[發(fā)明專利]一種離軸頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)中自由曲面反射鏡的設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011136643.0
• 申請日: 2020-10-22
• 公開（公告）號: CN112748569B
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曾春梅;芮叢珊;洪洋;馬鎖冬
• 申請（專利權(quán)）人: 蘇州大學(xué)
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B27/01
• 代理公司: 蘇州智品專利代理事務(wù)所(普通合伙) 32345
• 代理人: 王利斌

1.一種離軸頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)中自由曲面反射鏡的設(shè)計(jì)方法，所述的離軸頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)包括：自由曲面反射鏡和微顯示器；光線從所述微顯示器發(fā)出，經(jīng)所述自由曲面反射鏡反射后形成一個(gè)被眼睛觀察的虛像；其特征在于：建立所述離軸頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)相鄰兩個(gè)采樣視場之間的迭代關(guān)系，并根據(jù)馬呂斯定律在全視場和全孔徑下計(jì)算所述自由曲面反射鏡的自由曲面特征數(shù)據(jù)點(diǎn)，將求得的特征數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合得到自由曲面對應(yīng)的表達(dá)式；將計(jì)算得到的自由曲面作為初始結(jié)構(gòu)，利用評價(jià)函數(shù)對擬合的多項(xiàng)式系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定最優(yōu)擬合系數(shù)，得到離軸頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)中自由曲面反射鏡的最終結(jié)構(gòu)；

采用逆光路設(shè)計(jì)，即以光學(xué)系統(tǒng)的出瞳作為設(shè)計(jì)時(shí)的入瞳，以微顯示器處所在平面作為設(shè)計(jì)時(shí)的像面，光線從無窮遠(yuǎn)入射，經(jīng)過自由曲面反射鏡反射后在像面T_i處成像；

包括以下設(shè)計(jì)步驟：

步驟S1，建立一初始平面系統(tǒng)，該初始平面系統(tǒng)包括一個(gè)初始平面反射鏡，且該初始平面反射鏡對應(yīng)離軸頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)中的自由曲面反射鏡Ω；入瞳中心沿中心視場主光線方向到初始平面反射鏡中心P₁₀的距離根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸確定；

步驟S2，選取M個(gè)視場，在極坐標(biāo)下對每個(gè)視場的光瞳分別均勻采樣K個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，所述K個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)對應(yīng)K條特征光線；定義特征光線為入射至自由曲面反射鏡Ω的平行光以及經(jīng)自由曲面反射鏡的反射光線，定義特征數(shù)據(jù)點(diǎn)為特征光線與自由曲面反射鏡Ω的交點(diǎn)P_ij(i＝1，2，...，M；j＝0，1，2，...，K-1)，其中i為視場的序號數(shù)，i∈(1，M)，j為每個(gè)視場中特征光線的序號數(shù)，j∈(0，K-1)，P_ij為第i個(gè)視場下第j+1個(gè)特征數(shù)據(jù)點(diǎn)；定義T_i(i＝1，2，...，M)為各視場特征光線在像面上的理想像點(diǎn)；對于每個(gè)采樣視場i，波前平面經(jīng)過光瞳的中心，并與主光線垂直；第i個(gè)視場中，特征光線與波前平面相交且垂直，交點(diǎn)S_ij(i＝1，2，...，M；j＝0，1，2，...，K-1)定義為對應(yīng)特征光線的起點(diǎn)；

步驟S3，根據(jù)特征光線的起點(diǎn)S_ij、自由曲面反射鏡Ω的特征數(shù)據(jù)點(diǎn)P₁₀和理想目標(biāo)點(diǎn)T₁，建立相鄰兩個(gè)采樣視場之間的迭代關(guān)系，計(jì)算得到自由曲面反射鏡Ω的所有特征數(shù)據(jù)點(diǎn)；

步驟S3.1，在第1個(gè)采樣視場中，定義從出瞳中心發(fā)出的主光線為參考光線，定義第1個(gè)采樣視場下的特征數(shù)據(jù)點(diǎn)P_1j構(gòu)成的曲面為自由曲面Ω₁；參考光線與自由曲面Ω₁的交點(diǎn)作為參考點(diǎn)P₁₀，即所述步驟S1中初始平面反射鏡中心的位置；參考光線在參考點(diǎn)P₁₀處反射后到達(dá)理想目標(biāo)點(diǎn)T₁；根據(jù)馬呂斯定律，求解第1個(gè)采樣視場下自由曲面Ω₁上的特征數(shù)據(jù)點(diǎn)P_1j；

步驟S3.2，將第1個(gè)視場下的所有特征數(shù)據(jù)點(diǎn)P_1j擬合成用多項(xiàng)式表征的自由曲面Ω₁；

步驟S3.3，在得到前i(1≤i≤M-1)個(gè)視場下的自由曲面后，在第i+1個(gè)采樣視場中，將從出瞳中心發(fā)出的主光線作為參考光線，定義第i+1個(gè)采樣視場下的特征數(shù)據(jù)點(diǎn)P_i+1，j構(gòu)成的曲面為自由曲面Ω_i+1；參考光線與已知自由曲面的交點(diǎn)作為參考點(diǎn)P_i+1，0，參考光線在參考點(diǎn)P_i+1，0處反射后到達(dá)理想目標(biāo)點(diǎn)T_i+1；根據(jù)馬呂斯定律，求解第i+1個(gè)采樣視場下自由曲面Ω_i+1上特征數(shù)據(jù)點(diǎn)P_i+1，j；

步驟S3.4，將前i+1(1≤i≤M-1)個(gè)視場下的所有特征數(shù)據(jù)點(diǎn)P_1j、P_2j...P_i+1，j擬合成用多項(xiàng)式表征的自由曲面

步驟S3.5，重復(fù)步驟S3.3和S3.4構(gòu)建前i個(gè)視場和第i+1個(gè)視場下的自由曲面的迭代關(guān)系，分別得到M個(gè)視場下自由曲面Ω的特征數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)P_1j、P_2j...P_i，j...P_Mj；

步驟S4，對自由曲面反射鏡Ω的所有特征數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，生成用多項(xiàng)式表征的自由曲面反射鏡，得到離軸頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)；利用評價(jià)函數(shù)對擬合的多項(xiàng)式系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定所述多項(xiàng)式的最優(yōu)擬合系數(shù)，生成所需的自由曲面反射鏡，得到離軸頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)最終結(jié)構(gòu)；

所述自由曲面Ω₁上的特征數(shù)據(jù)點(diǎn)通過以下計(jì)算方法獲得：

在第1個(gè)采樣視場中，從特征光線的起點(diǎn)S_1j發(fā)出的所有特征光線，經(jīng)自由曲面反射鏡反射后匯聚于理想目標(biāo)點(diǎn)T₁，根據(jù)參考點(diǎn)的坐標(biāo)P₁₀，計(jì)算參考光線的光程OP：

OP＝n|S₁₀P₁₀|+n|P₁₀T₁|

其中，n為介質(zhì)的折射率，系統(tǒng)在空氣中，則n＝1；T₁為理想目標(biāo)點(diǎn)，通過物像關(guān)系求解；

該采樣視場中的所有特征光線具有相同的光程，在該視場中求得K個(gè)特征數(shù)據(jù)點(diǎn)P_1j(j＝0，1，2，...，K-1)，它滿足以下條件：

n|S₁₀P_1j|+n|P_1jT₁|＝OP。