[发明专利]基于自由曲面棱镜的头盔显示器的光学系统

摘要

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，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。本发明可实现彩色显示，能有效校正像差提高像质。

主权项

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，其特征在于：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 = c x x 2 + c y y 2 1 + 1 - ( 1 + κ x ) c x 2 x 2 + ( 1 + κ y ) c y 2 y 2 + c 1 ( x 2 - y 2 ) + c 2 ( - 1 + 2 x 2 + 2 y 2 ) + c 3 ( - 2 y + 3 x 2 y + 3 y 3 ) + c 4 ( 3 x 2 y - y 3 ) + c 5 ( x 4 - 6 x 2 y 2 + y 4 ) + c 6 ( - 3 x 2 + 4 x 4 + 3 y 2 - 4 y 4 ) + c 7 ( 1 - 6 x 2 + 6 x 4 - 6 y 2 + 12 x 2 y 2 ) + c 8 ( 3 y - 12 x 2 y + 10 x 4 y - 12 y 3 + 20 x 2 y 2 + 10 y 5 ) + c 9 ( - 12 x 2 y + 15 x 4 y + 4 y 3 + 10 x 2 y 3 - 5 y 5 ) + c 10 ( 5 x 4 y - 10 x 2 y 3 + y 5 ) + c 11 ( x 6 - 15 x 4 y 2 + 15 x 2 y 4 - y 6 ) + c 12 ( 6 x 6 - 30 x 2 y 4 - 30 xy + 6 y 6 - 5 x 4 + 30 x 2 y 2 - 5 y 4 ) + c 13 ( 15 x 6 + 15 x 4 y 2 - 15 x 2 y 4 - 15 y 6 - 20 x 4 + 20 y 4 + 6 x 2 - 6 y 2 ) + c 14 ( 20 x + 60 x 4 y 2 + 60 x 2 y 4 + 20 y 6 - 30 x 4 - 60 x 2 y 2 - 30 y 4 + 12 x 2 + 12 y 2 - 1 ) 式中y项采用奇次幂；x项采用偶次幂。