CN101359089B - 轻小型大视场自由曲面棱镜头盔显示器光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轻小型大视场自由曲面棱镜头盔显示器光学系统，属于光学系统和器件设计领域，适用于虚拟现实和增强现实领域。本发明包含一个具有三个光学表面的自由曲面棱镜和一个微型图像显示器，自由曲面棱镜采用折射率大于1的塑料玻璃材料，自由曲面棱镜的三个自由曲面光学表面均为凹形面，它们应满足三个面型方程之一，并且各表面的位置关系应满足三个条件方程，由LCD发出的最大视场上边缘光线在第二自由曲面上的入射角应满足全反射条件，像源元件为0.61或0.59英寸的LCD。本发明具有轻型、紧凑、像差校正良好和光能利用率高等优点，能够保证观察者在大视场范围内看到清晰的图像，并且显示的图像没有明显的亮度衰减，不容易导致观察者视觉疲劳。

Description

轻小型大视场自由曲面棱镜头盔显示器光学系统

技术领域

本发明涉及一种自由曲面棱镜式头盔显示器光学系统，属于光学系统和器件设计领域，适用于虚拟现实和增强现实领域。

背景技术

近年来，虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)和增强现实(Augmented Reality，简称，AR)头盔图像显示装置取得了长足的发展，由于这些头盔显示装置安装在观察者的头部，因此它必须紧凑和轻量化，以减轻观察者的负载。随着观察视场的增加，观察范围也会增加，观察者才能更全神贯注的观察优质的动态图像。对于头盔显示器系统而言，大视场也是相当重要的。头盔显示器光学系统的视场、出瞳直径、焦距三者之间是相互制约的关系。同时达到大视场，大出瞳直径和短焦相当困难。

头盔显示器主要由三个部分构成：显示部件、光学镜头和头盔。要实现头盔显示器的小型轻量化，必须将每一部分的体积重量降到最小。显示部件是头盔显示器的关键组成之一，它的选择在头盔显示器中有举足轻重的地位，目前常用于头盔中的微型液晶显示器大小为0.3～1.3英寸，小尺寸微型液晶显示器有利于实现系统的小型化。

头盔显示器的发展由同轴旋转对称透射式结构逐渐演变到折反射式结构，旨在解决大视场和大出瞳直径的问题，通常这类头盔显示器的光学系统结构复杂，采用了大量的光学元件，将光学元件中心偏离光轴和相对于光轴倾斜，有些使用了衍射/全息光学元件和塑料材料，有些应用特殊面形的非球面，通过增加光学设计的自由度达到降低系统体积和质量的目的，但这些都直接导致加工成本昂贵并且使系统的装调变得十分困难。

以下是采用棱镜式结构光学系统的部分头盔显示器专利，就其光学特性进行比较分析。

US5699194号专利为奥林巴斯公司申请的发明专利，它采用自由曲面棱镜，光线在自由曲面表面2反射一次，表面4上反射两次，最后透过表面2进入人眼，该系统的视场不大，只有30°H×22.8°V，出瞳直径也比较小，为4mm。奥林巴斯公司在US5701202号专利里提出了类似的结构，并在棱镜与图像源之间增加了一块透镜，同时讨论了透射式结构的设计问题，最大视场为45°H×34.5°V，出瞳直径为4mm，所用图像源是1.3英寸液晶显示器，系统呈梯形畸变。

佳能公司也申请了类似的专利，专利号为US5706136，该专利中实例光学系统的视场角较小，为33°H×26°V，出瞳直径也较小，仅为4mm。

US5959780号专利介绍了几种奥林巴斯公司发明的自由曲面棱镜头盔显示器光学系统，该专利中的头盔光学系统已经达到了较大的视场，最大为28.9°H×17.5°V，其采用的微型显示器为1.3英寸，其焦距比较大，约为27.4mm，此外该实例的出瞳直径较小，仅为4mm，因此F数比较大，系统呈桶形畸变。

Interactive imaging systems公司的专利US6417970中也使用了自由曲面棱镜作为头盔显示光学系统的一部分。也有些专利在US6417970中的棱镜表面4和图像源5或出瞳和棱镜之间增加一块透镜或衍射元件，以达到消除色差和像差的目的，有些专利在US6417970中的表面2增加衍射光学元件。专利US6181475在出瞳1和棱镜2之间增加衍射光学元件，该专利中有些实例在棱镜4和显示器5之间增加了渐变折射率材料透镜。奥林巴斯公司的US6646812专利在前面增加了一块透镜，出瞳距离很长，但是视场很小。

奥林巴斯、佳能等公司先后还申请了类似的采用自由曲面棱镜多项发明专利，结构形式多种多样，但主要光学技术参数并没有提高，本质上没有提高头盔显示器光学系统的出瞳直径和视场。相关的涉及自由曲面棱镜的头盔显示器光学系统专利还有很多，这些专利的共同的不足是出瞳直径小，F数大，所采用的图像源尺寸比较大。

由于人眼的瞳距因人而异(54～70mm)，一般设计时采用瞳距的平均值62mm，差值最大为8mm，因此对于出瞳直径很小的系统，不同的使用者必须进行瞳距调解，给产品使用带来了很大的麻烦。在瞳距不变的情况下，用户眼球稍微移动就可能看不到图像，影响产品的使用性能，进一步影响其应用推广。

如果光学系统不能很好地校正系统的像差和畸变，用户看到的将会是扭曲和不清晰的图像，如果畸变比较大，显示到用户左右眼的图像就不能形成一幅具有立体感的图像，因此系统的畸变和像差必须要得到很好的校正，但以上提及的专利的畸变都比较大。

发明内容

为克服以上现有头盔显示器的光线系统专利的不足，本发明提出一种出瞳直径大，大视场，短焦距的自由曲面棱镜式头盔显示光学系统，具有轻型、紧凑、像差校正良好和光能利用率高等优点，旨在解决头盔显示器光学系统的F数偏大，同时尺寸非常小，重量很轻，其头盔图像显示装置能够保证观察者在大视场范围内看到清晰的图像，并且显示的图像没有明显的亮度衰减，不容易导致观察者视觉疲劳。

本发明是通过下述技术方案实现的。

本发明所述轻小型大视场自由曲面棱镜头盔显示器光学系统包含一个具有三个光学表面的自由曲面棱镜和一个微型图像显示器，如附图1所示，由于是反向光路设计，即光线从人眼出发，经过自由曲面棱镜折反射然后到达图像显示器，为方便描述，元件及表面序号从出瞳(眼球)开始。自由棱镜的三个光学表面均为自由曲面，1为出瞳，即人眼位置；从观察者侧到像源方向，依次为第一表面2、第二表面3和第三表面4，其中第一表面2相对于观察者侧为凹面形状的透射面；第二表面3相对于观察者侧为凹面形状的反射面，起放大图像的作用，外侧镀有反射膜层；第三表面4相对于观察者侧为凹面形状的透射面。本发明头盔显示器光学系统的实际光路是微型液晶显示器件5发出光线，如图1所示，先经过第三表面4透射进入自由曲面棱镜，然后在第一表面2内侧上发生全反射，经过第二表面3反射，最后再次经过第一表面2透射至人眼。但由于本发明采用反向光路设计方式，因此反向描述光路，光线从人眼1处出发，通过自由曲面棱镜第一表面2透射，经由第二表面3反射，在反射到第一表面2上，并在该表面内侧发生全反射，最后经由第三表面4透射出并最终到达微型显示器5，附图图形中各元件按从左到右的方向标号。

三个表面的面形应满足条件方程(1)-(3)中的任一个，并将各自由曲面控制为平面对称曲面。三个光学表面之间应满足条件方程(4)-(6)，满足这些条件将确保自由曲面棱镜的结构合理。光线入射角应满足条件方程(7)。

$z=\frac{C_x{x}^2+C_y{y}^2}{1+\{1-(1+K_x)C_x^2{x}^2-(1+K_y)C_y^2{y}^2{\}}^{1/2}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{\{(1-P_i)x^2+(1+P_i)y^2\}}^{i+1}---\left(1\right)$

其中C_x是曲面在X-Z平面内X方向的曲率半径，C_y是曲面在Y-Z平面内Y方向的曲率半径，K_x是曲面X方向的二次曲线系数，K_y是曲面Y方向的二次曲线系数，A_i是4，6，8，10，...2n阶非球面系数，关于Z轴旋转对称，P_i是4，6，8，10，...2n阶非旋转对称系数。

$z(x,y)=\frac{C(x^2+y^2)}{1+{[1-(1+k)C^2(x^2+y^2)]}^{1/2}}$

$+c_4{y}^2+c_6{x}^2$

$+c_7{y}^3+c_{9}y{x}^2$

$+c_{11}{y}^4+c_{13}{y}^2{x}^2+c_{15}{x}^4---\left(2\right)$

$+c_{16}{y}^5+c_{18}{y}^3{x}^2+c_{20}y{x}^4$

$+c_{22}{y}^6+c_{24}{y}^4{x}^2+c_{26}{y}^2{x}^4+c_{28}{x}^6$

$+c_{29}{y}^7+c_{31}{y}^5{x}^2+c_{33}{y}^3{x}^4+c_{35}y{x}^6$

其中C为曲面曲率半径，c_i为多项式系数。

$z=\frac{{\mathrm{cx}}^2}{1+{[1-(1+k)c^2{x}^2]}^{1/2}}+\underset{\‾}{A}{x}^4+\underset{\‾}{B}{x}^6+\underset{\‾}{C}{x}^8+\underset{\‾}{D}{x}^{10}---\left(3\right)$

其中c为曲率半径，k为二次曲面系数，A，B，C，D分别为4，6，8，10阶非球面系数。

三个光学表面之间应满足条件方程(4)-(6)：

$\left\{\begin{array}{c}0.5<z_{{\mathrm{Pa}}^{\&prime;}}-z_{\mathrm{Pa}}<2\\ y_{{\mathrm{Pa}}^{\&prime;}}-y_{\mathrm{Pa}}<0\\ y_{{\mathrm{Pa}}^{\&prime;\&prime;}}-y_{\mathrm{Pa}}>0\end{array}\right.---\left(4\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{y}_{{\mathrm{Pb}}^{\&prime;}}-y_{\mathrm{Pb}}>0\\ -1.5<z_{{\mathrm{Pb}}^{\&prime;}}-z_{\mathrm{Pb}}<-0.2\end{array}\right.---\left(5\right)$

$\left\{\begin{array}{c}-2<y_{\mathrm{Pc}}-y_{P{c}^{\&prime;}}\&le;0\\ 0<z_{\mathrm{Pc}}-z_{{\mathrm{Pc}}^{\&prime;}}<1\end{array}\right.---\left(6\right)$

(4)-(6)式中的y、z分别表示某个点在全局坐标系下的坐标值，而各个下标表示的是各个不同的点，如附图1所示，R_u是Y方向最大视场上边缘光线，R_b为Y方向最小视场下边缘光线；P_a为R_b与第一表面2透射时的交点，P_a’为R_b与第二表面3的交点，P_a”为R_b与第一表面2反射时的交点；P_b为R_u与第二表面3的交点，P_b’为R_b与第三表面4的交点；P_c为R_u与第一表面2反射时的交点，P_c’为R_u与第三表面4透射面的交点。

第一表面2既是透射面又是反射面，光线第一次经过第一表面2时透射，第二次经过它时发生全反射，所以Y方向最大视场上边缘光线与第一表面的表面两次相交时的入射角关系应满足关系式(7)。

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{mi}1}>\arcsin \left(\frac{1}{n^{\&prime;}}\right)\\ {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{mi}2}<\arcsin \left(\frac{1}{n^{\&prime;}}\right)\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中θ_mi1为Y方向最大视场上边缘光线从液晶显示器出发第一次入射到第一表面2时的入射角，θ_mi2为Y方向最大视场上边缘光线第二次经过第一表面2时的入射角，上式中n′为透明光学材料的折射率。本发明中所述的自由曲面棱镜采用折射率n′大于1的透明光学材料，一方面可以通过注塑方式进行批量化加工，另一方面可以有效减轻头盔显示器的重量。

本发明中的显示部件为0.61英寸的微型液晶显示器(LCD)，也可以采用0.59英寸的微型液晶显示器，目前市场上比较容易购买到0.61英寸的液晶显示器，它的尺寸也较小，所以其驱动电路等附件相应也比较小，可以用于小型轻量化头盔显示器光学系统，并且其装卡机械结构体积和重量也将随之减小，因此整个头盔显示装置的重量也随之减小。

下面结合附图对本发明所给出的轻小型大视场自由曲面棱镜头盔显示器光学系统的应用进行描述说明。其光路图如附图2和附图3所示，附图2为用于虚拟现实的成像光学系统图，微型显示器5发出的光线经过自由曲面棱镜的第三表面4透射，在第一表面2上全反射到凹反射第二表面3上，经第二表面3反射后透过第一表面2进入观察者的瞳孔。附图3为用于增强现实的透射式头盔光学系统图，该光学系统包含有内部通道光路和外部通道光路，其中内部通道光路结构没有发生变化，第二表面3采用半反半透式结构，光线入射到第二表面3时部分光线会直接损失，光学能量损失1/2，内部通道部分光线经过第二表面3反射和第一表面2透射进入观察者的瞳孔；而外部通道光路则需要借由一个附加棱镜来完成，即图3中表面6、7所包围的部分，外界场景光线通过附加棱镜的光学表面7和6透射，再经由第二表面3和第一表面2透射进入观察者的瞳孔。

1.本发明中所用到的自由曲面方程：

通常使用少量非球面就能很好地校正光学系统的球差、彗差、场曲等。自由曲面比非球面具有更多的自由度，能够校正高阶像差，减小系统结构尺寸。以下是本发明中所用到的几种自由曲面，它们应满足式(1)-(3)之一。

(a)变形非球面(Anamorphic Aspherical Surface，简称AAS)也可称为复曲面，它有两个方向的曲率半径，而且可以不相同，该曲面为平面对称曲面，它有两个对称面，分别关于yoz、xoz平面对称。优点是优化时容易控制，优化收敛速度快。其描述方程如下：

$z=\frac{C_x{x}^2+C_y{y}^2}{1+{\{1-(1+K_x)C_x^2{x}^2-(1+K_y)C_y^2{y}^2\}}^{1/2}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{A}_i{\{(1-P_i)x^2+(1+P_i)y^2\}}^{i+1}---\left(1\right)$

C_x是曲面X-Z平面内X方向的曲率半径，C_y是曲面在Y-Z平面内Y方向的曲率半径，K_x是曲面X方向的二次曲线系数，K_y是曲面Y方向的二次曲线系数，A_i是4，6，8，10，...2n阶非球面系数，关于Z轴旋转对称，P_i是4，6，8，10，...2n阶非旋转对称系数。

(b)XY多项式曲面(XY Polynomial，简称为XYP)的描述方程如下：

$z(x,y)=\frac{C(x^2+y^2)}{1+{[1-(1+k)C^2(x^2+y^2)]}^{1/2}}$

$+c_4{y}^2+c_6{x}^2$

$+c_7{y}^3+c_9{\mathrm{yx}}^2$

$+c_{11}{y}^4+c_{13}{y}^2{x}^2+c_{15}{x}^4---\left(2\right)$

$+c_{16}{y}^5+c_{18}{y}^3{x}^2+c_{20}{\mathrm{yx}}^4$

$+c_{22}{y}^6+c_{24}{y}^4{x}^2+c_{26}{y}^2{x}^4+c_{28}{x}^6$

$+c_{29}{y}^7+c_{31}{y}^5{x}^2+c_{33}{y}^3{x}^4+c_{35}{\mathrm{yx}}^6$

$+...$

其中C为曲面曲率半径，c_i为多项式系数。由于我们合理地选择了XY多项式的幂次，使其为关于yoz平面对称的曲面。在本发明中，AAS面和XYP面主要用于控制y方向的光焦度，并且满足全反射条件，校正系统的大部分像差。

(c)超环面(X Toroid，简称为XTO)是一个圆形或n阶曲线形状的回转曲面，由一个圆或n阶曲线绕一个与该圆或曲线共面的一个轴回转所生成。

$z=\frac{{\mathrm{cx}}^2}{1+{[1-(1+k)c^2{x}^2]}^{1/2}}+\underset{\&OverBar;}{A}{x}^4+\underset{\&OverBar;}{B}{x}^6+\underset{\&OverBar;}{C}{x}^8+\underset{\&OverBar;}{D}{x}^{10}---\left(3\right)$

其中c为曲率半径，k为二次曲面系数，A，B，C，D分别为4，6，8，10阶非球面系数。

该面形为平面对称曲面(关于yoz面对称)，在本发明中，可主要用于控制x方向的光焦度，有利于消除畸变。

2.像差控制

为了能够使用户清晰看到虚拟图像，必须将头盔显示器光学系统的像差控制到最小范围内，以下是一些控制像差的方法和条件。

(a)畸变控制

以上描述的所有专利的畸变都并不是很理想，虽然有些实例中呈梯形畸变，有些呈理想的桶形畸变，但是要想左右眼的图像完美融合，必须用电子校正的方法对图像进行预处理。本发明考虑了对畸变的控制，使畸变很好地限制在人眼接受的有效范围之内，无须对图像源进行处理。第三表面4采用自由曲面可以在不影响其它像差的条件下，校正系统的畸变。

(b)单色像差控制

球面各处的导数是一致的，但是自由曲面处处的法线特性都是不相同的，其导数变化很大，必须将这种导数的变化控制在一定的范围内。该自由曲面棱镜头盔采用了两个自由曲面反射面，并且其中一个是凹反射面，凹反射面偏离光轴通常会产生轴上和离轴彗差，这就要限制该自由曲面的倾斜和面形的偏移量，还要限制该曲面的一阶导数和二阶导数不能超出一定的范围，如果超出特定范围，后面的光学元件将无法校正由该凹反射面引入的像差。

自由曲面存在一定的自由性，在本发明中不仅要控制几个抽样视场的成像质量，对整个像面上的成像质量都要均衡考虑，以避免抽样视场成像质量好而其它地方成像质量差的现象。

在自由曲面棱镜光学系统中第一表面2既是全反射表面又是透射表面，第一表面2采用自由曲面可以有效地减少彗差。

第三表面4由于非常靠近微型显示器，采用自由曲面则可以在不影响其它像差的同时实现畸变的校正。

第一表面2既是透射面又是反射表面，还需要满足全内反射条件，因此有特殊的要求，Y方向的曲率和X方向上的曲率半径不一致。Y方向的光焦度不能太大，以免光线不能够发生全反射。第二表面3是凹形反射面，为光学系统提供主要的光焦度。

(c)结构控制

对传统共轴光学系统结构进行优化时，一般只需将镜片中心和边缘厚度等控制在合理的范围。自由曲面棱镜头盔光学系统是离轴非对称结构，在对它进行优化的时候，边界条件变得很复杂多变，不仅要求控制中心和边缘厚度，还要对光学面的偏心、倾斜和光束上下边缘位置等进行约束，若不加以控制，结构并会发生干涉，附图1为自由曲面棱镜结构控制示意图，式(4)(5)(6)为相应的控制条件，坐标值为全局坐标系下的坐标值，全局坐标原点在入瞳中心。

$\left\{\begin{array}{c}0.5<z_{{\mathrm{Pa}}^{\&prime;}}-z_{\mathrm{Pa}}<2\\ y_{{\mathrm{Pa}}^{\&prime;}}-y_{\mathrm{Pa}}<0\\ y_{{\mathrm{Pa}}^{\&prime;\&prime;}}-y_{\mathrm{Pa}}>0\end{array}\right.---\left(4\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{y}_{P{b}^{\&prime;}}-y_{\mathrm{Pb}}>0\\ -1.5<z_{{\mathrm{Pb}}^{\&prime;}}-z_{\mathrm{Pb}}<-0.2\end{array}\right.---\left(5\right)$

$\left\{\begin{array}{c}-2<y_{\mathrm{Pc}}-y_{P{c}^{\&prime;}}\&le;0\\ 0<z_{\mathrm{Pc}}-z_{P{c}^{\&prime;}}<1\end{array}\right.---\left(6\right)$

(4)-(6)式中的y、z分别表示某个点在全局坐标系下的坐标值，而各个下标表示的是各个不同的点，如附图1所示，R_u是Y方向最大视场上边缘光线，R_b为Y方向最小视场下边缘光线；P_a为R_b与第一表面2透射时的交点，P_a’为R_b与第二表面3的交点，P_a”为R_b与第一表面2反射时的交点；P_b为R_u与第二表面3的交点，P_b’为R_b与第三表面4的交点；P_c为R_u与第一表面2反射时的交点，P_c’为R_u与第三表面4透射面的交点。

以上这些控制条件间接控制了每一曲面的倾斜，偏移量，实现自由曲面棱镜结构的合理化。

(d)全反射控制

第一表面2既是透射面又是反射面，光线第一次经过第一表面2时透射，第二次经过它时发生全反射，即所有光线的入射角要大于临界角θ_i＝arcsin(1/n′)(n′是棱镜内部材料的折射率)，光线入射角应满足条件(7)。

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{mi}1}>\arcsin \left(\frac{1}{n^{\&prime;}}\right)\\ {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{mi}2}<\arcsin \left(\frac{1}{n^{\&prime;}}\right)\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中θ_mi1为Y方向最大视场上边缘光线从液晶显示器出发第一次入射到第一表面2时的入射角，θ_mi2为Y方向最大视场上边缘光线第二次经过第一表面2时的入射角。

如果所用材料折射率n＝1.492，则所有光线在表面2上的入射角必须θ_i大于42.2°，否则光线会直接透过第一表面2，甚至有可能进入人眼造成杂散光，还造成图像源能量的损失，导致图像亮度降低。为了控制所有光线都能在表面2上发生全反射，必须控制Y方向最大视场上边缘光线在第一表面2上的入射角大于42.2°，这样就能控制所有光线能发生全反射，附图5可以明显看出在不同视场的主光线入射到第一表面2上时，往下方向视场越大的视场的主光线的入射角越大。如果使用折射率较大的材料将可以减小对入射角的要求，可使设计简化，但是材料费用将会大大提高，加大加工成本。其可以实现的头盔显示器光学系统的视场角为54度，最小角分辨率为1.036毫弧度，成像质量优良，畸变不大于3％，

本发明带来的有益效果是：结构简单，体积小质量轻，视场角大，此外该光学系统在增加附加棱镜后，可以同时清晰观察外部世界的图景和内部通道中微型显示器5所表示的图像源的图像。

附图说明

图1是本发明中头盔显示器的结构控制示意图；

图2是本发明中头盔显示器的光学结构图；

图3是本发明中附加了棱镜的头盔显示器的光学结构图，其中两自由曲面棱镜胶合安装；

图4是本发明中附加了棱镜的头盔显示器的光学结构图，其中两自由曲面棱镜分离安装；

图5是本发明中VR光学系统的光线入射角关系图；

图6是本发明所给出实施例中VR光学系统的畸变图；

图7是本发明所给出实施例中AR光学系统的畸变图；

图中：1-出瞳、2-第一表面、3-第二表面、4-第三表面、5-微型显示器、6和7-外界场景光线通过附加棱镜时发生透射的两个光学表面。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明所给出的自由曲面棱镜头盔显示光学系统进行详细描述说明。

本发明及实施例中坐标系规定为：水平向右为Z轴方向，垂直Z轴向上为Y轴方向，垂直YOZ平面纸面向里为X轴方向的右手坐标系，坐标原点位于出瞳位置的中心。

下面给出一个用于增强显示的头盔显示器光学系统的设计实例。

增强现实头盔要求能够清楚看到外界场景，并且能和虚拟场景相互融合。如果直接通过以上描述的单个自由曲面棱镜观察外界场景，外界图像会发生严重的倾斜和变形，影响其与虚拟场景的相互融合，因此必须增加附加棱镜来补偿光线的偏移和倾斜。本发明在前面用于虚拟现实显示器光学系统的自由曲面棱镜的基础上，增加一自由曲面棱镜辅助透镜作补偿，很好地消除了光线的偏移和倾斜，如附图3和4所示。

从反向光线追迹的方向进行描述，光线从光瞳处出发，入射到自由曲面棱镜第一表面2透射到第二表面3，第二表面3为半反半透面，部分透射到附加棱镜的光学表面6上进入附加棱镜，最后通过光学表面7出射。附加棱镜和主透镜胶合在一起。

从反向光线追迹的方向，光线从光瞳处出发，入射到自由曲面棱镜第一表面2透射到第二表面3，第二表面3为半反半透面，光线经过第二表面3进入空气，然后透射到附加棱镜的光学表面6上进入附加棱镜，最后通过光学表面7出射。

本发明中的光学系统达到以下光学特性：

(a)本实施例中微型显示器5的对角线长度为0.61英寸，分辨率为800×600。光学系统在成像于无穷远时，对角视场54度，光学系统焦距为15mm。该光学系统的最小角分辨率为：

α≈2×tan(22.5)/800＝1.036×10^-3＝1.036mrad，即为1.036毫弧度。

(b)本实例中微型液晶显示器5与自由曲面棱镜之间的直线距离为5mm，自由曲面棱镜出射表面到出瞳1之间的直线距离即光学系统的出瞳距离为20mm。为实现外部世界与内部通道之间水平视场和垂直视场的匹配，自由曲面棱镜的实际尺寸为30×30×13mm³，重量小于10g。

(c)本发明中光学系统可用于头盔显示器，需要实现外部世界场景图像与内部通道的图像的真实融合，因此应对内部通道的光学系统的畸变进行控制，本实施例子中的光学系统的畸变不大于3％。

(d)本实施例中的中心视场传递函数值在301p/mm处大于0.3，边缘视场在301p/mm处大于0.1。畸变曲线如附图6、7所示。

表1虚拟现实头盔光学系统数据表

表1为本发明实例虚拟现实部分头盔显示器光学系统的数据表，该实例的出瞳直径为8mm，出瞳距离＞17mm，焦距15mm，全视场角为54度，像面大小0.61英寸，表2为本发明实例增强现实部分透射式头盔显示器光学系统的数据表，其内部通道图像显示光路与实例1一致，其外部通道场景视场与内部通道视场一致，额外叠加了一块自由曲面棱镜，第二表面3采用半反半透结构。本发明中给出的实例采用胶合方式安装。

表2增强现实头盔光学系统数据表

(e)本发明保证实现大视场角的同时，成功的解决了头盔显示器的出瞳小的问题，并采用尺寸较小的微型液晶显示器，大大减小系统体积和重量，使系统结构紧凑轻便，并且很好地校正了系统的像差，能很好地满足使用要求。

以上的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种轻小型大视场自由曲面棱镜头盔显示器光学系统，包括一个具有三个光学表面的自由曲面棱镜和一个微型图像显示器，从观察者侧到像源方向，依次为第一表面、第二表面和第三表面，其特征在于，第一表面相对于观察者侧为凹面形状的透射面；第二表面相对于观察者侧为凹面形状的反射面，起放大图像的作用，外侧镀有反射膜层；第三表面相对于观察者侧为凹面形状的透射面；该光学系统的实际光路为微型图像显示器发出的光线，先经过第三表面透射进入自由曲面棱镜，然后在第一表面内侧上发生全反射，经过第二表面反射，最后再次经过第一表面透射至人眼。

第一表面、第二表面和第三表面应满足下述面形方程(1)-(3)其中之一，方程(1)-(3)中用(x，y，z)表示表面上点的位置坐标值：

$z=\frac{C_x{x}^2+C_y{y}^2}{1+\{1-(1+K_x)C_x^2{x}^2-(1+K_y)C_y^2{y}^2{\}}^{1/2}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{A}_i{\{(1-P_i)x^2+(1+P_i)y^2\}}^{i+1}---\left(1\right)$

其中C_x是曲面在X-Z平面内X方向的曲率半径，C_y是曲面在Y-Z平面内Y方向的曲率半径，K_x是曲面X方向的二次曲线系数，K_y是曲面Y方向的二次曲线系数，A_i是4，6，8，10，...2n阶非球面系数，关于Z轴旋转对称，P_i是4，6，8，10，...2n阶非旋转对称系数，n为预先设定的正整数；

$z(x,y)=\frac{C(x^2+y^2)}{1+{[1-(1+k)C^2(x^2+y^2)]}^{1/2}}$

$+c_4{y}^2+c_6{x}^2$

$c_7{y}^3+c_9{\mathrm{yx}}^2$

$+c_{11}{y}^4+c_{13}{y}^2{x}^2+c_{15}{x}^4---\left(2\right)$

$+c_{16}{y}^5+c_{18}{y}^3{x}^2+c_{20}{\mathrm{yx}}^4$

$+c_{22}{y}^6+c_{24}{y}^4{x}^2+c_{26}{y}^2{x}^4+c_{28}{x}^6$

$+c_{29}{y}^7+c_{31}{y}^5{x}^2+c_{33}{y}^3{x}^4+c_{35}{\mathrm{yx}}^6$

$+...$

其中C为曲面曲率半径，c_i为多项式系数；

$z=\frac{{\mathrm{cx}}^2}{1+{[1-(1+k)c^2{x}^2]}^{1/2}}+\underset{\&OverBar;}{A}{x}^4+\underset{\&OverBar;}{B}{x}^6+\underset{\&OverBar;}{C}{x}^8+\underset{\&OverBar;}{D}{x}^{10}---\left(3\right)$

其中c为曲率半径，k为二次曲面系数，A，B，C，D分别为4，6，8，10阶非球面系数。

第一表面、第二表面和第三表面之间的位置关系应满足不等式(4)-(6)：

$\left\{\begin{array}{c}0.5<z_{{\mathrm{Pa}}^{\&prime;}}-z_{\mathrm{Pa}}<2\\ y_{{\mathrm{Pa}}^{\&prime;}}-y_{\mathrm{Pa}}<0\\ y_{{\mathrm{Pa}}^{\&prime;\&prime;}}-y_{\mathrm{Pa}}>0\end{array}\right.---\left(4\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{y}_{{\mathrm{Pb}}^{\&prime;}}-y_{\mathrm{Pb}}>0\\ -1.5<z_{P{b}^{\&prime;}}-z_{\mathrm{Pb}}<-0.2\end{array}\right.---\left(5\right)$

$\left\{\begin{array}{c}-2<y_{\mathrm{Pc}}-y_{P{c}^{\&prime;}}\&le;0\\ 0<z_{\mathrm{Pc}}-z_{P{c}^{\&prime;}}<1\end{array}\right.---\left(6\right)$

(4)-(6)式中的y、z分别表示某个点在全局坐标系下的坐标值，而各个下标表示的是各个不同的点，R_u是Y方向最大视场上边缘光线，R_b为Y方向最小视场下边缘光线；P_a为R_b与第一表面透射时的交点，P_a’为R_b与第二表面的交点，P_a”为R_b与第一表面反射时的交点；P_b为R_u与第二表面的交点，P_b’为R_b与第三表面的交点；P_c为R_u与第一表面反射时的交点，P_c’为R_u与第三表面透射面的交点。

2.根据权利要求1所述一种轻小型大视场自由曲面棱镜头盔显示器光学系统，其特征在于，Y方向最大视场上边缘光线与第一表面两次相交时的入射角关系应满足关系式(7)：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{mi}1}>\arcsin \left(\frac{1}{n^{\&prime;}}\right)\\ {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{mi}2}<\arcsin \left(\frac{1}{n^{\&prime;}}\right)\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中n′为所述自由曲面棱镜所用透明光学材料的折射率，θ_mi1为Y方向最大视场上边缘光线从微型图像显示器出发第一次入射到第一表面时的入射角，θ_mi2为Y方向最大视场上边缘光线第二次经过第一表面时的入射角。

3.根据权利要求1所述一种轻小型大视场自由曲面棱镜头盔显示器光学系统，其特征在于，所述微型图像显示器为0.61或0.59英寸的LCD。

4.根据权利要求1所述一种轻小型大视场自由曲面棱镜头盔显示器光学系统，其特征在于，所述棱镜的材料为折射率大于1的透明光学材料。

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