采用双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统技术方案

采用双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统，涉及光学系统和器件设计领域，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，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组成。所述光学系统按照逆向光路设计；光路由出瞳处(人眼位置)开始，各视场的光线以平行光的方式经过出瞳进入系统，再经过第一自由曲面反射镜反射后入射到中继透镜组，中继透镜组出射后经过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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
采用双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统
本专利技术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。
技术介绍
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究中，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。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。
技术实现思路
本专利技术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。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；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、第十一表面、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、第二十一表面、第二十二表面和第二十三表面组成；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、第十一表面、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、第二十一表面和第二十二表面为球面。本专利技术带来的有益效果：本专利技术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；本专利技术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；本专利技术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；本专利技术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。附图说明图1为本专利技术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；图2为本专利技术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；图3为本专利技术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)×20°(V)视场内网格畸变图；图4为本专利技术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)×60°(V)视场内网格畸变图；图5为本专利技术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。图6为本专利技术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。结合图2说明本实施方式，光学表面和光学元件编号由入瞳开始，包括入瞳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、第十一表面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、第二十一表面24、第二十二表面25、第二十三表面26，其中第七表面10、第九表面12、第十八表面21、第二十三表面26为偶次非球面，第十二表面15为二次曲面，其他表面均为球面；第七表面10、第八表面11和第九表面12组成双胶合透镜；第十表面13、第十一表面14和第十二表面15组成双胶合透镜；第十五表面18、第十六表面19和第十七表面20组成双胶合透镜；后继透镜组的各表面都在同一轴线上；显示屏27。从第二自由曲面反射镜B向后继透镜组出射的会聚光线口径大，使用一个大口径负透镜作为后继透镜组的第一个透镜来接收大口径会聚光线，并在该大口径负透镜后继续使用一个小口径负透镜进一步减小各视场主光线与后继透镜组轴线的夹角，利于校正各项与视场有关的像差；所述大口径负透镜与小口径负透镜组合成双胶合透镜组；所述大口径负透镜即图2中第七表面10与第八表面11组成的透镜，所述小口径负透镜即图2中第八表面11与第九表面12组成的透镜；本专利技术中所涉及的位置坐标、长度的单位均为毫米mm；本实例所实现的光学系统性能指标如下：视场大小为水平方向106.3°，竖直方向80°本文档来自技高网...

【技术保护点】
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(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)；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(1)进入光学系统，再经第一自由曲面反射镜(A)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(B)反射进入后继透镜组，最后会聚到显示屏(27)上；其特征是，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(3)、第二表面(4)和第三表面(5)组成，第二双胶合透镜组由第四表面(6)、第五表面(7)和第六表面(8)组成，所述第三表面(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)和第五表面(7)为球面；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(10)、第八面(11)、第九表面(12)、第十表面(13)、第十一表面(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)、第二十一表面(24)、第二十二表面(25)和第二十三表面(26)组成；所述第七表面(10)、第九表面(12)、第十八表面(21)和第二十三表面(26)为偶次非球面，第十二表面(15)为二次曲面，第八面(11)、第十表面(13)、第十一表面(14)、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)、第十九表面(22)、第二十表面(23)、第二十一表面(24)和第二十二表面(25)为球面。...

【技术特征摘要】
1.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(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)；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(1)进入光学系统，再经第一自由曲面反射镜(A)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(B)反射进入后继透镜组，最后会聚到显示屏(27)上；其特征是，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(3)、第二表面(4)和第三表面(5)组成，第二双胶合透镜组由第四表面(6)、第五表面(7)和第六表面(8)组成，所述第三表面(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)和第五表面(7)为球面；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(10)、第八面(11)、第九表面(12)、第十表面(13)、第十一表面(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)、第二十一表面(24)、第二十二表面(25)和第二十三表面(26)组成；所述第七表面(10)、第九表面(12)、第十八表面(21)和第二十三表面(26)为偶次非球面，第十二表面(15)为二次曲面，第八面(11)、第十表面(13)...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟奇，孟祥翔，姜国华，朱秀庆，杨建明，魏忠伦，康玉思，唐伯河，安明，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22