CN103399404A - 机载视透型头盔显示器光学系统 - Google Patents

Abstract

机载视透型头盔显示器光学系统属于光学技术领域，目的在于解决现有技术存在的结构复杂，视场角小，出瞳距短，出瞳尺寸小问题。本发明包括沿光轴顺次排列的图像源、中继透镜组和组合器；图像源产生的图像经光楔，第二双凸透镜，第一双凸透镜和凹透镜传输至组合器，经组合器反射至飞行员眼前，组合器同时透射外界环境图像，飞行员同时获得图像信息及外部环境信息。本发明利用自由曲面和二元光学元件，解决了系统对视场角、出瞳距的要求与小型轻量化之间的矛盾，使得头盔显示器的结构更紧凑、重量更轻，减少飞行员穿戴疲劳感，提高作战效率。

Description

机载视透型头盔显示器光学系统

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种机载视透型头盔显示器光学系统。

背景技术

头盔显示器(Helmet-MountedDisplays,HMDs）是利用光学系统将微显示器发出的图像信息投影在人眼前成放大的虚像，对于视透型头盔显示器，佩戴者除了显示器上的画面，还可以同时看见真实世界的情况，有较好的环境感知能力。

典型的传统头盔显示器常常存在以下的缺点：中继透镜组复杂，重心偏移大，出瞳尺寸小。公开号为US3940204的美国专利公开了一项发明名称为该光学系统CRT图像源显示的图像信息经过中继透镜组形成中间像，然后再通过组合器，最后被组合器投射在观察者眼前的合适位置；该光学系统工作波段较窄，中继透镜组结构复杂，整个系统重量较重，出瞳距较短，出瞳尺寸较小。因此，不宜长时间穿戴，无法解决系统对视场角、出瞳距的要求与小型轻量化之间的矛盾。

最近，随着支持制造多边形和自由曲面光学表面的金刚石车削技术的出现，人们开始研究自由曲面在光学系统中的应用。目前，国内外已有很多研究机构及企业例如奥林巴斯、佳能等将自由曲面成功应用在头戴式显示器中。采用该类设计思想的专利有：公开号为US5959780、US6028709和US6384983等。这些方案大都采用了单片式自由曲面棱镜结构，其共同缺点是出瞳直径较小，F数较大，采用的作为图像源的微显示器尺寸较大，无法开发出可接受的视透功能。

发明内容

本发明的目的在于提出一种机载视透型头盔显示器光学系统，解决现有技术存在的结构复杂、视场角小，出瞳距短、出瞳尺寸小问题。

为实现上述目的，本发明的机载视透型头盔显示器光学系统包括沿光轴顺次排列的图像源、中继透镜组和组合器。

所述图像源产生的图像经所述光楔，第二双凸透镜，第一双凸透镜和凹透镜传输至组合器，再经组合器反射至飞行员眼前，所述组合器同时透射外界环境图像，飞行员同时获得图像信息及外部环境信息。

所述中继透镜组包括依次排列的光楔、第二双凸透镜、第一双凸透镜和凹透镜，所述组合器是由25项泽尼克多项式表征的自由曲面半透半反镜，所述组合器相对于图像源的光轴存在60°倾斜角。

所述第一双凸透镜前表面为非球面，第一双凸透镜后表面为球面，所述第一双凸透镜关于光轴存在倾斜和偏心；所述第二双凸透镜前表面为非球面，第二双凸透镜后表面为衍射面；所述凹透镜前表面和凹透镜后表面为球面。

所述视透型头盔显示器光学系统工作在可见波长范围内。

本发明还是一种大视场，大出瞳，长出瞳距，轻型机载视透型头盔显示器光学系统，该系统包括沿光轴顺次排列的图像源、中继透镜组和组合器；

所述中继透镜组包括依次排列的光楔、第二双凸透镜、第一双凸透镜和凹透镜，所述组合器是由25项泽尼克多项式表征的自由曲面半透半反镜，所述组合器相对于图像源的光轴存在60°倾斜角；

所述图像源产生的图像经所述光楔，第二双凸透镜，第一双凸透镜和凹透镜传输至组合器，再经组合器反射至飞行员眼前，所述组合器同时透射外界环境图像，飞行员同时获得图像信息及外部环境信息。

所述第一双凸透镜前表面为非球面，第一双凸透镜后表面为球面，所述第一双凸透镜关于光轴存在倾斜和偏心；所述第二双凸透镜前表面为非球面，第二双凸透镜后表面为衍射面；所述凹透镜前表面和凹透镜后表面为球面。

所述大视场，大出瞳，长出瞳距，轻型机载视透型头盔显示器光学系统的图像源为有机发光二级管。

所述大视场，大出瞳，长出瞳距，轻型机载视透型头盔显示器光学系统的出瞳距＞50mm，可以满足飞行员佩戴眼镜，防毒面具或者氧气面罩的需求。

所述大视场，大出瞳，长出瞳距，轻型机载视透型头盔显示器光学系统的组合器内表面上镀有半透半反射膜。

所述大视场，大出瞳，长出瞳距，轻型机载视透型头盔显示器光学系统工作在可见波长范围内。

本发明的有益效果为：与现有技术相比，本发明的机载视透型头盔显示器光学系统使用泽尼克多项式表征的组合器校正离轴像差，如：双节点像散和轴向慧差；倾斜和偏心的中继透镜组校正畸变、线性像散和双节点像散；使用光楔校正轴向慧差、线性像散和垂轴色差；使用衍射光学元件第二双凸透镜校正色差，二级光谱和高级像差，本发明结构紧凑、重量轻、重心偏移小、视场大、出瞳大、出瞳距长的透视型头盔显示器光学系统。另外，该光学系统较传统的头盔显示器有更宽的工作波段和更好的像质。本发明利用自由曲面和二元光学元件，解决了系统对视场角、出瞳距的要求与小型轻量化之间的矛盾，使得头盔显示器的结构更紧凑、重量更轻，减少飞行员穿戴疲劳感。

附图说明

图1为本发明的机载视透型头盔显示器光学系统结构示意图；

图2为本发明的机载视透型头盔显示器光学系统的调制传递函数曲线图；

其中：1、图像源；2、中继透镜组；21、凹透镜，211、凹透镜前表面，212、凹透镜后表面，22、第一双凸透镜，221、第一双凸透镜前表面，222、第一双凸透镜后表面，23、第二双凸透镜，231、第二双凸透镜前表面，232、第二双凸透镜后表面，24、光楔，241、光楔前表面，242、光楔后表面，3、组合器，4、出瞳。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

参见附图1，本发明的机载视透型头盔显示器光学系统从物方到像方按顺序由图像源1、中继透镜组2和组合器3构成，整个头盔显示器被用来将从图像源1显示的图像信息送到飞行员的眼前。

所述中继透镜组2包括依次排列的光楔24、第二双凸透镜23、第一双凸透镜22和凹透镜21，在设计时，通过倒追光线进行设计，也就是从出瞳4到图像源1进行光线追迹，所述组合器3是由25项泽尼克多项式表征的自由曲面半透半反镜，让观测者可同时获得显示信息及外部环境信息，所述组合器3相对于图像源1的光轴存在60°倾斜角；

所述倾斜的组合器3面型表达式为：

$Z(x,y)=\frac{c(x^2+y^2)}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2(x^2+y^2)}}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i{Z}_i(x,y)$

式中：c为曲率（半径所对应的），x,y是以透镜长度单位为单位的坐标，k为圆锥常数，A_i是第i个泽尼克多项式系数，Z_i是第i项泽尼克多项式。

所述图像源1产生的图像信息经所述光楔24，第二双凸透镜23，第一双凸透镜22和凹透镜21传输至组合器3，再经组合器3被反射至飞行员眼前，所述组合器3同时透射外界环境信息，飞行员同时获得图像信息及外部环境信息。

所述第一双凸透镜前表面221为非球面，第一双凸透镜后表面222为球面，所述第一双凸透镜22关于光轴存在倾斜和偏心，即所述第一双凸透镜22的中心不在光轴上，并且所述第一双凸透镜22的中心线与光轴不平行；所述第二双凸透镜前表面231为非球面，第二双凸透镜后表面232为衍射面；所述凹透镜前表面211和凹透镜后表面212为球面。

所述图像源1采用有机发光二极管（organic light emitting display，OLED），其分辨率为800×600像素，像元尺寸为15μm。

在像差校正方面，通过泽尼克多项式表征组合器3来校正离轴像差，如：双节点像散和轴向慧差。通过所述第一双凸透镜前表面221校正球差，球差的校正允许出瞳变大。通过倾斜和偏心第一双凸透镜22来校正畸变和双节点像散，在Y-O-Z平面内，其相对于Y轴的偏心值是-1.4093，相对于X轴的倾斜角度为2.3232°。因为系统合成镜倾斜角度大、系统入瞳距长，导致慧差零点偏离中心视场很远，慧差在子午方向上已经不具有正负对称性。需要靠自由曲面和第一双凸透镜22偏心共同校正。通过光楔24来校正轴向慧差、线性像散和垂轴色差。通过所述衍射光学元件第二双凸透镜后表面232来校正色差和二级光谱，在该光学系统中，更重要地是它可以很好地校正高级像差，减少了中继组件透镜个数，减轻了整个系统的重量。该所述第二双凸透镜后表面232的表达式为：

$i=\frac{1}{2}[{(j+n)}^2+j+3n]$

式中：k为衍射级次，m为级数中多项式系数的项数，A_i为第i项多项式的系数，根据给定的i值，可以根据下式求得j和n的值：

$1=\mathrm{floor}\left[\frac{\sqrt{1+8i}-1}{2}\right],$

n=i-l(l+1)/2,

j＝l-n,

式中：floor()为取整操作。

我们设计的机载视透型头盔显示器光学系统技术指标如下：

出瞳直径：      15mm；

有效焦距：      21.31mm；

F数：           1.42；

出瞳距：        50mm；

视场：          45°×32°；

工作波长：      486--656nm；

光学系统总重：  134.75g。

组合器3、凹透镜21、第一双凸透镜22、第二双凸透镜23、光楔24的光学表面曲率半径、非球面系数、各光学元件材料、各光学表面间的距离（包括各光学元件的厚度及各光学元件之间的空气隙厚度）如表1所示。表1中第四列数据由上到下依次为出瞳4到组合器3的距离、组合器3到凹透镜前表面211的距离、凹透镜前表面211到凹透镜后表面212的距离、凹透镜后表面212到第一双凸透镜前表面221的距离、第一双凸透镜前表面221到第一双凸透镜后表面222的距离……、光楔后表面242到图像源1间的距离。

表1

参见附图2，本发明的机载视透型头盔显示器光学系统的调制传递函数曲线，可以看出30lp/mm时，各视场均大于0.53。

对于本领域技术人员，应理解根据本发明对于所述设备和方法的调整和变化是可知的。应当理解的是，凡是在本发明的技术方案基础上做出的任何简单变形都在本发明意图保护范围之内。

Claims (10)

1.机载视透型头盔显示器光学系统，包括沿光轴顺次排列的图像源（1）、中继透镜组（2）和组合器（3）；其特征在于，所述中继透镜组（2）包括依次排列的光楔（24）、第二双凸透镜（23）、第一双凸透镜（22）和凹透镜（21），所述组合器（3）是由25项泽尼克多项式表征的自由曲面半透半反镜，所述组合器（3）相对于图像源（1）的光轴存在60°倾斜角；

所述图像源（1）产生的图像经所述光楔（24），第二双凸透镜（23），第一双凸透镜（22）和凹透镜（21）传输至组合器（3），再经组合器（3）反射至飞行员眼前，所述组合器（3）同时透射外界环境图像，飞行员同时获得图像信息及外部环境信息。

2.根据权利要求1所述的机载视透型头盔显示器光学系统，其特征在于，所述第一双凸透镜前表面（221）为非球面，第一双凸透镜后表面（222）为球面，所述第一双凸透镜（22）关于光轴存在倾斜和偏心；所述第二双凸透镜前表面（231）为非球面，第二双凸透镜后表面（232）为衍射面；所述凹透镜前表面（211）和凹透镜后表面（212）为球面。

3.根据权利要求1所述的机载视透型头盔显示器光学系统，使用泽尼克多项式表征的组合器校正双节点像散和轴向慧差；倾斜和偏心的中继透镜组校正畸变、线性像散和双节点像散；使用光楔校正轴向慧差、线性像散和垂轴色差；使用衍射光学元件第二双凸透镜（23）校正色差，二级光谱和高级像差。

4.根据权利要求1所述的机载视透型头盔显示器光学系统，其特征在于，所述光学系统工作在可见波长范围内。

5.一种大视场，大出瞳，长出瞳距，轻型机载视透型头盔显示器光学系统，其特征在于，所述光学系统包括沿光轴顺次排列的图像源（1）、中继透镜组（2）和组合器（3）；

所述中继透镜组（2）包括依次排列的光楔（24）、第二双凸透镜（23）、第一双凸透镜（22）和凹透镜（21），所述组合器（3）是由25项泽尼克多项式表征的自由曲面半透半反镜，所述组合器（3）相对于图像源（1）的光轴存在60°倾斜角；

所述图像源（1）产生的图像经所述光楔（24），第二双凸透镜（23），第一双凸透镜（22）和凹透镜（21）传输至组合器（3），再经组合器（3）反射至飞行员眼前，所述组合器（3）同时透射外界环境图像，飞行员同时获得图像信息及外部环境信息。

6.根据权利要求5所述的机载视透型头盔显示器光学系统，其特征在于，所述第一双凸透镜前表面（221）为非球面，第一双凸透镜后表面（222）为球面，所述第一双凸透镜（22）关于光轴存在倾斜和偏心；所述第二双凸透镜前表面（231）为非球面，第二双凸透镜后表面（232）为衍射面；所述凹透镜前表面（211）和凹透镜后表面（212）为球面。

7.根据权利要求5所述的机载视透型头盔显示器光学系统，其特征在于，所述图像源（1）为有机发光二极管。

8.根据权利要求5所述的机载视透型头盔显示器光学系统，其特征在于，所述光学系统的出瞳距＞50mm。

9.根据权利要求5所述的机载视透型头盔显示器光学系统，其特征在于，所述的组合器内表面镀半透半反射膜。

10.根据权利要求5所述的机载视透型头盔显示器光学系统，其特征在于，所述光学系统工作在可见波长范围内。

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