[发明专利]一种采用自由曲面棱镜的光学成像系统

说明书

技术领域

本发明涉及采用自由曲面棱镜的光学成像系统，属于光学设计领域。光学成像系统安装于头戴显示器里面。

背景技术

头戴显示器(Head-Mounted Display，HMD)由平视显示器(Head-Up Display，HUD)演化而来，最早用于军事用途。头戴显示器由三部分构成：电路系统，光学系统和支撑系统。最早的头戴显示器采用阴极射线管作为像源，随着技术的进步，已经被硅基液晶和有机发光二极管等所代替，电路的集成度越来越高，这方面技术已经比较成熟。要实现头戴显示器的轻型化和小型化，光学系统的设计就变得尤为重要。传统的光学系统光学部件多，结构复杂，重量大，给头部造成很大的负担，而且光路较长，成像质量下降，视场也较小，且均为非视透结构，已经不适应当今头戴显示器的设计需要。

发明内容

为克服传统光学系统的种种不足，本发明提出一种大视场大出瞳视透式的自由曲面光学成像系统，具有轻型，紧凑，像质好等特点。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种采用自由曲面棱镜的光学成像系统，包含一个自由曲面棱镜和一个补偿棱镜。自由曲面棱镜包括三个自由曲面光学面，包括位于顶面的入射面，实现光学进入到光学系统内；位于左侧的自由曲面，将从入射面进入光学系统的光线全反射并折射出去；位于右侧的反射面，将反射过来的光线再反射回，最后折射出去聚合到瞳孔。补偿棱镜位于自由曲面棱镜右侧，包括两个自由曲面光学面，位于左侧的面，面型与自由曲面棱镜右侧的面完全相同并重合；位于右侧的面，面型与自由曲面棱镜左侧的面完全相同并与该面平行。

上述采用自由曲面的光学成像系统中的自由曲面棱镜采用三个自由曲面。

上述采用自由曲面的光学成像系统中的自由曲面棱镜采用各次方参数设计，从一次方到五次方。

上述采用自由曲面的光学成像系统由塑料制作而成。

上述采用自由曲面的光学成像系统由自由曲面棱镜和补偿棱镜胶合而成。

上述采用自由曲面的光学成像系统的胶合面镀有半反半透膜。

自由曲面棱镜中的三个自由曲面均满足以下方程

z=cr21+1-(1+k)c2r2+Σi=1NAiEi(x,y).]]>

其中，z为z轴方向的矢高，c是顶点曲率，k为表面圆锥系数，本发明中k为0。Ei(x，y)为关于x和y的次方项，Ai为次方项系数。

附图说明

图1是本发明光学原理图

图2是本发明调制传递函数

图3是本发明网格失真图

具体实施方式

下面结合附图详细说明。

本发明中默认坐标系设定为：向右为z轴正方向，向上为y轴正方向，垂直平面向里为x轴正方向。

光线由OLED发出，由面1折射进入光学系统，在面2处入射角大于全反射角，因此光线全部反射到面3，由于面3处镀有部分半反半透膜，因此部分光线反射到面2，此时入射角均小于全反射角，光线得以折射进入人眼。外界光线则可以通过面5进入光学系统，而面5和面2平行，很大程度消除了光线的偏移和倾斜。

由于曲面方程一部分系数为0，因此方程也可写成如下形式：