[发明专利]基于自由曲面棱镜的头盔显示器的光学系统

说明书

【技术领域】

本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种轻小型宽光谱自由曲面棱镜头盔显示器折衍混合光学系统，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。

【背景技术】

请参阅图1，头盔显示器(Helmet-mounted display，HMD)由微型图像源及光学系统组成。该光学系统通过部分反射组合玻璃将准直图像显示至无穷远或是足够远的地方，以便于飞行员正常观察。在透视式HMD中，图像将与外部视景叠加在一起投射入人眼中。目前多数HMD光学系统基本上都是采用显微镜正像目镜形式，整个系统大致由三部分组成：中继光学系统、目镜系统和光学组合玻璃。图1中，中继光学系统为中继透镜，目镜系统为反射目镜，光学组合玻璃采用半透半反平板玻璃，在HMD中，中继透镜将像源成像在反射目镜的焦平面上，经过反射目镜转变成平行光，再由佩戴者眼前的半透半反平板玻璃将其投射到佩戴者的眼中视网膜上。

已公开的典型头盔显示器专利有美国专利Pat.No.4,322,135和4,969,724、欧洲专利Pat.No.0,583,116A2和日本专利Pat.No.7-333551等。在上述专利中，构成光学系统的反射面或透射面采用球面、旋转对称非球面或胎形面等，造成光学系统不能同时校正垂轴像差和畸变，而且难以实现小型化，限制了头盔显示器的应用。

请参阅图2，美国专利Pat.No.5,959,780和6,292,301利用自由曲面棱镜(Free-Form surface Prism，FFSM)改进HMD光学系统，解决了光学系统对视场角、出瞳距离的要求与小型轻量化之间的矛盾。但由于FFSM光学系统仅使用一种玻璃材料，无法校正色差，实现宽波段显示。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题就是针对以上现有技术的不足，设计的一种基于自由曲面棱镜的头盔显示器光学系统，可实现彩色显示，能有效校正像差提高像质，适合虚拟现实或增强现实用头盔显示器的折衍混合光学系统。。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种基于自由曲面棱镜的头盔显示器的光学系统，为一由S1面、S2面、S3面组成的自由曲面棱镜，作为像源的微型液晶显示器(LCD)生成的图象经S3面折射后进入棱镜系统，再由S2面进行全内反射后传输到S1面，经S1面反射后再次到S2面折射后会聚到人眼中，其中S2面为平面，S3面为球面，首先定义全局坐标系为：原点O在入射光瞳中心；Z轴沿主光轴L0逆向追迹从入瞳中心到棱镜；Y轴垂直Z轴在包含主光轴L0的平面内；X轴同时垂直Y轴和Z轴；然后定义每个光学面的局部坐标系为：原点位于全局坐标(SXi，SYi，SZi)上，Zi轴是一条通过局部坐标系原点，与全局坐标系中Z轴成一个θi角，Yi轴是通过原点在对称平面内且与Zi轴成直角；Xi轴垂直于Zi轴和Yi轴的坐标轴，依据上述坐标系定义，得到每个光学面的函数表达式，其中S1面的函数表达式为泽尼克多项式，如下式：

z=cxx2+cyy21+1-(1+κx)cx2x2+(1+κy)cy2y2]]>