述光学镜头用于接收所述影像产生器所提供的影像光束；所述影像光束经过所述光学镜头后，在所述出光侧形成具有所述影像光束的光束缩束的最小截面积的光栏；其中，所述光学镜头符合以下条件：
B×D<170平方毫米，
A+C<25毫米，
FOV/(B×D)>0.2度/平方毫米，
FOV>40度，
其中，A为所述光栏与所述光学镜头在光轴上的距离，B为所述光学镜头的镜头总长，C为所述光学镜头与所述影像产生器在所述光轴上的距离，D为所述光学镜头中最大透镜的通光口径，且FOV为所述光学镜头的视场角；以及
波导元件，其中所述光栏形成在所述波导元件的耦合入口，所述影像光束通过所述光栏经由所述耦合入口进入所述波导元件，并且传递至所述波导元件的耦合出口，再投射到目标。
14.根据权利要求12或13所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述头戴式显示装置还包括第一棱镜，所述第一棱镜设置在所述光学镜头与所述光栏之间，所述影像光束离开所述光学镜头，通过所述第一棱镜，并且会聚至所述光栏，以及所述影像光束在通过所述光栏之后发散。
15.根据权利要求12或13所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述波导元件包括光学微结构，设置在所述耦合出口处，且所述光学微结构将传递至所述耦合出口的所述影像光束投射到所述目标。
16.根据权利要求12或13所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述光栏的形状为圆形。
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