[实用新型]一种自由曲面离轴反射近眼显示光学系统

说明书

技术领域

本实用新型实施例涉及计算机技术领域，具体涉及一种自由曲面离轴反射近眼显示光学系统。

背景技术

近年来，随着虚拟/增强现实技术的发展，相关的头盔显示设备也层出不穷。因为头盔显示设备佩戴在用户的头部，所以要求该设备轻量紧凑。增强现实技术将虚拟世界的信息和现实世界的信息叠加在一起，被用户的眼睛所感知，所以要求头盔显示设备能够实现大视场角、高清晰度，这就对光学系统的结构提出了很高的要求。

现有的用于增强现实显示系统的光学模组主要分为同轴折反式、全息波导、几何光学波导等方式。基于同轴折反式的显示模组图像清晰度高，但是较为笨重且视场角受到结构的限制，光能利用率低。基于全息波导的光学模组是利用光学衍射原理，这种结构可以将整个模组做得很轻薄，但是衍射造成的颜色失真和由此引发的观看视角的限制是存在的问题。为了避开衍射造成的波长选择性，研究者提出了基于几何光学的波导光学模组。这种光学模组是将多组透射率不同且倾斜角度不同的平面镜嵌入眼镜镜片中，图像源发出的光线通过眼镜镜片的全反射和内置的多组平面镜的反射来完成光线的传导。这种结构可以实现轻量化和大的视场角，但是随着视角的增大，鬼影现象会变得越来越严重。同时，由于对透射率及倾斜角度的精确要求加大了工艺制造难度，因此存在着成本高、难以批量生产的问题。

在实现本实用新型实施例的过程中，发明人发现现有的基于棱镜的增强现实光学显示模组视角小，像质差；现有的基于同轴折反式的光学模组显示视角小，透光率低；现有的基于全息波导的增强现实光学显示模组视角小，工艺复杂，容易产生色彩失真；现有的基于几何波导的光学模组存在鬼影现象，且生产工艺复杂难以批量生产。

实用新型内容

由于现有技术中存在上述问题，本实用新型实施例提出一种自由曲面离轴反射近眼显示光学系统。

本实用新型实施例提出一种自由曲面离轴反射近眼显示光学系统，包括：微型显示器和至少一个自由曲面反射镜；

所述微型显示器和所述至少一个自由曲面反射镜离轴设置；

其中，所述微型显示器和所述至少一个自由曲面反射镜的位置和形状根据所述自由曲面离轴反射近眼显示光学系统的轮廓尺寸相关系数确定。

可选地，所述自由曲面反射镜为3个；

第一曲率半径、第二曲率半径和第三曲率半径根据第一间隔、第二间隔和第三间隔确定；

其中，所述第一间隔、所述第二间隔和所述第三间隔根据所述自由曲面离轴反射近眼显示光学系统的轮廓尺寸的遮拦系数和放大率确定；

所述第一曲率半径、所述第二曲率半径和所述第三曲率半径分别为3个所述自由曲面反射镜的曲率半径；

所述第一间隔为第一自由曲面反射镜和第二自由曲面反射镜之间的间隔，所述第二间隔为第一自由曲面反射镜和第三自由曲面反射镜之间的间隔，所述第三间隔为第二自由曲面反射镜和第三自由曲面反射镜之间的间隔。

可选地，所述自由曲面离轴反射近眼显示光学系统中包括7个关键点；第一关键点(y₁，z₁)设于所述自由曲面离轴反射近眼显示光学系统中的第一预设位置，第二关键点(y₂，z₂)设于所述第二自由曲面反射镜的上端，第三关键点(y₃，z₃)设于所述第一自由曲面反射镜的下端，第四关键点(y₄，z₄)设于所述第三自由曲面反射镜的下端，第五关键点(y₅，z₅)设于所述自由曲面离轴反射近眼显示光学系统中的第二预设位置，第六关键点(y₆，z₆)设于所述第一自由曲面反射镜的上端，第七关键点(y₇，z₇)设于所述微型显示器的下端；

其中，所述7个关键点的位置坐标满足以下条件：

可选地，所述第一自由曲面反射镜、所述第二自由曲面反射镜和所述第三自由曲面反射镜的复曲面表达式为：