[发明专利]一种头盔显示器的光学系统

说明书

技术领域

本发明属于光学系统，特别是一种应用在头盔显示器系上的光学系统，可应用于军用和民用头盔上。

技术背景

头盔显示器（HMD，HeadMountedDisplay）分为半投型与全投型，是一种新兴的机载显示/瞄准系统。它能将小型二维显示器所产生的图像经由光学系统，成虚像于人眼前方。具体而言，小型二维显示器所发射的光线经过透镜组使影像因折射或衍射产生类似远方效果，利用此效果将近处物体放大至远处观察或瞄准而达到所谓的全像视觉。

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Ivan Sutherland 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。因此根据通常单兵头盔的光学设计要求出瞳距最少为15mm。而在其他光学性能不变的情况下，较大的出瞳距直接导致的是光学系统的体积和重量几乎成三次方倍增加。另外，增加出瞳距必然要求增加出瞳直径。因此在相同出瞳直径的情况下用户的复杂运动中头盔与头部产生相对运动，越大的出瞳距越可能导致图像丢失。出瞳直径的要求：显然出瞳直径越大，用户越容易观察到图像。但出瞳距每增加1mm，都会使光学部件的重量和体积急剧增加。另外，大的出瞳直径会使光学系统的像差校正更加复杂和困难，这将会导致成像质量的下降或者增加光学元件的数量。显示视场越大，观看效果将越舒服。因此，人们希望头盔显示器视场相对大一些，同时要求显示分辨率要高。但视场和分辨率本身又是一对矛盾，另外视场增大也会使光学系统的重量和体积急剧增加。因此，在设计时也应该在各种要求间进行平衡与折衷。

针对这种情况，在专利文献CN200510008494.9（公开日为2005年9月7日）提出了一种头盔显示器的光学系统，如图2，其只用一个正透镜42、一个微显示器41与一个光学元件组43组成光学系统，通过半透半反光学面44对光线进行折转。由于正透镜42与微显示器41、光学元件组43之间的距离较小，这给实际安装和调试带来一些麻烦，降低其可靠性。另外，由于使用半透半反光学面44，在不考虑介质吸收的情况下，微显示器41达到人眼46的光能最高为25%，外部光线到达人眼的光能最高为50%，不利用于观察外界景物。

专利文献CN200610034306.4（公开日为2007年9月12号）提出一种头盔显示器的光学成像系统，如图3，包括图像信息显示源1、自由曲面棱镜2和组合棱镜17，图像信息显示源1发出的第一光线4经自由曲面棱镜2进入组合棱镜17，组合棱镜17中至少包含有一个半反半透镜8，半反半透镜8位于由第一方向入射到其上的第一光线4的光路上，并位于由第二方向入射到其上的外部射入的第二光线9的光路上，被半反半透镜8反射后的第一光线4和透射过的第二光线9在半反半透镜面上合成第三光线16后进入观视者的瞳孔5，目镜12与组合棱镜17紧密的贴合在一起，自由曲面棱镜2与图像信息显示源1相邻面为凹面，其中3代表光学面，15代表凸透面，20为出瞳距。与专利文献CN200510008494.9相比少了一个反射面45。尽管进入人眼55的光能有同情况下有所提高，但其自由曲面棱镜2使得加工成本大大提高，同时降低其可靠性。

并且上述两种结构中，都具有三个光学元件或光学组件，因此，加工完成后，需要装配三个部分，装配过程较复杂。

另外，因为显示源（微显示器41及图像信息显示源1）距离光学组件（光学元件组43和组合棱镜17）的距离较近，通常只有20至30mm，所以在调校时，位于显示源及光学组件之间的光学元件（正透镜42及自由曲面棱镜2）的移动难度非常大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种轻型、紧凑、像差校正良好和可靠性高的头盔显示器光学系统。