[發明專利]離軸單反射式雙目頭盔顯示器的光學系統

無效

• 申請號: 201410142324.9
• 申請日: 2014-04-10
• 公開（公告）號: CN103913843A
• 公開（公告）日: 2014-07-09
• 發明（設計）人: 彭顯楚;董戴
• 申請（專利權）人: 中航華東光電（上海）有限公司
• 主分類號: G02B27/01
• 分類號: G02B27/01;G02B3/00
• 代理公司: 安徽匯樸律師事務所 34116
• 代理人: 胡敏

技術領域

本發明涉及一種頭盔顯示器的光學系統，尤其涉及的是一種離軸單反射式雙目頭盔顯示器的光學系統。

背景技術

雙目頭盔顯示器結構緊湊、重量輕、良好的攜帶舒適度和高性能的光學系統是當前光學設計必不可少的要求,這些因素造成其光學系統的設計是一項非常具有挑戰性的工作。雙目頭盔顯示器的光學系統從結構上可分為共軸系統和離軸系統兩種類型。共軸系統設計簡單、加工工藝性好,但是光學透射率低、容易產生鬼像、體積大、重量重。離軸系統光學透過率高,可以消除鬼像,比較容易滿足體積和重量方面的要求,但是光學系統設計難度和加工難度大。對于軍用機載型的頭盔顯示器，為了保持飛行員的重心不變，防止戴頭盔時間過長容易導致疲勞，特別在飛行員脫離飛機的彈射時將產生很大的沖力，容易使頸椎骨折，所以設計的頭盔顯示系統的重量必須加以控制。目前關于離軸雙目頭盔顯示器系統的文獻中,對光學系統設計的分析基本都是關于自由曲面面型結構與折／衍混合結構，這兩種結構的特點是體積小重量輕，光學成像質量高，因為加工自由曲面元件和衍射光學元件的制作商比較少，價格昂貴，而且主要集中在國外，所以這兩種結構的缺點是光學加工比較困難而且加工成本較高。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供了一種離軸單反射式雙目頭盔顯示器的光學系統，基于球面和偶次非球面面型結構，提高光學成像質量。

本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括半反半透鏡、透鏡組和像面LED，人眼位置發出的光線經過半反半透鏡反射后進入透鏡組，經過透鏡組入射到像面LED。

所述光學系統的設計輸入如下：

視場角為水平36°×垂直27°，像面LED的像素為1280×1024，出瞳直徑為12mm，眼睛到半反半透鏡的距離是64.8mm，波長為545nm、525nm、495nm，透鏡組的通光孔徑直徑小于46mm，中心視場在30lp/mm空間頻率處的MTF大于0.3，邊緣視場在20lp/mm空間頻率處的MTF大于0.3，系統的相對畸變小于10%。

單反頭盔系統的視場角設計：人的裸眼水平視場角約為200°，垂直視場角約為100°，但對中心40°左右的視場最敏感，中心視場以外，立體視覺、雙目疊加都會減弱或消失。因此，在設計光學系統時應保證頭盔顯示器的全視場控制在4O°左右，為此，采用水平視場為36°，當采用LED作為圖像源時，由于其輸出圖像的寬高比為4：3，所以水平視場角與垂直視場角的正切比值應為4：3。由此設計了36°(水平)×27°(垂直)視場角的光學系統。當眼分辨率取2′時,36°和27°視場角所對應的像素數分別為1280和943。可以選用1280×1024像素的LED（對角線尺寸為0.97英寸）。

通光孔徑設計：人眼瞳孔距離一般在54～72mm，考慮到本系統邊緣的機械框架，所以單反頭盔系統的透鏡組的通光孔徑直徑應小于46mm。

出瞳直徑和眼睛到半反半透鏡的距離設計：人眼瞳孔在正常狀態下的直徑約為2mm，考慮到使用過程中由于運動或其他原因使眼球偏離系統光軸，同時為了防止因為頭盔移動而導致眼睛接收不到圖像，頭盔顯示器的出瞳直徑應大于8mm。本系統為12mm。為了保證使用者佩戴方便，眼睛到半反半透鏡的距離要大于25mm，另外，設計的光學系統結構要求與頭部模型匹配，所以本系統的眼睛到半反半透鏡的距離根據計算是64.8mm。所述透鏡組為準直透鏡組，包括依次設置的六個透鏡，其中有兩個透鏡為偶次非球面，其他的透鏡為球面，偶次非球面的面型PV值加工精度為0.3微米。透鏡組設計的面型基本是球面，只有2個偶次非球面，在設計過程中改變偶次非球面各項的系數,控制局部面型來達到校正像差的目的。

作為本發明的優選方式之一，所述透鏡組中有一個雙膠合透鏡。

所述透鏡組中距離半反半透鏡最近的透鏡到像面LED的總長度小于100mm。為了使用者能夠方便的佩戴該單反頭盔系統，并在佩戴后不會產生前墜感，縮小光學系統的體積，減輕光學系統的重量。

作為本發明的優選方式之一，所述半反半透鏡為橢球面。

所述透鏡組包括依次設置的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡和第六透鏡，所述第一透鏡為正透鏡，第四透鏡為雙膠合透鏡，光線經過半反半透鏡后進入第一透鏡，然后依次經過第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡和第六透鏡后進入像面LED。

所述透鏡組采用中國玻璃ZK7和ZF12加工而成。系統加工相對容易，加工精度較高而且加工成本較低。