專利名稱：一種折衍混合光學系統及使用該系統的頭盔顯示器的制作方法
技術領域：
本發明涉及光學系統技術領域，特別涉及士兵用頭盔顯示器減小體積和重 量、提高像質的光學技術。
技術背景在現代化戰爭中，對各種軍事裝備、設施都提出了適應現代化戰爭需要的、 更加嚴格的要求。為適應這種變化及提高部隊殺傷力、機動性和生存能力，世界各國已興起了開發士兵作戰系統的浪潮。現有技術士兵頭盔顯示器(HMD)的 光學系統有兩種方式 一種如圖1所示，采用傳統的蔡司目鏡；有機電致發光 顯示器(0LED) 9中的圖像經透鏡10、 ll放大，人眼在出瞳8處觀察到經放大 的虛像。另一種如圖2所示，有機電致發光顯示器14中的圖像的光線通過透鏡 12再經過分束鏡15反射射向凹面反射鏡13，從凹面反射鏡13反射的光透過分 束鏡15，最后進入出瞳8 (人眼)。在頭盔顯示器(HMD)領域，佩戴者希望它 能顯示彩色圖像，并且有較大的視場角和出瞳直徑以及較小的體積和重量。對 于現有的技術，增大光學系統視場角和出瞳直徑就必然增加系統的體積和重量， 這是一個不可解決的矛盾。另外為實現彩色顯示，光學系統就不得不引入折射 率不同光學材料組成的膠合透鏡，從而進一步增加系統體積和重量。而且現有 的光學技術在校正像差、影像放大和提高像質等方面存在有不足。 發明內容本發明要解決的技術問題就是針對以上現有技術的不足，設計的一種結構 簡單，實現彩色顯示，具有一定放大率，可有效校正像差，提高像質，適合士 兵用的頭盔顯示器的折衍混合光學系統。本發明技術的解決方案為-一種折衍混合光學系統，沿其光軸方向依次包括發光顯示器，折射衍射 混合透鏡，使光線偏轉90。的反射器以及透鏡。其中，所述發光顯示器為有機電致發光顯示器；所述折射衍射混合透鏡， 有二元光學元件置于平凸透鏡的平面上，該二元光學元件為8臺階浮雕結構； 所述反射器為直角反射棱鏡或全反射棱鏡；所述透鏡為具有一定光焦度和放大 率的透鏡。所述折衍混合光學系統，優選為，沿其光軸方向包括設于焦平面上的有 機電致發光顯示器，其發出的光線經過平凸透鏡的平面上設有二元光學元件的 折射衍射混合透鏡，進入直角反射棱鏡，經反射后通過透鏡，在出瞳處形成放 大虛像；即由有機電致發光顯示器發出的光線通過折射衍射混合透鏡后，進入 直角反射棱鏡，經過反射的光線通過透鏡，進入出瞳或人眼。本發明的折衍混合光學系統特別適用于現代士兵頭盔的顯示器，在士兵頭 盔的顯示器中，其光學系統沿光軸方向依次包括有機電致發光顯示器，折射 衍射混合透鏡，直角反射棱鏡以及透鏡，由有機電致發光顯示器發出的光線通 過折射衍射混合透鏡后，進入直角反射棱鏡，經過反射的光線透過透鏡，進入 人眼。此外，該顯示器還具有一保護內部結構的外殼，以及一與頭盔連接的頭盔 掛接件。頭盔顯示器光學系統中提高像質的方法，首先設于焦平面上的有機電致發 光顯示器所發出的光線，經折衍混合透鏡和直角棱鏡反射，由出瞳處觀察到成 放大虛像，在直角反射棱鏡和出瞳之間設有透鏡。其次所述處于焦平面上的有 機電致發光顯示器與直角反射棱鏡之間設有折衍混合透鏡。另外為了使頭盔顯示器光學系統體積縮小，采用了直角反射棱鏡折疊光線。本發明的技術優點在于結構簡單，實現彩色顯示，具有一定放大率，可有 效校正像差提高像質。
圖l:現有技術之一的光學原理示意圖； 圖2:現有技術之二的光學原理示意圖； 圖3:本發明原理示意圖；圖4:本發明形成的頭盔顯示器與士兵頭盔裝配的結構示意圖；圖5:二元光學元件的浮雕結構示意圖。附圖標記解釋圖l: 8—出瞳/人眼，9一有機電致發光顯示器，IO —透鏡一，11—透鏡二； 圖2: 8—出瞳/人眼，12—透鏡三，13 —凹面反射鏡，14一有機電致發光顯示器，15 —分束鏡；圖3: 3' —有機電致發光顯示器，5' —折衍混合透鏡，6' —直角反射棱鏡，7'一透鏡，8—出瞳/人眼；圖4: l一士兵頭盔，2—掛接件，3—有機電致發光顯示器，4一封裝外殼，5—折衍混合透鏡，6—直角反射棱鏡，7—透鏡，8—出瞳/人眼。
具體實施方式
由于HMD是一種安裝于頭盔上如圖4所示，為佩帶者提供舒適放大虛像的 目視光學系統。通常希望它具有較大的視場角和彩色顯示能力且體積小、重量 輕。在傳統光學系統(如圖1和圖2所示)中，很難實現既增大視場角、實現 彩色顯示又能減小光學系統體積和重量，因為對于傳統的光學系統實現彩色顯示，就必須引入折射率不同的光學材料組成的膠合透鏡校正色差，導致光學系 統重量增大。而為了增加視場角就要減小光學系統的焦距(減小凹面反射鏡的 半徑)，不得不增大光學系統口徑，導致系統體積增大。為此設計光學系統如圖3所示，在直角反射棱鏡和出瞳之間，增加了一片具有一定光焦度的透鏡。該透 鏡可以改善光學系統的性能，使得在保證光學系統口徑不增加的前提下，通過 減小光學系統焦距來達到增加光學系統視場角和出瞳直徑的目的。此外，該透 鏡還能起消像差、提高像質的作用。本發明的士兵頭盔顯示器光學系統如圖3、 4所示3或3，是有機電致發 光顯示器(0LED); 5或5'是折衍混合透鏡；6或6'是直角反射棱鏡；7或7' 是透鏡；8是出瞳(即人眼放置的位置)，4是頭盔顯示器光學系統的封裝外殼; 2是頭盔顯示器的掛接件。在該光學系統中，有機電致發光顯示器3或3'處于 光學系統的焦平面上，其發出的光通過折衍混合透鏡5或5'后，進入直角反射 棱鏡6或6'，從直角反射棱鏡6或6'反射的光線，透過透鏡7或7'，最后進 入出瞳8 (人眼)。OLED上的圖像經過光學系統成放大的虛像(處于無窮遠處), 人眼在出瞳位置處就可以觀察0LED上經放大的虛像。本發明關鍵之處在于， 一是直角反射棱鏡和出瞳之間有一個具有一定放大 率的透鏡，此透鏡能使整個光學系統的焦距減小，換言之增大了系統的視場角。 從而使整個畫面比不加透鏡時大許多；二是系統中引入了二元光學元件，即5' 虛線表示的平面。將二元光學元件置于平凸透鏡的平面上，可以顯著降低加工 難度，加工采用掩模工藝，用三塊掩模加工成8臺階結構，整個浮雕結構如圖5 所示，可以看出浮雕由一圈圈的凹槽組成，凹槽的一個側臂被雕刻成8個臺階， 所有凹槽深度相同，但寬度不同，這種結構可以使二元光學元件具有一定的光 焦度，從而實現其光學性能。二元光學元件的光焦度與光波長成正比，具有強烈的色散作用，單個二元光學 元件一般不用于具有一定帶寬的光成像。但它與普通透鏡以適當的方式混合時，色散作用可以相互抵消。因為二元光學元件的等效阿貝數大約為-3.452，而光 學玻璃的阿貝數都在20以上。因此在一個正透鏡表面上形成的二元光學元件可 以起到負透鏡的作用，給它以適當的光焦度就可以消色差，用于寬帶成像。另 外，二元光學元件具有任意相位分布特性，為光學設計提供更多的自由度來校 正系統的像差，提高光學系統的成像質量。再有，二元光學元件還具有平像場 的性質，當單個二元光學元件使用時，其場曲為零，不存在校正場曲的問題。 于是采用混合光學系統設計可以減少光學系統中的透鏡個數，縮小體積和減輕 重量。
權利要求
1、一種折衍混合光學系統，其特征在于，沿其光軸方向依次包括發光顯示器，折射衍射混合透鏡，使光線偏轉90°的反射器以及透鏡。
2、 根據權利要求l所述的折衍混合光學系統，其特征在于，所述發光顯示器為有機電致發光顯示器。
3、 根據權利要求1所述的折衍混合光學系統，其特征在于，所述折射衍射 混合透鏡，有二元光學元件置于平凸透鏡的平面上，該二元光學元件為8臺階 浮雕結構。
4、 根據權利要求1所述的折衍混合光學系統，其特征在于，所述反射器為 直角反射棱鏡或全反射棱鏡。
5、 根據權利要求1所述的折衍混合光學系統，其特征在于，所述透鏡為具 有一定光焦度和放大率的透鏡。
6、 根據權利要求1至5中任一項所述的折衍混合光學系統，其特征在于，由有機電致發光顯示器發出的光線通過折射衍射混合透鏡后，進入直角反射棱 鏡，經過反射的光線通過透鏡，進入出瞳或人眼。
7、 根據權利要求1至5中任一項所述的折衍混合光學系統，其特征在于， 沿其光軸方向包括設于焦平面上的有機電致發光顯示器，其發出的光線經過 平凸透鏡的平面上設有二元光學元件的折射衍射混合透鏡，進入直角反射棱鏡， 經反射后通過透鏡，在出瞳處形成放大虛像。
8、 一種士兵頭盔顯示器，其特征在于，該顯示器光學系統沿光軸方向依次包括有機電致發光顯示器，折射衍射混合透鏡，直角反射棱鏡以及透鏡。
9、 根據權利要求8所述的士兵頭盔顯示器，其特征在于，該顯示器具有一 保護內部結構的外殼，以及一與頭盔連接的頭盔掛接件。
10、 根據權利要求8或9所述的士兵頭盔顯示器，其特征在于，由有機電 致發光顯示器發出的光線通過折射衍射混合透鏡后，進入直角反射棱鏡，經過 反射的光線透過透鏡，進入人眼。
全文摘要
本發明涉及一種折衍混合光學系統及使用該系統的頭盔顯示器，該系統沿其光軸方向具有設于焦平面上的有機電致發光顯示器，其發出的光線經過平凸透鏡的平面上設有二元光學元件的折射衍射混合透鏡，進入直角反射棱鏡，經反射后通過透鏡，在出瞳處形成放大虛像，本發明關鍵之處在于，一是直角反射棱鏡和出瞳之間有一個具有一定放大率的透鏡，此透鏡能使整個光學系統的焦距減小，換言之增大了系統的視場角，從而使整個畫面比不加透鏡時大許多；二是系統中引入了二元光學元件；本發明的結構簡單，實現彩色顯示，具有一定放大率，可有效校正像差提高像質。
文檔編號G02B27/42GK101256285SQ20071030254
公開日2008年9月3日 申請日期2007年12月28日 優先權日2007年12月28日
發明者余曉芬, 吳華夏, 楊新軍 申請人:安徽華東光電技術研究所