CN103913843A - 离轴单反射式双目头盔显示器的光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离轴单反射式双目头盔显示器的光学系统，包括半反半透镜、透镜组和像面LED，人眼位置发出的光线经过半反半透镜反射后进入透镜组，经过透镜组入射到像面LED。本发明在此基础上提出基于球面和偶次非球面面型结构的单反射式离轴双目头盔显示器的光学系统结构，该光学系统结构简单紧凑，透镜组的数量少而且体积小，重量轻，光学成像质量高，另外，本发明设计的光学系统加工相对容易，加工精度较高而且加工成本较低。

Description

离轴单反射式双目头盔显示器的光学系统

技术领域

本发明涉及一种头盔显示器的光学系统，尤其涉及的是一种离轴单反射式双目头盔显示器的光学系统。

背景技术

双目头盔显示器结构紧凑、重量轻、良好的携带舒适度和高性能的光学系统是当前光学设计必不可少的要求,这些因素造成其光学系统的设计是一项非常具有挑战性的工作。双目头盔显示器的光学系统从结构上可分为共轴系统和离轴系统两种类型。共轴系统设计简单、加工工艺性好,但是光学透射率低、容易产生鬼像、体积大、重量重。离轴系统光学透过率高,可以消除鬼像,比较容易满足体积和重量方面的要求,但是光学系统设计难度和加工难度大。对于军用机载型的头盔显示器，为了保持飞行员的重心不变，防止戴头盔时间过长容易导致疲劳，特别在飞行员脱离飞机的弹射时将产生很大的冲力，容易使颈椎骨折，所以设计的头盔显示系统的重量必须加以控制。目前关于离轴双目头盔显示器系统的文献中,对光学系统设计的分析基本都是关于自由曲面面型结构与折／衍混合结构，这两种结构的特点是体积小重量轻，光学成像质量高，因为加工自由曲面元件和衍射光学元件的制作商比较少，价格昂贵，而且主要集中在国外，所以这两种结构的缺点是光学加工比较困难而且加工成本较高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种离轴单反射式双目头盔显示器的光学系统，基于球面和偶次非球面面型结构，提高光学成像质量。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括半反半透镜、透镜组和像面LED，人眼位置发出的光线经过半反半透镜反射后进入透镜组，经过透镜组入射到像面LED。

所述光学系统的设计输入如下：

视场角为水平36°×垂直27°，像面LED的像素为1280×1024，出瞳直径为12mm，眼睛到半反半透镜的距离是64.8mm，波长为545nm、525nm、495nm，透镜组的通光孔径直径小于46mm，中心视场在30lp/mm空间频率处的MTF大于0.3，边缘视场在20lp/mm空间频率处的MTF大于0.3，系统的相对畸变小于10%。

单反头盔系统的视场角设计：人的裸眼水平视场角约为200°，垂直视场角约为100°，但对中心40°左右的视场最敏感，中心视场以外，立体视觉、双目叠加都会减弱或消失。因此，在设计光学系统时应保证头盔显示器的全视场控制在4O°左右，为此，采用水平视场为36°，当采用LED作为图像源时，由于其输出图像的宽高比为4：3，所以水平视场角与垂直视场角的正切比值应为4：3。由此设计了36°(水平)×27°(垂直)视场角的光学系统。当眼分辨率取2′时,36°和27°视场角所对应的像素数分别为1280和943。可以选用1280×1024像素的LED（对角线尺寸为0.97英寸）。

通光孔径设计：人眼瞳孔距离一般在54～72mm，考虑到本系统边缘的机械框架，所以单反头盔系统的透镜组的通光孔径直径应小于46mm。

出瞳直径和眼睛到半反半透镜的距离设计：人眼瞳孔在正常状态下的直径约为2mm，考虑到使用过程中由于运动或其他原因使眼球偏离系统光轴，同时为了防止因为头盔移动而导致眼睛接收不到图像，头盔显示器的出瞳直径应大于8mm。本系统为12mm。为了保证使用者佩戴方便，眼睛到半反半透镜的距离要大于25mm，另外，设计的光学系统结构要求与头部模型匹配，所以本系统的眼睛到半反半透镜的距离根据计算是64.8mm。所述透镜组为准直透镜组，包括依次设置的六个透镜，其中有两个透镜为偶次非球面，其他的透镜为球面，偶次非球面的面型PV值加工精度为0.3微米。透镜组设计的面型基本是球面，只有2个偶次非球面，在设计过程中改变偶次非球面各项的系数,控制局部面型来达到校正像差的目的。

作为本发明的优选方式之一，所述透镜组中有一个双胶合透镜。

所述透镜组中距离半反半透镜最近的透镜到像面LED的总长度小于100mm。为了使用者能够方便的佩戴该单反头盔系统，并在佩戴后不会产生前坠感，缩小光学系统的体积，减轻光学系统的重量。

作为本发明的优选方式之一，所述半反半透镜为椭球面。

所述透镜组包括依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜，所述第一透镜为正透镜，第四透镜为双胶合透镜，光线经过半反半透镜后进入第一透镜，然后依次经过第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜后进入像面LED。

所述透镜组采用中国玻璃ZK7和ZF12加工而成。系统加工相对容易，加工精度较高而且加工成本较低。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明在此基础上提出基于球面和偶次非球面面型结构的单反射式离轴双目头盔显示器的光学系统结构，该光学系统结构简单紧凑，透镜组的数量少而且体积小，重量轻，光学成像质量高，另外，本发明设计的光学系统加工相对容易，加工精度较高而且加工成本较低。

附图说明

图1是本发明的光路原理图；

图2是本发明垂轴像差特性曲线；

图3是本发明场曲和畸变特性曲线；

图4是本发明垂轴色差特性曲线；

图5是本发明的调制传递函数特性曲线；

图6是本发明的相对畸变；

图7是本发明的点列图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括半反半透镜1、透镜组2和像面LED3，人眼位置发出的光线经过半反半透镜1反射后进入透镜组2，经过透镜组2入射到像面LED3。透镜组2为准直透镜组2，包括依次设置的六个透镜，其中有两个透镜为偶次非球面，其他的透镜为球面，偶次非球面的面型PV值加工精度为0.3微米。半反半透镜1为椭球面，透镜组2设计的面型基本是球面，只有2个偶次非球面，在设计过程中改变偶次非球面各项的系数,控制局部面型来达到校正像差的目的。

透镜组2包括依次设置的第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23、第四透镜24、第五透镜25和第六透镜26，所述第一透镜21为正透镜，第四透镜24为双胶合透镜，光线经过半反半透镜1后进入第一透镜21，然后依次经过第二透镜22、第三透镜23、第四透镜24、第五透镜25和第六透镜26后进入像面LED3。

透镜组2采用中国玻璃ZK7和ZF12加工而成。系统加工相对容易，加工精度较高而且加工成本较低。

本实施例的光学系统的设计输入如下：

视场角为水平36°×垂直27°，像面LED3的像素为1280×1024，出瞳直径为12mm，眼睛到半反半透镜1的距离是64.8mm，波长为545nm、525nm、495nm，透镜组2的通光孔径直径小于46mm，中心视场在30lp/mm空间频率处的MTF大于0.3，边缘视场在20lp/mm空间频率处的MTF大于0.3，系统的相对畸变小于10%。

所述透镜组2中距离半反半透镜1最近的透镜到像面LED3的总长度小于100mm。为了使用者能够方便的佩戴该单反头盔系统，并在佩戴后不会产生前坠感，缩小光学系统的体积，减轻光学系统的重量。

本实施例的光路结构如图1所示：使外界景物发出的光通过半反半透镜1进入人眼的同时,像面LED3发出的光也同时经过透镜组2和半反半透镜1后成为平行光入射到人眼中，这样当人眼看外界无穷远物体的同时,也可以清晰地看到图像源产生的图像信息。对该单反头盔系统的光路分析和像质评价分析都采用和工作原理光路相反的方式。设计的光路分析如下：人眼位置发出的光线经过半反半透镜1反射后进入第一透镜21，第一透镜21是一个正透镜,用来压缩光束的口径,控制系统尺寸。之后的透镜组2是准直透镜组2，使光束以合适的角度（接近平行）入射到像面上，以便有效控制和平均各视场像差，实现像方远心光路。像面LED3有一个倾斜角度,使像面LED3的电路板可以固定放置在合适的位置，这样可以减小了系统体积,使光学系统可以内嵌入头盔中而不增加多余的尺寸，系统重心在后方,不会在佩戴后产生前坠感。

单反头盔系统的像差校正：对于偏心和倾斜的离轴系统像差，透镜的倾斜和偏心对球差没有影响；当共轴光学系统初级彗差被校正时,由于透镜的倾斜或偏心形成的彗差在整个像面上大小和方向恒定不变；当共轴光学系统初级像散被校正时,由于透镜的倾斜或偏心形成的像散与场点高度成线性关系,并有两个零点位置；当共轴系统平均场曲被校正时,由于透镜倾斜或偏心形成的平均场曲焦面为平面,并且该平面可能会偏离或倾斜于高斯像面。所以对于离轴光学系统,主要像差是彗差、像散和畸变,它们是需要特别考虑校正的像差。在本系统中，由于半反半透镜1倾斜而产生的离轴像差是通过透镜组2系统结构来校正的。本系统结构采用了正负透镜，可以校正系统的色差，另外透镜的偏心会产生色散,在设计过程中可以通过控制各透镜之间的偏心方向进行补偿。

透镜组2的2个偶次非球面远离光学系统的孔径光阑，该位置可以有效地校正系统的轴外像差。偶次非球面和半反半透镜1的椭球面配合可以平衡各视场像差的作用。

对于彗差因为系统半反半透镜1的倾斜角度大、系统入瞳距长,导致彗差零点偏离中心视场很远,彗差在子午方向上已经不具有正负对称性。需要靠非球面和各正透镜的偏心共同校正。

在系统中,因为半反半透镜1与系统孔径光阑的距离及它们自身的倾斜角度都较大,所以半反半透镜1的反射面产生的场曲不仅偏离高斯像面,而且弯曲方向也和共轴系统完全相反。在设计过程中控制系统中折射透镜的偏心,使所有正透镜和等效负透镜产生的场曲与共轴系统具有相同的弯曲方向。这样就可以达到通过场曲互补的方式校正场曲。

像散的校正除了通过半反半透镜1的椭球反射面的二次系数和透镜组2的2个偶次非球面的各项系数之外,还需要透镜组2的偏心补偿。椭球反射面曲率半径初始值的确定是根据科丁顿方程分别求出子午和弧矢两个方向的曲率半径,使两个方向各自像面上的子午场曲和弧矢场曲相等，但最终曲率半径都要根据实际的光线追迹结果来确定。

偶次非球面具有校正系统畸变的能力，因为单反头盔系统的结构型式决定了系统会产生很大的畸变,但是因为畸变只改变像的形状而不影响像的清晰程度,所以为了减小光学系统的重量,设计本系统时对畸变不做单独的光学校正,如果最后畸变不满足使用要求,通过计算机补偿的方式来校正畸变。

如图2～4分别给出了本系统的像差特性曲线。从图2可知垂轴像差在全部视场内均小于100μm。根据图3可知最大畸变为5%，最大场曲为0.2mm。从图4可知垂轴色差小于8μm。这表明该单反头盔系统的像差特性是满足要求的。

图5给出了该单反头盔系统中心视场和边缘视场的调制传递函数（MTF）曲线。可知中心视场和边缘视场在30lp/mm空间频率处的MTF均大于0.3。从图6可以看出本系统的相对畸变小于10%。根据图7可知在全部视场内本系统的均方根弥散斑的最大半径为17μm。该单反头盔系统的像差基本都得到了控制，光学成像质量较高。

Claims (8)

1.一种离轴单反射式双目头盔显示器的光学系统，其特征在于，包括半反半透镜、透镜组和像面LED，人眼位置发出的光线经过半反半透镜反射后进入透镜组，经过透镜组入射到像面LED。

2.根据权利要求1所述的离轴单反射式双目头盔显示器的光学系统，其特征在于，所述光学系统的设计输入如下：

视场角为水平36°×垂直27°，像面LED的像素为1280×1024，出瞳直径为12mm，眼睛到半反半透镜的距离是64.8mm，波长为545nm、525nm、495nm，透镜组的通光孔径直径小于46mm，中心视场在30lp/mm空间频率处的MTF大于0.3，边缘视场在20lp/mm空间频率处的MTF大于0.3，系统的相对畸变小于10%。

3.根据权利要求1所述的离轴单反射式双目头盔显示器的光学系统，其特征在于，所述透镜组为准直透镜组，包括依次设置的六个透镜，其中有两个透镜为偶次非球面，其他的透镜为球面，偶次非球面的面型PV值加工精度为0.3微米。

4.根据权利要求3所述的离轴单反射式双目头盔显示器的光学系统，其特征在于，所述透镜组中有一个双胶合透镜。

5.根据权利要求1所述的离轴单反射式双目头盔显示器的光学系统，其特征在于，所述透镜组中距离半反半透镜最近的透镜到像面LED的总长度小于100mm。

6.根据权利要求1所述的离轴单反射式双目头盔显示器的光学系统，其特征在于，所述半反半透镜为椭球面。

7.根据权利要求1所述的离轴单反射式双目头盔显示器的光学系统，其特征在于，所述透镜组包括依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜，所述第一透镜为正透镜，第四透镜为双胶合透镜，光线经过半反半透镜后进入第一透镜，然后依次经过第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜后进入像面LED。

8.根据权利要求1所述的离轴单反射式双目头盔显示器的光学系统，其特征在于，所述透镜组采用中国玻璃ZK7和ZF12加工而成。