[发明专利]防毒面具头盔显示器的二元光学系统

说明书

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（Head Mounted Display）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。

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(Holographic Optical Element，HOE)是一种衍射光学元件(Diffractive Optical Element，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,Mobile Research Center,TZI University Bremen.Germany》（德国不来梅大学奥兹移动研究中心IFAWC2006）上的文章《Head Mounted Display for Fire Fighters》（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。