基于全息光學(xué)元件的車載平視顯示器投影準(zhǔn)直中繼光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于全息光學(xué)元件的準(zhǔn)直投影中繼光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計方法，主要應(yīng)用于車載平視顯示器(HUD)中。此系統(tǒng)采用透射型全息光學(xué)元件組件設(shè)計為倒置的無窮遠成像系統(tǒng)，將圖像源產(chǎn)生的圖像變?yōu)槠叫泄馔渡溥M入光學(xué)組合顯示器部分，并可以補償組合玻璃處產(chǎn)生的大部分像差。整套系統(tǒng)像差、畸變小，具有大的離軸角和視場角，能夠明顯地提高成像質(zhì)量。由于采用全息光學(xué)元件取代傳統(tǒng)的折射光學(xué)元件，整套系統(tǒng)體積小、重量輕、批量生產(chǎn)成本低，結(jié)構(gòu)簡單、裝調(diào)難度低，易于在狹小的空間內(nèi)安裝。
【專利說明】基于全息光學(xué)元件的車載平視顯示器投影準(zhǔn)直中繼光學(xué)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到一種在平視顯示器中應(yīng)用的基于全息光學(xué)元件的準(zhǔn)直投影中繼光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]車載平視顯示器(HUD)是應(yīng)用于汽車上的駕駛輔助設(shè)備。它利用全息光柵光學(xué)反射原理，將重要的駕駛信息投射到與汽車前擋風(fēng)玻璃組合在一起的全息光柵上。投射的文字和影像成像在駕駛員正前方無窮遠處，駕駛員透過HUD往前方看的時候，可以直接看到HUD顯示資料與外界的景象重疊在一起。降低了駕駛員低頭查看儀表的頻率，避免了低頭與抬頭之間眼睛焦距需要不斷調(diào)整而產(chǎn)生的注意力中斷以及視覺延遲與不適，減輕了駕駛疲勞，提高了駕駛安全，
[0003]HUD主要由準(zhǔn)直投影光學(xué)系統(tǒng)、光柵顯示器和圖像產(chǎn)生源三部分構(gòu)成。其中準(zhǔn)直投影系統(tǒng)是一倒置的無窮遠成像系統(tǒng)，其作用是將位于焦平面上的圖像源產(chǎn)生的圖像變?yōu)槠叫泄馐瑢⒐恻c在圖像源像面上的直線移動變?yōu)闊o窮遠處的角移動。光柵顯示器將準(zhǔn)直系統(tǒng)投影的圖像投射到光柵組合顯示器上。由于組合在汽車擋風(fēng)玻璃上的光柵顯示器常有較大的離軸角，同時要考慮消除外通道“閃爍”，這會產(chǎn)生很大的慧差、像散與畸變。為了補償這部分像差，基于全息光學(xué)元件(HOE)的準(zhǔn)直投影中繼光學(xué)透鏡常采用偏心、傾斜等離軸光學(xué)設(shè)計。
[0004]在傳統(tǒng)的準(zhǔn)直投影光學(xué)系統(tǒng)中大多采用普通的折射和反射光學(xué)元件，由此構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)主要存在以下幾點不足:(I)系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計復(fù)雜，光學(xué)元件要求加工精度高，加工困難；(2)普通光學(xué)元件的體積和重量比較大，這種準(zhǔn)直投影中繼光學(xué)系統(tǒng)在車內(nèi)或機艙等狹小空間內(nèi)安裝時，容易遮擋住進入人眼的光線，而且減少了駕駛員頭部的活動范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種應(yīng)用于車載平視顯示器中基于全息光學(xué)元件的準(zhǔn)直投影中繼光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計方法，此系統(tǒng)采用透射型全息光學(xué)組件設(shè)計為倒置的無窮遠成像系統(tǒng)，將圖像源產(chǎn)生的圖像變?yōu)槠叫泄馔渡溥M入光柵顯示器，并可以補償光柵顯示器處產(chǎn)生的大部分像差。
[0006]該方法通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn):
[0007](I)首先確定初始參量,選定全息組合玻璃的曲率和傾斜角,保證所需光線能夠從駕駛員的眼點位置指向風(fēng)擋玻璃的有效孔徑，確定眼點距離、視場及出瞳孔徑。然后利用普通折射光學(xué)元件設(shè)計中繼透鏡系統(tǒng)，利用光學(xué)設(shè)計軟件進行模擬仿真，主要是確定準(zhǔn)直投影中繼透鏡組的詳細參數(shù)，其中包括準(zhǔn)直投影中繼透鏡中各個透鏡的材料、厚度、表面定點的曲率和相對位置，為了校正像差，一些透鏡或者一些表面需要有一定量的偏心和傾斜；
[0008](2)根據(jù)所設(shè)計的光學(xué)元件的具體參數(shù)利用Sweatt方法設(shè)計全息光學(xué)元件。分析平面全息光學(xué)元件和曲面全息光學(xué)元件的成像性質(zhì)，給出兩種光學(xué)元件的等效透鏡模型；
[0009](3)根據(jù)普通光學(xué)元件在光學(xué)設(shè)計階段的具體參數(shù)，設(shè)計不同全息光學(xué)元件的制作光路，最后利用光致聚合物材料制作所需的全息光學(xué)元件。
[0010]由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明所提供的方法具有這樣的有益效果:
[0011](I)利用光致聚合物材料制作的全息光學(xué)元件具有很高的衍射效率，性能穩(wěn)定，受環(huán)境影響小；
[0012](2)整套系統(tǒng)像差、畸變小，具有大的離軸角和視場角，能夠明顯地提高成像質(zhì)量;
[0013](3)由于全息光學(xué)元件體積小、重量輕，整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、裝調(diào)難度低，易于在狹小的空間內(nèi)安裝；
[0014](4)相比普通光學(xué)元件，全息光學(xué)元件制作簡單、成本低、可大批量生產(chǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是雙目重合視場圖(BIFOV)；
[0016]圖2是各視場之間的關(guān)系；
[0017]圖3是準(zhǔn)直投影中繼光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0018]圖4是透射型全息光學(xué)元件的等效透鏡模型，(a)是兩個發(fā)散點光源的等效透鏡模型；(b)是一個發(fā)散和一個會聚點光源的等效透鏡模型；
[0019]圖5是球表面上的全息光學(xué)元件；
[0020]圖6是全息光學(xué)元件記錄光路圖。
【具體實施方式】
[0021 ] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步描述。
[0022]平視顯示器主要由三部分組成:圖像源、準(zhǔn)直投影中繼光學(xué)系統(tǒng)和光柵顯示器。圖像源用于產(chǎn)生顯示圖像，為了增強外界的光能透過率，圖像源多為單色、窄波段、高亮顯示。準(zhǔn)直投影系統(tǒng)的作用是將圖像源產(chǎn)生的圖像變?yōu)槠叫泄馐瑢⒐恻c在圖像源像面上的直線移動變?yōu)闊o窮遠處的角移動，再通過光柵顯示器成像在使用者前方無窮遠處，同時外部場景的光信號也可以通過光柵顯示器進入人眼，其功能為一倒置的無窮遠成像系統(tǒng)，
[0023]由于普通光學(xué)元件體積、重量較大，整個中繼透鏡系統(tǒng)不易于在狹小的空間內(nèi)安裝，且整個系統(tǒng)要求精度較高，給加工和成本都帶來困難。而全息光學(xué)元件重量輕、體積小、成本低，而且工藝性能好，可以作為普通光學(xué)元件應(yīng)用于準(zhǔn)直投影中繼光學(xué)系統(tǒng)中，本發(fā)明旨在利用全息光學(xué)元件代替常規(guī)光學(xué)元件優(yōu)化準(zhǔn)直投影中繼光學(xué)系統(tǒng)。為了解決上述技術(shù)問題，下面從三方面進行具體描述:
[0024]步驟1、首先利用普通光學(xué)元件設(shè)計準(zhǔn)直投影中繼光學(xué)系統(tǒng)
[0025]為了保證駕駛員在車艙內(nèi)能正常工作，平視顯示器需要有較大的出瞳距離。同時它又是雙目系統(tǒng)，有較大的出瞳尺寸。這些因素使得平視顯示器的視場受到了限制，一般的常規(guī)平視顯示器的全視場小于20°，而駕駛員需要更大視場顯示。因此，擴大視場成為平視顯示器設(shè)計需要解決的重要問題。
[0026]圖1表示了人眼水平方向HUD的雙眼重合視場與光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)系。從人眼觀察習(xí)慣與方便駕駛員觀察的角度出發(fā)，雙目重合視場應(yīng)越大越好。對于中心視場應(yīng)有良好的重合，以方便駕駛員得到重要的字符與圖像。圖中IFOV(Co1)為瞬時視場，它與其它參數(shù)之間的關(guān)系可用下式表示:
【權(quán)利要求】
1.一種基于全息光學(xué)元件的準(zhǔn)直投影中繼光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計方法，其特征在于:首先選定光學(xué)全息組合玻璃的曲率和傾斜角，保證所需的光線能夠從駕駛員的眼點位置指向風(fēng)擋玻璃的有效孔徑，確定眼點距離、視場及出瞳孔徑。然后利用普通光學(xué)元件設(shè)計投影準(zhǔn)直中繼系統(tǒng)，利用光學(xué)設(shè)計軟件確定中繼透鏡的詳細參數(shù)，包括中繼透鏡中各透鏡的材料、厚度、表面定點的曲率和相對位置，為了校正像差，一些透鏡或一些表面需要有一定量的偏心和傾斜。整套系統(tǒng)水平視場為35°，垂直視場22°，瞬時視場約等于全視場且具有較小的像差和畸變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于全息光學(xué)元件的準(zhǔn)直投影中繼光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計方法，其特征在于:利用Sweatt分析方法，給出了平面全息光學(xué)元件和曲面全息光學(xué)元件的等效透鏡模型及性能參數(shù)的具體計算公式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于全息光學(xué)元件的準(zhǔn)直投影中繼光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計方法，其特征在于:采用雙光路方法，根據(jù)普通透鏡的具體參數(shù)設(shè)計全息光學(xué)元件的記錄光路，利用光致聚合物制作透射型全息光學(xué)元件。
【文檔編號】G02B5/32GK103513420SQ201210215970
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2012年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月27日
【發(fā)明者】藍天, 顧美霞, 倪國強, 李妤 申請人:北京理工大學(xué)