專利名稱：基于防毒面具的折反式頭盔顯示器的光學系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學系統(tǒng)，具體是一種頭盔顯示器的光學系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
頭藍顯示器(Head Mounted Display)簡稱HMD分為半投型與全投型，它能將小型二維顯示器所產(chǎn)生的圖像經(jīng)由光學系統(tǒng)放大，將準直圖像顯示到無窮遠或是足夠遠的地方，成幾米之外數(shù)十米的屏幕效果。由于頭戴顯示裝置安裝在觀察者的頭部，因此它必須緊湊和輕量化，以減輕觀察者的負載。隨著觀察視場的增加，觀察范圍也會增加，觀察者才能更全神貫注的觀察優(yōu)質(zhì)的動態(tài)圖像。對于頭戴顯示器系統(tǒng)而言，大視場也是相當重要的。光學系統(tǒng)的視場、出瞳直徑，焦距三者之間是相互制約的關(guān)系，同時達到大視場、大出瞳直徑和短焦距相當困難。1968年世界上第一個真正意義上的頭盔顯示器為軍用頭盔顯示器，即美國ARPA·信息處理技術(shù)辦公室主任Ivan Sutherland開發(fā)的“達摩克里斯之劍”頭盔顯示器。原先主要為戰(zhàn)機和戰(zhàn)車駕駛員配備，而現(xiàn)在，無論是戰(zhàn)斗機、直升機還是單兵所戴的頭盔不單是保護裝置，飛速發(fā)展的科技技術(shù)將多種功能凝聚在頭盔里，使其成為幫助使用者操縱飛機、瞄準、獲取地圖信息等設(shè)備的得力助手，是使用者與其武器、基地之間的重要紐帶。另外，民用頭盔顯示器在虛擬技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)中的地位也十分重要。由于顯示系統(tǒng)是安裝在頭盔上的，因此對重量及體積要求非常高，另外如果是單兵使用，則對可靠性提出更嚴格的要求。盡管國標和國軍標沒有對光學系統(tǒng)的出瞳距沒有確切的要求，但《GJB_1323-1991_光學觀測儀器通用規(guī)范》的3. 2. 3. 4指出根據(jù)產(chǎn)品的用途確定出瞳距離或眼點距離，保護操作人員眼睛不被撞傷，且在戴上防毒面具時亦能觀察。頭盔顯示器(HMD)就如便攜式顯示器，它能使人手得到解放。在危險的核生化(NBC)現(xiàn)場，士兵或工程人員通常要攜帶專業(yè)設(shè)備、維修工具、武器，或者要背負傷員，或者需要攀爬等，而又要經(jīng)常與外界進行視頻通信，此時雙手的解放具有非常大的意義。另外，NBC現(xiàn)場的環(huán)境比較惡劣、復雜，通常還伴隨著濃煙、濃霧，工作人員的視線受到阻礙，對維修工作與搜救工作帶來困難。如果給HMD配備熱成像儀、夜視攝像頭等成像設(shè)備，能大大提高工作人員的工作效率，降低其危險程度。發(fā)表在《IFAWC2006,Mobile Research Center, TZI University Bremen. Germany))(德國不來梅大學奧茲移動研究中心IFAWC2006)上的文章《Head Mounted Display forFire Fighters》(消防員佩戴的顯示器)，為針對消防員設(shè)計的HMD系統(tǒng)，也涉及了 NBC操作員的HMD系統(tǒng)，這種HMD為全投式的，其只有單通道，不能同時觀看外界信息。而且其為了減小阻擋視線，HMD的零視場主光線與人眼正前方視線方向偏角很多，人眼在觀看時需要轉(zhuǎn)動很大角度，長時間觀看會非常疲勞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就是針對現(xiàn)在技術(shù)的不足，提供一種基于防毒面具的頭盔顯示器的光學系統(tǒng)，其具有雙通道，能有效校正像差提高像質(zhì)具備最佳人機功效。本發(fā)明采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題的本發(fā)明的防毒面具頭盔顯示器的二元光學系統(tǒng)采用一個超環(huán)面反射鏡以及中繼系統(tǒng)組成，反射鏡有超環(huán)面，對微型顯示屏的中心波長具有高的反射率，其他波長的光束能量以透射為主，這樣即可達到雙通道的目的。由于防毒面具的可用空間比較小，其他設(shè)計的反射鏡置于人眼正前方視線方向偏下位置，而本發(fā)明的反射鏡置于人眼正前方視線方向偏下位置，中繼系統(tǒng)及微型顯示屏置于人頭的側(cè)面。優(yōu)選的，所述的反射鏡鍍有窄帶高反膜，對微型顯示屏的的中心波長具有高的反射率，其他波長的光束能量以透射為主。所述窄帶高反膜對494-544nm波段的光的反射率大于70%，其它可見光波段的透過率大于90%。更優(yōu)選的，所述的反射鏡的機械軸與零視場的主光線的傾角為零，以達到折轉(zhuǎn)光軸的目的。 優(yōu)選的，本發(fā)明中的微型顯示屏使用OLED微型顯示屏，出射光為單波長。優(yōu)選的，所述的中繼系統(tǒng)由四片透鏡組成，至少兩片機械軸均相互傾斜與偏心，最優(yōu)的，四片透鏡的機械軸均相互傾斜與偏心，以補償反射鏡的離軸像差，微型顯示屏也需要相對于光軸進行傾斜旋轉(zhuǎn)，即所述的微型顯示屏的機械軸與光軸的夾角不為零。上述中繼系統(tǒng)的四片透鏡中有一片為膠合鏡，膠合鏡的目的為校正一定的色差。上述中繼系統(tǒng)內(nèi)依次包括負透鏡、第一正透鏡、膠合鏡，以及第二正透鏡，光線從微型顯示屏發(fā)出后進入負透鏡，并從第二正透鏡進入反射鏡，第二正透鏡靠近反射鏡的一面為平面，方便封裝，負透鏡、第一正透鏡和膠合鏡均是平面作為入射面。優(yōu)選的，上述的膠合鏡由兩種不同材料組成。光線從微型顯示屏發(fā)出，依次經(jīng)過中繼系統(tǒng)、反射鏡，最后進行人眼瞳孔處。從微型顯示屏發(fā)的光線經(jīng)過中繼系統(tǒng)后，形成一中間像，該中間像由于中繼系統(tǒng)的偏心傾斜而具有一定的離軸像差；光線進入反射鏡，中繼系統(tǒng)產(chǎn)生的離軸像差與反射鏡產(chǎn)生的離軸像差相互補償，每個視場的光線被反射鏡準直后變成平形光，交匯于人眼瞳孔處。當像面位于無窮遠時，頭盔顯示器的角分辨率為
權(quán)利要求
1.一種防毒面具頭盔顯示器的二元光學系統(tǒng)，其特征在于采用一個超環(huán)面反射鏡以及中繼系統(tǒng)組成，反射鏡有超環(huán)面，光線從微型顯示屏發(fā)出，依次經(jīng)過中繼系統(tǒng)、反射鏡，最后進行人眼瞳孔處。
2.如權(quán)利要求I所述的防毒面具頭盔顯示器的二元光學系統(tǒng)，其特征在于所述的反射鏡鍍有窄帶高反膜，對微型顯示屏的的中心波長具有高的反射率，其他波長的光束能量以透射為主。
3.如權(quán)利要求I所述的防毒面具頭盔顯示器的二元光學系統(tǒng)，其特征在于所述的反射鏡的機械軸與零視場的主光線的傾角為零。
4.如權(quán)利要求I所述的防毒面具頭盔顯示器的二元光學系統(tǒng)，其特征在于所述微型顯示屏使用OLED微型顯示屏，出射光為單波長。
5.如權(quán)利要求I所述的防毒面具頭盔顯示器的二元光學系統(tǒng)，其特征在于所述的中繼系統(tǒng)由四片透鏡組成，至少兩片機械軸均相互傾斜與偏心。
6.如權(quán)利要求5所述的防毒面具頭盔顯示器的二元光學系統(tǒng)，其特征在于所述四片透鏡的機械軸均相互傾斜與偏心，所述的微型顯示屏的機械軸與光軸的夾角不為零。
7.如權(quán)利要求5或6所述的防毒面具頭盔顯示器的二元光學系統(tǒng)，其特征在于所述中繼系統(tǒng)的四片透鏡中有一片為膠合鏡。
8.如權(quán)利要求7所述的防毒面具頭盔顯示器的二元光學系統(tǒng)，其特征在于所述中繼系統(tǒng)內(nèi)依次包括負透鏡、第一正透鏡、膠合鏡，以及第二正透鏡，光線從微型顯示屏發(fā)出后進入負透鏡，并從第二正透鏡進入反射鏡，第二正透鏡靠近反射鏡的一面為平面，負透鏡、第一正透鏡和膠合鏡均是平面作為入射面。
9.如權(quán)利要求7所述的防毒面具頭盔顯示器的二元光學系統(tǒng)，其特征在于所述膠合鏡由兩種不同材料組成。
10.如權(quán)利要求I所述的防毒面具頭盔顯示器的二元光學系統(tǒng)，其特征在于所述光學系統(tǒng)的設(shè)計輸入如下有效焦距36. 3mm ;視場角25° ;出瞳距40mm ;出瞳直徑8mm ;波長494 544nm ;分辨率30 lp/ mm時各視場均大于O. 3 ;亮度非均勻性< 20% ;畸變< 5%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種防毒面具頭盔顯示器的二元光學系統(tǒng)，其特征在于采用一個超環(huán)面反射鏡以及中繼系統(tǒng)組成，反射鏡有超環(huán)面，光線從微型顯示屏發(fā)出，依次經(jīng)過中繼系統(tǒng)、反射鏡，最后進行人眼瞳孔處。本發(fā)明的優(yōu)點在于系統(tǒng)體積小、重量輕，由于反射鏡的機械軸與零視場的主光線的傾角為零，且反射面鍍窄帶高反膜，可實現(xiàn)雙通道顯示，由于采用雙通道方式顯示，整個頭盔顯示器對視野的阻擋極小，并且觀看時人眼可以不需要偏轉(zhuǎn)角度，提高舒適性。
文檔編號G02B27/01GK102928980SQ20121045687
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)明者藍景恒, 董戴 申請人:中航華東光電有限公司