本發(fā)明涉及光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于雙自由曲面反射的成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(augmentedreality，“ar”)是一種利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生虛擬圖像信息來增加用戶對現(xiàn)實(shí)世界感知的技術(shù)。與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所達(dá)到的完全沉浸的效果不同，ar技術(shù)致力于將計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體，圖像，文字等信息，疊加到真實(shí)場景，創(chuàng)造一個虛實(shí)結(jié)合的世界，并通過圖像識別，跟蹤與注冊技術(shù)，云技術(shù)等實(shí)現(xiàn)虛實(shí)場景的交互，從而實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)實(shí)世界的“增強(qiáng)”。
近年來，隨著微電子，光電子以及光學(xué)設(shè)計(jì)等技術(shù)的不斷進(jìn)步，原本重量重體積大的頭盔式顯示系統(tǒng)，逐漸發(fā)展成為功耗小，重量輕，體積小巧的可穿戴智能眼鏡系統(tǒng)(又稱視頻眼鏡)，成為可穿戴技術(shù)的重中之重。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡從只應(yīng)用于國防和航空航天領(lǐng)域迅猛發(fā)展到各種行業(yè)場景和普通消費(fèi)者的應(yīng)用。
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)智能眼鏡系統(tǒng)主要由圖像顯示源，光學(xué)成像系統(tǒng)，定位傳感系統(tǒng)，電路控制以及連接系統(tǒng)，配重系統(tǒng)等組成。隨著高分辨率平板微顯示器件的日益成熟，目前圖像源逐漸從早期的微型crt替代為lcd，oled，lcos和dlp等微型平板顯示器件。
光學(xué)系統(tǒng)的性能不但影響圖像源的成像效果，還與智能眼鏡的體積，重量和使用感受等有著密切的關(guān)系。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡往往采用穿透式光路。佩戴者看到的是圖像源經(jīng)過放大和像差修正形成的虛像。虛像成像在眼前3米遠(yuǎn)的位置，佩戴者可以同時獲得圖像源的虛擬信息和外部場景的真實(shí)信息。
光學(xué)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時需要綜合考慮視場角，亮度，出瞳距離，出瞳直徑，雙目瞳距，像差和放大率等參數(shù)和整體體積重量及成本的協(xié)調(diào)優(yōu)化。從同行業(yè)內(nèi)已有的光路設(shè)計(jì)方案來看，比如谷歌公司google-glass的棱鏡反射式光路，微軟公司hololens眼鏡的全息光柵波導(dǎo)光路，以色列l(wèi)umus公司的層疊陣列幾何波導(dǎo)方案和北京理工大學(xué)的自由曲面棱鏡方案等；同時實(shí)現(xiàn)光學(xué)參數(shù)的最優(yōu)和體積重量的小巧，具有較高的難度和挑戰(zhàn)性。
使用幾何波導(dǎo)或者全息波導(dǎo)方案的智能眼鏡，利用光線在平面波導(dǎo)元件內(nèi)的全內(nèi)反射和光柵衍射有效降低了光學(xué)元件的厚度，但平面波導(dǎo)元件并不能提供光焦度，需要配合復(fù)雜的中繼光路使用。
在成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，光學(xué)表面經(jīng)歷了球面、圓錐曲面(conic曲面)、傳統(tǒng)非球面、自由曲面的發(fā)展歷程，國內(nèi)外對自由曲面的研究已經(jīng)進(jìn)行了多年。隨著研究的深入，和以超精密金剛石車削技術(shù)為代表的現(xiàn)代加工檢測技術(shù)的發(fā)展，自由曲面在成像光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢不斷體現(xiàn)，逐漸成為成像光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
自由曲面棱鏡的近眼顯示方案如下：微型投影屏的圖像通過光學(xué)自由曲面棱鏡的三個自由曲面的折射和全反射在人眼前投影虛擬景象，與現(xiàn)實(shí)物體實(shí)現(xiàn)位置融合。由于自由曲面棱鏡自身具有光焦度和較高的像差矯正能力，不使用透鏡就可以得到經(jīng)過放大和像差矯正的虛像。但是成像棱鏡對真實(shí)場景的光線產(chǎn)生顯著偏移，造成巨大的像差，需要補(bǔ)償棱鏡進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償棱鏡使該方案光路部分體積變得笨重，限制了進(jìn)一步的輕薄化。并且，由于自由曲面棱鏡的第一個面往往采用高階自由曲面的設(shè)計(jì)，會使得后面的補(bǔ)償棱鏡的設(shè)計(jì)不能完全補(bǔ)償實(shí)景的全部視場，造成實(shí)景的成像不佳。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明目的就是為了彌補(bǔ)已有技術(shù)的缺陷，提供一種基于雙自由曲面反射的成像系統(tǒng)。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
一種基于雙自由曲面反射的成像系統(tǒng)，包括有自由曲面一、自由曲面二、一個投影透鏡和圖像源，自由曲面一和自由曲面二對可見光波段的光線具有半透半反的作用，所述的圖像源發(fā)出光線經(jīng)過投影透鏡的透射后，入射到自由曲面一上，自由曲面一再將光線反射出去，自由曲面二將來自實(shí)景光線的光進(jìn)行透射并與自由曲面一反射的光線進(jìn)行疊加，在出瞳處的人眼則觀察到虛實(shí)疊加的圖像，圖像源所成的虛像位于人眼前3米的位置。
所述的自由曲面一和自由曲面二是光學(xué)塑料或者光學(xué)玻璃，且厚度不超過1.5mm。
將所述的自由曲面一、自由曲面二以及投影透鏡的兩個表面進(jìn)行增反射鍍膜。
所述的自由曲面一的入射角范圍為45-60度；自由曲面二的入射角范圍為15-25度。
自由曲面二的遠(yuǎn)離出瞳的表面通過吸附工藝使鹵化銀微晶體附著。
所述的圖像源為lcd、oled、dlp、lcos型微型顯示元件中的一種。
所述的自由曲面一和自由曲面二為xy多項(xiàng)式自由曲面，具體表達(dá)式為：
其中c是表面曲率；k是二次非球面常數(shù)；cmn是不同階數(shù)的系數(shù)，p是多項(xiàng)式的最高次冪，滿足1≤m+n≤p；選擇偶次冪x項(xiàng)，保證面型關(guān)于yoz面的對稱性。
所述的自由曲面一和自由曲面二為zernike多項(xiàng)式自由曲面，具體表達(dá)式
為：
其中z(x,y)是光學(xué)表面的矢高量，等號右邊第一項(xiàng)是conic曲面部分，c是表面曲率，k是二次非球面常數(shù)，第二項(xiàng)是zernike多項(xiàng)式，ai是zernike多項(xiàng)式系數(shù)，ei是zernike多項(xiàng)式，ρ，θ分別是zernike多項(xiàng)式的變量。
所述的自由曲面一和自由曲面二為復(fù)曲面，其數(shù)學(xué)描述方程如下：
其中，cx是曲面在x-z平面內(nèi)的曲率半徑，cy是曲面在y-z平面內(nèi)的曲率半徑，kx是曲面在弧矢方向的二次曲面系數(shù)，ky是曲面在子午方向的二次曲面系數(shù)，ai是關(guān)于z軸旋轉(zhuǎn)對稱的非球面系數(shù)，bi是非旋轉(zhuǎn)對稱系數(shù)。
目前光學(xué)自由曲面棱鏡主要依靠高精密金剛石車削技術(shù)進(jìn)行加工。加工過程中由于自由曲面棱鏡有三個自由曲面的面型，需要依次裝夾三次實(shí)現(xiàn)三個面型的加工。這樣的反復(fù)裝夾就會引入比較大的三個面型的位置誤差，而對于注塑加工方法也存在同樣的問題。對于金剛石車削來說，面型誤差更容易保證。而兩種加工方法都會存在較大的結(jié)構(gòu)誤差。
本發(fā)明所提出的基于雙自由曲面反射和投影透鏡的近眼顯示光路方案。所述的兩個自由曲面是分別利用金剛石車削機(jī)床加工制造，加工過程中只需要保證面型誤差；由專門設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)固定件來固定光路中元件的相對位置。這樣有一定的裝配自由度來對結(jié)構(gòu)誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)很低的結(jié)構(gòu)誤差，加工難度和裝配難度都將大大降低。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：本發(fā)明利用兩片薄片式自由曲面反射面，保持了和自由曲面棱鏡一樣的對虛像像差的矯正能力；同時實(shí)景的光線相通過有空氣隙的兩個薄光學(xué)窗口進(jìn)入人眼，可以實(shí)現(xiàn)人眼對實(shí)景的觀測幾乎沒有畸變和像差，不再需要使用補(bǔ)償棱鏡對實(shí)景進(jìn)行補(bǔ)償。對比傳統(tǒng)的自由曲面棱鏡光路而言，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了光路的輕巧化和成像質(zhì)量的優(yōu)化。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的工作原理圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，一種基于雙自由曲面反射的成像系統(tǒng)，包括有自由曲面一1、自由曲面二2、一個投影透鏡3和圖像源4，自由曲面一1和自由曲面二2對可見光波段的光線具有半透半反的作用，所述的圖像源4發(fā)出光線經(jīng)過投影透鏡3的透射后，入射到自由曲面一1上，自由曲面一1再將光線反射出去，自由曲面二2將來自實(shí)景光線5的光進(jìn)行透射并與自由曲面一1反射的光線進(jìn)行疊加，在出瞳6處的人眼則觀察到虛實(shí)疊加的圖像，圖像源4所成的虛像位于人眼前3米的位置。兩個自由曲面窗口的面型參數(shù)可以根據(jù)虛擬圖像的成像質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化，使子午和弧矢像差得到矯正。
所述的自由曲面一1和自由曲面二2是光學(xué)塑料或者光學(xué)玻璃，且厚度不超過1.5mm，以實(shí)現(xiàn)對實(shí)景光線的無畸變透射。
將所述的自由曲面一1、自由曲面二2以及投影透鏡3的兩個表面進(jìn)行增反射鍍膜，提高在可見光波段的反射率。增反射鍍膜的厚度按照一定的光線入射角范圍進(jìn)行優(yōu)化。
所述的自由曲面一1的入射角范圍為45-60度；自由曲面二2的入射角范圍為15-25度。
自由曲面二2的遠(yuǎn)離出瞳的表面通過吸附工藝使鹵化銀微晶體附著，根據(jù)光色互變可逆反應(yīng)原理，在日光和紫外線強(qiáng)照射下附著物可完全吸收紫外線，迅速變暗，對可見光呈中性吸收；回到暗處，又能快速恢復(fù)無色透明。這樣就不需要通過頻繁更換濾光片來自適應(yīng)的改變透射光強(qiáng)，可以提高虛實(shí)場景疊加的對比度和觀測效果。
所述的圖像源4為lcd、oled、dlp、lcos型微型顯示元件中的一種，對于oled等自主發(fā)光屏，可以直接置于物面上，而lcos和dlp等微型顯示元件屬被動發(fā)光類型，需要借助pbs棱鏡或pbs分光膜。本方案中像面位置與oled微型顯示元件的圖像顯示位置相匹配，可以直接適用；lcos微型顯示元件，加入pbs棱鏡后像面位置需要與lcos微型顯示元件的圖像顯示位置略有調(diào)整。
所述的自由曲面一1和自由曲面二2是分別利用金剛石車削機(jī)床加工制造，加工過程中只需要保證面型誤差；由專門設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)固定件來固定光路中元件的相對位置。這樣可以有一定的裝配自由度來對結(jié)構(gòu)誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)很低的結(jié)構(gòu)誤差，加工難度和裝配難度都將大大降低。
所述的自由曲面一和自由曲面二為xy多項(xiàng)式自由曲面，具體表達(dá)式為：
其中c是表面曲率；k是二次非球面常數(shù)；cmn是不同階數(shù)的系數(shù)，p是多項(xiàng)式的最高次冪，滿足1≤m+n≤p；選擇偶次冪x項(xiàng)，保證面型關(guān)于yoz面的對稱性。
所述的自由曲面一和自由曲面二為zernike多項(xiàng)式自由曲面，具體表達(dá)式
為：
其中z(x,y)是光學(xué)表面的矢高量，等號右邊第一項(xiàng)是conic曲面部分，c是表面曲率，k是二次非球面常數(shù)，第二項(xiàng)是zernike多項(xiàng)式，ai是zernike多項(xiàng)式系數(shù)，ei是zernike多項(xiàng)式，ρ，θ分別是zernike多項(xiàng)式的變量。
所述的自由曲面一和自由曲面二為復(fù)曲面，其數(shù)學(xué)描述方程如下：
其中，cx是曲面在x-z平面內(nèi)的曲率半徑，cy是曲面在y-z平面內(nèi)的曲率半徑，kx是曲面在弧矢方向的二次曲面系數(shù)，ky是曲面在子午方向的二次曲面系數(shù)，ai是關(guān)于z軸旋轉(zhuǎn)對稱的非球面系數(shù)，bi是非旋轉(zhuǎn)對稱系數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的一個具體實(shí)施例，各個光學(xué)表面的參數(shù)如下表1和表2所示。
表1光學(xué)元件參數(shù)表
表2光學(xué)自由曲面參數(shù)表。