專利名稱：具有擴(kuò)展邊緣的雙視場自由曲面棱鏡頭盔顯示器用光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality,簡稱VR)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality,簡稱AR)領(lǐng)域的新型自由曲面棱鏡式頭藍(lán)顯示器光學(xué)系統(tǒng),采用擴(kuò)展邊緣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和雙視場角的設(shè)計(jì)方法，可以提高系統(tǒng)加工裝調(diào)的簡便性，提高頭盔顯示器用戶的使用舒適度和現(xiàn)場沉浸感。
背景技術(shù)：
自1968年美國猶他大學(xué)的Ivan Sutherlands教授提出頭藍(lán)顯示器的概念以來，隨著機(jī)械、電子，光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)頭盔顯示器相關(guān)技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。光學(xué)透過式頭盔顯示器作為虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的重要組成部分，在可視化醫(yī)療手術(shù)、可視化工程處理、軍事訓(xùn)練、飛行模擬、單兵作戰(zhàn)、三維娛樂和工業(yè)培訓(xùn)等方面有廣泛的應(yīng)用前景，涉及到的領(lǐng)域從民用到軍用、從娛樂到工業(yè)等社會(huì)生活的方方面面。在頭盔顯示器的設(shè)計(jì)中，一個(gè)特別關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)是系統(tǒng)的輕量化和便攜性。設(shè)計(jì)一個(gè)大視場、大相對(duì)孔徑的緊湊型光學(xué)投射式光學(xué)系統(tǒng)面臨諸多的挑戰(zhàn)，許多方法被提出用來達(dá)到上面的要求。常規(guī)的頭盔顯示器采用折射、反射，并結(jié)合離軸和偏心等方法，實(shí)現(xiàn)特定形式的頭盔顯示器。此類頭盔顯示器目前可以將視場角做到很大，比如ORA公司設(shè)計(jì)Zygo生產(chǎn)的L-3/Link頭盔顯示器，視場角可以達(dá)到105度。常規(guī)頭盔顯示器一個(gè)普遍的缺點(diǎn)是體積比較笨重，目前多應(yīng)用在軍事和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。除常規(guī)光路以外，為提高輕便性和縮小體積，特別是為達(dá)到面向大眾娛樂的商業(yè)價(jià)值，新穎的光學(xué)系統(tǒng)被采用。光學(xué)自由曲面棱鏡是一種非常有前途的便攜式頭盔顯示器用新型光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。自1995年Morishima首次提出自由曲面棱鏡的設(shè)計(jì)概念以來，研究人員對(duì)采用自由曲面棱鏡的頭盔顯示器進(jìn)行了眾多的設(shè)計(jì)研究。自由曲面棱鏡對(duì)光軸進(jìn)行折疊，并利用自由曲面降低由于光路離軸所帶來的大像差，尤其是自由曲面棱鏡采用單個(gè)元件實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)多片透鏡才能實(shí)現(xiàn)的光學(xué)質(zhì)量，具有非常緊湊的結(jié)構(gòu)和良好的光學(xué)質(zhì)量，在入射角度和波長使用上沒有太多限制，對(duì)于彩色比較容易實(shí)現(xiàn)。綜上所述，自由曲面棱鏡在頭盔顯示器的輕量化、小型化和全彩色方面有較明顯的優(yōu)勢。國際上奧林巴斯、Emagin、Daeyang等都有相應(yīng)的自由曲面棱鏡的產(chǎn)品。1996年Hoshi等設(shè)計(jì)出一款視場角34度,厚度15mm的自由曲面棱鏡；1999年Yamazaki設(shè)計(jì)了一個(gè)51° X37°視場角的自由曲面棱鏡。Cheng設(shè)計(jì)的自由曲面棱鏡視場角可以達(dá)到對(duì)角線60°、出瞳距20、瞳孔直徑8mm，且只采用單片自由曲面棱鏡。2010年Cheng基于拼接思想提出大視場自由曲面棱鏡設(shè)計(jì)方法，解決了單片式自由曲面棱鏡在擴(kuò)大視場問題上所遇到的困難。2012年提出多焦面拼接式自由曲面棱鏡設(shè)計(jì)方法，可以更真實(shí)的模擬人眼觀察的真實(shí)場景，提供舒適真實(shí)的虛擬或增強(qiáng)場景。當(dāng)前制約自由曲面光學(xué)的主要問題是加工、檢測和制造工藝上的問題，隨著面型表述方法的研究進(jìn)展以及金剛石切削和注塑成型加工工藝等方面的進(jìn)展，使得自由曲面棱鏡的高精度加工成為可能，其中利用注塑工藝制造自由曲面棱鏡，批量生產(chǎn)可以大大降低成本，具有非常高的性價(jià)比。自由曲面光學(xué)由于增加了更多的自由度，在進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)可以更好的控制像差并得到更好的像質(zhì)，同時(shí)可以減輕重量縮小體積。自由曲面頭盔顯示器的目視光學(xué)系統(tǒng)在重量、體積方面可以做到很小，達(dá)到眼睛式頭盔顯示的要求。在自由曲面棱鏡的設(shè)計(jì)中，因?yàn)槿搜郾旧淼膹?fù)雜性和個(gè)體性決定了其設(shè)計(jì)難度。目前較為困難的限制條件有:雙目瞳孔間距、出瞳直徑、出瞳距。不同的種群、不同性別、不同年齡的人具有不同的雙目瞳孔間距，如何使設(shè)計(jì)結(jié)果滿足不同需求，是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題；盡可能大的出瞳直徑和可變化的雙目瞳孔間距可以滿足不同人群的使用要求。因?yàn)轭^盔顯示系統(tǒng)中人眼作為接收系統(tǒng)，所以在進(jìn)行自由曲面棱鏡設(shè)計(jì)的時(shí)候就必須考慮人眼的生理特性。首要考慮的是相對(duì)于頭部位置的全視場和由生理構(gòu)造所決定的眼睛的可觀測視場，其中包括人眼分辨率最高的12度視場角，在這個(gè)范圍內(nèi)只需要轉(zhuǎn)動(dòng)眼球而無需扭動(dòng)頭部。工程心理學(xué)研究結(jié)果指出，在眼球不動(dòng)時(shí)，認(rèn)符號(hào)的視力范圍為5度到30度；認(rèn)字視力為5度到10度，片刻視力范圍為3度到18度，片刻視力指對(duì)象呈示時(shí)間為
0.2秒時(shí)能正確認(rèn)識(shí)和判讀顯示對(duì)象的視力?；谏鲜龅娜搜凵硖卣?，對(duì)自由曲面棱鏡采用了全新的設(shè)計(jì)理念。光學(xué)透過式頭盔顯示器在使用過程中，用戶觀察投影圖像時(shí)眼睛是處于凝視狀態(tài)并目視前方，而在觀察周圍的真實(shí)環(huán)境是則是通過眼球的轉(zhuǎn)動(dòng)配合頭部或身軀的轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。這種情況表明，在系統(tǒng)進(jìn)行自由曲面棱鏡設(shè)計(jì)的考慮中，對(duì)于投影光學(xué)系統(tǒng)不需要采用和透射系統(tǒng)相同的視場角，只須滿足20度到32度視場角即可；對(duì)透視光學(xué)系統(tǒng)，考慮到眼球轉(zhuǎn)動(dòng)，可以采用較大的視場角，增加人眼在觀察外界環(huán)境時(shí)的舒適性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的內(nèi)容是結(jié)合人眼的生理特征，考慮工程中的技術(shù)要求，提出的一種新穎的自由曲面棱鏡式頭盔顯示器用光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由自由曲面棱鏡、自由曲面透鏡和微顯示器組成。其中自由曲面棱鏡和微顯示器組成投影光學(xué)系統(tǒng)，可以應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中；自由曲面棱鏡和自由曲面透鏡組成透視光學(xué)系統(tǒng)，可以應(yīng)用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)中。自由曲面棱鏡由三個(gè)自由曲面組成，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明所給出的自由曲面棱鏡頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng)對(duì)微型顯示器(Image)成像的內(nèi)部通道與觀察外部世界的外部通道的光路進(jìn)行詳細(xì)描述說明。本發(fā)明頭盔光學(xué)系統(tǒng)若用于虛擬現(xiàn)實(shí)，則只需要自由曲面棱鏡即可，實(shí)際光路是微型液晶顯示器件(Image)發(fā)出光線，先經(jīng)過光學(xué)表面S3透射進(jìn)入自由曲面棱鏡，然后在表面SI上發(fā)生全反射，經(jīng)過表面S2反射，最后再次經(jīng)過表面SI透射至入瞳處。但由于本發(fā)明采用反向光路設(shè)計(jì)方式，因此反向描述光路，光線從入瞳處出發(fā)，通過自由曲面棱鏡光學(xué)表面SI透射，經(jīng)由光學(xué)表面S2反射，在反射到光學(xué)表面SI上，并在該表面發(fā)生全反射，最后經(jīng)由光學(xué)表面S3透射出并最終到達(dá)微型顯示器5，此光路即為用于虛擬現(xiàn)實(shí)的光路。附圖1中各元件按從左到右的方向標(biāo)號(hào)。若用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，則需要自由曲面棱鏡和自由曲面透鏡，實(shí)際光路如附圖2所示。一路光束由微型顯不器(Image)發(fā)出，經(jīng)過自由曲面棱鏡的光學(xué)表面S3透射,在光學(xué)表面SI上全反射到凹反射面S2上，經(jīng)反射面S2反射后透過光學(xué)表面SI進(jìn)入觀察者的瞳孔，即入瞳處；一路光束由外部環(huán)境提供，從光學(xué)透鏡的表面S4入射,光學(xué)表面S2米用半反半透式結(jié)構(gòu)，光線入射到光學(xué)表面3時(shí)部分光線會(huì)直接損失，光學(xué)能量損失1/2，內(nèi)部通道部分光線經(jīng)過光學(xué)表面S2和SI透射進(jìn)入觀察者的瞳孔。(I)結(jié)合人眼生理特征的雙視場設(shè)計(jì)因?yàn)轭^盔顯示系統(tǒng)中人眼作為接收系統(tǒng)，所以在進(jìn)行自由曲面棱鏡設(shè)計(jì)的時(shí)候就必須考慮人眼的生理特性。首要考慮的是相對(duì)于頭部位置的全視場和由生理構(gòu)造所決定的眼睛的可觀測視場，其中包括人眼分辨率最高的12度視場角，在這個(gè)范圍內(nèi)只需要轉(zhuǎn)動(dòng)眼球而無需扭動(dòng)頭部。工程心理學(xué)研究結(jié)果指出，在眼球不動(dòng)時(shí)，認(rèn)符號(hào)的視力范圍為5度到30度；認(rèn)字視力為5度到10度，片刻視力范圍為3度到18度，片刻視力指對(duì)象呈示時(shí)間為
0.2秒時(shí)能正確認(rèn)識(shí)和判讀顯示對(duì)象的視力?；谏鲜龅娜搜凵硖卣?，對(duì)自由曲面棱鏡采用了全新的設(shè)計(jì)理念。光學(xué)透過式頭盔顯示器在使用過程中，用戶觀察投影圖像時(shí)眼睛是處于凝視狀態(tài)并目視前方，而在觀察周圍的真實(shí)環(huán)境是則是通過眼球的轉(zhuǎn)動(dòng)配合頭部或身軀的轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。這種情況表明，在系統(tǒng)進(jìn)行自由曲面棱鏡設(shè)計(jì)的考慮中，對(duì)于投影光學(xué)系統(tǒng)不需要采用和透射系統(tǒng)相同的視場角，只須滿足20度到32度視場角即可；對(duì)透視光學(xué)系統(tǒng)，考慮到眼球轉(zhuǎn)動(dòng)，可以采用較大的視場角，增加人眼在觀察外界環(huán)境時(shí)的舒適性。(2)考慮工程需求的擴(kuò)展邊緣設(shè)計(jì)模具的設(shè)計(jì)是注塑加工的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是關(guān)系到光學(xué)元件后續(xù)的膠合、鍍膜等工藝的一個(gè)環(huán)節(jié)。合適的模具設(shè)計(jì)可以在保證光學(xué)元件的成像質(zhì)量的同時(shí)給后續(xù)的光學(xué)處理帶來方便。注塑加工中另一個(gè)重要的環(huán)節(jié)是盡量減小應(yīng)力對(duì)注塑加工材料均勻性的影響。為達(dá)到此目的，一方面盡可能的減少應(yīng)力的存在，另一方面采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將應(yīng)力轉(zhuǎn)移到光學(xué)元件不使用或很少使用的區(qū)域也是一個(gè)重要且可行的方法。在進(jìn)行自由曲面模具的設(shè)計(jì)中，為解決上述兩個(gè)問題，采取了必要的措施和設(shè)計(jì)方法。為保證在注塑的過程中可以保證人眼普通區(qū)的材料性能一致性，在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)投影系統(tǒng)進(jìn)行了邊緣擴(kuò)充設(shè)計(jì)。通過這樣的設(shè)計(jì)將應(yīng)力盡可能的放在在擴(kuò)展的邊緣部分，使常用光路部分可以達(dá)到光學(xué)材料的一致性，消除應(yīng)力引起的材料不均勻等現(xiàn)象。同時(shí)方便人眼對(duì)外界的觀察，增加觀察舒適度。在擴(kuò)展的邊緣部分，設(shè)計(jì)了膠合操作時(shí)使用的卡合槽，保證在膠合過程中兩片鏡片的對(duì)位正確；同時(shí)設(shè)計(jì)了組裝時(shí)的安裝手柄。模具和卡合槽、安裝手柄等如附圖3所示。(3)局部曲率的控制采用擴(kuò)展邊緣的設(shè)計(jì)后，擴(kuò)展邊緣的光學(xué)表面必須加以控制。因?yàn)樽杂汕娴拿嫘巫兓浅Ｑ杆?，位置的很小差別帶來的可能是矢高特別明顯的變化。自由曲面頭盔顯示器中，光學(xué)視場內(nèi)的自由曲面由于有采樣視場的控制，自由曲面的面形變化一般都是連續(xù)的，但是擴(kuò)展邊緣部分的光學(xué)表面則沒有相應(yīng)的控制條件，很容易會(huì)引起表面的劇烈變化。另一方面，擴(kuò)展邊緣的光學(xué)表面和光學(xué)視場內(nèi)光學(xué)表面必須是連續(xù)平滑的變化形態(tài)。否則在使用者佩戴頭盔顯示器進(jìn)行外部環(huán)境的觀察時(shí)，會(huì)特別明顯的感覺到景物的不連續(xù)變化，導(dǎo)致種種不舒服的感覺產(chǎn)生。最后，整個(gè)表面的連續(xù)變化會(huì)增加光學(xué)系統(tǒng)的美觀，使大眾對(duì)頭盔顯示器的審美要求得到滿足。綜上所述，在自由曲面棱鏡設(shè)計(jì)優(yōu)化的過程中，也要將擴(kuò)展表面的面型控制條件加入到控制條件中，保證自由曲面棱鏡的視場內(nèi)外的光學(xué)表面是平滑連續(xù)的變化。擴(kuò)展邊緣的面形控制可以采用兩種方法，一種是控制局部面形的梯度變化，另一種是控制局部面形的局部曲率。計(jì)算中的局部曲率如附圖4所示。


附圖1發(fā)明中用于VR的頭盔顯示器的投影光學(xué)系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)圖。附圖2發(fā)明中用于AR的頭盔顯示器的透視光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)圖。附圖3發(fā)明中的擴(kuò)展邊緣的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。附圖4局部曲率計(jì)算圖。附圖5設(shè)計(jì)實(shí)例的光學(xué)系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)圖。附圖6發(fā)明所給出實(shí)施例子中光學(xué)系統(tǒng)的MTF曲線，中心視場傳遞函數(shù)值在301p/mm處大于0.3,邊緣視場在301p/mm處大于0.1。附圖7發(fā)明所給出實(shí)施例子中光學(xué)系統(tǒng)的畸變圖。附圖8加工出的自由曲面棱鏡和自由曲面透鏡。附圖9實(shí)施實(shí)例系統(tǒng)加工原型的成像圖。系統(tǒng)實(shí)例描述按照本專利所提出的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一款用于頭盔顯示器的光學(xué)系統(tǒng)，光路結(jié)構(gòu)如附圖5所示，其中投影系統(tǒng)視場角為36°，透視系統(tǒng)視場角為50°.附圖6給出系統(tǒng)的MTF值，投影系統(tǒng)地MTF只大部分都保證在0.2以上，透視系統(tǒng)地MTF在0.4以上。光學(xué)系統(tǒng)地畸變得到了較好的校正，如附圖7所示。采用邊緣擴(kuò)展設(shè)計(jì)，通過局部曲率的控制，保證了擴(kuò)展部分表面和視場中表面為連續(xù)變化。最后利用注塑加工的方法制造出一套光學(xué)自由曲面棱鏡和光學(xué)自由曲面透鏡，如附圖8所示。附圖9給出成像實(shí)現(xiàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)證明所設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)良好。表I為本發(fā)明實(shí)例虛擬現(xiàn)實(shí)部分頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表，該實(shí)例的出瞳直徑為8mm,出瞳距離>18mm,焦距15mm,全視場角為36° ,像面大小0.61英寸,表2為本發(fā)明實(shí)例增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)部分透射式頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表，全視場角50°，其內(nèi)部通道圖像顯示光路與實(shí)例I 一致，其外部通道場景視場與內(nèi)部通道視場一致，額外疊加了一塊自由曲面棱鏡，光學(xué)表面3采用半反半透結(jié)構(gòu)。表I投影光學(xué)系統(tǒng)數(shù)據(jù)表
權(quán)利要求
1.一種自由曲面棱鏡式頭盔顯示器用光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于其結(jié)構(gòu)由自由曲面棱鏡、自由曲面透鏡和微顯示器組成，微型顯示器和自由曲面棱鏡組成虛擬現(xiàn)實(shí)用投影光學(xué)系統(tǒng)，自由曲面棱鏡和自由曲面透鏡組成增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)用透視光學(xué)系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求1所述的頭盔顯示器用光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于投影系統(tǒng)和透視系統(tǒng)各自采用不同的視場角設(shè)計(jì)，且投影光學(xué)系統(tǒng)的視場角小于或等于透視光學(xué)系統(tǒng)的視場角。
3.如權(quán)利要求1所述的頭盔顯示器用光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于自由曲面棱鏡和自由曲面透鏡的實(shí)際尺寸大于有效工作區(qū)域。
4.如權(quán)利要求1所述的頭盔顯示器用光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于自由曲面棱鏡和自由曲面透鏡的底部表面在同一平面內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1所述的自由曲面棱鏡，其特征在于由三個(gè)自由曲面組成，表面I為具有負(fù)光焦度凸面形透射面，，表面2為具有負(fù)光焦度凹面形反射面，,表面3為具有負(fù)光焦度的凹面形透射面。
6.如權(quán)利要求1所述的自由曲面棱鏡，其特征在于表面2可以鍍?nèi)瓷淠?，用于虛擬現(xiàn)實(shí)，也可以鍍半反半透膜層，用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。
7.如權(quán)利要求5所述的自由曲面棱鏡的表面I，其特征在于其球面/圓錐面基底的曲率半徑在子午方向和弧矢方向的曲率(弧矢方向Rx和子午方向的曲率半徑Ry)滿足I Rx/Ry I<0.8。
8.如權(quán)利要求5所述的自由曲面棱鏡的所有光學(xué)表面，其特征在于局部曲率半徑在子午方向和弧矢方向的曲率(弧矢方向的局部曲率半徑LRx和子午方向的局部曲率半徑LRy)滿足條件 |LRx/LRy|〈18。
全文摘要
利用光學(xué)自由曲面，設(shè)計(jì)了包含自由曲面棱鏡和自由曲面透鏡的光學(xué)系統(tǒng)，結(jié)合微型顯示器，構(gòu)成頭盔顯示器用光學(xué)系統(tǒng)。通過自由曲面透鏡和微型顯示器實(shí)現(xiàn)用于虛擬現(xiàn)實(shí)的光學(xué)頭盔顯示器，通過自由曲面棱鏡和自由曲面透鏡實(shí)現(xiàn)用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)頭盔顯示器。在設(shè)計(jì)過程中，采用擴(kuò)展邊緣的新穎結(jié)構(gòu)，使光學(xué)元件的實(shí)際尺寸大于設(shè)計(jì)尺寸；同時(shí)結(jié)合人眼的生理特征，對(duì)投影系統(tǒng)和透視系統(tǒng)分別采用了不同的視場角，并且使投影系統(tǒng)的視場角小于或等于透視系統(tǒng)的視場角，從而增加了頭盔顯示器的使用舒適度。最后，根據(jù)工程需求，將兩光學(xué)元件的底部面設(shè)計(jì)在一個(gè)平面內(nèi)，同時(shí)設(shè)計(jì)了卡槽，兩者相互結(jié)合，保證鍍膜和膠合工藝的高精度要求。
文檔編號(hào)G02B17/08GK103207454SQ20121034435
公開日2013年7月17日 申請日期2012年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月17日
發(fā)明者王涌天, 王慶豐, 程德文 申請人:北京理工大學(xué)