[发明专利]一种机载护目镜型头盔显示器光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及折反式离轴成像系统光学系统设计，特别是机载护目镜型头盔显示器光学系统。

背景技术

机载护目镜型头盔显示器将必要的飞行参数信息和瞄准信息投影到飞行员前面的护目镜上，使飞行员能同时看到护目镜反射的信息和周围环境。已经公开的典型相关专利有专利号为3940204的美国专利文献；专利中的护目镜型头盔显示器采用CRT作图像源，CRT固定于头盔的一侧，CRT显示的图像首先由中继光学组件向前传输，然后通过棱镜组件转向并投射到曲面形护目镜上，投射光线与护目镜各点的垂直线之间存在一个较大的夹角，这个角范围通常有55°–60°，从而在护目镜反射像中产生了明显的非对称像差。

这种非对称像差非常复杂，通过矢量像差理论分析发现，像差中主要包括：双节点像散和彗差，彗差又分为与视场成线性关系的成分及在整个视场数值固定不变的成分；像散也分为与视场成二次及线性关系的成分，以及在整个视场固定不变的成分。

之前，有人提出在CRT和飞行头盔护目镜之间引入倾斜与偏心的光学元件构成中继光学透镜组件，通过光学元件倾斜或偏心产生的像差来抵消护目镜投影显示的非对称像差，同时调整CRT的倾角作为补偿。后来又把飞行头盔护目镜反射面设计成全息衍射面，一个非对称波前被记录在全息衍射面中，以此来进一步校正护目镜投影显示的非对称像差。不过像差校正效果并没有完全成功，仍有明显的剩余像差存在，另一方面随着宽波段小型平板显示器的引入头盔显示系统中，全息衍射型护目镜已经成为设计宽波段头盔显示器的最大障碍。但是利用传统护目镜代替全息衍射型护目镜又会使非对称像差和色差校正困难。另一种减小非对称像差的办法是在飞行员眼面放一个分束镜，改变投射到护目镜上的光线方向，因此减小了投射光线与护目镜各点垂直线之间的夹角，从而减小了非对称像差。但这种结构的一个主要问题是飞行员眼前的分束镜明显减小了机载头盔显示器的眼点距，限制了这种结构的应用。

已经公开的专利号为200910251432.9的中国专利文献，提供了一种大视场显示光学系统，其沿光轴方向依次包括：图像源，产生图像光线；中继透镜组件，用于将图像源产生的图像光线传输至棱镜组件；棱镜组件，用于偏转来自中继透镜组件的图像光线的传播方向；凹面反射镜，接收和反射来自棱镜组件的图像源的图像光线，该凹面反射镜相对于图像源存在一个弯曲角，使得反射像中生成非对称像差，其中所述弯曲角定义为光轴与凹面反射镜内表面各点法线之间的夹角；中继透镜组件由前组、中间组和后组三组组成，其中每一组分别由多个透镜组成；在光轴方向上，前组靠近所述棱镜组件，后组靠近所述图像源，中间组位于前组和后组之间；前组、中间组和后组三组透镜可分别作为一个整体平移和旋转，使前组、中间组和后组三组透镜局域轴彼此存在一个交角，从而补偿光学显示系统的非对称像差。

已经公开的专利号为201010235484.X的中国专利文献，提供了一种基于自由曲面护目镜的穿透式头盔显示装置，包括微显示成像器件和中继透镜组，中继透镜组由第一中继透镜、第二中继透镜、第三中继透镜、第四中继透镜、第五中继透镜和第六中继透镜组成；系统采用折反射结构形式，成像器件产生的图像经中继透镜组后，由护目镜反射进入人眼。

但专利号为200910251432.9和201010235484.X的上述两个专利中，该显示光学系统采用面对称的设计结构；护目镜采用平面结构，中继透镜组只能和人眼水平或垂直方向放置，实际使用中不仅中继透镜组设置位置受限制，且这种结构会带来像面倾斜，限制了这种结构的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供具有大视场和高成像质量，能够更好地与飞行头盔融合，达到最佳人机功效的机载护目镜型头盔显示器光学系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

该机载护目镜型头盔显示器光学系统，沿光轴方向依次为数字像源、中继透镜组及光学护目镜；光学护目镜固定于头盔盔体前方，并叠放在遮光护目镜后方，两组中继透镜组交叉固定于盔体前部内侧；数字像源发出的成像光线经过中继透镜组后，由光学护目镜反射进入观察者眼中；所述中继透镜组由前组、中间组和后组三组透镜组成；所述光学护目镜相对于数字像源存在一个弯曲角，使得反射光线所成得像中生成非对称像差；所述光学护目镜采用超环面面型，所述光学护目镜内表面上镀窄带高反膜形成凹面反射镜；前组、中间组和后组三组透镜在空间上可单独或整体相对于光轴进行横向位移和倾斜偏转，使前组、中间组和后组三组透镜各自局域轴彼此及与该显示光学系光轴不再平行；从而补偿该光学显示系统的非对称像差。