[发明专利]基于高斯径向基光学自由曲面表征模型的头戴显示系统

说明书

技术领域

本发明属于光学领域中的光学自由曲面设计领域，特别是涉及一种自由曲面反射镜式的头戴显示器用光学系统。

背景技术

随着虚拟现实技术在军事训练、飞行模拟、可视化医疗和三维娱乐等领域发挥越来越重要的作用，头戴显示系统作为虚拟现实和增强现实技术的关键设备其相关技术也得到了飞速发展。早期的头戴显示系统主要应用于军事领域，系统元件数目往往很多，体积庞大。随着娱乐视听产品的出现，头戴显示系统开始向民用方向发展，并逐渐演化成眼镜式头戴显示器，系统体积更小更紧凑。这类头戴显示器的光学成像系统属于大视场、大相对孔径系统，系统的像差平衡比较复杂，使用常规的光学元件很难同时满足成像质量和系统轻量化的要求，因此在眼镜式头戴显示器中往往使用复杂的光学元件，如衍射光学元件或自由曲面式光学元件，在满足系统轻量化的条件下保证成像质量。

目前，国内已有多家单位从事头戴显示系统的开发。北京理工大学设计了多种自由曲面棱镜式头戴显示器，系统中包含自由曲面的棱镜承担了全部的成像功能，使得光学成像系统的体积变得十分紧凑。但是，棱镜的多个表面均为自由曲面，使得棱镜加工和实际装调的难度也随之大大增加。

发明内容

国内现有的头戴显示系统多采用自由曲面棱镜进行成像，但是作为核心元件，其中包含较多的自由曲面增加了元件的加工难度和系统的装调难度。本发明针对此问题，提供了以自由曲面反射镜代替自由曲面棱镜进行成像的头戴显示系统，而反射镜的面形采用高斯径向基表征模型进行描述，使得系统中仅包含单个自由曲面，从而降低了元件的加工难度，进一步简化了系统结构。

本发明的技术方案如下：

(1)基于高斯径向基光学自由曲面表征模型的头戴显示系统是由光学自由曲面反射镜和微型显示器组成的离轴系统，其中自由曲面反射镜倾斜12～14°，微型显示器偏离中心轴6～7mm。

(2)自由曲面反射镜的镜面面形是由基于面形斜率的高斯径向基表征模型进行描述的，为此需要在光学设计软件中导入高斯径向基模型表征面形的定义模块，并将头戴显示系统中的反射镜设置为相应面形，相应的数学表达式如下：

z(x,y)=c(x2+y2)1+1-(1+k)c2(x2+y2)+Σiwie-ϵi2((x-x0i)2+(y-y0i)2)]]>