采用旋转对称透镜的双椭球结构大视场头盔显示光学系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学系统和器件设计领域，具体涉及一种使用旋转对称面形透镜、双 椭球反射镜的大视场头盔显示器光学系统，适用于虚拟现实领域。
【背景技术】
[0002] 随着计算机技术、微纳加工技术的发展，虚拟现实技术在图像处理、显示分辨率、 响应速度等方面有了长足的进步。沉浸感是虚拟现实技术的一个重要特征，代表虚拟环境 对人的感官接近程度。头盔显示器是虚拟现实技术中的关键图像输出设备。头盔显示器的 视场大小决定了观察者对于虚拟环境的沉浸感。目前商用的头盔显示器视场大小在40°左 右，远小于人眼的视场范围。观察者在使用小视场的虚拟现实头盔显示器时，感觉就像在观 看一个悬浮在前方的3D屏幕，并不能让观察者有种置身其中的感觉。在大视场头盔显示器 的研宄中，专利CN201210536587. 9 "超大视场头盔显示器光学系统"中提出的双椭球结构 可以在实现大视场的同时校正畸变，是一种很有潜力的实现大视场虚拟现实的方法。但是， 该技术方案中的中继光学系统和第三透镜组中使用了多个非旋转对称的自由曲面透镜，无 疑增加了光学系统加工和装调难度；而且该技术方案的出瞳直径只有4_，当人眼转动时 会出现偏出出瞳直径而看不到景物的情况。
【发明内容】
[0003] 本发明为解决现有双椭圆结构头盔显示器系统中存在多个自由曲面透镜、加工装 调难度大、出瞳直径小的问题，提供一种采用旋转对称透镜的双椭球结构大视场头盔显示 光学系统。
[0004] 采用旋转对称透镜的双椭球结构大视场头盔显示光学系统，该光学系统包括第一 椭球面、中继透镜组、第二椭球面、后继透镜组和显示屏，所述光学系统按照逆向光路设计； 逆向设计时头盔显示器的出瞳成为光学系统的入瞳，入瞳位于第一椭球面的右焦点，各视 场的光线以平行光的方式经过入瞳进入系统，第一椭球面将右焦点的入射光会聚到左焦点 处的中继透镜组；采用中继透镜组对宽光束进行会聚，中继透镜组将各视场光束入射到第 二椭球面上；第二椭球面将光线会聚到位于第二椭球面左焦点处的后继透镜组，后继透镜 组再对光线进行像差校正，最后会聚到显示屏上；
[0005] 所述中继透镜组和后继透镜组中的透镜面形均为旋转对称形式；所述中继透镜组 由第一表面、第二表面、第三表面、第四表面和第五表面组成的四胶合透镜组组成，所述第 一表面和第五表面为偶次非球面，第二表面、第三表面和第四表面为球面，所述后继透镜组 由多个透镜组成，且所述多个透镜同轴；所述后继透镜组包括第六表面、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、第二十三表面为偶次非球面，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为球面。
[0006] 本发明带来的有益效果：本发明的透镜面形均为旋转对称面形，易于加工装调，节 约成本；同时本发明将双椭球结构的出瞳直径扩大为8_，增加了人眼可自由转动的范围。
【附图说明】
[0007]图1为本发明所述的采用旋转对称透镜的双椭球结构大视场头盔显示光学系统 的结构图；
[0008]图2为本发明所述的采用旋转对称透镜的双椭球结构大视场头盔显示光学系统 的光路图；
[0009]图3为本发明所述的采用旋转对称透镜的双椭球结构大视场头盔显示光学系统 20° (H)X20° (V)视场内网格畸变图；
[0010]图4为本发明所述的采用旋转对称透镜的双椭球结构大视场头盔显示光学系统 60° (H)X60° (V)视场内网格畸变图；
[0011]图5为本发明所述的采用旋转对称透镜的双椭球结构大视场头盔显示光学系统 全视场内网格畸变图；
[0012] 图6为本发明所述的采用旋转对称透镜的双椭球结构大视场头盔显示光学系统 的全视场传递函数比例图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0013] 一、结合图1至图5说明本实施方式，采用旋转对称透镜的双椭球结 构大视场头盔显示光学系统进行详细描述，如图1所示，该光学系统包括第一椭球面2、中 继透镜组、第二椭球面8、后继透镜组和显示屏28组成。所述光学系统按照逆向光路设计； 逆向设计时头盔显示器的出瞳成为光学系统的入瞳，光路由入瞳1处（人眼位置）开始，入 瞳位于第一椭球面2的右焦点处；各视场的光线以平行光的方式经过出瞳1进入系统，第一 椭球面将右焦点处的入射光会聚到左焦点附近的中继透镜组；此时第一椭球面会引入很大 的与视场有关的像差，利用中继透镜组对宽光束进行会聚，避免宽光束因发散角过大造成 系统尺寸过大；中继透镜组将各视场光束以近乎准直光的方式入射到第二椭球面8上；光 束从中继透镜组入射到第二椭球面8,第二椭球面8主要用来校正第一椭球面2带来的畸 变；第二椭球面8的右焦点在第一椭球面2的左焦点附近，第二椭球面8将光线会聚到位于 第二椭球面左焦点处的后继透镜组，后继透镜组再对光线进行像差校正，最后会聚到显示 屏28上；
[0014] 结合图2说明本实施方式，包括出瞳1，第一椭球面2,显示屏28,中继透镜组为第 一表面3、第二表面4、第三表面5、第四表面6、第五表面7组成的四胶合透镜组，其中第一 表面3、第五表面7为偶次非球面，其他表面均为球面，中继透镜组的各表面都在同一轴线 上；第二椭球面8,所，后继透镜组包括第六表面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