[發明專利]一種離軸頭戴顯示光學系統中自由曲面反射鏡的設計方法

有效

• 申請號: 202011136643.0
• 申請日: 2020-10-22
• 公開（公告）號: CN112748569B
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 曾春梅;芮叢珊;洪洋;馬鎖冬
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 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所(普通合伙) 32345
• 代理人: 王利斌

本發明屬于光學設計領域，為解決現有離軸頭戴顯示光學系統設計方法不能直接設計全視場全孔徑自由曲面反射鏡的問題，提出一種離軸頭戴顯示光學系統中自由曲面反射鏡的設計方法，通過建立相鄰兩個采樣視場之間的迭代關系，并根據馬呂斯定律在全視場和全孔徑下計算未知自由曲面的特征數據點，將求得的特征數據點擬合得到自由曲面對應的表達式；將計算得到的自由曲面作為初始結構，利用評價函數對擬合的多項式系數進行優化，確定最優擬合系數，得到離軸頭戴顯示光學系統最終結構。本方案能夠在全視場和全孔徑下直接計算離軸頭戴顯示光學系統的自由曲面反射鏡，不需要計算法向量，簡化了計算流程，計算效率高。

技術領域

本發明屬于光學設計領域，具體涉及一種離軸頭戴顯示光學系統中自由曲面反射鏡的設計方法。

背景技術

在離軸頭戴顯示光學系統中，為了避免遮攔或滿足光學系統尺寸和重量的約束，光學系統的對稱性被破壞，導致光學系統的性能大幅度下降。自由曲面作為一種非旋轉對稱的光學曲面，能夠校正系統因離軸而產生的像差，從而恢復離軸系統的光學性能。因此自由曲面常被用在離軸頭戴顯示光學系統中。

傳統的自由曲面離軸頭戴顯示光學系統設計，一般采用球面作為初始結構的面型，然后將該面型設置為用多項式表征的自由曲面，并將多項式系數設為變量，根據設計要求編寫優化函數并進行優化，得到最終的光學系統。然而由于自由曲面多項式項數較多，用該方法進行自由曲面設計效率較低；且優化過程受初始結構的影響較大，容易陷入局部最優值。因此，研究者們提出了一些自由曲面直接設計方法，根據物像關系或消像差條件直接構建自由曲面光學系統初始結構。

文獻“Single optical surface imaging designs with unconstrained objectto image mapping”(Proc.SPIE 8550，Optical Systems Design 2012，855011)中，提出了兩種二維等光程設計方法。第一種二維等光程設計方法，根據等光程原理計算各采樣視場下的笛卡爾卵形線，然后將其首尾相連得到復合笛卡爾卵形線，該方法只適用于旋轉對稱曲面，且只能在采樣視場下完善成像；第二種二維等光程設計方法，根據等光程原理計算各采樣視場邊緣光線處的入射點位置，連接所有入射點得到自由曲線，該方法相鄰視場的光束通過入射表面的區域有部分重合，因此可以同時對任意視場完善成像，但也只適用于旋轉對稱曲面，且軸外視場只有邊緣光線能夠完善成像。

公開號為CN110927964A的中國專利公開了一種用于離軸自由曲面成像光學系統中自由曲面的設計方法，通過建立待求單自由曲面相鄰兩個采樣點之間的迭代關系，計算得到單自由曲面反射鏡上第一條種子曲線，根據種子曲線擴展的方法獲得整個自由曲面反射鏡上的其余采樣點的坐標。但是該方法需要計算采樣點的法向量和切平面，根據切平面計算其他采樣點，即每個采樣點為入射光線與前一個采樣點切平面的交點，這使得計算過程較為復雜。且該方法只能針對單個視場進行設計。

公開號為CN105988213A的中國專利公開了一種自由曲面離軸光學系統的設計方法，根據物像關系及斯涅爾定律逐點求解特征光線與待求自由曲面上的交點，進而得到待求自由曲面上的多個特征數據點。但是該方法也需要計算特征數據點的法向量和切平面，將距離特征數據點最近的特征光線與切平面的交點作為下一個特征數據點，這使得計算過程較為復雜。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術存在的不足，提供一種離軸頭戴顯示光學系統自由曲面反射鏡的設計方法，該方法可在不計算法向量和切平面的情況下有效實現對離軸反射式頭戴顯示系統中自由曲面反射鏡的直接設計，簡化了設計流程，計算效率高。

為達到上述發明目的，本發明的技術方案是：