采用双自由曲面反射镜的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，具体涉及一种使用双自由曲面反射镜、旋 转对称面形透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。
[0003] 双椭球结构中的出瞳位于第一椭球面的右焦点处，水平方向的视场从入射到第一 个椭球面开始便成为了非对称形式，然而第一椭球面却是水平对称面形。因此，第一椭球面 和第二椭球面虽然可以联合消畸变，但是两者同时增大了其它种类的像差，尤其是对宽光 束来说，像差更加严重。在专利CN201210536587. 9的方案中不得不使用多个自由曲面透镜 以及衍射面来校正这些像差。而在全部采用旋转对称面形透镜的双椭圆结构设计中，多个 玻璃透镜表面会出现类似于"W"或"M"形状的加工难度较大的多拐点面形。
【发明内容】
[0004] 本发明为解决现有双椭圆结构头盔显示器系统中两个椭球面带来的畸变之外的 像差校正难度大的问题，提供一种采用双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统。
[0005] 采用双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统，该光学系统包括第一自由曲 面反射镜、中继透镜组、第二自由曲面反射镜、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，各视场的光线以平行光 的方式经过入瞳进入光学系统，再经第一自由曲面反射镜反射后入射到中继透镜组；经中 继透镜组出射后由第二自由曲面反射镜反射进入后继透镜组，最后会聚到显示屏上；所述 中继透镜组和后继透镜组中的透镜表面的面形为旋转对称形式，所述中继透镜组由两个双 胶合透镜组组成，第一双胶合透镜组由第一表面、第二表面和第三表面组成，第二双胶合透 镜组由第四表面、第五表面和第六表面组成，所述第三表面与第六表面为偶次非球面，第一 表面、第二表面、第四表面和第五表面为球面；
[0006] 所述后继透镜组中的多个透镜同轴，所述多个透镜由第七表面、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、第二十二表面和第 二十三表面组成；
[0007] 所述第七表面、第九表面、第十八表面和第二十三表面为偶次非球面，第十二表面 为二次曲面，第八表面、第十表面、第i^一表面、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、第十九表面、第二十表面、第二i^一表面和第二十二表面为球面。
[0008] 本发明带来的有益效果：本发明采用两个自由曲面反射镜取代双椭球结构中的两 个椭球面反射镜，大大增加了两个反射镜的像差校正能力；本发明所用到的中继透镜组和 后继透镜组中的透镜均为旋转对称面形，易于加工；本发明相对于全部采用旋转对称透镜 的双椭球结构在像质上更加优良；本发明相比双椭球结构将出瞳直径扩大为8mm，增加了 人眼可自由转动的范围。
【附图说明】
[0009] 图1为本发明所述的采用双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统的结构 图；
[0010] 图2为本发明所述的采用双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统的光路 图；
[0011] 图3为本发明所述的采用双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统 20° (H)X20° (V)视场内网格畸变图；
[0012] 图4为本发明所述的采用双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统 60° (H)X60° (V)视场内网格畸变图；
[0013] 图5为本发明所述的采用双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统的全视 场网格畸变图。
[0014] 图6为本发明所述的采用双自由曲面反射镜的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】 [0015] 一、结合图1至图6说明本实施方式，采用双自由曲面反射镜的大视 场头盔显示光学系统，如图1所示，该光学系统包括第一自由曲面反射镜A、中继透镜组、第 二自由曲面反射镜B、后继透镜组和显示屏27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 位于第一自由曲面的右侧；各视场的光线以平行光的方式经过入瞳1进入光学系统，第一 自由曲面反射镜A将入射光线会聚到左侧的中继透镜组上；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自由曲面反射镜B上；利用第一自由曲面反射镜A和第二自由曲面反 射镜B左右非对称的优势调节水平方向各视场之间的光程差，校正光学系统水平方向非对 称带来的离轴像差，使用两个自由曲面反射镜相比两个椭球面反射镜更容易利用自由曲面 的左右非对称性进行离轴像差的校正；第二自由曲面反射镜B将光线会聚到后继透镜组， 后继透镜组再对光线进行像差校正，最后会聚到显示屏27上。
[0016] 结合图2说明本实施方式，光学表面和光学元件编号由出瞳开始，包括出瞳1 ;第 一自由曲面反射镜的表面2 ;所述中继透镜组由两个双胶合透镜组组成，分别由第一表面 3、第二表面4和第三表面5组成的第一双胶合透镜组以及第四表面6、第五表面7和第六表 面8组成的第二双胶合透镜组；所述中继透镜组中第三表面5与第六表面8为偶次非球面， 第一表面3、第二表面4、第四表面6、第五表面7均为球面；中继透镜组的各表面都在同一 轴线上；第二自由曲面反射镜表面9 ;所述后继透镜组由第七表面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