CN202433603U - 一种应用反射全息元件的头盔显示器 - Google Patents

Abstract

一种应用反射全息元件的头盔显示器，该头盔显示器包括微显示器以及光学组合器，其特征在于：还包括位于微显示器以及光学组合器之间的胶合镜，所述微显示器与胶合镜胶合为一整体，光学组合器包含两个非45度角的直角棱镜、一个反射全息光学元件及一个倾斜球面，两个直角棱镜紧密贴合在一起，所述倾斜球面与直角棱镜胶合为一整体，位于光学组合器靠近胶合镜的一面，反射全息光学元件位于两个直角棱镜结合处，与微显示器发出光束的光轴成大于0度小于90度的非45度角，所述的倾斜球面21的中心顶点处切面与微显示器成锐角。本实用新型的优点：光学结构更加简单，易于加工，提高光学元件表面清洁度的可靠性，调校范围更大，外部通道的光能利用率大大提高。

Description

一种应用反射全息元件的头盔显示器

技术领域

本实用新型属于光学设计领域，涉及一种头盔显示系统的设计和装置，特别是应用全息元件的头戴显示器。 

技术背景

头盔显示器（HMD，HeadMountedDisplay）分为半投型与全投型，是一种新兴的机载显示/瞄准系统。它能将小型二维显示器所产生的图像经由光学系统，成虚像于人眼前方。具体而言，小型二维显示器所发射的光线经过透镜组使影像因折射或衍射产生类似远方效果，利用此效果将近处物体放大至远处观察或瞄准而达到所谓的全像视觉。 

1968年世界上第一个真正意义上的头盔显示器为军用头盔显示器，即美国ARPA信息处理技术办公室主任Ivan Sutherland 开发的“达摩克里斯之剑”头盔显示器。原先主要为战机和战车驾驶员配备，而现在，无论是战斗机、直升机还是单兵所戴的头盔不单是保护装置，飞速发展的科技技术将多种功能凝聚在头盔里，使其成为帮助使用者操纵飞机、瞄准、获取地图信息等设备的得力助手，是使用者与其武器、基地之间的重要纽带。另外，民用头盔显示器在虚拟技术应用系统中的地位也十分重要。 

因为头盔显示器是固定于头盔上的，头盔显示器设计的关键点是在满足各项光学性能的情况下，系统的体积要尽量小、结构紧凑、重量小。特别在军事领域，无论是飞行员还是单兵，头盔显示系统的体积或重量的微小增加对使用者都能带来极大的不便。 

全息光学元件(Holographic Optical Element，HOE)是一种衍射光学元件(Diffractive Optical Element，DOE）。衍射成像光学元件的色散具有负向性，且与材料无关，这非常有利于消色差，可以同折射元件。衍射光学元件作为一种成像光学元件，所具备的任意相位分布、特殊色散、平像场以及薄型元件性质决定了它在成像光学系统中的地位和作用．折／衍混合成像系统充分利用了传统几何光学元件和衍射光学元件各自的优点，能有效简化光学系统结构，减轻重量，缩小体积和改善成像质量，实现许多传统成像光学所不能达到的目标，是对传统成像光学的重大变革．折／衍混合成像系统的优势使其首先在军事、航天领域中的高技术光学成像系统中得到应用。 

在专利文献CN200510008494.9（公开日为2005年9月7日）提出了一种头盔显示器的光学系统，如图2，其只用一个正透镜42、一个微显示器41与一个光学元件组43组成光学系统，通过半透半反光学面44对光线进行折转。由于正透镜42与微显示器41、光学元件组43之间的距离较小，这给实际安装和调试带来一些麻烦，降低其可靠性。另外，由于使用半透半反光学面44，在不考虑介质吸收的情况下，微显示器41达到人眼46的光能最高为25%，外部光线到达人眼的光能最高为50%，不利用于观察外界景物。 

专利文献CN200610034306.4（公开日为2007年9月12号）提出一种头盔显示器的光学成像系统，如图3，包括图像信息显示源1、自由曲面棱镜2和组合棱镜17，图像信息显示源1发出的第一光线4经自由曲面棱镜2进入组合棱镜17，组合棱镜17中至少包含有一个半反半透镜8，半反半透镜8位于由第一方向入射到其上的第一光线4的光路上，并位于由第二方向入射到其上的外部射入的第二光线9的光路上，被半反半透镜8反射后的第一光线4和透射过的第二光线9在半反半透镜面上合成第三光线16后进入观视者的瞳孔5，目镜12与组合棱镜17紧密的贴合在一起，自由曲面棱镜2与图像信息显示源1相邻面为凹面，其中3代表光学面，15代表凸透面，20为出瞳距。与专利文献CN200510008494.9相比少了一个反射面45。尽管进入人眼55的光能有同情况下有所提高，但其自由曲面棱镜2使得加工成本大大提高，同时降低其可靠性。 

并且上述两种结构中，都具有三个光学元件或光学组件，因此，加工完成后，需要装配三个部分，装配过程较复杂。 

另外，因为显示源（微显示器41及图像信息显示源1）距离光学组件（光学元件组43和组合棱镜17）的距离较近，通常只有20至30mm，所以在调校时，位于显示源及光学组件之间的光学元件（正透镜42及自由曲面棱镜2）的移动难度非常大。 

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种具有轻型、紧凑、像差校正良好和可靠性高的光学系统的头盔显示器。 

本实用新型是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种应用反射全息元件的头盔显示器，该头盔显示器包括微显示器以及光学组合器，还包括位于微显示器以及光学组合器之间的胶合镜，所述微显示器与胶合镜胶合为一整体，光学组合器包含两个非45度角的直角棱镜、一个反射全息光学元件及一个倾斜球面，两个直角棱镜紧密贴合在一起，所述倾斜球面与直角棱镜胶合为一整体，位于光学组合器靠近胶合镜的一面，反射全息光学元件位于两个直角棱镜结合处，与微显示器发出光束的光轴成大于0度小于90度的非45度角，所述的倾斜球面21的中心顶点处切面与微显示器成锐角。 

该实用新型进一步具体为： 

所述光轴垂直于微显示器的像素面，且经过其中心，光学组合器的靠近人眼瞳孔的光学面及靠近外部光线的光学面均为平面，且均与光轴垂直。

所述的胶合镜为平凸透镜，平的一面与微显示器胶合且垂直于光轴，凸的一面为非球面的曲面。 

所述的微显示器为有机电致发光显示器。 

本实用新型与现在技术相比，具有以下优点： 

1、由于两块棱镜与反射全息元件胶合在一起、像源屏与一块平凸镜胶合在一起。光学结构更加简单，在光学元件加工完成后， 相当只用装配两个光学部件。

2、整个光学系统只有两个曲面，易于加工。 

3、整个光学系统的工作面（包括屏）总共只有四个面暴露于空气中，其中两个面于机械结构的内部，另外两个位于外部。且总共是三个平面加一个曲面，暴露在机械结构外部的两个工作面均为平面。这将大大提高光学元件表面清洁度的可靠性。 

4、屏—平凸透镜组合部件相对于棱镜的距离有所增加，这可以使得调校范围更大。

5、反射全息元件与外部通道的光轴成非45度放置，使得整个胶合棱镜的厚度有所减小，外部通道的光能利用率大大提高。 

通过下面给你的描述和示例，以及也通过所附的权利要求，本实用新型的实施方式及其益处对本领域的技术人员将变得显然。 

附图说明

图1 本实用新型的光学结构图 

图2 现在的一种头盔显示器的光学结构图

图3 现在的另一种头盔显示器的光学结构图

图4 本实用新型的光学软件模拟图。

具体实施例

请参阅图1所示，本实用新型应用全息元件的光学系统包括微显示器32、胶合镜31，和一个光学组合器20。 

所述光轴垂直于微显示器32的像素面，且经过其中心。所述的微显示器32为高亮、高分辨率的微型显示屏。 

所述的胶合镜31为平凸透镜，平的一面与微显示器32胶合且垂直于光轴，凸的一面为非球面的曲面。 

光学组合器20包含两个非45度角的直角棱镜、一个反射全息光学元件22及一个倾斜球面21，两个直角棱镜紧密贴合在一起，比如采用胶合的贴合方式，所述倾斜球面21与直角棱镜胶合为一整体，位于光学组合器20靠近胶合镜31的一面，光学组合器20的靠近人眼瞳孔10的光学面24及靠近外部光线的光学面均为平面，且均与光轴垂直。反射全息光学元件22位于两个直角棱镜结合处，与光轴成非45度角放置，具体的，与微显示器32发出光束的光轴成大于0度小于90度的非45度角。所述的倾斜球面21的中心顶点处切面与微显示器32不平行，具体的，该倾斜球面21的中心顶点处切面与微显示器32成锐角。 

所述两个非45度角的直角棱镜所用的光学材料均为光学塑料，具体的为PMMA（叫亚克力或者亚加力，就是有机玻璃，化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯），两个直角棱镜所用的光学材料均为折射率大于1的材料，胶合镜31所用的材料与直角棱镜不同，以校正色差。所述的全息光学元件22为计算全息光学元件。 

本实用新型采用微显示器32来显示内部通道，胶合镜31达到聚光和进一步提高光能利用率的作用，倾斜球面21用以校正场曲和像散，反射全息光学元件22用来成像；为了实现外部通道的测量，其中一个直角棱镜23作为补偿棱镜。 

上述的胶合所用材料为冷彬树脂。 

本实用新型的工作原理为：光束从微显示器32发出；经过胶合镜31后会聚；经过光学组合器20的倾斜球面21进行光路折转及像散、场曲校正；经过反射全息光学元件22进行光轴折转及成像 ；再经光学面24后成为平行光束；出瞳位于人眼瞳孔10处。外部通道的光束直接进入光学组合器20，经过反射全息元件22、光学面24后到达人眼瞳孔10处。 

当像面位于无穷远时,头盔显示器的角分辨率为： 

式中:ω、v 分别为垂直和水平方向的全视场角; m 、n分别是图像源有效显示面(方形4∶3) 上的水平和垂直方向的像素数。若选择图像源水平和垂直方向的像素数为800×600 ,像素间距为2.4μm。由上式计算得到系统对应的角分辨率为0. 7 7mrad ,接近人眼的最小分辨率0. 5 mrad。若把头盔显示器光学系统的有效焦距设计为30 mm ,此时角分辨率相匹配的光学系统的空间频率应达到30 lp/ mm。

则光学系统设计输入如表1所示： 

表1 光学设计输入

有效焦距	约30mm
		视场角	25
出瞳距	21mm
		出瞳直径	10mm
波长	494 544nm,峰值520mm
		分辨率	30 lp/ mm时各视场均大于0.3
亮度非均匀性
		畸变

从数学的角度，全息光学元件的实-虚成像性质可以这样来解释：假定参考光束的复振幅是R，共轭参考光束，即再现光束的复振幅就是-R，符号“-”意味着再现光束的方向与原参考光束的方向相反。定义物光的复振幅为O。定义光强为I。因此经过光学全息图衍射后光波振幅就是（*表示共轭复数）：

该公式表示，当再现光束是以记录参考光束的共轭方向照射到全息光学元件上时，衍射后的光束也将沿着记录物体光束的共轭方向传播，形成一个实像，并且，将能量会聚到一个点。

在设计该系统时，采用“连续透镜”的方法。实际上，一个连续透镜可以定义为是由无限小尺寸全息光学元件组成的一个阵列的极限。为了实现连续透镜的记录，必须使用两记录点光源，而不是一个点光源和一束平面光束。 

为了更好校正场曲，本实用新型胶合镜的一个面采用非球面。圆锥方程式由以下方程式给出： 

，其中

=

且c为顶点曲率。K>1时为扁圆球面。

目前应用于头盔显示器的小型平板显示器，包括有机电致发光显示器（OLED）和液晶显示器（LCD）。由于液晶显示器显示时需要背光，而且在零度以下工作时还需要增加温控电路，导致显示器功耗和体积增大，因此本实施例选择OLED为显示屏，其详细参数如表2：

表2  OLED屏参数

有效显示面积	12mm×9mm
		分辨率	852×600
显示亮度	1500cd/m2
		对比度	不低于300:1
灰度等级	256
		工作温度	-40℃～+65℃
半谱宽度	50nm(494nm-544nm)

光学详细参数如表3、表4所示：

表3 光学结构参数

序号

面型

半径

厚度

玻璃

类型

偏心

物面

球面

折射

光阑

球面

15

折射

2

球面

8.5

Lak7

折射

3

球面

-9.848

Lak7

全息

-45

4

球面

-3.5

Lak7

折射

5

球面

54.14

-20

折射

-14.6

6

扁球面

-53.35

-3

K9

折射

像面

球面

0

折射

表4 全息参数

	X	y	z
				参考光	0	185.24	-6.5
物光	0	-41.2	-34.5

由于OLED图像源为单色显示，显示光谱的半谱宽度约为50nm（即494nm-544nm），而反射全息光学元件22起到窄带反射镜的作用。另外，反射全息元件的非45度放置，使得整个胶合棱镜的厚度有所减小，外部通道的光能利用率得到提高。这将会使用户舒适度大大提高。

图4 本实用新型的光学软件模拟图。 

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。上述参考附图所描述的特定实施方式仅为示例性的，且并非意在限制本发明的范围，该范围由所附的权利要求书加以定义。 

Claims (4)

1.一种应用反射全息元件的头盔显示器，该头盔显示器包括微显示器以及光学组合器，其特征在于：还包括位于微显示器以及光学组合器之间的胶合镜，所述微显示器与胶合镜胶合为一整体，光学组合器包含两个非45度角的直角棱镜、一个反射全息光学元件及一个倾斜球面，两个直角棱镜紧密贴合在一起，所述倾斜球面与直角棱镜胶合为一整体，位于光学组合器靠近胶合镜的一面，反射全息光学元件位于两个直角棱镜结合处，与微显示器发出光束的光轴成大于0度小于90度的非45度角，所述的倾斜球面（21）的中心顶点处切面与微显示器成锐角。

2.根据权利要求1所述的一种应用反射全息元件的头盔显示器，其特征在于：所述光轴垂直于微显示器的像素面，且经过其中心，光学组合器的靠近人眼瞳孔的光学面及靠近外部光线的光学面均为平面，且均与光轴垂直。

3.根据权利要求1所述的一种应用反射全息元件的头盔显示器，其特征在于：所述的胶合镜为平凸透镜，平的一面与微显示器胶合且垂直于光轴，凸的一面为非球面的曲面。

4.根据权利要求1所述的一种应用反射全息元件的头盔显示器，其特征在于：所述的微显示器为有机电致发光显示器。

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