CN102928981A - 全息光波导头盔显示器光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种全息光波导头盔显示器光学系统，由中继准直光学系统、全息光波导组件、显示像源构成，显示像源的光线经中继准直光学系统准直，之后，耦合进入全息光波导组件，光波在经过全息光波导组件传输时，光波部分衍射出全息光波导，同时，外部场景的光线透过全息光波导组件，用户看到耦合出全息光波导的图像以投影方式叠加在外部场景上。本发明的优点在于：利用全息与波导技术，将全息与波导技术相结合，有效解决光路离轴传输问题，保证系统成像质量，满足成像清晰，小畸变，减小了系统的重量和体积，从而调高系统的综合性能，解决了传统光学设计与制造上难度大的问题。

Description

全息光波导头盔显示器光学系统

技术领域

本发明涉及一种光学系统，具体是一种头盔显示器光学系统。

背景技术

头盔显示器作为一种重要的光电显示设备，起着为飞机或坦克驾驶员、单兵、航天员等提供关键测控信息，提高势态感知度的关键作用。头盔显示器，在满足功能和可靠性的前提下，对其重量和结构形式不断提出新的要求，减轻重量可以降低佩戴人员的负荷，良好的结构形式可保证头部质心位置，从而延缓佩戴者的疲劳程度，防止冲击引起颈部扭伤等。

传统的头盔显示器光学系统为了适应头盔安装，保证实现良好的显示功能，对于护目镜的曲率公差较要求紧，中继透镜组镜片需要离轴和倾斜，使得中继镜装配公差紧，光学畸变、离轴残余像差较大，系统的出瞳和视场较小，导致整体设计难度大，加工和装调周期长，成本高，光学透镜组结构复杂，质量、体积较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种有效解决光路离轴传输问题、系统成像清晰、小畸变、系统的重量和体积小，并且易制造的全息光波导头盔显示器光学系统。

本发明采用以下技术方案解决上述技术问题的：一种全息光波导头盔显示器光学系统，由中继准直光学系统、全息光波导组件、显示像源构成，显示像源的光线经中继准直光学系统准直，之后，耦合进入全息光波导组件，光波在经过全息光波导组件传输时，光波部分衍射出全息光波导，同时，外部场景的光线透过全息光波导组件，用户看到耦合出全息光波导的图像以投影方式叠加在外部场景上。

本发明可进一步优化为：全息光波导组件由两个平板光波导组成：水平全息光波导以及垂直全息光波导，水平全息光波导远离入射光的一面的两端分别制作一个全息反射元件：第一全息反射面、第二全息反射面，垂直全息光波导远离入射光的一面的两端也分别制作一个全息反射元件：第三全息反射面、第四全息反射面，水平全息光波导以及垂直全息光波导的板面相互垂直，且第二全息反射面平行于第三全息反射面。

第一全息反射面将中继准直光学系统准直后的光线耦合进入水平全息光波导，光波在水平方向传输，传输到第二全息反射面时，部分光被衍射出水平全息光波导，而零级光保持在水平全息光波导内向前传输，每次遇到第二全息反射面则耦合出部分能量，水平全息光波导衍射耦合出的光能，被垂直全息光波导的第三全息反射面接收，耦合进入垂直全息光波导，光波在垂直方向传输，当传输到第四全息反射面时，部分光被衍射出垂直全息光波导，剩余零级光保持在垂直全息光波导向前传输。

本发明可进一步优化为：所述中继准直光学系统选用三片透镜结构，中间透镜为双胶合透镜，优选的为一平凸透镜与一平凹透镜胶合，两侧的第一片透镜和第三片透镜均为平凸透镜，且优选的，三片透镜的凸面均为偶次非球面，且凸面均朝向水平全息光波导。

更具体的，所述第一全息反射面和第三全息反射面使用一级衍射，第二全息反射面和第四全息反射面上，每次零级和一级衍射效率保持不变，对其零级和一级衍射效率按公式（1）分配；

$\mathrm{\η}={\mathrm{\ρ}}_l\left(\frac{1-{\mathrm{\ρ}}_0^k}{1-{\mathrm{\ρ}}_0}\right)---\left(1\right)$

其中：η——全息光波导耦出效率；ρ₀——为零级衍射效率；ρ_l——一级衍射效率；k——衍射次数；

衍射次数取整：k=【L/Δ】       （2）

其中：L——全息面宽度；Δ——光束的间隔；

光束的间隔：Δ=2t·tanθ       （3）

其中：Δ——光束的间隔；t——平板波导厚度；θ——衍射角；

衍射角： $\sin \mathrm{\θ}=\sin i-\frac{\mathrm{m\λ}}{d}---\left(4\right)$

其中：θ——衍射角；d——空间周期；m——衍射级次；λ——入射光波长；

i——入射角；

空间周期：

其中：λ_of——物光与参考光波长；

——物光与参考光夹角；

第一全息反射面和第三全息反射面使用正一级衍射，第二全息反射面和第三全息反射面使用负一级衍射，利用公式（4）、（5）结合视场角和全息光波导折射率确定物光与参考光的夹角，根据出瞳直径、眼点距、视场确定第四全息反射面的尺寸，根据公式（1）~（5）和视场角，结合准直出射的适当的光束宽度以及第三全息反射面的耦合效率确定垂直全息光波导的厚度，进而给出第二全息反射面和第三全息反射面的尺寸，同理确定水平全息光波导的厚度与第一全息反射面的尺寸。

所述全息光波导头盔显示器光学系统的光学设计指标为：

眼 点 距： 25mm；

视 场 角： 20°×15°；

图 像 源： 0.67英寸；4:3；

出    瞳： 10mm；

光谱范围： 495~530nm。

本发明的优点在于：利用全息与波导技术，将全息与波导技术相结合，有效解决光路离轴传输问题，保证系统成像质量，满足成像清晰，小畸变，减小了系统的重量和体积，从而调高系统的综合性能，解决了传统光学设计与制造上难度大的问题。

设计出的全息光波导头盔显示器光学系统，视场角20°×15°，总重量小于40克，后工作距为13.5mm，最大弥散斑直径30μm，畸变小于0.6%，在10°×10°视场范围内最大弥散斑直径小于10μm，其中，中继系统重量小于10克，中继系统长35.6mm。

附图说明

图1是本发明全息光波导头盔显示器光学系统的结构原理图。

图2是水平方向扩展光全息光波导。

图3是垂直方向扩展光全息光波导。

图4是中继准直光学系统的结构原理图。

图5是0°×15°121个视场点二维点列图。

图6是10°×10°121个视场点二维点列图。

具体实施方式

如图1所示，本发明全息光波导头盔显示器光学系统包括中继准直光学系统1、全息光波导组件、显示像源，显示像源的光线经中继准直光学系统准直，之后，耦合进入全息光波导组件。

全息光波导组件包括两个平板光波导：水平全息光波导22以及垂直全息光波导24。同时参阅图2及图3所示，水平全息光波导22的远离入射光42的一面的两端分别制作一个全息反射元件：第一全息反射面222、第二全息反射面224，垂直全息光波导24的远离入射光52的一面的两端也分别制作一个全息反射元件：第三全息反射面242、第四全息反射面244。水平全息光波导22以及垂直全息光波导24的板面相互垂直，且第二全息反射面224平行于第三全息反射面242。

第一全息反射面222将中继准直光学系统1准直后的光线耦合进入水平全息光波导22，光波44在水平方向传输，当传输到第二全息反射面224时，部分光被衍射出水平全息光波导22形成衍射出射光46，而零级光保持在水平全息光波导22内向前传输，每次遇到第二全息反射面224则耦合出部分能量。水平全息光波导22的衍射出射光46被垂直全息光波导24的第三全息反射面242接收，作为垂直全息光波导24的入射光52，耦合进入垂直全息光波导24，光波54在垂直方向传输，当传输到第四全息反射面244时，同样部分光被衍射出垂直全息光波导24形成衍射出射光56，而剩余零级光保持在垂直全息光波导24向前传输。

这样，中继准直光学系统1的窄光束被有效在水平及垂直两个方向扩展，保证系统具有较大的出瞳，而中继准直光学系统1具有较小的口径即可，使得系统质量减轻。同时，合理的设计全息反射面的空间频率，控制零级与衍射耦出级次的能量分布，可优化光能的利用率，结合对光波导厚度t和材料折射率的选择，可以控制光波在全息光波导内的反射次数、出射光束的间隔V和H，减小人眼晃动产生的强度调制效应。

以下为光学系统参数的设计。

根据对传统头盔显示系统设计指标的比较，提出如下光学设计指标：

眼 点 距： 25mm；

视 场 角： 20°×15°；

图 像 源： 0.67英寸；4:3；

出    瞳： 10mm；

光谱范围： 495~530nm；

整个系统采用逆向光路设计，中继准直光学系统1承担整个系统的光焦度，请参阅图4所示，所述中继准直光学系统1选用三片透镜结构，中间透镜为双胶合透镜，为一平凸透镜与一平凹透镜胶合，以适当补偿全息光波导器件色差，两侧的第一片透镜和第三片透镜均为平凸透镜，校正高级像差，且三片透镜的凸面均为偶次非球面，且凸面均朝向水平全息光波导22。

全息光波导结构设计考虑，人眼的瞳孔直径通常为3~5mm，因而某一视场出射光束的间隔必须小于3mm，以免人眼晃动丢失视场，同时，尽可能减小同一视场出射光束的间隔V和H，均匀分配衍射能量，以减轻光强度调制效应。由于进入全息光波导的光为准直的平行光，因而全息反射元件可以使用全息光栅的制作工艺。设计中的物光与参考光为平行光，其夹角、波长、感光材料决定全息面的空间频率，选用He-Ne激光波长632.8nm作为全息光波导的构造波长；波导板材质选用高折射率材料，全反射角相对较小，可减小出射光束间隔，但系统质量将增大，这里选用K9玻璃。

衍射级次及能量分布，第一全息反射面222和第三全息反射面242只起到耦合光波进入对应的全息光波导的作用，为保证耦合效率，减少或避免在该面上出现二次衍射，只使用一级衍射，第一全息反射面222和第三全息反射面242采用高效率的全息元件，该级衍射效率能够接近100%，保证耦合进入全息光波导的尽可能多的能量；通过设置全息光波导的厚度t，第一全息反射面222和第三全息反射面242的宽度，衍射角的大小，使得光波按预定光路传输需要，避免在第一全息反射面222和第三全息反射面242上出现二次衍射。第二全息反射面224和第四全息反射面244起到光波耦合出全息光波导和扩展光束的作用，为保证足够的能量耦出效率，设在第二全息反射面224和第四全息反射面244上，每次零级和一级衍射效率保持不变，对其零级和一级衍射效率按公式（1）分配；

$\mathrm{\η}={\mathrm{\ρ}}_l\left(\frac{1-{\mathrm{\ρ}}_0^k}{1-{\mathrm{\ρ}}_0}\right)---\left(1\right)$

η——全息光波导耦出效率；

ρ₀——为零级衍射效率；

ρ_l——一级衍射效率；

k——衍射次数；

衍射次数取整

k=【L/Δ】       （2）

L——全息面宽度；

Δ——光束的间隔；

光束的间隔

Δ=2t·tanθ       （3）

Δ——光束的间隔；

t——平板波导厚度；

θ——衍射角；

衍射角

$\sin \mathrm{\θ}=\sin i-\frac{\mathrm{m\λ}}{d}---\left(4\right)$

θ——衍射角；

d——空间周期；

m——衍射级次；

λ——入射光波长；

i——入射角；

空间周期

λ_of——物光与参考光波长；

——物光与参考光夹角；

为了减小全息反射面色散引入的色差，在设计中第一全息反射面222和第三全息反射面242使用正一级衍射，第二全息反射面224和第三全息反射面244使用负一级衍射，以抵消绝大部分色差。利用公式（4）、（5）考虑视场角和基板折射率可以确定物光与参考光的夹角。根据出瞳直径、眼点距、视场确定第二块全息光波导全息面d的尺寸。根据公式（1）~（5）和视场角，考虑准直出射的适当的光束宽度以及全息面c的耦合效率确定第二块全息光波导基板的厚度，进而给出全息面c、b尺寸，同理确定第一块全息光波导基板的厚度与a的尺寸。

根据以上方法确定出系统的结构参数之后，利用Code V光学软件进行设计和优化。成像质量通过点列图和畸变图来评价，如图5~6所示。

设计结果，光学系统总重量小于40克，后工作距为13.5mm，最大弥散斑直径30μm，畸变小于0.6%，在10°×10°范围内最大弥散斑直径小于10μm，其中，中继系统重量小于10克，中继系统长35.6mm。从图5、6可以看出，虽然全息面之间以及中继系统综合补偿了大部分色差，但系统任然存在一定残余色差，但整个色斑半径较小，满足色差要求。

本发明全息光波导头盔显示光学系统是将特殊设计的全息图嵌入到光波导基板（水平全息光波导22以及垂直全息光波导24），构成全息光波导元件（第一全息反射面222、第二全息反射面224、第三全息反射面242、第四全息反射面244），光波限制在水平全息光波导22以及垂直全息光波导24内按特定路径传输。全息光波导耦合光波，使其满足全反射光波导传输条件，光波在经过全息光波导传输时，控制光波部分衍射出全息光波导。同时，外部场景的光线很好的透过该全息光波导，这样用户可以看到耦合出全息光波导的图像以投影方式叠加在外部场景上。此外，该系统具有非常大的出瞳，这样为用户在头盔上安装显示器提供了灵活性。由于全息光波导使用薄玻璃基板，中继准直光学系统处于同轴，这样有效地减轻系统质量，同时保证系统优良的成像质量。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全息光波导头盔显示器光学系统，其特征在于：包括中继准直光学系统、全息光波导组件、显示像源，显示像源的光线经中继准直光学系统准直，之后，耦合进入全息光波导组件，耦合出全息光波导组件的图像以投影方式叠加在透过全息光波导组件的外部场景的光线上。

2.如权利要求1所述的全息光波导头盔显示器光学系统，其特征在于：全息光波导组件由两个平板光波导组成：水平全息光波导以及垂直全息光波导，水平全息光波导远离入射光的一面的两端分别制作一个全息反射元件：第一全息反射面、第二全息反射面，垂直全息光波导远离入射光的一面的两端也分别制作一个全息反射元件：第三全息反射面、第四全息反射面，水平全息光波导以及垂直全息光波导的板面相互垂直，且第二全息反射面平行于第三全息反射面。

3.如权利要求2所述的全息光波导头盔显示器光学系统，其特征在于：第一全息反射面将中继准直光学系统准直后的光线耦合进入水平全息光波导，光波在水平方向传输，传输到第二全息反射面时，部分光被衍射出水平全息光波导，零级光保持在水平全息光波导内向前传输，每次遇到第二全息反射面则耦合出部分能量，水平全息光波导衍射耦合出的光能，被垂直全息光波导的第三全息反射面接收，耦合进入垂直全息光波导，光波在垂直方向传输，当传输到第四全息反射面时，部分光被衍射出垂直全息光波导，剩余零级光保持在垂直全息光波导向前传输。

4.如权利要求2所述的全息光波导头盔显示器光学系统，其特征在于：所述中继准直光学系统选用三片透镜结构，中间透镜为双胶合透镜，两侧的第一片透镜和第三片透镜均为平凸透镜，且凸面均朝向水平全息光波导。

5.如权利要求4所述的全息光波导头盔显示器光学系统，其特征在于：所述中间透镜为一平凸透镜与一平凹透镜胶合，且凸面均朝向水平全息光波导。

6.如权利要求5所述的全息光波导头盔显示器光学系统，其特征在于：，所述三片透镜的凸面均为偶次非球面。

7.如权利要求1至6任一项所述的全息光波导头盔显示器光学系统，其特征在于：第一全息反射面和第三全息反射面使用正一级衍射，第二全息反射面和第三全息反射面使用负一级衍射，第二全息反射面和第四全息反射面上，每次零级和一级衍射效率保持不变。

8.如权利要求7所述的全息光波导头盔显示器光学系统，其特征在于：

所述第二全息反射面和第四全息反射面上的零级和一级衍射效率按公式（1）分配；

$\mathrm{\η}={\mathrm{\ρ}}_l\left(\frac{1-{\mathrm{\ρ}}_0^k}{1-{\mathrm{\ρ}}_0}\right)---\left(1\right)$

其中：η——全息光波导耦出效率；ρ₀——为零级衍射效率；ρ_l——一级衍射效率；k——衍射次数；

衍射次数取整：k=【L/Δ】       （2）

其中：L——全息面宽度；Δ——光束的间隔；

光束的间隔：R=2t·tanθ       （3）

其中：Δ——光束的间隔；t——平板波导厚度；θ——衍射角；

衍射角： $\sin \mathrm{\θ}=\sin i-\frac{\mathrm{m\λ}}{d}---\left(4\right)$

其中：θ——衍射角；d——空间周期；m——衍射级次；λ——入射光波长；

i——入射角；

空间周期：

其中：λ_of——物光与参考光波长；

——物光与参考光夹角；

利用公式（4）、（5）结合视场角和全息光波导折射率确定物光与参考光的夹角，根据出瞳直径、眼点距、视场确定第四全息反射面的尺寸，根据公式（1）~（5）和视场角，结合准直出射的适当的光束宽度以及第三全息反射面的耦合效率确定垂直全息光波导的厚度，进而给出第二全息反射面和第三全息反射面的尺寸，同理确定水平全息光波导的厚度与第一全息反射面的尺寸。

9.如权利要求8所述的全息光波导头盔显示器光学系统，其特征在于：所述全息光波导头盔显示器光学系统的光学设计指标为：

眼 点 距： 25mm；

视 场 角： 20°×15°；

图 像 源： 0.67英寸；4:3；

出    瞳： 10mm；

光谱范围： 495~530nm。

10.如权利要求7所述的全息光波导头盔显示器光学系统，其特征在于：选用He-Ne激光波长632.8nm作为全息光波导组件的构造波长；平板光波导选用K9玻璃。

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