專利名稱：全息光波導(dǎo)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)明涉及一種光學(xué)系統(tǒng)，具體是一種頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
頭盔顯示器作為一種重要的光電顯示設(shè)備，起著為飛機(jī)或坦克駕駛員、單兵、航天員等提供關(guān)鍵測控信息，提高勢態(tài)感知度的關(guān)鍵作用。頭盔顯示器，在滿足功能和可靠性的前提下，對其重量和結(jié)構(gòu)形式不斷提出新的要求，減輕重量可以降低佩戴人員的負(fù)荷，良好的結(jié)構(gòu)形式可保證頭部質(zhì)心位置，從而延緩佩戴者的疲勞程度，防止沖擊引起頸部扭傷等。傳統(tǒng)的頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)為了適應(yīng)頭盔安裝，保證實(shí)現(xiàn)良好的顯示功能，對于護(hù)目鏡的曲率公差較要求緊，中繼透鏡組鏡片需要離軸和傾斜，使得中繼鏡裝配公差緊，光學(xué)畸變、離軸殘余像差較大，系統(tǒng)的出瞳和視場較小，導(dǎo)致整體設(shè)計難度大，加工和裝調(diào)周期長，成本高，光學(xué)透鏡組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量、體積較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種有效解決光路離軸傳輸問題、系統(tǒng)成像清晰、小畸變、系統(tǒng)的重量和體積小，并且易制造的全息光波導(dǎo)頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)。本發(fā)明采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題的一種全息光波導(dǎo)頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)，由中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)、全息光波導(dǎo)組件、顯示像源構(gòu)成，顯示像源的光線經(jīng)中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直，之后，耦合進(jìn)入全息光波導(dǎo)組件，光波在經(jīng)過全息光波導(dǎo)組件傳輸時，光波部分衍射出全息光波導(dǎo)，同時，外部場景的光線透過全息光波導(dǎo)組件，用戶看到耦合出全息光波導(dǎo)的圖像以投影方式疊加在外部場景上。本發(fā)明可進(jìn)一步優(yōu)化為全息光波導(dǎo)組件由兩個平板光波導(dǎo)組成水平全息光波導(dǎo)以及垂直全息光波導(dǎo)，水平全息光波導(dǎo)遠(yuǎn)離入射光的一面的兩端分別制作一個全息反射元件第一全息反射面、第二全息反射面，垂直全息光波導(dǎo)遠(yuǎn)離入射光的一面的兩端也分別制作一個全息反射元件第三全息反射面、第四全息反射面，水平全息光波導(dǎo)以及垂直全息光波導(dǎo)的板面相互垂直，且第二全息反射面平行于第三全息反射面。第一全息反射面將中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直后的光線耦合進(jìn)入水平全息光波導(dǎo)，光波在水平方向傳輸，傳輸?shù)降诙⒎瓷涿鏁r，部分光被衍射出水平全息光波導(dǎo)，而零級光保持在水平全息光波導(dǎo)內(nèi)向前傳輸，每次遇到第二全息反射面則耦合出部分能量，水平全息光波導(dǎo)衍射耦合出的光能，被垂直全息光波導(dǎo)的第三全息反射面接收，耦合進(jìn)入垂直全息光波導(dǎo)，光波在垂直方向傳輸，當(dāng)傳輸?shù)降谒娜⒎瓷涿鏁r，部分光被衍射出垂直全息光波導(dǎo)，剩余零級光保持在垂直全息光波導(dǎo)向前傳輸。本發(fā)明可進(jìn)一步優(yōu)化為所述中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)選用三片透鏡結(jié)構(gòu)，中間透鏡為雙膠合透鏡，優(yōu)選的為一平凸透鏡與一平凹透鏡膠合，兩側(cè)的第一片透鏡和第三片透鏡均為平凸透鏡，且優(yōu)選的，三片透鏡的凸面均為偶次非球面，且凸面均朝向水平全息光波導(dǎo)。更具體的，所述第一全息反射面和第三全息反射面使用一級衍射，第二全息反射面和第四全息反射面上，每次零級和一級衍射效率保持不變，對其零級和一級衍射效率按 公式(1)分配； j = p- (—— f ( 1 )其中n-全息光波導(dǎo)耦出效率；p o-為零級衍射效率；p 1-一級衍射效
率；k——衍射次數(shù)；衍射次數(shù)取整k=L/A(2)其中L——全息面寬度；A——光束的間隔；光束的間隔A=2t tan 0(3)其中△——光束的間隔；t——平板波導(dǎo)厚度；0——衍射角；衍射角sirJ= sia —今1 (4)其中0——衍射角；d——空間周期；m——衍射級次；\——入射光波長；i——入射角；空間周期:d= / 2si;: (f ) ( 5 )其中入of——物光與參考光波長;零——物光與參考光夾角;第一全息反射面和第三全息反射面使用正一級衍射，第二全息反射面和第三全息 反射面使用負(fù)一級衍射，利用公式(4)、(5)結(jié)合視場角和全息光波導(dǎo)折射率確定物光與參 考光的夾角，根據(jù)出瞳直徑、眼點(diǎn)距、視場確定第四全息反射面的尺寸，根據(jù)公式(1) (5) 和視場角，結(jié)合準(zhǔn)直出射的適當(dāng)?shù)墓馐鴮挾纫约暗谌⒎瓷涿娴鸟詈闲蚀_定垂直全息 光波導(dǎo)的厚度，進(jìn)而給出第二全息反射面和第三全息反射面的尺寸，同理確定水平全息光 波導(dǎo)的厚度與第一全息反射面的尺寸。所述全息光波導(dǎo)頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計指標(biāo)為眼點(diǎn)距25mm；視場角20。X15。；圖像源0.67英寸；4:3;出瞳10mm ;光譜范圍495 530nm。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于利用全息與波導(dǎo)技術(shù)，將全息與波導(dǎo)技術(shù)相結(jié)合，有效解決光 路離軸傳輸問題，保證系統(tǒng)成像質(zhì)量，滿足成像清晰，小畸變，減小了系統(tǒng)的重量和體積，從 而調(diào)高系統(tǒng)的綜合性能，解決了傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計與制造上難度大的問題。設(shè)計出的全息光波導(dǎo)頭藍(lán)顯不器光學(xué)系統(tǒng)，視場角20° X15°，總重量小于40 克，后工作距為13. 5mm，最大彌散斑直徑30 iim，畸變小于0.6%，在10° X10°視場范圍內(nèi) 最大彌散斑直徑小于10 iim，其中，中繼系統(tǒng)重量小于10克，中繼系統(tǒng)長35. 6mm。


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<15° 121個視場點(diǎn)二維點(diǎn)列圖。X 10° 121個視場點(diǎn)二維點(diǎn)列圖。
具體實(shí)施例方式如圖I所示，本發(fā)明全息光波導(dǎo)頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)包括中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)I、全息光波導(dǎo)組件、顯示像源，顯示像源的光線經(jīng)中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直，之后，耦合進(jìn)入全息光波導(dǎo)組件。全息光波導(dǎo)組件包括兩個平板光波導(dǎo)水平全息光波導(dǎo)22以及垂直全息光波導(dǎo)24。同時參閱圖2及圖3所示，水平全息光波導(dǎo)22的遠(yuǎn)離入射光42的一面的兩端分別制作一個全息反射元件第一全息反射面222、第二全息反射面224，垂直全息光波導(dǎo)24的遠(yuǎn)離入射光52的一面的兩端也分別制作一個全息反射元件第三全息反射面242、第四全息反射面244。水平全息光波導(dǎo)22以及垂直全息光波導(dǎo)24的板面相互垂直，且第二全息反射面224平行于第三全息反射面242。第一全息反射面222將中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)I準(zhǔn)直后的光線耦合進(jìn)入水平全息光波導(dǎo)22，光波44在水平方向傳輸，當(dāng)傳輸?shù)降诙⒎瓷涿?24時，部分光被衍射出水平全息光波導(dǎo)22形成衍射出射光46，而零級光保持在水平全息光波導(dǎo)22內(nèi)向前傳輸，每次遇到第二全息反射面224則耦合出部分能量。水平全息光波導(dǎo)22的衍射出射光46被垂直全息光波導(dǎo)24的第三全息反射面242接收，作為垂直全息光波導(dǎo)24的入射光52，耦合進(jìn)入垂直全息光波導(dǎo)24,光波54在垂直方向傳輸，當(dāng)傳輸?shù)降谒娜⒎瓷涿?44時，同樣部分光被衍射出垂直全息光波導(dǎo)24形成衍射出射光56，而剩余零級光保持在垂直全息光波導(dǎo)24向前傳輸。這樣，中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)I的窄光束被有效在水平及垂直兩個方向擴(kuò)展，保證系統(tǒng)具有較大的出瞳，而中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)I具有較小的口徑即可，使得系統(tǒng)質(zhì)量減輕。同時，合理的設(shè)計全息反射面的空間頻率，控制零級與衍射耦出級次的能量分布，可優(yōu)化光能的利用率，結(jié)合對光波導(dǎo)厚度t和材料折射率的選擇，可以控制光波在全息光波導(dǎo)內(nèi)的反射次數(shù)、出射光束的間隔V和H，減小人眼晃動產(chǎn)生的強(qiáng)度調(diào)制效應(yīng)。以下為光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計。
根據(jù)對傳統(tǒng)頭盔顯示系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)的比較，提出如下光學(xué)設(shè)計指標(biāo)
眼點(diǎn)距:25mm ；
視場角20。X15° ；
圖像源:O. 67 英寸；4:3 ；
出ρμ ι 瞪IOmm ；
光譜范圍495 530nm ；
整個系統(tǒng)采用逆向光路設(shè)計，中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)I承擔(dān)整個系統(tǒng)的光焦度，請參閱圖4所示，所述中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)I選用三片透鏡結(jié)構(gòu)，中間透鏡為雙膠合透鏡，為一平凸透鏡與一平凹透鏡膠合，以適當(dāng)補(bǔ)償全息光波導(dǎo)器件色差，兩側(cè)的第一片透鏡和第三片透鏡均為平凸透鏡，校正高級像差，且三片透鏡的凸面均為偶次非球面，且凸面均朝向水平全息光波導(dǎo)22。全息光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮，人眼的瞳孔直徑通常為3飛mm，因而某一視場出射光束的間隔必須小于3_，以免人眼晃動丟失視場，同時，盡可能減小同一視場出射光束的間隔V和H，均勻分配衍射能量，以減輕光強(qiáng)度調(diào)制效應(yīng)。由于進(jìn)入全息光波導(dǎo)的光為準(zhǔn)直的平行光，因而全息反射元件可以使用全息光柵的制作工藝。設(shè)計中的物光與參考光為平行光，其夾角、波長、感光材料決定全息面的空間頻率，選用He-Ne激光波長632. 8nm作為全息光波導(dǎo)的構(gòu)造波長；波導(dǎo)板材質(zhì)選用高折射率材料，全反射角相對較小，可減小出射光束間隔，但系統(tǒng)質(zhì)量將增大，這里選用K9玻璃。衍射級次及能量分布，第一全息反射面222和第三全息反射面242只起到耦合光波進(jìn)入對應(yīng)的全息光波導(dǎo)的作用，為保證耦合效率，減少或避免在該面上出現(xiàn)二次衍射，只使用一級衍射，第一全息反射面222和第三全息反射面242采用高效率的全息元件，該級衍射效率能夠接近100%，保證耦合進(jìn)入全息光波導(dǎo)的盡可能多的能量；通過設(shè)置全息光波導(dǎo)的厚度t，第一全息反射面222和第三全息反射面242的寬度，衍射角的大小，使得光波按預(yù)定光路傳輸需要，避免在第一全息反射面222和第三全息反射面242上出現(xiàn)二次衍射。第二全息反射面224和第四全息反射面244起到光波耦合出全息光波導(dǎo)和擴(kuò)展光束的作用，為保證足夠的能量耦出效率，設(shè)在第二全息反射面224和第四全息反射面244上，每次零級和一級衍射效率保持不變，對其零級和一級衍射效率按公式(I)分配；
權(quán)利要求
1.一種全息光波導(dǎo)頭藍(lán)顯不器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于包括中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)、全息光波導(dǎo)組件、顯示像源，顯示像源的光線經(jīng)中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直，之后，耦合進(jìn)入全息光波導(dǎo)組件，耦合出全息光波導(dǎo)組件的圖像以投影方式疊加在透過全息光波導(dǎo)組件的外部場景的光線上。
2.如權(quán)利要求I所述的全息光波導(dǎo)頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于全息光波導(dǎo)組件由兩個平板光波導(dǎo)組成水平全息光波導(dǎo)以及垂直全息光波導(dǎo)，水平全息光波導(dǎo)遠(yuǎn)離入射光的一面的兩端分別制作一個全息反射元件第一全息反射面、第二全息反射面，垂直全息光波導(dǎo)遠(yuǎn)離入射光的一面的兩端也分別制作一個全息反射元件第三全息反射面、第四全息反射面，水平全息光波導(dǎo)以及垂直全息光波導(dǎo)的板面相互垂直，且第二全息反射面平行于第三全息反射面。
3.如權(quán)利要求2所述的全息光波導(dǎo)頭藍(lán)顯不器光學(xué)系統(tǒng),其特征在于第一全息反射面將中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直后的光線耦合進(jìn)入水平全息光波導(dǎo)，光波在水平方向傳輸，傳輸?shù)降诙⒎瓷涿鏁r，部分光被衍射出水平全息光波導(dǎo)，零級光保持在水平全息光波導(dǎo)內(nèi)向前傳輸，每次遇到第二全息反射面則耦合出部分能量，水平全息光波導(dǎo)衍射耦合出的光能，被垂直全息光波導(dǎo)的第三全息反射面接收，耦合進(jìn)入垂直全息光波導(dǎo)，光波在垂直方向傳輸，當(dāng)傳輸?shù)降谒娜⒎瓷涿鏁r，部分光被衍射出垂直全息光波導(dǎo)，剩余零級光保持在垂直全息光波導(dǎo)向前傳輸。
4.如權(quán)利要求2所述的全息光波導(dǎo)頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)選用三片透鏡結(jié)構(gòu)，中間透鏡為雙膠合透鏡，兩側(cè)的第一片透鏡和第三片透鏡均為平凸透鏡，且凸面均朝向水平全息光波導(dǎo)。
5.如權(quán)利要求4所述的全息光波導(dǎo)頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述中間透鏡為一平凸透鏡與一平凹透鏡膠合，且凸面均朝向水平全息光波導(dǎo)。
6.如權(quán)利要求5所述的全息光波導(dǎo)頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述三片透鏡的凸面均為偶次非球面。
7.如權(quán)利要求I至6任一項所述的全息光波導(dǎo)頭藍(lán)顯不器光學(xué)系統(tǒng),其特征在于第一全息反射面和第三全息反射面使用正一級衍射，第二全息反射面和第三全息反射面使用負(fù)一級衍射，第二全息反射面和第四全息反射面上，每次零級和一級衍射效率保持不變。
8.如權(quán)利要求7所述的全息光波導(dǎo)頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述第二全息反射面和第四全息反射面上的零級和一級衍射效率按公式(I)分配；
9.如權(quán)利要求8所述的全息光波導(dǎo)頭藍(lán)顯不器光學(xué)系統(tǒng),其特征在于所述全息光波導(dǎo)頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計指標(biāo)為眼點(diǎn)距25臟；視場角20° X15° ;圖像源O. 67英寸；4:3 ；出瞳10_ ；光譜范圍495 530nm。
10.如權(quán)利要求7所述的全息光波導(dǎo)頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于選用He-Ne激光波長632. 8nm作為全息光波導(dǎo)組件的構(gòu)造波長；平板光波導(dǎo)選用K9玻璃。
全文摘要
本發(fā)明提供一種全息光波導(dǎo)頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)，由中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)、全息光波導(dǎo)組件、顯示像源構(gòu)成，顯示像源的光線經(jīng)中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直，之后，耦合進(jìn)入全息光波導(dǎo)組件，光波在經(jīng)過全息光波導(dǎo)組件傳輸時，光波部分衍射出全息光波導(dǎo)，同時，外部場景的光線透過全息光波導(dǎo)組件，用戶看到耦合出全息光波導(dǎo)的圖像以投影方式疊加在外部場景上。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于利用全息與波導(dǎo)技術(shù)，將全息與波導(dǎo)技術(shù)相結(jié)合，有效解決光路離軸傳輸問題，保證系統(tǒng)成像質(zhì)量，滿足成像清晰，小畸變，減小了系統(tǒng)的重量和體積，從而調(diào)高系統(tǒng)的綜合性能，解決了傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計與制造上難度大的問題。
文檔編號G02B27/01GK102928981SQ20121045709
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月14日
發(fā)明者田永明, 董戴 申請人:中航華東光電有限公司