专利名称：双片式自由曲面头戴显示器光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学系统，尤其是双片式自由曲面头戴显示器光学系统，属于光 学系统设计领域，可广泛适用于军事、工业、医疗、娱乐、虚拟现实和增强现实领域中。
背景技术：
随着科学技术的发展，光电产业对光学系统的性能要求也越来越高。现代光电系 统正朝小型化、高性能方向发展，因而要求相应的光学系统以较紧凑的结构实现较高的成 像质量。头戴式显示器是一种典型的现代光电显示系统，在多媒体娱乐、军事、工业、医疗以 及虚拟现实和增强现实等领域都具有巨大的应用价值和市场。对头戴式显示器的要求为佩 戴舒适、结构紧凑、体积小、高成像质量和尽可能大的视场。头戴式显示器的光学系统结构经历了从传统的共轴透镜式目镜结构到自由曲面 棱镜式结构的发展过程。传统共轴透镜式结构形式很难解决系统对视场角、出瞳距离的要 求与小型轻量化之间的矛盾，为实现大视场和大出瞳直径，通常需要采用多片透镜，有些方 案中还采用了衍射/全息光学元件，不仅导致系统生产成本的增加，更重要的是，头戴式显 示器传统共轴透镜式结构系统的尺寸和重量都较大，不便于佩戴者使用。为了满足人们对 头戴式显示器的光学系统要求，许多头戴式显示器都采用自由曲面棱镜式光学系统，既能 获得大视场角和大出瞳距离，也能满足其他技术指标。光学系统中的自由曲面通常是指无法用球面或非球面系数来表示的曲面，主要指 任意非传统、非对称的曲面，或者是只能用参数响亮来表示的曲面。采用自由曲面棱镜头戴 式显示器光学系统，光轴在棱镜内部折叠，有效减小了系统尺寸，同时利用自由曲面校正系 统由于光路离轴而产生的像差，具有非常紧凑的结构和较好的像质，而且可以利用注塑工 艺制造元件，因此成本低廉具有很高的性价比。鉴于自由曲面在头戴式显示器的光学系统中带来的益处，已有很多企业推出了自 由曲面棱镜头戴式显示器产品并申请了相关专利，申请号为200810167800. 7的中国专利 申请公开了一种“轻小型大视场自由曲面棱镜头盔显示器光学系统”，该专利申请采用了单 片式自由曲面棱镜的结构如图1所示，自由曲面棱镜头盔显示器光学系统包括一个具有三 个光学表面的自由曲面棱镜和一个微型图像显示器，所述自由棱镜的三个光学表面均为自 由曲面，11为出瞳，即人眼瞳孔所在平面，从观察者侧到像源(即微型显示器)方向，依次为 棱镜第一表面12、棱镜第二表面13和棱镜第三表面14，其中棱镜第一表面12相对于观察 者侧为凹面形状的透射面；棱镜第二表面13相对于观察者侧为凹面形状的反射面，起放大 图像的作用，外侧镀有反射膜层；棱镜第三表面14相对于观察者侧为凹面形状的透射面。 该光学系统的实际光路是微型液晶显示器件15发出光线，先经过第三表面14透射进入自 由曲面棱镜，然后在棱镜第一表面12内侧上发生全反射，经过棱镜第二表面12反射，最后 再次经过棱镜第一表面12透射至人眼，由于采用反向光路设计方式，则反向描述光路，光 线从人眼瞳孔所在平面11处出发，通过自由曲面棱镜第一表面12透射，经由棱镜第二表面 13反射，再反射到棱镜第一表面12上，并在该表面内侧发生全反射，最后经由棱镜第三表面14透射出并最终到达微型显示器15。该结构棱镜的三个光学面都是自由曲面，并且各自 都有大的倾斜和偏心，在加工时很难保证定位准确，会严重影响加工精度。另外，设计出瞳 直径为10mm，比较小。
发明内容
本发明的目的是提供一种双片式自由曲面头戴显示器光学系统，以解决现有头戴 式显示器出瞳直径小、加工难度大的问题。为实现上述目的，本发明双的片式自由曲面头戴显示器光学系统，包括一微型显 示器、具有三个光学表面的自由曲面棱镜和一具有两个光学表面的自由曲面透镜，所述自 由曲面棱镜包括棱镜第一表面、棱镜第二表面和棱镜第三表面，该棱镜第三表面为平面透 射面，与棱镜第三表面相对应设置有一具有两个光学表面的自由曲面透镜，所述自由曲面 透镜的透镜第一表面为凸面形状的透射面，自由曲面透镜的透射第一表面与棱镜第三表面 相对设置，所述透镜第二表面为平面透射面，与微型显示器贴合设置。进一步的，所述透镜第二表面和微型显示器粘结，用于作为一个整体装调。进一步的，将出瞳位置的中心设为系统坐标原点，YOZ平面为纸面，Z轴水平向右， Y轴在纸面内垂直于Z轴向上，X轴垂直于纸面向里，构成右手坐标系；所述棱镜第一表面、 棱镜第二表面和透镜第一表面满足下述面行方程(1) (3)其中之一
(1)
其中Cx是曲面XZ平面内χ方向的曲率半径，Cy是曲面在yz平面内y方向的曲率半径， Kx是曲面χ方向的二次曲线系数，Ky是曲面y方向的二次曲线系数，Ai是4，6，8，10，…2η 阶非球面系数，关于ζ轴旋转对称，Pi是4，6，8，10，…2η阶非旋转对称系数；
其中C为曲面曲率半径，Cj为多项式系数；
其中c为曲率半径，左为二次曲面系数，儿凡C，々分别为4，6，8，10阶非球面系数c
进一步的，所述棱镜的三个光学表面之间应满足条件方程(4) (6)
(4) (7)式中和^分别表示全局坐标系下的曲面上任意点的坐标值，下标表示光线 与自由曲面棱镜与薄透镜的不同交点。进一步的，Y方向最大视场上边缘光线与棱镜第二表面两次相交时入射角满足关 系式(8)，
(8)
其中θ为Υ方向最大视场上边缘光线第二次入射到棱镜第二表面时的入射角，式中《 为棱镜透明材料的折射率。进一步的，所述自由曲面棱镜和自由曲面透镜材料为折射率大于1的透明光学材 料。进一步的，所述微型显示器为0. 61或0. 59英寸的OLED或IXD显示器。本发明的双片式自由曲面头戴显示器光学系统中自由曲面棱镜的三个光学面中 只有两个面为自由曲面，棱镜顶面即棱镜第三表面为平面，在加工过程中可以将顶面作为 基面，减小了自由曲面定位的难度，从而降低加工成本。本发明增加了自由曲面透镜，该自 由曲面透镜的两光学表面分别为自由曲面和平面，加工难度较低，而且自由曲面透镜的面 形参数、厚度、偏心和倾角都可以作为优化变量，有较多的优化变量，更有利于系统像差的 校正，可以实现更大的出瞳直径。在本发明光学系统的安装调试中，由于自由曲面透镜的透镜第二表面为平面，可 以与微型显示器表面重合，并利用粘结或其他方式方便的使透镜与微型显示器连接为一体 成为一个部件，因此，虽然与现有产品相比，本发明增加了一片自由曲面透镜，但并没有增 大系统装配的难度。
图1是现有的自由曲面头戴式显示器光学系统结构图； 图2是本发明光学系统结构示意图； 图3是本发明光学系统光路示意图； 图4是本发明实施例光学系统畸变网格图。
具体实施例方式
本发明的双片式自由曲面头戴显示器光学系统实施例的系统结构如图2所示，包括一微型显示器、一个具有三个光学表面的自由曲面棱镜和一个具有两个光学表面的自由 曲面透镜，出瞳(即人眼瞳孔)所在的平面为平面1，从观察者到像源(即微型显示器)方向， 依次为棱镜第一表面2、棱镜第二表面3、棱镜第三表面4、透镜第一表面5和透镜第二表面 6，棱镜第一表面2为凹面形状的透射面，棱镜第二表面3为凹面形状的反射面，该面外侧镀 有反射膜，棱镜第三表面4为平面透射面，透镜第一表面5为凸面形状的透射面，透镜第二 表面6为平面透射面，该面与微型显示器面通过粘结的方式贴合，以便于整体装调；光学系 统的实际光路如图3所示，微型显示器(也即是像源)发出的光线，先经过自由曲面透镜的 透镜第二表面6透射后经过透镜第一表面5出射，然后经过自由曲面棱镜的棱镜第三表面 4透射进入自由曲面棱镜，在自由曲面棱镜的棱镜第一表面2内侧上发生全反射，然后经过 棱镜第二表面3反射，最后再次经过棱镜第一表面2透射至人眼。本发明采用反向光路设 计方式，则反向描述光路，光路从人眼瞳孔所在的平面1处出发，通过自由曲面棱镜第一表 面2透射，经过棱镜第二表面3反射，再反射到棱镜第一表面2上，并在该表面内侧发生全 反射，再经由棱镜第三表面4透射进入自由曲面透镜的透镜第一表面5，经过透镜第二表面 6出射到达微型显示器。其中，自由曲面棱镜和自由曲面透镜材料为折射率大于1的透明光 学材料。 系统坐标定义如下将出瞳(即人眼瞳孔)位置的中心设为系统坐标原点，YOZ平面 为纸面，Z轴水平向右，Y轴在纸面内垂直于Z轴向上，X轴垂直于纸面向里，构成右手坐标 系；本光学系统棱镜第一表面、棱镜第二表面和透镜第一表面满足下述面行方程(1) (3) 其中之一
其中Cx是曲面XZ平面内χ方向的曲率半径，Cy是曲面在yz平面内y方向的曲率半径， Kx是曲面χ方向的二次曲线系数，Ky是曲面y方向的二次曲线系数，Ai是4，6，8，10，…2η 阶非球面系数，关于ζ轴旋转对称，Pi是4，6，8，10，…2η阶非旋转对称系数；
其中C为曲面曲率半径，Cj为多项式系数；
其中c为曲率半径，左为二次曲面系数，儿凡C，々分别为4，6，8，10阶非球面系数。
棱镜的三个光学表面之间应满足条件方程(4) (6)
(4) (7)式中和^分别表示全局坐标系下的曲面上任意点的坐标值，下标表示光线 与自由曲面棱镜与薄透镜的不同交点。如图2所示，兄是Y方向最大视场边缘光线，怂是Y 方向最小视场下边缘光线；/^为怂与棱镜第一表面2透射时的交点，/V为怂与棱镜第二表 面3的交点，& ”%Rb与棱镜第一表面2反射时的交点，弋为兄与棱镜第二表面3的交点， Pb '为Rb与棱镜第三表面4的交点-,Pc为Ru与棱镜第一表面2反射时的交点，怂'为Ru与棱 镜第三表面4透射时的交点。&为光线怂在自由曲面透镜第一表面5的交点，/V为光线怂 与自由曲面透镜第二表面6的交点。Y方向最大视场上边缘光线与棱镜第二表面两次相交时入射角满足关系式(8)，
(8)
其中θ为Y方向最大视场上边缘光线第二次入射到棱镜第二表面时的入射角，式中 为棱镜透明材料的折射率。本发明的光学系统实施例具有以下光学特性
1.微型显示器的对角线长度为0.61英寸，分辨率为800X600，光学系统成像于无 穷远时，对角视场为40度，光学系统焦距为18mm，出瞳直径10mm，最小角分辨率为0. 76毫 弧度；
2.微型显示器与自由曲面透镜通过透镜第二表面6胶合为整体，它们与自由曲面 棱镜之间的直线距离约为4mm，自由曲面棱镜第一表面2到出瞳1之间的直线距离即光学系 统的出瞳距离为30mm，自由曲面棱镜的实际尺寸约为30X 30X 15mm3 (长、宽、厚)，重量小于 12g，自由曲面透镜实际尺寸约为13XllX4mm3 (长、宽、厚)，重量小于1. 5g ；
3.为使用户看到清晰没有明显变形的画面，需要对像差和畸变进行控制，本实施 例光学系统畸变不大于5% ；
4.光学系统中心视场的传递函数值在301p/mm处大于0.3，边缘视场传递函数值 在301p/mm处大于0. 1，畸变曲线如图4所示。表1为本发明实施例光学系统参数数据表，本实施例中微型显示器6的对角线长 度为0. 61英寸，分辨率为800 X 600，光学系统成像于无穷远时，对角视场为40度，光学系统 焦距为18mm，出瞳直径10mm，最小角分辨率为0. 76毫弧度。
权利要求
一种双片式自由曲面头戴显示器光学系统，包括一微型显示器和具有三个光学表面的自由曲面棱镜，该自由曲面棱镜包括棱镜第一表面、棱镜第二表面和棱镜第三表面，其特征在于所述棱镜第三表面为平面透射面，与棱镜第三表面相对应设置有一具有两个光学表面的自由曲面透镜，该自由曲面透镜的透镜第一表面为凸面形状的透射面，所述透镜第二表面为平面透射面，该棱镜第二表面和微型显示器贴合设置。
2.根据权利要求1所述的双片式自由曲面头戴显示器光学系统，其特征在于所述透 镜第二表面和微型显示器粘结，用于作为一个整体装调。
3.根据权利要求2所述的双片式自由曲面头戴显示器光学系统，其特征在于将出瞳 位置的中心设为系统坐标原点，YOZ平面为纸面，Z轴水平向右，Y轴在纸面内垂直于Z轴向 上，X轴垂直于纸面向里，构成右手坐标系；所述棱镜第一表面、棱镜第二表面和透镜第一 表面满足下述面行方程(1) (3)其中之一 其中Cx是曲面XZ平面内χ方向的曲率半径，Cy是曲面在yz平面内y方向的曲率半径， Kx是曲面χ方向的二次曲线系数，Ky是曲面y方向的二次曲线系数，Ai是4，6，8，10，…2η 阶非球面系数，关于ζ轴旋转对称，Pi是4，6，8，10，…2η阶非旋转对称系数； 其中C为曲面曲率半径，Cj为多项式系数； 其中C为曲率半径j为二次曲面系数，儿凡G々分别为4，6，8，10阶非球面系数。
4.根据权利要求3所述的双片式自由曲面头戴显示器光学系统，其特征在于所述棱 镜的三个光学表面之间应满足条件方程(4) (6) 且满足睡 (4) (7)式中和^分别表示全局坐标系下的曲面上任意点的坐标值，下标表示光线 与自由曲面棱镜与薄透镜的不同交点。
5.根据权利要求4所述的双片式自由曲面头戴显示器光学系统，其特征在于Y方向最 大视场上边缘光线与棱镜第二表面两次相交时入射角满足关系式(8)， (8)其中θ为Y方向最大视场上边缘光线第二次(入射到棱镜第二表面时的入射角，式中 η为棱镜透明材料的折射率。
6.根据权利要求5所述的双片式自由曲面头戴显示器光学系统，其特征在于所述自 由曲面棱镜和自由曲面透镜材料为折射率大于1的透明光学材料。
7.根据权利要求6所述的双片式自由曲面头戴显示器光学系统，其特征在于所述微 型显示器为0. 61或0. 59英寸的OLED或IXD显示器。
全文摘要
本发明涉及一种双片式自由曲面头戴显示器光学系统，属于光学系统设计领域，本发明包括一微型显示器、一个具有三个光学表面的自由曲面棱镜和一个具有两个光学表面的自由曲面透镜，本发明的双片式自由曲面头戴显示器光学系统中自由曲面棱镜的三个光学面中有两个面为自由曲面，棱镜顶面即棱镜第三表面为平面，在加工过程中可以将顶面作为基面，减小了自由曲面定位的难度，从而降低加工成本；本发明增加了自由曲面透镜，该自由曲面透镜的两光学表面分别为自由曲面和平面，加工难度较低，而且自由曲面透镜的面形参数、厚度、偏心和倾角都可以作为优化变量，有较多的优化变量，更有利于系统像差的校正，可以实现更大的出瞳直径。
文档编号G02B17/08GK101900872SQ201010237700
公开日2010年12月1日 申请日期2010年7月27日 优先权日2010年7月27日
发明者刘彤, 杨波 申请人:中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所