CN110646940A - 用于摩托车头盔的折叠光学系统 - Google Patents

Abstract

一种用于摩托车头盔的抬头显示装置的折叠光学系统由准直光源、微型显示器、照明模块、成像系统、平面半透半反镜、球面半透半反镜和孔径光阑组成，本发明采用大口径的球面半透半反镜和平面半透半反镜对光路进行折叠，同时增大视场和光学系统分辨率，具有结构简单、加工成本低、亮度高、损耗小和成像质量高等特点。

Description

用于摩托车头盔的折叠光学系统

技术领域

本发明涉及摩托车头盔，特别是一种用于摩托车头盔的抬头显示装置的折叠光学系统，。

背景技术

摩托车头盔是驾驶员的头部保护装置，在摩托车行驶过程中受到外来冲击时可以减轻驾驶者的伤害甚至挽救生命。随着科技和通信技术的发展，传统的摩托车头盔已经无法满足现在驾驶员的需求，如驾驶员在驾驶过程中无法及时接听语音信息，获取速度信息以及前方道路的实时导航信息，因此多功能性头盔得到越来越多的应用。

多功能性头盔通常采用抬头显示装置(HUD)将显示屏幕上的信息成像到驾驶者的视野范围内，并同时保证不遮挡驾驶者对外部真实世界的场景观察。一个典型的抬头显示装置由微型显示器和光学系统组成，由微型显示器产生的图像经过光学系统呈放大的虚像，供驾驶者观察。抬头显示装置的光学系统为目视光学系统，其在设计过程中必须考虑人眼的实际需求。为了避免人眼转动使瞳孔与系统出瞳失配过多造成渐晕或像面丢失，光学系统的出瞳直径设计值比人眼瞳孔的直径大很多，一般穿透式抬头显示装置的光学系统出瞳直径设计值为10—15mm，其出瞳位置与人眼瞳孔位置重合。除了入瞳直径，光学系统的设计值还包括视场大小Fov和焦距f，这些参数决定了光学系统的性能和成像质量。在抬头显示装置中，微型显示器的分辨率R’与光学系统分辨率R存在以下关系：R＝R’/Fov，其中光学系统分辨率R由光学系统的出瞳直径D和焦距f确定。对于确定的微型显示器，光学系统的分辨率和视场大小相互制约，增大光学系统的视场角必然会引起系统分辨率的降低。同时，为了保证抬头显示装置的轻便小型化，光学系统的视场设计值必须控制在一定范围内，并缩短光学系统的整体长度以确保结构的紧促性。但光学系统的视场太小，会影响驾驶者对观察图像的沉浸感。因此，增大光学系统视场提高用户体验，并同时保证结构的小型化和光学系统的高成像质量，为抬头显示装置的光学系统设计带来挑战。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种用于摩托车头盔抬头显示装置的折叠光学系统，。该折叠光学系统采用一片大口径的球面半透半反镜和平面半透半反镜对光路进行折叠，可以同时增大视场和光学系统分辨率，具有结构简单、加工成本低、亮度高、损耗小和成像质量高等特点，可应用于摩托车头盔的抬头显示装置中。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于摩托车头盔抬头显示装置的折叠光学系统，其特点在于由准直光源、微型显示器、照明模块、成像系统、平面半透半反镜、球面半透半反镜和孔径光阑组成，其位置关系为：沿所述的准直光源的激光输出方向是所述的照明模块，在该照明模块的反射光方向是所述的微型显示器，沿所述的微型显示器的反射光束方向，即光轴依次是所述的照明模块、成像系统和平面半透半反镜；在所述的平面半透半反镜的反射方向上是所述的球面半透半反镜，在所述的球面半透半反镜的反射光方向上并距离所述的平面半透半反镜左边一定距离处放置所述的孔径光阑；所述的孔径光阑和所述的球面半透半反镜关于光轴呈轴对称放置，所述的孔径光阑位置与人眼瞳孔位置重合，所述的平面半透半反镜的法线与所述的光轴所成的角度范围为35°～45°；

所述的准直光源的激光器为半导体激光器或气体激光器。

所述的微型显示器为反射式液晶微显示屏，分辨率为720P或1080P。

所述的照明模组为分光棱镜，或镀有分光膜的分光镜。

所述的成像系统由一系列球面透镜、非球面透镜和/或菲涅尔透镜透镜组组成。

所述的成像系统的各透镜前后表面均镀有抗反膜。

所述的平面半透反射镜为镀分光薄膜的平面分光镜或具有一定厚度的立方棱镜。

所述的球面半透半反镜6的面形为球面、非球面或自由曲面，其面形矢高由以下公式给出：

其中，c₁＝1/r₁，r₁为基准面曲率半径，r为光线径向坐标，k为二次曲面系数，a_i为高阶系数，

为泽尼克多项式，N为泽尼克多项式的总数，A_i为第i项泽尼克多项式的系数，ρ为归一化的半径坐标，

为归一化的角度坐标；其中各项系数由球面半透半反镜的面形决定。

与先技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)结构简单、加工成本低。本发明中涉及的折叠光学系统的显示通道在空间进行交叉，实现空间的重复利用，在增大视场的同时减小了抬头显示装置的结构尺寸，容易实现抬头显示装置的小型化。且折叠光学系统中的光学元件均可采用传统的透镜加工工艺实现，加工成本低。

(2)亮度高、损耗小。本发明中涉及的折叠光学系统采用激光器的准直光束作为光源，具有高亮度、单色性好、准直性高等特点，且光源的电功率<1W，光功率<0.2W。较其他采用普通显示方案的抬头显示装置，能获得的光亮度为其10倍以上，具有亮度高、损耗小的优点。

(3)成像质量高。本发明中涉及的头戴显示系统采用球面半透半反镜对微型显示器的图像进行放大成像，不引入球差，并可通过控制边缘矢高实现对大视场边缘光线的畸变等像差的优化，利用成像系统的透镜组匹配进行色差校正，提高了抬头显示装置的成像质量。

附图说明

图1本发明用于摩托车头盔的抬头显示装置的折叠光学系统的光学结构图。

图2本发明的一个实施例的光学结构示意图。

图3本发明实施例的球差曲线。

图4本发明实施例的畸变网格图。

图5本发明实施例的像面仿真图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。应当注意的是，下述实施例描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。

需说明的是，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应落在发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。

请参阅图1，图1为本发明用于摩托车头盔的抬头显示装置的折叠光学系统的光学结构图。由图1可见，本发明用于摩托车头盔的抬头显示装置的折叠光学系统由准直光源1、微型显示器2、照明模块3、成像系统4、平面半透半反镜5、球面半透半反镜6和孔径光阑7组成，其位置关系为：以微型显示器2的表面为物面，沿所述的微型显示器2输出的光束传播方向，依次为所述的照明模块3、成像系统4和平面半透半反镜5；在照明模块3反射方向上放置所述的准直光源1；在平面半透半反镜5反射方向上放置所述的球面半透半反镜6，在球面半透半反镜6反射方向上并距离平面半透半反镜5左边一定距离处放置所述的孔径光阑7；

所述的孔径光阑7和所述的球面半透半反镜6关于光轴呈轴对称放置，其中所述的孔径光阑7位置与人眼瞳孔位置重合，所述的平面半透半反镜5的法线与光轴所成的角度范围为35°～45°；

所述的准直光源1为激光器和准直透镜组的组合体，其中激光器可以为半导体激光器或气体激光器，准直透镜组由一系列透镜组成，实现出射光束为平行光束；

所述的微型显示器2为反射式液晶微显示屏，分辨率为720P或1080P，尺寸范围为0.22in～0.7in；

所述的照明模组3可以为分光棱镜，也可以为镀有分光膜的分光镜，其中分光棱镜可以为晶体棱镜或立方棱镜；

所述的成像系统4由一系列透镜组组成，可以为球面透镜、非球面透镜、菲涅尔透镜，透镜材料为玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；

所述的成像系统4的各透镜前后表面均镀有抗反膜AR；

所述的平面半透反射镜5为镀分光薄膜的平面分光镜或具有一定厚度的立方棱镜；

所述的球面半透半反镜6的面形为球面、非球面或自由曲面，其面形矢高由以下公式给出：

其中，c₁＝1/r₁,r₁为基准面曲率半径，r为光线径向坐标，k为二次曲面系数，a_i为高阶系数，

为泽尼克多项式，N为泽尼克多项式的总数，A_i为第i项泽尼克多项式的系数，ρ为归一化的半径坐标，

为归一化的角度坐标；其中各项系数由球面半透半反镜的面形决定。

所述的平面半透半反镜5和球面半透半反镜6的材料为塑料，可以为PMMA或PC，其前表面镀有反射膜。

本发明用于摩托车头盔的抬头显示装置的折叠光学系统的工作过程如下：

所述的准直光源1输出的准直光束经过照明模块3后反射至微型显示器2表面，被反射的光束经过成像系统4后在其后焦平面呈实像，该实像依次经过平面半透半反镜5和球面半透半反镜6形成放大的虚像，供人眼观察。

本发明涉及的折叠光学系统的光学元件少、光能损耗低，可提高抬头显示装置的光能利用率；光学系统的显示通道在空间进行交叉，实现空间的重复利用，容易实现抬头显示装置的小型化。另外，本发明涉及的折叠光学系统中的光学元件均可采用传统的透镜加工工艺实现，加工成本低。通过采用平面半透半反镜与球面半透半反镜关于光轴对称放置，有利于校正视场边缘的畸变，提高了抬头显示装置的成像质量。因此，该折叠光学系统可以同时增大视场和光学系统分辨率，具有结构简单，加工成本低，亮度高、损耗小和成像质量高等特点，可应用于摩托车头盔的抬头显示装置中。

本发明实施例的结构如图1所示，其具体结构和参数如下：

该实施例的光学设计光路图如图2所示，其中平面半透半反镜5的法线与光轴所成的角度范围为38°，实施例采用的球面半透半反镜6的面形为球面，当采用自由曲面时可以将结构进一步简化。

图3为本发明实施例的球差曲线。从图中可以看出，中心视场的球差和边缘视场引起的离轴球差已被校正，在0.707入瞳直径处的色差已被校正。

图4为本发明实施例的畸变网格图。从图中可以看出，实施例的全视场范围内的畸变很小，从图片数据读出最大畸变值为3.2％。

图5为本发明实施例的像面仿真图。

实验表明，本发明用于摩托车头盔的折叠光学系统具有结构简单、成像质量高、亮度高、无损耗等优点，可实现图像信息的再现，应用于增强现实的抬头显示设备中。因此，本发明实施例可以满足摩托车头盔的增强现实光学系统的要求。

本发明中所述的实施例，仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (8)

1.一种用于摩托车头盔抬头显示装置的折叠光学系统，其特征在于由准直光源(1)、微型显示器(2)、照明模块(3)、成像系统(4)、平面半透半反镜(5)、球面半透半反镜(6)和孔径光阑(7)组成，其位置关系为：沿所述的准直光源(1)的激光输出方向是所述的照明模块(3)，在该照明模块(3)的反射光方向是所述的微型显示器(2)，沿所述的微型显示器(2)的反射光束方向，即光轴依次是所述的照明模块(3)、成像系统(4)和平面半透半反镜(5)；在所述的平面半透半反镜(5)的反射方向上是所述的球面半透半反镜(6)，在所述的球面半透半反镜(6)的反射光方向上并距离所述的平面半透半反镜(5)左边一定距离处放置所述的孔径光阑(7)；所述的孔径光阑(7)和所述的球面半透半反镜(6)关于光轴呈轴对称放置，所述的孔径光阑(7)位置与人眼瞳孔位置重合，所述的平面半透半反镜(5)的法线与所述的光轴所成的角度范围为35°～45°。

2.根据权利要求1所述的折叠光学系统，其特征在于所述的准直光源(1)的激光器为半导体激光器或气体激光器。

3.根据权利要求1所述的折叠光学系统，其特征在于所述的微型显示器为反射式液晶微显示屏，分辨率为720P或1080P。

4.根据权利要求1所述的折叠光学系统，其特征在于所述的照明模组为分光棱镜，或镀有分光膜的分光镜。

5.根据权利要求1所述的折叠光学系统，其特征在于所述的成像系统由一系列球面透镜、非球面透镜和/或菲涅尔透镜透镜组组成。

6.根据权利要求1或5所述的折叠光学系统，其特征在于所述的成像系统的各透镜前后表面均镀有抗反膜。

7.根据权利要求1所述的折叠光学系统，其特征在于所述的平面半透反射镜为镀分光薄膜的平面分光镜或具有一定厚度的立方棱镜。

8.根据权利要求1至7任一项所述的折叠光学系统，其特征在于所述的球面半透半反镜(6)的面形为球面、非球面或自由曲面，其面形矢高由以下公式给出：

其中，c₁＝1/r₁，r₁为基准面曲率半径，r为光线径向坐标，k为二次曲面系数，a_i为高阶系数，

为泽尼克多项式，N为泽尼克多项式的总数，A_i为第i项泽尼克多项式的系数，ρ为归一化的半径坐标，

为归一化的角度坐标；其中各项系数由球面半透半反镜的面形决定。

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