[發明專利]一種頭盔顯示器的光學系統

無效

• 申請號: 201110408325.X
• 申請日: 2011-12-09
• 公開（公告）號: CN102540465A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 藍景恒;楊新軍;陳國勝;謝松林;康濤
• 申請（專利權）人: 中航華東光電有限公司
• 主分類號: G02B27/01
• 分類號: G02B27/01;G02B27/10;G02B27/00;G02B1/04
• 代理公司: 安徽匯樸律師事務所 34116
• 代理人: 丁瑞瑞

技術領域

本發明屬于光學系統，特別是一種應用在頭盔顯示器系上的光學系統，可應用于軍用和民用頭盔上。

技術背景

頭盔顯示器（HMD，HeadMountedDisplay）分為半投型與全投型，是一種新興的機載顯示/瞄準系統。它能將小型二維顯示器所產生的圖像經由光學系統，成虛像于人眼前方。具體而言，小型二維顯示器所發射的光線經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?開發的“達摩克里斯之劍”頭盔顯示器。原先主要為戰機和戰車駕駛員配備，而現在，無論是戰斗機、直升機還是單兵所戴的頭盔不單是保護裝置，飛速發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中的地位也十分重要。

由于顯示系統是安裝在頭盔上的，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的出瞳距沒有確切的要求，但《GJB_1323-1991_光學觀測儀器通用規范》的3.2.3.4指出：根據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。因此根據通常單兵頭盔的光學設計要求出瞳距最少為15mm。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的體積和重量幾乎成三次方倍增加。另外，增加出瞳距必然要求增加出瞳直徑。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增加。另外，大的出瞳直徑會使光學系統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增加光學元件的數量。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一些，同時要求顯示分辨率要高。但視場和分辨率本身又是一對矛盾，另外視場增大也會使光學系統的重量和體積急劇增加。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，如圖2，其只用一個正透鏡42、一個微顯示器41與一個光學元件組43組成光學系統，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一些麻煩，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，如圖3，包括圖像信息顯示源1、自由曲面棱鏡2和組合棱鏡17，圖像信息顯示源1發出的第一光線4經自由曲面棱鏡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1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相比少了一個反射面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1）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。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于提供一種輕型、緊湊、像差校正良好和可靠性高的頭盔顯示器光學系統。