一种用于头显的中继光学系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于头显的中继光学系统，包括从像方到物方依次同光轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜，其中，第三透镜和第四透镜组成胶合透镜组；该中继光学系统只包含六个透镜，其中不涉及其他的设备和装置，结构简单和紧凑，系统整体体积较小，进而系统重量较轻，有利于整机系统的小型化设计；并且该光学系统具有大相对孔径、宽光谱和较大视场的优点，其可靠性更高，能够有效校正光学系统的像差，成像质量优良。
【专利说明】
一种用于头显的中继光学系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于头显的中继光学系统，属于头盔显示器技术领域。
【背景技术】
[0002] 头蓝显示器(HMD，Head Mounted DisPfay)是一种固定在头蓝上，为使用者产生可 视图像的小型显示装置。因为头盔显示器系统具有引导雷达、激光、前视红外等探测设备快 速对准目标的能力，成为各个兵种的先进装备，这种由电子组件、显示组件、控制器等组成 的综合电子显示设备，能将飞行参数、瞄准攻击、自检测等信息，以图像、字符的形式，通过 光学部件投射到头盔上显示装置上。头盔显示技术在诸多领域展示出巨大的应用价值和发 展潜力。其中，穿透式头盔显示一直以来都是头盔显示技术研究的重点。基于护目镜成像是 目前主流的穿透式头盔显示技术，但是其光学系统笨重且占据着头盔内大量空间。对于传 统的头盔显示器，其中的中继光学系统体积和重量都较大，结构复杂，无法解决系统对视 场、出瞳等要求与小型轻量化之间的矛盾。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种用于头显的中继光学系统，用以解决传统头显的中继光 学系统体积和重量较大和结构复杂的问题。
[0004] 为实现上述目的，本发明的方案包括一种用于头显的中继光学系统，包括从像方 到物方依次同光轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜， 其中，第三透镜和第四透镜组成胶合透镜组；
[0005] 该光学系统的参数指标为:焦距F = 28.5mm，FN0=l，视场角为24° X19.2°，成像光 谱范围为425nm~650nm;
[0006] 所述第一透镜具有正的光焦度并凸向像方，所述第二透镜具有负的光焦度并凸向 像方，所述胶合透镜组具有负的光焦度，第五透镜为具有正的光焦度的双凸透镜，第六透镜 具有负的光焦度；
[0007] 第一透镜和第二透镜满足:-1 <Fl/F2<-0.69，第三透镜和第四透镜满足:-1. F3/F4彡-1，第五透镜和第六透镜满足:-1彡F5/F6彡-0.4,其中，F1为第一透镜的焦距值，F2 为第二透镜的聚焦值，F3为第三透镜的焦距值，F4为第四透镜的聚焦值，F5为第五透镜的焦 距值，F6为第六透镜的聚焦值。
[0008] 所述第一透镜满足:Nd 1彡1.7，Vdl < 55;所述第二透镜满足:Nd2彡1.9，Vd2< 21; 所述第五透镜满足:Nd5多1.9，Vd5 < 32;
[0009] 其中，Ndl为第一透镜材料的d光折射率，Vdl为第一透镜材料的d光阿贝常数，Nd2 为第二透镜材料的d光折射率，Vd2为第二透镜材料的d光阿贝常数，Nd5为第五透镜材料的d 光折射率，Vd5为第五透镜材料的d光阿贝常数。
[0010] 所述第一透镜靠近像方的表面为非球面，所述第二透镜靠近物方的表面为非球 面，所述第五透镜靠近物方的表面为非球面，所述第六透镜靠近像方的表面为非球面。
[0011] 所述第一透镜靠近像方的表面的曲率半径为17.49mm，所述第一透镜靠近物方的 表面的曲率半径为80.2_，所述第二透镜靠近像方的表面的曲率半径为51.16_，所述第二 透镜靠近物方的表面的曲率半径为21.66mm，所述第三透镜靠近像方的表面的曲率半径为 17.87mm，所述第三透镜靠近物方的表面的曲率半径为91.75mm，所述第四透镜靠近像方的 表面的曲率半径为91.75mm，所述第四透镜靠近物方的表面的曲率半径为13.59mm，所述第 五透镜靠近像方的表面的曲率半径为23.46mm，所述第五透镜靠近物方的表面的曲率半径 为-24.09mm，所述第六透镜靠近像方的表面的曲率半径为-13.34mm，所述第六透镜靠近物 方的表面的曲率半径为无穷大。
[0012] 所述第一透镜靠近像方的表面的中心厚度为8.9mm，所述第一透镜靠近物方的表 面的中心厚度为3.9mm，所述第二透镜靠近像方的表面的中心厚度为2_，所述第二透镜靠 近物方的表面的中心厚度为1.44_，所述第三透镜靠近像方的表面的中心厚度为4.3_，所 述第三透镜靠近物方的表面的中心厚度为1.7mm，所述第四透镜靠近像方的表面的中心厚 度为1.7mm，所述第四透镜靠近物方的表面的中心厚度为3.9mm，所述第五透镜靠近像方的 表面的中心厚度为8mm，所述第五透镜靠近物方的表面的中心厚度为1.8mm，所述第六透镜 靠近像方的表面的中心厚度为1.7mm，所述第六透镜靠近物方的表面的中心厚度为2_。 [0013]所述第一透镜材料的d光折射率为1.729，第一透镜材料的d光阿贝常数为54.669， 第二透镜材料的d光折射率为1.922，第二透镜材料的d光阿贝常数为20.882，第三透镜材料 的d光折射率为1.755，第三透镜材料的d光阿贝常数为52.329，第四透镜材料的d光折射率 为1.784，第四透镜材料的d光阿贝常数为25.754，第五透镜材料的d光折射率为1.903，第五 透镜材料的d光阿贝常数为31.318，第六透镜材料的d光折射率为1.664，第六透镜材料的d 光阿贝常数为35.475。
[0014] 所述第一透镜的口径为21.8mmX 17.5mm，第二透镜的口径为20mmX 15.7mm，第三 透镜的口径为18mmX 14mm，第四透镜的口径为18_X 14mm，第五透镜的口径为18_X 14mm， 第六透镜的口径为18_X 14mm。
[0015]所述第一透镜的材料为H-LAK52，第二透镜的材料为H-ZF62，第三透镜的材料为H-LAK53A，第四透镜的材料为ZF13，第五透镜的材料为H-LAF75A，第六透镜的材料为ZBAF4。 [0016] 所述中继光学系统的总长TTL为=40.4mm。
[0017] 本发明提供的中继光学系统中，只包含六个透镜，其中不涉及其他的设备和装置， 结构简单和紧凑，系统整体体积较小，进而系统重量较轻，有利于整机系统的小型化设计； 并且该光学系统具有大相对孔径、宽光谱和较大视场的优点，其可靠性更高，能够有效校正 光学系统的像差，成像质量优良。
【附图说明】
[0018] 图1是该中继光学系统的结构示意图；
[0019] 图2该中继光学系统的垂轴色差曲线图；
[0020] 图3该中继光学系统的轴向色差曲线图；
[0021]图4该中继光学系统的畸变曲线图；
[0022]图5该中继光学系统的网格畸变曲线图；
[0023]图6该中继光学系统的点列图曲线图；
[0024] 图7该中继光学系统的光学传递函数曲线图；
[0025] 图8是中继镜头拼接示意图。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
[0027] 本发明提供的中继光学系统用于头盔显示器。如图1中所示，像方处于该中继光学 系统的左方，物方处于该光学系统的右方。该中继光学系统包括从像方到物方依次同光轴 设置的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6,其 中，第三透镜L3和第四透镜L4组成胶合透镜组。所以，该光学系统中，透镜中的靠近像方的 表面为第一面，靠近物方的表面为第二面，而且，该光学系统中的透镜的顺序是按照从像方 到物方的方向依次布置的。另外，该光学系统还包括设置在第一透镜L1的第一面(靠近像方 的表面)上的孔径光阑（在图1中未示出）。图1中的flat glass相当于微显示器。
[0028]本发明提供的光学系统的参数为:焦距F = 28.5mm，FN0=l，视场角为24° X19.2。， 成像光谱范围为425nm~650nm〇
[0029]第一透镜L1，选取折射率相对较高的材料，并满足:Ndl多1.7，Vdl <55，这样设置 有利于减小后面透镜的口径，形成一个第一片透镜口径最大的光学系统，其中，Ndl为第一 透镜材料的d光折射率，Vd 1为第一透镜材料的d光阿贝常数，
[0030]第二片透镜L2的折射率较高，并满足:Nd2彡1.9，Vd2彡21，这样设置有利于校正整 个系统的像差，其中，Nd2为第二透镜材料的d光折射率，Vd2为第二透镜材料的d光阿贝常 数。
[0031]第五透镜L5，选取折射率相对较高的材料，并满足:Nd5多1.9，Vd5<32，这样设置 能快速会聚前两个负光焦度透镜过来的光线，且高色散材料能有效的补偿光学系统的色差 值，其中，Nd5为第五透镜材料的d光折射率，Vd5为第五透镜材料的d光阿贝常数。
[0032] 第一透镜L1和第二透镜L2满足下面的条件公式：
[0033] -1彡F1/F2彡-0.69
[0034]其中F1表示的是第一透镜L1的焦距值，F2表示的是第二透镜L2的聚焦值，这样设 置的原因是:如果当Fl/F2〈-0.69，第一透镜光焦度过大，使得第一透镜曲率半径过小，增加 了高级像差；当Fl/F2>-1，此时进入第二透镜元件的口径过大，满足不了第一片透镜口径最 大的使用要求。
[0035]第三透镜L3和第四透镜L4满足下面的条件公式：
[0036] -1.5^F3/F4^-1
[0037]其中F3表示的是第三透镜L3的焦距值，F4表示的是第三透镜L4的聚焦值，这样设 置有利于校正像差，第三透镜L3和第四透镜L4采用双胶合的形式可以补偿色散，校正色差。
[0038] 第五透镜L5和第六透镜L6满足下面的条件公式：
[0039] -1 彡 F5/F6 彡-0.4
[0040]其中F5表示的是第五透镜L5的焦距值，F6表示的是第六透镜L6的聚焦值，这样设 置的原因是:如果当F5/F6〈-l，影响远心特性和像差特性劣化，且增加了第四透镜L4的敏感 度；当F5/F6>-0.4,影响入射到第五透镜L5的光线高度，从而产生高级像差，增加第五透镜 L5的敏感度。
[0041]本实施例中，
[0042]如图1所示，第一透镜L1具有正的光焦度(光焦度也称为屈光力)并凸向像方，具体 为:透镜L1的表面1凸出，表面2凹进;第二透镜L2具有负的光焦度并凸向像方，具体为:透镜 L2的表面3凸出，表面4凹进;第三透镜L3和第四透镜L4组成的胶合透镜组具有负的光焦度； 第五透镜L5为具有正的光焦度的双凸透镜，其两个表面8和9均凸出；第六透镜L6具有负的 光焦度，表面10凹进，表面11为平面。
[0043] 所以，在该光学系统构造中，从像方到物方的顺序，透镜设置的顺序依次为:具有 正屈光力、负屈光力、负屈光力（这里是指胶合透镜组）、正屈光力和负屈光力，通过适当地 分配屈光力，能够使得该光学系统紧凑。
[0044] 另外，第一透镜L1的表面1、第二透镜L2的表面4、第五透镜L5的表面9及第六透镜 L6的表面10为非球面，以改善系统的分辨率并减小畸变像差和球面像差，因此可以实现具 有优良光学特性的紧凑的光学系统。其余的表面可以是球面、非球面或者自由曲面。
[0045] 关于第二透镜L2,在表面4处采用高次的非球面面型，第二透镜L2出射的光以小的 角度输出，并扩展光束在透镜表面的口径，从而在每个场中光束彼此不重叠，因此可以改善 像差。
[0046]由于第三透镜L3和第四透镜L4为胶合透镜组，第三透镜L3的第二面与第四透镜L4 的第一面重合，所以，第三透镜L3的第二面与第四透镜L4的第一面的参数相同，同为表面6。 [0047]由像方开始，将各个透镜的表面依次编号，表面n的曲率半径为rn，即第一透镜L1 的镜面曲率为rl、r2，第二透镜L2的镜面曲率半径为r3、r4，第三透镜L3的镜面曲率半径为 r5，r6，第四透镜L4的镜面曲率半径为r6，r7，第五透镜L5的镜面曲率半径为r8，r9，第六透 镜L6的镜面曲率半径为rl0，rll。
[0048] 表1给出该光学系统的其中一组具体参数。
[0049] 表 1
[0051]表1中的打号的镜面为非球面。
[0052]非球面镜面的公式为：
[0054]式中：Z为非球面沿光轴方向在高度为h的位置时，距非球面定点的距离矢高sag，c =1八4表示镜面的曲率半径汰为圆锥系数(3〇111(3 4,8，(：，04^均为高次非球面系数，而表 中系数中的E代表科学记号，比如:E_05表不10一5。
[0055] 高次非球面系数六，8，(：，04^具体见表2。
[0056]表2
[0059] 另外，第一片透镜L1的口径为21 ? 8mmX 17 ? 5mm，材料为H-LAK52;第二片透镜L2的 口径为20mm X 15 ? 7mm，材料为H-ZF62 ;第三片透镜L3的口径为18mm X 14mm，材料为H-LAK5 3A;第四片透镜L4的口径为18mm X 14mm，材料为ZF13;第五片透镜L5的口径为18mm X 14mm，材料为H-LAF75A;第六片透镜L6的口径为18mm X 14mm，材料为ZBAF4。
[0060] 图2至图7为该光学系统的光学性能曲线图，图2为垂轴色差曲线图，采用425nm、 560nm、650nm三色光的波长来表示，单位为微米，为系统的垂轴色差，在全视场范围内，考虑 所有的波长，最大的色差在〇 . 5视场，大小为5微米，；如果只考虑0LED的三个主波长，即 45311111、550腦、60011111，色差减小到3.5微米。图3为轴向色差曲线图，最大的轴向色差为40微 米，波长为420nm和650nm。图4为畸变曲线图，表示不同视场角情况下的畸变值，单位为％， 采用425nm、560nm、650nm三色光的波长来表示，最大的畸变值为0.8视场。图5为网格畸变 图，最大的网格畸变为1.01 %。图6代表点列图，所设计的光学系统全视场的RMS值，其中最 大的RMS直径为边缘视场，数值为24.6微米。图7为光学传递函数，代表一个光学系统的综合 水平，〇度视场，7.68度视场，10.86度视场MTF>0.05@53mm/lp。边缘视场出现截止的情况，但 此系统为目视系统，人眼观测时，并不影响实际使用。
[0061] 另外，在保证大相对孔径的设计要求的同时尽量保证物方的远心特性，以保证照 度的均匀性。
[0062] 本发明提供的中继光学系统具有以下特点：相对孔径较大，为1/1.02;视场角较 大，为24° X19.2° ;部分表面使用非球面，有利于校正像差，减小光学系统总长，总长小于或 者等于42mm;结构紧凑，有利于整机系统的小型化设计;成像光谱范围宽，为425nm~650nm， 可得到较宽的光谱特性；宽光谱、较大视场，能够使成像质量优良；总长TTL = 40.4mm;与现 有传统的头显中的中继光学系统相比，视场更大，眼盒更大，可靠性更高，可以有效校正光 学系统的像差，大相对孔径和小畸变。
[0063]另外，该光学系统能够进行拼接，如图8所示，利用多个该中继光学系统可用于大 出瞳显示系统，图8中，I为像源，即物方，n为中继光学系统组，通过对该中继光学系统的具 体设置，能够使出瞳形状为方形，且第一片透镜口径最大，其余透镜口径小于第一片透镜口 径，可实现在第一片透镜处的拼接，即出瞳处的拼接，实现结构紧凑、重量轻的大出瞳准直 显示系统。
[0064]以上给出了该光学系统的一种具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施 方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教 导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动，比如:各个透镜的厚度、 大小、形状等均可以根据具体情况进行改变。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实 施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种用于头显的中继光学系统，其特征在于，包括从像方到物方依次同光轴设置的 第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜，其中，第三透镜和第四透 镜组成胶合透镜组； 该光学系统的参数指标为:焦距F = 28.5mm，FN0= 1，视场角为24° X 19.2°，成像光谱范 围为425nm ~650nm; 所述第一透镜具有正的光焦度并凸向像方，所述第二透镜具有负的光焦度并凸向像 方，所述胶合透镜组具有负的光焦度，第五透镜为具有正的光焦度的双凸透镜，第六透镜具 有负的光焦度； 第一透镜和第二透镜满足:-1彡F1/F2彡-0.69，第三透镜和第四透镜满足:-1.5彡F3/ F4彡-1，第五透镜和第六透镜满足:-1彡F5/F6彡-0.4,其中，Fl为第一透镜的焦距值，F2为 第二透镜的聚焦值，F3为第三透镜的焦距值，F4为第四透镜的聚焦值，F5为第五透镜的焦距 值，F6为第六透镜的聚焦值。2. 根据权利要求1所述的用于头显的中继光学系统，其特征在于，所述第一透镜满足： Ndl彡1.7，Vdl<55;所述第二透镜满足:M2多1.9，Vd2<21;所述第五透镜满足:Nd5多1.9， Vd5^32； 其中，Ndl为第一透镜材料的d光折射率，Vdl为第一透镜材料的d光阿贝常数，Nd2为第 二透镜材料的d光折射率，Vd2为第二透镜材料的d光阿贝常数，Nd5为第五透镜材料的d光折 射率，Vd5为第五透镜材料的d光阿贝常数。3. 根据权利要求1或2所述的用于头显的中继光学系统，其特征在于，所述第一透镜靠 近像方的表面为非球面，所述第二透镜靠近物方的表面为非球面，所述第五透镜靠近物方 的表面为非球面，所述第六透镜靠近像方的表面为非球面。4. 根据权利要求1或2所述的用于头显的中继光学系统，其特征在于，所述第一透镜靠 近像方的表面的曲率半径为17.49_，所述第一透镜靠近物方的表面的曲率半径为80.2_， 所述第二透镜靠近像方的表面的曲率半径为51.16mm，所述第二透镜靠近物方的表面的曲 率半径为21.66mm，所述第三透镜靠近像方的表面的曲率半径为17.87mm，所述第三透镜靠 近物方的表面的曲率半径为91. 75mm，所述第四透镜靠近像方的表面的曲率半径为 91.75mm，所述第四透镜靠近物方的表面的曲率半径为13.59mm，所述第五透镜靠近像方的 表面的曲率半径为23.46mm，所述第五透镜靠近物方的表面的曲率半径为-24.09mm，所述第 六透镜靠近像方的表面的曲率半径为-13.34mm，所述第六透镜靠近物方的表面的曲率半径 为无穷大。5. 根据权利要求1或2所述的用于头显的中继光学系统，其特征在于，所述第一透镜靠 近像方的表面的中心厚度为8.9mm，所述第一透镜靠近物方的表面的中心厚度为3.9mm，所 述第二透镜靠近像方的表面的中心厚度为2mm，所述第二透镜靠近物方的表面的中心厚度 为1.44mm，所述第三透镜靠近像方的表面的中心厚度为4.3mm，所述第三透镜靠近物方的表 面的中心厚度为1.7mm，所述第四透镜靠近像方的表面的中心厚度为1.7_，所述第四透镜 靠近物方的表面的中心厚度为3.9_，所述第五透镜靠近像方的表面的中心厚度为8mm，所 述第五透镜靠近物方的表面的中心厚度为1.8mm，所述第六透镜靠近像方的表面的中心厚 度为1.7mm，所述第六透镜靠近物方的表面的中心厚度为2_。6. 根据权利要求1或2所述的用于头显的中继光学系统，其特征在于，所述第一透镜材 料的d光折射率为1.729，第一透镜材料的d光阿贝常数为54.669，第二透镜材料的d光折射 率为1.922，第二透镜材料的d光阿贝常数为20.882，第三透镜材料的d光折射率为1.755，第 三透镜材料的d光阿贝常数为52.329，第四透镜材料的d光折射率为1.784，第四透镜材料的 d光阿贝常数为25.754,第五透镜材料的d光折射率为1.903,第五透镜材料的d光阿贝常数 为31.318，第六透镜材料的d光折射率为1.664，第六透镜材料的d光阿贝常数为35.475。7. 根据权利要求1或2所述的用于头显的中继光学系统，其特征在于，所述第一透镜的 口径为21.8_X 17.5_，第二透镜的口径为20mmX 15.7mm，第三透镜的口径为18_X 14mm， 第四透镜的口径为18mm X 14mm，第五透镜的口径为18mm X 14mm，第六透镜的口径为18mm X 14mm〇8. 根据权利要求1或2所述的用于头显的中继光学系统，其特征在于，所述第一透镜的 材料为H-LAK52，第二透镜的材料为H-ZF62，第三透镜的材料为H-LAK53A，第四透镜的材料 为ZF13，第五透镜的材料为H-LAF75A，第六透镜的材料为ZBAF4。9. 根据权利要求1或2所述的用于头显的中继光学系统，其特征在于，所述中继光学系 统的总长TTL为=40.4mm。
【文档编号】G02B27/01GK105892056SQ201610303834
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月9日
【发明人】孟冬冬, 熊鹰, 郭清源, 徐佳佳, 吴奇峰, 肖冰
【申请人】中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所