專利名稱：全投入式頭盔顯示系統的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于光學成像系統，涉及一種頭盔顯示系統。
背景技術：
隨著現代戰斗機的機動性能不斷提高，空對空導彈朝著大離軸角(±30°)方向發展，光學瞄準具(視場角為10°)和平視顯示器(14°-18°)，因受其視場角的限制已不能完全滿足武器匹配的需要。因此，不受其視場角限制的頭盔瞄準具和頭盔顯示器已受到世界各國的重視，并相繼發展成為頭盔瞄準系統而成為航空火力控制系統中的一個重要組成部分。現代的頭盔顯示器根據需要，可以設計成護目型和透視型。護目型頭盔顯示器是將顯示器的圖像經過光學系統，成放大虛擬圖像，人眼只能看到顯示器上的圖案或信號成的虛像；而透視型頭盔顯示器是將經過放大的虛像投射到人眼前，疊加到現實的外界環境上，人眼可以同時觀看顯示器和外界景色。隨著軍事現代化的快速發展，頭盔顯示器在軍事上(比如單兵作戰和武裝直升機)占有越來越重要的作用，特別是八十年代前蘇聯研制出具備離軸發射能力R-73空對空導彈，并配備了頭盔顯示器后，世界各國都加大了對頭盔顯示器的研究力度。美國當時由于沒有離軸發射能力的導彈和擔心頭盔顯示器對駕駛員的負面影響，曾持觀望態度。但是隨著頭盔顯示器的重要性逐漸被認識到，美國也積極開展了這方面的研究工作，并利用其技術上的優勢，后來居上，并在眾多項目中進行了驗證試驗，并有望在未來幾年內裝備到F/A-18、F/A-15、F/A-16等飛機上。而中國目前還沒有這方面的產品。由于頭盔顯示器戴在駕駛員頭上，如果太重或重心設計的不好，就會使駕駛員的頸部在大過載機動或彈射時受傷。現在頭盔顯示器一般都使用CRT作為圖像源，而CRT有體積大、質量大、易碎等缺點；傳統的護目型頭盔顯示系統，包括目鏡和CRT顯示器；其中目鏡一般都采用Erfle目鏡，其結構如圖1所示，包括雙膠合透鏡組1-1、透鏡1-2和雙膠合透鏡組1-3、孔徑光闌1-4、像面1-5。
發明內容
傳統護目型頭盔顯示系統中使用CRT作為圖像源，它有體積大、易碎、質量大、分辨率低、視場較小和且有高壓連接等問題，而且與之相匹配的目鏡視場也較小，為了解決傳統護目型頭盔顯示系統視場小，質量大、且有高壓給使用者帶來危險和使用不方便的問題，本實用新型的目的是將要提出一種大視場、質量輕、使用安全并方便的全投入式頭盔顯示系統。
為了實現上述目的，本實用新型采用的技術方案，第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、透鏡組、孔徑光闌和顯示器，沿著光線傳播方向依次放置孔徑光闌、第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、透鏡組和顯示器；孔徑光闌的出光面與第一透鏡的輸入面有一定距離且相對放置；第一透鏡的輸出面與第二透鏡的輸入面相對放置；第二透鏡的輸出面與第三透鏡的輸入面相對放置；第三透鏡的輸出面與透鏡組的輸入面相對放置；透鏡組的輸出面與顯示器的輸入面相對放置。
本實用新型工作時，顯示器的光信息通過透鏡組、第三透鏡、第二透鏡、第一透鏡、孔徑光闌在光信息傳播的反方向處呈現大屏幕圖像。
本實用新型的全投入式頭盔顯示系統采用OLED或AMLCD作為圖像源，它有體積小、質量輕、分辨率高、視場較大和且無高壓連接，與之相匹配的目鏡系統的體積也小，質量輕，例如根據OLED微顯示器設計出瞳直徑為6mm、眼點距為20mm和全視場為50°頭盔顯示系統。對于本實用新型，要求具有大出瞳直徑和大眼點距的目鏡，而且還要求具有小尺寸、高像素的微顯示器；上述小尺寸、高像素的一般要求采用短焦距的光學系統，而大出瞳直徑和大眼點距的目鏡一般要求采用長焦距的光學系統。當要采用小尺寸、高像素的微顯示器，同時具有大出瞳直徑和大眼點距的目鏡，必然會導致很大的入射角和投射高，從而引起很大的高級像差，所以本實用新型采用的結構特殊之處在于用第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡三個透鏡來壓縮光線，第一透鏡和第五透鏡來平衡由于第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡產生的像差，特別是場曲、球差、色差；第一透鏡和第五透鏡的兩個彎曲面產生一定的正場曲以平衡其他透鏡產生的負場曲；第一透鏡和第五透鏡還用來產生正色差來平衡正透鏡即第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡產生負色差；從而獲得大出瞳直徑、大眼點距和大視場的目鏡系統；結合上述的OLED微顯示器和目鏡系統，就使得組合而成的全投入式型頭盔顯示系統視場大、質量輕、體積小、使用安全并方便。
圖1是傳統的Erfle目鏡光學系統結構示意圖圖2是本實用新型的一種實施例結構示意圖圖3是本實用新型的一種實施例中透鏡組4的示意圖圖4A、4B、4C、4D、4E是本實用新型一種實施例的像質分析圖具體實施方式
結合附圖2，對本實用新型的實施做進一步說明一種實施例包括第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3、透鏡組4、孔徑光闌5和顯示器6。本實用新型工作波段為可見光波段，設計時采用0.656μm的C光、0.587μm的D光、0.486μm的F光；目鏡的出瞳直徑為6mm，全視場角為50°(40°×30°)，出瞳距為20mm；系統總長60mm-75mm(包括出瞳距)。
采用反向設計，即從-2米遠的虛擬圖像(由于太遠，在圖中沒有畫出)開始，以全視場角50°到達孔徑光闌5，再從孔徑光闌5按正方向(往右方向)傳播，經過第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3和透鏡組4，到達顯示器6。其中孔徑光闌5代表人眼，孔徑光闌5可采用直徑為6mm的孔徑光闌，孔徑光闌5的出光面與第一透鏡1的輸入面有20mm距離且相對放置；第一透鏡1采用彎月形凹透鏡或平凸透鏡，第一透鏡1的輸出面與第二透鏡2的輸入面有0.2mm-0.3mm的距離并相對放置；第二透鏡2采用彎月形凹透鏡或雙凸透鏡，第二透鏡2的輸出面與第三透鏡3的輸入面有0.2mm-0.3mm的距離并相對放置；第三透鏡3采用雙凸透鏡或彎月形凸透鏡，第三透鏡3的輸出面與透鏡組4的輸入面有0.2mm-0.3mm的距離并相對放置；透鏡組4含有第四透鏡7、第五透鏡8、第六透鏡9；第四透鏡7采用雙凸透鏡或彎月形凸透鏡，第四透鏡7的輸出面與第五透鏡8的輸入面膠合；第五透鏡8采用雙凹透鏡或彎月形凸透鏡，第五透鏡8的輸出面與第六透鏡9的輸入面膠合；第六透鏡9采用雙凸透鏡或彎月形凸透鏡。透鏡組4的輸出面與顯示器6的輸入面有1.6mm-3.3mm的距離并相對放置，顯示器6采用有機電致發光二極OLED，尺寸為12mm×9mm、全彩、分辨率為800(×3)600、亮度＞70cd/m2、帶有RGB接口，可直接與計算機連接，顯示器6還可采用液晶顯示器AMLCD。
第二透鏡2、第三透鏡3和第四透鏡7的折射率選擇為1.6-1.8、阿貝數為50-65的冕牌玻璃。第一透鏡1和第五透鏡8的折射率選擇為1.6-2.0、阿貝數為20-40的重火石玻璃。第六透鏡9折射率選擇為1.6-1.8，阿貝數為50-65的冕牌玻璃。
第一透鏡1可采用ZF14、ZF13、ZF7、ZLAF3或ZLAF2等重火石玻璃；第二透鏡2可采用LAK12、LAK10、LAK8、ZK14或LAK7等冕牌玻璃；第三透鏡3可采用LAK12、LAK10、LAK8、ZK14或LAK7等冕牌玻璃；第四透鏡7可采用LAK12、LAK8、ZK14、LAK10或LAK7等冕牌玻璃；第五透鏡8可采用ZF14、ZF13、ZF7、ZLAF3或ZLAF2等重火石玻璃；第六透鏡9可采用LAK4、ZK14、ZK9、ZBAF1或LAK21等冕牌玻璃。
本實用新型設計時，按虛擬圖象到眼睛，再到顯示器方向進行設計，所用的透鏡全部采用球面鏡；第二透鏡2、第三透鏡3用來壓縮光線，為了不產生過大高級像差，采用高折射率低色散的冕牌玻璃，同時為了有利于減小場曲，應讓兩透鏡之間盡量進行密接，這樣也有利于減小斜光束在第三透鏡3上的投射高。采用高折射率高色散的玻璃，形狀采用彎月形負透鏡，以便補償第二透鏡2、第三透鏡3和第四透鏡7產生的色差；同時產生正場曲，抵消系統后面負場曲。透鏡組4采用三膠合透鏡組，第四透鏡7也用來壓縮光線；第五透鏡8用來產生正色差和正場曲，用來補償第二透鏡2、第三透鏡3和第四透鏡7產生的負色差和負場曲；第六透鏡9用來平緩輸出光線。在整個設計開始階段，即設計第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3時應使當時系統的彗差和像散達到最小。
圖4A、4B、4C、4D、4E是本實用新型的像質分析圖，其中圖4A為垂軸像差、圖4B為軸向像差、圖4C為垂軸色差、圖4D為光學傳遞函數、圖4E為波前差。目鏡系統全視場為50°(40°×30°)，設計時目鏡系統全視場的比例尺可分為0、0.5、0.7、0.85、1五個視場；子午和弧矢方向對應顯示器按4∶3設計，具體的視場分別為視場1子午0.00度、弧矢0.00度，視場2子午10.00度、弧矢7.50度，視場3子午14.00度、弧矢10.50度，視場4子午17.00度、弧矢12.75度，視場5子午20.00度、弧矢15.00度；圖中除了標出或經過說明外的其它單位均為mm。圖4A中，共有10個圖，分五個視場；每個視場的第一個圖為子午方向，第二個圖為弧矢方向；圖中橫坐標代表孔徑光闌5的口徑，最大尺寸為3mm；縱坐標代表像差大小，最大尺寸為50μm；圖4B為軸向像差；圖中橫坐標代表軸向像差大小；縱坐標代表孔徑光闌5口徑，最大尺寸3mm；圖4C為垂軸色差，圖中橫坐標代表垂軸色差大小，單位為μm；縱坐標代表視場，單位為度，最大半視場為25度；圖中兩個垂軸線代表衍射斑的大小。圖4D為光學傳遞函數，圖中橫坐標代表空間線對數(單位線對/mm)；縱坐標代表MTF值，每格為0.1；圖中每個視場的MTF曲線中前一個為子午方向的MTF，后一個為弧矢方向的MTF。圖4E為波前差，表示D光在視場1的波前差為0.45個D光波長。
權利要求1.全投入式頭盔顯示系統，其特征在于包括有第一透鏡(1)、第二透鏡(2)、第三透鏡(3)、透鏡組(4)、孔徑光闌(5)和顯示器(6)，沿著光線傳播方向依次放置孔徑光闌(5)、第一透鏡(1)、第二透鏡(2)、第三透鏡(3)、透鏡組(4)和顯示器(6)；孔徑光闌(5)的出光面與第一透鏡(1)的輸入面有一定距離且相對放置；第一透鏡(1)采用彎月形凹透鏡或平凸透鏡，第一透鏡(1)的輸出面與第二透鏡(2)的輸入面相對放置；第二透鏡(2)采用彎月形凹透鏡或雙凸透鏡，第二透鏡(2)的輸出面與第三透鏡(3)的輸入面相對放置；第三透鏡(3)采用雙凸透鏡或彎月形凸透鏡，第三透鏡(3)的輸出面與透鏡組(4)的輸入面相對放置；透鏡組(4)的輸出面與顯示器(6)的輸入面相對放置。
2.根據權利要求1所述的全投入式頭盔顯示系統，其特征在于，透鏡組(4)含有第四透鏡(7)、第五透鏡(8)、第六透鏡(9)；第四透鏡(7)采用雙凸透鏡或彎月形凸透鏡，第四透鏡(7)的輸出面與第五透鏡(8)的輸入面膠合；第五透鏡(8)采用雙凹透鏡或彎月形凸透鏡，第五透鏡(8)的輸出面與第六透鏡(9)的輸入面膠合；第六透鏡(9)采用雙凸透鏡或彎月形凸透鏡。
3.根據權利要求1所述的全投入式頭盔顯示系統，其特征在于，第二透鏡(2)、第三透鏡(3)、第四透鏡(7)和第六透鏡(9)的折射率選擇為1.6-1.8、阿貝數為50-65的冕牌玻璃；第一透鏡(1)和第五透鏡(8)的折射率選擇為1.6-2.0、阿貝數為20-40重火石玻璃。
專利摘要本實用新型屬于全投入式頭盔顯示系統，包括孔徑光闌5、第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3、透鏡組4和顯示器6，當采用小尺寸、高像素的微顯示器，同時具有大出瞳直徑和大眼點距的目鏡，必然會導致很大的入射角和投射高，從而引起很大的高級像差，本實用新型用第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡來壓縮光線，第一透鏡和第五透鏡來平衡由于第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡產生的像差，從而獲得大出瞳直徑、大眼點距和大視場的目鏡系統；采用OLED顯示器或AMLCD顯示器作為圖像源，它有體積小、質量輕、分辨率高、視場較大和且無高壓連接，與之相匹配的目鏡系統組合成頭全投入式盔顯示系統體積小，質量輕、使用安全并方便。
文檔編號G02B27/02GK2840093SQ200520029310
公開日2006年11月22日 申請日期2005年10月12日 優先權日2005年10月12日
發明者孫強, 葛振杰 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所