采用雙自由曲面反射鏡的大視場(chǎng)頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)系統(tǒng)和器件設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種使用雙自由曲面反射鏡、旋 轉(zhuǎn)對(duì)稱面形透鏡的大視場(chǎng)頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)，適用于虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微納加工技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在圖像處理、顯示分辨率、 響應(yīng)速度等方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。沉浸感是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)重要特征，代表虛擬環(huán)境 對(duì)人的感官接近程度。頭盔顯示器是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的關(guān)鍵圖像輸出設(shè)備。頭盔顯示器的 視場(chǎng)大小決定了觀察者對(duì)于虛擬環(huán)境的沉浸感。目前商用的頭盔顯示器視場(chǎng)大小在40°左 右，遠(yuǎn)小于人眼的視場(chǎng)范圍。觀察者在使用小視場(chǎng)的虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔顯示器時(shí)，感覺就像在觀 看一個(gè)懸浮在前方的3D屏幕，并不能讓觀察者有種置身其中的感覺。在大視場(chǎng)頭盔顯示器 的研宄中，專利CN201210536587. 9 "超大視場(chǎng)頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)"中提出的雙橢球結(jié)構(gòu) 可以在實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)的同時(shí)校正畸變，是一種很有潛力的實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)虛擬現(xiàn)實(shí)的方法。
[0003] 雙橢球結(jié)構(gòu)中的出瞳位于第一橢球面的右焦點(diǎn)處，水平方向的視場(chǎng)從入射到第一 個(gè)橢球面開始便成為了非對(duì)稱形式，然而第一橢球面卻是水平對(duì)稱面形。因此，第一橢球面 和第二橢球面雖然可以聯(lián)合消畸變，但是兩者同時(shí)增大了其它種類的像差，尤其是對(duì)寬光 束來(lái)說，像差更加嚴(yán)重。在專利CN201210536587. 9的方案中不得不使用多個(gè)自由曲面透鏡 以及衍射面來(lái)校正這些像差。而在全部采用旋轉(zhuǎn)對(duì)稱面形透鏡的雙橢圓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，多個(gè) 玻璃透鏡表面會(huì)出現(xiàn)類似于"W"或"M"形狀的加工難度較大的多拐點(diǎn)面形。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為解決現(xiàn)有雙橢圓結(jié)構(gòu)頭盔顯示器系統(tǒng)中兩個(gè)橢球面帶來(lái)的畸變之外的 像差校正難度大的問題，提供一種采用雙自由曲面反射鏡的大視場(chǎng)頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng)。
[0005] 采用雙自由曲面反射鏡的大視場(chǎng)頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)包括第一自由曲 面反射鏡、中繼透鏡組、第二自由曲面反射鏡、后繼透鏡組和顯示屏；所述光學(xué)系統(tǒng)按照逆 向光路設(shè)計(jì)；逆向設(shè)計(jì)時(shí)頭盔顯示器的出瞳成為光學(xué)系統(tǒng)的入瞳，各視場(chǎng)的光線以平行光 的方式經(jīng)過入瞳進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，再經(jīng)第一自由曲面反射鏡反射后入射到中繼透鏡組；經(jīng)中 繼透鏡組出射后由第二自由曲面反射鏡反射進(jìn)入后繼透鏡組，最后會(huì)聚到顯示屏上；所述 中繼透鏡組和后繼透鏡組中的透鏡表面的面形為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱形式，所述中繼透鏡組由兩個(gè)雙 膠合透鏡組組成，第一雙膠合透鏡組由第一表面、第二表面和第三表面組成，第二雙膠合透 鏡組由第四表面、第五表面和第六表面組成，所述第三表面與第六表面為偶次非球面，第一 表面、第二表面、第四表面和第五表面為球面；
[0006] 所述后繼透鏡組中的多個(gè)透鏡同軸，所述多個(gè)透鏡由第七表面、第八表面、第九表 面、第十表面、第i^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i^一表面、第二十二表面和第 二十三表面組成；
[0007] 所述第七表面、第九表面、第十八表面和第二十三表面為偶次非球面，第十二表面 為二次曲面，第八表面、第十表面、第i^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i^一表面和第二十二表面為球面。
[0008] 本發(fā)明帶來(lái)的有益效果：本發(fā)明采用兩個(gè)自由曲面反射鏡取代雙橢球結(jié)構(gòu)中的兩 個(gè)橢球面反射鏡，大大增加了兩個(gè)反射鏡的像差校正能力；本發(fā)明所用到的中繼透鏡組和 后繼透鏡組中的透鏡均為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱面形，易于加工；本發(fā)明相對(duì)于全部采用旋轉(zhuǎn)對(duì)稱透鏡 的雙橢球結(jié)構(gòu)在像質(zhì)上更加優(yōu)良；本發(fā)明相比雙橢球結(jié)構(gòu)將出瞳直徑擴(kuò)大為8mm，增加了 人眼可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的范圍。
【附圖說明】
[0009] 圖1為本發(fā)明所述的采用雙自由曲面反射鏡的大視場(chǎng)頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 圖；
[0010] 圖2為本發(fā)明所述的采用雙自由曲面反射鏡的大視場(chǎng)頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng)的光路 圖；
[0011] 圖3為本發(fā)明所述的采用雙自由曲面反射鏡的大視場(chǎng)頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng) 20° (H)X20° (V)視場(chǎng)內(nèi)網(wǎng)格畸變圖；
[0012] 圖4為本發(fā)明所述的采用雙自由曲面反射鏡的大視場(chǎng)頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng) 60° (H)X60° (V)視場(chǎng)內(nèi)網(wǎng)格畸變圖；
[0013] 圖5為本發(fā)明所述的采用雙自由曲面反射鏡的大視場(chǎng)頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng)的全視 場(chǎng)網(wǎng)格畸變圖。
[0014] 圖6為本發(fā)明所述的采用雙自由曲面反射鏡的大視場(chǎng)頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng)的全視 場(chǎng)傳遞函數(shù)比例圖。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0015] 一、結(jié)合圖1至圖6說明本實(shí)施方式，采用雙自由曲面反射鏡的大視 場(chǎng)頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng)，如圖1所示，該光學(xué)系統(tǒng)包括第一自由曲面反射鏡A、中繼透鏡組、第 二自由曲面反射鏡B、后繼透鏡組和顯示屏27組成。所述光學(xué)系統(tǒng)按照逆向光路設(shè)計(jì)；逆 向設(shè)計(jì)時(shí)頭盔顯示器的出瞳成為光學(xué)系統(tǒng)的入瞳，光路由入瞳1處（人眼位置）開始，入瞳 位于第一自由曲面的右側(cè)；各視場(chǎng)的光線以平行光的方式經(jīng)過入瞳1進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，第一 自由曲面反射鏡A將入射光線會(huì)聚到左側(cè)的中繼透鏡組上；利用中繼透鏡組對(duì)寬光束進(jìn)行 會(huì)聚，避免寬光束因發(fā)散角過大造成系統(tǒng)尺寸過大；中繼透鏡組將各視場(chǎng)光束以近乎準(zhǔn)直 光的方式入射到第二自由曲面反射鏡B上；利用第一自由曲面反射鏡A和第二自由曲面反 射鏡B左右非對(duì)稱的優(yōu)勢(shì)調(diào)節(jié)水平方向各視場(chǎng)之間的光程差，校正光學(xué)系統(tǒng)水平方向非對(duì) 稱帶來(lái)的離軸像差，使用兩個(gè)自由曲面反射鏡相比兩個(gè)橢球面反射鏡更容易利用自由曲面 的左右非對(duì)稱性進(jìn)行離軸像差的校正；第二自由曲面反射鏡B將光線會(huì)聚到后繼透鏡組， 后繼透鏡組再對(duì)光線進(jìn)行像差校正，最后會(huì)聚到顯示屏27上。
[0016] 結(jié)合圖2說明本實(shí)施方式，光學(xué)表面和光學(xué)元件編號(hào)由出瞳開始，包括出瞳1 ;第 一自由曲面反射鏡的表面2 ;所述中繼透鏡組由兩個(gè)雙膠合透鏡組組成，分別由第一表面 3、第二表面4和第三表面5組成的第一雙膠合透鏡組以及第四表面6、第五表面7和第六表 面8組成的第二雙膠合透鏡組；所述中繼透鏡組中第三表面5與第六表面8為偶次非球面， 第一表面3、第二表面4、第四表面6、第五表面7均為球面；中繼透鏡組的各表面都在同一 軸線上；第二自由曲面反射鏡表面9 ;所述后繼透鏡組由第七表面10、第八表面11、第九表 面12、第十表面13、第^^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