CN107300777A - 一种基于双自由曲面反射的成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双自由曲面反射的成像系统，包括有自由曲面一、自由曲面二、一个投影透镜和图像源，自由曲面一和自由曲面二对可见光波段的光线具有半透半反的作用，所述的图像源发出光线经过投影透镜的透射后，入射到自由曲面一上，自由曲面一再将光线反射出去，自由曲面二将来自实景光线的光进行透射并与自由曲面一反射的光线进行叠加，在出瞳处的人眼则观察到虚实叠加的图像。本发明利用两片薄片式自由曲面反射面，保持了和自由曲面棱镜一样的对虚像像差的矫正能力；同时实景的光线相通过有空气隙的两个薄光学窗口进入人眼，可以实现人眼对实景的观测几乎没有畸变和像差，不再需要使用补偿棱镜对实景进行补偿。
Description
技术领域
本发明涉及光学设计技术领域，尤其涉及一种基于双自由曲面反射的成像系统。
背景技术
增强现实技术(Augmented Reality，“AR”)是一种利用计算机系统产生虚拟图像信息来增加用户对现实世界感知的技术。与虚拟现实技术所达到的完全沉浸的效果不同，AR技术致力于将计算机生成的虚拟物体，图像，文字等信息，叠加到真实场景，创造一个虚实结合的世界，并通过图像识别，跟踪与注册技术，云技术等实现虚实场景的交互，从而实现对现实世界的“增强”。
近年来，随着微电子，光电子以及光学设计等技术的不断进步，原本重量重体积大的头盔式显示系统，逐渐发展成为功耗小，重量轻，体积小巧的可穿戴智能眼镜系统(又称视频眼镜)，成为可穿戴技术的重中之重。增强现实眼镜从只应用于国防和航空航天领域迅猛发展到各种行业场景和普通消费者的应用。
增强现实智能眼镜系统主要由图像显示源，光学成像系统，定位传感系统，电路控制以及连接系统，配重系统等组成。随着高分辨率平板微显示器件的日益成熟，目前图像源逐渐从早期的微型CRT替代为LCD，OLED，LCoS和DLP等微型平板显示器件。
光学系统的性能不但影响图像源的成像效果，还与智能眼镜的体积，重量和使用感受等有着密切的关系。增强现实眼镜往往采用穿透式光路。佩戴者看到的是图像源经过放大和像差修正形成的虚像。虚像成像在眼前3米远的位置，佩戴者可以同时获得图像源的虚拟信息和外部场景的真实信息。
光学系统在设计时需要综合考虑视场角，亮度，出瞳距离，出瞳直径，双目瞳距，像差和放大率等参数和整体体积重量及成本的协调优化。从同行业内已有的光路设计方案来看，比如谷歌公司Google-glass的棱镜反射式光路，微软公司Hololens眼镜的全息光栅波导光路，以色列Lumus公司的层叠阵列几何波导方案和北京理工大学的自由曲面棱镜方案等；同时实现光学参数的最优和体积重量的小巧，具有较高的难度和挑战性。
使用几何波导或者全息波导方案的智能眼镜，利用光线在平面波导元件内的全内反射和光栅衍射有效降低了光学元件的厚度，但平面波导元件并不能提供光焦度，需要配合复杂的中继光路使用。
在成像光学系统设计中，光学表面经历了球面、圆锥曲面(Conic曲面)、传统非球面、自由曲面的发展历程，国内外对自由曲面的研究已经进行了多年。随着研究的深入，和以超精密金刚石车削技术为代表的现代加工检测技术的发展，自由曲面在成像光学系统的应用优势不断体现，逐渐成为成像光学领域的研究热点。
自由曲面棱镜的近眼显示方案如下：微型投影屏的图像通过光学自由曲面棱镜的三个自由曲面的折射和全反射在人眼前投影虚拟景象，与现实物体实现位置融合。由于自由曲面棱镜自身具有光焦度和较高的像差矫正能力，不使用透镜就可以得到经过放大和像差矫正的虚像。但是成像棱镜对真实场景的光线产生显著偏移，造成巨大的像差，需要补偿棱镜进行补偿。补偿棱镜使该方案光路部分体积变得笨重，限制了进一步的轻薄化。并且，由于自由曲面棱镜的第一个面往往采用高阶自由曲面的设计，会使得后面的补偿棱镜的设计不能完全补偿实景的全部视场，造成实景的成像不佳。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种基于双自由曲面反射的成像系统。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于双自由曲面反射的成像系统，包括有自由曲面一、自由曲面二、一个投影透镜和图像源，自由曲面一和自由曲面二对可见光波段的光线具有半透半反的作用，所述的图像源发出光线经过投影透镜的透射后，入射到自由曲面一上，自由曲面一再将光线反射出去，自由曲面二将来自实景光线的光进行透射并与自由曲面一反射的光线进行叠加，在出瞳处的人眼则观察到虚实叠加的图像，图像源所成的虚像位于人眼前3米的位置。
所述的自由曲面一和自由曲面二是光学塑料或者光学玻璃，且厚度不超过1.5mm。
将所述的自由曲面一、自由曲面二以及投影透镜的两个表面进行增反射镀膜。
所述的自由曲面一的入射角范围为45-60度；自由曲面二的入射角范围为15-25度。
自由曲面二的远离出瞳的表面通过吸附工艺使卤化银微晶体附着。
所述的图像源为LCD、OLED、DLP、LCoS型微型显示元件中的一种。
所述的自由曲面一和自由曲面二为XY多项式自由曲面，具体表达式为：
其中c是表面曲率；k是二次非球面常数；cmn是不同阶数的系数，p是多项式的最高次幂，满足1≤m+n≤p；选择偶次幂x项，保证面型关于YOZ面的对称性。
所述的自由曲面一和自由曲面二为Zernike多项式自由曲面，具体表达式
为：
其中Z(x,y)是光学表面的矢高量，等号右边第一项是Conic曲面部分，c是表面曲率，k是二次非球面常数，第二项是Zernike多项式，Ai是Zernike多项式系数，Ei是Zernike多项式，ρ，θ分别是Zernike多项式的变量。
所述的自由曲面一和自由曲面二为复曲面，其数学描述方程如下：
其中，cx是曲面在X-Z平面内的曲率半径，cy是曲面在Y-Z平面内的曲率半径，kx是曲面在弧矢方向的二次曲面系数，ky是曲面在子午方向的二次曲面系数，Ai是关于Z轴旋转对称的非球面系数，Bi是非旋转对称系数。
目前光学自由曲面棱镜主要依靠高精密金刚石车削技术进行加工。加工过程中由于自由曲面棱镜有三个自由曲面的面型，需要依次装夹三次实现三个面型的加工。这样的反复装夹就会引入比较大的三个面型的位置误差，而对于注塑加工方法也存在同样的问题。对于金刚石车削来说，面型误差更容易保证。而两种加工方法都会存在较大的结构误差。
本发明所提出的基于双自由曲面反射和投影透镜的近眼显示光路方案。所述的两个自由曲面是分别利用金刚石车削机床加工制造，加工过程中只需要保证面型误差；由专门设计的结构固定件来固定光路中元件的相对位置。这样有一定的装配自由度来对结构误差进行调节，可以实现很低的结构误差，加工难度和装配难度都将大大降低。
本发明的优点是：本发明利用两片薄片式自由曲面反射面，保持了和自由曲面棱镜一样的对虚像像差的矫正能力；同时实景的光线相通过有空气隙的两个薄光学窗口进入人眼，可以实现人眼对实景的观测几乎没有畸变和像差，不再需要使用补偿棱镜对实景进行补偿。对比传统的自由曲面棱镜光路而言，进一步实现了光路的轻巧化和成像质量的优化。
附图说明
图1为本发明的工作原理图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于双自由曲面反射的成像系统，包括有自由曲面一1、自由曲面二2、一个投影透镜3和图像源4，自由曲面一1和自由曲面二2对可见光波段的光线具有半透半反的作用，所述的图像源4发出光线经过投影透镜3的透射后，入射到自由曲面一1上，自由曲面一1再将光线反射出去，自由曲面二2将来自实景光线5的光进行透射并与自由曲面一1反射的光线进行叠加，在出瞳6处的人眼则观察到虚实叠加的图像，图像源4所成的虚像位于人眼前3米的位置。两个自由曲面窗口的面型参数可以根据虚拟图像的成像质量进行优化，使子午和弧矢像差得到矫正。
所述的自由曲面一1和自由曲面二2是光学塑料或者光学玻璃，且厚度不超过1.5mm，以实现对实景光线的无畸变透射。
将所述的自由曲面一1、自由曲面二2以及投影透镜3的两个表面进行增反射镀膜，提高在可见光波段的反射率。增反射镀膜的厚度按照一定的光线入射角范围进行优化。
所述的自由曲面一1的入射角范围为45-60度；自由曲面二2的入射角范围为15-25度。
自由曲面二2的远离出瞳的表面通过吸附工艺使卤化银微晶体附着，根据光色互变可逆反应原理，在日光和紫外线强照射下附着物可完全吸收紫外线，迅速变暗，对可见光呈中性吸收；回到暗处，又能快速恢复无色透明。这样就不需要通过频繁更换滤光片来自适应的改变透射光强，可以提高虚实场景叠加的对比度和观测效果。
所述的图像源4为LCD、OLED、DLP、LCoS型微型显示元件中的一种，对于OLED等自主发光屏，可以直接置于物面上，而LCoS和DLP等微型显示元件属被动发光类型，需要借助PBS棱镜或PBS分光膜。本方案中像面位置与OLED微型显示元件的图像显示位置相匹配，可以直接适用；LCoS微型显示元件，加入PBS棱镜后像面位置需要与LCoS微型显示元件的图像显示位置略有调整。
所述的自由曲面一1和自由曲面二2是分别利用金刚石车削机床加工制造，加工过程中只需要保证面型误差；由专门设计的结构固定件来固定光路中元件的相对位置。这样可以有一定的装配自由度来对结构误差进行调节，可实现很低的结构误差，加工难度和装配难度都将大大降低。
所述的自由曲面一和自由曲面二为XY多项式自由曲面，具体表达式为：
其中c是表面曲率；k是二次非球面常数；cmn是不同阶数的系数，p是多项式的最高次幂，满足1≤m+n≤p；选择偶次幂x项，保证面型关于YOZ面的对称性。
所述的自由曲面一和自由曲面二为Zernike多项式自由曲面，具体表达式
为：
其中Z(x,y)是光学表面的矢高量，等号右边第一项是Conic曲面部分，c是表面曲率，k是二次非球面常数，第二项是Zernike多项式，Ai是Zernike多项式系数，Ei是Zernike多项式，ρ，θ分别是Zernike多项式的变量。
所述的自由曲面一和自由曲面二为复曲面，其数学描述方程如下：
其中，cx是曲面在X-Z平面内的曲率半径，cy是曲面在Y-Z平面内的曲率半径，kx是曲面在弧矢方向的二次曲面系数，ky是曲面在子午方向的二次曲面系数，Ai是关于Z轴旋转对称的非球面系数，Bi是非旋转对称系数。
根据本发明的一个具体实施例，各个光学表面的参数如下表1和表2所示。
表1光学元件参数表
表2光学自由曲面参数表。
Claims (9)
1.一种基于双自由曲面反射的成像系统，其特征在于：包括有自由曲面一、自由曲面二、一个投影透镜和图像源，自由曲面一和自由曲面二对可见光波段的光线具有半透半反的作用，所述的图像源发出光线经过投影透镜的透射后，入射到自由曲面一上，自由曲面一再将光线反射出去，自由曲面二将来自实景光线的光进行透射并与自由曲面一反射的光线进行叠加，在出瞳处的人眼则观察到虚实叠加的图像，图像源所成的虚像位于人眼前3米的位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于双自由曲面反射的成像系统，其特征在于：所述的自由曲面一和自由曲面二是光学塑料或者光学玻璃，且厚度不超过1.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于双自由曲面反射的成像系统，其特征在于：将所述的自由曲面一、自由曲面二以及投影透镜的两个表面进行增反射镀膜。
4.根据权利要求1所述的一种基于双自由曲面反射的成像系统，其特征在于：所述的自由曲面一的入射角范围为45-60度；自由曲面二的入射角范围为15-25度。
5.根据权利要求1所述的一种基于双自由曲面反射的成像系统，其特征在于：自由曲面二的远离出瞳的表面通过吸附工艺使卤化银微晶体附着。
6.根据权利要求1所述的一种基于双自由曲面反射的成像系统，其特征在于：所述的图像源为LCD、OLED、DLP、LCoS型微型显示元件中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种基于双自由曲面反射的成像系统，其特征在于：所述的自由曲面一和自由曲面二为XY多项式自由曲面，具体表达式为：
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其中c是表面曲率；k是二次非球面常数；cmn是不同阶数的系数，p是多项式的最高次幂，满足1≤m+n≤p；选择偶次幂x项，保证面型关于YOZ面的对称性。
8.根据权利要求1所述的一种基于双自由曲面反射的成像系统，其特征在于：所述的自由曲面一和自由曲面二为Zernike多项式自由曲面，具体表达式为：
其中Z(x,y)是光学表面的矢高量，等号右边第一项是Conic曲面部分，c是表面曲率，k是二次非球面常数，第二项是Zernike多项式，Ai是Zernike多项式系数，Ei是Zernike多项式，ρ，θ分别是Zernike多项式的变量。
9.根据权利要求1所述的一种基于双自由曲面反射的成像系统，其特征在于：所述的自由曲面一和自由曲面二为复曲面，其数学描述方程如下：
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其中，cx是曲面在X-Z平面内的曲率半径，cy是曲面在Y-Z平面内的曲率半径，kx是曲面在弧矢方向的二次曲面系数，ky是曲面在子午方向的二次曲面系数，Ai是关于Z轴旋转对称的非球面系数，Bi是非旋转对称系数。
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