CN108227195A - 一种离轴两反自由曲面光学系统 - Google Patents

一种离轴两反自由曲面光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种离轴两反自由曲面光学系统，其特征在于：包含光瞳、第一自由曲面反射镜、第二自由曲面反射镜和微型图像显示器，光瞳、第一自由曲面反射镜、第二自由曲面反射镜和微型图像显示器的位置按光线传输方向分布，光线由光瞳出发经过第一自由曲面反射镜反射到达第二自由曲面反射镜，经过第二自由曲面反射镜反射后到达微型图像显示器，第一自由曲面反射镜采用复曲面，在X方向的曲率半径为123.025mm，在Y方向的曲率半径为194.906mm；第二自由曲面反射镜采用XY多项式自由曲面，顶点曲率半径为85.262mm。本发明能够实现大出瞳直径、小F数的离轴两反自由曲面头盔显示光学系统，具有结构紧凑、宽波段和轻量型等优点。

Description

一种离轴两反自由曲面光学系统
技术领域
本发明涉及一种光学系统，特别是一种离轴两反自由曲面光学系统。
背景技术
现有虚拟现实光学系统设计中主要采用折射式单个透镜或者采用折反射式单个楔形棱镜，其中色差难以校正，实现宽光谱多彩色显示较为困难。离轴反射式光学系统具有结构紧凑、无色差和轻量型等优点，逐步应用于虚拟现实头盔显示光学系统的设计。自由曲面具有多个设计自由度和较强的像差校正能力，在现代光学系统设计中也得到了广泛的应用。在离轴反射式光学系统中采用光学自由曲面进行设计，能够获得性能更好的头盔显示光学系统。
Jui-Wen Pan等人在《Demonstration of a broad band spectral head mounteddisplay with freeform mirrors》（OPTICS EXPRESS，22（11）：12785-12798，2014）中基于XY多项式自由曲面设计了出瞳直径为8mm的离轴两反头盔显示系统，用于增强轻微眼疾患者的视觉感知。该设计的F数为3.76，相对较大。Aaron Bauer等人在《Visual spaceassessment of two all-reflective, freeform, optical see-through head-worndisplays》（OPTICS EXPRESS，22（11）：13155-13163，2014）中采用泽尼克多项式自由曲面设计了出瞳直径约为5mm，F数约为4.6的离轴两反头盔显示器。该设计的出瞳直径相对较小，且F数相对较大。上述两种设计都无法满足大出瞳直径和小F数的高性能头盔显示系统要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种离轴两反自由曲面光学系统，能够实现大出瞳直径、小F数的离轴两反自由曲面头盔显示光学系统。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种离轴两反自由曲面光学系统，其特征在于：包含光瞳、第一自由曲面反射镜、第二自由曲面反射镜和微型图像显示器，光瞳、第一自由曲面反射镜、第二自由曲面反射镜和微型图像显示器的位置按光线传输方向分布，光线由光瞳出发经过第一自由曲面反射镜反射到达第二自由曲面反射镜，经过第二自由曲面反射镜反射后到达微型图像显示器，第一自由曲面反射镜采用复曲面，在X方向的曲率半径为123.025mm，在Y方向的曲率半径为194.906mm；第二自由曲面反射镜采用XY多项式自由曲面，顶点曲率半径为85.262mm。
进一步地，所述离轴两反自由曲面光学系统的F数为3.0，出瞳直径为10mm，出瞳距大于12mm。
进一步地，所述离轴两反自由曲面光学系统的水平方向的视场角为23°，垂直方向的视场角为16°，对角全视场角为28°。
进一步地，所述微型图像显示器的尺寸为0.61英寸。
进一步地，所述第一自由曲面反射镜和第二自由曲面反射镜上镀宽波段反射膜。
进一步地，所述第一自由曲面反射镜的光学参数具体为，
第一自由曲面在X-Z平面内X方向的半径Rx= -123.025mm，
第一自由曲面在Y-Z平面内Y方向的半径Ry=-194.906mm，
第一自由曲面X方向的二次曲面系数Kx=0，
第一自由曲面Y方向的二次曲面系数Ky=0，
第一自由曲面的旋转对称系数AR= -1.918E-07、BR= 1.921E-10、CR= -2.427E-12、DR=1.205E-15，
第一自由曲面的非旋转对称系数AP=0.132、BP=2.162、CP=0.667、DP=0.904，
间距为-1.6mm，
偏心量X为0，Y为-2.903，Z为0，α为-31.248，β为0，γ为0。
进一步地，所述第二自由曲面反射镜的光学参数具体为，
第二自由曲面的半径R= 85.262mm，
第二自由曲面的二次曲面系数K=0，
第二自由曲面的系数C3=1.057、C4=0.003、C6=0.011、C8=3.531E-5、C10=1.803E-4、C11=-4.343E-7、C13=-2.313E-6、C15=1.941E-5、C17=-6.189E-7、C19=-1.359E-6、C21=1.631E-6、C22=1.339E-8、C24=-1.076E-7、C26=-2.043E-7、C28=6.322E-8、C30=5.374E-9、C32=1.959E-9、C34=-2.174E-8、C36=1.642E-10、C37=-1.094E-10、C39=9.196E-10、C41=2.014E-10、C43=-1.158E-9、C45=6.251E-11、C47=-1.547E-11、C49=-3.747E-11、C51=3.399E-11、C53=-1.701E-11、C55=1.130E-11、C56=2.871E-13、C58=-3.173E-12、C60=-2.092E-12、C62=1.788E-12、C64=4.585E-13、C66=3.087E-13，
间距29.507mm，
偏心量X为0、Y为11.549、Z为0、α为-40.346、β为0、γ为0。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明的一种离轴两反自由曲面光学系统，在保证相近观察视场范围的基础上，能够实现大出瞳直径（10mm）和小F数（F数3.0）的结构紧凑、宽波段和轻量型的离轴两反自由曲面头盔显示光学系统。
附图说明
图1是本发明的一种离轴两反自由曲面光学系统的示意图。
图2是本发明的一种离轴两反自由曲面光学系统的像点图。
图3是本发明的一种离轴两反自由曲面光学系统的畸变图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，本发明的一种离轴两反自由曲面光学系统，包含光瞳1、第一自由曲面反射镜2、第二自由曲面反射镜3和微型图像显示器4，光瞳1、第一自由曲面反射镜2、第二自由曲面反射镜3和微型图像显示器4的位置按光线传输方向分布，光线由光瞳1出发经过第一自由曲面反射镜2反射到达第二自由曲面反射镜3，经过第二自由曲面反射镜3反射后到达微型图像显示器4，第一自由曲面反射镜2采用复曲面（Anamorphic Surface），在两个方向上含有两个不同的顶点曲率半径,即在X方向的曲率半径为123.025mm，在Y方向的曲率半径为194.906mm，第一自由曲面反射镜2的光焦度为负值；第二自由曲面反射镜3采用XY多项式自由曲面，顶点曲率半径为85.262mm，第二自由曲面反射镜3的光焦度为正值。
第一自由曲面反射镜2的上边缘与第二自由曲面反射镜3的上边缘相互不干涉。第一自由曲面反射镜2的下边缘与微型图像显示器4相互不干涉。离轴两反自由曲面光学系统的F数为3.0，出瞳直径为10mm，出瞳距大于12mm。离轴两反自由曲面光学系统的水平方向的视场角为23°，垂直方向的视场角为16°，对角全视场角为28°。
微型图像显示器的尺寸为0.61英寸，便于实现小型化轻量型的头盔显示光学系统。
根据不同的应用需要，第一自由曲面反射镜和第二自由曲面反射镜上镀宽波段反射膜。
第一自由曲面反射镜的光学参数具体为，
第一自由曲面在X-Z平面内X方向的半径Rx= -123.025mm，
第一自由曲面在Y-Z平面内Y方向的半径Ry=-194.906mm，
第一自由曲面X方向的二次曲面系数Kx=0，
第一自由曲面Y方向的二次曲面系数Ky=0，
第一自由曲面的旋转对称系数AR= -1.918E-07、BR= 1.921E-10、CR= -2.427E-12、DR=1.205E-15，
第一自由曲面的非旋转对称系数AP=0.132、BP=2.162、CP=0.667、DP=0.904，
间距为-1.6mm，
偏心量X为0，Y为-2.903，Z为0，α为-31.248，β为0，γ为0。
第二自由曲面反射镜的光学参数具体为，
第二自由曲面的半径R= 85.262mm，
第二自由曲面的二次曲面系数K=0，
第二自由曲面的系数C3=1.057、C4=0.003、C6=0.011、C8=3.531E-5、C10=1.803E-4、C11=-4.343E-7、C13=-2.313E-6、C15=1.941E-5、C17=-6.189E-7、C19=-1.359E-6、C21=1.631E-6、C22=1.339E-8、C24=-1.076E-7、C26=-2.043E-7、C28=6.322E-8、C30=5.374E-9、C32=1.959E-9、C34=-2.174E-8、C36=1.642E-10、C37=-1.094E-10、C39=9.196E-10、C41=2.014E-10、C43=-1.158E-9、C45=6.251E-11、C47=-1.547E-11、C49=-3.747E-11、C51=3.399E-11、C53=-1.701E-11、C55=1.130E-11、C56=2.871E-13、C58=-3.173E-12、C60=-2.092E-12、C62=1.788E-12、C64=4.585E-13、C66=3.087E-13，
间距29.507mm，
偏心量X为0、Y为11.549、Z为0、α为-40.346、β为0、γ为0。
如图2所示，本实施例的中心视场区域各个视场的光学像点均方根半径值（RMS）均小于20μm，边缘视场区域各个视场的光学像点均方根半径值（RMS）均小于40 μm，成像质量满足要求。如图3所示，本实施例的各个视场的畸变。中心视场区域各个视场的畸变值不超过2%，边缘视场区域各个视场的畸变值不超过4.5%，满足设计要求。因此，本实施例能够实现大出瞳直径和小F数的结构紧凑、宽波段和轻量型的离轴两反自由曲面头盔显示光学系统。
本发明的一种离轴两反自由曲面光学系统，在保证相近观察视场范围的基础上，能够实现大出瞳直径（10mm）和小F数（F数3.0）的结构紧凑、宽波段和轻量型的离轴两反自由曲面头盔显示光学系统。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种离轴两反自由曲面光学系统，其特征在于：包含光瞳、第一自由曲面反射镜、第二自由曲面反射镜和微型图像显示器，光瞳、第一自由曲面反射镜、第二自由曲面反射镜和微型图像显示器的位置按光线传输方向分布，光线由光瞳出发经过第一自由曲面反射镜反射到达第二自由曲面反射镜，经过第二自由曲面反射镜反射后到达微型图像显示器，第一自由曲面反射镜采用复曲面，在X方向的曲率半径为123.025mm，在Y方向的曲率半径为194.906mm；第二自由曲面反射镜采用XY多项式自由曲面，顶点曲率半径为85.262mm。
2.按照权利要求1所述的一种离轴两反自由曲面光学系统，其特征在于：所述离轴两反自由曲面光学系统的F数为3.0，出瞳直径为10mm，出瞳距大于12mm。
3.按照权利要求1所述的一种离轴两反自由曲面光学系统，其特征在于：所述离轴两反自由曲面光学系统的水平方向的视场角为23°，垂直方向的视场角为16°，对角全视场角为28°。
4.按照权利要求1所述的一种离轴两反自由曲面光学系统，其特征在于：所述微型图像显示器的尺寸为0.61英寸。
5.按照权利要求1所述的一种离轴两反自由曲面光学系统，其特征在于：所述第一自由曲面反射镜和第二自由曲面反射镜上镀宽波段反射膜。
6.按照权利要求1所述的一种离轴两反自由曲面光学系统，其特征在于：所述第一自由曲面反射镜的光学参数具体为，
第一自由曲面在X-Z平面内X方向的半径Rx= -123.025mm，
第一自由曲面在Y-Z平面内Y方向的半径Ry=-194.906mm，
第一自由曲面X方向的二次曲面系数Kx=0，
第一自由曲面Y方向的二次曲面系数Ky=0，
第一自由曲面的旋转对称系数AR= -1.918E-07、BR= 1.921E-10、CR= -2.427E-12、DR=1.205E-15，
第一自由曲面的非旋转对称系数AP=0.132、BP=2.162、CP=0.667mm、DP=0.904，
间距为-1.6mm，
偏心量X为0，Y为-2.903，Z为0，α为-31.248，β为0，γ为0。
7.按照权利要求1所述的一种离轴两反自由曲面光学系统，其特征在于：所述第二自由曲面反射镜的光学参数具体为，
第二自由曲面的半径R= 85.262mm，
第二自由曲面的二次曲面系数K=0，
第二自由曲面的系数C3=1.057、C4=0.003、C6=0.011、C8=3.531E-5、C10=1.803E-4、C11=-4.343E-7、C13=-2.313E-6、C15=1.941E-5、C17=-6.189E-7、C19=-1.359E-6、C21=1.631E-6、C22=1.339E-8、C24=-1.076E-7、C26=-2.043E-7、C28=6.322E-8、C30=5.374E-9、C32=1.959E-9、C34=-2.174E-8、C36=1.642E-10、C37=-1.094E-10、C39=9.196E-10、C41=2.014E-10、C43=-1.158E-9、C45=6.251E-11、C47=-1.547E-11、C49=-3.747E-11、C51=3.399E-11、C53=-1.701E-11、C55=1.130E-11、C56=2.871E-13、C58=-3.173E-12、C60=-2.092E-12、C62=1.788E-12、C64=4.585E-13、C66=3.087E-13，
间距29.507mm，
偏心量X为0、Y为11.549、Z为0、α为-40.346、β为0、γ为0。
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