[发明专利]一种离轴两反自由曲面光学系统

说明书

本发明公开了一种离轴两反自由曲面光学系统，其特征在于：包含光瞳、第一自由曲面反射镜、第二自由曲面反射镜和微型图像显示器，光瞳、第一自由曲面反射镜、第二自由曲面反射镜和微型图像显示器的位置按光线传输方向分布，光线由光瞳出发经过第一自由曲面反射镜反射到达第二自由曲面反射镜，经过第二自由曲面反射镜反射后到达微型图像显示器，第一自由曲面反射镜采用复曲面，在X方向的曲率半径为123.025mm，在Y方向的曲率半径为194.906mm；第二自由曲面反射镜采用XY多项式自由曲面，顶点曲率半径为85.262mm。本发明能够实现大出瞳直径、小F数的离轴两反自由曲面头盔显示光学系统，具有结构紧凑、宽波段和轻量型等优点。

技术领域

本发明涉及一种光学系统，特别是一种离轴两反自由曲面光学系统。

背景技术

现有虚拟现实光学系统设计中主要采用折射式单个透镜或者采用折反射式单个楔形棱镜，其中色差难以校正，实现宽光谱多彩色显示较为困难。离轴反射式光学系统具有结构紧凑、无色差和轻量型等优点，逐步应用于虚拟现实头盔显示光学系统的设计。自由曲面具有多个设计自由度和较强的像差校正能力，在现代光学系统设计中也得到了广泛的应用。在离轴反射式光学系统中采用光学自由曲面进行设计，能够获得性能更好的头盔显示光学系统。

Jui-Wen Pan等人在《Demonstration of a broad band spectral head mounteddisplay with freeform mirrors》（OPTICS EXPRESS，22（11）：12785-12798，2014）中基于XY多项式自由曲面设计了出瞳直径为8mm的离轴两反头盔显示系统，用于增强轻微眼疾患者的视觉感知。该设计的F数为3.76，相对较大。Aaron Bauer等人在《Visual spaceassessment of two all-reflective, freeform, optical see-through head-worndisplays》（OPTICS EXPRESS，22（11）：13155-13163，2014）中采用泽尼克多项式自由曲面设计了出瞳直径约为5mm，F数约为4.6的离轴两反头盔显示器。该设计的出瞳直径相对较小，且F数相对较大。上述两种设计都无法满足大出瞳直径和小F数的高性能头盔显示系统要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种离轴两反自由曲面光学系统，能够实现大出瞳直径、小F数的离轴两反自由曲面头盔显示光学系统。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种离轴两反自由曲面光学系统，其特征在于：包含光瞳、第一自由曲面反射镜、第二自由曲面反射镜和微型图像显示器，光瞳、第一自由曲面反射镜、第二自由曲面反射镜和微型图像显示器的位置按光线传输方向分布，光线由光瞳出发经过第一自由曲面反射镜反射到达第二自由曲面反射镜，经过第二自由曲面反射镜反射后到达微型图像显示器，第一自由曲面反射镜采用复曲面，在X方向的曲率半径为123.025mm，在Y方向的曲率半径为194.906mm；第二自由曲面反射镜采用XY多项式自由曲面，顶点曲率半径为85.262mm。

进一步地，所述离轴两反自由曲面光学系统的F数为3.0，出瞳直径为10mm，出瞳距大于12mm。

进一步地，所述离轴两反自由曲面光学系统的水平方向的视场角为23°，垂直方向的视场角为16°，对角全视场角为28°。

进一步地，所述微型图像显示器的尺寸为0.61英寸。

进一步地，所述第一自由曲面反射镜和第二自由曲面反射镜上镀宽波段反射膜。

进一步地，所述第一自由曲面反射镜的光学参数具体为，

第一自由曲面在X-Z平面内X方向的半径Rx= -123.025mm，

第一自由曲面在Y-Z平面内Y方向的半径Ry=-194.906mm，