CN117518483A - 一种用于头盔式增强现实显示设备的折反式光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于增强现实显示领域，具体涉及一种用于头盔式增强现实显示设备的折反式光学系统，所述系统包括：左光机显示单元、右光机显示单元、光学显示面罩；其中，左光机显示单元和右光机显示单元为左右对称的光学模块；左光机显示单元和右光机显示单元采用左右交叉的离轴光学系统布局，从而左眼获得的图像对应右侧光机显示单元，右眼获得的图像对应左侧光机显示单元。

Description

一种用于头盔式增强现实显示设备的折反式光学系统

技术领域

本发明属于增强现实显示领域，具体涉及一种用于头盔式增强现实显示设备的折反式光学系统，适用于高速飞行或地面驾驶环境的穿戴式增强现实显示头盔。

背景技术

在高速飞行或地面驾驶环境下，具备增强现实显示与头部防护功能的头盔设备，是设备使用者实现全向态势感知与保障高速驾驶安全的理想显控交互设备。要实现良好的增强现实显示效果，增强现实显示头盔光学系统一方面在结构上要匹配头盔结构的生理防护要求，同时需要为头盔使用者提供一个清晰、明亮的符号或者视频图像，并能叠加在真实外景上，另外，为满足高速或高过载环境的人机工效要求，光学系统还需满足视场大、出瞳大、图像清晰、体积小，重量小和重心偏移量小等方面的性能要求。但在近眼显示的光学系统设计中，视场角、出瞳直径和体积在光学系统中是处于相互制约的关系，视场角和出瞳的乘积为拉赫不变量，在光机体积一定时，大视场的系统往往以为意味着出瞳直径很小，若想保证在一定出瞳直径的同时，在大视场范围内具有良好的图像质量，往往不得不增大光学系统体积，因此如何在视场角，出瞳直径，体积以及成像质量之间取得平衡，成为头盔显示器光学系统设计的难点。

发明内容

本发明主要针高速飞行或地面驾驶环境，提供一种用于头盔盔面增强现实显示的折反式光学系统，解决现有光路尺寸和体积过大，难以与生理保护头盔结构适配的难题，为基于头盔式增强现实显示设备提供整体的光学解决方案。

本发明的目的是解决高速飞行或地面驾驶环境下，头盔式增强现实显示设备光路尺寸和体积过大，难以与头盔结构适配的难题，基于高亮度微型像源选型设计，以及基于同轴光机以及自由曲面面罩的大离轴光学系统设计，实现了一种面向机载头戴式增强现实显示设备的光学显示方案，有效的解决了视场大、出瞳大、图像清晰、体积小的光学显示需求以及与生理保护头盔结构的匹配性问题。

本发明的技术方案：

一种用于头盔式增强现实显示设备的折反式光学系统，所述系统包括：左光机显示单元201、右光机显示单元202、光学显示面罩203；其中，左光机显示单元201和右光机显示单元202为左右对称的光学模块；

左光机显示单元201和右光机显示单元202采用左右交叉的离轴光学系统布局，从而左眼获得的图像对应右侧光机显示单元，右眼获得的图像对应左侧光机显示单元。

进一步的，单个光机显示单元包含散热模块301、像源302、中继光学透镜组303以及光机镜筒304；

像源302通过光机镜筒304和散热模块301形成的微腔结构，固定在光机镜筒304上；中继透镜组303装调在同轴光机镜筒304内。

进一步的，光学显示面罩203和中继透镜组303通过镜筒结构完成装调，形成与光学设计光路一致的光学系统。

进一步的，像源302为微型高亮高分辨率显示像源，像源302通过电气接口接收外部头盔像源驱动电路的电气信号，进行图像显示；

中继光学透镜组303为小型光学成像系统，接收像源302生成的图像进行放大及中继，并投影到光学显示面罩203上反射，并最终进入人眼进行图像显示；

散热模块301为采用轻质合金材料加工的导热结构件，为像源302散热。

进一步的，中继透镜组采用同轴光路，由5组6片透镜组成，其中包含一片胶合透镜403和四片非球面镜，其中非球面镜的面型均为玻璃基底的偶次非球面。

进一步的，胶合透镜403用于校正系统色差，四片非球面镜和光学显示面罩203用于校正复杂离轴像差，使出瞳处获得指定距离处清晰的虚像。

进一步的，光学显示面罩203为变形非球面，其在两个正交方向上实现不同的曲率。

进一步的，光学显示面罩203采用了双层镀膜，分别在内表面镀反射膜601和外表面镀吸收膜602。

本发明的优点和有益效果：

第一，本发明提供了一种应用于头盔式增强现实显示设备的折反式光学系统，通过双目双像源的交叉式超短光路光学系统设计，解决头盔式增强现实显示设备光路尺寸和体积过大，难以与头盔结构适配的难题。

第二，本发明的提供了采用准直中继投影光机加非球面折反目镜形成的离轴光学方案，有效降低了调装难度与在头盔结构上的集成难度。

第三，本发明提供的反射显示目镜为自由曲面面型，具体为变形非球面，其在两个正交方向上实现不同的曲率，能够很好地适应头盔产品抗气流吹袭的结构要求方面，适应高速驾驶环境下的降低风阻及抗气流吹袭要求。

附图说明

图1是本发明实施例的光学系统组成框图；

图2是本发明实施例的系统结构示意图；

图3是本发明的具体实施例的光机结构示意图；

图4是本发明的中继光学透镜组的详细结构示意图；

图5是本发明的具体实施例的折反式光学系统的光路示意图；

图6是本发明的具体实施例的显示面罩的相关组成示意图；

图7是本发明的具体实施例的在头盔式增强现实显示设备的布局示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明技术方案进行详细说明。

本发明实现了一种用于头盔式增强现实显示设备的折反式光学系统，采用非球面离轴反射的光学方案，由左右光机单元以及光学显示面罩组成。以下实施例中，实施例1为该系统中各模块组成及具体的实施案例配置情况，实施例2为该系统在具体应用场景中的具体实施方法。

实施例1：

本发明的实例按照图1所示的系统框图所示，为实现折反式光学系统的基于头盔面罩的投影显示功能，该方案包括了左光机显示单元201、右光机显示单元202、光学显示面罩203。其中，左、右光机单元为左右对称的光学模块。

如图2所示，左光机单元201和右光机单元202采用左右交叉的离轴光学系统布局，即左眼获得的图像对应右侧光机单元，右眼图像对应左光机单元，利用光机单元内部的中继光学透镜组和光机单元的空间位置及旋转，来补偿光学显示面罩203引入的像差。

如图3所示，单个光机单元包含散热模块301、像源302、中继光学透镜组303以及光机镜筒304。像源302为微型高亮高分辨率显示像源，像源302通过电气接口接收头盔像源驱动电路的电气信号，进行图像显示。中继光学透镜组303为小型光学成像系统，接收像源302生成的图像进行放大及中继，并投影到光学显示面罩203上反射，并最终进入人眼进行图像显示。

如图3所示，散热模块301为采用轻质合金材料加工的导热结构件，主要起到为高亮像源302散热和固定的作用。像源302通过光机镜筒304和散热模块301形成的微腔结构，固定在光机镜筒304上。中继透镜组303装调在同轴光机镜筒304内。非球面反射光学显示面罩203和中继透镜组303通过镜筒结构完成装调，形成与光学设计光路一致的光学系统。

如图4所示，中继透镜组采用同轴光路，由5组6片透镜组成，其中包含一片胶合透镜403和四片非球面镜401、402、404和405，其中非球面面型均为玻璃基底的偶次非球面。中继透镜用于折射微显示器上图像发出的光线，并投射到显示面罩203上反射，最终进入人眼。胶合透镜403用于校正系统色差，非球面镜401、402、404和405和显示面罩203则用于校正复杂离轴像差，使出瞳处获得指定距离处清晰的虚像。中继透镜组可选择性地切割光线未被折射区域，降低系统重量，避免与其余组件的干涉。

如图5所示，用于折反目镜显示的光学显示面罩203为自由曲面面型，具体为变形非球面，其在两个正交方向上实现不同的曲率。另外，为给头盔使用者提供清晰、明亮的增强显示图像，并能叠加在真实外景，实现半反半透效果，光学显示面罩203采用了双层镀膜设计，如图6所示，分别在内表面镀反射膜601和外表面镀吸收膜602，实现反射虚拟图像光学显示以及强光护眼功能。

实施例2

本发明在头盔上的具体集成样式如图7所示，其具体实施方案如下：

步骤1：按照实施例1的硬件配置以及系统状态在头盔结构上进行集成，具体配置样式如图7所示方式，其中左光机显示单元201、右光机显示单元202以光学系统设计的眼位点为基准，通过光机镜筒304上的固定螺孔，以左右交叉的离轴光学系统布局方式，固定在头盔前额位置；光学显示面罩203通过2组头盔上调节锁定旋钮固定在外盔外壳的两侧，实现显示面罩203的上下翻转和固定。

步骤2：左右光机像源302通过电连接器与头盔显示器驱动电路连接，光机像源302接收头盔显示器的驱动电路提供的经过反畸变图像处理的图像信号、驱动控制信号及电源信号，进行图像显示。显示图像经过中继光学透镜组303的图像准直、放大以及中继，最终投影到光学显示面罩203上进行显示。

步骤3：操作人员戴上头盔显示器，根据提供头盔显示器提供的校准画面及提示文字对增强显示与头盔定位系统进行注册校准。

步骤4：操作人员通过左右眼对左右光机在面罩上的反射的图像以及透射的外视景图像进行合像处理，最终在视网膜上形成有深度信息且虚实融合的图像信息，显示信息内容包括飞行器/地面车辆设备的系统状态信息以及辅助驾驶信息等。

本发明提供一种用于头盔式增强现实显示设备的折反式光学系统，采用非球面离轴反射的光学方案，主要由左右光机单元以及光学显示面罩组成。其中，光机单元包括像源、中继光学透镜组、光机镜筒以及散热模块，像源接收头盔显示器驱动电路提供的反畸变图像信号，进行图像显示；中继光学透镜组采用同轴光路，由5组6片透镜组成，其中包含一片胶合透镜和四片非球面镜，非球面面型均为玻璃基底的偶次非球面。通过透镜组对像源生成的图像进行放大及中继，投影到光学显示面罩上；光机镜筒主要起到像源以及中继光学透镜组的固定作用；散热模块主要为微型高亮的显示像源提供散热功能。光学显示面罩采用自由曲面作为光学表面，并作为最终的光学器件，用于反射成像，将图像反射到使用者的视网膜上进行显示成像。综上，本发明提供了一种用于头盔式增强现实显示设备的折反式光学系统。通过摘要附图中所示的系统组成架构、设计原理及装配关系以及应用示例，有效将高亮高清微型像源选型与基于同轴光机以及自由曲面面罩的大离轴光学系统设计融为一体，形成面向高速飞行或地面驾驶环境的头戴式增强现实显示头盔的折反式光学系统，解决了视场大、出瞳大、图像清晰、体积小的光学显示需求以及与生理保护头盔结构的匹配性问题。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内所作的等效结构或等效流程变化，或直接或间接运用在其他相关技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于头盔式增强现实显示设备的折反式光学系统，其特征在于，所述系统包括：左光机显示单元(201)、右光机显示单元(202)、光学显示面罩(203)；其中，左光机显示单元(201)和右光机显示单元(202)为左右对称的光学模块；

左光机显示单元(201)和右光机显示单元(202)采用左右交叉的离轴光学系统布局，从而左眼获得的图像对应右侧光机显示单元，右眼获得的图像对应左侧光机显示单元。

2.根据权利要求1所述的一种用于头盔式增强现实显示设备的折反式光学系统，其特征在于，单个光机显示单元包含散热模块(301)、像源(302)、中继光学透镜组(303)以及光机镜筒(304)；

像源(302)通过光机镜筒(304)和散热模块(301)形成的微腔结构，固定在光机镜筒(304)上；中继透镜组(303)装调在同轴光机镜筒(304)内。

3.根据权利要求2所述的一种用于头盔式增强现实显示设备的折反式光学系统，其特征在于，光学显示面罩(203)和中继透镜组(303)通过镜筒结构完成装调，形成与光学设计光路一致的光学系统。

4.根据权利要求2所述的一种用于头盔式增强现实显示设备的折反式光学系统，其特征在于，

像源(302)为微型高亮高分辨率显示像源，像源(302)通过电气接口接收外部头盔像源驱动电路的电气信号，进行图像显示；

中继光学透镜组(303)为小型光学成像系统，接收像源(302)生成的图像进行放大及中继，并投影到光学显示面罩(203)上反射，并最终进入人眼进行图像显示；

散热模块(301)为采用轻质合金材料加工的导热结构件，为像源(302)散热。

5.根据权利要求2所述的一种用于头盔式增强现实显示设备的折反式光学系统，其特征在于，中继透镜组采用同轴光路，由5组6片透镜组成，其中包含一片胶合透镜(403)和四片非球面镜，其中非球面镜的面型均为玻璃基底的偶次非球面。

6.根据权利要求5所述的一种用于头盔式增强现实显示设备的折反式光学系统，其特征在于，胶合透镜(403)用于校正系统色差，四片非球面镜和光学显示面罩(203)用于校正复杂离轴像差，使出瞳处获得指定距离处清晰的虚像。

7.根据权利要求5所述的一种用于头盔式增强现实显示设备的折反式光学系统，其特征在于，光学显示面罩(203)为变形非球面，其在两个正交方向上实现不同的曲率。

8.根据权利要求7所述的一种用于头盔式增强现实显示设备的折反式光学系统，其特征在于，光学显示面罩(203)采用了双层镀膜，分别在内表面镀反射膜(601)和外表面镀吸收膜(602)。