CN102914871B - 防毒面具头盔显示器的二元光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防毒面具头盔显示器的二元光学系统，采用一个二元光学全息面反射镜以及中继系统组成，反射镜有全息面，光线从微型显示屏发出，依次经过中继系统、反射镜，最后进行人眼瞳孔处。并且反射镜的机械轴与零视场的主光线的倾角为零。本发明的优点在于：系统体积小、重量轻，由于反射镜的机械轴与零视场的主光线的倾角为零，且为全息面，可实现双通道显示，由于采用双通道方式显示，整个头盔显示器对视野的阻挡极小，并且观看时人眼可以不需要偏转角度，提高舒适性。

Description

防毒面具头盔显示器的二元光学系统

技术领域

本发明涉及光学系统，具体是一种头盔显示器的光学系统。

背景技术

头盔显示器(HeadMountedDisplay)简称HMD分为半投型与全投型，它能将小型二维显示器所产生的图像经由光学系统放大，将准直图像显示到无穷远或是足够远的地方，成几米之外数十米的屏幕效果。由于头戴显示装置安装在观察者的头部，因此它必须紧凑和轻量化，以减轻观察者的负载。随着观察视场的增加，观察范围也会增加，观察者才能更全神贯注的观察优质的动态图像。对于头戴显示器系统而言，大视场也是相当重要的。光学系统的视场、出瞳直径，焦距三者之间是相互制约的关系，同时达到大视场、大出瞳直径和短焦距相当困难。

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IvanSutherland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。

头盔显示器(HMD)就如便携式显示器，它能使人手得到解放。在危险的核生化(NBC)现场，士兵或工程人员通常要携带专业设备、维修工具、武器，或者要背负伤员，或者需要攀爬等，而又要经常与外界进行视频通信，此时双手的解放具有非常大的意义。另外，NBC现场的环境比较恶劣、复杂，通常还伴随着浓烟、浓雾，工作人员的视线受到阻碍，对维修工作与搜救工作带来困难。如果给HMD配备热成像仪、夜视摄像头等成像设备，能大大提高工作人员的工作效率，降低其危险程度。

全息光学元件(HolographicOpticalElement，HOE)是一种衍射光学元件(DiffractiveOpticalElement，DOE)。衍射成像光学元件的色散具有负向性，且与材料无关，这非常有利于消色差，可以同折射元件。衍射光学元件作为一种成像光学元件，所具备的任意相位分布、特殊色散、平像场以及薄型元件性质决定了它在成像光学系统中的地位和作用.折/衍混合成像系统充分利用了传统几何光学元件和衍射光学元件各自的优点，能有效简化光学系统结构，减轻重量，缩小体积和改善成像质量，实现许多传统成像光学所不能达到的目标，是对传统成像光学的重大变革.折/衍混合成像系统的优势使其首先在军事、航天领域中的高技术光学成像系统中得到应用。

发表在《IFAWC2006,MobileResearchCenter,TZIUniversityBremen.Germany》(德国不来梅大学奥兹移动研究中心IFAWC2006)上的文章《HeadMountedDisplayforFireFighters》(消防员佩戴的显示器)，为针对消防员设计的HMD系统，也涉及了NBC操作员的HMD系统，这种HMD为全投式的，其只有单通道，不能同时观看外界信息。而且其为了减小阻挡视线，HMD的零视场主光线与人眼正前方视线方向偏角很多，人眼在观看时需要转动很大角度，长时间观看会非常疲劳。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是针对现在技术的不足，提供一种基于防毒面具的头盔显示器的二元光学系统，其具有双通道，能有效校正像差提高像质，具备最佳人机功效。

本发明采用以下技术方案解决上述技术问题的：本发明的防毒面具头盔显示器的二元光学系统采用一个二元光学全息面反射镜以及中继系统组成，反射镜有全息面，对微型显示屏的中心波长具有高的反射率，其他波长的光束能量以透射为主，这样即可达到双通道的目的。由于防毒面具的可用空间比较小，其他设计的反射镜置于人眼正前方视线方向偏下位置，而本发明的反射镜置于人眼正前方视线方向上位置，中继系统及微型显示屏置于人头的侧面。

优选的，所述的反射镜为球面全息面，所述反射镜对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％。

更优选的，所述的反射镜的机械轴与零视场的主光线的倾角为零，以达到折转光轴的目的。

优选的，本发明中的微型显示屏使用OLED微型显示屏，出射光为单波长。

优选的，所述的中继系统由四片透镜组成，至少两片机械轴均相互倾斜与偏心，最优的，四片透镜的机械轴均相互倾斜与偏心，以补偿反射镜的离轴像差，微型显示屏也需要相对于光轴进行倾斜旋转，即所述的微型显示屏的机械轴与光轴的夹角不为零。

上述中继系统的四片透镜中有一片为胶合镜，胶合镜的目的为校正一定的色差。

上述中继系统内依次包括：第一弯月透镜、第二弯月透镜、胶合镜，以及正透镜，光线从微型显示屏发出后进入第一弯月透镜，并从正透镜进入反射镜，正透镜靠近反射镜的一面为平面，方便封装，第一弯月透镜的凸面作为入射面，第一弯月透镜的凹面作为出射面，胶合镜的平面作为入射面，凸面为出射面。

优选的，上述的胶合镜由两种不同材料组成。

光线从微型显示屏发出，依次经过中继系统、反射镜，最后进行人眼瞳孔处。从微型显示屏发的光线经过中继系统后，形成一中间像，该中间像由于中继系统的偏心倾斜而具有一定的离轴像差；光线进入反射镜，中继系统产生的离轴像差与反射镜产生的离轴像差相互补偿，每个视场的光线被反射镜准直后变成平形光，交汇于人眼瞳孔处。

当像面位于无穷远时，头盔显示器的角分辨率为：

$\mathrm{\θ}=min\[\frac{2tg\frac{\mathrm{\ω}}{2}}{m},\frac{2tg\frac{v}{2}}{n}\]$

式中:ω、v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(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800×600，像素间距为2.4μm。由上式计算得到系统对应的角分辨率为0.77mrad，接近人眼的最小分辨率0.5mrad。若把头盔显示器光学系统的有效焦距设计为36.3mm，此时角分辨率相匹配的光学系统的空间频率应达到30lp/mm。

则光学系统设计输入如表1所示：

表1光学设计输入

有效焦距	约36.3mm
		视场角	25°
出瞳距	40mm
		出瞳直径	8mm
波长	494～544nm，峰值525mm
		分辨率	30lp/mm时各视场均大于0.3
亮度非均匀性	≤20％
		畸变	≤5％

从数学的角度，全息光学元件的实-虚成像性质可以这样来解释：假定参考光束的复振幅是R，共轭参考光束，即再现光束的复振幅就是-R，符号“-”意味着再现光束的方向与原参考光束的方向相反。定义物光的复振幅为O，定义光强为I，因此经过光学全息图衍射后光波振幅就是(*表示共轭复数)：

W(x，y)＝-β[R(I_O+I_R)+R²O*+I_RO)]

该公式表示，当再现光束是以记录参考光束的共轭方向照射到全息光学元件上时，衍射后的光束也将沿着记录物体光束的共轭方向传播，形成一个实像，并且，将能量会聚到一个点。

在设计该系统时，采用“连续透镜”的方法，实际上，一个连续透镜可以定义为是由无限小尺寸全息光学元件组成的一个阵列的极限，为了实现连续透镜的记录，必须使用两记录点光源，而不是一个点光源和一束平面光束。

本发明的优点在于：

1.由于采用全息面的反射镜，中继系统的口径可以控制在直径10mm以内，因此本发明的系统具有体积小、重量轻的优点。

2.由于反射镜的机械轴与零视场的主光线的倾角为零，且为全息面，可实现双通道显示。

3.由于采用双通道方式显示，整个头盔显示器对视野的阻挡极小。

4.由于采用双通道方式显示，观看时人眼可以不需要偏转角度，提高舒适性。

附图说明

图1为本发明的光学系统二维图。

图2为本发明光学系统的MTF图。

具体实施方式

现有防毒面具的头盔显示器只有单通道，不能同时观看外界信息。而且其为了减小阻挡视线，HMD的零视场主光线与人眼正前方视线方向偏角很多，人眼在观看时需要转动很大角度，长时间观看会非常疲劳。

图1为本发明的光学系统二维图，光线从OLED微型显示屏41发出，依次经过中继系统30、反射镜20，最后进行人眼瞳孔处。从OLED微型显示屏41发的光线经过中继系统30后，形成一中间像，该中间像由于中继系统30的偏心倾斜而具有一定的离轴像差；光线进行反射镜20，中继系统30产生的离轴像差与反射镜20产生的离轴像差相互补偿，每个视场的光线被反射镜20准直后变成平形光，交汇于人眼瞳孔10处。中继系统30内包括：镜片31为正透镜，其靠近反射镜20的一面为平面，方便封装；镜片32为胶合镜，由两种不同材料组成；镜片33、34为弯月透镜。

目前应用于头盔显示器的小型平板显示器，包括有机电致发光显示器(OLED)和液晶显示器(LCD)。由于液晶显示器显示时需要背光，而且在零度以下工作时还需要增加温控电路，导致显示器功耗和体积增大，因此本实施例选择OLED为显示屏，其详细参数如表2：

表2OLED屏参数

有效显示面积	12.8mm×9.6mm
		分辨率	852×600
显示亮度	1500cd/m2
		对比度	不低于300:1
灰度等级	256
		工作温度	-40℃～+65℃
半谱宽度	50nm(494nm-544nm)

光学详细参数如表3所示：

表3光学结构参数

序号

面型

半径

厚度

玻璃

类型

Y偏心

Alpha倾斜

物面

球面

∞

∞

air

折射

光阑

球面

∞

40

air

折射

2

球面

-50

-40

air

全息

Bend-16

3

球面

∞

-3.62

LaF3

折射

Base2

4

球面

18.00

-0.1

air

折射

5

球面

-10.37

-3.5

Qk3

折射

6

球面

12.97

-3.5

Zf6

折射

7

球面

93.67

-9.12

air

折射

8

球面

-13.33

-5.0

LaF3

折射

Base5

9

球面

-26.86

-3.25

air

折射

10

球面

6.5

-5

ZF6

折射

Base-10

11

球面

10.8

-6.9

air

折射

像面

球面

∞

0

折射

Base1.6

Base-2.65

反射镜20的全息参数如表4、表5所示：

表4全息参数1

	X	y	z
				参考光	0	1.32	-63.4
物光	0	5.9	-34.5

表5全息参数2

参数	值
		衍射级	-1
构造波长	525.0000
		X	-7.1089e-005
Y	0.2043

X**2	0.0013
		X*Y	6.5681e-006
Y**2	0.0003
		X**3	5.3287e-007
X**2*Y	-3.5751e-006
		XY**2	2.5668e-006
Y**3	1.1562e-005
		X**4	0.0000
X**3*Y	0.0000
		X**2*Y**2	0.0000
X*Y**3	0.0000
		Y**4	0.0000
X**5	0.0000

图2为本发明光学系统的MTF图，由图2中可见在各个视场的MTF在30lp/mm时均达到0.3以上，满足设计要求。

本发明的光学系统的反射镜置于人眼正前方视线的位置，中继系统及微型显示屏置于人头的侧面。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种防毒面具头盔显示器的二元光学系统，采用一个二元光学全息面反射镜以及中继系统组成，反射镜有全息面，光线从微型显示屏发出，依次经过中继系统、反射镜，最后进行人眼瞳孔处；

其特征在于：所述光学系统的设计输入如下：

有效焦距：36.3mm；视场角：25°；出瞳距：40mm；出瞳直径：8mm；波长：494～544nm；分辨率：30lp/mm时各视场均大于0.3；亮度非均匀性：≤20％；畸变：≤5％。

2.如权利要求1所述的防毒面具头盔显示器的二元光学系统，其特征在于：所述的反射镜为球面全息面。

3.如权利要求1所述的防毒面具头盔显示器的二元光学系统，其特征在于：所述的反射镜的机械轴与零视场的主光线的倾角为零。

4.如权利要求1所述的防毒面具头盔显示器的二元光学系统，其特征在于：所述微型显示屏使用OLED微型显示屏，出射光为单波长。

5.如权利要求1至4任一项所述的防毒面具头盔显示器的二元光学系统，其特征在于：所述的中继系统由四片透镜组成，至少两片机械轴均相互倾斜与偏心。

6.如权利要求5所述的防毒面具头盔显示器的二元光学系统，其特征在于：所述四片透镜的机械轴均相互倾斜与偏心，所述的微型显示屏的机械轴与光轴的夹角不为零。

7.如权利要求5所述的防毒面具头盔显示器的二元光学系统，其特征在于：所述中继系统的四片透镜中有一片为胶合镜。

8.如权利要求7所述的防毒面具头盔显示器的二元光学系统，其特征在于：所述中继系统内依次包括：第一弯月透镜、第二弯月透镜、胶合镜，以及正透镜，光线从微型显示屏发出后进入第一弯月透镜，并从正透镜进入反射镜，正透镜靠近反射镜的一面为平面，第一弯月透镜的凸面作为入射面，第一弯月透镜的凹面作为出射面，胶合镜的平面作为入射面，凸面为出射面。

9.如权利要求7或8所述的防毒面具头盔显示器的二元光学系统，其特征在于：所述的胶合镜由两种不同材料组成。