CN105242403B - 基于高斯径向基光学自由曲面表征模型的头戴显示系统 - Google Patents
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Abstract
基于高斯径向基光学自由曲面表征模型的头戴显示系统。利用光学自由曲面，设计了包含自由曲面反射镜的光学系统，并与微型显示器结合在一起，构成了头戴显示系统。以自由曲面反射镜为核心，结合微型显示器实现了用于虚拟现实技术的头盔显示器。在自由曲面反射镜的设计中，采用基于面形斜率的高斯径向基表征模型，并结合反射镜的面形特点，对模型中的函数中心和形状因子参量进行了合理选取，使得高斯径向基的局域性得到了有效地利用。对于新型高斯径向基模型的面形定义模块，将函数中心横纵坐标、形状因子及系数均置于参量列表中，提高了数据导入的效率。
Description
技术领域
本发明属于光学领域中的光学自由曲面设计领域，特别是涉及一种自由曲面反射镜式的头戴显示器用光学系统。
背景技术
随着虚拟现实技术在军事训练、飞行模拟、可视化医疗和三维娱乐等领域发挥越来越重要的作用，头戴显示系统作为虚拟现实和增强现实技术的关键设备其相关技术也得到了飞速发展。早期的头戴显示系统主要应用于军事领域，系统元件数目往往很多，体积庞大。随着娱乐视听产品的出现，头戴显示系统开始向民用方向发展，并逐渐演化成眼镜式头戴显示器，系统体积更小更紧凑。这类头戴显示器的光学成像系统属于大视场、大相对孔径系统，系统的像差平衡比较复杂，使用常规的光学元件很难同时满足成像质量和系统轻量化的要求，因此在眼镜式头戴显示器中往往使用复杂的光学元件，如衍射光学元件或自由曲面式光学元件，在满足系统轻量化的条件下保证成像质量。
目前，国内已有多家单位从事头戴显示系统的开发。北京理工大学设计了多种自由曲面棱镜式头戴显示器，系统中包含自由曲面的棱镜承担了全部的成像功能，使得光学成像系统的体积变得十分紧凑。但是，棱镜的多个表面均为自由曲面，使得棱镜加工和实际装调的难度也随之大大增加。
发明内容
国内现有的头戴显示系统多采用自由曲面棱镜进行成像，但是作为核心元件，其中包含较多的自由曲面增加了元件的加工难度和系统的装调难度。本发明针对此问题，提供了以自由曲面反射镜代替自由曲面棱镜进行成像的头戴显示系统，而反射镜的面形采用高斯径向基表征模型进行描述，使得系统中仅包含单个自由曲面，从而降低了元件的加工难度，进一步简化了系统结构。
本发明的技术方案如下：
(1)基于高斯径向基光学自由曲面表征模型的头戴显示系统是由光学自由曲面反射镜和微型显示器组成的离轴系统，其中自由曲面反射镜倾斜12～14°，微型显示器偏离中心轴6～7mm。
(2)自由曲面反射镜的镜面面形是由基于面形斜率的高斯径向基表征模型进行描述的，为此需要在光学设计软件中导入高斯径向基模型表征面形的定义模块，并将头戴显示系统中的反射镜设置为相应面形，相应的数学表达式如下：
其中，z(x,y)表示自由曲面的矢高，(x,y)为笛卡尔坐标，右边第一项表示顶点曲率为c、非球面系数为k的二次曲面；第二项表示高斯径向基函数的线性叠加，而wi表示叠加系数；每个高斯径向基包含函数中心(x0i,y0i)和形状因子εi两个参量。
(3)根据高斯径向基模型的数学性质和头戴显示系统的光学特性，确定基函数的函数中心均匀分布在光束照射范围内部或边缘；对于基函数的形状因子而言，靠近微显示器的部分大于远离微显示器的部分，且所有形状因子的平均值约束在0.0707左右；
(4)对头戴显示系统进行优化设计后，其成像质量由全视场在23lp/mm处的平均MTF、最大畸变量以及全视场的平均波像差予以评估。
本发明的优点和积极效果：
本发明涉及的头戴显示系统用自由曲面反射镜代替了国内较为普遍的自由曲面棱镜进行光学成像，减少了系统中自由曲面的个数，不仅降低了元件的加工难度以及系统的装调难度，头戴显示系统的结构也更为紧凑。
附图说明
图1是头戴显示系统的结构。
图2是高斯径向基模型表征曲面中函数中心的分布；
图3是设计完成的头戴显示系统在中心视场的MTF曲线；
图4是设计完成的头戴显示系统在边缘视场的MTF曲线；
图5是设计完成的头盔显示系统的畸变网格；
图6是设计完成的头盔显示系统全视场的波像差分布图；
图中，1表示眼瞳；2表示自由曲面反射镜；3表示微型显示器。
具体实施方式
首先，建立头戴显示系统的初始结构，确定各个元件的合理位置。图1表示实施方式中头戴显示系统的结构。为保证人眼观察舒适，眼瞳1和自由曲面反射镜2的距离，即系统的出瞳距选为16.9mm，而眼瞳1和微型显示器3的距离选为2mm。反射镜2在水平面内发生倾斜，并且微型显示器3距离水平轴越远，反射镜2的倾斜角度越大，此处令微型显示器3的中心距离水平轴6mm，而反射镜2倾斜12°。
然后，在光学设计软件中导入高斯径向基模型表征面形的定义模块，并将系统中的反射镜面形定义为高斯径向基模型表征面形，相应的面形表达式为：
其中，z(x,y)表示自由曲面的矢高，(x,y)为笛卡尔坐标。右边第一项表示顶点曲率为c，非球面系数为k的二次曲面；第二项表示高斯径向基函数的线性叠加，而wi表示叠加系数。每个高斯径向基包含函数中心(x0i,y0i)和形状因子εi两个参量。
在该实施方式中，反射镜初始面形的顶点曲率为1/29，非球面系数为0。并且，根据高斯径向基模型的数学性质和头戴显示系统的光学特性，确定基函数的函数中心(x0i,y0i)均匀分布在光束照射范围内部或边缘，具体分布方式如图2所示。对于基函数的形状因子而言，若函数中心的横坐标x0i<0，相应的形状因子取为0.0565；若函数中心x0i>0，相应的形状因子取为0.0807，而所有形状因子的平均值为0.0707。
建立反射镜的初始面形和系统的初始结构后，选择模型系数、反射镜的倾斜与偏心以及像面位置作为变量，对头戴显示系统进行优化。为评价该系统的成像质量，计算部分视场在23lp/mm处的平均MTF和最大畸变量，结果如图3、4和图5所示，而该系统的全视场的波像差分布图如图6所示。
Claims (1)
1.一种基于新型高斯径向基光学自由曲面表征模型的头戴显示系统的设计方法，核心元件自由曲面反射镜保持倾斜，该头戴显示系统是由自由曲面反射镜和微型显示器组成的离轴系统；其特征在于，该系统由以下步骤设计完成：
(1)建立头戴显示系统的初始结构，确定各个元件的合理位置，眼瞳和自由曲面反射镜的距离选为16.9mm，眼瞳和微型显示器的距离选为2mm；反射镜在水平面内发生倾斜，并且微型显示器距离水平轴越远，反射镜的倾斜角度越大，微型显示器的中心距离水平轴6mm，反射镜倾斜12°；
(2)在光学设计软件中导入新型高斯径向基模型表征面形的定义模块，并将系统中的反射镜面形定义为新型高斯径向基模型表征面形，相应的面形表达式为：
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其中，z(x,y)表示自由曲面的矢高，(x,y)为笛卡尔坐标，右边第一项表示顶点曲率为c、非球面系数为k的二次曲面；第二项表示高斯径向基函数的线性叠加，而wi表示叠加系数；每个高斯径向基包含函数中心(x0i,y0i)和形状因子εi两个参量，函数中心均匀分布于光束照射范围内部和边缘，基函数形状因子εi与该径向基所在位置的面型斜率有关；
(3)反射镜初始面形的顶点曲率设置为1/29，非球面系数设置为0，根据高斯径向基模型的数学性质和头戴显示系统的光学特性，确定基函数的函数中心(x0i,y0i)均匀分布在光束照射范围内部或边缘；根据形状因子与面型斜率相关的原则，若函数中心的横坐标x0i<0，相应的形状因子取为0.0565；若函数中心x0i>0，相应的形状因子取为0.0807，而所有形状因子的平均值为0.0707；
(4)建立反射镜的初始面形和系统的初始结构后，选择模型系数、反射镜的倾斜与偏心以及像面位置作为变量，对头戴显示系统进行优化；
(5)对头戴显示系统进行优化设计后，其成像质量由全视场在23lp/mm处的平均MTF、最大畸变量以及全视场的平均波像差予以评估。
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