[发明专利]一种离轴头戴显示光学系统中自由曲面反射镜的设计方法

说明书

本发明属于光学设计领域，为解决现有离轴头戴显示光学系统设计方法不能直接设计全视场全孔径自由曲面反射镜的问题，提出一种离轴头戴显示光学系统中自由曲面反射镜的设计方法，通过建立相邻两个采样视场之间的迭代关系，并根据马吕斯定律在全视场和全孔径下计算未知自由曲面的特征数据点，将求得的特征数据点拟合得到自由曲面对应的表达式；将计算得到的自由曲面作为初始结构，利用评价函数对拟合的多项式系数进行优化，确定最优拟合系数，得到离轴头戴显示光学系统最终结构。本方案能够在全视场和全孔径下直接计算离轴头戴显示光学系统的自由曲面反射镜，不需要计算法向量，简化了计算流程，计算效率高。

技术领域

本发明属于光学设计领域，具体涉及一种离轴头戴显示光学系统中自由曲面反射镜的设计方法。

背景技术

在离轴头戴显示光学系统中，为了避免遮拦或满足光学系统尺寸和重量的约束，光学系统的对称性被破坏，导致光学系统的性能大幅度下降。自由曲面作为一种非旋转对称的光学曲面，能够校正系统因离轴而产生的像差，从而恢复离轴系统的光学性能。因此自由曲面常被用在离轴头戴显示光学系统中。

传统的自由曲面离轴头戴显示光学系统设计，一般采用球面作为初始结构的面型，然后将该面型设置为用多项式表征的自由曲面，并将多项式系数设为变量，根据设计要求编写优化函数并进行优化，得到最终的光学系统。然而由于自由曲面多项式项数较多，用该方法进行自由曲面设计效率较低；且优化过程受初始结构的影响较大，容易陷入局部最优值。因此，研究者们提出了一些自由曲面直接设计方法，根据物像关系或消像差条件直接构建自由曲面光学系统初始结构。

文献“Single optical surface imaging designs with unconstrained objectto image mapping”(Proc.SPIE 8550，Optical Systems Design 2012，855011)中，提出了两种二维等光程设计方法。第一种二维等光程设计方法，根据等光程原理计算各采样视场下的笛卡尔卵形线，然后将其首尾相连得到复合笛卡尔卵形线，该方法只适用于旋转对称曲面，且只能在采样视场下完善成像；第二种二维等光程设计方法，根据等光程原理计算各采样视场边缘光线处的入射点位置，连接所有入射点得到自由曲线，该方法相邻视场的光束通过入射表面的区域有部分重合，因此可以同时对任意视场完善成像，但也只适用于旋转对称曲面，且轴外视场只有边缘光线能够完善成像。

公开号为CN110927964A的中国专利公开了一种用于离轴自由曲面成像光学系统中自由曲面的设计方法，通过建立待求单自由曲面相邻两个采样点之间的迭代关系，计算得到单自由曲面反射镜上第一条种子曲线，根据种子曲线扩展的方法获得整个自由曲面反射镜上的其余采样点的坐标。但是该方法需要计算采样点的法向量和切平面，根据切平面计算其他采样点，即每个采样点为入射光线与前一个采样点切平面的交点，这使得计算过程较为复杂。且该方法只能针对单个视场进行设计。

公开号为CN105988213A的中国专利公开了一种自由曲面离轴光学系统的设计方法，根据物像关系及斯涅尔定律逐点求解特征光线与待求自由曲面上的交点，进而得到待求自由曲面上的多个特征数据点。但是该方法也需要计算特征数据点的法向量和切平面，将距离特征数据点最近的特征光线与切平面的交点作为下一个特征数据点，这使得计算过程较为复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种离轴头戴显示光学系统自由曲面反射镜的设计方法，该方法可在不计算法向量和切平面的情况下有效实现对离轴反射式头戴显示系统中自由曲面反射镜的直接设计，简化了设计流程，计算效率高。

为达到上述发明目的，本发明的技术方案是：