專利名稱：超大視場頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)系統(tǒng)和器件設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種運(yùn)用橢球反射面，衍射面以及自由曲面設(shè)計(jì)的大視場頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)，適用于虛擬現(xiàn)實(shí)以及娛樂領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來,虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality,簡稱VR)頭藍(lán)圖像顯示裝置取得了長足的發(fā)展，然而全景大視場頭盔顯示技術(shù)的發(fā)展面臨著技術(shù)上的挑戰(zhàn)。已經(jīng)市場化的頭盔顯示器的視場都是在20° 40°范圍內(nèi)，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人眼的可視范圍。人單眼視場基本上是150° X 120°。由于人的兩只眼睛有視場的重疊，因此人兩只眼睛總的視場是200° X 120°。雖然人眼最敏感的視場只有6 8度，這區(qū)域外視覺靈敏度下降非常劇烈，但是周邊視場在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中扮演著非常重要的作用。周邊視場增強(qiáng)了沉浸感，對周圍環(huán)境感知能力。并且大的周邊視場可以減少頭部運(yùn)動要求和搜索時間。為了滿足人眼對大視場的需求，世界各國進(jìn)行了大量的大視場頭盔顯示器(HMD)的研究，主要結(jié)構(gòu)形式有三種一、采用單一目鏡設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)很難消除畸變，視場也受到透鏡尺寸的限制，因此，這種設(shè)計(jì)很難實(shí)現(xiàn)大視場，比如120°，并且分辨率也非常低。二、采用拼接技術(shù)，運(yùn)用多個小視場的單元系統(tǒng)拼接出大視場，這種雖然在光學(xué)系統(tǒng)上比較好實(shí)現(xiàn)，但是圖像單元與單元之間的邊界部分融合比較困難，而且多個組件的拼接使系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜。三、Nagahara等人設(shè)計(jì)了一種獨(dú)特的折反系統(tǒng)，使用了一組雙曲面和橢球面反射鏡，實(shí)現(xiàn)了180° X60°的視場。微顯示器的圖像首先從外焦點(diǎn)投影到雙曲面反射鏡上，反射的光線向全方向擴(kuò)散，最終傳播到人眼的位置，也就是橢球面反射鏡的一個焦點(diǎn)處。因?yàn)闄E球反射鏡的另一個焦點(diǎn)與雙曲面的內(nèi)焦點(diǎn)重合。雖然這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)比較簡單，但是由于出瞳很小，系統(tǒng)有嚴(yán)重的漸暈。當(dāng)人眼轉(zhuǎn)動時觀察者看到的是一幅比較暗淡的圖像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有頭盔顯示器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)存在畸變，很難實(shí)現(xiàn)大視場，圖像單元之間的邊界部分融合困難，多個組件的拼接使系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜。并且由于出瞳很小，系統(tǒng)有嚴(yán)重漸暈的問題，提供一種超大視場頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)。超大視場頭藍(lán)顯不器光學(xué)系統(tǒng),該光學(xué)系統(tǒng)包括第一橢球面、第二橢球面、中繼光學(xué)系統(tǒng)、第三透鏡組和OLED屏；所述中繼光學(xué)系統(tǒng)位于第一橢球面的左焦點(diǎn)處，所述第一橢球面的左焦點(diǎn)與第二橢面的右焦點(diǎn)重合，第三透鏡組位于第二橢球面的左焦點(diǎn)處；通過出瞳的平行光經(jīng)過第一橢球面反射后匯聚到中繼光學(xué)系統(tǒng)，通過中繼光學(xué)系統(tǒng)的光經(jīng)第二橢球面反射后匯聚到第三透鏡組，通過第三透鏡組后的光在OLED屏上成像；所述中繼光學(xué)系統(tǒng)包括第一透鏡組和第二透鏡組，所述第一透鏡組與第二透鏡組膠合在一起，第一透鏡組中的多個透鏡的鏡面為標(biāo)準(zhǔn)面，第二透鏡組中第一透鏡的鏡面為擴(kuò)展多項(xiàng)式自由曲面；所述第三透鏡組包括第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡、第六透鏡和第七透鏡，所述第二透鏡為奇次非球面面型，第三透鏡標(biāo)準(zhǔn)面，第四透鏡為擴(kuò)展多項(xiàng)式自由曲面，第五透鏡為二元衍射面，第六透鏡為奇次非球面，第七透鏡為擴(kuò)展多項(xiàng)式自由曲面；所述第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡、第六透鏡和第七透鏡同軸膠合在一起。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明提出了一種大出瞳距，大視場，尺寸適當(dāng)重量輕的頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng)，其出瞳直徑為4mm，出瞳距為36mm，單目視場120° X 120°，考慮到雙眼水平方向的視場重疊(80° )，雙眼視場為160° X 120°，單目對角線視場達(dá)到169. 7°，系統(tǒng)總長約為120mm，重量約為80g?；緦?shí)現(xiàn)了覆蓋人眼視場范圍的目的。


圖1為本發(fā)明所述的超大視場頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明所述的超大視場頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的光路圖；圖3為本發(fā)明所述的雙橢球反射矯正畸變的原理圖；圖4為本發(fā)明所述的主光線與邊緣光線經(jīng)過雙橢球反射面的光路圖；圖5為本發(fā)明所述的橢球反射面產(chǎn)生畸變的原理圖；圖6為本發(fā)明所述的無中繼光學(xué)系統(tǒng)時的光路圖；圖7為本發(fā)明所述的超大視場頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)中加入中繼光學(xué)系統(tǒng)后的主光線光路圖；圖8為本發(fā)明所述的超大視場頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的單視場的效果圖；圖9為本發(fā)明所述的超大視場頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)圖；圖10為本發(fā)明所述的超大視場頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的網(wǎng)格畸變圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一、結(jié)合圖1和圖10說明本實(shí)施方式，超大視場頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括兩個橢球反射面和兩組透鏡，由于是反向設(shè)計(jì)光路，即光線從人眼開始然后經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)到達(dá)OLED顯示屏17，為描述方便，元件及表面符號從出瞳I(xiàn) (眼球)開始。通過眼球的平行光經(jīng)過第一橢球面2的反射，匯聚到位于左焦點(diǎn)附近的中繼光學(xué)系統(tǒng)，中繼系統(tǒng)的作用是使主光線方向基本保持不變，邊緣光線匯聚。然后經(jīng)過第二橢球面10的反射，由于第一橢球面2的右焦點(diǎn)與第二橢球面10的左焦點(diǎn)重合，經(jīng)過第二橢球面10反射的光線匯聚到其右焦點(diǎn)附近的第三透鏡組，通過第三透鏡組成像到OLED顯示屏17上。圖中I為出瞳，即人眼所在位置；2為第二橢球面；多個透鏡即第3— 9的中繼光學(xué)元件，多個透鏡是膠合在一起的，這樣的優(yōu)點(diǎn)是裝調(diào)時可以當(dāng)做一個整體，易于裝調(diào)，同時若中間有空氣間隔，因?yàn)橐晥龊艽?，各個視場的光線與透鏡表面的入射角相差很大，容易產(chǎn)生全反射。多個透鏡3— 8為有一定圓錐系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)面，第一透鏡9為擴(kuò)展多項(xiàng)式自由曲面，考慮到加工問題，本實(shí)施方式所有自由曲面面型的玻璃材料均使用光學(xué)塑料聚苯乙烯(PMMA)。其作用為對橢球反射出的光進(jìn)行匯聚，防止經(jīng)過第二個橢球面10反射后，邊緣視場光線角度過大，從而難于矯正。同時要基本保證每個視場的主光線方向不變；第二個橢球面10為與第一橢球面2具有相同圓錐系數(shù)，但第二個橢球面10是半徑比第一橢球面2的半徑小的橢球面，其作用一是矯正第一橢球面2產(chǎn)生的畸變和匯聚光線，小半徑使得系統(tǒng)整體尺寸變??；作用二是與第一橢球面2的組合解決了出瞳距短的問題；第二透鏡11、第三透鏡12和第四透鏡13為膠合的透鏡，第二透鏡11為奇次非球面面型，第三透鏡12為標(biāo)準(zhǔn)面，第四透鏡13面為擴(kuò)展多項(xiàng)式自由曲面；第五透鏡14、第六透鏡15和第七透鏡為膠合透鏡，第五透鏡14為二元衍射面，用來矯正色差。第六透鏡15為奇次非球面，第七透鏡16為擴(kuò)展多項(xiàng)式自由曲面。下面對系統(tǒng)所用面型進(jìn)行描述，橢球反射面方程用公式一表示為
權(quán)利要求
1.超大視場頭藍(lán)顯不器光學(xué)系統(tǒng),其特征是,該光學(xué)系統(tǒng)包括第一橢球面(2)、第二橢球面(10)、中繼光學(xué)系統(tǒng)、第三透鏡組和OLED屏(17);所述中繼光學(xué)系統(tǒng)位于第一橢球面 (2)的左焦點(diǎn)處，所述第一橢球面(2)的左焦點(diǎn)與第二橢面(10)的右焦點(diǎn)重合，第三透鏡組位于第二橢球面(10)的左焦點(diǎn)處；通過出瞳的平行光經(jīng)過第一橢球面(2)反射后匯聚到中繼光學(xué)系統(tǒng)，通過中繼光學(xué)系統(tǒng)的光經(jīng)第二橢球面(10)反射后匯聚到第三透鏡組，通過第三透鏡組后的光在OLED屏(17)上成像；所述中繼光學(xué)系統(tǒng)包括第一透鏡組和第二透鏡組，所述第一透鏡組與第二透鏡組膠合在一起，第一透鏡組中的多個透鏡的鏡面為標(biāo)準(zhǔn)面，第二透鏡組中第一透鏡(9)的鏡面為擴(kuò)展多項(xiàng)式自由曲面；所述第三透鏡組包括第二透鏡(11)、第三透鏡(12)、第四透鏡(13)、第五透鏡(14)、第六透鏡(15)和第七透鏡(16)，所述第二透鏡(11)為奇次非球面面型，第三透鏡(12)標(biāo)準(zhǔn)面，第四透鏡(13)為擴(kuò)展多項(xiàng)式自由曲面，第五透鏡(14)為二元衍射面，第六透鏡(15)為奇次非球面，第七透鏡(16)為擴(kuò)展多項(xiàng)式自由曲面；所述第二透鏡(11 )、第三透鏡(12)、第四透鏡(13)、第五透鏡(14)、第六透鏡(15)和第七透鏡(16)同軸膠合在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超大視場頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一橢球面(2)與第二橢球面(10)具有相同的圓錐系數(shù)。
全文摘要
超大視場頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)，涉及光學(xué)系統(tǒng)和器件設(shè)計(jì)領(lǐng)域，解決現(xiàn)有頭盔顯示器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)存在畸變，很難實(shí)現(xiàn)大視場，圖像單元之間的邊界部分融合困難，多個組件的拼接使系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜。并且由于出瞳很小，系統(tǒng)有嚴(yán)重漸暈的問題，包括第一橢球面、第二橢球面、中繼光學(xué)系統(tǒng)、第三透鏡組和OLED屏；所述中繼光學(xué)系統(tǒng)位于第一橢球面的左焦點(diǎn)處，所述第一橢球面的左焦點(diǎn)與第二橢面的右焦點(diǎn)重合，第三透鏡組位于第二橢球面的左焦點(diǎn)處；通過出瞳的平行光經(jīng)過第一橢球面反射后匯聚到中繼光學(xué)系統(tǒng)，通過中繼光學(xué)系統(tǒng)的光經(jīng)第二橢球面反射后匯聚到第三透鏡組，通過第三透鏡組后的光在OLED屏上成像；本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了覆蓋人眼視場范圍的目的。
文檔編號G02B27/00GK102998800SQ20121053658
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月12日
發(fā)明者劉偉奇, 楊建明, 李敏, 馮睿, 柳華, 魏忠倫, 康玉思, 張大亮, 呂偉振, 孟祥翔 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所