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CN202433604U - 一种头盔显示器的光学系统 - Google Patents

一种头盔显示器的光学系统 Download PDF

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CN202433604U CN2011205114369U CN201120511436U CN202433604U CN 202433604 U CN202433604 U CN 202433604U CN 2011205114369 U CN2011205114369 U CN 2011205114369U CN 201120511436 U CN201120511436 U CN 201120511436U CN 202433604 U CN202433604 U CN 202433604U
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蓝景恒
杨新军
陈国胜
谢松林
康涛
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Abstract

一种头盔显示器的光学系统,包括微显示器、胶合镜及光学组合器,微显示器与胶合镜胶合为一整体,光学组合器包含两个紧密贴合在一起的45度角的直角棱镜及一个凹面反射镜,窄带高反光学面位于两个直角棱镜结合处,与水平及竖直光轴均成45度角,凹面反射镜与直角棱镜胶合为一整体,其凹面为高反光学面。光束从微显示器发出,经过胶合镜后会聚,进入光学组合器,经过窄带高反光学面后,透射光束经过高反光学面再次进行会聚,光束再次经过窄带高反光学面后,其反射光束成为平行光束,出瞳位于人眼瞳孔处,外部光线进入光学组合器,经过窄带高反光学面后,透射光束进入人眼瞳孔。本实用新型的优点在于:系统紧凑、校正方便、像差校正良好、可靠性高。

Description

一种头盔显示器的光学系统
技术领域
本实用新型属于光学系统,特别是一种应用在头盔显示器系上的光学系统,可应用于军用和民用头盔上。 
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。 
由于显示系统是安装在头盔上的,因此对重量及体积要求非常高,另外如果是单兵使用,则对可靠性提出更严格的要求。尽管国标和国军标没有对光学系统的出瞳距没有确切的要求,但《GJB_1323-1991_光学观测仪器通用规范》的3.2.3.4指出:根据产品的用途确定出瞳距离或眼点距离,保护操作人员眼睛不被撞伤,且在戴上防毒面具时亦能观察。因此根据通常单兵头盔的光学设计要求出瞳距最少为15mm。而在其他光学性能不变的情况下,较大的出瞳距直接导致的是光学系统的体积和重量几乎成三次方倍增加。另外,增加出瞳距必然要求增加出瞳直径。因此在相同出瞳直径的情况下用户的复杂运动中头盔与头部产生相对运动,越大的出瞳距越可能导致图像丢失。出瞳直径的要求:显然出瞳直径越大,用户越容易观察到图像。但出瞳距每增加1mm,都会使光学部件的重量和体积急剧增加。另外,大的出瞳直径会使光学系统的像差校正更加复杂和困难,这将会导致成像质量的下降或者增加光学元件的数量。显示视场越大,观看效果将越舒服。因此,人们希望头盔显示器视场相对大一些,同时要求显示分辨率要高。但视场和分辨率本身又是一对矛盾,另外视场增大也会使光学系统的重量和体积急剧增加。因此,在设计时也应该在各种要求间进行平衡与折衷。 
针对这种情况,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。 
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种轻型、紧凑、像差校正良好和可靠性高的头盔显示器光学系统。 
为了实现上述目的,本实用新型公开一种头盔显示器的光学系统,包括微显示器以及光学组合器,还包括位于微显示器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,光束从微显示器发出,经过胶合镜后会聚后进入光学组合器,外部光线直接进入光学组合器。 
本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,所述光学组合器包含两个45度角的直角棱镜及一个凹面反射镜,其中靠近胶合镜的光学面、靠近人眼瞳孔的光学面,以及靠近外部光线的光学面均为平面,且均与光轴垂直,窄带高反光学面位于两个直角棱镜结合处,与水平光轴及竖直光轴均成45度角,两个直角棱镜紧密贴合在一起,所述凹面反射镜与直角棱镜胶合为一整体,凹面朝向直角棱镜,凸面为外露面,凹面反射镜的凹面为高反光学面;
光束从微显示器发出,经过胶合镜后会聚,从光学组合器的靠近胶合镜的光学面进入光学组合器,经过窄带高反光学面后,一部分光束反射,一部分透射,透射光束经过高反光学面再次进行会聚,光束再次经过窄带高反光学面后,有一部分光束反射,一部分透射,其反射光束再经靠近人眼瞳孔的光学面后成为平行光束,出瞳位于人眼瞳孔处,外部光线从靠近外部光线的光学面进入光学组合器,经过窄带高反光学面后,一部分光束反射,一部分透射,透射光束进入人眼瞳孔。
所述的窄带高反光学面对494-544nm波段的光的反射率大于70%,其它可见光波段的透过率大于90%。 
所述高反光学面对494-544nm波段的光的反射率为100%。 
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,凸的一面为球面。 
所述的微显示器为有机电致发光显示器,其分辨率为852×600,显示亮度为1500cd/m2,半谱宽度为50nm,即494nm-544nm。 
该光学系统的有效焦距为30mm,视场角25°,出瞳距21mm,出瞳直径10mm,波长494~544nm ,峰值520mm。 
所述的胶合所用材料为冷彬树脂。 
所述胶合镜、两个45度角的直角棱镜及一个凹面反射镜所用的光学材料均为光学塑料。 
所述胶合镜、两个45度角的直角棱镜及一个凹面反射镜所用的光学材料均为PMMA。 
本实用新型与现在技术相比,具有以下优点: 
1、由于两块棱镜与一块反射胶合在一起、显示源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,且为球面,易于加工。 
3、该光学系统具有对称性,大大降低机械结构设计的难度和加工成本。 
4、棱镜面的靠近胶合镜的光学面设计的通光面积比棱镜稍小,机械结构可以对其进行向右运动的约束;棱镜面的高反光学面为球面,中心有一顶点,机械结构可以对其进行向左运动的约束。面——点组合的约束可以使该光学组合器非常稳定的固定。另外,该部件的其余四个面均为平面,非常容易固定与粘接。 
5、整个光学系统的工作面(包括显示源的屏)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。 
6、只有显示源—平凸透镜组合部件以及光学组合器两个零部件,这可以使得调校范围更容易,调校范围更大。 
7、光学材料使用光学塑料PMMA,使得整个光学系统重量大大减轻。 
附图说明
图1 本实用新型头盔显示器的光学系统的光学结构图。 
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 本实用新型所给出实施例子中光学系统的MTF曲线。 
图5 本实用新型所给出实施例子中光学系统的场曲、畸变曲线。 
具体实施方法
请参阅图1,本实用新型一种头盔显示器的光学系统包括微显示器32、胶合镜31以及光学组合器20。所述微显示器32与胶合镜31胶合为一整体。
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,凸的一面为球面。 
光学组合器20包含两个45度角的直角棱镜及一个凹面反射镜,其中靠近胶合镜31的光学面25、靠近人眼瞳孔10的光学面21,以及靠近外部光线的光学面24均为平面,且均与光轴垂直。窄带高反光学面22位于两个直角棱镜结合处,与水平光轴及竖直光轴均成45度角,起到折转光轴的作用。两个直角棱镜紧密贴合在一起,比如采用胶合的贴合方式,所述凹面反射镜与直角棱镜胶合为一整体,凹面朝向直角棱镜,凸面为外露面,凹面反射镜的凹面为高反光学面23。 
所述胶合镜31、两个45度角的直角棱镜及一个凹面反射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)。 
本实用新型采用微显示器32来显示内部通道,胶合镜31达到聚光和校正像差的作用,窄带高反光学面22、高反光学面23用来折转光路及会聚光束。 
上述的胶合所用材料为冷彬树脂。 
所述的窄带高反光学面对特定波长的光主要进行反射,其余波长的光进行透射,具体的,采用在494-544nm波段镀高反膜(反射率大于70%),其它可见光波段镀增透膜 (透过率大于90%),不过为了补偿494-544波段镀高反造成的场景观察颜色红移的影响,从600nm开始到780nm,透过率逐渐下降,减小红光波段透过率。 
所述的高反光学面23对特定波长的光有较高的反射系数,具体的为,高反光学面23对494-544nm波段的光的反射率为100%。 
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;从光学组合器20的光学面25进入光学组合器20;经过窄带高反光学面22后,有一部分光束反射,一部分透射;透射光束经过高反光学面23再次进行会聚;光束再次经过窄带高反光学面22后,有一部分光束反射,一部分透射;其反射光束再经光学面21后成为平行光束;出瞳位于人眼瞳孔10处,外部光线从光学面24进入光学组合器20,经过窄带高反光学面22后,一部分光束反射,一部分透射,透射光束人眼瞳孔10。 
当像面位于无穷远时,头盔显示器的角分辨率为: 
Figure 515467DEST_PATH_IMAGE003
式中:ω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
Figure 862135DEST_PATH_IMAGE001
出瞳距 21mm
出瞳直径 10mm
波长 494
Figure 884448DEST_PATH_IMAGE002
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
Figure 646868DEST_PATH_IMAGE004
畸变
Figure 94030DEST_PATH_IMAGE005
目前应用于头盔显示器的微显示器,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所示:
表3 光学结构参数
序号 面型 半径 厚度 玻璃 类型 Y半孔径 X半孔径 偏心
物面 球面
Figure 324471DEST_PATH_IMAGE006
  折射      
光阑 球面
Figure 703631DEST_PATH_IMAGE006
21   折射 圆5 圆5  
2(光学面21) 球面
Figure 739720DEST_PATH_IMAGE006
12.6 PMMA 折射 方12.6 方10.75  
3(光学面22) 球面
Figure 224928DEST_PATH_IMAGE006
-12.6 PMMA 反射 方17.82 方10.75 45
4 球面
Figure 643007DEST_PATH_IMAGE006
-2.4 PMMA 折射 方12.6 方10.75  
5(光学面23) 球面 95.5 2.4 PMMA 反射 方12.6 方10.75  
6(胶合镜31的平的面) 球面
Figure 747229DEST_PATH_IMAGE006
25.2 PMMA 折射 方12.6 方10.75  
7(光学面25) 球面
Figure 965721DEST_PATH_IMAGE007
9.38   折射 方12.6 方10.75  
8(胶合镜31的凸的面) 球面 26.5 5.6 PMMA 折射 方7 方5.5  
像面 球面
Figure 372563DEST_PATH_IMAGE007
0   折射 方6.5 方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),因此在对窄带高反光学面22镀膜时,采用在494-544nm波段镀高反膜(反射率大于70%),其它可见光波段镀增透膜 (透过率大于90%),不过为了补偿494-544波段镀高反造成的场景观察颜色红移的影响,从600nm开始到780nm,透过率逐渐下降,减小红光波段透过率。
如不考虑吸收等影响,对于外部光线而言,从光学面24进入,经过窄带高反光学面22,其透过率达到90%以上,对于OLED屏而言,OLED屏发出的494-544nm波段的光在窄带高反光学面22上有70%被反射,30%的光透射,透射的光在高反光学面23上被完全的反射后再次经过窄带高反光学面22的反射,进入人眼瞳孔10的光有30%*70=21%。如果采用五五分光,则对于外部光而言其透过率最高只达到50%,对于OLED屏而言其透过率达到25%。虽然内部光能利用率稍微下降,但其可以通过提高屏的亮度以达到设计要求,而本实用新型使外部光线的光能利用率提高近80%,这将会使用户舒适度大大提高。 
图4为所给出实施例中光学系统的MTF曲线,可以看出,30 lp/ mm时各视场均大于0.45,远远大于30 lp/ mm时各视场均大于0.3的要求。 
图5 为本实施例子中光学系统的场曲、畸变曲线,可以看出,场曲远小于0.05,符合要求;畸变在边缘视场也小于1%,符合设计要求。 
对于本领域技术人员,应理解根据本实用新型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,且并非意在限制本实用新型的范围,该范围由所附的权利要求书加以定义。 

Claims (7)

1.一种头盔显示器的光学系统,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,光束从微显示器发出,经过胶合镜后会聚后进入光学组合器,外部光线直接进入光学组合器。
2.根据权利要求1所述的一种头盔显示器的光学系统,其特征在于:所述光束的光轴垂直于微显示器的像素面,且经过其中心,所述光学组合器包含两个45度角的直角棱镜及一个凹面反射镜,其中靠近胶合镜的光学面、靠近人眼瞳孔的光学面,以及靠近外部光线的光学面均为平面,且均与光轴垂直,窄带高反光学面位于两个直角棱镜结合处,与水平光轴及竖直光轴均成45度角,两个直角棱镜紧密贴合在一起,所述凹面反射镜与直角棱镜胶合为一整体,凹面朝向直角棱镜,凸面为外露面,凹面反射镜的凹面为高反光学面;
光束从微显示器发出,经过胶合镜后会聚,从光学组合器的靠近胶合镜的光学面进入光学组合器,经过窄带高反光学面后,一部分光束反射,一部分透射,透射光束经过高反光学面再次进行会聚,光束再次经过窄带高反光学面后,有一部分光束反射,一部分透射,其反射光束再经靠近人眼瞳孔的光学面后成为平行光束,出瞳位于人眼瞳孔处,外部光线从靠近外部光线的光学面进入光学组合器,经过窄带高反光学面后,一部分光束反射,一部分透射,透射光束进入人眼瞳孔。
3.根据权利要求2所述的一种头盔显示器的光学系统,其特征在于:所述的窄带高反光学面对494-544nm波段的光的反射率大于70%,其它可见光波段的透过率大于90%。
4.根据权利要求3所述的一种头盔显示器的光学系统,其特征在于:所述 高反光学面对494-544nm波段的光的反射率为100%。
5.根据权利要求1所述的一种头盔显示器的光学系统,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,凸的一面为球面。
6.根据权利要求1所述的一种头盔显示器的光学系统,其特征在于:所述的微显示器为有机电致发光显示器,其分辨率为852×600,显示亮度为1500cd/m2,半谱宽度为50nm,即494nm-544nm。
7.根据权利要求1所述的一种头盔显示器的光学系统,其特征在于:该光学系统的有效焦距为30mm,视场角25°,出瞳距21mm,出瞳直径10mm,波长494~544nm,峰值520mm。 
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