采用旋轉(zhuǎn)對稱透鏡的雙橢球結(jié)構(gòu)大視場頭盔顯示光學(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)計領(lǐng)域，具體涉及一種使用旋轉(zhuǎn)對稱面形透鏡、雙 橢球反射鏡的大視場頭盔顯示器光學(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)速度等方面有了長足的進(jìn)步。沉浸感是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個重要特征，代表虛擬環(huán)境 對人的感官接近程度。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 視場大小決定了觀察者對于虛擬環(huán)境的沉浸感。目前商用的頭盔顯示器視場大小在40°左 右，遠(yuǎn)小于人眼的視場范圍。觀察者在使用小視場的虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔顯示器時，感覺就像在觀 看一個懸浮在前方的3D屏幕，并不能讓觀察者有種置身其中的感覺。在大視場頭盔顯示器 的研宄中，專利CN201210536587. 9 "超大視場頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)"中提出的雙橢球結(jié)構(gòu) 可以在實(shí)現(xiàn)大視場的同時校正畸變，是一種很有潛力的實(shí)現(xiàn)大視場虛擬現(xiàn)實(shí)的方法。但是， 該技術(shù)方案中的中繼光學(xué)系統(tǒng)和第三透鏡組中使用了多個非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面透鏡，無 疑增加了光學(xué)系統(tǒng)加工和裝調(diào)難度；而且該技術(shù)方案的出瞳直徑只有4_，當(dāng)人眼轉(zhuǎn)動時 會出現(xiàn)偏出出瞳直徑而看不到景物的情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 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)中存在多個自由曲面透鏡、加工裝 調(diào)難度大、出瞳直徑小的問題，提供一種采用旋轉(zhuǎn)對稱透鏡的雙橢球結(jié)構(gòu)大視場頭盔顯示 光學(xué)系統(tǒng)。
[0004] 采用旋轉(zhuǎn)對稱透鏡的雙橢球結(jié)構(gòu)大視場頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)包括第一 橢球面、中繼透鏡組、第二橢球面、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； 逆向設(shè)計時頭盔顯示器的出瞳成為光學(xué)系統(tǒng)的入瞳，入瞳位于第一橢球面的右焦點(diǎn)，各視 場的光線以平行光的方式經(jīng)過入瞳進(jìn)入系統(tǒng)，第一橢球面將右焦點(diǎn)的入射光會聚到左焦點(diǎn) 處的中繼透鏡組；采用中繼透鏡組對寬光束進(jìn)行會聚，中繼透鏡組將各視場光束入射到第 二橢球面上；第二橢球面將光線會聚到位于第二橢球面左焦點(diǎn)處的后繼透鏡組，后繼透鏡 組再對光線進(jìn)行像差校正，最后會聚到顯示屏上；
[0005] 所述中繼透鏡組和后繼透鏡組中的透鏡面形均為旋轉(zhuǎn)對稱形式；所述中繼透鏡組 由第一表面、第二表面、第三表面、第四表面和第五表面組成的四膠合透鏡組組成，所述第 一表面和第五表面為偶次非球面，第二表面、第三表面和第四表面為球面，所述后繼透鏡組 由多個透鏡組成，且所述多個透鏡同軸；所述后繼透鏡組包括第六表面、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、第二十三表面、第二十四表面，所述第六表面、第八表面、第十三表面、第十四表面、第 二十表面、第二十三表面為偶次非球面，所述第七表面、第九表面、第十表面、第十一表面、 第十二表面、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i 表 面、第二十二表面和第二十四表面均為球面。
[0006] 本發(fā)明帶來的有益效果：本發(fā)明的透鏡面形均為旋轉(zhuǎn)對稱面形，易于加工裝調(diào)，節(jié) 約成本；同時本發(fā)明將雙橢球結(jié)構(gòu)的出瞳直徑擴(kuò)大為8_，增加了人眼可自由轉(zhuǎn)動的范圍。
【附圖說明】
[0007]圖1為本發(fā)明所述的采用旋轉(zhuǎn)對稱透鏡的雙橢球結(jié)構(gòu)大視場頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)圖；
[0008]圖2為本發(fā)明所述的采用旋轉(zhuǎn)對稱透鏡的雙橢球結(jié)構(gòu)大視場頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng) 的光路圖；
[0009]圖3為本發(fā)明所述的采用旋轉(zhuǎn)對稱透鏡的雙橢球結(jié)構(gòu)大視場頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng) 20° (H)X20° (V)視場內(nèi)網(wǎng)格畸變圖；
[0010]圖4為本發(fā)明所述的采用旋轉(zhuǎn)對稱透鏡的雙橢球結(jié)構(gòu)大視場頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng) 60° (H)X60° (V)視場內(nèi)網(wǎng)格畸變圖；
[0011]圖5為本發(fā)明所述的采用旋轉(zhuǎn)對稱透鏡的雙橢球結(jié)構(gòu)大視場頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng) 全視場內(nèi)網(wǎng)格畸變圖；
[0012] 圖6為本發(fā)明所述的采用旋轉(zhuǎn)對稱透鏡的雙橢球結(jié)構(gòu)大視場頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng) 的全視場傳遞函數(shù)比例圖。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0013] 一、結(jié)合圖1至圖5說明本實(shí)施方式，采用旋轉(zhuǎn)對稱透鏡的雙橢球結(jié) 構(gòu)大視場頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)描述，如圖1所示，該光學(xué)系統(tǒng)包括第一橢球面2、中 繼透鏡組、第二橢球面8、后繼透鏡組和顯示屏28組成。所述光學(xué)系統(tǒng)按照逆向光路設(shè)計； 逆向設(shè)計時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 瞳位于第一橢球面2的右焦點(diǎn)處；各視場的光線以平行光的方式經(jīng)過出瞳1進(jìn)入系統(tǒng)，第一 橢球面將右焦點(diǎn)處的入射光會聚到左焦點(diǎn)附近的中繼透鏡組；此時第一橢球面會引入很大 的與視場有關(guān)的像差，利用中繼透鏡組對寬光束進(jìn)行會聚，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光束以近乎準(zhǔn)直光的方式入射到第二橢球面8上；光 束從中繼透鏡組入射到第二橢球面8,第二橢球面8主要用來校正第一橢球面2帶來的畸 變；第二橢球面8的右焦點(diǎn)在第一橢球面2的左焦點(diǎn)附近，第二橢球面8將光線會聚到位于 第二橢球面左焦點(diǎn)處的后繼透鏡組，后繼透鏡組再對光線進(jìn)行像差校正，最后會聚到顯示 屏28上；
[0014] 結(jié)合圖2說明本實(shí)施方式，包括出瞳1，第一橢球面2,顯示屏28,中繼透鏡組為第 一表面3、第二表面4、第三表面5、第四表面6、第五表面7組成的四膠合透鏡組，其中第一 表面3、第五表面7為偶次非球面，其他表面均為球面，中繼透鏡組的各表面都在同一軸線 上；第二橢球面8,所，后繼透鏡組包括第六表面9、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、第十六表面19、第十七表面20、第十八表面21、第十九表面22、第二十表面23、第二^^一 表