一种自由曲面离轴反射近眼显示光学系统的制作方法

本实用新型实施例涉及计算机技术领域，具体涉及一种自由曲面离轴反射近眼显示光学系统。

背景技术：

近年来，随着虚拟/增强现实技术的发展，相关的头盔显示设备也层出不穷。因为头盔显示设备佩戴在用户的头部，所以要求该设备轻量紧凑。增强现实技术将虚拟世界的信息和现实世界的信息叠加在一起，被用户的眼睛所感知，所以要求头盔显示设备能够实现大视场角、高清晰度，这就对光学系统的结构提出了很高的要求。

现有的用于增强现实显示系统的光学模组主要分为同轴折反式、全息波导、几何光学波导等方式。基于同轴折反式的显示模组图像清晰度高，但是较为笨重且视场角受到结构的限制，光能利用率低。基于全息波导的光学模组是利用光学衍射原理，这种结构可以将整个模组做得很轻薄，但是衍射造成的颜色失真和由此引发的观看视角的限制是存在的问题。为了避开衍射造成的波长选择性，研究者提出了基于几何光学的波导光学模组。这种光学模组是将多组透射率不同且倾斜角度不同的平面镜嵌入眼镜镜片中，图像源发出的光线通过眼镜镜片的全反射和内置的多组平面镜的反射来完成光线的传导。这种结构可以实现轻量化和大的视场角，但是随着视角的增大，鬼影现象会变得越来越严重。同时，由于对透射率及倾斜角度的精确要求加大了工艺制造难度，因此存在着成本高、难以批量生产的问题。

在实现本实用新型实施例的过程中，发明人发现现有的基于棱镜的增强现实光学显示模组视角小，像质差；现有的基于同轴折反式的光学模组显示视角小，透光率低；现有的基于全息波导的增强现实光学显示模组视角小，工艺复杂，容易产生色彩失真；现有的基于几何波导的光学模组存在鬼影现象，且生产工艺复杂难以批量生产。

技术实现要素：

由于现有技术中存在上述问题，本实用新型实施例提出一种自由曲面离轴反射近眼显示光学系统。

本实用新型实施例提出一种自由曲面离轴反射近眼显示光学系统，包括：微型显示器和至少一个自由曲面反射镜；

所述微型显示器和所述至少一个自由曲面反射镜离轴设置；

其中，所述微型显示器和所述至少一个自由曲面反射镜的位置和形状根据所述自由曲面离轴反射近眼显示光学系统的轮廓尺寸相关系数确定。

可选地，所述自由曲面反射镜为3个；

第一曲率半径、第二曲率半径和第三曲率半径根据第一间隔、第二间隔和第三间隔确定；

其中，所述第一间隔、所述第二间隔和所述第三间隔根据所述自由曲面离轴反射近眼显示光学系统的轮廓尺寸的遮拦系数和放大率确定；

所述第一曲率半径、所述第二曲率半径和所述第三曲率半径分别为3个所述自由曲面反射镜的曲率半径；

所述第一间隔为第一自由曲面反射镜和第二自由曲面反射镜之间的间隔，所述第二间隔为第一自由曲面反射镜和第三自由曲面反射镜之间的间隔，所述第三间隔为第二自由曲面反射镜和第三自由曲面反射镜之间的间隔。

可选地，所述自由曲面离轴反射近眼显示光学系统中包括7个关键点；第一关键点(y₁，z₁)设于所述自由曲面离轴反射近眼显示光学系统中的第一预设位置，第二关键点(y₂，z₂)设于所述第二自由曲面反射镜的上端，第三关键点(y₃，z₃)设于所述第一自由曲面反射镜的下端，第四关键点(y₄，z₄)设于所述第三自由曲面反射镜的下端，第五关键点(y₅，z₅)设于所述自由曲面离轴反射近眼显示光学系统中的第二预设位置，第六关键点(y₆，z₆)设于所述第一自由曲面反射镜的上端，第七关键点(y₇，z₇)设于所述微型显示器的下端；

其中，所述7个关键点的位置坐标满足以下条件：

可选地，所述第一自由曲面反射镜、所述第二自由曲面反射镜和所述第三自由曲面反射镜的复曲面表达式为：

其中，C_x是对应的自由曲面反射镜的X-Z平面内X方向的曲率半径，C_y是对应的自由曲面反射镜的Y-Z平面内Y方向的曲率半径，K_x是对应的自由曲面反射镜的X方向的二次曲线系数，K_y是对应的自由曲面反射镜的Y方向的二次曲线系数，i为大于等于4的偶数，A_i是i阶非球面系数，关于Z轴旋转对称，P_i是i阶非旋转对称系数。

可选地，所述第一自由曲面反射镜、所述第二自由曲面反射镜和所述第三自由曲面反射镜的复曲面表达式为：

其中，C为曲面曲率半径，k为圆锥系数，c₄、c₆、c₇、c₉、c₁₁、c₁₃、c₁₅、c₁₆和c₁₈为多项式系数。

由上述技术方案可知，本实用新型实施例通过对微型显示器和至少一个自由曲面反射镜进行离轴设置，采用基于全反射结构的光学模组，使得视角较大；且根据系统的轮廓尺寸相关系数确定微型显示器和自由曲面反射镜的位置和形状，使得像质优良、无色差、畸变小，观察者能够观察到清晰无失真的图像。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1为本实用新型一实施例提供的一种自由曲面离轴反射近眼显示光学系统的结构示意图；

图2为本实用新型一实施例提供的3个自由曲面反射镜同轴设置的结构示意图；

图3为本实用新型一实施例提供的一种自由曲面离轴反射近眼显示光学系统中关键点设置的结构示意图；

图4为本实用新型一实施例提供的一种自由曲面离轴反射近眼显示光学系统畸变校正前后的对比示意图；

图5为本实用新型一实施例提供的一种自由曲面离轴反射近眼显示光学系统建立方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

以下首先对本实用新型实施例涉及的相关术语进行解释：

近眼显示：一种可佩带的，为使用者提供虚拟图像的微型显示设备，可用于虚拟现实、增强现实等；

视场角：可以观看到虚拟图像的角度范围；

自由曲面：一种具有完全自由度的表面形状类型；

部分反射膜：一种透射率与反射率成一定比例的薄膜；

偏心倾斜：指光学反射镜偏离原来的中心的距离或者倾斜的角度；

遮拦系数：反射镜之间互相遮挡的比例。

图1示出了本实施例提供的一种自由曲面离轴反射近眼显示光学系统的流程示意图，包括：微型显示器101和至少一个自由曲面反射镜；

所述微型显示器101和所述至少一个自由曲面反射镜离轴设置；

其中，所述微型显示器101和所述至少一个自由曲面反射镜的位置和形状根据所述自由曲面离轴反射近眼显示光学系统的轮廓尺寸相关系数确定。

具体地，不同自由曲面反射镜之间也是离轴设置。

微型显示器101可以选用小尺寸、高分辨率的显示屏幕，有助于减小光学模组的体积和重量。

以3个自由曲面反射镜为例，如图1中第一自由曲面反射镜102、第二自由曲面反射镜103和第三自由曲面反射镜104。

第一自由曲面反射镜102放置于人眼之前的自由曲面反射镜，且该面镀有部分反射膜，即只有一定比例的光线发生反射，另一部分光线将会不发生任何偏折地透过。从人眼出射的光线经过该自由曲面镜反射后到达第二自由曲面镜。光线在到达第二自由曲面反射镜之前先发生一次会聚。这样的好处是可以在会聚平面加入孔径光栏以消除杂散光防止鬼影的出现。

第二自由曲面反射镜103将由第一自由曲面反射镜反射的光线再次反射向第三自由曲面镜。该自由曲面的倾斜角与曲率的控制决定了第三反射镜的孔径。

第三自由曲面反射镜104是自由曲面反射系统的最后一个反射镜，且放置在微型显示器之前。它将来自第二自由曲面反射镜的光线反射到微型显示器上。

如图1所示本实施例由微型显示器101、第一自由曲面反射镜102、第二自由曲面反射镜103和第三自由曲面反射镜104组成。由于是反向光路设计，即光线从人眼出发，经过三个自由曲面反射镜后到达微型显示器。人眼处为出瞳，第二自由曲面反射镜103镀有部分反射膜，即入射到该面的光线部分发生反射，部分发生透射，经过该面的光线会发生一次会聚，该面相对于人眼一侧为凹面形状的反射面。第一自由曲面反射镜102将入射光线反射到第三反射镜上，该面相对于人眼一侧为凸面形状的反射面。第三自由曲面反射镜104将入射光线反射向微型显示器101。该面相对于人眼一侧为凹面形状的反射面。另外，由于第一反射镜镀有部分反射膜且其镜片的前后两面的面型完全一致，因此，外界的自然光可以不发生任何偏折地进入人眼，从而自然舒适地观看真实世界。

本实施例采用反射光学系统，光学系统经历了从折射式到反射式，从同轴光学系统到离轴光学系统的发展阶段。从光学系统重量上考虑，折射系统采用的是实心镜，其重量最大，折反式系统次之，反射光学系统重量最轻，且发展了多种大型反射镜轻量化技术，可以进一步减轻全反射光学系统的重量。反射光学系统采用的镜坯材料普遍具有密度小、弹性模量大、热膨胀系数低、热传导系数高、微观结构均匀等特点，受温度梯度变化的影响小，光学系统的重量控制相对折射系统容易。

本实施例弥补了现有近眼显示光学模组的不足，提出了大视角、短焦距的自由曲面离轴反射光学系统。该系统具有轻型、无色差、小畸变、像质优良和光能利用率高等特点。由于采用逆向光路设计，因此本实施例的光路由人眼出发进行分析。

本实施例通过对微型显示器和至少一个自由曲面反射镜进行离轴设置，采用基于全反射结构的光学模组，使得视角较大；且根据系统的轮廓尺寸相关系数确定微型显示器和自由曲面反射镜的位置和形状，使得像质优良、无色差、畸变小，观察者能够观察到清晰无失真的图像。

进一步地，在上述装置实施例的基础上，所述自由曲面反射镜为3个；

第一曲率半径、第二曲率半径和第三曲率半径根据第一间隔、第二间隔和第三间隔确定；

其中，所述第一间隔、所述第二间隔和所述第三间隔根据所述自由曲面离轴反射近眼显示光学系统的轮廓尺寸的遮拦系数和放大率确定；

所述第一曲率半径、所述第二曲率半径和所述第三曲率半径分别为3个所述自由曲面反射镜的曲率半径；

所述第一间隔为第一自由曲面反射镜102和第二自由曲面反射镜103之间的间隔，所述第二间隔为第一自由曲面反射镜102和第三自由曲面反射镜103之间的间隔，所述第三间隔为第二自由曲面反射镜103和第三自由曲面反射镜104之间的间隔。

具体地，具有大的视场角是近眼显示系统的重要评价指标，但由于传统离轴反射镜经常用于天文望远镜的光学系统中，因此光线的视角通常非常小，约为3°～10°。因此，无法使用现有的专利结构利用缩放法来进行优化。本实施例通过反射光学的基本原理和反射结构参数之前的制约关系得到了具备大视场优化潜力的初始结构。以下以图1所示的三次反射镜为例进行介绍。

如图2所示是同轴三反光学系统的光路图。为了能够得到大视场的离轴结构，首先从同轴反射结构的求解开始。传统求解初始结构的方法，通过给定与反射镜轮廓尺寸相关的遮拦系数和放大率，得到三反射镜系统的间隔、曲率半径，求解时需通过尝试多组遮系数和放大率组合才能得系统长度合适的初始结构。而近眼显示光学系统对结构的紧凑性有较高的要求，因此求解方式是给定系统中的间隔(包括第一反射面与第二反射面的间隔、第二反射面与第三反射面的间隔以及第三反射面与微型显示器的间隔)，来求解三个反射面的曲率半径。通过图2中所示的几何关系与反射光学的基本原理，可以得到以下关系：

上式中，R₁,R₂,R₃是三个反射镜的曲率半径，α₁,α₂是遮拦系数，β₁,β₂分别是第二反射镜与第三反射镜的放大倍率。由于D₁,D₂是三个反射镜的间距，因此在求解的过程中加入D₁＝D₂的条件，与上式联立即可得到三个曲率半径。

值得注意的是，为了使得结构具有大视场角的潜力，必须通过不断调节D₁,D₃的值以保证α₁,α₂的值较小。具体数值应按照所需视场角的大小进行规定。

进一步地，在上述装置实施例的基础上，所述自由曲面离轴反射近眼显示光学系统中包括7个关键点；第一关键点(y₁，z₁)设于所述自由曲面离轴反射近眼显示光学系统中的第一预设位置，第二关键点(y₂，z₂)设于所述第二自由曲面反射镜的上端，第三关键点(y₃，z₃)设于所述第一自由曲面反射镜的下端，第四关键点(y₄，z₄)设于所述第三自由曲面反射镜的下端，第五关键点(y₅，z₅)设于所述自由曲面离轴反射近眼显示光学系统中的第二预设位置，第六关键点(y₆，z₆)设于所述第一自由曲面反射镜的上端，第七关键点(y₇，z₇)设于所述微型显示器的下端；

其中，所述7个关键点的位置坐标满足以下条件：

通过同轴位置求解之后，可以得到同轴情况下的具备大视角潜力的初始结构，该结构的面型是普通的球面面型。之后通过视场离轴、孔径离轴、和三个反射镜的偏心与倾斜来获取离轴三反镜的初始结构。

图3示出了由同轴结构向离轴结构转换的过程中，由结构中关键点P₁～P₇的坐标来调节视场离轴、孔径离轴、和三个反射镜的偏心与倾斜的取值。以微显示器尺寸为0.5英寸，视场角为50°为例，考虑光线不发生遮挡、结构紧凑和实际装配过程中的需要可以得出以下限制条件：

通过上式中的边界限制条件合理调整偏心、倾斜量就可以得到一个面型为球面的大视角离轴三反初始结构。

进一步地，在上述装置实施例的基础上，所述第一自由曲面反射镜、所述第二自由曲面反射镜和所述第三自由曲面反射镜的复曲面表达式为：

其中，C_x是对应的自由曲面反射镜的X-Z平面内X方向的曲率半径，C_y是对应的自由曲面反射镜的Y-Z平面内Y方向的曲率半径，K_x是对应的自由曲面反射镜的X方向的二次曲线系数，K_y是对应的自由曲面反射镜的Y方向的二次曲线系数，i为大于等于4的偶数，A_i是i阶非球面系数，关于Z轴旋转对称，P_i是i阶非旋转对称系数。

在获取大视角离轴三反镜的初始结构后，由于大的视场角和三个反射镜的偏心和倾斜引入了大量的像差导致像质非常恶劣。此时的像差不仅包含了传统同轴系统中的对称像差，而且由于偏心和离轴还引入了大量的偏心像差。这种像差的特点是，像差不再具有单个极值点而是同时具有两个或三个极值点。另外，最大视场也不再是像差最严重的区域，而是可能出现在任何一个视场位置，由光学系统的具体参数决定。这样的像差分布给光学系统的优化带来了较大的困难。因此，本实用新型利用“阻尼最小二乘法”在上一步得到的初始结构上进行优化，并且根据像差分布的特点得出了一种较为稳定的优化策略，现详述如下：

由于初始结构存在大量像差，因此在使用“阻尼最小二乘法”时容易让迭代过程陷入极小值从而无法得到最佳参数组合，因此，本实施例在初始结构的基础上优化的步骤为：

首先将三个反射面的二次曲面系数设为变量，并且将视场离轴量、视场倾斜量及三个反射面的离轴、倾斜量也同时设置为变量，优化迭代之后得到第二初始结构。

由于大量偏心像差的存在，因此普通的球面是无法消除这种非对称离轴像差的。为了进一步优化像质，我们必须引入非对称的因素来消除偏心像差。我们将三个面的面型从普通球面更改为复曲面(AAS)，该面型的表达式公式一所示。

在以微型显示器尺寸为0.5英寸，视场角为50°的设计实例中，我们将A_i和P_i取到6阶后开始迭代优化，优化后得到的结果称作第三初始结构。

进一步地，在上述装置实施例的基础上，所述第一自由曲面反射镜、所述第二自由曲面反射镜和所述第三自由曲面反射镜的复曲面表达式为：

其中，C为曲面曲率半径，k为圆锥系数，c₄、c₆、c₇、c₉、c₁₁、c₁₃、c₁₅、c₁₆和c₁₈为多项式系数。

经过上一步的优化后，可以发现像差已经得到了很大的改善，但是距离目标值还有一定的空间。因此需要引入自由度更高的自由曲面来进行深度优化，该曲面的表达式由XY多项式组成：

在优化之前，首先要把上一步优化得到的复曲面按照面型的转换算法变换为与之对应的XY多项式表达形式。在选取XY多项式的系数时，应该让其面型关于yoz平面对称，这有利于实际的生产加工和装配过程。我们将多项式的系数增加到8次后开始进行迭代优化。经过这一步骤的优化后，我们最终可以得到一个以微型显示器尺寸为0.5英寸，单目视场角为50°，具有优质显示图像的自由曲面离轴三反近眼显示光学系统。另外，根据人眼视觉的特点，人眼观察现实世界时在边缘视区看到的图像是模糊的，因此在优化迭代的过程中，可以将50°范围内视角的优化权重加大，而减小50°范围之外视角的权重，这样可以将最终单目的显示视角增加到65°。需要强调的是，在整个优化的过程中，应当将7个关键点的位置坐标满足以下条件加入到阻尼项中，并且在不断迭代的过程中应当同时监控光线与反射面是否发生交叠，如果发生交叠，应当及时修改边界阻尼条件以进行下一步的优化。

在大视角离轴反射光学系统中，由于各个镜面的偏心和倾斜引入了较为复杂的畸变。畸变的形式不再如同轴情况时的“桶形畸变”或是“枕形畸变”，而是梯形或者无规则形状的畸变，在优化迭代的过程中，畸变也是一个较难控制的像差。本实施例使用网格畸变图来标定和评价畸变，首先根据理想光学的准则计算得到无畸变情况下系统的网格畸变图；其次以理想情况下的网格畸变图作为评价标准与实际情况中的网格畸变分布进行比较；最后，将实际成像与理想成像网格的差值作为阻尼项加入迭代优化。图4是在微型显示器尺寸为0.5英寸，视场角为50°的情况下，畸变校正前后的对比图，优化后的最大畸变小于5％。

本实施例以离轴三反光学系统为例，详细阐述了从初始结构到最终结构的设计方法和优化策略。最终完成了一款微显示器尺寸为0.5英寸，视角为50°，出射光瞳为8mm的自由曲面离轴三反近眼显示光学系统的设计。设计的光学系统像质优良、无色差、畸变小，观察者能够在50°的范围内观察到清晰无失真的图像。需要强调的是，可以通过增加反射镜的数目或者其他透镜来进一步扩大视场角，例如自由曲面离轴五反或者自由曲面离轴七反等。

图5示出了本实施例提供的一种自由曲面离轴反射近眼显示光学系统建立方法的流程示意图，包括：

S501、根据所述自由曲面离轴反射近眼显示光学系统的轮廓尺寸相关系数确定所述至少一个自由曲面反射镜在同轴设置时的位置；

S502、根据所述至少一个自由曲面反射镜在同轴设置时的位置，计算得到各自由曲面反射镜的曲率半径；

S503、根据预设条件将所述微型显示器和所述至少一个自由曲面反射镜离轴设置。

本实施例通过对微型显示器和至少一个自由曲面反射镜进行离轴设置，采用基于全反射结构的光学模组，使得视角较大；且根据系统的轮廓尺寸相关系数确定微型显示器和自由曲面反射镜的位置和形状，使得像质优良、无色差、畸变小，观察者能够观察到清晰无失真的图像。

进一步地，在上述方法实施例的基础上，S502具体包括：

当所述自由曲面离轴反射近眼显示光学系统中包括3个自由曲面反射镜时，根据如下公式三确定第一自由曲面反射镜的第一曲率半径R₁、第二自由曲面反射镜的第二曲率半径R₂和第三自由曲面反射镜的第三曲率半径R₃：

其中，α₁,α₂是所述自由曲面离轴反射近眼显示光学系统的轮廓尺寸的遮拦系数，β₁,β₂分别是第二自由曲面反射镜与第三自由曲面反射镜的放大倍率，α₁,α₂和β₁,β₂根据如下公式四确定：

其中，D₁、D₂和D₃分别为第一自由曲面反射镜和第二自由曲面反射镜之间的第一间隔，第一自由曲面反射镜和第三自由曲面反射镜之间的第二间隔，以及第二自由曲面反射镜和第三自由曲面反射镜之间的第三间隔。

进一步地，在上述方法实施例的基础上，S503中所述预设条件为：

其中，所述自由曲面离轴反射近眼显示光学系统中包括3个自由曲面反射镜和7个关键点；第一关键点(y₁，z₁)设于所述自由曲面离轴反射近眼显示光学系统中的第一预设位置，第二关键点(y₂，z₂)设于所述第二自由曲面反射镜的上端，第三关键点(y₃，z₃)设于所述第一自由曲面反射镜的下端，第四关键点(y₄，z₄)设于所述第三自由曲面反射镜的下端，第五关键点(y₅，z₅)设于所述自由曲面离轴反射近眼显示光学系统中的第二预设位置，第六关键点(y₆，z₆)设于所述第一自由曲面反射镜的上端，第七关键点(y₇，z₇)设于所述微型显示器的下端。

进一步地，在上述方法实施例的基础上，S503之后，还包括：

S504、根据如下公式一的复曲面表达式将所述至少一个自由曲面反射镜的球面设置为复曲面：

其中，C_x是对应的自由曲面反射镜的X-Z平面内X方向的曲率半径，C_y是对应的自由曲面反射镜的Y-Z平面内Y方向的曲率半径，K_x是对应的自由曲面反射镜的X方向的二次曲线系数，K_y是对应的自由曲面反射镜的Y方向的二次曲线系数，i为大于等于4的偶数，A_i是i阶非球面系数，关于Z轴旋转对称，P_i是i阶非旋转对称系数。

进一步地，在上述方法实施例的基础上，所述根据预设条件将所述微型显示器和所述至少一个自由曲面反射镜离轴设置之后，还包括：

根据如下公式二的自由曲面表达式将所述至少一个自由曲面反射镜的球面设置为自由曲面：

其中，C为曲面曲率半径，k为圆锥系数，c₄、c₆、c₇、c₉、c₁₁、c₁₃、c₁₅、c₁₆和c₁₈为多项式系数。

本实施例所述的自由曲面离轴反射近眼显示光学系统建立方法可以用于执行上述装置实施例，其原理和技术效果类似，此处不再赘述。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。