[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

摘要

本发明涉及一种轻小型大视场自由曲面棱镜头盔显示器光学系统，属于光学系统和器件设计领域，适用于虚拟现实和增强现实领域。本发明包含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，自由曲面棱镜采用折射率大于1的塑料玻璃材料，自由曲面棱镜的三个自由曲面光学表面均为凹形面，它们应满足三个面型方程之一，并且各表面的位置关系应满足三个条件方程，由LCD发出的最大视场上边缘光线在第二自由曲面上的入射角应满足全反射条件，像源元件为0.61或0.59英寸的LCD。本发明具有轻型、紧凑、像差校正良好和光能利用率高等优点，能够保证观察者在大视场范围内看到清晰的图像，并且显示的图像没有明显的亮度衰减，不容易导致观察者视觉疲劳。

主权项

1.一种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，第一表面为凹面形状的透射面；第二表面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；第三表面为凹面形状的透射面，该光学系统的实际光路为微型液晶显示器件发出的光线，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：$z=\frac{C_x{x}^2+C_y{y}^2}{1+{\{1-(1+K_x)C_x^2{x}^2-(1+K_y)C_y^2{y}^2\}}^{1/2}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{A}_i{\{(1-P_i)x^2+(1+P_i)y^2\}}^{i+1}---\left(1\right)其中Cx是曲面在X-Z平面内X方向的曲率半径，Cy是曲面在Y-Z平面内Y方向的曲率半径，Kx是曲面X方向的二次曲线系数，Ky是曲面Y方向的二次曲线系数，Ai是4，6，8，10，...2n阶非球面系数，关于Z轴旋转对称，Pi是4，6，8，10，...2n阶非旋转对称系数；$ z(x,y)=\frac{C(x^2+y^2)}{1+{[1-(1+k)C^2(x^2+y^2)]}^{1/2}}$ +c_4{y}^2+c_6{x}^2$ +c_7{y}^3+c_9{\mathrm{yx}}^2$ +c_{11}{y}^4+c_{13}{y}^2{x}^2+c_{15}{x}^4---\left(2\right)$ +c_{16}{y}^5+c_{18}{y}^3{x}^2+c_{20}y{x}^4$ +c_{22}{y}^6+c_{24}{y}^4{x}^2+c_{26}{y}^2{x}^4+c_{28}{x}^6$ +c_{29}{y}^7+c_{31}{y}^5{x}^2+c_{33}{y}^3{x}^4+c_{35}y{x}^6$ +...其中C为曲面曲率半径，ci为多项式系数；$ z=\frac{c{x}^2}{1+{[1-(1+k)c^2{x}^2]}^{1/2}}+\underset{‾}{A}{x}^4+\underset{‾}{B}{x}^6+\underset{‾}{C}{x}^8+\underset{‾}{D}{x}^{10}---\left(3\right)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)：$ \left\{\begin{array}{c}0.5<z_{{\mathrm{Pa}}^{\prime }}-z_{\mathrm{Pa}}<2\\ y_{{\mathrm{Pa}}^{\prime }}-y_{\mathrm{Pa}}<0\\ y_{P{a}^{\prime \prime }}-y_{\mathrm{Pa}}>0\end{array}\right.---\left(4\right)$ \left\{\begin{array}{c}{y}_{{\mathrm{Pb}}^{\prime }}-y_{\mathrm{Pb}}>0\\ -1.5<z_{{\mathrm{Pb}}^{\prime }}-z_{\mathrm{Pb}}<-0.2\end{array}\right.---\left(5\right)$ \left\{\begin{array}{c}-2<y_{\mathrm{Pc}}-y_{{\mathrm{Pc}}^{\prime }}\le 0\\ 0<z_{\mathrm{Pc}}-z_{{\mathrm{Pc}}^{\prime }}<1\end{array}\right.---\left(6\right)(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，Ru是Y方向最大视场上边缘光线，Rb为Y方向最小视场下边缘光线；Pa为Rb\; 与第一表面透射时的交点，Pa’为Rb与第二表面的交点，Pa”为Rb与第一表面反射时的交点；Pb为Ru与第二表面的交点，Pb’为Rb与第三表面的交点；Pc为Ru与第一表面反射时的交点，Pc’为Ru与第三表面透射面的交点。$$$$$$$$$$$$$