CN201307184Y - 一种由三个自由曲面构成的目镜光学元件 - Google Patents

Abstract

一种由三个自由曲面构成的目镜光学元件，该目镜光学元件主要包括三个自由曲面，包括：一位于顶面的入射面(1)，实现光线进入到目镜光学元件内；一位于左侧的全反射面及出射面(2)，将从入射面(1)进入目镜光学元件的光线全反射并折射出去；一位于右侧的反射面(3)，反射面(3)将全反射面及出射面(2)反射过来的光线再反射回全反射面及出射面(2)，最后由全反射面及出射面(2)折射出去聚合到瞳孔A，并从瞳孔A往目镜光学元件望去形成放大的图像，该目镜光学元件与LCD微型显示器组成成像光学系统，在观测者的眼前形成放大的虚拟画面。它体积小，制造成本低，重量轻，比较薄；图像畸变小，适合16∶9或者4∶3规格的LCD微型显示器。

Description

一种由三个自由曲面构成的目镜光学元件

技术领域：

本实用新型涉及三个自由曲面构成的目镜光学元件，目镜光学元件装于目镜光学成像系统中，按16：9或者4：3规格成像的LCD产生的画面，经过目镜光学元件放大后送入人的眼球，该目镜光学元件由于光能损失小、色差和畸变小，所以图像更加清晰。

背景技术：

目前，在目镜光学成像系统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所示，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90°射到镀有反射膜的凹面镜B上，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，光学系统厚度大概在25mm。

目前，虽然出现了一体化的目视光学棱镜解决上述的不足，但是还存在如下不足：体积大，比较重，只适合于屏幕长宽比为4：3的微型显示器，但对于屏幕长宽比为16：9的微型显示器，该目视光学棱产生的色差、畸变大，且放大倍数也不够大。

实用新型内容：

本实用新型的目的是提供一种由三个自由曲面构成的目镜光学元件，它体积小，重量轻，图像畸变小。

本实用新型的由三个自由曲面构成的目镜光学元件是通过如下技术方案来实现的：

一种由三个自由曲面构成的目镜光学元件，该目镜光学元件主要包括三个自由曲面，包括：一位于顶面的入射面，实现光线进入到目镜光学元件内；一位于左侧的全反射面及出射面，将从入射面进入目镜光学元件的光线全反射并折射出去；一位于右侧的反射面，反射面将全反射面及出射面反射过来的光线再反射回全反射面及出射面，最后由全反射面及出射面折射出去聚合到瞳孔A，并从瞳孔A往目镜光学元件望去形成放大的图像，该目镜光学元件与LCD微型显示器组成成像光学系统，该目镜光学元件将LCD微型显示器能产生16：9或者4：3画面规格的影像放大，在观测者的眼前形成按16：9或者4：3规格放大的虚拟画面。

上述所述的入射面、全反射面及出射面和反射面的自由曲面满足如下方程：

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

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。

上述所述的目镜光学元件是由折射率大于1.4的透明塑料注塑成型。

上述所述的反射面外表面镀反射膜。

上述所述在入射面上方放置16：9或者4：3规格的LCD微型显示器。

上述所述的瞳孔A的孔径为φ7.0±5.0mm。

上述瞳孔A与全反射面及出射面之间的出瞳距离为18.0±6.0mm。

本实用新型与现有技术相比具有如下优点：1、本实用新型入射面、全反射及出射面和反射面全部为自由曲面，体积小，只有原来的目视光学棱镜1/4的体积，制造成本低，重量轻，比较薄，厚度只有7.7mm；2、图像畸变小，图像畸变率只有2％；3、适合16：9或者4：3规格的LCD微型显示器，通过目镜光学元件能在观测者的眼前2米处形成一个38～40时的16：9或者4：3虚拟的放大图像。

附图说明：

下面结合附图对本实用新型作详细的说明：

图1是传统的光学成像系统的一种原理示意图；

图2是传统的光学成像系统的另一种原理示意图；

图3是本实用新型目镜光学元件的光学原理图；

图4是本实用新型目镜光学元件的的立体图；

图5是本实用新型的中间截面在YZ坐标平面的示意图。

具体实施方式：

如图3、图4所示，本实用新型与LCD微型显示器4组成成像光学系统，该LCD微型显示器4能产生16：9或者4：3画面规格的影像，该目镜光学元件主要包括三个自由曲面，将LCD微型显示器4产生16：9或者4：3的画面放大，在观测者的眼前形成按16：9或者4：3规格放大的虚拟画面。所述的目镜光学元件的三个自由曲面包括：一位于顶面的入射面1，实现光线进入到目镜光学元件内；一位于左侧的全反射面及出射面2，将从入射面1进入目镜光学元件的光线全反射并折射出去；一位于右侧的反射面3，反射面3将全反射面及出射面2反射过来的光线再反射回全反射面及出射面2，最后由全反射面及出射面2折射出去聚合到瞳孔A，并从瞳孔A往目镜光学元件望去形成放大的图像。目镜光学元件是由折射率大于1.4的透明塑料注塑成型。反射面3外表面镀反射膜。在入射面1上方放置16：9或者4：3规格的LCD微型显示器4。瞳孔A与全反射面及出射面2之间的出瞳距离为18.0±6.0mm。，瞳孔A的孔径为φ7.0±5.0mm，光学系统厚度只有7.7mm。

入射面1、全反射面及出射面2和反射面3的自由曲面满足如下方程：

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

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。

如图5所示，以瞳孔A为原点，B、C、D点分别是入射面1的顶点、全反射面及出射面2的顶点、反射面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B(9.55，19.09)、C(0，17.99)、D(-5.0，19.52)，顶点B的法线与水平面的夹角在80°到90°之间，顶点C的法线与水平面的夹角在15°到20°之间，顶点D的法线与水平面的夹角在20°到25°之间，曲面是采用如下多项式的自由曲面结构：

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

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，其中：自由曲面1，2，3的各个参数取值见下表1、表2和表3

表1：入射面的参数

 

系数	说明	表面		系数	说明	表面
							Cuy	C	-0.047502239		C15	Y4	5.24829E-04
C1	K	0		C16	X5	0
							C2	X	0		C17	X4Y	-7.14332E-06
C3	Y	-0.37138201		C18	X3Y2	0
							C4	X2	-0.007602734		C19	X2Y3	-2.73191E-05
C5	XY	0		C20	XY4	0
							C6	Y2	-1.52806E-02		C21	Y5	-1.20757E-04
C7	X3	0		C22	Y6	6.72518E-08
							C8	X2Y	-6.26260E-04		C23	X5Y	0
C9	XY2	0		C24	X4Y2	-4.35497E-06
							C10	Y3	2.59830E-03		C25	X3Y3	0
C11	X4	-1.13681E-05		C26	X2Y4	-5.46993E-06
							C12	X3Y	0		C27	XY5	0
C13	X2Y2	6.49553E-04		C28	Y6	-1.34838E-05
							C14	XY3	0

表2：全反射面及出射面的参数

表3：反射面参数

 

系数	说明	表面3		系数	说明	表面3
							Cuy	C	-0.039092523		C20	XY4	0
C1	K	0		C21	Y5	-1.95452E-08
							C2	X	0		C22	X6	-7.42893E-10
C3	Y	0		C23	X5Y	0
							C4	X2	0.003799884		C24	X4Y2	3.87434E-08
C5	XY	0		C25	X3Y3	0
							C6	Y2	8.81164E-03		C26	X2Y4	-9.84636E-08
C7	X3	0		C27	XY5	0
							C8	X2Y	-4.32016E-05		C28	Y6	-2.67793E-08
C9	XY2	0		C29	X7	0
							C10	Y3	-1.26252E-04		C30	X6Y	-9.89034E-10
C11	X4	8.37494E-06		C31	X5Y2	0
							C12	X3Y	0		C32	X4Y3	1.45616E-10
C13	X2Y2	1.31747E-05		C33	X3Y4	0
							C14	XY3	0		C34	X2Y5	6.07257E-09
C15	Y4	1.34010E-05		C35	XY6	0
							C16	X5	0		C36	Y7	9.63516E-10
C17	X4Y	-3.74855E-08		C37	Y8	1.07171E-10
							C18	X3Y2	0		C38	X7Y	0
C19	X2Y3	4.35235E-07

Claims (7)

1、一种由三个自由曲面构成的目镜光学元件，其特征在于：该目镜光学元件主要包括三个自由曲面，包括：一位于顶面的入射面(1)，实现光线进入到目镜光学元件内；一位于左侧的全反射面及出射面(2)，将从入射面(1)进入目镜光学元件的光线全反射并折射出去；一位于右侧的反射面(3)，反射面(3)将全反射面及出射面(2)反射过来的光线再反射回全反射面及出射面(2)，最后由全反射面及出射面(2)折射出去聚合到瞳孔A，并从瞳孔A往目镜光学元件望去形成放大的图像，该目镜光学元件与LCD微型显示器组成成像光学系统，该目镜光学元件将LCD微型显示器能产生16：9或者4：3画面规格的影像放大，在观测者的眼前形成按16：9或者4：3规格放大的虚拟画面。

2、根据权利要求1所述的一种由三个自由曲面构成的目镜光学元件，其特征在于：入射面(1)、全反射面及出射面(2)和反射面(3)的自由曲面满足如下方程：

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

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。

3、根据权利要求1或2所述的一种由三个自由曲面构成的目镜光学元件，其特征在于：目镜光学元件是由折射率大于1.4的透明塑料注塑成型。

4、根据权利要求1或2所述的一种由三个自由曲面构成的目镜光学元件，其特征在于：反射面(3)外表面镀反射膜。

5、根据权利要求3所述的一种由三个自由曲面构成的目镜光学元件，其特征在于：在入射面(1)上方放置16：9或者4：3规格的LCD微型显示器。

6、根据权利要求2所述的一种由三个自由曲面构成的目镜光学元件，其特征在于：瞳孔A的孔径为φ7.0±5.0mm。

7、根据权利要求2所述的一种由三个自由曲面构成的目镜光学元件，其特征在于：瞳孔A与全反射面及出射面(2)之间的出瞳距离为18.0±6.0mm。

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