專利名稱：：輕小型大視場自由曲面棱鏡頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種自由曲面棱鏡式頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)，屬于光學(xué)系統(tǒng)和器件設(shè)計(jì)領(lǐng)域，適用于虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality,簡稱VR)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AugmentedReality,簡稱，AR)頭盔圖像顯示裝置取得了長足的發(fā)展，由于這些頭盔顯示裝置安裝在觀察者的頭部，因此它必須緊湊和輕量化，以減輕觀察者的負(fù)載。隨著觀察視場的增加，觀察范圍也會增加，觀察者才能更全神貫注的觀察優(yōu)質(zhì)的動態(tài)圖像。對于頭盔顯示器系統(tǒng)而言，大視場也是相當(dāng)重要的。頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的視場、出瞳直徑、焦距三者之間是相互制約的關(guān)系。同時(shí)達(dá)到大視場，大出瞳直徑和短焦相當(dāng)困難。頭盔顯示器主要由三個部分構(gòu)成顯示部件、光學(xué)鏡頭和頭盔。要實(shí)現(xiàn)頭盔顯示器的小型輕量化，必須將每一部分的體積重量降到最小。顯示部件是頭盔顯示器的關(guān)鍵組成之一，它的選擇在頭盔顯示器中有舉足輕重的地位，目前常用于頭盔中的微型液晶顯示器大小為0.3~1.3英寸，小尺寸微型液晶顯示器有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化。頭盔顯示器的發(fā)展由同軸旋轉(zhuǎn)對稱透射式結(jié)構(gòu)逐漸演變到折反射式結(jié)構(gòu)，旨在解決大視場和大出瞳直徑的問題，通常這類頭盔顯示器的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用了大量的光學(xué)元件，將光學(xué)元件中心偏離光軸和相對于光軸傾斜，有些使用了衍射/全息光學(xué)元件和塑料材料，有些應(yīng)用特殊面形的非球面，通過增加光學(xué)設(shè)計(jì)的自由度達(dá)到降低系統(tǒng)體積和質(zhì)量的目的，但這些都直接導(dǎo)致加工成本昂貴并且使系統(tǒng)的裝調(diào)變得十分困難。以下是采用棱鏡式結(jié)構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)的部分頭盔顯示器專利，就其光學(xué)特性進(jìn)行比較分析。US5699194號專利為奧林巴斯公司申請的發(fā)明專利，它采用自由曲面棱鏡，光線在自由曲面表面2反射一次，表面4上反射兩次，最后透過表面2進(jìn)入人眼，該系統(tǒng)的視場不大，只有30°Hx22.8°V，出瞳直徑也比較小，為4ww。奧林巴斯公司在US5701202號專利里提出了類似的結(jié)構(gòu)，并在棱鏡與圖像源之間增加了一塊透鏡，同時(shí)討論了透射式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題，最大視場為45。Hx34.5。V，出瞳直徑為4mm，所用圖像源是1.3英寸液晶顯示器，系統(tǒng)呈梯形畸變。佳能公司也申請了類似的專利，專利號為US5706136，該專利中實(shí)例光學(xué)系統(tǒng)的視場角較小，為33。Hx26。V，出瞳直徑也較小，僅為4/ww。US5959780號專利介紹了幾種奧林巴斯公司發(fā)明的自由曲面棱鏡頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)，該專利中的頭盔光學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了較大的視場，最大為28.9。Hxl7.5。V，其采用的微型顯示器為1.3英寸，其焦距比較大，約為27.4mw，此外該實(shí)例的出瞳直徑較小，僅為4ww,因此F數(shù)比較大，系統(tǒng)呈桶形畸變。Interactiveimagingsystems公司的專利US6417970中也使用了自由曲面棱鏡作為頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng)的一部分。也有些專利在US6417970中的棱鏡表面4和圖像源5或出瞳和棱鏡之間增加一塊透鏡或衍射元件，以達(dá)到消除色差和像差的目的，有些專利在US6417970中的表面2增加衍射光學(xué)元件。專利US6181475在出瞳1和棱鏡2之間增加衍射光學(xué)元件，該專利中有些實(shí)例在棱鏡4和顯示器5之間增加了漸變折射率材料透鏡。奧林巴斯公司的US6646812專利在前面增加了一塊透鏡，出瞳距離很長，但是視場很小。奧林巴斯、佳能等公司先后還申請了類似的采用自由曲面棱鏡多項(xiàng)發(fā)明專利，結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但主要光學(xué)技術(shù)參數(shù)并沒有提高，本質(zhì)上沒有提高頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的出瞳直徑和視場。相關(guān)的涉及自由曲面棱鏡的頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)專利還有很多，這些專利的共同的不足是出瞳直徑小，F(xiàn)數(shù)大，所采用的圖像源尺寸比較大。由于人眼的瞳距因人而異(5470ww),—般設(shè)計(jì)時(shí)采用瞳距的平均值62mm，差值最大為8mw，因此對于出瞳直徑很小的系統(tǒng)，不同的使用者必須進(jìn)行瞳距調(diào)解，給產(chǎn)品使用帶來了很大的麻煩。在瞳距不變的情況下，用戶眼球稍微移動就可能看不到圖像，影響產(chǎn)品的使用性能，進(jìn)一步影響其應(yīng)用推廣。如果光學(xué)系統(tǒng)不能很好地校正系統(tǒng)的像差和畸變，用戶看到的將會是扭曲和不清晰的圖像，如果畸變比較大，顯示到用戶左右眼的圖像就不能形成一幅具有立體感的圖像，因此系統(tǒng)的畸變和像差必須要得到很好的校正，但以上提及的專利的畸變都比較大。
發(fā)明內(nèi)容為克服以上現(xiàn)有頭盔顯示器的光線系統(tǒng)專利的不足，本發(fā)明提出一種出瞳直徑大，大視場，短焦距的自由曲面棱鏡式頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng)，具有輕型、緊湊、像差校正良好和光能利用率高等優(yōu)點(diǎn)，旨在解決頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)偏大，同時(shí)尺寸非常小，重量很輕，其頭盔圖像顯示裝置能夠保證觀察者在大視場范圍內(nèi)看到清晰的圖像，并且顯示的圖像沒有明顯的亮度衰減，不容易導(dǎo)致觀察者視覺疲勞。本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明所述輕小型大視場自由曲面棱鏡頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)包含一個具有三個光學(xué)表面的自由曲面棱鏡和一個微型圖像顯示器，如附圖1所示，由于是反向光路設(shè)計(jì)，即光線從人眼出發(fā)，經(jīng)過自由曲面棱鏡折反射然后到達(dá)圖像顯示器，為方便描述，元件及表面序號從出瞳(眼球)開始。自由棱鏡的三個光學(xué)表面均為自由曲面，1為出瞳，即人眼位置；從觀察者側(cè)到像源方向，依次為第一表面2、第二表面3和第三表面4，其中第一表面2相對于觀察者側(cè)為凹面形狀的透射面；第二表面3相對于觀察者側(cè)為凹面形狀的反射面，起放大圖像的作用，外側(cè)鍍有反射膜層；第三表面4相對于觀察者側(cè)為凹面形狀的透射面。本發(fā)明頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際光路是微型液晶顯示器件5發(fā)出光線，如圖1所示，先經(jīng)過第三表面4透射進(jìn)入自由曲面棱鏡，然后在第一表面2內(nèi)側(cè)上發(fā)生全反射，經(jīng)過第二表面3反射，最后再次經(jīng)過第一表面2透射至人眼。但由于本發(fā)明采用反向光路設(shè)計(jì)方式，因此反向描述光路，光線從人眼1處出發(fā)，通過自由曲面棱鏡第一表面2透射，經(jīng)由第二表面3反射，在反射到第一表面2上，并在該表面內(nèi)側(cè)發(fā)生全反射，最后經(jīng)由第三表面4透射出并最終到達(dá)微型顯示器5,附形中各元件按從左到右的方向標(biāo)號。三個表面的面形應(yīng)滿足條件方程(1)-(3)中的任一個，并將各自由曲面控制為平面對稱曲面。三個光學(xué)表面之間應(yīng)滿足條件方程(4)-(6)，滿足這些條件將確保自由曲面棱鏡的結(jié)構(gòu)合理。光線入射角應(yīng)滿足條件方程(7)。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中C,是曲面在X-Z平面內(nèi)X方向的曲率半徑，Cy是曲面在Y-Z平面內(nèi)Y方向的曲率半徑，Kx是曲面X方向的二次曲線系數(shù)，Ky是曲面Y方向的二次曲線系數(shù)，A,是4，6，8，10，...2n階非球面系數(shù)，關(guān)于Z軸旋轉(zhuǎn)對稱，Pj是4，6,8,10,…2n階非旋轉(zhuǎn)對稱系數(shù)。C(x2+y2)=C(x2+y2)/[+[1-(1+k)C2(x2+y2)/1/2+c4y2+c6x2+c7y3+c6x2+c7y3+c9yx2+c11y4+c13y2x2+c15x4+c16y5_c18y3x2+c20yx4+c22y6+c24y4x2+c26y2x4+c28x6+c29y7+c31y5x2+c33y3x4+c35yx6+...其中C為曲面曲率半徑，^為多項(xiàng)式系數(shù)。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>----其中c為曲率半徑，A為二次曲面系數(shù)，厶，g，G，2分別為4，6，8，IO階非球面系數(shù)。三個光學(xué)表面之間應(yīng)滿足條件方程(4)-(6):0.5<z尸。，一z尸。<2<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(4)-(6)式中的少、z分別表示某個點(diǎn)在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，而各個下標(biāo)表示的是各個不同的點(diǎn)，如附圖1所示，R"是Y方向最大視場上邊緣光線，Rb為Y方向最小視場下邊緣光線；Pa為Rb與第一表面2透射時(shí)的交點(diǎn)，Pa'為Rb與第二表面3的交點(diǎn)，Pa"為Rb與第一表面2反射時(shí)的交點(diǎn)；Pb為R"與第二表面3的交點(diǎn)，Pb'為Rb與第三表面4的交點(diǎn)；Pc為Ru與第一表面2反射時(shí)的交點(diǎn)，P匸為R"與第三表面4透射面的交點(diǎn)。第一表面2既是透射面又是反射面，光線第一次經(jīng)過第一表面2時(shí)透射，第二次經(jīng)過它時(shí)發(fā)生全反射，所以Y方向最大視場上邊緣光線與第二自由曲面的表面兩次相交時(shí)的入射角關(guān)系應(yīng)滿足關(guān)系式(7)。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中&a為Y方向最大視場上邊緣光線從液晶顯示器出發(fā)第一次入射到第一表面2時(shí)的入射角，^,2為Y方向最大視場上邊緣光線第二次經(jīng)過第一表面2時(shí)的入射角，上式中"'為透明光學(xué)材料的折射率。本發(fā)明中所述的自由曲面棱鏡采用折射率w'大于1的透明光學(xué)材料，一方面可以通過注塑方式進(jìn)行批量化加工，另一方面可以有效減輕頭盔顯示器的重量。本發(fā)明中的顯示部件為0.61英寸的微型液晶顯示器(LCD)，也可以采用0.59英寸的微型液晶顯示器，目前市場上比較容易購買到0.61英寸的液晶顯示器，它的尺寸也較小，所以其驅(qū)動電路等附件相應(yīng)也比較小，可以用于小型輕量化頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)，并且其裝卡機(jī)械結(jié)構(gòu)體積和重量也將隨之減小，因此整個頭盔顯示裝置的重量也隨之減小。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明所給出的輕小型大視場自由曲面棱鏡頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行描述說明。其光路圖如附圖2和附圖3所示，附圖2為用于虛擬現(xiàn)實(shí)的成像光學(xué)系統(tǒng)圖，微型顯示器5發(fā)出的光線經(jīng)過自由曲面棱鏡的第三表面4透射，在第一表面2上全反射到凹反射第二表面3上，經(jīng)第二表面3反射后透過第一表面2進(jìn)入觀察者的瞳孔。附圖3為用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的透射式頭盔光學(xué)系統(tǒng)圖，該光學(xué)系統(tǒng)包含有內(nèi)部通道光路和外部通道光路，其中內(nèi)部通道光路結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化，第二表面3釆用半反半透式結(jié)構(gòu)，光線入射到第二表面3時(shí)部分光線會直接損失，光學(xué)能量損失1/2，內(nèi)部通道部分光線經(jīng)過第二表面3反射和第一表面2透射進(jìn)入觀察者的瞳孔；而外部通道光路則需要借由一個附加棱鏡來完成，即圖3中表面6、7所包圍的部分，外界場景光線通過附加棱鏡的光學(xué)表面7和6透射，再經(jīng)由第二表面3和第一表面2透射進(jìn)入觀察者的瞳孔。l.本發(fā)明中所用到的自由曲面方程通常使用少量非球面就能很好地校正光學(xué)系統(tǒng)的球差、彗差、場曲等。自由曲面比非球面具有更多的自由度，能夠校正高階像差，減小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸。以下是本發(fā)明中所用到的幾種自由曲面，它們應(yīng)滿足式(1)-(3)之一。(a)變形非球面(AnamorphicAsphericalSurface,簡稱AAS)也可稱為復(fù)曲面，它有兩個方向的曲率半徑，而且可以不相同，該曲面為平面對稱曲面，它有兩個對稱面，分別關(guān)于yoz、xoz平面對稱。優(yōu)點(diǎn)是優(yōu)化時(shí)容易控制，優(yōu)化收斂速度快。其描述方程如下"-":+，2"~rT1F+tA1{(l-P,)x2+(l+P1)j2}'+'(1)l+{l-(l+Kx)C>2-(l+Ky)W2臺C、是曲面X-Z平面內(nèi)X方向的曲率半徑，Cy是曲面在Y-Z平面內(nèi)Y方向的曲率半徑，K,是曲面X方向的二次曲線系數(shù)，Ky是曲面Y方向的二次曲線系數(shù)，A,是4，6，8，10，...2n階非球面系數(shù)，關(guān)于Z軸旋轉(zhuǎn)對稱，S是4，6，8，10，...2n階非旋轉(zhuǎn)對稱系數(shù)。(b)XY多項(xiàng)式曲面(XYPolynomial,簡稱為XYP)的描述方程如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(2)其中C為曲面曲率半徑，ci為多項(xiàng)式系數(shù)。由于我們合理地選擇了XY多項(xiàng)式的冪次，使其為關(guān)于yoz平面對稱的曲面。在本發(fā)明中，AAS面和XYP面主要用于控制y方向的光焦度，并且滿足全反射條件，校正系統(tǒng)的大部分像差。(c)超環(huán)面(XToroid，簡稱為XTO)是一個圓形或n階曲線形狀的回轉(zhuǎn)曲面，由一個圓或n階曲線繞一個與該圓或曲線共面的一個軸回轉(zhuǎn)所生成。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(3)其中c為曲率半徑，k為二次曲面系數(shù)，A,B,C,D分別為4，6，8，10階非球面系數(shù)。該面形為平面對稱曲面(關(guān)于yoz面對稱)，在本發(fā)明中，可主要用于控制x方向的光焦度，有利于消除畸變。2.像差控制為了能夠使用戶清晰看到虛擬圖像，必須將頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的像差控制到最小范圍內(nèi)，以下是一些控制像差的方法和條件。(a)畸變控制以上描述的所有專利的畸變都并不是很理想，雖然有些實(shí)例中呈梯形畸變，有些呈理想的桶形畸變，但是要想左右眼的圖像完美融合，必須用電子校正的方法對圖像進(jìn)行預(yù)處理。本發(fā)明考慮了對畸變的控制，使畸變很好地限制在人眼接受的有效范圍之內(nèi)，無須對圖像源進(jìn)行處理。第三表面4采用自由曲面可以在不影響其它像差的條件下，校正系統(tǒng)的畸變。(b)單色像差控制球面各處的導(dǎo)數(shù)是一致的，但是自由曲面處處的法線特性都是不相同的，其導(dǎo)數(shù)變化很大，必須將這種導(dǎo)數(shù)的變化控制在一定的范圍內(nèi)。該自由曲面棱鏡頭盔采用了兩個自由曲面反射面，并且其中一個是凹反射面，凹反射面偏離光軸通常會產(chǎn)生軸上和離軸彗差，這就要限制該自由曲面的傾斜和面形的偏移量，還要限制該曲面的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)不能超出一定的范圍，如果超出特定范圍，后面的光學(xué)元件將無法校正由該凹反射面引入的像差。自由曲面存在一定的自由性，在本發(fā)明中不僅要控制幾個抽樣視場的成像質(zhì)量，對整個像面上的成像質(zhì)量都要均衡考慮，以避免抽樣視場成像質(zhì)量好而其它地方成像質(zhì)量差的現(xiàn)象。在自由曲面棱鏡光學(xué)系統(tǒng)中第一表面2既是全反射表面又是透射表面，第一表面2采用自由曲面可以有效地減少彗差。第三表面4由于非?？拷⑿惋@示器，采用自由曲面則可以在不影響其它像差的同時(shí)實(shí)現(xiàn)畸變的校正。第一表面2既是透射面又是反射表面，還需要滿足全內(nèi)反射條件，因此有特殊的要求，Y方向的曲率和X方向上的曲率半徑不一致。Y方向的光焦度不能太大，以免光線不能夠發(fā)生全反射。第二表面3是凹形反射面，為光學(xué)系統(tǒng)提供主要的光焦度。(c)結(jié)構(gòu)控制對傳統(tǒng)共軸光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，一般只需將鏡片中心和邊緣厚度等控制在合理的范圍。自由曲面棱鏡頭盔光學(xué)系統(tǒng)是離軸非對稱結(jié)構(gòu)，在對它進(jìn)行優(yōu)化的時(shí)候，邊界條件變得很復(fù)雜多變，不僅要求控制中心和邊緣厚度，還要對光學(xué)面的偏心、傾斜和光束上下邊緣位置等進(jìn)行約束，若不加以控制，結(jié)構(gòu)并會發(fā)生干涉，附圖1為自由曲面棱鏡結(jié)構(gòu)控制示意圖，式(4)(5)(6)為相應(yīng)的控制條件，坐標(biāo)值為全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，全局坐標(biāo)原點(diǎn)在入瞳中心。(4)-(6)式中的少、z分別表示某個點(diǎn)在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，而各個下標(biāo)表示的是各個不同的點(diǎn)，如附圖1所示，R"是Y方向最大視場上邊緣光線，Rb為Y方向最小視場下邊緣光線；Pa為Rb與第一表面2透射時(shí)的交點(diǎn)，Pa'為Rb與第二表面3的交點(diǎn)，Pa"為Rb與第一表面2反射時(shí)的交點(diǎn)；Pb為R"與第二表面3的交點(diǎn)，Pb'為Rb與第三表面4的交點(diǎn)；Pc為Ru與第一表面2反射時(shí)的交點(diǎn)，P。'為R"與第三表面4透射面的交點(diǎn)。以上這些控制條件間接控制了每一曲面的傾斜，偏移量，實(shí)現(xiàn)自由曲面棱鏡結(jié)構(gòu)的合理0.5<—Zp。<20<-Z尸c，<1化。(d)全反射控制第一表面2既是透射面又是反射面，光線第一次經(jīng)過第一表面2時(shí)透射，第二次經(jīng)過它時(shí)發(fā)生全反射，即所有光線的入射角要大于臨界角《；arcsin(l/w')("'是棱鏡內(nèi)部材料的折射率)，光線入射角應(yīng)滿足條件(7)。>證in(一)<(7)<arcsin(;)其中4,,為Y方向最大視場上邊緣光線從液晶顯示器出發(fā)第一次入射到第一表面2時(shí)的入射角，&,2為Y方向最大視場上邊緣光線第二次經(jīng)過第一表面2時(shí)的入射角。如果所用材料折射率n=1.492，則所有光線在表面2上的入射角必須《大于42.2°，否則光線會直接透過第一表面2，甚至有可能進(jìn)入人眼造成雜散光，還造成圖像源能量的損失，導(dǎo)致圖像亮度降低。為了控制所有光線都能在表面2上發(fā)生全反射，必須控制Y方向最大視場上邊緣光線在第一表面2上的入射角大于42.2。，這樣就能控制所有光線能發(fā)生全反射，附圖5可以明顯看出在不同視場的主光線入射到第一表面2上時(shí)，往下方向視場越大的視場的主光線的入射角越大。如果使用折射率較大的材料將可以減小對入射角的要求，可使設(shè)計(jì)簡化，但是材料費(fèi)用將會大大提高，加大加工成本。其可以實(shí)現(xiàn)的頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的視場角為54度，最小角分辨率為1.036毫弧度，成像質(zhì)量優(yōu)良，畸變不大于3%，本發(fā)明帶來的有益效果是結(jié)構(gòu)簡單，體積小質(zhì)量輕，視場角大，此外該光學(xué)系統(tǒng)在增加附加棱鏡后，可以同時(shí)清晰觀察外部世界的圖景和內(nèi)部通道中微型顯示器5所表示的圖像源的圖像。圖l是本發(fā)明中頭盔顯示器的結(jié)構(gòu)控制示意圖；圖2是本發(fā)明中頭盔顯示器的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖3是本發(fā)明中附加了棱鏡的頭盔顯示器的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖，其中兩自由曲面棱鏡膠合安裝；圖4是本發(fā)明中附加了棱鏡的頭盔顯示器的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖，其中兩自由曲面棱鏡分離安裝；圖5是本發(fā)明中VR光學(xué)系統(tǒng)的光線入射角關(guān)系圖6是本發(fā)明所給出實(shí)施例中VR光學(xué)系統(tǒng)的畸變圖7是本發(fā)明所給出實(shí)施例中AR光學(xué)系統(tǒng)的畸變圖；圖中l(wèi)-出瞳、2-第一表面、3-第二表面、4-第三表面、5-微型顯示器、6和7-外界場景光線通過附加棱鏡時(shí)發(fā)生透射的兩個光學(xué)表面。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明所給出的自由曲面棱鏡頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)描述說明。本發(fā)明及實(shí)施例中坐標(biāo)系規(guī)定為水平向右為Z軸方向，垂直Z軸向上為Y軸方向，垂直YOZ平面紙面向里為X軸方向的右手坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)位于出瞳位置的中心。下面給出一個用于增強(qiáng)顯示的頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)例。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭盔要求能夠清楚看到外界場景，并且能和虛擬場景相互融合。如果直接通過以上描述的單個自由曲面棱鏡觀察外界場景，外界圖像會發(fā)生嚴(yán)重的傾斜和變形，影響其與虛擬場景的相互融合，因此必須增加附加棱鏡來補(bǔ)償光線的偏移和傾斜。本發(fā)明在前面用于虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器光學(xué)系統(tǒng)的自由曲面棱鏡的基礎(chǔ)上，增加一自由曲面棱鏡輔助透鏡作補(bǔ)償，很好地消除了光線的偏移和傾斜，如附圖3和4所示。從反向光線追跡的方向進(jìn)行描述，光線從光瞳處出發(fā)，入射到自由曲面棱鏡第一表面2透射到第二表面3，第二表面3為半反半透面，部分透射到附加棱鏡的光學(xué)表面6上進(jìn)入附加棱鏡，最后通過光學(xué)表面7出射。附加棱鏡和主透鏡膠合在一起。從反向光線追跡的方向，光線從光瞳處出發(fā)，入射到自由曲面棱鏡第一表面2透射到第二表面3，第二表面3為半反半透面，光線經(jīng)過第二表面3進(jìn)入空氣，然后透射到附加棱鏡的光學(xué)表面6上進(jìn)入附加棱鏡，最后通過光學(xué)表面7出射。本發(fā)明中的光學(xué)系統(tǒng)達(dá)到以下光學(xué)特性(a)本實(shí)施例中微型顯示器5的對角線長度為0.61英寸，分辨率為800x600。光學(xué)系統(tǒng)在成像于無窮遠(yuǎn)吋，對角視場54度，光學(xué)系統(tǒng)焦距為15iww。該光學(xué)系統(tǒng)的最小角分辨率為a2xtan(22.5)/800=1.036xl0—3=1.036wrat/，即為1.036毫弧度。(b)本實(shí)例中微型液晶顯示器5與自由曲面棱鏡之間的直線距離為5mw，自由曲面棱鏡出射表面到出瞳1之間的直線距離即光學(xué)系統(tǒng)的出瞳距離為20ww。為實(shí)現(xiàn)外部世界與內(nèi)部通道之間水平視場和垂直視場的匹配，自由曲面棱鏡的實(shí)際尺寸為30x30xl3ww3，重量小于10g。(C)本發(fā)明中光學(xué)系統(tǒng)可用于頭盔顯示器，需要實(shí)現(xiàn)外部世界場景圖像與內(nèi)部通道的圖像的真實(shí)融合，因此應(yīng)對內(nèi)部通道的光學(xué)系統(tǒng)的畸變進(jìn)行控制，本實(shí)施例子中的光學(xué)系統(tǒng)的畸變不大于3%。(d)本實(shí)施例中的中心視場傳遞函數(shù)值在301p/ww處大于0.3，邊緣視場在301p/zwn處大于O.l。畸變曲線如附圖6、7所示。表l虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔光學(xué)系統(tǒng)數(shù)據(jù)表曲率半徑表面間隔折射率偏公(mw)阿貝數(shù)a傾斜角度(°)KC4C6C8C0CllC13C15C17C19C21C22C24C26C28C30C32C34C36RyRx(出瞳)776.232-80.97200-1.068E-057.222E-093.145E-12-3.411E-14-1.754E-011.915E-01-1.339E+00-8.946E-02-2402.606E+004.091E+00-2.93犯-01-1.930E-012.556E-011.782E+001.817E+002.006E+00-1.760E+00-1.673E+001.344E+007.819E-01-1.569E+00-4.736E-01-2.751E+002.552E+005.475E+002.059E+00Infinity-10.9641.492Y:-3.174Z:19.74857.50:3.72191.492Y:OZ:25.77457.50:-24.1845Y:15.887Z:23.037Y:17.910Z:25.6290:72.57799:56.3031表1為本發(fā)明實(shí)例虛擬現(xiàn)實(shí)部分頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表，該實(shí)例的出瞳直徑為8mw，出瞳距離〉17mw，焦距15ww，全視場角為54度，像面大小0.61英寸，表2為本發(fā)明實(shí)例增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)部分透射式頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表，其內(nèi)部通道圖像顯示光路與實(shí)例1一致，其外部通道場景視場與內(nèi)部通道視場一致，額外疊加了一塊自由曲面棱鏡，第二表面3采用半反半透結(jié)構(gòu)。本發(fā)明中給出的實(shí)例采用膠合方式安裝。表2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭盔光學(xué)系統(tǒng)數(shù)據(jù)表表面序號12AAS3XYP4XTOLCD6XYP曲率半徑表面間隔①(出瞳)Ry7.76E+02Rx-8.10E+01Ky0.00E+00Kx0.00E+00AR-1.07E-05BR7.22E-09CR3.15E-12DR-3.41E-14AP-1.75E-01BP1.92E-01CP-1.34E+00DP-8.95E-02R-2.44E+01K0.00E+00C42.61E+00C64.09E+00C8-2.94E-01CIO-1.93E-01Cll2.56E-01C131.78E+00C151.82E+00C172.01E+00C19-1.76E+00C21-1.67E+00C221.34E+00C247.82E-01C26-1.57E+00C28-4.74E-01C30-2.75E+00C322.55E+00C345.48E+00C362.06E+00RyInfinityRx-10.964InfinityRKC4C6C8CIO-2.44E+010.00E+002.61E+004.09E+00-2.94E-01-1.93E-01折射率偏心(mm)1.492Y:-3.174Z:19.748阿貝數(shù)a傾斜角度(°)57.59:3.72191.492Y:OZ:25.77457.59:-24.1845Y:15.887Z:23.037Y:17.910Z:25.6291.492Y:OZ:270:72.57790:56.303157.56:-24.1845AASCll2.56E-01C131.78E+00C151.82E+00C172.01E+00C19-1.76E+00C21-1.67E+00C221.34E+00C247.82E-01C26-1.57E+00C28-4.74E-01C30-2.75E+00C322.55E+00C345.48E+00C362.06E+00Ry3.40E+02Rx-9.48E+01Ky0.00E+00Kx0.00E+00AR-5.36E-06BR4.73E-09CR-4.75E-12DR4.10E-17AP-4.16E-02BP2.73E-01CP1.84E-01DP-2.21E+00Y:-3.559Z:33.8136:4.7409(e)本發(fā)明保證實(shí)現(xiàn)大視場角的同時(shí)，成功的解決了頭盔顯示器的出瞳小的問題，并采用尺寸較小的微型液晶顯示器，大大減小系統(tǒng)體積和重量，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊輕便，并且很好地校正了系統(tǒng)的像差，能很好地滿足使用要求。以上的具體描述，對發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。權(quán)利要求1.一種自由曲面棱鏡頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)，包括一個具有三個光學(xué)表面的自由曲面棱鏡和一個微型圖像顯示器，從觀察者側(cè)到像源方向，依次為第一表面、第二表面和第三表面，其特征在于，第一表面為凹面形狀的透射面；第二表面為凹面形狀的反射面，起放大圖像的作用，外側(cè)鍍有反射膜層；第三表面為凹面形狀的透射面，該光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際光路為微型液晶顯示器件發(fā)出的光線，先經(jīng)過第三表面透射進(jìn)入自由曲面棱鏡，然后在第一表面內(nèi)側(cè)上發(fā)生全反射，經(jīng)過第二表面反射，最后再次經(jīng)過第一表面透射至人眼；第一表面、第二表面和第三表面應(yīng)滿足下述面形方程(1)-(3)其中之一<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><mi>z</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mi>x</mi></msub><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mi>y</mi></msub><msup><mi>y</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msup><mrow><mo>{</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mi>x</mi></msub><mo>)</mo></mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>x</mi><mn>2</mn></msubsup><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mi>y</mi></msub><mo>)</mo></mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>y</mi><mn>2</mn></msubsup><msup><mi>y</mi><mn>2</mn></msup><mo>}</mo></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msup></mrow></mfrac><mo>+</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><msub><mi>A</mi><mi>i</mi></msub><msup><mrow><mo>{</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><msub><mi>P</mi><mi>i</mi></msub><mo>)</mo></mrow><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>P</mi><mi>i</mi></msub><mo>)</mo></mrow><msup><mi>y</mi><mn>2</mn></msup><mo>}</mo></mrow><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths>其中Cx是曲面在X-Z平面內(nèi)X方向的曲率半徑，Cy是曲面在Y-Z平面內(nèi)Y方向的曲率半徑，Kx是曲面X方向的二次曲線系數(shù)，Ky是曲面Y方向的二次曲線系數(shù)，Ai是4，6，8，10，...2n階非球面系數(shù)，關(guān)于Z軸旋轉(zhuǎn)對稱，Pi是4，6，8，10，...2n階非旋轉(zhuǎn)對稱系數(shù)；<mathsid="math0002"num="0002"><math><![CDATA[<mrow><mi>z</mi><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>C</mi><mrow><mo>(</mo><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mi>y</mi><mn>2</mn></msup><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msup><mrow><mo>[</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><msup><mi>C</mi><mn>2</mn></msup><mrow><mo>(</mo><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mi>y</mi><mn>2</mn></msup><mo>)</mo></mrow><mo>]</mo></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msup></mrow></mfrac></mrow>]]></math></maths><mathsid="math0003"num="0003"><math><![CDATA[<mrow><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mn>4</mn></msub><msup><mi>y</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mn>6</mn></msub><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup></mrow>]]></math></maths><mathsid="math0004"num="0004"><math><![CDATA[<mrow><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mn>7</mn></msub><msup><mi>y</mi><mn>3</mn></msup><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mn>9</mn></msub><msup><mi>yx</mi><mn>2</mn></msup></mrow>]]></math></maths><mathsid="math0005"num="0005"><math><![CDATA[<mrow><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mn>11</mn></msub><msup><mi>y</mi><mn>4</mn></msup><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mn>13</mn></msub><msup><mi>y</mi><mn>2</mn></msup><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mn>15</mn></msub><msup><mi>x</mi><mn>4</mn></msup><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths><mathsid="math0006"num="0006"><math><![CDATA[<mrow><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mn>16</mn></msub><msup><mi>y</mi><mn>5</mn></msup><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mn>18</mn></msub><msup><mi>y</mi><mn>3</mn></msup><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mn>20</mn></msub><mi>y</mi><msup><mi>x</mi><mn>4</mn></msup></mrow>]]></math></maths><mathsid="math0007"num="0007"><math><![CDATA[<mrow><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mn>22</mn></msub><msup><mi>y</mi><mn>6</mn></msup><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mn>24</mn></msub><msup><mi>y</mi><mn>4</mn></msup><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mn>26</mn></msub><msup><mi>y</mi><mn>2</mn></msup><msup><mi>x</mi><mn>4</mn></msup><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mn>28</mn></msub><msup><mi>x</mi><mn>6</mn></msup></mrow>]]></math></maths><mathsid="math0008"num="0008"><math><![CDATA[<mrow><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mn>29</mn></msub><msup><mi>y</mi><mn>7</mn></msup><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mn>31</mn></msub><msup><mi>y</mi><mn>5</mn></msup><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mn>33</mn></msub><msup><mi>y</mi><mn>3</mn></msup><msup><mi>x</mi><mn>4</mn></msup><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mn>35</mn></msub><mi>y</mi><msup><mi>x</mi><mn>6</mn></msup></mrow>]]></math></maths><mathsid="math0009"num="0009"><math><![CDATA[<mrow><mo>+</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo></mo></mrow>]]></math></maths>其中C為曲面曲率半徑，ci為多項(xiàng)式系數(shù)；<mathsid="math0010"num="0010"><math><![CDATA[<mrow><mi>z</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>c</mi><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msup><mrow><mo>[</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><msup><mi>c</mi><mn>2</mn></msup><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup><mo>]</mo></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msup></mrow></mfrac><mo>+</mo><munder><mi>A</mi><mo>‾</mo></munder><msup><mi>x</mi><mn>4</mn></msup><mo>+</mo><munder><mi>B</mi><mo>‾</mo></munder><msup><mi>x</mi><mn>6</mn></msup><mo>+</mo><munder><mi>C</mi><mo>‾</mo></munder><msup><mi>x</mi><mn>8</mn></msup><mo>+</mo><munder><mi>D</mi><mo>‾</mo></munder><msup><mi>x</mi><mn>10</mn></msup><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths>其中c為曲率半徑，k為二次曲面系數(shù)，A，B，C，D分別為4，6，8，10階非球面系數(shù)；第一表面、第二表面和第三表面之間的位置關(guān)系應(yīng)滿足不等式(4)-(6)<mathsid="math0011"num="0011"><math><![CDATA[<mrow><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><mn>0.5</mn><mo><</mo><msub><mi>z</mi><msup><mi>Pa</mi><mo>′</mo></msup></msub><mo>-</mo><msub><mi>z</mi><mi>Pa</mi></msub><mo><</mo><mn>2</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>y</mi><msup><mi>Pa</mi><mo>′</mo></msup></msub><mo>-</mo><msub><mi>y</mi><mi>Pa</mi></msub><mo><</mo><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>y</mi><mrow><mi>P</mi><msup><mi>a</mi><mrow><mo>′</mo><mo>′</mo></mrow></msup></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mi>y</mi><mi>Pa</mi></msub><mo>></mo><mn>0</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths><mathsid="math0012"num="0012"><math><![CDATA[<mrow><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><msub><mi>y</mi><msup><mi>Pb</mi><mo>′</mo></msup></msub><mo>-</mo><msub><mi>y</mi><mi>Pb</mi></msub><mo>></mo><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>-</mo><mn>1.5</mn><mo><</mo><msub><mi>z</mi><msup><mi>Pb</mi><mo>′</mo></msup></msub><mo>-</mo><msub><mi>z</mi><mi>Pb</mi></msub><mo><</mo><mo>-</mo><mn>0.2</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths><mathsid="math0013"num="0013"><math><![CDATA[<mrow><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><mo>-</mo><mn>2</mn><mo><</mo><msub><mi>y</mi><mi>Pc</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>y</mi><msup><mi>Pc</mi><mo>′</mo></msup></msub><mo>≤</mo><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn><mo><</mo><msub><mi>z</mi><mi>Pc</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>z</mi><msup><mi>Pc</mi><mo>′</mo></msup></msub><mo><</mo><mn>1</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths>(4)-(6)式中的y、z分別表示某個點(diǎn)在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，而各個下標(biāo)表示的是各個不同的點(diǎn)，Ru是Y方向最大視場上邊緣光線，Rb為Y方向最小視場下邊緣光線；Pa為Rb與第一表面透射時(shí)的交點(diǎn)，Pa’為Rb與第二表面的交點(diǎn)，Pa”為Rb與第一表面反射時(shí)的交點(diǎn)；Pb為Ru與第二表面的交點(diǎn)，Pb’為Rb與第三表面的交點(diǎn)；Pc為Ru與第一表面反射時(shí)的交點(diǎn)，Pc’為Ru與第三表面透射面的交點(diǎn)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種輕小型大視場自由曲面棱鏡頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，Y方向最大視場上邊緣光線與第二自由曲面的表面兩次相交時(shí)的入射角關(guān)系應(yīng)滿足關(guān)系式(7):4,1>arcsin(A)."(7)其中A,i為Y方向最大視場上邊緣光線從液晶顯示器出發(fā)第一次入射到第一表面時(shí)的入射角，為Y方向最大視場上邊緣光線第二次經(jīng)過第一表面時(shí)的入射角。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種輕小型大視場自由曲面棱鏡頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述像源元件為0.61或0.59英寸的LCD。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種輕小型大視場自由曲面棱鏡頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述棱鏡的材料為折射率大于1的透明光學(xué)材料。全文摘要本發(fā)明涉及一種輕小型大視場自由曲面棱鏡頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)，屬于光學(xué)系統(tǒng)和器件設(shè)計(jì)領(lǐng)域，適用于虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域。本發(fā)明包含一個具有三個光學(xué)表面的自由曲面棱鏡和一個微型圖像顯示器，自由曲面棱鏡采用折射率大于1的塑料玻璃材料，自由曲面棱鏡的三個自由曲面光學(xué)表面均為凹形面，它們應(yīng)滿足三個面型方程之一，并且各表面的位置關(guān)系應(yīng)滿足三個條件方程，由LCD發(fā)出的最大視場上邊緣光線在第二自由曲面上的入射角應(yīng)滿足全反射條件，像源元件為0.61或0.59英寸的LCD。本發(fā)明具有輕型、緊湊、像差校正良好和光能利用率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠保證觀察者在大視場范圍內(nèi)看到清晰的圖像，并且顯示的圖像沒有明顯的亮度衰減，不容易導(dǎo)致觀察者視覺疲勞。文檔編號G02B27/00GK101359089SQ200810167800公開日2009年2月4日申請日期2008年10月8日優(yōu)先權(quán)日2008年10月8日發(fā)明者越劉,軍常,王涌天,程德文申請人:北京理工大學(xué)