一种轻小型大视场近眼显示光学系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种轻小型大视场近眼显示光学系统，属于光学系统设计技术领域， 具体应用于头戴显示设备范畴。
【背景技术】
[0002] 在头戴显示设备(HMD)中，近眼显示光学系统是核心组成部分。由于各种因素的相 互制约，目前的系统仍无法满足对于视场大(30度左右或以上）、像质好、体积小、重量轻、成 本低这几项因素的理想结合，某些需要环境透视(see-through)的系统（如增强现实AR)更 是进一步提高了系统设计的难度。现有的系统要么视场小，要么视场大但过于臃肿沉重、头 部负担大，要么涉及光波导、衍射光栅等复杂光学元件，加工制造成本高。
【发明内容】
[0003] 本发明提供一种轻小型大视场近眼显示光学系统，能实现视场大、像质好、体积 小、重量轻、成本低这几项需求的理想结合，并易于实现有环境透视需求的系统。
[0004] 技术方案如下：该轻小型大视场近眼显示光学系统为单目目视光学系统，包含球 面显示屏、球面反射镜和出瞳面；由物侧至人眼侧，所述球面显示屏、球面反射镜、出瞳面沿 光轴方向共轴依次排列;所述球面显示屏为凸球面，其曲率半径为r;所述球面反射镜为凹 球面，其曲率半径为2r;在该光学系统的等价基础光学系统中，所述球面显示屏的球心与所 述球面反射镜的球心重合;其中，r满足条件：15mn^ r < 75mm。由于近眼显示系统中使用的 微显示器尺寸小、像素密度高，人眼难以直接观察，该技术方案通过将微显示器的球面显示 屏置于一球面反射镜的光焦面处（1/2半径处），使所述球面显示屏上像素点发出的光经所 述球面反射镜反射后成为准直光后到达出瞳面，从而使人眼在出瞳处看到位于远方的放大 的图像。通过参数r的进一步约束，可满足大视场、轻小及良好像质的理想结合。（需要说明 的是:文中"沿光轴方向共轴依次排列"是指沿光轴上的光路顺序排列，并非物理位置上的 顺序排列；另外，由于在本发明最基础的光学系统中可插入若干个光路转折镜，除光学系统 及其光路被转折外，其视场、像质等基本特性和原基础光学系统是等价的，但光路转折镜对 光学系统的转折可能使一些原基础光学系统中重合的点在物理位置上不再重合，因而引入 "等价基础光学系统"的概念来表达某光学系统省略所有光路转折镜后等价变换后的光学 系统。）
[0005] 由于头戴显示设备的特殊性，当设备佩戴于头部后，除人眼的转动外，人眼与光学 系统的相对位置保持固定，因而通过出瞳位置的设计，可令人眼在设计视场内获得最佳的 成像效果。
[0006] 优选地，所述光学系统装置于头戴设备，当佩戴使用时，人眼瞳孔在该光学系统的 等价基础光学系统中位于所述重合球心处。此时所述出瞳面正位于所述重合球心处，整个 光学系统具有以所述重合球心为中心的旋转对称性，除所述出瞳面有一个相对倾斜角外， 所述球面显示屏上的轴外像素点和轴上像素点的成像光路基本相同，因而具有同等良好的 像质水平。
[0007] 又或者，所述光学系统装置于头戴设备，当佩戴使用时，人眼球球心在该光学系统 的等价基础光学系统中与所述重合球心重合。此时由于所述球面显示屏、球面反射镜和人 眼眼球三者同心，当眼球转动朝其他方向查看时，其视觉中心的成像质量保持不变，始终为 沿光轴方向查看时轴上像素点的成像质量。
[0008] 一般而言，所述出瞳面越接近所述重合球心处，其以所述重合球心为中心的旋转 对称性作用越大，轴外像差越小，越能满足大视场设计的需要。因此，该系统易于设计全视 场角在30度左右或以上的系统。
[0009] 优选地，所述球面显示屏上的图像像素点在该球面上均匀排列。该方案可实现各 向均匀的球面视觉图像。
[0010]又或者，所述球面显示屏的图像源为均匀采样的平面图像，所述球面显示屏上的 图像像素点质心在参考平面的辐射投影在该平面上以所述图像源的采样方式均匀排列，其 中：参考平面为垂直于光轴、在光轴正向并距所述球面显示屏球心距离为d的平面，某点在 参考平面的辐射投影为该点与所述球面显示屏球心连线延长线与参考平面的交点。该方案 通过精确定位所述球面显示屏上的图像像素点的位置，使其相对于图像源产生与该光学系 统畸变相反的负畸变，以抵消原有畸变，最终对人眼呈现出相对于图像源零畸变的平面视 觉图像。
[0011] 在此基础上，优选地，所述图像源为全等矩形网格采样的平面矩形图像，采样点位 于全等矩形顶点处，所述图像像素点质心在所述参考平面的辐射投影的横向间距为2d*tan a/(w_l)，纵向间距为2d*tani3/(h-l)，其中：α、β分别为所述光学系统设计视场的横向半视 场角和纵向半视场角，w、h分别为所述图像源分辨率的宽和高。此方案的效果是:对人眼视 觉上呈现出零畸变的平面矩形图像，像在观看远方的一个超大平面矩形屏幕。
[0012] 优选地，所述图像像素点的大小与该像素点质心在所述参考平面的辐射投影距所 述球面显示屏球心的距离成反比。该方案使得每个像素点在视觉上的视角大小有所区别， 模拟真实的平面视觉图像效果。
[0013] 优选地，为实现精确的像素点位置分布，所述球面显示屏上的像素点通过精确加 工工艺进行制备，实现技术可采用0LED、IXD、LCos或DMD中的一种。
[0014]优选地，所述球面显示屏为透明屏，其凸面一侧发出的光强于凹面一侧发出的光。 通过将球面显示屏实施为透明屏，从球面反射镜反射回来的光可透过球面显示屏，从而进 入人眼。另外，凹面一侧发出的光由于近眼无法在视网膜上成像，但仍会产生一定干扰，通 过抑制该侧发出的光可有效降低成像干扰。
[0015]优选地，所述球面显示屏和所述球面反射镜之间、所述球面反射镜和所述出瞳面 之间还插入若干个光路转折镜对所述光学系统进行光路转折，其中：光路转折镜为平面反 射镜或平面半反半透镜(半反半透指部分反射、部分投射，并非一定各占50 % )。这些光路转 折镜的主要作用是转折(折叠)光路，使系统体积更小，及适应特定产品的结构;此外，如果 没有光路转折镜，球面显示屏必须实施为透明的显示屏，在球面显示屏和球面反射镜之间 加入一个平面半反半透镜，则可避免上述这种必要性，降低制造难度和成本。而在球面反射 镜和出瞳面之间加入平面半反半透镜，则能轻易实现可环境透视的系统。（得益于该系统较 大的出瞳距离。）
[0016]另外，组合两组本光学系统，采用同一图像源、不同图像源、或者是同一图像源中 不同的部分，可实现双目显示系统。
[0017]以上所有优选方案，除非有明确依赖的前提优选方案，否则皆可作为单独的优选 方案与其他优选方案进行组合。
[0018] 综上所述，本发明的技术方案可实现视场大（30度左右或以上）、像质好(无色差、 成像清晰、零畸变）、体积小(无需大而厚的透镜，所有光学元件都可实施为薄片式的元件）、 重量轻(元件薄，并且可实施为光学树脂、塑料等轻质材料）、成本低(所有光学元件都易于 加工，结合注塑等工艺可进一步降低成本)这几项需求的理想结合，并易于实现有透视需求 的系统。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明第一实施例的示意图，同时也是本发明的基础光学系统构成图；
[0020] 图2为本发明第一实施例在zemax中建模的点列图；
[0021] 图3为本发明第一实施例在zemax中建模的调制传递函数图；
[0022]图4为本发明第二实施例在zemax中建模的点列图；
[0023]图5为本发明第二实施例在zemax中建模的调制传递函数图；
[0024]图6为本发明第三实施例在zemax中建模的点列图；
[0025] 图7为本发明第三实施例在zemax中建模的调制传递函数图；
[0026] 图8为本发明第四实施例在zemax中建模的点列图；
[0027] 图9为本发明第四实施例在zemax中建模的调制传递函数图；
[0028]图10为本发明第一实施例在zemax中建模的场曲/畸变曲线图；
[0029]图11为本发明第五实施例中球面显示屏上图像像素点的排列特征方案一的立体 示意图（投影点为全等矩形顶点）；
[0030] 图12为本发明第五实施例中球面显示屏上图像像素点的排列特征方案二的立体 示意图（投影点为等边三角形顶点）；
[0031] 图13为本发明第五实施例中球面显示屏上图像像素点的排列特征方案三的立体 示意图（投影点为正六边形顶点）；
[0032] 图14为本发明第五实施例在图11方案基础上指定分辨率矩形图像源的具体实施 方案立体示意图；
[0033] 图15为本发明第六实施例的示意图；
[0034] 图16为本发明第七实施例的示意图；
[0035]图17为本发明第八实施例的示意图。
[0036] 附图标记说明
[0037] 1:球面显示屏
[0038] 2:球面反射镜
[0039] 3:出瞳面
[0040] 4:等价基础光学系统中球面显示屏和球面反射镜的重合球心
[0041 ] 5:人眼
[0042] 6:光轴
[0043] 7:平面半反半透镜(一）
[0044] 8:平面半反半透镜(二）
[0045] 101:球面显示屏的球心
[0046] 102: