CN104765151A - 采用双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统 - Google Patents

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Abstract

采用双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统，涉及光学系统和器件设计领域，解决现有双椭圆结构头盔显示器系统中两个椭球面带来的畸变之外的像差校正难度大的问题，采用双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统，该光学系统包括第一自由曲面反射镜、中继透镜组、第二自由曲面反射镜、后继透镜组和显示屏组成。所述光学系统按照逆向光路设计；光路由出瞳处(人眼位置)开始，各视场的光线以平行光的方式经过出瞳进入系统，再经过第一自由曲面反射镜反射后入射到中继透镜组，中继透镜组出射后经过第二自由曲面反射镜反射进入后继透镜组，最后会聚到显示屏上。本发明相比双椭球结构将出瞳直径扩大为8mm，增加了人眼可自由转动的范围。

Description

采用双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统
技术领域
本发明涉及光学系统和器件设计领域，具体涉及一种使用双自由曲面反射镜、旋转对称面形透镜的大视场头盔显示器光学系统，适用于虚拟现实领域。
背景技术
随着计算机技术、微纳加工技术的发展，虚拟现实技术在图像处理、显示分辨率、响应速度等方面有了长足的进步。沉浸感是虚拟现实技术的一个重要特征，代表虚拟环境对人的感官接近程度。头盔显示器是虚拟现实技术中的关键图像输出设备。头盔显示器的视场大小决定了观察者对于虚拟环境的沉浸感。目前商用的头盔显示器视场大小在40°左右，远小于人眼的视场范围。观察者在使用小视场的虚拟现实头盔显示器时，感觉就像在观看一个悬浮在前方的3D屏幕，并不能让观察者有种置身其中的感觉。在大视场头盔显示器的研究中，专利CN 201210536587.9“超大视场头盔显示器光学系统”中提出的双椭球结构可以在实现大视场的同时校正畸变，是一种很有潜力的实现大视场虚拟现实的方法。
双椭球结构中的出瞳位于第一椭球面的右焦点处，水平方向的视场从入射到第一个椭球面开始便成为了非对称形式，然而第一椭球面却是水平对称面形。因此，第一椭球面和第二椭球面虽然可以联合消畸变，但是两者同时增大了其它种类的像差，尤其是对宽光束来说，像差更加严重。在专利CN201210536587.9的方案中不得不使用多个自由曲面透镜以及衍射面来校正这些像差。而在全部采用旋转对称面形透镜的双椭圆结构设计中，多个玻璃透镜表面会出现类似于“W”或“M”形状的加工难度较大的多拐点面形。
发明内容
本发明为解决现有双椭圆结构头盔显示器系统中两个椭球面带来的畸变之外的像差校正难度大的问题，提供一种采用双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统。
采用双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统，该光学系统包括第一自由曲面反射镜、中继透镜组、第二自由曲面反射镜、后继透镜组和显示屏；所述光学系统按照逆向光路设计；逆向设计时头盔显示器的出瞳成为光学系统的入瞳，各视场的光线以平行光的方式经过入瞳进入光学系统，再经第一自由曲面反射镜反射后入射到中继透镜组；经中继透镜组出射后由第二自由曲面反射镜反射进入后继透镜组，最后会聚到显示屏上；所述中继透镜组和后继透镜组中的透镜表面的面形为旋转对称形式，所述中继透镜组由两个双胶合透镜组组成，第一双胶合透镜组由第一表面、第二表面和第三表面组成，第二双胶合透镜组由第四表面、第五表面和第六表面组成，所述第三表面与第六表面为偶次非球面，第一表面、第二表面、第四表面和第五表面为球面；
所述后继透镜组中的多个透镜同轴，所述多个透镜由第七表面、第八表面、第九表面、第十表面、第十一表面、第十二表面、第十三表面、第十四表面、第十五表面、第十六表面、第十七表面、第十八表面、第十九表面、第二十表面、第二十一表面、第二十二表面和第二十三表面组成；
所述第七表面、第九表面、第十八表面和第二十三表面为偶次非球面，第十二表面为二次曲面，第八表面、第十表面、第十一表面、第十三表面、第十四表面、第十五表面、第十六表面、第十七表面、第十九表面、第二十表面、第二十一表面和第二十二表面为球面。
本发明带来的有益效果：本发明采用两个自由曲面反射镜取代双椭球结构中的两个椭球面反射镜，大大增加了两个反射镜的像差校正能力；本发明所用到的中继透镜组和后继透镜组中的透镜均为旋转对称面形，易于加工；本发明相对于全部采用旋转对称透镜的双椭球结构在像质上更加优良；本发明相比双椭球结构将出瞳直径扩大为8mm，增加了人眼可自由转动的范围。
附图说明
图1为本发明所述的采用双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统的结构图；
图2为本发明所述的采用双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统的光路图；
图3为本发明所述的采用双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统20°(H)×20°(V)视场内网格畸变图；
图4为本发明所述的采用双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统60°(H)×60°(V)视场内网格畸变图；
图5为本发明所述的采用双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统的全视场网格畸变图。
图6为本发明所述的采用双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统的全视场传递函数比例图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图6说明本实施方式，采用双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统，如图1所示，该光学系统包括第一自由曲面反射镜A、中继透镜组、第二自由曲面反射镜B、后继透镜组和显示屏27组成。所述光学系统按照逆向光路设计；逆向设计时头盔显示器的出瞳成为光学系统的入瞳，光路由入瞳1处(人眼位置)开始，入瞳位于第一自由曲面的右侧；各视场的光线以平行光的方式经过入瞳1进入光学系统，第一自由曲面反射镜A将入射光线会聚到左侧的中继透镜组上；利用中继透镜组对宽光束进行会聚，避免宽光束因发散角过大造成系统尺寸过大；中继透镜组将各视场光束以近乎准直光的方式入射到第二自由曲面反射镜B上；利用第一自由曲面反射镜A和第二自由曲面反射镜B左右非对称的优势调节水平方向各视场之间的光程差，校正光学系统水平方向非对称带来的离轴像差，使用两个自由曲面反射镜相比两个椭球面反射镜更容易利用自由曲面的左右非对称性进行离轴像差的校正；第二自由曲面反射镜B将光线会聚到后继透镜组，后继透镜组再对光线进行像差校正，最后会聚到显示屏27上。
结合图2说明本实施方式，光学表面和光学元件编号由出瞳开始，包括出瞳1；第一自由曲面反射镜的表面2；所述中继透镜组由两个双胶合透镜组组成，分别由第一表面3、第二表面4和第三表面5组成的第一双胶合透镜组以及第四表面6、第五表面7和第六表面8组成的第二双胶合透镜组；所述中继透镜组中第三表面5与第六表面8为偶次非球面，第一表面3、第二表面4、第四表面6、第五表面7均为球面；中继透镜组的各表面都在同一轴线上；第二自由曲面反射镜表面9；所述后继透镜组由第七表面10、第八表面11、第九表面12、第十表面13、第十一表面14、第十二表面15、第十三表面16、第十四表面17、第十五表面18、第十六表面19、第十七表面20、第十八表面21、第十九表面22、第二十表面23、第二十一表面24、第二十二表面25、第二十三表面26，其中第七表面10、第九表面12、第十八表面21、第二十三表面26为偶次非球面，第十二表面15为二次曲面，其他表面均为球面；第七表面10、第八表面11和第九表面12组成双胶合透镜；第十表面13、第十一表面14和第十二表面15组成双胶合透镜；第十五表面18、第十六表面19和第十七表面20组成双胶合透镜；后继透镜组的各表面都在同一轴线上；显示屏27。
从第二自由曲面反射镜B向后继透镜组出射的会聚光线口径大，使用一个大口径负透镜作为后继透镜组的第一个透镜来接收大口径会聚光线，并在该大口径负透镜后继续使用一个小口径负透镜进一步减小各视场主光线与后继透镜组轴线的夹角，利于校正各项与视场有关的像差；所述大口径负透镜与小口径负透镜组合成双胶合透镜组；所述大口径负透镜即图1中第七表面10与第八表面11组成的透镜，所述小口径负透镜即图1中第八表面11与第九表面12组成的透镜；
本发明中所涉及的位置坐标、长度的单位均为毫米mm；
本实例所实现的光学系统性能指标如下：
视场大小为水平方向106.3°，竖直方向80°；出瞳直径为8mm；出瞳距离为52.1mm；第一椭球面边缘距出瞳中心的最近垂直距离18mm；20°(H)×20°(V)视场内最大相对于畸变绝对值小于2％；60°(H)×60°(V)视场内最大相对于畸变绝对值小于4.5％；H代表水平方向，V代表竖直方向；全视场内最大相对于畸变绝对值小于8％；显示屏为0.86英寸、1920×1200分辨率的OLED显示屏。
本实例的面形数据以及位置坐标如下：
本发明中第一自由曲面反射镜、第二自由曲面反射镜面形用多项式自由曲面面形公式(1)描述：
z = c r 2 1 + 1 - ( 1 + k ) c 2 r 2 + Σ i = 1 N A i E i ( x , y ) - - - ( 1 )
其中r2＝x2+y2；N为多项式的数目；c＝1/R，R为中心曲率半径；k为二次曲面系数；Ai为第i个多项式的系数；Ei(x,y)代表多项式中第i项；多项式项为x与y大于等于零的整数次幂的乘积，最高阶为20。
两自由曲面反射镜的面形数据如表示1所示：
表1两自由曲面的面形数据
表面2 表面9
中心曲率半径(mm) -64.8549613 54.92535302
二次曲面系数 0.21471125 -0.24082157
归一化常数 100 100
x0y1项系数 -7.20304527 -11.8087514
x2y0项系数 -14.2251113 -7.65510549
x0y2项系数 2.96414892 -30.5309896
x2y1项系数 0.06126753 -29.3422879
x0y3项系数 2.19147736 -21.0694272
x4y0项系数 -23.7639349 -22.3192420
x2y2项系数 -35.0646370 -62.0816828
x0y4项系数 -13.5087358 -34.9963535
x4y1项系数 -64.4854294 17.48594359
x2y3项系数 -105.38694026 57.52137006
x0y5项系数 -6.29071433 -5.01484921
x6y0项系数 58.80114667 64.20387742
x4y2项系数 131.29453076 138.13323794
x2y4项系数 -73.7492939 -140.67553555
x0y6项系数 5.96245639 -63.52547168
x6y1项系数 468.51262811 -451.16023341
x4y3项系数 787.42351429 -862.83444265
x2y5项系数 376.13740410 -386.54969493
x0y7项系数 1.81255203 24.07584669
x8y0项系数 -90.34278865 -56.72566373
x6y2项系数 -536.71182619 -329.89609729
x4y4项系数 110.76413742 -218.96327093
中继透镜组和后继透镜组所有面形数据、透镜厚度、空气间隔如表2、表3、表4所示：
表2中继透镜组详细数据
表面 半径R/(mm) 厚度/(mm) 玻璃种类 二次曲面系数 表面类型
3 -39.7 9.75671636 ZF51 0 球面
4 -20.4485126 11.5201868 H-K2 0 球面
5 27.9273 0.49962917 AIR -0.81286087 偶次非球面
6 30.78271810 3.989 H-ZF52A 0 球面
7 34.96494594 10.2784422 H-K7 0 球面
8 26.80484663 AIR 0 偶次非球面
表3后透镜组详细数据
表面 半径R/(mm) 厚度/(mm) 玻璃种类 二次曲面系数 表面类型
10 -32.2345130 3.17540126 E48R -9.06768278 偶次非球面
11 132.7426594 3.18453096 E48R 0 球面
12 20.67960162 9.51877217 AIR 0 偶次非球面
13 147.1497092 6.47106231 H-ZF4 0 球面
14 -57.1974671 4.35519670 H-BAK5 0 球面
15 -37.7925404 13.05742051 AIR -2.38994282 二次曲面
16 -332.668260 5.13488353 H-LAF52 0 球面
17 -37.7352465 3.80192848 AIR 0 球面
18 34.85446324 7.20579063 H-K9L 0 球面
19 -25.6563772 3 H-ZF62 0 球面
20 68.37479064 1.84377723 AIR 0 球面
21 25.74213048 6.62995962 H-LAF1 0 偶次非球面
22 -86.1209593 5.27286476 AIR 0 球面
23 19.74087023 4.45593087 H-ZLAF1 0 球面
24 28.81551008 2.18470593 AIR 0 球面
25 16.48383381 4.17815952 H-ZBAF52 0 球面
26 31.41017332 AIR -1.78988499 偶次非球面
表4各偶次非球面面形系数
表2和表3中的偶次非球面面形并没有出现光学加工不易实现高精度加工的“W”形和“M”形面形，相比起全部采用旋转对称面形透镜的双椭圆结构设计更容易加工；
图1中的坐标系为右手坐标系，坐标系原点O位于第一椭球面右焦点，即出瞳中心；坐标系Z轴正方向竖直向上；坐标系Y轴正方向水平向右；坐标系X轴正方向垂直于纸面向外；系统关于YOZ面对称；在YOZ面上，第一自由曲面的顶点坐标为(-26.28,59.46)，其光学中心轴线与Z轴平行；表面3的顶点坐标为(-47.4,9.5)，中继透镜组的中轴线与Z轴的夹角为64.74°；第二自由曲面的顶点坐标为(-101.49,-46.64)，其光学中心轴线与Z轴平行；表面10的顶点坐标为(-123.47,7.58)，后继透镜组的中轴线与Z轴的夹角为12.83°；显示屏中心坐标为(-141.68,95.39)，显示屏与Z轴的夹角为74.46°；
图3为20°(H)×20°(V)视场内网格畸变图，最大相对于畸变绝对值小于2％；图4为60°(H)×60°(V)视场内网格畸变图，最大相对于畸变绝对值小于4.5％；图5全视场105°(H)×80°(V)内网格畸变图，最大相对于畸变绝对值小于8％。由于离轴光学系统的特殊性，要尽量多的选取视场来查看系统性能。在此，用圆环半径长度表示MTF值的大小，并将系统各个视场MTF所画出的圆环与MTF＝1以及MTF＝0.1的圆大小作对比，即可分析出系统的性能。本例以5°为步长在水平-53.17°～53.17°、竖直0°～40°视场范围选取视场节点，因为竖直方向视场以0°水平视场线上下对称，故可以选取竖直0°～40°视场代表全部竖直方向视场。考察各视场节点在50lp/mm处的子午和弧矢方向的平均MTF值，得出子午和弧矢方向平均MTF如图6所示。由图6可知，在50lp/mm处，子午和弧矢平均MTF大于0.25和0.3的视场分别占到100％和95.6％。在引入两个自由曲面后，对系统的性能有显著的提高。

Claims (6)

1.采用双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统，该光学系统包括第一自由曲面反射镜(A)、中继透镜组、第二自由曲面反射镜(B)、后继透镜组和显示屏(27)；所述光学系统按照逆向光路设计；逆向设计时头盔显示器的出瞳成为光学系统的入瞳，各视场的光线以平行光的方式经过入瞳(1)进入光学系统，再经第一自由曲面反射镜(A)反射后入射到中继透镜组；经中继透镜组出射后由第二自由曲面反射镜(B)反射进入后继透镜组，最后会聚到显示屏(27)上；其特征是，所述中继透镜组和后继透镜组中的透镜表面的面形为旋转对称形式，所述中继透镜组由两个双胶合透镜组组成，第一双胶合透镜组由第一表面(3)、第二表面(4)和第三表面(5)组成，第二双胶合透镜组由第四表面(6)、第五表面(7)和第六表面(8)组成，所述第三表面(5)与第六表面(8)为偶次非球面，第一表面(3)、第二表面(4)、第四表面(6)和第五表面(7)为球面；
所述后继透镜组中的多个透镜同轴，所述多个透镜由第七表面(10)、第八面(11)、第九表面(12)、第十表面(13)、第十一表面(14)、第十二表面(15)、第十三表面(16)、第十四表面(17)、第十五表面(18)、第十六表面(19)、第十七表面(20)、第十八表面(21)、第十九表面(22)、第二十表面(23)、第二十一表面(24)、第二十二表面(25)和第二十三表面(26)组成；
所述第七表面(10)、第九表面(12)、第十八表面(21)和第二十三表面(26)为偶次非球面，第十二表面(15)为二次曲面，第八面(11)、第十表面(13)、第十一表面(14)、第十三表面(16)、第十四表面(17)、第十五表面(18)、第十六表面(19)、第十七表面(20)、第十九表面(22)、第二十表面(23)、第二十一表面(24)和第二十二表面(25)为球面。
2.根据权利要求1所述的采用双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统，其特征在于，第一自由曲面反射镜(A)和第二自由曲面反射镜(B)均为水平方向不对称、竖直方向对称的自由曲面形式。
3.根据权利要求1所述的采用双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统，其特征在于，所述的第一自由曲面反射镜(A)、第二自由曲面反射镜(B)面形采用多项式自由曲面面形表述，用公式一表述为：
公式一、 z = cr 2 1 + 1 - ( 1 + k ) c 2 r 2 + Σ i = 1 N A i E i ( x , y )
式中r2＝x2+y2；N为多项式的数目；c＝1/R，R为中心曲率半径；k为二次曲面系数；Ai为第i个多项式的系数；Ei(x,y)代表多项式中第i项；多项式项为x与y大于等于零的整数次幂的乘积，最高阶为20。
4.根据权利要求3所述的采用双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统，其特征在于，该系统关于YOZ面对称，第一自由曲面反射镜(A)、第二自由曲面反射镜(B)采用多项式自由曲面面形公式中关于x的偶次幂项；
5.根据权利要求1所述的采用双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统，其特征在于，第一双胶合透镜组和第二双胶合透镜组同轴。
6.根据权利要求1所述的采用双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统，其特征在于，所述第七表面(10)、第八面(11)和第九表面(12)组成双胶合透镜，第十表面(13)、第十一表面(14)和第十二表面(15)组成双胶合透镜。
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