双片式自由曲面头戴显示器光学系统技术方案

本发明专利技术涉及一种双片式自由曲面头戴显示器光学系统，属于光学系统设计领域，本发明专利技术包括一微型显示器、一个具有三个光学表面的自由曲面棱镜和一个具有两个光学表面的自由曲面透镜，本发明专利技术的双片式自由曲面头戴显示器光学系统中自由曲面棱镜的三个光学面中有两个面为自由曲面，棱镜顶面即棱镜第三表面为平面，在加工过程中可以将顶面作为基面，减小了自由曲面定位的难度，从而降低加工成本；本发明专利技术增加了自由曲面透镜，该自由曲面透镜的两光学表面分别为自由曲面和平面，加工难度较低，而且自由曲面透镜的面形参数、厚度、偏心和倾角都可以作为优化变量，有较多的优化变量，更有利于系统像差的校正，可以实现更大的出瞳直径。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光学系统，尤其是双片式自由曲面头戴显示器光学系统，属于光学系统设计领域，可广泛适用于军事、工业、医疗、娱乐、虚拟现实和增强现实领域中。
技术介绍
随着科学技术的发展，光电产业对光学系统的性能要求也越来越高。现代光电系统正朝小型化、高性能方向发展，因而要求相应的光学系统以较紧凑的结构实现较高的成像质量。头戴式显示器是一种典型的现代光电显示系统，在多媒体娱乐、军事、工业、医疗以及虚拟现实和增强现实等领域都具有巨大的应用价值和市场。对头戴式显示器的要求为佩戴舒适、结构紧凑、体积小、高成像质量和尽可能大的视场。头戴式显示器的光学系统结构经历了从传统的共轴透镜式目镜结构到自由曲面棱镜式结构的发展过程。传统共轴透镜式结构形式很难解决系统对视场角、出瞳距离的要求与小型轻量化之间的矛盾，为实现大视场和大出瞳直径，通常需要采用多片透镜，有些方案中还采用了衍射/全息光学元件，不仅导致系统生产成本的增加，更重要的是，头戴式显示器传统共轴透镜式结构系统的尺寸和重量都较大，不便于佩戴者使用。为了满足人们对头戴式显示器的光学系统要求，许多头戴式显示器都采用自由曲面棱镜式光学系统，既能获得大视本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双片式自由曲面头戴显示器光学系统，包括一微型显示器和具有三个光学表面的自由曲面棱镜，该自由曲面棱镜包括棱镜第一表面、棱镜第二表面和棱镜第三表面，其特征在于：所述棱镜第三表面为平面透射面，与棱镜第三表面相对应设置有一具有两个光学表面的自由曲面透镜，该自由曲面透镜的透镜第一表面为凸面形状的透射面，所述透镜第二表面为平面透射面，该棱镜第二表面和微型显示器贴合设置。

【技术特征摘要】
1.一种双片式自由曲面头戴显示器光学系统，包括一微型显示器和具有三个光学表面的自由曲面棱镜，该自由曲面棱镜包括棱镜第一表面、棱镜第二表面和棱镜第三表面，其特征在于：所述棱镜第三表面为平面透射面，与棱镜第三表面相对应设置有一具有两个光学表面的自由曲面透镜，该自由曲面透镜的透镜第一表面为凸面形状的透射面，所述透镜第二表面为平面透射面，该棱镜第二表面和微型显示器贴合设置。2.根据权利要求1所述的双片式自由曲面头戴显示器光学系统，其特征在于：所述透镜第二表面和微型显示器粘结，用于作为一个整体装调。3.根据权利要求2所述的双片式自由曲面头戴显示器光学系统，其特征在于：将出瞳位置的中心设为系统坐标原点，YOZ平面为纸面，Z轴水平向右，Y轴在纸面内垂直于Z轴向上，X轴垂直于纸面向里，构成右手坐标系；所述棱镜第一表面、棱镜第二表面和透镜第一表面满足下述面行方程(1)～(3)其中之一：  (1)其中Cx是曲面xz平面内x方向的曲率半径，Cy是曲面在yz平面内y方向的曲率半径，Kx是曲面x方向的二次曲线系数，Ky是曲面y方向的二次曲线系数，Ai是4，6，8，10，…2n阶非球面系数，关于z轴旋转对称，Pi是4，6，8，10，…2n阶非旋转对称系数；              （2）其中C为曲面曲率半径，c...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨波，刘彤，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，
类型：发明
国别省市：41