專利名稱：：機載護目鏡型頭盔顯示器光學系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及折反式離軸成像系統(tǒng)非對稱像差校正領域，特別是機載護目鏡型頭盔顯示器光學系統(tǒng)消除像差、提高像質的光學技術。
背景技術：
：機載護目鏡型頭盔顯示器將必要的飛行參數信息和瞄準信息投影到飛行員前面的護目鏡上，使飛行員能同時看到護目鏡反射的信息和周圍環(huán)境。已經公開的典型相關專利有U.S.Pat.No.3940204，專利中的護目鏡型頭盔顯示器采用CRT作圖像源，CRT固定于頭盔的一側，CRT顯示的圖像首先由中繼光學組件向前傳輸，然后通過棱鏡組件轉向并投射到曲面形護目鏡上，投射光線與護目鏡各點的垂直線之間存在一個較大的夾角，這個角范圍通常有55°-60°，從而在護目鏡反射像中產生了明顯的非對稱像差。這種非對稱像差非常復雜，通過矢量像差理論分析發(fā)現，像差中主要包括雙節(jié)點像散和彗差，彗差又分為與視場成線性關系的成分及在整個視場數值固定不變的成分；像散也分為與視場成二次及線性關系的成分，以及在整個視場固定不變的成分。之前，有人提出在CRT和飛行頭盔護目鏡之間引入傾斜與偏心的光學元件構成中繼光學透鏡組件，通過光學元件傾斜或偏心產生的像差來抵消護目鏡投影顯示的非對稱像差，同時調整CRT的傾角作為補償。后來又把飛行頭盔護目鏡反射面設計成全息衍射面，一個非對稱波前被記錄在全息衍射面中，以此來進一步校正護目鏡投影顯示的非對稱像差。不過像差校正效果并沒有完全成功，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，全息衍射型護目鏡已經成為設計寬波段頭盔顯示器的最大障礙。但是利用傳統(tǒng)護目鏡代替全息衍射型護目鏡又會使非對稱像差和色差校正困難。另一種減小非對稱像差的辦法是在飛行員眼面放一個分束鏡，改變投射到護目鏡上的光線方向，因此減小了投射光線與護目鏡各點垂直線之間的夾角，從而減小了非對稱像差。但這種結構的一個主要問題是飛行員眼前的分束鏡明顯減小了機載頭盔顯示器的眼點距，限制了這種結構的應用。
發(fā)明內容本發(fā)明提供一種先進的機載頭盔護目鏡型光學顯示系統(tǒng)，它具有更大的視場和更寬的波段范圍，同時像差小，成像質量高。本發(fā)明提供一種大視場光學顯示系統(tǒng)，該光學顯示系統(tǒng)沿光軸方向依次包括圖像源，其產生圖像光線；中繼透鏡組件，用于將圖像源產生的圖像光線傳輸至棱鏡組件；棱鏡組件，用于偏轉來自中繼透鏡組件的圖像光線的傳播方向；凹面反射鏡，接收和反射來自棱鏡組件的圖像源的圖像光線，該凹面反射鏡相對于圖像源存在一個彎曲角，使得反射像中生成非對稱像差，其中所述彎曲角定義為光軸與凹面反射鏡內表面各點法線之間的夾角；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整體平移和旋轉，使前組、中間組和后組三組透鏡局域軸彼此存在一個交角，從而補償光學顯示系統(tǒng)的非對稱像差。根據本發(fā)明一方面，所述前組和后組透鏡都有正的光焦度。根據本發(fā)明一方面，所述非對稱像差包括雙節(jié)點像散和彗差，通過前組、中間組和后組三組透鏡的偏心和傾斜放置而對其進行補償。根據本發(fā)明一方面，該光學顯示系統(tǒng)工作在可見波長范圍內。根據本發(fā)明一方面，所述中繼光學透鏡組件的前組和后組中包括用于補償光學顯示系統(tǒng)色差的雙膠合透鏡。根據本發(fā)明一方面，所述中繼光學透鏡組件的中間組中包括一個非球面透鏡，用于校正光瞳球差，以增大光瞳像直徑。本發(fā)明還是一種機載護目鏡型頭盔光學顯示系統(tǒng)，包括圖像源，該圖像源固定于機載頭盔的側上方并生成圖像光線；中繼透鏡組件，用于將圖像源產生的圖像光線傳輸至棱鏡組件；棱鏡組件，用于偏轉來自中繼透鏡組件的圖像光線的傳播方向；作為機載頭盔一部分的護目鏡，在該護目鏡內表面形成凹面反射鏡，以接收和反射來自棱鏡組件的圖像源的圖像光線，該凹面反射鏡相對于圖像源存在一個彎曲角，使得反射像中生成非對稱像差，其中所述彎曲角定義為光軸與凹面反射鏡內表面各點法線之間的夾角；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整體平移和旋轉，使前組、中間組和后組三組透鏡局域軸彼此存在一個交角，從而補償光學顯示系統(tǒng)的非對稱像差。根據本發(fā)明一方面，通過在所述護目鏡內表面上鍍半透半反膜的方式形成凹面反射鏡。根據本發(fā)明一方面，其中該光學顯示系統(tǒng)工作在可見波長范圍內。通過將中繼光學透鏡組件分成前組、中間組和后組，三組光學透鏡相互獨立地傾斜和偏心，產生雙節(jié)點像散及彗差，來抵消護目鏡型光學成像系統(tǒng)的對應像差。三個組中相互獨立的中繼透鏡組件大大增加了有效補償非對稱像差的自由度，可補償所有三個雙節(jié)點像散和兩個彗差成分。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透鏡之間，有效減小了整個光學系統(tǒng)的口徑，前組又稱準直透鏡組；中間組中繼透鏡組件又稱光瞳組，包括一個非球面透鏡通過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行準直處理，給佩戴者提供一個明顯的遠場像，后組中繼透鏡組件就相當于一個數值孔徑較大的目鏡。使用一個傳統(tǒng)的曲面護目鏡代替了全息衍射反射鏡，以增大頭盔護目鏡型光學顯示系統(tǒng)的波段寬度，實際上基本包括了整個可見光波段。為了校正由此帶來的色差，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雙膠合透鏡之間，為的是進一步減小后組中繼透鏡組件的口徑，擴大瞳孔像的直徑。再有在圖像源和后組中繼透鏡組件之間引入了一個透鏡，該透鏡與圖像源膠合在一起，目的是校正整個光學系統(tǒng)的場曲，同時提高圖像源的光能利用率。本發(fā)明的技術優(yōu)點在于視場大、波段寬、像質好，尤其重要的是滿足機載護目鏡型頭盔顯示器對光學系統(tǒng)的要求。下面將結合附圖進行詳細描述。圖1為本發(fā)明帶有護目鏡型頭盔顯示系統(tǒng)的機載頭盔頂視圖；圖2為本發(fā)明帶有護目鏡型頭盔顯示系統(tǒng)的機載頭盔前視圖；圖3為本發(fā)明護目鏡型頭盔顯示光學系統(tǒng)的結構具體實施例方式本發(fā)明依據機載飛行員用頭盔顯示進行描述，但是本發(fā)明能應用于其它許多方面，如"虛擬現實"顯示系統(tǒng)，復雜結構分析與設計系統(tǒng)等。圖1和圖2顯示了本發(fā)明應用于飛行員頭盔顯示時，頭盔1、護目鏡2和本發(fā)明的中繼光學透鏡組件3的裝配關系。飛行員信息顯示畫面由微型有機發(fā)光二極管(0LED)顯示器5生成，微型0LED裝在頭盔的側上方，通過棱鏡組件6對光線進行偏轉，實現將生成的信息顯示畫面投影在護目鏡內表面上，反射進飛行員眼睛，使飛行員看到微型OLED提供的信息顯示畫面，同時飛行員透過護目鏡看到周圍環(huán)境，如箭頭7所指。中繼光學透鏡部分包括前組8、中間組9和后組10被安裝在微型0LED顯示屏11和護目鏡(2)之間。圖1和圖2給出了護目鏡型頭盔顯示光學系統(tǒng)的簡圖，光學系統(tǒng)更詳細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，中繼光學透鏡組件的前組包括正透鏡13和負透鏡14組成雙膠合鏡，用來補償寬波段帶來的色差，以及正透鏡12;中間組由非球面透鏡15與透鏡16構成；后組包括由正透鏡18和負透鏡19組成的雙膠合鏡，同樣用來校正色差，以及正透鏡17;棱鏡組件6用于偏轉光線，滿足投影顯示的要求。表1給出了圖3光學系統(tǒng)的構造數據，表中透鏡表面曲率半徑的單位取mm，正數表示凹曲面，負數表示凸曲面；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采用傳統(tǒng)的六個數字中間用點分開的表示法，如XXX.YYY，前面三個數字表示折射率，大小為1.XXX;后面三個數字表示阿貝數，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系統(tǒng)的數據表透鏡面曲率半徑(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)的反射型護目鏡，而非全息衍射型護目鏡，可以滿足寬波段微型OLED顯示器的顯示要求；同時頭盔顯示光學系統(tǒng)透視顯示能力通過在護目鏡內表面鍍半透半反膜實現。頭盔顯示光學系統(tǒng)的光軸20定義為中心視場主光線從微型OLED顯示屏到護目鏡的光路，光軸與護目鏡各點法線之間的夾角稱為彎曲角e，可以看出隨著護目鏡位置的不同，彎曲角大小發(fā)生改變，通常情況變化范圍55。-60°之間。正是由于護目鏡對于入射光線非對稱的彎曲角，導致了復雜的非對稱像差，包括與視場成二次或線性關系的像散和數值固定不變像散，以及與視場成線性關系的彗差和數值固定不變彗差等。本發(fā)明的一個重要特征是中繼光學透鏡組件分為前組、中間組和后組的三組透鏡結構，前組將人眼瞳孔成像光瞳組中間，有效降低了整個光學系統(tǒng)的口徑，相當于一個望遠鏡；中間組對光瞳球差和彗差進行校正，對增大瞳孔直徑非常有效；后組中繼來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相對于光軸進行橫向位移，使中繼光學透鏡組件中心偏離整個系統(tǒng)光軸；同時前組、中間組和后組也可以一起或單獨相對于光軸進行傾斜偏轉，使前組、中間組和后組透鏡各自局域軸彼此，及與整個光學系統(tǒng)光軸不在平行?？傊?，這種結構大大增加了整個光學系統(tǒng)的自由度，能有效校正非對稱像差；同時將工作帶寬擴展到可見光范圍，視在視場角增大到30。(水平)X30。(垂直)，即圓錐視場42.42度。權利要求一種大視場光學顯示系統(tǒng)，該光學顯示系統(tǒng)沿光軸方向依次包括圖像源，其產生圖像光線；中繼透鏡組件，用于將圖像源產生的圖像光線傳輸至棱鏡組件；棱鏡組件，用于偏轉來自中繼透鏡組件的圖像光線的傳播方向；凹面反射鏡，接收和反射來自棱鏡組件的圖像源的圖像光線，該凹面反射鏡相對于圖像源存在一個彎曲角，使得反射像中生成非對稱像差，其中所述彎曲角定義為光軸與凹面反射鏡內表面各點之間的夾角；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整體平移和旋轉，使前組、中間組和后組三組透鏡局域軸彼此存在一個交角，從而補償光學顯示系統(tǒng)的非對稱像差。2.如權利要求1所述的光學顯示系統(tǒng)，其中所述前組和后組透鏡都有正的光焦度。3.如權利要求1所述的光學顯示系統(tǒng)，其中所述非對稱像差包括雙節(jié)點像散和彗差，通過前組、中間組和后組三組透鏡的偏心和傾斜放置而對其進行補償。4.如權利要求1所述的光學顯示系統(tǒng)，其中該光學顯示系統(tǒng)工作在可見波長范圍內。5.如權利要求l-4所述的光學顯示系統(tǒng)，其中所述中繼光學透鏡組件的前組和后組中包括用于補償光學顯示系統(tǒng)色差的雙膠合透鏡。6.如權利要求5所述的光學顯示系統(tǒng)，其中所述中繼光學透鏡組件的中間組中包括一個非球面透鏡，用于校正光瞳球差，以增大光瞳像直徑。7.—種機載護目鏡型頭盔光學顯示系統(tǒng)，包括圖像源，該圖像源固定于機載頭盔的側上方并生成圖像光線；中繼透鏡組件，用于將圖像源產生的圖像光線傳輸至棱鏡組件；棱鏡組件，用于偏轉來自中繼透鏡組件的圖像光線的傳播方向；作為機載頭盔一部分的護目鏡，在該護目鏡內表面形成凹面反射鏡，以接收和反射來自棱鏡組件的圖像源的圖像光線，該凹面反射鏡相對于圖像源存在一個彎曲角，使得反射像中生成非對稱像差，其中所述彎曲角定義為光軸與凹面反射鏡內表面各點(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整體平移和旋轉，使前組、中間組和后組三組透鏡局域軸彼此存在一個交角，從而補償光學顯示系統(tǒng)的非對稱像差。8.如權利要求7所述的機載護目鏡型頭盔光學顯示系統(tǒng)，其中通過在所述護目鏡內表面上鍍半透半反膜的方式形成凹面反射鏡。9.如權利要求8所述的機載護目鏡型頭盔光學顯示系統(tǒng)，其中該光學顯示系統(tǒng)工作在可見波長范圍內。全文摘要本發(fā)明機載護目鏡型頭盔顯示器光學系統(tǒng)提供一種大視場光學顯示系統(tǒng)，該光學顯示系統(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自棱鏡組件的圖像源的圖像光線，該凹面反射鏡相對于圖像源存在一個彎曲角，使得反射像中生成非對稱像差，其中所述彎曲角定義為光軸與凹面反射鏡內表面各點法線之間的夾角；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整體平移和旋轉，使前組、中間組和后組三組透鏡局域軸彼此存在一個交角，從而補償光學顯示系統(tǒng)的非對稱像差。文檔編號G02B27/01GK101726856SQ20091025143公開日2010年6月9日申請日期2009年12月18日優(yōu)先權日2009年12月18日發(fā)明者吳華夏,楊新軍申請人:安徽華東光電技術研究所