专利名称:一种头盔显示器的光学系统的利记博彩app
技术领域:
本实用新型属于光学系统,特别是ー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。
背景技术:
头蓝显示器(HMD, HeadMountedDisplay)分为半投型与全投型,是ー种新兴的机载显示/瞄准系统。它能将小型ニ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,小型ニ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15_。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増加。另外,増加出瞳距必然要求増加出瞳直径。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増加。另夕卜,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増加光学元件的数量。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 视场相对大ー些,同时要求显示分辨率要高。但视场和分辨率本身又是ー对矛盾,另外视场増大也会使光学系统的重量和体积急剧増加。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,其只用ー个正透镜42、一个微显示器41与ー个光学元件组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ー些麻烦,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I、自由曲面棱镜2和组合棱镜17,图像信息显示源I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I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相比少了ー个反射面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I)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ー种轻型、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,本实用新型公开ー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。本实用新型进ー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度角的直角棱镜及ー个凹面反射镜,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852X600,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度角的直角棱镜及ー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度角的直角棱镜及ー个凹面反射镜所用的光学材料均为PMMA0本实用新型与现在技术相比,具有以下优点I、由于两块棱镜与ー块反射胶合在一起、显不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、该光学系统具有対称性,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,中心有ー顶点,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ー个曲面,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、只有显示源一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。
图I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现在的另ー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。具体实施方法请參阅图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。[0039]光学组合器20包含两个45度角的直角棱镜及ー个凹面反射镜,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度角的直角棱镜及ー个凹面反射镜所用的光学材料均为光学塑料,具体的为PMMA (叫亚克カ或者亚加力,就是有机玻璃,化学名称为聚甲基丙烯酸甲酷)。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
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m n式中《 I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广方形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800X600,像素间距为2. 4iim。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/ _。则光学系统设计输入如表I所不:表I光学设计输入
有效焦距 [约30mm视场角
25 °
出瞳距21mm
权利要求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不器及光学组合器之间的胶合镜,所述微显不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I所述的ー种头蓝显不器的光学系统,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度角的直角棱镜及ー个凹面反射镜,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所述的ー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所述的ー种头盔显示器的光学系统,其特征在干所述高反光学面对494-544nm波段的光的反射率为100%。
5.根据权利要求I所述的ー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I所述的ー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 X 600,显示亮度为1500cd/m2,半谱宽度为50nm,即494nm-544nm。
7.根据权利要求I所述的ー种头蓝显不器的光学系统,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IOmm,波长494 544nm,峰值520mm。
专利摘要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。
文档编号G02B27/01GK202433604SQ20112051143
公开日2012年9月12日 申请日期2011年12月9日 优先权日2011年12月9日
发明者康涛, 杨新军, 蓝景恒, 谢松林, 陈国胜 申请人:中航华东光电有限公司