CN217425838U - 一种大视场角头戴显示装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种大视场角头戴显示装置，包括机体，主控电路板，电源管理模块，低照度CMOS探测器，LCD显示器，大视场物镜光学系统，近眼目视光学系统，近红外激光辅助照明模块，所述低照度CMOS探测器由SONYIMX307星光级CMOS传感器构成；所述LCD显示器由夏普LS029B3SX02的2.9寸LCD液晶屏构成；所述近红外激光辅助照明模块由940nm红外补光灯珠构成；所述近眼目视光学系统包括从眼部到LCD显示器侧沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜组和第二透镜组，所述第一透镜组和第二透镜组的有效焦距为负和正组合；本实用新型的大视场角头戴显示装置，能够实现大视场角、高图像分辨力、小场曲和小体积等指标，且能够满足夜间无照明条件下的维修、训练和场景观察。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种大视场显示装置，具体涉及一种大视场角头戴显示装置，属于大视场显示装置技术领域。
背景技术
头戴显示装置通过光学技术，将微型图像显示器发出的视频图像光引导到使用者的瞳孔，在使用者的近目范围实现虚拟、放大图像，为使用者提供直观、可视的图像、视频、文字信息；据研究，人单眼水平视场角约155°，双眼水平视场角约190°，且水平方向有约120°重叠；双目重叠区域对立体视觉至关重要，可完成文本阅读和物体抓取等任务，周边的非重叠区域人眼均有明暗感觉，在感知和搜索等任务中也发挥了重要作用；虽然40°视场角即可满足侦察、瞄准等任务需求，但大视场更加符合人眼视觉特性，通过中心视场实现物体细节或轮廓分辨，通过轴外视场实现物体或态势感知，能在特种作战中发挥更加明显的战术优势，如美军GPNVG-18利用4根三代像管实现了水平95±5°、垂直38±2°的大视场角；但大视场与整机重量体积存在矛盾，如GPNVG-18重量约765g，远超美军PVS-18单筒单目夜视仪的350g；一般情况下，头戴系统整机超过2.5kg(凯夫拉头盔约重1.5kg)就会给使用者头部带来较大负担。
实用新型内容
为解决上述问题，本实用新型提出了一种大视场角头戴显示装置，能够实现大视场角、高图像分辨力、小场曲和小体积等指标，且能够满足夜间无照明条件下的维修、训练和场景观察。
本实用新型的大视场角头戴显示装置，包括
机体，
内置图像处理模块的主控电路板，所述主控电路板安装于机体内侧，所述机体内侧还安装有给整机供电的电源管理模块；
低照度CMOS探测器，所述双路低照度CMOS探测器设置有双路；双路所述低照度CMOS探测器输出端接入到主控电路板；两所述低照度CMOS探测器安装于机体前端两侧；
LCD显示器，所述LCD显示器通过驱动模块接入到主控电路板；所述LCD显示器安装于机体后侧；
大视场物镜光学系统，所述大视场物镜光学系统安装于机体上，且设置于低照度CMOS探测器的前端；
近眼目视光学系统，所述近眼目视光学系统安装于机体上，且设置于LCD显示器显示端；
近红外激光辅助照明模块，所述近红外激光辅助照明模块设置于机体前侧；
双路所述低照度CMOS探测器均由SONYIMX307星光级CMOS传感器构成，可在1×10-31x低照度下连续清晰成像，CMOS传感器分辨率1920×1080，像元尺寸2.9μm，对角线显示区域6.46mm；所述LCD显示器由夏普LS029B3SX02的2.9寸LCD液晶屏构成，分辨率1440×1440，显示尺寸51.84×51.84mm(H×V)；为避免“红暴”，所述近红外激光辅助照明模块由940nm红外补光灯珠构成，当光照度低于1×10-3lx时，开启近红外激光辅助照明模块补光；所述近眼目视光学系统包括从眼部到LCD显示器侧沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜组和第二透镜组，所述第一透镜组和第二透镜组的有效焦距为负和正组合；所述第一透镜组包括靠近人眼侧的第一透镜和远离人眼侧的第二透镜；所述第二透镜组包括与第一透镜组相邻且沿光轴依次排列的第三透镜和第四透镜；所述第三透镜为正透镜，所述第四透镜为负透镜；所述第三透镜的光学面为偶次非球面。
进一步地，所述近眼目视光学系统的视场角74.46°，出瞳直径7mm，出瞳距离15mm。
与现有技术相比，本实用新型的大视场角头戴显示装置，能够实现大视场角、高图像分辨力、小场曲和小体积等指标，且能够满足夜间无照明条件下的维修、训练和场景观察。
附图说明
图1为本实用新型的实施例1整体结构示意图。
图2为本实用新型的实施例1各模块连接整体结构示意图。
图3为本实用新型的实施例1参考初始结构光路示意图。
图4为本实用新型的实施例1系统光路图光路示意图。
具体实施方式
实施例1：
如图1至图4所示的大视场角头戴显示装置，包括
机体1，
内置图像处理模块的主控电路板，所述主控电路板安装于机体1内侧，所述机体1内侧还安装有给整机供电的电源管理模块；
低照度CMOS探测器2，所述双路低照度CMOS探测器2设置有双路；双路所述低照度CMOS探测器2输出端接入到主控电路板；两所述低照度CMOS探测器2安装于机体1前端两侧；
LCD显示器，所述LCD显示器通过驱动模块接入到主控电路板；所述LCD显示器安装于机体1后侧；
大视场物镜光学系统3，所述大视场物镜光学系统3安装于机体1上，且设置于低照度CMOS探测器2的前端；
近眼目视光学系统4，所述近眼目视光学系统4安装于机体1上，且设置于LCD显示器显示端；
近红外激光辅助照明模块5，所述近红外激光辅助照明模块5设置于机体1前侧；
双路所述低照度CMOS探测器2均由SONYIMX307星光级CMOS传感器构成，可在1×10-31x低照度下连续清晰成像，CMOS传感器分辨率1920×1080，像元尺寸2.9μm，对角线显示区域6.46mm；所述LCD显示器由夏普LS029B3SX02的2.9寸LCD液晶屏构成，分辨率1440×1440，显示尺寸51.84×51.84mm(H×V)；为避免“红暴”，所述近红外激光辅助照明模块5由940nm红外补光灯珠构成，当光照度低于1×10-3lx时，开启近红外激光辅助照明模块补光；所述近眼目视光学系统4包括从眼部到LCD显示器侧沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜组和第二透镜组，所述第一透镜组和第二透镜组的有效焦距为负和正组合；所述第一透镜组包括靠近人眼侧的第一透镜和远离人眼侧的第二透镜；所述第二透镜组包括与第一透镜组相邻且沿光轴依次排列的第三透镜和第四透镜；所述第三透镜为正透镜，所述第四透镜为负透镜；所述第三透镜的光学面为偶次非球面。
大视场物镜光学系统设置如下：综合人机工程与人眼视觉特性，兼顾双目立体视觉实现要求，本实用新型的大视场角头戴显示装置视场角设置为70°，针对头戴系统物镜光学系统，其主要性能由视场角、焦距和相对孔径等3个参数决定，其具体为：
w1＝2arctg(h/2f1)，w2＝2arctg(v/2f1) (1)
式(1)中，f1为物镜焦距，w1为水平方向视场角，w2为垂直方向视场角，h为CMOS探测器水平方向像元尺寸，v为垂直方向像元尺寸；
由于CMOS探测器采用SONY IMX307星光级CMOS传感器，分辨率为1920×1080，而LCD显示器采用夏普LS029B3SX02的2.9寸LCD液晶屏，分辨率1440×1440，为匹配CMOS探测器和LCD屏的分辨率，同时最大程度的利用LCD屏的显示区域，主控电路板将CMOS探测器采集到的视频按照1440×1080进行裁剪，则CMOS探测器实际利用尺寸为4.22mm×3.167mm，此时视场角为58.73°×45.78°，对角线视场为74.46°，可得物镜焦距f1＝3.75mm，取视放大率为1倍，可得目镜焦距为46mm；另外，具有大通光能力的物镜更加有利于夜间低照度成像，其具体为：
式(2)中，E为景物图像在像面上的照度，L为目标背景亮度，D/f为物镜相对孔径；相对孔径越大，物镜光学系统的衍射极限分辨能力越强，夜晚观察效果越佳；综合考虑夜视头戴系统外形尺寸、价格成本等因素，取物镜相对孔径为1：1.2；考虑到物镜大视场和大相对孔径特点，采用改进的高斯物镜设计方案；物镜设计指标：工作波段487～950nm，物镜相对孔径为1∶1.2，视场76.46°，充分考虑了夜晚满月光和晴朗星光的辐射光谱分布特点，同时也能满足目前低照度探测器的光谱响应范围。
针对显示器件，可供选择的主要有液晶显示屏、硅基液晶显示屏和有机发光二极管显示屏；LCD屏虽然响应时间较慢，但极具价格优势，人眼极限分辨角为1′，在良好照明明视距离250mm处，人眼能够分辨两条相邻条纹的最小间隔为0.0727mm，对应的空间频率为14lp/mm；夏普LS029B3SX02的2.9寸LCD液晶屏每毫米约27个像素，对应的空间频率约为13lp/mm；比较人眼极限分辨角和LCD屏空间频率能够避免“网格效应”的产生。
目镜初始参数计算：头戴显示的目镜光学系统可分为瞳孔成像结构和非瞳孔成像结构，由于目镜光学系统光阑为使用者瞳孔，内部没有和瞳孔共轭的光阑，且光阑大小随瞳孔变化而改变，因此需设计非瞳孔成像结构的光学系统；图2是目镜光学系统设计要求；其中，出瞳距离设置：出瞳距离太大不利于系统小型化且易引入杂散光；由人眼生理结构可知，眼睛入瞳位于角膜后约3mm，眼睑和眼睫毛约9mm，因此出瞳距离设为15mm；出瞳直径：人眼瞳孔直径在约2～8mm范围内随环境亮度变化而改变，一般情况下平均入瞳直径约4mm，若取光学系统出瞳直径4mm，则人眼一旦转动看到的像质就会变差，因此出瞳不能过小，但出瞳太大会极大增加设计难度并增加系统重量，考虑到人眼观察视角外场景时的第一选择往往是转动头部而不是转动眼球，选择出瞳直径7mm；瞳间距：不同佩戴者双眼间距存在差异，因此需要限制光学系统体积从而确保光学系统眼瞳间距可调，约95％成年人双眼间距在56～75mm之间，再考虑到系统边缘的机械框架宽度，将目镜光学系统直径限制在40mm以下；畸变：未做校正的成像系统视场越大则产生的畸变越大，非球面的引入使畸变校正变得相对容易，但由于非球面的高度灵活性，不宜对畸变大小做过于严格的约束，另外还可联合物镜与目镜设计控制畸变大小；因此，在物镜设置时，控制为一定程度的枕型畸变，最大畸变-12.57％，目镜控制为一定程度的桶型畸变，最大畸变-7.14％，则系统畸变可在一定程度上相互抵消；MTF：人眼截止频率约14cycle/mm，因此，要求中心视场处MTF值大于14cycle/mm处不小于0.9，21cycle/mm处不小于0.8；边缘视场MTF值大于14cycle/mm处不小于0.4，21cycle/mm处不小于0.1；非球面设置：设置过程中，采用了一片非球面玻璃，由于光学系统视场角较大，为确保加工精度和面型评价准确性，将非球面系数控制到6阶；相较于奇次非球面，偶次非球面更易加工；
式(3)中，z为表面矢高，c为曲面顶点曲率，c＝1/r0，r0为顶点曲率半径，r为光线与曲面交点的径向坐标，k为二次曲面系数，k＝e2，a2、a4、a6为非球面系数；
系统总长：光学系统总长越短则重心越靠近佩戴者头部，可显著提高佩戴舒适性，同时为减轻重量，光学材料选用常见的冕牌玻璃和火石玻璃，机械结构件通过3D打印使用工程塑料；
光学系统初始结构采用像差理论方法计算求解得出，也可选用较为成熟的与所需参量指标相近的光学系统作为初始结构；选用对称式目镜作为光学系统初始结构，图3为初始结构光路图，显然，其初始结构性能指标与头戴系统目镜光学系统性能要求有较大差距，需要对其进一步优化；利用ZEMAX在初始结构基础上进行结构调整和系统优化，将初始结构系统焦距缩放至46mm，以系统中每个光学面的曲率半径、两个透镜间距及厚度作为变量，并添加相应操作数控制其范围，逐步调整出瞳直径、出瞳距离和视场角；引入偶次非球面增加系统变量和自由度，替换玻璃材料从而改变材料折射率和阿贝数，添加相应操作数控制系统二次项系数值、表面曲率、表面间距离，并将非球面系数取到6阶，最后通过添加相应操作数控制系统像差，进一步提升系统成像质量，直至满足设计指标要求；最终得到的如图4所示的系统光路图，其中，光学系统视场角74.46°，出瞳直径7mm，出瞳距离15mm，系统总长78.86mm，玻璃重量约92g；第一透镜6和第四透镜9为负透镜，第二透镜7和第三透镜8为正透镜，S4为偶次非球面；表3为光学系统透镜材料参量，其中冕牌玻璃选用折射率较高的镧冕玻璃H-LAK3，火石玻璃分别为ZF11和QF50。
本实用新型的大视场角头戴显示装置，基于CMOS器件的低照度夜视装备隐蔽性好，成本较红外热像装备低，采用近红外激光辅助照明模块，能够满足夜间低照度天候条件下装备维修保障需求，通过选择合适的光学玻璃材料，在可见/近红外波段均有很好的光谱响应；采用大相对孔径目镜视场角74.46°，焦距46mm，F#1.2，畸变小于-7.14％，系统总长小于80mm且镜头总重量小于100g；该目镜在486～950nm光谱范围条件下，能够满足夜间无照明条件下的维修、训练和场景观察，为低照度夜视头戴系统光学模组研制提供了新的技术手段。
上述实施例，仅是本实用新型的较佳实施方式，故凡依本实用新型专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本实用新型专利申请范围内。
Claims (2)
1.一种大视场角头戴显示装置，包括机体，内置图像处理模块的主控电路板，所述主控电路板安装于机体内侧，所述机体内侧还安装有给整机供电的电源管理模块；
低照度CMOS探测器，所述低照度CMOS探测器设置有双路；双路所述低照度CMOS探测器输出端接入到主控电路板；两所述低照度CMOS探测器安装于机体前端两侧；
LCD显示器，所述LCD显示器通过驱动模块接入到主控电路板；所述LCD显示器安装于机体后侧；
大视场物镜光学系统，所述大视场物镜光学系统安装于机体上，且设置于低照度CMOS探测器的前端；
近眼目视光学系统，所述近眼目视光学系统安装于机体上，且设置于LCD显示器显示端；
近红外激光辅助照明模块，所述近红外激光辅助照明模块设置于机体前侧；
其特征在于：
双路所述低照度CMOS探测器均由SONYIMX307星光级CMOS传感器构成；所述LCD显示器由夏普LS029B3SX02的2.9寸LCD液晶屏构成；所述近红外激光辅助照明模块由940nm红外补光灯珠构成；所述近眼目视光学系统包括从眼部到LCD显示器侧沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜组和第二透镜组，所述第一透镜组和第二透镜组的有效焦距为负和正组合；所述第一透镜组包括靠近人眼侧的第一透镜和远离人眼侧的第二透镜；所述第二透镜组包括与第一透镜组相邻且沿光轴依次排列的第三透镜和第四透镜；所述第三透镜为正透镜，所述第四透镜为负透镜；所述第三透镜的光学面为偶次非球面。
2.根据权利要求1所述的大视场角头戴显示装置，其特征在于：所述近眼目视光学系统的视场角74.46°，出瞳直径7mm，出瞳距离15mm。
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