專利名稱：一種頭盔顯示器的光學系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于光學系統(tǒng)，特別是ー種應用在頭盔顯示器系上的光學系統(tǒng)，可應用于軍用和民用頭盔上。
背景技術：
頭藍顯示器(HMD, HeadMountedDisplay)分為半投型與全投型,是ー種新興的機載顯示/瞄準系統(tǒng)。它能將小型ニ維顯示器所產生的圖像經(jīng)由光學系統(tǒng)，成虛像于人眼前方。具體而言，小型ニ維顯示器所發(fā)射的光線經(jīng)過透鏡組使影像因折射或衍射產生類似遠方效果，利用此效果將近處物體放大至遠處觀察或瞄準而達到所謂的全像視覺。1968年世界上第一個真正意義上的頭盔顯示器為軍用頭盔顯示器，即美國ARPA 信息處理技術辦公室主任Ivan Sutherland開發(fā)的“達摩克里斯之劍”頭盔顯示器。原先主要為戰(zhàn)機和戰(zhàn)車駕駛員配備，而現(xiàn)在，無論是戰(zhàn)斗機、直升機還是單兵所戴的頭盔不單是保護裝置，飛速發(fā)展的科技技術將多種功能凝聚在頭盔里，使其成為幫助使用者操縱飛機、瞄準、獲取地圖信息等設備的得力助手，是使用者與其武器、基地之間的重要紐帶。另外，民用頭盔顯示器在虛擬技術應用系統(tǒng)中的地位也十分重要。由于顯示系統(tǒng)是安裝在頭盔上的，因此對重量及體積要求非常高，另外如果是單兵使用，則對可靠性提出更嚴格的要求。盡管國標和國軍標沒有對光學系統(tǒng)的出瞳距沒有確切的要求，但《GJB_1323-1991_光學觀測儀器通用規(guī)范》的3. 2. 3. 4指出根據(jù)產品的用途確定出瞳距離或眼點距離，保護操作人員眼睛不被撞傷，且在戴上防毒面具時亦能觀察。因此根據(jù)通常單兵頭盔的光學設計要求出瞳距最少為15_。而在其他光學性能不變的情況下，較大的出瞳距直接導致的是光學系統(tǒng)的體積和重量幾乎成三次方倍増加。另外，増加出瞳距必然要求増加出瞳直徑。因此在相同出瞳直徑的情況下用戶的復雜運動中頭盔與頭部產生相對運動，越大的出瞳距越可能導致圖像丟失。出瞳直徑的要求顯然出瞳直徑越大，用戶越容易觀察到圖像。但出瞳距每增加1mm，都會使光學部件的重量和體積急劇増加。另夕卜，大的出瞳直徑會使光學系統(tǒng)的像差校正更加復雜和困難，這將會導致成像質量的下降或者増加光學元件的數(shù)量。顯示視場越大，觀看效果將越舒服。因此，人們希望頭盔顯示器 視場相對大ー些，同時要求顯示分辨率要高。但視場和分辨率本身又是ー對矛盾，另外視場増大也會使光學系統(tǒng)的重量和體積急劇増加。因此，在設計時也應該在各種要求間進行平衡與折衷。針對這種情況，在專利文獻CN200510008494. 9 (
公開日為2005年9月7日)提出了一種頭盔顯示器的光學系統(tǒng)，如圖2，其只用ー個正透鏡42、一個微顯示器41與ー個光學元件組43組成光學系統(tǒng)，通過半透半反光學面44對光線進行折轉。由于正透鏡42與微顯示器41、光學元件組43之間的距離較小，這給實際安裝和調試帶來ー些麻煩，降低其可靠性。另外，由于使用半透半反光學面44，在不考慮介質吸收的情況下，微顯示器41達到人眼46的光能最高為25%，外部光線到達人眼的光能最高為50%，不利用于觀察外界景物。專利文獻CN200610034306. 4 (
公開日為2007年9月12號)提出一種頭盔顯示器的光學成像系統(tǒng)，如圖3，包括圖像信息顯示源I、自由曲面棱鏡2和組合棱鏡17，圖像信息顯示源I發(fā)出的第一光線4經(jīng)自由曲面棱鏡2進入組合棱鏡17，組合棱鏡17中至少包含有一個半反半透鏡8，半反半透鏡8位于由第一方向入射到其上的第一光線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線9的光路上，被半反半透鏡8反射后的第一光線4和透射過的第二光線9在半反半透鏡面上合成第三光線16后進入觀視者的瞳孔5，目鏡12與組合棱鏡17緊密的貼合在一起，自由曲面棱鏡2與圖像信息顯示源I相鄰面為凹面，其中3代表光學面，15代表凸透面，20為出瞳距。與專利文獻CN200510008494. 9相比少了ー個反射面45。盡管進入人眼55的光能有同情況下有所提高，但其自由曲面棱鏡2使得加工成本大大提高，同時降低其可靠性。并且上述兩種結構中，都具有三個光學元件或光學組件，因此，加工完成后，需要裝配三個部分，裝配過程較復雜。另外，因為顯示源(微顯示器41及圖像信息顯示源I)距離光學組件(光學元件組43和組合棱鏡17)的距離較近，通常只有20至30mm，所以在調校時，位于顯示源及光學組件之間的光學元件(正透鏡42及自由曲面棱鏡2)的移動難度非常大。

實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題在于提供ー種輕型、緊湊、像差校正良好和可靠性高的頭盔顯示器光學系統(tǒng)。為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型公開ー種頭盔顯示器的光學系統(tǒng)，包括微顯示器以及光學組合器，還包括位于微顯示器及光學組合器之間的膠合鏡，所述微顯示器與膠合鏡膠合為一整體，光束從微顯示器發(fā)出，經(jīng)過膠合鏡后會聚后進入光學組合器，外部光線直接進入光學組合器。本實用新型進ー步具體為所述光軸垂直于微顯示器的像素面，且經(jīng)過其中心，所述光學組合器包含兩個45度角的直角棱鏡及ー個凹面反射鏡，其中靠近膠合鏡的光學面、靠近人眼瞳孔的光學面，以及靠近外部光線的光學面均為平面，且均與光軸垂直，窄帶高反光學面位于兩個直角棱鏡結合處，與水平光軸及豎直光軸均成45度角，兩個直角棱鏡緊密貼合在一起，所述凹面反射鏡與直角棱鏡膠合為一整體，凹面朝向直角棱鏡，凸面為外露面，凹面反射鏡的凹面為高反光學面；光束從微顯示器發(fā)出，經(jīng)過膠合鏡后會聚，從光學組合器的靠近膠合鏡的光學面進入光學組合器，經(jīng)過窄帶高反光學面后，一部分光束反射，一部分透射，透射光束經(jīng)過高反光學面再次進行會聚，光束再次經(jīng)過窄帶高反光學面后，有一部分光束反射，一部分透射，其反射光束再經(jīng)靠近人眼瞳孔的光學面后成為平行光束，出瞳位于人眼瞳孔處，外部光線從靠近外部光線的光學面進入光學組合器，經(jīng)過窄帶高反光學面后，一部分光束反射，一部分透射，透射光束進入人眼瞳孔。所述的窄帶高反光學面對494-544nm波段的光的反射率大于70%，其它可見光波段的透過率大于90%。所述高反光學面對494-544nm波段的光的反射率為100%。所述的膠合鏡為平凸透鏡，平的一面與微顯示器膠合且垂直于光軸，凸的一面為球面。所述的微顯示器為有機電致發(fā)光顯示器，其分辨率為852X600，顯示亮度為1500cd/m2,半譜寬度為 50nm,即 494nm_544nm。該光學系統(tǒng)的有效焦距為30mm，視場角25。，出瞳距21mm，出瞳直徑10mm，波長494 544nm ,峰值 520mm。所述的膠合所用材料為冷彬樹脂。所述膠合鏡、兩個45度角的直角棱鏡及ー個凹面反射鏡所用的光學材料均為光學塑料。所述膠合鏡、兩個45度角的直角棱鏡及ー個凹面反射鏡所用的光學材料均為PMMA0本實用新型與現(xiàn)在技術相比，具有以下優(yōu)點I、由于兩塊棱鏡與ー塊反射膠合在一起、顯不源與一塊平凸鏡膠合在一起,光學結構更加簡單，在光學元件加工完成后，相當只用裝配兩個光學部件。2、整個光學系統(tǒng)只有兩個曲面,且為球面,易于加工。3、該光學系統(tǒng)具有対稱性，大大降低機械結構設計的難度和加工成本。4、棱鏡面的靠近膠合鏡的光學面設計的通光面積比棱鏡稍小，機械結構可以對其進行向右運動的約束；棱鏡面的高反光學面為球面，中心有ー頂點，機械結構可以對其進行向左運動的約束。面——點組合的約束可以使該光學組合器非常穩(wěn)定的固定。另外，該部件的其余四個面均為平面，非常容易固定與粘接。5、整個光學系統(tǒng)的工作面(包括顯示源的屏)總共只有四個面暴露于空氣中，其中兩個面于機械結構的內部，另外兩個位于外部。且總共是三個平面加ー個曲面，暴露在機械結構外部的兩個工作面均為平面。這將大大提高光學元件表面清潔度的可靠性。6、只有顯示源一平凸透鏡組合部件以及光學組合器兩個零部件，這可以使得調校范圍更容易，調校范圍更大。7、光學材料使用光學塑料PMMA，使得整個光學系統(tǒng)重量大大減輕。

圖I本實用新型頭盔顯示器的光學系統(tǒng)的光學結構圖。圖2現(xiàn)在的一種頭盔顯示器的光學結構圖。圖3現(xiàn)在的另ー種頭盔顯示器的光學結構圖。圖4本實用新型所給出實施例子中光學系統(tǒng)的MTF曲線。圖5本實用新型所給出實施例子中光學系統(tǒng)的場曲、畸變曲線。具體實施方法請參閱圖1，本實用新型一種頭盔顯示器的光學系統(tǒng)包括微顯示器32、膠合鏡31以及光學組合器20。所述微顯示器32與膠合鏡31膠合為一整體。所述光軸垂直于微顯示器32的像素面，且經(jīng)過其中心。所述的微顯示器32為高亮、高分辨率的微型顯示屏。所述的膠合鏡31為平凸透鏡，平的一面與微顯示器32膠合且垂直于光軸，凸的一面為球面。[0039]光學組合器20包含兩個45度角的直角棱鏡及ー個凹面反射鏡，其中靠近膠合鏡31的光學面25、靠近人眼瞳孔10的光學面21，以及靠近外部光線的光學面24均為平面，且均與光軸垂直。窄帶高反光學面22位于兩個直角棱鏡結合處，與水平光軸及豎直光軸均成45度角，起到折轉光軸的作用。兩個直角棱鏡緊密貼合在一起，比如采用膠合的貼合方式，所述凹面反射鏡與直角棱鏡膠合為一整體，凹面朝向直角棱鏡，凸面為外露面，凹面反射鏡的凹面為高反光學面23。所述膠合鏡31、兩個45度角的直角棱鏡及ー個凹面反射鏡所用的光學材料均為光學塑料，具體的為PMMA (叫亞克カ或者亞加力，就是有機玻璃，化學名稱為聚甲基丙烯酸甲酷)。本實用新型采用微顯示器32來顯示內部通道，膠合鏡31達到聚光和校正像差的作用，窄帶高反光學面22、高反光學面23用來折轉光路及會聚光束。上述的膠合所用材料為冷彬樹脂。所述的窄帶高反光學面對特定波長的光主要進行反射，其余波長的光進行透射，具體的，采用在494-544nm波段鍍高反膜(反射率大于70%)，其它可見光波段鍍增透膜(透過率大于90%)，不過為了補償494-544波段鍍高反造成的場景觀察顏色紅移的影響，從600nm開始到780nm，透過率逐漸下降，減小紅光波段透過率。所述的高反光學面23對特定波長的光有較高的反射系數(shù)，具體的為，高反光學面23對494-544nm波段的光的反射率為100%。本實用新型的工作原理為光束從微顯示器32發(fā)出；經(jīng)過膠合鏡31后會聚；從光學組合器20的光學面25進入光學組合器20 ;經(jīng)過窄帶高反光學面22后，有一部分光束反射，一部分透射；透射光束經(jīng)過高反光學面23再次進行會聚；光束再次經(jīng)過窄帶高反光學面22后,有一部分光束反射,一部分透射；其反射光束再經(jīng)光學面21后成為平行光束；出瞳位于人眼瞳孔10處，外部光線從光學面24進入光學組合器20，經(jīng)過窄帶高反光學面22后，一部分光束反射，一部分透射，透射光束人眼瞳孔10。當像面位于無窮遠時，頭盔顯示器的角分辨率為
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0= min I-—,--
m n式中《 I分別為垂直和水平方向的全視場角;m、n分別是圖像源有效顯示面廣方形4 3；上的水平和垂直方向的像素數(shù)。若選擇圖像源水平和垂直方向的像素數(shù)為800X600，像素間距為2. 4iim。由上式計算得到系統(tǒng)對應的角分辨率為0. 7 7mrad，接近人眼的最小分辨率0. 5 mrad。若把頭盔顯示器光學系統(tǒng)的有效焦距設計為30 mm，此時角分辨率相匹配的光學系統(tǒng)的空間頻率應達到30 lp/ _。則光學系統(tǒng)設計輸入如表I所不:表I光學設計輸入
有效焦距 [約30mm視場角
25 °
出瞳距21mm
權利要求1.一種頭盔顯示器的光學系統(tǒng)，包括微顯示器以及光學組合器，其特征在于還包括位于微顯不器及光學組合器之間的膠合鏡，所述微顯不器與膠合鏡膠合為一整體，光束從微顯示器發(fā)出，經(jīng)過膠合鏡后會聚后進入光學組合器，外部光線直接進入光學組合器。
2.根據(jù)權利要求I所述的ー種頭藍顯不器的光學系統(tǒng)，其特征在于所述光束的光軸垂直于微顯示器的像素面，且經(jīng)過其中心，所述光學組合器包含兩個45度角的直角棱鏡及ー個凹面反射鏡，其中靠近膠合鏡的光學面、靠近人眼瞳孔的光學面，以及靠近外部光線的光學面均為平面，且均與光軸垂直，窄帶高反光學面位于兩個直角棱鏡結合處，與水平光軸及豎直光軸均成45度角，兩個直角棱鏡緊密貼合在一起，所述凹面反射鏡與直角棱鏡膠合為一整體，凹面朝向直角棱鏡，凸面為外露面，凹面反射鏡的凹面為高反光學面； 光束從微顯示器發(fā)出，經(jīng)過膠合鏡后會聚，從光學組合器的靠近膠合鏡的光學面進入光學組合器，經(jīng)過窄帶高反光學面后，一部分光束反射，一部分透射，透射光束經(jīng)過高反光學面再次進行會聚，光束再次經(jīng)過窄帶高反光學面后，有一部分光束反射，一部分透射，其反射光束再經(jīng)靠近人眼瞳孔的光學面后成為平行光束，出瞳位于人眼瞳孔處，外部光線從靠近外部光線的光學面進入光學組合器，經(jīng)過窄帶高反光學面后，一部分光束反射，一部分透射，透射光束進入人眼瞳孔。
3.根據(jù)權利要求2所述的ー種頭盔顯示器的光學系統(tǒng)，其特征在于所述的窄帶高反光學面對494_544nm波段的光的反射率大于70%,其它可見光波段的透過率大于90%。
4.根據(jù)權利要求3所述的ー種頭盔顯示器的光學系統(tǒng)，其特征在干所述高反光學面對494-544nm波段的光的反射率為100%。
5.根據(jù)權利要求I所述的ー種頭盔顯示器的光學系統(tǒng)，其特征在于所述的膠合鏡為平凸透鏡，平的一面與微顯示器膠合且垂直于光軸，凸的一面為球面。
6.根據(jù)權利要求I所述的ー種頭盔顯示器的光學系統(tǒng)，其特征在于所述的微顯示器為有機電致發(fā)光顯示器，其分辨率為852 X 600，顯示亮度為1500cd/m2，半譜寬度為50nm，即494nm-544nm。
7.根據(jù)權利要求I所述的ー種頭藍顯不器的光學系統(tǒng)，其特征在于該光學系統(tǒng)的有效焦距為30mm,視場角25° ,出瞳距21mm,出瞳直徑IOmm,波長494 544nm,峰值520mm。
專利摘要一種頭盔顯示器的光學系統(tǒng)，包括微顯示器、膠合鏡及光學組合器，微顯示器與膠合鏡膠合為一整體，光學組合器包含兩個緊密貼合在一起的45度角的直角棱鏡及一個凹面反射鏡，窄帶高反光學面位于兩個直角棱鏡結合處，與水平及豎直光軸均成45度角，凹面反射鏡與直角棱鏡膠合為一整體，其凹面為高反光學面。光束從微顯示器發(fā)出，經(jīng)過膠合鏡后會聚，進入光學組合器，經(jīng)過窄帶高反光學面后，透射光束經(jīng)過高反光學面再次進行會聚，光束再次經(jīng)過窄帶高反光學面后，其反射光束成為平行光束，出瞳位于人眼瞳孔處，外部光線進入光學組合器，經(jīng)過窄帶高反光學面后，透射光束進入人眼瞳孔。本實用新型的優(yōu)點在于系統(tǒng)緊湊、校正方便、像差校正良好、可靠性高。
文檔編號G02B27/01GK202433604SQ20112051143
公開日2012年9月12日 申請日期2011年12月9日 優(yōu)先權日2011年12月9日
發(fā)明者康濤, 楊新軍, 藍景恒, 謝松林, 陳國勝 申請人:中航華東光電有限公司