CN111562672A - 包括具有两个反射镜的光瞳扩展器的观察装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及包括具有两个反射镜的光瞳扩展器的观察装置，该观察装置包括光学组件和光导，所述光学组件包括显示器(1)以及将该显示器的图像形成在无限远处的光学系统；所述光导用于在两个空间方向上扩展光瞳。根据本发明的光导包括：三个平面反射镜(41、42、43)和两个半反射板(44、45)，所述光学组件的光轴相对于第一平面反射镜(41)的表面倾斜不为零且严格小于90度的角度，从光学组件输出的光束通过平面反射镜和半反射板的连续反射在光导内部传输，从光学组件输出的光束向光导的外部的透射通过第二半反射板(45)的连续透射来进行。

Description

包括具有两个反射镜的光瞳扩展器的观察装置

技术领域

本发明的总体技术领域是观察系统，其允许将由观察装置生成的图像叠加在外部景观上。这些装置用于各种应用领域。这些装置可以固定到诸如车辆仪表板或航空仪表板的结构上。于是称为平视显示器(HUD)。这些装置也可以安装在佩戴在用户头部的载体上。它们被称为头盔显示器(helmet mounted displays，HMD)。

背景技术

图1示出了能够实现这种类型的观察系统的第一结构。在该图及随后的附图中，光学组件以粗实线绘制，光线以细线或虚线绘制。包含透镜的光学元件用双向箭头表示。用太阳表示外部景观。

该第一结构包括显示器1、折线式(dog-legged)准直光学元件2和设置在观察者Y的视场中的半反射平板3。由显示器生成的图像通过准直光学元件投射到无限远处。半反射平板部分地将该图像反射给观察者，并且部分地透射外部景观。因此，观察者以重叠的方式看到外部景观上的显示器图像。该解决方案的主要缺点在于，通过构造，观察者的眼睛远离系统的光瞳。因此，如果希望系统保持合理的重量和尺寸，则即时的观察视场将受到限制。

图2所示的观察系统没有此缺点。该观察系统包括显示器1、形成该显示器的实像的倒像光学元件4以及将该实像的图像形成在无限远处的半透明的弯曲的光组合器5。已经证明，这样的光组合能够在观察者的眼睛上形成光瞳的图像。前述的限制已不存在，并且即时的观察视场现在仅受光组合器的尺寸限制。但是，该解决方案还有其他缺点。光组合器必须是离轴组件。倒像光学元件和组合器的生产比较复杂。最终，获得的系统是复杂、昂贵且相对庞大的。

为了减轻这些各种缺点，已经提出了所谓的光瞳扩展系统。有时使用缩写EPE来指代此类系统，EPE为“出射光瞳扩展(Exit Pupil Expansion)”的缩写。EPE系统的工作原理如图3至图9所示。EPE观察系统包括显示器1、具有出射光瞳的准直光学元件6以及由透明材料制成且具有平行平面的光导7。显示器的被准直的光束例如经由光导的一个侧面71进入光导。如在所示的情况下，可以使用棱镜，也可以使用光栅(该光栅也被称为入射光栅)来实现进入光导。

这些光束经由光导的平行面72和73的全反射传输通过光导，如图3所示。

为了使观察者能够感知图像，必须使其离开光导。有多种光学解决方案。通过第一示例，图4的EPE系统的光导包括两个平行的半反射板74和75，设置为提取一些准直光束。作为第二示例，图5的光导包括执行相同功能的微结构或微棱镜的阵列76。最后，图6的光导包括衍射光栅77，该衍射光栅77使一些光在所需方向上朝着光导外部衍射。在图6中，光栅位于光导的两个面的其中一个面上。该光栅也可以位于光导的内部。

图4至图6所示的光导允许光瞳在给定的方向上扩展。为了在两个空间方向上扩展光瞳，可以使用两个耦合的光栅/阵列7和8，如图7所示，这允许光瞳在两个空间方向上扩展。这两个方向不必彼此正交。在图7中，第一光栅/阵列7允许光瞳在水平方向上延伸，第二光栅/阵列8允许光瞳在竖直方向上延伸。带圆圈的十字表示光在垂直于页面平面的平面中传输。

这些光瞳扩展系统可以面向观察者设置，如图8所示。在这种情况下，观察者Y直接通过光导观察景观。可以称为“透视”系统。

这些光瞳扩展系统还可以与光组合器结合，如图9所示，其中光束通过半反射板9向观察者反射，该半反射板9可以确保外部景观的透射。

这些观察系统相对于传统的观察系统具有许多优点。它们体积更小、重量更轻、价格更便宜，并且更易于安装在仪表板或头戴式载体上。

然而，这些观察系统具有许多缺点。这些光导必须执行两个单独的功能，第一个功能是传输光，第二个功能是提取所述光。因此，这些光导本质上生产比较复杂。尤其是，衍射光栅难以计算和生产。

此外，视场(field of view，FOV)仍然受限。在包括衍射光栅的系统中，光源的光谱宽度将FOV限制在约35度。包括半反射板或微棱镜的系统受其几何形状的限制，目前最大FOV不超过40度。最后，彩色光瞳扩展系统的质量仍然受到限制，因此，航空HUD应用目前是单色的。

发明内容

根据本发明的光瞳扩展观察系统没有前述缺点。所述光瞳扩展观察系统仅包括反射镜和相对设置的半反射板。所述半反射板用于光的传输和提取。更确切地说，本发明涉及一种观察装置，该观察装置包括光学组件，所述光学组件包括显示器以及将该显示器的图像形成在无限远处的光学系统，其特征在于，所述观察装置包括光瞳扩展光导，所述光瞳扩展光导包括平面反射镜和与平面反射镜平行的半反射板，光学组件的光轴相对于平面反射镜的表面倾斜不为零且严格小于90度的角度，从光学组件输出的光束通过平面反射镜和半反射板的连续反射而在光导内部传输，从光学组件输出的光束向光导的外部的透射通过半反射板的连续透射来进行。

有利地，所述光导包括组件，所述组件包括第一反射平面反射镜、第二反射平面反射镜、第三反射平面反射镜、第一半反射平板和第二半反射平板，第二平板与第一反射镜位于同一平面内并且是第一反射镜的延伸，第二平板和第一反射镜与第二反射镜平行，第一平板与第三反射镜平行，第一平板和第三反射镜与第一反射镜垂直，第一平板位于第一反射镜和第二平板的接合处，光学组件的光轴相对于第一平面反射镜的表面倾斜不为零且严格小于90度的角度。

有利地，观察装置包括设置在光导后部、不具有屈光度的光组合器，所述光组合器反射从光导输出的光，并且将从外部光源输出的光透射到所述装置。

有利地，所述半反射板中的至少一个具有可变的光透射率，使得从光学组件输出并通过光导内部的连续透射和反射而透射到光导外部的光束具有基本相同的整体亮度。

有利地，光组合器具有可变的光透射率。

有利地，光学系统的视场在其至少一个光轴上小于或等于40度。

有利地，光轴的倾斜角在50度至60度之间。

有利地，平面反射镜与半反射板间隔的距离在10mm至20mm之间，观察装置的入射光瞳的直径在15mm至25mm之间。

有利地，第一平面反射镜与第二平面反射镜间隔的距离在10mm至20mm之间，并且第三平面反射镜与第一半反射板间隔的距离在10mm至20mm之间，观察装置的入射光瞳的直径在15mm至25mm之间。

有利地，对于从光学组件输出的光束的任意倾斜角度，通过光导传输的光束和随后的经过平面反射镜和与之平行的半反射板的两次额外反射的光束之间的间隔小于1.5mm。

附图说明

附图示出了本发明：

图1示出了根据现有技术的第一观察装置；

图2示出了根据现有技术的第二观察装置；

图3示出了通过根据现有技术的光瞳扩展观察装置的光传输原理；

图4示出了根据现有技术的第一光瞳扩展观察装置；

图5示出了根据现有技术的第二光瞳扩展观察装置；

图6示出了根据现有技术的第三光瞳扩展观察装置；

图7示出了根据现有技术的两轴光瞳扩展观察装置；

图8示出了根据现有技术的光瞳扩展观察装置的第一应用；

图9示出了根据现有技术的光瞳扩展观察装置的第二应用；

图10示出了根据本发明的光瞳扩展观察装置的光导；

图11示出了根据本发明的具有组合器的光瞳扩展观察装置；

图12示出了根据本发明的二维光瞳扩展观察装置的光导；

图13示出了根据本发明的前述光导的分解图；

图14示出了根据本发明的光导的各种入射；

图15示出了根据本发明的光导的各种参数；

图16示出了根据本发明的光导中的光瞳的占据范围。

具体实施方式

图10示出了根据本发明的光瞳扩展观察装置的原理。在图10的情况下，在单个方向上进行光瞳扩展。可以看到，可以在两个不同的方向上进行此扩展。

该观察装置包括准直光学组件和光导。该光学组件包括：显示器1和光学系统6，该光学系统6将该显示器的图像形成在无限远处。该显示器可以是任何性质的。具体地，该装置利用所有类型的多色显示器来工作。

所述光导包括平面反射镜20以及与平面反射镜平行的半反射板21，光学组件的光轴相对于平面反射镜的表面倾斜角度α。

在下文中，半反射板是指部分反射的光学板，其进行了处理，可以透射一些入射光并反射其余入射光。反射部分和透射部分不一定相等。

为了使光束能够在反射镜和半反射板之间反射，该角度α必须不为零。该角度也不为90度，从而使光束可以在一定距离内传输，而不会在反射镜和半反射板之间过度衰减。

光导的工作方式如下。从准直光学组件的光瞳输出的入射角α的光线被反射镜完全反射。然后，该光线被半反射板部分地透射并部分地反射。局部反射率是R₁，局部透射率是T₁，其中T₁基本上等于1-R₁。被反射的部分再次被反射镜反射，然后再次被半反射板部分地透射，其局部透射率等于R₁·T₂，即R₁·(1-R₂)。

因此，包括反射镜和半反射板的组件通过经由光瞳进入的光线产生一系列的透射光束，这些透射光束彼此平行并且在给定方向上在空间上偏移。然后获得光学组件的光瞳的一系列图像。通过调节半反射板的反射系数的局部值，可以实现具有相似亮度水平的透射光线。

相对于现有技术的装置，根据本发明的波导具有一个主要优点。半反射板既用于光束的传输又用于光束的提取，这大大简化了系统的生产。

本质上，观察者不能看透根据本发明的光导。因此，如图11所示，观察装置包括设置在光导后部没有屈光度的半透明的光组合器30。该组合器反射从光导输出的光，并将从外部光源输出的光透射到所述装置。举例来说，图11所示的组合器是单个半反射平板。该组合器可以可选地具有可变的光透射率，以便改善从观察装置输出的图像在外部景观上的对比度。

图10的光导允许光瞳在一个给定的方向上扩展。在许多应用中，需要在两个空间方向上扩展光瞳。在这种情况下，根据本发明的光导包括由五个元件构成的组件。通过实施方案的示例，这种类型的光导在图12和图13中示出。图13为图12的分解图。

该二维光导包括第一反射平面反射镜41、第二反射平面反射镜42、第三反射平面反射镜43、第一半反射平板44和第二半反射平板45。

第二平板45与第一反射镜41在同一平面内并且是第一反射镜41的延伸。第二平板45和第一反射镜41平行于第二反射镜42。第一平板44平行于第三反射镜43。第一平板44和第三反射镜43垂直于第一反射镜41。第一平板44位于第一反射镜41和第二平板45的接合处。

光学组件的光轴x相对于第三平面反射镜的表面倾斜不为零且严格小于90度的第一角度α，并且相对于第一平面反射镜倾斜不为零且严格小于90度的第二角度β。这些角度在图12的笛卡尔坐标系中示出。

由于定义系统的方式，从光学组件输出的所有光线首先作用于一对相邻的光学元件，即，

-第一反射镜41和第三反射镜43；

-或者第二反射镜42和第三反射镜43；

-或者第一反射镜41和第一半反射板44；

-或第二反射镜42和第一半反射板44。

这些光线通过光导后，由第二半反射板45透射。已经证明，在这四种具体情况的每一种情况中，具有相同入射角但分别遇到可能是不同的反射镜或不同的半反射板的第一元件的两条光线通过第二半反射板以相同的出射角透射，而与它们通过光导的路径无关。

例如，如果从光学组件输出的光线以角度(α，β)指向第一反射镜41和第一半反射板44，那么无论光线所作用的第一元件是第一反射镜41还是第一半反射板44，光线都将经由半反射板45以角度(α，β)从系统出射。

根据本发明的一维或二维光瞳扩展光导包括平面反射镜和半反射板。本领域技术人员将没有特别的困难来制造所述一维或二维光瞳扩展光导；半反射板与相对的反射镜之间的间隔可以通过高精度光学间隔件来实现。

根据本发明的包括光导的观察装置的主要几何特征为，在其扩展方向的其中一个扩展方向上：

-直径为P的入射光瞳；

-视场，表示为FOV。在当前情况下，倾斜角度α可以在最小角度α_min和最大角度α_max之间变化。这两个倾斜角度之间的差给出了一个方向上的视场角度值。在下文中，对应于两个前述角度的平均值的倾斜角表示为α_moy。这个角度定义了光学组件的光轴相对于光导的倾斜角；

-光导的长度和宽度。它们由所需出射光瞳的尺寸设置；

-光导的厚度t；

-光导盲点的宽度IP。这些区域使得对于给定视场，它们不透射光。

这些不同的参数在图14至图16中示出，图14至图16示出了光导在其与光学组件的接合处的三个局部截面图。该光导包括反射镜20和半反射板21。

各种参数受到物理和/或几何约束。第一个约束条件与入射光瞳P的尺寸有关。该光瞳P的尺寸受准直光学元件的最大孔径限制。

举例来说，对于0.7英寸对角线和小于f/0.9的数值孔径的成像装置，光瞳的最大直径可以被认为是21mm。

在观察系统为HUD的情况下，如果要在非常明亮的背景下以良好的对比度感知显示器输出的图像，则在用户的眼睛处测量的最大输出亮度必须很高，约为7000Cd/m²。

然而，输出亮度与系统的出射光瞳的面积和入射光瞳的面积之间的比值成反比，或更确切地说，与入射光瞳在光导表面上的投影成反比。该比值越高，对于给定的输入亮度，输出亮度越低。为了降低该比值，并且由于系统所需的高输出亮度，因此优选选择最大可能的入射光瞳。在当前情况下，直径为21mm是一个很好的折衷方案。

从图15中可以看出，根据视场α和厚度t的入射光瞳的投影表示为Proj(α，t)，而来源于反射镜和半反射板之间的两次连续的反射的光瞳的两个连续投影之间的距离表示为IP(α，t)。

对于较大值的视场α，一些光线不会传输到光导中。如图16所示，部分的投影Proj(α，t)看不到了。因此，在该图中由带点的区域表示的入射角为α的一部分光线不会进入光导。

然而，对于所有视场而言，重要的是光瞳的投影大于最小尺寸Proj_min，以便减小出射光瞳与入射光瞳之间的比值并获得足够的输出亮度。这意味着入射的最大视场α_max将受到限制。

通过确定该最小尺寸Proj_min并因此确定最大视场α_max的示例，光导的出射光瞳被认为是30cm×20cm的矩形，即600cm²的覆盖面积Pout。期望该出射光瞳的亮度Lout为7000Cd/m²。在光导的入口处，图像的亮度Lin约为5×10⁶Cd/m²。最后，由于光导的损耗和组合器的透射率，整个系统的透射率T等于70％。因此，入射光瞳Pin可能具有的最小面积等于：

用所示的值，该面积等于1.2cm²，即直径约为1.2cm。

在几何上，获得以下关系：

对于所有视场α，光瞳的投影必须以小于最大值IP_max的值IP(α，t)间隔开。该最大值IP_max设置为1.5mm，对应于当眼睛的瞳孔经受明亮照明时所述瞳孔的最小尺寸的一半。

但是，在几何上

IP_max限制了可以入射到光导的最小视场α_min。

因此，

因此，

考虑到这些各种限制，确定了可入射到光导的最大视场。换句话说，寻求t使得：

FOV(t)＝α_max(t)-α_min(t)为最大，

Proj_min遵循：

同时已知

因此寻求使视场FOV(α_min)最大化的α_min。

如果假设x＝cosα_min，则可以证明，如果α_min使FOV(α_min)最大化，则x遵循等式：

如果选择Proj_min＝12mm，IP_max＝1.5mm和P＝21mm，则会发现x约等于0.7，因此，对于α_min＝45°，FOV为最大值。

利用等式(1)，可以推断出满足以下条件时FOV为最大值：

t＝15.7mm，并且α_max＝69°，因此max(FOV(t))＝24°。

如果选择Proj_min＝5mm，其他值保持不变，则max(FOV(t))＝36°。

因此，已经利用前述参数确定了入射最大视场所需的距离t以及可入射到光导的最小视场角和最大视场角。

当光导是二维光导时，相同的方法可以确定在另一个空间维度上的两个其他反射镜之间的距离。

反射镜和半反射板的长度和宽度的尺寸通过光导的输出处所期望的适眼区(eyebox)的尺寸和适眼距(eye relief)(即光导的输出与用户眼睛之间的光学距离)来确定。

然后，利用例如光学仿真软件包对系统进行建模可以确定系统的出射光瞳的准确尺寸，从而确定获得该出射光瞳所需的光导的尺寸。

对根据本发明的观察装置的各种几何参数进行定义，然后利用光学仿真软件包很容易确定半反射板的透射率，从而能够获得适眼区中的最佳的亮度均匀性。

Claims (8)

1.一种观察装置，其包括光学组件，所述光学组件包括显示器(1)以及将该显示器的图像形成在无限远处的光学系统，其特征在于，所述观察装置包括光瞳扩展光导，所述光瞳扩展光导布置为在两个空间方向上扩展光瞳，所述光导包括光学组件，所述光学组件包括第一反射平面反射镜(41)、第二反射平面反射镜(42)、第三反射平面反射镜(43)、第一半反射平板(44)和第二半反射平板(45)，第二平板与第一反射镜位于同一平面内并且是第一反射镜的延伸，第二平板和第一反射镜与第二反射镜平行，第一平板与第三反射镜平行，第一平板和第三反射镜与第一反射镜垂直，第一平板位于第一反射镜和第二平板的接合处，所述光学组件的光轴相对于第一平面反射镜的表面倾斜不为零且严格小于90度的角度，从光学组件输出的光束通过平面反射镜和半反射板的连续反射在光导内部传输，从光学组件输出的光束向光导外部的透射通过第二半反射板(45)的连续透射来进行。

2.根据权利要求1所述的观察装置，其特征在于，所述观察装置包括设置在光导后部、不具有屈光度的光组合器(30)，所述光组合器(30)反射从光导输出的光，并且将从外部光源输出的光透射到所述装置。

3.根据前述权利要求中任一项所述的观察装置，其特征在于，所述半反射板中的至少一个具有能够变化的光透射率，使得从光学组件输出并且通过光导内部的连续透射和反射而透射到光导外部的光束具有基本相同的整体亮度。

4.根据权利要求2和3的任一项所述的观察装置，其特征在于，所述光组合器具有能够变化的光透射率。

5.根据前述权利要求中任一项所述的观察装置，其特征在于，所述光学系统的视场在其至少一个光轴上小于或等于40度。

6.根据前述权利要求中任一项所述的观察装置，其特征在于，所述光轴的倾斜角在50度至60度之间。

7.根据前述权利要求中任一项所述的观察装置，其特征在于，第一平面反射镜与第二平面反射镜间隔的距离在10mm至20mm之间，并且第三平面反射镜与第一半反射板间隔的距离在10mm至20mm之间，所述观察装置的入射光瞳的直径在15mm至25mm之间。

8.根据前述权利要求中任一项所述的观察装置，其特征在于，对于从所述光学组件输出的光束的任意倾斜角度，通过光导传输的光束和随后经过平面反射镜和与所述平面反射镜平行的半反射板的两次额外反射的光束之间的间隔小于1.5mm。

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