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一种离轴头戴显示光学系统中自由曲面反射镜的设计方法技术方案

技术编号:28319485 阅读:18 留言:0更新日期:2021-05-04 12:59
本发明专利技术属于光学设计领域,为解决现有离轴头戴显示光学系统设计方法不能直接设计全视场全孔径自由曲面反射镜的问题,提出一种离轴头戴显示光学系统中自由曲面反射镜的设计方法,通过建立相邻两个采样视场之间的迭代关系,并根据马吕斯定律在全视场和全孔径下计算未知自由曲面的特征数据点,将求得的特征数据点拟合得到自由曲面对应的表达式;将计算得到的自由曲面作为初始结构,利用评价函数对拟合的多项式系数进行优化,确定最优拟合系数,得到离轴头戴显示光学系统最终结构。本方案能够在全视场和全孔径下直接计算离轴头戴显示光学系统的自由曲面反射镜,不需要计算法向量,简化了计算流程,计算效率高。

【技术实现步骤摘要】
一种离轴头戴显示光学系统中自由曲面反射镜的设计方法
本专利技术属于光学设计领域,具体涉及一种离轴头戴显示光学系统中自由曲面反射镜的设计方法。
技术介绍
在离轴头戴显示光学系统中,为了避免遮拦或满足光学系统尺寸和重量的约束,光学系统的对称性被破坏,导致光学系统的性能大幅度下降。自由曲面作为一种非旋转对称的光学曲面,能够校正系统因离轴而产生的像差,从而恢复离轴系统的光学性能。因此自由曲面常被用在离轴头戴显示光学系统中。传统的自由曲面离轴头戴显示光学系统设计,一般采用球面作为初始结构的面型,然后将该面型设置为用多项式表征的自由曲面,并将多项式系数设为变量,根据设计要求编写优化函数并进行优化,得到最终的光学系统。然而由于自由曲面多项式项数较多,用该方法进行自由曲面设计效率较低;且优化过程受初始结构的影响较大,容易陷入局部最优值。因此,研究者们提出了一些自由曲面直接设计方法,根据物像关系或消像差条件直接构建自由曲面光学系统初始结构。文献“Singleopticalsurfaceimagingdesignswithunconstrained本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种离轴头戴显示光学系统中自由曲面反射镜的设计方法,所述的离轴头戴显示光学系统包括:自由曲面反射镜和微显示器;光线从所述微显示器发出,经所述自由曲面反射镜反射后形成一个被眼睛观察的虚像;其特征在于:建立所述离轴头戴显示光学系统相邻两个采样视场之间的迭代关系,并根据马吕斯定律在全视场和全孔径下计算所述自由曲面反射镜的自由曲面特征数据点,将求得的特征数据点拟合得到自由曲面对应的表达式;将计算得到的自由曲面作为初始结构,利用评价函数对拟合的多项式系数进行优化,确定最优拟合系数,得到离轴头戴显示光学系统中自由曲面反射镜的最终结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种离轴头戴显示光学系统中自由曲面反射镜的设计方法,所述的离轴头戴显示光学系统包括:自由曲面反射镜和微显示器;光线从所述微显示器发出,经所述自由曲面反射镜反射后形成一个被眼睛观察的虚像;其特征在于:建立所述离轴头戴显示光学系统相邻两个采样视场之间的迭代关系,并根据马吕斯定律在全视场和全孔径下计算所述自由曲面反射镜的自由曲面特征数据点,将求得的特征数据点拟合得到自由曲面对应的表达式;将计算得到的自由曲面作为初始结构,利用评价函数对拟合的多项式系数进行优化,确定最优拟合系数,得到离轴头戴显示光学系统中自由曲面反射镜的最终结构。


2.如权利要求1所述的一种离轴头戴显示光学系统中自由曲面反射镜的设计方法,其特征在于,采用逆光路设计,即以光学系统的出瞳作为设计时的入瞳,以微显示器处所在平面作为设计时的像面,光线从无穷远入射,经过自由曲面反射镜反射后在像面处成像;
包括以下设计步骤:
步骤S1,建立一初始平面系统,该初始系统包括一个初始平面反射镜,且该初始平面反射镜对应离轴头戴显示光学系统中的自由曲面反射镜Ω;入瞳中心沿中心视场主光线方向到初始平面反射镜中心的距离根据光学系统外形尺寸确定;
步骤S2,选取M个视场,在极坐标下对每个视场的光瞳分别均匀采样K个数据点,所述K个数据点对应该视场下K条特征光线;定义特征光线为入射至自由曲面反射镜Ω的平行光以及经自由曲面反射镜的反射光线,定义特征数据点为特征光线与自由曲面反射镜Ω的交点,其中为视场的序号数,∈(1,M),为每个视场中特征光线的序号数,∈(0,),为第个视场下第个特征数据点;定义为各视场特征光线在像面上的理想像点;对于每个采样视场i,波前平面经过光瞳的中心,并与主光线垂直;第i个视场中,特征光线与波前平面相交且垂直,交点定义为对应特征光线的起点;
步骤S3,根据特征光线的起点、自由曲面反射镜Ω的特征数据点和理想目标点,建立相邻两个采样视场之间的迭代关系,计算得到自由曲面反射镜Ω的所有特征数据点;
步骤S4,对自由曲面反射镜Ω的所有特征数据点进行多项式拟合,生成用多项式表征的自由曲面反射镜,得到离轴头戴显示光学系统初始结构;利用评价函数对拟合的多项式系数进行优化,确定所述多项式的最优拟合系数,生成所需的自由曲面反射镜,得到离轴头戴显示光学系统最终结构。


3.如权利要求2所述的一种离轴头戴显示光学系统中自由曲面反射镜的设计方法,其特征在于,步骤S3中包括如下步骤:
步骤S3.1,在第1个采样视场中,定义从出瞳中心发出的主光线为参考光线,定义第1个采样视场下的特征数据点构成的曲面为自由曲面Ω1;参考光线与自由曲面Ω1的交点作为参考点,即所述步骤S1中初始平面反射镜中心的位置;参考光线在参考点处反射后到达理想目标点;根据马吕斯定律,求解第1个采样视场下自由曲面Ω1上的特征数据点;
步骤S3.2,将第1个视场下的所有特征数据点拟合成用多项式表征的自由曲面Ω1;
步骤S3.3,在得到前个视场下的自由曲面后,在第个采样视场中,将从出瞳中心发出的主光线作为参考光线,定义第个采样视场下的特征数据点构成的曲面为自由曲面Ωi+1;参考光线与已知自由曲面的交点作为参考点,参考光线在参考点处反射后到达理想目标点;根据马吕斯定律,求解第个采样视场下自由曲面Ωi+1上特征数据点;
步骤S3.4,将前个视场下的所有特征数据点拟合成用多项式表征的自由...

【专利技术属性】
技术研发人员:曾春梅芮丛珊洪洋马锁冬
申请(专利权)人:苏州大学
类型:发明
国别省市:江苏;32

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