CN102998800B - 超大视场头盔显示器光学系统 - Google Patents

Abstract

超大视场头盔显示器光学系统，涉及光学系统和器件设计领域，解决现有头盔显示器系统的结构存在畸变，很难实现大视场，图像单元之间的边界部分融合困难，多个组件的拼接使系统的整体结构过于复杂。并且由于出瞳很小，系统有严重渐晕的问题，包括第一椭球面、第二椭球面、中继光学系统、第三透镜组和OLED屏；所述中继光学系统位于第一椭球面的左焦点处，所述第一椭球面的左焦点与第二椭面的右焦点重合，第三透镜组位于第二椭球面的左焦点处；通过出瞳的平行光经过第一椭球面反射后汇聚到中继光学系统，通过中继光学系统的光经第二椭球面反射后汇聚到第三透镜组，通过第三透镜组后的光在OLED屏上成像；本发明实现了覆盖人眼视场范围的目的。

Description

超大视场头盔显示器光学系统

技术领域

本发明涉及光学系统和器件设计领域，具体涉及一种运用椭球反射面，衍射面以及自由曲面设计的大视场头盔显示器光学系统，适用于虚拟现实以及娱乐领域。

背景技术

近年来，虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)头盔图像显示装置取得了长足的发展，然而全景大视场头盔显示技术的发展面临着技术上的挑战。已经市场化的头盔显示器的视场都是在20°～40°范围内，这远远小于人眼的可视范围。人单眼视场基本上是150°×120°。由于人的两只眼睛有视场的重叠，因此人两只眼睛总的视场是200°×120°。虽然人眼最敏感的视场只有6～8度，这区域外视觉灵敏度下降非常剧烈，但是周边视场在虚拟现实系统中扮演着非常重要的作用。周边视场增强了沉浸感，对周围环境感知能力。并且大的周边视场可以减少头部运动要求和搜索时间。为了满足人眼对大视场的需求，世界各国进行了大量的大视场头盔显示器(HMD)的研究，主要结构形式有三种：一、采用单一目镜设计，这种结构很难消除畸变，视场也受到透镜尺寸的限制，因此，这种设计很难实现大视场，比如120°，并且分辨率也非常低。二、采用拼接技术，运用多个小视场的单元系统拼接出大视场，这种虽然在光学系统上比较好实现，但是图像单元与单元之间的边界部分融合比较困难，而且多个组件的拼接使系统的整体结构过于复杂。三、Nagahara等人设计了一种独特的折反系统，使用了一组双曲面和椭球面反射镜，实现了180°×60°的视场。微显示器的图像首先从外焦点投影到双曲面反射镜上，反射的光线向全方向扩散，最终传播到人眼的位置，也就是椭球面反射镜的一个焦点处。因为椭球反射镜的另一个焦点与双曲面的内焦点重合。虽然这种设计结构比较简单，但是由于出瞳很小，系统有严重的渐晕。当人眼转动时观察者看到的是一幅比较暗淡的图像。

发明内容

本发明为解决现有头盔显示器系统的结构存在畸变，很难实现大视场，图像单元之间的边界部分融合困难，多个组件的拼接使系统的整体结构过于复杂。并且由于出瞳很小，系统有严重渐晕的问题，提供一种超大视场头盔显示器光学系统。

超大视场头盔显示器光学系统，该光学系统包括第一椭球面、第二椭球面、中继光学系统、第三透镜组和OLED屏；所述中继光学系统位于第一椭球面的左焦点处，所述第一椭球面的左焦点与第二椭面的右焦点重合，第三透镜组位于第二椭球面的左焦点处；通过出瞳的平行光经过第一椭球面反射后汇聚到中继光学系统，通过中继光学系统的光经第二椭球面反射后汇聚到第三透镜组，通过第三透镜组后的光在OLED屏上成像；

所述中继光学系统包括第一透镜组和第二透镜组，所述第一透镜组与第二透镜组胶合在一起，第一透镜组中的多个透镜的镜面为标准面，第二透镜组中第一透镜的镜面为扩展多项式自由曲面；所述第三透镜组包括第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜，所述第二透镜为奇次非球面面型，第三透镜标准面，第四透镜为扩展多项式自由曲面，第五透镜为二元衍射面，第六透镜为奇次非球面，第七透镜为扩展多项式自由曲面；所述第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜同轴胶合在一起。

本发明的有益效果：本发明提出了一种大出瞳距，大视场，尺寸适当重量轻的头盔显示光学系统，其出瞳直径为4mm，出瞳距为36mm，单目视场120°×120°，考虑到双眼水平方向的视场重叠(80°)，双眼视场为160°×120°，单目对角线视场达到169.7°，系统总长约为120mm，重量约为80g。基本实现了覆盖人眼视场范围的目的。

附图说明

图1为本发明所述的超大视场头盔显示器光学系统的结构图；

图2为本发明所述的超大视场头盔显示器光学系统的光路图；

图3为本发明所述的双椭球反射矫正畸变的原理图；

图4为本发明所述的主光线与边缘光线经过双椭球反射面的光路图；

图5为本发明所述的椭球反射面产生畸变的原理图；

图6为本发明所述的无中继光学系统时的光路图；

图7为本发明所述的超大视场头盔显示器光学系统中加入中继光学系统后的主光线光路图；

图8为本发明所述的超大视场头盔显示器光学系统的单视场的效果图；

图9为本发明所述的超大视场头盔显示器光学系统的传递函数图；

图10为本发明所述的超大视场头盔显示器光学系统的网格畸变图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1和图10说明本实施方式，超大视场头盔显示器光学系统，该系统包括两个椭球反射面和两组透镜，由于是反向设计光路，即光线从人眼开始然后经过光学系统到达OLED显示屏17，为描述方便，元件及表面符号从出瞳1(眼球)开始。通过眼球的平行光经过第一椭球面2的反射，汇聚到位于左焦点附近的中继光学系统，中继系统的作用是使主光线方向基本保持不变，边缘光线汇聚。然后经过第二椭球面10的反射，由于第一椭球面2的右焦点与第二椭球面10的左焦点重合，经过第二椭球面10反射的光线汇聚到其右焦点附近的第三透镜组，通过第三透镜组成像到OLED显示屏17上。图中1为出瞳，即人眼所在位置；2为第二椭球面；多个透镜即第3—9的中继光学元件，多个透镜是胶合在一起的，这样的优点是装调时可以当做一个整体，易于装调，同时若中间有空气间隔，因为视场很大，各个视场的光线与透镜表面的入射角相差很大，容易产生全反射。多个透镜3—8为有一定圆锥系数的标准面，第一透镜9为扩展多项式自由曲面，考虑到加工问题，本实施方式所有自由曲面面型的玻璃材料均使用光学塑料聚苯乙烯(PMMA)。其作用为对椭球反射出的光进行汇聚，防止经过第二个椭球面10反射后，边缘视场光线角度过大，从而难于矫正。同时要基本保证每个视场的主光线方向不变；第二个椭球面10为与第一椭球面2具有相同圆锥系数，但第二个椭球面10是半径比第一椭球面2的半径小的椭球面，其作用一是矫正第一椭球面2产生的畸变和汇聚光线，小半径使得系统整体尺寸变小；作用二是与第一椭球面2的组合解决了出瞳距短的问题；第二透镜11、第三透镜12和第四透镜13为胶合的透镜，第二透镜11为奇次非球面面型，第三透镜12为标准面，第四透镜13面为扩展多项式自由曲面；第五透镜14、第六透镜15和第七透镜为胶合透镜，第五透镜14为二元衍射面，用来矫正色差。第六透镜15为奇次非球面，第七透镜16为扩展多项式自由曲面。

下面对系统所用面型进行描述，椭球反射面方程用公式一表示为：

公式一、 $Z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}$

椭球面的圆锥系数-1＜c＜0，c＝-0.25，k为正整数。

奇次非球面面型方程用公式二表示为：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{\β}}_1{r}^1+{\mathrm{\β}}_2{r}^2+{\mathrm{\β}}_3{r}^3+{\mathrm{\β}}_4{r}^4+{\mathrm{\β}}_5{r}^5+{\mathrm{\β}}_6{r}^6+{\mathrm{\β}}_7{r}^7+{\mathrm{\β}}_8{r}^8$

其中β_i为各项系数。

扩展多项式面型的方程用公式三表示为：

公式三、 $\begin{array}{c}z=\frac{c(x^2+y^2)}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2(x^2+y^2)}}\\ +a_{10}{x}^1{y}^0+a_{01}{x}^0{y}^1\\ +a_{20}{x}^2{y}^0+a_{11}{x}^1{y}^1+a_{02}{x}^0{y}^2\\ +a_{30}{x}^3{y}^0+a_{21}{x}^2{y}^1+a_{12}{x}^1{y}^2+a_{03}{x}^0{y}^3\\ +a_{40}{x}^4{y}^0+a_{31}{x}^3{y}^1+a_{22}{x}^2{y}^2+a_{13}{x}^1{y}^3+a_{04}{x}^0{y}^4\\ +a_{50}{x}^5{y}^0+a_{41}{x}^4{y}^1+a_{32}{x}^3{y}^2+a_{23}{x}^2{y}^3+a_{14}{x}^1{y}^4+a_{05}{x}^0{y}^5\\ +\·\·\·\end{array}$

其中a_ij为各项系数。

考虑到系统具有面对称性，以上参数只选用x的偶次项，考虑到加工的方便，最高取到x⁸y⁰，在可加工范围之类。

二元衍射面2的面型方程为：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{\α}}_1{r}^2+{\mathrm{\α}}_2{r}^4+{\mathrm{\α}}_3{r}^6+{\mathrm{\α}}_4{r}^8+{\mathrm{\α}}_5{r}^{10}+{\mathrm{\α}}_6{r}^{12}+{\mathrm{\α}}_7{r}^{14}+{\mathrm{\α}}_8{r}^{16}---\left(4\right)$

其中α_i为各项系数。其面型形式与偶次非球面相同，所不同的是二元衍射面加了相位项，其形式如下：

其中ρ为半径，M为衍射级次，N为多项式的个数，A_i为各项系数。

本实施方式中各个透镜的面型参数如下表，表1为系统标准面参数，表2为多项式自由曲面参数，表3为奇次非球面系数，表4为二元衍射面(binary 2)系数。

表1

表面序列	半径(mm)	圆锥系数	玻璃	半高	厚度
						2	-36	-0.25	mirror	---	---
3	-18.49276	0.7534497	N-LAK7	18.54907	-1.99996

4	-28.49901	0.1501574	SF10	17.18383	-7.65837
						5	-16.98579	5.283216	N-FK56	8.326781	-3.947125
6	Infinity	0.000000	LAFN7	10.13076	-1.999944
						7	66.95023	-289.4155	PK1	12.64283	-11.4605
8	4.226134	-0.6232841	PMMA	13.77103	-2.934164
						9	28	-0.25	mirror	---	---
11	-11.31712	0.000000	PMMA	8.845332	3.71847
						17	Infinity	0.000000	--(OLED)	23.27061

表2

表面	9	13	15
				玻璃	PMMA	PMMA	PMMA
厚度	-32.535298	1.945213	14.30000
				半高	28.88479	11.26514	26.97531
半径	17.656102	-1.575539	62.575982
				圆锥系数	0.0000000	-0.968859	-37.402883
归一化常数	100	100	100
				X0Y1系数	-1.7722023	4.6439422	-10.960561
X2Y0系数	-16.148839	2682.6318	-753.45433
				X0Y2系数	111.09945	2741.6370	-618.24036
X2Y1系数	510.87823	-158.35721	1462.0226
				X0Y3系数	-36.835686	227.17615	1105.0250
X4Y0系数	2662.1716	111431.48	8211.9996
				X2Y2系数	4158.1637	211881.64	8102.4517
X0Y4系数	5540.7499	104204	-1438.483
				X4Y1系数	-3145.9362	-515332.52	-87890.144
X2Y3系数	29161.786	-974237.29	-132502.4
				X0Y5系数	3693.2522	-484754.82	-51260.776
X6Y0系数	4970.5458	19272913	-507315.55
				X4Y2系数	-32163.991	53980769	-899652.85
X2Y4系数	60485.214	51829904	-555648.84
				X0Y6系数	-65940.930	16177665	-39157.255
X6Y1系数	1270728.3	72769185	3110313.1
				X4Y3系数	2063836.5	1.8939472e+008	6099875.3
X2Y5系数	3063557.9	1.7859945e+008	4636478.9
				X0Y7系数	1954293.1	52887568	1118215.1
X8Y0系数	-1968311.5	-1.7435076e+008	2946994.2

表3

表面	11	15
			玻璃	FL2	PMMA
厚度	6.078571	6.095711
			半高	9.48468	14.94173
半径	6.804121	-8.088061
			圆锥系数	-0.5523019	0
r1系数	-0.00040838714	0.18634668

r2系数	-0.040569636	-0.13367654
			r3系数	-0.0030769449	0.038616201
r4系数	0.0024234006	-0.011455655
			r5系数	-0.0012002676	0.00099994776
r6系数	0.00031191651	-7.5660067e-006
			r7系数	-4.330868e-005	7.0732034e-006
r8系数	2.4638071e-006	-1.3743588e-006

表4

表面	14
		玻璃	FCD1
厚度	12.18545
		半高	13.15259
半径	9.137547
		圆锥系数	0
r2系数	-0.095956809
		r4系数	-0.00048269002
r6系数	1.524424e-005
		r8系数	-6.1161468e-007
r10系数	1.916433e-008
		r12系数	-3.0472565e-010
r14系数	1.7537507e-012
		r16系数	9.6211245e-016
衍射级次	1
		归一化系数	100
P2系数	-210378.66
		P4系数	19422839
P6系数	-1.1519834e+009

本实施方式所述的超大视场头盔显示器光学系统实现了对像差的控制，在体积不变的情况下将厚度大的透镜分成各种玻璃的组合，这样既不会提高系统的体积和质量，又很好的矫正了像差。

结合图3至图5说明本实施方式，本实施方式实现大视场光学系统的畸变控制，大视场光学系统畸变是难以控制的，为了控制畸变，系统总体采用了双椭球的形式，结合图4，椭球的优良性质是对位于一个焦点处的点光源发出的光线能完全汇聚到另一个焦点处，但是一旦光束变宽，虽然主光线能汇聚到另一个焦点处，但是边缘光线却不能到达另一个焦点，到达第二焦点处的光束为具有截面直径为L近似为圆形的光斑，并且离开第二个焦点被第二个椭球反射后，由于截面过大，反射光束有很大的发散角。同时，结合图5，由于椭球沿长轴方向的不对称性，使得第一焦点发出的具有相同夹角的光线经过椭球反射后相对夹角变的不均匀，图中入射光线相对夹角α₁＝α₂，出射光线相对夹角β₁>β₂。这样经过一个椭球面反射后会产生很大的畸变，如果直接在第二焦点处加入光学系统进行成像，椭球所产生的很大的畸变基本无法校正。解决这个问题的方法是加入另一个具有相同圆锥系数的椭球，使他们之间的焦点重合，结合图3，这样到达第二个椭球左焦点的光线的相对夹角与在第一个椭球在右焦点处完全相同，即α₁＝α₂，β₁＝β₂。从而很好的矫正了椭球产生的畸变。

结合图6至图8说明本实施方式，本实施方式为系统对单色像差的控制，光线发散角越大，像差矫正难度越大。如果光线没有经过两个椭球反射面中间的中继系统，而直接到达第二个椭球面，结合图6，第一个椭球面反射后的光线近似为点光源发出的发散的光，离点光源越远，光线的截面越大，因此经过第二个椭球反射后总发散角α就越大。这样的光线也是很难矫正的。为了控制到达第二个椭球反射面的光线的截面，加入中继光学系统。但是如果在公共焦点处随意加入光学系统，主光线的方向也会随之改变，经过第二个椭球反射后不能汇聚到下一个焦点处，因此中继系统要有一定的对称性，以使原来主光线的方向偏离不至于太大。此时，第三组透镜已经没有必要完全在焦点处，可以设为变量进行优化。加入中继光学组件后的主光线光路图及单视场的效果图分别如图7和图8所示。

结合图9和图10说明本实施方式，本实施方式为系统对色差的控制，本实施方式加入中继光学系统虽然解决了光线发散的问题，同时也产生了色差，因此需要使用衍射面来更好的消除色差。同时通过多种玻璃的组合，起到矫正单色像差以及色差的作用。通过以上的设计方法，结合图9和图10，最后所成系统传递函数在50lp/mm达到0.12以上，最大畸变为-8.877％，点斑的RMS最大为19.429μm，最小为8.015μm，平均为12.696μm。

Claims (2)

1.超大视场头盔显示器光学系统，其特征是，该光学系统包括第一椭球面(2)、第二椭球面(10)、中继光学系统、第三透镜组和OLED屏(17)；所述中继光学系统位于第一椭球面(2)的左焦点处，所述第一椭球面(2)的左焦点与第二椭球面(10)的右焦点重合，第三透镜组位于第二椭球面(10)的左焦点处；通过出瞳的平行光经过第一椭球面(2)反射后汇聚到中继光学系统，通过中继光学系统的光经第二椭球面(10)反射后汇聚到第三透镜组，通过第三透镜组后的光在OLED屏(17)上成像；

所述中继光学系统包括第一透镜组和第二透镜组，所述第一透镜组与第二透镜组胶合在一起，第一透镜组中的多个透镜表面为标准面，第二透镜组中第一透镜表面(9)为扩展多项式自由曲面；所述第三透镜组包括第二透镜表面(11)、第三透镜表面(12)、第四透镜表面(13)、第五透镜表面(14)、第六透镜表面(15)和第七透镜表面(16)，所述第二透镜表面(11)为奇次非球面面型，第三透镜表面(12)为标准面，第四透镜表面(13)为扩展多项式自由曲面，第五透镜表面(14)为二元衍射面，第六透镜表面(15)为奇次非球面，第七透镜表面(16)为扩展多项式自由曲面；所述第二透镜表面(11)、第三透镜表面(12)、第四透镜表面(13)、第五透镜表面(14)、第六透镜表面(15)和第七透镜表面(16)组成的透镜同轴胶合在一起。

2.根据权利要求1所述的超大视场头盔显示器光学系统，其特征在于，所述第一椭球面(2)与第二椭球面(10)具有相同的圆锥系数。