[發明專利]基于全息光學元件的車載平視顯示器投影準直中繼光學系統

無效

• 申請號: 201210215970.4
• 申請日: 2012-06-27
• 公開（公告）號: CN103513420A
• 公開（公告）日: 2014-01-15
• 發明（設計）人: 藍天;顧美霞;倪國強;李妤
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G02B27/01
• 分類號: G02B27/01;G02B5/32
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及到一種在平視顯示器中應用的基于全息光學元件的準直投影中繼光學系統。?

背景技術

車載平視顯示器(HUD)是應用于汽車上的駕駛輔助設備。它利用全息光柵光學反射原理，將重要的駕駛信息投射到與汽車前擋風玻璃組合在一起的全息光柵上。投射的文字和影像成像在駕駛員正前方無窮遠處，駕駛員透過HUD往前方看的時候，可以直接看到HUD顯示資料與外界的景象重疊在一起。降低了駕駛員低頭查看儀表的頻率，避免了低頭與抬頭之間眼睛焦距需要不斷調整而產生的注意力中斷以及視覺延遲與不適，減輕了駕駛疲勞，提高了駕駛安全，?

HUD主要由準直投影光學系統、光柵顯示器和圖像產生源三部分構成。其中準直投影系統是一倒置的無窮遠成像系統，其作用是將位于焦平面上的圖像源產生的圖像變為平行光束，將光點在圖像源像面上的直線移動變為無窮遠處的角移動。光柵顯示器將準直系統投影的圖像投射到光柵組合顯示器上。由于組合在汽車擋風玻璃上的光柵顯示器常有較大的離軸角，同時要考慮消除外通道“閃爍”，這會產生很大的慧差、像散與畸變。為了補償這部分像差，基于全息光學元件(HOE)的準直投影中繼光學透鏡常采用偏心、傾斜等離軸光學設計。?

在傳統的準直投影光學系統中大多采用普通的折射和反射光學元件，由此構成的光學系統主要存在以下幾點不足：(1)系統光學設計復雜，光學元件要求加工精度高，加工困難；(2)普通光學元件的體積和重量比較大，這種準直投影中繼光學系統在車內或機艙等狹小空間內安裝時，容易遮擋住進入人眼的光線，而且減少了駕駛員頭部的活動范圍。?

發明內容

本發明提供了一種應用于車載平視顯示器中基于全息光學元件的準直投影中繼光學系統的設計方法，此系統采用透射型全息光學組件設計為倒置的無窮遠成像系統，將圖像源產生的圖像變為平行光投射進入光柵顯示器，并可以補償光柵顯示器處產生的大部分像差。?

該方法通過下述技術方案予以實現：?

(1)首先確定初始參量，選定全息組合玻璃的曲率和傾斜角，保證所需光線能夠從駕駛員的眼點位置指向風擋玻璃的有效孔徑，確定眼點距離、視場及出瞳孔徑。然后利用普通折射光學元件設計中繼透鏡系統，利用光學設計軟件進行模擬仿真，主要是確定準直投影中繼透鏡組的詳細參數，其中包括準直投影中繼透鏡中各個透鏡的材料、厚度、表面定點的曲率和相對位置，為了校正像差，一些透鏡或者一些表面需要有一定量的偏心和傾斜；?

(2)根據所設計的光學元件的具體參數利用Sweatt方法設計全息光學元件。分析平面全息光學元件和曲面全息光學元件的成像性質，給出兩種光學元件的等效透鏡模型；?

(3)根據普通光學元件在光學設計階段的具體參數，設計不同全息光學元件的制作光路，最后利用光致聚合物材料制作所需的全息光學元件。?

由于采用了上述技術方案，本發明所提供的方法具有這樣的有益效果：?

(1)利用光致聚合物材料制作的全息光學元件具有很高的衍射效率，性能穩定，受環境影響小；?

(2)整套系統像差、畸變小，具有大的離軸角和視場角，能夠明顯地提高成像質量；?

(3)由于全息光學元件體積小、重量輕，整套系統結構簡單、裝調難度低，易于在狹小的空間內安裝；?

(4)相比普通光學元件，全息光學元件制作簡單、成本低、可大批量生產。?

附圖說明

圖1是雙目重合視場圖(BIFOV)；?

圖2是各視場之間的關系；?

圖3是準直投影中繼光學系統結構圖；?

圖4是透射型全息光學元件的等效透鏡模型，(a)是兩個發散點光源的等效透鏡模型；(b)是一個發散和一個會聚點光源的等效透鏡模型；?

圖5是球表面上的全息光學元件；?

圖6是全息光學元件記錄光路圖。?

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步描述。?

平視顯示器主要由三部分組成：圖像源、準直投影中繼光學系統和光柵顯示器。圖像源用于產生顯示圖像，為了增強外界的光能透過率，圖像源多為單色、窄波段、高亮顯示。準直投影系統的作用是將圖像源產生的圖像變為平行光束，將光點在圖像源像面上的直線移動變為無窮遠處的角移動，再通過光柵顯示器成像在使用者前方無窮遠處，同時外部場景的光信號也可以通過光柵顯示器進入人眼，其功能為一倒置的無窮遠成像系統，?