[发明专利]折衍射反射式头戴显示器光学系统

说明书

一种折/衍反射式头戴显示器光学系统，其特点在于由菲涅尔透镜、孔径光阑、反射镜、分光镜和回射屏组成。本发明具有结构简单、光能利用率高、成像质量高等特点，可应用于增强现实的头戴显示设备中。

技术领域

本发明涉及头戴显示器，特别是一种折衍射反射式头戴显示器光学系统。

背景技术

头戴显示器是一种将微型显示器的图像或数据信息投射到人眼瞳孔的目视光学系统。按其投射方式不同，头戴显示器分为目镜式头戴显示器和投影式头戴显示器。目镜式头戴显示器将图像放置在光学系统的焦距以内产生放大的虚像，并经过后续透镜组的折射或反射在人眼瞳孔处形成系统出瞳。该出瞳位置与光学系统的孔径光阑位置重合，因此随着视场的不断增大，这种结构对于畸变等轴外像差的校正面临着挑战。目前大多数目镜式头戴显示器已无法同时满足光学系统的高成像质量与结构的小型化、轻量化。为了解决之一问题，在先技术[1](参见James L.Fergason.Optical system for a head mounteddisplay using a retro-reflector and method of displaying an image,US5621576,1994)中Fergason第一次提出投影式头戴显示器的概念，其结构原理图如图1所示，主要由微型显示器1a、投影光学系统2a、分光镜3a和回射屏4a组成。其中微型显示器的图像放置在投影光学系统的焦距以外产生放大的实像5a，被分光镜反射至回射屏4a，由于回射屏的特殊材料使光线原路返回，并经过分光镜透射形成系统出瞳6a。由于投影光学系统的孔径光阑位于系统中间位置，对称式结构使投影式头戴显示器具有优良的光学性能。相对于目镜式头戴显示器，投影式头戴显示器更容易实现结构的简单紧凑，具有大视场、大出瞳、高成像质量、体积小、重量轻等特点。

目前投影式头戴显示器中采用的投影光学系统一般为全折射结构。由微型显示器产生的图像经过一系列沿光轴放置的透镜后投影到位于人眼前的回射屏上，供人眼观察。随着头戴显示器中光学系统的视场角不断增大，投影光学系统必须增加透镜个数或采用复杂的光学结构才能实现大的成像倍率，增大投射像的尺寸，增强用户对使用场景的沉浸感。为了校正各项像差，投影光学系统通常采用特殊面形的透镜如自由曲面、非球面透镜以提高成像质量。这增大了光学系统的加工难度，为头戴显示器的小型化带来了挑战。投影光学系统中多透镜的使用，降低了头戴显示器的光能利用率。另外，回射屏的使用限制了用户对真实场景的观察，现有的投影光学系统很难应用于增强现实头戴显示技术中。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有系统的不足，提出一种折衍射反射式头戴显示器光学系统。该光学系统具有结构简单、光能利用率高、成像质量高等特点，可应用于增强现实的头戴显示设备中。

本发明的技术解决方案如下：

一种折衍射反射式头戴显示器光学系统，其特点在于包括菲涅尔透镜、孔径光阑、反射镜、分光镜和回射屏，其位置关系是：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、孔径光阑和反射镜，所述的菲涅尔透镜、孔径光阑和反射镜相对于光轴对称放置；在平行于光轴光且被反射镜反射的方向，并距离所述的菲涅尔透镜左边一定距离处依次放置所述的分光镜和回射屏，所述的分光镜的法线与光轴所成的角度为45°，该分光镜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；

所述的菲涅尔透镜为平面螺纹透镜，由基面和工作面组成，所述的基面为平面，所述的工作面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；所述的菲涅尔透镜的工作面被经过光轴的平面分成第一工作面和第二工作面，所述的第一工作面具有焦距f₁的非球面透镜的聚焦能力，所述的第二工作面具有焦距为f₂的非球面透镜的聚焦能力；