[发明专利]折衍射反射式头戴显示器光学系统

权利要求书

1.一种折衍射反射式头戴显示器光学系统，其特征在于包括菲涅尔透镜(1)、孔径光阑(2)、反射镜(3)、分光镜(4)和回射屏(5)，位置关系是：以微型显示器的图像面作为物面，该物面中心与本光学系统的光轴具有一定的距离，沿所述的微型显示器输出的光束传播方向依次是所述的菲涅尔透镜(1)、孔径光阑(2)和反射镜(3)，所述的菲涅尔透镜(1)、孔径光阑(2)和反射镜(3)相对于光轴对称放置；在距离所述的菲涅尔透镜(1)左边一定距离处依次放置所述的分光镜(4)和回射屏(5)，所述的分光镜(4)的法线与光轴所成的角度为45°，该分光镜(4)的中心与光轴的距离和所述的物面中心与光轴的距离相等；所述回射屏(5)垂直于所述光轴方向；

所述的菲涅尔透镜(1)为平面螺纹透镜，由基面(11)和工作面(12)组成，所述的基面(11)为平面，所述的工作面(12)上设有一系列同心的环带形锯齿槽，每个环带形锯齿槽相当于一个独立的折射面，且各锯齿槽的环带的径向距离相等；所述的菲涅尔透镜(1)的工作面(12)被经过光轴且与光轴平行的平面分成第一工作面(12-a)和第二工作面(12-b)，所述的第一工作面(12-a)具有焦距f₁的非球面透镜的聚焦能力，所述的第二工作面(12-b)具有焦距为f₂的非球面透镜的聚焦能力；

在所述的第一工作面(12-a)的前焦平面上放置所述的微型显示器，在所述的第二工作面(12-b)的后焦平面放置所述的回射屏(5)，该光学系统的投影放大倍率为-f₂/f₁，所述的孔径光阑(2)设置在所述的第一工作面(12-a)的后焦平面上，所述的孔径光阑(2)的中心与所述的反射镜(3)的中心重合。

2.根据权利要求1所述的折衍射反射式头戴显示器光学系统，其特征在于所述的菲涅尔透镜工作面(12)上的锯齿由第一表面(121)和第二表面(122)组成，所述的第一表面(121)垂直于菲涅尔透镜工作面(12)，所述的第二表面(122)的外形呈弧形，且面形均为非球面；

第一工作面(12-a)的每个环带相当于非球面透镜Asphere1的一个环带，非球面透镜Asphere1的表达式为：

其中，c₁＝1/r₁,r₁为非球面透镜Asphere1的基准面曲率半径，k₁为非球面透镜Asphere1的二次曲面系数；

同样地，第二工作面(12-b)的每个环带相当于非球面透镜Asphere2的一个环带，非球面透镜Asphere2的表达式为：

其中，c₂＝1/r₂,r₂为非球面透镜Asphere2的基准面曲率半径，k₂为非球面透镜Asphere2的二次曲面系数。

3.根据权利要求1所述的折衍射反射式头戴显示器光学系统，其特征在于所述的菲涅尔透镜(1)的材料为聚甲基丙烯酸甲酯。

4.根据权利要求1所述的折衍射反射式头戴显示器光学系统，其特征在于所述的反射镜(3)为凹球面反射镜或凸球面反射镜，其前表面镀有高反膜。

5.根据权利要求1所述的折衍射反射式头戴显示器光学系统，其特征在于所述的分光镜(4)为镀分光薄膜的平面分光镜或立方棱镜。

6.根据权利要求1至5任一项所述的折衍射反射式头戴显示器光学系统，其特征在于所述的回射屏(5)为一种表面覆盖着微结构的反射型材料，该微结构是角锥棱镜阵列，或是玻璃微珠阵列。