RU2353958C1

RU2353958C1 - Optical system of helmet-mounted collimator display

Info

Publication number: RU2353958C1
Application number: RU2007146758/28A
Authority: RU
Inventors: Михаил Абрамович Ган (RU); Михаил Абрамович Ган; Галина Викторовна Бармичева (RU); Галина Викторовна Бармичева; Александр Алексеевич Старков (RU); Александр Алексеевич Старков; Сергей Александрович Щеглов (RU); Сергей Александрович Щеглов; Яков Михайлович Ган (RU); Яков Михайлович Ган
Priority date: 2007-12-10
Filing date: 2007-12-10
Publication date: 2009-04-27

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: optical system of helmet-mounted collimator display serially comprises combiner, the first beam splitter, projection lens including two components, aperture diaphragm located between specified components, the second beam splitter and image source.

EFFECT: correction of aberrations stipulated by curvature of optical system visual field, and increased accuracy of image quality, reduction of dimensions and weight.

5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к созданию оптических систем для нашлемных коллиматорных дисплеев, формирующих изображение в поле зрения наблюдателя.The invention relates to the field of optical instrumentation, and in particular to the creation of optical systems for helmet-mounted collimator displays that form an image in the field of view of the observer.

Оптическая система нашлемного коллиматорного дисплея предназначена для создания в поле зрения наблюдателя синтезированного изображения, которое рассматривается им одновременно с окружающей обстановкой. Совмещение изображений осуществляется за счет частично пропускающего и частично отражающего свет элемента - комбинера. Оптическая система нашлемного дисплея должна обеспечивать естественную видимость окружающей обстановки с минимальным ослаблением ее яркости и отсутствием перспективных искажений. Яркость синтезированного изображения должна быть регулируемой в зависимости от яркости фона и должна быть достаточной для восприятия синтезированного изображения на фоне окружающей обстановки при ярком солнечном свете.The optical system of the helmet-mounted collimator display is designed to create a synthesized image in the observer's field of view, which is considered by him simultaneously with the surrounding environment. The combination of images is carried out due to the partially transmitting and partially reflecting light element - the combiner. The optical system of the helmet-mounted display should provide natural visibility of the environment with minimal attenuation of its brightness and the absence of perspective distortions. The brightness of the synthesized image should be adjustable depending on the brightness of the background and should be sufficient to perceive the synthesized image against the background of the surrounding environment in bright sunlight.

Известна оптическая система нашлемного коллиматорного дисплея, последовательно содержащая комбинер в виде полупрозрачной менискообразной линзы, светоделительную пластину, расположенную под углом к оси комбинера, проекционный объектив, состоящий из шести линз, распределенных на три группы, между которыми располагаются плоские зеркала, и источник изображения, которым является выходной экран электронно-оптического преобразователя, преобразующего изображение в инфракрасных лучах, полученное соответствующей оптической системой, в видимое изображение. Проекционный объектив строит промежуточное изображение на поверхности, близкой к фокальной плоскости вогнутой поверхности комбинера. После отражения от этой поверхности параллельные световые пучки поступают в глаз наблюдателя, который видит изображение поверхности источника изображения наложенным на изображение окружающей обстановки, рассматриваемое сквозь светоделительную пластину и комбинер, US 4961626.Known optical system helmet-mounted collimator display, sequentially containing a combiner in the form of a translucent meniscus lens, a beam splitter plate, located at an angle to the axis of the combiner, a projection lens consisting of six lenses distributed into three groups, between which are located flat mirrors, and an image source, which is the output screen of an electron-optical converter that converts the image in infrared rays obtained by the corresponding optical system into my image. The projection lens builds an intermediate image on a surface close to the focal plane of the concave surface of the combiner. After reflection from this surface, parallel light beams enter the eye of an observer who sees the image of the surface of the image source superimposed on the image of the surroundings viewed through a beam splitter and combiner, US 4961626.

Основным недостатком данного решения является весьма значительная общая длина и большая масса проекционного объектива в составе оптической системы дисплея и необходимость применения плоских зеркал для компоновки объектива.The main disadvantage of this solution is the very significant overall length and large mass of the projection lens as part of the optical display system and the need to use flat mirrors for the layout of the lens.

Известна оптическая система нашлемного коллиматорного дисплея, последовательно содержащая комбинер в виде полупрозрачной менискообразной линзы, первый светоделитель, выполненный в виде пластины, расположенной под углом к оси комбинера, плоское зеркало, проекционный объектив, содержащий первый компонент, включающий двояковыпуклую линзу, на одной из поверхностей которой нанесена дифракционная структура, и второй компонент в виде двояковыпуклой линзы с дифракционной структурой, размещенную между первым и вторым компонентами апертурную диафрагму, второй светоделитель и источник изображения, US 5822127.Known optical system helmet-mounted collimator display, sequentially containing a combiner in the form of a translucent meniscus lens, the first beam splitter, made in the form of a plate located at an angle to the axis of the combiner, a flat mirror, a projection lens containing the first component comprising a biconvex lens, on one of the surfaces of which a diffractive structure is applied, and the second component in the form of a biconvex lens with a diffractive structure, placed between the first and second components of the aperture w diaphragm, the second beam splitter and the image source, US 5,822,127.

Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящего изобретения.This technical solution is made as a prototype of the present invention.

Оптическая система проецирует синтезированное изображение от источника изображения на бесконечность, при этом изображение апертурной диафрагмы (выходной зрачок оптической системы) должно быть вынесено за пределы системы и располагаться вблизи глаза наблюдателя. Поверхностью, на которой происходит частичное отражение излучения, является вогнутая поверхность комбинера, представляющая собой силовой оптический элемент, на выходе которого в пространстве глаза наблюдателя создаются коллимированные световые пучки. Наблюдение окружающей обстановки осуществляется сквозь первый светоделитель и комбинер. Такая компоновка комбинера и первого светоделителя требует формирования действительного промежуточного изображения в фокальной плоскости отражающей поверхности комбинера, которое располагается вблизи первого светоделителя. Проекционный объектив переносит изображение поверхности источника изображения в указанную плоскость промежуточного изображения.The optical system projects the synthesized image from the image source to infinity, while the image of the aperture diaphragm (exit pupil of the optical system) should be moved outside the system and be located near the observer's eye. The surface on which partial reflection of radiation occurs is the concave surface of the combiner, which is a power optical element at the output of which collimated light beams are created in the space of the observer's eye. Observation of the environment through the first beam splitter and combiner. This arrangement of the combiner and the first beam splitter requires the formation of a valid intermediate image in the focal plane of the reflecting surface of the combiner, which is located near the first beam splitter. The projection lens transfers the image of the surface of the image source to the specified plane of the intermediate image.

В устройстве-прототипе не исправлены аберрации, обусловленные кривизной поля зрения, что снижает качество изображения по его краям; двухлинзовая схема проекционного объектива не позволяет достичь требуемой светосилы при малой длине проекционного объектива, что неудобно для пользователя, так как увеличивает габариты устройства в целом. Для частичного уменьшения габаритов изделия использовано плоское ломающее зеркало, которое увеличивает вес устройства, усложняет его конструкцию и процесс сборки и регулировки.In the prototype device, aberrations due to the curvature of the field of view are not corrected, which reduces the image quality at its edges; the two-lens scheme of the projection lens does not allow achieving the required aperture ratio with a short projection lens length, which is inconvenient for the user, since it increases the overall dimensions of the device. To partially reduce the dimensions of the product, a flat breaking mirror is used, which increases the weight of the device, complicates its design and the assembly and adjustment process.

Задачей настоящего изобретения является исправление аберраций, обусловленных кривизной поля зрения оптической системы, и повышение тем самым качества изображения; кроме того, решается задача уменьшения габаритов и веса, что весьма важно для нашлемного устройства.The objective of the present invention is to correct aberrations due to the curvature of the field of view of the optical system, and thereby improve image quality; in addition, the task of reducing the size and weight is solved, which is very important for the helmet-mounted device.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:The invention is illustrated by drawings, which depict:

на фиг.1 - оптическая система по п.1 формулы изобретения;figure 1 - optical system according to claim 1 of the claims;

на фиг.2 - оптическая система по п.2 формулы изобретения.figure 2 - optical system according to claim 2 of the claims.

Оптическая система нашлемного индикаторного дисплея последовательно содержит комбинер 1, выполненный в виде полупрозрачной менискообразной линзы, первый светоделитель 2, проекционный объектив, включающий первый компонент, содержащий двояковыпуклую линзу 3, второй компонент, выполненный из шести линз, из которых первая линза 4 - положительная двояковыпуклая, вторая отрицательная линза 5 совместно с третьей положительной линзой 6 образуют составной мениск, обращенный выпуклостью к источнику 12 изображения, четвертая линза 7 выполнена в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к источнику 12 изображения, пятая линза 8 - положительная двояковыпуклая, а шестая линза 9 представляет собой положительный мениск, обращенный вогнутостью к источнику 12 изображения, и расположенную между первым и вторым компонентами апертурную диафрагму 10, второй светоделитель 11 и источник 12 изображения. Глаз наблюдателя располагается так, что окружающая обстановка рассматривается сквозь первый светоделитель 2 и комбинер 1. На вогнутую поверхность комбинера 1 может быть нанесено узкополосное многослойное интерференционное покрытие, коэффициент отражения которого максимален для основной длины волны источника 12 изображения. В частности, такое покрытие может состоять из нескольких десятков чередующихся слоев, каждый из которых имеет оптическую толщину в одну четвертую часть основной длины волны, выполненных из прозрачных материалов последовательно с высоким и низким показателем преломления, например, из двуокиси циркония и двуокиси кремния соответственно. Возможно также нанесение на вогнутую поверхность комбинера 1 фазовой объемной отражательной голограммы, которая также имеет высокий коэффициент отражения для основной длины волны источника 12 изображения и хорошее пропускание для остальной части спектра. Объемная отражательная голограмма представляет собой периодическую фазовую структуру в слое прозрачного материала, нанесенного на вогнутую поверхность комбинера 1, которая есть результат регистрации объемного распределения стоячих волн, возникающих в результате интерференции падающего волнового фронта от точечного источника, расположенного в центре кривизны данной вогнутой поверхности, и отраженного от этой поверхности волнового фронта. Первый светоделитель 2 выполнен в виде тонкой плоскопараллельной пластины из прозрачного материала, расположенной под углом к оси комбинера, на одну из поверхностей которой нанесено светоделительное покрытие.The optical system of the helmet-mounted indicator display consistently comprises a combiner 1 made in the form of a translucent meniscus lens, a first beam splitter 2, a projection lens including a first component containing a biconvex lens 3, a second component made of six lenses, of which the first lens 4 is positive biconvex, the second negative lens 5 together with the third positive lens 6 form a composite meniscus convex to the image source 12, the fourth lens 7 is made in the form e of the positive meniscus convex to the source 12 of the image, the fifth lens 8 is positive biconvex, and the sixth lens 9 is a positive meniscus facing concavity to the source 12 of the image, and located between the first and second components of the aperture diaphragm 10, the second beam splitter 11 and the source 12 images. The observer's eye is positioned so that the environment is viewed through the first beam splitter 2 and combiner 1. A narrow-band multilayer interference coating can be applied to the concave surface of the combiner 1, the reflection coefficient of which is maximum for the main wavelength of the image source 12. In particular, such a coating can consist of several tens of alternating layers, each of which has an optical thickness of one fourth of the main wavelength, made of transparent materials in series with a high and low refractive index, for example, zirconium dioxide and silicon dioxide, respectively. It is also possible to apply to the concave surface of the combiner 1 a phase volume reflective hologram, which also has a high reflection coefficient for the main wavelength of the image source 12 and good transmission for the rest of the spectrum. The volume reflective hologram is a periodic phase structure in a layer of transparent material deposited on the concave surface of the combiner 1, which is the result of recording the volume distribution of standing waves resulting from the interference of the incident wave front from a point source located at the center of curvature of this concave surface and reflected from this surface of the wavefront. The first beam splitter 2 is made in the form of a thin plane-parallel plate of transparent material, located at an angle to the axis of the combiner, on one of the surfaces of which a beam splitter is applied.

Первый компонент проекционного объектива может дополнительно содержать положительный мениск 15, расположенный между первым светоделителем 2 и двояковыпуклой линзой 3 и обращенный вогнутостью к первому светоделителю 2 (фиг.2).The first component of the projection lens may further comprise a positive meniscus 15 located between the first beam splitter 2 and the biconvex lens 3 and facing concavity to the first beam splitter 2 (FIG. 2).

В конкретном примере источник 12 изображения представляет собой экран жидкокристаллической (ЖК) панели. Возможно также, что источником изображения служит экран электронно-лучевой трубки или набор светодиодов, или иных объектов, расположенных в одной плоскости, и т.п. В случае использования в качестве источника изображения ЖК панели или иных несамосветящихся объектов, оптическая система нашлемного коллиматорного дисплея содержит систему освещения, состоящую из источника 13 излучения и конденсора 14, который, в частности, может быть выполнен в виде линзы Френеля.In a specific example, the image source 12 is a screen of a liquid crystal (LCD) panel. It is also possible that the image source is a cathode ray tube screen or a set of LEDs, or other objects located in the same plane, etc. In the case of using an LCD panel or other non-luminous objects as the image source, the optical system of the helmet-mounted collimator display contains a lighting system consisting of a radiation source 13 and a condenser 14, which, in particular, can be made in the form of a Fresnel lens.

Второй светоделитель 11 предназначен для направления светового потока от системы освещения, состоящей из источника 13 излучения и конденсора 14, на источник 12 изображения и дальнейшей передачи его через проекционный объектив к глазу наблюдателя. Второй светоделитель 11 может использоваться также для суперпозиции двух и более изображений, если в нашлемном дисплее используется более одного источника изображения. Второй светоделитель 11 может быть выполнен в виде тонкой пластины, пленки или в виде светоделительной призмы.The second beam splitter 11 is designed to direct the light flux from the lighting system, consisting of a radiation source 13 and a condenser 14, to the image source 12 and then transmitting it through the projection lens to the eye of the observer. The second beam splitter 11 can also be used to superposition two or more images if more than one image source is used in the helmet-mounted display. The second beam splitter 11 may be made in the form of a thin plate, film or in the form of a beam splitter prism.

Устройство работает следующим образом. Наблюдение обстановки осуществляется непосредственно глазом наблюдателя сквозь первый светоделитель 2 и комбинер 1, работающие на пропускание (на просвет). Благодаря их малой толщине и малой оптической силе комбинера 1, наблюдатель видит сквозь них окружающую обстановку без заметных на глаз искажений.The device operates as follows. Observation of the situation is carried out directly by the eye of the observer through the first beam splitter 2 and the combiner 1, working on transmission (in clearance). Due to their small thickness and low optical power of the combiner 1, the observer sees through them the surrounding environment without noticeable distortions.

Для освещения жидкокристаллической матрицы, которая является источником 12 изображения, используется источник излучения 13 и конденсор 14, например, в виде линзы Френеля. Световой поток от источника излучения 13 коллимируется конденсором 14, отражается от второго светоделителя 11 и поступает на рабочую поверхность источника 12 изображения.To illuminate the liquid crystal matrix, which is the image source 12, a radiation source 13 and a capacitor 14 are used, for example, in the form of a Fresnel lens. The luminous flux from the radiation source 13 is collimated by the capacitor 14, is reflected from the second beam splitter 11 and enters the working surface of the image source 12.

Световой поток, отраженный от источника изображения 12, проходит сквозь второй светоделитель 11 и поступает на проекционный объектив, который строит промежуточное изображение рабочей плоскости источника 12 изображений вблизи фокальной поверхности вогнутой отражающей поверхности комбинера 1, преимущественно отражающей лучи спектрального диапазона источника 12 изображения. После отражения от первого светоделителя 2 и вогнутой поверхности комбинера 1 пучки становятся параллельными и поступают сквозь первый светоделитель 2 в глаз наблюдателя, который видит изображение рабочей поверхности источника 12 изображения на фоне окружающей обстановки. Так как виртуальное изображение рабочей поверхности источника 12 изображения локализовано в бесконечности, наблюдатель одновременно резко видит элементы обстановки и проецируемого изображения. Сочетание вогнутой отражающей поверхности комбинера 1 и выбранной схемы проекционного объектива обеспечивает расположение выходного зрачка оптической системы вблизи глаза наблюдателя при минимальных диаметрах линз проекционного объектива. Благодаря этому глаз наблюдателя в любом случае находится на достаточном расстоянии (не менее 20-30 мм) от элементов конструкции системы, что исключает механические повреждения глаза.The light flux reflected from the image source 12 passes through the second beam splitter 11 and enters a projection lens, which builds an intermediate image of the working plane of the image source 12 near the focal surface of the concave reflecting surface of the combiner 1, mainly reflecting the rays of the spectral range of the image source 12. After reflection from the first beam splitter 2 and the concave surface of the combiner 1, the beams become parallel and pass through the first beam splitter 2 into the eye of an observer who sees the image of the working surface of the image source 12 against the background of the surrounding environment. Since the virtual image of the working surface of the image source 12 is localized at infinity, the observer simultaneously sharply sees the elements of the environment and the projected image. The combination of the concave reflecting surface of the combiner 1 and the selected projection lens circuit provides the location of the exit pupil of the optical system near the observer's eye with minimum lens diameters of the projection lens. Due to this, the observer’s eye is in any case at a sufficient distance (not less than 20-30 mm) from the structural elements of the system, which eliminates mechanical damage to the eye.

Выбранная оптическая схема проекционного объектива обеспечивает достижение его высокой светосилы, что позволяет сократить длину объектива и получить компактную конструкцию в простом и легком корпусе без ломающих зеркал. Увеличение светосилы проекционного объектива достигается за счет добавления в его второй компонент трех положительных линз 7, 8, 9.The selected optical scheme of the projection lens ensures its high aperture, which allows to reduce the length of the lens and get a compact design in a simple and lightweight housing without breaking mirrors. An increase in the aperture of the projection lens is achieved by adding three positive lenses 7, 8, 9 to its second component.

Аберрация кривизны поля зрения оптической системы исправляется за счет введения во второй компонент проекционного объектива составного мениска, состоящего из отрицательной линзы 5 и положительной линзы 6. Вогнутая поверхность отрицательной линзы 5 со стороны апертурной диафрагмы 10 создает часть результирующего значения аберрации кривизны поля, противоположную по знаку части этого значения, создаваемой выпуклой поверхностью положительной линзы 6 со стороны линзы 7. и частям этого значения, создаваемым остальными положительными линзами. Так как радиус вогнутой поверхности отрицательной линзы 5 меньше радиуса наружной выпуклой поверхности мениска, мениск в целом уменьшает результирующую кривизну поля системы. Значения радиусов линз 5 и 6, которые находятся внутри мениска, более чем в 15 раз превосходят значения наружных радиусов мениска и не оказывают заметного влияния на результирующую кривизну поля всей системы. Расположение апертурной диафрагмы со стороны вогнутой поверхности мениска позволяет при исправлении кривизны поля достичь хорошего исправления аберраций астигматизма и дисторсии в пределах всего поля зрения. При этом необходимо отметить, что использование в линзах 5 и 6 стекол с различными показателями преломления и коэффициентами дисперсии позволяет также исправить сферическую аберрацию и хроматические аберрации оптической системы.The aberration of the curvature of the field of view of the optical system is corrected by introducing into the second component of the projection lens a composite meniscus consisting of a negative lens 5 and a positive lens 6. The concave surface of the negative lens 5 from the side of the aperture diaphragm 10 creates a part of the resulting value of the aberration of the field curvature opposite in sign of this value created by the convex surface of the positive lens 6 from the side of the lens 7. and the parts of this value created by the remaining positive lenses . Since the radius of the concave surface of the negative lens 5 is less than the radius of the outer convex surface of the meniscus, the meniscus generally reduces the resulting curvature of the field of the system. The values of the radii of lenses 5 and 6, which are located inside the meniscus, are more than 15 times higher than the values of the outer radii of the meniscus and do not significantly affect the resulting field curvature of the entire system. The location of the aperture diaphragm on the side of the concave surface of the meniscus allows, when correcting the curvature of the field, to achieve a good correction of aberrations of astigmatism and distortion within the entire field of view. It should be noted that the use of glasses with lenses 5 and 6 with different refractive indices and dispersion coefficients also makes it possible to correct spherical aberration and chromatic aberrations of the optical system.

Оптическая схема проекционного объектива обеспечивает размещение второго светоделителя 11 в его заднем отрезке - между последней линзой объектива 9 и рабочей плоскостью источника 12 изображения, что позволяет применить отражательную жидкокристаллическую матрицу в качестве источника 12 изображения.The optical scheme of the projection lens ensures the placement of the second beam splitter 11 in its rear segment - between the last lens of the lens 9 and the working plane of the image source 12, which allows the use of a reflective liquid crystal matrix as the image source 12.

Действие многослойного интерференционного покрытия основано на многолучевой интерференции нескольких волновых фронтов. При падении волнового фронта на многослойное покрытие происходит частичное отражение света от каждой границы, разделяющей слои с разными показателями преломления. В результате интерференции множества образовавшихся волновых фронтов происходит усиление или ослабление отраженного и проходящего световых потоков в зависимости от структуры покрытия, длины волны и поляризации падающего света. Применение многослойного интерференционного покрытия обеспечивает максимальный коэффициент отражения комбинера 1 в рабочем диапазоне источника 12 изображения и одновременно максимальный коэффициент пропускания излучения в остальном видимом диапазоне. Потери на поглощение в таком покрытии пренебрежимо малы.The action of a multilayer interference coating is based on the multipath interference of several wave fronts. When the wave front falls on a multilayer coating, partial reflection of light from each boundary separating layers with different refractive indices occurs. As a result of the interference of the many wave fronts formed, amplification or weakening of the reflected and transmitted light fluxes occurs, depending on the structure of the coating, wavelength, and polarization of the incident light. The use of a multilayer interference coating provides the maximum reflection coefficient of the combiner 1 in the operating range of the image source 12 and at the same time the maximum transmittance of radiation in the rest of the visible range. The absorption loss in such a coating is negligible.

Объемная фазовая голограмма представляет собой периодическую фазовую структуру в прозрачной среде, полученную как результат регистрации интерференционной картины в виде стоячих волн. Эта структура для падающей на нее световой волны является объемной дифракционной решеткой, отражательные свойства которой зависят от длины волны падающего света. С помощью объемной фазовой голограммы обеспечивается максимальный коэффициент отражения комбинера 1 в рабочем диапазоне источника 12 изображения и, соответственно, наибольший коэффициент пропускания для остального видимого спектра. Таким образом, достигается максимальная видимая яркость изображения источника 12 при минимальном ослаблении яркости наблюдаемой обстановки.The volume phase hologram is a periodic phase structure in a transparent medium obtained as a result of recording the interference pattern in the form of standing waves. For a light wave incident on it, this structure is a volume diffraction grating, the reflective properties of which depend on the wavelength of the incident light. Using a volume phase hologram, the maximum reflection coefficient of the combiner 1 is ensured in the working range of the image source 12 and, accordingly, the highest transmittance for the rest of the visible spectrum. Thus, the maximum visible brightness of the image of the source 12 is achieved with a minimum attenuation of the brightness of the observed situation.

Заявленная оптическая система нашлемного коллиматорного дисплея позволяет выполнить все требования к габаритам и массе, размерам поля зрения и качеству изображения.The claimed optical system helmet-mounted collimator display allows you to fulfill all the requirements for dimensions and weight, the size of the field of view and image quality.

Claims

1. The optical system of the helmet-mounted collimator display, sequentially containing a combiner in the form of a translucent meniscus lens, a first beam splitter, a projection lens including a first component containing a biconvex lens, and a second component located between the first and second components an aperture diaphragm, a second beam splitter and an image source, characterized in that the second component of the projection lens is made of six lenses, the first of which is positive biconvex, the second and third lenses form a composite meniscus, consisting of negative and positive lenses, convex to the image source, the fourth lens is made in the form of a positive meniscus, convex to the image source, the fifth lens is positive biconvex, and the sixth lens is made in the form of a positive meniscus, turned concavity to the source Images.

2. The optical system according to claim 1, characterized in that the first component further comprises a positive meniscus placed on the side of the first beam splitter and facing it with concavity.

3. The optical system according to claim 1, characterized in that the second beam splitter is made in the form of a beam splitter prism.

4. The optical system according to claim 1, characterized in that a selectively reflective multilayer interference coating is applied to the concave surface of the combiner.

5. The optical system according to claim 1, characterized in that a phase selective selective reflective hologram is applied to the concave surface of the combiner.