[發明專利]折衍射反射式頭戴顯示器光學系統

有效

• 申請號: 201710502575.7
• 申請日: 2017-06-27
• 公開（公告）號: CN107272203B
• 公開（公告）日: 2023-04-28
• 發明（設計）人: 方瑞芳
• 申請（專利權）人: 塔普翊海（上海）智能科技有限公司
• 主分類號: G02B27/01
• 分類號: G02B27/01
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

1.一種折衍射反射式頭戴顯示器光學系統，其特征在于包括菲涅爾透鏡(1)、孔徑光闌(2)、反射鏡(3)、分光鏡(4)和回射屏(5)，位置關系是：以微型顯示器的圖像面作為物面，該物面中心與本光學系統的光軸具有一定的距離，沿所述的微型顯示器輸出的光束傳播方向依次是所述的菲涅爾透鏡(1)、孔徑光闌(2)和反射鏡(3)，所述的菲涅爾透鏡(1)、孔徑光闌(2)和反射鏡(3)相對于光軸對稱放置；在距離所述的菲涅爾透鏡(1)左邊一定距離處依次放置所述的分光鏡(4)和回射屏(5)，所述的分光鏡(4)的法線與光軸所成的角度為45°，該分光鏡(4)的中心與光軸的距離和所述的物面中心與光軸的距離相等；所述回射屏(5)垂直于所述光軸方向；

所述的菲涅爾透鏡(1)為平面螺紋透鏡，由基面(11)和工作面(12)組成，所述的基面(11)為平面，所述的工作面(12)上設有一系列同心的環帶形鋸齒槽，每個環帶形鋸齒槽相當于一個獨立的折射面，且各鋸齒槽的環帶的徑向距離相等；所述的菲涅爾透鏡(1)的工作面(12)被經過光軸且與光軸平行的平面分成第一工作面(12-a)和第二工作面(12-b)，所述的第一工作面(12-a)具有焦距f₁的非球面透鏡的聚焦能力，所述的第二工作面(12-b)具有焦距為f₂的非球面透鏡的聚焦能力；

在所述的第一工作面(12-a)的前焦平面上放置所述的微型顯示器，在所述的第二工作面(12-b)的后焦平面放置所述的回射屏(5)，該光學系統的投影放大倍率為-f₂/f₁，所述的孔徑光闌(2)設置在所述的第一工作面(12-a)的后焦平面上，所述的孔徑光闌(2)的中心與所述的反射鏡(3)的中心重合。

2.根據權利要求1所述的折衍射反射式頭戴顯示器光學系統，其特征在于所述的菲涅爾透鏡工作面(12)上的鋸齒由第一表面(121)和第二表面(122)組成，所述的第一表面(121)垂直于菲涅爾透鏡工作面(12)，所述的第二表面(122)的外形呈弧形，且面形均為非球面；

第一工作面(12-a)的每個環帶相當于非球面透鏡Asphere1的一個環帶，非球面透鏡Asphere1的表達式為：

其中，c₁＝1/r₁,r₁為非球面透鏡Asphere1的基準面曲率半徑，k₁為非球面透鏡Asphere1的二次曲面系數；

同樣地，第二工作面(12-b)的每個環帶相當于非球面透鏡Asphere2的一個環帶，非球面透鏡Asphere2的表達式為：

其中，c₂＝1/r₂,r₂為非球面透鏡Asphere2的基準面曲率半徑，k₂為非球面透鏡Asphere2的二次曲面系數。

3.根據權利要求1所述的折衍射反射式頭戴顯示器光學系統，其特征在于所述的菲涅爾透鏡(1)的材料為聚甲基丙烯酸甲酯。

4.根據權利要求1所述的折衍射反射式頭戴顯示器光學系統，其特征在于所述的反射鏡(3)為凹球面反射鏡或凸球面反射鏡，其前表面鍍有高反膜。

5.根據權利要求1所述的折衍射反射式頭戴顯示器光學系統，其特征在于所述的分光鏡(4)為鍍分光薄膜的平面分光鏡或立方棱鏡。

6.根據權利要求1至5任一項所述的折衍射反射式頭戴顯示器光學系統，其特征在于所述的回射屏(5)為一種表面覆蓋著微結構的反射型材料，該微結構是角錐棱鏡陣列，或是玻璃微珠陣列。