[发明专利]机载视透型头盔显示器光学系统

说明书

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种机载视透型头盔显示器光学系统。

背景技术

头盔显示器(Helmet-MountedDisplays,HMDs）是利用光学系统将微显示器发出的图像信息投影在人眼前成放大的虚像，对于视透型头盔显示器，佩戴者除了显示器上的画面，还可以同时看见真实世界的情况，有较好的环境感知能力。

典型的传统头盔显示器常常存在以下的缺点：中继透镜组复杂，重心偏移大，出瞳尺寸小。公开号为US3940204的美国专利公开了一项发明名称为该光学系统CRT图像源显示的图像信息经过中继透镜组形成中间像，然后再通过组合器，最后被组合器投射在观察者眼前的合适位置；该光学系统工作波段较窄，中继透镜组结构复杂，整个系统重量较重，出瞳距较短，出瞳尺寸较小。因此，不宜长时间穿戴，无法解决系统对视场角、出瞳距的要求与小型轻量化之间的矛盾。

最近，随着支持制造多边形和自由曲面光学表面的金刚石车削技术的出现，人们开始研究自由曲面在光学系统中的应用。目前，国内外已有很多研究机构及企业例如奥林巴斯、佳能等将自由曲面成功应用在头戴式显示器中。采用该类设计思想的专利有：公开号为US5959780、US6028709和US6384983等。这些方案大都采用了单片式自由曲面棱镜结构，其共同缺点是出瞳直径较小，F数较大，采用的作为图像源的微显示器尺寸较大，无法开发出可接受的视透功能。

发明内容

本发明的目的在于提出一种机载视透型头盔显示器光学系统，解决现有技术存在的结构复杂、视场角小，出瞳距短、出瞳尺寸小问题。

为实现上述目的，本发明的机载视透型头盔显示器光学系统包括沿光轴顺次排列的图像源、中继透镜组和组合器。

所述图像源产生的图像经所述光楔，第二双凸透镜，第一双凸透镜和凹透镜传输至组合器，再经组合器反射至飞行员眼前，所述组合器同时透射外界环境图像，飞行员同时获得图像信息及外部环境信息。

所述中继透镜组包括依次排列的光楔、第二双凸透镜、第一双凸透镜和凹透镜，所述组合器是由25项泽尼克多项式表征的自由曲面半透半反镜，所述组合器相对于图像源的光轴存在60°倾斜角。

所述第一双凸透镜前表面为非球面，第一双凸透镜后表面为球面，所述第一双凸透镜关于光轴存在倾斜和偏心；所述第二双凸透镜前表面为非球面，第二双凸透镜后表面为衍射面；所述凹透镜前表面和凹透镜后表面为球面。

所述视透型头盔显示器光学系统工作在可见波长范围内。

本发明还是一种大视场，大出瞳，长出瞳距，轻型机载视透型头盔显示器光学系统，该系统包括沿光轴顺次排列的图像源、中继透镜组和组合器；

所述中继透镜组包括依次排列的光楔、第二双凸透镜、第一双凸透镜和凹透镜，所述组合器是由25项泽尼克多项式表征的自由曲面半透半反镜，所述组合器相对于图像源的光轴存在60°倾斜角；

所述图像源产生的图像经所述光楔，第二双凸透镜，第一双凸透镜和凹透镜传输至组合器，再经组合器反射至飞行员眼前，所述组合器同时透射外界环境图像，飞行员同时获得图像信息及外部环境信息。

所述第一双凸透镜前表面为非球面，第一双凸透镜后表面为球面，所述第一双凸透镜关于光轴存在倾斜和偏心；所述第二双凸透镜前表面为非球面，第二双凸透镜后表面为衍射面；所述凹透镜前表面和凹透镜后表面为球面。

所述大视场，大出瞳，长出瞳距，轻型机载视透型头盔显示器光学系统的图像源为有机发光二级管。

所述大视场，大出瞳，长出瞳距，轻型机载视透型头盔显示器光学系统的出瞳距＞50mm，可以满足飞行员佩戴眼镜，防毒面具或者氧气面罩的需求。

所述大视场，大出瞳，长出瞳距，轻型机载视透型头盔显示器光学系统的组合器内表面上镀有半透半反射膜。

所述大视场，大出瞳，长出瞳距，轻型机载视透型头盔显示器光学系统工作在可见波长范围内。