[发明专利]轻小型大视场自由曲面棱镜头盔显示器光学系统

权利要求书

1.一种轻小型大视场自由曲面棱镜头盔显示器光学系统，包括一个具有三个光学表面的自由曲面棱镜和一个微型图像显示器，从观察者侧到像源方向，依次为第一表面、第二表面和第三表面，其特征在于，第一表面相对于观察者侧为凹面形状的透射面；第二表面相对于观察者侧为凹面形状的反射面，起放大图像的作用，外侧镀有反射膜层；第三表面相对于观察者侧为凹面形状的透射面；该光学系统的实际光路为微型图像显示器发出的光线，先经过第三表面透射进入自由曲面棱镜，然后在第一表面内侧上发生全反射，经过第二表面反射，最后再次经过第一表面透射至人眼。

第一表面、第二表面和第三表面应满足下述面形方程(1)-(3)其中之一，方程(1)-(3)中用(x，y，z)表示表面上点的位置坐标值：

z=Cxx2+Cyy21+{1-(1+Kx)Cx2x2-(1+Ky)Cy2y2}1/2+Σi=1nAi{(1-Pi)x2+(1+Pi)y2}i+1---(1)]]>

其中C_x是曲面在X-Z平面内X方向的曲率半径，C_y是曲面在Y-Z平面内Y方向的曲率半径，K_x是曲面X方向的二次曲线系数，K_y是曲面Y方向的二次曲线系数，A_i是4，6，8，10，...2n阶非球面系数，关于Z轴旋转对称，P_i是4，6，8，10，...2n阶非旋转对称系数，n为预先设定的正整数；

z(x,y)=C(x2+y2)1+[1-(1+k)C2(x2+y2)]1/2]]>

+c4y2+c6x2]]>

c7y3+c9yx2]]>

+c11y4+c13y2x2+c15x4---(2)]]>

+c16y5+c18y3x2+c20yx4]]>

+c22y6+c24y4x2+c26y2x4+c28x6]]>

+c29y7+c31y5x2+c33y3x4+c35yx6]]>

+...]]>

其中C为曲面曲率半径，c_i为多项式系数；

z=cx21+[1-(1+k)c2x2]1/2+A‾x4+B‾x6+C‾x8+D‾x10---(3)]]>

其中c为曲率半径，k为二次曲面系数，A，B，C，D分别为4，6，8，10阶非球面系数。

第一表面、第二表面和第三表面之间的位置关系应满足不等式(4)-(6)：

0.5<zPa′-zPa<2yPa′-yPa<0yPa′′-yPa>0---(4)]]>

yPb′-yPb>0-1.5<zPb′-zPb<-0.2---(5)]]>

-2<yPc-yPc′≤00<zPc-zPc′<1---(6)]]>

(4)-(6)式中的y、z分别表示某个点在全局坐标系下的坐标值，而各个下标表示的是各个不同的点，R_u是Y方向最大视场上边缘光线，R_b为Y方向最小视场下边缘光线；P_a为R_b与第一表面透射时的交点，P_a’为R_b与第二表面的交点，P_a”为R_b与第一表面反射时的交点；P_b为R_u与第二表面的交点，P_b’为R_b与第三表面的交点；P_c为R_u与第一表面反射时的交点，P_c’为R_u与第三表面透射面的交点。