CN100485448C - 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，该目视光学棱镜包括为一平面的入射面、球面形状的出射面和为自由曲面的反射面，入射面实现光线入射到目视光学棱镜内；出射面将从入射面进入目视光学棱镜的光线全反射到反射面上；反射面将出射面射过来的光线再反射回出射面，最后由出射面折射出去会聚到瞳孔，从瞳孔处可以看到目视光学棱镜形成的放大图像。它光能损失小，成像质量清晰，重量轻，便于佩戴，光学零件数目小，结构形状简单，利于装配，调整简单。

Description

自由曲面全反射式的目视光学棱镜

1、技术领域：

本发明涉及自由曲面全反射式的目视光学棱镜。

2、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。如图2示，该标准式的光学系统由下列光学件组成：凸透镜D、凹面镜B和半透半反射镜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，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。该光学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的左、右目视光学系统的出射光轴的平行度，靠结构尺寸保证，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。

3、发明内容：

本发明的一个目的是提供自由曲面全反射式的目视光学棱镜，它能缩短光程，使产品外形缩小；减小色差和畸变等像差，可提高图像的质量；光学件少，重量轻，安装在眼镜显示器时方便佩戴和调整。

本发明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：入射面、出射面、反射面，所述的入射面是平面，实现光线入射到目视光学棱镜内；所述的出射面是球面，将从入射面进入目视光学棱镜的光线全反射到反射面上；所述的反射面是自由曲面，反射面将出射面射过来的光线再反射回出射面，最后由出射面折射出去会聚到瞳孔，从瞳孔处可以看到目视光学棱镜形成的放大图像。

上述所述的反射面是由三条空间曲线构成的自由曲面。

上述所述的目视光学棱镜是由折射率大于1的塑料注塑成型。

上述所述的目视光学棱镜也可是由折射率大于1的玻璃材料制造。

上述所述的自由曲面外表面镀反射膜。

上述所述目视光学棱镜还包括平行度调整机构，平行度调整机构包括支架、调整螺钉、目视光学棱镜上部的两个凸台和转轴，目视光学棱镜的顶部还包括两相互平行的平面一和平面二，平面一的顶部和平面二的顶部各设置有凸台，凸台顶而上设有转轴，目视光学棱镜由支架下部装入，调整螺钉拧入支架上，并压住目视光学棱镜。

本发明的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)、本发明由入射面、出射面、发射面组成一个特殊的目视光学棱镜，其中出射面和反射面分别是球面和自由曲面，所以它能消除微型显示器芯片显示图像的色差和畸变等像差，又由于出射面是全反射的，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)、本发明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。

4、附图说明：

下面结合附图对本发明作详细的说明：

图1是眼镜显示器的结构示意图；

图2是传统的眼镜显示器应用的光学系统的结构示意图；

图3是本发明目视光学棱镜的光学原理图；

图4是表示本发明目视光学棱镜的反射面的立体形状图；

图5是表示本发明目视光学棱镜的出射面的立体形状图；

图6是表示本发明安装目镜光学棱镜的支架的右边结构示意图；

图7是表示本发明目视光学棱镜的光轴出射平行度调整机构示意图；

图8是表示本发明安装在目视光学棱镜的眼镜显示器的光轴出射平行度示意图；

图9是表示本发明眼镜支架的结构示意图。

5、具体实施方式：

如图3、图4、图5、图6所示，本发明的自由曲面全反射式的目视光学棱镜包括入射面1，出射面2，反射面3，平面—4和平面二5，平面—4和平面二5互相平行的。使用时，眼镜显示器中微型显示器芯片12与目视光学棱镜的入射面1设计一倾斜角度，在设计目视光学棱镜时，要保证入射面1、出射面2、反射面3之间的相对位置关系的尺寸参数及反射面3的特征参数，组成能放大图像和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。所述显示器芯片12显示的图像的光线经过入射面1后到出射面2的表面全反射到反射面3上，由反射面3反射并通过出射面2折射到瞳孔A处形成一个放大的清晰图像供观察者观看。目视光学棱镜可以是由折射率大于1的塑料注塑成型，也可以是由折射率大于1的玻璃材料制造。反射面3外表面镀有反射膜。平面—4的顶部和平面二5的顶部上设置有凸台6，凸台6上设有转轴7。反射面3是由三条空间曲线构成的自由曲面。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。

如图7示，本发明的自由曲面全反射式的目视光学棱镜光轴出射平行度的调整机构包括用于装目视光学棱镜的支架8、调整螺钉11、目视光学棱镜上部的两个凸台6和两个凸台顶面上的转轴7。使用时，首先将目镜光学棱镜装入支架8下部，用二个调整螺钉11拧入支架8上，其调整螺钉头内端面压住目视光学棱镜的凸台6下面，并保证支架8和目视光学棱镜的结合处留有一定间隙，当转动调整螺钉11时，使目视光学棱镜绕转轴7前后摆动，使其光轴○和○1向上或向下摆动一个△θ角，这样就可以达到光轴○和○1的平行度技术要求，如图8示。调好后，在注胶孔13中注胶固结，如图6示。

如图9所示，将二块目视光学棱镜从下面装入支架8的槽14和槽15里面，而微型显示器芯片12由支架8上部装入槽14、槽15里面，这样就组成一个完整的双目视光学系统组件，而后通过螺钉孔17将组件固定在眼镜显示器的本体上，即构成一个完整的产品。

Claims (6)

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：入射面(1)、出射面(2)、反射面(3)，所述的入射面(1)是平面，实现光线入射到目视光学棱镜内；所述的出射面(2)是球面，其将从入射面(1)进入目视光学棱镜的光线全反射到反射面(3)上；所述的反射面(3)是自由曲面，反射面(3)将出射面(2)射过来的光线再反射回出射面(2)，最后由出射面(2)折射出去会聚到瞳孔(A)，从瞳孔(A)处可以看到目视光学棱镜形成的放大图像。

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：

反射面(3)是由三条空间曲线构成的自由曲面。

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：

它是由折射率大于1的光学塑料注塑成型。

4、根据权利要求1或2所述的自由曲面全反射式的目视光学棱镜，其特征在

于：它是由折射率大于1的玻璃材料制造。

5、根据权利要求1、2或3所述的自由曲面全反射式的目视光学棱镜，其特征在于：反射面(3)外表面镀反射膜。

6、根据权利要求1、2或3所述的自由曲面全反射式的目视光学棱镜，其特征在于：它包括平行度调整机构，平行度调整机构包括支架(8)、调整螺钉(11)、目视光学棱镜上部的两个凸台(6)和转轴(7)，目视光学棱镜的顶部还包括两相互平行的平面一(4)和平面二(5)，平面一(4)的顶部和平面二(5)的顶部各设置有凸台(6)，凸台(6)顶面上设有转轴(7)，目视光学棱镜由支架(8)下部装入，调整螺钉(11)拧入支架(8)上，并压住目视光学棱镜。

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