專利名稱：基于自由曲面棱鏡的頭盔顯示器的光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
基于自由曲面棱鏡的頭盔顯示器的光學(xué)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種輕小型寬光譜自由曲面棱鏡頭盔顯示 器折衍混合光學(xué)系統(tǒng)，屬于光學(xué)系統(tǒng)和器件設(shè)計(jì)領(lǐng)域，適用于虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
請(qǐng)參閱圖1，頭盔顯示器(Helmet-mounted display，HMD)由微型圖像源及光學(xué)
系統(tǒng)組成。該光學(xué)系統(tǒng)通過部分反射組合玻璃將準(zhǔn)直圖像顯示至無窮遠(yuǎn)或是足夠遠(yuǎn)的地 方，以便于飛行員正常觀察。在透視式HMD中，圖像將與外部視景疊加在一起投射入 人眼中。目前多數(shù)HMD光學(xué)系統(tǒng)基本上都是采用顯微鏡正像目鏡形式，整個(gè)系統(tǒng)大致 由三部分組成中繼光學(xué)系統(tǒng)、目鏡系統(tǒng)和光學(xué)組合玻璃。圖1中，中繼光學(xué)系統(tǒng)為中 繼透鏡，目鏡系統(tǒng)為反射目鏡，光學(xué)組合玻璃采用半透半反平板玻璃，在HMD中，中繼 透鏡將像源成像在反射目鏡的焦平面上，經(jīng)過反射目鏡轉(zhuǎn)變成平行光，再由佩戴者眼前 的半透半反平板玻璃將其投射到佩戴者的眼中視網(wǎng)膜上。已公開的典型頭盔顯示器專利有美國專利Pat.No.4,322,135和4,969,724、歐洲專 利Pat.No.0,583,116A2和日本專利Pat.No.7_333551等。在上述專利中，構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng)的 反射面或透射面采用球面、旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面或胎形面等，造成光學(xué)系統(tǒng)不能同時(shí)校正垂 軸像差和畸變，而且難以實(shí)現(xiàn)小型化，限制了頭盔顯示器的應(yīng)用。請(qǐng)參閱圖2，美國專利Pat.No.5,959,780和6,292,301利用自由曲面棱鏡 (Free-Form surface Prism, FFSM)改進(jìn)HMD光學(xué)系統(tǒng)，解決了光學(xué)系統(tǒng)對(duì)視場(chǎng)角、出瞳
距離的要求與小型輕量化之間的矛盾。但由于FFSM光學(xué)系統(tǒng)僅使用一種玻璃材料，無 法校正色差，實(shí)現(xiàn)寬波段顯示。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就是針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)的一種基于自由 曲面棱鏡的頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)彩色顯示，能有效校正像差提高像質(zhì)，適合虛 擬現(xiàn)實(shí)或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)用頭盔顯示器的折衍混合光學(xué)系統(tǒng)。。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題的一種基于自由曲面棱鏡的頭 盔顯示器的光學(xué)系統(tǒng)，為一由Sl面、S2面、S3面組成的自由曲面棱鏡，作為像源的微 型液晶顯示器(LCD)生成的圖象經(jīng)S3面折射后進(jìn)入棱鏡系統(tǒng)，再由S2面進(jìn)行全內(nèi)反射 后傳輸?shù)絊l面，經(jīng)Sl面反射后再次到S2面折射后會(huì)聚到人眼中，其中S2面為平面， S3面為球面，首先定義全局坐標(biāo)系為原點(diǎn)O在入射光瞳中心；Z軸沿主光軸LO逆向追 跡從入瞳中心到棱鏡；Y軸垂直Z軸在包含主光軸LO的平面內(nèi)；X軸同時(shí)垂直Y軸和Z 軸；然后定義每個(gè)光學(xué)面的局部坐標(biāo)系為原點(diǎn)位于全局坐標(biāo)(SXi，SYi, SZi)上，Zi 軸是一條通過局部坐標(biāo)系原點(diǎn)，與全局坐標(biāo)系中Z軸成一個(gè)θ i角，Yi軸是通過原點(diǎn)在對(duì) 稱平面內(nèi)且與Zi軸成直角；Xi軸垂直于Zi軸和Yi軸的坐標(biāo)軸，依據(jù)上述坐標(biāo)系定義，得到每個(gè)光學(xué)面的函數(shù)表達(dá)式，其中Sl面的函數(shù)表達(dá)式為澤尼克多項(xiàng)式，如下式 _CxX2+Cyy2_
0007 ι H--(ι +^KV+(ι+ ^,Kv+c,(jc2-y2)+C2 (-1 + 2 +2/)+c}(-2y + 3x2y + 3y3)+c4{3x2y~y3)+c5(x4 -6x2y2 +y4)+ c6 (- 3x2 + 4x4 + 3γ2 - 4/ )+ c7 (1 _ 6x2 +6x4 -6y2 + I2x2y2)+ cg^3y-12x2y +IOx4y - 12y3 +20x2y2 +IOy5^j+Cg(-12x2y + 15x4y + 4y3 +10x2y3 -5y5)+c10(5^V-IO^V3 +y5)+cu(x6-15x4y2 +15x2y4 -/)+ c]2 ( χ6 一 30x2y4 _ 30xy + 6y6 — + 30x2y2 - 5y4 )+c13(i5a:6 +15xV2-15χ2γ4 -15/ -20x4 +20j4 +6x2 -6y2) + c14(20λ; + 60x^y2 + 60x2y4 + 20y6 - 30x4 - 60X2y2 - 30少4 +I2x2 +Ily2 -l)式中y項(xiàng)采用奇次冪；χ項(xiàng)采用偶次冪，這樣可以使平面對(duì)稱非球面在χ軸方向 的曲率按照我們希望的情況變化，從而達(dá)到消除弓形畸變像差的目的。調(diào)整Sl面的函數(shù)表達(dá)式中Cx和Cy的值，滿足科丁頓方程，以實(shí)現(xiàn)像散像差校 正。對(duì)于寬波段顯示，除了這些單色像差校正以外，最關(guān)鍵的就是色差的校正問 題。而對(duì)于自有曲面棱鏡光學(xué)系統(tǒng)，僅使用一種玻璃材料，無法校正色差，為了實(shí)現(xiàn)寬 波段顯示，同時(shí)也有利于減小系統(tǒng)體積和重量，本發(fā)明將二元光學(xué)元件引入自有曲面棱 鏡光學(xué)系統(tǒng)中。在S3面上引入了二元光學(xué)元件，所述二元光學(xué)元件采用浮雕結(jié)構(gòu)，將二元光學(xué) 元件置于S3面球面透鏡的平面上，所述浮雕由一圈圈的凹槽組成，每個(gè)凹槽的一個(gè)側(cè)臂 被雕刻成8個(gè)臺(tái)階，所有凹槽深度相同。因?yàn)槎鈱W(xué)元件的等效阿貝數(shù)大約為-3.452，而光學(xué)玻璃的阿貝數(shù)都在20以 上。因此在一個(gè)正透鏡表面上形成的二元光學(xué)元件可以起到負(fù)透鏡的作用，給它以適當(dāng) 的光焦度就可以消色差，用于寬帶成像。另外，二元光學(xué)元件具有任意的相位分布特 性，從而為光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供更多的自由度來校正系統(tǒng)的像差，提高光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì) 量，同時(shí)也能起到減少光學(xué)系統(tǒng)中的透鏡個(gè)數(shù)、減輕重量的作用。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)彩色顯示，能有效校正像差提高像質(zhì)，并且視場(chǎng)大、體積小、重量輕、像質(zhì)好，尤其重要的是波段寬特別適用虛擬現(xiàn)實(shí)或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭盔顯示 器所需光學(xué)系統(tǒng)的要求。

圖1為現(xiàn)有技術(shù)之一的光學(xué)原理示意圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)之二的光學(xué)原理示意圖；圖3為本發(fā)明原理示意圖；圖4為二元光學(xué)元件的浮雕結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面參照附圖結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員可 以更好的理解本發(fā)明并能予以實(shí)施，但所舉實(shí)施例不作為對(duì)本發(fā)明的限定。對(duì)于傳統(tǒng)HMD光學(xué)系統(tǒng)如圖1和圖2，很難實(shí)現(xiàn)既增大視場(chǎng)角、實(shí)現(xiàn)彩色顯示 又能減小光學(xué)系統(tǒng)體積和重量，因?yàn)閷?duì)于傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)彩色顯示，就必須引入折 射率不同的光學(xué)材料組成的膠合透鏡校正色差，導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)重量增大。而為了增加視 場(chǎng)角就要減小光學(xué)系統(tǒng)的焦距(減小凹面反射鏡的半徑)，不得不增大光學(xué)系統(tǒng)口徑，導(dǎo) 致系統(tǒng)體積增大。為此設(shè)計(jì)了基于自由曲面棱鏡的折衍混合光學(xué)系統(tǒng)。如圖3所示，本發(fā)明基于自由曲面棱鏡的頭盔顯示器的光學(xué)系統(tǒng)為一由Sl面、 S2面、S3面組成的自由曲面棱鏡，作為像源的微型液晶顯示器(LCD)生成的圖象經(jīng)S3 面折射后進(jìn)入棱鏡系統(tǒng)，再由S2面進(jìn)行全內(nèi)反射后傳輸?shù)絊l面，經(jīng)Sl面反射后再次到 S2面折射后會(huì)聚到人眼中。為了清晰給出該光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，首先定義全局坐標(biāo)系為 原點(diǎn)O在入射光瞳中心；Z軸沿主光軸LO逆向追跡從入瞳中心到棱鏡；Y軸垂直Z軸在 包含主光軸LO的平面內(nèi)；X軸同時(shí)垂直Y軸和Z軸；然后每個(gè)光學(xué)面的局部坐標(biāo)系為 原點(diǎn)位于全局坐標(biāo)(SXi，SYi, SZi)上，Zi軸是一條通過局部坐標(biāo)系原點(diǎn)，與全局坐標(biāo) 系中Z軸成一個(gè)角，如圖3所示；Yi軸是通過原點(diǎn)在對(duì)稱平面內(nèi)且與Zi軸成直角； Xi軸垂直于Zi軸和Yi軸的坐標(biāo)軸。依據(jù)上述坐標(biāo)系定義，可得到每個(gè)光學(xué)面的函數(shù)表 達(dá)式，其中Sl面的函數(shù)表達(dá)式為澤尼克多項(xiàng)式，如(1)式，
z =_CxX2 +cyy2_+Cl(x2-y2)+c2(-l + 2x2 +2y2)+c^-ly+ 3x1y + 3y1')+c5(x^ -6x2y2 +/)+c6(-3x2 + 4x4 + 3y2 - 4γ4)+ c7 (1 - 6x2 + 6x4 - 6y2 + Ux2y2)
+ C8^ - 12χ2γ + 10χ4γ - I2y3 +20x2y2+l0y5j+c9(-12x2y + 15x4y + 4y3 +10χ2γ3 -5少5)+ c10 (5x4y - 10χ2γ3 + / )+cu(x6-I5x4y2 +I5x2y4 -/)+ C12 ( χ6 - 30χ2γ4 - 30xy + 6y6 一 5λ:4 + 30χ2γ2 - 5y4)+cI3(l5x6 +·15χ4γ2-15χ2γ4 -15/ - 20x4 + 20y4 + 6x2 - 6γ2) (1)+ cl4 (20x + 60χ4γ2 + 60x2y4 + 20y6 - 30x4 - 60x2y2 - 30y4 +Ilx2 + \2y2 -1)式中y項(xiàng)采用奇次冪；χ項(xiàng)采用偶次冪，使Sl面在χ軸方向的曲率按照我們希 望的情況變化，從而達(dá)到消除弓形畸變像差的目的；另外，適當(dāng)調(diào)整(1)式中Cx和Cy 的值，滿足科丁頓方程(Coddington，s Equation),即可實(shí)現(xiàn)像散像差校正。S2面為平 面，S3面為球面，這樣有利于器件加工。同時(shí)為消除色差，在S3面上引入了二元光學(xué)元件。該二元光學(xué)元件的浮雕結(jié)構(gòu) 如圖4所示，將二元光學(xué)元件置于球面透鏡的平面上，可以顯著降低加工難度，提高加 工精度。該二元光學(xué)元件的加工采用掩模工藝，用三塊掩模加工成8臺(tái)階結(jié)構(gòu)，可以看 出浮雕由一圈圈的凹槽組成，凹槽的一個(gè)側(cè)臂被雕刻成8個(gè)臺(tái)階，所有凹槽深度相同， 但寬度不同，這種結(jié)構(gòu)可以使二元光學(xué)元件具有一定的光焦度，從而實(shí)現(xiàn)其光學(xué)性能。雖然以上描述了本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，但是熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng) 理解，我們所描述的具體的實(shí)施例只是說明性的，而不是用于對(duì)本發(fā)明的范圍的限定， 熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在依照本發(fā)明的精神所作的等效的修飾以及變化，都應(yīng)當(dāng)涵蓋在 本發(fā)明的權(quán)利要求所保護(hù)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于自由曲面棱鏡的頭盔顯示器的光學(xué)系統(tǒng)，為一由Sl面、S2面、S3面組 成的自由曲面棱鏡，作為像源的微型液晶顯示器(LCD)生成的圖象經(jīng)S3面折射后進(jìn)入棱 鏡系統(tǒng)，再由S2面進(jìn)行全內(nèi)反射后傳輸?shù)絊l面，經(jīng)Sl面反射后再次到S2面折射后會(huì)聚 到人眼中，其中S2面為平面，S3面為球面，其特征在于首先定義全局坐標(biāo)系為原點(diǎn) O在入射光瞳中心；Z軸沿主光軸LO逆向追跡從入瞳中心到棱鏡；Y軸垂直Z軸在包含 主光軸LO的平面內(nèi)；X軸同時(shí)垂直Y軸和Z軸；然后定義每個(gè)光學(xué)面的局部坐標(biāo)系為 原點(diǎn)位于全局坐標(biāo)(SXi，SYi, SZi)上，Zi軸是一條通過局部坐標(biāo)系原點(diǎn)，與全局坐標(biāo) 系中ζ軸成一個(gè)ei角，Yi軸是通過原點(diǎn)在對(duì)稱平面內(nèi)且與Zi軸成直角；Xi軸垂直于Zi 軸和Yi軸的坐標(biāo)軸，依據(jù)上述坐標(biāo)系定義，得到每個(gè)光學(xué)面的函數(shù)表達(dá)式，其中Sl面的函數(shù)表達(dá)式為澤尼克多項(xiàng)式，如下式 ”_g^2 +cyy2_l + ^l-(l + >cx)cx2x2+(l + Ky}:/y2+ c2(-1 + 2x2 +2y2)+ c3(-2y + 3x2y + 3y3)+ c4(3x2y-y3)+ c5(x" -6x2y2 +y4)+ c6(-3x2 +Ax4 +3y2-Ay4)+ c7(l —6x2 +6:c4 -6y2 +I2x2y2)+ c8〔3y - I2x2y + IOjcV 一 ^y3 + 20x2y2 + IOj5)+ cg(-\2x2y + l5x4y + 4y3 + IOx2y3 -5y5)+ c10(Sxiy-IOx2y3^ys)+ cn(x6-\5x4y2 +15x2/ -/)+ cu(6x6 -30x2y4 -30^ + 6^6 -5x4 +30x2y2 -5/)+ c13(l5^6 +I5x4y2-I5x2y4 -15/ -20jc4 +20y4 +6x2 -6y2)+ cu(20x + 60x^y2 +60χ2γ^ +20少6 -30x4 -60x2y2 -30y4 +Ux2 +Ily2 -l)式中y項(xiàng)采用奇次冪；χ項(xiàng)采用偶次冪。
2.如權(quán)利要求1所述的基于自由曲面棱鏡的頭盔顯示器的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于 調(diào)整Sl面的函數(shù)表達(dá)式中Cx和Cy的值，滿足科丁頓方程，以實(shí)現(xiàn)像散像差校正。
3.如權(quán)利要求1或2所述的基于自由曲面棱鏡的頭盔顯示器的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在 于在S3面上引入了二元光學(xué)元件，所述二元光學(xué)元件采用浮雕結(jié)構(gòu)，將二元光學(xué)元件 置于S3面球面透鏡的平面上，所述浮雕由一圈圈的凹槽組成，每個(gè)凹槽的一個(gè)側(cè)臂被雕 刻成8個(gè)臺(tái)階，所有凹槽深度相同。
全文摘要
一種基于自由曲面棱鏡的頭盔顯示器的光學(xué)系統(tǒng)，為一由S1面、S2面、S3面組成的自由曲面棱鏡，S2面為平面，S3面為球面，首先定義全局坐標(biāo)系為原點(diǎn)O在入射光瞳中心；Z軸沿主光軸L0逆向追跡從入瞳中心到棱鏡；Y軸垂直Z軸在包含主光軸L0的平面內(nèi)；X軸同時(shí)垂直Y軸和Z軸；然后定義每個(gè)光學(xué)面的局部坐標(biāo)系為原點(diǎn)位于全局坐標(biāo)(SXi，SYi，SZi)上，Zi軸是一條通過局部坐標(biāo)系原點(diǎn)，與全局坐標(biāo)系中Z軸成一個(gè)θi角，Yi軸是通過原點(diǎn)在對(duì)稱平面內(nèi)且與Zi軸成直角；Xi軸垂直于Zi軸和Yi軸的坐標(biāo)軸，依據(jù)上述坐標(biāo)系定義，得到每個(gè)光學(xué)面的函數(shù)表達(dá)式，其中S1面的函數(shù)表達(dá)式為澤尼克多項(xiàng)式。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)彩色顯示，能有效校正像差提高像質(zhì)。
文檔編號(hào)G02B17/08GK102012563SQ20101029921
公開日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月28日
發(fā)明者張肖強(qiáng), 李剛, 楊新軍, 董戴, 閆記香 申請(qǐng)人:中航華東光電有限公司