[发明专利]超大视场头盔显示器光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及光学系统和器件设计领域，具体涉及一种运用椭球反射面，衍射面以及自由曲面设计的大视场头盔显示器光学系统，适用于虚拟现实以及娱乐领域。

背景技术

近年来，虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）头盔图像显示装置取得了长足的发展，然而全景大视场头盔显示技术的发展面临着技术上的挑战。已经市场化的头盔显示器的视场都是在20°～40°范围内，这远远小于人眼的可视范围。人单眼视场基本上是150°×120°。由于人的两只眼睛有视场的重叠，因此人两只眼睛总的视场是200°×120°。虽然人眼最敏感的视场只有6～8度，这区域外视觉灵敏度下降非常剧烈，但是周边视场在虚拟现实系统中扮演着非常重要的作用。周边视场增强了沉浸感，对周围环境感知能力。并且大的周边视场可以减少头部运动要求和搜索时间。为了满足人眼对大视场的需求，世界各国进行了大量的大视场头盔显示器（HMD）的研究，主要结构形式有三种：一、采用单一目镜设计，这种结构很难消除畸变，视场也受到透镜尺寸的限制，因此，这种设计很难实现大视场，比如120°，并且分辨率也非常低。二、采用拼接技术，运用多个小视场的单元系统拼接出大视场，这种虽然在光学系统上比较好实现，但是图像单元与单元之间的边界部分融合比较困难，而且多个组件的拼接使系统的整体结构过于复杂。三、Nagahara等人设计了一种独特的折反系统，使用了一组双曲面和椭球面反射镜，实现了180°×60°的视场。 微显示器的图像首先从外焦点投影到双曲面反射镜上，反射的光线向全方向扩散，最终传播到人眼的位置，也就是椭球面反射镜的一个焦点处。因为椭球反射镜的另一个焦点与双曲面的内焦点重合。虽然这种设计结构比较简单，但是由于出瞳很小，系统有严重的渐晕。当人眼转动时观察者看到的是一幅比较暗淡的图像。

发明内容

本发明为解决现有头盔显示器系统的结构存在畸变，很难实现大视场，图像单元之间的边界部分融合困难，多个组件的拼接使系统的整体结构过于复杂。并且由于出瞳很小，系统有严重渐晕的问题，提供一种超大视场头盔显示器光学系统。

超大视场头盔显示器光学系统，该光学系统包括第一椭球面、第二椭球面、中继光学系统、第三透镜组和OLED屏；所述中继光学系统位于第一椭球面的左焦点处，所述第一椭球面的左焦点与第二椭面的右焦点重合，第三透镜组位于第二椭球面的左焦点处；通过出瞳的平行光经过第一椭球面反射后汇聚到中继光学系统，通过中继光学系统的光经第二椭球面反射后汇聚到第三透镜组，通过第三透镜组后的光在OLED屏上成像；

所述中继光学系统包括第一透镜组和第二透镜组，所述第一透镜组与第二透镜组胶合在一起，第一透镜组中的多个透镜的镜面为标准面，第二透镜组中第一透镜的镜面为扩展多项式自由曲面；所述第三透镜组包括第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜，所述第二透镜为奇次非球面面型，第三透镜标准面，第四透镜为扩展多项式自由曲面，第五透镜为二元衍射面，第六透镜为奇次非球面，第七透镜为扩展多项式自由曲面；所述第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜同轴胶合在一起。

本发明的有益效果：本发明提出了一种大出瞳距，大视场，尺寸适当重量轻的头盔显示光学系统，其出瞳直径为4mm，出瞳距为36mm，单目视场120°×120°，考虑到双眼水平方向的视场重叠（80°），双眼视场为160°×120°，单目对角线视场达到169.7°，系统总长约为120mm，重量约为80g。基本实现了覆盖人眼视场范围的目的。

附图说明

图1为本发明所述的超大视场头盔显示器光学系统的结构图；

图2为本发明所述的超大视场头盔显示器光学系统的光路图；

图3为本发明所述的双椭球反射矫正畸变的原理图；

图4为本发明所述的主光线与边缘光线经过双椭球反射面的光路图；

图5为本发明所述的椭球反射面产生畸变的原理图；

图6为本发明所述的无中继光学系统时的光路图；

图7为本发明所述的超大视场头盔显示器光学系统中加入中继光学系统后的主光线光路图；

图8为本发明所述的超大视场头盔显示器光学系统的单视场的效果图；

图9为本发明所述的超大视场头盔显示器光学系统的传递函数图；

图10为本发明所述的超大视场头盔显示器光学系统的网格畸变图。

具体实施方式