CN201242611Y - 自由曲面全反射式的目视光学棱镜 - Google Patents

Abstract

一种自由曲面全反射式的目视光学棱镜，包括：一位于顶面的入射平面，实现光线进入到目视光学棱镜内；一位于左侧的球面，将从入射平面进入目视光学棱镜的光线反射出去；一位于右侧的自由曲面，自由曲面将从球面射过来的光线再全反射回球面，最后由球面折射出去聚合到瞳孔A，并从瞳孔A往目视光学棱镜望去形成放大的图像，它能消除图像的色差和畸变等像差，光能损失小，成像质量清晰，缩短光程，使产品外形缩小，本实用新型是一块塑料光学棱镜，使产品的重量减轻，便于佩戴，光学零件数目小，结构形状简单，利于装配，瞳孔距长，便于观察，放大率大，利于观察虚拟的图像，加工工艺为一次注塑成型、效率高、废品少、成本低、经济效益好，在产品装配中，调整简单，易保证光轴出射平行度公差数值。

Description

自由曲面全反射式的目视光学棱镜

技术领域：

本实用新型涉及自由曲面全反射式的目视光学棱镜，目视光学棱镜装于眼镜显示器里面，眼镜显示器中的微型显示器芯片显示的图像，经过目视光学棱镜放大后送入人的眼球，该目视光学棱镜由于光能损失小、色差和畸变小，所以图像更加清晰，为了保证图像质量。

背景技术：

目前，在眼镜显示器及其同类产品中广泛使用一种较为标准式的光学系统，该系统可以虚拟放大电视、电影设备及DVD等图像。如图1、图2示，该标准式的光学系统由下列光学件组成，：(1)、凸透镜D；(2)、凹面镜B；(3)、半透半反射镜C。其工作原理是：将显示器芯片A显示的图像的光线先射到半透半反射镜C上，再折转90⁰射到镀有反射膜的凹面镜B上，而光线反射回并通过半透半反射镜C和凸透镜D到观察者的眼睛。该系统主要的缺点有如下几点：(1)、成像质量差，主要是光的路线长光能损失大，色差、畸变大；(2)、光学件多，加工工序长，尤其是半透半反射镜镀一层半透半反射膜技术难度大，生产效率低，废品多，成本高，经济效益差；(3)、光学系统长，装在眼镜显示器中，使体积增大，佩戴在观察者头上，使鼻部压力大，易造成疲倦。

另外，目前同类眼镜显示器产品左、右目视光学系统的出射光轴的平行度，靠装配尺寸保证，未设计平行度的调整机构，因此在产品装配中，对左、右目视光学系统出射光轴的平行度，很难保证，直接影响了观察的效果。

实用新型内容：

本实用新型的目的是提供自由曲面全反射式的目视光学棱镜，它光能损失小，缩短光程，使产品外形缩小；光学件少，重量轻，安装在眼镜显示器时方便佩戴和调整。

本实用新型的自由曲面全反射式的目视光学棱镜是通过如下技术方案来实现的：

一种自由曲面全反射式的目视光学棱镜，它包括：一位于顶面的入射平面，实现光线进入到目视光学棱镜内；一位于左侧的球面，将从入射平面进入目视光学棱镜的光线反射出去；一位于右侧的自由曲面，自由曲面将从球面射过来的光线再全反射回球面，最后由球面折射出去聚合到瞳孔A，并从瞳孔A往目视光学棱镜望去形成放大的图像。

上述所述的目视光学棱镜的正面和后面是平面。

上述所述的目视光学棱镜的正面和后面是平行的。

上述所述的目视光学棱镜是由塑料注塑成型。

上述所述的目视光学棱镜是由玻璃材料制造。

上述所述的自由曲面外表面镀反射膜。

上述所述的正面和后面的顶部个设置有凸台，凸台顶面上凸出有转轴。

上述入射平面的顶点、球面的顶点、自由曲面的顶点在以瞳孔A为原点的YZ平面的偏心坐标为(13.467，28.86)、(2.873，25.135)、(-0.694，31.146)，入射平面相对于水平面的偏转角在-2°和-3°之间，球面的曲率半径R在345mm至360mm之间，所述自由曲面是采用如下多项式的自由曲面结构：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+\underset{j=2}{\overset{66}{\mathrm{\Σ}}}{C}_j{X}^m{Y}^n$

其中，j＝[(m+n)²+m+3n]/2+1，z是Z轴方向的矢高，c是顶点曲率半径，、k是二次曲面系数，C_j是多项式系数，C_j取值如下：

本实用新型自由曲面全反射式的目视光学棱镜与现有技术相比具有如下优点：1、本实用新型由入射平面，球面，自由曲面组成一个特殊的目视光学棱镜，其中球面和自由曲面能消除显示器芯片入射的图像的色差和畸变等像差，又由于球面是全反射，所以光能损失小，成像质量清晰。2、缩短光程，使产品外形缩小；3、本实用新型是一块塑料光学棱镜，使产品的重量减轻，便于佩戴。4、光学零件数目小，结构形状简单，利于装配。5、瞳孔距长，便于观察。6、放大率大，利于观察虚拟的图像。7、加工工艺为一次注塑成型、效率高、废品少、成本低、经济效益好。8、在产品装配中，调整简单，易保证光轴出射平行度公差数值。

附图说明：

下面结合附图对本实用新型作详细的说明：

图1是传统的眼镜显示器的结构示意图；

图2是传统的眼镜显示器里面应用的光学系统的结构示意图；

图3是本实用新型目视光学棱镜的光学原理图；

图4是本实用新型目视光学棱镜的一个角度的立体图；

图5是本实用新型目视光学棱镜另一个角度的立体图；

图6是本实用新型安装上支架后的结构示意图；

图7是本实用新型目视光学棱镜出射光轴平行度调整机构示意图；

图8是图7的B-B局部放大图；

图9是本实用新型安装在眼镜显示器后的结构视图；

图10是眼镜架的结构示意图；

图11是本实用新型光学棱镜的俯视图；

图12是图11的A-A截面示意图；

图13是本实用新型自由曲面3的有效工作区域示意图。

具体实施方式：

如图3、图4、图5、图6、图7所示，本实用新型的自由曲面全反射式的目视光学棱镜包括一位于顶面的入射平面1，实现光线进入到目视光学棱镜内；一位于左侧的球面2，将从入射平面1进入目视光学棱镜的光线反射出去；一位于右侧的自由曲面3，自由曲面3将从球面2射过来的光线再全反射回球面2，最后由球面2折射出去聚合到瞳孔A，并从瞳孔A往目视光学棱镜望去形成放大的图像。目视光学棱镜的正面4和后面5是平面，目视光学棱镜的正面4和后面5是平行的。目视光学棱镜可以是由塑料注塑成型，也可以是由玻璃材料制造。自由曲面3外表面镀反射膜。正面4和后面5的顶部个设置有凸台6，凸台6顶面上凸出有转轴7，自由曲面是由三条空间曲线构成。

如图3所示，本实用新型的自由曲面全反射式的目视光学棱镜，它完全可代替传统的同类光学系统的作用，而且有其独特之处。显示器芯片12与目视光学棱镜的入射平面1要设计一倾斜角度，在设计目视光学棱镜时，要保证入射平面1、球面2、自由曲面3之间的相对位置关系的尺寸参数及自由曲面4的特征参数，组成校正本系统的各种像差(如色差、畸变等)的特殊光学结构体系。当眼镜显示器中微型显示器芯片12显示的图像的光线经过入射平面1后到球面2的表面后全反射到自由曲面3上，由自由曲面3反射后并通过球面2折射到瞳孔A处形成一个放大的清晰图像供观察者看。

如图12所示本实用新型目视光学棱镜的中截面，B、C、D点分别是入射平面1的顶点、球面2的顶点、自由曲面3的顶点，各顶点在以瞳孔A为原点的YZ平面的偏心坐标为(13.467，28.86)、(2.873，25.135)、(-0.694，31.146)，入射平面1相对于水平面的偏转角β在-2°和-3°之间，球面2的曲率半径R在345mm至360mm之间，自由曲面3是采用如下多项式的自由曲面结构：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+\underset{j=2}{\overset{66}{\mathrm{\Σ}}}{C}_j{X}^m{Y}^n$

其中，j＝[(m+n)²+m+3n]/2+1，z是Z轴方向的矢高，c是顶点曲率半径，、k是二次曲面系数，C_j是多项式系数，C_j取值如表2：

表2

如图13所示是自由曲面3的有效工作区域示意图，该有效工作区域是以顶点D为原点，在XY平面的端点坐标为(-11，14)，(11，14)，(-11，-8)，(11，-8)。

本实用新型的自由曲面全反射式的目视光学棱镜出射光轴平行度的调整机构包括支架8和调整螺钉11，目视光学棱镜的两个凸台6分别嵌入到支架8的两侧凹槽9里面，凸台6顶面上的转轴7嵌入凹槽9顶部的轴孔10里面，两个调整螺钉11分别穿过凹槽9底部的壁板旋进凸台6底部两侧，在凸台6上方的壁板上留有注胶孔13，注胶孔13与凹槽9相通。该调整机构与现有技术相比具有如下优点：①、在产品装配中，调整简单，易保证光轴出射平行度公差数值。②、结构简单，固结方便可靠。

如图6、图7、图8、图9所示，当眼镜显示器中左、右目视光学棱镜出射光轴O和O1出现不平行时，通过调整支架8上左、右各二个螺钉11进行调整，使光学棱镜绕着转轴7向上或向下摆动一个△θ角，以达到出射光轴O和O1的平行度的技术要求，调好后，在图8中注胶孔13同时注胶固结。

如图10所示，两支架8可以安装在支架连接板16上，左、右目视光学棱镜从下部安装在槽14、15内，图10中设置有支架安装孔18和显示器芯片安装孔17。

Claims (8)

1、一种自由曲面全反射式的目视光学棱镜，其特征在于它包括：

一位于顶面的入射平面(1)，实现光线进入到目视光学棱镜内；

一位于左侧的球面(2)，将从入射平面(1)进入目视光学棱镜的光线反射出去；

一位于右侧的自由曲面(3)，自由曲面(3)将从球面(2)射过来的光线再全反射回球面(2)，最后由球面(2)折射出去聚合到瞳孔A，并从瞳孔A往目视光学棱镜望去形成放大的图像。

2、根据权利要求1所述的自由曲面全反射式的目视光学棱镜，其特征在于：

目视光学棱镜的正面(4)和后面(5)是平面。

3、根据权利要求2所述的自由曲面全反射式的目视光学棱镜，其特征在于：

目视光学棱镜的正面(4)和后面(5)是平行的。

4、根据权利要求1至3任一所述的自由曲面全反射式的目视光学棱镜，其特征在于：目视光学棱镜是由塑料注塑成型。

5、根据权利要求1至3任一所述的自由曲面全反射式的目视光学棱镜，其特征在于：目视光学棱镜是由玻璃材料制造。

6、根据权利要求1至3任一所述的自由曲面全反射式的目视光学棱镜，其特征在于：自由曲面(3)外表面镀反射膜。

7、根据权利要求1至3任一所述的自由曲面全反射式的目视光学棱镜，其特征在于：正面(4)和后面(5)的顶部各设置有凸台(6)，凸台(6)顶面上凸出有转轴(7)。

8、根据权利要求1至3任一所述的自由曲面全反射式的目视光学棱镜，其特征在于：所述入射平面(1)的顶点、球面(2)的顶点、自由曲面(3)的顶点在以瞳孔A为原点的YZ平面的偏心坐标为(13.467，28.86)、(2.873，25.135)、(-0.694，31.146)，入射平面(1)相对于水平面的偏转角在-2°和-3°之间，球面(2)的曲率半径R在345mm至360mm之间，所述自由曲面(3)是采用如下多项式的自由曲面结构：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+\underset{j=2}{\overset{66}{\mathrm{\Σ}}}{C}_j{X}^m{Y}^n$

其中，j＝[(m+n)²+m+3n]/2+1，z是Z轴方向的矢高，c是顶点曲率半径，、k是二次曲面系数，C_j是多项式系数，C_j取值如下：

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