[發明專利]全息光波導頭盔顯示器光學系統

有效

• 申請號: 201210457097.X
• 申請日: 2012-11-14
• 公開（公告）號: CN102928981A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發明（設計）人: 田永明;董戴
• 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;G02B27/00;G02B6/122
• 代理公司: 安徽匯樸律師事務所 34116
• 代理人: 丁瑞瑞

技術領域

本發明涉及一種光學系統，具體是一種頭盔顯示器光學系統。

背景技術

頭盔顯示器作為一種重要的光電顯示設備，起著為飛機或坦克駕駛員、單兵、航天員等提供關鍵測控信息，提高勢態感知度的關鍵作用。頭盔顯示器，在滿足功能和可靠性的前提下，對其重量和結構形式不斷提出新的要求，減輕重量可以降低佩戴人員的負荷，良好的結構形式可保證頭部質心位置，從而延緩佩戴者的疲勞程度，防止沖擊引起頸部扭傷等。

傳統的頭盔顯示器光學系統為了適應頭盔安裝，保證實現良好的顯示功能，對于護目鏡的曲率公差較要求緊，中繼透鏡組鏡片需要離軸和傾斜，使得中繼鏡裝配公差緊，光學畸變、離軸殘余像差較大，系統的出瞳和視場較小，導致整體設計難度大，加工和裝調周期長，成本高，光學透鏡組結構復雜，質量、體積較大。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種有效解決光路離軸傳輸問題、系統成像清晰、小畸變、系統的重量和體積小，并且易制造的全息光波導頭盔顯示器光學系統。

本發明采用以下技術方案解決上述技術問題的：一種全息光波導頭盔顯示器光學系統，由中繼準直光學系統、全息光波導組件、顯示像源構成，顯示像源的光線經中繼準直光學系統準直，之后，耦合進入全息光波導組件，光波在經過全息光波導組件傳輸時，光波部分衍射出全息光波導，同時，外部場景的光線透過全息光波導組件，用戶看到耦合出全息光波導的圖像以投影方式疊加在外部場景上。

本發明可進一步優化為：全息光波導組件由兩個平板光波導組成：水平全息光波導以及垂直全息光波導，水平全息光波導遠離入射光的一面的兩端分別制作一個全息反射元件：第一全息反射面、第二全息反射面，垂直全息光波導遠離入射光的一面的兩端也分別制作一個全息反射元件：第三全息反射面、第四全息反射面，水平全息光波導以及垂直全息光波導的板面相互垂直，且第二全息反射面平行于第三全息反射面。

第一全息反射面將中繼準直光學系統準直后的光線耦合進入水平全息光波導，光波在水平方向傳輸，傳輸到第二全息反射面時，部分光被衍射出水平全息光波導，而零級光保持在水平全息光波導內向前傳輸，每次遇到第二全息反射面則耦合出部分能量，水平全息光波導衍射耦合出的光能，被垂直全息光波導的第三全息反射面接收，耦合進入垂直全息光波導，光波在垂直方向傳輸，當傳輸到第四全息反射面時，部分光被衍射出垂直全息光波導，剩余零級光保持在垂直全息光波導向前傳輸。

本發明可進一步優化為：所述中繼準直光學系統選用三片透鏡結構，中間透鏡為雙膠合透鏡，優選的為一平凸透鏡與一平凹透鏡膠合，兩側的第一片透鏡和第三片透鏡均為平凸透鏡，且優選的，三片透鏡的凸面均為偶次非球面，且凸面均朝向水平全息光波導。

更具體的，所述第一全息反射面和第三全息反射面使用一級衍射，第二全息反射面和第四全息反射面上，每次零級和一級衍射效率保持不變，對其零級和一級衍射效率按公式（1）分配；

η=ρl(1-ρ0k1-ρ0)---(1)]]>

其中：η——全息光波導耦出效率；ρ₀——為零級衍射效率；ρ_l——一級衍射效率；k——衍射次數；

衍射次數取整：k=【L/Δ】???????（2）

其中：L——全息面寬度；Δ——光束的間隔；

光束的間隔：Δ=2t·tanθ???????（3）

其中：Δ——光束的間隔；t——平板波導厚度；θ——衍射角；