專利名稱：雙片式自由曲面頭戴顯示器光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)系統(tǒng)，尤其是雙片式自由曲面頭戴顯示器光學(xué)系統(tǒng)，屬于光 學(xué)系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域，可廣泛適用于軍事、工業(yè)、醫(yī)療、娛樂、虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實領(lǐng)域中。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光電產(chǎn)業(yè)對光學(xué)系統(tǒng)的性能要求也越來越高?，F(xiàn)代光電系 統(tǒng)正朝小型化、高性能方向發(fā)展，因而要求相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)以較緊湊的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)較高的成 像質(zhì)量。頭戴式顯示器是一種典型的現(xiàn)代光電顯示系統(tǒng)，在多媒體娛樂、軍事、工業(yè)、醫(yī)療以 及虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實等領(lǐng)域都具有巨大的應(yīng)用價值和市場。對頭戴式顯示器的要求為佩 戴舒適、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、高成像質(zhì)量和盡可能大的視場。頭戴式顯示器的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的共軸透鏡式目鏡結(jié)構(gòu)到自由曲面 棱鏡式結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程。傳統(tǒng)共軸透鏡式結(jié)構(gòu)形式很難解決系統(tǒng)對視場角、出瞳距離的要 求與小型輕量化之間的矛盾，為實現(xiàn)大視場和大出瞳直徑，通常需要采用多片透鏡，有些方 案中還采用了衍射/全息光學(xué)元件，不僅導(dǎo)致系統(tǒng)生產(chǎn)成本的增加，更重要的是，頭戴式顯 示器傳統(tǒng)共軸透鏡式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的尺寸和重量都較大，不便于佩戴者使用。為了滿足人們對 頭戴式顯示器的光學(xué)系統(tǒng)要求，許多頭戴式顯示器都采用自由曲面棱鏡式光學(xué)系統(tǒng)，既能 獲得大視場角和大出瞳距離，也能滿足其他技術(shù)指標(biāo)。光學(xué)系統(tǒng)中的自由曲面通常是指無法用球面或非球面系數(shù)來表示的曲面，主要指 任意非傳統(tǒng)、非對稱的曲面，或者是只能用參數(shù)響亮來表示的曲面。采用自由曲面棱鏡頭戴 式顯示器光學(xué)系統(tǒng)，光軸在棱鏡內(nèi)部折疊，有效減小了系統(tǒng)尺寸，同時利用自由曲面校正系 統(tǒng)由于光路離軸而產(chǎn)生的像差，具有非常緊湊的結(jié)構(gòu)和較好的像質(zhì)，而且可以利用注塑工 藝制造元件，因此成本低廉具有很高的性價比。鑒于自由曲面在頭戴式顯示器的光學(xué)系統(tǒng)中帶來的益處，已有很多企業(yè)推出了自 由曲面棱鏡頭戴式顯示器產(chǎn)品并申請了相關(guān)專利，申請?zhí)枮?00810167800. 7的中國專利 申請公開了一種“輕小型大視場自由曲面棱鏡頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)”，該專利申請采用了單 片式自由曲面棱鏡的結(jié)構(gòu)如圖1所示，自由曲面棱鏡頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)包括一個具有三 個光學(xué)表面的自由曲面棱鏡和一個微型圖像顯示器，所述自由棱鏡的三個光學(xué)表面均為自 由曲面，11為出瞳，即人眼瞳孔所在平面，從觀察者側(cè)到像源(即微型顯示器)方向，依次為 棱鏡第一表面12、棱鏡第二表面13和棱鏡第三表面14，其中棱鏡第一表面12相對于觀察 者側(cè)為凹面形狀的透射面；棱鏡第二表面13相對于觀察者側(cè)為凹面形狀的反射面，起放大 圖像的作用，外側(cè)鍍有反射膜層；棱鏡第三表面14相對于觀察者側(cè)為凹面形狀的透射面。 該光學(xué)系統(tǒng)的實際光路是微型液晶顯示器件15發(fā)出光線，先經(jīng)過第三表面14透射進入自 由曲面棱鏡，然后在棱鏡第一表面12內(nèi)側(cè)上發(fā)生全反射，經(jīng)過棱鏡第二表面12反射，最后 再次經(jīng)過棱鏡第一表面12透射至人眼，由于采用反向光路設(shè)計方式，則反向描述光路，光 線從人眼瞳孔所在平面11處出發(fā)，通過自由曲面棱鏡第一表面12透射，經(jīng)由棱鏡第二表面 13反射，再反射到棱鏡第一表面12上，并在該表面內(nèi)側(cè)發(fā)生全反射，最后經(jīng)由棱鏡第三表面14透射出并最終到達(dá)微型顯示器15。該結(jié)構(gòu)棱鏡的三個光學(xué)面都是自由曲面，并且各自 都有大的傾斜和偏心，在加工時很難保證定位準(zhǔn)確，會嚴(yán)重影響加工精度。另外，設(shè)計出瞳 直徑為10mm，比較小。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種雙片式自由曲面頭戴顯示器光學(xué)系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有頭戴 式顯示器出瞳直徑小、加工難度大的問題。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明雙的片式自由曲面頭戴顯示器光學(xué)系統(tǒng)，包括一微型顯 示器、具有三個光學(xué)表面的自由曲面棱鏡和一具有兩個光學(xué)表面的自由曲面透鏡，所述自 由曲面棱鏡包括棱鏡第一表面、棱鏡第二表面和棱鏡第三表面，該棱鏡第三表面為平面透 射面，與棱鏡第三表面相對應(yīng)設(shè)置有一具有兩個光學(xué)表面的自由曲面透鏡，所述自由曲面 透鏡的透鏡第一表面為凸面形狀的透射面，自由曲面透鏡的透射第一表面與棱鏡第三表面 相對設(shè)置，所述透鏡第二表面為平面透射面，與微型顯示器貼合設(shè)置。進一步的，所述透鏡第二表面和微型顯示器粘結(jié)，用于作為一個整體裝調(diào)。進一步的，將出瞳位置的中心設(shè)為系統(tǒng)坐標(biāo)原點，YOZ平面為紙面，Z軸水平向右， Y軸在紙面內(nèi)垂直于Z軸向上，X軸垂直于紙面向里，構(gòu)成右手坐標(biāo)系；所述棱鏡第一表面、 棱鏡第二表面和透鏡第一表面滿足下述面行方程(1) (3)其中之一
(1)
其中Cx是曲面XZ平面內(nèi)χ方向的曲率半徑，Cy是曲面在yz平面內(nèi)y方向的曲率半徑， Kx是曲面χ方向的二次曲線系數(shù)，Ky是曲面y方向的二次曲線系數(shù)，Ai是4，6，8，10，…2η 階非球面系數(shù)，關(guān)于ζ軸旋轉(zhuǎn)對稱，Pi是4，6，8，10，…2η階非旋轉(zhuǎn)對稱系數(shù)；
其中C為曲面曲率半徑，Cj為多項式系數(shù)；
其中c為曲率半徑，左為二次曲面系數(shù)，兒凡C，々分別為4，6，8，10階非球面系數(shù)c
進一步的，所述棱鏡的三個光學(xué)表面之間應(yīng)滿足條件方程(4) (6)
(4) (7)式中和^分別表示全局坐標(biāo)系下的曲面上任意點的坐標(biāo)值，下標(biāo)表示光線 與自由曲面棱鏡與薄透鏡的不同交點。進一步的，Y方向最大視場上邊緣光線與棱鏡第二表面兩次相交時入射角滿足關(guān) 系式(8)，
(8)
其中θ為Υ方向最大視場上邊緣光線第二次入射到棱鏡第二表面時的入射角，式中《 為棱鏡透明材料的折射率。進一步的，所述自由曲面棱鏡和自由曲面透鏡材料為折射率大于1的透明光學(xué)材 料。進一步的，所述微型顯示器為0. 61或0. 59英寸的OLED或IXD顯示器。本發(fā)明的雙片式自由曲面頭戴顯示器光學(xué)系統(tǒng)中自由曲面棱鏡的三個光學(xué)面中 只有兩個面為自由曲面，棱鏡頂面即棱鏡第三表面為平面，在加工過程中可以將頂面作為 基面，減小了自由曲面定位的難度，從而降低加工成本。本發(fā)明增加了自由曲面透鏡，該自 由曲面透鏡的兩光學(xué)表面分別為自由曲面和平面，加工難度較低，而且自由曲面透鏡的面 形參數(shù)、厚度、偏心和傾角都可以作為優(yōu)化變量，有較多的優(yōu)化變量，更有利于系統(tǒng)像差的 校正，可以實現(xiàn)更大的出瞳直徑。在本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)的安裝調(diào)試中，由于自由曲面透鏡的透鏡第二表面為平面，可 以與微型顯示器表面重合，并利用粘結(jié)或其他方式方便的使透鏡與微型顯示器連接為一體 成為一個部件，因此，雖然與現(xiàn)有產(chǎn)品相比，本發(fā)明增加了一片自由曲面透鏡，但并沒有增 大系統(tǒng)裝配的難度。
圖1是現(xiàn)有的自由曲面頭戴式顯示器光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖2是本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)光路示意圖； 圖4是本發(fā)明實施例光學(xué)系統(tǒng)畸變網(wǎng)格圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的雙片式自由曲面頭戴顯示器光學(xué)系統(tǒng)實施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括一微型顯示器、一個具有三個光學(xué)表面的自由曲面棱鏡和一個具有兩個光學(xué)表面的自由 曲面透鏡，出瞳(即人眼瞳孔)所在的平面為平面1，從觀察者到像源(即微型顯示器)方向， 依次為棱鏡第一表面2、棱鏡第二表面3、棱鏡第三表面4、透鏡第一表面5和透鏡第二表面 6，棱鏡第一表面2為凹面形狀的透射面，棱鏡第二表面3為凹面形狀的反射面，該面外側(cè)鍍 有反射膜，棱鏡第三表面4為平面透射面，透鏡第一表面5為凸面形狀的透射面，透鏡第二 表面6為平面透射面，該面與微型顯示器面通過粘結(jié)的方式貼合，以便于整體裝調(diào)；光學(xué)系 統(tǒng)的實際光路如圖3所示，微型顯示器(也即是像源)發(fā)出的光線，先經(jīng)過自由曲面透鏡的 透鏡第二表面6透射后經(jīng)過透鏡第一表面5出射，然后經(jīng)過自由曲面棱鏡的棱鏡第三表面 4透射進入自由曲面棱鏡，在自由曲面棱鏡的棱鏡第一表面2內(nèi)側(cè)上發(fā)生全反射，然后經(jīng)過 棱鏡第二表面3反射，最后再次經(jīng)過棱鏡第一表面2透射至人眼。本發(fā)明采用反向光路設(shè) 計方式，則反向描述光路，光路從人眼瞳孔所在的平面1處出發(fā)，通過自由曲面棱鏡第一表 面2透射，經(jīng)過棱鏡第二表面3反射，再反射到棱鏡第一表面2上，并在該表面內(nèi)側(cè)發(fā)生全 反射，再經(jīng)由棱鏡第三表面4透射進入自由曲面透鏡的透鏡第一表面5，經(jīng)過透鏡第二表面 6出射到達(dá)微型顯示器。其中，自由曲面棱鏡和自由曲面透鏡材料為折射率大于1的透明光 學(xué)材料。 系統(tǒng)坐標(biāo)定義如下將出瞳(即人眼瞳孔)位置的中心設(shè)為系統(tǒng)坐標(biāo)原點，YOZ平面 為紙面，Z軸水平向右，Y軸在紙面內(nèi)垂直于Z軸向上，X軸垂直于紙面向里，構(gòu)成右手坐標(biāo) 系；本光學(xué)系統(tǒng)棱鏡第一表面、棱鏡第二表面和透鏡第一表面滿足下述面行方程(1) (3) 其中之一
其中Cx是曲面XZ平面內(nèi)χ方向的曲率半徑，Cy是曲面在yz平面內(nèi)y方向的曲率半徑， Kx是曲面χ方向的二次曲線系數(shù)，Ky是曲面y方向的二次曲線系數(shù)，Ai是4，6，8，10，…2η 階非球面系數(shù)，關(guān)于ζ軸旋轉(zhuǎn)對稱，Pi是4，6，8，10，…2η階非旋轉(zhuǎn)對稱系數(shù)；
其中C為曲面曲率半徑，Cj為多項式系數(shù)；
其中c為曲率半徑，左為二次曲面系數(shù)，兒凡C，々分別為4，6，8，10階非球面系數(shù)。
棱鏡的三個光學(xué)表面之間應(yīng)滿足條件方程(4) (6)
(4) (7)式中和^分別表示全局坐標(biāo)系下的曲面上任意點的坐標(biāo)值，下標(biāo)表示光線 與自由曲面棱鏡與薄透鏡的不同交點。如圖2所示，兄是Y方向最大視場邊緣光線，慫是Y 方向最小視場下邊緣光線；/^為慫與棱鏡第一表面2透射時的交點，/V為慫與棱鏡第二表 面3的交點，& ”%Rb與棱鏡第一表面2反射時的交點，弋為兄與棱鏡第二表面3的交點， Pb '為Rb與棱鏡第三表面4的交點-,Pc為Ru與棱鏡第一表面2反射時的交點，慫'為Ru與棱 鏡第三表面4透射時的交點。&為光線慫在自由曲面透鏡第一表面5的交點，/V為光線慫 與自由曲面透鏡第二表面6的交點。Y方向最大視場上邊緣光線與棱鏡第二表面兩次相交時入射角滿足關(guān)系式(8)，
(8)
其中θ為Y方向最大視場上邊緣光線第二次入射到棱鏡第二表面時的入射角，式中 為棱鏡透明材料的折射率。本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)實施例具有以下光學(xué)特性
1.微型顯示器的對角線長度為0.61英寸，分辨率為800X600，光學(xué)系統(tǒng)成像于無 窮遠(yuǎn)時，對角視場為40度，光學(xué)系統(tǒng)焦距為18mm，出瞳直徑10mm，最小角分辨率為0. 76毫 弧度；
2.微型顯示器與自由曲面透鏡通過透鏡第二表面6膠合為整體，它們與自由曲面 棱鏡之間的直線距離約為4mm，自由曲面棱鏡第一表面2到出瞳1之間的直線距離即光學(xué)系 統(tǒng)的出瞳距離為30mm，自由曲面棱鏡的實際尺寸約為30X 30X 15mm3 (長、寬、厚)，重量小于 12g，自由曲面透鏡實際尺寸約為13XllX4mm3 (長、寬、厚)，重量小于1. 5g ；
3.為使用戶看到清晰沒有明顯變形的畫面，需要對像差和畸變進行控制，本實施 例光學(xué)系統(tǒng)畸變不大于5% ；
4.光學(xué)系統(tǒng)中心視場的傳遞函數(shù)值在301p/mm處大于0.3，邊緣視場傳遞函數(shù)值 在301p/mm處大于0. 1，畸變曲線如圖4所示。表1為本發(fā)明實施例光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)表，本實施例中微型顯示器6的對角線長 度為0. 61英寸，分辨率為800 X 600，光學(xué)系統(tǒng)成像于無窮遠(yuǎn)時，對角視場為40度，光學(xué)系統(tǒng) 焦距為18mm，出瞳直徑10mm，最小角分辨率為0. 76毫弧度。
權(quán)利要求
一種雙片式自由曲面頭戴顯示器光學(xué)系統(tǒng)，包括一微型顯示器和具有三個光學(xué)表面的自由曲面棱鏡，該自由曲面棱鏡包括棱鏡第一表面、棱鏡第二表面和棱鏡第三表面，其特征在于所述棱鏡第三表面為平面透射面，與棱鏡第三表面相對應(yīng)設(shè)置有一具有兩個光學(xué)表面的自由曲面透鏡，該自由曲面透鏡的透鏡第一表面為凸面形狀的透射面，所述透鏡第二表面為平面透射面，該棱鏡第二表面和微型顯示器貼合設(shè)置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙片式自由曲面頭戴顯示器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述透 鏡第二表面和微型顯示器粘結(jié)，用于作為一個整體裝調(diào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙片式自由曲面頭戴顯示器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于將出瞳 位置的中心設(shè)為系統(tǒng)坐標(biāo)原點，YOZ平面為紙面，Z軸水平向右，Y軸在紙面內(nèi)垂直于Z軸向 上，X軸垂直于紙面向里，構(gòu)成右手坐標(biāo)系；所述棱鏡第一表面、棱鏡第二表面和透鏡第一 表面滿足下述面行方程(1) (3)其中之一 其中Cx是曲面XZ平面內(nèi)χ方向的曲率半徑，Cy是曲面在yz平面內(nèi)y方向的曲率半徑， Kx是曲面χ方向的二次曲線系數(shù)，Ky是曲面y方向的二次曲線系數(shù)，Ai是4，6，8，10，…2η 階非球面系數(shù)，關(guān)于ζ軸旋轉(zhuǎn)對稱，Pi是4，6，8，10，…2η階非旋轉(zhuǎn)對稱系數(shù)； 其中C為曲面曲率半徑，Cj為多項式系數(shù)； 其中C為曲率半徑j(luò)為二次曲面系數(shù)，兒凡G々分別為4，6，8，10階非球面系數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙片式自由曲面頭戴顯示器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述棱 鏡的三個光學(xué)表面之間應(yīng)滿足條件方程(4) (6) 且滿足睡 (4) (7)式中和^分別表示全局坐標(biāo)系下的曲面上任意點的坐標(biāo)值，下標(biāo)表示光線 與自由曲面棱鏡與薄透鏡的不同交點。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙片式自由曲面頭戴顯示器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于Y方向最 大視場上邊緣光線與棱鏡第二表面兩次相交時入射角滿足關(guān)系式(8)， (8)其中θ為Y方向最大視場上邊緣光線第二次(入射到棱鏡第二表面時的入射角，式中 η為棱鏡透明材料的折射率。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙片式自由曲面頭戴顯示器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述自 由曲面棱鏡和自由曲面透鏡材料為折射率大于1的透明光學(xué)材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙片式自由曲面頭戴顯示器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述微 型顯示器為0. 61或0. 59英寸的OLED或IXD顯示器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種雙片式自由曲面頭戴顯示器光學(xué)系統(tǒng)，屬于光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域，本發(fā)明包括一微型顯示器、一個具有三個光學(xué)表面的自由曲面棱鏡和一個具有兩個光學(xué)表面的自由曲面透鏡，本發(fā)明的雙片式自由曲面頭戴顯示器光學(xué)系統(tǒng)中自由曲面棱鏡的三個光學(xué)面中有兩個面為自由曲面，棱鏡頂面即棱鏡第三表面為平面，在加工過程中可以將頂面作為基面，減小了自由曲面定位的難度，從而降低加工成本；本發(fā)明增加了自由曲面透鏡，該自由曲面透鏡的兩光學(xué)表面分別為自由曲面和平面，加工難度較低，而且自由曲面透鏡的面形參數(shù)、厚度、偏心和傾角都可以作為優(yōu)化變量，有較多的優(yōu)化變量，更有利于系統(tǒng)像差的校正，可以實現(xiàn)更大的出瞳直徑。
文檔編號G02B17/08GK101900872SQ201010237700
公開日2010年12月1日 申請日期2010年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月27日
發(fā)明者劉彤, 楊波 申請人:中國航空工業(yè)集團公司洛陽電光設(shè)備研究所