專利名稱：：機(jī)載護(hù)目鏡型頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及折反式離軸成像系統(tǒng)非對(duì)稱像差校正領(lǐng)域，特別是機(jī)載護(hù)目鏡型頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)消除像差、提高像質(zhì)的光學(xué)技術(shù)。
背景技術(shù)：
：機(jī)載護(hù)目鏡型頭盔顯示器將必要的飛行參數(shù)信息和瞄準(zhǔn)信息投影到飛行員前面的護(hù)目鏡上，使飛行員能同時(shí)看到護(hù)目鏡反射的信息和周圍環(huán)境。已經(jīng)公開(kāi)的典型相關(guān)專利有U.S.Pat.No.3940204，專利中的護(hù)目鏡型頭盔顯示器采用CRT作圖像源，CRT固定于頭盔的一側(cè)，CRT顯示的圖像首先由中繼光學(xué)組件向前傳輸，然后通過(guò)棱鏡組件轉(zhuǎn)向并投射到曲面形護(hù)目鏡上，投射光線與護(hù)目鏡各點(diǎn)的垂直線之間存在一個(gè)較大的夾角，這個(gè)角范圍通常有55°-60°，從而在護(hù)目鏡反射像中產(chǎn)生了明顯的非對(duì)稱像差。這種非對(duì)稱像差非常復(fù)雜，通過(guò)矢量像差理論分析發(fā)現(xiàn)，像差中主要包括雙節(jié)點(diǎn)像散和彗差，彗差又分為與視場(chǎng)成線性關(guān)系的成分及在整個(gè)視場(chǎng)數(shù)值固定不變的成分；像散也分為與視場(chǎng)成二次及線性關(guān)系的成分，以及在整個(gè)視場(chǎng)固定不變的成分。之前，有人提出在CRT和飛行頭盔護(hù)目鏡之間引入傾斜與偏心的光學(xué)元件構(gòu)成中繼光學(xué)透鏡組件，通過(guò)光學(xué)元件傾斜或偏心產(chǎn)生的像差來(lái)抵消護(hù)目鏡投影顯示的非對(duì)稱像差，同時(shí)調(diào)整CRT的傾角作為補(bǔ)償。后來(lái)又把飛行頭盔護(hù)目鏡反射面設(shè)計(jì)成全息衍射面，一個(gè)非對(duì)稱波前被記錄在全息衍射面中，以此來(lái)進(jìn)一步校正護(hù)目鏡投影顯示的非對(duì)稱像差。不過(guò)像差校正效果并沒(méi)有完全成功，仍有明顯的剩余像差存在，另一方面隨著寬波段小型平板顯示器的引入頭盔顯示系統(tǒng)中，全息衍射型護(hù)目鏡已經(jīng)成為設(shè)計(jì)寬波段頭盔顯示器的最大障礙。但是利用傳統(tǒng)護(hù)目鏡代替全息衍射型護(hù)目鏡又會(huì)使非對(duì)稱像差和色差校正困難。另一種減小非對(duì)稱像差的辦法是在飛行員眼面放一個(gè)分束鏡，改變投射到護(hù)目鏡上的光線方向，因此減小了投射光線與護(hù)目鏡各點(diǎn)垂直線之間的夾角，從而減小了非對(duì)稱像差。但這種結(jié)構(gòu)的一個(gè)主要問(wèn)題是飛行員眼前的分束鏡明顯減小了機(jī)載頭盔顯示器的眼點(diǎn)距，限制了這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種先進(jìn)的機(jī)載頭盔護(hù)目鏡型光學(xué)顯示系統(tǒng)，它具有更大的視場(chǎng)和更寬的波段范圍，同時(shí)像差小，成像質(zhì)量高。本發(fā)明提供一種大視場(chǎng)光學(xué)顯示系統(tǒng)，該光學(xué)顯示系統(tǒng)沿光軸方向依次包括圖像源，其產(chǎn)生圖像光線；中繼透鏡組件，用于將圖像源產(chǎn)生的圖像光線傳輸至棱鏡組件；棱鏡組件，用于偏轉(zhuǎn)來(lái)自中繼透鏡組件的圖像光線的傳播方向；凹面反射鏡，接收和反射來(lái)自棱鏡組件的圖像源的圖像光線，該凹面反射鏡相對(duì)于圖像源存在一個(gè)彎曲角，使得反射像中生成非對(duì)稱像差，其中所述彎曲角定義為光軸與凹面反射鏡內(nèi)表面各點(diǎn)法線之間的夾角；所述中繼透鏡組件由前組、中間組和后組三組組成，其中每一組分別由多個(gè)透鏡組成；在光軸方向上，前組靠近所述棱鏡組件，后組靠近所述圖像源，中間組位于前組和后組之間；前組、中間組和后組三組透鏡可分別作為一個(gè)整體平移和旋轉(zhuǎn)，使前組、中間組和后組三組透鏡局域軸彼此存在一個(gè)交角，從而補(bǔ)償光學(xué)顯示系統(tǒng)的非對(duì)稱像差。根據(jù)本發(fā)明一方面，所述前組和后組透鏡都有正的光焦度。根據(jù)本發(fā)明一方面，所述非對(duì)稱像差包括雙節(jié)點(diǎn)像散和彗差，通過(guò)前組、中間組和后組三組透鏡的偏心和傾斜放置而對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)本發(fā)明一方面，該光學(xué)顯示系統(tǒng)工作在可見(jiàn)波長(zhǎng)范圍內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明一方面，所述中繼光學(xué)透鏡組件的前組和后組中包括用于補(bǔ)償光學(xué)顯示系統(tǒng)色差的雙膠合透鏡。根據(jù)本發(fā)明一方面，所述中繼光學(xué)透鏡組件的中間組中包括一個(gè)非球面透鏡，用于校正光瞳球差，以增大光瞳像直徑。本發(fā)明還是一種機(jī)載護(hù)目鏡型頭盔光學(xué)顯示系統(tǒng)，包括圖像源，該圖像源固定于機(jī)載頭盔的側(cè)上方并生成圖像光線；中繼透鏡組件，用于將圖像源產(chǎn)生的圖像光線傳輸至棱鏡組件；棱鏡組件，用于偏轉(zhuǎn)來(lái)自中繼透鏡組件的圖像光線的傳播方向；作為機(jī)載頭盔一部分的護(hù)目鏡，在該護(hù)目鏡內(nèi)表面形成凹面反射鏡，以接收和反射來(lái)自棱鏡組件的圖像源的圖像光線，該凹面反射鏡相對(duì)于圖像源存在一個(gè)彎曲角，使得反射像中生成非對(duì)稱像差，其中所述彎曲角定義為光軸與凹面反射鏡內(nèi)表面各點(diǎn)法線之間的夾角；所述中繼透鏡組件由前組、中間組和后組三組組成，其中每一組分別由多個(gè)透鏡組成；在光軸方向上，前組靠近所述棱鏡組件，后組靠近所述圖像源，中間組位于前組和后組之間；前組、中間組和后組三組透鏡可分別作為一個(gè)整體平移和旋轉(zhuǎn)，使前組、中間組和后組三組透鏡局域軸彼此存在一個(gè)交角，從而補(bǔ)償光學(xué)顯示系統(tǒng)的非對(duì)稱像差。根據(jù)本發(fā)明一方面，通過(guò)在所述護(hù)目鏡內(nèi)表面上鍍半透半反膜的方式形成凹面反射鏡。根據(jù)本發(fā)明一方面，其中該光學(xué)顯示系統(tǒng)工作在可見(jiàn)波長(zhǎng)范圍內(nèi)。通過(guò)將中繼光學(xué)透鏡組件分成前組、中間組和后組，三組光學(xué)透鏡相互獨(dú)立地傾斜和偏心，產(chǎn)生雙節(jié)點(diǎn)像散及彗差，來(lái)抵消護(hù)目鏡型光學(xué)成像系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)像差。三個(gè)組中相互獨(dú)立的中繼透鏡組件大大增加了有效補(bǔ)償非對(duì)稱像差的自由度，可補(bǔ)償所有三個(gè)雙節(jié)點(diǎn)像散和兩個(gè)彗差成分。本發(fā)明的具體裝置中，前組中繼透鏡組件具有正的光焦度，并將頭盔佩戴者瞳孔成像在中間組兩個(gè)透鏡之間，有效減小了整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的口徑，前組又稱準(zhǔn)直透鏡組；中間組中繼透鏡組件又稱光瞳組，包括一個(gè)非球面透鏡通過(guò)校正光瞳球差和彗差，可有效增大光瞳直徑；后組中繼透鏡組件同樣具有正的光焦度，它將圖像源生成的圖像進(jìn)行準(zhǔn)直處理，給佩戴者提供一個(gè)明顯的遠(yuǎn)場(chǎng)像，后組中繼透鏡組件就相當(dāng)于一個(gè)數(shù)值孔徑較大的目鏡。使用一個(gè)傳統(tǒng)的曲面護(hù)目鏡代替了全息衍射反射鏡，以增大頭盔護(hù)目鏡型光學(xué)顯示系統(tǒng)的波段寬度，實(shí)際上基本包括了整個(gè)可見(jiàn)光波段。為了校正由此帶來(lái)的色差，在前組和后組中繼透鏡組件中都插入了雙膠合透鏡，另外后組中的正光焦度透鏡置于兩個(gè)雙膠合透鏡之間，為的是進(jìn)一步減小后組中繼透鏡組件的口徑，擴(kuò)大瞳孔像的直徑。再有在圖像源和后組中繼透鏡組件之間引入了一個(gè)透鏡，該透鏡與圖像源膠合在一起，目的是校正整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的場(chǎng)曲，同時(shí)提高圖像源的光能利用率。本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于視場(chǎng)大、波段寬、像質(zhì)好，尤其重要的是滿足機(jī)載護(hù)目鏡型頭盔顯示器對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的要求。下面將結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)描述。圖1為本發(fā)明帶有護(hù)目鏡型頭盔顯示系統(tǒng)的機(jī)載頭盔頂視圖；圖2為本發(fā)明帶有護(hù)目鏡型頭盔顯示系統(tǒng)的機(jī)載頭盔前視圖；圖3為本發(fā)明護(hù)目鏡型頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)具體實(shí)施例方式本發(fā)明依據(jù)機(jī)載飛行員用頭盔顯示進(jìn)行描述，但是本發(fā)明能應(yīng)用于其它許多方面，如"虛擬現(xiàn)實(shí)"顯示系統(tǒng)，復(fù)雜結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)系統(tǒng)等。圖1和圖2顯示了本發(fā)明應(yīng)用于飛行員頭盔顯示時(shí)，頭盔1、護(hù)目鏡2和本發(fā)明的中繼光學(xué)透鏡組件3的裝配關(guān)系。飛行員信息顯示畫(huà)面由微型有機(jī)發(fā)光二極管(0LED)顯示器5生成，微型0LED裝在頭盔的側(cè)上方，通過(guò)棱鏡組件6對(duì)光線進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)將生成的信息顯示畫(huà)面投影在護(hù)目鏡內(nèi)表面上，反射進(jìn)飛行員眼睛，使飛行員看到微型OLED提供的信息顯示畫(huà)面，同時(shí)飛行員透過(guò)護(hù)目鏡看到周圍環(huán)境，如箭頭7所指。中繼光學(xué)透鏡部分包括前組8、中間組9和后組10被安裝在微型0LED顯示屏11和護(hù)目鏡(2)之間。圖1和圖2給出了護(hù)目鏡型頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖，光學(xué)系統(tǒng)更詳細(xì)的描述在下面接合圖3給出。本發(fā)明的透鏡布置如圖3所示，中繼光學(xué)透鏡組件的前組包括正透鏡13和負(fù)透鏡14組成雙膠合鏡，用來(lái)補(bǔ)償寬波段帶來(lái)的色差，以及正透鏡12;中間組由非球面透鏡15與透鏡16構(gòu)成；后組包括由正透鏡18和負(fù)透鏡19組成的雙膠合鏡，同樣用來(lái)校正色差，以及正透鏡17;棱鏡組件6用于偏轉(zhuǎn)光線，滿足投影顯示的要求。表1給出了圖3光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)造數(shù)據(jù)，表中透鏡表面曲率半徑的單位取mm，正數(shù)表示凹曲面，負(fù)數(shù)表示凸曲面；透鏡厚度表示透鏡前后面中心間距，以mm為單位；透鏡材料的折射率和阿貝數(shù)采用傳統(tǒng)的六個(gè)數(shù)字中間用點(diǎn)分開(kāi)的表示法，如XXX.YYY，前面三個(gè)數(shù)字表示折射率，大小為1.XXX;后面三個(gè)數(shù)字表示阿貝數(shù)，大小為YY.Y;透鏡的前表面用字母F表示，后表面用字母R表示。護(hù)目鏡的曲率半徑為101.2mm，與前組中的正透鏡12的前表面相距90.6mm;微型OLED顯示屏到后組中正透鏡18的距離為5mm。表1本發(fā)明特定頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表透鏡面曲率半徑(咖)厚度(mm)材料6fCO25516.6416rCO2.1AIR12f-98.55-18.2487.70112r75.62-4.2AIR13f-80.48-15.1659.5735<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>本發(fā)明采用傳統(tǒng)的反射型護(hù)目鏡，而非全息衍射型護(hù)目鏡，可以滿足寬波段微型OLED顯示器的顯示要求；同時(shí)頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng)透視顯示能力通過(guò)在護(hù)目鏡內(nèi)表面鍍半透半反膜實(shí)現(xiàn)。頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng)的光軸20定義為中心視場(chǎng)主光線從微型OLED顯示屏到護(hù)目鏡的光路，光軸與護(hù)目鏡各點(diǎn)法線之間的夾角稱為彎曲角e，可以看出隨著護(hù)目鏡位置的不同，彎曲角大小發(fā)生改變，通常情況變化范圍55。-60°之間。正是由于護(hù)目鏡對(duì)于入射光線非對(duì)稱的彎曲角，導(dǎo)致了復(fù)雜的非對(duì)稱像差，包括與視場(chǎng)成二次或線性關(guān)系的像散和數(shù)值固定不變像散，以及與視場(chǎng)成線性關(guān)系的彗差和數(shù)值固定不變彗差等。本發(fā)明的一個(gè)重要特征是中繼光學(xué)透鏡組件分為前組、中間組和后組的三組透鏡結(jié)構(gòu)，前組將人眼瞳孔成像光瞳組中間，有效降低了整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的口徑，相當(dāng)于一個(gè)望遠(yuǎn)鏡；中間組對(duì)光瞳球差和彗差進(jìn)行校正，對(duì)增大瞳孔直徑非常有效；后組中繼來(lái)自光瞳組的光線到微型OLED顯示屏，起目鏡作用。前組、中間組和后組可以一起或單獨(dú)相對(duì)于光軸進(jìn)行橫向位移，使中繼光學(xué)透鏡組件中心偏離整個(gè)系統(tǒng)光軸；同時(shí)前組、中間組和后組也可以一起或單獨(dú)相對(duì)于光軸進(jìn)行傾斜偏轉(zhuǎn)，使前組、中間組和后組透鏡各自局域軸彼此，及與整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)光軸不在平行?？傊?，這種結(jié)構(gòu)大大增加了整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的自由度，能有效校正非對(duì)稱像差；同時(shí)將工作帶寬擴(kuò)展到可見(jiàn)光范圍，視在視場(chǎng)角增大到30。(水平)X30。(垂直)，即圓錐視場(chǎng)42.42度。權(quán)利要求一種大視場(chǎng)光學(xué)顯示系統(tǒng)，該光學(xué)顯示系統(tǒng)沿光軸方向依次包括圖像源，其產(chǎn)生圖像光線；中繼透鏡組件，用于將圖像源產(chǎn)生的圖像光線傳輸至棱鏡組件；棱鏡組件，用于偏轉(zhuǎn)來(lái)自中繼透鏡組件的圖像光線的傳播方向；凹面反射鏡，接收和反射來(lái)自棱鏡組件的圖像源的圖像光線，該凹面反射鏡相對(duì)于圖像源存在一個(gè)彎曲角，使得反射像中生成非對(duì)稱像差，其中所述彎曲角定義為光軸與凹面反射鏡內(nèi)表面各點(diǎn)之間的夾角；其特征在于所述中繼透鏡組件由前組、中間組和后組三組組成，其中每一組分別由多個(gè)透鏡組成；在光軸方向上，前組靠近所述棱鏡組件，后組靠近所述圖像源，中間組位于前組和后組之間；前組、中間組和后組三組透鏡可分別作為一個(gè)整體平移和旋轉(zhuǎn)，使前組、中間組和后組三組透鏡局域軸彼此存在一個(gè)交角，從而補(bǔ)償光學(xué)顯示系統(tǒng)的非對(duì)稱像差。2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)顯示系統(tǒng)，其中所述前組和后組透鏡都有正的光焦度。3.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)顯示系統(tǒng)，其中所述非對(duì)稱像差包括雙節(jié)點(diǎn)像散和彗差，通過(guò)前組、中間組和后組三組透鏡的偏心和傾斜放置而對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。4.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)顯示系統(tǒng)，其中該光學(xué)顯示系統(tǒng)工作在可見(jiàn)波長(zhǎng)范圍內(nèi)。5.如權(quán)利要求l-4所述的光學(xué)顯示系統(tǒng)，其中所述中繼光學(xué)透鏡組件的前組和后組中包括用于補(bǔ)償光學(xué)顯示系統(tǒng)色差的雙膠合透鏡。6.如權(quán)利要求5所述的光學(xué)顯示系統(tǒng)，其中所述中繼光學(xué)透鏡組件的中間組中包括一個(gè)非球面透鏡，用于校正光瞳球差，以增大光瞳像直徑。7.—種機(jī)載護(hù)目鏡型頭盔光學(xué)顯示系統(tǒng)，包括圖像源，該圖像源固定于機(jī)載頭盔的側(cè)上方并生成圖像光線；中繼透鏡組件，用于將圖像源產(chǎn)生的圖像光線傳輸至棱鏡組件；棱鏡組件，用于偏轉(zhuǎn)來(lái)自中繼透鏡組件的圖像光線的傳播方向；作為機(jī)載頭盔一部分的護(hù)目鏡，在該護(hù)目鏡內(nèi)表面形成凹面反射鏡，以接收和反射來(lái)自棱鏡組件的圖像源的圖像光線，該凹面反射鏡相對(duì)于圖像源存在一個(gè)彎曲角，使得反射像中生成非對(duì)稱像差，其中所述彎曲角定義為光軸與凹面反射鏡內(nèi)表面各點(diǎn)(法線)之間的夾角；其特征在于所述中繼透鏡組件由前組、中間組和后組三組組成，其中每一組分別由多個(gè)透鏡組成；在光軸方向上，前組靠近所述棱鏡組件，后組靠近所述圖像源，中間組位于前組和后組之間；前組、中間組和后組三組透鏡可分別作為一個(gè)整體平移和旋轉(zhuǎn)，使前組、中間組和后組三組透鏡局域軸彼此存在一個(gè)交角，從而補(bǔ)償光學(xué)顯示系統(tǒng)的非對(duì)稱像差。8.如權(quán)利要求7所述的機(jī)載護(hù)目鏡型頭盔光學(xué)顯示系統(tǒng)，其中通過(guò)在所述護(hù)目鏡內(nèi)表面上鍍半透半反膜的方式形成凹面反射鏡。9.如權(quán)利要求8所述的機(jī)載護(hù)目鏡型頭盔光學(xué)顯示系統(tǒng)，其中該光學(xué)顯示系統(tǒng)工作在可見(jiàn)波長(zhǎng)范圍內(nèi)。全文摘要本發(fā)明機(jī)載護(hù)目鏡型頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)提供一種大視場(chǎng)光學(xué)顯示系統(tǒng)，該光學(xué)顯示系統(tǒng)沿光軸方向依次包括圖像源、中繼透鏡組件、棱鏡組件，和凹面反射鏡，其中凹面反射鏡接收和反射來(lái)自棱鏡組件的圖像源的圖像光線，該凹面反射鏡相對(duì)于圖像源存在一個(gè)彎曲角，使得反射像中生成非對(duì)稱像差，其中所述彎曲角定義為光軸與凹面反射鏡內(nèi)表面各點(diǎn)法線之間的夾角；所述中繼透鏡組件由前組、中間組和后組三組組成，其中每一組分別由多個(gè)透鏡組成；在光軸方向上，前組靠近所述棱鏡組件，后組靠近所述圖像源，中間組位于前組和后組之間；前組、中間組和后組三組透鏡可分別作為一個(gè)整體平移和旋轉(zhuǎn)，使前組、中間組和后組三組透鏡局域軸彼此存在一個(gè)交角，從而補(bǔ)償光學(xué)顯示系統(tǒng)的非對(duì)稱像差。文檔編號(hào)G02B27/01GK101726856SQ20091025143公開(kāi)日2010年6月9日申請(qǐng)日期2009年12月18日優(yōu)先權(quán)日2009年12月18日發(fā)明者吳華夏,楊新軍申請(qǐng)人:安徽華東光電技術(shù)研究所