[发明专利]离轴双反射式头戴眼镜显示器光学系统

说明书

本发明涉及一种离轴双反射式头戴眼镜显示器光学系统，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。本发明包括一个微显示屏，两片自由曲面反射镜，光线准直透镜组和像差校正透镜组，所述微显示屏为1英寸左右的OLED，所述两片自由曲面反射镜满足自由曲面面形方程，所述光线准直透镜组与像差校正透镜组的透镜均为同轴且表面面形均为旋转对称形式。本发明涉及的光学系统根据逆向光路设计。本发明具有视场角大，出瞳直径大，结构简单，易于加工，体积小质量轻等优点，而且两片自由曲面反射镜的面形参数、厚度、偏心和倾角都可以作为优化变量，更有利于系统像差的校正。

技术领域

本发明涉及一种离轴双反射式头戴眼镜显示器光学系统，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。

背景技术

目前，虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)和增强现实(Augmented Reality，简称AR)正处于飞速发展阶段，两种技术在头盔图像显示装置上已经取得了长足的发展。由于头戴眼镜显示装置需要佩戴于观察者的头部，因此结构紧凑化与小型轻量化是其重要发展目标。不仅如此，头戴眼镜显示装置的视场大小决定了观察者的沉浸感和观察范围，因而大视场也是头戴眼镜显示装置的另一重要发展目标。

头戴眼镜显示装置的发展由同轴旋转对称投射式结构逐渐演变为折反射式结构，这类头戴眼镜显示装置能够解决大视场和大出瞳直径的问题，但是也存在系统结构过于复杂，采用大量的光学元件，应用过多特殊面形的非球面等造成加工成本昂贵且装调困难的缺陷。申请号为200810167800.7的中国专利申请公开了一种“轻小型大视场自由曲面棱镜头盔显示器光学系统”，该专利使用了自由曲面棱镜作为头盔显示器光学系统的一部分，有效改善了系统结构复杂，加工成本昂贵，装调困难等问题，但是其视场角为54度，视场不够大。

因此，有效平衡结构、重量、加工成本、装调难度、成像质量和视场大小之间的关系而设计出佩戴舒适、结构紧凑、小型轻量、成像质量优良和尽可能大的视场的头戴眼镜显示器光学系统是未来的发展趋势。

发明内容

本发明的目的是提供一种离轴双反射式头戴眼镜显示器光学系统，以解决现有头盔显示器光学系统视场小、出瞳直径小、结构复杂、加工成本高、装调难度大、像差校正难的问题。

为实现上述目的，采用一种离轴双反射式头戴眼镜显示器光学系统，包括第一片自由曲面反射镜(A)，第二片自由曲面反射镜(B)和一个微显示屏(19)，可选地，所述的第一片自由曲面反射镜(A)、第二片自由曲面反射镜(B)满足下述自由曲面面形方程：

式中k为二次曲面系数，c＝1/R，R为中心曲率半径，r²＝x²+y²，N为多项式的数目，A_i为第i个多项式的系数，E_i(x,y)代表多项式中第i项，多项式为x与y大于等于零的整数次幂的乘积，最高阶为20。

可选地，所述第一片自由曲面反射镜(A)与所述第二片自由曲面反射镜(B)之间还包括光线准直透镜组，所述光线准直透镜组由一个双胶合透镜组和一个单一透镜组成，双胶合透镜组由第一表面(3)、第二表面(4)和第三表面(5)组成，单一透镜由第四表面(6)和第五表面(7)组成，所述第三表面(5)为偶次非球面，第一表面(3)、第二表面(4)、第四表面(6)和第五表面(7)为球面。

可选地，所述第二片自由曲面反射镜(B)与微显示屏(19)之间还包括像差校正透镜组，所述像差校正透镜组由第六表面(9)、第七表面(10)、第八表面(11)、第九表面(12)、第十表面(13)、第十一表面(14)、第十二表面(15)、第十三表面(16)、第十四表面(17)和第十五表面(18)组成。