專利名稱：：自由曲面全反射式的目視光學(xué)棱鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本實(shí)用新型涉及自由曲面全反射式的目視光學(xué)棱鏡，目視光學(xué)棱鏡裝于眼鏡顯示器里面，眼鏡顯示器中的微型顯示器芯片顯示的圖像，經(jīng)過目視光學(xué)棱鏡放大后送入人的眼球，該目視光學(xué)棱鏡由于光能損失小、色差和畸變小，所以圖像更加清晰,為了保證圖像質(zhì)量。技術(shù)背景目前，在眼鏡顯示器及其同類產(chǎn)品中廣泛使用一種較為標(biāo)準(zhǔn)式的光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以虛擬放大電視、電影設(shè)備及DVD等圖像。如圖l、圖2示，該標(biāo)準(zhǔn)式的光學(xué)系統(tǒng)由下列光學(xué)件組成，(1)、凸透鏡D;(2)、凹面鏡B;(3)、半透半反射鏡C。其工作原理是將顯示器芯片A顯示的圖像的光線先射到半透半反射鏡C上，再折轉(zhuǎn)9(^射到鍍有反射膜的凹面鏡B上，而光線反射回并通過半透半反射鏡C和凸透鏡D到觀察者的眼睛。該系統(tǒng)主要的缺點(diǎn)有如下幾點(diǎn)(1)、成像質(zhì)量差，主要是光的路線長(zhǎng)光能損失大，色差、畸變大；(2)、光學(xué)件多，加工工序長(zhǎng)，尤其是半透半反射鏡鍍一層半透半反射膜技術(shù)難度大，生產(chǎn)效率低，廢品多，成本高，經(jīng)濟(jì)效益差；(3)、光學(xué)系統(tǒng)長(zhǎng)，裝在眼鏡顯示器中，使體積增大，佩戴在觀察者頭上，使鼻部壓力大，易造成疲倦。另外，目前同類眼鏡顯示器產(chǎn)品左、右目視光學(xué)系統(tǒng)的出射光軸的平行度，靠裝配尺寸保證，未設(shè)計(jì)平行度的調(diào)整機(jī)構(gòu)，因此在產(chǎn)品裝配中，對(duì)左、右目視光學(xué)系統(tǒng)出射光軸的平行度，很難保證，直接影響了觀察的效果
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供自由曲面全反射式的目視光學(xué)棱鏡，它光能損失小，縮短光程，使產(chǎn)品外形縮??；光學(xué)件少，重量輕，安裝在眼鏡顯示器時(shí)方便佩戴和調(diào)整。本實(shí)用新型的自由曲面全反射式的目視光學(xué)棱鏡是通過如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的一種自由曲面全反射式的目視光學(xué)棱鏡，它包括一位于頂面的入射平面，實(shí)現(xiàn)光線進(jìn)入到目視光學(xué)棱鏡內(nèi)；一位于左側(cè)的球面，將從入射平面進(jìn)入目視光學(xué)棱鏡的光線反射出去；一位于右側(cè)的自由曲面，自由曲面將從球面射過來的光線再全反射回球面，最后由球面折射出去聚合到瞳孔A，并從瞳孔A往目視光學(xué)棱鏡望去形成放大的圖像。上述所述的目視光學(xué)棱鏡的正面和后面是平面。上述所述的目視光學(xué)棱鏡的正面和后面是平行的。上述所述的目視光學(xué)棱鏡是由塑料注塑成型。上述所述的目視光學(xué)棱鏡是由玻璃材料制造。上述所述的自由曲面外表面鍍反射膜。上述所述的正面和后面的頂部個(gè)設(shè)置有凸臺(tái)，凸臺(tái)頂面上凸出有轉(zhuǎn)軸。上述入射平面的頂點(diǎn)、球面的頂點(diǎn)、自由曲面的頂點(diǎn)在以瞳孔A為原點(diǎn)的YZ平面的偏心坐標(biāo)為(13.467，28.86)、(2.873,25.135)、(-0.694，31.146)，入射平面相對(duì)于水平面的偏轉(zhuǎn)角在-2°和-3°之間，球面的曲率半徑R在345mm至360mm之間，所述自由曲面是采用如下多項(xiàng)式的自由曲面結(jié)構(gòu)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中，j=[(m+n)2+m+3n]/2+l，z是Z軸方向的矢高，c是頂點(diǎn)曲率半徑，、k是二次曲面系數(shù)，Cj是多項(xiàng)式系數(shù)，Cj取值如下<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>本實(shí)用新型自由曲面全反射式的目視光學(xué)棱鏡與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)1、本實(shí)用新型由入射平面，球面，自由曲面組成一個(gè)特殊的目視光學(xué)棱鏡，其中球面和自由曲面能消除顯示器芯片入射的圖像的色差和畸變等像差，又由于球面是全反射，所以光能損失小，成像質(zhì)量清晰。2、縮短光程，使產(chǎn)品外形縮?。?、本實(shí)用新型是一塊塑料光學(xué)棱鏡，使產(chǎn)品的重量減輕，便于佩戴。4、光學(xué)零件數(shù)目小，結(jié)構(gòu)形狀簡(jiǎn)單，利于裝配。5、瞳孔距長(zhǎng)，便于觀察。6、放大率大，利于觀察虛擬的圖像。7、加工工藝為一次注塑成型、效率高、廢品少、成本低、經(jīng)濟(jì)效益好。8、在產(chǎn)品裝配中，調(diào)整簡(jiǎn)單，易保證光軸出射平行度公差數(shù)值。以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作詳細(xì)的說明圖1是傳統(tǒng)的眼鏡顯示器的結(jié)構(gòu)示意圖2是傳統(tǒng)的眼鏡顯示器里面應(yīng)用的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖3是本實(shí)用新型目視光學(xué)棱鏡的光學(xué)原理圖4是本實(shí)用新型目視光學(xué)棱鏡的一個(gè)角度的立體圖5是本實(shí)用新型目視光學(xué)棱鏡另一個(gè)角度的立體圖6是本實(shí)用新型安裝上支架后的結(jié)構(gòu)示意圖7是本實(shí)用新型目視光學(xué)棱鏡出射光軸平行度調(diào)整機(jī)構(gòu)示意圖8是圖7的B-B局部放大圖9是本實(shí)用新型安裝在眼鏡顯示器后的結(jié)構(gòu)視圖IO是眼鏡架的結(jié)構(gòu)示意圖11是本實(shí)用新型光學(xué)棱鏡的俯視圖12是圖11的A-A截面示意圖13是本實(shí)用新型自由曲面3的有效工作區(qū)域示意圖。具體實(shí)施方式如圖3、圖4、圖5、圖6、圖7所示，本實(shí)用新型的自由曲面全反射式的目視光學(xué)棱鏡包括一位于頂面的入射平面1，實(shí)現(xiàn)光線進(jìn)入到目視光學(xué)棱鏡內(nèi)；一位于左側(cè)的球面2，將從入射平面1進(jìn)入目視光學(xué)棱鏡的光線反射出去；一位于右側(cè)的自由曲面3，自由曲面3將從球面2射過來的光線再全反射回球面2，最后由球面2折射出去聚合到瞳孔A，并從瞳孔A往目視光學(xué)棱鏡望去形成放大的圖像。目視光學(xué)棱鏡的正面4和后面5是平面，目視光學(xué)棱鏡的正面4和后面5是平行的。目視光學(xué)棱鏡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外表面鍍反射膜。正面4和后面5的頂部個(gè)設(shè)置有凸臺(tái)6，凸臺(tái)6頂面上凸出有轉(zhuǎn)軸7，自由曲面是由三條空間曲線構(gòu)成。如圖3所示，本實(shí)用新型的自由曲面全反射式的目視光學(xué)棱鏡，它完全可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的同類光學(xué)系統(tǒng)的作用，而且有其獨(dú)特之處。顯示器芯片12與目視光學(xué)棱鏡的入射平面1要設(shè)計(jì)一傾斜角度，在設(shè)計(jì)目視光學(xué)棱鏡時(shí)，要保證入射平面1、球面2、自由曲面3之間的相對(duì)位置關(guān)系的尺寸參數(shù)及自由曲面4的特征參數(shù)，組成校正本系統(tǒng)的各種像差(如色差、畸變等)的特殊光學(xué)結(jié)構(gòu)體系。當(dāng)眼鏡顯示器中微型顯示器芯片12顯示的圖像的光線經(jīng)過入射平面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反射后并通過球面2折射到瞳孔A處形成一個(gè)放大的清晰圖像供觀察者看。如圖12所示本實(shí)用新型目視光學(xué)棱鏡的中截面，B、C、D點(diǎn)分別是入射平面l的頂點(diǎn)、球面2的頂點(diǎn)、自由曲面3的頂點(diǎn)，各頂點(diǎn)在以瞳孔A為原點(diǎn)的YZ平面的偏心坐標(biāo)為(13.467，28.86)、(2.873，25.135)、(-0.694,31.146)，入射平面l相對(duì)于水平面的偏轉(zhuǎn)角P在-2。和-3°之間，球面2的曲率半徑R在345mm至360rran之間，自由曲面3是采用如下多項(xiàng)式的自由曲面結(jié)構(gòu)其中，j=[(m+n)2+m+3n]/2+l，z是Z軸方向的矢高，c是頂點(diǎn)曲率半徑，、k是二次曲面系數(shù)，Cj是多項(xiàng)式系數(shù)，Cj取值如表2:表2<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>如圖13所示是自由曲面3的有效工作區(qū)域示意圖，該有效工作區(qū)域是以頂點(diǎn)D為原點(diǎn)，在XY平面的端點(diǎn)坐標(biāo)為(-11，14)，(11，14)，(-11，-8)，(11，-8)。本實(shí)用新型的自由曲面全反射式的目視光學(xué)棱鏡出射光軸平行度的調(diào)整機(jī)構(gòu)包括支架8和調(diào)整螺釘11，目視光學(xué)棱鏡的兩個(gè)凸臺(tái)6分別嵌入到支架8的兩側(cè)凹槽9里面，凸臺(tái)6頂面上的轉(zhuǎn)軸7嵌入凹槽9頂部的軸孔10里面，兩個(gè)調(diào)整螺釘11分別穿過凹槽9底部的壁板旋進(jìn)凸臺(tái)6底部?jī)蓚?cè)，在凸臺(tái)6上方的壁板上留有注膠孔13，注膠孔13與凹槽9相通。該調(diào)整機(jī)構(gòu)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)①、在產(chǎn)品裝配中，調(diào)整簡(jiǎn)單，易保證光軸出射平行度公差數(shù)值。②、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，固結(jié)方便可靠。如圖6、圖7、圖8、圖9所示，當(dāng)眼鏡顯示器中左、右目視光學(xué)棱鏡出射光軸O和Ol出現(xiàn)不平行時(shí)，通過調(diào)整支架8上左、右各二個(gè)螺釘11進(jìn)行調(diào)整，使光學(xué)棱鏡繞著轉(zhuǎn)軸7向上或向下擺動(dòng)一個(gè)A6角，以達(dá)到出射光軸O和Ol的平行度的技術(shù)要求，調(diào)好后，在圖8中注膠孔13同時(shí)注膠固結(jié)。如圖10所示，兩支架8可以安裝在支架連接板16上，左、右目視光學(xué)棱鏡從下部安裝在槽14、15內(nèi)，圖10中設(shè)置有支架安裝孔18和顯示器芯片安裝孔17。權(quán)利要求1、一種自由曲面全反射式的目視光學(xué)棱鏡，其特征在于它包括一位于頂面的入射平面(1)，實(shí)現(xiàn)光線進(jìn)入到目視光學(xué)棱鏡內(nèi)；一位于左側(cè)的球面(2)，將從入射平面(1)進(jìn)入目視光學(xué)棱鏡的光線反射出去；一位于右側(cè)的自由曲面(3)，自由曲面(3)將從球面(2)射過來的光線再全反射回球面(2)，最后由球面(2)折射出去聚合到瞳孔A，并從瞳孔A往目視光學(xué)棱鏡望去形成放大的圖像。2、根據(jù)權(quán)利要求l所述的自由曲面全反射式的目視光學(xué)棱鏡，其特征在于目視光學(xué)棱鏡的正面(4)和后面(5)是平面。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的自由曲面全反射式的目視光學(xué)棱鏡，其特征在于目視光學(xué)棱鏡的正面(4)和后面(5)是平行的。4、根據(jù)權(quán)利要求1至3任一所述的自由曲面全反射式的目視光學(xué)棱鏡，其特征在于目視光學(xué)棱鏡是由塑料注塑成型。5、根據(jù)權(quán)利要求1至3任一所述的自由曲面全反射式的目視光學(xué)棱鏡，其特征在于目視光學(xué)棱鏡是由玻璃材料制造。6、根據(jù)權(quán)利要求1至3任一所述的自由曲面全反射式的目視光學(xué)棱鏡，其特征在于自由曲面(3)外表面鍍反射膜。7、根據(jù)權(quán)利要求1至3任一所述的自由曲面全反射式的目視光學(xué)棱鏡，其特征在于正面(4)和后面(5)的頂部各設(shè)置有凸臺(tái)(6)，凸臺(tái)(6)頂面上凸出有轉(zhuǎn)軸(7)。8、根據(jù)權(quán)利要求1至3任一所述的自由曲面全反射式的目視光學(xué)棱鏡，其特征在于所述入射平面(1)的頂點(diǎn)、球面(2)的頂點(diǎn)、自由曲面(3)的頂點(diǎn)在以瞳孔A為原點(diǎn)的YZ平面的偏心坐標(biāo)為(13.467，28.86)、(2.873，25.135)、(-0.694，31.146)，入射平面(1)相對(duì)于水平面的偏轉(zhuǎn)角在-2°和-3°之間，球面(2)的曲率半徑R在345mm至360ram之間，所述自由曲面(3)是采用如下多項(xiàng)式的自由曲面結(jié)構(gòu)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中，j=[(m+n)2+m+3n]/2+l，z是Z軸方向的矢高，c是頂點(diǎn)曲率半徑,k是二次曲面系數(shù)，Cj是多項(xiàng)式系數(shù)，Cj取值如下-<table>tableseeoriginaldocumentpage3</column></row><table>專利摘要一種自由曲面全反射式的目視光學(xué)棱鏡，包括一位于頂面的入射平面，實(shí)現(xiàn)光線進(jìn)入到目視光學(xué)棱鏡內(nèi)；一位于左側(cè)的球面，將從入射平面進(jìn)入目視光學(xué)棱鏡的光線反射出去；一位于右側(cè)的自由曲面，自由曲面將從球面射過來的光線再全反射回球面，最后由球面折射出去聚合到瞳孔A，并從瞳孔A往目視光學(xué)棱鏡望去形成放大的圖像，它能消除圖像的色差和畸變等像差，光能損失小，成像質(zhì)量清晰，縮短光程，使產(chǎn)品外形縮小，本實(shí)用新型是一塊塑料光學(xué)棱鏡，使產(chǎn)品的重量減輕，便于佩戴，光學(xué)零件數(shù)目小，結(jié)構(gòu)形狀簡(jiǎn)單，利于裝配，瞳孔距長(zhǎng)，便于觀察，放大率大，利于觀察虛擬的圖像，加工工藝為一次注塑成型、效率高、廢品少、成本低、經(jīng)濟(jì)效益好，在產(chǎn)品裝配中，調(diào)整簡(jiǎn)單，易保證光軸出射平行度公差數(shù)值。文檔編號(hào)G02B27/01GK201242611SQ20082018875公開日2009年5月20日申請(qǐng)日期2008年8月12日優(yōu)先權(quán)日2008年8月12日發(fā)明者賈懷昌申請(qǐng)人:賈懷昌